JP6561452B2 - 訓練装置、算出方法、及びプログラム - Google Patents
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Description
例えば境界が円形の場合、境界に沿って動かそうとすると必ず境界外側に進もうとする成分が発生するので、実質的に境界に沿って動かすことはできなかった。
本発明の一見地に係る訓練装置は、所定の訓練プログラムに従って、使用者の上肢及び/又は下肢の四肢を訓練する訓練装置である。
訓練装置は、操作ロッドと、力量検出部と、動作位置検出部と、境界線方向速度算出部と、動作位置予測部と、動作速度算出部と、を備える。
複数の力量検出部のそれぞれは、力量成分を検出し、検出した力量成分を力量成分信号として算出する。力量成分は、操作ロッドに加えられた力量の操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の成分である。動作位置検出部は、操作ロッドの動作位置を検出する。操作ロッドの動作位置は、操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の動作位置である。
動作速度算出部は、予測動作位置が操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、境界線方向速度を含む速度を、動作速度として算出する。動作速度は、操作ロッドが動作すべき速度である。
これにより、境界線方向速度を、操作ロッドの現在の動作位置から上記の交点へと向かう可動領域境界線に沿った方向の速度として算出できる。
この場合、動作速度算出部は、境界線方向速度と、境界線到達速度及び/又は力量速度と、を合成して動作速度を算出する。
これにより、境界線方向速度と境界線到達速度及び/又は力量速度とを含んだ動作速度を算出できる。
これにより、操作ロッドの現在の動作位置により、境界線方向速度と力量速度又は境界線到達速度とを適切な比率にて合成した動作速度を算出できる。その結果、境界線方向速度の影響と力量速度又は境界線到達速度の影響とを徐々に変化させて、滑らかに操作ロッドを動作できる。
これにより、操作ロッドに加えられた力によっては、操作ロッドを操作ロッドに加えられた力の方向になるべく動作させつつ、操作ロッド可動領域の境界近傍において、加えられた力に対して可動領域境界線に沿った自然な動きを実現することができる。
また、制御遅れなどにより操作ロッドが操作ロッド可動領域の外にわずかに出た場合には、動作位置基準点に向かう速度が操作ロッド可動領域に入るまで作用するため、操作ロッドは速やかに可動領域境界線へ移動する。
◎操作ロッドの現在の動作位置を検出するステップ。
◎操作ロッドに加えられた力量の各自由度方向の力量成分を検出するステップ。
◎現在の動作位置において、操作ロッドに合成力量が加えられたときに、操作ロッドが到達する予測動作位置を予測するステップ。
◎予測動作位置が操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、境界線方向速度を含む速度を動作速度として算出するステップ。
◎動作位置基準点と予測動作位置とを結ぶ直線を算出するステップ。
◎上記直線と可動領域境界線との交点を算出するステップ。
◎上記交点と操作ロッドの現在の動作位置との位置偏差とに基づいて、境界線方向速度を算出するステップ。
(1)訓練装置の全体構成
以下、本発明の訓練装置について説明する。まず、第1実施形態に係る訓練装置100の全体構成を、図1を用いて説明する。図1は、訓練装置100の全体構成を示す図である。訓練装置100は、所定の訓練プログラムに従って、使用者(患者)の上肢及び/又は下肢の四肢のうちのいずれかの肢の運動機能回復を目的とした訓練を行うための訓練装置である。
訓練装置100は、固定フレーム1と、操作ロッド3と、訓練指示部5、とを主に備える。固定フレーム1は、訓練装置100を設置する床面上又は床面に近接して載置される。また、固定フレーム1は、訓練装置100の本体筐体を形成している。
なお、操作ロッド3は、必要に応じて、上記のX軸方向又は上記のY軸方向のみに動作(傾動)可能となっていてもよい。この場合、操作ロッド3は、1自由度にて傾動可能となる。
さらに、訓練指示部5は、患者の肢が訓練プログラムに示された目標点(目標傾動角度)まで操作ロッド3を傾動できたときにも、使用者に対して、視覚的情報又は聴覚的情報により、目標傾動角度に到達したことを知らせてもよい。これにより、患者が訓練を続けるためのモチベーションを維持できる。
I.全体構成
次に、制御部11と、操作ロッド傾動機構13の全体構成について図2を用いて説明する。図2は、固定フレーム内の制御部と操作ロッド傾動機構の全体構成を示す図である。制御部11と、操作ロッド傾動機構13は、固定フレーム1内に配置されている。
制御部11は、訓練指示部5から、第1動作モードを実行するための第1動作モード実行指示、又は、第2動作モードを実行するための第2動作モード実行指示のいずれかを受信可能となっている。
なお、操作ロッド可動領域MAは、上記の円以外にも任意の形状の領域とすることもできる。また、操作ロッド可動領域MAは、X−Y−Z座標における関数(領域を表す不等式)として表現されていてもよいし、操作ロッド可動領域MAの境界を定めるいくつかの座標点により定義されていてもよい。さらに、操作ロッド可動領域MAを定める半径、関数、及び/又は座標値は、制御部11を構成するマイコンシステム(後述)の記憶装置に記憶されていてもよい。
