(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）空間における固定点とリンク機構系の可動端点（Ｅ）の間でリンク機構系（200）を形成するためにジョイント（300−334）によって連結した複数のリンク（338−366）と、
ｂ）肢を該端点（Ｅ）に結合するための肢カプラー（376）と、
ｃ）少なくとも３つの相互直交方向においてリンクの併進運動を阻止し、かつ少なくとも３つの相互直交軸の回りのリンクの回転運動を阻止するための複数のブレーキ（B1−B6）と、
ｄ）３つの方向と３つの軸における該ジョイント（300−334）の回りの該リンク（338−366）の併進及び回転運動の量と速度を感知するための複数の位置及び速度センサー（S1−S6）と、
ｅ）該複数の位置及び速度センサー（S1−S6）に結合されたコンピュータとを具備し、それによって、感知された位置及び速度が少なくとも一つのブレーキに結合された信号を発生させてブレーキによって発生される抵抗量を変化させる、
ことを特徴とする肢運動を阻止するためのシステム。
【請求項２】
リンク機構系（200）が、該端点（Ｅ）に印加された力の方向において移動する請求の範囲１に記載のシステム。
【請求項３】
ブレーキが、端点の速度方向と反対の方向において抵抗を及ぼす請求の範囲１に記載のシステム。
【請求項４】
リンク機構が、さらに、リンクとジョイントの少なくとも３つの平行四辺形（P1−P3）を具備する請求の範囲１に記載のシステム。
【請求項５】
ブレーキが、さらに、ブレーキに結合した第１直径を有する第１シリンダー（604）と、リンク機構系の回転ジョイントに結合した該第１直径よりも広幅の第２直径を有する第２シリンダー（600）と、一方の端部を第２シリンダー（600）に連結したケーブル（602）とを具備し、該ケーブルは、ブレーキトルクを増幅するために第１シリンダー（604）の回りに巻かれている請求の範囲１に記載のシステム。
【請求項６】
ブレーキが、さらに、位置センサー（614）を含み、該センサーが、第２シリンダーに連結した端部と反対のケーブルの端部に連結される請求の範囲５に記載のシステム。
【請求項７】
少なくとも一つのブレーキが、釣合いおもりとしてリンク機構に位置付けられる請求の範囲６に記載のシステム。
【請求項８】
ａ）空間における固定点とリンク機構系の可動端点（Ｅ）の間にリンクとジョイントの少なくとも３つの平行四辺形（P1−P3）を含む該リンク機構系（200）を形成するためにジョイント（300−334）によって連結した複数のリンク（338−366）と、
ｂ）肢を該端点（Ｅ）に結合するための肢カプラー（376）と、
ｃ）少なくとも３つの相互直交方向においてリンクの併進運動を阻止し、かつ少なくとも３つの相互直交軸回りのリンクの回転運動を阻止するための複数のブレーキ（B1−B6）と、
ｄ）３つの方向と３つの軸において該ジョイントに関する併進及び回転運動の量を感知するための複数の位置センサー（S1−S6）と、
ｅ）該併進及び回転運動の速度を感知するための複数の速度センサー（S1−S6）と、
ｆ）ブレーキに結合した第１直径の第１シリンダー（604）と、
ｇ）リンク機構系の回転ジョイントに結合した該第１直径よりも広幅の第２直径の第２シリンダー（600）と、
ｈ）一方の端部を第２シリンダー（600）に連結し、ブレーキトルクを増幅するために第１シリンダー（604）の回りに巻かれたケーブル（602）と、
ｉ）コンピュータ（106）とを具備し、それにより、感知された位置及び速度が少なくとも一つのブレーキに結合した信号を発生させ、ブレーキによって発生される抵抗量を変化させる、
肢運動を阻止するためのシステム。
【発明の詳細な説明】
背景技術
補形具又は四肢補助装置が、身体障害者の日常機能を補助するために開発された。そのような装置の一応用は、振せんにおいて肢動作を安定化させることである。
