(57)【要約】  使用者の腕の動きを制御するロボットアーム（１００）が運動連鎖を備え、運動連鎖は遠位領域において使用者の手を配置する支持要素（１９０）を含む。この運動連鎖は遠位領域において、使用者の手の動きが運動連鎖の他の部分の動きから分断されるような冗長性を有する。
2011529760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の腕の動きを制御するロボットアーム（１００）であって、前記ロボットアームは近位端から遠位端に拡がる運動連鎖を形成し、前記使用者の手を遠位端に配置するためのグリップ（１９０）を備え、前記運動連鎖は、前記使用者の手の動きを前記運動連鎖の他の部分から分断することが可能なように、遠位領域において冗長性を有する、ロボットアーム。
【請求項２】
前記運動連鎖は、前記ロボットアームが全ての並進と回転を遂行可能なように、少なくとも７つの自由度を有する、請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項３】
前記運動連鎖は、７つのモジュール（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０，１７０）を備え、前記運動連鎖の各モジュールは、回転を与えられるように適合されている、請求項１又は請求項２に記載のロボットアーム。
【請求項４】
人工筋肉アクチュエータ（１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２、１５１、１５２、１６１、１６２、１７１、１７２）を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボットアーム。
【請求項５】
前記人工筋肉アクチュエータは、空気圧方式人工筋肉である、請求項４に記載のロボットアーム。
【請求項６】
前記人工筋肉アクチュエータは、継手の互いに逆方向の運動を制御するために拮抗筋／作動筋の構成で使用される、請求項４又は請求項５に記載のロボットアーム。
【請求項７】
前記使用者の手を配置する前記グリップ（１９０）は、使用者の指を屈伸させるための機構（１９２、１９３）を備えている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のロボットアーム。
【請求項８】
前記運動連鎖の全体に亘り位置および荷重を計測するための複数のセンサと、前記複数のセンサにより供給されるデータを登録し格納するためのシステムとを備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載のロボットアーム。
【請求項９】
前記運動連鎖の前記グリップ（１９０）への接続部において、３つの直交軸の周りのトルクと、３つの直交方向の力とを計測可能なセンサが設けられている、請求項８に記載のロボットアーム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のロボットアーム（１００）と、使用者の肘の動きを制御するための第２のロボットアームと、を備える、上肢リハビリテーション訓練用のシステム（３００）。
【請求項１１】
バーチャルリアリティ技術を更に備える、請求項１０に記載の上肢リハビリテーション訓練用のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はロボットアームに関し、特に、上肢のリハビリテーション訓練に利用できるロボットアームに関する。
【背景技術】
【０００２】
上肢のリハビリテーション訓練において、患者又は使用者は、腕の機能の向上又は回復のために訓練を行う。これは特に半身不随の患者に利用される。半身不随は、多発性硬化症、腫瘍、又は事故などの、多くの一般的原因で引き起こされる。その中で最も多い原因は、脳卒中である。半身不随を患っている患者には、理学療法士が患者の腕にある種の反復運動をさせる、上肢のリハビリテーション訓練が有効な場合がある。治療法としてはさまざまなものがある。固有受容性神経筋促通法（ＰＮＦ）は、そのような方法の１つであり、患者の固有受容体を刺激することを狙いとしている。患者が脳に運動の遂行能力を保持していて、このような方法で、一部の腕の制御機能を回復することは可能である。この方法では通常、４５分の腕の運動を一日に少なくとも２回、１ヶ月間に亘って反復した場合にのみ最もよい結果が得られる。そのような長期間にわたって、この治療をそれぞれの患者に与えることは、常に可能とは限らない。
