JP2016515906A - 上肢リハビリテーション用の直列弾性ホロノミック移動プラットホーム - Google Patents

Abstract

上肢の機能に影響を及ぼす損傷を受けている患者に卓上運動療法を施すことを目的とした、直列弾性ホロノミック移動プラットホームの設計および制御が提案される。提案される移動プラットホームは、家庭用の低コストで携帯用の使いやすいリハビリテーション装置である。この装置は、４つの作動メカナムホイールと力検出ユニットとしてのコンプライアントで低コストの多自由度直列弾性要素とで構成される。リハビリテーション装置は、この装置の直列弾性作動のおかげで、高度にバックドライバブルであり、面上で全方向運動を行いながら、患者に支援／抵抗を提供することができる。この装置は、家庭で完了される反復運動治療の精度および有効性を高めるのに役立つとともに、患者の経過の定量的尺度も提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、上肢リハビリテーション用の直列弾性ホロノミック移動プラットホームに関する。

神経損傷は、何百万という患者の日常機能を制限する長期障害の主な原因である。理学リハビリテーション療法（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｔｈｅｒａｐｙ）は神経障害（ｎｅｕｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｄｉｓａｂｉｌｉｔｉｅｓ）の治療に不可欠である。リハビリテーション療法は、リハビリテーション療法が反復的であり、強力であり、長期であり、かつタスク特有である場合により有効であることが分かっている。しかし、この種の療法の手動施与は、身体的負担および肉体労働を伴うために費用がかかる。

反復的で身体的に必要なリハビリテーション運動を行うためのロボット装置を利用すると、セラピストに対する運動療法の身体的負担がなくなるだけでなく、多くのモダリティの統合のおかげで患者に激しい治療セッションに耐える動機を与えるとともに、同時に治療費を低減することができる。ロボット支援リハビリテーション装置は、治療の信頼性および精度を向上させるとともに、患者の経過を追跡するために定量的測定も行う。ロボットリハビリテーションの有効性を調べる臨床試験は、ロボット治療が運動回復に有効でありかつ患者の機能的自立性を向上させる高い可能性を有するという根拠を提供する。

能動リハビリテーション装置は、カスタマイズされたインタラクティブ治療プロトコルを提供するために、あらゆるレベルの障害をもつ患者に適用することができる。特に、これらの装置は、必要に応じてのみ患者を支援することにより患者の積極的な参加を可能にするとともに、治療の継続時間および強度の容易な調整を実行可能にする。さらに、低コストの携帯用リハビリテーションロボットは在宅治療に使用することができ、安全かつ精密な運動の施与を可能にしながら、理学療法の利用しやすさを改善する可能性を秘めている。本発明は、上肢の機能に影響を及ぼす損傷を受けている患者に、卓上理学リハビリテーション運動療法の在宅施与のための低コストの能動全方向移動プラットホームを提供する。

上肢リハビリテーション向けに設計されたロボットは、外骨格型装置およびエンドエフェクタ型装置としておおざっぱに分類することができる。外骨格型ロボットはヒトの関節に対応しており、したがって、特定の関節治療を行う際に有効である。特に、外骨格は、個々の関節に制御されたトルクをかけ、他の関節の運動から切り離された特定の関節の運動を測定することができる。外骨格型上肢リハビリテーションロボットの多くの成功実施態様が文献において展開されている。外骨格型ロボットの利点にもかかわらず、これらの装置の在宅利用はあまり実現可能でない。というのは、これらの装置の設計の固有の機械的複雑さのために、外骨格ロボットは一般に非常に高価であるからである。

