Advance Publication by J-STAGE. 日本機械学会論文集 Transactions of the JSME (in Japanese)

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1 Advance Publication by J-STAGE 日本機械学会論文集 Transactions of the JSME (in Japanese) DOI: /transjsme Received date : 24 February, 2016 Accepted date : 6 September, 2016 J-STAGE Advance Publication date : 14 September, 2016

2 床からの立ち上がり動作を補助する装置の開発 南後淳 *1, 佐藤慶和 *2 *3, 三浦慎平 Development of the device for assisting standing movement from floor Jun NANGO *1, Yoshikazu SATO *2 and Shinpei MIURA *3 *1 Yamagata Univ. Graduate School of Science and Engineering Jounan, Yonezawa-shi, Yamagata , Japan *2 Yamagata Univ. Graduate School of Science and Engineering Jounan, Yonezawa-shi, Yamagata , Japan (Current affiliation: KURAKI Co., Ltd Jooka, Nagaoka-shi, Niigata , Japan) *3 Yamagata Univ. faculty of Engineering Jounan, Yonezawa-shi, Yamagata , Japan Abstract The action of standing up is a starting point when we move to the next actions, and that is performed frequently in daily life. This action induces the pain in joints as people age. Supporting to the action of standing up is important to prevent the nursing care level from advancing. In this research, we develop the mechanism for assisting standing movement from the low position that can set on the floor in the japanese-style room. Double pantagraph jacks are used to expand the operating range of seat plate. We design linkage to follow two postures of legs. Namely, these are starting posture, and ending posture of the standing up motion. Generally, it is difficult to raise the heavy body with the jack in the lowest position because the motion transmissibility can't be gained sufficiently. The mechanism to drive the seat plate is installed under the armrest in order to make the start position of standing lower enough. The length of the link composing the jack is determined to get the height of the seat plate enough to assist the ending posture of the standing up motion. The position where the two links are connected to make them intersecting is indicated as an internally dividing point. This intersecting position of links is determined to make the seat plate follow the attitude of human leg. There are five choices of length of link, and there are four choices of the intersecting position of links, so it is possible to make twenty combinations. From twenty combinations, the best combination is determined by the method of considering the space occupied by the mechanism and the output height and the attitude of the seat plate. The gas spring is used as the power source, the specification of the power source is gained by the static analysis. The experimental device is manufactured using the parameter determined from twenty combinations. It is verified that the seat plate of the experimental device follow the two posture. We evaluate this device s supporting performance by the floor reaction force and the electromyogram of the leg. From the result of measurement of the floor reaction force, the reduction of the physical load is verified. From the result of surface myogenic potential, the muscle activities of the anterior tibial muscle and the gastrocnemius muscle are reduced by using the assist device. On the other hand, the muscle activities of the rectus femoris muscle and the semitendinous aren't reduced very much. It is seemed that the power unit is needed to improve to support in the lower position sufficiently. Points to be noted so as to design the driving source using linear springs are shown. Key words : Standing movement from floor, Planar 10-bar linkage, Pantagraph jack No [DOI: /transjsme ] *1 正員, 山形大学大学院理工学研究科 ( 山形県米沢市城南 ) *2 山形大学大学院理工学研究科 ( 現倉敷機械 ( 株 )( 新潟県長岡市城岡 1-2-1)) *3 山形大学工学部機械システム工学科 of corresponding author: nango@yz.yamagata-u.ac.jp

3 1. 緒言日常生活において立ち上がり動作は, 歩行などの様々な動作へ移るときの起点であり, 頻度が高い. しかし, 脚部で自分の体重を支えるため, 膝関節や股関節への負担が大きく, 筋力の低下した高齢者などにとってはつらいものとなる. そこで, 立ち上がり動作の補助は動作負担の軽減や, 要介護度の悪化を防止するという点でも重要であるため, 動作解析を行いながら ( 新小田他,1999), 自立支援の観点でいくつかの形式について開発されてきた ( 富田他,1999). ところが, 現在市販あるいは研究されている補助装置としては椅子形のものが主流である (Fattah et al., 2006). その一方で, 日本の生活環境に適応するため床から立ち上がる際にも使用可能な補助器具として, 手すり状のもの ( 鈴木他,2014) や, 座椅子の座面が電動で昇降するものがある. 手すり状のものは, 環境に制限を受けることが少なく, どこでも使用できる一方, 腕部への負担が大きい. また, 座面が床に対して平行に昇降する形式は, 使用者の大腿部の動作に十分追従しないために自然な立ち上がり動作を主体的に補助する自立支援の器具としては不十分である ( 図 1 参照 ). 図 2 に示すように, 立ち上がり動作において, 大腿部の運動を座面が追従するよう設計することができれば, 大腿部を面で支えながら人体に干渉することなく動作の補助が可能である (Nango et al., 2010). 一般に, 床からの立ち上がり動作は脚部関節可動域が広く補助装置に必要とされる駆動力も大きくなる ( 記州他,2008) ため, 市販されている座椅子の形式では, 使用者の大きな関節可動域を補助するよう, 装置を大型としなければならず, 高価となり, 広く普及されているとは言えない. そこで, 本研究では, 床からの立ち上がり補助装置を使用者自身が操作し, 自立支援に有効な装置の開発を行う. この装置は座椅子にリンク機構を組み込む形式とし, 立ち上がり動作を行う大腿部の運動に合わせて座面を駆動し, この座面の動きによって立ち上がり動作を補助 誘導し負担軽減を図る. 装置の駆動には, コンパクトで且つ座面の可動域も十分に得られるよう,1 入力で駆動する平面リンク機構を用いるものとする. パンタグラフジャッキの平面 6 節リンク機構を上下に 2 つ重ね, スライダを共用することで, リンク長を大きくすることなく, 必要な座面の可動域を実現する機構を提案する. 機構定数は, 使用者が座位の姿勢となる補助開始位置および立位の姿勢となる補助終了位置の 2 つの姿勢において, 座面に対する使用者の脚部の姿勢を重視し, 装置の大きさの制限と合わせて条件を設定し決定する. また, 装置使用時の脚部動作や床反力および筋電位の測定を行い, 本装置の補助特性を評価 考察する. (a) (b) (c) Fig. 1 Types of the device for assisting standing movement from floor. (a) Pure rotating motion type (b) Pure translation motion type (c) Complex motion type. The seat plate of type (a) can't follow the thigh part sufficiently. The seat plate of type (b) is in contact with the thigh part at the point of the edge area. The complex motion of the seat plate is needed to support the thigh part in the standing movement.

