JP2016140744A - ブレーキを用いた上肢・下肢リハビリ訓練装置、及び力覚提示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高齢化が進む中で、脳卒中などが原因で、運動機能に障害や低下を起こす人が増えている。ブレーキを用いたリハビリ支援システムは、低コストで高い安全性を有する。磁性体粒子ブレーキは、低電圧で駆動でき、技術的にも安定しているが、重力場における回転軸方向に制約がある。この制約のなかで、優れた力覚提示性能を持つリハビリ支援装置の開発が課題である。【解決手段】図１６にその一例を示すリハビリ支援装置は、リハビリ訓練テーブルを任意の角度に傾斜させてリハビリ訓練を行うことができる。すなわち、重力場の影響を受けずに最適のリハビリ訓練テーブルの角度でリハビリ訓練が可能である。図１６の装置は、冗長個数（２次元平面上なので３個以上）のＭＲ流体ブレーキ（ＭＲ流体クラッチを含む）及び／又はパウダーブレーキ（パウダークラッチを含む）を用いている。【選択図】図１６

Description

本発明は、リハビリテーションや運動機能回復訓練など医療、福祉分野において使用される高い訓練効果を有する上肢・下肢リハビリ訓練装置、及び力覚提示装置に関する。

高齢化が進む中で、脳卒中や失調症、末梢神経障害などが原因で、肩、肘、手関節などの上肢や下肢の運動機能に障害や低下を起こす人が増えている。これに対して、理学療法士や作業療法士の数も増えてはいるが、充足しておらず充分な運動機能の回復や向上のための訓練が行えていない。

日本人の６人に１人がなると言われる脳卒中は、今後高齢化が進むにつれて、ますます大きな社会問題になる。脳卒中はかつて死亡原因の１位であったが、各種治療技術の発達により、現在第４位の死亡原因になっている。その結果、脳卒中の後遺症を残す患者が増え続けている。その多くは、運動機能に障害があり、一般的に身体の片側に運動麻痺を生じる片麻痺となる。

脳卒中のリハビリテーションに関する考え方が、世界的に次のように変わりつつある。コンピュータ・システムを導入した各種のリハビリ装置が、リハビリテーションにおいて効果的であることが明らかになってきており、娯楽的なゲームや相互作用機器がパフォーマンスの改善を導く。入院患者の１日のうち、訓練や学習に使用されるのはごくわずかに過ぎず、ロボティクス・メカトロニクス技術を用いて訓練を半自動化する事で、手軽に長時間訓練を行うことができる。また、訓練者の能力に応じて、難しい課題へと段階的に移行させていく必要があり、包括的かつ情報技術を導入したリハビリ訓練支援システムが必要である。

脳の可塑性発現は、その体部位の使用頻度に依存するという多くの報告があり，麻痺の回復には麻痺した上肢・下肢の自発的な運動量を増やすことが必要である．しかし，現状ではセラピストの人手不足等のため，上肢・下肢機能訓練を長時間行うことできない．そこで，訓練後に自主訓練プログラムを実施することもあるが、訓練内容が限られたものとなっている。一方，バーチャルリアリティ技術を応用した上肢・下肢リハビリテーション支援システムは，ゲーム性が高く，様々なプログラム設定が可能であり，手軽に長時間の訓練が可能である（特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４）。

近年、慢性期の患者に対しても、脳の可塑性を前提とした積極的な治療的介入が行われている。例えば、繰り返しのリーチング運動（到達運動）等で、運動の再学習が得られることが脳卒中片麻痺患者に対する臨床評価で示されている。しかし、医療保険等の制度上の問題もあり、現状の医療機関でのリハビリでは、量的（訓練時間・入院期間・訓練期間）に十分とはいえない。これらの問題点に対して、訓練効果の患者への定量的表示や、ゲーム的要素等も取り入れ、モチベーションの維持をさせながら繰り返し長時間訓練が可能な装置の開発が望まれている。

従来，脳卒中に伴う運動機能障害の回復は約６ヶ月で頭打ちに達すると言われてきた．しかし，近年のニューロリハビリテーションの研究において，慢性期の患者であっても，脳の可塑性によって運動機能等の回復が可能であることが証明された。また，上肢機能の回復とＡＤＬ（Ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｏｆ Ｄａｉｌｙ Ｌｉｖｉｎｇ）の改善には相関が大きいことなどから，上肢のリハビリテーションの継続の重要性はますます増加していく。

また，入院が長期であることや高齢等のため，体力及び気力が低下した人々にはリハビリテーションにおける長時間の機能回復訓練は，肉体的・精神的に苦痛が伴うものであり，継続して訓練を行うことは努力を要する。特に病院や施設などからの退院後は，訓練を怠りやすいと言われている。リハビリテーションを行う理学療法士や作業療法士は，１人で多くの患者の治療にあたるのが現状であり，退院後の症状の軽い患者や在宅で通院リハビリを行っている患者には十分な対応は困難である。このような状況において，近年ロボット技術やＶＲ技術を応用したリハビリテーション・福祉機器が提案され，同分野における問題解決の一役を担うことが期待されている。

ロボット技術を用いて最初に上肢リハビリ訓練装置として実用化したのは、米国ＭＩＴの上肢リハ装置（特許文献１）である。この装置は、脳卒中による上肢片麻痺患者の運動機能回復を主目的とするものであり、患者はロボットアーム先端の把持部を握り、患者の正面に垂直に置かれたディスプレイ画面の指示に従って自らの意思で上肢を繰り返し動かす内に、脳の可塑性により運動が再学習されると言う、ニューロリハビリテーションの考えに基づく装置である。しかし、アームの動きはダイレクトドライブモータで駆動されているため、モータの制御ソフト、訓練ソフト等にバグ、あるいはセンサー、制御装置等に故障があると、モータが暴走し、重大な事故を起こす恐れがある。暴走による事故を防止するため、装置には種々の安全対策が取られ、また信頼性の高い高価な部品が使われており、非常に高価な装置となっている。さらに、制御ソフトや訓練ソフトのバグを防ぐため、ソフトが固定化され、新規ソフトの開発が難しいという問題点もある。

