JP3184447U - Non-grounded ankle treatment and measurement exoskeleton type device - Google Patents

Non-grounded ankle treatment and measurement exoskeleton type device Download PDF

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Abstract

【課題】人の足首のための、非接地で、再構成可能で、パラレルメカニズムをベースにした、フォースフィードバック外骨格型装置である非接地の足首治療及び測定外骨格型装置を提供する。
【解決手段】オペレータの脚に対向するベースプラットフォーム2と、オペレータの足に対向する可動プラットフォーム3と、ベースプラットフォーム2と可動プラットフォーム3とを接続する接続部材4と、接続部材4を可動プラットフォーム3に接続する関節部材5と、を具備していることを特徴としている。
【選択図】図1
An ungrounded ankle treatment and measurement exoskeleton device, which is a force feedback exoskeleton device for a human ankle, which is a force feedback exoskeleton device based on a parallel mechanism.
A base platform 2 facing an operator's leg, a movable platform 3 facing an operator's foot, a connection member 4 connecting the base platform 2 and the movable platform 3, and the connection member 4 to the movable platform 3. And a joint member 5 to be connected.
[Selection] Figure 1

Description

本考案は、人の足首のための、非接地の、再構成可能で、パラレルメカニズムをベースにした、フォースフィードバック外骨格型装置に関する。その装置の主な用途としては、バランス/固有感覚トレーナーが意図され、また、その外骨格型装置は、関節可動域(RoM)訓練/強化訓練に適応するように利用することもできる。また、この装置は、中足指節関節運動にも用いられる。   The present invention relates to an ungrounded, reconfigurable, parallel mechanism based force feedback exoskeleton device for human ankles. The main application of the device is intended to be a balance / propriosensory trainer, and the exoskeleton device can also be used to accommodate range of motion (RoM) training / strengthening training. This device is also used for metatarsophalangeal joint movement.

リハビリテーションの目的は、病気やけがによって低下した、患者の運動能力、感覚能力、及び神経能力を、回復させることである。一般的に、スポーツや日常生活において最もよく起こるけがである足首の捻挫の後には、足首のリハビリテーションが必要である(非特許文献1参照)。足首における、機能性、体重を支える能力、及び関節の安定性、の喪失は、脳卒中に続発する神経損傷や脳血管疾患に続発する拘縮変形の後にも起こる。理学療法訓練は、関節の可動域を取り戻し、体重を支える筋肉を再強化するのを、支援し、関節位置の良好な感覚(固有感覚)を増進させ、神経の完全性を確実にし、及び動的バランスを回復させるのに、欠かせない。   The purpose of rehabilitation is to restore the patient's motor, sensory, and neural abilities that have been reduced by illness or injury. Generally, ankle rehabilitation is required after ankle sprain, which is the most common injury in sports and daily life (see Non-Patent Document 1). Loss of functionality, ability to support weight, and joint stability in the ankle also occurs after nerve damage secondary to stroke and contracture deformity secondary to cerebrovascular disease. Physiotherapy training assists in restoring joint range of motion, re-strengthening the muscles that support weight, enhancing good sense of joint position (proprietary sensation), ensuring nerve integrity, and movement. It is indispensable to restore the balance.

一般に、足首のけがのリハビリテーションは、3つの連続する訓練段階で対処する(非特許文献2、3参照)。初期段階における訓練は、まず、関節のフルRoMを可能にすることに注力し、その後、足関節筋の強化に注力する。一旦、所要のRoM及び柔軟性が得られ、及び、痛みを誘発することなく、体重の一部を支えるのに十分なほどに筋肉が強くなると、治療の中間段階が始まり、静的なバランス運動による固有感覚能力の向上に注力することができる。治療の最終段階では、より高度な動的バランス運動を実践する。   In general, rehabilitation of ankle injury is dealt with in three consecutive training stages (see Non-Patent Documents 2 and 3). Training at an early stage focuses first on enabling full RoM of the joint and then on strengthening the ankle muscles. Once the required RoM and flexibility are obtained and the muscles are strong enough to support a portion of the weight without inducing pain, the intermediate phase of treatment begins and static balance exercise Can focus on improving the inherent sensory ability. In the final stage of treatment, practice more advanced dynamic balance exercises.

理学療法を支援するのに用いられる従来のリハビリテーション装置は、強化訓練及びストレッチ運動用の、ゴムバンド及び足首リハビリテーション用運動靴;固有感覚及びバランス運動用の、バランスボード及びフォームローラー;等のシンプルな受動的器具である。RoM訓練は、一般に、療法士によって手で行われる。この種の器具は、シンプルで一定の費用効果があるが、従来のそれらの器具は、患者の回復具合の定量的測定値の収集、再評価のための患者病歴のモニタリング、及びカスタマイズされたインタラクティブな治療プロトコルの実現には、不十分である。療法士は、それらの器具を用いて運動している間、運動療法の身体的負担を担って、患者に対して細心の注意を払う必要がある。   Traditional rehabilitation devices used to support physiotherapy are as simple as elastic bands and ankle rehabilitation athletic shoes for strength training and stretching exercises; balance boards and foam rollers for proprioception and balance exercises; It is a passive instrument. RoM training is typically performed manually by a therapist. While this type of instrument is simple and cost effective, these traditional instruments collect quantitative measurements of patient recovery, monitor patient history for reassessment, and customized interactive It is not enough to realize a simple treatment protocol. The therapist needs to pay close attention to the patient by taking the physical burden of exercise therapy while exercising with these instruments.

近年、リハビリテーション訓練は、ロボット装置の助けを借りて行われてきた。ロボット装置を用いた、反復的で身体的に複雑なリハビリテーション訓練は、療法士の運動療法に関する身体的負担をなくすだけではなく、利用関連コストを下げるのにも、役に立っている。また、ロボットを介したリハビリテーション療法は、患者の回復具合の定量的測定を可能にし、及び、カスタマイズされたインタラクティブな治療プロトコルを実現するのに、用いることができる。   In recent years, rehabilitation training has been performed with the help of robotic devices. Repetitive and physically complex rehabilitation training using robotic devices not only eliminates the physical burden associated with therapist's exercise therapy, but also helps reduce usage-related costs. Robotic rehabilitation therapy also allows quantitative measurement of patient recovery and can be used to implement customized interactive treatment protocols.

