(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転方向が重力方向の成分を含むように回転可能に設けられた第１回転軸と、該第１回転軸に連結され訓練者の麻痺肢側の手が把持し回転操作する第１ハンドルと、を有する第１回転機構と、
回転方向が重力方向の成分を含むように回転可能に設けられた第２回転軸と、該第２回転軸に連結され訓練者の健常肢側の手が把持し回転操作する第２ハンドルと、を有する第２回転機構と、
前記訓練者の麻痺肢側に対応する第１生体信号を検出する第１生体信号検出手段と、
前記訓練者の健常肢側に対応する第２生体信号を検出する第２生体信号検出手段と、
前記麻痺肢側の第１回転軸を駆動する第１駆動手段と、
前記健常肢側の第２回転軸を駆動する第２駆動手段と、
前記麻痺肢側の第１回転軸の第１回転トルクを検出する第１トルク検出手段と、
前記健常肢側の第２回転軸の第２回転トルクを検出する第２トルク検出手段と、
前記麻痺肢側の第１回転軸の第１回転角を検出する第１回転角検出手段と、
前記健常肢側の第２回転軸の第２回転角を検出する第２回転角検出手段と、
前記第１トルク検出手段により検出された第１回転トルクに基づいて前記第２回転軸の第２目標回転角を算出し、前記第２回転角検出手段により検出された第２回転角が該算出した第２目標回転角となるように前記第２駆動手段を制御すると共に、前記第２トルク検出手段により検出された第２回転トルクに基づいて前記第１回転軸の第１目標回転角を算出し、前記第１回転角検出手段により検出された第１回転角が該算出した第１目標回転角となるように前記第１駆動手段を制御する、前記第１及び第２回転軸の協調制御を行う制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記第１生体信号検出手段により検出された第１生体信号と、前記第２生体信号検出手段により検出された第２生体信号と、の協調度を算出し、該算出した協調度が増加するに従がって、前記第１及び第２回転軸の協調制御時における前記第１及び第２駆動手段による前記第１及び第２回転軸の第１及び第２回転トルクを減少させる制御を行う、
ことを特徴とする上肢リハビリ支援装置。
【請求項２】
請求項１記載の上肢リハビリ支援装置であって、
前記制御手段は、
前記第１トルク検出手段により検出された第１回転トルクと、所定のバネ定数を含む前記第１回転トルクと前記第２回転軸の回転角との関係式と、に基づいて前記第２回転軸の第２目標回転角を算出すると共に、前記第２トルク検出手段により検出された第２回転トルクと、所定のバネ定数を含む前記第２回転トルクと前記第１回転軸の回転角との関係式と、に基づいて前記第１回転軸の第１目標回転角を算出しており、
前記所定のバネ定数を減少させることで、前記第１及び第２回転軸の協調制御時における前記第１及び第２駆動手段のトルクを減少させる、
ことを特徴とする上肢リハビリ支援装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の上肢リハビリ支援装置であって、
前記第１生体信号検出手段は、前記麻痺肢側に対応する第１生体信号として、前記訓練者の麻痺側の腕の第１筋電を検出する第１筋電検出手段であり、
前記第２生体信号検出手段は、前記健常肢側に対応する第２生体信号として、前記訓練者の健常肢側の腕の第２筋電を検出する第２筋電検出手段であり、
前記制御手段は、
前記第１筋電検出手段により検出された第１筋電と、前記第２筋電検出手段により検出された第２筋電と、の類似度を算出し、
該算出した類似度に基づき、前記第１及び第２回転軸の協調制御時における前記第１及び第２駆動手段のトルクを制御する、
ことを特徴とする上肢リハビリ支援装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の上肢リハビリ支援装置であって、
前記第１生体信号検出手段は、前記麻痺肢側に対応する第１生体信号として、前記訓練者の麻痺側に対応する脳半球上の運動野近辺からの第１脳波信号を検出する第１脳波位相検出手段であり、
前記第２生体信号検出手段は、前記健常肢側に対応する第２生体信号として、前記訓練者の健常肢側に対応する脳半球上の運動野近辺からの第２脳波信号を検出する第２脳波位相検出手段であり、
前記制御手段は、
前記第１脳波信号から特定される第１瞬時位相と、前記第２脳波信号から特定される第２瞬時位相と、の位相同期度を算出し、
該算出した位相同期度に基づき、前記第１及び第２回転軸の協調制御時における前記第１及び第２駆動手段のトルクを制御する、
ことを特徴とする上肢リハビリ支援装置。
【請求項５】
回転方向が重力方向の成分を含むように回転可能に設けられた第１回転軸と、該第１回転軸に連結され訓練者の麻痺肢側の手が把持し回転操作する第１ハンドルと、を有する第１回転機構と、
回転方向が重力方向の成分を含むように回転可能に設けられた第２回転軸と、該第２回転軸に連結され訓練者の健常肢側の手が把持し回転操作する第２ハンドルと、を有する第２回転機構と、
前記第１回転機構と前記第２回転機構とを制御する制御手段と、
を備える上肢リハビリ支援装置の作動方法であって、
前記制御手段が、
前記訓練者の麻痺肢側に対応する第１生体信号を検出するステップと、
前記訓練者の健常肢側に対応する第２生体信号を検出するステップと、
