(57)【要約】【課題】  患者の関節の拘縮、痙性、筋緊張などによって過負荷が発生した場合でも、肢体の姿勢が崩れることなく患者への過負荷を回避し、さらに治療継続が可能な肢体駆動装置の制御装置を提供する。【解決手段】  駆動部の先端が予め設定された軌道に沿って動作するように、動作指令を生成する目標軌道設定部と、前記目標軌道設定部の出力から前記軌道の接線方向を算出し接線座標系を導出する接線座標系生成手段と、前記接線座標系をもとに、前記軌道の接線方向には柔らかく、法線方向には硬くなるように力制御の制御座標系を制御する力方向制御手段と、位置・角度センサのセンシング情報と前記目標軌道設定部の出力と前記力方向制御手段の出力とに基づいて治療状態を提示する治療状態提示手段とを備える。【選択図】  図１
2005118466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
肢体に装着して前記肢体を動かす駆動部を備え、前記駆動部に取り付けられた位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって前記駆動部の動作を制御する肢体駆動装置の制御装置において、
前記駆動部の先端が予め設定された軌道に沿って動作するように、動作指令を生成する目標軌道設定部と、
前記目標軌道設定部の出力から前記軌道の接線方向を算出し接線座標系を導出する接線座標系生成手段と、
前記接線座標系をもとに、前記軌道の接線方向には柔らかく、法線方向には硬くなるように力制御の制御座標系を制御する力方向制御手段と、
前記位置・角度センサのセンシング情報と前記目標軌道設定部の出力と前記力方向制御手段の出力とに基づいて治療状態を提示する治療状態提示手段と
を備えたことを特徴とする肢体駆動装置の制御装置。
【請求項２】
前記力方向制御手段は、前記軌道の接線方向の制限力と法線方向の制限力と、前記軌道の接線方向と法線方向にそれぞれ垂直な方向の制限力を各要素にもつ制限力ベクトルと、前記接線座標系と、前記肢体駆動装置の基準座標系とから座標変換行列を算出し、前記制限力ベクトルと前記座標変換行列とヤコビ行列との積から前記駆動部の制限トルクを算出し、トルクを制限することを特徴とする請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置。
【請求項３】
前記接線座標系生成手段は、前記目標軌道設定部の出力と前記駆動部の位置情報とから、現在位置に最も近い前記目標軌道設定部の出力（目標点）を選択し、前記目標点を基に前記軌道の接線方向を算出し接線座標系を導出することを特徴とする請求項１乃至２記載の肢体駆動装置の制御装置。
【請求項４】
前記接線座標系生成手段は、前記目標軌道設定部の出力と前記駆動部の位置情報とから、現在位置に最も近い前記目標軌道設定部の出力（目標点）を選択し、その間の距離が予め定めた規定値以上の場合は、警告情報を前記治療状態提示手段に出力することを特徴とする請求項１乃至３記載の肢体駆動装置の制御装置。
【請求項５】
前記治療状態提示手段は、複数サイクルの治療状態を同時に提示することを特徴とする請求項１乃至４記載の肢体駆動装置の制御装置。
【請求項６】
前記目標軌道設定部は、目標点と現在位置との間の距離が予め定めた閾値よりも大きい場合は、前記駆動部先端の動作方向が前記目標点と逆方向になるように動作指令を生成することを特徴とする請求項１乃至５記載の肢体駆動装置の制御装置。
【請求項７】
前記目標軌道設定部は、目標点と現在位置との間の距離の時間変化が予め定めた閾値よりも大きい場合は、動作指令を停止することを特徴とする請求項１乃至６記載の肢体駆動装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、肢体駆動装置に関し、特に人間の関節やその他の治療対象への過負荷をなくし、装置の安全性を高めるよう肢体軌道を考慮した肢体駆動装置の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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。このような装置において、人間の肢体位置を監視しながら動かし、関節に過負荷がかかる以前に対処でき、肢体の限界を考慮した稼働範囲を容易に設定でき、関節に負荷をかけず、装置自体にも安全性を持たせながら治療が行える肢体駆動装置の制御装置（例えば、特許文献１参照）があった。
