(57)【要約】【課題】  肢体の状態の変化に対応して設定パラメータを変更することができる方法を提供する。【解決手段】  肢体を屈曲・伸展させる肢体駆動装置に装着された肢体による肢体駆動装置への負荷を検知する装置を備えた肢体駆動装置の制御方法であって、前記肢体の関節可動域端での停止時間などの初期値を設定した後、前記肢体を前記肢体駆動装置により屈曲・伸展させ、前記肢体による前記肢体駆動装置への負荷を検知し、前記肢体の屈曲・伸展の実行サイクルを繰り返すという肢体駆動装置の制御方法において、前記負荷の変化を演算し（ステップ４）、前記負荷の変化の値に応じて前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新し（ステップ８）、次回以降の実行サイクルで前記更新された停止時間を用いるようにする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
肢体を屈曲・伸展させる肢体駆動装置に装着された前記肢体による前記肢体駆動装置への負荷を検知する装置を備えた肢体駆動装置の制御方法であって、前記肢体の関節可動域端での停止時間などの初期値を設定した後、前記肢体を前記肢体駆動装置により屈曲・伸展させ、前記肢体による前記肢体駆動装置への負荷を検知し、前記肢体の屈曲・伸展の実行サイクルを繰り返すという肢体駆動装置の制御方法において、
前記負荷の変化を演算し、前記負荷の変化の値に応じて前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新し、次回以降の実行サイクルで前記更新された停止時間を用いるという手順による処理を加えたことを特徴とする肢体駆動装置の制御方法。
【請求項２】
前記負荷の変化を演算する処理後、前記負荷の変化の最小値を演算し、前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新する処理にて、前記負荷の変化の最小値の変化に応じて前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新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方法。
【請求項３】
前記負荷の変化を演算する処理にて、前記負荷の最大値と最小値を演算し、前記最大値と最小値の差に応じて前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新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方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、肢体を屈曲・伸展させる肢体駆動装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の肢体駆動装置は、肢体による肢体駆動装置への負荷を計測し、保存・表示することにより、痙性患者の特徴（ジャックナイフ現象など）が抽出できる（例えば、特許文献１の実施例参照）。また、肢体の関節可動域端での停止時間をマニュアルにより設定できるものもある（例えば、特許文献２の実施例参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−７０８５５号公報（第８図）
【特許文献２】特願２００３−５１１５２号（第５図）
【０００４】
図４は特許文献２に記載の従来肢体駆動装置を説明する図で、そのブロック構成図（ａ）およびその外観斜視図（ｂ）である。
図４（ａ）において、３０９は従来の肢体駆動装置で、この従来の肢体駆動装置３０９は、大きく肢体駆動制御部３０３’と肢体駆動機構部３０７とで構成されている。
肢体駆動制御部３０３’は、治療を行う患者名や肢体３００の左右いずれかの肢体を選択したり、予め準備された治療パターンを選択したり、選択された治療パターンに応じた肢体を駆動するための動作条件を入力する条件入力部３０４’と、入力された動作条件に従い肢体の軌道情報を生成する軌道生成部３０５と、生成された軌道情報に基づきアーム部の各軸の指令を生成する動作制御部３０６とを備えている。
また、肢体駆動機構部３０７は、治療または訓練を行う肢体３００に装着する肢体装着部３０１と、肢体装着部３０１を動作させるアーム部３０２と、アーム部３０２を駆動する駆動部３０８とを備えている。
以上の関係を外観斜視図で見ると、図４（ｂ）となる。
すなわち、治療または訓練を行う人はベッドの上に仰臥し、その肢体（図では脹ら脛部分）３００に肢体装着部３０１を装着する。肢体装着部３０１は駆動部３０８によって駆動されるアーム部３０２によって動作する。そして駆動部３０８は動作制御部３０６の制御信号に基づき駆動される。
【０００５】
図５は図４の従来の肢体駆動装置の処理の流れを示している。
図５において、（１）：ステップ１では、肢体を駆動するための動作条件の初期値を条件入力部３０４’（図４（ａ））にて設定する。