サーボモータなどアクティブなアクチュエータを力発生部に用いた力覚提示システムが、多数開発されている。例えば、ＦＣＳコントロールシステムズ社製のハプティックマスター（ＨａｐｔｉｃＭａｓｔｅｒ）（非特許文献１）は、基本３軸に３台のサーボモータを用いており，回転関節および直動関節を用いた３次元の力覚提示システムである。力覚提示システムは、上肢リハビリ支援システムとしても用いることができ，ハプティックマスターを用いた上肢リハビリ支援システムに関する研究が多く行われている。

この他、商用および研究用を含め、モータ、油空圧等のアクチュエータを用いたリハビリ支援システムは数多く研究開発されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５、非特許文献６、非特許文献３５、非特許文献３６）。非特許文献６のシステムは、上肢リハビリ支援システムのみならず、下肢のリハビリ支援にも適用可能である。

力覚提示システムの力発生部にモータ等のアクチュエータを用いた場合、故障や暴走など不慮の事故により操作する人間に危険が及ぶ可能性がある。また、電気的、あるいはソフトウェア的に対策を施すことで安全性を高めることは可能であるが、装置やシステムが高価となる上、完全に危険性を排除することは難しい。そこで，アクチュエータレベルで安全性が確保できＥＲ流体アクチュエータが開発されている（非特許文献７）。ＥＲアクチュエータは、ＥＲクラッチとその駆動部からなる。ＥＲアクチュエータを用いた上肢リハビリ支援システムＥＭＵＬが，５ヵ年ＮＥＤＯプロジェクト（１９９９年度〜２００３年度）で研究開発され、臨床評価が行われている（非特許文献８、非特許文献９、非特許文献１０、非特許文献１１）。

ＥＲ流体は，絶縁性オイルに誘電微粒子を分散させたコロイド溶液で，これに電界を印加すると微粒子が鎖状構造を形成し，見かけの粘弾性が変化する機能性流体である。機能性流体としては、電場でそのレオロジー特性が制御できるＥＲ流体（非特許文献７、非特許文献１３）や、磁場でそのレオロジー特性が制御できるＭＲ流体（非特許文献１３）、ナノ粒子ＭＲ流体（特許文献５、非特許文献１４）などが使われる。

アクチュエータを用いた力覚提示システムと比べて、ブレーキ等のパッシブ型力発生部を用いた力覚提示システム（特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、非特許文献７、非特許文献７、非特許文献８、非特許文献１０、非特許文献１１、非特許文献１２、非特許文献１３、非特許文献１６、非特許文献２０、非特許文献２１）は、操作者の加えた力に対する抗力のみを提示するため、誤って装置が操作者に危害を加えることはない。

このような、パッシブ型力発生部を用いた力覚提示については、斉藤らのパウダークラッチを用いた力覚提示システム（非特許文献１５）の研究がある。このシステムは、１台のパウダークラッチを用いて１次元の力覚を提示している。また、古荘らは粒子系ＥＲ流体ブレーキを２台用いた２次元のパッシブ型力覚提示システムＰＬＥＭＯ−Ｐ−Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ（非特許文献１６）を研究開発した。

例えば、ボール打ちゲームの場合、画面上で飛んで来るボールにパックを当てに行き、パックがボールに当たると瞬間にブレーキがかかり、把持部にはボールの速度に合わせた力が、あたかもボールに当たった感覚として発生し、同時に画像上のボールも跳ね返る。画像には、ゲームだけでなく、サンディングや、軌道追跡など、理学療法や作業療法で行われる各種の訓練内容が表示される。

本発明で使用できるパッシブ型力発生部としては、機能性流体を用いた機構がある。図１（ａ）、（ｂ）は，ＥＲ流体、ＭＲ流体またはナノ粒子ＭＲ流体など，外的な場（電場，磁場）によってレオロジー特性の変化する機能性流体を用いた機能性流体ブレーキの断面図の例を示している。図１（ａ）には円筒タイプ，図１（ｂ）には円盤タイプを示す．機能性流体ブレーキ固定ハウジング１と機能性流体ブレーキ出力円筒部２または機能性流体ブレーキ出力円盤部３の間隙に機能性流体４が充填される．機能性流体４に印加する外的な場（磁場あるいは電場）を変化させることで，機能性流体ブレーキ出力軸５と機能性流体ブレーキ固定ハウジング１の間のブレーキトルクが制御できる．機能性流体ブレーキ出力円筒部２または機能性流体ブレーキ出力円盤部３は，多重円筒，または多重円盤とすることで，発生力を増大させることができる。

図１（ｃ）、（ｄ）は，ＥＲ流体、ＭＲ流体またはナノ粒子ＭＲ流体など，外的な場（電場，磁場）によってレオロジー特性の変化する機能性流体を用いた機能性流体クラッチの断面図の例を示している。図１（ａ）、（ｂ）に示す機能性流体ブレーキの固定ハウジング１を回転可能にして機能性流体クラッチを構成している。図１（ｃ）には円筒タイプ，図１（ｄ）には円盤タイプを示す．機能性流体ブレーキ回転型ハウジング２３と機能性流体ブレーキ出力円筒部２または機能性流体ブレーキ出力円盤部３の間隙に機能性流体４が充填される．機能性流体４に印加する外的な場（磁場あるいは電場）を変化させることで，機能性流体ブレーキ出力軸５と機能性流体ブレーキ回転型ハウジング２３に取り付けた出力軸２２の間のクラッチトルクを制御できる。

本発明で使用できるパッシブ型力発生部としては、図２に示すパウダーブレーキやパウダークラッチもある。図２（ａ）にパウダーブレーキの基本構造を示す。図中の符号６は磁性体からなるパウダーを示し、符号７は、磁場を発生するためのコイルを示す。符号８はパウダーブレーキの回転軸を示す。符号９はパウダーブレーキのハウジングを示す。コイル７に電流を流すことによって回転軸８とハウジング９の間にブレーキトルクが発生する。また、図２（ｂ）にパウダークラッチの基本構造を示す。符号１０はパウダークラッチの１つの回転軸を示し、符号１１はパウダーブクラッチのもう１つの回転軸を示す。コイル７に電流を流すことによって回転軸１０と回転軸１１の間でトルクが伝達される。これらは、本発明で使用できるパッシブ型力発生部として使用できる。

