(57)【要約】【課題】膝関節の過負荷を防止することが可能な関節駆動装置を提供する。【解決手段】足部を固定する足スプリントおよび下腿部を支持する下腿スプリントを備え、先端に連結した足スプリントに対し、垂直、水平および回転の３自由度動作を行う少なくとも３つの駆動軸をもつロボットアームから成り、ロボットアーム先端における負荷計測値Ｆａをもとにインピーダンス制御を行うことにより、下肢の股、膝および足の各関節を屈伸させる関節駆動装置であって、足スプリントに連結したロボットアーム先端の駆動軸１２に対し、保持機構３１を介して下腿スプリント８を連結し、股、膝および足の各関節の屈伸状態に応じ、下腿部６に対する足部５の角度θａを変更する場合、または負荷計測値Ｆａが予め定めた閾値Ａを超えた場合に保持機構３１を開放し、他の場合には保持機構３１を閉じる制御手段を設けた関節駆動装置。【選択図】          図１
2004261271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
足部を固定する足スプリントおよび下腿部を支持する下腿スプリントを備え、先端に連結した前記足スプリントに対し、少なくとも矢状面内での垂直、水平および回転の３自由度動作を行う少なくとも３つの駆動軸をもつロボットアームから成り、前記ロボットアーム先端における負荷計測値Ｆａをもとにインピーダンス制御を行うことにより、下肢の股、膝および足の各関節を屈伸させる関節駆動装置であって、
前記足スプリントに連結した前記ロボットアーム先端の前記駆動軸に対し、保持機構を介して前記下腿スプリントを連結し、股、膝および足の各関節の屈伸状態に応じ、下腿部に対する足部の角度θａを変更する場合、または前記負荷計測値Ｆａが予め定めた閾値Ａを超えた場合に前記保持機構を開放し、他の場合には前記保持機構を閉じる制御手段を設けたことを特徴とする関節駆動装置。
【請求項２】
前記制御手段は、股、膝および足の各関節の屈伸状態に応じた動作として、
股および膝の伸展位で前記保持機構を作動させて前記駆動軸により前記足スプリントを足が底屈する方向に動かす工程と、
前記駆動軸を股および膝の屈曲方向に駆動する工程と、
前記保持機構を開放後、前記駆動軸により足スプリントを足が背屈する方向に動かして前記保持機構を閉じる工程と、
前記保持機構を閉じたまま前記駆動軸を股および膝の伸展方向に駆動し、その際前記負荷計測値Ｆａと前記閾値Ａとを前記伸展動作中継続して比較し、前記負荷計測値Ｆが前記閾値Ａを超えた場合前記保持機構を開放し、それ以外は前記保持機構を閉じる動作を前記伸展動作と並行して行う工程と、
股および膝を伸展位へ動かす工程と
を繰り返し実行する構成としたことを特徴とする、請求項１記載の関節駆動装置。
【請求項３】
足部を固定する足スプリントおよび下腿部を支持する下腿スプリントを備え、先端に連結した前記足スプリントに対し、少なくとも矢状面内での垂直、水平および回転の３自由度動作を行う少なくとも３つの駆動軸をもつロボットアームから成り、前記ロボットアーム先端における負荷計測値Ｆａをもとにインピーダンス制御を行うことにより、下肢の股、膝および足の各関節を屈伸させる関節駆動装置であって、
前記下腿スプリントにおいてその可動範囲の一端部付近で前記足スプリントに対し機構的に干渉するように前記下腿スプリントを連結し、股、膝および足の各関節の屈伸状態に応じ、前記負荷計測値Ｆａが予め定めた閾値Ａを超えた場合、または膝が伸展位付近にある場合に、前記駆動軸により、前記足スプリントを足が底屈する方向に前記下腿スプリントに接触するまで動かす制御手段を設けたことを特徴とする関節駆動装置。
【請求項４】
前記制御手段は、股、膝および足の各関節の屈伸状態に応じた動作として、
股および膝の伸展位付近で前記駆動軸により前記足スプリントを足が底屈する方向に前記下腿スプリントに接触するまで動かす工程と、
前記駆動軸を股および膝の屈曲方向に駆動する工程と、
前記駆動軸により前記足スプリントを足が背屈する方向に動かす工程と、
前記駆動軸を股および膝の伸展方向に駆動し、その際前記負荷計測値Ｆａを前記閾値Ａとを前記伸展動作中継続して比較したとき前記負荷計測値Ｆａが前記閾値Ａを超えた場合、あるいは膝が伸展位付近にある場合において、前記駆動軸により前記足スプリントを足が底屈する方向に前記下腿スプリント８に接触するまで動かす動作を前記伸展動作と並行して行う工程と、
股および膝を伸展位へ動かす工程と