設定するパラメータとしては、関節可動域や肢体関節の角速度、関節可動域端での停止時間などが挙げられ、これらの値はマニュアル入力により設定できる。
（２）：ステップ２では、設定された動作条件に基づき、軌道生成部３０５（図４（ａ））にてアーム部端の軌道が生成され、さらに動作制御部３０６にてアーム部の各軸のトルク指令あるいは位置指令が生成される。生成された指令に基づき肢体駆動機構部３０７が動作し、肢体３００が屈曲・伸展する。
（３）：ステップ３では、肢体３００の屈曲・伸展中に生じる肢体３００による肢体駆動装置への負荷を、アーム端に備えた力センサで検知したりアーム軸のエンコーダで推定したりして、これを動作制御部３０６にフィードバックして、一般的に用いられるインピーダンス制御を行うことにより過負荷が回避できる。
（４）：ステップ６では、フィードバックされた後の動作制御部３０６により肢体駆動機構部３０７が動作し、肢体３００が屈曲・伸展する。
（５）：ステップ７では、肢体３００の屈曲・伸展の実行サイクルが終了したかどうかを判定し、終了していなければ、次の制御周期における動作指令を計算して屈曲・伸展の動作を継続する。
また、前記実行サイクルが終了したら、次の実行サイクルを行う。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の制御方法では、常にステップ１で設定したパラメータ（初期値）により、実行サイクルを繰り返すので、肢体の状態の変化に伴って自動的にパラメータを変化させることができないという問題があった。
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、肢体の状態の変化に対応して設定パラメータを変更することができる方法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】
【０００７】
上記問題を解決するため、本発明は、肢体を屈曲・伸展させる肢体駆動装置に装着された前記肢体による前記肢体駆動装置への負荷を検知する装置を備えた肢体駆動装置の制御方法であって、前記肢体の関節可動域端での停止時間などの初期値を設定した後、前記肢体を前記肢体駆動装置により屈曲・伸展させ、前記肢体による前記肢体駆動装置への負荷を検知し、前記肢体の屈曲・伸展の実行サイクルを繰り返すという肢体駆動装置の制御方法において、前記負荷の変化を演算し、前記負荷の変化の値に応じて前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新し、次回以降の実行サイクルで前記更新された停止時間を用いるという手順による処理を加えたことを特徴とするものである。
このようになっているため、肢体の状態の変化に対応して設定パラメータを自動的に変更することができ、肢体の状態の変化に即応した効果的な治療を実施することができるようになる。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の肢体駆動装置の制御方法において、前記負荷の変化を演算する処理後、前記負荷の変化の最小値を演算し、前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新する処理にて、前記負荷の変化の最小値の変化に応じて前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新することを特徴とするものである。
このようになっているため、痙性が緩和して前記負荷が減少した場合に、前記肢体の関節可動域端での停止時間が更新されることにより、痙性緩和を目的とした治療から拘縮予防を目的とした治療に自動的に移行し、効果的な治療を実施することができるようになる。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載の肢体駆動装置の制御方法において、前記負荷の変化を演算する処理にて、前記負荷の最大値と最小値を演算し、前記最大値と最小値の差に応じて前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新することを特徴とするものである。
このようになっているため、前記肢体の随意運動が現れ始めた場合にも、屈曲・伸展中の前記負荷の大きな変化を検出するため、誤って関節可動域端での停止時間を更新することがなくなる。
【発明の効果】
【０００８】
以上述べたように、請求項１に記載の方法によれば、前記負荷の変化を演算し、前記負荷の変化の値に応じて前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新し、次回以降の実行サイクルで前記更新された停止時間を用いるという手順による処理を加えたので、肢体の状態の変化に対応して設定パラメータを自動的に変更することができ、効果的な治療を実施することができるという効果がある。