また、本実施形態において、上記の操作ロッド可動領域MAは、ソフトウェア的に実現されているが、これに限られず、スイッチなどを用いて機械的に実現されていてもよい。
制御部11の構成及び動作の詳細については、後ほど詳しく説明する。
ここで、本実施形態の操作ロッド傾動機構13の構成について、図2を用いて説明する。操作ロッド傾動機構13は、2軸を可動させうる「ジンバル」機構により、操作ロッド3をX軸方向及びY軸方向に傾動可能とする機構である。ここで、X軸方向とは、図2において、上下方向に記載した軸に平行な水平方向である。Y軸方向とは、図2において、左右方向に記載した軸に平行な水平方向である。
力量検出機構17の構成の詳細について、図2及び図4Aを用いて説明する。図4Aは、操作ロッド傾動機構13及び力量検出機構17の、A−A’平面における断面図である。図2に示すように、力量検出機構17は、操作ロッド傾動機構13と同様、2軸を可動させうる「ジンバル」機構により、操作ロッド3をX軸方向及びY軸方向に傾動可能とする機構である。
そのため、力量検出機構17は、Y軸方向力量検出部材171と、X軸方向力量検出部材173と、Y軸方向力量検出部175と、X軸方向力量検出部177と、付勢部材179と、を有する。
X軸方向力量検出部材173は、Y軸に平行な法線を有する2つの側面から外側へ伸びる2つの軸173a、173bを有している。この2つの軸173a、173bのそれぞれが、Y軸方向力量検出部材171にY軸回りに回動可能なように支持されている。
X軸方向力量検出部177は、回転可能な軸(回転軸)を備え、当該回転軸の回転量に基づいた信号(力量成分信号)を出力する。X軸方向力量検出部177は、回転軸がX軸方向力量検出部材173の軸173a、又は、173bと一致するように、Y軸方向力量検出部材171に固定される。
軸回転検出用のポテンショメータは、基準電極と測定電極とを備えており、基準電極間には基準電圧(あるいは基準電流)を印加しておく。この状態において、ポテンショメータの回転軸が回転したとき、ポテンショメータの軸の回転量に応じた電圧が測定電極に発生する。すなわち、ポテンショメータは、上記の力量検出機構17の操作ロッド傾動機構に対する傾動角度を、電圧変化として検出できる。
今、例えば、図4Bのように操作ロッド3にY軸方向の紙面右方向の力が加えられたとする。図4Bは、操作ロッドに力が加えられたときの操作ロッド傾動機構と力量検出機構との関係を示す図である。
このように、力量検出機構17が2つの力量検出部を有することにより、力量検出機構17は、X−Y平面の任意の方向の力量を検出できる。
I.全体構成
次に、操作ロッド3の構成について、図5を用いて説明する。まず、操作ロッド3の全体構成について説明する。図5は、操作ロッドの構成を示す図である。操作ロッド3は、肢支持部材31と、固定ステイ33と、伸縮機構35と、長さ方向力量検出機構39と、を備えている。肢支持部材31は、伸縮機構35のカバー353(後述)の上端部に固定されている。肢支持部材31は、患者の肢を支持する。
さらに、固定ステイ33は、X軸方向力量検出部材173の操作ロッド固定部に固定される。
次に、伸縮機構35の構成について、図5を用いて説明する。伸縮機構35は、可動ステイ351と、カバー353と、ナット355と、ねじ軸357と、伸縮モータ359と、を有している。
可動ステイ351は、固定ステイ33に設けられた空間S’に挿入されている。また、可動ステイ351は、図示しないスライドユニットを有している。このスライドユニットは、固定ステイ33の内壁に設けられた案内レール37に摺動可能に係合している。
カバー353は、可動ステイ351の上端部に長さ方向力量検出機構39の付勢部材391を介して固定されている。また、カバー353は、上端部に肢支持部材31を備えている。
伸縮機構35が上記の構造を有することにより、可動ステイ351は、伸縮モータ359によりねじ軸357を軸回りに回転させることにより、固定ステイ33の長さ方向に沿って移動可能となる。
I.全体構成
次に、制御部11の全体構成について、図6を用いて説明する。図6は、制御部の全体構成を示す図である。制御部11としては、例えば、CPUと、RAM、ROM、ハードディスク装置、SSDなどの記憶装置と、電気信号を変換するインターフェースなどを備えたマイコンシステムなどを用いることができる。また、以下に説明する制御部11の機能の一部又は全部は、マイコンシステムにおいて実行可能なプログラムとして実現されていてもよい。また、当該プログラムは、マイコンシステムの記憶装置に記憶されていてもよい。さらに、制御部11の機能の一部又は全部は、カスタムICなどにより実現されていてもよい。
制御部11は、指令作製部111と、モータ制御部113a、113b、113cと、を有する。
次に、指令作製部111の構成について、図7を用いて説明する。図7は、指令作製部の構成を示す図である。指令作製部111は、第1指令算出部1111と、第2指令算出部1113と、制御指令切替部1115と、を有する。
第1指令算出部1111は、上記の力量成分信号及び上記の操作ロッド3の動作位置を、それぞれ、上記の力量検出部及び上記の動作位置検出部から入力可能となっている。第1指令算出部1111は、入力した力量成分信号及び/又は操作ロッド3の動作位置に基づいて、第1モータ制御指令を算出する。なお、第1指令算出部1111の構成については、後ほど詳しく説明する。