ロボットが支援するリハビリテーションプロトコルの有益な効果は、非特許文献4の臨床試験を通じて、従来の療法に関して実証されている。足首の理学療法のためのロボット支援型リハビリテーション装置が必要であるという認識のもとに、今日まで、様々なデザインが提案されてきた。Girone等は、Stewartプラットフォーム(非特許文献5参照)に基づくRutgers Ankleというフォースフィードバックインタフェースを、提案している。非特許文献6では、Rutgers ankleを用いた、仮想現実をベースとするインタラクティブなトレーニングプロトコルが、整形外科的リハビリテーションに実施されている。そのシステムは、幾つかの症例研究を通じて非特許文献7、8で更に研究されている。非特許文献9では、在宅での足首の遠隔リハビリテーションが実施され、また、非特許文献10では、そのシステムは、歩行シミュレーション及びリハビリテーションに用いられる、デュアルStewartプラットフォーム構成に、拡大適用されている。   The beneficial effects of a robot-assisted rehabilitation protocol have been demonstrated for conventional therapies through clinical trials of Non-Patent Document 4. Various designs have been proposed to date with the recognition that a robot-assisted rehabilitation device for ankle physical therapy is necessary. Girone et al. Have proposed a force feedback interface called Rutgers Ankle based on the Stewart platform (see Non-Patent Document 5). In Non-Patent Document 6, an interactive training protocol based on virtual reality using Rutgers ankle is implemented in orthopedic rehabilitation. The system is further studied in Non-Patent Documents 7 and 8 through several case studies. In Non-Patent Document 9, ankle remote rehabilitation at home is performed, and in Non-Patent Document 10, the system is extended to a dual Stewart platform configuration used for gait simulation and rehabilitation.

非特許文献11において、Dai等は、足関節捻挫を治療するための別のロボット装置を、提案している。Stewartプラットフォームデザインとは違って、この装置は、人の足首の適応ワークスペースをカバーするための十分な自由度(DoF)を達成している。この非特許文献で示されている動静的解析は、装置に対してより高い剛性を実現するために中心支柱を採用することの重要性を、力説している。非特許文献12では、Agrawal等は、ロボット支援型リハビリテーションのための短下肢装具を提案し、及び、その提案したメカニズムに関する動静的分析及び制御について、提示している。同様に、非特許文献13では、Roy等によって、足首の機能の回復を補助するAnklebotが提案されている。この装置は、運動にとって大きな生体力学的因子である足首の凝りを測定するのにも、用いることができる。   In Non-Patent Document 11, Dai et al. Have proposed another robot apparatus for treating ankle sprains. Unlike the Stewart platform design, this device achieves sufficient degrees of freedom (DoF) to cover the human ankle adaptive workspace. The dynamic static analysis shown in this non-patent document emphasizes the importance of adopting a central strut to achieve higher stiffness for the device. In Non-Patent Document 12, Agrawal et al. Proposed a short leg brace for robot-assisted rehabilitation, and presented dynamic static analysis and control for the proposed mechanism. Similarly, Non-Patent Document 13 proposes Anklebot that assists recovery of ankle function by Roy et al. This device can also be used to measure ankle stiffness, a significant biomechanical factor for exercise.

Syrseloudis及びEmirisは、被験者を通じた、足首及び足の、並進運動及び回転RoMを、研究して、追加的な回転軸を直列に備えた並行三脚メカニズムが、人の足首に関連する足の運動学に適合する最も適当な運動学的デザインである、という結論に達した(非特許文献14参照)。非特許文献15では、Yoon及びRyuは、ハイブリッド4DoFパラレルメカニズムをベースとするフットパッド装置を提案し、及び、その新規な装置の運動学的解析を提示している。非特許文献3、16においては、この研究は、幾つかの個別の運動モードを支援するためのその装置の再構成を可能にするように、拡張されている。   Syrseloudis and Emiris studied the translation and rotation RoM of the ankle and foot through the subject, and a parallel tripod mechanism with an additional axis of rotation in series is the kinematics of the foot associated with the human ankle. The conclusion was reached that this is the most appropriate kinematic design that fits (see Non-Patent Document 14). In Non-Patent Document 15, Yoon and Ryu propose a footpad device based on a hybrid 4DoF parallel mechanism and present a kinematic analysis of the novel device. In Non-Patent Documents 3 and 16, this work has been extended to allow reconfiguration of the device to support several individual modes of motion.

