立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第30号) 2021

［ 研究助成 (A) ］

関節の安全性及び指尖部感覚器を考慮した良好な指運動支援システム
Excellent finger assist system considering joint safety and fingertip sensory organ
2181019

研究代表者

宇都宮大学
工学部 基盤工学科

助 教

中林

共同研究者

宇都宮大学
工学部 基盤工学科

教 授

嶋脇正隆
聡

指を対象とした装着型動作支援デバイスの駆動[研 究 の 目 的]機構を製作・評価することを目的とした。また
近年，高齢化，生活習慣病の増加は止まらず，同時に指尖部の感覚器が十分に露出された固定

これらを要因とする脳卒中は四肢の痺れなど運方法についても検討した｡本報告はケーブル特動機能に障害をもたらすことが知られている。

性が静関節トルクに与える影響と動作支援時の特に手指の機能の低下は人間の生活の質手指の運動特性について議論した結果を述べる。

(QOL) に直結し，日常生活動作 (ADL) への[研究の内容，成果]影響は特に大きい。
こうした点から手指の運動機能を補う，または治療を目的としたパワーアシスト装置の実現

1．複合金属ケーブルの押引駆動による手関節が求められている。これまで手指関節支援装置

動作支援機構は，力覚センサによる電気的な制御による安全本研究で提案する手指動作支援機構は，図 1性を確保するシステムが採用されてきたが，そが示すように弾性ケーブルが外骨格背側に挿入の方法は電子的な制御によるもので機械的な確されており，ケーブルの押出/引張によって被実性がない。

駆動側の骨格を屈曲伸展させる構造となっていそこで研究実施者らは新たに機械的に過剰なる。この外骨格を手指背側に取り付けることで，支援トルクを回避する事を提案，複合金属ケー関節の動作を支援することが可能になる。機構

ブルの押引駆動による動作支援機構を開発して自体の駆動関節角度 ∆θ は下式(1) によって得きた。本機構はケーブルの座屈を利用することられる。

で関節への過剰な力を分散することを可能にす∆θ=る構造をもつ。これまでの研究で動作解析による機構自体の運動特性と動的関節トルクが評価r
∆θ r

(1)

されてきたが，物体を把持固定するために必要

このとき ∆θ[°] は動作角度，∆θ [°] はプーな静的特性については議論されてこなかった。

リ動作角度，θ 0 [°] は初期リンク間角度， r 

本研究期間では静的な関節トルクをケーブル[mm] はプーリ半径を示す。

タイプ・ケーブル径について言及し，関節への負荷が安全領域にあり，適切な駆動力を伝達出来るケーブルを選定，これを組込んだ示指・母― 1 ―立石科学技術振興財団

動作支援部 (リンク B) の中央に接続されており，荷重を読み取ることで関節トルクを計測，モータの動作角度はエンコーダから読取り，ホスト PC に記録された。プーリはケーブルが脱線しないようにアクリルカバー外装として装着されており (本図(a)(b) 左)，負転することで弾性ケーブルを押出す機構になっている。
2. 2測定条件

ケーブル駆動量 ∆w [mm] はプーリの動作
角度 ∆θ  と半径 r  [mm] の積から算出した。
関節トルクはロードセルから得られた力 F[N] と回転中心からリンク B 中央部距離 r
図1

