(57)【要約】【課題】本発明は、上肢訓練システム及びそれに適用される制御方法を提供する。【解決手段】かかる上肢訓練システムは、使用者の上肢に適用され、且つ本体及び制御ユニットを含む。本体は、訓練ユニット及び複数のモータを含む。訓練ユニットは、上肢に接続され、これらのモータは、訓練ユニットに接続される。制御ユニットは、訓練ユニット及びこれらのモータに電気的に接続され、訓練ユニットの端点の位置を計算し、且つ各モータのトルクに基づいて各モータに対応するトルク区間を計算する。【選択図】図２
2020137802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の上肢に適用される上肢訓練システムであって、
前記上肢に接続される訓練ユニットと、前記訓練ユニットに接続される複数のモータとを含む本体；及び
前記訓練ユニット及び前記複数のモータに電気的に接続される制御ユニットであって、前記訓練ユニットの端点の位置を計算し、且つ各前記モータのトルクに基づいて、各前記モータに対応するトルク区間を計算するための制御ユニットを含み、
前記複数のモータのうちの少なくともの１つのトルクがその対応する前記トルク区間を超えており、且つ前記訓練ユニットの前記端点が所定位置に移動していないときに、前記制御ユニットは、各前記モータが第一トルクを前記訓練ユニットに出力するように制御し、
前記複数のモータのうちの少なくとも１つのトルクがその対応する前記トルク区間を超えており、且つ前記訓練ユニットの前記端点が前記所定位置に移動しているときに、前記制御ユニットは、各前記モータが第二トルクを前記訓練ユニットに出力するように制御し、これにより、前記訓練ユニットの前記端点は、前記所定位置を離れる、上肢訓練システム。
【請求項２】
請求項1に記載の上肢訓練システムであって、
仮想壁面がさらに定義され、
前記仮想壁面は、前記使用者の頭部と前記訓練ユニットの前記端点との間に位置し、前記所定位置は、前記仮想壁面上に位置し又は前記仮想壁面の前記使用者に対しての内側に位置し、前記訓練ユニットの前記端点は、前記所定位置を離れて前記仮想壁面の外側に移動する、上肢訓練システム。
【請求項３】
請求項2に記載の上肢訓練システムであって、
前記第二トルクは、利得比及びオリジナルトルクにより定義され、
前記訓練ユニットの前記端点が前記仮想壁面の前記使用者に対しての内側に位置し、且つ前記訓練ユニットの前記端点と前記仮想壁面との距離が前記訓練ユニットの前記端点と前記仮想壁面との前回の計算距離よりも大きいときに、前記利得比は、調整前の利得比、前記距離、距離重み、前記訓練ユニットの前記端点の前記仮想壁面に対して速度、及び速度重みにより定義され、
前記訓練ユニットの前記端点が前記仮想壁面の前記使用者に対しての内側に位置し、且つ前記訓練ユニットの前記端点と前記仮想壁面との前記距離が前記訓練ユニットの前記端点と前記仮想壁面との前記前回の計算距離以下であるときに、前記利得比は、前記調整前の利得比から所定の値を引いたものである、上肢訓練システム。
【請求項４】
上肢訓練システムに適用される制御方法であって、
前記上肢訓練システムは、使用者の上肢に適用され、
前記上肢訓練システムは、本体及び制御ユニットを含み、前記本体は、訓練ユニット及び複数のモータを含み、前記訓練ユニット、前記複数のモータ、及び前記制御ユニットは、互いに電気的に接続され、
前記制御方法は、
前記上肢を前記訓練ユニットに接続し、前記訓練ユニットの移動をガイドし、移動軌跡を記録することを含む教学ステップ；及び
前記訓練ユニットにより前記上肢を動かし、各前記モータに対応するトルク区間を取得し、保護メカニズムを行うことを含む再現ステップを実行し、
前記保護メカニズムは、
前記制御ユニットにより、各前記モータのトルクが該モータに対応するトルク区間を超えているかを判断し；
前記制御ユニットにより、前記訓練ユニットの端点の位置を計算し、前記訓練ユニットの前記端点が所定位置に移動しているかを判断し；及び
前記制御ユニットにより、複数のモータのうちの少なくとも１つのトルクが該モータに対応するトルク区間を超えており、且つ前記訓練ユニットの前記端点が前記所定位置に移動していないと判断されたときに、前記制御ユニットは、各前記モータが第一トルクを前記訓練ユニットに出力するように制御し；及び