前記麻痺肢側の第１回転軸の第１回転トルクを検出するステップと、
前記健常肢側の第２回転軸の第２回転トルクを検出するステップと、
前記麻痺肢側の第１回転軸の第１回転角を検出するステップと、
前記健常肢側の第２回転軸の第２回転角を検出するステップと、
前記検出された第１回転トルクに基づいて前記第２回転軸の第２目標回転角を算出し、前記検出された第２回転角が該算出した第２目標回転角となるように前記第２回転軸を制御すると共に、前記検出された第２回転トルクに基づいて前記第１回転軸の第１目標回転角を算出し、前記検出された第１回転角が該算出した第１目標回転角となるように前記第１回転軸を制御する、前記第１及び第２回転軸の協調制御を行うステップと、
前記検出された第１生体信号と、前記検出された第２生体信号と、の協調度を算出するステップと、
該算出した協調度が増加するに従がって、前記第１及び第２回転軸の協調制御時における前記第１及び第２回転軸の第１及び第２回転トルクを減少させる制御を行うステップと、
を行う、ことを特徴とする上肢リハビリ支援装置の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、訓練者の上肢のリハビリを支援する上肢リハビリ支援装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水平面上を前後左右に移動可能であり、互いに左右鏡面対称な位置になるように構成された一対のステージと、各のステージに固定された前腕手関節動作支援部とを有する上肢リハビリ支援装置が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２０１１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記上肢リハビリ支援装置においては、左右鏡面対称に一対のステージが移動するため、麻痺肢側腕の動作が健常肢側腕の動作に頼ってしまうことがあり、麻痺肢側腕を能動的に動作するのが困難となる。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、麻痺肢側腕の麻痺度合に応じて麻痺肢側腕の動作に対するアシスト力を調整できるため、麻痺肢側腕を能動的に動作し易くできる上肢リハビリ支援装置及びその制御方法を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の一態様は、回転方向が重力方向の成分を含むように回転可能に設けられた第１回転軸と、該第１回転軸に連結され訓練者の麻痺肢側の手が把持し回転操作する第１ハンドルと、を有する第１回転機構と、回転方向が重力方向の成分を含むように回転可能に設けられた第２回転軸と、該第２回転軸に連結され訓練者の健常肢側の手が把持し回転操作する第２ハンドルと、を有する第２回転機構と、前記訓練者の麻痺肢側に対応する第１生体信号を検出する第１生体信号検出手段と、前記訓練者の健常肢側に対応する第２生体信号を検出する第２生体信号検出手段と、前記麻痺肢側の第１回転軸を駆動する第１駆動手段と、前記健常肢側の第２回転軸を駆動する第２駆動手段と、前記麻痺肢側の第１回転軸の第１回転トルクを検出する第１トルク検出手段と、前記健常肢側の第２回転軸の第２回転トルクを検出する第２トルク検出手段と、前記麻痺肢側の第１回転軸の第１回転角を検出する第１回転角検出手段と、前記健常肢側の第２回転軸の第２回転角を検出する第２回転角検出手段と、前記第１トルク検出手段により検出された第１回転トルクに基づいて前記第２回転軸の第２目標回転角を算出し、前記第２回転角検出手段により検出された第２回転角が該算出した第２目標回転角となるように前記第２駆動手段を制御すると共に、前記第２トルク検出手段により検出された第２回転トルクに基づいて前記第１回転軸の第１目標回転角を算出し、前記第１回転角検出手段により検出された第１回転角が該算出した第１目標回転角となるように前記第１駆動手段を制御する、前記第１及び第２回転軸の協調制御を行う制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記第１生体信号検出手段により検出された第１生体信号と、前記第２生体信号検出手段により検出された第２生体信号と、の協調度を算出し、該算出した協調度に基づき、前記第１及び第２回転軸の協調制御時における前記第１及び第２駆動手段のトルクを制御する、
ことを特徴とする上肢リハビリ支援装置である。
この一態様において、前記制御手段は、前記第１トルク検出手段により検出された第１回転トルクと、所定のバネ定数を含む前記第１回転トルクと前記第２回転軸の回転角との関係式と、に基づいて前記第２回転軸の第２目標回転角を算出すると共に、前記第２トルク検出手段により検出された第２回転トルクと、所定のバネ定数を含む前記第２回転トルクと前記第１回転軸の回転角との関係式と、に基づいて前記第１回転軸の第１目標回転角を算出しており、前記所定のバネ定数を減少させることで、前記第１及び第２回転軸の協調制御時における前記第１及び第２駆動手段のトルクを減少させてもよい。
