― 17 ―上肢運動訓練のためのリハビリテーション装置の設計と開発

上肢運動訓練のためのリハビリテーション装置の設計と開発
木澤悟 ・三浦恵 * ・宮佳脇和人

Design and Development of the Rehabilitation Device for Upper Limb Motion
Satoru KIZAWA，Yoshie MIURA and Kazuto Miyawaki（平成25年11月29日受理）

In the paper, design and development of rehabilitation device for upper limb motion during wiping
training are investigated. The wiping training is one of resistance training for upper limb widely performedin occupational therapy. However, an occupational therapist is required in many cases to exercise upperlimb motion with rehabilitation device. Therefore, we decided to be equipped with a microcomputer andphoto sensor on rehabilitation device, and automated it. As a result, even if an occupational therapist isabsent, patient oneself can train upper limb motion with a rehabilitation device on the desk. Finally, weevaluated the safety of the rehabilitation device which developed with experiment.

1.

緒言
人間の関節は，高齢化による運動量の低下や事故・病気などにより関節の可動範囲が小さくなってしまう拘縮が起きてしまい，関節の伸展・屈曲動作が困難，または不可能になってしまう症例がある。この関節の拘縮はリハビリによってある程度回復することが可能である。Fig.1 に実際に上肢の運動機能訓練に用いられるリハビリ器具を示す。このリハビリ器具は腕を乗せる台車のようなものであり，ある程度随意的に関節をFig.1 従来のリハビリ装置動かすことのできる患者向きで，ほぼ随意的に関節を動かすことのできない患者のリハビリには適していな
い。また，リハビリは患者にとって十分な反復的作業

2.

上肢運動訓練支援装置の設計と製作が必要であり，継続的にやる気を起こさせることが早い身体的機能回復に重要であるといわれている。そこ

設計は 3DCAD ソフトである SolidWorks を使用してで，本研究では Fig.1 に示した装置にマイコンを搭載し，行った。さらに 2 次元に図面化し部品の加工および組療法士が不在でも患者自身で上肢の運動機能回復訓練立を行った。駆動部分にはタミヤ製のギヤードモーターが可能なリハビリロボットの設計と開発を行った。ま

540K75，土佐電子製のスレットウレタンオムニホイー

た，装置の安全性や信頼性を高めるため，ライントレー

ルを使用している。また，駆動制御には土佐電子の高電スの制御技術を組み込み，開発した上肢運動訓練支援流モータドライバボード，秋月の H8 マイコンを使用し，装置の安全性に関する評価を行った。

各モータを PWM 制御している。ライントレース用セン* 秋田高専専攻科学生

秋田高専研究紀要第 49 号

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木澤悟・三浦佳恵・宮脇和人

サには ROHM 社のフォトセンサを使用した。Fig.2 には実際に製作した装置を示す。

3.2.

ライントレース回路

H8 マイコンによるモータ制御回路に加え，ライントレースによる制御も行うためにライントレース用回路を設計した。ライン読み取り用のセンサにフォトトランジスタを用い，センサの出力をマイコンで読み取り易くするためにシュッミットトリガインバータ回路を使用している。装置の前方と後方に合計で 4 つのフォトトランジスタを設置した。
Fig.4 に設計したライントレース回路を示す。フォト
センサが白地上にあるときは，センサの発光ダイオード

Fig.2 製作したリハビリ装置

3.

制御回路

3.1.