H. Tropp and H. Alaranta, Sport Injuries: Basic Principles of Prevention and Care, Proprioception and coordination training in injury prevention. Oxford, 1993.H. Tropp and H.M. Alaranta, Sport Industries: Basic Principles of Prevention and Care, Propriation and coordination training in innovation. Oxford, 1993. D. Hung, M. Kennedy, A. Rowland, J. D. Purdy, and M. Yampolsky, “Ankle rehabilitation: Evidence−based approach,” Vanderbilt Rehabilitation Services.D. Hung, M.M. Kennedy, A.D. Rowland, J.M. D. Purdy, and M.M. Yampolsky, “Ankle rehabilitation: Evidence-based approach,” Vanderbilt Rehabilitation Services. J. Yoon, J. Ryu, and K. Lim, “A novel reconfigurable ankle rehabilitation robot for various exercise modes,” Journal of Robotic Systems (Currently Journal of Field Robotics), vol. 22, no. 1, pp. 15−33, 2006.J. et al. Yoon, J. et al. Ryu, and K.K. 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Binder-Macleod, “Design of a two-degree-of-freedom ankle-foot orthosis for robotic rehabilitation,” Rehabilitation Robotics, 2005. ICORR 2005. 9th International Conference on, pp. 41-44, June-1 July 2005 A. Roy, H. Krebs, S. Patterson, T. Judkins, I. Khanna, L. Forrester, R. Macko, and N. Hogan, “Measurement of human ankle stiffness using the Anklebot,” Rehabilitation Robotics, 2007. ICORR 2007. IEEE 10th International Conference on, pp. 356−363, June 2007.A. Roy, H.C. Krebs, S.M. Patterson, T.W. Juddkins, I.D. Kanna, L .; Forester, R.A. Macko, and N.M. Hogan, “Measurement of human ankle stiffness using the Anklebot,” Rehabilitation Robotics, 2007. ICORR 2007. IEEE 10th International Conference on, pp. 356-363, June 2007. C. E. Syrseloudis, I. Z. Emiris, C. N. Maganaris, and T. E. Lilas, “Design framework for a simple robotic ankle evaluation and rehabilitation device,” Engineering in Medicine and Biology Society, 2008. EMBS 2008. 30th Annual International Conference of the IEEE, pp. 4310−4313, AUG. 2008.C. E. Syrseloudis, I.M. Z. Emiris, C.I. N. Maganaris, and T.M. E. Lilas, “Design framework for a simple robotic evaluation and rehabilitation device,” Engineering in Medicine and Biology Society, 2008. EMBS 2008. 30th Annual International Conference of the IEEE, pp. 4310-4313, AUG. 2008. J. Yoon and J. Ryu, “A new family of hybrid 4−DoF parallel mechanisms with two platforms and its application to a footpad device,” Journal of Robotic Systems, vol. 22, no. 5, pp. 287−298, 2005.J. et al. Yoon and J.M. Ryu, “A new family of hybrid 4-DoF parallel mechanisms with two platforms and it's application to a footpad device,” Journal of Sports. 22, no. 5, pp. 287-298, 2005. “A novel reconfigurable ankle/foot rehabilitation robot,” Robotics and Automation, 2005. ICRA 2005. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on, pp. 2290−2295, April 2005.“A novel reconfigurable ankle / foot rehabilitation robot,” Robotics and Automation, 2005. ICRA 2005. Proceedings of the 2005, IEEE International Conference on, pp. 2290-2295, April 2005.

したがって、本考案の目的は、再構成可能なデザインを有する装置を提供することである。その実施は簡単であり、また、その装置は、市販の部品を集めて造ることができる。その再構成が可能であることにより、その装置は、RoM訓練/強化訓練、及び、バランス運動/固有感覚運動の、両方を可能にする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an apparatus having a reconfigurable design. Its implementation is simple and the device can be built from a collection of commercially available parts. Because of its reconfigurability, the device allows for both RoM training / strengthening training and balance / propriosensory movements.

本考案の実施形態によれば、その装置は、RoM訓練/強化訓練の場合の、人の足首の全ての複雑な範囲を、カバーすることが可能である。その装置は、バランス運動/固有感覚運動中の人の体重を支持することができる。また、ベースプレートのその再構成可能なデザインによって、中足指節関節運動も可能である。   According to an embodiment of the present invention, the device can cover the entire complex area of a person's ankle in the case of RoM training / strengthening training. The device can support a person's weight during balance / propriosensory movements. The reconstructable design of the base plate also allows metatarsophalangeal joint movement.

本考案の実施形態によれば、その装置は、臨床測定ツールとして利用することができる。診断を支援するために、足関節レベルの、運動、力、及びインピーダンスを、測定することができる。   According to an embodiment of the present invention, the device can be used as a clinical measurement tool. To aid diagnosis, movement, force, and impedance at the ankle level can be measured.

本考案の実施形態によれば、その装置は、人間工学的であり、人の足首の全可動域を可能にする。その装置は、軽量で装着可能であり、そのため、携帯可能である。その装置は、そのアクチュエータの選択により、本質的に安全である。   According to an embodiment of the invention, the device is ergonomic and allows full range of motion of the human ankle. The device is lightweight and wearable and is therefore portable. The device is inherently safe due to the choice of its actuator.

本考案の実施形態によれば、その装置は、その並行運動学的構造及び最適化された処理能力により、同様の装置よりも高い制御能力を有している。   According to an embodiment of the present invention, the device has a higher control capability than a similar device due to its parallel kinematic structure and optimized throughput.

本考案の実施形態によれば、その装置は、足の複雑な動作を支援し、及び、多くの現存するデザインの場合と同様の単一の自由度に限定されない。   According to embodiments of the present invention, the device supports complex movements of the foot and is not limited to a single degree of freedom similar to that of many existing designs.

本考案の実施形態によれば、その装置は、理学療法の実施時に、患者を、案内し、支援し、又は患者に抵抗するように、プログラムされ、及び、コンピュータシステムを用いて実施される。支援及び抵抗のレベルは、ソフトウェアで調節可能である。また、その装置は、足首の状態やインピーダンス等の、足関節パラメータを、評価するようにプログラムすることもできる。   According to an embodiment of the present invention, the device is programmed and implemented using a computer system to guide, assist, or resist the patient when performing physical therapy. Support and resistance levels can be adjusted by software. The device can also be programmed to evaluate ankle parameters, such as ankle conditions and impedance.

本考案による装置の態様は、リハビリテーションロボット、ロボット支援型リハビリテーション、理学療法装置、フォースフィードバック外骨格型構造物、医療用触覚インタフェース、臨床測定装置、足首リハビリテーションシステム、短下肢装具、足首理学療法用リハビリテーション装置、足首機能を評価する装置、及び足首インピーダンスの測定に、関連している。   The device according to the present invention includes a rehabilitation robot, robot-assisted rehabilitation, physical therapy device, force feedback exoskeleton structure, medical tactile interface, clinical measurement device, ankle rehabilitation system, ankle leg orthosis, ankle physical therapy rehabilitation Related to devices, devices for evaluating ankle function, and ankle impedance measurements.

