(57)【要約】【目的】人の手で訓練するように、設定した軌道を患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することはできる膝関節訓練装置等の駆動装置を提供する。【構成】駆動装置の構成として、被駆動部を保持するように配置され、被駆動部の動きに沿うように動く保持部材と、該保持部材に可変な剛性を与える剛性可変機構と、該剛性可変機構で作り出される剛性の中心位置を変化させ、被駆動部にある一定の軌道の動きをさせる駆動機構と、を設ける。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被駆動部を保持するように配置され、被駆動部の動きに沿うように動く保持部材と、
該保持部材に可変な剛性を与える剛性可変機構と、
該剛性可変機構で作り出される剛性の中心位置を変化させ、被駆動部にある一定の軌道の動きをさせる駆動機構と、
を有することを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
請求項１記載の駆動装置において、前記剛性は線形であり、前記剛性可変機構は２つの２次特性ばねの組合せによって構成されることを特徴とする駆動装置。
【請求項３】
請求項１記載の駆動装置において、前記剛性可変機構は、
２次特性を持つ第１ばねと、
２次特性を持つ第２ばねと、
第１および第２ばねの端部を連結するワイヤーと、
第１および第２ばねの圧縮とその作用する位置を制御する２つのサーボモータと、
を有し、
前記サーボモータによって作用力が加えられた第１ばねと第２ばねの拮抗に基づいて前記剛性が決められ、また拮抗する点を移動することでその剛性の中心が決められる、
ことを特徴とする駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は駆動装置に関し、特に、膝関節やその他の関節を訓練する医療装置およびロボット（ヒューマノイド）に適用可能な駆動装置に関する。以下、本発明の駆動装置を膝関節訓練装置に関連して説明するが、本発明は膝関節訓練装置に限定されるものではない。
【０００２】
【従来の技術】
患者の膝を手術した後、膝の手術後の回復のために一定期間膝を固定し動かないようにしている。この結果、膝の可動範囲に狭くなりリハビリテーションが必要となる。従来、リハビリテーションの訓練装置としてはＣＰＭ（連続的受動運動）を用いることが、例えば、特開平０６−１０５８７７号公報、特開平０８−１９６５８５号公報、特開平１１−１９２２７３号公報等に提案されている。
【特許文献１】特開平０６−１０５８７７号公報
【特許文献２】特開平０８−１９６５８５号公報
【特許文献３】特開平１１−１９２２７３号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来例のＣＰＭでは、膝を中心として大腿部に対して下腿部を回動させることを繰り返し行うようになっているが、人の手で訓練するのとは異なり、設定した軌道を患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することはできなかった。
【０００４】
したがって、本発明の目的は、人の手で訓練するように、設定した軌道を患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することのできる膝関節訓練装置等の駆動装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するために、本発明は被駆動部を保持するように配置され、被駆動部の動きに沿うように動く保持部材と、該保持部材に可変な剛性を与える剛性可変機構と、該剛性可変機構で作り出される剛性の中心位置を変化させ、被駆動部にある一定の軌道の動きをさせる駆動機構と、を有することを特徴とする駆動装置を採用するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の剛性可変機構を用いた膝関節訓練装置を説明するための構成図である。図２は本発明の剛性可変機構の原理を説明するための図である。図３は本発明の非線形ばねの動作特性を説明するための図である。図４は非線形ばねの２次特性を説明するための図である。図５は２つの２次特性ばねによる剛性可変を説明するための図である。図６は２つの非線形ばねによる剛性可変を説明するためのグラフである。図７は剛性の中心位置を変更する機構を説明するための図である。図８は２次特性ばねの例の円錐形のばねの構成を示す図である。図９は円錐形のばねの特性を示すグラフである。
【０００７】
最初に、図２を参照して、本発明の剛性可変機構の原理を説明する。この剛性可変機構１０は、端的に言えば、２つの２次（２乗）特性を持つ非線形ばね１１を組み合わせることにより剛性可変の線形ばね特性を拮抗点の部材１２を得るものである。
【０００８】
拮抗点の部材１２は例えばスライダからなり、部材が動く方向の両端には、お互いに逆方向に力が加わるように非線形ばね１１が配置される。非線形ばねの他端はばねを圧縮するための部材があり、そのばねを圧縮するための部材１３の距離はサーボモータ１４により変更することができる。
【０００９】
このように構成された剛性可変機構では、各サーボモータ１４でばねを圧縮するための部材１３を移動させると、ばね１１は圧縮されることになる。両方のばね１１が拮抗点の部材１２で連結されているので、お互いの力が拮抗するまで，拮抗点の部材１２が移動して停止することになる。この所定位置は拮抗点における線形ばね特性の剛性に依存することになる。
【００１０】
