JP5871001B2 - 運動装置、モータ制御装置およびモータ制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、運動装置、モータ制御装置およびモータ制御方法に関する。

従来、可動部と、可動部を移動させるための駆動部と、駆動部の駆動を制御する制御部とを備える運動装置が知られている。このような運動装置は、たとえば、特許第４０６１４３２号公報に開示されている。

上記特許第４０６１４３２号公報には、ユーザの肢体に取り付けられるアーム（可動部）と、アームを移動させるための駆動力をアームに付与するアクチュエータ（駆動部）と、アクチュエータの駆動を制御する制御部とを備える運動療法装置（運動装置）が開示されている。この運動療法装置では、ユーザに負荷を付与するために、アクチュエータを予め設定された駆動パターンで駆動することにより、ユーザの肢体に取り付けられたアームを所定の移動パターンで移動させている。これにより、所定の移動パターンで移動しているアームに取り付けられたユーザの肢体がアームの移動と共に移動されるので、アームを介してユーザに負荷を付与することができる。

特許第４０６１４３２号公報

しかしながら、上記特許第４０６１４３２号公報に開示された運動療法装置（運動装置）では、アーム（可動部）を介して負荷を付与するために、アームを所定の移動パターンで移動させるためのアクチュエータ（駆動部）の駆動パターンを予め設定しておく必要がある。このため、アーム（可動部）を介して負荷を付与するために煩雑な設定作業が必要になる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、煩雑な設定作業を行うことなく可動部を介して負荷を付与することが可能な運動装置、モータ制御装置およびモータ制御方法を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による運動装置は、ユーザの運動によって外力が加えられることにより移動可能に構成された可動部と、ユーザの外力による移動とは別に可動部を移動させるための駆動力を可動部に付与する駆動部と、可動部の現在の位置に対応する駆動部の現在の駆動位置を検出する位置検出部と、駆動部の駆動を制御する制御部と、を備え、制御部は、位置検出部により検出された駆動部の現在の駆動位置に基づいて、可動部を現在の位置に留まらせるような第１制御方法により駆動部を駆動するとともに、制御部は、第１制御方法に加えて、ユーザの加えた外力の方向の補助力を可動部を介してユーザに付与する第２制御方法により、駆動部を駆動することが可能である。

この発明の第２の局面によるモータ制御装置は、外力が加えられることにより移動可能に構成された可動部に、外力による移動とは別に可動部を移動させるための駆動力を付与するモータの駆動を制御するモータ制御部を備え、モータ制御部は、可動部の現在の位置に対応するモータの現在の駆動位置を検出する位置検出部により検出されたモータの現在の駆動位置に基づいて、可動部を現在の位置に留まらせるように駆動部を駆動する。

この発明の第３の局面によるモータ制御方法は、外力が加えられることにより移動可能に構成された可動部を外力による移動とは別に移動させるための駆動力を可動部に付与するモータの、可動部の現在の位置に対応する現在の駆動位置を検出するステップと、検出されたモータの現在の駆動位置に基づいて、可動部を現在の位置に留まらせるようにモータの駆動を制御するステップとを備える。

以上説明したように本発明によれば、煩雑な設定作業を行うことなく可動部を介して負荷を付与することができる。

本発明の第１実施形態による運動装置の全体構成を示す図である。 本発明の第１実施形態による運動装置の可動機構制御部のモータ制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１〜第３実施形態による運動装置を用いてユーザがトレーニング運動を行う際におけるモータ制御部の処理フローを説明するためのフローチャートである。 本発明の第１〜第３実施形態による運動装置を用いてユーザがリハビリ運動を行う際におけるモータ制御部の処理フローを説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施形態による運動装置の全体構成を示す図である。 本発明の第３実施形態による運動装置の全体構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態による運動装置１００の構成について説明する。

図１に示すように、運動装置１００は、可動機構部１０と、可動機構部１０の後述する回転モータ１３の制御を行うモータ制御部２４を有する可動機構制御部２０とを備えている。なお、回転モータ１３は、本発明の「駆動部」の一例であるとともに、本発明の「モータ」の一例である。また、モータ制御部２４は、本発明の「制御部」の一例である。また、可動機構制御部２０は、本発明の「モータ制御装置」の一例である。

可動機構部１０と可動機構制御部２０とは、可動機構制御部２０の後述するモータ制御部２４により出力されるモータ制御電流や、回転モータ１３の後述するエンコーダ１７（図２参照）により出力される位置フィードバックなどを伝達するためのケーブルを介して互いに接続されている。なお、エンコーダ１７は、本発明の「位置検出部」の一例である。

次に、図１を参照して、可動機構部１０の具体的な構成について説明する。

図１に示すように、可動機構部１０は、シート１１と、アーム１２と、回転モータ１３と、減速機１４とを含むように構成されている。なお、アーム１２は、本発明の「可動部」の一例である。

アーム１２は、ユーザの運動によって外力が加えられることにより移動可能に構成されている。なお、運動とは、ユーザがシート１１に座った状態でアーム１２を把持して動かす運動（アーム回動軸１５を回動軸としてアーム１２を回動させる運動）のことである。

回転モータ１３は、上記ユーザの外力による移動とは別にアーム１２を移動させることが可能なように構成されている。具体的には、回転モータ１３は、可動機構制御部２０から入力されるモータ制御電流に基づいて、モータ回転軸１６を回転軸として回転駆動することにより、その回転による駆動力をモータ回転軸１６、減速機１４およびアーム回動軸１５を介してアーム１２に付与することが可能なように構成されている。

ここで、第１実施形態では、回転モータ１３は、シート１１に座った状態でアーム１２に外力を加えて運動しているユーザに対して、ユーザがアーム１２に加えた外力の方向とは反対方向の負荷をアーム１２を介して付与することが可能であるとともに、ユーザがアーム１２に加えた外力の方向に沿った方向の補助力をアーム１２を介して付与することが可能なように構成されている。これにより、ユーザは、シート１１に座った状態でアーム１２に外力を加えて動かすことにより、トレーニング運動またはリハビリ運動を行うことが可能である。

