(57)【要約】  腕治療に用いるシステムは、複数のドライブからなる。第１ドライブ（１１）と第２ドライブ（２６）は、上腕回転モジュール（１６、１７）の位置を決定し、使用者の上腕はカフ（１０）によって固定される。上腕回転モジュール（１６、１７）は２つのピースの構造で、内向き（１７）に位置し、閉じた時に実質的に中空円筒形状を有する上腕カフ（１０）を、上腕回転モジュール（１６、１７）の外側部分（１６）に対しその主軸周囲に回転するための第３回転ドライブ（２９）を備える。上腕回転モジュール（１６、１７）は、それに対して角度を持って回転可能であり、上腕回転モジュールと同様に具現化される肘回転モジュール（２２、２３）を介して、手首回転モジュール（２０、２１）にリンクされる。本発明のシステムにより、内部および外部肩回転、肘を曲げることまたは伸ばすことおよび前腕の回内／回外運動が可能になり、これは各種ドライブによるカフ（８、９および１０）の相対的な動きとして実行される。
2008521454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者（４）の位置を決定する装置に固定的に接続することのできる第１ドライブ（１１）、使用者（４）の腕に接続する第１カフ（１０）を持ち、第１カフ（１０）および第１ドライブ（１１）が、少なくとも１個のヒンジを介して互いに可動に接続される、腕治療のためのシステムであって、第１カフは、上腕回転モジュール（１６、１７）の内側部分（１７）に固定された上腕カフ（１０）であり、第１ドライブ（１１）および第２ドライブ（２６）は、上腕回転モジュール（１６、１７）を限定された空間位置に設置するよう設計されおよび上腕回転モジュール（１６、１７）の外側部分上で接合されていること、ならびに第３回転ドライブ（２９）が、内側（１７）に配置され閉じた時に実質的に中空円筒形状を有する前記上腕カフ（１０）が上腕回転モジュール（１６、１７）の外側部分（１６）に対しその主軸周囲に回転するように、上腕回転モジュール（１６、１７）自体に設けられていることとを特徴とする、腕治療のためのシステム。
【請求項２】
上腕カフ（１０）に固定された上腕回転モジュール（１６、１７）の内側部分（１７）が、第１接続要素（１８）を有し、それにより上腕近くの肘回転モジュール（２２、２３）の部分（２２）に固定されていること、肘回転モジュール（２２、２３）が、手首近くにあり、および肘カフ（９）に接続された部分（２３）を有し、上腕近くの部分（２２）および手首近くの部分（２３）が、ヒンジを介して互いに調整可能に接続されていること、ヒンジ軸が、使用者（４）の挿入された腕の肘軸と一致し、特にこの軸が、第４回転ドライブ（３２）によって駆動されることとを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
手首近くの肘回転モジュール（２２、２３）の部分（２３）は、第２接続要素（１９）を有し、それにより部分（２３）が手首回転モジュール（２０、２１）の外側部分（２０）に固定されていること、手首回転モジュール（２０、２１）は、手首カフ（８）に接続された内側部分（２１）を有し、外側部分（２０）および内側部分（２１）が、互いに対して旋回可能になるよう接続されていること、特に、第５回転ドライブ（３５）は、内側（２１）に配置されおよび閉じた時に実質的に中空円筒形状を有する前記手首カフス（８）が手首回転モジュール（２０、２１）の外側部分（２１）に対しその主軸周囲に回転するように、手首回転モジュール（２０、２１）自体に設けられていることとを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
１個またはそれ以上のドライブ（１１、２６、２９、３２、３５）が、それぞれがドライブ（１１、２６、２９、３２、３５）の軸位置を決定する信号送信機（−−、２７、２８、３０、３１、３４）を有することを特徴とする、請求項１から３の１項に記載のシステム。
【請求項５】
１個またはそれ以上の回転モジュール（１６、１７；２０、２１；２２、２３）が使用者（４）の、関連する腕部分が、対応するカフ（１０、９、８）に側面から挿入され得るような大きさの横方向開口を有することを特徴とする、請求項１から４の１項に記載のシステム。
【請求項６】
対応する関連カフ（１０；８）に接続された内側中空円筒要素部分（１７；２１）、および外側中空円筒要素部分（１６；２０）を持つ腕治療のためのシステム用の回転モジュール（１６、１７；２０、２１）であって、少なくとも１本のケーブル（４５、４６、４７）、Ｖベルトまたはギアリムが、互いからある角度距離で２つの部分のうち一方（１６または１７）に固定されおよび外側中空円筒要素部分（１６；２０）の内面と内側中空円筒要素部分（１７；２１）の外面の間でドライブトレイン（４４）周囲を誘導されるかまたは歯付きホイルと係合して、閉じた時に実質的に中空円筒形状を有するカフ（１０；８）が、回転モジュール（１６、１７：２０、２１）の外側部分（１６；２１）に対しその主軸周囲に回転することを特徴とする、腕治療のためのシステムの回転モジュール（１６、１７；２０、２１）。
【請求項７】
対応する関連カフ（１０；８）に接続された内側中空円筒要素部分（１７；２１）、および外側中空円筒要素部分（１６；２０）を持ち、内側中空円筒要素部分（１７；２１）が、外側中空円筒要素部分（１６；２０）に属する末端ピース（４１、４３）の２個の横方向ガイド（５２）に誘導され、ガイド（５２）が、対応する半径方向玉軸受け（４８、４９）を有し、および内側中空円筒要素部分（１７；２１）を末端ピース（４１、４３）に対して支持するため、好ましくは横方向半径方向玉軸受け（５０）も設けられている、腕治療のためのシステムの回転モジュール（１６、１７；２０、２１）。
