JP6655235B2 - 無水平負荷式上肢自重免荷訓練装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に上肢の回復訓練において効果的な訓練実施を実現する無水平負荷式上肢自重能動又は受動免荷訓練装置に関するものである。

脳卒中患者の麻痺側運動機能の回復はＡＤＬ（Activities of Daily Life）及びＱＯＬ（Quality of Life）の向上に密接しており、片麻痺側上肢の麻痺自体を改善させる効果的な運動療法の開発は非常に重要な課題である。そこで、上肢挙上能力回復が十分でない状態のまま作業療法を行うと、上肢を支えている肩に負担がかかり、このことが原因で肩に痛みが生じてしまい、十分な量と質の訓練を確保することも困難となる。このような事態を防ぐために肩の負担を軽減すべく、上肢の免荷が要求されている。免荷とは、荷重をかけないという意味であり、これを片麻痺上肢回復訓練では被験者自身の上肢の重力を軽減し、使用者が対象物を容易に扱えるようにするために用いる。

この種の訓練装置として、例えば特許文献１に開示されるようなものが知られている。

特開２０１２−６１１０１号公報

訓練中の上肢の自重負荷をキャンセルするために、上肢の任意の位置と姿勢において水平運動方向にも負荷ならないような上肢自重の上下免荷を能動的に行うことができれば、より有効且つ効率的な上肢回復訓練を実施することができる。
また、この種の上肢回復訓練において、日常動作に直結する前腕の回内及び回外動作等の回旋動作は重要であり、前腕の回内及び回外動作のリハビリテーションも必要になる。前腕の筋力が十分でないために回内及び回外動作ができない患者に対応するという要請があるが、従来の訓練装置ではそのような機能を備えていないのが実情であった。

本発明は、上肢能動免荷システムにおいて水平方向にも効果的に免荷を図り、より機能性に優れた訓練方法を実現する無水平負荷式上肢自重免荷訓練装置を提供することを目的とする。

本発明の無水平負荷式上肢自重免荷訓練装置は、被験者の上肢を吊下支持し、その上肢の自重を免荷するように被験者が前記上肢の回復訓練を実施するのを補助する訓練装置において、前記上肢に対する鉛直方向の免荷機能を有する上肢自重能動免荷装置と、これに付帯して前記上肢に対する水平方向の免荷機能を有する水平免荷装置とを備え、前記上肢自重能動免荷装置は前記上肢の動きに合せて、前記上肢を支持するワイヤの巻取り及び繰出しを仮想コンプライアンス制御するように構成され、前記水平免荷装置は、前記上肢の水平方向移動に追従して前記ワイヤが鉛直状態を維持するように、前記上肢自重能動免荷装置を、又は前記水平免荷装置自体を水平移動させて水平免荷することを特徴とする。

本発明によれば、上肢の回復訓練において被験者は、高効率能動免荷を行うことができる。ユニットで被験者の上肢自重を軽減・キャンセルすることにより被験者はより高効率で、より多くの回数の回復訓練を行うことができる。
また、本発明によれば、装置の機能性を向上し、より効果的なリハビリテーションを実現することができる。

本発明に係る上肢自重能動免荷を原理的に説明するための上肢運動の例等を示す図である。 本発明に係る上肢上下運動の免荷方法の態様を概略示す図である。 本発明に係る上肢自重能動免荷装置の外観を示す図である。 本発明に係る上肢自重能動免荷装置内部の主要構成例を示す分解斜視図である。 本発明に係る上肢自重能動免荷装置においてワイヤに水平方向の力成分が発生する使用態様の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態における上肢自重能動免荷装置及び水平免荷装置の動作を概略的に示す上面図である。 本発明の第１の実施形態における上肢自重能動免荷装置及び水平免荷装置を備えてなる訓練装置の例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態における上肢自重能動免荷装置及び水平免荷装置を備えてなる訓練装置の例を示す斜視図である。 本発明に係るガイドローラの構成例を示す図である。 本発明に係るガイドローラの別の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態における湾曲型スライダ機構の湾曲曲線の半径算出方法を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施形態における湾曲型スライダ機構の湾曲曲線の角度算出方法を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施形態における湾曲型スライダ機構の湾曲曲線の角度算出方法を模式的に示す図である。 本発明に係るワイヤ及びこれに付設される支持バンドの例を示す図である。 本発明の第１の実施形態における上肢自重能動免荷装置及び水平免荷装置の回転軸が重なった状態を示す図である。 本発明の第２の実施形態における上肢自重能動免荷装置及び水平免荷装置を備えてなる訓練装置の例を示すそれぞれ斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係るプーリの配置構成例を示すそれぞれ部分拡大図である。 本発明の第２の実施形態に係るスライダ機構まわりの構成例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る上下スライダまわりの構成例を示すそれぞれ斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る旋回変位センサまわりの構成例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る水平変位センサまわりの構成例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る水平変位センサまわりの構成例を示すそれぞれ斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る前腕回転筋力補助装置の構成例を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る前腕回転筋力補助装置を備えた訓練装置の構成例を示す全体斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る前腕回転筋力補助装置における前腕ホルダ等の構成例を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る前腕回転筋力補助装置における前腕固定方法を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る前腕回転筋力補助装置の固定板を示す斜視図である。 被験者の前腕における尺骨茎状突起まわりを示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る歪拡大機構の構成例を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る歪拡大機構の構成例を示す正面図及び側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る歪拡大機構における作用を示すそれぞれ正面図である。 本発明の第３の実施形態に係る安全装置の構成例を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る安全装置の構成例を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態におけるリハビリテーションの流れの例を示すそれぞれ斜視図である。