以下、特許文献１について、図面を用いて簡単に説明する。
図１２は制御装置の回路構成を示すブロック図である。図１２において１０１は肢体駆動装置のアーム、１０２は肢体、１０３はアーム１０１の先端に取り付けられたスプリント（アーム先端位置）、１０４は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Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器、１０８はＡ／Ｄ変換器の出力をアーム先端位置１０３の変位に変換する変位演算処理部、１０９はアーム先端位置１０３からモータ１０５の目標角度を算出する逆運動学計算部、１１０はアーム先端位置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Ｄ／Ａ（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、１１５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。
図１２において、アーム１０１は３つのモータ１０５によって構成され、各モータは回転角検出部１０６を備えている。また、図１２では簡単のために３つのモータのうち１つのみに回転角変換回路１１１およびサーボアンプ１１４が接続されているように描かれているが、実際はすべてのモータに回転角変換回路１１１およびサーボアンプ１１４が接続されている。
アーム１０１による肢体１０２への負荷が過負荷設定領域に入った時点で、アーム１０１が持つ全自由度のうち、ある自由度方向のインピーダンス定数変換部１１６を、肢体１０２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ことを特徴としている。
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−１５４９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の肢体駆動装置の制御装置は、肢体への過負荷が発生した任意の自由度方向をフリーにするため、患者の関節の拘縮、痙性、筋緊張などによっても、任意の自由度方向へアームが動作することになり、そのため肢体の姿勢が崩れ、所望の治療姿勢とは異なる姿勢となるため、その時点で治療を停止しなければならないといった問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、患者の関節の拘縮、痙性、筋緊張などによって過負荷が発生した場合でも、肢体の姿勢が崩れることなく患者への過負荷を回避し、さらに治療継続が可能な肢体駆動装置の制御装置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】
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に記載の発明は、肢体に装着して前記肢体を動かす駆動部を備え、前記駆動部に取り付けられた位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって前記駆動部の動作を制御する肢体駆動装置の制御装置において、前記駆動部の先端が予め設定された軌道に沿って動作するように、動作指令を生成する目標軌道設定部と、前記目標軌道設定部の出力から前記軌道の接線方向を算出し接線座標系を導出する接線座標系生成手段と、前記接線座標系をもとに、前記軌道の接線方向には柔らかく、法線方向には硬くなるように力制御の制御座標系を制御する力方向制御手段と、前記位置・角度センサのセンシング情報と前記目標軌道設定部の出力と前記力方向制御手段の出力とに基づいて治療状態を提示する治療状態提示手段とを備えたことを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記力方向制御手段は、前記軌道の接線方向の制限力と法線方向の制限力と、前記軌道の接線方向と法線方向にそれぞれ垂直な方向の制限力を各要素にもつ制限力ベクトルと、前記接線座標系と、前記肢体駆動装置の基準座標系と、から座標変換行列を算出し、前記制限力ベクトルと前記座標変換行列とヤコビ行列との積から前記駆動部の制限トルクを算出し、トルクを制限することを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記接線座標系生成手段は、前記目標軌道設定部の出力と前記駆動部の位置情報とから、現在位置に最も近い前記目標軌道設定部の出力（目標点）を選択し、前記目標点を基に前記軌道の接線方向を算出し接線座標系を導出することを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記接線座標系生成手段は、前記目標軌道設定部の出力と前記駆動部の位置情報とから、現在位置に最も近い前記目標軌道設定部の出力（目標点）を選択し、その間の距離が予め定めた規定値以上の場合は、警告情報を前記治療状態提示手段に出力することを特徴とするものである。
