JP2004113572A

JP2004113572A - リハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システム

Info

Publication number: JP2004113572A
Application number: JP2002282643A
Authority: JP
Inventors: Meiki Sai; 蔡　明祺; Tenchi Chin; 陳　添智; Seiko Chin; 陳　正虎; Kasho Ko; 胡　家勝; Mokuzen Go; 呉　木全; Meitetsu Go; 呉　明哲
Original assignee: KIBI KAGI KOFUN YUGENKOSHI
Current assignee: KIBI KAGI KOFUN YUGENKOSHI
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】リハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムの提供。
【解決手段】エクササイズマシンの回転輪の軸受がモータで駆動され、該モータが回転輪を制御して異なる程度の抵抗と異なる程度の電動補助力を発生し、その抵抗程度が異なる道路状況の摩擦力程度をシュミレートして設計され、モータ出力制御装置が抵抗調整制御装置の設定した抵抗値、患者がエクササイズマシンの回転輪が地面を離れて宙に浮く時に回転輪を押動或いは踏む推力を取得し、標準モータの物理特性分析の後、モータの補償を制御し、モータの出力を制御する。エクササイズマシンの回転輪が地面を離れた時、事前に抵抗を設定した回転輪を患者の両手で押動するか両足で踏む時、モータ出力制御装置が自動的に設定抵抗と手押し或いは足踏み力を検出してモータを制御して適当な電動補助力を提供する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一種の手部と足部のリハビリ機能を具えたリハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムに係り、特に患者が車輪が地面から離れる手押し式車椅子或いはサイクリングマシンにあって、手で回転輪を押動するか足手ペダルを踏むのに、本発明の制御システムを応用して異なる道路状況の摩擦抵抗をシュミレートし、多段の異なる程度のリハビリ計画を設計と企画し、並びに逐一の回復過程中に徐々にモータの回転輪及びペダルに対する電動補助力を減少することにより、患者に最終的にモータの電動補助力なくして自力での押動或いはペダリングを完成させ、こうしてリハビリの成功を達成する、リハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
伝統的な車椅子は手押し式と電動式の二種類があり、そのうち手押し式の車椅子は通常動力源を有さず、これにより患者の手部に傷害（麻痺、火傷或いは運動傷害）がある時には出力不能であり、自主的に車椅子を押動することができない。このため他人に押してもらわなければ車椅子を移動させられない。最近ゆっくりと普及してきた電動車椅子は、車椅子にモータが設置されて駆動輪とされ、車椅子の完全な動力源を提供し、患者が車椅子に座り、ただレバーを制御するだけで簡単に車椅子を駆動して進退及び転向させられ、患者にとっては車椅子の移動に完全に力が要らず極めて便利である。
【０００３】
このほか、伝統的なサイクリングマシンは発電機を抵抗力の源となし、各種の制動技巧を抵抗感の源となし、並びにパワー制御の方式で異なる制動抵抗感を達成し、並びに電動補助力を提供不能で、また自主的に異なる道路状況の摩擦力程度をシュミレートすることはできない。
【０００４】
また、リハビリの点から前述の二種類の車椅子及びサイクリングマシンの設計を考察すると、前述の二種類の車椅子の構造は患者の傷ついた手部に対してなんらリハビリの補助或いは機能も持たず、周知のサイクリングマシンは異なる道路状況をシュミレートする機能を具備しない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上を鑑み、本発明は従来の技術の欠点と問題を解決すべく、伝統的な車椅子と電動車椅子の有する機能を保留する。同様に、サイクリングマシンに本発明の技術を採用してモータを抵抗感の発生源とし、本制御方法により異なる抵抗感の発生源を実現し、電動補助による足部傷害の患者のリハビリ機能も提供し、すなわち異なる程度の抵抗力源を企画し、伝統的なサイクリングマシンにはない異なる道路状況シュミレートの機能を具備させる。
【０００６】
