高齢下肢切断者用義足歩行訓練装置の開発
Development of a Prosthetic Gait Training System for
Geriatric Amputees
中川昭夫
小西克浩
NAKAGAWA Akio, KONISHI Katsuhiro
長倉裕二 (兵庫県立総合リハビリテーションセンター中央病院リハビリ療法部理学療法科)
NAGAKURA Yuji (Physical Therapy Department of Hyogo Rehabilitation Center Hospital)
森本正治 (岡山理科大学工学部福祉システム工学科)
MORIMOTO Shoji (Okayama University of Science)

キーワード：
高齢切断者、義足歩行訓練、平行棒、パイロンロードセル
Keywords:
Geriatric amputee, Gait training, Parallel bars,
Pylon load cell
Abstract:
Geriatric amputees sometimes have difficulties
in receiving prosthetic gait training. Most ofthem can walk in parallel bars but some of them
can’t walk outside the parallel bars. The reason
for this seems that it is not easy for them tounderstand the instruction of the physicaltherapists properly. To improve this situation,authors planed to develop a system to collectvariety of data , analyze and display at the sametime. This year, a simultaneous data collection
system and a pylon load cell were developed.

現状では義足歩行訓練に関しては、訓練を支援する機器はほとんど開発されておらず、ほとんどが理学療法士などの口頭を中心とする指示を受けて、義足使用者自身が体得しなければならない。
したがって、その受け取り方には個人差があり、高齢者の場合には、前述のように理解が困難な場合が、若年者より多く見られることになる。
昨年度から開始された本研究では、この訓練支援機器として、義足や平行棒にかかる力学量を視覚的にフィードバックすることにより、その訓練段階で習得するべきプログラムの学習を容易にすることを目標としている。
本年度は、基本的ハードウェアの開発として、多種類のデータを同時に取り込んで、データ間の演算を行うシステムと、義足にかかる負荷を計測する小型の力センサー（ロードセル）を開発した。
これらは、最終的に力学量をフィードバックするための基礎となるもので、平成 15 年度に義足使用者にとって理解しやすい表現方法を検討するためのデータ収集システムとロードセルである。

１ はじめに
２
高齢で切断を受けた者が平行棒内で、義足歩行訓練を行う場合、義足への体重のかけ方と移動方法、平行棒への上肢のサポートの方法、健側と義足のバランスなどに関する訓練の指示を理解することが難しく、平行棒内での歩行訓練までは行うことができても、次の平行棒外での歩行訓練への移行ができない例が、しばしば見られる。また、高齢でなくとも、義足への体重のかけ方を明確に指示できるシステムが存在すれば、若年者であっても義足歩行訓練が促進され、短期間の訓練で一定の効果が得られる可能性が考えられる。

平行棒と義足負荷の同時計測システム

昨年度は既存のシステムを合わせて、それぞれが単体でもっている機能を使用して訓練に役立てることができるかどうかを確認した。これらは、
荷重センサー付の平行棒にかかる負荷を表示するシステム、義足に組み込んだロードセル（荷重センサー）の出力をＡＤ変換器で読み込み、計算して荷重中心、負荷ベクトルの大きさと方向などを、ほぼリアルタイムに表示するシステムなどであった。また、小型床半力計に関しても、健側の床半力を計測することで、義足側のロードセルに

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よる負荷計測に対応するデータを計測すること
このシステムの概念図を図 1 にまた、このシスができるようになるものと考えられる。
テムの機能を表１に示す。
これらの情報は、それぞれが内容的には異なった性質のものであるために、一般には異なった情
表 1 計測表示システムの機能報として計測、評価されているものではあるが、Table 1 Spec of the Sampling System
いずれも訓練に密接に関連しており、しかも、義チャンネル数：３２
足訓練時に同時に発生するものであるので、時間
電圧範囲：0-15ch は 0-10V、16-31ch は±10V
的にも、また、表示方法についても統一した方法(0-7ch は平行棒からのデータを優先する)で取り扱われることが望ましいものと考える。
ＡＤ変換ビット数：16 ビット
そこで、本年度はこれらのデータを同時計測し、サンプリング間隔：10msecデータ間の処理を行い、ほぼリアルタイムに波形計測データの保存：最大 180secを表示するシステムを構築することとした。
0 点設定：可能（3sec の計測値の平均）
計測開始、停止信号：あり
2.1 システムの構成
画面表示：100msec 間隔
同時計測システムは、センサー付平行棒のデー
グラフ表示：最大 48 チャンネル
タ計測コンピュータを基礎として、同時に多数のチャンネル間演算：四則演算、括弧、ルート関
アナログデータをサンプルすることが可能なも数、三角関数、数値、チャンネルのとする。32 チャンネルのアナログデータを番号等、100 文字まで。0 割ｴﾗｰを10msec 間隔で計測し、計測した A/D 変換値を元検出したときは 0 データを出力に計算した値をリアルタイムに表示する。この画本システムでは、平行棒からの負荷データを入面表示時間は 100msec とする。
力することはできるが、先に開発された訓練評価
先に導入しているセンサー付平行棒の計測表のためのシステムとは目的が異なるため、訓練評
示システムとは別のコンピュータシステムとは価に使用する際には、コンピュータを切り替えてするが、表示モニターが多数設置されると混乱を使用し、本年度に開発されたシステムは計測と演招くことと、このセンサー付平行棒計測表示ステ算、義足ロードセルなどの他のシステムとの同時ムとは同時使用することはないことから、モニタ計測と表示を行う場合に使用するものとする。図
ーやキーボード、マウスは 1 台とし、任意に切り2 に本年度開発したシステムと先の平行棒に特化替えて表示できるようにする。

