JP5981931B2 - 関節動作シミュレーションの方法および装置 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２０１０年１１月１５日出願の米国仮特許出願第６１／４１３，８７３号を優先権主張する。

上記出願の全開示内容を引用により本明細書に組み込む。

人工装具のインプラント失敗のメカニズムは様々である。最もよくある失敗の原因として、ポリエチレンの摩耗、緩み、汚染、および不正配置がある。ポリエチレンの摩耗は、今日のインプラント失敗の確認可能で最大の単一要因である。更に、ポリエチレンの摩耗により整形済み組織に対する負荷が増大した結果、インプラントが緩みやすくなる恐れがある。インプラント技術の進歩に伴い、新規且つより複雑なモードの摩耗、損傷、および故障が認識されつつある。これらの事実ゆえに、人の微妙な動作を再現可能なシミュレータ機械での厳密なインプラント寿命試験に対する大きなニーズがある。

シミュレータ機械は、加速寿命試験（加速された寿命での試験）を用いて新規および既存の人工装具が評価される非人体環境を提供することにより、インプラントの寿命問題に対処するものである。これらの機械により、研究者が設計上の欠陥を分離および調査し、材料面での問題を特定および修正して、最終的により長寿命の人工装具システムを医師および患者に提供することができる。シミュレータ機械は、人間の関節動作を近似するものである。明らかに、人間の関節動作の近似度合が近いほど結果の信頼性が高い。

本発明は概して、より向上した動作制御を人工装具シミュレータに提供する関節動作シミュレーション用の装置および方法を目的としている。人工装具シミュレータは、加速寿命試験を通じて、新規および既存の人工装具、特にインプラント可能な人工装具を評価する非人体環境を提供する。

生体力学的運動をシミュレートする関節動作シミュレータは、人工装具を取り付ける取り付け部と、取り付け部を駆動すべく取り付け部に結合されたアクチュエータと、取り付け部を並進させ、且つ並進とは独立に制御可能な回転中心の回りに取り付け部を回転させるべくアクチュエータを駆動するプログラム可能なコントローラとを含んでいる。

アクチュエータは、少なくとも３個のリニアアクチュエータを含んでいてよく、これらはスリーブ、例えば垂直（Ｚ軸）アクチュエータの外側スリーブに結合可能であって、スリーブに沿って垂直に変位可能である。コントローラは、取り付け部の線形並進および回転に伴い回転中心を変化させるべくプログラムすることができる。関節動作シミュレータは更に、アクチュエータの変位を測定する変位センサを含んでいてよく、測定された変位に基づいてコントローラがアクチュエータを駆動することができる。いくつかの実施形態において、アクチュエータはリニアアクチュエータを含み、変位センサは長さセンサを含んでいる。回転中心すなわち回転軸は、瞬間回転中心であり得る。

一実施形態において、生体力学的動作をシミュレートする関節動作シミュレータは、人工装具を取り付ける取り付け部と、取り付け部を回転および並進させるべく取り付け部に結合された少なくとも３個のリニアアクチュエータを含んでいる。

少なくとも３個のリニアアクチュエータに加え、関節動作シミュレータは更に、取り付け部を回転軸にほぼ平行な直線方向に並進させるリニアアクチュエータを含んでいてよい。並進用リニアアクチュエータは、スリーブ内にピストンを含むことができ、ピストンは取り付け部に結合されていて、取り付け部を並進させるべく油圧で駆動され、少なくとも３個のリニアアクチュエータはスリーブに結合可能である。更に、並進用リニアアクチュエータは、取り付け部に結合された第２のピストンを含むことができ、第１および第２のピストンは反対方向に駆動される。少なくとも３個のリニアアクチュエータの各々は、シリンダ内で油圧駆動されるピストンを含んでいてよく、ピストンはピン接合部を介してスリーブに結合されている。

生体力学的動作をシミュレートする関節動作シミュレータは、人工装具を取り付ける取り付け部と、取り付け部を駆動すべく取り付け部に結合されたアクチュエータと、アクチュエータを駆動して取り付け部を軸の回りに回転させ、取り付け部を回転軸に対して横方向に並進させて、取り付け部の並進とは独立に回転軸を横方向に並進させるプログラム可能なコントローラとを含んでいてよい。

人工装具を駆動して関節動作を促す方法は、人工装具を回転軸に沿って回転させるべく駆動するステップと、回転軸を横向きに複数の方向に移動させるステップとを含んでいる。

人工装具は取り付け部に取り付けることができ、その場合、人工装具の回転駆動は、取り付け部に結合されたアクチュエータを駆動して取り付け部を回転させるステップを含み得る。一実施形態において、少なくとも３個のリニアアクチュエータが取り付け部に結合されている。人工装具を駆動する方法は更に、アクチュエータを駆動して回転軸に対して取り付け部を横方向に並進させるステップを含んでいてよい。回転軸は次いで、取り付け部の並進とは独立に横方向に並進させることができる。いくつかの実施形態において、人工装具を駆動する方法は更に、アクチュエータの変位を検知するステップを含むことができ、アクチュエータを駆動するステップは、検知された変位に基づいてアクチュエータを駆動するステップを含んでいてよい。アクチュエータはリニアアクチュエータを含むことができ、変位の検知はリニアアクチュエータの長さを検知するステップを含んでいてよい。一実施形態において、人工装具を駆動する方法は更に、人工装具を並進軸にほぼ平行な直線方向に並進させるべく駆動するステップを含んでいる。

上記事項は本発明に関する以下の添付の図面に示す例示的実施形態のより具体的な記述から明らかになろう。ここで、異なる図面を通じて同一参照符号が同一部材を示す。各図面は必ずしも同一の比率で描かれておらず、本発明の実施形態の図解に力点を置いている。

