JP4414998B2

JP4414998B2 - 牽引装置

Info

Publication number: JP4414998B2
Application number: JP2006325802A
Authority: JP
Inventors: 昇田中
Original assignee: Ito Co ltd
Current assignee: Ito Co ltd
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2026-12-01
Also published as: HK1133175A1; CN101541270B; WO2008065810A1; US8136415B2; US20100069810A1; JP2008136652A; KR20090083908A; KR101341090B1; CN101541270A

Description

本発明は、整体、整形外科等で行われる牽引に用いる牽引装置に関する。

従来のこの種の牽引装置としては、患者の腋の下を吊る吊り上げ装置と腿を固定する固定具を有する座部とを備え、座部（患者の上半身）を上下に牽引することによって、腰椎等を治療する座位牽引装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の牽引装置として、牽引力を検出するロードセルを有し、牽引力を検出するとともに、その検出信号を牽引元の駆動源であるモータの駆動制御に使用するように構成された牽引装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−８８５４０号公報特開昭５９−１１８１５６号公報

従来の牽引装置において、牽引制御時に牽引力センサとしてのロードセルの検出出力に基づいて牽引力を表示部に表示するのに、ロードセルの出力のＡ／Ｄ値、設定された牽引力に応じた制御信号であるＤ／Ａ値を使用するが、これらのＡ／Ｄ値及びＤ／Ａ値は、校正された値を用いている。
しかしながら、牽引力センサであるロードセルの出力は、電源投入直後の過渡的な状態や、環境変化、経年変化により、牽引力センサであるロードセルの零点が変動する場合が有る。牽引力センサの零点が変動すると、牽引力の検出値に直接、影響を及ぼすために、精度良く牽引力制御を行うことができない、という問題が有った。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、牽引力制御を精度よく行うことができる牽引装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の牽引装置は、被牽引体（２）である人体に所望の牽引力を印加する牽引装置（１）において、被牽引体（２）に印加する牽引力を設定する操作部（２４）と、被牽引体（２）にワイヤ（１０）を固定する固定具（３）、固定具（５）に連結されたワイヤ（１０）等を含み、被牽引体（２）に牽引力を印加する牽引機構と、牽引元で前記ワイヤ（１０）を巻き上げる駆動手段（１５）と、前記駆動手段（１５）に駆動信号を供給する駆動回路（２３）と、前記ワイヤ（１０）に作用する牽引力を検知する牽引力センサ（１７）と、操作部（２４）により設定された牽引力に応じた制御出力及び牽引力センサ（１７）の検知出力に応じて、ＰＷＭ信号のデューティーを変更すると共に、該ＰＷＭ信号を前記駆動回路（２３）に供給して、前記駆動手段（１５）を駆動制御する制御手段と、前記制御出力及び前記検知出力と、前記牽引力との関係を示すと共に前記駆動制御に用いられる牽引力データを記憶する記憶手段と、を有し、前記制御手段は、牽引制御停止時には前記駆動回路（２３）より前記駆動手段（１５）への駆動信号の出力を停止させ、前記駆動手段（１５）の駆動を停止させた状態で、前記制御出力を増減させて前記ＰＷＭ信号を予め定められた基準のデューティーとなるように調整し、前記基準のデューティーに調整された際の前記制御出力及び前記検知出力により、前記牽引力データを補正することを特徴とする。

上記構成の本発明の牽引装置では、制御手段は、牽引制御停止時には駆動回路に対し駆動手段としてのモータへの駆動信号の出力を停止させモータの駆動を停止した状態で、前記牽引力センサの出力が零となるように前記牽引力センサの出力を調整する。
したがって、牽引制御開始時に牽引力センサの零点調整を行うので、電源投入直後の過渡的な状態や、環境変化、経年変化により牽引力センサの零点が変動しても被牽引体に印加される牽引力を設定値に応じて正確に制御することができ、牽引力制御の精度の向上が図れる。

