ABML2011

O3-5

2011年11月3日-5日 東京（芝浦工業大学）

メカニカルブレーキ式転倒防止装置を搭載した歩行支援機の開発（ブレーキ機構の実験的検討）
Development of a Walking Support Machinewith a Mechanical Brake to Prevent Patient’s Falling.
(Experimental Study on the Brake Mechanism)○ 吉家 貴洋（東海大院）

甲斐 義弘（東海大）

Takahiro YOSHIIE, Tokai University, 4-1-1 Kitakaname, Hiratsuka, Kanagawa
Yoshihiro KAI, Tokai University,
Abstract : Along with the steadily rising elderly population in Japan, the number of aged persons with difficulties inwalking is increasing. We have developed a walking support machine for assisting the gait exercises of the patients inhospitals. The walking support machine has a device to unload patient’s body weight and a device to prevent patient’sfalling. These devices consist of only mechanical components without actuators, controllers and batteries. In the device toprevent patient's falling, a brake mechanism is used. In this paper, first, we analyze the brake mechanism. Second, we
design and develop a new device to prevent patient's falling on the basis of the analysis results. Third, we experiment byusing the device. Finally, from the experimental results, we examine the usefulness of the device to prevent patient'sfalling.
Key Words ： Walking support machine, Rehabilitation, Gait exercise
図 1 に本研究で取り扱う歩行支援機を示す．本研究で提案する歩行支援機は，後部に転倒防止装置・体重免荷装置を搭載した患者吊り下げ式歩行支援機である．歩行訓練時に患者は歩行支援機内に入りハーネスを装着する．ハーネ
スは歩行支援機上部のロープ A に接続される．ロープ A のもう一端は転倒防止装置に接続され,ロープ B を介して体重免荷装置に接続される．
転倒防止装置では患者の転倒時に発生するロープ A の速度に着目し,あらかじめ設定した値（以下，設定速度）を超えると装置が検知しメカニカルなブレーキが作動する．患者が立ち上がることでブレーキは解除される.
体重免荷装置は患者の歩行訓練時や患者が転倒を防止された後立ち上がろうとするときに体重を支える．
2-2 体重免荷装置
体重免荷装置には,ストロークによらず一定の荷重を発生する定荷重ばねを用いている．定荷重ばねにより発生した力はロープＢ・転倒防止装置・ロープＡを介して患者に伝わり，患者の体重を常時免荷する．定荷重ばねは取替え可能で免荷力 Fw (1～20[kgf])が発生できるようになっている．

1. 緒言
近年，高齢化社会の進行に伴い，歩行機能に障害を持つ患者が増加している．医療現場では患者の歩行訓練を促進し，介助者の負担を軽減する歩行支援機の開発が望まれている．これまでに，歩行支援機について数多くの研究が行われているが(1)，(2)，その多くはアクチュエータ駆動式のものであり，実際の医療現場で多く使用されるためには安全性やメンテナンス，重量等の問題がある．
本研究では，アクチュエータやバッテリー等を用いず，ばねやダンパーなどの機械要素のみを用いて，患者の転倒を早期に検知し防止する「患者転倒防止装置」と患者の体重を免荷する「体重免荷装置」を搭載した歩行支援機をこれまでに提案してきている(3)，(4).転倒防止装置ではブレーキ機構を使用している.
本報告では,ブレーキ機構の力学的解析を行い，その解析結果に基づき転倒防止装置を設計・製作する．製作した転倒防止装置を用いて実験を行い，実験結果よりブレーキ機構の力学的解析に基づいた転倒防止装置の設計手法の有効性を検討する．
2. 歩行支援機
2-1 歩行支援機の構造
Fw

PulleyRope A
Device to Prevent

Harness

Patient’s Falling

Rope BFw

Fig.2 Device to Unload Patient’s Weight

Device to Unload

2-3 速度に基づく転倒防止装置の構造
転倒防止装置の構造を図 3 に示す．本装置は，ブレーキドラム，ブレーキシュー，ギア A，ギア B,ギア C,ばね A(ねじりばね)，ばね B，ストッパー，ダンパー，回転軸，ドラム A，ドラム B，固定板からなる．患者に装着されたロープ

