2016 Fiscal Year Research-status Report
アクティブセンシング機能を有する高付加価値歩行訓練システムの開発
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15K01493
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| Research Institution | Nara National College of Technology |
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Principal Investigator |
早川 恭弘 奈良工業高等専門学校, 電子制御工学科, 教授 (50180956)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 高機能靴 / 歩行訓練 / アクティブ電動歩行器 / 歩行装具 / 空気圧ゴム人工筋 / 圧力分布 / 脳波 / ゴニオメータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．歩行訓練に効果的な端末装置用足裏部・分布圧力提示方法の検証と遠隔操作方法の改良：HOSPEX2016展示会に高機能靴システムを展示し，来場された理学療法士にHMD，タブレットなどの端末装置への出力提示方法に関して聞き取り調査を行った．その結果，HMD装着における歩行訓練への妨げについて意見がでたことから，視認方法について改善する必要性があることが分かった．
２．高機能靴中敷部剛性変化要素の最適形状の改良及び高機能靴の小型化改善：中敷部に配置するスポンジ・コア・ソフトラバーアクチュエータ（以下，SCSRA）の配置及び最適形状を検討した．その結果，各SCSRA端の剛性が大きくなることから，力の分散を行うために，面取りなどを有する構造設計の必要性を明らかにした．さらに，SCSRAに突起を付加した場合，足裏部に不快感が生じ，滑りが増長されることを確認した．
３．教示用マスター装具及び人工筋を用いた歩行装具の試作とマスター・スレーブ制御：空気圧ゴム人工筋を用いたスレーブ装具及び理学療法士用マスター装具の試作を行った．そして，比例弁を用いた軌道追従制御実験を行った．その結果，目標波形に対し若干の動作遅れが生じることを明らかにした．
４．歩行器の設計・製作：患者の歩行速度に追従して移動する電動駆動車輪機構を有する歩行器を製作した．そして，歩行装具各関節角速度を計測し，ヤコビ行列を導出することにより歩行装具先端部（高機能靴部）における速度を計算し，歩行器の移動速度を制御する制御システムを構築した．また，足部と歩行器の同期移動速度を計測し，追従性能を明らかにした．
５．歩行訓練時における心身ストレスの評価実験： HMD及び歩行装具を装着し，歩行訓練を行った時の脳波及び筋電位を調べた．その結果，動的状態において，脳波計測が筋電位変化の影響から不安定になることが分かった．
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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
１．タブレット端末を用いた高機能靴の遠隔操作方法に関しては，Wi-Portを用いることにより，使用環境に左右されず，任意の場所において歩行訓練システムを使用できるネットアーク回線を構築した．また，同システムを使用することにより，高機能靴中敷部の圧力分布をタブレット端末に表示可能であることを実験により確認した．
２．中敷部に配置するSCSRAの配置に関して，土踏まず部の配置も個人により必要であることが分かった．また，SCSRAの製作に関しては，金型製作により効率的に行うことが可能となった．その結果，形状が均一になることから，SCSRAの中敷部配置が容易に行えることが分かった．さらに，高機能靴・計測制御部の小型化に関しては，制御・計測用基板の積層化を行った．さらに，加圧ポンプに関しては，足部（踵部）踏み込み時における圧縮加圧システムを継続して検討することとした．
３．空気圧ゴム人工筋を用いたスレーブ装具及び理学療法士用マスター装具の試作に関して，理学療法士の足部運動を無線型ゴニオメータにより計測するシステムを検討した．具体的には，スレーブ側として，人工筋を組み合わせた足部ロボットを設計製作し，比例弁を用いた応答性に関して軌道制御追従実験を行った．
４．患者の歩行速度に追従して移動する電動駆動車輪機構を有する歩行器を製作した．そして，歩行装具各関節角速度を計測しヤコビ行列を導出することにより，歩行装具先端部（高機能靴部）における速度推定値から歩行器の移動速度を制御する駆動システムを構築した．また，足部と歩行器の同期移動速度を計測し，追従性能を明らかにした．さらに，歩行訓練時の患者の不安さを定量的に評価するために，筋電位による筋肉の緊張測定と同時に，脳波測定による検証を行った．
以上の結果は，当初予定していた計画に沿っており，概ね順調に進展していると判断する．
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| Strategy for Future Research Activity |
1.歩行訓練に効果的な端末装置用足裏部・分布圧力提示方法の検証と遠隔操作方法の改良：理学療法士に対し，継続してHMDなどの端末装置への出力提示方法に関する実地聞き取り調査を行う．また，端末装置と高機能靴の間の通信環境に関して，安定した無線通信が可能なシステムを検討する．具体的には，無線通信に関するソフトウエアの見直しを行う．
2.高機能靴中敷部剛性変化要素の最適形状の改良及び高機能靴の小型化改善：個人により，中敷部に配置する加減圧要素の最適形状が変化すると考えられることから，凹凸形状を含めた構造検討を継続して行う．また，SCSRAの配置及び交換が容易にできる方法を検討する．さらに，加圧ポンプに関しては，足部（踵部）踏み込み時における圧縮加圧システムを検討する．
3.教示用マスター装具及び人工筋を用いた歩行装具の試作とマスター・スレーブ制御：理学療法士の歩行時下肢各関節角度変化を無線型ゴニオメーターによりリアルタイムで計測し，ティーチング・プレイバック方式によりスレーブ装具を駆動するシステムの再設計及び改良を行う．また，理学療法士が使用するタブレット端末に歩行装具各関節部位を表示させ，タッチパネル操作により該当する関節のみ駆動する方法を検討する．
4.歩行器の改良及び歩行訓練：患者の歩行速度に追従して移動する歩行器に関して，ゴム人工筋を用いた装具を取り付け，高機能靴を履いた状態での歩行訓練を行う．そして，マスター指令値による下肢装具駆動と足裏部圧力分布変化を調べる．
5.歩行訓練時における心身ストレスの評価実験：歩行訓練時の患者の不安さを定量的に評価するために，筋電位による筋肉の緊張測定と同時に，脳波測定による再検証を行う．具体的には， HMD及び歩行装具を装着し様々な歩行訓練を行った時の訓練前後の脳波及び訓練中の筋電位を調べ，訓練方法による不安度及び緊張度の違いを明らかにする．
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| Remarks |
福祉介護に関して開発した機器の紹介
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