また、前記ワイヤ（１０）に作用する牽引力を表示する表示部（２７）を備え、
前記制御部は、前記表示部（２７）に表示させる牽引力を、前記補正した牽引データと前記牽引力センサ（１７）の検知出力とに基づいて求めることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、牽引制御開始時に牽引力センサの零点調整を行うので、電源投入直後の過渡的な状態や、環境変化、経年変化により牽引力センサの零点が変動しても被牽引体に印加される牽引力を設定値に応じて正確に制御することができ、牽引力制御の精度の向上が図れる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１に本発明の実施形態に係る牽引装置の概略構成を示す。同図において、本実施形態に係る牽引装置１は、固定部４に、固定具３を介して被牽引体２にワイヤ１０により連結されるようになっている。
被牽引体２は、弾性体であり、図１では、模式的に図示しているが、例えば、人体である。

牽引装置１は、被牽引体２に印加する牽引力を設定する操作部２４と、被牽引体にワイヤを固定する固定具５、固定具５に連結されたワイヤ１０等を含み、被牽引体２に牽引力を印加する牽引機構と、牽引元でワイヤ１０を巻き上げるモータ（駆動手段）１５と、ワイヤ１０に作用する牽引力を検知するロードセル（牽引力センサ）１７と、操作部２４により設定された牽引力の設定出力及びロードセル１７の検知出力を取り込み、モータ（駆動手段）１５を駆動制御する制御回路２５とを有している。
ワイヤ１０は、プーリ１１、１２を介して巻き取りローラ１３により巻き取られるようになっており、その駆動力は、モータ１５の回転力が減速機構１４を介して巻き取りローラの回転軸に伝達されるようになっている。

１６は、モータの回転数を検出する回転数検出器であり、回転数検出器１６の検出出力は、制御回路２５に入力されるようになっている。
また、牽引装置１は、ロードセル１７の検出出力を増幅する直流増幅器２０と、直流増幅器２０の出力信号と、制御回路２５から出力される制御信号とを加算する加算器２１と、加算器２１の出力レベルに応じたデューティのパルス信号を出力するＰＷＭコンバータ２２と、モータ１５に駆動信号を出力するモータ駆動回路２３と、表示部２７と、表示部２７を駆動する表示駆動回路２６とを有している。

制御回路２５は、ワイヤ１０の弛み部分をモータ１５により巻き上げて、被牽引体２に連結したワイヤ１０の弛みをなくす第１の牽引制御処理と、操作部２４により設定された牽引力を牽引量に換算し、該換算値に基づいて設定された牽引量のうちの所定量を目標値として該目標値まで連続的にワイヤ１０をモータ１０により巻き上げる第２の牽引制御処理と、ロードセル１７により被牽引体２に印加されている牽引力を検知し、該ロードセル１７の検知出力に基づいて操作部２４により設定された牽引量を最終目標値としてモータ１５の駆動停止時間を算出し、該駆動停止時間に達した時点でモータ１５の駆動を停止させる第３の牽引制御処理とを実行する機能を有している。
操作部２４は複数のキーから構成されており、表示部２７は操作部２４のキーの機能、治療モード、各種パラメータ、牽引力、エラー等の表示を行う。

次に、図１に示した牽引装置における牽引制御に関連する構成部分のみの具体的構成を図２に示す。同図において、図１に示した要素と同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図２において、ロードセル１７は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４なるブリッジ回路と、抵抗Ｒ５、Ｒ６とを有している。ブリッジ回路には抵抗Ｒ５、Ｒ６を介して電源電圧が印加され、ワイヤ１０に牽引力が作用すると、ブリッジ回路のバランスが崩れて牽引力の大きさに応じたレベルの直流電圧が出力されるようになっている。

直流増幅器２０はブリッジ回路の出力、すなわちロードセル１７の検出出力を増幅した信号ＴＲＣ＿ＡＤＩＮを制御回路２５の端子２５１より入力する。
また、加算器２１には、制御回路２５の端子２５２より操作部２４により設定された牽引力に応じた制御出力ＴＲＣ＿ＣＮＴが入力され、信号ＴＲＣ＿ＡＤＩＮと加算され、その加算出力は制御回路２５の端子２５３に入力されるとともに、ＰＷＭコンバータ２２を構成するコンパレータ２２０の反転入力端子に入力される。