この一態様において、前記第１生体信号検出手段は、前記麻痺肢側に対応する第１生体信号として、前記訓練者の麻痺側の腕の第１筋電を検出する第１筋電検出手段であり、前記第２生体信号検出手段は、前記健常肢側に対応する第２生体信号として、前記訓練者の麻痺側の腕の第２筋電を検出する第２筋電検出手段であり、前記制御手段は、前記第１筋電検出手段により検出された第１筋電と、前記第２筋電検出手段により検出された第２筋電と、の類似度を算出し、該算出した類似度に基づき、前記第１及び第２回転軸の協調制御時における前記第１及び第２駆動手段のトルクを制御してもよい。
この一態様において、前記第１生体信号検出手段は、前記麻痺肢側に対応する第１生体信号として、前記訓練者の麻痺側に対応する脳半球上の運動野近辺からの第１脳波信号を検出する第１脳波位相検出手段であり、前記第２生体信号検出手段は、前記健常肢側に対応する第２生体信号として、前記訓練者の麻痺側に対応する脳半球上の運動野近辺からの第２脳波信号を検出する第２脳波位相検出手段であり、前記制御手段は、前記第１脳波信号から特定される第１瞬時位相と、前記第２脳波信号から特定される第２瞬時位相と、の位相同期度を算出し、該算出した位相同期度に基づき、前記第１及び第２回転軸の協調制御時における前記第１及び第２駆動手段のトルクを制御してもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、回転方向が重力方向の成分を含むように回転可能に設けられた第１回転軸と、該第１回転軸に連結され訓練者の麻痺肢側の手が把持し回転操作する第１ハンドルと、を有する第１回転機構と、回転方向が重力方向の成分を含むように回転可能に設けられた第２回転軸と、該第２回転軸に連結され訓練者の健常肢側の手が把持し回転操作する第２ハンドルと、を有する第２回転機構と、を備える上肢リハビリ支援装置の制御方法であって、前記訓練者の麻痺肢側に対応する第１生体信号を検出するステップと、前記訓練者の健常肢側に対応する第２生体信号を検出するステップと、前記麻痺肢側の第１回転軸の第１回転トルクを検出するステップと、前記健常肢側の第２回転軸の第２回転トルクを検出するステップと、前記麻痺肢側の第１回転軸の第１回転角を検出するステップと、前記健常肢側の第２回転軸の第２回転角を検出するステップと、前記検出された第１回転トルクに基づいて前記第２回転軸の第２目標回転角を算出し、前記検出された第２回転角が該算出した第２目標回転角となるように前記第２回転軸を制御すると共に、前記検出された第２回転トルクに基づいて前記第１回転軸の第１目標回転角を算出し、前記検出された第１回転角が該算出した第１目標回転角となるように前記第１回転軸を制御する、前記第１及び第２回転軸の協調制御を行うステップと、前記検出された第１生体信号と、前記検出された第２生体信号と、の協調度を算出するステップと、該算出した協調度に基づき、前記第１及び第２回転軸の協調制御時における駆動トルクを制御するステップと、を含む、ことを特徴とする上肢リハビリ支援装置の制御方法であってもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、回転方向が重力方向の成分を含むように回転可能に設けれた第１回転軸と、該第１回転軸に連結され訓練者の麻痺肢側の手が把持し回転操作する第１ハンドルと、を有する第１回転機構と、回転方向が重力方向の成分を含むように回転可能に設けれた第２回転軸と、該第２回転軸に連結され訓練者の健常肢側の手が把持し回転操作する第２ハンドルと、を有する第２回転機構と、前記麻痺肢側の第１回転軸を駆動する第１駆動手段と、前記健常肢側の第２回転軸を駆動する第２駆動手段と、前記麻痺肢側の第１回転軸の第１回転トルクを検出する第１トルク検出手段と、前記健常肢側の第２回転軸の第２回転トルクを検出する第２トルク検出手段と、前記麻痺肢側の第１回転軸の第１回転角を検出する第１回転角検出手段と、前記健常肢側の第２回転軸の第２回転角を検出する第２回転角検出手段と、前記第１トルク検出手段により検出された第１回転トルクに基づいて前記第２回転軸の第２目標回転角を算出し、前記第２回転角検出手段により検出された第２回転角が該算出した第２目標回転角となるように前記第２駆動手段を制御すると共に、前記第２トルク検出手段により検出された第２回転トルクに基づいて前記第１回転軸の第１目標回転角を算出し、前記第１回転角検出手段により検出された第１回転角が該算出した第１目標回転角となるように前記第１駆動手段を制御する、前記第１及び第２回転軸の協調制御を行う制御手段と、を備え、前記制御手段は、仮想空間において、前記第１回転角検出手段により検出された第１回転角に従って車両を所定軌道に対して移動させ、該第１回転角に基づき算出した該車両の軌道と、前記所定軌道との偏差を算出し、該算出した偏差が減少するに従って、前記協調制御時における前記第１及び第２駆動手段のトルクを減少させる、ことを特徴とする上肢リハビリ支援装置であってもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、麻痺肢側腕の麻痺度合に応じて麻痺肢側腕の動作に対するアシスト力を調整できるため、麻痺肢側腕を能動的に動作し易くできる上肢リハビリ支援装置及びその制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態１に係る上肢リハビリ支援装置の概略的構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る上肢リハビリ支援装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。
