LIFE2014

GS4-3

2014 年 9 月 24 日－26 日 北海道

床からの立ち上がり動作を補助する装置の開発
Development of the Device for Assisting Standing Movement from Floor○ 南後淳（山形大学）

佐藤慶和（元山形大学[院] 現倉敷機械(株)）Jun NANGO, Yamagata University
Yoshikazu SATO, KURAKI Co.,LtdAbstract: The action of standing up is a starting point when we move to the next actions, and that is performed frequently
in daily life. This action induces the pain in joints as people age. Supporting to the action of standing up is important toprevent the nursing care level from advancing. In this research, we develop the mechanism for assisting standing
movement from the low position that can set on the floor in the japanese-style room. Double pantagraph jack is used toexpand the operating range of seat plate. We design linkage to aim at 2 postures of legs. Namely, It is beginning posture,and ending posture to support. We evaluate this device’s supporting performance by the floor reaction force and theelectromyogram of the leg.
Key Words: Standing Movement from Floor, Planar 10-bar Linkage, Pantagraph Jack
1. 緒言
日常生活において立ち上がり動作は，歩行などの様々な動作へ移るときの起点であり，頻度が高い．しかし，脚部で自分の体重を支えるため，膝関節や股関節への負担が大きく，筋力の低下した高齢者などにとってはつらいものとなる．立ち上がり動作の補助は動作負担の軽減や，要介護度の悪化を防止するという点でも重要である． 現在市販されている補助装置としては椅子形のものが主流である．床から立ち上がる際にも使用可能な補助装置として，座椅子の座面が電動で昇降するものがある． しかし，床からの立ち上がり動作は脚部関節可動域が広く補助装置に必要とされる駆動力も大きくなる． そのため，市販されている補助装置は大型で高価になり，広く普及されているとは言えな
い．
本研究では，床からの立ち上がり動作を補助する装置の開発を行う．この装置は座椅子にリンク機構を組み込み，座面を上下に駆動させ，座面の動きによって立ち上がり動作を補助・誘導し負担軽減を図る．機構はコンパクトで且つ座面の可動域も十分に得られ，1 入力で駆動するものとする．そこで,パンタグラフジャッキの平面 6 節リンク機構を上下に 2 つ重ねた機構を提案する．機構定数は，使用者が座位の姿勢となる補助開始位置および立位の姿勢となる補助終了位置の 2 つの姿勢において，座面に対する使用者の脚部の姿勢を重視し，装置の大きさの制限と合わせて条件を設定し探索する.本装置の特性評価として，装置の動作検証を行い，さらに床反力および筋電位の測定を行う．
2. 図表平面 6 節リンク機構を用いた立ち上がり補助装置
2-1 運動学モデル
図 1 に機構図を示す．この機構は対偶点の ABDF およびDHJC で構成される閉回路を，点 B および D において結合した平面 10 節リンク機構で構成されている．座面は線分H1I1 である．リンク 3 に入力を与え，1 入力で駆動する．
リンクx x 1, 4, 7, 10 の節長を ax とし，線分 AE, FE, DK お
よび BK の長さを nx : 0 < nx <1 (x=1,4,7,10)を用いて,，nxaxとする．
2-2 設計仕様
生活空間を制限しないようひじ掛け部分に装置を収納することを考える．図 2 に座位の状態の装置の大きさについて条件を示す．図 3 に座面と脚部姿勢を示す．
装置使用者が座位の姿勢となる補助開始位置①および立GS4-3-1

位の姿勢となる補助終了位置②の 2 つの姿勢における，座面に対する使用者の姿勢に着目する．
足関節から床と垂直な線を引き,床と交わる点を原点とし座面が①および②の位置にあるとき，股関節が図に示す座標となることを座面の運動の条件とする．
2-3 機構定数の決定
探索はリンク 1, 4, 7, 10 の長さ ax(x=1, 4, 7, 10)および n7:
0 < n7 <1(n10=1- n7)についてとし，ax はすべて同じ値とす
る．下の機構は高さのみを得るため n1=n4=0.50 とする．そして，上の機構で角度を調節することを考え n7 を設定する．
装 置 の 大 き さ の 条 件 か ら ax の 候 補 (400, 450, 500, 550,600[mm])を，座面の動きの条件から n7 の候補(0.45, 0.40,0.35. 0.30)を挙げ，合計 20 通りの組み合わせから総当たりで探索した．座面②の股関節座標(150,700)と機構から計算する股関節位置の点間距離が最小の時の座面の高さと角度から次に示す機構定数に決定した．
n7=0.40 (n10=0.60)
ax=500[mm],3. 動力の選定
被験者の体重 70[kg]が座面に作用するとして動力源にガススプリングを採用する．ほぼ一定の反力が長いストロークで得られるからである．
今回，ガス反力は θ1=10[deg]のとき，体重と釣り合う入力の 70[%]とし，最大ガス反力 456[N]，ストローク 360[mm]のものを 2 本用いることに決定した．

Fig. 1

Kinematic modelLIFE2014

Fig. 2Size restriction

2014 年 9 月 24 日－26 日 北海道(a) Lowest position (b)Highest position
Fig. 5 Seat hightFig. 3 Hip joint coordinates

4. 装置の動作検証
図 4 に製作した装置を，図 5 に人体と装置の位置関係を示す．図 5(a)は座位の姿勢を示し，座面の高さは 100[mm]，機構全体の高さは 400[mm]であり，座椅子のひじ掛け部分に収納可能な高さである． 図 5 (b)に補助終了位置の機構および使用者の姿勢を示す．座面の角度は 40[deg]で，この時使用者の股関節位置は高さ 700[mm]となり，座面の可動域は約 600[mm]を得ることができた．また,脚部姿勢に着目すると股関節位置が足裏の接地面近くまで移動しており，この姿勢は上半身の前傾によって立位の状態を保てる姿勢であると考えられる．以上のことから本装置は,補助に必要な座面の可動域を得ていることを確認した．
5. 床反力の測定および評価装置を使用して立ち上がる場合と，同じ座位の姿勢から補助なしで立ち上がる場合の床反力を測定する．被験者は体重 70[kg]の 20 代男性である．図 6 に測定結果を示す．グラフの横軸はサイクルとし，座位を 0[%]，直立を 100[%]とする．装置を使用することで立ち上がり動作の過程において床反力が減少している．
6. 筋電位の測定および評価補助効果の評価として筋電位の測定を行う．測定部位は，
前脛骨筋(TA)，腓腹筋(GA)，大腿直筋(RF)，半腱様筋(ST)としている．測定結果を図 7 に示す．装置を使用することにより前脛骨筋は最大値で約 86[%]減少した．同様に腓腹筋は約 42[%]減少した．装置を使用することで足関節の背屈および底屈を行う下腿の筋電位が減少している．大腿直筋(RF)および半腱様筋(ST)では有意差は見られなかった．
7. 結言
本研究では，床からの立ち上がり動作を補助する装置として，平面 6 節リンク機構を上下に重ねた機構を提案した．
試作した装置では，機構は座椅子のひじ掛け部分に収納可能であり，動作検証により補助に必要な座面の可動域を得ていることを確認し，さらに，床反力および筋電位の測定より一定の補助効果を確認した.今後は, 大腿部の補助が得られなかった原因について検討する必要がある.

Fig. 6 Floor reaction force(a) TA(b) GA(c) RF(d) ST
Fig. 7 IEMGs
Fig. 4 Assisting device

GS4-3-2