(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
全身機能低下を矯正し、筋・骨格系統の機能を改善し、健康状態を維持・改善する目的で、リラクセーションや関節可動域訓練や筋力増強訓練や持続力増強訓練や協調性訓練や神経筋再教育やその他の訓練を行う、いわゆるリハビリテーションにおける運動療法を実施する運動療法装置であって、
患者が運動すべき軌道と範囲を教示する軌道教示手段と、
患者の肢体から装置への負荷を計測する負荷計測手段と、
前記負荷計測手段によって計測された負荷の値を、地面に対し垂直方向と水平方向に分離し、前記軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき軌道と範囲をもとに、各方向において負荷情報を増幅するフィルタと、負荷情報を位置または速度または加速度の運動指令に変換するフィルタとに通す負荷情報変換手段と、
該運動指令に沿って患者の肢体を駆動する肢体駆動手段と
を有する運動療法装置。
【請求項２】
全身機能低下を矯正し、筋・骨格系統の機能を改善し、健康状態を維持・改善する目的で、リラクセーションや関節可動域訓練や筋力増強訓練や持続力増強訓練や協調性訓練や神経筋再教育やその他の訓練を行う、いわゆる運動療法を実施する運動療法装置であって、
患者が運動すべき軌道と範囲を教示する軌道教示手段と、
該軌道を時系列データとして記憶する第１の記憶手段と、
順序点列として該軌道を整理し記憶する第２の記憶手段と、
各点列の各点において逐次座標変換を行う座標変換手段と、
患者の肢体から装置への負荷を計測する負荷計測手段と、
該負荷を各点列の該座標に沿って計算する負荷計算手段と、
前記負荷計測手段によって計測された負荷の値を、地面に対し垂直方向と水平方向に分離し、前記軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき軌道と範囲をもとに、各方向において負荷情報を増幅するフィルタと、負荷情報を位置または速度または加速度の運動指令に変換するフィルタとに通す負荷情報変換手段と、
該運動指令の補正を行う運動指令補正手段と、
補正された該運動指令に沿って患者の肢体を駆動する肢体駆動手段と
を有する運動療法装置。
【請求項３】
前記軌道教示手段は、装置のアームを肢体に取り付けた状態で該アームを直接動かすことで該アームの動作を教示する、いわゆるロボット工学における直接教示によって肢体の動くべき動作を設定する、請求項１または２記載の運動療法装置。
【請求項４】
前記軌道教示手段は、該運動療法の対象とする肢体の各関節間の長さと位置関係、すなわち肢体のいわゆる運動学をあらかじめ装置に入力し、肢体の動くべき動作を設定する、請求項１または２記載の運動療法装置。
【請求項５】
直接教示による軌道教示手段として、装置の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、肢体の動くべき軌道と動作範囲を設定する軌道教示手段を有する、請求項１または２記載の運動療法装置。
【請求項６】
直接教示による軌道教示手段として、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、肢体の動くべき軌道と動作範囲を設定する軌道教示手段を有する、請求項１または２記載の運動療法装置。
【請求項７】
直接教示による軌道教示手段として、装置のアクチュエータから装置のアームへの駆動力伝達を機構的に遮断することで、肢体の動くべき軌道と動作範囲を設定する軌道教示手段を有する、請求項１または２記載の運動療法装置。
【請求項８】
前記軌道教示手段は、装置のアームとは別に設けられたレバーやダイアルを調整することで、肢体の動くべき軌道と動作範囲を設定する、請求項１または２記載の運動療法装置。
【請求項９】
前記負荷計測手段は、装置が肢体を支持する部分に備えられ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、請求項１または２記載の運動療法装置。
【請求項１０】
前記負荷計測手段は、装置のアームの各軸に備えられたトルク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、請求項１または２記載の運動療法装置。
【請求項１１】
前記負荷計測手段は、装置のアームの各アクチュエ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、請求項１または２記載の運動療法装置。
【請求項１２】
前記負荷計測手段は、装置のアームの各アクチュエータの電流値と各アクチュエ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、請求項１または２記載の運動療法装置。
【請求項１３】
前記負荷計測手段は、駆動される肢体の主要な筋肉の筋電情報を用いることで、患者の肢体から装置への負荷を計測する、請求項１または２記載の運動療法装置。
【請求項１４】
