高齢者･障害者の移動機器の最適処方に関する研究開発－車いすへの環境負荷と操作難易度評価システムの試作－

Research on Assistive Devices of Mobility for Aged andDisabled People− Idea for standardizing easiness/difficulty of maneuverability ofmanual wheelchair depend on road/floor condition−
米田郁夫
糟谷佐紀
浅和 貴
金 承喜
YONEDA Ikuo, KASUYA Saki, ASAWA Takashi, KIM Seunghee
篠山潤一
山本直樹
岡野生也
安田孝司
馬塲琴子（リハビリ療法部）
SASAYAMA Junichi, YAMAMOTO Naoki, OKANO Ikuya, YASUDA Takashi, BABA Kotoko(Hyogo Rehabilitation Center)

キーワード：
車いす、操作性評価、操作難易度評価モデル
Keywords：
Wheelchair, Quantitative evaluation, Analysis,
Indicator for estimating easiness/difficulty
Abstract：
It is important for the wheelchair users to beable to move maneuvering their wheelchairs
with ease in their daily living. Maneuverabilityof wheelchair depends not only on mechanicalefficiency of the wheelchair but also on theenvironmental condition where the wheelchairruns. So, we have been aiming to comprehend
mechanism of influences of road/floor
conditions and structure of the wheelchairs on
maneuvering them quantitatively. For thisstudy,
specially
designed
experimental
wheelchair equipped with torque meters androtary encoders on the driving wheels wasconstructed to collect quantitative data.
In this paper, some information obtained
through many test runs on the six types oflongitudinal slopes are reported. The
load/distance rate, that is momentum needed to
move
1m,
is
usefultoevaluateeasiness/difficultyinmaneuvering
thewheelchair quantitatively. And it became clearthat the normalized value of all subjects’
load/distance rate by the total weight of thewheelchair-rider coincided. Therefore, thenormalized load/distance rate could becomprehensive indicator useful to evaluate theload on the wheelchair riders when he/she
negotiates slopes.
Furthermore, knowledge about factor thatcauses failure in negotiating a longitudinalslope by the wheelchair was acquired. Making
use of the knowledge, we made the indicatorthat can estimate whether a wheelchair rider isable to negotiate a longitudinal slope on thebasis of measurement of his/her traction force
using simple pulling gauge for example.

１ はじめに
研究の目的
移動は、日常生活においてきわめて頻繁に行われる基本的な動作である。そのため、移動の自由度が制限されると日常生活に支障を来たす。したがって、身体的な障害により移動が困難あるいは不可能になった人に対して移動機能を確保するための技術的支援を行うことは非常に重要である。

平成 15 年度

兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集156

変式の走行路を用いた。走行路の縦断勾配部分の有効寸法は幅員 0.9m、長さ３m である。走行路面
はジュラルミン平板で作られており、表面には滑り止めシートが貼られている。
勾配は、1/20、1/15、1/12、1/10、1/8、1/6 の６通りとした。これらは法令 5)6)、福祉のまちづくり条例 7)、長寿社会対応住宅設計指針 8)などを参考に設定した。
2.1.2 走行実験内容
被験者は計測用車いす（固定フレーム型：重量245N）2）に乗車し、ハンドリムを操作しながら走行路を１つの勾配につきいろいろな速度で計７回走行する。
2.1.3 被験者
自由走行実験については、今年度末までに以下の健常者７名分のデータを収集・分析した。
被験者Ａ：女性健常者（30 歳；体重 488N）
被験者Ｂ：男性健常者（21 歳；体重 583N）
被験者Ｃ：女性健常者（25 歳；体重 458N）
被験者Ｄ：男性健常者（40 歳；体重 662N）
被験者Ｅ：男性健常者（31 歳；体重 735N）
被験者Ｆ：女性健常者（34 歳；体重 490N）
被験者Ｇ：男性健常者（55 歳；体重 624N）
2.2 実験結果と考察
2.2.1 負担率
走行実験によって得られた駆動トルクおよび走
行距離データから 1ｍ走行するのに要した運動量を求めることができる。われわれはそれを負担率と定義している 9）。

.

800
700
600
負担率 N･s/m

こうしたことから、本研究は、高齢者・障害者の移動機器とくに車いすの適合と環境整備を合理的に行えるようにすることを目的として設定した。
研究の視点
車いす使用者にとって楽に移動できることは、次の２つの点から重要である。
まずは、２次障害の発生の可能性を小さくするためである。R.A.Cooper ら 1)は操作性の良くない
車いすを長年使用することにより頸痛、肩痛、あるいは腱鞘炎のリスクが大きくなることを指摘している。
次に、日常生活においては、移動のための負担はできるだけ軽くして、他の生活動作に支障が生じないようにすることが重要である。
車いす走行操作時の負担に影響する要因として
は、走行環境、車いす自体の機械的効率、使用者と車いすの適合性が考えられる。したがって、車いすによる移動時の負担の軽減を実現するためには、これらの要因がどの程度そしてどのように影響するかを知る必要がある。
以上のような視点に立って、本研究においては、
計測用車いすを用いて、環境条件、車いすの車輪
アライメント、車いすの適合条件をいろいろに変えて定量的な走行データを収集・分析する。
研究の流れ
平成 13 年度においては、走行環境（床材）および駆動輪取り付け位置が車いす走行に及ぼす影響を定量的に明らかにした 2)3)。
平成 14 年度においては、駆動輪の取り付け角度
が車いす走行に及ぼす影響、縦断勾配が車いす使用者に与える負担、ハンドリム取り付け位置が操作者（頸損者）の車いす操作性に及ぼす影響を定量的に明らかにした 4)。
今年度は、縦断勾配について健常者および頸損者による追加の走行データを収集・分析し、環境
とくに縦断勾配が車いす使用者に与える負担および車いす駆動能力から縦断勾配を走行するときの難易度を推定するためのモデルの作成を試みた。