パッシブ型力発生部の発生できる力には制限があるため、ある自由度の力覚を実現するために必要最小限の数の力発生部しか用いていない場合、提示できる触覚、力感覚に制限が生じることがある。これに対し、ある自由度の力覚を提示するために最小限必要の数よりも多い冗長な数のパッシブ型力発生部を用いることで、最小限必要な数しか用いていない場合には提示できない精密な触覚、力感覚を提示することができる（特許文献７など）。

このような冗長個数のパッシブ型力発生部を用いた触力覚提示システムとして、冗長個数の電磁ブレーキを用いたＤａｖｉｓおよびＢｏｏｋらのＰＴＥＲがある（非特許文献１８）。また、ＥＲ流体ブレーキ（クラッチを含む）、ＭＲ流体ブレーキ（クラッチを含む）を冗長個数用いた力覚提示システムが提案されている（特許文献７）．

非特許文献３６に、２次元であるリハビリ訓練テーブル上で力覚を提示する際のブレーキ（クラッチを含む）の個数について検討が行われている。２次元平面における力覚の提示なので、最小限２個のブレーキ（クラッチを含む）が必要である。冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）を用いる力覚提示システムにおいては、ブレーキ（クラッチを含む）本体の摩擦、ブレーキ力伝達機構の摩擦、コストなどの観点から、非特許文献３６では一個のブレーキ（クラッチを含む）の追加が適しているとしている。また、その取り付け方法としては、力覚提示アームの平行リンク機構の２つのリンクの相対的な角度変化に対するブレーキ力（図１４）を追加することが良いとしている（非特許文献３６のｐｐ．１１０の左コラム）。

次に、リハビリ訓練テーブル、準３次元リハビリ支援システムについて説明する。

ディスプレイを見ながらリハビリを行う上肢、下肢リハビリ支援システムの多くにおいては、リハビリ訓練テーブルにほぼ垂直なディスプレイに、リハビリ訓練画面が表示される。図３に、上肢のリハビリ訓練の場合を示す。図３（ａ）は、上肢リハビリ支援システムを上から見た図である。リハビリ訓練テーブル１２上に正面に垂直に置かれた垂直ディスレイ１３を見ながら、力覚提示用アーム１４の先端に取り付けられた把持部１５を操作しながら行っているリハビリ訓練の様子を示している。図３（ｂ）は、垂直ディスプレイに表示された訓練画面の例である。画面下部の中央から目標点▲１▼〜▲５▼に向けて順番にリーチング訓練を行う。リハビリ訓練テーブル上の把持部の位置を表示する丸印１６が、目標点に到達するとことが訓練の目的である。

図４に、下肢のリハビリ訓練の場合を示す。図４は、下肢リハビリ支援システムを上から見た図である。正面に垂直に置かれた垂直ディスプレイ１３を見ながら、力覚提示用アームの先端に取り付けられたスリッパ状の装着部１７を操作し、水平なリハビリ訓練テーブル１２の上でリハビリ訓練を行っているリハビリ訓練の様子を示している。リハビリ訓練テーブルにほぼ垂直に配置された垂直ディスプレイに表示された訓練画面を見ながらリハビリ訓練を行う。図中の符号１８は、力覚提示機構を内蔵する箱を示す。

例えば、ＭＩＴ−Ｍａｎｕｓ（特許文献１）、キネステージ（非特許文献６）などにおいては、水平に置かれたリハビリ訓練テーブル上をリハビリ訓練アームの把持部を握り（あるいはマジックテープ等で手を把持部に固定し）、リハビリ訓練テーブルにほぼ垂直なリハビリ訓練画面を見ながら、把持部を操作し、上肢のリハビリ訓練を行う。また、キネステージ（非特許文献６）においては、リハビリ訓練テーブルを床面に置き、力覚提示用の先端に取り付けられたスリッパ状の装着具を履き、下肢のリハビリ訓練を行うこともできる。

ＰＬＥＭＯ−Ｐ３（非特許文献２０、非特許文献２１）においては、リハビリ訓練テーブルの角度は上向きにも下向きにも可変であり、訓練メニューに応じてある傾斜角度に固定して上肢のリハビリを行うことができる。これにより、リハビリ訓練テーブルの角度を上向きにして、高い位置の物を取る動作や、リハビリ訓練テーブルの角度を下向きにして、低い位置の物を取る動作（食事動作など）の動作の訓練などを行うことができる。そこで、日常生活動作（ＡＤＬ）の向上につながる。このようなリハビリ訓練テーブルが傾斜可能なリハビリ支援システムは、準３次元リハビリ支援システムと呼ばれている（非特許文献１１、非特許文献２０、非特許文献２１）。

準３次元上肢・下肢リハビリ支援システムの概念図を図５に示す。図５（ａ）は、準３次元上肢リハビリ支援システムの概念図である。力覚提示機構と垂直ディスプレイ１３が取り付けられたリハビリ訓練テーブル１２が、リハビリ訓練テーブル角度調整回転軸１９の回りで回転可能となっている。訓練内容に応じてリハビリ訓練テーブルの角度は調整される。

図５（ｂ）は、準３次元下肢リハビリ支援システムの立位における訓練の概念図である。リハビリ訓練テーブル１２は、リハビリ訓練テーブル角度調整回転軸１９の回りで回転可能となっている。リハビリ訓練画テーブルを傾斜させることができるため、斜面における下肢の訓練になる。立位訓練における姿勢保持のためアームレスト２０が取り付けられており、患者は垂直ディスプレイ１３を見ながらリハビリ訓練を行う。

ＰＬＥＭＯ−Ｐ３において、ディスプレイは、リハビリ訓練テーブルにほぼ垂直に取り付けられており、その角度は調節可能となっている。このようなディスプレイも垂直ディスプレイと呼ぶことにする。また、リハビリ訓練テーブルに組み込まれたディスプレイを水平ディスプレイと呼ぶことにする。