前記制御ユニットにより、複数のモータのうちの少なくとも１つのトルクが該モータに対応するトルク区間を超えており、且つ前記訓練ユニットの前記端点が前記所定位置に移動していると判断されたときに、前記制御ユニットは、各前記モータが第二トルクを前記訓練ユニットに出力するように制御し、これにより、前記訓練ユニットの前記端点は、前記所定位置を離れることを含む、制御方法。
【請求項５】
請求項4に記載の制御方法であって、
前記保護メカニズムは、
前記使用者の頭部と前記訓練ユニットの前記端点との間に位置する仮想壁面を定義することをさらに含み、
前記所定位置は、前記仮想壁面上に位置し又は前記仮想壁面の前記使用者に対しての内側に位置し、前記制御ユニットにより、各前記モータが前記第二トルクを前記訓練ユニットに出力するように制御されるときに、前記訓練ユニットの前記端点は、前記仮想壁面の外側に移動する、制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上肢訓練システム及び制御方法に関し、特に、抵抗トルクを提供して安全保護メカニズムを実現することができる上肢訓練システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
上肢訓練が肢体動作訓練の課題の１つである。一般的に言えば、肢体訓練時に、輔助装置が使用者の肢体に接続され、動作の指導者によって肢体が特定の軌跡に沿って運動するようにガイドされ、その後、輔助装置が動作の指導者によってガイドされた軌跡に沿って肢体を移動することにより、訓練の効果を達成する。しかし、訓練の過程では、異常が発生する可能性があり、例えば、使用者は、筋肉疲労や他の原因で痙攣を起こすことがある。そのため、動作の指導者や輔助器材の研発者は、既に、上述のような異常を検出する又はそれに対応する方法についての研究に着手している。例えば、台湾特許第TW  I587843号には、下肢痙攣の検出方法が提供され、使用者の痙攣が起きたときに、下肢支持架により、モータの運転が停止するように制御し、そして、歩行リハビリテーションの動作が停止するようにさせることで、痙攣が起きた後にマシンが依然として肢体を継続して動かすことによる負傷を避けることができる。
【０００３】
しかし、下肢の運動パターン及び範囲が比較的単純なので、同様のメカニズムをそのまま上肢訓練装置に適用することができない。また、使用者の痙攣が起きた直後にモータの運転を停止する場合、肢体の張力を緩めることができないため、使用者が負傷する可能性がある。一方、モータに継続して運転させる場合、上肢の張力が緩められると同時に、上肢訓練装置が継続して作動し、誤って使用者の頭部や他の躯幹部を撃って負傷させることもある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上肢訓練システムを提供し、その制御ユニットは、モータのトルク及び訓練ユニットの端点（end  point）の位置を計算し、そして、モータが抵抗トルクを提供して使用者の上肢の張力を緩めるように制御することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の上肢訓練システムは、使用者の上肢に適用され、且つ本体及び制御ユニットを含む。本体は、訓練ユニット及び複数のモータを含む。訓練ユニットは、上肢に接続され、これらのモータは、訓練ユニットに接続される。制御ユニットは、訓練ユニット及びこれらのモータに電気的に接続され、訓練ユニットの端点の位置を計算し、且つ各モータのトルクに基づいて各モータに対応するトルク区間を計算する。これらのモータのうちの少なくとも１つのトルクがその対応するトルク区間を超えており、且つ訓練ユニットの端点が所定位置に移動していないときに、制御ユニットは、各モータが第一トルクを訓練ユニットに出力するように制御する。これらのモータのうちの少なくとも１つのトルクがその対応するトルク区間を超えており、且つ訓練ユニットの端点が所定位置に移動しているときに、制御ユニットは、各モータが第二トルクを訓練ユニットに出力するように制御することで、訓練ユニットの端点が所定位置を離れるようにさせる。
【０００６】
また、本発明は、さらに、上述の上肢訓練システムに適用される制御方法を提供し、これにより、使用者が上肢の訓練の過程で誤って自身を撃って負傷することを防止できる。
【０００７】