【０００３】
治療を支援するためにロボットが開発されてきた。患者の腕をロボットアームに置き、又はロボットアームに結合して、このロボットアームがある運動を反復実行し、患者の腕に同じ運動を誘起する。そのようなロボットの例が、特許文献１に開示されており、そこには複数の駆動装置から成るシステムが記述されている。ユーザの上腕をカフバンドで固定した状態で、第１と第２の駆動装置が上腕回転モジュールの位置を決定する。上腕回転モジュールは、２つの部分から成る構造であり、上腕カフを回転するための第３の駆動装置が設けられている。上腕回転モジュールは、肘回転モジュールを介して、手首回転モジュールに連結されている。ここで肘回転モジュールは、手首に対する角度で回転可能であり、上腕回転モジュールと同様に構成されている。
【０００４】
システムは、さまざまな動きをすることが可能であるが、腕が実行できる動きの更に多くを遂行できるように改善する必要性が未だ残されている。また、ロボットはこれらの動きを正確に再現することが必要である。そうすれば最終的に、このロボットを利用する患者と医師との快適さが改善されるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００６／０５８４４２号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の少なくともある領域における改良を提供しようとするものである。この目的は、請求項１のロボットアームによって達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の態様において、本発明は使用者の手の動きを制御するロボットアームを提供する。このロボットアームは近位端から遠位端に拡がる運動連鎖を形成し、使用者の手を配置するためのグリップを遠位端に備え、運動連鎖は、使用者の手の動きを運動連鎖の他の部分から分断することが可能なように、遠位領域において冗長性を有することを特徴とする。
【０００８】
患者は、遠位端に設けられたグリップに手を置く。この領域では、運動連鎖に冗長性が与えられており、従ってハンドグリップ（及び患者の手）が動かない場合でも、ハンドグリップ以外の全運動連鎖は、動くことが可能である。このことが、患者および付添いの医師にとって、快適さと安全における主要な改善を与える。ある動きを行おうとする場合、ハンドグリップを動かさずに、運動連鎖を適当な位置まで正常に動かすことが可能である。患者は位置や向きを変える必要がなく、ロボットアームは、患者や医師に当たることなく全ての動きを遂行することが可能である。
【０００９】
好ましくは、ロボットアームの運動連鎖は少なくとも７つの自由度を持っていて、ロボットアームがあらゆる並進と回転を実行できるようにする。全ての並進と回転を実行するのに６つの自由度が必要であり、７番目の自由度は、運動連鎖の遠位領域における冗長性を提供する。当然ながら、運動連鎖は７つの自由度より大きな自由度を持っていてもよく、それは追加的な冗長性を与える。任意選択で、この運動連鎖は７つのモジュールから成り、運動連鎖の各モジュールは回転を与えるように適合されている。
【００１０】
好ましくは、本発明によるロボットアームは、人工筋肉アクチュエータを備えている。人工筋肉アクチュエータは、確定した位置ではなく、確定した力によって制御されるという重要な利点を有している。患者の腕との相互作用において、正確な位置よりも腕が受ける荷重の方がより重要であることが多いという理由で、このことは有利な点である。ＰＮＦの訓練プログラムは、通常、自動的な自由な動き、自動的な支援された動き、自動的な抵抗のある動き、そして他動的な動き、のための運動が含まれる。特に、自動的な抵抗のある動きにおいては、位置ではなく力で制御されるアクチュエータを利用する場合の方が、患者が受ける抵抗をより正確に制御することができる。当然ながら、人工筋肉アクチュエータで加えられる力は、運動連鎖中の連結要素に対応する動きを発生させる。
【００１１】
