(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節の外科的な手術前後に行われる連続他動運動と、全身機能低下を矯正し、筋・骨格系統の機能を改善して健康状態を維持・改善する運動のための運動療法装置において、
装置の基部に設けた第１の駆動軸と、前記第１の駆動軸に駆動される第１のリンクと、前記第１のリンクの先端に設けた第２の駆動軸と、前記第２の駆動軸に駆動される第２のリンクと、第２のリンクの先端に設けた第３の駆動軸と、前記第３の駆動軸に駆動される肢体を把持する部分と、からなり、前記肢体を把持する部分で肢体の端部を把持して該肢体の２つの関節を駆動するアームと、
前記肢体を把持する部分の軌道を設定する軌道設定手段と、
前記肢体の２つの関節の目標関節可動域を漸次補正するよう前記軌道を修正した軌道を計算して出力する軌道修正手段と、
前記修正した軌道を受けて、最終的な軌道を生成し、前記第１、第２及び第３の駆動軸の各々のモータへ指令を出力して前記最終的な軌道に制御する動作制御部と、
を備えたことを特徴とする運動療法装置。
【請求項２】
軌道設定手段は、肢体の各関節間の長さと位置関係などの肢体の運動学的情報をあらかじめ装置に入力しておき、前記運動学的情報と前記目標関節可動域とをもとに前記肢体を把持する部分の軌道を設定することを特徴とする請求項１記載の運動療法装置。
【請求項３】
軌道設定手段は、肢体を駆動するアームの機械的インピーダンスを制御して仮想的に調整するか、装置のアクチュエータのパワーを低減または遮断するか、あるいはアクチュエータから前記アームへの駆動力伝達を機構的に遮断し、前記アームを肢体に取り付けて直接動かすことができる状態で動作を教示するとともに、直接教示手段を用いて装置の各駆動軸の動作計測を行い、該駆動軸の動作履歴から軌道を設定することを特徴とする請求項１記載の運動療法装置。
【請求項４】
軌道修正手段は、前記目標関節可動域の補正量をそのつど徒手にて定め、該補正量に従って前記軌道を修正するものであることを特徴とする請求項１記載の運動療法装置。
【請求項５】
軌道修正手段は、あらかじめ定めたタイムスケジュールに従って、連続的または断続的に前記目標関節可動域の補正を行うよう前記軌道を修正するものであることを特徴とする請求項１記載の運動療法装置。
【請求項６】
前記軌道修正手段は、前記目標関節可動域の補正量を、前記肢体を把持する部分に設けた力センサにかかる負荷に従って定め、該補正量と前記軌道設定手段からの前記軌道とをもとに、前記軌道を修正することを特徴とする請求項１記載の運動療法装置。
【請求項７】
軌道修正手段は、肢体の関節角度にあらかじめ制限を設けるものであることを特徴とする請求項１記載の運動療法装置。
【０００１】
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は、関節の外科的な手術前後に行われる連続他動運動をしたり、全身機能低下を防止し、筋・骨格系統の機能を改善して健康状態を維持・改善する運動療法装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、整形外科で用いられる運動装置あるいは理学診療（リハビリテーション）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る。
たとえば、特開昭６０−１７９０６２、特開昭６０−２３２１５８、特開昭６１−１７０４６４、特公平４−１４０２８号公報等に開示された装置では、肢体の稼働角度を数値で設定すると、その決められた角度にしたがって一定時間に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が行われる。
また、特公昭５７−４４３３７、特公平３−５４５８７号公報等に開示された装置では、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、等速運動などの自動運動が行われる。このような療法を実施するときには、これらの運動のなかから一つを選択し、その決められた運動パターンを一定時間実施される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところがこれらの従来技術はいずれも、動作角度や動作速度、負荷によって決まる、あらかじめ設定した運動パターンを一定時間において実施するため、肢体の変化に応じて運動パターンの細かな調整を行うことができなかった。このため、関節や筋肉の動作状態に応じて装置の駆動する肢体の目標関節可動域を変化させることができないという問題点がある。
