JPH0898853A - 義肢の筋電気制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、その時々の電極信号の電圧を測定
し、それを制御装置に供給して、電動モ−タで作動する
義肢、特に義手を筋電気で比例制御する方法を提供する
ことを目的とする。 【構成】ａ）駆動モ−タに関連し、かつその時々に所定
の電極電圧によって定められる種々の回転数目標値か
ら、その時々に測定された電極電圧に関連する回転目標
値を検出し、ｂ）回転目標値を、モ−タの測定された実
際の回転数と比較し、それを制御差として比例積分制御
装置に供給し、ｃ）ＰＩ制御装置内で、調整されたパラ
メ−タに応じて制御差をパルス幅変調信号に変換すると
共に、これによって電極電圧に比例する回転数を維持す
るように駆動モ−タを制御し、ｄ）駆動モ−タのその時
々の実際の電流値を測定し、それを所定の電流最大値と
比較し、電流最大値を越えるときは、ＰＩ制御装置を遮
断することにより比例速度制御を実行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、その時々の電極信号の
電圧を測定し、それを制御装置に供給して、電動モ−タ
で作動する義肢、特に義手を筋電気で比例制御する方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＤＥ１８０８９３４Ｂ２には、比例制御
され、電動モ−タで作動される義肢、特に義手用の筋電
気制御回路が開示されており、義肢用の駆動モ−タは作
動の間、パルス的に電流源に接続される。筋電圧に比例
する直流電圧が一定のパルス振幅及びパルス繰返数を有
する鋸波状電圧に重畳され、この和電圧の、一定のしき
い値を越える部分は、常時、駆動モ−タを電流源に接続
する。

【０００３】ＤＥ２２３６９６９Ｂ２には、比例制御さ
れ、電動モ−タで作動される義肢、特に義手用の、パル
ス幅変調された筋電気制御回路が開示されており、該筋
電気制御回路では筋電圧は増幅、整流、積分され、一定
のパルス繰返数を有する鋸は波状パルス電圧に重畳され
る。重畳された電圧は矩形パルス発生器の入力端に印加
される。それは矩形発生パルスのパスル占有率が、抽出
された筋電圧の振幅に従って制御されるためである。矩
形発生パルスはスイッチユニットを制御するために抽出
され、該スイッチユニットを介して駆動モ−タがパルス
的に電流源に接続される。パルス幅変調された矩形発生
パルスは増幅器を介して積分器に供給され、該積分器の
出力電圧は矩形発生パルスのパルス占有率の平均値に比
例しており、後段の微分器内で微分され、スイッチユニ
ットの他のスイッチを制御し、該スイッチは駆動モ−タ
のア−マチュアコイルをパルス的にショート（短絡）さ
せる。こうした他のスイッチは、対応のしきい値で極性
の信号にのみで切り換わるバイアス・トラジスタによっ
て構成できる。

【０００４】ＤＥ２３５４８８５Ａには、パルス幅変調
され、比例制御され、電動モ−タで作動される義肢、特
に義手用の筋電気制御回路が開示され、該筋電気制御回
路では筋電圧が増幅、整流され、一定の周波数を有する
のこぎり波状電圧に重畳される。和電圧は、例えばシュ
ミット・トリガとして設計されたパルス発生器の入力端
に印加される。それは抽出した筋電圧の強さに従って発
生パルスのパルス占有率を変化させるためである。発生
パルスは、スイッチユニットを制御するために抽出さ
れ、該スイッチユニットを介して駆動モ−タがパルス的
に電流源に接続される。この回路の場合、駆動モ−タの
電流に比例する電圧は、パルス発生器の入力端に供給さ
れ及び／又はモ−タ電圧に比例する電圧はバイアスとし
てパルス発生器に供給される。スイッチユニットとモ−
タとの間には測定抵抗が直列接続されており、該測定抵
抗の２つの端子は差分増幅器の入力端に接続されてお
り、該差分増幅器の出力端はパルス発生器の入力端に接
続されている。

