JP3797437B2 - Continuous passive motion device - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、手術前後あるいはリハビリテーションをおこなうときに関節部の拘縮を防止あるいは緩和するための装置において、大腿部および下腿部の自由な運動を可能とし、関節に負荷のかからない柔軟な制御を実現でき、しかも機構がコンパクトで持ち運びに便利で、直接教示によって治療動作を繰り返し再現実行できる、膝関節用の連続他動運動装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
連続他動運動とは、受傷直後あるいは手術直後から治療対象の関節を長時間受動的に連続して動かして関節部の修復を促す治療法で、関節の回復期間を著しく短縮する効果がある。人体の関節部が損傷あるいは手術を受けた場合、従来の治療法ではギブス等により固定していた。その結果、関節の動きが悪くなる拘縮という症状を引き起こし、その後のリハビリテーションを長期間必要としていた。しかし、その治療に代る新しい治療法として連続他動運動法が1980年カナダのサルター教授により提唱され、その治療法を実施する装置の発明と共に、その効果が次第に明かになってきている(Salter,R.B.: The biological effect of continuous passive motion on the healing of full-thickness defects in articular cartilage., J. Bone Joint Surg., 62-A, pp.1232-1251, 1980. )。
従来の連続他動運動装置は、図4に示すようになっている。図4は特表平 4−506610の「人体の下腿部に連続受動運動を付与する装置」である。同装置は座姿勢または仰臥姿勢で脚を前後にスライドさせて動かし、膝関節の開閉運動を誘起するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが図4に示した従来装置では、機構が1自由度のスライド機構と簡単なためコンパクトで持ち運びが容易であるが、大腿部と下腿部が常に膝より下に位置するため鬱血を引き起こすおそれがあった。また、この装置では脚の屈伸方向にスライドする1自由度の機構によって膝の1自由度の開閉を起こさせる方式であるため、大腿部と下腿部からの負荷が常に膝関節に加わることになり、膝に無理な負荷がかかるという問題点があった。
そこで、本発明は、手術前後あるいはリハビリテーションをおこなうときに関節部の拘縮を防止あるいは緩和するための装置において、大腿部および下腿部の自由な運動を可能とし、関節に負荷のかからない柔軟な制御を実現でき、しかも機構がコンパクトで持ち運びに便利で、直接教示によって治療動作を繰り返し再現実行できる、連続他動運動装置を提供することを目的とするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するため、本発明は、治療対象の膝関節を受動的に連続して動かして関節部の修復を促す治療に使用される連続他動運動装置において、
下腿部を支持し力を加える多自由度の運動機構部を、
基底部100 と、
前記基底部100 の両端部に駆動力をもって駆動される相互に同一長の2本の第1のリンク201,202 と、
前記第1のリンク201,202 から、一本は駆動力をもって、他方はフリージョイントで連結された相互に同一長の2本の第2のリンク203,204 と、
前記2本の第2のリンク203,204 をフリージョイントで連結する第3のリンク205 から構成される並進2自由度と回転1自由度の垂直平面内に3自由度を持つパラレルメカニズムによって構成するとともに、
下腿部の支持部を前記第3のリンク上に設けたことを特徴とするものである。
【0005】
【作用】
パラレルメカニズムとは並列機構とも呼ばれるもので、いわゆる平行リンクとは異なり、装置の自由度を大きく取ることができ、かつ、駆動装置を基底部分に配置できるため装置を軽量化することができ、かつ、リンク剛性を高くすることができる、という特徴をもった機構構成方法である。また、本発明では、さらに、機構部と脚との間に作用する力を計測する力センサを下腿部を把持する機構部分に配置し、その力をフィードバックすることで力制御およびコンプライアンス制御をおこなう。また、脚を把持した機構にコンプライアンス制御を実行し、力を加えればその力の方向に沿って機構部が自由にならい動作をおこなえることを利用して、脚を直接動かすことで大腿部および下腿部の連続他動運動の治療動作を直接教示し、教示したデータを記憶し、記憶した教示データにしたがって治療動作を繰り返し再現実行できるようにするものである。