本考案の外骨格型装置の斜視図である。It is a perspective view of the exoskeleton type device of the present invention. 3UPS構成の外骨格型装置の側面図である。It is a side view of an exoskeleton type device of 3UPS composition. 3RPSメカニズムとして作動する外骨格型装置の斜視図である。It is a perspective view of an exoskeleton type device which operates as a 3RPS mechanism. 3UPSメカニズムとして作動する場合の外骨格型装置の斜視図であり、中央のリンクは、人の足及び足首を示す。FIG. 3 is a perspective view of an exoskeleton-type device when operating as a 3UPS mechanism, with the center link indicating the human foot and ankle. 外骨格型装置に用いられる関節部材の、ロックされていない位置での、斜視図である。It is a perspective view in the unlocked position of the joint member used for an exoskeleton type device. 外骨格型装置に用いられる関節部材の、ロックされた位置での、斜視図である。It is a perspective view in the locked position of the joint member used for an exoskeleton type device. 反作用トルク監視装置を備えたローバストな位置制御装置のブロック図である。It is a block diagram of the robust position control apparatus provided with the reaction torque monitoring apparatus.

好適な実施形態に関する以下の説明は、本質的には単なる例示的なものであり、及び、本考案、その適用、又は用途を、限定するような意図は全くない。   The following description of the preferred embodiments is merely exemplary in nature and is in no way intended to limit the invention, its application, or uses.

オペレータの足に対向する可動プラットフォーム2と、
そのオペレータの脚に対向するベースプラットフォーム3と、
ベースプラットフォーム3と可動プラットフォーム2とを接続する接続部材4と、
を具備している、足首治療及び測定外骨格型装置1。
A movable platform 2 facing the operator's foot;
A base platform 3 facing the operator's leg;
A connecting member 4 for connecting the base platform 3 and the movable platform 2;
An ankle treatment and measurement exoskeleton device 1 comprising:

外骨格型装置(exoskeleton device)1は、接続部材4をベースプラットフォーム3に接続する関節部材5を、更に具備している。外骨格型装置1は、関節部材5の助けを借りて、2つの異なる種類の運動、すなわち、RoM訓練/強化訓練と、バランス運動/固有感覚運動と、を互いに無関係に支援することができる。関節部材5は、選択的に異なるモードにすることができる。本考案の好適な実施形態において、その関節部材は、ユニバーサルジョイントと回転関節との間で、切り替えられる。   The exoskeleton device 1 further includes a joint member 5 that connects the connection member 4 to the base platform 3. The exoskeleton-type device 1 can support two different types of movements, namely RoM training / strengthening training and balance movement / propriosensory movement, independently of each other, with the help of the articulating member 5. The articulating member 5 can be selectively in different modes. In a preferred embodiment of the present invention, the joint member is switched between a universal joint and a rotary joint.

本考案の好適な実施形態において、接続部材4は、球面関節を用いることによって、可動プラットフォーム2に接続される。   In a preferred embodiment of the present invention, the connecting member 4 is connected to the movable platform 2 by using a spherical joint.

足関節は、2つの回転関節(RR)、すなわち、上部足関節と距骨下関節とを備えた、空間的連続キネマティックチェーンとして、モデル化することができる。その上部足関節は、回転背屈/底屈運動を支持し、一方、その距骨下関節は、回転回外/回内運動を支持する。回外/回内回転は、内反/外反成分及び外転/内転成分の両方を有する複雑な運動である。   The ankle joint can be modeled as a spatially continuous kinematic chain with two rotational joints (RR): an upper ankle joint and a subtalar joint. Its upper ankle joint supports rotational dorsiflexion / plantar flexion movement, while its subtalar joint supports rotational supination / pronation movement. A gyrus / inward rotation is a complex motion that has both a varus / valgus component and an abduction / inversion component.

本考案の好適な実施形態に用いられるキネマティックチェーンは、クローズドキネマティックチェーン(パラレルメカニズム)である。クローズドキネマティックチェーンは、オペレータが装置1を装着した場合に、外骨格として機能し、及び、人の関節の自然な動きを可能にし及び支援する。クローズドキネマティックチェーンは、高剛性を有するコンパクトなデザインを呈し、及び、低有効慣性を有している。そのクローズドキネマティックチェーンのアクチュエータは、接地することができ、又は、低加速度を受けるメカニズムの部材上に配置することができる。   The kinematic chain used in the preferred embodiment of the present invention is a closed kinematic chain (parallel mechanism). The closed kinematic chain functions as an exoskeleton when an operator wears the device 1 and enables and supports the natural movement of a human joint. The closed kinematic chain exhibits a compact design with high rigidity and has a low effective inertia. The closed kinematic chain actuator can be grounded or can be placed on a member of a mechanism that is subject to low acceleration.

本考案において用いられるクローズドキネマティックチェーンは、関節部材5の助けを借りて、少なくとも2つの異なるメカニズムとして、用いることができる。このことによって、装置1は、再構成可能な特性を得ている。本考案の好適な実施形態において、その装置は、互いに無関係に、3UPS(ユニバーサル(universal)、直動(prismatic)、球面(spherical))及び3RPS(回転(revolute)、直動(prismatic)、球面(spherical))メカニズムとして、用いることができる。   The closed kinematic chain used in the present invention can be used as at least two different mechanisms with the help of the articulating member 5. As a result, the device 1 has a reconfigurable characteristic. In a preferred embodiment of the present invention, the device is independent of each other, 3UPS (universal, prismatic, spherical) and 3RPS (revolute, prismatic, spherical). (Spherical)) as a mechanism.

本考案の好適な実施形態において、関節部材5は、ロックされていない位置及びロックされている位置で、選択的に用いることのできる、再構成可能な関節である。ロックされていない位置では、再構成可能な関節5は、2つの軸A、B周りに自由に回転することができる。第1の軸Aは、ベースプレート3に対して接線方向であり、一方、第2の軸Bは、ベースプレート3に対して直角である。関節5がロックされていない場合、一連の回転関節は、所望の前記軸周りに回転するユニバーサルジョイントとして、機能する。第2の関節軸Bがロックされている場合には、再構成可能な関節5は、第1の軸A周りにのみ自由に回転することができる回転関節として、機能するように制限される。したがって、再構成可能な関節5は、3UPSメカニズムを3RPSメカニズムに再構成できるようになっており、また、逆も同様に可能である。   In a preferred embodiment of the present invention, the joint member 5 is a reconfigurable joint that can be selectively used in the unlocked and locked positions. In the unlocked position, the reconfigurable joint 5 can rotate freely about the two axes A, B. The first axis A is tangential to the base plate 3, while the second axis B is perpendicular to the base plate 3. When the joint 5 is not locked, the series of rotary joints function as a universal joint that rotates around the desired axis. When the second joint axis B is locked, the reconfigurable joint 5 is restricted to function as a rotary joint that can rotate freely only about the first axis A. Thus, the reconfigurable joint 5 can be reconfigured from a 3UPS mechanism to a 3RPS mechanism, and vice versa.

