JP4992076B2 - 股関節運動シミュレータ - Google Patents

Description

この発明は、骨盤に対する大腿骨の運動（以下、股関節の運動と称す）及び骨盤の寛骨臼に大腿骨の大腿骨頭を押し付ける力（以下、関節間力と称す）を再現する股関節運動シミュレータに関する。

従来の人工関節シミュレータにおいては、肩関節に相当する人工肩関節であって、生体筋の配置を規範にして複数の可撓性引張部材を人工関節に対して装着するとともに、関節面間の接触荷重を調整することで実現し、且つこの多数の可撓性引張部材をシミュレーション軌道に従って制御部によって操ることで生体の関節動作と等価な関節動作を再現できる（例えば、特許文献１参照）。

また、顎運動シミュレータとして、パラレルメカニズムにより６自由度を持たせた稼動プレートに下顎モデルを固定しておき、人体の顎の動きから得たデータに基づいてその下顎モデルを動かす（例えば、特許文献２参照）。

また、パラレルリンク機構として、上端部が装着板に固定され、下端部が足部にボールジョイントを介して連結された固定リンクと、上下端部が上下のボールジョイントを介して足部および装着板にそれぞれ連結された４つの伸縮リンクとを備えている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００３−１６４４６１号公報（第５頁−第１０頁、図１） 特開平１１−１２３２０１号公報（第４０頁−第４１頁、図２８） 特開平２００３−２５０８２４号公報（第１０頁、図３）

従来の人工関節シミュレータは、関節の骨結合部である関節頭及び関節窩のうち、関節窩を固定したうえで関節頭を動かすものであり、股関節の運動及び関節間力を再現するようなシミュレータが存在せず、股関節の動きを正確に再現できるものではなかった。
このため、人工股関節が脱臼するメカニズムが未だに解明されておらず、股関節の動きを正確に再現できるシミュレータの開発が望まれている。
特に、骨盤及び大腿骨の形状には個性があり、患者によって骨盤の寛骨臼に対する大腿骨の大腿骨頭の取り付け角度が異なっており、シミュレータは各患者に対応した様々な股関節の動きが再現できる必要がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、股関節の運動及び関節間力を正確に再現することができる股関節運動シミュレータを提供することを目的とする。

この発明に係る股関節運動シミュレータにおいては、股関節における足の屈曲及び伸展運動を再現するために大腿骨モデルを動かす大腿骨モデル駆動機構と、股関節における関節間力並びに足の外転及び内転運動並びに外旋及び内旋運動を再現するために骨盤モデルを動かす骨盤モデル駆動機構と、股関節の運動及び関節間力を再現するために大腿骨モデル駆動機構及び骨盤モデル駆動機構を同時に駆動するように制御する制御部とを備えたものである。

また、この発明に係る股関節運動シミュレータにおいては、必要に応じて、大腿骨モデル駆動機構は、回転又は往復運動を中心軸に生じさせるモータ、モータの中心軸と大腿骨モデルとを繋ぐ連結部からなり、モータによる回転又は往復運動により大腿骨モデルを往復運動させるものである。

また、この発明に係る股関節運動シミュレータにおいては、必要に応じて、骨盤モデル駆動機構は、基台、骨盤モデルが固定される骨盤モデル固定部、基台及び骨盤モデル固定部を相互に異なる６箇所で支持する６本のリンク、リンクの両端に配設され基台及び骨盤モデル固定部にリンクを結合するジョイント、６本のリンクのそれぞれに対応して配設され対応するリンクをリンクの長手方向に伸縮されるリニアアクチュエータからなり、６本のリンクをそれぞれ独立に動かすことにより基台に対する骨盤モデル固定部の位置及び姿勢を動かすものである。

さらに、この発明に係る股関節運動シミュレータにおいては、必要に応じて、大腿骨モデルの大腿骨頭及び骨盤モデルの寛骨臼間に生じる関節間力を検出する力センサと、リンクの長さを検出するエンコーダとを備え、検出した関節間力をフィードバックすることで、所望の関節間力となるように大腿骨モデル駆動機構及び骨盤モデル駆動機構を制御し、検出したリンクの長さに基づいて骨盤モデルの寛骨臼に対する大腿骨モデルの大腿骨頭の相対角度を算出し、相対角度をフィードバックすることで、所望の股関節角度となるように大腿骨モデル駆動機構及び骨盤モデル駆動機構を制御するものである。