そこで本発明は、関節や筋肉の動作状態に応じて肢体の目標関節可動域を変化させ、肢体の変化に応じた運動パターンの細かな調整を行うことができる装置を提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するため、本発明は、関節の外科的な手術前後に行われる連続他動運動と、全身機能低下を矯正し、筋・骨格系統の機能を改善して健康状態を維持・改善する運動のための運動療法装置において、装置の基部に設けた第１の駆動軸と、前記第１の駆動軸に駆動される第１のリンクと、前記第１のリンクの先端に設けた第２の駆動軸と、前記第２の駆動軸に駆動される第２のリンクと、第２のリンクの先端に設けた第３の駆動軸と、前記第３の駆動軸に駆動される肢体を把持する部分と、からなり、前記肢体を把持する部分で肢体の端部を把持して該肢体の２つの関節を駆動するアームと、前記肢体を把持する部分の軌道を設定する軌道設定手段と、前記肢体の２つの関節の目標関節可動域を漸次補正するよう前記軌道を修正した軌道を計算して出力する軌道修正手段と、前記修正した軌道を受けて、最終的な軌道を生成し、前記３つの駆動軸の各々のモータへ指令を出力して前記最終的な軌道に制御する動作制御部と、を備えたのである。
特に、軌道設定手段は、肢体の各関節間の長さと位置関係などの肢体の運動学的情報をあらかじめ装置に入力しておき、前記運動学的情報と前記目標関節可動域とをもとに前記肢体を把持する部分の軌道を設定するものとするか、肢体を駆動する装置アームの機械的インピーダンスを制御によって仮想的に調整するか、装置のアクチュエータのパワーを低減あるいは切ることで、あるいはアクチュエータから前記アームへの駆動力伝達を機構的に遮断し、前記アームを肢体に取り付けて直接動かすことができる状態で動作を教示するとともに、直接教示を用いて装置の各駆動軸の動作計測を行い、該駆動軸の動作履歴から装置の軌道を設定するものとしたのである。
また、軌道修正手段は、前記目標関節可動域の補正量をそのつど徒手にて定め、該補正量に従って前記軌道を修正するものとするか、あらかじめ定めたタイムスケジュールに従って、連続的または断続的に前記目標関節可動域の補正を行うよう前記軌道を修正するものとするか、前記目標関節可動域の補正量を、前記肢体を把持する部分に設けた力センサにかかる負荷に従って定め、該補正量と前記軌道設定手段からの前記軌道とをもとに、前記軌道を修正するものとしたのである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
上記手段により、肢体の変化に応じて運動パターンの細かな調整を行い、関節や筋肉の動作状態に応じて肢体の目標関節可動域を変化させることができるのである。
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態をを示すものであり、装置全体の構成を示している。図において、１０１は治療あるいは訓練を行う肢体の部分１００を把持する肢体把持部、１０３、１０５、１０７は駆動軸、１０４、１０６はリンク、１０８は装置の基部、１０２は肢体把持部１０１に設けた力センサであり、 これらによって動作本体をなしている。１１１は動作制御部であり、 前記動作本体との間で力センサ１０２からの負荷情報や、駆動軸１０３、１０５、１０７に設けた各種センサからの位置や姿勢情報などの運動情報１０９、各駆動軸１０３、１０５、１０７への運動指令１１０をやりとりする。一方、軌道設定部１１２は動作本体の軌道を計算して軌道補正部１１４へ軌道情報１１３を送る。ここで負荷に対する動作本体の運動変化量を仮想的な慣性や粘性、剛性からなる２次系で表わすと、この２次系を制御によって実現したものがいわゆるインピーダンス制御といわれており、軌道補正部１１４は、軌道設定部１１２からの軌道情報１１３を受けて、軌道の補正または仮想インピーダンスの補正を行い、補正した軌道情報１１３または仮想インピーダンス目標値である軌道補正部１１４からの軌道情報１１５を動作制御部１１１へ送る。このときの軌道補正量は以下のように計算される。次のような機械的インピーダンスと呼ばれる２次のフィルタを負荷情報Ｆにかけることによって軌道補正量Ｘに変換する。この式は周波数領域で表わしたもので、Ｓはラプラス演算子である。また、Ｍは仮想慣性係数、Ｂは仮想粘性係数、Ｋは仮想ばね係数であり、それぞれ正の値である。
Ｘ＝Ｆ／（ＭＳ2 ＋ＢＳ＋K ）                        （１）
このフィルタによって肢体からみた装置の動特性は、係数Ｍ、Ｂ、Ｋからなる２次の機械的インピーダンスに調整される。以上より、動作制御部１１１は軌道情報１１５を受けて、上記のように動作本体の運動を制御する。なお、動作制御部１１１、軌道設定部１１２、軌道補正部１１４について、さらに詳しい実施例を以下に示す。