手指関節動作支援機構の動作原理[mm]の積で求めた。使用した複合金属ケーブ
ルは，SUS304 ワイヤーのストランド構造が異

2．手指関節動作支援機構の静関節トルク計測なるものを 2 種類 (図 3) 用いることとした。

2. 1

ケーブル径については，タイプ A (図 3 左) で制御及び計測系

本実験は単関節での静関節トルク計測を目は ϕ 0.81，ϕ 0.63，ϕ 0.45，タイプ B (図 3 右)的として実験機が開発された。図 2(a) に実験

では ϕ 0.85，ϕ 0.60，ϕ 0.50，ϕ 0.40 の 4 種類を装置の制御及び計測系を示す。本システムは開用いた。当初計画のケーブル径と径が異なるの

発システム LabVIEW で構築されており，ホスは曲げ剛性が大きすぎて適応するのが困難だっ

ト PC から Real Time OS，FPGA にアクセスたためである。ケーブルの駆動のためにモータし，モータドライバに制御信号を送信，サーボに入力される制御信号は三角波，周期は T=モータが弾性ケーブルを駆動させることで動作10 sとした。
関節静トルク測定角度 θ  は 0, 30, 60, 90°と支援機構は屈曲伸展動作を行う。ロードセルはし，各測定角度で∆θ = 30°押込んだときの関節角度となるようにモータの駆動量を調整し，各条件下で生じる関節トルクを測定した。

(a) 制御及び計測系

図3

ケーブルタイプの断面構造

3．母指・示指を対象とした関節動作支援機構
関節の安全性及びが考慮された手指関節動作支援装置の試作機として，複合金属ケーブルを駆動機構に備えた母指・示指を対象とした関節
図2(b) 静関節トルク計測の様子

支援機構が製作された (図 4(a))。開発された

静関節トルクの計測系及び制御系試作機は右手用であり，末節部の感覚を維持で― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation(a) 母指・示指装着(b) 動作解析時の装着

図4

関節の安全性を考慮した手指関節動作支援機構

きるように，末節部は近位部のみを固定する方法を採用した。その装着性について調査するた(測定角度 θ =60°, (A) 7×7, (B) 1×19)

め，被験者が脱力状態で装置が手指関節を動作

図5支援したときの関節角度の差が計測された。計

ケーブル駆動量による静関節トルクの変化

測方法は動画撮影による動作解析，各手指関節能が働いているためである。タイプ B ϕ 0.85

角度の測定のため末節，中節，基節，中手部にでの傾向が異なるのは，ケーブル曲げ剛性が過対し，それぞれ橈側面から骨軸に沿うように 2剰に大きく機構内部の駆動系周りとの摩擦力がつの反射性マーカー (本図(b)，灰色球体) が大きく働いたためだと思われる。

取付けられ，動作支援時の運動の様子がデジタ

静関節トルクの大きさについては，ケーブルルビデオカメラによって撮影された。動作解析

タイプによらずケーブル径が大きい程に高い静には動作解析ソフト Kinovea ver. 0.9.2 が用い関節トルクを示した。これは径が増大することられた。なお本実験の被験者は成人男性 1 名をで，その曲げ剛性が増大し，関節の保持力が向対象とし，実験に際しては宇都宮大学ヒトを対上したことが原因だと考えられる。
またケーブルタイプで同程度の径を比較する象とした倫理審査委員会の許可を得て実施されと，ケーブルタイプ B の方がケーブルタイプた (承認番号：H20-0044)。

A より高い静関節トルクの変化を示していた。
4．評価実験

ケーブルタイプの断面構造 (図 3) からも分か

4. 1

るようにストランド構造を構成する一つ一つの静関節トルクの特性

ケーブル駆動量に対する静関節トルクの変化

ワイヤーの構成で比較すると，ケーブルタイプを図 5 に示す。本図(A) はケーブルタイプ A,B の径の方が大きく曲げ剛性が高いことが伺え(B) はケーブルタイプ B の結果に相当する。

る。これに起因して動力伝達時のワイヤーの座静関節トルクの変化を見ると，タイプ B ϕ 0.85屈量が低減し，静関節トルクの増大に繫がった以外でケーブル駆動量の増加に伴い増大する傾のだと考えられる。

向が見られ，その後一定の値に漸近する傾向が

図 6 は計測角度毎に最大静関節トルクを比較みられた。これは本機構の特徴ともいえる過剰した結果である。ケーブル径，ケーブルタイプなトルクをケーブルの座屈によって回避する機による影響については前述の通り，ケーブルタ― 3 ―立石科学技術振興財団

