2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of switchable model of knee joint with malfunctions, for instruction of ROM exercise.
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19K12882
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| Research Institution | Nagano University of Health and Medicine |
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Principal Investigator |
高嶋 孝倫 長野保健医療大学, 地域保健医療研究センター, 教授 (00425654)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福谷 保 長野保健医療大学, 保健科学部, 専攻長 (00446171)
丸山 貴之 国立障害者リハビリテーションセンター(研究所), 学院(研究所併任), 義肢装具士 (30727160)
内藤 尚 金沢大学, フロンティア工学系, 准教授 (40392203)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 関節可動域訓練 / 膝関節インピーダンス / モデル解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，理学療法士の教育に使用可能なROM訓練用の膝関節モデルの開発であり，膝関節疾患の関節インピーダンス（以下；関節抵抗）を再現することが重要となる．そのために(1)実際に膝関節疾患をもつ被験者から角度，関節抵抗の計測・解析を行い，(2)その結果を基に膝関節モデルを構成するサーボモータへの指令値を作成する．(3)膝関節モデルは実体感のあるモデルとし，(4)サーボモータのトルク制御によって患肢の関節抵抗を発生させる．
(1)の被験者計測は，コロナ禍の影響により病院内での計測実験を行うことが困難であった．このため，大学の実験室内で十分な感染予防を施したうえで，健常学生約8名，膝関節に筋痙縮を認める被験者1名の計測を行なった．
(2)この計測結果である角度-関節抵抗線図から関数近似した指令値を作成した．関数近似したことにより各項の係数の調整によって膝関節抵抗の性質と程度を意図的に変更可能とした．
(3)下腿形状を模した軟部組織部の内部に骨格部を配して構造面，外観，触感を考慮したモデルを作成した．骨格部は骨格形状データより3DプリンタでPLA樹脂を造形した．軟部組織部はシリコーン樹脂を材料とし，3Dプリンタを用いた下肢外型の内部に骨格部を設置して樹脂注型により製作した．
(4)トルク制御は，マイコンボードとサーボモータをシリアル通信接続することで，制御信号の送信とモータの状態取得を行うシステムを構築し，サーボモータの電流値制御モードを利用しマイコンボードから電流指令値をサーボモータに送信することで実装した． (2)で作成した指令値をマイコンボードで時々刻々計算し，それを電流指令値に変換しモータに送信して膝関節の角度に応じた関節抵抗を発生させることができた．実験で得られた関節抵抗の再現に加えて，痙性の強弱，屈曲最終域での終末抵抗感などの調整をモード変更で可能とした．
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