公立はこだて未来大学 2012 年度 システム情報科学実習
グループ報告書
Future University Hakodate 2012 System Information Science Practice
Group Report
プロジェクト名
生体情報の福祉利用∼筋電義手の開発∼
Project Name
Biological Information for Social Welfare∼Development of Myoelectric hand∼
グループ名
生体信号計測班
Group Name
Measurement of Myoelectric Group
プロジェクト番号/Project No.
25-A
プロジェクトリーダ/Project Leader
1010093
Hitotaka Sasaki
佐々木啓孝
グループリーダ/Group Leader
1010198
坂本勝成
Katsunari Sakamoto
グループメンバ/Group Member
1009239
野呂健人
Kento Noro
1010134
岸本弘太
kouta Kishimoto
1010169
五十嵐彩乃
Ayano Igarashi
指導教員
櫻沢繁，中垣俊之
Advisor
Shigeru Sakurazawa Toshiyuki Nakagaki
提出日
2013 年 1 月 16 日
Date of Submission
January 16, 2013
概要
義手は，事故や病気等により腕を失ってしまった人のために作られる．義手には様々な種類
があり，外観的な面の復元を目的とした装飾用義手，外観面は重視せずに様々な作業に使用す
ることだけを目的とした作業用義手，義手の手先具や肘関節などの可動部分を自分で操作して
手の機能を再現しようとするための能動用義手が挙げられる．これらの義手の他に特殊な義手
として，筋電義手があり，この義手では，駆動用モータを切断端の筋肉が収縮する際に発生す
る筋電位に応じて制御する．これによって，装着者はその義手を自分の腕のように動かす事が
できる．
筋電義手は実際に，シカゴ・リハビリテーション研究所が 2005 年にバイオニック・アームと
称して開発されている．このバイオニック・アームにより，装着者は思考どおりに義手の動作
をコントロールすることができた．しかし，バイオニック・アームは侵襲的計測方法を用いる
ため，筋肉に直接電極を埋め込む必要がある．そのため，手術が必要になることと感染症にか
かる危険性がある．
本プロジェクトでは，皮膚の表面で計測可能な面筋電位を用いた筋電義手の開発を行う事を
目的とした．これにより，手術を要することなく，安価かつ安易に筋電義手を製作することが
できる．このプロジェクトでは，筋電義手により，手首の前後動作及びグー・チョキ・パーの
動作の実現を中間までの目標とし，最終までに，手首の前後動作及び物を掴む事，摘む事を目
的とした．また，本プロジェクトでは生体信号計測班，生体信号制御班，生体信号製作班とグ
ループに分かれ，ここでは主に生体信号計測班が行った事について主に記述している．
キーワード
筋電義手，表面筋電位
（※文責: 坂本勝成）
-i-
Abstract
Artificial arms are made to help for people who have lost their arm in an accident
and sickness. There are various kinds of artificial arms. For instance, cosmetic arms
which was made for imitating human arms, working arms which was made to do a
lot of works, active arms which was made for operating the movable parts such as
joint of elbow and tools of the hand themselves. In addition, as particular artificial
arms, myoelectric hand has been developed. Person who put on a myoelectric hand
can move the hand as if it is own, because the control motors were controlled by their
myoelectricity, and the myoelectricity occurred when the muscle at the cutting edge
contracted.
In fact, Chicago Rehabilitation Institute developed a myoelectric hand which called
Bionic Arm in 2005. Thanks for the hands, the person who put it on was able to
control the hand as he hoped. However, Bionic Arm is used noninvasive measurement.
Noninvasive measurement is the method that electrode is directly implanted in the
muscle. Also, it is necessary to operate and risky to catch the infectious disease.
Therefore, in our project, we have developed a myoelectic hand using surfacemyoelectricity which is able to measure on surface of the skin. It is not necessary to
operate and we can manufacture it cheaper and easier. Our project aimed to identify
movements of the each fingers such as rock-paper-scissors and movements of wrist such
as back and forward in the midterm. Also, our project aimed to movement of catching
and pinching an object in the final term. In our project, we made three groups,
measurement of myoelectric group, control of myoelectric hand group, manufacture of
myoelectric hand group. This report is mainly written measurement of myoelectric
group.
Keyword
myoelectiric hand, surface-myoelectricity
（※文責: 坂本勝成）
- ii -
目次
第1章
はじめに
1
1.1
背景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
従来例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.3
従来の問題点 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.4
課題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
プロジェクト概要
3
2.1
目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.2
課題解決のプロセス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.3
課題の設定と到達目標 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.4
課題の割り当て . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
グループ内の学習
7
第2章
第3章
3.1
筋電義手の制作に携わる知識
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.2
筋電位の計測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.3
フォトカプラ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
3.4
アクティブ電極 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.5
導電布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3.6
電源 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3.7
圧力センサ用回路
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
3.8
ひずみゲージ用回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
3.9
センサ用電源 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
3.10
モータ用電源 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
3.11
コネクタ回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
3.12
抵抗のカラーコードの読み方
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
3.13
はんだ付け . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
グループ内のインターワーキング
33
制作物 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
第4章
4.1
第5章
5.1
5.2
4.1.1
中間発表での製作物 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
4.1.2
最終発表での製作物 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
結果
43
成果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
5.1.1
生体信号計測班の成果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
5.1.2
筋電位計測回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
5.1.3
アクティブ電極 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
5.1.4
圧力センサ，ひずみゲージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
解決手順と評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
- iii -
第6章
6.1
6.2
まとめ
45
プロジェクトにおける各人の評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
6.1.1
坂本勝成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
6.1.2
野呂健人 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
6.1.3
岸本弘太 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
6.1.4
五十嵐彩乃 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
今後の課題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
52
参考文献
- iv -
Biological Information for Social Welfare∼Development of Myoelectric hand∼
第1章
1.1
はじめに
背景
筋電位の計測と筋電位計測回路の設計に取り組むことでの筋電義手の完成を目指す．また，筋電
位計測回路の役割は皮膚の筋電位を計測する際に生じるノイズの除去と筋電位の増幅の二つに分け
られる．筋電位の計測方法に筋肉に針電極を埋め込み，直接電位を計測する侵襲的計測方法と皮膚
