JP2003164461A - 人工関節動作装置と、それを用いた人工関節シミュレータ及び人工関節の摩耗試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、関節動作の再現性に優れ、制御が
容易で安価な人工関節の動作装置を提供することを目的
とする。 【解決手段】 本発明の人工関節の動作装置は、設定自
由度以上の本数が配設され、それぞれが人工関節１に生
体筋の配置を規範にして装着される可撓性引張部材２
_ｗ１，２_ｗ２，２_ｗ３，２_ｗ４，２_ｗ５，２_ｗ６と、人
工関節における骨端部間の接触面圧を調整して、生体の
関節動作と等価のポリセントリックな関節動作を実現す
るとともに、人工関節に所定の動作をさせるための張力
を可撓性引張部材２_ｗ１，２_ｗ２，２_ｗ３，２_ｗ４，２
_ｗ５，２_ｗ６にそれぞれ加える複数のプーリ４_ｐ１，４
_ｐ２，４_ｐ３，４_ｐ４，４_ｐ５，４_ｐ６とモータ
５_ｍ１，５_ｍ２，５_ｍ３，５_ｍ４，５_ｍ５，５_ｍ６と、
牽引部の張力を制御する制御部１２が設けられたことを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人工関節の性能評
価を行うとき、生体内の状態の再現性に優れ、制御が容
易で安価な人工関節動作装置と、それを用いた人工関節
シミュレータ及び人工関節の摩耗試験装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、人工関節を動作させる人工関節動
作装置を用いた装置には、人工関節材料または人工関節
実物の耐久試験を行う摩耗試験装置と、人工関節に生体
の運動と等価の運動をさせる関節シミュレータ等が知ら
れている。摩耗試験装置と関節シミュレータはＪＩＳや
ＩＳＯでは異なった取り扱いがなされているが、いずれ
も生体運動と等価の運動をさせるための人工関節動作装
置が必要なことでは共通であり、特定の関節シミュレー
タは、摩耗試験機としても使用できる。

【０００３】まず、従来の摩耗試験装置の説明を行う。
摩耗試験装置としては、（１）ピン（棒状試験片）と回
転するディスク状試験片とで摩耗試験を行うピン・オン
・ディスク方式の摩耗試験装置と、（２）ピンと往復運
動する板状試験片とで摩耗試験を行うピン・オン・プレ
ート方式の摩耗試験装置と、（３）揺動運動するローラ
と呼ばれる円板上の試験片と板状の試験片とで摩擦試験
を行うローラ・オン・プレート方式の摩耗試験装置が代
表的なものとして知られている。

【０００４】まず、特開平１１−５１８３８号公報で提
案されたピン・オン・ディスク方式の摩耗試験装置につ
いて説明する。図９は従来のピン・オン・ディスク方式
の摩耗試験装置の構成図である。この従来のピン・オン
・ディスク方式の摩耗試験装置は、従来のピン・オン・
プレート方式の摩耗試験装置だと、潤滑液を入れた容器
内において板状試験片またはピンを水平方向往復運動を
させる必要があり、装置が機械構造上複雑となって安定
性に欠け、且つ高価になるため、これを解決する目的で
ピン・オン・ディスク方式を採用したものである。図９
において、５１ａはディスク状試験片、５１ｂはピン状
試験片、５２は回転基盤、５３は回転駆動手段、５４は
容器本体、５５ａは荷重負荷手段、５５ｂはピン状試験
片押し付け手段、５６はコントローラである。この従来
のピン・オン・ディスク方式の人工関節材料の摩耗試験
装置は、ディスク状試験片５１aを着脱自在に固定させ
ると共に潤滑液を充填した容器本体５４を回転基板５２
に着脱自在に固定している。この回転基板５２は回転駆
動手段５３によって回転される。一方、ピン状試験片５
１ｂはピン状試験片押し付け手段５５ｂによって保持さ
れ、ディスク状試験片５１ａ面と接触させられる。ピン
状試験片５１ｂの当接面は容器本体５４に対して上方か
ら浸漬される。ピン状試験片押し付け手段５５ｂは荷重
負荷手段５５ａによって一定の荷重がかけられ、コント
ローラ５６が回転基盤５２を一定のタイミングで正逆回
転させたものである。

【０００５】この従来のピン・オン・ディスク方式の摩
耗試験装置は、ピン・オン・プレート方式の摩耗試験装
置より構造が簡単で、安定した性能が期待できる上、安
価に製造することができるが、基本的には１自由度１方
向の装置であり、往復運動のピン・オン・プレート方式
の摩耗試験装置と比較して生体内における条件とは異な
った条件下での摩耗試験となるものであった。

【０００６】これに対し、従来のローラ・オン・プレー
ト方式の人工関節の摩耗試験装置は自由度３もしくは自
由度４を確保できるものであった。図１０は従来のロー
ラ・オン・プレート方式の摩耗試験装置の構成図であ
る。

【０００７】図１０において、６１ａはプレート型試験
片、６１ｂは揺動回転するローラ型試験片、６２はロー
ラ型試験片６１ｂを揺動させるためのクランク、６３は
クランク６２を往復動させるための第１流体シリンダ、
６４は潤滑液を充填した容器本体、６５はプレート型試
験片６１ａをローラ型試験片６１ｂに荷重をかけるため
の第２流体シリンダ、６６はコントローラである。

【０００８】この従来のローラ・オン・プレート方式の
摩耗試験装置は、プレート型試験片６１ａ上でローラ型
試験片６１ｂを第１流体シリンダ６３によって揺動回転
させ、第２流体シリンダ６５によってプレート型試験片
６１ａに負荷をかけるもので、必要に応じてこの第２流
体シリンダの軸を回転させることにより、３自由度もし
くは４自由度の運動を確保できるものであり、簡易シミ
ュレータとして扱われる。しかし、生体内における再現
性という点では、この装置を用いたのではモノセントリ
ックな屈伸運動となるため、生体関節運動の再現が十分
ではなかった。

【０００９】そこで、生体と同じ状態を作ろうとして
（４）多自由度型の人工関節の摩耗試験装置が提案され
ている。これはピン・ジョイントを使用して６自由度を
実現した摩耗試験装置であって、多自由度であるためロ
ーラ・オン・プレート方式の摩耗試験装置と比較して再
現性のための可能性という点ではかなり改善されたもの
となっている。しかし、ピン・ジョイントを制御して摩
耗試験装置を操作するためには、いわゆる順解析を行わ
なければならない。そして、軌道や加える荷重パターン
のすべてのデータを把握し、これを入力しておかなけれ
ば正確な操作は実現できない。確かに、ピン・ジョイン
トの制御それ自体は、既存の技術を駆使できるため容易
で扱いやすいが、実際の関節のポリセントリックな多自
由度の関節動作を数理的に解析するのは非常に困難であ
る上に、軌道や加えるべき荷重パターンのすべてのデー
タを得ることはできない。局所的で単純な１つか２つか
の特定の関節動作に対して、これを記述する近似関数を
得てピン・ジョイントを制御することは可能かもしれな
いが、その関数は複雑で、しかもデータ量は膨大であ
り、一般的な摩耗試験装置としての実用性は乏しいもの
であった。従って、この多自由度型の摩耗試験装置にお
いても、生体内における再現性という点では課題を残す
ものであった。

【００１０】次に、人工関節動作装置を用いる従来の関
節シミュレータとして、特開平１１−１２３２０１号公
報で提案された顎運動シミュレータについて説明する。
図１１は従来の関節シミュレータの構成図である。

