齋礼先生 簡易型電動義手HACKberryの教育的活用事例について －課題の発見と解決、および機構の学習のためにーHiroshima International University

A Study on Educational Use of Electric Prosthesis Prototype HACKberry:

For Finding/Solving Tasks and Studying Mechanism.

齋

礼

Rei Itsuki

広島国際大学

教職教室

教育論叢

Hiroshima International University Journal of Educational Research

ISSN:1884-9482

第

9

号

抜

Off Print of the 9

_Edition

広島国際大学

心理科学部

教職教室

Issued by Hiroshima International University Teacher Education Unit

- 223 -

簡易型電動義手

HACKberry

教育的活用事例

いて

－課題 発見と解決、

び機構 学修 た

－

広島国際大学

総合リハビリ ーション学部

リハビリ ーション支援学科

齋

礼

要 旨: 簡易型電動義手HACKberry 3Dプ ンタを活用 製造コ 減 設計 ータ ー

プン化 機能や イン改良 容易化を特徴 義手 普及をボ ア プ 目指 プ タイ

プ製品 あ 本原稿 こ HACKberryを組立 4年次学生 卒業研究 組立 過

程 課題を発見 課題 解決 向 活動を行 容 びHACKberry 指を動

ン 構造 一部を 出 ン 機構や電子回路を理解 教 取 ま 容

い 報告 十 考慮 ープン ー 機 組立 を実際 一 行うこ ま

部品を自 3D プ ンタ 出力 こ こ 課題 発見や解決策 検討を自主的

行うこ 出来 う ま 簡易 身近 ボ う ン 構造 動 指を組立

こ ン 構造や電子回路 い 小学生 学年 工作を行うこ 出来 こ

イ ー株式会社 exiii 社 提案 前腕 断 ー を対象 簡易型電動義手

HACKberry1) _{3D プ ンタ 部品作成 部品や組立 情報 ープン ー 化を特徴} 新 いアプ ーチ 電動義手プ タイプ あ 本講 学部 一環 HACKberryを

組立 経緯を通 学修思考や学習教 活用展開を行 容 い 報告

1.

簡易型電動義手プロ タイプ

HACKberry

概要

1.1 電動義手 関 動向調査

一言 義手 言 上腕／前腕 断部 ま 失 機能を補う機構

ま ま 義手 存 2), 3), 4) _{ここ 国際的 共通 類方法 検討を行 ISO(国際標準}

機構)TC168 WGI 検討結果 前腕 断 前提 前腕義手 い 述べ

文献 2) _{機能的 見 ま 装飾用義手 2 作業用義手 3 能動義手 類}

1) 外観 手 似 目的 義手 あ 2) 外観 考慮 種々 作業 適 う

夫 義手 あ 3) 主 肢帯 び体 運動 義手 制御 力源 利用

専用 手や手 具 操作 構造 義手 あ 能動義手 体内力源義

手 体 動 利用 手 付 能動 開閉性 対外力源義手 圧縮炭酸

- 224 -

特 筋電電動義手 以 筋電義手 略 残存肢 筋肉～信号源 得 中 最終的

手 開閉 う 機能 生 義手 あ 義手 構成 観点 見 前腕 断端

部 腕 体 義手 良好 適合感 接 部 2) 部 手 組合わ 手

具 置 動 支え 部 3) 手 肘や手首 自 度 機能 再現 部

4)手 具 複雑多彩 手指機能 再現 担当 重要 部 類

電動義手 特 筋電義手 ア 英国 米国 イ を始 日本 い 広 研究 開

発 特 ボ アー 研究 並行 2000年以降 適合技術 確実

進歩 い 世界的 ェア 面 考え イ ーボ 社 イ ボ 筋電

義手 5) _{広 知 い 体 電極を 張 付 指を開 ／閉 ２ 動 を 御}

い 最近 ン ェ ハン 6) _{呼 4 本 指 母指 別 作動}

こ 指先 把持 掌 プ動作を行うこ 出来 筋電義手 開発

い

ここ 留意 い 価格 決 安 手首 先 指 把持を

御 部 約200万 手首 回転を 御 部 を一緒 約600万 言わ い

指先 把持 機能 優 必 誰 手 届 こ いこ

あ 出来 忠実 手指 動 を再現 外科的手術 複数 電極を体 埋 込

う アプ ーチ 費用 天文学的 こ 容易 想像 高機能 日本国

ま 価格競争 起 ーボ 社以外 複数 会社 競合 い 訳

独占市場 状況 あ

1.2 HACKberry 特徴

節 何 究極的 元 手指 機能 回復 う ン的

呼 一方 指 把持機能 う 限 機能 良い 安 早 必要 応 機能

提供 う 的 呼 前述 exiii 社 電動義手

HACKberry 代表例 あ (図 )

