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知能機械システム
(Robot Technology)
のリハビリへの応用
指令
指令
優れた脳の制御
指令
指令
優れた脳の制御
歩き出す
指令
指令
段差
優れた脳の制御
突然段差が表れても…
指令
指令
優れた脳の制御
段差
対応可能
指令
指令
優れた脳の制御
ロボットの場合
指令
指令
優れた脳の制御
段差
突然段差が表れたら…
指令
指令
優れた脳の制御
段差
転倒する
指令
指令
優れた脳の制御
?
違いは?
段差
優れた脳の制御
ヒトの脳が優れているところ
1. 単純な目標と複雑な行動
2. 環境との相互作用による適応能力
優れた脳の制御
ヒトの脳が優れているところ
1. 単純な目標と複雑な行動
2. 環境との相互作用による適応能力
優れた脳の制御
〇人間の身体の動き〇
多数の筋肉(約400個)と多数の関節(約300個)を自在に制御すること
で成り立っている。1つ1つの筋をそれぞれ制御するとすると、もっとも
単純な運動でさえも四肢の何千もの運動単位で多数の筋を調整する必要で
あるため、脳にかかる負担は膨大で複雑な動きをコントロールすることは
困難である。
そのため、多数の筋や関節からよく使われる組み合わせと活動パターン
(筋シナジー)をあらかじめ複数作っておき、これらを介して動きを制御
する。筋を直に制御するのではなく、筋シナジーを介して間接的に制御す
ることで、脳にかかる負担を軽減する事ができる。
関和彦 2017 , 青井信也 2014
優れた脳の制御
ヒトの脳が優れているところ
1. 単純な目標と複雑な行動
2. 環境との相互作用による適応能力
ロボットの制御机构
モデルベース制御
人工物の構造や環境状態を数学的に書き下すこと
で制御する方法
事前に人工物の構造や環境状態を計算
しておかなければならないため、予測
できないことに対しては対応が難しい
ロボットの制御机构
ロボットの制御机构
Input
ロボットの制御机构
Input
Try
ロボットの制御机构
Input
Try
Error検出
ロボットの制御机构
Input
Try
Error検出
Program修正
ロボットの制御机构
Input
Try
Error検出
Program修正
Try and Errorによる学習
ロボットの制御机构
ロボットの制御机构
Input
ロボットの制御机构
Input
Try
ロボットの制御机构
Input
Try
段差出現
ロボットの制御机构
Input
Try
環境からの情報
ロボットの制御机构
Input
Try
環境からの情報
瞬時のProgram修正
ロボットの制御机构
Input
Try
環境からの情報
瞬時のProgram修正
Tacit Learning
ロボットの制御机构
Input
Try
環境からの情報
瞬時のProgram修正
Tacit Learning
T-1
T
Plant
Control
Adjustment
T-1:環境からの複雑な信号を統合し、意味
情報を生成する
T :意味情報を特定の制御信号に変換する
Neuro-synergy system concept
ローカルネットワーク
環境からのFeedback情報に基づいた運動コントロールを可能
にするsystem
Shotaro Okajima 他:Front. Neurorobot., 17 July 2018
Tacit Learningを可能にする
システム
Neuro-synergy system concept
ローカルネットワークを統合し、大きなネットワークを形成する
ことで、環境からの情報に対してさまざまな行動を生成すること
が可能となる Shotaro Okajima 他:Front. Neurorobot., 17 July 2018
ロボットの制御机构(まとめ)
? モデルベース制御のようにCenterで作られる
Top-Downの指令とNeuro-synergy system
のような環境?状況の変動に適応するための
Bottom-Upのコントロールが重要である
? Bottom-Upのコントロールを適切に行うため
には1つ1つのローカルネットワークの活性化
とその調整の組み合わせが重要である
ロボット制御のリハビリへの応用
?Top-Down
?随意的な運動の生成
?Bottom-Up
?姿勢コントロール(Reactive system)
(さまざまな環境?状況の変動に適応するためのTacit learning)
ロボット制御のリハビリへの応用
?Top-Down
?随意的な運動の生成
?Bottom-Up
?姿勢コントロール(Reactive system)
(さまざまな環境?状況の変動に適応するためのTacit learning)
