技術支援システム：ハイテクとスポーツの融合

サイバスロン2024の開催が目前に迫り、ベルリン工科大学の新参チームRISEは、下半身麻痺患者用の外骨格の完成に向けて全力で取り組んでいる。

スイスのチューリッヒ州クローテンにあるスイス・アリーナでは、普段、ホッケー選手が氷上でパックを追いかけている。しかし、10月25日から27日にかけて、このアリーナが再び技術革新の中心地として生まれ変わる。

チューリッヒ工科大学が主催するこの国際大会では、身体障害者がハイテク補助システムのサポートを受けながら、日常生活に関連した種目で競い合う。今年は、世界各国から77チームが登録した。ベルリン工科大学のRISE（Research and Innovation in Student Exoskeleton Development）チームは、初めて外骨格で出場する。

外骨格に携わる140人の学生

「サイバスロンは常に夢でした！2022年10月、私たちは学生イニシアティブ『Socially Engaged Engineers』とともに、脊髄損傷者が立ち上がって歩けるようにするための実践的なモジュールとしてRISEをベルリン工科大学で立ち上げました」とルーカス・シュナイデヴィンドは言う。彼は、ベルリン工科大学機械設計システム工学研究所医療技術科のチームリーダー兼研究助手を務めている。

総勢140名の学生が、4学期にわたってロボット外骨格の開発と製作に熱心に取り組んだ。メンバーの大半は、機械工学、電気工学、電子工学、制御工学、シミュレーションなどの工学分野の出身である。しかし、バイオメカニクスからユーザーインターフェース、ユーザーエクスペリエンス、デザイン、心理学的側面、スポンサー獲得、広報に至るまで、技術以外の知識も求められている。

「学際的な仕事は充実感を与えてくれる

「RISEチームの共同リーダーで、ベルリン工科大学のヒューマンファクター修士課程に在籍するマグナス・マイヤーは、「このプロジェクト・ワークショップでは、大学での集中力の高い教育環境から抜け出して、学際的な方法で仕事をすることができます。

学際的な思考が外骨格の場合に関連する理由はもうひとつある。マイヤーは、片麻痺のパイロットとのインタラクションがハイライトだと語る。チームは、開発の使いやすさと実用性について直接フィードバックを受けるからだ。

人間と機械の直接対話

産業界の企業やパートナー候補との話し合いの中で、学生たちは外骨格の応用分野がいかに多様であるかをすぐに理解した。「マグナス・マイヤーは言う。「多くの人は、外骨格というと、例えば、ユーザーの動きに追従する生産ラインでの従業員の腰の負担を軽減するなど、仕事を楽にすることを連想します。

しかし、私たちの場合は、単に楽になるだけでなく、動力装具として脚の筋力（股関節、膝関節、足首の筋肉）を完全に代替し、人間工学に基づいた動きで手足を誘導します」。ルーカス・シュナイデウィンドは、こう付け加えた。"麻痺患者を動員するために使用されるこのようなシステムの技術的要件が、他のシステムとは大きく異なるという事実は、昔も今も大きなコミュニケーションの課題です。"

RISEチームにとってのもう一つの課題は、トレーニング・セッションで得られた知見をもとに、システムの適切な技術要件を常に更新することである。外骨格で自然な歩行動作を最適に再現し、歩行時の重心をコントロールできるようにするためには、身体の近くにある適切な平らなギアとモーターが必要である。

技術への特別な要求

そこで学生たちは、マクソン製の65mmと85mmのブラシレスECフレームレスDynamiqueトルクドライブを股関節と膝関節に取り付けました。このBLDCモータキットはインターナルロータ技術により、いわゆるロボットジョイント、すなわちロボット環境におけるジョイント用に特別に開発されました。

特に強力で堅牢、コンパクトです。「マクソンエリアセールスマネージャのファルコ・シモンは、「ボールベアリングを使用せず、ロータとステータユニットをお客様自身で組み立てることができます。このドライブは最大300Nmの高トルクを実現し、人が膝をついたり、高い段差を登ったりする短時間に必要です。このため、サイバスロンに最適です。

もう一つの特徴は、マクソンモータとナブテスコ・ヨーロッパの子会社であるOvalo社のギアボックスが一体となっていることです。ギアボックスはいわゆるパンケーキ形状で、当社のDTドライブをギアボックスに組み込んでいます。全体が事実上1つの製品なので、非常にフラットなユニットを作ることができました」。オープンで協力的な雰囲気のおかげで、わずか数週間で実用的な解決策を見出すことができた、とルーカス・シュナイデウィンドは言う。また、ファルコ・シモンはこう付け加えた。"学生たちは、産業界のパートナーとしての私たちの専門知識を学ぶことにも熱心で、とても楽しかったです。"

将来の展望：松葉杖のない外骨格

学生たちは現在、ソフトウェアの実装と個々の動作パターンの適合の最終段階にあり、サイバスロンに向けた2人のパイロットとの最終トレーニングが始まる前である。将来に向けて、チームリーダーのシュナイデウィンドはすでに具体的な目標を掲げている：「現在、初期的な基盤はできていますが、長期的にはまだ確実に小型化できます。現在、外骨格は約80キロと非常に重いシステムだが、例えば高い段差を簡単に登ることができる。既存のシステムでは、しっかりつかまらないと登れません。松葉杖なしで働くことが大きな目標です」。

しかし今のところ、チームはサイバスロンを楽しみにしている。「他のチームが10年以上かけて取り組んでいるのに対し、私たちは2年以内に大きな成功を収めることができるのです」。

画像の著作権 クリスチャン・キールマン