【０００６】
図２は、図１の動作制御部１１１の詳細図である。動作制御部２００は、軌道補正部から目標軌道、または仮想インピーダンス目標値２０４を受ける。インピーダンス制御部２０７は、軌道補正部からの目標軌道、または仮想インピーダンス目標値２０４と力センサからの負荷情報２０３とから、最終的な目標軌道２０６を生成する。サーボ系２０５は目標軌道２０６と駆動軸センサからの角度・角速度情報２０２とから、各駆動軸のモータへの出力指令２０１を出力する。
図３は、図１の軌道設定部１１２の第１の実施例を示したものである。軌道設定部３００には、あらかじめ肢体の運動学的情報と取付け位置情報３０１が入力される。例えば下肢であれば、股から膝までの下肢の脚長や，股関節位置、大腿・下腿の各固定位置などの肢体の運動学的情報をあらかじめ装置に入力しておく。これらの情報と各関節の可動目標角度とをもとに、肢体の動作する軌道の計算部３０２は、いわゆるロボット工学におけるロボットマニピュレータの順運動学計算をもとに肢体の動作する軌道情報３０３を算出する。ここで、肢体の関節角度の時系列における軌道をΘ（ｔ）、肢体の取付け位置の時系列における軌道をＸ（ｔ）とすると、これらの関係は肢体の運動学的情報により次の関係をもつ。
Ｘ（ｔ）＝Ｒ（Θ（ｔ））
次に、軌道情報３０３を受けて、装置の軌道計算と記憶部３０４は、いわゆるロボット工学におけるロボットマニピュレータの逆運動学計算をもとに装置の各駆動軸の目標軌道３０５を計算し軌道補正部へ送る。すなわち、装置駆動軸の関節角度の時系列における軌道をΘｉ（ｔ）とすると、肢体の取付け位置の時系列における軌道をＸ（ｔ）との関係が、装置の運動学的情報により次の関係をもつことを利用する。
Θｉ（ｔ）＝Ｌ（Ｘ（ｔ））
【０００７】
図４は、図１の軌道設定部１１２の第２の実施例を示したものである。まず、軌道設定４００の入力手段として、肢体を駆動する装置アームの機械的インピーダンスを制御によって仮想的に調整することで、あるいは装置のアクチュエータのパワーを低減するか切ることで、あるいはアクチュエータから前記アームへの駆動力伝達を機構的に遮断することで、前記アームを肢体に取り付け直接動かすことができる状態で前記アームの動作を教示する、いわゆる直接教示手段を用いて、装置の各駆動軸の動作計測を行う。そこで、装置の各駆動軸の動作計測値４０１を軌道設定部４００に逐次入力し、装置駆動軸の動作履歴記憶部４０２は各駆動軸の動作履歴を記憶するとともに軌道補正部へ装置軌道情報４０３を送る。図５は、図１の軌道補正部１１４の第１の実施例を示したものである。まず、軌道補正部５００には肢体関節可動範囲を徒手により設定できる目標値設定部５０１があり、徒手によるＲＯＭ補正量５０２を発生する。徒手によるＲＯＭ補正量５０２と軌道設定部からの装置軌道情報５０３とをもとに、ＲＯＭの補正量を考慮した新たな装置軌道計算部５０４にてＲＯＭの補正量を考慮した新たな装置軌道の計算を行う。具体的には、先の肢体の関節角度の時系列における軌道Θ（ｔ）を徒手によるＲＯＭ補正量５０２によって増減し、装置駆動軸の関節角度の時系列における軌道Θｉ（ｔ）を前記の手順と同様にして計算すればよい。そして、この計算で得られた装置軌道情報５０５を動作制御部へ送る。
【０００８】
図６は、図１の軌道補正部１１４の第２の実施例を示したものである。まず、軌道補正部６００には、タイマ６０１からの時間情報６０２により、スケジュールによるＲＯＭ補正量の計算部６０３にてスケジュールによるＲＯＭ補正量の計算を行い、ＲＯＭ補正量６０４を発生する。ＲＯＭ補正量６０４と、軌道設定部からの装置軌道情報６０５とをもとに、ＲＯＭの補正量を考慮した新たな装置軌道計算部６０６にてＲＯＭの補正量を考慮した新たな装置軌道の計算を行う。具体的には、図５の説明に示した手順と同様にして計算する。そして、この計算で得られた装置軌道情報６０７を動作制御部１１１へ送る。
図７は、図１の軌道補正部１１４の第３の実施例を示したものである。まず、軌道補正部７００には、力センサ７０１からの力情報７０２により、ＲＯＭ補正量の計算部７０３にて力の大きさに従ったＲＯＭ補正量の計算を行い、ＲＯＭ補正量７０４を発生する。ＲＯＭ補正量７０４と軌道設定部からの装置軌道情報７０５とをもとに、ＲＯＭの補正量を考慮した新たな装置軌道計算部７０６にてＲＯＭの補正量を考慮した新たな装置軌道の計算を行う。具体的には、図５の説明に示した手順と同様にして計算する。そして、この計算で得られた装置軌道情報７０７を動作制御部１１１へ送る。
【０００９】
