2018 年度実施状況報告書

繊維結合型膝継手を搭載した大腿義足による歩行機能再建に向けた研究開発

研究課題

研究課題/領域番号	18K12150
研究機関	西日本工業大学
研究代表者	園田隆西日本工業大学, 工学部, 准教授 (70750339)
研究期間 (年度)	2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード	模擬義足 / 膝継手 / 歩行分析
研究実績の概要	2018年度前半の計画においては，本研究にて提案した繊維結合型膝継手の設計・解析，後半においては製作・評価を計画した。提案膝継手は，現在の義足にて主に使用されている多軸型の膝継手と同等の動きを実現できる膝継手，および生体膝に近い運動軌跡を実現する膝継手の二種の開発を計画した。実施年度前半では，膝継手設計・製作するにあたり県内の義足製作企業に協力を得て，健常者用の模擬義足（ただし，現状は既存の膝継手を用いている）を製作した。製作した模擬義足を用いて，義足歩行時の運動について解析に着手した。また，既存の多軸型膝継手の構造を解析するために，単純な構造の動作模型を製作して回転中心軌道の解析を行い，その解析結果を元に設計ソフトの開発を行った。設計ソフトでは，回転中心を視覚的に確認できるような機能を持たせた。歩行の際に回転中心がどのように変化するかを解析するために，実施年度後半では，模擬義足に搭載した既製品の多軸型膝継手に対して使用可能な回転姿勢計測装置の開発を行った。多軸型膝継手では，複数の回転運動を組み合わせて膝の回転中心が関節の角度に応じて変化していく構造のため，膝継手の運動を評価するための計測装置が必要であった。そのため，開発した回転姿勢計測装置では，2つの加速度センサを用いて，重力方向から姿勢を算出し２つのセンサの差分から運動を計測できる仕組みを採用した。この装置を模擬義足へ搭載し，装置の性能評価および歩行運動計測が可能かの検証実験を実施した。また，計測装置から得られた加速度や姿勢のデータを解析し，膝継手の歩行時の姿勢変化および構造部材へのおおよその負荷の推定を行い膝継手設計へ反映させた。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 3: やや遅れている理由 2018年度の実施計画に対して，後半に計画していた膝継手の製作・評価の実施が予定よりも遅れている。年度前半で計画していた膝継手の設計・解析するに当たって，既存の多軸型膝継手の分析から開始した。計画遅れの発生原因としては，この分析作業を実施するにあたり，次に示す計測装置の開発を行ったためである。計測装置を開発するに至ったのは，計画実施初期に膝継手に加わる荷重などは，機構解析シミュレーションで解析する際に実際に歩行する際のデータが必要であると判断したことに起因する。そのため，データ収集に必要な模擬義足製作の前倒しと計測装置の開発に注力した。歩行時の関節運動や膝継手の機構部に加わる動的な荷重を推定することで，より実運用に即した機械設計が可能になるといえる。
今後の研究の推進方策	2019年度では，2018年度に計測したデータを元に機構解析シミュレーションを行い，計画が遅れている膝継手の製作および評価を年度前半にて完了させる。当初の計画で2019年度に実施予定の繊維結合型膝継手を用いた歩行試験は，四半期分実施を後ろ倒しにして2019年度末までを実施期間とする。その他の計画変更としては，2019年度後半に作成予定であった模擬義足（膝継手には既存の製品を用いている）について，計画を前倒しして2018年度前半にて製作が完了している状況にある。そのため，2019年度前半で取集予定であった歩行データが2018年度後半時に幾つか実施している。今後は，引き続き実験を行い，製作済みの模擬義足について，必要に応じてより歩行が容易な構造となるように改造を試みていく。また，繊維結合型膝継手の製作が完了した段階で，膝継手を現状のものと交換して，歩行実験を実施する計画である。
次年度使用額が生じた理由	2018年度では，所属組織での会計執行の理由より模擬義足製作費として計上していた予算分54万円を，その他経費から物品費へ予算流用している。模擬義足を備品として購入している。2019年度では，備品としてモーションキャプチャーシステムの導入を計画している。モーションキャプチャーシステムは，歩行時の身体計測のために用いる。一方でモーションキャプチャーシステムは，外部に設置した装置からの計測であり，外部に設置したカメラ数量によって計測範囲と精度が変化する。より詳細な歩行データを計測するためにモーションキャプチャーシステムのカメラ数を2台から3台に変更して，約125万円で購入予定である。他の使用計画としては，膝継手の製作費に主に使用する予定としている。