JPH1094524A - Method and apparatus for measuring mechanical impedance of musculoskeletal system - Google Patents
Method and apparatus for measuring mechanical impedance of musculoskeletal systemInfo
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- JPH1094524A JPH1094524A JP8253620A JP25362096A JPH1094524A JP H1094524 A JPH1094524 A JP H1094524A JP 8253620 A JP8253620 A JP 8253620A JP 25362096 A JP25362096 A JP 25362096A JP H1094524 A JPH1094524 A JP H1094524A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】運動や作業中の多関節の筋骨格系において、力
学的構造に依存する係数、および筋の力学的状態によっ
て変化する関節周りの粘性・弾性などの機械インピーダ
ンス係数を計測することができる筋骨格系の機械インピ
ーダンス計測方法及び装置を提供する。
【解決手段】摂動手段１が筋骨格系Ｏに摂動を与え、位
置計測手段２にて筋骨格系Ｏの位置を計測し、摂動によ
り与えた外力を外力計測手段３にて計測する。そして、
摂動変化分抽出モジュール４は計測された筋骨格系Ｏの
位置と与えた外力から、摂動により変化した筋骨格系Ｏ
の位置と外力の変化量を抽出し、係数推定モジュール５
は計測した筋骨格系Ｏの位置と与えた外力、及び抽出さ
れた各変化量を基に、筋骨格系らの力学的構造に依存す
る係数および筋の状態に依存する関節粘性・関節弾性係
数を算出する。
(57) [Summary] [Problem] In a multi-joint musculoskeletal system during exercise or work, a coefficient depending on a mechanical structure, and a mechanical impedance coefficient such as viscosity and elasticity around a joint that changes depending on a mechanical state of a muscle. The present invention provides a method and an apparatus for measuring a mechanical impedance of a musculoskeletal system capable of measuring a musculoskeletal system. A perturbation means (1) perturbs a musculoskeletal system (O), a position measurement means (2) measures a position of the musculoskeletal system (O), and an external force given by the perturbation is measured by an external force measurement means (3). And
The perturbation change extraction module 4 extracts the musculoskeletal system O changed by the perturbation from the measured position of the musculoskeletal system O and the applied external force.
Of the position and the amount of change in the external force, the coefficient estimation module 5
Is a coefficient that depends on the mechanical structure of the musculoskeletal system and a joint viscosity / elastic coefficient that depends on the state of the muscle, based on the measured position of the musculoskeletal system O, the applied external force, and the amount of change extracted. Is calculated.
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、スポーツ計測、作
業計測、運動計測などにおいて、運動中あるいは作業
中、人間の腕や足など筋骨格系の関節の粘性・スティフ
ネスなどの機械インピーダンスを定量的に計測する筋骨
格系の機械インピーダンス計測方法及びそれを実施する
ための装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to quantitative measurement of mechanical impedance such as viscosity and stiffness of musculoskeletal joints such as human arms and legs during exercise or work in sports measurement, work measurement, and movement measurement. The present invention relates to a method for measuring the mechanical impedance of a musculoskeletal system which is measured in a short time and a device for implementing the method.
【０００２】[0002]
【従来の技術】環境・作業の変化に応じて人間がどのよ
うに筋骨格系の特性を調節するのかを調査研究すること
は、ロボットの設計や人間と機械とのインターフェース
設計において重要である。従来より、人間の関節ダイナ
ミクスを同定する研究は、肘、親指、足首、および手先
などについて様々な視点から多く行われている。それら
の多くの研究では、姿勢保持中あるいは外力を変化させ
ている間に摂動を与え、２次の線形モデル（あるいはそ
の一部）を利用してそのパラメータを推定する手法を用
いている。2. Description of the Related Art It is important to investigate how humans adjust the characteristics of the musculoskeletal system in response to changes in the environment and work, in designing robots and designing interfaces between humans and machines. 2. Description of the Related Art Conventionally, many studies for identifying human joint dynamics have been performed on elbows, thumbs, ankles, and hands from various viewpoints. Many of these studies use a method of estimating the parameters using a second-order linear model (or a part thereof) by applying a perturbation while maintaining the posture or changing the external force.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】ところで、人間の腕の
作業方向に対する力の発生の効率や、姿勢に応じてどの
程度柔らかさ・堅さを実現できるかを調べる研究では、
腕を対象にして手先位置での慣性・粘性・弾性といった
機械インピーダンスの計測実験を行っている。しかし、
従来の機械インピーダンスの計測方法は、摂動以外の要
因によって手先等の位置・力が計測中変化しないことを
前提としている。By the way, research on the efficiency of the generation of force in the working direction of the human arm and the degree of softness and rigidity that can be achieved depending on the posture have been conducted.
We are conducting experiments on the measurement of mechanical impedance, such as inertia, viscosity, and elasticity, at the hand position for the arm. But,
The conventional method for measuring mechanical impedance is based on the premise that the position and force of the hand and the like do not change during measurement due to factors other than perturbation.
【０００４】よって、姿勢が変化しない状態における機
械インピーダンス係数の推定は可能であるが、運動中な
ど動的姿勢や力の変化がある場合には、それらの手法を
用いて筋骨格系の機械インピーダンス係数である関節の
粘性や弾性を推定することが困難であった。Accordingly, it is possible to estimate the mechanical impedance coefficient in a state where the posture does not change. However, when there is a change in the dynamic posture or force during exercise or the like, the mechanical impedance of the musculoskeletal system can be estimated using these methods. It was difficult to estimate the viscosity and elasticity of the joint, which are the coefficients.
【０００５】例えば、多関節運動中では、加速度に比例
する慣性係数も、姿勢変化に応じて変化するので、各イ
ンピーダンス係数を精度よく計測することが困難であっ
た。また、筋電図計測などで、筋の活動状態を計測する
方法では、力学的な定量化が不可能であった。For example, during a multi-joint exercise, the inertia coefficient proportional to the acceleration also changes according to the posture change, so that it has been difficult to accurately measure each impedance coefficient. In addition, dynamic quantification was not possible with a method of measuring the activity state of a muscle by electromyogram measurement or the like.
【０００６】ここにおいて本発明の解決すべき主要な目
的は、次の通りである。本発明の第１の目的は、運動や
作業中の多関節の筋骨格系において、力学的構造に依存
する係数、および筋の力学的状態によって変化する関節
周りの粘性・弾性などの機械インピーダンス係数を計測
することができる筋骨格系の機械インピーダンス計測方
法及びこれを実施するための装置を提供せんとするもの
である。Here, the main objects to be solved by the present invention are as follows. A first object of the present invention is to provide a multi-joint musculoskeletal system during exercise or work, a coefficient that depends on the mechanical structure, and a mechanical impedance coefficient such as viscosity and elasticity around the joint that changes according to the mechanical state of the muscle. To provide a method for measuring the mechanical impedance of a musculoskeletal system capable of measuring the musculoskeletal system and a device for performing the method.
【０００７】本発明の第２の目的は、スポーツ医学にお
ける筋制御トレーニング装置や四肢運動のリハビリテー
ション装置に利用することができ、力学情報を用いるマ
ンマシンインターフェース装置などに応用することがで
きる筋骨格系の機械インピーダンス計測方法及びこれを
実施するための装置を提供せんとするものである。A second object of the present invention is to provide a musculoskeletal system which can be used for a muscle control training device in sports medicine or a rehabilitation device for limb movement, and which can be applied to a man-machine interface device using mechanical information. And a device for implementing the method.
