緒 言

近 年 ， 高 齢 化 や 脳 卒 中 等 に よ り ， 歩 行 機 能 に 障 害 を 持 つ 患 者 が 増 加 し て い る ． そ の た め ， 医 療 現 場 で は 介 助 者 の 負 担 が 増 加 す る な ど の 問 題 が あ り ， 患 者 が 安 全 に 歩 行 訓 練 を 行 え る 歩 行 支 援 が 求 め ら れ て い る ．

リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン の 現 場 で は ， 歩 行 機 能 の 再 獲 得 は 重 要 な 課 題 で あ り ， 従 来 の 歩 行 訓 練 で は 下 肢 へ の 負 担 を 軽 減 す る た め に プ ー ル や 平 行 棒 が 利 用 さ れ て い る ． し か し ， プ ー ル 等 を 使 用 し た 方 法 で は 患 者 一 人 で 訓 練 を 行 う こ と が 困 難 で あ り ， ま た 水 の 衛 生 管 理 も 問 題 と な り や す い ． 最 も 安 価 な 平 行 棒 に よ る 方 法 は ， 体 幹 の 支 持 性 低 下 や 平 衡 機 能 障 害 の あ る 人 に は リ ス ク が 高 い 上 に ， 患 者 の 客 観 的 な 評 価 が 難 し い な ど の 問 題 が 生 じ て い る ．

歩 行 は ，重 力 下 で の 動 作 で あ る こ と か ら そ の 訓 練 に お い て は ，患 者 自 身 の 体 重 が 大 き な 負 担 と な り ，介 助 者 に と っ て も そ の 負 担 が 大 き い と い う 問 題 が あ る ．そ こ で 患 者 が 安 全 に 歩 行 訓 練 を 行 え る 体 重 免 荷 装 置 を 用 い た ト レ ッ ド ミ ル 歩 行 訓 練 （ Body Weight Supported Treadmill Training： BWSTT） が 注 目 さ れ て い る ．BWSTT は ，脊 髄 不 全 損 傷 患 者 や 脳 卒 中 片 麻 痺 患 者 の 歩 行 機 能 改 善 を 目 的 に 開 発 さ れ た 歩 行 訓 練 法 で あ り ，上 方 か ら ハ ー ネ ス を 用 い て 身 体 を 持 ち 上 げ ，下 肢 に か か る 荷 重 量 を 減 少 さ せ た 状 態 で ト レ ッ ド ミ ル 上 を 歩 行 さ せ る も の で ， 通 常 の 歩 行 訓 練 よ り 低 負 荷 で 歩 行 を 実 施 で き る [1,2]も の で あ る ．

Hesseら は 片 麻 痺 患 者 を 対 象 に BWSTTを 行 っ た 結 果 ， 歩 行 能 力 が 改 善 し た こ と を 報 告 し て い る [3]． ま た ， Visintinら は 片 麻 痺 患 者 50名 に 対 し て ， BWTSS の 無 作 為 対 照 試 験 を 行 い ， バ ラ ン ス 機 能 や 運 動 機 能 の 回 復 ， 歩 行 の ス ピ ー ド や 耐 久 性 の 改 善 が 得 ら れ た と 報 告 し て い る [4]．そ の 他 ，パ ー キ ン ソ ン 病 患 者 [5]や 脊 髄 損 傷 患 者 [6]に つ い て も 同 様 に BWSTTの 効 果 が 報 告 さ れ て い る ．