前記負荷計測手段は、駆動される肢体の主要な筋肉の筋肉ふくらみの大きさを計測することで、患者の肢体から装置への負荷を計測する、請求項１または２記載の運動療法装置。
【請求項１５】
前記負荷計測手段は、請求項９から１４までに記載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計測する、請求項９から１４のいずれか１項記載の運動療法装置。
【請求項１６】
前記負荷情報を増幅するフィルタとして、該軌道より下に肢体がある場合、前記軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき軌道より下に肢体が下がらないように、地面に向かう方向の該負荷情報を無視する垂直方向のフィルタが構成される、請求項３から８のいずれかに記載の運動療法装置。
【請求項１７】
前記負荷情報を増幅するフィルタとして、該軌道より下に肢体がある場合、請求項３から８に記載の軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき軌道より下に肢体が下がらないように、地面方向の距離に応じて地面とは反対方向にある負荷情報を負荷計測値に加算する垂直方向のフィルタが構成される、請求項３から８のいずれかに記載の運動療法装置。
【請求項１８】
前記負荷情報を増幅するフィルタとして、該軌道より上に肢体がある場合、該軌道からの距離に応じて地面とは反対方向に該負荷情報を負荷計測値に加算するように、垂直方向のフィルタが構成される、請求項１に記載の運動療法装置。
【請求項１９】
負荷情報を増幅するフィルタとして、前記軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき範囲に対し、得られた負荷情報にある正の比例定数をかけて負荷情報の増幅を行うように、水平方向のフィルタが構成される、請求項３から８のいずれかに記載の運動療法装置。
【請求項２０】
負荷情報を増幅するフィルタとして、前記軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき範囲に対し、得られた負荷情報にある正のオフセットを加算して負荷情報の増幅を行うように、水平方向のフィルタが構成される、請求項３から８のいずれかに記載の運動療法装置。
【請求項２１】
負荷情報を増幅するフィルタとして、前記軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき範囲に対し、得られた負荷情報にある不感帯を設けて負荷情報の増幅を行うように、水平方向のフィルタが構成される、請求項３から８のいずれかに記載の運動療法装置。
【請求項２２】
負荷情報を増幅するフィルタとして、前記軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき範囲に対し、得られた負荷情報に、請求項１９から２１に記載の手法を組み合わせて負荷情報の増幅を行うように、水平方向のフィルタが構成される、請求項１９から２１のいずれか１項記載の運動療法装置。
【請求項２３】
前記肢体駆動手段は、肢体に取り付けられた装置のアームを前記運動指令にしたがって動かすことで肢体を駆動する、請求項１または２記載の運動療法装置。
【請求項２４】
前記第２の記憶手段は、記憶された前記時系列データを時系列にしたがった順序をもつ点列としてそのまま記憶する、あるいは該軌道上の互いの距離があらかじめ定められた値またはその値よりも大きくなるように前記時系列データを補間または捨象して再設定し、時系列にしたがった順序をもつ点列として記憶する、請求項２記載の運動療法装置。
【請求項２５】
前記座標変換手段は、前記点列の一つの点とその隣の点とを結ぶ直線に沿って１つの座標軸を定め、他の１つの座標軸は地面に対する垂直平面に平行になるように設定することで、前記点列の各点において各々座標系を定める、請求項２記載の運動療法装置。
【請求項２６】
前記点列を滑らかな軌道で補間したときに該軌道に垂直な平面を各点列で設定し、該軌道の近傍において隣り合う２つの該平面で囲まれる領域において、各点列で定めた座標系を前記座標変換手段に適用する、請求項２５記載の運動療法装置。
【請求項２７】
前記点列を通る線分に垂直な平面を各点列で設定し、その平面で囲まれる領域において、各点列で定めた座標系を前記座標変換手段に適用する、請求項２５記載の運動療法装置。
【請求項２８】
前記負荷計算手段は、請求項２５または２６で定められた座標系に沿って負荷を計測すること、またはさらには各点列を補間する直線に沿った座標軸以外の負荷は無視する、請求項２５または２６記載の運動療法装置。
【請求項２９】
前記負荷情報変換手段は、請求項２８で定められた方法によって計測した各座標軸方向の負荷の値を、負荷を増幅するフィルタと、負荷を位置または速度または加速度の運動指令に変換するフィルタとに通す、請求項２８記載の運動療法装置。
【請求項３０】
前記負荷情報変換手段は、２次の機械的インピーダンスモデルのほかに、静摩擦モデルあるいは動摩擦モデルあるいは非線形ばねモデルを用いる、請求項２記載の運動療法装置。
【請求項３１】
