(57)【要約】【課題】二関節アーム装置の先端部において六方向の力を発生させるようにアクチュエータの駆動を制御することによって、人間の上肢又は下肢の筋出力と上肢又は下肢の先端の出力方向との関係を再現することができ、リハビリテーション施術訓練者が人間の上肢又は下肢の各筋の出力と上肢又は下肢の先端の出力方向との関係を体験的に学習することができるようにする。【解決手段】所定の駆動シーケンスに従って第１〜第６アクチュエータを動作させ、第１リンクの先端部において六方向の力を発生させ、第１リンクの先端部において発生される力の方向が選択された方向となるように選択されたアクチュエータを動作させ、第１リンクの先端部を保持するリハビリテーション施術訓練者に第１リンクの先端部において発生される力の方向を体験させる。【選択図】図１
2008281926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１リンクと、
（ｂ）基端部がベースに回転可能に支持され、先端部が前記第１リンクの基端部に回転可能に接続された第２リンクと、
（ｃ）前記第１リンクを第２リンクに対して回転させるための駆動力を発生する第１アクチュエータ及び第２アクチュエータと、
（ｄ）前記第１リンクをベースに対して回転させるための駆動力を発生する第３アクチュエータ及び第４アクチュエータと、
（ｅ）前記第２リンクをベースに対して回転させるための駆動力を発生する第５アクチュエータ及び第６アクチュエータとを備える二関節アーム装置を有するリハビリテーション教育用ロボットであって、
（ｆ）所定の駆動シーケンスに従って前記第１〜第６アクチュエータを動作させ、前記第１リンクの先端部において六方向の力を発生させる制御装置を更に有し、
（ｇ）前記第１リンクの先端部において発生される力の方向が選択された方向となるように選択されたアクチュエータを動作させ、前記第１リンクの先端部を保持するリハビリテーション施術訓練者に前記第１リンクの先端部において発生される力の方向を体験させることを特徴とするリハビリテーション教育用ロボット。
【請求項２】
拮抗する位置関係に配置されたアクチュエータが発生する駆動力が互いに拮抗するように初期状態を設定し、前記リハビリテーション施術訓練者が前記第１リンクの先端部を任意の方向に移動させたときに反力を発生するアクチュエータを検出し、該アクチュエータに対応する上肢又は下肢の筋を特定して前記リハビリテーション施術訓練者に通知する請求項１に記載のリハビリテーション教育用ロボット。
【請求項３】
（ａ）第１リンクと、
（ｂ）基端部がベースに回転可能に支持され、先端部が前記第１リンクの基端部に回転可能に接続された第２リンクと、
（ｃ）前記第１リンク及び第２リンクを各々独立して回転させるための駆動力を発生する第１アクチュエータ及び第２アクチュエータとを備える二関節アーム装置を有するリハビリテーション教育用ロボットであって、
（ｄ）６つのアクチュエータによる駆動シーケンスを前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータによる駆動シーケンスに変換するアルゴリズムを備え、前記第１リンクの先端部において六方向の力を発生させる制御装置を更に有し、
（ｅ）前記第１リンクの先端部において発生される力の方向が選択された方向となるように選択されたアクチュエータを動作させ、前記第１リンクの先端部を保持するリハビリテーション施術訓練者に前記第１リンクの先端部において発生される力の方向を体験させることを特徴とするリハビリテーション教育用ロボット。
【請求項４】
前記リハビリテーション施術訓練者が前記第１リンクの先端部に対して任意の方向に力を作用させたときに、前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに作用するトルクがあらかじめ設定された目標値と一致するように前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータを制御し、前記トルクが目標値と一致したときの前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータの回転角度及びトルクの値から前記第１リンクの先端部に作用する力の方向を算出し、算出した力の方向に基づき、力を受ける上肢又は下肢の筋を特定して前記リハビリテーション施術訓練者に通知する請求項３に記載のリハビリテーション教育用ロボット。
【請求項５】
第１関節と第２関節との間を連結する二関節筋のばね要素を内部モデルとして備え、
前記リハビリテーション施術訓練者が前記第１リンクの先端部に対して任意の方向に力を作用させたときに、前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータの回転角度を検出し、前記内部モデルに基づき、前記力を第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに作用するトルクに換算し、該トルクを発生するために必要な駆動電圧又は駆動電流を第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに印加して前記二関節筋のばね要素を仮想的に再現し、前記リハビリテーション施術訓練者に体験させる請求項３に記載のリハビリテーション教育用ロボット。
【請求項６】
前記二関節アーム装置は、前記第１リンク及び第２リンクの表面を覆う表皮部と、上肢又は下肢の一関節筋及び二関節筋に対応する位置に配設された発光部とを備え、
駆動力を発生している又は力が作用しているアクチュエータに対応する発光部を点灯させ、前記リハビリテーション施術訓練者に活性化している又は力を受けている上肢又は下肢の筋を視認させる請求項１〜５のいずれか１項に記載のリハビリテーション教育用ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リハビリテーション教育用ロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高齢者や怪我人、病人の身体の機能回復、すなわち、リハビリテーションに携わる理学療養士のトレーニングに適したリハビリテーション教育用ロボットが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００６−２０４８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記従来のリハビリテーション教育用ロボットにおいては、股（こ）関節及び膝（ひざ）関節の筋出力を関節トルクのみ表現しているので、人間が有する三対六筋の特性を表現することができず、リハビリテーションの訓練者は、各筋の出力を適切に学習することができなかった。
【０００４】
本発明は、前記従来のリハビリテーション教育用ロボットの問題点を解決して、二関節アーム装置の先端部において六方向の力を発生させるようにアクチュエータの駆動を制御することによって、人間の上肢又は下肢の筋出力と上肢又は下肢の先端の出力方向との関係を再現することができ、リハビリテーション施術訓練者が人間の上肢又は下肢の各筋の出力と上肢又は下肢の先端の出力方向との関係を体験的に学習することができるリハビリテーション教育用ロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そのために、本発明のリハビリテーション教育用ロボットにおいては、第１リンクと、基端部がベースに回転可能に支持され、先端部が前記第１リンクの基端部に回転可能に接続された第２リンクと、前記第１リンクを第２リンクに対して回転させるための駆動力を発生する第１アクチュエータ及び第２アクチュエータと、前記第１リンクをベースに対して回転させるための駆動力を発生する第３アクチュエータ及び第４アクチュエータと、前記第２リンクをベースに対して回転させるための駆動力を発生する第５アクチュエータ及び第６アクチュエータとを備える二関節アーム装置を有するリハビリテーション教育用ロボットであって、所定の駆動シーケンスに従って前記第１〜第６アクチュエータを動作させ、前記第１リンクの先端部において六方向の力を発生させる制御装置を更に有し、前記第１リンクの先端部において発生される力の方向が選択された方向となるように選択されたアクチュエータを動作させ、前記第１リンクの先端部を保持するリハビリテーション施術訓練者に前記第１リンクの先端部において発生される力の方向を体験させる。