また、この発明に係る股関節運動シミュレータにおいては、必要に応じて、大腿骨モデルと骨盤モデルとの摺接面である大腿骨頭又は寛骨臼に圧力センサを埋設したことを特徴とする股関節運動シミュレータ。

この発明は、股関節における足の屈曲及び伸展運動を再現するために大腿骨モデルを動かす大腿骨モデル駆動機構と、股関節における関節間力並びに足の外転及び内転運動並びに外旋及び内旋運動を再現するために骨盤モデルを動かす骨盤モデル駆動機構と、股関節の運動及び関節間力を再現するために大腿骨モデル駆動機構及び骨盤モデル駆動機構を同時に駆動するように制御する制御部とを備えたことにより、股関節における足の外転及び内転運動並びに外旋及び内旋運動と比較して可動域が極めて広い屈曲及び伸展運動を、骨盤モデル駆動機構と別機構である大腿骨モデル駆動機構で再現することで、股関節の運動及び関節間力を正確に再現することができる。また、股関節の運動及び関節間力を正確に再現することで、実際の歩行、立ち居、階段昇降、正座等の動作（以下、日常生活動作と称す）と同じ条件で、人工股関節の耐久試験や摩耗試験を実施することができる。また、各患者の大腿骨及び骨盤の形状に合わせた大腿骨モデル及び骨盤モデルを使用して、骨盤モデルの寛骨臼に対する大腿骨モデルの大腿骨頭の取り付け方法や取り付け角度等の様々な条件における股関節の運動をシミュレーションすることで、人工股関節の脱臼のメカニズムを解明する一助とすることができる。

（本発明の第１の実施形態）
図１はこの発明を実施するための第１の実施形態における股関節運動シミュレータを示す概略構成図、図２（ａ）は骨盤モデル駆動機構のリンク部の前面図、図２（ｂ）は骨盤モデル駆動機構の左側面図、図２（ｃ）は骨盤モデル駆動機構のリンク部の上面図、図３は身体運動計測を説明するための説明図、図４は生体力学解析を説明するための説明図、図５（ａ）は歩行時の股関節角度の推移例を示したグラフ、図５（ｂ）は歩行時の関節間力の推移例を示したグラフ、図６は図１に示す股関節運動シミュレータの制御部の制御を示すブロック線図、図７（ａ）はリンクの長さの推移例を示したグラフ、図７（ｂ）はリンクに働く力の推移例を示したグラフ、図８は患者の股関節に股関節運動シミュレータを対応させた状態を示した説明図である。

図１〜８において、股関節運動シミュレータ１０は、大腿骨のうち少なくとも大腿骨頭１ａを型取った大腿骨モデル１と、骨盤のうち少なくとも寛骨臼２ａを型取った骨盤モデル２と、股関節における足の屈曲及び伸展運動（Ｆｌｅｘ／Ｅｘｔ）を再現するために大腿骨モデル１を動かす大腿骨モデル駆動機構３０と、股関節における関節間力並びに足の外転及び内転運動（Ａｂｄ／Ａｄｄ）並びに外旋及び内旋運動（ＯＲ／ＩＲ）を再現するために骨盤モデル２を動かす骨盤モデル駆動機構４０と、股関節の運動及び関節間力を再現するために大腿骨モデル駆動機構及び骨盤モデル駆動機構を同時に駆動するように制御する制御部５０とを備えている。

大腿骨モデル駆動機構３０は、回転又は往復運動を中心軸３１ｂに生じさせるサーボモータ３１ａ、サーボモータ３１ａの中心軸３１ｂと大腿骨モデル１とを繋ぐ連結部３２からなり、サーボモータ３１ａによる回転又は往復運動により大腿骨モデル１を往復運動させる。なお、この第１の実施形態においては、サーボモータ３１ａによる往復運動により大腿骨モデル１を往復運動させている。また、この第１の実施形態においては、大腿骨モデル駆動機構３０として、サーボモータ３１ａを用いたが、大腿骨モデル１の屈曲及び伸展運動を再現するために大腿骨モデル１に往復運動を生成させることができるのであれば、この駆動機構に限られるものではない。