500
400
300
200
100
0

２ 縦断勾配自由走行実験

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
走行速度 m/s

縦断勾配が車いす使用者にどの程度の負担を強いるかを定量的に評価するために、昨年度に引き続き追加の走行実験を行った。
2.1 実験装置
2.1.1 走行路
昨年度と同様、実験室内に設置した縦断勾配可

図１ 負担率計算結果
Fig.1 Results of load/distance rate.
図１は被験者全員の実験走行すべてについて負担率を計算し、それぞれの試行について算出した平均速度を横軸にしてプロットしたものである。比較のために、硬い水平床面（表面平成 15 年度

兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集157

は硬い塩ビシート）を走行したときの負担率もプロットしている。そして、分かりやすくする
ために、図２に被験者Ｆ、Ｇ２名分のデータのみをプロットしたものを示す。
水平;被験者Ｆ
水平;被験者Ｇ
1/20;被験者Ｆ
1/20;被験者Ｇ1/15;被験者Ｆ
1/15;被験者Ｇ
1/12;被験者Ｆ
1/12;被験者Ｇ1/10;被験者Ｆ
1/10;被験者Ｇ1/8;被験者Ｆ
1/8;被験者Ｇ
1/6;被験者Ｆ
1/6;被験者Ｇ

負担率 N･s/m

600
500
400
300
200
100

水平

250

1/20ﾟ
1/15

.

700

200
駆動力ピーク値 Ｎ

.

800

（図３）
。また、水平路面、縦断勾配路面いずれにおいても、走行速度を大きくするためには駆動周期を短くしていることが分かる（図４）。また、速度が大きいと駆動期時間は短くなっている
（図５）
。

0

1/12
1/10

150

1/8
1/6

100
50
0

0

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
走行速度 m/s

0

2

0.2

0.4
0.6
0.8
走行速度 ｍ/ｓ

11.2

図 3 速度と駆動力ピーク値の関係(被験者 F)
Fig.3 Speed vs. driving force(sub. F).

図２ 負担率計算結果(被験者 F、G)
Fig.2 Results of load/distance rate ofsubject F and G.

1.8

.

1.6
1.4

周期 ｓ

1.2
1
水平硬路面
1/20ｽﾛｰﾌﾟ
1/15ｽﾛｰﾌﾟ
1/12ｽﾛｰﾌﾟ
1/10ｽﾛｰﾌﾟ
1/8ｽﾛｰﾌﾟ
1/6ｽﾛｰﾌﾟ

0.8
0.6
0.4
0.2
0
0

0.2

0.4
0.6
走行速度

0.8
ｍ/ｓ

1

1.2

図 4 速度と駆動周期の関係(被験者 F)
Fig.4 Speed vs. cycle time(sub. F).

.

1.4

水平硬路面
1/20ｽﾛｰﾌﾟ
1/15ｽﾛｰﾌﾟ
1/12ｽﾛｰﾌﾟ
1/10ｽﾛｰﾌﾟ
1/8ｽﾛｰﾌﾟ
1/6ｽﾛｰﾌﾟ

1.2
1駆動期時間 ｓ図１および図２より、硬い水平な床面を走行するときの負担率は走行速度に関係なくほとんど一定であることが分かる。それに対し、縦断勾配を走行する場合、速度が小さいと負担率がかなり大きくなっている。その傾向は、勾配が急峻なほど顕著になっていることが分かる。
ところで、被験者は全員「縦断勾配を走行する
ときは速度を大きくしたほうが楽である」という官能評価をしている。このことは図１の結果と一致している。したがって、負担率によって車いす操作のしやすさを評価することは妥当性であると言って良い。
2.2.2 操作パターン
車いすを走行させるときの操作パターンは、手でハンドリムに力を加えて駆動する期間（駆動期；driving phase あるいは push phase）と手をいったんハンドリムから離して元の駆動開始位置まで戻す期間（惰走期あるいは復元期；recovery
phase）を繰り返す反復動作になる。勾配や走行速
度によって駆動力や駆動期および惰走期の時間が違ってくることが予測される。
そこで、操作パターンの違いを調べるために、一例として、被験者Ｆの駆動力ピーク値（図３）、
駆動周期（図４）、駆動期時間（図５）、惰走期時
間（図６）を見てみる。
駆動力ピーク値は、水平路面、縦断勾配路面いずれにおいても、走行速度に比例して大きくなる

0.8
0.6
0.4
0.2
0
0

0.2

0.4
0.6
走行速度

0.8
ｍ/ｓ

1

1.2

図５ 速度と駆動期時間の関係(被験者Ｆ)
Fig.5 Speed vs. driving phase time(sub. F).