【００１１】図１１において、７１は上顎モデル、７２
は下顎モデル、７３は下顎モデル７２を取り付けた稼動
プレートである。７４は稼動プレート４０に設けられた
ボールジョイント、７５はボールジョイント７４を介し
て稼動プレート４０に取り付けられるリンク、７６はリ
ンク７５のボールジョイント７４の他端に設けられたボ
ールジョイント、７７はボールジョイント７６を介して
リンク７５が取り付けられた円板状のホーンである。７
８はホーン７７を回転駆動させる回転軸、７９はリンク
７５を運動させて稼動プレート７３を３次元的に位置や
姿勢を自由に変えるサーボモータである。８０は顎運動
制御装置であり、８０ａは下顎モデル固定位置演算手
段、８０ｂは下顎制御手段である。

【００１２】この従来の顎運動シミュレータは、上顎を
型取った上顎モデル７１と下顎を型取った下顎モデル７
２を取り付け、上顎モデル７１に対し下顎モデル７２を
相対的に動かすもので、予め被検者の顎の動きを撮影し
て得たデータに基づいてこの顎運動シミュレータにその
被検者の顎の動きを再現させるものである。稼動プレー
ト７３を動かす６本のリンク７５とサーボモータ７９等
は、３次元的な位置や姿勢を自由に変えるパラレルメカ
ニズムによるピン・ジョイント方式の６自由度アクチュ
エータを構成するものである。この６自由度アクチュエ
ータにより、人体の顎の動きから得たデータに基づいて
その下顎モデル７２を動かすことができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来のピン・オン・ディスク方式の人工関節の摩耗試験
装置は、ピン・オン・プレート方式の摩耗試験装置より
構造が簡単で、安定した性能が期待でき且つ安価に製造
することはできるが、基本的には１自由度１方向の装置
であり、往復運動のピン・オン・プレート方式の摩耗試
験装置と比較して生体内の状態とは異なった条件下での
摩耗試験となるものであった。

【００１４】同様に、従来のローラ・オン・プレート方
式の人工関節の摩耗試験装置は、３自由度もしくは４自
由度の運動を確保できるものであったが、生体内におけ
る状態の再現性という点では、この装置を用いるのでは
十分ではなかった。

【００１５】また、多自由度型のピン・ジョイントを使
用した人工関節の摩耗試験装置は、多自由度であるため
ローラ・オン・プレート方式の摩耗試験装置と比較して
再現性の可能性という点ではかなり改善されたものとな
っているが、ピン・ジョイントを制御して摩耗試験装置
を操作するためには、軌道や荷重パターンのすべてのデ
ータを入力しておかなければ正確な操作はできない。ピ
ン・ジョイントの制御自体は既存の技術を駆使できるた
め容易であるが、実際の関節のポリセントリックで多自
由度の関節動作を解析するのは困難で、軌道や荷重パタ
ーンのすべてのデータを得ることはできず、摩耗試験装
置として実用性は今ひとつのものであった。従って、こ
の多自由度型の摩耗試験装置においても、生体内におけ
る状態を再現する再現性という点では課題を残すもので
あった。

【００１６】また、従来の関節シミュレータは、パラレ
ルメカニズムによる６自由度アクチュエータをもち、３
次元的な位置や姿勢を自由に変えることができるもので
あった。しかし、予め被検者の顎の動きを撮影して得た
データに基づいてこの顎運動シミュレータにその被検者
の顎の動きを再現させる必要があった。そして、動作は
撮影して得たデータの運動だけに限られ、汎用化には問
題が残るものであった。また、実際の多くの関節は筋力
によりポリセントリックで多自由度の運動をするが、リ
ンクとジョイントのパラレルメカニズムによる動作では
筋肉の動きとは異なり、シミュレーションによる生体条
件の再現性には限界があった。従って、この従来の関節
シミュレータは、局部的に限定して測定したデータに基
づいて再現するだけであり、実際の筋肉の作用の結果と
して得られる関節の動きの再現と、シミュレーションの
自在性という点で課題を残すものであった。すなわち、
このような仮想インピーダンス制御においては、必要と
される運動が明確でなく、また環境やモデルの同定が難
しいことから、関節シミュレータに対して解析的にイン
ピーダンスパラメータを与えるのがきわめて困難であ
り、さらにパラレルリンクメカニズムの欠点である可動
範囲の狭さが残り、関節シミュレータとしては発展性に
問題が残るものであった。

【００１７】そこで、本発明は、関節動作の再現性に優
れ、制御が容易で安価な人工関節動作装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１８】また、本発明は、関節動作の再現性に優
れ、制御が容易で安価な人工関節シミュレータを提供す
ることを目的とする。

【００１９】さらに、本発明は、関節動作の再現性に優
れ、試験結果が正確で、制御が容易で安価な摩耗試験装
置を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記した従来の問題を解
決するために本発明の人工関節動作装置は、人工関節に
対して生体筋の配置を規範にして装着される複数の可撓
性引張部材と、人工関節における関節面間の接触荷重を
調整して、生体の関節動作と等価のポリセントリックな
関節動作を再現するとともに、人工関節に所定の動作を
させるための張力を可撓性引張部材にそれぞれ加える複
数の牽引部と、牽引部の牽引量と張力を制御する制御部
が設けられたことを特徴とする。

【００２１】これにより、関節動作の再現性に優れ、制
御が容易で安価な人工関節動作装置を提供することがで
きる。

【００２２】また、本発明の人工関節シミュレータは、
人工関節と上述の人工関節動作装置とを備え、該人工関
節が可撓性引張部材を有する人工関節動作装置に装着さ
れたことを特徴とする。

【００２３】これにより、関節動作の再現性に優れ、制
御が容易で安価な人工関節シミュレータを実現できる。

【００２４】さらに、本発明の人工関節の摩耗試験装置
は、上述の人工関節動作装置を備え、可撓性引張部材を
用いて人工関節の素材を繰り返し動作させることを特徴
とする。

【００２５】これにより、関節動作の再現性に優れ、試
験結果が正確で、制御が容易で安価な摩耗試験装置を実
現できる。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、生体の関節動作をシミュレートして人工関節に多自
由度の関節動作をさせる人工関節動作装置であって、人
工関節に対して生体筋の配置を規範にして装着される複
数の可撓性引張部材と、人工関節における関節面間の接
触荷重を調整して、生体の関節動作と等価のポリセント
リックな関節動作を再現するとともに、人工関節に所定
の動作をさせるための張力を可撓性引張部材にそれぞれ
加える複数の牽引部と、牽引部の牽引量と張力を制御す
る制御部が設けられたことを特徴とする人工関節動作装
置であるから、ピン・ジョイント方式ではシミュレーシ
ョン困難であったポリセントリックな関節動作を、生体
筋の配置を規範にして複数の可撓性引張部材を人工関節
に対して装着するとともに、関節面間の接触荷重を調整
することで実現し、且つこの多数の可撓性引張部材をシ
ミュレーション軌道にに従って制御部によって操ること
で生体の関節動作と等価な関節動作を再現できる。

【００２７】本発明の請求項２に記載の発明は、牽引部
のそれぞれが、可撓性引張部材を巻き取るプーリと、該
プーリを回転駆動するためのモータを備えたことを特徴
とする請求項1記載の人工関節動作装置であるから、可
撓性引張部材を巻き取るプーリと、これを駆動するモー
タで牽引することができ、生体条件の再現に関して制御
が容易である。