制御指令切替部1115は、訓練指示部5から第1動作モード実行指示を受信したときは、出力gを入力eと接続する。一方、制御指令切替部1115において、訓練指示部5から第2動作モード実行指示を受信したときは、出力gと入力fとが接続される。
これにより、上記の各モータは、実行中の動作モードに応じて適切なモータ制御指令により制御される。その結果、操作ロッド3は、実行中の動作モードに応じて適切に動作できる。
次に、第1指令算出部1111の構成について、図8を用いて説明する。図8は、第1実施形態に係る訓練装置の第1指令算出部の構成を示す図である。第1指令算出部1111は、速度成分算出部1111−1と、動作速度算出部1111−3と、第1モータ制御指令算出部1111−5と、を有する。
速度成分算出部1111−1は、上記の3つの力量検出部から力量成分信号を、上記の3つの動作位置検出部から操作ロッド3の動作位置を入力可能となっている。速度成分算出部1111−1は、これらの力量成分信号及び/又は操作ロッド3の動作位置に基づいて、特性の異なる複数の速度成分を算出する。なお、速度成分算出部1111−1の構成と、本実施形態において算出される速度成分とについては、後ほど詳しく説明する。
次に、本実施形態の速度成分算出部1111−1の構成について、図8を用いて説明する。速度成分算出部1111−1は、力量速度算出部1111−11と、境界線到達速度算出部1111−13と、中心方向速度算出部1111−15と、を有する。
力量速度算出部1111−11は、上記の3つの力量検出部から出力された力量成分信号を入力可能となっており、当該力量成分信号に基づいて、操作ロッド3の力量速度を算出する。本実施形態においては、力量速度は、操作ロッド3に加えられた力量の増加に対してリニアに増加する速度として算出される。しかし、これに限られず、操作ロッド3の動作等により、力量速度を、力量に対する任意の関数として算出してもよい。
次に、本実施形態における動作速度算出部1111−3の構成について、図8を用いて説明する。本実施形態において、動作速度算出部1111−3は、速度成分比較部1111−31と、速度成分合成部1111−33と、を有する。
速度成分比較部1111−31は、速度成分算出部1111−1から、力量速度と境界線到達速度を入力可能となっており、力量速度又は境界線到達速度のいずれか(絶対値が)小さい方を選択して出力する。
次に、本実施形態の訓練装置100の動作について説明する。まず、上記の境界線到達速度算出部1111−13における境界線到達速度の算出方法、及び、中心方向速度算出部1111−15における中心方向速度の算出方法について説明する。
まず、境界線到達速度算出部1111−13における境界線到達速度の算出方法について、図9を用いて説明する。図9は、境界線到達速度の算出方法を模式的に示す図である。図9を用いた説明では、境界線到達速度のX軸方向の成分の算出方法を例にとって説明する。なぜなら、境界線到達速度のY軸方向の成分も同様にして算出できるからである。
境界線到達速度の長さ方向の成分については、例えば、操作ロッド3の最小収縮長さと最大伸長長さとの中間の長さを、長さ方向の動作位置基準点として、以下に説明するのとほぼ同様にして境界線到達速度を算出できる。
よって、三角形OQQ’において、辺OQの長さをr、辺QQ’の長さをYPとして、辺OQ’の長さを算出することにより、交点QのX座標値を算出できる。
次に、本実施形態における、中心方向速度算出部1111−15における中心方向速度の算出方法について、図11を用いて説明する。図11は、中心方向速度の算出方法を模式的に示す図である。
中心方向速度は、図11に示すように、操作ロッド3の動作位置Pが操作ロッド可動領域MAの外にある場合に算出される。そのため、中心方向速度算出部1111−15は、操作ロッド3の現在の動作位置Pが、操作ロッド可動領域MA外にあるかどうか確認する。例えば、図11において、動作位置基準点Oから動作位置Pまでの距離が、操作ロッド可動領域MAを定める円の半径r以上であるかどうかを確認することより、動作位置Pが操作ロッド可動領域MA外にあるかどうか確認できる。
一方、操作ロッド3の現在の動作位置Pが操作ロッド可動領域MA外にあると判断された場合、以下のようにして中心方向速度を算出する。
具体的には、中心方向速度算出部1111−15は、中心方向速度VCの大きさと第1成分比との積を、中心方向速度VCのX軸方向成分VCXとして算出する。第1成分比は、動作位置PのX座標値XP’の線分OPの長さに対する比の値である。また、中心方向速度算出部1111−15は、中心方向速度VCの大きさと第2成分比との積を、中心方向速度VCのY軸方向成分VCYとして算出する。第2成分比は、動作位置PのY座標値YP’の線分OPの長さに対する比の値である。
言い換えると、中心方向速度算出部1111−15は、上記のように中心方向速度VCのX軸方向成分VCX及びY軸方向成分VCYを算出することにより、動作位置基準点Oへ向かう中心方向速度VC(ベクトル量)を算出できる。
(i)基本動作
次に、本実施形態に係る訓練装置100の基本動作について、図12Aを用いて説明する。図12Aは、訓練装置の基本動作を示すフローチャートである。
一方、訓練指示部5において、訓練プログラムとしてフリーモード以外のモードが選択された場合には、訓練プログラムに指定された訓練指示に基づいて操作ロッド3を動作させる第2動作モードが、動作モードとして選択される。
次に、上記のステップS2における第1動作モードの実行時における訓練装置100の動作の詳細について、図12Bを用いて説明する。図12Bは、第1動作モードの動作を示すフローチャートである。
