研究論文

リハビリ支援ロボットの開発
酒井昌夫＊１、牧俊一＊１、山本光男＊２

Development of a Rehabilitation Robot
Masao SAKAI *1 , Syunichi MAKI *1 and Mitsuo YAMAMOTO *2
Industrial Technology Division, AITEC * 1 * 2
こ れ ま で 患 者 に 機 械 的 な 負 荷 を か け る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 機 器 の 代 表 に CPM(Continuous PassiveMove)装 置 が 存 在 し た 。 し か し 、 こ れ ら の 機 器 は 簡 易 な 位 置 制 御 に よ る も の が 多 く 、 患 者 に 対 す る き め 細かな力の調整を行う方式は無かった。そのため、リハビリテーションを行う上で、理学療法士の負担と人手不足を軽減する方法として、より効果的な装置への発展が望まれている。この問題に対してロボット技術の導入による機能の高度化を目的とした開発を実施し、本年度は主に試作ロボットの機体制御ソフトウェアの開発と所内での試運転を実施した。

１．はじめにの実現を目標とした。

従来のロボット研究は、製造業向けの産業用ロボットに主眼が置かれてきたが、ロボットの要素技術であるセンサ、コンピュータ、制御技術等の発展に伴い、医療・福祉、生活全般等の非製造業分野への展開が期待される① 理学療法士がリハビリ運動中の軌道と負荷を直接教示する機能② 教示された軌道を再現するための複数のアクチュエータによる協調動作ようになってきた。本研究では、福祉分野へのロボット③ 患者の状況をモニタしながら軌道と負荷の調節の普及を目指し、リハビリテーション(以下リハビリとい2.2 ロボットの機構う)の支援を行うロボットの研究を行った。

図１に本試作機の全体図を、図２に患者が装着した場

本研究に関して、リハビリの専門家であり従来型リハビリ機器のユーザでもある理学療法の専門家から次のよ合の拡大図、図３にこの機構の簡略図を示す。
試作機は、パラレルリンク機構により 2 本のリニアアうな要望があった。

クチュエータ(以下アクチュエータ)の出力を患者の腕に①理学療法の動作は単純な曲げ伸ばしだけではないため、固定した装具(図２、３中のエンドエフェクタの位置)へ患者に合わせた動きを理学療法士が実際に行い、それを伝達することでリハビリを行う 1)。ただし、教示を行うロボットがリピートするシステム (ティーチング＆プレ

ときには装具とパラレルリンクを分離する。これは教示イバック機能)。

を行う際に、アクチュエータによる抵抗が患者に作用す②リハビリ実施中に人体の柔軟性が改善されることによる負荷以外の力として、6 軸力覚センサに悪影響を及ぼり、患者への負荷が低下することが効率低下の原因であすことを防ぐためである。そのため図３に示すように、るため、安全な範囲で負荷の追加調整を行うシステム。

装具側はフレームに固定されたベースから、肘の屈伸、これを受け、筆者らは昨年度肘の曲げ伸ばし(屈伸)と旋回の順に関節が直列につながり、手先をエンドエフェ捻り(旋回)の動作をターゲットとしたパラレルリンク構クタとした 2 自由度のシリアルリンク構造となる。患者造の 2 自由度機構を有するリハビリ支援ロボットの機体の動きはこの 2 関節に組み込まれたロータリーエンコーを試作した

1)。本年度は機体の更なる改善とともにソフトウェアの開発を実施した。

ダの変位、負荷は 6 軸力覚センサの出力信号として計測する。一方、リハビリ時の装具の駆動はパラレルリンク機構により行われる。つまり、教示で得られる運動軌道

２．試作ロボットについてはシリアルリンク機構での空間座標系で表現され、アク2.1 ロボット試作機と目標とする機能チュエータにより再現される運動軌道はパラレルリンク

本研究では前項で述べた 2 つの要求項目を実現するたによる空間座標系で表現される。このため、教示で得らめ、既存のリハビリ機器が有していない次の 3 つの機能れた装具の運動軌道をアクチュエータの運動軌道に効率＊

