JP4019228B2 - 関節負荷を考慮した訓練装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、肢体への負荷を考慮した訓練装置において、特に、装置の動作を肢体の関節の動きに基づいて制御する訓練装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人間の肢体を動かす装置には、医療分野で使用される連続他動運動装置（ＣＰＭ装置）、リハビリの分野で使用されるリハビリテーシヨン装置やスポーツ・トレーニング装置等の訓練装置がある。上記装置において、力制御を行う従来の方法としては、図６に示すように装置先端に目標インピーダンスを設定し、力を制御する方式がある（特開平７−３２３０４８号公報）。また上記装置において、位置制御を行う従来の方法としては、装置先端に目標インピーダンスを設定し位置を制御する方式がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では、力制御、位置制御のいずれも装置先端の動きに着目しているため、各関節の症状や治療状況に適した制御を行うことが難しい。
しかし実際には、装置先端の動きではなく各関節ごとの動きに着目し、インピーダンス制御を行う場合には、各関節ごとに目標インピーダンスを設定し、あまり負荷をかけたくない関節に対しては目標インピーダンスを小さく設定して少しの負荷でもその負荷を逃がすようにし、逆に治療のために負荷をかけたい関節に対しては目標インビーダンスを大きく設定して、ある程度の負荷がかかっても逃げないようにできることが望ましい。また、位置制御を行う場合には、肢体の各関節の角度を用いて装置を制御することが望ましい。
【０００４】
本発明の目的は、従来技術の課題に鑑み、それぞれの症状や治療状況に対応し、肢体の各関節に対して細かな治療を行うことのできる訓練装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、肢体に装着した装置の動作によって肢体を動かす目的で、装置に取り付けられた力計測装置のセンシング情報および位置計測装置のセンシング情報をもとに、装置の動作を制御する訓練装置において、訓練装置の動作中に、装置に装着した肢体の関節への負荷を、常に監視する関節負荷変換部と、装置に装着した肢体の関節角度を、常に監視する関節角度変換部とを備え、各関節ごとに目標インピーダンスを設定し、関節負荷変換部により得られる肢体の関節への負荷と、関節角度変換部により得られる肢体の関節の角度とから肢体の各関節ごとにインピーダンス制御を行う訓練装置である。
また、関節角度変換部により得られる肢体の関節の角度から肢体の各関節ごとに位置制御を行ない、関節負荷変換部により得られる肢体の関節への負荷から肢体の各関節ごとに力制御を行なう訓練装置である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例１について図に基づいて説明する。
図１は実施例１である各関節ごとのインピーダンス制御をする制御ブロック図である。図１において、１０１は装置先端の位置・姿勢から肢体の関節角度を求める関節角度変換部、１０２は肢体の関節角度から装置先端の位置・姿勢を求める位置・姿勢変換部である。また、１０３は装置のサーボシステム、１０４は駆動される肢体の剛性である。そして、１０５は装置先端の力センサで計測された力を肢体の関節負荷に変換する関節負荷変換部、１０６は肢体の各関節ごとの目標インピーダンスを設定するインピーダンス設定部である。
図４は３自由度（位置２、姿勢１自由度）を有したＣＰＭ装置の構成を示したもので、この実施例では膝と股の関節を対象とした装置を示す。装置の機軸は大地等に取り付け、ＣＰＭ装置の先端は目的とする関節より先の部分に取り付けを行う。リンク機構部の先端には患者の脚から作用する力を計測するために３自由度の力センサ４０４が取り付けられている。またリンク機構部はモータ４０１〜４０３が３個連続して同じ平面上を回転できるように配置されている。モータ内部には、角度の検出が可能なエンコーダを内蔵しているものとする。
【０００７】
