日本機械学会誌38

解説2016. 1Vol. 119 No. 1166

介護・介助のメカトロニクス

上肢機能障害者のための力伝達装具（アクティブギプス）の開発
Force Transmission Orthosis（Active Cast）for Upper Limb Disabled Persons

矢野賢一

Kenichi YANO◎1999 年豊橋技術科学大学大学院工学研究科博士後期課程修了，同年豊橋技術科学大学工学部生産システム工学系
助手，2004 年 4 月岐阜大学工学部機
械システム工学科助教授，2010 年 8月三重大学大学院工学研究科機械工学専攻教授，現在に至る◎研究・専門テーマは，制御工学，ロボット工学，医療福祉工学◎正員，三重大学教授 大学院工学研究科機械工学専攻（〒514-8507 津市栗真町屋町 1577／
E-mail：yanolab@robot.mach.mie-u.
ac.jp）

図1

力伝達装具（アクティブギプス）

1．はじめに現在，事故や疾病などにより身体機能を失った身体障害者の数は毎年増加傾向にあり，日本では約 350 万人であると推計されている．身体障害者の約 50% に相当する約176 万人は肢体不自由者であり，とくに下肢機能障害者と上肢機能障害者を合わせると 100 万人以上とされる（1）．これらの機能障害により歩行困難となった人の別の移動手段

図2として車椅子がある．頸 髄損傷などの上肢機能障害者にアクティブギプス装着の様子とって，屋外環境における段差や坂道，砂利道といった障害は大きな弊害となり，道路脇の段差や砂利道のような走

1，2 に示す．

行抵抗の大きな路面環境には対応できず，ADL（Activities

本装置は肘関節での力の損失を防止するために，肘回転of Daily Living）や QOL（Quality of Life）の低下や自立性軸にラチェット機構を組み込んでおり，機構的に肘関節での欠如につながる．の回転を止め，肘をロックさせることで肩からの力を手先近年，頸髄損傷などの上肢機能障害者の上肢機能を支援に伝達させる仕組みとなっている．また，肘関節の屈曲伸する装着型ロボットの開発が行われている（2）〜（7）．しかしな

展動作の際に上肢骨格の構造から起こる前腕部の内外旋のがら，モータ等によって直接動作支援を行うため，高出力動作をフォローするために動作軸と同軸上に内外旋方向にの駆動システムが必要となる点や他動力を用いることによ遊びが生じるように揺動を設けており，人間本来の生理的る残存機能の低下が懸念される．障害者の自立を目的とし可動域を侵さないよう工夫されている．

た生活支援機器に向け，従来研究のようなパワーアシスト

現在，装置本体の重量はバッテリー，センサ，モータす型では解決しなければならない問題が数多く残っている．

べてを搭載しても，300 グラムを下回るところまで軽量化

そこで本研究では，手動式車椅子を利用する上肢機能障されており，長時間の使用にも耐え得る構造となっている．

害者の残存機能に着目し，その残存力を手先に伝達するこ利用者の残存機能をフルに活用することにより，発熱の問とのできる生活支援機器を開発することを目的とする．

題も解決し，服の中に装着することも可能である．このロ

2．力伝達装具（アクティブギプス）

ボットの一番の特徴は，動力源となるロボットと軟部組織

上肢機能障害者の肩関節周りの残存力を手先に伝達させの収縮・増幅を考慮し，利用者の肩から装着しなくてもずることを目的とした力伝達装具（アクティブギプス）を図れ落ちない構造と，ロボットからの力を確実に人体に伝達に覆われた人体をつなげるロボット専用装具にある．筋肉─ 38 ─Vol. 119 No. 1166

