(57)【要約】      （修正有）【課題】人の足首のための、非接地で、再構成可能で、パラレルメカニズムをベースにした、フォースフィードバック外骨格型装置である非接地の足首治療及び測定外骨格型装置を提供する。【解決手段】オペレータの脚に対向するベースプラットフォーム２と、オペレータの足に対向する可動プラットフォーム３と、ベースプラットフォーム２と可動プラットフォーム３とを接続する接続部材４と、接続部材４を可動プラットフォーム３に接続する関節部材５と、を具備していることを特徴としている。【選択図】図１
0003184447.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
オペレータの脚に対向するベースプラットフォームと、
前記オペレータの足に対向する可動プラットフォームと、
前記ベースプラットフォームと前記可動プラットフォームとを接続する接続部材と、
前記接続部材を前記可動プラットフォームに接続する関節部材と、
を具備していることを特徴とする、非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【請求項２】
２つの異なる種類の運動、すなわち、ＲｏＭ訓練／強化訓練と、バランス運動／固有感覚運動と、を互いに無関係に支援することができる、
請求項１記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【請求項３】
前記関節部材は、再構成可能な関節であり、それは、ロックされていない位置では、第１の軸が前記ベースプレートに対して接線方向であり第２の軸が前記ベースプレートに対して直角である、２つの軸周りに、自由に回転することができる、
請求項１又は２に記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【請求項４】
前記再構成可能な関節がロックされていない場合、一連の回転関節は、所望の前記軸周りに回転するユニバーサルジョイントとして、機能する、
請求項３記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【請求項５】
前記第２の軸がロックされている場合、前記再構成可能な関節は、前記第１の軸周りにのみ自由に回転できる回転関節として、機能するように制限される、
請求項３記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【請求項６】
前記再構成可能な関節は、バランス運動／固有感覚運動装置として前記装置が使用される３ＲＰＳメカニズムに、再構成される、ＲｏＭ訓練／強化訓練装置として、前記装置が使用される３ＵＰＳメカニズムを、可能にし、及び、その逆の場合も同じである、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【請求項７】
前記装置を前記３ＵＰＳメカニズムとして使用する場合、前記再構成可能な関節は、ロックされていない位置にあり、及び、ユニバーサルジョイントとして作動し、また、前記オペレータの脚は、前記メカニズムの中心リンクとして作動する、
請求項６記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【請求項８】
前記装置を前記３ＲＰＳメカニズムとして使用する場合、前記再構成可能な関節は、ロックされている位置にあり、及び、回転関節として作動し、また、その回転軸は、前記ベースプラットフォームの接線に沿った方向に向いている、
請求項６記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【請求項９】
前記接続部材は、駆動ユニット及び可動要素を具備している、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【請求項１０】
制御ユニット及び少なくとも２つのセンサを、更に具備している、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【請求項１１】
前記装置が、受動運動モード、能動運動モード、支援運動モード、及び抵抗運動モードを、遂行できる、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【請求項１２】
支援運動モード及び抵抗運動モードを受けて安全な訓練を可能にするために、仮想トンネル及びこれらのトンネル内部の力場が実装されている、
請求項１１記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【請求項１３】
仮想現実ゲームと組み合わされている、
請求項１２記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【請求項１４】
トルク監視装置を備えたローバストな位置制御装置を、更に具備している、
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【請求項１５】
臨床測定を実行する、
請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【請求項１６】
前記装置が、前記足首のいずれかの、軌跡、状態、及びインピーダンスを、たどっている間に、関節の形状構成、動きの速度、軌跡、軌跡のずれ、動きの円滑性、可動域、協調及び共力作用、いずれかの形状構成における最大関節トルク、及び関節トルクを、測定する、
請求項１５記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、人の足首のための、非接地の、再構成可能で、パラレルメカニズムをベースにした、フォースフィードバック外骨格型装置に関する。その装置の主な用途としては、バランス／固有感覚トレーナーが意図され、また、その外骨格型装置は、関節可動域（ＲｏＭ）訓練／強化訓練に適応するように利用することもできる。また、この装置は、中足指節関節運動にも用いられる。