4 Fig. 2 Standing movement from floor. In this action, the thigh part is in the motion combining the rotating and translating. Fig. 3 Dimensions of the armrest. These numerical values are determined with reference to a legless chair. The size of the armrest is one of restrictions to design the mechanism. The mechanism to drive the seat plate is put into the armrest. 2. 平面 6 節リンク機構を 2 つ重ねて用いた立ち上がり補助装置 2 1 設計仕様生活空間を制限しないようひじ掛け部分に装置を収納することを考える. 図 3 は座位の状態での装置の大きさについての条件を示している. 図 4 に座面と脚部姿勢を示す. 装置使用者が座位の姿勢となる補助開始位置 1および立位の姿勢となる補助終了位置 2の 2 つの姿勢における,

5 座面に対する使用者の姿勢に着目する. 足関節から床に垂直な線を引き, 床との交点を原点とした座標系に関して, 座面が 1 および 2 の位置にあると き, 股関節が図に示す座標となることを座面の運動の条件とする. Fig. 4 Kinematic model of the human leg. This model is shown using the planar open-loop mechanism. In position 1, the leg is in the starting posture of the standing up motion. In position 2, the leg is in the ending posture of the standing up motion. The coordinates of the hip joint are shown in the coordinate system in which the origin is set the foot of a perpendicular dropped from the ankle joint and meeting the floor. These coordinates is gained by measuring the person who is an adult male aged 20 years. (a) Pantagraph jack (b) Double linkage (c)arrangement with slider Fig. 5 Kinematic model of the device. (a) Planar 6-bar linkage using in the pantagraph jack. (b) Planar 10-bar linkage using the double linkage shown in (a). (c) Planar 10-bar linkage arranged with the position of slider. The mechanism shown in Fig. 5 (b), the slider is shared between the upper and lower linkage. The large amount of lifting distance can be obtained without making length of link longer. In the mechanism shown in Fig. 5 (c), the position of slider is arranged to follow the motion of thigh.

6 2 2 採用する機構と運動学モデル前節に示した設計仕様を満たすためには, 座面の大きな可動域をコンパクトな機構で実現する必要がある. 図 5 (a) には, 重量物を持ち上げるために使用される工業用リフト機械 ( ジャッキ ) を構成する平面 6 節リンク機構を示す. 中央で交差する 2 つのリンクを同じ長さとし, リンク長を 2 等分する点で互いに回転軸で連結することで, 上端のリンクを下端の静止節に対し平行に 1 入力で駆動する機構となる. この機構の運動の特徴として, 中央の交差するリンクを 2 等分する点以外で連結すればこのリンクの運動は, 静止節に対し平行ではなくなること, また上端のリンクの鉛直上方への移動距離を大きくするためには, これらのリンク長を大きくする必要があることが挙げられる. 重量物を安定して上方へ 1 入力で案内可能であることから, この機構を採用することとする. ただし, 十分な可動域と機構のコンパクト化を両立するため, 図 5 (b) に示すように, スライダを共用する形で 2 つの平面 6 節リンク機構を重ね合わせた機構 ( 平面 10 節リンク機構 ) とする. さらに, 図 5 (c) に示すように, 上段の機構のスライダ位置を変更することで, 座面を取り付ける上端のリンク ( 図 7 における Link 8) を使用者に対して前方 ( 図中においては左方 ) に案内する運動を創出する. この形式とすることでリンク長を大きくすることなく大腿部の動きに追従する装置の設計が可能となる. 図 6 には, 上段の機構のみについて瞬間中心を示している. 図中,P ij は,Link i と Link j の瞬間中心を表していて, このとき,Link 1 が静止節であり,link 6 に座面を取り付け, 使用者は左側を前方として使用するとしている. 三中心の定理を用いて,P 16 を作図すると, 図 6 (b) のようにスライダを配置することで, 立ち上がり動作時の大腿部を前方へ誘導する運動を創出することが期待できる. 図 7 にこの機構を用いた装置の概要を示す. この機構は対偶点の ABDF および DHJC で構成される閉回路を, 点 B および D において結合して構成されている. 座面は線分 H 1 I 1 で示された Link 8 にオフセットして下方に取り付けられる. また,Link 8 の上面はひじ掛けでもある.Link 3 に入力を与え,1 入力で駆動する. リンク x(x = 1, 4, 7, 10) の節長を a x とし, 線分 AE, FE, DK および BK の長さを n x : 0 < n x <1 (x=1,4,7,10) を用いて,n x a x とする. (a) Each link intersected arrangement with a single slider (b) One of links intersected arrangement with two sliders Fig. 6 Instantaneous center of the planar 6-bar linkage. This diagram is drawn by the method of theorem of three enters. (a) Each link intersected arrangement with a single slider. (b) One of links intersected arrangement with two sliders. P ij indicates the instantaneous center between Link i and Link j. Link 1 is the frame link. The seat plate is attached to Link 6. The person using device takes a position of left side of the device. As shown in (b), the instantaneous center between Link 1 and Link 6 locates downward from Link 1. It is expected that link 6 in the mechanism shown in (b) can follow the femoral region in the standing motion.