1 工業技術部

機械電子室（現基盤技術部）＊

2 工業技術部

機械電子室

よく変換する手法の検討が必要である。本研究では後述

ャートを示す。このソフトウェアは 3 つの機能を有し、するマッピングによる軌道算出を利用した。

この機能を①〜③の順に操作することでリハビリを行う。
はじめに、図４①の機器調整機能は、ロボットの電源投入時に実施するもので、アクチュエータおよび装具に内蔵されている各センサの機能チェックと初期化を行う。
もう一つ重要な機能として、ロボットが軌道を計算するリンク際に利用するマッピングを行う。このマッピング機能については後述する。
次に、図４②の軌道教示機能は、理学療法士による患者に適したリハビリ動作の軌道をロボットに教示する機能である。この教示機能により得られた情報を元にリハビリ動作を再現するが、一度教示した軌道はハードディアクチュエータスク等に保存できるため、後日再利用して同じ内容のリハビリを行うことが可能である。

図１

試作機全体図

最後に、図４③のリハビリ機能は、教示で与えられた軌道をもとにリハビリを行うためのものであり、機体内に設置された各センサから得られる情報を参照して制御を行う。また、リハビリ中にロボットに与えられる指令
エンド
エフェクタ

値と動作結果の情報は、運転中の安全確保と動作検証のため全て監視し、保存する。

リンク

Start
各デバイスオープン＆初期化

関節 & エンコーダ

➂屈伸軸
図２

機能選択メニュー

装具拡大図

駆動系確認

エンドエフェクタ
装具
シリアルリンク構造
関節 & エンコーダ
旋回軸
屈伸軸

軌道教示

軌道演算

センサ系確認

軌道データ
チェック
保存マップ作製

リンク

図３

➀

軌道読込み終了?

➁Ｙｅｓ

リハビリ
運動

Ｎｏ

パラレルリンク
構造

各デバイスクローズ

アクチュエータ

End

機能➀:機器調整➁:軌道教示➂：リハビリ

機構概略図
図４2.3 制御ソフトウェア
2.3.1 制御ソフトウェアの概要
図４にロボットを制御するソフトウェアのフローチ

ロボット制御ソフトフローチャート

2.3.2 マッピング機能
ロボットに柔軟さを与える力制御が一般にあまり利用されない理由として、運転中常に外力の影響によって変化する軌道を再計算する必要があることが挙げられる。

2.3.3 教示機能

図５は、力制御の一例としての位置ベース力制御のブロ

患者の腕の軌跡は、肘の屈伸と旋回動作に分解されそック線図である。試作機にも同様のものを採用して評価

れぞれの角度検出用エンコーダから、患者への負荷は 6中である。位置ベース力制御は、基本的なフィードバッ

軸力覚センサから、同時に一定周期で取り込む機能を有ク制御に図５の破線で囲まれた軌道再計算部分を追加しする。このとき、エンコーダの出力は位置情報であるかたもので、運転中に外力 Fext と、ブロック線図中の Gf

ら、情報を取得する周期を正確に一定にしないと、位置・から指令値の補正量を、JT からモータの発生すべき外力速度情報が正確ではなくなる。そこで制御用パソコンの。通常の計算処理法では、制御OS に国産で無料のリアルタイム ART-LINUX を導入し、コンピュータへの負荷が増大しロボットの制御性能低下

10msec 周期で位置・力情報を取得するソフトウェアをにつながるため、軌道再計算を簡略化する手法が必要で作製した。1 回の軌道データとして、メモリ上に 3 分間ある。本試作機は、2.2 節で述べたように教示時はシリ分の腕の位置(2 軸分)・負荷(6 軸分)の情報と計測した時

アルリンク機構、リハビリ運動時はパラレルリンク機構

刻歴を保持し、数値に異常がないか判断した後にハードと変則的な機構を採用していることと、2 自由度と軸数ディスクに保存する。

が少ないことから、産業用ロボットなどで多用されてい2.3.4 リハビリ運動制御機能

補償トルクを計算する

2)

るヤコビアンを利用した方法ではなく、マッピング手法

本機能により、教示機能により得られた教示データを採用した。これは、装具の位置は 2 本のアクチュエー(腕の位置、負荷情報)は、マッピング作業で取得したマタの位置と対応していることを利用して、事前に装具のップを利用して、アクチュエータの位置情報に変換した