【請求項８】
使用者（４）の、関連する腕部分が、対応するカフ（１０；８）に側面から挿入され得る大きさの横方向開口を有することを特徴とする、請求項６または７に記載の回転モジュール（１６、１７；２０、２１）。
【請求項９】
請求項１から５の１項に記載のシステムによる腕治療のための方法であって、該システムが、上腕回転モジュール（１６、１７）の内側部分（１７）に固定されたカフ（１０）を有し、そこで第１ドライブ（１１）および第２ドライブ（２６）が、上腕回転モジュール（１６、１７）の外側部分で接合されおよび制御エレクトロニクスに接続され、制御エレクトロニクスにより発生した制御信号が、上腕回転モジュール（１６、１７）を空間的に限定された位置に設置するために使用可能であり、およびここで第３回転ドライブ（２９）が、上腕回転モジュール（１６、１７）自体に設けられており、制御エレクトロニクスにより発生した制御信号が、内側（１７）に配置されおよび閉じた時に実質的に中空円筒形状を有する前記上腕カフ（１０）を、上腕回転モジュール（１６、１７）の外側部分（１６）に対しその主軸周囲を回転させるために使用可能である、方法。
【請求項１０】
肘回転モジュール（２２、２３）が、上腕回転モジュール（１６、１７）に第１接続要素（１８）により接続されていること、第４回転ドライブ（３２）が、肘回転モジュール（２２、２３）自体に設けられおよび制御エレクトロニクスに接続され、制御エレクトロニクスにより発生した制御信号が、上腕回転モジュール（１６、１７）の軸に対しその主軸を横切って肘カフ（９）を回転可能であること、および手首近くの肘回転モジュール（２２、２３）の部分（２３）が、それにより部分（２３）が手首回転モジュール（２０、２１）の外側部分（２０）に固定されている第２接続要素（１９）を有していること、手首回転モジュール（２０、２１）が、手首カフ（８）に接続された内側部分（２１）を有し、このカフ（８）の外側部分（２０）および内側部分（２１）が、互いに対して旋回可能に接続されていること、および第５回転モジュール（３５）が、手首回転モジュール（２０、２１）自体に設けられおよび制御エレクトロニクスに接続され、制御エレクトロニクスにより発生した制御信号が、内側（２１）に配置されおよび閉じた時に実質的に中空円筒形状を有する前記手首カフ（８）を、手首回転モジュール（２０、２１）の外側部分（２１）に対してその主軸の周りに回転可能であることとを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ドライブ（１１、２６、２９、３２、３５）が、信号送信機（−−、２７、２８、３０、３１、３４）を割り当てられ、これにより、反復動作を限定し、これらを記録し、またはドライブに対応する制御信号を発生させるために、位置信号、角度信号、力信号およびトルク信号が制御エレクトロニクスに送信され得ることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、協調的腕治療のためのシステムおよび方法と、対応する回転モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術は、神経系欠損または整形外科的機能障害を患う患者の筋肉強度および動作調整を改善可能な多くのシステムおよび方法を開示している。腕治療も卒中患者の治療に顕著な効果を有する。従来技術からは、特に２種類のロボットシステムが周知である。一つには、病院で主に用いられ、多くの患者の間で共有される治療システムがある。第２のグループは、自宅での利用を目的とし、および個々の患者を日常活動において支援するシステムを含む。これらのシステムは、例えば車椅子またはテーブル上に搭載することができる。
【０００３】
これらの種類の周知のシステムは、受動、能動および双方向システムを含むことができる。受動システムにおいては、四肢は受動的にのみ安定化されるまたはその可動範囲に限定される。ＵＳ５，４６６，２１３またはＵＳ５，７９４，６２１に開示のような周知のシステムでは、腕は取っ手を把持する手によって間接的に動かされ、これはシステムによって動かされる。これらのシステムは、間接的連結方法でのみ前腕と上腕の動きを記録し伝達するため、肘関節の直接誘導をもたらさないという欠点を有する。これらは、三次元ではなくテーブルの面でのみ手を動かす。さらに、これら周知のシステムにより上腕または前腕領域を特に訓練することは不可能である。
【０００４】
腕治療のためのこれらのシステムは、使用者の位置を決定する装置に固定的に接続され得る第１のドライブを有する。使用者の位置を決定する装置は、背中領域を固定する背もたれ付き椅子であり得、または使用者がその上に横たわる、実質的に水平な面であり得る。第１ドライブは、この対象物上に直接、またはこの対象物に接続したフレーム上もしくは類似のものの上等に配置され得る。上記の従来技術においては、使用者の腕に接続される第１カフは手首カフであり、これは第１ドライブに接続される。
【０００５】
この従来技術から出発し、本発明の目的は、上記の種類のシステムおよび方法を、より大きな自由度で誘導および支持ができるよう改良することである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明によれば、この目的は、請求項１による特徴を持つシステムについて達成される。本発明による回転モジュールは、請求項６または７の特徴によって定義される。本発明による方法は、請求項９の特徴によって定義される。