また、請求項５に記載の発明は、前記治療状態提示手段は、複数サイクルの治療状態を同時に提示することを特徴とするものである。
また、請求項６に記載の発明は、前記目標軌道設定部は、目標点と現在位置との間の距離が予め定めた閾値よりも大きい場合は、前記駆動部先端の動作方向が前記目標点と逆方向になるように動作指令を生成することを特徴とするものである。
また、請求項７に記載の発明は、前記目標軌道設定部は、目標点と現在位置との間の距離の時間変化が予め定めた閾値よりも大きい場合は、動作指令を停止することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置によれば、患者の関節の拘縮、痙性、筋緊張などによって過負荷が発生した場合でも、予め設定された軌道上でフリーとなるため肢体の姿勢が崩れることなく患者への過負荷を回避し、さらに治療継続が可能である。
請求項２記載の肢体駆動装置の制御装置によれば、力センサ情報が無い場合においても、患者の関節の拘縮、痙性、筋緊張などによって過負荷が発生した場合に、予め設定された軌道上でフリーとなるため肢体の姿勢が崩れることなく患者への過負荷を回避し、さらに治療継続が可能である。
請求項３記載の肢体駆動装置の制御装置によれば、過負荷発生時にフィードバック位置が、その時点の目標点からずれた場合においても、その時点に応じた適切な目標点を選択し接線座標系を導出することが可能となり、適切な力方向の制御が可能となる。
請求項４記載の肢体駆動装置の制御装置によれば、患者の関節の拘縮、痙性、筋緊張などによる力以外の予想外の負荷が発生した場合、前記警告情報に基づいて速やかに装置を停止させることが可能で、装置の安全性を向上させる。
請求項５記載の肢体駆動装置の制御装置によれば、規則性のある過負荷状態を、作業療法士が容易に認識することが可能であり、より適切な治療方法の選定が可能である。
請求項６記載の肢体駆動装置の制御装置によれば、患者への過負荷が発生することなく、所望の軌道上で動作方向が反転するため連続して治療の継続が可能となり、治療効率の向上を実現できる。
請求項７記載の肢体駆動装置の制御装置によれば、通常の治療継続可能な拘縮、痙性、筋緊張などと異なる突発的な事態が発生した場合に、安全かつ速やかに装置の停止が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、この発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１において、図１２と同じ符号のものは同一のものを指すので説明は省略する。１は目標軌道設定部１１０の出力と回転角変換回路１１２の出力とから軌道の接線方向を算出し接線座標系を導出する接線座標系生成手段、２は前記接線座標系をもとに、軌道の接線方向には柔らかく、法線方向には硬くなるように力制御の制御座標系を制御する力方向制御手段、３は前記力方向制御手段の出力に応じてゲイン積分器１１２の出力トルクを制限するトルク制限器、４は駆動モータ１０５の回転角度から前記駆動装置アーム１０１の重力トルクと摩擦トルクを計算し補償する重力・摩擦トルク補償器、５は前記目標軌道設定部１１０の出力と前記力方向制御手段２の出力と位置・角度センサのセンシング情報に基づく治療状態を提示する治療状態提示手段である。
なお、図１２と同様に図１において、アーム１０１は３つのモータ１０５によって構成され、各モータは回転角検出部１０６を備えている。また、図１では簡単のために３つのモータのうち１つのみに回転角変換回路１１１およびサーボアンプ１１４が接続されているように描かれているが、実際はすべてのモータに回転角変換回路１１１およびサーボアンプ１１４が接続されている。
【０００９】
