JP4061432B2 - Exercise therapy equipment - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全身機能低下を矯正し、筋・骨格系統の機能を改善し、健康状態を維持・改善する目的で、リラクセーションや関節可動域訓練や筋力増強訓練や持続力増強訓練や協調性訓練や神経筋再教育やその他の訓練を行う、いわゆる運動療法を実施する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、整形外科で用いられる運動装置あるいは理学療法科で用いられる運動療法装置は、以下のようである。
1)例えば、特開昭60−179062、特開昭60−232158、特開昭61−170464、特公平4−14028では、肢体の稼働角度を数値で設定すると、その角度にしたがって一定速度で患者の肢体を運動せしめる、いわゆる連続他動運動を行う。
2)また、特公昭57−44337、特公平3−54587では、他動運動のほかに筋力増強などを目的とした、等尺運動、等張運動、等速運動の自動運動を行える。他動運動では、先の角度入力の他に肢体を直接動かす、いわゆる直接教示手段を用いて稼働角度を時系列データとして設定すると、その時系列データにしたがって肢体を運動せしめることができる。また、自動運動とは、装置によって肢体が動かされる他動運動とは異なり、肢体が能動的に力を発揮して運動するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来技術では、1)の場合、他動運動しか実施できず、肢体の筋力発揮による、いわゆる自動運動を行わせることができない。また、2)の場合では、他動運動の他に等尺運動、等張運動、等速運動の自動運動を行わせることができるが、肢体の疾患の始まりから回復までに実施する運動療法からみると、上記従来装置によって実施できるのは運動療法のごく一部であり、最も微妙な運動療法技能が要求される部分の運動を実現することができない。例えば上記従来装置の実施できる等尺運動とは、装置の動作のない状態で筋力を発揮させるもので肢体の運動がないものである。また、上記従来装置の実施できる等張運動とは、肢体に筋力を発揮させて装置を動かすものではあるが、筋力のある程度回復した状態による抵抗運動に近いものである。また、上記従来装置の実施できる等速運動とは、肢体が筋力を発揮しながら一方装置が等速で運動し肢体もこれにつれて運動するものではあるが、装置の運動速度は肢体の発揮した筋力に無関係である。しかしながら、上記いずれの運動も、肢体の発揮した筋力の大きさにしたがってこれを介助するように運動させる、いわゆる自動介助運動には置き換えることができないものである。
【0004】
本発明の目的は、関節・筋力の疾患と回復状態に応じ、急性期の他動運動と、等尺運動、等張運動、等速運動の各種の自動運動・自動介助運動から、慢性期の抵抗運動に至るまでの、リハビリテーションの全ての局面にわたって総合的な運動療法を実施できる運動療法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】
本発明の運動療法装置は、
患者が運動すべき軌道と範囲を教示する軌道教示手段と、
患者の肢体から装置への負荷を計測する負荷計測手段と、
負荷計測手段によって計測された負荷の値を、地面に対し垂直方向と水平方向に分離し、軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき軌道と範囲をもとに、各方向において負荷情報を増幅するフィルタと、負荷情報を位置または速度または加速度の運動指令に変換するフィルタとに通す負荷情報変換手段と、
該運動指令に沿って患者の肢体を駆動する肢体駆動手段
を有する。
本発明の他の運動療法装置は、
患者が運動すべき軌道と範囲を教示する軌道教示手段と、
該軌道を時系列データとして記憶する第1の記憶手段と、
順序点列として該軌道を整理し記憶する第2の記憶手段と、
各点列の各点において逐次座標変換を行う座標変換手段と、
患者の肢体から装置への負荷を計測する負荷計測手段と、
該負荷を各点列の該座標に沿って計算する負荷計算手段と、
負荷計測手段によって計測された負荷の値を、地面に対し垂直方向と水平方向に分離し、軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき軌道と範囲をもとに、各方向において負荷情報を増幅するフィルタと、負荷情報を位置または速度または加速度の運動指令に変換するフィルタとに通す負荷情報変換手段と、
該運動指令の補正を行う運動指令補正手段と、
補正された該運動指令に沿って患者の肢体を駆動する肢体駆動手段
を有する。
【0006】
本装置により、運動療法の一部しか実施できず、特に、最も微妙な療法技能が要求される自動介助運動を実施できないという問題は生じず、関節・筋力の疾患と回復状態に応じ、急性期の他動運動と、等尺運動、等張運動、等速運動の各種の自動運動と自動介助運動から、慢性期の抵抗運動に至るまでの、リハビリテーションの全ての局面にわたって総合的な運動療法を実施できる。
【0007】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は本発明の第1の実施形態の運動療法装置の全体構成を示す図である。治療あるいは訓練を行う肢体の部分である肢体101は装置の把持部102によって把持される。肢体101の負荷は把持部102に取り付けられた、負荷計測部である力センサ203により常に計測され、負荷情報204を発生する。軌道教示部201では以下に述べるような各種の手法によって肢体101の運動軌道202を設定する。負荷情報204と、軌道教示部201が発生した運動軌道202と、肢体駆動部207から入力した各駆動軸の位置・速度・加速度のいずれかの運動情報208とから、負荷情報変換部205では運動指令206を発生し、肢体駆動部207に送る。肢体駆動部207は、各駆動軸の運動情報208と運動指令206とから各駆動軸104〜106へのトルク指令110を発生する。装置の機構は基部109と、駆動軸104〜106と、各駆動軸104と105、105と106をそれぞれ連結するリンク107,108と、把持部102とから構成される。ここで、装置の機構のうち、可動部分、すなわち駆動軸104〜106とリンク107、108をまとめて装置のアームと称する。肢体駆動部207から受けたトルク指令110にしたがって各駆動軸104〜106は駆動トルクを発生し、各駆動軸104〜106に備えられた角度センサまたは速度センサにより運動情報111を発生する。ここで、軌道教示部201としては、装置のアームを肢体101に取り付けた状態で該アームを直接動かすことでアームの動作を教示する、いわゆるロボット工学における直接教示によって肢体101の動くべき動作を設定する手法や、他に直接教示による軌道教示部201として、装置のアームの機械的インピーダンスを制御によって仮想的に調整することで、肢体101の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法や、直接教示による軌道教示部201として、装置のアクチュエータのパワーを低減あるいは切ることで、肢体101の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法や、直接教示による軌道教示部201として、装置のアクチュエータから該アームへの駆動力伝達を機構的に遮断することで、肢体101の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法がある。また、軌道教示部201として他に、装置のアームとは別に設けられたレバーやダイアルを調整することで、肢体101の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法がある。以上の方法により、肢体101の動くべき軌道は、図2に示すように、あたかも空間にレールがあるかのように仮想的に設定することができる。肢体101は装置の把持部102を介して仮想軌道レール301(303は仮想軌道レール301に対する運動中心を示す)の上を自由に動かすことができる。なお、図に示した仮想軌道レール301は両端に仮想的な止め部を備えて上に開いており、両端の止め部の間であれば仮想軌道レール301の上に自由に肢体101を動かすことができることを示しているが、仮想軌道レール302のようにレールの形を上下に閉じた形にすれば、その上下のレールの間のみ動くようにも容易に設定することができる。
【0008】
レバーやダイアルを調整することで、肢体101の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法について図3により説明する。図3はレバーによって肢体101の動くべき軌道と動作範囲を設定する例を示したものである。本例には、装置の把持部102の垂直方向の可動範囲に対応する設定部401と、水平方向の可動範囲に対応する設定部411と、把持部102の軌道教示部201とからなる。垂直方向の可動範囲に対応する設定部401は、肢体頭部方向の端点における垂直方向の位置に対応するレバー405とレバー溝402、肢体足部方向の端点における垂直方向の位置に対応するレバー407とレバー溝404、両端点の中間位置における垂直方向の位置に対応するレバー406とレバー溝403とからなる。各レバー溝402〜404は上端が垂直方向の最高位値を、下端が最低位置を示す。各レバー405〜407を動かすことで両端点および中間点における軌道の垂直方向の位置を設定できる。各レバー405〜407からの位置情報408〜410は軌道教示部201に送られる。一方、水平方向の可動範囲に対応する設定部411は、2つのレバー413と414がレバー溝412を動くことができ、レバー413と414は各々頭部方向の端点と足部方向の端点の位置を示す。水平方向の両位置情報415は軌道教示部201に送られる。軌道教示部201は、垂直方向の位置情報408〜410と水平方向の位置情報415とから、軌道を2次または3次の滑らかな曲線で補間し、把持部102の動くべき軌道を2次元空間において設定する。設定された運動軌道202は負荷情報変換部205へ送られる。なお、レバーの代りにダイアルでも容易に実現可能である。また。3次元空間における運動軌道の設定も、さらにレバーあるいはダイアルを加えることで容易に実現可能である。以上の各手法による軌道設定により図2で示したような仮想軌道レール301を形成することができる。
