JP4702585B2 - 下肢駆動装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下肢の機能を回復するためのトレーニングに用いられる下肢駆動装置、特に股関節や膝関節の角度・負荷を訓練中に計測できる下肢駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
筋力の低下した肢体の機能を回復するために関節を中心にして外部から機械的に肢体を駆動したり、関節の動きに負荷をかけたりする装置がある。例えば、本願の出願人は特開１１−３４７０８１号公報で、股関節を回転させる大腿用運動機構部と膝関節を回転させる下腿用運動機構部を備えた下肢駆動装置を提案している。この下肢駆動装置は、アームで患者の大腿部と下腿部を掴んで、大腿部と下腿部を所定の軌跡で運動させる装置である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の下肢駆動装置では、アームの回転軸と患者の関節の回転軸が一致しないので、患者の関節の角度や関節に加わる負荷トルクを計測することができないという問題があった。また、患者の関節にゴニオメータセンサを取り付ければ、患者の関節角度を計測することはできるが。ゴニオメータの取り付け調整は煩雑であり、その準備に手間が掛かるという問題があった。
そこで、本発明は下肢駆動装置のアームの角度をおよびアームに加わる力から、運動中の患者の関節の角度および関節に加わる負荷トルクをリアルタイムで計測できる下肢駆動装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は基台と、前記基台と平行な面で患者の体幹部を支持する支持面と、基端を前記基台に軸支され回転角度θJ1を設定可能なサーボモータにより回転駆動する第１リンクと、前記第１リンクの先端に、前記第１リンクの前記基台に対する回転角度θJ１だけ逆方向に回転する連動機構を介して連結された第２リンクと、前記第２リンクの先端に軸支されて前記患者の大腿部に装着される大腿装着部と、前記大腿装着部と前記第２リンクとの間の回転角度の検出値[θpd_real］と予め求められた更正時の修正量［θpd_off]とを加算した大腿角度検出値[θpd_real+θpd_off]を検出する大腿角度検出器と、基端を前記基台に軸支され、回転角度θJ2を設定可能なサーボモータにより回転駆動する第３リンクと、前記第３リンクの先端に軸支され、回転角度θJ3を設定可能なサーボモータにより回転駆動する第４リンクと、前記第４リンクの先端に軸支されて前記患者の下腿部に装着される下腿装着部と、前記第４リンクと前記下腿装着部との間の検出値[θpk_real］と予め求められた更正時の修正量［θpk_off]とを加算した下腿角度検出値[θpk_real+θpk_off]を検出する下腿角度検出器と、前記患者の前記大腿部と前記下腿部とのなす角度θkを推定する関節角度推定部と、を有し、
前記関節角度推定部は、前記下腿装着部に装着された前記患者の下腿部の骨軸が水平となる状態において、角度[θJ2+θJ3+θpk_real+θpk_off]と水平との差からオフセットθk_offを求め、
前記下腿装着部に装着された前記患者の大腿部の骨軸と下腿部の骨軸とが一直線になる状態においてθpk′=[θJ2+θJ3+θpk_real+θpk_off+θk_off]より前記患者の下腿角度θpk’を求め、前記回転角度θJ1と、前記回転角度θJ1から得られる前記第２リンクの前記基台に対する角度と、前記大腿角度検出値[θpd_real+θpd_off]とに基づき、前記大腿装着部の前記基台に対する角度に対応する大腿角度θpdを求め、前記下腿角度θpk’と、前記大腿角度θpdとの差からオフセットθd_offを求め、
任意の姿勢において、
θpd′=[θpd＋θd_off]より補正後の大腿角度θpd′を求め、θpk′=[θJ2+θJ3+θpk_real+θpk_off+θk_off]より下腿角度θpk′を求めθk=[θpd′-θpk′]より前記大腿部と前記下腿部とのなす前記角度θkを求めるものである。
請求項２の発明は、前記大腿装着部と前記第２リンクとの間の前記大腿装着部と直交する方向の力Ｆkz_realと、前記大腿装着部と平行な方向の力Ｆkz_realとを検出する大腿力検出器と、
前記下腿装着部と第４リンクとの間の前記大腿装着部と直交する方向の力Ｆdz_realを検出する下腿力検出器と、
前記前記患者の下腿角度θpk’と、前記下腿力検出器の検出結果Ｆdz_real，Ｆdz_realに基づいて、下腿装着部と第４リンクとの間に生じる力の重力方向成分Ｆkz_g＝-(sinθpk’・Fkx_real＋cosθpk’・Fkz_real)と、
重力に直交する方向成分Fkx_g＝-(cosθpk’・Fkx_real-sinθpk’・Fkz_real)とを求め、
予め求められた前記膝関節から前記下腿力検出器の間の長さをAkと、前記Ｆkz_gと、前記Ｆkx_gとに基づいて膝関節負荷トルクτk=Ak・sinθpk′・Fkx_g-Ak・cosθpk′・Fkz_gを求める膝関節負荷トルク推定部と、
前記患者の大腿角度θdk’と、前記大腿力検出器の検出結果Ｆdz_real=Fdz_gと、予め記憶された前記患者の前記大腿部の長さLd，前記患者の前記股関節から前記大腿力検出器の間の長さをAdと、前記膝関節負荷トルク推定部の算出結果と、に基づいて膝関節負荷トルクτhを下式より求める股関節負荷トルク推定部と、を有するものである。
τh=-(Ld・sinθpd′+Ak・sinθpk′)・Fkx_g+(Ld・cosθpd′+Ak・cosθpk′)・Fkz_g+ Ad・Fdz_g
請求項３の発明は、前記股関節角度推定部の出力を事前に設定した値と比較して、その結果の大小により、警告、一時停止、非常停止のいずれかを選択して実行する関節可動域監視部を備えるものである。
請求項４の発明は、前記股関節負荷推定部の出力を事前に設定した値と比較して、その結果の大小により、警告、一時停止、非常停止のいずれかを選択して実行する関節負荷監視部を備えるものである。請求項５の発明は、前記膝関節負荷推定部の出力を事前に設定した値と比較して、その結果の大小により、警告、一時停止、非常停止のいずれかを選択して実行する関節負荷監視部を備えるものである。
【０００５】
【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。
図１は本発明の実施例を示す下肢駆動装置のブロック図である。図において、１１１は下肢駆動装置の機構部であり、１は訓練対象の患者である。２は患者１の股関節、３は大腿部、４は膝関節、５は下腿部である。
１０は機構部１１１の基台であり、２０は大腿用運動機構部であり、３０は下腿用運動機構部である。