オムニホイールの制御回路

H8 マイコンからの出力信号をモータドライバに入力し，モータの回転方向および回転数を制御する。

部からの光が床で反射してフォトトランジスタに届きセンサ出力は Low となる。次にこの信号はシュミットトリガインバータを通り High 信号に変換され，H8 マイコンに白ライン上にあることを知らせる。逆にフォトセンサが黒地上にあるときは発光ダイオードからの反射光がフォトトランジスタに届かず，フォトセンサの出力はFig.3 は製作したオムニホイールの駆動制御の電子回High 信号になる。次にこの信号はシュミットトリガイ路である。回路及びモータドライバボードは装置の前ンバータを通り Low 信号に変換され，H8 マイコンに黒方，肘の固定部分側に取り付けている。回路基板には地上であることを知らせる。装置はこの様に白いライン

H8 マイコン・AND 回路の他に，プログラム書き込み /上と黒い部分を判別してライントレースを行う。

プログラム実行切り換えスイッチ，書き込み用 D サブ

Fig.5，Fig.6 に示すのは製作したライントレース用のコネクタ，確認用 LED，電池ボックスを取り付けた。

センサ回路である。Fig.5 はセンサ回路基板で，表面にFig.3 製作したオムニホイール駆動制御用電子回路

Fig.4 ライントレース用回路図

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は確認用の LED を取り付けてライン上にあるかどうかモニタさせた。Fig.6 はセンサ基板の裏側で，フォトトランジスタを取り付けている。取り付け位置によってライントレースの精度は変化すると予想されたため一つ一つを小さな基板にハンダ付けし任意の位置に配置がしやすいようにした。

Fig.7 センサ取り付け位置

Fig.8 実装したフォトセンサ

Fig.5 製作したライントレース用センサ回路（表面）

Fig.9 読み取り用ライン
Fig.6 製作したライントレース用センサ回路
（裏面）

4.

実験と評価
上肢運動訓練支援装置は一般に高齢者が利用するもの

3.3.

センサ取り付け位置であり，安全性，信頼性が重要となるため装置の動作評

Fig.7 にセンサの取り付け位置の概略図を示す。フォ価を行った。実験は，はじめに 3 輪によるオムニホイー

トセンサを 4 個使用し，駆動輪の前に 2 個，後ろに 2ル制御に果たして直進性があるのかどうか，センサ無し個の配置とした。Fig.8 には装置に実装したフォトセでの検証を行った。また，腕を乗せた場合と乗せない場ンサを示す。この様にフォトセンサを配置したのは，合で装置の走行にどのように影響があるのか検証した。

Fig.9 に示すようにテーブル上の読み取り用のラインを2 本平行に貼ったからである。予備実験でラインを 1本で走行させたときよりも 2 本で走行させた方がライ

4.1. センサが無い場合4.1.1 腕を乗せない場合の実験と評価ンを脱線する確率が低かったためである。なおライン駆動制御の直進性を評価するために，前後への往復運の幅は 15cm でフォトセンサ配置位置の幅に合わせて動を繰り返した時のスタート位置と動作後の位置の比較いる。また，左右の線は 25cm の距離を読み取るためを行った。モータ 1 およびモータ 3 のみを制御し前後のラインである。の往復運動を行う。Fig.10 に実験概略図を示す。実験を

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行う机上には装置の駆動開始位置を示すラインを貼った。Fig.10 に示すように駆動距離は 25cm とする。往復動作の繰り返し数 10 回を 1 セットとし，これを 5 セット行い平均をとる。車体速度は 5 段階で行い，Table 1にモータドライバに与えた PWM のデューティー比と車体速度の関係を示す。

Fig.10 実験概略図
Fig.11 腕を乗せない場合の中心位置のずれ

Table 1 デューティー比と速度の関係㏿ᗘ㻌㼇㼙㻛㼟㼉 㻰㼡㼠㼥ẚ㻌㼇㻑㼉
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㻜㻚㻝㻝㻤
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㻜㻚㻝㻟㻠
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㻜㻚㻝㻣㻜
㻝㻣㻚㻡
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㻞㻜㻚㻜
Fig.11 に Fig.10 に 示 し た 中 心 位 置 の ス タ ー ト 点 が実験後どの位置に停止したかを示した。Table 2 にはFig.11 から読み取った，各速度に対する停止した位置の座標値を示した。Fig.11 の座標の原点がスタート中心位置である。示した数値は 10 往復した後の中心位置のスタートのずれであり，5 セット分の平均値である。
Fig.11 より分かるように実験後の中心位置のスタート位置は全体として進行方向の左斜め装置の後方側に大きくずれていることが分かる。つまり，開始位置より