を繰り返し実行する構成としたことを特徴とする、請求項３記載の関節駆動装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記負荷計測値Ｆａとして、前記足関節４の矢状面内の並進力ベクトルＦｖを用い、前記並進力ベクトルＦｖの成分のうち始点から頭部へ向く方向の成分Ｆｖｈにおいて、始点から頭部への向きを正としたときに、前記成分Ｆｖｈが前記閾値Ａに対し｜Ｆｖｈ｜＞｜Ａ｜となる場合をもって、前記負荷計測値Ｆａが前記閾値Ａを超えた場合と判断する構成としたことを特徴とする、請求項１から４のいずれかの項に記載の関節駆動装置。
【請求項６】
前記下肢の屈伸状態に応じた動作として、下腿部が一定姿勢を保持したまま股および膝を屈伸するよう前記駆動軸を駆動するようにしたことを特徴とする、請求項１から５のいずれかの項に記載の関節駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人体の関節を訓練する目的で使用される関節駆動装置に関し、さらに詳しくは、全身機能低下を矯正し筋，骨格系統の機能を改善し健康状態を維持，改善する目的でリラクセーションや関節可動域訓練や筋力増強訓練や持続力増強訓練や協調性訓練や神経筋再教育に用いられる装置、特に運動機能回復を支援するための訓練を行う医学的リハビリテーション用の訓練装置、あるいは整形外科における関節軟組織修復と関節可動域維持，拡大を目的とする関節他動運動を実施するための肢体駆動装置、あるいは体力向上など健康増進のための訓練を目的とする訓練装置として使用される関節駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人間の肢体を動かす装置には、医療分野で使用される連続他動運動装置（ＣＰＭ装置）、リハビリテーション分野で使用される訓練装置やスポーツ，トレーニング装置等がある。上記装置における関節過負荷時や肢体が動作範囲外に出ようとした時の一般的な対処方法は、主に（１）対処機能が何も付いていないもの（例えば、特開昭６０−１７９０６２号公報（特許文献１）参照）、（２）停止機能を持つもの（例えば、特開昭６１−１７０４６４号公報（特許文献２）参照）、（３）駆動逆転機能を持つもの（例えば、特公平４−１４０２８号公報（特許文献３）参照）の３種類に分けられる。
【０００３】
特許文献１の「手関節部の機能回復訓練装置」では、関節に過負荷が生じても、その対処機能がない。特許文献２の「受動運動訓練装置」では、駆動制御回路において、感知された誤動作に応答し、所定の限界を越える駆動軸の角変位または角変位方向を変更することの失敗を感知し、過急速もしくは過低速を感知した場合に、駆動軸の動きを停止させる誤動作感知手段を備えている。特許文献３の「人の関節を動かす装置」では、細長い支持体上で往復運動するトラベラ手段を駆動する可逆モータ手段と組合わされて、前記トラベラ手段を介して検知された負荷に応答して、前記可逆モータ手段の回転を反転する負荷応答手段を備えている。
【０００４】
また他に、特開昭６０−２３２１５８号公報（特許文献４）「駆動装置」では、肢体に取り付けられた駆動モータの駆動力より大きな抵抗を受けたとき、駆動アームは一旦停止し、その位置から引続き反対方向に動き始める機能を持っており、その作動方法はモータに流れる電流により制御されている。
【０００５】
ところが、従来のこれらの手段では肢体の動作位置あるいは関節負荷を常に監視しながら動作することができない。このため、実際に負荷がかかってから対処が行われたり、また肢体の可動範囲の制限については装置の動作のみを考慮して行われており、肢体の動作限界を考慮した機能がない。また、それら安全機能がない装置もある。よって、駆動装置を取り付けた肢体が動作域を外れようとする時や関節に過負荷がかかった時、その対応が遅く肢体に悪影響を及ぼしたり関節にかなりの負荷を与えることになる。
【０００６】
このような問題を解決するために、特開平９−１５４９００号公報（特許文献５）「肢体駆動装置の制御装置」では、装置の安全性を高めるため、人間の肢体軌道を考慮し、関節に無理な負荷を与えないように駆動装置を動作させるのに好適な制御装置を開示している。その構成を図１０に示す。
図１０は、特許文献５に係る肢体駆動装置の制御装置の構成を示すブロック図である。図１０において、１０１は駆動装置のアーム、１０２は対象物（人間の肢体）、１０３はアーム１０１の手先位置に取り付けられたスプリント（手先位置）、１０４はアーム１０１の先端に取り付けられ力およびモーメントを検出する力センサ、１０５はアーム１０１を駆動するモータ、１０６は駆動モータ１０５の回転角度を検出する回転角検出部、１０７は力センサ１０４の力およびモーメント信号をデジタル値に変換するアナログ／デジタル変換器、１０８は力信号を手先位置１０３の変位に変換する変位演算処理部、１０９は手先位置１０３からモータ１０５の目標角度を算出する逆運動学計算部、１１０ａは手先位置１０３の目標軌道を設定する目標軌道設定部、１１１は回転角検出部１０６の出力をデジタル値に変換する回転角変換回路、１１２はゲイン積分器、１１３はゲイン積分器１１２の出力をアナログ値に変換するデジタル／アナログ変換器、１１４はＤ／Ａ変換器１１３の出力に従って駆動モータ１０５を動かすサーボアンプ、１１５ａは肢体の動作負荷を推定計算する負荷推定部、１１６は関節負荷に応じて仮想バネ定数を変更するインピーダンス定数変換部である。