大腿用運動機構部２０は患者１の股関節２を回転駆動する第１のアーム機構であり、基台１０に軸支されて図示しないモータで回転駆動される第１リンクと、第１リンク２１の先端に軸支されて図示しない連動機構により第１リンク２１の基台１０に対する回転角度と等しい角度だけ逆方向に回転駆動される第２リンク２２と、第２リンク２２の先端に軸支されて患者１の大腿部３に装着される大腿装着部２３からなり、第２リンク２２と大腿装着部２３の間の回転角度を検出する大腿角度検出器２４と、大腿装着部２３と第２リンク２２の間に生じる力を検出する大腿力検出器２５を備えている。
下腿用運動機構部３０は患者１の膝関節４を回転駆動する第２のアーム機構であり、基台１０に軸支されて図示しないモータで回転駆動される第３リンク３１と、第３リンク３１の先端に軸支されて図示しないモータで回転駆動される第４リンク３２と、第４リンク３２の先端に軸支されて患者１の下腿部５に装着される下腿装着部３３からなり、第４リンク３２と下腿装着部３３の間の回転角度を検出する下腿角度検出器３４と、下腿装着部３３と第４リンク３２の間に生じる力を検出する下腿力検出器３５を備えている。
なお、機構部１１１は基本的には、本願の出願人が特開平１１−３４７０８１号公報で開示した下肢駆動装置と同一であるが、本願発明の説明に不要な機構の説明は省略した。
１１６は関節角度推定部であり、大腿角度検出器２４と下腿角度検出器３４で検出された大腿装着部２３と下腿装着部３３の角度データから、患者１の股関節２の角度と膝関節４の角度を求める演算装置である。
１１７は関節負荷推定部であり、大腿力検出器２５と下腿力検出器３５で検出した力から、患者１の股関節２に負荷されるトルクと膝関節４に負荷されるトルクを求める演算装置である。
１１８は関節角度補正部であり、大腿角度検出器２４と下腿角度検出器３４で検出された大腿装着部２３と下腿装着部３３の角度データを事前に計測した基準値で補正する演算装置である。
１１９は表示部であり、股関節２の角度、膝関節４の角度、股関節２の負荷トルク、膝関節４の負荷トルクを文字や図形で表示する表示装置である。
１２０は保存部であり、股関節２の角度、膝関節４の角度、股関節２の負荷トルク、膝関節４の負荷トルクを記憶する記憶装置である。
１２１は訓練データであり、保存部１２０に記憶された患者１の股関節２の角度、膝関節４の角度、股関節２の負荷トルク、膝関節４の負荷トルクのデータファイルである。
１２２は関節可動域監視部であり、股関節２の角度と膝関節４の角度を常に監視して、所定の基準値と比較し、その結果に応じて、警告、一時停止、あるいは非常停止の処理を選択して実行する安全装置である。
１２３は関節負荷監視部であり、股関節２の負荷トルクと膝関節４の負荷トルクを常に監視して、所定の基準値と比較し、その結果に応じて、警告、一時停止、あるいは非常停止の処理を選択して実行する安全装置である。
【０００６】
図２は関節角度推定部１１６の詳細を示すブロック図である。関節角度推定部１１６は、股関節２の角度を推定する股関節角度推定部１８１と膝関節４の角度を推定する膝関節角度推定部１８２からなり、推定結果は保存部１２０内の関節角度保存部１８３に記憶される。
【０００７】
図３は関節角度を推定する方法を説明する説明図である。股関節２の角度の推定方法を図３に基づいて説明する。第２リンク２２は第１リンク２１に連動して同じ角度で逆向きに動くので、第２リンク２２の、基台１０に対する傾きは常に一定角度となる。したがって、大腿角度検出器２４によって得られる大腿装着部２３と第２リンク２２の成す角度から、大腿装着部２３の基台１０に対する傾きが求まる。今、この大腿装着部２３の基台１０に対する角度θpdを大腿角度と定義し、更正時のオフセットをθpd_offとし、大腿角度検出器２３の検出角度θpd_realとし大腿角度θpdを求める。
【０００９】
ここで、大腿角度θpdと大腿部３の骨軸（股関節２と膝関節４を結ぶ直線）の傾きが同じと仮定する（体幹は基台１０に対して平行だからである）と、股関節の角度θhは、次の式で求めることができる。
【００１０】
θh ＝ θpd （式２）
【００１１】
次に膝関節４の角度の推定方法について説明する。膝関節４の角度θkを測定するためには、まず下腿装着部３３の基部１０に対する角度θpkを求める必要がある。下腿角度検出器３４は、下腿装着部３３と第４リンク３２の間の角度を出力する。第４リンク３２の傾きは、第３リンク３１の回転角度θJ2と第４リンク３２の回転角度θJ3とにより決まる。今、下腿装着部３３の基部１０に対する角度θpkを下腿角度と定義し、更正時のオフセットをθpk_offとし、図６参照のオフセットをθk_offとし、下腿角度検出器３４の検出角度をθpk_realとすると、下腿角度θpkは下記の式で得られる。
【００１２】
θpk ＝ θpk_real＋θpk_off＋θk_off＋θJ2＋θJ3 （式３）
【００１３】
ここで、下腿角度θpkと下腿部５の骨軸（膝関節４と足関節６を結ぶ直線）の傾きが同じと仮定すると、膝関節４の角度θkは、大腿角度θpdと、下腿角度
θpkとから、次の式で求めることができる。
【００１４】
θk ＝ θpd−θpk （式４）
【００１５】
図４は関節負荷推定部１１７の詳細を示すブロック図である。関節角度推定部１１７は、股関節２の負荷トルクを推定する股関節負荷推定部２０１と膝関節４の負荷トルクを推定する膝関節負荷推定部２０２からなり、推定結果は保存部１２０内の関節負荷保存部２０３に記憶される。
【００１６】
図５は関節負荷を推定する方法を説明する説明図である。
股関節２の負荷トルクの推定方法を図５に基づいて説明する。
大腿力検出器２５の出力の大腿装着部２３を基準とする座標系のＺ軸方向の成分をＦdz_real、下腿力検出器３５の下腿装着部３３を基準とするＸ軸方向の値をＦkx_real、Ｚ軸方向の値をＦkz_realとする。
これらの値を下記の式で変換する。ただし、Ｓｋ＝ｓｉｎ（θpk）、
Ｃｋ＝ｃｏｓ（θpk）である。
【００１７】
Ｆdz_g ＝ − Ｆdz_real （式５）
Ｆkx_g ＝ −（ Ｃｋ・Ｆkx_real − Ｓｋ・Ｆkz_real ） （式６）
Ｆkz_g ＝ −（ Ｓｋ・Ｆkx_real ＋ Ｃｋ・Ｆkz_real ） （式７）
【００１８】
更に、股関節２にかかる負荷（トルク）τhと膝関節４にかかる負荷（トルク）τkは、大腿部の長さをＬd、股関節２から大腿力検出器２５間の長さをＡd、膝関節４から下腿力検出器３５間の長さをＡｋ、Ｓｄ＝ｓｉｎ（θpd）、
Ｃｄ＝ｃｏｓ（θpd）とすると、以下の式で算出することができる。
【００１９】
【００２０】
なお、本実施例では、大腿用運動機構部と下腿用運動機構部の先端に配置した力検出器を用いて負荷を算出したが、股関節の位置のパラメータを用いることにより下腿用運動機構部の先端に配置した力検出器のみから股関節と膝関節の負荷を算出することも可能である。
