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2014 年度 実績報告書

イナーシャマッチングに基づく階段歩行スキルの解明と大腿義足制御への応用

研究課題

研究課題/領域番号 25289065
研究機関立命館大学

研究代表者

和田 隆広  立命館大学, 情報理工学部, 教授 (30322564)

研究分担者 井上 恒  香川大学, 工学部, 助教 (90624205)
関本 昌紘  富山大学, 大学院理工学研究部(工学), 講師 (40454516)
保原 浩明  独立行政法人産業技術総合研究所, デジタルヒューマン工学研究センター, 研究員 (40510673)
研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワード大腿義足 / 慣性特性 / 運動制御 / バイオメカニクス / 動作解析
研究実績の概要

1.義足階段昇段のスキル同定手法の構築
(1) 慣性利用度の評価手法:慣性利用度の観点については,腕部と立脚膝部の動作を考慮した8関節モデルへ拡張し,その有効性を実験的に示した.当該指標を用いて健常者階段昇段実験結果を解析し,全身慣性利用に関し,つま先高さの最高点付近では再現性があることを示した.
(2) 大腿義足使用時のスキル評価:運動習慣のある大腿切断者2名の平地歩行・走行および階段歩行計測を行った結果,スムーズな歩行・走行動作が可能な者でも膝継手の膝折れおよびクリアランス不足により,交互昇段ができないことが確認された.一方,我々が開発している階段昇段可能なパッシブ義足膝継手の試作機を用いて,大腿義足ユーザで階段昇段実験を行った結果,交互昇段に成功した.立脚期では義足側において,健常者よりも大きな股関節伸展モーメントと同モーメントの正のパワー発揮がみられた.このような股関節モーメントのパワー発揮の大きさとそのタイミングは,パッシブ膝継手での昇段にとって重要なスキルであると示唆された.
2.イナーシャマッチングに基づく義足膝継手の制御手法の構築:時間反転積分を導入することで,指定した時刻において指定した関節角度,関節角速度を実現する,運動方程式の経由点問題を定式化し,健常者に近い歩容を慣性運動のみで構成できることを明らかにした.本手法は歩行速度が変化した場合でも対応可能である.さらに導出された制御則を試作した動力膝継手に実装し,実験によりその有効性を確認した.
3.階段昇段用大腿義足の試作:開発中の階段義足が立脚期において満たすべき股関節力の要件を明らかにした.また健常者の股関節間力を動力学解析により特徴付けを行った.そのギャップを埋めることで歩きやすさに繋がると考え,膝部と足部が連動して動作する義足を試作し,その有効性をバイオメカニクス解析により明らかにした.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

スキル同定については,当初予定していた,慣性運動利用度の観点のみならず,関節モーメントや関節間力などバイオメカニクス的な観点からも評価を行い,スキルに関する重要な知見が得られた.スキル同定のcriteriaまでは到達しなかったという点で少し遅れたが,予定外のスキルに関するバイオメカニクス知識を得られたことから,概ね予定どおりの進捗であると判断する.
またイナーシャマッチングに基づく義足膝継手の制御手法については実験的に有効性を確認したため,当初の予定通りの進捗である.
加えて,本来は最終年度に行う予定であった,試作義足のバイオメカニクス評価について,既に一部成果を得ている点もある.
以上から,全体として,予定以上の進捗と判断した.

今後の研究の推進方策

スキルについては,義足ユーザによる階段歩行データを,バイオメカニクスおよび,慣性誘発度の観点から解析を進め,スキル同定手法に道筋を立てる.またその成果を,階段昇段用義足の設計手法および,制御手法に展開する.以上の研究を,工学およびバイオメカニクスを専門とする研究チームによって推進することで,最終的に本研究プロジェクトの目的である,階段昇段におけるスキル同定と,それに基づく階段昇段義足の設計と制御手法を確立する.

備考

【受賞】
日本機械学会 中国四国支部賞 技術創造賞、階段昇段可能な受動機構による大腿義足の膝継手の開発、2015年3月6日

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2015 2014 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (10件) (うち招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] The fastest sprinter in 2068 has an artificial limb?2015

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Hobara, Yoshiyuki Kobayashi, Thijs A Heldoorn, Masaaki Mochimaru
    • 雑誌名

      Prosthetics and Orthotics International

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1177/0309364614564026

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analysis of Inertial Motion in Swing Phase of Human Gait and Its Application to Motion Generation of Transfemoral Prosthesis2014

