Development of powered prosthesis for amputees without hip joint function, which is able to expand the range of activities

本研究の目的は，股関節機能が失われた下肢高位切断者の活動範囲を大幅に拡張可能な高機能動力義足システムを開発することである．具体的には，まず，高機能動力義足の要素技術として，使用者の運動状態と運動意図を推定するアルゴリズム，高いエネルギ効率と柔軟性を実現する義足関節機構，自然な動作を実現する制御手法とその設計法について重点的に開発する．さらにこれらの要素技術を組み合わせることに加え，対象者を絞り徹底的にチューニングを施すことでこれまで下肢高位切断者では不可能であった動作を自然に実現できる義足システムを開発する．本年度は，まず，健常側の股関節および膝関節の角度計であるポテンショメータおよび両側足底の踵部と爪先部に設ける圧力センサ，および義足股継手サーボモータの角度計のそれぞれの値を統合した状態把握アルゴリズムの開発を行った．歩行状態を5つの期間に分類し，センサデータから先のアルゴリズムにより状態を判別できるようにし，それに応じて健常者の歩行パターンを模擬した股関節角度を目標値とした位置制御により動力股継手を動作させる制御ソフトウェアを作成した．さらに，ソフトウェアをワンチップマイコンボード（Arduino Uno）で動作させ，昨年度製作した動力股継手システムを用いた模擬脚を利用して動作試験を行った．その結果，歩行の各期を正しく判別し，健常者の歩行の股関節角度パターンと類似した股継手角度の変化を得ることができることを確認した．さらに，歩行状態の遷移過程について調べる実験として，ウェアラブル関節角度センサを用いて歩行速度増速時の状態遷移，すなわち定常歩行（速度低）～増速歩行～定常歩行（速度高）という状態遷移を対象に歩行運動計測の実験を行った．実験の結果，増速時には遊脚期の初期から中期において状態遷移が開始し，その遊脚期中にほぼ遷移が終わることを示唆する結果を得た．

本研究の目的は，股関節機能が失われた下肢高位切断者の活動範囲を大幅に拡張可能な高機能動力義足システムを開発することである．具体的には，まず，高機能動力義足の要素技術として，使用者の運動状態と運動意図を推定するアルゴリズム，高いエネルギ効率と柔軟性を実現する義足関節機構，自然な動作を実現する制御手法とその設計法について重点的に開発する．さらにこれらの要素技術を組み合わせることに加え，対象者を絞り徹底的にチューニングを施すことでこれまで下肢高位切断者では不可能であった動作を自然に実現できる義足システムを開発する．本年度は，まず，健常側の股関節および膝関節の角度計であるポテンショメータおよび両側足底の踵部と爪先部に設ける圧力センサ，および義足股継手サーボモータの角度計のそれぞれの値を統合した状態把握アルゴリズムの開発を行った．歩行状態を5つの期間に分類し，センサデータから先のアルゴリズムにより状態を判別できるようにし，それに応じて健常者の歩行パターンを模擬した股関節角度を目標値とした位置制御により動力股継手を動作させる制御ソフトウェアを作成した．さらに，ソフトウェアをワンチップマイコンボード（Arduino Uno）で動作させ，昨年度製作した動力股継手システムを用いた模擬脚を利用して動作試験を行った．その結果，歩行の各期を正しく判別し，健常者の歩行の股関節角度パターンと類似した股継手角度の変化を得ることができることを確認した．さらに，歩行状態の遷移過程について調べる実験として，ウェアラブル関節角度センサを用いて歩行速度増速時の状態遷移，すなわち定常歩行（速度低）～増速歩行～定常歩行（速度高）という状態遷移を対象に歩行運動計測の実験を行った．実験の結果，増速時には遊脚期の初期から中期において状態遷移が開始し，その遊脚期中にほぼ遷移が終わることを示唆する結果を得た．