の表面からアクティブ電極を用いて表面筋電位を計測する非侵襲的計測方法が存在する [21]．我々
のプロジェクトでは非侵襲的計測方法を用いて表面筋電位を計測する方法で行っている．その理由
として，筋肉から直接電位を計測する方法では正確な筋電位を計測可能であるが，筋肉を傷つけた
り感染症の危険性がある．しかしながら，皮膚の筋電位を計測する際にも様々な問題が生じる．ま
ず，計測する表面筋電位が微弱であるため計測が困難となる．また，コンセントから発生する電磁
波により 50Hz の家庭用周波数や周りの電子機器から発生している周波数が筋電位の計測する周波
数に似ているため，ノイズ障害が起こってしまう．複数の関節と筋肉が同時に動作するため，各筋
で発生する筋電位の加重和として計測される電位から，複数関節の運動を個別に判別することが出
来ないということなどが挙げられる問題である．これらの問題を電子回路やアクティブ電極，導電
布を用いて緩和させる．これらの問題を対処するのが生体信号計測班である．
（※文責: 坂本勝成）
1.2
従来例
筋電義手は筋電位を計測し，その信号に応じてモータを制御して物をつかむ，つまむ、腕の前後
動作などの動きを再現する仕組みである．スコットランド TouchBionics 社が開発した「i-Limb」
という筋電義手は，完全に独自に機能的に曲がる指を持つ世界初の義手で葡萄のようなつぶれやす
い物もつぶさすにつかむこともできる．見たの面でも「i-Limb」はより人の腕に近い外見をしてい
る．しかし，限度を超えて握り続け、壊れやすい物を握り潰してしまうことがある．だが，これに
対して「i-Limb」は実際に自分の手で物体をしっかり掴んだという触感を，手ごたえとして感じ取
ることができる．さらに，十分な圧力がかかった時に，これ以上圧力がかからないよう義手に伝え
る感知機能がついている [14]．
（※文責: 野呂健人）
Group Report of 2012 SISP
-1-
Group Number 25-A
Biological Information for Social Welfare∼Development of Myoelectric hand∼
1.3
従来の問題点
筋電義手は，日本ではあまり普及していない．しかし，近年では国内での研究も進められ，数年
に十数本と少数ではあるが，徐々に実用化も進められている．しかし，筋電位義手は価格が 140 万
以上と高額である．保険の適用外であり広く普及するにはまだまだ時間がある．また，他国と比べ
てみると，医療崩壊が進んでいるといわれている国でも，はるかに筋電義手の普及が進められてお
り，国の補助も充実していることがわかる．例を挙げるとイギリスでは，幼少期に手を切断した場
合，筋電位義手を使用する割合は 7 割を占めている．またカナダでは，筋電義手を装着訓練をす
るシステムが確立されていて，自宅での装着や訓練も可能である．さらに，通院による経済的負担
の軽減や，年齢に合った筋電義手の使用法も進められている．また，精密な動きが可能になった筋
電義手にも問題がある．幼少期からこのような義手を使う場合では，成長と共に定期的に適合して
いるか調べ，随時適合するようにセンサーを埋め込む手術を行わなくてはならない．そのため使用
者に対し，経済的負担や身体的負担が大きくのしかかり，一般に広く普及することへの妨げになっ
ている．このように意のままに動かせる義手を作るには，海外の技術を参考にする必要がある．海
外で製作された最新の筋電義手については，各指の独立制御が可能となっており，かつ本物の手の
動作をほぼ再現している．しかし，日本の技術では各指ごとに制御までの筋電義手の開発技術が追
いついていない．国内でも幾つかの会社が筋電義手の開発をしており，各指の制御は可能だがまだ
限られた動作しか再現できていない．また，義手の装着する人には支給制度があるがそれを踏まえ
ても高額である．価格の他に，筋電位義手にはモータがいくつも取り付けてあるため義手の重さが
問題となる．成人では訓練によって，装着時に問題のない程度の重さであるが，子供にとっては日
常的に使用することは困難である．筋電義手は非常に便利な物であるが，このように価格や公的資
金の充実の他にも，義手の重さや、安全面、年齢に合った使用法の確立にも課題が多く残っている
[15]．
（※文責: 野呂健人）
1.4
課題
中間までの課題として，筋電位の計測のために，筋電位増幅とノイズの除去を行う基板作成の知
識，そのために必要なオペアンプ，反転増幅回路，非反転増幅回路，コンデンサ，ハイパスフィル
タ、ローパスフィルタ、半波整流回路、差動増幅回路、インスツルメンテーションアンプなど，多
様の回路の知識を学んだ．その後，ブレッドボードやユニバーサル基板を用いてアンプを作成し
た．そして，中間の筋電義手のための基板を作成した．まず，基板を作成するにあたり，設計図を
作成した．そして，それを基にユニバーサル基板を用いて基板と配線をはんだ付けし，アンプを作
成した．作成した基板が正常な筋電位を計測できているかを確認した後，はんだがうまく接着され
ていなかった部分や，接着させない部分が接着していた部分などは微調整を繰り返し修復した．
最終発表までの課題としてはより精密な筋電位の計測を行うために 5 チャンネルから 16 チャンネ
ルに増やした．そこで，32 個の電極作成，圧力センサとひずみゲージの作成，16 チャンネル分の
アンプ作成の 3 つが大きな課題であった．筋電位計測班はこれら 3 つを作成し，実際にアクティブ
電極を埋め込んだサポーターをはめて筋電位を確認した [13]．
（※文責: 岸本弘太）
Group Report of 2012 SISP
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Group Number 25-A
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第2章
2.1
プロジェクト概要
目的
生体信号計測班の目的は, 筋電位を計測するための筋電位計測回路の設計である．筋電位測定回
路の役割は, 大きく分けて,「筋電位を計測する際に生じるノイズの除去」と「計測した信号の増幅」
の二つに分けることができる．生体信号計測班はこの二つの役割を達成させる事を筋電位計測回路
を設計する際の目標とした．筋電位の計測法には, 筋肉から直接電位を計測する方法と皮膚表面に
電極を貼付し, 経皮で筋電位を計測する方法の二通りが存在する．私たちのプロジェクトでは皮膚
の筋電位を計測する方法を用いた．その理由は筋肉から直接電位を計測する方法をとった際の問
題が原因である. この方法では確かに正確な電位を計測することができるが，被験者に対し侵襲的
であり, 筋肉を傷つけたり感染症の危険性がある. また, 限局された情報になるという限界点を持ち
合わせている．しかし，皮膚表面上の筋電位を計測する際にも様々な問題が生じる．まず，皮膚に
抵抗が存在し筋電位が微弱になる．コンセントから発生する電磁波により、50Hz のノイズが筋電
位に混入してしまう．そして，表面筋電位は、各筋で発生する筋電位の加乗和として計測されるた
め，複数関節の運動を個別に判別することが困難であることが挙げられる．そしてこれらの問題を
解決させるため, 導電布や, アクティブ電極を用いた筋電位測定回路を作成する事が生体信号測定
班の目的である．
（※文責: 岸本弘太）
Group Report of 2012 SISP
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2.2
課題解決のプロセス
1. 手が動く仕組みの学習
課題解決のプロセス:指導教員，先輩方に筋電義手が動くまでの仕組みを学んだ．
2. 筋電義手についての仕組み
課題解決のプロセス:筋電義手の現状，問題点を学習する．
3. 目標の設定
課題解決のプロセス:3 を踏まえた上で作成する筋電義手の内容を話し合い，前期までに作成
する筋電義手の目標を定めた．
4. 必要な知識についての学習
課題解決のプロセス:筋電位の計測に関する知識を，担当教員，先輩方，文献などから学習
した．
5. グループ間での知識共有
課題解決のプロセス:週に一度，各グループで学習したことを他のグループに説明を行うこ
とで，進度を確認した．
6. 5 チャンネルでの筋電位の計測
課題解決のプロセス:ブレッドボード上に筋電位を計測する回路を 5 チャンネル分作成し，
実際に筋電位を計測した．
7. アンプの作成
課題解決のプロセス:ブレッドボードで作成した回路を基に，2 チャンネル分の筋電位を計測
する回路をユニバーサル基板で作成した．
8. 電極の作成
課題解決のプロセス:表面筋電位を計測するために，オペアンプを組み込んだ電極を作成
した．
9. 後期に向けての目標の再設定
課題解決のプロセス:前期での反省点を考慮して，後期の目標を設定した．
10. 16 チャンネルでの筋電位の計測
課題解決のプロセス:16 チャンネルで筋電位を計測し，電極を貼る箇所を決めた
11. 電極の作成
課題解決のプロセス:16 箇所での計測を行うために電極を 32 個作成した．また，電極の位
置のずれが少なくなるように，ボタンを使って腕のサポーターを作成し，それに電極を取り
付けた．
12. 多チャンネル入出力のアンプの作成
課題解決のプロセス:16 チャンネル分の筋電位を計測する回路をユニバーサル基板で作成
した．
13. 製作物の動作確認
課題解決のプロセス:筋電義手が設計通りに動作するかを確認し，各グループとの調整を
行った．
14. ロボットハンドの修復，完成
課題解決のプロセス:適宜修正が必要な箇所を確認，修復，強化を行った．
（※文責: 岸本弘太）
Group Report of 2012 SISP
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2.3
課題の設定と到達目標
全体の課題は，筋電義手の作成として筋電位の計測の際に被験者にかかる負担を減らし，人の構
造に近い筋電義手を作成することである．そのために，電極を体内に埋め込まずに皮膚に電極を貼
り付け表面筋電位を計測する方法を用いた．これにより電極を埋め込む必要がないため，感染症の
リスクがなくすことができる．また，生体信号計測班の目的は精密な筋電位を計測するための筋電
位計測回路の設計である．またそこから，ノイズを除去し信号を増幅する電子回路をブレッドボー
ド上に設計，作成し，実際に筋電位の計測に成功させることが生体信号計測班の課題である．
また，生体信号計測班の課題設定とその到達目標として以下のような手順を設定した．
1. 筋電義手を知る 筋電義手について知り，問題点等を学習した．
2. 中間発表までの目標の設定 中間発表にどのような筋電義手を作成するかを決めるために話し合いを行った．
3. 専門知識と技術の習得 人間の筋肉，筋電位発生のメカニズムやアンプを作成するために必要な電子回路の基本について，
指導教員や先輩方から講義を受けた．
4. 筋電位計測 ノイズを除去し，筋電位を増幅する電子回路をブレッドボード上に設計し，作成した．そして，筋
電位の計測を行った．
5. 後期に向けての目標の設定 前期で出来たこと，出来なかったことを踏まえ，最終的な目標と成果物について話し合った．
6. 中間よりも精密な筋電位の計測 筋電位計測のためのアクティブ電極を 32 個作成した．また 16 チャンネルの筋電位計測回路を作
成した．
（※文責: 岸本弘太）
Group Report of 2012 SISP
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2.4
課題の割り当て
坂本勝成の担当課題は以下の通りである．
• 5 月：電子回路・運動生理学について先生・先輩方から学習する，電気回路製作演習
• 6 月：筋電位計測回路 5 チャンネル分の設計・製作，筋電位の計測
• 7 月：中間発表練習，報告書の作成
• 9-10 月：筋電位計測回路 16 チャンネル分の設計・製作
• 11 月：筋電位の計測
• 12 月：最終発表練習，報告書の作成
（※文責: 坂本勝成）
野呂健人の担当課題は以下の通りである．
• 5 月：生理学，電気回路についての基本的な知識を担当教員や先輩から教えてもらう
• 6 月：電子回路と電極の作成
• 7 月：筋電位の計測
• 9-10 月：電極の作成，電源の作成
• 11 月：原稿の作成，電源の直し
• 12 月：最終発表会練習，報告書の作成
（※文責: 野呂健人）
岸本弘太の担当課題は以下の通りである．
• 4 月：生理学・電気回路についての基本的な知識を担当教員や先輩から教えてもらう
• 5 月：筋電位と電子回路についての学習とブレッドボードで練習
• 6 月：電極の作成
• 7 月：電極の作成と中間発表の練習
• 9 月：筋電位の計測
• 10-11 月：電極の作成
• 12 月：最終発表練習，報告書の作成
（※文責: 岸本弘太）
五十嵐彩乃の担当課題は以下のとおりである．
• 6 月：電極製作，電極用のコネクタ製作
• 7 月：生体信号計測班のスライド製作
• 9 月：モータ用のコネクタ製作
• 10 月：ひずみゲージ用回路試作，圧力センサ用回路試作
• 11 月-12 月：圧力センサ用回路製作，ひずみゲージ用回路製作，生体信号計測班のスライド
製作
（※文責: 五十嵐彩乃）
Group Report of 2012 SISP
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第3章
3.1
グループ内の学習
筋電義手の制作に携わる知識
