(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
肢体の一部を保持する肢体受架と、前記肢体受架を動作させるリンクと、前記リンクを駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御するコントローラを備えた関節運動装置であって、
前記コントローラは、
大腿長さおよび下腿長さを含む肢体条件の入力を受け付け肢体モデルを構築するマンマシン整合手段と、
目標屈曲角度と目標伸展角度とを含む屈伸運動を規定するとともに、前記屈伸運動時に前記目標屈曲角度，前記目標伸展角度への到達回数が増加するにしたがって、前記目標屈曲角度，前記目標伸展角度での前記屈伸運動の停止時間を漸増させる運動パラメータ設定手段と、
前記運動パラメータ設定手段の設定内容および前記肢体モデルの情報に基づいて動作パターンを生成する動作パターン生成手段と、
前記動作パターンに基づいて前記アクチュエータに対して制御信号を出力し、前記肢体受架を前記目標屈曲角度及び前記目標伸展角度近傍とその他の動作範囲とで動作速度を変更させる手段とを有している
ことを特徴とする関節運動装置。
【請求項２】
肢体の一部を保持する肢体受架と、前記肢体受架を動作させる伸縮自在なリンクと、前記リンクを駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御するコントローラを備えた関節運動装置であって、
前記リンクの長さを調節することにより、前記関節運動装置と前記肢体とのフィッティングを行う伸縮リンク式マンマシン整合手段を有するとともに、
前記コントローラは、
目標屈曲角度と目標伸展角度とを含む屈伸運動を規定するとともに、前記屈伸運動時に前記目標屈曲角度，前記目標伸展角度への到達回数が増加するにしたがって、前記目標屈曲角度，前記目標伸展角度での前記屈伸運動の停止時間を漸増させる運動パラメータ設定手段と、
前記運動パラメータ設定手段の設定内容および前記肢体モデルの情報に基づいて動作パターンを生成する動作パターン生成手段と、
前記動作パターンに基づいて前記アクチュエータに対して制御信号を出力し、前記肢体受架を前記目標屈曲角度及び前記目標伸展角度近傍とその他の動作範囲とで動作速度を変更させる手段とを有している
ことを特徴とする関節運動装置。
【請求項３】
前記動作パターンは、前記目標屈曲角度および前記目標伸展角度での停止時間が屈伸時間に応じて漸増可能である
ことを特徴とする請求項１又は２記載の関節運動装置。
【請求項４】
前記動作パターンは、前記目標屈曲角度および前記目標伸展角度での停止時間が前記アクチュエータの負荷トルクの大きさに応じて漸増可能である
ことを特徴とする請求項１又は２記載の関節運動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、手術前後に用いられる連続他動運動装置、肢体の機能を回復するために用いられる関節運動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、整形外科では、変形性膝関節症による人工関節置換術、スポーツ外傷などによる靱帯再建術、リウマチ患者の滑膜切除術等の手術直後からContinuous Passive Motion（以下CPM）と呼ばれる装置を用いて関節可動域訓練を行っている。また理学診療（リハビリテーション）科では、理学療法士がリハビリテーション装置を用いて関節可動域訓練を行っている。これら肢体を駆動する関節駆動装置、関節駆動方法が特公平8-32271や特開2003-290301などに開示されている。特公平8-32271は、人の大腿、下腿を支持する部材を角速度を一定に維持する電動モータで駆動し、前記部材に設置したゲート読み取り手段で電動モータを反転させることを特徴としている。特開2003-290301は、他動運動又は自動運動を行う関節駆動装置であって、初回周期のみ設定動作速度よりも小さい速度で駆動することを特徴としている。
【特許文献１】特公平8-32271
【特許文献２】特開2003-290301
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
運動療法の主目的である関節可動域の維持、拡大には、十分な訓練時間や訓練回数が必要である。運動療法を提供している医療機関や福祉施設では、現在の診療報酬制度や介護報酬制度で定められた時間を訓練時間のガイドラインとしていることが多い。そのため、限られた時間内で効率的に関節可動域訓練を行うことが必要になるのである。人工関節置換術や靱帯再建術の直後からの関節可動域訓練は、早期回復のために重要な訓練であるが、患者の関節可動域付近での訓練に対して患者が痛みを訴えることが多い。そのためにCPMやリハビリテーション装置は、痛みが少なくなるように1°／秒程度の低速で動作させる。また下肢に対する術後の最初の目標は、座位を取れるようになることであり、そのための膝関節や股関節の屈曲目標角度は90°以上となる。