脊柱を模した空気式半外骨格型装置による促通反復療法に基づいた歩行支援に関する研究

使用模仿脊柱的气动半外骨骼装置进行基于重复促进治疗的步行支持研究

基本信息

批准号：
20J14076
负责人：
八瀬快人
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Kagawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

今年度は，空気圧ソフトアクチュエータである空気圧ベローズとMcKibben型空気圧ゴム人工筋，ベアリング構造を内蔵した樹脂ブロックを用いた脊柱型可変剛性機構を開発した．この可変剛性機構は，人工筋が自然長の時には樹脂ブロックが非連結状態となっており柔軟であるが，圧縮空気を人工筋に供給することで，予め設計した樹脂ブロックの接触面形状に対応した形状に固定される．また，人工筋内圧を変化させることで，樹脂ブロック間の収縮力を制御でき，曲げ剛性を調節することができる．この曲げ剛性を力センサ等無しで調節することを目標に，人工筋の収縮量と内圧を変数とした数理モデルを構築した．樹脂ブロックの連結時には，空気圧ベローズに圧縮空気を供給することで，機構全体をねじるような動作を実現できる．本研究では，提案する機構を体幹部の動作支援機構として応用する．これにより，軽量かつ簡便な構造で体幹部の姿勢矯正と歩行時の回旋運動の支援を同時に実現できると考えた．予め，開発する機構の要求性能を設定するために予備実験を実施し，体幹を回旋させるために2.0-4.0[Nm]程度のトルクが必要であることを確認した．なお，本実験は香川大学創造工学部研究倫理審査委員会の承認に基づき実施した（承認番号：03-004）．また，歩行時の回旋支援を行うためには，歩行サイクルに合わせて装置を駆動する必要があることから，人間の平均的なの歩行サイクル程度までの速度で駆動させることが可能かを検証した．装置の性能評価では，ベローズに100[kPa]の圧縮空気を供給した時に最大で約2.5[Nm]のトルクの発生が可能であることを確認した．また，駆動速度に関しては人間の歩行サイクルに十分に対応可能な速度での駆動が可能であることが明らかとなった．以上の結果から，本機構を用いた姿勢矯正と回旋支援の実現可能性を示唆する結果が得られた．

今年，我们开发了一种采用气动波纹管的脊柱型变刚度机构，它是气动软执行器、McKibben型气动橡胶人工肌肉和内置轴承结构的树脂块。这种可变刚度机构是灵活的，因为当人造肌肉处于其自然长度时，树脂块是未连接的，但通过向人造肌肉供应压缩空气，它可以适应树脂块预先设计的接触表面形状。是固定的。此外，通过改变人造肌肉内部的压力，可以控制树脂块之间的收缩力，并可以调节弯曲刚度。为了在不使用力传感器的情况下调整这种弯曲刚度，我们使用人造肌肉的收缩量和内部压力作为变量构建了一个数学模型。连接树脂块时，压缩空气被供应到气动波纹管，从而可以扭转整个机构。在本研究中，所提出的机构将用作躯干的运动支撑机构。我们相信，这使我们能够以轻量且简单的结构同时纠正躯干姿势并支持行走过程中的旋转运动。为了设定所开发的机构所需的性能，我们进行了初步实验，并确认旋转躯干需要大约2.0-4.0[Nm]的扭矩。本实验经香川大学创意工程学院研究伦理审查委员会批准（批准号：03-004）。此外，为了支持行走时的旋转，需要根据行走周期来驱动设备，因此我们验证了是否可以以与人类平均行走周期相对应的速度来驱动设备。在装置的性能评价中，确认了向波纹管供给100[kPa]的压缩空气时，能够产生约2.5[Nm]的最大扭矩。此外，据透露，可以以足以符合人类步行周期的速度行驶。上述结果表明利用该机构进行姿势矫正和旋转支撑的可行性。