また、請求項２に記載の方法によれば、負荷の変化を演算する処理後、前記負荷の変化の最小値を演算し、前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新する処理にて、前記負荷の変化の最小値の変化に応じて前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新するので、痙性が緩和して前記負荷が減少した場合に、前記肢体の関節可動域端での停止時間が更新されることにより、痙性緩和を目的とした治療から拘縮予防を目的とした治療に自動的に移行し、効果的な治療を実施することができるという効果がある。
また、請求項３に記載の方法によれば、負荷の変化を演算する処理にて、前記負荷の最大値と最小値を演算し、前記最大値と最小値の差に応じて前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新するので、前記肢体の随意運動が現れ始めた場合にも、屈曲・伸展中の前記負荷の大きな変化を検出するため、誤って関節可動域端での停止時間を更新することがないという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、肢体駆動装置の本発明の制御方法について、図１〜図３に基づいて詳細に説明する。
本発明の制御方法は、従来発明に係る図４の肢体駆動装置と同一の肢体駆動装置に適用できることは勿論、さらに、一般に肢体の関節を屈曲・伸展させる全ての装置に対しても適用できるものである。
図２は本発明に係る肢体駆動装置の制御方法を説明する図で、そのブロック構成図（ａ）およびその外観斜視図（ｂ）である。
図２（ａ）において、３１０は本発明に係る制御方法を実施する肢体駆動装置で、肢体駆動制御部３０３と肢体駆動機構部３０７とで構成されている。肢体駆動機構部３０７の構成は図４のそれと同じであるので説明は省略する。
肢体駆動制御部３０３は、治療を行う患者名や肢体３００の左右いずれかの肢体を選択したり、予め準備された治療パターンを選択したり、選択された治療パターンに応じた肢体を駆動するための動作条件を入力する条件入力部３０４と、入力された動作条件に従い肢体の軌道情報を生成する軌道生成部３０５と、生成された軌道情報に基づきアーム部の各軸の指令を生成する動作制御部３０６とを備えている。そして、条件入力部３０４に負荷変化演算部３０４ａと負荷変化最小値演算部３０４ｂとが加わった点が図４と異なる。
図２（ｂ）は図２（ａ）の駆動装置の外観斜視図で、治療または訓練を行う人がベッドの上に仰臥して、その肢体３００に肢体装着部３０１を装着する。肢体装着部３０１は駆動部３０８によって駆動されるアーム部３０２によって動作する。そして駆動部３０８は本発明に係る肢体駆動制御部３０３内の条件入力部で制御される動作制御部３０６の制御信号に基づき駆動される。
【００１０】
図３は前記肢体駆動装置により前記肢体を屈曲・伸展しているときの、前記肢体による前記肢体駆動装置への負荷をグラフにより示したものである。
図において、上から順に（１）は肢体の伸展状態、（２）は屈曲途中の状態、（３）は屈曲保持状態をそれぞれ示している図で、左図は装置へかかる負荷の大きさ（縦軸）−股関節角度（横軸）、右図は装置へのかかる負荷の時間微分（縦軸）−股関節角度（横軸）をそれぞれ示している。
（１）においては、肢体が伸びきった状態であり、肢体の装置へかかる抵抗は大きくＦ０である（左図）。この場合、装置へかかる抵抗は大きい（Ｆ０）が変動がないので、ｄＦ／ｄｔはゼロである（右図）。
（２）においては、肢体が屈曲途中の状態であるので、抵抗がある股関節角度θで突然減少し（ジャックナイフ現象：後述）、負荷Ｆ１となり、それが続く（左図）。この場合、ｄＦ／ｄｔは大きく減少し（Ｆ’１）、その後また変化ゼロとなる。
（３）においては、肢体が屈曲保持状態（ストレッチ）であるので、装置への負荷がＦ１で持続する。肢体を屈曲させ、肢体の関節可動域端に到達すると、初期値として設定された時間、屈曲状態を保持したまま停止する。屈曲した状態でいると、膝関節と足関節をまたぐ２関節筋である腓腹筋が弛緩するため、この状態で足関節を背屈すると、腓腹筋を最大限伸張することができる。
【００１１】
図１は本発明に係る肢体駆動装置の制御方法のフローチャートで、肢体の関節可動域端での停止時間を更新する処理手順を有する点が特徴である。
図１において、ステップ４，５，８が本制御方法により挿入されたステップである。そして、ステップ1〜ステップ３は従来発明と同一であるため詳しい説明を省略する。
まず、（１）：ステップ１では、肢体を駆動するための動作条件の初期値を条件入力部３０４（図２（ａ））にて設定する。
（２）：ステップ２では、設定された動作条件に基づき、軌道生成部３０５にてアーム部端の軌道が生成され、動作制御部３０６にてアーム部の各軸の指令が生成され、生成された指令に基づき肢体駆動機構部３０７が動作し、肢体３００が屈曲・伸展する。
（３）：ステップ３では、肢体３００による肢体駆動装置への負荷を検知し、動作制御部３０６にフィードバックして過負荷を回避する。
