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2020 年度 実施状況報告書

受動型直交座標系新規3次元上肢リハビリ支援システムとその各種リハビリ手法との融合

研究課題

研究課題/領域番号 19K04303
研究機関一般財団法人ファジィシステム研究所

研究代表者

古荘 純次  一般財団法人ファジィシステム研究所, 研究部, 特別研究員 (70107134)

研究分担者 池田 篤俊  近畿大学, 理工学部, 講師 (20609903)
川平 和美  鹿児島大学, 医歯学総合研究科, 客員研究員 (20117493)
菅 俊光  関西医科大学, 医学部, 教授 (40288816)
畑迫 健一  産業技術短期大学, その他部局等, 教授 (30735527)
原田 孝  近畿大学, 理工学部, 教授 (80434851)
森岡 周  畿央大学, 健康科学部, 教授 (20388903)
原口 真  大阪工業大学, 工学部, 講師 (80467547)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2023-03-31
キーワード上肢リハビリ支援システム / 脳卒中 / ブレーキ / 受動型リハビリ支援システム振動刺激 / 振動刺激 / Pleasure / Motivation / Usability
研究実績の概要

3次元システムでは、手先部が差動ベルトとプーリを介在して駆動され,手先部の移動に対してプーリなどの機械要素が複雑に並進・回転する。そこで,マルチボディダイナミクスを用いて手先部の移動と機械要素の運動をシステマチックに表現する方法を考案し,これを用いて直交型ロボットの運動方程式を導出した。さらに,XYZθ4自由度直交ロボットの動力学解析を実施した。本研究で対象とする直交型ロボットには,2個の回転運動を回転-並進運動に変換する差動ネジ機構を搭載していることが特徴である。差動ネジ機構の組み合わせ方とその運動学的特徴を機構設計の観点で整理し,新たな機構を提案する方法を考案した。これらの結果を用いて、重要な機構部の開発を行い、試験を行った。3次元上肢リハビリ支援システム全体の詳細構成に入った。
2次元システムについては、2019年度は大まかな配置の設計は行っていたが,実際に組み立てるための部品が設計されていなかったため,上半期に設計を行った.具体的にはパウダーブレーキを本体に取り付けるための曲げ板の設計,ハンドル部の設計,リニアガイド同士を結合するための平板の設計,カップリングの選定を行った。2次元上肢リハビリ支援システムを組み立て、その問題点の検討を行った。
1次元健側補助型上肢リハビリ支援システムの基本設計を行い、一部部品の発注を行った。
力覚提示システム・位置入力システムやリハビリシステム等の設計においては、慣性力の影響を考慮する必要がある。そこで、その評価方法および特性改善の方法を提案した。力学モデルによる理論解析を行い、数値計算を行い、評価方法および特性改善方法を提案し、一つの性質を導いた。数値計算には、Python、Numpy、Scipy、Matplotlib等を用いた。

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

全医療費の1割近くが脳卒中診療に費やされている。そこで、脳卒中患者を主な対象とする新規な受動型の直交座標系の3次元、2次元、1次元上肢リハビリ支援システムの研究開発などを行った。モータ等を用いるアクティブ型においては、暴走などの異常があった場合に患者に物理的な危険を及ぼすため,厳重な管理が必要である。一方、ブレーキ等を用いた受動型は、本質安全性を有し、医療機器としてクラスⅠとなり、自主訓練に適する。
力覚の提示にブレーキを用いた3次元直交型リハビリ支援システムについて、設計に関する周辺技術に取り組み,新たな知見を得ることが出来た。その結果、3次元システムの全体構成の段階まで進んだ。
力覚の提示にブレーキを用いた2次元直交型リハビリ支援システムについて、機構開発の面に重点を置き検討し、問題点を抽出できた。力覚の提示にブレーキを用いた1次元直交型リハビリ支援システムについては、基本設計が終了した。
力覚提示システム・位置入力システムやリハビリシステム等の設計においては、慣性力の影響を考慮する必要があるが、理論的な研究はそれほど行われていない。本研究では、慣性力の影響に関する一つの評価方法を提案し、一つの性質を理論的に導き、数値計算により確認した。

今後の研究の推進方策

本研究の研究期間は4年間であり、2021年度は、3年目にあたる。
ブレーキで力覚を提示する直交座標系の3次元システムについては、2020年度に得られた新しい知見をもとに改良・研究開発を進め、3次元リハビリ支援システムの構築を目指す。
ブレーキで力覚を提示する直交座標系2次元のリハビリ支援システムの研究開発に関しては、2020年度の研究開発を基礎として、2次元のリハビリ支援システムの構築を目指す。さらに、このシステムへの健側補助の導入を進める。ローコストかつコンパクトな上肢リハビリ支援システムを目指した研究開発に関しては、2020年度の研究をさらに進める。
リハビリ支援ソフトの研究開発に、Python、Pygame等の導入を進める。Pygameの導入は、ゲーム性のあるリハビリソフトの研究開発を容易にし、楽しさ(Pleasure)、及び動機付け(Motivation)のあるリハビリ支援システムとなる。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウイルス (COVID-19)により、大学院生、学部4年生の大学での研究開発が困難になった。その結果、研究の進展速度が低下した。そこで、一部の予算を次年度に繰り越す必要が生じた。
新型コロナウイルス (COVID-19)は、ワクチンの接種により収まっていき、残りの期間は2年間なので、繰り越した予算も用いて、当初の目標がほぼ達成できると考えている。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (2件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] (解説)VR技術を用いた小脳性運動失調に対するアプローチ(上肢運動機能評価トレーニング機器の研究開発)2020

    • 著者名/発表者名
      小田邦彦、古荘純次、菊池武士、原口真
    • 雑誌名

      脳神経内科

      巻: 93 ページ: 89-94

  • [雑誌論文] マルチボディ運動学に基づく2自由度差動ネジ機構の構造の総合2020

    • 著者名/発表者名
      原田 孝, 中村 悠人
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集

      巻: 86 ページ: -

    • DOI

      10.1299/transjsme.20-00155

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] リンク型の位置入力システム・力覚提示システムやリハビリ支援システム等における慣性力の影響に関する基礎研究(その評価方法および特性改善方法の提案)2021

    • 著者名/発表者名
      古荘純次
    • 学会等名
      日本機械学会関西支部第96期定時総会講演会 講演番号:3411
  • [学会発表] マルチボディダイナミクスを用いた差動ベルト駆動ロボットの力学解析2020

    • 著者名/発表者名
      原田 孝
    • 学会等名
      第21回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会 講演番号: 3E1-3
  • [備考] 一般財団法人ファジィシステム研究所の古荘の個人ページ

    • URL

      http://flsi.cird.or.jp/personal_page/furusho/index.html

  • [備考] 古荘純次(大阪大学名誉教授)のリハビリ関係のホームページ

    • URL

      http://www.eonet.ne.jp/~furusho-reha22/index.html

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公開日: 2021-12-27  

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