上記の手段により、脚全体を身体の上方に位置するように支持したうえで膝の開閉運動を行なうことができるため、脚全体が胴体より常に上に位置するため脚に鬱血を引き起こすおそれがない。また、パラレルメカニズムによって3自由度機構を装置が持つため、脚の自由な運動が保証され膝に無理な負荷がかかるおそれがない。さらに、機構部と脚との間に配置した力センサで計測した力をフィードバックすることで力制御およびコンプライアンス制御をおこなうので、脚に無理な力をかけることがない。また、コンプライアンス制御を利用して、脚を直接動かすことで大腿部および下腿部の連続他動運動の治療動作を直接教示することができるので、教示データにしたがって治療動作を繰り返し再現実行することができる。
【0006】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図1は本発明の連続他動運動装置を示す図である。
図において、100は装置の基底部、101は第1の駆動軸、102は第2の駆動軸、104は第3の駆動軸、103、105、106はフリージョイントを表す。また、201、202、203、204、205は装置の軸を接続するリンクである。206は駆動軸104を基底部のモータで駆動するためのベルトドライブ機構である。301はリンク205に固定された力センサで装置と脚との間に生じる力を計測する。力センサの上部に固定された302は脚を装置に固定するためのスプリントである。下腿部401はスプリント302によって装置に固定される。装置の動作によって下腿部401と大腿部403は関節404と402を中心に駆動される。
【0007】
図2は本発明の連続他動運動装置の側面図である。
図において、500は装置の基底部、501は第2の駆動軸用モータ、502は第3の駆動軸用モータをしめす。第3の駆動軸用モータはベルトドライブ機構509を介して第3の駆動軸506を駆動する。503は第2の駆動軸、504はモータ502とベルトドライブ機構509を接続する軸、505、507、508はフリージョイントを表す。また、601、602、603、604、605、606は装置の軸を接続するリンクである。701はリンク605に固定された力センサで装置と脚との間に生じる力を計測する。力センサの上部に固定された702は脚を装置に固定するためのスプリントである。下腿部801はスプリント702によって装置に固定される。
以上のような機構により、下腿部を常に上げた状態で膝の屈伸運動を行なうことができ、また、並進2自由度回転1自由度の垂直平面内3自由度をもつため脚の自由な運動を保証することができる。また、3個のモータは全て装置の基底部に配置することができるので、リンクへの荷重が小さくなるためリンク剛性を低くでき、また、装置全体の重心を低くできるので、持ち運び可能なまでに全体の構成をコンパクトにすることができる。
【0008】
図3は本発明の連続他動運動装置の動作を示す図である。
図において、111、112、113はそれぞれ第1の駆動軸、第2の駆動軸、第3の駆動軸を示す。力センサ211は、膝の伸展および収縮方向の平面内3自由度における、脚と装置との間に発生した、並進の2方向、回転の1方向の3軸の力を計測する。計測した力の情報212は、コントローラ310の力センサアンプ311に送り、3軸の力の値312に変換してインピーダンス制御器313に送られる。インピーダンス制御器313では、目標インピーダンス(目標慣性行列M、目標粘性行列B、目標剛性行列K)にしたがって、312の示す力の値のベクトルFに対し、
F=Mα+BV+K(XーXo)…(1)
を実現するように位置ベクトルの指令値Xを発生し、これを関節座標系での値である関節角度指令ベクトルθに座標変換した後、サーボアンプ315に送る。サーボアンプ315はこれを受けて各駆動軸に発生すべきトルク316を計算して各軸の関節の値を制御する。ここで、Xoは目標剛性におけるばねの平衡点で、装置を駆動する目標軌道、VはXの一次微分、αはXの二次微分を表す。また、(1)式を実現するような方法としては例えば文献(平林ほか:多自由度ロボットの仮想コンプライアンス制御、計測自動制御学会論文集、Vol.22,No.3,1986)などがある。
【0009】
次に、装置の動作の教示および実行の手順について説明する。
装置の動作の教示には脚を装置に固定するスプリント302あるいは脚411を手で持って直接動かして教示する。膝の伸展および収縮の運動を連続的に行なうような動作を教示するため、脚411を動かす方向に力をかけると、その力は装置と脚との間に発生する力として力センサ211に検出される。先に説明した手順に従って、力情報は関節の角度指令値θに変換される。このとき装置は動かそうとする方向に設定した目標インピーダンスの特性を示しながら動く。また、関節角度指令値θはコントローラ310メモリ317に時系列データとして記録されるので、教示された動作は、装置の駆動軸の関節角度の値として記録されることになる。以上のようにして動作の教示を行なうことができる。次に、動作を実行するときは、記録した教示データである時系列データを順次メモリ317から払出し、これを目標軌道として装置を駆動する。さらに装置の動作実行中に脚と装置との間に力が発生すれば、先に説明した手順によって、教示データをばねの平衡点として、力にたいして目標インピーダンスに従うような位置偏差を発生して脚の動作にならうような軌道を描きながら、装置が動作を実行することになる。以上、装置の機構、動作について説明した。
