JP4881072B2

JP4881072B2 - 牽引装置

Info

Publication number: JP4881072B2
Application number: JP2006149717A
Authority: JP
Inventors: 昇田中
Original assignee: Ito Co ltd
Current assignee: Ito Co ltd
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: US8028590B2; WO2007139053A1; CN101453965B; KR20090008420A; JP2007319206A; CN101453965A; KR101010356B1; HK1129830A1; US20090264804A1

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及び牽引装置の牽引力制御方法に関する。

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

しかしながら、特許文献１に示す牽引装置にあっては、モータでロープを巻き上げ、患者の上半身を牽引するものであるが、モータの牽引制御についての具体的記載はない。
特許文献２に記載の牽引装置は、ロードセルで牽引力を検出してフィードバック制御により牽引力を制御するように構成されている。フィードバック制御では、牽引力センサとしてのロードセルの応答時間、フィードバック回路の遅延時間等によりタイムラグが生じる。したがって、図７に示すように牽引装置においては、設定された目標値である牽引力がロードセルにより検出される時点ｔiでは、被牽引体に実際に印加される牽引力が一時的に過牽引になってしまうという問題がある。
また、牽引力をフィードバック制御する場合でも、図８に示すように、フィードバック信号が安定するまで待機する間、牽引力を一定に保持しながら、牽引力を変化させるように、間欠的かつ徐々に牽引力を増加させるように牽引すれば、被牽引体に過度の牽引力が印加されることは回避できるが、目標値である牽引力に達するまでに時間がかかってしまうという問題がある。また、被牽引体が人体である場合には、牽引力が小刻みに変化するため使用感が不快であるという問題もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、被牽引体に対し過牽引となることを防止することができるとともに、速やかにかつ円滑に目標値となる牽引力を印加することが可能な牽引装置及び、牽引装置の牽引力制御方法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、請求項１に記載の発明は、人体に所望の牽引力を印加する牽引装置において、人体に印加する牽引力を使用者が設定する操作部と、人体にワイヤを固定する固定具、固定具に連結されたワイヤ等を含み、人体に牽引力を印加する牽引機構と、牽引元で前記ワイヤを巻き上げる駆動手段と、前記ワイヤに作用する牽引力を検知する牽引力センサと、操作部により設定された牽引力の設定出力及び牽引力センサの検知出力を取り込み、前記駆動手段を駆動制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記ワイヤの弛み部分を駆動手段により巻き上げて、人体に連結した前記ワイヤの弛みをなくす第１の牽引制御処理と、操作部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前記ワイヤを前記駆動手段により巻き上げる第２の牽引制御処理と、牽引力センサにより前記人体に印加されている牽引力を検知し、該牽引力センサの検知出力に基づいて前記操作部により設定された牽引量を最終目標値として前記駆動手段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前記駆動手段の駆動を停止させる第３の牽引制御処理とを実行し、前記第２の牽引制御処理における牽引量の目標値が、前記操作部で設定された牽引力から換算される牽引量の最終目標値より小さく、且つ、前記最終目標値の近傍であって前記最終目標値の７５％の値であることを特徴とする。

また、本発明の牽引装置では、制御手段は、ワイヤの弛み部分を駆動手段により巻き上げて、被牽引体に連結した前記ワイヤの弛みをなくす第１の牽引制御処理と、操作部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前記ワイヤを前記駆動手段により巻き上げる第２の牽引制御処理と、牽引力センサにより前記被牽引体に印加されている牽引力を検知し、該牽引力センサの検知出力に基づいて前記操作部により設定された牽引量を最終目標値として前記駆動手段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前記駆動手段の駆動を停止させる第３の牽引制御処理とを実行する。

したがって、本発明の牽引装置によれば、まず、牽引量と牽引力との換算の精度を上げるためにワイヤの弛みを巻き上げる第１の牽引力制御処理を実行し、次いでフィードバック制御を行わずに、目標時に近い値の牽引力を被牽引体に印加するまで牽引力を増加させるように制御する第２の牽引制御処理を実行し、次いで、最終的に目標値となる牽引力に達する時点で駆動手段であるモータの駆動を停止させるように第３の牽引制御処理を実行するようにしたので、被牽引体に対し過牽引となることを防止することができるとともに、速やかにかつ円滑に目標値となる牽引力を印加することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、被牽引体に対し過牽引となることを防止することができるとともに、速やかにかつ円滑に目標値となる牽引力を印加することが可能となる。

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（制御手段）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及び図４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、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、まず、牽引量と牽引力との換算の精度を上げるためにワイヤの弛みを巻き上げる第１の牽引力制御処理を実行し、次いでフィードバック制御を行わずに、目標時に近い値の牽引力を被牽引体に印加するまで牽引力を増加させるように制御する第２の牽引制御処理を実行し、次いで、最終的に目標値となる牽引力に達する時点で駆動手段であるモータの駆動を停止させるように第３の牽引制御処理を実行するようにしたので、被牽引体に対し過牽引となることを防止することができるとともに、速やかにかつ円滑に目標値となる牽引力を印加することが可能となる。

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。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

人体に所望の牽引力を印加する牽引装置において、
人体に印加する牽引力を使用者が設定する操作部と、
人体にワイヤを固定する固定具、固定具に連結されたワイヤ等を含み、人体に牽引力を印加する牽引機構と、
牽引元で前記ワイヤを巻き上げる駆動手段と、
前記ワイヤに作用する牽引力を検知する牽引力センサと、
操作部により設定された牽引力の設定出力及び牽引力センサの検知出力を取り込み、前記駆動手段を駆動制御する制御手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記ワイヤの弛み部分を駆動手段により巻き上げて、人体に連結した前記ワイヤの弛みをなくす第１の牽引制御処理と、
操作部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前記ワイヤを前記駆動手段により巻き上げる第２の牽引制御処理と、
牽引力センサにより前記人体に印加されている牽引力を検知し、該牽引力センサの検知出力に基づいて前記操作部により設定された牽引量を最終目標値として前記駆動手段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前記駆動手段の駆動を停止させる第３の牽引制御処理とを実行し、
前記第２の牽引制御処理における牽引量の目標値が、前記操作部で設定された牽引力から換算される牽引量の最終目標値より小さく、且つ、前記最終目標値の近傍であって前記最終目標値の７５％の値であることを特徴とする牽引装置。