平成 15 年度

兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集

158

0.8
0.6

水平硬路面
1/20ｽﾛｰﾌﾟ
1/15ｽﾛｰﾌﾟ
1/12ｽﾛｰﾌﾟ
1/10ｽﾛｰﾌﾟ
1/8ｽﾛｰﾌﾟ
1/6ｽﾛｰﾌﾟ

0.4
0.2
0
0

0.2

0.4
0.6
走 行速 度

0.8
ｍ /ｓ

1

1.2

図６ 速度と惰走期時間の関係(被験者Ｆ)
Fig.6 Speed vs. recovery phase time(sub. F).
次に、惰走期時間について見てみると、水平路面においては走行速度が小さいほど惰走期時間は長くなっている（図６）。
縦断勾配 1/20 および 1/15を走行したときの惰走期時間は、全体的には水平
路面走行時のそれよりかなり短くなっているが、速度との関係は水平路面走行時と同じようなパターンを示している。しかし、勾配が 1/12 以上になると、惰走期時間と走行速度との相関はかなり小
さくなり、とくに勾配 1/6 においては速度に関わりなく惰走期時間はほぼ一定（0.22ｓ程度）になっている。
このことは、
縦断勾配が大きくなると、
惰走期において車いすが逆走しないようにするために、惰走期時間を短くせざるをえず、したがって、車いす操作の自由度がかなり制限されるということを意味する。
2.2.3 正規化による負担率の指標化の可能性
2.2‑(1)において、車いす走行操作時に操作者に加わる負担を評価する量として負担率が有効であることを明らかにした。計算した負担率と走行速度との関係は、被験者間で傾向は同じであるものの、大きさにはばらつきがある（図１）。したがって、図１のグラフは指標にはなりにくい。
そこで、各被験者の負担率を、それぞれ総重量（被験者体重と車いす重量の和）で除して正規化してみると、その結果は図７のようになる。正規化したことにより、被験者間のばらつきがほとん
どなくなっていることが分かる。したがって、この正規化負担率は、縦断勾配が車いす使用者に与える負担の指標として使える可能性がある。
ところで、図７から、硬い水平路面における正規化負担率は走行速度にかかわらずほぼ一定であることも明らかである。本研究で得られた実験データをもとに計算した水平硬路面における正規化.

惰走期時間 ｓ1

負担率は約 0.021N･s/m/N である。水平硬路面は車いすにとって最も条件の良い環境である。したがって、算出した水平硬路面における正規化負担率は車いす走行操作時の負担を評価する際の基準値となりうる。

正規化負担率 N･s/m/N

1.2

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

1/6ｽﾛｰﾌﾟ
1/8ｽﾛｰﾌﾟ
1/10ｽﾛｰﾌﾟ
1/12ｽﾛｰﾌﾟ
1/15ｽﾛｰﾌﾟ
1/20ｽﾛｰﾌﾟ
水平路面

0

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
速度 m/s2

図７ 正規化負担率計算結果
Fig.7 Results of normalized load/distancerate.

３ 頸損者による走行実験
昨年度に引き続き、頸損者の車いす操作能力およびハンドリム位置（適合性）による操作性の違いに関するデータを収集した。
3.1 実験内容
3.1.1 最大駆動力の計測計測用車いす後方にそりを連結する。そりに車いすが動かない程度の錘を搭載する。そして、被験者がハンドリムを前進方向に駆動するときの駆動力を計測する。
3.1.2 縦断勾配走行
計測用車いすを操作して縦断勾配可変式走行路
を１回のみ走行する。完走できなくなる勾配まで走行実験を行う。その際、データを収集するとともに走行状況をビデオカメラで記録する。
3.1.3 使用した計測用車いす
計測用車いすとして、２章の実験で用いた計測用車いすのトルク変換器とロータリ・エンコーダと同じものを、各部の細かい調整が可能な採型用車いす（日進医療器製）に取り付けたものを使用した。これは、ハンドリム相対高さを変えてもバックサポート高さ・角度やフットサポート高さ等の条件が一定になるようにするためである。
なお、
この計測用車いすの重量は 290N である。