【００２８】本発明の請求項３に記載の発明は、牽引部
のそれぞれには、可撓性引張部材の端部に接触面圧を調
整するための調整錘が配設されたことを特徴とする請求
項１または２に記載の人工関節動作装置であるから、張
力が大きい場合等、調整錘で静的に接触面圧を調整する
ことができる。

【００２９】本発明の請求項４に記載の発明は、生体上
で切除または残存させる靭帯及び／または腱の機能をシ
ミュレートするために、人工関節には人工靭帯及び／ま
たは人工腱が設けられ、該人工靭帯及び／または人工腱
の機能に応じて可撓性引張部材の本数が減らされること
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の人工関節
動作装置であるから、靭帯と腱によって一部制限される
関節の動きを多数の可撓性引張部材で再現しようとする
と困難であると同時に精度が低下するが、人工靭帯や人
工腱を採用することできわめて容易且つ正確にシミュレ
ートでき、牽引部を減らすことができる。

【００３０】本発明の請求項５に記載の発明は、人工靭
帯及び／または人工腱が非線形弾性を有した材料で作ら
れていることを特徴とする請求項４記載の人工関節動作
装置であるから、人工靭帯または人工腱、人工靭帯及び
人工腱を簡単且つ安価に作ることができる。

【００３１】本発明の請求項６に記載の発明は、制御部
がニューラルネットワークを含んで構成され、可撓性引
張部材の各移動量と、人工関節の姿勢と位置との関数関
係を逆キネマティクスモデルとして学習して制御するこ
とを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の人工関
節動作装置であるから、多数の可撓性引張部材の移動量
と、骨頭部と関節窩部の位置との関数関係をニューラル
ネットワークで逆問題として学習できるため、ピン・ジ
ョイント方式では特定の点の周りの近似関数を求めてロ
ーカルな制御を行うのが限界であったものが、きわめて
広範囲の可動域を簡単且つ容易に取得できる。

【００３２】本発明の請求項７に記載の発明は、ニュー
ラルネットワークには、アナログ入力値を多数入力する
ためのレセプティブレイヤが設けられたことを特徴とす
る請求項６記載の人工関節動作装置であるから、レセプ
ティブレイヤを前置することで人工関節動作装置の制御
用のアナログ値を多数入力することができる。

【００３３】本発明の請求項８に記載の発明は、レセプ
ティブレイヤは複数の並列のニューロンから構成された
入力層を備え、正規化したアナログ入力値が該入力層に
入力されると、該アナログ入力値と対応した位置のニュ
ーロンで分配されることを特徴とする請求項７記載の人
工関節動作装置であるから、ニューラルネットワークが
急激なアナログ入力値の変化にも追従でき、ニューラル
ネットワークで問題となる学習の非再現性と不正確さの
難点を克服できる。

【００３４】本発明の請求項９に記載の発明は、人工関
節と、請求項１〜８のいずれかに記載された人工関節動
作装置とを備え、該人工関節が可撓性引張部材を有する
人工関節動作装置に装着されたことを特徴とする人工関
節シミュレータであるから、関節動作の再現性に優れ、
制御が容易で安価な人工関節シミュレータにすることが
できる。

【００３５】本発明の請求項１０に記載の発明は、請求
項１〜８のいずれかに記載された人工関節動作装置を備
え、可撓性引張部材を用いて人工関節の素材を繰り返し
動作させることを特徴とする人工関節の摩耗試験装置で
あるから、関節動作の再現性に優れ、試験結果が正確
で、制御が容易で安価な摩耗試験装置にすることができ
る。 （実施の形態１）以下、本発明の実施の形態１における
人工関節動作装置について説明する。図1（ａ）は本発
明の実施の形態１における人工関節動作装置の全体正面
図、図1（ｂ）は（ａ）の人工関節動作装置の全体平面
図、図２（ａ）は本発明の実施の形態１における人工関
節動作装置の可撓性引張部材の端部を人工関節に取付け
る取付け部の正面図、図２（ｂ）は（ａ）の取付け部の
側面図、図２（ｃ）は（ａ）の取付け部の背面図、図３
は本発明の実施の形態１における人工関節動作装置の制
御システム構成図、図４（ａ）は本発明の実施の形態１
における人工関節動作装置のニューラルネットワーク構
成図、図４（ｂ）は（ａ）のレセプティブレイヤの説明
図である。

【００３６】図１（ａ）（ｂ）において、１は人工関節
であり、１Ａは人工関節１の骨頭部、１Ｂは骨頭部１Ａ
と噛み合う人工関節１の関節窩部である。図１（ａ）
（ｂ）、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す人工関節１は肩
関節に相当する人工肩関節であって、骨頭部１Ａは球状
で関節窩部１Ｂは皿状の形状をしている。しかし、股関
節や膝関節、他の部位の人工関節１の場合には、骨頭部
１Ａと関節窩部１Ｂは実際の関節に即したこれとは別の
形状となる。実施の形態１の骨頭部１Ａはセラミックや
アクリル樹脂で作られており、関節窩部１Ｂは超高分子
量ポリエチレンやポリアセタールによって作られてい
る。人工関節１は、臨床用では、分子量６００万程度の
超高分子量ポリエチレン，アルミナセラミック，Ｃｏ−
Ｃｒ合金等の、生体に対する影響が少なく、耐久性が高
い材料により構成される。

【００３７】２は、本実施の形態１の人工関節動作装置
で人工関節１に張力を与える可撓性引張部材であり、２
_ｗ１，２_ｗ２，２_ｗ３，２_ｗ４，２_ｗ５，２_ｗ６は生体
筋の配置を規範にした６本の可撓性引張部材である。可
撓性引張部材２は設定入力自由度、すなわち制御対象の
自由度より１だけ大きい理論上の入力自由度を基準に、
実際にはこれ以上（自由度＋１以上）の入力自由度の本
数が設けられる。実施の形態１においては、上腕の回転
動作だけであるため人工関節１は自由度３であり、設定
入力自由度６で同数の可撓性引張部材２_ｗ１〜２_ｗ６が
設けられている。しかし、本発明においては可撓性引張
部材２の本数を増すことによって理論的入力自由度を４
から更に上げて、特定領域の制御の精密さや荷重負荷の
大きさといった点で制御性を増すことができる。すなわ
ち、本実施の形態１においては幾何学的な形状の問題と
荷重負荷を確保するために上述した通り６本の入力とし
ているが、これは上記の条件に従って自由に設定するこ
とが可能であり、人工関節動作装置の目的によりワイヤ
本数を設定することができる。またここでは、可撓性引
張部材２の素材として０．４２ｍｍ程度のステンレスワ
イヤを使用しているが、張力に対する伸びがあまりなく
フレキシブルな素材であれば他の素材も使用可能であ
る。しかし、過度の弾性を備えた引張部材の場合は応答
の遅れや、制御が難しくなるから、若干の弾性を備えた
フレキシブルな可撓性材料までが好適材料となる。

【００３８】ところで人工関節１は、人間が実際に有し
ている実際の関節を模倣したものであるから、骨頭部１
Ａと関節窩部１Ｂが、６入力自由度以上でポリセントリ
ックな動きを示す実際の関節動作を再現できなければ、
シミュレートして動作させたことにはならない。従来の
ピン・ジョイント方式を採用した人工関節では、このよ
うな複雑な関節動作をシミュレートすることは、局所的
なものならともかく動作全体を関数で記述するのが困難
であるため、広範囲で利用できる人工関節とその制御は
不可能である。しかし、本実施の形態１の人工関節動作
装置においては、可撓性引張部材２がフレキシブルな素
材で、以下述べるような制御により実際の関節を構成す
る複数の生体筋と類似した引張（緊張）と弛緩を実現で
き、生体筋にきわめて近い動作にすることができ、本数
を増すことにより６入力自由度以上の関節動作をシミュ
レートすることが可能になる。この可撓性引張部材２を
用いることで、すべての人工関節動作装置の中でもっと
も生体と等価な、すなわち生体再現性の高い動作装置を
実現できる。

