比例筋電制御

足首外骨格の筋電制御の図

比例筋電制御は、（他の用途の中でも）ロボット下肢外骨格の駆動に使用できます。比例筋電制御システムは、マイクロコントローラまたはコンピュータを使用して、脚の筋肉に取り付けられたセンサーから筋電図（EMG）信号を入力し、対応する関節アクチュエータをEMG信号に比例して駆動します。

背景

ロボット外骨格は、アクチュエータを使用して健常な四肢の関節の動きを補助または抑制する装具の一種です。これは、欠損した四肢を補う電動義肢とは混同しないでください。ロボット下肢外骨格が達成できる目的は4つあります。[ 1 ]

ロボット下肢外骨格は、フットスイッチ（足の裏に取り付けられた圧力センサー）、歩行位相推定（関節角度を使用して歩行の現在の位相を決定する）、筋電制御（筋電図を使用）など、いくつかの方法で制御できます。[ 1 ] [ 2 ]この記事では、筋電制御に焦点を当てています。

制御方法

皮膚に装着されたセンサーが、装着者の脚の筋肉から筋電図（EMG）信号を検出します。EMG信号は、外骨格の種類と駆動される関節の数に応じて、1つの筋肉から測定することも、複数の筋肉から測定することもできます。測定された各信号は、コントローラ（外骨格に搭載されたオンボードマイクロコントローラまたは近くのコンピュータ）に送信されます。装着者は外骨格を装着したまま様々な場所を歩行する必要があるため、オンボードマイクロコントローラは長期的な補助装置として使用されます。一方、外骨格に搭載されていないコンピュータは、臨床環境や研究環境では装着者がそれほど遠くまで歩く必要がないため、治療や研究目的に使用できます。

コントローラはEMG信号からノイズを除去し、正規化することで、筋肉の活性化パターンをより正確に分析します。筋肉の正規化されたEMG値は、その筋肉の活性化率を表します。これは、EMG信号がその筋肉の最大EMG値で除算されることで正規化されるためです。最大EMG値は、筋肉が完全に収縮したときに生成されます。正規化の代替方法として、アクチュエータの電力をEMG信号に比例させ、最小活性化閾値と上限飽和レベルの間で調整する方法があります。

直接比例筋電制御

比例筋電コントローラでは、アクチュエータに送られる電力は、筋肉からの正規化された EMG 信号の振幅に比例します。[ 3 ]筋肉が活動していないときは、アクチュエータはコントローラから電力を受け取らず、筋肉が完全に収縮すると、アクチュエータは制御する関節の周りに最大トルクを生成します。たとえば、電動短下肢装具 ( AFO ) では、空気圧人工筋肉を使用して、ヒラメ筋(ふくらはぎの筋肉の 1 つ)の活動レベルに比例した底屈トルクを提供できます。この制御方法により、外骨格を着用者の生体筋肉と同じ神経経路で制御できるようになり、フットスイッチを使用するなどの他の制御方法よりも正常な歩行が可能になることが示されています。[ 4 ] ロボット下肢外骨格の比例筋電制御には、次のような他の制御方法に比べて利点があります。

  • その生理学的性質により、外骨格からの機械的補助の規模を効果的に調整することが可能になる[ 5 ]
  • その結果、運動学に基づく制御方法と比較して生物学的筋肉の動員が減少する[ 4 ]
  • これにより、外骨格制御を新しい運動タスクに容易に適応させることができる[ 6 ]

ただし、比例筋電制御には、他の制御方法と比較して次のような欠点もあります。

  • 表面電極インターフェースは、信頼性の高いEMG信号を得るのに困難をきたすことが多い[ 7 ]
  • 適切な閾値とゲインを決定するためにシステムを調整する必要がある[ 8 ]
  • 筋骨格系には、表面筋電図電極では容易にアクセスできない多くの協働筋が存在する[ 9 ]。
  • 神経障害は神経筋制御の低下につながるため、筋電制御を備えた外骨格を使用するのに十分な神経制御ができない人もいる。