意図的四肢運動に重ねた無作為な付随意四肢運動の存在は、多様な疾病を被る何十万もの患者を悩ます異常状態である。多数の振せん患者は、運動の振幅が患者が試行する随意運動を退化又はあいまいにするために十分に大きいという事実により、不随意運動によって不具にされる。無定位運動症をこうむる脳性麻痺患者もまた、不随意四肢運動によって不具にされる。舞踏病は、別の状態である。
これらの各症例において、患者は、一般に、患っていない四肢を使用して動作を着実にするか、その振動を制限するために身体に対して患った四肢を押し付けるか、又はその動作を着実にするために別の人に四肢をつかんでもらうことにより、特定四肢の不随意運動によって課せられた不具を克服しようとする。薬物治療及び手術が試行されたが、患者に対して限定有効性と相当な危険を伴った。
しかし、過去の数十年において、多数の補形具が、無作為な不随意運動を選択的に抑制するために開発された。これらの装置は、不随意運動の有意な縮小が、患った四肢又は身体区域への粘性減衰の適用により達成されるという観察に基づく。
一つのそのような装置は、四肢動作を遅らせるために使用された電子制御磁気粒子ブレーキによる一自由度（DOF）補形具である（Dunfee,D.E.、「機械的負荷による企図振せんの抑制（Suppression  of  Intention  Tremor  by  Mechanical  Loading）」、M.S.Thesis、M.I.T.Department  of  Mechanical  Engineering、1979年２月を参照）。この装置は、主に手根において実験を行うことを意図され、四肢動作が残りのDOFにおいて堅く拘束されるために、患者の全腕機能活動を妨げる。
別の先行技術の装置は、四肢に阻止的負荷を適用する一方、（動力を供給された車椅子の如く）電気装置への制御インターフェースとして使用された２自由度手動式操作装置である。このシステムはまた、全腕運動のために使用できず、そして汎用機能補形具として意図されない。第３の先行技術の装置は、不随意神経筋痙攣を制御し、制御された腕及び手運動の作業を許容する２自由度腕及び手ブレースである（米国特許第４、237、873号を参照）。この特許において記載されたシステムは、少なくとも３の自由度を開示しない。
そのような作業に拘わらず、安全な信頼性の良い方式で６自由度を必要とする全腕運動を可能にした補形具の必要性が存在する。そのような装置は、振せん抑制のために使用されるだけでなく、特に、装置が力速度共直線性を達成することができるならば、身体的治療と運動機械において応用される。力速度共直線性は、力が装置端点に適用される時発生し、そして装置は、力の方向において移動し、自然な原因効果を生ずる。
発明の要約
発明は、６つのDOFについて被検者の肢の動作を阻止するためのシステムから成り、マイクロコンピュータと結合して使用される受動マニピュレータと、表示モニターと、マイクロコンピュータによって使用されるマニピュレータ出力を処理するための電子回路とを具備する。マニピュレータは、空間における固定点とリンク機構の可動端点の間にリンク機構系を形成するために、回転ジョイントによって連結された複数のリンクを具備する。リンク機構の端点が被検者の四肢によって移動される時、リンク機構のジョイントとこうして、リンク自体は回転する。
リンク機構におけるジョイントの回転は、（粒子ブレーキの如く）複数のブレーキによって阻止される。これらのジョイントは、３つのDOFにおける端点の併進動作と３つの相互直交軸の各々の回りの端点の回転動作を許容する。四肢（腕）は、四肢カプリングカフによってマニピュレータ端点に結合され、四肢の動作は、６つのDOF（３つの併進、３つの回転）において阻止される。
腕動作を阻止するために作用するマニピュレータの端点力は、端点速度ベクトルと反対方向であり、実質的な力速度共直線性（FVC）を生ずる。FVCは、人の腕の力が所望の運動と同一方向である時達せられる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、発明のマニピュレータが使用される、例示の治療システムのブロック図である。
第２図は、発明のマニピュレータのブロック図である。