エンドエフェクタ型リハビリテーションロボットはヒトの関節には対応しておらず、ヒトの肢が装着されている、装置のエンドエフェクタで制御された治療運動を施す。したがって、関節に対する外部拘束なしに、関節特有の治療はそのような機構では実現することができない。しかし、エンドエフェクタ型ロボットは、エンドエフェクタ型ロボットの比較的簡単な運動学的構造および低いコストのおかげで有利である。さらに、これらの装置のうちのいくつかは携帯用であり、家庭での使用に適している。これらの装置の携帯性に関して、エンドエフェクタ型リハビリテーションロボットは、固定ベースロボットおよび移動装置にさらに分類することができる。固定ベースロボットのよく知られた例が、ＭＩＴ−Ｍａｎｕｓ（Ｈ．Ｋｒｅｂｓ、Ｍ．Ｆｅｒｒａｒｏ、Ｓ．Ｂｕｅｒｇｅｒ、Ｍ．Ｎｅｗｂｅｒｙ、Ａ．Ｍａｋｉｙａｍａ、Ｍ．Ｓａｎｄｍａｎｎ、Ｄ．Ｌｙｎｃｈ、Ｂ．ＶｏｌｐｅおよびＮ．Ｈｏｇａｎ、「Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔｉｃｓ：ｐｉｌｏｔ ｔｒｉａｌ ｏｆ ａ ｓｐａｔｉａｌ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｆｏｒ ＭＩＴ−Ｍａｎｕｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｅｕｒｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ、Ｖｏｌ．１、Ｎｏ．５、２００４）である。ＭＩＴ−Ｍａｎｕｓは、患者の運動を支援するまたは患者の運動に抵抗するトルクを与えるために２つの接地された直接駆動モータを有するインピーダンス型ロボットである。固定ベース装置の別の例が、Ｇｅｎｔｌｅ／Ｓ（Ｒ．ＬｏｕｒｅｉｒｏおよびＷ．Ｈａｒｗｉｎ、「Ｒｏｂｏｔ ａｉｄｅｄ ｔｈｅｒａｐｙ：Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ａｈｅａｄ ｆｏｒ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ ｓｔｒｏｋｅ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｄｉｓａｂｉｌｉｔｙ，Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、２００４）であり、Ｇｅｎｔｌｅ／Ｓは、ヒトの手首に連結するためにジンバル機構とともにアドミタンス型ロボット（Ｐ．Ｌａｍｍｅｒｔｓｅ、Ｅ．Ｆｒｅｄｅｒｉｋｓｅｎ、およびＢ．Ｒｕｉｔｅｒ、「Ｔｈｅ ｈａｐｔｉｃｍａｓｔｅｒ，ａ ｎｅｗ ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｈａｐｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ」、Ｅｕｒｏｈａｐｔｉｃｓ、２００２）を使用している。Ｒｅｈａ−Ｓｌｉｄｅは別の固定ベース装置であり、この固定ベース装置は、抵抗性運動治療（Ｓ．Ｈｅｓｓｅ、Ｈ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｃ．Ｗｅｒｎｅｒ、Ｃ．Ｒｙｂｓｋｉ、Ｕ．Ｐｕｚｉｃｈ、およびＡ．Ｂａｒｄｅｌｅｂｅｎ、「Ａ ｎｅｗ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｒｍ ｔｒａｉｎｅｒ ｔｏ ｉｎｔｅｎｓｉｆｙ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｖｅｒｅｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｐａｔｉｅｎｔｓ ａｆｔｅｒ ｓｔｒｏｋｅ：Ｄｅｓｉｇｎ，ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ ｆｉｒｓｔ ｃａｓｅ ｓｅｒｉｅｓ．」、Ｅｕｒａ Ｍｅｄｉｃｏｐｈｙｓ、Ｖｏｌ．４３、Ｎｏ．４、４６３〜４６８ページ、２００７）を施すように設計されている。固定ベースエンドエフェクタ型リハビリテーションロボットが臨床の場で治療を行う際に有効であることは分かっているが、このロボットを在宅治療に適合させるのはあまり実現可能ではない。

ロボット看護支援が、Ｊｏｈｎ Ｈｕらにより、「Ａｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ｍｅｄｉｃａｌ ｒｏｂｏｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ａｕｇｍｅｎｔｉｎｇ ｈｅａｌｔｈｃａｒｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ−ｒｏｂｏｔｉｃ ｎｕｒｓｉｎｇ ａｓｓｉｓｔａｎｔ」という名称の雑誌、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ２０１１ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ、２０１１年５月９日、６２６４〜６２６９ページ、ＸＰ０３２０３４０３４に開示されている。

固定ベース装置とは対照的に、移動プラットホームをベースとするリハビリテーションロボットは、小型で携帯可能となるように設計することができ、したがって、この種の装置により在宅ロボット治療を可能にすることがかなり期待できる。これらの装置ははるかに低い製造原価で実施することができるので、これらの装置の広範にわたる有用性が実現可能になる。いくつかの低コストの在宅リハビリテーションロボット治療が文献において設計されている。よく知られている低コストの移動装置が、アームスケート（Ｙ．Ｃｈｅｎ、Ｔ．ＫｕｏおよびＷ．Ｃｈａｎｇ、「Ａｉｄ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｕｐｐｅｒ ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ」、Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ、Ｖｏｌ．２、２００１、１３６０〜１３６３ページ）であり、アームスケートは、リードリレーおよび磁石を装備した受動装置である。このロボットにおいて、リードリレーは、仮想環境内に定義された物体を物理的環境と関連付け、ロボットの位置を決定するために利用される。磁石のセットアップは高価であり、特殊なプラットホームがリードリレーに必要となるので、このロボットの後の実施態様は、装置が必要なときにいつでも患者に抵抗を与えることができるように、４つの全方向車輪に装着された電磁ブレーキのためにリードリレーを除外する。低コストの卓上装置の別の例は、Ｒｕｔｇｅｒｓ Ａｒｍ II（Ｇ．Ｂｕｒｄｅａ、Ｄ．Ｃｉｏｉ、Ｊ．Ｍａｒｔｉｎ、Ｄ．Ｆｅｎｓｔｅｒｈｅｉｍ、およびＭ．Ｈｏｌｅｎｓｋｉ、「Ｔｈｅ Ｒｕｔｇｅｒｓ Ａｒｍ II Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ−Ａ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｓｔｕｄｙ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｎｅｕｒａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｖｏｌ．１８、Ｎｏ．５、５０５〜５１４ページ、２０１０）であり、テーブルの上を摺動するためにテフロン（登録商標）玉を使用する移動装置である。患者に支援または抵抗を与えるために、テーブルは、重力を用いて所要の動力を与えるように手動で傾けられる。物理系の運動はカメラを用いて測定され、仮想環境内に表示される。不都合なことに、重力場の手動使用は、非常に限られたスペクトルに提供され得る利用可能な支援／抵抗を制限する。ＡＲＭａｓｓｉｓｔは、上肢リハビリテーション用の別の低コストの移動プラットホーム（Ｊ．Ｐｅｒｒｙ、Ｈ．Ｚａｂａｌｅｔａ、Ａ．Ｂｅｌｌｏｓｏ、Ｃ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ−ｄｅ Ｐａｂｌｏ、Ｆ．Ｃａｖａｌｌａｒｏ、およびＴ．Ｋｅｌｌｅｒ、「ＡＲＭａｓｓｉｓｔ：Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｆｏｒ ａｔ−ｈｏｍｅ ｔｅｌｅｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｓｔ−ｓｔｒｏｋｅ ａｒｍ ｉｍｐａｉｒｍｅｎｔ」、ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ｂｉｏｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ、２０１２、１５６１〜１５６６ページ）である。ＡＲＭａｓｓｉｓｔの新規性は、ヒトの力を面外方向に沿って測定する力センサを使用していることである。このロボットの将来の目標の１つは患者に支援を行うことであるが、システムの現行バージョンは受動的であり、平面運動を可能にする３つの全方向車輪を有している。３つのオプティカルフローセンサがロボットの平面構成を決定するために利用され、全地球測位が特殊なパターンを有するマットによって実現される。受動移動プラットホームは低コストであり、患者に動機を与えかつ患者の経過の定量的尺度を提供するのに潜在的に有効ではあるが、これらの装置は、これらの装置が、患者がタスクを完遂するのに役立つように患者を支援することができない、所望の軌道に対する望まれない潜在的に有害な逸脱を制限するために力フィードバックを行うことができない、または治療の強度のオンライン調整を可能にすることができない、という点で限定される。これらの装置はどれも、あらゆるレベルの傷害を有する患者に適用することができない。家庭での使用に適した他の携帯用受動リハビリテーションシステムは、ピックアンドプレースタスクなどのバーチャルリアリティゲームと一体化したＷｉｉ（ウィ−）リモコンおよび赤外線カメラを含む。

