比例筋電制御

比例筋電制御は、（他の目的の中でも）ロボット下肢外骨格を起動するために使用できます。比例筋電制御システムは、脚の筋肉のセンサーから筋電図（EMG）信号を入力するマイクロコントローラーまたはコンピューターを使用し、 EMG 信号に比例して 対応する関節アクチュエーターを起動します。

ロボット外骨格は、アクチュエータを使用して健全な手足の関節の動きを補助または抑制する装具の一種です。これは、失われた手足を置き換える電動義肢とは混同しないでください。ロボット下肢外骨格が達成できる目的は4つあります。^[1]

• 人間のパフォーマンスの向上。通常は筋力や持久力の向上を目的とします（パワードエクソスケルトンを参照）。
• 外骨格を装着した状態で障害のある人が自力で歩行できるようにすることを目的とした長期支援
• ロボット外骨格を利用して人間の神経筋制御、エネルギー、運動学をより深く理解する人間の運動の研究
• 傷害後のリハビリテーションは、訓練中に短時間外骨格を着用することで、傷害（脳卒中、脊髄損傷、その他の神経障害など）からの回復を支援し、その後外骨格を使用せずにより良いパフォーマンスを発揮できるようにすることを目的としています。

ロボット下肢外骨格は、フットスイッチ（足の裏に取り付けられた圧力センサー）、歩行位相推定（関節角度を使用して歩行の現在の位相を決定する）、筋電制御（筋電図を使用）など、いくつかの方法で制御できます。^{[1] [2]}この記事では、筋電制御に焦点を当てています。

皮膚のセンサーが装着者の脚の筋肉から筋電図(EMG) 信号を検出します。外骨格のタイプと作動する関節の数に応じて、EMG 信号は 1 つの筋肉から測定することも、複数の筋肉から測定することもできます。測定された各信号は、コントローラに送信されます。コントローラは、外骨格に取り付けられたオンボードマイクロコントローラか、近くのコンピュータのいずれかです。装着者は外骨格を装着したままさまざまな場所を歩く必要があるため、オンボード マイクロコントローラは長期的な補助装置に使用されます。一方、外骨格に搭載されていないコンピュータは、装着者が臨床環境や研究環境であまり遠くまで歩く必要がないため、治療や研究の目的で使用できます。

コントローラは、 EMG 信号からノイズを除去し、筋肉の活性化パターンをより適切に分析できるように正規化します。筋肉の正規化された EMG 値は、EMG 信号が元の筋肉の最大可能な EMG 読み取り値で割ることによって正規化されるため、筋肉の活性化率を表します。最大 EMG 読み取り値は、筋肉が完全に収縮したときに生成されます。正規化の代替方法は、最小活性化しきい値と上限飽和レベルの間でアクチュエータ電力を EMG 信号に比例的に一致させることです。

比例筋電コントローラでは、アクチュエータに送られる電力は、筋肉からの正規化された EMG 信号の振幅に比例します。^[3]筋肉が非活動状態の場合、アクチュエータはコントローラから電力を受け取らず、筋肉が完全に収縮すると、アクチュエータは制御する関節の周りに最大トルクを生成します。たとえば、電動足首足装具 ( AFO ) では、空気圧人工筋肉を使用して、ヒラメ筋(ふくらはぎの筋肉の 1 つ)の活動レベルに比例した足底屈曲トルクを提供できます。この制御方法により、外骨格を着用者の生体筋肉と同じ神経経路で制御できるようになり、フットスイッチを使用するなどの他の制御方法よりも正常な歩行が可能になることが示されています。^[4] ロボット下肢外骨格の比例筋電制御には、次のような他の制御方法に比べて利点があります。

• その生理学的性質により、外骨格からの機械的補助の規模を効果的に拡大することができる^[5]
• その結果、運動学に基づく制御方法と比較して生物学的筋肉の動員が減少する^[4]
• これにより、外骨格制御を新しい運動タスクに容易に適応させることができる^[6]

ただし、比例筋電制御には、他の制御方法と比較して次のような欠点もあります。

• 表面電極インターフェースは、信頼性の高いEMG信号を得るのに困難を引き起こすことが多い^[7]
• 適切な閾値とゲインを決定するにはシステムの調整が必要である^[8]
• 筋骨格系には、表面筋電図電極では容易にアクセスできない多くの相乗筋が存在する^[9]
• 神経障害により神経筋制御が低下するため、筋電制御の外骨格を使用するのに十分な神経制御ができない人もいる。

