2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of a multi-DOF prosthesis based on human anatomy and clinical application
| Project/Area Number |
19K11428
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Polytechnic University |
|---|
Principal Investigator |
辛 徳 東京工芸大学, 工学部, 教授 (00431982)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
姜 有宣 東京工芸大学, 工学部, 教授 (10582893)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 電動義手 / 20chモータコントローラー |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、上肢の一部を失われた身体障がい者が物体とのインタラクションなど日常生活における殆どの作業を行うことができ、外観上にも本物の手と同様な多自由度電動義手の開発を行っている。令和元年度には主に解剖学に基づいて指骨と関節を新しく設計し、３Dプリンターを用いて製作を行った。しかし、腱膜や靭帯などを弾力性や骨の上に糸を通すトンネルなどが不自然であるなどさまざまな問題点があった。令和2年度では光造形式３Dプリンターを購入したので材料をABS材からUVレジン材に変更した。これにより、指骨をより細かい部分までナチュラルかつ機能的な面を考慮して再設計が可能になった。さらに、手首のモデルの設計も行い、球関節を手根骨の内部に埋め込むように設計した。さらに、人間のように粘弾性制御を行うためには各関節に伸筋と屈筋のペアが必要である。複数の伸筋と屈筋を表す各モータを同時に制御するため、20chモータコントローラーの設計・製作を行った。作られた20chモータコントローラーは小型（31cmｘ16㎝ｘ3㎝）でパソコンとの情報伝達を担当するメインマイコン1個（STM32F103、ARM社）と5個のモータの制御を担当するサブマイコン（STM32F302f、ARM社）4個を用いて制御を行う。また、電源部と制御部は完全に電気的に分離して設計を行った。これまでの研究結果を研究室のホームページ（http://wrlab.t-kougei.ac.jp/）と東京工芸大学公式ブログであるKOGEI PEOPLE（https://blog.t-kougei.ac.jp/mc/）に公開している。さらに、2020年9月の国際会議（CcS2020）ではExcellent Paper賞を獲得した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
令和元年度には外観の装飾性が良い多自由度を持つ電動義手の製作が目標であった。その結果、母指に4自由度（MCP2、PIP、DIP）、その他の4指に各3自由度（MP、PIP、DIP）、合計16自由度の電動義手の設計・製作を行った。さらに、表面筋電信号を用いて日常生活に重要な4種類の動作（握力把握、精密把持、側面把握、リラックス）に対して平均90.8％の動作識別率を見せた。その結果は国際論文誌に投稿中である。
現在では手首の手根骨や前腕の橈骨や尺骨の設計を行った。特に、手首関節は手根骨と橈骨の間を球関節の設計を行い、橈骨には球のボールを手根骨には受け皿を合併した設計を考案した。この設計は前回の16自由度のハンドモデルに手首関節2自由度を追加し、総18自由度のモデルになる。さらに、橈骨と尺骨には手首の2次元角度調節の伸筋・屈筋の4つのモータと指関節制御用の10個のモータ、総14個のモータが骨の中に入るような配置を行った。さらに、多チャンネルのモータドライブシステムが市販されなかったため20ｃｈのDCモータコントローラー（MyoBoard ver. 01）を設計した。製作されたモータコントローラーはフィードバックなしでは20個のモータを同時に制御可能であり、エンコーダーのフィードバックがあれば12個のモータを同時に制御可能になる。現在はマイコンの制御関数のCプログラミングを行っている。
|
| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度では外観の装飾性が良い多自由度を持つ電動義手の製作し、日常生活に重要な4種類の限られたパターン動作を高い認識率で成功した。令和2年度では骨モデルの改善と共に手首と前腕部まで３D設計を行った。さらに、20chモータコントローラーを設計し、PCBボード製作を行った。
今後では自作したコントローラーのマイコン用の制御関数をプログラミングが主な作業になる。制御関数のライブラリが完成できれば表面筋電信号を入力した粘弾性制御を行う予定である。それと共に設計した通り小型アクチュエータを前腕部の橈骨と尺骨に埋めて人間と同程度のサイズを持つ多自由度義手の製作を目標とする。その結果を国際論文誌（Actuator誌、IF2.96）に投稿する予定である。
|
| Causes of Carryover |
COBID19の影響により中国の小型アクチュエータの生産ができなかった。2021年度からは生産されているようですので翌年度分として請求した助成金と合わせ使用する。
|