【背景技術】
【０００２】
リハビリテーションの目的は、病気やけがによって低下した、患者の運動能力、感覚能力、及び神経能力を、回復させることである。一般的に、スポーツや日常生活において最もよく起こるけがである足首の捻挫の後には、足首のリハビリテーションが必要である（非特許文献１参照）。足首における、機能性、体重を支える能力、及び関節の安定性、の喪失は、脳卒中に続発する神経損傷や脳血管疾患に続発する拘縮変形の後にも起こる。理学療法訓練は、関節の可動域を取り戻し、体重を支える筋肉を再強化するのを、支援し、関節位置の良好な感覚（固有感覚）を増進させ、神経の完全性を確実にし、及び動的バランスを回復させるのに、欠かせない。
【０００３】
一般に、足首のけがのリハビリテーションは、３つの連続する訓練段階で対処する（非特許文献２、３参照）。初期段階における訓練は、まず、関節のフルＲｏＭを可能にすることに注力し、その後、足関節筋の強化に注力する。一旦、所要のＲｏＭ及び柔軟性が得られ、及び、痛みを誘発することなく、体重の一部を支えるのに十分なほどに筋肉が強くなると、治療の中間段階が始まり、静的なバランス運動による固有感覚能力の向上に注力することができる。治療の最終段階では、より高度な動的バランス運動を実践する。
【０００４】
理学療法を支援するのに用いられる従来のリハビリテーション装置は、強化訓練及びストレッチ運動用の、ゴムバンド及び足首リハビリテーション用運動靴；固有感覚及びバランス運動用の、バランスボード及びフォームローラー；等のシンプルな受動的器具である。ＲｏＭ訓練は、一般に、療法士によって手で行われる。この種の器具は、シンプルで一定の費用効果があるが、従来のそれらの器具は、患者の回復具合の定量的測定値の収集、再評価のための患者病歴のモニタリング、及びカスタマイズされたインタラクティブな治療プロトコルの実現には、不十分である。療法士は、それらの器具を用いて運動している間、運動療法の身体的負担を担って、患者に対して細心の注意を払う必要がある。
【０００５】
近年、リハビリテーション訓練は、ロボット装置の助けを借りて行われてきた。ロボット装置を用いた、反復的で身体的に複雑なリハビリテーション訓練は、療法士の運動療法に関する身体的負担をなくすだけではなく、利用関連コストを下げるのにも、役に立っている。また、ロボットを介したリハビリテーション療法は、患者の回復具合の定量的測定を可能にし、及び、カスタマイズされたインタラクティブな治療プロトコルを実現するのに、用いることができる。
【０００６】
ロボットが支援するリハビリテーションプロトコルの有益な効果は、非特許文献４の臨床試験を通じて、従来の療法に関して実証されている。足首の理学療法のためのロボット支援型リハビリテーション装置が必要であるという認識のもとに、今日まで、様々なデザインが提案されてきた。Girone等は、Stewartプラットフォーム（非特許文献５参照）に基づくRutgers Ankleというフォースフィードバックインタフェースを、提案している。非特許文献６では、Rutgers ankleを用いた、仮想現実をベースとするインタラクティブなトレーニングプロトコルが、整形外科的リハビリテーションに実施されている。そのシステムは、幾つかの症例研究を通じて非特許文献７、８で更に研究されている。非特許文献９では、在宅での足首の遠隔リハビリテーションが実施され、また、非特許文献１０では、そのシステムは、歩行シミュレーション及びリハビリテーションに用いられる、デュアルStewartプラットフォーム構成に、拡大適用されている。
【０００７】
非特許文献１１において、Dai等は、足関節捻挫を治療するための別のロボット装置を、提案している。Stewartプラットフォームデザインとは違って、この装置は、人の足首の適応ワークスペースをカバーするための十分な自由度（ＤｏＦ）を達成している。この非特許文献で示されている動静的解析は、装置に対してより高い剛性を実現するために中心支柱を採用することの重要性を、力説している。非特許文献１２では、Agrawal等は、ロボット支援型リハビリテーションのための短下肢装具を提案し、及び、その提案したメカニズムに関する動静的分析及び制御について、提示している。同様に、非特許文献１３では、Roy等によって、足首の機能の回復を補助するAnklebotが提案されている。この装置は、運動にとって大きな生体力学的因子である足首の凝りを測定するのにも、用いることができる。
【０００８】
Syrseloudis及びEmirisは、被験者を通じた、足首及び足の、並進運動及び回転ＲｏＭを、研究して、追加的な回転軸を直列に備えた並行三脚メカニズムが、人の足首に関連する足の運動学に適合する最も適当な運動学的デザインである、という結論に達した（非特許文献１４参照）。非特許文献１５では、Yoon及びRyuは、ハイブリッド４ＤｏＦパラレルメカニズムをベースとするフットパッド装置を提案し、及び、その新規な装置の運動学的解析を提示している。非特許文献３、１６においては、この研究は、幾つかの個別の運動モードを支援するためのその装置の再構成を可能にするように、拡張されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｈ．  Ｔｒｏｐｐ  ａｎｄ  Ｈ．  Ａｌａｒａｎｔａ，  Ｓｐｏｒｔ  Ｉｎｊｕｒｉｅｓ：  Ｂａｓｉｃ  Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃａｒｅ，  Ｐｒｏｐｒｉｏｃｅｐｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ  ｔｒａｉｎｉｎｇ  ｉｎ  ｉｎｊｕｒｙ  ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ．  Ｏｘｆｏｒｄ，  １９９３．