限られた時間で効率的に関節可動域訓練を行うためには、限られた時間内で屈伸運動の回数を多くする必要があるが、例えば10°から90°まで1°／秒で屈伸動作させると、１往復で約2分40秒もかかってしまうことになるのである。さらに関節可動域の維持、拡大には、目標としている屈曲位や伸展位での停止時間を適度に長くすることによる筋肉のストレッチが有効である。特公平8-32271では、角速度を一定に維持するため、屈伸運動の回数は適用時間と設定速度で制限されてしまうことや、ゲート読み取り手段でゲートを読みとった時点でモータを反転させるために、目標とする屈曲位や伸展位での停止時間をコントロールすることができない問題があった。特開2003-290301では、痛みを軽減することを目的として初回周期のみ設定動作速度よりも小さい速度で駆動しているが、特公平8-32271と同様、屈伸運動の回数は適用時間と設定速度で決定されてしまう問題があった。そこで、この発明は、これらの問題を鑑みて、理学療法の訓練回数を増やすと同時に、屈曲位や伸展位での停止時間をコントロールして訓練効果を高めるようにしたのである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の関節運動装置は、肢体の一部を保持する肢体受架と、前記肢体受架を動作させるリンクと、前記リンクを駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御するコントローラを備えた関節運動装置であって、前記コントローラは、大腿長さおよび下腿長さを含む肢体条件の入力を受け付け肢体モデルを構築するマンマシン整合手段と、目標屈曲角度と目標伸展角度とを含む屈伸運動を規定するとともに、前記屈伸運動時に前記目標屈曲角度，前記目標伸展角度への到達回数が増加するにしたがって、前記目標屈曲角度，前記目標伸展角度での前記屈伸運動の停止時間を漸増させる運動パラメータ設定手段と、前記運動パラメータ設定手段の設定内容および前記肢体モデルの情報に基づいて動作パターンを生成する動作パターン生成手段と、前記動作パターンに基づいて前記アクチュエータに対して制御信号を出力し、前記肢体受架を前記目標屈曲角度及び前記目標伸展角度近傍とその他の動作範囲とで動作速度を変更させる手段とを有していることを特徴とするものである。
請求項２に記載の関節運動装置は、肢体の一部を保持する肢体受架と、前記肢体受架を動作させる伸縮自在なリンクと、前記リンクを駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御するコントローラを備えた関節運動装置であって、前記リンクの長さを調節することにより、前記関節運動装置と前記肢体とのフィッティングを行う伸縮リンク式マンマシン整合手段を有するとともに、前記コントローラは、目標屈曲角度と目標伸展角度とを含む屈伸運動を規定するとともに、前記屈伸運動時に前記目標屈曲角度，前記目標伸展角度への到達回数が増加するにしたがって、前記目標屈曲角度，前記目標伸展角度での前記屈伸運動の停止時間を漸増させる運動パラメータ設定手段と、前記運動パラメータ設定手段の設定内容および前記肢体モデルの情報に基づいて動作パターンを生成する動作パターン生成手段と、前記動作パターンに基づいて前記アクチュエータに対して制御信号を出力し、前記肢体受架を前記目標屈曲角度及び前記目標伸展角度近傍とその他の動作範囲とで動作速度を変更させる手段とを有していることを特徴とするものである。
請求項３に記載の関節運動装置は、前記動作パターンは、前記目標屈曲角度および前記目標伸展角度での停止時間が屈伸時間に応じて漸増可能であることを特徴とするものである。
請求項４に記載の関節運動装置は、前記動作パターンは、前記目標屈曲角度および前記目標伸展角度での停止時間が前記アクチュエータの負荷トルクの大きさに応じて漸増可能であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、関節運動装置における設定目標角度付近とその他の動作範囲で動作速度を変更することにより、屈伸運動の往復時間を短縮でき、さらには目標屈曲角度および目標伸展角度での停止時間を屈伸回数または屈伸時間に応じて漸増させることができる。その結果、理学療法の訓練回数を増やすと同時に関節可動域訓練効果を高めることができるという、従来には無い格段の効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、多自由度の機構を備えた関節運動装置の説明図である。本実施例１の関節運動装置は、２本のアーム106で下肢の他動運動をさせることができる。人の下肢を保持する部分は、下腿用肢体受架100が人の下腿を、大腿用肢体受架101が人の大腿を受け持つ。下腿用肢体受架100と大腿用肢体受架101は回転ジョイント103を介したリンク102に結合されており、下腿側のリンク102を図示しない保持部品でアーム106と結合している。