Table 2 無負荷状態での測定結果㏿ᗘ㻌㼇㼙㻛㼟㼉 㻰㼡㼠㼥ẚ㻌㼇㻑㼉 ᕥྑ᪉ྥ㻌㼇㼙㼙㼉 㐍⾜᪉ྥ㻌㼇㼙㼙㼉㻜㻚㻜㻤㻠㻝㻜㻚㻜㻣㻝㻙㻞㻣㻜㻚㻝㻝㻤㻝㻞㻚㻡㻡㻤㻙㻟㻥㻜㻚㻝㻟㻠㻝㻡㻚㻜㻠㻝㻙㻟㻢㻜㻚㻝㻣㻞㻝㻣㻚㻡㻡㻠㻙㻝㻣㻜㻚㻝㻥㻢㻞㻜㻚㻜㻢㻢㻙㻠㻝

4.1.2

腕を乗せた場合の実験と評価

次に 5 人の健常者により実際に腕を乗せ，荷重をかけた場合の装置の動作精度を測定した。実験手順は無負荷状態での測定と同様に，駆動距離を 25cm，往復動作の繰り返し数 10 回を 1 セットとし，5 セットの平均で評価した。車体速度も同様に 5 段階とした。Table 3 に
被験者 5 人のデータをまとめる。また，腕の重さは全体重の 3% として考える。また，Fig.12 には腕を乗せた場合の実験の様子を示す。

進行方向の後方に平均 32mm，左右方向に平均 58mm

Table 3 被験者データずれていることが分かり，腕を乗せない無負荷状態ではあまり直進性が無いことがわかった。これはオムニホイールの走行が力を打ち消しあって，合成されたベクトル方向に進むためある程度の接地面の滑りが直進性に影響していると思われる。

⿕㦂⪅㻭⿕㦂⪅㻮⿕㦂⪅㻯⿕㦂⪅㻰⿕㦂⪅㻱ᛶู⏨⏨⏨⏨⏨ᖺ㱋㻞㻝㻞㻝㻞㻝㻞㻝㻞㻞య㔜㻌㼇㼗㼓㼉 ⭎䛾㔜䛥㻌㼇㼗㼓㼉㻝㻚㻟㻡㻠㻡
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Table 4

Fig.12 腕を乗せた場合の実験の様子

Fig.13 に ス タ ー トしたときの中心位置が実験 後 どの位置に停止したのかの実験結果を示す。Table 4 は
Fig.13 から読み取った各速度に対する停止した位置の座標値である。Fig.13 の座標の原点がスタート中心位置である。Fig.13 より分かるように，個人差はあるものの全体として左右方向へのズレは小さくなったが，進行方向へのズレは平均して 36mm と依然として大きい。速度による影響については相関は無く，被験者に評価結果

