第一工科大学研究報告第34号(2022)pp.67-70

空気圧ゴム人工筋肉を利用したリハビリテーション支援器具の開発
武 田隆 宏機械システム工学科 〒899-4395 鹿児島県霧島市国分中央 1 丁目 10 番 2 号

Development of Rehabilitation Support Equipmentusing Pneumatic Rubber Artificial Muscle
Takahiro Takeda
Mechanical system engineering, 〒899-4395 1-10-2, Kokubu-chuou, Kirishima, Kagoshima

Abstract: It is said that about half of the patients suffering from cerebrovascular disease are discharged
with sequelae. Therefore, it is said that remote rehabilitation for patients with cerebrovascular diseaseis necessary. In this study, we consider a methodology for reproducing the "Kawahira method" withartificial muscles for a rehabilitation support system for paralysis. For the movement of the patient'sfinger, a cheap, easy-to-make and lightweight Macchiben-type artificial muscle is used to create arehabilitation glove. As an experiment, it was confirmed that an artificial muscle was created from arubber tube with a length of 180 mm, an outer diameter of 11.6 mm, and an inner diameter of 8 mm,
and when pressurized at about 0.48 MPa, it contracted by about 35 mm. In this presentation, theorthotic device was evaluated by flexing and extending with artificial muscles limited to one index
finger.
Key words: Rehabilitation, Kawahira method, Artificial Muscle, Macchiben-type artificial muscle

1. 前書き交通事故などを原因とする脳疾患や神経の圧迫，筋ジストロフィーなど様々な要因によって麻痺が引き起こされる。その中でも脳卒中や脳梗塞などの脳血管疾患の受傷者数の割合は高く，主な傷病の中でも上位を占めている．平成 29 年度の患者調査[1]によると約 111.5 万人が脳血管疾患を患っており，高齢になるにつれて患者数が多くなっている．また，退院患者の約半数が後遺症を抱えたままであると言われており[2]，原因の一つとして病院におけるリハビリの行い方が挙げられている．リハビリは急性期，回復期，維持期の三段階に分けられ，急性期及び回復期では病院，維持期ではリハビリ専門施設や介護施設等でリハビリを行う．現在医療保険の制度により，脳血管障害では 150 日，高次脳機能障害を伴った脳血管障害では 180 日までしかリハビリを受けられないため，十分なリハビリを行うことができていないのが現状である．そのため急性期及び回復期は麻痺の完治や機能の回復ではなく，廃用症候群を防ぎ，麻痺していない部分を用いた日常生活を行うための機能訓練を行う傾向にある．このようなことから，後遺症が残ったまま退院を余儀なくされている場合があると考えられる．また維持期のリハビリにおいても目的はあくまで「現状の維持」であり，より積極的なリハビリ内容には至らないのがほとんどである．退院した患者のうち 54%が「リハビリを行う環境が不十分である」と回答している[2]．現状，退院後の生活期ではリハビリ専門施設やデイサービス等の通所リハビリや

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訪問リハビリの利用が主であるが，脳血管疾患患者の多くを占めている高齢者には，通所リハビリは身体的な負担が大きく困難である．また訪問リハビリにおいても，理学療法士の人数不足や，患者宅へ訪問するのに時間がかかるため十分な治療が行えないな
どの大きな問題がある．これらの問題の改善策として療法士の増員やリハビリ施設の充実，遠隔治療などがあり，その中でも遠隔治療への需要や関心は高まってきていると言える．このことから遠隔治療に着目し，本研究では手指関節用の遠隔リハビリテーションシステムを提案する．