第３図は、リンク、ジョイント、力トルクセンサー、四肢カプリングカフと、マニピュレータリンク機構を有する釣合いおもりを描く。
第４図は、第３図に示されたマニピュレータリンク機構の動的等価図である。
第５図は、磁気粒子ブレーキの略図である。
第６図は、リンク、粒子ブレーキ、減速機と電位差計を描く、第３図のジョイント300のための伝動装置の略図である。
第７図は、リンク、粒子ブレーキ、減速機と電位差計を描く、第３図のジョイント308と314のための伝動装置の略図である。
第８図は、位置を測定するために電位差計を備えた分圧回路の略図である。
第９図は、追及追跡タスクにおいて表示モニターに現れる移動目標とマニピュレータ十字線を示す。
第10a図と第10b図は、力トルクセンサーの弾性要素とひずみ計のそれぞれ頂面図と断面図である。
第11a図と第11b図は、弾性要素の単一スポークにおけるひずみ計の頂面図と断面図である。
第12a図と第12b図は、印加負荷の水平及び垂直成分のためのホイートストンブリッジ回路の略図である。
発明の詳細な説明
以下に、発明の好ましい実施態様が第１図に関連して記載される。この実施態様は、被検者の腕に結合した６自由度装置を示す。しかし、発明は、これに限定されず、事実、より多数又は少数のDOFを有し、他の四肢へのカプリングのためにも使用されることが理解される。また、用語「マニピュレータ」が便宜上使用されるが、システムは受動的であり、そして被検者は、「操縦」を行う。システムは、被検者の四肢によって及ぼされた力を制止又は阻止する。発明のマニピュレータ100は、（１）マニピュレータ100、（２）被検者102、（３）マニピュレータ内のデータを処理し、抵抗力を調整するために主に使用されるマイクロコンピュータ104、（４）コンピュータのために予定されたマニピュレータからのデータを前処理するための電子回路106、及び（５）移動物体を表示するためのコンピュータモニター108から成る身体治療システムにおける一構成要素である。
マニピュレータ100は、第２図のブロック図に示され、この場合機械的連結部は、点線／破線で示され、そして電子連結部は実線で示される。リンク機構セット200は、リンク機構200においてジョイントの動作を制止するブレーキ202に機械的に結合される。減速機204は、ブレーキ202によって生成されたトルクを増幅する。位置及び速度センサー206は、ジョイントが回転される角度と角速度をそれぞれ測定する。力トルクセンサー208は、マニピュレータ端点において印加された負荷の測定値を与える。釣合いおもり210は、ジョイントの回りの負荷非平衡を補償し、そして四肢カプリングカフ212は、腕102aをマニピュレータ端点に結合する。これらの構成要素の各々が、次の各節において詳細に記載される。
I.リンク機構
第３図のマニピュレータリンク機構200は、18個の回転ジョイント300〜334によって連結した15個のアルミニウム管又は「リンク」338〜366のセットを具備し、相互に関するリンクの回転を可能にする。図において、ちょう形（∽）300〜306は、用紙平面にある回転軸を有する４つのジョイントの一つを表現し、一方、円（○）308〜334は、用紙平面に垂直な回転軸を有する14個のジョイントの一つを表記する。
複合リンク機構構造200は、６つのDOFにおいて動作を許容する。6DOF動作は、第４図のマニピュレータリンク機構図に示された、第３図の簡略化動的等価図において明確に見られる。第４図において、その軸の回りのジョイント300の回転は、ジョイント308に中心がある標準球面座標系の±φ方向において回転を生じさせる。ジョイント308と402は、（第３図に示されるが、第４図には不図示）台形リンク機構Ｔによって結合される。ジョイント308の回りの結合構造308、402、Ｔの回転は、±θ方向においてマニピュレータリンク機構の回転を生じさせ、そしてジョイント308と402の回転の組み合わせは、ほぼ±ｒ方向において併進移動を生じさせる。このため、ジョイント300、308と402は、３次元空間においてマニピュレータ端点を位置付けるための機能を果す。なお、マニピュレータリンク機構200が被検者102の四肢に結合される点として規定された、マニピュレータ端点Ｅは、第４図のリンク408の遠位端部にほぼ対応する。