【0009】
次に、負荷計測部203の例をいくつか以下に示す。これには例えば、図1で示したような、装置が肢体101を支持する部分に備えた力センサ203を用いることで患者の肢体101から装置への負荷を計測することができる。また、別の手段として、図1の装置のアームの各駆動軸104〜106に備えられたトルクセンサを用いて、装置のアームの位置と姿勢情報から、患者の肢体101から装置への負荷を計測することができる。また、別の手段として、図1の装置のアームの各アクチュエータの電流値を用いることで患者の肢体101から装置への負荷を計測することができる。また、別の手段として、図1の装置のアームの各モータの電流値と各モータの速度情報とを用いたいわゆる外乱オブザーバを用いることで患者の肢体101から装置への負荷を計測することができる。また、別の手段として、図1の駆動される肢体101の主要な筋肉の筋電情報を用いて、そのときの肢体101の各関節の角度情報とから、患者の肢体101から装置への負荷を計測することができる。また、別の手段として、図1の駆動される肢体101の主要な筋肉のふくらみの大きさとそのときの肢体101の各関節の角度情報とを計測することで、患者の肢体101から装置への負荷の計測をすることができる。また、別の手段として、以上の計測手段を組み合わせることで患者の肢体101から装置への負荷をより精密に計測することができる。
【0010】
次に、負荷情報変換部205の例を図4に示す。負荷情報変換部205は、負荷計測部203によって計測された負荷情報204を、垂直/水平方向分離部501において地面に対し垂直方向の負荷情報502と水平方向の負荷情報503に分離し、軌道教示部201からの肢体101の動作すべき軌道と運動軌道202をもとに、各方向において負荷情報502、503を増幅するフィルタ504と、フィルタ通過後の負荷情報507と508をもとに負荷情報204を位置または速度または加速度の運動指令206に変換するフィルタである垂直/水平方向運動指令生成部509とに通す。このとき、負荷情報502を増幅するフィルタ504内の垂直方向フィルタ505は、軌道より下に肢体101がある場合、肢体101の動作すべき軌道により下に肢体101が下がらないように、地面に向かう方向の負荷情報を無視するように構成する。また、垂直方向フィルタ505は、軌道の下に肢体101がある場合、肢体101の動作すべき軌道より下に肢体101が下がらないように、地面方向の距離に応じて地面とは反対方向にある負荷情報を負荷計測値に加算するように構成してもよい。また、垂直方向フィルタ505は、軌道より上に肢体101がある場合、軌道からの距離に応じて地面とは反対方向の負荷情報を負荷計測値に加算するように構成してもよい。このときの垂直方向フィルタ505の構成例を図5(A)、(B)に示す。
【0011】
また、負荷情報503を増幅するフィルタ504内の水平方向フィルタ506は、肢体101の動作すべき運動軌道202に対し、得られた負荷情報503にある正の比例定数をかけて負荷情報503の増幅を行うように構成する。また、水平方向フィルタ506は、肢体101の動作すべき運動軌道202に対し、得られた負荷情報503にある正のオフセットを加算して負荷情報503の増幅を行うように構成してもよい。また、水平方向フィルタ506は、肢体101の動作すべき運動軌道202に対し、得られた負荷情報503にある不感帯を設けて負荷情報503の増幅を行うように構成してもよい。また、水平方向フィルタ506は、肢体101の動作すべき運動軌道202に対し、以上述べたいくつか組み合わせて得られた負荷情報503の増幅を行うように構成してもよい。
【0012】
次に、以上のように負荷情報変換部205を構成した場合の肢体101を含めた装置の動作を説明する。まず、患者が自らの意思によってその肢体101を動かそうと肢体の筋肉に力を入れると、その筋肉が装置への負荷情報となり負荷計測部203により計測される。その負荷情報204は垂直/水平方向分離部501によりそれぞれの方向の負荷情報502と503に分離されるが、ここで図2において示したような仮想軌道レール301により、肢体101はこの仮想軌道レール301に沿って動作することになる。まず、先に説明した垂直方向フィルタ505により、肢体101は仮想軌道レール301より下に進まず必ず仮想軌道レール301より上に位置することになる。垂直方向にはさらに肢体重力項の補償がある程度行われ、肢体101を仮想軌道レール301より持ち上げて動かすことが可能である。また、先に説明した水平方向フィルタ506により肢体101は仮想軌道レール301のある水平方向の範囲内を動作する。このとき、水平方向の負荷の値が増幅されるので患者がかけた筋力以上の力で肢体101が動作することになり、患者は少しの力を出すだけで肢体101を自分の意思で動かすことができる。以上のことから、肢体101は仮想軌道レール301の上を滑るように動かすことができ、さらに、このとき患者は自分の肢体101が非常に軽くなったかのような感触を持ちながら動かすことができ、患者の出す筋力を補助しながら肢体101を動かす、いわゆる自動介助運動を実施することができる。
【0013】
なお、以上の実施形態においては、肢体駆動部207として電機式モータを想定したが、これに限らず油圧式サーボ駆動手段、空気圧式サーボ駆動手段を用いて同様の効果が得られる。
図6は本発明の第2の実施形態の運動療法装置の全体の構成を示す図である。治療あるいは訓練を行う部分である肢体101は装置の把持部102によって把持される。装置の動作部分には駆動部104〜106があり、装置の基部109からリンク107,108を介して把持部102へ連結されている。また、動作部分には把持部102との間に力センサ203が配されている。動作部分と制御部610は、力センサ203からの負荷情報204、トルク指令110、装置の運動情報111とをやりとりする。制御部610では、軌道教示部611が負荷情報204と肢体駆動部612から装置の運動情報614を受け取り運動指令613を生成する。肢体駆動部612は運動指令613をもとに装置の運動情報111からトルク指令110を動作部分に送り、駆動軸104〜106を駆動する。動作部分はトルク指令110にしたがって動作し、把持部102を介して肢体101を運動させる。肢体101は装置の動作によって駆動され、あるいは該動作に抗して訓練を行う。
【0014】
図7は、図8の制御部610の制御ブロックを詳細に示したものである。制御ブロックは装置の動作モードにしたがって異なる構成となる。以下、1)教示モード、2)他動運動モード、3)介助・自動・抵抗運動モードに分けて説明する。
1)教示モード
教示モードでは、スイッチ703を接点A2に、スイッチ709を接点B1に設定する。装置の動作によって発生した運動740,741は各々操作者717と患者719を介して負荷720,742を発生する。負荷720,742は力センサ203によって計測され、負荷情報204となる。座標変換部702では、装置の現在位置・姿勢情報721をサーボ系716から得て負荷情報204を座標変換する。座標変換された負荷情報723はスイッチ703の接点A2を介して教示用フィルタ705に送られ、運動指令729を発生する。運動指令729はスイッチ709の接点B1を介して指令736となり、加算器715に送られるが、軌道修正用フィルタ704からの運動指令724は零のままなので、そのまま運動指令737としてサーボ系716に送られる。サーボ系716では装置の運動(位置または速度または加速度)情報739を得て、駆動指令738を発生する。一方、教示用フィルタ705はまた運動指令725をメモリ706に送り、運動指令725の時系列データとして記憶する。これが装置の動作を教示した結果のデータとなる。
【0015】
ここで、教示用フィルタ705においては、次のような機械的インピーダンスと呼ばれる2次のフィルタを負荷情報Fにかけることによって運動情報Xに変換している。この式は周波数領域で表したもので、sはラプラス演算子である。また、Mは仮想慣性係数、Bは仮想粘性係数、Kは仮想ばね係数であり、それぞれ正の値である。
X=F/(Ms2 +Bs+K)・・・・・(1)
このフィルタによって操作者からみた装置の動特性は、パラメータ(M,B,K)からなる2次の機械的インピダンスに調整され、この動特性にしたがって操作者は装置を直接動かすことができる。教示モードでは操作者による操作をし易くするため、Kを零または小さい値におく。
【0016】
また、軌道教示部611として、以上のように装置アームの機械的インピーダンスを制御によって仮想的に調整することの他に、装置のアクチュエータのパワーを低減あるいは切ることで、あるいはアクチュエータからアームの駆動力電圧を機構的に遮断することで、アームを肢体に取り付けた状態で該アームを直接動かすことができる状態でアームの動作を教示してもよい。また、軌道教示部611として、運動療法に対象とする肢体の各関節間の長さと位置関係、すなわち肢体のいわゆる運動学をあらかじめ装置に入力し、肢体の動くべき動作範囲から肢体の運動指令の時系列データを生成してもよい。
2)他動運動モード
他動運動モードでは、スイッチ703を接点A1に、スイッチ709を接点B2に設定する。装置の動作によって発生した運動741は患者719を介して負荷742を発生する。負荷742は力センサ203によって計測され、負荷情報204となる。座標変換部702では、装置の現在位置・姿勢情報721をサーボ系716から得て負荷情報204を座標変換する。座標変換された負荷情報723はスイッチ703のA1を介し軌道修正用フィルタ704に送られ、運動指令724を発生する。運動指令724は加算器715に送られる。
【0017】
一方、教示によってメモリ706に記憶されていた時系列の教示データは運動指令730として逐次スイッチ709の接点B2を介して運動指令736として加算器715に送られる。運動指令736は運動指令724と加算され、新たな運動指令737としてサーボ系716に送られ、装置を駆動する。装置は患者719を他動的に動作させる。