【０００６】
本発明の他のリハビリテーション教育用ロボットにおいては、さらに、拮（きっ）抗する位置関係に配置されたアクチュエータが発生する駆動力が互いに拮抗するように初期状態を設定し、前記リハビリテーション施術訓練者が前記第１リンクの先端部を任意の方向に移動させたときに反力を発生するアクチュエータを検出し、該アクチュエータに対応する上肢又は下肢の筋を特定して前記リハビリテーション施術訓練者に通知する。
【０００７】
本発明の更に他のリハビリテーション教育用ロボットにおいては、第１リンクと、基端部がベースに回転可能に支持され、先端部が前記第１リンクの基端部に回転可能に接続された第２リンクと、前記第１リンク及び第２リンクを各々独立して回転させるための駆動力を発生する第１アクチュエータ及び第２アクチュエータとを備える二関節アーム装置を有するリハビリテーション教育用ロボットであって、６つのアクチュエータによる駆動シーケンスを前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータによる駆動シーケンスに変換するアルゴリズムを備え、前記第１リンクの先端部において六方向の力を発生させる制御装置を更に有し、前記第１リンクの先端部において発生される力の方向が選択された方向となるように選択されたアクチュエータを動作させ、前記第１リンクの先端部を保持するリハビリテーション施術訓練者に前記第１リンクの先端部において発生される力の方向を体験させる。
【０００８】
本発明の更に他のリハビリテーション教育用ロボットにおいては、さらに、前記リハビリテーション施術訓練者が前記第１リンクの先端部に対して任意の方向に力を作用させたときに、前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに作用するトルクがあらかじめ設定された目標値と一致するように前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータを制御し、前記トルクが目標値と一致したときの前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータの回転角度及びトルクの値から前記第１リンクの先端部に作用する力の方向を算出し、算出した力の方向に基づき、力を受ける上肢又は下肢の筋を特定して前記リハビリテーション施術訓練者に通知する。
【０００９】
本発明の更に他のリハビリテーション教育用ロボットにおいては、さらに、第１関節と第２関節との間を連結する二関節筋のばね要素を内部モデルとして備え、前記リハビリテーション施術訓練者が前記第１リンクの先端部に対して任意の方向に力を作用させたときに、前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータの回転角度を検出し、前記内部モデルに基づき、前記力を第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに作用するトルクに換算し、該トルクを発生するために必要な駆動電圧又は駆動電流を第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに印加して前記二関節筋のばね要素を仮想的に再現し、前記リハビリテーション施術訓練者に体験させる。
【００１０】
本発明の更に他のリハビリテーション教育用ロボットにおいては、さらに、前記二関節アーム装置は、前記第１リンク及び第２リンクの表面を覆う表皮部と、上肢又は下肢の一関節筋及び二関節筋に対応する位置に配設された発光部とを備え、駆動力を発生している又は力が作用しているアクチュエータに対応する発光部を点灯させ、前記リハビリテーション施術訓練者に活性化している又は力を受けている上肢又は下肢の筋を視認させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、二関節アーム装置の先端部において六方向の力を発生させるようにアクチュエータの駆動を制御するようになっている。これにより、人間の上肢又は下肢の筋出力と上肢又は下肢の先端の出力方向との関係を再現することができ、リハビリテーション施術訓練者が人間の上肢又は下肢の各筋の出力と上肢又は下肢の先端の出力方向との関係を体験的に学習することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明の第１の実施の形態における二関節アーム装置の構成を示す図、図２は本発明の第１の実施の形態における第２関節部の側面を示す図、図３は本発明の第１の実施の形態における第１関節部の側面を示す図である。
【００１４】
図１において、１０は本実施の形態におけるリハビリテーション教育用ロボットに含まれる二関節アーム装置であって、人間の下肢、すなわち、脚の部分を模した構造を有する。なお、前記二関節アーム装置１０は、人間の上肢、すなわち、腕の部分を模した構造を有するものであってもよいが、ここでは下肢を模した構造を有するものである場合について説明する。
【００１５】
そして、１１は、下肢を模した構造の二関節アーム装置１０の下腿（たい）に該当する第１リンクであり、１２は、下肢を模した構造の二関節アーム装置１０の上腿に該当する第２リンクである。また、１３は、腰に該当するベースとしてのフレームであり、基端部（図１における左端部）が、図示されない土台等に固定された固定部材３３に固着されている。そして、前記フレーム１３の先端部（図１における右端部）には、股関節に該当する第２関節部１５を介して、第２リンク１２の基端部が回転可能に接続されている。さらに、第２リンク１２の先端部には、膝関節に該当する第１関節部１４を介して、第１リンク１１の根本端部が回転可能に接続されている。
【００１６】
また、１６〜２１はアクチュエータとしての第１アクチュエータ〜第６アクチュエータであり、２２は前記第１リンク１１に第１アクチュエータ１６及び第２アクチュエータ１７を固定する第１ブラケット、２３は前記フレーム１３に第５アクチュエータ２０及び第６アクチュエータ２１を固定する第２ブラケットである。そして、２４〜３１はワイヤであり、ワイヤ２４は第２アクチュエータ１７と第２リンク固定膝プーリ１４ａとを連結し、ワイヤ２５は第１アクチュエータ１６と第２リンク固定膝プーリ１４ａとを連結し、ワイヤ２６は第３アクチュエータ１８と第１リンク固定膝プーリ１４ｂとを連結し、ワイヤ２７は第３アクチュエータ１８とフレーム固定股プーリ１５ｂとを連結し、ワイヤ２８は第４アクチュエータ１９と第１リンク固定膝プーリ１４ｂとを連結し、ワイヤ２９は第４アクチュエータ１９とフレーム固定股プーリ１５ｂとを連結し、ワイヤ３０は第５アクチュエータ２０と第２リンク固定股プーリ１５ａとを連結し、ワイヤ３１は第６アクチュエータ２１と第２リンク固定股プーリ１５ａとをそれぞれ連結している。
【００１７】
この場合、第１アクチュエータ１６及び第２アクチュエータ１７並びに第３アクチュエータ１８及び第４アクチュエータ１９は、第１リンク１１及び第２リンク１２を各々独立して回転させるための駆動力を発生する。また、第５アクチュエータ２０及び第６アクチュエータ２１は、第１リンク１１及び第２リンク１２をフレーム１３に対して同時に回転させるための駆動力を発生する。
【００１８】
図２に示されるように、第２関節部１５は、プーリとしての第２リンク固定股プーリ１５ａ及びフレーム固定股プーリ１５ｂを有する。そして、第２リンク固定股プーリ１５ａは、第２リンク１２に回転しないように固定され、フレーム固定股プーリ１５ｂはフレーム１３に回転しないように固定されている。また、第２リンク１２とフレーム１３とはブッシュ１５ｃによって連結されており、相互に回転可能となっている。そして、１５ｄはエンコーダであり、第２リンク１２に対するフレーム１３の回転角度を測定する。また、ワイヤ３１及びワイヤ３０は、第２リンク固定股プーリ１５ａに巻き付けられ、終端が第２リンク固定股プーリ１５ａに固定されている。同様に、ワイヤ２９及びワイヤ２７は、フレーム固定股プーリ１５ｂに巻き付けられ、終端がフレーム固定股プーリ１５ｂに固定されている。