【０００５】ＥＭＧ（筋電図）信号にほぼ比例して電気
機械的義手の把持力及び速度を制御することは知られて
いる。直流モ−タにおいて最もしばしば回転数制御に用
いられる方法はパルス幅変調法（ＰＷＭ）である。この
方法では、モ−タに周期的直流電圧を供給する。該直流
電圧の周波数は主として可聴範囲以上であって、１８乃
至４０ｋＨｚである。ＥＭＧ信号の大きさに従って、等
しい長さの電圧パルスがモ−タに供給され、該電圧パル
スはモ−タア−マチュアの機械的慣性によって等価の電
圧平均値に積分される。この場合、より良い回転制御を
得るためにパルス休止中にモ−タをショ−トさせること
も既に提案された。しかし、これによって、システム全
体の電力消費が増大する。

【０００６】開き方向又は閉じ方向及び力の発生におい
て、実際に満足すべき制御は既知の制御システムでは不
可能である。何故ならば、一方では外部から作用するバ
ネモ−メントは内側の手及びプラスチック製覆いによっ
てリニアな速度制御を困難にするからであり、他方では
自動歯車装置を取り入れても把持力の発生を最適に制御
できるものではないからである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の方法では、良い
回転制御を得るためにパルス休止中にモ−タをショ−ト
させることが提案されているが、これによると、システ
ム全体の電力消費が増大する。また、一方では、外部か
ら作用するバネモ−メントが内側の手及びプラスチック
製覆いによってリニアな速度制御を困難にし、他方で
は、自動歯車装置を取り入れても把持力の発生を最適に
制御できないので、開き方向又は閉じ方向及び力の発生
において、実際に満足すべき制御は既知の制御システム
では不可能である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、その時
々の電極信号の電圧を測定し、それを制御装置に供給し
て、電動モ−タで作動する義肢、特に義手を筋電気で比
例制御する方法を改善した義肢の筋電気制御法を提供す
ることにある。

【０００９】本発明は、駆動モ−タに関連し、かつその
時々に所定の電極電圧によって定められる種々の回転数
目標値から、その時々に測定された電極電圧に関連する
回転数目標値を検出するステップと、回転数目標値を、
モ−タの測定された実際の回転数と比較し、その結果を
制御差として比例積分制御装置（ＰＩ制御装置）に供給
するステップと、ＰＩ制御装置内で、調整されたパラメ
−タに応じて制御差をパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）
に変換すると共に、これによって電極電圧に比例する回
転数を維持するように駆動モ−タを制御するステップ
と、駆動モ−タのその時々の実際の電流値を測定し、そ
れを所定の電流最大値と比較し、電流最大値を越えると
きは、ＰＩ制御装置を遮断するステップとにより比例速
度制御を実行する筋電気制御方法を提供する。

【００１０】本発明は、把持力を段階的に発生させるス
テップと、実際の電極電圧が所定の段階数に対応するよ
うに最大把持力を段階に区分するステップと、各段階毎
に所定のパルス幅変調値（ＰＷＭ値）と対応の電流遮断
値とを関連付けるステップと、計数状態０から実際の電
極電圧によって予め定められた段階数までカウントアッ
プカウンタし、カウンタによってその時々に選択された
ＰＷＭ値を、このＰＷＭ値に等しい電流遮断値と共に出
力するステップと、このステップと平行して、駆動モ−
タの電流を測定し、これをその時々に出力された電流遮
断値と比較するステップと、電流遮断値に達すると、カ
ウンタを１だけカウントアップし、次のＰＷＭ値を出力
するステップと、カウンタが電極電圧によって予め定め
られた段階数に達すると、即ち、所定の把持力が達成さ
れると、駆動モ−タを遮断するステップと、駆動モ−タ
のその時々の実際の電流値を測定し、それを所定の電流
最大値と比較し、この電流最大値を越えるとき、同様に
駆動モ−タを遮断するステップとにより比例把持力制御
を実行する筋電気制御方法を提供する。