また、第１実施形態では、回転モータ１３には、アーム１２の現在の位置に対応する回転モータ１３の現在の駆動位置（回転位置）を検出するためのエンコーダ１７（図２参照）が設けられている。このエンコーダ１７は、検出した回転モータ１３の現在の駆動位置を位置フィードバックとして可動機構制御部２０に出力するように構成されている。なお、エンコーダ１７は、インクリメンタルエンコーダであってもよいし、アブソリュートエンコーダであってもよい。

減速機１４は、アーム回動軸１５とモータ回転軸１６とを連動して回転させるタイミングベルト機構を有している。この減速機１４は、アーム回動軸１５の回動速度をモータ回転軸１６の回転速度に対して減速させることにより、回転モータ１３により発生するトルク（駆動力）を増加させるとともに、増加されたトルクをモータ回転軸１６、減速機１４およびアーム回動軸１５を介してアーム１２に伝達するように構成されている。

次に、可動機構制御部２０の具体的な構成について説明する。

可動機構制御部２０は、設定入力部２１と、状態表示部２２と、パターン指令生成部２３と、モータ制御部２４とを含むように構成されている。

設定入力部２１は、ユーザが可動機構部１０をどのように動作させるかを設定する際に使用される入力装置である。この設定入力部２１は、たとえば、タッチパネル操作が可能な表示部や、押下操作が可能なボタンスイッチや、回転操作が可能なロータリスイッチなどにより構成される。これにより、ユーザは、設定入力部２１を操作することによって、可動機構部１０をトレーニング運動のために使用するかまたはリハビリ運動のために使用するかを選択したり、トレーニング運動またはリハビリ運動の強度を設定したりすることなどが可能である。すなわち、ユーザは、設定入力部２１を操作することによって、後述するトレーニング制御方法により回転モータ１３を駆動するかまたはアシスト制御方法により回転モータ１３を駆動するかを選択したり、アーム１２を介してユーザに付与する負荷または補助力の大きさを設定したりすることが可能である。

状態表示部２２は、回転モータ１３の駆動力を含む駆動状態を表示することが可能なように構成されている。具体的には、状態表示部２２は、可動機構部１０のアーム１２を介してユーザに与える負荷の大きさなどをグラフ形式で表示することが可能なように構成されている。また、パターン指令生成部２３は、回転モータ１３を予め設定された駆動パターンで駆動する場合（後述するアシスト制御方法により回転モータ１３を駆動する場合など）において回転モータ１３に与える目標駆動位置の変化のパターン（以下、パターン指令と呼ぶ）を生成するように構成されている。

モータ制御部２４は、後述する電流生成部３０（図２参照）により生成されたモータ制御電流を回転モータ１３に出力することにより、回転モータ１３の駆動（アーム１２の移動）を制御するように構成されている。なお、モータ制御電流は、回転モータ１３に与えるトルク指令（目標駆動トルク）に基づいて生成される。

ここで、第１実施形態では、モータ制御部２４は、ユーザにより設定入力部２１が操作されて可動機構部１０をトレーニング運動のために使用することが選択された場合に、エンコーダ１７からの位置フィードバックに基づいて、回転モータ１３を現在の駆動位置に留まらせるようなモータ制御電流を生成するように構成されている。一方、モータ制御部２４は、ユーザにより設定入力部２１が操作されて可動機構部１０をリハビリ運動のために使用することが選択された場合に、パターン指令生成部２３からのパターン指令に基づいて、回転モータ１３を予め設定された駆動パターンで駆動するようなモータ制御電流を生成するように構成されている。

また、第１実施形態では、モータ制御部２４は、回転モータ１３に与えるトルク指令を、ユーザの運動（トレーニング運動またはリハビリ運動）によってアーム１２に加えられる外力に基づいて補償するように構成されている。すなわち、モータ制御部２４は、ユーザの運動による外力の方向および大きさに応じて、トルク指令を補償するための補償トルクを生成するように構成されている。

具体的には、モータ制御部２４は、ユーザにより設定入力部２１が操作されて可動機構部１０をトレーニング運動のために使用することが選択された場合には、ユーザのトレーニング運動によってアーム１２に加えられた外力を負帰還させることにより、回転モータ１３に与えるトルク指令を補償するように構成されている。これにより、モータ制御部２４は、ユーザがアーム１２を用いてトレーニング運動を行う際に、ユーザがアーム１２に加えた外力の方向とは反対方向の負荷をアーム１２を介してユーザに付与するように構成されている。なお、この負荷の大きさは、ユーザが設定入力部２１を操作して設定したトレーニングの強度と、トレーニング運動時のユーザがアーム１２に加えた外力の大きさとに応じて決定される。以下では、このようなトレーニング運動時のユーザに負荷を付与するための回転モータ１３の制御方法を、トレーニング制御方法と呼ぶ。なお、「トレーニング制御方法」は、本発明の「第１制御方法」の一例である。

一方、モータ制御部２４は、ユーザにより設定入力部２１が操作されて可動機構部１０をリハビリ運動のために使用することが選択された場合には、ユーザのリハビリ運動によってアーム１２に加えられた外力を正帰還させることにより、回転モータ１３に与えるトルク指令を補償するように構成されている。これにより、モータ制御部２４は、ユーザがアーム１２を用いてリハビリ運動を行う際に、ユーザがアーム１２に加えた外力の方向に沿った方向の補助力をアーム１２を介してユーザに付与するように構成されている。なお、この補助力の大きさは、ユーザが設定入力部２１を操作して設定したリハビリの強度と、リハビリ運動時のユーザがアーム１２に加えた外力の大きさとに応じて決定される。以下では、このようなリハビリ運動時のユーザに補助力を付与するための回転モータ１３の制御方法を、アシスト制御方法と呼ぶ。なお、「アシスト制御方法」は、本発明の「第２制御方法」の一例である。