【非特許文献２】Ｄ．  Ｈｕｎｇ，  Ｍ．  Ｋｅｎｎｅｄｙ，  Ａ．  Ｒｏｗｌａｎｄ，  Ｊ．  Ｄ．  Ｐｕｒｄｙ，  ａｎｄ  Ｍ．  Ｙａｍｐｏｌｓｋｙ，  “Ａｎｋｌｅ  ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ：  Ｅｖｉｄｅｎｃｅ−ｂａｓｅｄ  ａｐｐｒｏａｃｈ，”  Ｖａｎｄｅｒｂｉｌｔ  Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  Ｓｅｒｖｉｃｅｓ．
【非特許文献３】Ｊ．  Ｙｏｏｎ，  Ｊ．  Ｒｙｕ，  ａｎｄ  Ｋ．  Ｌｉｍ，  “Ａ  ｎｏｖｅｌ  ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  ａｎｋｌｅ  ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  ｒｏｂｏｔ  ｆｏｒ  ｖａｒｉｏｕｓ  ｅｘｅｒｃｉｓｅ  ｍｏｄｅｓ，”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  （Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｆｉｅｌｄ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ），  ｖｏｌ．  ２２，  ｎｏ．  １，  ｐｐ．  １５−３３，  ２００６．
【非特許文献４】Ｒ．  Ｅｋｋｅｌｅｎｋａｍｐ，  Ｐ．  Ｖｅｌｔｉｎｋ，  Ｓ．  Ｓｔｒａｍｉｇｉｏｌｉ，  ａｎｄ  Ｈ  ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｋｏｏｉｊ，  “Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｖｉｒｔｕａｌ  ｍｏｄｅｌ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｓｕｐｐｏｒｔ  ｏｆ  ｇａｉｔ  ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ  ｕｓｉｎｇ  ａｎ  ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ，”  Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，  ２００７．  ＩＣＯＲＲ２００７．  ＩＥＥＥ  １０ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ，  ｐｐ  ６９３−６９９，  Ｊｕｎｅ  ２００７
【非特許文献５】Ｍ．  Ｇｉｒｏｎｅ，  Ｇ．  Ｂｕｒｄｅａ，  ａｎｄ  Ｍ．  Ｂｏｕｚｉｔ，  “Ｔｈｅ  Ｒｕｔｇｅｒｓ  Ａｎｋｌｅ  ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃ  ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，”  ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＡＳＭＥ  Ｈａｐｔｉｃｓ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，  ｖｏｌ．  ６７，  １９９９，  ｐｐ．  ３０５−３１２．
【非特許文献６】Ｍ．  Ｇｉｒｏｎｅ，  Ｇ．  Ｂｕｒｄｅａ，  ａｎｄ  Ｍ．  Ｂｏｕｚｉｔ，  Ｖ．  Ｐｏｐｅｓｃｕ，  ａｎｄ  Ｊ．  Ｄｅｕｔｓｃｈ，  “Ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃ  ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｒｕｔｇｅｒｓ  Ａｎｋｌｅ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，”  ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｒｅａｌｉｔｙ  Ｍｅｅｔｓ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ  ２０００，  ｐｐ．  ８９−９５．
【非特許文献７】Ｊ．  Ｅ．  Ｄｅｕｔｓｃｈ，  Ｊ．  Ｌａｔｏｎｉｏ，  Ｇ．  Ｂｕｒｄｅａ，  ａｎｄ  Ｒ．  Ｂｏｉａｎ，  “Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｕｓｃｕｌｏｓｋｅｌｅｔａｌ  ｉｎｊｕｒｉｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｒｕｔｇｅｒｓ  ａｎｋｌｅ  ｈａｐｔｉｃ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：  Ｔｈｒｅｅ  ｃａｓｅ  ｒｅｐｏｒｔｓ，”  ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ｅｕｒｏｈａｐｔｉｃｓ  ２００１，  Ｊｕｌｙ  １−４  ２００１，  ｐｐ．  ９３−９８
【非特許文献８】Ｊ．  Ｅ．  Ｄｅｕｔｓｃｈ，  Ｊ．  Ｌａｔｏｎｉｏ，  Ｇ．  Ｃ．  Ｂｕｒｄｅａ，  ａｎｄ  Ｒ．  Ｂｏｉａｎ，  “Ｐｏｓｔ−ｓｔｒｏｋｅ  ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｔｈｅ  Ｒｕｔｇｅｒｓ  ａｎｋｌｅ ｓｙｓｔｅｍ：  Ａ  ｃａｓｅ  ｓｔｕｄｙ，”Ｐｒｅｓｅｎｃｅ：  Ｔｅｌｅｏｐｅｒ．  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｅｎｖｉｒｏｎ．，  ｖｏｌ．  １０，  ｎｏ．  ４，  ｐｐ．  ４１６^１３０，  ２００１.