任意選択で、この人工筋肉アクチュエータは、空気圧方式人工筋肉である。空気圧方式人工筋肉は、非常に軽量で、本質的に従順な動作を示す。空気圧方式人工筋肉に力が掛けられると、作動力を上げないでも、応じた動きをする。代わりに、人工筋肉アクチュエータとして、電気活性高分子を利用してもよい。
【００１２】
好ましくは、その人工筋肉アクチュエータは、継手の逆向きの運動を制御するために拮抗筋／作動筋の構成で利用される。運動連鎖は、継手で連結された多くの連結要素で構成される。継手を動かすために（従って、運動連鎖中の更に下流の連結要素の位置を動かすために）、人工筋肉アクチュエータが利用されてもよい。空気圧方式人工筋肉が作動すると、軸方向に収縮し、連結されている負荷に対して引張力が作用する。人工筋肉は一方向の動きしか与えることができない。拮抗筋／作動筋の構成で人工筋肉の組を提供すると、１つの筋肉は継手を第１の方向へ動かすように作動し、もう一方の筋肉が作動すると、逆の方向への継手の動きが生じる。
【００１３】
好ましくは、使用者の手を置くためのグリップは、使用者の指を屈伸させる機構を備えている。患者の腕と手の動きを制御、誘起、又は案内することに加えて、指を屈伸させることも可能である。従って、指の筋肉と関節も対象とするＰＮＦプログラムにも追随することが可能である。
【００１４】
好ましくは、本発明によるロボットアームは、運動連鎖の全体に亘り位置および荷重を計測するための複数のセンサと、複数のセンサにより供給されるデータを登録し格納するためのシステムとを備える。このセンサは、適切な位置に配置される必要がある。（療法士により誘起されたものであれ、患者自身で制御されたものであれ）患者の腕が動いている間中、運動連鎖に沿ったさまざまな位置と荷重とが計測可能である。このデータを登録し、格納することにより、システムは、患者又は療法士の助けなしに、動きを反復することが可能となる。リハビリテーション訓練において、理学療法士は患者の腕にある動きを施す。システムは、腕が受けた荷重と、通過した様々な位置とを計測することにより、その正確な動きを登録する。登録されると、ロボットアームは、理学療法士が介入しなくても全く同じ動きを再現することが可能となる。
【００１５】
好ましくは、運動連鎖のグリップへの接続部において、３つの直交軸の周りのトルクと、３つの直交方向の力とを計測可能なセンサが設けられている。このセンサによって、患者およびロボットアームが受けるトルクと力を、常に前以って設定された閾値レベル以下に確保することが可能となる。
【００１６】
本発明の第２の態様において、本発明は、本発明によるロボットアームと、使用者の肘の動きを制御するための第２のロボットアームと、を備える上肢リハビリテーション訓練用のシステムを提供する。第２のロボットアームは、使用者の肘を支持、案内するために利用され、また肘の動きを誘起することにも利用される。患者の腕にある動きをさせる場合に、理学療法士は患者の腕を通常２ヶ所で掴む。この２ヶ所は通常、患者の肘又は肘近辺と、患者の手又は手近辺である。第２のロボットアームは、理学療法士によって支援された動きをより正確に再現する助けとなる。
【００１７】
好ましくは、上肢リハビリテーション訓練システムは、バーチャルリアリティ技術を更に備える。動機付けを用いて訓練をする場合には、患者の訓練、又はリハビリテーションが更にうまくいくことがわかっている。バーチャルリアリティはこの種の動機付けを与えることができる。通常、患者は、例えばテーブル上の物を掴むというような、日常生活上の動きの回復に興味を示す。バーチャルリアリティによってある環境が与えられ、その環境の中で、患者がロボットアームの制御の下に然るべき物を掴む、ということが可能となる。バーチャルリアリティは、（例えば、物をより容易につかめるようになったから）患者がよくなっている、ということを示す助けにもなり得る。
【００１８】
本発明の別の態様において、本発明は上肢の訓練方法を提供する。この方法は、運動連鎖の全体に亘って位置および荷重を計測するための複数のセンサと複数のセンサにより供給されるデータを登録し格納するためのシステムとを備える、本発明によるロボットアームのグリップに患者の手を配置するステップと、患者の上肢の動きを誘起し、この動きをロボットアームが登録および格納するステップと、ロボットアームによりこの動きを再現し、患者の上肢がこの同じ動きを繰り返し行うようにするステップとを含む。好ましくは患者は、使用者の肘の動きを制御するための第２のロボットアームのグリップに肘を置く。
