| 研究課題/領域番号 |
17K01598
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| 研究機関 | 岡山理科大学 |
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研究代表者 |
藤本 真作 岡山理科大学, 工学部, 教授 (00278912)
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| 研究分担者 |
小林 亘 岡山理科大学, 工学部, 講師 (00780389)
赤木 徹也 岡山理科大学, 工学部, 教授 (50311072)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 空気圧アクチュエータ / 補装具 / 腰痛 / QOL向上 / 制御系設計 / 体圧センサ / 下腿装具 / システム同定 |
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| 研究実績の概要 |
研究の目的は高齢者のＱＯＬ向上および、身体的・精神的負担を軽減化するために、使用者の個別仕様化を実現したアクティブ補装具の制御方法を確立することである。今年度はまず開発した空気圧繊維状アクチュエータ（PRA: Pneumatic Rubber-fiber constricted Actuatorと略す。）を利用した腰部アクティブ補装具のセンサ開発に着手した。補装具の性能要求として腹腔内圧上昇を可能とする構造が求められる。そのため腹腔内圧上昇を計測する腹部の体圧センサを開発したが、使用者の個別仕様化を満足するためには腹部のみの計測では不十分である。そこで、腰部の５箇所に使用されているPRA自体を力センサとして利用できないかを考えた。まずPRAの収縮量（位置）を計測するための位置センサを開発し、補装具の位置（締付け量）制御を施しながら外乱オブザーバを利用した制御系を構築することで、補装具に加えられた外乱すなわち外力を推定する原理である。この方法によって腰部周辺に加えられた力を推定することができる。また、その推定力を利用した力制御も可能となった。この制御によって腹部内圧を推定することができるようになった。PRAの位置と力制御が可能になったため、アクティブ下腿装具への適用を実施した。下腿装具の主な目的は足の筋力低下に伴う「すり足歩行」が大きな原因である。このすり足歩行になっていることに気付かずに爪先から着床することで転倒事故を引き起こす。そのため試作する下腿装具は着床時に爪先が上がるようにPRAの収縮によって背屈動作を支援する。まずトレッドミル上で任意の速さで歩行しながら背屈動作のタイミングを計測した。試作したPRAの欠点として応答速度が遅い問題がある。そのため、立脚から遊脚が着床するタイミングを推定した。その結果、歩行速度が変化してもある程度適切に歩行を支援できることを確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本課題で開発した空気圧繊維状アクチュエータ（以降PRAと略す。）を腰部と腹部周りの５つの部位（腰部、左右腸骨部、左右脇腹部）に配置し、腰部用アクティブ補装具を試作した。また腹部には使用者の体圧を計測するための体圧センサを取付けた。このセンサ情報に基づいて補装具全体を制御する。本制御系は下位・中位・上位レベルの３階層から構成されており、下位レベルは腹部の体圧が一定になるように制御する。下位レベルはレギュレーション問題と捉えることができ、各部位のPRAに対応した最適化問題を解くことで解決することができる。中位レベルでは日常レベルでの限られた動作（前後左右に曲げる）に対して、各PRAをどのように加減圧するべきかを識別しる。また上位レベルの使用者の体形に合わせた制御も実現できなかった。中位・上位レベルの実現には、開発した腹部の体圧センサのみには実現することができない。そこでPRA自体をセンサとして利用できないかを考察した。そこで、ホール効果センサと磁気シートを組合せたPRA用の変位センサを開発した。このセンサを利用することで位置制御を行いながらPRAに加えられた負荷の推定が推定できる。すなわち、PRAが配置された５つの部位の力変動が識別できるようになる。このことによって、どのような動作や体形なのかが識別できるようになる。最後に、開発したセンサ付きPRAを下腿装具に適用した。その結果、トレッドミル上ではあるものの、立脚期の運動から遊脚が着床するタイミングを推定することができ、アクティブな補装具の開発に寄与したものと考えられる。
以上のことから、今年度の研究は申請書に記載した目標に対しておおむね順調に進展していたが、年度末に研究成果を発表する予定であったが当初予期していなかった新型コロナウイルスのため中止となってしまった。Jこのことで、本課題に対して次年度に継続申請することになった。
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| 今後の研究の推進方策 |
今年度、新たに空気圧繊維状アクチュエータ（以降PRAと略す。）を下腿装具に適用した。この補装具は歩行時の転倒防止すなわち足首の背屈と底屈動作を支援する機能を有している。足首の背屈と底屈は相反する動作であるため、空気圧システムでは回生機能による空気圧供給が可能になると思われる。また、本課題で主に開発を目指している腰部のアクティブ補装具でも、上半身の上下・左右運動に対して各部位のPRAは下腿装具と同様の動作と捉えることができる。そのため、腰部の補装具システムでも回生機能はある程度実現できる動作があると考えている。来年度、コロナウイルスの影響により予期していなかった継続申請が行えたため、新たに空気源の確保を課題に行いたいと考えている。つまり回生機能の追加に加えて、空気源であるコンプレッサーの小型・軽量化（携帯可能）の課題に取り組みたいと考えている。最後に、試作した補装具による性能評価を実施したいと考えている。試作したアクティブ補装具のモニタ評価を行い、体格の異なる被験者に対して個別仕様化の実現可能性について議論したいと考えている。そして実用化に向けての課題の抽出や改善を行う予定である。ただし、アクティブ補装具のモニタ評価は、補装具等の製造・販売に豊富な経験を有するサポータの専門企業と連携をとりながら適切に実施する予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
新型コロナウイルスの影響により、研究成果の報告を予定していた日本機械学会 中四国支部 講演会が延期となったため。
次年度への繰越金額は\61,493であり、次年度の当該学会で報告する予定にしていたが、講演会が実施される保証がないため、補装具の改良に必要な消耗品を購入したいと考えている。
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