次に、動作形態について説明する。まず、患者の関節の拘縮、痙性、筋緊張が発生していない状態での動作形態（通常形態）について説明する。図２に肢体を運動させるために設定した目標軌道に従って装置が動作する際の、時刻Ｔにおける前記アーム先端位置１０３と時刻Ｔ前後の目標軌道を示す。ΣSは基準座標系を表す。
ここでは説明を簡単にするため、紙面の平面内を動作する駆動装置を考える。図２において、制御周期をΔＴとし、時刻Ｔ（＝ΔＴ・ｎ  ：ｎは０以上の整数）における目標軌道の接線方向をＸ軸とし目標軌道の法線方向をＺ軸とした、肢体の姿勢を表す座標系ΣW(n)を接線座標系とする。
図３は時刻Ｔの前後における接線座標系を示す図である。時刻Ｔの１制御周期前における接線座標系はΣW(n-1)、時刻Ｔの１制御周期後における接線座標系はΣW(n+1)となる。図３においてΣSは図２と同様に基準座標系を表す。前記接線座標系生成手段１は、前回のアーム先端位置Ｐ(n-１)と今回のアーム先端位置Ｐ(n)とから前記接線座標系ΣW(n)のＸ軸方向の基底ベクトルexとＺ軸方向の基底ベクトルez を以下の（式１）（式２）（式３）に基づいて算出し、基準座標系ΣSに基づく接線座標系の変換行列[ex  ey  ez]を生成する。
【００１０】
【数１】
2005118466.tif 000003
【００１１】
（式１）において、Ｐ(n-１)ＸおよびＰ(n)Ｘはそれぞれアーム先端位置Ｐ(n-１)、Ｐ(n)の基準座標系ΣSに基づくＸ軸方向の座標位置を示し、Ｐ(n-１)ＺおよびＰ(n)Ｚはそれぞれアーム先端位置Ｐ(n-１)、Ｐ(n)の基準座標系ΣSに基づくＺ軸方向の座標位置を示す。
【００１２】
ここで、接線座標系ΣW(n)上で制限力ベクトル[limFx  limFy  limFz]Ｔ  のlimFx（接線方向）の制限力を小さく、limFz（法線方向）を大きく設定する（limFyの制限力も大きく設定する）。
前記力方向制御手段２は、図４に示す処理フローに従って、アーム１０１の各モータの制限トルクτlimを算出する。ステップ２で、前記接線座標系生成手段１で生成された基準座標系ΣSに基づく接線座標系の変換行列[ex  ey  ez]を読み込む。次にステップ３で、前記設定された制限力ベクトル[limFx  limFy  limFz]Ｔ  を読み込む。次にステップ４で、各モータのトルクと基準座標系ΣSの微小変位の対応関係を表すヤコビ行列Jを用いて、各モータの制限トルクτlimを算出する。前記制限トルクτlimを前記トルク制限器３に出力すると、トルク制限器３と重力・摩擦トルク補償器４により発生トルクが制限されるため、各モータは制限トルクτlim以上の負荷に対しては柔軟に倣う。この場合、アーム先端位置１０３での制限力の方向が目標軌道の接線方向に柔軟になるように制御されているため、肢体の姿勢が崩れることはない。
【００１３】
次に、請求項３と請求項４に関連した患者の関節の拘縮、痙性、筋緊張が発生し、指令位置（制御周期ΔＴ後の次回の目標位置を示す）とフィードバック位置との偏差が大きくなった場合の動作形態について説明する。図５（ａ）にフィードバック位置が指令位置より進んだ場合の軌道の模式図を示し、図５（ｂ）にフィードバック位置が指令位置より遅れた場合の軌道の模式図を示す。前記接線座標系生成手段１は、図５（ａ）、（ｂ）に示す、制限軌道１と制限軌道２が目標軌道を挟んで距離ｄで設定されている。制限軌道１と制限軌道２は、安全上許容される軌跡ズレの範囲を規定する軌道である。ｆp(1)・・・fp(n)は過去から現在（ｎ・ΔＴ）までのフィードバック位置を示し、tp(n)、tp（n+１）・・・は現在から未来への目標位置を示す。まず、図５（ａ）はフィードバック位置が指令位置より進んだ場合を示し、図５（ｂ）は指令位置より遅れた場合を示している。前記接線座標系生成手段１は、図６に示す処理手順に従って、基準座標系ΣSに基づく接線座標系の変換行列[ex  ey  ez]を生成する。ステップ２で、現在のフィードバック位置（fp(n)）を、前記回転角変換回路１１１の出力から入力する。ステップ３で、現在の指令値と現在から過去のｍ個と未来のそれぞれｍ個の指令値を、目標軌道設定部１１０から入力する（ｍは０以上の整数）。ステップ４で、距離｜fp(n)−tp(k)｜(k＝n-m・・・n+m)が最小となるtp(k)を選択する。ステップ５で、上記ステップ４で最小となる距離をＲとした時、前記距離Ｒが、制限軌道１と制限軌道２の範囲内に有るかどうかチェックする。ステップ６で、制限軌道の範囲外の場合は、アラームを前記治療状態提示手段５に出力する。ステップ７で、制限軌道の範囲内の場合、ｔp(k）とtp(k+１)とから基準座標系ΣSに基づく接線座標系の変換行列[ex  ey  ez]を算出し前記力方向制御手段２に出力する。それ以後の動作形態は、通常形態と同様であるため説明は省略する。
