筋の力学的特性を規範とするインナー型インフレータブルアシスト技術の開発

Research Project

Project/Area Number	21K12808
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 90150:Medical assistive technology-related
Research Institution	Shinshu University
Principal Investigator	塚原淳信州大学, 学術研究院繊維学系, 助教 (70601128)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000) Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywords	表面筋電位信号 / インフレータブルアクチュエータ / アシストスロージング / 運動支援 / インフレータブル / 筋特性 / 歩行
Outline of Research at the Start	不要不急の外出を極端に避けざるを得ない状況によって生じる運動不足問題を解消するためには、限りなく衣服に近い着用感で、日常生活での歩行を支援するアシストスーツの実現は急務といえる。本研究では、関節運動とそれに伴う筋の形状変化の関係性を明らかにすることで、筋電位計測用電極を用いることなく運動状態を推定する手法を構築し、さらに関節運動／筋収縮特性の情報を規範として、これまでに開発してきた薄膜構造体のインフレータブルアクチュエータ(IfA: Inflatable actuator)を機能的に制御することで、歩行時の遊脚運動を支援する「インナー型」アシストスーツを開発する。
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は、歩行に付随して発生する筋の電気的・機械的活動の変化から、インフレータブルアクチュエータ（IfA）に供給する空気量を制御し、機能的に遊脚動作を支援する「インナー型」インフレータブルアシストスーツを開発することである。今年度では、収縮型IfA、BESセンサー、内圧センサー、IMU、コントロールユニットで構成されたインフレータブルアシストスーツを試作した。さらに、筋の電気的活動量（表面筋電位信号）の変化に基づき、DCポンプからIfAに供給する空気量を調整できる制御アルゴリズムの提案と検証実験を行った。提案する制御アルゴリズムは、計測した表面筋電位信号からIfAの目標収縮力を推定する「IfA収縮力変換器」、IfAの目標収縮力から目標空気量を推定する「IfA目標収縮力-IfA目標空気量プロファイル」、IfAの内圧値から空気量を推定する「IfA内圧-空気量プロファイル」から構成され、空気量のフィードバック制御を行うことによりIfAの収縮量を随意的に調整する制御方式である。提案する制御アルゴリズムの有用性を評価するために、本手法を搭載したインフレータブルアシストスーツを用いて、座位姿勢の健常者を対象に膝の屈伸実験を実施した。その結果、本提案手法が、健常者の大腿直筋から計測された表面筋電位信号に基づいてIfAに供給するための目標空気量を首尾よく推定し、IfA収縮量を随意的に制御できることを確認した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 前年度に構築した筋の収縮特性モデルに基づき、IfAへの吐出空気量を調節するための制御手法を考案し、当初の計画通り、IfAの収縮量を機能的に制御する手法を構築することができたため。
Strategy for Future Research Activity	今年度構築した表面筋電位信号に基づくIfA制御手法の改良を行うとともに、開発した手法が有効であるかを確かめるために、健常者〜高齢者を対象にインナー型インフレータブルアシストスーツを用いた歩行検証実験を行っていく予定である。