■ 改造を考慮した医薬品製造に関わるソフトウェアの回顧的コンピュータ化システムバリデーションの一手法
［論 文］
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■ 脳卒中片麻痺上肢の運動機能回復訓練を支援するための電磁石を用いた伸張反射誘発装置の開発
鹿児島大学・林 良太，石嶺友康，
川平和美，余 永，辻尾昇三
これまでに著者らは，脳卒中片麻痺肢を対象にした運動機能回復訓練支援システムを開発し，臨床試験により訓練効果と検査システムとしての有用性を確認してきた．この訓練は，ディスプレイ上に示した手部や足部の位置を，目標軌道に沿って2次元平面内で動かすことにより，随意的な上肢の伸展屈曲運動および外転内転運動を繰り返し行うものである．その際，力の刺激は用いないで，目標軌道と手部や足部の位置との誤差情報を視覚的に患者にフィードバックするだけで修正動作を促すことによって，促通的な運動訓練を実現してきた．しかし，症状が重い患者や支援装置の操作に不慣れな患者にとって，この訓練を行うことは難しく，訓練の途中で筋肉が痙縮してしまい，継続的な訓練を断念することが少なくなかった．そこで本論文では，筋肉が痙縮したときに伸張反射を誘発して随意的な運動を促がす運動療法を，機械装置で実現することを試みた．まず，安全性を考慮した力を作用させるため，電磁石を利用する方法を考えた．そして，肘の伸展屈曲運動を課題とする上肢運動機能回復訓練支援装置を試作し，臨床試験によって提案する装置の実現と継続的な運動訓練の実施可能性を示した．
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■ こめかみスイッチ：アフォーダンスを考慮した常時装用型コマンド入力装置の設計と実装
大阪大学・谷口和弘，西川 敦，宮崎文夫
本論文は，アフォーダンスを考慮したウェアラブル型入力装置を設計するための要求項を提案し，その要求項に従い，携帯型音楽プレーヤーを題材としてウェアラブル型入力装置を設計・実装した結果について述べる．本入力装置は，使用者が両目で瞬きをする，右目のみ瞬きをする，左目のみ瞬きをすることで計3種類の操作指令を携帯型音楽プレーヤーに与えることができる．また，アフォーダンスを考慮することで，使用者は装置を見るだけで，用途と装着方法を理解でき，事前に操作方法について説明をしておけば，その操作方法を正確に記憶していなくても操作できる．さらに使用者が常時利用でき，日常の生活に支障をきたすことなく，ハンズフリーで使用でき，小型・軽量・安価で製造可能であり，機器制御を意図した動き以外の会話や食事などの日常的な動作には反応しにくいという特徴を持つ．
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■ 双腕作業機の知能化インタフェースに関する研究～環境の複雑性および操作者の多様性に非依存な基底作業状態～
早稲田大学・亀﨑允啓，岩田浩康，菅野重樹
環境や操作者の多様性がきわめて大きく影響する建機作業の状態識別においては，作業状態の誤識別を避ける方法論の構築が大きなポイントとなる．そのためには，作業対象物や作業環境の複雑性や操作スキルレベルや操作手順などの操作者の多様性に依存しない特徴量を用いたきわめて確定的な状態の基本単位を定義すべきと考えた．そこで，上述の多様性に非依存な特徴量である，操作者の操作入力とマニピュレータの関節負荷の有無を状態量として，作業機，操作者，環境間の相互作用の様式を記号化した基底作業状態(Primitive
Static States: PSS)を定義した．VRシミュレータを用いた模擬解体実験の結果，上述の多様性によらず，正確な作業状態の識別が実現されていることが確認された．また，PSSを用いた作業分析により，操作の改善ポイントが容易に把握できることが示された．さらに，この解析結果を操作者のスキル訓練時のアドバイス情報として提供した結果，操作スキルの習熟度の促進が図られた．
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■ 適応フィルタを用いた振戦抑制制御システムの開発と食事支援ロボットへの応用
岐阜大学・矢野賢一，大原瑛一
日本大学・堀畑 聡，岐阜大学病院・青木隆明
岐阜大学・西本 裕
本論文では，パーキンソン振戦を解析し，患者によってさまざまである振戦に対応するために，オンライン振戦周波数推定法を提案した．最終的には，推定された振戦周波数を用いて可変振戦抑制フィルタを，食事支援ロボットの制御系に組み込み，振戦のある患者でも自律した食事動作が可能となる食事支援システムを開発した．
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■ 船体揺れを考慮した船上クレーンの統合化シミュレータの開発と搬送制御