なお、第１実施形態では、モータ制御部２４は、非常状態が発生した場合に、回転モータ１３の目標位置を固定するように構成されている。具体的には、モータ制御部２４は、ユーザにより設定入力部２１が操作されてアーム１２を非常停止させる操作（非常停止操作）が行われた場合に、回転モータ１３の目標駆動位置を固定することにより、アーム１２を現在の位置に停止させて移動不可能な状態にするように構成されている。また、モータ制御部２４は、後述する所定の２つの場合（回転モータ１３の目標駆動位置と現在の駆動位置との差が異常になった場合、および、補償トルク調整部３５（図２参照）に入力されるトルクが異常になった場合）にも、回転モータ１３の目標駆動位置を固定することにより、アーム１２を現在の位置に停止させて移動不可能な状態にするように構成されている。

また、第１実施形態では、モータ制御部２４は、上記のように回転モータ１３の目標駆動位置が固定されてアーム１２が移動不可能な状態とされた際において、ユーザにより設定入力部２１が操作されて現在停止しているアーム１２を初期位置に戻す操作（リセット操作）が行われた場合に、アーム１２を所定の速度（ユーザが怪我をしない程度の速度）以下で初期位置に戻すように回転モータ１３を駆動するように構成されている。

以下、図２を参照して、モータ制御部２４の詳細な構成について説明する。

図２に示すように、モータ制御部２４は、速度算出部２５と、状態切替部２６と、位置指令切替部２７と、速度指令生成部２８と、トルク指令生成部２９と、電流生成部３０と、補償トルク生成部３１とを含むように構成されている。なお、補償トルク生成部３１は、本発明の「補償力生成部」の一例である。

速度算出部２５は、微分器などにより構成されている。この速度算出部２５は、エンコーダ１７からの位置フィードバック（回転モータ１３の現在の駆動位置）を微分することにより、速度フィードバック（回転モータ１３の現在の駆動速度）を生成するように構成されている。そして、速度算出部２５は、このように生成した速度フィードバックをトルク指令生成部２９と後述する外乱オブザーバ３２とに出力するように構成されている。

状態切替部２６は、ユーザにより設定入力部２１が操作されて可動機構部１０をトレーニング運動のために使用するかまたはリハビリ運動のために使用するかが選択された場合に、そのユーザの選択に応じて、位置指令切替部２７の状態と、補償トルク生成部３１の後述する符号切替部３４の状態とを切り替えるように構成されている。

具体的には、状態切替部２６は、トレーニング制御方法により回転モータ１３を駆動することがユーザにより選択された場合に、エンコーダ１７からの位置フィードバックが位置指令（回転モータ１３の目標駆動位置）として速度指令生成部２８に入力されるように、位置指令切替部２７を第１の状態（図２のｒ１参照）に切り替えるように構成されている。なお、この時、状態切替部２６は、ユーザの外力に起因するトルクを負帰還させて補償トルク調整部３５に出力するように符号切替部３４の状態を切り替える（詳細は、後述する）ように構成されている。

一方、状態切替部２６は、アシスト制御方法により回転モータ１３を駆動することがユーザにより選択された場合に、パターン指令生成部２３からのパターン指令が位置指令（回転モータ１３の目標駆動位置）として速度指令生成部２８に入力されるように、位置指令切替部２７を第２の状態（図２のｒ２参照）に切り替えるように構成されている。なお、この時、状態切替部２６は、ユーザの外力に起因するトルクを正帰還させて補償トルク調整部３５に出力するように符号切替部３４の状態を切り替える（詳細は、後述する）ように構成されている。

なお、状態切替部２６は、ユーザの設定入力部２１の操作により可動機構部１０を緊急停止させるための緊急停止操作が行われた場合に、回転モータ１３の目標駆動位置を固定するような位置指令が速度指令生成部２８に入力されるように、位置指令切替部２７を第３の状態（図２のｒφ参照）に切り替えるように構成されている。また、状態切替部２６は、ユーザにより緊急停止操作が行われた場合に加えて、回転モータ１３の目標駆動位置と現在の駆動位置との差が異常になった場合（位置指令と位置フィードバックとの差が所定のしきい値以上になった場合）、および、補償トルク調整部３５に入力されるトルクが異常になった場合（詳細は後述する）にも、位置指令切替部２７を第３の状態に切り替えるように構成されている。

速度指令生成部２８は、Ｐ制御を行う制御系である。この速度指令生成部２８は、入力される位置指令（回転モータ１３の目標駆動位置）と位置フィードバック（エンコーダ１７により検出された回転モータ１３の現在の駆動位置）との差に、比例要素の位置比例ゲインＫｐを乗じることにより、速度指令（回転モータ１３の目標駆動速度）を生成するように構成されている。そして、速度指令生成部２８は、生成した速度指令をトルク指令生成部２９に出力するように構成されている。

トルク指令生成部２９は、ＰＩ制御を行う制御系である。このトルク指令生成部２９は、入力される速度指令（回転モータ１３の目標駆動速度）と速度フィードバック（回転モータ１３の現在の駆動速度）との差に、比例要素の速度比例ゲインＫｖと積分要素の積分時定数Ｔｉとを乗じることにより、トルク指令（回転モータ１３の目標駆動トルク）を生成するように構成されている。そして、トルク指令生成部２９は、生成したトルク指令を電流生成部３０に出力するように構成されている。

電流生成部３０は、ＰＩ制御を行う制御系である。この電流生成部３０は、入力されるトルク指令（トルク指令生成部２９により生成されたトルク指令に補償トルク生成部３１により生成された補償トルクを加えたもの）に、比例要素の電流比例ゲインＫｉと積分要素の積分時定数Ｔｉｉとを乗じることにより、モータ制御電流（回転モータ１３の目標駆動トルクに対応する電流指令）を生成するように構成されている。そして、電流生成部３０は、生成したモータ制御電流を可動機構部１０の回転モータ１３に出力するように構成されている。

補償トルク生成部３１は、トルク指令生成部２９により出力されるトルク指令を補償するための補償トルクを生成するように構成されている。具体的には、補償トルク生成部３１は、外乱オブザーバ３２と、無負荷トルク設定部３３と、符号切替部３４と、補償トルク調整部３５とを含むように構成されている。

