関節力学機能解析ロボットシステムの開発と靭帯再建術の評価・改善

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15591603
• Research Institution: Kogakuin University
• Principal Investigator: 藤江 裕道 工学院大学, 工学部, 教授 (20199300)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 史野 根生 大阪府立医療衛生大学, 短期大学部, 教授 (40135679) ; 小久保 邦雄 工学院大学, 工学部, 教授 (70245645) ; 関口 勇 工学院大学, 工学部, 教授 (40090576) ; 馬渕 清資 北里大学, 医療衛生学部, 教授 (70118842)
• Keywords: 関節力学試験 / ロボットシステム / 靭帯再建術 / リアルタイムリナックス / 力 / 位置(ハイブリッド)制御 / 臨床バイオメカニクス

Research Abstract

1)新式生体関節力学機能解析ロボットシステムの開発
生体関節力学試験用ロボットシステムの開発のため,既設の6軸アクチュエータ(現有設備)を用い,6軸力センサの信号を取り込むハードウエア及びソフトウエアを構築した.制御システムの構築においてOSにリアルタイムリナックスを搭載したコンピュータシステムを開発し,軸のトルク制御を数msec以下で繰り返す,クローズド制御ループを持った制御ソフトウエアを開発した.さらに,力制御をベースとした位置制御を開発し,各軸に対して位置制御と力制御のどちらかを選択できる,位置/力のハイブリッド制御機構を構築した.これらのソフトウエア開発にあたって,関節の機構記述あるいは力関係の記述については,本研究代表者の過去の論文を参考にした.
2)予備実験・システムの特性評価
関節試験を行う前に,ロボットシステムそのものの静的特性を評価した.曲面形状を有する,固定された金属板上をロボット先端に取り付けられたプローブが力一定でなぞる作業を行わせた.その際に,曲面の法線方向を力データのみから求め,その情報を元にプローブの方向を微調整するアルゴリズムを構築した.
試験の結果,力及びモーメントは目標値から10%以内に収まっていることを確認した.しかし,単純なP制御では制御値の誤差が無視できず,実際の試験で問題となることが予想された.そこで,微分および積分要素を備えたPID制御アルゴリズムの開発を行った.
動物膝を用いて,制御システムの基本性能を調べた.少なくとも,マニピュレータの剛性等には問題のないことを確認した.

Research Products

• [Publications] Hiromiohi Fujie, et al.: "A Novel Robotic System for Joint Biomechanical Tests : Application to the Human Knee Joint"J.Biomechanical Engineering (Transactions of the ASME). 126. 54-61 (2004)
• [Publications] 中村太志, 他: "マウス膝蓋腱の力学的性質とリモデリングメカニズム-バイグリカンノックアウトマウスによる解析-"日本機械学会関東支部第10期総会講演会講演論文集. 040-1. 141-142 (2004)
• [Publications] 藤江裕道, 他: "超高分子量ポリエチレンのトライボロジ特性と摩耗粉の細胞毒性"日本機械学会関東支部第10期総会講演会講演論文集. 040-1. 147-148 (2004)