【０００７】
このシステムが上腕のカフと係合するという事実に基づいて、力が固定された腕を介して伝達されて、上腕を完全に誘導することが可能になる。前腕への対応する接続により、肘関節は装着され、別々に訓練され得る。
【０００８】
カフが一方に開放されているという事実に基づいて、使用者は自分の腕を装置内へより簡単に導入することができる。これは、拘縮（関節硬化）または痙攣のため腕関節を（完全に）曲げることができなくなった患者にとって特に有用である。
【０００９】
有利な実施形態では、手首の回転運動（回内／回外）をシミュレートすることも可能であり、これは周知装置では不可能である。
【００１０】
さらなる有利な実施形態は、従属項において特徴付けられる。
【００１１】
本発明を、実施形態を基に、以下の添付の図面を参照しながらさらに詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明によるシステムの概略図を、概略で示す患者４と共に示す。患者４は椅子１に着席し、椅子は患者４、および特に患者の肩を位置決めする。椅子１の背もたれは、肩が所定の位置にあるようにし、同時に肩および肩甲骨の可動性を制約しないように有利に構成する。椅子１はここで、患者の右腕を治療可能なようにフレームおよびロボット支持体２の前に配置される。患者の左腕を治療するため、システムを椅子の左手側に取り付ける鏡像構造の提供が可能であることが好ましい。左腕用の装置の代替解決方法は、詳細な説明でさらに以下に記載する。
【００１３】
ロボット支持体２は、ここではモバイル要素であり、およびロボットシステムを容易に移動可能なように、特に車輪付きシャーシ上に取り付けることができる。そのため、システムの傾斜を防止する釣合い重り３を設ける。ロボット支持体は、線形ドライブ１１のレールを受けるようになっている。これは当然、壁、枠組み等の上に直接、線形ドライブ１１を固定することもできる。線形ドライブ１１は、垂直面で上下する水平位置決めジブ１２を移動するためのものである。線形ドライブ１１の単純な解決方法は、線形ドライブ１１のシップに接続され、モータにより駆動されるボール軸である。線形ドライブ１１のシップは、例えば玉軸受けによってモノレール上に取り付ける。この場合、枠組み２、および従って線形ドライブ１１の軸に垂直に配置される水平ジブ１２は、線形ドライブ１１のシップを整形器具１６−２３、２８−３７および３８−５２、すなわち、上腕回転モジュール、肘回転モジュール、前腕回転モジュール、および接続片という要素に接続する。これらの部品は、重量を減らすと同時に充分な硬度を確保するために、例えばアルミニウム製であり得る。
【００１４】
図２は、ジブに接続され、患者４の上腕５および患者４の前腕６を誘導する要素をより詳細に示す。図１に概略を示す手７（または手首）は自由に動かすことが可能である。しかしながら、前腕整形器具に接続した取っ手（図面には示さず）を設けることも可能である。上腕カフ１０は、患者４の上腕５を整形器具に接続し、前腕カフ９は、患者４の前腕６を整形器具に接続し、および手首カフ８は、手首に近い患者の前腕６の一部を整形器具に接続する。すべてのカフは有利には皮膚適合性材料で作成され、マジックテープ型閉鎖の支援によって緊密に引っ張られ得る。カフは、任意の通常の固定要素として理解され、これにより腕の一部または腕を包囲する衣服の物品を、別の物体に固定することができる。
【００１５】
ここで図２は、分解略図において、本発明によるシステムの他の機械的特徴を示す。全ての図面中の同じ特徴は、同じ参照番号によって特定される。ジブ１２は、縦線形ドライブ１１に固定され、および第２ドライブ２６がジブ１２に取り付けられる。回転縦軸を有するこの第２ドライブ２６は、患者の腕の水平面での回転を可能にする。ここに概略で示す第２ドライブ２６は、通常、ＤＣモータ、デジタルエンコーダおよび反発のない「ハーモニックドライブ」ギアからなる。その他のドライブ、例えばブラシレス直流モータおよび遊星ギアの利用も可能である。線形ドライブ１１の軸に平行に配置されたその主軸は、６自由度を測定する力センサ２７に接続される。６−ＤＯＦ力センサ２７と略すこの力センサは、発生する力およびトルクを測定し、制御エレクトロニクスに検出信号を送る。これは、力センサ２７は、第１ドライブ２５（図３参照）が、市販のＤＣモータエンコーダおよびボール軸ドライブであり得るボール軸を駆動する水平力も測定することを意味する。参照番号２５は、線形モジュール１１に位置するドライブを指定する。力センサ２７は、第２ドライブ２６によって送られるトルク、および座標の変換後に下記により詳細に述べる、第３ドライブ２９によって送られたトルクも測定する。力センサ２７は、例えば全６軸についてのいくつかのひずみゲージのシステムとして設計され得る。
【００１６】
力センサ２７を介して連結された第２ドライブ２６は、上支持接続１３を駆動する。上支持接続１３は、支持接続１４を力センサ２７に接続する。支持接続１４は、受動自由度に対応して、水平軸周囲を自由に回転できる。支持接続１３は、２個の玉軸受けに取り付けた心棒によって形成され得る。
【００１７】