力覚の提示にブレーキを用いた準３次元上肢リハビリ支援システムＰＬＥＭＯ−Ｐ３について、簡単に紹介する。

図６は、ＰＬＥＭＯ−Ｐ３の基本リハビリ訓練ソフトを示す（非特許文献２０、非特許文献２１、非特許文献３５、非特許文献３６）。図６（ａ）は、リーチング（非特許文献２２、非特許文献３９）訓練ソフトの画面を示す。リーチング訓練は、手前から前方に向かって腕を伸ばす訓練であり、脳卒中のリハビリ訓練における基本的な訓練である。図中に示す１から１３までの番号付された丸い目標に向かって、手前前方から番号の順にリーチ（到達）動作を行う。リハビリ画面には、リハビリ訓練テーブル上の把持部１５の位置が、手先位置として表示されている。リハビリ訓練テーブル上の把持部１５を動かす時、この手先位置のマークも画面上を移動する。

図６（ｂ）は、軌道追跡訓練の画面表示を示す。把持部を動かして、円軌道上を移動するターゲットを追跡する。図６（ｃ）は、バーチャルサンディングを示す。図中の球体が把持部の位置を示している。サンディングとは、傾斜したテーブル上で錘を上下に移動させる訓練であり（非特許文献３４）、図中の直方体は、サンディングの錘を示す。把持部１５には、ブレーキを用いた力覚の提示が行われており、この訓練は力の調節の訓練となっている。

ＰＬＥＭＯ−Ｐ３を用いて複数の脳卒中患者による臨床評価が行われ、そのリハビリにおける有効性、及び運動能力の評価機としての有効性が確認されている（非特許文献２０、非特許文献２１、非特許文献３６）。

上述の準３次元上肢リハビリ支援システムＰＬＥＭＯ−Ｐ３（非特許文献２０、非特許文献２１）は、ＥＲ流体ブレーキを用いて力覚を呈示でき、使用者はゲーム感覚で訓練することができ、慢性期の脳卒中患者を対象としたリハビリで、大きなリハビリ訓練効果を得た。力覚の提示にアクチュエータを用いず、ブレーキのみを用いているので本質的な安全性を有する。

次に、垂直・水平ディスプレイについて説明する。

ヒトが、視覚により情報を得ながら、目標の位置に手先を伸ばす動作（リーチング動作）を行う場合を考える。視覚の座標で表された目標へ到達するには、脳の中で視覚座標から運動座標に変換し、腕の運動を制御する必要がある（非特許文献２３）。脳卒中ではこれらを妨げる身体図式障害や視空間性障害が出現することがある。

従来のディスプレイを用いた上肢リハビリ支援システムでは、図３、図４に示すように、把持部の運動面であるリハビリ訓練テーブル１２の面に対して垂直のディスプレイ１３が用いられており、レベルの高い身体認識および空間認識が必要な活動となる。すなわち、身体図式障害や視空間性障害が出現した患者にとっては、訓練テーブルの面に対して垂直のディスプレイを用いたシステムによるリハビリ訓練は難易度の高いものとなる。

身体図式障害や視空間性障害が出現した患者に対してリハビリ訓練画面を表示するために、水平ディスプレイ、垂直ディスプレイの２つのディスプレイを使用する上肢・下肢リハビリ支援システムの研究開発が行われている（特許文献４、非特許文献２４、非特許文献２５）。

図７に、水平ディスプレイ、垂直ディスプレイの２つのディスプレイを使用する上肢リハビリ支援システムおよび下肢リハビリ支援システムの概念図を示す。図７（ａ）は、上肢リハビリ支援システムの場合であり、図７（ｂ）は、下肢リハビリ支援システムの場合である。符号２１は、リハビリ訓練テーブルに組み込まれた水平ディスプレイを示す。垂直ディスプレイ１３には、各種の情報や遠景を表示することなどが提案されている（特許文献４）。

図３は、リーチング訓練を上肢リハビリ支援システムの垂直ディスプレイを見ながら行った場合であり、図７（ａ）は、同じリーチング訓練を水平ディスプレイを見ながら行った場合である。これらの図の比較からわかるように、水平ディスプレイを用いた訓練では、視覚的な認識と実際の運動が一致するという利点のため、身体図式障害や視空間性障害が出現した患者の訓練にも適用しやすくなる。

次に、力覚提示機構のリハビリ訓練テーブルに対する配置について説明する。

図８は、パッシブな機械要素であるブレーキ（クラッチを含む）を用いた力覚提示機構の全てをリハビリ訓練テーブルより上に配置したリハビリ支援システムを示す。図８（ａ）は、垂直ディスプレイを用いた場合である。図８（ｂ）は、水平ディスレイ２１および垂直ディスプレイ１３を用いた場合である。図８（ｃ）は、水平ディスプレイ２４を用いた場合で、前方に向け上向きに傾斜した台２４の上に載せた状態を示している。このように、上向きのリハビリ訓練テーブル上でリハビリ訓練をすることは、上方のものを取る動作の訓練となる。図８（ｄ）は、垂直ディスプレイ１３を用いた場合であり、後方に向け下向きに傾斜した台２５の上に載せた状態を示している。このように、下向きのリハビリ訓練テーブル上でリハビリ訓練をすることは、下方のものを取る動作の訓練となる。

図８のように、リハビリ訓練テーブルより上に力覚提示機構を配置する利点は次の通りである。リハビリ訓練テーブルより下に力覚提示機構を配置する場合は、既存の机等の上にリハビリ支援システムを置くことができないが、リハビリ訓練テーブルより上に力覚提示機構を配置するリハビリ支援システムでは、既存の机等の上に置くことができる。特に下肢のリハビリにおいては、リハビリ訓練面を高く危険なので、リハビリ訓練テーブルを床面に置くことが望ましい。リハビリ訓練テーブルより上に力覚提示機構を配置するリハビリ支援システムでは、これが可能である。