【０００８】本発明のその他の目的は、明細書、図面、
特に特許請求の範囲の各請求項の記載から自ずと明らか
となろう。Another object of the present invention is to provide a specification, drawings,
In particular, it will be obvious from the description of each claim in the claims.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明は、筋骨格系の機
械インピーダンスを計測するに当たり、摂動手段にて筋
骨格系に摂動を与え、前記筋骨格系の位置および摂動に
より前記筋骨格系に与えた外力を計測し、計測された前
記筋骨格系の位置と前記筋骨格系に与えた外力から、摂
動により変化した前記筋骨格系の位置と外力の変化量を
抽出し、計測した前記筋骨格系の位置および外力と抽出
された各変化量とを基に、筋骨格系の力学的構造に依存
する係数および筋の状態に依存する関節粘性・関節弾性
係数を算出する。よって、運動や作業中の多関節の筋骨
格系において、力学的構造に依存する係数、および筋の
力学的状態によって変化する関節周りの粘性・弾性など
の機械インピーダンス係数を計測することができる。さ
らに具体的詳細に述べると、当該課題の解決では、本発
明が次に列挙するそれぞれの新規な特徴的構成手法また
は手段を採用することにより、前記目的を達成する。According to the present invention, in measuring the mechanical impedance of a musculoskeletal system, the musculoskeletal system is perturbed by a perturbation means, and the musculoskeletal system is given a position and a perturbation by the perturbation means. The applied musculoskeletal system measures the applied external force, and extracts the musculoskeletal system position and the amount of change in the external force that are changed by perturbation from the measured musculoskeletal system position and the external force applied to the musculoskeletal system. Based on the position and external force of the skeletal system and the extracted change amounts, a coefficient that depends on the mechanical structure of the musculoskeletal system and a joint viscosity / elasticity coefficient that depends on the state of the muscle are calculated. Therefore, in a multi-joint musculoskeletal system during exercise or work, it is possible to measure a coefficient that depends on a mechanical structure and a mechanical impedance coefficient such as viscosity and elasticity around the joint that changes depending on the mechanical state of the muscle. More specifically, in solving the problem, the present invention achieves the above object by adopting each of the novel characteristic configuration methods or means described below.
【００１０】すなわち、本発明方法の第１の特徴は、筋
骨格系の機械インピーダンスを計測するに当たり、摂動
手段にて筋骨格系に摂動を与える第１ステップと、前記
筋骨格系の位置および摂動により前記筋骨格系に与えた
外力を計測する第２ステップと、計測された前記筋骨格
系の位置と前記筋骨格系に与えた外力から、摂動により
変化した前記筋骨格系の位置と外力の変化量を抽出する
第３ステップと、前記第２ステップにて計測した前記筋
骨格系の位置および外力と前記第３ステップにて抽出さ
れた各変化量を基に、当該筋骨格系の力学的構造に依存
する係数および筋の状態に依存する関節粘性・関節弾性
係数を算出する第４ステップと、からなる筋骨格系の機
械インピーダンス計測方法の構成採用にある。That is, a first feature of the method of the present invention is that, when measuring the mechanical impedance of the musculoskeletal system, a first step of perturbing the musculoskeletal system with perturbation means, and the position and perturbation of the musculoskeletal system A second step of measuring an external force applied to the musculoskeletal system, and a position and an external force of the musculoskeletal system changed by perturbation from the measured position of the musculoskeletal system and the external force applied to the musculoskeletal system. A third step of extracting the amount of change, and the dynamics of the musculoskeletal system based on the position and external force of the musculoskeletal system measured in the second step and each amount of change extracted in the third step. The fourth aspect of the present invention is to adopt a configuration of a method for measuring a mechanical impedance of a musculoskeletal system, comprising: a fourth step of calculating a joint viscosity and a joint elastic coefficient depending on a structure and a muscle state.
【００１１】本発明方法の第２の特徴は、運動中の腕の
機械インピーダンスを計測するに当たり、被験者の腕の
運動を水平面内に制限し、かつ抗重力のための保持力の
発生を防いで、当該被験者の手先に摂動を与える第１ス
テップと、前記被験者の手先の位置および当該手先に与
えた外力を計測する第２ステップと、計測された前記手
先の位置と当該手先に与えた外力から、摂動により変化
した前記被験者の手先の位置および当該手先に与えた外
力の変化量を抽出する第３ステップと、前記第２ステッ
プにて計測した前記被験者の手先の位置および当該手先
に与えた外力と前記第３ステップにて抽出された各変化
量を基に、被験者の腕の力学的構造に依存する係数およ
び筋の状態に依存する関節粘性・関節弾性係数を算出す
る第４ステップと、からなる筋骨格系の機械インピーダ
ンス計測方法の構成採用にある。A second feature of the method of the present invention is that, when measuring the mechanical impedance of the arm during exercise, the movement of the subject's arm is restricted within a horizontal plane, and the generation of a holding force for anti-gravity is prevented. A first step of perturbing the hand of the subject, a second step of measuring the position of the hand of the subject and the external force applied to the hand, and a step of measuring the position of the hand and the external force applied to the hand. Extracting the position of the subject's hand changed by the perturbation and the amount of change in the external force applied to the hand, and the position of the subject's hand measured in the second step and the external force applied to the hand And a fourth step of calculating a coefficient depending on the mechanical structure of the subject's arm and a joint viscosity / elastic coefficient depending on the state of the muscle based on the respective amounts of change extracted in the third step. The configuration adoption of the mechanical impedance measurement method of the musculoskeletal system consisting of a.
【００１２】本発明方法の第３の特徴は、前記本発明方
法の第２の特徴における前記第１ステップが、その前段
に、被験者の手先を所定の位置Ｓに置き、合図とともに
腕を動かして所定の位置Ｅで止める試行を繰り返し行
い、当該被験者による動作を一様にする前作業を有して
なる筋骨格系の機械インピーダンス計測方法の構成採用
にある。According to a third feature of the method of the present invention, the first step in the second feature of the method of the present invention is such that, before the first step, the hand of the subject is placed at a predetermined position S, and the arm is moved with a signal. An attempt is made to adopt a configuration of a musculoskeletal system mechanical impedance measurement method having a pre-work to make the subject's movement uniform by repeatedly performing a trial of stopping at a predetermined position E.
【００１３】本発明方法の第４の特徴は、前記本発明方
法の第２又は第３の特徴における前記第２ステップの手
先の位置計測及び外力計測が、予め求めた肩の位置と前
腕・上腕の長さを使って座標変換して当該腕の関節角度
及び関節トルクに換算することにより行ってなる筋骨格
系の機械インピーダンス計測方法の構成採用にある。A fourth feature of the method of the present invention is that, in the second or third feature of the method of the present invention, the hand position measurement and the external force measurement in the second step are based on the shoulder position and forearm / upper arm determined in advance. Of the musculoskeletal system mechanical impedance measurement method, which is performed by performing coordinate conversion using the length of the arm and converting it into a joint angle and a joint torque of the arm.
【００１４】本発明方法の第５の特徴は、前記本発明方
法の第２、第３又は第４の特徴における前記第３ステッ
プの変化量の抽出が、各試行において計測された肩・肘
関節の外力ベクトル、関節角ベクトル、その角速度ベク
トル、角加速度ベクトルから摂動によるそれぞれの変化
分を取り出してなる筋骨格系の機械インピーダンス計測
方法の構成採用にある。According to a fifth feature of the method of the present invention, the extraction of the amount of change in the third step in the second, third or fourth feature of the method of the present invention is performed by measuring the shoulder / elbow joint measured in each trial. The present invention employs a configuration of a musculoskeletal mechanical impedance measuring method in which respective changes due to perturbation are extracted from the external force vector, the joint angle vector, the angular velocity vector, and the angular acceleration vector.
【００１５】本発明方法の第６の特徴は、前記本発明方
法の第５の特徴における前記第３ステップの変化量の抽
出が、前記各試行ごとのばらつきを除去するため、摂動
毎にデータをアンサンブル平均してなる筋骨格系の機械
インピーダンス測定方法の構成採用にある。A sixth feature of the method of the present invention is that, in the fifth feature of the method of the present invention, the extraction of the amount of change in the third step removes a variation for each trial, so that data is extracted for each perturbation. The present invention resides in adopting a configuration of a method for measuring mechanical impedance of a musculoskeletal system obtained by ensemble averaging.
【００１６】本発明方法の第７の特徴は、前記本発明方
法の第２、第３、第４、第５又は第６の特徴における前
記第４ステップの関節粘性・関節弾性係数の算出が、水
平面内で動作する２関節の腕の機械インピーダンス係数
であるスティフネス行列と粘性行列を腕の力学構造モデ
ルを用いて成立した関係式を変形して実行してなる筋骨
格系の機械インピーダンス計測方法の構成採用にある。According to a seventh feature of the method of the present invention, the calculation of the joint viscosity / elastic coefficient of joint in the fourth step in the second, third, fourth, fifth or sixth feature of the method of the present invention is as follows. A method for measuring the mechanical impedance of a musculoskeletal system, in which a stiffness matrix and a viscous matrix, which are mechanical impedance coefficients of a two-joint arm operating in a horizontal plane, are executed by deforming a relational expression established using a mechanical structure model of the arm In the configuration adoption.