ジョイント404、406と306は、マニピュレータ端点Ｅの方位を変化させるために使用される。ジョイント404、406、306の軸の回りの回転は、ジョイント406に中心がある座標系の３つの相互直交軸の各々の回りの回転に対応する。言い換えれば、ジョイント404の回転は、端点において転回動作を生成し、ジョイント406の回転は、端点において縦揺れ動作を生成し、そしてジョイント306の回転は、端点において偏揺れ動作を生成する。
第３図の複雑な構造は、第４図の単純な６ジョイント構造において生ずる幾つかの実際的制限のために、本実施態様において好ましいリンク機構構造である。例えば、簡単な設計で回転阻止系を獲得することは困難である。サイズ及び重量制限がまた、存在し、そして第４図のシステムは、バッククラッシュと調和速度変動を被る。
これらの制限を克服するために、第３図の構造において存在しない多数の補助ジョイント302、310、312、316〜332が、第４図の構造において導入される。第４図のジョイント300、306と308は、第３図と同一の参照番号によって指定された単一ジョイントに対応するが、第４図のジョイント402、404と406は、第３図におけるジョイントのセットによって実現される。具体的に、ジョイント402は、ジョイント308〜314のカプリングに対応し、ジョイント404は、ジョイント302と304の対に対応し、そしてジョイント406は、ジョイント316〜334のセットに対応する。
第３図を参照すると、リンク336は、全マニピュレータ構造（特に、ジョイント300）を床の如く固定外面に結合するために使用される。リンク338は、ジョイント300と308を結合する。ジョイント308は、頂点にジョイントを有する（すなわち、台形における隣接リンクの対を連結する）４つのリンク342〜348を具備する台形４バーリンク機構Ｔの一部である。すなわち、ジョイント308と314は、それぞれ、リンク対342、344と344、348を連結し、一方、ジョイント310と312は、それぞれ、対342、346と346、348を連結する。４つのジョイント308〜314が、適切に一緒に回転する時、台形の形状は変化され、これにより、ジョイント308に中心を置く球面座標系のほぼ±ｒ方向に（すなわち、点線368に沿って）マニピュレータ端点Ｅを移動させる。現±ｒ方向は、ジョイント300と308が回転された量によって決定された、方位角と仰角φとθの値によって決定される。
第３図のマニピュレータの残りのリンクとジョイントは、「上リンク機構」と呼ばれる新規なジンバルリンク幾何形状を構成し、第４図のジョイント404、406と306に対応する３方位DOFを設ける。上リンク機構は、リンクとジョイントの３つの平行四辺形P1、P2、P3を具備する。中央平行四辺形P1において、ジョイント302と304は、台形リンク機構のリンク348の両端部に結合され、両ジョイントは、上リンク機構のための転回動作を設ける。ジョイント302の他方の側にリンク350が取り付けられ、ジョイント322においてリンク360と連結する。ジョイント304の他方の側にリンク366が取り付けられ、ジョイント326においてリンク354に相接する。中央平行四辺形P1の第４辺は、リンク352から成り、ジョイント324においてリンク360に、ジョイント328においてリンク354に取り付けられる。
左側平行四辺形P2は、リンク350、360、362と364と、これらのリンクの隣接対を連結するジョイントとから成る。具体的に、リンク対350と362、362と364、364と360、360と350は、それぞれ、ジョイント320、316、318と322によって連結される。左側平行四辺形P2のリンク350と360は、中央平行四辺形P1の同一リンクの単なる延長部である。最後に、左側平行四辺形の上右頂点は、ジョイント322において中央平行四辺形P1の下左頂点に結合される。
