(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膝関節用連続他動運動装置において、
大腿部に力を印加し運動を誘起する回転運動機構と、
下腿部を支持するととも平面内での下腿部の位置及び姿勢を自在に制御可能な多自由度の運動機構とを備えたことを特徴とする膝関節用連続他動運動装置。
【請求項２】
前記回転運動機構または前記多自由度の運動機構と、人間の肢体の間に作用する力を計測する力センサを前記機構の人体に接触する近傍に設け、その検出した力をフィードバックし、前記転運動機構または前記多自由度の運動機構の駆動力の制御を行うことを特徴とした請求項１記載の膝関節用連続他動運動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、手術前後または他の障害により、関節部が拘縮をおこし、またはそのおそれがある場合にその改善を目的として用いる連続他動運動装置（ＣＰＭ装置）に関し、特に膝関節に適用されるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
人体の関節部が手術または損傷を受けた場合、従来の治療法では、ギブス等により保護、固定していた。その結果、関節の動きが悪くなる拘縮という症状を引き起こし、その後は長い間のリハビリテーションによりその症状を改善させていた。その治療法に代わる新しい治療法が１９８０年カナダのサルター教授により提案され、その効果が次第に明らかになって来ている。その治療方式は受傷直後、または手術前後から対象となる関節を長時間、受動的に動かすもので、回復期間を著しく短縮する効果がある。
その治療方式を機械を用いて実現する方法がいくつか提案されている。その１つが特表平４−５０６６１０「人体の下肢に連続受動運動を付与する装置」である。この装置は図３のような装置を用いて座姿勢、または仰臥姿勢で脚を前後に動かし、ひざ関節の開閉運動を誘起するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上記装置では大腿部、下腿部がひざより下に位置するため、うっ血をおこすことがあった。また、この装置では機構の１自由度でひざの１自由度を動かす方式であるため、回転中心が膝の回転中心に一致しないと脚に無理な力がかかる恐れがあった。
そこで本発明は、うっ血をおこすことがなく、かつ脚に無理な力がかかる恐れのない装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、膝関節用連続他動運動装置において、大腿部に力を印加し運動を誘起する回転運動機構と、下腿部を支持するととも平面内での下腿部の位置及び姿勢を自在に制御可能な多自由度の運動機構とを備えたことを特徴とするものである。
【０００５】
【作用】
上記手段により、治療時に脚全体が胴体より上部に位置し、また下腿部がひざより上部に位置するよう運動させることが可能であるため、脚部のうっ血をおこさない。
【０００６】
【実施例】
本発明の他動運動装置を図１に示す。
１００は大腿部に力を印加し脚全体の運動を誘起する第１アーム部である。１１０は下腿部を支持するとともに脚を伸ばす方向の補助的力を発生させる第２アーム部である。第１アームにおいて１０１はモータにより駆動される能動軸、１０３は検出器を内蔵したフリー関節である。第１アームは大腿部の回転運動とアームの回転運動中心が異なるため、接触部で滑り並びに接触面のすきまが発生するおそれがある。１０２、１０３はその現象に対応するための機構である。すなわち、第１アームの動きに応じて生じる機構部と大腿部のすべり摩擦の障害を１０２のローラによって回避し、また接触面すきまができないよう１０３の関節で調整できるように構成している。
第２アームも脚部の３次元運動に対応するような３自由度機構を有する。
１１１、１１２はモータを有する能動関節、１１３はフリー関節であり、以上３つの関節により、平面内の３自由度の運動が可能になる。
力フィードバック制御を行う場合には、大腿部から第１アームに作用する力の検出を行う第１力検出器１０４と、下腿部から第２アームに作用する力の検出を行う第２力検出器１１４とを設ける。
ＣＰＭ治療を受ける患者は図１に示すように大腿部を第１アームの支持部、下腿部を第２アームの支持部にとりつける。第１アームは大腿部に接触させ、第２アームは患者の脚に治具等で固定する。
患者の脚は第１アームから加えられる力により動かされ、その動きに従って下腿部と第２アームがともに連動する。そのとき下腿部の運動を調節することによって、患者のひざ関節が屈曲するようにそれぞれの協調を取りながら、アームの運動を行わせることができる。
力検出をフィードバックし協調作業を行う場合には、１０４、１１４の力検出器信号をもとに制御演算を行い、それぞれ第１アーム、第２アームの運動を制御する。
【０００７】
図２に力制御としてインピーダンス制御を利用した本発明の制御ブロック図の一例を示す。