平成 15 年度

兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集

159

3.3 頸損者による走行実験結果
頸損被験者５名の駆動力ピーク値の結果を図８に示す。参考のために収集した健常者Ｆのデータも示してある。また、縦断勾配を走行したときの平均速度の結果を図９に示す。ただし、被験者Ｋについてはハンドリム位置 70°の走行実験デー
タは収集できなかった。
ハンドリム位置による駆動力の違いを見ると、
個人差はあるものの、70°、90°、100°の順に大きくなっていることが分かる（図８）。
次に、縦断勾配走行実験結果を見てみる（図９）。
被験者Ｌは発揮できる駆動力が小さいため、いずれのハンドリム位置においても、勾配 1/20 を登る
ことができなかった。被験者Ｈは、ハンドリム位
置 90°および 100°のときのみ勾配 1/20 を登ることが可能であった。被験者Ｉは、70°、90°、100°のいずれの場合も、勾配 1/15 までしか走破できなかった。被験者Ｊは、勾配 1/15 まではいず
れのハンドリム位置でも走破可能であったが、勾配 1/12 についてはハンドリム位置 90°および100°のとき走破可能であり、勾配 1/10 についてはハンドリム位置 100°のときのみ走破可能であった。
また、図９から明らかなように、ほぼ全員の被験者について、同じ勾配を走破するのに、ハンド
リム位置 100°のときの走行速度が大きくなっている。2.2.1 で述べたように、縦断勾配は速度を上げて走破するほうが楽であることから、頸損者もできるだけ速度を上げて縦断勾配を走破しようとするであろうということが想像できる。

F

250

駆動力 N

.

H

200

I
J

150

K

100

L

50
0
60

70

80

90

100

110

肘屈曲角換算ハンドリム位置 deg

図８ ハンドリム位置と最大駆動力
Fig.8 Hand‑rim position vs. driving force.
1/20・Ｈ

0.5

1/20・Ｉ.

3.2 被験者
昨年度および今年度を含めて以下に示すような計５名の頸損者について走行データを収集した。
被験者Ｈ：男性頸損者（C6b；21 歳；体重 442N）
被験者Ｉ：男性頸損者（C6b；20 歳；体重 385N）
被験者Ｊ：男性頸損者（C6b；18 歳；体重 475N）
被験者Ｋ：男性頸損者（C6b；28 歳；体重 519N）
被験者Ｌ：男性頸損者（C5b；34 歳；体重 409N）

以上のことから、本研究の走行実験結果に限って言えば、頸損者にとって、ハンドリム位置 100°は 70°および 90°に比べて操作しやすく、力を加えやすくなっていると推測できる。

走行速度 ｍ/s

3.1.4 ハンドリム位置設定値
ハンドリム取り付け位置を、被験者が車いすに着座した状態で、ハンドリム頂点に手部を置いた
ときの肘屈曲角度で表す。各被験者について、ハ
ンドリム位置を肘屈曲角度換算（以下、ハンドリ
ム位置と称す）70°、90°、100°（肘を伸ばした状態が 0°）の 3 通りに設定し、それぞれのハ
ンドリム位置について前記の実験を行う。

0.4

1/20・Ｊ
1/20・Ｋ

0.3

1/15・Ｉ
1/15・Ｊ

0.2

1/15・Ｋ
1/12・Ｊ
1/12・Ｋ

0.1

1/10・Ｊ

0
60

70

80

90

100

110

肘屈曲角換算ハンドリム位置 deg

図９ ハンドリム位置と縦断勾配走行速度
Fig.9 Hand‑rim position vs. running speed
on longitudinal slopes.
ところで、頸損者による縦断勾配走行実験においては、聞き取りにより、走行が「楽」
、
「少し苦
しい」
、
「苦しい」の３段階の官能評価も行っているが、ここでは、走行データから、評価①「途中逆走することなく完走」、評価②「途中逆走が見られたが完走」、評価③「完走不可能」の３段階で評価してみる。その結果を 3.1.1 で記述した方法で計測した最大駆動力およびそれを全重量で除した
正規化駆動力とともに表１に示す。
表１においては、評価①を○、評価②を△、評価③を×で示している。これらの結果を官能評価と比較すると、評価①は「楽」もしくは「少し苦しい」、評価②は「苦しい」とほぼ一致することが分かった。

平成 15 年度

兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集160

表１ 頚損者の駆動能力と縦断勾配走行実験結果
Table 1 Driving force and ability of longitudinal slope of cervical cord injured persons
頸損者Ｈ
頸損者Ｉ
頸損者Ｊ
頸損者Ｋ
頸損者Ｌ
駆動力ピーク値
駆動力ピーク値
駆動力ピーク値
駆動力ピーク値
駆動力ピーク値(正規化値)(正規化値)(正規化値)(正規化値)(正規化値)
勾配 走行
勾配 走行
勾配 走行
勾配 走行
勾配 走行
1/6 ×
1/6 ×
1/6 ×
1/6
1/6 ×
1/8 ×
1/8 ×
1/8 ×
1/8
1/8 ×
52N 1/10 ×
72N 1/10 ×
91N 1/10 ×
33N 1/10 ×
1/10(0.069) 1/12 ×(0.103) 1/12 ×(0.116) 1/12 ×(0.046) 1/12 ×
1/12
1/15 ×
1/15 △
1/15 △
1/15
1/15 ×
1/20 ×
1/20 ○
1/20 ○
1/20
1/20 ×
1/6 ×
1/6 ×
1/6 ×
1/6 ×
1/6 ×
1/8 ×
1/8 ×
1/8 ×
1/8 ×
1/8 ×
60N 1/10 ×84N 1/10 ×
97N 1/10 ×
128N 1/10 ×
39N 1/10 ×(0.086) 1/12 ×(0.121) 1/12 ×(0.123) 1/12 △(0.154) 1/12 ×(0.054) 1/12 ×
1/15 ×
1/15 △
1/15 △
1/15 △
1/15 ×
1/20 ○
1/20 ○
1/20 ○
1/20 ○
1/20 ×
1/6 ×
1/6 ×
1/6 ×
1/6 ×
1/6 ×
1/8 ×
1/8 ×
1/8 ×
1/8 ×
1/8 ×
80N 1/10 ×102N 1/10 ×125N 1/10 △133N 1/10 ×50N 1/10 ×(0.106) 1/12 ×(0.147) 1/12 ×(0.159) 1/12 △(0.160) 1/12 △(0.069) 1/12 ×
1/15 ×
1/15 △
1/15 ○
1/15 ○
1/15 ×
1/20 ○
1/20 ○
1/20 ○
1/20 ○
1/20 ×○：完走

