空気バネを用いた両大腿義足長可変装置の開発

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K13109
• Research Institution: Tokyo Metropolitan College of Industrial Technology
• Principal Investigator: 柴田 芳幸 東京都立産業技術高等専門学校, ものづくり工学科, 准教授 (50614319)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 両側大腿切断 / 義足長 / 空気バネ / 義足歩行

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、空気バネを用いた両大腿義足長可変装置を開発することを目的とする。大腿切断者は膝関節を失ってしまうため、大腿義足による歩行では、膝を曲げながら体重を支えなければならない場面での動作が非常に難しい。オットーボック社やオズール社が開発・販売している高機能な義足の膝継手には、油空圧ダンパと粘性のコントローラが備わっており膝折れを防止できるため、歩容の自然さや走破性が向上し、訓練次第では不整地歩行、坂道や階段の上り下りができるようになる。しかしながら、両側大腿切断者の場合、健側がないため両下肢の長さが常に一定となり、特に低活動レベルの切断者では傾斜地を横断するときなど、平地以外の歩行が困難で転倒の危険を伴ってしまう。既存の義足ではかかとの高さを調整できるものはあるが、義足長を可変できる製品はないため、本研究では義足に組み込むことで義足の長さを変化させることのできる機構部品の開発を行っている。長さの変化を発生する部分には空気バネを用い、空気バネに加える圧力を調節することで空気バネのバネ定数が変わり、同じ荷重（体重）がかかったときの装置の収縮量を変化させることが可能である。本研究でははじめに、空気バネの固定、および義足の継手などの部品を接続できる形状・機能を有した筐体の設計、製作を行っている。開発している装置への空圧源の確保のためには、自転車や自動車のタイヤに空気を入れるための手動および電動のポンプを利用することを考えているが、他にも小型のガスタンク（インフレーター、ボンベ）やコンプレッサを用意し、利用者の活動状況に合わせて軽量、簡便で使い勝手が良く、かつ価格の安いものを接続できるようにしている。この他に、流量調整弁と排気弁を空気の流路に備えることで細やかな圧力調節が行えるようになっている。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

本研究は三年計画で行い、一年目に空気バネを用いた両大腿義足長可変装置の長さ可変機構部（以下、長さ可変機構部という）の設計、開発をある程度の水準まで完成させることを目標としていた。これまでに、研究協力者とのミーティングや装置の機構案の検討、設計を行った。しかしながら、空気バネの納品に時間がかかったことや、本研究以外の研究・教育の業務に予想以上に時間と労力を割かさなくてはならず、一年目で長さ可変機構部を完成させることができなかった。現在は、長さ可変機構部の筐体設計を終え、筐体を構成する金属部品の製作加工を行う所まで進んでいる。また、実際に空気バネの特性を確認するべく、加えた圧力と荷重に対する空気バネの長さ変化を測定しようとした。本研究で使用する空気バネは、ヒトの体重に耐えられるだけのバネ定数を持つ既存の製品から選定しており、ヒトの体重である500～700ニュートンほどの荷重を空気バネに加えるためには、空気バネの固定方法、支持台、おもりなど強固な作りで安全に実験を行える環境が必要であることがわかり、手持ちの実験設備だけでは空気バネの特性評価実験を行うことができなかった。今後は長さ可変機構部の開発と並行して、特性評価実験設備の準備、製作が必須である。空気圧の制御に関する開発環境については、コンプレッサ、ハンドポンプ、配管部品、排気弁、流量調整弁、レギュレータ等の空圧機器とそれらに関するノウハウが蓄積されているため、長さ可変機構部を構成する空気バネとその筐体に関する部品の機械加工が完了さえすれば、本研究の進捗状況が好転すると考える。

Strategy for Future Research Activity

三年間の研究期間のうち、一年目に完成させる予定だった長さ可変機構部の設計、製作が大幅に遅れてしまったため、二年目である2018年度は早急に長さ可変機構部の筐体加工、製作に着手する。科研費申請時の計画では、開発費用を抑えるために金属加工を要する筐体部分について、研究代表者自身が工作機械を用いて切削加工を行い長さ可変機構部を製作しようと考えていた。しかし、設計の段階で研究が遅れてしまい、また一年目の研究費の大部分を二年目に繰り越すことになったので、複雑な加工が必要な筐体の一部の部品については、製作期間の短縮を狙って民間の試作会社へ部品製作を依頼することも考えている。そして、これと並行して空気バネの圧力と負荷に対する長さ変化の特性を計測することのできる実験台の製作も行う。次に、長さ可変機構部の完成後は空気圧の制御に関する部分を構築する。実験室等で繰り返し動作実験を行うために、コンプレッサによる安定した圧力供給とレギュレータによる空圧制御をコンピュータ、あるいはArduino 等のマイコンから行えるようにする。また、実験室以外での使い勝手を考慮して、電気のいらないハンドポンプ、流量調整弁、排気弁などによる空圧制御システムを構築する。得られたデータをもとに研究協力者とディスカッションを行い、臨床利用に向けて空気バネを用いた両大腿義足長可変装置の完成度を高める。

Causes of Carryover

空気バネを用いた両大腿義足長可変装置の長さ可変機構部の設計が大幅に遅れてしまい、研究が製作工程に入っていないため材料費、加工費が発生せず、また義足の足部、パイロン、膝継手など義足部品の購入を先送りにしたため当該助成金が生じてしまった。翌年度分として請求した助成金は、製作した空気バネを用いた両大腿義足長可変装置の改善費用、実験費用として使うことを考えていた。遅れを取り戻すべく研究を進め、当該助成金と翌年度分の助成金は、当初購入を予定していた義足の部品を購入と、空気バネを用いた両大腿義足長可変装置の製作のための材料費、加工費、改善のための追加工費、実験費として当初の計画通り使用する。