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西日本豪雨の復旧作業にも活用!ロボットスーツ「HAL」とは

作成: 2018.07.27

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世界初のサイボーグ型ロボット「HAL」をご存知ですか?

人間の身体と融合しサポートすることで、着用者は普段出せないような力を出せるようになります。重労働における身体にかかる負荷を軽減させることができるのです。

その技術は、医療や介護の現場だけでなく、災害時の復旧現場などでも活用されています。今回は、西日本豪雨の復旧作業にも活用され、その実用性を多くの人が実感したロボットスーツ「HAL」の仕組み、活用事例などを解説します。

ロボットスーツ(パワードスーツ)「HAL」とは

出典:CYBERDYNE

ロボットスーツHALとは、身体機能を改善・補助・拡張・再生することができる世界初のサイボーグ型ロボットです。

茨城県つくば市にあるCYBERDYNE株式会社(サイバーダイン株式会社)によって研究・開発されました。

「HAL」とは「Hybrid Assistive Limb」の略称で、Hybrid(掛け合わせ)、Assitive(支援の)、Limb(四肢)という言葉から「人、機械、情報などが融合した、人間を補助する肢体」というような意味になります。

その言葉の通り、「HAL」を装着することで「人」「機械」「情報」が融合され、身体の不自由な方をアシストしたり、いつもより大きな力を出したり、さらに、脳・神経系への運動学習を促すことができます。

医療機器として使われるHAL(MEDICAL TYPE)と医療以外(作業や介護、自立支援)に使われるHAL(NON-MEDICAL TYPE)の2種類があります。

「HAL」の活用事例についてはこの後詳しく紹介します。

「HAL」の仕組み

装着することで普段出せないような力を出すことができたり、さらに脳・神経系への運動学習を促すこともできる「HAL」。



「HAL」はどのような仕組みでこれを可能にしているのでしょうか。

「歩きたい」と考える

普段、あなたは何気なく歩いたり、走ったり、物を掴んだり持ち上げたりしているでしょう。

しかし、実際には人間はまず脳で体の動作を考え、その考えが筋肉に伝わることでその動きをとっています。

具体的には、まず脳が「歩きたい」と考え、次に「筋肉を動かせ」という命令を神経を通して歩くために必要な筋肉に伝えることで、筋肉が動き歩くことができます。

この「動作をするために必要な信号が脳から筋肉に伝えられる」と同じようなことが「HAL」の内部でも行われています。

信号を受け取って筋肉が動く

脳からの信号を受け取った筋肉は、その命令通りに筋肉を動かします。

この時、動作の内容に合わせて筋肉を動かす力の強さも命令として伝わっているので、卵を持ち上げるときは優しく、重いものを持ち上げるときは強く、といったような力の調整が出来ています。

この「脳が発信した信号を受け取った筋肉が動き出す」という人の体内で行われているやり取りをキャッチし、脳の命令通りに筋肉が動き出すタイミングに合わせてその動きをサポートすることが「HAL」の大きな役割です。

信号を「HAL」が読み取る

では、身体の外に装着している「HAL」は、脳からの信号をどのようにしてキャッチしているのでしょうか。

脳から各筋肉に送られる信号は、非常に微弱な「生体電位信号」として皮膚から漏れ出しています。

「HAL」は、独自に開発したセンサーを皮膚に貼り付けることで、この微弱な生体電位信号をキャッチし、信号を読み取ります。

この生体電位信号と、「HAL」に内蔵されているセンサーから得られる様々な情報を組み合わせて、「HAL」は装着している人がどのような動作をしたいのかを認識することができる仕組みになっています。

「HAL」が考えた通りに動く

行いたい動作を認識した後は、その内容に合わせてパワーユニット(一般的に、エンジンや電動モーターなどの動力を発生させる装置のこと)をコントロールします。

このように、皮膚からの微弱な信号を読み取り、身体の筋肉の動きに合わせて「HAL」が動作することで、装着している人は普段では出せないような力を出すことができたり、身体にかかる負荷を軽減させることができるのです。

