(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の肢体を把持部で支えて運動させる機構部と、
前記把持部に設けられて前記肢体にかかる負荷を検出する負荷検出手段と、
予め教示された前記把持部の周期運動パターンを記憶し軌道情報として出力する軌道設定手段と、
前記軌道設定手段から出力される前記軌道情報と前記負荷検出手段による負荷情報を用いて前記軌道を修正し前記機構部へ出力して制御する駆動部とから成り、前記修正軌道による前記患者の関節運動を実施する肢体駆動装置の制御方法において、
前記駆動部は、前記教示軌道の時系列に沿って割り当てられた時系列番号を前記軌道設定手段に出力し、前記時系列番号に応じた前記教示軌道上の点を前記軌道設定手段から読み出し、
現在の前記時系列番号に対応する点から移動しようとする距離ｒと現在の教示点から次の教示点までの距離とを比較し、前記距離ｒが前記教示点間の距離より小さければ前記把持部の目標位置を更新し、
内部のインピーダンスモデルによって算出した前記目標位置に対する駆動指令を前記機構部へ出力し、
前記機構部はサーボ制御により前記把持部を駆動するという手順を制御周期毎に行ない、
前記距離ｒを計算する際には、現在の前記時系列番号に対応する点から次の前記時系列番号に対応する前記教示軌道上の点までのベクトルｔの傾きを前記教示軌道の傾きと定義し、（１）作業座標系に対する前記ベクトルｔの傾きが垂直以外の場合には、前記負荷情報から前記軌道設定手段内の仮想インピーダンスモデルにて位置偏差を計算し、現在の前記時系列番号に対応する前記教示軌道上の点から前記偏差位置までのベクトルの前記ベクトルｔへの射影をもって前記距離ｒとし、（２）作業座標系に対する前記ベクトルｔの傾きが垂直の場合には、所定の値をもって前記距離ｒとし、
前記軌道設定手段内の仮想インピーダンスダンスモデルにて前記位置偏差を計算する際には、前記負荷情報を前記負荷検出手段に基づく座標系から前記作業座標系へと変換し、変換された前記負荷情報から前記肢体の自重を所定の割合だけ差し引いたものを肢体発生力ベクトルとし、前記肢体発生力ベクトルを前記教示軌道に基づく座標系へ座標変換し、前記教示軌道上で前記仮想インピーダンスモデルに従って位置偏差を計算し、前記位置偏差を前記教示軌道上の座標系から前記作業座標系の位置偏差に変換することを特徴とする肢体駆動装置の制御方法。
【請求項２】
前記目標位置を更新する際は、前記時系列番号の更新数または前記距離ｒの大きさの何れかに制限が設けられ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】
前記軌道設定手段内の仮想インピーダンスダンスモデルは、仮想慣性・仮想粘性・仮想剛性による２次系の動力学モデル、あるいは仮想粘性・仮想剛性による１次系の動力学モデルであることを特徴とする請求項１又は２記載の肢体駆動装置の制御方法。
【請求項４】
前記目標位置を更新する際に、前記時系列番号を少なくとも１つ更新することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の肢体駆動装置の制御方法。
【請求項５】
前記負荷情報は、前記患者の肢体から随意的に発生した負荷、前記肢体の自重による負荷、肢体と前記装置との相互作用において発生した負荷を、方向と大ききをもつベクトル情報として計測手段によって計測した値であ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６】