【非特許文献９】Ｍ．  Ｇｉｒｏｎｅ，  Ｇ．  Ｂｕｒｄｅａ，  Ｍ．  Ｂｏｕｚｉｔ，  Ｖ．  Ｐｏｐｅｓｃｕ，  ａｎｄ  Ｊ．  Ｅ．  Ｄｅｕｔｓｃｈ，  “Ａ  Ｓｔｅｗａｒｔ  ｐｌａｔｆｏｒｍ−ｂａｓｅｄ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ａｎｋｌｅ  ｔｅｌｅｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ，”  Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ  Ｒｏｂｏｔｓ，  ｖｏｌ．  １０，  ｎｏ．  ２，  ｐｐ．  ２０３−２１２，  ２００１．
【非特許文献１０】Ｒ．  Ｆ．  Ｂｏｉａｎ，  Ｍ．  Ｂｏｕｚｉｔ，  Ｇ．  Ｃ．  ＢＵＲＤＥＡ，  Ｊ．  Ｌｅｗｉｓ，  ａｎｄ  Ｊ．  Ｅ．  Ｄｅｕｔｓｃｈ，  “Ｄｕａｌ  Ｓｔｅｗａｒｔ  ｐｌａｔｆｏｒｍ  ｍｏｂｉｌｉｔｙ  ｓｉｍｕｌａｔｏｒ，”  ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＣＯＲＲ  ２００５，  ９ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，  ２００５，  ｐｐ．  ５５０−５５５．
【非特許文献１１】Ｊ．  Ｓ．  Ｄａｉ，  Ｔ．  Ｚｈａｏ，  ａｎｄ  Ｃ．  Ｎｅｓｔｅｒ，  “Ｓｐｒａｉｎｅｄ  ａｎｋｌｅ  ｐｈｙｓｉｏｔｈｅｒａｐｙ  ｂａｓｅｄ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ａｎｄ  ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ａ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  ｄｅｖｉｃｅ．”  Ａｕｔｏｎ．  Ｒｏｂｏｔｓ，  ｖｏｌ．  １６，  ｎｏ．  ２，  ｐｐ．  ２０７−２１８，  ２００４．
【非特許文献１２】Ａ．  Ａｇｒａｗａｌ，  Ｓ．  Ｂａｎａｌａ，  Ｓ．  Ａｇｒａｗａｌ，  ａｎｄ  Ｓ．  Ｂｉｎｄｅｒ−Ｍａｃｌｅｏｄ，  “Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａ  ｔｗｏ  ｄｅｇｒｅｅ−ｏｆ−ｆｒｅｅｄｏｍ  ａｎｋｌｅ−ｆｏｏｔ  ｏｒｔｈｏｓｉｓ  ｆｏｒ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ，”  Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，  ２００５．  ＩＣＯＲＲ  ２００５．  ９ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ，  ｐｐ．  ４１−４４，  Ｊｕｎｅ−１  Ｊｕｌｙ  ２００５
【非特許文献１３】Ａ．  Ｒｏｙ，  Ｈ．  Ｋｒｅｂｓ，  Ｓ．  Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ，  Ｔ．  Ｊｕｄｋｉｎｓ，  Ｉ．  Ｋｈａｎｎａ，  Ｌ．  Ｆｏｒｒｅｓｔｅｒ，  Ｒ．  Ｍａｃｋｏ，  ａｎｄ  Ｎ．  Ｈｏｇａｎ，  “Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｈｕｍａｎ  ａｎｋｌｅ  ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ  ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ａｎｋｌｅｂｏｔ，”  Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，  ２００７．  ＩＣＯＲＲ  ２００７．  ＩＥＥＥ  １０ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ，  ｐｐ．  ３５６−３６３，  Ｊｕｎｅ  ２００７．