以下、図面に基づき、本発明による無水平負荷式上肢自重免荷訓練装置の好適な実施の形態を説明する。
本発明装置は無水平負荷式上肢自重能動免荷訓練装置及び無水平負荷式上肢自重受動免荷訓練装置に係り、ここで先ず、上肢自重能動免荷について原理的に説明する。図１（Ａ）のように上肢運動を行う際には上肢自重（Ｍｇ）が働く。また、上肢は図１（Ｂ）〜図１（Ｄ）に示すように３次元の空間上で前後運動、上下運動及び伸展屈曲運動等の上肢運動を行う。
上肢自重能動免荷の能動とは、他からの働きかけを待たずに自ら上肢を動かすことである。上肢自重能動免荷の免荷とは荷重及び負荷を軽減・キャンセルすることである。この能動免荷を行うことで被験者は高効率能動免荷を行うことができる。また、ユニットで被験者の上肢自重を軽減・キャンセルすることで被験者はより高効率でより多くの回数の回復訓練を行うことができる。

本発明に係る上肢の片麻痺回復訓練をする際の上肢上下運動の免荷方法において、図２のように無水平負荷式上肢自重能動免荷訓練装置１０（以下、単に訓練装置という）から１本のワイヤ１で上肢を吊下支持し、上下運動を行うことで能動免荷を行う。ワイヤを用いることによって、上肢を動かすのに十分なスペースの３次元空間の確保ができる。また、被験者の上肢自重等の種々の個人差の違いに対応できる。

（第１の実施形態）
訓練装置は、上肢自重能動免荷装置とこれに付帯する水平免荷装置を備え、上肢自重能動免荷装置は主に鉛直方向についての免荷機能を有し、また水平免荷装置は主に水平方向についての免荷機能を有する。先ず、上肢自重能動免荷装置について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態に係る訓練装置１０の上肢自重能動免荷装置１１の外観を示すが、図３では後述する水平免荷装置１２Ａの一部も図示される。上肢自重能動免荷装置１１の基本的機能として被験者の上肢上下運動を補助し、モータを動力源としてワイヤ１の巻取りあるいは繰出しを行うことで上肢を能動的に免荷する。第１の実施形態において、図２の二点鎖線により示すように被験者の上方に設置された架台フレーム１００に訓練装置１０が装架されて使用される。

本発明では、訓練中の上肢の自重負荷をキャンセルするために、上肢自重の免荷を上肢の任意の位置と姿勢に、水平運動方向にも負荷ならないように能動的に実現できる訓練装置１０を開発し、訓練中の上肢自重を能動免荷して上肢の麻痺改善を意図する。本発明において、被験者の上肢を、始終垂直な姿勢で上下運動するワイヤ１によって吊るすことにより、上肢の免荷を行う。被験者の上肢の運動に合せてのワイヤ１の巻取りと繰出しにより上肢の免荷を可能にする。上肢を免荷するに当たりワイヤ１を用いるのは、上肢を自由に動かせる空間の確保することと、上肢の運動に伴う装置の慣性抵抗が無視できることにある。

上肢能動免荷装置１１では上肢の免荷を実現するに当たり、所謂、仮想コンプライアンス制御を用いる。仮想コンプライアンス制御は外力の作用した方向に逃げるような動作をする制御で、計測された力に対し仮想的に設定した慣性・粘性・弾性を満たすように速度を制御する。被験者の上肢が上下に運動するときに、それと同じ方向にワイヤ１の長さを調整することにより、上肢の負担を軽減する。これらの制御を行うには、ワイヤ１にかかる張力や上肢の速度が必要であり、ワイヤ１にかかる張力はワイヤ駆動装置に設けた力覚センサによって計測する構成とした。上肢の速度に関しては、上肢の位置を算出して微分することによって求める。位置を検出するためにワイヤ駆動装置の回転軸にはエンコーダを取り付け、ワイヤ１の方向を検出する。

図４は、図３に示した上肢自重能動免荷装置１１内部の主要構成例を示す分解斜視図であり、その構成について外略説明する。上部のベース板１３にはワイヤ巻取機構を有する筐体１４が、回転軸１５を介して鉛直軸まわりに回転可能に支持される。筐体１４は、回転軸１５に取り付けられる上板１６と、この上板１６の両側方から下方に向かって延設される一対の側板１７を有する。これらの側板１７の間にサーボモータ１８が搭載支持され、その出力軸１８ａが側板１７に設けた軸受部１９によって支持される。側板１７からは水平方向に一対のアーム２０が延出し、これらのアーム２０の先端に設けた軸受部２１によって、その支軸を介してワイヤ巻取用のプーリ２２が回転可能に支持される。サーボモータ１８の出力軸１８ａとその支軸の間はタイミングベルト２３で接続され、サーボモータ１８が作動することで、プーリ２２が回転する。なお、サーボモータ１８にはロータリエンコーダが付随しており、その回転速度あるいは回転数が常時管理され、これによりワイヤ１の移動離等を把握することができる。

アーム２０の先端の軸受部２１から上方に向かってそれぞれ鉛直部２４が延設され、その上端は上板１６に固定された支持部２５に固定支持される。鉛直部２４の上部付近には幅細部２４ａが形成され、この幅細部２４ａは一般部に比べて脆弱な部位となっている。鉛直部２４に荷重が加わった場合に、鉛直部２４は撓み易くなり、このような撓み量を増幅させる機能を持つ。幅細部２４ａにはその撓み量を計測する力覚センサとしての歪みゲージ２６が貼着され、プーリ２３に巻回されたワイヤが引っ張られることで、その支軸を介してアーム２０が撓む。アーム２０は、張力が大きくなる程その撓み量が大きくなり、歪みゲージ２６はその際、より微細な撓みを検出することができる。