【0010】
このように、上記で説明したような機構により、脚全体を身体の上方に位置するように支持したうえで膝の開閉運動を行なうことができるため、脚全体が胴体より常に上に位置するため脚に鬱血を引き起こすおそれがない。また、パラレルメカニズムによって3自由度機構を装置が持つため、脚の自由な運動が保証され膝に無理な負荷がかかるおそれがない。さらに、基底部にアクチュエータを持つパラレルメカニズムのため、直接にリンクを配置する図3の方式に比べ、リンク剛性を格段に小さくしても問題がなく、機構がコンパクトになるため、装置が大がかりになるという問題点が解消される。さらに、機構部と脚との間に配置した力センサで計測した力をフィードバックすることで力制御およびコンプライアンス制御をおこなうので、脚に無理な力をかけることがない。また、コンプライアンス制御を利用して、脚を直接動かすことで大腿部および下腿部の連続他動運動の治療動作を直接教示することができるので、教示データにしたがって治療動作を繰り返し再現実行することができる。
【0011】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、大腿部および下腿部の位置および姿勢を自在に制御可能な多自由度の運動機構を、装置の基底部分に配置された3個のアクチュエータによって駆動され、アクチュエータに直結した軸とリンクおよびアクチュエータに直結したベルトドライブ機構またはシャフトドライブ機構によって駆動される軸とリンクによって動作し、下腿部を把持および支持し力を加える、並進2自由度回転1自由度の垂直平面内3自由度を持つパラレルメカニズムによって構成するので、脚全体を身体の上方に位置するように支持したうえで膝の開閉運動を行なうことができるため、脚全体が胴体より常に上に位置するため脚に鬱血を引き起こすおそれがない。また、パラレルメカニズムによって3自由度機構を装置が持つため、脚の自由な運動が保証され膝に無理な負荷がかかるおそれがない。さらに、基底部にアクチュエータを持つパラレルメカニズムのため、直接にリンクを配置する図3の方式に比べ、リンク剛性を格段に小さくしても問題がなく、機構がコンパクトになる効果がある。
また、機構部と脚との間に作用する力を計測する力センサを下腿部を把持する機構部分に配置し、その力をフィードバックすることで力制御およびコンプライアンス制御をおこなうので、脚に無理な力をかけることがないという効果がある。
また、コンプライアンス制御を利用して、脚を直接動かすことで大腿部および下腿部の連続他動運動の治療動作を直接教示することができるので、教示データにしたがって治療動作を繰り返し再現実行することができるという効果がある。なお、本発明の装置は、同様な機構と制御系の構成で、リハビリテーションおよび運動訓練装置としても使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す図である。
【図2】本発明の実施例の側面を示す図である。
【図3】本発明の実施例の動作を示す図である。
【図4】従来の装置の機構を示す図である。
【符号の説明】
100…装置の基底部
101…第1の駆動軸
102…第2の駆動軸
104…第3の駆動軸
103、105、106…フリージョイント
201、202、203、204、205…装置の軸を接続するリンク
206…ベルトドライブ機構
301…力センサ
302…スプリント
401…下腿部
403…大腿部[0001]
[Industrial application fields]
The present invention is a device for preventing or alleviating contracture of a joint part before and after surgery or when performing rehabilitation, and enables flexible movement of the thigh and crus and does not apply a load to the joint. Further, the present invention relates to a continuous passive motion apparatus for a knee joint that has a compact mechanism, is convenient to carry, and can repeatedly perform a treatment operation by direct teaching.