【０００７】
この装置においては、装置に取付けられた肢体１０２への負荷を、負荷推定部１１５ａのセンシング機能により常に監視し、肢体への過負荷設定領域に入った時点で、肢体駆動装置の動作が持つ全自由度中のうち、ある自由度方向のインピーダンス定数変換部１１６の仮想バネ定数を、肢体への負荷が大きくなるに応じて変更し、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく。
【０００８】
また、別の従来技術として、図１１および図１２に示す関節駆動装置が提案されている。図１１はその構成を示すブロック図、図１２はその関節駆動装置における下腿スプリントおよび足スプリントの詳細構成を示す機構図である。
図１１および図１２において、１は治療対象となる下肢、２は下肢の股関節、３は下肢の膝関節、４は下肢の足関節、５は下肢１の足部、６は下肢１の下腿部、７は足部５を把持する足スプリント、８は下腿部６を把持する下腿スプリント、９はスプリント７，８を通じて下肢１を駆動するロボットアーム、１０，１１，１２はロボットアーム９の各駆動軸、１３は負荷センサアンプ、１４は制御部、１５は軌道設定部、２１はロボットアーム９の先端に搭載した負荷センサ、２２は下腿スプリント８を駆動軸１２に結合するフリー軸、２３は下腿後背面にあり大腿骨と足部の骨とを結ぶ２関節筋である腓腹筋、Ｆは足関節４で発生した負荷ベクトル、Ｆａは負荷センサアンプ１３で処理した結果の負荷計測値、θは軌道設定部が生成した目標角度の時系列データ、Ｔは制御部１４が発生した駆動軸１０，１１，１２の駆動指令ベクトル、θｈは股関節２の角度、θｋは膝関節３の角度、θａは足関節４の角度である。
この関節駆動装置は、下肢１の股，膝，足の各関節２，３，４を屈伸する装置であって、下腿スプリント８の先端に連結した足スプリント７に対し、少なくとも矢状面内での垂直，水平，回転の３自由度動作を行う少なくとも３つの駆動軸１０，１１，１２をもつロボットアーム９として構成される。
【０００９】
以上の構成において、ロボットアーム９先端に設けた負荷センサ２１により足関節４で発生した負荷ベクトルＦを負荷センサアンプ１３にて増幅して負荷ベクトルＦａを得、これと軌道設定部１５が記憶，生成した目標軌道の時系列データθとをもとに、制御部１４においてロボットアーム９の先端においていわゆるインピーダンス制御を実現しながら目標軌道θを追従するよう駆動指令ベクトルＴをロボットアーム９に送る。ロボットアーム９はこれに連結した下腿スプリント８と足スプリント７を介して下肢１の股，膝，足の各関節２，３，４を屈伸するよう動作する。
【００１０】
【特許文献１】
特開昭６０−１７９０６２号公報
【特許文献２】
特開昭６１−１７０４６４号公報
【特許文献３】
特公平４−１４０２８号公報
【特許文献４】
特開昭６０−２３２１５８号公報
【特許文献５】
特開平９−１５４９００号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の関節駆動装置においては、以下の問題があった。
（１）特許文献５に記載された発明においては、治療対象関節の過負荷を防止するため、負荷推定部による計測結果をもとにインピーダンスパラメータを調整することで、ある動作自由度に対しフリーに動けるようになっている。しかしながら、足関節に取り付けて動かすと、確かに足関節に対しては過負荷を防止できるものの、膝関節の過伸展など膝に対して過負荷を防止することができなかった。
【００１２】
（２）図１１、図１２に示した従来技術においては、下腿スプリント８が駆動軸１２に対してフリー軸２２を介して連結されるため、股膝伸展位置から屈曲開始時に膝関節３に圧迫が加わるおそれがあった。また、股膝屈曲位置から伸展する際に伸展間際の位置で膝関節３が急激に伸展しいわゆる反張膝の危険性があった。さらに、股膝屈曲位にて足関節４を背屈した後、股膝伸展させて腓腹筋２３を伸張する際、インピーダンス制御により軌道を修正するため腓腹筋２３の過伸張の危険を回避できるが、股関節２、膝関節３の完全伸展ができないおそれがあった。