外乱オブザーバ３２は、モータ制御部２４からのモータ制御電流に起因する駆動トルク以外に回転モータ１３に加えられる外乱トルク（ユーザの運動によってアーム１２に加えられる外力などに起因するトルク）を推定するために設けられている。具体的には、外乱オブザーバ３２は、トルク指令生成部２９により生成されたトルク指令（回転モータ１３の目標駆動トルク）と、速度算出部２５により生成された速度フィードバック（回転モータ１３の現在の駆動速度）とに基づいて、回転モータ１３に加えられる上記外乱トルクを推定するように構成されている。

無負荷トルク設定部３３は、ユーザの外力以外の外力（たとえば、重力など）によってアーム１２を移動させないために回転モータ１３に予め付与しておく必要があるトルク（以下、無負荷トルクと呼ぶ）を設定・保存するために設けられている。この無負荷トルクは、ユーザがアーム１２を用いて運動（トレーニング運動またはリハビリ運動）を行う前の初期の段階で測定される。第１実施形態では、外乱オブザーバ３２により推定された外乱トルクから無負荷トルク設定部３３に設定された無負荷トルクが減算されることより、回転モータ１３に加えられる外乱トルクのうちのユーザの外力に起因するトルクが算出される。

符号切替部３４は、上記のように算出されたユーザの外力に起因するトルクを負帰還させて補償トルク調整部３５に出力する状態（位置指令切替部２７の第１の状態（図２のｒ１参照）に対応）と、正帰還させて補償トルク調整部３５に出力する状態（位置指令切替部２７の第２の状態（図２のｒ２参照）に対応）とを、ユーザの選択（トレーニング制御方法により回転モータ１３を駆動するかまたはアシスト制御方法により回転モータ１３を駆動するかの選択）に応じて切り替えるために設けられている。具体的には、符号切替部３４は、トレーニング制御方法により回転モータ１３を駆動することがユーザにより選択された場合には、上記ユーザの外力に起因するトルクを負帰還させて補償トルク調整部３５に出力する一方、アシスト制御方法により回転モータ１３を駆動することがユーザにより選択された場合には、上記ユーザの外力に起因するトルクを正帰還させて補償トルク調整部３５に出力するように、上記ユーザの外力に起因するトルクの符号を切り替えるように構成されている。

補償トルク調整部３５は、補償トルクの大きさを調整するために設けられている。具体的には、補償トルク調整部３５は、符号切替部３４を介して入力されるトルク（ユーザの外力に起因するトルク）の大きさを、ユーザが設定入力部２１を操作して設定したトレーニング運動またはリハビリ運動の強度に応じて調整するように構成されている。また、補償トルク調整部３５は、符号切替部３４を介して入力されるトルクが異常である場合に、その異常なトルクを所定の制限値の範囲内に調整するように構成されている。なお、補償トルク調整部３５に入力されるトルクが異常である場合として、たとえば、速度指令生成部２８から出力される速度フィードバックが過渡応答により大きく変動したり、外乱オブザーバ３２の応答ゲインが正しく設定されていなかったりすることに起因して、補償トルク調整部３５に入力されるトルクが過度に大きくなった場合が考えられる。この他、補償トルク調整部３５に入力されるトルクが異常である場合として、ユーザの負傷などによりアーム１２に加えられている外力の大きさが急激に変化することに起因して、補償トルク調整部３５に入力されるトルクが急激に変化した場合なども考えられる。そして、補償トルク調整部３５は、調整したトルクを補償トルクとして電流生成部３０に出力するように構成されている。

なお、補償トルク調整部３５は、平均化フィルタや平滑化フィルタなどを含むように構成されている。この平滑化フィルタは、ローパスフィルタなどの一次遅れフィルタであってもよいし、他の次数のフィルタであってもよい。これにより、補償トルク調整部３５から出力される補償トルクが平均化されるとともに平滑化されるので、補償トルクの出力がばらついたり不連続になったりするのが抑制される。

次に、図３を参照して、本発明の第１実施形態による運動装置１００を用いてユーザがトレーニング運動を行う際（トレーニング制御方法により回転モータ１３を駆動する際）におけるモータ制御部２４の処理フローについて説明する。この処理フローは、ユーザにより設定入力部２１が操作されて可動機構部１０をトレーニング運動のために使用することが選択された場合に、開始される。

まず、図３に示すように、ステップＳ１において、状態切替部２６により位置指令切替部２７が第１の状態（図２のｒ１参照）に切り替えられる。これにより、エンコーダ１７からの位置フィードバックが位置指令として速度指令生成部２８に入力される。なお、この時、ユーザによりアーム１２に加えられる外力に起因するトルク（外乱オブザーバ３２の推定結果と無負荷トルク設定部３３に設定された無負荷トルクとにより算出されたトルク）を負帰還させたものが補償トルク調整部３５に入力されるように、位置指令切替部２７の状態だけでなく、符号切替部３４の状態も状態切替部２６により切り替えられる。これらの結果、ユーザの運動方向とは反対方向で、かつ、ユーザの外力に応じた大きさの負荷がアーム１２を介してユーザに付与されるので、ユーザは、アーム１２を把持して動かすことによりトレーニング運動を行うことが可能になる。そして、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２においては、ユーザにより設定入力部２１が操作されてアーム１２の非常停止操作が行われたか否かが判断される。このステップＳ２において、ユーザにより非常停止操作が行われていないと判断された場合には、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３においては、補償トルク調整部３５に入力されるトルクが異常か否かが判断される。このステップＳ３においては、たとえば、速度指令生成部２８から出力される速度フィードバックが過渡応答により大きく変動したり、外乱オブザーバ３２の応答ゲインが正しく設定されていなかったりすることに起因して、補償トルク調整部３５に入力されるトルクが過度に大きくなった場合に、補償トルク調整部３５に入力されるトルクが異常であると判断される。また、ステップＳ３においては、ユーザの負傷などによりアーム１２に加えられている外力の大きさが急激に変化することに起因して、補償トルク調整部３５に入力されるトルクが急激に変化した場合なども、保障トルク調整部３５に入力されるトルクが異常であると判断される。そして、ステップＳ３において、補償トルク調整部３５に入力されるトルクが異常でないと判断された場合には、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４においては、回転モータ１３の目標駆動位置と現在の駆動位置との差が異常か否か（位置指令と位置フィードバックとの差が所定のしきい値以上になっていないかどうか）が判断される。このステップＳ４において、回転モータ１３の目標位置と現在位置との差が異常でないと判断された場合には、上記ステップＳ２に戻る。また、ステップＳ４において、回転モータ１３の目標位置と現在位置との差が異常であると判断された場合には、ステップＳ５に進む。

