(57)【要約】  【課題】  操作者が接触していないフリー状態における整復装置の駆動手段の駆動を防止し、誤作動を抑制する整復装置およびその調整方法を提供する。  【解決手段】  整復装置として下腿や足を保持する足裏当て部材１１０（下腿支持台を含む）と、力を計測する力センサとを有する装置を採用する。足裏当て部材１１０に力を作用させるモータを設ける。モータを制御するコントロールユニットと、足裏当て部材１１０の回転角を出力するエンコーダ４２３とを設ける。力センサが計測する足裏当て部材１１０にかかる重力の向きと反対側の向きに重力と同じ大きさの力ベクトルを仮想的に生成することで、力センサによる力の計測値をほぼ０にする。エンコーダ４２３から出力する回転角度データをコントロールユニットに供給し、回転角度と同じ角度だけ生成する力ベクトルの向きを回転させる。【選択図】        図７
2008113672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を保持可能に構成されているとともに、所定の軸の周りに回転可能に構成された対象物保持手段と、
上記対象物保持手段に作用する力を計測可能に構成された力計測手段と、
上記対象物保持手段に対して力を作用させる駆動手段と、
上記駆動手段を制御するとともに、上記力計測手段および上記駆動手段との間で情報データを通信可能に構成された制御手段と、
上記対象物保持手段の回転角度を出力する回転角度出力手段とを有し、
上記制御手段により、上記力計測手段により計測される上記対象物保持手段にかかる重力の向きとは反対側の向きに、上記対象物保持手段にかかる重力の大きさと同じ大きさの力ベクトルを生成することによって、上記力計測手段による計測値がほぼ０とされ、
上記回転角度出力手段から出力された回転角度データが上記制御手段に供給された段階で、上記回転角度データに基づいて、上記回転角度と同じ角度だけ、上記力ベクトルの向きが回転されるように構成されている
ことを特徴とする整復装置。
【請求項２】
対象物を保持可能に構成されているとともに、所定の軸の周りに回転可能に構成された対象物保持手段と、上記対象物保持手段に作用する力を計測可能に構成された力計測手段と、上記対象物保持手段に対して力を作用させる駆動手段と、上記駆動手段を制御するとともに、上記力計測手段および上記駆動手段との間で情報データを通信可能に構成された制御手段と、上記対象物保持手段の回転角度を出力する回転角度出力手段とを有する整復装置の調整方法であって、
上記制御手段により、上記力計測手段により計測される上記対象物保持手段にかかる重力の向きとは反対側の向きに、上記対象物保持手段にかかる重力の大きさと同じ大きさの力ベクトルを生成して上記力計測手段による計測値をほぼ０とし、上記回転角度出力手段から出力された回転角度データを上記制御手段に供給して、上記制御手段により上記回転角度データに基づいて、上記回転角度と同じ角度だけ上記力ベクトルの向きを回転させるようにした
ことを特徴とする整復装置の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、整復装置およびその調整方法に関し、特に、大腿部骨折などの患者の下肢を整復治療する際に用いられる整復装置に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、人が骨折や脱臼をした場合に、これを治療するために整復治療が行われる。そして、整復治療を行う場合には、医師や整復師などの整復治療を行う者が、自らの力で患者の脚などに伸縮、曲げ、あるいは捻りなど各種の動作を行わせていた。しかしながら、患者の脚などに各種の動作を行なわせるためには、相当大きな力が必要であり、医師や整復師などに重労働を強いることになる。
【０００３】
そこで、このような問題を解決するために、整復装置が用いられる。この整復装置においては、力が加えられた方向に力をアシストする、パワーアシスト制御が行われる。すなわち、骨折整復装置におけるパワーアシスト制御は、人間が力を加えた場合に、その力（パワー）を支援（アシスト）する方向にモータを駆動させる。
【０００４】
従来技術においては、１つの力センサを備えるのみで２つの力を計測可能にするとともに、外部からの力を検知して力を補助するように駆動系を駆動させるために、フットスイッチを踏んだ瞬間の、力センサの値をアシスト対象力の原点（検知基準）とし、その後の力の変化を、力センサにより測定し、アシスト原点との差を求めて、アシスト対象力を検出する構成が採用されている。
【０００５】
そして、足首より足側を固定するための下腿支持台や足裏当て部材などが接触されて設けられている。整復手術においては、この下腿支持台を移動させたり回転させたりすることによって、足の整復が行われる。
【特許文献１】特開２００４−３４８６９９号公報（図１）
【特許文献２】特開２００３−２５２６００号公報
【特許文献３】特許第３１８８９５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、この下腿支持台に対し、操作者も全く手を触れていない状態、いわゆるフリー状態の時であっても、整復装置のパワーアシストが働き、下腿支持台（およびその付属物）が動いてしまうという現象が生じた。
【０００７】
したがって、この発明の目的は、操作者も全く手を触れていない状態、いわゆるフリーの状態の時であっても、整復装置の駆動手段が駆動するのを防止して、誤作動を抑制可能な整復装置およびその調整方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、この発明の第１の発明は、
対象物を保持可能に構成されているとともに、所定の軸の周りに回転可能に構成された対象物保持手段と、
対象物保持手段に作用する力を計測可能に構成された力計測手段と、
対象物保持手段に対して力を作用させる駆動手段と、
駆動手段を制御するとともに、力計測手段および駆動手段との間で情報データを通信可能に構成された制御手段と、
