HiAT Report 2011

高齢者・障害者の社会生活に適合した義肢装具等の開発
Development of Prostheses, Orthoses and AssistiveDevice for Special Needs
中村俊哉
杉本義己
服部託夢＊
赤澤康史
原 良昭
橋詰 努
NAKAMURA Toshiya, SUGIMOTO Yoshimi, HATTORI Takumu, AKAZAWA Yasushi, HARA Yoshiaki,
HASHIZUME Tsutomu
キーワード：
技術支援、義肢装具、福祉用具、事例研究
Keywords:
Assistive technology, Physically impaired, Prostheses, Orthoses, Special needs, Case study
Abstract:
We have so far experienced many cases of making assistive devices （including prostheses andorthosis）. It continues by the end of last fiscalyear. Here are some examples of assistive devices
made in this project.
１）Case study of a power wheelchair with support function for learning .
２）Development of a wheelchair Simulator .
３）Development of a Human-Computer interface using temporal surface electromyog４）Case study of a Seating Service for ATV.
５）Development of External switch system forcapacitive touchscreen.
６）Advanced Prosthetic elbow joint.

１

はじめに多種多様な福祉用具が開発・市販化され、障害者や高齢者が生活の不自由や不便を克服するために、様々な種類の用具から選択できるようになってきた。しかし、障害が重度なケースや、個別のニーズに基づく方法で生活しようとすると、基本的な義肢装具や福祉用具では不十分な場合が少なからず存在する。その際に、その人の身体にあるいはその方の環境や生活に用 具 を 合 わ せ る 支 援 技 術 が 必 要 となる。
また、福祉用具の開発において、当事者が「どのような場面で、何に不便を感じているのか、その奥* 2011年10月1日より、奈良先端科学技術大学院大学へ転出に潜む真の要求は何か？ じっくりと聞いて、見て、確かめる必要がある。」１）と言われている。
このように障害を持つ生活者の視点が重要である。
本研究では、個別のニーズにより基本的な福祉用具では不十分な方のニーズに対し、義肢装具等を開発、改良を行い適切な時期に導入することで、障害者や高齢障害者のQOLの向上を図ることを目的としている。

２

入力の機能制限を用いた電動車いすを用いた電動車いすの適合及び練習事例

2.1

小学生の電動車いすの適合（継続）2.1.1 これまでの経過と状況
小児１例に対し電動車いすの練習２）を継続した。
これまでと同様に大森ら３） の開発した学習支援機
能を電動車いす今仙技術研究所EMC-30STに搭載して使用した。平成22年度までは小学校に持ち込んで、１～２週に１度、40分程度の練習を行った。当初ジョイスティックを用い、４方向（前進・後進・右旋回・左旋回）により方向制御を行なっていたが、直進走行時の微調整ができるよう改造を行った。これは廊下や運動場での直進走行の際、路面の影響を受け、わずかに直進から外れることから、微調整により進行方向を保てるようにしたものである。これにより、操作が上達し、さらに細かな操作が可能となった。
2.1.2 電動車いす操作練習の結果と今後の展開
平成23年度より中学校に進学することもあり本人用の電動車いすを導入すべく作業及び評価を行った。電動車いすについては現在製作中である。製作を予定している電動車いすは、ベース車に国産のティルト機構有する電動車いすを使用し、シート部として座位保持装置を搭載予定している。本ケース
は、特注対応ではあるものの、学習支援機能付きコ
福祉のまちづくり研究所報告集57

