世界ウォーキングデー丨外骨格があれば、再び歩けるようになる！

制作：中国科学普及協会

著者: 陳丹慧 (中国科学院合肥物理科学研究所知能機械研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

毎年9月29日は「世界ウォーキングデー」です。しかし、すべてのグループが「思いつきで」ウォーキングを体験できるわけではありません。高齢者や身体に障害のある患者にとって、普通の人と同じように普通に歩くことは実は贅沢なことなのです。テクノロジーはこの人々に歩く権利を与えます。

需要ギャップを埋めて「ノー」を「ウォーキング」に変える

国家統計局が発表した最新の人口データによると、2022年現在、わが国の60歳以上の人口は2億8000万人に達し、全国人口の19.8％を占めています。中国は脳卒中の発症率が高い地域の一つであり、生存者のうち約70％～80％の患者がさまざまな程度の四肢障害を抱えています。

運動能力が制限されている高齢者

（写真提供：Veer Gallery）

また、事故による四肢損傷に苦しむ患者も多数います。 2021年の障害者情勢発展統計速報のデータによると、身体障害者は407万人おり、他の障害を持つ人と比較して最も多い数となっています。

私の国では身体障害者の数が多いため、リハビリテーション医療機器の供給に大きなギャップが生じています。

運動能力が制限されている高齢者や身体障害を持つ患者に、より良いリハビリテーションサービスを提供するために、わが国のリハビリテーション専門家と科学研究者は、スマートテクノロジーを利用して、これらの人々の日常の移動を支援しようとしています。中国科学院合肥物理科学研究所機械知能研究所先進製造センターが開発した下肢外骨格歩行ロボットは、リハビリテーション医療機器の成果の一つです。

下肢外骨格歩行ロボットは、操作者の下肢に装着する典型的な人間機械統合システムです。バイオニックメカニズム、センサー情報の検出と融合、人間の意図認識と協調制御などのロボット技術を統合し、オペレーターの知能とロボットの「体力」を有機的に組み合わせます。

この装置は主に脳卒中、脊髄損傷、高齢者の患者を補助するために使用され、平地での歩行、階段の上り下り、その場でのバランスの取れた歩行、障害物の横断などの典型的な運動歩行の実現を支援します。

人間と機械の融合、歩いても疲れない

2014年初頭、中国科学院合肥物理科学研究所機械知能研究所先進製造センターは、下肢パワーアシスト外骨格を独自に開発し、継続的に改良・完成させ、その試作品は病院に持ち込まれ、さらなるテストと試用が行われました。現在、下肢外骨格型歩行補助ロボットは初期応用段階にある。

高齢者や障害者を支援するためのプロトタイプ

（画像出典：著者）

この外骨格は能動的なシステムです。制御システムは統合設計コンセプトに基づいており、CAN バス (ツイストペア ケーブルを使用して信号を送信できるリアルタイム アプリケーション用のシリアル通信プロトコル バスで、世界で最も広く使用されているフィールド バスの 1 つ) に基づく外骨格ロボットの分散制御システム アーキテクチャを確立し、ロボットの効率的で信頼性の高い制御を実現します。装置はモーター駆動によって必要な電力を生成します。例えば、股関節が動かなかったり、膝関節が弱かったりする場合、モーターは計算して適切なパワーを出力します。

駆動ユニットは外骨格システム内に配置されます。外骨格の機械設計も、統合アーキテクチャとモジュール設計コンセプトに基づいています。障害者支援用ロボットと高齢者支援用ロボットの2種類の全体的なアーキテクチャは、股関節と足首関節の自由度構成が異なることを除いて同じです。

ロボットを補助に使用する場合、その股関節と足首の関節は人体の自由度に合わせて構成されます。股関節には、能動的な自由度に加えて、2 つの受動的な自由度があり、足首にも 2 つの受動的な自由度が構成されています。ロボットを障害者の補助に使用する場合、障害者の股関節と足首関節は能動的な駆動能力を失っているため、股関節と足首関節の受動的な自由度はキャンセルされます。

下の図は、2 種類のロボットの装着図、全体的な仮想プロトタイプ、および股関節と足首関節の仮想プロトタイプをより直感的に示しています。

高齢者（または障害者）を支援するロボットの仮想プロトタイプ

（画像提供：研究プロジェクトチーム）

ロボット全体は、左脚外骨格、右脚外骨格、バックフレーム、チェストストラップ、コントローラー、電源、バックパックなど、複数のモジュールに分かれています。モジュール間には迅速な分解および組み立てインターフェースが設計されており、外骨格システムを素早く着脱できます。同時に、輸送中に折りたたむことができるため、占有スペースを効果的に削減できます。

下肢外骨格型歩行補助ロボットは人体と動作を協調させる必要があるため、外骨格型ロボットと装着者はヒューマンマシンシステムを形成します。協調動作の目的を達成するためには、正確な意図認識に加えて、人間と機械の動作の協調的な統一を実現するための効果的な相互作用チャネル、制御ループ、制御アルゴリズムを構築することも必要です。

人間と機械の協調制御システムのアーキテクチャを下図に示します。人間と機械の内部動作メカニズムは、意図認識とロボットの動作出力という2 つの対話型チャネルによって説明できます。これら 2 つのインタラクティブ チャネルを通じて、ロボットは人体の動作意図を正確かつリアルタイムで取得し、設計された制御に従って人体に作用することで、協調的かつ統一された人間とコンピューターのインタラクションを実現します。

人間と機械の協調制御システムのアーキテクチャ図

（画像出典：著者）

結論

我が国の科学技術力が継続的に向上するにつれ、モーター、高調波減速機、サーボドライブ、トルクセンサーなどの主要部品で大きな進歩が遂げられ、下肢歩行補助ロボットの自主研究開発に強力な基礎保証を提供しました。科学研究者の熱心な研究、集合知、そして団結した協力により、近い将来、身体障害や運動障害のある人々も「元気に歩く」ことができるようになると信じています。