【図３】第１及び第２駆動ユニット、第１及び第２トルクセンサ、第１及び第２ハンドルの連結状態を示す図である。
【図４】第１及び第２回転軸の位置制御方法を示す図である。
【図５】本発明の実施形態１に係る上肢リハビリ支援装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態２に係る上肢リハビリ支援装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
本発明の実施形態１に係る上肢リハビリ支援装置は、例えば、脳卒中等の脳疾患が原因で上肢が片麻痺になった患者などの訓練者の上肢の動作を回復させるためのリハビリ訓練を支援する装置である。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態１に係る上肢リハビリ支援装置の概略的構成を示す斜視図である。本実施形態１に係る上肢リハビリ支援装置１は、土台部２と、土台部２に設けられ、訓練者の手が把持し夫々回転操作する第１及び第２ハンドル３、４を回転させる第１及び第２回転機構５、６と、を備える。
【００１１】
第１回転機構５は、訓練者から見て土台部２の左側に設けれている。第１回転機構５は、訓練者の左手が把持し回転操作する第１ハンドル３と、第１ハンドル３に一端が連結された第１回転軸５１と、を有している。第１回転軸５１は、回転方向が重力方向の成分を含むように回転可能に、第１軸受けに（例えば、水平に）軸支されている。土台部２上には、訓練者が視認できる第２表示装置２１が設けられている。
【００１２】
第２回転機構６は、訓練者から見て土台部２の右側に設けれている。第２回転機構６は、訓練者の右手が把持し回転操作する第２ハンドル４と、第２ハンドル４に一端が連結された第２回転軸６１と、を有している。第２回転軸６１は、回転方向が重力方向の成分を含むように回転可能に、第２軸受けに（例えば、水平に）軸支されている。
【００１３】
上肢リハビリ支援装置１において、訓練者は、例えば、麻痺肢側左腕の第１ハンドル３と、健常肢側右腕の第２ハンドル４と、を協調して回転操作する。このように、健常肢及び麻痺肢の両腕を協調させて運動する。さらに、麻痺肢の筋電が発生し易くなり、麻痺肢の回復を早めることができる。本実施形態１に係る上肢リハビリ支援装置１は、上述のような、脳の神経構造の特性を考慮した所謂ニューロリハビリを行うものである。
【００１４】
土台部２には、土台部２を昇降させる昇降機構７が設けられている。昇降機構７には、例えば、昇降ハンドルが設けられており、昇降ハンドルを回転させることで、土台部２を任意の高さに調整することができる。
【００１５】
土台部２を昇降させることで、第１及び第２回転機構５、６の第１及び第２ハンドル３、４の高さ位置を調整することができる。これにより、例えば、第１及び第２ハンドル３、４の中心を訓練者の肩の高さ位置に合わせることができるため、体格の異なる訓練者に対しても同一の運動を与えて最適なリハビリ訓練を行うことができる。
【００１６】
土台部２には、第１及び第２回転機構５、６が左右方向（長手方向）に摺動可能に連結されるレール部８が設けられている。第１及び第２回転機構５、６を、レール部８に沿って、左右方向へ移動させることで、第１及び第２ハンドル３、４の第１及び第２回転軸５１、６１の軸間距離を任意に調整できる。これにより、例えば、第１及び第２ハンドル３、４の第１及び第２回転軸５１、６１の軸間距離を訓練者の肩幅に合わせることができるため、体格の異なる訓練者でも同一の運動を与えて最適なリハビリ訓練を行うことができる。
【００１７】
土台部２のレール部８の両端には、第１及び第２回転機構５、６の第１及び第２ハンドル３、４を回転軸方向に可動させる一対の可動部９が設けられている。この可動部９によって、第１及び第２ハンドル３、４に回転軸方向に外力が付加されると、第１及び第２ハンドル３、４はその外力に応じて弾性的に回転軸方向へ移動し、その外力から解放されると、元に位置に戻る。したがって、例えば、訓練者の麻痺肢の動作に応じて、第１及び第２ハンドル３、４を弾性的に回転軸方向に移動させることで、麻痺肢を動かし易くすることができる。
【００１８】
第１及び第２回転機構５、６の第１及び第２回転軸５１、６１の方向を、水平方向と重力方向との間で変更する構成となっている。これにより、リハビリ訓練に応じて、第１及び第２ハンドル３、４の角度を最適に設定することができる。
【００１９】
レール部８の両端は、一対のヒンジ部を介して土台部２に固定されている。レール部８は、ヒンジ部を介して、０°（第１及び第２ハンドル３、４が垂直方向であり第１及び第２回転軸５１、６１が水平方向）〜９０°（第１及び第２ハンドル３、４が水平方向であり第１及び第２回転軸５１、６１が重力方向）の範囲で搖動する。なお、レール部８は、０°及び９０°の２位置でヒンジ部を介して固定する構成であるが、これに限定されない。例えば、レール部８は、４５°の中間位置、あるいは、１０°、１５°、３０°などの任意の位置にヒンジ部を介して固定できるように構成されていてもよい。
【００２０】