前記負荷情報変換手段は、ある正の比例乗数を負荷の値にかける、あるいは正のオフセットを負荷の値に加算する、あるいは不感帯を設けるあるいはそれらの組み合わせを行って負荷の増幅を行う、請求項２記載の運動療法装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全身機能低下を矯正し、筋・骨格系統の機能を改善し、健康状態を維持・改善する目的で、リラクセーションや関節可動域訓練や筋力増強訓練や持続力増強訓練や協調性訓練や神経筋再教育やその他の訓練を行う、いわゆる運動療法を実施する装置に関する。
【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療法科で用いられる運動療法装置は、以下のようである。
１）例えば、特開昭６０−１７９０６２、特開昭６０−２３２１５８、特開昭６１−１７０４６４、特公平４−１４０２８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。
２）また、特公昭５７−４４３３７、特公平３−５４５８７では、他動運動のほか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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来技術では、１）の場合、他動運動しか実施できず、肢体の筋力発揮による、いわゆる自動運動を行わせることができない。また、２）の場合では、他動運動の他に等尺運動、等張運動、等速運動の自動運動を行わせることができるが、肢体の疾患の始まりから回復までに実施する運動療法からみると、上記従来装置によって実施できるのは運動療法のごく一部であり、最も微妙な運動療法技能が要求される部分の運動を実現することができない。例えば上記従来装置の実施できる等尺運動とは、装置の動作のない状態で筋力を発揮させるもので肢体の運動がないものである。また、上記従来装置の実施できる等張運動とは、肢体に筋力を発揮させて装置を動かすものではあるが、筋力のある程度回復した状態による抵抗運動に近いものである。また、上記従来装置の実施できる等速運動とは、肢体が筋力を発揮しながら一方装置が等速で運動し肢体もこれにつれて運動するものではあるが、装置の運動速度は肢体の発揮した筋力に無関係である。しかしながら、上記いずれの運動も、肢体の発揮した筋力の大きさにしたがってこれを介助するように運動させる、いわゆる自動介助運動には置き換えることができないものである。
【０００４】
本発明の目的は、関節・筋力の疾患と回復状態に応じ、急性期の他動運動と、等尺運動、等張運動、等速運動の各種の自動運動・自動介助運動から、慢性期の抵抗運動に至るまでの、リハビリテーションの全ての局面にわたって総合的な運動療法を実施できる運動療法装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の運動療法装置は、
患者が運動すべき軌道と範囲を教示する軌道教示手段と、
患者の肢体から装置への負荷を計測する負荷計測手段と、
負荷計測手段によって計測された負荷の値を、地面に対し垂直方向と水平方向に分離し、軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき軌道と範囲をもとに、各方向において負荷情報を増幅するフィルタと、負荷情報を位置または速度または加速度の運動指令に変換するフィルタとに通す負荷情報変換手段と、
該運動指令に沿って患者の肢体を駆動する肢体駆動手段と
を有する。
本発明の他の運動療法装置は、
患者が運動すべき軌道と範囲を教示する軌道教示手段と、
該軌道を時系列データとして記憶する第１の記憶手段と、
順序点列として該軌道を整理し記憶する第２の記憶手段と、
各点列の各点において逐次座標変換を行う座標変換手段と、
患者の肢体から装置への負荷を計測する負荷計測手段と、
該負荷を各点列の該座標に沿って計算する負荷計算手段と、
負荷計測手段によって計測された負荷の値を、地面に対し垂直方向と水平方向に分離し、軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき軌道と範囲をもとに、各方向において負荷情報を増幅するフィルタと、負荷情報を位置または速度または加速度の運動指令に変換するフィルタとに通す負荷情報変換手段と、
該運動指令の補正を行う運動指令補正手段と、
補正された該運動指令に沿って患者の肢体を駆動する肢体駆動手段と
を有する。
【０００６】