【非特許文献１４】Ｃ．  Ｅ．  Ｓｙｒｓｅｌｏｕｄｉｓ，  Ｉ．  Ｚ．  Ｅｍｉｒｉｓ，  Ｃ．  Ｎ．  Ｍａｇａｎａｒｉｓ，  ａｎｄ  Ｔ．  Ｅ．  Ｌｉｌａｓ，  “Ｄｅｓｉｇｎ  ｆｒａｍｅｗｏｒｋ  ｆｏｒ  ａ  ｓｉｍｐｌｅ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ａｎｋｌｅ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  ｄｅｖｉｃｅ，”  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｉｎ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ  ａｎｄ  Ｂｉｏｌｏｇｙ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，  ２００８．  ＥＭＢＳ  ２００８．  ３０ｔｈ  Ａｎｎｕａｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ，  ｐｐ．  ４３１０−４３１３，  ＡＵＧ．  ２００８．
【非特許文献１５】Ｊ．  Ｙｏｏｎ  ａｎｄ  Ｊ．  Ｒｙｕ，  “Ａ  ｎｅｗ  ｆａｍｉｌｙ  ｏｆ  ｈｙｂｒｉｄ  ４−ＤｏＦ  ｐａｒａｌｌｅｌ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ  ｗｉｔｈ  ｔｗｏ  ｐｌａｔｆｏｒｍｓ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ａ  ｆｏｏｔｐａｄ  ｄｅｖｉｃｅ，”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  ｖｏｌ．  ２２，  ｎｏ．  ５，  ｐｐ．  ２８７−２９８，  ２００５．
【非特許文献１６】“Ａ  ｎｏｖｅｌ  ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  ａｎｋｌｅ／ｆｏｏｔ  ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  ｒｏｂｏｔ，”  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，  ２００５．  ＩＣＲＡ  ２００５．  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２００５  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ，  ｐｐ．  ２２９０−２２９５，  Ａｐｒｉｌ  ２００５．
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本考案の目的は、再構成可能なデザインを有する装置を提供することである。その実施は簡単であり、また、その装置は、市販の部品を集めて造ることができる。その再構成が可能であることにより、その装置は、ＲｏＭ訓練／強化訓練、及び、バランス運動／固有感覚運動の、両方を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本考案の実施形態によれば、その装置は、ＲｏＭ訓練／強化訓練の場合の、人の足首の全ての複雑な範囲を、カバーすることが可能である。その装置は、バランス運動／固有感覚運動中の人の体重を支持することができる。また、ベースプレートのその再構成可能なデザインによって、中足指節関節運動も可能である。
【００１２】
本考案の実施形態によれば、その装置は、臨床測定ツールとして利用することができる。診断を支援するために、足関節レベルの、運動、力、及びインピーダンスを、測定することができる。
【００１３】
本考案の実施形態によれば、その装置は、人間工学的であり、人の足首の全可動域を可能にする。その装置は、軽量で装着可能であり、そのため、携帯可能である。その装置は、そのアクチュエータの選択により、本質的に安全である。
【００１４】
本考案の実施形態によれば、その装置は、その並行運動学的構造及び最適化された処理能力により、同様の装置よりも高い制御能力を有している。
【００１５】
本考案の実施形態によれば、その装置は、足の複雑な動作を支援し、及び、多くの現存するデザインの場合と同様の単一の自由度に限定されない。
【００１６】
本考案の実施形態によれば、その装置は、理学療法の実施時に、患者を、案内し、支援し、又は患者に抵抗するように、プログラムされ、及び、コンピュータシステムを用いて実施される。支援及び抵抗のレベルは、ソフトウェアで調節可能である。また、その装置は、足首の状態やインピーダンス等の、足関節パラメータを、評価するようにプログラムすることもできる。
【００１７】
本考案による装置の態様は、リハビリテーションロボット、ロボット支援型リハビリテーション、理学療法装置、フォースフィードバック外骨格型構造物、医療用触覚インタフェース、臨床測定装置、足首リハビリテーションシステム、短下肢装具、足首理学療法用リハビリテーション装置、足首機能を評価する装置、及び足首インピーダンスの測定に、関連している。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本考案の外骨格型装置の斜視図である。
