- 目次 - 1 章緒言 2 2 章片麻痺歩行と短下肢装具 2.1 片麻痺歩行 短下肢装具の機能と問題点 4 3 章提案する短下肢装具の概要 3.1 装具の仕様 装具の外観 歩行センシング機器 制御用コントローラ 減衰制御方法 10 4 章

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1 平成 21 年度 修士論文 エネルギー回生を用いた短下肢装具の開発 指導教員 井上喜雄教授芝田京子准教授 高知工科大学大学院工学研究科基盤工学専攻博士課程 ( 前期 ) 知能機械システム工学コース 下正治

2 - 目次 - 1 章緒言 2 2 章片麻痺歩行と短下肢装具 2.1 片麻痺歩行 短下肢装具の機能と問題点 4 3 章提案する短下肢装具の概要 3.1 装具の仕様 装具の外観 歩行センシング機器 制御用コントローラ 減衰制御方法 10 4 章昇圧チョッパシミュレーション 4.1 シミュレーション条件 シミュレーション結果と考察 15 5 章実験 5.1 比較実験 歩行実験 22 6 章結言 25 参考文献 26 謝辞

3 1 章緒言 脳卒中障害等による片麻痺患者の多くは, 麻痺側の足先の垂れ下り ( 下垂足 ) による転倒を防ぐことを目的として, 短下肢装具を広く用いている 1). 現在では外観が良く, 安価, 軽量などの点からプラスティック製の靴べら型短下肢装具 (Fig.1-1) により足首を固定することで下垂足の防止が図られているのが一般的である. しかしながら耐久性などの問題から歩行補助に必要な可撓性よりも剛性が高くなる傾向があり, なめらかな歩行を妨げる原因にもなりうる. 短下肢装具に求められる主な役割は, 歩行中の足関節周りで底背屈筋が発生させる制動モーメントの補助である. 健常歩行では足首関節回りに適切な制動モーメントをかけることでなめらかな歩行を実現していることから, なめらかな歩行を実現するためには歩行状態に合わせて適切な制動モーメントを発生させる必要がある. これによって歩行が改善されることは赤澤らによって示されている 2). そのため, セミアクティブな減衰として MR ダンパを用いるなど高性能な短下肢装具の研究開発がなされている 3) 4) 5). しかしながら, ウェアラブルな装具において重量のある外部電源を使用することは適さないため, 制御に必要なエネルギー源をどのように確保するかが問題となる. 本研究では片麻痺患者が健常者の様に自然でなめらかな歩行を行なう事が可能なセミアクティ ブな減衰を用いた短下肢装具の開発を目的とし, アクチュエータとして DC モータと昇圧チョ ッパを用いてセミアクティブな制御を行うと共に, 本来は逸散する関節での制動エネルギーを 回生して制御を行うためのエネルギー源とすることにより大型の外部電源を不要とするインテ リジェントな短下肢装具を提案する.DC モータおよび昇圧チョッパ回路を用いた実験装置を 試作し, 数値シミュレーションおよび実験により, 提案法の基本性能の確認を行った. Fig.1-1 Plastic AFO - 2 -