本装置により、運動療法の一部しか実施できず、特に、最も微妙な療法技能が要求される自動介助運動を実施できないという問題は生じず、関節・筋力の疾患と回復状態に応じ、急性期の他動運動と、等尺運動、等張運動、等速運動の各種の自動運動と自動介助運動から、慢性期の抵抗運動に至るまでの、リハビリテーションの全ての局面にわたって総合的な運動療法を実施できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態の運動療法装置の全体構成を示す図である。治療あるいは訓練を行う肢体の部分である肢体１０１は装置の把持部１０２によって把持される。肢体１０１の負荷は把持部１０２に取り付けられた、負荷計測部である力センサ２０３により常に計測され、負荷情報２０４を発生する。軌道教示部２０１では以下に述べるような各種の手法によって肢体１０１の運動軌道２０２を設定する。負荷情報２０４と、軌道教示部２０１が発生した運動軌道２０２と、肢体駆動部２０７から入力した各駆動軸の位置・速度・加速度のいずれかの運動情報２０８とから、負荷情報変換部２０５では運動指令２０６を発生し、肢体駆動部２０７に送る。肢体駆動部２０７は、各駆動軸の運動情報２０８と運動指令２０６とから各駆動軸１０４〜１０６へのトルク指令１１０を発生する。装置の機構は基部１０９と、駆動軸１０４〜１０６と、各駆動軸１０４と１０５、１０５と１０６をそれぞれ連結するリンク１０７，１０８と、把持部１０２とから構成される。ここで、装置の機構のうち、可動部分、すなわち駆動軸１０４〜１０６とリンク１０７、１０８をまとめて装置のアームと称する。肢体駆動部２０７から受けたトルク指令１１０にしたがって各駆動軸１０４〜１０６は駆動トルクを発生し、各駆動軸１０４〜１０６に備えられた角度センサまたは速度センサにより運動情報１１１を発生する。ここで、軌道教示部２０１としては、装置のアームを肢体１０１に取り付けた状態で該アームを直接動かすことでアームの動作を教示する、いわゆるロボット工学における直接教示によって肢体１０１の動くべき動作を設定する手法や、他に直接教示による軌道教示部２０１として、装置の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、肢体１０１の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法や、直接教示による軌道教示部２０１として、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、肢体１０１の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法や、直接教示による軌道教示部２０１として、装置のアクチュエータから該アームへの駆動力伝達を機構的に遮断することで、肢体１０１の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法がある。また、軌道教示部２０１として他に、装置のアームとは別に設けられたレバーやダイアルを調整することで、肢体１０１の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法がある。以上の方法により、肢体１０１の動くべき軌道は、図２に示すように、あたかも空間にレールがあるかのように仮想的に設定することができる。肢体１０１は装置の把持部１０２を介して仮想軌道レール３０１（３０３は仮想軌道レール３０１に対する運動中心を示す）の上を自由に動かすことができる。なお、図に示した仮想軌道レール３０１は両端に仮想的な止め部を備えて上に開いており、両端の止め部の間であれば仮想軌道レール３０１の上に自由に肢体１０１を動かすことができることを示しているが、仮想軌道レール３０２のようにレールの形を上下に閉じた形にすれば、その上下のレールの間のみ動くようにも容易に設定することができる。
【０００８】
レバーやダイアルを調整することで、肢体１０１の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法について図３により説明する。図３はレバーによって肢体１０１の動くべき軌道と動作範囲を設定する例を示したものである。本例には、装置の把持部１０２の垂直方向の可動範囲に対応する設定部４０１と、水平方向の可動範囲に対応する設定部４１１と、把持部１０２の軌道教示部２０１とからなる。垂直方向の可動範囲に対応する設定部４０１は、肢体頭部方向の端点における垂直方向の位置に対応するレバー４０５とレバー溝４０２、肢体足部方向の端点における垂直方向の位置に対応するレバー４０７とレバー溝４０４、両端点の中間位置における垂直方向の位置に対応するレバー４０６とレバー溝４０３とからなる。各レバー溝４０２〜４０４は上端が垂直方向の最高位値を、下端が最低位置を示す。各レバー４０５〜４０７を動かすことで両端点および中間点における軌道の垂直方向の位置を設定できる。各レバー４０５〜４０７からの位置情報４０８〜４１０は軌道教示部２０１に送られる。一方、水平方向の可動範囲に対応する設定部４１１は、２つのレバー４１３と４１４がレバー溝４１２を動くことができ、レバー４１３と４１４は各々頭部方向の端点と足部方向の端点の位置を示す。水平方向の両位置情報４１５は軌道教示部２０１に送られる。軌道教示部２０１は、垂直方向の位置情報４０８〜４１０と水平方向の位置情報４１５とから、軌道を２次または３次の滑らかな曲線で補間し、把持部１０２の動くべき軌道を２次元空間において設定する。設定された運動軌道２０２は負荷情報変換部２０５へ送られる。なお、レバーの代りにダイアルでも容易に実現可能である。また。３次元空間における運動軌道の設定も、さらにレバーあるいはダイアルを加えることで容易に実現可能である。以上の各手法による軌道設定により図２で示したような仮想軌道レール３０１を形成することができる。
