(57)【要約】【課題】    動作範囲の設定そのものを省略したり、過負荷検知のためのセンサを必要とすることなく過負荷を自動的に回避できるようにする。【解決手段】把持部８と把持部駆動機構７と最大関節可動域設定部１と最大関節負荷設定部２と関節角度計測部３と関節角度目標値設定部６を具える。把持部駆動機構７はインダクションモータとインバータで構成し、インバータは指令角速度でインダクションモータをＶ／ｆ一定制御してピークトルクを最大関節負荷設定値以下に制限し、関節角度目標値設定部は３つのケースのいずれかの場合に回転方向を反転する指令を把持部駆動機構７へ出力する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
肢体を把持する把持部と、前記把持部を駆動して前記肢体の関節を屈伸させる把持部駆動機構と、前記関節の可動域の最大値・最小値を設定して最大関節可動域設定値θｍａｘ，θｍｉｎを出力する最大関節可動域設定部と、前記関節にかけることのできる負荷の最大値を設定して最大関節負荷設定値τｍａｘを出力する最大関節負荷設定部と、前記関節の曲げ角度を計測して関節角度Θを出力する関節角度計測部と、前記最大関節可動域設定値θｍａｘ，θｍｉｎと前記最大関節負荷設定値τｍａｘと関節角度Θを入力して前記把持部駆動機構の曲げ角度を制御する関節角度目標値設定部と、を具えて前記関節の他動運動又は自動運動をする関節駆動装置において、
前記把持部駆動機構はインダクションモータとインバータで構成され、
前記インバータは指令角速度ｎで前記インダクションモータをＶ／ｆ一定制御し、かつその際のピークトルクを前記最大関節負荷設定値τｍａｘ以下に設定し、
前記関節角度目標値設定部は、前記インダクションモータのすべりが所定の閾値を超えるか、所定値以下の実際の角速度が所定時間を超えるか、前記関節角度が前記最大関節可動域設定値θｍａｘ，θｍｉｎ以上となるか、のいずれかの場合に回転方向を反転する指令を前記把持部駆動機構７へ出力する
ことを特徴とする、関節駆動装置。
【請求項２】
前記関節角度目標値設定部は前記インダクションモータにおける角速度とトルクとの関係式を記憶し、その関係式から前記最大関節負荷τｍａｘのすべりを求め、そのすべり以下の値をすべりの前記閾値とすることを特徴とする請求項１に記載の関節駆動装置。
【請求項３】
前記関節角度計測部は角速度計測センサを備えており、その角速度計測センサによって計測した実際の角速度と指令角速度との差から前記すべりを求めることを特徴とする請求項１に記載の関節駆動装置。
【請求項４】
前記関節角度計測部は前記関節角度計測値の差分値と指令角速度の差から前記すべりを求めることを特徴とする請求項１に記載の関節駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば整形外科手術後のリハビリテーションにおいて、足や膝、肘その他の関節等を訓練する関節駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
整形外科手術後のリハビリテーションの一環として、関節の可動域訓練や筋力増強訓練などが行なわれており、その訓練はもっぱら理学療法士によって実施されている。この訓練を機械化したものも開発されており、例えば足用訓練装置が特許文献１に開示されている。この技術によると、最大関節可動域や最大負荷トルクなどの目標値がロボット工学のダイレクトティーチング技術で設定される。また、最大関節負荷設定値と関節負荷計測値に基づいて、最大負荷を超えるときと越えないときのそれぞれについて、揺動する毎に曲げ角度の目標値が再設定され、最大関節可動域が自動的に調整される。この技術を図を用いて説明する。図６は、そのような従来技術の関節駆動装置の構成を示すブロック図である。図において、最大関節可動域設定部１は距腿関節の関節可動域の最大値が予め設定されて最大関節可動域設定値θｍａｘ、θｍｉｎを出力し、最大関節負荷設定部２は関節にかけることのできる負荷の最大値が予め設定されて最大関節負荷設定値τｍａｘを出力する。関節角度計測部３は把持部駆動機構７が関節を屈曲・伸展運動しているときに関節の曲げ角度を常時計測して関節角度Θを出力する。関節負荷計測部４は把持部駆動機構７が関節を屈曲・伸展運動しているときに把持部８に設けられた歪みセンサの信号に基づいて関節にかかる負荷を常時計測して負荷トルクＴrを出力する。関節角度目標値設定部６Ｂは、これらの信号θｍａｘ、θｍｉｎ、Θ、τｍａｘ、Ｔを入力すると、その時点の関節の曲げ角度の目標値を実時間で更新し、関節角度目標値θｔａｒｇｅｔを出力して把持部駆動機構７を駆動し、治療対象の関節を屈曲・伸展運動させる。