第１及び第２ハンドル３、４は、例えば、第１及び第２回転軸５１、６１に形成されたキー部に嵌合し、その軸の端面で止めネジにより連結されている。この止めネジは工具を使わずに手で簡易に操作できる形状となっている。したがって、第１及び第２ハンドル３、４を第１及び第２回転軸５１、６１に対して容易に着脱することができる。また、複数の異なる径を有する第１及び第２ハンドル３、４が予め用意されている。リハビリ訓練に応じて、最適な径の第１及び第２ハンドル３、４を選択し、第１及び第２回転軸５１、６１に取り付けることができる。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態１に係る上肢リハビリ支援装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態１に係る上肢リハビリ支援装置１は、第１筋電センサ１１と、第２筋電センサ１２と、第１トルクセンサ１３と、第２トルクセンサ１４と、第１エンコーダ１５と、第２エンコーダ１６と、第１駆動ユニット１７と、第２駆動ユニット１８と、制御装置１９と、第１及び第２表示装置２０、２１と、を備えている。
【００２２】
第１筋電センサ１１は、第１筋電検出手段の一具体例である。第１筋電センサ１１は、例えば、訓練者の左腕に取り付けられ、該左腕の第１筋電位を検出する。第２筋電センサ１２は、第２筋電検出手段の一具体例である。第２筋電センサ１２は、例えば、訓練者の右腕に取り付けられ、該右腕の第２筋電位を検出する。第１及び第２筋電センサ１１、１２は、例えば、アンプ２２及び無線ネットワーク２３を介して制御装置１９に接続されている。
【００２３】
第１トルクセンサ１３は、第１トルク検出手段の一具体例である。第１トルクセンサ１３は、第１回転機構５に設けられ、第１回転軸５１の第１回転トルクを検出する。第２トルクセンサ１４は、第２トルク検出手段の一具体例である。第２トルクセンサ１４は、第２回転機構６に設けられ、第２回転軸６１の第２回転トルクを検出する。第１及び第２トルクセンサ１３、１４は、制御装置１９に接続されている。
【００２４】
第１エンコーダ１５は、第１回転角検出手段の一具体例である。第１エンコーダ１５は、第１回転機構５に設けられ、第１回転軸５１の第１回転角を検出する。第２エンコーダ１６は、第２回転角検出手段の一具体例である。第２エンコーダ１６は、第２回転機構６に設けられ、第２回転軸６１の第２回転角を検出する。第１及び第２エンコーダ１５、１６は、制御装置１９に接続されている。
【００２５】
第１駆動ユニット１７は、第１駆動手段の一具体例である。第１駆動ユニット１７は、第１回転機構５に設けられ、第１回転軸５１を駆動する。第１駆動ユニット１７は、例えば、モータ１７１と、モータ１７１に連結された減速機１７２と、を有している（図３）。
【００２６】
第１駆動ユニット１７のモータ１７１及び減速機１７２、第１トルクセンサ１３、第１ハンドル３は、この順で、連結されている。なお、第１駆動ユニット１７の減速機１７２と、第１トルクセンサ１３とは、プーリー２４を介して折り返すように連結されている。これにより、第１駆動ユニット１７から第１ハンドル３までの寸法を小さく抑えることができる。
【００２７】
第２駆動ユニット１８は、第２駆動手段の一具体例である。第２駆動ユニット１８は、第２回転機構６に設けられ、第２回転軸６１を駆動する。第２駆動ユニット１８は、上記第１駆動ユニット１７と同様の構成を有しており、例えば、モータ１８１と、モータ１８１に連結された減速機１８２と、を有している（図１及び図３）。
【００２８】
第２駆動ユニット１８のモータ１８１及び減速機１８２、第２トルクセンサ１４、第２ハンドル４は、この順で、連結されている。なお、第２駆動ユニット１８の減速機１８２と、第２トルクセンサ１４と、は、プーリー２５を介して折り返すように連結されている。これにより、第２駆動ユニット１８から第２ハンドル４までの寸法を小さく抑えることができる。第１及び第２駆動ユニット１７、１８は、制御装置１９に接続されている。
【００２９】
制御装置１９は、制御手段の一具体例である。制御装置１９は、マスタＰＣ（PersonalComputer）１９１と、制御用ＰＣ１９２と、筋電用ＰＣ１９３と、を有している。マスタＰＣ１９１、制御用ＰＣ１９２、及び筋電用ＰＣ１９３は、通信ネットワーク２６を介して相互に接続されている。制御用ＰＣ１９２、及び筋電用ＰＣ１９３は、データ授受を確実に行うために専用線２７でも相互に接続されていてもよい。マスタＰＣ１９１、制御用ＰＣ１９２、及び筋電用ＰＣ１９３は、一体で一つのＰＣとして構成されていてもよい。
【００３０】
なお、マスタＰＣ１９１、制御用ＰＣ１９２、及び筋電用ＰＣ１９３は、例えば、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）１９１ａ、１９２ａ、１９３ａ、ＣＰＵ１９１ａ、１９２ａ、１９３ａによって実行される演算プログラム、制御プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ１９１ｂ、１９２ｂ、１９３ｂ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）１９１ｃ、１９２ｃ、１９３ｃ、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、それぞれ、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ１９１ａ、１９２ａ、１９３ａ、メモリ１９１ｂ、１９２ｂ、１９３ｂ、及びインターフェイス部１９１ｃ、１９２ｃ、１９３ｃは、データバスなどを介して相互に接続されている。
