2018 Fiscal Year Research-status Report
バックドライバビリティ性を有する小型軽量な下半身用歩行支援機器の開発
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18K10734
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan College of Industrial Technology |
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Principal Investigator |
深谷 直樹 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 (80353259)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 歩行補助 / パワーアシスト / 膝伸展歩行 / 協調リンク / なじみ機構 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、歩行困難者を支援する小型軽量で装着者の身体に負担を強いないバックドライバビリティ性を有する歩行支援機器の開発である。ヒトはエネルギー消費を抑えるため歩行時は適宜各関節を脱力させる。例えば足関節は踵接地時に前脛骨筋が緊張しダンパーの役目を果たすが、以後は自身が前方向に進む速度を阻害しないよう脱力する．そして体幹中心を通り過ぎた後，アキレス腱を経由してヒラメ筋が緊張すると踵が浮きつま先立ちをして蹴り出しを行う．またヒトは足甲も路面の起伏に足指を馴染ませ，受動的に関節を動作させている。
本研究では上記機能を実現するために、ヒトを規範とする筋骨格構造と協調リンクと我々が呼称する独自の非限定連鎖リンク機構を用い、装着者の足関節、足甲および足趾関節を受動的に動作させ踵接地・膝伸展・爪先離床といったヒトの歩行を模倣した動作をアシストする。特に協調リンクを用いることによりバックドライバビリティ性を担保しつつ歩行に必要な駆動力を与えることが可能であるため、装着者の状態に応じ徐々にアシスト力を減らして各関節の自然な動作を促しつつ歩行を実現するといった効果的なリハビリも実施可能である．
本年度は提案手法の妥当性を確認するために主として足趾、足甲の構造検討を中心に検討を行った。まず概念実証を目的に足趾を３本に限定した足関節アシスト装置を構築、歩行実験を実施した。アクチュエータについては装着者の負担軽減を目的に腰部に配置し、ワイヤを介して駆動力を伝達する構造とした。動作試験を行った結果アシスト力を得られることはわかったもののロール方向への対応に難があることがわかった。このため荒田に５指型の構造を検討し、動作実験を行った結果５指型でも歩行支援が可能であることがわかったものの、部品点数増大による剛性低下、装着者の癖によるデータの不均一性などの問題が明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は重心近傍にアクチュエータを配置し、膝伸展人型ロボットの構造を応用してバックドライバビリティを確保しながら動力を伝達する構造を開発するとともに、このアクチュエータからの動力を受託する足首および足趾アシスト構造の開発を行った。具体的には、アクチュエータからの動力を踵部に存在するリンク機構に伝達、このリンク機構が足趾アシスト部に力を再配分することで装着者の足趾をアシストする。また装着者が爪先立ちして屈曲動作が終了した際には、アクチュエータからの動力が足首に再配分される構造となる。即ち、足首および足趾で動力が能動的に分散化されることでバックドライバビリティが確保される。足趾アシスト部については構造の確定が難しく、軽量化と構造の簡略化を念頭とした３指型について開発を行った。この結果歩行に関しては装用して歩行可能であること、足首のロール軸についてのアシスト性が好ましくないこと、将来的に商品開発を行う際には構造が簡略であり小部品化しやすいことなどの知見を得た。
上記の結果を踏まえ、さらに５指型について開発を行った。部品点数の増大、強度の確保等の問題が生じることから開発難度は上がるが歩行時の装用感は向上することが期待される。また足趾だけでなく中足骨についても可動型とすることでロール軸についてもアシスト性を確保出来るように配慮した。この５指型を装用し歩行実験を行ったところ、通常方向と比較し接地荷重はＨＣ時：5.06倍、ＦＦ時：1.14倍、ＨＯ時：0.73倍、ＴＯ時：0.85倍であり、ばらつきはあるものの通常の下肢装具よりも健常歩行に近い値を得られることが分かった。だが装用者の歩行が安定しないため右足左足の値に整合性が見られない問題があり、データの取得における大きな問題となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の実施結果より、次年度は補装具の剛性確保を目的として構造および協調リンク機構の再設計を行う。またリンクの一部を固定することで足甲の姿勢保持と固定を行うことにより入力の安定的利用と補助を実現する。装着者による動作の影響を排除するため、歩行動作を安定的に再現するテストベッド（ダミーフット）を開発し、これに補装具を装着させることで動作の再現性とアシスト性に関し客観的に評価可能な実験環境を構築する。
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| Causes of Carryover |
国際会議への参加を予定し経費を計上していたが、今年度の参加を取りやめ次年度の会議に変更したことで経費を次年度に移行したため。
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