現 在 ， ス イ ス の Hocoma工 学 社 の LOKOMAT[7]， イ ン タ ー リ ハ 株 式 会 社 （ IRC）

の ニ ュ ー ウ ェ イ ト ， (株 )フ ァ テ ッ ク の 歩 行 器 式 フ ロ ー ラ 等 が 体 重 免 荷 型 歩 行 支 援 装 置 と し て 商 品 化 さ れ て い る ．し か し ， こ れ ら の 体 重 免 荷 装 置 は ， (1)患 者 を 上 か ら 一 点 で 吊 っ て い る の で ， 前 後 左 右 の 移 動 は そ の 一 点 に 拘 束 さ れ ， 重 心 の 水 平 移 動 が 妨 げ ら れ る ，(2)免 荷 に つ い て は ，力 セ ン サ を 見 な が ら ウ イ ン チ で 患 者 を 吊 り 上 げ ， 指 定 さ れ た 免 荷 量 で ワ イ ヤ ー を 固 定 す る 方 法 が 取 ら れ て い る ． し か し ， こ の 方 法 で は ， 免 荷 量 は 体 重 心 の 上 下 移 動 を 伴 う 歩 行 中 に は 保 持 で き な い（ 図 8-83参 照 ）．ま た ，錘 を 使 っ て 免 荷 す る 方 法 も あ る が ， 錘 の 慣 性 力 が 大 き く ， 歩 行 訓 練 の 邪 魔 に な る と い う 問 題 が あ る ．

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図 8-83 Problem in canventional BWSTT System

二 足 歩 行 の 本 質 は 重 力 場 に お い て ， 倒 立 振 り 子 と し て の 前 方 へ 倒 れ こ む 運 動 を 続 々 と 継 続 的 に 行 っ て い く と こ ろ に あ り [8]，患 者 を 固 定 し た 一 点 で 吊 り 下 げ る と 二 足 歩 行 の 本 質 が 失 わ れ て し ま う 可 能 性 が 高 い ． 現 行 の 歩 行 支 援 シ ス テ ム が 脳 卒 中 片 麻 痺 患 者 ， 不 全 脊 髄 損 傷 患 者 に 対 し て ， 一 定 の 効 果 が 得 ら れ る と い う 報 告 が あ る 一 方 ， 大 畑 ら は 筋 電 図 を 用 い て 健 常 者 に よ る 上 記 シ ス テ ム の 評 価 を 行 い ， 免 荷 量 が 増 す に つ れ て ， 半 膜 様 筋 の 筋 活 動 が か え っ て 増 加 す る と い う 問 題 点 を 指 摘 し て い る [9]．

我 々 は ， こ れ ら の 問 題 を 解 決 す る た め に ， MR流 体 ア ク チ ュ エ ー タ お よ び ロ ボ ッ ト ア ー ム の 開 発 に よ り ， 定 常 的 な 体 重 免 荷 量 を 保 ち ， 水 平 面 運 動 に つ い て は ，自 由 に 移 動 可 能 な 機 構 を 搭 載 し た BWSTTシ ス テ ム を 開 発 し た ．こ の シ ス テ ム は 一 定 の 懸 垂 状 態 を 保 っ た 状 態 で の 正 常 歩 行 を 再 現 で き ， ま た 自 由 に 重 心 移 動 が 可 能 で あ る と い う ， 従 来 よ り 高 度 な 歩 行 制 御 機 能 を も っ た 体 重 免 荷 型 歩 行 リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 支 援 シ ス テ ム と い え る ．

8.2 MR 流 体 ア ク チ ュ エ ー タ と 支 持 点 制 御 を 有 し た WBSTT システムの設計

8.2.1 MR 流 体 ア ク チ ュ エ ー タ

MR流 体 は 油 系 の 溶 媒 に 直 径 数 [μ m]オ ー ダ ー の 磁 性 金 属 粒 子 を 混 ぜ た 非 コ ロ イ ド 溶 液 で ， 磁 場 の 変 化 に 対 し て 見 か け の 粘 性 を 数 [ms]と 非 常 に 速 く 変 化 さ せ る 機 能 性 流 体 の 一 種 で あ る [10-13]．こ の MR流 体 は ダ ン パ や ブ レ ー キ ，ヒ ュ ー マ ン マ シ ン イ ン タ フ ェ イ ス に 用 い る 安 全 性 の 高 い ア ク チ ュ エ ー タ へ の 応 用 が 期 待 さ れ て い る ．

MR流 体 は 無 磁 場 状 態 で は ニ ュ ー ト ン 流 動 特 性 を 示 す が ， 磁 場 印 加 時 に は ， ビ ン ガ ム 流 動 特 性 を 示 す ． す な わ ち ， 印 加 し た 磁 場 強 度 （ も し く は 磁 束 密 度 ） に 応 じ て 降 伏 応 力 が 急 激 に 変 化 す る ． 通 常 ， せ ん 断 応 力 の せ ん 断 速 度 依 存 性