ＭＯＴＯＲＥ（Ｃ．Ａ．Ａｖｉｚｚａｎｏ、Ｍ．Ｓａｔｌｅｒ、Ｇ．Ｃａｐｐｉｅｌｌｏ、Ａ．Ｓｃｏｇｌｉｏ、Ｅ．Ｒｕｆｆａｌｄｉ、およびＭ．Ｂｅｒｇａｍａｓｃｏ、「ＭＯＴＯＲＥ：Ａ Ｍｏｂｉｌｅ Ｈａｐｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒ Ｎｅｕｒｏ−Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ」、ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｒｏｂｏｔ ａｎｄ Ｈｕｍａｎ ＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ、２０１１、３８３〜３８８ページ）は、上肢リハビリテーション向けに設計された能動移動ロボットである。運動は、３つの作動全方向車輪によってもたらされる。２つのロードセルが装置のハンドルに配置され、したがって、面内力を測定することができ、軌道追従タスク時にアドミタンスコントローラを実装することができる。Ｒｅｈａ−Ｍａｎｕｓ（Ｄ．Ｌｕｏ、Ｍ．Ｒｏｔｈ、Ｃ．Ｗｉｅｓｅｎｅｒ、Ｔ．Ｓｃｈａｕｅｒ、Ｈ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、およびＪ．Ｒａｉｓｃｈ、「Ｒｅｈａ−Ｍａｎｕｓ：Ａ ｎｏｖｅｌ ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ」、Ｗｏｒｋ−ｓｈｏｐ Ａｕｔｏｍａｔｉｓｉｅｒｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ ｆｕｒ ｄｉｅ Ｍｅｄｉｚｉｎ（ＡＵＴＯＭＥＤ）、２０１０、３３〜３４ページ）は、上肢治療向けに設計された完全に能動的な位置制御されるホロノミック移動プラットホームである。このロボットは、光学エンコーダを装備した歯車付きモータによって駆動される３つの全方向車輪をベースとしており、３自由度力センサを特徴としている。全方向車輪を有する作動ホロノミック移動プラットホームは受動的にノンバックドライバブルであるので、力検出は、患者との安全な物理的相互作用を確実にするために必要である。Ｒｅｈａ−ＭａｎｕｓとＭＯＴＯＲＥは共に、力／アドミタンス制御による能動バックドライバビリティを実現するために力センサに依存している。しかし、力センサを使用すると、在宅リハビリテーション用のこれらの装置の簡素さおよび値ごろ感が大きく低下する。というのは、力センサはかなりの信号処理を必要とし、高精度の力センサはコスト高になるからである。それに加えて、明示的力制御は、システムの高次動力学によって課せられるセンサとアクチュエータのノンコロケーションのために不安定になりやすい。

本発明は、上肢の機能に影響を及ぼす損傷を受けている患者に卓上運動療法を施すための、多自由度（ＤｏＦ）直列弾性アクチュエータをベースとする能動ホロノミック移動プラットホームを提案する。特に、本発明の移動プラットホームは、全方向メカナムホイール付き移動ロボット（ｏｍｎｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｍｅｃａｎｕｍ−ｗｈｅｅｌｅｄ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ）に連結された平面３自由度コンプライアントパラレルメカニズム（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｐａｒａｌｌｅｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）で構成される。本発明の実施態様は、本発明の実施態様が移動多自由度作動ユニットと患者との間に多自由度コンプライアント要素を故意に導入し、それによってノンバックドライバブル能動ホロノミックプラットホームを多自由度直列弾性アクチュエータに変えるという点で有利である。直列弾性作動により、高価な力センサが不要になるだけでなく、より高いコントローラ利得を有する閉ループ力制御の実施も可能になるので、動力伝達の欠陥に対するロバスト性をもたらし、より低いコストの駆動構成要素が利用されることが可能になる。その結果は、特に在宅治療によく適している、無制限の平面作業空間を有する低コストの能動リハビリテーション装置である。自動運動療法、他動運動療法、および抵抗運動療法に加えて、本発明の実施態様は、患者の積極的な参加を確実にすることにより訓練効率を上げるのを助けるために、必要に応じて支援することができる、すなわち支援の量をインタラクティブに調整することができる。

