上肢​運動​機能​訓練​評価​装置​及び​医療​教育​用​ロボット​アーム​の​開発

- Yasuhiro TAKANAMI, 株式会社​ペ​リ​テック

"LabVIEW​の​3D Picture​は、​今回​の​上肢​運動​を​モニタ​表示​する​の​に​有効​で​した。​サンプル​プログラム​も​用意​さ​れ​て​おり、​自由​な​素材​が​3D​表示​でき​ます​ので​この​部分​の​開発​工数​は​1/10​以下​に​な​っ​た​と​思い​ます。"

- Yasuhiro TAKANAMI, 株式会社​ペ​リ​テック

課題:

上肢​運動​機能​訓練​評価​装置​の​課題 ① 前​腕部​と​上​腕部​を​2​台​の​アーム​ロボット​に​固定​した​状態​で​自由​に​腕​を​動かせる​こと​が​できる​メカニズム​を​製作​し、​その​動作​が​ロギング​できる​こと。​(フリー​状態​で​の​ロギング​機能) ② 上記​①​の​装置​で​ロギング​した​動作​を​再現​する​こと​が​できる​こと。​(ロギング​の​再現​機能) ③ 上記​①​の​装置​で​ロギング​した​動作​を​モニタ​画面​に​表示​できる​こと。​(モニタ​表示​機能) ④ 上肢​動作​を​比較​し​て​評価・​解析​する​こと​が​できる​こと。​(評価・​解析​機能) 医療​教育​用​ロボット​アーム​の​課題 ① 皮膚​感覚、​骨​の​形状​を​含​め​た​上肢​を​再現​する​こと。 ② 病的​な​症状​の​再現​と​外力​の​記録​が​できる​こと。 ③ 外力​の​記録​を​評価・​解析​する​こと​が​できる​こと。

ソリューション:

「上肢​運動​機能​訓練​評価​装置」 cRIO-9039​シャー​シ​に​NI9474×2、​NI9403、​NI9381、​NI9426×4​を​搭載​し​て​6​軸​力​覚​センサ​2​台​と​12​個​の​エンコーダ​から​データ​を​入力​し​て​上肢​運動​の​ロギング​を​実現​しま​した。​リアルタイム​性​が​重要​で​ある​ため​FPGA​+​LabVIEW RT​プログラム​で​収録​した​データ​を​ノート​PC​へ​転送​し​て​ファイル​保存​し​てい​ます。​ロギング​した​上肢​運動​を​再現​する​方法​は、​FPGA FIFO​から​モータドライバ​へ​パルス列​を​転送​し​て​実現​し​てい​ます。

作成​者:

Toyohiro HAMAGUCHI - 埼玉​県立​大学 保健​医療​福祉​学部 作業​療法​学科
​Yasuhiro TAKANAMI - 株式会社​ペ​リ​テック

 

事例​概要

上肢​運動​機能​訓練​評価​装置​は、​2​台​の​アーム​ロボット​で​前​腕部​と​上​腕部​を​固定​し、​上肢​運動​の​記録・​再現​が​可能​な​ロボット​です。​エンコーダ​と​モータ​を​cRIO-9039​で​計測・​制御​し​て​実現​し​てい​ます。​医療​教育​用​ロボット​アーム​は、​患者​の​病的​な​症状​を​模倣​する​こと​が​できる​上肢​ロボット​です。​モータ​に​直結​した​プーリー​を​回転​さ​せ​て​ワイヤー​の​張力​を​制御​し、​固​縮・​痙​縮・​アテトーゼ​といった​症状​を​教育​現場​で​疑似​体験​する​こと​が​でき​ます。​また、​評価​する​こと​が​難しい​リハビリテーション​時​の​患者​へ​加える​外力​を​数値​として​表示・​記録​する​こと​が​でき​ます。

 

埼玉​県立​大学​概要

埼玉​県立​大学・​作業​療法​学科​では、​障害​を​持つ​人々​の​心身​の​機能​回復・​維持・​開発​を​図る​ため、​人間​の​生活​と​環境​における​あらゆる​作業​活動​を​科学​的​に​分析​し​て​治療・​援助​へ​応用​する​こと​の​できる​人材​の​育成​を​は​かって​い​ます。​そのため、​急性​期​から​慢性​期​における​病院・​施設​で​の​作業​療法​から​地域​リハビリテーション​まで​対応​が​できる​知識・​技術​を​体系​的​に​学び、​保健・​医療・​福祉​サービス​に​関わる​関連​職種​と​の​連携​を​図​り​ながら​作業​療法​を​円滑​に​実践​できる​能力​を​習得​する​こと​を​目指​し​て​専門​的​知識・​技術​の​教授​を​行​って​い​ます。