ントローラがメーカにより個人の日常生活用にとして販売供給される初のケースとなる。

図１ 電動車いすによる運動会参加
Fig.1 Driving at the athletic meeting

症例 A ３脳性麻痺 ９歳 訓練頻度：２回／月
使用回数は現在１回目。初回にて上肢の操作性が向上している。電動車いすを使用している間、発声・笑顔が通常より頻回にあり。今後はポジショニングを検討していく予定ある。
症例 A ４
脳性麻痺 12歳 訓練頻度：２回／週
ジョイスティックにて使用中。以前に電動車いすの操作経験があったが、直進操作が困難であった。
本システムを用いることで、直進距離が延長した。
使用期間２ヶ月くらいであり現在は通常のモードにて走行している。
2.2.2 B市立特別支援学校における試用状況
B市立特別支援学校において、本システムを搭載した電動車いすコントローラの貸し出しを行い、試用を実施した。以下に支援者の感想を示す。

図２ 電動車いす上の座位姿勢評価
Fig.2 Evaluation of sitting posture on theelectric wheelchair

2.2

本システムを用いた他施設での取り組み

2.2.1 A県療育センターにおける試用状況
A県療育センターにおいて、本システムを搭載した電動車いすコントローラの貸し出しを行い、試用を実施した。以下に支援者の感想を示す。
症例 A １
脳性麻痺 ４歳 訓練頻度：２回／月
スイッチと動作の因果関係の理解を使用目的とし使用し、徐々に理解してきている。ボタンスイッチの設定とポジショニングをOTと共に検討中であり、設定時間は３秒にて実施している。
症例 A ２
脳性麻痺 ５歳 訓練頻度：２回／週
現在、使用回数３回目である。入力装置はボタンスイッチに変更して実施した。スイッチの因果関係理解は可能である。アテトーゼの要素があるためあわせて姿勢調整を行っている。
58

福祉のまちづくり研究所報告集

症例 B １
重度重複障害 中学部１年 訓練頻度：年数回
スイッチの練習・体験を目的に試用。練習時は、教員が抱きかかえて座ることで座位の安定を図っている。他の訓練との関係から、忘れた頃に操作練習を行うので、スイッチを押して車いすが走ると「ほうっ」と声をあげていた。視覚も光覚程度であるた
め、身体が動くことは、感じやすかったと思われる。
症例 B ２
重度重複障害 高等部１年
スイッチの練習・体験、特にレバーを「押す」「戻す」操作を目的に試用。練習時は、教員が抱きかかえて座ることで座位の安定を図っている。入力は、担任の教員と本人が一緒にレバーを持って操作を行なっている。おそらく本人なりに動かしていると思われるが、細かい操作は担任の教員が行なっている。
また、担任以外の教員と練習を行うときは、棒スイッチの使用している。可能であれば本電動車いすのシステムと合わせ、４方向のみ動かせるコントローラを使用が望ましいケースである。
症例 B ３
重度重複障害 中学部１年
スイッチの練習・体験を目的に試用。練習時は、教員が抱きかかえて座ることで座位の安定を図っている。本ケースは、すでに好きなおもちゃをスイッチで操作することが可能である。「将来的には電動HiAT Report 2011

車いすで運動会のリレーにチャレンジさせたい」という担任の希望から練習を開始した。練習初期は、制限時間を設定していたが、４本指でひっかくようにして棒スイッチを操作するため、うまく走らなかった。そこで、制限時間を解除し使用したところ、しだいに棒スイッチを押すようになった。
症例 B ４
重度重複障害 高等部１年 最初の一回のみ使用
軽度の知的障害と視野狭窄などの視覚障害がある。本ケースは、普段は自走式車いすを使用中であり、車いすマラソンにも出場したことがある。
「将来、友達とお出かけできるように」との思いから電動車いすを希望している。ただし、現状では本人の身体機能から電動車いすの公的な支給は難しいと考えられる。今回は、学校で行った電動車いすの操作練習に本システムを用いた。運動機能や視覚障害の状況などを確認しつつ、操作時間の制限を行った。１回の授業の練習の中で時間制限が不要になるまで操作が上達した。
2.3