アーム106の回転部分にはアクチュエータ104が取り付けられており、コントローラ105の制御信号220により、アクチュエータ104がアーム106を駆動する。なおアクチュエータ104には図示しない角度センサーが取り付けられており、アームの角度を検出することができる。アクチュエータ104への制御信号220の生成の流れは次の通りである。コントローラ105では、マンマシン整合手段202からの肢体モデル情報210と、運動パラメータ設定手段201からの運動パラメータ情報211をもとに、動作パターン生成手段200で制御信号220を生成する。具体的に説明する。図３は、人の下肢を２本のアームで他動運動させる場合の動作模式図である。コントローラ105に近い側のアクチュエータ104を第１軸目とし、第１軸目のアクチュエータ104の回転軸中心を図３のように座標原点に取る。人の大腿長さ（大転子から膝回転中心までの長さ）をL1、下腿長さ（膝回転中心から踝までの長さ）をL2とする。また、人と関節運動装置の位置あわせ方法として、大転子と第１軸目のアクチュエータ104の高さを一致させたとした場合、図３のように大転子と第１軸目のアクチュエータ104の距離をx1とすると、大転子の位置は（-x1、0）となる。２本のアームの長さは、図３のようにそれぞれl1、l2とする。この場合のマンマシン整合手段202とは、大転子と第１軸目のアクチュエータ104の高さを合わせることと、関節運動装置に対象者の下肢を装着してx1を取得すること、さらに他動運動を適用する対象者の下肢長さを計測して、L1、L2を得て、例えば操作パネルなどから入力することである。このx1、L1、L2は肢体モデル情報210として動作パターン生成手段200に送られる。運動パラメータ設定手段201を図5と図6を用いて説明する。最初に、目標角度と設定角速度に関する運動パラメータについて説明する。図5のように、対象者の治療目標とする屈曲位をAb、伸展位をAe、屈曲位Abと伸展位Ae付近の治療時速度をVcとする。理学療法の専門家である理学療法士が手技で他動運動を行う際も、治療速度Vcは、比較的に遅い速度となる。なぜなら、屈曲位Abと伸展位Aeが対象者のそのときどきでの最大屈曲角度や最大伸展角度であるため、痛みや苦痛を与えるためである。しかしながら、屈曲位Abと伸展位Ae付近以外の中間の角度域では、治療時速度Vcよりも早い速度で動かしても対象者への影響がないことが多い。そのような速度を、高速時速度Vhとして、またその高速時速度Vhの適用開始角度を伸展側が伸展側高速開始角度Aes、屈曲側が屈曲側高速開始角度Absとして設定する。次に目標角度での停止時間に関する運動パラメータについて説明する。図6に示すように、対象者の目標角度である屈曲位Abと伸展位Aeでは、一部の筋肉がストレッチされている状態になっており、この目標角度での停止時間が関節可動域訓練にとって重要である。そこで最初に目標角度に到達した時の停止時間を目標角度到達時停止時間Ts、最終的にどこまで時間を延長するかを最終目標停止時間Tf、目標角度Ae、Abへの到達回数をカウントして、到達回数Nrになったら増加させる停止時間を停止時間きざみTdとして設定する。これらの屈曲位Ab、伸展位Ae、治療時速度Vc、高速時速度Vh、伸展側高速開始角度Aes、屈曲側高速開始角度Abs、目標角度到達時停止時間Ts、最終目標停止時間Tf、到達回数Nr、停止時間きざみTdが運動パラメータ情報211として動作パターン生成手段200に送られる。次に動作パターン生成手段200での制御信号220の生成方法を説明する。図３のように下肢の運動パターンをSLR（Straight Leg Raising)動作とすると、膝は伸ばしたまま股関節だけを屈伸させることになる。股関節角度をαとすると、踝位置（xa、ya）は以下の通りになる。
【０００８】
xa=（L1+L2）cosα−x1                                         （１）
【０００９】
ya=（L1+L2）sinα                                             （２）    
【００１０】
また、２本のアーム106の角度を図３のようにそれぞれθ1、θ2とすると、踝位置（xa、ya）は以下の通りになる。
【００１１】
xa=l1cosθ1＋l2cos(θ1+θ2)                                   （３）
【００１２】
ya=l1sinθ1＋l2sin(θ1+θ2)                                   （４）
【００１３】
股関節角度αを与えることで数式１、２から、踝位置（xa、ya）を求めることができ、この踝位置（xa、ya）を数式３，４に代入して、アーム106の角度θ1、θ2を求めるのである。これは一般的に多関節ロボットの逆座標変換として知られている。つまりアーム106の角度θ1、θ2を制御して、下肢の運動パターンを実現するのである。
ここで、人の下肢に与える動作パターンは、股関節角度αの単位時間ΔT毎の目標角度列αnとすると、治療時速度Vcは、
