JPH08196585A - 膝関節用連続他動運動装置 - Google Patents

膝関節用連続他動運動装置

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JPH08196585A
JPH08196585A JP7030118A JP3011895A JPH08196585A JP H08196585 A JPH08196585 A JP H08196585A JP 7030118 A JP7030118 A JP 7030118A JP 3011895 A JP3011895 A JP 3011895A JP H08196585 A JPH08196585 A JP H08196585A
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force
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knee joint
motion
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JP7030118A
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Yasuyuki Inoue
康之 井上
Masashi Kondo
正志 近藤
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Yaskawa Electric Corp
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Yaskawa Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】従来の膝関節用CPM装置のうっ血を起こしや
すい、単自由度で無理な力が作用するおそれがある、関
節角が正確に求まらない等の問題を解決する。 【構成】大腿部に力を印加し運動を誘起する回転運動機
構100と、下腿部を支持するととも平面内での下腿部
の位置及び姿勢を自在に制御可能な多自由度の運動機構
110とを備えたことを特徴とする膝関節用連続他動運
動装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、手術前後または他の障
害により、関節部が拘縮をおこし、またはそのおそれが
ある場合にその改善を目的として用いる連続他動運動装
置(CPM装置)に関し、特に膝関節に適用されるもの
に関する。
【0002】
【従来の技術】人体の関節部が手術または損傷を受けた
場合、従来の治療法では、ギブス等により保護、固定し
ていた。その結果、関節の動きが悪くなる拘縮という症
状を引き起こし、その後は長い間のリハビリテーション
によりその症状を改善させていた。その治療法に代わる
新しい治療法が1980年カナダのサルター教授により
提案され、その効果が次第に明らかになって来ている。
その治療方式は受傷直後、または手術前後から対象とな
る関節を長時間、受動的に動かすもので、回復期間を著
しく短縮する効果がある。その治療方式を機械を用いて
実現する方法がいくつか提案されている。その1つが特
表平4−506610「人体の下肢に連続受動運動を付
与する装置」である。この装置は図3のような装置を用
いて座姿勢、または仰臥姿勢で脚を前後に動かし、ひざ
関節の開閉運動を誘起するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところが上記装置では
大腿部、下腿部がひざより下に位置するため、うっ血を
おこすことがあった。また、この装置では機構の1自由
度でひざの1自由度を動かす方式であるため、回転中心
が膝の回転中心に一致しないと脚に無理な力がかかる恐
れがあった。そこで本発明は、うっ血をおこすことがな
く、かつ脚に無理な力がかかる恐れのない装置を提供す
ることを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、膝関節用連続
他動運動装置において、大腿部に力を印加し運動を誘起
する回転運動機構と、下腿部を支持するととも平面内で
の下腿部の位置及び姿勢を自在に制御可能な多自由度の
運動機構とを備えたことを特徴とするものである。
【0005】
【作用】上記手段により、治療時に脚全体が胴体より上
部に位置し、また下腿部がひざより上部に位置するよう
運動させることが可能であるため、脚部のうっ血をおこ
さない。
【0006】
【実施例】本発明の他動運動装置を図1に示す。100
は大腿部に力を印加し脚全体の運動を誘起する第1アー
ム部である。110は下腿部を支持するとともに脚を伸
ばす方向の補助的力を発生させる第2アーム部である。
第1アームにおいて101はモータにより駆動される能
動軸、103は検出器を内蔵したフリー関節である。第
1アームは大腿部の回転運動とアームの回転運動中心が
異なるため、接触部で滑り並びに接触面のすきまが発生
するおそれがある。102、103はその現象に対応す
るための機構である。すなわち、第1アームの動きに応
じて生じる機構部と大腿部のすべり摩擦の障害を102
のローラによって回避し、また接触面すきまができない
よう103の関節で調整できるように構成している。第
2アームも脚部の3次元運動に対応するような3自由度
機構を有する。111、112はモータを有する能動関
節、113はフリー関節であり、以上3つの関節によ
り、平面内の3自由度の運動が可能になる。力フィード
バック制御を行う場合には、大腿部から第1アームに作
用する力の検出を行う第1力検出器104と、下腿部か
ら第2アームに作用する力の検出を行う第2力検出器1
14とを設ける。CPM治療を受ける患者は図1に示す
ように大腿部を第1アームの支持部、下腿部を第2アー
ムの支持部にとりつける。第1アームは大腿部に接触さ
せ、第2アームは患者の脚に治具等で固定する。患者の
脚は第1アームから加えられる力により動かされ、その
動きに従って下腿部と第2アームがともに連動する。そ
のとき下腿部の運動を調節することによって、患者のひ
ざ関節が屈曲するようにそれぞれの協調を取りながら、
アームの運動を行わせることができる。力検出をフィー
ドバックし協調作業を行う場合には、104、114の
力検出器信号をもとに制御演算を行い、それぞれ第1ア
ーム、第2アームの運動を制御する。
【0007】図2に力制御としてインピーダンス制御を
利用した本発明の制御ブロック図の一例を示す。本図に
は力制御としてインピーダンス制御を利用した制御方法
を示す。400は第1アームの機構部、410は第2ア
ームの機構部、420、430はインピーダンス制御コ
ントローラである。ここでは、第1アーム、第2アーム
ともにインピーダンス制御を行うものとする。第1アー
ムは能動自由度を1自由度有している。従って、インピ
ーダンス制御の自由度は1自由度であり次式により制御
が行われる。 Fs =Mαs +BVs +K(θ−θ0 )…(1) ここで、各記号は次の意味である。 Fs :大腿部と第1アーム間に作用する力 M,B,K:目標インピーダンス θ:第1アーム駆動軸の角度 θ0 :第1アームのバネ剛性の平衡点 Vs :第1アーム駆動軸の角速度(角度θの微分値) αs :第1アーム駆動軸の角加速度(角度θの2回微分
値) 制御方法は404、422の力センサフィードバックを
もとに(1)式を満足するよう422のインピーダンス
制御部でモーションの指令を生成し、その指令をもとに
423のサーボアンプによりモータの駆動を行う。
【0008】患者のひざの位置は第1アームのθおよび
フリー関節の角度により一意に決まるため、第2アーム
は2自由度をアクティブに1自由度をパッシブに定める
ことによって、ひざ角が決定される。すなはち、第2ア
ームは2自由度だけを能動的に制御すれば良いことにな
る。従って、第2アームのインピーダンス制御は次式に
より制御を行えば良い。 Fx =Mαx +BVx +K(x−x0 )…(2) ここで、各記号は次の意味である。 Fx :下腿部と第2アーム間に作用する力(x方向とy
方向の2自由度ベクトル) M,B,K:目標インピーダンス x:第2アームフリー関節の位置(x、y) x0 :xのバネ剛性の平衡点 Vx :xの微分値 αx :xの2回微分値 制御方法は第1アームと同様に431〜434で行う。
【0009】次に、ひざ関節の運動制御方法に関して述
べる。最初にひざ関節を閉じる場合について説明を行
う。ひざ関節を閉じる時には、大腿部、下腿部ともに体
に引き寄せる方向(θを増加する方向)に運動を行う。
そのとき、アームの運動と力の印加はインピーダンス制
御の平衡点を動かすことにより実現する。インピーダン
スの設定は、力を大きく印加する第1アームは堅く、ひ
ざに無理な力がかからないように第2アームは柔らかく
設定される。脚を動かす力は主に第1アームにより発生
される。その場合、(1)式の平衡点θ0 は大腿部を押
す方向に取られる。すなはち、大腿部と第1アームの接
触点よりも大きい値がつねにθ0 にセットされる。第2
アームの平衡点は目標とするひざ関節角度を実現するよ
う、演算もしくはティーチングにより400のポイント
(x)が決められる。演算で求める場合には脚の長さの
パラメータ、アームの位置検出器(第1アームの角度検
出器401、403および第2アームの角度検出器41
1、412)のデータをもとに計算を行う。第2アーム
のインピーダンスは比較的柔らかく設定されるため、演
算のズレはインピーダンス制御の柔らかさにより吸収さ
れる。ティーチングで求める場合には(1)(2)式の
バネ定数を零もしくは小さく設定した状態で患者の脚を
動かし、その時の軌跡をメモリに記憶する。
【0010】次に、ひざを開く場合について述べる。ひ
ざ関節を開く場合には、閉じる場合と逆方向のアームの
運動を行うことで実現できる。このとき、第1アームは
ひざ角θを小さくする方向に動かすことで自然に脚の移
動が起こる。関節に拘縮(関節が)がおき、動きにくい
時は、第2アームで軽く引っ張り力を発生することで確
実に膝関節の運動を行うことができる。ひざを開く場合
にも閉じる場合と同様な方法でひざ関節の角度の制御を
行う。
【0011】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の装置によれ
ば、治療時に脚全体が胴体より上部に位置し、また下腿
部がひざより上部に位置するよう運動させることが可能
であるため、脚部のうっ血をおこさない治療方法が可能
になる。また、ひざの運動を誘起するための脚の支持点
を、大腿部並びに下腿部に分けたため、ひざの運動をお
こす際にひざ関節部に無理な力が作用するおそれが小さ
くなる。さらに、2点の支持を行っているため、治療を
行う際の重要な指標である患者の関節角度を、演算によ
り求めることが容易であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の機構例を示す図
【図2】本発明の実施例を示す図
【図3】従来の機構例を示す図
【符号の説明】
100…第1アーム部 101…能動軸 102…ローラ 103,113…フリー関節 104…第1力検出器 110…第2アーム部 111,112…能動関節 114…第2力検出器

