JP2005027994A - 等粘性負荷による三次元運動療法装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リハビリテーションを目的とした運動療法の訓練・評価、もしくはスポーツ選手や健康増進を目的とした筋力トレーニングのために、生体に安全で筋力強化に有効な等粘性負荷を人工的な運動抵抗として生成する三次元運動療法装置を提供する。
【解決手段】生体側の出力を計測する計測手段２，３及び該計測手段で計測された出力に応じてモータ１を制御するモータ制御手段１１を備え、前記モータにより以下の式で表される等粘性負荷抵抗τを生成するとともに、前記モータにより生成された等粘性負荷抵抗を生体に伝達する伝達手段を設ける三次元運動療法装置。 τ＝ｆ（μ×ｖ）（１） ただし、τは抵抗、μは粘性係数、ｖは速度を表す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータをコンピュータ制御することにより、等粘性負荷抵抗等の仮想現実感技術で用いられる力覚提示方式を用いて、人間の四肢・体幹部のあらゆるリハビリテーション、運動療法、筋力トレーニング及び運動学習を行うための等粘性負荷による三次元運動療法装置に関するものである。

運動負荷装置は多種多様存在する。従来、運動療法で用いられる運動負荷様式として、重錘を利用する等張性負荷、ゴムチューブなどの抵抗による増張性負荷、関節運動を伴わない等尺性負荷、マシンを使用しての等速性負荷がある。前二者の負荷様式には、特に二つの危険を伴う問題がある。一つは、重錘やチューブを選択した時点では負荷量は随意的に調整できないものとなり、かつ求心性関節運動の後には必ず遠心性運動を伴うので痛みを生じた場合にもその時点で運動を中止できない点である。二つ目は、例えば座位で行う膝関節伸展運動を例にとると、等張性負荷では膝関節の伸展に伴って関節運動軸（テコの支点）と重錘を装着する荷重点の距離が長くなり、運動最終域に近づくにつれて筋の出力を増加しなくてはならない。同様に増張性負荷も、弾性力＝弾性係数×距離、の関係から、運動に伴って負荷が増加する。これらの負荷は、筋の長さ−張力関係という生理特性に合致せず、不必要にストレスを増強させるものである。従ってこれらの負荷は医学的に大きなリスクを伴う場合がある。
また、等尺性負荷は筋出力を随意的に調節できるが動的に行えないという運動負荷としての欠点がある。
さらに、等速性負荷は筋出力を随意的に調節できず、且つ機器が高価であり汎用性に乏しい。

また、既存の装置は、モータなどの稼働部分に取り付けられたレバーアームに身体のある部分を固定して運動させるため、一平面上での運動しかできず、３次元的な運動はできない。
さらに、運動中の筋力や運動速度などを定量的に計測できる装置は、大きく、設置が複雑なために医療機関やスポージムなどの特別な施設でしか設置できない。
また、従来の装置や器具では運動の関節角度や装置の設定など、運動を実施する生体の随意努力ではない環境要因によって運動負荷の程度が決定されるという問題があった。

一方、外傷や内部疾患による障害を持つ患者の運動療法における負荷としては、器質的問題を抱える症例を対象とするものであるから、痛みなどを回避できるような、例えば水中抵抗のようにリウマチ症例にでも優しい抵抗と感じられる、低リスクの運動様式の開発が望まれている。
等粘性負荷抵抗とは、τ＝ｆ（μ×ｖ）で表される。ここで、τは抵抗、μは粘性係数、ｖは速度を示す。等粘性負荷抵抗は、感覚的には非常に滑らかだと感じる抵抗であり、自然界に存在するものの例としては、プール内で感じる水の抵抗や、粘土を握りつぶすときに感じる抵抗である。
等粘性負荷抵抗の特徴は、一定の粘性係数で与えられる粘性条件では、運動速度と応力が比例関係にあることである。従って、この抵抗下で運動する場合、随意の努力程度に対して運動速度と抵抗の両方が比例関係にある。このため、特に関節になんらかの障害を持つ人にとって安全な運動抵抗である。