122 は ， 磁 場 強 度 依 存 性 に 比 べ て 非 常 に 小 さ い た め ， MR流 体 の せ ん 断 応 力 は 磁 場 強 度 に よ っ て 制 御 す る こ と が で き る ． MR流 体 の 粘 性 変 化 は 非 常 に 早 く ， 応 答 時 定 数 で 2～ 3ミ リ 秒 で あ る ． ま た ， そ の 変 性 変 化 率 も 非 常 に 大 き い た め ， 高 速 ・ 高 ト ル ク な ク ラ ッ チ ・ ブ レ ー キ を 構 築 す る こ と が で き る ．

MR流 体 ア ク チ ュ エ ー タ は MRク ラ ッ チ と 、駆 動 モ ー タ ー 、減 速 機 か ら な る（ 図 8-84）．モ ー タ ー は 一 定 速 度 で 運 転 さ れ ,駆 動 ト ル ク は MRク ラ ッ チ を 介 し て 伝 達 さ れ る ． 伝 達 さ れ た 駆 動 ト ル ク は 制 御 PCか ら の 電 流 指 令 値 に よ っ て 制 御 さ れ る ． 加 え て ， 出 力 軸 の 速 度 は 入 力 軸 の 速 度 に よ っ て 機 構 的 に 制 限 さ れ る ． し た が っ て ， 制 御 PCか ら 誤 っ た 電 流 指 令 値 が 出 力 さ れ た 場 合 で あ っ て も ， 出 力 軸 の 速 度 は 入 力 軸 の 速 度 を 超 え る こ と は な い ．

図 8-84 BWS Mechanism with MRFs actuator

8.2.2 体 重 免 荷 機 構 の 設 計

本 研 究 で は ， MR流 体 を 組 み 込 ん だ MRア ク チ ュ エ ー タ を 用 い て 訓 練 者 の 定 常 的 な 体 重 免 荷 を 実 現 す る ． MRア ク チ ュ エ ー タ は 多 層 MRク ラ ッ チ （ 図 8-84） と そ の 駆 動 部 か ら な る ． MR流 体 に 印 加 す る 磁 場 を 変 化 さ せ る こ と で MRア ク チ ュ エ ー タ の 出 力 ト ル ク を 高 速 か つ 正 確 に 制 御 で き る ． こ の MR流 体 ア ク チ ュ エ ー タ を 訓 練 者 体 重 心 の 上 下 運 動 に あ わ せ て 制 御 PCを 用 い て コ ン ト ロ ー ル す る ． MRア ク チ ュ エ ー タ に よ っ て 免 荷 量 制 御 の 精 度 が 上 昇 し ， 後 述 す る 国 際 安 全 規 格 を 満 た す こ と も 可 能 と な る ．

8.2.3 重 心 移 動 機 構 の 設 計

前 述 の よ う に ，従 来 の BWSTT装 置 で は 被 験 者 の 体 重 心 が 前 後 左 右 に 動 く た め に ， 水 平 面 内 に 抵 抗 力 が 発 生 し ， 正 し い 歩 行 訓 練 の 妨 げ と な っ て い た ． 本 研

123 究 で は ，メ カ ト ロ ニ ク ス 技 術 を 導 入 す る こ と に よ り 移 動 可 能 な 機 構 を 設 計 し ， モ ー タ ー ・ セ ン サ を 用 い て 支 持 点 が 常 に 訓 練 者 の 頭 上 に く る よ う に コ ン ト ロ ー ル す る ．

重 心 移 動 機 構 は 図 8-85の よ う に プ レ ー ト 4枚 か ら な る 閉 リ ン ク ア ー ム と 2 つ の リ ン ク 駆 動 機 構 で 構 成 さ れ て い る ． 閉 リ ン ク ア ー ム は 体 重 を 指 示 す る 機 能 を 持 ち ， 滑 ら か な 関 節 を 有 す る 蝶 番 で 接 続 さ れ て い る た め 水 辺 面 内 で 移 動 す る こ と が 可 能 で あ る ．図 8-85の 第 1リ ン ク 駆 動 機 構 ，第 2リ ン ク 駆 動 機 構 は 減 速 機 を 介 し て モ ー タ ー と 接 続 さ れ て お り ， こ れ ら の リ ン ク 駆 動 機 構 に よ り 閉 リ ン ク ア ー ム を 動 か し 吊 り 下 げ 点 の 位 置 を コ ン ト ロ ー ル す る ．