4 2 章短下肢装具と片麻痺歩行 この章では片麻痺患者の症例や, それによる異常歩行 ( 片麻痺歩行 ) について述べる. また, これらの患者が一般的に使用する短下肢装具について, その機能と必要性及び問題点に ついて述べる. 2.1 片麻痺歩行 片麻痺歩行とは脳卒中, 脳挫傷, 脳腫瘍などにより身体半身の運動麻痺をきたした患者に認められる歩行であり, これらの症状を持つ患者を片麻痺患者と呼ぶ. その症状は身体的障害から知的障害へも及ぶ. 身体的障害としては麻痺による不随や神経の異常伝達による意図しない筋緊張や腱反射などが発生する. 知的障害としては記憶力の低下や言語障害などがみられる. 発症後に行う歩行リハビリなどによって麻痺症状はある程度回復するが, 健常状態まで回復する例はほとんどなく, 発症後 1 年を経過すると身体的な回復はほとんど見られなくなる. 現在行われている歩行リハビリでは健常歩行に近づけることを目的とせず, 患者にとって歩きやすい歩行を習得させることを目的としているため, 片麻痺歩行と言ってもその歩容は様々である. 代表的な例として歩行失行にみられるすくみ足歩行, パーキンソン症候群にみられる前方突進歩行, 片麻痺のぶん回し歩行, 痙性麻痺の挟み込み歩行などがあげられる. 歩行において下肢関節で最も大きな影響を与えるのは足関節であり, 片麻痺患者には内反, 尖足, 下垂足などの異常が足関節には多く見られる. その影響は歩行における足底の接床パターンでみることが出来る.Fig.2-1 は触覚画像システムを用いて健常者と片麻痺患者の裸足での接床パターンを記録したものである.a) は健常者,b) は 45 歳, 男性, 脳卒中による左片麻痺, 発症より 7 ヶ月の患者を表している. それぞれについてサンプリング周波数 30Hz で記録した画像を踵接地から爪先離床までのパターンを連番表示したものである. 健常者の歩行パターンは踵から接床し, その後第 5 中足骨骨頭より順次第 1 中足骨骨頭へと接床し, 全足底がほぼ着床後踵が浮き上がり, 母趾へ抜けてゆくパターンが一般的によく知られている. しかし片麻痺歩行の1 例として, 小趾球部分より着床がはじまり足底外側部から踵, 母趾球部分へと着床が進み, 最後の離床部位は小趾球寄りになるパターンが認められている. 片麻痺歩行では接床パターンにおいて健常歩行のように踵から接床するケースではなく, 尖足や下垂足の影響によりつま先から先に接床するパターンがみられる. これは片麻痺患者の多くは底屈筋の活動が背屈筋の活動に比べ活発な状態にあることにも起因している

5 a) b) Fig.2-1 Floor contact patterns [ 出典, 参考文献 1),p26 ] 2.2 短下肢装具の機能と問題点 短下肢装具は歩行改善を目的として用いられており, 主な役割は足関節周りの底背屈筋が発生させる制動モーメントの補助である. 現在, 様々な種類の短下肢装具が作成されており, 患者の症状や時期に合わせて医師や理学療法士によって処方される. しかし, 片麻痺歩行は個々人により症状が様々であり, 処方するにあたって明確な指標がないために常に適切な装具が処方されているとは言いがたい. そのため, 患者は短下肢装具にあわせた歩行を強いられることになる. 現在, 最も一般的に使用されている短下肢装具として, プラスティック製の靴べら型短下肢装具があげられる (Fig.1-1). この他に前面支柱型や Saga プラスティック型, ヘミスパイラル型, スパイラル型などがある. 特徴と外観 (Fig.2-2) を下記に示す

6 (a) (b) (c) (d) (e) Fig.2-2 Several AFO [ 出典, 参考文献 1),p60-64 より ] (a) 後方支柱型短下肢装具最も普及しているプラスティック短下肢装具. 他の短下肢装具に比べ, 底背屈方向および内がえし 外がえし方向に対して硬い. (b) 前面支柱型短下肢装具底屈方向よりも背屈方向の変形に対して硬い. (c)saga プラスティック底背屈の両方向に対して等しい可撓性を示す. 足関節角度と制動モーメントの関係が線形に近い (d) ヘミスパイラル型短下肢装具底屈方向には比較的硬く, 背屈方向には柔らかい. (e) スパイラル型短下肢装具底背屈両方向に柔らかい. 下腿の運動のコントロールが容易であると言われている. 片麻痺歩行の中で最も危険が伴うのは踵接地時である. 健常歩行の場合, 踵接地時には踵を回転中心とした適切な底背屈制動モーメントが発生することでなめらかな歩行を行っている. しかし片麻痺歩行の場合適切な底背屈制動モーメントを発生できずに様々な症状が出てくることが多い. 踵接地時に底背屈制動モーメントが不足する場合は足関節が急激に底屈することによって膝関節の過伸展が起こり, 立脚期中は常に膝関節を伸展したままの歩行になってしまう. また遊脚期には下垂足が発生することで躓く危険性がある. 逆に底背屈制動モーメントが過剰な場合は足関節が底屈しないために下腿の前傾を起こし, 膝折れなどが発生し転倒の危険性がある. 遊脚期では問題はないが立脚期では一般的に背屈筋が優位にあるため身体が前に進むのを妨げられることになる. 短下肢装具の機能は接地時に適切な制動モーメントを発生させることであり, 上記の点から遊脚期には下垂足の発生を妨げるために制動モーメントを大きくし, 立脚期では一般的に背屈モーメントの方が大きいのでこれを助長しないようモーメントを小さくしなければならない