- 225 -

HACKberry 簡易型 電動義手 世 新 い提案 投 図 1 示

HACKberry exiii社 購入 学生 組 立 あ

置付 あ 前腕 相当 部 断 腕 付 形状 具備 い い

的 特徴的 あ 3D ン 用い 出力 指 掌 手首 前腕

部品 使い 小型サ コン Arduino 距 ンサ 用い 手 握 動作 再現

掌 握 開い 前腕 筋肉 動 前腕 部

付 距 ンサ 出 電圧信号 変化 コン 入力 コン 搭載

動作 入力 電圧信号 変化 A D 変換 数値 変化 置 換え A-D 変

換 数値 変化 小型サ 回転角度 制御 人差 指 曲 伸ば 実現 親指

動 手 置 ON/OFF 制御 中指～小指 い や 手

置 ON/OFF 人差 指 動 期 い 設定 行う

1.3 HACKberry 将来

HACKberry 的 特徴的 あ う一 点 3D ン 部品

3D CAD コン 搭載 制御 指 動 や組立 ネ 1

至 や購入 情報 ン いわ ン

い あ HACKberry 接 研究者 開発者 現状

必要 機能 実現 付加 ン ン 複

数 多 研究者 開発者 事実 コ ョン 有益 電動義手 あ

い 必要 人々 実装 実用的 電動義手 実現 や

2.