なお、上記ステップＳ２において、ユーザにより非常停止操作が行われたと判断された場合にも、ステップＳ５に進む。また、上記ステップＳ３において、補償トルク調整部３５に入力されるトルクが異常であると判断された場合にも、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５においては、状態切替部２６により位置指令切替部２７が第３の状態（図２のｒφ参照）に切り替えられる。これにより、回転モータ１３の目標駆動位置が固定され、可動機構部１０のアーム１２が現在の位置に停止される。そして、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６においては、ユーザにより設定入力部２１が操作されてアーム１２のリセット操作（現在停止しているアーム１２を初期位置に戻す操作）が行われたか否かが判断される。このステップＳ６の判断は、ユーザによりリセット操作が行われたと判断されるまで繰り返される。そして、ステップＳ６において、ユーザによりリセット操作が行われたと判断された場合には、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７においては、アーム１２を徐々に初期位置に戻す処理が実行される。すなわち、ユーザが怪我をしない程度の速度でアーム１２を初期位置に戻すように回転モータ１３を駆動する処理が実行される。そして、処理が終了する。

次に、図４を参照して、本発明の第１実施形態による運動装置１００を用いてユーザがリハビリ運動を行う際（アシスト制御方法により回転モータ１３を駆動する際）におけるモータ制御部２４の処理フローについて説明する。この処理フローは、ユーザにより設定入力部２１が操作されて可動機構部１０をリハビリ運動のために使用することが選択された場合に、開始される。

まず、図４に示すように、ステップＳ１１において、状態切替部２６により位置指令切替部２７が第２の状態（図２のｒ２参照）に切り替えられる。これにより、パターン指令生成部２３からのパターン指令が位置指令として速度指令生成部２８に入力される。なお、この時、ユーザによりアーム１２に加えられる外力に起因するトルク（外乱オブザーバ３２の推定結果と無負荷トルク設定部３３に設定された無負荷トルクとにより算出されたトルク）を正帰還させたものが補償トルク調整部３５に入力されるように、位置指令切替部２７の状態だけでなく、符号切替部３４の状態も状態切替部２６により切り替えられる。これらの結果、ユーザの運動方向に沿った方向で、かつ、ユーザの外力に応じた大きさの補助力がアーム１２を介してユーザに付与されるので、ユーザは、アーム１２を把持して動かすことによりリハビリ運動を行うことが可能になる。そして、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２においては、ユーザにより設定入力部２１が操作されて可動機構部１０の非常停止操作が行われたか否かが判断される。このステップＳ１２において、ユーザにより非常停止操作が行われていないと判断された場合には、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３においては、補償トルク調整部３５に入力されるトルクが異常か否かが判断される。このステップＳ１３において、補償トルク調整部３５に入力されるトルクが異常であると判断された場合には、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４においては、状態切替部２６により位置指令切替部２７が第１の状態（図２のｒ１参照）に切り替えられる。これにより、所定の移動パターンで移動しているアーム１２を現在の位置に留まらせるような制御がモータ制御部２４により行われるようになる。そして、ステップＳ１５に進む。なお、上記ステップＳ１３において、補償トルク調整部３５に入力されるトルクが異常でないと判断された場合にも、ステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５においては、回転モータ１３の目標駆動位置と現在の駆動位置との差が異常か否かが判断される。このステップＳ１５において、回転モータ１３の目標位置と現在位置との差が異常でないと判断された場合には、上記ステップＳ１２に戻る。また、ステップＳ１５において、回転モータ１３の目標位置と現在位置との差が異常であると判断された場合には、ステップＳ１６に進む。

なお、上記ステップＳ１２において、ユーザにより非常停止操作が行われたと判断された場合にも、ステップＳ１６に進む。また、上記ステップＳ１３において、補償トルク調整部３５に入力されるトルクが異常であると判断された場合にも、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６においては、状態切替部２６により位置指令切替部２７が第３の状態（図２のｒφ参照）に切り替えられる。これにより、回転モータ１３の目標駆動位置が固定され、可動機構部１０のアーム１２が現在の位置に停止される。そして、ステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７においては、ユーザにより設定入力部２１が操作されてアーム１２のリセット操作が行われたか否かが判断される。このステップＳ１７の判断は、ユーザによりリセット操作が行われたと判断されるまで繰り返される。そして、ステップＳ１７において、ユーザによりリセット操作が行われたと判断された場合には、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８においては、アーム１２を徐々に初期位置に戻す処理が実行される。すなわち、ユーザが怪我をしない程度の速度でアーム１２を初期位置に戻すように回転モータ１３を駆動する処理が実行される。そして、処理が終了する。

第１実施形態では、上記のように、エンコーダ１７により検出された回転モータ１３の現在の駆動位置（位置フィードバック）に基づいて、アーム１２を現在の位置に留まらせるようなトレーニング制御方法により回転モータ１３を駆動するようにモータ制御部２４を構成する。これにより、アーム１２を所定の移動パターンで移動させるための回転モータ１３の駆動パターンを予め設定するなどの煩雑な設定作業を行うことなく、ユーザがアーム１２に外力を加えるだけで、そのユーザの外力の方向と反対方向の負荷をアーム１２を介してユーザに付与することができる。その結果、ユーザに負荷を付与する運動（トレーニング運動）を容易に提供することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、トレーニング制御方法により回転モータ１３を駆動する際に、アーム１２を現在位置に留まらせるように、エンコーダ１７により検出された回転モータ１３の現在の駆動位置（位置フィードバック）を目標駆動位置（位置指令）として回転モータ１３を駆動するようにモータ制御部２４を構成する。これにより、エンコーダ１７の検出結果（位置フィードバック）を利用して、容易に、アーム１２を現在位置に留まらせる制御を行うことができる。

