"生体力学的運動をシミュレートする関節動作シミュレータであって、人工装具を取り付ける取り付け部と、前記取り付け部を駆動するように前記取り付け部に結合されたアクチュエータと、前記取り付け部を並進させるように、且つ並進とは独立に制御可能な回転中心の回りに前記取り付け部を回転させるように、前記アクチュエータを駆動するプログラム可能なコントローラとを含む関節動作シミュレータ。生体力学的動作をシミュレートする関節動作シミュレータであって、人工装具を取り付ける取り付け部と、前記取り付け部を回転および並進させるように前記取り付け部に結合された少なくとも3個のリニアアクチュエータとを含む関節動作シミュレータ。前記取り付け部を並進させると共に、並進とは独立に制御可能な回転中心の回りに前記取り付け部を回転させるように前記アクチュエータを駆動するプログラム可能なコントローラを更に含む、請求項2に記載の関節動作シミュレータ。前記コントローラが、前記取り付け部の線形並進および回転に伴い前記回転中心を変化させるようにプログラムされている、請求項1または3に記載の関節動作シミュレータ。前記コントローラが、前記取り付け部を軸の回りに回転させ、前記取り付け部を前記回転軸に対して横方向に並進させ、且つ前記取り付け部の並進とは独立に前記回転軸を水平方向に並進させるようにプログラムされている、請求項1、3または4に記載の関節動作シミュレータ。前記回転中心が瞬間回転中心である、請求項1または請求項3~5のいずれか1項に記載の関節動作シミュレータ。前記取り付け部を前記回転軸に実質的に平行な直線方向に並進させるリニアアクチュエータを更に含む、請求項1~6のいずれか1項に記載の関節動作シミュレータ。前記並進用リニアアクチュエータが、スリーブ内にピストンを含み、前記ピストンが前記取り付け部に結合されていると共に前記取り付け部を並進させるように油圧で駆動され、少なくとも3個のリニアアクチュエータが前記スリーブに結合されている、請求項7に記載の関節動作シミュレータ。前記少なくとも3個のリニアアクチュエータが前記スリーブに沿って垂直に変位する、請求項8に記載の関節動作シミュレータ。前記アクチュエータの変位を測定する変位センサを更に含む、請求項1または請求項3~9のいずれか1項に記載の関節動作シミュレータ。前記コントローラが、前記測定された変位に基づいて前記アクチュエータを駆動する、請求項10に記載の関節動作シミュレータ。前記アクチュエータがリニアアクチュエータを含み、前記変位センサが長さセンサを含む、請求項10または11に記載の関節動作シミュレータ。関節動作をシミュレートするように、人工装具を駆動する方法であって、前記人工装具を回転軸の回りに回転駆動するステップと、前記回転軸を水平な複数の方向に移動させるステップとを含む方法。前記人工装具が取り付け部に取り付けられており、前記人工装具を回転駆動するステップが、前記取り付け部に結合されたアクチュエータを前記取り付け部を回転駆動するステップを含む、請求項13に記載の人工装具の駆動方法。前記アクチュエータを駆動して、前記取り付け部を前記回転軸に対して横方向に並進させるステップを更に含む、請求項14に記載の人工装具の駆動方法。前記アクチュエータの変位を検知するステップを更に含む、請求項14または15に記載の人工装具の駆動方法。前記アクチュエータを駆動するステップが、前記検知された変位に基づいて前記アクチュエータを駆動するステップを含む、請求項16に記載の人工装具の駆動方法。前記アクチュエータがリニアアクチュエータを含み、変位を検知するステップが前記リニアアクチュエータの長さを検知するステップを含む、請求項16または17に記載の人工装具の駆動方法。前記回転軸が、前記取り付け部の並進とは独立に水平方向に移動させられる、請求項13~18のいずれか1項に記載の人工装具の駆動方法。前記人工装具を前記回転軸に実質的に平行な直線方向に並進駆動するステップを更に含む、請求項13~19のいずれか1項に記載の人工装具の駆動方法。前記アクチュエータが少なくとも3個のリニアアクチュエータを含む、請求項1~12または14~20に記載の関節動作シミュレータまたは人工装具の駆動方法。以下に本発明の例示的実施形態について記述する。図1Aに、本発明を具体化するシミュレーションシステム100を示す。従来のシステムと同様に、関節のうち1個の要素が上側取り付け部102に取り付けられ、関節の他の要素が下側取り付け部プラットフォーム104に取り付けられる。下側取り付け部104は、本明細書では標本台座または機械台座とも呼ばれ、X-Y-Z-Θの自由度で制御可能である。