4 月の段階で，我々は筋電義手がどのような仕組みで動かすことができるのか何もわからない状
態であった．そこで，担当教員及び前年度以前にこのプロジェクトに関わった先輩方から筋電義手
の製作に必要な知識を講義してもらった．その講義内容に関しては以下に示す．
1．人体生理学に関する知識
人間の筋肉は，筋肉組織を形成する収縮性のある筋細胞，または筋繊維という細長い繊維状の束
により形成されている．筋肉細胞が束になっている筋細胞には，ミオシンとアクチンという 2 種類
のタンパク質が存在し，これらが互いに重なって相互にスライドする構造となっている．神経系か
らの伝達により，カルシウムイオンの濃度変化が起こる．そしてトロポニンがカルシウムイオンを
受容する．ミオシンとアクチンの相互作用抑制が解除されて，ミオシンとアクチンが滑り運動を開
始する．これが筋収縮である．収縮後，カルシウムイオンがカルシウム小胞に回収されてミオシン
とアクチンの相互作用抑制により筋が弛緩する．筋肉が収縮と弛緩を起こすときに微弱な電位が発
生する．これが筋電位となる．
3．生体信号の計測に関する知識
生体信号の計測に関する知識は次のセクションで説明する．
教わった知識を基にして，前年度の先輩方が作った計測回路・アクティブ電極を模倣してそれら
を作製した．そして，中間発表に向けてどのように工夫していくかを考えた．
（※文責: 坂本勝成）
Group Report of 2012 SISP
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Group Number 25-A
Biological Information for Social Welfare∼Development of Myoelectric hand∼
3.2
筋電位の計測
筋電位の計測については，先に述べた生体信号の計測に関する知識により計測を行うことができ
た．講義してもらった電気回路及び，それに基づく知識は以下に述べる．
オームの法則
電荷が導体中を移動する際に電流が発生する．電流は，導体の断面を 1 秒間にどれだけの電気量
が通過するかで定め，電流の単位はアンペア (記号：A) を用いる．電圧は，電場の中にある電荷を
ある点 A から点 B の位置まで運ぶ時の電位差で定め，電圧の単位はボルト (記号：V) を用いる．
これより，ある導体に流れる電流 I(A) とかかる電圧 E(V) の間に次の比例関係が成り立つ．
E = RI
(3.1)
この比例関係をオームの法則といい，比例定数 R が電流の流れにくさを示している．また，R は
抵抗または電気抵抗と呼ばれる．抵抗の単位はオーム (Ω) を用いる．オームの法則により，電圧・
抵抗・電流のうち 2 つの値が定まっていれば，残りの 1 つも計算で求めることができる．
コンデンサ
コンデンサは，キャパシタンスにより電荷を蓄えたり放出したりすることができる受動素子であ
る．コンデンサに蓄えられる電気量を Q クーロン (記号：C)，電気容量を C ファラド (記号：F)，
加える電圧 V(V) とすると次の比例関係が成り立つ．
Q = CV
(3.2)
コンデンサはフィルタなどの回路に利用され，実際には抵抗などと一緒に用いられることが多い．
Group Report of 2012 SISP
-8-
Group Number 25-A
Biological Information for Social Welfare∼Development of Myoelectric hand∼
オペアンプ
理想的なオペアンプは以下のような性質を持っている事を前提とした演算増幅器で，主に反転増
幅回路や非反転増幅回路，インスツルメンテーションアンプの回路を作成する際に使用される [2]．
• 増幅率は無限大．
• 入力インピーダンスは無限大．
• 出力インピーダンスは 0．
• オペアンプから発生するノイズは無いものとする．
• 入力電圧または信号が 0 の時は出力電圧は 0 となる．
図 3.1
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オペアンプ
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反転増幅回路
反転増幅回路は，入力電圧の値を正負反転させて増幅する回路である (図 3.2)．増幅率は以下の
式によって求めることができる．
流れる電流を I とすると，
Vin = R1 I
Vout = −R2 I
I を消去すると，
Vout = −
R2
Vin
R1
(3.3)
となる [3]．
非反転増幅回路
非反転増幅回路は，入力電圧の値を正負反転させずに増幅する回路である (図 3.3)．増幅率は以
下の式によって求めることができる．
流れる電流を I とすると，
Vin = R1 I
Vout − Vin = −R2 I
I を消去すると，
Vout = (1 +
R2
)Vin
R1
(3.4)
となる [3]．
図 3.2
図 3.3
非反転増幅回路
反転増幅回路
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作動増幅回路
差動増幅回路 (図 3.4) は，2 つの入力電圧の差を増幅する回路である．また，この回路は反転増
幅回路と非反転増幅回路を組み合わせて作ることが出来る回路である．この回路は，コンセント等
から発生する 50Hz の家庭用周波数である同相ノイズを，それらの差を取ることによって打ち消す
ことが出来る．また，インピーダンス変換や信号変換も行うことが出来る回路である [3]．増幅率
は次式で表される．
Vout =
R2
(V 2in − V 1in )
R1
図 3.4
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(3.5)
作動増幅回路
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ハイパスフィルター
ハイパスフィルター (ローカットフィルター) は，設定したカットオフ周波数 fc よりも高い周波
数の信号を通して，低い周波数の信号を遮断するための回路である [4]．これは，低周波数のノイ
ズを除去することに適している．フィルターのシステム応答限界であるカットオフ周波数 fc はコ
ンデンサ (C) と抵抗 (R) より以下の式で表される．
fc =
図 3.5
1
2 π RC
ハイパスフィルター
ローパスフィルター
ローパスフィルター (ハイカットフィルター) は，設定したカットオフ周波数 fc よりも低い周波
数の信号を通して，高い周波数の信号を遮断するための回路である [4]．これは，高周波数のノイ
ズを除去することに適している．フィルターのシステム応答限界であるカットオフ周波数 fc はコ
ンデンサ (C) と抵抗 (R) より以下の式で表される．
fc =
図 3.6
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1
2 π RC
ローパスフィルター
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半波整流回路
半波整流回路は，主にダイオードを利用して実現される．ダイオードは整流素子と呼ばれる素子
の 1 つで，電流をアノード (+) からカソード (-) への方向にしか流さない性質を持っている．その
ため，回路中にダイオードを 1 つ挟むことにより，電流を常に一方向にしか流れないようにするこ
とができる．また，半波整流回路は，整流素子 1 個だけで手軽に回路が構成できるという利点があ
るが，その反面，負の信号は全て遮断されてしまう．そのため，筋電位の計測時に負の信号がなく
なり，正の信号のみだけを利用するため，筋電義手を制御する際に情報が不足してしまう可能性が
ある [1]．
図 3.7
半波整流回路
全波整流回路
全波整流回路は，交流の正負両方の電流を同一方向へ流れるようにする回路である．筋電位を計
測時に，負の信号を正に変換することができるので，筋電義手を制御する際に全ての情報を伝える
ことが可能となるという利点があるが，回路が複雑になってしまう [1]．
図 3.8
Group Report of 2012 SISP
全波整流回路
- 13 -
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積分回路
積分回路 (積算回路) は，入力電圧の波形の時間積分に等しい波形の電圧を出力する回路である．
コンデンサの両端の電圧は，流れ込んだ電流の積分に比例している．また，オペアンプを用いるこ
とにより，より安定した積分波形を得ることが出来る．R1 を流れる電流を IR1 とすると，
dQ
dVout
=C
dt
dt
⇔ IR1 dt = CdVout
1
⇔ dVout = dt
C
∫
∫
1
⇔ dVout =
IR1 dt
C
∫
1
IR1 dt
⇔ Vout =
C
I R1 =
さらに，オペアンプの入力インピーダンスが十分高いものとすると，オペアンプの入力電流はほぼ
0 と扱えるので，コンデンサに流れる電流を IC とすると，
IR1 = −IC
また，オームの法則より IR1 =
Vout
Vin
R1
であるから，
1
=−
CR1
∫
Vin dt (CR：時定数)
(3.6)
CR の値によって，この値が大きいと回路の応答が遅くなり，逆に値が小さいと回路の応答が速く
なるという指標を時定数と言う．図 3.9 にある抵抗 R2 は，リークの役割を持っている [4]．
図 3.9
積分回路
（※文責: 坂本勝成）
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3.3
フォトカプラ
フォトカプラは入力された電気信号を光に変換し，その光で受光素子を導通させることにより信
号を伝達する．外部からの光を遮断するパッケージに閉じ込められた構造となっている．フォトカ
プラを用いることにより，計測回路と主電源を切り離す役割を持つ．筋電位を計測する際にこれを
用いることによって，主電源や高電圧側のノイズが計測回路に影響が出ないようにすることができ
る．本プロジェクトでは，計測回路とマイコンにこのフォトカプラ回路を用いた．
図 3.10
図 3.11
筋電位回路に接続するフォトカプラ回路
マイコンに接続するフォトカプラ回路
（※文責: 坂本勝成）
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3.4
アクティブ電極
役割としては，計測対象のインピーダンスよりも計測器のインピーダンスを高くする効果を持
つ．アクティブ電極と皮膚の接地面にオペアンプと呼ばれる皮膚の高いインピーダンスを変換する
機器が設置されている．これにより，電位を他で電圧降下させずに計測器で効率よくケーブル先に
おくることが出来る．
また工夫した点として，オペアンプを使用する際，金属部分が触れてショートしてしまう可能性が
あるため，接着剤で固めた所がある [17]．
図 3.12
図 3.13
接着材塗布前
接着材塗布後
（※文責: 岸本弘太）
電極の作り方
電極の作成方法を以下に示す．
図 3.14
電極製作図
まず，オペアンプの足を全て上へ曲げる．このとき，ピンセットを使用してピンがオペアンプから
取れてしまわないように注意する．
オペアンプの 1 ピン，5 ピン，8 ピンの足をピンセットでもぎ取る．方法としては金属疲労の原理
を利用する．ピンセットでもぎ取りたいピンを挟むが，このときできるだけ根元から取れるように
力加減を調節する必要がある．
オペアンプの 2 ピンと 6 ピンを導線でつなげ，離れないようにはんだ付けを行う．ここで，導線を
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つなげる際にしっかりとはんだ付けを行わないと電気を通さないので失敗作となってしまう．しっ
かりとつながっているかはチェッカーによって確認することができる．
オペアンプの 4 ピンと 7 ピンを上に上げる．このとき 4 ピンは 3 ピンと，7 ピンは 6 ピンと離れる
ようにピンを上に上げると後のはんだ付け作業が楽になる．このときもピンが折れやすいので注意
する．
コネクタとオペアンプを両面テープで固定し，コネクタの一番左側の線とオペアンプの 4 ピン，コ
ネクタの真ん中にある線とオペアンプの 2 ピン，6 ピンをつないだ導線，コネクタの一番右側の線
とオペアンプの絶縁体の約 1 ミリから 2 ミリの長さをワイヤストリッパを使って剥く．剥いた先
の導線をはんだでコーティングすると導線の束がまとまり，はんだ付けの作業が捗る．
銀板を丸い形に切り取り，平らにした後オペアンプの 3 ピンと接続する．銀板は高価なものであ
り，しわがはいりやすかったり指紋が付きやすいので丁寧に扱う必要がある．銀板を直径約 1cm
の大きさで切り取り平らに伸ばした後，銀板の上にオペアンプを乗せてオペアンプの 3 ピンと切り
抜いた銀板をはんだ付けにより接着する．
金属部分が触れてショートしないよう，又オペアンプが隠れるように数回に分けてボンドをつけ
る．また，コネクタ周りにもつける．このとき，必ず電極の銀板以外の金属部分がボンドで覆われ
ている必要がある．
電極に付けたボンドの上に凸型のスナップ式ボタンを乗せて，それらをボンドで固定する．
以上でアクティブ電極が完成する [17]．
（※文責: 岸本弘太）
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3.5