また、第１実施形態では、上記のように、トレーニング制御方法により回転モータ１３を駆動する際に、ユーザの外力に応じた大きさの負荷を、ユーザの外力の方向とは反対方向に、アーム１２を介してユーザに付与するようにモータ制御部２４を構成する。これにより、ユーザの体力に応じた適切な負荷をアーム１２を介してユーザに付与することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、トレーニング制御方法により回転モータ１３を駆動する際に、回転モータ１３によりアーム１２に付与される駆動力が所定の制限値の範囲内に含まれるように補償するようにモータ制御部２４を構成する。これにより、アーム１２を介してユーザに与える負荷の大きさが必要以上に大きくなるのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、アーム１２に加えられる外乱の推定を行う外乱オブザーバ３２を設け、外乱オブザーバ３２による推定結果から、ユーザの外力が加えられていない状態においてアーム１２に加えられている外乱（無負荷トルク）を減算することにより、ユーザの外力を算出するようにモータ制御部２４を構成する。これにより、外乱オブザーバ３２の推定結果をそのままユーザの外力とする場合と異なり、ユーザの外力が加えられていない状態においてアーム１２に加えられている外乱（無負荷トルク）を考慮することにより、ユーザの外力を正確に算出することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、トレーニング制御方法に加えて、ユーザの加えた外力の方向に沿った方向の補助力をアーム１２を介してユーザに付与するアシスト制御方法により、回転モータ１３を駆動することが可能なようにモータ制御部２４を構成する。これにより、ユーザは、トレーニング制御方法により回転モータが駆動されることによってアーム１２を介して付与される負荷を利用して、容易に、トレーニング運動を行うことができるとともに、アシスト制御方法により回転モータが駆動されることによってアーム１２を介して付与される補助力を利用して、容易に、リハビリ運動を行うこともできる。

また、第１実施形態では、上記のように、アシスト制御方法により回転モータ１３を駆動する際に、回転モータ１３によりアーム１２に付与される駆動力が所定の制限値の範囲内に含まれるように補償するようにモータ制御部２４を構成する。これにより、アーム１２を介してユーザに与える補助力の大きさが必要以上に大きくなるのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、トレーニング制御方法により回転モータ１３を駆動する場合には、エンコーダ１７により検出された回転モータ１３の現在の駆動位置（位置フィードバック）に基づいて回転モータ１３を駆動する一方、アシスト制御方法により回転モータ１３を駆動する場合には、予め設定された駆動パターン（パターン指令生成部２３により生成されたパターン指令）で回転モータ１３を駆動するようにモータ制御部２４を構成する。ここで、一般に、リハビリ運動を行うことが必要なユーザは、アーム１２に大きな外力を加えることができないので、アーム１２を容易に移動させることができず、十分なリハビリ効果を得にくい場合がある。この場合に、第１実施形態では、アシスト制御時に、予め設定された駆動パターン（パターン指令生成部２３により生成されたパターン指令）で回転モータ１３が駆動されるので、ユーザがリハビリ効果を得やすくすることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、トレーニング制御方法により回転モータ１３を駆動する場合には、ユーザの外力を負帰還させることにより補償された駆動力で回転モータ１３を駆動する一方、アシスト制御方法により回転モータ１３を駆動する場合には、ユーザの外力を正帰還させることにより補償された駆動力で回転モータ１３を駆動するようにモータ制御部２４を構成する。これにより、トレーニング制御時において、容易に、ユーザの外力と反対方向の負荷をアーム１２を介してユーザに付与することができるとともに、アシスト制御時において、容易に、ユーザの外力に沿った方向の補助力をアーム１２を介してユーザに付与することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、非常状態が発生した場合に、回転モータ１３の目標駆動位置を固定するようにモータ制御部２４を構成する。これにより、非常状態が発生した場合にアーム１２を停止させることができるので、非常状態が発生した場合におけるユーザの安全を確保することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、ユーザにより非常停止操作が行われた場合に、回転モータ１３の目標駆動位置を固定するようにモータ制御部２４を構成する。これにより、たとえばユーザの疲労などによりアーム１２を非常停止させる必要がある場合に、非常停止操作を行うことによって、容易に、アーム１２を停止させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、外乱オブザーバ３２による推定結果が異常となった場合に、回転モータ１３の目標駆動位置を固定するようにモータ制御部２４を構成する。これにより、たとえば速度指令生成部２８から出力される速度フィードバックが過渡応答により大きく変動したり、外乱オブザーバ３２の応答ゲインが正しく設定されていなかったりすることに起因して、外乱オブザーバ３２の推定結果が異常になった場合に、アーム１２を停止させることができる。また、ユーザの負傷などによりアーム１２に加えられている外力の大きさが急激に変化することに起因して、外乱オブザーバ３２の推定結果が異常になった場合にも、アーム１２を停止させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、回転モータ１３の現在の駆動位置（位置フィードバック）と目標駆動位置（位置指令）との差が所定のしきい値以上であると判断した場合に、回転モータ１３の目標駆動位置を固定するようにモータ制御部２４を構成する。これにより、回転モータ１３の現在の駆動位置と目標駆動位置との差が過度に大きい場合に、その過度に大きい差を急激に近づけるような過大な駆動力が回転モータ１３に付与されることがないので、アーム１２が急激に移動するのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、回転モータ１３の目標駆動位置が固定され、かつ、ユーザによりリセット操作が行われた場合に、アーム１２を所定の速度（ユーザが怪我をしない程度の速度）以下で初期位置に戻すように回転モータ１３を駆動するようにモータ制御部２４を構成する。これにより、ユーザによりリセット操作が行われるまで、停止しているアーム１２が移動するのを防止することができる。