本章のまとめなコンセプトを以下に示す
・ホイルアライメントが容易に変更できる
・ワイヤレスで走行及び方向制御を行う
・走行時の方向制御は、前輪に自在輪を用い、左右の駆動輪の回転数の差により行う
・コントローラは市販の電動車いすの入力装置を用いる
これらを踏まえ、下記のような仕様とした仕様
全長×全幅×全高（mm）：200×90×200
座幅×座奥行き（mm）：90×80
車輪径（キャスタ）：25mm
車輪径（駆動輪）：105mm
車軸前後位置（mm）：（寸法基準点に対し）-20,0,+13,+15,+30
モータ：ユニポーラステッピングモータ
SPG20-332 ２個駆動モータ制御ユニット:
・MPU：アトメル Atmega328
・赤外線リモコン信号によるコントロール

一例ではあるが、事前に設定した秒数以上の入力が続くと強制的に止まる学習支援機能を用い電動車いすの操作練習を行ったケースに対し実際、導入に至った。
また、他の施設等で実際に本システムを用いて、入力装置や電動 車 い す の 練 習 に 活 用 を 行 な っ ている。
A県及びB県の施設においても、担当者から概ね良い評価を頂いている。
今後も症例を増やしていくことで、本システムが実用化できるよう検討を行なっていきたい。

３

車いすシミュレータの開発

3.1

本用具開発の目的

本研究は卓上でも走行可能で、比較的容易にアライメント調整可能なミニチュアの車いすにより車いす走行のシミュレーションを行える機器であると共に楽しく車いすを学習することの可能な車いすシミュレータの開発を目指すものである。
3.2

試作の概要

作製した車いすシミュレータ（図３）について主

図３（a） 車いすシミュレータ
Fig. 3（a） Wheelchair simulator

図３（b） 車軸位置の比較
Fig.3（b） Comparison of rear-wheel position

3.3

試作機の評価

駆動輪の車軸位置替え変更できることで、車いすの駆動輪の位置の違いによる最小回転半径の差や、段差の登坂性、後方への転倒のしやすさ等のデモが卓上で容易に行えることを確認した。
そこで、展示会等への出展及び車いすの専門家に福祉のまちづくり研究所報告集59

対しデモンストレーションを行った。
車いすの専門家十数名に対しデモンストレーションについては、カーラジコンなどと違い、車いすに近い動きをすることで、電動車いすの入力装置の適合、操作能力や判断力の評価ができる可能性が示唆された。
展示会等では子どもを含む多くの人が関心を持っていただくと共に、車いすと自動車の機械特性の違い理解する上で有効な道具となったと考える。
なお、シミュレータとしてより乗車している感覚に近づけるために、本車いすにカメラを搭載し、コントローラ操作者へはヘッドマウントディスプレイ（HMD）を用いてカメラの画像を確認できるようにした。このことで「自分が小さくなって、本当に車いすを操作しているようだ。」といった意見が得られた。一方、「画面が暗い」「立体視のほうがより良いのではないか」との意見も多数見られた。このことから、車いす側に二つの小型カメラを水平に並べて取り付け、操作者は電動タイプテレグラス（ScalarT3-A）二台を用いたHMDにより、左右の目にそれぞれのカメラのビデオ信号を送ることで立体視を実現した。
3.4

4.2

噛み込み動作による電動車いす制御システム

4.2.1 制御システム概要
側頭筋はこめかみ付近に存在し、奥歯を噛み込む際に強く活動する。なお、筋電図（EMG）はOttobock社製EMGセンサ（13E125）を用いた。これは、筋電電動義手に用いるもので、義手制御用に積分された信号が出力される。本センサを、EMGヘッドマウントに２つ取り付け、頭部左右の側頭筋それぞれの筋活動を取得し、その筋電位信号を制御ボックスで処理、電動車いす制御信号へと変換する（図４）。

本章のまとめ

今回作製した用具について、数十名により操作体験を実施した結果、電動車いすの導入に向けた評価装置としての可能性が示唆された。あわせて、簡易な車いす体験や学習おもちゃとしての有効性について確認できた。
また、ミニチュアや拡張現実による車いすの走行環境の検証等にも使用可能ではないかと考える。