本発明の一実施形態による人工装具シミュレーションシステムを示す。 人工装具用の従来技術によるシミュレータ台座の模式図である。 人工膝の関節要素の可能な動作を示す。 人工膝の関節要素の可能な動作を示す。 人工膝の関節要素の可能な動作を示す。 人工膝の関節要素の可能な動作を示す。 下側キャビネットの一部および油圧流体システムを除外して図１Ａのシステムを示す。 ３個のｘ−ｙ−θアクチュエータを下から見た図である。 下側プラットフォームアクチュエータアセンブリの詳細を示す。 下側プラットフォームアクチュエータアセンブリの部分切欠図である。 本発明の一実施形態による垂直アクチュエータを示す下側プラットフォームアクチュエータアセンブリの部分透視図である。 図６Ａの下側プラットフォームアクチュエータアセンブリの上面図である。 図６Ｂに示す図６Ａの下側プラットフォームアクチュエータアセンブリの断面図である。 図３の３個のｘ−ｙ−θアクチュエータのうちの１個の更なる詳細を示す。 ｘ−ｙ並進および任意の軸回りの角回転の生起に用いる機械台座および３個のアクチュエータの模式図である。 台座の方位が角度φにより指定され得る状態で機械台座の回転中心の動作がベクトルｒ^ｐによりどのように指定可能かを示す。 回転中心がベクトルｒ^ｏによりどのように指定可能かを示す。 本発明の一実施形態による人工装具シミュレータ用の制御システムの模式図である。 人工装具シミュレータの機械台座のいくつかの可能な動作を示す。 人工装具シミュレータの機械台座のいくつかの可能な動作を示す。 人工装具シミュレータの機械台座のいくつかの可能な動作を示す。 人工装具シミュレータの機械台座のいくつかの可能な動作を示す。 人工装具シミュレータの機械台座のいくつかの可能な動作を示す。 人工装具シミュレータの機械台座のいくつかの可能な動作を示す。 人工装具シミュレータの機械台座のいくつかの可能な動作を示す。 人工装具シミュレータの機械台座のいくつかの可能な動作を示す。

以下に本発明の例示的実施形態について記述する。

図１Ａに、本発明を具体化するシミュレーションシステム１００を示す。従来のシステムと同様に、関節のうち１個の要素が上側取り付け部１０２に取り付けられ、関節の他の要素が下側取り付け部（プラットフォーム）１０４に取り付けられる。下側取り付け部１０４は、本明細書では標本台座または機械台座とも呼ばれ、Ｘ−Ｙ−Ｚ−Θの自由度で制御可能である。

図１Ｂに人工膝関節を示すが、本システムは任意の関節の人工装具要素を担持可能である。関節要素１０６、１０８は、２個の取り付け部の間で互いに当接し、プログラムされた動作を介して別々に駆動される。従来のシミュレーションシステムが、Ｂｒｕｃｅ Ｆ．Ｗｈｉｔｅへの米国特許第７，８２３，４６０号明細書に記述されており、本明細書にその全体が引用により組み込まれている。従来のシミュレーションシステムでは、上側取り付け部がアクチュエータにより横向きのＹ方向３５に移動可能であり、且つ前後軸Ｘの回りに角度αだけ回転可能（符号３１）であった。下側プラットフォームは、Ｚ軸３７方向に移動可能であり、且つ垂直Ｚ軸の回りに角度Θだけ回転可能（符号３３）であった。従来のシステムでは制御されない自由度として下側プラットフォームの並進３９および回転４１が含まれる。

従来のシミュレータは、シミュレータ台座の脛骨トレイ２３の下に取り付けられた多軸力／トルクのトランスデューサ１９を含んでいるため大腿骨−脛骨接触力（およびモーメント）の３個の成分が監視することができる。トランスデューサ１９は、６チャネル歪みゲージトランスデューサであり得る。また、従来のシミュレータは、シミュレータの大腿骨２２および脛骨２３成分に対する並進および回転位置を測定する１個以上の位置センサまたはトランスデューサを含み得る。図１Ｂに示すように、位置センサは、人工器官の屈曲／伸長角度３１、内／外（ＩＥ）回転角度３３、前／後（ＡＰ）並進３５、および垂直（圧縮／弛緩）位置３７を監視できる。左右方向（ＭＬ）膝並進３９および内外反回転４１も監視できる。

従来のシミュレーションシステムの動作を組み合せることで摩耗試験のために２個の関節要素同士の複雑な相対動作が可能であるが、これらは通常の生物学的動作を完全にシミュレートすることはできない。特に、従来のシステムは、Ｘ軸に沿った相対動作を制御しない。更に、回転軸が固定されているのに対し、体内では、回転軸が中心からずれる場合があり、関節の動作を通じて移動する場合もある。本発明は、Ｘ、ＹおよびＺ軸の各々における制御と共に、ＸおよびＹ軸に沿って自身も移動し得る回転中心の回りの角度Θの回転動作も可能にする。最初から上側取り付け部１０２に実装されていたわけではないが、本発明は当該取り付け部にも同様に適用できて角度αの回転中心の移動を可能にする。

関節シミュレータの目的は、剛体、例えば人工装具関節要素の間の正しい、例えば解剖学的に正確な接触運動を実現および／または制御することである。このために、本発明の実施形態は、接触する剛体の相対並進なしに２本の直交軸における回転中心の独立したプログラムされた制御を提供する。本明細書全体を通じて、回転中心および回転軸という用語を交換可能に用いる。

剛体力学において、瞬間回転中心という用語は、速度（瞬間）回転中心および加速度回転中心に適用することができる。速度回転中心は典型的に、固定または大域基準フレームに対して画定される。表面が大域基準フレームに対して固定された平坦面上を転がる車輪を例にとる。車輪の動作は、平坦面に平行な方向への並進および車輪の中心の回りの同時回転として記述することができる。任意の所与の時点において、加速度回転中心は車輪の中心にあるのに対し、速度（瞬間）回転中心は表面との接点にある。別の例では、シャフトは固定軸、例えばシャフトの中心軸の回りに回転する。この場合、速度回転中心は、任意の所与の時点における加速度回転中心と同じである。従って、例示的シャフトの瞬間回転中心は速度（瞬間）および加速度回転中心の両方である。

図１Ｃ〜Ｆに、人工膝の関節要素１０６、１０８の可能な動作を示す。図１Ｃ、１Ｄは、システムの法線方向の固定Ｚ軸の回りの下側脛骨要素１０８の回転を示す。図１Ｅ、１Ｆに、脛骨要素がシステムの法線方向Ｚ軸以外の軸Ｚ’の回りを回転するように、下側の脛骨要素１０８の回転中心の並進を示す。Ｚ’軸は、瞬間回転中心である。上述の従来技術では図１Ｃ、１Ｄの動作しか行えず、図１Ｅ、１Ｆの動作は不可能である。

図２に、本発明を具体化する構成要素を示すべく図１Ａのシステムを下側キャビネットおよび油圧流体回収システムを除外して示す。図２では、下側プラットフォーム１０４の垂直移動をもたらすＺ軸アクチュエータ２０６を見ることができる。また、シミュレータテーブルトップ２１２の下側に取り付けられた３個のうち２個のＸ−Ｙ−Θアクチュエータ２０８、２１０を示す。以下で詳細に述べるように、３個のＸ−Ｙ−ΘアクチュエータはＺ軸アクチュエータのスリーブをＸおよびＹ方向に動かすと共に、ＸおよびＹ方向にずらされた回転中心の回りに角度Θでスリーブを回転させる。

