(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
治療対象の膝関節を受動的に連続して動かして関節部の修復を促す治療に使用される連続他動運動装置において、下腿部を支持し力を加える多自由度の運動機構部を、基底部100 と、前記基底部100 の両端部に駆動力をもって駆動される相互に同一長の２本の第１のリンク201,202 と、前記第１のリンク201,202 から、一本は駆動力をもって、他方はフリージョイントで連結された相互に同一長の２本の第２のリンク203,204 と、前記２本の第２のリンク203,204 をフリージョイントで連結した第３のリンク205 とから構成される並進２自由度と回転１自由度の垂直平面内に３自由度を持つパラレルメカニズムによって構成するとともに、下腿部の支持部を前記第３のリンク上に設けたことを特徴とする連続他動運動装置。
【請求項２】
前記運動機構部と下腿部との間に作用する並進２方向および回転１方向の力を計測する力センサを下腿部を把持する機構部分に配置し、その力をフィードバックすることで力制御およびコンプライアンス制御を装置の動作中に常におこなうことを特徴とした請求項１記載の連続他動運動装置。
【請求項３】
下腿部を把持した機構にコンプライアンス制御を実行し、力を加えればその力の方向に沿って前記運動機構部が自由にならい動作を行えることを利用して、脚を直接動かすことで大腿部および下腿部の連続他動運動の治療動作を直接教示し、教示したデータを記憶し、力制御およびコンプライアンス制御をおこないながら、記憶した教示データにしたがって治療動作を繰り返し再現実行することを特徴とした請求項１または２記載の連続他動運動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、手術前後あるいはリハビリテーションをおこなうときに関節部の拘縮を防止あるいは緩和するための装置において、大腿部および下腿部の自由な運動を可能とし、関節に負荷のかからない柔軟な制御を実現でき、しかも機構がコンパクトで持ち運びに便利で、直接教示によって治療動作を繰り返し再現実行できる、膝関節用の連続他動運動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
連続他動運動とは、受傷直後あるいは手術直後から治療対象の関節を長時間受動的に連続して動かして関節部の修復を促す治療法で、関節の回復期間を著しく短縮する効果がある。人体の関節部が損傷あるいは手術を受けた場合、従来の治療法ではギブス等により固定していた。その結果、関節の動きが悪くなる拘縮という症状を引き起こし、その後のリハビリテーションを長期間必要としていた。しかし、その治療に代る新しい治療法として連続他動運動法が１９８０年カナダのサルター教授により提唱され、その治療法を実施する装置の発明と共に、その効果が次第に明かになってきている（Salter,R.B.: The biological effect of continuous passive motion on the healing of full-thickness defects in articular cartilage., J. Bone Joint Surg., 62-A,  pp.1232-1251, 1980. ）。
従来の連続他動運動装置は、図４に示すようになっている。図４は特表平 4−506610の「人体の下腿部に連続受動運動を付与する装置」である。同装置は座姿勢または仰臥姿勢で脚を前後にスライドさせて動かし、膝関節の開閉運動を誘起するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが図４に示した従来装置では、機構が１自由度のスライド機構と簡単なためコンパクトで持ち運びが容易であるが、大腿部と下腿部が常に膝より下に位置するため鬱血を引き起こすおそれがあった。また、この装置では脚の屈伸方向にスライドする１自由度の機構によって膝の１自由度の開閉を起こさせる方式であるため、大腿部と下腿部からの負荷が常に膝関節に加わることになり、膝に無理な負荷がかかるという問題点があった。
そこで、本発明は、手術前後あるいはリハビリテーションをおこなうときに関節部の拘縮を防止あるいは緩和するための装置において、大腿部および下腿部の自由な運動を可能とし、関節に負荷のかからない柔軟な制御を実現でき、しかも機構がコンパクトで持ち運びに便利で、直接教示によって治療動作を繰り返し再現実行できる、連続他動運動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、治療対象の膝関節を受動的に連続して動かして関節部の修復を促す治療に使用される連続他動運動装置において、
下腿部を支持し力を加える多自由度の運動機構部を、
基底部100 と、
前記基底部100 の両端部に駆動力をもって駆動される相互に同一長の２本の第１のリンク201,202 と、
前記第１のリンク201,202 から、一本は駆動力をもって、他方はフリージョイントで連結された相互に同一長の２本の第２のリンク203,204 と、
