JP3706848B2 - 駆動装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は駆動装置に関し、特に、膝関節やその他の関節を訓練する医療装置およびロボット（ヒューマノイド）に適用可能な駆動装置に関する。以下、本発明の駆動装置を膝関節訓練装置に関連して説明するが、本発明は膝関節訓練装置に限定されるものではない。
【０００２】
【従来の技術】
患者の膝を手術した後、膝の手術後の回復のために一定期間膝を固定し動かないようにしている。この結果、膝の可動範囲に狭くなりリハビリテーションが必要となる。従来、リハビリテーションの訓練装置としてはＣＰＭ(連続的受動運動)を用いることが、例えば、特開平０６−１０５８７７号公報、特開平０８−１９６５８５号公報、特開平１１−１９２２７３号公報等に提案されている。
【特許文献１】
特開平０６−１０５８７７号公報
【特許文献２】
特開平０８−１９６５８５号公報
【特許文献３】
特開平１１−１９２２７３号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来例のＣＰＭでは、膝を中心として大腿部に対して下腿部を回動させることを繰り返し行うようになっているが、人の手で訓練するのとは異なり、設定した軌道を患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することはできなかった。
【０００４】
したがって、本発明の目的は、人の手で訓練するように、設定した軌道を患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することのできる膝関節訓練装置等の駆動装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するために、本発明は、被駆動部を保持する保持部材と、少なくとも２つのばねを対向させて構成され、ばねの合成力が前記保持部材に可変な力を与えるばね定数可変機構と、該ばね定数可変機構で作り出される２つのばねの拮抗点を変化させるとともに、被駆動部を保持する保持部材に一定の軌道の動きをさせる駆動機構と、を有することを特徴とする駆動装置である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明のばね定数可変機構を用いた膝関節訓練装置を説明するための構成図である。図２は本発明のばね定数可変機構の原理を説明するための図である。図３は本発明の非線形ばねの動作特性を説明するための図である。図４は非線形ばねの２次特性を説明するための図である。図５は２つの２次特性ばねによるばね定数可変を説明するための図である。図６は２つの非線形ばねによるばね定数可変を説明するためのグラフである。図７は２つのばねの拮抗点を変更する機構を説明するための図である。図８は２次特性ばね図である。図９は円錐形のばねの特性を示すグラフである。
【０００７】
最初に、図２を参照して、本発明のばね定数可変機構の原理を説明する。このばね定数可変機構１０は、端的に言えば、２つの２次（２乗）特性を持つ非線形ばね１１を組み合わせることによりばね定数可変の線形ばね特性を拮抗点の部材１２を得るものである。
【０００８】
拮抗点の部材１２は例えばスライダからなり、部材が動く方向の両端には、お互いに逆方向に力が加わるように非線形ばね１１が配置される。非線形ばねの他端はばねを圧縮するための部材があり、そのばねを圧縮するための部材１３の距離はサーボモータ１４により変更することができる。
【０００９】
このように構成されたばね定数可変機構では、各サーボモータ１４でばねを圧縮するための部材１３を移動させると、ばね１１は圧縮されることになる。両方のばね１１が拮抗点の部材１２で連結されているので、お互いの力が拮抗するまで、拮抗点の部材１２が移動して停止することになる。この所定位置は拮抗点における線形ばね特性のばね定数に依存することになる。
【００１０】
次に、図３から図６を参照して、どのようにして拮抗点の部材１２に線形ばね特性が与えられるかについて説明する。図３には、非線形ばね特性（特に２次ばね特性）を持つ不等ピッチコイルばね１１が示されている。すなわち、コイルのピッチが２次ばね特性に対応するように徐々に変化させられてものである。不等ピッチコイルばねとしては同一径のコイル部分を持つものばかりでなく、コイル径が徐々に縮小する円錐形の不等ピッチコイルばねであってもよい。図８及び図９は，例として２次特性をもつ円錐形のばねの構造および２次特性をもつ円錐形のばねの特性を示している。また、特開平２０００−３３７４１５号公報には非線形異形コイルが示されており、この非線形異形コイルから２次特性のばねを作製できるので、本発明で用いる２次特性のばねとして用いることができる。