7 Fig. 7 Schematic diagram of the device for assisting standing movement from floor. This mechanism is consisted with double pantagraph jacks, namely, ten-bar linkage. The points A, B, D, E, F, H, J and K indicate the revolute pair, respectively. Point C, G and I indicate the prismatic pair, respectively. Link 2, Link 5 and Link 9 are sliders. Link 6 is the stationary link. Link 8 is the seat plate. A 1, D 1 and I 1 are reference points to measure slider displacements. Fig. 8 Kinematic model of the device with human leg. The hip joint of the user is fixed on the link composing the mechanism.

8 2 3 機構定数の決定使用者の体格差への対応を考慮し, 下の機構では高さのみを出力し, 角度の出力は上の機構でのみで行うよう役割を分担する. 体格差による立ち上がり動作の違いは, 主に脚部長さの違いによる鉛直上方移動距離の違いであり, 大腿部の回転運動は基本的に同じであると考えられる. したがって, このような形式とすることで, 主に下の機構のリンク長の変更で体格差による立ち上がり動作の違いへの対応が可能である. 探索する設計パラメータは Link 1, 4, 7, 10 の長さ a x (x=1, 4, 7, 10) および交差する 2 組のリンク (Link 1 と Link 4, および Link 7 と Link 10) の連結点の位置を表す係数 n x (x = 1, 4, 7, 10), (0 < n x < 1) とする. すなわち, AE = n 1 a 1, FE = n 4 a 4, DK = n 7 a 7, BK = n 10 a 10 である. ただし, 下の機構は高さのみを得るため n 1 = n 4 = 0.50 とする. また, 上の機構での設計パラメータの数を減らし, 探索の効率化や設計時の寸法管理の容易さを考慮し, n 10 = 1 n 7 とする. さらに, 同様の理由から,a x はすべて同じ値とする. したがって, 探索はa x および n 7 について行うものとする. 装置の大きさの条件から a x の候補 (400, 450, 500, 550, 600[mm]) を, 座面の動きの条件から n 7 の候補 (0.45, 0.40, ) を挙げ, 図 9 に示すように, 合計 20 通りの組み合わせから総当たりで探索した. このとき, 図 8 に示すように, 座面上での固定された点として股関節の位置を定めることで, 脚部動作のシミュレーションも可能である. 図 9 中に定点として, 補助終了時の股関節の座標の目標値 (150,700) を示している. 座面 2の股関節座標 (150,700) と機構の運動学モデルから計算される股関節位置の位置が比較的一致し, 座面と大腿部を表す線分が平行となるのは, 図 4 において (a x, n 7 ) = (500, 0.4), (550, 0.35), (600, 0.30) である. このとき, 装置の大きさを考慮し,a x =500[mm], n 7 =0.40 (n 10 =0.60) と機構定数を決定した. なお, 股関節位置の算出には図 10 および図 11 に示した数値を用いている. 図 11 においては, リンク長を考慮し, 座面の長さを 500[mm] としてシミュレーションしている. これらの数値は被験者 (20 代男性 ) の脚部寸法を計測し採用している. また, 使用する角変位の算出式等は以下のようになる. スライダ変位に関する変数は以下の記号を用いて表記する. AF = s 1, DB = s 2, JH = s 3 (1) また解析では,θ 1 を既知量として, スライダ変位 s 1,s 2,s 3 および角変位 θ i (i = 2~6) を未知量として扱う. s 1 = n 1 a 1 cos θ 1 + (n 4 a 4 ) 2 (n 1 a 1 sin θ 1 ) 2 (2) θ 3 = π cos 1 { (n 4a 4 ) 2 + s 1 2 (n 1 a 1 ) 2 2n 4 a 4 s 1 } (3) s 2 = (a 1 n 1 a 1 ) 2 + (a 4 n 4 a 4 ) 2 2(a 1 n 1 a 1 )(a 4 n 4 a 4 ) cos(θ 1 θ 3 ) (4) θ 2 = tan 1 { (a 1 n 1 a 1 ) sin θ 1 (a 4 n 4 a 4 ) sin θ 2 (a 1 n 1 a 1 ) cos θ 1 (a 4 n 4 a 4 ) cos θ 2 } (5) θ 4 = θ 2 + cos 1 { (n 7a 7 ) 2 + s 2 2 (n 10 a 10 ) 2 2n 7 a 7 s 2 } (6) θ 6 = π + θ 2 cos 1 { (n 10a 10 ) 2 + s 2 2 (n 7 a 7 ) 2 2n 10 a 10 s 2 } (7) s 3 = (a 7 n 7 a 7 ) 2 + (a 10 n 10 a 10 ) 2 2(a 7 n 7 a 7 )(a 10 n 10 a 10 ) cos(θ 4 θ 6 ) (8) θ 5 = tan 1 { (a 7 n 7 a 7 ) sin θ 4 (a 10 n 10 a 10 ) sin θ 6 (a 7 n 7 a 7 ) cos θ 4 (a 10 n 10 a 10 ) cos θ 6 } (9)