前記２本の第２のリンク203,204 をフリージョイントで連結する第３のリンク205 から構成される並進２自由度と回転１自由度の垂直平面内に３自由度を持つパラレルメカニズムによって構成するとともに、
下腿部の支持部を前記第３のリンク上に設けたことを特徴とするものである。
【０００５】
【作用】
パラレルメカニズムとは並列機構とも呼ばれるもので、いわゆる平行リンクとは異なり、装置の自由度を大きく取ることができ、かつ、駆動装置を基底部分に配置できるため装置を軽量化することができ、かつ、リンク剛性を高くすることができる、という特徴をもった機構構成方法である。また、本発明では、さらに、機構部と脚との間に作用する力を計測する力センサを下腿部を把持する機構部分に配置し、その力をフィードバックすることで力制御およびコンプライアンス制御をおこなう。また、脚を把持した機構にコンプライアンス制御を実行し、力を加えればその力の方向に沿って機構部が自由にならい動作をおこなえることを利用して、脚を直接動かすことで大腿部および下腿部の連続他動運動の治療動作を直接教示し、教示したデータを記憶し、記憶した教示データにしたがって治療動作を繰り返し再現実行できるようにするものである。
上記の手段により、脚全体を身体の上方に位置するように支持したうえで膝の開閉運動を行なうことができるため、脚全体が胴体より常に上に位置するため脚に鬱血を引き起こすおそれがない。また、パラレルメカニズムによって３自由度機構を装置が持つため、脚の自由な運動が保証され膝に無理な負荷がかかるおそれがない。さらに、機構部と脚との間に配置した力センサで計測した力をフィードバックすることで力制御およびコンプライアンス制御をおこなうので、脚に無理な力をかけることがない。また、コンプライアンス制御を利用して、脚を直接動かすことで大腿部および下腿部の連続他動運動の治療動作を直接教示することができるので、教示データにしたがって治療動作を繰り返し再現実行することができる。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の連続他動運動装置を示す図である。
図において、１００は装置の基底部、１０１は第１の駆動軸、１０２は第２の駆動軸、１０４は第３の駆動軸、１０３、１０５、１０６はフリージョイントを表す。また、２０１、２０２、２０３、２０４、２０５は装置の軸を接続するリンクである。２０６は駆動軸１０４を基底部のモータで駆動するためのベルトドライブ機構である。３０１はリンク２０５に固定された力センサで装置と脚との間に生じる力を計測する。力センサの上部に固定された３０２は脚を装置に固定するためのスプリントである。下腿部４０１はスプリント３０２によって装置に固定される。装置の動作によって下腿部４０１と大腿部４０３は関節４０４と４０２を中心に駆動される。
【０００７】
図２は本発明の連続他動運動装置の側面図である。
図において、５００は装置の基底部、５０１は第２の駆動軸用モータ、５０２は第３の駆動軸用モータをしめす。第３の駆動軸用モータはベルトドライブ機構５０９を介して第３の駆動軸５０６を駆動する。５０３は第２の駆動軸、５０４はモータ５０２とベルトドライブ機構５０９を接続する軸、５０５、５０７、５０８はフリージョイントを表す。また、６０１、６０２、６０３、６０４、６０５、６０６は装置の軸を接続するリンクである。７０１はリンク６０５に固定された力センサで装置と脚との間に生じる力を計測する。力センサの上部に固定された７０２は脚を装置に固定するためのスプリントである。下腿部８０１はスプリント７０２によって装置に固定される。
以上のような機構により、下腿部を常に上げた状態で膝の屈伸運動を行なうことができ、また、並進２自由度回転１自由度の垂直平面内３自由度をもつため脚の自由な運動を保証することができる。また、３個のモータは全て装置の基底部に配置することができるので、リンクへの荷重が小さくなるためリンク剛性を低くでき、また、装置全体の重心を低くできるので、持ち運び可能なまでに全体の構成をコンパクトにすることができる。
【０００８】
図３は本発明の連続他動運動装置の動作を示す図である。
図において、１１１、１１２、１１３はそれぞれ第１の駆動軸、第２の駆動軸、第３の駆動軸を示す。力センサ２１１は、膝の伸展および収縮方向の平面内３自由度における、脚と装置との間に発生した、並進の２方向、回転の１方向の３軸の力を計測する。計測した力の情報２１２は、コントローラ３１０の力センサアンプ３１１に送り、３軸の力の値３１２に変換してインピーダンス制御器３１３に送られる。インピーダンス制御器３１３では、目標インピーダンス（目標慣性行列Ｍ、目標粘性行列Ｂ、目標剛性行列Ｋ）にしたがって、３１２の示す力の値のベクトルＦに対し、
Ｆ＝Ｍα＋ＢＶ＋Ｋ（ＸーＸｏ）…（１）
を実現するように位置ベクトルの指令値Ｘを発生し、これを関節座標系での値である関節角度指令ベクトルθに座標変換した後、サーボアンプ３１５に送る。サーボアンプ３１５はこれを受けて各駆動軸に発生すべきトルク３１６を計算して各軸の関節の値を制御する。ここで、Ｘｏは目標剛性におけるばねの平衡点で、装置を駆動する目標軌道、ＶはＸの一次微分、αはＸの二次微分を表す。また、（１）式を実現するような方法としては例えば文献（平林ほか：多自由度ロボットの仮想コンプライアンス制御、計測自動制御学会論文集、Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．３，１９８６）などがある。