図1Bに人工膝関節を示すが、本システムは任意の関節の人工装具要素を担持可能である。関節要素106、108は、2個の取り付け部の間で互いに当接し、プログラムされた動作を介して別々に駆動される。従来のシミュレーションシステムが、BruceF.Whiteへの米国特許第7,823,460号明細書に記述されており、本明細書にその全体が引用により組み込まれている。従来のシミュレーションシステムでは、上側取り付け部がアクチュエータにより横向きのY方向35に移動可能であり、且つ前後軸Xの回りに角度αだけ回転可能符号31であった。下側プラットフォームは、Z軸37方向に移動可能であり、且つ垂直Z軸の回りに角度Θだけ回転可能符号33であった。従来のシステムでは制御されない自由度として下側プラットフォームの並進39および回転41が含まれる。従来のシミュレータは、シミュレータ台座の脛骨トレイ23の下に取り付けられた多軸力/トルクのトランスデューサ19を含んでいるため大腿骨-脛骨接触力およびモーメントの3個の成分が監視することができる。トランスデューサ19は、6チャネル歪みゲージトランスデューサであり得る。また、従来のシミュレータは、シミュレータの大腿骨22および脛骨23成分に対する並進および回転位置を測定する1個以上の位置センサまたはトランスデューサを含み得る。図1Bに示すように、位置センサは、人工器官の屈曲/伸長角度31、内/外IE回転角度33、前/後AP並進35、および垂直圧縮/弛緩位置37を監視できる。左右方向ML膝並進39および内外反回転41も監視できる。従来のシミュレーションシステムの動作を組み合せることで摩耗試験のために2個の関節要素同士の複雑な相対動作が可能であるが、これらは通常の生物学的動作を完全にシミュレートすることはできない。特に、従来のシステムは、X軸に沿った相対動作を制御しない。更に、回転軸が固定されているのに対し、体内では、回転軸が中心からずれる場合があり、関節の動作を通じて移動する場合もある。本発明は、X、YおよびZ軸の各々における制御と共に、XおよびY軸に沿って自身も移動し得る回転中心の回りの角度Θの回転動作も可能にする。最初から上側取り付け部102に実装されていたわけではないが、本発明は当該取り付け部にも同様に適用できて角度αの回転中心の移動を可能にする。関節シミュレータの目的は、剛体、例えば人工装具関節要素の間の正しい、例えば解剖学的に正確な接触運動を実現および/または制御することである。このために、本発明の実施形態は、接触する剛体の相対並進なしに2本の直交軸における回転中心の独立したプログラムされた制御を提供する。本明細書全体を通じて、回転中心および回転軸という用語を交換可能に用いる。剛体力学において、瞬間回転中心という用語は、速度瞬間回転中心および加速度回転中心に適用することができる。速度回転中心は典型的に、固定または大域基準フレームに対して画定される。表面が大域基準フレームに対して固定された平坦面上を転がる車輪を例にとる。車輪の動作は、平坦面に平行な方向への並進および車輪の中心の回りの同時回転として記述することができる。任意の所与の時点において、加速度回転中心は車輪の中心にあるのに対し、速度瞬間回転中心は表面との接点にある。別の例では、シャフトは固定軸、例えばシャフトの中心軸の回りに回転する。この場合、速度回転中心は、任意の所与の時点における加速度回転中心と同じである。従って、例示的シャフトの瞬間回転中心は速度瞬間および加速度回転中心の両方である。図1C~Fに、人工膝の関節要素106、108の可能な動作を示す。図1C、1Dは、システムの法線方向の固定Z軸の回りの下側脛骨要素108の回転を示す。図1E、1Fに、脛骨要素がシステムの法線方向Z軸以外の軸Z’の回りを回転するように、下側の脛骨要素108の回転中心の並進を示す。Z’軸は、瞬間回転中心である。上述の従来技術では図1C、1Dの動作しか行えず、図1E、1Fの動作は不可能である。図2に、本発明を具体化する構成要素を示すべく図1Aのシステムを下側キャビネットおよび油圧流体回収システムを除外して示す。図2では、下側プラットフォーム104の垂直移動をもたらすZ軸アクチュエータ206を見ることができる。また、シミュレータテーブルトップ212の下側に取り付けられた3個のうち2個のX-Y-Θアクチュエータ208、210を示す。以下で詳細に述べるように、3個のX-Y-ΘアクチュエータはZ軸アクチュエータのスリーブをXおよびY方向に動かすと共に、XおよびY方向にずらされた回転中心の回りに角度Θでスリーブを回転させる。図3は、3個のX-Y-Θアクチュエータ208、210、302を下から見た図である。