【０００９】
次に、負荷計測部２０３の例をいくつか以下に示す。これには例えば、図１で示したような、装置が肢体１０１を支持する部分に備えた力センサ２０３を用いることで患者の肢体１０１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、図１の装置のアームの各駆動軸１０４〜１０６に備えられたトルクセンサを用いて、装置のアームの位置と姿勢情報から、患者の肢体１０１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、図１の装置のアームの各アクチュエータの電流値を用いることで患者の肢体１０１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、図１の装置のアームの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１０１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、図１の駆動される肢体１０１の主要な筋肉の筋電情報を用いて、そのときの肢体１０１の各関節の角度情報とから、患者の肢体１０１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、図１の駆動される肢体１０１の主要な筋肉のふくらみの大きさとそのときの肢体１０１の各関節の角度情報とを計測することで、患者の肢体１０１から装置への負荷の計測をすることができる。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１０１から装置への負荷をより精密に計測することができる。
【００１０】
次に、負荷情報変換部２０５の例を図４に示す。負荷情報変換部２０５は、負荷計測部２０３によって計測された負荷情報２０４を、垂直／水平方向分離部５０１において地面に対し垂直方向の負荷情報５０２と水平方向の負荷情報５０３に分離し、軌道教示部２０１からの肢体１０１の動作すべき軌道と運動軌道２０２をもとに、各方向において負荷情報５０２、５０３を増幅するフィルタ５０４と、フィルタ通過後の負荷情報５０７と５０８をもとに負荷情報２０４を位置または速度または加速度の運動指令２０６に変換するフィルタである垂直／水平方向運動指令生成部５０９とに通す。このとき、負荷情報５０２を増幅するフィルタ５０４内の垂直方向フィルタ５０５は、軌道より下に肢体１０１がある場合、肢体１０１の動作すべき軌道により下に肢体１０１が下がらないように、地面に向かう方向の負荷情報を無視するように構成する。また、垂直方向フィルタ５０５は、軌道の下に肢体１０１がある場合、肢体１０１の動作すべき軌道より下に肢体１０１が下がらないように、地面方向の距離に応じて地面とは反対方向にある負荷情報を負荷計測値に加算するように構成してもよい。また、垂直方向フィルタ５０５は、軌道より上に肢体１０１がある場合、軌道からの距離に応じて地面とは反対方向の負荷情報を負荷計測値に加算するように構成してもよい。このときの垂直方向フィルタ５０５の構成例を図５（Ａ）、（Ｂ）に示す。
【００１１】
また、負荷情報５０３を増幅するフィルタ５０４内の水平方向フィルタ５０６は、肢体１０１の動作すべき運動軌道２０２に対し、得られた負荷情報５０３にある正の比例定数をかけて負荷情報５０３の増幅を行うように構成する。また、水平方向フィルタ５０６は、肢体１０１の動作すべき運動軌道２０２に対し、得られた負荷情報５０３にある正のオフセットを加算して負荷情報５０３の増幅を行うように構成してもよい。また、水平方向フィルタ５０６は、肢体１０１の動作すべき運動軌道２０２に対し、得られた負荷情報５０３にある不感帯を設けて負荷情報５０３の増幅を行うように構成してもよい。また、水平方向フィルタ５０６は、肢体１０１の動作すべき運動軌道２０２に対し、以上述べたいくつか組み合わせて得られた負荷情報５０３の増幅を行うように構成してもよい。
【００１２】
次に、以上のように負荷情報変換部２０５を構成した場合の肢体１０１を含めた装置の動作を説明する。まず、患者が自らの意思によってその肢体１０１を動かそうと肢体の筋肉に力を入れると、その筋肉が装置への負荷情報となり負荷計測部２０３により計測される。その負荷情報２０４は垂直／水平方向分離部５０１によりそれぞれの方向の負荷情報５０２と５０３に分離されるが、ここで図２において示したような仮想軌道レール３０１により、肢体１０１はこの仮想軌道レール３０１に沿って動作することになる。まず、先に説明した垂直方向フィルタ５０５により、肢体１０１は仮想軌道レール３０１より下に進まず必ず仮想軌道レール３０１より上に位置することになる。垂直方向にはさらに肢体重力項の補償がある程度行われ、肢体１０１を仮想軌道レール３０１より持ち上げて動かすことが可能である。また、先に説明した水平方向フィルタ５０６により肢体１０１は仮想軌道レール３０１のある水平方向の範囲内を動作する。このとき、水平方向の負荷の値が増幅されるので患者がかけた筋力以上の力で肢体１０１が動作することになり、患者は少しの力を出すだけで肢体１０１を自分の意思で動かすことができる。以上のことから、肢体１０１は仮想軌道レール３０１の上を滑るように動かすことができ、さらに、このとき患者は自分の肢体１０１が非常に軽くなったかのような感触を持ちながら動かすことができ、患者の出す筋力を補助しながら肢体１０１を動かす、いわゆる自動介助運動を実施することができる。