接続部材4は、基本的に、駆動ユニット6及び可動要素7を、具備している。駆動ユニット6は、必要な力を可動要素7に加えることができ、その結果、可動要素7は動くことができる。本考案の好適な実施形態において、駆動ユニット6は、電動モータであり、それに対して、可動要素7は、少なくとも1つの伸長リンクである。   The connecting member 4 basically includes a drive unit 6 and a movable element 7. The drive unit 6 can apply the necessary force to the movable element 7, so that the movable element 7 can move. In a preferred embodiment of the invention, the drive unit 6 is an electric motor, whereas the movable element 7 is at least one extension link.

クローズドキネマティックチェーンを3UPSメカニズムとして用いる場合、再構成可能な関節5は、ロックされていない位置にあり、換言すれば、その関節は、所望の軸A、B周りに自由に回転することができ、ユニバーサルジョイントとして、作動する。更に、オペレータの脚は、そのメカニズムの中心リンクとして作用し、換言すれば、そのオペレータの足首は、そのメカニズムの1つの部材となる。本考案の好適な実施形態において、そのメカニズムは、対称的な3UPSメカニズムであり、この場合、ユニバーサルジョイント5及び球面関節は、ベースプラットフォーム3及び可動プラットフォーム2の周囲に沿って120°離間されている。ユーザが装着すると、人の足首に取り付けられた3UPSメカニズムは、固定されているベースプラットフォーム3に対する可動プラットフォーム2の連成運動に相当する2つの自由度(DoF)を有する。伸長リンク7の長さは、これらのDoFを制御するように作動する。可動プラットフォーム2は、ベースプラットフォーム3からzの距離にあり、及び、ベース2を通る垂直軸に直角な並進運動はできない。オペレータが完全に受動的であっても、2つのDoFの3UPSメカニズムは、3つの作動関節を有しており、すなわち、冗長メカニズムである。装置1が、その作動範囲内の特異点に近づく場合、特異点解消が実現可能になるため、この冗長性は、装置1の有効作動範囲を大きくするのに利用することができる。   When using a closed kinematic chain as a 3UPS mechanism, the reconfigurable joint 5 is in an unlocked position, in other words, the joint can freely rotate about the desired axes A, B. Operates as a universal joint. In addition, the operator's leg acts as the central link of the mechanism, in other words, the operator's ankle becomes a member of the mechanism. In a preferred embodiment of the present invention, the mechanism is a symmetrical 3UPS mechanism, in which the universal joint 5 and spherical joint are spaced 120 ° along the perimeter of the base platform 3 and the movable platform 2. . When worn by the user, the 3UPS mechanism attached to the person's ankle has two degrees of freedom (DoF) corresponding to the coupled motion of the movable platform 2 relative to the fixed base platform 3. The length of the extension link 7 operates to control these DoFs. The movable platform 2 is at a distance z from the base platform 3 and cannot translate at right angles to the vertical axis through the base 2. Even if the operator is completely passive, the two DoF 3UPS mechanisms have three working joints, ie, redundant mechanisms. This redundancy can be used to increase the effective operating range of the device 1 because the singularity can be resolved when the device 1 approaches a singular point within its operating range.

クローズドキネマティックチェーンを3RPSメカニズムとして用いる場合、再構成可能な関節5は、ロックされている位置にあり、換言すれば、第2の軸B周りの関節5の回転運動が防止されている。再構成可能な関節5は、回転関節として作動し、また、その回転軸は、ベースプラットフォーム3の接線に沿った方向に向いている。ベースプラットフォーム3は、足の内旋/外旋を可能にするために、受動回転関節を介して、脚の上部ふくらはぎの中央に取り付けられる。本考案の好適な実施形態において、そのメカニズムは、対称的な3RPSメカニズムであり、この場合、回転関節5及びその球面関節は、ベースプラットフォーム3及び可動プラットフォーム2の周囲に沿って120°離間されている。3RPSメカニズムは、高さzに相当する3つの自由度を有している。伸長リンク7の長さは、これらのDoFを制御するように作用する。可動プラットフォーム2は、ベースプラットフォーム3を通る垂直軸に直角な、限定された並進運動が、可能であるが、回転関節角度に関する制限値に対する特異点はない。   When a closed kinematic chain is used as the 3RPS mechanism, the reconfigurable joint 5 is in a locked position, in other words, rotational movement of the joint 5 around the second axis B is prevented. The reconfigurable joint 5 operates as a rotary joint and its axis of rotation is oriented in a direction along the tangent to the base platform 3. The base platform 3 is attached to the center of the upper calf of the leg via a passive rotary joint to allow internal / external rotation of the foot. In a preferred embodiment of the present invention, the mechanism is a symmetric 3RPS mechanism, in which the rotating joint 5 and its spherical joint are spaced 120 ° along the perimeter of the base platform 3 and the movable platform 2. Yes. The 3RPS mechanism has three degrees of freedom corresponding to the height z. The length of the extension link 7 acts to control these DoFs. The movable platform 2 is capable of limited translational movement perpendicular to the vertical axis through the base platform 3, but there is no singularity for the limiting value for the rotational joint angle.

クローズドキネマティックチェーンが3UPSモードになっている場合、装置1は、RoM訓練/強化訓練装置として、使用することができ、一方、3RPSモードになっている場合には、バランス運動/固有感覚運動装置として、使用することができる。   If the closed kinematic chain is in 3UPS mode, the device 1 can be used as a RoM training / strengthening training device, while if it is in 3RPS mode, it is a balance / propriosensory motor device. As can be used.