環境に対して最適な行動を選択するためには姿勢
コントロール(Reactive 蝉测蝉迟别尘)の改善が重要
ロボット制御のリハビリへの応用
?Top-Down
?随意的な運動の生成
?Bottom-Up
?姿勢コントロール(Reactive system)
(さまざまな環境?状況の変動に適応するためのTacit learning)
環境に対して最適な行動を選択するためには姿勢
コントロール(Reactive 蝉测蝉迟别尘)の改善が重要
? 環境変動に対処しや
すくなる
? 随意信号が届きやす
くなる
? 適応した新しい動き
を獲得しやすくなる
それにより…
ロボット制御のリハビリへの応用
Neuro-synergy system concept
ロボット制御のリハビリへの応用
Neuro-synergy system concept
ロボット制御のリハビリへの応用
Neuro-synergy system concept
ローカルネットワークの活性化が重要
ロボット制御のリハビリへの応用
Neuro-synergy system concept
ヒトの歩行を考えた場合…
ロボット制御のリハビリへの応用
Neuro-synergy system concept
感覚システム
ロボット制御のリハビリへの応用
Neuro-synergy system concept
感覚システム
CPG(一側)
ロボット制御のリハビリへの応用
Neuro-synergy system concept
感覚システム
CPG(一側)
CPG(両側)
ロボット制御のリハビリへの応用
Neuro-synergy system concept
感覚システム
CPG(一側)
CPG(両側)
CPG(四肢)
ロボット制御のリハビリへの応用
Neuro-synergy system concept
感覚システム
CPG(一側)
CPG(両側)
CPG(四肢)
感覚システムを統合することでCPGに
よるLocomotionが可能
ロボット制御のリハビリへの応用
Neuro-synergy system concept
感覚システム
CPG(一側)
CPG(両側)
CPG(四肢)
ロボット制御のリハビリへの応用
Neuro-synergy system concept
感覚システム
CPG(一側)
CPG(両側)
CPG(四肢)
感覚システムの活性化が重要
Handlingの先行研究
片麻痺患者の起立動作のリハビリテーション
における理学療法士の技能解析
湖上碩樹ら 2017
(目的)
リハビリテーション中の起立動作の筋シナジーに与える影響を調査
すること
(方法)
?片麻痺患者6人に対して実施
?セラピストは、麻痺側の膝と骨盤後面からハンドリングを行った
?介入前?介入中?介入後の筋活動と身体機能、重心の軌跡、床反力
ベクトルを計測した
Handlingの先行研究
片麻痺患者の起立動作のリハビリテーション
における理学療法士の技能解析
湖上碩樹ら 2017
(目的)
リハビリテーション中の起立動作の筋シナジーに与える影響を調査
すること
(方法)
?片麻痺患者6人に対して実施
?セラピストは、麻痺側の膝と骨盤後面からハンドリングを行った
?介入前?介入中?介入後の筋活動と身体機能、重心の軌跡、床反力
ベクトルを計測した
動作分析臨床活用講座より
木野本誠 先生 講義資料より
起立動作は4つの筋シナジーで
構成されている。
シナジー1:体幹前屈
シナジー2:離殿と重心前方移動
シナジー3:下肢?体幹の伸展
シナジー4:立位の安定
Handlingの先行研究
湖上碩樹ら 2017
介入前
?構成される筋シナジーは健常者と同じであった
?ピーク値および時間パターンに変化があった(特にシナジー1)
?筋シナジー1と2の時間パターンが統合していた
Handlingの先行研究
湖上碩樹ら 2017
介入中
?筋シナジー1のピーク値が高くなった
?統合していた筋シナジーが分離した(筋シナジー1,2)
?重心移動を上方に切り替えるタイミングが早くなった
?床反力ベクトルは起点が踵に近づいた
Handlingの先行研究
起立動作の変化は、介入後、ハンドリングを行わない条件でも持続した
(ハンドリング中の方がよい結果であった)
木野本誠 先生 講義資料より
Handlingの先行研究
Handlingの先行研究
まとめ
?Handlingにより立ち上がりの質の改善を認めた。
?HandlingによりBottom-Upコントロールの最適化
が図られた可能性がある。
?Handlingはローカルネットワーク(感覚システム)
を活性化させる可能性がある。

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