⿕㦂⪅ ㏿ᗘ㻌㼇㼙㻛㼟㼉 㻰㼡㼠㼥ẚ㻌㼇㻑㼉 ᕥྑ᪉ྥ㻌㼇㼙㼙㼉 㐍⾜᪉ྥ㻌㼇㼙㼙㼉㻜㻚㻜㻤㻢㻝㻜㻚㻜㻞㻙㻟㻤㻜㻚㻝㻝㻣㻝㻞㻚㻡㻣㻙㻟㻝㻭㻜㻚㻝㻟㻟㻝㻡㻚㻜㻝㻜㻙㻢㻞㻜㻚㻝㻢㻥㻝㻣㻚㻡㻠㻙㻢㻝㻜㻚㻝㻥㻟㻞㻜㻚㻜㻟㻙㻠㻣㻜㻚㻜㻤㻢㻝㻜㻚㻜㻢㻙㻣㻠㻜㻚㻝㻝㻡㻝㻞㻚㻡㻝㻝㻙㻡㻜㻮㻜㻚㻝㻟㻞㻝㻡㻚㻜㻝㻙㻞㻝㻜㻚㻝㻣㻜㻝㻣㻚㻡㻞㻙㻞㻜㻚㻝㻥㻥㻞㻜㻚㻜㻜㻙㻞㻡㻜㻚㻜㻤㻢㻝㻜㻚㻜㻝㻙㻟㻟㻜㻚㻝㻝㻣㻝㻞㻚㻡㻝㻙㻢㻟㻯㻜㻚㻝㻟㻠㻝㻡㻚㻜㻝㻙㻡㻟㻜㻚㻝㻣㻝㻝㻣㻚㻡㻙㻝㻙㻣㻝㻜㻚㻞㻜㻜㻞㻜㻚㻜㻝㻙㻢㻞㻜㻚㻜㻤㻡㻝㻜㻚㻜㻝㻞㻙㻠㻝㻙㻥㻜㻚㻝㻝㻣㻝㻞㻚㻡㻝㻜㻰㻜㻚㻝㻟㻠㻝㻡㻚㻜㻞㻝㻙㻝㻠㻙㻝㻜㻚㻝㻣㻞㻝㻣㻚㻡㻝㻤㻜㻚㻞㻜㻜㻞㻜㻚㻜㻝㻝㻙㻥㻜㻚㻜㻤㻣㻝㻜㻚㻜㻙㻥㻙㻝㻟㻜㻚㻝㻝㻣㻝㻞㻚㻡㻙㻝㻙㻟㻞㻜㻚㻝㻟㻠㻝㻡㻚㻜㻙㻡㻱㻙㻝㻜㻚㻝㻣㻠㻝㻣㻚㻡㻙㻞㻜㻙㻠㻞㻜㻚㻞㻜㻜㻞㻜㻚㻜㻙㻝㻟㻙㻟㻠

よって進行方向の停止位置は様々である。スタート位置のずれが腕を乗せない場合に比べ減少したのは，オムニホイールの接地圧が上昇して直進性が増したと考えられる。

4.2.

装置の動作評価（センサがある場合）

前節の実験より，センサを搭載していない状態では直進性や往復運動の再現性が無くリハビリ装置として安全性の面で大きな課題があることがわかった。往復運動を繰り返しているうちに開始位置から大きくずれてしまってはリハビリ効果の減少だけでなく，患部の悪化，最悪の場合，装置の落下によって重大な事故を引き起こしかねない。そこで，解決策としてライントレースの導入によって，直進性と往復運動の精度を上げることを考えた。装置の大きさを踏まえて，適切なセンサの個数及び取り付け位置，さらに，プログラムの再検討を行い，ライントレース機能を実装した後の装置の駆動精度を前節で述べた往復運動の動作精度測定実験と同じ要領で測定し，どの程度改善することができるのか検討した。

4.2.1

腕を乗せない場合の実験と評価

本実験ではオムニホイールの駆動制御プログラムをライントレース用に改良し，ラインに沿って駆動させ，Fig.13 腕を乗せた場合の中心位置のずれ

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終端ラインを認識して進行方向を逆転させた。その他の

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実験条件はセンサ無しで腕を乗せない場合と同じである。駆動距離 25cm，10 往復を 1 セットとし 5 セット分の平均値を算出し，停止後の中心位置のずれを評価した。また，進行速度においても 5 段階で実験を行い，速度による影響の違いを検討した Fig.14 には実験の概略図，
Fig.15 には腕を乗せない場合の実験の様子を示す。

Fig.14 実験概略図
Fig.16 腕を乗せない場合の中心位置のずれ
Table 5 無負荷状態での測定結果㏿ᗘ㻌㼇㼙㻛㼟㼉 㻰㼡㼠㼥ẚ㻌㼇㻑㼉 ᕥྑ᪉ྥ㻌㼇㼙㼙㼉 㐍⾜᪉ྥ㻌㼇㼙㼙㼉㻜㻚㻜㻣㻡㻝㻜㻚㻜㻜㻜㻜㻚㻜㻥㻠㻝㻞㻚㻡㻜㻡㻜㻚㻝㻝㻢㻝㻡㻚㻜㻝㻡㻜㻚㻝㻟㻝㻝㻣㻚㻡㻜㻢㻜㻚㻝㻢㻥
㻞㻜㻚㻜㻞
㻤