図５は３自由度のＣＰＭ装置の説明図である。図５において、５０１は治療を行う肢体、５０２は装置、５０３は膝関節、５０４は股関節である。またＯr-ＸrＹrは装置の座標系、Ｏm-ＸmＹmは肢体の座標系、Ｌ₁は大腿部の長さ、Ｌ₂は下腿部の長さ、Ｆx、Ｆy、Ｍzは力センサ４０４で計測される力およびモーメント、θ₁、θ₂はそれぞれ膝関節、股関節の角度、τ₁、τ₂はそれぞれ膝関節、股関節に加わるトルクを表す。
実施例１の作用について説明する。
まず、図１において、装置先端の位置・姿勢（ｘe，ｙe，θ）の指令値Ｘdを関節角度変換部１０１により関数Ａｔａｎ２を用いて肢体の関節角度の目標値θ_tchmに変換する。
【０００８】
θ₂＝Ａｔａｎ２［｛ｈx−ｘe−Ｌ₂ｓｉｎ（９０゜−θ）｝，｛ｈy−ｙe−Ｌ₂ｃｏｓ（９０゜−θ）｝］ （１）
θ₁＝θ₂−（９０゜−θ） （２）
ここで、
（ｈx，ｈy）：肢体の座標系の原点Ｏmからみた装置の座標系の原点Ｏrの位置
（ｘe，ｙe，θ）：装置の座標系の原点Ｏrからみた装置先端の位置と姿勢
そして、肢体１０４からの反力ｆと目標インピーダンス設定部１０６から計算される角度変位δθを加え、各関節角度の目標値θrをつくりだす。
次に各関節の目標値θrを位置・姿勢変換部１０２によって装置先端の位置・姿勢（ｘe，ｙe，θ）の目標値Ｘrに変換する。
【０００９】
ｘe＝ｈx−Ｌ₁ｃｏｓθ₂−Ｌ₂ｃｏｓ（θ₂−θ₁） （３）
ｙe＝ｈy−Ｌ₁ｓｉｎθ₂−Ｌ₂ｓｉｎ（θ₂−θ₁） （４）
θ＝９０゜−θ₂＋θ₁ （５）
この装置先端の位置・姿勢（ｘe，ｙe，θ）の目標値Ｘrを装置のサーボシステム１０３に入力し装置を駆動制御する。この時、装置の位置Ｘと肢体位置にズレがあると、肢体剛性１０４に比例した力ｆが装置に加わる。この力ｆを力センサ４０４によって計測し、力センサ計測値に基づいて関節負荷変換部１０５において各膝関節、股関節に加わるトルクτ₁，τ₂を求める。
τ₂＝｛Ｌ₁ｃｏｓθ₂＋Ｌ₂ｃｏｓ（θ₂−θ₁）｝Ｆx−｛Ｌ₁ｓｉｎθ₂＋Ｌ₂ｓｉｎ（θ₂−θ₁）｝Ｆy＋Ｍz （６）
τ₁＝−Ｌ₂ｃｏｓ（θ₂−θ₁）Ｆx＋Ｌ₂ｓｉｎ（θ₂−θ₁）Ｆy−Ｍz （７）
そして、各関節における目標インピーダンスをインピーダンス設定部１０６により次のように設定する。
【００１０】
膝関節に対する目標インピーダンス （ｍ₁，ｄ₁，ｋ₁）
股関節に対する目標インピーダンス （ｍ₂，ｄ₂，ｋ₂）
なお、この目標インピーダンス設定部１０６では、関節の治療状態ごとに、例えば、あまり負荷をかけたくない関節の目標インピーダンスは小さく設定し、少しの負荷でもその負荷を逃がすようにする。逆に治療のために負荷をかけたい関節は目標インピーダンスを大きく設定し、ある程度の負荷がかかっても逃げないようにするなど、最適な目標インピーダンス値を選択する。
この場合、各関節における力学的関係式は次式となる。
τ_i＝ｍ_iα_i＋ｄ_iω_i＋ｋ_i（θ_i−θ_tchmi） （８）
ここで、
τ_i：各関節に加わるトルク ｍ_i，ｄ_i，ｋ_i：各関節の目標インピーダンス
θ_i：各関節の角度 ω_i：各関節の各速度 α_i：各関節の各加速度
θ_tchmi：ティーチング時の各関節の角度
計算機で実行するために（８）式の関係式を差分式の関係に置き換えると、角度変位δθは次式により求めることができる。
【００１１】
θ_k＝Ｃ_aθ_kー1＋Ｃ_bθ_kー2＋Ｃ_cτ＋θ_tchmi （９）
ここで、
θ_k：ｋ番目の角度指令 角度指令θ_k＝（θ₁，θ₂）
τ_k：各関節に加わるトルク Ｃa＝ｄｉａｇ（ａ₁，ａ₂）
Ｃb＝ｄｉａｇ（ｂ₁，ｂ₂） Ｃc＝ｄｉａｇ（ｃ₁，ｃ₂）
ａi＝（２ｍi＋Ｔｄi）／Ｄ，ｂi＝−ｍi／Ｄ，ｃi＝Ｔ²／Ｄ
Ｄ＝ｍi＋ｄiＴ＋ｋiＴ² （ｉ＝１，２）
Ｔ：サンプリング周期
以上の関係式を用いて各関節ごとのインピーダンス制御を実現する。
次に、本発明の実施例２について図に基づいて説明する。
【００１２】
図２は実施例２である各関節ごとの位置制御をする制御ブロック図である。同図において、まず、各関節に配置したエンコーダの検出角度から実際の膝関節および股関節の角度θ₁、θ₂を計算し、肢体の各関節の目標角度θdからのズレδθを計算する。そして、（３）式、（４）式および（５）式を用いてこのδθを装置の位置・姿勢変換部１０２により装置座標系の原点０rからみた装置先端の位置指令（ｘe，ｙe，θ）に変換し、装置のサーボシステム１０３に入力する。