支持接続１４は、上腕回転モジュールの、特に外側半円筒１６を、力センサ２７に接続する。アルミ製の支持接続１４もまた、材料の重量およびその硬度に関連する理由のため有利に選択される。支持接続１４は、好ましくは長さ調整機構（図示せず）を有し、これにより、システムを腕の長さの異なる患者４に対して容易に用いることができるよう、支持接続の長さ調整を可能にする。ここで図に示すように、支持接続１４は３本の円形ロッドから構成することができ、それらは大なり小なり支持接続１４のアルミ本体（上部および底部）の範囲内に埋め込むことができる。
【００１８】
下支持接続１５は、支持接続１４を上腕回転モジュールに接続し、および上支持接続１３と同様、有利には２個の玉軸受けに取り付けた軸で構成されている。機能的には、これは２個の玉継手の補助を用いて得られたヒンジ継手である。
【００１９】
上腕回転モジュールは、特に外側半円筒１６および内側半円筒１７により形成され、その機能を図５および図６を参照してより詳細に説明する。接続レール１８は、上腕回転モジュール１６、１７を第４ドライブ３２、すなわち、肘ドライブに接続する。接続レール１８は、ここでは４本の円形ロッドからなり、半円筒１６および１７によって限定される中空空間周囲で約１８０度までの、不規則な間隔で配置される。
【００２０】
第３ドライブ２９は、前記接続レール１８に平行な外側半円筒１６上に配置される。トルクセンサ２８を前記第３ドライブ２９の前方に配置し、第３軸に対するエンコーダ３０をその後ろに配置する。ここで述べる各種軸用エンコーダは、ドライブのフィードバックおよび制御のために位置を設定する制御エレクトロニクスのための信号送信機として機能する。第３軸のトルクセンサ２８は、第３ドライブによって送られるトルクを測定し、および有利には、ひずみゲージによって形成される。第３ドライブ２９は、後述するように、内部および外部肩回転のためにトルクを送る。第３エンコーダ３０は、第３軸の位置を測定し、および有利には光学エンコーダである。
【００２１】
上腕から肘までの接続レール１８は、上腕近くに位置する肘半円筒２２に嵌合され、肘半円筒２２の上に、第４軸のためのトルクセンサ３３および第４軸のためのエンコーダ３１とを持つ第４ドライブ３２がある。このドライブの回転軸は、上腕回転モジュールの対称軸の中央を直角に交差する。前腕カフ９は、手首近くに位置し上腕近くの前記肘半円筒２２に係合する肘の半円筒２３に、固定される。上腕近くの半円筒２３は、接続レール１９およびトルクセンサ３７を介して、前腕回転モジュールの外側半円筒２０と接続される。
【００２２】
前腕回転モジュールは、内側シリンダ２１からなり、外側半円筒２０中で回転し、それによって前腕の回内／回外運動を可能にする。この目的のために、第５ドライブ３５を外側半円筒２０に設け、第５軸のトルクセンサ３６および第５エンコーダ３４と共に、ユニットを形成する。
【００２３】
第５ドライブ３５のトルクを、トルクセンサ３６およびトルクセンサ３７の両方を用いて重複的に測定することができる。センサ２７は、ドライブ２５、２６および２９のトルクを測定する。
【００２４】
図３は、本発明により組み立てたシステムの概略斜視図での図解例である。線形ドライブ１１は、ボール軸（図示せず）を駆動しこれによりジブ１２を上下移動させる第１ドライブ２５を含む。第２ドライブ２６によって、上腕回転モジュールの外側シリンダ１６を、ジブ１２による同時縦調整により、線形ドライブ１１の位置と着席する患者に対して所望の向きおよび高さで配置できることが、図３からわかる。内部および外部肩回転のトルクは、第３ドライブ２９によって送られる。それにより、接続レール１８は、肘関節と共に回転し、これが次に第３ドライブ３２によって回転され、肘を曲げ伸ばしさせる。腕関節の領域に設けられ、前腕回転モジュール２０／２１および前腕接続レール１９を介して肘に接続される手首カフ８によって、カフ９により保持される前腕が回内／回外運動のために準備され、カフ８および９の互いに対する相対的な動きとして、ドライブ３５により実行可能となる。前腕回転モジュール２０／２１は、有利には上腕回転モジュール１６／１７より小さく軽く、しかし他の点では同一であり、図５から図７に関する説明も前腕回転モジュール２０／２１に当てはまるようにする。
【００２５】
図３に示す対象は、図４におけるものを反対側から示しており、それによって横方向開放回転モジュール１６／１７、２０／２１および２２／２３を静止位置で非常に明確に表す。患者４の可動性が限られている場合であっても、この患者がシステムに横向きに、容易に腕を挿入できることがわかる。
【００２６】
図５は、上腕モジュールの分解図を示す。前腕回転モジュールは同様に実現できるが、ただ寸法は有利にはわずかに小さく、および、レール１８または支持接続アイレット３９の代わりに、ここではレール１９およびレール１８のレシーバを備える。肘の軸周囲の単純な回転動作も、直接ドライブ３２を介して可能である。
【００２７】
前述のように、上腕回転モジュールは、外側半円筒１６および内側半円筒１７からなる。外側半円筒１６は中央保持壁４２からなり、その上に、下支持接続１５を固定するための、２個のアイレット３９が設けられている。保持壁４２は、壁４２にそれぞれ横方向に設置された上腕回転モジュールの外壁４１および４３を位置決めする。上腕回転モジュールのモータ側外壁は、ドライブ２９の心棒のための開口３８を備えており、ドライブ２９はケーブルを駆動し、この場合、ケーブルドライブフランジ４４を介して４５、４６、４７の３本がある。ケーブルドライブフランジは、例えば、サンドブラストで粗面化したアルミニウムピンであり得る。ドライブケーブル４５、４６および４７は、ケーブルドライブフランジ４４の回転運動を上腕回転モジュールの内側半円筒１７に伝達する。