【特許文献１】特開平１１−８９８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の従来技術では、動作範囲の設定や過負荷回避の方法に問題があり、動作範囲の設定をするときは、ダイレクトティーチングや数値入力で最大関節角度と最大関節負荷を設定するため設定の手間がかかったり、訓練の途中で関節や筋の柔軟性が変化した場合に最大関節角度や最大関節負荷を再設定しなければならず手間がかかるという問題があった。
そこで、本発明は、これらの問題を解消するためになされたものであり、動作範囲の設定そのものを省略したり、過負荷検知のためのセンサを必要とすることなく過負荷を自動的に回避できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の問題を解決するため、本発明は、肢体を把持する把持部と、前記把持部を駆動して前記肢体の関節を屈伸させる把持部駆動機構と、前記関節の可動域の最大値・最小値を設定して最大関節可動域設定値θｍａｘ，θｍｉｎを出力する最大関節可動域設定部と、前記関節にかけることのできる負荷の最大値を設定して最大関節負荷設定値τｍａｘを出力する最大関節負荷設定部と、前記関節の曲げ角度を計測して関節角度Θを出力する関節角度計測部と、前記最大関節可動域設定値θｍａｘ，θｍｉｎと前記最大関節負荷設定値τｍａｘと関節角度Θを入力して前記把持部駆動機構の曲げ角度を制御する関節角度目標値設定部と、を具えて前記関節の他動運動又は自動運動をする関節駆動装置において、  前記把持部駆動機構はインダクションモータとインバータで構成され、前記インバータは指令角速度ｎで前記インダクションモータをＶ／ｆ一定制御し、かつその際のピークトルクを前記最大関節負荷設定値τｍａｘ以下に設定し、前記関節角度目標値設定部は、前記インダクションモータのすべりが所定の閾値を超えるか、所定値以下の実際の角速度が所定時間を超えるか、前記関節角度が前記最大関節可動域設定値θｍａｘ，θｍｉｎ以上となるか、のいずれかの場合に回転方向を反転する指令を前記把持部駆動機構７へ出力することを特徴としている。
このため、すべりによって負荷に自動的に倣わさせることができ、負荷を最大値以下に抑えることができて、回転方向を反転させるための教示を不要にすることができる。
また請求項２に記載の発明は、前記関節角度目標値設定部は前記インダクションモータにおける角速度とトルクとの関係式を記憶し、その関係式から前記最大関節負荷τｍａｘのすべりを求め、そのすべり以下の値をすべりの前記閾値とすることを特徴としている。
このため、負荷が最大値に到達した時点で回転方向を確実に反転することができる。
また、請求項３および４に記載の本発明は、前記関節角度計測部は角速度計測センサを備えており、その角速度計測センサによって計測した実際の角速度と指令角速度との差から前記すべりを求めることを特徴としており、前記関節角度計測部は前記関節角度計測値の差分値と指令角速度の差から前記すべりを求めることを特徴としている。
このため、所定の関節負荷の最大値をピークトルクとするようモータを制御することができ、インダクションモータのすべりを計算することができる。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の関節駆動装置によれば、動作範囲の設定そのものが省略されて設定の手間が省かれ、過負荷検知のためのセンサを要することなく過負荷を自動的に回避することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は本発明の関節駆動装置の主な構成を示すブロック図であり、肢体を把持する把持部８と、把持部８を駆動して肢体の関節を屈曲・伸展運動させる把持部駆動機構７と、関節の可動域の最大値・最小値を設定して最大関節可動域設定値θｍａｘ、θｍｉｎを出力する最大関節可動域設定部１と、関節にかけることのできる負荷の最大値を設定して最大関節負荷設定値τｍａｘを出力する最大関節負荷設定部２と、関節の曲げ角度を計測して関節角度Θを出力する関節角度計測部３と、関節角度目標値設定部６から構成されている。関節角度目標値設定部６は、最大関節可動域設定値θｍａｘ、θｍｉｎと、最大関節負荷設定値τｍａｘ、関節角度Θに基づいて指令角速度ｎと回転方向を設定し、把持部駆動機構７へ指令角速度ｎを出力する。なお、回転方向の情報は、正負の符号にして指令角速度ｎに含ませてもよい。最大関節可動域設定値θｍａｘ、θｍｉｎと最大関節負荷設定値τｍａｘは、それぞれ治療対象関節の生理的な限界角度と許容限界負荷であって予めデフォルト値が記憶されており、指令角速度ｎは治療前に予め使用者によって設定されている。
図１の構成が図６の従来技術の構成と異なるところは、関節負荷計測部４を備えていない点と、関節角度目標値設定部６が果たす機能が異なっている点である。
【０００８】