図３は、３個のＸ−Ｙ−Θアクチュエータ２０８、２１０、３０２を下から見た図である。以下に詳細に議論するように、各アクチュエータは垂直アクチュエータスリーブにピン接合された駆動ピストンを含んでいる。アクチュエータ２０８、２１０、３０２の各々は、テーブルトップ２１２の底部に取り付けられる。例えば、アクチュエータ２０８はテーブルの底部に支柱３０４を介して取り付けられ、アクチュエータ３０２はテーブルの底部に支柱３０６を介して取り付けられ、アクチュエータ２１０はテーブルの底部に支柱３０８を介して取り付けられている。図に示すように、アクチュエータ２０８、２１０、３０２は各々ピン３０５、３０７、３０９を介して支柱に結合されている。従って、各アクチュエータは、ピン接合端３１９および自由端３２０を含んでいる。アクチュエータは、適当な油圧導管（図示せず）を介して油圧バルブマニホルド３１６に接続可能である。コントローラは、バルブマニホルド３１６のバルブに駆動信号を送ることにより各アクチュエータを駆動することができる。本明細書ではアクチュエータ２０８、２１０、３０２が油圧で駆動されるように記述しているが、他の種類の制御可能アクチュエータをＸ−Ｙ−Θアクチュエータとして使用できる点を理解されたい。一般に、３個以上の独立型、および相互依存する線形アクチュエータまたは回転アクチュエータを用いてＸ−Ｙ並進および角度Θの回転を生起させることができる。

図４に、下側プラットフォームアクチュエータアセンブリを更に詳細に示す。作動線図４０２に、下側取り付け部１０４のｘ、ｙ、ｚ方向の並進および回転中心の回りの回転Θを示す。垂直アクチュエータ２０６の外側スリーブは、テーブルトップ２１２の底部に当接する静圧軸受プレート４０８に取り付けられていて、テーブルトップの下に懸架されたプレート３１８により支持されている。ベアリングプレート４０８はその上下面の各々において、静圧軸受を形成すべく油圧流体を送り出す３個の楕円形ポート４１０、４１２、４１４を含んでいる。このように、送り出された油圧流体は、ベアリングプレート４０８の上側４０９および下側（図示せず）表面に静圧膜を生成することができる。油圧流体は、供給管４２０を通ってポート４１０、４１２、４１４に供給される。関節要素支持プラットフォームまたは標本プレート４１６は、後述するようにテーブルトップ２１２内の開口（図６Ｃの６１２）を介してＺ軸アクチュエータに結合されている。テーブルトップ２１２は、テーブルトップ２１２内の開口に隣接する側溝４１８を含み得る。

垂直アクチュエータ２０６の詳細は、図４並びに図５および図６Ａ〜Ｃに見ることができる。図５は、下側プラットフォームアクチュエータアセンブリの部分切欠図である。図６Ａ〜Ｃは各々下側プラットフォームアクチュエータアセンブリの透視、上面および断面図であり、分かり易くするためにアクチュエータ２０８、２１０、３１０を除外している。垂直アクチュエータ２０６は、２個の油圧駆動ピストン５０４、５０６が配置された外側スリーブ５０２を含んでいる。ピストン５０４、５０６の各々は、負荷センサ５０８を介して標本プラットフォーム４１６に直接結合されている。負荷センサ５０８は、３個の直交する直線方向の力およびそれらの軸の回りの３個の直交モーメントを検知する。試験される人工装具関節要素が、負荷センサ５０８に取り付けられた標本プラットフォーム４１６に取り付けられているため、負荷センサを用いて関節要素に作用する力およびモーメントを監視することができる。負荷センサ５０８は、図１Ｂに関して記述されているトランスデューサ１９のような６チャネル歪みゲージトランスデューサであってもよい。ピストン５０４は、ピン５１０を介してトランスデューサ・プレート５１２に直接結合されている。下側ピストン５０６は、上側ガイドプレート５１３を介して、および下側ピストン５０６に固定されたリング（下側ガイドプレート）５１４からスリーブ５０２を通って延在する３本のロッド３１０、３１２および３１４を介して同一プレート５１２に結合されている。

プラグ５１６が、ピストン５０４と５０６の間でスリーブ５０２に固定されている。油圧流体が、ポート５１８を通ってプラグ５１６とピストン５０４の間の空間に圧力Ｐ１で導入される。これとは別に、圧力Ｐ２の油圧流体は、ポート５２０を通ってプラグ５１６とピストン５０６の間の空間に導入される。そのため圧力Ｐ１の油圧流体がピストン５０４を上方に押し付けて標本プラットフォーム４１６を上方に駆動する一方、圧力Ｐ２がピストン５０６を下方に駆動して標本プラットフォームをロッド３１０、３１２および３１４を通って下方に移動させることがわかる。圧力Ｐ１とＰ２の差により、共通の接続部であるプレート５１２を通ってピストンが共に移動している状態で、標本プラットフォームが上方、下方のどちらに移動するか、または全く移動しないかが決まる。下側ピストン５０６は、ピストンアセンブリおよび標本取り付け部の垂直変位を検知するホール効果センサに磁気的に結合された磁石５２２および５２４を含んでいる。

図６Ｃに示すように、垂直アクチュエータ２０６は負荷センサ５０８を介して標本プラットフォーム４１６に結合されていて、結合はテーブルトップ２１２内の開口６１２を通って延在している。アクチュエータ２０８、２１０、３０２の垂直アクチュエータ２０６に対する位置を図４および５に、並びに、図６Ｃの２点鎖線６０４、６０６および６０８に示す。アクチュエータ２０８、２１０、３０２は、垂直アクチュエータ２０６のスリーブ５０２に沿って垂直に変位している。２点鎖線６０８で示すように、アクチュエータ３０２は、Ｚ軸に沿って延在するブラケットおよびピン６１０を介して垂直アクチュエータ２０６のスリーブ５０２に結合されている。同様に、アクチュエータ２０８および２１０は各々、２点鎖線６０６、６０４の位置に各々対応するレベルにあるブラケットおよびピン（図４、５参照）を介してスリーブ５０２に結合されている。

図６Ａ、６Ｃはまた、テーブルトップ２１２に取り付けられていて負荷センサ５０８を囲む分離管６０２も示す。分離管は、破壊試験および摩耗試験から生じ得る流体および潤滑油による下側アクチュエータアセンブリの汚染に対する遮蔽を提供する。スリーブ５０２の底部に取り付けられたＰＣボード６０３は、垂直変位検知等を行なうＺ軸アクチュエータ２０６の制御回路を含み得る。

図７に、３個のＸ−Ｙ−Θアクチュエータのうち１個の詳細を示し、３個のアクチュエータは同一であるが互いに干渉しないよう角度が１２０度ずれていると共に、スリーブ５０２に沿って垂直方向にずれていることを理解されたい。

