身体的負荷の推定にもとづく競技用車いすの操作性評価方法の確立

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K11502
• Research Institution: Kogakuin University
• Principal Investigator: 田中 克昌 工学院大学, 工学部, 准教授 (90313329)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: スポーツ工学 / 逆動力学解析 / 筋骨格モデル / 障がい者スポーツ / 競技用車いす

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，筋骨格モデルを用いて競技用車いすの漕ぎ動作を再現する逆動力学解析モデルを構築して，車いすの操作時における生体内力を推定するとともに，推定された生体内力と車いす構造を決定する設計パラメータとの関係を調査することにより，車いすの操作性に対して身体的負荷を考慮した評価方法を確立することを目的としている．このうち，本年度は，構築した筋骨格解析モデルを用いて車いすの設計パラメータを変化させたシミュレーションを実施することにより，推定された筋発揮や関節トルクから設計パラメータが生体内力に及ぼす影響を調査するとともに，車いすの操作性の評価につながると想定される新たな指標を提案することを中心に研究を進めた．
まず，昨年度までに構築した解析モデルの精度に改善の余地を残していたことから，主に身体モデルと車いすモデルの拘束に関する設定を見直すことにより，モデルの精度を改良した．その上で，シミュレーションから推定された身体各部位における筋発揮や関節トルクのうち，時間変化の傾向や発揮の値が大きい部位に着目したり，また車いすの設計パラメータを変化させたシミュレーションから生体内力に影響が出やすい部位を特定したりすることにより，漕ぎ動作を評価する上で着目する部位を特定した．
次に，操作性の評価につながる指標の提案を試みた．その候補として，可操作力楕円体を活用した指標とした．これは，ロボットアームにおいて手先の可操作性の考え方を活用したものであり，漕ぎ動作時の手先の軌跡である楕円体と，手先から車輪に作用する力の大きさと方向によって，上肢が車輪に対して大きな力を伝達しやすい状態にあるかを考えるものである．そして，このような指標と身体各部位の筋発揮や関節トルクとの関係を調査することにより，提案した指標の有効性を検証した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度の当初計画を，昨年度までに構築した解析モデルを用いたシミュレーションから推定された生体内力と車いすの設計パラメータとの関係を調査するとともに，車いすの操作性につながる新たな指標を提案することとしていた．設定した計画のとおり，車いすの設計パラメータが生体内力の発揮に影響しやすい部位を特定することができ，また，操作性の評価につながる可能性を有する指標を提案することができた．指標の有効性については，検証の余地を残しているものの，当初の計画をおおむね達成できている状況にあると判断している．

Strategy for Future Research Activity

次年度は，提案した指標の有効性を検証するために，指標と身体各部位の生体内力との関係を調査する．また，車いすの設計パラメータを変化させたシミュレーションを行うことにより，生体内力に影響を及ぼす設計パラメータを抽出するとともに，身体機能が異なるモデルを構築し，そのモデルを用いたシミュレーションから身体機能の差が生体内力に及ぼす影響を調査する．そして，有効性を検証した指標と，設計パラメータや身体的機能との関係から，身体的負荷を考慮した車いすの操作性に対する評価方法を提案することを試みる．
まず，提案した指標は有効性の検証が必ずしも十分ではないことから，漕ぎ動作において主要なはたらきをする部位の筋発揮や関節モーメントとの関係を調査することにより，指標の有効性を検証する．このとき，必要に応じて指標の定義を更新することも検討する．
次に，設計パラメータを変化させたシミュレーションを行い，提案した指標と設計パラメータとの関係を調査することにより，生体内力に影響する設計パラメータを抽出する．また，新たに身体機能の異なる身体モデルを構築し，その身体モデルを用いたシミュレーションから生体内力を推定することにより，身体機能の違いが生体内力に及ぼす影響を調査する．これらの検討から，車いすの操作性に関する定義を設定する．そして，指標と，設計パラメータおよび身体機能との関係を調査し，身体的負荷を考慮した車いすの操作性に対する評価を行っていく．

Causes of Carryover

当該年度に導入した，筋骨格解析ソフトウェアのライセンス使用料が，今後値上げされる予定にあるとともに，研究を遂行する上で必要となるソフトウェアを翌年度に新たに導入することを予定している．また，翌年度は国際会議への参加を予定しており，為替レートの状況を考慮すると，交付決定時に比べて，旅費が大幅に増額されることが見込まれる．研究期間中，これらを実現するために必要となる予算を，翌年度まで確保できるようにするために，翌年度における当初の交付額を踏まえて，当該年度の使用計画を変更している．
翌年度は，当初の計画にある使用額に加えて，上記の増額を見込んで使用していく予定である．