豊橋技術科学大学・伊藤隆二，寺嶋一彦，
野田善之，岩佐剛浩
日本は四方を海に囲まれた島国であることから，他国との貿易を行う際に，一度に多く荷を搬送できる海上輸送は重要である．船体にクレーンを搭載した船上クレーンは，港湾に荷役設備がなくとも荷役が可能であり，港湾や海上設備の建設にも使用されるため，海上輸送等を行う際に頻繁に用いられている．しかし，吊り荷の搬送や風などによる吊り荷の振れ，風や波などによる船体の揺れは互いに影響し合い，容易に悪循環へと陥る．そのため，旋回クレーンにおける吊り荷の振れ止め，位置決め，障害物回避などの問題がより複雑化し，操作者は船体の揺れと吊り荷の振れを考慮した搬送を行わなければならず，非常に困難な搬送作業となる．そこで，船体を揺らさず，迅速かつ安全に吊り荷を搬送する搬送システムの開発が望まれている．
しかしながら，船上クレーンにおける制御系設計の現状は，多くが実機を用いて試行錯誤的に行われているため，多額の開発コストと多大な設計時間を費やしてしまう．このような実機実験に対して，代替手法の開発が望まれている．一方，旋回クレーンの研究と船舶の研究は多く行われているが，単独の研究であり，この2つの研究を組み合わせた船上クレーンのコンピュータシミュレータはなく，実機実験の代替手法として開発が強く望まれている．
そこで本研究では，数値流体力学(CFD: Computational Fluid Dynamics)と機構動力学を組み合わせた船上クレーンのバーチャルプラントを構築した．また，それを基に船上クレーンの状態解析および制御系設計の効率的かつ合理的設計のために，簡易モデル化を行う手法を提案した．この一連のシステマティックな統合化手法による制御系設計の高効率化と低コスト化を図ることに成功した．また，実際に安全かつ迅速に搬送作業が行える制御システムを構築し，実装を念頭におき，バーチャルプラント上で搬送システムの有効性について検証した．
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■ 反射板を用いた2本のマイクによる2音源の2次元位置推定
理化学研究所・中島弘道
産業技術総合研究所．河本 満，
東北学院大学・伊藤雅紀，理化学研究所・向井利春
人とロボットのコミュニケーションにおいて，人間からの呼びかけに反応して話しかけられた方向を向く音源定位機能は重要な役割をはたす．ロボットが人と会話する場合，ロボットは話者の方を向いて会話をする方が望ましく，話者の方向の検出が必要である．また，実際にロボットが利用される生活環境においては，マイクで検出される音は複数の音源からの音が混ざり合った混合音となることが頻繁に起こると考えられる．そのような環境においてロボットを使用する場合には，ロボットはこのような混合音を聞き分け音源方向を見つける必要がある．人間や多くの生物は複数の音源を2つの耳のみで分離し，その音源方向を見つけることができる．本研究では，人間の両耳に相当する2本のマイクと耳介に相当する2つの反射板を備えたロボットヘッドを用いて2つの音源の上下左右の音源方向を推定する手法を提案する．本手法は3つの処理によって構成される．最初に2つの異なる位置にある音源からの音に対して音源分離処理を行う．つぎにその分離結果に閾値処理を行い単一音源となる区間を推定する．最後に，その推定された区間において音源定位処理を行うことによって，2音源の位置が得られる．男女2名の音声を用いた実験を行い，提案手法の有効性を確認した．
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■ 乱流モデルを用いた計測融合シミュレーションによるオリフィス流れの可視化
東京工業大学・中尾光博，川嶋健嗣，香川利春
計測とCFDを融合させた計測融合シミュレーションが提案されている．この方法はCFDに計測値をフィードバックすることで，実際の流れに近い解を得るものである．簡単なモデルを用いても十分な精度をもつ解が得られるため，比較的短時間の計算で状態量を得ることが可能となり，流れ場のオブザーバとしての活用が期待されている．
著者らは計算時間の短縮に注目して，計測融合シミュレーションを用いたプラント配管等の流れ場のモニタリングシステム構築を目指している．本報では壁面圧力の計測値を用いたフィードバックのために乱流モデルを用いた計測融合シミュレーションを提案し，定流量を与えたオリフィス流れに適用した．オリフィス下流の管中心流速および圧力，壁面圧力，計算時間について，計測値，層流モデルを用いたMIシミュレーションおよび市販ソフトを用いたCFD解析との比較を行い，有効性を確認した．