【００１７】本発明方法の第８の特徴は、前記本発明方
法の第２、第３、第４、第５、第６又は第７の特徴にお
ける前記摂動手段が、ベースプレート平面上に設けら
れ、かつ平行四辺形状に連結構成された４つのリンク
と、根元固定回転側の２つの前記リンクの固結部を駆動
するトルクモータと、先端可動自由側の２つの前記リン
クの枢結部に設けられ、かつ前記ベースプレート平面上
の移動を非接触とし、鉛直方向の力とモーメント力を支
持するグリッパと、からなる筋骨格系の機械インピーダ
ンス計測方法の構成採用にある。An eighth feature of the method of the present invention is that the perturbation means in the second, third, fourth, fifth, sixth or seventh feature of the method of the present invention is provided on a base plate plane, And four links connected in a parallelogram shape, a torque motor for driving a fixed portion of the two links on the root fixed rotation side, and a pivot portion of the two links on the free end movable side. In addition, a configuration of a method for measuring a mechanical impedance of a musculoskeletal system comprising a gripper for supporting a vertical force and a moment force without contacting the movement on the base plate plane, is provided.
【００１８】本発明方法の第９の特徴は、前記本発明方
法の第４、第５、第６、第７又は第８の特徴における前
記第２ステップでの手先の位置計測が、前記トルクモー
タに位置センサを取付け、当該位置センサにて検出され
るモータ回転角を座標変換した計測値を利用してなる筋
骨格系の機械インピーダンス計測方法の構成採用にあ
る。According to a ninth feature of the method of the present invention, the position measurement of the hand in the second step in the fourth, fifth, sixth, seventh or eighth feature of the method of the present invention is performed by using the torque motor. And a method for measuring a mechanical impedance of a musculoskeletal system using a measurement value obtained by converting a coordinate of a motor rotation angle detected by the position sensor.
【００１９】本発明方法の第１０の特徴は、前記本発明
方法の第４、第５、第６、第７、第８又は第９の特徴に
おける前記第２ステップでの手先に加わった外力計測
が、前記リンクの先端側で前記グリッパと共に回転する
位置に力センサを取付け、当該力センサにて外力の大き
さを検出するとともに、当該グリッパの回転角をエンコ
ーダにて検出することにより作業座標系における力の方
向を検知してなる筋骨格系の機械インピーダンス計測方
法の構成採用にある。A tenth feature of the method of the present invention is the measurement of an external force applied to the hand in the second step in the fourth, fifth, sixth, seventh, eighth or ninth feature of the method of the present invention. However, a force sensor is mounted at a position on the distal end side of the link that rotates together with the gripper, and the magnitude of the external force is detected by the force sensor, and the rotation angle of the gripper is detected by an encoder, whereby the working coordinate system is In the method of measuring the mechanical impedance of the musculoskeletal system by detecting the direction of the force in.
【００２０】本発明方法の第１１の特徴は、前記本発明
方法の第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第
８、第９又は第１０の特徴における前記第１ステップの
摂動が、ランダムな順序で与えられる微小摂動である筋
骨格系の機械インピーダンス計測方法の構成採用にあ
る。An eleventh feature of the method of the present invention is the first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh, eighth, ninth or tenth feature of the method of the present invention. The first step is to adopt a configuration of a method for measuring a mechanical impedance of a musculoskeletal system in which the perturbation is a minute perturbation given in a random order.
【００２１】本発明方法の第１２の特徴は、前記本発明
方法の第１又は第２の特徴における前記第３ステップと
前記第４ステップが、コンピュータにて実現してなる筋
骨格系の機械インピーダンス計測方法の構成採用にあ
る。A twelfth feature of the method of the present invention is that the third step and the fourth step in the first or second feature of the method of the present invention are realized by a computer. It consists in adopting the configuration of the measurement method.
【００２２】本発明方法の第１３の特徴は、前記本発明
方法の第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第
８、第９、第１０、第１１又は第１２の特徴における前
記筋骨格系の機械インピーダンス計測が、当該筋骨格系
のトレーニング又はリハビリテーションの効果確認に用
いてなる筋骨格系の機械インピーダンス計測方法の構成
採用にある。A thirteenth feature of the method of the present invention is that the method of the present invention is the first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh, eighth, ninth, tenth, and eleventh. Alternatively, the measurement of the mechanical impedance of the musculoskeletal system in the twelfth aspect is in adopting a configuration of a method for measuring the mechanical impedance of the musculoskeletal system used for confirming the effect of training or rehabilitation of the musculoskeletal system.
【００２３】本発明装置の第１の特徴は、筋骨格系に摂
動を与える摂動手段と、前記筋骨格系の位置を計測する
位置計測手段と、摂動により前記筋骨格系に与えた外力
を計測する外力計測手段と、計測された前記筋骨格系の
位置と前記筋骨格系に与えた外力から、摂動により変化
した前記筋骨格系の位置の変化量と外力の変化量を抽出
する摂動変化分抽出モジュールと、前記位置計測手段に
て計測した前記筋骨格系の位置、前記外力計測手段にて
計測した前記筋骨格系に与えた外力、及び前記摂動変化
分抽出モジュールにて抽出された各変化量を基に、前記
筋骨格系の力学的構造に依存する係数および筋の状態に
依存する関節粘性・関節弾性係数を算出する係数推定モ
ジュールと、からなる筋骨格系の機械インピーダンス計
測装置の構成採用にある。The first feature of the device of the present invention is that perturbation means for perturbing the musculoskeletal system, position measuring means for measuring the position of the musculoskeletal system, and measuring the external force applied to the musculoskeletal system by the perturbation And a perturbation change that extracts a change in the position of the musculoskeletal system and a change in the external force that are changed by perturbation from the measured position of the musculoskeletal system and the external force applied to the musculoskeletal system. An extraction module, a position of the musculoskeletal system measured by the position measurement unit, an external force applied to the musculoskeletal system measured by the external force measurement unit, and each change extracted by the perturbation change extraction module A coefficient estimating module for calculating a coefficient depending on the mechanical structure of the musculoskeletal system and a joint viscosity / elastic coefficient depending on the state of the muscle based on the amount, and a mechanical impedance measuring apparatus for the musculoskeletal system comprising: Recruit A.
【００２４】本発明装置の第２の特徴は、被験者の腕の
運動を水平面内に制限し、かつ抗重力のための保持力の
発生を防いで、当該被験者の手先に摂動を与える摂動手
段と、前記被験者の手先の位置を計測する位置計測手段
と、前記被験者の手先に与えた外力を計測する外力計測
手段と、計測された前記手先の位置と当該手先に与えた
外力から、摂動により変化した前記被験者の手先の位置
および当該手先に与えた外力の変化量を抽出する摂動変
化分抽出モジュールと、前記位置計測手段にて計測した
前記被験者の手先の位置、前記外力計測手段にて計測し
た前記被験者の手先に与えた外力、及び前記摂動変化分
抽出モジュールにて抽出された各変化量を基に、前記被
験者の腕の力学的構造に依存する係数および筋の状態に
依存する関節粘性・関節弾性係数を算出する係数推定モ
ジュールと、からなる筋骨格系の機械インピーダンス計
測装置の構成採用にある。A second feature of the device of the present invention is that the movement of the subject's arm is restricted within a horizontal plane, and the generation of a holding force for anti-gravity is prevented, so that perturbation means for perturbing the hand of the subject is provided. A position measuring means for measuring the position of the hand of the subject; an external force measuring means for measuring the external force applied to the hand of the subject; and a change caused by perturbation from the measured position of the hand and the external force applied to the hand. A perturbation change extraction module that extracts the position of the hand of the subject and the amount of change in the external force applied to the hand, and the position of the hand of the subject measured by the position measurement unit, which is measured by the external force measurement unit Based on the external force applied to the subject's hand, and the amount of change extracted by the perturbation change extraction module, a coefficient depending on the mechanical structure of the arm of the subject and a joint viscosity depending on the state of muscles. A coefficient estimation module which calculates the joint elastic modulus, in the configuration adopted musculoskeletal mechanical impedance measuring apparatus comprising a.
【００２５】本発明装置の第３の特徴は、前記本発明装
置の第２の特徴における前記摂動手段が、ベースプレー
ト平面上に設けられ、かつ平行四辺形状に連結構成され
た４つのリンクと、根元固定回転側の２つの前記リンク
の固結部を駆動するトルクモータと、先端可動自由側の
２つの前記リンクの枢結部に設けられ、かつ前記ベース
プレート平面上の移動を非接触とし、鉛直方向の力とモ
ーメント力を支持するグリッパと、からなる筋骨格系の
機械インピーダンス計測装置の構成採用にある。A third feature of the device of the present invention resides in that the perturbation means in the second feature of the device of the present invention is provided on a base plate plane and has four links connected and formed in a parallelogram shape; A torque motor for driving a fixed portion of the two links on the fixed rotation side, and a torque motor provided at a pivot portion of the two links on the free end movable side; And a musculoskeletal system mechanical impedance measuring device comprising a gripper for supporting the force and the moment force.
