Development of powered prosthesis for amputees without hip joint function, which is able to expand the range of activities

为失去髋关节功能的截肢者开发动力假肢，扩大活动范围

基本信息

批准号：
21H03850
负责人：
内藤尚
金额：
$ 10.98万
依托单位：
Kanazawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究の目的は，股関節機能が失われた下肢高位切断者の活動範囲を大幅に拡張可能な高機能動力義足システムを開発することである．具体的には，まず，高機能動力義足の要素技術として，使用者の運動状態と運動意図を推定するアルゴリズム，高いエネルギ効率と柔軟性を実現する義足関節機構，自然な動作を実現する制御手法とその設計法について重点的に開発する．さらにこれらの要素技術を組み合わせることに加え，対象者を絞り徹底的にチューニングを施すことでこれまで下肢高位切断者では不可能であった動作を自然に実現できる義足システムを開発する．本年度は，まず，健常側の股関節および膝関節の角度計であるポテンショメータおよび両側足底の踵部と爪先部に設ける圧力センサ，および義足股継手サーボモータの角度計のそれぞれの値を統合した状態把握アルゴリズムの開発を行った．歩行状態を5つの期間に分類し，センサデータから先のアルゴリズムにより状態を判別できるようにし，それに応じて健常者の歩行パターンを模擬した股関節角度を目標値とした位置制御により動力股継手を動作させる制御ソフトウェアを作成した．さらに，ソフトウェアをワンチップマイコンボード（Arduino Uno）で動作させ，昨年度製作した動力股継手システムを用いた模擬脚を利用して動作試験を行った．その結果，歩行の各期を正しく判別し，健常者の歩行の股関節角度パターンと類似した股継手角度の変化を得ることができることを確認した．さらに，歩行状態の遷移過程について調べる実験として，ウェアラブル関節角度センサを用いて歩行速度増速時の状態遷移，すなわち定常歩行（速度低）～増速歩行～定常歩行（速度高）という状態遷移を対象に歩行運動計測の実験を行った．実験の結果，増速時には遊脚期の初期から中期において状態遷移が開始し，その遊脚期中にほぼ遷移が終わることを示唆する結果を得た．

这项研究的目的是开发一种高性能动力假肢系统，可以显着扩大失去髋关节功能的高肢截肢者的活动范围。具体来说，我们首先将开发一种估计用户运动状态和运动意图的算法、一种实现高能效和灵活性的假肢关节机构以及一种实现自然运动的控制方法，作为高性能动力假肢的基本技术我们将重点开发该技术及其设计方法。除了结合这些基本技术之外，我们还将开发一种假肢系统，通过缩小目标受众范围并进行彻底的调整，可以自然地执行以前高肢截肢者无法完成的动作。今年，我们首先将测量健侧髋关节和膝关节角度的电位器的值、安装在双脚脚跟和脚趾区域的压力传感器以及角度进行整合。米的假腿髋关节伺服电机我们开发了一种抓取算法。将步行状态分为五个阶段，根据传感器数据通过算法判断状态，并以髋关节角度为目标值进行位置控制，相应操作动力髋关节，模拟步行模式我们创建了控制软件来做到这一点。此外，我们在单片微电脑板（Arduino Uno）上运行该软件，并使用我们去年创建的动力关节系统使用模拟腿进行了操作测试。结果，我们证实可以正确识别步态的每个阶段，并且可以获得与健康人行走的髋关节角度模式类似的髋关节角度变化。此外，作为研究步行状态转变过程的实验，我们使用可穿戴关节角度传感器来测量步行速度增加时的状态转变，即从稳定步行（低速）到加速步行再到稳定步行的状态转变（高速）。我们进行了一项测量受试者行走运动的实验。实验结果表明，当速度增加时，状态转换从摆动早期到中期开始，并且转换几乎在摆动阶段结束。