外骨格型装置1とオペレータとの間の結合は、安全性を確実にするように、及び、小さな関節ずれ及び小さなモデリングの不完全性を、可能にするように、柔軟に構成される。装置1の運動が、足首の自然な動きと矛盾する場合には、その柔軟性が、装置1に対する人の四肢の相対運動を可能にする。   The coupling between the exoskeleton device 1 and the operator is flexibly configured to ensure safety and to allow for small joint displacements and small modeling imperfections. If the movement of the device 1 contradicts the natural movement of the ankle, its flexibility allows the relative movement of the person's limb relative to the device 1.

本考案の一実施形態において、装置1の重量は、ひざの周りの締まったストラップによって、上部脚及び上部のふくらはぎの中央にわたって分散される。   In one embodiment of the present invention, the weight of the device 1 is distributed over the center of the upper leg and upper calf by a tight strap around the knee.

本考案の別の実施形態においては、装置1の重量は、装置1をオペレータの肩から吊るすことによって、体全体に分散させることができる。   In another embodiment of the present invention, the weight of the device 1 can be distributed throughout the body by hanging the device 1 from the operator's shoulder.

外骨格型装置1は、更に、制御ユニット(図示せず)と、少なくとも2つのセンサ(図示せず)と、を具備している。それらのセンサのうちの一方は、接続部材4の長さを測定し、一方、第2のセンサは、関節部材5の軸方向回転量を測定する。これらの要素の測定されたデータは、装置1の形状構成を計算し、及び、装置1に作用する力を判断するために、制御ユニットによって処理される。具体的には、可動プラットフォーム2の形状構成を計算するために、装置1の順運動学が用いられ、一方、装置1に作用する力を判断するために、ソフトウェアで実行される反作用トルク監視装置によって、装置1の動力学が用いられる。   The exoskeleton device 1 further includes a control unit (not shown) and at least two sensors (not shown). One of these sensors measures the length of the connecting member 4, while the second sensor measures the amount of axial rotation of the joint member 5. The measured data of these elements are processed by the control unit to calculate the configuration of the device 1 and to determine the forces acting on the device 1. Specifically, the forward kinematics of the device 1 is used to calculate the shape configuration of the movable platform 2, while the reaction torque monitoring device is executed by software to determine the force acting on the device 1. The dynamics of the device 1 are used.

足首パラメータを判断するためには、回転関節の回転軸とともに、キネマティックチェーンのリンク7の長さが、分からなければならない。かなり正確な判断を得るために、足首のX線像を検討することができるため、オペレータの骨長の測定は、比較的容易である。しかし、足首の動きは、足骨のサイズ及び方向と、関節表面の形状と、に依存するため、その回転軸の測定は困難である。X線像を検討することによって、関節軸の方向判断のみを得ることができる。足首の動きを検討するには、関節軸のより正確な判断が所望され、また、そのような判断は、その外骨格型装置で集められたデータによって実行可能である。   In order to determine the ankle parameter, the length of the kinematic chain link 7 as well as the rotational axis of the rotary joint must be known. Measuring an operator's bone length is relatively easy because an ankle x-ray image can be examined to obtain a fairly accurate judgment. However, since the movement of the ankle depends on the size and direction of the foot bone and the shape of the joint surface, it is difficult to measure the rotation axis. By examining the X-ray image, only the direction determination of the joint axis can be obtained. In order to examine ankle movement, a more accurate determination of the joint axis is desired, and such a determination can be made with data collected by the exoskeleton device.

骨長に関する良好な判断を前提とすると、人の足首の回転関節の回転軸は、オペレータに自由なRoM運動を実行することを指示することにより、及び、伸長リンク7と好ましくは関節部材5上に配置された3つの回転センサとから、位置データを収集することにより、測定することができる。データが利用できるようになれば、各時刻における可動プラットフォーム2の形状構成に対する、3UPSメカニズムの形状構成レベルの順運動学が、解決される。一旦、足の形状構成が記録されると、回転関節の軸及び3つの軸周りの回転量に対して、未知の(人の足首を示す)回転関節軸を有する2つのリンクRRマニピュレータに関する形状構成レベルの逆運動学が、解決される。   Given a good judgment regarding bone length, the axis of rotation of the rotating joint of the person's ankle instructs the operator to perform a free RoM movement and on the extension link 7 and preferably on the joint member 5. It is possible to measure by collecting position data from the three rotation sensors arranged at. Once the data is available, the forward kinematics of the 3UPS mechanism geometry configuration level for the geometry of the movable platform 2 at each time is solved. Once the foot shape configuration is recorded, the shape configuration for the two link RR manipulators having an unknown rotational joint axis (indicating a human ankle) relative to the rotational joint axis and the amount of rotation about the three axes. Level inverse kinematics is solved.

結合された3UPS−RRシステム(人の足首に結合された外骨格型装置)に関する形状構成及び運動レベルの順運動学及び逆運動学と、外骨格型装置1のみの動力学的特性と、を前提とすると、その足首の動力学的特性を明らかにするために、反作用トルク監視装置を備えたローバストな位置制御装置を、実装することができる。具体的には、外骨格型装置1は、ローバストな位置制御装置を用いて、足首に所望の軌跡をたどるように命令することができるが、この動作中には、その足首の未知の動力学による外乱力を判断することができる。その制御装置の実施においては、そのシステムに作用する外乱が単にその足首の未知の動力学によるものであることを確実にするために、外骨格型装置1に関する既知の動力学による力が、フィードフォワード方式でそのシステムに加えられる。このような制御の下で、その制御装置によって命令された力が、その足首のモデル化されていない動力学に対抗するようになる。したがって、そのアクチュエータの力は、足首の関節トルクに対応付けることができ、及び、他の全ての外乱が比較的小さいと仮定すると、これらのトルクは、足首動力学による実際の関節トルクに近い推定値をもたらす。   For the combined 3UPS-RR system (exoskeleton type device connected to the human ankle), the forward kinematics and inverse kinematics of the motion level and the dynamic characteristics of the exoskeleton type device 1 only. As a premise, a robust position control device with a reaction torque monitoring device can be implemented to reveal the ankle dynamics. Specifically, the exoskeleton-type device 1 can use a robust position control device to command the ankle to follow a desired trajectory, but during this operation the unknown kinetics of the ankle The disturbance force by can be determined. In the implementation of the control device, to ensure that the disturbances acting on the system are simply due to the unknown dynamics of the ankle, the forces of known dynamics on the exoskeleton device 1 are fed. Added to the system in a forward manner. Under such control, the force commanded by the controller will counteract the unmodeled dynamics of the ankle. Therefore, the actuator force can be associated with the ankle joint torque, and assuming that all other disturbances are relatively small, these torques are estimates close to the actual joint torque from ankle dynamics. Bring.