【００１９】
また、図３に示されるように、第１関節部１４は、プーリとしての第２リンク固定膝プーリ１４ａ及び第１リンク固定膝プーリ１４ｂを有する。そして、第２リンク固定膝プーリ１４ａは第２リンク１２に回転しないように固定され、第１リンク固定膝プーリ１４ｂは第１リンク１１に回転しないように固定されている。また、第１リンク１１と第２リンク１２とはブッシュ１４ｃによって連結されており、相互に回転可能となっている。そして、１４ｄはエンコーダであり、第２リンク１２に対する第１リンク１１の回転角度を測定する。また、ワイヤ２４及びワイヤ２５は第２リンク固定膝プーリ１４ａに巻き付けられ、終端が第２リンク固定膝プーリ１４ａに固定されている。同様に、ワイヤ２８及びワイヤ２６は第１リンク固定膝プーリ１４ｂに巻き付けられ、終端が第１リンク固定膝プーリ１４ｂに固定されている。
【００２０】
次に、前記第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１の構成について説明する。
【００２１】
図４は本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータの構成を示す図、図５は本発明の第１の実施の形態における二関節アーム装置の動作を制御する制御装置を示す回路ブロック図である。
【００２２】
本実施の形態において、前記第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１は、実質的に同一の構成を備え、図４に示されるように、モータ４０、ウォーム４１、はすば歯車４２、ラック４３、第１ポテンショメータ４４、第２ポテンショメータ４５、ばね４６、第１ブラケット４７、第２ブラケット４８及びワイヤ４９を有する。該ワイヤ４９は、図１に示されるワイヤ２４〜３１のアクチュエータ側の端部に該当し、第１ブラケット４７に固定されている。なお、ワイヤ２４〜３１の反対側の端部は、第２リンク固定膝プーリ１４ａ、第１リンク固定膝プーリ１４ｂ、第２リンク固定股プーリ１５ａ及びフレーム固定股プーリ１５ｂに固定されている。また、第１アクチュエータ１６及び第２アクチュエータ１７においては、モータ４０が第１ブラケット２２に固定され、第５アクチュエータ２０及び第６アクチュエータ２１においては、モータ４０が第２ブラケット２３に固定されている。さらに、第３アクチュエータ１８及び第４アクチュエータ１９においては、モータ４０が第２リンク固定股プーリ１５ａ及びフレーム固定股プーリ１５ｂに固定されている。
【００２３】
ここで、前記ばね４６は、弾性を有する材質であれば、金属以外の材質から成るものであってもよく、例えば、合成樹脂から成るものであってもよい。そして、前記ばね４６は、図４に示される例においては、コイルばねであり、コイルの軸心が第１ブラケット４７及びラック４３に固定された第２ブラケット４８の面に対して垂直に延在するように配設されている。そして、前記ラック４３が平行移動することによって、ばね４６の位置が変化するようになっている。
【００２４】
そして、前記ラック４３は、図示されない固定部材に固定されたガイド部材に沿って、図４における左右方向にスライド可能に取り付けられ、前記はすば歯車４２と噛（か）み合っている。なお、前記ラック４３における噛み合い歯は、前記はすば歯車４２側の面、すなわち、図４における上側面に形成されている。
【００２５】
また、前記はすば歯車４２は、図示されない固定部材に固定された回転軸に回転可能に取り付けられている。そして、前記はすば歯車４２は、図４における下側の部分において前記ラック４３と噛み合うとともに、図４における上側の部分において前記ウォーム４１と噛み合っている。この場合、前記はすば歯車４２は、ウォームホイールとして機能し、ウォーム４１によって、回転軸を中心として回転させられる。
【００２６】
ここで、前記ウォーム４１は、前記モータ４０の回転軸に取り付けられて、回転させられるようになっている。なお、前記モータ４０の回転軸及びウォーム４１は、図４において左右方向に延在する軸の回りに回転する。これにより、前記モータ４０によってウォーム４１が回転させられると、該ウォーム４１に噛み合っているはすば歯車４２が回転させられ、さらに、該はすば歯車４２に噛み合っている前記ラック４３が図４における左右方向に移動させられる。
【００２７】
そして、前記モータ４０は、図示されない固定部材に固定され、図５に示されるドライバ５３〜５８からの駆動電流によって駆動され、回転軸を所定の方向に所定の速度で回転させるようになっている。なお、前記モータ４０は、例えば、ＤＣモータであるが、いかなる種類のモータであってもよい。
【００２８】
ここで、二関節アーム装置１０の動作を制御する制御装置は、図５に示されるような構成を有する。図５において、５０は演算手段としてのＣＰＵであり、該ＣＰＵ５０で実行されるプログラム等を記憶するＲＯＭ５１、及び、前記ＣＰＵ５０がプログラムを実行する際のデータ等を一時記憶するＲＡＭ５２が接続されている。また、前記ＣＰＵ５０には、第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１を動作させるための駆動回路としてのドライバ５３〜５８が接続されている。該ドライバ５３〜５８は、前記ＣＰＵ５０の指示を受けて第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１を動作させる。さらに、前記ＣＰＵ５０には、第２リンク１２に対する第１リンク１１の回転角度を測定するエンコーダ１４ｄ、及び、第２リンク１２に対するフレーム１３の回転角度を測定するエンコーダ１５ｄが接続されている。
【００２９】
そして、前記ＣＰＵ５０は、ネットワーク等によって図示されない上位装置と通信可能に接続されている。ここで、該上位装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、キーボード、マウス等の入力手段、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ等の表示手段、通信手段等を備えるコンピュータであり、前記二関節アーム装置１０の動作を統括的に制御する装置である。そして、前記ＣＰＵ５０は、あらかじめ組み込まれたプログラム又は入力手段から入力されたオペレータの指令に従って、前記ドライバ５３〜５８に制御信号を送信して、前記モータ４０を駆動させる。
【００３０】
例えば、前記ＣＰＵ５０が第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１に収縮させる方向の出力を発生させる収縮指令を送信すると、前記モータ４０が駆動され、該モータ４０の回転軸及びウォーム４１が所定方向に回転する。すると、該ウォーム４１に噛み合っているはすば歯車４２が回転させられ、さらに、該はすば歯車４２に噛み合っている前記ラック４３が図４における左方向に移動させられる。そして、前記ばね４６が左方向に移動させられ、前記第１ブラケット４７が左方向に移動させられる。
【００３１】
このように、前記モータ４０、ウォーム４１、はすば歯車４２及びラック４３は、弾性体としてのばね４６の一端の位置を制御する手段として機能する。また、第１ブラケット４７は、前記ばね４６の他端からばね４６の弾性力、すなわち、ばね力を第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１の出力として取り出す手段として機能する。また、ドライバ５３〜５８は収縮力を発生する旨の指令を受ける手段として機能する。
【００３２】
次に、前記構成のリハビリテーション教育用ロボットの動作について説明する。まず、二関節アーム装置１０の動作について説明する。
【００３３】