右側平行四辺形P3は、その辺として、リンク352、354、356と358と、これらのリンクの隣接対を連結するジョイントとを有する。具体的に、リンク対352と354、354と356、356と358、358と352は、それぞれ、ジョイント328、330、332と334によって連結される。なお、右側平行四辺形P3のリンク352と354は、中央平行四辺形P1の同一リンクの単なる延長部である。最後に、右側平行四辺形P3の下左頂点は、ジョイント328において中央平行四辺形P1の上右頂点に結合される。
第３図の上リンク機構は、リンク366と372が、延長され、用紙平面に垂直であるならば、有効な回転はリンク366と372の交差部分に位置する回転軸370を中心とすることにおいて、第４図においてジョイント406の機能を擬態する。縦揺れ動作は、平行四辺形P1、P2、P3を矩形から非矩形に変形することにより達成され、変形はジョイント316〜334が同時に回転する時生ずる。
最後に、リンク358は、ジョイント334を通過して、偏揺れ動作を生成する機能を果すジョイント306と結合する。ジョイント306の他方の側は、被検者が着装した四肢カプリングカフ376に取り付けた力トルクセンサー374から成るリンク372に連結してある。
II.制御ブレーキ
マニピュレータの６個のジョイントは、6DOFの各々において使用者によって伝えられるマニピュレータ端点動作を阻止する制御制動装置に結合される。ジョイント300、308と306に対応するDOFのブレーキは、それぞれ、第３図のB1、B2とB3とラベル付けされ、同一参照番号を保持する第３図のジョイントの近くに位置し、かつ結合され、一方、第４図のジョイント402、404と406に対応するDOFのブレーキB4、B5とB6は、それぞれ、第３図のジョイント308、302と316の近くに位置する。最後の３つのブレーキは、それぞれのジョイントの近くでないが、主に、代替ジョイント位置が、平衡を設けるためにより良く適するために、代わりに他のジョイントに位置する（節VIIを参照）。
多様な制動機構が、ジョイント動作を遅らせるために使用される。これらは、電気モーター、油圧アクチュエータ、マイラーブレーキ、及び磁気粒子ブレーキを含む。本実施態様において、磁気粒子ブレーキが使用される。選択は、そのようなブレーキに付随したコンピュータ制御の単純性、信頼性、低費用と容易さによって動機付けられた。
典型的な磁気粒子ブレーキB1が、第５図に示され、ディスク500を出力シャフト502に取り付けてなる。なお、ジョイントを欠く減速機において、出力シャフト502の軸Ａは、ジョイントの回転軸である（節IIIに見られる）。ディスク500は、ディスクよりも大きな円筒空洞504にある。動力を与えられた磁気粒子506は、ディスク500を包囲するギャップに包含される。ワイヤ508のコイルが、円筒空洞504の回りに巻装される。
電流がコイル508を流れる時、ディスク500の円筒軸に平行な磁界が、空洞504において生成される。ギャップにおける磁気粒子506は、印加電流に応答して、「鎖」に似たものを形成するために整列し、そして粒子506のこれらの鎖は、それを取り付けた出力シャフト502とともに回転する時ディスク500の動作に抵抗し、これにより、軸Ａの回りの出力シャフト502の回転を遅らせ、ジョイントをより硬直にする。粒子ブレーキは、コイル508に印加された電流にほぼ比例する抵抗トルクを有する。このため、制動強度は、印加コイル電流を変化させることにより、制御される。
Placid  IndustriesのB115P磁気粒子ブレーキは、B1、B2とB3のための適切なブレーキであるが、モデルB15Pは、ブレーキB4、B5とB6のために使用される。モデルB115PとB15Pは、1/3と1/4アンペアの定格電流において、それぞれ、115と15インチポンドの定格トルクを有し、最大速度1800と2000rpm、消勢抗力25と５オンスインチである。最初の３つのブレーキのトルク出力は、次の節において記載された如く、減速機を使用して増幅される。
III.減速機