文献には、ロボットマニピュレータの固有コンプライアンスが力センサとアクチュエータとの間にノンコロケーションを導入し、閉ループ明示的力制御のループ利得に上限を課すことが示されている。ループ利得に対するこの必然的な安定限界は、特に剛性力センサが利用されたときに、明示的力コントローラ利得を著しく制限する。ソフトカップリングかソフトセンサのどちらかを利用することが、閉ループ力制御システムの安定性を向上させるために提案されている。直列弾性作動（ＳＥＡ）は、ソフト力センサを用いたそのような力制御技術の一例である。

ＳＥＡは、アクチュエータと周囲との間にコンプライアント要素を故意に導入し、次いでこのコンプライアント要素のたわみを測定しかつ制御する。すなわち、ＳＥＡは、力制御の問題を、定着した動作制御手法を用いて対処され得る位置制御の問題に変える。

力制御のためのＳＥＡは有利である。というのは、このＳＥＡは、高精度の力センサ／アクチュエータの必要性を軽減するとともに、コンプライアントカップリング要素のたわみの典型的な位置制御によりアクチュエータによって及ぼされる力の精密制御を可能にするからである。ＳＥＡの別の利点は、システムが制御帯域幅を超える周波数で低出力インピーダンスであり、環境との強い衝撃を回避することである。すなわち、ＳＥＡは制御帯域幅未満の周波数で能動制御によるバックドライバビリティを確保することができ、ＳＥＡは、制御帯域幅を超える励振に対して一定レベルの受動バックドライバビリティを有してもいるので、周波数スペクトル全体にわたって安全性およびロバスト性も確保する。ＳＥＡのもう１つの非常に重要な利点が、明示的力コントローラに対してより高いコントローラ利得を実現するＳＥＡの能力である。コントローラの利得およびプラントの剛性に正比例するループ利得の上限を考慮すると、ＳＥＡのコントローラ利得は、典型的な力コントローラよりも数桁高い値に設定することができる。というのは、ＳＥＡの剛性は典型的な力センサよりも有意に低いからである。したがって、ＳＥＡを使用すると、力制御の精度がアクチュエータ自体によって制限されないように暗黙の優位性を提供し、閉ループシステムはより優れた外乱除去特性を享受する。したがって、ＳＥＡにより、高価な力センサが不要になるだけでなく、より高いコントローラ利得を有する閉ループ力制御の実施も可能になるので、動力伝達の欠陥に対するロバスト性をもたらし、より低いコストの駆動構成要素を利用することが可能になる。

ＳＥＡの主な欠点は、ソフトカップリング要素の意図的な導入により、ＳＥＡの帯域幅が比較的低いことである。ＳＥＡの力分解能は、カップリングがよりコンプライアントに（柔軟性をもって）作られるので向上するが、コンプライアンスを向上させると、制御システムの帯域幅が減少するので、力精度を得るために応答時間を犠牲にする。ＳＥＡの低い帯域幅が触覚レンダリング性能を制限したとしても、このことは、リハビリテーションロボットに対する重要事項にはならない。というのは、高忠実性レンダリングが目的ではなく、装置の帯域幅は、十分なレベルの触覚支援を行うために患者の帯域幅よりも依然として有意に高く保つことができるからである。

添付図面は、本発明の技術的アプローチを例示するためだけに与えられ、本発明の利点は上記に概説してあり、以下で簡単に説明する。

添付図面は、特許請求の範囲で特定される保護範囲を定めるためのものではなく、本発明の説明における技術的開示に頼らずに前記特許請求の範囲で特定される範囲を解釈するだけのために参照されるべきものでもない。

本発明によるフィレット付きＶ字形たわみヒンジの幾何学パラメータおよびこのＶ字形たわみヒンジに作用する力を示す図である。 本発明による３−ＰａＲＲメカニズムの擬似剛体モデルを示す図である。 コンプライアント３−ＰａＲＲメカニズムのモノリシック実装および面外運動に対する拘束を示す図である。 図３ａの上面斜視図である。 図３ａの側面斜視図である。 図３ａの底面斜視図である。 本発明による移動プラットホームのカスケードコントローラを示す図である。 ｘ方向、ｙ方向およびθ方向に沿った力センサの測定値をコンプライアント要素による力推定値とともに示すグラフである。 動作を通じて加えられる力とともにたどられる経路を示すグラフであり、破線は仮想壁境界線を示し、矢印は加えられる力の大きさおよび方向を示す。

本発明による移動プラットホームは、全方向（平面３自由度）運動をすることができるメカナムホイール付き移動ロボットに連結されたコンプライアントパラレルメカニズムで構成される。

本発明による移動プラットホームのメカナムホイール付き移動ベースは、面内で３自由度アクチュエータとして機能するので、３自由度コンプライアント要素は、多自由度ＳＥＡが実施され得るように要求される。本発明は、コンプライアント平面メカニズムを、このコンプライアントメカニズムのたわみを位置センサで測定することによりロボットに作用する面内力およびトルクを測定する低コストの手段として使用することを提案する。平面コンプライアントメカニズムは、平面コンプライアントメカニズムがモノリシック構造として製造が容易でありかつ摩擦やバックラッシュなどの寄生効果がないので、好ましい。本発明による装置のコンプライアント要素を実施するためには、パラレルメカニズムをベースとする設計が採用される。というのは、パラレルメカニズムは、熱雑音による製造誤差および寸法変化に対してより強固であるからである。ジョイントレベルでの誤差はエンドエフェクタで平均化される。したがって、パラレルメカニズムは、パラレルメカニズムのシリアルメカニズム相対物よりも精密な動作を実現することができる。さらに、パラレルメカニズムは、シリアルメカニズムに比べて、より高い面外剛性を有してより小型になるように設計することができる。パラレルメカニズムは、パラレルメカニズムにより位置センサの接地が可能になるので、有利でもある。