教育観点

た電動義手プロ タイプ

HACKberry

2.1 HACKberryを組立て た 電気的 電子的 、機構的学修

2.1.1 HACKberryと 出会い

広島国際大学広島 ン 行わ exiii社 HACKberry ン ョン

び 後 ョン 参加 学生 卒業研究 実施 向 配属 時 3 次

生 あ 生 あ 日 自 HACKberry 組立 い 言い出 学生

ョン支援学科 義肢装具学専攻 学生 あ 直感的 HACKberry 組立 際

必要 学的 機構 ン 機構 歯車 ネ 動作 作成 コン 書 込

開発環境 使い方 電気的 電子的 配線や部品組 立 付 関 多 知

識 必要 あ 容易 想像 初歩的 日 講義や実習 演習 中

明 あ HACKberry いう 的 一 形

対 知識や経験 組 合わ 行 無 違い い 思わ 簡易

- 226 -

行 ば 現状 HACKberry 有用 電動義手 変え 夫 思い 自 設計

組 立 出来 う 期

2.1.2 HACKberry 組立て 得 た学修効果

学生 3D ン 出力 部品 含 全 部品 一括購入 形 HACKberry 組立

学生 学修 ン 以 点 あ 考え

(1) 設計図 読 取

学生 最初 HACKberry 組立 始 時 困惑 い 次元的 複雑

妙 夫 細 い指 ン や手首 組立 設計図 あ 少 期 いわ

組立 い世代 学生 意外 作業 い 面的 書 設

計図 頭 中 次元的 構造 組立 あ 時 ン 使 細 い組立 作業 行う必

要 あ 図 最初 う 何度 組立 間違い 気 付 解 作業 繰 返 い

(2) 電気回路 電子回路 組立

HACKberry 基盤 コン Arduino コン ンサ 端子 周辺電子部品

付 必要 あ 距 ンサ 信号線 距 ンサ 動作電源 配線 小型サ

制御信号線 動作電源 配線 接 必要 あ 付 一ヶ所 不完

全 あ 正常 動作 い 一 一 付 拡大 配線 関

動作電源 V+標記 接地 V 標記 あ い 制御信号線 違い 明確 接 い

正常 動作 い 何度 付 や 直 組 立 繰 返 図

図２ ン を使 組立作業 図 電子部品 組 込 作業

図 1 示 う 苦心 HACKberry 正常 組立 終え 距 ンサ 付 右手 動

開い 状態 手 握 状態 開い 繰 返

合わ HACKberry 正常 動作 時 生 点 修得 考え

2.1.3 HACKberry 改善組立て 得 た学修効果

- 227 -

いう う 思い 尋 学生 少 間 苦心 組立 過程 思い出

う 表情 見 や 距 ンサ 使 動作制御 信号 出 部 改善 余地 あ

思う 答え 用い 前腕部 ンサ 付 HACKberry 正常 動作

い 多 あ 学生 ンサ部 改善 卒業研究

幾 ンサ い 調査 結果 学生 圧力 ンサ 図 距 ンサ 代わ

試 立案 圧力 ンサ 用い HACKberry 動作信号 出 部

学生 行 学修 以 点 あ 考え

(1) 距離センサと圧力センサ 働き 違い

HACKberry 使わ い 動作信号 出 部 ンサ 距 ンサ 使 い 距

ンサ 図 呼ば 電流 流 赤外線 発 赤外線 LED 反射

物 あ 戻 赤外線 電 差 生 一 小 実装

い 距 ンサ 場合 反射物 距 相違 電 差 相違 出

一方 圧力 ンサ 表面 感圧部 圧力 例えば感圧部 指 圧力

圧力 ンサ回路 抵抗値 変わ 単純 距 ンサ 置 換え HACKberry 動

作 い 抵抗値 い 抵抗器 直列 組 合わ 使う 肝要 あ 直列 接 両

端 電 差 抵抗器 抵抗値 圧力 ンサ 抵抗値 比 割 利用 電 差

変化 出 電気回路 構成 必要 あ 理屈 明 法則 う一

度再確認 必要 あ

図 圧力 ンサ 外観 FSR402 7 図 距 ンサ 外観 TPR-105 8

(2) 圧力センサを使 た動作信号をHACKberry 組 込 工夫

HACKberry 使わ い 距 ンサ 代わ 使用 う 圧力 ンサ 外観

異 加え 圧力 大 異 電 差 変動 距 ンサ 使 場合 電 差

異 学生 圧力 ンサ ン 圧力 ンサ 使 場合 電気信号 処

理 両方 考え 必要 あ

- 228 -

形状 見 目 変わ い 様 付 形 図 圧力

ンサ 使 場合 電気信号 処理 関 HACKberry 距 ンサ 使 場合

電 差変動 得 う 組 合わ 抵抗器 抵抗値 調節 小 力 ン

サ 付 前腕部 筋肉 変動 小 電 差変動 得 う ン

中 直 小 い 棒 設 棒 圧力 ンサ 圧部 う 夫 図

図 圧力 ンサ ン 図 圧力 ンサ ン 内 夫

最終的 圧力 ンサ 用い 作 動作信号 電 差変動 距 ンサ 用い あ

HACKberry ンサ 合わ HACKberry 組 込 関 HACKberry

様 用い ンサ部 交換 図 正常 HACKberry 動作 実現

出来 図

学生 学修 い 3D ン 使い方 ン 3D CAD 用

い 作成 手法 電気 電子 回路 一部機能 変更設計 点 修得 考え

- 229 -

学生 学修 い 3D ン 使い方 ン 3D CAD 用

い 作成 手法 電気 電子 回路 一部機能 変更設計 点 修得 考え

ンサ部 改良効果 定量的 析 出来 い い 動作確認実験 協力 学

生 ン 結果 定性的 行 改良策 方 やや扱いや いう結果 得 出

来

2.2 教育素材と て HACKberry 活用