導電布
銀を蒸着した糸であみこんだ布で作られており，筋電位の測定箇所を覆い体との基準電位をあわ
せることで，外部からのノイズを遮蔽することができる．
図 3.15
導電布
（※文責: 岸本弘太）
3.6
電源
3 端子レギュレータ
3 端子レギュレータは，電気製品の電源部に使用される半導体を含む電子部品である．レギュ
レータの一種であり，名前の通り 3 本の端子を備えて，定電圧回路を簡単に構成できる．レニア
レギュレータとも呼ばれる．入力端子 (IN)，出力端子 (OUT)，グラウンド (GND) 又は共通端子
(COM) の 3 端子から構成され，出力電圧固定型と出力電圧可変型がある．出力電圧固定型では，
入力端子と出力端子に発振防止用のコンデンサを 2 個を接続するだけで脈流を安定化する回路が
構成でき，電圧可変型ではそれらに電圧設定用の抵抗器が加わる．また，電力の変換効率や発熱の
少なさではスイッチングが優れている．そのため，製品の電源回路に採用されるのは比較的少ない
が，シリーズレギュレータは，スイッチングノイズがなく，外付け部品が少なく回路が簡素である．
しかし，低価格であるというメリットがあるため，使用されているというものである．また，コン
デンサというのは静電容量 (キャパシタンス) により電荷 (電気エネルギー) を蓄えたり，放出した
りする受動素子であり，静電容量の単位は F(ファラド) が使われる．通常使われるコンデンサは数
ｐ F∼数万μ F 程度であるが，電気二重層コンデンサなどでは数千 F オーバーの大容量な物もあ
る．両端の端子に印加できる電圧 (耐圧) は，2.5 Ｖ∼10kV 程度で様々である．また，アナログ電
子回路において，直流の電流を通さないことから，カップリングコンデンサに利用や，デカップリ
ング用のコンデンサとして利用される．その他，平滑回路や，共振回路，フィルタなどにも利用さ
れる．実際の電子回路では，同じく受動素子の一つである抵抗器やコイルとともに用いられること
が多く前者は R，後者は L と表現されることが多い．要求される周波数帯域，容量や制度，温度に
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対する容量変化，耐久など回路の目的，用途，環境，コスト，大きさに合わせて各種の形状，材質
の物が幅広く用いられる．低コスト化，小型化の要求に強い民生用小型機器では，チップ積層セラ
ミックコンデンサが幅広く使われていたり，デジタル電子回路でバイパスコンデンサ (パスコン)
としての用途が圧倒的に多く、他に僅かながら推奨発振器やタイミング回路に使われる．重荷チッ
プセラミックコンデンサが使われていたり，電源回路で，アルミ電解コンデンサを中心として，セ
ラミックコンデンサやタルタルコンデンサが使われている．また，回路作りにおいては電解コンデ
ンサや積層セラミックコンデンサがよく使われる [7]．
トランジスタ
トランジスタは電子回路の設計に欠かすことのできない重要な素子である．電子回路では，増幅
回路が非常に重要な役割りを果たす．アナログ回路にとってトランジスタを一言でいうと増幅素子
である電気信号（電圧や電流）を増幅することができるということは，非常に重要なことである．
例えば，携帯電話などの通信機器は空中を飛んでくる電波を捉えて音声に変換する．この電波は非
常に微弱な信号であるため，増幅してやる必要がある．また，世の中にあふれているエレクトロニ
クス製品は，センサー機能を持つものが多く存在する．電話には音を捉えるセンサー（マイク）
，デ
ジカメには光を捉えるセンサー（CCD や CMOS センサー），調理用の電化製品には温度センサー
などが使われる．しかし，困ったことにセンサーというものは多くの場合，ごく微小な電気信号し
か発生しない．そのため，電気信号を増幅する必要がある．このように増幅できるということは非
常に重要なのである．これら電気信号の増幅は，トランジスタにより実現することができる．他に
も増幅することの重要性はある．オペアンプという回路は，アナログ回路には絶対に欠かすことの
できない回路である．このオペアンプは，回路技術を駆使してトランジスタを組み合わせて作られ
ており，数百倍，数千倍以上の電圧増幅率を持っている．トランジスタとして現在よく使われてい
るものとして，
「バイポーラトランジスタ」と「MOS トランジスタ」がある．バイポーラトランジ
スタの回路はコレクタ，ベース，エミッタと呼ばれる 3 つの端子を持ちます．MOS トランジスタ
の回路はドレイン，ゲート，ソースと呼ばれる 3 つの端子を持っている．バイポーラトランジスタ
と MOS トランジスタ の特性の違いについて，まず始めに，増幅率である．電気信号を増幅する
とき，高い利得を得るためにはバイポーラトランジスタの方が有利である．その他にもバイポーラ
トランジスタは，MOS トランジスタに比べてより高い周波数で動作することが可能である．また，
ノイズ特性もバイポーラトランジスタの方が良いと言われている．携帯電話などの無線機器が受信
しなければならない信号は一般に周波数が高く，また微小な信号であるため，高周波動作やノイズ
特性が重要となる．一方，MOS トランジスタは小さく作ることに向いており，微細化することに
より高い集積度を実現することができる．トランジスタをシリコンなどの半導体物質の上に多数構
成する集積回路において，MOS トランジスタは非常に有利である．小さな面積に多くのトランジ
スタを構成することができるため，MOS トランジスタはデジタル回路として使用することに向い
ている．デジタル回路として使用した場合，MOS トランジスタは動作時以外は電流が流れないと
いう特長を持っている．つまり，低消費電力である．MOS トランジスタはデジタル回路として使
用することに向いていますが，近年ではアナログ回路としても使用されいる．かつての電子回路の
設計というのはほとんどがアナログ回路の設計だったのだが，近年のデジタル信号処理技術の発
展は目覚しいものがあり，それに伴い微細化や消費電力といった点で有利な MOS トランジスタを
使ったデジタル回路が大きく進歩を遂げてきた．デジタル回路が大きく発展したとはいえ，高性能
な回路特性の実現にはアナログ回路が必要な場面が多いのも事実である．そのため，MOS トラン
ジスタでアナログ回路を構成し，同一のシリコン上にアナログ回路とデジタル回路を作り込んでし
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まう，いわゆる「デジタル・アナログ混載」の回路設計が盛んに行われるようになってきた．デジ
タル・アナログ混載の回路設計は非常に重要で，微細化がしやすい MOS トランジスタを使うこと
で「小型化」
，
「高機能化」が可能となる．MOS トランジスタの微細化は年々進んでおり，世の中の
数多くの電化製品が年々小さくなり，高機能化していくことに重要な役割りを果たしている [21]．
コンデンサ
コンデンサとは、電荷を蓄えたり放出したりする受動部品のこと．キャパシタと呼ばれること
もある．コンデンサの電荷を蓄える能力が静電容量であり，その単位は F（ファラッド）である．
電気回路においてコンデンサは，電荷エネルギーを蓄える用途に使われている．このほか，直流
（DC）成分を通さないことを利用した DC ブロッキング（阻止）用途や，低周波領域に比べて高周
波領域にインピーダンスが低いことを利用して信号の高周波成分だけをグラウンド層に迂回させる
バイパス用途なども代表的な使われ方である．バイパス用途で使われるコンデンサは，デカップリ
ング・コンデンサと呼ばれることもある．セラミックコンデンサ電波等を扱う高周波回路などで良
く使われいる．つまり周波数特性が良い．（高い周波数でも使える）低周波（オーディオ帯域）で
も使われる事がありますが一般に外乱に弱くノイズの原因になる．１ｐ F∼0.22 μ F 程度が一般
的である．又，積層セラミックコンデンサというのがありますが，これはデジタル回路の電源イン
ピーダンスを下げる目的で 0.1 μ F の物が良く使われる．
フィルムコンデンサ通称、マイラコンデンサ（ポリエチレンフィルム）が一般的である．主にオー
ディオ回路等の低周波回路で好んで使われいる．ESR（直列等価抵抗）が小さく比較的温度特性も
良いのが特徴である．外形も比較的小型である．0.001 μ F∼0.1 μ F 程度が一般的である．又，
より HiFi を好む場合はポリプロピレンフィルムコンデンサを使用する．但し，少々高価で外形も
大きくなる．
スチロールコンデンサ通称，スチコンと呼ばれている．50 ｐ F∼4700pF 程度が一般的である．
ESR が小さく，外乱にも強い為高級オーディオの入力段や NFB（ネガティブフィードバック）回
路等に良く使われている．
アルミ電解コンデンサ通称，ケミコンと呼ばれている．ケミカルにケミである．0.1 μ F∼10000
μ F 程度が一般的である．一般には，他のコンデンサと違いプラス，マイナスの極性がある．又，
電解コンデンサには耐圧があある．2 倍以上の余裕は欲しい．また，耐圧を超えて使用すると寿命
を縮めてしまうばかりか場合によっては破裂して大変危険である．又，ケミコンは安価で大容量で
ある変わりに ESR が大きく，又高い周波数ではほとんど使い物にならない．主に，電源回路など
に使われている．
タンタル電解コンデンサアルミ電解に比べ小型，比較的周波数特性に優れていている．しかし少々
高価なのが難点である．容量は 0.1 μ F∼４７μ F が一般的である．又タンタル電解コンデンサ
の使用上気を付けなければならない事に耐圧以上の電圧を掛けた等して壊れた場合，コンデンサが
ショートしてしまう事である．これによって他の部品まで壊れてしまう事がある．
OS ‐ CON サンヨーの電解コンデンサの形状は一般のアルミ電解の様な形状をしている．ま
た，性能は非常に良い．ESR が非常に小さく，温度特性も良いのが特徴である．スイッチング電
源や DC-DC コンバータ等には必需品である．又，オーディオ回路等の電鍵回路にも最適である．
値段が少々高価なのが難点である．
可変コンデンサ通称, トリマー呼ばれている．要するにドライバー等で容量を調節できるコンデン
サである．1p∼100p 程度が一般的である [22]．
今回はこの中からアルミ電解コンデンサを使用する．
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電解コンデンサ
このコンデンサは誘電体として薄い酸化膜を使い，電極としてアルミニュームを使っている．誘電
体を非常に薄くできるので，コンデンサの体積に比べて大きな容量を得ることができる．大きな特
徴は極性（プラス電極，マイナス電極が決まっている）があること，普通はコンデンサ自体にマイ
ナス側の足を示す表示が付いている．また，かけられる電圧，容量（電気を蓄えられる量）も表示
されている．極性を間違えたり，電圧が高すぎたりすると，コンデンサが破裂（パーンと音を立て
て飛び散るので非常に危険）してしまうことがある．（通常、回路図にも＋の記号で極性を明記す
る）このコンデンサは１μＦから数千μＦ，数万μＦなど比較的大きな容量が得られ，主に電源の
平滑回路，低周波バイパス（低周波成分をアースなどに逃がして回路動作に悪影響を与えない）な
どに使われる．ただ，コイル成分が多く高周波には向かない [23]．
3 本の端子には 1，2，3 それぞれ番号が付けられ，その 1 番には入力する側のプラス電圧，2 番
はそれぞれのマイナス (GND)，3 番には出力として取り出す電圧のプラスをつなぐ．実際の部品
とピン番号の対比は，部品の型番刻印面を手前にして左から 1，2，3 と数える．
図 3.16
3 端子レギュレータ
（※文責: 野呂健人）
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電源回路の材料
スイッチスイッチがオフのときは、LED は点灯しない．スイッチがオンのときは，LED は点
灯する．ディジタル回路はスイッチの役割を半導体が行う．半導体のオン/オフで LED は点滅し，
見えない半導体の状態が見ることができる．
基板基板とは、回路設計に基づいて、部品間を接続するために必要な導体パターンを絶縁基板の表
面又は表面とその内部にプリントによって形成した板を指す。
200mAh の 9V 電池 2 個乾電池
3 端子レギュレータ
3 端子レギュレータは電気製品の電源部に使用される半導体を含む電子部品である．また，一定の
出力電圧を得るための素子で，電源の電圧は直接ＩＣなどの電源に使うと壊れる可能性がある．名
前の通り 3 本の端子を備えて，定電圧回路を簡単に構成できる．(単電源回路では正電圧型が用い
られ、負電圧型はオペアンプを用いた回路等で正負 2 電源を作るときに重用される．) こういった
事を防ぐため，3 端子レギュレータで使用とする電圧に変換しなければならない [7]．
トランジスタ
エミッタ (E)，コネクタ (C)，ベース (B) となずけられた 3 本ピン (電極) を持ち，極性によって，
npn 型および pnp 型の 2 種類がある。基本的には電流入力、電流入力型の増幅素子である [7]．
発行ダイオード (LED)2 個
アノード (A) とカソード (K) の 2 ピンをもつ (2 極の) 素子で，アノードからカソードの方向 (順
方向) にのみ電流を流す．この A-K 間に逆方向の電圧を加えて使うツェナーダイオード (定電圧ダ