同図に示すように、アクチュエータ２１０は外側シリンダ７０２内に単一のピストン７０４を含んでいる。シリンダ７０２は一端が、Ｚ軸に沿って延在するピン３０９を介して支持ポスト３０８にピン接合されている。シリンダ７０２の他端は自由である。シリンダ７０２は垂直アクチュエータ２０６に隣接する長さだけ切り取られているため、ピストンを露出させてブラケット７０８およびＺ軸に沿って延在するピン７１０を介して垂直アクチュエータのスリーブ５０２に結合可能にする。ピストン自体がブラケット７０８で切り取られている（７０６）ため、よりコンパクトなアセンブリが可能になる。

油圧流体が、シリンダ７０２内のピストンの両端で油ポート（フィッティング）７１１、７１３を通して異なる圧力で油容積７１２、７１４を圧迫する。差分圧容積によりピストンを自身の軸に沿って移動させ、Ｚ軸アクチュエータのスリーブまたはシリンダ５０２に対してピン７１０を介して力を加えさせる。磁石７１６、７１８が、ピストン７０４の両端に埋め込まれていて、シリンダ７０２内でのピストン７０４の変位を検知すべくシリンダ７０２上のブラケット７２０に取り付けられたホール効果センサにより検知される。ピストンの変位を検知することにより、アクチュエータの長さ、例えばピン３０９とピン７１０の距離を検知することができる。コントローラは次いで、検知された長さまたは長さの変化に基づいてアクチュエータを駆動することができる。

以下により詳しく述べるように、リニアアクチュエータ２０８、２１０、および３０２内における３個のピストンの組み合わされた直線移動の結果、システムの許容範囲内で任意のＸ−Ｙ方向および任意の回転中心の回りの角度Θの回転が生じる。例えば、各々のピストンが、同じ変位で各取り付けポストへ向かって駆動された場合、スリーブ５０２は図７に示すように中心の軸の回りに逆時計回りに回転するであろう。しかし、これらのピストンに異なる変位を加えた場合、回転が異なる軸の回りに生じ、Ｘ−Ｙ方向の移動が生じ得る。別の簡単な説明として、ピストン２１０に力が全く加えられていないために各アクチュエータ２０８、３０２（図３参照）のピストンがアクチュエータ２１０へ向かって駆動された場合、Ｚアクチュエータスリーブ５０２、従って標本はアクチュエータ２１０のピン７０８へ向かう方向に移動するであろう。

Ｘ−Ｙ−Θ移動の制御の詳細な数学的解析を以下に示す。解析は、Ａｔｕｌ Ｒａｖｉｎｄｒａ Ｊｏｓｈｉ、「Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ Ｔｈｒｅｅ Ｄｅｇｒｅｅ−Ｏｆ−Ｆｒｅｅｄｏｍ Ｐｌａｎａｒ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｒｏｂｏｔ」，Ｍａｓｔｅｒｓ Ｔｈｅｓｉｓ，Ｏｈｉｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ａｕｇｕｓｔ ２００３から導かれ、本明細書にその全体が引用により組み込まれている。しかし、当該解析は回転軸の制御を可能にすべく特にパラメータｒ^Ｏを組み込むために拡張されたものである。更に、Ｊｏｓｈｉの研究はロボットに向けられており、人工関節動作シミュレーション用のシステムでの利用には言及していない。

当該シミュレータに使用する制御システムは、本明細書に全体が引用により組み込まれているＢｒｕｃｅ Ｆ．Ｗｈｉｔｅによる２０１０年１１月９日出願の米国特許出願第１２／９４２，８８６号明細書に開示されたものの拡張形態であってもよい。具体的な実装例を以下に示す。コントローラにより、回転中心が制御可能且つ取り付け部のＸ−Ｙ方向並進とは独立な範囲内で無制限に可変である。
＜変位制御＞
アクチュエータのシステム（平面アクチュエータ配列と呼ばれる）への入力には並進、回転、および拘束が含まれる。これらの入力は以下の通りである。

１）ｘおよびｙ並進、
２）角度回転、および
３）拘束、例えば回転軸のｘ、ｙの位置。

回転軸の拘束は、回転と並進を明確に区別するために数学的に必要である。並進は、無限遠における軸の回りの回転と考えられ得る。ｘ並進はｙ無限遠における軸の回りの回転であり、ｙ並進はｘ無限遠における軸の回りの回転である。回転変換の通常の定式化は、原点（すなわち０，０）の回りでなされる。

本発明の原理によるアクチュエータシステムにおいて、回転軸はｘおよびｙ位置の範囲内の任意の場所に選ばれ得るため、各々のアクチュエータの所望の伸長（変位長）を計算すべくどこか（拘束された）に選ばれる。

直観的には、固定された大域座標系に対して回転軸を画定する方が容易に思える。しかし、生身の膝では当該軸は脛骨シャフトの長軸に、より「自然に」関連付けられる。本発明の一実施形態によるアクチュエータシステムでは、脛骨プラトー（脛骨高平部）は並進し、従って脛骨シャフトの長軸が並進することにより、固定された大域座標系に対して移動する軸をより好ましく再現している。

変位制御の下で、制御問題は２つの数学的処理であると考えられる。すなわち、１）入力されたセットポイント信号からアクチュエータ駆動装置信号を合成する、および２）現在の追跡誤差を決定すべく測定された位置および方位をセットポイント信号またはアクチュエータ駆動信号と比較可能な成分に分解することである。システムへの入力は、セットポイントのｘおよびｙ位置、セットポイント角度回転、および回転中心の選ばれたｘ、ｙ座標を含んでいて、入力セットポイント信号と呼ばれる。アクチュエータ駆動装置信号は、例えば、油圧駆動アクチュエータへのバルブ駆動信号を提供すべく利用できる各々の制御ループへの入力として提供される個々の信号を含んでいる。バルブ駆動信号は、１個以上の誤差（例：ｘ−ｙ位置誤差）の測定値から決定されていて、制御プロセスの作用受けている点でアクチュエータ駆動装置信号とは異なる。

制御問題の２個の要素に戻って、数学的に、原点の回りの回転を行なう。剛体力学では、剛体（所望の回転中心における）に埋め込まれた基準フレームの大域座標系に対する座標が既知である場合、当該剛体を回転させることができる。剛体は次いで、これらの公知座標を用いて原点へ並進させ、次いで回転させ、次いで元の位置（回転中心の）へ並進させることができる。平面システムでは、問題を解決するのに単一の角度および２個の線形座標で十分である。埋め込み座標系に対する各々のアクチュエータ取り付け位置の座標が公知であるため、大域的システムに対するそれらの初期位置が既知であったことにより、各取り付け位置の変換後の座標を決定することができる。これらの座標から、個々のアクチュエータの各々の固有な延伸長を決定することができる。