9 Fig. 9 List of twenty combinations of n 7 and a x. a x denote the length of Link 1, Link4, Link 7 and Link 10. These links have same length. n x is used to determine the connecting point between Link 1 and Link4, Link7 and Link 10. n x indicates the ratio to divide the link internally. AE = n 1 a 1, FE = n 4 a 4, DK = n 7 a 7, BK = n 10 a 10. In this case, n 1 =n 4 =0.5. It means that Link 1 and Link 4 are connecting each other at the point that is bisecting Link 1 and Link 4. And n 7 is not equal to n 10, to obtain the angle of the seat plate. Considering the symmetrical structure of linkage, n 10 = 1 n 10. The fixed point indicates the desired position of the hip joint (150,700) at the ending posture to assist. The hip joint on the seat plate coincides with the desired position and the seat plate is parallel with the representative line of femoral region when (a x, n 7 ) = (500, 0.4), (550, 0.35), (600, 0.30). Considering the space occupied by the mechanism, (a x, n 7 ) = (500, 0.4) is adopted. Fig. 10 Dimensions for the simulation. Sizes of human leg are obtained by measuring the person who is an adult male aged 20 years.

10 Fig. 11 Position of hip joint and the size of armrest. These values are used to simulate the motion of the mechanism and the human leg. 3. 動力源の選定 動力源としては, 外部からの電力供給およびドライバ等の制御系を不要とし, 使用者自身が自らの体重移動等 で主体的な操作ができるよう, 線形ばねを用いることとする. ばねを取り付ける位置は, 図 12 における Link 3 と静止節である Link 6 の間とする. 小さな駆動力で座面を支持するには, 動力源の位置は Link 8 と静止節 Link 6 との間とするのが効果的であるが, ばねに要求されるストロークが大きくなり, 機構との干渉から設計が困難に なると判断してこの位置とした. 図 13 には, このとき必要となる動力源の大きさを静力学によって算出するために, この機構の自由物体表示を 行ったものを示している. 図中,F ij は,Link i から Link j に作用する対偶作用力を表す. また,M i は, スライ ダに作用する対偶作用モーメントである. 負荷の作用する位置および駆動力 F in の作用する位置は, それぞれ a f および a fin を用いて表している. また, F ij = [ F ijx F ijy ] = F ijx i + F ijy j (10) である. 駆動力 F in の算出については付録に掲載している. 図 14 には, 被験者の体重 70 [kg] が座面に作用するとして力学解析の結果から得られる駆動力の大きさを黒色の曲線で示している. 横軸には Link 3 の垂直上方への変位 (s = ) C 1 G 1 を示している. シミュレーションの結果により, 必要となる駆動力は, 垂直上方の変位 s が小さいとき, すなわち人体脚部への負担が大きい立ち上がり動 作の初期において大きな値となっている. また, 赤い直線は, 駆動力を示した曲線を (0.18 s 0.33 [m]) の範 囲で近似した直線であり, 赤い破線はその 60% の値を示している. 人体脚部への補助は負担の大きい動作の初期 を基準に行うとして動力源の出力の大きさを決定する. 一方で, 使用者が補助する装置に依存した状況は好まし くないため, 装置を駆動するのに必要な力の 50~70% 程度として設計することで, 使用者は通常動作に対し 50~70% の負担軽減を行うものとする. 図中, 青色の破線は選定したガススプリングの出力特性をカタログに記載 の数値で表している. シミュレーション結果からストローク 300mm, ばね定数約 0.70[N/mm] 必要となるが, 選

11 定したガススプリング ( 株式会社ミスミ FGS ) を 2 本用いることで, ストローク 350mm, ばね定数 0.65[N/mm] が得られる. Fig. 12 Position of a power source installed without interference between the links. Liner spring is used in order to control the device by the balance operation through the weight shifting of users. Fig. 13 Free-body diagram drawn to estimate the input force to support the user sitting on the seat plate. The input force F in is acting on Link 3 perpendicularly in an upward direction. The load F is acting on seat plate in a downward direction. The magnitude of the input force F in is calculated to reduce the load by50~70%. Namely, the magnitude of F is equal to 50~70% the weight of the users. The input force is supplied by gas springs.