【００２６】本発明装置の第４の特徴は、前記本発明装
置の第３の特徴における前記位置計測手段が、前記トル
クモータに取付けられ、当該トルクモータの回転角を検
出し、当該検出値を座標変換して出力する位置センサか
らなる筋骨格系の機械インピーダンス計測装置の構成採
用にある。A fourth feature of the device of the present invention is that the position measuring means in the third feature of the device of the present invention is attached to the torque motor, detects a rotation angle of the torque motor, and outputs the detected value. An object of the present invention is to adopt a configuration of a musculoskeletal mechanical impedance measuring device including a position sensor that outputs coordinates after conversion.
【００２７】本発明装置の第５の特徴は、前記本発明装
置の第３又は第４の特徴における前記外力計測手段が、
前記グリッパと共に回転する位置に取付けられ、かつ外
力の大きさを検出する力センサと、前記グリッパの回転
角を検出して作業座標系における力の方向を検知するエ
ンコーダと、からなる筋骨格系の機械インピーダンス計
測装置の構成採用にある。A fifth feature of the device of the present invention is that the external force measuring means in the third or fourth feature of the device of the present invention is:
A musculoskeletal system comprising a force sensor attached to a position that rotates with the gripper, and detecting the magnitude of an external force, and an encoder that detects the angle of rotation of the gripper to detect the direction of the force in the working coordinate system. The configuration of the mechanical impedance measurement device is adopted.
【００２８】本発明装置の第６の特徴は、前記本発明装
置の第１、第２、第３、第４又は第５の特徴における前
記摂動変化分抽出モジュールと係数推定モジュールが、
コンピュータにて実現されてなる筋骨格系の機械インピ
ーダンス計測装置の構成採用にある。A sixth feature of the device of the present invention is that the perturbation change extracting module and the coefficient estimating module in the first, second, third, fourth or fifth feature of the device of the present invention are as follows:
A musculoskeletal mechanical impedance measuring device realized by a computer is employed.
【００２９】本発明装置の第７の特徴は、前記本発明装
置の第１、第２、第３、第４、第５又は第６の特徴にお
ける前記筋骨格系の機械インピーダンス計測装置が、当
該筋骨格系のトレーニング又はリハビリテーションの効
果確認に用いる筋制御トレーニング装置又は四肢運動の
リハビリテーション装置の内部に組み込まれてなる筋骨
格系の機械インピーダンス計測装置の構成採用にある。A seventh feature of the device of the present invention is that the device for measuring mechanical impedance of the musculoskeletal system according to the first, second, third, fourth, fifth or sixth feature of the device of the present invention is characterized in that A musculoskeletal system mechanical impedance measuring device incorporated in a musculoskeletal system training device or a limb movement rehabilitation device for use in checking the effects of musculoskeletal training or rehabilitation.
【００３０】[0030]
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明の実施の形態を、その装置例及び方法例に基づいて説
明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings based on an example of an apparatus and an example of a method.
【００３１】（装置例）図１は本発明に係る装置例の筋
骨格系の機械インピーダンス計測装置αの構成を示す。
同図に示す通り、本装置例の筋骨格系の機械インピーダ
ンス計測装置αは、摂動手段１、位置計測手段２、外力
計測手段３、摂動変化分抽出モジュール４、及び係数推
定モジュール５からなる。(Example of Apparatus) FIG. 1 shows a configuration of a musculoskeletal mechanical impedance measuring apparatus α of an example of an apparatus according to the present invention.
As shown in the figure, the musculoskeletal mechanical impedance measuring device α of the present device example includes a perturbation unit 1, a position measurement unit 2, an external force measurement unit 3, a perturbation change extraction module 4, and a coefficient estimation module 5.
【００３２】摂動手段１は、ランダムな順序で被験者Ｐ
の筋骨格系Ｏに微小摂動を与える。摂動手段１として
は、例えば、図２に示すマニピュランダムＰＦＭ１０を
使用する。マニピュランダムＰＦＭ１０は、従来のマニ
ピュランダムに見られた問題、すなわち（１）剛性、
（２）動作速度、（３）ダイナミックス補償、（４）腕
支持方法を解決し、さらに広範囲の環境ダイナミクスを
実現できるように開発されたものである。The perturbation means 1 includes the subject P in a random order.
A small perturbation to the musculoskeletal system O. As the perturbation means 1, for example, a manipuland PFM 10 shown in FIG. 2 is used. The manipulundum PFM10 has the problems seen in the conventional manipuland, namely, (1) rigidity,
It has been developed to solve (2) the operating speed, (3) the dynamics compensation, and (4) the arm support method, and to realize a wider range of environmental dynamics.
【００３３】マニピュランダムＰＦＭ１０は、テーブル
（ベースプレート）１１の平面上に設けられ、かつ平面
パンタグラフ様の平行四辺形状に固結１２ａ′、枢結部
１２ｂ′、１２ｃ′、１２ｄ′にて連結構成された４つ
のリンク１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと、テーブル
１１の下に配置され、かつ根元固定回転側の２つのリン
ク１２ａ、１２ｂ固結部１２ａ′を駆動するトルクモー
タ１３と、先端可動自由側の２つのリンク１２ｃ、１２
ｄの枢結部１２ｄ′の前腕支持用プレート１８上に設け
られ、かつテーブル１１平面上の移動を非接触とし、鉛
直方向の力とモーメント力を支持するグリッパ１４とか
らなる。The manipulundum PFM 10 is provided on a plane of a table (base plate) 11 and is connected to a plane pantograph-like parallelogram by solidification 12a 'and connecting parts 12b', 12c 'and 12d'. Four links 12a, 12b, 12c and 12d, a torque motor 13 disposed below the table 11 and driving the two fixed links 12a and 12b on the base fixed rotation side, and a free end movable side. Two links 12c, 12
The gripper 14 is provided on the forearm support plate 18 of the pivotal connection portion 12d 'of d. The gripper 14 supports the vertical force and the moment force while making the movement on the table 11 non-contact.
【００３４】位置計測手段２は、被験者Ｐの筋骨格系Ｏ
の位置（例えば、腕であれば、上腕と前腕の位置等）を
計測する。位置計測手段２としては、図２に示すマニピ
ュランダムＰＦＭ１０のトルクモータ１３に取付けた位
置センサ（図を省略した）にて構成する。位置センサ
は、検出されたモータ回転角を座標変換して位置計測値
を出力する。なお、腕の関節角度、および手先に加わっ
た力を関節トルクに換算した値は、予め求めた肩の位置
と前腕・上腕の長さを使って座標変換をすることにより
求められる。The position measuring means 2 is provided for the musculoskeletal system O of the subject P.
(For example, in the case of an arm, the positions of the upper arm and the forearm) are measured. The position measuring means 2 is constituted by a position sensor (not shown) attached to the torque motor 13 of the manipulator random PFM 10 shown in FIG. The position sensor converts the detected motor rotation angle into coordinates and outputs a position measurement value. The value obtained by converting the joint angle of the arm and the force applied to the hand into a joint torque is obtained by performing coordinate conversion using the position of the shoulder and the length of the forearm / upper arm obtained in advance.
【００３５】外力計測手段３は、被験者Ｐの筋骨格系Ｏ
に与えられた外力を計測する。外力計測手段３として
は、図２に示すマニピュランダムＰＦＭ１０のグリッパ
１４と共に回転する位置に取付けた力センサ（図を省略
した）と、グリッパ１４の回転角を検出するエンコーダ
とにて構成する。力センサは、外力の大きさを示す信号
を出力し、エンコーダはグリッパ１４の回転角から作業
座標系における力の方向を示す検知信号を出力する。The external force measuring means 3 is provided for the musculoskeletal system O of the subject P.
Measure the external force applied to The external force measuring means 3 includes a force sensor (not shown) mounted at a position that rotates together with the gripper 14 of the manipulator random PFM 10 shown in FIG. 2, and an encoder that detects the rotation angle of the gripper 14. The force sensor outputs a signal indicating the magnitude of the external force, and the encoder outputs a detection signal indicating the direction of the force in the working coordinate system from the rotation angle of the gripper 14.