【００２８】
ケーブルのプレテンションは、据付ネジ（ここでは図示せず）によって調節することができる。最大限のステップダウン率を達成するため、複数のケーブル（この場合は３本）を用いる。このようにして、負荷はこれら３本のケーブルに分配され、より細いケーブル４５、４６および４７をより小さい屈曲半径で用いることが可能である。より大きいステップダウン率は、このように達成可能であり、これは、上腕回転モジュールの内側半円筒１７の外径とケーブルドライブフランジ４４の外径の間の比率から算出する。モータ側、すなわち図５の左側では、図７からより明確にわかるように、上腕回転モジュールの内側半円筒１７が玉軸受け中に係合する。上腕回転モジュールの内側半円筒１７の遠位側は、上腕から肘までの前記接続レール１８を受けるための開口を備える。ロッド誘導接続レール１８の代わりに、半中空円筒中実材料も使用可能なことは明らかであり、これは一側に開放する上腕回転モジュールの円筒の継続であり得る。
【００２９】
ここに図示され、および内側円筒１７の外面に固定されているケーブル４５、４６、４７の代わりに、これらそれぞれを、外側円筒１６の内壁に固定することもできる。そして、ケーブルドライブフランジ４４を、内側中空円筒部１７に固定されるドライブに固定する。
【００３０】
別の実施例では、互いに対向して位置するケーブルの２組（言い換えると、２個のハーフ４６）を有することが可能であり、この場合、フランジ４４を一方向に回転させると、１本のケーブルが巻き上げられ、直径方向に反対側にあるケーブルが巻き戻され、そしてフランジ４４はローラとして作用する。図示の実施例に示すモジュールは、しかしながら、ワイヤを中空円筒部１６と１７との間の小空間内においてより簡単に案内可能であり、およびフランジ４４に巻き上げる必要がないという利点を有する。
【００３１】
図示しない別の実施例では、ケーブル４５から４７はまた、Ｖベルトに代えることができる。Ｖベルトは、中空シリンダ１７の端部の領域に固定される。Ｖベルトはノブを有し、ドライブフランジ周囲に誘導され、これもまたノブを有し、ベルトとの間隙のない接触を確保する。
【００３２】
最後に、原則として曲面歯付きロッドを設けることも可能であり、これはシリンダに配置され、および適切に駆動される歯付きホイルまたはスピンドルがこれに係合する。
【００３３】
図６は、開放側からの上腕回転モジュールを示す。カフ１０は内側シリンダ１７に固定され、これがモータ側外壁４１および遠位外壁４２によって横方向に保持されることが明らかである。
【００３４】
ここに示す装置は、それぞれ、使用者４の右腕を訓練するために設けられる。上腕回転モジュールのカフ８の開口を下向きに向ける場合、肘ドライブと前腕回転モジュールのスイッチを単に切り替えて、取っ手を左手に変更する必要がある。上腕回転モジュールのカフ８が横方向開口を有する場合、上腕回転モジュールを上腕の軸に沿って１８０度まで回転することも可能である。
【００３５】
図７は、上腕回転モジュールの部分的に分解した斜視図において、内側半円筒のドライブをより正確に示す。最後に、図８は、上腕回転モジュールの斜視底面図を示す。第１、第２および第３のドライブケーブル４５、４６および４７は、それぞれの固定点５１でクランプで固定される。内側半円筒１７の対向する端部に、同様の固定を設ける。そして、ケーブル４５、４６および４７は、ケーブルドライブフランジ４４上およびその周囲を通って前記第２アタッチメントに延びる。ケーブルドライブフランジ４４は、上腕回転モジュールの遠位外壁４３において、軸受けを通って突出し、および対向側から駆動される。
【００３６】
図７は、１０個の内側玉軸受け４８の一部および、１０個の外側玉軸受け４９の一部を示す。１２個の横方向玉軸受け５０も存在する。横方向玉軸受け５０は、内側半円筒１７の研磨された外縁と接する。このようにしてこれらは半円筒１７を誘導する。内側半円筒１７の位置により、４個または５個の玉軸受けが接触する。玉軸受け４８および４９は、スチールピンの外端部に位置し、一方、他方の端部は、上腕回転モジュールのそれぞれの外壁４１、４３に挿入され、固定される。玉軸受け５０も、同様にスチールピンにより保持される。玉軸受けは、スチールピンの中央に位置し、スチールピンはスチールピンに垂直に位置するネジにより両端で、上腕回転モジュールのそれぞれの外壁４１、４２に接続される。従ってスチールピンは外壁と平行に位置するようになる。外壁には切り込みを形成し、玉軸受けが自由に回転できるようにする。玉軸受け５０は、上腕回転モジュールのそれぞれの外壁４１、４３の内面に固定されたスチールピンによって保持される。
【００３７】
完全に従来型の玉軸受けを用いることができる。これらの玉軸受け５０は、内側および外側玉軸受け４８および４９と共に、内側半円筒１７の位置を決定する。玉軸受けの組み合わせは、内側半円筒１７の動きを半円筒１７の中央周囲の回転に限定する。この回転中、摺動摩擦はなく、玉軸受け４８、４９および５０におけるローリング摩擦のみが存在する。玉軸受け４８はそれぞれスチールピンに取り付けられ、ピンは外壁４１、４３に固定される。玉軸受け４９は、内側玉軸受け４８に対して容易に変位可能なように取り付けられる。両軸受け４８および４９は、半円筒１７の側部スリット５２内側に取り付けられ、これは図６から明らかに見てとれる。内側玉軸受け４８は、中央近くのスリット５２の縁と接触し、および外側玉軸受け４９は中央から離れたスリット５２の縁と接触する。