Drive Link Mechanism 2

Drive Link Mechanism 1 MRFs actuator

Wire Close loop for BWS

Drive Link Mechanism 2

Drive Link Mechanism 1 MRFs actuator

Wire Close loop for BWS

図 8-85 Movable Mechanism

制 御 は ， プ レ ー ト に 接 続 さ れ た セ ン サ で 読 み 取 っ た 支 持 点 位 置 と ， ワ イ ヤ ー に 接 続 さ れ た セ ン サ で 読 み 取 っ た 訓 練 者 の 位 置 を 制 御 PC内 で 処 理 し 、 算 出 さ れ た 電 流 指 令 値 を 各 モ ー タ ー へ 出 力 す る ．

8.2.4 全 体 設 計 と 安 全 性

以 上 の 機 構 を 設 計 ・ 組 み 立 て ， ト レ ッ ド ミ ル (Greenmaster,

PowerTreadmill832)， セ ー フ テ ィ ー ハ ー ネ ス (Inter Reha, PM-1013M)， 制 御 用 デ ス ク ト ッ プ PCと 組 み 合 わ せ て BWSTTシ ス テ ム を 構 築 し た （ 図 8-86） ．

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図 8-86 BWSTT System

(a) Appearance (b) Conceptual sketch

人 間 共 存 型 シ ス テ ム で は 安 全 確 保 が 最 重 要 で あ る ． 機 構 的 な 安 全 装 置 と し て ， ワ イ ヤ ー 巻 き 込 み 防 止 機 構 ， 落 下 防 止 用 ワ イ ヤ ー を 設 置 し ， 免 荷 用 ワ イ ヤ ー に 張 力 セ ン サ（ 共 和 産 業 引 張 圧 縮 両 用 型 小 型 ロ ー ド セ ル LUR-A-SA1）を 取 り 付 け る ． セ ン サ は 免 荷 効 果 と 安 全 装 置 の 判 定 に 用 い る ． MRア ク チ ュ エ ー タ を 免 荷 に 用 い る こ と に よ り ， 下 記 の 国 際 安 全 規 格 を 満 た す こ と が で き る ．

・ 機 構 的 に 安 全 を 確 保 す る 必 要 性 ： ISO12100

・ 暴 走 時 の 低 運 動 エ ネ ル ギ 特 性 ： ISO14121

8.3 基礎試験 8.3.1 測 定 条 件

被 験 者 は 健 常 成 人 1名 （ 22歳 男 性 ）と し た ． 使 用 し た セ ー フ テ ィ ー ハ ー ネ ス は ベ ス ト 型 の 構 造 で ， 被 験 者 の 体 幹 と 両 側 大 腿 を 両 側 下 肢 の ス テ ッ ピ ン グ 運 動 を 妨 げ る こ と が な い よ う に ベ ル ト で 固 定 し ， 開 発 し た 体 重 免 荷 装 置 の ワ イ ヤ ー に 取 り 付 け た ． 体 重 の 免 荷 量 は ， 片 麻 痺 患 者 [14]や Parkinson病 患 者 [5]

に 対 す る BWSTTの 先 行 研 究 で 行 わ れ て い る 免 荷 量 を 参 考 に し ，被 験 者 の 体 重 の 30％ を 免 荷 量 の 上 限 と し た ．

ト レ ッ ド ミ ル の 速 度 は 安 全 に 歩 行 可 能 な 3.5km/hと 2.4km/hの 速 度 で 計 測 を 行 な っ た .免 荷（ Weight Support: 以 下 WS）状 態 に つ い て は 全 荷 重（ Full Weight Bearing：以 下 FWB）,重 心 コ ン ト ロ ー ル を 行 わ な い 状 態 で 10％ ,20％ ,30％ の WS, そ し て 重 心 コ ン ト ロ ー ル を 行 っ た 状 態 （ Center of Gravity Control： 以 下 C）