対象物保持手段の回転角度を出力する回転角度出力手段とを有し、
制御手段により、力計測手段により計測される対象物保持手段にかかる重力の向きとは反対側の向きに、対象物保持手段にかかる重力の大きさと同じ大きさの力ベクトルを生成することによって、力計測手段による計測値がほぼ０とされ、
回転角度出力手段から出力された回転角度データが制御手段に供給された段階で、回転角度データに基づいて、回転角度と同じ角度だけ、力ベクトルの向きを回転させるように構成されている
ことを特徴とする整復装置である。
【０００９】
この発明の第２の発明は、
対象物を保持可能に構成されているとともに、所定の軸の周りに回転可能に構成された対象物保持手段と、対象物保持手段に作用する力を計測可能に構成された力計測手段と、対象物保持手段に対して力を作用させる駆動手段と、駆動手段を制御するとともに、力計測手段および駆動手段との間で情報データを通信可能に構成された制御手段と、対象物保持手段の回転角度を出力する回転角度出力手段とを有する整復装置の調整方法であって、
制御手段により、力計測手段により計測される対象物保持手段にかかる重力の向きとは反対側の向きに、対象物保持手段にかかる重力の大きさと同じ大きさの力ベクトルを生成して力計測手段による計測値をほぼ０とし、回転角度出力手段から出力された回転角度データを制御手段に供給して、制御手段により回転角度データに基づいて、回転角度と同じ角度だけ力ベクトルの向きを回転させるようにした
ことを特徴とする整復装置の調整方法である。
【発明の効果】
【００１０】
この発明による整復装置および整復装置の調整方法によれば、操作者が全く手を触れていない状態、いわゆるフリーの状態時において、整復装置の駆動手段が動き出すのを防止することができ、誤作動を抑制可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、以上の発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の一実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００１２】
まず、この発明の一実施形態による整復装置について説明する。図１に、この一実施形態による整復部を示す。なお、この一実施形態による整復装置は、いわゆる整復ロボットと称される整復部と、この整復部の制御を行うコントロール部とから構成される。
【００１３】
（整復部）
図１に示すように、この一実施形態による整復部は、患者Ｋの下肢Ｋ１に整復治療を施すものであり、下肢Ｋ１を整復すべき患者Ｋの少なくとも下半身を支える支持台５０を備えている。また、図２に患者Ｋに対する整復装置の可動方向である６軸を示す。
【００１４】
図１に示すように、支持台５０には、直線的に形成された揺動アーム５２が略水平面内において揺動自在に取り付けられている。揺動アーム５２の駆動、すなわち揺動は、医師または整復師による手動操作、または図示省略したアーム駆動手段（なお、駆動源は、図３に示す「モータ１２０」）によって行われる。このアーム駆動手段により揺動アーム５２の揺動動作を自動的に行わせる場合には、位置決めボルト５２Ａを電磁チャック（図示せず）などに換え、揺動アーム５２の位置決めおよびその解除も自動化することが好ましい。
【００１５】
揺動アーム５２の自由端部には、支持プレート５６が固着されている。この支持プレート５６には、揺動アーム５２を任意の位置で停止、固定するためのストッパ５６Ｂが設けられている。ストッパ５６Ｂについては、アーム駆動手段により揺動アーム５２の揺動動作を自動的に行わせる場合には、揺動アーム５２の固定およびその解除を自動的に行い得る機材に変える。揺動アーム５２の直上に、患者Ｋの下腿Ｋ２を支持する下腿支持台５８が配設されている。揺動アーム５２は、この下腿支持台５８を略水平面内で揺動させるためのものである。
【００１６】
また、この一実施形態による整復部５は、下腿支持台５８をほぼ水平な軸線６０の周りに移動、すなわち回転させるための第１可動テーブル６１と、この第１可動テーブル６１を回転駆動する第１駆動手段としてのモータ６２とを備えている。
【００１７】
また、整復部５は、下腿支持台５８を略垂直方向に移動させるための第３可動テーブル６４と、この第３可動テーブル６４を駆動する第３駆動手段６５と、下腿支持台５８を略水平方向に移動させるための第２可動テーブル６７と、この第２可動テーブル６７を駆動する第２駆動手段６８とを有している。
【００１８】
上述した揺動アーム５２、第１可動テーブル６１、第２可動テーブル６７、第３可動テーブル６４および下腿支持台５８は、段階的に支持台５０に取り付けられている。この一実施形態においては、揺動アーム５２、第３可動テーブル６４、第２可動テーブル６７、第１可動テーブル６１および下腿支持台５８の順序で段階的に取り付けられ、その最終段である第１可動テーブル６１に下腿支持台５８が取り付けられている。なお、揺動アーム５２および各可動テーブル６１，６７，６４の取り付け順序は適宜変更可能である。
【００１９】
上述した揺動アーム５２は、図１および図２に示す患者Ｋの下肢Ｋ１に左右（矢印Ｘ方向）移動動作、すなわち揺動動作を行なわせるため、また、下腿支持台５８を患者Ｋの左足、右足のいずれかに対応させて位置させるために用いられる。
【００２０】
また、第１可動テーブル６１は、患者Ｋの下肢Ｋ１に捻り（図２中矢印Ｒ方向）動作を行わせるために用いられる。また、第２可動テーブル６７は、下肢Ｋ１に前後（矢印Ｙ方向）への移動動作、すなわち伸縮動作を行わせるために用いられる。また、第３可動テーブル６４は、下肢Ｋ１に上下（矢印Ｚ方向）移動動作を行なわせるために用いられる。
【００２１】
次に、上述したそれぞれの構成要素について説明する。まず、下腿支持台５８を略水平な軸線６０の周りに移動させる、すなわち患者の下肢Ｋ１に捻り（矢印Ｒ方向）動作を行なわせるための第１可動テーブル６１およびモータ６２（第１駆動手段）について説明する。
【００２２】