【００３６】摂動変化分抽出モジュール４は、摂動によ
り変化した被験者Ｐの筋骨格系Ｏの位置や外力の成分だ
けを抽出する。係数推定モジュール５は、位置計測手段
２、外力計測手段３及び摂動変化分抽出モジュール４か
らの出力信号を用いて筋骨格系の機械インピーダンスを
算出する。なお、摂動変化分抽出モジュール４及び係数
推定モジュール５は、コンピュータ２０にて実現する。The perturbation change extraction module 4 extracts only the position of the musculoskeletal system O of the subject P and the components of the external force that have changed due to the perturbation. The coefficient estimating module 5 calculates mechanical impedance of the musculoskeletal system using output signals from the position measuring means 2, the external force measuring means 3, and the perturbation change extracting module 4. Note that the perturbation change extraction module 4 and the coefficient estimation module 5 are realized by the computer 20.
【００３７】（方法例）次に、前記装置例の筋骨格系の
機械インピーダンス計測装置αを使用した計測方法の方
法例について説明する。本方法例では、運動中の被験者
Ｐの腕の機械インピーダンスを計測することとする。(Example of Method) Next, an example of a measuring method using the musculoskeletal mechanical impedance measuring apparatus α of the above-mentioned example of the apparatus will be described. In this method example, the mechanical impedance of the arm of the subject P during exercise is measured.
【００３８】先ず、被験者Ｐは、マニピュランダムＰＦ
Ｍ１０のテーブル１１の前に置かれた椅子１５に座り、
肩をストラップ１６にて椅子１５の背に固定するととも
に、右前腕を各被験者Ｐに合せて形成した熱可塑性プラ
スチック１７にて覆い、前腕支持用プレート１８に固定
する。このとき、被験者Ｐはグリッパ１４を握る。First, the subject P is a manipuland PF
Sit on a chair 15 placed in front of the table 11 of M10,
The shoulder is fixed to the back of the chair 15 with the strap 16, and the right forearm is covered with a thermoplastic 17 formed for each subject P and fixed to the forearm support plate 18. At this time, the subject P holds the gripper 14.
【００３９】続いて、被験者Ｐは、図２に示すように、
手先を位置Ｓに置き、ブザーの合図とともに腕を動か
し、位置Ｅで止める試行を繰り返し行う。被験者Ｐによ
る毎回の動作が一様になった後、マニピュランダムＰＦ
Ｍ１０のトルクモータ１４は試行の特定の時点で、様々
な方向に微小摂動を加える（ステップＳ１）。かかる摂
動を加えた試行は必要回数繰り返し行われる。このと
き、位置計測手段２は被験者Ｐの手先の位置等を計測
し、外力計測手段３は被験者Ｐの手先に与えられた外力
を計測する（ステップＳ２）。Subsequently, the subject P, as shown in FIG.
The hand is placed at the position S, the arm is moved with the signal of the buzzer, and an attempt to stop at the position E is repeated. After the movement of each time by the subject P becomes uniform, the manipuland PF
The M10 torque motor 14 applies small perturbations in various directions at specific points in the trial (step S1). The trial with the perturbation is repeated as many times as necessary. At this time, the position measuring means 2 measures the position of the hand of the subject P, and the external force measuring means 3 measures the external force applied to the hand of the subject P (step S2).
【００４０】次に、摂動変化分抽出モジュール４が計測
された手先の位置と当該手先に与えた外力から、摂動に
より変化した被験者Ｐの手先の位置および当該手先に与
えた外力の変化量を抽出する（ステップＳ３）。そし
て、係数推定モジュール５が被験者Ｐの手先の位置およ
び当該手先に与えた外力と抽出された変化量とを基に、
被験者Ｐの腕の力学的構造に依存する係数および筋の状
態に依存する関節粘性・関節弾性係数を算出する（ステ
ップＳ４）。Next, the perturbation change extraction module 4 extracts the position of the hand of the subject P and the amount of change in the external force applied to the hand, which are changed by the perturbation, from the measured position of the hand and the external force applied to the hand. (Step S3). Then, based on the position of the hand of the subject P, the external force applied to the hand, and the extracted change amount, the coefficient estimation module 5
A coefficient that depends on the mechanical structure of the arm of the subject P and a joint viscosity / elastic coefficient that depends on the state of the muscle are calculated (step S4).
【００４１】具体的には、以下に示すように、水平面内
を運動する腕の機械インピーダンスを計測する。Specifically, the mechanical impedance of the arm moving in the horizontal plane is measured as described below.
【外１】 [Outside 1]
【００４２】[0042]
【外２】 [Outside 2]
【数１】 (Equation 1)
【００４３】[0043]
【外３】 [Outside 3]
【数２】 (Equation 2)
【００４４】さらに、試行ごとのばらつきを除去するた
め、摂動毎にデータをアンサンブルル平均する。以上の
手順により関節角度ベクトルの摂動による変化成分のデ
ータが得られる。Further, in order to eliminate variations between trials, the data is ensemble averaged for each perturbation. By the above procedure, data of the change component due to the perturbation of the joint angle vector is obtained.
【外４】 [Outside 4]
【００４５】図３の(a) と(b) は抽出された肩と肘関節
の角度の摂動による変化成分の一例、(c) と(d) は肩と
肘関節の角速度の摂動による変化成分の一例、図４の
(e) と(f) は抽出された肩と肘関節の角加速度の摂動に
よる変化成分の一例、(g) と(h) は抽出された肩と肘関
節の外力トルクの摂動による変化成分の一例である。本
例では、摂動は８つの別々のパターンで運動後半に与え
られ、各摂動パターンに対する応答がそれぞれのグラフ
に重ね書きされている。FIGS. 3 (a) and 3 (b) show examples of the change component due to the extracted perturbation of the angle between the shoulder and the elbow joint, and FIGS. 3 (c) and 3 (d) show the change component due to the perturbation of the angular velocity of the shoulder and the elbow joint. An example of FIG.
(e) and (f) are examples of the change component due to the perturbation of the extracted angular acceleration of the shoulder and elbow joints, and (g) and (h) are the change components of the extracted external force torque of the shoulder and elbow joint. This is an example. In this example, the perturbations are given in the latter half of the exercise in eight separate patterns, and the response to each perturbation pattern is overwritten on each graph.
【００４６】係数推定モジュール５では、以下のように
（４）の関係式を変形して係数を算出する。水平面内で
動作する２関節の腕の機械インピーダンス係数であるス
ティフネス行列Ｒと粘性行列Ｄは、腕の力学構造モデル
を用いると、次式の関係が成立する。The coefficient estimating module 5 calculates the coefficient by modifying the relational expression (4) as follows. The stiffness matrix R and the viscous matrix D, which are the mechanical impedance coefficients of the two joint arms operating in the horizontal plane, have the following relationship when a dynamic structure model of the arm is used.
【００４７】[0047]
【数３】 (Equation 3)
【００４８】ここで、Ｉは慣性行列、Ｈは遠心力・コリ
オリ力などの非線形干渉力ベクトルである。Here, I is an inertia matrix, and H is a nonlinear interference force vector such as centrifugal force and Coriolis force.
【外５】 [Outside 5]
【００４９】[0049]
【数４】 (Equation 4)
【００５０】Ｄ11、Ｒ11は肩関節の要素、Ｄ22、Ｒ22は
肘関節の要素、Ｄ12、Ｄ21、Ｒ12、Ｒ21は２関節に連動
した要素である。D 11 and R 11 are elements of the shoulder joint, D 22 and R 22 are elements of the elbow joint, and D 12 , D 21 , R 12 and R 21 are elements interlocked with the two joints.
【００５１】さて次に、式（４）を次式のように変形す
る。Next, the equation (4) is transformed into the following equation.
【数５】 (Equation 5)
【００５２】[0052]
【外６】 [Outside 6]
【数６】 (Equation 6)
【００５３】式（６）中のＮは、式（５）に含まれる腕
の構造と筋の状態に依存した係数ベクトルであり、次式
で表される。N in the equation (6) is a coefficient vector depending on the arm structure and the state of the muscle included in the equation (5), and is expressed by the following equation.
【数７】 (Equation 7)
【００５４】[0054]
【外７】 [Outside 7]
【数８】 (Equation 8)
【００５５】[0055]
【外８】 ここで、上記（８）中の腕の力学構造に依存した係数Ｚ
i は、式（９）に示される通り、腕の位置・速度・加速
度や筋の状態に依存しないため、各被験者ごとに一定と
みなせる。[Outside 8] Here, the coefficient Z depending on the mechanical structure of the arm in the above (8)
Since i does not depend on the position, speed, acceleration of the arm or the state of the muscle as shown in the equation (9), i can be regarded as constant for each subject.