【００３１】
制御用ＰＣ１９２は、第１及び第２トルクセンサ１３、１４からの第１及び第２回転トルクと、第１及び第２エンコーダ１５、１６からの第１及び第２回転角と、に基づいて、第１及び第２駆動ユニット１７、１８の制御を行う。筋電用ＰＣ１９３は、第１筋電センサ１１および第２筋電センサ１２からの第１及び第２筋電位に基づいて演算処理を行う。
【００３２】
制御用ＰＣ１９２は、第１トルクセンサ１３により検出された第１回転トルクに基づいて、コンプライアンス特性を持たせた第２回転軸６１の第２目標回転角を算出する。制御用ＰＣ１９２は、第２エンコーダ１６により検出された第２回転角が該算出した第２目標回転角となるように第２駆動ユニット１８を制御する。同時に、制御用ＰＣ１９２は、第２トルクセンサ１４により検出された第２回転トルクに基づいて、コンプライアンス特性を持たさせた第１回転軸５１の第１目標回転角を算出する。制御用ＰＣ１９２は、第１エンコーダ１５により検出された第１回転角が該算出した第１目標回転角となるように第１駆動ユニット１７を制御する。このように、制御用ＰＣ１９２は、第１及び第２回転軸５１、６１の協調制御を行う（図４）。これにより、麻痺肢側腕による第１ハンドル３の回転に合わせて健常肢側腕により第２ハンドル４を回転させることができ、左右腕の協調動作が可能となる。
【００３３】
本実施形態１に係る第１及び第２回転軸５１、６１の協調制御系は、バネに錘を付けた系に当てはめることができる。制御用ＰＣ１９２は、第１トルクセンサ１３により検出された第１回転トルクと、所定のバネ定数を含む第２回転軸６１に関する運動方程式と、に基づいてコンプライアンス特性を有する第２回転軸６１の第２目標回転角を算出する。また、制御用ＰＣ１９２は、第２トルクセンサ１４により検出された第２回転トルクと、所定のバネ定数を含む第１回転軸５１に関する運動方程式と、に基づいてコンプライアンス特性を有する第１回転軸５１の第１目標回転角を算出する。
【００３４】
制御用ＰＣ１９２は、例えば、下記（２）式を用いて、コンプライアンス特性を有する第１及び第２目標回転角θを算出する。なお、下記（１）式及び（２）式において、Ｔは第１及び第２回転トルクである。下記（１）及び（２）式は、所定のバネ定数ｋを含む第１及び第２回転トルクと第１及び第２回転軸の回転角との関係式である。下記（１）式をθについて解いくことで下記（２）式を導出できる。
【数１】
0006418652.tif 000002
【００３５】
なお、上記説明では、第１ハンドル３を麻痺肢側腕で回転操作し、第２ハンドル４を健常肢側腕で回転操作しているが、これに限定されない。第１ハンドル３を健常肢側腕で回転操作し、第２ハンドル４を麻痺肢側腕で回転操作してもよい。
【００３６】
ところで、脳卒中等により消失した機能は、脳の損傷部位の周辺や他の部位が機能を代行することにより回復することがある。そのために、患者が「麻痺肢を動作させる」という意図を持ってリハビリ訓練することが重要で、この意図無しに動作させても回復効果が現れない可能性がある。したがって、完全に麻痺の場合を除いて、麻痺肢側腕がある程度動くようになったら、この麻痺肢側腕をより能動的に動かすのが好ましい。しかしながら、麻痺肢側腕の動作が健常肢側腕の動作に頼ってしまうことがあり、麻痺肢側腕を能動的に動作するのが困難となることがある。
【００３７】
これに対し、本実施形態に係る上肢リハビリ支援装置１においては、第１筋電センサ１１により検出された麻痺肢側の腕の第１筋電位と、第２筋電センサ１２により検出された健常肢側の腕の第２筋電位と、の類似度を算出し、該算出した類似度が増加するに従って、第１及び第２回転軸５１、６１の協調制御時における第１及び第２駆動ユニット１７、１８のトルクを減少させる。これにより、麻痺肢側腕の麻痺の度合に応じて麻痺肢側腕の回転操作に対するアシスト力を調整できるため、麻痺肢側腕を能動的に動作し易くできる。
【００３８】
筋電用ＰＣ１９３は、例えば、第１筋電センサ１１により検出された麻痺肢側腕の第１筋電位と、第２筋電センサ１２により検出された健常肢側腕の第２筋電位と、の相関係数(０〜１）を類似度として算出する。左右の腕が健常である場合、左右腕の動作は左右対称となるため、相関係数は１に近い値となる。一方、片腕が麻痺している場合、左右腕の動作は左右対称とならないため、相関係数は１よりも小さい値となる。麻痺肢側腕が回復するに従がって、麻痺肢側腕の動作が健常肢側腕の動作に近づく。すなわち、麻痺肢側腕が回復するに従がって、麻痺肢側腕の動作と健常肢側腕の動作とが対称に近づき、相関係数（類似度）は増加する。
【００３９】
制御用ＰＣ１９２は、筋電用ＰＣ１９３により算出された類似度が増加するに従って、第１及び第２回転軸５１、６１の協調制御時における第１及び第２駆動ユニット１７、１８のトルクを減少させる制御を行う。これにより、麻痺肢側腕が回復して類似度が増加するに従って、第１及び第２回転軸５１、６１の協調制御時における第１及び第２駆動ユニット１７、１８のトルクが減少し、痺肢側腕の回転操作に対するアシスト力が減少する。
【００４０】