直接比例制御は、空気圧ピストンが膝を曲げるだけなど、外骨格の各関節が一方向に作動する場合（一方向作動）には有効ですが、2 つの関節アクチュエータが反対方向に作動する場合（双方向作動）には効果が低くなります。この例としては、前脛骨筋（すねの筋肉）の EMGに基づいて背屈するための空気圧人工筋肉 1 つと、ヒラメ筋（ふくらはぎの筋肉）の EMGに基づいて底屈するための空気圧人工筋肉 1 つを使用する足首外骨格が挙げられます。これにより、2 つのアクチュエータの大幅な共活性化が発生し、歩行が困難になる可能性があります。^[10]この望ましくない共活性化を修正するには、ヒラメ筋の EMG が設定されたしきい値を超えると人工背屈筋の活性化が抑制されるように、制御スキームにルールを追加することができます。屈筋抑制を伴う比例制御により、直接比例制御よりも自然な歩行が可能になります。屈筋抑制により、各関節に双方向アクチュエータを備えた膝と足首の複合外骨格により、被験者ははるかに容易に歩行できるようになります。^[6]

パフォーマンス強化は、筋力や持久力などの典型的な人間の能力の向上に関係します。現在開発中の多くの全身ロボット外骨格は、筋電図の代わりに関節のトルクと角度に基づくコントローラーを使用します。「パワード外骨格」を参照してください。

ロボット下肢外骨格の用途の 1 つは、障害者の歩行動作を支援することです。脊髄損傷、脚の筋肉の衰弱、神経筋の制御不全、または脳卒中を患ったことがある人は、このようなデバイスを装着することで恩恵を受けることができます。外骨格は、関節が回転していることを示す EMG データと同じ方向に、関節の周りにトルクを提供します。たとえば、内側広筋(大腿四頭筋) の EMG 信号が高く、大腿二頭筋(ハムストリング筋) の EMG 信号が低い場合は、ユーザーが脚を伸ばしていることを示しており、外骨格は膝にトルクを提供して脚をまっすぐにするのを助けます。

比例筋電制御とロボット外骨格は数十年にわたって上肢デバイスに使用されてきましたが、エンジニアが人間の生体力学と運動の神経制御をより深く理解するために、下肢デバイスにそれらを使用し始めたのはごく最近のことです。^{[11] [12]}比例筋電コントローラを備えた外骨格を使用することで、科学者は筋肉の力（生物学的+/-人工的な力）の変更に関連する神経可塑性、および運動制御のための運動記憶がどのように形成されるかを研究するための非侵襲的な手段を使用できます。^[10]

ロボット下肢外骨格は、脳卒中、脊髄損傷、その他の神経障害などの損傷からの回復を支援する可能性があります。神経運動障害は、多くの場合、随意筋活動振幅の低下、固有受容感覚の低下、および筋肉協調障害を引き起こします。比例筋電制御を備えたロボット外骨格は、筋肉活動と固有受容感覚フィードバックの関係を増幅することで、これら3つすべてを改善できます。筋肉活動の結果を増加させることで、外骨格は生理的な方法で感覚フィードバックを改善し、その結果、運動制御を改善できます^[1]脊髄損傷または脳卒中を患った人は、集中的な歩行リハビリテーションを通じて運動能力を改善できますが、^[13]最大3人の理学療法士が個人の体重を部分的に支える必要がある場合があります。^[14] ロボット下肢外骨格は、これら両方の領域に役立つ可能性があります。

神経筋系は、歩行中に生成しようとする特定の関節トルクを持っています。補助外骨格は、歩行中に1つまたは複数の脚の関節を動かすために必要なトルクの一部を生成します。これにより、健康な人はそれらの関節で生成する筋トルクが少なくなり、代謝エネルギーの消費が少なくなります。筋トルクは、外骨格なしで歩行するときとほぼ同じように、各関節の純トルクを維持するのに十分に減少します。^[15]各関節の純トルクは、筋トルクとアクチュエータトルクを加えたものです。障害者は、外骨格を使用して歩行中に筋トルクの減少がほとんど見られないか、まったく見られません。外骨格は、歩行に必要な残りのトルクを提供します。

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