図１に示すように、第１可動テーブル６１は円盤状に形成され、モータ６２の出力軸（後述）に装着されている。下腿支持台５８は、この第１可動テーブル６１に対して自在継手７２および中継プレート７３を順次介して連結されている。下腿支持台５８と第１可動テーブル６１との間に介装された自在継手７２は、略水平な軸線の周りに回転自在に構成されているとともに、略垂直な軸線の周りに回転自在に構成されている。また、中継プレート７３の前端部に円形の座が形成され、自在継手７２の下端が嵌着されている。中継プレート７３の後端は、第１可動テーブル６１に嵌着されている。
【００２３】
次に、下腿支持台５８を略垂直方向に移動させる、すなわち、患者の下肢Ｋ１に上下（矢印Ｚ方向）移動動作を行なわせるための第３可動テーブル６４および第３駆動手段６５の構成について説明する。
【００２４】
図１に示すように、揺動アーム５２の自由端部に装着された支持プレート５６上には、ガイド部材７５が立設されている。このガイド部材７５に、第３可動テーブル６４が上下（矢印Ｚ方向）において移動自在に取り付けられている。具体的に、ガイド部材７５に中間部材７６が上下動自在に取り付けられており、この中間部材７６に対して昇降部材７７が上下動自在に取り付けられている。第３可動テーブル６４は、この昇降部材７７の上端部に搭載されている。
【００２５】
この第３駆動手段６５においては、モータ８３を作動させることによって中間部材７６が上下動する。これにより、第３可動テーブル６４が上下動し、下腿支持台５８の移動がなされる。なお、第３可動テーブル６４および下腿支持台５８は、昇降部材７７に対して左右（矢印Ｘ方向）に沿って揺動可能である。
【００２６】
次に、下腿支持台５８を略水平方向に移動させる、すなわち患者の下肢Ｋ１を前後（矢印Ｙ方向）に移動させる動作、すなわち伸縮動作を行なわせるための第２可動テーブル６７および第２駆動手段６８について説明する。
【００２７】
この第２駆動手段６８は、直線駆動装置からなり、インナブロック（図示せず）を備えている。また、第２可動テーブル６７は、このインナブロックの上面にボルトにて締結されている。このように構成された第２駆動手段６８においては、モータ９７が作動することによって、インナブロックに締結されている第３可動テーブル６７が移動する。よって、下腿支持台５８を略水平方向に沿って移動可能となる。
【００２８】
また、自在継手７２に設けられた、略水平な軸線の周りに移動自在、すなわち回転自在に構成された継手部材７２Ａには、継手部材７２Ａをその回転中心軸線周りに回転させる第４駆動手段としての中空モータ１０２が内蔵されている。また、継手部材７２Ａとともに自在継手７２を構成する、ほぼ垂直な軸線の周りに移動自在、すなわち回転自在に構成された第２継手部材７２Ｂには、この第２継手部材７２Ｂをその回転中心軸線の周りに回転させる第５駆動手段としての中空モータ１０４が内蔵されている。
【００２９】
このような構成において、中空モータ１０２を作動させることによって、下腿支持台５８を、矢印Ｑ（図２参照）の示す方向に移動させることが可能となる。すなわち、患者の足首Ｋ４に対して前後への曲げ動作を行わせることができる。また、他の中空モータ１０４を作動させると、下腿支持台５８が矢印Ｐで示す方向に移動し、これによって、患者の足首Ｋ４に対して左右の振り動作を行なわせることができる。
【００３０】
また、図１に示すように、下腿支持台５８は、患者Ｋの足Ｋ３と、下腿Ｋ２の下部側を載せて保持可能な大きさのテーブル状に構成されている。この下腿支持台５８には、患者Ｋの足裏を当てるために、下腿支持台５８の端部に設けられた足裏当て部材１１０、および患者Ｋの下腿Ｋ２を固定する固定手段としてのバンド１１１が設けられている。なお、これらの足裏当て部材１１０、バンド１１１および下腿支持台５８の質量は合計で約３ｋｇ程度である。そのため、足Ｋ３が載せられていない状態かつ操作者が触れていない状態（以下、フリー状態）であっても、後述する力センサ１１４には、これらの質量に応じた重力（エンドエフェクタ重）がかかるので、重力キャンセル処理が実行され、フリー状態で６軸の検知量がほぼ０になるように設定されている。
【００３１】
また、揺動アーム５２は、手動で伸縮可能に構成されている。なお、揺動アーム５２の伸縮は、手動方式に限定するものではなく、自動化も可能である。例えば、ボールねじ機構と、このボールねじ機構を作動させるモータなどの駆動機構とからなるアーム伸縮手段とから実現可能である。
【００３２】
（コントロール部）
次に、整復部５を制御する、この一実施形態によるコントロール部について説明する。図３に、この発明の一実施形態によるコントロール部を示す。
【００３３】
図３に示すように、この一実施形態によるコントロール部は、システム全体をコントロールするコントロールユニット１１３、下肢Ｋ１を種々動かしたときに下肢Ｋ１に加わる力を検出可能に構成された単体の力センサ１１４、この力センサ１１４によって検出された力を表示する力表示部１１５と、持ち運び移動可能なオペレーションボックス１１７とオンオフのスイッチとしてのフットスイッチ１２１を備えている。
【００３４】
また、コントロールユニット１１３には、ドライバ１１８を介して、上述したアーム駆動手段が含むモータ１２０、および第１〜第５駆動手段としての、それぞれのモータ６２，９７，８３，１０２，１０４が接続されている。
【００３５】
また、このコントロールユニット１１３は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）とＲＯＭおよびＲＡＭなどのメモリとからなる情報処理部、および補助記憶部などを有して構成されている。そして、このように構成されたコントロールユニット１１３は、リアルタイムＯＳをベースにしたアプリケーションが格納されて構成されている。
【００３６】
また、このコントロールユニット１１３におけるリアルタイムＯＳをベースとして、実時間性を確保するために、ユーザタスクやリアルタイムタスクなどの各種タスクが組み合わされて、例えば１ｋＨｚの制御ループによって整復部５を制御する種々の処理が行われている。また、このコントロールユニット１１３には、力センサ１１４よる力の計測値が、データにより供給される。