特に、コンプライアント平面３−ＰａＲＲパラレルメカニズムが、コンプライアント要素の基礎となる運動構造として採用される。このメカニズムでは、コンプライアント平行四辺形（Ｐａ）メカニズムの出力リンクの位置が、ベースリンクに対して測定される。コンプライアントメカニズムの回転ジョイントはフィレット付きＶ字形たわみヒンジとして設計されるが、そのような回転ジョイントを有する平行四辺形メカニズムはコンプライアント直動ジョイントを実施するために利用される。Ｖ字形たわみヒンジは、Ｖ字形たわみヒンジが他のたわみヒンジタイプよりも優れた回転精度をもたらすので選択される。特に、ヒンジの最大弾性変形が最小肉厚の箇所で生じるので、回転軸線Ｖ字形たわみヒンジは高精度で決定することができる。回転範囲を広げながら応力集中を減らすために、Ｖ字形切込みの隅に固定角度でフィレットが付けられる。Ｖ字形フィレット付きたわみヒンジは図１に示されている。図中、ｂは幅であり、ｈは高さを表し、ｔは最小肉厚を表し、Ｉはたわみヒンジの半分の長さを表す。記号ｃは、（ｈ−ｔ）／２に等しいプロファイルの高さであり、Ｒは円形部分の半径であり、θはプロファイルの水平軸線からの分離角度を表す。曲げモーメントを受けたフィレット付きＶ字形たわみヒンジのたわみは、式（１）で解析的に計算される。

上式で、β＝ｔ／２Ｒ、γ＝ｔ／２ｃである。ここで、α_ｚは角変位を表し、Ｍ_ｚはｚ軸を中心とする曲げモーメントを表す。フィレット付きＶ字形たわみヒンジの最大たわみは、最大曲げモーメントを選択された材料の降伏応力に合わせることによって計算することができる。フィレット付きＶ字形たわみヒンジのジョイントの剛性は式（２）で与えられる。

上式で、Ｅは選択された材料のヤング率である。本発明による実施態様の設計では、各フィレット付きＶ字形たわみヒンジは、最大角偏向２．７５°およびジョイント剛性１Ｎｍ／ラジアンを有するように設計される。

コンプライアントメカニズムの解析は、コンプライアントメカニズムの剛体相対物の解析より著しく困難である。というのは、これらのメカニズムの研究には、外部から加えられた力を受けたメカニズムの変形の測定を必要とするからである。本発明によれば、近似モデル、すなわち擬似剛体モデルが、コンプライアント平面３−ＰａＲＲパラレルメカニズムの運動学を研究するために使用される。擬似剛体モデルは、擬似剛体モデルの計算効率および使いやすさのために好ましい。擬似剛体は、コンプライアントメカニズムの柔軟リンクを剛性リンクで置き換えかつかかる剛性リンクの両端にねじりばねを導入することにより、コンプライアントメカニズムの動作を近似する。

コンプライアント平面３−ＰａＲＲパラレルメカニズムの擬似剛体モデルの模式図が図２および図３に示されている。この図において、Ｎはベース基準フレームを表し、Ｅはエンドエフェクタフレームを表す。点Ｈはハンドルが装着される場所であり、エンドエフェクタの中心に配置される。点Ｏは作業空間の中心を示す。本体Ａ_ｉ、Ｂ_ｉおよびＣ_ｉはｉ＝１、２、３に対してそれぞれ、エンドエフェクタＥを接地Ｎに連結する各脚上の３つの本体を表し、Ｋ_ｉ、Ｌ_ｉおよびＰ_ｉは回転ジョイントの中心を示す。３−ＰａＲＲの運動学を研究するために、３つのベクトルループ方程式を式（３）のように平面で書くことができる。

上式で、

は左上付きから右上付きへの位置ベクトルを表し、ｉ＝１、２、３はループインデックスである。３つの平面ベクトルループ方程式から６つの独立したスカラー方程式を導くことが可能であり、ジョイントの回転とエンドエフェクタの回転との間の関係から３つのさらなる独立したスカラー方程式を導くことができる。これらの方程式は、装置のタスク空間剛性を計算するために必要な９つのジョイント角度ｑ_ａｉ、ｑ_ｂｉおよびｑ_ｃｉ（ｉ＝１、２、３）をすべて決定するために解析的に解くことができる。しかし、コンプライアントメカニズムの欠陥は比較的小さいので、装置の微分運動学が装置の運動を支配する。特に、装置の初期構成を装置のヤコビ行列とともに決定することは、装置の運動学を解くのに十分である。モデルのヤコビアンは、Ｎにおける式（３）のベクトルループ方程式を微分し、下記角速度方程式とともに解くことにより計算することができる。

上式で、Δは少量を意味し、ｉ＝１、２、３である。得られるヤコビアンは、ジョイント空間速度とタスク空間速度との間に関係を与える運動学的ヤコビアンＪ_γと、システムに運動拘束を課す拘束ヤコビアンＪ_Ｃと、に分割することができる。運動学的ヤコビ行列および制約ヤコビ行列はさらにジョイントのタイプ、すなわち測定ジョイントまたは受動ジョイントでグループ化することができる。ヤコビ行列のこの形態はシステムに関するさらなる洞察を提供する。というのは、行列のサブブロックは測定ジョイントおよび受動ジョイントの貢献を明確に反映するからである。ヤコビ行列は式（５）として明示的に表される。