【０００９】
次に、装置の動作の教示および実行の手順について説明する。
装置の動作の教示には脚を装置に固定するスプリント３０２あるいは脚４１１を手で持って直接動かして教示する。膝の伸展および収縮の運動を連続的に行なうような動作を教示するため、脚４１１を動かす方向に力をかけると、その力は装置と脚との間に発生する力として力センサ２１１に検出される。先に説明した手順に従って、力情報は関節の角度指令値θに変換される。このとき装置は動かそうとする方向に設定した目標インピーダンスの特性を示しながら動く。また、関節角度指令値θはコントローラ３１０メモリ３１７に時系列データとして記録されるので、教示された動作は、装置の駆動軸の関節角度の値として記録されることになる。以上のようにして動作の教示を行なうことができる。次に、動作を実行するときは、記録した教示データである時系列データを順次メモリ３１７から払出し、これを目標軌道として装置を駆動する。さらに装置の動作実行中に脚と装置との間に力が発生すれば、先に説明した手順によって、教示データをばねの平衡点として、力にたいして目標インピーダンスに従うような位置偏差を発生して脚の動作にならうような軌道を描きながら、装置が動作を実行することになる。以上、装置の機構、動作について説明した。
【００１０】
このように、上記で説明したような機構により、脚全体を身体の上方に位置するように支持したうえで膝の開閉運動を行なうことができるため、脚全体が胴体より常に上に位置するため脚に鬱血を引き起こすおそれがない。また、パラレルメカニズムによって３自由度機構を装置が持つため、脚の自由な運動が保証され膝に無理な負荷がかかるおそれがない。さらに、基底部にアクチュエータを持つパラレルメカニズムのため、直接にリンクを配置する図３の方式に比べ、リンク剛性を格段に小さくしても問題がなく、機構がコンパクトになるため、装置が大がかりになるという問題点が解消される。さらに、機構部と脚との間に配置した力センサで計測した力をフィードバックすることで力制御およびコンプライアンス制御をおこなうので、脚に無理な力をかけることがない。また、コンプライアンス制御を利用して、脚を直接動かすことで大腿部および下腿部の連続他動運動の治療動作を直接教示することができるので、教示データにしたがって治療動作を繰り返し再現実行することができる。
【００１１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、大腿部および下腿部の位置および姿勢を自在に制御可能な多自由度の運動機構を、装置の基底部分に配置された３個のアクチュエータによって駆動され、アクチュエータに直結した軸とリンクおよびアクチュエータに直結したベルトドライブ機構またはシャフトドライブ機構によって駆動される軸とリンクによって動作し、下腿部を把持および支持し力を加える、並進２自由度回転１自由度の垂直平面内３自由度を持つパラレルメカニズムによって構成するので、脚全体を身体の上方に位置するように支持したうえで膝の開閉運動を行なうことができるため、脚全体が胴体より常に上に位置するため脚に鬱血を引き起こすおそれがない。また、パラレルメカニズムによって３自由度機構を装置が持つため、脚の自由な運動が保証され膝に無理な負荷がかかるおそれがない。さらに、基底部にアクチュエータを持つパラレルメカニズムのため、直接にリンクを配置する図３の方式に比べ、リンク剛性を格段に小さくしても問題がなく、機構がコンパクトになる効果がある。
また、機構部と脚との間に作用する力を計測する力センサを下腿部を把持する機構部分に配置し、その力をフィードバックすることで力制御およびコンプライアンス制御をおこなうので、脚に無理な力をかけることがないという効果がある。
また、コンプライアンス制御を利用して、脚を直接動かすことで大腿部および下腿部の連続他動運動の治療動作を直接教示することができるので、教示データにしたがって治療動作を繰り返し再現実行することができるという効果がある。なお、本発明の装置は、同様な機構と制御系の構成で、リハビリテーションおよび運動訓練装置としても使用することができる。
【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】本発明の実施例の側面を示す図である。
【図３】本発明の実施例の動作を示す図である。
【図４】従来の装置の機構を示す図である。
【符号の説明】
１００…装置の基底部
１０１…第１の駆動軸
１０２…第２の駆動軸
１０４…第３の駆動軸
１０３、１０５、１０６…フリージョイント
２０１、２０２、２０３、２０４、２０５…装置の軸を接続するリンク
２０６…ベルトドライブ機構
３０１…力センサ
３０２…スプリント
４０１…下腿部
４０３…大腿部
【図１】
0003797437.tif 000002
【図２】
0003797437.tif 000003
【図３】
0003797437.tif 000004
【図４】
0003797437.tif 000005