骨盤モデル駆動機構４０は、基台４１、骨盤モデル２が固定される骨盤モデル固定部４２、基台４１及び骨盤モデル固定部４２を相互に異なる６箇所で支持する６本のリンク４３、リンク４３の両端に配設され基台４１及び骨盤モデル固定部４２にリンク４３を結合するジョイント４４、６本のリンク４３のそれぞれに対応して配設され対応するリンク４３をこのリンク４３の長手方向に伸縮されるリニアアクチュエータ４５からなり、６本のリンク４３をそれぞれ独立に動かすことにより基台４１に対する骨盤モデル固定部４２の位置及び姿勢を動かす。

なお、リニアアクチュエータ４５は、サーボモータを駆動源として、モータの回転速度や正逆の制御を行うことで、スクリューを伸縮させている。また、リニアアクチュエータ４５はエンコーダ４６を内蔵しており、モータの回転量からリンク４３の長さＬを検出する。
また、この第１の実施形態においては、骨盤モデル駆動機構４０として、パラレルリンクロボット機構を用いたが、大腿骨モデル１の外転及び内転運動並びに外旋及び内旋運動を再現することができるのであれば、この駆動機構に限られるものではない。

ここで、パラレルリンクロボット機構とは、６本のリンク４３を伸縮させて、直進運動（前後、左右、上下）及び回転運動（ロール（左右への傾き）、ピッチ（前後への傾き）、ヨー（左右へのひねり））の６自由度の動き並びにこれらを合成した動きを再現する機構である。

以下、図２を用いて、６自由度（前後、左右、上下、ロール、ピッチ、ヨー）の動きを６本のリンク４３がどのように再現するかを説明する。
なお、リンク４３による６自由度の再現にはリンク４３の延び縮みだけでなく角度も関係するが、図２においては、角度の説明は省略する。
また、図２（ａ）において、紙面に対して、手前側を前側、奥側を後側とし、紙面の上下左右をそれぞれ上側、下側、左側、右側として、定義する。
また、６本のリンク４３をそれぞれ、図２（ａ）において、左側のリンク４３ａから反時計回りに、リンク４３ａ、リンク４３ｂ、リンク４３ｃ、リンク４３ｄ、リンク４３ｅ、リンク４３ｆとする。
さらに、左側面図である図２（ｂ）は、リンク４３ａの後側にリンク４３ｂ、リンク４３ｅの後側にリンク４３ｄ、リンク４３ｆの後側にリンク４３ｃ、をそれぞれ配置しているために、３本のリンクのみ図示している。

前後の動きであるが、リンク４３ｃ及びリンク４３ｆが伸び、リンクａ、リンク４３ｂ、リンク４３ｄ及びリンク４３ｅが縮むことで、前側への動き再現し、リンクａ、リンク４３ｂ、リンク４３ｄ及びリンク４３ｅが伸び、リンク４３ｃ及びリンク４３ｆが縮むことで、後側への動きを再現する。
また、左右の動きであるが、リンク４３ａ、リンク４３ｃ及びリンク４３ｄが伸び、リンク４３ｂ、リンク４３ｅ及びリンク４３ｆが縮むことで、左側への動きを再現し、リンク４３ｂ、リンク４３ｅ及びリンク４３ｆが伸び、リンク４３ａ、リンク４３ｃ及びリンク４３ｄが縮むことで、右側への動きを再現する。
また、上下の動きであるが、すべてのリンク４３ａ、リンク４３ｂ、リンク４３ｃ、リンク４３ｄ、リンク４３ｅ及びリンク４３ｆが伸びることで、上側への動きを再現し、すべてのリンク４３ａ、リンク４３ｂ、リンク４３ｃ、リンク４３ｄ、リンク４３ｅ及びリンク４３ｆが縮むことで、下側への動きを再現する。
さらに、左右ロールの動きであるが、リンク４３ｂ、リンク４３ｃ及びリンク４３ｄが伸び、リンク４３ａ、リンク４３ｅ及びリンク４３ｆが縮むことで、左ロールの動きを再現し、リンク４３ａ、リンク４３ｅ及びリンク４３ｆが伸び、リンク４３ｂ、リンク４３ｃ及びリンク４３ｄが縮むことで、右ロールの動きを再現する。