【００２１】
図６は下腿角度を補正するためのオフセットの求め方の説明図であり、図７は大腿角度を補正するためのオフセットの求め方の説明図である。前述したように、関節角度推定部１１６では、大腿角度（大腿装着部２３の基台１０に対する角度）θpdと大腿部の骨軸３１１（股関節２と膝関節４を結ぶ直線）の傾きが同じと仮定して、股関節の角度θhを求め、下腿角度（下腿装着部３３の基台１０に対する角度）θpkと下腿部の骨軸（膝関節４と足関節６を結ぶ直線）の傾きが同じと仮定して、膝関節の角度θkを求めた。しかし、実際には、大腿部３、下腿部５の形状には個人差があるため、装着部と骨軸の間で個人差による偏差が生じ、この偏差が推定時の誤差となる。本発明の関節角度補正部は、この装着部と骨軸の間で生じる偏差を補正するためのもので、次の手順に従って補正を行なう。
インピーダンス制御の慣性と弾性のパラメータを０とし、機構部が脚の動きに追従して自由に動くように制御を切り替える。
操作者が下腿部５を持ち図６の様に下腿部５の骨軸３１２が水平になるように動かす。下腿部５の骨軸３１２を水平に合わせる方法としては、水準器により基台１０が水平になるように下肢駆動装置を設置しておき、下腿部５に水準器を置き水平に合わせる方法や、下肢駆動装置に基台に対して水平になるように規制するジグを設けて、そのジグに骨軸３１２を合わせる方法があるがどちらを選んでも良い。
下腿装着部３３に設けたスイッチ３０１を押し、下腿角度検出器３４の値を下腿装着部３３と下腿部５の骨軸３１２の間で生じるオフセットθk_off＝−θpkとして、メモリに保存する。
患者１の下腿角度θpk’は、オフセットθk_offを用いて下記の式の様に補正する。
θpk’＝θpk＋θk_off
＝θpk_real＋θpk_off＋θJ2＋θJ3＋θk_off （式１０）
次に操作者が患者１の下腿部５を持ち図７の様に、膝関節４を伸展させて、大腿部３の骨軸３１１と下腿部５の骨軸３１２が一直線になるように、大腿部３と下腿部５を動かす。
下腿装着部３３に設けたスイッチ３０１を押し、下腿角度θpk’と大腿角度θpdとの差を大腿装着部２３と大腿部３の骨軸３１１の間で生じるオフセットθd_off＝θpk’−θpdとして、メモリに保存する。
患者１の大腿角度θpd’を、偏差θd_offを用いて下記の式の様に補正する。
【００２２】
θpd’＝θpd＋θd_off
＝ θpd_real＋θpd_off＋θd_off （式１１）
【００２３】
股関節２の角度θhと膝関節４の角度θkは、補正後の大腿角度θpd’と下腿角度θpk’とから下記の式で求めれば良い。
【００２４】
股関節２の角度：θh ＝ θpd’ （式１２）
膝関節４の角度：θk ＝ θpd’−θpk’ （式１３）
【００２５】
図８は、本発明の下肢駆動装置の表示部に表示されるデータ表示の例を示す図であり、図８（ａ）は健常者の関節角度と関節負荷を時間軸を共通にして上下２段のグラフとして表示した例を示し、図8（ｂ）は患者の関節角度と関節負荷を同様に表示した例を示す。
上段の関節角度グラフは、横軸に時間、縦軸に関節角度をとり、股関節角度データ５０１を実線で、膝関節角度データ５０２を点線で示している。下段の関節負荷グラフは、横軸に時間、縦軸に関節負荷をとり、股関節負荷データ５０３を実線で、膝関節負荷データ５０４を点線で示している。本実施例では、時間軸を共通にして、股関節と膝関節の角度を同時に表示するため、データから訓練中の運動パターンを容易に知ることができる。例えば、関節角度グラフに示すデータは、股関節２と膝関節４を同時に屈曲する屈曲運動を行った後で、膝関節４を伸展したまま股関節２を屈曲するＳＬＲ運動を行っていることがわかる。また、本実施例では、各関節の角度に加えて各関節の負荷を同時に表示するため、データから訓練中の筋の状態を容易に知ることができる。患者の関節負荷グラフの屈曲運動時の関節負荷をみると、最大屈曲時ではなく、屈曲と伸展の途中で負荷が最大となっている。これは、関節可動域の途中で筋肉が硬くなるジャックナイフ現象と呼ばれるもので、表示したデータから患者の筋に痙性が生じていることがわかる。更に、健常者と患者の関節角度グラフを比べると、屈曲運動では、膝関節・股関節ともに同じ角度まで曲がっているが、ＳＬＲ運動では、健常者に比べて患者の膝関節が伸びず、股関節も曲がっていないことがわかる。また、健常者と患者の関節負荷グラフを比べると、健常者に比べＳＬＲ運動における患者の関節負荷が、股関節・膝関節ともに大きいことがわかる。これは、患者の２関節筋が短縮しているために観られる現象であり、このような現象は、１関節ごとの関節角度と関節負荷の表示ではとらえることができないものである。
【００２６】
図８（ｃ）、図８（ｄ）は、横軸に関節角度、縦軸に関節負荷をとり、関節角度と関節負荷の関係をリサージュ図形として表示する例を示す図であり、（ｃ）は健常者の例、（d）は患者の例を示す。
上段は股関節のリサージュ図を、下段に膝関節のリサージュ図を、横軸に関節角度を縦軸に関節負荷をとり表示している。本実施例では、関節角度と関節負荷のリサージュ図形として表示するため、図形の形や面積から訓練中の患者の状態を容易に知ることができる。例えば、健常者と患者の股関節のリサージュ図を比較すると、患者のデータでは、屈曲時と伸展時で負荷の大きさに違いがあるため、健常者のリサージュ図に比べて患者のリサージュ図の面積が大きいことがわかる。また、健常者と患者の膝関節のリサージュ図を比較すると、健常者のリサージュ図に比べて患者のリサージュ図の形に歪みがみられ、これにより患者の膝に障害があることがわかる。
なお、以上のようなデータ表示が容易に行なえるように、本発明の下肢駆動装置においては、関節角度推定部１１６で推定した股関節角度データと膝関節角度データ、関節負荷推定部１１７で推定した股関節負荷データと膝関節負荷データを、時間的に同期がとれた形で保存するためには、データを記録する順序を決めて一定周期ごとに保存部（メモリ）１２０に収納し、時間的に同期がとれた形で保存する。このように股関節角度データ、膝関節角度データ、股関節負荷データ、膝関節負荷データが時間的に同期のとれた形で保存することができるため、前記のようにデータを時系列に並べたり、同じタイミングで記録された複数のデータを関連付けて表示することが、フラインでも可能となる。
【００２７】
図１に示すように、関節可動域監視部１２２は関節角度推定部１１６で推定した膝関節角度データを常時監視しているが、ここで関節可動域監視部１２２の機能について図９に基づいて説明する。
