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高度功能的假体系统，该系统可以大大扩展具有髋关节功能的高级截肢者的活性范围。具体而言，我们将专注于开发高功能运动假肢腿部的元素，包括估计用户运动状态和运动意图的算法，实现高能量效率和灵活性的假肢踝关节机制，控制自然运动和设计方法的控制方法。此外，除了结合这些基本技术外，我们还将开发一种假肢系统，该系统自然可以通过缩小目标受众并彻底调整它们来实现以前无法实现高级截肢者的动作。今年，我们首先开发了一种州理解的算法，该算法整合了电位计的值，健康髋关节和膝关节的角度计，压力传感器安装在足底底线的脚跟和底部的脚趾上，以及角度计的角度计的脚趾，以及用于伪造的腿关节运动员的角度计。我们创建了一个控制软件，该软件将步行状态分为五个时期，从而可以使用传感器数据中的先前算法确定状态，然后将髋关节角度的位置控制作为目标值，从而模拟健康个体的步行模式。此外，该软件是在单芯片微型计算机板（Arduino uno）上操作的，并且使用模拟的腿使用去年制造的动力crot式关节系统使用模拟腿进行操作测试。结果，我们确认了正确确定步行的每个阶段，并且可以获得与健康个体中行走的髋关节角度模式相似的髋关节角变化。此外，作为研究步行状态过渡过程的实验，我们使用可穿戴的关节角传感器进行了步行运动测量实验，以确定步行速度提高时的状态过渡，即稳定步行（低速行走（低速）以增加步行到稳定步行（高速行走）。实验的结果表明，当速度增加时，状态转变始于弹簧的早期至中期，并且过渡几乎在挥杆阶段结束。