【００１１】
２次ばね特性を持つばねが圧縮されると、圧縮量（移動位置）に対してばね力は図４に示すように２次特性を示す。
【００１２】
今、図４に示すような２次特性を持つ２つのばねを図５に示すように配置すると仮定する。ここで、ばねの自由長をｘ0（ｍ）とすると、非線形ばねの長さｘ（ｍ）と力ｆ（Ｎ）との関係は、
ｆ＝ｋ（ｘ−ｘ0）2 （１）
と表すことができる。ただしｋは２乗に比例する定数で単位はＮ／ｍ2である。
ここで、２つのばねが図５に示す位置で拮抗したとすると、支持点間の距離を２ｌ（ｍ）、中心からの距離をｘｃ（ｍ）とすると、それぞれのばねに生じる圧縮力力ｆ1、ｆ2は、
ｆ1＝ｋ（ｌ＋ｘc−ｘ0） （２）
ｆ2＝ｋ（ｌ−ｘc−ｘ0） （３）
となり、合成力ｆ12は
ｆ12＝４ｋ（ｌ−ｘ0）ｘc
となり、４ｋ（ｌ−ｘ0）を比例定数とする線形ばねの特性が得られる。
なお、上記式の算出においては、簡略化のためにｘ、ｘc等の範囲条件を省略している。
【００１３】
この結果、図６のグラフに示すようにばね定数が可変のものが得られる。
【００１４】
次に、図１を参照して、本発明のばね定数可変機構を用いた膝関節訓練装置を説明する。ばね定数可変機構１０が設けられており、その詳細は図２に関連して既に説明しているので、省略する。
【００１５】
膝関節訓練装置１００はばね定数可変機構１０に加えて、そのばね定数可変機構で作り出される２つのばねの拮抗点を変動させ、脚部５０にある一定の軌道の動きをさせる駆動機構２０を備える。駆動機構２０は、図７に示すように、例えば、スライダ２１とボールネジ２２とサーボモータ２３からなる。サーボモータにより、スライダ上のばね定数可変機構１０を移動することで、２つのばねの拮抗点を変動させることができる。
【００１６】
これらばね定数可変機構１０と２つのばねの拮抗点を変動する駆動機構２０で使用するモータはモータコントローラを含む軌道・ばね定数特性入力装置４０により制御され、訓練に用いる軌道とばね定数を生成する。
【００１７】
さらに、膝関節訓練装置１００は、これらばね定数可変機構１０と駆動機構２０で生成される動きと力を、患者の脚部５０に伝えるために、脚部保持部材３０を備えている。この脚部保持部材３０は、患者の脚部５０を保持するように配置され、脚部を動かす。また脚部保持部材３０は、ばね定数可変機構１０の拮抗点の部材１２と連結されており、そのばね定数の調整と脚の姿勢の変動とは、ばね定数可変機構１０のサーボモータ１４と駆動機構２０のサーボモータ２３によって行われる。このようにばね定数を調整することで、患者にとって最適な条件でリハビリテーションの訓練を受けることができる。
【００１８】
以上、本発明の駆動装置を膝関節訓練装置を例として説明してきたが、本発明は膝関節ばかりでなく、他の関節にも適用できるものであり、また、ロボット（ヒューマノイド）にも適用可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、例えば、人の手で訓練するように、設定した軌道を患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することはできる膝関節訓練装置等の駆動装置が得られる。
【００２０】
その他、以下のような効果が得られる。
（１）サーボモータの速度が遅くてもやわらかさを実現できる。また,トルクも比較的小さくできる。
（２）電源が停止しても柔らかさを保持できる。
（３）力センサが必要ない。また、力センサで感知することのできない場所に力を加えても反応する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明のばね定数可変機構を用いた膝関節訓練装置を説明するための構成図である。
【図２】 図２は本発明のばね定数可変機構の原理を説明するための図である。
【図３】 図３は本発明の非線形ばねの動作特性を説明するための図である。
【図４】 図４は非線ばねの２次特性を説明するための図である。
【図５】 図５は２つの２次特性ばねによるばね定数可変を説明するための図である。
【図６】 図６は２つの２次特性ばねによるばね定数可変を説明するためのグラフである。
【図７】 図７は２つのばねの拮抗点を変更する機構を説明するための図である。
【図８】 図８は２次特性ばねの例の円錐形のばねの構成を示す図である。
【図９】 図９は円錐形のばねの特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ ばね定数可変機構
１１ 非線形ばね
１２ 拮抗点の部材
１３ ばねを圧縮するための部材
１４ ばねを圧縮するサーボモータ
２０ ばね定数の拮抗点を変更する駆動機構
２１ スライダ
２２ ボールネジ