次に、図３から図６を参照して、どのようにして拮抗点の部材１２に線形ばね特性が与えられるかについて説明する。図３には、非線形ばね特性（特に２次ばね特性）を持つ不等ピッチコイルばね１１が示されている。すなわち、コイルのピッチが２次ばね特性に対応するように徐々に変化させられてものである。不等ピッチコイルばねとしては同一径のコイル部分を持つものばかりでなく、コイル径が徐々に縮小する円錐形の不等ピッチコイルばねであってもよい。図８及び図９は，例として２次特性をもつ円錐形のばねの構造および２次特性をもつ円錐形のばねの特性を示している。また、特開平２０００−３３７４１５号公報には非線形異形コイルが示されており、この非線形異形コイルから２次特性のばねを作製できるので、本発明で用いる２次特性のばねとして用いることができる。
【００１１】
２次ばね特性を持つばねが圧縮されると、圧縮量（移動位置）に対してばね力は図４に示すように２次特性を示す。
【００１２】
今、図４に示すような２次特性を持つ２つのばねを図５に示すように配置すると仮定する。ここで、ばねの自由長をｘ０（ｍ）とすると、非線形ばねの長さｘ（ｍ）と力ｆ（Ｎ）との関係は、
ｆ＝ｋ（ｘ−ｘ０）２　　　　　　　　　　　　　　　（１）
と表すことができる。ただしｋは２乗に比例する定数で単位はＮ／ｍ２である。ここで、２つのばねが図５に示す位置で拮抗したとすると、支持点間の距離を２ｌ（ｍ）、中心からの距離をｘｃ（ｍ）とすると、それぞれのばねに生じる圧縮力ｆ１、ｆ２は、
ｆ１＝ｋ（ｌ＋ｘｃ−ｘ０）　　　　　　　　　　　　　（２）
ｆ２＝ｋ（ｌ−ｘｃ−ｘ０）　　　　　　　　　　　　　（３）
となり、合成力ｆ１２は
ｆ１２＝４ｋ（ｌ−ｘ０）ｘｃ
となり、４ｋ（ｌ−ｘ０）を比例定数とする線形ばねの特性が得られる。
なお、上記式の算出においては、簡略化のためにｘ、ｘｃ等の範囲条件を省略している。
【００１３】
この結果、図６のグラフに示すように剛性が可変のものが得られる。
【００１４】
次に、図１を参照して、本発明の剛性可変機構を用いた膝関節訓練装置を説明する。剛性可変機構１０が設けられており、その詳細は図２に関連して既に説明しているので、省略する。
【００１５】
膝関節訓練装置１００は剛性可変機構１０に加えて、その剛性可変機構で作り出される剛性の中心位置を変動させ、脚部５０にある一定の軌道の動きをさせる駆動機構２０を備える。駆動機構２０は、図７に示すように、例えば，スライダ２１とボールネジ２２とサーボモータ２３からなる。サーボモータにより、スライダ上の剛性可変気候１０を移動することで、剛性の中心位置を変動させることができる。
【００１６】
これら剛性可変機構１０と剛性の中心位置を変動する駆動機構２０で使用するモータはモータコントローラを含む軌道・剛性特性入力装置４０により制御され、訓練に用いる軌道と剛性を生成する。
【００１７】
さらに、膝関節訓練装置１００は、これら剛性可変機構１０と剛性中心の駆動機構２０で生成される動きと力を、患者の脚部５０に伝えるために，脚部保持部材３０を備えている。この脚部保持部材３０は、患者の脚部５０を保持するように配置され，脚部の動きに沿うように動く。また脚部保持部材３０は、剛性可変機構１０の拮抗点の部材１２と連結されており、その姿勢の変動と関節の剛性の調整は、剛性可変機構１０のサーボモータ１４と剛性中心の駆動機構２０のサーボモータ２３によって行われる。このように姿勢と剛性を調整することで、患者にとって最適な条件でリハビリテーションの訓練を受けることができる。
【００１８】
以上、本発明の駆動装置を膝関節訓練装置を例として説明してきたが、本発明は膝関節ばかりでなく、他の関節にも適用できるものであり、また、ロボット（ヒューマノイド）にも適用可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、例えば、人の手で訓練するように、設定した軌道を患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することはできる膝関節訓練装置等の駆動装置が得られる。
【００２０】
その他、以下のような効果が得られる。
（１）サーボモータの速度が遅くてもやわらかさを実現できる。また，トルクも比較的小さくできる。
（２）電源が停止しても柔らかさを保持できる。
（３）力センサが必要ない。また、力センサで感知することのできない場所に力を加えても反応する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の剛性可変機構を用いた膝関節訓練装置を説明するための構成図である。
【図２】図２は本発明の剛性可変機構の原理を説明するための図である。
【図３】図３は本発明の非線形ばねの動作特性を説明するための図である。
【図４】図４は非線ばねの２次特性を説明するための図である。
【図５】図５は２つの２次特性ばねによる剛性可変を説明するための図である。
【図６】図６は２つの２次特性ばねによる剛性可変を説明するためのグラフである。
【図７】図７は剛性の中心位置を変更する機構を説明するための図である。
【図８】図８は２次特性ばねの例の円錐形のばねの構成を示す図である。
【図９】図９は円錐形のばねの特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０　　　　剛性可変機構
１１　　　　非線形ばね
１２　　　　拮抗点の部材
１３　　　　ばねを圧縮するための部材
１４　　　　ばねを圧縮するサーボモータ
２０　　　　剛性の中心位置を変更する駆動機構
２１　　　　スライダ
２２　　　　ボールネジ
２３　　　　剛性の中心位置を変更するサーボモータ
３０　　　　脚部保持部材
４０　　　　モータコントローラを含む軌道。剛性特性入力装置
５０　　　　患者の脚部
１００　　　膝関節訓練装置
２０　　　　下腿部保持部材
【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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【図８】
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【図９】
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