JP3582689B2 - 肢体駆動装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、手術前後に用いられる連続他動運動装置［Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｐａｓｉｖｅ
Ｍｏｔｉｏｎ 以下単に（ＣＰＭ装置）という］、肢体の機能を回復するために用いられるリハビリテーション支援装置及び、トレーニング装置等の肢体駆動装置に関し、さらには特にそれらの機構に複数の駆動自由度を持たせた下肢用の肢体駆動装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来、手術前後または他の障害により、関節部が拘縮をおこし、またはそのおそれがある場合にその改善を目的として用いられるＣＰＭ装置、筋力の低下した肢体の機能を回復するために用いるリハビリテーション支援装置及び、トレーニング装置などの、関節を中心にして外部から機械的に肢体を駆動したり、関節の動きに負荷をかけたりする装置として、さまざまな機構が提案されている。
これら従来の肢体駆動装置において、１自由度機構で単純な往復運動を行う装置として特表平４−５０６６１０「人体の下肢に連続受動運動を付与する装置」や特開昭６１−２１７１６３「筋肉の運動とリハビリテーション用装置」がある。
【０００３】
複数の駆動自由度を持たせた装置として「連続受動運動装置」があり、運動状態教示時には多自由度機構に肢体を取り付けた状態でインピーダンス制御を行ない、治療時にはメモリに保存された回転角度を平衡点とするインピーダンス制御により、教示した運動および力を再現する手段を備えたことを特徴としている。同様の装置で特に膝関節に適用されるものとして「膝関節用連続他動運動装置」があり、大腿部に力を印加し運動を誘起する回転運動機構と、下腿部を支持するとともに平面内での下腿部の位置及び姿勢を自在に制御可能な多自由度の運動機構を備えたことを特徴としている。
【０００４】
また、肢体の軌道を設定する軌道設定手段と、肢体の関節角度を漸次補正するよう肢体の軌道を修正する軌道修正手段を備えた運動療法装置として、「運動療法装置」が、肢体パラメータと動作角度範囲から肢体の動作パターンを自動生成する肢体駆動装置として、「肢体駆動装置の制御装置」が考案されている。
【０００５】
さらに、連続受動運動装置としての特開平７−３２３０４８がある。これは、患部関節に過剰な負荷かけることを禁止し、患部関節への牽引力あるいはひねりの力を発生することで治療効果を高める手段であり、患部関節のひとつの回転軸に対し、その軸に対して平行な３自由度以上の回転あるいは直動の駆動機構を設けて牽引力を発生させ、患部関節の回転軸に対し、平行でない１自由度以上の回転あるいは直動の駆動機構を付加して患部関節へのひねりの力を発生させる装置である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これら従来の肢体駆動装置を用いて肢体を駆動する場合、機構の単純な１自由度の装置では、肢体の長さによって装置のリンクの長さを変えたり、肢体と装置との位置関係によって肢体の関節と装置の回転軸を合わせるなどの調節を正確に行なわないと、肢体を駆動する際にズレを生じ意図した通りに肢体を駆動することができない。
【０００７】
また、多自由度の装置では肢体を動かすための軌道を得るために、肢体を装置に取り付けた状態で動作の教示を行なうか、肢体の各関節間の長さと位置関係などの肢体の運動学的情報をあらかじめ装置に入力しておき、肢体の動くべき動作から装置の軌道を生成しないと、装置の動きが一意に決まらない。
このため、従来の装置では、装置の使用者や装置を肢体に装着した位置が変わるたびに、リンクの調節、動作の教示あるいは肢体の運動学的情報の入力などの設定を行わなければならないという問題があった。
【０００８】
さらには、従来の装置では、装置の使用者が変わるたびに動作の教示を行うか、あるいは複数の肢体の運動学的情報を装置に入力し複雑な運動学的計算をしなければ肢体を駆動できないという問題があった。
この発明は、こうした従来の技術が持つ問題点を解消するためになされたものであり、使用者や肢体に装着した位置の違いによる調節や設定の変更を行わずに肢体を駆動することができる肢体駆動装置、さらには動作の教示や複雑な設定および計算を行わずに下肢を駆動することができる肢体駆動装置の提供を目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１の本発明は、治療あるいは訓練を行う肢体の部分に装着された肢体装着部と、該肢体装着部に備えるフリー回転軸に第１のリンクを経て前記肢体の部分を駆動する第１の駆動軸と、該第１の駆動軸と第２のリンクを経て前記第１の駆動軸を駆動し装置の基部に回転自在に支承された第２の駆動軸とから成る肢体を任意に駆動することが可能な肢体駆動部と、前記基部から前記駆動軸の角度情報を受入れ、肢体関節から前記肢体装着部までの長さ情報を送出し、前記肢体を駆動する際の情報を測定することが可能な肢体情報測定部と、予め入力された肢体の動作条件情報を送出する動作条件入力部と、前記長さ情報と前記動作条件情報から前記肢体を駆動する際の軌道情報を生成し送出する軌道生成部と、前記軌道情報と駆動軸センサからの運動情報と力センサからの負荷情報とから、前記駆動軸へ運動指令を送出する動作制御部とによって構成されたことを特徴とする肢体駆動装置である。
【００１０】
請求項２の本発明は、前記肢体情報測定部は、前記肢体駆動部の駆動関節および前記肢体装着部の角度センサによる角度情報やリンクの長さ情報により、前記肢体関節と前記肢体装着部間の長さ、前記肢体関節と前記肢体駆動部との位置関係などの前記肢体の運動学的情報を測定することを特徴とする請求項１記載の肢体駆動装置である。
【００１１】
上記請求項１及び請求項２手段により、本発明は個人差による肢体の長さや肢体と装置との距離に応じて、装置を駆動する目標軌道を生成するので、肢体と装置との正確な位置合わせをすることなく、リハビリテーションやトレーニングに適切な動きを行なうことが可能な肢体駆動装置の提供をすることが可能となる。
【００１２】
請求項３の本発明は、前記肢体を任意に駆動することが可能な前記肢体駆動部と、前記肢体を駆動する際の動作条件を入力することが可能な前記動作条件入力部と、前記肢体を駆動する際の軌道を生成することが可能な前記軌道生成部とを備え、前記動作条件入力部の情報に従って前記軌道生成部で前記肢体の少なくとも１つの自由度に対する軌道を生成し、残りの自由度に対する動作は、前記肢体を駆動するアームの機械的インピーダンスを制御して前記軌道の動きに追従させることにより前記肢体駆動部で肢体を駆動する構成にしたことを特徴とする肢体駆動装置である。
【００１３】
請求項４の本発明は、前記動作条件入力部は、前記肢体関節の駆動角度、駆動速度および動作繰り返し回数を入力するものであることを特徴とする請求項３記載の肢体駆動装置である。
【００１４】
上記請求項３及び請求項４の手段により、本発明は一定の自由度に対する軌道のみを生成して肢体を駆動し、残りの自由度に対する動作は、アームの機械的インピーダンスを制御して軌道の動きに追従させるので、肢体と装置との正確な位置合わせを行うことなく肢体を駆動することが可能な肢体駆動装置の提供をすることが可能となる。
【００１５】
請求項５の本発明は、大腿部と下腿部を独立に駆動することが可能な下肢駆動部と、下肢を駆動する際の情報を設定することが可能な下肢情報設定部と、下肢を駆動する際の軌道を生成することが可能な軌道生成部とを備え、前記下肢情報設定部の情報に従って前記軌道生成部で前記大腿部の軌道と前記下腿部の軌道を生成し、前記大腿部の軌道に従って前記大腿部を駆動し、前記下腿部の軌道に従って前記下腿部を駆動する構成にしたことを特徴とする肢体駆動装置である。