図８は、図１の軌道補正部１１４の第４の実施例を示したものである。まず、軌道補正部８００には、タイマ８０１からの時間情報８０２により、スケジュールによる仮想インピーダンス補正量の計算部８０３にてスケジュールによる仮想インピーダンス補正量の計算を行い、仮想インピーダンス補正量８０４を発生する。仮想インピーダンス補正量８０４と、軌道設定部からの装置軌道情報８０５とをもとに、装置軌道情報と仮想インピーダンスの補正量の記憶部８０６にて、装置軌道情報と仮想インピーダンスの補正量を記憶するとともに、動作制御部１１１へ送る。
図９は、図１の軌道補正部１１４の第５の実施例を示したものである。まず、力センサ９０１の力情報９０２により、仮想インピーダンス補正量の計算部９０３にて力の大きさに従った仮想インピーダンス補正量の計算を行い、仮想インピーダンス補正量９０４を発生する。仮想インピーダンス補正量９０４と、軌道設定部からの装置軌道情報９０５とをもとに、装置軌道情報と仮想インピーダンスの補正量の記憶部９０６にて、装置軌道情報と仮想インピーダンスの補正量を記憶する。具体的には、前記のものと同様にして計算する。そして、計算したこれらの情報を同時に動作制御部１１１へ送る。
また、以上の実施例における軌道補正手段１１４において、肢体の関節の過伸展や過屈曲あるいは過負荷を防ぐため、肢体の関節角度にあらかじめ制限を設けることも可能である。
【０００１０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によると、関節や筋肉の動作状態に応じて肢体の目標関節可動域を変化させるので、運動パターンの細かな調整ができて健康状態の維持・改善ができるのである。
【０００１１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す図である。
【図２】動作制御部の詳細図である。
【図３】軌道設定部の第１の実施例を示す図である。
【図４】軌道設定部の第２の実施例を示す図である。
【図５】軌道補正部の第１の実施例を示す図である。
【図６】軌道補正部の第２の実施例を示す図である。
【図７】軌道補正部の第３の実施例を示す図である。
【図８】軌道補正部の第４の実施例を示す図である。
【図９】軌道補正部の第５の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１００  治療あるいは訓練を行う肢体の部分
１０１  肢体把持部
１０２  力センサ
１０３、１０５、１０７  駆動軸
１０４、１０６  リンク
１０８  装置の基部
１０９  運動情報
１１０  運動指令
１１１  動作制御部
１１２  軌道設定部
１１３、１１５  軌道情報
１１４  軌道補正部
２００  動作制御部
２０１  モータへの出力指令
２０２  駆動軸センサからの角度・角速度情報
２０３  力センサからの負荷情報
２０４  軌道補正部からの目標軌道、または仮想インピーダンス目標値
２０５  サーボ系
２０６  目標軌道
２０７  インピーダンス制御部
３００、４００  軌道設定部
３０１  肢体の運動学的情報と取付け位置情報
３０２  肢体の動作する軌道の計算部
３０３  肢体の動作する軌道情報
３０４  装置の軌道計算と記憶部
３０５  目標軌道
４０１  装置の各駆動軸の動作計測値
４０２  装置駆動軸の動作履歴記憶部
４０３、５０５、６０７、７０７  装置軌道情報
５００、６００、７００、８００、９００  軌道補正部
５０１  目標値設定部
５０２  徒手によるＲＯＭ補正量
５０３、６０５、７０５、８０５、９０５  軌道設定部からの装置軌道情報
５０４、６０６、７０６  ＲＯＭの補正量を考慮した新たな装置軌道計算部
６０１、８０１  タイマ
６０２、８０２  時間情報
６０３  スケジュールによるＲＯＭ補正量の計算部
６０４、７０４  ＲＯＭ補正量
７０１、９０１  力センサ
７０２、９０２  力情報
７０３  ＲＯＭ補正量の計算部
８０３  スケジュールによる仮想インピーダンス補正量の計算部
８０４、９０４  仮想インピーダンス補正量
８０６、９０６  装置軌道情報と仮想インピーダンス補正量の記憶部
８０７、９０７  装置軌道情報と仮想インピーダンス補正量
９０３  仮想インピーダンス補正量の計算部
【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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【図６】
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【図７】
0003870404.tif 000008
【図８】
0003870404.tif 000009
【図９】
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