また、上下ピッチの動きであるが、リンク４３ａ、リンク４３ｂ、リンク４３ｃ及びリンク４３ｆが伸び、リンク４３ｄ及びリンク４３ｅが縮むことで、上ピッチの動きを再現し、リンク４３ｄ及びリンク４３ｅが伸び、リンク４３ａ、リンク４３ｂ、リンク４３ｃ及びリンク４３ｆが縮むことで、下ピッチの動きを再現する。
また、左右ヨーの動きであるが、リンク４３ｂ、リンク４３ｄ及びリンク４３ｆが伸び、リンク４３ａ、リンク４３ｃ及びリンク４３ｅが縮むことで、左ヨーの動きを再現し、リンク４３ａ、リンク４３ｃ及びリンク４３ｅが伸び、リンク４３ｂ、リンク４３ｄ及びリンク４３ｆが縮むことで、右ヨーの動きを再現する。
このように、前後、左右、上下の３自由度では、再現できる動きは直進運動のみであるが、パラレルリンクロボット機構は、回転運動のロール、ピッチ、ヨーを加えた６自由度、およびこれらの６自由度を組み合わせることで、様々な動きを再現することができる。

しかしながら、パラレルリンクロボット機構は、位置決め精度は高いが、可動域の狭さが欠点である。
ここで、股関節の運動には、屈曲と伸展、内転と外転、内旋と外旋がある。屈曲と伸展は、矢状面に対して行われる運動で、関節を構成する骨の間の角度が小さくなる運動を屈曲、大きくなる運動を伸展という。また、内転と外転は、正中面に対して行われる運動で、正中面から遠ざかる運動を外転、近づく運動を内転という。また、内旋と外旋は、正中軸に対して行われる運動で、内方に動かす運動を内旋、外方に動かす運動を外旋という。
また、股関節の可動域の正常値として、屈曲運動は０°〜１２５°、伸展運動は０°〜１５°、内転運動は０°〜２０°、外転、外旋及び内旋運動は０°〜４５°の範囲を有し、屈曲及び伸展運動は外転及び内転運動並びに外旋及び内旋運動と比較して可動域が極めて広い。

このため、本発明の第１の実施形態においては、可動域の狭さが欠点であるパラレルリンクロボット機構に、大腿骨モデル駆動機構３０による往復運動を併用することで、可動域が極めて広い屈曲及び伸展運動を容易に制御することができる。
力センサ３は、骨盤モデル駆動機構４０の骨盤モデル固定部４２と骨盤モデル２との間に配設され、大腿骨モデル１の大腿骨頭１ａ及び骨盤モデル２の寛骨臼２ａ間に生じる関節間力を検出する。

つぎに、前述した股関節運動シミュレータ１０によって、例えば、歩行動作における股関節の運動をシミュレーションする場合について説明する。
まず、図３に示すように、２台以上の図示しないカメラを使用して、被験者４の体表面に取り付けた体表マーカ５の三次元運動軌跡を計測すると同時に、床反力計６を使用して身体に作用する床からの反力（床反力７）を計測する（ステップ１：身体運動計測）。
つぎに、図４及び図５に示すように、ステップ１における計測結果に基づいて、骨盤８に対する大腿骨９の相対角度θ［ｄｅｇ］（以下、股関節角度θと称す）と関節間力ｆ［Ｎ］をモデル解析により算出する（ステップ２：生体力学解析）。

ここで、股関節角度θは、外転及び内転運動（Ａｂｄ／Ａｄｄ）方向に対応するＸ軸、屈曲及び伸展運動（Ｆｌｅｘ／Ｅｘｔ）方向に対応するＹ軸、並びに外旋及び内旋運動（ＯＲ／ＩＲ）方向に対応するＺ軸とのなす角をそれぞれθ_Abd/Add、θ_Flex/Ext、θ_OR/IRとして算出する（図５（ａ））。また、関節間力ｆは、外転及び内転運動（Ａｂｄ／Ａｄｄ）方向に対応するＸ軸、屈曲及び伸展運動（Ｆｌｅｘ／Ｅｘｔ）方向に対応するＹ軸、並びに外旋及び内旋運動（ＯＲ／ＩＲ）方向に対応するＺ軸に対して分解した分力をそれぞれＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚとして算出する（図５（ｂ））。
なお、ステップ１及びステップ２において、大腿骨モデル１及び骨盤モデル２に与えるデータを被験者４から取得したが、既存の公表計測データを採用してもよい。
つぎに、図６及び図７に示すように、前述した股関節運動シミュレータ１０のサーボモータ３１ａとリニアアクチュエータ４５の位置と力を同時に制御して、ステップ２で算出した股関節角度θと関節間力ｆを股関節運動シミュレータ１０で再現する（ステップ３：位置と力のハイブリット制御）。

