[論文レビュー] Automation of Prosthetic Upper Limbs for Transhumeral Amputees Using Switch-controlled Motors

Fahad Moazzam Dar, Umer Asgher+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2014

Muscle activation and electromyography studies参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、従来のケーブル駆動機構に代わってシンプルなスイッチを用いたモーター駆動の昇降およびグリッピング機能を備えた、低コストでスイッチ制御の自動化システムを、上腕部（上腕骨上部）の人工肢に対して提案している。このシステムは、ユーザーの負担を軽減しつつも、費用対効果と保守のしやすさを維持することで、使いやすさと快適性を向上させている。

ABSTRACT

The issues of research required in the field of bio medical engineering and externally-powered prostheses are attracting attention of regulatory bodies and the common people in various parts of the globe. Today, 90 percent of prostheses used are conventional body powered cable-controlled ones which are very uncomfortable to the amputees as fairly large amount of forces and excursions have to be generated by the amputee. Additionally, its amount of rotation is limited. Alternatively, prosthetic limbs driven using electrical motors might deliver added functionality and improved control, accompanied by better cosmesis, however,it could be bulky and costly. Presently existing proposals usually require fewer bodily response and need additional upkeep than the cable operated prosthetic limbs. Due to the motives mentioned, proposal for mechanization of body-powered prostheses, with ease of maintenance and cost in mind, is presented in this paper. The prosthetic upper limb which is being automated is for Transhumeral type of amputees that is amputated from above elbow. The study consists of two main portions: one is lifting mechanism of the limb and the other is gripping mechanism for the hand using switch controls, which is the most cost effective and optimized solution, rather than using complex and expensive myoelectric control signals.

研究の動機と目的

• 高用量のユーザー負担と可動域の制限を抱える従来のボディパワー駆動型人工肢の限界を是正すること。
• 筋電位信号駆動型人工肢の高コストと大型化の問題を克服しつつ、機能の向上を維持すること。
• 既存の駆動式人工肢システムに対する低コストで保守が可能な代替手段を開発すること。
• 実用的な実装を重視し、入手可能な部品を用いて現実世界での使いやすさを高めること。
• 四肢の昇降と手のグリッピングの両方の機能にスイッチ制御のモーター駆動機構を統合し、ユーザーの努力を軽減すること。

提案手法

• スイッチ制御の電気モーターを用いて、上腕部人工肢の四肢昇降機構を自動化する。
• 手のグリッピング機能に別個のスイッチ制御モーター系を実装し、手動ケーブルシステムに代える。
• 標準的な電子部品および機械的部品を用いて、モジュラーかつ修理可能な設計を実現する。
• 複雑な筋電位信号処理やEMGセンサーの使用を避けることで、シンプルさと信頼性を優先する。
• ユーザーが単純な機械的スイッチでモーターを起動できる制御論理を統合し、認知的および身体的負担を最小限に抑える。
• 長期間にわたる使用をサポートするため、低消費電力と保守のしやすさを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スイッチ制御のモーター系が、上腕部人工肢におけるケーブル駆動機構に効果的に置き換え可能であり、ユーザー負担を軽減できるか？
• RQ2 スイッチ制御のモーター駆動系は、従来のボディパワー駆動型人工肢と比較して、使いやすさと機能面でどの程度優れているか？
• RQ3 低コストで筋電位信号を使用しない制御系は、複雑さや保守の必要性を増さずに、人工肢の機能をどの程度向上できるか？
• RQ4 EMG信号ではなくシンプルなスイッチを用いた、信頼性があり、保守が可能で、低コストなモーター駆動人工肢上肢を実現するのは可能か？
• RQ5 自動化が、上腕部切断者におけるユーザーの快適性と制御精度に及ぼす影響は何か？

主な発見

• 提案されたスイッチ制御のモーター駆動系は、上腕部切断者が人工肢を操作するために要する身体的負担を顕著に軽減している。
• 従来のケーブル駆動型人工肢と比較して、特に持ち上げやグリッピングの作業において、機能的パフォーマンスが向上している。
• 筋電位信号ではなくシンプルなスイッチを用いることで、システムの複雑さとコストが低下し、安定した制御が維持されている。
• 設計は高い保守性と修理のしやすさを示しており、既存の駆動式人工肢の主な限界を是正している。
• 必須の機能を損なわず、高価な筋電位信号駆動型人工肢の実用的で低コストな代替手段を提供している。
• 耐久性、モジュラリティ、低運用コストの観点から、実世界への導入の可能性を示している。