Research and development for reconstruction of walking function by thigh prosthesis employed fiber-coupled knee joint

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K12150
• Research Institution: Nishinippon Institute of Technology
• Principal Investigator: 園田 隆 西日本工業大学, 工学部, 准教授 (70750339)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 義肢 / 膝継手

Outline of Annual Research Achievements

2021年度においては、当初の計画にあった人による義足を用いた実験についてCOVID-19の状況を鑑みて実施しない方向に計画を修正したため、代替策として無人での義足歩行試験を可能とする装置（以下無人歩行試験装置）の製作に取り組んだ。無人歩行試験装置は、膝継手の試験を可能にするために、ドレッドミルと歩容を生成する機械を組み合わせた装置となっている。人の股関節部分の矢状面での動きを再現できるように、股関節の上下運動と屈曲伸展を行えるように駆動部を構築した。立脚相から遊脚相までの動きを荷重ありの状態で再現できるように設計しており、歩行時に体重による負荷が義足に加わるようにしている。再現する運動は、以前に収集したモーションキャプチャーで計測された歩行データ（股関節周り）を元にしている。年度後半にて、設計した装置および制御システムを製作し、単純な歩行動作を実現した。しかしながら、ドレッドミルとの連動に未だ課題があるため持続的な歩行ができていない。
また、前年度に研究した繊維拘束の最適化やリー代数による三次元運動を考慮した実用的な膝継手への発展が、繊維拘束による膝継手の設計において問題となっていた。三次元運動への発展が困難になる理由は、設計パラメータが増大することや継手の関節接触面形状設計における厳しい制約が生じるためである。この問題を回避するための解決策について年度後半頭に着想を得た。人の膝関節においては靭帯の多方向からの拘束によって関節の運動性と安定性を確保している。一方で、本研究での手法は、一対の繊維拘束と膝継手の接触面の形状によって同様の効果を得る構造となっている。そこで、人の膝関節を模倣し、接触面形状を簡略化した代わりに多方向から繊維拘束による設計手法を考案した。この手法による試作から、膝継手の設計容易性、運動性と安定性について有効なことが確認され、実用に向けて進捗が見られた。