【００１９】
本発明の上記および更に可能な実施形態とその利点について、単なる非限定的な実施例として添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による上肢リハビリテーション訓練システムの好適な一実施形態の斜視図である。
【図２】図１に示す上肢リハビリテーション訓練システムの詳細斜視図である。
【図３】本発明によるロボットアームの好適な一実施形態の斜視図である。
【図４】図３のロボットアームの色々なモジュールの外側カバーを外した状態の図である。
【図５】図４のロボットアームを、ロボットアームの自由度を強調して示した図である。
【図６】図３に示すロボットアームの好適な実施形態の第１のモジュールの斜視図である。
【図７】図３に示すロボットアームの好適な実施形態の第１のモジュールの斜視図である。
【図８】図３に示すロボットアームの好適な実施形態の第２のモジュールの斜視図である。
【図９】図３に示すロボットアームの好適な実施形態の第３のモジュールの斜視図である。
【図１０】図３に示すロボットアームの好適な実施形態の第４のモジュールの斜視図である。
【図１１】図３に示すロボットアームの好適な実施形態の第５のモジュールの斜視図である。
【図１２】図３に示すロボットアームの好適な実施形態の第６と第７のモジュールの斜視図である。
【図１３】図１に示す上肢リハビリテーション訓練システムの一部である、第２のロボットアームの斜視図である。
【図１４】図１に示す上肢リハビリテーション訓練システムの一部である、第２のロボットアームの斜視図である。
【図１５】図１３、１４に示す第２のロボットアームの一部である、患者の肘支持モジュールの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明による上肢リハビリテーション訓練システム３００の好適な一実施形態の斜視図である。患者が座るか、又は横臥するベッドが符号１０で示されている。本発明によるロボットアームの好適な一実施形態が符号１００で示されている。これには、使用者の手を配置するグリップ１９０が含まれる。このロボットアーム１００は、いろいろなモジュール（詳細は後述する）の運動連鎖から成る。運動連鎖は、患者の手のグリップ領域における冗長性を含む。本発明によるロボットアームは、外骨格ロボットではないことに留意されたい。患者とロボットアームとの間の唯一の接点は、グリップ１９０である。
【００２２】
上肢リハビリテーション訓練システム３００は更に、符号２００で模式的に示された第２のロボットアームを備えている。この第２のロボットアーム２００は、ユーザの肘を置くグリップ２９０を備えている。患者が動きを実行する際、（又は、ロボットアームが動きを実行する際）、患者の腕は２ヶ所、即ち、肘又は肘近辺と、手又は手近辺とで支持される。この構成は、理学療法士が患者を指導又は訓練する場合のやり方によく似ている。
【００２３】
本システムは、更にバーチャルリアリティシステムを備えていてもよい。バーチャルリアリティは、リハビリテーション訓練の助けになることがわかっている。それは、ある運動の効用を患者に理解させる助けとなり、患者がよくなっていることをより明確に示すことができるからである。
【００２４】
図２は、上肢リハビリテーション訓練システム３００の詳細斜視図である。ハンドグリップ１９０および肘グリップ２９０がより詳細に示されている。
【００２５】
図３は、本発明によるロボットアーム１００の好適な一実施形態の斜視図である。第１のモジュール１１０は、天井又は壁（模式的に符号１９９で示す）に取り付けられている。運動連鎖は、第１のモジュール１１０、第２のモジュール１２０、第３のモジュール１３０、第４のモジュール１４０、第５のモジュール１５０、第６のモジュール１６０、第７のモジュール１７０を含む。従ってこの好適な実施形態は７つのモジュールから成り、各モジュールは、運動連鎖の更に下流のモジュールを動かすアクチュエータを備えている。全てのモジュールは継手で結合されている。明示されている継手は、１２５（第２モジュールと第３モジュールの間の継手）、１３５（第３モジュールと第４モジュールの間の継手）、１５５（第５モジュールと第６モジュールの間の継手）である。
【００２６】