以下、ステップ３について詳細に説明する。
図６に示すように、ステップ２で算出した股関節角度θ及び関節間力ｆのデータのうち、外転及び内転運動（Ａｂｄ／Ａｄｄ）方向に対応するＸ軸におけるなす角θ_Abd/Add及び分力Ｆｘのデータを股関節角度θｔ及び関節間力ｆｔとして制御部５０にそれぞれ同時に入力する。また、屈曲及び伸展運動（Ｆｌｅｘ／Ｅｘｔ）方向に対応するＹ軸におけるなす角θ_Flex/Ext及び分力Ｆｙのデータを股関節角度θｔ及び関節間力ｆｔとして制御部５０にそれぞれ同時に入力する。また、外旋及び内旋運動（ＯＲ／ＩＲ）方向に対応するＺ軸におけるなす角θ_OR/IR及び分力Ｆｚのデータを股関節角度θｔ及び関節間力ｆｔとして制御部５０にそれぞれ同時に入力する。すなわち、各軸に対応する股関節角度及び関節間力のデータを各軸間でパラレルに入力する。

ここで、骨盤モデル２の寛骨臼２ａに大腿骨モデル１の大腿骨頭１ａを押し付ける力（関節間力ｆ）の向きは、大腿骨頭１ａの球面に対して必ず法線方向となる。これに対して、骨盤モデル２の寛骨臼２ａに対する大腿骨モデル１の大腿骨頭１ａの位置制御である、骨盤モデル２に対する大腿骨モデル１の相対角度（股関節角度θ）を制御するためには、大腿骨頭１ａの球面に対して接線方向であり、関節間力ｆの向きと直交する方向に力を制御する。したがって、関節間力ｆの力制御と、骨盤モデル２に対する大腿骨モデル１の位置制御とは、互いに干渉することなく制御することができる。

そこで、図６に示すように、股関節角度θｔ又は関節間力ｆｔにそれぞれ入力されるデータは、対応するそれぞれの制御要素（位置制御則５１及び逆動力学５２、力制御則５３及び座標変換５４）によって、股関節運動シミュレータ１０に与える操作量にそれぞれ変換され、股関節運動シミュレータ１０に与えた後に、股関節運動シミュレータ１０から得られる制御量を、対応するそれぞれのフィードバック要素（エンコーダ４６及び運動学５５、力センサ３）で変換し、フィードバックする。

すなわち、制御部５０に入力された基準入力である股関節角度θｔと、主フィードバック量である入力時点の股関節角度θとの差から、動作信号θｅを算出する。また、動作信号θｅを、制御要素である位置制御則５１と逆動力学５２の操作を施し、サーボモータ３１ａ及びリニアアクチュエータ４５に与える操作量として変換する。この場合に、位置制御則５１によって動作信号θｅを角度、位置、速度又は加速度に変換し、得られた加速度等を逆動力学５２によって関節トルク（力）に変換する。

また、制御部５０に入力された基準入力である関節間力ｆｔと、主フィードバック量である入力時点の関節間力ｆとの差から、動作信号ｆｅを算出する。また、動作信号ｆｅを、制御要素である力制御則５３と座標変換５４の操作を施し、サーボモータ３１ａ及びリニアアクチュエータ４５に与える操作量として変換する。

股関節角度θｔを制御要素（位置制御則５１、逆動力学５２）で変換した操作量と、関節間力ｆｔを制御要素（力制御則５３、座標変換５４）で変換した操作量とを、制御対象である股関節運動シミュレータ１０の大腿骨モデル駆動機構３０及び骨盤モデル駆動機構４０、すなわちサーボモータ３１ａ及びリニアアクチュエータ４５に入力する。これにより、サーボモータ３１ａ及びリニアアクチュエータ４５を同時に制御し、ステップ２で算出した股関節角度と関節間力を股関節運動シミュレータ１０で再現することができる。