図６は本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータの駆動シーケンスと力の方向を示す図、図７は本発明の第１の実施の形態における二関節アーム装置の先端部で発生する力の方向を示す図、図８は本発明の第１の実施の形態における二関節アーム装置が模す下肢の構造を示す図である。なお、図６の縦軸はアクチュエータの出力を〔％〕単位で示している。
【００３４】
図７において、ａ〜ｆは第１リンク１１の先端部に発生する力の方向を示したものであり、例えば、図７のａ方向に力を発生させる場合には、図６の駆動シーケンスａのように、第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１の出力を制御することによって実現することができる。このように、図６の駆動シーケンスａ〜ｆは、図７の力の発生方向ａ〜ｆに対応している。なお、図７において、Ｏ1 は先端部の中心を示し、Ｏ2 は第１関節部１４の中心を示し、Ｏ3 は第２関節部１５の中心を示している。
【００３５】
また、図８に示されるような人間の下肢において、３２は腸腰筋であって第６アクチュエータ２１がこれに対応し、３３は大腿直筋であって第４アクチュエータ１９がこれに対応し、３４は外側広筋であって第２アクチュエータ１７がこれに対応し、３５大殿筋であって第５アクチュエータ２０がこれに対応し、３６はハムストリングスであって第３アクチュエータ１８がこれに対応し、３７は大腿二頭筋短頭であって第１アクチュエータ１６がこれに対応する。なお、図６には、第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１の各々と、前述の下肢における各筋との対応関係が示されている。
【００３６】
また、第１アクチュエータ１６の出力をＦ２、第２アクチュエータ１７の出力をＥ２、第３アクチュエータ１８の出力をＦ３、第４アクチュエータ１９の出力をＥ３、第５アクチュエータ２０の出力をＦ１、第６アクチュエータ２１の出力をＥ１とし、図６に示される駆動シーケンスに従って各アクチュエータを駆動したときのａ〜ｆの発生力を示すと、該発生力が、図７に示されるように、六角形になることが知られている。
【００３７】
さらに、線分ａｂ及び線分ｄｅの長さはＦ３とＥ３との和に等しく、線分ｂｃ及び線分ｅｆの長さはＦ２とＥ２との和に等しく、線分ｃｄ及び線分ａｆの長さはＦ１とＥ１との和に等しいことが知られている。
【００３８】
次に、第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１の出力について説明する。
【００３９】
図４に示されるように、ワイヤ２４〜３１のアクチュエータ側の端部に該当するワイヤ４９は、第１ブラケット４７に固定されている。また、ワイヤ２４〜３１の反対側の端部は、第２リンク固定膝プーリ１４ａ、第１リンク固定膝プーリ１４ｂ、第２リンク固定股プーリ１５ａ及びフレーム固定股プーリ１５ｂに固定されている。そして、第１アクチュエータ１６及び第２アクチュエータ１７においては、モータ４０が第１ブラケット２２に固定され、第５アクチュエータ２０及び第６アクチュエータ２１においては、モータ４０が第２ブラケット２３に固定されている。さらに、第３アクチュエータ１８及び第４アクチュエータ１９においては、モータ４０が第２リンク固定股プーリ１５ａ及びフレーム固定股プーリ１５ｂに固定されている。
【００４０】
ここで、ワイヤ４９が弛（ゆる）みなく張られ、かつ、該ワイヤ４９の張力が０である状態をアクチュエータ出力０とする。そして、アクチュエータ出力０の状態から、モータ４０を駆動し、第２ブラケット４８を矢印方向に最大量移動させた位置においてワイヤ４９の張力が最大となった状態をアクチュエータ出力１００〔％〕とする。
【００４１】
次に、リハビリテーション施術訓練者としての訓練者によるリハビリテーション教育用ロボットの使用方法について説明する。
【００４２】
図９は本発明の第１の実施の形態における下肢の先端の出力方向を選択する画面の例を示す図、図１０は本発明の第１の実施の形態における下肢の筋力を設定する画面の例を示す図である。
【００４３】
図において、２００はＣＲＴ、液晶ディスプレイ、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）ディスプレイ等の表示装置としてのディスプレイである。該ディスプレイ２００は、二関節アーム装置１０の動作を制御する制御装置の上位装置が備える表示手段の一部であってもよいが、ここでは、前記制御装置又は上位装置に接続された操作端末の表示手段であるものとする。
【００４４】
まず、訓練者は、図９に示されるような操作端末のディスプレイ２００に表示された入力画面で、下肢の先端部の出力方向を入力する。そして、該出力方向が入力されると、それに対応した筋、例えば、ａ方向を選択した場合は、ａ方向の出力をするために必要な筋の色が画面上で変化することで、訓練者が認識することができるようになっている。
【００４５】
次に、訓練者は、図７に示されるような二関節アーム装置１０の先端部の中心Ｏ1 近傍を保持し、操作端末を操作して準備が完了したことを入力する。このとき、入力操作は、操作端末のキーボードのリターンキーを押下でもよいし、操作端末の備える音声認識機能を利用した音声入力であってもよい。そして、準備が完了したことが入力されると、操作端末は、前記制御装置又は上位装置に対してコマンドを送信する。すると、前記制御装置又は上位装置は、受信したコマンドに対応するアクチュエータを選択する。
【００４６】
ここでは、ａ方向が選択されているので、図６に示されるシーケンスに従って、第２アクチュエータ１７、第４アクチュエータ１９及び第５アクチュエータ２０が選択される。そして、前記第２アクチュエータ１７、第４アクチュエータ１９及び第５アクチュエータ２０をあらかじめ設定されている力で駆動すると、先端部はａ方向に移動を開始する。すると、訓練者は、前記先端部を保持しているので、力の方向、すなわち、ａ方向と力の大きさとを体感することができる。
【００４７】
また、訓練者は、図１０に示されるような入力画面で、各筋の発生する力をあらかじめ設定することができるので、筋力のばらつきによる力の発生する方向や力の大きさを学習するこが可能となる。
【００４８】
さらに、訓練者に力の方向や各筋の設定値を知らせずに上記の操作を実施し、訓練者が力の方向や大きさを判断して結果を報告することによって、訓練者の能力試験等にも応用することができる。
【００４９】
このように、本実施の形態において、リハビリテーション教育用ロボットには、人間の上肢又は下肢の筋構造が組み込まれている。そのため、上肢又は下肢における各筋の出力及び先端部の力の方向を再現することができ、訓練者は、上肢又は下肢における各筋の出力及び先端部の力の方向を体験的に学習することができる。
【００５０】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００５１】
図１１は本発明の第２の実施の形態における下肢の姿勢を設定する画面の例を示す図、図１２は本発明の第２の実施の形態における下肢の筋力を設定する画面の例を示す図、図１３は本発明の第２の実施の形態における二関節アーム装置の先端部で発生する力を説明する図である。
【００５２】
まず、訓練者は、図１１に示されるような操作端末のディスプレイ２００に表示された入力画面で、股関節角度及び膝関節角度を入力して下肢の姿勢を決定する。次に、訓練者は、図１２に示されるような操作端末のディスプレイ２００に表示された入力画面で、各拮抗筋、すなわち、外側広筋３４と大腿二頭筋短頭３７、腸腰筋３２と大殿筋３５、及び、大腿直筋３３とハムストリングス３６の収縮力を任意の値に設定する。そして、入力準備が完了すると、操作端末は、二関節アーム装置１０の動作を制御する制御装置又は上位装置に対してコマンドを送信する。
【００５３】
すると、前記制御装置は、図１３に示されるように、股関節角度及び膝関節角度が入力された値である目標角度θ1 及びθ2 となるように、エンコーダ１４ｄ及び１５ｄを参照しつつ、第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１を制御する。
【００５４】