EMG（V）

10－1
1.5
10.50EMG（V） iEMG（V）

上腕二頭筋

操作区間－5iEMG（V）

僧帽筋上部線維

図 3 傾斜路走行実験の様子

64205EMG（V）

操作区間
10－1
1.5
10.50EMG（V） iEMG（V）

上腕二頭筋

僧帽筋上部線維39－5iEMG（V）

2016. 1

日本機械学会誌

642050246810 12 14 16 18 200246810 12 14 16 18 200246810 12 14 16 18 200246810 12 14 16 18 20時間（s）0

図50246810 12 14 16 18 200246810 12 14 16 18 20装置ありの場合の筋電位信号4．おわりに
本研究では，ラチェット機構を採用した肘関節の固定，非固定を状況に応じて制御することにより肩関節周りの残002468

存力を手先へ伝達することのできるアクティブギプスを開

10 12 14 16 18 20発し，提案装置の有効性を示した．今後は製品として市場に展開するための改良を進めていく．
（原稿受付02

図4468 10 12 14 16 18 20時間（s）

2015 年 8 月 26 日）

装置なしの場合の筋電位信号することのできる構造を併せ持つことがポイントである．

3．頸髄損傷者による車椅子操作実験Zancolli 上肢機能分類で右腕 C5A，左腕 C5B に相当す
る 30 代男性に対して傾斜路走行実験を行った．本実験では，トレッドミルを用いて約 3.4（deg）の傾斜路（2m）を設定し，開発装置を用いた場合と用いない場合における傾斜路走行の違いと本装置の目的である肩関節周りの残存力が伝達させているかどうかを検証する．残存力を使用できているかは筋電位センサを用いて，僧帽筋上部線維と上腕二頭筋の筋活動を評価した．実験の様子を図 3 に示す．
装置なし（図 4）の場合，スロープ下端から上端まで 6ストローク，約 13 秒で到達しているのに対し，装置あり（図5）ではスロープ下端から上端まで 4 ストローク，約 8 秒で到達しており，手数が少なく，1 ストローク当たりの移動距離が増加していることがわかる．
筋電位信号に着目すると，図 4，図 5 に示すとおり，装置なしの場合では，伸展力がないため使用されていなかった僧帽筋上部線維の筋活動が，装置を使用することにより，活発に使用されていることが確認できた．さらに，上腕二頭筋においても操作後期において筋活動が活発になっていることが確認でき，本提案装置の有効性が確認できる．
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●文 献（ 1 ）平成 24 年度版障害者白書．
（ 2 ）矢野賢一・山根 理・水谷直人・青木隆明・西本 裕，腕神経叢損傷患者を対象とした粘弾性変化と到達位置予測に基づく上肢動作支援制御，日本リハビリテーションネットワーク研究会
誌，12-1（2014），1-14．
（ 3 ）中村博幸・ほか，C4 レベル頸髄損傷者の筋電位信号による肘関節動作支援，日本機械学会論文集，80-820（2014）．
（ 4 ）Kiguchi, K. and Hayashi, Y., An EMG-Based Control for an Upper-Limb Power-Assist Exoskeleton Robot, Systems, Man, andCybernetics, Part B：Cybernetics, IEEE Trans., 42-4（2012）．
（ 5 ）Hsieh, H., Chien, L. and Lan, C., Mechanical Design of a Gravity-Balancing Wearable Exoskeleton for the Motion Enhancement of Human Upper Limb, Proc. of IEEE ICRA,（2015-5），
4992-4997.
（ 6 ）Mizutani, N., Matsui, H., Yano, K. and Kobayashi, Y., Driving
Force Assistance Control for Wheelchair Operation Using an
Exoskeletal Robot, Proc. of IEEE/RAS BioRob 2014,（2014-8），
1085-1090.
（ 7 ）Tominaga, S., Nakamura, H., Mizutani, N., Sakamoto, R., Yano,
K., Aoki, T. and Nishimoto, Y., Elbow Joint Motion Support forC4 Level Cervical Cord Injury Patient Using An Exoskeleton Robot, Proc. of IEEE ICRA 2015,（2015-5），4979-4984.