図９は、関節可動域監視部１２２について説明するための説明図である。図に示すように、膝関節４の関節角度について、警告の設定値をθ１、一時停止の設定値をθ２、非常停止の設定値をθ３とし、あらかじめパラメータとして設定しておく。膝関節角度データが、θ１以下のときは関節可動域監視部１２２は膝関節角度が「正常」の範囲にあると判断して何もしないが、膝関節角度データが、θ１〜θ２の範囲にある時は、「警告」と判断して、警告音（声）の発声、警告ランプの点灯あるいは点滅、警告のための図形または文字の画面表示をする。膝関節角度データがθ２〜θ３の範囲にある時は、「一時停止」と判断して、教示時にあってはインピーダンス制御の停止、訓練時にあってはプレーバックの停止を行なう。膝関節角度データがθ３以上の時は、「非常停止」と判断してサーボ電源を落とす。膝関節４の屈曲方向や、股関節２についても同様に行なう。
【００２８】
図１に示すように、関節負荷監視部１２３は関節負荷推定部１１７で推定した膝負荷データを常時監視しているが、ここで関節負荷監視部１２３の機能について図１０に基づいて説明する。
図１０は、関節負荷監視部１２３について説明するための説明図である。
図に示すように、膝関節４の関節負荷について、警告の設定値をτ１、一時停止の設定値をτ２、非常停止の設定値をτ３とし、あらかじめパラメータとして設定しておく。関節負荷推定部１１７で推定した膝関節負荷データがτ１以下の場合は、関節負荷監視部１２３は関節負荷が「正常」の範囲にあると判断して何もしないが、関節負荷データが、τ１〜τ２の範囲にある時は、「警告」と判断して、警告音（声）の発声、警告ランプの点灯あるいは点滅、警告のための図形または文字の画面表示をする。関節負荷データがτ２〜τ３の範囲にある時は「一時停止」と判断して、教示時にあってはインピーダンス制御の停止、訓練時にあってはプレーバックの停止を行ない、τ３以上の時は「非常停止」と判断してサーボ電源を落とす。膝関節４の屈曲方向や、股関節２についても同様に行なう。
なお、本実施例では、警告、一時停止、非常停止の条件をそれぞれ一定のパラメータとして設定しているが、加えて良い関節負荷は、疾患や訓練の内容、患者の状態などにより変わってくるため、疾患や訓練の内容によりパラメータを選択する機能や患者ごとにパラメータを調整する機能を設けても良い。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、股関節と膝関節の２つの関節について、関節角度と関節負荷を同時に計測し表示・保存することができるため、２つの関節に付随して運動する関節筋などより複雑な下肢の運動の解析が可能となる。また、計測した関節角度と関節負荷を常に監視することでより安全な装置の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す下肢駆動装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施例を示す関節角度推定部のブロック図である。
【図３】関節角度を推定する方法を説明する説明図である。
【図４】本発明の実施例を示す関節負荷推定部のブロック図である。
【図５】関節負荷を推定する方法を説明する説明図である。
【図６】大腿角度を補正するためのオフセットの求め方の説明図である。
【図７】下腿角度を補正するためのオフセットの求め方の説明図である。
【図８】表示部に表示されるデータ表示の例を示す図であり、（ａ）は健常者の関節角度と関節負荷を時系列に表示したグラフであり、（ｂ）は患者の関節角度と関節負荷を時系列に表示したグラフであり、（ｃ）は健常者の関節の角度と負荷のリサージュであり、（ｄ）は患者の関節の角度と負荷のリサージュである。
【図９】関節可動域監視部について説明するための説明図である。
【図１０】関節負荷監視部について説明するための説明図である。
【符号の説明】
１：患者、２：股関節、３：大腿部、４：膝関節 ５：下腿部、６：足関節、
１０：基台、２０：大腿用運動機構部、２１：第１リンク、２２：第２リンク、２３：大腿装着部、２４：大腿角度検出器、２５：大腿力検出器、３０：下腿用運動機構部、３１：第３リンク、３２：第４リンク、３３：下腿装着部、３４：下腿角度検出器、３５：下腿力検出器、１１１：機構部、１１６：関節角度推定部、１１７：関節負荷推定部、１１８：関節角度補正部、１１９：表示部、１２０：保存部（メモリ）、１２１：訓練データ（ファイル）、１２２：関節可動域監視部、１２３：関節負荷監視部、３０１：スイッチ、３１１、３１２：骨軸、
【発明の属する技術分野】
本発明は、下肢の機能を回復するためのトレーニングに用いられる下肢駆動装置、特に股関節や膝関節の角度・負荷を訓練中に計測できる下肢駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
筋力の低下した肢体の機能を回復するために関節を中心にして外部から機械的に肢体を駆動したり、関節の動きに負荷をかけたりする装置がある。例えば、本願の出願人は特開１１−３４７０８１号公報で、股関節を回転させる大腿用運動機構部と膝関節を回転させる下腿用運動機構部を備えた下肢駆動装置を提案している。この下肢駆動装置は、アームで患者の大腿部と下腿部を掴んで、大腿部と下腿部を所定の軌跡で運動させる装置である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の下肢駆動装置では、アームの回転軸と患者の関節の回転軸が一致しないので、患者の関節の角度や関節に加わる負荷トルクを計測することができないという問題があった。また、患者の関節にゴニオメータセンサを取り付ければ、患者の関節角度を計測することはできるが。ゴニオメータの取り付け調整は煩雑であり、その準備に手間が掛かるという問題があった。
そこで、本発明は下肢駆動装置のアームの角度をおよびアームに加わる力から、運動中の患者の関節の角度および関節に加わる負荷トルクをリアルタイムで計測できる下肢駆動装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は基台と、前記基台と平行な面で患者の体幹部を支持する支持面と、基端を前記基台に軸支され回転角度θJ1を設定可能なサーボモータにより回転駆動する第１リンクと、前記第１リンクの先端に、前記第１リンクの前記基台に対する回転角度θJ１だけ逆方向に回転する連動機構を介して連結された第２リンクと、前記第２リンクの先端に軸支されて前記患者の大腿部に装着される大腿装着部と、前記大腿装着部と前記第２リンクとの間の回転角度の検出値[θpd_real］と予め求められた更正時の修正量［θpd_off]とを加算した大腿角度検出値[θpd_real+θpd_off]を検出する大腿角度検出器と、基端を前記基台に軸支され、回転角度θJ2を設定可能なサーボモータにより回転駆動する第３リンクと、前記第３リンクの先端に軸支され、回転角度θJ3を設定可能なサーボモータにより回転駆動する第４リンクと、前記第４リンクの先端に軸支されて前記患者の下腿部に装着される下腿装着部と、前記第４リンクと前記下腿装着部との間の検出値[θpk_real］と予め求められた更正時の修正量［θpk_off]とを加算した下腿角度検出値[θpk_real+θpk_off]を検出する下腿角度検出器と、前記患者の前記大腿部と前記下腿部とのなす角度θkを推定する関節角度推定部と、を有し、