なお、軌道修正用フィルタ704においても、教示用フィルタ705と同様に式(1)の構造をもつ機械的インピーダンスによって負荷情報を運動情報に変換する。この場合、ばね係数Kは教示モードと異なり、ばね係数に適切な大きさの正の値を用いる。
3)介助・自動・抵抗運動モード
介助・自動・抵抗運動モードでは、スイッチ703を接点A1に、スイッチ709をB3に設定する。装置の動作によって発生した運動741は患者719を介して負荷742を発生する。負荷742は力センサ203によって計測され、負荷情報204となる。座標変換部702では、装置の現在位置・姿勢情報721をサーボ系716から得て負荷情報204を座標変換する。座標変換された負荷情報723はスイッチ703の接点A1を介し軌道修正用フィルタ704に送られ、運動指令724を発生する。運動指令724は加算器715に送られる。
【0018】
一方、座標変換部702では、装置の現在位置・姿勢情報721をサーボ系716から得て装置の現在位置における座標系の情報728を各点での座標系を計算する座標計算部708から得、負荷情報204を座標変換する。座標変換された負荷情報731は、負荷選択部711において教示軌道に沿って座標軸の負荷のみを選択し、その他の座標軸に沿った負荷は無視する。その選択された負荷情報を732とする。選択された負荷情報732は負荷増幅部712で増幅され、負荷情報733となる。負荷情報733はフィルタ713において運動指令735に変換され、スイッチ709を介して運動指令736として加算器715に送られる。加算器715では運動指令735と運動指令724とを加算し、新たな運動指令737を生成する。これが順序点列およびさらに細分化された点列によって構成された軌道の上をどのくらい動くかという目標量になる。運動指令737がサーボ系716に送られ、装置を駆動する。装置は患者719を動作させる。
【0019】
このとき、座標変換部710による座標系の設定は以下のように行う。時系列データとして記憶した教示データ726を、まず、メモリ707において順序点列として記憶し、これから座標計算部708において各点での座標系を計算する。
また、順序点列として該軌道を整理し記憶するには、点列をさらに細かい点列に分割する。あるいは該軌道上の互いの距離がある値またはそれより大きくなるように点列を補間または捨象して再設定し、時系列にしたがった順序をもつ点列として記憶してもよい。後者の方法では、例えば、直列データの時系列にしたがって点の位置の順序を決定し、ある点Aにおいて、その順序の隣の点Bまでの距離があらかじめ設定した値以下の場合には、点Bのさらに隣の点Cを点Aの隣の点とし、点Bは点列から捨象する。各点の互いの距離が設定した値より大きくなるまで上記の作業を繰り返す。さらに、点列の各点の隣の点とを補間し、先に設定した値よりさらに小さい値になるように点列をさらに細かく設定してもよい。
【0020】
また、座標系の適用方法においては、例えば、該点列を滑らかな軌道で補間したときに該軌道に垂直な平面を各点列で設定し、該軌道の近傍において隣り合う2つの該平面で囲まれる領域において、各点列で定めた座標系を適用する。または、該点列を通る線分に垂直な平面を各点列で設定し、その平面で囲まれる領域において、各点列で定めた座標系を適用してもよい。
なお、フィルタ713においても、教示用フィルタ705と同様に式(1)の構造をもつ機械的インピーダンスによって負荷情報を運動情報に変換する。この場合、パラメータ(M,B,K)のうちKは零とし、他のM,Bは、介助運動の場合には小さい正の値に、自動・抵抗運動の場合には大きい正の値に設定すると目的の動作を行うことができる。パラメータの変更はパラメータ変換部714によって行う。また、介助運動のとき、患者の筋力が極めて小さい場合には装置の動作が不安定にならない程度にB,Kを小さい負の値に設定してもよい。これらのパラメータを小さい正の値あるいは負の値に設定することは、少しの負荷で装置が動作することを意味し、これにより介助運動が実現できる。また、大きい正の値にすれば、値が大きいほど肢体への抵抗が増し、その大きさにしたがって適切な自動運動から抵抗運動までを実現できる。
【0021】
負荷増幅部712における増幅方法としては、例えば、ある正の比例乗数を負荷の値にかけることや、正のオフセットを加算すること、不感帯を設けること、あるいはそれらの組み合わせを行ってもよい。
なお、以上のいずれの動作モードにおいても、患者の肢体から装置への負荷を計測する手段として、装置が肢体を支持する部分に備えた力センサを用いることの他に、装置アームの各軸に備えたトルクセンサを用いる、あるいはアクチュエータの電流値を用いる、あるいは肢体の筋電値を用いる、あるいは駆動される肢体の筋肉のふくらみの大きさを計測する、あるいは以上の計測手段を組み合わせることで、患者の肢体から装置への負荷を計測してもよい。
なお、負荷から運動に変換する上記のいずれもフィルタにおいても、説明したような単純な2次のモデルの他に、静摩擦あるいは動摩擦モデルを用いてもよいし、非線形ばねを用いてもよい。
【0022】
なお、負荷選択部711と負荷増幅部712とフィルタ713は順序を入れ替えてもよい。また、負荷増幅部712はフィルタ713によって等価な機能を実現できる場合にはどちらかを省略してもよい。
【0023】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、関節・筋力の疾患と回復状態に応じた運動療法のうち、急性期の他動運動と、等尺運動、等張運動、等速運動の各種の自動運動・自動介助運動から、肢体の筋力発揮によるいわゆる自動運動と、肢体の発揮した筋力の大きさにしたがってこれを介助するように運動させるいわゆる自動介助運動の各運動療法を簡易に実施できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の運動療法装置の構成を示す図である。
【図2】第1の実施形態にの軌道設定の例を示す図である。
【図3】第1の実施形態の軌道教示部201の例を示す図である。
【図4】第1の実施形態の負荷情報変換部205の例を示す図である。
【図5】第1の実施形態の負荷を増幅するフィルタ504のうち垂直方向フィルタ505の例を示す図である。
【図6】本発明の第2の実施形態の運動療法装置の構成を示す図である。
【図7】第2の実施形態の制御ブロックを示す図である。
【符号の説明】
101 肢体
102 把持部
104〜106 駆動軸
107、108 リンク
109 基部
110 トルク指令
111 運動情報
201 軌道教示部
202 運動軌道
203 負荷計測部(力センサ)
204 負荷情報
205 負荷情報変換部
206 運動指令
207 肢体駆動部
208 運動情報
301 仮想軌道レール
302 別に設定した仮想軌道レール
303 仮想軌道レールに対する運動中心
401 垂直方向の軌道位置の設定部
402〜404 レバー溝
405〜407 レバー
408〜410 位置情報
411 水平方向の軌道の可動範囲の設定部
412 レバー溝
413〜414 レバー
415 位置情報
501 垂直/水平方向分離部
502 垂直方向の負荷情報
503 水平方向の負荷情報
504 負荷情報を増幅するフィルタ
505 垂直方向フィルタ
506 水平方向フィルタ
507 垂直方向の増幅された負荷情報
508 水平方向の増幅された負荷情報
509 垂直/水平方向運動指令生成部
610 制御部
611 軌道教示部
612 肢体駆動部
613 運動指令
614 運動情報
702 座標変換部
703 スイッチ
704 軌道修正用フィルタ
705 教示用フィルタ
706 教示データを時系列データとして記憶するメモリ
707 時系列の教示データを順序点列として記憶するメモリ
708 各点での座標系を計算する座標計算部
709 スイッチ
710 座標変換部
711 負荷選択部
712 負荷増幅部
713 負荷から運動指令への変換フィルタ
714 フィルタのパラメータ変換部
715 加算器
716 サーボ系
717 操作者
718 装置の動作
719 患者
720 操作者からの負荷
721 装置の現在位置・姿勢情報
723 座標変換された負荷情報
724 軌道修正フィルタによる運動指令
725 教示用フィルタによる運動指令
726 時系列の教示データ
727 順序点列の教示データ
728 座標系の情報
729 教示用フィルタによる運動指令
730 運動指令
731 座標変換された負荷情報
732 選択された負荷情報
733 増幅された負荷情報
734 パラメータ変換指令
735 フィルタによる運動指令
736 運動指令
737 加算された運動指令
738 サーボ系からの駆動指令
739 装置の運動情報
740 操作者に対する装置の運動
741 患者あるいは訓練者に対する装置の運動
742 患者あるいは訓練者からの負荷
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention aims at correcting systemic dysfunction, improving muscle / skeletal system function, and maintaining / improving health. The present invention relates to a device for performing so-called exercise therapy that performs retraining and neuromuscular retraining and other training.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an exercise apparatus used in orthopedics or an exercise therapy apparatus used in a physical therapy department is as follows.