【００１６】
請求項６の本発明は、前記下肢情報設定部は、股関節と膝関節間の長さ、膝関節と下腿部装着位置間の長さ、股関節と装置の基部との距離を設定するものであることを特徴とする請求項５記載の肢体駆動装置である。
【００１７】
請求項７の本発明は、前記軌道生成部は、前記大腿部の軌道を股関節位置を中心に前記股関節と大腿部駆動位置との長さを径とする円弧を描くように生成し、前記下腿部の軌道を股関節位置から前記膝関節と下腿部駆動位置の長さだけ足先の方向へシフトした位置を中心に大腿部長さを径とする円弧を描くように生成することを特徴とする請求項５記載の肢体駆動装置である。
【００１８】
上記請求項５ないし請求項７手段により、本発明は大腿部の軌道と下腿部の軌道を分けて軌道の生成を行うので、動作の教示や複雑な設定を行わずに、下肢を動かすことが可能な肢体駆動装置の提供をすることが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
以下、本発明の各実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態１における動作と装置全体の構成を示す図である。
図１において、１０７は治療あるいは訓練を行なう肢体の部分１０８を装置に装着する肢体装着部、１０１、１０２は駆動軸、１０４、１０５はリンク、１０６は装置の基部、１０３はフリー回転部であり、これらによって動作本体をなしている。１１０は、動作制御部であり、前記動作本体との間で肢体装着部１０７内の図示していない力センサからの負荷情報や、駆動軸１０１、１０２に設けた各種センサからの位置や姿勢情報などの運動情報１１４、各駆動軸１０１、１０２への運動指令１１５をやりとりする。
【００２０】
肢体情報測定部１１２は、駆動軸１０１、１０２およびフリー回転軸１０３の角度情報１１８と装置のリンク１０４、１０５の長さなどから駆動する肢体関節１０９と肢体装着部１０７間の長さや肢体関節１０９と装置の基部１０６との距離を計算し、これらの長さおよび距離の情報１１７を軌道生成部１１１へ送る。動作条件入力部１１３では、肢体を駆動する場合に必要な肢体関節の駆動角度、駆動速度、回数などを入力し、これらの動作条件情報１１９を軌道生成部１１１へ送る。
【００２１】
一方、軌道生成部１１１は、長さ及び距離の情報１１７や動作条件情報１１９から動作本体の軌道を計算して動作制御部１１０へ軌道情報１１５を送る。
以上のように構成された肢体駆動装置１００は、装置を肢体に装着した時の装置の姿勢および肢体装着部の角度により、肢体を駆動する際の長さ及び位置の情報を測定し、測定した長さ及び位置の情報より装置を駆動するための軌道情報を生成するため、装置使用者の個人差や装着位置によらずに肢体を駆動することができる。
なお、肢体情報測定部１１２、軌道生成部１１１、動作制御部１１０について、さらに詳しい内部構成を以下に示す。
【００２２】
図２は、実施の形態１の肢体情報測定部の内部構成を示す詳細図である。
肢体情報測定部１１２内には、肢体の運動学的情報の計算部１１２ｂがあり、あらかじめリンクの長さ情報が入力されている。肢体の運動学的情報の計算部１１２ｂは、動作本体より駆動軸及びフリー回転軸の角度情報を受ける。
【００２３】
図３は、肢体情報の算出方法を説明する図である。
ここで、肢体および装置の各パラメータを図３のようにおくと、駆動軸１０１、１０２およびフリー回転軸１０４の角度θ１、θ２、θｈとリンク１０４、１
０５の長さＬ１、Ｌ２から、肢体関節１０９と肢体装着部１０７との長さＬｈ、
肢体関節１０９と装置の基部１０６との距離Ｌｄは、次の（式１），（式２）で計算することができる。
【００２４】
ただし、上記の式は、装置座標系の原点Ｏと肢体関節１０９の位置Ｈが接地面より、同じ高さにあることを前提条件としている。
【００２５】
肢体関節の部位と装置の機構構成の関係により、接地面との高さをそろえることができない場合は、高さの差をαとして上記（式１），（式２）を以下の（式３），（式４）ように補正することで対応することが可能である。
【００２６】
また、高さの差αが肢体の個人差により大きく変わる場合は、その都度αを測って入力することが必要となるが、一般に個人差による高さの変化は、肢体の長さＬｈや肢体と装置との距離Ｌｄに比べて小さな値となるためαは一定値で良く
、肢体を駆動する際にこの個人差が問題となることは少ない。
なお、動作本体の構成は、ロボットマニピュレータの順運動学計算などを用いて、肢体装着部の位置と姿勢を求めることができる構成であれば、同様にして肢体の長さＬｈ及び肢体と装置との距離Ｌｄを求めることができるため、上記のよ
うな２駆動軸と１フリー回転軸以外のどのような構成でも良い。
このようにして、肢体の運動学的情報の計算部１１２ｂは、駆動軸及びフリー回転軸の角度情報１１２ａから肢体の長さ及び距離の情報１１２ｃを計算し軌道生成部に出力する。
【００２７】
図４は、この実施の形態１の軌道生成部の内部構成を示す詳細図である。
軌道生成部１１１は、肢体を駆動する軌道の計算部１１１ａ、装置の軌道計算と記憶部１１１ｂで構成される。肢体を駆動する軌道１１１ｃは、次のようにして求めることができる。肢体条件入力部１１３からの肢体関節の駆動角度をαとすると、肢体情報測定部からの長さ及び距離の情報１１１ｄから、装置の肢体装着部１０７の位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ）は、次の式で計算することができる。
Ｘｐ ＝Ｌｈ ｃｏｓα−Ｌｄ ……………………（式５）
Ｙｐ ＝Ｌｈ ｓｉｎα ……………………（式６）
【００２８】
これらの（式５），（式６）から肢体条件入力部１１３からの駆動速度によって肢体関節の駆動角度αを時系列で変化させてやれば、肢体を駆動する軌道１１１ｅを得ることができる。この肢体を駆動する軌道１１１ｅから装置駆動軸の関節角度の時系列における目標軌道１１１ｆに変換するには、ロボット工学におけるロボットマニピュレータの逆運動学計算を用いれば良い。
このようにして、軌道生成部１１１は、肢体情報測定部１１２からの長さ及び距離の情報１１１ｃと動作条件入力部１３０からの動作条件情報１１１ｄから、装置関節の目標軌道１１１ｆを計算し動作制御部１１０に出力する。
【００２９】
図５は、この実施の形態１の動作制御部の内部構成を示す詳細図である。
動作制御部１１０は、軌道生成部１１１からの目標軌道１１６を受ける。
インピーダンス制御部１１０ｂは、軌道生成部からの目標軌道１１６と力センサからの負荷情報１２０とから最終的な目標軌道１１０ｃを生成する。
サーボ系１１０ａは、目標軌道１１０ｃと駆動軸センサからの角度・角速度情報１１４とから、各駆動軸のモータへの出力指令１１５を出力する。
以上より、動作制御部１１０は軌道情報１１６を受けて、上記のように動作本体の運動を制御することができる。
【００３０】
以上述べたように、本発明の実施の形態１によれば、肢体の長さや装置との位置関係を計測し、これに応じて装置を動かす目標軌道を生成するので、個人差や装着位置による装置の調節や設定の変更を行う必要がなく操作性を向上することができる。また、装置の調節ミスや肢体情報の入力ミスがなくなるため、安全性の向上に効果がある。
【００３１】
［実施の形態２］
図６は、本発明の実施の形態２の全体の回路の構成等を示す図である。
この装置全体の構成を表す図１において、２１１は大腿部２１４を装置に装着する大腿装着部、２１２は下腿部２１５を装置に装着する下腿装着部、２０１、２０２、２０３は駆動軸、２０４は２０１に連動し同じ角度回転する連動駆動軸、２０７、２０８、２０９、２１０はリンク、２１３は装置の基部、２０５、２０６はフリー回転部であり、これらによって動作本体をなしている。２１８は、大腿動作制御部であり、前記動作本体との間で大腿装着部２１１内の図示していない力センサからの負荷情報や、駆動軸２０１に設けた各種センサからの位置情報などの運動情報２２２、駆動軸２０１への運動指令２２３をやりとりする。