【００３９】３_ｈ１，３_ｈ２，３_ｈ３，３_ｈ４，
３_ｈ５，３_ｈ６は、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）の拡大図に
詳細に示されているように、可撓性引張部材２_ｗ１，可
撓性引張部材２_ｗ２，可撓性引張部材２_ｗ３，可撓性引
張部材２_ｗ４，可撓性引張部材２_{ｗ ５}，可撓性引張部材
２_ｗ６の各端部が、骨頭部１Ａに装着される取付け部で
ある。取付け位置の詳細な寸法配置関係は図２（ａ）
（ｂ）（ｃ）の拡大図に示す通りであり（具体的な配置
の説明は図面の記載に譲る）、可撓性引張部材２_ｗ１〜
２_ｗ６は生体筋の配置を規範にして装着される必要があ
り、取付け部３_ｈ１〜３ _ｈ６はそのような部位に設置さ
れる。生体上は可撓性引張部材２_ｗ１が棘上筋、可撓性
引張部材２_ｗ２が小円筋、可撓性引張部材２_ｗ３が広背
筋、可撓性引張部材２_ｗ４が前方三角筋、可撓性引張部
材２_ｗ５が肩甲下筋、可撓性引張部材２_{ｗ ６}が大胸筋に
対応するものである。

【００４０】図１（ａ）（ｂ）において４_ｐ１，
４_ｐ２，４_ｐ３，４_ｐ４，４_ｐ５，４_ｐ６は、可撓性引
張部材２_ｗ１〜２_ｗ６を巻き取るプーリである。また、
５_ｍ１，５ _ｍ２，５_ｍ３，５_ｍ４，５_ｍ５，５_ｍ６は、
プーリ４_ｐ１〜プーリ４_ｐ６を巻き取ったり、弛緩させ
るステッピングモータ等のモータであり、６は、プーリ
４_{ｐ １}〜４_ｐ６に巻き取られた可撓性引張部材２_ｗ１〜
２_ｗ６に対してプーリ側の端部に場合により設けられる
調整錘である。プーリ４_ｐ１〜４_ｐ６とモータ５_ｍ１〜
５_ｍ６、調整錘６等が本発明の牽引部を構成する。な
お、プーリとモータと調整錘で牽引部を構成するほか
に、リニアモータ等で牽引部を構成することができる。
この場合、調整錘でバランスをとれるという利点はなく
なるが、装置構成がシンプルなものになる。

【００４１】可撓性引張部材２_ｗ１〜２_ｗ６に加える引
張応力は、実施の形態１の肩関節においては０〜６０Ｎ
／ｍｍ^２程度、０．４２ｍｍ径の可撓性引張部材１本当
りの筋力としての張力は０〜８Ｎ程度である。膝関節や
股関節では引張応力を０〜６０Ｎ／ｍｍ^２程度として、
ワイヤ断面積を３０ｍｍ^２に増やせば筋力として０〜１
８００Ｎ程度が可能となる。人工関節１の材料、大き
さ、形状、粗さにもよるが、人工関節に荷重無負荷（人
工関節１の自重のみ負荷）時に、通常この範囲内の引張
応力を加えることにより概ね人工関節１が実際の関節と
類似した挙動を示すようになる。すなわち、実際の関節
では弛緩側の伸筋と収縮側の屈筋が多数拮抗しながら関
節面に負荷を及ぼしているが、可撓性引張部材２_ｗ１〜
２_ｗ６も生体規範型の構成を有しており、生体同様の多
くの方向に牽引されるため、この張力を調節すること
で、関節の接触面圧、言い換えれば屈伸時の抵抗の状態
を忠実に再現することができる。実際の関節面における
接触面圧、接触箇所、接触面積等の内容はきわめて複雑
であるが、この張力調節により全体として実際の関節と
等価な抵抗を示す。伸筋に作用する拮抗力は、張力が作
用しない方が屈筋の力を最大限に発揮できるため、接触
位置・面圧の調整や剛性の増加を必要としない場合は、
上述の調整錘６は設けずバイアスはかけない方がよい。
特に肩関節のように筋力が小さい場合は調整錘６を設け
る必要はない。しかし、膝関節や股関節等では筋力の大
きさが肩関節の数百倍にもなり、この場合、可撓性引張
部材２_ｗ１〜２_ｗ６に作用する張力が大きくなるから、
起動時のことなどを考えると、伸筋側と屈筋側にそれぞ
れ僅かな調整錘６をバイアスとして加えた方が起動が滑
らかでモータの負荷も小さくなる。この調整錘６は静的
な処理で簡単に接触面圧を調整できる。

【００４２】このように直接、もしくは調整錘６を重畳
する形で、モータ５_ｍ１〜５_ｍ６によって可撓性引張部
材２_ｗ１〜２_ｗ６に拮抗するような力を加えて骨頭部１
Ａと関節窩部１Ｂ間の接触面圧を制御する。このモータ
５_ｍ１〜５_ｍ６によって可撓性引張部材２_ｗ１〜２_ｗ６
に加える拮抗力は、有負荷で人工関節１の腕運動のシミ
ュレーション軌道を実現する張力とは別のもので、実際
には両張力が重畳して同時に負荷される。可撓性引張部
材２を用いて人工関節のシミュレーションを行うには、
拮抗力による接触面圧の調整がシミュレーションの良し
悪しを左右する。

【００４３】このように６入力自由度以上のポリセント
リックな関節動作を可撓性引張部材２_ｗ１〜２_ｗ６でシ
ミュレートしながら動作させるためには、接触面圧の調
整が要求され、可撓性引張部材２_ｗ１〜２_ｗ６が変わる
ごとに引張張力、場合によっては調整錘６で負荷する必
要がある。

【００４４】７は、可撓性引張部材２_ｗ１〜２_ｗ６をプ
ーリ４_ｐ１〜４_ｐ６で巻き取るとき、骨頭部１Ａや関節
窩部１Ｂに可撓性引張部材２_ｗ１〜２_ｗ６が接触したり
するのを防止し、プーリ４_ｐ１〜４_ｐ６方向への向きを
整えるためのガイド部である。８は、関節窩部１Ｂを取
付けたり、可撓性引張部材対するガイド部７を設置する
支持台、９は人工関節１を装着したとき関節窩部１Ｂの
上部を覆うカバーである。