7 3 章提案する短下肢装具の概要 前章では歩行においての底背屈制動モーメントの重要性と短下肢装具において重要な機能が歩行状態にあわせた適切な制動モーメントを発生させることであると述べた. そこで本研究では患者の歩行状態をセンシングし, 歩行に合わせて足首部の減衰を可変することの可能なインテリジェントな短下肢装具を提案する. 本章では本研究で提案する短下肢装具について述べる. 3.1 装具の仕様 本研究で提案する短下肢装具は, 下垂足などの症状を持つ患者を対象とし, センサにより歩行状態をセンシングし, それに応じて足首部の減衰を変化させることで, なめらかな歩行を補助する. このとき,DC モータを発電機とセミアクティブ減衰として使用し, マイコンにより昇圧チョッパを制御することで DC モータに回生ブレーキを発生させ減衰制御を行う. また, 減衰制御に必要となるエネルギーを歩行時に消費される運動エネルギーから回生し補うことを考え, 軽量で長時間の使用を可能とするものの開発を行った. 3.2 装具の外観 Fig.3-1 に作成した短下肢装具の外観を示す. 本体には一般的に使用されている足関節継手のついたプラスティック製の短下肢装具を土台とし, 装具単体では足首が自由に回転できるものを使用する. ふくらはぎ部にコントローラ, その下にDCモータを取り付け,DCモータがリンク機構により足首の動きに連動し, 減速機を通して回転し発電する機構になっている. また, DC モータには FAULHABER 社の 2657W024CR, 減速機に同社の遊星ギアヘッド シリーズ26/1 159:1を使用した. 総重量は 1.278kgとなっている

8 a)side view b)back view c)solid view Fig.3-1 Overview of the developed AFO 3.3 歩行センシング機器 歩行状態のセンシング方法として, ニッタ製感圧センサ FlexiForce (Fig.3-2) を使用し, Fig.3-3のように踵と足の親指と小指の付け根の中央の 2ヵ所に設置した. また, ノイズの影響を小さくするために感圧センサをスポンジとゴム板で挟む機構となっている. 本研究では圧力の測定よりも足が地面に触れているかを判断することに重点をおいて使用するため測定範囲は狭いが感度のよい最大測定荷重 4.4N の A201-1 を使用した. Fig.3-2 Using pressure sensor - 7 -

9 Fig.3-3 Sensor position 3.4 制御用コントローラ コントローラは日立フラッシュマイコン H8/3694 を中心に昇圧チョッパ回路が構成されて おり, センサの値から歩行状態を読み込みそれに対応した足首周りの回転減衰の制御を行う. Fig.3-4 と Fig.3-5 にコントローラの全体図と各部の構成部品の説明を示す. 1 マイコン H8/3694 フラットマイコン. 感圧センサ値の読み込みと, 歩行状態に対応した PWM 制御を行う 2 コネクタ H8 マイコン用バッテリコネクタ 3 コンデンサ 10MCZ1000. 昇圧電圧安定用 4 コイル ST-T12-50-PF. 昇圧チョッパ用チョークコイル 5 スイッチ IS-2235.ON にすることでマイコンが起動し歩行状態をセンシングし PWM 制御を行う 6 コネクタ 感圧センサ用コネクタ 7 抵抗 感圧センサの感度調節用 8 トランジスタ 2SB1228. チョッパ回路の切り替え用. マイコンからの PWM 制御により切り替えを行う. 9 コネクタ モータで発電した電力入力用 10 ダイオード CMS01. 昇圧チョッパ回路において充電用バッテリからの逆流を防ぐ 11 LED バッテリーへの充電の確認用 12 ブリッジダイオード CMS01. モータ発電電流を整流するその他 : バッテリー 006P 型ニッケル水素電池 GP30R7H(7.2V 300mAh, 内部抵抗 25mΩ マイコン動作と回生エネルギーの充電用バッテリー - 8 -