【００１１】

【作用】本発明に基づけば、ＥＭＧ信号に比例する速度
制御及び把持力制御が可能である。

【００１２】本発明によれば、以下のように作動する１
つのシステムに２つの制御機能を備えることは好まし
い。

【００１３】２つの電極信号を測定し、これら電極信号
の平均値を求め、結果をインタロック装置に送る。イン
タロック装置は信号を内部で調節された開閉しきい値と
比較し、モ−タの対応する方向を開放する。自動歯車装
置の切換点の上にある切換点を有する機械的な把持力ス
イッチはシステムを２つの制御回路に分ける。切換点に
達しないときは、システムは比例速度制御で作動する。
切換点を越えるときは、比例把持力制御に切り換わる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１に示すように、２つの電極信号が測定され、
これら電極信号の平均値が求められ、インタロック装置
に送られる。インタロック装置は信号を内部で調節され
た開閉しきい値と比較し、対応するモ−タ方向を開放す
る。自動歯車装置の切換点以上の切換点を有する機械的
な把持力スイッチはシステムを２つの制御回路に分け
る。即ち、切換点に達しないときは、システムは比例速
度制御で作動する（図２を参照）。切換点を越えるとき
は、比例把持力制御に切り換わる（図３を参照）。

【００１５】比例速度制御の場合には、把持力スイッチ
が開成される。図１に示すように、好ましい電極電圧は
テ−ブルにより回転数目標値に変換される。対応の作表
値は後段の比例積分制御装置（ＰＩ制御装置）のための
目標値（目標回転数）である。この種のテ−ブル変換に
よって、所定の電極信号- 回転数特性への適合を行なう
こと（比例していること）ができる。この場合、テ−ブ
ルによる評価には、テ−ブル値を用いた変換により入力
信号の僅かな外乱を容易に除去する（フィルタリング）
と同時に、個々の特性を形成することができるという大
きな利点がある。

【００１６】今発生した目標値はモ−タの測定された実
際回転数と比較され、制御差としてＰＩ制御装置に送ら
れる。モ−タ回転数は、フィ−ドバック発生電圧として
パルス幅変調（ＰＷＭ）ギャップにおいて測定される。
ＰＩ制御装置では、制御偏差が調整したパラメ−タに応
じてＰＷＭ信号に変換されると共に、モ−タブリッジを
制御する。

【００１７】これによって制御回路が閉成される。この
とき、モ−タは実際の電極電圧に比例する回転数で回転
する。

【００１８】重畳制御回路では、測定された実際のモ−
タ電流値が電流最大値と比較される。電流最大値を越え
る（手が開き方向で止まる）ときは、ＰＩ制御装置およ
びこれに伴ってモ−タブリッジが遮断される。

【００１９】これに対し、調整された把持力を越えるこ
とによって把持力スイッチが作動されると、比例把持力
制御への切換が行われることになる。把持力は漸進的に
発生され、最大の把持力は数段階に区分される。この場
合、実際の電極電圧は所定の段階数に対応する。プログ
ラム可能なカウンタは計数状態０から実際の電極電圧に
よって予め定められた段階数まで２つのテ−ブルをカウ
ントアップし始める。カウンタによって選択されたＰＷ
Ｍ値が出力される。これと平行して、モ−タ電流が測定
され、ＰＷＭ値に等しい電流遮断値と比較される。この
遮断値に達すると、カウンタが１だけカウントアップさ
れ、次のＰＷＭ値を出力する。

【００２０】増加するＰＷＭ値及び電流遮断値の連続的
な出力は比例把持力の発生に対応する。

【００２１】カウンタが電極によって予め定められた段
階数に達すると、予め定められた把持力が達成されたこ
とになり、モ−タが遮断される。電極電圧の振幅が記憶
され、手による不慮の把持に対する開閉しきい値として
固定される。このためには、筋肉を相応により強く緊張
させて、このしきい値を越える必要がある。

【００２２】最大把持力で即座に掴むことができるため
には、電極電圧によって予め定められた開閉しきい値を
越えるときに、計数状態は０ではなく、それより高いテ
−ブル値に設定される。これにより、短時間に最大把持
力に到達しても、モ−タが遮断される。