3.4 縦断勾配を走行できなくなる要因について
頸損者による走行実験を記録したビデオ映像を検証した結果から、縦断勾配を走破できない現象
を以下の２つに分類することができる。
その１は、被験者Ｌのように、発揮できる駆動力が小さいために、縦断勾配を１ストローク分すら走行できない場合である。
その２は、縦断勾配走行路の途中で走行できなくなる場合である。この場合は、発揮できる駆動
力は勾配抵抗より大きいものの、操作の巧拙や耐久力などの要因が複雑にからんでいると思われる。
こうした要因を量的に表すのは非常にむずかしい。
そこで、ビデオ映像を詳細に検証してみると興味深いことが明らかになった。すなわち、走行中、
惰走期あるいは場合によっては駆動期において車いすが逆走し始め、その程度が次第に増大し、ついには縦断勾配を上ることが不可能になる現象が見られる。このような現象があることを考慮に入れて、縦断勾配を走行するときの難易度を推定するモデルが作成できる可能性がある。
４ 追加実験と考察
縦断勾配路面上の車いすは、水平路面上の場合と違い、抵抗（勾配抵抗）に打ち勝つ力が駆動輪に加えられていなければ逆走してしまう。したがって、3.4 での検証結果からも想像されるように、
縦断勾配を走破するためには、惰走期に逆走しない操作ができるか否かが重要である。また、当然のことながら、惰走期における走行状態はその直前の駆動期の走行特性によっても影響を受ける。

△：完走（途中逆走有り）

×：完走不可こうしたことから、縦断勾配走行における駆動期と惰走期の走行特性の関係をより詳細に調べるため、さらには走行難易度を評価するためのモデルを作成するためのデータを得ることを目的に追加の走行実験を行った。
4.1 １ストローク走行実験
車いす走行操作における駆動期と惰走期の特性の詳細を明らかにするには、ハンドリムを１スト
ロークだけ駆動し停止するまでのデータを分析することが有効と考え本実験を実施した。
4.1.1 実験の概要
被験者は、計測用車いすに乗車し、ハンドリム
を１ストローク分だけ駆動して縦断勾配路面上を直進走行する。各勾配につきいろいろな駆動力で７回走行する。車いすの初期位置は、キャスター
輪および駆動輪ともに縦断勾配路面上にあり、キャスター輪は予め前進走行する向きに設定した状態とする。また、被験者がハンドリムを操作する
前に車いすが縦断勾配路面上を逆走しないように、駆動輪の後方に輪止めを置いておく。
4.1.2 被験者
2.1.3 に示した健常被験者全員について１スト
ローク走行実験を実施した。
4.2 １ストローク走行実験結果
縦断勾配路面における１ストローク走行実験結果の一例を図 10 に示す。
収集したデータを基に、駆動期と惰走期の特性を分析する。
4.2.1 駆動特性と負担率の関係について
自由走行実験結果は、走行速度を大きくした方

平成 15 年度

兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集

161

.

70

右駆動力
左駆動力
走行距離

50
40
30

.

被験者A
被験者B
被験者C
被験者D
被験者E
被験者F
被験者G

0

20

100

200

300

400

駆動力尖鋭率 N/s

10
0
-10

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

時間 ｓ

図 10 １ストローク走行データ例
Fig.10 Example of data of 1‑stroke running.

.

自由走行においては、走行速度が大きいほど駆動力ピーク値は大きくなり（図３）、駆動期時間は短くなっている（図５）。このことは、駆動力による運動量が同じでも、駆動力のグラフ波形が鋭い
方が速度は大きくなることを示唆している。
そこで、駆動力のグラフ波形の鋭さと負担率との関係を調べてみる。駆動力波形の鋭さは、駆動
期時間に対する駆動力ピーク値の割合（つまり、駆動力ピーク値／駆動期時間）によって表すことができる。本論ではこれを「駆動力尖鋭率」（sharpness of driving force）と定義し、駆動力波形の鋭さの指標とする。
データ処理した結果の一例として、勾配 1/12における駆動力尖鋭率と負担率の関係を示す。図11 は駆動力尖鋭率と駆動期のみにおける負担率、
図 12 は駆動率尖鋭率と駆動期および惰走期を含めた１ストローク分全体での負担率を計算した結
果である。
600
駆動期負担率 N･s/m

400
350
300
250
200
150
100
50
0

500

被験者A
被験者B
被験者C
被験者D
被験者E
被験者F
被験者G

400
300
200
100
0
0

100

200

300

400

駆動力尖鋭率 N/s

図 11 駆動期における駆動力尖鋭率と負担率
Fig.11 Sharpness of driving force vs.
load/distance rate at driving phase.

