受動型直交座標系新規３次元上肢リハビリ支援システムとその各種リハビリ手法との融合
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19K04303
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 20020:Robotics and intelligent system-related
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| Research Institution | Fuzzy Logic Systems Institute |
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Principal Investigator |
古荘 純次 一般財団法人ファジィシステム研究所, 研究部, 特別研究員 (70107134)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
池田 篤俊 近畿大学, 理工学部, 講師 (20609903)
川平 和美 鹿児島大学, 医歯学総合研究科, 客員研究員 (20117493)
菅 俊光 関西医科大学, 医学部, 教授 (40288816)
畑迫 健一 産業技術短期大学, その他部局等, 教授 (30735527)
原田 孝 近畿大学, 理工学部, 教授 (80434851)
森岡 周 畿央大学, 健康科学部, 教授 (20388903)
原口 真 大阪工業大学, 工学部, 講師 (80467547)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
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| Keywords | 上肢リハビリ支援システム / 脳卒中 / ブレーキ / 受動型リハビリ支援システム振動刺激 / 振動刺激 / Pleasure / Motivation / Usability / 受動型リハビリ支援システム / ローコスト / リハビリ支援システム / メカトロ二クス / バーチャルリアリティ / 力覚提示 |
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| Outline of Research at the Start |
リハビリテーション訓練における保険制度の制約等のため, 現状では，上肢機能訓練を十分な時間行うことができていない。本研究では，脳卒中患者を主な対象とするブレーキを用いて力覚提示を行う優れた力覚提示性能を有する新規な直交座標型の3次元、2次元、1次元上肢リハビリ支援システムの研究開発を行い、次に臨床評価を行う。ブレーキを用いて力覚提示を行うシステムは、医療機器としてクラスⅠであり、本質的安全性を有する。また、本研究で開発するシステムと各種リハビリ手法（ボツリヌス治療、電気刺激、振動刺激など）との併用についても臨床評価を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
3次元システムでは、手先部が差動ベルトとプーリを介在して駆動され，手先部の移動に対してプーリなどの機械要素が複雑に並進・回転する。そこで，マルチボディダイナミクスを用いて手先部の移動と機械要素の運動をシステマチックに表現する方法を考案し，これを用いて直交型ロボットの運動方程式を導出した。さらに，XYZθ4自由度直交ロボットの動力学解析を実施した。本研究で対象とする直交型ロボットには，2個の回転運動を回転-並進運動に変換する差動ネジ機構を搭載していることが特徴である。差動ネジ機構の組み合わせ方とその運動学的特徴を機構設計の観点で整理し，新たな機構を提案する方法を考案した。これらの結果を用いて、重要な機構部の開発を行い、試験を行った。3次元上肢リハビリ支援システム全体の詳細構成に入った。
2次元システムについては、2019年度は大まかな配置の設計は行っていたが，実際に組み立てるための部品が設計されていなかったため，上半期に設計を行った．具体的にはパウダーブレーキを本体に取り付けるための曲げ板の設計，ハンドル部の設計，リニアガイド同士を結合するための平板の設計，カップリングの選定を行った。2次元上肢リハビリ支援システムを組み立て、その問題点の検討を行った。
1次元健側補助型上肢リハビリ支援システムの基本設計を行い、一部部品の発注を行った。
力覚提示システム・位置入力システムやリハビリシステム等の設計においては、慣性力の影響を考慮する必要がある。そこで、その評価方法および特性改善の方法を提案した。力学モデルによる理論解析を行い、数値計算を行い、評価方法および特性改善方法を提案し、一つの性質を導いた。数値計算には、Python、Numpy、Scipy、Matplotlib等を用いた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
全医療費の1割近くが脳卒中診療に費やされている。そこで、脳卒中患者を主な対象とする新規な受動型の直交座標系の３次元、２次元、１次元上肢リハビリ支援システムの研究開発などを行った。モータ等を用いるアクティブ型においては、暴走などの異常があった場合に患者に物理的な危険を及ぼすため，厳重な管理が必要である。一方、ブレーキ等を用いた受動型は、本質安全性を有し、医療機器としてクラスⅠとなり、自主訓練に適する。
力覚の提示にブレーキを用いた３次元直交型リハビリ支援システムについて、設計に関する周辺技術に取り組み，新たな知見を得ることが出来た。その結果、3次元システムの全体構成の段階まで進んだ。
力覚の提示にブレーキを用いた２次元直交型リハビリ支援システムについて、機構開発の面に重点を置き検討し、問題点を抽出できた。力覚の提示にブレーキを用いた１次元直交型リハビリ支援システムについては、基本設計が終了した。
力覚提示システム・位置入力システムやリハビリシステム等の設計においては、慣性力の影響を考慮する必要があるが、理論的な研究はそれほど行われていない。本研究では、慣性力の影響に関する一つの評価方法を提案し、一つの性質を理論的に導き、数値計算により確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の研究期間は4年間であり、2021年度は、3年目にあたる。
ブレーキで力覚を提示する直交座標系の3次元システムについては、2020年度に得られた新しい知見をもとに改良・研究開発を進め、3次元リハビリ支援システムの構築を目指す。
ブレーキで力覚を提示する直交座標系２次元のリハビリ支援システムの研究開発に関しては、2020年度の研究開発を基礎として、２次元のリハビリ支援システムの構築を目指す。さらに、このシステムへの健側補助の導入を進める。ローコストかつコンパクトな上肢リハビリ支援システムを目指した研究開発に関しては、2020年度の研究をさらに進める。
リハビリ支援ソフトの研究開発に、Python、Pygame等の導入を進める。Pygameの導入は、ゲーム性のあるリハビリソフトの研究開発を容易にし、楽しさ（Pleasure）、及び動機付け（Motivation）のあるリハビリ支援システムとなる。
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Report
(2 results)
Research Products
(7 results)
