技術的概要：単関節型と二関節型外骨格のシミュレーションに基づく多基準比較

問題提起

人間の歩行における代謝コストを低減するためのウェアラブルロボット支援デバイスの開発は、大きな課題である。デバイスのダイナミクス、支援トルクプロファイル、および人間の性能間の複雑な相互作用を捉えるためには、体系的な設計アプローチが必要である。プロトタイピングの高コスト、十分なボランティアの募集の困難さ、安全性への懸念、および侵襲性センサーなしに内部の生理学的データ（例えば筋線維の力学）を測定できないことなどの理由から、物理的な人間-in-theループ実験を通じて広範な外骨格設計およびトルクプロファイルにわたって厳密な比較を行うことは、一般的に実行不可能である。さらに、既存の研究は、アクチュエータのトルク飽和、消費電力、およびデバイスの慣性といった現実的な物理的制約を考慮した体系的なメカトロニクス設計フレームワークを欠いていることが多い。

手法

著者は、OpenSim フレームワークを用いたシミュレーションベースの多基準設計アプローチを提案し、単関節型および二関節型の股関節 - 膝関節外骨格を体系的に評価・比較する。

1. 筋骨格モデル化とシミュレーション:

• 被験者と条件: 7 名の被験者に対して、自選速度で歩行するシミュレーションを、無負荷および 38 kg の胴体負荷を担うという 2 つの条件下で実施した。
• モデル: Rajagopal らに基づいた 39 自由度、80 筋の筋骨格モデルを各被験者にスケーリングした。
• ワークフロー: 本研究では、標準的な OpenSim ワークフロー（スケーリング、逆運動学、残差低減アルゴリズム (RRA)、および計算筋制御 (CMC)）を利用した。
• 支援デバイスの統合: CMC アルゴリズムを修正し、「トルクアクチュエータ」からの支援トルクを目的関数の一部として含めた。これにより、オプティマイザは、筋活動および予備アクチュエータの使用を最小化しながら、運動学を追跡するために外骨格支援を利用できるようになった。
• デバイス構成:
  • 単関節型: 股関節および膝関節に直接取り付けられたアクチュエータを備えた 2 リンク直列マニピュレータとしてモデル化された。
  • 二関節型: 人間の二関節筋に着想を得たこの設計は、すべてのアクチュエータを近位（股関節）に配置し、平行四辺形機構を介して遠位（膝関節）へ動力を伝達する。これは、遠位脚の慣性を低減し、関節間の動力変換を可能にすることを目的としている。

2. 多基準最適化（パレート最適化）:

• 目的: 本研究では、代謝コストの低減を最大化することと、デバイスの消費電力を最小化することという、2 つの相反する目的を同時に最適化した。
• 制約: アクチュエータのピークトルクを 30 Nm から 70 Nm の範囲で体系的に制約することで、現実的な物理的限界を導入した。これによりアクチュエータの飽和が生じ、2 種類のデバイス間の線形運動学的マッピングが破綻した。
• 手法: $\epsilon$-制約法を用いてパレートフロン曲線を生成し、一方の目的を改善すると他方が劣化する非支配解の集合を表した。

3. 二次分析:

• 回生: 最大 65% の効率で負の仕事を回収するエネルギー回生の可能性を、パレート解に重ね合わせた。
• 慣性: 追加されたデバイスの質量および慣性の有害な代謝効果を、Browning らのモデルを用いて推定し、パレートフロンに重ね合わせた。これらの慣性ペナルティを考慮した正味の代謝便益を定量化するために、修正増幅係数 (MAF) を導入した。
• 関節荷重: 支援が関節の健康（特に膝、膝蓋大腿、および股関節）に与える影響を評価するため、関節反力およびモーメントを計算した。

主要な貢献

1. 体系的設計フレームワーク: トルク限界、消費電力、および慣性といった現実的な制約下で外骨格設計を厳密に比較するためのパレート最適化アプローチの導入。「理想的」な非制約シミュレーションを超えたもの。
2. 二関節型対単関節型の比較: 2 つの異なる運動学的アーキテクチャの直接的かつ公平な比較。本研究は、理想的なデバイス（非制約）は同様に機能するが、アクチュエータの飽和および慣性制約下ではその挙動が著しく分岐することを示している。
3. 慣性および回生の効果: デバイスの慣性および電力回生能力が最適設計空間をどのように変化させるかの定量化。正味の代謝効率をより適切に評価するための修正増幅係数の導入。
4. 負荷適応: 重い負荷（38 kg）が最適な支援プロファイル、筋協調、およびデバイス性能にどのように影響するかを分析。

