株式會社テラバイト

　　AnyBody　適用例

①　概要

外骨格型ロボットは、人體に裝著される電動アクチュエータの動力を用いた外骨格型の裝置であり、リハビリ、介護、重量物の運搬等の分野で利用されています。
しかし、開発段階においては、幾つかの設(shè)計課題が存在します。

ロボット動作のアクチュエータとして人工筋肉が利用されますが、その設(shè)計においては実際の人間の筋肉と腱の機能、人間動作パターンを把握する必要があります。それに加え、ロボットから人間への影響、必要なパワーの推定、ロボットの軽量化、神経系 - デバイスの情報交換、人間 - デバイスのインターフェースの不快感等という多くの課題が並んでいます。

上述の設(shè)計課題の一部に対してこの適用例では、下肢の関節(jié)の屈曲伸展動作を支援する、外骨格型ロボットをAnyBodyでモデル化することを目的とします。ソフトで提供されているサンプル歩行モデルを用い、その裝置の利用の有無で、下肢の筋肉活動と動員（筋肉の使い方）がどのように変化するかを評価します。

データ：
?　歩行周期=1.2秒
?　被験者の體重=65㎏
?　身長=170㎝
?　重力=9.81m/s2

②　外骨格型ロボットのモデル化

■　床反力

このモデルでは、被験者の歩行動作に応じての床反力がモーションキャプチャーと同時に測定されています。しかし、ロボットを人體モデルに裝著すると、人體-ロボットを含むモデルの重量が増えるので、サンプル歩行モデルの床反力値は妥當(dāng)ではなくなるため、利用できません。
代わりに、"GRFPrediction"というAnyBodyの床反力推定機能を用います。

■　ロボット

ロボットは、7セグメントで単純に定義し、12㎏とした質(zhì)量をそれらのセグメントに分配させます。
また、結(jié)合條件として、人體モデルの腳の外転/外旋の動作を拘束しないようにジョイントを定義しました。

股関節(jié) ：ボールジョイント
膝　　　：回転ジョイント
足首　　：ボールジョイント

ロボットの動作は、解析の入力條件としてインプットする必要があるので、人體モデルの歩行動作に従う動作になるように拘束條件を定義します。

■　ロボットの作動力

ロボットの作動力として、ロボットのジョイントに、作動トルクを付加します。トルクを決定するために、一旦出力を無効にしたロボットを人體モデルに裝著し、逆動力學(xué)解析をおこないます。（図 1）

逆動力學(xué)解析の解析結(jié)果から、ロボットの質(zhì)量を考慮した場合の人體の関節(jié)トルクが得られます。（図 2）

ロボットのジョイントを作動トルクとして、解析した人體の関節(jié)トルクの時刻歴を適用します。（図 3）

②　結(jié)果

右のアニメーションは、トルク仕様のロボットを裝著した場合の歩行結(jié)果となります。

筋肉の活動は、ロボットを利用しない狀態(tài)ではカラーコンターが腓腹筋の所に見えますが、ロボットを利用すると、腓腹筋のコンターはほとんど変化しないため、筋活動が減少したことが分かります。

図4　通常歩行右の図は、健常者において、ロボットを裝著しない通常歩行の場合（図 4）と、ロボットを利用した場合（図 5）の、右腳の全筋の活動量を比較した結(jié)果です。
まず、全體的な筋活動量が減少し、最大値が38％から15％まで下がることが分かります。そして、全體的な筋肉動員パターンが変わり、主要な活動部位は、腓腹筋ではなく、腓骨筋がメインとなっていることが分かります。また、図 5のグラフの2.4～2.6秒での時刻を見ると、ロボットの影響により、ほとんど活動しない筋肉があることがわかります。
図では示していませんが、関節(jié)の反力も低下する結(jié)果を得ています。