【００３２】
また、２２０は、下腿動作制御部であり、前記動作本体との間で下腿装着部２１２内の図示していない力センサからの負荷情報や、駆動軸２０２、２０３に設けた各種センサからの位置や姿勢情報などの運動情報２２６、２２８、各駆動軸２０２、２０３への運動指令２２７、２２９をやりとりする。動作条件入力部２２１では、下肢を駆動する場合に必要な下肢を駆動する場合に必要な下肢関節の駆動角度、駆動速度、動作繰り返し回数などを入力し、これらの動作条件情報２２５を軌道生成部２１９へ送る。
一方、軌道生成部２１９は、動作条件情報２２５から動作本体の軌道を計算して動作制御部２１８へ軌道情報２２４を送る。動作条件入力部２２１，軌道生成部２１９，大腿動作制御部２１８，下腿動作制御部２２０について、さらに詳しい説明を述べる。
【００３３】
図７は、この実施の形態２の動作条件入力部の内部を示す詳細図である。
動作条件入力部２２１内には、動作条件の記憶部２２１ａがあり、股関節の駆動角度、駆動速度および動作繰り返し回数などの肢体を駆動する際の動作条件２２１ｂを入力し、軌道生成部２１９に動作条件情報２２５を出力するようになっている。
【００３４】
図８は、この実施の形態２の軌道生成部の内部を示す詳細図である。
軌道生成部２１９は、大腿を駆動する軌道の計算部２１９ａ、大腿を駆動するアームの軌道計算と記憶部２１９ｂで構成される。
大腿を駆動する軌道２１９ｃは、次のようにして求めることができる。動作条件入力部２２１からの股関節の駆動角度をθとすると、大腿を駆動するアームの角度θ０は股関節の角度θに等しいため、θ０ ＝θとおき、動作条件入力部２２１からの駆動速度によって駆動角度θを時系列で変化させてやれば、大腿を駆動する軌道２１９ｃを得ることができる。
【００３５】
図９は、この実施の形態２の大腿動作制御部の内部を示す詳細図である。
大腿動作制御部２１８は、軌道生成部からの目標軌道２２４を受ける。インピーダンス制御部２１８ｂは、軌道生成部からの目標軌道２２４と力センサからの負荷情報２３１とから最終的な目標軌道２１８ｃを生成する。
サーボ系２１８ａは、目標軌道２１８ｃと駆動軸センサからの角度・角速度情報２２２とから、各駆動軸のモータへの出力指令２２３を出力する。以上より、動作制御部２１８は軌道情報２２４を受けて、大腿部を駆動するアームを制御することができる。
【００３６】
図１０は、この実施の形態２の下腿動作制御部の内部を示す詳細図である。
下腿動作制御部２２０は、下腿装着部２１２内の図示していない力センサからの負荷情報２３０を受ける。インピーダンス制御部２２０ｃは、力センサからの負荷情報２３０から最終的な目標軌道２２０ｄ、２２０ｅを生成する。サーボ系２２０ａは、目標軌道２２０ｄと駆動軸センサからの角度・角速度情報２２９とから、駆動軸２０２のモータへの出力指令２２８を出力する。
また、サーボ系２２０ｂは、目標軌道２２０ｅと駆動軸センサからの角度・角速度情報２２６とから、駆動軸２０３のモータへの出力指令２２７を出力する。
【００３７】
下腿部を大腿部の動きに追従させて駆動するため、下腿動作制御部のインピーダンス制御は、次の式のバネ係数Ｋ＝０として制御を行えば良い。
Ｆｘ ＝Ｍａｘ ＋Ｂｖｘ ＋Ｋ（ｘ−ｘ０ ） ……………………（式７）
ここで各記号は、次の意味である。
Ｆｘ ：下腿部とアーム間に作用する力
Ｍ、Ｂ、Ｋ：目標インピーダンス
ｘ：フリー回転軸１０６の位置（Ｘ，Ｙ ）
ｘ０ ：ｘのバネ剛性の平衡点
ａｘ ：ｘの微分値
ｖｘ ：ｘの２回微分値
以上のように構成された肢体駆動装置［図６］は、大腿部を設定した動作角度で駆動すると、下腿部はインピーダンス制御により大腿部の動きに追従して駆動するため、下腿部の軌道を生成せずに下肢を駆動することができる。
【００３８】
以上述べたように、本発明の実施の形態２によれば、肢体の一定の自由度に対する軌道のみを生成し、残りの自由度に対する動作は、インピーダンス制御により追従させて肢体を駆動するため、個人差や装着位置による装置の調節や設定の変更を行う必要がなく操作性を向上することができる。また、装置の調節ミスや肢体情報の入力ミスがなくなるため、安全性の向上に効果がある。
【００３９】
［実施の形態３］
以下、本発明の実施の形態３を図に基づいて説明する。
図１１は本発明の実施の形態３の全体の回路構成等を示す図である。
この装置全体の構成を表す図１１において、３１１は大腿部３１４を装置に装着する大腿装着部、３１２は下腿部３１５を装置に装着する下腿装着部、３０１、３０２、３０３は駆動軸、３０４は３０１に連動し同じ角度回転する連動駆動軸、３０７、３０８、３０９、３１０はリンク、３１３は装置の基部、３０５、３０６はフリー回転部であり、これらによって動作本体をなしている。
３１８は、動作制御部であり、前記動作本体との間で大腿装着部３１１や下腿装着部３１２内の図示していない力センサからの負荷情報や、駆動軸３０１、３０２、３０３に設けた各種センサからの位置や姿勢情報などの運動情報３２２、各駆動軸３０１、３０２、３０３への運動指令３２３をやりとりする。
【００４０】
下肢情報設定部３２０は、股関節３１６と膝関節３１７間の長さ、膝関節３１７と下腿部装着位置３０６間の長さ、股関節３１６と装置の基部３１３との距離を設定し、これらの長さおよび距離の情報３２５を軌道生成部３１９へ送る。動作条件入力部３２１では、下肢を駆動する場合に必要な下肢関節の駆動角度，駆動速度，回数などを入力し、これらの動作条件情報３２６を軌道生成部３１９へ送る。
【００４１】
一方、軌道生成部３１９は、長さ及び距離の情報３２５や動作条件情報３２６から動作本体の軌道を計算して動作制御部３１８へ軌道情報３２４を送る。
軌道生成部３１９，動作制御部３１８について、さらに詳しい説明を以下に示す。
【００４２】
図１４は、この実施の形態３の軌道生成部の内部を示す詳細図である。
軌道生成部３１９は、大腿を駆動する軌道の計算部３１９ａ、下腿を駆動する軌道の計算部３１９ｂ、大腿を駆動するアームの軌道計算と記憶部３１９ｃ、下腿を駆動するアームの軌道計算と記憶部３１９ｄで構成される。
大腿を駆動する軌道３１９ｅおよび下腿を駆動する軌道３１９ｆは、肢体および装置の各パラメータを図１２のようにおくと、次のようにして求めることができる。
まず、大腿を駆動する軌道３１９ｃは、動作条件入力部３２１からの股関節の駆動角度をθとすると、大腿を駆動するアームの角度θ０は、股関節の角度θに等しいため、θ０＝θとおき、動作条件入力部３２１からの駆動速度によって駆動角度θを時系列で変化させてやれば、大腿を駆動する軌道３１９ｃを得ることができる。
【００４３】
次に、下腿を駆動する軌道３１９ｆは、動作条件入力部３２１からの股関節の駆動角度をθとすると、下肢情報設定部からの長さ及び距離の情報３２９から、装置の下肢装着部３１２の位置Ｐ１ （Ｘ， Ｙ）は、次の式で計算することができる。（図１３参照）
Ｘ＝Ｌｍ ｃｏｓθ＋Ｌｓ −Ｌｈ −Ｌａ ……………………（式８）
Ｙ＝Ｌｍ ｓｉｎθ ……………………（式９）
これらの式から動作条件入力部３２１からの駆動速度によって肢体関節の駆動角度θを時系列で変化させてやれば、下肢体を駆動する軌道３１９ｆを得ることができる。
【００４４】
この下肢を駆動する軌道３１９ｆから装置駆動軸の関節角度の時系列における目標軌道３２４ｂに変換するには、ロボット工学におけるロボットマニピュレータの逆運動学計算を用いれば良い。このようにして、軌道生成部３１９は、下肢情報設定部からの長さ及び距離の情報３２９と動作条件入力部からの動作条件情報３２６から、装置関節の目標軌道３２４ａ、３２４ｂを計算し動作制御部３１８に出力する。