上式で、Ｊ_Ｔｍは、拘束されない測定ジョイントに対するヤコビ行列であり、Ｊ_Ｔｐは、拘束されない受動ジョイントに対するヤコビ行列であり、Ｊ_Ｃｍは、拘束された測定ジョイントに対するヤコビ行列であり、Ｊ_Ｃｐは、拘束された受動ジョイントに対するヤコビ行列であり、Δｑ_ｍｃおよびΔｑ_ｐａは、測定ジョイントおよび受動ジョイントの微小変位を表し、ΔＸ_Ｔは、エンドエフェクタの微小構成変化を表す。３−ＰａＲＲの場合、３つの接地平行四辺形メカニズム（直動ジョイントとして有効に働く）の出力リンクの位置が測定され、残りの回転ジョイントはすべて受動である。コンプライアント平行四辺形リンケージのジョイント角度は、式（６）から計算される。

上式で、ｓ_ａｉは測定された直線変位であり、ｉ＝１、２、３であり、ｌは本体Ａ_ｉの長さである。

ヤコビ行列を用いると、測定ジョイントの変位とエンドエフェクタのタスク空間の変位との間の関係を式（７）として導くことができる。

上式で、Ｊ_{Ｔｃｏｍｐ}は、コンプライアントメカニズム全体のヤコビ行列を表す。コンプライアント３−ＰａＲＲメカニズムのヤコビ行列が得られると、メカニズムのタスク空間剛性行列Ｋ_Ｔは、式（８）として導き出すことができる。

上式で、Ｋ_ｑｍおよびＫ_ｑｐは、測定ジョイントおよび受動ジョイントの個々の剛性値である。

３−ＰａＲＲメカニズムをベースとするコンプライアント要素のモノリシック物理的実装が、図３の左側に示されている。コンプライアントメカニズムの直動ジョイントは、直交復号を受けて２０００カウント／インチ（約７８７カウント／ｃｍ）の分解能をもつ線形インクレメンタル光学エンコーダを備える。Ｖ字形たわみヒンジを有するこの３−ＰａＲＲコンプライアントメカニズムの場合、Ｋ_ｑｍ＝Ｋ_ｑｐ＝Ｋ_{ｊｏｉｎｔ}は、式（２）に従って０．０１４Ｎｍ／ラジアンと計算される。タスク空間剛性の対角項は、ｘ方向およびｙ方向に沿ってＫ_Ｔｘ＝Ｋ_ＴＹ＝１４Ｎ／ｍｍ、回転軸線を中心にＫ_ｔθ＝４．４Ｎｍ／ラジアンと読み、非対角項は無視できるほど小さい。コンプライアントメカニズムの面外運動は、図３の右側に描かれているように制限される。特に、３個の球面ころがコンプライアント要素のエンドエフェクタの底面に装着され、これらのころは、患者によって加えられる面外力およびモーメントと釣り合うように、上部からホロノミックプラットホームの平面に拘束される。

本発明による移動プラットホームの実施態様は、３４０ｍｍ×１６０ｍｍ×８５ｍｍの角胴形を有する。ロボットのフットプリントは、前腕および手首がロボット上に心地よく配置され得るように設計されるので、患者は患者自身の腕の重量を支持する負担から解放される。移動ロボットは、卓上装置として使用されることを目的とし、すべての可能な平面運動を支えるために３自由度（２自由度並進運動および１自由度回転）を有する。ロボットはホロノミックタイプのものとして選ばれ、したがって、ロボットの自由度のすべてを独立に制御することができる。３つのアクチュエータだけで面上のすべての自由度に独立して及ぶのに十分であるが、移動プラットホームは４つのアクチュエータを使用するように設計される。冗長作動が好ましい。というのは、冗長作動により、ロボットのタスク空間で大きな力／トルク出力を実現するためにより低い出力の直流モータを利用することが可能になるからである。さらに、４輪付きの設計を用いると、ホロノミック運動は、けん引力を増大させかつ動作をより円滑にすることができるメカナムホイール（４５度の角度を付けたころを有する全方向車輪）を使用して実現することができる。メカナムホイール付きロボットは、３輪ホロノミックロボットの設計よりも滑りをうまく処理することができる。ロボットには４つの車輪が装着されるので、この設計は、すべての車輪がグランドと常に確実に接触した状態にするために、懸架システムを一体化している。具体的には、懸架ばねがＲＣカー用の市販の懸架構成要素の中から選ばれ、１０ｍｍのストロークを有する。ロボットの連結部分および上部本体はアルミニウムから製造される。移動ロボットのアクチュエータは、１８０ｍＮｍの連続トルクを有するブラシ付き直流モータとして選ばれる。モータによって生成される動力は、１：３．５のトルク増幅比を有するベルト駆動の伝達によって車輪に伝達される。ロボットの位置は、モータ軸線に配置された光学エンコーダをベースとして推測航法によって推定される。アクチュエータはバックドライバブルではあるが、移動ロボットは、メカナムホイールのためにバックドライバブルではない。したがって、ロボットには、バックドライバビリティが能動制御によって実現され得るように、先に詳述した直列弾性要素が装備される。