第1動作モードの実行が開始されると、まず、第1指令算出部1111が、上記3つの動作位置検出部から各自由度方向の操作ロッド3の現在の動作位置を、上記3つの力量検出部から各自由度方向の力量成分信号(力量成分)を取得する(ステップS21)。
このとき、速度成分算出部1111−1は、操作ロッド3の動作可能な各自由度方向に対して対応する速度成分を算出する。
これにより、上記3つのモータは、第1モータ制御指令に基づいて制御される(ステップS25)。
一方、制御部11が第1動作モードを実行中(継続中)と判断した場合(ステップS26において「No」の場合)、訓練装置100の動作プロセスはS21に戻る。つまり、制御部11は、上記の3つのモータの制御を継続する。
これにより、制御部11は、第1動作モードを実行中に、上記の3つのモータを第1モータ制御指令に基づいて継続して制御できる。
次に、本実施形態における、上記のステップS23における操作ロッド3の動作速度の算出方法について、図12Cを用いて説明する。図12Cは、第1実施形態に係る訓練装置における操作ロッドの動作速度の算出方法を示すフローチャートである。
操作ロッド3の動作速度の算出を開始すると、まず、速度成分比較部1111−31が、速度成分算出部1111−1から、力量速度及び境界線到達速度を入力し、力量速度と境界線到達速度との大きさ(絶対値)の比較を行う(ステップS231)。
一方、力量速度が境界線到達速度以下であると判断された場合(ステップS231において「No」の場合)、速度成分比較部1111−31は、力量速度を、速度成分合成部1111−33に出力する(ステップS233)。
(1)第2実施形態に係る訓練装置の構成
上記の第1実施形態に係る訓練装置100においては、力量速度、境界線到達速度、又は最大動作速度Vmaxのうちの最小の速度成分と、中心方向速度とが合成された動作速度が算出されていた。そのため、第1実施形態に係る訓練装置100において、可動領域境界線Bに近づくほど操作ロッド3の動作速度は小さくなるように制限され、可動領域境界線B上では操作ロッド3が停止するように動作速度が算出されていた。しかし、これに限られない。以下に説明する第2実施形態に係る訓練装置200においては、操作ロッド3に加えられた力量によっては、操作ロッド3が可動領域境界線Bの近傍や可動領域境界線B上にある場合に操作ロッド3を停止するのではなく、操作ロッド3を可動領域境界線Bに沿って動作させる。
まず、第2実施形態に係る訓練装置200の速度成分算出部1111−1’の構成について、図14Aを用いて説明する。図14Aは、第2実施形態に係る訓練装置の速度成分算出部の構成を示す図である。
第2実施形態に係る訓練装置200の速度成分算出部1111−1’は、力量速度算出部1111−11’と、境界線到達速度算出部1111−13’と、中心方向速度算出部1111−15’と、さらに、境界線方向速度算出部1111−17’と、動作位置予測部1111−19’と、を有する。
なお、境界線方向速度算出部1111−17’における境界線方向速度の算出方法については、後ほど詳しく説明する。
次に、第2実施形態に係る訓練装置200の動作速度算出部1111−3’の構成について、図14Bを用いて説明する。図14Bは、第2実施形態に係る訓練装置の動作速度算出部の構成を示す図である。
第2実施形態に係る訓練装置200の動作速度算出部1111−3’は、速度成分比較部1111−31’と、第1速度成分合成部1111−33’と、第2速度成分合成部1111−35’と、第3速度成分合成部1111−37’と、を有する。
なお、速度成分比較部1111−31’の構成及び機能は、第1実施形態の速度成分比較部1111−31と同じであるため、ここでは説明を省略する。
I.境界線方向速度の算出方法
以下に、第2実施形態に係る訓練装置200の動作について説明する。まず、境界線方向速度算出部1111−17’における境界線方向速度の算出方法について、図15A及び図15Bを用いて説明する。図15Aは、境界線方向速度の算出方法を模式的に示す図である。図15Bは、境界線方向速度の算出方法を示すフローチャートである。境界線方向速度は、具体的には以下のように算出される。
従って、予測動作位置P’’が操作ロッド可動領域MAの内側にある場合、境界線方向速度算出部1111−17’は、境界線方向速度を0値として算出してもよいし、境界線方向速度を算出することなく上記の境界線方向速度を算出するプロセスを終了してもよい。
次に、第1速度成分合成部1111−33’における第1合成速度の算出方法について、図16Aを用いて説明する。図16Aは第1速度成分合成部における第1合成速度の算出方法を示すフローチャートである。本実施形態において、第1速度成分合成部1111−33’は、力量速度又は境界線到達速度のいずれか小さい方の速度と第1合成係数との積と、第2速度成分合成部1111−35’から入力した速度と第2合成係数との積との和を、第1合成速度として算出する。すなわち、第1合成速度は、力量速度又は境界線到達速度のいずれか小さい方の速度と、第2速度成分合成部1111−35’から入力した速度とを、第1の比(第1合成係数/第2合成係数)にて合成した速度として定義される。
次に、第2速度成分合成部1111−35’における速度の算出方法について図17Aを用いて説明する。図17Aは、第2速度成分合成部における速度の算出方法を示すフローチャートである。第2速度成分合成部1111−35’は、力量速度と第3合成係数との積と境界線方向速度と第4合成係数との積との和により速度を算出する。