イオード) もあるが，これは安定な一定電圧を得るために使わる [7]．
コンデンサ 4 個 (5V47 μ F3 本，5V10 μ F)
電流を電荷という形で蓄積しようとする作用の容量をいい，その作用を持つ部品をコンデンサと呼
ばれる．このコンデンサに直流電圧を加えると，その電圧と容量に比例した量の電荷が蓄積 (充電)
され，充電が終わると電流は流れなくなる．交流電圧を加えた場合は，容量・周波数・電圧に比例
した大きさの電流が流れ続け，電圧の位相より電流の位相 (変化のタイミング) が進む [7]．
電池ソケット 2 本
電池の取り外しが容易になる
ジャックコネクタ 3 個
コネクタは機械的・電気的に接続する役目を持った電子部品である．半田結線による永久接続か
ら必要時に外すことが可能になる．ケ‐ブルとケ‐ブルをつないだり，機器と機器 (回路基板と
回路基板) を接続する時に使う電子部品である．通常コネクタは 2 つの各々オス (Male) とメス
(Female) とで構成されている．オスは棒状ピンを持つ側である．メスは，オスピンの挿入を受け
る凹状の側になる． コネクタは，半導体のような機能部品に対して機構部品と呼ばれる [7]．
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図 3.17
回路（表）
図 3.18
回路（裏）
これらの部品を回路の設計図通りに組み立てると DC5V 電源ができる．スイッチング制御電源
と比べ，電力損失は多くなるが，電源リプルやノイズが少なくて安定性が高い．また，回路面積も
小さくて低価格である等，優位な点が多いため小電力回路の電源として多用されている．三端子レ
ギュレータは IC にコンデンサーを 2 つ付けるだけで精度も高く各種保護回路もついている電源が
手軽に作れるので多用される．[13]
図 3.19
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電源回路
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設計図の作成
基板を作成するにあたり，まず最初に設計図を作成を行った．設計図を作成することによって基
板を作成するときに穴の位置など間違える失敗を減らして基板に作成したものを動作させるときに
動かなかった場合，設計図を見ることによって失敗した部分を見つけやすくするためである．また
部品によって方向が決められている物があるのでそこで確認の為に必要である．また，抵抗を立て
ることでスペースを減らせることやできるだけ基板の表に配線を出さないほうがいいことなど工夫
した設計図ができた．
動作確認
完成した基板が正常に動作するかを信号の波形を目で見ることができるオシロスコープを使用し
確認する．確認したところ正常に電流がながれないことがあった．このような場合，そこで問題が
あるかを確かめるために，回路の途中にプローブをあて，あてたところの波形が正常であるかそう
でないかを判別する方法がある．この方法により半田が隣の線と接触していたりするなど問題が沢
山あることがわかった．またトランジスタが故障していたことなどもわかった．このような問題点
を解決した所，綺麗な波形が計測された．トタンジスタの故障に関しては，ダイオードを早い段階
から取り付けてしまった為，半田付けをする際の熱により故障したものと思われる．
ノイズ対策
発生するノイズの少ない部品を選び，ノイズを発生させない使い方をすれば良さそうですが，軽
薄短小，高機能，高速化，そして低価格などが優先され，設計の最終段階でノイズの法規制に合致
するよう，手直しするのが電子回路計の実態である．環境を整えるには公認されたノイズ測定環境
を常時は必要としないが，オシロスコープの波形観測だけでノイズ対策および効果を確認すること
は困難である [7]．開発設計業務に必要な最小限の設備と環境を設定するには色々工夫した．まず，
コンセントから発生する電磁波により 50Hz の商用電源が筋電位の計測する周波数と混同してノイ
ズになってしまう等の問題がある為，家電製品などから計測器を放した．また地面と回路が接触し
ないようにサスペンサーを使用し，ノイズの影響を受けにくくさせた．
（※文責: 野呂健人）
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3.7
圧力センサ用回路
ここでは，圧力センサについて説明する．圧力センサ用回路（図 3.20）は，圧力センサ，反転増
幅回路，積分回路で構成される．[13]
out
圧力センサ
図 3.20
圧力センサ用回路
圧力センサ
圧力センサ（図 3.21）は，銀などの導電材料の層と感圧インクの層で構成される薄いフィルム状
のセンサである．圧力センサを用いた計測の原理は，センサに力を加えると，その力に反比例して
感圧素子の抵抗が変化し，それが電圧の変化として読み取られるというものである．抵抗値の変化
を電圧の変化として計測するために，ブリッジ回路や反転増幅回路が用いられる．[12]
図 3.21
圧力センサ
圧力センサ用回路の材料
抵抗: 510k Ω 個，51k Ω 2 個
コンデンサ: 1 μ F 1 個
オペアンプ: OP07 2 個
圧力センサ: FlexiForce 1 個
コネクタ: オス 3 ピン分
ユニバーサル基板: 1 枚
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リード線: 適量
被服銅線: 適量
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3.8
ひずみゲージ用回路
ここでは，ひずみゲージ，ひずみ計測器，ホイートストンブリッジ回路について説明する．ひず
みゲージ用回路（図 3.22）は，ひずみ計測器，ホイートストンブリッジ回路，差動増幅回路，非反
転増幅回路，ローパスフィルター，半波整流回路，ボルテージフォロワで構成される．[13]
out
ひずみゲージ
5V
図 3.22
ひずみゲージ用回路
ひずみゲージ
ひずみゲージ（図 3.23）は，数ミクロン厚の金属の抵抗膜をプラスチックフィルムで作られた
ベースで挟んだ構造になっている．ひずみゲージを用いた計測の原理は，外力による材料の伸び・
縮みによって抵抗値が変化し，それが電圧の変化として読み取られるというものである．抵抗値の
変化を電圧の変化として計測するために，ブリッジ回路が一般に用いられる．[9]
図 3.23
ひずみゲージ
ひずみ計測器
ひずみを計測するためには，計測対象の材料にひずみゲージを貼り付ける必要がある．[10]
ひずみ計測器の製作方法
アルミ板を 15 × 30mm の長方形に切り，端から 5mm の位置にワイヤーを通すための穴を開け
る．ひずみゲージを貼る位置に，けがき線を入れる．アルミ板の表面をアルコールで拭いて洗浄す
る．ひずみゲージの裏面に接着剤を 1 滴垂らし，すばやくアルミ板に貼る位置に置く．ポリエチレ
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ンのシートで覆い約 1 分間押さえる．接着剤が硬化したら，ポリエチレンのシートをはがす．さら
に接着剤でリード線の部分をアルミ板に固定する．[10]
ホイートストンブリッジ回路
ホイートストンブリッジ回路（図 3.24）は，ひずみゲージの抵抗値の変化を電圧の変化として取
り出す回路である．ひずみが大きいほど抵抗が伸びるので，ひずみゲージの抵抗値は高くなる．ひ
ずみゲージの抵抗値が高くなると，出力電圧も大きくなる．逆に，抵抗値が低くなると，出力電圧
も小さくなる．
抵抗の変化から電圧の変化を導く過程を以下に示す．
入力電圧を E，出力電圧を e とすると，
e=
R1 R3 − R2 R4
E
(R1 + R2 )(R3 + R4 )
力が加えられたことにより，△R の抵抗値の変化が生じると，
e=
(R1 + △R)R3 − R2 R4
E
(R1 + △R + R2 )(R3 + R4 )
ここで，R = R1 = R2 = R3 = R4 とすると，
e=
R2 + R △ R − R2
E
(2R + △R)2R
[9]
R1
R4
e
R2
R3
E
図 3.24
ホイートストンブリッジ
ひずみと抵抗値の関係
ひずみゲージに力を加えると，抵抗膜が引っ張られたり，圧縮されたりすることで伸び縮み，長
さが L から △L に変化する．内部のひずみ ε は，次のように書くことができる．
ε=
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△L
L
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この内部のひずみを抵抗値の変化としてとらえることで，かかった力を計測する．そのとらえ方
は，次の抵抗と材料の関係式を用いて説明することができる．
R=
ρL
A
R が抵抗値，ρ が比抵抗，A が断面積である．ここで，両辺の対数を取り，式を変形する．
log R = log ρ + log L − log A
上式の両辺を微分すると次の式が得られる．
△ρ △L △A
△R
=
+
−
R
ρ
L
A
ここで，金属の場合， △ρ
ρ = 0 となり無視できる．また，ポアソン比を σ とすると，
△A
△L
= −2σ
A
L
と書ける．これを， △R
R =
△ρ
ρ
+
△L
L
−
△A
A
に代入すると，
△R
△L
= (1 + 2σ)
R
L
を得る．(1 + 2σ) はゲージファクタと呼ばれ，Ks と表される．ε =
△L
L
と Ks を用いて次のよう
に変形する．
△R
△L
= Ks
= Ks ε
R
L
以上より，ひずみと抵抗値の関係を表す式を求めることができた．しかし，ひずみによる抵抗値の
変化は数百 mΩ と非常に小さいため，ひずみゲージを用いて検出される
△R
R
も非常に小さくなり，
検出方法を工夫する必要がある．そこで，例として，上記のホイートストンブリッジ回路を用いる
ことが挙げられる．[9]
ひずみゲージ用回路の材料
抵抗: 300 Ω 1 個，360 Ω 2 個，1k Ω 4 個，10k Ω 2 個，100k Ω 3 個，3.9k Ω 1 個
可変抵抗: 100 Ω 1 個，100k Ω 1 個
コンデンサ: 1 μ F 1 個
オペアンプ: OP07 6 個
ひずみゲージ: KFG-2-350-C1-11 1 個
コネクタ: オス 2 ピン分
ユニバーサル基板: 1 枚
リード線: 適量
被服銅線: 適量
3.9
センサ用電源
モータを制御する回路においてセンサを用いるときに注意すべきことについて述べる．センサを
動作させるためには，電力を供給する電源が必要である．センサの駆動電圧は一般的に 3 から 5V
程度であり，これはモータを動かすために必要な電圧より低い．モータを動作させることによって
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起こる電圧の変動が電源へ戻ることがある．センサの駆動電圧の変動は測定値へ影響を及ぼすた
め，センサ用電源とモータ用電源は分離させると良い．センサ用電源には，モータ用電源よりノイ
ズが小さく出力電圧の変動が少ない電源が適している．[9]
3.10
モータ用電源
モータ用電源を選ぶ際に注意すべきことについて述べる．モータを動作させるためには，電力を
供給する電源が必要である．モータを制御するためには，コンピュータが必要であるが，通常の
ノートパソコンやデスクトップ型のコンピュータではモータを動かすような大きな電流を供給する
ことができない．これより，モータを駆動させるためには電流をモータへ供給するためのモータ用
電源を用意する必要がある．モータを制御する場合，モータ用電源はモータドライバに接続するた
め，電源の出力電圧は接続するモータドライバの規格に合った範囲から選ばなければならない．[9]
3.11
コネクタ回路
コネクタ回路は，筋電位計測回路の出力に繋がれたマイコンをモーターへ繋ぐための回路であ
る．コネクタ回路の基板には，電源スイッチが取り付けられており，このスイッチにより直接筋電
義手を稼動させたり，停止させたりすることができる．[9]
コネクタ回路の材料
電源スイッチ (6 ピンのもの)：1 個
電源ソケット：1 個
コネクタ: オス 12 ピン分
ユニバーサル基板: 1 枚
被服銅線: 適量
銅線：適量
3.12
抵抗のカラーコードの読み方
ここでは，抵抗のカラーコードの読み方について説明する．抵抗には，表面に，抵抗値が数字で
書かれているものと，色の付いた帯が複数入っているものがある．数字で書かれているものはそれ
がそのまま抵抗値となる．一方，色の付いた帯が入ったものは，その色の帯の組み合わせによって
抵抗値を知ることができる．抵抗値を表す部分の色は 10 色あり，0 から 9 までの数字がそれぞれ
の色に対応している．色と数字の組み合わせは以下のようになっている．
黒0 茶1 赤2 橙3 黄4 緑5 青6 紫7 灰8 Group Report of 2012 SISP
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白9
抵抗には，4 本の帯が入っており，左から 1 本目と 2 本目の帯で 0 から 99 までを表すことがで
きる．3 本目の帯は，10 の何乗かを表す．これら 2 つの値を掛け合わせることにより，抵抗値を求
めることができる．4 本目は許容誤差を表しており，色との組み合わせは以下のようになっている．
