計測自動制御学会東北支部第 244 回研究集会(2008.7.2)
資料番号 244-12

空気圧シリンダを用いた上肢リハビリテーション支援装置の開発
Development of an Upper Limb Rehabilitation Support Device Using a
Pneumatic Cylinder○桐原 浩一，嵯峨 宣彦，齋藤 直樹○Kouichi Kirihara, Norihiko Saga, Naoki Saito
秋田県立大学
Akita Prefectural University
キーワード：リハビリテーション(Rehabilitation)，空気圧シリンダ(Pneumatic Cylinder)
連絡先：〒015-0055 秋田県由利本荘市土谷字海老ノ口 84-4 秋田県立大学 システム科学技術学部
機械知能システム学科 桐原浩一，Tel.:0184-27-2217，Fax.:0184-27-2188，E-mail:m10a004@akita-pu.ac.jp

１．はじめにし，コンパクトで，大きな可動域を持つ，上肢リ

現在，疾病・事故や高齢化による身体能力の衰

ハビリテーション支援装置を開発した．

えにより体が不自由となった人が増加している．

装置を駆動させるためのアクチュエータには，そこで，そのような人が自立した生活を行うことが可能となるように様々なリハビリテーションが・空気の圧縮性により衝撃を吸収できる行われている．リハビリテーションにおいては，・モータ等と比較して出力対重量比が高い

患者と療法士がマンツーマンとなり，療法士が患・構造が簡単である

者の障害の程度を考慮して，患者の肢体に一定の等の利点に着目して空気圧シリンダを使用した 5)．

負荷を与えつつ，関節の曲げ伸ばしを反復するよ

また，位置制御とコンプライアンス制御を行うこうな動作を行う．この療法士の動作は，装置を用とにより，療法士が行うような徒手訓練の代行動いることで代行可能なことが多いため，代行動作作の機能実現を目的とする．これにより，療法士を行えるような装置の開発が行われている 1)，2)．の負担が減少するだけでなく，患者が在宅訓練をしかし，これらの装置はアクチュエータとしてモ行えるなどのメリットが期待できる．

ータを使用していること，機構の複雑さなどから，本稿では，開発した装置の構成，制御法，想定サイズや重量といった面で問題がある．臨床場面したリハビリテーション支援機能について示し，
2

では，できるだけ簡単な機構・簡単なシステムで，種類のリハビリテーション支援機能の有効性を検使いやすい装置であることが望ましい 3)．

討するための，位置制御実験とコンプライアンス制御実験について述べる．

そこで，我々はシンプルなリンク機構 4)を利用-1-Support Arm
Joint 5
Swing Arm

Joint 3Gas Spring

Joint 4z
Pneumatic Cylinder
Rz

Joint 2

RxxRy

Joint 1yFig.1 Rehabilitation support device

Flexion

２．リハビリテーション支援装置の概要
2.1 装置の構成
今回開発した，リハビリテーション支援装置をExtension

図 1 に示す．装置は 5 自由度を有するリンク機構となっており，関節 1～5 の計 5 関節によって構成される．関節 1 はリニアガイドにより，患者が腕(a) Mode A

リーチ動作を行うことにより，x 軸方向に往復動(b) Mode B

Fig.2 Rehabilitation support function

作する．関節 3 は空気圧シリンダが取り付けられたスイングアームによる y 軸回りの旋回動作により，患者の肩関節屈曲・伸展動作をアクティブに能である．これまでに開発されている装置は大型サポートする．関節 5 はガススプリングが取り付であるため可搬性が低く，患者の自宅や病室のベけられたサポートアームが y 軸回りに旋回動作す

ッドサイド等では，装置を用いてのリハビリテーることにより，肘関節屈曲・伸展動作をサポートションは難しいという問題があった．しかし，今する．また，関節 2 および関節 4 は回転ジョイン

回開発した装置は軽量・小型であるため可搬性にトにより，患者の肩関節水平屈曲・伸展動作およ優れ，患者が望む場所でリハビリテーションを行

び肘関節外旋・内旋動作により，z 軸回りに水平うことが可能である．また，今回の装置では，空旋回する．関節 3 の y 軸回りの旋回動作のみを，気圧の供給源としてコンプレッサの使用が問題と空気圧シリンダによりアクティブにサポートし，なる．しかし，病院のベッドサイドで使用する際その他の関節部は，患者自身の残存能力で動作さには，医療ガス配管で供給されている圧縮空気をせる．
開発した装置は簡単なリンク機構であるが，用いる，自宅で使用する際には持ち運び可能な小大きな可動範囲を有しているため，患者は動作を型のコンプレッサを用いることで，空気圧供給の拘束されることなく，上肢を動作させることが可問題は解決できる．