予測動作位置P’’が操作ロッド可動領域MAの内側にあると判断された場合(ステップS1202において「No」の場合)、上記の第3合成係数は1と算出され、第4合成係数は0と算出されている。従って、第2速度成分合成部1111−35’からは力量速度が出力される(ステップS1203)。
これにより、第2速度成分合成部1111−35’から出力される速度を、予測動作位置P’’の大きさに基づいて、力量速度から境界線方向速度へと、又はその逆方向に、滑らかに切り替えられる。その結果、操作ロッド3の動作速度が急激に変化することがなくなる。
次に、第3速度成分合成部1111−37’における動作速度の算出方法について、図18を用いて説明する。図18は、第3速度成分合成部における速度の算出方法を示すフローチャートである。第3速度成分合成部1111−37’においては、操作ロッド3の動作位置P及び予測動作位置P’’の存在位置に基づいて、第1速度成分合成部1111−33’からの第1合成速度に対してさらに速度を合成して、最終的な動作速度を算出している。
境界線方向速度が最低走行速度以上の値として算出されている場合(ステップS1303において「No」の場合)、第3速度成分合成部1111−37’は、第1合成速度を動作速度として出力する(ステップS1305)。
予測動作位置P’’が操作ロッド可動領域MAの内側にあると判断された場合(ステップS1304において「No」の場合)、第3速度成分合成部1111−37’は、第1合成速度を動作速度として出力する(ステップS1305)。
一方、予測動作位置P’’が操作ロッド可動領域MAの外にあると判断された場合(ステップS1304において「Yes」の場合)、第3速度成分合成部1111−37’は、境界線方向速度を0として動作速度を算出する(ステップS1306)。
次に、第2実施形態に係る訓練装置200の動作について図20を用いて説明する。図20は、第2実施形態に係る訓練装置における動作速度の算出方法を示すフローチャートである。
なお、第2実施形態に係る訓練装置200の動作は、第1動作モードの実行時における動作速度の算出方法(図12BのフローチャートのステップS23に対応)以外は、第1実施形態に係る訓練装置100における動作と同じである。従って、以下においては、第2実施形態に係る訓練装置200における第1動作モード実行時の動作速度の算出方法についてのみ説明し、それ以外の動作についての説明は省略する。
操作ロッド3の現在の動作位置Pが操作ロッド可動領域MAの内側に存在する場合には、予測動作位置P’’の位置や操作ロッド3に加えられている力の向きにより、以下ように動作速度が算出される。
この場合、境界線方向速度は0となっている。従って、可動領域境界線B上において、操作ロッド3に可動領域境界線Bに対して垂直に近い力が加えられている場合は、操作ロッド3を可動領域境界線Bにおいて安定して停止できる。
操作ロッド3の動作位置Pが境界方向速度合成開始位置RTHよりも動作位置基準点Oに近い場合、すなわち、操作ロッド3の動作位置Pが操作ロッド可動領域MAの十分内側にあるとき、操作ロッド3の動作速度は、第1実施形態の訓練装置100と同様、力量速度又は境界線到達速度のいずれか小さい方の速度となる。
操作ロッド3の動作位置Pが可動領域境界線Bの近傍にあり、かつ、予測動作位置P’’が操作ロッド可動領域MAの内側に存在する(すなわち、操作ロッド3に加えられた力により操作ロッド3が操作ロッド可動領域MAの外に移動しない)とき、動作速度は、第1実施形態の訓練装置100と同様に、力量速度又は境界線到達速度のいずれか小さい方となる。
操作ロッド3の動作位置Pが可動領域境界線Bの近傍にあり、かつ、予測動作位置P’’が操作ロッド可動領域MA外の可動領域境界線Bの近傍に存在するとき、動作速度は、力量速度と境界線方向速度とを含むか、又は、力量速度と境界線方向速度と境界線到達速度とを含む速度として算出される。
操作ロッド3の動作位置Pが可動領域境界線Bの近傍にあり、かつ、予測動作位置P’’が操作ロッド可動領域MA外の可動領域境界線Bから離れた位置(すなわち、上記の所定の範囲の外)に存在する場合、動作速度は、境界線方向速度と力量速度又は境界線到達速度とを含む速度として算出される。ただし、当該条件において算出される動作速度における境界線方向速度の割合は、上記(iv)の条件にて算出される動作速度における境界線方向速度の割合よりも大きくなっている。すなわち、動作速度において、境界線方向速度による影響が上記(iv)の場合より強調されている。
操作ロッド3の現在の動作位置Pが可動領域境界線B上にあるとき、予測動作位置P’’が上記の所定の範囲内に存在する場合には、第2合成速度が動作速度として出力される。一方、予測動作位置P’’が上記の所定の範囲よりも外にある場合には、境界線方向速度が動作速度として出力される。
操作ロッド3の現在の動作位置Pが操作ロッド可動領域MAの外にあるとき、動作速度には、動作位置基準点Oに向かう方向の速度成分である中心方向速度が含まれる。これにより、操作ロッド3の動作位置Pが操作ロッド可動領域MA外にある場合に、操作ロッド3は操作ロッド可動領域MA内へと移動される。
上記第1実施形態及び第2実施形態の効果は、以下のように記載できる。
第1実施形態に係る訓練装置(例えば、訓練装置100)は、所定の訓練プログラムに従って、使用者の上肢及び/又は下肢の四肢を訓練する訓練装置である。訓練装置は、操作ロッド(例えば、操作ロッド3)と、力量検出部(例えば、Y軸方向力量検出部175、X軸方向力量検出部177、長さ方向力量検出部393)と、動作位置検出部(例えば、第1動作位置検出部135a−1、第2動作位置検出部135b−1、第3動作位置検出部359−1)と、力量速度算出部(例えば、力量速度算出部1111−11)と、境界線到達速度算出部(例えば、境界線到達速度算出部1111−13)と、動作速度算出部(例えば、動作速度算出部1111−3)と、を備える。