CasterPatient’s WeightFig.1 Walking Support Machine
O3-5-1

A はドラム A に，ドラム B に接続されているロープ B は体重免荷装置に取り付けられている．ドラム A・B，アーム，固定板は回転軸と一体となって回転する．ギア A はばね Aを介して固定板（回転軸）に拘束されている.２つのブレー
キシューに取り付けられた４つのガイドバーはギア A に設けられた長方形型の４つのガイドホールに挿入される．２つのブレーキシューは，通常，回転軸に取り付けられたアームによってドラムブレーキ内を回転する．さらに，回転軸の回転はギア B を介してギア C に伝達される.ギア C にはダンパー本体が取り付けられている．ダンパーの出力軸にはストッパーが取り付けられている．ストッパーにはばねB の一端が取り付けられており，ばね B の他端はフレームに取り付けられている.

Spring B

Rope A

Gear C

Stopper

Guide Bar

DamperDrum B
Brake Shoe

Arm

Drum Aて,モーメント M とブレーキシューがブレーキ材を押し付ける力 f a の関係は次式で表すことができる.

Spring A

Gear A
Rope B(Torsion Spring)

Brake Drum
Guide hole

ブレーキ部のメカニズムを図 4 に示す．ロープ A が設定速度よりも小さい場合は，ダンパーによる制動トルクがばね B によるスプリングトルクよりも小さいため，ストッパーは同図(A)のようにギア A と接触しない．ロープ A が設定速度よりも大きいときは，ダンパーの制動トルク(Td)がばね B のスプリングトルク(Ts)よりも大きくなり，同図（B）のように動作し，ギア A はストッパーと噛み合い停止しようとする．しかし，回転軸及びアームは回転し続けようとするので，アームの回転により，ブレーキシューはギア Aに設けられたガイドホールに沿ってスライドし，ブレーキ材に押しつけられ，ブレーキが作用する（同図(C)参照）．
ブレーキが掛かった後，回転軸は減速しダンパーによる制動トルクが減少するので，ストッパーはばね B によって元の位置に戻る．しかし，ロープ A には患者の体重等によって張力が作用し，その張力は回転軸に取り付けられたアームを介して２つのブレーキシューに作用するため（同図(C)における Fa），ブレーキは掛かり続ける．患者が立ち上がろうとするとロープ A の張力は減少し，体重免荷装置による免荷力によって軸が反転する．軸が反転することによってブレーキシューは元の位置に戻り,ブレーキが解除される．
なお，設定速度は，ストッパーに取り付けたばね B のばね力を変化させることにより設定変更可能である．
3. ブレーキ機構の解析
転倒防止装置のブレーキ作動時のブレーキ内部における力学モデルを図 5 に示す.ロープ A に作用する力により，シャフトおよびアームにモーメント M が発生する．このアー
ムのモーメント M から，ブレーキシューがブレーキ材と接触し,ブレーキ材に力 f a が作用する.アームの長さを r としGear B

Plate

fa 

Fig.3 Device to Prevent Patient’s Falling
2-4 速度に基づく転倒防止の動作順序

M2r・・・（１）次に，ブレーキ材内径の半径を b ，ブレーキ材の摩擦係数をμとすると,次の式が成り立つ時,ブレーキにより回転軸が停止する.
Brake lining

2μf a b  M・・・（２）式(１)を式(２)に代入しμに関して整理すると,ブレーキにより回転軸が停止するための摩擦係数μ（以下，必要摩擦係数）を求める式は以下のようになる.

Brb・・・（３）式(3)より摩擦係数の大きい素材をブレーキ材に使用す
ると回転軸は停止し,この値より小さい値のブレーキ材を使用すると, ブレーキが作用しつつ回転軸は回転し続ける.

TdTs
Fig.4 Mechanism of Device to Prevent Patient’s FallingO3-5-2

Table 1 Parameters

Brake lining

Parameters

Units

Device to PreventPatient’s Falling

Sizemm

W210
*H170
*D100

Masskg4.3bmm43.0rmm

10.5

Required coefficientof friction (μ)／0.244

Brake lining／Urethane

Brake lining's
coefficient of friction／0.318

Brake Shoe

Brake DrumArm
Fig.5 Mechanism of Brake
4. 転倒防止装置の設計・製作
転倒防止装置の設計を行った（図 6 参照）．まず，本研究では，一例として，必要摩擦係数がμ＝0.244 となるように式(3)に基づきアームの長さｒおよびブレーキ材内径ｂを決定した（図 7 参照）．次に，必要摩擦係数以上の摩擦係数を有するブレーキ材を選定した．そして，決定した寸法およびブレーキ材より転倒防止装置の詳細設計を行い，それを基に製作した．製作した転倒防止装置の寸法等を表１に示す．