２３ ばね定数の拮抗点を変更するサーボモータ
３０ 脚部保持部材
４０ モータコントローラを含む軌道、ばね定数特性入力装置
５０ 患者の脚部
１００ 膝関節訓練装置
２０ 下腿部保持部材
【発明の属する技術分野】
本発明は駆動装置に関し、特に、膝関節やその他の関節を訓練する医療装置およびロボット（ヒューマノイド）に適用可能な駆動装置に関する。以下、本発明の駆動装置を膝関節訓練装置に関連して説明するが、本発明は膝関節訓練装置に限定されるものではない。
【０００２】
【従来の技術】
患者の膝を手術した後、膝の手術後の回復のために一定期間膝を固定し動かないようにしている。この結果、膝の可動範囲に狭くなりリハビリテーションが必要となる。従来、リハビリテーションの訓練装置としてはＣＰＭ(連続的受動運動)を用いることが、例えば、特開平０６−１０５８７７号公報、特開平０８−１９６５８５号公報、特開平１１−１９２２７３号公報等に提案されている。
【特許文献１】
特開平０６−１０５８７７号公報
【特許文献２】
特開平０８−１９６５８５号公報
【特許文献３】
特開平１１−１９２２７３号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来例のＣＰＭでは、膝を中心として大腿部に対して下腿部を回動させることを繰り返し行うようになっているが、人の手で訓練するのとは異なり、設定した軌道を患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することはできなかった。
【０００４】
したがって、本発明の目的は、人の手で訓練するように、設定した軌道を患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することのできる膝関節訓練装置等の駆動装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するために、本発明は、被駆動部を保持する保持部材と、少なくとも２つのばねを対向させて構成され、ばねの合成力が前記保持部材に可変な力を与えるばね定数可変機構と、該ばね定数可変機構で作り出される２つのばねの拮抗点を変化させるとともに、被駆動部を保持する保持部材に一定の軌道の動きをさせる駆動機構と、を有することを特徴とする駆動装置である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明のばね定数可変機構を用いた膝関節訓練装置を説明するための構成図である。図２は本発明のばね定数可変機構の原理を説明するための図である。図３は本発明の非線形ばねの動作特性を説明するための図である。図４は非線形ばねの２次特性を説明するための図である。図５は２つの２次特性ばねによるばね定数可変を説明するための図である。図６は２つの非線形ばねによるばね定数可変を説明するためのグラフである。図７は２つのばねの拮抗点を変更する機構を説明するための図である。図８は２次特性ばね図である。図９は円錐形のばねの特性を示すグラフである。
【０００７】
最初に、図２を参照して、本発明のばね定数可変機構の原理を説明する。このばね定数可変機構１０は、端的に言えば、２つの２次（２乗）特性を持つ非線形ばね１１を組み合わせることによりばね定数可変の線形ばね特性を拮抗点の部材１２を得るものである。
【０００８】
拮抗点の部材１２は例えばスライダからなり、部材が動く方向の両端には、お互いに逆方向に力が加わるように非線形ばね１１が配置される。非線形ばねの他端はばねを圧縮するための部材があり、そのばねを圧縮するための部材１３の距離はサーボモータ１４により変更することができる。
【０００９】
このように構成されたばね定数可変機構では、各サーボモータ１４でばねを圧縮するための部材１３を移動させると、ばね１１は圧縮されることになる。両方のばね１１が拮抗点の部材１２で連結されているので、お互いの力が拮抗するまで、拮抗点の部材１２が移動して停止することになる。この所定位置は拮抗点における線形ばね特性のばね定数に依存することになる。
【００１０】
次に、図３から図６を参照して、どのようにして拮抗点の部材１２に線形ばね特性が与えられるかについて説明する。図３には、非線形ばね特性（特に２次ばね特性）を持つ不等ピッチコイルばね１１が示されている。すなわち、コイルのピッチが２次ばね特性に対応するように徐々に変化させられてものである。不等ピッチコイルばねとしては同一径のコイル部分を持つものばかりでなく、コイル径が徐々に縮小する円錐形の不等ピッチコイルばねであってもよい。図８及び図９は，例として２次特性をもつ円錐形のばねの構造および２次特性をもつ円錐形のばねの特性を示している。また、特開平２０００−３３７４１５号公報には非線形異形コイルが示されており、この非線形異形コイルから２次特性のばねを作製できるので、本発明で用いる２次特性のばねとして用いることができる。