本発明の目的は一種の、リハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムを提供することにある。それは、小から大の異なる道路状況摩擦抵抗をシュミレートし、多段の異なる程度のリハビリ計画を設計と企画し、患者が順序よく徐々にリハビリを行うのを助け、並びに逐一の回復の過程で徐々に電動補助力を減らし、患者が最終的に電動補助力なくして完全に自力でリハビリ用車椅子或いはサイクリングマシンを運転できるようにする目的を達成し、こうしてリハビリを成功させるシステムであるものとする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、リハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムにおいて、手部或いは足部リハビリ機能を有するリハビリ用エクササイズマシンを具え、該リハビリ用エクササイズマシンは手で押すか足で踏む回転輪を具え、回転輪の軸受がモータで駆動され、該モータが回転輪に対して異なる程度の電動補助力を発生し、電動補助力制御システムがさらに抵抗調整装置を具え、該抵抗調整装置が該リハビリ用エクササイズマシンの回転輪に対して抵抗を発生し、且つ抵抗程度の摩擦係数が小から大に配列され、該リハビリ用エクササイズマシンがモータ出力制御装置を具え、該モータ出力制御装置は抵抗調整装置の設定した抵抗値と患者がリハビリ用エクササイズマシンの回転輪が地面を離れて宙に浮く時に回転輪を押動或いは踏む推力を獲得し、標準モータの物理特性分析の後、モータの補償を制御し、これによりモータの出力を制御し、これにより、リハビリ用エクササイズマシンの回転輪が地面を離れた時、事前に抵抗を設定した回転輪を患者の両手で押動するか両足で踏んで施力する時、モータ出力制御装置が自動的に設定抵抗と手押し或いは足踏みの力を検出し、並びにモータを制御して適当な電動補助力を提供し、回転輪押動を達成し、且つ抵抗調整制御装置の調整により抵抗を徐々に増強させ、患者の手部或いは足部の力をこれにより増強し、患者が最終的に電動補助力なく自力で回転輪を押動或いは踏動できるようにし、順序よく進行する方式で手部或いは足部のリハビリを行えることを特徴とする、リハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムとしている。
請求項２の発明は、請求項１に記載のリハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムにおいて、リハビリ用エクササイズマシンが手押し式の車椅子或いは足踏み式のサイクリングマシンとされたことを特徴とする、リハビリ用エクササイズマシンとしている。
請求項３の発明は、請求項１に記載のリハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムにおいて、モータの抵抗程度の摩擦係数が小から大に配列され、リハビリを順序よく漸次進行させる機能を具えたことを特徴とする、リハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムとしている。
請求項４の発明は、請求項２に記載のリハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムにおいて、リハビリ用エクササイズマシンがネットワークと接続されるか或いはバーチャルリアリティー環境と結合されたことを特徴とする、リハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムとしている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は一種のリハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムを提供し、手部或いは足部リハビリ機能を有するエクササイズマシンは手で押すか足で踏む回転輪を具え、回転輪の軸受がモータで駆動され、該モータが回転輪を制御して異なる程度の抵抗と異なる程度の電動補助力を発生し、その抵抗程度が異なる道路状況の摩擦力程度をシュミレートして設計され、モータ出力制御装置が抵抗調整制御装置の設定した抵抗値、患者がエクササイズマシンの回転輪が地面を離れて宙に浮く時、回転輪を押動或いは踏む推力を取得し、標準モータの物理特性分析の後、モータの補償を制御し、これによりモータの出力を制御する。これにより、エクササイズマシンの回転輪が地面を離れた時、事前に抵抗を設定した回転輪を患者の両手で押動するか両足で踏む時、モータ出力制御装置が自動的に設定抵抗と手押し或いは足踏み力を検出し、並びにモータを制御して適当な電動補助力を提供し、回転輪押動の目的を達成し、且つ抵抗調整制御装置の調整により抵抗を徐々に増強させ、患者の手部或いは足部の力をこれにより増強し、患者が最終的に電動補助力なく自力で回転輪を押動或いは踏動できるようにし、順序よく進行する方式で手部或いは足部のリハビリを行える長所と機能を具備する。
【０００９】
【実施例】