本発明の制御方法は、上肢訓練システムに適用され、上肢訓練システムは、本体及び制御ユニットを含む。本体は、訓練ユニット及び複数のモータを含み、訓練ユニット、これらのモータ及び制御ユニットは、互いに電気的に接続される。制御方法は、教学ステップ及び再現ステップの実行を含む。教学ステップは、上肢を訓練ユニットに接続し、訓練ユニットが移動するようにガイドし、移動軌跡を記録することを含む。再現ステップは、訓練ユニットが使用者の上肢を移動し、各モータに対応するトルク区間を取得し、また、保護メカニズムを実行することを含む。保護メカニズムは、制御ユニットにより、各モータのトルクが各モータに対応するするトルク区間を超えているかを判断し、制御ユニットにより、訓練ユニットの端点の位置を計算し、そして、訓練ユニットの端点が所定位置に移動しているかを判断し、及び、制御ユニットにより、各モータが第一トルク又は第二トルクを訓練ユニットに出力するように制御することを含む。
【０００８】
上述により、本発明による上肢訓練システム及び制御方法は、訓練の過程で異常が起きた場合、例えば、使用者の痙攣が起きたときに、制御ユニットにより、各モータが第一トルクを訓練ユニットに出力するように制御することで、使用者の上肢の張力を緩めることができる。また、使用者が誤って自身を撃つ可能性があるときに、制御ユニットにより、各モータが第二トルクを訓練ユニットに出力するように制御することで、訓練ユニットの端点が所定位置から離れるようにさせ、負傷を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施例における上肢訓練システムの立体図である。
【図２】図1の上肢訓練システムの機能ブロック図である。
【図３】使用者が図1の上肢訓練システムを用いて上肢訓練を行うことを示す図である。
【図４】図3の上肢訓練システムの訓練ユニットの端点の位置を示す図である。
【図５】図4の第一軸A1方向を向く上面図である。
【図６】図4の第二軸A2方向を向く側面図である。
【図７】本発明の一実施例における制御方法のフローチャートである。
【図８】本発明の一実施例による上肢訓練システムにおけるモータのトルク及びモータに対応するトルク区間の曲線図である。
【図９】図3の上肢訓練システム及び仮想壁面を示す図である。
【図１０】図7中の保護メカニズムのフローチャートである。
【図１１】使用者が本発明の他の実施例における上肢訓練システムを用いて上肢訓練を行うことを示す図である。
【図１２】図11の上肢訓練システム及び仮想壁面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明を実施するための好適な形態を詳細に説明する。なお、このような実施形態は、例示に過ぎず、本発明を限定するものでない。
【００１１】
第1図は、本発明の一実施例における上肢訓練システムの立体図であり、第2図は、第1図の上肢訓練システムの機能ブロック図であり、第3図は、使用者が第1図の上肢訓練システムを用いて上肢訓練を行うときの様子を示す図である。第1図乃至第3図を参照する。本実施例の上肢訓練システム1000は、本体1100、制御ユニット1200、及び駆動ユニット1300を含み、本体1100は、ベース1110、訓練ユニット1120、及び複数のモータ1140を含み、訓練ユニット1120は、ベース1110に接続され、これらのモータ1140は、訓練ユニット1120に接続され、制御ユニット1200は、訓練ユニット1120及びこれらのモータ1140に電気的に接続され、駆動ユニット1300は、訓練ユニット1120、これらのモータ1140、及び制御ユニット1200に電気的に接続される。
【００１２】
具体的に言えば、本実施例の上肢訓練システム1000は、使用者2000の上肢に適用される。使用者2000が上肢の訓練を行うときに、訓練ユニット1120を上肢に接続する必要があり、そのうち、訓練ユニット1120は、第一コネクティングロッド1122及び第一コネクティングロッド1122に接続される第二コネクティングロッド1124を含む。第一コネクティングロッド1122は、第一軸A1及び第一軸A1と独立した第二軸A2のまわりに回転し、第二コネクティングロッド1124は、第一軸A1及び第二軸A2と独立した第三軸A3のまわりに回転する。本実施例では、モータ1140は、３つがあり、それぞれ、第一コネクティングロッド1122及び第二コネクティングロッド1124の上述の３つの軸のまわりの回転に対応し、第一軸A1は、使用者2000が上肢の訓練を行うときに、第一コネクティングロッド1122が肩関節の回転を補助する鉛直軸であり、第二軸A2は、使用者2000が上肢の訓練を行うときに、第一コネクティングロッド1122が肩関節の回転を補助する水平軸であり、第三軸A3は、使用者2000が上肢の訓練を行うときに、第二コネクティングロッド1124が肘関節の第一コネクティングロッド1122に対しての回転を輔助する軸である。