図 12 駆動期・惰走期における駆動力尖鋭率と負担率
Fig.12 Sharpness of driving force vs.
load/distance rate at driving & recovery
phase.

単位運動量あたり速度増
m/s/N･s.

駆動力 Ｎ

走行距離 cm60

区間負担率 N･s/m

が負担率は小さくなることを示している。
そこで、
１ストローク走行における駆動特性と負担率の関係はどのようになっているかを調べてみる。

0.008
0.007
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0

被験者A
被験者B
被験者C
被験者D
被験者E
被験者F
被験者G

0

100
200
300
駆動力尖鋭率 N/s

400

図 13 駆動力尖鋭率と単位運動量あたり
速度増
Fig.13 Sharpness of driving force vs.
increase of speed per momentum.
駆動期のみの負担率に関しては、被験者 C および G の場合は駆動力尖鋭率が大きくなると（速度を上げると）負担率が小さくなる傾向が顕著であるが、その他の被験者では駆動力尖鋭率と負担率の間にそれほど顕著な相関は見られない（図 11）。
一方、駆動期と惰走期を含めた１ストローク分全体について見てみると、いずれの被験者においても、駆動力尖鋭率が大きくなるほど負担率は小さくなる傾向が顕著である（図 12）。
ところで、運動量は物体の速度増に寄与する。
そこで、駆動期における単位運動量あたりの速度増を計算してみる。図 13 は勾配 1/12 における単位運動量あたり速度増の計算結果を駆動力尖鋭率に対してプロットしたものである。グラフから、同じ運動量であっても、駆動力尖鋭率が大きい方が駆動期終了時点での速度は大きくなることが示

平成 15 年度

兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集162唆される。駆動期終了時点において速度が大きいということは惰走期の走行距離が伸びることを意
味し、こうしたことが結果として負担率の低下につながると言って良い。
ここで、駆動力尖鋭率と駆動期における速度増との関係について考えてみる。図 14 に駆動力と走行抵抗（勾配抵抗）の関係を概念的に示す。図14(a)、(b)はそれぞれ速度大、速度小の駆動パターンである。また、図 14(a)および(b)の運動量（駆動力曲線と時間軸で囲まれた面積）および走行抵抗は等しいとする。また、走行抵抗は昨年度の結果 4）から一定と考えて良い。
駆動力ピーク値

走行抵抗

さくなることが説明できる。また、走行抵抗がかなり小さい場合は、走行抵抗によって打ち消される駆動力の割合は小さくなり、結果として駆動力
尖鋭率の大小と有効に使える運動量との相関が小さくなる。このことは、硬い水平路面においては走行速度に関わりなく負担率がほぼ一定になることの説明になる。
4.2.2 駆動力と惰走期時間
縦断勾配路面を走行する場合、惰走期における走行特性は操作性に大きく影響する。とくに、惰
走期時間がどの程度まで長くできるかは、駆動動作を余裕をもってできるか否かに関係する。そこで、１ストローク走行実験データから、駆動力と惰走期時間の関係を見てみる。一例として、図 15に縦断勾配 1/12 における全被験者７名の駆動力
ピーク値と惰走期時間の関係を示す。
図 15 から明らかなように、駆動力ピーク値が大きくなれば、それに比例して惰走期時間を長くすることができる。他の勾配についても同様のパターンになることを確認している。

駆動期時間

惰走期時間 s.

(a) 走行速度大（speed; high）

駆動力ピーク値

走行抵抗

1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

被験者A
被験者B
被験者C
被験者D
被験者E
被験者F
被験者G

0

駆動期時間

100

200

300

400

駆動力ピーク値 N(b) 走行速度小（speed; low）
図 15 駆動力と惰走時間の関係の例（縦断勾配 1/12）
Fig.15 Relationship between driving force
peak and recovery phase time(longitudinal incline 1/12).

図 14 駆動力パターンと走行抵抗
Fig.14 Relationship between driving
force and running resistance

図 14 において、駆動力曲線のうち走行抵抗より低い部分は抵抗に打ち消されてしまい、推進力として寄与するのは走行抵抗より高い部分である。
したがって、同じ運動量であれば、駆動力尖鋭率が大きい方が、つまり速度を大きくする駆動パターンの方が、より多くの運動量を車いすを動かすのに使うことができる。以上のことより、縦断勾配において走行速度を大きくする方が負担率は小4.3 走行難易度評価モデルの可能性について
3.4 で述べたことから、縦断勾配路面を走行す
るとき、惰走期において逆走現象が起こるか否か
は、走行操作の難易度を評価するための指標となる可能性がある。言い換えれば、惰走期時間長さを基にした走行難易度評価モデルが作成できる可能性がある。

平成 15 年度

兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集

163

1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

被験者A
被験者B
被験者C
被験者D
被験者E
被験者F
被験者G

0

0.1

0.2

0.3

データを基に、図 17 のスケールを使って、ある勾配の路面を走行する際に、車いすが逆走する前に次の駆動動作を行うまでにどのくらい時間的余裕があるかを推定することができる。

操作余裕 .