図 1 同時計測システム
Fig.1 Simultaneous Data Acquisition System

図 2 同時計測システムを組み込んだ平行棒Fig.2 Developed System

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されたシステムを組み込んだ状態を示す。また、
図 3 に基本入力を 4 チャンネル設定した場合の波形表示の画面、図 4 にデータサンプル後に１つのチャンネルを拡大表示する画面を示す。この画面
ではサンプルした 180 秒の全データを表示する画面と、一部分を拡大するモードを切り替えて表示することができる。ロードセル等からは BNC 端子からの入力となるので、汎用のデータ計測装置としても利用することができる。

図３ 基本入力データ表示画面
Fig.3 Basic Data Display Screen

曲げ、ねじりなどが計測できた。特に義足歩行訓練で高齢者が困難を感じる大腿義足において、当センターでは遊脚相制御装置を組み込んだ、インテリジェント膝継手などの下腿部が長い膝継手を使用する場合や、下腿義足でもソケット長が長い場合には、このロードセルは全長が長く、組み込むことはほとんど不可能と考えられた。そこで、このロードセルの計測項目の中から、歩行訓練に必要な機能のみを選択することによって、小型のロードセルを設計することとする。歩行訓練では義足ソケットへの体重のかけ方と、体重移動が問題となる場合が多く、矢状面内での 2 次元的な運動が理解できない場合が多いものと考えられる。
そこで、軸力と前後方向の曲げモーメントのみを検出するロードセルを設計することとする。このロードセルを用いると、矢状面内に限定されるが、義足に対する荷重中心の位置と負荷ベクトルの表示も可能になる。義足装着初期の段階では立位のみの訓練を行うが、その時点では、90 度方向を変えると前額面内での計測と表示にも用いることができる。
ロードセルの組立図を図 5 に、また、外観を図6 に示す。ひずみゲージには共和電業のKFC-2-120-D1-23 を用いて、4 ゲージ法を用いるものとする。このロードセルについて、キャリブレーションを行った結果を表 2 に示す。また、その結果を図 7 に示す。

図４ サンプルされたデータの拡大表示
Fig.4 Expanded Data Display Screen３

図５ ２軸ロードセル組み立て図
Fig.5 Assembly of Two Axis Load Cell

義足負荷計測用ロードセルの設計

義足の負荷を計測するためには、ロードセル（力センサー）が必要となる。昨年度に試用した
ロードセルは、義足にかかる負荷のすべてを計測することができるもので、軸力、前後曲げ、左右これらの結果から曲げモーメントに対する感度 を 求 め る と 、 A1 の ブ リ ッ ジ 部 分 は
k1=0.001686kgfm/ μ 、 A2 の ブ リ ッ ジ 部 分 は
k2=0.004171kgfm/ μ 、 B1 の ブ リ ッ ジ 部 分 は

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1.8
1.6
1.4
曲げ増加
曲げ減少
軸１増加
軸1減少
軸2増加
軸2減少

1.2
出力電圧

k3=0.001463kgmf/μとなる。
計測時に A1 部分の出力が a1μ、A2 部分の出力が a2μ、B1 部分の出力が b1μであったとすると、軸力 F0=(k1a1-k2a2)/0.014
ロードセル部分の曲げモーメントは
M0=k3b1-(40/14)(k1a1-k2a2)
このように計算される。

10.80.60.40.2005
荷重kg10

図７ キャリブレーション結果
Fig.7 Result of Calibration
昨年度に使用したロードセルでは図 8 のようになるが、本年度に開発したこのロードセルでは下腿義足に組み込むと、図 9 のようになり、寸法的に組み込みが容易になることがわかる。
図６ ロードセルの外観（円筒部は直径 26mm）
Fig.6 Finished Load Cell

表２ ロードセルのキャリブレーション
Table 2 Calibration of the Load Cell

曲げ 曲げ 軸１増 軸1減 軸2増 軸2減変位増加 減少 加少加 少0kg 0V 0V 0V 0V 0V 0V 0mm
10 0.277 0.28 0.164 0.166 0.033 0.034 0.14
20 0.548 0.551 0.321 0.323 0.061 0.062 0.28
30 0.82 0.822 0.478 0.48 0.09 0.091 0.41
40 1.092 1.095 0.638 0.64 0.121 0.122 0.54
50 1.366 1.368 0.798 0.8 0.153 0.154 0.67
60 1.641 1.641 0.961 0.961 0.187 0.187 0.8