【００３８】
記載から、内側半円筒１７および外側半円筒１８を有する回転モジュールは静的に過剰決定されていることがわかる。このため、個々の構成要素は高い精密度で製造しなければならない。本発明の他の実施形態では、システムが過剰決定されないよう、またはバネ力が外的に付加される軸受け荷重より大きい場合に玉軸受けを弾性的に取り付けるよう、玉軸受けを少なくすることも可能である。
【００３９】
本明細書において、半円筒という用語は、１８０度の空間角度をカバーする半円筒を意味しない。ここで半円筒という用語は、実質的に円筒形のジャケットを有し、１３０度から２１０度までの角度を覆う中空回転体を意味する。ケーブル配置の固定により、この角度引くケーブルの取り付けに必要な角度範囲前後で最大限でも１回転が可能になる。これはモジュール（上腕／肘／手首）によって異なるため、約１１０度から１９０度の範囲での回転の動作角度を覆うことができる。このユニットは、中空円筒部品要素として指定することもできる。
【００４０】
ここに記載する構成部品の原理は、産業用ロボット技術で用いられるセンサやロボットからある程度周知ではあるが、ここに示す特徴は、患者に用いる際、特に医療規則に準拠しなければならないため、異なる範囲のものである。
【００４１】
このシステムの解決方法の最も重要な要素は、システムの遠位部分を外骨格として構築することである。患者の腕は、生物適合性カフ８、９および１０によって正確に三箇所でシステムに接続される。本書に示す実施例で説明する種類は、５作動自由度（４つは作動前腕カフなし）からなり、肘関節の曲げ伸ばしおよび３自由度周囲の空間的な肩の動きを可能にする。また、手首７の回内／回外運動を可能にする。
【００４２】
玉軸受け４８、４９および５０の利点は、外半円筒１８における内半円筒１７の円滑かつ空隙のない回転だけでなく、前腕の中央（アイレット３９）から手首７の領域の取り付けまで、基本的に転がり摩擦のみ発生するよう、対応して長いレバーアームの空間における自由な動作によって整形器具による傾斜した動きをとることである。
【００４３】
内円筒と外円筒１６／１７、２０／２１、２２／２３、すなわち基本の中空回転体の製造のために、基本的には２つの技術的可能性がある。１つの可能性は、完全円筒を回転し、次にそれを切り開くものである。本書に示す実施例では、対照的に、その寸法まで回転した後、完全円筒を切り開く場合、回転体は当初のアルミニウムブロックに受ける力のため形状が変化することがあるので、ブロックから圧延している。適した切削機械は１ミクロンの精度を有する。玉軸受けの溝５２の最適幅は、小規模な切削工程において近似した。
【００４４】
本発明によるシステムの利点は、３回転自由度により近似した肩と、１回転自由度により近似した肘を、直接に、制約なしに動かせることである。さらなる自由度は、前腕の回内／回外運動によって可能である。本発明による図解実施形態は低慣性を有し、摩擦がほとんどなく、および遊びは最小である。アクチュエータは、有利には毎秒最大１メートルの接線速度で患者４の手に到達可能である。これにより、加速および制動の両方において重力加速度程度の加速を適用する。
【００４５】
第１軸および第１ドライブ２５を持つ線形ドライブ１１は、肩の外転および内転を可能にする。水平面の肩の回転は、第２回転ドライブ２６により実現される。このドライブ２６は線形ドライブ１１のシップに直接接続される。回転モジュールは第３ドライブ２９を有し、これがカフ１０によって患者４の上腕に接続されるため、内および外肩回転を可能にする。肘を曲げることおよび肘を伸ばすことは第４回転ドライブ３２によって確保され、カフ９は患者４の肘領域に接続される。最後に、回内／回外運動は、患者４の手首領域７に接続されたカフ８を備えた第５回転ドライブ３５によって可能となる。
【００４６】
２つの非駆動自由度により、整形器具を線形モジュール１１に接続した時、システムは、患者の腕とのみ組み合わせて、静的に決定される。従って、ロボットと患者の腕の間のプレテンションは効果的に除外される。
【００４７】
特に２つの制御型を設けることができる。例えば、患者の腕のいかなる所望の自由な動きをも可能にし、記録および保存できるようにする場合、異なるドライブのそれぞれのエンコーダは軸位置を記録し、およびそれをメモリユニットに保存する。従って、保存したエンコーダ位置により、関連ドライブを直接制御することで、以前に実行された動きを完全にかつ同一に反復することができる。また、患者の腕を動かすことにより、その現存の可動性を記録し、これを運動プログラムの限界値として保存することもできる。
【００４８】
各使用者に、いわゆる患者協調的制御を付与することができる。このような機構において、インピーダンスおよびアドミッタンス制御原理を、患者の現存の随意運動性を検出することおよび運動計算においてこれを考慮することのための基礎として用いる。これは、対応するアクチュエータが動作を完了するために使用者を助けることが少なくなることにより、制御により既定の動きに従うという患者の努力を考慮する、ということを意味する。
【００４９】
この患者協調的制御のため、位置センサおよび力センサのセンサ信号が評価される。センサのデータ信号により、制御エレクトロニクスがフィードバック制御された動きを提供することができる。特に、制御エレクトロニクスにより読み込んだエンコーダ信号を対応する画像表示に変換するために、患者４の腕の画像を表示するディスプレイを有する画面を設け、起点および目標点を示すことができるようにすることが有利である。