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図９に、力覚を提示する把持部、回転関節型リンク機構、２個のブレーキよりなるパッシブ型力発生部からなるリハビリ支援システムの概念図を示す。図中の一点鎖線Ａ−Ｂは、リハビリ訓練テーブルを傾斜させて使うための回転軸を示している。実際にリハビリを行う際には、リハビリソフトに応じてリハビリ訓練テーブルの傾斜角を決め、その角度にリハビリ訓練テーブルを固定して、リハビリを行う。例えば、高いところのものを取るリハビリ訓練においては、リハビリ訓練テーブルを上向きに傾斜させ、このリハビリ訓練テーブルの上でリハビリ訓練を行う。また、低いところのものを取るリハビリ訓練においては、リハビリ訓練テーブルを下向きに傾斜させ、このリハビリ訓練テーブルの上でリハビリ訓練を行う。

また、リハビリ訓練テーブルを傾斜させる方法としては、図８に示すように、傾斜した台を用いる方法もある。

図１０に、図９のリハビリ支援システムの概念図を、回転型ブレーキを用いて実現する二つの方法を示す。図中の一点鎖線Ａ−Ｂは、リハビリ訓練テーブルを傾斜させて使うための回転軸を示している。図１０中のブレーキ２６は、図１（ａ），図１（ｂ），図２に示すような回転型ブレーキである。ブレーキの回転軸は、リハビリ訓練テーブルに対して垂直に取り付けられている。図１０（ａ）のリンク２７は、ブレーキ、及びブレーキ２６による抵抗力を伝達するリンクである。図１０（ｂ）では、リンク２８は、ブレーキの回転軸に取り付けられている。リンク２７は、ブレーキによる抵抗力を伝達するリンクである。

本発明では、ブレーキ（クラッチを含む）としては、パウダーブレーキ（クラッチを含む）、あるいはＭＲ流体ブレーキ（クラッチを含む）を用いる。これらのブレーキは、数百ボルトから数キロボルトの高電圧の印加を必要とするＥＲ流体ブレーキと異なり、数十ボルトの低電圧で制御でき、高電圧に対する対策を必要としない。また、最大発生せん断応力は、ＭＲ流体では数十ｋＰａであり、ＥＲ流体では１から数ｋＰａである。粒子の体積分率が同じ場合、基底粘度はほぼ同じである。そこで、ブレーキ（クラッチを含む）のダイナミックレンジという点では、ＭＲ流体の方が優れている。

重力場に対するパウダーブレーキ、パウダークラッチの回転軸の向きは重要である。例えば、非特許文献２５には、「使用姿勢は，軸が水平に限定していますので、縦軸及び斜軸では使用しないでください」とある。すなわち，パウダーブレーキ（クラッチを含む）の回転軸は，安定したブレーキトルク（パウダークラッチの場合は、伝達トルク）を得るためには、重力場に対して水平である必要がある．

ＭＲ流体は、磁場でそのレオロジー特性が制御できる流体である。ＭＲ流体は磁性体からなる機能性粒子とシリコンオイル、鉱物油等からなる溶媒の混合物であり、粒子と溶媒の比重差が大きい。そこで、チキソトロピー性を持たせても、粒子の沈降の問題を完全に解決することはできない。ＭＲ流体の磁性体粒子は、直径が約１０ミクロン程度であり、磁性流体の磁性体粒子が１０ナノメータであるのと大きく異なっている。磁性流体は、主に流体のシール等に用いられており、粒子の沈降の問題は発生しない。一方、電場でそのレオロジー特性が制御できるＥＲ流体は、機能性粒子と溶媒の比重をほぼ等しくすることができるため、粒子の沈降の問題は、大きな問題とはならない。ただし、固体と液体の温度膨張率の差のため、温度によって粒子は沈降したり浮上したりする。

ＭＲ流体ブレーキ（クラッチを含む）においては、安定したブレーキトルク（ＭＲ流体クラッチの場合は、伝達トルク）を得るためには、その回転軸は重力場に対して水平であることが望ましい。例えば、図１（ａ）、（ｂ）に示すＭＲ流体ブレーキにおいて、その回転軸の方向を重力場において鉛直としたとき、比重の非常に大きいＭＲ流体粒子は、長時間立つとブレーキハウジングの底に沈んでしまう。これを完全に再分散させることは困難であり、ＭＲ流体ブレーキのブレーキ特性は変化してしまう。

本発明が解決しようとする第１の課題は、重力場において、パウダーブレーキ、ＭＲ流体ブレーキの安定したブレーキトルクが得られる上肢・下肢リハビリ訓練装置、力覚提示装置の機構の開発、及び重力場においてリハビリ訓練テーブルを傾けても、パウダーブレーキ、ＭＲ流体ブレーキの安定したブレーキトルクが得られる上肢・下肢リハビリ訓練装置、力覚提示装置の機構の開発である。

本発明が解決しようとする第２の課題は、ＭＲ流体ブレーキの安定したブレーキトルクが得られる上肢・下肢リハビリ訓練装置、力覚提示装置の機構の開発、及び重力場においてリハビリ訓練テーブルを傾けても、ＭＲ流体ブレーキの安定したブレーキトルクが得られ、さらに重力場におけるＭＲ流体ブレーキ内のＭＲ流体粒子の沈降に対して、ＭＲ流体粒子の強い再分散効果が得られる上肢・下肢リハビリ訓練装置、及び力覚提示装置の機構の開発である。

本発明が解決しようとする第３の課題は、上記第１の課題を満たし、さらに力覚提示性能の向上を目的とした冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）有する上肢・下肢リハビリ訓練装置、及び力覚提示装置の機構に関するものである。すなわち、重力場においてリハビリ訓練テーブルを傾けても、重力場の影響によるブレーキ（クラッチを含む）の特性の変化が無い、かつシンプルな構造を持つ、冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）を使用した上肢・下肢リハビリ訓練装置、及び力覚提示装置の機構の開発である。

図１０に示すリハビリ支援システムの構造では、ブレーキの回転軸が、リハビリ訓練テーブル１２と直交している。そこで、リハビリ訓練テーブルの回転軸Ａ−Ｂに関してリハビリ訓練テーブルを回転させたり、図８（ｃ）、（ｄ）に示すように、傾斜した台上にリハビリ訓練装置を載せたとき、ブレーキの回転軸の方向が変化する。リハビリ訓練テーブル１２が、重力場に対して垂直となる場合にのみ、ブレーキの回転軸は、重力場に対して水平となる。

