2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of Active Orthosis Using Pneumatic Flexible Actuators
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17K01598
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| Research Institution | Okayama University of Science |
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Principal Investigator |
藤本 真作 岡山理科大学, 工学部, 教授 (00278912)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 亘 岡山理科大学, 工学部, 講師 (00780389)
赤木 徹也 岡山理科大学, 工学部, 教授 (50311072)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 空気圧アクチュエータ / 補装具 / 腰痛 / QOL向上 / 制御系設計 / 体圧センサ / 下腿装具 / システム同定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究の目的は高齢者のＱＯＬ向上および、身体的・精神的負担を軽減化するために、使用者の個別仕様化を実現したアクティブ補装具の制御方法を確立することである。平成30年度は昨年度開発した空気圧繊維状アクチュエータ（PRA: Pneumatic Rubber-fiber constricted Actuatorと略す。）を利用した腰部アクティブ補装具の開発に着手した。補装具には腰部の不要な動作抑制と腹腔内圧上昇を可能とする構造が求められる。まず動作抑制のために幅広で体にフィットする腰部PRAと腸骨部PRAおよび、腹腔内圧を上昇させるための強い締め付けを行う細幅のPRAを組み合わせた２重締め機構である。試作された補装具には５つのPRAが使用され、使用者の個別仕様化を満たすような制御系を設計する必要がある。そこで階層式の制御系を構成することでその実現を目指した。本制御系は下位・中位・上位レベルの３階層から成り、下位レベルでは補装具を構成するPRA群を線形制御理論に基づいて制御系設計および制御を行った。下位レベルの制御系設計については、前年度設計されたコントローラを用いることにする。つぎの中位レベルでは日常レベルでの要求や動作に応じてサポート力を調整する（オンデマンド化）。また上位レベルでは使用者の体型や体力に応じてサポート力を最適に調節する（カスタマイズ化）。その結果、下位・中位レベルの制御によって、腰部補装具の条件を満たすアクティブ補装具を試作することができた。しかしながら、上位レベルの実現には至らなかった。また開発したPRAは圧力制御による力制御は実現できたが、変位の計測が難しいという大きな問題を抱えている。そこでPRAの変位を計測するための新たな変位センサを開発し、PRAの位置と力の制御が可能であることを示唆した。このセンサの開発によって上位レベルの制御も可能であると考えられる。
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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
昨年度開発した空気圧繊維状アクチュエータ（以降PRAと略す。）を腰部と腹部周りの５つの部位（腰部、左右腸骨部、左右脇腹部）に配置し、腰部用アクティブ補装具を試作した。また腹部には使用者の体圧を計測するための体圧センサを取付けた。このセンサ情報に基づいて補装具全体を制御する。制御には血流の抑制による褥瘡やかゆみ等を防ぐために、過度な体圧がかからないように上限を設けている。本制御系は下位・中位・上位レベルの３階層から構成されており、下位レベルは腹部の体圧が一定になるように制御する。このとき、各部位に配置したPRAの体圧感度と空気容量が異なるため、どの部位のPRAを加圧・減圧すれば、効率的に体圧を上昇または下降できるかを計算する。この制御系によって限られた空気源のなかで必要最小限の空気量でサポート力を発生させる制御系が構築できる。中位レベルでは日常レベルでの限られた動作（前後に曲げる）に対して、腸骨・腰部PRAをどのように加減圧するべきかを識別しそれらの動作に対処する。しかしながら複雑な運動には対処できないという問題が残された。また使用者の体形に合わせた制御も同様の理由から実現できなかった。そこでPRA用の新たなセンサを開発し、位置制御を行いながらPRAに加えられた負荷の推定が可能な変位センサの試作を試みた。このセンサはホール効果センサと磁気シートを組合せた構造でPRAが膨張する量を計測することでPRAの変位を推定するものである。PRAの変位と圧力が推定できればPRAの発生力が計算できる。このことから、５つのPRAのう、どのPRAに負荷が加えられているかを特定することで複雑な動作または体形が識別できると考えられる。今年度はこのセンサの試作を行い、PRAの変位が計測できることを確認した。
以上のことから、今年度の研究は申請書に記載した目標に対しておおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
回生機能による空気圧供給システム：空気圧システム（アクティブ補装具）の柔軟性・利便性（低コストで小型化可能）や低インピーダンス特性（圧縮性）を生かせるケース、すなわち人により近いシステムの構築においては、空気圧駆動系はその効果をフルに発揮できる分野と言える。しかし、空気源であるコンプレッサの小型・軽量化の問題は依然残されたままである。ところが、一般にコンプレッサは大型で重いため、小型軽量な空気圧機器の特徴を損ねる問題がある。本研究で開発するアクティブ補装具には携帯性が要求される。そこで優れた空気源の確保方法を目指して、補装具から排出される圧縮空気を再圧縮する回生機能を持つ空気圧供給システムの実現を考えている。平成30年度の空気量の効率的な制御系設計法に加え、システム内の回生機能を付加することで、飛躍的に使用時間の向上が期待できる。試作した補装具による性能評価：試作したアクティブ補装具のモニタ評価を行い、実用化に向けての課題の抽出や改良を行う予定である。アクティブ補装具のモニタ評価は、補装具等の製造・販売に豊富な経験を有するサポータの専門メーカーである企業と連携をとりながら適切に実行していく予定である。また、ゴム繊維状のアクチュエータは腰部以外の下腿装具の高機能化についても実現可能である。高齢者が転倒する原因のひとつとして、背屈動作が正常に行われていないことが挙げられる。人間は、通常歩行時に背屈動作と底屈動作を行いながら歩行をしている。なかでも背屈動作が正常に行われることによってつまずきによる転倒を回避している。しかし、高齢者は高齢に伴う足首の筋力低下により、背屈動作が正常に行われないまま歩行する「すり足歩行」になる。よって、小さな段差でもつまずいてしまい、転倒してしまう。この転倒を回避するために、高齢者の歩行支援を目指したアクティブ下腿装具への適用を実施したいと考えている。
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| Causes of Carryover |
年度末に開催される国際会議において当該研究の研究成果（１件）を報告する予定で、その旅費と会議登録費を残していた。しかしながら、研究の遅れを取り戻すために開発したアクチュエータ（PRA: Pneumatic Rubber-fiber constricted Actuator）の位置制御用変位センサの試作に軸足を移行した結果、１回分の会議報告費が次年度の繰越金として生じた。
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| Remarks |
空気圧柔軟アクチュエータによる腰部アクティブ補装具の開発：OUSフォーラム2018 http://renkei.office.ous.ac.jp/wp-content/uploads/2011/09/poster2018.pdf
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Research Products
(7 results)