【００４５】図３において、１０_ｄ１，１０_ｄ２，１０
_ｄ３，１０_ｄ４，１０_ｄ５，１０_{ｄ ６}は、人工関節動作
装置の駆動部であり、ステッピングモータ等のモータ５
_ｍ１〜５_ｍ６を駆動する励磁コイルやこれをスイッチン
グするスイッチング回路を備えている。１１Ａ_ｓ１，１
１Ａ_ｓ２，１１Ａ_ｓ３，１１Ａ_ｓ４，１１Ａ_ｓ５，１１
Ａ_ｓ６は、モータ５_ｍ１〜５_ｍ６によって可撓性引張部
材２_ｗ１〜２_ｗ６を巻き取ったとき、モータ５_ｍ１〜５
_ｍ６の回転量をカウントする回転量検出手段である。回
転量から各可撓性引張部材２_ｗ１〜２_ｗ６の移動量
ｘ_１，ｘ_２，ｘ_３，ｘ_４，ｘ_５，ｘ_６が算出される。な
お、回転量検出手段１１Ａ_ｓ１〜１１Ａ_ｓ６は、ポテン
ショメータやロータリエンコーダ等で構成される。１１
Ｂ_ｓ１，１１Ｂ_ｓ２，１１Ｂ_ｓ３，１１Ｂ_ｓ４，１１Ｂ
_ｓ５，１１Ｂ_ｓ６は、モータ５_ｍ１〜５_ｍ６によって可
撓性引張部材２_ｗ１〜２_ｗ６を巻き取ったとき、回転量
検出手段１１Ａ_ｓ１〜１１Ａ_ｓ６と併用されて可撓性引
張部材２_ｗ１〜２_ｗ６の張力をモニタする張力検出手段
である。

【００４６】１２は、人工関節動作装置の可撓性引張部
材２_ｗ１〜２_ｗ６の張力を調整し、シミュレーション軌
道に従った関節動作を実現するために各駆動部１０_ｄ１
〜１０_ｄ６を制御してモータ５_ｍ１〜５_ｍ６の回転量、
すなわち移動量ｘ_１〜ｘ_６を決定する制御部である。１
３は、この制御部１２に設けられたニューラルネットワ
ークである。図４（ａ）において、１３ａ，１３ａ_１，
１３ａ_２，１３ａ_３はこのニューラルネットワーク１３
を構成するニューロン（素子）である。１３ａ _１は入力
層を構成するニューロン、１３ａ_２は中間層を構成する
ニューロン、１３ａ_３は出力層を構成するニューロンで
ある。このように、ニューラルネットワーク１３は多数
のニューロン１３ａ，１３ａ_１，１３ａ_２，１３ａ_３を
階層化して構成したもので、入力値が入力層に入ると、
その情報を中間層に伝え、さらにこれを出力層から出力
する。予め既知の関節動作を利用して、伝達するときの
階層間のニューロン１３ａ，１３ａ_１，１３ａ_２，１３
ａ_３の結合の強さを学習しておけば、新たに入力値が入
力されたとき最も妥当な情報伝達がなされ、正確な値と
はいえないまでもこれと近い値を出力することができ
る。すなわち、人工関節動作装置においては、出力され
る移動量ｘ_１〜ｘ_６に対して、逆問題として逆解析した
関節角度等を入力値として学習しておけば、未知の入力
値に対して少なくとも近傍値を出力できるようになる。

【００４７】ところで、本実施の形態１のニューラルネ
ットワーク１３における各張力の学習は、各可撓性引張
部材２_ｗ１〜２_ｗ６に対して張力をかけながら骨頭部１
Ａを動作せしめ、このときの移動量ｘ_１〜ｘ_６と関数角
度（図６のｙａｗ角θ、ｐｉｔｃｈ角φ等）との対応関
係を学習させている。上述したように肩関節では引張応
力を０〜６０Ｎ／ｍｍ^２内に調整し、人工関節１にポリ
セントリックな動きを学習させている。モータ５_ｍ１〜
モータ５_ｍ６を制御して可撓性引張部材２_ｗ１〜２_ｗ６
に拮抗する引張応力を加えた動作を学習するため、人工
関節１の状態が変化したときに動的に対応できるものと
なる。例えばロボットアームの関節機構のような場合に
も有効である。このような張力をかけた状態で骨頭部１
Ａを回転することにより、生体における弛緩側の伸筋の
状態と収縮側の屈筋の状態を忠実に再現することが可能
になる。当然ながら人工関節１に荷重をかけた有負荷時
のシミュレーション軌道を描くための張力も学習する。
但し、人工関節１に対して過度の張力を加えたり、過小
の張力であったりすると、人工関節１の動きは実際の関
節の動きと異なってくるため、制御部１２は回転量検出
手段１１Ａ_ｓ１〜１１Ａ_ｓ６からの回転量、張力検出手
段１１Ｂ_ｓ１〜１１Ｂ_ｓ６からの張力をフィードバック
させ、可撓性引張部材２_ｗ１〜２_ｗ６に対するニューラ
ルネットワーク制御にフィードバック制御を加えて修正
を図っている。場合によっては、張力を直接測定する張
力検出手段１１Ｂ_ｓ１〜１１Ｂ_ｓ６だけで制御するのも
可能である。

【００４８】ところで、図４（ｂ）に示すように、ニュ
ーラルネットワーク１３のニューロン１３ａと入力層を
構成するニューロン１３ａ_１は、関節動作を学習できる
ようにレセプティブレイヤを形成している。これは、本
実施の形態１のニューラルネットワーク１３が関節動作
のようなアナログ量を扱うとき、多数入力が難しいこと
から設けたものである。

【００４９】すなわち、ニューラルネットワーク１３へ
の入力には、アナログ入力とバイナリ入力がある。この
うちアナログ入力はニューロン１３ａに対して連続的に
値を入力することができるが、１素子に対してのみ入力
するためニューラルネットワーク１３において反応させ
るニューロンが少なくなって出力の精度が期待できなく
なる。これに対してバイナリ入力は多数入力が前提であ
るが、連続入力ができない。そこで、人工関節１に対す
る運動をアナログ値を多数入力するために、レセプティ
ブレイヤを次のように構成している。すなわち、（数
１）に示すような入力値に対して、

【００５０】

【数１】 入力値に対応する入力層１３ａ_１のニューロンの位置を
（数２）で与え、

【００５１】

【数２】 このニューロンに入力される値を（数３）とするもので
ある。

【００５２】

【数３】 なお、入力値は正規化されて処理される。例えば図４
（ｂ）に示すような場合では、入力値０．４３がニュー
ロン１３ａに入力されたとすると、これと反応する入力
層１３ａ_１のニューロンは０．４と０．５に決定され、
分配方法としてαを０．４３とすると、入力層１３ａ_１
の０．４に送られる値は０．７で、０．５に送られる値
は０．３となる。このようにレセプティブレイヤを前置
させたため、本実施の形態１の人工関節動作装置は、ア
ナログ入力値の多数入力が可能になる。

【００５３】そして、このレセプティブレイヤをニュー
ラルネットの前処理部に用いることでアナログ入力値の
急激な変化に追従可能となり、またニューラルネットで
問題となる学習の非再現性と不正確さを抑止することが
可能となる。すなわち、設計段階でレセプティブレイヤ
に入るデータの個数や分配を決めることによってバラツ
キを抑え、学習の再現性と正確さを確保している。急激
な変化が起こるような場合は、レセプティブレイヤの分
配を上記した隣接するニューロンだけでなく、もう少し
広い範囲に渡って値を分配することによって対応する。
このようにレセプティブレイヤで学習することで学習点
間のバラツキを抑え、延いては過学習を抑えることがで
きる。

【００５４】レセプティブレイヤを持たないアナログ値
入力の場合、ニューラルネットワーク１３は非線型関数
の傾斜を学習の限界とし、この学習を繰り返しても誤差
が収束することはないが、本実施の形態１のレセプティ
ブレイヤを用いると振動しながら追従して収束する。従
って、学習点間にバラツキがあっても効果的に補間され
た出力値を得ることができる。なお、これはレセプティ
ブレイヤを持ったニューラルネットワーク１３は、級数
展開したとき、フーリエ展開と類似した展開式となるこ
とからも裏付けられる。図５は本発明の実施の形態１に
おける人工関節動作装置の補間特性を示す図である。学
習点間がきわめてスムーズに補間され、過学習のない出
力を出すことが分かる。