外骨格型装置1は、受動運動モード、能動運動モード、支援運動モード、及び抵抗運動モードを、遂行することができる。支援及び抵抗を受けて安全な訓練を可能にするために、仮想トンネル及びこれらのトンネル内部の力場を、実装することができる。   The exoskeleton-type device 1 can perform a passive motion mode, an active motion mode, a support motion mode, and a resistance motion mode. Virtual tunnels and force fields inside these tunnels can be implemented to enable safe training with assistance and resistance.

3UPS構成の装置1は、その全可動域において、足首の可能な全ての動きを可能にするので、臨床測定に用いることが可能である。まず、その装置は、患者の可動域を測定するのに用いることができる。患者が彼又は彼女の足首を動かすと、その装置は、この動きの経時変化(軌跡)を測定して記録することができる。その測定された動きの経時変化を前提とすると、患者がどれほど速く動作を完了したかということと、基準の軌跡に対して含まれている誤差量と、それらの動作がどの程度円滑又は断続的であるかということと、を判断することが可能である。装置1の運動学は分かっているため、測定された形状構成変化を、足関節の回転に対応付けることも可能である。この能力は、足関節の動きの、方向、速度、及び円滑性、の測定を可能にする。関節動作の協調及び共力作用も、これらの測定値から検出することができる。   The 3UPS configuration device 1 allows all possible movements of the ankle in its full range of motion and can therefore be used for clinical measurements. First, the device can be used to measure a patient's range of motion. As the patient moves his or her ankle, the device can measure and record this movement over time (trajectory). Given that measured movement over time, how quickly the patient completed the movement, the amount of error included with respect to the reference trajectory, and how smooth or intermittent the movement was. It is possible to judge whether or not. Since the kinematics of the device 1 is known, it is also possible to correlate the measured shape configuration change with ankle joint rotation. This ability allows measurement of the direction, speed, and smoothness of ankle movement. Joint motion synergies and synergistic effects can also be detected from these measurements.

上述したように、ローバストな位置制御装置を用いること、及び、外骨格型装置1に所望の軌跡をたどるように命令すること、によって、この動作中に、足首の未知の動力学による外乱力を判断することが可能である。これらの力もまた、足首の運動学を用いて、その足首の関節トルクに対応付けることができる。この測定方法は、足首がどのような形状構成であっても、患者が患者の足首のインピーダンス及び状態に及ぼすことができる最大の関節トルクを測定するのに用いることができる。具体的には、そのローバストな位置制御装置の利得が、いずれかの参照形状構成に留まるように設定され、及び、患者に、彼又は彼女の足関節に最大トルクを加えるように依頼した場合、関連する軸周りの人の足関節トルクを判断するために、その制御装置に作用する外乱力を関節トルクに対応付けることができる。そして、そのローバストな位置制御装置の場合の予め指定された基準軌跡を前提とすると、その関節トルクを各時刻において判断することができ、及び、その関節の回転と関節トルクとの関係を、足首インピーダンス及び/又は状態を判断するのに用いることができる。   As described above, by using a robust position control device and instructing the exoskeleton device 1 to follow a desired trajectory, during this operation, disturbance forces due to unknown kinetics of the ankle are generated. It is possible to judge. These forces can also be correlated to the ankle joint torque using ankle kinematics. This measurement method can be used to measure the maximum joint torque that a patient can affect the impedance and condition of the patient's ankle, whatever the ankle shape is. Specifically, if the robust position controller gain is set to remain in any reference configuration and asks the patient to apply maximum torque to his or her ankle, In order to determine the foot joint torque of a person around the relevant axis, the disturbance force acting on the control device can be associated with the joint torque. Given the pre-designated reference trajectory in the case of the robust position control device, the joint torque can be determined at each time, and the relationship between the rotation of the joint and the joint torque is It can be used to determine impedance and / or status.

本考案の別の実施形態においては、非接地で、装着可能で、再構成可能な、足首治療及び測定外骨格型装置を、仮想現実ゲームと組合わせることができる。   In another embodiment of the present invention, an ungrounded, wearable, reconfigurable ankle treatment and measurement exoskeleton device can be combined with a virtual reality game.

本考案の上記の説明は、本質的には単なる例示的なものであり、したがって、本考案の主旨から逸脱しない変形が本考案の範囲内にあることが、意図されている。そのような変形は、本考案の趣旨及び範囲からの逸脱と見なすべきではない。   The above description of the invention is merely exemplary in nature and, thus, variations that do not depart from the gist of the invention are intended to be within the scope of the invention. Such variations are not to be regarded as a departure from the spirit and scope of the present invention.