そして、これらの人間の自然な動きを支援するために、「HAL」には「サイバニック随意制御システム」と「サイバニック自律制御システム」という2種類の制御システムが搭載されています。

「サイバニック随意制御システム」とは、装着者の意思(生体電位信号)を読み取り、その通りに動かすためのシステムで、「サイバニック自律制御システム」とは、生体電位信号を読み取ることができなくても、ロボットが独自に判断して自律的に動くためのシステムです。

これらの2つのシステムを「HAL」に搭載することで、自然な身体動作を可能にしています。

脳が動きを学習する

日々のあらゆる動作のために信号を送り続ける脳は、ただ信号を送るだけでなくどのような信号を送ることで筋肉が動くのか確認しています。

例えば、「歩け(=歩くための筋肉を動かせ)」と脳が命令した後、実際に歩くことができたのか、結果が脳に返ってきます。

このフィードバックは「HAL」を装着している時にも同じで、「HAL」を使って歩いた直後に、「歩けた」という感覚のフィードバックを脳へ送られます。

このフィードバックを蓄積していくことで、脳が歩くための信号を理解・学習していきます。

これにより、例えば足が不自由な方が「HAL」を使って歩行訓練を続けていくうちに、脳が歩くための筋肉の動かし方を理解し、一定期間の後に「HAL」の補助なしで歩けるようになるという、身体の不自由の改善につなげることができます。

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「HAL」の主な種類

身体動作をサポートする「HAL」は使用目的や装着する部位によって複数の種類があります。そのうちのいくつかを紹介します。

下肢タイプ(自立支援用・医療用)

自律支援用下肢タイプの「HAL」は、下半身に障害があって生活などが困難な方の下肢機能向上を目的として開発されました。

事故、病気などが原因で下肢を動かしづらくなってしまった方でも、「HAL」を使って生体電位信号に基づいた運動を繰り返し行うことで、脳神経・筋系の繋がりが促進され、身体機能の維持・向上や自立度を高めることが期待されます。

「HAL」は装着者の足の長さ、サイズ、腰幅などによってサイズの調整が可能で、身体機能によってアシストのレベルを設定することができます。

自立支援用単関節タイプ

腕や脚の関節をトレーニングすることに特化した自立支援用単関節タイプは、関節部分に装着することで動きをアシストします。

コンパクトなサイズで軽量(約1,500kg)のため持ち運びも可能で、ベットに寝たままの姿勢で装着・トレーニングができます。

また、アシストのスタート・ストップや設定変更、動作の確認などは手の平サイズのリモコンで行えるため、装着者自身で動きを確認しながらトレーニングをすることができます。

腰タイプ(介護・作業・自立支援用)

重いものを運ぶ作業や介護が必要な人を抱える時など、腰に負担がかかる時に使うのは腰タイプ(介護・作業・自立支援用)です。

足腰が悪い方の自立支援の他、移乗介助のような介助動作において腰部にかかる負荷を低減し、腰痛を引き起こすリスクを減らします。

バッテリー型のため行動範囲が制限されることもなく、また重量は3kgほどのコンパクトな軽量タイプであるため、介護職の女性でも利用することができます。

また、防水機能を備えているため、水中での作業や介護動作の中でも特に負担の大きい入浴介助時でも利用することできます。

フルボディHAL

フルボディタイプは現在研究開発段階です。

上肢から下肢まで、全身の身体機能を拡張させることで、人間が発揮できる以上の力を実現させることを目指しています。

HAL災害対策用

HAL災害対策用は、特殊な環境でのレスキュー活動などを想定して研究開発が現在進められています。

チタンと炭素繊維強化プラスチックで構成された強化全身フレーム、放射線遮へいジャケットや装着者用冷却装置、バイタルセンシングシステムを装備し、ロボットではなく人の手が必要な災害現場での利用を目指しています。