屈筋抑制による比例筋電制御

直接比例制御は、空気圧ピストンが膝を曲げるだけなど、外骨格の各関節が一方向に作動する場合（一方向作動）には有効に機能しますが、2 つの関節アクチュエータが反対方向に作動する場合（双方向作動）には効果が低くなります。この例としては、前脛骨筋（すねの筋肉）EMGに基づいて背屈用の空気圧人工筋肉を 1 つ使用し、ヒラメ筋（ふくらはぎの筋肉）EMGに基づいて底屈用の空気圧人工筋肉をもう 1 つ使用する足首外骨格があります。これにより、2 つのアクチュエータの共活性化が大きく発生し、歩行が困難になる可能性があります。[ 10 ]この望ましくない共活性化を修正するには、ヒラメ筋 EMG が設定しきい値を超えると人工背屈筋の活性化を抑制するというルールを制御スキームに追加することができます。屈筋抑制付き比例制御では、直接比例制御よりも自然な歩行が可能になります。屈筋抑制により、各関節に双方向アクチュエータを備えた膝関節と足首の外骨格を組み合わせることで、被験者ははるかに楽に歩行できるようになります。[ 6 ]

アプリケーション

パフォーマンス向上

パフォーマンス向上は、筋力や持久力など、人間の典型的な能力の向上を扱います。現在開発中の多くの全身型ロボット外骨格は、筋電図ではなく、関節のトルクと角度に基づくコントローラを使用しています。パワード・エクソスケルトン を参照してください

長期的な支援

下肢用ロボット外骨格の用途の一つは、障害者の歩行動作を支援することです。脊髄損傷、脚の筋力低下、神経筋制御不全、あるいは脳卒中を患った人は、このようなデバイスを装着することで恩恵を受けることができます。外骨格は、EMGデータから関節の回転方向を示すのと同じ方向に、関節を中心にトルクを発生します。例えば、内側広筋（大腿四頭筋）のEMG信号が高く、大腿二頭筋（ハムストリング筋）のEMG信号が低い場合、ユーザーは脚を伸ばしていると考えられます。そのため、外骨格は膝にトルクを発生し、脚を伸ばすのを補助します。

人間の運動に関する研究

比例筋電制御とロボット外骨格は上肢デバイスに数十年にわたって使用されてきましたが、エンジニアが人間の生体力学と運動の神経制御をより深く理解するために下肢デバイスに使用し始めたのはごく最近のことです。 [ 11 ] [ 12 ]比例筋電コントローラを備えた外骨格を使用することで、科学者は非侵襲的な方法で、筋肉の力（生物学的+/-人工的な力）の修正に関連する神経可塑性、および運動制御のための運動記憶の形成方法を研究することができます。[ 10 ]

リハビリテーション

ロボット下肢外骨格は、脳卒中、脊髄損傷、その他の神経障害などの損傷からの回復を支援する可能性があります。神経運動障害は、しばしば随意筋活動振幅の低下、固有受容感覚障害、および筋協調運動障害を引き起こします。比例筋電制御を備えたロボット外骨格は、筋活動と固有受容感覚フィードバックの関係を増幅することで、これら3つすべてを改善することができます。筋活動の影響を高めることで、外骨格は生理的な方法で感覚フィードバックを改善し、ひいては運動制御を改善することができます[ 1 ]。脊髄損傷または脳卒中を患った人は、集中的な歩行リハビリテーションを通じて運動能力を向上させることができます[ 13 ]。これには、最大3人の理学療法士が個人の体重を部分的に支える必要がある場合があります[ 14 ] 。ロボット下肢外骨格は、これら両方の分野で役立つ可能性があります