12 Fig. 14 Input force to drive the mechanism assisting the standing motion. Black curve indicates the result of static analysis. The user's weight is equal to 70 [kg]. Blue broken line indicates the output characteristics of the gas springs. In this device, two gas springs are used, whose the maximum value of reaction force is 456 [N], the stroke is 350 [mm]. Red solid straight line indicates the approximation in the range of 0.18 s 0.33 [m]. Red broken line indicates the 60% value of approximation straight line. The value of driving force by gas springs is obtained larger than 60% value of approximation straight line. (a) Overview of device (b) Side view of device Fig. 15 Manufactured experimental device. Same mechanisms are set under armrests on both sides. Prismatic pairs are realized by using rollers and slots. Gas springs are installed perpendicularly between Link 6 and Link 装置の動作検証図 15 に製作した装置を, 図 16 に人体と装置の位置関係を示す. 図 7 の装置の概要で示された機構を, 左右のひじ掛の下にそれぞれ配置する構造となっている. 図 16 (a) は座位の姿勢を示し, 座面の高さは 100[mm], 機構全体の高さは 400[mm] であり, 座椅子のひじ掛け部分での機構の収納可能な高さである. シミュレーションではリンク長を考慮し, ひじ掛け部の長さを 500[mm] としたが, リンクの幅などにより, 製作した装置では, ひじ掛けの長さは 530mm となっている. この数値は図 3 で示した寸法内に収まっている. 図 16 (b) に補助終了位置の機構および使用者の姿勢を示す. 座面の角度は 40[deg] で, この時使用者の股関節位置は高さ 700[mm] となり, 座面の可動域は約 600[mm] を得ることができた. また, 脚部姿勢に着目すると股関節位置が足裏の直上近くまで移

13 動しており, この姿勢は上半身の前傾によって立位の状態を保てる姿勢であると考えられる. 以上のことから本 装置は, 補助に必要な座面の可動域を得ていることを確認した. (a) Starting posture to assist (b) Ending posture to assist Fig. 16 Starting and ending postures of the user and the mechanism. The mechanism is able to put in the space under the armrest. In the ending posture to assist, the coordinates of the hip joint is (80,700). (a) Usual standing motion without device (b) Standing motion assisted by device Fig. 17 Postures of the user measured by the motion sensors. The person is an adult male aged 40 years. In the usual standing motion without using assisting device, the subject bend the upper part of body to put the reaction force acting on the sole through the center of gravity. In the standing motion assisted by the device, the trajectory of the hip joint is a part of circle.

14 また, 図 17 には健常者 (40 代男性, 身長 170cm, 体重 68kg) の立ち上がり動作について, 装置を使用しない通常の動作と補助装置を使用した動作とで比較した様子を示している. 図中, 黒丸は頭部, 股関節, 膝関節および足関節を示しており, 原点は足関節から床面に下した垂線の足としている. 測定装置にはモーションセンサ ( ロジカルプロダクト社小型 9 軸ワイヤレスモーションセンサー (5G/1500dps)) を用いて各関節の角変位を測定している. 装置を使用しない場合には, 上体を前方に大きく傾けてバランスを取っているのに対し, 装置使用時には頭部の前方への動きが小さく, 上体の姿勢変化の小さな動作であり, 転倒する可能性の低い安全な動作であることがわかる. 5. 床反力の測定による評価装置を使用して立ち上がる場合と, 同じ座位の姿勢から補助なしで立ち上がる場合の床反力を測定する. 測定に使用した装置を図 18 に示す. この装置はひずみゲージを用いて製作したものである. 被験者は体重 70[kg] の 20 代男性である. 図 19 に測定結果を示す. グラフの横軸はサイクルとし, 座位を 0[%], 直立姿勢を 100[%] としている. 装置を使用することで立ち上がり動作の過程において床反力が減少していることがわかる. 6. 筋電位の測定による評価補助効果の評価として表面筋電位の測定を行う. 測定部位は, 前脛骨筋 (TA), 腓腹筋 (GA), 大腿直筋 (RF), 半腱様筋 (ST) としている. 測定には, ワイヤレス筋電センサ ( 乾式 )( ロジカルプロダクト社 LP-WS1221) を用いている. 測定結果を図 20 に示す. Fig. 18 Device to measure the floor reaction force. The device is set on the floor, and person put his/her foot on the device when he/she stands up. This device consists with the strain gauge. Fig. 19 Result of measuring the floor reaction force in the standing action. Blue line indicates the floor reaction force when the person stands up in the normal motion. Red line indicates the floor reaction force when the person stands up using the device. The person is an adult male aged 20 years. The floor reaction force decreases by using the device, so it seems that the device reduces the physical burden of the leg.

15 Fig. 20 Results of surface myogenic potential. The person is an adult male aged 40 years. In this graph, muscle activities are evaluated by using the value of percent of the maximum voluntary contraction(%mvc). This graph shows muscle activities of Semitendinous muscle(st), Rectus femoris muscle(rf), Tibialis anterior muscle(ta) and Gastrocnemius muscle(ga), comparing in the case of the action using device and the normal standing up action. The muscular active mass in the measured muscle of the lower limbs are reduced by using the device. The muscular active mass in Tibialis anterior muscle(ta) and Gastrocnemius muscle(ga) are reduced by using the device. On the other hand, the muscular active mass in Rectus femoris muscle(rf) and Semitendinous muscle(st) aren't reduced by using the device sufficiently. Fig. 21 Experimental method to verify the mechanical characteristic. Four pull tension gauges are used to measure the force to support Link 3 in the case that the load is gravitational force acting on links only, without user's weight. 7. 装置の力学的検証使用者の筋活動量を介さず, 試作装置の力学的な特性を直接, 評価するために, 図 21 に示すように,Link 3 にロープをかけ, ばね秤を用いて駆動力のシミュレーション結果を検証した. 負荷はリンクの自重のみとし,4 つのばね秤で Link 3 の後方を支持し,Link 1 の角変位 θ 1 を 15~50[deg] の範囲で 5[deg] ごとに測定した.4 つのばね秤の測定値の合計を駆動力とし,4 回測定した際の平均値を求めた. 図 22 にその測定結果を示す.