また、第１実施形態では、上記のように構成した外乱オブザーバ３２を含むモータ制御部２４を用いてユーザに負荷（補助力）を付与することによって、たとえば電磁ブレーキを用いてアーム１２を制御してユーザに負荷を付与する場合や、外部トルクセンサや力センサなどを用いてユーザの外力を推定してユーザに負荷（補助力）を付与する場合などと異なり、ユーザの外力に対して正確で、かつ、遅延のない負荷（補助力）をユーザに付与することができる。

（第２実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態による運動装置２００について説明する。この第２実施形態では、ユーザがアーム１２（図１参照）を回動させることにより運動（トレーニング運動またはリハビリ運動）を行う上記第１実施形態と異なり、ユーザがアーム４２を上下方向に移動させることにより運動を行う例について説明する。

図５に示すように、第２実施形態による運動装置２００は、可動機構部４０と、可動機構部４０の後述する回転モータ４５の制御を行うモータ制御部２４ａを有する可動機構制御部２０ａとを備えている。なお、回転モータ４５は、本発明の「駆動部」の一例であるとともに、本発明の「モータ」の一例である。また、モータ制御部２４ａは、本発明の「制御部」の一例である。また、可動機構制御部２０ａは、本発明の「モータ制御装置」の一例である。

可動機構部４０は、シート４１と、アーム４２と、アーム側プーリ４３と、モータ側プーリ４４と、回転モータ４５と、減速機４６と、可動機構支持部４７とを含むように構成されている。なお、アーム４２は、本発明の「可動部」の一例である。

アーム４２は、ユーザの運動（トレーニング運動またはリハビリ運動）によって外力が加えられることにより上下方向に移動可能に構成されている。また、回転モータ４５は、ユーザの外力による移動とは別に、アーム４２を上下方向に移動させることが可能なように構成されている。具体的には、回転モータ４５は、可動機構制御部２０ａのモータ制御部２４ａから入力されるモータ制御電流に基づいて、モータ回転軸４８を回転軸として回転駆動することにより、その回転による駆動力をモータ回転軸４８、減速機４６、モータ側プーリ４４およびアーム側プーリ４３を介してアーム４２に付与することが可能なように構成されている。

なお、アーム側プーリ４３とモータ側プーリ４４とは、互いに連動して回転するタイミングベルト機構を構成している。これにより、回転モータ４５の回転による駆動力は、アーム側プーリ４３とモータ側プーリ４４とからなるタイミングベルト機構を介して上下方向の駆動力に変換され、その上下方向の駆動力がアーム４２に付与される。なお、可動機構支持部４７は、アーム４２、アーム側プーリ４３、モータ側プーリ４４および回転モータ４５を支持するように設けられている。

ここで、第２実施形態では、回転モータ４５は、可動機構制御部２０ａのモータ制御部２４ａからのモータ制御電流に基づいて駆動することにより、シート４１に座った状態でアーム４２に外力を加えてアーム４２を上下方向に移動させる運動を行うユーザに対して、ユーザがアーム４２に加えた外力の方向とは反対方向の負荷をアーム４２を介して付与することが可能であるとともに、ユーザがアーム４２に加えた外力の方向に沿った方向の補助力をアーム４２を介して付与することが可能なように構成されている。これにより、ユーザは、シート４１に座った状態でアーム４２に外力を加えてアーム４２を上下方向に移動させることにより、トレーニング運動またはリハビリ運動を行うことが可能である。

なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

また、第２実施形態による運動装置２００を用いてユーザが運動（トレーニング運動またはリハビリ運動）を行う際における可動機構制御部２０ａのモータ制御部２４ａの処理フローも、上記第１実施形態（図３および図４参照）と同様である。

また、第２実施形態の効果も、上記第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の第３実施形態による運動装置３００について説明する。この第３実施形態では、アーム１２（図１参照）を移動させるために回転モータ１３（図１参照）を用いる上記第１実施形態と異なり、アーム５２を移動させるためにリニアモータ５３を用いる例について説明する。

図６に示すように、第３実施形態による運動装置３００は、可動機構部５０と、可動機構部５０の後述するリニアモータ５３の制御を行うモータ制御部２４ｂを有する可動機構制御部２０ｂとを備えている。なお、リニアモータ５３は、本発明の「駆動部」の一例であるとともに、本発明の「モータ」の一例である。また、モータ制御部２４ｂは、本発明の「制御部」の一例である。また、可動機構制御部２０ｂは、本発明の「モータ制御装置」の一例である。

可動機構部５０は、シート５１と、アーム５２と、リニアモータ５３と、リニアスケール５４とを含むように構成されている。なお、アーム５２は、本発明の「可動部」の一例である。また、リニアスケール５４は、本発明の「位置検出部」の一例である。

アーム５２は、ユーザの運動（トレーニング運動またはリハビリ運動）によって外力が加えられることにより水平方向に移動可能に構成されている。また、リニアモータ５３は、ユーザの外力による移動とは別に、アーム５２を水平方向に移動させることが可能なように構成されている。具体的には、リニアモータ５３は、可動機構制御部２０ｂのモータ制御部２４ｂから入力されるモータ制御電流に基づいて、水平方向の推力を発生させるように駆動することにより、その水平方向の推力をアーム５２に付与することが可能なように構成されている。

ここで、第３実施形態では、リニアモータ５３は、可動機構制御部２０ｂのモータ制御部２４ｂからのモータ制御電流に基づいて駆動することにより、シート５１に横たわった状態でアーム５２に外力を加えてアーム５２を水平方向に動かす運動を行うユーザに対して、ユーザがアーム５２に加えた外力の方向とは反対方向の負荷をアーム５２を介して付与することが可能であるとともに、ユーザがアーム５２に加えた外力の方向に沿った方向の補助力をアーム５２を介して付与することが可能なように構成されている。これにより、ユーザは、シート５１に横たわった状態でアーム５２に外力を加えてアーム５２を水平方向に動かすことにより、トレーニング運動またはリハビリ運動を行うことが可能である。