【００１３】
なお、以上の実施形態においては、肢体駆動部２０７として電機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同様の効果が得られる。
図６は本発明の第２の実施形態の運動療法装置の全体の構成を示す図である。治療あるいは訓練を行う部分である肢体１０１は装置の把持部１０２によって把持される。装置の動作部分には駆動部１０４〜１０６があり、装置の基部１０９からリンク１０７，１０８を介して把持部１０２へ連結されている。また、動作部分には把持部１０２との間に力センサ２０３が配されている。動作部分と制御部６１０は、力センサ２０３からの負荷情報２０４、トルク指令１１０、装置の運動情報１１１とをやりとりする。制御部６１０では、軌道教示部６１１が負荷情報２０４と肢体駆動部６１２から装置の運動情報６１４を受け取り運動指令６１３を生成する。肢体駆動部６１２は運動指令６１３をもとに装置の運動情報１１１からトルク指令１１０を動作部分に送り、駆動軸１０４〜１０６を駆動する。動作部分はトルク指令１１０にしたがって動作し、把持部１０２を介して肢体１０１を運動させる。肢体１０１は装置の動作によって駆動され、あるいは該動作に抗して訓練を行う。
【００１４】
図７は、図８の制御部６１０の制御ブロックを詳細に示したものである。制御ブロックは装置の動作モードにしたがって異なる構成となる。以下、１）教示モード、２）他動運動モード、３）介助・自動・抵抗運動モードに分けて説明する。
１）教示モード
教示モードでは、スイッチ７０３を接点Ａ２に、スイッチ７０９を接点Ｂ１に設定する。装置の動作によって発生した運動７４０，７４１は各々操作者７１７と患者７１９を介して負荷７２０，７４２を発生する。負荷７２０，７４２は力センサ２０３によって計測され、負荷情報２０４となる。座標変換部７０２では、装置の現在位置・姿勢情報７２１をサーボ系７１６から得て負荷情報２０４を座標変換する。座標変換された負荷情報７２３はスイッチ７０３の接点Ａ２を介して教示用フィルタ７０５に送られ、運動指令７２９を発生する。運動指令７２９はスイッチ７０９の接点Ｂ１を介して指令７３６となり、加算器７１５に送られるが、軌道修正用フィルタ７０４からの運動指令７２４は零のままなので、そのまま運動指令７３７としてサーボ系７１６に送られる。サーボ系７１６では装置の運動（位置または速度または加速度）情報７３９を得て、駆動指令７３８を発生する。一方、教示用フィルタ７０５はまた運動指令７２５をメモリ７０６に送り、運動指令７２５の時系列データとして記憶する。これが装置の動作を教示した結果のデータとなる。
【００１５】
ここで、教示用フィルタ７０５においては、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運動情報Ｘに変換している。この式は周波数領域で表したもので、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操作者からみた装置の動特性は、パラメータ（Ｍ，Ｂ，Ｋ）からなる２次の機械的インピダンスに調整され、この動特性にしたがって操作者は装置を直接動かすことができる。教示モードでは操作者による操作をし易くするため、Ｋを零または小さい値におく。
【００１６】
また、軌道教示部６１１として、以上のように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の他に、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アームの駆動力電圧を機構的に遮断することで、アームを肢体に取り付けた状態で該アームを直接動かすことができる状態でアームの動作を教示してもよい。また、軌道教示部６１１として、運動療法に対象とする肢体の各関節間の長さと位置関係、すなわち肢体のいわゆる運動学をあらかじめ装置に入力し、肢体の動くべき動作範囲から肢体の運動指令の時系列データを生成してもよい。
２）他動運動モード
他動運動モードでは、スイッチ７０３を接点Ａ１に、スイッチ７０９を接点Ｂ２に設定する。装置の動作によって発生した運動７４１は患者７１９を介して負荷７４２を発生する。負荷７４２は力センサ２０３によって計測され、負荷情報２０４となる。座標変換部７０２では、装置の現在位置・姿勢情報７２１をサーボ系７１６から得て負荷情報２０４を座標変換する。座標変換された負荷情報７２３はスイッチ７０３のＡ１を介し軌道修正用フィルタ７０４に送られ、運動指令７２４を発生する。運動指令７２４は加算器７１５に送られる。