16 Fig. 22 Result of measured the force acting on Link 3 to keep the postures of the mechanism. In this graph, the plots are the average of four measurements. The angular displacement of Link1 θ 1 is changed from 15 [deg] to 50 [deg] by 5 [deg]. 8. 考察 図 19 より,Cycle の 10~20 % の範囲で, 補助のある場合とない場合で床反力の値に有意差を見ることはできな い. これは立ち上がり動作の初期において試作した装置では十分な補助が得られていないことを意味する. ただ, この範囲以降, 足裏での床反力が装置を使用することで減少していることから, この減少分は装置の座面から補 助が受けられているものと思われる. また, 図 20 に示すように, 随意最大筋力で指標化して見ると, 前脛骨筋 (TA) および腓腹筋 (GA) において,15 % 程度の減少が見られる. 一方で, 半腱様筋 (ST) および大腿直筋 (RF) では,10% 未満の減少にとどまった. 装置に自重のみが作用するとした状態で, 機構の姿勢を保つのに要する力を Link 3 に作用させるとして, 駆動 力のシミュレーション結果を検証したところ, 図 22 に示すように, 約 30% 程度, 大きな力が必要であることが わかった. これは摩擦等の影響が考えられ, この値をシミュレーション時に適切に推定することができれば, 設 計時に想定した筋活動量の減少に近づけることは可能と考えられる. 一方で, 立ち上がり動作の終期では, 図 14 に示すように, シミュレーションではガススプリングの出力が必要 な駆動力より大きくなる領域があるため, 使用者を過度に押し出すことがないよう, ガススプリングの可動範囲 に制限を加えるなどの対応も必要になる. 立ち上がる動作と同様に, 座る動作を補助し, 脚部に負担をかけることなく適切な速度で座位に誘導する使い 方を考えるとき, 座る動作の初期 ( 立ち上がる動作では終期 ) におけるガススプリングの出力の大きさが使用者 の座ろうとする動作を妨げる恐れがある. このとき, 使用者が自身の体重を座面にすべてかけたうえで, 場合に よっては両脚を床面に踏ん張り座面を押し付ける力を与える必要も考えられる. このことを考慮しても, 必要な 駆動力に対して動力源を選定する際には, 出力がある範囲内に収まるよう, 設計に留意しなければならないと言 える. すなわち, 座る動作に対する補助の点からも, 必要な駆動力よりも大きな値となる機構の運動領域が存在 しないよう, 上記に示したガススプリングに対する処置のような実用的な範囲で可動域を制限する対応も検討し なければならない. 9. 結言本研究では, 床からの立ち上がり動作を補助する装置として, 平面 6 節リンク機構を 2 つ上下に重ねた機構 ( 平面 10 節リンク機構 ) を提案し, その設計方法を示した. 試作した装置では, 機構は座椅子のひじ掛け部分に収納可能であり, 動作検証により補助に必要な座面の可動域を得ていることを確認した. 下部に配置する機構では高さのみを出力する形式とし, 体格差による大腿部の運動の違いによる設計変更に配慮した. 動力源として, 外部からの電力等の供給を必要とすることなく, 使用者自身での操作を容易に行えるよう, 線形ばねを用いた設計方

17 法を示した. 装置の補助による立ち上がり動作も上半身の前傾の少ない安定した動作である. また, 床反力および表面筋電位の測定により一定の補助効果は得られていることを示した. ただし, 装置を使用することによる下肢部での筋活動量の低下 ( 負担軽減 ) は部位により違いがある. さらに構成部品や使用者との干渉を避けるため, 下部の機構の鉛直上方への運動を入力とするよう, 動力源の取り付け位置を決定した. この位置で駆動するとき, 必要な駆動力と高さ方向の変位の間に非線形性が見られるため, シミュレーションにより適切な動力源の大きさを推定することが, 適切な補助を得る上で重要となる. そのためには, シミュレーションにおいて直動部等における摩擦の影響を考慮する等して, 推定の精度を上げる必要がある. 今後は, 立ち上がり動作の局面に応じた適切な補助が得られるよう動力源の取り付け位置など検討する予定である. 文 献 Fattah, A., Agrawal, S. K., Catlin, G. and Hamnett, J., Design of a passive gravity-balanced assistive device for sit-to-stand tasks, Transactions of the ASME, Journal of Mechanical Design, Vol.128 (2006), pp 藤本浩志, 木塚朝博, 横地義照, 横井孝志, 伊東元, 介助下における起立着座動作の下肢関節逆動力学解析, 日 本機械学会論文集 C 編,Vol.66, No.650 (2000), pp 記州智美, 小泉邦雄, 木下功士, 立ち上がり動作追従型介助座椅子の開発 ( 作用力の特性 ), 日本機械学会論文集 C 編,Vol.74, No.737 (2008), pp Nango, J., Yoshizawa, H. and Liu, J., Design of mechanism for assisting standing movement using planar linkage and gear train, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, Vol.4, No.2 (2010), pp 新小田幸一, 田中光晴, 池内秀隆, 加藤了三, 山下忠, 椅子からの立ち上がり動作の位相面解析, 日本機械学会 論文集 C 編,Vol.65, No.634 (1999), pp 鈴木里江, 加藤智久, 武田宏二, 佐藤稔, 立座りをサポートする新形状トイレ手すりの提案 ~ 新形状手すりが高 齢者の立上がりに及ぼす影響 ~, 生活生命支援医療福祉工学系学会連合大会 2014(LIFE2014) 予稿集 (CD-ROM)(2014), GS4-1-1-GS 富田正道, 小木曽敏夫, 根本泰弘, 藤江正克, 上体支持アームを用いた起立 着座動作補助における軌道の検討, 日本機械学会論文集 C 編,Vol.65, No.635 (1999), pp References Fattah, A., Agrawal, S. K., Catlin, G. and Hamnett, J., Design of a passive gravity-balanced assistive device for sit-to-stand tasks, Transactions of the ASME, Journal of Mechanical Design, Vol.128 (2006), pp Fujimoto, H., Kiduka, T., Yokoji, Y., Yokoi, T. and Ito, H., The motion analysis of standing up and sitting down under assistance by a physical therapist, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series C, Vol.66, No.650 (2000), pp (in Japanese). Kishu, T., Koizumi, K. and Kinoshita, K., Development of legless chair with seat motion which follows standing up action, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series C, Vol.74, No.737 (2008), pp (in Japanese). Nango, J., Yoshizawa, H. and Liu, J., Design of mechanism for assisting standing movement using planar linkage and gear train, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, Vol.4, No.2 (2010), pp Shinkoda, K., Tanaka, M., Ikeuchi, H., Katoh, R. and Yamashita, T., Analysis by phase planes of the sit-to-stand movement from a chair, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series C, Vol.65, No.634 (1999), pp (in Japanese). Suzuki, R., Kato, T., Takeda, K. and Sato, M., Proposal of a new handrail to support the body in standing -Anew handrail affected elderly standing-, Proceedings of LIFE2014 (CD-ROM) (2014), GS4-1-1-GS4-1-2 (in Japanese). Tomita, M., Ogiso, T., Nemoto, Y. and Fujie, M. G., A study on the trajectory of upper body support arm used for standing-up and sitting-down motion assist, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series C, Vol.65, No.635 (1999), pp (in Japanese).