【００５５】ところで、移動量ｘ_１〜ｘ_６に対する図６
に示すｙａｗ角θ（ｐｉｔｃｈ角φも同様）による微分
（ｄｘ_１／ｄθ）〜（ｄｘ_６／ｄθ）はモーメントアー
ムと呼ばれ、幾何学的に可撓性引張部材２_ｗ１〜２_ｗ６
の速度と手先速度との関係を表すものであり、仮想仕事
の原理よりワイヤが幾何学的に関節に作用させうる力の
基準となる。図６は本発明の実施の形態１における人工
関節動作装置で動作させる人工関節の球面座標図であ
る。従って、幾何学的位置関係を学習したニューラルネ
ットでは幾何学的微分関係も学習されているため移動量
ｘ_１〜ｘ_６の微分値であるこのモーメントアームは学習
されており、これを出力することが直ちにできる。な
お、微分値はニューラルネットワーク１３の結線重みデ
ータから、直接引き出す。学習結果をニューラルネット
ワーク１３から出力させ、逆キネマティクスモデル（以
下、学習関数）として各駆動部１０_ｄ１〜１０_ｄ６に加
えて人工関節動作装置の関節動作の制御に用いる。な
お、図６に示すような球面座標とは別の新たに基準とな
る球面座標系を設定し、この座標系の上で学習させるの
もよく、この場合機構変更に対して効果的に対処でき
る。

【００５６】次に、図３において、１４はモータ５_ｍ１
〜５_ｍ６を駆動するための電源であり、駆動部１０_ｄ１
〜１０_ｄ６を介して供給される。実施の形態１のモータ
５_{ｍ １}〜５_ｍ６はステッピングモータであり、励磁コイ
ルを励磁するための＋２４ｖが印加されている。各駆動
部１０_ｄ１〜１０_ｄ６には、制御部１２がニューラルネ
ットワーク１３による学習関数に基づいた出力に回転量
検出手段１１Ａ_ｓ１〜１１Ａ_ｓ６，張力検出手段１１Ｂ
_ｓ１〜１１Ｂ_ｓ６によって検出されたフィードバック信
号を反映して加えるため、モータ５_ｍ１〜５_ｍ６は関節
の複雑な運動を忠実にシミュレートできる。１５は人工
関節動作装置に動作の指示を与える入力手段、１６は学
習結果であるニューロン１３ａ，１３ａ_１，１３ａ_２，
１３ａ_３の結線重みデータや、シミュレーション軌道等
その他のデータを格納するメモリ部である。シミュレー
ション軌道は、例えば人工関節の摩耗試験装置などの場
合には、もっとも多く発現される実際の関節の動きを考
慮して決定するのがよい。入力手段１５は、ニューラル
ネットワーク１３の学習の際には学習点の設定を行い、
人工関節動作装置への入力を行う。

【００５７】続いて、実施の形態１の人工関節動作装置
を学習させるとき、また得られた学習関数でシミュレー
ションさせるときの動作について説明する。まず、ニュ
ーラルネットワーク１３を学習させるときの動作につい
て説明する。図３において、図示しない電源スイッチを
押し人工関節動作装置に通電して、入力手段１５から学
習の指示を与える。このとき制御部１２はモータ５_ｍ１
〜５_ｍ６を駆動し、場合によっては調整錘６を加えるな
どして、可撓性引張部材２_ｗ１〜２_ｗ６に拮抗する張力
を加える。この状態で、オペレータは学習点まで手動で
骨頭部１Ａを動かす。制御部１２はこのときの学習点
（θ，φ）での移動量ｘ_１〜ｘ_６，モーメントアーム
（ｄｘ_１／ｄθ）〜（ｄｘ_６／ｄθ）を学習する。学習
結果はメモリ部１６に格納される。また、人工関節１に
与えるシミュレーション軌道は、上述したように生体か
ら取得したり、あるいは既存の公表計測データを採用す
るなどしてメモリ部１６に記憶する。なお、ランダム軌
道の場合、１／ｆ揺らぎを利用することもできる。

【００５８】次に、人工関節動作装置によって、例えば
人工関節１の耐久試験のシミュレーションを行うときの
動作について説明する。図３において、図示しない電源
スイッチを押し人工関節動作装置に通電して、入力手段
１５から目標のシミュレーション軌道を指定する。な
お、必要ならこのときまでに調整用錘６を適当なものを
選んで取付けておく。制御部１２は、制御用データとし
てメモリ部１６に記憶されているシミュレーション軌道
を読み出す。このとき、シミュレーション軌道は、実施
の形態１においてはｒは固定されてθ，φで姿勢が記述
され、数式近似か、テーブルのデータを平滑化近似して
利用する。また、同じく制御用データとして、ニューラ
ルネットワーク学習によってメモリ部１６に格納した結
線重みデータを読み出す。制御部１２がシミュレーショ
ン軌道のθ，φのデータに結線重みデータを作用させ、
移動量ｘ_１〜ｘ_６に従って人工関節１を動作させる。こ
のとき、回転量検出手段１１Ａ_ｓ１〜１１Ａ_ｓ６がモー
タ５_ｍ１〜５_ｍ６の回転量、すなわち移動量ｘ_１〜ｘ_６
を検出し、これを制御部１２に通知する。制御部１２は
このデータからモーメントアーム（ｄｘ_１／ｄθ）〜
（ｄｘ_６／ｄθ）を算出し、ニューラルネットワーク１
３の学習結果による制御に対してフィードバックを加え
る。このように、本実施の形態１の人工関節動作装置
は、ピン・ジョイント方式では再現するのが難しかった
運動を、可撓性引張部材２を用いることによって筋力状
態を簡単に再現することができる。ニューラルネットワ
ーク制御を利用することで、自由度が増大しても対応が
容易であり、ピン・ジョイント方式の制御では局所的に
しか再現できなかったシミュレーションを、広範囲のｙ
ａｗ角θ、ｐｉｔｃｈ角φについて精度よく再現するこ
とができる。

【００５９】最後に、本実施の形態１の人工関節動作装
置によるニューラルネットワークの出力について説明す
る。図７（ａ）は本発明の実施の形態１における人工関
節動作装置の広背筋によるニューラルネットワーク制御
出力図、図７（ｂ）は本発明の実施の形態１における人
工関節動作装置の棘上筋によるニューラルネットワーク
制御出力図である。出力はスケーラから出力された規格
化された値である。

【００６０】図７（ａ）（ｂ）に示すように、ｙａｗ角
θは０°〜９０°、ｐｉｔｃｈ角φも０°〜９０°の広
い範囲でニューラルネットワーク制御で出力している。
従来のピン・ジョイント方式の局所的な部分近似で順解
析するのと違って、広大な可動域を得ることができ、事
実上如何なるシミュレーションであっても対応できるこ
とが分かる。

【００６１】図７（ａ）において、広背筋は、ｙａｗ角
θが９０°付近、ｐｉｔｃｈ角φが０°付近と９０°付
近で急激な変化を示しているが、この領域を除いた広範
な範囲では滑らかな動きを示している。ｙａｗ角θとｐ
ｉｔｃｈ角φが反比例的に動くことが分かる。

【００６２】また、図７（ｂ）において、棘上筋は、ｐ
ｉｔｃｈ角φが０°付近と９０°付近で急激な変化を示
しているが、この領域を除いた広範な範囲では滑らかな
動きを示している。また、ｙａｗ角θの変化に対してｐ
ｉｔｃｈ角φの動きが鈍いことが分かる。経験上棘上筋
の動きはｙａｗ角θ方向に乏しく、この出力はこの経験
と合致している。