減速機204が、ケーブル駆動伝動装置を使用して、約４倍に粒子ブレーキB1、B2とB3のトルク出力を増幅するために使用される。第６図は、例示の減速機伝動装置、すなわち、ジョイント300のための伝動装置を示す。約８インチの直径を有するアルミニム製のキャプスタン600は、（第３図の）リンク338に取り付けられ、そして粒子ブレーキ１の出力シャフト606に取り付けた２インチ径の小径キャプスタン604に1/8インチ径のナイロン被覆航空機ケーブル602によって結合される。粒子ブレーキB1の基部608は、リンク336に取り付けてある（第３図を参照）。リンク338の回転は、大キャプスタン600の対称軸と一致する回転軸の回りに生じ、粒子ブレーキ自体によって生成されたものの４倍の抵抗トルクにより遅らされる。回転旋回腕610を備えた電位差計614から成る、節IVに詳細に記載された位置センサーは、キャプスタン606にプーリ612によって結合してある。基部608に関する出力シャフト606の回転は、リンク336に関するリンク338の回転に対応する。このため、位置センサーの電位差計旋回腕610は、ジョイント（リンク338と336の間の第３図を参照）が回転された量を示す。
第７図は、ブレーキB2とB3をリンク機構に結合する複雑なケーブル駆動伝動装置を示す。第７図に見られた如く、第３図のジョイント308は、事実、第３図のリンク338と342の交差部分とリンク342と344の交差部分に対応する、２つのジョイントから成る。
ジョイントαにおいて、リンク338は、粒子ブレーキB2の基部706に取り付けた２インチのキャプスタン704にナイロン被覆航空機ケーブル702によって結合した８インチのキャプスタン700に取り付けてある。粒子ブレーキB2の出力シャフト708は、第３図のリンク342（第７図に不図示）に取り付けた８インチのキャプスタン714に航空機ケーブル712によって結合した２インチのキャプスタン710に取り付けてある。このため、粒子ブレーキB2の出力シャフト708と基部706の間の相対動作は、２インチのキャプスタン704、710と８インチのキャプスタン700、714を介したリンク338と342の間の相対動作に対応し、リンク338と342は、図において716とラベル付けされた回転軸を中心として回転する。逆に、粒子ブレーキB2によって生成された抵抗トルクは、キャプスタン対704、700と710、714を介して増幅され、リンク338と342の間、すなわち、ジョイントαにおける相対動作において、より大きな減衰を設ける。
ジョイントβにおいて、リンク344は、粒子ブレーキB3の基部718に取り付けてある。粒子ブレーキB2の出力シャフトに一致する粒子ブレーキB3の出力シャフト708は、同様に、２インチのキャプスタン710に取り付けてあり、キャプスタン710は、第３図のリンク342（第７図に不図示）に取り付けた８インチのキャプスタン714に航空機ケーブル712を介して結合してある。結果として、粒子ブレーキB3の出力シャフト708と基部718の間の相対動作は、２インチのキャプスタン710と８インチのキャプスタン714を介したリンク342と344の間の相対動作に対応し、リンク342と344は、回転軸716を中心として回転する。こうして、粒子ブレーキB3によって生成された抵抗トルクは、キャプスタン対710、714を介して増幅され、リンク342と344の間、すなわち、ジョイントβにおける相対動作においてより大きな減衰を設ける。
IV.位置／速度センサー
第３図のマニピュレータリンク機構ジョイント300、308、308、304、320と306の近くに位置し、かつ結合された６個の位置／速度センサーS1〜S6は、これらのジョイントが回転された量（すなわち、位置情報）とそれらがどれほど高速に回転するか（速度情報）に関する情報を設ける。上記のジョイントにおける位置／速度センサーは、それぞれ、第４図のジョイント300、308、402、404、406と306に関連したDOFに対応し、以後、便宜上、位置／速度センサーS1〜S6として参照される。等価的に、位置センサーS1〜S6は、次のリンク対、336と338、338と342、338と344、348と366、352と360、358と372の間の角度を示す。速度センサーは、これらの角度の変化率を示す。