10 Fig.3-4 Top layer - 9 -

11 Fig.3-5 Bottom layer 3.5 減衰制御方法 本節では DC モータと昇圧チョッパを組み合わせたエネルギー回生と足首周りの回転減衰制御について述べる. 本研究では DC モータを発電機として利用しており, その電力をバッテリーへ充電し使用することを考えている. しかし歩行時の運動エネルギーが常に充電可能な発電を行うとは限らない. そこで昇圧チョッパを用いることによりモータの発電電圧が低い場合においてもバッテリーへの充電を可能とする. またこの昇圧チョッパ回路 6) では PWM 制御によってデューティ比を変化させることで制動モーメントを変化させることも可能となる. その理論を以下に述べる 発電機およびセミアクティブ減衰としての DC モータ DC モータは回転に伴い, 回転速度 & に比例した電圧が端子間に発生する. この電圧を逆起 電力 E と呼び, E は次式で表される. i i

12 E A & i (3.1) ただし A はアクチュエータ係数 ( トルク定数, 逆起電力係数の総称として用いる ) であり, モ ータ特性に依存する定数である. このことより DC モータは回転運動による力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電 機として利用することができることがわかる. DC モータの端子間に逆起電力が発生する際に, 端子間に抵抗が接続されていればコイルに 電機子電流 I1 が流れ, これによってモータトルクが発生する. このモータトルク T は次式で表 される. T AI 1 (3.2) ただし A はアクチュエータ係数 ( トルク定数, 逆起電力係数の総称として用いる ) であり, モー タ特性に依存する定数である. これより I 1 を制御することによってモータトルク ( 制動モーメン ト ) を変化させることが可能なセミアクティブ減衰であることがわかる. ここで, 端子間に接続された抵抗 R が一定の値であれば (3.1) (3.2) より次式が成り立つ. 2 A T & (3.3) R ここで, 以下の様に置く. 2 A C0 (3.4) R (3.3) (3.4) より端子間に接続された抵抗が一定の場合,DC モータは回転速度 & に比例したモー タトルクを発生する減衰定数 C0 の減衰であると見なせる. また, ギア比 N ( モータ速度を増速 ) の歯車対を用いた場合は以下のように C 0 を大きくすること ができる. C (3.5) 2 1 N C0 ただし C 1 は減衰定数とし, N はギア比とする. したがって,DC モータとギアを併用することで下垂足の防止に十分な制動モーメントを得る ことが可能となる.(3.5) 式の減衰を最大値として次項に示す昇圧チョッパを用いることにより, エネルギーを回生しながら減衰定数を可変にする制御, すなわちセミアクティブ制御を行う 昇圧チョッパと PWM 制御

13 チョッパ方式レギュレータとは直流電圧を別の直流電圧に変換したい時に使用するものであ る. 入力電源をトランジスタによって直接スイッチングする回路構成となっており, 直流の入 力電圧をトランジスタによって高周波の電力に変換し, それを平滑用コンデンサやコイルによ って再度直流化するもので,1 周期あたりの on 時間 Ton と off 時間 Toff の比を制御 ( 以下 PWM 制御 ) することで出力する平均電圧を制御することができる. この比をデューティ比と呼び 0 ~1 の間で変化する. デューティ比 d は (3.6) 式で表わされる. T on ( Ton Toff ) チョッパには入力電圧よりも低い電圧を出力する降圧チョッパと, 高い電圧を出力する昇圧チ ョッパがある. 本研究では昇圧チョッパを使用し,DC モータの起電力がバッテリー電圧より も小さい場合においてもバッテリーへ充電可能な値まで昇圧する. また, ブリッジダイオード を用いモータの正転逆転による起電力極性に依存せずバッテリーを充電することが可能なチョ ッパ回路を使用した. 本項ではこの昇圧チョッパの基本原理について説明する. (3.6) 昇圧チョッパはインダクタンスを利用し, インダクタンスに蓄えられたエネルギーをスイッ チングにより蓄積と放出を制御し昇圧するものである.Fig.3-6 に回路図を示す. トランジスタ QがONとなるとインダクタンスLを通じて入力電源 Vin から電流 i 1 が流れる. このときLに流れ 蓄積される電流は時間に比例して単調に増加し (3.7) 式となる. i 1 V L in 1 t ここではトランジスタ Q での電圧降下は省略する. このとき Q のコレクタ エミッタ間は飽和電 圧 Vce(sat ) なり, 出力電圧 Vout との関係は Vout V ce(sat ) となりDを通して出力側へは電流は流れな い. (3.7) このときインダクタンス L に蓄えられるエネルギー E は繰り返し周波数を f とすると単位時間 当たりでは (3.8) 式となる. E 2 2 L Vin ton if f (3.8) 2 2L 1 このときトランジスタ Q が off となるとインダクタンス L には逆起電力が発生し, ダイオード D を通して整流用コンデンサを充電しながら i 2 が流れ出す. このときLが十分大きければ i 1,i 2 は 一定の値 I1 とみなすことができ, 蓄えられたエネルギーとダイオードを通して放出されるエネ ルギーが等しいとすると次式を得ることができる. E1 I1Ton ( E2 E1) I1T off (3.9)

