Development of the Stance-Control System for Lower Extremity Dysfunction

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下肢麻痺者のための歩行補助装具システムの開発

渡邉 恭弘*1 奥村 克博*1 石田 康弘*1

立石 憲治*2 蜂須賀 研二*3 和田 太*3 中西 貴江*3 荒井 光男*4

Development of the Stance-Control System for Lower Extremity Dysfunction

Yasuhiro Watanabe, Katsuhiro Okumura, Yasuhiro Ishida,

Kenji Tateishi, Kenji Hachisuka, Futoshi Wada, Yoshie Nakanishi and Mitsuo Arai

下肢麻痺者は膝折れを生じるため歩行が困難である。歩行障害の対策として,膝関節を伸展位に固定する長下肢 装具を使用する。長下肢装具により膝折れは防止できるが,足の振り出し時に膝の屈曲がないため歩行が困難であ る。そのため患者から,立脚期に膝を伸展位に固定し,遊脚期に自由に屈曲できる膝継手の要望が強い。本開発で は,装具の足圧パターンから下肢運動を推定し,歩行タイミングに合わせて膝ロック状態を制御する歩行補助装具 システムの開発を行った。

1 はじめに

下肢麻痺者は膝折れを生じるため歩行が困難である。

歩行障害の対策として,図1のような長下肢装具を使 用する。膝継手によって膝関節を伸展位に固定するた めに,リング状になった金具で固定する輪止め式や,

膝を完全伸展させると自動的に固定になり,継手後方 のレバーを引き上げることで固定を解除するスイスロ ック式等を使用する。これら膝継手を使用することで 膝折れは防止できるが,足の振り出し時に膝の屈曲が ないため歩行が困難である。

そのため患者から,立脚期に膝を伸展位に固定し,

遊脚期に自由に屈曲できる膝継手の要望が強い。本開 発では,装具の足圧パターンから下肢運動を推定し,

歩行タイミングに合わせて膝ロック状態を制御する歩 行補助装具システムの開発を行った。

図1 長下肢装具,膝継手について

2 開発方法

長下肢装具を使用する下肢麻痺者の要望に対し,表 1(2)の振り子式膝継手1)があり,振り出すタイミング に合わせて膝ロックを解除するが,予期せぬ解除が起 こるため日本では普及していないのが現状である。ま た,表1(3)のパワーアシストスーツ2)は安定動作が可 能だが,駆動時間と価格の問題があり,日常使用で普 及するにはまだ時間がかかる。そこで,表1(1)のよう に,誤作動に対処するために電子式とし,低価格で既 存の長下肢装具に容易に後付装着できるシステムを目 標とする。

表1 従来製品との比較

(1)開発手法 (2)振り子式 (3)パワーア シストスーツ

①方式

歩行に合わ せて膝ロッ クを制御

振り子の動 きで膝ロッ クを解除

歩行に合わせ て下肢全体を

駆動

②取付 方法

長下肢装具 に後付

膝継手と 交換

長下肢装具と 代替使用

③駆動

時間 4 日以上 制限無し 60~90 分

④重量 800g(膝継

手含む) 1kg 12kg(バッテ リ除く)

⑤価格 25 万円(膝

継手含む) 10 万円 200 万円

本開発では,長下肢装具で一般的に使用されるスイ スロック膝継手(図 1 参照)を利用する。スイスロッ ク膝継手は常にバネ力で膝をロックする力が働いてお り,このロックを解除する機構だけにすることで,非 輪止め式 スイスロック式

膝継手

長下肢装具 ※(社)日本義肢協会より転載

*1 機械電子研究所

*2 アイクォーク株式会社

*3 産業医科大学 医学部

*4 有限会社荒井義肢製作所

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常にシンプルな設計が可能である。よって,ロック解 除用サーボモータ,下肢運動を推定するための足裏セ ンサ,および歩行制御用マイコンのみで構成し,図 2 のように既存の長下肢装具に後付装着する。

図2 歩行補助装具システムの構成

スイスロック膝継手は,図3①のようにバネ力でロ ックされており,装具の足圧パターンから下肢運動を 推定し,足の振り出し時に図3②のようにモータでロ ックを解除することで,図3③のように膝の屈曲が起 き,スムーズな足の振り出しが可能となる。その後は,

図3④のようにバネ力によって再度ロックがかかる。

図3 ロック解除のメカニズム

3 結果と考察

本開発で試作した歩行補助装具システムを既存の長 下肢装具に後付装着したものを図4に示す。装着者の 負担を減らすために,重量物は腰以上の位置に配置す るのが望ましいので,歩行制御用マイコンやサーボモ ータ,電源等をまとめてコントローラとし,ワイヤー 方式で分離した。この方式により,長下肢装具自体に

はワイヤーやロックジョイント金具,足裏センサのみ 装着するのみであり,重量増加は100g未満に抑えた。

図4 歩行補助装具システムを装着した長下肢装具

健常者2名,およびポリオ患者2名で,平地歩行にて 正常に作動することを確認した。また,目的とした動 作以外の動作「平地歩行,横歩き,後ろ歩き,台の上 の物を拾う,その場で回転する,急に立ち止まる」で 膝継手が誤作動(ロック解除)しないことを確認した。

今後の課題としては,長時間駆動の検証や,足裏セ ンサの耐久性の検証,サーボモータの静音化である。

また,症例により足圧変化と荷重タイミングの調整や 基準化を検討する必要がある。

4 まとめ

本開発では,装具の足圧パターンから下肢運動を推 定し,歩行タイミングに合わせて膝ロック状態を制御 する歩行補助装具システムの開発を行った。既存の長 下肢装具のスイスロック膝継手を利用することで,非 常にシンプルで効果的なシステムを可能とした。ポリ オ患者による検証実験にて有用性を実証した。

謝辞

本開発は,独立行政法人科学技術振興機構(JST),

およびロボット産業振興会議の助成を受けて行った。

深く感謝いたします。

5 参考文献

1)BASKO HEALTHCARE:SPL 2 Hinge system,

http://www.basko.info/

2)CYBERDYNE株式会社:ロボットスーツHAL® http://www.cyberdyne.jp/

②ロック解除状態

モータで引く ロック解除

③膝折状態 バネ力でロック

①ロック状態

後付装着

歩行制御用マイコン ロック解除用 サーボモータ

足裏センサ

足裏センサ スイスロック

コントローラ

(マイコン,サーボモータ,電源内蔵)

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参照

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