これにより、操作ロッドが操作ロッド可動領域外からさらに外へ向かって動作することを抑制でき、操作ロッドの現在の動作位置が操作ロッド可動領域外に存在したまま操作ロッドが動作しなくなることを抑制できる。また、操作ロッド可動領域の外にある操作ロッドは、操作ロッド可動領域内に戻される。
複数の力量検出部のそれぞれは、力量成分を検出し、検出した力量成分を力量成分信号として算出する。力量成分は、操作ロッドに加えられた力量の操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の成分である。動作位置検出部は、操作ロッドの動作位置を検出する。操作ロッドの動作位置は、操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の動作位置である。
動作速度算出部は、予測動作位置が操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、境界線方向速度を含む速度を、動作速度として算出する。動作速度は、操作ロッドが動作すべき速度である。
これにより、境界線方向速度を、操作ロッドの現在の動作位置から上記の交点へと向かう可動領域境界線に沿った方向の速度として算出できる。
この場合、動作速度算出部は、境界線方向速度と、境界線到達速度及び/又は力量速度と、を合成して動作速度を算出する(例えば、ステップS2301〜S2304)。これにより、境界線方向速度と境界線到達速度及び/又は力量速度とを含んだ動作速度を算出できる。
これにより、操作ロッドの現在の動作位置により、境界線方向速度と力量速度又は境界線到達速度とを適切な比率にて合成した動作速度を算出できる。その結果、境界線方向速度の影響と力量速度又は境界線到達速度の影響とを徐々に変化させて、滑らかに操作ロッドを動作できる。
これにより、操作ロッドに加えられた力によっては、操作ロッドを操作ロッドに加えられた力の方向になるべく動作させつつ、操作ロッド可動領域の境界近傍において、加えられた力に対して可動領域境界線に沿った自然な動きを実現することができる。
また、制御遅れなどにより操作ロッドが操作ロッド可動領域の外にわずかに出た場合には、動作位置基準点に向かう速度が操作ロッド可動領域に入るまで作用するため、操作ロッドは速やかに可動領域境界線へ移動する(例えば、ステップS1302)。
◎操作ロッドの現在の動作位置を検出するステップ(例えば、ステップS21)。
◎操作ロッドに加えられた力量の各自由度方向の力量成分を検出するステップ(例えば、ステップS21)。
◎現在の動作位置において、操作ロッドに合成力量が加えられたときに、操作ロッドが到達する予測動作位置を予測するステップ(例えば、ステップS1001)。
◎予測動作位置が操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、境界線方向速度を含む速度を動作速度として算出するステップ(例えば、ステップS2301〜S2304)。
◎動作位置基準点と予測動作位置とを結ぶ直線を算出するステップ(例えば、ステップS1002)。
◎上記直線と可動領域境界線との交点を算出するステップ(例えば、ステップS1003)。
◎上記交点と操作ロッドの現在の動作位置との位置偏差とに基づいて、境界線方向速度を算出するステップ(例えば、ステップS1004)。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
(A)境界線方向速度についての他の実施形態
上記の第2実施形態に係る訓練装置200において、境界線方向速度は、図15Aに示すように、操作ロッド3の現在の動作位置Pから交点Mへと向かう方向の速度として算出されていた。しかし、これに限られず、現在の動作位置Pから交点Mまでの間に複数の目標点を設けて、操作ロッド3が各目標点を通過するような境界線方向速度を算出してもよい。
1 固定フレーム
11 制御部
111 指令作製部
1111 第1指令算出部
1111−1、1111−1’速度成分算出部
1111−11、1111−11’ 力量速度算出部
1111−13、1111−13’ 境界線到達速度算出部
1111−15、1111−15’ 中心方向速度算出部
1111−17’ 境界線方向速度算出部
1111−19’ 動作位置予測部
1111−3、1111−3’動作速度算出部
1111−31、1111−31’ 速度成分比較部
1111−33 速度成分合成部
1111−33’ 第1速度成分合成部
1111−35’ 第2速度成分合成部
1111−37’ 第3速度成分合成部
1111−5 第1モータ制御指令算出部
1113 第2指令算出部
1115 制御指令切替部
113a、113b、113cモータ制御部
13 操作ロッド傾動機構
131 X軸方向傾動部材
131−1 付勢部材固定部
131a、131b 軸
133 Y軸方向傾動部材
133a、133b 軸
135a Y軸方向傾動モータ
135a−1 第1動作位置検出部
135b X軸方向傾動モータ
135b−1 第2動作位置検出部
15a、15b操作ロッド傾動機構固定部材
17 力量検出機構
171 Y軸方向力量検出部材
171a、171b 軸
173 X軸方向力量検出部材
173−1 付勢部材固定部
