JP4075020B2 - 肢体駆動装置の制御装置および肢体駆動システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、肢体に動きを与え、あるいは肢体によって動かされる装置に関するものであり、特に、関節と筋肉の複雑な動きを考慮して柔軟な動作をするよう制御し、簡単なユーザーインターフェースを用いて肢体の高度な運動を繰り返し再現することができる肢体駆動装置の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
肢体に動きを与えたり、肢体によって動かされて肢体の負荷となることによって肢体の機能を回復させる医療機器としてこれまで多くの種類の装置が開発されている。これらの装置の１つに、肢体の関節の動きに対応して１自由度機構を備え、単純な往復運動を行えるようにしたものがある。具体的にはZimmer社のCapeSystem 、INVACARE社のTotal CPM 、ダニンガーメディカル社のダニフレックスCPM システム、米国ストライカー社のレッグエクササイザー、米国サッター社のサッターCPM 、トロントメディカル社のCPM ユニットなどが開発されており、これらが特開昭６１−１７０４６４号公報、特開昭２−２９７３６９号公報、特開昭６３−２３２１５８号公報、特公平４−１４０２８号公報などに開示されている。これらの装置は、並進あるいは回転の１自由度の機構を位置制御することによって肢体を動かすようになっている。また、これらの装置は関節可動角度を数値またはダイヤルで設定するだけであり、治療時は設定した関節可動角度の範囲内を肢体駆動装置が往復運動して肢体を動かすので簡便性がある点で優れており、現場の医療従事者の間で広く使われている。
【０００３】
一方、もう１つの装置として、多自由度機構を備えてインピーダンス制御下で動作するものがある。具体的には第１６回バイオメカニズム学術講演会で発表された多自由度力制御可能な下肢用リハビリ装置や、第１０回リハ工学カンファレンスで発表された多自由度力制御可能なパラレル型膝用ＣＰＭ装置、第４回バイオメカニクスカンファレンスで発表された力制御可能な多自由度マニピュレータを用いたシリアル型膝用ＣＰＭ装置、第１５回バイオメカニズム学会学術講演会で発表された多自由度力制御可能な指用ＣＰＭ装置などが開発されている。このうち下肢用リハビリ装置の実施例の一つを図４に示す。この装置は、大腿部４０３と下腿部４０４を独立した２つのアーム４０１、４０２の先端に設けたスプリント４０５、４０６で支持し、脚の屈曲と伸展動作を行わせるものである。この装置の機構部は平面内の並行と回転の３つの自由度を持ち、平面内の膝と股のあらゆる動きに対応して肢体の運動と装置の運動のズレを生じることなく動作させることができる。また、両アームの先端に加わる力を検出することにより、その力情報を用いて下肢からの抵抗に対する柔軟性をインピーダンス制御によって実現している。このように、多自由度機構を持った機構部とインピーダンス制御により、肢体の高度な運動に対応している。また、この装置はダイレクトティーチング機能を持っている。この機能は、まずティーチング動作で医療従事者が装置に取り付けた患者の脚を直接動かして両スプリントの軌跡を記憶させ、治療動作で記憶した軌跡をもとに繰り返して装置を動かせるようにするものである。これにより、医学的ノウハウに基づいた高度な肢体の運動が実現できるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記一つめの装置は１自由度機構しか備えていないので、例えば、脚の屈伸方向にスライドするときは位置制御をして膝を開閉しており、大腿部と下腿部からの負荷が常に膝関節に加わって膝に過負荷がかかりやすいという問題がある。また動作が単純で関節と筋肉の運動の複雑さが考慮されておらず、肢体に悪影響を及ぼすという欠点がある。さらに、大腿部と下腿部が常に膝より下に位置しているのでうっ血を引き起こすという問題がある。
前記二つめの装置は３自由度以上の多自由機構とインピーダンス制御によって、大きな負荷をかけることなく膝と股関節の動きに応じて肢体を運動させることができるが、ダイレクトティーチングをする必要があって、簡単に関節可動角度の入力をすることができないため、操作の簡便さに欠けるという問題がある。
そこで、本発明は、これらの欠点に鑑みてなされたものであり、操作者を問わず誰でも容易に簡単な入力操作をすることができ、関節と筋肉の複雑な動きが考慮されて柔軟で高度な運動を実現することができる肢体駆動装置の制御装置を提供することを目的とする。
