[論文レビュー] Design, Implementation and Evaluation of a Variable Stiffness Transradial Hand Prosthesis

Elif Hocaoğlu, Volkan Patoğlu|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2019

Muscle activation and electromyography studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、ボーデンケーブル駆動の対向腱と非線形スプリングを用いた可変剛性駆動（VSA）を備えた低コストでカスタマイズ可能な前腕部手部補綴具を提案する。この装置は、位置と剛性を同時に制御可能であり、sEMGに基づく遠隔インピーダンス制御による実験的評価で、ユーザーが多様な物体を自然な器用さで把持できることを示した。平均適応時間は3.2分、平均把持・解放時間はそれぞれ1.22秒および0.82秒であった。

ABSTRACT

We present the design, implementation, and experimental evaluation of a low-cost, customizable, easy-to-use transradial hand prosthesis capable of adapting its compliance. Variable stiffness actuation (VSA) of the prosthesis is based on antagonistically arranged tendons coupled to nonlinear springs driven through a Bowden cable-based power transmission. Bowden cable-based antagonistic VSA can, not only regulate the stiffness and the position of the prosthetic hand, but also enables a light-weight and low-cost design, by opportunistic placement of motors, batteries and controllers on any convenient location on the human body, while nonlinear springs are conveniently integrated inside the forearm. The transradial hand prosthesis also features tendon driven underactuated compliant fingers that allow natural adaption of the hand shape to wrap around a wide variety of object geometries, while the modulation of the stiffness of their drive tendons enables the prosthesis to perform various tasks with high dexterity. The compliant fingers of the prosthesis add inherent robustness and flexibility, even under impacts. The control of the variable stiffness transradial hand prosthesis is achieved by an sEMG based natural human-machine interface.

研究の動機と目的

• 日常的な操作タスクに適した、低コストでカスタマイズ可能かつ使いやすい前腕部手部補綴具の開発を目的とし、可変剛性駆動（VSA）を実装する。
• 現在の筋電気的補綴具の高い放棄率を是正するため、設計と制御の簡素化を図りながら、器用さと耐久性を向上させる。
• ユーザーの意思に基づいて剛性を調整するsEMGベースの遠隔インピーダンス制御インターフェースを用いて、自然な人間-機械インタラクションを実現する。
• さまざまな物体形状に自然に適合する、アンダーアクチュエートで柔軟性のある指を統合する。
• 人間の被験者を対象とした実世界のタスクにおいて、使いやすさ、反応時間、耐久性を焦点に、補綴具の有効性を検証する。

提案手法

• 前腕部に非線形スプリングを統合したボーデンケーブルベースの対向VSAを採用し、集中型アクチュエータを排除することで、剛性と位置を制御する。
• シリコーンラバーやABS樹脂で作られたケーブル駆動のアンダーアクチュエート指を用い、物体の形状に自発的に適合する被動的で柔軟な適応を実現する。
• 上腕、胸部、肩の表面EMG信号を用いてユーザーの意思を推定し、リアルタイムで剛性を調整するsEMGベースの遠隔インピーダンス制御器を実装する。
• モーター、バッテリ、制御装置を体に装着（例：上腕部や体幹部）することで、手部の重量を軽減し、エルゴノミクスを向上させる。
• モジュラリティとカスタマイズ性を設計に組み込み、機能的親指や装飾的リアルリズムのためのプロステティックグローブの容易な統合を可能にする。
• 16種類の多様な物体を用いた被験者研究により、把持性能、反応時間、衝撃耐性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストでカスタマイズ可能な前腕部手部補綴具にVSAを組み込むことで、日常的な操作タスクに十分な器用さを達成できるか？
• RQ2 ボーデンケーブルベースの対向VSAは、軽量で低コストな設計を維持しつつ、位置と剛性の効果的な同時制御を可能にするか？
• RQ3 sEMGベースの遠隔インピーダンス制御は、ユーザーの意思とタスク要件に応じた直感的でリアルタイムの剛性調整を可能にするか？
• RQ4 ユーザーは、非構造的環境下で、この補綴具に対してどれほど迅速かつ信頼性高く把持タスクを習得できるか？
• RQ5 柔軟性のあるアンダーアクチュエート指の統合は、衝撃や不確実性下でも、耐久性と自然な物体とのインタラクションを向上させるか？

主な発見

• 被験者は平均3.2 ± 1.3分で補綴具に適応し、操作タスクを正常に完了した。これは、訓練負荷が低いことを示している。
• 平均把持時間は1.218 ± 0.564秒、平均解放時間は0.819 ± 0.48秒であり、商業用デバイスと同等の性能を示した。
• シリコーンラバーとABS樹脂で作られた柔軟な指は、被験者テスト中に繰り返し衝撃を受けた後も損傷を被らず、高い耐久性を示した。
• sEMGベースの遠隔インピーダンスインターフェースにより、効果的な剛性調整が可能となり、ユーザーは剛性や形状が異なる物体を安全に把持できた。
• モジュラー設計のおかげで、将来的な拡張（例：機能的親指やプロステティックグローブ）を容易に統合可能であり、コア機能に影響を与えない。
• 被験後インタビューからのユーザーのフィードバックは、指の被動的サポートの適切さと使いやすさを確認しており、機能面での不満は一切なかった。