ロボットを用いた関節の摩擦係数・形状測定装置の開発

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正常な生体関節の摩擦係数は千分の一台である。このアイススケ-ト並みの低摩擦の理由は関節表面を構成する関節軟骨にある。また,関節軟骨の表面は非常になめらかである。表面のうねりやあらさの小さいことが関節の優れた潤滑性を保証している。ところがこの関節軟骨に変形や破壊が生じると、潤滑性が低下し、摩擦係数が増大する。表面のうねりやあらさが増大する。このことを逆に考えると関節の摩擦係数と表面形状が測定できれば,関節軟骨,関節全体の変形,破壊の程度を推定できることになる。本研究はロボットを応用して,生体関節の摩擦係数,表面形状を測定できる装置を開発した。複雑な形状,性状を有する生体関節の摩擦係数を計測する場合の,計測装置の備えるべき機能は以下の2つである。(1)関節面に加わる三次元の荷重を一度に測定し,試験装置に力フィ-ドバックさせること。(2)関節の回転中心を自動的に認識しながら関節を摩擦させること。この2つの機能を備えたモデル実験用の摩擦試験機,臨床応用用の摩擦試験機を,ユニバ-サルフォ-スセンサ,ロボットおよびコンピュ-タで構成した。モデル実験において,ヒト膝関節と同様の形状を持つ関節モデルを高分子材料で作成し,測定を行なった。関節モデルの摩擦係数は0.3であった。この数値はモデルの構成材料である高分子の摩擦係数としては適当な値だった。関節の形状を認識しつつ,なめらかに関節モデルを摩擦できるよう,計測システムを改良した。臨床実験において,ヒト膝関節の摩擦係数を測定した。膝関節の臨床診断にきわめて大きな効果を有することが判った。