前記関節角度推定部は、前記下腿装着部に装着された前記患者の下腿部の骨軸が水平となる状態において、角度[θJ2+θJ3+θpk_real+θpk_off]と水平との差からオフセットθk_offを求め、
前記下腿装着部に装着された前記患者の大腿部の骨軸と下腿部の骨軸とが一直線になる状態においてθpk′=[θJ2+θJ3+θpk_real+θpk_off+θk_off]より前記患者の下腿角度θpk’を求め、前記回転角度θJ1と、前記回転角度θJ1から得られる前記第２リンクの前記基台に対する角度と、前記大腿角度検出値[θpd_real+θpd_off]とに基づき、前記大腿装着部の前記基台に対する角度に対応する大腿角度θpdを求め、前記下腿角度θpk’と、前記大腿角度θpdとの差からオフセットθd_offを求め、
任意の姿勢において、
θpd′=[θpd＋θd_off]より補正後の大腿角度θpd′を求め、θpk′=[θJ2+θJ3+θpk_real+θpk_off+θk_off]より下腿角度θpk′を求めθk=[θpd′-θpk′]より前記大腿部と前記下腿部とのなす前記角度θkを求めるものである。
請求項２の発明は、前記大腿装着部と前記第２リンクとの間の前記大腿装着部と直交する方向の力Ｆkz_realと、前記大腿装着部と平行な方向の力Ｆkz_realとを検出する大腿力検出器と、
前記下腿装着部と第４リンクとの間の前記大腿装着部と直交する方向の力Ｆdz_realを検出する下腿力検出器と、
前記前記患者の下腿角度θpk’と、前記下腿力検出器の検出結果Ｆdz_real，Ｆdz_realに基づいて、下腿装着部と第４リンクとの間に生じる力の重力方向成分Ｆkz_g＝-(sinθpk’・Fkx_real＋cosθpk’・Fkz_real)と、
重力に直交する方向成分Fkx_g＝-(cosθpk’・Fkx_real-sinθpk’・Fkz_real)とを求め、
予め求められた前記膝関節から前記下腿力検出器の間の長さをAkと、前記Ｆkz_gと、前記Ｆkx_gとに基づいて膝関節負荷トルクτk=Ak・sinθpk′・Fkx_g-Ak・cosθpk′・Fkz_gを求める膝関節負荷トルク推定部と、
前記患者の大腿角度θdk’と、前記大腿力検出器の検出結果Ｆdz_real=Fdz_gと、予め記憶された前記患者の前記大腿部の長さLd，前記患者の前記股関節から前記大腿力検出器の間の長さをAdと、前記膝関節負荷トルク推定部の算出結果と、に基づいて膝関節負荷トルクτhを下式より求める股関節負荷トルク推定部と、を有するものである。
τh=-(Ld・sinθpd′+Ak・sinθpk′)・Fkx_g+(Ld・cosθpd′+Ak・cosθpk′)・Fkz_g+ Ad・Fdz_g
請求項３の発明は、前記股関節角度推定部の出力を事前に設定した値と比較して、その結果の大小により、警告、一時停止、非常停止のいずれかを選択して実行する関節可動域監視部を備えるものである。
請求項４の発明は、前記股関節負荷推定部の出力を事前に設定した値と比較して、その結果の大小により、警告、一時停止、非常停止のいずれかを選択して実行する関節負荷監視部を備えるものである。請求項５の発明は、前記膝関節負荷推定部の出力を事前に設定した値と比較して、その結果の大小により、警告、一時停止、非常停止のいずれかを選択して実行する関節負荷監視部を備えるものである。
【０００５】
【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。
図１は本発明の実施例を示す下肢駆動装置のブロック図である。図において、１１１は下肢駆動装置の機構部であり、１は訓練対象の患者である。２は患者１の股関節、３は大腿部、４は膝関節、５は下腿部である。
１０は機構部１１１の基台であり、２０は大腿用運動機構部であり、３０は下腿用運動機構部である。
大腿用運動機構部２０は患者１の股関節２を回転駆動する第１のアーム機構であり、基台１０に軸支されて図示しないモータで回転駆動される第１リンクと、第１リンク２１の先端に軸支されて図示しない連動機構により第１リンク２１の基台１０に対する回転角度と等しい角度だけ逆方向に回転駆動される第２リンク２２と、第２リンク２２の先端に軸支されて患者１の大腿部３に装着される大腿装着部２３からなり、第２リンク２２と大腿装着部２３の間の回転角度を検出する大腿角度検出器２４と、大腿装着部２３と第２リンク２２の間に生じる力を検出する大腿力検出器２５を備えている。
下腿用運動機構部３０は患者１の膝関節４を回転駆動する第２のアーム機構であり、基台１０に軸支されて図示しないモータで回転駆動される第３リンク３１と、第３リンク３１の先端に軸支されて図示しないモータで回転駆動される第４リンク３２と、第４リンク３２の先端に軸支されて患者１の下腿部５に装着される下腿装着部３３からなり、第４リンク３２と下腿装着部３３の間の回転角度を検出する下腿角度検出器３４と、下腿装着部３３と第４リンク３２の間に生じる力を検出する下腿力検出器３５を備えている。
なお、機構部１１１は基本的には、本願の出願人が特開平１１−３４７０８１号公報で開示した下肢駆動装置と同一であるが、本願発明の説明に不要な機構の説明は省略した。
１１６は関節角度推定部であり、大腿角度検出器２４と下腿角度検出器３４で検出された大腿装着部２３と下腿装着部３３の角度データから、患者１の股関節２の角度と膝関節４の角度を求める演算装置である。
１１７は関節負荷推定部であり、大腿力検出器２５と下腿力検出器３５で検出した力から、患者１の股関節２に負荷されるトルクと膝関節４に負荷されるトルクを求める演算装置である。
１１８は関節角度補正部であり、大腿角度検出器２４と下腿角度検出器３４で検出された大腿装着部２３と下腿装着部３３の角度データを事前に計測した基準値で補正する演算装置である。
１１９は表示部であり、股関節２の角度、膝関節４の角度、股関節２の負荷トルク、膝関節４の負荷トルクを文字や図形で表示する表示装置である。
１２０は保存部であり、股関節２の角度、膝関節４の角度、股関節２の負荷トルク、膝関節４の負荷トルクを記憶する記憶装置である。
１２１は訓練データであり、保存部１２０に記憶された患者１の股関節２の角度、膝関節４の角度、股関節２の負荷トルク、膝関節４の負荷トルクのデータファイルである。
１２２は関節可動域監視部であり、股関節２の角度と膝関節４の角度を常に監視して、所定の基準値と比較し、その結果に応じて、警告、一時停止、あるいは非常停止の処理を選択して実行する安全装置である。