例えば、制御用ＰＣ１９２は、筋電用ＰＣ１９３により算出された類似度が増加するに従って、上記（１）式のバネ定数ｋを減少させることで、第１及び第２回転軸５１、６１の協調制御時における第１及び第２駆動ユニット１７、１８のトルクを減少させ、痺肢側腕の回転操作に対するアシスト力を減少させる。このように、麻痺肢側腕が回復しその麻痺度合が低くなるに従がって、麻痺肢側腕の回転操作に対するアシスト力を減少させる。したがって、麻痺肢側腕を動作し易くなり、麻痺肢側腕を徐々に能動的に動作させることができる。
【００４１】
なお、相関関数が増加するに従がって、麻痺肢側の回転操作に対し第１及び第２駆動ユニット１７、１８のトルクを増加させるように構成すると、通常のアシスト力とは逆方向の制御をもたらす「反アシスト力」となる。そこで、上肢リハビリ支援装置１の制御用ＰＣ１９２は、上記算出した類似度が増加するに従って、麻痺肢側腕の回転操作に対する反アシスト力を増加させるように、第１及び第２駆動ユニット１７、１８のトルクを制御してもよい。
【００４２】
マスタＰＣ１９３は、制御用ＰＣ１９２の制御、第１及び第２表示装置２０、２１の制御を行う。マスタＰＣ１９３には、訓練管理者用の第１表示装置２０、訓練者用の第２表示装置２１、及び入力デバイス（キーボード、マウスなど）２８が接続されている。第１及び第２表示装置２０、２１は、液晶ディスプレイ装置や有機ＥＬディスプレイ装置などである。マスタＰＣ１９３は、制御用ＰＣ１９２内の制御プログラムの実行や停止を行う。第１及び第２表示装置２０、２１は、マスタＰＣ１９３からの制御信号に応じて、例えば、リハビリ訓練の効果指標（類似度、筋電波形、回復度など）やリハビリ訓練時の模範動作を表示する。
【００４３】
図５は、本実施形態１に係る上肢リハビリ支援装置の制御方法を示すフローチャートである。
第１筋電センサ１１は、訓練者の左腕の第１筋電位を検出する（ステップＳ１０１）。同時に、第２筋電センサ１２は、訓練者の右腕の第２筋電位を検出する（ステップＳ１０２）。
制御装置１９の筋電用ＰＣ１９３は、第１筋電センサ１１により検出された第１筋電位と、第２筋電センサ１２により検出された第２筋電位と、の類似度として算出する（ステップＳ１０３）。
制御装置１９の制御用ＰＣ１９２は、筋電用ＰＣ１９３により算出された類似度が増加するに従って、上記（１）式の所定のバネ定数ｋを減少させることで、第１及び第２回転軸５１、６１の協調制御時における第１及び第２駆動ユニット１７、１８のトルクを減少させ、麻痺肢側腕の回転操作に対するアシスト力を減少させる（ステップＳ１０４）。
制御装置１９のマスタＰＣ１９３は、第２表示装置２１にリハビリ訓練の効果指標（類似度、筋電波形、回復度）を表示させる（ステップＳ１０５）。訓練者は、このリハビリ訓練の効果指標を見ることで、リハビリ訓練のモチベーションを上げることができ、回復を早めることができる。
【００４４】
以上、本実施形態に係る上肢リハビリ支援装置１において、第１筋電センサ１１により検出された麻痺肢側の腕の第１筋電位と、第２筋電センサ１２により検出された健常肢側の腕の第２筋電位と、の類似度を算出し、該算出した類似度が増加するに従って、第１及び第２回転軸５１、６１の協調制御時における第１及び第２駆動ユニット１７、１８のトルクを減少させる。これにより、麻痺肢側腕が回復しその麻痺度合が低くなるに従がって、麻痺肢側腕の回転操作に対するアシスト力を減少させることができる。すなわち、麻痺肢側腕の麻痺の度合に応じて麻痺肢側腕の回転操作に対するアシスト力を調整できるため、麻痺肢側腕を能動的に動作し易くできる。
【００４５】
実施形態２
図６は、本発明の実施形態２に係る上肢リハビリ支援装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態２に係る上肢リハビリ支援装置３０は、上記実施形態１に係る上肢リハビリ支援装置の第１及び第２筋電センサ１１、１２の代わりに、第１及び第２脳波位相センサ３１、３２を備えている。本実施形態２に係る制御装置３３は、上記実施形態１に係る制御装置１９の筋電用ＰＣ１９３の代わりに、脳波用ＰＣ３４を有している。
【００４６】
第１脳波位相センサ３１は、第１脳波位相検出手段の一具体例である。第１脳波位相センサ３１は、訓練者の頭部に設けられ、訓練者の麻痺側に対応する脳半球上の運動野近辺からの第１脳波信号を検出する。第２脳波位相センサ３２は、第２脳波位相検出手段の一具体例である。第２脳波位相センサ３２は、訓練者の頭部に設けられ、訓練者の健常側に対応する脳半球上の運動野近辺からの第２脳波信号を検出する。
【００４７】
脳波用ＰＣ３４は、例えば、第１脳波位相センサ３１により検出された麻痺肢側の第１脳波信号から第１瞬時位相を特定し、第２脳波位相センサ３２により検出された健常肢側の第２脳波信号から第２瞬時位相を特定する。脳波用ＰＣ３４は、特定した第１瞬時位相と第２瞬時位相と、の同期度（位相同期度）を算出する。麻痺肢側腕が回復するに従がって、麻痺肢側腕の動作と健常肢側腕の動作とが対称に近づき、位相同期度は増加する。
【００４８】
制御用ＰＣ１９２は、脳波用ＰＣ３４により算出された位相同期度が増加するに従って、第１及び第２回転軸５１、６１の協調制御時における第１及び第２駆動ユニット１７、１８のトルクを減少させる制御を行う。これにより、麻痺肢側腕が回復して位相同期度が増加するに従って、第１及び第２回転軸５１、６１の協調制御時における第１及び第２駆動ユニット１７、１８のトルクが減少し、痺肢側腕の回転操作に対するアシスト力が減少する。
【００４９】