1) For example, in JP-A-60-179062, JP-A-60-232158, JP-A-61-170464 and JP-B-4-14028, when the operating angle of the limb is set as a numerical value, the patient is moved at a constant speed according to the angle. The so-called continuous passive movement that moves the limbs is performed.
2) In addition, Japanese Patent Publication No. 57-44337 and Japanese Patent Publication No. 3-54587 can perform an isometric exercise, an isotonic exercise, and an isokinetic exercise for the purpose of muscle strength enhancement in addition to the passive exercise. In the passive motion, if the operating angle is set as time series data using so-called direct teaching means in addition to the previous angle input, the limb can be moved according to the time series data. In addition, the automatic movement is a movement in which the limb actively exerts force unlike the passive movement in which the limb is moved by the apparatus.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of 1), in the case of 1), only passive movement can be performed, and so-called automatic movement by muscular strength of the limbs cannot be performed. In addition, in the case of 2), in addition to the passive movement, an isometric movement, an isotonic movement, an automatic movement of a constant speed movement can be performed, but from the exercise therapy performed from the start of the limb body disease to the recovery In view of this, only a part of the exercise therapy can be carried out by the above-mentioned conventional apparatus, and it is impossible to realize the exercise of the part requiring the most delicate exercise therapy skill. For example, the isometric exercise that can be performed by the above-described conventional device is a device that exerts muscular strength in a state in which the device does not operate, and does not have a limb movement. In addition, the isotonic exercise that can be performed by the above-described conventional device is to move the device by exerting muscular strength on the limbs, but is close to a resistance exercise when the muscular strength is recovered to some extent. In addition, the constant velocity exercise that can be performed by the above-mentioned conventional device means that the limb body exerts muscular strength while the device moves at a constant velocity and the limb body moves along with it, but the movement speed of the device is the muscular strength exhibited by the limb body. Is irrelevant. However, any of the above movements cannot be replaced with a so-called automatic assistance movement in which exercise is performed so as to assist in accordance with the magnitude of the muscular strength exerted by the limb.
[0004]
The purpose of the present invention is to change from the various types of automatic movements / automatic assistance movements in the acute phase from the passive movements in the acute phase, isometric exercises, isotonic exercises, and constant velocity exercises according to the disease and recovery state of the joint / muscle strength. It is to provide an exercise therapy apparatus capable of performing comprehensive exercise therapy over all aspects of rehabilitation up to resistance exercise.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
  The exercise therapy apparatus of the present invention is
  The trajectory that the patient should exerciseAnd rangeTrajectory teaching means for teaching
  Load measuring means for measuring the load on the device from the limb of the patient;
  The load value measured by the load measuring means is separated into a vertical direction and a horizontal direction with respect to the ground, and load information is obtained in each direction based on the trajectory and range of the limbs set by the trajectory teaching means. Pass the filter to amplify and the filter that converts the load information into position, velocity or acceleration motion commandsLoad information conversion means;
  Limb body driving means for driving the patient's limb according to the motion commandWhen
  Have
  Another exercise therapy device of the present invention is:
  The trajectory that the patient should exerciseAnd rangeTrajectory teaching means for teaching
  First storage means for storing the trajectory as time-series data;
  Second storage means for organizing and storing the trajectory as an order point sequence;
  Coordinate conversion means for sequentially performing coordinate conversion at each point of each point sequence;
  Load measuring means for measuring the load on the device from the limb of the patient;
  Load calculating means for calculating the load along the coordinates of each point sequence;
  The load value measured by the load measuring means is separated into a vertical direction and a horizontal direction with respect to the ground, and load information is obtained in each direction based on the trajectory and range of the limbs set by the trajectory teaching means. Pass the filter to amplify and the filter that converts the load information into position, velocity or acceleration motion commandsLoad information conversion means;
  Motion command correcting means for correcting the motion command;
  Limb body drive means for driving the patient's limb according to the corrected motion commandWhen
  Have
[0006]
With this device, only a part of the exercise therapy can be performed, and in particular, there is no problem that it is not possible to perform the automatic assisting movement that requires the most delicate therapy skills, and the acute phase depends on the disease and recovery state of the joint and muscle strength. Comprehensive exercise therapy for all aspects of rehabilitation, from various automatic movements and isotonic movements, isotonic movements, various automatic movements such as isotonic movements, and automatic assistance movements to resistance movements in the chronic phase Can be implemented.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of an exercise therapy apparatus according to a first embodiment of the present invention. A limb body 101 which is a part of a limb body to be treated or trained is gripped by a grip portion 102 of the apparatus. The load on the limb 101 is always measured by a force sensor 203 that is a load measuring unit attached to the grip unit 102 and generates load information 204. The trajectory teaching unit 201 sets the motion trajectory 202 of the limb 101 by various methods as described below. From the load information 204, the motion trajectory 202 generated by the trajectory teaching unit 201, and the motion information 208 of any one of the position / velocity / acceleration of each drive axis input from the limb drive unit 207, the load information conversion unit 205 performs the motion. A command 206 is generated and sent to the limb body drive unit 207. The limb body drive unit 207 generates a torque command 110 to each drive shaft 104 to 106 from the motion information 208 and the motion command 206 of each drive shaft. The mechanism of the apparatus includes a base portion 109, drive shafts 104 to 106, links 107 and 108 for connecting the drive shafts 104 and 105, 105 and 106, and a grip portion 102, respectively. Here, of the mechanism of the apparatus, the movable part, that is, the drive shafts 104 to 106 and the links 107 and 108 are collectively referred to as an arm of the apparatus. The drive shafts 104 to 106 generate drive torque in accordance with the torque command 110 received from the limb body drive unit 207, and the motion information 111 is generated by the angle sensor or the speed sensor provided in each of the drive shafts 104 to 106. Here, as the trajectory teaching unit 201, the movement of the limb body 101 is set by direct teaching in so-called robot engineering, in which the arm motion is taught by directly moving the arm with the apparatus arm attached to the limb body 101. And a method for setting the trajectory and motion range of the limb 101 by virtually adjusting the mechanical impedance of the arm of the device as a trajectory teaching unit 201 by direct teaching, or by direct teaching As a trajectory teaching unit 201, the power of the actuator of the device is reduced or cut to set the trajectory to be moved and the movement range of the limb 101, or as the trajectory teaching unit 201 by direct teaching, from the actuator of the device to the arm. By mechanically interrupting the driving force transmission of the limb 101, the trajectory and range of motion of the limb 101 There is a method to be set. In addition, as the trajectory teaching unit 201, there is a method of setting a trajectory and a motion range in which the limb 101 should move by adjusting a lever or a dial provided separately from the arm of the apparatus. By the above method, the trajectory to which the limb 101 should move can be virtually set as if there is a rail in the space, as shown in FIG. The limb body 101 can freely move on the virtual track rail 301 (303 indicates the center of motion relative to the virtual track rail 301) via the grip portion 102 of the apparatus. In addition, the virtual track rail 301 shown in the drawing is provided with virtual stop portions at both ends and is opened upward, and the limb body 101 can be freely moved on the virtual track rail 301 between the stop portions at both ends. However, if the shape of the rail is closed up and down like the virtual track rail 302, it can be easily set to move only between the upper and lower rails.
[0008]
A method for setting the trajectory and the movement range of the limb 101 by adjusting the lever and dial will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows an example in which the trajectory and the movement range of the limb 101 are set by the lever. This example includes a setting unit 401 corresponding to the vertical movable range of the gripping unit 102 of the apparatus, a setting unit 411 corresponding to the horizontal movable range, and a trajectory teaching unit 201 of the gripping unit 102. The setting unit 401 corresponding to the vertical movable range includes a lever 405 and a lever groove 402 corresponding to a vertical position at an end point in the limb body head direction, and a lever 407 corresponding to a vertical position at an end point in the limb body foot direction. And a lever groove 404, and a lever 406 and a lever groove 403 corresponding to a vertical position at an intermediate position between both end points. In each lever groove 402 to 404, the upper end indicates the highest value in the vertical direction, and the lower end indicates the lowest position. By moving the levers 405 to 407, the vertical positions of the trajectories at both end points and intermediate points can be set. Position information 408 to 410 from the levers 405 to 407 is sent to the trajectory teaching unit 201. On the other hand, in the setting unit 411 corresponding to the movable range in the horizontal direction, the two levers 413 and 414 can move in the lever groove 412, and the levers 413 and 414 are respectively positioned at the end point in the head direction and the end point in the foot direction. Indicates. Both pieces of horizontal position information 415 are sent to the trajectory teaching unit 201. The trajectory teaching unit 201 interpolates the trajectory with a secondary or tertiary smooth curve from the position information 408 to 410 in the vertical direction and the position information 415 in the horizontal direction, and the trajectory to which the gripper 102 should move is two-dimensional space. Set in. The set motion trajectory 202 is sent to the load information conversion unit 205. In addition, it can be easily realized by a dial instead of a lever. Also. The setting of the motion trajectory in the three-dimensional space can be easily realized by adding a lever or a dial. The virtual track rail 301 as shown in FIG. 2 can be formed by the track setting by the above methods.