よって、上肢訓練システム1000を操作して上肢の訓練を行うときに、使用者2000の肩は、第一軸A1と第二軸A2との交差点Xに位置し、使用者2000の肘は、第三軸A3上に位置する。これにより、制御ユニット1200は、第一コネクティングロッド1122及び第二コネクティングロッド1124の長さ、第一コネクティングロッド1122が第一軸A1及び第二軸A2のまわりに回転する角度、及び第二コネクティングロッド1124が第三軸A3のまわりに回転する角度に基づいて、訓練ユニット1120の端点Eの位置を計算することができる。なお、第一コネクティングロッド1122、第二コネクティングロッド1124、モータ1140、及び対応する回転軸の数は、これに限定されず、使用者2000が上肢の訓練を行うことを輔助できるコネクティングロッド、このようなコネクティングロッドが訓練を行うときの動力を提供できるモータ、及び訓練動作を行うために必要な回転軸であれば、全ては、本発明の保護範囲に属する。
【００１３】
第4図は、第3図の上肢訓練システムにおける訓練ユニットの端点の位置を示す図であり、第5図は、第4図の第一軸A1方向を向く上面図であり、第6図は、第4図の第二軸A2方向を向く側面図である。第4図乃至第6図を参照する。さらに言えば、訓練ユニット1120がベース1110に接続される箇所を原点と定義し、使用者2000が上肢の訓練を行うときの前方、左方、及び上方をそれぞれx0、y0、及びz0方向と定義し、第一コネクティングロッド1122に接続される２つのロードの長さ、第一コネクティングロッド1122の長さ、第二コネクティングロッド1124の長さ、及び第二コネクティングロッド1124から訓練ユニット1120の端点Eまでの距離をそれぞれd1、d2、d3、d4、及びd5と定義し、長さd1のロードとx0方向との間の水平夾角、第一コネクティングロッド1122とx0方向との間の鉛直夾角、及び第二コネクティングロッド1124の第一コネクティングロッド1122の延伸方向に対しての鉛直夾角をそれぞれθ1、θ2、及びθ3と定義し、そのうち、θ1、θ2、及びθ3は、第5図及び第6図中の時計回り方向を正とする場合、訓練ユニット1120の端点Eの原点に対してのx、y、及びz座標は、次の公式で計算することができる。
【００１４】
【数１】
2020137802.tif 000003
そのうち、sin及びcosは、それぞれ、括号内の夾角の正弦及び余弦である。これにより、上肢訓練システム1000は、制御ユニット1200により、端点Eの、訓練ユニット1120が本体1100に接続される箇所に対しての位置座標を正確に計算することができる。
【００１５】
第7図は、本発明の一実施例の制御方法のフローチャートであり、第8図は、本発明の一実施例の上肢訓練システムにおけるモータのトルク及びモータに対応するトルク区間の曲線図である。第2図、第7図、及び第8図を同時に参照する。本実施例の制御方法は、上述の上肢訓練システム1000に適用され、そのうち、上肢訓練システム1000の制御ユニット1200は、教学モジュール1220、再現モジュール1240、及び計算モジュール1260を含む。さらに言えば、制御ユニット1200は、さらに、モジュール切り替えユニット(図示せず)を含み、それは、上肢訓練時の異なるステップの各モジュール間の切り替えに対応することができ、制御方法は、教学ステップS100を実行すること及び再現ステップS200を実行することを含む。教学ステップS100では、使用者2000又は動作の指導者は、使用者2000の上肢を訓練ユニット1120に接続し、その後、動作の指導者は、使用者2000の上肢が特定の軌跡に沿って移動するようにガイドし、また、上肢は、訓練ユニット1120を動かし、このとき、教学モジュール1220は、動作の指導者がガイドした上肢の移動軌跡を記録して保存する。
【００１６】
