2022 Fiscal Year Annual Research Report

Development of powered prosthesis for amputees without hip joint function, which is able to expand the range of activities

Research Project

Project/Area Number	21H03850
Allocation Type	Single-year Grants
Research Institution	Kanazawa University
Principal Investigator	内藤尚金沢大学, フロンティア工学系, 准教授 (40392203)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	中村隆国立障害者リハビリテーションセンター(研究所), 研究所義肢装具技術研究部, 義肢装具士長 (40415360) 軸屋一郎金沢大学, フロンティア工学系, 准教授 (90345918)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2026-03-31
Keywords	股義足 / 運動支援機器 / リハビリテーション工学 / 計算機援用リハビリテーション / 下肢高位切断
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は，股関節機能が失われた下肢高位切断者の活動範囲を大幅に拡張可能な高機能動力義足システムを開発することである．具体的には，まず，高機能動力義足の要素技術として，使用者の運動状態と運動意図を推定するアルゴリズム，高いエネルギ効率と柔軟性を実現する義足関節機構，自然な動作を実現する制御手法とその設計法について重点的に開発する．さらにこれらの要素技術を組み合わせることに加え，対象者を絞り徹底的にチューニングを施すことでこれまで下肢高位切断者では不可能であった動作を自然に実現できる義足システムを開発する．本年度は，まず，健常側の股関節および膝関節の角度計であるポテンショメータおよび両側足底の踵部と爪先部に設ける圧力センサ，および義足股継手サーボモータの角度計のそれぞれの値を統合した状態把握アルゴリズムの開発を行った．歩行状態を5つの期間に分類し，センサデータから先のアルゴリズムにより状態を判別できるようにし，それに応じて健常者の歩行パターンを模擬した股関節角度を目標値とした位置制御により動力股継手を動作させる制御ソフトウェアを作成した．さらに，ソフトウェアをワンチップマイコンボード（Arduino Uno）で動作させ，昨年度製作した動力股継手システムを用いた模擬脚を利用して動作試験を行った．その結果，歩行の各期を正しく判別し，健常者の歩行の股関節角度パターンと類似した股継手角度の変化を得ることができることを確認した．さらに，歩行状態の遷移過程について調べる実験として，ウェアラブル関節角度センサを用いて歩行速度増速時の状態遷移，すなわち定常歩行（速度低）～増速歩行～定常歩行（速度高）という状態遷移を対象に歩行運動計測の実験を行った．実験の結果，増速時には遊脚期の初期から中期において状態遷移が開始し，その遊脚期中にほぼ遷移が終わることを示唆する結果を得た．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 動力股継手を用いた模擬脚をウェアラブル化することができ，その制御システムの実装も進められている．
Strategy for Future Research Activity	次年度は動力膝関節システムを製作し，股および膝を動力化した脚システムを完成させる．それに加えて，運動状態および意図を判別する手法と状態に応じて適切な駆動方針を実装した計測制御システムを小型コンピュータに実装できるよう構築する．これらに加えて携帯可能な小型バッテリーを組み合わせることで外部配線がなく自立的に歩行が可能な股義足システムを製作する．