上記の場合、サーボモータ１８及びそのロータリエンコーダ、歪みゲージ２６等は制御部に接続されており、それらからの情報に基づいて制御部は、ワイヤ１を巻き取りあるいは繰り出すべくサーボモータ１８を駆動制御する。具体的には上肢が上方に上がる場合、歪みゲージ２６で読み取った力の変化に伴い速度を追従させ、ワイヤ１を巻き取る。上肢が下方に下がる場合、歪みゲージ２６で読み取った力の変化に伴い速度を追従させ、ワイヤ１を繰り出す。本発明においてワイヤ１のかかる巻取りあるいは繰出し動作が可能な所謂、仮想コンプライアンス制御を用いる。

次に、本発明の第１の実施形態に係る水平免荷装置１２Ａについて説明する。上肢自重能動免荷装置１１において、ワイヤ１を図５のように斜め方向の位置で鉛直免荷を行うときに水平方向の力が発生する。その力を利用して、上肢自重能動免荷装置１１を平滑に運動させることで免荷する。具体的には、スライダ機構内での摩擦をゼロにすることで水平免荷を行い、上肢自重能動免荷装置１１を水平移動させる。

ここに水平免荷とは、水平負荷を免除することを意味する。この水平免荷では、上肢自重能動免荷装置１１が平面移動することで免荷が行われる。第１の実施形態の水平免荷装置１２Ａでは図６の上面図で概略示すように、スライダ機構を用いて水平免荷装置１２Ａの旋回動作と水平免荷装置１２Ａにおける上肢自重能動免荷装置１１の回転及びスライド動作を可能にする。
水平免荷装置１２Ａの具体的構成については後述するが、この水平免荷装置１２Ａによれば免荷する範囲を拡大することができる。また、上肢自重能動免荷装置１１を動かす際に滑らかな運動を行なわせ、更に鉛直方向（上下方向）だけでなく、水平方向（平面）についても免荷を行うことができる。

図７及び図８は、本発明の第１の実施形態における上肢自重能動免荷装置１１及び水平免荷装置１２Ａを備えてなる訓練装置１０の例を示している。図７の水平免荷装置１２Ａは直線型のスライダ機構を持ち、図８の水平免荷装置１２Ａは湾曲型のスライダ機構を持つ。先ず、図７に示される直線型のスライド機構を持つ水平免荷装置１２Ａにおいて、ガイドレールとして機能する直線状のコース２７と、図３を参照して上肢自重能動免荷装置１１の上部に取り付けられたスライダ２８及び複数のガイドローラ２９等とを含み、このスライダ機構により上肢自重能動免荷装置１１は水平免荷装置１２Ａに沿ってスライドする。

コース２７は、その断面において上に凹状とした断面概略コ字型とされる部位を持つように板材を結合あるいは折曲成形してなり、図７に示されるように長尺の中空箱型を呈する。架台フレーム１００（図２、図６等参照）の適所に固定されるブラケット３０を介して、コース２７を装架することができる。この場合、コース２７は回転軸３１を介して鉛直軸まわりに回転可能に支持される。コース２７の内側には少なくとも相互に対向する平滑な内側面と平滑な底面とを有し、これらの内側面及び底面がガイドローラ２９等に対するガイド面として機能する。コース２７の中空内部にスライダ２８及び複数のガイドローラ２９等の部材が収容され、それらが脱落しないようにするためにコース２７の両端にはストッパ３２が付設される。

ガイドローラ２９は例えば図９Ａに示されるように、上肢自重能動免荷装置１１における上部のベース板１３（図４参照）に固定されたスライダ２８上で鉛直軸のまわりに回転可能に支持される。この例では４つのガイドローラ２９が四角形（正方形）の角部に配設され、各ガイドローラ２９はコース２７の内側面に対して適度な間隙を持ちつつ接触するようになっている。また、スライダ２８の両側部においてベアリングローラ３３が水平軸のまわりに回転可能に支持され、この例では４つのベアリングローラ３３がガイドローラ２９に隣接配置される。各ベアリングローラ３３は、コース２７の底面上で転動回転するようになっている。

コース２７は、架台フレーム１００の任意位置で回転軸３１を介して鉛直軸まわりに回転可能であり、図７の矢印Ｐのように回転軸３１のまわりに水平面上で旋回することができる（旋回機構）。また、スライダ２８がガイドローラ２９等によりガイドされながらコース２７内でスライドすることで、スライダ２８の下方に支持された上肢自重能動免荷装置１１は図７の矢印Ｓのように、水平移動することができる（スライダ機構）。この場合、上肢自重能動免荷装置１１は更に、ベース板１３に対して筐体１４が回転軸１５（図４参照）を介して鉛直軸まわりに回転可能であり、図７の矢印Ｔのように回転軸１５のまわりに回転することができるようになっている。

ここで、図９Ｂに示すようにスライダ２８上に、片側３つずつの計６個のガイドローラ２９を配設することもできる。この場合、片側それぞれの中央のガイドローラ２９（２９Ａ）の２点でコース２７の内側面に正接させ、その他のガイドローラ２９はコース２７に対してクリアランスを設けるようにする。上肢自重能動免荷装置１１のワイヤ１からの張力に基づきスライダ２８が付勢されると、４つのガイドローラ２９がコース２７に正接し、これにより図９Ｂの矢印のような力のモーメントが発生することで、コース２７を旋回させることができる。そして、コース２７が旋回する際に動作上の死点が発生するのを防ぐことができる。

次に、図８に示される湾曲型のスライダ機構を持つ水平免荷装置１２Ａにおいて、対応する部材には同一符号を用いるものとし、ガイドレールとして機能する湾曲状のコース２７と、上肢自重能動免荷装置１１の上部に取り付けられたスライダ２８及び複数のガイドローラ２９等とを含み、このスライダ機構により上肢自重能動免荷装置１１は水平免荷装置１２Ａに沿ってスライドする。