【００４５】
図１５は、この実施の形態３の動作制御部の内部を示す詳細図である。
動作制御部３１８は、軌道生成部からの目標軌道３２４を受ける。インピーダンス制御部３１８ｂは、軌道生成部からの目標軌道３２４と力センサからの負荷情報３２７とから最終的な目標軌道３１８ｃを生成する。
サーボ系３１８ａは、目標軌道３１８ｃと駆動軸センサからの角度・角速度情報３２２とから、各駆動軸のモータへの出力指令３２３を出力する。
以上より、動作制御部３１８は軌道情報３１８ｃを受けて、動作本体の運動を制御することができる。
【００４６】
以上のように構成された下肢を含む肢体駆動装置［図１１］は、大腿を駆動するアームと下腿を駆動するアームの２つのアームで構成され、大腿を駆動するアームの軌道と下腿を駆動するアームの軌道を分けて生成するため、複雑な設定や計算を行わずに肢体を駆動することができる。
以上述べたように、本発明の実施の形態３によれば、大腿と下腿をわけて目標軌道を生成するので、簡単な入力と単純な軌道計算で下肢を駆動することができる。
【００４７】
【発明の効果】
かくして、これまでの詳細な説明から明らかなように、本発明は、その請求項１及び請求項２の発明に係る手段により、個人差による肢体の長さや肢体と装置との距離に応じて、装置を駆動する目標軌道を生成するので、肢体と装置との正確な位置合わせをすることなく、リハビリテーションやトレーニングに適切な動きを行なうことが可能な肢体駆動装置の提供をすることが可能となる。
【００４８】
またその請求項３及び請求項４の発明に係る手段により、一定の自由度に対する軌道のみを生成して肢体を駆動し、残りの自由度に対する動作は、アームの機械的インピーダンスを制御して軌道の動きに追従させるので、肢体と装置との正確な位置合わせを行うことなく肢体を駆動することが可能な肢体駆動装置の提供をすることが可能となる。
【００４９】
さらに請求項５ないし請求項７の発明に係る手段により、大腿部の軌道と下腿部の軌道を分けて軌道の生成を行うので、動作の教示や複雑な設定を行わずに、下肢を動かすことが可能な肢体駆動装置の提供をすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の動作と回路構成を示すブロック図
【図２】実施の形態１の肢体情報測定部の内部の構成を示す詳細図
【図３】実施の形態１の肢体情報の算出方法を説明するための図
【図４】実施の形態１の軌道生成部の内部の構成を示す詳細図
【図５】実施の形態１の動作制御部の内部の構成を示す詳細図
【図６】本発明の実施の形態２の動作と回路構成を示すブロック図
【図７】実施の形態２の動作条件入力部の内部の構成を示す詳細図
【図８】実施の形態２の軌道生成部の内部の構成を示す詳細図
【図９】実施の形態２の大腿動作制御部の内部の構成を示す詳細図
【図１０】実施の形態２の下腿動作制御部の内部の構成を示す詳細図
【図１１】本発明の実施の形態３の動作と回路構成を示すブロック図
【図１２】実施の形態３の軌道の算出方法を説明するための肢体および装置の各パラメータの定義を示す図
【図１３】実施の形態３の軌道の算出方法を図１２の定義によって説明するための図
【図１４】実施の形態３の軌道生成部の内部の構成を示す詳細図
【図１５】実施の形態３の動作制御部の内部の構成を示す詳細図
【符号の説明】
１０１，１０２ 駆動軸
１０３ フリー回転軸
１０４，１０５ リンク
１０６ 装置の基部
１０７ 肢体装着部
１０８ 治療あるいは訓練を行う肢体の部分
１０９ 肢体関節
１１０ 動作制御部
１１０ａ サーボ系
１１０ｂ インピーダンス制御部
１１０ｃ 目標軌道
１１１ 軌道生成部
１１１ａ 肢体を駆動する軌道の計算部
１１１ｂ 装置の軌道計算と記憶部
１１１ｃ 肢体を駆動する軌道
１１２ 肢体情報測定部
１１２ａ 肢体の運動学的情報の計算部
１１３ 動作条件入力部
１１４ 駆動軸センサからの角度・角速度情報（運動情報）
１１５ モータへの出力指令（運動指令）
１１６ 軌道生成部からの（目標）軌道情報
１１７ 肢体情報測定部からの長さ及び距離の情報
１１８ 角度情報（駆動軸及びフリー回転軸の角度）
１１９ 動作条件入力部からの動作条件情報
１２０ 力センサからの負荷情報
２０１，２０２，２０３，２０４ 駆動軸
２０５，２０６ フリー回転軸
２０７，２０８，２０９，２１０ リンク
２１１ 大腿装着部
２１２ 下腿装着部
２１３ 装置の基部
２１４ 大腿部
２１５ 下腿部
２１６ 股関節
２１７ 膝関節
２１８ 大腿動作制御部
２１８ａ サーボ系
２１８ｂ インピーダンス制御部
２１８ｃ 目標軌道
２１９ 軌道生成部
２１９ａ 大腿を駆動する軌道の計算部
２１９ｂ 大腿を駆動するアームの軌道計算と記憶部
２１９ｃ 大腿を駆動する軌道
２２０ 下腿動作制御部
２２０ａ，２２０ｂ サーボ系
２２０ｃ インピーダンス制御部
２２０ｄ，２２０ｅ 目標軌道
２２１ 動作条件入力部
２２１ａ 動作条件の記憶部
２２１ｂ 肢体を駆動する際の動作条件
２２２ 駆動軸センサからの角度・角速度情報
２２３ モータへの出力指令
２２４ 軌道生成部からの目標軌道
２２５ 動作条件入力部からの動作条件情報
２２６，２２９ 駆動軸センサからの角度・角速度情報
２２７，２２８ モータへの出力指令
２３０，２３１ 力センサからの負荷情報
３０１，３０２，３０３ 駆動軸
３０４ 連動駆動軸
３０５，３０６ フリー回転軸
３０７，３０８，３０９，３１０ リンク
３１３ 装置の基部
３１１ 大腿装着部
３１２ 下腿装着部
３１４ 大腿部
３１５ 下腿部
３１６ 股関節
３１７ 膝関節
３１８ 動作制御部
３１８ａ サーボ系
３１８ｂ インピーダンス制御部
３１８ｃ 目標軌道
３１９ 軌道生成部
３１９ａ 大腿を駆動する軌道の計算部
３１９ｂ 下腿を駆動する軌道の計算部
３１９ｃ 大腿を駆動するアームの軌道計算と記憶部
３１９ｄ 下腿を駆動するアームの軌道計算と記憶部
３１９ｅ 大腿を駆動する軌道
３１９ｆ 下腿を駆動する軌道
３２０ 下肢情報設定部
３２１ 動作条件入力部
３２２ 運動情報
３２３ モータへの出力指令
３２４ａ，３２４ｂ 軌道生成部への（目標）軌道情報
３２５ 長さ及び距離の情報
３２６ 動作条件入力部からの動作条件情報
３２７ 力センサからの負荷情報
３２９ 下肢情報設定部からの長さ及び距離の情報
本発明は、手術前後に用いられる連続他動運動装置［Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｐａｓｉｖｅ
Ｍｏｔｉｏｎ 以下単に（ＣＰＭ装置）という］、肢体の機能を回復するために用いられるリハビリテーション支援装置及び、トレーニング装置等の肢体駆動装置に関し、さらには特にそれらの機構に複数の駆動自由度を持たせた下肢用の肢体駆動装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来、手術前後または他の障害により、関節部が拘縮をおこし、またはそのおそれがある場合にその改善を目的として用いられるＣＰＭ装置、筋力の低下した肢体の機能を回復するために用いるリハビリテーション支援装置及び、トレーニング装置などの、関節を中心にして外部から機械的に肢体を駆動したり、関節の動きに負荷をかけたりする装置として、さまざまな機構が提案されている。
これら従来の肢体駆動装置において、１自由度機構で単純な往復運動を行う装置として特表平４−５０６６１０「人体の下肢に連続受動運動を付与する装置」や特開昭６１−２１７１６３「筋肉の運動とリハビリテーション用装置」がある。
【０００３】