【００１４】
次に、請求項５に記載の動作形態について説明する。図７に、前記治療状態提示手段５に提示された、３サイクルの治療状態を示す。図７には、それぞれの動作サイクルの前記アーム先端位置１０３の基準座標系ΣSに基づくＸ方向とＺ方向の位置の時系列データが同時に表示され、時刻t０において、毎回同様に患者の関節の拘縮によって、目標軌道に対する追従特性が悪くなっていることが容易に理解でき、追従特性の違いにより制限力の設定等を変更する基準に活用することが可能となる。
【００１５】
次に、請求項６と請求項７に記載の動作形態について説明する。図８に前記アーム１０１に取り付けられたスプリント（アーム先端位置）１０３の動作軌跡を示す。Ｐ１が開始位置で、通常Ｐ１→Ｐ２→Ｐ３→Ｐ２→Ｐ１→Ｐ２→Ｐ３→Ｐ２→Ｐ１・・・と往復動作を繰り返す。図９に示すように、時刻t１（図８における位置Ｐ２に対応）において、目標位置とフィードバック位置との間の距離（以後ΔERRとする）が、予め設定された閾値Ｃｒ１より大きくなった場合、請求項６記載のように前記目標軌道設定部１１０は、目標位置をＰ３からＰ１に切り替え、以後の動作軌跡はＰ１→Ｐ２→Ｐ１→Ｐ２→Ｐ１・・・で継続して実行される。また、前記目標設定部１１０は、Ｐ１の次の目標点をＰ２とせず、Ｐ２とＰ３の間の点を治療の状況に応じて段階的に設定することも当然可能である。
一方、前記Ｐ２でのΔERRが、時刻t２において通常の時間変化より急激に変化した場合を図１０に示す。この場合は、請求項７記載のように、図１１に示すΔERRの時間変化（ΔERR／Δｔ）が予め設定された閾値Ｃｒ２より大きくなるため前記目標軌道設定部１１０は、動作指令を生成せず装置を停止する。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
患者への過負荷をなくし、装置の安全性を高めるよう肢体軌道を考慮した肢体駆動装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態の基本構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態の基準座標系と接線座標系の関係の全体を示す図
【図３】本発明の実施の形態の基準座標系と接線座標系の関係を示す図
【図４】本発明の実施の形態の力方向制御手段の処理フローを示す図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態の、フィードバック位置が指令位置より進んだ場合を示す図、（ｂ）本発明の実施の形態の、フィードバック位置が指令位置より遅れた場合を示す図
【図６】本発明の実施の形態の接線座標系生成手段１の処理フローを示す図
【図７】本発明の実施の形態の請求項５記載の治療状態提示手段の提示内容を示す図
【図８】本発明の実施の形態の請求項６記載の実施内容を示す図
【図９】本発明の実施の形態の請求項６記載の閾値で検出している状態を示す図
【図１０】本発明の実施の形態の請求項７記載の実施内容を示す図
【図１１】本発明の実施の形態の請求項７記載の閾値で検出している状態を示す図
【図１２】従来例の基本構成を示す図
【符号の説明】
【００１８】
１    接線座標系生成手段
２    力方向制御手段
３    トルク制限器
４    重力・摩擦補償器
５    治療状態提示手段
１０１  駆動装置のアーム
１０２  肢体
１０３  スプリント（アーム先端位置）
１０４  力センサ
１０５  モータ
１０６  回転検出部
１０７  Ａ／Ｄ変換器
１０８  変位演算処理部
１０９  逆運動学計算部
１１０  目標軌道設定部
１１１  回転角変換回路
１１２  ゲイン積分器
１１３  Ｄ／Ａ変換器
１１４  サーボアンプ
１１５  負荷推定部
１１６  インピーダンス定数変換部
【図１】
2005118466.tif 000004
【図２】
2005118466.tif 000005
【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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