【００１３】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであって、股膝伸展位置から屈曲開始時に膝関節への圧迫を回避し、また、股膝屈曲位置から伸展する際に伸展間際の位置で反張膝を回避し、さらに、股膝伸展することで腓腹筋を伸張する際、腓腹筋の過伸張を回避しながら股膝を完全に伸展することができ、膝関節の過負荷を防止することが可能な関節駆動装置を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る関節駆動装置は、足部を固定する足スプリントおよび下腿部を支持する下腿スプリントを備え、先端に連結した前記足スプリントに対し、少なくとも矢状面内での垂直、水平および回転の３自由度動作を行う少なくとも３つの駆動軸をもつロボットアームから成り、前記ロボットアーム先端における負荷計測値Ｆａをもとにインピーダンス制御を行うことにより、下肢の股、膝および足の各関節を屈伸させる関節駆動装置であって、前記足スプリントに連結した前記ロボットアーム先端の前記駆動軸に対し、保持機構を介して前記下腿スプリントを連結し、股、膝および足の各関節の屈伸状態に応じ、下腿部に対する足部の角度θａを変更する場合、または前記負荷計測値Ｆａが予め定めた閾値Ａを超えた場合に前記保持機構を開放し、他の場合には前記保持機構を閉じる制御手段を設けたことを特徴とする。
なお、本発明において「矢状面」とは、身体を基準にこれを切る平面であって、身体の頭から足へ向かう軸と平行な直線、および背から腹へ向かう軸と平行な直線との２つの線をともに含む平面をいう。
この請求項１に係る発明においては、股膝伸展位置から屈曲開始時へ移行する状態や股膝屈曲位置から伸展する際に、伸展間際の位置にある状態等に応じ、前記保持機構を開放または閉じることで、膝関節への圧迫や反張膝、腓腹筋の過伸張を回避する仕組みを与えることができる。
【００１５】
請求項２に係る発明は、前記制御手段は、股、膝および足の各関節の屈伸状態に応じた動作として、
股および膝の伸展位で前記保持機構を作動させて前記駆動軸により前記足スプリントを足が底屈する方向に動かす工程と、
前記駆動軸を股および膝の屈曲方向に駆動する工程と、
前記保持機構を開放後、前記駆動軸により足スプリントを足が背屈する方向に動かして前記保持機構を閉じる工程と、
前記保持機構を閉じたまま前記駆動軸を股および膝の伸展方向に駆動し、その際前記負荷計測値Ｆａと前記閾値Ａとを前記伸展動作中継続して比較し、前記負荷計測値Ｆが前記閾値Ａを超えた場合前記保持機構を開放し、それ以外は前記保持機構を作動させる動作を前記伸展動作と並行して行う工程と、
股および膝を伸展位へ動かす工程と
を繰り返し実行する構成としたことを特徴とする。
この請求項２に係る発明においては、股膝伸展位置から屈曲開始時へ移行する状態や股膝屈曲位置から伸展する際に伸展間際の位置にある状態等に応じ、前記保持機構を開放または閉じることで、膝関節への圧迫や反張膝、腓腹筋の過伸張を回避でき、また股および膝が完全な伸展位へ遷移できる。
【００１６】
請求項３に係る発明は、足部を固定する足スプリントおよび下腿部を支持する下腿スプリントを備え、先端に連結した前記足スプリントに対し、少なくとも矢状面内での垂直、水平および回転の３自由度動作を行う少なくとも３つの駆動軸をもつロボットアームから成り、前記ロボットアーム先端における負荷計測値Ｆａをもとにインピーダンス制御を行うことにより、下肢の股、膝および足の各関節を屈伸させる関節駆動装置であって、前記下腿スプリントにおいてその可動範囲の一端部付近で前記足スプリントに対し機構的に干渉するように前記下腿スプリントを連結し、股、膝および足の各関節の屈伸状態に応じ、前記負荷計測値Ｆａが予め定めた閾値Ａを超えた場合、または膝が伸展位付近にある場合に、前記駆動軸により、前記足スプリントを足が底屈する方向に前記下腿スプリントに接触するまで動かす制御手段を設けたことを特徴とする。
この請求項３に係る発明においては、股膝伸展位置から屈曲開始時への移行する状態や股膝屈曲位置から伸展する際に伸展間際の位置にある状態等に応じ、前記駆動軸により足スプリントを足が底屈する方向に下腿スプリントに接触するまで動かすことで、膝関節への圧迫や反張膝、腓腹筋の過伸張を回避する仕組みを与えることができる。
【００１７】
請求項４に係る発明は、前記制御手段は、股、膝および足の各関節の屈伸状態に応じた動作として、
股および膝の伸展位付近で前記駆動軸により前記足スプリントを足が底屈する方向に前記下腿スプリントに接触するまで動かす工程と、
前記駆動軸を股および膝の屈曲方向に駆動する工程と、
前記駆動軸により前記足スプリントを足が背屈する方向に動かす工程と、