可動領域について位置関係を計測し、マップとして制御後、アクチュエータに対する移動指令値として 10msec用コンピュータのメモリに保有するものである。そして、周期で与えられる。教示データが機体の可動領域を超え

リハビリ運動時にはこのマップから装具の目標位置に対た値を指示した場合の軌道修正は、この段階で行う。ま応したアクチュエータの目標位置を呼び出して指令値とた、本試作機では、これまでのリハビリ支援機器で利用するものである。本試作機の装具のエンコーダはされているオープンループ制御の他に、軌道の精度を向2048ppr の分解能を有し、その 4 逓倍で利用している。

上させるための位置・速度フィードバック制御と力制御

しかし、屈伸軸の可動角度 0°(水平)〜90°(垂直)をによる負荷調整機能を選択利用できるようにした。

2048 分割、旋回軸の可動角度 0°〜±30°を 1365 分割
したマップを作製することは、作業時間とマップに占有されるメモリ容量の制約があり現実的ではないため、屈３．機体改良点と試運転結果について
3.1 機体改良点

伸軸を 128 に等分割、旋回軸を 84 に等分割し、この位昨年度試作した機体はパラレルリンク機構の動作検証

置に対応したアクチュエータの座標をマップ化して保存のため、アクチュエータの出力に対して十分な強度の確することとした。さらにマップ化から漏れた装具の位置保を最優先した設計とし、図６左に示すように多数のアについては、マップで既知である近接した座標から直線ルミフレームによる箱型形状とした。しかし、本年度は補間で求めることで計算を簡略化した。また、このソフトウェアではマッピング作業を自動化し無人運転で行う。

図５

位置ベース力制御の例
図６

試作機（左：昨年度 右：本年度）

理学療法士と患者の距離を近づけて正確な動作の教示、500

患者への機械による心理的圧迫の軽減、機体の軽量化等

400を実現するため、アクチュエータと装具部を支持するフレームの部品点数を削減し、重量(アクチュエータ・装具を除く)も 23.2kg から 16.3kg と約 30%軽量化した。また、

200

誤差(1000=3mm)

レームの構造を図６右のように改良した。この結果、フstroke1 act1̲error
stroke1 act2̲error

300

10000500

1000

1500

2000

2500

3000-100

患者側・理学療法士側双方から機体に近づき易くしたこ-200とで患者と理学療法士の距離を縮め、操作性の改善を実-300-400現した。

-500

3.2 試運転時間(×10msec)

図７の軌道データで運転した結果を図８、９に示す。

図９

位置誤差(フィードバック制御時)

図８、９は無負荷(患者が装着しない状態)でのオープンループとフィードバック制御について、それぞれ指令値４．結びと実際の軌道の差分を取り、運動の精度を比較した結果

本年度はリハビリロボットのソフトウェア開発を中心である。オープンループ制御ではアクチュエータが指令値に対し最大 3.0ｍｍ程度の誤差を発生しているが、位置・速度フィードバック制御により軌道に対する誤差を0.15mm 程度に改善した。

(1)リハビリ支援ロボットのソフトウェアを開発、フィードバック制御において精度の高いリハビリ動作の再現を可能にした。
(2)ロボットの機体構造の見直しを進めることで機体の100軽量化と操作性の改善を実施した。

屈伸軸角度
旋回軸角度

80

今後は負荷を調整するための力制御手法の検討および、60角度(deg)に研究を実施した。その結果は次のとおりである。

病院等で理学療法士の方の協力を得て実際にテストを行40なう予定である。これによりソフトウェアにおける制御

20手法、機体の操作性・安全性の向上などへのフィードバックを行う予定である。

00500

1000

1500

2000

2500

3000

-20

文献-401）酒井ほか：愛知県産業技術研究所研究報告，5，90

時間(×10msec)

図７(2006)

試験用リハビリ軌道2）小林尚登ほか：ロボット制御の実際，P118 (2003),

1000

コロナ社
パルス数(1000=3mm)

500

00500

1000

1500

2000

2500

-500

-1000

1stroke act1̲error
1stroke act2̲error-1500

時間(×10msec)

図８

位置誤差(オープンループ制御時)

3000