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 昌 治 ＊ 2、 石 川 和 昌 ＊ 3、 浅 井徹 ＊ 4、 山 本 光 男 ＊ 3

Development of a Rehabilitation Robot
Masao SAKAI ＊ 1 , Syunichi MAKI ＊ 1 , Masaharu YAMAMOTO ＊ 2
Kazumasa ISHIKAWA ＊ 3 , Toru ASAI ＊ 4 and Mitsuo YAMAMOTO ＊ 3
Research and Development Division, AITEC * 1 * 2

Industrial Technology Division, AITEC * 3 * 4

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 Passive Motion)装 置がある。しかし、この装置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機能をもたない。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り、使いやすさと高い自由度、柔軟なリハビリテーションを実現する装置の開発を目指し、本年度はその要素技術である多自由度を有する教示機構を開発し、これを多自由度ロボットへ搭載した。

１．はじめに

これらの機能の実現のためのリハビリ支援ロボット

本研究では、リハビリテーション(以下リハビリといのイメージを図１に示す。これまで 2 自由度のロボット

う)の支援を行うロボットの研究を行う上で次のようなを用いて研究してきたが １）、ここではより高い自由度と要望に応えることを目標とした。

柔軟性を実現するために 6 自由度のロボットを用いた。

(1) 理学療法士が普段行っている、患者に合わせた複雑このロボットの作業手順として、な動きをロボットで再現する。そのため理学療法士(1) 教示作業として、まず患者はロボットとの接続を前が行う動作をそのまま教示し、それをロボットがリ提とした装具を装着する。この装具にはリハビリ中ピートするシステム (ティーチング＆プレイバックの患者に働く負荷を計測するための 6 軸力覚センサ機能)。

が内蔵されている。この装具とロボットの間は装具(2) リハビリ実施中に人体の柔軟性が改善されることにとロボット手先の相対的な位置を計測するための位より、患者への負荷が低下することがリハビリの効置計測機構で接続する。今回開発した位置計測機構

率を低下させるため、安全な範囲で負荷の追加調整は完全な固定と、リンクによる柔軟な接続の 2 方法を行うシステム。

を選択可能とし、教示時には柔軟な接続とする。

本研究では(1)を優先して開発を進め、人に対して実際に教示機構ロボットが働きかける(2)については安全を確保しつつ理学療法最適な手法を求めるための基礎研究が必要なことから、今後の検討課題とした。

２．試作ロボットの教示機構
2.1 目標とするロボットの機能
本研究では肘を対象とし、理学療法士の動作を再現するために次の機能の実現を目指した。

患者ロボット(1) 理学療法士がリハビリ動作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機能。
(3) 患者の状況をモニタし、軌道と負荷を調節する機能。
＊＊

1 基盤技術部
4 工業技術部

2 基盤技術部(現尾張繊維技術センター機械電子室＊

図１開発技術室)

リハビリ支援ロボットのイメージ

3 工業技術部＊

機械電子室(現基盤技術部)

この状態で理学療法士が通常のリハビリ動作を行う

表１

ことにより位置計測機構による位置情報と力センサによる負荷情報を取得する。

機械式位置検出機構の仕様

可動領域（仕様値）
X、Y、Z 方向（mm）(2) 教示終了後、ロボットと患者の間を固定し、得られた情報を基にロボットがリハビリを行う。

２００

X、Y、Z 方向旋回（deg）±４５

ワイヤー分解能（mm）

約０.０５

2.2 ロボットの教示に用いる位置計測機構
今回開発した教示機構は、6 自由度のロボットに軌道を教示することを目的としているので、教示機構も６自由度を実現する必要がある。なお、当所では教示機構として、パラレルリンク機構による機械式教示機構とカメラによる光学式教示機構の研究を実施しているが、本報告では機械式教示機構のみを取り上げる。
プレート固定今回開発した機械式教示機構を図２に示す。ロボットに固定するロボット側プレートと、装具に固定する患者予定位置

側プレート、その間を 6 本のワイヤーが独立して接続し図３ 患者用装具ている構造のため、パラレルリンクと呼ばれる。本機構
は、ロボット側プレートに 6 個のロータリーエンコーダ2.3 パラレルリンク式計測機構による位置と速度の計測を配置し、それぞれのエンコーダにプーリーを取り付け、教示機構の制御はパソコンで行った。患者用装具に固プーリーからワイヤーを介して患者側プレートに接続し定されたプレートの運動は、ワイヤーを介してロボットている。図３に、患者側プレートを固定する装具の写真

側プレートに固定された 6 個のロータリーエンコーダのを示す。この装具は 6 軸力覚センサを内蔵し、患者の負回転パルスとして検出しロボット側プレートの位置情報荷を取得する。患者側プレートの移動に伴い伸縮する構に変換する。

造とし、ロータリーエンコーダで伸縮量をカウントし、本機構の制御システムは、ロボットの運動用データと伸縮量と移動および姿勢変化量の関係を逆ヤコビアンのして速度情報も算出する必要があり、一定周期での計測行列を利用し 2）、ニュートンラプソン法による計算を繰（リアルタイム性を確保）が必要となる。そのため、制り返して位置を算出した。また、患者への負荷は 6 軸力

御用 OS としてリアルタイム OS である RT-Linux を採覚センサを患者側プレートに固定し、位置情報に同期し用した。その計測周期は、計測機構単体で利用する場合て計測した。本機構の設計上の可動領域を表１に示す。

