2021 年度実施状況報告書

高齢者生活支援を目的とした動作方向の筋力補助が可能な無動力アシストスーツの開発

研究課題

研究課題/領域番号	20K12762
研究機関	石川工業高等専門学校
研究代表者	藤岡潤石川工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (20342488)
研究分担者	穴田賢二石川工業高等専門学校, 機械工学科, 講師 (30756531) 任田崇吾石川工業高等専門学校, 電子情報工学科, 助教 (50847382)
研究期間 (年度)	2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード	双方向クラッチ / アシストスーツ / 福祉機器 / 補助トルク
研究実績の概要	一般的な双方向クラッチの係合原理は、入出力ユニットと係合子の係合条件から機構的、力学的に示される。当該年度は、昨年度までに明らかとしたトルク特性を最適化するクラッチの要素形状や要素間の接触状態に関する設計条件に基づき、引き続きクラッチの要素形状、要素間のクリアランスの最適化を行った。特に、遊び角の低減を目的として、三角歯のピッチを最小化したモデルを提案し、設計条件に基づき試作を行った結果、三角歯ピッチと遊び角の相関性を明らかとした。本成果により、アシストスーツのトルク保持に必要な部位ごとに適した双方向クラッチの仕様設計が可能となった。具体的には三角歯のピッチ、係合子の保持バネ条件、ハウジングの変形強度、クリアランスを設計パラメータとしたパラメータスタディが可能となった。またこの成果に基づき、筋骨格動力学モデル構築と筋力支援効果解析を行った。上腕の持ち上げ動作（肩関節）の戻り動作、作業動作両方向のアシスト、および伝達力の切り替えを動作を含む受動型アシストスーツの筋力補助効果の解析を行い、フレーム構造とトルク支援のための弾性体の素材特性、配置条件の設計指針を確立した。本研究成果から、関節位置に対する弾性体の支点と作用点の位置と距離、および初期張力を調整することで、作用角度に応じた分力の変化により、作業動作に適した補助トルクを得られることを明らかとし、実際に設計計算に基づくアシストスーツの試作モデルを作成し、動作姿勢と補助トルクの関係性について実験的に検証した。
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前年度から引き続き双方向クラッチの設計条件の最適化を実施した結果、遊び角の大幅な低減、保持トルクの増加、入力トルクの低減を達成した。これら成果により、申請における双方向クラッチの改善項目について順調に進展していると考える。特に三角歯のピッチ、係合子の保持バネ条件、ハウジングの変形強度、クリアランスなどの設計要素がクラッチ性能に及ぼす影響が明らかとなり、アシストスーツに適した双方向クラッチの仕様設計が可能となった点は大きな進捗であった。また筋骨格動力学モデル構築と筋力支援効果解析により、上腕の持ち上げ動作（肩関節）の戻り動作、作業動作両方向のアシスト、および伝達力の切り替えを動作を含む受動型アシストスーツの筋力補助効果の解析を実施した。解析結果から、関節位置に対する弾性体の支点と作用点の位置と距離、および初期張力の調整により、作用角度に応じた分力変化により、作業動作に適した補助トルクを得られることが示されたことで、フレーム構造とトルク支援のための弾性体の素材特性、配置条件を調整することで、運動支援に必要な補助トルクを、複雑な機構や機械要素を要せず、実現可能で示すことができたことから、当初計画に対してこの点についても順調に進展したと考える。さらに、実際に設計計算に基づくアシストスーツの試作モデルを作成し、動作姿勢と補助トルクの関係性について実験的に検証したことで、次年度の本格的な設計製作と実験への筋道が付いたと考える。一方で、動作の三次元計測と運動支援状態における装着者のストレス測定と分析については、やや遅れており、早期の実施が望まれる。以上の結果を総合し、本研究は全体としておおむね順調に進展していると評価する。
今後の研究の推進方策	走行工クラッチに関するトルク特性を最適化するクラッチの要素形状や要素間の接触状態に関する設計条件の明確化と設計手法の確立は昨年度大きく進展したため、今後の研究の推進は主に受動型スーツによる作業性と作業支援効果の評価について行う。現在機構的な試作モデルであるスーツについて、具体的な実作業が可能なモデルを、双方向クラッチを含めて製作し、作業中の筋疲労評価を中心に負担軽減効果を明らかにする。具体的な製作は代表者所属機関の学生補助員と技術センター職員が行い、研究代表者が調整を行う。製作が進捗どおりに進まない場合、技術的な問題であれば工業試験場を介して地元メーカーへの技術相談、共同で部品製作を行い遂行する。作業性と筋力補助効果の定量化であるが、作業動作状況の数値化にはモーションキャプチャを用い、光学式、慣性式双方による作業動作測定を実施する。さらに無線式表面筋電計による筋疲労測定を中心に、心拍数と修正基準化脈波容積脈拍によるストレス分析から、作業負担軽減効果を評価する。また実運用で想定される課題については、県リハビリテーションセンターを窓口として高齢者を対象にスーツ運用に関するアンケート調査を行い解決をはかる。
次年度使用額が生じた理由	当該助成において次年度使用額が生じた理由は、申請時の計画で予定していた学会発表および外部研究機関との打ち合わせが、コロナ過におけるまん延防止等重点措置等の時期と重なり、すべてオンラインとなったことで、旅費としての利用がされ無かったためである。また後半の物品購入にあたり、世界的な半導体不足等により、購入を予定していた一部デバイスについて納期が年度内に間に合わないことが明らかとなり、次年度以降の購入に急遽変更した。以上の理由により、上記額面での次年度使用額が生じたものである。翌年度分の請求助成金であるが、すでにまん延防止等重点措置等は解除されたため、県外の学会における旅費として改めて使用する。また昨年度購入予定であったデバイス等について、改めて本年度発注の予定である。