制御問題の第２の部分に戻り、アクチュエータ伸長（長さ）が局所的に測定される場合、これらの測定値をシミュレータのフィードバック制御に直接用いることができる。そうでない場合、剛体の３個のパラメータを決定する大域的測定システムを用いてもよい。回転中心の角度およびｘ、ｙ座標が、フィードバックを与える自然な手段に提供することができる。これらの測定値をセットポイント信号とほぼ同様に扱って一意なアクチュエータ伸長の組を決定することができ、次いでこれを制御チャンネルへのフィードバック信号として用いることができる。
＜力制御＞
力制御の下では、所望の力およびトルクを指定し、次いでこれらの力およびトルクを実現すべくシミュレータ台座または機械のアクチュエータを駆動することができる。アクチュエータのシステムへの入力には、力、トルクおよび拘束が含まれる。

入力は、
１）ｘおよびｙ方向の力、
２）トルク、および
３）回転軸のｘ、ｙ位置、または回転を案内する他の拘束である。

変位制御モデルのように、回転軸の拘束が必要である。生身の膝だけでなく現在の機械設計を考えることができる。現在の機械設計には固定回転軸または並進回転軸が必須である。いずれの場合も、回転のベアリングシステムは、アクチュエータに加えられた力と釣り合う反力を与える。

力制御の下では、回転中心は、計算された力およびトルクから、例えば靭帯および関節表面に基づいて決定することができる。回転中心はまた、検知された力およびトルク、例えば負荷センサ５０８（図５）等の多軸検知素子により検知された力およびトルクに基づいていてよい。
＜下側変位台座＞
本発明による関節動作シミュレータの一実施形態は、３個の自由度、すなわちｘおよびｙ並進および任意の軸の回りの回転を許すべく設計されたプラットフォーム、取り付け部または台座１０４を含んでいる。図４、５および６Ａ〜Ｃを参照しながら上で述べたように、台座自体は油圧支持システムにより平面内の移動に拘束された剛体であり得る。動作は、３個のアクチュエータによって台座に与えられる。各アクチュエータは、その一端が台座に結合されていて、他端が機械本体に結合されている。ただし、必ずしもアクチュエータの両端で結合が生じる必要はない（例えば図３参照）。各々の取り付け位置において、アクチュエータは動作面の法線方向に軸を有する回転関節により機械本体または台座に結合されていてもよい。
＜数学的解析＞
図８に示す３ＲＰＲ平面パラレルアクチュエータ８００を考える。アクチュエータ８００は、大域基準フレームのｘ軸に関して対応する角θ_１、θ_２およびθ_３に向けられた長さｄ_１、ｄ_２およびｄ_３を有する３個のリニアアクチュエータ８０１、８０２、８０３を含んでいる。

大域基準フレーム８０４は原点Ｏ^Ｇにより画定され、移動台座または取り付け部８０８に取り付けられた可動基準フレーム８０６は原点Ｏ^Ｍにより画定される。Ｏ^Ｇに対するＯ^Ｍの位置は位置ベクトルｒ^ｍにより指定されるのに対し、Ｏ^Ｇに対するＯ^Ｍの回転角度はφとして画定される。

アクチュエータ８０１、８０２、８０３は、各々Ａ_１、Ａ_２およびＡ_３において回転関節により機械フレームに取り付けられている一方、同様に点Ｃ_１、Ｃ_２およびＣ_３で回転関節により移動台座８０８に取り付けられている。位置ベクトルｒ^ａ _ｉおよびｒ^ｃ _ｉは、各々Ｏ^Ｇに対する点Ａ_ｉおよびＣ_ｉの位置を表記する。

Ｏ^Ｇに対する台座８０８の特定の姿勢または配置８１０は、台座が基準位置にある状態でＯ^Ｍに対する回転軸を画定する姿勢位置ベクトルｒ^ｐ、方位角φ、および位置ベクトルｒ^ｏにより指定される。

図９に、時点ｔ_０およびｔ_１における台座８０８の２個の連続する姿勢９０２、９０４を示す。台座の並進を表すベクトルは、差分ベクトルｒ^ｐである。
ｒ^ｐ＝ｒ^ｍ（ｔ_０）−ｒ^ｍ（ｔ_１） （１）
ここに、ｒ^ｍ（ｔ_０）およびｒ^ｍ（ｔ_１）は連続する時間間隔ｔ_０およびｔ_１における台座Ｏ^ｍの原点の位置を表す。連続する時間間隔における（姿勢９０２に対する姿勢９０４における）台座の方位は角度φ（ｔ_１）で示される。

図１０に、台座Ｏ^ｍの原点に対する回転の中心または軸の特定に使用できるベクトルｒ^ｏを示す。所望の回転中心は、大域座標系内のＯ^Ｇで次式のように特定される。
‘ｒ^ｍ＝ｒ^ｍ−ｒ^０ （２）
ここに、ｒ^ｍは台座Ｏ^ｍの原点の位置を表す。同図は、台座８０８の２個の姿勢１００２、１００４を示す。姿勢１００４は、台座Ｏ^ｍの原点から量ｒ^ｏだけ位置変更が指定された結果‘Ｏ^ｍにおいて新規の回転中心が得られた新規の回転中心の回りの回転を表す。換言すれば、‘Ｏ^ｍはｒ^ｏにより指定される、並進された回転中心である。図１０に、回転中心がベクトルｒ^ｏによりプログラム的に変更できることを示す。

３ＲＰＲアクチュエータは各種の目的に使用されてきて、順／逆運動の両方の数学的解が文献により発展してきた。主題の解析は、Ａｔｕｌ Ｒａｖｉｎｄｒａ Ｊｏｓｈｉによる２００３年の論文「Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ Ｄｅｇｒｅｅ−Ｏｆ−Ｆｒｅｅｄｏｍ Ｐｌａｎａｒ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｒｏｂｏｔ」に基づいている。正しい順／逆運動を導くために同氏が報告した解析に対していくつかの修正が必要とされた。Ｊｏｓｈｉはこの問題に対する従前の解について、Ｒ．Ｌ．ＷｉｌｌｉａｍｓＩＩおよびＢ．Ｈ．Ｓｈｅｌｌｙによる論文「Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｆｏｒ Ｐｌａｎａｒ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ」，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＤＥＴＣ’９７，ＡＳＭＥ Ｄｅｓｉｇｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓ，ＤＥＴＣ９７／ＤＡＣ−３８５１，Ｓａｃｒａｍｅｎｔｏ，ＣＡ，９月１４−１７，１９９７，ｐｐ．１−６を紹介している。