以下に詳細に議論するように、各アクチュエータは垂直アクチュエータスリーブにピン接合された駆動ピストンを含んでいる。アクチュエータ208、210、302の各々は、テーブルトップ212の底部に取り付けられる。例えば、アクチュエータ208はテーブルの底部に支柱304を介して取り付けられ、アクチュエータ302はテーブルの底部に支柱306を介して取り付けられ、アクチュエータ210はテーブルの底部に支柱308を介して取り付けられている。図に示すように、アクチュエータ208、210、302は各々ピン305、307、309を介して支柱に結合されている。従って、各アクチュエータは、ピン接合端319および自由端320を含んでいる。アクチュエータは、適当な油圧導管図示せずを介して油圧バルブマニホルド316に接続可能である。コントローラは、バルブマニホルド316のバルブに駆動信号を送ることにより各アクチュエータを駆動することができる。本明細書ではアクチュエータ208、210、302が油圧で駆動されるように記述しているが、他の種類の制御可能アクチュエータをX-Y-Θアクチュエータとして使用できる点を理解されたい。一般に、3個以上の独立型、および相互依存する線形アクチュエータまたは回転アクチュエータを用いてX-Y並進および角度Θの回転を生起させることができる。図4に、下側プラットフォームアクチュエータアセンブリを更に詳細に示す。作動線図402に、下側取り付け部104のx、y、z方向の並進および回転中心の回りの回転Θを示す。垂直アクチュエータ206の外側スリーブは、テーブルトップ212の底部に当接する静圧軸受プレート408に取り付けられていて、テーブルトップの下に懸架されたプレート318により支持されている。ベアリングプレート408はその上下面の各々において、静圧軸受を形成すべく油圧流体を送り出す3個の楕円形ポート410、412、414を含んでいる。このように、送り出された油圧流体は、ベアリングプレート408の上側409および下側図示せず表面に静圧膜を生成することができる。油圧流体は、供給管420を通ってポート410、412、414に供給される。関節要素支持プラットフォームまたは標本プレート416は、後述するようにテーブルトップ212内の開口図6Cの612を介してZ軸アクチュエータに結合されている。テーブルトップ212は、テーブルトップ212内の開口に隣接する側溝418を含み得る。垂直アクチュエータ206の詳細は、図4並びに図5および図6A~Cに見ることができる。図5は、下側プラットフォームアクチュエータアセンブリの部分切欠図である。図6A~Cは各々下側プラットフォームアクチュエータアセンブリの透視、上面および断面図であり、分かり易くするためにアクチュエータ208、210、310を除外している。垂直アクチュエータ206は、2個の油圧駆動ピストン504、506が配置された外側スリーブ502を含んでいる。ピストン504、506の各々は、負荷センサ508を介して標本プラットフォーム416に直接結合されている。負荷センサ508は、3個の直交する直線方向の力およびそれらの軸の回りの3個の直交モーメントを検知する。試験される人工装具関節要素が、負荷センサ508に取り付けられた標本プラットフォーム416に取り付けられているため、負荷センサを用いて関節要素に作用する力およびモーメントを監視することができる。負荷センサ508は、図1Bに関して記述されているトランスデューサ19のような6チャネル歪みゲージトランスデューサであってもよい。ピストン504は、ピン510を介してトランスデューサプレート512に直接結合されている。下側ピストン506は、上側ガイドプレート513を介して、および下側ピストン506に固定されたリング下側ガイドプレート514からスリーブ502を通って延在する3本のロッド310、312および314を介して同一プレート512に結合されている。プラグ516が、ピストン504と506の間でスリーブ502に固定されている。油圧流体が、ポート518を通ってプラグ516とピストン504の間の空間に圧力P1で導入される。これとは別に、圧力P2の油圧流体は、ポート520を通ってプラグ516とピストン506の間の空間に導入される。そのため圧力P1の油圧流体がピストン504を上方に押し付けて標本プラットフォーム416を上方に駆動する一方、圧力P2がピストン506を下方に駆動して標本プラットフォームをロッド310、312および314を通って下方に移動させることがわかる。圧力P1とP2の差により、共通の接続部であるプレート512を通ってピストンが共に移動している状態で、標本プラットフォームが上方、下方のどちらに移動するか、または全く移動しないかが決まる。