JP2008125520A - 知覚特性測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】人間の上肢姿勢維持における手先力知覚特性が方向性を有するのか否か客観的に観測する知覚特性測定システムを提供する。
【解決手段】知覚特性表示装置に、DSP装置と筋電位信号計測装置が接続する。知覚特性表示装置は、さらに操作者が知覚した手先の力負荷の大きさを入力するインタフェースを備えている。DSP装置で制御されたロボットにより、操作者に対して方向を有する運動負荷を与え、それに対して操作者が知覚した力負荷と、筋電位信号とを知覚特性表示装置において解析し、一定基準によるグラフ表示を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、人間の知覚特性を容易に測定、可視化可能な測定システムに関するものである。

人間は、高度に発達した感覚・知覚機能により得た自己及び外界の情報に基づいて、様々な作業を実現している。特に、ドア開閉など環境からの拘束を伴う作業では、作業対象との相互作用力を受容する力知覚の役割が非常に重要となり、これまでに、人間の力知覚に関する研究が数多くなされている。
力覚提示装置を用いた硬さ提示における視覚情報の寄与と改変効果に関する測定的検討、日本バーチャルリアリティー学会論文誌、Ｖｏｌ．５、Ｎｏ．１、７９５／８０２（２０００） Ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌ ｃｏｎｓｔａｎｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｃｅｉｖｅd ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｏｆ ｍｕｓｃｌｅ ｆｏｒｃｅ、Ｅｘｐ Ｂｒａｉｎ Ｒｅｓ、 １５１、 １９７／２０３ （２００３） 生体関節トルク特性を考慮した下肢操作特性の解析、計測自動制御学会論文集、Ｖｏｌ．４０、Ｎｏ．６、６１２／６１８（２００４） 例えば、指関節、手首関節、肘関節に付着している各筋群に着目して力負荷の主観的等価値を求める測定を行い、筋の大きさが力知覚能力に大きく寄与することを報告している例がある（非特許文献２）。もしそうであるならば、上肢多関節運動において活動する筋群は発揮する手先力の方向に応じて変化することから、人間の手先力知覚特性には方向性が存在するのではないかと考えられる。かかる検証を実施するには、人間の手先力知覚特性を定量的に示す必要がある。

しかしながら、これまで人間の上肢姿勢維持における手先力知覚特性が方向性を有するのか否かを客観的に観測可能な手段がないといった問題があった。

そこで、本発明は、人間の上肢姿勢維持における手先力知覚特性が方向性を有することを解析することを目的として、マグニチュード推定法に基づいて測定を行ない、さらには、肘・肩関節に付着する主な筋群から筋電位信号を計測することで、筋収縮レベルと手先力知覚との関係を容易に検証可能にする計測システムを提供することにある。

そのため、以下の手段を有する知覚特性測定システムを提供することにより、上記課題を解決している。かかる知覚特性測定システムは、
第１に、システムを利用するユーザ１の手先若しくは外部からの動作指示により水平面に可動するハンドル１１３及び当該ハンドルに取り付けられた力覚センサ１１４を有するロボット１１５と、前記ハンドル１１３に、所定の方向性を有する力負荷を与えるように指示し、当該力負荷に対抗する前記ユーザの手先７の耐性動作に起因する前記力覚センサ１１４の値を計測するとともに、前記ハンドル位置を取得するDSP装置１２０と、前記ハンドル位置と、それに加える運動負荷の方向と位置を表示するディスプレイ１３０と、前記DSP装置１２０により与えられた所定の方向性を有する力負荷と、前記耐性動作に起因する前記ユーザの手先力知覚特性の値とを解析する知覚特性表示装置とを備えるようにした。

第２に、前記耐性動作に起因する前記ユーザの筋電位信号を測定する筋電位信号計測装置を備え、前記知覚特性表示装置は、前記DSP装置により与えられた所定の方向性を有する力負荷と、前記筋電位信号とを解析し表示を行うようにした。
第３に、前記知覚特性表示装置は手先力知覚楕円と手先操作力楕円とを合わせて表示するようにした。

本発明による知覚特性測定システムによれば、操作者の手先に任意の運動負荷を任意の方向に加えて操作者に知覚させ、それらの関係を解析することで、人間の手先力知覚特性の方向性を可視化することが可能となる。さらに、肘、肩関節に付着する主な筋群から筋電位信号を計測することで、筋収縮レベルと手先力知覚特性を客観的に観測することが可能となる。

〔システム構成と動作〕
図１と図４は、本発明で使用する知覚特性測定システム１００の概要を示す図である。
知覚特性測定システム１００は、操作者１が操作するロボット１１０と、ＤＳＰ装置１２０と、ディスプレイ１３０と、知覚特性表示装置（図示せず）から構成され、ロボット１１０とディスプレイ１３０はDSP装置１２０に接続されている。また、知覚特性表示装置は、ＤＳＰ装置１２０や他の機器等と接続されているか、他との情報をやり取りできるインタフェースを備えている。