4.2.2
Fig.15 腕を乗せない場合の実験の様子

Fig.16 にスタートしたときの中心位置が実験後どの位置に停止したかの実験結果を示す。Table 5 は Fig.16から読み取った，各速度に対する停止した位置の座標値である。示した数値は 10 往復した後の中心位置のスタートのずれであり，5 セット分の平均値である。左右腕を乗せた場合の実験と評価

次に 5 人の健常者により実際に腕を乗せ，荷重をかけた場合の装置の動作精度を測定した。実験手順は無負荷状態での測定と同様に駆動距離を 25cm，往復動作の繰り返し数 10 回を 1 セットとし，5 セットの平均で評価した。車体速度も同様に 5 段階とした。表被験者 5人のデータは Table 6 に示す。Fig.17 には腕を乗せた場合の実験の様子である。

方向への大きなズレはなく，開始位置より後方 10mm

Table 6 被験者データ以内にだいたい収まっている。このずれは，ギヤのバックラッシやオムニホイールの接地面での滑りに起因するものであると思われるが，十分に直進性や往復走行による繰り返しの精度がライントレース制御をさせることによって高まったと考えられる。

⿕㦂⪅㻭⿕㦂⪅㻮⿕㦂⪅㻯⿕㦂⪅㻰⿕㦂⪅㻱ᛶู⏨⏨⏨⏨⏨ᖺ㱋 య㔜㻌㼇㼗㼓㼉 ⭎䛾㔜䛥㻌㼇㼗㼓㼉㻝㻚㻟㻡㻞㻝㻠㻡㻝㻚㻤㻢㻞㻝㻢㻞㻞㻝㻢㻜㻝㻚㻤㻞㻝㻡㻜㻝㻚㻡㻞㻞㻣㻜㻞㻚㻝

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Table 7 評価結果
⿕㦂⪅ ㏿ᗘ㻌㼇㼙㻛㼟㼉 㻰㼡㼠㼥ẚ㻌㼇㻑㼉 ᕥྑ᪉ྥ㻌㼇㼙㼙㼉 㐍⾜᪉ྥ㻌㼇㼙㼙㼉㻜㻚㻜㻣㻟㻝㻜㻚㻜㻝㻜㻜㻚㻜㻥㻞㻝㻞㻚㻡㻞㻙㻞㻭㻜㻚㻝㻝㻞㻝㻡㻚㻜㻝㻙㻞㻜㻚㻝㻞㻥㻝㻣㻚㻡㻜㻙㻟㻜㻚㻝㻢㻤㻞㻜㻚㻜㻝㻙㻠㻜㻚㻜㻣㻤㻝㻜㻚㻜㻜㻙㻝㻙㻟㻜㻚㻜㻥㻢㻝㻞㻚㻡㻙㻠㻮㻙㻠㻜㻚㻝㻜㻥㻝㻡㻚㻜㻙㻟㻜㻚㻝㻟㻠㻝㻣㻚㻡㻙㻝㻙㻟㻜㻚㻝㻢㻜㻞㻜㻚㻜㻝㻙㻝㻝㻜㻚㻜㻣㻞㻝㻜㻚㻜㻝㻞㻜㻚㻜㻥㻠㻝㻞㻚㻡㻜㻙㻝㻯㻜㻚㻝㻝㻜㻝㻡㻚㻜㻜㻙㻠㻜㻚㻝㻟㻥㻝㻣㻚㻡㻢㻙㻡㻜㻚㻝㻡㻣㻞㻜㻚㻜㻣㻙㻠㻙㻝㻜㻚㻜㻣㻜㻝㻜㻚㻜㻙㻠㻜㻚㻜㻥㻟㻝㻞㻚㻡㻙㻝㻙㻞㻰㻙㻞㻜㻚㻝㻝㻡㻝㻡㻚㻜㻙㻞㻜㻚㻝㻡㻜㻝㻣㻚㻡㻜㻙㻢㻜㻚㻝㻢㻥㻞㻜㻚㻜㻜㻙㻣㻜㻚㻜㻤㻢㻝㻜㻚㻜㻝㻙㻝㻜㻚㻝㻜㻢㻝㻞㻚㻡㻝㻙㻠㻜㻚㻝㻞㻣㻝㻡㻚㻜㻜㻙㻣㻱㻜㻚㻝㻡㻣㻝㻣㻚㻡㻜㻙㻥㻜㻚㻝㻣㻣㻞㻜㻚㻜㻙㻞㻙㻝㻜Fig.17 腕を乗せた場合の実験の様子