主要な結果

1. 理想的な状態対トルク制限状態での性能:

• 理想的な条件（トルク制限なし）では、単関節型および二関節型の両方の外骨格が、同様の代謝コスト低減（無負荷で約 22%、負荷時で約 20%）を達成した。
• トルク制限条件下では、両構成とも理想的な代謝低減に近い達成が可能であったが、消費電力は著しく低かった。ただし、単関節型設計は、二関節型設計と同等の性能を達成するために、より大きなピークトルク限界を必要とした。

2. 消費電力および負荷への感度:

• 単関節型: 消費電力は負荷条件に対してより敏感であった。電力分布は大きく変化し、負荷下では股関節アクチュエータが支配的となった。非支配的な単関節型解のトルクおよび電力プロファイルは変動が大きく、負荷条件間で予測性が低かった。
• 二関節型: 消費電力は負荷に対してあまり敏感ではなかった。股関節および膝関節アクチュエータ間の電力分布は、負荷の有無にかかわらず比較的一定であった。トルクプロファイルは、無負荷および負荷条件間でより一貫性があり予測可能であった。

3. 関節反力:

• 両方のデバイスタイプは、膝、膝蓋大腿、および股関節におけるピーク反力を著しく低減した。
• 単関節型: 二関節型設計と比較して、特に膝および膝蓋大腿関節において、ピーク反力およびモーメントの低減において優れた性能を示した。
• 二関節型: 単関節型デバイスと比較して、伸展 - 屈曲方向におけるピーク反力モーメントが低かった。

4. 回生および慣性:

• 回生: 回生（最大 65% の効率）を含めることで、消費電力が著しく改善された（6.54% から 25.76%）。単関節型の膝アクチュエータは股関節アクチュエータよりも高い回生可能性を示したが、二関節型アクチュエータは両関節で同様の可能性を示した。
• 慣性: 追加された慣性は代謝効率を著しく低下させた。単関節型デバイスは慣性により 42.51%–55.51% の効率を失ったのに対し、二関節型デバイスは 35.12%–49.67% を失った。
• パレートシフト: 慣性効果は単関節型デバイスのパレートフロンをシフトさせ、非支配解の集合を変化させた。これに対し、二関節型のパレート最適構成は全体としてほとんど変化しなかったが、その全体的な効率は低下した。

5. 筋協調:

• 支援トルクは、直接支援されていない筋（例えば足底屈筋および股関節外転筋）にも間接的に影響を与えた。
• 負荷は、トルクプロファイルおよび筋活動における予測可能なスケーリングおよび時間シフトを引き起こした。
• 二関節型設計のアクチュエータを近位に保持する能力は、反射慣性を低減し、人間の解剖学的効率と整合する。

意義および主張

本論文は、シミュレーションベースの多基準アプローチが、実験のみの研究の限界を克服し、外骨格設計を厳密かつ公平に比較するための手法を提供すると主張している。

• 設計ガイドライン: 結果は、二関節型外骨格が、有利な慣性分布および変化する負荷条件に対する堅牢性により有利であることを示唆しており、異なるタスクにわたって汎用的な戦略で制御しやすい可能性がある。
• トレードオフ: 単関節型外骨格はピーク関節反力の低減（関節の健康に有益である可能性）において優れている可能性があるが、慣性ペナルティに対してより敏感であり、二関節型設計の代謝便益に一致させるためにはより高いトルク容量を必要とする。
• 現実性: 本研究は、アクチュエータの飽和および慣性効果を無視すると誤った設計結論につながることを強調している。提案されたフレームワークにより、設計者は物理的なプロトタイピング前に、代謝節約、消費電力、およびデバイスの重量/慣性の間のトレードオフを視覚化できる。
• 将来の検証: 著者は、これらのシミュレーション結果が、将来の人間-in-theループ実験的検証のための有望な構成を特定するための設計ガイドラインとして機能すると述べており、即座の臨床的有効性を主張するものではない。

本研究は、二関節型設計が代謝効率および負荷非感応性の点で優れた性能を提供する一方で、慣性特性を慎重に管理する（例えば、膝アクチュエータをより近位に配置するなど）場合、および主要な目的がピーク関節反力の低減である場合、単関節型設計も依然として viable（実行可能）であると結論付けている。