[0009]
Next, some examples of the load measuring unit 203 are shown below. For example, the load from the patient's limb 101 to the device can be measured by using a force sensor 203 provided in a portion where the device supports the limb 101 as shown in FIG. Further, as another means, using a torque sensor provided on each of the drive shafts 104 to 106 of the arm of the apparatus of FIG. 1, the load on the apparatus from the patient's limb 101 is determined from the position and posture information of the apparatus arm. It can be measured. As another means, the load on the apparatus from the patient's limb 101 can be measured by using the current value of each actuator of the arm of the apparatus of FIG. As another means, the load on the apparatus from the patient's limb 101 can be measured by using a so-called disturbance observer using the current value of each motor of the arm of the apparatus of FIG. 1 and the speed information of each motor. it can. Further, as another means, using the myoelectric information of the main muscles of the limb 101 to be driven shown in FIG. 1, the load on the apparatus from the limb 101 of the patient based on the angle information of each joint of the limb 101 at that time Can be measured. Further, as another means, by measuring the size of the bulges of the main muscles of the driven limb body 101 in FIG. 1 and the angle information of each joint of the limb body 101 at that time, the patient's limb body 101 is transferred to the apparatus. The load can be measured. As another means, the load from the patient's limb 101 to the apparatus can be measured more precisely by combining the above measuring means.
[0010]
Next, an example of the load information conversion unit 205 is shown in FIG. The load information conversion unit 205 separates the load information 204 measured by the load measurement unit 203 into vertical load information 502 and horizontal load information 503 with respect to the ground in the vertical / horizontal direction separation unit 501, and provides trajectory teaching. Based on the trajectory of the limb 101 from the unit 201 and the motion trajectory 202, the load information 502 based on the filter 504 that amplifies the load information 502 and 503 in each direction, and the load information 507 and 508 after passing through the filter 204 is passed through a vertical / horizontal motion command generation unit 509 which is a filter for converting the motion command 206 into position, velocity or acceleration. At this time, when the limb body 101 is below the trajectory, the vertical filter 505 in the filter 504 that amplifies the load information 502 goes to the ground so that the limb body 101 does not fall below the trajectory to which the limb body 101 should operate. Configure to ignore direction load information. In addition, when the limb body 101 is below the trajectory, the vertical filter 505 is in a direction opposite to the ground according to the distance in the ground direction so that the limb body 101 does not fall below the trajectory on which the limb body 101 should operate. You may comprise so that load information may be added to a load measurement value. Further, when the limb body 101 is above the trajectory, the vertical filter 505 may be configured to add load information in a direction opposite to the ground according to the distance from the trajectory to the load measurement value. A configuration example of the vertical filter 505 at this time is shown in FIGS.
[0011]
Further, the horizontal filter 506 in the filter 504 that amplifies the load information 503 amplifies the load information 503 by multiplying the motion trajectory 202 of the limb 101 to be operated by a positive proportionality constant in the obtained load information 503. Configure to do. Further, the horizontal filter 506 may be configured to amplify the load information 503 by adding a positive offset in the obtained load information 503 to the motion trajectory 202 in which the limb 101 should operate. Further, the horizontal filter 506 may be configured to amplify the load information 503 by providing a dead zone in the obtained load information 503 for the motion trajectory 202 on which the limb 101 should operate. Further, the horizontal filter 506 may be configured to amplify the load information 503 obtained by combining some of the above described motion trajectories 202 on which the limb 101 should operate.
[0012]
Next, the operation of the apparatus including the limb 101 when the load information conversion unit 205 is configured as described above will be described. First, when a patient puts a force on the muscles of the limbs so as to move the limbs 101 by his / her own intention, the muscles become load information to the apparatus and are measured by the load measuring unit 203. The load information 204 is separated into load information 502 and 503 in the respective directions by the vertical / horizontal direction separation unit 501. Here, the virtual track rail 301 as shown in FIG. It will operate along 301. First, the vertical filter 505 described above ensures that the limb 101 does not travel below the virtual track rail 301 and is always positioned above the virtual track rail 301. In the vertical direction, the limb body gravity term is further compensated to some extent, and the limb body 101 can be lifted from the virtual track rail 301 and moved. Further, the limb body 101 moves within the horizontal range where the virtual track rail 301 is located by the horizontal filter 506 described above. At this time, since the load value in the horizontal direction is amplified, the limb 101 moves with a force greater than the muscular strength applied by the patient, and the patient moves the limb 101 with his / her own intention with a little force. Can do. From the above, the limb body 101 can be moved so as to slide on the virtual track rail 301, and at this time, the patient can move while feeling as if his limb body 101 has become very light, A so-called automatic assistance exercise in which the limb body 101 is moved while assisting the muscle strength of the patient can be performed.
[0013]
In the above embodiment, an electric motor is assumed as the limb drive unit 207. However, the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained by using a hydraulic servo drive means and a pneumatic servo drive means.
FIG. 6 is a diagram showing the overall configuration of the exercise therapy apparatus according to the second embodiment of the present invention. A limb 101 that is a part for treatment or training is gripped by a gripping portion 102 of the apparatus. There are driving units 104 to 106 in the operation part of the apparatus, and the base part 109 of the apparatus is connected to the grip part 102 via links 107 and 108. In addition, a force sensor 203 is disposed between the operating portion and the grip portion 102. The operation part and the control unit 610 exchange load information 204 from the force sensor 203, a torque command 110, and apparatus motion information 111. In the control unit 610, the trajectory teaching unit 611 receives the load information 204 and the exercise information 614 of the apparatus from the limb drive unit 612 and generates an exercise command 613. The limb body drive unit 612 sends the torque command 110 from the motion information 111 of the apparatus to the operation part based on the motion command 613 to drive the drive shafts 104 to 106. The moving part operates according to the torque command 110 and moves the limb 101 through the grip portion 102. The limb body 101 is driven by the operation of the apparatus, or trains against the operation.
[0014]
FIG. 7 shows the control block of the control unit 610 in FIG. 8 in detail. The control block has a different configuration according to the operation mode of the apparatus. The following explanation is divided into 1) teaching mode, 2) passive motion mode, and 3) assistance / automatic / resistance motion mode.
1) Teaching mode
In the teaching mode, the switch 703 is set to the contact A2, and the switch 709 is set to the contact B1. Movements 740 and 741 generated by the operation of the device generate loads 720 and 742 via an operator 717 and a patient 719, respectively. The loads 720 and 742 are measured by the force sensor 203 and become load information 204. The coordinate conversion unit 702 obtains the current position / posture information 721 of the apparatus from the servo system 716 and performs coordinate conversion of the load information 204. The coordinate-converted load information 723 is sent to the teaching filter 705 via the contact A2 of the switch 703, and a motion command 729 is generated. The motion command 729 becomes a command 736 via the contact B1 of the switch 709 and is sent to the adder 715. However, since the motion command 724 from the trajectory correction filter 704 remains zero, the motion command 737 is sent to the servo system 716 as it is. It is done. The servo system 716 obtains device movement (position or velocity or acceleration) information 739 and generates a drive command 738. On the other hand, the teaching filter 705 also sends a motion command 725 to the memory 706 and stores it as time series data of the motion command 725. This is data resulting from teaching the operation of the apparatus.
[0015]
Here, the teaching filter 705 converts the motion information X by applying a second-order filter called mechanical impedance to the load information F as follows. This expression is expressed in the frequency domain, and s is a Laplace operator. M is a virtual inertia coefficient, B is a virtual viscosity coefficient, and K is a virtual spring coefficient, each of which is a positive value.
X = F / (Ms2 + Bs + K) (1)
By this filter, the dynamic characteristic of the apparatus viewed from the operator is adjusted to a secondary mechanical impedance composed of parameters (M, B, K), and the operator can directly move the apparatus according to this dynamic characteristic. In the teaching mode, K is set to zero or a small value for easy operation by the operator.