前記駆動軸を股および膝の伸展方向に駆動し、その際前記負荷計測値Ｆａを前記閾値Ａとを前記伸展動作中継続して比較したとき前記負荷計測値Ｆａが前記閾値Ａを超えた場合、あるいは膝が伸展位付近にある場合において、前記駆動軸により前記足スプリントを足が底屈する方向に前記下腿スプリント８に接触するまで動かす動作を前記伸展動作と並行して行う工程と、
股および膝を伸展位へ動かす工程と
を繰り返し実行する構成としたことを特徴とする。
この請求項４に係る発明においては、股膝伸展位置から屈曲開始時への移行する状態や股膝屈曲位置から伸展する際に伸展間際の位置にある状態等に応じ、駆動軸により足スプリントを足が底屈する方向に下腿スプリントに接触するまで動かすことで、膝関節への圧迫や反張膝、腓腹筋の過伸張を回避でき、また股および膝が完全な伸展位へ遷移できる。
【００１８】
請求項５に係る発明は、前記制御装置は、前記負荷計測値Ｆａとして、前記足関節４の矢状面内の並進力ベクトルＦｖを用い、前記並進力ベクトルＦｖの成分のうち始点から頭部へ向く方向の成分Ｆｖｈにおいて、始点から頭部への向きを正としたときに、前記成分Ｆｖｈが前記閾値Ａに対し｜Ｆｖｈ｜＞｜Ａ｜となる場合をもって、前記負荷計測値Ｆａが前記閾値Ａを超えた場合と判断する構成としたことを特徴とする。
この請求項５に係る発明においては、負荷計測値Ｆａとして、足の矢状面内の並進力ベクトルＦｖを用いることで、下肢の特に腓腹筋への過負荷判定を簡素化することができる。
【００１９】
請求項６に係る発明は、前記下肢の屈伸状態に応じた動作として、下腿部が一定姿勢を保持したまま股および膝を屈伸するよう前記駆動軸を駆動するようにしたことを特徴とする。
この請求項６に係る発明においては、下肢の屈伸状態に応じた動作として、下腿部が一定姿勢を保持したまま股および膝を屈伸するよう駆動軸を駆動することで、負荷センサの姿勢が一定に維持され、負荷計測値Ｆａの計算が容易になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて具体的に説明する。
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係る関節駆動装置を、図１〜図４に基づいて説明する。
図１は第１の実施の形態の関節駆動装置の機構を示すブロック図、図２は同実施の形態における処理を示すフロー図、図３はその処理の詳細を示すフロー図、図４は下肢の屈伸状態を示す図である。
【００２１】
図１に示したように、本実施の形態の関節駆動装置は、図１１および図１２において説明した従来の関節駆動装置の構成に対して、足スプリント７に連結したロボットアーム先端の駆動軸１２に対し、新たに保持機構３１を介して下腿スプリント８を連結したものである。その他の構成は、従来の図１１に示した全体構成と同様であるので、説明を省略する。
この第１の実施の形態において、保持機構３１を開放した場合、図１（ａ）に示すように、下腿スプリント８は駆動軸１２に対し下腿部６とともに自由に回転する。一方、保持機構３１を閉じた場合、図１（ｂ）に示すように、下腿スプリント８は駆動軸１２に対し下腿部６とともにその姿勢を保持する。なお、保持機構３１は図１ではブレーキとして示しているが、そのほか、クラッチ、または電気式・油圧式・空気圧式モータにより構成することができる。
【００２２】
このときの関節駆動装置の基本的処理は、図２に示すように、股，膝，足の各関節２，３，４を駆動するための駆動軸１０，１１，１２の動作を行い（Ｓ１）、股，膝，足の各関節２，３，４の屈伸状態を得て（Ｓ２）、下腿部６に対する足部５の姿勢すなわち足角度θａを変更する場合または負荷計測値Ｆａが予め定めた閾値Ａを超えたか否かを判定し（Ｓ３）、超えた場合は保持機構３１を開放し（Ｓ４）、そうでない場合には保持機構３１を閉じる（Ｓ５）。これを受けて動作継続するかどうかを判定し（Ｓ６）、継続する場合はＳ１から繰り返す。
この実施形態によれば、股膝伸展位置から屈曲開始時への移行する状態や股膝屈曲位置から伸展する際に伸展間際の位置にある状態等に応じ、前記保持機構３１を開放または閉じることで、膝関節３への圧迫や反張膝、腓腹筋２３の過伸張を回避する仕組みを与えることができる。
【００２３】
さらに、具体的な股，膝，足の各関節２，３，４の屈伸状態に応じた動作を図３に示す動作および図４に示す状態図に基づいて説明する。
動作ＯＰ１
装置装着と動作条件を設定し動作をスタートさせる。下肢は図４の状態（１）で、股関節２，膝関節３は伸展位である。
動作ＯＰ２