一方、等粘性負荷を用いた運動抵抗装置はすでに存在する。しかし、それらの装置では油圧、水圧、空気圧及び電磁ブレーキなどを用いて抵抗を作り出しており、また、モータの制御によるものではないため、運動中の粘性を定量的に表すことができず、かつ運動速度や生体が発揮している筋力を定量的に計測することができない。
特開２００２−１７８８７号公報

従来の等粘性負荷を用いた運動抵抗装置においては、モータの制御によるものではないため、運動速度や生体が発揮している筋力を定量的に計測することができず、また、３次元的な運動ができないという問題があった。

本発明は、リハビリテーションを目的とした運動療法の訓練・評価、もしくはスポーツ選手や健康増進を目的とした筋力トレーニングのために、生体側の出力をモニタしながらモータを制御することにより、生体に安全で筋力強化に有効な等粘性負荷を人工的な運動抵抗として生成することを最も主要な特徴とする。
本発明の等粘性負荷による三次元運動療法装置は、生体側の出力を計測する計測手段及び該計測手段で計測された出力に応じてモータを制御するモータ制御手段を備え、前記モータにより以下の式で表される等粘性負荷抵抗τを生成するとともに、前記モータにより生成された等粘性負荷抵抗を生体に伝達する伝達手段を設けることを特徴とする。
τ＝ｆ（μ×ｖ） （１）
ただし、τは抵抗、μは粘性係数、ｖは速度を表す。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）従来の装置では運動の関節角度及び装置の設定等、運動を行う生体の随意努力ではない環境要因によって運動負荷の程度が決まってしまうのに対し、本発明の等粘性負荷抵抗によれば運動を行う生体の随意努力（運動速度）と負荷抵抗τが比例するため、装置の出力する運動負荷抵抗は生体側の運動発現の特徴に応じて決定される。
（２）粘性係数をあらかじめ設定し、その環境下で随意調節により筋出力と運動速度を変化させることができる。また、いずれの粘性係数の場合でも、最大随意努力下で運動速度が速く、かつ筋出力が高くなる。逆に、努力度が低ければ運動速度が遅く、かつ筋出力は低い。
（３）運動時に随意的に運動を中止した場合、自動的に負荷抵抗がなくなり、ワイヤが巻き戻される。
（４）運動負荷が等粘性抵抗負荷であるため、いきなり最大速度で運動したような場合でも生体に与えるストレスを小さくできる。
（５）身体機能が発達している者は、より激しいトレーニングを実施することができる一方、高齢者及び障害を持つ者には、安全で適切な負荷抵抗を与えることができる。
（６）等粘性運動抵抗時の運動速度及び筋出力を定量的に計測できるため、運動療法実施者の回復度合い等を的確に把握できる。
（７）本発明の装置は、携帯できる程度の大きさであり、設置が簡便であるため、特別な医療機関やスポーツジムではなく、利用者が自由に持ち運んで一般家庭でも使用できる。また、医療機関内では、患者が運動療法室へ移動しなくてもベッドサイドで使用することができる。

本発明に係る等粘性負荷による三次元運動療法装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。

図１及び図２は、それぞれ本発明装置の本体部２０の１実施例を示す正面図及び側面図である。図１において、本体部２０は操作部１０と制御用コンピュータの制御部１１とからなり、操作部１０は、サーボモータ１、回転角検出部２、トルクセンサ３、トルク伝働機構４、ワイヤ巻取りリール５、リールガイド６、ワイヤ７及びワイヤ連結部８からなる。
また、制御部１１は、図３のブロック線図に示すように、モータ制御用インターフェース１２、トルクセンサインターフェース１３、回転角検出インターフェース１４、キーボードディスプレイマウス１５及び図示しない電源供給部からなる。制御部１１は、本装置を簡易的に設置するため本体部２０中に組み込んであるが、本体部２０と独立して制御コンピュータ近くに置けるように外付けとすることもできる。