14 (3.9) 式を式 (3.6) を使って表すと, E 2 1 E 1 d (3.10) 1 となり, 出力電圧 E2 を入力電圧 E1 より大きくすることが可能であることがわかる. また, i 2 の 平均値 I 2 は I 1 がT off 期間だけ流れるため, 以下の式で表わされる. I ( d I 2 1 ) (3.11) 1 これより入出力の関係はデューティ比 dによって自由に変化させることが可能であることがわかる. また (3.10)(3.11) 式より次の式が導かれる. E (3.12) 1I1 E2I 2 これより理想的なチョッパ回路の場合, 入力と出力の電力は等しくなることがわかる. ただし, 実際の回路ではインダクタンスやトランジスタなどによる損失や, チョッパ周期などによって効率が低下することを考慮しなければならない. L D E 1 i 1 Q i 2 C R E2 Fig.3-6 Step-up chopper circuit

15 4 章昇圧チョッパシミュレーション 本章では回路の電流が減衰を変化させる上で重要となるため, 前章で述べた昇圧チョッパ回路について数値シミュレーションを行い, デューティ比の変化による電流値変化を確認した. その結果と考察を述べる. シミュレーション環境として Microsoft Visual Studio を使用し, ルンゲ=クッタ法による数値解析を行った. 4.1 シミュレーション条件 回路と諸元 Fig.4-1 にシミュレーションに使用した回路を示す. シミュレーションに用いた各部品の値を Table 4-1 に示す. 昇圧後の電圧値と電流値を算出した. シミュレーション上での検討であるため, 入力電圧には DC モータの代わりに直流電源を使用した. また, ダイオードの順電圧降下はハードウェアマニュアルを参考とした. 入力電圧を 3[V] とした.PWM の 1 周期は 0.001[sec] とした. Table 4-1 Data of parts Diode Coil Input Battery Coil Battery Voltage Inductance Voltage Voltage Resistance Resistance drop (min.) 3[V] 7.2[V] 0.34[V] 0.05[Ω] 0.9[Ω] 0.1[mH]

16 Fig.4-1 Step-up chopper circuit 計算方法 Fig.4-1 の回路において on 時間における数式は, 回路の合成抵抗値 R と, 電流値 i, インダ クタンス L, 入力電圧 E とすると次式で表される. di Ri L E (4.1) dt (4.1) より, 次式が求められる. di E R i (4.2) dt L L off 時間における数式はバッテリー電圧 E0 とし, 次式で表される. di Ri L E E 0 (4.3) dt (4.3) より, 次式が求められる. di dt E E L 0 R i L (4.4) (4.2) (4.4) 式より, ルンゲ = クッタ法による数値解析によって電流値を算出した. 算出した電流 値と回路の式より電圧値を算出した. なお, ダイオードの順電圧降下に関しては充電電圧に含 めて計算を行った. また, トランジスタによる電圧降下は考慮していない. 4.2 シミュレーション結果と考察 Fig.4-2 に on 時間と off 時間の割合が 50:50 の場合のシミュレーション結果を示す.Fig.4-2 の縦軸が電圧 [V] 電流 [A], 横軸が時間 [msec] を表している.Fig.4-3 に on 時間と off 時間の割 合が 10:90 の場合,Fig.4-4 に on 時間と off 時間の割合が 90:10 の場合のシミュレーション結