股関節２，膝関節３は伸展位で保持機構３１を閉じ、駆動軸１２により足スプリント７を足関節４が底屈する方向に動かす。下肢は状態（２）で、股関節２，膝関節３は伸展位で、足関節４が底屈位で固定され、腓腹筋２３は弛緩する。このとき下腿部６が支持されるため膝過伸展が防止される。
動作ＯＰ３
駆動軸１０，１１を股関節２，膝関節３の屈曲方向に駆動する。下肢は状態（３）で、下腿部６が支持されているため膝関節３への圧迫は回避され、足関節４が底屈位のまま股関節２，膝関節３が屈曲される。このとき腓腹筋２３はさらに弛緩する。
【００２４】
動作ＯＰ４
保持機構３１開放後、駆動軸１２により足スプリント７を足関節４が背屈する方向に動かして保持機構３１を閉じる。下肢は状態（４）で、股関節２，膝関節３が屈曲位のまま足関節４が背屈位で固定される。このとき、腓腹筋２３はやや伸張される。
動作ＯＰ５
保持機構３１閉じたまま駆動軸１０，１１を股関節２，膝関節３の伸展方向に駆動する。このとき下肢は状態（５ａ）で、足関節４が背屈位のまま股関節２，膝関節３が伸展し、腓腹筋２３は伸張され、その結果負荷計測値Ｆａは漸次増大する。また、これと並行して、負荷計測値Ｆａと閾値Ａとを伸展動作中継続して比較し、負荷計測値Ｆａが閾値Ａを超えた場合は保持機構３１を開放し、それ以外は保持機構３１を閉じる。このとき下肢は状態（５ｂ）で、腓腹筋２３へ過負荷がかかる手前で足関節４が底屈位方向へ動き、腓腹筋２３は弛緩し過負荷が回避される。その結果、負荷計測値Ｆａが減少する。
動作ＯＰ６
駆動軸１０，１１を股関節２，膝関節３の伸展位へ動かす。下肢は状態（６）で、足関節４の底屈位と下腿部６の支持を維持し、腓腹筋２３が弛緩したまま動かされるため、股関節２，膝関節３が完全な伸展位へ遷移できる。この後、動作終了するか否かを判定し継続する場合は動作ＯＰ２から繰り返す。
【００２５】
この実施形態によれば、股膝伸展位置から屈曲開始時への移行する状態や股膝屈曲位置から伸展する際に伸展間際の位置にある状態等に応じ、前記保持機構３１を開放または閉じることで、膝関節３への圧迫や反張膝、腓腹筋２３の過伸張を回避でき、また股関節２，膝関節３が完全な伸展位へ遷移できる。
【００２６】
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態の関節駆動装置について、図５〜図８に基づいて説明する。
図５は本発明の第２の実施の形態の関節駆動装置の機構の構成を示すブロック図、図６は同実施の形態の関節駆動装置の機構の動作を示すフロー図、図７は同実施の形態における処理を示すフロー図、図８は同実施の形態における処理の詳細を示すフロー図である。
【００２７】
この第２の実施の形態においては、図５に示すように、足部５を固定する足スプリント７および下腿部６を支持する下腿スプリント８とを備え、先端に連結した前記足スプリント７に対し、駆動軸１２に対するフリー軸２２を介して下腿スプリント８を連結し、ロボットアーム９（図１１参照）の先端における負荷計測値Ｆａをもとにインピーダンス制御を行うように構成する。このとき、図６に示すように、下腿スプリント８においてその可動範囲の一端部付近で足スプリント７に対し機構的に干渉するように下腿スプリント８を連結する。図６（ａ）に示すように、下腿スプリント８が足スプリント７と接しない状態では、下腿スプリント８は下腿部６と共に駆動軸１２および足スプリント７に対して自由に回転できる。股，膝，足の各関節２，３，４の屈伸状態に応じ、負荷計測値Ｆａが予め定めた閾値Ａを超えた場合、または膝関節３が伸展位付近にある場合において、駆動軸１２により、図６（ｂ）に示すように、足スプリント７を足関節４が底屈する方向に下腿スプリント８に接触するまで動かす。この、下腿スプリント８が足スプリント７と接した状態では、下腿スプリント８は下腿部６とともに足スプリント７によって右回転方向に駆動され、動きが制限されることにより、下腿部６を下から支持できる。
【００２８】
このとき、図７に示すように、股，膝，足の各関節２，３，４を駆動するための駆動軸１０，１１，１２の動作を行い（Ｓ１１）、股，膝，足の各関節２，３，４の屈伸状態を得て（Ｓ１２）、膝関節３が伸展位付近の場合または負荷計測値Ｆａが予め定めた閾値Ａを超えた場合か否かを判定し（Ｓ１３）、肯定する場合は駆動軸１２により足スプリント７を足関節４が底屈する方向に下腿スプリント８に接触するまで動かし（Ｓ１４）、これを受けて動作継続するかどうかを判定し（Ｓ１５）、継続する場合は処理Ｓ１１から繰り返す。Ｓ１３で否定する場合はＳ１５に進む。
この実施形態によれば、股膝伸展位置から屈曲開始時への移行する状態や股膝屈曲位置から伸展する際に伸展間際の位置にある状態等に応じ、駆動軸１２により足スプリント７を足関節４が底屈する方向に下腿スプリント８に接触するまで動かすことで、膝関節３への圧迫や反張膝、腓腹筋２３の過伸張を回避する仕組みを与えることができる。