物でも把持力を維持することが不可欠なことを考えると，単独のケーブルでの実用を考慮した場合は，大きな関節角度 ( θ  =90, 60°) でも把持力が得られるケーブルタイプ B，ϕ 0.85,0.60 を選定するのが妥当だと考えられた。
4. 2

動作解析結果

前述の結果から関節トルクの不足分を考え
ケーブルタイプ B，ϕ 0.85 を 2 本試作機の駆動系に採用した。図 7 に手指および動作支援装置の動作解析結果を示す。MCP 関節および PIP関節は，ほぼ完全に一致しており，その差は最大でも 10°程度，当初予定通り 10% 以下まで抑えることに成功したが，DIP 関節については手指背側と装置との間に空隙が出来てしまうためにその差は 20°以上にもなり，50% 以上の差が生じてしまった。本実験とは別に事前に(測定角度 θ =60°, (A) 7×7, (B) 1×19)

図6

行った物体把持試験では被験者に十分な力が加計測角度 θ  と最大静関節トルク τ の関係わっており，アシスト可能だと考えられたが，イプ B の方が高く，径が大きい方がより高い

動作解析では大きな差が確認されており改良が値を示した。ケーブルタイプ B，ϕ 0.85 では約必要なことは，このように明らかにあった。末50 Nmm の最大静関節トルクが得られ，多くの節部のパーツサイズ，物体把持の安定性などを手指関節支援装置が採用している 30 Nmm を考慮すると手指指腹部にパーツを取りつけるの上回る値を示した。各タイプにおいて計測角度は困難であり，当初予定していた機構による固θ  で比較すると θ =0, 90°では他の θ  の条件定は困難を極めた。今後は機構に頼らず，手指に比べて高値を示すのに対し， θ  が増大する

背側に固定する部分の形状を検討することでのと静関節トルクが低下する傾向が見られた。こ

解決必要だと考えられた。

れは計測角度が増大することで，関節間にケーブルが屈曲できる空間が拡大し，その屈曲が伝達力の低下に繫がったことが原因だと考えられる。提案した構造と機能としては，意図した通りの結果であるが，動作支援時に安定したトルク伝達を目論むにはケーブル自体を複数本用い，その組み合わせを考慮する必要があると考えられる。
関節の安全性は約 300 Nmm 以下が守られ図7ることだとの報告 (川崎ら，機論 (C)，2006)
があり，実験に用いられた多くのケーブルはこ

手指および動作支援装置の関節角度の変化[今後の研究の方向，課題]の仕様を満たしたが，前述の通り静関節トルクは測定角度 (=把持時の関節角度) が大きくな

本研究により単関節の動作支援機構の駆動部ると低下してしまった｡食器や筆記など小さなに単独の複合金属ケーブルを採用し，そのケー― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation

ブルタイプ・ケーブル径が静関節トルク特性にな装着性を可能にしたが，DIP については未与える影響を明らかにすることができたが，測だ十分とはいえない。手指を背側から固定する定角度によってそのトルク値が変化してしまう構造について更に検討する必要があると考えらことが分かった。これは関節角度が変わると手れる。

指関節支援トルクが変動してしまうことを意味[成果の発表，論文等]する。この問題を解決するため，今回得られた[ 1 ] 村上智哉，中林正隆，嶋脇 聡：複合金属ケーブ

ケーブルと静関節トルクの関係から複数のケールの押引駆動を用いた手指関節トルク支援機構の開ブルの組み合わせを用いることにより，安定した支援トルクを実現する構造について今後開発していく予定である。

発，第 32 回バイオエンジニアリング講演会，2D13,2019．
[ 2 ] 村上智哉，中林正隆，嶋脇 聡：関節の安全性を考慮した良好な指運動支援システム，関東学生会

また，試作した母指・示指を対象とした関節動作支援機構は MCP・PIP 関節において十分― 5 ―第 58 回学生員卒業研究発表講演会，619, 2019．