第６図を参照すると、位置センサーは、プーリを用いてジョイントの出力シャフト606に旋回腕610を結合した、5KΩ電位差計614（Helipotモデル6186−R5K  L1.0  B604M電位差計）から成り、出力シャフト606の回転は、電位差計の旋回腕610を回転させる。この回転作用は、そのリード線616の２点間で測定された、電位差計の抵抗を変化させる。抵抗RPの値は、ジョイントが回転された量を示す。抵抗値は、標準抵抗器Ｒと直列結合した電圧Ｅと（第８図に示された）電位差計値RPを含む分圧回路に電位差計リード線616を連結し、電圧ｅ＝Ｅ  RP/（Ｒ＋RP）を測定することにより決定される。
速度測定値は、公知のアナログ微分回路を使用して、位置センサーによって得られた測定値を微分することにより獲得される。上記の６つのジョイント以外のジョイントは、付加的なDOFには寄与せず、このため、これらのジョイントにおける付加的な電位差計は、付加的位置及び／又は速度情報を設けない。
V.力トルクセンサー
第３図を参照すると、力トルクセンサー（FTS）374は、マニピュレータ端点Ｅに位置し、６つのDOFの各々においてマニピュレータ端点における四肢カプリングカフ376によって印加された負荷を測定する。すなわち、３つの力と３つのトルクが測定される。第10〜12図に関連して詳細に示される如く、この測定プロセスは、異なる数段階から成る。第１に、感知要素は、印加負荷に応答して弾性要素1000の変形を感知する。電気回路（第12図）は、感知要素の出力をコンピュータインターフェースのために適する電気信号に変換する。最後に、変換が行われ、これにより、電気測定値のベクトルは、その要素が印加力及びトルクであるベクトルにマップされる。
第10図において、7075−T6アルミニウム合金から機械加工された弾性要素1000が示される。弾性要素は、４インチの全径と0.8インチの全厚を有する。要素は、異なる厚さの４つの同心環1002〜1008と、最内環1008の中心から外方に放射する90度の間隔で離隔させた４つのスポーク1010とから成る。多数の穴1012、1014が、弾性要素にあけられる。穴1012と穴1014は、FTSカバー板と四肢カプリングカフ（不図示）をそれぞれ要素1000に固定するねじを収容する。穴1016は、粒子ブレーキB6（すなわち、ジョイント306に結合したブレーキ）の出力シャフトを収容する。
弾性要素のスポークの各々に取り付けたひずみ計1018は、要素の変形を感知する。４つのひずみ計の２つのグループ（垂直グループと水平グループ）が、各スポークに取り付けてある。各グループにおいて、４つのひずみ計の各々は、（方形断面を有する）スポークの異なる縁に取り付けてある。
変形を感知するほかに、ひずみ計はまた、変形の電気表現を設ける。具体的に、各ひずみ計は、感知ひずみで変化する120Ωの標準抵抗を有する。第11図を参照すると、特定スポークにおける各グループから２つずつの４つのひずみ計（a.k.a.可変抵抗器）は、ホイートストンブリッジ回路（第12図を参照）を形成するために電気的に構成される。ブリッジの両端の電圧v1が、測定される。v1の非ゼロ値は、ひずみ計抵抗値が不等であることを示す。スポーク1108〜1114における残りの４つのひずみ計（再び、各グループから２つ）はまた、同様の方法で電圧v2を設ける。２つの測定電圧v1とv2は、それぞれ、印加力の水平及び垂直成分に関する情報を設ける。他の３つのスポークにおけるひずみ計は、同様にしてこの電圧情報を設け、このため、電圧ｖ＝［v1、v2・・・v8］Ｔのベクトルが獲得される。
最後に、電圧ベクトルｖは、変換
ｆ＝Cv
により力ベクトルｆに変換される。ここで、ｆの最初の３つの要素は、印加力の３つの直交成分の測定値であり、そして最後の３つの要素は、印加トルクの成分の値であり、そしてＣは、その要素が既知の大きさの印加力とトルクを使用して、較正を通して獲得された6x8マトリックスである。
VI.四肢カプリングカフ