なお、フィードバック要素として、エンコーダ４６によって、リンク４３の長さＬを検出し、検出したリンク４３の長さＬに基づいて運動学５５で股関節角度θを算出する。算出した股関節角度θを主フィードバック量として、基準入力である股関節角度θｔにフィードバックする。
また、力センサ３によって、関節間力ｆを検出し、検出した関節間力ｆを主フィードバック量として、基準入力である関節間力ｆｔにフィードバックする。

なお、サーボモータ３１ａ及びリニアアクチュエータ４５の位置と力を同時に制御した結果として、図７に示すように、６本のリンク４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆには、それぞれの長さＬａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄ、Ｌｅ、Ｌｆと、それぞれに働く力Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ、Ｆｄ、Ｆｅ、Ｆｆとが生じている。

以上のように、この第１の実施形態においては、股関節運動シミュレータ１０によって、歩行動作を再現する例を挙げて説明したが、歩行動作の再現に限られるものではなく、様々な日常生活動作を正確に再現することができる。
また、股関節の運動及び関節間力を正確に再現することで、実際の日常生活動作と同じ条件で、人工股関節の耐久試験や摩耗試験を実施することができる。

また、骨盤８及び大腿骨９の形状には個性があり、患者によって骨盤８の寛骨臼に対する大腿骨９の大腿骨頭の取り付け角度が異なっているために、一般的な骨盤８及び大腿骨９の形状では脱臼することがない通常の股関節の可動域であっても、人工股関節が脱臼する場合がありえる。このため、各患者の大腿骨９及び骨盤８の形状に合わせた大腿骨モデル１及び骨盤モデル２を使用して、骨盤モデル２の寛骨臼２ａに対する大腿骨モデル１の大腿骨頭１ａの取り付け方法や取り付け角度等の様々な条件における股関節の運動をシミュレーションすることで、人工股関節の脱臼のメカニズムを解明する一助とすることができる。

特に、人工股関節の可動域内であっても、骨盤８の寛骨臼に大腿骨９の大腿骨頭が引っ掛かる部分があれば、無理な姿勢によって人工股関節が脱臼する場合がある。そこで、大腿骨モデル１と骨盤モデル２との摺接面である大腿骨頭１ａ又は寛骨臼２ａに、図示しない圧力センサを埋設し、日常生活動作時に、摺設面の圧力分布を計測することで、人工股関節の干渉部分を把握することができる。

また、人工股関節置換術時には、患者を側臥させた状態で手術を行うために、骨盤８の寛骨臼に対する大腿骨９の大腿骨頭の取り付け角度が、患者の立姿勢での取り付け角度として必ずしも満足いくものとは限らない。しかしながら、この第１の実施形態においては、図８に示すように、患者の立姿勢を想定して、股関節運動シミュレーション１０で日常生活動作をシミュレーションすることができるので、より通常の動作に近い動きを再現することができ、患者に合った骨盤８の寛骨臼に対する大腿骨９の大腿骨頭の取り付け角度を選定することができる。

また、経年による背筋の曲がり等の患者の姿勢の変化により、人工股関節が脱臼することがある。このため、患者の将来の状態を見据えた人工股関節の動きを再現し、経年による人工股関節の脱臼のメカニズムを解明することで、人工股関節置換術時に、経年による人工股関節の脱臼を予防する処置を施すことが可能である。

この発明を実施するための第１の実施形態における股関節運動シミュレータを示す概略構成図である。 骨盤モデル駆動機構のリンク部の要部拡大図であり、（ａ）は骨盤モデル駆動機構のリンク部の前面図、（ｂ）は骨盤モデル駆動機構の左側面図、（ｃ）は骨盤モデル駆動機構のリンク部の上面図である。 身体運動計測を説明するための説明図である。 生体力学解析を説明するための説明図である。 歩行時の股関節角度及び関節間力の例を示したグラフであり、（ａ）は歩行時の股関節角度の推移例を示したグラフ、（ｂ）は歩行時の関節間力の推移例を示したグラフである。 図１に示す股関節運動シミュレータの制御部の制御を示すブロック線図である。 リンクの長さ及び力の例を示したグラフであり、（ａ）はリンクの長さの推移例を示したグラフ、（ｂ）はリンクに働く力の推移例を示したグラフである。 患者の股関節に股関節運動シミュレータを対応させた状態を示した説明図である。