【００１４】
Vc=（αn+1−αn）／ΔT                                                （５）
と表される。これより次の単位時間での目標角度列を
【００１５】
αn+1=Vc×ΔT+αn                                             （６）
【００１６】
として得ることができ、これを数式１，２に代入して、踝位置を求めて、その踝位置から数式３，４による逆座標変換により、アーム106の目標角度を得ることができる。アーム106にはアクチュエータ104が、アクチュエータ104には角度センサーが取り付けられているため、アームの現在の角度を検出することができる。そのアーム角度が、図５に示す伸展側高速開始角度Aesと屈曲側高速開始角度Absの範囲内では、数式６を用いて、次の目標角度列を
【００１７】
αn+1=Vh×ΔT+αn                                                     （７）
【００１８】
として求めることで、高速時速度Vhで動作させることができるのである。下肢の運動パターンとしてSLR動作を例に説明をしたが、他の動作パターンであっても、数式１，２のように下肢の特定位置の座標を表現することで、数式３，４からアーム106を制御して所望の運動パターンが得られることがわかる。目標角度での停止時間の設定方法について説明する。アクチュエータ104に取り付けられた角度センサーによって、伸展角Ae、屈曲角Abに到達したかどうかがわかる。この到達回数をカウントして、所定の到達回数Nrになったら伸展角Ae、屈曲角Abの停止時間Tnを次のように求める。
【００１９】
（最初に到達回数Nrに達したとき）T1＝Ts
（２回目以降、Tn＜Tfのとき）     Tn＝Tn-1＋Td                 （８）
（Tn≧Tfのとき）                 Tn＝Tf
停止時間の間は、目標角度列は次のようになる。
【００２０】
αn+1=Ae；伸展位    or    αn+1=Ab；屈曲位                            （９）
【００２１】
数式６，７，９で求めた目標角度列を指令値として位置速度制御して制御信号220を得るのである。
【実施例２】
【００２２】
次に１自由度の機構を備えた関節運動装置の実施例2を説明する。図２は、１自由度の機構を備えた関節運動装置の説明図である。本実施例2の関節運動装置は、２本のリンク302間の角度をアクチュエータ304で制御することで下肢の膝関節と股関節を屈伸させることができる。下腿用肢体受架300では人の下腿を、大腿用肢体受架301は大腿を保持する。下腿用肢体受架300と大腿用肢体受架301は回転ジョイント303を介したリンク302に結合されている。アクチュエータ304は、コントローラ305の制御信号420により、リンク302間の角度を制御する。なおアクチュエータ304には図示しない角度センサーが取り付けられており、リンク302間の角度を検出することができる。本実施例2のマンマシン整合手段は、リンク長さ調節機構306である。リンク長さ調節機構306により、リンク302の長さを下肢の大腿長さ、下腿長さに近くなるように合わせて、回転ジョイント303が人の膝関節の回転中心と一致させる。その結果、リンク302間の角度を検出することで、人の膝関節角度を得ることができる。アクチュエータ304への制御信号420の生成の流れは次の通りである。コントローラ305では、運動パラメータ設定手段401からの運動パラメータ情報411をもとに、動作パターン生成手段400で制御信号420を生成する。具体的に説明する。前述の実施例1と同様に、図５に示す屈曲位Ab、伸展位Ae、治療時速度Vc、高速時速度Vh、伸展側高速開始角度Aes、屈曲側高速開始角度Abs、目標角度到達時停止時間Ts、最終目標停止時間Tf、到達回数Nr、停止時間きざみTdが運動パラメータ情報411として、例えば操作パネルなどの運動パターン設定手段401で入力されて、動作パターン生成手段400に送られる。次に動作パターン生成手段400での制御信号420の生成方法を説明する。図4は、１自由度機構で他動運動させる場合の動作模式図である。図4のように人の大転子位置を座標原点に取る。人の大腿長さ（大転子から膝回転中心までの長さ）をL1、下腿長さ（膝回転中心から踝までの長さ）をL2とする。踝は、大転子の高さと一致するように位置合わせすることで、踝位置を（xa、0）とすることができる。図4のように股関節角度をα、膝関節角度をβとすると、踝位置は以下のように表現できる。
【００２３】
xa=L1cosα＋L2cos（β-α）                                    （１０）
【００２４】
0=L1sinα＋L2sin（β-α）                                     （１１）
【００２５】