そして、股関節角度及び膝関節角度が目標角度（股関節角度＝θ1 、膝関節角度＝θ2 ）に到達した後、前記制御装置は、第１アクチュエータ１６と第２アクチュエータ１７、第３アクチュエータ１８と第４アクチュエータ１９、及び、第５アクチュエータ２０と第６アクチュエータ２１が、それぞれ、設定された収縮力となるようにばね４６に変位を与えるように、各アクチュエータの第１ポテンショメータ４４及び第２ポテンショメータ４５を参照しつつ、各アクチュエータのモータ４０を制御する。前記第１アクチュエータ１６〜第６アクチュエータ２１の制御が完了した時点で、操作端末は、訓練者に準備完了を報知し、続いて、第１リンク１１の先端部、すなわち、二関節アーム装置１０の先端部を保持して、リハビリテーションの施術を実施するよう訓練者に指示する。
【００５５】
図１３において、ｒ1 は第２リンク固定股プーリ１５ａの半径、ｒ2 は第１リンク固定膝プーリ１４ｂの半径、ｌ1 は第２リンク１２の長さ、ｌ2 は第１リンク１１の長さである。また、θ1 及びθ2 は、図１３に示されるように定義される。さらに、第１アクチュエータ１６の出力をＦｆ2 、第２アクチュエータ１７の出力をＦｅ2 、第３アクチュエータ１８の出力をＦｆ3 、第４アクチュエータ１９の出力をＦｅ3 、第５アクチュエータ２０の出力をＦｆ1 、第６アクチュエータ２１の出力をＦｅ1 とする。
【００５６】
ここで、二関節アーム装置１０の先端部の出力のｘ軸成分をＦｘ及びｙ軸成分をＦｙとすると、Ｆｘ及びＦｙは次の式（１）で表される。
【００５７】
【数１】
2008281926.tif 000003
但し、ｒ＝ｒ1 ＝ｒ2 
初期状態では、Ｆｆ1 ＝Ｆｅ1 、Ｆｆ2 ＝Ｆｅ2 、Ｆｆ3 ＝Ｆｅ3 であるので、Ｆｘ= Ｆｙ= ０となり、二関節アーム装置１０の先端部の出力は０となる。
【００５８】
この状態から、訓練者が図７におけるａ方向に二関節アーム装置１０の先端部を動かし、リハビリテーションの施術を開始したとする。このとき、第６アクチュエータ２１のばね４６には圧縮される方向に力が働くので、前記制御装置は、第６アクチュエータ２１の出力が大きくなると判断する。反対に、第５アクチュエータ２０のばね４６には伸びる方向に力が働くので、前記制御装置は、第５アクチュエータ２０の出力が小さくなると判断する。同様に、前記制御装置は、第１アクチュエータ１６及び第３アクチュエータ１８の出力が大きくなり、第２アクチュエータ１７及び第４アクチュエータ１９の出力が小さくなると判断する。
【００５９】
これは、対となるアクチュエータ同士が拮抗している状態からａ方向に力が加えられたために、ｄ方向に反力が発生したことを意味し、出力が大きいと判断されたアクチュエータがｄ方向の反力発生に寄与している。そのため、前記制御装置は、第６アクチュエータ２１、第１アクチュエータ１６及び第３アクチュエータ１８を上位装置に通知し、操作端末のディスプレイ２００に表示させる。これにより、訓練者は、自分のリハビリテーションの施術によってどのアクチュエータに負荷を与えているかを、操作端末のディスプレイ２００の表示で確認することができる。
【００６０】
このように、本実施の形態においては、訓練者が各筋の収縮力を設定すると、設定された収縮力に対応する出力を各アクチュエータが発生し、訓練者が二関節アーム装置１０の先端部を保持してリハビリテーションの施術を実施すると、それに対する反力を発生するアクチュエータを表示するようになっている。そのため、訓練者は、自身のリハビリテーション動作によってどのアクチュエータに負荷がかかっているかを容易に判別することができ、リハビリテーションの効果を認識することができる。
【００６１】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００６２】
図１４は本発明の第３の実施の形態における二関節アーム装置の構成を示す正面図、図１５は本発明の第３の実施の形態における二関節アーム装置の構成を示す側面図、図１６は本発明の第３の実施の形態における二関節アーム装置の動作を制御する制御装置を示す回路ブロック図である。
【００６３】
図において、１００は本実施の形態におけるリハビリテーション教育用ロボットに含まれる二関節アーム装置であって、人間の下肢を模した構造を有する。
【００６４】
そして、６５は下腿に該当する第１リンクであり、６４は上腿に該当する第２リンクである。また、７７は、腰に該当するベースとしてのフレームである。そして、該フレーム７７には、股関節に該当する第２関節部１１５を介して、第２リンク６４の根本端部が回転可能に接続されている。さらに、第２リンク６４の先端部には、膝関節に該当する第１関節部１１４を介して、第１リンク６５の根本端部が回転可能に接続されている。
【００６５】
第２関節部１１５は、第２リンク６４の基端部に固定されたプーリとしての第２リンク固定股プーリ６１を有する。該第２リンク固定股プーリ６１は、ブッシュ７２を介して、第１ブラケット７５に回転可能に取り付けられている。なお、該第１ブラケット７５はフレーム７７に固定されている。
【００６６】
また、該フレーム７７には、第２ブラケット７４を介して、第１のアクチュエータとしての第１モータ６８が固定されている。そして、該第１モータ６８の出力軸には、直接又は図示されない減速機を介して、プーリとしての第２リンク駆動プーリ６０が取り付けられている。さらに、ワイヤ６６が第２リンク駆動プーリ６０及び第２リンク固定股プーリ６１に巻き付けられ、その終端が第２リンク駆動プーリ６０及び第２リンク固定股プーリ６１に固定されている。
【００６７】
さらに、第２関節部１１５は、プーリとしてのフレーム固定股プーリ６２を有する。該フレーム固定股プーリ６２は、第２リンク固定股プーリ６１と同軸上で回転可能なように、第３ブラケット７６に取り付けられている。なお、該第３ブラケット７６はフレーム７７に固定されている。また、前記フレーム固定股プーリ６２は、第３ブラケット７６に固定された第２のアクチュエータとしての第２モータ６９の出力軸に、直接又は図示されない減速機を介して、取り付けられている。
【００６８】
一方、第１関節部１１４は、第１リンク６５の基端部に固定されたプーリとしての第１リンク固定膝プーリ６３を有する。該第１リンク固定膝プーリ６３は、ブッシュ７３を介して、第２リンク６４の先端部に回転可能に取り付けられている。そして、ワイヤ６７がフレーム固定股プーリ６２及び第１リンク固定膝プーリ６３に巻き付けられ、その終端がフレーム固定股プーリ６２及び第１リンク固定膝プーリ６３に固定されている。
【００６９】
なお、７０及び７１はエンコーダであり、第２関節部１１５の回転中心Ｏ2 におけるフレーム７７に対する第２リンク６４の回転角度、及び、第１関節部１１４の回転中心Ｏ3 における第２リンク６４に対する第１リンク６５の回転角度を各々測定する。また、７８及び７９は、第１モータ６８及び第２モータ６９の出力軸又は減速後の出力軸のトルクを計測するためのトルクセンサであり、前記出力軸に作用するトルクを測定する。
【００７０】
本実施の形態において、二関節アーム装置１００の動作を制御する制御装置は、図１６に示されるような構成を有する。図１６において、１５０は演算手段としてのＣＰＵであり、該ＣＰＵ１５０で実行されるプログラム等を記憶するＲＯＭ１５１、及び、前記ＣＰＵ１５０がプログラムを実行する際のデータ等を一時記憶するＲＡＭ１５２が接続されている。また、前記ＣＰＵ１５０には、第１モータ６８及び第２モータ６９を動作させるための駆動回路としてのドライバ１５３及び１５４が接続されている。前記ドライバ１５３及び１５４は、前記ＣＰＵ１５０の指示を受けて第１モータ６８及び第２モータ６９を動作させる。さらに、前記ＣＰＵ１５０には、第２リンク６４に対する第１リンク６５の回転角度を測定するエンコーダ７０、及び、フレーム７７に対する第２リンク６４の回転角度を測定するエンコーダ７１が接続されている。さらに、トルクセンサ７８及び７９の出力は、Ａ／Ｄ変換器１７８及び１７９を介して、ＣＰＵ１５０に入力される。
【００７１】