は 5msec、後述する計測機構とロボットを一体化した場

本装置は、ワイヤーが干渉すると計測できないため、単合は 10msec とした。

独では計測領域が大きくとれない。これを補うためロボ

2.4 機械式位置計測機構のロボットへの搭載

ットの手先に搭載して、位置検出機構に追従してロボッ試作した機械式位置計測機構は前述したように、位置トを動かし、ロボットの手先の位置情報と合計すること計測機構単体での可動領域は人の肘関節の可動領域よりで計測領域の拡大を目指した。

狭い。そのため、ロボットの手先に搭載し、患者の体格・体型などの要因に応じて最適な位置に位置計測機構を移患者側プレート

ロボット側プレート

ワイヤー動させて対応する必要がある。今回は小型ロボット（安川電機製 RT-Lab）を利用し、その手先に開発した位置計測機構を接続した。図４に実機の写真を示す。さらに、患者への負荷情報を収集するために、患者側プレートに6 軸力覚センサを搭載した状態を図５に示す。
次に、このロボットと位置検出機構を組み合わせて制御するソフトウェアの全体構成を図６に示す。本システ
ムは、前記した通りリアルタイム性の確保が必要である
ため、OS を RT-Linux とした。RT-Linux 上でロボット

ロータリーエンコーダ
図２

プーリーと操作する者の間のインターフェースは通常の Linux ソ機械(パラレルリンク)式位置検出機構

フトウェアと同様であるが、リアルタイム性を必要とするモーターの制御(0.5msec 周期)、軌道（移動先）の決定(10msec 周期)、位置計測機構による(パラリンク)計
位置検出機構測(100msec 周期)の 3 つは図６中のリアルタイム制御部として同時に作動し、相互に情報交換するプロセスとなっている。その手順は、パラリンク計測の結果から患者の位置情報を取得、その結果をロボットの軌道決定に反映、更に指示された目的位置に到着するまでモーター制御を行うようにした。2.3 項で述べた機能は、全て図６中のパラリンク計測に組み込まれている。
また、通常、RT-Linux による制御システムでは、FIFOロボット本体（First In First Out）方式によるデータの送受信が行われている。しかしこの方式は FIFO にデータを書き込む

図４

機械式位置計測機構を搭載したロボット側と、読み出す側のタイミングのずれにより、メモリーがオーバーフローする可能性があるので、本ロボットのように、患者の位置と負荷情報を正確な周期と順序を維位置検出機構持しながら大量に送る場合には好ましくない。そのため、計測結果とリハビリ運転のデータは mbuff メモリ方式を利用し、予め確保した共有メモリに全情報を一時保存・一括転送することで運転中のデータの信頼性を確保した。

３．試運転結果
3.1 教示機構による計測結果
6 軸力覚センサ

位置計測機構をロボットに組み込むにあたり、機構単体での位置計測を実施した。テスト方法は患者側プレートをフライス盤のスピンドルに固定し、テーブルにロボット側プレートを固定する。このテーブルを X、Y、Z

図５

６軸力覚センサを追加した位置検出機構

図６の 3 方向に 0〜40mm の範囲で独立に移動させ、この過機械式位置計測機構とロボットの制御システム

程を位置計測機構で計測し、患者側プレートとロボットる。これらの課題については今後改良を行う。

側プレートの間の移動量と、フライス盤のテーブルに与3.2 教示機構を搭載したロボットの動作評価えた移動量とを比較した。得られた軌道を図７に、結果

位置計測機構、6 軸力覚センサ、ロボットを一体化し、の一部を表２に示す。

図６に示した制御ソフトウェアを用いて作動させた様子を図８に示す。一般的に産業用ロボットに指示した軌道が正しく実現できたかの検証は難しく、ロボットと位置検出機構を一体化した本装置の精度も現時点では未評価である。これについては前記の位置検出機構で行った精度評価と同様に試験を実施し、精度評価を行う予定である。

図７

位置計測機構による位置計測結果
表２

位置、角度誤差測定結果

移動量(mm)開発機

フライス

39.75740.17539.873交差角(deg)
誤差

誤差

図８

教示機構・ロボット一体化後の動作試験

開発機

フライス

0.417890.347900.347

パラレルリンク構造を有する機械式位置計測機構と６

40.46

0.587

89.989900.011

軸力覚センサを利用し、リハビリ時の軌道と負荷を計測

39.63740.12

0.483589.96189.9930.032

20.112

20.39

0.278

89.86989.9930.124

19.71320.03

0.316889.13189.971

0.841

19.82

20.08

0.260489.87190.0140.143(mm)(deg)４．結びする教示機構を開発し、基本的な位置精度の評価を行った。今後はこのシステムの機能を拡張し、人間の肘の可動領域全体をカバーする手法と、これを利用して理学療法士の自由なリハビリ動作をロボットで再現するシステムの開発を実施する。

文献
今回の計測結果では、位置決め誤差は最大で 0.6mm程度、直交した軌道を与えた場合、最大で 0.8 度程度の角度誤差を生じた。この誤差要因として、ワイヤーのガイド穴の遊びや、一つのガイド穴から 2 本ワイヤーを出していることによるワイヤーの相互干渉などが考えられ

1）酒井,牧，山本：愛知県産業技術研究所研究報告，5，90 (2006)
2）LUNG WEN TSAI：ROBOT ANALYSIS，P223 (1999)，JOHN
WILEY & SONS inc