教学ステップS100終了後、動作の指導者又は使用者2000は、上肢訓練システム1000を操作して再現ステップS200を実行することができ、このとき、制御ユニット1200の再現モジュール1240は、教学モジュール1220が教学ステップS100で記録した移動軌跡を再現することができる。具体的に言えば、制御ユニット1200は、命令を駆動ユニット1300に伝送し、本実施例では、駆動ユニット1300は、サーボ駆動器1320及び符号器1340を含み、駆動ユニット1300が制御ユニット1200からの命令を受信したときに、サーボ駆動器1320は、各モータ1140が運転するようにを駆動し、また、訓練ユニット1120が教学モジュール1220により教学ステップS100で記録された移動軌跡に沿って移動するように駆動する。なお、駆動ユニット1300が使用するモータ用駆動器は、サーボ駆動器1320に限定されず、各モータ1140を駆動して記録された移動軌跡を再現させることができるもの、例えば、線形駆動器、ステッピング駆動器、及び各自に対応するモータであれば、全ては、本発明の保護範囲に属する。
【００１７】
上肢訓練システム1000が、使用者2000の上肢及び訓練ユニット1120が上述の移動軌跡に沿って複数回移動するようにさせた後に、駆動ユニット1300は、各モータ1140のトルクTを検出し、符号器1340により、上述の複数回の訓練ユニット1120移動時の各モータ1140のトルクTをデータに符合化し、そして、該データを制御ユニット1200に伝送する。制御ユニット1200がこのデータを受信した後に、計算モジュール1260は、上述の複数回の訓練ユニット1120移動時の各モータ1140のトルクTの平均値に基づいてトルク平均値μiを定義し、及び、上述の複数回の訓練ユニット1120移動時の各モータ1140のトルクTの標準偏差に基づいてトルク標準偏差σiを定義し、そして、次の公式で各モータ1140に対応するトルク区間の上限TIupper及び下限TIlowerを計算する。
【００１８】
【数２】
2020137802.tif 000004
そのうち、iは、各モータ1140の順番号であり、δは、感度パラメータであり、理論上、ゼロよりも大きい実数であるが、本実施例では、0〜15の間にあり、また、異なる使用者2000の状況に応じて動作の指導者により調整されても良く、wは、重み（weight）であり、本実施例では、3であるが、本発明は、これに限定されない。換言すると、教学ステップS100では、第8図に示すように、動作の指導者又は使用者2000は、上肢によって訓練ユニット1120を動かし、各モータ1140に対応するトルク区間を取得することができる。
【００１９】
また、再現ステップS200では、制御ユニット1200は、さらに、保護メカニズムを行う。第9図は、第3図の上肢訓練システム及び仮想壁面を示す図である。第3図及び第9図をともに参照する。本実施例では、上肢訓練システム1000は、さらに、使用者2000の頭部と訓練ユニット1120の端点Eとの間に位置する仮想壁面1400を定義し、そのうち、仮想壁面1400は、互いに垂直な２つの平面である。具体的に言えば、第9図に示するように、使用者2000の躯幹を楕円と簡略化すれば、楕円の中心から右側の長軸の端点までの距離は、使用者2000の肩幅SWであり、楕円の中心から前側の短軸の端点までの距離は、使用者2000の胸厚BTである。本実施例の上肢訓練システム1000は、人間工学（human  factors  engineering）中の人体の肩寛SW及び胸厚BTの95百分位値に従って、それらにそれぞれ1.2倍の安全係数をかけることで、仮想壁面1400のうちの２つの平面と使用者2000との間の距離、即ち、第9図中の1.2倍の肩寛SW及び1.2倍の胸厚BTをそれぞれ取得する。
【００２０】
さらに言えば、仮想壁面1400により、使用者2000の安全範囲が定義され、上肢訓練時に異常が起きた場合、例えば、使用者2000の上肢の痙攣が起きたときに、このときに、訓練ユニット1120の端点Eが仮想壁面1400の使用者2000に対しての内側に位置すれば、使用者2000は、痙攣が原因で、訓練ユニット1120を動かし絵頭部又は躯幹を誤って撃つ可能性がある。そのため、制御ユニット1200は、訓練ユニット1120が仮想壁面1400に入った深さに基づいて、訓練ユニット1120に対応する抵抗トルクを提供する。即ち、訓練ユニット1120が仮想壁面に進入した深さが深いほど、制御ユニット1200の制御により各モータ1140が訓練ユニット1120に出力する抵抗トルクが大きい。
【００２１】