17 果を示す. それぞれ縦軸が電圧 [V] 電流 [A], 横軸が時間 [msec] を表している. Fig.4-2 より on 時間は電圧値が一定に向かい上昇すると共にコイルにより電流値が上昇していることがわかる. そして off 時間は昇圧したことで電圧値が上昇しているが, 電流値は低下していき最後には流れなくなっていることがわかる.Fig.4-3 と Fig.4-4 ではより顕著な違いが見られ,Fig.4-3 では on 時間が少ないためにエネルギーを蓄える時間が少なく昇圧できた時間も僅かとなっている.Fig.4-4 では on 時間が長いため電流値が徐々に上昇しており, 定常状態になっていることがわかる. これらの結果より,on 時間と off 時間の割合であるデューティ比を変化させることによって回路に流れる電流値が変化することが確認できた. これによって歩行状態に合わせて PWM 制御を行い, デューティ比を変更することで,DC モータに流れる電流値を変化させ, 制動モーメントを変化させることが可能であると確かめられた. Fig.4-2 Simulation result duty ratio 50:

18 Fig.4-3 Simulation result duty ratio 10:90 Fig.4-4 Simulation result duty ratio 90:

19 5 章実験 本章では前章で行ったシミュレーション結果と比較検討をするために行った実験について述べる. また, 提案する短下肢装具を使用して歩行を行った際に, 歩行状態に合わせてデューティ比を制御することによる足首部の減衰変化と, 昇圧チョッパによるエネルギー回生が行われているかの確認のため行った実験についても述べる. 5.1 比較実験 前章で行った昇圧チョッパのシミュレーション結果と, 実際に実験を行い測定した結果とを 比較検討した 実験条件 Fig.5-1 に作成した回路図を示す. 実験に用いた各部品の値を Table 5-1 に示す. 測定箇所は検出抵抗間とし, オシロスコープによって電圧を測定した. 測定した電圧より電流を算出した. 実験ではシミュレーションと同条件にすべく, 入力電源に直流安定化電源を使用した. 入力電圧を 3[V] と設定し,PWM の周期は 0.001[sec] とした. Table 5-1 Data of parts Diode Coil Input Battery Sensing Coil Battery Voltage Inductance Voltage Voltage Resistance Resistance Resistance drop (min.) 3[V] 7.2[V] 0.34[V] 10[Ω] 0.05[Ω] 0.9[Ω] 0.1[mH]

20 Fig.5-1 Step- chopper circuit 実験結果と考察 Fig.5-2 に on 時間と off 時間の割合が 50:50 の場合の出力電圧の実験結果を示す.Fig.5-2 の縦軸が電圧 [V] 電流 [A], 横軸が時間 [msec] を表している. 検出抵抗を追加したシミュレーションと Fig.5-2 より算出した電流値を比較した結果を Fig.5-3 に示す.Fig.5-3 より, 波形は似ているものの電流値はシミュレーションの方が大きい値となっている. これはシミュレーションではトランジスタの電圧降下やスイッチングロス等を考慮していないためであると考えられる. そこでそれらのロスを抵抗と置き換えてシミュレーションで計算を行い, 実験結果と比較したものを Fig.5-4 に示す.Fig.5-4 ではシミュレーションに 35[Ω] の抵抗を追加した場合となっている.Fig.5-4 では近い電流値となっている. 追加した 35[Ω] の抵抗もトランジスタのスイッチングの際の電圧降下分として考えられる値である.Fig.5-4 の波形の違いは,Fig.5-2 の PWM 信号の波形よりスイッチング時間による遅れが原因と考えられる. これらの結果より, 提案する手法の妥当性が示された

21 Fig.5-2 Experiment result duty ratio 50:50 Fig.5-3 comparative result

22 Fig.5-4 comparative result

23 5.2 歩行実験 本項では, 実際に作成した短下肢装具で歩行実験を行い, 歩行状態にあわせた制御により健 常者の歩行に近いなめらかな歩行が可能か検討した. また, 歩行時の昇圧チョッパを用いたエ ネルギー回生によるバッテリーの充電を確認した 実験条件 本実験では実際に短下肢装具を作成し実験した.Fig.5-5に作成した回路図を示す. 実験に用いた各部品の値をTable 5-2に示す. センサ位置はFig.5-6の足裏 2ヵ所に設置し, 歩行状態に対応した制御方法をTable5-3 に示す. この制御方法は2 章で述べた片麻痺歩行の特徴と短下肢装具の機能より, 遊脚期には足首部の減衰を大きく, 立脚期では足首部の減衰を小さくするよう定めた. なおPWMの周期は0.001[msec] とした. 測定方法は健常者が軽度の片麻痺患者の歩行を模倣し, その時のDCモータ発電電圧と昇圧電圧をオシロスコープによって測定する. Fig.5-5 Step- chopper circuit (Simplified Schematic) Fig.5-6 Foot back sensor position