第34号（2022）

カメラでのフィードバック+センサでの定量評価

図 1 遠隔リハビリテーションシステム概念図

本システムは主に，手指に麻痺等の障害を持つ患者のリハビリを対象とする．遠隔リハビリを行うメリットとして，場所に依存せず行うことができる，継続的にリハビリを実施できる，療法士不足の解消などが挙げられる．
本研究ではこれらに加えて，従来のものよりもリハビリの質を向上させることを目標とする．質の高いリハビリを行ううえで療法士による支援は必要不可欠であり，それらを遠隔で行うためには患者の手指へ療法士による図 2 川平法の治療プロセス何らかの操作が必要である．従来研究[3]では療法士が動かしたマスタースレーブによって遠隔で患者の手首を動かすが，本論文で提案する遠隔リハビリテーションシステムでは，従来研究[3] とは異なったアプローチを行うために，療法士の手指の動きをそのまま患者にトレースする方法を検討する．このシステムが出来れば，療法士の手指の動きをトレースするのみならず，マネキン等の手の模型を用いれば擬似的な患者として扱うことができ，より幅広いリハビリが可能となる．
本研究報告では、提案するリハビリテーション支援システムの内，患者の手指を駆動させる人工筋肉の作成について述べる．ここでは，人工筋肉として空気圧で作動するマッキベン型人工筋肉を採用し，その動作特性について実験を行った結果について記載する．

2. 主 部
2.1 遠隔リハビリテーションシステム
遠隔リハビリテーションシステムの構成を図 1 に示

2.2 川平法
脳血管疾患による麻痺に対する治療法として「川平法」と呼ばれる治療法がある． 従来の促通法として Bobath法やBrunnstrom 法 ， Proprioceptive NeuromuscularFacilitation（PNF）などの神経筋促通法があるが，麻痺や日常生活活動（ADL）改善への有効性は実証されておらず，科学的根拠はないとされている．それに対して川平法は促通反復療法と呼ばれており，脳血管疾患による麻痺に対して高い効果が認められている[4]．
川平法の治療におけるプロセスを図 2 に示す．これは脳の可塑性を利用した治療法であり，麻痺した手や足を治療者が操作して患者に意図した運動（随意運動）を実現･反復することで，大脳から脊髄までの神経回路を再建・強化する [3]ことができる．そこで，手指の麻痺に対してより高い効果を得るため，川平法のプロセスを遠隔リハビリテーション装具へと取り入れる．

す．本システムはセンサーグローブ，空気圧グローブ，Arduino UNO，電磁弁，エアーコンプレッサによって構2.4 空気圧グローブ成される．療法士側では，センサーグローブで指の曲げリハビリテーション装具を開発するうえで，患者の指量が計測され，Arduino UNO へと送られる．患者側では，を動作させるアクチュエータが必要になる．本研究で対Arduino UNO が療法士の指の曲げ量を信号として出力象とするのは脳血管疾患による手指の麻痺であり，軽量し，その信号によって電磁弁の開閉を制御することで空であること，安価で作製できることなどが条件として求気圧グローブを動作させる．療法士へのフィードバックめられる．モータやリンク機構などを用いれば安定したについては，カメラ映像および空気圧グローブの曲げ量出力をすることができ，指を屈曲させることは容易であの 2 種類で行う．

るが，装具重量が増加することが考えられる．そこで，
本研究では軽量・高出力の空気圧式人工筋肉を採用する．

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3. 実験結果
3.1 電磁弁による空気圧グローブの動作実験
作成した空気圧グローブ(図 5)の動作実験を行った．
空気圧は約 0.5MPa に設定し，人工筋肉 1～4 を順番に動作させた．また電磁弁の制御については，Arduino での操作ではなくスイッチ付電源タップでスイッチを切り替えて電磁弁の ON/OFF を切り替えた．空気圧グロー
ブの動作実験結果を図 6 に示す．人工筋肉 1 が指全体の屈曲，人工筋肉 2 が指全体の伸展，人工筋肉 3 が PIP の

図 3 マッキベン型人工筋肉の配置屈曲，人工筋肉 4 が MP の屈曲をそれぞれ行えることを確認した．これらの動作において指の角度は表 1 のようになった．これらの結果から，人工筋肉 3，人工筋肉 4による特定の関節の屈曲を確認でき，目標としていた指の各関節の屈曲を達成することができたと言える．だがPIP，MP ともに，角度は小さく，実用までの課題は多い．

表 1 空気圧グローブ動作後の指の角度
図 4 人工筋肉固定具

図 5 作成した空気圧グローブ
人工筋肉には様々な種類があるが，本研究ではマッキベン型人工筋肉が最適であると考え，アクチュエータとして採用した．マッキベン型人工筋肉を図 3 のように取り付ける．指背面に取り付ける人工筋肉 1 は指全体の屈曲を行う．また前腕部には計 3 個の人工筋肉が取り付けら