-2-Strain
Amplifier

A/D
Converter
PC

Load

D/A
Converter

Rotary Position
SensorI/O Board
Load cell
PneumaticCylinderCompressed Air
Air Compressor

Electro-PneumaticRegulatorθ
Joint 3Controlled Air

Fig.3 Control system of rehabilitation support deviceから圧縮空気が供給されている．
PC からの制御信2.2 リハビリテーション支援機能
リハビリテーション支援装置の対象者は，随意号を，DA 変換器を介して電空レギュレータに与性が残存している不全麻痺者や，加齢・事故などえる．電空レギュレータは制御信号の値に応じたにより筋力や巧緻性が低下した患者である．そし空気圧を空気圧シリンダ(T-DA20×100，コガネイて，リハビリテーション内容の違いによる，以下製)に与える．そして,空気圧シリンダの内圧が変の 2 種類の運動モードを行う．

化することによりシリンダのロッドが伸縮し，ス(1) 上肢自動介助運動支援モード(モード A)

イングアームが y 軸回りに旋回する．その際の回

このモード A では，図 2(a)のように患者が装置転角度 θ を関節 3 のロータリポジションセンサから抵抗(負荷)を受けながら，上腕の屈曲・伸展(SVO01，村田製作所製)により計測し，AD 変換を反復する運動を支援する．これにより，上肢の器を介してフィードバックすることにより位置制筋力回復や可動域拡大が期待できる．モード A を御(回転角度)の制御を行う．また，装置の関節 5実現するために，コンプライアンス制御を行った．にはロードセル(LMA-A-50，共和電業製)が取り(2) 上肢能力回復訓練支援モード(モード B)

付けられており，患者が装置に加えている力を計

モード B では，上肢能力の実用的機能回復を図測し，AD 変換器を介してフィードバックするこる訓練を支援する．図 2(b)のように指先で対象物とにより，関節 3 の剛性を自由に変化させることを把持・移動する動作を支援する．これにより,ができるコンプライアンス制御を行う．

上肢の巧緻性や随意性の回復が期待できる．このモード B を実現させるために，関節 3 の位置制御2.4 コンプライアンス制御(回転角度)を行った．このモード B では，上肢の関節 3 部分の剛性を変化させるための方法とし垂直移動動作および高さの保持は装置が行うが，て，コンプライアンス制御を行った．今回は剛性

手先作業や上肢の水平移動動作は患者自身の残存のみを考慮し，回転角度 θ[deg]と発生トルク τ[Nm]能力によって行う．

が(1)式の関係を満たすように制御を行う．ここで，(1)式において K は設定剛性[Nm/deg]，θd は目標角度[deg]である．
また，
θd とθ との差(θd－θ)をdθ[deg]2.3 制御システム
装置の制御システムを図 3 に示す．電空レギュと定義する．

レータ(ETR200-1，コガネイ製)にはコンプレッサ-3-Load cell

Elbow : 1.8 [kg]Wrist : 1 [kg]

θ＝90[deg]θ

Fig.4 Experimental setup of compliance control
K = 4 [Nm/deg]
K

25120

K = 2 [Nm/deg]
K

115

K = 0.5 [Nm/deg]Angle θ [deg]20Torque τ [Nm]Fig.6 Experimental setup of position control

1510Reference
Without load
With load(2.8kg)

110
10510095905850800123456dθ [deg]7891002345678910Time [s]Fig.5 Experimental results of compliance control

t = K (q d - q )1

Fig.7 Experimental results of position control(1)

た，図 5 の実線は(1)式より求まる発生トルクの理

設定剛性 K を大きくすることにより，発生トル論値であり，実線(灰色)は平均的な成人男性の腕クが大きくなり，装置に力を加えてもスイングアの重さ(体重：65.7[kg]，腕の重さ：3.2[kg])によるームが旋回し難くなる．すなわち，関節 3 の剛性トルクを示している．

が高くなるということである．また,モード B を行

図 5 において，発生トルクが 18[Nm]付近で一定う際には，PC 上でロードセルからの出力信号をカ値となっているのは，供給空気圧力の限界によるットすることにより，通常の位置制御を行う．