2.2.1 教育素材と てHACKberry 活用を考え き け

学生 節 HACKberry 改良策 進 い 学外 小学生 対象 学習 支援

団体 義肢装具学科 施設見学 や 学習教室 開催 欲 い いう依頼

小学生 生 生 中心 あ 生 生 含 い 電子回路や簡単 動作

機構 動作 小学生 学 組

可能 あ 必要 あ 当初 サ回路 用い 温度 異 色 LED 点灯

回路 う 動 ョン 無い コン 使 小学生

い 思わ 動 ョン あ 動作 比較的 や い 考え

い ン 構造 小型サ 使 指 動 HACKberry 仕組 ン

一 指 型 可変抵抗器 回 曲 伸ば 仕組

出来 い 思い い

2.2.2 HACKberry オープンソース ータ 活用

い HACKberry 関 ン 化 い 一部 出

指 曲 伸ば いう ョン あ 小学生 理解 う 形 考え

(1) 一本指を動 仕組 考察

前述 構想 あ 型 抵抗器 回 指 曲 伸び

仕組 作 HACKberry 小指 仕組 出 ば可能 あ HACKberry 指

支え 掌 持

HACKberry 掌 3D ン 用 stl形式 直接 ン ン 一部

ョン Autodesk 社 Meshmixer7) 用い Meshmixer

HACKberry 掌 う 小指 動 部 不必要 部 極力削除 3D ン 出力

遅い 準備時間 考え 出来 出力結果 小 う 図 指 動 ン

構造 び 部品 い HACKberry 3D ン 出力 使用 う

指 動 電気的 仕組 い コン Arduino 開発環境 例 組 込

い サ 動作用 サン 用 用い

- 230 -

数値設定 変更 図 最終的 部品 組立 様子 示 図

(2) 教材と て 工夫

当日 25人 小学生 参加予定 あ 学 生 い 考慮 電気的 配線

組立 8 配線 や コン Arduino 挿 ば配線 完了 う

ン 準備 指や ン 部品 電子回路関係 部品 小 袋

入 最終的 一 袋 入 組立中 生 小 部品 床 落

原因 泣 出 作 嫌 少 避 15cm

四方 紙製 皿 準備 小 部品 袋 出 組 立 う

(a) 加 前 掌 (b) 出 行 掌

図 Meshmixer 掌 加

- 231 -

図 一 指 曲 伸ば 教材 全体像

電源 コン Arduino USB 供給

教材 観点 小学生 組立 可能 写真 多 入 組立

作成 一部 示 図

図 組 立 一部 抜粋

2.2.3 工作教室 実施

当日 予定通 25 小学生 数人 社会人引率者 参加 参加 生 う 約半数

1 生 2 生 あ コン 操作 い いう想定外 ン 生

準備 使用 コン教室 生 席 設置 い 教員 現物投

影機 映像 映 組 立 方 明 変更 組立 方 明や コン 使

- 232 -

組 立 指 掌 固定 ン え 部品 準備時間短縮 省略 ン

抜 落 いう ン 多発 生 い 各机 回 対策 行 図 対応

予定 多 時間 要

図 作教室 実施風景

2.2.4 教育教材 観点 考察

最終的 約 3 時間 作教室 時間内 全員 生 回 指 曲 伸ば 仕組

動作確認 実施 HACKberry 仕組 非常 細 妙 夫 施

一見 成人 組立 思え あ 回 う 仕組 一部 出

結果 部品数や配線数 少 小学生 学 組立 可能

指 曲 伸ば 直感的 や い 回 行う仕組 見

目 減 考え 組立 際 使用 精密 関 軸 細い 学

生 指 回 辛 う 様子 見 組立 具 関 う一歩 夫 必要 考

- 233 -

3.

さ

教育教材、研究教材と て 可能性 関

検討

稿 HACKberry 最新 的 電動義手 置付

教育あ い 研究素材 観点 行 活動 い 紹 的

わ 有益 機能 付 い 言う観点 把持力 向 や 各指 独立

機能的 動 仕組 組 込 あ い 手 作用対象 対象物 合わ 手首 角度

自動的 動 う 仕組 組 込 考え 電動義手 利用者 腕

前腕 断部 や形状 最重要視 必要 あ 観点 必要性 十 考え 必要

機能 選択 実現方法 模索 必要 あ

わ

稿 最新 電動義手 HACKberry 題材 教育的 研究的観点 活用

行 活動 い 報告 関係各所 忌憚 い 意見や い

引用文献

1) exiii HACKberryhttp://exiii-hackberry.com/ 2017年9月25日参照 2 澤 誠志 断 義肢第2版 , pp.103-167, 医歯薬出版 2016)

3) 清水順市 青木主税 ハ ー ョン義肢装具学 pp.40-57, ュー社 2017

4) 日本義肢装具士協会 監修 田澤英 編 義肢装具製作 ニュア 第2版 , pp.216-247, 医 歯薬出版 2017)

5) 筋電電動義手 イ ボ 成人用 (完成用部品)

http://www.ottobock.co.jp/prosthetic_ue/myoelectric/myo_system/myo/ 2017年9月25日参照

6) ン ェ ハン

http://www.ottobock.co.jp/prosthetic_ue/myoelectric/axon_system/michelangelo/ 2017年9月 25日参照

7) 力 ン FSR402

http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-04002/ 2017年9月25日参照 8) 距離 ン タ TPR-105