【図２】３ＵＰＳ構成の外骨格型装置の側面図である。
【図３】３ＲＰＳメカニズムとして作動する外骨格型装置の斜視図である。
【図４】３ＵＰＳメカニズムとして作動する場合の外骨格型装置の斜視図であり、中央のリンクは、人の足及び足首を示す。
【図５】外骨格型装置に用いられる関節部材の、ロックされていない位置での、斜視図である。
【図６】外骨格型装置に用いられる関節部材の、ロックされた位置での、斜視図である。
【図７】反作用トルク監視装置を備えたローバストな位置制御装置のブロック図である。
【考案を実施するための形態】
【００１９】
好適な実施形態に関する以下の説明は、本質的には単なる例示的なものであり、及び、本考案、その適用、又は用途を、限定するような意図は全くない。
【００２０】
オペレータの足に対向する可動プラットフォーム２と、
そのオペレータの脚に対向するベースプラットフォーム３と、
ベースプラットフォーム３と可動プラットフォーム２とを接続する接続部材４と、
を具備している、足首治療及び測定外骨格型装置１。
【００２１】
外骨格型装置(exoskeleton device)１は、接続部材４をベースプラットフォーム３に接続する関節部材５を、更に具備している。外骨格型装置１は、関節部材５の助けを借りて、２つの異なる種類の運動、すなわち、ＲｏＭ訓練／強化訓練と、バランス運動／固有感覚運動と、を互いに無関係に支援することができる。関節部材５は、選択的に異なるモードにすることができる。本考案の好適な実施形態において、その関節部材は、ユニバーサルジョイントと回転関節との間で、切り替えられる。
【００２２】
本考案の好適な実施形態において、接続部材４は、球面関節を用いることによって、可動プラットフォーム２に接続される。
【００２３】
足関節は、２つの回転関節（ＲＲ）、すなわち、上部足関節と距骨下関節とを備えた、空間的連続キネマティックチェーンとして、モデル化することができる。その上部足関節は、回転背屈／底屈運動を支持し、一方、その距骨下関節は、回転回外／回内運動を支持する。回外／回内回転は、内反／外反成分及び外転／内転成分の両方を有する複雑な運動である。
【００２４】
本考案の好適な実施形態に用いられるキネマティックチェーンは、クローズドキネマティックチェーン（パラレルメカニズム）である。クローズドキネマティックチェーンは、オペレータが装置１を装着した場合に、外骨格として機能し、及び、人の関節の自然な動きを可能にし及び支援する。クローズドキネマティックチェーンは、高剛性を有するコンパクトなデザインを呈し、及び、低有効慣性を有している。そのクローズドキネマティックチェーンのアクチュエータは、接地することができ、又は、低加速度を受けるメカニズムの部材上に配置することができる。
【００２５】
本考案において用いられるクローズドキネマティックチェーンは、関節部材５の助けを借りて、少なくとも２つの異なるメカニズムとして、用いることができる。このことによって、装置１は、再構成可能な特性を得ている。本考案の好適な実施形態において、その装置は、互いに無関係に、３ＵＰＳ（ユニバーサル（universal）、直動（prismatic）、球面（spherical））及び３ＲＰＳ（回転（revolute）、直動（prismatic）、球面（spherical））メカニズムとして、用いることができる。
【００２６】
本考案の好適な実施形態において、関節部材５は、ロックされていない位置及びロックされている位置で、選択的に用いることのできる、再構成可能な関節である。ロックされていない位置では、再構成可能な関節５は、２つの軸Ａ、Ｂ周りに自由に回転することができる。第１の軸Ａは、ベースプレート３に対して接線方向であり、一方、第２の軸Ｂは、ベースプレート３に対して直角である。関節５がロックされていない場合、一連の回転関節は、所望の前記軸周りに回転するユニバーサルジョイントとして、機能する。第２の関節軸Ｂがロックされている場合には、再構成可能な関節５は、第１の軸Ａ周りにのみ自由に回転することができる回転関節として、機能するように制限される。したがって、再構成可能な関節５は、３ＵＰＳメカニズムを３ＲＰＳメカニズムに再構成できるようになっており、また、逆も同様に可能である。
【００２７】
接続部材４は、基本的に、駆動ユニット６及び可動要素７を、具備している。駆動ユニット６は、必要な力を可動要素７に加えることができ、その結果、可動要素７は動くことができる。本考案の好適な実施形態において、駆動ユニット６は、電動モータであり、それに対して、可動要素７は、少なくとも１つの伸長リンクである。
【００２８】