【００３７】
次に、上述した構成の整復部５の作用について説明する。図１に示すように、患者Ｋの下肢Ｋ１に整復治療を施す場合には、患者Ｋを仰臥させた状態で、下半身を支持台５０上に載置させ、上半身を適宜テーブル（図示せず）などで支える。そして、患者Ｋの下腿Ｋ２および足Ｋ３を下腿支持台５８に載置させ、バンド１１１で下腿Ｋ２を固定する。
【００３８】
次に、整復治療すべき内容に応じてオペレーションボックス１１７を適宜操作し、揺動アーム５２、第１〜第３可動テーブル６１、６７、６４、または自在継手７２の継手部材７２Ａ、７２Ｂを駆動する。すなわち、図２に示すように、下肢Ｋ１を左右（矢印Ｘ）方向に動かす場合には、揺動アーム５２をＸ方向に揺動させる。
【００３９】
下肢Ｋ１に捻り（矢印Ｒ方向）を行わせる場合には、第１可動テーブル６１を回転させる。下肢Ｋ１を上下方向（矢印Ｚ方向）に動かす場合には、第３可動テーブル６４を上下に駆動する。また、下肢Ｋ１を前後方向（矢印Ｙ方向）に伸縮させる場合には、第２可動テーブル６７を前後に駆動する。
【００４０】
さらに、足首Ｋ４を左右に振る（矢印Ｐ方向）場合には自在継手７２の下側の第２継手部材７２Ｂを同方向に回転駆動する。また、足首Ｋ４を前後に曲げる（矢印Ｑ方向）場合には、自在継手７２の上側の継手部材７２Ａを同方向に回転駆動する。
【００４１】
さて、以上の説明においては、遠隔操作可能なオペレーションボックス１１７を医師などが操作することでそれぞれのモータ１２０，８３，６２，１０４，１０２，９７が作動され、これによって揺動アーム５２などが駆動されて患者Ｋの下肢Ｋ１が適宜の方向に移動可能に構成されていた。
【００４２】
しかしながら、一方で、医師などが自らの力によって下肢Ｋ１を動かし、整復治療を施すのに最適な状況にし、その状況を装置に認識させる必要がある。この場合、医師などが患者Ｋの下肢Ｋ１を動かそうとしても、それぞれのモータを含む駆動系による保持力が妨げとなる。そこで、次のような構成が採用されている。
【００４３】
すなわち、上述の力センサ１１４は、たとえば医師などの操作者によって加えられる力である、６軸の各方向（矢印Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｐ，ＱおよびＲの各方向）におけるそれぞれのアシスト対象力を検知可能に構成されている。そして、この力センサ１１４による計測値は、数値データとして、制御部としてのコントロールユニット１１３に供給される。
【００４４】
この力センサ１１４は、図１に示すように、自在継手７２が具備する継手部材に形成された座部と、下腿支持台５８の足裏当て部材１１０の背面に形成された座部１１０Ａとの間に介装されている。
【００４５】
一方、図３に示すオペレーションボックス１１７には、それぞれのモータの作動によって下肢Ｋ１を所望の状況になるように動かそうとする場合と、医師自らの力によって下肢Ｋ１を整復治療に最適な状況になるように動かそうとする場合とで、当該整復装置の制御を切り替えるためのスイッチが設けられている。コントロールユニット１１３は、この切り替えに応じて、制御が変えられる。
【００４６】
（パワーアシスト動作）
それぞれのモータの作動によって下肢Ｋ１を所望の状況になるように動かそうとする場合には、上述したように制御し、医師自らの力によって下肢Ｋ１を整復治療に最適な状況になるように動かそうとすべく切り替えられた場合には、次のように制御される。
【００４７】
すなわち、医師などが下肢Ｋ１を任意の方向に動かそうとすると、力センサ１１４に、その方向の力が作用し、この力センサ１１４が、その力の方向を検知する。このとき、コントロールユニット１１３は、その方向に対応するモータを、医師などにより加えられる力が減ずる方向に駆動し、力センサ１１４が検知する力がゼロとなった時点でモータを停止する。このようなパワーアシスト制御駆動について、以下に具体的に説明する。
【００４８】
この一実施形態によるパワーアシスト駆動方式においては、医師などにより患者の足Ｋ３に加えられた力が力センサ１１４によって検出されると、非線形演算により、出力すべき力または速度が計算され、この出力された力または速度の情報データに対して、ＰＩＤ制御が実行され、フィードバックを行うことによって、任意の位置姿勢に動作させる駆動方式である。
【００４９】
そこで、この一実施形態においては、整復装置に設けられた、１つの力センサ１１４により、パワーアシスト制御の開始時点で検知される検知基準と、力センサ１１４の計測値との差、すなわちアシスト対象力を抽出するようにする。
【００５０】
すなわち、まず、パワーアシスト動作を開始するために、医師などにより図３に示すフットスイッチ１２１が踏まれる。このとき、コントロールユニット１１３により、踏んだ瞬間の時点における力センサ１１４の値が、アシスト対象力の原点、すなわち検知基準として設定されるとともに、このアシスト対象力の原点に対して、この時点以降の変化が測定される。すなわち、最初にフットスイッチ１２１を踏んだ瞬間に、最初の重力キャンセル処理が実行される。また、この一実施形態においては、矢印Ｒ方向に沿って回転された場合においても、常時重力キャンセルが実行させる。
【００５１】
これにより、アシスト対象力の検出が可能となるとともに、患足の自重の影響も排除することができる。なお、力センサ１１４の計測値が０（Ｎ）となる、いわゆる力センサ１１４の真の原点は、コントロールユニット１１３において記憶されている。そして、整復治療に必要な範囲で、医師などにより人力で足Ｋ３に対して力が作用される。この医師などによる人力が加えられた段階で、力センサ１１４による計測値が大幅に変化する。
【００５２】