Fig.18 に ス タ ー ト し た と き の 中 心 位 置 が 実 験 後，どの位置に停止したかの実験結果を示す。Table 7 はFig.18 から読み取った，各速度に対する停止した位置の座標値である。Fig.18 より分かるように，ライント
レース制御によって無負荷の場合と同様に装置に荷重がかかる状態でも往復運動時のズレは大幅に小さくなり，停止した位置は開始位置より後方へ平均 10mm 以内のずれであった。

5.

結言
本研究では，高齢化や病気等により上肢の運動機能が麻痺した患者を対象にした上肢運動訓練のためのリハビリテーション装置の設計と開発を行った。また，開発した上肢運動訓練支援装置の信頼性と安全性を検討する評価実験を行った。
センサが無い状態で装置の動作評価を行ったところ，腕を乗せないで場合では，装置は開始位置より後方に平均して 32mm のずれが生じ，進行方向に対しては58mm のずれが生じた。腕を乗せた場合は，開始位置より平均して 36mm のずれが生じ，進行方向に対しては左側に 0 〜 10mm のずれが生じた。これに対してセンサを実装した状態では，装置の動作後のずれは装置に腕を乗せていない状態，腕を乗せた状態，共に開始位置より進行方向の後方および左右方向へのずれは 10mm
Fig.18 腕を乗せた場合の中心位置のずれ以内であった。
センサが無い状態において，往復運動中に装置が大きくずれてしまった原因については，左右のモータの回転数の差や、オムニホイールの接地面の滑りによるものだと考えられる。腕を乗せた状態では，オムニホイールに荷重が加わることにより接地面への摩擦力が大きくなったことと，乗せた腕が多少なりともガイドの役目を果たしたことによって装置の駆動精度が改善されたと思われる。また，センサを実装しライントレースさせた状態で

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木澤悟・三浦佳恵・宮脇和人の実験においては，10mm 前後の装置のずれが発生したがものの駆動精度は大幅に改善された。以上より，センサを使用してライントレース制御をさせることにより駆動精度を改善させることができた。
今後の展望としては，力センサ，ロータリーエンコーダの導入により，力の働く向きや装置の加速度および姿勢を読み取り，上肢運動訓練支援装置を使ってどの程度のリハビリ効果があるのか，また，上肢運動訓練支援装置に外乱や抵抗を加えるなどして，ある程度随意的に上肢を動かせる患者に対しても，より効果のあるリハビリプログラムの検討を行う事を考えている。

参考文献
(1)

船木，三浦：“ 腕の伸展・屈曲のためのリハビリマウス装置の開発 ”，平成 23 年度

秋田高専卒業論文，(2011)(2)

李，服部，橋詰，前田：“ 上肢運動機能リハビリテーションにおける訓練・評価手法の開発 ”，福祉のまちづくり研究所報告集，pp.71-76，(2011)(3)

李，服部，橋詰，前田：“ リハビリテーション支援技術の研究 ”，福祉のまちづくり研究所報告集，pp.105-110，(2010)

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