図 6 空気圧グローブ動作実験結果れており，それぞれの人工筋肉には糸が繋がれている．
収縮して糸を引くことで人工筋肉 2 が緑：指全体の伸展，人工筋肉 3 が赤：PIP（第二関節）の屈曲，人工筋肉 4 が青：MP（第三関節）を行う．
本研究では先行研究[5]を参考とし，長さ 180mm，内径 8mm，外径 11.6mm のものを使用し，さらに腕部への3.2 Arduino による制御回路作成した制御回路（図 7）に電磁弁を接続し，Arduino
UNO によって動作させた．プログラムは制御回路の動作確認のため，電磁弁 1～4 が 1 から順番に 5 秒間 ONと 5 秒間 OFF を交互に繰り返すものを作成した．実際

人工筋肉の固定のために図 4 に示すように 3D プリンタの動作を確認したところ，不規則に ON/OFF を繰り返を使用し固定具を制作する．さらに，人工筋肉の動作にす，電磁弁が動作しないなど，正常な動作は見られなかは有効断面積 0.6mm2 以上、オリフィス径 0.9mm 以上のった．電磁弁の定格電圧は 12V であるが，このとき電磁電磁弁を使用し Arduino による制御を行う．ここでは，Arduino からの出力が通常時（非通電時）は弁が閉じ，通電時は弁が開く N.C.（ノーマルクローズ）を使用する．

弁へ加えられていた電圧は 5V であった．そこで，この問題を疑わしいと考えられる 1）制御回路，2）プログラム，3）電磁弁の 3 点に切り分け，原因の特定を行った．

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第34号（2022）

図 8 LED 点灯実験

図 7 制御回路原因の特定のため，電磁弁を同じ定格電圧 12ＶのLED に置き換え，先述と同じプログラムと制御回路を使用し，点灯実験を行った．図 8 は点灯実験を行った際

本論文ではリハビリテーション装具というテーマを設定したが、この研究は別の分野への応用の可能性がある．例えば療法士の指の曲げ量を読み取るセンサーグローブは，装着型のマスタースレーブとしてロボットの遠隔操作への応用できる．また，患者が装着する空気圧グローブは，センサーグローブとArduino UNO を AI に置き換えれば，AI などによる遠隔リハビリも可能となると考えられる．のものである．点灯実験を開始したところ，LED1 は５5 間点灯したのち 5 秒間消灯し，それを LED1～4 で繰り返し，プログラム通りの動作をすることが確認できた．
この結果から，問題の原因は 3）電磁弁にあることが確認された．これは，電磁弁の動作に電磁石（コイル）が使用されており切り替え時の逆起電力が原因ではないかと推測されるが，特定には至っていないため今後の課題とする．

4. 結 び
本論文では手指関節用の遠隔リハビリテーション装具を提案し，前段階として空気圧グローブの開発と電磁弁の制御回路の作製を行った．空気圧グロー
ブの動作実験について，指の角度が小さかった原因として，マッキベン型人工筋肉の収縮量が少なかったことが挙げられる．この問題の改善策として，人工筋肉そのものを大きくすることで収縮量を大きくすることや，人工筋肉の素材を見直し，より肉厚の薄いゴムチューブを使用するなど行いたい．また，作製した空気圧グローブは拘縮を持つ患者でも使用できるような出力荷設定したが，装具は装着しづらく，特に拘縮を持つ場合は困難であると考えられる．そのため今後の課題として，拘縮の場合でも取り付けやすいような装着方法の開発が挙げられる．
また，Arduino を用いた電磁弁の制御回路の設計を新たに行い，自動制御を目指すことが今後の課題である．

参考文献[1] 主な傷病の総患者数（平成２９年患者調査の概況），厚生労働省 (2018)[2] 脳卒中経験者の生活調査，株式会社ワイズ (2016)[3] 修震，留滄海，北川能，塚越秀行，小西健一郎，“遠隔で行う他動運動による在宅手首リハビリシステムの研究”，日本フルードパワーシステム
学会論文集 (2010)[4] 促 通 反 復 療 法 研 究 所 - 川 平 先 端 リ ハ ラ ボ（https://kawahira.org/profession/）[5] 中村太郎，“空気圧人工筋肉を用いたバックドライバブルな可変剛性機構とその制御”，日本ロボット学会誌，Vol. 31 No.6, pp.572~576 (2013)