【００２９】
さらに、具体的な股，膝，足の各関節２，３，４の屈伸状態に応じた動作を、図８および前出の図４に基づいて説明する。
動作ＯＰ１１
装置装着と動作条件を設定し動作をスタートさせる。下肢は図４の状態（１）で、股関節２，膝関節３は伸展位である。
動作ＯＰ１２
駆動軸１２により足スプリント７を足関節４が底屈する方向に下腿スプリント８に接触するまで動かす。下肢は状態（２）で、股関節２，膝関節３は伸展位で、足関節４が底屈位で固定され、腓腹筋２３（図１１参照）は弛緩する。このとき前記下腿部６が支持されるため膝過伸展が防止される。
動作ＯＰ１３
駆動軸１０，１１を股関節２，膝関節３の屈曲方向に駆動する。下肢は状態（３）で、下腿部６が支持されているため膝関節３への圧迫は回避され、足関節４が底屈位のまま股関節２，膝関節３が屈曲される。このとき腓腹筋２３はさらに弛緩する。
【００３０】
動作ＯＰ１４
駆動軸１２により足スプリント７を足関節４が背屈する方向に動かす。このとき足スプリント７と下腿スプリント８とは接触しなくなる。下肢は状態（４）で、股関節２，膝関節３が屈曲位のまま足関節４が背屈位で固定される。腓腹筋２３はやや伸張される。
動作ＯＰ１５
駆動軸１０，１１を股関節２，膝関節３の伸展方向に駆動する。このとき下肢は状態（５ａ）で、足関節４が背屈位のまま股関節２，膝関節３が伸展し、腓腹筋２３は伸張され、その結果負荷計測値Ｆａは漸次増大する。また、これと並行して、負荷計測値Ｆａと閾値Ａとを伸展動作中継続して比較し、負荷計測値Ｆａが閾値Ａを超えた場合、または膝関節３が伸展位付近の場合は、駆動軸１２により足スプリント７を足関節４が底屈する方向へ下腿スプリント８に接触するまで動かす。このとき下肢は状態（５ｂ）で、腓腹筋２３へ過負荷がかかる手前で足関節４が底屈位方向へ動き、腓腹筋２３は弛緩し過負荷が回避される。その結果、負荷計測値Ｆａが減少する。
動作ＯＰ１６
駆動軸１０，１１を股関節２，膝関節３を伸展位へ動かす。下肢は状態（６）で、足関節４の底屈位と下腿部６の支持を維持し、腓腹筋２３が弛緩したまま動かされるため股関節２，膝関節３が完全な伸展位へ遷移できる。この後、動作終了するか否かを判定し継続する場合は動作１２から繰り返す。
【００３１】
この実施の形態によれば、股膝伸展位置から屈曲開始時への移行する状態や股膝屈曲位置から伸展する際に伸展間際の位置にある状態等に応じ、駆動軸１２により足スプリント７を足関節４が底屈する方向に下腿スプリント８に接触するまで動かすことで、膝関節３への圧迫や反張膝、腓腹筋２３の過伸張を回避でき、また股関節２，膝関節３が完全な伸展位へ遷移できる。
【００３２】
＜第３の実施の形態＞
本発明の負荷計測値の監視方法の実施の形態について、図９に基づいて説明する。
図９は、本発明の第１，第２の実施の形態の関節駆動装置において適用される負荷計測値の監視方法を示すフロー図である。図９に示すように、負荷計測値Ｆａとして、足関節４の矢状面内の並進力ベクトルＦｖを用いる。足関節４に対して発生する負荷としては、並進力および回転力のベクトルとして表れるが、このうちの並進ベクトルを採用する。並進力ベクトルＦｖの成分のうち、始点である足関節４から頭部へ向く方向の成分をＦｖｈとする（Ｓ２１）。始点から頭部への向きを正としたときに、成分Ｆｖｈが閾値Ａに対し｜Ｆｖｈ｜＞｜Ａ｜であるか否かを判定する（Ｓ２２）。適合する場合は、負荷計測値Ｆａが閾値Ａを超えた場合と判断し、適合しない場合は、負荷計測値Ｆａが閾値Ａを超えていないと判断する。この判断結果をもって、処理Ｓ３、動作ＯＰ５、処理Ｓ１３、動作ＯＰ１５においてＦａ＞Ａか否かの判断と等価とする。本動作では、下肢１の特に腓腹筋２３への過負荷が問題となるが、これにより、下肢１の特に腓腹筋２３への過負荷判定を簡素化することができる。
【００３３】
最後に、本発明のロボットアーム９（図１１参照）の動作方法の実施形態について説明する。すなわち、下肢１の屈伸状態に応じた動作として、下腿部６が一定姿勢を保持したまま股関節２，膝関節３を屈伸するよう駆動軸１０，１１を駆動する。これを第１または第２の実施の形態で実施する。例えば、地面に対し下腿部６が水平を保つように動作する。ただし、駆動軸１２は下腿部６を姿勢調整のために駆動軸１０，１１とは独立して動作する。このようにすることで、負荷センサ２１の姿勢が一定に維持され、負荷計測値Ｆａの計算が容易になる。
