(57)【要約】【課題】立ち姿勢や着座姿勢にて膝関節の抵抗を計測するのに適した膝関節抵抗計測装置を提供する。【解決手段】膝関節抵抗計測装置１０は、角度センサ１５、グリッパ２５、荷重センサ２４、及び、記憶装置３０を備える。角度センサ１５は、被験者の膝関節の角度を計測する。グリッパ２５は、被験者の下腿に取り付けられ、測定者が被験者の下腿を回動させるために握る部材である。荷重センサ２４は、グリッパ２５に配置されており、膝関節の回動方向に沿って測定者によって下腿に加えられる力を計測する。記憶装置３０は、下腿に外力が加えられる際に変化する膝関節角と、膝関節の回転中心から荷重センサまでの距離と荷重センサが計測する外力から算出される外力トルクとを関連付けて記憶する。この計測装置１０は、アクチュエータを備えないため簡単・コンパクトであり、被験者が立ち姿勢であっても着座姿勢であっても計測が容易である。【選択図】図１
2012090735.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の脚に加わる外力トルクに対する膝関節の抵抗を計測する膝関節抵抗計測装置であり、
膝関節の角度を検知する角度センサと、
被験者の下腿に装着され、測定者が被験者の下腿を回動させるために握るグリッパと、
グリッパに配置されており、膝関節の回動方向に沿って下腿に加えられる力を計測する荷重センサと、
下腿に外力が加えられる際に変化する膝関節角と、膝関節の回転中心から荷重センサまでの距離と荷重センサが計測する外力から算出される外力トルクとを関連付けて記憶する記憶装置と、
を備えることを特徴とする膝関節抵抗計測装置。
【請求項２】
被験者の膝関節角速度を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の膝関節抵抗計測装置。
【請求項３】
被験者の膝関節角速度が予め定められた角速度閾値を超えたことを測定者に報知する報知手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の膝関節抵抗計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外力トルクに抗する被験者膝関節の抵抗を計測する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザの脚に装着し、アクチュエータによって脚の関節にトルクを加え、ユーザの動作（歩行動作、着座動作、或いは、起立動作）を補助する支援装置が研究されている（例えば特許文献１）。そのような支援装置は、典型的には、特許文献１に開示されているように、ユーザの大腿に装着する大腿リンクと下腿に装着する下腿リンクが膝関節と同軸の位置で回動可能に連結されているとともに、下腿リンクを揺動させるアクチュエータを備えている。アクチュエータは典型的には電動モータであるが、油圧式や空気圧式のアクチュエータであってもよい。
【０００３】
なお、本願は、膝関節の抵抗を計測する技術に関するが、そのような技術に類似する技術を開示した先行技術文献として特許文献２を挙げておく。特許文献２は、膝関節拘縮用の治療を自動化した装置を開示する。その装置は、ユーザの大腿を固定し、下腿をアクチュエータにより揺動させるものであり、膝関節可動範囲の一部では角度制御で下腿を揺動させ、他の範囲ではトルク制御で下腿を揺動させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−７５４５６号公報
【特許文献２】特開平１０−１２７７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の類の支援装置はアクチュエータを備えるために重量が嵩む。従ってアクチュエータは小さいことが好ましいが、膝関節の抵抗に打ち勝つだけのパワーが必要とされる。従って、上記の支援装置を検討するに際しては、膝関節の抵抗を計測する必要がある。なお、「膝関節の抵抗」とは、下腿を伸展あるいは屈曲させるために加えられる外力トルクに相当する。アクチュエータ付の支援装置自体がまだ研究段階の技術であり、膝関節の抵抗を計測する装置はこれまで発案されていなかった。特に、膝関節の抵抗は、脚の姿勢に依存することが知られているため、支援装置が想定している立ち姿勢、或いは、着座姿勢にて膝関節の抵抗を計測できることが好ましい。本明細書は、立ち姿勢や着座姿勢にて膝関節の抵抗を計測するのに適した膝関節抵抗計測装置を提供する。
【０００６】