図４は、色々なモジュールの外側カバーを外した状態のロボットアーム１００を示し、図５は、ロボットアームの自由度を強調して示した図である。第１のモジュール１１０は、継手１１５の回転を誘起することができる。継手１１５は第２のモジュール１２０に結合された軸であり、この軸が回転すると第２のモジュール１２０も回転する。第２のモジュール１２０は、作動すると、継手（軸）１２５の回転を誘起する。第１のモジュールと第２のモジュールにより誘起される回転は、図５に示すように、互いに平行な軸の周りの回転である。
【００２７】
第３のモジュール１３０は、継手（軸）１３５の回転を誘起することができる。この継手（軸）１３５は第３のモジュール１３０を第４のモジュール１４０へ結合する。この回転は、最初の２つのモジュールの回転軸に直交する軸の周りに起こる。第４のモジュール１４０は継手（軸）１４５の長手軸の周りの回転を制御し、第５のモジュール１５０のアクチュエータは、第６のモジュール１６０に結合している継手（軸）１５５を回転させることができる。第６のモジュール１６０は継手１６５の動きを制御し、これにより第７のモジュール１７０が回転される。継手１７５を介して、第７のモジュール１７０は、患者が手を置くグリップ１９０の回転を誘起することができる。モジュール１６０と１７０により誘起される回転は、（図５に示すように）同一軸の周りを回転する。この回転が同一の軸を中心として起きるので、運動連鎖が冗長性を持つ。この冗長性のために、手の動きは、（同一軸の周りの反対方向の回転を介して）運動連鎖のこれら以外のモジュールの動きからは、大部分を分断することが可能である。本発明に従えば、運動連鎖が遠位領域で冗長性を含み、患者の手の動きが運動連鎖の他の動きから分断できさえすれば、ロボットアームは７つのモジュールより多くても少なくてもよい。７つのモジュールを使えば、６つの自由度と冗長性が可能となる。
【００２８】
図６及び図７は、図３に示すロボットアームの好適な実施形態の第１のモジュール１１０の斜視図である。モジュール１１０は、基体プレートを含み、その上に２つの支持体１１３が装着されている。空気圧方式人工筋肉１１１、１１２が装着され、作動すると支持体１１３に対して反動することができる。このモジュールの人工筋肉１１１、１１２は、継手の逆方向の運動を制御するために拮抗筋／作動筋構成で利用される。（他のモジュールに対する同様の構成は後述する。）第１のモジュール１１０上に、ロボットアームを制御する電子回路１１９が設けられている。電子回路１１９は、運動連鎖中のセンサにより与えられる情報を登録、格納することも可能である。
【００２９】
ケーブルが、人工筋肉１１２からプーリ１１７を廻ってプーリ１１６まで延び、このプーリ１１６に固定される。大きなプーリ１１８がプーリ１１６の上に装着されて、一緒に回転する。プーリ１１８とプーリ１１４の周りにケーブルが設けられ、プーリ１１８の回転によって、プーリ１１４が回転する。プーリ１１４は軸１１５に固定されており、プーリ１１４が回転すれば、軸１１５も回転する。このように、人工筋肉１１２の軸方向の収縮が起きれば、軸１１５が回転する。プーリ１１８は、プーリ１１６やプーリ１１４よりも大きいので、プーリ１１６の回転の結果、プーリ１１４はより大きな回転をする。人工筋肉１１１に対しても、相当するプーリとケーブルのシステムが設けられるが、人工筋肉１１１の軸方向の収縮に対して、軸１１５の回転は逆方向になる。人工筋肉の拮抗筋／作動筋構成を介して、継手の相対向する動きを生じることができる。
【００３０】
軸１１５が回転すると、第２のモジュールが回転する（図８参照）。第２のモジュール１２０は、ロッド１２８を介して軸１１５に結合し、この軸と直交する方向に向いている。支持体１２３が設けられており、それに対して、２つの空気圧方式人工筋肉１２１、１２２が反動する。支持体１２３から２つの縦棒１２９がモジュール１２０の反対の端まで延びている。この縦棒１２９に、プーリ１２４、１２６、１２７の軸が回転可能に装着されている。作動すると、筋肉の１つが軸方向に収縮してケーブルを引っ張る。ケーブルは人工筋肉１２１からプーリ１２６に延びてこのプーリに固定されている。プーリ１２７はプーリ１２６の上に装着されていて一緒に回転する。別のケーブルがプーリ１２７とプーリ１２４との周りに巻かれている。小さいプーリ１２６が回転すると、それと共にプーリ１２７が回転する。そして次に、プーリ１２４と軸１２５を回転させる。プーリ１２７の直径は、プーリ１２４，１２６の直径よりも大きい。このため、プーリ１２４はプーリ１２６よりも回転数が増える。筋肉１２２が収縮すると、相当するプーリ系によって、軸１２５の反対方向の回転が生じる。