[0002]
[Prior art]
Continuous passive movement is a treatment method that promotes joint repair by moving the joint to be treated passively and continuously for a long time immediately after injury or immediately after surgery, and has the effect of significantly shortening the joint recovery period. When the joint part of the human body is damaged or operated, the conventional treatment method is fixed with a cast or the like. As a result, the symptom of contracture that caused the movement of the joint to worsen was caused, and subsequent rehabilitation was required for a long time. However, a continuous passive movement method was proposed by Prof. Salter of Canada in 1980 as a new treatment alternative to the treatment, and the effect of the device has been gradually revealed along with the invention of a device for performing the treatment (Salter). , RB: The biological effect of continuous passive motion on the healing of full-thickness defects in articular cartilage., J. Bone Joint Surg., 62-A, pp.1232-1251, 1980.).
A conventional continuous passive motion apparatus is as shown in FIG. FIG. 4 is a “device for applying continuous passive motion to the lower leg of a human body” of JP-T-4-506610. This device induces an open / close motion of the knee joint by sliding the leg back and forth in a sitting or supine posture.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional device shown in FIG. 4 is compact and easy to carry because the mechanism is simple with a one-degree-of-freedom slide mechanism, but it causes congestion because the thigh and crus are always located below the knee. There was a fear. In addition, this device uses a mechanism with one degree of freedom that slides in the bending direction of the leg to open and close the knee with one degree of freedom, so that loads from the thigh and crus are always applied to the knee joint. Therefore, there was a problem that an excessive load was applied to the knee.
Therefore, the present invention is a device for preventing or reducing joint contracture before and after surgery or during rehabilitation, and allows free movement of the thigh and lower leg, and does not apply a load to the joint. It is an object of the present invention to provide a continuous passive motion apparatus capable of realizing simple control, having a compact mechanism and convenient to carry, and capable of repeatedly reproducing and executing a treatment operation by direct teaching.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a continuous passive motion apparatus used for a treatment for passively continuously moving a knee joint to be treated to promote joint repair,
A multi-degree-of-freedom motion mechanism that supports the lower leg and applies force
Two
From the
A parallel mechanism having three degrees of freedom in a vertical plane of two translational degrees of freedom and one degree of freedom of rotation composed of a third link 205 connecting the two
The lower leg support portion is provided on the third link.
[0005]
[Action]
The parallel mechanism is also called a parallel mechanism, and unlike a so-called parallel link, the degree of freedom of the device can be increased, and the drive device can be arranged on the base portion, so that the device can be reduced in weight, and This is a mechanism construction method having the feature that the link rigidity can be increased. Further, in the present invention, a force sensor for measuring the force acting between the mechanism part and the leg is arranged in the mechanism part that grips the lower leg part, and force control and compliance control are performed by feeding back the force. Do it. Also, compliance control is performed on the mechanism that holds the leg, and if the force is applied, the mechanism can move freely along the direction of the force, and the leg can be moved directly to move the thigh and A treatment operation for continuous passive movement of the lower leg is directly taught, the taught data is stored, and the treatment operation can be repeatedly reproduced according to the stored teaching data.
By the above means, the entire leg can be supported so as to be positioned above the body and the knee can be opened and closed, so the entire leg is always above the torso, so there is no possibility of causing congestion in the leg. . In addition, since the device has a three-degree-of-freedom mechanism by a parallel mechanism, free movement of the legs is guaranteed and there is no possibility that an unreasonable load is applied to the knee. Furthermore, since force control and compliance control are performed by feeding back the force measured by the force sensor arranged between the mechanism part and the leg, no excessive force is applied to the leg. In addition, by using compliance control, it is possible to directly teach the therapeutic action of continuous passive movement of the thigh and crus by moving the leg directly, so the therapeutic action is repeatedly reproduced according to the teaching data. be able to.