18 付 録 図 13 の自由物体表示から, 以下の式を誘導することできる. 式中, 装置を設置する床面に平行な水平方向およびそれに垂直な鉛直上方方向を表す単位ベクトルをそれぞれ iおよびjとしている. Link 1 における力のつりあい ; F 16 F 14 F 12 m 1 gj = 0 (11) Link 1 における点 A に関するモーメントのつりあい ; n 1 a 1 (cos θ 1 i + sin θ 1 j) ( F 14x i F 14y j) + a 1 (cos θ 1 i + sin θ 1 j) ( F 12x i F 12y j) + a 1 2 (cos θ 1 i + sin θ 1 j) ( m 1 gj) = 0 (12) Link 2 における力のつりあい ; F 12 + F 102 F 23 m 2 gj = 0 (13) Link 2 における点 C に関するモーメントのつりあい ; M 2 + a 2 2 {cos (θ 2 π 2 ) i + sin (θ 2 π 2 ) j} ( m 2gj) + a 2 {cos (θ 2 π 2 ) j + sin (θ 2 π 2 ) j} {(F 102x + F 12x )i + (F 102y + F 12y )j} = 0 (14) ただし,Link 2 はスライダであり,F 23 はスライダ軸に垂直に作用することから以下のように表すことができる. F 23 = F 23 {cos (θ 2 + π 2 ) i + sin (θ 2 + π 2 ) j} = F 23( sin θ 2 i + cos θ 2 j) (15) Link 3 における力のつりあい ; F 34 F 37 + F 23 m 3 gj + F in = 0 (16) Link 3 における点 D に関するモーメントのつりあい ; s 2 (cos θ 2 i + sin θ 2 j) F 23 ( sin θ 2 i + cos θ 2 j) + M 2 + a 2 2 (cos θ 2 i + sin θ 2 j) ( m 2 gj) + a fin (cos θ 2 i + sin θ 2 j) F in = 0 (17) Link 4 における力のつりあい ; F 34 + F 14 F 45 m 4 gj = 0 (18) Link 4 における点 D に関するモーメントのつりあい ; (1 n 4 )a 4 (cos θ 3 i + sin θ 3 j) F 14 a 4 (cos θ 3 i + sin θ 3 j) ( F 45 ) a 4 2 (cos θ 3 i + sin θ 3 j) ( m 4 gj) Link 5 における力のつりあい ; = 0 (19) F 45 F 56 m 5 gj = 0 (20) ただし,Link 5 は, スライダであり,x 方向に平行なスライダ軸に対し垂直に作用するので以下のように表す ことができる. F 56 = F 56y j (21) Link 5 における点 G に関するモーメントのつりあい ; M 1 + a 5 j F a 5j ( m 5 gj) = 0 (22)

