力覚制御ロボットによる生体関節の摩擦係数の測定

1993 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 05221229
• 研究機関: 北里大学
• 研究代表者: 馬渕 清資 北里大学, 医学部, 助教授 (70118842)
• キーワード: 力覚制御 / ロボット / 生体関節 / 摩擦測定 / 6軸力覚センサ

研究概要

今年度は、主としてロボットの制御システムの構築を行いその精度を検証した。ロボットの操作およびデータの収集は、既設のパーソナルコンピュータを用いて行い、C言語でプログラミングして制御した。最初に、リアルタイム制御でロボットの微調整を行った。摩擦面の間隔が、約2mmとなるように微調整した。次に、シーケンシャル制御で、摩擦面の検索を行った。すなわち、ロボットの末端効果器を垂直方向に動作させて、摩擦面が接触した位置を力覚センサで認識し、末端効果器に検索した順序の番号を付してロボットのコントロールボックスにある記憶装置に格納する作業を行った。この検索段階では、荷重を6N、検索のメッシュの幅を0.1mmとした。また、全すべり距離を3mmとした。次に、摩擦測定のための動作を行った。まず、記憶された番号に沿ってロボットを動作させ、末端効果器を摩擦面に沿って運動させた。測定段階での摩擦速度を秒速2mmとした。荷重については、検索段階と測定段階のいずれも脛骨側に固定された6軸力センサでセンシングして、DIOボードを介してパーソナルコンピュータに入力した。予備実験として、まず人口材料で作成したいくつかの関節モデルについて摩擦を測定した。測定されたそれぞれの摩擦係数は、振子法あるいは摩擦角測定によって求めた摩擦係数とよく一致した。次に、ウサギ膝関節を対象としたいくつかの実験を行った。まず、正常な関節について実験を行った結果、摩擦係数は約0.01であった。次に、関節摩擦面を洗浄することにより異常関節のモデルを作成して測定した結果、摩擦係数は、約0.02に上昇した。それに、ヒアルロン酸を塗布した結果、0.015程度まで摩擦係数が低下した。これらの結果は、研究者が過去に行ったイヌ股関節を対象とした振子法測定での実験結果とよく一致した。これらの結果により、ロボットの位置精度および6軸力センサの分解能が十分高いことを確認した。

研究成果

• [文献書誌] 馬渕清資: "ロボットを用いた関節摩擦係数の測定" 病態生理. 11. 788-794 (1992)
• [文献書誌] 馬渕清資: "関節の潤滑に及ぼすヒアルロン酸投与の効果" 生体材料. 11. 20-26 (1993)
• [文献書誌] H.Fujie: "The use of robotics technology to study human joint kinematics:A new methodology" Trans.ASME,J.Biomechanical Engineering. 115. 211-217 (1993)
• [文献書誌] 藤江裕道: "ロボティクスによる膝6自由度のハイブリット制御-より生理的条件下での in vitro動揺性実験をめざして-" 臨床バイオメカニクス学会誌. 14. 119-122 (1993)
• [文献書誌] 馬渕清資: "関節潤滑におけるヒアルロン酸の役割-人口関節摩擦面での評価-" 臨床バイオメカニクス学会誌. 14. 233-236 (1993)
• [文献書誌] K.Mabuchi: "The effect of additive hyaluronic acid on animal joints with experimentally reduced ludricating ability" Journal of Biomedical Materials Research. (in press).
• [文献書誌] 日本機械学会(編): "生体材料学" オーム社, 220 (1993)
• [文献書誌] S.Niwa: "Biomechanics in Orthopedics" Springer-Verlag, 321 (1992)