その後、装置先端の位置・姿勢（ｘe，ｙe，θ）から関節角度変換部１０１により膝関節、股関節の角度θ₁，θ₂を（１）式および（２）式を用いて求め、フィードバックを行う。
以上の手順を用いて各関節ごとの位置制御を実現する。
【００１３】
次に本発明の実施例３について図に基づいて説明する。
図３は実施例３である各関節ごとの力制御をする制御ブロック図である。図において、３０１は肢体の各関節の負荷τを装置先端の力ｆに変換する先端力変換部、３０２は装置に力制御を行う力制御部である。
まず肢体の各関節における目標負荷τ_dを指定し、実際の膝関節および股関節の負荷τ₁，τ₂とのズレδτを計算する。そして、先端力変換部３０１において、このズレδτを以下の式を用いて装置先端における力偏差δｆに変換する。
δｆ＝Ｊ^#Tδτ （１０）
ここでＪ^#はヤコビアンＪの疑似逆行列である。
そして、この力偏差δｆを装置に力制御を行う力制御部３０２に入力し、装置を駆動する。この時、力センサ４０４によって計測される装置先端に加わる力から、各関節に加わる負荷τを（６）式および（７）式を用いて関節負荷変換部１０５において求め、フィードバックを行う。
以上の手順を用いて各関節ごとの力制御を実現する。
【００１４】
【発明の効果】
以上述ベたように、本発明によれば、装置先端の動きではなく各関節ごとの動きに着目した制御が実現でき、インピーダンス制御を行う場合には、治療関節に合った目標インピーダンスを設定することでき、従来の脚先端の目標インピーダンスを設定していた方式に比ベ治療関節に対して細かな治療を行うことができる。
また、本発明によれば、位置制御もしくは力制御を行う場合には、肢体の各関節の角度もしくは負荷を用いた制御が実現でき、症状や治療状況に対応して肢体の各関節に対して細かな治療を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１である各関節ごとのインピーダンス制御をする制御ブロック図
【図２】実施例２である各関節ごとの位置制御をする制御ブロック図
【図３】実施例３である各関節ごとの力制御をする制御ブロック図
【図４】３自由度のＣＰＭ装置の模式図
【図５】３自由度のＣＰＭ装置の説明図
【図６】従来のインピーダンス制御の模式図
【符号の説明】
１０１ 関節角度変換部
１０２ 位置・姿勢変換部
１０３ サーボシステム
１０４ 肢体剛性
１０５ 関節負荷変換部
１０６ インピーダンス設定部
３０１ 先端力変換部
３０２ 力制御部
４０１〜３ モータ
４０４ 力センサ
５０１ 対象肢体
５０２ 装置
５０３ ヒザ関節
５０４ 股関節

Claims (5)

1. 肢体に装着した装置の動作によって肢体を動かす目的で、装置に取り付けられた力計測装置のセンシング情報および位置計測装置のセンシング情報をもとに、装置の動作を制御する訓練装置において、
   訓練装置の動作中に、装置に装着した肢体の関節への負荷を、常に監視する関節負荷変換部と、装置に装着した肢体の関節角度を、常に監視する関節角度変換部とを備え、各関節ごとに目標インピーダンスを設定し、関節負荷変換部により得られる肢体の関節への負荷と、関節角度変換部により得られる肢体の関節の角度とから肢体の各関節ごとにインピーダンス制御を行うことを特徴とする訓練装置。
2. 関節角度変換部により得られる肢体の関節の角度から、肢体の各関節ごとに位置制御を行なうことを特徴とする請求項１に記載の訓練装置。
3. 関節負荷変換部により得られる肢体の関節への負荷から、肢体の各関節ごとに力制御を行なうことを特徴とする請求項１乃至２のいずれかの１項に記載の訓練装置。
4. 関節負荷変換部は、肢体の各関節に取り付けた力検出器の検出出力より関節負荷を求めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの１項に記載の訓練装置。
5. 関節角度変換部は、肢体の各関節に取り付けたエンコーダ、ポテンショメータなどの計測装置の計測出力より関節角度を求めることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの１項に記載の訓練装置。

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