19 Link 6 は静止節であるので, 力およびモーメントのつりあい式は適用しない. Link 7 における力のつりあい ; F 37 + F 107 F 78 m 7 gj = 0 (23) Link 7 における点 D に関するモーメントのつりあい ; n 7 a 7 (cos θ 4 i + sin θ 4 j) F a 7 (cos θ 4 i + sin θ 4 j) ( F 78 ) + a 7 2 (cos θ 4 i + sin θ 4 j) ( m 7 gj) = 0 (24) Link 8 における力のつりあい ; F 78 + F 98 mgj + F = 0 (25) ここで,Link 9 はスライダであり,F 98 はスライダ軸に垂直に作用するので, 以下のように表すことができる. F 98 = F 98 cos (θ 5 + π 2 ) i + F 98 sin (θ 5 + π 2 ) j = F 98 sin θ 5 i + F 98 cos θ 5 j (26) また,F は, 座面に作用する使用者の体重による負荷であるとし以下のように表すとする. F = F y j (27) Link 8 における点 H に関するモーメントのつりあい ; M 3 s 3 F 98 + a 8 2 ( cos θ 5 i) ( m 8 gj) + ( a f cos θ 5 i) ( F y j) = 0 (28) Link 9 における力のつりあい ; F 98 F 910 m 9 gj = 0 (29) Link 9 での点 I に関するモーメントのつりあい ; M 3 + a 9 {cos (θ π) i + sin (θ π) j} ( F 910) + a 9 2 {cos (θ π) i + sin (θ π) j} ( m 9gj) すなわち, である. = 0 (30) M 3 + a 9 (sin θ 5 i cos θ 5 j) ( F 910 ) + a 9 2 (sin θ 5 i cos θ 5 j) ( m 9 gj) = 0 (31) Link 10 に関する力のつりあい ; F 910 F 107 F 102 m 10 gj = 0 (32) Link 10 における点 J に関するモーメントのつりあい ; (1 n 10 )a 10 (cos θ 6 i + sin θ 6 j) ( F 107 ) a 10 (cos θ 6 i + sin θ 6 j) ( F 102 ) a 10 2 (cos θ 6 i + sin θ 6 j) ( m 10 gj) = 0 (33) 以上の式を用いて, 各成分を等置することにより, 以下の式が得られる. Link 1 における力のつりあいおよび対偶点 A に関するモーメントのつりあい ; F 16x F 14x F 12x = 0 (34) F 16y F 14y F 12y m 1 g = 0 (35) n 1 a 1 (cos θ 1 F 14y sin θ 1 F 14x ) a 1 (cos θ 1 F 12y sin θ 1 F 12x ) a 1 2 cos θ 1 m 1 g = 0 (36)

20 Link 2 における力のつりあいおよび対偶点 C に関するモーメントのつりあい ; F 12x + F 23 sin θ 2 + F 102x = 0 (37) F 12y F 23 cos θ 2 + F 102y m 2 g = 0 (38) M 2 a 2 2 sin θ 2 m 2 g + a 2 (F 102y + F 12y ) sin θ 2 + a 2 (F 102x + F 12x ) cos θ 2 = 0 (39) Link 3 における力のつりあいおよび対偶点 D に関するモーメントのつりあい ; F 34x F 37x F 23 sin θ 2 = 0 (40) F 34y F 37y + F 23 cos θ 2 m 3 g + F in = 0 (41) s 2 F 23 + M 2 a 3 2 cos θ 2 m 3 g + a fin cos θ 2 F in = 0 (42) ただし,F in は,Link 3 に作用するガススプリングによる駆動力であるので, 以下のように表すことができる. F in = F in j (43) Link 4 における力および対偶点 D に関するモーメントのつりあい ; F 34x + F 14x F 45x = 0 (44) F 34y + F 14y F 45y m 4 g = 0 (45) (1 n 4 )a 4 ( cos θ 3 F 14y + sin θ 3 F 14x ) a 4 ( cos θ 3 F 45y + sin θ 3 F 45x ) + a 4 2 cos θ 3 m 4 g = 0 (46) Link 5 における力のつりあいおよび対偶点 G に関するモーメントのつりあい ; F 45x = 0 (47) F 45y F 56y m 5 g = 0 (48) M 1 a 5 F 45x = 0 (49) Link 7 における力のつりあいおよび対偶点 D に関するモーメントのつりあい ; F 37x + F 107x F 78x = 0 (50) F 37y + F 107y F 78y m 7 g = 0 (51) n 7 a 7 (cos θ 4 F 107y sin θ 4 F 107x ) a 7 (cos θ 4 F 78y sin θ 4 F 78x ) a 7 2 cos θ 4 m 7 g = 0 (52) Link 8 における力のつりあいおよび対偶点 H に関するモーメントのつりあい ; F 78x F 98 sin θ 5 = 0 (53) F 78y + F 98 cos θ 5 m 8 g F y = 0 (54) M 3 s 3 F 98 + a 8 2 cos θ 5 m 8 g + a f F y cos θ 5 = 0 (55) Link 9 における力のつりあいおよび対偶点 I に関するモーメントのつりあい ; F 910x + F 98 sin θ 5 = 0 (56) F 910y F 98 cos θ 5 m 9 g = 0 (57) M 3 + a 9 ( sin θ 5 F 910y cos θ 5 F 910x ) a 9 2 sin θ 5 m 9 g = 0 (58)

21 Link 10 における力のつりあいおよび対偶点 J に関するモーメントのつりあい F 910x F 107x F 102x = 0 (59) F 910y F 107y F 102y m 10 g = 0 (60) (1 n 10 )a 10 (cos θ 6 F 107y sin θ 6 F 107x ) + a 10 (cos θ 6 F 102y sin θ 6 F 102x ) + a 10 2 m 10g cos θ 6 = 0 (61) これら式 (33)~(41) および式 (43)~(60) の 27 式から,27 個の未知量 (F 16x, F 16y, F 14x, F 14y, F 12x, F 12y, F 23, F 102x, F 102y, F 34x, F 34y, F 37x, F 37y, F 45x, F 45y, F 56y, F 107x, F 107y, F 78x, F 78y, F 98, F 910x, F 910y, M 1, M 2, M 3, F in ) について解くことで, 駆動力の大きさ F in = F in を求めることができる.