第10図は、第7図中の保護メカニズムのフローチャートである。第7図及び第10図を同時に参照する。保護メカニズム起動時に、制御ユニット1200は、訓練ユニット1120が記録された移動軌跡を再現する過程において、各モータ1140のトルクTが各モータ1140に対応するトルク区間を超えたかを判断する(ステップS210)。トルクTがトルク区間を超えていない場合、訓練ユニット1120は、継続して上肢を動かして移動し(ステップS220)、これらのモータ1140のうちの少なくとも１つのトルクTがその対応するトルク区間を超えたときに、異常が起きたことを意味し、例えば、使用者2000の上肢の痙攣が起きており、その後、制御ユニット1200は、訓練ユニット1120の端点Eの位置を計算し、そして、訓練ユニット1120の端点Eが所定位置に移動したかを判断する(ステップS230)。本実施例では、所定位置は、仮想壁面1400上に位置し、又は、仮想壁面1400の使用者2000に対しての内側に位置する。これらのモータ1140のうちの少なくとも１つのトルクTがその対応するトルク区間を超えたが、訓練ユニット1120の端点Eが所定位置に移動していないときに、使用者2000の上肢の痙攣が起きているが、それが原因で自身を誤って撃つことがないと意味し、このときに、制御ユニット1200の計算モジュール1260は、訓練ユニット1120の所在位置の重力の平衡のための第一トルクT1を計算し(ステップS240)、そして、駆動ユニット1300のサーボ駆動器1320は、各モータ1140が第一トルクT1を訓練ユニット1120に出力するように駆動する(ステップS260)。使用者2000の上肢及び訓練ユニット1120の重力が第一トルクT1によりバランスが取られているため、使用者2000の上肢は、負荷が低いままで痙攣による張力を緩め、負傷を避けることができる。
【００２２】
しかし、これらのモータ1140のうちの少なくとも１つのトルクTがその対応するトルク区間を超えており、且つ訓練ユニット1120の端点Eが仮想壁面1400上又は仮想壁面1400の使用者2000に対しての内側に位置する所定位置に移動した時に、使用者2000が上肢の痙攣のせいで訓練ユニット1120を動かして自身を誤って撃つ可能性があることを意味し、このときに、計算モジュール1260は、訓練ユニット1120の所在位置の重力とのバランスを取る及び訓練ユニット1120の使用者2000の身体中心への継続接近に対抗するための第二トルクT2を計算し、そのうち、第二トルクT2は、利得比G及びオリジナルトルクToriginalによって定義される。具体的に言えば、第二トルクT2は、次の公式を満足する。
【００２３】
【数３】
2020137802.tif 000005
訓練ユニット1120の端点Eが仮想壁面1400の使用者2000に対しての内側に位置し、且つ訓練ユニット1120の端点Eと仮想壁面1400との距離Dが、訓練ユニット1120の端点Eと仮想壁面1400との前回の検出距離よりも大きいときに、使用者2000の上肢が依然として身体の中心へ移動することを意味し、このときに、利得比Gは、調整前の利得比G*、距離D、距離重みKp、訓練ユニット1120の端点Eの仮想壁面1400に対しての速度Vd、及び速度重みKvによって定義される。具体的に言えば、上述の利得比Gは、次の公式を満足する。
【００２４】
【数４】
2020137802.tif 000006
訓練ユニット1120の端点Eが仮想壁面1400の使用者2000に対しての内側に位置し、且つ訓練ユニット1120の端点Eと仮想壁面1400との距離Dが、訓練ユニット1120の端点Eと仮想壁面1400との前回の検出距離以下であるときに、使用者2000の上肢が次第に仮想壁面1400の外側へ移動することを意味し、このときに、利得比Gは、調整前の利得比G*から一定の値（所定の値）Cを引いたものである。具体的に言えば、利得比Gは、次の公式を満足する。
【００２５】
【数５】
2020137802.tif 000007
換言すれば、制御ユニット1200の計算モジュール1260は、利得比G及び対応する第二トルクT2を計算し(ステップS250)、そして、駆動ユニット1300のサーボ駆動器1320は、各モータ1140が第二トルクT2を訓練ユニット1120に出力するように駆動することで(ステップS270)、訓練ユニット1120の端点Eが仮想壁面1400の外側に移動するようにさせる。これにより、訓練ユニット1120が記録された移動軌跡に沿って移動して使用者2000の上肢を動かす過程において、使用者2000が、異常の発生、例えば、上肢の痙攣が原因で、誤って自身を打って負傷することを避けることができると同時に、使用者2000の痙攣の発生による上肢の張力を緩めることもできる。制御ユニット1200により、訓練ユニット1120の端点Eが仮想壁面1400の外側に移動していると判断されたときに(ステップS280)、動作の指導者は、保護メカニズムを解除し(ステップS290)、システムが通常の教学ステップS100での指導過程に戻るようにさせることができる。