173a、173b 軸
175 Y軸方向力量検出部
177 X軸方向力量検出部
179 付勢部材
3 操作ロッド
31 肢支持部材
33 固定ステイ
35 伸縮機構
351 可動ステイ
353 カバー
355 ナット
357 ねじ軸
359 伸縮モータ
359−1 第3動作位置検出部
37 案内レール
39 長さ方向力量検出機構
391 付勢部材
393 長さ方向力量検出部
5 訓練指示部
7 固定部材
9 椅子
91 椅子接続部材
B 可動領域境界線
D 境界線距離
F 合成力量ベクトル
MA 操作ロッド可動領域
O 動作位置基準点
P 動作位置
P’’ 予測動作位置
RTH 境界方向速度合成開始位置
S、S’ 空間
e、f 入力
g 出力
Claims (13)
- 使用者自らの上肢及び/又は下肢の四肢の動きに追従するように動作する訓練プログラムを実行し、前記四肢を訓練する訓練装置であって、
床面上又は床面に近接して載置される固定フレームに、2以上の自由度にて動作可能に支持され、保持した肢を動作させる操作ロッドと、
前記操作ロッドに加えられた力量の前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の成分である力量成分のそれぞれを検出し、検出された前記力量成分の大きさに基づいた力量成分信号を出力する複数の力量検出部と、
前記操作ロッドの、前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の動作位置を検出する複数の動作位置検出部と、
前記操作ロッドが動作可能な範囲を定める操作ロッド可動領域の境界を定める可動領域境界線に沿った方向の速度成分である境界線方向速度を算出する境界線方向速度算出部と、
前記操作ロッドの現在の動作位置において前記操作ロッドに前記各自由度方向の力量成分を合成した合成力量が加えられたときに、前記操作ロッドが到達すると予測される予測動作位置を算出する動作位置予測部と、
前記予測動作位置が前記操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、前記境界線方向速度を含む速度を、前記操作ロッドが動作すべき動作速度として算出する動作速度算出部と、
を備える訓練装置。 - 所定の訓練プログラムに従って、使用者の上肢及び/又は下肢の四肢を訓練する訓練装置であって、
床面上又は床面に近接して載置される固定フレームに、2以上の自由度にて動作可能に支持され、保持した肢を動作させる操作ロッドと、
前記操作ロッドに加えられた力量の前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の成分である力量成分のそれぞれを検出し、検出された前記力量成分の大きさに基づいた力量成分信号を出力する複数の力量検出部と、
前記操作ロッドの、前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の動作位置を検出する複数の動作位置検出部と、
前記操作ロッドが動作可能な範囲を定める操作ロッド可動領域の境界を定める可動領域境界線に沿った方向の速度成分である境界線方向速度を算出する境界線方向速度算出部と、
前記操作ロッドの現在の動作位置において前記操作ロッドに前記各自由度方向の力量成分を合成した合成力量が加えられたときに、前記操作ロッドが到達すると予測される予測動作位置を算出する動作位置予測部と、
前記予測動作位置が前記操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、前記境界線方向速度を含む速度を、前記操作ロッドが動作すべき動作速度として算出する動作速度算出部と、を備え、
前記境界線方向速度算出部は、前記操作ロッドの動作位置の基準点である動作位置基準点と前記予測動作位置とを結ぶ直線と前記可動領域境界線との交点と前記操作ロッドの現在の動作位置との位置偏差とに基づいて、前記境界線方向速度を算出する、
訓練装置。 - 所定の訓練プログラムに従って、使用者の上肢及び/又は下肢の四肢を訓練する訓練装置であって、
床面上又は床面に近接して載置される固定フレームに、2以上の自由度にて動作可能に支持され、保持した肢を動作させる操作ロッドと、
前記操作ロッドに加えられた力量の前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の成分である力量成分のそれぞれを検出し、検出された前記力量成分の大きさに基づいた力量成分信号を出力する複数の力量検出部と、
前記操作ロッドの、前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の動作位置を検出する複数の動作位置検出部と、
前記操作ロッドが動作可能な範囲を定める操作ロッド可動領域の境界を定める可動領域境界線に沿った方向の速度成分である境界線方向速度を算出する境界線方向速度算出部と、
前記操作ロッドの現在の動作位置において前記操作ロッドに前記各自由度方向の力量成分を合成した合成力量が加えられたときに、前記操作ロッドが到達すると予測される予測動作位置を算出する動作位置予測部と、
前記予測動作位置が前記操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、前記境界線方向速度を含む速度を、前記操作ロッドが動作すべき動作速度として算出する動作速度算出部と、
前記複数の力量検出部により出力された前記力量成分信号に基づいて、前記操作ロッドの力量速度を算出する力量速度算出部と、