３個のリニアアクチュエータを用いる関節シミュレータ用の制御システムにおいて、後述する逆運動を用いてシミュレータ台座を駆動することができる。シミュレータ台座の位置または姿勢、例えばｘ−ｙ並進、回転角度、および回転中心の位置が指定されると、逆運動はリニアアクチュエータの長さを計算して当該位置または姿勢を実現することができる。後述する順運動を用いて、リニアアクチュエータの長さが与えられると、例えば大域基準フレームに対する台座の位置および／または方位を決定することができる。例えば、変位センサを用いてアクチュエータの長さを検知することができる。コントローラは次いで、検知された長さに基づいて、順運動を用いて決定された台座の位置に基づいて、またはその両方に基づいて、フィードバック制御を用いてアクチュエータを駆動することができる。
＜逆運動（Inverse kinematics）＞
逆運動の解は、指定されたアクチュエータ姿勢を実現すべく３個のアクチュエータ要素の必要な長さ（ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３）決定し、姿勢はｒ^ｐ、ｒ^ｏおよびφにより指定される。

上で定義された５個の定義済み位置ベクトルは、次式で与えられる。

ここに、ｒ_ｉ ^ｃはＯ^Ｇに対する所望の姿勢をなすために必要なＣ_１、Ｃ_２およびＣ_３とラベル付けされた回転関節の各々の位置、ｒ^ｏはＯ^Ｍに対する回転軸の位置、およびｒ_ｉ ^ａはアクチュエータを大域フレームＯ^Ｇに取り付けている回転関節の位置（当該位置をＡ_１、Ａ_２およびＡ_３とラベル付けしている）である。位置ベクトルｒ^ｍは基準位置でＯ^Ｇに対するＯ^Ｍの位置であり、ｒ^ｐは所望の配置または姿勢を実現するためのＯ^Ｍの所望の変位である。

回転マトリクスは、次式で定義される。

移動台座の変位に続いて、回転関節Ｃ_１、Ｃ_２およびＣ_３の各々の座標はｒ_ｉ ^ｃ’として定義され、各点について次式のように決定される。

回転中心位置ベクトルｒ^ｏは、Ｒを用いる回転変換を適用する前に、回転関節の各々について位置ベクトルｒ_ｉ ^ｃから減算される。換言すれば、回転関節の位置ベクトルは最初に台座の原点Ｏ^Ｍへ並進される。当該システムの回転軸のプログラム的制御を可能にするのは式（５）のｒ^ｏ項の加算である点に注意されたい。これは、制御スキームの主要な特徴であって、引用した参考文献のいずれにも記載されていない。

所望の姿勢を実現するために必要な３個のアクチュエータの各々の長さは次式により計算される。

式（５）および（６）は、位置制御においてアクチュエータを制御するのに必要な逆運動の関係式である。独立変数（入力）はｒ^ｐ、ｒ^ｏおよびφにより指定された姿勢である。従属変数（出力）はｄ_ｉである。機械設計の定数はｒ_ｉ ^ａおよびｒ_ｉ ^ｃである。
＜順運動（Forward kinematics）＞
順運動問題の解は、台座の現在位置ｒ^ｐ、および方位φを３個のアクチュエータの長さｄ_ｉから決定する。順運動問題は、（５）で表すベクトルおよび（６）で表す長さ方程式から発展する。（５）および（６）を拡張した結果、同時に解くべき３個の非線形方程式が得られる。

表記を簡素化するために以下の定義を採用する。３個の点のＡ_ｉが固定フレームＯ^Ｇに対して指定され、点Ｃ^ｉは移動フレームＯ^Ｍに対して指定される。ｘおよびｙは移動台座の並進成分であり、φは台座の回転である。Ｌ_ｉは、伸長アクチュエータの長さ（上ではｄ_ｉ）である。台座はＯ^Ｍの回りに回転するものとする。

３個の補助項Ｂ_１ｉ、Ｂ_２ｉおよびＢ_３ｉが次式で定義される。

拡張ベクトル関係（式（５）および（６）から）を次式で表す。

上記の式の組において、Ｆ_ｉは移動台座に固定された３個のアクチュエータの回転関節の各々についての運動方程式に対応する３個の関数（ｉ＝１，２，３）に対応する。ここで、Ｆ_ｉは式（８）で表す３個の方程式により決定されるダミー変数と考えられる。

ヤコビ行列を次式で定義する。

式（８）から（９）の偏導関数が次式のように導かれる。

式（７）、（８）、（９）および（１０）を用いて、ニュートン−ラプソン技術を用いる順運動問題の反復的解法を定式化する。
＜制御方式の例＞
図１１に模式的に示す制御システム１１００が１つの制御方式を示している。１サイクルの生理的動作を介して作用する筋肉組織の能動的な力を特徴付ける２個の直交する力Ｆ_ｘおよびＦ_ｙおよび垂直なモーメントＭｚを表す３個の時系列データ入力または基準波形１１０１が、計器を備えた整形外科インプラントにより記録されるかまたは解析的手段により決定される。これらの信号は、１１０２でシステムに入力され、制御システムおよびアクチュエータの所望の制御動作を表す。入力は、加算接合部１１０３で３個のフィードバック信号１１１３のうち１個と合算される。フィードバック信号１１１３は、試験中の人工装具の接触力を測定する多軸負荷セル１１１７で測定された力およびモーメントを表す。加算接合部１１０３ではまた、仮想軟組織拘束モデル１１２２で決定された計算済み拘束力１１０６も示される。フィードバックソース１１０６、１１１３の両方が、加算接合部１１０３で合算する前に反転され、従って加算接合部の出力は、拘束力とシステム入力１１０２で示された基準力の差を表す誤差信号である。誤差信号はＰＩＤ制御アルゴリズム１１０４へ送られ、所望の比例、積分および微分ゲイン制御を行なうべく調整可能である。通常、比例ゲインだけを１１０４で用いる。ＰＩＤブロック１１０４の出力が３個の加算接合部１１２３のうち１個へ入力され、当該信号が、１１１１で３個のフィードバックソース１１１４のうち１個から計算された時間微分信号と合算される。これらの時間微分は、台座１１１２の直線速度Ｖ_ｘ、Ｖ_ｙおよび角速度ωを表す。加算接合部１１２３は速度誤差信号１１２４を計算する。力とトルクが釣り合っていれば、加算接合部１１０３の出力はゼロになり、ＰＩＤ制御ブロック１１０４の出力も同様にゼロになって、加算接合部１１２３への入力も同様にゼロになる。これにより速度制御ループがゼロにされて、所望の力レベルに達したときに移動が停止する。力平衡に達していない場合、若干の正味の信号が加算接合部１１２３に印加されることにより、システムがある程度の速度を維持し、従って力平衡を求め続けさせる。