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「HAL」を開発したCYBERDYNE(サイバーダイン)株式会社とは

CYBERDYNE株式会社は2004年6月に設立された会社で、本社は茨城県つくば市にあり、アメリカやドイツなどにも支社があります。

筑波大学大学院システム情報工学研究科・サイバニクス研究センター設立者 山海嘉之教授の研究成果で社会貢献することを目的とし、「HAL」や「HAL」の周辺機器(清掃ロボット、運搬ロボット)などを研究、開発を日々行っています。

サイバニクスとは、山海教授が確立した新学術分野で、脳科学・神経科学、運動生理学、ロボット工学、IT技術、再生医療、行動科学、倫理、安全、心理学、社会科学など、さまざまな学術領域を融合複合させた包括的な学術分野のことを指します。

様々な分野の知識の技術が結集されて開発された製品が、ロボットスーツ「HAL」というわけです。

「HAL」の活用事例

「HAL」は主に「作業支援」「医療」「介護・福祉」の現場で役立てられています。

具体的な活用事例を紹介します。

作業支援

人間の動きをサポートし、より大きな力を出すことを可能にする「HAL」は、建設、物流、農業、工場などの重い荷物や材料を運ぶ現場で活用されています。

これらの業界は、日常的に重い物を運ぶことが多く、高齢の従業員も多く働いているため、作業にかかる負荷を軽減させるために「HAL」のようなアシストロボットの需要が非常に高い業界です。

また、日常の業務・作業だけでなく災害後の復旧作業の現場でも役立てられています。こちらについては後ほど詳しく紹介します。

医療

医療現場では、「HAL」は下半身の障害の改善や運動補助による健康増進の面で役立てられています。

CYBERDYNE株式会社は、ドイツに「サイバーダイン・ケア・ロボティックス社 : Cyberdyne Care Robotics GmbH」を設立し、「HAL THERAPY(セラピー)」というサービスを展開しています。

HAL THERAPY(セラピー)とは、脊髄損傷や脳卒中を含む脳・神経・筋疾患の患者に対する「HAL」を用いた機能改善治療を行う医療サービスです。

「HAL」によって症状が改善した例を一つ紹介します。

Philippe(フィリッペ)さんは、2010年冬、雪下ろしの最中に屋根の上から3m落下し、第12胸椎以下が麻痺しました。

1回の手術の通常のリハビリテーションの後、車椅子生活を覚悟しなければいけない状態であったフィリッペさんですが、2012年2月に「HAL」を用いた機能改善の臨床試験に参加すると、当初歩行器で72秒かかった10m歩行が、同年6月にはたった26秒で行えるまでに改善しました。

その後もトレーニングを重ね、歩行器を使用し「HAL」がなくても1000m以上を歩けるようになりました。

その他にも、「HAL」を用いて、装着者の意思に合わせて脚の曲げ伸ばし、立ち座り、歩行練習などを行う「HAL FIT」や、「HAL」を用いたトレーニングの専門スタッフ(看護師、スポーツトレーナーなど)が、動作範囲の拡大を目的として個人にあったトレーニングメニューを組んでくれる「ROBO CARE」などのサービスも展開しています。