なお、以上の実施の形態における駆動軸１０，１１，１２は、電気式，油圧式，空気圧式の駆動装置（モータ）でよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１記載の関節駆動装置によれば、股膝伸展位置から屈曲開始時へ移行する状態や股膝屈曲位置から伸展する際に伸展間際の位置にある状態等に応じ、前記保持機構を開放または閉じることで、膝関節への圧迫や反張膝、腓腹筋の過伸張を回避する仕組みを与えることができる。
請求項２記載の関節駆動装置によれば、股膝伸展位置から屈曲開始時へ移行する状態や股膝屈曲位置から伸展する際に伸展間際の位置にある状態等に応じ、前記保持機構を開放または閉じることで、膝関節への圧迫や反張膝、腓腹筋の過伸張を回避でき、また股および膝が完全な伸展位へ遷移できる。
請求項３記載の関節駆動装置によれば、股膝伸展位置から屈曲開始時への移行する状態や股膝屈曲位置から伸展する際に伸展間際の位置にある状態等に応じ、前記駆動軸により足スプリントを足が底屈する方向に下腿スプリントに接触するまで動かすことで、膝関節への圧迫や反張膝、腓腹筋の過伸張を回避する仕組みを与えることができる。
請求項４記載の関節駆動装置によれば、股膝伸展位置から屈曲開始時への移行する状態や股膝屈曲位置から伸展する際に伸展間際の位置にある状態等に応じ、駆動軸により足スプリントを足が底屈する方向に下腿スプリントに接触するまで動かすことで、膝関節への圧迫や反張膝、腓腹筋の過伸張を回避でき、また股および膝が完全な伸展位へ遷移できる。
請求項５記載の関節駆動装置によれば、負荷計測値Ｆａとして、足の矢状面内の並進力ベクトルＦｖを用いることで、下肢の特に腓腹筋への過負荷判定を簡素化することができる。
請求項６記載の関節駆動装置によれば、下肢の屈伸状態に応じた動作として、下腿部が一定姿勢を保持したまま股および膝を屈伸するよう駆動軸を駆動することで、負荷センサの姿勢が一定に維持され、負荷計測値Ｆａの計算が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の関節駆動装置の機構を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における処理を示すフロー図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における処理の詳細を示すフロー図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における下肢の屈伸状態を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の関節駆動装置の機構の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の関節駆動装置の機構の動作を示すフロー図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における処理を示すフロー図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における処理の詳細を示すフロー図である。
【図９】本発明の第１，第２の実施の形態の関節駆動装置において適用される負荷計測値の監視方法を示すフロー図である。
【図１０】特許文献５に係る肢体駆動装置の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】従来の関節駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】従来の関節駆動装置の構成、特に下腿スプリント、足スプリントの詳細構成を示す機構図である。
【符号の説明】
１：下肢
２：股関節
３：膝関節
４：足関節
５：足部
６：下腿部
７：足スプリント
８：下腿スプリント
９：ロボットアーム
１０：駆動軸
１１：駆動軸
１２：駆動軸
１３：負荷センサアンプ
１４：制御部
１５：軌道設定部
２１：負荷センサ
２２：フリー軸
２３：腓腹筋
３１：保持機構
Ｆ：負荷ベクトル
Ｆａ：負荷計測値
Ｆｖ：負荷の並進力ベクトル
Ｆｖｈ：並進力ベクトルの水平方向成分
θ：目標角度の時系列データ
Ｔ：駆動指令ベクトル
θｈ：股関節角度
θｋ：膝関節角度
θａ：足関節角度
Ａ：負荷の閾値
【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】
2004261271.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年2月28日(2003.2.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2004261271.tif 000015