発生トルクの限界である．実験結果は(1)式による理論値とよく一致しており，良好なコンプライアンス制御性能を実現できていることがわかる．ま３．実験結果および考察

た，発生トルクの限界は 18[Nm]であるが，平均的3.1 コンプライアンス制御(モード A)な成人男性の腕の重さによるトルクは 8.9[Nm]でモード A の有効性を検討するために，関節 3 のあるので，発生トルクの限界までは十分な余裕がコンプライアンス制御実験を行った．図 4 のように回転角度θが90[deg]になるように治具で固定し,設定剛性 K を変化させたときの dθ と発生トルク τある．そのため，装置に腕を乗せた状態からさらに負荷を与えて，上腕の屈曲・伸展を行うリハビリテーションが可能である．の関係を測定した．実験結果を図 5 に示す．横軸

実際にリハビリテーションに使用する際には，に dθ をとり，縦軸が発生トルクを示している．ま筋力が弱い患者の場合には設定剛性を小さくし，-4-筋力が強い(回復が進んでいる)患者の場合には，ンプライアンス制御性能を得て，患者の筋力回復設定剛性を大きくするなどの使用法が可能である．

度合に応じたリハビリテーションを行えることをまた，設定剛性により訓練強度を定量化できるの確認した．

で，リハビリテーション効果を検証する際に客観(2) 上肢能力回復訓練支援(モード B)のための位的な評価が可能であると考える．

置制御実験を行った結果，オーバーシュートすることなくスムーズに目標角度に収束し，机上での3.2 位置制御実験(モード B)

リハビリテーションにおいて，安全に使用可能なモード B の有効性を検討するために，関節 3 のことを確認した．

位置制御実験を行った．装置に負荷を与えない場

今後は，臨床試験によりリハビリテーション機合と，体重が 60[kg]程度の使用者を想定して，図能の有効性を評価するとともに，装置の改良を進6 のように手首部分に 1[kg]，肘部分に 1.8[kg]の計めてゆく予定である．

2.8[kg]の錘により負荷を与えた場合の 2 種類の条
件により実験を行った．手首および肘部分の負荷

参 考 文 献の大きさは，人間の体重に対する各部の重量の割

1) 則次俊郎，安藤文典，山中考司：ゴム人工筋を6)合 より求めた．また，腕を上から下へ降ろす動用いたリハビリテーション支援ロボット(第 1作(伸展)を想定して，回転角度 θ を 110[deg]から

報 インピーダンス制御による訓練運動モード

90[deg]まで減少させるような目標値をランプ状の実現)，日本ロボット学会誌，Vol.13，No.1，にを与えた．

pp.141/148(1995)

図 7 に位置制御実験の実験結果を示す．図 7 よ2) 宮口尚太，野尻紘聖，松永信智，川路茂保：上り負荷なし，負荷ありの場合ともに，回転角度 θ

肢 CPM における内旋・外旋運動に伴う抵抗力はオーバーシュートすることなくスムーズに目標の変化，計測自動制御学会 SI 部門講演会，値に追従し，最終的な目標角度である 90[deg]に収pp.763/764(2007)

束している．よって，装置を机上での上肢能力回3) 齋藤之男：ヒトの筋構造を模倣したロボット用

復訓練支援に使用した場合，患者の上肢の垂直移力伝達メカニズム，電気学会論文誌 C 編，動動作および高さの保持を行うことが可能であり，

Vol.125，No.6，pp.840/845(2005)4) 櫛田大輔，中村政俊：運動障害者のための食事不快感を与えることなく安全に使用可能であるものと考える．

動作支援装具と制御法の開発，電気学会論文誌
C 編，Vol.124，No.6，pp.1296/1304(2004)

４．まとめ

5) 川嶋健嗣，舩木達也：リハビリ支援用ロボット

本研究では，療法士の代行動作を行えるような，アームの力制御，日本フルードパワーシステム

空気圧シリンダを用いた上肢リハビリテーション

学会論文集，Vol.34，No.1，pp.14/18(2003)

支援装置を開発した．そして，2 種類のリハビリ

6) 佐久間尚也，森秀一郎，茆原斉明，泉隆，田中

テーション支援モードを実現するために，位置制

栄一，井野秀一，伊福部達：上肢麻痺者のため御やコンプライアンス制御の基本的な実験を行い，の動力補助装具の設計，電子情報通信学会 技装置のリハビリテーションにおける有効性を検討

術研究報告，MBE98-160，pp.145/151(1999)

した．以下に得られた結論を示す．
(1) 上肢自動介助運動支援(モード A)のためのコンプライアンス制御実験を行った結果，良好なコ-5-