コスト、重量、サイズ等の観点から、小型のブレーキ（クラッチを含む）の使用が一般的には望ましいので、タイミングベルト・歯付プーリー、ワイヤー・プーリー、傘歯車などで、減速してブレーキトルクを増大し、回転軸の方向を変えて、力覚を提示する場合について説明する。

図１１４は、タイミングベルト・歯付プーリー、あるいはワイヤー・プーリーを用いた際のブレーキトルク伝達系の一部を示している。図中の符号２９は、二重軸の内軸に結合された歯付プーリー（あるいはプーリー）を示している。図中の符号３０は、二重軸の外軸に結合された歯付プーリー（あるいはプーリー）を示している。二重軸の内軸は、リンク３１に結合されており、二重軸の外軸は、リンク３２に結合されている。図１１（ａ）のリハビリ訓練中の上面図からわかるように、平行リンク機構を介して把持部１５にブレーキ力が伝達される。

図１２に、本発明が解決しようとする第１の課題を解決するための機構を示す。図１２は、図１１のブレーキトルク伝達系において、タイミングベルト・歯付プーリーを用いた場合の図である。ブレーキのハウジングはリハビリ訓練テーブルのハッチングで示される部分に固定されている。これらのブレーキは、パウダーブレーキ、あるいはＭＲ流体ブレーキである。θ_ａ１は、歯付ベルト用大プーリーの回転角度を表し、θ_ａ２は、歯付ベルト用大プーリーの回転角度を表す。また、θ_ｂ１は、歯付ベルト用小プーリーの回転角度を表し、θ_ｂ２は、歯付ベルト用小プーリーの回転角度を表す。

図１２（ａ）は、リハビリ訓練テーブルを上から見た図である。図中の一点鎖線Ａ−Ｂは、リハビリ訓練テーブルの回転軸を示す。図１２（ｂ）は、リハビリ訓練テーブルの下に配置されたブレーキ及びブレーキ力伝達機構を示す。２個のブレーキの回転軸の方向は、図１２（ｂ）に示すように、傘歯車減速機により、リハビリ訓練テーブルの回転軸の方向と同じになっている。歯付ベルト用大プーリー、と歯付ベルト用小プーリーの間に歯付ベルトがかけられ、滑ることなくトルクが伝達される。また、歯付ベルト用大プーリーと歯付ベルト用小プーリーの間に歯付ベルトがかけられ、滑ることなくトルクが伝達される。傘歯車減速機の一つの回転軸は、歯付ベルト用小プーリーに結合されている。歯付ベルト用大プーリーは、２重軸の外軸と結合され、歯付ベルト用大プーリーは、２重軸の内軸と結合されている。

図１２から分かるように、リハビリ訓練テーブルを、図中に一点鎖線Ａ−Ｂで示すリハビリ訓練テーブル回転軸の周りに回転しても、パウダーブレーキ、あるいはＭＲ流体ブレーキの回転軸は常に重力場に対して水平である。すなわち、ブレーキとして、パウダーブレーキ、あるいはＭＲ流体ブレーキを用いたシステムにおいて、本発明が解決しようとする第１の課題が達成されている。

図１３に、本発明が解決しようとする第２の課題を達成するための機構を示す。図１２と異なっている点は、ブレーキのハウジングがリハビリ訓練テーブルに固定されておらず、回転する点にある。軸３３は、ブレーキの回転軸であり、ハッチングで示すリハビリ訓練テーブルの一部に固定されている。これらのブレーキは、ＭＲ流体ブレーキである。

傘歯車減速機の一つの回転軸は、ブレーキのハウジングに固定されており、傘歯車減速機のもう一つの回転軸は、歯付ベルト用小プーリーに結合されている。図１３から分かるように、把持部１５を把持して動かすと、ブレーキのハウジングが回転運動を起こす。その結果、ブレーキのハウジングの底に沈降していた磁性体粒子が舞い上がる。これにより、重力場におけるＭＲ流体ブレーキ（クラッチを含む）内のＭＲ流体粒子が沈降する場合に対して、ＭＲ流体粒子の再分散効果が得られ、本発明が解決しようとする第２の課題が達成される。

図１４、冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）を用いた力覚提示システムの一つの形態の概念図である。リハビリ訓練テーブル平面は、２次元なので必要最小限のブレーキ（クラッチを含む）の個数は、２個である。図１４のシステムでは３個のブレーキ（クラッチを含む）を用いているので、冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）を用いた力覚提示システムである。この図１のシステムの構成が、３個のブレーキ（クラッチを含む）を用いた上肢リハビリ支援システムに最も適している（非特許文献２６）。

図１５に、本発明が解決しようとする第３の課題を解決するための機構を示す。図１２のリハビリ訓練システムに、クラッチを１個追加したシステムであり、図１５の二つのブレーキは、パウダーブレーキ、あるいはＭＲ流体ブレーキである。追加したクラッチは、パウダークラッチ、あるいはＭＲ流体クラッチである。傘歯車減速機のリハビリ訓練テーブル面に平行な回転軸は、傘歯車減速機の両側に出ている。そこで、回転軸３４と回転軸３５の回転角度は同じ角度θ_ｂ１であり、回転軸３６と回転軸３７の回転角度は同じ角度θ_ｂ２となっている。すなわち、クラッチ３８の一つの回転軸の角度はθ_ｂ１であり、もう一つの回転軸の角度はθ_ｂ２である。

図１５に示すリハビリ支援システムは、その概念図を図１４に示す冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）を用いた力覚提示システムを、第３の課題を達成しながら実現している。すなわち、重力場においてリハビリ訓練テーブルを傾けても、ブレーキ（クラッチを含む）の回転軸は常に水平であり、重力場の影響によるブレーキ（クラッチを含む）の特性の変化が無い、かつシンプルな構造を持つ、冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）を使用した上肢・下肢リハビリ訓練装置、及び力覚提示装置となっている。