これらの活動を通して、事故などが原因で不自由になってしまった身体機能の改善だけでなく、運動を通した心身の治療にも取り組んでいます。

介護・福祉

介護・福祉の現場は、多くの場面で重労働です。

例えば、要介護者をベッドから下ろし、浴槽に入れ、中腰になって体を洗う、という動きを一日に複数回行うこともあります。

こういった作業は特に腰部に大きな負担となり、日々こういった作業を行うことで腰を痛めてしまう人もいます。

「HAL」は日々重労働を行う介護者の動きをサポートすることで、介護者がより少ない負荷で介護ができるように支援しています。

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ロボットスーツ(パワードスーツ)を使うメリット

すでに医療、介護など様々な現場で活用されているロボットスーツの利用には、メリットもたくさんありますが、デメリットもあります。

まずは、メリットを解説します。

装着者の体にかかる負担が大幅に軽減される

「HAL」などのロボットスーツを利用する一番のメリットは、筋肉の動きをサポートすることで、装着者の体にかかる負担を大幅に軽減させることです。

今後「HAL」がより普及することで、介護、建設、農業など日々長時間体に負荷のかかる仕事を行う人達の負担解消が期待されています。

運動を前向きに行える

事故などで体が不自由になってしまった場合、事故前と同じように体を動かすために長期間にわたるトレーニング(リハビリテーション)が必要です。

トレーニングには思い通りに進まないことも多く、忍耐力も必要です。

そのトレーニングの過程において、ロボットスーツを活用し、まずはロボットスーツの力を借りながら体を動かし、少しずつ体に動きを慣れさせていきます。

「HAL」を使って筋肉を動かしていくことで、脳は筋肉の動かし方を学習していき、本来の身体機能を高めていくことができます。

それだけでなく、「歩けた」「動かせた」という成功体験はその先のトレーニングのモチベーションにも繋がるため、継続してトレーニング(リハビリテーション)を続けることができ、最後はスーツなしで動くことができる可能性もあります。

このように、「HAL」などのロボットスーツはただ人間の動きをサポートするだけでなく、運動やトレーニングに対して苦手意識を持つ人々の精神的な助けの役割もあります。

自動でアシストしてくれる安心感がある

ロボットスーツを用いない場合、運動、介護、リハビリテーションにはそれをサポートするトレーナーが必要です。

そのため、運動や介護の補助を人にやってもらうことに対して申し訳なさを感じてしまう人や、自分のペースでトレーニングを進められずに苛立ちを感じてしまう人もいるかもしれません。

その点、ロボットスーツは運動の一部を自動でアシストしてくれるため、人に迷惑をかけることなく自分のペースでトレーニングを進めることができます。

また、人にサポートしてもらう場合、支え方やサポートの仕方などがサポートする人によって異なり、トレーニングをする人との相性やタイミングが合わない可能性もあります。

ロボットスーツは科学的なデータに基づいて筋肉を自動でサポートするため、人にサポートしてもらうよりもストレスが少ない状態でトレーニングが進められることもあるでしょう。

ロボットスーツ(パワードスーツ)を使うデメリット

一方、ロボットスーツにはデメリットもいくつかあり、今後「HAL」などのロボットスーツをより広く普及させるために解決しなければいけない課題もあります。

ここからは、ロボットスーツを使う上で考えられるデメリットについて解説します。

導入・維持に費用がかかる

ロボットスーツは非常に高度な技術を用いて作られています。それゆえに導入・維持にかかる費用は安くありません。

例えば、「HAL」の下肢タイプを利用したい場合、初期導入費として片脚で「40万円」両脚で「55万円」がかかります。

その初期費用に加えて、月々十数万円のレンタル・リース料が発生します。

現在「HAL」は個人向けのレンタル・リースは取り扱っておらず、主に医療機関などの施設を対象に導入がされています。

利用する人の身体的不自由の改善に役立つ「HAL」ですが、それでも導入する施設の金銭的な負担は大きいのが現状です。

また、災害現場や介護・福祉の現場で導入する場合、一台ではなく複数台導入することが考えられ、導入・維持費用はさらに高くなるでしょう。

装着や使用方法の理解などに手間がかかる

使い方を理解し、適切に活用することで大きなメリットを生み出す「HAL」も、使い始めは装着方法、使用方法などの理解に時間がかかることが考えられます。

装着に時間がかかってしまったり、職員が使い方をきちんと理解していないことで適切に使えず、逆に体に負担がかかってしまったりすると、せっかく導入した意味もありません。