24 Table 5-2 Data of parts Bridge Diode Input Diode Motor Coil Battery Motor Voltage Voltage Voltage Resistor Resistor Resistor Inductance drop drop 3[V] 0.34 [V] 0.34 [V] 2.8[Ω] 0.05[Ω] 0.9[Ω] 0.38[mH] Coil Inductance 0.1[mH] Capacitance 1000[μF] Table 5-3 Control approach センサ12の両方が接地しているセンサ1( 踵 ) が離れ2だけが接地しているセンサ12の両方が離れているセンサ1( 踵 ) が接地し2が離れている デューティ比を0.1とし自由に足を動かせるデューティ比を0.9とし足首を硬くするデューティ比を0.9とし足首を硬くし下垂足を防ぐデューティ比を0.4とし足首を少し硬くし急激に足首が開くのを防ぐ 実験結果と考察 歩行実験の測定結果をFig.5-7に示す. 図中の上が昇圧後の電圧値で下が歩行時にDCモータから回生された電圧値となっている.Fig.5-7のDCモータからの電圧値が大きく出力されている箇所では足は地面に接地している. この時 DCモータからの電圧値が大きいということは足首が回転しているためと考えられ, 足首が自由に動かせているとみられる. また,DC モータからの電圧値がほぼ出力されていない箇所では足は空中にある. この時 DCモータからの電圧値が小さいということは足首が回転していないためと考えられ, 下垂足が防止できているとみられる. これらの結果より, 歩行状態にあわせた制御が行われていると確認できた. また, 被験者の感想より歩行状態における足首部の減衰変化も確認でき, 提案する手法の有効性が確認できた. そして, コンデンサによって安定した昇圧が行われていることがわかる. この結果と回路の LEDによりバッテリーへの充電が行われていることを確認した. また, 足首部の減衰はPWM 制御での周期やデューティ比を変えることによって更に強く, 又は弱くすることが可能であり, 患者の症状に応じてこれを変化させることで理想的な歩行へと近づけることが可能であると考えられる

25 Fig.5-7 Set-up voltage

26 6 章結言 本研究では DC モータをセミアクティブ減衰と考えると同時に, 力学的エネルギーを電気エネルギーとして回生する手段として短下肢装具への使用を検討した. 昇圧チョッパを併用することでバッテリーへの充電は可能でありエネルギー源として用いることができることを確認した. また回生制動の際に電流制御を行うことでセミアクティブ減衰としても用いることが可能であることも確認した. 今後は計測データから短下肢装具が発生させている制動モーメントの値を求め, より歩行状態に適した制動モーメントを設定する制御システムについて検討する

27 参考文献 1) 江原義弘 窪田俊夫 土屋辰夫 野坂利也 山本澄子 : 下肢装具のバイオメカニクス 片麻痺歩行と装具の基礎力学 -, 日本義肢装具学会編, 医歯薬出版,pp ) 赤澤康史他 : 可変粘性継手を有する短下肢装具による歩行実験, 日本機械学会 [No04-1], 2004 年度年次大会講演論文集,310,2004 3) 松村圭介 井上喜雄 芝田京子 : マイコンを用いたインテリジェント短下肢装具の開発, 日本機械学会講演論文集. 中国 四国支部, pp , ) 山本澄子 : 油圧ダンパを利用した片麻痺者のための短下肢装具の開発, 総合リハ 31 巻 4 号,pp ,2003 5) 赤澤康史 中川昭夫 小西克浩 中村俊哉 上松弘幸 野村毅 田中正夫 : メカトロニクスを導入した短下肢装具の研究開発, 平成 15 年度版兵庫県福祉のまちづくり工学研究所報告集,pp ) 岡田養二 小沢圭介 松田健一 : エネルギー回生 アクティブ制御ダンパの研究, 機械力学 計測制御講演論文集 : D & D,pp.198,

28 謝辞 本研究を行うにあたり, 終始懇切なるご指導, ご教授を賜わりました高知工科大学井上喜雄教授に厚く御礼申し上げます. そして, 懇切なるご指導を賜りました高知工科大学芝田京子准教授に厚く御礼申し上げます. 一緒に研究を進めて頂いた金澤一成氏, 亀山裕生氏, 同じ研究室の皆様, 研究のサポートをしていただいた皆様に深く感謝いたします