【００６３】以上、実施の形態１の人工関節動作装置に
ついて説明したが、人工関節をこの人工関節動作装置に
装着し、シミュレーション動作させることで人工関節シ
ミュレータを構成することができる。この人工関節シミ
ュレータは、関節動作の再現性に優れ、制御が容易で安
価なものとなる。また、実施の形態１の人工関節動作装
置の可撓性引張部材２_ｗ１〜２_ｗ６に、耐久性を測定し
たい人工関節の素材を装着して繰り返し動作させること
で人工関節の摩耗試験装置とすることができる。この摩
耗試験装置は、関節動作の再現性に優れ、試験結果が正
確で、制御が容易で安価なものとなる。

【００６４】（実施の形態２）以下、本発明における実
施の形態２の人工関節動作装置について説明する。図８
は本発明の実施の形態２における人工関節動作装置の可
撓性引張部材と人工靭帯及び人工腱の端部を人工関節に
取付けた概略図である。実施の形態２の人工関節動作装
置は膝関節のための動作装置であって、６入力自由度の
可撓性引張部材のうち、一部を人工靭帯や人工腱に代え
て配設したもので、制御やニューラルネットワークの学
習をより簡単化させたものである。従って、人工靭帯や
人工腱の数の増加に応じて可撓性引張部材の本数が減ら
され、可撓性引張部材と人工靭帯、人工腱が置換されて
いる。従って、基本的には実施の形態１と同様であり、
実施の形態１で使用した符号と同一符号を使用している
ときは、基本的に同一の部材を示しているから詳細な説
明は省略する。そして、この理由から図１（ａ）（ｂ）
〜図７（ａ）（ｂ）は実施の形態２においても参照す
る。

【００６５】図８において、２０は靭帯を有する関節の
人工膝関節、２０Ａは人工関節１を構成する大腿骨部、
２０Ｂは大腿骨部２０Ａを保持する脛骨部である。２０
Ｃは膝蓋骨部である。２１_ｗ１，２１_ｗ２は大腿四頭筋
・ハムストリングに相当する可撓性引張部材、２２Ａは
大腿四頭筋とペアとなる膝蓋腱に相当する非線形弾性の
人工腱であり、２２Ｂ，２２Ｃは非線形弾性を有する人
工靭帯である。なお、通常、人工靭帯２２Ｃと対となる
人工靭帯（後十字靭帯に相当）及び２２Ｂと対となる人
工靭帯（側副靱帯に相当）が図８の背面側にも配置され
ているが、図８では図示されていない。人工靭帯２２
Ｂ，２２Ｃと人工腱２２Ａは、生体上で切除または残存
させる靭帯と腱の機能をシミュレートするために設けら
れる。

【００６６】人工腱２２Ａ、人工靭帯２２Ｂ，２２Ｃは
生体の筋靭帯構成を規範にして取付けられ、カーボンフ
ァイバー等でつくられるのが望ましい。２３_ｈ１，２３
_ｈ２は可撓性引張部材２１_ｗ１，２１_ｗ２の取付け部、
２４_ｈ１，２４_ｈ２，２４_{ｈ ３}，２４_ｈ４，２４_ｈ５は
人工腱２２Ａ，人工靱帯２２Ｂ，２２Ｃの腱・靭帯取付
け部である。なお、実施の形態２の人工関節２０は膝関
節であるから、可撓性引張部材２１_ｗ１，２１_ｗ２にか
かる張力は０〜１８００Ｎ程度であるため、調整錘６を
設けるのもよい。なお、膝関節では、筋力のほかに、た
とえば脛骨部に対しては床反力に起因する負荷を油圧シ
リンダ等により加える必要がある。

【００６７】ところで実施の形態１の人工関節動作装置
においては、可撓性引張部材２_ｗ１〜２_ｗ６は、６入力
自由度の人工関節１を実現するため、モータ５_ｍ１〜５
_ｍ６によって人工関節１にポリセントリックな動作を実
現できる接触面圧を加えながら張力をかけている。しか
し、靭帯や腱を有する関節では、靭帯や腱によって一部
の方向の自由度が拘束される。この人工腱２２Ａ、人工
靭帯２２Ｂ，２２Ｃを設けたときの挙動は実際の関節の
挙動ときわめて類似する。もし、人工腱２２Ａ、人工靭
帯２２Ｂ，２２Ｃを設けず、筋肉と靭帯が混在する関節
を６入力自由度の人工関節動作装置でシミュレートしよ
うと思えば、モータ５_ｍ１〜５_ｍ６に対する制御は複雑
で６入力自由度の制御が必要となる。この靭帯の作用を
モータ５ _ｍ１〜５_ｍ６の制御で実現するのは適当とはい
えず、実際の動きとはかなりかけ離れ、新たな誤差も生
じる。

【００６８】しかし、本実施の形態２の人工関節動作装
置においては、筋肉と靭帯が混在する関節を生体規範的
に設けた可撓性引張部材２１_ｗ１，２１_ｗ２と人工腱２
２Ａ、人工靭帯２２Ｂ，２２Ｃでシミュレートするた
め、靭帯や腱によって一部制限される運動を人工腱２２
Ａ、人工靭帯２２Ｂ，２２Ｃ等を導入することにより、
きわめて簡単に且つ正確に再現することができる。そし
て、モータ５_ｍ１〜５_{ｍ ６}の数を靭帯の機能に応じて減
らすことができる。

【００６９】また、実施の形態２の人工関節動作装置
も、実施の形態１と同様、人工関節シミュレータと摩耗
試験装置を構成することができる。

【００７０】

【発明の効果】本発明の人工関節動作装置によれば、ピ
ン・ジョイント方式ではシミュレーション困難であった
ポリセントリックな関節動作を、生体筋の配置を規範に
して複数の可撓性引張部材を人工関節に対して装着する
とともに、関節面間の接触荷重を調整することで実現
し、且つこの多数の可撓性引張部材をシミュレーション
軌道に従って制御部によって操ることで生体の関節動作
と等価な関節動作を再現できる。これにより、生体の関
節動作の再現性に優れ、安価な人工関節の動作装置を提
供することが可能になる。

【００７１】可撓性引張部材を巻き取るプーリと、これ
を駆動するモータで牽引することができるから、生体条
件の再現に関して制御が容易である。張力が大きい場合
等、調整錘で静的に接触面圧を調整することができる。

【００７２】また、生体上で切除または残存させる靭帯
及び／または腱の機能をシミュレートするために、人工
関節には人工靭帯及び／または人工腱が設けられ、この
人工靭帯または人工腱、人工靭帯及び人工腱の機能に応
じて可撓性引張部材の本数が減らされるから、靭帯と腱
によって一部制限される関節の動きを多数の可撓性引張
部材で再現しようとすると困難であると同時に精度が低
下するが、人工靭帯や人工腱を採用することできわめて
容易且つ正確にシミュレートでき、牽引部を減らすこと
ができる。可撓性引張部材だけの場合より安価な人工関
節動作装置を提供できる。人工靭帯が非線形弾性を有し
た材料で作られているから、人工靭帯を簡単且つ安価に
作ることができる。