【００２６】
第11図は、使用者が本発明の他の実施例の上肢訓練システムを用いて上肢訓練を行うときの様子を示す図である。第3図及び第11図を同時に参照する。本実施例の上肢訓練システム1000’と、第3図の上肢訓練システム1000との主な相違点は、上肢訓練システム1000’により定義される仮想壁面1400’が互いに垂直な２つの平面でなく、弧面であることにある。これにより、使用者2000が上肢の痙攣のせいで誤って自身を撃って負傷するのを避ける効果を達成することでできる。
【００２７】
第12図は、第11図の上肢訓練システム及び仮想壁面を示す図である。第12図を参照する。詳細に言えば、本実施例の上肢訓練システム1000’の仮想壁面1400’は、複数の異なる定義方式を有しても良い。第12図に示すように、使用者2000の躯幹を楕円と簡略化すると、前述のように、人間工学中の人体の肩寛SWの95百分位値に1.2倍の安全係数を掛けることで、使用者2000の躯幹の中心を円心とし、且つ1.2倍の肩寛SWを半径r1とする円柱形の仮想壁面1400’を取得することができ、又は、訓練ユニット1120が本体1100に接続される箇所を円心とし、且つ本体1100の長さd及び安全マージンSAを両股として得られた斜辺を半径r2とすることで、もう１つの円柱形の仮想壁面1400’を取得することができ、又は、1.2倍の肩寛SWを半長軸の長さとし、且つ1.2倍の胸厚BTを半短軸の長さとすることで、使用者2000の躯幹の中心を中心とする楕円柱形の仮想壁面を取得することができる。上述の仮想壁面1400及び1400’は、人間工学中の統計データを設計の根拠とするので、使用者が異なることによって仮想壁面1400又は1400’の位置を変更することなく、使用者2000の安全範囲を定義し得る効果を達成することができる。
【００２８】
以上のことから、本発明の上肢訓練システムは、制御ユニットにより、各モータに対応するトルク区間を計算することで、使用者が訓練の過程で上肢の痙攣が起きたかを検出することができる。また、本発明の上肢訓練方法により、使用者が訓練の過程で上肢の痙攣が起きたときに、制御ユニットは、各モータが第一トルク又は第二トルクを出力して使用者の痙攣による上肢の張力を緩めるように制御することができ、また、使用者が痙攣のせいで上肢訓練装置を動かして頭部又は他の躯幹部を誤って撃って負傷するのを避けることもできる。
【００２９】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００３０】
1000、1000’：上肢訓練システム
1100：本体
1110：ベース
1120：訓練ユニット
1122：第一コネクティングロッド
1124：第二コネクティングロッド
1140：モータ
1200：制御ユニット
1220：教学モジュール
1240：再現モジュール
1260：計算モジュール
1300：駆動ユニット
1320：サーボ駆動器
1340：符号器
1400、1400’：仮想壁面
2000：使用者
A1：第一軸
A2：第二軸
A3：第三軸
BT：胸厚
C：値
D：距離
d、d1、d2、d3、d4、d5：長さ
E：端点
G：利得比
G*：調整前の利得比
Kp：距離重み
Kv：速度重み
r1、r2：半径
S100、S200、S210、S220、S230、S240、S250、S260、S270、S280、S290：ステップ
SA：安全マージン
SW：肩寛
T：トルク
T1：第一トルク
T2：第二トルク
TIupper：上限
TIlower：下限
Vd：速度
X：交差点
x0、y0、z0：方向
θ1、θ2、θ3：角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年3月12日(2020.3.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の上肢に適用される上肢訓練システムであって、
前記上肢に接続される訓練ユニットと、前記訓練ユニットに接続される複数のモータとを含む本体；及び