（４）：ステップ４では、ステップ３で前記肢体による肢体駆動装置への負荷を取得した後、負荷の変化を演算する。
負荷の変化は、今回の制御周期から前回の制御周期を差し引いたものでもよいし、誤差低減のため複数の制御周期に渡る前記負荷の変化の平均など（一般的に用いられる１次フィルタなど）を用いてもよい。
【００１２】
（５）：ステップ５では、今回の制御周期における負荷の変化と前回の制御周期における負荷の変化を比較し、実行サイクル中の前記負荷の変化の最小値を演算する。
なお、ステップ４およびステップ５は制御周期毎に行う必要はなく、ステップ３で前記負荷を取得した後、一旦メモリに前記負荷の値を蓄え、前記肢体の屈曲・伸展の実行サイクルが終了した後に演算してもよい。
ところで、肢体の屈曲・伸展中、特に屈曲の動作中において、痙性患者にはジャックナイフ（折り畳みナイフ）現象と呼ばれる症状が現れることが多い。これは、痙性すなわち伸張反射の亢進のために、伸展位近傍では筋緊張が高まり、外的な屈曲動作を与えると抵抗し（図３（１））、ある程度屈曲すると突然抵抗が減少する（図３（２）、（３））現象であり、自由神経終末が痛覚受容器などを介して前記筋緊張を開放するとされている。
さらに、前記肢体を屈曲させ、肢体の関節可動域端に到達すると、初期値として設定された時間、屈曲状態を保持したまま停止する。
屈曲した状態でいると、膝関節と足関節をまたぐ２関節筋である腓腹筋が弛緩する（図３（３））ため、この状態で足関節を背屈すると、腓腹筋を最大限伸張することができる。
腓腹筋を伸張すると、腓腹筋の筋紡錘が筋長の変化を刺激として検知し、刺激はＧＩａ求心性線維や介在ニューロンを通って、視床すなわち中枢神経系に投射するため、中枢神経系における抑制系の神経線維が賦活される。
脳卒中や心筋梗塞などにより、中枢の神経細胞が損傷し痙性が生じても、筋の持続的伸張を行うと、上述したメカニズムにより伸張反射が抑制される。
実際この伸張反射の抑制は、１回の治療で屈曲・伸展を繰り返す間に生じるため、実行サイクル中における前記肢体による前記負荷の最小値は実行サイクルを重ねる毎に漸減していく。また、治療を数日（１週間〜１ヶ月）続けている間に痙性は緩和されるため、
実行サイクルでの比較に限らず、１回の治療における全実行サイクルの前記負荷の変化の最小値を演算・保存しておき、次回の治療の際に比較してもよい。
（６）：ステップ６では、フィードバックされた後の動作制御部３０６により肢体駆動機構部３０７が動作し、肢体３００が屈曲・伸展する。
【００１３】
（７）：ステップ７では、肢体３００の屈曲・伸展の実行サイクルが終了したかどうかを判定し、終了していなければ、次の制御周期における動作指令を計算して屈曲・伸展の動作を継続する。
実行サイクルが終了したと判定した場合、ステップ７にて前記負荷の変化の最小値Ｆ１（図３（２））により、肢体の関節可動域端での停止時間Ｔhを更新する。更新方法の一例としては、式（１）によるものが挙げられる。
（次回の実行サイクルでのＴh）＝α×（今回の実行サイクルでのＴh）×
（今回の実行サイクルでのＦ１）／（前回の実行サイクルでのＦ１）
・・・・（式１）
ただし、（式１）においてαは１以下の実数である。
このように、実行サイクル中の負荷の変化に基づいて肢体の関節可動域端での停止時間を更新するので、痙性緩和を目的とした治療から拘縮予防を目的とした治療に自動的に移行し、効果的な治療を実施することができることとなる。
すなわち、痙性緩和を目的とした治療では、上述した筋の持続伸張が必要であるため、肢体の関節可動域端にてある程度停止する必要があるが、拘縮予防を目的とした治療では、できるだけスムーズに動作させ続ける必要がある。
本発明は肢体の状態の変化に応じて自動的に治療形態を変化させるため、使用者が複雑な設定を行うことなく治療効果を向上することができる。
【００１４】
ところで、上記では負荷の変化の最小値Ｆ１に基づいて次回の実行サイクルでのＴhを演算しているが、異なる評価指標を用いてもよく、ステップ５にて前記負荷の最大値Ｆ０と最小値Ｆ１を演算し、前記最大値Ｆ０と最小値Ｆ１の差ΔＦ（＝Ｆ０−Ｆ１）により前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新してもよい。
（次回の実行サイクルでのＴh）＝α×（今回の実行サイクルでのＴh）×
（今回の実行サイクルでのΔＦ）／（前回の実行サイクルでのΔＦ）
・・・・（式２）
【００１５】
また、前記最大値Ｆ０のみを用いて前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新してもよい。（式３）
（次回の実行サイクルでのＴh）＝α×（今回の実行サイクルでのＴh）×
（今回の実行サイクルでのＦ０）／（前回の実行サイクルでのＦ０）
・・・・・（式３）
【００１６】
また、前記負荷を縦軸にとり、股関節角度を横軸にとったグラフで囲まれる面積Ｓにより前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新してもよい。（式４）