コンプライアントメカニズムのエンドエフェクタにおいて患者によって加えられた力の作用下での本発明による実施態様のバックドライバビリティを確実にするために、実時間コントローラが実装される。閉ループＳＥＡシステムのブロック図が図４に示されており、物理的変数が太線で示されている。このカスケード構造には、内側の速度制御ループおよび外側の力／アドミタンス制御ループがある。制御構造の内側ループは摩擦や静摩擦などの欠陥に対処して、システムを理想速度源にする。外側ループとしては、アドミタンスコントローラが実装される。特に、図４において、Ｆ_{ｈｕｍａｎ}は患者によって加えられる力を表し、τはホロノミック移動プラットホームのアクチュエータによって加えられるトルクであり、

はこれらのアクチュエータの速度を表す。記号Ｋ_ｐおよびＫ_ｉは、移動プラットホームの内側ループ速度コントローラのＰＩ利得を表し、Ｍおよびｂは、所望のアドミタンスのパラメータを表す。記号Ｋ_Ｔはタスク空間剛性であり、Ｊ_{Ｔｃｏｍｐ}は、コンプライアント３−ＰａＲＲメカニズムのヤコビアン全体を表す。最後に、Ｊ_ｈは、ホロノミックプラットホームのヤコビアンであり、

は、ヤコビアンの擬似逆を表す。図４によれば、コンプライアントメカニズムのエンドエフェクタに加えられる力は、コンプライアントメカニズムの直動ジョイントに装着されたリニアエンコーダによって測定される変位量になる。エンドエフェクタのたわみおよび加えられた力の推定値は、先に計算されたヤコビアン全体およびタスク剛性行列を用いることによって計算される。ホロノミックプラットホームの所望のタスク空間速度が、推定力を所望のアドミタンスに加えることによって計算される。ホロノミックプラットホームのヤコビアンの擬似逆は所望のジョイント速度を計算するために利用される。というのは、そこで４つのアクチュエータを有するメカナムホイール付き移動プラットホームが面内の冗長メカニズムであるからである。最後に、ＰＩコントローラは、これらの所望の速度軌道をたどるようにホロノミックプラットホームを調整する。コンプライアントメカニズムに加えられる力は、コンプライアントメカニズムが理想ばねとして挙動すると仮定して、ホロノミックプラットホームにも作用することに留意されたい。

コンプライアント３−ＰａＲＲメカニズムを利用して力検出をする実験的検証、および本発明による移動プラットホームを対象にした代表的な有用性研究は、以下の通り実現することができる。

コンプライアント要素の力検出忠実性を検証するためには、試験台が準備されて、コンプライアントメカニズムの力推定値を商用６軸ＡＴＩ Ｎａｎｏ１７力／トルクセンサと比較することができるようにする。特に、コンプライアントメカニズムに加えられる力／トルクは、エンドエフェクタの剛性とコンプライアント３−ＰａＲＲメカニズムの接地平行四辺形の欠陥の測定値とを用いて推定される。接地リンクのたわみ量を考慮すると、エンドエフェクタのたわみ量が順運動学を用いて計算される。図５は、ｘ方向、ｙ方向およびθ方向にそれぞれ沿った力センサの測定値をコンプライアント要素による力推定値とともに示す。結果は、加えられた力がある閾値未満である限り、コンプライアント要素による力推定値が加えられた力を非常にうまく追跡できることを示している。特に、力推定値は、ｅ_ｆｘ＝１．７Ｎ、ｅ_ｆｙ＝２．２Ｎ、ｅ_Ｔθ＝２．７ＮｍｍのＲＭＳ誤差を有する高精度力センサに比べて約１０％の誤差を有する。加えられる力が増大すると、力推定値の誤差も増大することに留意されたい。このような誤差は予期される。というのは、コンプライアントメカニズムの解析は微小たわみの仮定に強く依存するからである。

本発明の実施の有用性研究の場合、破線で示されている仮想トンネルは、ｘ軸から±５０ｍｍのところに仮想壁を導入することによって実装され、移動プラットホームのタスク空間に禁止領域を画定する。仮想トンネルは、幅１００ｍｍおよび高さ７００ｍｍの真っすぐなコリドーである。図６は実験結果を示し、ロボットによってたどられる経路が患者によって加えられる力とともに描かれている。代表的な実験結果から、移動ロボットの動きは、エンドエフェクタに加えられた力を密接に追従することが観察され得る。さらに、患者が仮想トンネルの境界線に達するたびに、コントローラは、ロボットをトンネルの内側に押し込んで、仮想固定物を首尾よく実現する。最後に、ロボットは高度にバックドライバブルであり、小力で容易に方向付けることができる。

３自由度、直列弾性、携帯用、移動触覚インタフェースが、在宅リハビリテーション治療を行うとともに、上肢に対する様々な動作／強度の測定を施すために開発されている。実現可能性試験および予備的有用性研究が行われており、腕の運動を支援に対する装置の有効性が実証されている。装置に関する経験は、装置が人間工学的であり使いやすいことを示唆する。

簡単に言うと、本発明による実施態様は、理学リハビリテーションを支援しかつ患者の能力を評価するための携帯用／移動装置である。この装置は、移動プラットホーム、コンプライアント要素、および制御アルゴリズムからなり、あるいはより具体的には、多自由度移動プラットホーム、多自由度コンプライアント要素、および制御アルゴリズムからなる。ヒトの肢（腕または脚あるいは腕または脚の一部）がコンプライアント要素を介してシステムに装着され、移動プラットホームがその肢を支持し動かす。