1 外骨格型装置 2 ベースプラットフォーム 3 可動プラットフォーム
4 接続部材 5 関節部材
1 Exoskeleton type device 2 Base platform 3 Movable platform 4 Connection member 5 Joint member

Claims (16)

オペレータの脚に対向するベースプラットフォームと、
前記オペレータの足に対向する可動プラットフォームと、
前記ベースプラットフォームと前記可動プラットフォームとを接続する接続部材と、
前記接続部材を前記可動プラットフォームに接続する関節部材と、
を具備していることを特徴とする、非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
A base platform facing the operator's leg;
A movable platform facing the operator's foot;
A connection member connecting the base platform and the movable platform;
A joint member connecting the connection member to the movable platform;
A non-grounded ankle treatment and measurement exoskeleton device characterized by comprising:
2つの異なる種類の運動、すなわち、RoM訓練/強化訓練と、バランス運動/固有感覚運動と、を互いに無関係に支援することができる、
請求項1記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
Can support two different types of exercises independently: RoM training / strengthening training and balance / propriosensory movement,
The non-grounded ankle treatment and measurement exoskeleton device according to claim 1.
前記関節部材は、再構成可能な関節であり、それは、ロックされていない位置では、第1の軸が前記ベースプレートに対して接線方向であり第2の軸が前記ベースプレートに対して直角である、2つの軸周りに、自由に回転することができる、
請求項1又は2に記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
The articulation member is a reconfigurable joint, wherein in an unlocked position, the first axis is tangential to the base plate and the second axis is perpendicular to the base plate; Can freely rotate around two axes,
The non-grounded ankle treatment and measurement exoskeleton type device according to claim 1 or 2.
前記再構成可能な関節がロックされていない場合、一連の回転関節は、所望の前記軸周りに回転するユニバーサルジョイントとして、機能する、
請求項3記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
If the reconfigurable joint is unlocked, the series of rotating joints function as a universal joint that rotates around the desired axis.
4. An ungrounded ankle treatment and measurement exoskeleton device according to claim 3.
前記第2の軸がロックされている場合、前記再構成可能な関節は、前記第1の軸周りにのみ自由に回転できる回転関節として、機能するように制限される、
請求項3記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
When the second axis is locked, the reconfigurable joint is limited to function as a rotating joint that can rotate freely only about the first axis.
4. An ungrounded ankle treatment and measurement exoskeleton device according to claim 3.
前記再構成可能な関節は、バランス運動/固有感覚運動装置として前記装置が使用される3RPSメカニズムに、再構成される、RoM訓練/強化訓練装置として、前記装置が使用される3UPSメカニズムを、可能にし、及び、その逆の場合も同じである、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
The reconfigurable joint allows a 3RPS mechanism where the device is used as a RoM training / strengthening training device, reconfigured into a 3RPS mechanism where the device is used as a balance / propriosensory motor device And vice versa
The non-grounded ankle treatment and measurement exoskeleton type device according to any one of claims 1 to 5.
前記装置を前記3UPSメカニズムとして使用する場合、前記再構成可能な関節は、ロックされていない位置にあり、及び、ユニバーサルジョイントとして作動し、また、前記オペレータの脚は、前記メカニズムの中心リンクとして作動する、
請求項6記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
When the device is used as the 3UPS mechanism, the reconfigurable joint is in an unlocked position and operates as a universal joint, and the operator's leg operates as a central link of the mechanism To
7. A non-grounded ankle treatment and measurement exoskeleton device according to claim 6.
前記装置を前記3RPSメカニズムとして使用する場合、前記再構成可能な関節は、ロックされている位置にあり、及び、回転関節として作動し、また、その回転軸は、前記ベースプラットフォームの接線に沿った方向に向いている、
請求項6記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
When the device is used as the 3RPS mechanism, the reconfigurable joint is in a locked position and operates as a rotary joint, and its axis of rotation is along the tangent of the base platform Facing the direction,
7. A non-grounded ankle treatment and measurement exoskeleton device according to claim 6.
前記接続部材は、駆動ユニット及び可動要素を具備している、
請求項1〜8のいずれか一項に記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
The connection member includes a drive unit and a movable element.
The non-grounded ankle treatment and measurement exoskeleton type device according to any one of claims 1 to 8.
制御ユニット及び少なくとも2つのセンサを、更に具備している、
請求項1〜9のいずれか一項に記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
Further comprising a control unit and at least two sensors;
The non-grounded ankle treatment and measurement exoskeleton type device according to any one of claims 1 to 9.
前記装置が、受動運動モード、能動運動モード、支援運動モード、及び抵抗運動モードを、遂行できる、
請求項1〜10のいずれか一項に記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
The apparatus can perform a passive movement mode, an active movement mode, a support movement mode, and a resistance movement mode.
The non-grounded ankle treatment and measurement exoskeleton type device according to any one of claims 1 to 10.
支援運動モード及び抵抗運動モードを受けて安全な訓練を可能にするために、仮想トンネル及びこれらのトンネル内部の力場が実装されている、
請求項11記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
Virtual tunnels and force fields inside these tunnels have been implemented to allow safe training in response to the support and resistance modes.
12. An ungrounded ankle treatment and measurement exoskeleton device according to claim 11.
仮想現実ゲームと組み合わされている、
請求項12記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
Combined with virtual reality games,
13. An ungrounded ankle treatment and measurement exoskeleton device according to claim 12.
トルク監視装置を備えたローバストな位置制御装置を、更に具備している、
請求項1〜13のいずれか一項に記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
A robust position control device including a torque monitoring device;
The non-grounded ankle treatment and measurement exoskeleton type device according to any one of claims 1 to 13.
臨床測定を実行する、
請求項10〜14のいずれか一項に記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
Perform clinical measurements,
The non-grounded ankle treatment and measurement exoskeleton type device according to any one of claims 10 to 14.
前記装置が、前記足首のいずれかの、軌跡、状態、及びインピーダンスを、たどっている間に、関節の形状構成、動きの速度、軌跡、軌跡のずれ、動きの円滑性、可動域、協調及び共力作用、いずれかの形状構成における最大関節トルク、及び関節トルクを、測定する、
請求項15記載の非接地の足首治療及び測定外骨格型装置。
While the device is following the trajectory, state, and impedance of any of the ankles, the shape of the joint, the speed of the motion, the trajectory, the deviation of the trajectory, the smoothness of the motion, the range of motion, coordination and Measure synergism, maximum joint torque in any shape configuration, and joint torque,
16. An ungrounded ankle treatment and measurement exoskeleton device according to claim 15.
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