【００７３】さらに本発明の人工関節動作装置は、制御
部がニューラルネットワークを含んで構成されるから、
多数の可撓性引張部材の移動量と、骨頭部と関節窩部の
位置との関数関係をニューラルネットワークで逆問題と
して学習できるため、ピン・ジョイント方式では特定の
点の周りの近似関数を求めてローカルな制御を行うのが
限界であったものが、きわめて広範囲の可動域を簡単且
つ容易に取得できる。さらに入力自由度が上がっても、
これに容易に対処してに制御することができる。

【００７４】レセプティブレイヤを前置することで人工
関節動作装置の制御用のアナログ値を多数入力すること
ができる。レセプティブレイヤが複数の並列のニューロ
ンから構成された入力層を備えたから、ニューラルネッ
トワークが急激なアナログ入力値の変化にも追従でき、
ニューラルネットワークで問題となる学習の再現性と正
確さが確保できる。

【００７５】本発明の人工関節シミュレータによれば、
関節動作の再現性に優れ、制御が容易で安価な人工関節
シミュレータにすることができる。

【００７６】本発明の人工関節の摩耗試験装置によれ
ば、関節動作の再現性に優れ、試験結果が正確で、制御
が容易で安価な摩耗試験装置にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における人工関節
動作装置の全体正面図 （ｂ）は（ａ）の人工関節動作装置の全体平面図

【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における人工関節
動作装置の可撓性引張部材の端部を取付ける取付け部の
正面図 （ｂ）（ａ）の取付け部の側面図 （ｃ）（ａ）の取付け部の背面図

【図３】本発明の実施の形態１における人工関節動作装
置の制御システム構成図

【図４】（ａ）本発明の実施の形態１における人工関節
動作装置のニューラルネットワーク構成図 （ｂ）（ａ）のレセプティブレイヤの説明図

【図５】本発明の実施の形態１における人工関節動作装
置の補間特性を示す図

【図６】本発明の実施の形態１における人工関節動作装
置で動作させる人工関節の球面座標図

【図７】（ａ）本発明の実施の形態１における人工関節
動作装置の広背筋によるニューラルネットワーク制御出
力図 （ｂ）本発明の実施の形態１における人工関節動作装置
の棘上筋によるニューラルネットワーク制御出力図

【図８】本発明の実施の形態２における人工関節動作装
置の可撓性引張部材と人工靭帯及び人工腱の端部を取付
ける取付け部の概略図

【図９】従来のピン・オン・ディスク方式の摩耗試験装
置の構成図

【図１０】従来のローラ・プレート方式の摩耗試験装置
の構成図

【図１１】従来の関節シミュレータの構成図

【符号の説明】

１ 人工関節 １Ａ 骨頭部 １Ｂ 関節窩部 ２，２_ｗ１，２_ｗ２，２_ｗ３，２_ｗ４，２_ｗ５，２_ｗ６
可撓性引張部材 ３_ｈ１，３_ｈ２，３_ｈ３，３_ｈ４，３_ｈ５，３_ｈ６ 取
付け部材 ４_ｐ１，４_ｐ２，４_ｐ３，４_ｐ４，４_ｐ５，４_ｐ６ プ
ーリ ５_ｍ１，５_ｍ２，５_ｍ３，５_ｍ４，５_ｍ５，５_ｍ６ モ
ータ ６ 調整錘 ７ ガイド部 ８ 支持台 ９ カバー １０_ｄ１，１０_ｄ２，１０_ｄ３，１０_ｄ４，１０_ｄ５，
１０_ｄ６ 駆動部 １１Ａ_ｓ１，１１Ａ_ｓ２，１１Ａ_ｓ３，１１Ａ_ｓ４，１
１Ａ_ｓ５，１１Ａ_ｓ６回転量検出手段 １１Ｂ_ｓ１，１１Ｂ_ｓ２，１１Ｂ_ｓ３，１１Ｂ_ｓ４，１
１Ｂ_ｓ５，１１Ｂ_ｓ６張力検出手段 １２ 制御部 １３ ニューラルネットワーク １３ａ ニューロン １３ａ_１ 入力層を構成するニューロン １３ａ_２ 中間層を構成するニューロン １３ａ_３ 出力層を構成するニューロン １４ 電源 １５ 入力手段 １６ メモリ部 ２０ 人工関節 ２０Ａ 大腿骨部 ２０Ｂ 脛骨部 ２０Ｃ 膝蓋骨部 ２１_ｗ１，２１_ｗ２ 可撓性引張部材 ２２Ａ 人工腱 ２２Ｂ，２２Ｃ 人工靭帯 ２３_ｈ１，２３_ｈ２ 取付け部 ２４_ｈ１，２４_ｈ２，２４_ｈ３，２４_ｈ４，２４_ｈ５
腱・靭帯取付け部

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 生体の関節動作をシミュレートして人工
   関節に多自由度の関節動作をさせる人工関節動作装置で
   あって、 前記人工関節に対して生体筋の配置を規範にして装着さ
   れる複数の可撓性引張部材と、 前記人工関節における関節面間の接触荷重を調整して、
   生体の関節動作と等価のポリセントリックな関節動作を
   再現するとともに、前記人工関節に所定の動作をさせる
   ための張力を前記可撓性引張部材にそれぞれ加える複数
   の牽引部と、 前記牽引部の牽引量と張力を制御する制御部が設けられ
   たことを特徴とする人工関節動作装置。
2. 【請求項２】 前記牽引部のそれぞれが、前記可撓性引
   張部材を巻き取るプーリと、該プーリを回転駆動するた
   めのモータを備えたことを特徴とする請求項1記載の人
   工関節動作装置。
3. 【請求項３】 前記牽引部のそれぞれには、前記可撓性
   引張部材の端部に接触面圧を調整するための調整錘が配
   設されたことを特徴とする請求項１または２に記載の人
   工関節動作装置。
4. 【請求項４】 生体上で切除または残存させる靭帯及び
   ／または腱の機能をシミュレートするために、人工関節
   には人工靭帯及び／または人工腱が設けられ、該人工靭
   帯及び／または人工腱の機能に応じて前記可撓性引張部
   材の本数が減らされることを特徴とする請求項１〜３の
   いずれかに記載の人工関節動作装置。
5. 【請求項５】 前記人工靭帯及び／または人工腱が非線
   形弾性を有した材料で作られていることを特徴とする請
   求項４記載の人工関節動作装置。
6. 【請求項６】 前記制御部がニューラルネットワークを
   含んで構成され、前記可撓性引張部材の各移動量と、前
   記人工関節の姿勢と位置との関数関係を逆キネマティク
   スモデルとして学習して制御することを特徴とする請求
   項１〜５のいずれかに記載の人工関節動作装置。
7. 【請求項７】 前記ニューラルネットワークには、アナ
   ログ入力値を多数入力するためのレセプティブレイヤが
   設けられたことを特徴とする請求項６記載の人工関節動
   作装置。
8. 【請求項８】 前記レセプティブレイヤは複数の並列の
   ニューロンから構成された入力層を備え、正規化したア
   ナログ入力値が該入力層に入力されると、該アナログ入
   力値と対応した位置のニューロンで分配されることを特
   徴とする請求項７記載の人工関節動作装置。
9. 【請求項９】 人工関節と、請求項１〜８のいずれかに
   記載された人工関節動作装置とを備え、該人工関節が可
   撓性引張部材を有する前記人工関節動作装置に装着され
   たことを特徴とする人工関節シミュレータ。
10. 【請求項１０】 請求項１〜８のいずれかに記載された
    人工関節動作装置を備え、可撓性引張部材を用いて人工
    関節の素材を繰り返し動作させることを特徴とする人工
    関節の摩耗試験装置。