筋力補助効果と体幹安定化効果を持つ軽労化装具スマートスーツ・ライト

• Material Type: 博士論文
• Title: 筋力補助効果と体幹安定化効果を持つ軽労化装具スマートスーツ・ライト
• Author/Editor: 今村, 由芽子
• Author Heading: 今村, 由芽子
• Publication, Distribution, etc.: Hokkaido University
• Publication Date: 2014-03-25
• Publication Date (W3CDTF): 2014-03-25
• Alternative Title: KEIROKA Device Smart Suit Lite with Trunk Stabilizing Effect and Muscle Assistive Effect
• Contributor: 田中, 孝之; 金井, 理; 金子, 俊一
• Degree grantor/type: 北海道大学
• Date Granted: 2014-03-25
• Date Granted (W3CDTF): 2014-03-25
• Dissertation Number: 甲第11309号
• Degree Type: 博士(情報科学)
• Conferring No. (Dissertation): 甲第11309号
• Text Language Code: jpn
• Subject Heading: パワーアシスト; 体幹安定化; バイオメカニクス; デジタルヒューマン; Power assist; Trunk stabilization; Biomechanics; Digital human
• NDC: 500
• Target Audience: 一般
• Note (General): In this research, we developed passive power assistive device Smart Suit Lite (SSL) thatdecreases muscle load and lumbar load of wearers, and constructed its design method.SSL is developed under concepts of KEIROKA technology that decreases physical burden and fatigue. The device is compact and lightweight because it utilizes only the elastic materials without power-sources or sensors. On the other hand, there is a problem that it is not able to control the assist force corresponding to the load changes. Therefore, this paper proposes the design method of the device which supplies the optimal assistive force to target motions and desired assist ratio.The effects of SSL are divided into trunk stabilizing effect and muscle assisting effect.For the design of SSL, modeling and analysis of each effects are required. The muscle assisting effect reduces the muscle load by the component of assistive force in the same direction as the muscle. For the analysis of this effect, the surface shape of the wearer were modeled. A skin segment model was added on the musculoskeletal model, and it is able to simulate the change in length of the skin by moving and rotating the segments in accordance with the motion. By placing the model of elastic material on the segments, itbecomes possible to simulate the assist effect of arbitrary arrangement and properties of the elastic materials. The trunk stabilizing effect reduces the burden of the lumbar spine and increases the support in the lumbar region by tightening around the pelvic. The tightening force of SSL increases according to the posture. The quantitative evaluations of the trunk stabilizing effect were performed by estimating lumbar joint stiffness. It becomes possible to simulate the trunk stabilizing effect when changing the assist force by constructing the model of the relation between tightening force and joint stiffness.The design and production of SSL was performed for reducing 25% of the burden of lower back muscle for three care motions. For verifying the torque-based assistive effect, experiments utilizing humanoid HRP-4C of the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology ware performed. It was confirmed by measuring surface electromyogram that SSL reduces 24.4 % on average burden of erector spinae. Trial experiments were performed in caregivers who work in hospitals, it was confirmed the effectiveness of SSL in the actual care field.; 本研究では装着者の筋負担と椎間板負荷を同時に軽減するパッシブ型筋力補助装具"スマートスーツ・ライト"の開発とその設計手法の構築を行う．スマートスーツ・ライトは身体にかかる負担・疲労を軽減する軽労化技術のコンセプトの下で開発を行い，弾性材のみを利用した補助機構により小型・軽量で安全な装具を実現しているが，動作中の補助力制御が行えず負荷の変動に対応できないという課題がある．そこで本論文では補助対象動作と目標補助率を予め設定し，それに対し最適な補助力を供給するスマートスーツ・ライトの設計手法を提案する．スマートスーツ・ライトの効果は筋力補助効果と体幹安定化効果の二つに分けることが出来る．対象動作の解析による設計を行うために，それぞれの効果解析とモデル化が必要となる．筋力補助効果は弾性材が発生する補助力の筋肉と同方向の成分が筋負担を軽減させる効果である．補助力は姿勢変化に伴う弾性材の伸びによって得られるため，装着者の表面形状変化に依存する．そこで動力学シミュレータSIMMの筋骨格モデルをベースとして，皮膚表面を表すスキンセグメントを追加し動作に合わせて移動・回転させることにより皮膚の伸びのシミュレーションを行う．さらにスキンセグメント上に弾性材のモデルを配置することにより，任意の弾性材配置・特性によって発生する弾性力と装着者に伝わる補助力のシミュレーションが可能となる．体幹安定化効果は骨盤周りを締め付ける外力により腰部の支持性が増加し腰椎負荷が軽減する効果である．スマートスーツ・ライトは弾性材の配置により姿勢変化に応じて腰部の締付力も増加する．その姿勢に伴い変化する締付力による体幹安定化効果を定量的に評価した．締付力による体幹剛性の増加と椎間板内圧の減少は同時に起こることが知られているため，本研究では動作計測により腰部の関節剛性を推定し体幹安定化効果の指標とした．締付力と関節剛性のモデル化を行うことにより，スマートスーツ・ライトの補助力を変化させた際の体幹安定化効果のシミュレーションが可能となる．実際に３種類の介護動作を補助対象として腰背部の筋負担を25%軽減させるスマートスーツ・ライトの設計と製作を行った．産業技術総合研究所の女性型ヒューマノイドHRP-4Cに着用させることより補助力と関節トルクベースの補助効果を検証した．また，人の補助対象筋の負担を表面筋電図により評価し，スマートスーツ・ライト着用時に脊柱起立筋の負担が平均24.4%軽減していることを確認した．病院に勤務する介護士を対象としたモニター試験を実施し，実際の介護現場での有効性も確認した.; (主査) 准教授 田中 孝之, 教授 金井 理, 教授 金子 俊一; 情報科学研究科（システム情報科学専攻）
• DOI: 10.14943/doctoral.k11309; https://doi.org/10.14943/doctoral.k11309
• Persistent ID (NDL): info:ndljp/pid/8949804; https://dl.ndl.go.jp/pid/8949804
• Collection: 障害者向け資料
• Collection (Materials For Handicapped People:1): テキストデータ
• Collection (particular): 国立国会図書館デジタルコレクション > デジタル化資料 > 博士論文; https://dl.ndl.go.jp/collections/A00014
• Acquisition Basis: 博士論文（自動収集）
• Available (W3CDTF): 2015-03-03
• Date Accepted (W3CDTF): 2015-02-03T05:25:05+09:00
• Date Created (W3CDTF): 2014-03
• Format (IMT): PDF
• Access Restrictions: 国立国会図書館内限定公開
• Service for the Digitized Contents Transmission Service: 図書館・個人送信対象外
• Availability of remote photoduplication service: 可
• Periodical Title (URI): http://dx.doi.org/10.14943/doctoral.k11309; http://hdl.handle.net/2115/55640
• Is Referenced By (URI): http://hdl.handle.net/2115/55637
• Data Provider (Database): 国立国会図書館 : 国立国会図書館デジタルコレクション; https://dl.ndl.go.jp