（次回の実行サイクルでのＴh）＝α×（今回の実行サイクルでのＴh）×
（今回の実行サイクルでのＳ）／（前回の実行サイクルでのＳ）
・・・・（式４）
【００１７】
このように、実行サイクル中の負荷の変化を制御周期毎に演算せず、トレンドとして捉えることにより、前記肢体の随意運動が現れ始めた場合にも、屈曲・伸展中の前記負荷の大きな変化を検出するため、誤って関節可動域端での停止時間を更新することがない。すなわち、脳卒中や心筋梗塞などの急性期および亜急性期においては意識障害を呈することがあり、最も重篤な場合は植物状態（昏睡）となる。
しかし、その後植物状態のまま継続することは少なく、薬物（一種の覚醒剤）やリハビリテーション、家族や周囲の人の呼びかけなどにより、やがて意識は回復してくる。とはいえ、植物状態だった患者が突然健常者のように日常的なコミニュケーションがとれるようになるのではなく、意識レベルは徐々に改善していくものである。意識障害を評価する指標の一つとして、Ｇ.Ｃ.Ｓ.（Ｇｌａｓｇｏｗ  Ｃｏｍａ  Ｓｃａｌｅ）が挙げられる。Ｇ.Ｃ.Ｓ.は国際的に用いられている信頼度の高い評価指標とされているが、開眼・最良言語反応・最良運動反応の３つの項目をそれぞれ独立に評価し、その合計点で評価するものである。上記３つの項目は並行して改善するとは限らず、脳の損傷箇所によるが特に開眼と最良運動反応に比べ、最良言語反応の改善には時間を要し、急性期を過ぎ集中治療室を出て病床に移っても、しばらく周囲とコミニュケーションができない期間が続く。すなわち、発声はしても「あー」とか「うー」など意味をなさない音や、単発的に「コーヒー」などの単語を散発的に発するのみの状態である。
しかしながら、随意運動は早い段階（集中治療室にいる間）で現れ始める。この随意運動とは、股・膝関節を屈曲・伸展する間に足関節をばたばたと底背屈したり、股関節を内外旋させたりするものであるため、肢体装着部３０１における肢体の安定性を損なうものであり、上述したジャックナイフ現象を計測する際に誤差の要因となる。十分に意識が清明な患者の場合、治療中患者本人に動かないよう説明し、納得してもらうことが可能であるが、上述したような意識レベルが低くコミニュケーションがとれない患者の場合、開眼の状態では上記のような随意運動を治療中に抑えることは、睡眠薬を用いない限り困難である。
この随意運動の影響を回避するため、制御周期毎の前記負荷の変化よりは、より大きなトレンドを把握し平均化するなどの、誤差を除去するための信号処理を適用した方が望ましい。例えば実行サイクル終了後、前記負荷を一旦フーリエ変換し、ローパスフィルタにより高周波成分を除去した後に前記負荷の変化を求める方法や、前記負荷の時間波形に矩形ウィンドウ関数を乗じることにより高周波成分を除去し前記負荷の変化を求める方法が挙げられる。こうした信号処理自体は公知のものであるため、詳細については省略する。
【００１８】
以上述べたように、本発明の方法によれば、肢体の状態の変化に対応して設定パラメータを自動的に変更することができ、効果的な治療を実施することができるという効果がある。
負荷の変化の最小値の変化に応じて前記肢体の関節可動域端での停止時間を更新するので、痙性が緩和して前記負荷が減少した場合に、前記肢体の関節可動域端での停止時間が更新されることにより、痙性緩和を目的とした治療から拘縮予防を目的とした治療に自動的に移行し、効果的な治療を実施することができるという効果がある。
また、肢体の随意運動が現れ始めた場合にも、屈曲・伸展中の前記負荷の大きな変化を検出するため、誤って関節可動域端での停止時間を更新することがないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図２】本発明の方法を適用した肢体駆動装置の構成を示す構成図および外観図である。
【図３】本発明の方法を適用する肢体の状態の変化を示す図である。
【図４】従来の方法を適用した肢体駆動装置の構成を示す構成図および外観図である。
【図５】従来の方法の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００２０】
３００  ・・・・肢体
３０１  ・・・・肢体装着部
３０２  ・・・・アーム部
３０３  ・・・・肢体駆動制御部
３０４  ・・・・条件入力部
３０４ａ・・・・負荷変化演算部
３０４ｂ・・・・負荷変化最小値演算部
３０５  ・・・・軌道生成部
３０６  ・・・・動作制御部
３０７  ・・・・肢体駆動機構部
３０８  ・・・・駆動部
３１０  ・・・・本発明に係る肢体の屈伸駆動装置
【図１】
2005058611.tif 000003
【図２】
2005058611.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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