茶± 1 ％ 赤± 2 ％ 金± 5 ％ 銀± 10 ％ 無着色± 20 ％ 橙± 0.05 ％ 緑± 0.5 ％ 青± 0.25 ％ 紫± 0.1 ％ [13]
（※文責: 五十嵐彩乃）
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3.13
はんだ付け
作業手順として以下の順で行うのが良いはんだ付けのやり方である．
1. 接合する部分の錆，油脂などを取り除く．
2. 接合する部分をはんだごてで加熱する（ただし，チップ部分の場合は電極にこて先を接触させて
はならない）．
3. 加熱した部分にはんだを軽く押し付け，溶融する．
4. 適切な量のはんだが付着したら，はんだとはんだごてを接合部分から静かに離す．
プリント基板におけるはんだ付けでは，部品のリード線と基板の銅箔面に自然にはんだが流れ込
み，光沢を有する富士山のような形状を作るとよいとされている [16]．
（※文責: 岸本弘太）
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第4章
4.1
グループ内のインターワーキング
制作物
筋電位計測回路
中間発表では，図 4.1 の回路を用いた．この設計図が図 4.2 である．この回路を 5 チャンネル分
製作した (図 4.3)．まずインスツルメンテーションアンプで 100 倍に信号を増幅し，同相ノイズを
除去した．抵抗値は 10k Ωと 100k Ωの抵抗を用いた．更に，この部分の回路では他の回路で用い
る抵抗よりも精度の高い抵抗を使うことにより，筋電位を信号処理する最初の段階で，混入する外
部ノイズを除去する事を可能とした．この信号を次にハイパスフィルターに通して，低い周波数の
ノイズを除去した．筋電位周波数は 5∼500Hz，電極のずれによって生じる周波数は 10∼20Hz で
あり，ここでは，抵抗値 7.5k Ωの抵抗と，電気容量 1 μ F のコンデンサを用いて，カットオフ周
波数を 20Hz に設定し，低周波数ノイズの除去を行った．ここまでの回路である程度のノイズを除
去した信号を，次に抵抗値 100k Ωと 100 Ωの抵抗を用いて非反転増幅回路で 1001 倍に増幅した．
そして半波整流回路で負の信号の除去を行った．ここで負の信号を除去したのは，今回の筋電義手
を制御する為のマイコンである Arduino が負の値を読み取らず、正の値のみ読み取るからである．
再び，抵抗値 1k Ωの抵抗を用いて非反転増幅回路で信号を 2 倍に増幅させ，インピーダンス変換
を行った．次に，抵抗値 51k Ωの抵抗と電気容量 1 μ F のコンデンサを用いて積分回路で波形を
滑らかにし，義手を動かすためのサーボモータの滑らかな動作を可能とした．また，抵抗値・電気
容量から時定数は 51 ミリ秒となるが，筋電義手の動作に大きな影響がなかった為この値に定めた．
最後に，抵抗値 10k Ωの抵抗と 500k Ωの可変抵抗で反転増幅回路を用いて積算回路で負の値と
なった信号を正に戻して増幅を行った．ここで可変抵抗を用いることにより，被験者によって強さ
の異なる筋電を，0∼50 倍に調整して増幅した．また，筋電義手を制御する際に出力値によって動
作の識別を可能となる．
最終発表では，図 4.4 の回路を用いた．この設計図が図 4.5 である．この回路を 16 チャンネル
分に増やし，製作した (図 4.6)．中間発表から大きく変わった点は半波整流回路が全波整流回路に
なった点である．中間発表時に半波整流回路を利用したのは，回路にダイオードを 1 つ組み込むだ
けで半波となり，製作が簡単であった為である．しかし，最終発表までの問題として，計測した筋
電位の負の値をカットしてしまうことにより，筋電義手を動かす為の情報が減ってしまうという
事が挙げられた．そこで回路は複雑になってしまうが，計測した筋電義手全ての情報を利用する為
に，半波整流回路から全波整流回路に組み替えて計測を行うことにした．その他の回路部分は中間
発表時と基本変わらなかった．
（※文責: 坂本勝成）
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図 4.1
中間発表で使用した筋電位計測回路
図 4.2
図 4.3
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中間設計図
5 チャンネル分の計測回路
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図 4.4
最終発表で使用した筋電位計測回路
図 4.5
図 4.6
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最終設計図
製作した 7 チャンネル分の回路
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圧力センサ用回路
図 4.7 の圧力センサ用回路を製作した．ニッタ株式会社製の FlexiForce を用い，反転増幅回路
に組み込んだ．積分回路において，51k Ωの抵抗と 1 μ F のコンデンサを用いた．この積分回路の
時定数は，51ms であり，応答速度に問題はなかった．図 4.8 に実際に製作した圧力センサ用回路
を示す．[13]
ひずみゲージ用回路
図 4.10 のひずみゲージ用回路を製作した．共和電業製の KFG-2-350-C1-11 を用いた．KFG-2-
350-C1-11 を貼り付ける材料には，金属の中では比較的柔らかいアルミ板を用いた．KFG-2-350C1-11 をアルミ板に接着剤で貼り付けたものをひずみ計測器とした．製作したひずみ計測器（図
4.9）をホイートストンブリッジ回路に組み込んだ．ホイートストンブリッジに供給される電圧を
5V とし，差動増幅回路に入力した．ホイートストンブリッジには，360 Ωの抵抗を用いた．これ
は，力が加えられたときの KFG-2-350-C1-11 の抵抗の変化が 360 Ω前後であるためである．ま
た，100 Ωの可変抵抗と 300 Ωの抵抗を組み合わせて，300 から 400 Ωまで調整できるようにした．
これによって，基準の電位を調節し，マイコンで信号を扱えるようになった．非反転増幅回路にお
いて，100k Ωの可変抵抗を用い，信号の増幅率を 1 から 101 倍まで調節できるようにした．ロー
パスフィルターにおいて，50Hz のハムノイズの影響を軽減するため，カットオフ周波数を 40Hz
とした．カットオフ周波数を 40Hz，コンデンサを 1 μ F として，抵抗の定数を求めると，3.9k Ω
となった．ボルテージフォロワにおいて，信号がローパスフィルターを通過した後と，半波整流回
路を通過した後に減衰するのを防いだ．図 4.11 に実際に製作したひずみゲージ用回路を示す．[13]
コネクタ回路
コネクタ回路を製作した．モータを 4 個分接続できるようにオスのコネクタを 3 ピンで 1 個と
し，それを 4 個取り付けた．各 12 本のピンに被服銅線を繋いだ．被服銅線を基板に固定するため
に，被服銅線を基板の表側から裏側へ通した．その際，基板の穴をドリルで広げ，被服銅線が通る
ようにした．6 ピンの電源スイッチをコネクタ回路の基板上に取り付た．6 ピンのうち 2 ピンから
銅線を用いてコネクタ回路のプラスとグラウンドの端子まで引き伸ばした．また，他の 2 ピンと電
池ホルダーのプラスとグラウンドの端子を繋いだ．残りの 2 ピンは独立させた．スイッチを入れる
と，電源ソケットの電池とコネクタ回路が接続されるようにした．一方，スイッチを切ると，電源
ソケットの電池と独立したピンが接続され，コネクタ回路が切断されるようにした．被服銅線や銅
線をはんだ付けした部分が取れないようにするため，接着剤を塗付し補強した．[9]
51 kΩ
+5V
510 kΩ
圧力センサ
1 µF
out
OP07
51 kΩ
図 4.7
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OP07
圧力センサ用回路（回路図）
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図 4.8
圧力センサ用回路
図 4.9
1 kΩ
ひずみ計測器
100 kΩ
OP07
1 kΩ
10 kΩ
100 kΩ
100 Ω
3.9 kΩ
100 kΩ
out
OP07
OP07
ひずみゲージ
OP07
OP07
300 Ω
100 kΩ
1 µF
1 kΩ
10 kΩ
360 Ω
360 Ω
1 kΩ
OP07
5V
図 4.10
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ひずみゲージ用回路（回路図）
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図 4.11
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ひずみゲージ用回路
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生体信号計測班発表スライド
生体信号計測班の発表スライドを合計 13 枚製作した．
生体信号計測班
筋電位計測から筋電義手が動作するまでの流れのうち，生体信号計測班が担う部分を示した．
表面筋電位計測における問題点
表面筋電位が微弱であること，皮膚が高いインピーダンスを持つこと，50Hz の誘導ノイズ
の影響を受けることの 3 つの問題について説明した．
導電布
腕に導電布を装着しているときの写真を示した．導電布の構造や役割について説明した．
アクティブ電極
電極の写真を示し，オペアンプや銀板で構成されていることを説明した．接着剤を塗布して
完成させた電極の写真を示した．
全体の回路図
筋電位計測回路の全体図を示した．前期プロジェクトで，半波整流回路だった部分を，後期
プロジェクトでは，全波整流回路に変更した．
差動増幅回路
差動増幅回路の回路図を示した．同相ノイズの除去について説明した．
ハイパスフィルター
ハイパスフィルターの回路図を示した．筋電位周波数，電極のズレによる周波数，カットオ
フ周波数を示し，電極のズレによって発生するノイズを除去することを説明した．
全波整流回路
全波整流回路の回路図と非反転増幅回路を通過した後，全波整流回路を通過した後の筋電位
波形の様子の写真を示した．
積分回路
積分回路の回路図と積分回路を通過した後の筋電位波形の様子の写真を示した．
増幅回路
反転増幅回路の回路図と反転増幅回路を通過した後の筋電位波形の様子の写真を示した．
実際に制作した回路
前期プロジェクトでは，5ch 回路，後期プロジェクトでは，16ch 回路，圧力センサ用回路，
ひずみゲージ用回路の写真を示した．[11]
（※文責: 五十嵐彩乃）
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4.1.1
中間発表での製作物
筋電位計測回路 5 チャンネル分，筋電位の計測に必要なアクティブ電極 10 本 + 予備 5 本，電源
用回路 2 個である．
（※文責: 坂本勝成）
4.1.2
最終発表での製作物
筋電位計測回路 16 チャンネル分，筋電位の計測に必要なアクティブ電極 32 本 + 予備 18 本，筋
電用フォトカプラ回路，モータ回路 (モータ 8 個分)，ひずみゲージ用回路を製作した．製作した
16 チャンネル分の筋電位計測用回路は，7 チャンネル・7 チャンネル・2 チャンネルで 3 枚の基板
に製作しスペーサで 3 段にした (図 4.12)．そして，筋電位計測回路のあとに新たにフォトカプラ
をつけた．フォトカプラを付けることにより生体信号計測回路と主電源を切り離す役割をもってお
り，ノイズを減らすことに役立つ．また，計測回路の電源は電池を利用して低電圧源としており，
危険を避けることができる．
（※文責: 坂本勝成）
図 4.12
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最終的に完成した回路
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使用した材料
1 オペアンプ
図 4.13
図 4.15
OP07
図 4.14
OP07 の構造
図 4.16
OP497 の構造
OP497
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2 フォトカプラ
図 4.17
HCNR201
図 4.18
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HCNR201 の構造
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第5章
5.1
5.1.1
結果
成果
生体信号計測班の成果
筋電位計測班は，それぞれの仕事に応じて 3 つのグループに分かれた．前期では 5 チャンネル，
後期では 16 チャンネルの筋電位計測回路の作成，それに応じた 10 個及び 32 個のアクティブ電極
の作成，そして圧力センサ用回路とひずみゲージ回路の作成である．生体信号計測班の人数が 4 人
であるので，各仕事に一人を割り振り，残り一名が各仕事の手伝いという形で進めた．その形で全
ての仕事の進み具合が均等になるように手伝いの人が調整しながら比較的スムーズに作成すること
ができた．各仕事の成果としては以下の通りである．
5.1.2
筋電位計測回路