すなわち、アクチュエータ304が動作することで、踝位置は図４で示すX軸上を水平に動くのである。ここで、動作パターンとして膝関節角度βに対して、前述の実施例1と同様に、単位時間ΔT毎の目標角度列βnとすると、治療時速度Vcは、
【００２６】
Vc=（βn+1−βn）／ΔT                                                （１２）
【００２７】
と表される。これより次の単位時間での目標角度列を
【００２８】
βn+1=Vc×ΔT+βn                                                     （１３）
【００２９】
を得ることができる。アクチュエータ304には角度センサーが取り付けられているため、アームの現在の角度を検出することができる。そのアーム角度が、図５に示す伸展側高速開始角度Aesと屈曲側高速開始角度Absの範囲内では、数式１２を用いて、次の目標角度列を
【００３０】
βn+1=Vh×ΔT+βn                                                     （１４）
【００３１】
として求めることで、高速時速度Vhで動作させることができるのである。数式１１より、股関節角度αは、膝関節角度βが与えられた時に、人の下肢が取りうる角度として一意的に決定される。そのα、βにより、数式１０から踝位置の軌道が決定されるのである。また、屈曲位、伸展位での停止時間についても、アクチュエータ304には角度センサーが取り付けられているため、目標角度への到達回数Nrをカウントでき、前述の実施例１で説明した数式８で停止時間を設定して、下記のように停止時間での目標角度列を得る。
【００３２】
βn+1=Ae；伸展位    or    βn+1=Ab；屈曲位                            （１５）
【００３３】
数式１３、１４、１５で求めた目標角度列を指令値として位置速度制御して制御信号420を得る。本実施例２では、膝関節角度を制御するようにアクチュエータ304が取り付けられているが、股関節角度を制御するようにアクチュエータを取り付けても、また踝位置を制御するようにアクチュエータを取り付けても、本実施例と同様に実施できることは明白である。
実施例１、実施例２のどちらにおいても、単に限られた時間で屈伸運動の回数を増やすためだけであれば、目標とする伸展位Aeあるいは屈曲位Ab付近での角度域で連続往復運動させれば良い。またそれは実施例１および実施例２で説明した制御方式で実現することができる。
なお、上記実施例１および２において、伸展側、屈曲側のそれぞれで異なるTs、Tf、Td、Nrを設定できるようにしても良いし、到達回数ではなくて屈伸運動時間あるいはアクチュエータに加わる負荷トルクに応じて停止時間を漸増させても良い。また、目標屈曲角度および目標伸展角度での停止時間を屈伸回数に比例して漸増させているが、これに限らず指数関数的に漸増させるなど任意でよい。さらには、治療開始時は漸増比率を小さく（大きく）し、徐々に漸増比率が大きく（小さく）するなど、漸増比率を求めるために関数を複数組み合わせてもよく、結果的に患者の治療状態に応じて適切に漸増させればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
病院や医院、クリニックなどの医療機関や、介護老人保健施設や老人ホームなどの福祉施設などのリハビリテーション機器や他動運動装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施例を示す多自由度の機構を備えた関節運動装置の説明図
【図２】本発明の第２実施例を示す１自由度の機構を備えた関節運動装置の説明図
【図３】多自由度機構の動作模式図
【図４】１自由度機構の動作模式図
【図５】速度変更手段を用いて設定する速度プロファイル例
【図６】停止時間の漸増例
【符号の説明】
【００３６】
１００  下腿用肢体受架
１０１  大腿用肢体受架
１０２  リンク
１０３  回転ジョイント
１０４  アクチュエータ
１０５  コントローラ
１０６  アーム
２００  動作パターン生成手段
２０１  運動パラメータ設定手段
２０２  マンマシン整合手段
２１０  肢体モデル情報
２１１  運動パラメータ情報
２２０  制御信号
３００  下腿用肢体受架
３０１  大腿用肢体受架
３０２  リンク
３０３  回転ジョイント
３０４  アクチュエータ
３０５  コントローラ
３０６  リンク長さ調整機構
４００  動作パターン生成手段
４０１  運動パラメータ設定手段
４１１  運動パラメータ情報
４２０  制御信号
【図１】
0004737707.tif 000002
【図２】
0004737707.tif 000003
【図３】
0004737707.tif 000004
【図４】
0004737707.tif 000005
【図５】
0004737707.tif 000006
【図６】
0004737707.tif 000007