    • 著者名/発表者名
      Wada, T., Sano, H., Sekimoto, M.
    • 雑誌名

      Proceedings of International Cofnerece on Intelligent Robotics and Systems

      巻: - ページ: 2075-2080

    • DOI

      10.1109/IROS.2014.6942840

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Effects of Functional Range of Knee Extension for Transfemoral Prosthesis on Stair Ascent Motion2014

    • 著者名/発表者名
      H.Inoue, R. Harada, T.Wada, K.Suzuki, S.Tachiwana,
    • 雑誌名

      Proceedings of 36th Annual International Conference of IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC)

      巻: - ページ: 1622-1625

    • DOI

      10.1109/EMBC.2014.6943915

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 大腿義足設計のための全身慣性利用度計測による階段昇段時の制御戦略の調査2015

    • 著者名/発表者名
      田邊朋佳, 関本昌紘, 和田隆広
    • 学会等名
      日本機械学会北陸信越支部学生会第44回学生員卒業研究発表講演会
    • 発表場所
      新潟工科大学(新潟県)
    • 年月日
      2015-03-06
  • [学会発表] 階段交互昇段可能な機械式膝継手の開発2015

    • 著者名/発表者名
      井上恒
    • 学会等名
      第28回POSI情報交換会(計測自動制御学会システムインテグレーション部門福祉工学部会)
    • 発表場所
      都立産業技術高専荒川キャンパス(東京都)
    • 年月日
      2015-02-28
  • [学会発表] 大腿義足設計に向けた歩行遊脚期の全身慣性利用度の計測 -腕の振り・支持脚膝屈曲のモデル化-2014

    • 著者名/発表者名
      関本昌紘, 延島大地, 和田隆広
    • 学会等名
      計測自動制御学会システム・情報部門学術講演会2014(SSI2014)
    • 発表場所
      岡山大学創立五十周年記念館(岡山県)
    • 年月日
      2014-11-22
  • [学会発表] 歩行における慣性運動評価に基づいた大腿義足の膝関節運動生成2014

    • 著者名/発表者名
      和田隆広,佐野啓,関本昌紘
    • 学会等名
      計測自動制御学会システム・情報部門学術講演会(SSI2014)
    • 発表場所
      岡山大学創立五十周年記念館(岡山県)
    • 年月日
      2014-11-22
  • [学会発表] ヒューマンロコモーションにおける快適性の数理モデリングの試み2014

    • 著者名/発表者名
      和田隆広
    • 学会等名
      ヒューマンロコモーション評価技術協議会
    • 発表場所
      デジタルヒューマン工学研究センター(東京都)
    • 年月日
      2014-10-21
    • 招待講演
  • [学会発表] Interaction of step frequency and step length of 100-m sprint in amputee sprinters2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Hobara, Yoko Sano, Yoshiyuki Kobayashi, Masaaki Mochimaru
    • 学会等名
      Asian Young Researcher Session in the 30th Annual Meeting of the Japanese Society of Prosthetics and Orthotics
    • 発表場所
      岡山コンベンションセンター(岡山県)
    • 年月日
      2014-10-18
  • [学会発表] Passive Knee Joint for Transfemoral Prosthesis for Stair Ascent with Knee Flexion Function in Swing Phase2014

    • 著者名/発表者名
      S.Yoshida, T.Wada, K.Inoue
    • 学会等名
      36th Annual International Conference of IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC)
    • 発表場所
      Chicago (USA)
    • 年月日
      2014-08-28
  • [学会発表] A Motion Generation Method for Transfemoral Prosthesis Based on Inertial Motion2014

    • 著者名/発表者名
      H. Sano, T. Wada, M. Sekimoto
    • 学会等名
      36th Annual International Conference of IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC)
    • 発表場所
      Chicago (USA)
    • 年月日
      2014-08-28
  • [学会発表] 歩行遊脚期の慣性運動評価と大腿義足運動生成への応用2014

    • 著者名/発表者名
      佐野啓,和田隆広,関本昌紘
    • 学会等名
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会
    • 発表場所
      富山国際会議場(富山県)
    • 年月日
      2014-05-27
  • [学会発表] 階段交互昇段可能な受動機構による義足膝継手2014

    • 著者名/発表者名
      吉田駿,和田隆広,井上恒
    • 学会等名
      日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会
    • 発表場所
      富山国際会議場(富山県)
    • 年月日
      2014-05-27
  • [備考] 科研費 基盤研究(B) 「イナーシャマッチングに基づく階段歩行スキルの解明と大腿義足への応用」

    • URL

      https://sites.google.com/site/transfemoralprosthesis/

URL: 

公開日: 2016-06-01  

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