【００１７】
一方、教示によってメモリ７０６に記憶されていた時系列の教示データは運動指令７３０として逐次スイッチ７０９の接点Ｂ２を介して運動指令７３６として加算器７１５に送られる。運動指令７３６は運動指令７２４と加算され、新たな運動指令７３７としてサーボ系７１６に送られ、装置を駆動する。装置は患者７１９を他動的に動作させる。
なお、軌道修正用フィルタ７０４においても、教示用フィルタ７０５と同様に式（１）の構造をもつ機械的インピーダンスによって負荷情報を運動情報に変換する。この場合、ばね係数Ｋは教示モードと異なり、ばね係数に適切な大きさの正の値を用いる。
３）介助・自動・抵抗運動モード
介助・自動・抵抗運動モードでは、スイッチ７０３を接点Ａ１に、スイッチ７０９をＢ３に設定する。装置の動作によって発生した運動７４１は患者７１９を介して負荷７４２を発生する。負荷７４２は力センサ２０３によって計測され、負荷情報２０４となる。座標変換部７０２では、装置の現在位置・姿勢情報７２１をサーボ系７１６から得て負荷情報２０４を座標変換する。座標変換された負荷情報７２３はスイッチ７０３の接点Ａ１を介し軌道修正用フィルタ７０４に送られ、運動指令７２４を発生する。運動指令７２４は加算器７１５に送られる。
【００１８】
一方、座標変換部７０２では、装置の現在位置・姿勢情報７２１をサーボ系７１６から得て装置の現在位置における座標系の情報７２８を各点での座標系を計算する座標計算部７０８から得、負荷情報２０４を座標変換する。座標変換された負荷情報７３１は、負荷選択部７１１において教示軌道に沿って座標軸の負荷のみを選択し、その他の座標軸に沿った負荷は無視する。その選択された負荷情報を７３２とする。選択された負荷情報７３２は負荷増幅部７１２で増幅され、負荷情報７３３となる。負荷情報７３３はフィルタ７１３において運動指令７３５に変換され、スイッチ７０９を介して運動指令７３６として加算器７１５に送られる。加算器７１５では運動指令７３５と運動指令７２４とを加算し、新たな運動指令７３７を生成する。これが順序点列およびさらに細分化された点列によって構成された軌道の上をどのくらい動くかという目標量になる。運動指令７３７がサーボ系７１６に送られ、装置を駆動する。装置は患者７１９を動作させる。
【００１９】
このとき、座標変換部７１０による座標系の設定は以下のように行う。時系列データとして記憶した教示データ７２６を、まず、メモリ７０７において順序点列として記憶し、これから座標計算部７０８において各点での座標系を計算する。
また、順序点列として該軌道を整理し記憶するには、点列をさらに細かい点列に分割する。あるいは該軌道上の互いの距離がある値またはそれより大きくなるように点列を補間または捨象して再設定し、時系列にしたがった順序をもつ点列として記憶してもよい。後者の方法では、例えば、直列データの時系列にしたがって点の位置の順序を決定し、ある点Ａにおいて、その順序の隣の点Ｂまでの距離があらかじめ設定した値以下の場合には、点Ｂのさらに隣の点Ｃを点Ａの隣の点とし、点Ｂは点列から捨象する。各点の互いの距離が設定した値より大きくなるまで上記の作業を繰り返す。さらに、点列の各点の隣の点とを補間し、先に設定した値よりさらに小さい値になるように点列をさらに細かく設定してもよい。
【００２０】
また、座標系の適用方法においては、例えば、該点列を滑らかな軌道で補間したときに該軌道に垂直な平面を各点列で設定し、該軌道の近傍において隣り合う２つの該平面で囲まれる領域において、各点列で定めた座標系を適用する。または、該点列を通る線分に垂直な平面を各点列で設定し、その平面で囲まれる領域において、各点列で定めた座標系を適用してもよい。
なお、フィルタ７１３においても、教示用フィルタ７０５と同様に式（１）の構造をもつ機械的インピーダンスによって負荷情報を運動情報に変換する。この場合、パラメータ（Ｍ，Ｂ，Ｋ）のうちＫは零とし、他のＭ，Ｂは、介助運動の場合には小さい正の値に、自動・抵抗運動の場合には大きい正の値に設定すると目的の動作を行うことができる。パラメータの変更はパラメータ変換部７１４によって行う。また、介助運動のとき、患者の筋力が極めて小さい場合には装置の動作が不安定にならない程度にＢ，Ｋを小さい負の値に設定してもよい。これらのパラメータを小さい正の値あるいは負の値に設定することは、少しの負荷で装置が動作することを意味し、これにより介助運動が実現できる。また、大きい正の値にすれば、値が大きいほど肢体への抵抗が増し、その大きさにしたがって適切な自動運動から抵抗運動までを実現できる。
【００２１】
負荷増幅部７１２における増幅方法としては、例えば、ある正の比例乗数を負荷の値にかけることや、正のオフセットを加算すること、不感帯を設けること、あるいはそれらの組み合わせを行ってもよい。
なお、以上のいずれの動作モードにおいても、患者の肢体から装置への負荷を計測する手段として、装置が肢体を支持する部分に備えた力センサを用いることの他に、装置アームの各軸に備えたトルクセンサを用いる、あるいはアクチュエータの電流値を用いる、あるいは肢体の筋電値を用いる、あるいは駆動される肢体の筋肉のふくらみの大きさを計測する、あるいは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計測してもよい。
