| Research Abstract |
本研究では,生体関節の力学機能試験を行うことの可能な,6自由度力学機能試験ロボットシステムを開発し,このシステムを用いて,生体関節構成要素の機能発現のメカニズムを明らかにすることを試みた。
(システムの開発)制御対象である生体関節を6自由度のリンク機構にモデル化し,リンク機構の数学的な記述を行った。位置と姿勢に関する記述には同次変換を,力とモーメントに関する記述にはヤコビアンを用いた。対象関節を,膝関節,股関節,肩関節,肘関節とし,臨床において用いられているそれぞれの関節の運動の表現方法を考慮して,リンク機構へのモデル化を行った。機構の記述が完了した後,既設の6軸マニピュレータのハンド先端部に新たな機構を付加するための設計・製作を行い,システムのハードウエアを完成した。改良されたマニピュレータをロボットシステムの駆動部として使用し,先に求めたマニピュレータの機構記述の結果,およびシステムに関する機構記述の結果を用いて,システムの制御プログラムを完成した。なお、各軸の駆動アクチュエータをドライバが制御し,ドライバをコントローラが総括する構成とした。
軟組織に生じる張力の測定のために,以前に代表者が開発した方法である,6軸力センサの出力を座標変換し,軟組織に生じる張力を測定する方法を採用し,計測プログラムを作成した。性能評価試験において,500N負荷時の誤差が120μm以下,剛性は上下方向に970N/mm,前後方向に1040N/mm,左右方向に310N/mmであった。
(計測・解析)システムを用いて,ヒト,ヤギ,およびブタ膝関節を実験対象とし,外力作用時における膝の運動挙動,及び靱帯,半月に生じる内力の測定を行った。その結果,1)十字靱帯内の張力分布が屈曲角度に依存し,伸展位及び軽度屈曲位では前内側部と後外側部が,屈曲位では後外側部が緊張していること,2)健常膝と前十字靱帯切離膝では半月に作用する荷重が異なり,特に前十字靱帯の後外側部の切離により,半月への負担が急増すること,等が分かった。
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