図１に示される本発明の第１実施例は一般の車椅子に応用され、それは手部リハビリ機能を具えたリハビリ用車椅子１とされる。該リハビリ用車椅子１の回転輪１１の回転軸１１１はモータ２に駆動される。抵抗調整装置３は回転輪の抵抗ちらを提供し、抵抗力の大きさは調整設定でき、且つ抵抗力程度の摩擦係数は小から大に配列されている。また、該抵抗調整装置３（シフト構造或いは回転つまみ構造に設計されうる）はリハビリ用車椅子１のアームレスト付近の操作に容易な位置に設置される。モータ出力制御装置４（図２参照）は、抵抗調整装置３の抵抗値と、リハビリ用車椅子１の回転輪１１が地面から離れた時に患者が回転輪１１を押動或いは踏動する推力を取得し、標準モータの物理特性分析４１の後、モータの補償を制御し、これによりモータ２の出力を制御する。
【００１０】
以上の設置により、患者が手部のリハビリ作業を行いたい時は、ただリハビリ用車椅子１を持ち上げて、リハビリ用車椅子１の回転輪１１を地面より離す。患者がリハビリ治療を開始する時、その手部は自然に無力の状態を現出する。ゆえに先に抵抗調整装置３を操作し、モータ２が提供する回転輪１１の抵抗力を最低レベル（即ち抵抗が最小の状態）に調整し、さらに患者の両手に事前に抵抗を調整した回転輪１１を握持させる。患者が施力して回転輪１１を押動しようとする時、通常手部の力が回転輪１１の抵抗力より小さいため回転輪１１を押動できない現象が発生する。このとき、モータ出力制御装置４が自動的に抵抗調整装置３に設定された抵抗値と、患者の両手が回転輪１１を押動する力を検出し、同時に図２に示される標準モータの物理特性分析４１の後、モータ２が回転輪１１に出力すべき補償電動補助力を計算する。この電動補助力の計算方式は以下のようである。
Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}　＝Ｊ_ｃ　α
Ｔ_{ｈｕｍａｎ}　＋Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}　−Ｔ_{ｆｒｉｃｔｉｏｎ}＝Ｊ_ｍ　α＋Ｂ_ｍ　ω
（Ｔ_{ｈｕｍａｎ}　−Ｔ_{ｆｒｉｃｔｉｏｎ}）＝（Ｊ_ｃ　＋Ｊ_ｍ　）α＋（Ｂ_ｍ　）ω
【００１１】
図２の制御原理及び前述の公式の計算により、モータ２が提供する適当な程度の電動補助力を計算並びに制御できる。こうして、患者の手部の推力にモータ２の提供する電動補助力が加わり、回転輪１１の摩擦抵抗を克服することができ、並びに順調に回転輪１１を押動し回転させられ、こうして回転輪１１押動の目的を達成でき、患者の手部の力がほぼ回復した時、電動補助力もこれに伴い減り、最後に患者はモータ２の電動補助力の助けなく自分で回転輪１１を押動でき、このとき、抵抗調整装置３もまた次の抵抗をさらに強めたリハビリ段階に進入する。さらに、患者の手部の力がリハビリ回数の増加に伴い増強し、並びに次のリハビリ段階に進入する準備をする時、まず、抵抗調整装置３のレベルを徐々に高め（即ち回転輪１１の摩擦抵抗を徐々に増強する）、こうして、回転輪１１の摩擦抵抗を徐々に増強し、且つ患者の手部の力もまたこれに伴い増強し、患者が最終的にモータ２の電動補助力の助けなくして自力で車椅子１を移動させられ、こうして順序よく徐々に手部リハビリを行う長所と機能を達成する。
【００１２】
本発明の第２実施例はサイクリングマシン５に応用される。図３を参照されたい。サイクリングマシン５にはサイクリングマシン５のペダル装置５１を駆動するモータ２が設けられている（モータ２はサイクリングマシン５内部に設けられるため未表示である）。サイクリングマシン５にはペダル装置５１に抵抗を与える抵抗調整装置３が設けられ、その抵抗程度の摩擦係数は小から大に配列されている。また、該抵抗調整装置３はサイクリングマシンのアームレスト５２付近の操作に容易な位置に設置される。モータ出力制御装置６（図４参照）は、抵抗調整装置３の抵抗値と、患者がサイクリングマシンを踏む力を取得し、標準モータの物理特性分析６１の後、モータの補償を制御し、これによりモータ２の出力を制御する。第２実施例のモータ出力制御装置６がモータ２の電動補助力計算に用いる公式は以下のようである。
Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}　＝Ｊ_ｃ　α＋Ｂ_ｃ　ω
Ｔ_{ｈｕｍａｎ}　＋Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}　−Ｔ_{ｆｒｉｃｔｉｏｎ}＝Ｊ_ｍ　α＋Ｂ_ｍ　ω
（Ｔ_{ｈｕｍａｎ}　−Ｔ_{ｆｒｉｃｔｉｏｎ}）＝（Ｊ_ｃ　＋Ｊ_ｍ　）α＋（Ｂ_ｍ　＋Ｂ_ｃ　）ω
【００１３】
第２実施例の設計により、患者はサイクリングマシンを利用して足部リハビリを行う前に、先に抵抗調整装置３の設定値を最低に調整し、さらに第１実施例の方式で操作、使用すれば、足部リハビリの目的を達成できる。
【００１４】
続いて図５に示される本発明の第３実施例でえは、バーチャルリアリティーサイクリングマシン７の抵抗力制御に応用され、該バーチャルリアリティーサイクリングマシン７はネットワークに連接されると共にテレビ会議装置７１及び娯楽用ビデオプロジェクタ装置７２に結合され、バーチャルリアリティーサイクリングマシン７が応用する制御原理は図４に示される制御原理ブロック図と同じであり、分析もま同じであり、その目的は、本発明の制御方法とバーチャルリアリティー環境をインタラクティブ動作させる時、バーチャルリアリティーサイクリングマシン７のパワーフィードバック抵抗を実現し、モータを採用してバーチャルリアリティーサイクリングマシン７の抵抗制御を行い、発電機が制動を採用して発生する抵抗の方法との区別を行うことにある。