なお、負荷から運動に変換する上記のいずれもフィルタにおいても、説明したような単純な２次のモデルの他に、静摩擦あるいは動摩擦モデルを用いてもよいし、非線形ばねを用いてもよい。
【００２２】
なお、負荷選択部７１１と負荷増幅部７１２とフィルタ７１３は順序を入れ替えてもよい。また、負荷増幅部７１２はフィルタ７１３によって等価な機能を実現できる場合にはどちらかを省略してもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、関節・筋力の疾患と回復状態に応じた運動療法のうち、急性期の他動運動と、等尺運動、等張運動、等速運動の各種の自動運動・自動介助運動から、肢体の筋力発揮によるいわゆる自動運動と、肢体の発揮した筋力の大きさにしたがってこれを介助するように運動させるいわゆる自動介助運動の各運動療法を簡易に実施できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の運動療法装置の構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態にの軌道設定の例を示す図である。
【図３】第１の実施形態の軌道教示部２０１の例を示す図である。
【図４】第１の実施形態の負荷情報変換部２０５の例を示す図である。
【図５】第１の実施形態の負荷を増幅するフィルタ５０４のうち垂直方向フィルタ５０５の例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の運動療法装置の構成を示す図である。
【図７】第２の実施形態の制御ブロックを示す図である。
【符号の説明】
１０１    肢体
１０２    把持部
１０４〜１０６    駆動軸
１０７、１０８    リンク
１０９    基部
１１０    トルク指令
１１１    運動情報
２０１    軌道教示部
２０２    運動軌道
２０３    負荷計測部（力センサ）
２０４    負荷情報
２０５    負荷情報変換部
２０６    運動指令
２０７    肢体駆動部
２０８    運動情報
３０１    仮想軌道レール
３０２    別に設定した仮想軌道レール
３０３    仮想軌道レールに対する運動中心
４０１    垂直方向の軌道位置の設定部
４０２〜４０４    レバー溝
４０５〜４０７    レバー
４０８〜４１０    位置情報
４１１    水平方向の軌道の可動範囲の設定部
４１２    レバー溝
４１３〜４１４    レバー
４１５    位置情報
５０１    垂直／水平方向分離部
５０２    垂直方向の負荷情報
５０３    水平方向の負荷情報
５０４    負荷情報を増幅するフィルタ
５０５    垂直方向フィルタ
５０６    水平方向フィルタ
５０７    垂直方向の増幅された負荷情報
５０８    水平方向の増幅された負荷情報
５０９    垂直／水平方向運動指令生成部
６１０    制御部
６１１    軌道教示部
６１２    肢体駆動部
６１３    運動指令
６１４    運動情報
７０２    座標変換部
７０３    スイッチ
７０４    軌道修正用フィルタ
７０５    教示用フィルタ
７０６    教示データを時系列データとして記憶するメモリ
７０７    時系列の教示データを順序点列として記憶するメモリ
７０８    各点での座標系を計算する座標計算部
７０９    スイッチ
７１０    座標変換部
７１１    負荷選択部
７１２    負荷増幅部
７１３    負荷から運動指令への変換フィルタ
７１４    フィルタのパラメータ変換部
７１５    加算器
７１６    サーボ系
７１７    操作者
７１８    装置の動作
７１９    患者
７２０    操作者からの負荷
７２１    装置の現在位置・姿勢情報
７２３    座標変換された負荷情報
７２４    軌道修正フィルタによる運動指令
７２５    教示用フィルタによる運動指令
７２６    時系列の教示データ
７２７    順序点列の教示データ
７２８    座標系の情報
７２９    教示用フィルタによる運動指令
７３０    運動指令
７３１    座標変換された負荷情報
７３２    選択された負荷情報
７３３    増幅された負荷情報
７３４    パラメータ変換指令
７３５    フィルタによる運動指令
７３６    運動指令
７３７    加算された運動指令
７３８    サーボ系からの駆動指令
７３９    装置の運動情報
７４０    操作者に対する装置の運動
７４１    患者あるいは訓練者に対する装置の運動
７４２    患者あるいは訓練者からの負荷
【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】
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