で 10％ ,20％ ,30％ の WSの 計 7種 類 の 計 測 を 行 な っ た ．装 置 性 能 の 評 価 は 訓 練 中 の ワ イ ヤ ー の テ ン シ ョ ン （ 免 荷 量 ） ， 吊 り 下 げ 点 位 置 の 測 定 に よ り 行 っ た ． 訓 練 の 評 価 は ,筋 電 図 （ Electromyography： 以 下 EMG） を 用 い て 実 施 し た ．

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8.3.2 測 定 結 果

8.3.2.1 免 荷 機 構 の 評 価

開 発 し た 免 荷 機 構 の 有 効 性 を 検 証 す る た め に ,従 来 の BWSTT シ ス テ ム の 免 荷 方 式 の 1 つ で あ る ，ワ イ ヤ ー を 固 定 す る 方 法 を 用 い た ト レ ー ニ ン グ 時 の 免 荷 量 を 測 定 し ， 我 々 の 方 法 と 比 較 し た ． 免 荷 量 測 定 は ロ ー ド セ ル (Kyowa Industrial, LUR-A-SA1)を 体 重 支 持 用 ワ イ ヤ ー に 取 り 付 け 測 定 し た ．

図 8-87は 免 荷 量 を 2kgfに 設 定 し た 場 合 の 測 定 結 果 で あ り ，左 が MR流 体 ア ク チ ュ エ ー タ を 使 用 し た 場 合 ， 右 が ワ イ ヤ ー を 固 定 し た 場 合 で あ る ． MR流 体 ア ク チ ュ エ ー タ を 用 い た 場 合 ， 免 荷 量 は ほ ぼ 2±0.5kgfに 保 た れ て お り ， 非 常 に 安 定 し て い る ． 一 方 ， ワ イ ヤ ー を 固 定 す る 方 法 で は 身 体 重 心 が 下 降 す る 際 に お よ そ 0～ 5kgfの 振 れ 幅 で 免 荷 量 が 増 減 し て い る ．ま た ，身 体 重 心 が 上 昇 す る 際 に は ワ イ ヤ ー の 張 力 が な く な り 測 定 値 は 0kgf付 近 の 値 を 示 し て い る ．

図 8-87 Result of Measurement with Body-Weight Support

図 8-88 Result of Control of Movable Mechanism

126 図 8-88に 免 荷 量 の 定 常 性 に つ い て ，免 荷 量 が 異 な る 場 合 の 結 果 を 示 す ．免 荷 量 が 最 大 の 30％ BSの 場 合 に お い て も 免 荷 量 の 変 化 誤 差 は ±0.5kgf程 度 で あ り ， 非 常 に 安 定 し た 免 荷 を 実 現 で き て い る こ と が わ か る ．

8.3.2.2 重 心 移 動 機 構 の 評 価

歩 行 訓 練 中 の 訓 練 者 の 位 置 と 支 持 点 位 置 の 軌 跡 を 測 定 し た ． 支 持 点 位 置 は 駆 動 リ ン ク 機 構 に 取 り 付 け た エ ン コ ー ダ ー で ， 訓 練 者 の 位 置 は ワ イ ヤ ー に 取 り 付 け た エ ン コ ー ダ ー で 測 定 し 算 出 し た ．

結 果 の 一 例 を 図 8-89に 示 す ．制 御 の 遅 れ は 0.05～ 0.15secで あ り ，健 常 人 の 歩 行 周 期 (約 1.3sec)と 比 較 す る と 4～ 12%程 度 の 遅 れ と な っ て い る ． ま た ， 免 荷 量 が 大 き く な る に つ れ て 制 御 の 遅 れ は 増 加 し て い る ． こ れ は ， 免 荷 量 の 増 加 に よ り 水 平 面 内 移 動 機 構 の 慣 性 が 大 き く な っ た 影 響 で あ る と 考 え ら れ る ．

図 8-89 Result of Control of Movable Mechanism