身体的負荷の推定にもとづく競技用車いすの操作性評価方法の確立

基于体力负荷评估的竞赛轮椅可操作性评价方法的建立

• 批准号: 22K11502
• 负责人: 田中 克昌
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Kogakuin University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K11502/
• 关键词: スポーツ工学; 逆動力学解析; 筋骨格モデル; 障がい者スポーツ; 競技用車いす

本研究は，筋骨格モデルを用いて競技用車いすの漕ぎ動作を再現する逆動力学解析モデルを構築して，車いすの操作時における生体内力を推定するとともに，推定された生体内力と車いす構造を決定する設計パラメータとの関係を調査することにより，車いすの操作性に対して身体的負荷を考慮した評価方法を確立することを目的としている．このうち，本年度は，モーションキャプチャシステムを用いた車いすの漕ぎ動作の計測をもとに筋骨格解析モデルを構築することを中心に研究を進めた．まず，モーションキャプチャシステムを用いて，車いすを漕いだ際の身体の三次元動作と車いすの挙動を計測した．同時に，漕ぎ動作中における車いすの車軸まわりのトルクを計測した．次に，車いすの漕ぎ動作を再現する筋骨格解析モデルを構築した．身体モデルは，筋骨格モデリングシステム「AnyBody Modeling System」を用いて，被験者の身長や体重のほかに身体機能を考慮して構築した．身体機能の低下は，その低下を表現する筋部位に対して，健常者が発揮できる筋力を低下させることによって表現した．また，車いすモデルは，計測に用いた車いすの主要な諸元である車輪径，キャンバー角，車軸位置を実測をもとに設定することにより，剛体として表現した．そして，漕ぎ動作は，車いすモデルに対して身体モデルを動作計測時と同様の姿勢で着座させ，身体モデルに対して動作計測より得られた各関節角度の時刻歴を入力することにより表現した．また，解析モデルの精度を検証するために，シミュレーションにおいて手と車輪との間に生じている接線力を用いて算出したトルクの解析結果と，動作計測時に取得したトルクの計測結果を比較した．その上で，解析モデルの精度を確認し，精度を向上させるためにモデルの改良を試みた．

在本研究中，我们构建了一个逆动力学分析模型，使用肌肉骨骼模型再现竞技轮椅的划船运动，估计轮椅操作期间的体内力，并计算估计的体内力与轮椅之间的关系本研究的目的是通过研究与确定的设计参数的关系，建立一种考虑物理负荷的轮椅可操作性的评估方法。其中，今年的研究重点是使用运动捕捉系统测量轮椅划船运动，建立肌肉骨骼分析模型。首先，我们使用运动捕捉系统来测量身体的三维运动以及踩轮椅时轮椅的行为。同时，测量划船时轮椅轴周围的扭矩。接下来，我们构建了一个肌肉骨骼分析模型，可以重现轮椅的划船运动。身体模型是使用肌肉骨骼建模系统“AnyBody Modeling System”构建的，考虑到受试者的身体机能以及身高和体重。身体机能的下降是通过减少健康人在表现出下降的肌肉区域可以发挥的肌肉力量来表达的。另外，根据实际测量设定用于测量的轮椅的轮径、外倾角、轴位等主要规格，将轮椅模型表示为刚体。划船运动是通过使身体模型以与测量相对于轮椅模型的运动时相同的姿势坐姿，并将从运动测量获得的各关节角度的时间历史输入身体模型来表达的。此外，为了验证分析模型的准确性，我们将仿真中手与轮之间产生的切向力计算出的扭矩分析结果与运动测量时获得的扭矩测量结果进行了比较。然后，我们确认了分析模型的准确性，并尝试改进模型以提高准确性。