人工関節用整形外科ドリルロボットの機構改良とその制御方法を研究開発する

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整形外科医は、人工骨の挿入のため、穴加工、切削、形成を実施する。膝の人工関節全置換術では脛骨と大腿骨を連続的に振動刃により切削し、ドリルにより人工骨のための穴を開ける。手作業では、手術道具の速度や力加減の調整が難しい。骨の穴加工や切削では圧縮と塑性変形の過程において、手術道具の先端と骨に高圧縮と摩擦力が生じるため、結果として過大な切削力が発生する。切削部の骨の発熱は、壊死等を引き起こし、回復を長期化するため深刻な問題である。これらの問題を解決するため、人工関節用の整形外科ドリルロボットDOROを研究開発している。本研究では、最終目標として6自由度ロボットアームに装着して3次元の位置と力制御を実現するため、ロボットアームを用いた自動骨切削作業に向けたDOROの機構を改良、骨切削時の力・トルク特性を考慮した位置制御法および力制御法を構築、人工関節と骨密度と間の影響を実験的に同定を目的とする。平成25年度は、①日本国内における整形外科手術の実態調査および研究システムへの意見収集、②自動骨切削支援ロボットOCROの制御装置、制御方法、特性評価、人工骨による実験、③6自由度ロボットアームを用いたOCROの制御方法について目標とした。その結果、①整形外科医や手術用ロボット研究者からのDOROへの意見を聴取、②DOROを改良したOCROの動力学モデルを導出し、制御方法を提案して特性を評価し、人間の骨の特性に類似した豚骨により評価実験を実施、③OCROを装着した6自由度ロボットアームの制御法について研究した。