サーボモータ１を制御用コンピュータにより制御することにより等粘性負荷抵抗からなる運動負荷抵抗をワイヤ７及びワイヤ連結部８に与える。
等粘性負荷抵抗とは、
τ＝μｖ （１）
で表される。ここで、τは抵抗、μは粘性係数、ｖは速度である。
（１）式により、生体側が限りなく遅い速度で運動した場合には、抵抗τが限りなく０に近づく必要があるが、現実には機械の摩擦抵抗及びモータの抵抗などの自然抵抗などにより、サーボモータ１で抵抗を作り出さなくても、すでに生体側は抵抗を感じるものである。
運動療法では、身体機能的に弱く、関節にリスクを有する人を対象にするため、非常に低い負荷で運動をすることが想定される。このため、生体が出力する力が機械の自然抵抗よりも低い場合には、上記（１）式にあてはまるように、生体が出力する力を支援する方向にサーボモータ１が回転し、自然抵抗を含んだ形で上記（１）式を満足するように運動を実現する。

以下、図７を参照しながら制御用コンピュータによりサーボモータ１を制御して等粘性負荷抵抗からなる運動負荷抵抗を生成する点について説明する。
生体運動が開始されると、モータ１の回転角検出部２で感知した信号を、回転角検出インターフェース１４を介して図７の（イ）で示すように制御用コンピュータにフィードバックする。その際、回転角検出部２は、単位時間あたりにモータ１が回転した角度に応じてパルスを発信する。制御用コンピュータは回転角検出部２からのパルス数に応じて図７の（ロ）に示すように運動速度を計算する。

一方、生体運動のトルクを感知する方法は２種類ある。一つは、トルクセンサ３によって感知するものである。トルクセンサ３は、生体が出力した力に応じて電位をフィードバックするもので、トルクセンサ３から出力される電位はトルクセンサインターフェース１３を介して図７の（ハ）で示すように制御用コンピュータへ伝送される。

トルクを感知する２つ目の方法は、図７の（ニ）で示すように回転角検出部２のフィードバック信号から計算する方法である。サーボモータ１が出力するトルクは、信号により制御されている。生体が出力するトルクがサーボモータ１のトルクとつり合っていれば、回転角検出部２からフィードバックされるパルスは一定の頻度に保たれる。パルス信号の頻度変化がフィードバックされ始めると、つり合っていない状態である。サーボモータ１のトルクと生体の力のどちらが強いかはモータの回転方向で検出できる。例えば、サーボモータ１が１０Ｎｍ出力して生体の力が０の時は、サーボモータ１が逆転し、ワイヤ７が巻き取られるが、この時、毎秒１０パルスが回転角検出部２から図７の（ニ）に示すようにフィードバックされるようにする。生体が力を入れることにより、回転角検出部２からのフィードバックパルスが少なくなり、例えば毎秒５パルスになると、生体が５Ｎｍ出力したことになる。モータ１が逆方向にへ回転し、回転角検出部２からのフィードバックパルスが毎秒１０パルスになると、生体が２０Ｎｍの力を出力したことになる。このように、サーボモータ１の制御信号と回転角検出部２からのフィードバック信号により図７の（ホ）に示すようにトルクを計算する。

これまでの計算から、ある時点で生体が出力する運動の運動速度とトルクが図７の（ヘ）で示すように制御用コンピュータで計算されたことになる。等粘性負荷抵抗を実現するためには、（１）式に適合するように制御しなくてはならない。このため、運動前に設定した粘性係数μと実際に行われている運動の速度ｖ及びトルクとを比較し、図７の（ト）に示すように修正する量を計算する。
例えば、あらかじめ設定した粘性係数を０．２とする。すなわち、０．２Ｎｍのトルクを出力するときに運動速度が１ｍ／ｓになるという粘性負荷である。このような抵抗で運動している時に、生体が０．５Ｎｍの力を出力していたにも拘わらず、運動速度が２ｍ／ｓであったとする。（１）式に当てはめると、０．５＝０．２×ｖ となり、ｖ＝２．５ｍ／ｓである。ここに０．５ｍ／ｓの速度の違いが生じる。このため、サーボモータ１側の出力を低下させて速度を速めるように調節する必要があり、サーボモータ１の出力を低下させる信号を図７の（チ）に示すように操作部１０にフィードフォワードする。