前記肢体発生力ベクトルを求める際に、前記肢体の自重を差し引く割合を調整でき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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、あらかじめ設定した軌道に沿って肢体を駆動し、全身機能の低下を矯正したり、健康状態を維持・改善するための訓練を行う肢体駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下の発明では、いわゆる運動療法のうち、患者の自発的意志による筋力発生を伴う運動訓練、すなわち自動介助運動を目的とする。本訓練は、例えば脳卒中などの中枢神経系疾患やせきつい損傷などの障害発生時直後における関節可動域訓練の後に行うもので、本訓練を経て、立位バランス訓練や立位での歩行訓練に進む。本訓練を実施する患者は、発生する筋力は微弱であり、自分の脚を支えることも困難なことが多い。自動介助運動では、単に筋力を回復させるのではなく、運動機能を再学習する訓練を行なう。そこでは、患者の発生する微弱な筋力を感知し、肢体の自重を免荷した上で予め定めた軌道にそった運動を介助して繰り返し実施させ、運動を再学習させることが重要である。
【０００３】
従来、整形外科で用いられる関節運動装置あるいは理学療法科で用いられる運動療法装置には、以下のようなものがあった。
１）たとえば、特開昭６０−１７９０６２号公報、特開昭６０−２３２１５８号公報、特開昭６１−１７０４６４号公報、特公平４−１４０２８号公報では、肢体の稼働角度を数値で設定すると、その角度にしたがって一定速度で患者の肢体を運動せしめるいわゆる連続他動運動を行う。これは、関節可動域訓練を主な目的とする。これらの発明技術にもとづく製品には、例えば、マンソン社のＬ４Ｋがある。
２）また、特公昭５７−４４３３７号公報、特公平３−５４５８７号公報では、他動運動の他に筋力増強などを目的とした等尺運動・等張運動・等速運動の自動運動を行える。他動運動では、先の角度入力の他に肢体を直接動かすいわゆる直接教示手段を用いて稼働角度を時系列データとして設定すると、その時系列データにしたがって肢体を運動せしめることができる。また、自動運動とは、装置によって肢体が動かされる他動運動とは異なり、肢体が能動的に力を発揮して運動するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来の技術では、上記１）および２）のいずれの場合も、自動介助運動訓練には不十分であった。
その理由は、上記１）の場合には、関節可動域の訓練は可能であるが、他動運動しか実施できないため、患者の発生する筋力に応じた自動介助運動を行なうことができないこと。また、上記２）の場合には、確かに肢体が能動的に力を発揮して運動する自動運動を行なうことができるが、等尺運動・等張運動・等速運動はもっぱら筋力がある程度回復した状態の患者に適用するものであり、上記の疾患の発症後の関節可動域訓練の後に適用することができず、どちらかといえば立位訓練が可能になった後の筋力回復訓練を目的とするものであるからである。
いずれにしても、いわゆる運動療法のうち、患者の微弱な筋力発生を伴う運動訓練すなわち自動介助運動に適用することができないという問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するため、本発明の肢体駆動装置の制御方法は、請求項１記載の制御方法では、患者の肢体を把持部で支えて運動させる機構部と、前記把持部に設けられて前記肢体にかかる負荷を検出する負荷検出手段と、予め教示された前記把持部の周期運動パターンを記憶し軌道情報として出力する軌道設定手段と、前記軌道設定手段から出力される前記軌道情報と前記負荷検出手段による負荷情報を用いて前記軌道を修正し前記機構部へ出力して制御する駆動部とから成り、前記修正軌道による前記患者の関節運動を実施する肢体駆動装置の制御方法において、前記駆動部は、前記教示軌道の時系列に沿って割り当てられた時系列番号を前記軌道設定手段に出力し、前記時系列番号に応じた前記教示軌道上の点を前記軌道設定手段から読み出し、現在の前記時系列番号に対応する点から移動しようとする距離ｒと現在の教示点から次の教示点までの距離とを比較し、前記距離ｒが前記教示点間の距離より小さければ前記把持部の目標位置を更新し、内部のインピーダンスモデルによって算出した前記目標位置に対する駆動指令を前記機構部へ出力し、前記機構部はサーボ制御により前記把持部を駆動するという手順を制御周期毎に行うものとすることを特徴としている。