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■ 視覚情報遅れを考慮した2指1自由度対ロボットハンドによる対向操り動作
岡山県立大学・井上貴浩，松井俊樹
立命館大学・平井慎一
本論文は，ヒトの視覚情報伝達遅れに着目しそれを模擬するために，ロボットにおけるカメラ画像の更新遅れを人為的に導入する．その更新遅れが2指ハンドによる操り動作に与える影響をシミュレーションと実験によって検証する．適用する制御則は，把持物体の姿勢をロバストに制御可能な既発表の2段階制御則である．本手法を用いて，柔軟指ハンドによる対向型操り動作を行い，最大画像更新遅れが100msという環境においても，タスクを実現できることを明らかにする．
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■ ビークル群によるネットワークの変化に依存しない協調取り囲み行動
金沢大学・川上裕樹，慶應義塾大学・滑川 徹
本論文では，ビークル群によって移動対象物を取り囲む制御問題に対して，合意アルゴリズムに基づく制御則を提案する．この制御則は，ビークル間のネットワーク構造が連結であり，ビークル群の中で少なくとも1台のビークルが対象物を認識できる範囲内で動的に変化する場合に協調取り囲みを漸近的に達成できる．
さらに，ビークルが対象物周りに収束する速度はネットワーク構造に依存せず，制御則に含まれる設計パラメータであるゲインにのみ依存することを示す．本手法では，対象物が一般的な非線形モデルとして表現される場合にも取り囲みが達成される．
具体的には，はじめに問題設定としてビークルと対象物のモデル，動的ネットワーク構造，制御目的を述べる．つぎに，合意アルゴリズムを基にした制御則を導入し，動的ネットワーク下で取り囲みが漸近的に達成されることを示す．最後に，数値シミュレーションと制御実験によって提案手法の有効性を検証する．その際に，対象物がエージェント情報を用いた戦略によって逃げる場合の取り囲みについても取り扱う．
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■ 長距離移動のための終端状態制御
宇都宮大学・平田光男，城所隆弘
ハードディスクや精密ステージの位置決め制御における制振軌道設計法として，周波数整形型の終端状態制御が知られている．終端状態制御では，フィードフォワード入力の時系列データが計算で求まる．したがって，長距離移動の場合，入力のステップ数が多くなるため，それを記憶するために多くのメモリ容量が必要になる．また，入力のステップ数と同じサイズの逆行列を計算する必要があるので，数値的に悪条件になりやすく，正しい解が求まらない場合もある．
そこで，本研究では入力が一定となる区間と零となる区間を設けた終端状態制御を提案する．入力が一定となる区間を設けることで，その間の入力を求める必要がなくなり，入力の計算で必要となる逆行列のサイズが大幅に縮小できる．そして，それらの区間については，入力の時系列データを記憶する必要もなくなるので，使用するメモリ量が低減できる．さらに，最大速度の低減，電流駆動アンプやアクチュエータの負荷の低減にも貢献できる．最後に，シミュレーションにより，台形入力波形や従来の周波数整形型終端状態制御と比較することで，提案手法の有効性を検証する．
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■ 階層構造化ダイナミックインバージョンによる飛行制御則の設計及び評価
九州大学・川口純一郎，宮沢与和，
宇宙航空研究開発機構・二宮哲次郎
本稿では航空機の姿勢制御へダイナミックインバージョンを適用する際に用いられる回転運動の時間スケール分割の概念を拡張し，外部ループである誘導への適用も視野に入れた階層構造化ダイナミックインバージョン飛行制御則を提案する．「遅い変数」を「速い変数」で制御するという階層構造により，少ない設計パラメータで単純かつ体系的な制御則の設計が可能となる上，非線形飛行シミュレーションモデルを機上計算機に直接搭載して制御則計算に実時間で利用することで制御則の信頼性および移植性も改善される．そのため設計現場で増大し続けている飛行制御系の設計コストの低減につながることが期待される．
本稿では小型自動着陸実験（ALFLEX）の実機開発用の詳細な6自由度非線形飛行シミュレーションモデルを用いて階層構造化ダイナミックインバージョンによる飛行制御系の評価を行った．まずモデルパラメータの不確定性を考慮しないノミナルケースに対して評価し，ベースラインであるH無限大ロバスト制御則以上の飛行性能および同等の着陸性能を有することが明らかになった．つぎに単独誤差解析としてRoot Sum Square（RSS）解析を行い，ベースラインと同等レベルのロバスト性を有することが明らかになった．