なお、類似の装置として特許文献２に開示された装置があるが、その装置は、膝関節拘縮用の治療の自動化を目的としており、アクチュエータを備えているとともに、ユーザがうつ伏せとなることが強要されるので、膝関節の抵抗を計測するには不向きである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する技術は、被験者の脚に加わる外力トルクに対する膝関節の抵抗を計測する膝関節抵抗計測装置を提供する。脚に加わる外力トルクとは、より具体的には、下腿を伸展或いは屈曲させる際に加えられる外力トルクである。なお、前述したように、膝関節の抵抗とは下腿を伸展あるいは屈曲させるために加えられる外力トルクに相当するから、「膝関節の抵抗」とは、「下腿を伸展或いは屈曲させるのに要するトルク」と換言してよい。
【０００８】
その装置の一つの態様は、角度センサ、グリッパ、荷重センサ、及び、記憶装置を備える。角度センサは、被験者の膝関節の角度（大腿と下腿がなす角度）を計測する。グリッパは、被験者の下腿に取り付けられ、測定者が被験者の下腿を回動させるために握る部材である。荷重センサは、グリッパに配置されており、膝関節の回動方向に沿って測定者によって下腿に加えられる力を計測する。記憶装置は、下腿に外力が加えられる際に変化する膝関節角と、膝関節の回転中心から荷重センサまでの距離と荷重センサが計測する外力から算出される外力トルクとを関連付けて記憶する。以下、簡単のため、「膝関節抵抗計測装置」を単に「計測装置」と称する場合がある。
【０００９】
上記の計測装置は、アクチュエータではなく、人（測定者）が被験者の下腿を回動させて膝関節の抵抗を計測する。そのため、装置が極めて簡単・コンパクトとなり、被験者が立ち姿勢であっても着座姿勢であっても計測が容易である。計測装置の機械的構造は、例えば、以下の通りである。計測装置は、大腿に固定される棒状の添え部材（大腿添え部材）と、下腿に固定される棒状の添え部材（下腿添え部材）が、膝関節と同軸の位置で回転可能に連結されており、その連結部に大腿添え部材と下腿添え部材の角度を計測する角度センサを備える。さらに、下腿添え部材には、下腿の長手方向に沿ってスライド可能なグリッパが取り付けられている。グリッパの裏側（下腿と対向する側）に荷重センサが取り付けられている。
【００１０】
上記の計測装置は、膝関節角の変化に対する外力トルクを記憶する。関節角の変化分に対する外力トルクの変化分はいわゆる剛性に相当する。
【００１１】
本明細書が開示する新規な計測装置（膝関節抵抗計測装置）は、被験者の膝関節角速度を表示する表示手段をさらに備えていることが好ましい。膝関節角速度は、角度センサの出力の時間差分から簡単に得られる。角速度を計測するセンサ（例えばジャイロセンサ）を備えていてもよい。
【００１２】
この計測装置は、測定者が被験者の下腿を手動で回動させるため、回動速度（膝関節角速度）が様々に変化し得る。そこで、膝関節角速度を表示する表示手段があれば、測定者は表示を見ながら回動速度を調整することができる。
【００１３】
この計測装置はさらに、被験者の膝関節角速度が予め定められた角速度閾値を超えた際にそのことを測定者に報知する報知手段を備えることが好ましい。報知されることによって、測定者は回動速度を適切な範囲内に維持することができる。報知手段は、例えば、ブザーやランプであってよい。あるいは、報知手段は、「回動速度が速すぎます」などのメッセージを音声出力する手段（音声データを記憶しているメモリとスピーカ）であってもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書が開示する技術は、立ち姿勢や着座姿勢にて膝関節の抵抗を計測するのに適した膝関節抵抗計測装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】膝関節抵抗計測装置の模式図である。
【図２】膝関節抵抗計測装置内のブロック図である。
【図３】膝関節抵抗計測装置の表示の一例である。
【実施例】
【００１６】
図１に示すように、計測装置１０（膝関節抵抗計測装置）は、被験者Ｈの大腿ＨＵに固定される棒状の添え部材（大腿添え部材１３）と、下腿ＨＬに固定される棒状の添え部材（下腿添え部材１６）が、膝関節と同軸の位置で回転可能に連結されており、その連結部（ジョイント１４）に大腿添え部材１３と下腿添え部材１６の角度を計測する角度センサ１５を備える。さらに、下腿添え部材１６には、その長手方向に沿ってスライド可能なグリッパ２５が取り付けられている。大腿添え部材１３はベルト１２で被験者Ｈの大腿ＨＵに固定され、下腿添え部材１６はベルト２２で被験者Ｈの下腿ＨＬに取り付けられる。グリッパ２５もベルト２２に固定されている。また、計測装置１０は、各種センサ（後述）の信号を取り込んで処理するコンピュータ３０を備えている。