複数の駆動自由度を持たせた装置として「連続受動運動装置」があり、運動状態教示時には多自由度機構に肢体を取り付けた状態でインピーダンス制御を行ない、治療時にはメモリに保存された回転角度を平衡点とするインピーダンス制御により、教示した運動および力を再現する手段を備えたことを特徴としている。同様の装置で特に膝関節に適用されるものとして「膝関節用連続他動運動装置」があり、大腿部に力を印加し運動を誘起する回転運動機構と、下腿部を支持するとともに平面内での下腿部の位置及び姿勢を自在に制御可能な多自由度の運動機構を備えたことを特徴としている。
【０００４】
また、肢体の軌道を設定する軌道設定手段と、肢体の関節角度を漸次補正するよう肢体の軌道を修正する軌道修正手段を備えた運動療法装置として、「運動療法装置」が、肢体パラメータと動作角度範囲から肢体の動作パターンを自動生成する肢体駆動装置として、「肢体駆動装置の制御装置」が考案されている。
【０００５】
さらに、連続受動運動装置としての特開平７−３２３０４８がある。これは、患部関節に過剰な負荷かけることを禁止し、患部関節への牽引力あるいはひねりの力を発生することで治療効果を高める手段であり、患部関節のひとつの回転軸に対し、その軸に対して平行な３自由度以上の回転あるいは直動の駆動機構を設けて牽引力を発生させ、患部関節の回転軸に対し、平行でない１自由度以上の回転あるいは直動の駆動機構を付加して患部関節へのひねりの力を発生させる装置である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これら従来の肢体駆動装置を用いて肢体を駆動する場合、機構の単純な１自由度の装置では、肢体の長さによって装置のリンクの長さを変えたり、肢体と装置との位置関係によって肢体の関節と装置の回転軸を合わせるなどの調節を正確に行なわないと、肢体を駆動する際にズレを生じ意図した通りに肢体を駆動することができない。
【０００７】
また、多自由度の装置では肢体を動かすための軌道を得るために、肢体を装置に取り付けた状態で動作の教示を行なうか、肢体の各関節間の長さと位置関係などの肢体の運動学的情報をあらかじめ装置に入力しておき、肢体の動くべき動作から装置の軌道を生成しないと、装置の動きが一意に決まらない。
このため、従来の装置では、装置の使用者や装置を肢体に装着した位置が変わるたびに、リンクの調節、動作の教示あるいは肢体の運動学的情報の入力などの設定を行わなければならないという問題があった。
【０００８】
さらには、従来の装置では、装置の使用者が変わるたびに動作の教示を行うか、あるいは複数の肢体の運動学的情報を装置に入力し複雑な運動学的計算をしなければ肢体を駆動できないという問題があった。
この発明は、こうした従来の技術が持つ問題点を解消するためになされたものであり、使用者や肢体に装着した位置の違いによる調節や設定の変更を行わずに肢体を駆動することができる肢体駆動装置、さらには動作の教示や複雑な設定および計算を行わずに下肢を駆動することができる肢体駆動装置の提供を目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１の本発明は、治療あるいは訓練を行う肢体の部分に装着された肢体装着部と、該肢体装着部に備えるフリー回転軸に第１のリンクを経て前記肢体の部分を駆動する第１の駆動軸と、該第１の駆動軸と第２のリンクを経て前記第１の駆動軸を駆動し装置の基部に回転自在に支承された第２の駆動軸とから成る肢体を任意に駆動することが可能な肢体駆動部と、前記基部から前記駆動軸の角度情報を受入れ、肢体関節から前記肢体装着部までの長さ情報を送出し、前記肢体を駆動する際の情報を測定することが可能な肢体情報測定部と、予め入力された肢体の動作条件情報を送出する動作条件入力部と、前記長さ情報と前記動作条件情報から前記肢体を駆動する際の軌道情報を生成し送出する軌道生成部と、前記軌道情報と駆動軸センサからの運動情報と力センサからの負荷情報とから、前記駆動軸へ運動指令を送出する動作制御部とによって構成されたことを特徴とする肢体駆動装置である。
【００１０】
請求項２の本発明は、前記肢体情報測定部は、前記肢体駆動部の駆動関節および前記肢体装着部の角度センサによる角度情報やリンクの長さ情報により、前記肢体関節と前記肢体装着部間の長さ、前記肢体関節と前記肢体駆動部との位置関係などの前記肢体の運動学的情報を測定することを特徴とする請求項１記載の肢体駆動装置である。
【００１１】
上記請求項１及び請求項２手段により、本発明は個人差による肢体の長さや肢体と装置との距離に応じて、装置を駆動する目標軌道を生成するので、肢体と装置との正確な位置合わせをすることなく、リハビリテーションやトレーニングに適切な動きを行なうことが可能な肢体駆動装置の提供をすることが可能となる。
【００１２】
請求項３の本発明は、前記肢体を任意に駆動することが可能な前記肢体駆動部と、前記肢体を駆動する際の動作条件を入力することが可能な前記動作条件入力部と、前記肢体を駆動する際の軌道を生成することが可能な前記軌道生成部とを備え、前記動作条件入力部の情報に従って前記軌道生成部で前記肢体の少なくとも１つの自由度に対する軌道を生成し、残りの自由度に対する動作は、前記肢体を駆動するアームの機械的インピーダンスを制御して前記軌道の動きに追従させることにより前記肢体駆動部で肢体を駆動する構成にしたことを特徴とする肢体駆動装置である。
【００１３】
請求項４の本発明は、前記動作条件入力部は、前記肢体関節の駆動角度、駆動速度および動作繰り返し回数を入力するものであることを特徴とする請求項３記載の肢体駆動装置である。
【００１４】
上記請求項３及び請求項４の手段により、本発明は一定の自由度に対する軌道のみを生成して肢体を駆動し、残りの自由度に対する動作は、アームの機械的インピーダンスを制御して軌道の動きに追従させるので、肢体と装置との正確な位置合わせを行うことなく肢体を駆動することが可能な肢体駆動装置の提供をすることが可能となる。
【００１５】
請求項５の本発明は、大腿部と下腿部を独立に駆動することが可能な下肢駆動部と、下肢を駆動する際の情報を設定することが可能な下肢情報設定部と、下肢を駆動する際の軌道を生成することが可能な軌道生成部とを備え、前記下肢情報設定部の情報に従って前記軌道生成部で前記大腿部の軌道と前記下腿部の軌道を生成し、前記大腿部の軌道に従って前記大腿部を駆動し、前記下腿部の軌道に従って前記下腿部を駆動する構成にしたことを特徴とする肢体駆動装置である。
【００１６】
請求項６の本発明は、前記下肢情報設定部は、股関節と膝関節間の長さ、膝関節と下腿部装着位置間の長さ、股関節と装置の基部との距離を設定するものであることを特徴とする請求項５記載の肢体駆動装置である。
【００１７】
請求項７の本発明は、前記軌道生成部は、前記大腿部の軌道を股関節位置を中心に前記股関節と大腿部駆動位置との長さを径とする円弧を描くように生成し、前記下腿部の軌道を股関節位置から前記膝関節と下腿部駆動位置の長さだけ足先の方向へシフトした位置を中心に大腿部長さを径とする円弧を描くように生成することを特徴とする請求項５記載の肢体駆動装置である。
【００１８】
上記請求項５ないし請求項７手段により、本発明は大腿部の軌道と下腿部の軌道を分けて軌道の生成を行うので、動作の教示や複雑な設定を行わずに、下肢を動かすことが可能な肢体駆動装置の提供をすることが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
以下、本発明の各実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態１における動作と装置全体の構成を示す図である。