４

側頭筋電図を用い噛み込み操作により制御を行なう電動車いすの開発

4.1

開発の趣旨

四肢に著しく障害がある者にとって、四肢を用いずに電動車いすを操作することが出来れば、活動の幅を広げることができると考えられる。四肢を用いずに電動車いすを操作する方法として、顎の動きによりジョイスティックレバーを操作する方法や、頭部でスイッチを操作する方法等がある。また研究段階のものでは視線入力、脳波による操作などが挙げられる。しかし、顎や頭部による操作など入力装置を電動車いすに取り付ける場合、姿勢変換により身体との入力装置の位置がずれる等対応できなくなる
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可能性がある。視線や脳波による制御では、走行のための信号を分離する必要がある。特に脳波パターンの学習及び分離には操作者による長時間の訓練が必要となる。
本研究では側頭筋による噛み込み動作に着目、噛み分けによる２チャンネルの筋電位信号から電動車いすの前進・左右旋回に加え後進の４パターンを操作できる制御システムの開発を目的とする。

福祉のまちづくり研究所報告集

図４ 制御システムの概要
Fig .4 Outline of control system

4.2.2 EMG信号制御方法
噛み分けにより制御する方法として、２チャンネ
ルの表面筋電位信号にて４ボタン方式を行う。すな
わち、左噛み込み（VL）と右噛み込み（VR）の２入力VL・VR に４パターンへ分類する。EMG信号は、MPUに入力されVL とVR がそれぞれVRL とVRRで設定した閾値を超えた場合にONとする処理を行う。
つまりONを持続している間のみ電動車いすの制御を行う（図５）。
電動車いすの制御は４ボタン方式とし、４つの入力に対し「前進」「後進」「右旋回」「左旋回」の４つ操作を設定して行なうものとした。このことから、
本制御システムにより出力される４パターンの信号に対し下記のように設定を行った

HiAT Report 2011

前 進
左旋回
右旋回
後 進

VL : ON
VL : ON
VL : OFFVL : ON

Fig .5

4.3

VR : ON
VR : OFFVR : ON
VR : ON（短間隔で２回連続）

図５ 制御回路概略
Outline of Control circuit

動作検証

本機器を大森ら３） の開発した設定した秒数以上の入力が続くと強制的に止まる学習支援機能を電動車いすに組み込み動作検証を行った。被験者は、電動車いすを使用経験のない健常者に数十名に試用を行った。
成功例として、閾値調整に平均１分程度、前進及び旋回が可能である被験者は早ければ数分で後進の入力の制御が可能となった。
被験者の主観として、噛み込みによる疲労感が生じるが、回復は早かったとの意見があった。
一方失敗例は、歯のかみ合わせに難がある場合には、前進の維持及び後進の制御が困難であった。このとき、電動車いすの強制的に止まる学習機能により暴走の危険性を減少させることができた。
4.4

５

その他の事例

5.1

せき損者に対するATV車のシートの適合事例

胸髄損傷者に対し四輪バギー車（ATV）のシート改造のための評価用のシートを作製した（図６）。
本ケースは、自宅が山間部であり、車道から自宅へ の ア ク セ ス や 庭 の 手 入 れ 等 の 悪 路 面の走行にATVの使用したい旨の相談であった。このことか
ら乗車・走行可能なシート改造の検討を行った。評価はATVが停車状態行い、座位の安定性や車いすとATVの移乗がやハンドル操作について確認した。
なお、シートは、骨盤を安定させるために腰椎部までバックサポートとすると共に骨盤ベルトにより座位の安定を図った。
この結果、試作シートについて問題が少ないと考え ら れ た こ と か ら、 試 作 シ ー ト を 基 に、ATVのディーラによりシートを改造（図７）、自宅周辺で走行テストを実施した。これにより、自宅周辺では安全な走行ができることが確認された。