下側ピストン506は、ピストンアセンブリおよび標本取り付け部の垂直変位を検知するホール効果センサに磁気的に結合された磁石522および524を含んでいる。図6Cに示すように、垂直アクチュエータ206は負荷センサ508を介して標本プラットフォーム416に結合されていて、結合はテーブルトップ212内の開口612を通って延在している。アクチュエータ208、210、302の垂直アクチュエータ206に対する位置を図4および5に、並びに、図6Cの2点鎖線604、606および608に示す。アクチュエータ208、210、302は、垂直アクチュエータ206のスリーブ502に沿って垂直に変位している。2点鎖線608で示すように、アクチュエータ302は、Z軸に沿って延在するブラケットおよびピン610を介して垂直アクチュエータ206のスリーブ502に結合されている。同様に、アクチュエータ208および210は各々、2点鎖線606、604の位置に各々対応するレベルにあるブラケットおよびピン図4、5参照を介してスリーブ502に結合されている。図6A、6Cはまた、テーブルトップ212に取り付けられていて負荷センサ508を囲む分離管602も示す。分離管は、破壊試験および摩耗試験から生じ得る流体および潤滑油による下側アクチュエータアセンブリの汚染に対する遮蔽を提供する。スリーブ502の底部に取り付けられたPCボード603は、垂直変位検知等を行なうZ軸アクチュエータ206の制御回路を含み得る。図7に、3個のX-Y-Θアクチュエータのうち1個の詳細を示し、3個のアクチュエータは同一であるが互いに干渉しないよう角度が120度ずれていると共に、スリーブ502に沿って垂直方向にずれていることを理解されたい。同図に示すように、アクチュエータ210は外側シリンダ702内に単一のピストン704を含んでいる。シリンダ702は一端が、Z軸に沿って延在するピン309を介して支持ポスト308にピン接合されている。シリンダ702の他端は自由である。シリンダ702は垂直アクチュエータ206に隣接する長さだけ切り取られているため、ピストンを露出させてブラケット708およびZ軸に沿って延在するピン710を介して垂直アクチュエータのスリーブ502に結合可能にする。ピストン自体がブラケット708で切り取られている706ため、よりコンパクトなアセンブリが可能になる。油圧流体が、シリンダ702内のピストンの両端で油ポートフィッティング711、713を通して異なる圧力で油容積712、714を圧迫する。差分圧容積によりピストンを自身の軸に沿って移動させ、Z軸アクチュエータのスリーブまたはシリンダ502に対してピン710を介して力を加えさせる。磁石716、718が、ピストン704の両端に埋め込まれていて、シリンダ702内でのピストン704の変位を検知すべくシリンダ702上のブラケット720に取り付けられたホール効果センサにより検知される。ピストンの変位を検知することにより、アクチュエータの長さ、例えばピン309とピン710の距離を検知することができる。コントローラは次いで、検知された長さまたは長さの変化に基づいてアクチュエータを駆動することができる。以下により詳しく述べるように、リニアアクチュエータ208、210、および302内における3個のピストンの組み合わされた直線移動の結果、システムの許容範囲内で任意のX-Y方向および任意の回転中心の回りの角度Θの回転が生じる。例えば、各々のピストンが、同じ変位で各取り付けポストへ向かって駆動された場合、スリーブ502は図7に示すように中心の軸の回りに逆時計回りに回転するであろう。しかし、これらのピストンに異なる変位を加えた場合、回転が異なる軸の回りに生じ、X-Y方向の移動が生じ得る。別の簡単な説明として、ピストン210に力が全く加えられていないために各アクチュエータ208、302図3参照のピストンがアクチュエータ210へ向かって駆動された場合、Zアクチュエータスリーブ502、従って標本はアクチュエータ210のピン708へ向かう方向に移動するであろう。X-Y-Θ移動の制御の詳細な数学的解析を以下に示す。解析は、AtulRavindraJoshi、ADesignandControlofaThreeDegree-Of-FreedomPlanarParallelRobot,MastersThesis,OhioUniversity,August2003から導かれ、本明細書にその全体が引用により組み込まれている。しかし、当該解析は回転軸の制御を可能にすべく特にパラメータrOを組み込むために拡張されたものである。