誤差信号１１２４がＰＩブロック１１０７へ送られ、速度誤差を積分して変位（位置、方位）誤差を生成する役割を果たす。必要な変位Ｘ、Ｙおよびφが逆運動解ブロック１１０８に入力され、次いで３個のアクチュエータの各々の必要な長さを決定して３個の加算接合部１１０９のうち１個に出力する。３個のアクチュエータの各々の長さセンサで測定された実際の長さ１１１５のフィードバックは、反転されて加算接合部１１０９へ送られる。加算接合部１１０９で決定された長さ誤差信号はＰＩＤ制御ブロック１１１０へ入力されて、比例、積分および微分計算が実行される。これらの制御ブロックからの信号は、アナログ駆動信号に変換されて、アクチュエータシステム台座１１１２のリニアアクチュエータを駆動するために用いられる。各アクチュエータ長は線形変位トランスデューサ１１１６により測定され、３個の出力は順運動解ブロック１１１８へ送られる。順運動解ブロック１１１８は、現在位置および方位を決定して３個の信号Ｘ、Ｙおよびφ１１１９を出力する。３個の出力信号１１１９は、微分計算ブロック１１１１および軟組織拘束モデル１１２２の入力部へ転送される。

軟組織拘束モデル１１２２は６個の入力を用いるが、３個の入力１１２０は当該制御ループから生じ、３個の入力１１２１は屈曲アクチュエータ（例：図１Ｂの屈曲３１）および垂直位置アクチュエータの変位の測定および内外反回転（例：図１Ｂの回転４１）の測定から生じている。軟組織拘束モデル１１２２は、軟組織構造により与えられる拘束力を決定して出力し、これらの拘束力１１０６は次いで加算接合部１１０３において入力された駆動力と合算される。

アクチュエータの回転中心の位置が入力部１１０５で与えられる。回転中心は座標のペアｐ^ｏ＝｛ｘ^ｏ，ｙ^ｏ｝として表される。これらの値は、アルゴリズム的に決定されても、またはプログラムされた動作全体を通じて所望の回転中心を表す時系列データのペアとして与えられてもよい。回転中心値は、逆運動解制御ブロック１１０８へ入力される。
＜可能な動作＞
図１２Ａ〜Ｈに、試験機械のアクチュエータ台座、例えば本発明の一実施形態による図１Ａの下側の取り付け部１０４のいくつかの可能な動作を示す。各図において、動作は、初期姿勢１２０２、最終姿勢１２０４ａ、１２０４ｂ、１２０４ｃ、１２０４ｄ、１２０４ｅ、１２０４ｆ、１２０４ｇ、１２０４ｈの各々、および３個の中間姿勢を含む台座の一連の姿勢で示す。図１２Ａ、１２Ｂは各々ｘおよびｙ並進を示すのに対し、図１２Ｃは組み合わせｘ−ｙ並進を示す。図１２Ｄに、台座の中心の回りの回転に結合された組み合わせｘ−ｙ並進を示す。ここで、台座はＸ、Ｙ方向に並進し、且つ自身がＸおよびＹ軸に沿って並進する回転中心の回りに回転する。図１２Ｅに、台座の中心を瞬間回転中心とする台座（０，０）の中心の回りの純粋な回転を示し、一方図１２Ｆ〜Ｈは台座の各頂点の回りの各々の回転を示す。図１２Ｆにおいて台座（姿勢１２０２）の左上頂点が瞬間回転中心である。図１２Ｇにおいて右上頂点は瞬間回転中心であるのに対し、図１２Ｈでは下側頂点が瞬間回転中心である。回転中心が自由にプログラム可能であって、図に示すいくつかの例に限定されないことに注意されたい。

本明細書で引用した全ての特許、公開出願および参考文献の開示内容は、その全体が本明細書に引用により組み込まれる。

本発明は特に自身の例示的な実施形態を参照しながら図示および説明を行なっているが、添付の請求項に包含される本発明の範囲から逸脱することなく形式および詳細事項の各種変更が可能であることが当業者には理解されよう。例えば、アクチュエータは油圧またはリニアである必要はなく、かつＺアクチュエータのスリーブを駆動する必要もない。アクチュエータは、空気式、電動式であっても、または他の手段から動力を得ることもできる。
なお、本発明は、実施の態様として以下の内容を含む。
〔態様１〕
生体力学的運動をシミュレートする関節動作シミュレータであって、
人工装具を取り付ける取り付け部と、
前記取り付け部を駆動するように前記取り付け部に結合されたアクチュエータと、
前記取り付け部を並進させるように、且つ並進とは独立に制御可能な回転中心の回りに前記取り付け部を回転させるように、前記アクチュエータを駆動するプログラム可能なコントローラと
を含む関節動作シミュレータ。
〔態様２〕
生体力学的動作をシミュレートする関節動作シミュレータであって、
人工装具を取り付ける取り付け部と、
前記取り付け部を回転および並進させるように前記取り付け部に結合された少なくとも３個のリニアアクチュエータと
を含む関節動作シミュレータ。
〔態様３〕
前記取り付け部を並進させると共に、並進とは独立に制御可能な回転中心の回りに前記取り付け部を回転させるように前記アクチュエータを駆動するプログラム可能なコントローラを更に含む、態様２に記載の関節動作シミュレータ。
〔態様４〕
前記コントローラが、前記取り付け部の線形並進および回転に伴い前記回転中心を変化させるようにプログラムされている、態様１または３に記載の関節動作シミュレータ。
〔態様５〕
前記コントローラが、前記取り付け部を軸の回りに回転させ、前記取り付け部を前記回転軸に対して横方向に並進させ、且つ前記取り付け部の並進とは独立に前記回転軸を水平方向に並進させるようにプログラムされている、態様１、３または４に記載の関節動作シミュレータ。
〔態様６〕
前記回転中心が瞬間回転中心である、態様１または態様３〜５のいずれか１態様に記載の関節動作シミュレータ。
〔態様７〕
前記取り付け部を前記回転軸に実質的に平行な直線方向に並進させるリニアアクチュエータを更に含む、態様１〜６のいずれか１態様に記載の関節動作シミュレータ。
〔態様８〕
前記並進用リニアアクチュエータが、スリーブ内にピストンを含み、前記ピストンが前記取り付け部に結合されていると共に前記取り付け部を並進させるように油圧で駆動され、少なくとも３個のリニアアクチュエータが前記スリーブに結合されている、態様７に記載の関節動作シミュレータ。
〔態様９〕
前記少なくとも３個のリニアアクチュエータが前記スリーブに沿って垂直に変位する、態様８に記載の関節動作シミュレータ。
〔態様１０〕
前記アクチュエータの変位を測定する変位センサを更に含む、態様１または態様３〜９のいずれか１態様に記載の関節動作シミュレータ。
〔態様１１〕
前記コントローラが、前記測定された変位に基づいて前記アクチュエータを駆動する、態様１０に記載の関節動作シミュレータ。
〔態様１２〕
前記アクチュエータがリニアアクチュエータを含み、前記変位センサが長さセンサを含む、態様１０または１１に記載の関節動作シミュレータ。
〔態様１３〕
関節動作をシミュレートするように、人工装具を駆動する方法であって、
前記人工装具を回転軸の回りに回転駆動するステップと、
前記回転軸を水平な複数の方向に移動させるステップとを含む方法。
〔態様１４〕
前記人工装具が取り付け部に取り付けられており、前記人工装具を回転駆動するステップが、前記取り付け部に結合されたアクチュエータを前記取り付け部を回転駆動するステップを含む、態様１３に記載の人工装具の駆動方法。
〔態様１５〕
前記アクチュエータを駆動して、前記取り付け部を前記回転軸に対して横方向に並進させるステップを更に含む、態様１４に記載の人工装具の駆動方法。
〔態様１６〕
前記アクチュエータの変位を検知するステップを更に含む、態様１４または１５に記載の人工装具の駆動方法。
〔態様１７〕
前記アクチュエータを駆動するステップが、前記検知された変位に基づいて前記アクチュエータを駆動するステップを含む、態様１６に記載の人工装具の駆動方法。
〔態様１８〕
前記アクチュエータがリニアアクチュエータを含み、変位を検知するステップが前記リニアアクチュエータの長さを検知するステップを含む、態様１６または１７に記載の人工装具の駆動方法。
〔態様１９〕
前記回転軸が、前記取り付け部の並進とは独立に水平方向に移動させられる、態様１３〜１８のいずれか１態様に記載の人工装具の駆動方法。
〔態様２０〕
前記人工装具を前記回転軸に実質的に平行な直線方向に並進駆動するステップを更に含む、態様１３〜１９のいずれか１態様に記載の人工装具の駆動方法。
〔態様２１〕
前記アクチュエータが少なくとも３個のリニアアクチュエータを含む、態様１〜１２または１４〜２０に記載の関節動作シミュレータまたは人工装具の駆動方法。