この時点においては、アシスト対象力として、この医師などによる人力の大きさ、すなわち「足Ｋ３に加えた力」が設定される。そして、コントロールユニット１１３により、このアシスト対象力に応じた駆動力を足Ｋ３に作用させるために、ドライバ１１８に信号が供給され、検知基準とこの「足Ｋ３に加えた力」との差が減少する方向に、モータ６２，８３，９７，１０２，１０４，１２０のうちの必要なモータが駆動される。これにより、所定の駆動力が足Ｋ３に作用される。
【００５３】
また、上述したように、コントロールユニット１１３には、力センサ１１４の真の原点も記憶されている。そのため、この真の原点と、力センサ１１４による計測値と、上述のように設定された「足Ｋ３に加えた力」の大きさとから、「足Ｋ３にかかっている力」の検出が可能となる。すなわち、力を測定する１つの力センサ１１４によって、「足Ｋ３にかかっている力」と「足Ｋ３に加えた力」とを検出することが可能となる。そして、医師などが足Ｋ３に力を加えた状態で、駆動手段であるモータ６２，８３，９７，１０２，１０４，１２０のうちのパワーアシスト制御駆動に必要なモータにより、足Ｋ３に補助力が作用される。
【００５４】
続けて、医師などにより足Ｋ３に力が加えられた状態で、「足Ｋ３にかかっている力」が増加する場合、力センサ１１４の計測値が増加していく。なお、このときの力センサ１１４の計測値の傾きは、整復治療の状況や、医師などによる設定に応じて、変更することが可能であり、力を加える速度を所望の速度にすることによって、必要に応じた速度を得ることができる。そして、力センサ１１４の計測値の増加に応じて、検知基準と力センサ１１４における計測値との差、すなわちアシスト対象力が全体として減少していく。そして、このアシスト対象力の減少に伴って、足Ｋ３に作用される駆動力も減少される。続けて、アシスト対象力が減少し続けて、足Ｋ３に作用される駆動力が減少すると、力センサ１１４による計測値が検知基準に近づいてくる。これに応じて、足Ｋ３に作用する駆動力が０に近づき、停止する方向に向かう。
【００５５】
また、「足Ｋ３にかかっている力」の増加量と、「足Ｋ３に加えた力」が釣り合った場合、すなわち、力センサ１１４の計測値が、アシスト原点（検知基準）に到達した段階で、アシスト対象力は０（Ｎ）となり、これにより、足Ｋ３に作用する駆動力が０となり、アシスト動作が停止する。なお、アシスト動作が停止した後であっても、フットスイッチ１２１を踏み直すことによって、再び上述のアシスト動作を継続することが可能である。
【００５６】
また、この一実施形態においては、医師などがフットスイッチ１２１を離して、駆動力を解放し、アシスト動作を停止する仕様が採用されている。すなわち、医師などの操作者が異常を感じた場合には、即座に駆動を停止可能に構成されている。
【００５７】
次に、以上のように動作する、この一実施形態によるパワーアシスト制御の詳細について説明する。図４に、このパワーアシスト制御を実行するための制御系を示し、図５に、この一実施形態によるパワーアシスト制御の、医者などの操作者によるアシスト対象力の入力に対する、アシスト力（補助力）の関係のグラフを示す。また、図６に、特許文献１に記載された従来技術によるパワーアシスト制御を実行するための制御系を示す。なお、以下の説明においては、アシスト力が出力される例について説明するが、出力は速度であってもよく、モータなどへの指示信号としては、通常速度を決定する信号が供給されることが多いので、以下のアシスト力をアシスト用に出力される速度としてもよい。
【００５８】
なお、以下の説明において実行される制御は、制御プログラムに基づいて、上述したコントローラ部における情報処理部により実行される。そして、この情報処理部からの制御信号と、整復装置の各部からの信号に基づいて、種々の部位が駆動される。以下の説明においては、この制御の理解を容易にするために、各処理の部位として説明する。
【００５９】
まず、図６に示すように、従来技術によるパワーアシスト制御においては、図５中の直線グラフ（図５中、「従来技術」のグラフ）に示すように、対象物に加えられるアシスト対象力、すなわち人間が骨折の整復の際に、整復部５の足裏当て部材１１０やバンド１１１に加えた力Ｘ、すなわち患者の足（患足）に対して、整復部５において、定数Ｃを乗じた補助力（Ｃ・Ｘ）がさらに作用させるように、または、足裏当て部材１１０やバンド１１１に加えられたアシスト対象力Ｘに比例した速度となるように、パワーアシスト制御が行われていた。
【００６０】
ところが、このようなパワーアシスト制御においては、どうしても操作者が不快に感じるという問題があった。そこで、人間の感覚、感性に適合するパワーアシスト制御を考察した。この考察によると、力検知手段としての力センサ１１４により検知される、施術者などの操作者によるアシスト対象力の入力（対象物に加えられる力）が小さい場合には、高加速度で速度を増加させ、フォース入力が大きい場合には、低加速度で速度を増加させる制御が望ましい。
【００６１】
すなわち、人間が対象物である患足に加えたアシスト対象力Ｘにおいて、アシスト対象力Ｘが小さな力の時には、パワーアシスト制御により駆動される力Ｙ（または速度）の増加率を大きく、大きな力の時には、パワーアシスト制御により駆動される力Ｙ（または速度）の増加率を小さくする。このような条件を満足する所定の関数ｆ（Ｘ）は、図５における曲線グラフに示すように、「原点を通り（ｆ（０）＝０）、増加関数で、かつアシスト対象力Ｘで微分した導関数ｆ´（Ｘ）が減少関数になるような関数」、より好適には、「原点を通り（ｆ（０）＝０）、単調増加関数、かつアシスト対象力Ｘで微分した導関数ｆ´（Ｘ）が減少関数になるような関数」である。
【００６２】
そこで、この一実施形態においては、図４に示すように力センサ１１４からの入力されるアシスト対象力のデータに対し、まず、ローパスフィルタ４０１（ＬＰＦ４０１）を介して、信号ノイズが除去される。その後、この入力データに対して、エンドエフェクタ重方向のベクトル生成処理部４０４と患足重方向のベクトル生成処理部４０４とにより重力キャンセルのための補正が行われる。この補正後のアシスト対象力のデータが、非線形化演算処理部４０２に入力される。これにより、アシスト対象力のデータに対して、非線形化処理が実行される。