【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、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、ベースに能動回転可能に設けられた第１のリンク部材と前記第１のリンク部材の先端に能動回転可能に設けられた第２のリンク部材と前記第２のリンク部材の先端に能動回転可能に設けられたスプリントからなる１つのアームを動作させ、前記スプリントに固定された肢体を駆動する肢体駆動装置の動作を制御する動作制御部（２０１）と、操作者によって前記肢体のパラメータが入力されるパラメータ入力部（２０２）と、前記スプリントの目標軌道ｘｄ（ｘ、ｙ、θｍ）を算出して当該目標軌道ｘｄ（ｘ、ｙ、θｍ）を前記動作制御部に送る肢体動作パターン生成部（２０３）と、を備えた肢体駆動装置の制御装置において、前記肢体のパラメータは、股関節の中心から膝関節の中心までの大腿部の長さＬ１、膝関節の中心からスプリント取付位置までの長さＬ２、股関節の可動角度θｈｍａｘ、および、膝関節の可動角度θｋｍａｘであり、肢体動作パターン生成部（２０３）は、膝と股関節の関節可動角度内の関節の角度をそれぞれθｋ、θｍと定義したとき、前記スプリントの目標軌道ｘｄ（ｘ、ｙ、θｍ）を、前記パラメータ入力部に入力されたパラメータおよび次式ｘ ＝Ｌ１ｃｏｓθｈ＋Ｌ２ｃｏｓ（θｋ＋θｈ）、ｙ ＝Ｌ１ｓｉｎθｈ＋Ｌ２ｓｉｎ（θｋ＋θｈ）、θｍ＝θｈ＋θｋ（但し、θｋ＜θｋｍａｘ、θｈ＜θｈｍａｘ）に基づいて、前記θｋまたはθｈを連続的に変化させて算出することを特徴とするとするものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の制御装置と、前記制御装置によって制御される肢体駆動装置と、を備えたことを特徴とするとするものである。
これによって、肢体の動きに対応した高度な運動をさせることができるようになるのである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。なお、説明を簡略化するため、下肢用の駆動装置について述べる。図１は本発明の肢体駆動装置の制御装置の使用状態を示す図である。図において、１００は肢体駆動装置、１０１はいくつかのリンクからなる肢体駆動装置１００の機構部であり、先端には力センサを内蔵したスプリント１０４が取付けられている。また、１０２は肢体駆動装置の制御装置、１０３は治療対象となる肢体の脚でありスプリント１０４に乗せて固定される。このような構成において、肢体駆動装置の制御装置１０２は与えられた動作に従って肢体駆動装置１００の機構部１０１を動作させ肢体の脚１０３を駆動する。
【０００７】
図２は肢体駆動装置の制御装置１０２の内部の機能を示すブロック図である。図において、２０１はインピーダンス制御のもとで肢体駆動装置１００の主な動作をコントロールする動作制御部であり、力センサを用いたインピーダンス制御系の機能を概念ブロック図として表わしている。また、２０２は肢体のパラメータを入力するパラメータ入力部、２０３はパラメータ入力部２０２の情報を受けて肢体の動きからみた代表的な運動パターンを生成し、スプリント１０４の目標軌道を算出して動作制御部２０１に指令を与える肢体動作パターン生成部である。
【０００８】
このような構成において、肢体を運動させるために、まず患者の肢体パラメータをパラメータ入力部２０２へ数値入力する。肢体動作パターン生成部２０３では、入力したこの情報をもとに必要な肢体駆動パターンを肢体の動きに基づいて生成し、さらにスプリント１０４の目標軌道ｘｄを算出する。肢体動作パターン生成部２０３から、目標軌道ｘｄを動作制御部２０１へ連続的に送る際、外力に対する肢体駆動装置１００の先端の応答が慣性Ｍ、粘性Ｂ、弾性Ｋというパラメータからなる仮想の機械的インピーダンスを実現するように制御している。脚の反力Ｆは肢体駆動装置１００の先端のスプリント１０４に取り付けた力センサで測定され、前記パラメータＭ、Ｂ、Ｋから目標軌道ｘｄ、すなわち力ゼロにおいてスプリント１０４の位置がとるべき軌道に対する偏差δｘが算出されると、この目標軌道ｘｄと偏差δｘとの和を新たな運動指令ｘｒとしてサーボ系に与えて脚に対する肢体駆動装置１００のインピーダンスが実現される。
【０００９】
次に、パラメータ入力部２０２から肢体動作パターン生成部２０３を介して動作制御部２０１へ目標軌道ｘｄを送る過程について説明する。図３はパラメータ入力部２０２へ入力するための肢体のパラメータを示す図である。図において、３０１はスプリント取付位置、３０２は股関節の中心から膝関節の中心までの大腿部の長さＬ１、３０３は膝関節の中心からスプリント取付位置までの長さＬ２、３０４は股関節の可動角度θｈｍａｘ、３０５は膝関節の可動角度θｋｍａｘである。