本発明による移動プラットホームは任意の所与の面上で運動を行い、装置が様々な面上で機能するように、無制限の並進および回転作業空間を有する面上で多自由度アクチュエータとして働く。コンプライアント要素のたわみ量は位置検出ユニットによって測定され、コンプライアント要素の剛性を考慮すれば、これらの測定値は肢によって加えられた力にマップされる。制御アルゴリズムは力推定値（またはコンプライアント要素のたわみ量）を入力し、加えられた力に応じて移動プラットホームを動かす。移動プラットホームの動作が測定され、したがってヒトの肢の動きも測定し推定することができる。

本発明の装置は、ヒトと移動プラットホームとの間の相互作用力を制御することができる。本発明の装置は、患者が受動的であるときに肢に動作が課されるように肢を動かすことができ、または、患者は、制御アルゴリズムが面内にあるときに所望されるように装置を操縦することができる。この装置はそれに応じて、必要に応じて患者がタスクを完遂するのに役立つように、肢を支援することができる。この装置は、作業空間内に禁止領域を課すために、患者に抵抗することもできる。

装置は、コンピュータとともに／コンピュータと同期して機能することができ、治療上のビデオゲーム中にまたはバーチャルリアリティ適用例で患者を支援する／患者に抵抗することができることに留意されたい。本発明による好ましい一実施形態では、４つのメカナムホイールを使用するホロノミック移動プラットホーム（いつでもどの方向へも動くことができる）が移動プラットホームに使用される。他の多くの実施態様、例えば、３つ（または４つ以上）の全方向車輪、２つ（または３つ以上）の被操縦かつ被駆動車輪を有する実施態様が可能であることに留意されたい。本発明の原理は、非ホロノミック移動プラットホームでも機能し得る。

本発明による好ましい実施形態では、コンプライアント要素用のモノリシックコンプライアントフレクシャが使用される。平面パラレルメカニズムの基礎となる運動学のために平面パラレルメカニズムも使用されるが、他の多くの実施態様が、例えばシリアルまたはパラレル運動学連鎖によって同様に有効となり得る。エンドエフェクタのたわみを測定／推定することができる限り、多自由度を有するどんなコンプライアント要素でもよい。

コンプライアント要素の剛性は、従来の力センサよりも数桁低く、その結果、相互作用力を制御しながら、制御利得は、力センサとともに選択され得る利得より数桁大きく選択することができる。より大きなコントローラ利得は、より優れた制御性能およびロバスト性を意味する。

Claims (13)

1. 患者に対する卓上理学リハビリテーション運動療法を在宅で実施するための、および運動中の患者の能力を評価するための直列弾性ホロノミック式の移動プラットホームであって、前記移動プラットホームが、多自由度のコンプライアントメカニズムおよび制御ユニットを備える多自由度（ＤｏＦ）の移動プラットホームとして設けられ、
   多自由度の前記移動プラットホームが少なくとも３つの作動メカナムホイールを備え、多自由度の前記コンプライアントメカニズムが、平面多自由度のコンプライアント直列弾性要素の形をとる力検出ユニットとして設けられ、
   位置センサを用いて前記コンプライアントメカニズムのたわみを測定することによって、作用する面内力およびトルクが決定されるように、前記コンプライアントメカニズムが動作し、それによって、ノンバックドライバブル能動ホロノミック式のプラットホームが多自由度の直列弾性アクチュエータとして動作する、直列弾性ホロノミック式の移動プラットホームにおいて、
   前記移動プラットホームが、全方向メカナムホイール付き移動ロボットに連結された少なくとも平面３自由度のコンプライアントパラレルメカニズムに関連することを特徴とする、直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
2. 前記移動プラットホームが、すべての可能な平面運動を支えるために２自由度並進および１自由度回転の形をとる３自由度を有する、請求項１に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
3. 前記コンプライアントメカニズムがコンプライアント平行四辺形（Ｐａ）メカニズムである、請求項１または２に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
4. 前記コンプライアントメカニズムが平面３−ＰａＲＲパラレルメカニズムとして設けられる、請求項２または３に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
5. 前記コンプライアントメカニズムの出力リンクの位置がベースリンクに対して測定される、請求項４に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
6. 前記コンプライアントメカニズムの回転ジョイントがフィレット付きＶ字形たわみヒンジとして設計される、請求項５に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
7. 直動ジョイントとして働く３つの接地式平行四辺形メカニズムの出力リンクの位置が測定される、請求項５または６に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
8. 前記３つの接地式平行四辺形メカニズムの前記出力リンクの前記位置は、他の回転ジョイントが受動的である間に測定される、請求項７に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
9. 前記コンプライアントメカニズムのエンドエフェクタが設けられ、したがって、球面ころが前記コンプライアントメカニズムの前記エンドエフェクタの底面に装着され、前記球面ころが、患者によって加えられる面外力およびモーメントと釣り合うように、上部から前記ホロノミック式の移動プラットホームの平面に拘束される、請求項７または８に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
10. 前記コンプライアントメカニズムの前記エンドエフェクタに加えられた力が、直動ジョイントに装着されたリニアエンコーダによって測定される変位量を生じさせ、前記エンドエフェクタのたわみおよび前記加えられた力の推定値が計算される、請求項９に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
11. Ｖ字形切込みの隅に固定角度でフィレットが付けられる、請求項６に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
12. フィレット付きの各前記Ｖ字形たわみヒンジが、最大角偏向２．７５度およびジョイント剛性１Ｎｍ／ラジアンを有するように設計される、請求項６または１１に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
13. 前記コンプライアントメカニズムに加えられる力／トルクが、前記エンドエフェクタの剛性とコンプライアントな前記３−ＰａＲＲメカニズムの接地式平行四辺形のたわみの測定値とを用いて推定される、請求項４および９に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。

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