【００５０】
装置および提案の方法に対し、添付の特許請求の範囲に記載する本発明の範囲から逸脱せず、各種変更および修正を行うことができることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明によるシステム全体を概略で示した、患者と共に示す概略斜視図である。
【図２】図１によるシステムの主要要素の分解略図である。
【図３】図１によるシステムを閉じた側から見た斜視図である。
【図４】図３によるシステムの別の視点からの斜視図である。
【図５】上腕モジュールの分解斜視図である。
【図６】図５による上腕モジュールの開放側から見た略図である。
【図７】上腕モジュールの一部露出部品の斜視図である。
【図８】上腕モジュールの一部露出部品の斜視底面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  椅子
２  ロボットサポート
３  釣合重り
４  患者
５  患者の上腕
６  患者の前腕
７  患者の手
８  手首カフ
９  前腕カフ
１０  上腕カフ
１１  線形ドライブ
１２  ジブ
１３  上支持接続
１４  支持接続
１５  下支持接続
１６  上腕回転モジュールの外側半円筒
１７  上腕回転モジュールの内側半円筒
１８  接続レール‐上腕から肘
１９  接続レール‐肘から前腕
２０  前腕回転モジュールの外側半円筒
２１  前腕回転モジュールの内側半円筒
２２  上腕近くの肘回転モジュールの半円筒
２３  手首近くの肘回転モジュールの半円筒
２５  第１ドライブ付き駆動モジュール
２６  第２ドライブ
２７  ６−ＤＯＦ力センサ
２８  第３軸のトルクセンサ
２９  第３ドライブ
３０  第３軸のエンコーダ
３１  第４軸のエンコーダ
３２  第４ドライブ
３３  第４軸のトルクセンサ
３４  第５軸のエンコーダ
３５  第５ドライブ
３６  第５軸のトルクセンサ
３７  第５軸のさらなるトルクセンサ
３８  開口
３９  アイレット
４１  上腕回転モジュールのモータ側外壁
４２  上腕回転モジュールの側壁
４３  上腕回転モジュールの遠位外壁
４４  ケーブルドライブフランジ
４５  第１ドライブケーブル
４６  第２ドライブケーブル
４７  第３ドライブケーブル
４８  内側玉軸受け
４９  外側玉軸受け
５０  横方向玉軸受け
５１  固定ポイント
５２  サイドスリット
【図１】
2008521454.tif 000003
【図２】
2008521454.tif 000004
【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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【手続補正書】
【提出日】平成19年8月1日(2007.8.1)
【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（４）の位置を決定する装置、
使用者（４）の位置を決定する装置に固定的に接続することのできる第１ドライブ（１１）、
内側部分（１７）および外側部分（１６）を有する上腕回転モジュール（１６、１７）、
上腕回転モジュール（１６、１７）の内側部分（１７）に固定された上腕カフ（１０）、
上腕カフ（１０）および第１ドライブ（１１）を移動可能に接続する少なくとも１個のヒンジ、
上腕回転モジュール（１６、１７）の外側部分に連結される第２ドライブ（２６）、
上腕回転モジュール（１６、１７）自体に設ける回転ドライブ（２９）を含む、使用者（４）の腕治療のためのシステムであって、
上腕カフ（１０）が前記使用者（４）の腕に接続され、
上腕カフ（１０）が閉じた時に実質的に中空円筒形状を有し、
第１ドライブ（１１）および第２ドライブ（２６）は、限定された空間的位置に上腕回転モジュール（１６、１７）を設置するよう適合され、および
回転ドライブ（２９）が、上腕回転モジュール（１６、１７）の外側部分（１６）に対してその主軸周囲に前記上腕カフ（１０）を回転するよう適合される、システム。
【請求項２】
前記第１ドライブ（１１）および前記第２ドライブ（２６）に接続された制御エレクトロニクスを含み、該制御エレクトロニクスは、第１および第２ドライブが上腕回転モジュール（１６、１７）を空間的に限定された位置に設置するために、制御信号を発生させ、および回転ドライブ（２９）が上腕回転モジュール（１６、１７）の外側部分（１６）に対しその主軸周囲で前記上腕カフ（１０）を回転させるために、追加制御信号を発生させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、
上腕カフ（１０）に固定された上腕回転モジュール（１６、１７）の内側部分（１７）の第１接続要素（１８）、
肘カフ（９）、
使用者（４）の上腕近くの部分（２２）および使用者（４）の手首近くの部分（２３）を有する肘回転モジュール（２２、２３）、
上腕近くの前記部分（２２）および手首近くの前記部分（２３）を互いに調整可能に接続するヒンジをさらに含み、
前記第１接続要素（１８）が、上腕回転モジュール（１６、１７）を上腕近くの肘回転モジュール（２２、２３）の部分（２２）に固定し、
上腕近くの肘回転モジュール（２２、２３）の部分（２２）が、前記肘カフ（９）に接続され、および
前記ヒンジ軸が、使用者（４）の挿入された腕の肘軸に一致する、システム。
【請求項４】
