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本研究プログラムにおける中心研究者(山海嘉之)が『サイバニクス』技術を駆使した最先端人支援技術研究を推進する上で必要な研究テーマをそれぞれの分野の先生に加わっていただき、推進しています。

不完全/完全脊髄損傷患者への適用を目指したロボットスーツHALの開発と歩行支援

塚原 淳

最先端サイバニクス研究拠点 研究員(専門:サイバニクス)

これまで本研究グループでは、人間の機能を拡張・増幅・強化することを目的とした「ロボットスーツHAL」を開発し、運動意思を反映した生体電位信号を用いることで,HAL装着者に対する動作支援手法を確立してきた.しかしながら、中枢神経系を損傷した脊髄損傷患者の場合、脚動作に必要なBESを自らの意思に応じて発生させることは極めて困難である。

したがって,本研究は,歩行の直前に観測される重心移動や姿勢変化等の予備動作から,HAL装着者(脊髄損傷患者)の随意的な運動意思を推定するとともに,重心の移動速度に応じて遊脚速度を制御する歩行支援システムの構築を目指す.

  1. 重度下肢麻痺患者用ロボットスーツの開発
    本研究の対象者は,自力での立ち上がり動作や歩行が困難な重度の脊髄損傷患者であるため,下肢における全関節を能動的にアシストする必要がある.そのため,腰・膝・足関節に高出力のモータを搭載したロボットスーツHALを開発した.さらに,このHALは股関節のヨー軸(水平面)とロール軸(前額面)の回転運動を,装着者の障害レベルに応じて,機械構造的に調節が可能である.

  

  1. 歩行解析に基づく意思推定器の開発
    これまで,HAL装着者の脚の振り出しに関連する歩行意思を重心移動や体幹姿勢の変化に基づいて推定することに成功した.次の段階では,歩行意思を推定するだけでなく,装着者が意図する歩行速度に対して,適切な遊脚軌道を提供する必要がある.ここでは,遊脚速度と両脚支持時間との間の関係を明らかにするために,トレッドミルのベルトスピードを変化させたときの,健常者の歩行をモーションキャプチャを用いて計測・解析した.

  

  1. フリージョイントマネキンを用いた事前実験(左図)
    上記項目によって構築されたシステムの性能を評価するために,フリージョイントマネキンを用いて事前実験を行った.実験者は,移動式免荷装置を前方に移動させることで,システムを装着したマネキンに体重移動を行わせ,システムによる歩行支援が適切に遂行されるかを確認した.実験の結果,本システムは,重心移動によって首尾よく歩行を開始するとともに,移動スピードによって変化する両脚支持時間に基づき,遊脚速度を変化させながら歩行支援を遂行することができた.
  1. 脊髄損傷患者に対する実証試験(右図)
    構築されたシステムにより歩行支援が遂行される重度の脊髄損傷患者の歩行能力を,「10m歩行試験」と「歩行の左右対称性」から評価した.歩行の左右対称性に関しては,空間的・時間的対称性の両側面から評価するために,左・右脚における床反力中心の移動分布と両脚支持期の時間によって確認した.10m歩行試験時の,最終的な歩行時間 [s]および歩行率 [歩/s]の結果は,初日の試験結果と比較し,それぞれ約22%,27%程度向上した.左右脚での床反力中心の移動分布は,試験を通じてサジタル平面およびラテラル平面においてほとんど対照的であった.また両脚支持時間に関しても,最終的には左右対称での歩行を実現することができた.

  

 

 

 

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