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■ 最大体積楕円体の中心を用いる確率的切除平面法
神戸大学・和田孝之，藤崎泰正
不確かなパラメータに依存する（決定変数について凸な）制約条件をパラメータの取りうる値すべてに対して満たす解を求めるロバスト可解問題を対象に，最大体積楕円体の中心を用いる確率的切除平面法を提案している．このアルゴリズムでは，解の探索範囲を有界な凸多面体で表わし，それに包含される最大体積楕円体の中心を解の候補としている．そして，不確かさをランダムサンプルし，対応する制約条件を解の候補が満たしているか調べ，もし満たしていなければ最大体積楕円体の中心を通る切除平面を追加して，より小さな凸多面体を構成するという手続きを繰り返して，解を探索している．このとき，凸多面体に含まれる最大体積楕円体の体積は，各反復において，決定変数の次元に関係なく，ある一定の比率以上で必ず減少する．この事実を用いて，提案する確率的切除平面法が停止するまでに必要なランダムサンプル数と更新回数の上界を具体的に導出し，他のランダマイズドアルゴリズムと比較して，提案法が従来法より効率的であることを明らかにしている．
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■ 表面筋電位を用いた前腕義手の複合動作識別
セコム・井部鮎子
東京工業大学・郷古 学，伊藤宏司
筋電義手において重要な要素として，動作開始直後の非定常な筋電信号でも時間遅れなく動作識別が可能であることや，複数の関節を動かし手の持つ複雑な動作が再現可能であることが挙げられる．ただし，複数の関節を同時に動かす複合動作の場合，動作開始直後は単一動作と類似した筋電パターンが発生し，識別が困難である．そこで本研究では，複合動作識別を対象にした2段階の識別システムを提案した．健常者10名の実験によって，提案システムが平均約93%の精度で複合動作を含む6動作の識別が可能であることを示した．
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■ 偏KL情報量に基づく変数選択法と生体電極選定への応用
広島大学・芝軒太郎，島 圭介，辻 敏夫，高木 健
県立広島大学・大塚 彰
兵庫県立総合リハビリテーションセンター・陳 隆明
本論文では，偏Kullback-Leibler（KL）情報量に基づく新しい変数選択法を提案し，筋電位（Electromyogram, EMG）パターンの識別における電極選択問題へ応用する．生体信号識別の精度は対象とする使用者個々の身体能力や信号の計測位置に大きく影響されるため，使用者ごとに適した電極位置を選択することで精度低下を抑えることができると考えられる．提案法では，まず使用者から計測した信号の確率密度関数をKL情報量に基づいた確率ニューラルネット（NN）の学習によって推定する．そして，特徴ベクトルを構成する各次元が識別に与える影響度の評価指標として新たに偏KL情報量を定義し，それに基づいて識別に不要な次元を1つずつ削除していくことで識別に有効な次元を選択する．
本論文では上肢切断者を含む6名の被験者に対し，被験者ごとに選定した電極を用いてEMG識別実験を行った．結果より，電極数を36.1±12.5 [%]削除でき，なおかつ提案法によって選択した電極を用いた場合の平均識別率が98.99±1.31 [%]と高いことから，提案法を用いて識別に有効な電極が選択できることが確認できた．
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■ 改造を考慮した医薬品製造に関わるソフトウェアの回顧的コンピュータ化システムバリデーションの一手法
山梨大学・高橋正和
富士通・福江義則
本論文では，稼働中の医薬品製造に関わるソフトウェアの機能と性能の適切さを立証するための回顧的コンピュータ化システムバリデーションの方法について提案する．品質管理，設備制御等の医薬品製造に関わるソフトウェアは医薬品の品質に多大な影響を与えるため，監督機関は医薬品製造会社に対して，ソフトウェアの開発時に機能と性能が適切であることを立証するように義務付けた．一方，稼働中のソフトウェアについては，既存文書と運用記録を用いて適切さを立証するように義務付けた．しかし，その手順は定められなかったため，実施に混乱が生じた．本論文では，①RCSVの開発文書体系，②開発文書の記述項目とレベル，③設計情報のデータ・ベース管理，④改造部分の網羅的なテスト手法，⑤統合的なRCSV手順を提案した．さらに，運用時にソフトウェア改造を実施した場合に実施する追加バリデーションの手順を提案した．これらにより，稼働中のソフトウェアの円滑な回顧的コンピュータ化システムバリデーションの実施が可能となった．