【外９】 [Outside 9]
【００５６】図５は、以上に説明した方法で推定され
た、図２のＳ−＞Ｅへの運動中における９つの時点での
腕の関節スティフネス係数Ｒ11、Ｒ12、Ｒ21、Ｒ22であ
る。なお、図５中太線で示した区間が運動をしている時
間である。図５の１［ｓ］が運動開始時点で、２［ｓ］
が運動終了時点である。摂動は、１回の試行において、
９つの時点の内のランダムな１時点に、８つのパターン
の１つのパターンをランダムな順序で与えた。FIG. 5 shows the joint stiffness coefficients R 11 , R 12 , R 21 , R 22 of the arm at nine time points during the exercise from S to E in FIG. 2, estimated by the method described above. It is. In addition, the section shown by the thick line in FIG. 1 [s] in FIG.
Is the end of exercise. The perturbation, in one trial,
At random one of the nine time points, one of the eight patterns was given in random order.
【００５７】１つの時点における摂動パターンを全て使
い、その時点でのスティフネスを上記手法で推定した。
この例ではｔest ＝０．２８［ｓ］とした。図５に示さ
れるように、運動開始から全てのスティフネス係数は上
昇し、運動中間で下がり、また上昇している。特に肩関
節スティフネス（Ｒ11）は、肘・２関節スティフネスと
比べて大きく上昇している。また、運動終了とともにス
ティフネスは下がる傾向にある。Using all the perturbation patterns at one time point, the stiffness at that time point was estimated by the above method.
In this example, est = 0.28 [s]. As shown in FIG. 5, all the stiffness coefficients increase from the start of the exercise, decrease during the exercise, and increase. In particular, the shoulder joint stiffness (R 11 ) is greatly increased as compared with the elbow / two joint stiffness. Also, the stiffness tends to decrease as the exercise ends.
【００５８】図６に各計測時点における関節スティフネ
スから求められた手先スティフネス楕円体３０を示す。
なお、図６中の太い線は運動開始時の腕３１の姿勢と、
運動終了時の腕３１の姿勢を表し、矢印は運動の方向を
示す。手先スティフネス楕円体３０は、関節スティフネ
ス行列から座標変換により手先スティフネス行列に変換
された後、単位変位を全方向に掛けることにより求めら
れ、手先における反力の大きさと方向を示す。運動の開
始と共に手先スティフネス楕円体３０は大きくなり、運
動の終了とともに手先スティフネス楕円３０が小さくな
っており、運動中手先スティフネスがどのように変化す
るかを知ることができる。FIG. 6 shows the hand stiffness ellipsoid 30 obtained from the joint stiffness at each measurement time point.
The thick line in FIG. 6 indicates the posture of the arm 31 at the start of the exercise,
The posture of the arm 31 at the end of the exercise is shown, and the arrow indicates the direction of the exercise. The hand stiffness ellipsoid 30 is obtained by converting the joint stiffness matrix into a hand stiffness matrix by coordinate conversion, and then multiplying the displacement in all directions, and indicates the magnitude and direction of the reaction force at the hand. The hand stiffness ellipsoid 30 increases with the start of the exercise, and the hand stiffness ellipse 30 decreases with the end of the exercise, so that it is possible to know how the hand stiffness changes during the exercise.
【００５９】以上説明したように本発明の装置例及び方
法例によれば、力学的構造に依存する係数を求めること
ができるため、個人ごとの筋骨格系の力学的特性を知る
ことができる。また、力学的構造に依存した係数は、姿
勢に依らないため、予め推定した力学的構造に依存した
係数を用いることにより、推定パラメータを減少させる
ことができ、ロバストな係数推定を可能とする。As described above, according to the example of the apparatus and the example of the method of the present invention, since the coefficient depending on the mechanical structure can be obtained, the mechanical characteristics of the musculoskeletal system for each individual can be known. Further, since the coefficient that depends on the mechanical structure does not depend on the posture, by using the coefficient that depends on the mechanical structure estimated in advance, the estimation parameters can be reduced, and robust coefficient estimation can be performed.
【００６０】以上本発明の代表的な装置例及び方法例に
ついて説明したが、本発明は必ずしも当該装置例の手段
及び当該方法例の手法だけに限定されるものではない。
本発明の目的を達成し、後述する効果を有する範囲内に
おいて適宜変更して実施することができるものである。Although the typical apparatus and method of the present invention have been described above, the present invention is not necessarily limited to the means of the apparatus and the method of the method.
The present invention achieves the object of the present invention and can be carried out with appropriate modifications within a range having the effects described below.
【００６１】[0061]
【発明の効果】以上説明したように本発明は、筋骨格系
に摂動を与え、当該筋骨格系の位置および摂動により与
えた外力を計測し、計測された位置と外力から、摂動に
より変化した前記筋骨格系の位置と外力の変化量を抽出
し、計測した前記筋骨格系の位置および外力と抽出され
た各変化量とを基に、筋骨格系の力学的構造に依存する
係数および筋の状態に依存する関節粘性・関節弾性係数
を算出するという手順で計測を行う。よって、運動中の
多関節の筋骨格系の機械インピーダンスの計測におい
て、力学的構造に依存する係数、および筋の力学的状態
によって変化する関節周りの粘性・弾性などの機械イン
ピーダンス係数を計測することができるという効果を奏
する。As described above, the present invention perturbs the musculoskeletal system, measures the position of the musculoskeletal system and the external force given by the perturbation, and changes the measured position and external force by the perturbation. The position and the external force change amount of the musculoskeletal system are extracted, and the coefficient and the muscle depending on the mechanical structure of the musculoskeletal system based on the measured position and the external force of the musculoskeletal system and each extracted change amount. The measurement is performed according to the procedure of calculating the joint viscosity and the joint elastic coefficient depending on the state of the joint. Therefore, in the measurement of the mechanical impedance of the musculoskeletal system of a multi-jointed musculoskeletal system during exercise, it is necessary to measure the coefficient that depends on the mechanical structure and the mechanical impedance coefficient such as viscosity and elasticity around the joint that changes depending on the mechanical state of the muscle This has the effect that it can be performed.
【図１】本発明に係る装置例の筋骨格系の機械インピー
ダンス計測装置αの構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a musculoskeletal mechanical impedance measuring apparatus α of an apparatus example according to the present invention.
【図２】本発明の装置例のマニピュランダムＰＦＭ１０
の構成を示す説明図である。FIG. 2 shows a manipulundum PFM10 of an example of the apparatus of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the configuration of FIG.
【図３】(a) は抽出された肩関節の角度の摂動による変
化成分の一例を示し、(b) は抽出された肘関節の角度の
摂動による変化成分の一例を示し、(c) は抽出された肩
関節の角速度の摂動による変化成分の一例を示し、(d)
は抽出された肘関節の角速度の摂動による変化成分の一
例を示すグラフである。FIG. 3 (a) shows an example of a change component of the extracted shoulder joint angle due to perturbation, FIG. 3 (b) shows an example of a change component of the extracted elbow joint angle due to perturbation, and FIG. An example of the change component due to the perturbation of the extracted angular velocity of the shoulder joint is shown, (d)
Is a graph showing an example of a change component due to perturbation of the extracted angular velocity of the elbow joint.
【図４】(e) は抽出された肩関節の角加速度の摂動によ
る変化成分の一例を示し、(f)は抽出された肘関節の角
加速度の摂動による変化成分の一例を示し、(g) は抽出
された肩関節の外力トルクの摂動による変化成分の一例
を示し、(h) は抽出された肘関節の外力トルクの摂動に
よる変化成分の一例を示すグラフである。4 (e) shows an example of a change component of the extracted angular acceleration of the shoulder joint due to perturbation, FIG. 4 (f) shows an example of a change component of the extracted angular acceleration of the elbow joint due to perturbation, and FIG. () Shows an example of a change component of the extracted external force torque of the shoulder joint due to perturbation, and (h) is a graph showing an example of a change component of the extracted external force torque of the elbow joint caused by the perturbation.
【図５】運動中の腕の関節スティフネスの時間変化を示
すグラフである。FIG. 5 is a graph showing a temporal change of a joint stiffness of an arm during exercise.
【図６】各測定時点における運動中の腕の関節スティフ
ネスを、座標変換により手先スティフネスに変換して得
られた手先スティフネス楕円体を示した図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a hand stiffness ellipsoid obtained by converting joint stiffness of a moving arm at each measurement time point into a hand stiffness by coordinate conversion.