コース２７は、上に凹状とした断面概略コ字型とされる部位を持つように板材を結合あるいは折曲成形してなり、図８に示されるように湾曲した長尺の中空箱型を呈する。架台フレーム１００（図２、図６等参照）の適所に固定されるブラケット３０を介して、コース２７を装架することができる。この場合、コース２７は回転軸３１を介して鉛直軸まわりに回転可能に支持される。コース２７の内側には少なくとも相互に対向する平滑な内側面と平滑な底面とを有し、これらの内側面及び底面がガイドローラ２９等に対するガイド面として機能する。コース２７の中空内部にスライダ２８及び複数のガイドローラ２９等の部材が収容され、それらが脱落しないようにするためにコース２７の両端にはストッパ３２が付設される。

上記に加えて、ガイドローラ２９あるいはベアリングローラ３３等の基本構成は、直線型のスライダ機構を持つ水平免荷装置１２Ａと実質的に同様である。
また、装置動作に関して、コース２７は、架台フレーム１００の任意位置で回転軸３１を介して鉛直軸まわりに回転可能であり、図８の矢印Ｐのように回転軸３１のまわりに水平面上で旋回することができる。また、スライダ２８がガイドローラ２９等によりガイドされながらコース２７内でスライドすることで、スライダ２８の下方に支持された上肢自重能動免荷装置１１は図８の矢印Ｓのようにスライドして、水平移動することができる。この場合、上肢自重能動免荷装置１１は更に、ベース板１３に対して筐体１４が回転軸１５（図４参照）を介して鉛直軸まわりに回転可能であり、図８の矢印Ｔのように回転軸１５のまわりに回転することができるようになっている。

湾曲型のスライダ機構を持つ水平免荷装置１２Ａでは特に、その湾曲曲線の半径及び角度が重要である。湾曲型を設計するにあたり、スライダ２８の部品本体の回転を防ぐためにガイドローラ２９が曲がり切らなければならない。従って、図１０のような方法でその曲線の半径を求める。この半径を決定するに当たり、コース２７の内側面とスライダ１８本体が最接近する場面を想定して計算を行った。図１０におけるＡ，ｒ，ｂは設計の段階で決定しているので既知の数値となる。また、ｘは導入値であり、安全面を考慮してｘ＝３．５（ｍｍ）とする。この結果、小径円の半径を５２（ｍｍ）、大径円の半径を１７２（ｍｍ）とするのが好適である。

また、曲線の角度は、動作上の死点をつくらないためには、上肢自重能動免荷装置１１の回転軸１５と水平免荷装置１２Ａの回転軸３１とが重なったとき、ガイドローラ２９が不安定である必要がある。本実施形態において、当該曲線の中心角度は図１１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように４５°が好適である。

この点につき、湾曲曲線の円弧の中心角を決定する上で、ガイドローラ２９を不安定にするために、回転軸１５及び回転軸３１が重なったときにガイドローラ２９がその円弧の角度の中間地点を超えず且つその中間地点付近で正接している状態になるようにする。図１１の場合の他に円弧の中心が変わる角度を３０°、４０°、５０°及び６０°として、図１２（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれの角度で回転軸が重なったときの装置を上から見た図である。それぞれの角度で比較すると、４５°のとき２１．２°と中間地点を超えずに中間地点により近づいた。従って、円弧の中心角は図１１に示したように４５°とする。

第１の実施形態の訓練装置１０は上記のように構成され、架台フレーム１００に搭載された訓練装置１０の実使用において、図１３（Ａ）のようにワイヤ１の下端には上肢を乗せてこれを支持するための支持バンド２が付設される。被験者は図１３（Ｂ）のように支持バンド２に上肢を乗せて、所定のプログラムあるいはメニューに従って、上肢の回復訓練を行う。その際、最も基本的な態様として、上肢自重能動免荷装置１１は主に鉛直方向についての免荷機能を奏し、被験者は高効率に回復訓練を行うことができる。

訓練状況に応じて、図５に示したようにワイヤ１を斜め方向の位置で鉛直免荷を行うときに水平方向の力が発生する場合がある。ワイヤ１からの張力に付勢された上肢自重能動免荷装置１１が回転軸１５のまわりに回転すると共に、水平免荷装置１２Ａのコース２７も回転軸３１のまわりに旋回する。更に、上肢自重能動免荷装置１１は、コース２７内のスライダ機構を介して水平免荷装置１２Ａの下方で、ワイヤ１の張力方向に水平移動する。このように上肢自重能動免荷装置１１を水平移動させることで、ワイヤ１が鉛直状態に維持される。上肢自重能動免荷装置１１による鉛直方向の免荷機能に加えて、水平免荷装置１２Ａにより上肢自重能動免荷装置１１を水平移動させて水平免荷機能を奏し、これらの機能により極めて高い効率で質の良い回復訓練を実施することができる。

この場合、図１４に示されるように上肢自重能動免荷装置１１の回転軸１５と水平免荷装置１２Ａの回転軸３１とが重なっても、訓練装置１０の円滑作動が確保され、訓練中に適正な免荷機能が保証される。

（第２の実施形態）
次に、本発明による訓練装置における第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態の場合と実質的に同一又は対応する部材には同一符号を用いて説明する。図１５（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る訓練装置１０全体を模式的に示している。この訓練装置１０は、上肢自重能動免荷装置１１とこれに付帯する水平免荷装置１２Ｂとを備え、上肢自重能動免荷装置１１は主に鉛直方向についての免荷機能を有し、また水平免荷装置１２Ｂは主に水平方向についての免荷機能を有する。

上肢自重能動免荷装置１１の基本的構成及びその作用等については、第１の実施形態の場合と同様であり、ここではその説明を省略する。上肢自重能動免荷装置１１の基本的機能として被験者の上肢上下運動を補助し、この場合、第２の実施形態では第１の実施形態の場合と反対にワイヤ１が上肢自重能動免荷装置１１の上方に引き出される。