そして、前記ＣＰＵ１５０は、ネットワーク等によって図示されない上位装置と通信可能に接続されている。ここで、該上位装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、キーボード、マウス等の入力手段、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ等の表示手段、通信手段等を備えるコンピュータであり、前記二関節アーム装置１００の動作を統括的に制御する装置である。そして、前記ＣＰＵ１５０は、あらかじめ組み込まれたプログラム又は入力手段から入力されたオペレータの指令に従って、前記ドライバ１５３及び１５４に制御信号を送信して、第１モータ６８及び第２モータ６９を駆動させる。
【００７２】
次に、本実施の形態における二関節アーム装置１００の動作について説明する。
【００７３】
図１７は本発明の第３の実施の形態における二関節アーム装置の制御ブロック図、図１８は本発明の第３の実施の形態における二関節アーム装置の先端部で発生する力の方向を示す図である。
【００７４】
ここでは、前記第１の実施の形態における図６〜１０を参照しながら説明する。
【００７５】
図７に示されるような前記第１の実施の形態における二関節アーム装置１０において、第１アクチュエータ１６の出力をＦｆ2 、第２アクチュエータ１７の出力をＦｅ2 、第３アクチュエータ１８の出力をＦｆ3 、第４アクチュエータ１９の出力をＦｅ3 、第５アクチュエータ２０の出力をＦｆ1 、第６アクチュエータ２１の出力をＦｅ1 とし、第１関節部１４及び第２関節部１５を構成するプーリーの半径をｒとする。
【００７６】
また、図１４及び１５に示されるような本実施の形態における二関節アーム装置１００において、第１モータ６８の発生トルクをＴ1 、第２モータ６９の発生トルクをＴ2 とする。すると、本実施の形態における二関節アーム装置１００の第１モータ６８及び第２モータ６９が発生するトルクＴ1 及びＴ2 と、前記第１の実施の形態における二関節アーム装置１０の各アクチュエータの出力との関係は、次の式（２）及び（３）で表される。
Ｔ1 ＝（Ｆｆ1 −Ｆｅ1 ）ｒ＋（Ｆｆ3 −Ｆｅ3 ）ｒ・・・式（２）
Ｔ2 ＝（Ｆｆ2 −Ｆｅ2 ）ｒ＋（Ｆｆ3 −Ｆｅ3 ）ｒ・・・式（３）
そして、該式（２）及び（３）を取り入れた制御ブロックを作成すると、図１７に示されるようになる。図１７において、９０及び９１はコントローラ、９２及び９３は第１モータ６８及び第２モータ６９の伝達関数、９４及び９５はトルクセンサ７８及び７９の変換係数（入力は角度、出力はトルク）である。
【００７７】
まず、訓練者は、図９に示されるような操作端末のディスプレイ２００に表示された入力画面で、下肢の先端部の出力方向を入力する。そして、該出力方向が入力されると、それに対応した筋、例えば、ａ方向を選択した場合は、ａ方向の出力をするために必要な筋の色が画面上で変化することで、訓練者が認識することができるようになっている。
【００７８】
次に、訓練者は、図１８に示されるような二関節アーム装置１００の先端部の中心Ｏ1 近傍を保持し、操作端末を操作して準備が完了したことを入力する。このとき、入力操作は、操作端末のキーボードのリターンキーを押下でもよいし、操作端末の備える音声認識機能を利用した音声入力であってもよい。そして、準備が完了したことが入力されると、操作端末は、制御装置又は上位装置に対してコマンドを送信する。すると、前記制御装置又は上位装置は、受信したコマンドに対応するアクチュエータを選択する。
【００７９】
ここでは、ａ方向が選択されているので、前記第１の実施の形態における二関節アーム装置１０の場合、図６に示されるシーケンスに従って、第２アクチュエータ１７、第４アクチュエータ１９及び第５アクチュエータ２０が選択される。
【００８０】
そこで、第２アクチュエータ１７の出力をＦｅ2 、第４アクチュエータ１９の出力をＦｅ3 、及び、第５アクチュエータ２０の出力をＦｆ1 として、それぞれ、図１７に示されるような制御ブロックの入力値として設定する。なお、その他のアクチュエータの出力は０とする。
【００８１】
すると、入力された設定値から第１モータ６８が発生するトルクの目標値Ｔ1 ｒｅｆ、及び、第２モータ６９が発生するトルクの目標値Ｔ2 ｒｅｆがそれぞれ算出され、コントローラ９０及び９１によって出力される操作量に基づいて、第１モータ６８及び第２モータ６９の制御が開始される。
【００８２】
そして、前記第１モータ６８及び第２モータ６９の制御が開始されると、二関節アーム装置１００の先端部はａ方向に移動を開始する。すると、訓練者は、先端部の中心Ｏ1 近傍を保持しているので、力の方向、すなわち、ａ方向と力の大きさとを体感することができる。
【００８３】
また、訓練者は、図１０に示されるような入力画面で、各筋の発生する力をあらかじめ設定することができるので、筋力のばらつきによる力の発生する方向や力の大きさを学習するこが可能となる。
【００８４】
さらに、訓練者に力の方向や各筋の設定値を知らせずに上記の操作を実施し、訓練者が力の方向や大きさを判断して結果を報告することによって、訓練者の能力試験等にも応用することができる。
【００８５】
このように、本実施の形態においては、各アクチュエータの駆動シーケンスと各アクチュエータの出力が各関節の及ぼずトルクとの関係から、第１のアクチュエータとしての第１モータ６８及び第２のアクチュエータとしての第２モータ６９の出力するトルクを算出することによって、６個のアクチュエータを使用する場合と同等の効果を２個のアクチュエータを使用することで再現することができる。そのため、二関節アーム装置１００を小型化することができ、また、二関節アーム装置１００のコストを低減することができる。
【００８６】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、第１〜第３の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第３の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００８７】
図１９は本発明の第４の実施の形態における目標トルクを説明する図、図２０は本発明の第４の実施の形態における二関節アーム装置の動作を説明する図、図２１は本発明の第４の実施の形態におけるアクチュエータの駆動シーケンスと力の方向を示す図である。
【００８８】
本実施の形態におけるリハビリテーション教育用ロボットの構成は、前記第３の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。また、動作の説明については、前記第２及び第３の実施の形態における図１１〜１３及び１７を参照しながら説明する。
【００８９】
訓練者は、図１１に示されるような操作端末のディスプレイ２００に表示された入力画面で、股関節角度及び膝関節角度を入力して下肢の姿勢を決定する。次に、訓練者は、図１２に示されるような操作端末のディスプレイ２００に表示された入力画面で、各拮抗筋、すなわち、外側広筋３４と大腿二頭筋短頭３７、腸腰筋３２と大殿筋３５、及び、大腿直筋３３とハムストリングス３６の収縮力を任意の値に設定する。そして、入力準備が完了すると、操作端末は、二関節アーム装置１００の動作を制御する制御装置又は上位装置に対してコマンドを送信する。
【００９０】
すると、前記制御装置は、図１３に示されるように、股関節角度及び膝関節角度が入力された値である目標角度θ1 及びθ2 となるように、エンコーダ７０及び７１を参照しつつ、第１のアクチュエータとしての第１モータ６８及び第２のアクチュエータとしての第２モータ６９を制御する。
【００９１】
そして、股関節角度及び膝関節角度が目標角度（股関節角度＝θ1 、膝関節角度＝θ2 ）に到達した後、前記制御装置は、入力された各筋の収縮力を図１７に示される制御ブロックに入力する。すると、入力された設定値から第１モータ６８が発生するトルクの目標値Ｔ1 ｒｅｆ、及び、第２モータ６９が発生するトルクの目標値Ｔ2 ｒｅｆがそれぞれ算出され、コントローラ９０及び９１によって出力される操作量に基づいて、第１モータ６８及び第２モータ６９の制御が開始される。
【００９２】
この時点で、操作端末は、訓練者に準備完了を報知し、続いて、第１リンク６５の先端部、すなわち、二関節アーム装置１００の先端部を保持して、リハビリテーションの施術を実施するよう訓練者に指示する。すると、訓練者は、二関節アーム装置１００の先端部を保持して、リハビリテーションの施術を開始する。