また、前記距離ｒを計算する際には、現在の前記時系列番号に対応する点から次の前記時系列番号に対応する前記教示軌道上の点までのベクトルｔの傾きを前記教示軌道の傾きと定義し、作業座標系に対する前記ベクトルｔの傾きが垂直以外の場合には、前記負荷情報から前記軌道設定手段内の仮想インピーダンスモデルにて位置偏差を計算し、現在の前記時系列番号に対応する前記教示軌道上の点から前記偏差位置までのベクトルの前記ベクトルｔへの射影をもって前記距離ｒとすることを特徴としている。
さらに、作業座標系に対する前記ベクトルｔの傾きが垂直の場合には、所定の値をもって前記距離ｒとすることを特徴としている。
そして、前記軌道設定手段内の仮想インピーダンスダンスモデルにて前記位置偏差を計算する際には、前記負荷情報を前記負荷検出手段に基づく座標系から前記作業座標系へと変換し、変換された前記負荷情報から前記肢体の自重を所定の割合だけ差し引いたものを肢体発生力ベクトルとし、前記肢体発生力ベクトルを前記教示軌道に基づく座標系へ座標変換し、前記教示軌道上で前記仮想インピーダンスモデルに従って位置偏差を計算し、前記位置偏差を前記教示軌道上の座標系から前記作業座標系の位置偏差に変換することを特徴としている。
また、請求項２記載の発明によれば、前記目標位置を更新する際は、前記時系列番号の更新数または前記距離ｒの大きさの何れかに制限が設けられることを特徴としている。
さらに、請求項３記載の発明によれば、前記軌道設定手段内の仮想インピーダンスダンスモデルは、仮想慣性・仮想粘性・仮想剛性による２次系の動力学モデル、あるいは仮想粘性・仮想剛性による１次系の動力学モデルであることを特徴としている。
また、請求項４記載の発明によれば、前記目標位置を更新する際に、前記時系列番号を少なくとも１つ更新することを特徴としている。
そして、請求項５記載の発明によれば、前記負荷情報は、前記患者の肢体から随意的に発生した負荷、前記肢体の自重による負荷、肢体と前記装置との相互作用において発生した負荷を、方向と大ききをもつベクトル情報として計測手段によって計測した値であることを特徴としている。
さらに、請求項６記載の発明によれば、前記肢体発生力ベクトルを求める際に、前記肢体の自重を差し引く割合を調整できることを特徴としている。
上記のような構成の肢体駆動装置の駆動方法により、患者の自発的意志による筋力発生を伴う自動介助運動を実施することができるようになる。
【０００６】
以下、肢体駆動装置の本発明による駆動方法について、図に基づいて説明する。図１は本発明の駆動方法を適用する肢体駆動装置の構成を示すブロック図である。図において、７は治療や訓練を行う患者の下肢である。１はその下肢７を動かす機構部であり、基部２と、駆動軸３Ａ・３Ｂ・３Ｃと、その間をつなぐリンク４Ａ・４Ｂと、下肢７を把持する把持部６、負荷計測手段５とから構成されている。駆動軸３Ａ・３Ｂ・３Ｃにはモータと減速機、角度・角速度センサなどが装着され、これらと基部２に内蔵されたモータ駆動用のサーボアンプによって駆動軸３Ａ・３Ｂ・３Ｃが駆動される。この構成により、把持部６に下肢７を固定すると、機構部１は下肢７に運動をさせることができるようになっている。一方、負荷計測手段５は下肢７にかかる負荷を計測して負荷情報ｆを発生し、負荷センサアンプ８で増幅されて負荷情報Ｆが駆動部９へ送られる。駆動部９では、内部に設定された仮想インピーダンスモデルと、教示された軌道をあらかじめ記憶しておいた軌道設定部１０から送られる軌道情報Ｘｔと、負荷情報Ｆと、内蔵する教示点の更新手段の結果をもとに軌道を修正し駆動指令Ｘｏを機構部１に送る。機構部１は、駆動軸３Ａ・３Ｂ・３Ｃによって駆動され、修正された軌道に沿って肢体７を駆動する。なお、軌道設定部１０では、把持部６の位置・姿勢の時系列データ、又は駆動軸３Ａ・３Ｂ・３Ｃの角度の時系列データ、又は下肢７の各関節の曲げ角度などの教示軌道情報を機構部１から受け取り、内蔵する記憶部に時系列データとしてあらかじめ記憶されている。時系列データとは、運動の始めから終わりまでの運動周期をひとつのパターンとしたものであり、そのパターンをある回数繰り返すことで治療動作が実施される。