前期ではグー，チョキ，パーと手首の前後動作のために 5 チャンネル分の筋電位計測回路を作成
したが，後期ではより精密な計測を行うために 16 チャンネル分の筋電位計測回路を作成した．ま
た，回路の中で半波整流回路から全波整流回路に変更したりなど，様々な工夫がされ，実際に精度
の高い筋電位計測回路を作ることに成功した．さらに，予定より早く作成が終了したため，基盤を
3 段重ねにするなど見栄えにもこだわったものを作り上げることができた．
5.1.3
アクティブ電極
作業自体は他のグループの班員も手伝ってくれたため，比較的スムーズに行われた．しかし，そ
の人たちが作業に慣れていないため，ミスをしたり，教える側も手間取って作成に関わる時間が少
なくなったりと，色々反省の面がある結果となった．また，32 個必要なところを予備を含めて多
めに作成したが，使えない電極が多かったため、実験して失敗して作り直しという工程が目立って
時間のロスをしてしまった．そのため，もっと効率の良い作業を思案してから取り組む必要があっ
たことがわかった．
5.1.4
圧力センサ，ひずみゲージ
まず最初に圧力センサとひずみゲージの各々の回路をブレッドボードに試作することで圧力とひ
ずみが検出されることを確認した．後に基盤に 3 チャンネルずつ作成したが，通電してはいけない
ところが通電されていたり，部品の故障などで良い結果が得られるまで時間がかかってしまった．
また，基盤に回路作成して確認する際，修正をしなければならないときに回路の設計図を作らない
で取り組んでしまっていたため，誤りの部分を探すのに手間取ってしまった．しかし，最後には一
つ一つ検査することで，誤りを修正して理想の動作を得ることに成功した．
（※文責: 岸本弘太）
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5.2
解決手順と評価
前期では筋電位について学習して，増幅するために使うオペアンプの構造やオペアンプを用いた
反転増幅器，非反転増幅器についての説明と電気回路についての基礎回路を教えてもらった．ま
た，伸筋と屈筋の筋電位を測定し，アルミニウムで製作したロボットハンドで手首前の動作，手首
後の動作，グー，チョキ，パーのそれぞれの動作を実現させた．
後期では精度の高い回路にするために半波整流回路から全波整流へと変更した．また，筋電義手
も人間の形に近づけるためにに石膏で人の手の形をとり，その上からゴムで人の腕と掌をかたどっ
た物を石膏の上に被せ人間の腕に見えるようにした．前期では 5 チャンネル分使用していたが後期
ではより正確に測定する為に，16 チャンネルへと変更した．電極は毎回同じ筋肉の部分に電極を
貼るのは難しい為，サポーターを作成し，測定箇所を固定することによって安定した測定を実現し
た．また，電極を 10 本使用したのを 32 本に増やした．これにより、後期でロボットハンドはつか
む，つまむの動作を可能にした．しかし、電極の接続がきちんとなっていなかった物があったり電
極の銀板が大きいためサポーターに締め付けられ被験者の腕に跡がついたり，回路の配線が非常に
多いため一つ一つ確認しないとわかりにくい点など問題が多く残った．これらが後期の解決すべき
点であった．
（※文責: 野呂健人）
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第6章
6.1
6.1.1
まとめ
プロジェクトにおける各人の評価
坂本勝成
私は，生体信号計測班で主に筋電位を計測するための回路製作を行った．前期では 5 チャンネル
分の計測回路を製作した．ここで，5 チャンネル分の回路をどのように基板に配置するかを考える
必要があった．そのため，まず設計図を書く事から始まった．設計の際に配慮したことは，この 5
チャンネル分の計測回路を小さめの基板を用いるか，大きめの基板を用いるかである．小さめの基
板を使用するとなると，5 チャンネルの回路が基板に収まらないかもしれない．仮に収まったとし
ても回路を見直したときに，基盤の裏面が密集していたら見づらいということもある．そのため，
前期ではまだ技術も乏しかったため，大きめの基板に 5 チャンネルの計測回路がそれぞれある程度
の間隔ができるような設計にした．また，計測回路の入力部分から出力部分までの回路をどのよう
な配置にするのかも問題となった．製作する回路は最後の反転増幅回路で，可変抵抗を用いて信号
を調節できるようにしたかった．そのため，可変抵抗の位置をドライバーで調節できる箇所に取り
付ける必要があった．したがって，回路の部品の配置に注意する必要があった．設計図を基に基板
に回路を製作していく時には配線ミスに注意する必要があった．完成した回路が正しく動作するの
かを実験によって確かめると，やはり 1 回目で成功とはいかなかった．配線間違いがあったり，設
計図の表面から見たものと裏面から見たものでは配置も逆になっていることに気づかなかったため
に，電源の +5V と-5V が逆につながっている等の致命的なミスもあった．そのため回路が完成し
て正しく動作するのに時間がかかってしまった．また，前期では発表も行った．生体信号計測班は
計測回路，アクティブ電極，導電布の説明をした．特に計測回路は，利用した回路が多かったため
発表量が多くなってしまった．内容全てについて覚えるのは大変であったが，中間発表日までに十
分な練習時間があったので覚えることができ，本番でも間違えずに発表することができた．
後期に入り，筋電位を計測するための回路を 5 チャンネル分から 16 チャンネル分に増やすこと
にした．チャンネル数を増やす理由は，筋電位を複数箇所から計測し，より正確なデータを処理す
ることができるからである．計測回路自体の変化は，前期では回路の途中にダイオードを 1 つ入れ
て半波整流回路を組み込むことにより負の信号をカットしていた．その理由は，生体信号制御班で
制御に用いるためのマイコン (Arduino) が正の信号しか処理しないためである．しかし，後期で
は，半波整流回路から全波整流回路にすることにより，筋電位の負の部分の値を正に変換すること
ができる．これにより，信号がより精密になり，正確な動きを実現することができるからである．
この計測回路の変更に伴い，設計図を新たに作ることにした．全波整流回路は，半波整流回路より
も回路が複雑なため，前期の回路の配線に似せると上手く配置することができないからである．ま
た，前期の時には設計図の表面は書いていたが，裏面の図は省略してしまっていたために 1 度で成
功できなかった．そのため，後期では表面の設計図の隣に裏から見た図を並べて書く事にし，失敗
を防ぐ工夫をした．基板は前期で用いた基板と同じ物で同サイズの物を用いた．後期では 16 チャ
ンネル分の計測回路を製作したので，3 枚の基板に 7 チャンネル・7 チャンネル・2 チャンネルで
設計した．2 チャンネル分の回路を製作した基板は，余分なスペースができてしまったが，この部
分に義手を動かすためのモータの回路を配置して無駄なスペースを最小限にした．後期に製作し
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た回路は夏期休講中に作業していたこともあり，早い段階で 16 チャンネル分の回路を製作するこ
とができた．配線ミスがあったが，これは設計図と見比べてすぐにミスに気づくことができた．ま
た，接着したはんだが他の部分と接触していることに気づけなかったため，完成させるのに時間が
かかってしまった．この 3 枚の完成した基板をスペーサーで 3 段にして机との接触によるノイズ
の緩和と見た目も重視した作りとした．今回は製作した計測回路の試験を行うことも含め，被験者
も行うこととなった．最終発表当日は，物を掴む・摘むと手首の前後動作を行う予定であったが，
周囲のノイズの影響と，動作学習が上手くいかなかった事もあり物を掴む・摘む動作だけを行う結
果となってしまった．その原因は，筋肉の動かし方や筋肉疲労があったこと，筋電位を計測するた
めに用いたアクティブ電極が，筋肉が動いた際に皮膚表面から少しづれてしまうこと，毎回装着箇
所が少しづつ変わってしまうために学習が正確に出来るときと，出来ないときがあることが挙げら
れる．また，電極の銀板の角が皮膚に刺さってしまい傷ついてしまったため，電極製作はもう少し
丁寧にするべきだったと思う．
（※文責: 坂本勝成）
6.1.2
野呂健人
前期では，最初に筋電位について基本的な知識や増幅するために使うオペアンプの構造やコン
デンサなどの機器やオペアンプを用いた反転増幅器などの電気回路について先輩方に教えてもらっ
た．そして実際にブレッドボードで実際使用する減算回路，ハイパスフィルター，半波整流回路，
全波整流回路，非反転増幅回路などを作成し電極を腕に貼り付けオシロスコープで各部分で波形の
筋電位を確認することができた．次に電極を作成するために教員から指導を受けて電極の作成を
した．始めはオペアンプの不必要な箇所の足を排除して，次に銅線を使用して適切な場所に半田で
つなげて配線を 3 本に分かれさせ丸く切りとった銀板とオペアンプを半田で接合した．その上に
金属同士をくっつける接着剤使用した．このときに，ボンドを多く塗り過ぎないように気をつけて
作業するようにした．そして，配線をオペアンプにつなげ配線の反対側をピンにさし半田を流し込
みジャックに刺して完成させた．このときは，線とジャックの接合部分に半田を溶かししっかりと
くっつけた．ここではジャックがはみだして接続の不具合を起こさないようにした．しかし，オペ
アンプと銅線の接続が間違っていたりしていた為，正常な筋電位をオシロスコープで確認できな
かったことがあった．また，電極を貼る場所に対して筋肉のことを調べた．その結果，浅指屈筋，
浮指屈筋，総指伸筋，橈側手根屈筋，尺側手根屈筋の表面筋電位が測りやすい５つの筋肉を使用す
ることにした．中間発表では筋電義手を何もしない状態，手首前，手首後，グー・チョキ・パーの
動作をすることになった．そして中間発表では筋電義手の被験者をした．筋電義手を操作する際，
チョキとパーの筋電位のでる値が近いため非常に難しかった．中間発表で映す映像を撮るときには
約 1 日中うまくいくまで何回も取り直したりしていた．また，練習では筋電義手を操作するのには
うまく作動していたのに発表では緊張で腕に力がはいってしまい筋電義手が思った通りに動かない
ことがあった．また電極を貼る場所も 5 チャンネルだったが毎回同じ場所に貼られないと，同じ
ような結果にならない問題点があった．後期では，前期で問題となった点を踏まえて電極は同じ場
所に貼れるようにサポーターを使用した．また，電極を増やした．加えて，前期では半波整流回路
を使用したが精密な波形を取るために全波整流回路へ変更した．さらに，チャンネル数を増やし 5
チャンネルから 16 チャンネルへ変えた．また，後期では筋電義手を何もしない状態，手首前，手
首後，つかむ，つまむの動作をすることになった．そこで、電源の回路設計を作成した．使用した
材料は 3 端子レギュレータ，スイッチ，基板，200mAh の 9V 電池 2 個，トランジスタ，発行ダイ
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オード，コンデンサ，電池ソケット 2 本，ジャックコネクタ 3 個を参考にした．これでコンセント
を必要とする電源を使用しないことにより安全な電源が作成できた。しかし，はんだなどの接続ミ
スや電池ソケットが取れてしまうなど，筋電位を測定する際に迷惑をかけてしまったことなどがあ
りました．また，電極は前期では 10 本使用したが後期では 32 本使用する為多く作った．しかし
その際に，速さを優先させたため電極の銀板の形が悪かったり，ボンド付けが変に盛り付けられて
使用できないことや，極性が逆になるなど大幅に時間がかかってしまった．そのため，最初から一
個一個丁寧に電極を作成するべきでだった．最終発表では発表者を担当し，プロジェクト学習では
始めての経験だったので数日前から原稿を何回も練習し，プロジェクトメンバーで発表練習を沢山
練習することによって本番では伝えたかった内容をきちんと話すことができた．しかし，発表が終
了してアンケートには声が小さいなど書かれていたので気をつけようと思った．ブレッドボードか
ら設計図それから基板へと正しい手順で回路を設計した為，大きな問題がなく作成ができた．しか
し，何回か動作確認を行うと，部品の位置を変えたり，部品を手で触れたりすると異常な波形が現
れることがあった．これは，線と基板をつなぐ半田付けがしっかりしていないためであった．多く
の部分で去年を参考にさせてもらった回路なので，自分でよりよい回路の作成ができればよかっ
た．また，結果として前年度よりも進化できたのでよかった．
（※文責: 野呂健人）
6.1.3
岸本弘太
前期では，まず始めに基礎的な事項の学習から行った．まず筋電位の計測方法や，その問題点，
その原因と解決策，そしてそのために必要なオペアンプ，反転増幅回路，非反転増幅回路，コンデ
ンサ，ハイパスフィルタ，ローパスフィルタ，半波整流回路，差動増幅回路，インスツルメンテー
ションアンプなど各回路や装置の知識を学んだ．その後，アクティブ電極の作成係になった．これ
は大きさ 1cm 程のオペアンプの中の八本の足をピンセットで曲げ，はんだを用いて溶接した後，
コネクタもはんだで溶接した．そしてそのオペアンプを銀板とくっつけた．細かい作業が多く，ま
た銀板とオペアンプは高価なものであるので，最初の内は失敗しないように慎重に作業をしてい
た．しかし，配線を間違えたり，折る足の部分を間違えてしまったりと失敗も多く，完成しても時
