准受動型バックエクソスーツのためのセンサー内蔵クラッチメカニズムの設計と評価

2025-02-26 Wed
学術的背景現代の職場環境、特に反復的な持ち運びや腰を曲げる作業を伴う業界において、腰部の損傷は一般的で高コストな職業健康問題です。統計によると、腰部の損傷は米国における職業性筋骨格損傷全体の35%を占めています。人体工学的対策（例えば、特定の物資運搬タスクの削減）によってリスクを軽減できるものの、多くの場合、リスク曝露を完全に排除することは不可能です。したがって、労働者の腰部負担を軽減する技術を開発することが特に重要になります。
エクソスケルトン（Exoskeletons）とエクソスーツ（Exosuits）は近年登場したウェアラブル技術で、補助力を提供することで腰部損傷のリスクを低減できます。準受動型エクソ（Quasi-passive exos）は、受動型エクソの軽量性と能動型エクソの柔軟性を組み合わせ、必要な時に補助力を提供し、不要な時にはユーザーに干渉しない状態を保つことができます。しかし、既存の準受動型エクソのクラッチは設計上の限界があり、特にセンシングおよび制御能力が不足しており、これが実際の応用における潜在力を制限しています。
この問題を解決するために、研究チームは力センシング、姿勢センシング、そして多様なモード切り替え機能を拡張する新型センサー内蔵クラッチを設計・評価しました。この研究の成果は、エクソスケルトン技術のさらなる発展に新たな視点を提供するだけでなく、実際の職場シーンでの腰部保護により効果的な解決策を提供します。
論文の出典本論文は、Paul R. Slaughter、Shane T. King、Cameron A. Nurse、Chad C. Ice、Michael Goldfarb、およびKarl E. Zelikによって共同執筆され、全著者はVanderbilt University所属です。この研究は、National Institutes of Health（助成番号：R01EB028105）およびNSF Graduate Research Fellowshipの支援を受けています。論文はIEEE Transactions on Biomedical Engineeringに掲載され、2024年5月に受理されました。
研究プロセス1. 設計目標と方法研究チームはまず、準受動型背部エクソのコア機能を維持しつつ、力センシング、姿勢センシング、そして多様なモード切り替え機能を追加する新しいクラッチを開発することを目的として設定しました。この目標を達成するために、チームはエンコーダー、ソレノイド、慣性測定装置（IMU）、マイクロプロセッサを統合したクラッチを設計しました。このクラッチは、「接続」モードではエクソの補助力を推定し、「非接続」モードではユーザーの姿勢を監視し、さらに多様なモード切替を可能にします。
2. クラッチプロトタイプの設計と検証クラッチのプロトタイプは、アルミニウム製ベースプレート、リールスタック（アルミニウム製リール、ステンレス鋼ロータースプリング、アルミニウム製リールキャップ、鋼製スプロケット）、そしてソレノイドで構成されています。ソレノイドはクラッチの接続と非接続を制御するために使用されます。「非接続」モードでは、リールスタックは自由に回転でき、ワイヤーがリールから引き出されることが可能ですが、「接続」モードではリールスタックがロックされ、ワイヤーは引き出せなくなります。
チームはまた、高解像度エンコーダーとIMUを統合し、リールの回転角度とユーザーの姿勢を測定しました。エンコーダーはリールの回転を測定することでユーザーの体幹-大腿屈曲角度を推定し、IMUは加速度とジャイロスコープ信号を使用して体幹の方向を推定します。
3. 実験による検証クラッチの性能を検証するため、研究チームはベンチテストと人体実験を行いました。
ベンチテストベンチテストには、クラッチが「非接続」モードでのワイヤーの張力、モード切替時間、および「接続」モードで耐えられる最大力の測定が含まれました。結果として、クラッチは「非接続」モードで7〜20Nのワイヤー張力を示し、これは設計目標である32Nを大幅に下回っています。モード切替時間は平均で0.05秒（非接続）および0.10秒（接続）であり、1秒以内という設計目標を満たしています。さらに、クラッチは「接続」モードで350Nの力を耐えられ、これも設計目標を達成しています。
人体実験6人の健康な参加者（男性3名、女性3名、平均年齢26歳）が新型クラッチを搭載した背部エクソを装着し、前屈みとしゃがむタスクでテストを受けました。実験中、チームはモーションキャプチャーシステムと負荷セルを使用して、クラッチのセンサーデータと実験室機器の測定データを同期して記録しました。
結果として、クラッチは「接続」モードで平均8.8Nの誤差（腰椎トルク0.9Nmに対応）でエクソの補助力を推定でき、また「非接続」モードでは平均6.7°の誤差で体幹-大腿屈曲角度を推定できました。さらに、クラッチはIMUデータに基づいたモード切替にも成功し、その制御の多様性を示しました。
4. データ処理研究チームはMATLABを使用してエンコーダーデータを処理し、エクソの補助力と体幹-大腿屈曲角度を推定するための線形回帰モデルを作成しました。モデルは2種類あり、個別の参加者向けモデルと複数の参加者向け汎用モデルに分かれています。結果として、個別モデルの平均誤差は8.0N（補助力）と4.6°（角度）、汎用モデルの平均誤差は8.8Nと6.7°でした。
研究結果と結論主要な結果補助力の推定：クラッチは「接続」モードで平均8.8Nの誤差でエクソの補助力を推定でき、設計目標を満たしています。
姿勢の推定：クラッチは「非接続」モードで平均6.7°の誤差で体幹-大腿屈曲角度を推定でき、設計目標に近い結果を達成しています。
モード切替：クラッチは0.05〜0.10秒以内でモード切替を完了でき、1秒以内という設計目標を満たしています。
汎用性と実用性：汎用モデルの誤差は個別モデルよりも若干大きいものの、実際の応用において高い可用性を持っています。
結論研究チームは、準受動型背部エクソの機能を拡張する新型センサー内蔵クラッチを成功裏に設計・検証しました。このクラッチはユーザーに腰部補助力を提供するだけでなく、ユーザーの姿勢を監視し、多様なモード切替を実現します。この設計はエクソスケルトン技術のさらなる発展に新たな視点を提供し、実際の職場シーンで広範な応用可能性があります。
研究のハイライト多機能統合：クラッチは力センシング、姿勢センシング、モード切替機能を統合し、準受動型エクソの実用性を大幅に向上させています。
効率的な制御：クラッチは極短時間でモード切替を完了でき、ユーザーが異なるタスク間でも柔軟性と快適性を確保できます。
汎用性設計：汎用モデルを構築することで、クラッチは異なるユーザーのニーズに適応でき、実際の応用における可用性を強化しています。
その他の付加価値情報研究チームはまた、将来的な取り組みとして、完全に携帯可能なハードウェアとより強力な制御アルゴリズムの開発に焦点を当てることができると指摘しています。これにより、クラッチのパフォーマンスと応用範囲をさらに向上させることが可能です。さらに、この設計はエクソスケルトン技術の商業化に新たな可能性を提供し、特に正確な補助力と姿勢監視が必要な産業シーンで役立ちます。
総括この研究は、新型センサー内蔵クラッチの設計と検証を通じて、準受動型背部エクソの機能拡張に重要な突破口を提供しました。このクラッチはユーザーの腰部負担を効果的に軽減できるだけでなく、正確な力センシングと姿勢監視により、より安全で柔軟な職場体験をユーザーに提供します。この成果はエクソスケルトン技術の研究と応用に新しい方向性を切り開き、重要な科学的価値と実際の応用意義を持っています。