惰走期時間 s.

4.3.1 操作余裕のスケール化
評価モデルの作成を試みるにあたり、駆動力ピーク値を車いすおよびその操作者（被験者）の全重量で正規化した値で考える。一例として、図 15に示した惰走期時間を正規化駆動力ピーク値との関係に置き換えると図 16 を得る。

0.4

2.4
2.2
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

1/20

1/15
1/12
1/10
1/8
1/6

0

正規化駆動力ピーク値 N/N
図 16 正規化駆動力ピーク値と惰走時間の関係（縦断勾配 1/12）
Fig.16 Relationship between normalized
driving force peak (longitudinal
incline 1/12).

0.05

0.1
0.15
0.2
正規化駆動力ピーク値 N/N

0.25

0.3

図 17 走行難易度（操作余裕）評価スケール
Fig.17 Indicator model for evaluating
easiness/difficulty of operating
the wheelchair on slope.

4.3.2 走行難易度評価モデルの試作
導出した方程式(1)〜(6)をグラフにまとめると
図 17 のような線図（スケール）を得る。ただし、縦軸は、惰走期において逆走せずに次の駆動動作を開始するまでにどのくらい時間的余裕があるかを示すために、「惰走期時間」の代わりに「操作余裕」としている。
車いす使用者の駆動能力（駆動力ピーク値）および全重量が何らかの方法で計測できれば、その4.3.3 走行難易度評価モデルの検証
５名の頸髄損傷者によって、ハンドリム位置を変えて縦断勾配路面を実験走行したときの走行評
価データ（表１）および健常者のデータをスケー
ル（図 17）に当てはめると図 18 を得る。
2.4

1/20

.

2.2
2

操作余裕

図 16 の各点はほぼ直線状に分布している。正規化駆動力ピーク値と惰走期時間の関係を直線（１次方程式）で表わすことが妥当か否かを検証する
ために、単回帰分析を行った。その結果、実験した縦断勾配すべてについて、
危険率１%で正規化駆
動力ピーク値（x）と惰走期時間（y）の関係が以下のような１次方程式で表せることが明らかになった。
勾配 1/20； y＝7.356x−0.056･･･(1)
勾配 1/15； y＝5.583x−0.078･･･(2)
勾配 1/12； y＝4.779x−0.165･･･(3)
勾配 1/10； y＝4.388x−0.291･･･(4)
勾配 1/8 ； y＝4.014x−0.419･･･(5)
勾配 1/6 ； y＝2.672x−0.391･･･(6)

1.8
1.6

1/15

1.4
1.2

1/12
1/10

1
1/8

0.8
0.6

1/6

0.4
0.2
0
0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

正規化駆動力ピーク値 N/N

図 18 走行難易度評価スケールと実験データ
Fig.18 Relationship between experimental
data and the indicator model.