本発明が解決しようとする第１の課題を解決した１つの例である図１２を用いて、発明の効果について論じる。図１２のシステムでは、ブレーキとしてパウダーブレーキ、あるいはＭＲ流体ブレーキを用いている。パウダーブレーキは、重力場において回転軸を水平にして用いるのが基本である（非特許文献３５）。また、ＭＲ流体ブレーキは、比重の非常に大きいＭＲ流体粒子の沈降を妨げるため、その回転軸を重力場において水平にして用いることが望ましい。回転軸を重力場において鉛直にしてＭＲ流体ブレーキを用いるとき、図１（ａ）、（ｂ）に示すＭＲ流体ブレーキハウジングの底に沈降したＭＲ流体粒子をブレーキ回転部２あるいは３の回転によって再分散させることは難しいため、ブレーキ特性の変化が大きくなる。従って、ＭＲ流体ブレーキは、その回転軸を水平にして用いることが望ましい。図１３のシステムでは、リハビリ訓練テーブルの角度を変えても、パウダーブレーキ、あるいはＭＲ流体ブレーキの回転軸は、重力場において水平となっている。

本発明が解決しようとする第２の課題を解決した１つの例である図１３を用いて、発明の効果について論じる。図１３のブレーキは、ＭＲ流体ブレーキであり、操作者が把持部を握って動かすときＭＲ流体ブレーキのハウジングは回転する。その結果、ＭＲ流体ブレーキの底にＭＲ流体粒子が沈降しても、この回転運動によりＭＲ流体粒子は再分散される。

本発明が解決しようとする第３の課題を解決した１つの例である図１５を用いて、発明の効果について論じる。図１４のシステムでは、図１２のシステムの二つの傘歯車減速機を両側に軸がでる傘歯車減速機に変更し、新しく追加された回転軸にパウダークラッチ、あるいはＭＲ流体クラッチを接続したものである。図からも分かるように、非常にシンプルな構造で、冗長個数のブレーキ（クラッチを含む）が実現されている。この図１５の構成は、３個のブレーキ（クラッチを含む）を用いた上肢リハビリ支援システムに最も適している構成である（非特許文献３６）。また、重力場においてリハビリ訓練テーブルの角度を変化させても、力覚提示性能に影響を与えない。すなわち、シンプルな構造で、性能の高い上肢・下肢リハビリ訓練装置、及び力覚提示装置の機構が達成されている。

図１６に、本発明が解決しようとする第１の課題を満たすワイヤー・プーリーシステムを用いた実施例をしめす。このシステムでは、図１２のシステムと異なり、傘歯車減速機は用いず、ワイヤーの取り回し方を工夫して、同等の機能を実現している。

図１７に、本発明が解決しようとする第２の課題を満たすワイヤー・プーリーシステムを用いた実施例をしめす。このシステムでは、図１３のシステムと異なり、傘歯車減速機は用いず、ワイヤーの取り回し方を工夫して、同等の機能を実現している。

図１８に、本発明が解決しようとする第３の課題を満たすワイヤー・プーリーシステムを用いた実施例をしめす。このシステムでは、図１５のシステムと異なり、傘歯車減速機は用いず、ワイヤーの取り回し方を工夫して、同等の機能を実現している。

図１９に、本発明が解決しようとする第１の課題を満たす、傘歯車減速機とリンク機構を用いた実施例をしめす。このシステムでは、図１２のシステムと異なり、歯付ベルト用プーリ、歯付ベルトは用いず、傘歯車減速機とリンク機構を用いて、同等の機能を実現している。

図２０に、本発明が解決しようとする第３の課題を満たす、傘歯車減速機とリンク機構を用いた実施例をしめす。このシステムでは、図１５のシステムと異なり、歯付ベルト用プーリー、歯付ベルトは用いず、傘歯車減速機とリンク機構を用いて、同等の機能を実現している。

図２１に、本発明が解決しようとする第１の課題を満たすユニバーサルジョイントを用いた実施例をしめす。このシステムでは、図１２のシステムと異なり、傘歯車減速機、歯付ベルト用プーリー、歯付ベルトは用いず、同等の機能を実現している。

図２２に、本発明が解決しようとする第１の課題を満たすフレキシブルシャフトを用いた実施例をしめす。このシステムでは、図１２のシステムと異なり、傘歯車減速機、歯付ベルト用プーリー、歯付ベルトは用いず、同等の機能を実現している。

把持部１５に関しては、本発明の図に示すリハビリテーブル面に対して垂直なハンドル状のものだけではなく、リハビリ訓練の種類、患者の状態に応じて、把持部を取り換えリハビリ訓練を行う。各種の把持部の例が非特許文献２７に示されている。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において種々の様態を採用することが可能である。

機能性流体ブレーキの概念図（ハウジング部を回転可能とすると機能性流体クラッチとなる） パウダーブレーキおよびパウダークラッチ 垂直ディスプレイを用いた上肢リハビリ支援システム 垂直ディスプレイを用いた下肢リハビリ支援システム 垂直ディスプレイを用いた準３次元上肢リハビリ支援システムおよび準３次元下肢リハビリ支援システム 準３次元上肢リハビリ支援システムＰＬＥＭＯ−Ｐ３のリハビリ訓練ソフトの例 水平・垂直ディスプレイを用いた上肢および下肢リハビリ支援システム（水平ディスプレイは、リハビリ訓練テーブルに組み込まれている。） ブレーキ機構をリハビリ訓練システムの上部に配置したリハビリ訓練装置 二つのブレーキを用いた力覚提示システムの概念図 回転型ブレーキを用いたブレーキ力伝達システム 歯付プーリー（あるいはプーリー）を用いたリハビリ支援システム 歯付ベルトを用いたリハビリ支援システム（１） 歯付ベルトを用いたリハビリ支援システム（２） 二つのブレーキ及び一つのクラッチを用いた力覚提示システムの概念図 歯付ベルトを用いたリハビリ支援システム（３） ワイヤーを用いたリハビリ支援システム（１） ワイヤーを用いたリハビリ支援システム（２） ワイヤーを用いたリハビリ支援システム（３） 傘歯車を用いたリハビリ支援システム（２個のブレーキを使用） 傘歯車を用いたリハビリ支援システム（２個のブレーキと１個のクラッチを使用） ユニバーサルジョイントを用いたリハビリ支援システム フレキシブルシャフトを用いたリハビリ支援システム