図２は把持部駆動機構７がインダクションモータ１０１とインバータ１０２で構成されていることを示す図である。インバータ１０２はインダクションモータ１０１をオープンループでV/ｆ一定制御する。把持部８は指令角速度ｎに従って回転し、指令角速度ｎに関わらずピークトルクが最大関節負荷設定値τｍａｘ以下に制限されている。
図３は関節角度目標値設定部６の処理手順を示すフローチャートである。まず、関節角度計測部３より送られる関節角速度Ｎと指令角速度ｎとをもとに、すべりＳを求める。次に、求めたすべりＳが所定の閾値Ｓo以上になるか、関節角度計測部３で計測された関節角度Θが最大関節可動域設定値θｍａｘ以上またはθｍｉｎ以下となるか、または実際の角速度Ｎの大きさが所定の微小値ｎs以下となる状態が所定の微小時間toを超えるかのいずれかの場合には、把持部駆動機構７が回転方向を反転するよう指令を与える。最後に、指令角速度ｎおよび回転方向を合わせ把持部駆動機構７へ指令を送る。
【０００９】
ここで、実際の角速度Ｎが微小値ｎs以下の状態を保持している時間をタイマでカウントし、これが微小時間toを超えたことを判定する意味は、指令角速度ｎにまだ至らない回転しはじめの際、関節で生じた負荷が非常に高い場合にモータ軸がロックされた状態を検出するためである。また、すべりＳは、関節にかかる負荷によってインダクションモータ１０１に生じるずれであり、指令角速度ｎと実際の角速度ＮからＳ＝（ｎ−Ｎ）/ｎの関係式で求められる。本発明では、このすべりＳを利用しており、負荷に倣って自動的に過負荷を回避し、同時に負荷の大きさを推定して回転方向の反転のタイミングを判定する。Ｖ/ｆ一定制御をしていれば、モータのピークトルクは常に所定の最大関節負荷設定値τｍａｘ以下となって所定値以上の負荷が関節にかかることがなくなり、かつトルクセンサ等の負荷センサを用いていないため、本質的に安全である。また、回転方向を反転させる角度を教示する手間を省くことができる。
なお、対象疾患や患者ごとの生理的な関節許容負荷の平均値か最大値を最大関節負荷設定値τｍａｘとして記憶しておけば、その都度設定をする手間を省くことができる。
【００１０】
次にすべりの閾値Ｓｏの求め方について、図４の指令速度におけるトルクとすべりの関係を示す図を用いて説明する。関節角度目標値設定部６は、インダクションモータ１０１の角速度とトルクの関係式を、図４に示すグラフとして記憶しており、そのグラフからある負荷トルクに対応するすべりを求めることができる。例えば図４では、τｍａｘの８０％に到達した時点で回転方向を反転するため、最大関節負荷τｍａｘの８０％のすべりを閾値Ｓoとしており、指令角速度Ｎo1では閾値をＳo1に、指令角速度Ｎo2では閾値をＳo2にしている。
【００１１】
次にピークトルクＴの設定について、図５のＶ／ｆ一定制御における速度とトルクの関係図を用いて説明する。インバータ１０２はＶ／ｆ一定制御すると、指令角速度ｎに関わらずピークトルクＴを一定にできる。ここでピークトルクＴを最大関節負荷設定値τｍａｘと設定する。これは関節に過負荷を与えないためである。ピークトルクの設定を含め、以上より関節への過負荷回避を多重に構成することができる。すなわち、まずピークトルクＴを治療対象関節の許容限界負荷である最大関節負荷設定値τｍａｘに設定して制限し、かつ、モータに負荷トルクがかかれば実際の角速度Ｎは負荷の大きさに応じて遅れｎ−Ｎ分が生じるため負荷に対して倣う動作を取ることができ、かつ、そのときのすべりＳ＝（ｎ−Ｎ）/ｎが所定の閾値（図４の例ではτｍａｘの８０％）で反転することで過負荷を回避できる。
なお、関節角度計測部３は、角速度計測センサ４０１を備えれば計測した実際の角速度Ｎと指令角速度ｎとの差から直接すべりＳが求められる。角度センサだけを備えている場合でも関節角度Θの差分値Δθと指令角速度ｎの差からすべりＳが推定される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の主な構成を示すブロック図
【図２】把持部駆動機構の構成を示す図
【図３】間接角度目標知的財産設定部の動作を示すフローチャート
【図４】指令速度におけるトルクとすべりとの関係を示す図
【図５】Ｖ/ｆ一定制御における速度とトルクとの関係を示す図
【図６】従来の実施例を示す図
【符号の説明】
【００１３】
１  最大関節可動域設定部、         ２  最大関節負荷設定部、
３  関節角度計測部、        ４  関節負荷計測部、
５  動作パターン設定部、           ６、６Ｂ  関節角度目標値設定部、
７  把持部駆動機構、        ８  把持部、
１０１  インダクションモータ、     １０２  インバータ
【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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