平成 15 年度

兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集

164

頸損者のデータは大きい●、▲、×で示している。また、健常者の正規化駆動力ピーク値は、縦断勾配走行実験における駆動力ピーク値の平均値から求めたものであり、頸損者の正規化駆動力ピーク値は、縦断勾配走行実験とは別途に行った最大駆動力計測実験（3.1‑(1)）から得られたデータを処理したものである（表１参照）。また、健常者の場合は、１つの勾配につきいろいろな速度（駆動力）で７回の走行実験を行っているので、図 18の逆走なし完走（小さい○）および途中逆走がある完走（小さい△）評価データは、正規化駆動力
ピーク値が最も小さいときのものをプロットしている。健常者は全員すべての勾配について○ある
いは△である。一方、頸損者の場合、勾配 1/8 お
よび 1/6 については全員が×であり、1/20 については頸損者Ｌ、およびハンドリム位置 70°のときの頸損者Ｈを除く全員が●、1/15 についてはハンドリム位置 100°のときの頸損者ＪおよびＫが●である。その他については、完走できてもすべて
▲である。
次に、
試作したスケールについて考察を加える。
各勾配のスケールに注目すると、頸損者のデータについて●と▲、▲と×の判定が混在している部
分はあるが、全体的には比較的よく分離していると言って良く、試作した走行難易度評価モデルは有効であると言える。頸損者のデータにおいて判定が混在している領域は、被験者個々人の車いす操作の巧拙に関係があるものと思われる。
今回、頸損者においては、勾配 1/10 を逆走しながらも完走できたのが１事例あったものの、今回の実験に限って言えば、頸損者にとって 1/12 より急な勾配は実用的ではないと言って良い。
そして、頸損者では勾配 1/12 については逆走なしの完走はできていないものの、斜面距離が 3ｍ程度という条件で、作成したスケールにおいて操作余裕が0.6 程度確保できる駆動能力があれば、勾配 1/20、
1/15、1/12 を車いすで走破することは可能と判定できる（図 18）。
1/12 より急な勾配は、頸損者にとっては実用的ではないと考えられるが、健常者と同等の上肢機能がある胸髄損傷者の場合は、操作余裕が 0.4 程度確保できる駆動能力があれば 1/10、1/8、1/6の縦断勾配をスムーズに上ることができると推定できる。
１ストローク走行データを基に今回作成した縦断勾配走行難易度評価モデルによって、頸損者による走行実験データから得られた走行状態が図17 のスケールによって比較的明瞭に分別できたことから、このモデルは車いす使用者の駆動能力と対応可能勾配の関係を推定するのに利用できると言って良い。
５ 研究のまとめ
本研究は、平成 13 年度より３ヵ年計画で行った。
研究の目的を単純に「移動機器とくに車いす使用者の操作負担を可能な限り軽減する」ことに設定した。そして、操作負担の軽減を、環境が車いす走行に与える影響、車いす自体の機械的効率、使用者と車いすの適合といった３つの要因から追求した。操作負担に影響する要因を定量的に明らかにするため、計測用車いすを使った走行実験で得られた定量データを基に処理・分析するという方法を用いた。
平成 13 年度においては、走行環境（床材）によって車いす走行操作負担がどの程度増減するかを定量的に明らかにした。さらに、車いすの駆動輪
取り付け位置によって走行効率が変わることを実験により明らかにするとともに、そのメカニズムについて考察した。
平成 14 年度においては、
縦断勾配が車いす使用者に強いる負担を定量的に明らかにした。
また、車いす駆動輪のアライメントの不適正はかなりな操作負担増を招くことを明らかにした。
さらに、車いす使用者に対するハンドリムの相対的位置を適正にすると操作性がかなり向上することが実験データによって裏付けられた。これらのことは、車いすの設計において剛性を確保することの重要性と使用者の身体条件に適合した車いすを処方することの重要性を示唆するものである。
最終年度である今年度は、縦断勾配走行実験データとハンドリム適合実験データをさらに収集するとともに、走行速度と操作性の関係について考察を加えた。縦断勾配走行時の操作負担は、車いす・使用者重量の違いがあっても正規化負担率を使えば包括的に評価できることが明らかになった。
さらに、頸損者による走行実験のビデオ映像の分析から、惰走期において逆走が生じそれが増幅することが最終的に縦断勾配を走破できなくなる
大きな要因であることを明らかにした。その現象に注目して、駆動力と惰走期時間の関係の詳細を
１ストローク走行実験によって分析した。
そして、その分析結果を基に、車いす使用者の操作能力（駆動力）と車いす・使用者の全重量とが何らかの方法で計測できれば、縦断勾配における車いす走行の難易度を推定できる評価モデルを試作し、その平成 15 年度

兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集

165

有効性を検証した。処方現場において車いす使用
者の駆動能力を測る方法としては、糟谷らが段差通過時の駆動力を指標化した研究成果 10）11）を活用することができる。あるいは、車いすによる牽引力をばねばかりやディジタル・フォース・ゲー
ジで簡易に計測する方法もある。
今後は、本研究で得られた実験データや知見を、現場での車いすの合理的な設計および処方、あるいは環境整備のためにより使いやすくするために、手引書のような形態にまとめることも重要である。

9)

米田郁夫他, 片流れ路面が車いす走行に及ぼす影響,
機械学会第 11 回バイオエンジニアリング講演会論文集, (1999), pp344‑345

10) 糟谷佐紀他, 段差通過時の手動車いす駆動力に関する指標化, 機械学会第3回福祉工学シンポジウム講演
論文集, (2003), pp25‑28

11) Kasuya S., et al. Study on developing the criterionof level differences for the wheelchair. Assistive
Technology―Shaping the Future. AAATE2003. IOS
Press, (2003), pp623‑627

６ おわりに本研究おいて、被験者としてご協力いただいた
皆様、とくに頸損者の方々には負担の大きい実験にご協力いただき貴重な実験データを得ることができました。ここに心より感謝の意を表します。

参考文献
1)

Cooper RA., et al. Life‑cycle analysis of depot
versus rehabilitation manual wheelchairs. Journalof Rehabilitation Research and Development, 33‑1,(1996), pp45‑55

2)

米田郁夫他, 高齢者･障害者の移動機器の最適処方に関する研究開発（その１）−走行環境と車輪アライメ
ントが車いす操作に及ぼす影響の定量的評価−, 平
成 13 年度兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集, (2001), pp137‑141

3)

Yoneda I., et al. Quantitative evaluation andanalysis of influences of floor conditions andposition of rear wheels on maneuvering the manual
wheelchair. Assistive Technology ― Shaping the
Future. AAATE2003. IOS Press, (2003), pp147‑151

4)

米田郁夫他, 高齢者･障害者の移動機器の最適処方に関する研究開発−手動車いすの縦断勾配における走行特性と操作性に関する定量的評価−, 平成 14 年度
兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集, (2002),
pp137‑1445)

建築基準法施行令, 第二十六条

6)

高齢者、身体障害者頭が円滑に利用できる特定建築物の建築の促進に関する法律関係告示，第一の二の(五)ロ7)兵庫県福祉のまちづくり条例施設整備マニュアル、(2002)，pp12‑13

8)

長寿社会対応住宅設計マニュアル, 国土交通省住宅整備課, (1997)
平成 15 年度

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