【００３１】
軸１２５によって第３のモジュール１３０が回転する。第３のモジュール１３０（図９に示す）は、モジュール１２０と同様に作用する。このモジュールも、人工筋肉１３１、１３２、支持体１３３、縦棒１３９、プーリ１３６、１３７などの同様の部品で構成されている。これら２つのモジュールの主な違いは、モジュール１３０の遠位端に腕木１３８が設けられていることである。この腕木に、軸１３５とプーリ１３４とが、モジュールの長手方向に直交する方向に回転可能に組み込まれている。
【００３２】
第４のモジュール（図１０に示す）は、シャフト１３５を固定装着する穴１４９のある腕木１４３を備えている。第３のモジュール１３０が作動すると、第４のモジュール１４０の回転が生じる。第４のモジュールは、空気圧方式人工筋肉１４１、１４２を備えている。モジュール１４０の長手方向に延びる軸１４５にプーリ１４４が装着されている。筋肉が作動すると、モジュール１４０は自分自身の長手軸を中心に回転する。ケーブルが、第１の筋肉１４１からプーリ１４６を廻って、プーリ１４４まで延びていて、第１の筋肉１４１が軸方向に収縮すると、軸１４５が第１の方向に回転する。第２のケーブルが、第２の筋肉１４２からプーリ１４７を廻って、プーリ１４４まで延びていて、第２の筋肉が作動すると、軸１４５が第１の方向とは反対の第２の方向に回転する。プーリ１４４には２つの溝があり、２本のケーブルが絡まないようになっている。腕木１４３は、溝のある円形部分１４８を備え、これによって腕木１４３がモジュール１３０の腕木１３８に衝突することなしに、モジュール１４０を大きい角度で回転させることが可能となる。
【００３３】
軸１４５の端は、モジュール１５０（図１１に示す）の支持体１５３上に固定されている。従って、軸１４５が回転すると、モジュール１５０が回転する。支持体１５３には、２つの人工筋肉１５１、１５２が装着されている。これらの筋肉が軸方向に収縮すると、軸１５５が回転する。この目的のために、第１の筋肉１５１からのケーブルがプーリ１５６の周りに巻かれて固定されている。プーリ１５７はプーリ１５６の上に装着されていて一緒に回転するようになっている。１本のケーブルがプーリ１５７とプーリ１５４との周りに巻かれている。プーリ１５７はプーリ１５６、１５４より大径であり、これに対応して、プーリ１５４の回転がプーリ１５６よりも大きくなる。同様なプーリとケーブルの系が筋肉１５２に設けられている。筋肉１５２が軸方向に収縮すると、筋肉１５２が軸方向に収縮する場合とは逆の方向にプーリ１５４と軸１５５が回転する。
【００３４】
最終的に、図１２に示すように軸１５５の回転が第６のモジュール１６０の回転となる。第６のモジュール１６０は、継手１６５を介して第７のモジュール１７０に結合されている。第６のモジュールと第７のモジュールは同じように作用し、第７のモジュール１７０を参照してそれを説明する。モジュール１７０は、２つの人工筋肉１７１、１７２を備えている。スライド１７３が、モジュールの全長に亘って延びている溝１７４の内部に摺動可能に装着されている。この目的のために、スライド１７３には突起１７７がある。溝１７４は円形部分に沿って延び、スライド１７３が溝１７４の中を移動すると、継手１７５がその円の軸を中心として回転する。人工筋肉１７２からのケーブルがプーリ１７９の周りに巻かれて固定されている。プーリ１７６が、プーリ１７９と一緒に回転するように装着されている。プーリ１７６から出たケーブルがスライド１７３を介して、プーリ１７８を廻って、スライド１７３の右側（図１２）に取り付けられている。その結果、人工筋肉１７２が軸方向に収縮すると、スライド１７３が溝１７４の中を右方向へ動く。プーリ１７６、１７９に相当するプーリが、筋肉１７１に設けられている。しかし、大きなプーリからのケーブルはスライド１７３の左側（図１２）に固定され、筋肉１７１が軸方向に収縮すると、スライド１７３は左方向へ動く。スライダ１７３が、溝１７４が形成する円筒部分に沿って動くと、継手（梁）１７５とグリップ１９０がその円筒の軸を中心に回転する。
【００３５】