図１において、１０７は治療あるいは訓練を行なう肢体の部分１０８を装置に装着する肢体装着部、１０１、１０２は駆動軸、１０４、１０５はリンク、１０６は装置の基部、１０３はフリー回転部であり、これらによって動作本体をなしている。１１０は、動作制御部であり、前記動作本体との間で肢体装着部１０７内の図示していない力センサからの負荷情報や、駆動軸１０１、１０２に設けた各種センサからの位置や姿勢情報などの運動情報１１４、各駆動軸１０１、１０２への運動指令１１５をやりとりする。
【００２０】
肢体情報測定部１１２は、駆動軸１０１、１０２およびフリー回転軸１０３の角度情報１１８と装置のリンク１０４、１０５の長さなどから駆動する肢体関節１０９と肢体装着部１０７間の長さや肢体関節１０９と装置の基部１０６との距離を計算し、これらの長さおよび距離の情報１１７を軌道生成部１１１へ送る。動作条件入力部１１３では、肢体を駆動する場合に必要な肢体関節の駆動角度、駆動速度、回数などを入力し、これらの動作条件情報１１９を軌道生成部１１１へ送る。
【００２１】
一方、軌道生成部１１１は、長さ及び距離の情報１１７や動作条件情報１１９から動作本体の軌道を計算して動作制御部１１０へ軌道情報１１５を送る。
以上のように構成された肢体駆動装置１００は、装置を肢体に装着した時の装置の姿勢および肢体装着部の角度により、肢体を駆動する際の長さ及び位置の情報を測定し、測定した長さ及び位置の情報より装置を駆動するための軌道情報を生成するため、装置使用者の個人差や装着位置によらずに肢体を駆動することができる。
なお、肢体情報測定部１１２、軌道生成部１１１、動作制御部１１０について、さらに詳しい内部構成を以下に示す。
【００２２】
図２は、実施の形態１の肢体情報測定部の内部構成を示す詳細図である。
肢体情報測定部１１２内には、肢体の運動学的情報の計算部１１２ｂがあり、あらかじめリンクの長さ情報が入力されている。肢体の運動学的情報の計算部１１２ｂは、動作本体より駆動軸及びフリー回転軸の角度情報を受ける。
【００２３】
図３は、肢体情報の算出方法を説明する図である。
ここで、肢体および装置の各パラメータを図３のようにおくと、駆動軸１０１、１０２およびフリー回転軸１０４の角度θ１、θ２、θｈとリンク１０４、１
０５の長さＬ１、Ｌ２から、肢体関節１０９と肢体装着部１０７との長さＬｈ、
肢体関節１０９と装置の基部１０６との距離Ｌｄは、次の（式１），（式２）で計算することができる。
【００２４】
【００２５】
肢体関節の部位と装置の機構構成の関係により、接地面との高さをそろえることができない場合は、高さの差をαとして上記（式１），（式２）を以下の（式３），（式４）ように補正することで対応することが可能である。
また、高さの差αが肢体の個人差により大きく変わる場合は、その都度αを測って入力することが必要となるが、一般に個人差による高さの変化は、肢体の長さＬｈや肢体と装置との距離Ｌｄに比べて小さな値となるためαは一定値で良く
、肢体を駆動する際にこの個人差が問題となることは少ない。
なお、動作本体の構成は、ロボットマニピュレータの順運動学計算などを用いて、肢体装着部の位置と姿勢を求めることができる構成であれば、同様にして肢体の長さＬｈ及び肢体と装置との距離Ｌｄを求めることができるため、上記のよ
うな２駆動軸と１フリー回転軸以外のどのような構成でも良い。
このようにして、肢体の運動学的情報の計算部１１２ｂは、駆動軸及びフリー回転軸の角度情報１１２ａから肢体の長さ及び距離の情報１１２ｃを計算し軌道生成部に出力する。
【００２７】
図４は、この実施の形態１の軌道生成部の内部構成を示す詳細図である。
軌道生成部１１１は、肢体を駆動する軌道の計算部１１１ａ、装置の軌道計算と記憶部１１１ｂで構成される。肢体を駆動する軌道１１１ｃは、次のようにして求めることができる。肢体条件入力部１１３からの肢体関節の駆動角度をαとすると、肢体情報測定部からの長さ及び距離の情報１１１ｄから、装置の肢体装着部１０７の位置Ｐ（Ｘｐ，Ｙｐ）は、次の式で計算することができる。
Ｘｐ ＝Ｌｈ ｃｏｓα−Ｌｄ ……………………（式５）
Ｙｐ ＝Ｌｈ ｓｉｎα ……………………（式６）
【００２８】
これらの（式５），（式６）から肢体条件入力部１１３からの駆動速度によって肢体関節の駆動角度αを時系列で変化させてやれば、肢体を駆動する軌道１１１ｅを得ることができる。この肢体を駆動する軌道１１１ｅから装置駆動軸の関節角度の時系列における目標軌道１１１ｆに変換するには、ロボット工学におけるロボットマニピュレータの逆運動学計算を用いれば良い。
このようにして、軌道生成部１１１は、肢体情報測定部１１２からの長さ及び距離の情報１１１ｃと動作条件入力部１３０からの動作条件情報１１１ｄから、装置関節の目標軌道１１１ｆを計算し動作制御部１１０に出力する。
【００２９】
図５は、この実施の形態１の動作制御部の内部構成を示す詳細図である。
動作制御部１１０は、軌道生成部１１１からの目標軌道１１６を受ける。
インピーダンス制御部１１０ｂは、軌道生成部からの目標軌道１１６と力センサからの負荷情報１２０とから最終的な目標軌道１１０ｃを生成する。
サーボ系１１０ａは、目標軌道１１０ｃと駆動軸センサからの角度・角速度情報１１４とから、各駆動軸のモータへの出力指令１１５を出力する。
以上より、動作制御部１１０は軌道情報１１６を受けて、上記のように動作本体の運動を制御することができる。
【００３０】
以上述べたように、本発明の実施の形態１によれば、肢体の長さや装置との位置関係を計測し、これに応じて装置を動かす目標軌道を生成するので、個人差や装着位置による装置の調節や設定の変更を行う必要がなく操作性を向上することができる。また、装置の調節ミスや肢体情報の入力ミスがなくなるため、安全性の向上に効果がある。
【００３１】
［実施の形態２］
図６は、本発明の実施の形態２の全体の回路の構成等を示す図である。
この装置全体の構成を表す図１において、２１１は大腿部２１４を装置に装着する大腿装着部、２１２は下腿部２１５を装置に装着する下腿装着部、２０１、２０２、２０３は駆動軸、２０４は２０１に連動し同じ角度回転する連動駆動軸、２０７、２０８、２０９、２１０はリンク、２１３は装置の基部、２０５、２０６はフリー回転部であり、これらによって動作本体をなしている。２１８は、大腿動作制御部であり、前記動作本体との間で大腿装着部２１１内の図示していない力センサからの負荷情報や、駆動軸２０１に設けた各種センサからの位置情報などの運動情報２２２、駆動軸２０１への運動指令２２３をやりとりする。
【００３２】
また、２２０は、下腿動作制御部であり、前記動作本体との間で下腿装着部２１２内の図示していない力センサからの負荷情報や、駆動軸２０２、２０３に設けた各種センサからの位置や姿勢情報などの運動情報２２６、２２８、各駆動軸２０２、２０３への運動指令２２７、２２９をやりとりする。動作条件入力部２２１では、下肢を駆動する場合に必要な下肢を駆動する場合に必要な下肢関節の駆動角度、駆動速度、動作繰り返し回数などを入力し、これらの動作条件情報２２５を軌道生成部２１９へ送る。
一方、軌道生成部２１９は、動作条件情報２２５から動作本体の軌道を計算して動作制御部２１８へ軌道情報２２４を送る。動作条件入力部２２１，軌道生成部２１９，大腿動作制御部２１８，下腿動作制御部２２０について、さらに詳しい説明を述べる。
【００３３】
図７は、この実施の形態２の動作条件入力部の内部を示す詳細図である。
動作条件入力部２２１内には、動作条件の記憶部２２１ａがあり、股関節の駆動角度、駆動速度および動作繰り返し回数などの肢体を駆動する際の動作条件２２１ｂを入力し、軌道生成部２１９に動作条件情報２２５を出力するようになっている。
【００３４】
図８は、この実施の形態２の軌道生成部の内部を示す詳細図である。
軌道生成部２１９は、大腿を駆動する軌道の計算部２１９ａ、大腿を駆動するアームの軌道計算と記憶部２１９ｂで構成される。