更に、Joshiの研究はロボットに向けられており、人工関節動作シミュレーション用のシステムでの利用には言及していない。当該シミュレータに使用する制御システムは、本明細書に全体が引用により組み込まれているBruceF.Whiteによる2010年11月9日出願の米国特許出願第12/942,886号明細書に開示されたものの拡張形態であってもよい。具体的な実装例を以下に示す。コントローラにより、回転中心が制御可能且つ取り付け部のX-Y方向並進とは独立な範囲内で無制限に可変である。<変位制御>アクチュエータのシステム平面アクチュエータ配列と呼ばれるへの入力には並進、回転、および拘束が含まれる。これらの入力は以下の通りである。1xおよびy並進、2角度回転、および3拘束、例えば回転軸のx、yの位置。回転軸の拘束は、回転と並進を明確に区別するために数学的に必要である。並進は、無限遠における軸の回りの回転と考えられ得る。x並進はy無限遠における軸の回りの回転であり、y並進はx無限遠における軸の回りの回転である。回転変換の通常の定式化は、原点すなわち0,0の回りでなされる。本発明の原理によるアクチュエータシステムにおいて、回転軸はxおよびy位置の範囲内の任意の場所に選ばれ得るため、各々のアクチュエータの所望の伸長変位長を計算すべくどこか拘束されたに選ばれる。直観的には、固定された大域座標系に対して回転軸を画定する方が容易に思える。しかし、生身の膝では当該軸は脛骨シャフトの長軸に、より自然に関連付けられる。本発明の一実施形態によるアクチュエータシステムでは、脛骨プラトー脛骨高平部は並進し、従って脛骨シャフトの長軸が並進することにより、固定された大域座標系に対して移動する軸をより好ましく再現している。変位制御の下で、制御問題は2つの数学的処理であると考えられる。すなわち、1入力されたセットポイント信号からアクチュエータ駆動装置信号を合成する、および2現在の追跡誤差を決定すべく測定された位置および方位をセットポイント信号またはアクチュエータ駆動信号と比較可能な成分に分解することである。システムへの入力は、セットポイントのxおよびy位置、セットポイント角度回転、および回転中心の選ばれたx、y座標を含んでいて、入力セットポイント信号と呼ばれる。アクチュエータ駆動装置信号は、例えば、油圧駆動アクチュエータへのバルブ駆動信号を提供すべく利用できる各々の制御ループへの入力として提供される個々の信号を含んでいる。バルブ駆動信号は、1個以上の誤差例:x-y位置誤差の測定値から決定されていて、制御プロセスの作用受けている点でアクチュエータ駆動装置信号とは異なる。制御問題の2個の要素に戻って、数学的に、原点の回りの回転を行なう。剛体力学では、剛体所望の回転中心におけるに埋め込まれた基準フレームの大域座標系に対する座標が既知である場合、当該剛体を回転させることができる。剛体は次いで、これらの公知座標を用いて原点へ並進させ、次いで回転させ、次いで元の位置回転中心のへ並進させることができる。平面システムでは、問題を解決するのに単一の角度および2個の線形座標で十分である。埋め込み座標系に対する各々のアクチュエータ取り付け位置の座標が公知であるため、大域的システムに対するそれらの初期位置が既知であったことにより、各取り付け位置の変換後の座標を決定することができる。これらの座標から、個々のアクチュエータの各々の固有な延伸長を決定することができる。制御問題の第2の部分に戻り、アクチュエータ伸長長さが局所的に測定される場合、これらの測定値をシミュレータのフィードバック制御に直接用いることができる。そうでない場合、剛体の3個のパラメータを決定する大域的測定システムを用いてもよい。回転中心の角度およびx、y座標が、フィードバックを与える自然な手段に提供することができる。これらの測定値をセットポイント信号とほぼ同様に扱って一意なアクチュエータ伸長の組を決定することができ、次いでこれを制御チャンネルへのフィードバック信号として用いることができる。<力制御>力制御の下では、所望の力およびトルクを指定し、次いでこれらの力およびトルクを実現すべくシミュレータ台座または機械のアクチュエータを駆動することができる。アクチュエータのシステムへの入力には、力、トルクおよび拘束が含まれる。入力は、1xおよびy方向の力、2トルク、および3回転軸のx、y位置、または回転を案内する他の拘束である。変位制御モデルのように、回転軸の拘束が必要である。生身の膝だけでなく現在の機械設計を考えることができる。現在の機械設計には固定回転軸または並進回転軸が必須である。いずれの場合も、回転のベアリングシステムは、アクチュエータに加えられた力と釣り合う反力を与える。