【００１１】
２次ばね特性を持つばねが圧縮されると、圧縮量（移動位置）に対してばね力は図４に示すように２次特性を示す。
【００１２】
今、図４に示すような２次特性を持つ２つのばねを図５に示すように配置すると仮定する。ここで、ばねの自由長をｘ0（ｍ）とすると、非線形ばねの長さｘ（ｍ）と力ｆ（Ｎ）との関係は、
ｆ＝ｋ（ｘ−ｘ0）2 （１）
と表すことができる。ただしｋは２乗に比例する定数で単位はＮ／ｍ2である。
ここで、２つのばねが図５に示す位置で拮抗したとすると、支持点間の距離を２ｌ（ｍ）、中心からの距離をｘｃ（ｍ）とすると、それぞれのばねに生じる圧縮力力ｆ1、ｆ2は、
ｆ1＝ｋ（ｌ＋ｘc−ｘ0） （２）
ｆ2＝ｋ（ｌ−ｘc−ｘ0） （３）
となり、合成力ｆ12は
ｆ12＝４ｋ（ｌ−ｘ0）ｘc
となり、４ｋ（ｌ−ｘ0）を比例定数とする線形ばねの特性が得られる。
なお、上記式の算出においては、簡略化のためにｘ、ｘc等の範囲条件を省略している。
【００１３】
この結果、図６のグラフに示すようにばね定数が可変のものが得られる。
【００１４】
次に、図１を参照して、本発明のばね定数可変機構を用いた膝関節訓練装置を説明する。ばね定数可変機構１０が設けられており、その詳細は図２に関連して既に説明しているので、省略する。
【００１５】
膝関節訓練装置１００はばね定数可変機構１０に加えて、そのばね定数可変機構で作り出される２つのばねの拮抗点を変動させ、脚部５０にある一定の軌道の動きをさせる駆動機構２０を備える。駆動機構２０は、図７に示すように、例えば、スライダ２１とボールネジ２２とサーボモータ２３からなる。サーボモータにより、スライダ上のばね定数可変機構１０を移動することで、２つのばねの拮抗点を変動させることができる。
【００１６】
これらばね定数可変機構１０と２つのばねの拮抗点を変動する駆動機構２０で使用するモータはモータコントローラを含む軌道・ばね定数特性入力装置４０により制御され、訓練に用いる軌道とばね定数を生成する。
【００１７】
さらに、膝関節訓練装置１００は、これらばね定数可変機構１０と駆動機構２０で生成される動きと力を、患者の脚部５０に伝えるために、脚部保持部材３０を備えている。この脚部保持部材３０は、患者の脚部５０を保持するように配置され、脚部を動かす。また脚部保持部材３０は、ばね定数可変機構１０の拮抗点の部材１２と連結されており、そのばね定数の調整と脚の姿勢の変動とは、ばね定数可変機構１０のサーボモータ１４と駆動機構２０のサーボモータ２３によって行われる。このようにばね定数を調整することで、患者にとって最適な条件でリハビリテーションの訓練を受けることができる。
【００１８】
以上、本発明の駆動装置を膝関節訓練装置を例として説明してきたが、本発明は膝関節ばかりでなく、他の関節にも適用できるものであり、また、ロボット（ヒューマノイド）にも適用可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、例えば、人の手で訓練するように、設定した軌道を患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することはできる膝関節訓練装置等の駆動装置が得られる。
【００２０】
その他、以下のような効果が得られる。
（１）サーボモータの速度が遅くてもやわらかさを実現できる。また,トルクも比較的小さくできる。
（２）電源が停止しても柔らかさを保持できる。
（３）力センサが必要ない。また、力センサで感知することのできない場所に力を加えても反応する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明のばね定数可変機構を用いた膝関節訓練装置を説明するための構成図である。
【図２】 図２は本発明のばね定数可変機構の原理を説明するための図である。
【図３】 図３は本発明の非線形ばねの動作特性を説明するための図である。
【図４】 図４は非線ばねの２次特性を説明するための図である。
【図５】 図５は２つの２次特性ばねによるばね定数可変を説明するための図である。
【図６】 図６は２つの２次特性ばねによるばね定数可変を説明するためのグラフである。
【図７】 図７は２つのばねの拮抗点を変更する機構を説明するための図である。
【図８】 図８は２次特性ばねの例の円錐形のばねの構成を示す図である。
【図９】 図９は円錐形のばねの特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ ばね定数可変機構
１１ 非線形ばね
１２ 拮抗点の部材
１３ ばねを圧縮するための部材
１４ ばねを圧縮するサーボモータ