【００６３】
非線形化演算処理部４０２において用いられる関数の例としては、対数関数や（１／ｎ）次関数などを挙げることができる。なお、図５における曲線グラフは、
【数１】
2008113672.tif 000003
のグラフであり、本発明者により整復装置にとって好ましい非線形化関数であると確認されたものである。なお、整復装置以外では、（１／ｎ）次関数や対数関数以外にも、種々の関数を利用することが可能である。例えば、三角関数の一部（単調増加部分かつ、その導関数が単調減少する部分）を利用することも可能である。
【００６４】
（ＰＩＤ制御）
また、図６に示すように、特許文献１に記載された従来技術において、力センサ６０１により計測された測定値に対して、係数Ｇを掛ける演算処理６０２が行われ、積分処理６０４、モータ６０５、エンコーダ６０６により、オープンループでパワーアシスト制御を行っていた。この場合、本発明者が鋭意実験を行って得た知見によれば、「ユーザの力指令に対し、出力軸速度がすばやく収束しない」ということがわかり、この点が問題であった。
【００６５】
そこで、この一実施形態においては、図４に示すように、上述した整復装置の操作者により加えられる力の抽出処理および非線形化処理を実行する操作制御部に加え、速度域および加速度域における比例・積分・微分制御（ＰＩＤ制御）処理部が設けられる。以下に、この一実施形態による整復装置に採用されるフィードバック制御によるＰＩＤ制御について説明する。
【００６６】
比例制御（Ｐ制御）は、偏差の大きさに比例(Proportional)して操作量を調整する制御である。また、積分制御（Ｉ制御）は、偏差の積分に比例(Integral)した操作量を調整する制御である。このＩ制御は、自己平均性をもつ制御対象に比例制御のみを行ったときに目標値や外乱に対して残る定常偏差を除去することができる。また、微分制御（Ｄ制御）は、偏差の微分(Derivative)に比例した操作量を調整する動作である。このＤ制御は、偏差の増減の動向を操作量の決定に反映し、制御特性の改善を図ることができる。
【００６７】
そして、この一実施形態においては、エンコーダ４２３から出力された位置データ、速度データ、回転角度データが、微分処理部４１５，４１６において２階微分処理され、加速度域の情報として、ＰＩＤ制御処理部に供給される。そして、非線形化演算処理部４０２から出力されたアシスト力情報および／または、速度情報、および／または加速度情報に対して、エンコーダ４２３から出力され、２階微分されて加速度域の情報となった位置情報が減算されて、ＰＩＤ制御処理部に供給される。
【００６８】
この情報は、ＰＩＤ制御処理部において、まず、定数倍処理４１４が施された後、それぞれ上述した比例制御部４１２、積分制御部４１１、微分制御部４１３に供給される。これらの部分で各種制御が実行された後、互いに加算され、出力される。
【００６９】
この出力は、積分処理部４２２に供給されて、１階積分され、速度域の情報や、変位の情報としてモータ４２１に供給される。モータ４２１においては、この情報に基づいて駆動が制御され、整復装置の整復部５における各モータの駆動が制御される。なお、このモータ４２１の駆動情報はエンコーダ４２３にも供給される。
【００７０】
このように、この一実施形態によるＰＩＤ制御においては、速度域におけるＰＩＤ制御のみならず、加速度域におけるＰＩＤ制御を実行する。これによって、目標とする速度、変位に収束するまでに要する時間を短縮することが可能となる。
【００７１】
すなわち、アシスト力に対して、速度域および加速度域におけるＰＩＤ制御を実行することにより、出力軸速度を、すばやく所定の速度や変位に収束させて、挙動を安定させることが可能となり、所定の速度や変位に収束する場合の振動を抑制することができる。
【００７２】
（重力キャンセル方法）
次に、この発明の一実施形態による整復装置の調整方法である、重力キャンセル方法について説明する。図７に、この発明の一実施形態による整復装置における重力キャンセル方法を示し、図９に、従来技術を示す。また、図８に、この一実施形態による重力キャンセル方法のシーケンスのフローチャートを示す。
【００７３】
すなわち、特許文献１に記載された従来技術による整復装置においては、前後上下左右の３方向と、前後方向、上下方向および左右方向を中心とした３回転方向との６軸の力を測定することができる力センサ６０１（図６参照）を備えている。
【００７４】
この力センサ６０１には、足首より足側を固定するための、対象物保持手段としての下腿支持台５８や足裏当て部材１１０など（図１参照）が接触されて設けられている。整復手術においては、この下腿支持台５８を移動させたり回転させたりすることによって、足の整復が行われる。
【００７５】
ところが、この下腿支持台５８を、前後方向の軸の周り（図２中、矢印Ｒ方向）で回転させると、下腿支持台５８に全く手を触れていない状態、いわゆるフリーの状態であっても、整復装置のモータが駆動して、パワーアシストが働き、下腿支持台５８が動いてしまうという現象が生じた。
【００７６】
そこで、本発明者は、この原因について鋭意検討を行った。本発明者の観察によると、下腿支持台を回転させると、回転させた向きにパワーアシストが働くことが確認された。これにより、本発明者は、この下腿支持台５８が動く理由が、スタート時における重力キャンセル用の仮想の力にあることを想起するに至った。
【００７７】
すなわち、骨折整復装置においては、力センサ１１４により６軸の力（図２参照）が測定される。これらのうちの上下方向に関しては、重力の影響が存在する。この際、６軸のうちの重力方向に沿った方向が問題となる。この点、図９に示すように、下腿支持台５８や足裏当て部材１１０に重力が作用している時に、この重力によって加えられている力を、人間により加えられている「外力（アシスト対象力）」として計測しないようにするために、この重力分を計算して、加えられている力を計算上０とする、いわゆる「重力キャンセル」が実行される。具体的には、重力の向きとは反対側の向きに重力キャンセル用の仮想の力が設定される。