α…筋骨格系の機械インピーダンス計測装置 Ｐ…被験者 Ｏ…筋骨格系 １…摂動手段 ２…位置計測手段 ３…外力計測手段 ４…摂動変換分抽出モジュール ５…係数推定モジュール １０…マニピュランダムＰＦＭ １１…テーブル １２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ…リンク １２ａ´…固結部 １２ｂ´、１２ｃ´、１２ｄ´…枢結部 １３…トルクモータ １４…グリッパ １５…椅子 １６…ストラップ １７…熱可塑性プラスチック １８…前腕支持用プレート ２０…コンピュータ ３０…手先スティフネス楕円 ３１…腕 α: musculoskeletal mechanical impedance measurement device P: subject O: musculoskeletal system 1: perturbation means 2: position measurement means 3: external force measurement means 4: perturbation conversion component extraction module 5: coefficient estimation module 10: manipulator random PFM 11 ... Tables 12a, 12b, 12c, 12d ... Links 12a '... Fixed parts 12b', 12c ', 12d' ... Pivot parts 13 ... Torque motors 14 ... Grippers 15 ... Chairs 16 ... Straps 17 ... Thermoplastics 18 ... Forearms Support plate 20 Computer 30 Hand stiffness ellipse 31 Arm
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川人 光男 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷５ 番地 株式会社エイ・ティ・アール人間情 報通信研究所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Mitsuo Kawato Inventor 5 Shiratani, Inaya, Seika-cho, Soraku-gun, Kyoto Pref.
Claims (20)
に当たり、 摂動手段にて筋骨格系に摂動を与える第１ステップと、 前記筋骨格系の位置および摂動により前記筋骨格系に与
えた外力を計測する第２ステップと、 計測された前記筋骨格系の位置と前記筋骨格系に与えた
外力から、摂動により変化した前記筋骨格系の位置と外
力の変化量を抽出する第３ステップと、 前記第２ステップにて計測した前記筋骨格系の位置およ
び外力と前記第３ステップにて抽出された各変化量を基
に、当該筋骨格系の力学的構造に依存する係数および筋
の状態に依存する関節粘性・関節弾性係数を算出する第
４ステップと、からなる、 ことを特徴とする筋骨格系の機械インピーダンス計測方
法。In measuring the mechanical impedance of a musculoskeletal system, a first step of perturbing the musculoskeletal system by a perturbation means, and a position and an external force applied to the musculoskeletal system by the perturbation of the musculoskeletal system. A second step of measuring; and a third step of extracting, from the measured position of the musculoskeletal system and the external force applied to the musculoskeletal system, a change in the position and external force of the musculoskeletal system changed by perturbation; Based on the position and external force of the musculoskeletal system measured in the second step and the amounts of change extracted in the third step, coefficients and muscle states depending on the mechanical structure of the musculoskeletal system are determined. A fourth step of calculating a dependent joint viscosity / joint elasticity coefficient. A method for measuring mechanical impedance of a musculoskeletal system.
るに当たり、 被験者の腕の運動を水平面内に制限し、かつ抗重力のた
めの保持力の発生を防いで、当該被験者の手先に摂動を
与える第１ステップと、 前記被験者の手先の位置および当該手先に与えた外力を
計測する第２ステップと、 計測された前記手先の位置と当該手先に与えた外力か
ら、摂動により変化した前記被験者の手先の位置および
当該手先に与えた外力の変化量を抽出する第３ステップ
と、 前記第２ステップにて計測した前記被験者の手先の位置
および当該手先に与えた外力と前記第３ステップにて抽
出された各変化量を基に、被験者の腕の力学的構造に依
存する係数および筋の状態に依存する関節粘性・関節弾
性係数を算出する第４ステップと、からなる、 ことを特徴とする筋骨格系の機械インピーダンス計測方
法。In measuring the mechanical impedance of the arm during exercise, the movement of the subject's arm is restricted to a horizontal plane, and the generation of a holding force for anti-gravity is prevented, so that the subject's hand is perturbed. A first step of providing; a second step of measuring the position of the hand of the subject and an external force applied to the hand; and a change in the subject by perturbation from the measured position of the hand and the external force applied to the hand. A third step of extracting the position of the hand and the amount of change in the external force applied to the hand; and extracting the position of the hand of the subject measured in the second step and the external force applied to the hand in the third step. A fourth step of calculating a coefficient depending on the mechanical structure of the subject's arm and a joint viscosity / joint elasticity coefficient depending on the state of the muscle based on each of the obtained change amounts. Mechanical impedance measurement method of the musculoskeletal system to be.
とともに腕を動かして所定の位置Ｅで止める試行を繰り
返し行い、当該被験者による動作を一様にする前作業を
有する、 ことを特徴とする請求項２に記載の筋骨格系の機械イン
ピーダンス計測方法。3. In the first step, a trial of placing the hand of the subject at a predetermined position S, moving the arm together with a signal and stopping at a predetermined position E is repeated in the preceding stage, and the movement of the subject is uniformly performed. The method for measuring mechanical impedance of a musculoskeletal system according to claim 2, further comprising a pre-operation.
力計測は、 予め求めた肩の位置と前腕・上腕の長さを使って座標変
換して当該腕の関節角度及び関節トルクに換算すること
により行う、 ことを特徴とする請求項２又は３に記載の筋骨格系の機
械インピーダンス計測方法。4. The hand position measurement and the external force measurement in the second step are coordinate conversion using a shoulder position and a forearm / upper arm length obtained in advance, and are converted into a joint angle and a joint torque of the arm. The method for measuring the mechanical impedance of a musculoskeletal system according to claim 2 or 3, wherein the method is performed.
関節角ベクトル、その角速度ベクトル、角加速度ベクト
ルから摂動によるそれぞれの変化分を取り出す、 ことを特徴とする請求項２、３又は４に記載の筋骨格系
の機械インピーダンス計測方法。5. The method according to claim 1, wherein the step of extracting the amount of change in the third step includes: an external force vector of a shoulder / elbow joint measured in each trial;
The method for measuring the mechanical impedance of a musculoskeletal system according to claim 2, 3 or 4, wherein respective changes due to perturbation are extracted from the joint angle vector, the angular velocity vector, and the angular acceleration vector.
ータをアンサンブル平均する、 ことを特徴とする請求項５に記載の筋骨格系の機械イン
ピーダンス測定方法。6. The musculoskeletal system according to claim 5, wherein, in the extraction of the amount of change in the third step, data is ensemble-averaged for each perturbation in order to remove variations for each trial. Mechanical impedance measurement method.
数の算出は、 水平面内で動作する２関節の腕の機械インピーダンス係
数であるスティフネス行列と粘性行列を腕の力学構造モ
デルを用いて成立した関係式を変形して実行する、 ことを特徴とする請求項２、３、４、５又は６に記載の
筋骨格系の機械インピーダンス計測方法。7. The joint viscosity / joint elasticity coefficient calculation in the fourth step is performed by establishing a stiffness matrix and a viscosity matrix, which are mechanical impedance coefficients of two joint arms operating in a horizontal plane, using a mechanical structure model of the arm. The method for measuring the mechanical impedance of a musculoskeletal system according to claim 2, wherein the relational expression is modified and executed.
連結構成された４つのリンクと、 根元固定回転側の２つの前記リンクの固結部を駆動する
トルクモータと、 先端可動自由側の２つの前記リンクの枢結部に設けら
れ、かつ前記ベースプレート平面上の移動を非接触と
し、鉛直方向の力とモーメント力を支持するグリッパ
と、からなる、 ことを特徴とする請求項２、３、４、５、６又は７に記
載の筋骨格系の機械インピーダンス計測方法。8. The perturbation means includes: four links provided on a base plate plane and connected in a parallelogram shape; and a torque motor for driving a fixed portion of the two links on the root fixed rotation side. A gripper that is provided at a pivotal connection portion of the two links on the free end movable side, makes the movement on the base plate plane non-contact, and supports a vertical force and a moment force. The method for measuring mechanical impedance of a musculoskeletal system according to claim 2, 3, 4, 5, 6, or 7.
サにて検出されるモータ回転角を座標変換した計測値を
利用する、 ことを特徴とする請求項４、５、６、７又は８に記載の
筋骨格系の機械インピーダンス計測方法。9. The hand position measurement in the second step is characterized in that a position sensor is attached to the torque motor, and a measured value obtained by performing coordinate conversion on a motor rotation angle detected by the position sensor is used. The method for measuring the mechanical impedance of a musculoskeletal system according to claim 4, 5, 6, 7, or 8.