一方、コンパレータ２２０の非反転入力端子には、三角波発生器２２１から出力される三角波信号が入力されるようになっており、三角波信号と加算器２１の出力とがコンパレータ２２０で比較されることにより加算器２１の出力レベルに応じたデューティのパルス信号がモータ駆動回路２３に出力されるようになっている。

モータ駆動回路２３は、モータ１５の両端子間にスイッチング素子２３１、２３３を介して例えば、＋２４Ｖの電圧が印加され、またスイッチング素子２３２、２３４を介して接地されるようになっている。スイッチング素子２３１〜２３４は、制御回路２５より出力される制御信号に基づいてモータ１５が正方向または逆方向に回転するように、オン、オフ制御され、スイッチング素子２３１〜２３４のうち特定のスイッチング素子のゲートにコンパレータ２２０の出力信号が出力されるようになっている。

上記構成からなる牽引装置の動作について図３乃至図５のフローチャートを参照して説明する。これらの図において、牽引力制御開始時に牽引力センサとしてのロードセル１７の零点調整が行われる（ステップ３０）。ここで、図５を参照してステップ３０の処理内容を具体的に説明する。ステップ３０−１において、制御回路２５は、駆動回路２３からモータ１５への駆動信号（コンパレータ２２０の出力信号）の出力を停止させるように、駆動回路２３に制御信号を出力し、モータ１５の回転駆動は停止される。この状態では、被牽引体２には、牽引力は印加されておらず、牽引力センサとして機能するロードセル１７は、経年変化等で、零点が変動しない限り、本来、零（ｋg）であるべきであり、ロードセル１７の出力が零であれば、制御回路２５の端子２５２からの調整出力を加えない状態でＰＷＭコンバータ２２より出力されるＰＷＭ信号のデューティは５０％となる。仮に、このＰＷＭ信号をモータ１５に出力したとしても、モータ１５は駆動されない。

次いで、ＰＷＭコンバータ２２の出力調整が行われる（ステップ３０−２）。すなわち、ＰＷＭコンバータ２２の出力信号であるＰＷＭ信号のデューティが調整される。このＰＷＭ信号のデューティは、制御回路２５の端子２５２から出力される制御出力ＴＲＣ＿ＣＮＴのレベルを増減することにより行われる。
次いで、ＰＷＭ信号制御回路２５の端子２５２から出力される制御出力ＴＲＣ＿ＣＮＴのレベルを増減した結果、ＰＷＭコンバータ２２の出力信号であるＰＷＭ信号のデューティが５０％になったか否かを判定する（ステップ３０−３）。ＰＷＭ信号のデューティが５０％になっていない場合にはステップ３０−２に戻り、同じ処理を繰り返す。

ステップ３０−３でＰＷＭ信号のデューティが５０％になった場合には、処理はステップ３０−４に移行し、ＰＷＭ信号のデューティが５０％になった状態が所定時間（例えば、２秒）継続したか否かを判定する。この判定が否定された場合には、処理はステップ３０−２に戻り、既述したのと同じ処理を繰り返す。
他方、ステップ３０−４でＰＷＭ信号のデューティが５０％になった状態が所定時間、継続したと判定された場合には、零点（０ｋｇ点）の調整が終了したと判定し、図６に示すようにロードセル１７の出力のＡ／Ｄ値及び、制御回路２５から出力される牽引力の設定値に応じた大きさを示す制御信号であるＤ／Ａ値により、牽引力データ（工場出荷時に既に校正されているデータである。）を補正する（ステップ３０−５）。

補正された上記牽引力データを制御回路内のメモリに格納し（ステップ３０−６）、このロードセル零点調整の処理を終了する。このメモリに格納された牽引力データは、以降の操作部２４による牽引力の設定、牽引力制御に使用されるものとする。