【００１０】
このような構成において、肢体の前記パラメータＬ１、Ｌ２、θｈｍａｘ、θｋｍａｘをパラメータ入力部２０２へあらかじめ入力すると、これをもとに、肢体動作パターン生成部２０３が以下の手順で動作制御部２０１の目標軌道ｘｄを算出する。ここで膝と股関節の関節可動角度内の関節の角度をそれぞれθｋ、θｈとすると、スプリント１０４の目標軌道ｘｄ（ｘ、ｙ、θｍ）の座標は、肢体の運動学から以下のように求めることができる。
【００１１】
ｘ ＝Ｌ１ｃｏｓθｈ＋Ｌ２ｃｏｓ（θｋ＋θｈ） 式（１）
ｙ ＝Ｌ１ｓｉｎθｈ＋Ｌ２ｓｉｎ（θｋ＋θｈ） 式（２）
θｍ＝θｈ＋θｋ 式（３）
【００１２】
従って、θｋ＜θｋｍａｘ、θｈ＜θｈｍａｘの範囲内で、代表的な肢体の動作パターンに対応したθｋ、θｈの連続値を設定すると、前記の式からスプリント１０４の目標軌道ｘｄを算出して動作制御部２０１へ連続的に送ることができる。ここで、肢体の動作パターンが例えば膝と股の屈曲動作であれば、θｋ、θｈの両者の値を連続的に変化させてスプリント１０４の目標軌道ｘｄを生成する。また、膝関節を固定し、股関節のみを動作させるＳＬＲ（ＳｔｒａｉｇｈｔＬｅｇ Ｒａｉｓｉｎｇ）動作では、θｈの値のみを連続的に変化させて動作制御部２０１の目標軌道ｘｄを生成する。
【００１３】
なお、スプリント１０４の運動と肢体の運動がずれる場合は、例えば、インピーダンス制御下において前記パラメータＭ、Ｂ、Ｋを変更し、肢体駆動装置１００の動作を柔らかくすることで対応するか、スプリント１０４の取付位置にフリーな駆動軸を追加することで対応することができる。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べた本発明の手段により、操作者を問わず誰でも容易に簡単な入力操作をすることができ、関節と筋肉の複雑な動きが考慮されて柔軟で高度な運動を実現することができる。
【００１５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の肢体駆動装置の使用状態を示す図
【図２】制御装置１０２の機能を示すブロック図
【図３】肢体のパラメータを示す図
【図４】従来の下肢用リハビリ装置
【符号の説明】
１００ 肢体駆動装置
１０１ 機構部
１０２ 肢体駆動装置の制御装置
１０３ 肢体の脚
１０４ スプリント
２０１ 動作制御部
２０２ パラメータ入力部
２０３ 肢体動作パターン生成部
３０１ スプリント取付位置
３０２ 大腿部の長さＬ１
３０３ 膝関節の中心から装置取付位置までの長さＬ２
３０４ 股関節の可動角度θｈｍａｘ
３０５ 膝関節の可動角度θｋｍａｘ
４０１ 第１アーム
４０２ 第２アーム
４０３ 大腿部
４０４ 下腿部
４０５ 第１アームのスプリント
４０６ 第２アームのスプリント
４０７ ベース

Claims (2)

1. ベースに能動回転可能に設けられた第１のリンク部材と前記第１のリンク部材の先端に能動回転可能に設けられた第２のリンク部材と前記第２のリンク部材の先端に能動回転可能に設けられたスプリントからなる１つのアームを動作させ、前記スプリントに固定された肢体を駆動する肢体駆動装置の動作を制御する動作制御部（２０１）と、操作者によって前記肢体のパラメータが入力されるパラメータ入力部（２０２）と、前記スプリントの目標軌道ｘｄ（ｘ、ｙ、θｍ）を算出して当該目標軌道ｘｄ（ｘ、ｙ、θｍ）を前記動作制御部に送る肢体動作パターン生成部（２０３）と、を備えた肢体駆動装置の制御装置において、
   前記肢体のパラメータは、股関節の中心から膝関節の中心までの大腿部の長さＬ１、膝関節の中心からスプリント取付位置までの長さＬ２、股関節の可動角度θｈｍａｘ、および、膝関節の可動角度θｋｍａｘであり、
   肢体動作パターン生成部（２０３）は、膝と股関節の関節可動角度内の関節の角度をそれぞれθｋ、θｍと定義したとき、
   前記スプリントの目標軌道ｘｄ（ｘ、ｙ、θｍ）を、前記パラメータ入力部に入力されたパラメータおよび次式
   ｘ ＝Ｌ１ｃｏｓθｈ＋Ｌ２ｃｏｓ（θｋ＋θｈ） 式（１）
   ｙ ＝Ｌ１ｓｉｎθｈ＋Ｌ２ｓｉｎ（θｋ＋θｈ） 式（２）
   θｍ＝θｈ＋θｋ 式（３）
   （但し、θｋ＜θｋｍａｘ、θｈ＜θｈｍａｘ）
   に基づいて、前記θｋまたはθｈを連続的に変化させて算出することを特徴とする肢体駆動装置の制御装置。
2. 請求項１記載の制御装置と、
   前記制御装置によって制御される肢体駆動装置と、を備えたことを特徴とする肢体駆動システム。

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