また、ロボット１１０は操作者１により操作され、操作者１には、2関節6筋モデルに対応した筋群の筋電位信号を計測する筋電位信号計測装置（図示せず）が接続されている。手先力知覚に寄与する上肢筋群の役割を解析するためである。筋電位信号計測装置も知覚特性表示装と接続されるか、他との情報をやり取りできるインタフェースを備えている。

ロボット１１０は、テーブル１１５と、1自由度のダイレクトドライブ型リニアモータ１１１、１１２と、ハンドル１１３と6軸力覚センサ１１４（定格：並進200 [N]、回転力18 [Nm]）により構成されている。

テーブル１１５には、第１のダイレクトドライブ型リニアモータ１１１（最大推力：100 [N]）が操作者１と水平方向に、第２の1自由度のダイレクトドライブ型リニアモータ１１２（最大推力：400[N]）が走者と垂直方向に、互いに直交配置されている。水平面上での手先運動を可能にするためである。

テーブル１１５の可動部には、ハンドル１１３と6軸力覚センサ１１４（定格：並進200 [N]、回転力18[Nm]）が取り付けられている。6軸力覚センサ１１４の出力は、DSP装置１２０と、知覚特性表示装置に入力される。

DSP装置１２０は、操作者1がハンドル１１３に加える手先力を計測し、さらにダイレクトドライブ型リニアモータ１１１、１１２に内蔵されたエンコーダ（図示せず）の値から、ハンドル１１３（手先）の位置を求める。

ロボット１１０はDSP装置１２０によりインピーダンス制御されており、操作者１の手先には、設定したロボットインピーダンスに応じた運動負荷＝F（数式１）を、ハンドル１１３を介して、操作者１の手先に任意の方向において与えることができる。当該運動負荷（力負荷）に対抗する操作者１の手先の耐性動作、いわゆるハンドル１を固定しようとする動作に要する力は6軸力覚センサ１１４の出力により得ることができる。

ここで、ロボット１１０の慣性、粘性、剛性行列は数式２により与えられ、X-vは剛性の平衡点、Xは手先位置を示す。

表示用ディスプレイ１３０は、測定中に操作者１の手先に加える運動負荷の方向を矢印１３３で示すとともに、手先位置１３１を表示するようにしている。

知覚特性表示装置（図示せず）には、DSP装置１２０と筋電位信号計測装置（図示せず）が接続され、かつ、知覚特性表示装置は後に説明する操作者が知覚した手先の力負荷の大きさを入力するインタフェースを備えている。従って、知覚特性表示装置は、与えられた、方向と運動負荷に対する、その方向における操作者が知覚した力負荷と筋電位信号との関係を解析し、一定基準によるグラフ表示等が可能である。

〔システムを利用した測定〕
図２は、本システムを利用した測定とその一の結果を示す概念図である。
操作者１は椅子に座ってロボット１１０のハンドル１１３を把持し、手先７と肘６と肩関節５の高さが同一水平面上となるように上肢姿勢を維持させる。このとき、操作者１の肩関節５の位置が変化しないようにベルトで椅子に固定し、肘６は天井から吊るした紐で軽く支持する。

操作者１にディスプレイ１３０に表示する視覚フィードバック情報（手の現在位置１３１、手の目標位置１３２、力負荷方向１３３）を提示することにより、手先７を所定の初期位置X（0）で保持するように指示をする。次に、ロボット１１０に設定した剛性の平衡点XvをX（0）から半径4[cm]の円軌道上に設定した点に移動させ、操作者１の手先に提示する力負荷の大きさと方向をランダムに変化させる。そして、提示負荷に対して操作者１が知覚した大きさをマグニチュード推定法に基づいて、口頭試問形式により回答させる。

回答結果は知覚特性表示装置に入力される。入力インタフェースとしては、キー、音声入力、その他測定環境にふさわしい入力インタフェースとしてもよい。

また、手先力知覚に寄与する上肢筋群の役割を解析するため、2関節6筋モデルに対応した筋群の筋電位信号を計測する。

操作者１の運動能力と知覚特性測定システム１００の性能を考慮して、提示する力負荷の大きさをF- =5、10、15、20、25、30[N]、提示方向を、手先７の右水平方向を基準として反時計回りに、その角度を0、45、90、135、180、225、270、315[deg。]と設定した。なお、標準刺激をF=15[N]、標準刺激方向を角度=180[deg。]とし、その時の感覚の大きさを100とした。

以上の測定方法により、上肢姿勢をθ1=θ-2=60[deg。]として操作者3名による測定を行った。なお、姿勢による知覚特性への影響を解析するため、操作者1名に対してはθ1=30、60、90[deg。]と肩関節角度を変化させ、各姿勢において全8方向への標準刺激に対する筋電位信号を計測した。

〔測定結果による考察〕
提示する力負荷とその方向に対する、操作者１が知覚した大きさ（マグニチュード推定法に基づき回答）と、筋電位信号測定結果を知覚特性表示装置において解析表示した結果の例を図２と図３に示す。