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 膝関節用連続他動運動装置において、 大腿部に力を印加し運動を誘起する回転運動機構と、 下腿部を支持するととも平面内での下腿部の位置及び姿
    勢を自在に制御可能な多自由度の運動機構とを備えたこ
    とを特徴とする膝関節用連続他動運動装置。
  2. 【請求項2】 前記回転運動機構または前記多自由度の
    運動機構と、人間の肢体の間に作用する力を計測する力
    センサを前記機構の人体に接触する近傍に設け、その検
    出した力をフィードバックし、前記転運動機構または前
    記多自由度の運動機構の駆動力の制御を行うことを特徴
    とした請求項1記載の膝関節用連続他動運動装置。
JP03011895A 1995-01-25 1995-01-25 膝関節用連続他動運動装置 Expired - Fee Related JP3585055B2 (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10192350A (ja) * 1997-01-10 1998-07-28 Yaskawa Electric Corp 肢体駆動装置の制御装置
KR20030077101A (ko) * 2002-03-25 2003-10-01 왕요 관절 치료기
EP2583656A2 (en) 2011-10-20 2013-04-24 Debreceni Egyetem Continuous passive motion device for treatment of the knee joint

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JPH10192350A (ja) * 1997-01-10 1998-07-28 Yaskawa Electric Corp 肢体駆動装置の制御装置
KR20030077101A (ko) * 2002-03-25 2003-10-01 왕요 관절 치료기
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