[0016]
Further, as the trajectory teaching unit 611, in addition to virtually adjusting the mechanical impedance of the device arm by control as described above, the power of the actuator of the device is reduced or turned off, or the driving force of the arm from the actuator is reduced. By mechanically interrupting the voltage, the operation of the arm may be taught in a state where the arm can be moved directly with the arm attached to the limb. Further, as the trajectory teaching unit 611, the length and positional relationship between the joints of the limbs targeted for exercise therapy, that is, the so-called kinematics of the limbs is input to the apparatus in advance, and the motion command of the limbs is determined from the motion range of the limbs to move Time series data may be generated.
2) Passive motion mode
In the passive motion mode, the switch 703 is set to the contact A1, and the switch 709 is set to the contact B2. Movement 741 generated by the operation of the device generates a load 742 through patient 719. The load 742 is measured by the force sensor 203 and becomes load information 204. The coordinate conversion unit 702 obtains the current position / posture information 721 of the apparatus from the servo system 716 and performs coordinate conversion of the load information 204. The coordinate-converted load information 723 is sent to the trajectory correcting filter 704 via A1 of the switch 703, and a motion command 724 is generated. The motion command 724 is sent to the adder 715.
[0017]
On the other hand, the time-series teaching data stored in the memory 706 by teaching is sent to the adder 715 as a motion command 736 through the contact B2 of the switch 709 as a motion command 730. The motion command 736 is added to the motion command 724 and sent to the servo system 716 as a new motion command 737 to drive the device. The device moves the patient 719 in a passive manner.
Note that the trajectory correcting filter 704 also converts the load information into motion information by mechanical impedance having the structure of Expression (1) as in the teaching filter 705. In this case, the spring coefficient K is different from the teaching mode, and a positive value having an appropriate size is used as the spring coefficient.
3) Assistance / automatic / resistance motion modes
In the assistance / automatic / resistance motion mode, the switch 703 is set to the contact A1, and the switch 709 is set to B3. Movement 741 generated by the operation of the device generates a load 742 through patient 719. The load 742 is measured by the force sensor 203 and becomes load information 204. The coordinate conversion unit 702 obtains the current position / posture information 721 of the apparatus from the servo system 716 and performs coordinate conversion of the load information 204. The coordinate-converted load information 723 is sent to the trajectory correcting filter 704 via the contact A1 of the switch 703, and a motion command 724 is generated. The motion command 724 is sent to the adder 715.
[0018]
On the other hand, the coordinate conversion unit 702 obtains the current position / attitude information 721 of the device from the servo system 716 and obtains the coordinate system information 728 at the current position of the device from the coordinate calculation unit 708 that calculates the coordinate system at each point. The coordinates of the load information 204 are converted. In the load information 731 subjected to coordinate conversion, the load selection unit 711 selects only the load of the coordinate axis along the teaching trajectory, and ignores the load along the other coordinate axes. The selected load information is set to 732. The selected load information 732 is amplified by the load amplification unit 712 and becomes the load information 733. The load information 733 is converted into a motion command 735 by the filter 713 and sent to the adder 715 as a motion command 736 via the switch 709. The adder 715 adds the motion command 735 and the motion command 724 to generate a new motion command 737. This is the target amount of how much to move on the trajectory formed by the sequence of sequence points and the further segmented sequence of points. A motion command 737 is sent to the servo system 716 to drive the device. The device operates patient 719.
[0019]
At this time, the coordinate system is set by the coordinate conversion unit 710 as follows. The teaching data 726 stored as time series data is first stored as an ordered point sequence in the memory 707, and the coordinate system at each point is calculated from the coordinate calculation unit 708.
In order to organize and store the trajectory as an ordered point sequence, the point sequence is divided into finer point sequences. Alternatively, the point sequence may be interpolated or discarded so that the distance between each other on the trajectory becomes a certain value or larger, and stored again as a point sequence having an order according to a time series. In the latter method, for example, the order of the position of the points is determined according to the time series of the serial data, and at a certain point A, when the distance to the next point B in the order is equal to or less than a preset value, A point C further adjacent to B is set as a point adjacent to point A, and point B is discarded from the point sequence. The above operation is repeated until the distance between each point becomes larger than the set value. Furthermore, the point sequence may be set more finely by interpolating with the points adjacent to each point in the sequence, so that the value becomes smaller than the previously set value.
[0020]
In the application method of the coordinate system, for example, when the point sequence is interpolated with a smooth trajectory, a plane perpendicular to the trajectory is set for each point sequence, and the two adjacent planes in the vicinity of the trajectory are set. In the enclosed area, a coordinate system defined by each point sequence is applied. Alternatively, a plane perpendicular to the line segment passing through the point sequence may be set for each point sequence, and a coordinate system defined by each point sequence may be applied to a region surrounded by the plane.
In the filter 713 as well, the load information is converted into motion information by mechanical impedance having the structure of the formula (1) as in the teaching filter 705. In this case, of the parameters (M, B, K), K is zero, and the other M, B is a small positive value in the case of the assisting movement, and a large positive value in the case of the automatic / resistance movement. Once set, the desired operation can be performed. The parameter is changed by the parameter conversion unit 714. Further, during the assisting exercise, if the patient's muscle strength is extremely small, B and K may be set to small negative values so that the operation of the apparatus does not become unstable. Setting these parameters to a small positive value or negative value means that the device operates with a small load, whereby an assisting movement can be realized. Moreover, if it is set to a large positive value, the resistance to the limb increases as the value increases, and it is possible to realize appropriate automatic exercise to resistance exercise according to the magnitude.
[0021]
As an amplification method in the load amplification unit 712, for example, a certain positive proportional multiplier may be applied to the load value, a positive offset may be added, a dead zone may be provided, or a combination thereof may be performed.
In any of the above operation modes, in addition to using the force sensor provided in the portion where the device supports the limb as a means for measuring the load on the device from the patient's limb, each axis of the device arm is used. By using the torque sensor provided, using the current value of the actuator, using the myoelectric value of the limb, measuring the size of the bulge of the muscle of the driven limb, or combining the above measurement means, The load on the device from the patient's limb may be measured.
In any of the above-described filters for converting from load to motion, a static friction or dynamic friction model may be used in addition to the simple second-order model as described, or a non-linear spring may be used.
[0022]
Note that the order of the load selection unit 711, the load amplification unit 712, and the filter 713 may be changed. Further, when the equivalent function can be realized by the filter 713, either of the load amplifying units 712 may be omitted.
[0023]
【The invention's effect】
As described above, the present invention includes various types of automatic movements such as passive movements in the acute phase, isometric exercises, isotonic exercises, and constant velocity exercises among exercise therapies according to joint / muscular strength diseases and recovery states. From the automatic assistance exercise, there is an effect that it is possible to easily carry out so-called automatic exercise by the muscular strength of the limbs and so-called automatic assistance exercises that exercise so as to assist in accordance with the magnitude of the muscular strength exhibited by the limbs.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an exercise therapy apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of trajectory setting according to the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a trajectory teaching unit 201 according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a load information conversion unit 205 according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a vertical filter 505 among filters 504 that amplify a load according to the first embodiment;
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an exercise therapy apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a control block according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
101 limbs
102 gripping part
104-106 Drive shaft
107, 108 links
109 base
110 Torque command
111 exercise information
201 Trajectory teaching unit
202 motion trajectory
203 Load measurement unit (force sensor)
204 Load information
205 Load information converter
206 Movement command
207 Limb body drive unit
208 exercise information
301 virtual track rail
302 Virtual track rail set separately
303 Motion center for virtual track rail
401 Vertical orbit position setting unit
402-404 Lever groove
405-407 lever
408-410 Location information
411 Setting section of movable range of horizontal trajectory
412 Lever groove
413-414 lever
415 Location information
501 Vertical / horizontal separation part
502 Load information in the vertical direction
503 Horizontal load information
504 Filter that amplifies load information
505 Vertical filter
506 Horizontal filter
507 Vertically amplified load information
508 Horizontally amplified load information
509 Vertical / horizontal motion command generator
610 control unit
611 Trajectory teaching unit
612 Limb body drive unit
613 Exercise command
614 Exercise Information
702 Coordinate transformation unit
703 switch
704 Filter for trajectory correction
705 Teaching filter
706 Memory for storing teaching data as time-series data
707 Memory for storing time-series teaching data as a sequence of sequence points
708 Coordinate calculator for calculating the coordinate system at each point
709 switch
710 Coordinate converter
711 Load selector
712 Load amplifier
713 Conversion filter from load to motion command
714 Parameter conversion part of filter
715 adder
716 Servo system
717 Operator
718 Device operation
719 patients
720 Load from the operator
721 Current position / posture information of the device
723 Load information after coordinate transformation
724 Motion command by trajectory correction filter
725 Motion command by teaching filter
726 Teaching data in time series
727 Teach sequence data
728 Coordinate system information
729 Motion command by teaching filter
730 Exercise command
731 Coordinate transformed load information
732 Load information selected
733 Amplified load information
734 Parameter conversion command
735 Motion command by filter
736 Exercise command
737 Added motion command
738 Drive command from servo system
739 Exercise information of the device
740 Movement of the device relative to the operator
741 Movement of device relative to patient or trainer
742 Load from patient or trainer

Claims (31)

全身機能低下を矯正し、筋・骨格系統の機能を改善し、健康状態を維持・改善する目的で、リラクセーションや関節可動域訓練や筋力増強訓練や持続力増強訓練や協調性訓練や神経筋再教育やその他の訓練を行う、いわゆるリハビリテーションにおける運動療法を実施する運動療法装置であって、
患者が運動すべき軌道と範囲を教示する軌道教示手段と、
患者の肢体から装置への負荷を計測する負荷計測手段と、
前記負荷計測手段によって計測された負荷の値を、地面に対し垂直方向と水平方向に分離し、前記軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき軌道と範囲をもとに、各方向において負荷情報を増幅するフィルタと、負荷情報を位置または速度または加速度の運動指令に変換するフィルタとに通す負荷情報変換手段と、
該運動指令に沿って患者の肢体を駆動する肢体駆動手段
を有する運動療法装置。
In order to correct systemic dysfunction, improve muscle and skeletal system functions, and maintain and improve health, relaxation, joint range of motion training, muscle strength training, strength training, coordination training, and neuromuscular regeneration An exercise therapy device that performs exercise therapy in so-called rehabilitation that provides education and other training,
A trajectory teaching means for teaching the trajectory and range that the patient should move;
Load measuring means for measuring the load on the device from the limb of the patient;
The load value measured by the load measuring means is separated into a vertical direction and a horizontal direction with respect to the ground, and the load in each direction is determined based on the trajectory and range of the limbs set by the trajectory teaching means. Load information converting means for passing the information through a filter for amplifying the information and a filter for converting the load information into a motion command of position or velocity or acceleration ;
Exercise therapy apparatus and a limb driving means for driving the limb of the patient along the motor command.