前記操作ロッドの現在の動作位置から前記可動領域境界線までの境界線距離に基づいて、境界線到達速度を算出する境界線到達速度算出部と、を備え、
前記動作速度算出部は、前記境界線方向速度と、前記境界線到達速度及び/又は前記力量速度と、を合成して前記動作速度を算出する、
訓練装置。 - 前記予測動作位置は、前記力量速度が一定時間継続したと仮定したときに、前記操作ロッドが到達すると予測される位置である、請求項3に記載の訓練装置。
- 前記予測動作位置は、前記操作ロッドが前記力量速度から所定の減速度にて減速停止すると予測される位置である、請求項3に記載の訓練装置。
- 前記動作速度算出部は、前記力量速度又は前記境界線到達速度のいずれか小さい方と、前記境界線方向速度又は前記力量速度と前記境界線方向速度とを含む第2合成速度のいずれかと、を前記現在の動作位置に基づいて変化する第1の比にて合成した第1合成速度を、前記動作速度として算出する請求項3〜5のいずれかに記載の訓練装置。
- 前記第1の比は、前記可動領域境界線と前記操作ロッドの現在の動作位置との間の距離に基づいて算出される、請求項6に記載の訓練装置。
- 前記第2合成速度は、前記力量速度と前記境界線方向速度とを前記予測動作位置に基づいて変化する第2の比にて合成して算出される、請求項6又は7に記載の訓練装置。
- 前記第2の比は、前記可動領域境界線と前記予測動作位置との間の距離に基づいて算出される、請求項8に記載の訓練装置。
- 前記境界線方向速度が最低走行速度よりも小さく、かつ、前記予測動作位置が前記操作ロッド可動領域の外に存在する場合、前記動作速度算出部は、前記境界線方向速度を0として動作速度を算出する、請求項1〜9のいずれかに記載の訓練装置。
- 動作位置検出部と、力量検出部と、境界線方向速度算出部と、動作位置予測部と、動作速度算出部と、を備え、使用者自らの上肢及び/又は下肢の四肢の動きに追従するように動作する訓練プログラムを実行し、前記四肢を訓練する訓練装置における、保持した前記四肢を動作させる操作ロッドの動作速度の算出方法を含む作動方法であって、
前記動作位置検出部が、前記操作ロッドの現在の動作位置を検出するステップと、
前記力量検出部が、前記操作ロッドに加えられた力量の各自由度方向の力量成分を検出するステップと、
前記現在の動作位置において、前記操作ロッドに、前記各自由度方向の力量成分を合成した合成力量が加えられたときに、前記操作ロッドが到達すると予測される予測動作位置を、前記動作位置予測部が予測するステップと、
前記予測動作位置が、前記操作ロッドが動作可能な範囲を定める操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、前記操作ロッド可動領域の境界を定める可動領域境界線に沿った方向の速度成分であり前記境界線方向速度算出部により算出された境界線方向速度を含む速度を、前記動作速度として前記動作速度算出部が算出するステップと、
を含む作動方法。 - 前記境界線方向速度を含む速度を前記動作速度として算出するステップは、前記境界線方向速度算出部が実行するステップとして、
前記操作ロッドの動作位置の基準点である動作位置基準点と前記予測動作位置とを結ぶ直線を算出するステップと、
前記直線と前記可動領域境界線との交点を算出するステップと、
前記交点と、前記操作ロッドの現在の動作位置との位置偏差とに基づいて、前記境界線方向速度を算出するステップと、
をさらに含む請求項11の作動方法。 - 所定の訓練プログラムに従って、使用者の上肢及び/又は下肢の四肢を訓練する訓練装置であって、
床面上又は床面に近接して載置される固定フレームに、2以上の自由度にて動作可能に支持され、保持した肢を動作させる操作ロッドと、
前記操作ロッドに加えられた力量の前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の成分である力量成分のそれぞれを検出し、検出された前記力量成分の大きさに基づいた力量成分信号を出力する複数の力量検出部と、
前記操作ロッドの、前記操作ロッドが動作可能な対応する各自由度方向の動作位置を検出する複数の動作位置検出部と、
前記操作ロッドが動作可能な範囲を定める操作ロッド可動領域の境界を定める可動領域境界線に沿った方向の速度成分である境界線方向速度を算出する境界線方向速度算出部と、
前記操作ロッドの現在の動作位置において前記操作ロッドに前記各自由度方向の力量成分を合成した合成力量が加えられたときに、前記操作ロッドが到達すると予測される予測動作位置を算出する動作位置予測部と、
前記予測動作位置が前記操作ロッド可動領域外に存在すると予測されたとき、前記境界線方向速度を含む速度を、前記操作ロッドが動作すべき動作速度として算出する動作速度算出部と、
前記複数の力量検出部により出力された前記力量成分信号に基づいて、前記操作ロッドの力量速度を算出する力量速度算出部と、
前記操作ロッドの現在の動作位置から前記可動領域境界線までの境界線距離に基づいて、境界線到達速度を算出する境界線到達速度算出部と、
を備え、
前記境界線方向速度算出部は、前記操作ロッドの動作位置の基準点である動作位置基準点と前記予測動作位置とを結ぶ直線と前記可動領域境界線との交点と前記操作ロッドの現在の動作位置との位置偏差とに基づいて、前記境界線方向速度を算出し、
前記動作速度算出部は、前記境界線方向速度と、前記境界線到達速度及び/又は前記力量速度と、を合成して前記動作速度を算出する、
訓練装置。
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