【０００７】
次に本発明の制御方法について説明する。
図２は本発明の制御方法の流れの概要を示すフローチャートである。図において、軌道設定部１０（図１）が駆動部９（図１）から教示軌道の時系列番号インデックス（以下、「ｉｎｄｅｘ」と言う。）を受けると、予め格納されている記憶部からその時系列番号ｉｎｄｅｘに対応する教示点ｔｄａｔａのデータが読み出され、教示点ｔｄａｔａの更新処理が行なわれる（Ｓ１）。
教示点ｔｄａｔａが更新されると、その教示点を目標値として駆動部９内でインピーダンス制御される（Ｓ２）。その際、後述する処理により、新たな目標値として駆動指令Ｘｏが生成され、機構部１に送られる。
新たな目標値となった駆動指令Ｘｏを機構部１が受けると、機構部１ではサーボ制御され、修正された軌道に沿って把持部６が駆動される（Ｓ３）。
次に、上記手順の制御を終了するかどうかが判定され（Ｓ４）、終了しなければステップＳ１に戻って上記手順が繰り返される。繰り返し行われる上記の手順は、制御周期毎に行われる。
【０００８】
次に、教示点ｔｄａｔａの更新（Ｓ１）の具体的手順について図３のフローチャートを用いて説明する。
まず初めに、教示点ｔｄａｔａのデータの時系列の番号を示すｉｎｄｅｘが初期設定される（Ｓ１０）。
次に、このｉｎｄｅｘがその最大値ｍａｘ＿ｉｎｄｅｘ以下かどうかが判断される（Ｓ１１）。以下であれば、教示点ｔｄａｔａの時系列番号ｉｎｄｅｘが更新され、新たに、ｎｅｗ＿ｉｎｄｅｘと置かれる（Ｓ１２）。
次に、軌道設定部１０（図１）の記憶部（図示なし）にあるｏｌｄ＿ｉｎｄｅｘと更新されたｎｅｗ＿ｉｎｄｅｘのそれぞれに対応する教示点ｔｄａｔａ（ｏｌｄ＿ｉｎｄｅｘ）、ｔｄａｔａ（ｎｅｗ＿ｉｎｄｅｘ）とを基に、教示点ｔｄａｔａ（ｏｌｄ＿ｉｎｄｅｘ）から進む距離ｒが計算される（Ｓ１３）。
そして、距離ｒが教示点間の距離より小さいかどうかが判断される（Ｓ１４）。距離ｒが教示点間の距離より小さければ、ｉｎｄｅｘと目標位置ｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）が決定され、改めて、ｉｎｄｅｘ＝ｎｅｗ＿ｉｎｄｅｘ、と置かれ（Ｓ１５）、一連の処理を終了する。
ここで、ｉｎｄｅｘは少なくとも１つは更新されるものとする。このようにｉｎｄｅｘの更新において少なくともひとつ更新する理由は、患者の自発的意志による筋力発生を伴う運動訓練、すなわち自動介助運動を実施できる肢体駆動装置を提供する場合、患者の随意的運動による負荷が生じない場合には他動運動を実行し、患者の随意的運動による負荷が生じた場合には自動介助運動を実行できることで、筋力がきわめて微弱な患者において自動的な負荷の発生が十分でない場合でも一連の訓練動作が停止することなく実施することができる点にある。
ステップＳ１４で距離ｒが教示点間の距離より小さくなければ、ステップＳ１１に戻って上記手順が繰り返される。
また、ステップＳ１１でｉｎｄｅｘがその最大値ｍａｘ＿ｉｎｄｅｘ以下でなければ，ステップＳ１５の処理をして一連の処理を終了する。
【０００９】
次に、教示点ｔｄａｔａ（ｏｌｄ＿ｉｎｄｅｘ）から進む距離ｒを計算する手順（Ｓ１３）について図４のフローチャートを用いて説明する。
まず、教示点ｔｄａｔａの時系列番号ｉｎｄｅｘと教示点ｔｄａｔａのデータを受けると、教示点間で次式のように相対ベクトルｔが設定される（Ｓ２０）。
ｔ＝ｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ＋１）−ｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）