5. 製作した転倒防止装置及び歩行支援機
本研究で実際に作成した転倒防止装置を図 8,および歩行支援機を図 9 に示す．転倒防止装置のダンパーには MISUMI のロータリーダンパー(MRDY-W)を用いている．

Fig.6 Design of Device to Prevent Patient’s FallingFig.8 Developed Device to Prevent Patient’s Fallingｂｒ
Device to Prevent
Patient’s FallingFig.7 Drum Brake

Device to Unload
Patient’s WeightFig.9 A Mechanical Walking Support Machine
O3-5-3

6. 転倒防止実験
6-1 実験方法
図 10 に示すように，本研究で製作した歩行支援機を用いて，人が転倒しかけた際に，転倒が防止されるか否かについての実験を行った．体重免荷装置の免荷力は被験者の体重の 10％程度に設定した．転倒防止装置の設定速度は19.1±3.7[rad/s](±3.7 はダンパーのトルク伝達で生じる誤差 20％)とした．転倒防止装置のストッパー・回転軸にはマーカーを取り付け，転倒防止装置作動時の各マーカーの動きを高速度カメラにより計測した．実験は健常者 6 名（男性，年齢２２～２５歳）を対象に各 10 回行った．

Device to prevent
patient’s falling
High-speedcamera(DITECT Co)

Fig．11 Experimental Result
Table 2

Angular Velocity

Average[rad/s]Maximum[rad/s]Minimum[rad/s]

18.1

25.2

15.5

7. 結言
本報告では，（１）転倒防止装置で使用しているブレーキ機構の力学的解析を基に転倒防止装置の設計・製作を行った．
（２）製作した転倒防止装置を用いて実験を行い．実験結果よりブレーキ機構の力学的解析に基づいた転倒防止装置の設計手法の有効性を検討した．

Shaft

Marker×4
Stopper
Fig．10 Experimental Setｕp
6-2 実験結果と考察
実験の結果の代表例を図 11 に示す．図の縦軸は回転軸の角速度,横軸は時間を示している．また,グラフ内の矢印はブレーキが掛かり始める時刻における回転軸の角速度を示している.
図 11 より，本転倒防止装置の回転軸が約 20[rad/s]に達した後，ブレーキが掛り始め，若干の振動は見られるものの回転軸の速度がほぼゼロになっている（すなわち停止している）ことが分かる．
本実験で行ったすべての実験データより，本転倒防止装置の回転軸にブレーキが掛り始める時の回転軸の速度（以下，実験検知速度）の平均値・最大値・最小値を求めた結果を表 2 に示す．表 2 より，実験検知速度と設定速度には
若 干 の 誤 差 は 見 ら れ る が， ダ ン パ ー の ト ル ク 伝 達 誤 差
20％（±3.7[rad/s]）を考慮すると，おおよそ実験検知速度と設定速度の誤差はダンパーの誤差程度あることが分かる．
したがって，ブレーキ機構の力学的解析を基に設計・製作した本転倒防止装置は，ほぼ目的通り動作しており，その設計手法は有効であると考えられる．

O3-5-4

参考文献(1) Ju-Jang Lee, Choon-Young Lee, Development of Walking
Assistance Robot System and Experiment with theDisabled, Proceeding of SICE/ICASE Workshop ,pp219-224, 2001
(2) 宮脇・巌見・大日方・近藤・沓澤・小笠原・西村，「電動歩行機を用いた高齢者歩行の評価」,日本機械学会論文集(C 編), Vol65, No640, pp4759-4766, 1999
(3) Yoshihiro Kai, Development of a Walking Support
Machine with Mechanical Safety Devices, Proceedings of
The 4th International Conference on Manufacturing,
Machine Design and Tribology, pp99-100, 2011(4) 吉家・甲斐,メカニカル歩行支援機の開発(患者転倒防止のためのメカニカルブレーキ) 日本機械学会機素潤滑設計部門講演会講演論文集, Vol.10th, pp161-164 ,2010