[0006]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a view showing a continuous passive motion apparatus of the present invention.
In the figure, 100 is a base portion of the apparatus, 101 is a first drive shaft, 102 is a second drive shaft, 104 is a third drive shaft, and 103, 105, and 106 are free joints.
[0007]
FIG. 2 is a side view of the continuous passive motion apparatus of the present invention.
In the figure,
With the mechanism as described above, the knee can bend and extend with the lower leg always raised, and it has 3 degrees of freedom in a vertical plane with 2 degrees of translation and 1 degree of freedom of rotation. Exercise can be guaranteed. In addition, since all three motors can be placed at the base of the device, the load on the link is reduced, so the link rigidity can be lowered, and the center of gravity of the entire device can be lowered. The overall configuration can be made compact.
[0008]
FIG. 3 is a diagram showing the operation of the continuous passive motion apparatus of the present invention.
In the figure,
F = Mα + BV + K (X−Xo) (1)
The position vector command value X is generated so as to realize the above, and this is coordinate-converted into a joint angle command vector θ which is a value in the joint coordinate system, and then sent to the
[0009]
Next, a procedure for teaching and executing the operation of the apparatus will be described.
In order to teach the operation of the apparatus, the
[0010]
In this way, the mechanism as described above can support the entire leg to be positioned above the body, and the knee can be opened and closed, so the entire leg is always positioned above the torso. There is no risk of congestion in the legs. In addition, since the device has a three-degree-of-freedom mechanism by a parallel mechanism, free movement of the legs is guaranteed and there is no possibility that an unreasonable load is applied to the knee. Furthermore, since the parallel mechanism has an actuator at the base, there is no problem even if the link rigidity is significantly reduced compared to the method shown in FIG. The problem of becoming is solved. Furthermore, since force control and compliance control are performed by feeding back the force measured by the force sensor arranged between the mechanism part and the leg, no excessive force is applied to the leg. In addition, by using compliance control, it is possible to directly teach the therapeutic action of continuous passive movement of the thigh and crus by moving the leg directly, so the therapeutic action is repeatedly reproduced according to the teaching data. be able to.
[0011]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the multi-degree-of-freedom motion mechanism capable of freely controlling the positions and postures of the thigh and crus is provided by the three actuators arranged at the base portion of the apparatus. Driven by a shaft and link directly connected to the actuator, and a shaft and link driven by a belt drive mechanism or shaft drive mechanism directly connected to the actuator, gripping and supporting the crus and applying force, translational two degrees of freedom rotation Since it is composed of a parallel mechanism with 3 degrees of freedom in a vertical plane with 1 degree of freedom, the entire leg can be moved from the torso by supporting the entire leg so that it is positioned above the body and opening and closing the knee. Because it is always on the top, there is no risk of causing congestion in the legs. In addition, since the device has a three-degree-of-freedom mechanism by a parallel mechanism, free movement of the legs is guaranteed and there is no possibility that an unreasonable load is applied to the knee. Furthermore, since the parallel mechanism has an actuator at the base, there is no problem even if the link rigidity is significantly reduced compared to the method of FIG.
In addition, a force sensor that measures the force acting between the mechanism and the leg is placed in the mechanism that grips the lower leg, and force control and compliance control are performed by feeding back the force. There is an effect that it does not apply a strong force.
In addition, by using compliance control, it is possible to directly teach the therapeutic action of continuous passive movement of the thigh and crus by moving the leg directly, so the therapeutic action is repeatedly reproduced according to the teaching data. There is an effect that can be. In addition, the apparatus of this invention can be used also as a rehabilitation and exercise training apparatus with the structure of the same mechanism and control system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a side view of an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing the operation of the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a view showing a mechanism of a conventional apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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