 

 

背景

上肢​運動​機能​訓練​評価​装置​は、​国内外​の​大学​や​企業​で​さまざま​な​方式​で​考案​さ​れ​て​おり​ます。​本​大学​では、​作業​療法​の​観点​から​セラピスト​の​治療​作業​を​装置​に​登録​し、​その​動作​を​再現​し​て​治療​と​教育​に​使用​できる​装置​を​独自​に​開発​する​ことに​しま​した。​また、​上肢​の​リハビリテーション​教育​現場​で​必要​な​病的​な​症状​の​疑似​体験​と​学生​の​技術​的​習熟​度​を​数値​で​評価​する​こと​が​できる​ロボット​アーム​について​は、​国内​に​存在​しない​ため​医療​教育​用​ロボット​アーム​を​新規​開発​する​ことに​しま​した。

 

 

課題

上肢​運動​機能​訓練​評価​装置​の​課題 
​① 前​腕部​と​上​腕部​を​2​台​の​アーム​ロボット​に​固定​した​状態​で​自由​に​腕​を​動かせる​こと​が​できる​メカニズム​を​製作​し、​その​動作​が​ロギング​できる​こと。​(フリー​状態​で​の​ロギング​機能)
​② 上記​①​の​装置​で​ロギング​した​動作​を​再現​する​こと​が​できる​こと。​(ロギング​の​再現​機能)
​③ 上記​①​の​装置​で​ロギング​した​動作​を​モニタ​画面​に​表示​できる​こと。​(モニタ​表示​機能)
​④ 上肢​動作​を​比較​し​て​評価・​解析​する​こと​が​できる​こと。​(評価・​解析​機能)

医療​教育​用​ロボット​アーム​の​課題 
​① 皮膚​感覚、​骨​の​形状​を​含​め​た​上肢​を​再現​する​こと。
​② 病的​な​症状​の​再現​と​外力​の​記録​が​できる​こと。
​③ 外力​の​記録​を​評価・​解析​する​こと​が​できる​こと。

 

ソリューション​/​アプリケーション​概要

上肢​運動​機能​訓練​評価​装置
​cRIO-9039​シャー​シ​に​NI 9474×2、​NI 9403、​NI 9381、​NI 9426×4​を​搭載​し​て​6​軸​力​覚​センサ​2​台​と​12​個​の​エンコーダ​から​データ​を​入力​し​て​上肢​運動​の​ロギング​を​実現​しま​した。​リアルタイム​性​が​重要​で​ある​ため​FPGA​+​LabVIEW RT​プログラム​で​収録​した​データ​を​ノート​PC​へ​転送​し​て​ファイル​保存​し​てい​ます。​ロギング​した​上肢​運動​を​再現​する​方法​は、​FPGA FIFO​から​モータドライバ​へ、​パルス列​を​転送​し​て​実現​し​てい​ます。​安全​性​を​考慮​し​て​電圧​で​トル​ク​制御​可能​な​モータドライバ​を​採用​しま​した。​この​こと​により​一定​以上​の​外力​が​腕​に​か​から​ない​よう​な​設計​に​な​って​い​ます。​ノート​PC​の​画面​に​は​LabVIEW​の​3D Picture​を​使用​し​て​上肢​運動​を​モニタ​表示​さ​せ​てい​ます。​評価・​解析​は、​グラフ​表示​した​ロギング​データ​を​も​と​に​面積​比、​可動​域、​タイミング​で​評価​結果​を​算出​し​てい​ます。

 

医療​教育​用​ロボット​アーム

cRIO-9039​シャー​シ​に​NI 9474×2、​NI 9403、​NI 9381​を​搭載​し​て​モータドライバ​を​制御​し​ます。​特殊​な​素材​で​皮膚​感覚​を​再現​した​ロボット​アーム​の​中​に​ワイヤー​を​入れ​て、​モータ​に​直結​した​プーリー​を​回転​さ​せ​て​張力​を​制御​し​てい​ます。​病的​な​症状​は、​トル​ク​制御​可能​な​モータドライバ​を​採用​し​て​実現​し​てい​ます。​外力​による​トル​ク​変化​も​cRIO-9039​の​USB​通信​で​入力​し​て​数値​評価​可能​と​な​って​い​ます。