本図には力制御としてインピーダンス制御を利用した制御方法を示す。
４００は第１アームの機構部、４１０は第２アームの機構部、４２０、４３０はインピーダンス制御コントローラである。
ここでは、第１アーム、第２アームともにインピーダンス制御を行うものとする。
第１アームは能動自由度を１自由度有している。従って、インピーダンス制御の自由度は１自由度であり次式により制御が行われる。
Ｆｓ  ＝Ｍαｓ  ＋ＢＶｓ  ＋Ｋ（θ−θ０  ）…（１）
ここで、各記号は次の意味である。
Ｆｓ  ：大腿部と第１アーム間に作用する力
Ｍ，Ｂ，Ｋ：目標インピーダンス
θ：第１アーム駆動軸の角度
θ０  ：第１アームのバネ剛性の平衡点
Ｖｓ  ：第１アーム駆動軸の角速度（角度θの微分値）
αｓ  ：第１アーム駆動軸の角加速度（角度θの２回微分値）
制御方法は４０４、４２２の力センサフィードバックをもとに（１）式を満足するよう４２２のインピーダンス制御部でモーションの指令を生成し、その指令をもとに４２３のサーボアンプによりモータの駆動を行う。
【０００８】
患者のひざの位置は第１アームのθおよびフリー関節の角度により一意に決まるため、第２アームは２自由度をアクティブに１自由度をパッシブに定めることによって、ひざ角が決定される。すなはち、第２アームは２自由度だけを能動的に制御すれば良いことになる。従って、第２アームのインピーダンス制御は次式により制御を行えば良い。
Ｆｘ  ＝Ｍαｘ  ＋ＢＶｘ  ＋Ｋ（ｘ−ｘ０  ）…（２）
ここで、各記号は次の意味である。
Ｆｘ  ：下腿部と第２アーム間に作用する力（ｘ方向とｙ方向の２自由度ベクトル）
Ｍ，Ｂ，Ｋ：目標インピーダンス
ｘ：第２アームフリー関節の位置（ｘ、ｙ）
ｘ０  ：ｘのバネ剛性の平衡点
Ｖｘ  ：ｘの微分値
αｘ  ：ｘの２回微分値
制御方法は第１アームと同様に４３１〜４３４で行う。
【０００９】
次に、ひざ関節の運動制御方法に関して述べる。最初にひざ関節を閉じる場合について説明を行う。
ひざ関節を閉じる時には、大腿部、下腿部ともに体に引き寄せる方向（θを増加する方向）に運動を行う。そのとき、アームの運動と力の印加はインピーダンス制御の平衡点を動かすことにより実現する。インピーダンスの設定は、力を大きく印加する第１アームは堅く、ひざに無理な力がかからないように第２アームは柔らかく設定される。
脚を動かす力は主に第１アームにより発生される。その場合、（１）式の平衡点θ０  は大腿部を押す方向に取られる。すなはち、大腿部と第１アームの接触点よりも大きい値がつねにθ０  にセットされる。
第２アームの平衡点は目標とするひざ関節角度を実現するよう、演算もしくはティーチングにより４００のポイント（ｘ）が決められる。
演算で求める場合には脚の長さのパラメータ、アームの位置検出器（第１アームの角度検出器４０１、４０３および第２アームの角度検出器４１１、４１２）のデータをもとに計算を行う。第２アームのインピーダンスは比較的柔らかく設定されるため、演算のズレはインピーダンス制御の柔らかさにより吸収される。ティーチングで求める場合には（１）（２）式のバネ定数を零もしくは小さく設定した状態で患者の脚を動かし、その時の軌跡をメモリに記憶する。
【００１０】
次に、ひざを開く場合について述べる。
ひざ関節を開く場合には、閉じる場合と逆方向のアームの運動を行うことで実現できる。このとき、第１アームはひざ角θを小さくする方向に動かすことで自然に脚の移動が起こる。関節に拘縮（関節が）がおき、動きにくい時は、第２アームで軽く引っ張り力を発生することで確実に膝関節の運動を行うことができる。ひざを開く場合にも閉じる場合と同様な方法でひざ関節の角度の制御を行う。
【００１１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の装置によれば、治療時に脚全体が胴体より上部に位置し、また下腿部がひざより上部に位置するよう運動させることが可能であるため、脚部のうっ血をおこさない治療方法が可能になる。
また、ひざの運動を誘起するための脚の支持点を、大腿部並びに下腿部に分けたため、ひざの運動をおこす際にひざ関節部に無理な力が作用するおそれが小さくなる。
さらに、２点の支持を行っているため、治療を行う際の重要な指標である患者の関節角度を、演算により求めることが容易であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の機構例を示す図
【図２】本発明の実施例を示す図
【図３】従来の機構例を示す図
【符号の説明】
１００…第１アーム部
１０１…能動軸
１０２…ローラ
１０３，１１３…フリー関節
１０４…第１力検出器
１１０…第２アーム部
１１１，１１２…能動関節
１１４…第２力検出器
【図１】
0003585055.tif 000002
【図２】
0003585055.tif 000003
【図３】
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