前記訓練ユニット及び前記複数のモータに電気的に接続される制御ユニットを含み、
教学ステップを行うときに、
前記上肢を前記訓練ユニットに接続し、前記訓練ユニットの移動をガイドし、移動軌跡を記録し、
再現ステップを行うときに、
前記訓練ユニットにより前記上肢を動かし、前記訓練ユニットが前記移動軌跡に沿って移動する時の各前記モータの負荷トルクに基づいて、各前記モータに対応する負荷トルク区間を取得し、保護メカニズムを行い、
前記保護メカニズムを行うときに、
前記制御ユニットは、前記訓練ユニットの端点の位置を計算し、前記訓練ユニットの端点は、前記訓練ユニットが前記上肢に接続される時の前記上肢の手に対応する箇所であり、
前記複数のモータのうちの少なくともの１つの負荷トルクがその対応する前記負荷トルク区間外であり、且つ前記訓練ユニットの前記端点が所定位置に移動していないときに、前記制御ユニットは、各前記モータが第一負荷トルクを前記訓練ユニットに出力するように制御し、
前記複数のモータのうちの少なくとも１つの負荷トルクがその対応する前記負荷トルク区間外であり、且つ前記訓練ユニットの前記端点が前記所定位置に移動しているときに、前記制御ユニットは、各前記モータが第二負荷トルクを前記訓練ユニットに出力するように制御し、これにより、前記訓練ユニットの前記端点は、前記所定位置を離れて所定の仮想壁面の外側に移動し、
前記仮想壁面は、前記使用者の頭部と前記訓練ユニットの前記端点との間に位置し、且つ互いに垂直な２つの平面、又は弧面であり、前記仮想壁面と前記使用者との間の距離は、前記使用者の肩幅、胸厚及び安全係数に基づいて設定され、
前記所定位置は、前記仮想壁面に位置し、又は前記仮想壁面の内側即ち前記使用者側に位置し、前記仮想壁面の前記外側は、前記仮想壁面の前記内側の逆側である、上肢訓練システム。
【請求項２】
請求項１に記載の上肢訓練システムであって、
前記第二負荷トルクは、前記訓練ユニットの重力とのバランスを取り、且つ前記訓練ユニットの前記使用者への更なる接近に対抗するためのものである、上肢訓練システム。
【請求項３】
上肢訓練システムに適用される制御方法であって、
前記上肢訓練システムは、使用者の上肢に適用され、
前記上肢訓練システムは、本体及び制御ユニットを含み、前記本体は、訓練ユニット及び複数のモータを含み、前記訓練ユニット、前記複数のモータ、及び前記制御ユニットは、互いに電気的に接続され、
前記制御方法は、
前記上肢を前記訓練ユニットに接続し、前記訓練ユニットの移動をガイドし、移動軌跡を記録することを含む教学ステップ；及び
前記訓練ユニットにより前記上肢を動かし、前記訓練ユニットが前記移動軌跡に沿って移動する時の各前記モータの負荷トルクに基づいて、各前記モータに対応する負荷トルク区間を取得し、保護メカニズムを行うことを含む再現ステップを実行し、
前記保護メカニズムは、
前記制御ユニットにより、各前記モータの負荷トルクが該モータに対応する前記負荷トルク区間外であるかを判断し；
前記制御ユニットにより、前記訓練ユニットの端点の位置を計算し、前記訓練ユニットの前記端点が所定位置に移動しているかを判断し；
前記制御ユニットにより、前記複数のモータのうちの少なくとも１つの負荷トルクが該モータに対応する前記負荷トルク区間外であり、且つ前記訓練ユニットの前記端点が前記所定位置に移動していないと判断されたときに、前記制御ユニットは、各前記モータが第一負荷トルクを前記訓練ユニットに出力するように制御し；及び
前記制御ユニットにより、前記複数のモータのうちの少なくとも１つの負荷トルクが該モータに対応する前記負荷トルク区間外であり、且つ前記訓練ユニットの前記端点が前記所定位置に移動していると判断されたときに、前記制御ユニットは、各前記モータが第二負荷トルクを前記訓練ユニットに出力するように制御し、これにより、前記訓練ユニットの前記端点は、前記所定位置を離れて所定の仮想壁面の外側に移動することを含み、
前記訓練ユニットの端点は、前記訓練ユニットが前記上肢に接続される時の前記上肢の手に対応する箇所であり、
前記仮想壁面は、前記使用者の頭部と前記訓練ユニットの前記端点との間に位置し、且つ互いに垂直な２つの平面、又は弧面であり、前記仮想壁面と前記使用者との間の距離は、前記使用者の肩幅、胸厚及び安全係数に基づいて設定され、
前記所定位置は、前記仮想壁面に位置し、又は前記仮想壁面の内側即ち前記使用者側に位置し、前記仮想壁面の前記外側は、前記仮想壁面の前記内側の逆側である、制御方法。