図１５（Ａ）において、訓練装置１０が設置される床２００等に固定支柱３４が立設され、固定支柱３４の上部に上肢自重能動免荷装置１１が固定される。上肢自重能動免荷装置１１には水平免荷装置１２Ｂが付帯して配置される。水平免荷装置１２Ｂにおいて、固定支柱３４の上部には回転関節を介して、鉛直方向に延びる可動支柱３５が鉛直軸のまわりに回転可能（図１５（Ａ）、矢印Ｔ）に支持される。可動支柱３５の上端部からアーム３６が水平方向に延出し、アーム３６は固定支柱３４、即ち鉛直軸のまわりに旋回可能（図１５（Ａ）、矢印Ｐ）である。このように水平免荷装置１２Ｂは旋回機構を持つ。

固定支柱３４及び可動支柱３５に沿って、図１５（Ｂ）のＡ部、Ｂ部、Ｃ部、Ｄ部、Ｅ部及びＦ部において複数のプーリが配設され、これらのプーリによりワイヤ１及び後述するアイドルワイヤ３７が張架される。
Ａ部において図１６（Ａ）のようにワイヤ１（基端側）の上肢自重能動免荷装置１１からの引出し部付近にプーリ３８が可動支柱３５に固定支持される。上肢自重能動免荷装置１１から引き出されたワイヤ１は、プーリ３８を通って上方へ延びる。
Ｂ部において図１６（Ｂ）のように可動支柱３５の途中に、ワイヤ１及びアイドルワイヤ３７の連結用のプーリ３９が浮動可能に配設される。ワイヤ１はプーリ３９に係着し、プーリ３９に巻回されたアイドルワイヤ３７は可動支柱３５に沿って上方へ延びる。

ここで、アイドルワイヤ３７は無端ループ状に構成され、そのループの一端側がプーリ３９に巻回される。アイドルワイヤ３７はプーリ３９から、後述するようにアーム３６の先端まで延設される。
Ｃ部において図１６（Ｃ）のように可動支柱３５の上端部に、一対のプーリ４０が固定支持される。ループを形成するアイドルワイヤ３７はそれぞれ、各プーリ４０を通ってアーム３６に沿って延出する。
Ｄ部においてアーム３６の先端にプーリ４１が固定支持され、このプーリ４１にアイドルワイヤ３７のループの他端側が巻回される。

Ｅ部において、即ちアーム３６の途中に図１６（Ｄ）にも示すように、水平スライダ機構を構成する水平スライダ４２が配置される。水平スライダ４２は図１７に示すようにアーム３６との間で凹凸構造式に係合し、アーム３６の下側でその長手方向に沿ってスライド移動可能（図１５（Ｂ）、矢印Ｓ）である。
水平スライダ４２には一対のプーリ４３が固定支持され、ループを形成する一方のアイドルワイヤ３７が、各プーリ４３を通って下方へ延出する。
Ｆ部において、プーリ４３から垂下されたアイドルワイヤ３７の先端（下端）には、図１６（Ｄ）にも示すようにプーリ４４に巻回される。プーリ４４にはワイヤ１（先端側）が係着し、ワイヤ１の下端には第１の実施形態の場合と同様に、上肢を乗せてこれを支持するための支持バンド２が付設される。
ワイヤ１下端の上下動をより良く鉛直方向に保証する場合、水平スライダ４２に図１８（Ａ），（Ｂ）のように上下スライダ４５を水平方向と垂直するように設置する。上下スライダ４５の下端にワイヤ１の下端（又はプーリ４４の回転軸）を固定する。

回転エンコーダを用いて、図１９のように可動支柱３５の上端部にアーム３６の旋回変位センサ８０と、図２０のように上下スライダ４５の下端に支持されたプーリ４４の回転軸と繋がた水平スライダ４２の水平変位センサ８１（図２１（Ａ），（Ｂ）をも参照）を設置する。これらの変位センサと、上肢自重能動免荷装置１１にあるサーボモータ１８に具備した回転エンコーダによるプーリ４４の上下変位センサ８２（図４参照）とを合わせて、前腕の位置センシングシステムを構成する。

第２の実施形態の訓練装置１０は上記のように構成され、架台フレーム１００に搭載された訓練装置１０の実使用において、被験者は支持バンド２に上肢を乗せて、所定のプログラムあるいはメニューに従って、上肢の回復訓練を行う。被験者が上肢を上下動する際、アイドルワイヤ３７の長さ（周長）は一定であるため、水平スライダ４２から垂下されたアイドルワイヤ３７の長さ変化は、そのままプーリ３９の上下動距離、即ちワイヤ１（基端側）の長さ変化となる。上肢自重能動免荷装置１１は基本的な態様として、鉛直方向についての免荷機能を奏し、被験者は高効率に回復訓練を行うことができる。

訓練状況に応じて、ワイヤ１を斜め方向の位置で鉛直免荷を行うときに水平方向の力が発生する場合がある。この際、水平免荷装置１２Ｂにおいてワイヤ１（先端側）からの張力（上下スライダ４５が設置される場合は上下スライダ４５と共）に付勢されたアーム３６が可動支柱３５のまわりに旋回すると共に、水平スライダ４２がアーム３６に沿ってワイヤ１の張力方向に水平移動する。このように水平スライダ４２を水平移動させることで、ワイヤ１が鉛直状態に維持される。その上、上下スライダ４５が設置される場合、水平スライダ４２から支持された上下スライダ４５の下端にワイヤ１の下端（又はプーリ４４の回転軸）を固定することで、恒に鉛直方向に上下動を行うことが保証できる。更に、旋回変位センサ８０、水平変位センサ８１と上下変位センサ８２を用いて、前記前腕の位置と位置変位をセンシングできる。上肢自重能動免荷装置１１による鉛直方向の免荷機能に加えて、水平免荷装置１２Ｂにより水平免荷機能を奏し、これらの機能により極めて高い効率で質の良い回復訓練を実施することができる。