クローズドキネマティックチェーンを３ＵＰＳメカニズムとして用いる場合、再構成可能な関節５は、ロックされていない位置にあり、換言すれば、その関節は、所望の軸Ａ、Ｂ周りに自由に回転することができ、ユニバーサルジョイントとして、作動する。更に、オペレータの脚は、そのメカニズムの中心リンクとして作用し、換言すれば、そのオペレータの足首は、そのメカニズムの１つの部材となる。本考案の好適な実施形態において、そのメカニズムは、対称的な３ＵＰＳメカニズムであり、この場合、ユニバーサルジョイント５及び球面関節は、ベースプラットフォーム３及び可動プラットフォーム２の周囲に沿って１２０°離間されている。ユーザが装着すると、人の足首に取り付けられた３ＵＰＳメカニズムは、固定されているベースプラットフォーム３に対する可動プラットフォーム２の連成運動に相当する２つの自由度（ＤｏＦ）を有する。伸長リンク７の長さは、これらのＤｏＦを制御するように作動する。可動プラットフォーム２は、ベースプラットフォーム３からｚの距離にあり、及び、ベース２を通る垂直軸に直角な並進運動はできない。オペレータが完全に受動的であっても、２つのＤｏＦの３ＵＰＳメカニズムは、３つの作動関節を有しており、すなわち、冗長メカニズムである。装置１が、その作動範囲内の特異点に近づく場合、特異点解消が実現可能になるため、この冗長性は、装置１の有効作動範囲を大きくするのに利用することができる。
【００２９】
クローズドキネマティックチェーンを３ＲＰＳメカニズムとして用いる場合、再構成可能な関節５は、ロックされている位置にあり、換言すれば、第２の軸Ｂ周りの関節５の回転運動が防止されている。再構成可能な関節５は、回転関節として作動し、また、その回転軸は、ベースプラットフォーム３の接線に沿った方向に向いている。ベースプラットフォーム３は、足の内旋／外旋を可能にするために、受動回転関節を介して、脚の上部ふくらはぎの中央に取り付けられる。本考案の好適な実施形態において、そのメカニズムは、対称的な３ＲＰＳメカニズムであり、この場合、回転関節５及びその球面関節は、ベースプラットフォーム３及び可動プラットフォーム２の周囲に沿って１２０°離間されている。３ＲＰＳメカニズムは、高さｚに相当する３つの自由度を有している。伸長リンク７の長さは、これらのＤｏＦを制御するように作用する。可動プラットフォーム２は、ベースプラットフォーム３を通る垂直軸に直角な、限定された並進運動が、可能であるが、回転関節角度に関する制限値に対する特異点はない。
【００３０】
クローズドキネマティックチェーンが３ＵＰＳモードになっている場合、装置１は、ＲｏＭ訓練／強化訓練装置として、使用することができ、一方、３ＲＰＳモードになっている場合には、バランス運動／固有感覚運動装置として、使用することができる。
【００３１】
外骨格型装置１とオペレータとの間の結合は、安全性を確実にするように、及び、小さな関節ずれ及び小さなモデリングの不完全性を、可能にするように、柔軟に構成される。装置１の運動が、足首の自然な動きと矛盾する場合には、その柔軟性が、装置１に対する人の四肢の相対運動を可能にする。
【００３２】
本考案の一実施形態において、装置１の重量は、ひざの周りの締まったストラップによって、上部脚及び上部のふくらはぎの中央にわたって分散される。
【００３３】
本考案の別の実施形態においては、装置１の重量は、装置１をオペレータの肩から吊るすことによって、体全体に分散させることができる。
【００３４】
外骨格型装置１は、更に、制御ユニット（図示せず）と、少なくとも２つのセンサ（図示せず）と、を具備している。それらのセンサのうちの一方は、接続部材４の長さを測定し、一方、第２のセンサは、関節部材５の軸方向回転量を測定する。これらの要素の測定されたデータは、装置１の形状構成を計算し、及び、装置１に作用する力を判断するために、制御ユニットによって処理される。具体的には、可動プラットフォーム２の形状構成を計算するために、装置１の順運動学が用いられ、一方、装置１に作用する力を判断するために、ソフトウェアで実行される反作用トルク監視装置によって、装置１の動力学が用いられる。
【００３５】
足首パラメータを判断するためには、回転関節の回転軸とともに、キネマティックチェーンのリンク７の長さが、分からなければならない。かなり正確な判断を得るために、足首のＸ線像を検討することができるため、オペレータの骨長の測定は、比較的容易である。しかし、足首の動きは、足骨のサイズ及び方向と、関節表面の形状と、に依存するため、その回転軸の測定は困難である。Ｘ線像を検討することによって、関節軸の方向判断のみを得ることができる。足首の動きを検討するには、関節軸のより正確な判断が所望され、また、そのような判断は、その外骨格型装置で集められたデータによって実行可能である。
【００３６】