次に、相対ベクトルｔの傾きが垂直か否かの判定が行なわれ（Ｓ２１）、
垂直の場合は、例えばｒに一定値をあてはめるなどの例外処理の計算が行われ（Ｓ２５）、一連の処理を終了する。
ステップＳ２１の判断の結果、垂直でなければ、ベクトルｔと力センサなどで計測された負荷情報Ｆを基に、教示点ｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）から位置偏差が計算される（Ｓ２２）。そして、教示点ｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）から偏位した点への相対ベクトルｘが計算され、作業座標系上の位置偏差のベクトルがｘに改められる（Ｓ２３）。
さらに、ベクトルｘからベクトルｔへの射影ｒが次式で計算され一連の処理を終了する（Ｓ２４）。
ｒ＝（ｘ・ｔ）／（ｔ・ｔ）
ここで「・」はベクトルの内積を表わしている。
【００１０】
次に、教示点ｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）から位置偏差を計算する手順（Ｓ２２）について、図５のフローチャートを用いて説明する。教示点間で定義される相対ベクトルを例えば２次元平面における座標系においてｔ＝（ｔｘ，ｔｙ）と表す。そのデータをもとに、相対ベクトルｔの作業座標系における傾きηを、η＝ａｔａｎ２（ｔｙ，ｔｘ）、として計算する（Ｓ３０）。
一方、負荷情報Ｆを受けると、負荷のセンサ座標系から作業座標系への、いわゆるロボット工学における座標変換の計算を行う（Ｓ３４）。その変換結果を受けると、肢体発生力の計算を行なうため、予め求めておいた肢体の自重補償分を外力から差し引き、肢体発生力を計算する（Ｓ３５）。その計算結果と前記傾きηとから、肢体発生力の教示軌道上の座標系を前記傾きηにそって定義し、その教示軌道上の座標系への座標変換を前記発生力に対し行なう（Ｓ３１）。そして、後述するインピーダンス制御による位置偏差の計算を行い（Ｓ３２）、その位置偏差に対して教示軌道上の座標系から作業座標系への座標変換を行い（Ｓ３３）、一連の処理を終了して作業座標系の位置偏差が求められる。
【００１１】
ここで、ステップＳ３２で行われるインピーダンス制御について説明する。いわゆるインピーダンス制御には、仮想インピーダンスモデルとして、慣性Ｍ・粘性Ｂ・剛性Ｋのいわゆる２次動力学モデルかあるいは粘性Ｂ・剛性Ｋのいわゆる１次動力学モデルが使用される。外力すなわち負荷情報Ｆを入力、位置修正量ΔＸを出力とした時、これらの関係は以下の式で表される。ただし、以下は周波数領域で表わしたものである。
△Ｘ（ｓ）＝Ｆ（ｓ）／｛Ｍｓ2＋Ｂｓ＋Ｋ｝
このとき、アームの目標軌道Ｘｏは以下のように修正される。
Ｘｏ（ｓ）＝Ｘｔ（ｓ）＋△Ｘ（ｓ）
【００１２】
次に、負荷の計測手段５の実施例をいくつか以下に示す。
これには、例えば、患者の肢体から装置への負荷を計測する手段として、図１で示したように、下肢７を支持する把持部６の根元に備えた力センサを用いることで患者の肢体から装置への負荷を計測することができる。
また、図示していないが、別の手段として、図１の機構部１の各駆動軸３Ａ・３Ｂ・３Ｃにトルクセンサを備え、把持部６の位置情報から、下肢７から把持部６にかかる負荷を計測することができる。
また、別の手段として、図１に示した該アームの各軸に備えたモータの電流値を用いることで患者の肢体から装置への負荷を計測することができる。
また、図示していないが、別の手段として、図１に示した該アームに設けた各モータの電流値と各モータの速度情報とを用いたいわゆる外乱オブザーバを用いることで患者の肢体から装置への負荷を計測することができる。
また、図示していないが、別の手段として、図１の駆動される肢体の主要な筋肉の筋電情報と、そのときの肢体の各関節の角度情報とから、患者の肢体から装置にかかる負荷を計測することができる。