【００１７】
グリッパ２５は、測定者Ｍが握るための部材であり、測定者Ｍはグリッパ２５を握り、下腿を回動させる外力を加える。グリッパ２５の裏側（下腿と対向する側）には、荷重センサ２４が取り付けられており、荷重センサ２４は、測定者Ｍがグリッパ２５を介して下腿に加える外力の大きさを計測する。
【００１８】
ベルト２２を緩めると、ベルト２２は下腿添え部材１６に対してその長手方向にスライドすることができる。すなわち、ベルト２２に固定されたグリッパ２５は、下腿添え部材１６に対してその長手方向にスライドさせることができる。グリッパ２５の位置は、被験者の体格に応じて調整される。ベルト２２の裏側には、下腿添え部材１６に接しているダイヤル２３が備え付けられており、ベルト２２をスライドさせるとスライド量に応じてダイヤル２３が回転する仕組みになっている。ダイヤル２３の回転量から、スライドした長さが得られる。下腿添え部材１６に対するベルト２２の初期取り付け位置は既知であるため、ダイヤル２３によって、ジョイント１４の回転中心（即ち、膝関節の回転中心）から荷重センサ２４（グリッパ２５）までの長さが計測できる。以下では、ダイヤル２３を距離センサ２３と称する。
【００１９】
計測装置１０の使用手順を説明する。まず、大腿添え部材１３、下腿添え部材１６（グリッパ２５）を被験者Ｈに装着する。測定者Ｍは、グリッパ２５を握り、被験者Ｈの下腿ＨＬを伸展あるいは屈曲させるように力を加える。下腿が回動している間、コンピュータ３０が各種センサの信号を取り込み、演算と表示を行うとともに、演算結果を記憶する。コンピュータ３０は、の記憶記録を行う。コンピュータ３０は、下腿ＨＬに外力が加えられる際に変化する膝関節角と、膝関節の回転中心から荷重センサ２４までの距離と荷重センサ２４が計測する外力から算出される外力トルクとを関連付けて表示するとともに記憶する。こうして、外力が加えられることによって下腿が回動する際の膝関節の抵抗（下腿が回動するときの外力トルク）が測定される。なお、詳しくは後述するが、測定者は、コンピュータ３０が表示する膝関節の抵抗や膝関節の回転角速度（下腿の揺動速度）をモニタしながら下腿に加える力（外力）を調整し、所望の膝関節角速度における膝関節の抵抗を明らかにする。
【００２０】
コンピュータ３０が行う演算について詳しく説明する。図２は、コンピュータ３０の機能ブロック図である。距離センサ２３の信号と荷重センサ２４の信号はトルク演算部３１に入力される。前述したように、距離センサ２３は、膝関節の回転中心から荷重センサ２４までの距離Ｌを計測する。荷重センサ２４は、測定者Ｍが下腿に加える外力Ｆを計測する。膝関節の回転軸周りに加えられる外力トルクＴは、Ｔ＝ＦＬで算出される。トルク演算部３１はこの演算を行う。角度センサ１５からは、大腿添え部材１３と下腿添え部材１６がなす角度、即ち、膝関節の角度Ａのデータが出力される。外力トルクＴと膝関節の角度Ａは、抵抗モデル演算部３２に入力される。抵抗モデルとは、膝関節の回転軸周りの下腿の運動を模擬する運動方程式を意味する。この運動方程式は、Ｔ＝Ｋ・Ａ＋Ｄ・ｄＡ＋Ｉ・ｄｄＡ＋Ｏｆｆｓｅｔで表される。運動方程式中のＴとＡは前述した外力トルクと膝関節角を表す。また、Ｋは剛性を表し、Ｄは角速度依存の粘性抵抗を表し、Ｉは下腿の膝関節回転軸周りの慣性モーメントを表す。また、ｄＡは膝関節角Ａの速度（角速度）を表し、ｄｄＡは、膝関節角Ａの加速度（角加速度）を表す。Ｏｆｆｓｅｔは、膝関節角度Ａ、膝関節角速度ｄＡ、膝関節角加速度ｄｄＡが全てゼロのときに膝関節が発生するトルクを表す。なお、膝関節角Ａがゼロの基準は、予め定められており、本実施例では、図１の直線Ｌ１が、膝関節角Ａがゼロの基準である。直線Ｌ１は大腿ＨＵの長手方向に平行な直線である。即ち、本実施例では、大腿と下腿が一直線となったときを膝関節角度Ａ＝ゼロと定義している。Ｏｆｆｓｅｔとは、膝関節角Ａ＝ゼロ、即ち、大腿と下腿が一直線となった状態において下腿が勝手に曲がろうとする力（トルク）に相当する。抵抗モデル演算部３２は、経時的に変化するセンサ入力（外力トルクＴと膝関節角Ａ）から、剛性Ｋ、粘性抵抗Ｄ、慣性モーメントＩ、および、Ｏｆｆｓｅｔのそれぞれの値を推定する。推定された値は記憶部３５に記憶されるとともに、表示部３４（コンピュータ３０のモニタ）に表示される。なお、実際には、粘性抵抗Ｄと慣性モーメントＩは剛性Ｋに比べて極めて小さので、運動方程式はＴ＝Ｋ・Ａ＋Ｏｆｆｓｅｔでモデル化される場合もある。