操作部１０のサーボモータ１で発生した出力はトルク伝達機構４を通じてワイヤリール５へ伝わり、生体はワイヤ７を介して等粘性負荷抵抗からなる運動抵抗が加えられる。
生体が運動中に出力している運動速度及びトルクは、定量的に計測され、装置が出力している駆動速度及びトルク等と併せて制御用コンピュータの保存されるとともにコンピュータ画面に表示される。また、トルクセンサ３からアナログ信号を出力させ、Ａ／Ｄ変換されたデータをプログラムに表示することもできる。

図４は、本装置の１つの使用形態を示したもので、操作部１０及び制御部１１からなる本体部２０を本体設置用ラック１６の床面に設置する他、装置背部にある留具等に掛けることで生体の上方部にも垂直に設置したものである。このように本体部を複数台設置することにより、生体のあらゆる方向への運動抵抗を与えることができる。また、ワイヤを介した抵抗のため、初期運動方向に関係なく、いずれの運動方向へも動かすことが必要な複合運動を実施できる。
なお、ワイヤ連結部８に運動する関節に応じて図示しないハンドル及び固定バンド等を装着する。

図５は、本装置の他の使用形態を示したもので、本体設置用ラック１６の天井から滑車１７を吊支し、ワイヤ７の方向を転換して生体の腕関節に装着される固定バンド１８にワイヤ７を連結したものである。こような装置の場合、生体の四肢をある空間で浮かせる状態を形成できるため、水中運動の浮力を模擬して、かつ水中抵抗を模擬した抵抗を加えることができる。
図６も、本装置の他の使用形態を示したもので、本体部２０のサーボモータ１の駆動軸に軸結合部１９を介して単関節運動用アタッチメント２１を装着したものである。単関節運動用アタッチメント２１のレバーアーム２２には固定ストラップ２３が２箇所設けられ、生体の前腕が固定ストラップ２３により装着される。

本装置においては、サーボモータ１の制御は制御用コンピュータで制御すること主たる内容としているが、簡易的に使用する場合は、コンピュータ制御内容をマイコンチップに入れて、本体部２０内部にマイコンチップを組み込むことによりコンピュータを用いずに制御することができる。

本発明の実施の形態に係る等粘性負荷による三次元運動療法装置を示す正面図である。 本発明の実施の形態に係る等粘性負荷による三次元運動療法装置を示す側面図である。 本発明の実施の形態に係る等粘性負荷による三次元運動療法装置を示すブロック線図である。 本発明の実施の形態に係る等粘性負荷による三次元運動療法装置の１つの使用形態を示した斜視図である。 本発明の実施の形態に係る等粘性負荷による三次元運動療法装置の他の使用形態を示した斜視図である。 本発明の実施の形態に係る等粘性負荷による三次元運動療法装置の他の使用形態を示した斜視図である。 制御用コンピュータによりサーボモータを制御して等粘性負荷抵抗からなる運動負荷抵抗を生成する手順を説明したブロック線図である。

符号の説明

１ サーボモータ
２ 回転角検出部
３ トルクセンサ
４ トルク伝働機構
５ ワイヤ巻取りリール
６ リールガイド
７ ワイヤ
８ ワイヤ連結部
１０ 操作部
１１ 制御用コンピュータの制御部
１２ モータ制御用インターフェース
１３ トルクセンサインターフェース
１４ 回転角検出インターフェース
１５ キーボードディスプレイマウス
１６ 本体設置用ラック
１７ 滑車１７
１８ 固定バンド
１９ 軸結合部
２０ 本体部
２１ 単関節運動用アタッチメント
２２ レバーアーム
２３ 固定ストラップ

Claims (1)

1. 生体側の出力を計測する計測手段及び該計測手段で計測された出力に応じてモータを制御するモータ制御手段を備え、前記モータにより以下の式で表される等粘性負荷抵抗τを生成するとともに、前記モータにより生成された等粘性負荷抵抗を生体に伝達する伝達手段を設けることを特徴とする等粘性負荷による三次元運動療法装置。
   τ＝ｆ（μ×ｖ） （１）
   ただし、τは抵抗、μは粘性係数、ｖは速度を表す。
   

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