【００９３】
ここでは、図２０において、ｄ方向とｅ方向との中間方向に力を入れた場合を考える。このとき、股関節角度及び膝関節角度が変化し、この角度の変化量に応じてトルク量が制御される。図１９は、その一例を示している。初期角度（ここでは、θ1 及びθ2 ）からあらかじめ設定された角度までは、角度とトルクを比例的に変化させ、設定された角度以上となると、トルクが目標値となるように制御される。
【００９４】
次に、第１モータ６８及び第２モータ６９の発生するトルクＴ1 及びＴ2 とそれぞれの目標値Ｔ1 ｒｅｆ及びＴ2 ｒｅｆとが一致した時点で、その時の股関節角度θ1 及び膝関節角度θ2 を検出して、次の式（４）より、二関節アーム装置１００の先端部の出力のｘ軸成分をＦｘ及びｙ軸成分をＦｙを算出する。
【００９５】
【数２】
2008281926.tif 000004
入力された姿勢が図２０のような場合を考える。第１リンク６５と第２リンク６４との長さが等しく、先端部の中心点Ｏ1 と第２関節部１１５の回転中心Ｏ2 とが同一直線上にあり、かつ、線分Ｏ2 −Ｏ3 とＯ1 −Ｏ3 とが成す角度が９０度であるとき、ａ方向及びｄ方向は線分Ｏ2 −Ｏ1 上にあり、ｂ方向及びｅ方向は線分Ｏ2 −Ｏ3 と平行となり、ｃ方向及びｆ方向は線分Ｏ3 −Ｏ1 上にある。そして、先端部の中心点Ｏ1 を原点として、ｘ軸及びｙ軸を図２０のように採って、ｘ軸から左回りにθを採ると、図２１のようになる。
【００９６】
ここで、前記式（４）によって求めた（Ｆｘ、Ｆｙ）をｘ−ｙ平面上にプロットし、ｘ軸と成す角度をθｘｙとして求めて図２１上にプロットする。プロットされた位置で、駆動状態となっているＦ１、Ｅ２、Ｅ３及びＦ３が実際に動作していることを示している。これは、ｄ方向とｅ方向との中間の方向に力が加えられたため、反対側のａ方向とｂ方向との中間の方向に反力が発生したことを示している。ここで、Ｆｌは腸腰筋３２に、Ｅ２は大腿二頭筋短頭３７に、Ｅ３はハムストリングス３６に、Ｆ３は大腿直筋３３にそれぞれ対応している。
【００９７】
そして、制御装置は、Ｆ１（腸腰筋３２）、Ｅ２（大腿二頭筋短頭３７）、Ｅ３（ハムストリングス３６）及びＦ３（大腿直筋３３）を上位装置に通知し、操作端末のディスプレイ２００に表示させる。これにより、訓練者は、自分のリハビリテーションの施術によってどのアクチュエータに負荷を与えているのかを、操作端末のディスプレイ２００の表示で確認することができる。
【００９８】
このように、本実施の形態においては、股関節と、膝関節に働くトルクと、回転角度とから先端部の出力方向を算出し、その方向から駆動状態となっている仮想的なアクチュエータを求めるようになっている。これにより、訓練者は、自身のリハビリテーション動作によって、どの仮想的アクチュエータに負荷がかかっているのか容易に判別することができる。そのため、訓練者は、リハビリテーションの効果を認識することができるようになる。また、二関節アーム装置１００の小型化、低コスト化が可能となる。
【００９９】
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。なお、第１〜第４の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第４の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【０１００】
図２２は本発明の第５の実施の形態における二関節アーム装置の制御ブロック図、図２３は本発明の第５の実施の形態におけるばね要素を説明する図である。
【０１０１】
本実施の形態におけるリハビリテーション教育用ロボットの構成は、前記第３の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【０１０２】
本実施の形態において、二関節アーム装置１００の制御ブロック図は、図２２に示されるようになっている。ここで、１１０は第１モータ６８の伝達関数であり、第１リンク６５及び第２リンク６４回りの慣性モーメントを含んでいる。同様に、１０１は第２モータ６９の伝達関数であり、第１リンク６５回りの慣性モーメントを含んでいる。
【０１０３】
そして、１０２及び１０３は、コントローラであって、トルクの目標値Ｔ1 ｒｅｆ及びＴ2 ｒｅｆに応じた電圧を制御対象である伝達関数１１０及び１０１に印加する。また、１０６及び１０７は、図２３に示されるようなばね要素Ｋと関節の回転中心からばねが作用する点までの距離（半径）Ｒとを含む伝達関数である。さらに、１０４及び１０５は、ばね要素Ｋにより発生するトルクと同等なトルクを第１モータ６８及び第２モータ６９が発生するために必要な電圧に変換するための係数である。
【０１０４】
図２２において、Ｆｆ1 〜Ｆｆ3 及びＦｅ1 〜Ｆｅ3 を０としたとき、トルクの目標値Ｔ1 ｒｅｆ及びＴ2 ｒｅｆは０となり、第１モータ６８及び第２モータ６９には電圧が印加されない。
【０１０５】
この状態で、図１４に示されるような関節アーム装置１００の先端部を訓練者が保持し、任意の方向に動かしたとき、股関節角度θ1 及び膝関節角度θ2 が変化する。このときの初期値からの変化量をそれぞれΔθ1 及びΔθ2 とすると、第１モータ６８及び第２モータ６９の発生するトルクＴK1及びＴK2は、それぞれ、次の式（５）及び（６）のように算出される。
ＴK1＝Δθ1 ×２ＫＲ2 ・・・式（５）
ＴK2＝Δθ2 ×２ＫＲ2 ・・・式（６）
トルクＴK1及びＴK2は、第１モータ６８及び第２モータ６９に対して相互に作用するため、前記第１モータ６８及び第２モータ６９に印加する電圧ＶK1及びＶK2は、それぞれ、次の式（７）及び（８）のように算出される。
ＶK1＝（−Δθ1 ×２ＫＲ2 ＋Δθ2 ×２ＫＲ2 ）×Ｒm ／Ｋt ・・・式（７）
ＶK2＝（Δθ1 ×２ＫＲ2 −Δθ2 ×２ＫＲ2 ）×Ｒm ／Ｋt ・・・式（８）
算出された電圧ＶK1及びＶK2を第１モータ６８及び第２モータ６９にそれぞれ印加すると、前記第１モータ６８及び第２モータ６９は、ＴK1及びＴK2のトルクをそれぞれ発生する。これにより、関節アーム装置１００の先端部に力が発生するので、訓練者はこの力を反力として感じることになる。これは、図２３に示されるばね要素Ｋが外力を与えられたことによって発生する力であり、二関節筋のばね要素を再現している。
【０１０６】
このように、本実施の形態においては、二関節筋の弾性要素をモデル化し、股関節及び膝関節の初期状態からの回転角度変化を計測し、弾性要素を二つの関節軸に働くトルクとして求め、関節を駆動する第１モータ６８及び第２モータ６９の駆動電圧値に変換し、第１モータ６８及び第２モータ６９を駆動するようになっている。これにより、二関節筋の働きを仮想的に再現することができ、二関節筋の弾性要素としての働きを、訓練者に体験させることができる。
【０１０７】
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。なお、第１〜第５の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第５の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【０１０８】
図２４は本発明の第６の実施の形態における二関節アーム装置の構成を示す図、図２５は本発明の第６の実施の形態における二関節アーム装置の動作を制御する制御装置を示す回路ブロック図である。
【０１０９】
図において、２１０は本実施の形態におけるリハビリテーション教育用ロボットに含まれる二関節アーム装置であって、人間の下肢を模した構造を有する。前記二関節アーム装置２１０は、機構部１２０及び表皮部１２１を有する。なお、前記機構部１２０は、前記第１の実施の形態における二関節アーム装置１０及び前記第３の実施の形態における二関節アーム装置１００と同様のものであるので、その構成及び動作についての説明は省略する。
【０１１０】