１ 機能性流体ブレーキ本体
２ 機能性流体ブレーキ出力円筒部
３ 機能性流体ブレーキ出力円盤部
４ 機能性流体
５ 出力接続部
６ 磁性体からなるパウダー
７ 磁場を発生するためのコイル
８ パウダーブレーキの回転軸
９ パウダーブレーキのハウジング
１０ パウダークラッチの一つの回転軸
１１ パウダークラッチのもう一つの回転軸
１２ リハビリ訓練テーブル
１３ 垂直ディスプレイ
１４ 力覚提示用アームリンク
１５ 把持部
１６ リハビリ訓練テーブル上の把持部の位置を表示する丸印
１７ 力覚提示用アームの先端に取り付けられたスリッパ状の装着部
１８ 力覚提示機構を内蔵する箱
１９ リハビリ訓練テーブル角度調整回転軸
２０ 立位訓練における姿勢保持のためアームレスト
２１ リハビリ訓練テーブルに組み込まれた水平ディスプレイ
２２ 機能性流体ブレーキハウジングに取り付けられた回転軸
２３ 機能性流体ブレーキハウジング
２４ 傾斜台
２５ 傾斜台
２６ ブレーキ
２７ リンク
２８ リンク
２９ 歯付プーリー（あるいはプーリー）
３０ 歯付プーリー（あるいはプーリー）
３１ リンク
３２ インク
３３ ブレーキの回転時宇久
３４ 回転軸
３５ 回転軸
３６ 回転軸
３７ 回転軸
３８ クラッチ

Claims (6)

1. ＭＲ流体ブレーキ（ＭＲ流体クラッチを含む）及び／又はパウダーブレーキ（パウダークラッチを含む）を用いて、リハビリ訓練テーブル面上で２次元の力覚提示行い、リハビリ訓練テーブルを傾斜させても、傘歯車減速機、ワーヤー駆動システム、ユニバーサルジョイント、フレキシブルシャフトなどを用いて回転軸の方向を９０度変換し、これらのブレーキ（クラッチを含む）の回転軸が重力場において常に水平となるようにすることにより、これらのブレーキ（クラッチを含む）が安定した精度の高いブレーキトルク（クラッチの場合は伝達トルク）を発生し、その結果安定した精度の高い力覚提示を可能とした上肢・下肢リハビリ訓練装置。
2. ＭＲ流体ブレーキ（ＭＲ流体クラッチを含む）及び／又はパウダーブレーキ（パウダークラッチを含む）を用いて、力覚提示用テーブル面上で２次元の力覚提示行い、力覚提示用テーブルを傾斜させても、傘歯車減速機、ワーヤー駆動システム、ユニバーサルジョイント、フレキシブルシャフトなどを用いて回転軸の方向を９０度変換し、これらのブレーキ（クラッチを含む）の回転軸が重力場において常に水平となるようにすることにより、これらのブレーキ（クラッチを含む）が安定した精度の高いブレーキトルク（クラッチの場合は伝達トルク）を発生し、その結果安定した精度の高い力覚提示を可能としたパッシブ型力覚提示装置。
3. ＭＲ流体ブレーキを用いて、リハビリ訓練テーブル面上で２次元の力覚提示行い、リハビリ訓練テーブルを傾斜させても、傘歯車減速機、ワーヤー駆動システム、ユニバーサルジョイント、フレキシブルシャフトなどを用いて回転軸の方向を９０度変換し、これらのブレーキ（クラッチを含む）の回転軸が重力場において常に水平となるようにすることにより、これらのブレーキ（クラッチを含む）が安定した精度の高いブレーキトルク（クラッチの場合は伝達トルク）を発生し、さらにＭＲ流体ブレーキのハウジングを回転させることによって沈降したＭＲ流体の磁性粒子の再分散をはかり、その結果安定した精度の高い力覚提示を可能とした上肢・下肢リハビリ訓練装置。
4. ＭＲ流体ブレーキを用いて、力覚提示用テーブル面上で２次元の力覚提示行い、力覚提示用テーブルを傾斜させても、傘歯車減速機、ワーヤー駆動システム、ユニバーサルジョイント、フレキシブルシャフトなどを用いて回転軸の方向を９０度変換し、これらのブレーキ（クラッチを含む）の回転軸が重力場において常に水平となるようにすることにより、これらのブレーキ（クラッチを含む）が安定した精度の高いブレーキトルク（クラッチの場合は伝達トルク）を発生し、さらにＭＲ流体ブレーキのハウジングを回転させることによって沈降したＭＲ流体の磁性粒子の再分散をはかり、その結果安定した精度の高い力覚提示を可能としたパッシブ型力覚提示装置。
5. 冗長個数（２次元平面上なので３個以上）のＭＲ流体ブレーキ（ＭＲ流体クラッチを含む）及び／又はパウダーブレーキ（パウダークラッチを含む）を用いて、リハビリ訓練テーブル面上で２次元の力覚提示行い、リハビリ訓練テーブルを傾斜させても、傘歯車減速機、ワーヤー駆動システム、ユニバーサルジョイント、フレキシブルシャフトなどを用いて回転軸の方向を９０度変換し、これらのブレーキ（クラッチを含む）の回転軸が重力場において常に水平となるようにすることにより、これらのブレーキ（クラッチを含む）が安定した精度の高いブレーキトルク（クラッチの場合は伝達トルク）を発生し、その結果安定した精度の高い力覚提示を可能とした上肢・下肢リハビリ訓練装置。
6. 冗長個数（２次元平面上なので３個以上）のＭＲ流体ブレーキ（ＭＲ流体クラッチを含む）及び／又はパウダーブレーキ（パウダークラッチを含む）を用いて、力覚提示用テーブル面上で２次元の力覚提示行い、力覚提示用テーブルを傾斜させても、傘歯車減速機、ワーヤー駆動システム、ユニバーサルジョイント、フレキシブルシャフトなどを用いて回転軸の方向を９０度変換し、これらのブレーキ（クラッチを含む）の回転軸が重力場において常に水平となるようにすることにより、これらのブレーキ（クラッチを含む）が安定した精度の高いブレーキトルク（クラッチの場合は伝達トルク）を発生し、その結果安定した精度の高い力覚提示を可能としたパッシブ型力覚提示装置。