【００７８】
そこで、この一実施形態においては、図７に示すように、下腿支持台５８を前後方向に沿った軸の周りに回転させた場合においても、整復装置における下腿支持台５８の回転角度のデータをフィードバックして、常に重力方向の力をキャンセルする補正を実行するように構成する。
【００７９】
具体的に、この一実施形態による重力キャンセル方法においては、整復装置として、対象物としての下腿Ｋ３および足Ｋ４を保持する対象物保持手段としての足裏当て部材１１０、バンド１１１および下腿支持台５８と、これらの下腿支持台５８に作用する力を計測可能に構成された力計測手段としての力センサ１１４とが設けられた装置が採用される。そして、下腿支持台５８に力を作用させる駆動手段として、６軸方向に駆動可能とするために、図４に示すモータ４２１（図２中、モータ６２，９７，８３，１０２，１０４，１２０）が設けられる。また、整復装置においては、これらのモータ４２１を制御するとともに、力センサ１１４およびモータ４２１との間で情報データを通信可能に構成されたコントロールユニット１１３と、足裏当て部材１１０や下腿支持台５８の回転角度を出力する回転角度出力手段としてのエンコーダ４２３が設けられる。
【００８０】
また、コントロールユニット１１３により、力センサ１１４によって計測される下腿支持台５８および足裏当て部材１１０にかかる重力の向きとは反対側の向きに、重力の大きさと同じ大きさの力ベクトルを仮想的に生成して、力センサ１１４による計測値をほぼ０とする。そして、エンコーダ４２３から出力される回転角度データは、コントロールユニット１１３に供給される。そして、この回転角度データに基づいて、回転角度と同じ角度だけ、生成される力ベクトルの向きが回転させる。
【００８１】
すなわち、図４に示すように、エンコーダ４２３から出力された回転角度データ（回転角度θ）が、エンドエフェクタ重方向ベクトル生成処理部４０４に供給される。そして、このエンドエフェクタ重方向ベクトル生成処理部４０４により、回転角度に応じたエンドエフェクタ重方向ベクトルが生成される。
【００８２】
そして、このエンドエフェクタ重方向ベクトルのデータに基づき、患足重方向ベクトル生成処理部４０３において、患足重方向ベクトルが生成される。そして、この患足重方向のベクトルが生成されると、この段階における重力の向きとは反対の向きに仮想の力ベクトルが設定され生成される。これにより、力センサ１１４に対して重力キャンセル処理が実行され、計測値がほぼ０とされる。
【００８３】
このように構成することにより、下腿支持台５８および足裏当て部材１１０を前後方向の軸の周り（図２中、矢印Ｒ方向）に回転させた場合に、常時重力方向に対して反対方向に重力キャンセル用の仮想の力を設定することができ、常時重力キャンセル処理を実行可能となるので、フリーの状態でパワーアシスト制御が働くことを回避することができる。
【００８４】
次に、このような重力キャンセルの具体的なシーケンスの一例について説明する。
【００８５】
すなわち、図８に示すように、まず、整復装置の電源が投入される（ステップＳＴ１）と、ステップＳＴ２に移行して、エンドエフェクタ重の読み取りが行われる。なお、コントロールユニット１１３の所定の記憶部にエンドエフェクタ重の大きさをあらかじめ登録しておくことにより、ステップＳＴ２の読み取り処理を省略することも可能である。
【００８６】
次に、ステップＳＴ３に移行して、整復装置の初期化が実行された後、ステップＳＴ４において、実際の治療のために下腿支持台５８に患足が載せられ、足裏当て部材１１０やバンド１１１などにより、足首が固定される。その後、ステップＳＴ５において、患足の重さ（患足重）が測定される。
【００８７】
以上の準備段階が終了すると、整復装置におけるパワーアシスト制御を実行するための重力キャンセル処理が行われる。すなわち、ステップＳＴ６において、上述した６軸のエンコーダから各数量を読みとった後、ステップＳＴ７において、エンドエフェクタ重のベクトルが生成され、ステップＳＴ８において患足重のベクトルが生成される。これによって、上述したように、最初の段階における重力キャンセル処理のための必要なベクトル情報がコントロールユニット１１３に供給される。
【００８８】
次に、ステップＳＴ９において、実際に医者などの施術者が手を使って下腿支持台５８に力を作用させると、ステップＳＴ１０に移行して、力センサ１１４により、施術者が外部から加えた力、エンドエフェクタ重および患足重の力の合計のベクトル（フォースベクトル）が計測される。その後、ステップＳＴ１１に移行して、操作力（アシスト対象力）が算出される。なお、操作力（アシスト対象力）は、
操作力＝（フォースベクトル）−（エンドエフェクタ重ベクトル＋患足重ベクトル）
として計算される。
【００８９】
このように、フォースベクトルから、エンドエフェクタ重ベクトルおよび患足重ベクトルを減算することにより、重力キャンセル処理が実行される。これにより、施術者自身が下腿支持台５８などに作用させた力（操作力）が抽出される。その後、この重力キャンセル処理に基づいて、施術者による外部からの力を入力として、上述した図５に示すグラフに基づいて６軸のモータ１２０，８３，６２，１０４，１０２，９７が駆動される。これにより、パワーアシスト制御が実行される。
【００９０】
以上のステップＳＴ６〜ステップＳＴ１２が順次繰り返されて、整復装置を用いた施術者による整復治療が実行される。
【００９１】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００９２】
例えば、上述の一実施形態において挙げた数値や数式はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値や数式を用いてもよい。
【００９３】