２０ ばね定数の拮抗点を変更する駆動機構
２１ スライダ
２２ ボールネジ
２３ ばね定数の拮抗点を変更するサーボモータ
３０ 脚部保持部材
４０ モータコントローラを含む軌道、ばね定数特性入力装置
５０ 患者の脚部
１００ 膝関節訓練装置
２０ 下腿部保持部材
Claims (3)
- 被駆動部を保持する保持部材と、
少なくとも２つのばねを対向させて構成され、ばねの合成力が前記保持部材に可変な力を与えるばね定数可変機構と、
該ばね定数可変機構で作り出される２つのばねの拮抗点を変化させるとともに、被駆動部を保持する保持部材に一定の軌道の動きをさせる駆動機構と、
を有することを特徴とする駆動装置。 - 請求項１記載の駆動装置において、前記ばね定数は線形であり、前記ばね定数可変機構は２つの２次特性ばねの組合せによって構成されることを特徴とする駆動装置。
- 請求項１記載の駆動装置において、前記ばね定数可変機構は、
２次特性を持つ第１ばねと、
２次特性を持つ第２ばねと、
第１および第２ばねの端部を連結するワイヤーと、
第１および第２ばねの圧縮とその作用する位置を制御する２つのサーボモータと、
を有し、
前記サーボモータによって作用力が加えられた第１ばねと第２ばねの拮抗に基づいて前記ばね定数が決められ、また拮抗点を移動することでそのばね定数が変えられる、
ことを特徴とする駆動装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002274902A JP3706848B2 (ja) | 2002-09-20 | 2002-09-20 | 駆動装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002274902A JP3706848B2 (ja) | 2002-09-20 | 2002-09-20 | 駆動装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004105609A JP2004105609A (ja) | 2004-04-08 |
| JP3706848B2 true JP3706848B2 (ja) | 2005-10-19 |
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ID=32271251
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| Country | Link |
|---|---|
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Families Citing this family (7)
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|---|---|---|---|---|
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| JPWO2009122557A1 (ja) * | 2008-03-31 | 2011-07-28 | パナソニック電工株式会社 | 運動補助装置 |
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| CN101385682B (zh) * | 2008-10-08 | 2010-09-01 | 刘海宁 | 截瘫患者下肢功能康复器 |
| JP2011083884A (ja) * | 2009-10-19 | 2011-04-28 | Yaskawa Electric Corp | 可変剛性機構及びロボット |
| DK2512560T3 (en) | 2009-12-16 | 2018-07-16 | Becton Dickinson Co | Even injector device |
| CN112426327B (zh) * | 2020-11-13 | 2022-02-22 | 合肥工业大学 | 一种基于非线性机构的可变刚度柔索驱动器 |
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2002
- 2002-09-20 JP JP2002274902A patent/JP3706848B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2004105609A (ja) | 2004-04-08 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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