生理学的反応

神経筋系は、歩行中に生成しようとする特定の関節トルクを持っています。補助外骨格は、歩行中に1つまたは複数の脚の関節を動かすために必要なトルクの一部を生成します。これにより、健康な人はそれらの関節で生成する筋トルクが少なくなり、代謝エネルギーの消費が少なくなります。筋トルクは、外骨格なしで歩行するときとほぼ同じように、各関節の純トルクが十分に低減されます。[ 15 ]各関節の純トルクは、筋トルクとアクチュエータトルクを加えたものです。障害者は、外骨格を装着して歩行中に筋トルクの減少はほとんど見られないか、まったく見られません。これは、彼らの筋肉が通常の歩行ができるほど強くないか、まったく強くないためです。外骨格は、歩行に必要な残りのトルクを提供します。

例

参照

参考文献

  1. ^ a b c Ferris, DPおよびLewis, CL：「比例筋電制御を用いたロボット下肢エクソスケルトン」、第31回IEEE EMBS年次国際会議、pp 2119–2124、2009年
  2. ^ Jung, J, Jang, I, Riener, R, Park, H：「松葉杖付きロボット外骨格歩行アシスタントを用いた下半身麻痺患者の歩行意図検出アルゴリズム」、 International Journal of Control, Automation, and Systems、10(5)、pp 954–962、2012年
  3. ^ Ferris, DP, Czerniecki, JM, Hannaford, B.：「人工空気圧筋を動力源とする足首・足関節装具」『応用バイオメカニクスジャーナル』21, pp 189–97, 2005
  4. ^ a b Cain, SM, Gordon, KE and Ferris, DP：「電動足首足装具への歩行適応は制御方法に依存する」、Journal of Neuroengineering and Rehabilitation、4、pp 48、2007
  5. ^ Ferris, DP, Sawicki, GS, Daley, MA：「人間の移動のためのロボット外骨格に関する生理学者の視点」、 International Journal of Humanoid Robotics、4、pp 507–28、2007年
  6. ^ a b Sawicki, GSおよびFerris, DP：「筋電図活性化および抑制機能を備えた空気圧駆動型膝・足首・足装具（KAFO）」、Journal of Neuroengineering and Rehabilitation、p.印刷中、2009年
  7. ^ Parker, P, Englehart, K, Hudgins, B: 「電動義肢の制御のための筋電信号処理」, J Electromyogr Kinesiol. , 16(6), pp 541–48, 2006
  8. ^ Gordon, KEとFerris, DP：「ロボット足首外骨格による歩行学習」、 Journal of Biomechanics、40、pp 2636–44、2007年
  9. ^ Kinnaird, CRおよびFerris, DP：「ロボット足首外骨格の内側腓腹筋筋電制御」、 IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng.、17(1)、pp 31–37、2009年
  10. ^ a b Ferris, DP, Gordon, KE, Sawicki, GSおよびPeethambaran, A.：「比例筋電制御を用いた改良型電動足首足装具」、Gait and Posture、23、pp 425–428、2006年
  11. ^スコット, RN：「義肢の筋電制御」、物理医学・リハビリテーションアーカイブ、47、pp 174–81、1966年
  12. ^ Reinkensmeyer, DJ, Emken, JL, Cramer, SC：「ロボット工学、運動学習、神経学的回復」、 Annu Rev Biomed Eng、6、pp 497–525、2004
  13. ^ Dietz, V, Wirz, M, Colombo, G, Curt, A：「下半身麻痺患者の運動能力と脊髄機能の回復：臨床的および電気生理学的評価」 Electroenceph Clin Neurophysiol、109、140～53ページ、1998年
  14. ^ Behrman, ALおよびHarkema SJ：「脊髄損傷後の歩行訓練：一連の症例研究」、 Phys Ther、80、pp 688–700、2000年
  15. ^ Lewis, CLとFerris, DP：「ロボット股関節外骨格を用いた歩行中の不変股関節モーメントパターン」、 Journal of Biomechanics、44、pp 789–93、2011
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