第２の実施形態の訓練装置１０では特に、上肢自重能動免荷装置１１が固定支柱３４に固定され、つまり装置動作における可動部分は実質的に水平免荷装置１２Ｂのアーム３６及び水平スライダ４２（又は水平スライダ４２と上下スライダ４５）である。装置動作における慣性質量を小さくでき、初動時を始めとしてその後の装置動作の円滑且つ的確性をより向上することができる。

ここで、上述した本発明に係る水平免荷装置１２Ａ及び水平免荷装置１２Ｂは、受動免荷訓練装置にも適用することができる。この場合、特に上肢自重能動免荷装置１１に代わって、バネ定数が一定又は可変としたバネ、あるいはバネ免荷式モータを代替使用し、これにより受動免荷の訓練装置１０が構成される。
この訓練装置１０の場合においても、受動的ではあるが、被験者の上肢自重を軽減・キャンセルすることで、上記実施形態の場合と同様に被験者はより高効率でより多くの回数の回復訓練を行うことができる。
なお、上肢の訓練内容により旋回機構の旋回角度がゼロか相当小さいとき、第１又は第２の実施形態における旋回機構の旋回関節に、止まり機構（例えば止まりネジ機構）を設けて、旋回を止めて訓練を行うこともできる。

（第３の実施形態）
次に、本発明による訓練装置１０における第３の実施形態について説明する。第３の実施形態において訓練装置１０には後述する前腕回転誘発・筋力補助装置が付帯する。ここで、リハビリテーションの目的は日常生活が送れるようにするものである。日常動作において、食事、歯磨き及び顔を洗う等の行為は顔まで手を挙げることが多い。更に、顔を洗う等の動作では手を顔まで持ってくる際、手のひらを顔に向けるため前腕の回旋動作、即ち特に回内及び回外動作が必要になってくる。そのため腕の回内及び回外動作のリハビリテーションも必要になってくる。そこで、前腕の筋力が十分でないと回内及び回外動作ができないので、目標回旋動作の誘発と患者の意志に沿って回旋アシストを行う必要もある。

そこで、第３の実施形態では特に、前腕の回旋動作に含まれる回内・回外動作、前腕の回旋アシスト、前腕の回旋伸張反射、前腕の目標回旋動作の誘発、前腕姿勢に対する適応性及び安全性等の要求仕様に対応すべく、訓練装置１０に更なる機能が付加され、即ち前腕回転筋力補助装置を備える。

図２２は、本実施形態における前腕回転誘発・筋力補助装置５０を示している。本装置は前腕の姿勢に適応することができるようになっている。前腕回転筋力補助装置５０は、上肢自重能動免荷装置１１側のワイヤ１が固定された支持ピン５１を介して、装置全体が支持される。ここで図２３は、第３の実施形態に係る前腕回転誘発・筋力補助装置５０を備えた訓練装置１０を示す。なお、この例では前述した第２の実施形態に係る旋回変位センサ８０、水平変位センサ８１及び上下変位センサ８２を含んで構成される前腕の位置センシングシステムが適用される。
前腕回転誘発・筋力補助装置５０において、ピン５１は、上肢自重能動免荷装置１１から延設された支持具５２に対してベアリング５３を介して、鉛直軸Ｖのまわりに回転可能である。ピン５１の下部には懸架フレーム５４が固着支持され、懸架フレーム５４も鉛直軸Ｖのまわりに回転可能である。懸架フレーム５４は概して円弧（半円）もしくは門型状を呈し、円弧状等の場合図示のように上部に段部５４ａが突設される。

懸架フレーム５４の両下端部にはベアリング５６が装着され、このベアリング５６を介してガイドフレーム５５が、水平軸Ｈのまわりに回転可能に支持される。ガイドフレーム５５は円環状もしくはリング状に形成され、その内側に内輪５７を回転可能に収容支持する。ガイドフレーム５５にはその円周方向に沿って所定間隔で複数のベアリング５８が装着され、各ベアリング５８の外輪がガイドフレーム５５の内周面から適度に突出する。内輪５７は図２４に示されるようにリング状を呈して形成され、その外周面に沿ってガイド溝５７ａが形成されている。このガイド溝５７ａには上記のようにガイドフレーム５５の内周面から突出するベアリング５８の外輪が係合する。即ち、ベアリング５８がガイド溝５７ａ上を相対的に走行移動することで、内輪５７が回転自在である。

内輪５７には概して筒状の前腕ホルダ５９が内嵌し、内輪５７に一体的に固定される。前腕ホルダ５９は被験者の前腕を固定保持するものであり、図２５にも示されるように内部に挿入された被験者の前腕ｍを両側から押圧して固定する一対の固定板６０を有している。上記のように被験者の前腕を鉛直軸Ｖ及び水平軸Ｈのまわりに回転可能に支持する回転支持機構を備えると共に、内輪５７を介して前腕の回内及び回外動作を可能にする前腕保持機構を有する。

固定板６０にはアジャストスクリュー６１が略直交方向に取り付けられ、一方、前腕ホルダ５９にはアジャストスクリュー６１と螺合するローレットナット６２が回転自在に装着される。なお、固定板６０の内側面には、図２６のようにアジャストスクリュー６１のスクリューヘッド６１ａ突出しないように座ぐり等を設けるとよい。

ローレットナット６２を回転することで、アジャストスクリュー６１を介して、固定板６０が前腕ホルダ５９の略径方向に進退し、一対の固定板６０が被験者の前腕ｍを両側から押圧固定する。この場合、ローレットナット６２の回転量を適宜調節して、固定板６０の前腕ｍに対する押圧力を最適に設定することができる。