〔知覚値と提示刺激との関係の可視化〕
図２のグラフ（２０１〜２０８）に、θ-1=60[deg。]の上肢姿勢における操作者1名の測定結果を示す。各グラフは提示負荷の方向に対応して配置しており、それぞれ縦軸は操作者が知覚した力負荷の大きさ、横軸は15[N]が100%となるように規格化した提示負荷の大きさである。

結果を考察すると、全方向において、知覚値と提示刺激の対数には比例関係が成立し、ウェーバー・フェヒナーの法則をほぼ満たしていることがわかる。しかしながら、対数曲線の係数には方向によって違いが見られる。同様な傾向は、他の姿勢においても確認できる。

〔手先操作力と手先力知覚及び、そららの関係の可視化〕
次に、全8方向の標準刺激（F=15[N]）に対する知覚値Fp（図２中の黒点）を数式３により最小二乗法でフィッティングして近似楕円を求め、手先力知覚特性の方向性を解析した。

図３は、各上肢姿勢に対する手先力知覚楕円（Hand Force Perception Ellipse: HFPE）３１２、３２２、３３２と、また生体関節トルク特性を考慮した手先操作力楕円（HFPE：非特許文献３を参照）３１１、３２１、３３１とを表す図である。HFPEでは、標準刺激方向（角度=180[deg。]）の半径よりも径が大きい方向には操作者１が標準刺激力（F=15[N]）よりも大きな負荷を知覚し、小さければ小さく知覚していることを表している。一方、HFMEは長軸方向には大きな力を発揮しやすく、短軸方向には大きな力を発揮しにくいことを表している。図３により、HFPEは真円にならず、同じ提示負荷でも手先力をやや大きく知覚する方向と小さく知覚する方向が存在し、HFMEとほぼ直交することがわかる。このことは、人間は大きな手先力を発揮できる方向には負荷を小さく知覚し、逆に大きな手先力を発揮しにくい方向には負荷を大きく知覚する傾向があることを示している。

〔手先力知覚特性と筋の活動レベルとの関係の可視化〕
さらに、提示する力負荷とその方向に対する結果を知覚特性表示装置において解析表示した結果の例を図４に示す。すなわち、図４は、手先力の動力源である筋の活動レベルと手先力知覚特性の関係性を示している。

図４の縦軸は標準刺激に対する知覚値Fp、横軸はそのとき操作者が発揮した筋活動レベルの平均値（6つの筋から計測した筋電位を整流積分後、それぞれの最大随意収縮時の値で正規化して求めた平均値）である。また、図中のrは各姿勢において算出したFpと筋活動レベルの相関係数を示している。各姿勢において0．７以上の相関があり、手先力知覚値が使用する筋の活動レベルに依存してほぼ比例的に変化することがわかる。

本発明による知覚特性測定システムによれば、人間の手先力知覚特性を可視化することができ、さらには肘・肩関節に付着する主な筋群から筋電位信号を計測することで、筋収縮レベルと手先力知覚特性を客観的に観測することが可能となるので、人間の操作を前提としたあらゆる産業機械類の設計等に利用可能である。

知覚特性測定システムの概要図 知覚特性の測定結果を示すグラフ 手先力知覚楕円と手先操作力楕円を示す図 筋の活動レベルと手先力知覚特性の関係を示す図 ロボットのハンドル部を示す図

符号の説明

１ 操作者
１００ 知覚特性測定システム
１１０ ロボット
１１１ 第１のダイレクトドライブ型リニアモータ（水平方向）
１１２ 第２のダイレクトドライブ型リニアモータ（垂直方向）
１１３ ハンドル
１１４ 6軸力覚センサ
１１５ テーブル
１２０ ＤＳＰ装置
１３０ ディスプレイ
１３１ 手の現在位置
１３２ 手の目標位置
１３３ 力負荷方向

Claims (3)

1. システムを利用するユーザ１の手先若しくは外部からの動作指示により水平面に可動するハンドル１１３及び当該ハンドルに取り付けられた力覚センサ１１４を有するロボット１１５と、
   前記ハンドル１１３に、所定の方向性を有する力負荷を与えるように指示し、当該力負荷に対抗する前記ユーザの手先７の耐性動作に起因する前記力覚センサ１１４の値を計測するとともに、前記ハンドル位置を取得するDSP装置１２０と、
   前記ハンドル位置と、それに加える運動負荷の方向と位置を表示するディスプレイ１３０と、
   前記DSP装置１２０により与えられた所定の方向性を有する力負荷と、前記耐性動作に起因する前記ユーザの手先力知覚特性の値とを解析する知覚特性表示装置と
   を備えることを特徴とする知覚特性測定システム１００。
2. 前記耐性動作に起因する前記ユーザの筋電位信号を測定する筋電位信号計測装置を備え、
   前記知覚特性表示装置は、前記DSP装置により与えられた所定の方向性を有する力負荷と、前記筋電位信号とを解析し表示を行うこと
   を
   特徴とする請求項１記載の知覚特性測定システム１００。
3. 前記知覚特性表示装置は手先力知覚楕円と手先操作力楕円とを合わせて表示すること
   を特徴とする徴とする請求項１記載の知覚特性測定システム１００。