全身機能低下を矯正し、筋・骨格系統の機能を改善し、健康状態を維持・改善する目的で、リラクセーションや関節可動域訓練や筋力増強訓練や持続力増強訓練や協調性訓練や神経筋再教育やその他の訓練を行う、いわゆる運動療法を実施する運動療法装置であって、
患者が運動すべき軌道と範囲を教示する軌道教示手段と、
該軌道を時系列データとして記憶する第1の記憶手段と、
順序点列として該軌道を整理し記憶する第2の記憶手段と、
各点列の各点において逐次座標変換を行う座標変換手段と、
患者の肢体から装置への負荷を計測する負荷計測手段と、
該負荷を各点列の該座標に沿って計算する負荷計算手段と、
前記負荷計測手段によって計測された負荷の値を、地面に対し垂直方向と水平方向に分離し、前記軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき軌道と範囲をもとに、各方向において負荷情報を増幅するフィルタと、負荷情報を位置または速度または加速度の運動指令に変換するフィルタとに通す負荷情報変換手段と、
該運動指令の補正を行う運動指令補正手段と、
補正された該運動指令に沿って患者の肢体を駆動する肢体駆動手段
を有する運動療法装置。
In order to correct systemic dysfunction, improve muscle and skeletal system functions, and maintain and improve health, relaxation, joint range of motion training, muscle strength training, strength training, coordination training, and neuromuscular regeneration An exercise therapy device that carries out education and other training, so-called exercise therapy,
A trajectory teaching means for teaching the trajectory and range that the patient should move;
First storage means for storing the trajectory as time-series data;
Second storage means for organizing and storing the trajectory as an order point sequence;
Coordinate conversion means for sequentially performing coordinate conversion at each point of each point sequence;
Load measuring means for measuring the load on the device from the limb of the patient;
Load calculating means for calculating the load along the coordinates of each point sequence;
The load value measured by the load measuring means is separated into a vertical direction and a horizontal direction with respect to the ground, and the load in each direction is determined based on the trajectory and range of the limbs set by the trajectory teaching means. Load information converting means for passing the information through a filter for amplifying the information and a filter for converting the load information into a motion command of position or velocity or acceleration ;
Motion command correcting means for correcting the motion command;
Exercise therapy apparatus and a limb driving means for driving the limb of a patient along a corrected said movement commands.
前記軌道教示手段は、装置のアームを肢体に取り付けた状態で該アームを直接動かすことで該アームの動作を教示する、いわゆるロボット工学における直接教示によって肢体の動くべき動作を設定する、請求項1または2記載の運動療法装置。 2. The trajectory teaching means teaches the movement of the arm by directly moving the arm while the arm of the apparatus is attached to the limb, and sets the movement of the limb by direct teaching in so-called robotics. Or the exercise therapy apparatus of 2. 前記軌道教示手段は、該運動療法の対象とする肢体の各関節間の長さと位置関係、すなわち肢体のいわゆる運動学をあらかじめ装置に入力し、肢体の動くべき動作を設定する、請求項1または2記載の運動療法装置。 The trajectory teaching means inputs in advance the length and positional relationship between each joint of the limbs to be subjected to the exercise therapy, that is, so-called kinematics of the limbs, and sets the motion of the limbs to move. 2. The exercise therapy apparatus according to 2. 直接教示による軌道教示手段として、装置のアームの機械的インピーダンスを制御によって仮想的に調整することで、肢体の動くべき軌道と動作範囲を設定する軌道教示手段を有する請求項1または2記載の運動療法装置。As a track teaching means by direct teaching, by adjusting virtually by controlling the mechanical impedance of the arms of the device, with a trajectory teaching means for setting the trajectory and operating range should movement of limbs, according to claim 1 or 2, wherein Exercise therapy device. 直接教示による軌道教示手段として、装置のアクチュエータのパワーを低減あるいは切ることで、肢体の動くべき軌道と動作範囲を設定する軌道教示手段を有する、請求項1または2記載の運動療法装置。 The kinematic therapy device according to claim 1 or 2, further comprising trajectory teaching means for setting a trajectory to be moved and a range of motion of the limb by reducing or cutting the power of the actuator of the apparatus as the trajectory teaching means by direct teaching. 直接教示による軌道教示手段として、装置のアクチュエータから装置のアームへの駆動力伝達を機構的に遮断することで、肢体の動くべき軌道と動作範囲を設定する軌道教示手段を有する、請求項1または2記載の運動療法装置。 The trajectory teaching means for setting the trajectory to which the limb should move and the movement range by mechanically interrupting transmission of the driving force from the actuator of the apparatus to the arm of the apparatus as the trajectory teaching means by direct teaching. 2. The exercise therapy apparatus according to 2. 前記軌道教示手段は、装置のアームとは別に設けられたレバーやダイアルを調整することで、肢体の動くべき軌道と動作範囲を設定する、請求項1または2記載の運動療法装置。 The exercise therapy device according to claim 1, wherein the trajectory teaching unit sets a trajectory and a motion range of the limb by adjusting a lever or a dial provided separately from the arm of the device. 前記負荷計測手段は、装置が肢体を支持する部分に備えられた力センサを用いることで、患者の肢体から装置への負荷を計測する、請求項1または2記載の運動療法装置。 The exercise therapy apparatus according to claim 1, wherein the load measuring unit measures a load on the apparatus from a patient's limb by using a force sensor provided in a portion where the apparatus supports the limb. 前記負荷計測手段は、装置のアームの各軸に備えられたトルクセンサを用いることで、患者の肢体から装置への負荷を計測する、請求項1または2記載の運動療法装置。 The exercise therapy device according to claim 1, wherein the load measuring unit measures a load on the device from a patient's limb by using a torque sensor provided on each axis of the arm of the device. 前記負荷計測手段は、装置のアームの各アクチュエータの電流値を用いることで、患者の肢体から装置への負荷を計測する、請求項1または2記載の運動療法装置。 The exercise therapy apparatus according to claim 1, wherein the load measuring unit measures a load on the apparatus from a patient's limb by using a current value of each actuator of an arm of the apparatus. 前記負荷計測手段は、装置のアームの各アクチュエータの電流値と各アクチュエータの速度情報とを用いたいわゆる外乱オブザーバを用いることで、患者の肢体から装置への負荷を計測する、請求項1または2記載の運動療法装置。 The load measuring means measures a load from the patient's limb to the apparatus by using a so-called disturbance observer using a current value of each actuator of the arm of the apparatus and speed information of each actuator. The exercise therapy device described. 前記負荷計測手段は、駆動される肢体の主要な筋肉の筋電情報を用いることで、患者の肢体から装置への負荷を計測する、請求項1または2記載の運動療法装置。 The exercise therapy device according to claim 1, wherein the load measuring unit measures the load on the device from the limb of the patient by using myoelectric information of the main muscles of the driven limb. 前記負荷計測手段は、駆動される肢体の主要な筋肉の筋肉ふくらみの大きさを計測することで、患者の肢体から装置への負荷を計測する、請求項1または2記載の運動療法装置。 The exercise therapy apparatus according to claim 1, wherein the load measuring unit measures a load on the apparatus from a patient's limbs by measuring a size of a muscle bulge of a main muscle of a driven limb. 前記負荷計測手段は、請求項9から14までに記載の計測手段を組み合わせることで、患者の肢体から装置への負荷を計測する、請求項9から14のいずれか1項記載の運動療法装置。It said load measuring means, coupled to the measuring means described in claims 9 to 14, measuring the load on the device from the patient's limb, exercise therapy apparatus of any one of claims 9 14. 前記負荷情報を増幅するフィルタとして、該軌道より下に肢体がある場合、前記軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき軌道より下に肢体が下がらないように、地面に向かう方向の該負荷情報を無視する垂直方向のフィルタが構成される、請求項3から8のいずれかに記載の運動療法装置。Wherein as a filter for amplifying the load information, when there is a limb below the trajectory, the so no limb is lowered below the track teaching means operating trajectory should limb set in the direction of the load towards the ground The exercise therapy device according to any one of claims 3 to 8 , wherein a vertical filter that ignores information is configured. 