第３図において376とラベル付けされた四肢カプリングカフは、人の四肢（本出願において、腕）とマニピュレータの間の身体的インターフェースとして作用し、マニピュレータから四肢に負荷を移送する機能を有する。好ましくは、カフ376は、プラスチック又はプラスター又はスタイロフォーム製であり、四肢の形状に成形される。カフの目的は、マニピュレータと四肢の間に最も硬直で最も堅い連結を設け、四肢上のマニピュレータ制御を使用者の快適さを実質的に犠牲にすることなく最大化することである。使用者によって把持される取手が、四肢カプリングカフの代わりに使用できる。
VII.釣合いおもり
節II〜VIの装置に関して節Ｉにおいて記載されたリンク機構構造の負荷は、数ジョイントの回転軸の回りで非平衡である。例えば、第３図において、ジョイント314の右側の（粒子ブレーキ、減速機、位置センサーと力トルクセンサーを装備した）リンク機構の部分によって生じたモーメントは、左側の部分によって生じたモーメントを超過し、右側において下方に傾斜する傾向をマニピュレータ腕を与える。この効果は、被検者にマニピュレータ端点において重量負荷を感じさせる。ジョイント308において、類似の不平衡が存在する。最後に、上リンク機構の２つの上側平行四辺形は、ジョイント304の回りの下側平行四辺形を平衡させない。
これらの回転軸の各々の回りで負荷を平衡させるために、釣合いおもりが、マニピュレータ構造における適切な位置に置かれる。最初に、粒子ブレーキ自体は、釣合いおもりとして作用する。粒子ブレーキB2とB3は、ジョイント308の回転軸のための釣合いおもりとして作用し、ブレーキB4とB5は、ジョイント314の回転軸のための釣合いおもりとして作用し、そしてブレーキB5は、ジョイント304の回転軸のための釣合いおもりとして作用する。さらに、平衡の目的のためにのみ使用された鉛おもりは、粒子ブレーキを補う。リンク340と364に取り付けた鉛おもり378と380は、それぞれ、ジョイント308とジョイント314と304の回転軸の回りで負荷を平衡させるために作用する。
応用
一般的意味において、発明のマニピュレータは、四肢の移動を可制御に阻止するためのシステムである。従って、マニピュレータは、多数の種々の応用において使用される。
一つのそのような応用は、マニピュレータが運動機械として使用されるものである。第１図のマイクロコンピュータ104は、第９図に示された如く、表示モニター108において移動目標1300を表示するようにプログラムされる。同時に、被検者102は、モニター108において表示された十字線1302によって示された如く、腕を移動させることにより目標1300を追跡することを試行する。目標の動作は、筋肉が行使される如く腕移動に対応するようにプログラムされる。さらに、抵抗力の量は、運動機械における抵抗レベルを変化させるために、粒子ブレーキにおいてコイル電流を変化させることにより制御される。
マニピュレータの別の応用は、身体的治療にある。ここで、マニピュレータは、上記のマイクロコンピュータ及び表示モニターと関連して使用され、目的は、筋肉の更生である。もちろん、これらの各応用において、追及追跡タスクのための表示モニターの使用は必要ではない。マニピュレータは、従来の重量訓練及び運動機械が使用される方式において使用される。
【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１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１２（ａ）】
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【図１２（ｂ）】
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【図１０（ａ）】
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【図１０（ｂ）】
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