符号の説明

１ 大腿骨モデル
１ａ 大腿骨頭
２ 骨盤モデル
２ａ 寛骨臼
３ 力センサ
４ 被験者
５ 体表マーカ
６ 床反力計
７ 床反力
８ 骨盤
９ 大腿骨
１０ 股関節運動シミュレータ
３０ 大腿骨モデル駆動機構
３１ａ サーボモータ
３１ｂ 中心軸
３２ 連結部
４０ 骨盤モデル駆動機構
４１ 基板
４２ 骨盤モデル固定部
４３，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆ リンク
４４ ジョイント
４５ リニアアクチュエータ
４６ エンコーダ
５０ 制御部
５１ 位置制御則
５２ 逆動力学
５３ 力制御則
５４ 座標変換
５５ 運動学

Claims (5)

1. 大腿骨のうち少なくとも大腿骨頭を型取った大腿骨モデルと、骨盤のうち少なくとも寛骨臼を型取った骨盤モデルとを用いて股関節の運動を再現するための股関節運動シミュレータにおいて、
   前記股関節における足の屈曲及び伸展運動を再現するために前記大腿骨モデルを動かす大腿骨モデル駆動機構と、
   前記股関節における関節間力並びに足の外転及び内転運動並びに外旋及び内旋運動を再現するために前記骨盤モデルを動かす骨盤モデル駆動機構と、
   前記股関節の運動及び関節間力を再現するために前記大腿骨モデル駆動機構及び骨盤モデル駆動機構を同時に駆動するように制御する制御部と
   を備えたことを特徴とする股関節運動シミュレータ。
2. 前記請求項１に記載の股関節運動シミュレータにおいて、
   前記大腿骨モデル駆動機構は、回転又は往復運動を中心軸に生じさせるサーボモータ、前記サーボモータの中心軸と前記大腿骨モデルとを繋ぐ連結部からなり、
   前記サーボモータによる回転又は往復運動により前記大腿骨モデルを往復運動させることを特徴とする股関節運動シミュレータ。
3. 前記請求項１又は２に記載の股関節運動シミュレータにおいて、
   前記骨盤モデル駆動機構は、基台、前記骨盤モデルが固定される骨盤モデル固定部、前記基台及び骨盤モデル固定部を相互に異なる６箇所で支持する６本のリンク、前記リンクの両端に配設され前記基台及び骨盤モデル固定部に前記リンクを結合するジョイント、６本の前記リンクのそれぞれに対応して配設され対応するリンクを当該リンクの長手方向に伸縮されるリニアアクチュエータからなり、
   ６本の前記リンクをそれぞれ独立に動かすことにより前記基台に対する前記骨盤モデル固定部の位置及び姿勢を動かすことを特徴とする股関節運動シミュレータ。
4. 請求項３に記載の股関節運動シミュレータにおいて、
   前記大腿骨モデルの大腿骨頭及び前記骨盤モデルの寛骨臼間に生じる関節間力を検出する力センサと、前記リンクの長さを検出するエンコーダとを備え、
   検出した前記関節間力をフィードバックすることで、所望の関節間力となるように前記大腿骨モデル駆動機構及び骨盤モデル駆動機構を制御し、
   検出した前記リンクの長さに基づいて前記骨盤モデルの寛骨臼に対する前記大腿骨モデルの大腿骨頭の相対角度を算出し、当該相対角度をフィードバックすることで、所望の股関節角度となるように前記大腿骨モデル駆動機構及び骨盤モデル駆動機構を制御することを特徴とする股関節運動シミュレータ。
   
5. 請求項１乃至４に記載の股関節運動シミュレータにおいて、
   前記大腿骨モデルと前記骨盤モデルとの摺接面である前記大腿骨頭又は寛骨臼に圧力センサを埋設したことを特徴とする股関節運動シミュレータ。