図３に戻って、操作部２４において、ユーザにより所望の目標値となる牽引力が設定され、牽引動作を開始させるためのスイッチが操作されると、モータ１５が駆動され（ステップ３００）、回転数検出器１６の検出出力に基づいてモータ１５の回転数ＲがＲ＝Ｒ０（Ｒ０は、初期牽引時における単位牽引量に対応する回転数であるものとする。）になったか否かを判定する（ステップ３０１）。ステップ３０１の判定が「否定」である場合には、ステップ３００に戻り、モータ１５の回転駆動を継続する。

また、ステップ３０１の判定が「肯定」である場合には、モータ１５の駆動を停止し（ステップ３０２）、次いで牽引力ＦがＦ＝Ｆ１になったか否かを判定する（ステップ３０３）。すなわち、被牽引体２に印加されている牽引力Ｆがワイヤ１０の弛み分を巻き上げるのに十分な牽引力Ｆ１に達したか否かを判定する。この牽引力Ｆ１は、本実施形態では例えば、５ｋｇに設定される。ステップ３０３の判定が「否定」である場合には、ステップ３００に戻る。このようにして、ワイヤ１０の弛み部分をまきあげるために、モータ１５を少し回転しては、停止させ、牽引力ＦがＦ＝Ｆ１になるまで、この動作を繰り返す。
このステップ３００〜３０３までが、第１の牽引制御処理である。

ここで、上述した牽引力制御では、モータを少し回転させては、停止させ、所定の牽引力Ｆ１に達したか否かを判定することを繰り返し行うようにしたが、図５に示すように、牽引力制御の開始直後の初期牽引時においては、ワイヤ１０の弛み分を巻き上げるのに十分な牽引力Ｆ１（５ｋｇ）までの牽引については、制御回路２５の制御出力ＴＲＣ＿ＣＮＴと直流増幅器２０の出力信号ＴＲＣ＿ＡＤＩＮとを比較し、２ｋｇ以上の差があった場合は、制御回路２５の制御出力ＴＲＣ＿ＣＮＴの上昇を停止させ、その後、牽引力が１ｋｇ以内になったときに制御出力ＴＲＣ＿ＣＮＴの上昇を再開させるように、牽引力制御を行うようにしてもよい。

一方、ステップ３０３の判定が「肯定」である場合には、第１の牽引力制御処理を終了し、被牽引体２に実質的に牽引力を作用させる第２の牽引力制御処理に移行する。
すなわち、モータの駆動を再開する（ステップ３０４）。次いで、牽引量ＬがＬ＝Ｌ０（Ｌ０は、本実施形態では、目標値である牽引力Ｆｉを換算した値の例えば、７５％とする。）に達したか否かを判定する（ステップ３０５）。ステップ３０５の判定が「否定」であれば、処理はステップ３００に戻る。

一方、第２の牽引力制御処理では、図６に示すように、制御出力ＴＲＣ＿ＣＮＴを設定牽引力Ｆｉまで設定のスピードで上昇させ、制御出力ＴＲＣ＿ＣＮＴが設定牽引力Ｆｉに達したら、すなわち、ステップ３０５の判定が「肯定」であれば、その値を保持し、直流増幅器２０の出力信号ＴＲＣ＿ＡＤＩＮが牽引量に換算して設定牽引力Ｆｉの７５％に達した時点ｔｎで制御出力ＴＲＣ＿ＣＮＴの値にブレーキをかけ、設定牽引力Ｆｉの７５％のレベルまでのレベルを下げ、この位置から制御出力ＴＲＣ＿ＣＮＴのレベルを設定された牽引速度で上昇させ、第３の牽引力制御処理に移行する。この第３の牽引力制御処理では、被牽引体に印加される牽引力が目標値である設定牽引力Ｆｉに正しく合わせた状態でモータ15による牽引を停止させる制御を行う。