大腿を駆動する軌道２１９ｃは、次のようにして求めることができる。動作条件入力部２２１からの股関節の駆動角度をθとすると、大腿を駆動するアームの角度θ０は股関節の角度θに等しいため、θ０ ＝θとおき、動作条件入力部２２１からの駆動速度によって駆動角度θを時系列で変化させてやれば、大腿を駆動する軌道２１９ｃを得ることができる。
【００３５】
図９は、この実施の形態２の大腿動作制御部の内部を示す詳細図である。
大腿動作制御部２１８は、軌道生成部からの目標軌道２２４を受ける。インピーダンス制御部２１８ｂは、軌道生成部からの目標軌道２２４と力センサからの負荷情報２３１とから最終的な目標軌道２１８ｃを生成する。
サーボ系２１８ａは、目標軌道２１８ｃと駆動軸センサからの角度・角速度情報２２２とから、各駆動軸のモータへの出力指令２２３を出力する。以上より、動作制御部２１８は軌道情報２２４を受けて、大腿部を駆動するアームを制御することができる。
【００３６】
図１０は、この実施の形態２の下腿動作制御部の内部を示す詳細図である。
下腿動作制御部２２０は、下腿装着部２１２内の図示していない力センサからの負荷情報２３０を受ける。インピーダンス制御部２２０ｃは、力センサからの負荷情報２３０から最終的な目標軌道２２０ｄ、２２０ｅを生成する。サーボ系２２０ａは、目標軌道２２０ｄと駆動軸センサからの角度・角速度情報２２９とから、駆動軸２０２のモータへの出力指令２２８を出力する。
また、サーボ系２２０ｂは、目標軌道２２０ｅと駆動軸センサからの角度・角速度情報２２６とから、駆動軸２０３のモータへの出力指令２２７を出力する。
【００３７】
下腿部を大腿部の動きに追従させて駆動するため、下腿動作制御部のインピーダンス制御は、次の式のバネ係数Ｋ＝０として制御を行えば良い。
Ｆｘ ＝Ｍａｘ ＋Ｂｖｘ ＋Ｋ（ｘ−ｘ０ ） ……………………（式７）
ここで各記号は、次の意味である。
Ｆｘ ：下腿部とアーム間に作用する力
Ｍ、Ｂ、Ｋ：目標インピーダンス
ｘ：フリー回転軸１０６の位置（Ｘ，Ｙ ）
ｘ０ ：ｘのバネ剛性の平衡点
ａｘ ：ｘの微分値
ｖｘ ：ｘの２回微分値
以上のように構成された肢体駆動装置［図６］は、大腿部を設定した動作角度で駆動すると、下腿部はインピーダンス制御により大腿部の動きに追従して駆動するため、下腿部の軌道を生成せずに下肢を駆動することができる。
【００３８】
以上述べたように、本発明の実施の形態２によれば、肢体の一定の自由度に対する軌道のみを生成し、残りの自由度に対する動作は、インピーダンス制御により追従させて肢体を駆動するため、個人差や装着位置による装置の調節や設定の変更を行う必要がなく操作性を向上することができる。また、装置の調節ミスや肢体情報の入力ミスがなくなるため、安全性の向上に効果がある。
【００３９】
［実施の形態３］
以下、本発明の実施の形態３を図に基づいて説明する。
図１１は本発明の実施の形態３の全体の回路構成等を示す図である。
この装置全体の構成を表す図１１において、３１１は大腿部３１４を装置に装着する大腿装着部、３１２は下腿部３１５を装置に装着する下腿装着部、３０１、３０２、３０３は駆動軸、３０４は３０１に連動し同じ角度回転する連動駆動軸、３０７、３０８、３０９、３１０はリンク、３１３は装置の基部、３０５、３０６はフリー回転部であり、これらによって動作本体をなしている。
３１８は、動作制御部であり、前記動作本体との間で大腿装着部３１１や下腿装着部３１２内の図示していない力センサからの負荷情報や、駆動軸３０１、３０２、３０３に設けた各種センサからの位置や姿勢情報などの運動情報３２２、各駆動軸３０１、３０２、３０３への運動指令３２３をやりとりする。
【００４０】
下肢情報設定部３２０は、股関節３１６と膝関節３１７間の長さ、膝関節３１７と下腿部装着位置３０６間の長さ、股関節３１６と装置の基部３１３との距離を設定し、これらの長さおよび距離の情報３２５を軌道生成部３１９へ送る。動作条件入力部３２１では、下肢を駆動する場合に必要な下肢関節の駆動角度，駆動速度，回数などを入力し、これらの動作条件情報３２６を軌道生成部３１９へ送る。
【００４１】
一方、軌道生成部３１９は、長さ及び距離の情報３２５や動作条件情報３２６から動作本体の軌道を計算して動作制御部３１８へ軌道情報３２４を送る。
軌道生成部３１９，動作制御部３１８について、さらに詳しい説明を以下に示す。
【００４２】
図１４は、この実施の形態３の軌道生成部の内部を示す詳細図である。
軌道生成部３１９は、大腿を駆動する軌道の計算部３１９ａ、下腿を駆動する軌道の計算部３１９ｂ、大腿を駆動するアームの軌道計算と記憶部３１９ｃ、下腿を駆動するアームの軌道計算と記憶部３１９ｄで構成される。
大腿を駆動する軌道３１９ｅおよび下腿を駆動する軌道３１９ｆは、肢体および装置の各パラメータを図１２のようにおくと、次のようにして求めることができる。
まず、大腿を駆動する軌道３１９ｃは、動作条件入力部３２１からの股関節の駆動角度をθとすると、大腿を駆動するアームの角度θ０は、股関節の角度θに等しいため、θ０＝θとおき、動作条件入力部３２１からの駆動速度によって駆動角度θを時系列で変化させてやれば、大腿を駆動する軌道３１９ｃを得ることができる。
【００４３】
次に、下腿を駆動する軌道３１９ｆは、動作条件入力部３２１からの股関節の駆動角度をθとすると、下肢情報設定部からの長さ及び距離の情報３２９から、装置の下肢装着部３１２の位置Ｐ１ （Ｘ， Ｙ）は、次の式で計算することができる。（図１３参照）
Ｘ＝Ｌｍ ｃｏｓθ＋Ｌｓ −Ｌｈ −Ｌａ ……………………（式８）
Ｙ＝Ｌｍ ｓｉｎθ ……………………（式９）
これらの式から動作条件入力部３２１からの駆動速度によって肢体関節の駆動角度θを時系列で変化させてやれば、下肢体を駆動する軌道３１９ｆを得ることができる。
【００４４】
この下肢を駆動する軌道３１９ｆから装置駆動軸の関節角度の時系列における目標軌道３２４ｂに変換するには、ロボット工学におけるロボットマニピュレータの逆運動学計算を用いれば良い。このようにして、軌道生成部３１９は、下肢情報設定部からの長さ及び距離の情報３２９と動作条件入力部からの動作条件情報３２６から、装置関節の目標軌道３２４ａ、３２４ｂを計算し動作制御部３１８に出力する。
【００４５】
図１５は、この実施の形態３の動作制御部の内部を示す詳細図である。
動作制御部３１８は、軌道生成部からの目標軌道３２４を受ける。インピーダンス制御部３１８ｂは、軌道生成部からの目標軌道３２４と力センサからの負荷情報３２７とから最終的な目標軌道３１８ｃを生成する。
サーボ系３１８ａは、目標軌道３１８ｃと駆動軸センサからの角度・角速度情報３２２とから、各駆動軸のモータへの出力指令３２３を出力する。
以上より、動作制御部３１８は軌道情報３１８ｃを受けて、動作本体の運動を制御することができる。
【００４６】
以上のように構成された下肢を含む肢体駆動装置［図１１］は、大腿を駆動するアームと下腿を駆動するアームの２つのアームで構成され、大腿を駆動するアームの軌道と下腿を駆動するアームの軌道を分けて生成するため、複雑な設定や計算を行わずに肢体を駆動することができる。
以上述べたように、本発明の実施の形態３によれば、大腿と下腿をわけて目標軌道を生成するので、簡単な入力と単純な軌道計算で下肢を駆動することができる。
【００４７】
【発明の効果】
かくして、これまでの詳細な説明から明らかなように、本発明は、その請求項１及び請求項２の発明に係る手段により、個人差による肢体の長さや肢体と装置との距離に応じて、装置を駆動する目標軌道を生成するので、肢体と装置との正確な位置合わせをすることなく、リハビリテーションやトレーニングに適切な動きを行なうことが可能な肢体駆動装置の提供をすることが可能となる。
【００４８】
またその請求項３及び請求項４の発明に係る手段により、一定の自由度に対する軌道のみを生成して肢体を駆動し、残りの自由度に対する動作は、アームの機械的インピーダンスを制御して軌道の動きに追従させるので、肢体と装置との正確な位置合わせを行うことなく肢体を駆動することが可能な肢体駆動装置の提供をすることが可能となる。