１２３は関節負荷監視部であり、股関節２の負荷トルクと膝関節４の負荷トルクを常に監視して、所定の基準値と比較し、その結果に応じて、警告、一時停止、あるいは非常停止の処理を選択して実行する安全装置である。
【０００６】
図２は関節角度推定部１１６の詳細を示すブロック図である。関節角度推定部１１６は、股関節２の角度を推定する股関節角度推定部１８１と膝関節４の角度を推定する膝関節角度推定部１８２からなり、推定結果は保存部１２０内の関節角度保存部１８３に記憶される。
【０００７】
図３は関節角度を推定する方法を説明する説明図である。股関節２の角度の推定方法を図３に基づいて説明する。第２リンク２２は第１リンク２１に連動して同じ角度で逆向きに動くので、第２リンク２２の、基台１０に対する傾きは常に一定角度となる。したがって、大腿角度検出器２４によって得られる大腿装着部２３と第２リンク２２の成す角度から、大腿装着部２３の基台１０に対する傾きが求まる。今、この大腿装着部２３の基台１０に対する角度θpdを大腿角度と定義し、更正時のオフセットをθpd_offとし、大腿角度検出器２３の検出角度θpd_realとし大腿角度θpdを求める。
【０００９】
ここで、大腿角度θpdと大腿部３の骨軸（股関節２と膝関節４を結ぶ直線）の傾きが同じと仮定する（体幹は基台１０に対して平行だからである）と、股関節の角度θhは、次の式で求めることができる。
【００１０】
θh ＝ θpd （式２）
【００１１】
次に膝関節４の角度の推定方法について説明する。膝関節４の角度θkを測定するためには、まず下腿装着部３３の基部１０に対する角度θpkを求める必要がある。下腿角度検出器３４は、下腿装着部３３と第４リンク３２の間の角度を出力する。第４リンク３２の傾きは、第３リンク３１の回転角度θJ2と第４リンク３２の回転角度θJ3とにより決まる。今、下腿装着部３３の基部１０に対する角度θpkを下腿角度と定義し、更正時のオフセットをθpk_offとし、図６参照のオフセットをθk_offとし、下腿角度検出器３４の検出角度をθpk_realとすると、下腿角度θpkは下記の式で得られる。
【００１２】
θpk ＝ θpk_real＋θpk_off＋θk_off＋θJ2＋θJ3 （式３）
【００１３】
ここで、下腿角度θpkと下腿部５の骨軸（膝関節４と足関節６を結ぶ直線）の傾きが同じと仮定すると、膝関節４の角度θkは、大腿角度θpdと、下腿角度
θpkとから、次の式で求めることができる。
【００１４】
θk ＝ θpd−θpk （式４）
【００１５】
図４は関節負荷推定部１１７の詳細を示すブロック図である。関節角度推定部１１７は、股関節２の負荷トルクを推定する股関節負荷推定部２０１と膝関節４の負荷トルクを推定する膝関節負荷推定部２０２からなり、推定結果は保存部１２０内の関節負荷保存部２０３に記憶される。
【００１６】
図５は関節負荷を推定する方法を説明する説明図である。
股関節２の負荷トルクの推定方法を図５に基づいて説明する。
大腿力検出器２５の出力の大腿装着部２３を基準とする座標系のＺ軸方向の成分をＦdz_real、下腿力検出器３５の下腿装着部３３を基準とするＸ軸方向の値をＦkx_real、Ｚ軸方向の値をＦkz_realとする。
これらの値を下記の式で変換する。ただし、Ｓｋ＝ｓｉｎ（θpk）、
Ｃｋ＝ｃｏｓ（θpk）である。
【００１７】
Ｆdz_g ＝ − Ｆdz_real （式５）
Ｆkx_g ＝ −（ Ｃｋ・Ｆkx_real − Ｓｋ・Ｆkz_real ） （式６）
Ｆkz_g ＝ −（ Ｓｋ・Ｆkx_real ＋ Ｃｋ・Ｆkz_real ） （式７）
【００１８】
更に、股関節２にかかる負荷（トルク）τhと膝関節４にかかる負荷（トルク）τkは、大腿部の長さをＬd、股関節２から大腿力検出器２５間の長さをＡd、膝関節４から下腿力検出器３５間の長さをＡｋ、Ｓｄ＝ｓｉｎ（θpd）、
Ｃｄ＝ｃｏｓ（θpd）とすると、以下の式で算出することができる。
【００１９】
なお、本実施例では、大腿用運動機構部と下腿用運動機構部の先端に配置した力検出器を用いて負荷を算出したが、股関節の位置のパラメータを用いることにより下腿用運動機構部の先端に配置した力検出器のみから股関節と膝関節の負荷を算出することも可能である。
【００２１】
図６は下腿角度を補正するためのオフセットの求め方の説明図であり、図７は大腿角度を補正するためのオフセットの求め方の説明図である。前述したように、関節角度推定部１１６では、大腿角度（大腿装着部２３の基台１０に対する角度）θpdと大腿部の骨軸３１１（股関節２と膝関節４を結ぶ直線）の傾きが同じと仮定して、股関節の角度θhを求め、下腿角度（下腿装着部３３の基台１０に対する角度）θpkと下腿部の骨軸（膝関節４と足関節６を結ぶ直線）の傾きが同じと仮定して、膝関節の角度θkを求めた。しかし、実際には、大腿部３、下腿部５の形状には個人差があるため、装着部と骨軸の間で個人差による偏差が生じ、この偏差が推定時の誤差となる。本発明の関節角度補正部は、この装着部と骨軸の間で生じる偏差を補正するためのもので、次の手順に従って補正を行なう。
インピーダンス制御の慣性と弾性のパラメータを０とし、機構部が脚の動きに追従して自由に動くように制御を切り替える。
操作者が下腿部５を持ち図６の様に下腿部５の骨軸３１２が水平になるように動かす。下腿部５の骨軸３１２を水平に合わせる方法としては、水準器により基台１０が水平になるように下肢駆動装置を設置しておき、下腿部５に水準器を置き水平に合わせる方法や、下肢駆動装置に基台に対して水平になるように規制するジグを設けて、そのジグに骨軸３１２を合わせる方法があるがどちらを選んでも良い。
下腿装着部３３に設けたスイッチ３０１を押し、下腿角度検出器３４の値を下腿装着部３３と下腿部５の骨軸３１２の間で生じるオフセットθk_off＝−θpkとして、メモリに保存する。
患者１の下腿角度θpk’は、オフセットθk_offを用いて下記の式の様に補正する。
θpk’＝θpk＋θk_off
＝θpk_real＋θpk_off＋θJ2＋θJ3＋θk_off （式１０）
次に操作者が患者１の下腿部５を持ち図７の様に、膝関節４を伸展させて、大腿部３の骨軸３１１と下腿部５の骨軸３１２が一直線になるように、大腿部３と下腿部５を動かす。
下腿装着部３３に設けたスイッチ３０１を押し、下腿角度θpk’と大腿角度θpdとの差を大腿装着部２３と大腿部３の骨軸３１１の間で生じるオフセットθd_off＝θpk’−θpdとして、メモリに保存する。
患者１の大腿角度θpd’を、偏差θd_offを用いて下記の式の様に補正する。
【００２２】
θpd’＝θpd＋θd_off
＝ θpd_real＋θpd_off＋θd_off （式１１）
【００２３】