モジュール１６０はモジュール１７０と同様に作用する。筋肉１６１、１６２が作動すると、スライド１６３が溝１６４に沿って動き、この溝も円筒の一部を成す。こうして、筋肉１６１、１６２の作動の結果、継手１６５とモジュール１７０が円筒の軸を中心として回転する。継手１６５（および第７のモジュール１７０）の回転は、継手１７５（およびグリップ１９０）の回転と同一の軸の周りで起きる。この回転が同一の軸を中心として起きるので、運動連鎖は冗長性を持つ。この冗長性のために、手の動きは、（同一軸の周りの反対方向の回転を介して）運動連鎖のこれら以外のモジュールの動きからは、大部分を分断することが可能である。
【００３６】
グリップ１９０は、患者の親指以外の指を置く指支持体１９１と、患者の親指を置く親指支持体１９２とを備える。親指支持体１９２は、指支持体１９１にヒンジで結合されている。グリップ１９０はさらに、延伸モジュール１９３を備え、これもまた指支持体１９３にヒンジで結合されている。親指支持体１９２と延伸モジュール１９３の動きで、全ての指の延伸と屈曲が可能となり、ある種の患者に対する利点となり得る。
【００３７】
ロボットアーム１００のモジュールに沿って、さまざまなセンサが設けられてもよい。第一に、２つのモジュール間の各継手（あるいは多くの場合は軸）は、位置センサを備え、どの角度まで回転したかを計測することができる。こうして、各モジュールの位置は、運動連鎖における上流モジュールの回転の合計として知ることができる。第二に、力センサ又は圧力センサが、空気圧方式人工筋肉のそれぞれに設けられる。これらは、アクチュエータが掛ける力を計測する。第３に、グリップ１９０に結合している、ロボットアームの運動連鎖の遠位端に、１つのセンサが設けられる。このセンサは、患者の手とロボットアーム１００との間の、すべてのトルク（３つの直交軸の周りの）と力（３つの直交方向の）を計測する。こうして、患者およびロボットアームが受けるトルクと力を、常に前以って設定された閾値レベル以下に制御することが可能となる。本発明の範囲内で、この他のセンサが設けられてもよいし、運動連鎖における他の地点にセンサが配置されてもよい。センサにより計測される力、トルク、位置は電子回路１１９によって登録、格納することができる。
【００３８】
図１３、１４は、図１に示す上肢リハビリテーション訓練システムの一部である、第２のロボットアームの斜視図である。第２のロボットアーム２００は基体２１０を備え、基体は、患者が横臥するベッド１０の一部である棒（図１に示すような）に装着するための穴２１１を備えている。第１のモジュール２２０は作動すると、自身の長手軸に沿って回転する。このモジュールは更に、他動的な自由度を備え、長手軸方向に延びて、個別の患者の体に適合させることが可能である。
【００３９】
第２のモジュール２３０は、２つの空気圧方式人工筋肉２３１、２３２を備え、作動すると軸２３５に装着されたプーリ２３４の回転を誘起する。軸２３５はモジュール２４０の基体となっており、軸２３５が回転すると、モジュール２４０もまた回転する。モジュール２４０は１つの空気圧方式アクチュエータを備え、肘グリップ２９０の基台を構成する部分２４５の長さを変更する。
【００４０】
肘グリップはこれ以外のアクチュエータは含まないが、自在継手２８５による他動的な３つの自由度（図１５に示す）と、１つの軸方向回転とを有する。この他動的な３つの自由度は、ロボットの動きを肘の動きに適合させるのに必要である。
【００４１】
図で示したシステムは、多くの種類の上腕訓練に利用することが可能である。そして、半身不随を患っている患者の上腕リハビリテーション訓練に特に好適である。訓練において、患者は、第１のロボットアームのグリップに手を置き、第２のロボットアームのグリップに肘を置く。上腕訓練の方法は、運動連鎖の全体に亘って位置および荷重を計測するための複数のセンサと、複数のセンサにより供給されるデータを登録し格納するためのシステムとを備える第１のロボットアームに患者の手を置くステップと、患者の上腕の動きを誘起し、その間にその動きを登録、格納する、第２のロボットアームのグリップに、患者の肘を置くステップと、ロボットアームによって動きを再現して、患者の上腕が同じ動きを反復して行うステップと、を含む。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年3月11日(2010.3.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