【００１５】
【発明の効果】
総合すると、本発明のリハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムに記載の技術手段は現存の車椅子のリハビリ機能を具備しない問題を有効に解決すると共に、サイクリングマシンに現存のものとは異なる抵抗力制御システムを提供し、またサイクリングマシンとバーチャルリアリティー環境及びネットワークを結合させた娯楽効果を達成する。本発明は予期された目的と機能を達成し、自然法則を利用したこれまでにない高度な創作であり、産業上の利用価値を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の平面図である。
【図２】図１に応用される制御原理ブロック図である。
【図３】本発明の第２実施例の立体外観表示図である。
【図４】図３に応用される制御原理ブロック図である。
【図５】本発明の第３実施例の立体外観表示図である。
【符号の説明】
１　リハビリ用車椅子　　　　　１１　回転輪
１１１　回転軸　　　　　　　　２　モータ
３　抵抗調整装置　　　　　　　４　モータ出力制御装置ブロック図
４１　物理特性分析　　　　　　５　サイクリングマシン
５１　ペダル装置　　　　　　　５２　アームレスト
６　モータ出力制御装置ブロック図　　６１　物理特性分析
７　バーチャルリアリティーサイクリングマシン
７１　ネットワーク接続及びテレビ会議装置
７２　娯楽用ビデオプロジェクタ装置
Ｔ_{ｍｏｔｏｒ}　　モータの電動補助力
Ｔ_{ｈｕｍａｎ}　　患者の推力
Ｔ_{ｆｒｉｃｔｉｏｎ}　シュミレートしたい摩擦力
Ｊ_ｍ　　モータ本体の慣性量
α　　コーナー加速度
Ｂ_ｍ　　モータ本体の摩擦係数
Ｊ_ｃ　　コントローラの提供する仮想慣性量
ω　　コーナー速度
Ｂ_ｃ　　コントローラの提供する摩擦係数

Claims

リハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムにおいて、手部或いは足部リハビリ機能を有するリハビリ用エクササイズマシンを具え、該リハビリ用エクササイズマシンは手で押すか足で踏む回転輪を具え、回転輪の軸受がモータで駆動され、該モータが回転輪に対して異なる程度の電動補助力を発生し、電動補助力制御システムがさらに抵抗調整装置を具え、該抵抗調整装置が該リハビリ用エクササイズマシンの回転輪に対して抵抗を発生し、且つ抵抗程度の摩擦係数が小から大に配列され、該リハビリ用エクササイズマシンがモータ出力制御装置を具え、該モータ出力制御装置は抵抗調整装置の設定した抵抗値と患者がリハビリ用エクササイズマシンの回転輪が地面を離れて宙に浮く時に回転輪を押動或いは踏む推力を獲得し、標準モータの物理特性分析の後、モータの補償を制御し、これによりモータの出力を制御し、これにより、リハビリ用エクササイズマシンの回転輪が地面を離れた時、事前に抵抗を設定した回転輪を患者の両手で押動するか両足で踏んで施力する時、モータ出力制御装置が自動的に設定抵抗と手押し或いは足踏みの力を検出し、並びにモータを制御して適当な電動補助力を提供し、回転輪押動を達成し、且つ抵抗調整制御装置の調整により抵抗を徐々に増強させ、患者の手部或いは足部の力をこれにより増強し、患者が最終的に電動補助力なく自力で回転輪を押動或いは踏動できるようにし、順序よく進行する方式で手部或いは足部のリハビリを行えることを特徴とする、リハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システム。
請求項１に記載のリハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムにおいて、リハビリ用エクササイズマシンが手押し式の車椅子或いは足踏み式のサイクリングマシンとされたことを特徴とする、リハビリ用エクササイズマシン。
請求項１に記載のリハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムにおいて、モータの抵抗程度の摩擦係数が小から大に配列され、リハビリを順序よく漸次進行させる機能を具えたことを特徴とする、リハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システム。
請求項２に記載のリハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システムにおいて、リハビリ用エクササイズマシンがネットワークと接続されるか或いはバーチャルリアリティー環境と結合されたことを特徴とする、リハビリ用エクササイズマシンの電動補助力制御システム。