前記ヒンジ軸が、さらなる回転ドライブ（３２）によって駆動される、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
請求項４に記載のシステムであって、前記第１ドライブ（１１）および前記第２ドライブ（２６）に接続された制御エレクトロニクスを含み、該制御エレクトロニクスは、ドライブが上腕回転モジュール（１６、１７）を空間的に限定された位置に設置するために、制御信号を発生させ、回転ドライブ（２９）が上腕回転モジュール（１６、１７）の外側部分（１６）に対しその主軸周囲で前記上腕カフ（１０）を回転させるために、追加制御信号を発生させ、および肘回転モジュール（２２、２３）のさらなる回転ドライブ（３２）が上腕回転モジュール（１６、１７）の軸に対しその主軸を横切って肘カフ（９）を回転させるために、さらなる追加制御信号を発生させる、システム。
【請求項６】
請求項３から５の１項に記載のシステムであって、
手首近くの肘回転モジュール（２２、２３）の部分（２３）の第２接続要素（１９）、
手首カフ（８）、
前記手首カフ（８）に接続された内側部分（２１）および外側部分（２０）を有する手首回転モジュール（２０、２１）をさらに含み、
前記第２接続要素（１９）が、前記手首回転モジュール（２０、２１）の外側部分（２０）に肘回転モジュール（２２、２３）を固定し、
手首回転モジュール（２０、２１）の外側部分（２０）と内側部分（２１）が、互いに対して旋回可能であるよう接続される、システム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムであって、追加回転ドライブ（３５）は、内側（２１）に配置されおよび閉じた時に実質的に中空円筒形状を有する前記手首カフ（８）が手首回転モジュール（２０、２１）の外側部分（２１）に対しその主軸周囲に回転するように、手首回転モジュール（２０、２１）自体に設けられている、システム。
【請求項８】
請求項１から７の１項に記載のシステムであって、１個またはそれ以上のドライブ（１１、２６、２９、３２、３５）のそれぞれがドライブ（１１、２６、２９、３２、３５）の軸位置を決定する信号送信機（−−、２７、２８、３０、３１、３４）を有する、システム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムであって、信号送信機（−−、２７、２８、３０、３１、３４）が、反復動作を限定し、これらを記録し、またはドライブに対する制御信号を発生させるために、位置信号、角度信号、力信号およびトルク信号を制御エレクトロニクスに送信するよう適合される、システム。
【請求項１０】
請求項１から９の１項に記載のシステムであって、１個またはそれ以上の回転モジュール（１６、１７；２０、２１；２２、２３）が、使用者（４）が関連する腕部分を、対応するカフ（１０、９、８）に側面から挿入できるような大きさの横方向開口を有する、システム。
【請求項１１】
使用者（４）の腕治療のためのシステムの回転モジュール（１６、１７；２０、２１）であって、
閉じた時、実質的に中空円筒形状を有するカフ（１０；８）、
対応する関連カフ（１０；８）に接続された内側中空円筒要素部分（１７；２１）、
外側中空円筒要素部分（１６；２０）、
ドライブトレイン（４４）または歯付きホイル、
互いにある角度距離で２個の中空円筒要素部分（１６または１７）の一方に固定され、および外側中空円筒要素部分（１６；２０）の内面と内側中空円筒要素部分（１７；２１）の外面の間で前記ドライブトレイン（４４）周囲を誘導されるまたは前記歯付きホイルと係合する、ケーブル（４５、４６、４７）、Ｖベルトまたはギアリムの群の少なくとも１個のドライブ手段を含み、カフ（１０；８）が、回転モジュール（１６、１７：２０、２１）の外側部分（１６；２１）に対しその主軸周囲に回転する、回転モジュール（１６、１７；２０、２１）。
【請求項１２】
使用者（４）の腕治療のためのシステムの回転モジュール（１６、１７；２０、２１）であって、
閉じた時、実質的に中空円筒形状を有するカフ（１０；８）、
対応する関連カフ（１０；８）に接続された内側中空円筒要素部分（１７；２１）、
末端ピースを有する外側中空円筒要素部分（１６；２０）、
前記末端ピースに設けられた、対応する半径方向玉軸受け（４８、４９）を有する２個の横方向ガイド（５２）を含み、
内側中空円筒素部分（１７、２１）が前記２個の横方向ガイド（５２）に誘導される、回転モジュール（１６、１７；２０、２１）。
【請求項１３】
内側中空円筒要素部分（１７；２１）を末端ピース（４１、４３）に対して支持するために設けられたさらなる横方向半径方向玉軸受け（５０）をさらに含む、請求項１２に記載の回転モジュール（１６、１７；２０、２１）。
【請求項１４】
使用者（４）の、関連する腕部分が、対応するカフ（１０；８）に側面から挿入され得るような大きさの横方向開口を含む、請求項１１、１２または１３に記載の回転モジュール（１６、１７；２０、２１）。
【国際調査報告】
2008521454.tif 000011
2008521454.tif 000012
2008521454.tif 000013
2008521454.tif 000014
2008521454.tif 000015
2008521454.tif 000016
2008521454.tif 000017
2008521454.tif 000018
2008521454.tif 000019
2008521454.tif 000020
2008521454.tif 000021