股関節２の角度θhと膝関節４の角度θkは、補正後の大腿角度θpd’と下腿角度θpk’とから下記の式で求めれば良い。
【００２４】
股関節２の角度：θh ＝ θpd’ （式１２）
膝関節４の角度：θk ＝ θpd’−θpk’ （式１３）
【００２５】
図８は、本発明の下肢駆動装置の表示部に表示されるデータ表示の例を示す図であり、図８（ａ）は健常者の関節角度と関節負荷を時間軸を共通にして上下２段のグラフとして表示した例を示し、図8（ｂ）は患者の関節角度と関節負荷を同様に表示した例を示す。
上段の関節角度グラフは、横軸に時間、縦軸に関節角度をとり、股関節角度データ５０１を実線で、膝関節角度データ５０２を点線で示している。下段の関節負荷グラフは、横軸に時間、縦軸に関節負荷をとり、股関節負荷データ５０３を実線で、膝関節負荷データ５０４を点線で示している。本実施例では、時間軸を共通にして、股関節と膝関節の角度を同時に表示するため、データから訓練中の運動パターンを容易に知ることができる。例えば、関節角度グラフに示すデータは、股関節２と膝関節４を同時に屈曲する屈曲運動を行った後で、膝関節４を伸展したまま股関節２を屈曲するＳＬＲ運動を行っていることがわかる。また、本実施例では、各関節の角度に加えて各関節の負荷を同時に表示するため、データから訓練中の筋の状態を容易に知ることができる。患者の関節負荷グラフの屈曲運動時の関節負荷をみると、最大屈曲時ではなく、屈曲と伸展の途中で負荷が最大となっている。これは、関節可動域の途中で筋肉が硬くなるジャックナイフ現象と呼ばれるもので、表示したデータから患者の筋に痙性が生じていることがわかる。更に、健常者と患者の関節角度グラフを比べると、屈曲運動では、膝関節・股関節ともに同じ角度まで曲がっているが、ＳＬＲ運動では、健常者に比べて患者の膝関節が伸びず、股関節も曲がっていないことがわかる。また、健常者と患者の関節負荷グラフを比べると、健常者に比べＳＬＲ運動における患者の関節負荷が、股関節・膝関節ともに大きいことがわかる。これは、患者の２関節筋が短縮しているために観られる現象であり、このような現象は、１関節ごとの関節角度と関節負荷の表示ではとらえることができないものである。
【００２６】
図８（ｃ）、図８（ｄ）は、横軸に関節角度、縦軸に関節負荷をとり、関節角度と関節負荷の関係をリサージュ図形として表示する例を示す図であり、（ｃ）は健常者の例、（d）は患者の例を示す。
上段は股関節のリサージュ図を、下段に膝関節のリサージュ図を、横軸に関節角度を縦軸に関節負荷をとり表示している。本実施例では、関節角度と関節負荷のリサージュ図形として表示するため、図形の形や面積から訓練中の患者の状態を容易に知ることができる。例えば、健常者と患者の股関節のリサージュ図を比較すると、患者のデータでは、屈曲時と伸展時で負荷の大きさに違いがあるため、健常者のリサージュ図に比べて患者のリサージュ図の面積が大きいことがわかる。また、健常者と患者の膝関節のリサージュ図を比較すると、健常者のリサージュ図に比べて患者のリサージュ図の形に歪みがみられ、これにより患者の膝に障害があることがわかる。
なお、以上のようなデータ表示が容易に行なえるように、本発明の下肢駆動装置においては、関節角度推定部１１６で推定した股関節角度データと膝関節角度データ、関節負荷推定部１１７で推定した股関節負荷データと膝関節負荷データを、時間的に同期がとれた形で保存するためには、データを記録する順序を決めて一定周期ごとに保存部（メモリ）１２０に収納し、時間的に同期がとれた形で保存する。このように股関節角度データ、膝関節角度データ、股関節負荷データ、膝関節負荷データが時間的に同期のとれた形で保存することができるため、前記のようにデータを時系列に並べたり、同じタイミングで記録された複数のデータを関連付けて表示することが、フラインでも可能となる。
【００２７】
図１に示すように、関節可動域監視部１２２は関節角度推定部１１６で推定した膝関節角度データを常時監視しているが、ここで関節可動域監視部１２２の機能について図９に基づいて説明する。
図９は、関節可動域監視部１２２について説明するための説明図である。図に示すように、膝関節４の関節角度について、警告の設定値をθ１、一時停止の設定値をθ２、非常停止の設定値をθ３とし、あらかじめパラメータとして設定しておく。膝関節角度データが、θ１以下のときは関節可動域監視部１２２は膝関節角度が「正常」の範囲にあると判断して何もしないが、膝関節角度データが、θ１〜θ２の範囲にある時は、「警告」と判断して、警告音（声）の発声、警告ランプの点灯あるいは点滅、警告のための図形または文字の画面表示をする。膝関節角度データがθ２〜θ３の範囲にある時は、「一時停止」と判断して、教示時にあってはインピーダンス制御の停止、訓練時にあってはプレーバックの停止を行なう。膝関節角度データがθ３以上の時は、「非常停止」と判断してサーボ電源を落とす。膝関節４の屈曲方向や、股関節２についても同様に行なう。
【００２８】
図１に示すように、関節負荷監視部１２３は関節負荷推定部１１７で推定した膝負荷データを常時監視しているが、ここで関節負荷監視部１２３の機能について図１０に基づいて説明する。
図１０は、関節負荷監視部１２３について説明するための説明図である。
図に示すように、膝関節４の関節負荷について、警告の設定値をτ１、一時停止の設定値をτ２、非常停止の設定値をτ３とし、あらかじめパラメータとして設定しておく。関節負荷推定部１１７で推定した膝関節負荷データがτ１以下の場合は、関節負荷監視部１２３は関節負荷が「正常」の範囲にあると判断して何もしないが、関節負荷データが、τ１〜τ２の範囲にある時は、「警告」と判断して、警告音（声）の発声、警告ランプの点灯あるいは点滅、警告のための図形または文字の画面表示をする。関節負荷データがτ２〜τ３の範囲にある時は「一時停止」と判断して、教示時にあってはインピーダンス制御の停止、訓練時にあってはプレーバックの停止を行ない、τ３以上の時は「非常停止」と判断してサーボ電源を落とす。膝関節４の屈曲方向や、股関節２についても同様に行なう。
なお、本実施例では、警告、一時停止、非常停止の条件をそれぞれ一定のパラメータとして設定しているが、加えて良い関節負荷は、疾患や訓練の内容、患者の状態などにより変わってくるため、疾患や訓練の内容によりパラメータを選択する機能や患者ごとにパラメータを調整する機能を設けても良い。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、股関節と膝関節の２つの関節について、関節角度と関節負荷を同時に計測し表示・保存することができるため、２つの関節に付随して運動する関節筋などより複雑な下肢の運動の解析が可能となる。また、計測した関節角度と関節負荷を常に監視することでより安全な装置の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す下肢駆動装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施例を示す関節角度推定部のブロック図である。