【００２１】
また、コンピュータ３０内では、角度演算部３３により、膝関節角Ａの経時変化から膝関節角の角速度ｄＡが求められる。報知部３６は、膝関節の角速度ｄＡが予め定められた角速度閾値を超えた場合に、その旨を測定者に報知するモジュールである。報知は、具体的には、コンピュータ３０が備えるスピーカから「角速度が閾値を超えています」という音声メッセージとして出力される。
【００２２】
図３に、表示部３４に表示される表示画面４０の一例を示す。表示画面４０には、外力トルクＴと膝関節角度Ａをそれぞれ縦軸と横軸とするグラフ（グラフ４１）が表示される。グラフ４１が示すように、膝角度の変化量ΔＡに対する外力トルクの変化量ΔＴの比率が膝関節の回転軸周りの剛性Ｋに相当する（即ち、Ｋ＝（ΔＴ／ΔＡ）。この剛性Ｋも、膝関節の抵抗を示す指標の一つである。即ち、この計測装置１０は、膝関節の抵抗として、下腿を揺動させるのに下腿に加えるべき外力トルクＴと、膝関節の回転軸周りの剛性Ｋを計測する。
【００２３】
表示画面４０にはまた、膝関節の角速度ｄＡが自動車のスピードメータと類似の態様で示される。即ち、膝関節の角速度ｄＡは、円グラフ４２における指針４２ａで示される。なお、角速度を示す円グラフ４２には、予め定められた角速度閾値ｔｈが示されており、角速度ｄＡが角速度閾値ｔｈよりも大きい範囲は赤色（図３ではハッチングで示してある）に塗られている。赤色の範囲（図ではハッチングの範囲）は、下腿の回転速度が過度の範囲を示している。測定者Ｍは、下腿の回転角速度（膝関節の角速度）が閾値ｔｈを超えないように円グラフ４２をモニタしながら被験者Ｈの下腿に外力を加えていく。表示画面に過度の角速度を意味する角速度閾値ｔｈが表示されているので、測定者は表示画面を見ながら下腿の回転速度が過度に速くならないように気をつけることができる。なお、膝関節の角速度が閾値ｔｈを超えると、前述したようにコンピュータ３０はその旨をスピーカを通じて報知するようになっている。
【００２４】
本明細書が開示する膝抵抗計測装置についての留意点を述べる。上記説明したように、計測装置１０はアクチュエータを備えず、測定者の力によって下腿を回動させる。アクチュエータを有しないので計測装置１０はきわめて簡単・コンパクトな構造で実現される。従って、立ち姿勢や着座姿勢など、被験者の様々な姿勢で膝関節の抵抗を計測することができる。
【００２５】
計測装置１０によって計測された膝関節の抵抗は、アクチュエータが下腿を揺動させることによって脚の運動を支援する支援装置のアクチュエータ仕様の選定に用いられる。支援装置は、例えば歩行支援や着座動作の支援など、異なる姿勢において脚動作を補助することが想定される。従ってアクチュエータの仕様選定に際しても、様々な姿勢において支援装置にどの程度のトルクが要求されるのかを定量的に把握する必要がある。上記した計測装置１０は、簡単コンパクトであり、被験者を様々な姿勢にさせておいて膝関節の抵抗を計測するのに適している。
【００２６】
さらに、計測装置１０は、下腿に（膝関節に）外力が加えられたときの膝関節角Ａの変化に対する外力トルクＴを記憶する。前述したように、膝関節角Ａの変化に対する外力トルクＴは、膝関節の剛性に相当する。膝関節の剛性の大きさも、支援装置のアクチュエータ使用を選定する際の重要な要素である。さらに、膝関節角Ａの時間変化に対する外力トルクＴは、膝関節角の変化速度（角速度）依存の外力トルクに相当する。そのようなパラメータは、下腿の揺動速度を調整する支援装置のアクチュエータ使用選定に大いに役立つ。
【００２７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２８】
１０：膝関節抵抗計測装置
１２、２２：ベルト
１３：大腿添え部材
１４：ジョイント
１５：角度センサ
１６：下腿添え部材
２３：距離センサ
２４：荷重センサ
２５：グリッパ
３０：コンピュータ
３１：トルク演算部
３２：抵抗モデル演算部
３３：角度演算部
３４：表示部
３５：記憶部
３６：報知部
４０：表示画面
【図１】
2012090735.tif 000003
【図２】
2012090735.tif 000004
【図３】
2012090735.tif 000005