次いで、時刻ｔｎで、モータ１５の駆動を停止し（ステップ３０６）、ロードセル１７の検出出力に基づいて被牽引体２に印加される牽引力が設定牽引力Ｆｉに達するのに要するモータ１５の駆動時間Δｔを算出し（ステップ３０７）、モータ１５を駆動するとともに、モータ１５の駆動時間を計時するタイマＴをリセットする（ステップ３０８、３０９）。次いでモータ１５の駆動時間ＴがＴ＝Δｔに達したか否かを判定する（ステップ３１０）。モータ１５の駆動時間Ｔが時刻ｔｎ１でＴ＝Δｔに達した場合には、モータ１５の駆動を停止する（ステップ３１１）。

以上に説明したように、本実施形態に係る牽引装置によれば、牽引制御開始時に牽引力センサの零点調整を行うので、電源投入直後の過渡的な状態や、環境変化、経年変化により牽引力センサの零点が変動しても被牽引体に印加される牽引力を設定値に応じて正確に制御することができ、牽引力制御の精度の向上が図れる。

本発明の実施形態に係る牽引装置の全体の概略構成を示す図。図１に示した本発明の実施形態に係る牽引装置における要部における具体的構成を示すブロック図。本発明の実施形態に係る牽引装置の動作を示すフローチャート。本発明の実施形態に係る牽引装置の動作を示すフローチャート。ロードセルの零点調整時の処理内容を示すフローチャート。ロードセルの零点調整時の状態を示す説明図。本発明の実施形態に係る牽引装置の初期牽引時における制御特性の一例を示す図。本発明の実施形態に係る牽引装置の牽引制御特性の一例を示す図。従来の牽引装置の牽引制御特性の一例を示す図。従来の牽引装置の牽引制御特性の他の例を示す図。

符号の説明

１…牽引装置、２…被牽引体、３，５…固定具、４…固定部、１０…ワイヤ、１１、１２…プーリ、１３…巻き取りローラ、１４…減速機構、１５…モータ、１６…回転数検出器、１７…ロードセル、２０…直流増幅器、２１…加算器、２２…ＰＷＭコンバータ、２３…モータ駆動回路、２４…操作部、２５…制御回路、２６…表示駆動回路、２７…表示部

Claims

被牽引体（２）である人体に所望の牽引力を印加する牽引装置（１）において、
被牽引体（２）に印加する牽引力を設定する操作部（２４）と、
被牽引体（２）にワイヤ（１０）を固定する固定具（３）、固定具（５）に連結されたワイヤ（１０）等を含み、被牽引体（２）に牽引力を印加する牽引機構と、
牽引元で前記ワイヤ（１０）を巻き上げる駆動手段（１５）と、
前記駆動手段（１５）に駆動信号を供給する駆動回路（２３）と、
前記ワイヤ（１０）に作用する牽引力を検知する牽引力センサ（１７）と、
操作部（２４）により設定された牽引力に応じた制御出力及び牽引力センサ（１７）の検知出力に応じて、ＰＷＭ信号のデューティーを変更すると共に、該ＰＷＭ信号を前記駆動回路（２３）に供給して、前記駆動手段（１５）を駆動制御する制御手段と、
前記制御出力及び前記検知出力と、前記牽引力との関係を示すと共に前記駆動制御に用いられる牽引力データを記憶する記憶手段と、
を有し、
前記制御手段は、牽引制御停止時には前記駆動回路（２３）より前記駆動手段（１５）への駆動信号の出力を停止させ、前記駆動手段（１５）の駆動を停止させた状態で、前記制御出力を増減させて前記ＰＷＭ信号を予め定められた基準のデューティーとなるように調整し、前記基準のデューティーに調整された際の前記制御出力及び前記検知出力により、前記牽引力データを補正することを特徴とする牽引装置。
前記ワイヤ（１０）に作用する牽引力を表示する表示部（２７）を備え、
前記制御部は、前記表示部（２７）に表示させる牽引力を、前記補正した牽引データと前記牽引力センサ（１７）の検知出力とに基づいて求めることを特徴とする請求項１に記載の牽引装置。