| Project/Area Number |
23K13283
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 20020:Robotics and intelligent system-related
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
戸森 央貴 山形大学, 大学院理工学研究科, 助教 (30783881)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | 人工筋肉 / 空気圧 / パワーアシストスーツ |
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| Outline of Research at the Start |
農場や工場での作業において腰や膝の負担を軽減するためのアシスト装具を開発する。サポーターと異なり人工筋肉を搭載しており、柔軟な装着感でありながらアクティブに補助力を発揮することができる。本研究では高い補助効果を発揮できる装具の機構を開発し、装着者の筋肉の活動量を計測することで補助効果を計測する。また、人工筋肉は非線形性や応答遅れなど制御を困難にする特性を有しており、携行可能な空気圧供給源の開発等の課題もある。本研究では人工筋肉の特性を考慮した制御手法や小型空気ポンプの設計も進める。
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| Outline of Annual Research Achievements |
農場や畜産業、工場、介護など身体的負担の大きい作業環境においてパワーアシストスーツの需要が高まっているが、硬い部材を身体に取り付ける外骨格型が主流であり、高重量化や動きにくさなどに課題がある。そこで、装着者の運動を妨げずに腰や膝の負担軽減を図りつつ、可変な補助力の提供が求められている。このため軽量、柔軟、高出力密度な空気圧ゴム人工筋肉を利用し、機構面でも硬い部品を使用しない内骨格型かつアクティブなアシスト機構の開発を行う。
開発するアシストスーツの基本コンセプトは「人工筋肉を体表面に配置するスマートなアシスト機構」と、「作業着とアシスト機構の融合」であり、今年度の試作によりおおよそ達成した。この結果従来に比べて取り付けのための部品点数が減り、服のように扱えるアシストスーツの開発が進んだと考える。
加えてアシスト機構の拡張を行い、腹筋の補助による腹腔内圧の維持を可能にした。腹腔内圧は体幹の安定性と腰椎の負担軽減に寄与し、腰痛リスクを抑える働きがある。この腹筋補助機構は脊柱起立筋の補助機構と人工筋肉を共有しており、補助部位を増やしつつも省アクチュエータ化を達成している。
本年度終盤には開発したアシストスーツの補助効果検証実験を行い、作業前後の疲労度評価のため心拍数と重心動揺距離を測定した。さらに腹腔内圧については腹部の圧迫度を測るため、エアバッグと圧力センサを用いた自作のセンサを開発し使用した。
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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
昨年度までに開発したアシスト機構は作業着の上から装着するものであったが、縫製業者の協力を得て市販のツナギを改造し、開発したアシスト機構を取り付けられる設計とした。この結果、ユーザー層が求める「服のような着用感」や「スマートな外観」を満たすアシストスーツに近づいたと考える。
さらにアシスト機構に追加した腹腔内圧補助は医学的知見に基づいており、関節への補助トルクだけではないアシストの提供を目指すに至っている。これは当初の計画にはないアシストであったが、医学分野との交流で生まれたアイデアである。
年度終盤に実施した評価実験では20代男性複数名を被験者として実施し、規定の作業における疲労度を補助の有無で比較するため、疲労度の指標として心拍数と重心動揺距離を計測した。結果として、心拍数による評価では補助効果が見られたが、重心動揺距離による評価では有意な差異が見られなかった。これは、補助時は装具を着用したまま重心動揺距離を計測したことや、設定した作業負荷が低く、被験者が若く運動能力が高かったことが原因と考えている。一方で腹部圧迫の度合いは市販のコルセットと同等の結果となり、物体持ち上げ時にのみ腹腔内圧補助をおこなうことで腰痛リスクの低減に寄与できると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の評価実験では心拍数と重心動揺距離、腹部圧迫度の測定を行ったが、評価項目ごとに結論が分かれた。これは各項目の評価に改善の余地があるためであり、心拍数では作業中の心拍数の推移をみる必要があることが示唆された。また、重心動揺距離については被験者の身長により重心位置が異なるため、これを正規化しての評価が必要であると結論づけた。さらに被験者の選定においてユーザー層である一次産業従事者を意識し、より適切な被験者の募集をおこなう。
装具開発においては作業着とアシスト機構の融合をさらに進め、利便性の向上とアシスト提供の安定性を高める。また、ヒアリングや実証実験中で得られたフィードバックを取り入れ、上腕のアシストにも着手する。
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