また、図示していないが、別の手段として、図１の駆動される肢体の主要な筋肉の筋肉のふくらみの大きさと、そのときの肢体の各関節の角度情報とを計測することで、患者の肢体から装置への負荷を計測することができる。
また、別の手段として、以上の計測手段を組み合わせることで患者の肢体から装置への負荷をより精密に計測することができる。これはたとえば、各出力に重みをつけて加算することで実現できる。
ここで、前記負荷計測手段で検出される負荷情報とは、患者の肢体による随意的に発生した負荷、前記肢体の自重による負荷、その他肢体と装置との相互作用において発生した負荷を、方向と大きさをもついわゆるベクトル情報として計測手段によって計測した値を負荷情報としている。
また、駆動手段とは別のインピーダンス制御の係数に応じた位置偏差を教示軌道上の座標系から作業座標系の位置偏差に変換する際、該自重を差し引く割合を調整できる。
例えば、肢体の該自重補償分を予め設定できるだけでなく、図示していないダイアルにより調整できるようにしてあり、治療の目的に応じて、患者への負荷を調整することができる。例えば、これを１００％補償するならば、脚を自重分だけ支持する必要が患者になくなり、発生した筋力のほとんどを脚を動かす力として使うことができ、患者への負荷が小さくなる。これは、発症直後の患者に適用される。一方、補償を０％にするならば、患者が自らの自重全て支持する必要があることになり、患者への負荷が大きくなる。これは訓練が進み機能を回復しつつある患者に適用される。この中間の値を患者の回復レベルに応じて調整できることが重要である。
【００１３】
次に、軌道設定部１０について説明する。ここでは、前記インピーダンス制御を実行し、さらにインピーダンスのばね係数を低く設定し、把持部６に下肢１を固定して手動で動かせる状態にして、直接機構部１を動かして軌道を教示するいわゆるダイレクトティーチを行い、そのときの軌道を機構部１から教示軌道情報を通じて、軌道設定部１０に記憶する。なお、本発明の装置は、関節組織または筋肉またはじん帯またはその他の関節組織の治療を一般に対象とするものであって、実施例で示したような股関節と膝関節の関節や筋肉等の組織の治療を対象とするものに限定されるものではなく、肢体の各部の関節や筋肉に容易に適用できるものである。また、以上の実施例においては、肢体駆動手段として電気式モータを想定したが、これに限らず油圧式サーボ駆動手段・空気圧式サーボ駆動手段を用いても同様な効果が得られる。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の制御方法によると、いわゆる運動療法のうち、患者の微弱な筋力発生を伴う運動訓練、すなわち自動介助運動をさせることができるという効果がある。また、従来技術では、関節可動域の訓練は可能であるが、他動運動しか実施できないとか、等尺運動・等張運動・等速運動といったもっぱら筋力がある程度回復した状態の患者に適用する訓練しかできなかったという問題を解消することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を適用する肢体駆動装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の方法の主な手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の方法の手順の一部を示すフローチャートである。
【図４】本発明の方法の手順の一部を示すフローチャートである。
【図５】本発明の方法の手順の一部を示すフローチャートである。
【符号の鋭明】
１  機構部
２  基部
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ  駆動軸
４Ａ、４Ｂ  リンク
５  負荷計測手段
６  把持部
【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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