また、例えば、揺動アーム５２を伸縮可能とすることにより、患者Ｋが小柄である、大柄である、また、大人である、子供であるなど、どのような体格であろうとも、揺動アーム５２を適宜伸縮させることで対応できる。また、例えば、揺動アーム５２を伸縮させるアーム伸縮手段を有することにより、揺動アーム５２の伸縮を自動的に行うことができ、人力を必要最小限にすることができる。また、例えば、揺動アーム５２は、下肢Ｋ１に左右移動動作を行わせ、第１可動テーブル６１は、下肢Ｋ１に捻り動作を行なわせ、第２可動テーブル６７は、下肢Ｋ１に伸縮動作を行なわせ、第３可動テーブル６４は、下肢Ｋ１に上下移動動作を行なわせる。このような構成は、医師などに整復治療を自在に行わせるに好適である。
【００９４】
また、例えば、揺動アーム５２、第１可動テーブル６１、第２可動テーブル６７、第３可動テーブル６４および下腿支持台５８は、所定の順序、例えば、この一実施形態おいて記載した順序で段階的に取り付けることができ、この場合には、各部を独立させて別々に組み立てる場合に比べて構成を簡略化することができる。
【００９５】
また、例えば、下腿支持台５８には、患者Ｋの下腿Ｋ２を固定するための固定手段（バンド１１１など）を設けたので、下腿支持台５８から患者Ｋの脚に力を有効に伝達できる。また、下肢Ｋ１および足首Ｋ４に行なわせる各動作は、それぞれ単独で行なわせることができるが、２種類以上の動作を同時に行なわせることもできる。例えば、揺動アーム５２と継手部材７２Ａ，７２Ｂを同時に駆動することにより、下肢Ｋ１に左右移動動作を行わせながら、足首Ｋ４に前後の曲げ動作などを行わせることなどが可能になる。
【００９６】
また、下腿支持台５８には、患者Ｋの足裏を当てる足裏当て部材１１０を設けたので、下肢Ｋ１に前後の伸縮動作を行なわせるとき、または足首Ｋ４に前後の曲げ動作や左右への振り動作を行なわせるときに、患者Ｋの足裏全体に力を加えることができ、これにより、患者Ｋに無用な痛みを与えるのを防止することができる。
【００９７】
また、上述した一実施形態においては、整復部５の揺動アーム５２を揺動させるための駆動手段（アーム駆動手段）を有する場合を示したが、この駆動手段は必ずしも設ける必要はない。設けない場合は、人力によって揺動アーム５２を所望の位置に揺動させ、位置決めする。
【００９８】
なお、この発明は、必ずしも整復装置に適用するのみならず、土木作業の際に利用される土木機器など、外部からの力を検知することによって作用させる力を補助するように構成された、あらゆる装置に適用することが可能である。
【００９９】
また、上述の一実施形態においては、オペレーションボックス１１７として、図３に示すように、外部にスイッチなどが突出した装置が用いられているが、このオペレーションボックス１１７として、図３中に示されるような各種スイッチをタッチパネル上に表示して、ボタンと同様の作用を行うことができる構成を採用することも可能である。なお、この場合であっても、非常時において、装置の稼動を停止するための非常停止ボタンなどは、タッチパネル外の突出したボタンから構成することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】この発明の一実施形態による整復装置における整復部を示す斜視図である。
【図２】この発明の一実施形態による整復装置における整復部によって患者の下肢に行わせることが可能な動作を説明するための図である。
【図３】この発明の一実施形態による整復装置のコントローラを示す略線図である。
【図４】この発明の一実施形態によるパワーアシスト制御を実行する制御系を示す制御ブロック図である。
【図５】この発明の一実施形態および従来技術によるパワーアシスト制御装置における操作者による力の入力に対する変換操作力を示すグラフである。
【図６】従来技術によるパワーアシスト制御を実行する制御系を示す制御ブロック図である。
【図７】この発明の一実施形態による重力キャンセル方法を説明するための略線図である。
【図８】この発明の一実施形態による整復装置における重力キャンセル処理のシーケンスの一例を示すフローチャートである。
【図９】従来技術による重力キャンセル方法の問題点を説明するための略線図である。
【符号の説明】
【０１０１】
５  整復部
５０  支持台
５２  揺動アーム
５２Ａ  ボルト
５６  支持プレート
５６Ｂ  ストッパ
５８  下腿支持台
６０  軸線
６１，６４，６７  可動テーブル
６２，８３，９７，１０２，１０４，１２０，４２１，６０５  モータ
６５  第３駆動手段
６８  第２駆動手段
７２  自在継手
７２Ａ，７２Ｂ  継手部材
７３  中継プレート
７５  ガイド部材
７６  中間部材
７７  昇降部材
１０２，１０４  中空モータ
１１０  足裏当て部材
１１０Ａ  座部
１１１  バンド
１１３  コントロールユニット
１１４  力センサ
１１５  力表示部
１１７  オペレーションボックス
１１８  ドライバ
１２１  フットスイッチ
４０１  ローパスフィルタ
４０２  非線形化演算処理部
４０３  患足重方向ベクトル生成処理部
４０４  エンドエフェクタ重方向ベクトル生成処理部
４１１  積分制御部
４１２  比例制御部
４１３  微分制御部
４１４  定数倍処理
４１５，４１６  微分処理部
４２２  積分処理部
４２３，６０６  エンコーダ
【図１】
2008113672.tif 000004
【図２】
2008113672.tif 000005
【図３】
2008113672.tif 000006
【図４】
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【図５】
2008113672.tif 000008
【図６】
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【図７】
2008113672.tif 000010
【図８】
2008113672.tif 000011
【図９】
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