また、前記表皮部１２１は、発泡ゴム、ウレタンフォーム等の軟質の材料から成り、機構部１２０の表面を覆うように形成されている。そして、前記表皮部１２１には、ランプ、発光ダイオード等の発光要素から成る発光部１２２〜１２７が配設されている。ここで、発光部１２２は腸腰筋３２を示し、発光部１２３は大腿直筋３３を示し、発光部１２４は外側広筋３４を示し、発光部１２５は大殿筋３５を示し、発光部１２６はハムストリングス３６を示し、発光部１２７は大腿二頭筋短頭３７を示している。そして、発光部１２２〜１２７は、対応するそれぞれの筋の位置に配設されている。
【０１１１】
また、発光部１２２〜１２７の色は、股関節周りの一関節筋に対応する発光部１２２及び１２５、二関節筋に対応する発光部１２３及び１２６、並びに、膝関節周りの一関節筋に対応する発光部１２４及び１２７毎に対となって、色分けされている。なお、これは一例であって、色分けの仕方は任意に設定することができる。
【０１１２】
さらに、前記表皮部１２１は、少なくとも発光部１２２〜１２７を覆う部分は、透明又は半透明な材料から成り、発光部１２２〜１２７の点灯を外部から視認することができるようになっている。なお、発光部１２２〜１２７の色分けは、ランプ、発光ダイオード等の発光要素自体の発光色を変化させて行ってもよいし、表皮部１２１における発光部１２２〜１２７を覆う部分の色を変化させて行ってもよい。
【０１１３】
図２５に示されるように、本実施の形態における制御装置は、図１６に示されるような前記第２の実施の形態における制御装置に、発光部１２２〜１２７を駆動するドライバとしての発光駆動回路１３０〜１３５を追加したものである。なお、ここでは、前記発光部１２２〜１２７の発光要素が発光ダイオードであるものとする。
【０１１４】
発光駆動回路１３０〜１３５の各々は、発光部１２２〜１２７の各々に接続されており、これにより、ＣＰＵ１５０の指示を受けて、発光部１２２〜１２７を点灯及び消灯させることができる。
【０１１５】
なお、本実施の形態における制御装置は、図５に示されるような前記第１の実施の形態における制御装置に発光駆動回路１３０〜１３５を追加したものであってもよい。
【０１１６】
次に、本実施の形態における二関節アーム装置２１０の動作について説明する。
【０１１７】
前記第１の実施の形態のように、動作させるアクチュエータを任意に設定する場合、該当するアクチュエータを前記操作端末のディスプレイ２００上に表示するとともに対応する発光部を点灯させ、訓練者に認識させる。
【０１１８】
また、前記第２、第４及び第５の実施の形態のように、訓練者がリハビリテーションの施術を実施して任意の方向に力を加えている場合、力を加えている方向から負荷のかかっているアクチュエータを判定し、該当するアクチュエータを操作端末のディスプレイ２００に表示するとともに対応する発光部を点灯させ、訓練者に認識させる。
【０１１９】
さらに、前記第３の実施の形態のように、動作させるアクチュエータを制御ブロック図における入力として設定する場合、設定した仮想的なアクチュエータを操作端末のディスプレイ２００に表示するとともに対応する発光部を点灯させ、訓練者に認識させる。
【０１２０】
このように、本実施の形態においては、人間の下肢の筋構造に対応する位置に発光部１２２〜１２７を配設し、駆動しているアクチュエータ、又は、訓練者がリハビリテーション施術時に負荷を与えているアクチュエータに対応している発光部を点灯させるようになっている。これにより、訓練者に筋肉の位置と力の方向との関係をリアルタイムに認識させることができる。
【０１２１】
なお、前記第１〜第６の実施の形態においては、下肢を例に説明したが、上肢においても、下肢と同様に、一関節筋と二関節筋とを有する筋配列構造を持っているので、本発明を適用することができる。
【０１２２】
また、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明の第１の実施の形態における二関節アーム装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における第２関節部の側面を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における第１関節部の側面を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータの構成を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における二関節アーム装置の動作を制御する制御装置を示す回路ブロック図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータの駆動シーケンスと力の方向を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における二関節アーム装置の先端部で発生する力の方向を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態における二関節アーム装置が模す下肢の構造を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態における下肢の先端の出力方向を選択する画面の例を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における下肢の筋力を設定する画面の例を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態における下肢の姿勢を設定する画面の例を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態における下肢の筋力を設定する画面の例を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態における二関節アーム装置の先端部で発生する力を説明する図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態における二関節アーム装置の構成を示す正面図である。
【図１５】本発明の第３の実施の形態における二関節アーム装置の構成を示す側面図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態における二関節アーム装置の動作を制御する制御装置を示す回路ブロック図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態における二関節アーム装置の制御ブロック図である。
【図１８】本発明の第３の実施の形態における二関節アーム装置の先端部で発生する力の方向を示す図である。
【図１９】本発明の第４の実施の形態における目標トルクを説明する図である。
【図２０】本発明の第４の実施の形態における二関節アーム装置の動作を説明する図である。
【図２１】本発明の第４の実施の形態におけるアクチュエータの駆動シーケンスと力の方向を示す図である。
【図２２】本発明の第５の実施の形態における二関節アーム装置の制御ブロック図である。
【図２３】本発明の第５の実施の形態におけるばね要素を説明する図である。
【図２４】本発明の第６の実施の形態における二関節アーム装置の構成を示す図である。
【図２５】本発明の第６の実施の形態における二関節アーム装置の動作を制御する制御装置を示す回路ブロック図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１０、１００、２１０    二関節アーム装置
１１、６５    第１リンク
１２、６４    第２リンク
１３、７７    フレーム
１６    第１アクチュエータ
１７    第２アクチュエータ
１８    第３アクチュエータ
１９    第４アクチュエータ
２０    第５アクチュエータ
２１    第６アクチュエータ
６８    第１モータ
６９    第２モータ
１２１    表皮部
１２２、１２３、１２４、１２５、１２６、１２７    発光部
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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