なお、第３実施形態では、リニアモータ５３の水平方向の駆動位置は、リニアスケール５４により検出される。そして、リニアスケール５４により検出されたリニアモータ５３の水平方向の駆動位置は、位置フィードバックとして可動機構制御部２０ｂに向けて出力される。第３実施形態では、上記第１および第２実施形態と異なり、リニアモータ５３とアーム５２との間に減速機構を設けない分、減速機構によるバックラッシなどの非線形要素を考慮する必要がないので、リニアモータ５３の駆動の制御をより正確に行うことができる。

なお、第３実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

また、第３実施形態による運動装置３００を用いてユーザが運動（トレーニング運動またはリハビリ運動）を行う際における可動機構制御部２０ｂのモータ制御部２４ｂの処理フローも、上記第１実施形態（図３および図４参照）と同様である。

また、第３実施形態の効果も、上記第１実施形態と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第１〜第３実施形態では、本発明のモータ制御装置の一例としての可動機構制御部を、運動装置の可動機構部の駆動の制御を行うために用いる例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、モータ制御装置を、一般産業に用いられる駆動機構の駆動の制御を行うために用いてもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、ユーザがアーム（可動部）に加えた外力を外乱オブザーバを用いて推定する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、ユーザが可動部に加えた外力を外部トルクセンサや力センサなどの他の部品により推定してもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、タッチパネル操作が可能な表示部や、押下操作が可能なボタンスイッチや、回転操作が可能なロータリスイッチなどにより構成される設定入力部を使用して非常停止操作を行う例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、デッドマンスイッチを使用して非常停止操作を行うようにしてもよい。このようにすれば、ユーザが運動を停止した時点で確実に運動装置を非常停止させることができる。

また、上記第１および第２実施形態では、アーム（可動部）と回転モータ（駆動部）との間に減速機を設け、その減速機を用いて回転モータの駆動トルクを増幅させる例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、低速で大きいトルクを出力可能な回転モータを用いるのであれば、アームと回転モータとの間に減速機を設けなくてもよい。なお、上記第１および第２実施形態の減速機は、タイミングベルト機構を有する減速機であるが、平歯車やウォームなどからなるギア減速機や、チェーンおよびスプロケットからなる減速機などを用いてもよい。

また、上記第１実施形態では、トレーニング制御方法（第１の制御方法）により回転モータ（駆動部）を駆動している状態で、非常状態が発生した場合に、回転モータの目標駆動位置を固定することによって、アーム（可動部）を移動不可能な状態にする制御を行うようにモータ制御部（制御部）を構成する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、トレーニング制御方法により回転モータが駆動されている状態で、非常状態が発生した場合に、回転モータがアームに付与する駆動力をゼロにすることによって、アームを自由に移動可能な状態にする制御を行うようにモータ制御部（制御部）を構成してもよい。このように構成すれば、ユーザのトレーニング運動時に非常状態が発生した場合に、アームを介してユーザに付与する負荷をゼロにすることができる。これにより、ユーザは、トレーニング運動時に非常状態が発生した場合に、アームを安全な位置まで容易に移動させることができる。

Claims (8)

1. ユーザの運動によって外力が加えられることにより移動可能に構成された可動部と、
   前記ユーザの外力による移動とは別に前記可動部を移動させるための駆動力を前記可動部に付与する駆動部と、
   前記可動部の現在の位置に対応する前記駆動部の現在の駆動位置を検出する位置検出部と、
   前記駆動部の駆動を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記位置検出部により検出された前記駆動部の現在の駆動位置に基づいて、前記可動部を現在の位置に留まらせるような第１制御方法により前記駆動部を駆動するとともに、
   前記制御部は、
   前記第１制御方法に加えて、
   前記ユーザの加えた外力の方向の補助力を前記可動部を介して前記ユーザに付与する第２制御方法により、前記駆動部を駆動することが可能である、運動装置。
2. 前記制御部は、非常状態が発生した場合に、前記駆動部の目標駆動位置を固定する、請求項１に記載の運動装置。
3. 前記非常状態が発生した場合は、前記ユーザにより非常停止操作が行われた場合を含む、請求項２に記載の運動装置。
4. 前記可動部に加えられる外乱の推定を行う外乱オブザーバをさらに備え、
   前記非常状態が発生した場合は、前記外乱オブザーバによる推定結果が異常となった場合を含む、請求項２に記載の運動装置。
5. 前記非常状態が発生した場合は、前記駆動部の現在の駆動位置と目標駆動位置との差が所定のしきい値以上となった場合を含む、請求項２に記載の運動装置。
6. 前記制御部は、前記駆動部の目標駆動位置が固定され、かつ、前記ユーザによりリセット操作が行われた場合に、前記可動部を所定の速度以下で初期位置に戻すように前記駆動部を駆動する、請求項２〜５のいずれか１項に記載の運動装置。
7. 前記制御部は、
   前記第１制御方法により前記駆動部を駆動する場合には、前記ユーザの外力を負帰還させることにより補償された駆動力で前記駆動部を駆動する一方、
   前記第２制御方法により前記駆動部を駆動する場合には、前記ユーザの外力を正帰還させることにより補償された駆動力で前記駆動部を駆動する、請求項１に記載の運動装置。
8. 前記可動部に加えられる外乱の推定を行う外乱オブザーバをさらに備え、
   前記制御部は、
   前記第１制御方法により前記駆動部を駆動する際に、前記可動部を現在位置に留まらせるように、前記位置検出部により検出された前記駆動部の現在の駆動位置を目標駆動位置として前記駆動部を駆動するとともに、前記ユーザの外力に応じた大きさの負荷を、前記ユーザの外力の方向とは反対方向に、前記可動部を介して前記ユーザに付与し、
   前記ユーザの外力により前記可動部が移動される際に、前記外乱オブザーバによる推定結果から、前記ユーザの外力が加えられていない状態において前記可動部に加えられている外乱を減算することにより、前記ユーザの外力を算出する、請求項１に記載の運動装置。

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