上記の場合、固定板６０にアジャストスクリュー６１と平行なガイドロッド６３が取り付けられる。このガイドロッド６３を付設することにより、固定板６０が回転することなく進退するようにしている。
また、図２６に示されるように固定板６０の所定の角部には、切欠６０ａが設けられている。ここで、図２７に示されるように前腕ｍの手首には尺骨茎状突起ｍ₁がある。切欠６０ａを設けることで固定板６０が尺骨茎状突起ｍ₁に当たるのを避け、これにより固定板５９が前腕ｍを適正且つ安定して固定することができる。
更に、固定板６０の内側面（前腕ｍ側）にパッド６４を貼着するとよい。パッド６４により被験者に不快感を与えることなく、前腕を適正に押圧固定することができる。

前腕ホルダ５９は内輪５７を介して、ガイドフレーム５５の内側で回転可能に保持される。本実施形態では前腕ホルダ５９は、前腕の回転を補助すべくモータにより回転付勢されるようになっている。ガイドフレーム５５の上部には図２２に示されるようにアシストモータ６５が搭載される。なお、アシストモータ６５として、エンコーダを付帯して持つステッピングモータ等で構成される。アシストモータ６５の出力軸６５ａにはタイミングプーリ６６が取り付けられ、このタイミングプーリ６６と前腕ホルダ５９とがタイミングベルト６７により連結される。前腕ホルダ５９の前端部において、図２４のように周方向に沿ってタイミングベルト６７と噛合する歯６８が刻設されている。このようにタイミングプーリ６６及び前腕ホルダ５９間に巻回されたタイミングベルト６７を介して、アシストモータ６５の駆動力で前腕ホルダ５９を回転付勢する回転付勢機構を有する。

本実施形態における前腕の回転補助方法として、被験者の回内及び回外動作の力量を検出する歪拡大機構を有し、この歪拡大機構に歪ゲージが用いられる。具体的な構成例として図２８〜図３０を参照して、タイミングプーリ６６にはアシストモータ６５の出力軸６５ａと平行にピン６９が植設され、このピン６９の先端と出力軸６５ａとの間が歪拡大メカニズム７０により連結される。歪拡大メカニズム７０において一対の歪ゲージ７１が用いられ、麻痺患者が出す微小な力でも精確に検出することができる。即ち、図３０の矢印のように軸回転力が作用することで、一対の歪ゲージ７１のうち一方が伸長すると共に他方が収縮する。歪ゲージ７１の検出信号は、装置に搭載されたＣＰＵへ送出され、ＣＰＵはその検出信号を処理して、アシストモータ６５に対して駆動信号を送出するようになっている。

アシストモータ６５のアシスト制御は、エンコーダを用いて行われる。この場合、前腕の回転のアシストするにあたりエンコーダのカウントデータを用いて前腕が回転した方向と同一方向に回転するように制御される。この制御において、計測された被験者の力量に対して仮想的に設定した慣性、粘性及び弾性を満たすように制御目標角速度が導出、設定される。

前腕回転誘発・筋力補助装置５０には作動上の安全装置が付設される。この安全装置は、回転支持機構の回転軸まわりの回転量を規制する。図３１に示すように懸架フレーム５４の段部５４ａにはベアリング５３に隣接して、支持具５２に当接可能なピン７２が植設される。装置の作動時、ピン７２が支持具５２に当接することで、懸架フレーム５４、従って前腕回転筋力補助装置５０が回転軸である鉛直軸Ｖのまわりに所定角度以上回転するのを規制する。

また、図３２に示すようにガイドフレーム５５にはベアリング５６を囲繞するようにストッパ７３が取り付けられる。装置の作動時、ストッパ７３が懸架フレーム５４に当接することで、ガイドフレーム５５が回転軸である水平軸Ｈのまわりに所定角度以上回転するのを規制する。

本発明の前腕回転誘発・筋力補助装置５０は上記のように構成されており、次のその主な作用等について説明する。
本実施形態に係る被験者のリハビリテーションでは、共同運動を分離してから随意複合運動（協調運動）の訓練をする必要がある。本実施形態のリハビリテーションでは、共同運動の分離はできており随意複合運動の訓練をする被験者を対象とする。
本実施形態における回復訓練の要求仕様は以下の通りとする。
１）上肢の上下運動ができる
２）前腕の回内・回外ができる
３）随意複合運動の訓練ができる
４）前腕の回旋伸張反射による目標回内・回外の誘発ができる
５）患者さんの意志に沿ってアシストする
６）リハビリと同時に評価もできる
７）安全にリハビリが行える

本実施形態における片麻痺上肢複合運動機能回復訓練では、上記要求仕様よりリハビリテーション方法を考案し、その典型的な一例を示す。図３３は、リハビリテーションの流れの例を示し、図３３（Ａ）において被験者Ｍは机の手前に手を置き、図３３（Ｂ）において机の奥に置いてある棒の上端に手を置き、図３３（Ｃ）においてく顔の前に手を移動する。この動作が所定回数繰り返される。

上記リハビリテーションにおいて、前腕回転誘発・筋力補助装置５０は懸架フレーム５４が鉛直軸Ｖのまわりに回転可能であり、ガイドフレーム５５が水平軸Ｈのまわりに回転可能である。従って、被験者は、回転支持機構により支持された前腕ホルダ５９を介して、リハビリテーションの動作中に前腕の姿勢に有効に適応することができ、前腕を円滑に移動することができる。
前腕回転誘発・筋力補助装置５０は被験者が前腕の目標回旋の逆方向に他動的にアシストモータ６５が作動し、前腕ホルダ５９をその逆方向に急加速に回転させることで前腕の回旋伸張反射を引起して、目標の回内又は回外動作を適正に誘発することができる。

また、前腕回転誘発・筋力補助装置５０は被験者が前腕の回内及び回外動作を行う際、前腕ホルダ５９からタイミングプーリ６６を介して、被験者が出す微小な力量が歪ゲージ７１で検出される。その検出信号に基づきアシストモータ６５が作動し、前腕ホルダ５９を所定方向に回転させることで前腕の回転を適正にアシストすることができる。
更に、前腕回転誘発・筋力補助装置５０の作動時、安全装置により必要以上の動作が規制されることで、リハビリテーションにおける高い安全性が確保される。
このように本発明によれば、前腕回転筋力補助装置５０を備えることにより訓練装置１０の機能性が向上され、より効果的なリハビリテーションを実現することができる。