システムは、さまざまな動きをすることが可能であるが、腕が実行できる動きの更に多くを遂行できるように改善する必要性が未だ残されている。また、ロボットはこれらの動きを正確に再現することが必要である。そうすれば最終的に、このロボットを利用する患者と医師との快適さが改善されるであろう。
本発明に最も近い従来技術としては、米国特許出願公開第２００８００９７７１号明細書が挙げられる。この出願は、エクソスケルトン（外骨格）、即ち人体に相当する関節と連結要素とを有する装着型ロボットに関する。このシステムと方法は、リハビリテーション医学、バーチャルリアリティ・シミュレーションおよび遠隔操作に利用可能であり、障害者と健常者の双方の利益になり得る。このシステムは、上半身の外骨格によって駆動される、人を模した７自由度を含んでいる。一実施例は、駆動モータを身近におき、ケーブルとプーリによる減速装置を遠位点に配置する。こうして、慣性が小さく、高剛性の連結要素と、バックラッシュのない逆方向駆動可能な伝達系とが実現される。
しかしながら、このシステムは、指の筋肉と関節も対象とするＰＮＦプログラムを可能とするための、指の屈伸が可能な手の配置手段を記述していない。
【手続補正２】
【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】
使用者の腕の動きを制御するロボットアーム（１００）であって、前記ロボットアームは近位端から遠位端に拡がる運動連鎖を形成し、前記使用者の手を遠位端に配置するためのグリップ（１９０）を備え、前記運動連鎖は、前記使用者の手の動きを前記運動連鎖の他の部分から分断することが可能なように、遠位領域において冗長性を有し、前記使用者の手を配置する前記グリップ（１９０）は、使用者の指を屈伸させるための機構（１９２、１９３）を備えている、ロボットアーム。
【請求項２】
前記運動連鎖は、前記ロボットアームが全ての並進と回転を遂行可能なように、少なくとも７つの自由度を有する、請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項３】
前記運動連鎖は、７つのモジュール（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０，１７０）を備え、前記運動連鎖の各モジュールは、回転を与えられるように適合されている、請求項１又は請求項２に記載のロボットアーム。
【請求項４】
人工筋肉アクチュエータ（１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２、１５１、１５２、１６１、１６２、１７１、１７２）を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボットアーム。
【請求項５】
前記人工筋肉アクチュエータは、空気圧方式人工筋肉である、請求項４に記載のロボットアーム。
【請求項６】
前記人工筋肉アクチュエータは、継手の互いに逆方向の運動を制御するために拮抗筋／作動筋の構成で使用される、請求項４又は請求項５に記載のロボットアーム。
【請求項７】
前記運動連鎖の全体に亘り位置および荷重を計測するための複数のセンサと、前記複数のセンサにより供給されるデータを登録し格納するためのシステムとを備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載のロボットアーム。
【請求項８】
前記運動連鎖の前記グリップ（１９０）への接続部において、３つの直交軸の周りのトルクと、３つの直交方向の力とを計測可能なセンサが設けられている、請求項７に記載のロボットアーム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のロボットアーム（１００）と、使用者の肘の動きを制御するための第２のロボットアームと、を備える、上肢リハビリテーション訓練用のシステム（３００）。
【請求項１０】
バーチャルリアリティ技術を更に備える、請求項９に記載の上肢リハビリテーション訓練用のシステム。
【国際調査報告】
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