間がかかってしまい，かつ作りの甘さが目立った．しかし数をこなしていくうちに段々と慣れ始め
てスムーズに作ることができた．また中間発表の発表者も担当したが，人前に立つのが慣れていな
かった．そのため，内容はスムーズにでてきたが，声の大きさは小さかったとご指摘いただいた．
そして，後期ではもう一度発表者を志願し挽回を目標とした．また後期でも電極作りを担当した
が，前期では 10 個作成のところを 32 個に増えたので更なる技術の向上が求められた．電極自体は
スムーズに作ることができ，数自体は早いうちに作ることができたため，予備を含めて 40 個ほど
作成したが，早さを追求するあまりミスも目立ってしまい，結局 50 個ほど作成することになった．
このことから，早く作ることも勿論重要ではあるが，正確に一つずつ丁寧に作るという基礎的な考
えを改めて学ぶことができ，良い経験になった．また，後期でも発表者を担当し前期の挽回をしよ
うと望んだ結果全 3 回の発表だったが，1 回目の発表はやや声が小さく，あまり聞こえないと言わ
れた．しかし，2 回 3 回を発表していくうちに段々と声が出せるようになり，最後の 3 回目には声
が大きく聞きやすかったというお話もいただいた．
（※文責: 岸本弘太）
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6.1.4
五十嵐彩乃
前期プロジェクト
筋電位の発生原理及び筋電位の計測について学んだ．ブレッドボードに増幅回路・フィルター・
整流回路・積算回路を組み，各々の回路において，入力信号と出力信号の違いを確認した．その後，
非侵襲式のアクティブ電極の製作方法を学んだ．
5 チャンネル分の筋電位測定回路をブレッドボードに組み，筋電位が計測できることを確認し
た．ブレッドボードに組む際は，差動増幅回路・ハイパスフィルター・非反転増幅回路・半波整流
回路・積算回路・反転増幅回路の順で接続した．抵抗を選ぶ際は，抵抗のカラーコードを確認し，
間違いがないようにした．カラーコードは，10 種類の色に 0 から 9 までの数字を割り当てたもの
だった．回路で抵抗を使用していくうちに，使用頻度が高いコードを覚えることができた．ブレッ
ドボードの裏側の構造を考慮しながら抵抗やコンデンサ等の部品を配置していった．裏で金属が繋
がっていることに気がつかずに，部品を配置したときはその部分で短絡となってしまったため，期
待していた波形が見られなかった．再度ブレッドボードの構造に考慮し，組み直してみると期待し
ていた波形が見られた．波形を見るときは，オシロスコープを用いた．オシロスコープに入出力の
端子を繋ぎ，入力信号と出力信号の波形を比較した．増幅回路では，電圧が増幅されることが確認
できた．整流回路では，負の成分が除去されることが確認できた．積算回路では，入力信号が積分
された滑らかな波形が見られた．時々，基準電位であるグラウンドをオシロスコープに繋ぎ忘れる
ことがあったため，計測できないことがあった．しかし，何度か計測しているうちに配線の仕方が
わかってきた．また，基準電位の位置や電圧の目盛を調節することによって，波形を見易くするこ
とができた．電極製作では，銀板に，オペアンプ（Analog Devices，OP07CSZ）をはんだ付けし，
接着剤で補強した．このオペアンプは，今回筋電義手製作に用いるものの中では最も小さかったた
め，難易度が高かった．使用しないピンをピンセットを用いて慎重に折った．オペアンプは銀板に
付きにくかったが，接続部分に少しはんだを流し薄く広がるのを待ったらきれいに仕上がった．電
極を製作した後，差動増幅回路と電極を繋ぐためのコネクタを 2 個製作した．コネクタ製作では，
複数の端子に銅線をはんだ付けした．部品同士を固定しにくかったため，全て接続するのに時間が
かかった．電極やコネクタの動作確認は，テスターを用いて行い，通電しているかどうか丁寧に調
べた．はんだ付けは，初めて行うことだった．そこで，経験者から基本的な方法やコツを教えても
らったり，実際に付けているところを見たりして，電極のはんだ付けを行っていった．最初は，は
んだを付けすぎたり，はんだが少なすぎたりして部品同士を接着することができなかった．接続す
る部分を十分暖めて，はんだを流し込むようにしたら，しっかり接続することができた．
最終的に，製作した回路とマイコンと筋電義手を合体させ，ジャンケンの動作と手首の前後動作
を行うことができる筋電義手を開発することに成功した．
回路製作の他に，生体信号計測班のポスターと発表用スライドに載せる回路図の下絵を描いた．
描画の際は，エディタ（DesignSpark，PCB）を使用した．班員に，この下絵を元にして Illustrator
で回路図を描いてもらった．この回路図を用いて生体信号計測班のスライドを製作した．スライド
には，製作した回路や各回路を用いたときに見られる波形の写真を載せた．また，メインポスター
の英文を考えた．手が空いているときは，プロジェクトで注文した材料や部品の規格や値段などを
調べて表にまとめる作業を行った．また，大学内で行われたアジャイルセミナーにもプロジェクト
から数名参加することになっていたので，代表で勉強しに行った．そこでは，アジャイルという開
発手法についての講演を聴いた．アジャイルの思想では，ものづくりに必要な 3 要素として，人，
技術，プロセスが挙げられることがわかった．また，アジャイルマニフェストというものがあり，
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「プロセスやツールより人同士の相互作用」，「包括的なドキュメントより動作するソフトウェア」，
「契約上の交渉よりも顧客との協調」，「計画の変化に応じる」等といったことが主張されていた．
つまり，良い環境が良いモノをつくるということを言っていて，その環境もチームによって様々
あって良いということであった．アジャイルの実践では，タスク看板を用いたり，朝会をおこなっ
たりと気軽にできそうなことがあった．私たちのプロジェクトでは，アジャイル開発を意識して行
うことはほとんどなかったが，結果的には，メンバー同士でコミュニケーションを取りながら筋電
義手の開発を行い成功した．
前期プロジェクトでは，筋電位の計測方法，電極やコネクタの製作方法を習得することができ
た．中間発表の準備では，発表用のスライド製作に貢献できた．5 チャンネル回路をユニバーサル
基板に組む役割は，1 名で間に合ったため，ブレッドボードへの試作のみにしか携われなかった．
また，自分の班の仕事にのみ集中したため，他の班の発表内容をあまり理解せずに中間発表に臨ん
でしまった．
後期プロジェクト
圧力センサ用回路とひずみゲージ用回路を製作した．また，コネクタ製作，ひずみ測定器製作，
回路の修理，スライド製作，ポスターの英文執筆等の活動も行った．
圧力センサ（ニッタ株式会社，FlexiForce）とひずみゲージ（共和電業，KFG-2-350-C1-11），
各々の回路をブレッドボードに試作し，圧力とひずみを計測できることを確認した．その後，ユニ
バーサル基板に各々の回路を 3 チャンネルずつ製作した．圧力センサ用回路製作では，反転増幅回
路に圧力センサを埋め込み，最後に積分回路を接続した．ひずみゲージ用回路製作では，ホイート
ストンブリッジ回路にひずみゲージを埋め込んだ．そして，差動増幅回路，非反転増幅回路，ロー
パスフィルタ，半波整流回路，ボルテージフォロワの順で接続した．ホイートストンブリッジ回路
には，可変抵抗を用い，出力の基準値を調節できるようにした．また，非反転増幅回路にも，可変
抵抗を用い，出力の大きさを調節できるようにした．
各回路が完成した後，圧力センサとその回路の間をつなぐコネクタを製作した．被服銅線の両端
にメスのコネクタを取り付けた．ピンコネクタを銅線にはんだ付けする際は，はんだを付け過ぎな
いように気をつけた．はんだがピンコネクタの奥まで流れると，オスのコネクタのピンが挿しにく
くなるためである．被服銅線にコネクタを取り付けた後，コネクタ部分を補強するため接着剤を塗
付し完成させた．
ひずみ計測器の製作では，ひずみゲージをアルミ板に接着剤で貼り付けた．ひずみゲージの裏側
に接着剤を 1 滴だけ垂らすのが難しかった．接着剤を付け過ぎたときは，アルミ板からはがれ易く
なり，うまく接着できなかった．残念ながら，はがれてしまったひずみゲージを再度アルミ板に接
着することはできなかった．ひずみゲージをアルミ板に貼った後，圧力センサのコネクタを製作し
たときと同様に，ひずみゲージから伸びる被服銅線にメスのコネクタを取り付けた．ひずみゲージ
のコネクタにはピンを 2 本挿すことができるメスのコネクタが必要だったが，3 本挿すことができ
るものしかなかった．そのため，ピンを 3 本挿すことができるコネクタの片端 1 本分をカッターナ
イフで切断し，2 本用のコネクタを製作した．このコネクタを被服銅線に取り付け，ひずみ計測器
を完成させた．
ひずみゲージ用回路の動作確認をする際は，グラウンドが付いていないコンセントを用いて，計
測する必要があった．これは，グラウンドを回路内で統一し，正確に計測するためである．ひずみ
を計測する際に，回路に組み込んである可変抵抗を微調整するのが難しかった．
モータ用のコネクタには，筋電義手に内臓されているモータの稼動や停止の操作を行い易くする
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ため，電源スイッチを取り付けた．しかし，電源スイッチは，電源を入れたり，切ったりといった
動作を繰り返す部分であるため，基板との接着が弱くなり基板から取れてしまった．再度，電源ス
イッチを取り付け直し，接着剤を多めに塗付し補強した．電源スイッチは，これまであまり扱った
ことがなかった部品であったため，部品内の構造を確認して修理することができた．
ひずみゲージ用回路製作の際，通電してはいけない部分が通電していたり，可変抵抗が故障して
いたりして，最初は思い通りの動作にならなかった．しかし，一つ一つ検査し，誤りを修正して理
想の動作が得られた．モータ用のコネクタ製作では，各チャンネルのピンの間隔を空けておくと繋
ぎ易いことがわかった．ひずみ測定器製作では，ひずみゲージをアルミ板に接着剤で貼り付けた．
接着剤が速乾であるためすばやく作業する必要があったが，ほぼ真っ直ぐに貼ることが出来た．最
終的に，製作した回路とマイコンと筋電義手を合体させ，圧力とひずみをセンスすることができる
筋電義手を開発することに成功した．生体信号計測班のスライド製作では，前回製作したものより
シンプルで発表者が説明し易いものとなった．メインポスターの英文の執筆では，前回のポスター
を参考にしてわかり易く伝えるよう心がけた．
電子回路製作では，丁寧にはんだ付けを行うことができた．ひずみゲージ用回路をユニバーサル
基板へ組む前に，基板配置図面を作らなかったため，回路の誤りを探すのに苦労した．複雑な回路
については図面を作っておくと，他の人にとってわかり易く，自分自身も説明し易くなると考えら
れた．また，はんだ付けの際は，はんだを付けすぎないよう注意し，すばやく作業を行う．これに
よって，ノイズが軽減され，短絡や部品故障などを防ぐことが期待できる．
（※文責: 五十嵐彩乃）
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6.2
今後の課題
筋電位計測班の今後の課題，展望として，筋電位計測回路作成，アクティブ電極作成，圧力セン
サとひずみゲージ用回路の作成 3 つの作業に分けて述べる．
筋電位計測回路
筋電位計測回路自体は良い出来で仕上がった．前期では裏面の設計図の省略から修復に時間がか
かるときもあったが，後期では反省点を生かし 16 チャンネルもの筋電位計測回路をかなり早い段
階で仕上がることに完成した．また 3 枚の基盤を縦に並べてスペースの有効活用をするなど様々な
工夫も見られた．今後の展望としては，筋電位計測回路の更なる小型化と，丁寧なはんだ付けの技
術の向上などが挙げられる．
アクティブ電極
前期では必要なアクティブ電極の数が 10 個だったため、最初ということでミスもあったが，最
終的には一人が担当して予備を含め余裕を持って作成することができた．しかし，後期では 32 個
必要になり，一人では難しいため，他の班から二人助けをもらった。そこで，アクティブ電極の作
り方から教えることになったのだが，やはり初めてということもあり，一人で作成できるようにな
るまで時間がかかっていしまった．また配線間違いや不十分なはんだ付けも多く，かえって時間の
ロスとなってしまった．また，作成する際のミスとして銀板を大きくしすぎてサポーターにつける
ときに被験者に痛い思いをさせてしまった．このことから初期段階での計画の立案と，電極作りの
スピード，精度の向上，電極の小型化などが挙げられる．
圧力センサ，ひずみゲージ用回路
これらは，後期の義手の動きの拡張としてつかむ，つまむ動作が増えたことから後期での仕事内
容となる．反省点としては，一人での作成だったため回路図の省略を計ったが，そのことから回路
の修正箇所を探すことに手間取ってしまった点がある．それぞれの回路自体の出来は良かったた
め，作業の効率化による早い時間での完成が課題とその展望である．
（※文責: 岸本弘太）
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参考文献
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