また、装着する本人にとっても、「HAL」を身体に適用させるためにはまず「HALを使う練習」が必要になることでしょう。

ロボットスーツ(パワードスーツ)自体の重さが負担になるケースがある

ロボットスーツは出来るだけ軽量化して開発されてはいますが、それ自体の重さが身体にとって全く負担にはならない、とは言えません。

特に装着者が高齢者や身体が不自由な方の場合は、ロボットスーツ自体を「重い」と感じてしまうかもしれません。

軽量化されている「HAL」の腰タイプの場合、重量は約3kgで他の「HAL」のロボットスーツの中では軽い方ではありますが、実際に3kgの重りをつけて行動することは少なからず体への負担になります。

介護現場などで利用する場合などは、装着した状態で長時間作業を行うことになるため、そのものの重さで疲労を感じてしまっては意味がありません。

また、運動やトレーニングで利用する場合においても、「HAL」そのものの重さに耐えられず着用することを拒む人もいるかもしれません。

今後は、高齢者や子供でも負担にならないようさらなる軽量化が求められるでしょう。

西日本豪雨の復旧活動にも「HAL」を活用

2018年6月末から7月上旬にかけて、西日本を中心に大規模な豪雨が発生しました。

気象庁によって「平成30年7月豪雨」と命名された豪雨は、土砂災害、河川の氾濫、それらによる住宅の浸水を引き起こし、大きな被害をもたらしました。

その傷跡は被災地に今も深く残り、各地で連日復旧作業が進められています。

そのような状況で、岡山県倉敷市などでは復旧のボランティア活動を支援するためにロボットスーツ「HAL」が活用されました。用いられたのは、先ほど解説しました「腰タイプ作業支援用」です。

復旧作業では、道路や住宅に流れ込んだ大量の土砂、がれきなどの重いものを長時間運ぶ作業が発生し、作業者の腰に大きな負担になります。

災害支援用に適用された腰タイプの「HAL」を装着し、重さ十数キロの土のうを運んだボランティアからは「腰痛を感じない」「行政で用意してほしい」と、その効果を実感していました。

ロボットスーツ(パワードスーツ)に対する被災地での高いニーズ

「平成30年7月豪雨」の復興ボランティアにおいて、「HAL」が投入されたきっかけは、ある1件の問い合わせからでした。

7月11日、CYBERDYNE株式会社は契約している販売パートナーから「復旧支援にロボットスーツを活用できないか」という要請を受けました。

要請を受け、同社は社内にある「HAL」を急遽集め、もともとは工場や建設現場などで腰の負荷を軽減することを想定した腰タイプの「HAL」を災害支援の環境に合わせてコードを書き換え、12日に茨城県つくば市を出発。13日から現場で使用を開始しました。

急な対応ではありましたが、実際の災害現場でその実用性が評価され、「HAL」の災害現場でのニーズの高さを示すことになりました。

CYBERDYNE株式会社営業部の中澤さんは、「ボランティア活動は重労働作業がほとんどで、腰への負担は想像以上に過酷なものでした。(ボランティアスタッフには)女性や高齢者もいるため、ロボットスーツのサポートが欠かせません。今後は行政による導入支援の仕組みも整備される必要があると感じています」とコメントし、「HAL」の災害現場での実用性・必要性を実感していました。

ロボットスーツ(パワードスーツ)の将来的なニーズや課題

重量や価格などの課題も残されてはいますが「HAL」のようなロボットスーツは、今後さらに加速する高齢化社会における介護の現場、何年もの時間がかかる災害の復旧活動などの現場で多いに活用されていくことでしょう。

ロボットスーツの製品開発には最新の技術が使われ、日々エンジニア・プログラマによって研究開発が進められています。

今後さらに注目が集まる可能性が高いロボットスーツの開発エンジニア・プログラマの需要も、上がっていくことでしょう。

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この記事を書いた人

石田ゆり
元システムエンジニア・コンサルタント。ERPパッケージソフトウェア会社にて設計から開発、品質保証、導入、保守までシステム開発の一通りの業務を経験し、その面白さと大変さを学ぶ。働く人々を支援するバックオフィス系システム・業務効率化ツール等に特に興味あり。趣味は旅行、ヨガ、読書など。