例えば、制御用ＰＣ１９２は、脳波用ＰＣ３４により算出された位相同期度が増加するに従って、上記（１）式のバネ定数ｋを減少させることで、第１及び第２回転軸５１、６１の協調制御時における第１及び第２駆動ユニット１７、１８のトルクを減少させ、痺肢側腕の回転操作に対するアシスト力を減少させる。このように、麻痺肢側腕が回復しその麻痺度合が低くなるに従がって、麻痺肢側腕の回転操作に対するアシスト力を減少させる。したがって、麻痺肢側腕を動作し易くなり、麻痺肢側腕を徐々に能動的に動作させることができる。なお、上肢リハビリ支援装置３０の制御用ＰＣ１９２は、上記算出した位相同期度が増加するに従って、麻痺肢側腕の回転操作に対する反アシスト力を増加させるように、第１及び第２駆動ユニット１７、１８のトルクを制御してもよい。
本実施形態２において、上記実施形態１と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５０】
実施形態３
本発明の実施形態３に係る上肢リハビリ支援装置１は、仮想空間において、麻痺肢側腕の第１ハンドル３により操作された車両の軌道と、所定軌道と、の偏差を算出し、該偏差が減少するに従って、麻痺肢側腕の回転操作に対するアシスト力を減少させる。なお、本実施形態２において、例えば、仮想空間において、車両は自動的に前進し、車両が所定軌道上を走行するように、訓練者は麻痺側の腕で第１ハンドル３を操作する。制御装置１９は、仮想空間において、第１エンコーダ１５により検出された第１ハンドル３による第１回転角に従って、車両を所定軌道に対して移動させる。制御装置１９は、第２表示装置２１の表示画面に、仮想空間内における、車両位置および所定軌道を表示させる制御を行う。訓練者は、第２表示装置２１に表示された仮想空間内の車両が所定軌道上を走行するように第１ハンドル３を操作する。
なお、本実施形態３において、上記実施形態１と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５１】
制御装置１９は、上記実施形態１と同様に、第１トルクセンサ１３により検出された第１回転トルクに基づいて、コンプライアンス特性を持たせた第２回転軸６１の第２目標回転角を算出する。制御装置１９は、第２エンコーダ１６により検出された第２回転角が該算出した第２目標回転角となるように第２駆動ユニット１８を制御する。同時に、制御装置１９は、第２トルクセンサ１４により検出された第２回転トルクに基づいて、コンプライアンス特性を持たさせた第１回転軸５１の第１目標回転角を算出する。制御装置１９は、第１エンコーダ１５により検出された第１回転角が該算出した第１目標回転角となるように第１駆動ユニット１７を制御する。このように、制御装置１９は、第１及び第２回転軸５１、６１の協調制御を行う。
【００５２】
このとき、制御装置１９は、第１エンコーダ１５により検出された第１回転角に基づき算出した該車両の軌道と、所定軌道との偏差を算出する。制御装置１９は、該算出した偏差が減少するに従って、第１及び第２回転軸５１、６１の協調制御時における第１及び第２駆動ユニット１７、１８のトルクを減少させることで、麻痺肢側腕の回転操作に対するアシスト力を減少させる。
【００５３】
麻痺肢側腕が回復し麻痺度合が低くなるに従がって、麻痺肢側腕の第１ハンドル３により操作された車両の軌道と、所定軌道と、の偏差が小さくなる。したがって、麻痺肢側腕の回転操作に対するアシスト力を減少し、麻痺肢側腕を動作し易くなり、麻痺肢側腕を徐々に能動的に動作させることができる。すなわち、麻痺肢側腕の麻痺度合に応じて麻痺肢側腕の動作に対するアシスト力を調整できるため、麻痺肢側腕を能動的に動作し易くできる。
【００５４】
なお、上記説明では、第１ハンドル３を麻痺肢側腕で回転操作し、第２ハンドル４を健常肢側腕で回転操作しているが、これに限定されない。第１ハンドル３を健常肢側腕で回転操作し、第２ハンドル４を麻痺肢側腕で回転操作してもよい。この場合、制御装置１９のマスタＰＣ１９１を介して、訓練者又は管理者などが、第１及び第２ハンドル３、４のいずれのを麻痺肢側腕で操作するかの情報を入力し、設定する構成であってもよい。
【００５５】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１  上肢リハビリ支援装置、２  土台部、３  第１ハンドル、４  第２ハンドル、５  第１回転機構、６  第２回転機構、７  昇降機構、８  レール部、９  可動部、１１  第１筋電センサ、１２  第２筋電センサ、１３  第１トルクセンサ、１４  第２トルクセンサ、１５  第１エンコーダ、１６  第２エンコーダ、１７  第１駆動ユニット、１８  第２駆動ユニット、１９  制御装置、２０  第１表示装置、２１  第２表示装置、２２  アンプ、２３  無線ネットワーク、２４  プーリー、２５  プーリー、２６  通信ネットワーク、２７  専用線、３１  第１脳波位相センサ、３２  第２脳波位相センサ、５１  第１回転軸、６１  第２回転軸、
【図１】
0006418652.tif 000003
【図２】
0006418652.tif 000004
【図３】
0006418652.tif 000005
【図４】
0006418652.tif 000006
【図５】
0006418652.tif 000007
【図６】
0006418652.tif 000008