力計測は、 リンクの先端側で前記グリッパと共に回転する位置に力
センサを取付け、当該力センサにて外力の大きさを検出
するとともに、当該グリッパの回転角をエンコーダにて
検出することにより作業座標系における力の方向を検知
する、 ことを特徴とする請求項４、５、６、７、８又は９に記
載の筋骨格系の機械インピーダンス計測方法。10. The external force applied to the hand in the second step is measured by mounting a force sensor at a position that rotates together with the gripper on the distal end side of the link, and detecting the magnitude of the external force with the force sensor. 10. The musculoskeletal system machine according to claim 4, wherein the direction of the force in the working coordinate system is detected by detecting a rotation angle of the gripper with an encoder. Impedance measurement method.
８、９又は１０に記載の筋骨格系の機械インピーダンス
計測方法。11. The method according to claim 1, wherein the perturbation in the first step is a minute perturbation given in a random order.
The method for measuring mechanical impedance of a musculoskeletal system according to 8, 9, or 10.
は、 コンピュータにて実現する、 ことを特徴とする請求項１又は２に記載の筋骨格系の機
械インピーダンス計測方法。12. The musculoskeletal mechanical impedance measuring method according to claim 1, wherein the third step and the fourth step are realized by a computer.
は、 当該筋骨格系のトレーニング又はリハビリテーションの
効果確認に用いる、 ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、
８、９、１０、１１又は１２に記載の筋骨格系の機械イ
ンピーダンス計測方法。13. The musculoskeletal system mechanical impedance measurement is used for confirming the effect of training or rehabilitation of the musculoskeletal system.
13. The method for measuring mechanical impedance of a musculoskeletal system according to 8, 9, 10, 11 or 12.
測手段と、 計測された前記筋骨格系の位置と前記筋骨格系に与えた
外力から、摂動により変化した前記筋骨格系の位置の変
化量と外力の変化量を抽出する摂動変化分抽出モジュー
ルと、 前記位置計測手段にて計測した前記筋骨格系の位置、前
記外力計測手段にて計測した前記筋骨格系に与えた外
力、及び前記摂動変化分抽出モジュールにて抽出された
各変化量を基に、前記筋骨格系の力学的構造に依存する
係数および筋の状態に依存する関節粘性・関節弾性係数
を算出する係数推定モジュールと、からなる、 ことを特徴とする筋骨格系の機械インピーダンス計測装
置。14. Perturbation means for perturbing the musculoskeletal system, position measurement means for measuring the position of the musculoskeletal system, and external force measurement means for measuring the external force applied to the musculoskeletal system by the perturbation. A perturbation change extraction module that extracts a change in the position of the musculoskeletal system and a change in the external force that are changed by perturbation from the position of the musculoskeletal system and the external force applied to the musculoskeletal system; The musculoskeletal system based on the position of the musculoskeletal system measured in the above, the external force applied to the musculoskeletal system measured by the external force measuring means, and the amount of change extracted by the perturbation change amount extraction module. A coefficient estimating module for calculating a coefficient that depends on the mechanical structure of the system and a joint viscosity / joint elasticity coefficient that depends on the state of the muscle, and a mechanical impedance measuring apparatus for a musculoskeletal system.
かつ抗重力のための保持力の発生を防いで、当該被験者
の手先に摂動を与える摂動手段と、 前記被験者の手先の位置を計測する位置計測手段と、 前記被験者の手先に与えた外力を計測する外力計測手段
と、 計測された前記手先の位置と当該手先に与えた外力か
ら、摂動により変化した前記被験者の手先の位置および
当該手先に与えた外力の変化量を抽出する摂動変化分抽
出モジュールと、 前記位置計測手段にて計測した前記被験者の手先の位
置、前記外力計測手段にて計測した前記被験者の手先に
与えた外力、及び前記摂動変化分抽出モジュールにて抽
出された各変化量を基に、前記被験者の腕の力学的構造
に依存する係数および筋の状態に依存する関節粘性・関
節弾性係数を算出する係数推定モジュールと、からな
る、 ことを特徴とする筋骨格系の機械インピーダンス計測装
置。15. The movement of the subject's arm is restricted to a horizontal plane.
And a perturbation means for perturbing the hand of the subject while preventing generation of a holding force for anti-gravity, a position measuring means for measuring the position of the hand of the subject, and measuring an external force applied to the hand of the subject And a perturbation change extraction module for extracting, from the measured position of the hand and the external force applied to the hand, the position of the hand of the subject changed by the perturbation and the amount of change in the external force applied to the hand from the perturbation. And the position of the hand of the subject measured by the position measuring means, the external force applied to the hand of the subject measured by the external force measuring means, and the amount of change extracted by the perturbation change amount extraction module. A coefficient estimating module for calculating a coefficient that depends on the mechanical structure of the arm of the subject and a joint viscosity / elastic coefficient that depends on the state of muscles. The musculoskeletal system of the mechanical impedance measurement device.
連結構成された４つのリンクと、 根元固定回転側の２つの前記リンクの固結部を駆動する
トルクモータと、 先端可動自動側の２つの前記リンクの枢結部に設けら
れ、かつ前記ベースプレート平面上の移動を非接触と
し、鉛直方向の力とモーメント力を支持するグリッパ
と、からなる、 ことを特徴とする請求項１５に記載の筋骨格系の機械イ
ンピーダンス計測装置。16. The perturbation means comprises: four links provided on a base plate plane and connected in a parallelogram shape; and a torque motor for driving a fixed portion of the two links on the root fixed rotation side. A gripper that is provided at a pivotal connection portion of the two links on the tip movable automatic side, makes the movement on the base plate plane non-contact, and supports a vertical force and a moment force. The musculoskeletal mechanical impedance measuring device according to claim 15.
転角を検出し、当該検出値を座標変換して出力する位置
センサからなる、 ことを特徴とする請求項１６に記載の筋骨格系の機械イ
ンピーダンス計測装置。17. The position measuring means, comprising: a position sensor attached to the torque motor, detecting a rotation angle of the torque motor, converting the detected value into coordinates, and outputting the result. A musculoskeletal mechanical impedance measuring apparatus according to claim 16.
力の大きさを検出する力センサと、前記グリッパの回転
角を検出して作業座標系における力の方向を検知するエ
ンコーダと、からなることを特徴とする請求項１６又は
１７に記載の筋骨格系の機械インピーダンス計測装置。18. The external force measuring means is mounted at a position that rotates with the gripper, and detects a magnitude of the external force, and detects a rotation angle of the gripper to determine the direction of the force in a working coordinate system. 18. The musculoskeletal mechanical impedance measuring device according to claim 16, comprising an encoder for detecting.
定モジュールは、 コンピュータにて実現する、 ことを特徴とする請求項１４、１５、１６、１７又は１
８に記載の筋骨格系の機械インピーダンス計測装置。19. The apparatus according to claim 14, wherein the perturbation change extracting module and the coefficient estimating module are realized by a computer.
9. The musculoskeletal mechanical impedance measuring device according to 8.
装置は、 当該筋骨格系のトレーニング又はリハビリテーションの
効果確認に用いる筋制御トレーニング装置又は四肢運動
のリハビリテーション装置の内部に組み込まれてなる、 ことを特徴とする請求項１４、１５、１６、１７、１８
又は１９に記載の筋骨格系の機械インピーダンス計測装
置。20. The musculoskeletal mechanical impedance measuring apparatus is incorporated in a musculoskeletal training apparatus or a limb exercise rehabilitation apparatus used for confirming the effect of training or rehabilitation of the musculoskeletal system. Claims 14, 15, 16, 17, 18
Or the mechanical impedance measuring apparatus for a musculoskeletal system according to 19.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8253620A JPH1094524A (en) | 1996-09-25 | 1996-09-25 | Method and apparatus for measuring mechanical impedance of musculoskeletal system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8253620A JPH1094524A (en) | 1996-09-25 | 1996-09-25 | Method and apparatus for measuring mechanical impedance of musculoskeletal system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1094524A true JPH1094524A (en) | 1998-04-14 |
Family
ID=17253899
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8253620A Pending JPH1094524A (en) | 1996-09-25 | 1996-09-25 | Method and apparatus for measuring mechanical impedance of musculoskeletal system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1094524A (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
1996
- 1996-09-25 JP JP8253620A patent/JPH1094524A/en active Pending
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