力制御の下では、回転中心は、計算された力およびトルクから、例えば靭帯および関節表面に基づいて決定することができる。回転中心はまた、検知された力およびトルク、例えば負荷センサ508図5等の多軸検知素子により検知された力およびトルクに基づいていてよい。<下側変位台座>本発明による関節動作シミュレータの一実施形態は、3個の自由度、すなわちxおよびy並進および任意の軸の回りの回転を許すべく設計されたプラットフォーム、取り付け部または台座104を含んでいる。図4、5および6A~Cを参照しながら上で述べたように、台座自体は油圧支持システムにより平面内の移動に拘束された剛体であり得る。動作は、3個のアクチュエータによって台座に与えられる。各アクチュエータは、その一端が台座に結合されていて、他端が機械本体に結合されている。ただし、必ずしもアクチュエータの両端で結合が生じる必要はない例えば図3参照。各々の取り付け位置において、アクチュエータは動作面の法線方向に軸を有する回転関節により機械本体または台座に結合されていてもよい。<数学的解析>図8に示す3RPR平面パラレルアクチュエータ800を考える。アクチュエータ800は、大域基準フレームのx軸に関して対応する角θ1、θ2およびθ3に向けられた長さd1、d2およびd3を有する3個のリニアアクチュエータ801、802、803を含んでいる。大域基準フレーム804は原点OGにより画定され、移動台座または取り付け部808に取り付けられた可動基準フレーム806は原点OMにより画定される。OGに対するOMの位置は位置ベクトルrmにより指定されるのに対し、OGに対するOMの回転角度はφとして画定される。アクチュエータ801、802、803は、各々A1、A2およびA3において回転関節により機械フレームに取り付けられている一方、同様に点C1、C2およびC3で回転関節により移動台座808に取り付けられている。位置ベクトルraiおよびrciは、各々OGに対する点AiおよびCiの位置を表記する。OGに対する台座808の特定の姿勢または配置810は、台座が基準位置にある状態でOMに対する回転軸を画定する姿勢位置ベクトルrp、方位角φ、および位置ベクトルroにより指定される。図9に、時点t0およびt1における台座808の2個の連続する姿勢902、904を示す。台座の並進を表すベクトルは、差分ベクトルrpである。rp=rmt0-rmt11ここに、rmt0およびrmt1は連続する時間間隔t0およびt1における台座Omの原点の位置を表す。連続する時間間隔における姿勢902に対する姿勢904における台座の方位は角度φt1で示される。図10に、台座Omの原点に対する回転の中心または軸の特定に使用できるベクトルroを示す。所望の回転中心は、大域座標系内のOGで次式のように特定される。‘rm=rm-r02ここに、rmは台座Omの原点の位置を表す。同図は、台座808の2個の姿勢1002、1004を示す。姿勢1004は、台座Omの原点から量roだけ位置変更が指定された結果‘Omにおいて新規の回転中心が得られた新規の回転中心の回りの回転を表す。換言すれば、‘Omはroにより指定される、並進された回転中心である。図10に、回転中心がベクトルroによりプログラム的に変更できることを示す。3RPRアクチュエータは各種の目的に使用されてきて、順/逆運動の両方の数学的解が文献により発展してきた。主題の解析は、AtulRavindraJoshiによる2003年の論文DesignandControlofThreeDegree-Of-FreedomPlanarParallelRobotに基づいている。正しい順/逆運動を導くために同氏が報告した解析に対していくつかの修正が必要とされた。Joshiはこの問題に対する従前の解について、R.L.WilliamsIIおよびB.H.Shellyによる論文InverseKinematicsforPlanarParallelManipulators,ProceedingsofDETC’97,ASMEDesignTechnicalConferences,DETC97/DAC-3851,Sacramento,CA,9月14-17,1997,pp.1-6を紹介している。3個のリニアアクチュエータを用いる関節シミュレータ用の制御システムにおいて、後述する逆運動を用いてシミュレータ台座を駆動することができる。シミュレータ台座の位置または姿勢、例えばx-y並進、回転角度、および回転中心の位置が指定されると、逆運動はリニアアクチュエータの長さを計算して当該位置または姿勢を実現することができる。