前記負荷情報を増幅するフィルタとして、該軌道より下に肢体がある場合、請求項3から8に記載の軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき軌道より下に肢体が下がらないように、地面方向の距離に応じて地面とは反対方向にある負荷情報を負荷計測値に加算する垂直方向のフィルタが構成される、請求項3から8のいずれかに記載の運動療法装置。As a filter for amplifying the load information, when there is a limb below the trajectory, the limb does not fall below the trajectory to be operated of the limb set by the trajectory teaching means according to claim 3 to 8. The exercise therapy device according to any one of claims 3 to 8 , wherein a vertical filter that adds load information in a direction opposite to the ground according to a distance in the ground direction to a load measurement value is configured. 前記負荷情報を増幅するフィルタとして、該軌道より上に肢体がある場合、該軌道からの距離に応じて地面とは反対方向に該負荷情報を負荷計測値に加算するように、垂直方向のフィルタが構成される、請求項1に記載の運動療法装置。As a filter for amplifying the load information, when there is a limb above the track, a filter in the vertical direction is added so that the load information is added to the load measurement value in a direction opposite to the ground according to the distance from the track. The exercise therapy device according to claim 1, wherein: 負荷情報を増幅するフィルタとして、前記軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき範囲に対し、得られた負荷情報にある正の比例定数をかけて負荷情報の増幅を行うように、水平方向のフィルタが構成される、請求項3から8のいずれかに記載の運動療法装置。As a filter for amplifying the load information relative to the operation to be a range of limb set by the trajectory teaching means, by applying a positive proportionality constant in the obtained load information to perform amplification of the load information, horizontal The exercise therapy device according to claim 3 , wherein the filter is configured. 負荷情報を増幅するフィルタとして、前記軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき範囲に対し、得られた負荷情報にある正のオフセットを加算して負荷情報の増幅を行うように、水平方向のフィルタが構成される、請求項3から8のいずれかに記載の運動療法装置。As a filter for amplifying the load information relative to the operation to be a range of limb set by the trajectory teaching means, by adding a positive offset in the obtained load information to perform amplification of the load information, horizontal The exercise therapy device according to claim 3 , wherein the filter is configured. 負荷情報を増幅するフィルタとして、前記軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき範囲に対し、得られた負荷情報にある不感帯を設けて負荷情報の増幅を行うように、水平方向のフィルタが構成される、請求項3から8のいずれかに記載の運動療法装置。As a filter for amplifying the load information relative to the operation to be a range of limb set by the trajectory teaching means, so that the amplification of the load information provided dead zone in the obtained load information, a horizontal filter The exercise therapy device according to any one of claims 3 to 8, which is configured. 負荷情報を増幅するフィルタとして、前記軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき範囲に対し、得られた負荷情報に、請求項19から21に記載の手法を組み合わせて負荷情報の増幅を行うように、水平方向のフィルタが構成される、請求項19から21のいずれか1項記載の運動療法装置。As a filter for amplifying the load information relative to the operation to be a range of limb set by the trajectory teaching means, the obtained load information, to amplify the load information by combining the techniques according to claims 19 21 22. The exercise therapy device according to any one of claims 19 to 21 , wherein a horizontal filter is configured. 前記肢体駆動手段は、肢体に取り付けられた装置のアームを前記運動指令にしたがって動かすことで肢体を駆動する、請求項1または2記載の運動療法装置。 The exercise therapy apparatus according to claim 1, wherein the limb body driving means drives the limb body by moving an arm of an apparatus attached to the limb body according to the motion command. 前記第2の記憶手段は、記憶された前記時系列データを時系列にしたがった順序をもつ点列としてそのまま記憶する、あるいは該軌道上の互いの距離があらかじめ定められた値またはその値よりも大きくなるように前記時系列データを補間または捨象して再設定し、時系列にしたがった順序をもつ点列として記憶する請求項2記載の運動療法装置。The second storage means stores the stored time series data as it is as a point sequence having an order according to the time series, or a mutual distance on the trajectory is a predetermined value or a value thereof interpolating or abstracting the time-series data so as to be larger reconfigure, stored as a sequence of points with an order in accordance with the time series, exercise therapy apparatus according to claim 2, wherein. 前記座標変換手段は、前記点列の一つの点とその隣の点とを結ぶ直線に沿って1つの座標軸を定め、他の1つの座標軸は地面に対する垂直平面に平行になるように設定することで、前記点列の各点において各々座標系を定める、請求項2記載の運動療法装置。 The coordinate conversion means determines one coordinate axis along a straight line connecting one point of the point sequence and the adjacent point, and sets the other coordinate axis to be parallel to a vertical plane with respect to the ground. The motion therapy apparatus according to claim 2, wherein a coordinate system is defined at each point of the point sequence. 前記点列を滑らかな軌道で補間したときに該軌道に垂直な平面を各点列で設定し、該軌道の近傍において隣り合う2つの該平面で囲まれる領域において、各点列で定めた座標系を前記座標変換手段に適用する、請求項25記載の運動療法装置。When the point sequence is interpolated with a smooth trajectory, a plane perpendicular to the trajectory is set for each point sequence, and in the region surrounded by the two adjacent planes in the vicinity of the trajectory, the coordinates determined by each point sequence 26. The exercise therapy device according to claim 25 , wherein a system is applied to the coordinate transformation means. 前記点列を通る線分に垂直な平面を各点列で設定し、その平面で囲まれる領域において、各点列で定めた座標系を前記座標変換手段に適用する、請求項25記載の運動療法装置。26. The motion according to claim 25 , wherein a plane perpendicular to a line segment passing through the point sequence is set for each point sequence, and a coordinate system defined by each point sequence is applied to the coordinate conversion means in a region surrounded by the plane. Therapy device. 前記負荷計算手段は、請求項25または26で定められた座標系に沿って負荷を計測すること、またはさらには各点列を補間する直線に沿った座標軸以外の負荷は無視する、請求項25または26記載の運動療法装置。Said load calculating means, to measure the load along a coordinate system defined in claim 25 or 26, or even loads other than coordinate axis along a straight line that interpolates the sequence of points may be ignored, claim 25 Or the exercise therapy apparatus of 26 . 前記負荷情報変換手段は、請求項28で定められた方法によって計測した各座標軸方向の負荷の値を、負荷を増幅するフィルタと、負荷を位置または速度または加速度の運動指令に変換するフィルタとに通す請求項28記載の運動療法装置。The load information conversion means converts the load value in each coordinate axis direction measured by the method defined in claim 28 into a filter that amplifies the load and a filter that converts the load into a motion command of position, velocity, or acceleration. passing, exercise therapy apparatus according to claim 28. 前記負荷情報変換手段は、2次の機械的インピーダンスモデルのほかに、静摩擦モデルあるいは動摩擦モデルあるいは非線形ばねモデルを用いる請求項2記載の運動療法装置。3. The exercise therapy apparatus according to claim 2 , wherein the load information conversion means uses a static friction model, a dynamic friction model, or a nonlinear spring model in addition to a secondary mechanical impedance model. 前記負荷情報変換手段は、ある正の比例乗数を負荷の値にかける、あるいは正のオフセットを負荷の値に加算する、あるいは不感帯を設けるあるいはそれらの組み合わせを行って負荷の増幅を行う、請求項2記載の運動療法装置。The load information converting means performs amplification of the load by multiplying a certain positive proportional multiplier by a load value, adding a positive offset to the load value, or providing a dead band or a combination thereof. 2. The exercise therapy apparatus according to 2.
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