【図３】関節角度を推定する方法を説明する説明図である。
【図４】本発明の実施例を示す関節負荷推定部のブロック図である。
【図５】関節負荷を推定する方法を説明する説明図である。
【図６】大腿角度を補正するためのオフセットの求め方の説明図である。
【図７】下腿角度を補正するためのオフセットの求め方の説明図である。
【図８】表示部に表示されるデータ表示の例を示す図であり、（ａ）は健常者の関節角度と関節負荷を時系列に表示したグラフであり、（ｂ）は患者の関節角度と関節負荷を時系列に表示したグラフであり、（ｃ）は健常者の関節の角度と負荷のリサージュであり、（ｄ）は患者の関節の角度と負荷のリサージュである。
【図９】関節可動域監視部について説明するための説明図である。
【図１０】関節負荷監視部について説明するための説明図である。
【符号の説明】
１：患者、２：股関節、３：大腿部、４：膝関節 ５：下腿部、６：足関節、
１０：基台、２０：大腿用運動機構部、２１：第１リンク、２２：第２リンク、２３：大腿装着部、２４：大腿角度検出器、２５：大腿力検出器、３０：下腿用運動機構部、３１：第３リンク、３２：第４リンク、３３：下腿装着部、３４：下腿角度検出器、３５：下腿力検出器、１１１：機構部、１１６：関節角度推定部、１１７：関節負荷推定部、１１８：関節角度補正部、１１９：表示部、１２０：保存部（メモリ）、１２１：訓練データ（ファイル）、１２２：関節可動域監視部、１２３：関節負荷監視部、３０１：スイッチ、３１１、３１２：骨軸、
Claims (5)
- 基台と、
前記基台と平行な面で患者の体幹部を支持する支持面と、
基端を前記基台に軸支され回転角度θJ1を設定可能なサーボモータにより回転駆動する第１リンクと、
前記第１リンクの先端に、前記第１リンクの前記基台に対する回転角度θJ１だけ逆方向に回転する連動機構を介して連結された第２リンクと、
前記第２リンクの先端に軸支されて前記患者の大腿部に装着される大腿装着部と、
前記大腿装着部と前記第２リンクとの間の回転角度の検出値[θpd_real］と予め求められた更正時の修正量［θpd_off]とを加算した大腿角度検出値[θpd_real+θpd_off]を検出する大腿角度検出器と、
基端を前記基台に軸支され、回転角度θJ2を設定可能なサーボモータにより回転駆動する第３リンクと、
前記第３リンクの先端に軸支され、回転角度θJ3を設定可能なサーボモータにより回転駆動する第４リンクと、
前記第４リンクの先端に軸支されて前記患者の下腿部に装着される下腿装着部と、
前記第４リンクと前記下腿装着部との間の検出値[θpk_real］と予め求められた更正時の修正量［θpk_off]とを加算した下腿角度検出値[θpk_real+θpk_off]を検出する下腿角度検出器と、
前記患者の前記大腿部と前記下腿部とのなす角度θkを推定する関節角度推定部と、を有し、
前記関節角度推定部は、
前記下腿装着部に装着された前記患者の下腿部の骨軸が水平となる状態において、
角度[θJ2+θJ3+θpk_real+θpk_off]と水平との差からオフセットθk_offを求め、
前記下腿装着部に装着された前記患者の大腿部の骨軸と下腿部の骨軸とが一直線になる状態において
θpk′=[θJ2+θJ3+θpk_real+θpk_off+θk_off]より前記患者の下腿角度θpk’を求め、
前記回転角度θJ1と、前記回転角度θJ1から得られる前記第２リンクの前記基台に対する角度と、前記大腿角度検出値[θpd_real+θpd_off]とに基づき、前記大腿装着部の前記基台に対する角度に対応する大腿角度θpdを求め、
前記下腿角度θpk’と、前記大腿角度θpdとの差からオフセットθd_offを求め、
任意の姿勢において、
θpd′=[θpd＋θd_off]より補正後の大腿角度θpd′を求め、
θpk′=[θJ2+θJ3+θpk_real+θpk_off+θk_off]より下腿角度θpk′を求め
θk=[θpd′-θpk′]より前記大腿部と前記下腿部とのなす前記角度θkを求める
ことを特徴とする下肢駆動装置。 - 前記大腿装着部と前記第２リンクとの間の前記大腿装着部と直交する方向の力Ｆkz_realと、前記大腿装着部と平行な方向の力Ｆkz_realとを検出する大腿力検出器と、
前記下腿装着部と第４リンクとの間の前記大腿装着部と直交する方向の力Ｆdz_realを検出する下腿力検出器と、
前記前記患者の下腿角度θpk’と、前記下腿力検出器の検出結果Ｆdz_real，Ｆdz_realに基づいて、下腿装着部と第４リンクとの間に生じる力の重力方向成分Ｆkz_g＝-(sinθpk’・Fkx_real＋cosθpk’・Fkz_real)と、
重力に直交する方向成分Fkx_g＝-(cosθpk’・Fkx_real-sinθpk’・Fkz_real)とを求め、
予め求められた前記膝関節から前記下腿力検出器の間の長さをAkと、前記Ｆkz_gと、前記Ｆkx_gとに基づいて膝関節負荷トルクτk=Ak・sinθpk′・Fkx_g-Ak・cosθpk′・Fkz_gを求める膝関節負荷トルク推定部と、
前記患者の大腿角度θdk’と、前記大腿力検出器の検出結果Ｆdz_real=Fdz_gと、予め記憶された前記患者の前記大腿部の長さLd，前記患者の前記股関節から前記大腿力検出器の間の長さをAdと、前記膝関節負荷トルク推定部の算出結果と、に基づいて膝関節負荷トルクτhを下式より求める股関節負荷トルク推定部と、を有する
τh=-(Ld・sinθpd′+Ak・sinθpk′)・Fkx_g+(Ld・cosθpd′+Ak・cosθpk′)・Fkz_g+ Ad・Fdz_g
ことを特徴とする請求項１に記載の下肢駆動装置。 - 前記股関節角度推定部の出力を事前に設定した値と比較して、その結果の大小により、警告、一時停止、非常停止のいずれかを選択して実行する関節可動域監視部を備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の下肢駆動装置。 - 前記股関節負荷推定部の出力を事前に設定した値と比較して、その結果の大小により、警告、一時停止、非常停止のいずれかを選択して実行する関節負荷監視部を備える
ことを特徴とする請求項２記載の下肢駆動装置。 - 前記膝関節負荷推定部の出力を事前に設定した値と比較して、その結果の大小により、警告、一時停止、非常停止のいずれかを選択して実行する関節負荷監視部を備える
ことを特徴とする請求項２記載の下肢駆動装置。
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