後述する順運動を用いて、リニアアクチュエータの長さが与えられると、例えば大域基準フレームに対する台座の位置および/または方位を決定することができる。例えば、変位センサを用いてアクチュエータの長さを検知することができる。コントローラは次いで、検知された長さに基づいて、順運動を用いて決定された台座の位置に基づいて、またはその両方に基づいて、フィードバック制御を用いてアクチュエータを駆動することができる。<逆運動Inversekinematics>逆運動の解は、指定されたアクチュエータ姿勢を実現すべく3個のアクチュエータ要素の必要な長さd1、d2、d3決定し、姿勢はrp、roおよびφにより指定される。上で定義された5個の定義済み位置ベクトルは、次式で与えられる。ここに、ricはOGに対する所望の姿勢をなすために必要なC1、C2およびC3とラベル付けされた回転関節の各々の位置、roはOMに対する回転軸の位置、およびriaはアクチュエータを大域フレームOGに取り付けている回転関節の位置当該位置をA1、A2およびA3とラベル付けしているである。位置ベクトルrmは基準位置でOGに対するOMの位置であり、rpは所望の配置または姿勢を実現するためのOMの所望の変位である。回転マトリクスは、次式で定義される。移動台座の変位に続いて、回転関節C1、C2およびC3の各々の座標はric’として定義され、各点について次式のように決定される。回転中心位置ベクトルroは、Rを用いる回転変換を適用する前に、回転関節の各々について位置ベクトルricから減算される。換言すれば、回転関節の位置ベクトルは最初に台座の原点OMへ並進される。当該システムの回転軸のプログラム的制御を可能にするのは式5のro項の加算である点に注意されたい。これは、制御スキームの主要な特徴であって、引用した参考文献のいずれにも記載されていない。所望の姿勢を実現するために必要な3個のアクチュエータの各々の長さは次式により計算される。式5および6は、位置制御においてアクチュエータを制御するのに必要な逆運動の関係式である。独立変数入力はrp、roおよびφにより指定された姿勢である。従属変数出力はdiである。機械設計の定数はriaおよびricである。<順運動Forwardkinematics>順運動問題の解は、台座の現在位置rp、および方位φを3個のアクチュエータの長さdiから決定する。順運動問題は、5で表すベクトルおよび6で表す長さ方程式から発展する。5および6を拡張した結果、同時に解くべき3個の非線形方程式が得られる。表記を簡素化するために以下の定義を採用する。3個の点のAiが固定フレームOGに対して指定され、点Ciは移動フレームOMに対して指定される。xおよびyは移動台座の並進成分であり、φは台座の回転である。Liは、伸長アクチュエータの長さ上ではdiである。台座はOMの回りに回転するものとする。3個の補助項B1i、B2iおよびB3iが次式で定義される。拡張ベクトル関係式5および6からを次式で表す。上記の式の組において、Fiは移動台座に固定された3個のアクチュエータの回転関節の各々についての運動方程式に対応する3個の関数i=1,2,3に対応する。ここで、Fiは式8で表す3個の方程式により決定されるダミー変数と考えられる。ヤコビ行列を次式で定義する。式8から9の偏導関数が次式のように導かれる。式7、8、9および10を用いて、ニュートン-ラプソン技術を用いる順運動問題の反復的解法を定式化する。<制御方式の例>図11に模式的に示す制御システム1100が1つの制御方式を示している。1サイクルの生理的動作を介して作用する筋肉組織の能動的な力を特徴付ける2個の直交する力FxおよびFyおよび垂直なモーメントMzを表す3個の時系列データ入力または基準波形1101が、計器を備えた整形外科インプラントにより記録されるかまたは解析的手段により決定される。これらの信号は、1102でシステムに入力され、制御システムおよびアクチュエータの所望の制御動作を表す。入力は、加算接合部1103で3個のフィードバック信号1113のうち1個と合算される。フィードバック信号1113は、試験中の人工装具の接触力を測定する多軸負荷セル1117で測定された力およびモーメントを表す。加算接合部1103ではまた、仮想軟組織拘束モデル1122で決定された計算済み拘束力1106も示される。フィードバックソース1106、1113の両方が、加算接合部1103で合算する前に反転され、従って加算接合部の出力は、拘束力とシステム入力1102で示された基準力の差を表す誤差信号である。誤差信号はPID制御アルゴリズム1104へ送られ、所望の比例、積分および微分ゲイン制御を行なうべく調整可能である。