 

NI​製品​を​使用​した​システム​構成​は、​上肢​運動​機能​訓練​評価​装置​と​ほぼ​同じ​で​6​軸​力​覚​センサ​の​代わり​に​モータ​の​トル​ク​変化​量​を​USB​通信​で​モータドライバ​から​入力​し​てい​ます。

 

今回​の​開発​において​は、​リアルタイム​性、​コンパクト​性​を​考慮​した​上​で、​必要​な​I/​O​の​選択​が​可能​な​装置​として、​NI​の​Compact-​RIO​が​最適​な​ソリューション​で​した。​特に​有効​だ​と​思​っ​た​機能​は、​FPGA​から​モータドライバ​へ​パルス列​を​転送​する​とき​に​使用​した​DMA FIFO​の​機能​です。​採用​した​コントローラ​は、​DMA FIFO​の​数​に​余裕​が​あり​6​軸​の​モータ​を​並列​に​動作​さ​せ​て​も​全く​問題​ありま​せん​で​した。​また、​FIFO​クリア​を​実行​すると​パルス列​の​転送​が​すぐ​に​停止​する​ので​モータ​が​余分​に​動作​する​こと​は​なく、​JOG​動作​の​作成​も​簡単​に​実現​でき​ま​した。

 

導入​効果

LabVIEW​の​3D Picture​は、​今回​の​上肢​運動​を​モニタ​表示​する​の​に​有効​で​した。​サンプル​プログラム​も​用意​さ​れ​て​おり、​自由​な​素材​が​3D​表示​でき​ます​ので​この​部分​の​開発​工数​は​1/10​以下​に​な​っ​た​と​思い​ます。

 

今回​2​台​の​装置​(上肢​運動​機能​訓練​評価​装置​と​医療​教育​用​ロボット​アーム)​を​同時に​開発​しま​した。​上位​制御​の​詳細​は​異なる​の​ですが、​LabVIEW RT​+​FPGA​の​部分​と​上位​ノート​PC​の​通信​部分​は​共通​化​する​こ​が​でき、​開発​工数​を​削減​でき​てい​ます。​医療​教育​用​ロボット​アーム​について​は、​商品​化​も​考え​て​おり、​低​コスト​を​実現​する​ため​に​sbRIO​を​採用​する​場合、​開発​した​プログラム​の​移植​が​容易​で​ある​こと​も​大きな​メリット​に​なり​ます。

 

まとめ​と​今後​の​展望

上肢​運動​機能​訓練​評価​装置​と​医療​教育​用​ロボット​アーム​は、​装置​として​の​運用​テスト​が​これから​必要​となり​ます。​どちら​も​運用​テスト​の​段階​で​操作性​の​改善、​アルゴリズム​の​改善​など​が​予想​さ​れる​が​グラフィカル​言語​LabVIEW​の​利点​を​最大限​に​発揮​し​て​迅速​に​対処​可能​と​期待​できる。​さらに​医療​教育​用​ロボット​アーム​ついては、​教育​現場​で​使用​し、​学生​の​学習​効果​の​検証​を​積み重ね、​ロボット​アーム​を​用​い​た​教材​を​教育​市場​へ​提供​し​てい​きた​いと​考え​てい​ます。

 

著者​情報:

Yasuhiro TAKANAMI
株式会社​ペ​リ​テック
​Japan

図​1. ​ ​学生​同士​が​患者​と​治療​者​役​と​なら​ざる​を​え​ない リハビリテーション​技術​教育​の​課題 ​
図​7. ​ ​医療​教育​用​ロボット​アーム ​
図​8. ​ ​医療​教育​用​ロボット​アーム 記録​画面 ​
図​2. ​ ​NI​製品​を​使用​した​システム​構成 (上肢​運動​機能​訓練​評価​装置) ​
図​3. ​ ​上肢​運動​機能​訓練​評価​装置​(アーム​2​台) ​
図​4. ​ ​上肢​運動​機能​訓練​評価​装置​(上肢​の​装着) ​
図​5. ​ ​再生​画面 ​
図​6. ​ ​評価・​解析​画面 ​