Fig. 6

図６ 試作したATVのシート
Prototype of the postural support

Fig. 7

図７ 作製したATVのシート
Production of the postural support

本章のまとめ側頭筋による噛み込み動作に着目し、噛み分けによる２チャンネルの筋電位信号から電動車いすの前進・左右旋回に加え後進の４つの走行パターンを操作できる制御システムの開発を行った。
これにより、MPU制御による機器の小型化、左右の噛み分けによる前進・左右旋回に加え後進の制御、直感的な操作、短時間での操作習得、また、学習支援機能との組み合わせ、練習初期における危険性を減少が可能であることを確認した。
今後、閾値処理の自動化や最大噛み込み持続可能時間、操作性について検証をする必要がある。

5.2

静電容量式タッチパネル用貼り付け式外部スイッチ

近年、スマートフォンやタブレット端末などのタッチパネルを用いた情報端末が普及しつつある。
タッチパネルの場合、画面を直接タッチすること福祉のまちづくり研究所報告集61

で直感的な操作が可能となる。しかし、自由度が高いゆえに、障害により操作が難しくなる場合もある。
本装置は、機能は限定されるものの、複雑な設定や改造が不要で、簡便に静電容量式タッチパネルを外部スイッチにより操作するためのシステムである（図８）。
本ユニットは3.5mmのジャックが付いた電源部とタッチを行う静電スイッチ部の二つで構成されており、3.5mmのジャックで接続可能なスイッチを取り付けて使用する。本用具の接点部を導電性ゲルにより指でタッチしたい部分に貼り、外部スイッチを操作することで、接点部を指でタッチしたことと同様の操作が可能となる。
これは、接点部分に小型のリレーがあり、スイッチ操作によりリレーをON ／ OFF。ONにすることでリレー及び配線分の静電容量が追加され、接点部が指でタッチした状態に近くなることにより静電容量式タッチパネルが操作できるものである。
平成24年４月より、システムデザインラボにて実用化の予定である。

図８ 静電容量式タッチパネル用貼り付け式外部スイッチ
Fig .8 External switch system for capacitive touchscreen

5.3

上腕義手用の肘継手の開発

従来は肩に回したワイヤーハーネスを引くことにより操作するホスマー社製アウトサイドロッキングヒンジを、手元でロックできるように改造を行った。
これにより、義手の装着が勘弁になるとともに操作が容易になった。
5.4

リウマチ者用作業いすの開発

前テーマより行っている本作業椅子については、共同開発中のメーカにより実用化に向けて開発を継続中である。昨年度及び今年度について、大阪と東京の福祉機器展において企業サイドで開発中の試作機の展示などをおこなっており、来年度以降に市販
62

福祉のまちづくり研究所報告集化を目指し作業を進めている。

６ おわりに対象となる障害者のニーズに対応した用具の開発を行った。また、ニーズの中からいくつかの開発の試みを行った。
このような事例を今後も積み重ねると共に、少ない事例を特殊ケースと捉えるのではなく、次の症例へ、新たな福祉用具の開発へとつなげていくことが、より汎用性の高い福祉用具の開発と利用へつながるものと考える。
今回のこれらのケースは、家庭介護リハビリ研修センター課、リハビリ中央病院、兵庫県更生相談所、自立生活訓練センター等の様々なスタッフと連携、協力の結果として行うことができた。ここに感謝の意を表する。
参考文献
１）末田 統：障害を有する人の支援、バイオメカニズム学会誌29（３）、pp.115-116、2005
２）中村俊哉 他：高齢者・障害者の社会生活に適合した義肢装具や福祉用具の開発、福祉のまちづくり工学研
究所報告集平成21年度版、pp.124-129、2010
３）Kiyohiro OMORI, Yoshimi SUGIMOTO, Satoru MAEDA, and Hiroshi KITAGAWA, Development of Assistive Functions for Joysticks of Electric Wheelchairs,
AAATE2009, 31-35, 2009