通常、比例ゲインだけを1104で用いる。PIDブロック1104の出力が3個の加算接合部1123のうち1個へ入力され、当該信号が、1111で3個のフィードバックソース1114のうち1個から計算された時間微分信号と合算される。これらの時間微分は、台座1112の直線速度Vx、Vyおよび角速度ωを表す。加算接合部1123は速度誤差信号1124を計算する。力とトルクが釣り合っていれば、加算接合部1103の出力はゼロになり、PID制御ブロック1104の出力も同様にゼロになって、加算接合部1123への入力も同様にゼロになる。これにより速度制御ループがゼロにされて、所望の力レベルに達したときに移動が停止する。力平衡に達していない場合、若干の正味の信号が加算接合部1123に印加されることにより、システムがある程度の速度を維持し、従って力平衡を求め続けさせる。誤差信号1124がPIブロック1107へ送られ、速度誤差を積分して変位位置、方位誤差を生成する役割を果たす。必要な変位X、Yおよびφが逆運動解ブロック1108に入力され、次いで3個のアクチュエータの各々の必要な長さを決定して3個の加算接合部1109のうち1個に出力する。3個のアクチュエータの各々の長さセンサで測定された実際の長さ1115のフィードバックは、反転されて加算接合部1109へ送られる。加算接合部1109で決定された長さ誤差信号はPID制御ブロック1110へ入力されて、比例、積分および微分計算が実行される。これらの制御ブロックからの信号は、アナログ駆動信号に変換されて、アクチュエータシステム台座1112のリニアアクチュエータを駆動するために用いられる。各アクチュエータ長は線形変位トランスデューサ1116により測定され、3個の出力は順運動解ブロック1118へ送られる。順運動解ブロック1118は、現在位置および方位を決定して3個の信号X、Yおよびφ1119を出力する。3個の出力信号1119は、微分計算ブロック1111および軟組織拘束モデル1122の入力部へ転送される。軟組織拘束モデル1122は6個の入力を用いるが、3個の入力1120は当該制御ループから生じ、3個の入力1121は屈曲アクチュエータ例:図1Bの屈曲31および垂直位置アクチュエータの変位の測定および内外反回転例:図1Bの回転41の測定から生じている。軟組織拘束モデル1122は、軟組織構造により与えられる拘束力を決定して出力し、これらの拘束力1106は次いで加算接合部1103において入力された駆動力と合算される。アクチュエータの回転中心の位置が入力部1105で与えられる。回転中心は座標のペアpo={xo,yo}として表される。これらの値は、アルゴリズム的に決定されても、またはプログラムされた動作全体を通じて所望の回転中心を表す時系列データのペアとして与えられてもよい。回転中心値は、逆運動解制御ブロック1108へ入力される。<可能な動作>図12A~Hに、試験機械のアクチュエータ台座、例えば本発明の一実施形態による図1Aの下側の取り付け部104のいくつかの可能な動作を示す。各図において、動作は、初期姿勢1202、最終姿勢1204a、1204b、1204c、1204d、1204e、1204f、1204g、1204hの各々、および3個の中間姿勢を含む台座の一連の姿勢で示す。図12A、12Bは各々xおよびy並進を示すのに対し、図12Cは組み合わせx-y並進を示す。図12Dに、台座の中心の回りの回転に結合された組み合わせx-y並進を示す。ここで、台座はX、Y方向に並進し、且つ自身がXおよびY軸に沿って並進する回転中心の回りに回転する。図12Eに、台座の中心を瞬間回転中心とする台座0,0の中心の回りの純粋な回転を示し、一方図12F~Hは台座の各頂点の回りの各々の回転を示す。図12Fにおいて台座姿勢1202の左上頂点が瞬間回転中心である。図12Gにおいて右上頂点は瞬間回転中心であるのに対し、図12Hでは下側頂点が瞬間回転中心である。回転中心が自由にプログラム可能であって、図に示すいくつかの例に限定されないことに注意されたい。本明細書で引用した全ての特許、公開出願および参考文献の開示内容は、その全体が本明細書に引用により組み込まれる。本発明は特に自身の例示的な実施形態を参照しながら図示および説明を行なっているが、添付の請求項に包含される本発明の範囲から逸脱することなく形式および詳細事項の各種変更が可能であることが当業者には理解されよう。例えば、アクチュエータは油圧またはリニアである必要はなく、かつZアクチュエータのスリーブを駆動する必要もない。アクチュエータは、空気式、電動式であっても、または他の手段から動力を得ることもできる。"