骨長に関する良好な判断を前提とすると、人の足首の回転関節の回転軸は、オペレータに自由なＲｏＭ運動を実行することを指示することにより、及び、伸長リンク７と好ましくは関節部材５上に配置された３つの回転センサとから、位置データを収集することにより、測定することができる。データが利用できるようになれば、各時刻における可動プラットフォーム２の形状構成に対する、３ＵＰＳメカニズムの形状構成レベルの順運動学が、解決される。一旦、足の形状構成が記録されると、回転関節の軸及び３つの軸周りの回転量に対して、未知の（人の足首を示す）回転関節軸を有する２つのリンクＲＲマニピュレータに関する形状構成レベルの逆運動学が、解決される。
【００３７】
結合された３ＵＰＳ−ＲＲシステム（人の足首に結合された外骨格型装置）に関する形状構成及び運動レベルの順運動学及び逆運動学と、外骨格型装置１のみの動力学的特性と、を前提とすると、その足首の動力学的特性を明らかにするために、反作用トルク監視装置を備えたローバストな位置制御装置を、実装することができる。具体的には、外骨格型装置１は、ローバストな位置制御装置を用いて、足首に所望の軌跡をたどるように命令することができるが、この動作中には、その足首の未知の動力学による外乱力を判断することができる。その制御装置の実施においては、そのシステムに作用する外乱が単にその足首の未知の動力学によるものであることを確実にするために、外骨格型装置１に関する既知の動力学による力が、フィードフォワード方式でそのシステムに加えられる。このような制御の下で、その制御装置によって命令された力が、その足首のモデル化されていない動力学に対抗するようになる。したがって、そのアクチュエータの力は、足首の関節トルクに対応付けることができ、及び、他の全ての外乱が比較的小さいと仮定すると、これらのトルクは、足首動力学による実際の関節トルクに近い推定値をもたらす。
【００３８】
外骨格型装置１は、受動運動モード、能動運動モード、支援運動モード、及び抵抗運動モードを、遂行することができる。支援及び抵抗を受けて安全な訓練を可能にするために、仮想トンネル及びこれらのトンネル内部の力場を、実装することができる。
【００３９】
３ＵＰＳ構成の装置１は、その全可動域において、足首の可能な全ての動きを可能にするので、臨床測定に用いることが可能である。まず、その装置は、患者の可動域を測定するのに用いることができる。患者が彼又は彼女の足首を動かすと、その装置は、この動きの経時変化（軌跡）を測定して記録することができる。その測定された動きの経時変化を前提とすると、患者がどれほど速く動作を完了したかということと、基準の軌跡に対して含まれている誤差量と、それらの動作がどの程度円滑又は断続的であるかということと、を判断することが可能である。装置１の運動学は分かっているため、測定された形状構成変化を、足関節の回転に対応付けることも可能である。この能力は、足関節の動きの、方向、速度、及び円滑性、の測定を可能にする。関節動作の協調及び共力作用も、これらの測定値から検出することができる。
【００４０】
上述したように、ローバストな位置制御装置を用いること、及び、外骨格型装置１に所望の軌跡をたどるように命令すること、によって、この動作中に、足首の未知の動力学による外乱力を判断することが可能である。これらの力もまた、足首の運動学を用いて、その足首の関節トルクに対応付けることができる。この測定方法は、足首がどのような形状構成であっても、患者が患者の足首のインピーダンス及び状態に及ぼすことができる最大の関節トルクを測定するのに用いることができる。具体的には、そのローバストな位置制御装置の利得が、いずれかの参照形状構成に留まるように設定され、及び、患者に、彼又は彼女の足関節に最大トルクを加えるように依頼した場合、関連する軸周りの人の足関節トルクを判断するために、その制御装置に作用する外乱力を関節トルクに対応付けることができる。そして、そのローバストな位置制御装置の場合の予め指定された基準軌跡を前提とすると、その関節トルクを各時刻において判断することができ、及び、その関節の回転と関節トルクとの関係を、足首インピーダンス及び／又は状態を判断するのに用いることができる。
【００４１】
本考案の別の実施形態においては、非接地で、装着可能で、再構成可能な、足首治療及び測定外骨格型装置を、仮想現実ゲームと組合わせることができる。
【００４２】
本考案の上記の説明は、本質的には単なる例示的なものであり、したがって、本考案の主旨から逸脱しない変形が本考案の範囲内にあることが、意図されている。そのような変形は、本考案の趣旨及び範囲からの逸脱と見なすべきではない。
【符号の説明】
【００４３】
１  外骨格型装置  ２  ベースプラットフォーム  ３  可動プラットフォーム
４  接続部材  ５  関節部材
【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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