【００４９】
さらに請求項５ないし請求項７の発明に係る手段により、大腿部の軌道と下腿部の軌道を分けて軌道の生成を行うので、動作の教示や複雑な設定を行わずに、下肢を動かすことが可能な肢体駆動装置の提供をすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の動作と回路構成を示すブロック図
【図２】実施の形態１の肢体情報測定部の内部の構成を示す詳細図
【図３】実施の形態１の肢体情報の算出方法を説明するための図
【図４】実施の形態１の軌道生成部の内部の構成を示す詳細図
【図５】実施の形態１の動作制御部の内部の構成を示す詳細図
【図６】本発明の実施の形態２の動作と回路構成を示すブロック図
【図７】実施の形態２の動作条件入力部の内部の構成を示す詳細図
【図８】実施の形態２の軌道生成部の内部の構成を示す詳細図
【図９】実施の形態２の大腿動作制御部の内部の構成を示す詳細図
【図１０】実施の形態２の下腿動作制御部の内部の構成を示す詳細図
【図１１】本発明の実施の形態３の動作と回路構成を示すブロック図
【図１２】実施の形態３の軌道の算出方法を説明するための肢体および装置の各パラメータの定義を示す図
【図１３】実施の形態３の軌道の算出方法を図１２の定義によって説明するための図
【図１４】実施の形態３の軌道生成部の内部の構成を示す詳細図
【図１５】実施の形態３の動作制御部の内部の構成を示す詳細図
【符号の説明】
１０１，１０２ 駆動軸
１０３ フリー回転軸
１０４，１０５ リンク
１０６ 装置の基部
１０７ 肢体装着部
１０８ 治療あるいは訓練を行う肢体の部分
１０９ 肢体関節
１１０ 動作制御部
１１０ａ サーボ系
１１０ｂ インピーダンス制御部
１１０ｃ 目標軌道
１１１ 軌道生成部
１１１ａ 肢体を駆動する軌道の計算部
１１１ｂ 装置の軌道計算と記憶部
１１１ｃ 肢体を駆動する軌道
１１２ 肢体情報測定部
１１２ａ 肢体の運動学的情報の計算部
１１３ 動作条件入力部
１１４ 駆動軸センサからの角度・角速度情報（運動情報）
１１５ モータへの出力指令（運動指令）
１１６ 軌道生成部からの（目標）軌道情報
１１７ 肢体情報測定部からの長さ及び距離の情報
１１８ 角度情報（駆動軸及びフリー回転軸の角度）
１１９ 動作条件入力部からの動作条件情報
１２０ 力センサからの負荷情報
２０１，２０２，２０３，２０４ 駆動軸
２０５，２０６ フリー回転軸
２０７，２０８，２０９，２１０ リンク
２１１ 大腿装着部
２１２ 下腿装着部
２１３ 装置の基部
２１４ 大腿部
２１５ 下腿部
２１６ 股関節
２１７ 膝関節
２１８ 大腿動作制御部
２１８ａ サーボ系
２１８ｂ インピーダンス制御部
２１８ｃ 目標軌道
２１９ 軌道生成部
２１９ａ 大腿を駆動する軌道の計算部
２１９ｂ 大腿を駆動するアームの軌道計算と記憶部
２１９ｃ 大腿を駆動する軌道
２２０ 下腿動作制御部
２２０ａ，２２０ｂ サーボ系
２２０ｃ インピーダンス制御部
２２０ｄ，２２０ｅ 目標軌道
２２１ 動作条件入力部
２２１ａ 動作条件の記憶部
２２１ｂ 肢体を駆動する際の動作条件
２２２ 駆動軸センサからの角度・角速度情報
２２３ モータへの出力指令
２２４ 軌道生成部からの目標軌道
２２５ 動作条件入力部からの動作条件情報
２２６，２２９ 駆動軸センサからの角度・角速度情報
２２７，２２８ モータへの出力指令
２３０，２３１ 力センサからの負荷情報
３０１，３０２，３０３ 駆動軸
３０４ 連動駆動軸
３０５，３０６ フリー回転軸
３０７，３０８，３０９，３１０ リンク
３１３ 装置の基部
３１１ 大腿装着部
３１２ 下腿装着部
３１４ 大腿部
３１５ 下腿部
３１６ 股関節
３１７ 膝関節
３１８ 動作制御部
３１８ａ サーボ系
３１８ｂ インピーダンス制御部
３１８ｃ 目標軌道
３１９ 軌道生成部
３１９ａ 大腿を駆動する軌道の計算部
３１９ｂ 下腿を駆動する軌道の計算部
３１９ｃ 大腿を駆動するアームの軌道計算と記憶部
３１９ｄ 下腿を駆動するアームの軌道計算と記憶部
３１９ｅ 大腿を駆動する軌道
３１９ｆ 下腿を駆動する軌道
３２０ 下肢情報設定部
３２１ 動作条件入力部
３２２ 運動情報
３２３ モータへの出力指令
３２４ａ，３２４ｂ 軌道生成部への（目標）軌道情報
３２５ 長さ及び距離の情報
３２６ 動作条件入力部からの動作条件情報
３２７ 力センサからの負荷情報
３２９ 下肢情報設定部からの長さ及び距離の情報
Claims (7)
- 治療あるいは訓練を行う肢体の部分に装着された肢体装着部と、
該肢体装着部に備えるフリー回転軸に第１のリンクを経て前記肢体の部分を駆動する第１の駆動軸と、
該第１の駆動軸と第２のリンクを経て前記第１の駆動軸を駆動し装置の基部に回転自在に支承された第２の駆動軸と
から成る肢体を任意に駆動することが可能な肢体駆動部と、
前記基部から前記駆動軸の角度情報を受入れ、肢体関節から前記肢体装着部までの長さ情報を送出し、前記肢体を駆動する際の情報を測定することが可能な肢体情報測定部と、
予め入力された肢体の動作条件情報を送出する動作条件入力部と、
前記長さ情報と前記動作条件情報から前記肢体を駆動する際の軌道情報を生成し送出する軌道生成部と、
前記軌道情報と駆動軸センサからの運動情報と力センサからの負荷情報とから、前記駆動軸へ運動指令を送出する動作制御部と
によって構成されたことを特徴とする肢体駆動装置。 - 前記肢体情報測定部は、前記肢体駆動部の駆動関節および前記肢体装着部の角度センサによる角度情報やリンクの長さ情報により、前記肢体関節と前記肢体装着部間の長さ、前記肢体関節と前記肢体駆動部との位置関係などの前記肢体の運動学的情報を測定することを特徴とする請求項１記載の肢体駆動装置。
- 前記肢体を任意に駆動することが可能な前記肢体駆動部と、前記肢体を駆動する際の動作条件を入力することが可能な前記動作条件入力部と、前記肢体を駆動する際の軌道を生成することが可能な前記軌道生成部とを備え、前記動作条件入力部の情報に従って前記軌道生成部で前記肢体の少なくとも１つの自由度に対する軌道を生成し、残りの自由度に対する動作は、前記肢体を駆動するアームの機械的インピーダンスを制御して前記軌道の動きに追従させることにより前記肢体駆動部で肢体を駆動する構成にしたことを特徴とする肢体駆動装置。
- 前記動作条件入力部は、前記肢体関節の駆動角度、駆動速度および動作繰り返し回数を入力するものであることを特徴とする請求項３記載の肢体駆動装置。
- 大腿部と下腿部を独立に駆動することが可能な下肢駆動部と、下肢を駆動する際の情報を設定することが可能な下肢情報設定部と、下肢を駆動する際の軌道を生成することが可能な軌道生成部とを備え、前記下肢情報設定部の情報に従って前記軌道生成部で前記大腿部の軌道と前記下腿部の軌道を生成し、前記大腿部の軌道に従って前記大腿部を駆動し、前記下腿部の軌道に従って前記下腿部を駆動する構成にしたことを特徴とする肢体駆動装置。
- 前記下肢情報設定部は、股関節と膝関節間の長さ、膝関節と下腿部装着位置間の長さ、股関節と装置の基部との距離を設定するものであることを特徴とする請求項５記載の肢体駆動装置。
- 前記軌道生成部は、前記大腿部の軌道を股関節位置を中心に前記股関節と大腿部駆動位置との長さを径とする円弧を描くように生成し、前記下腿部の軌道を股関節位置から前記膝関節と下腿部駆動位置の長さだけ足先の方向へシフトした位置を中心に大腿部長さを径とする円弧を描くように生成することを特徴とする請求項５記載の肢体駆動装置。
【０００１】
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