以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
本発明の上記各実施形態におけるスライダ機構のガイドローラ２９やベアリングローラ３３等の数量等は必要に応じて増減変更することができ、上記各実施形態と同様に本発明を適用可能である。

１ ワイヤ、２ 支持バンド、１０ 訓練装置、１１ 上肢自重能動免荷装置、１２Ａ，１２Ｂ 水平免荷装置、１３ ベース板、１４ 筐体、１５ 回転軸、１６ 上板、１７
側板、１８ サーボモータ、１９ 軸受部、２０ アーム、２１ 軸受部、２２ プーリ、２３ タイミングベルト、２４ 鉛直部、２５ 支持部、２６ 歪みゲージ、２７ コース、２８ スライダ、２９ ガイドローラ、３１ 回転軸、３２ ストッパ、３３ ベアリングローラ、３４ 固定支柱、３５ 可動支柱、３６ アーム、３７ アイドルワイヤ、３８，３９，４０，４１，４３，４４ プーリ、４２ 水平スライダ、４５ 上下スライダ、５０ 前腕回転誘発・筋力補助装置、５１ 支持ピン、５２ 支持具、５３ ベアリング、５４ 懸架フレーム、５５ ガイドフレーム、５６ ベアリング、５７ 内輪、５８ ベアリング、５９ 前腕ホルダ、６０ 固定板、６１ アジャストスクリュー、６２ ローレットナット、６３ ガイドロッド、６４ パッド、６５ アシストモータ、６６ タイミングプーリ、６７ タイミングベルト、６８ 歯、６９ ピン、７０ 歪拡大メカニズム、７１ 歪ゲージ、７２ ピン、７３ ストッパ、８０ 旋回変位センサ、８１ 水平変位センサ、８２ 上下変位センサ、１００ 架台フレーム、２００ 床。

Claims (9)

1. 被験者の上肢を吊下支持し、その上肢の自重を免荷するように被験者が前記上肢の回復訓練を実施するのを補助する訓練装置において、
   前記上肢に対する鉛直方向の免荷機能を有する上肢自重能動免荷装置と、これに付帯して前記上肢に対する水平方向の免荷機能を有する水平免荷装置とを備え、
   前記上肢自重能動免荷装置は前記上肢の動きに合せて、前記上肢を支持するワイヤの巻取り及び繰出しを仮想コンプライアンス制御するように構成され、
   前記水平免荷装置は、前記上肢の水平方向移動に追従して前記ワイヤが鉛直状態を維持するように、前記上肢自重能動免荷装置を、又は前記水平免荷装置自体を水平移動させて水平免荷することを特徴とする無水平負荷式上肢自重免荷訓練装置。
2. 前記水平免荷装置は旋回機構と水平スライダ機構を具備し、これらの機構を介して前記上肢自重能動免荷装置を支持すると共に、前記ワイヤの張力に基づき前記上肢自重能動免荷装置を水平移動させることを特徴とする請求項１に記載の無水平負荷式上肢自重免荷訓練装置。
3. 前記水平免荷装置は旋回機構と水平スライダ機構を具備し、これらの機構を介して前記ワイヤの張力に基づき、前記水平スライダ機構に固定される上下スライダ機構と共に当該水平免荷装置自体が水平移動することを特徴とする請求項１に記載の無水平負荷式上肢自重免荷訓練装置。
4. 被験者の上肢を吊下支持し、その上肢の自重を免荷するように被験者が前記上肢の回復訓練を実施するのを補助する訓練装置において、
   バネ定数が一定又は可変なバネあるいはバネ免荷式モータを含んでなる、前記上肢に対する鉛直方向の免荷機能を有する上肢自重受動免荷装置と、これに付帯して前記上肢に対する水平方向の免荷機能を有する水平免荷装置とを備え、
   前記水平免荷装置は、前記上肢の水平方向移動に追従して前記上肢を支持するワイヤが鉛直状態を維持するように、前記上肢自重能動免荷装置を、又は前記水平免荷装置自体を水平移動させて水平免荷することを特徴とする無水平負荷式上肢自重免荷訓練装置。
5. 被験者の前記上肢が前腕回転誘発・筋力補助装置を介して吊下支持され、
   前記上下スライダ機構に吊下支持される前記前腕回転誘発・筋力補助装置は、
   被験者の前腕を鉛直軸及び水平軸のまわりに回転可能に支持する回転支持機構と、
   前記回転支持機構により支持されると共に、前記前腕を回旋動作可能に保持する前腕保持機構と、
   被験者の回旋動作を誘発・アシストするように前記前腕を回転付勢する回転付勢機構と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の無水平負荷式上肢自重免荷訓練装置。
6. 被験者の回内及び回外動作を検出する歪拡大機構を備え、
   前記回転付勢機構は、前記歪拡大機構の検出信号に基づき被験者の前記前腕を回転付勢することを特徴とする請求項５に記載の無水平負荷式上肢自重免荷訓練装置。
7. 前記回転支持機構の回転軸まわりの回転量を規制する安全装置を備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の無水平負荷式上肢自重免荷訓練装置。
8. 被験者の前記前腕の回旋動作として、回内及び回外動作を含むことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の無水平負荷式上肢自重免荷訓練装置。
9. 被験者の前腕の位置を検出するための旋回変位センサ、水平変位センサ及び上下変位センサを具備し、これらのセンサを介して回復訓練中の前記前腕の位置と位置変位をセンシングすることを特徴とする請求項１に記載の無水平負荷式上肢自重免荷訓練装置。