荷重

校正出力 校正電圧
200μ0.203V-200μ-0.196V

図８ 昨年度に試用した６軸ロードセル
Fig.8 6 Axis Load Cell in TF Prosthesis

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図９ 本年度に開発した２軸ロードセル
Fig.9 2 Axis Load Cell in TT Prosthesis
４

フィードバックのための表示方法の検討

このロードセルを先の計測システムに組み込むと、ほぼリアルタイムで表示することは可能ではあるが、現状では時間軸に対する出力、及び計算値の波形が表示できるのみである。どのような表現が義足使用者に理解しやすいかを検討し、次年度の表示ソフトの開発につなげることとする。
昨年度のロードセル単体のシステムでは義足に固定の座標系を用い、義足の形状をした表示画面に対して負荷ベクトルの方向と大きさを、図10 のように前後方向と左右方向に分けて表示し図 10 昨年度のロードセルの表示画面
Fig.10 Example of Display Screen
た。高齢者にとっては、義足を動かしているのにもかかわらず、表示上は義足が固定しており、その対応を頭の中で変換しながら理解しなければならないことから、容易には理解できなかった様子が見られた。
本年度のロードセルでは、基本的に矢状面内のみの計測を行うこととしているため、側面からみた義足の表示のみになるが、訓練の段階に応じて異なった表現が必要になる場合も考えられる。
さらに、義足の傾きに対応して、表示される義足を傾けることをめざす場合には、義足の傾きを検出するセンサーを追加しなければならない。歩行ロボットなどでは、傾斜が計測できる加速度計(G センサー)とジャイロ(角速度計)を用いる方法
や、同様の G センサーと傾斜が検出できない加速度計を用いて、その差をとることによって傾斜を計算するという２つの方法があるようである。これらのセンサーを追加して計算処理を行う必要が出てくる。
一方で、波形を表示する場合に、時間軸に対する出力等の波形は直感的な理解が困難で、大きさだけが問題になるスカラー量であれば、棒グラフ的な表現のほうがわかりやすいという経験があり、昨年度に試用した平行棒の計測表示装置でも、主たるフィードバックは棒グラフを用いることとなっている（時間軸に対する表示も可能） 。
ロードセルによる負荷を表示する場合には、着目する項目が多数あり、ベクトルの大きさと傾き、ベクトルの通過点、一定時間間隔で表示されるベクトルの推移を見るために、立脚相にベクトルによって形成される形状や、各ベクトルの間隔、健側に床半力形を使用した場合には、義足と健側の比較など、さまざまなパラメータが考えられ、そのうちのどの情報を提供するのが適当であるかを検討する必要がある。これらのことから、瞬間の値を表示することが望ましい場合と、その軌跡を表示することが望ましい場合もあるものと考えられる。更に、目標値としてどのような負荷をめざすのがよいかについても、情報として蓄積しておく必要があり、これらをどのように表示するかについても検討を加えておく必要がある。
これらは、情報の蓄積を必要とする部分と、ソフトウェア開発にかかる負担の大きさによって、実現可能な範囲が変化するが、それに先立って本年度に作成したシステムを用いて、平行棒とロードセルを統合化したフィードバックの可能性について義足使用者の評価を行わなければならない。また、表示方法についても、たたき台になる表示がなければ、改良の方針も立たないことから、

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いくつかの表示方法を提案する形で試作し、これらを元に完成に近づけるという方法も、同時進行的に進めなければならない。
５

おわりに

本年度は平行棒による上肢のデータと、義足に組み込んだロードセルからの下肢のデータを同時に取り込んで、視覚フィードバックを行うためのシステムを開発した。昨年度までの単体のシステムを単独に動作させるものではなく、一つのコンピュータで同時入力し、時間軸に対する波形の変化を表示するシステムとした。A/D 変換チャン
ネルに余裕があることから、既存の小型ポータブ
ル床反力計を同時に計測することも可能である。
ただし、現有するひずみアンプは 8 チャンネルであり、床半力計にそのすべてを使用するため、ひずみアンプに余裕がなくなってしまう。そこで、ひずみアンプを増設するか、ロードセルに使用するアンプとして、計測用オペアンプを使用した超小型のアンプを搭載するかをしなければならない。計測用オペアンプとしては、ドイツのオットボック社が製品化している油圧コンピュータコ
ントロール膝継手である C-leg において、歩行のタイミングを得るために下腿パイプ部にひずみゲージを使用し、パイプ内部にオペアンプによるひずみアンプを使用しており、他の産業用途としては多数使用されていることから、ロードセルに内蔵する専用システムとして、次年度に試みることとする。

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