Claims (16)

1. 生体力学的運動をシミュレートする関節動作シミュレータであって、
   人工装具を取り付ける取り付け部と、
   前記取り付け部を駆動するように前記取り付け部に結合された少なくとも３個のリニアアクチュエータと、
   前記取り付け部を前記回転軸に実質的に平行な直線方向に並進させる並進用リニアアクチュエータであって、スリーブ内にピストンを含み、前記ピストンが前記取り付け部に結合されていると共に前記取り付け部を並進させるように油圧で駆動され、前記少なくとも３個のリニアアクチュエータが前記スリーブに結合されている、並進用リニアアクチュエータと、
   前記取り付け部を並進させるように、且つ並進とは独立に制御可能な回転中心の回りに前記取り付け部を回転させるように、前記アクチュエータを駆動するプログラム可能なコントローラと
   を含む関節動作シミュレータ。
2. 生体力学的動作をシミュレートする関節動作シミュレータであって、
   人工装具を取り付ける取り付け部と、
   前記取り付け部を回転および並進させるように前記取り付け部に結合された少なくとも３個のリニアアクチュエータと、
   前記取り付け部を前記回転軸に実質的に平行な直線方向に並進させる並進用リニアアクチュエータであって、スリーブ内にピストンを含み、前記ピストンが前記取り付け部に結合されていると共に前記取り付け部を並進させるように油圧で駆動され、前記少なくとも３個のリニアアクチュエータが前記スリーブに結合されている、並進用リニアアクチュエータと
   を含む関節動作シミュレータ。
3. 前記取り付け部を並進させると共に、回転中心の回りに前記取り付け部を回転させるように前記アクチュエータを駆動するプログラム可能なコントローラを更に含む、請求項２に記載の関節動作シミュレータ。
4. 前記コントローラが、前記取り付け部の線形並進および回転に伴い前記回転中心を変化させるようにプログラムされている、請求項１または３に記載の関節動作シミュレータ。
5. 前記コントローラが、前記取り付け部を軸の回りに回転させ、前記取り付け部を前記回転軸に対して横方向に並進させ、且つ前記取り付け部の並進とは独立に前記回転軸を水平方向に並進させるようにプログラムされている、請求項１、３または４に記載の関節動作シミュレータ。
6. 前記回転中心が瞬間回転中心である、請求項１または請求項３〜５のいずれか１項に記載の関節動作シミュレータ。
7. 前記少なくとも３個のリニアアクチュエータが前記スリーブに沿って垂直に変位する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の関節動作シミュレータ。
8. 前記アクチュエータの変位を測定する変位センサを更に含む、請求項１または請求項３〜７のいずれか１項に記載の関節動作シミュレータ。
9. 前記コントローラが、前記測定された変位に基づいて前記アクチュエータを駆動する、請求項８に記載の関節動作シミュレータ。
10. 前記アクチュエータがリニアアクチュエータを含み、前記変位センサが長さセンサを含む、請求項８または９に記載の関節動作シミュレータ。
11. 関節動作をシミュレートするように、取り付け部に取り付けられた人工装具を駆動する方法であって、
    前記人工装具を回転軸の回りに回転駆動するステップであって、前記取り付け部を回転させるように、前記取り付け部に結合された少なくとも３個のリニアアクチュエータを駆動するステップを含む、ステップと、
    前記回転軸を水平な複数の方向に移動させるステップと、
    前記回転軸に実質的に平行な直線方向に前記人工装具を並進駆動するステップであって、前記人工装具が、前記取り付け部を並進させるように、並進用リニアアクチュエータによって並進駆動され、前記並進用リニアアクチュエータがスリーブ内にピストンを含み、前記ピストンが前記取り付け部に結合されていると共に前記取り付け部を並進させるように油圧で駆動され、前記少なくとも３個のリニアアクチュエータが前記スリーブに結合されている、ステップと
    を含む方法。
12. 前記少なくとも３個のリニアアクチュエータを駆動して、前記取り付け部を前記回転軸に対して横方向に並進させるステップを更に含む、請求項１１に記載の人工装具の駆動方法。
13. 前記アクチュエータの変位を検知するステップを更に含む、請求項１１または１２に記載の人工装具の駆動方法。
14. 前記アクチュエータを駆動するステップが、前記検知された変位に基づいて前記アクチュエータを駆動するステップを含む、請求項１３に記載の人工装具の駆動方法。
15. 前記アクチュエータがリニアアクチュエータを含み、変位を検知するステップが前記リニアアクチュエータの長さを検知するステップを含む、請求項１３または１４に記載の人工装具の駆動方法。
16. 前記回転軸が、前記取り付け部の並進とは独立に水平方向に移動させられる、請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の人工装具の駆動方法。

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