【００２３】実際のモ−タ電流によって手の把持力を発
生させると同時に、内部で調整されたある一定の最大電
流値を越えると、モ−タも同様に遮断される。

【００２４】以下、図２乃至４を参照して詳述する。

【００２５】図２に対して： ｏ筋肉の活動によって発生された２つの電気信号（筋肉
信号）は皮膚電極を介して抽出、増幅、濾過、整流さ
れ、信号Ｅ１及びＥ２として回路に達する。

【００２６】ｏＡＤ１及びＡＤ２を介してアナログ／デ
ジタル変換（８ビット）を行なう。

【００２７】ｏ値は平均値形成（平均化）によってイン
タロック装置（ＬＯＣＫ）に達する。

【００２８】ｏ平均化： タスク：合計値を半数で割ることによる平均値の生成及
び記憶域の拡大 実行：１２８測定値／６４＝デジタル値 ｏロック タスク：活動信号の選択、非活動信号のインタロック 実行： 静止：ＡもＢも活動状態にないときは、両者の一方が閉
成しきい値を越えるまで待つ。２つの方向（手 開き／
手 閉じ）のための閉成しきい値は異なっている。

【００２９】手 開き：固定的に予め定められた閉成し
きい値Ｕein-auf が存在する。

【００３０】手 閉じ：電流（力）に比例の操作モ−ド
によって影響を受ける値を有する可変の閉成しきい値Ｕ
ein-zuが存在する。

【００３１】活動：２つの信号の一方が閉成しきい値を
越えたとき、一方の信号が固定的に予め定められた遮断
しきい値Ｕaus に該当し、再度「静止」状態が発生する
まで、一方の信号は活動信号と見做される。

【００３２】「活動」時間中には非活動信号は抑止され
ている。

【００３３】ｏＡもＢも活動状態にないとき（「静止」
状態）は、ブランチＳＴＯＰを介してタイマ割込み（Ｔ
ＩＲ）が禁止される（ＴＩＲがロックされる）。すなわ
ち、ＰＷＭの発生が抑制される。

【００３４】ｏ２つの信号の一方が活動状態にあるとき
は、信号値はテ−ブル（テ−ブルＶ）のポインタとして
用いられる。該テ−ブルはどの信号値においてもモ−タ
用の目標回転数を含んでいる。

【００３５】ｏ該目標回転数はＰＩ制御装置用の入力量
と見做される。

【００３６】ｏＰＩ制御装置：ＡＤ３を介して変換され
た（モ−タ）実際回転数と目標回転数とから差（ｅ）を
生成する。

【００３７】

【数１】 ｋはＰＷＭの生成の際に所定のパルス占有率に対応する
デジタル値である。

【００３８】ｏＰＷＭ制限 システムに従って、制御出力（ｋ値）を、制御の完全な
機能を保証するために、上限及び下限に制限する。

【００３９】ｏＴＩＲをアンロック（ロック解放）する Ａ又はＢが付勢状態にあり、ＰＷＭのパルス占有率が値
（ｋ）になった。従って、ＴＩＲが解放される（ＴＩＲ
がアンロックされる）。

【００４０】ｏモ−タ電流：モ−タ電流をＡＤ４を介し
てアナログ／デジタルに変換し、平均化においてＩ／４
に平滑にする。システムに対応した電流定数Ｉ max に
基づいてモ−タ電流を連続的に検査する。モ−タ電流が
この値を越えると、ＴＩＲは停止される（ＴＩＲはロッ
クされる）。

【００４１】図３に対して：この操作モ−ドへの切換は
スイッチ（把持力スイッチ）によって行なわれ、該スイ
ッチは構造によって一定の力しきい値以上（ｓ＝１）で
把持を伝える。この状態での実行は電極信号と把持力と
の比例を形成しなければならない。

【００４２】ｏ値Ｂ 手を閉じる（握る）ときにのみ力が発生されるので、実
行全体のための基準として信号Ｂ（手 閉じ）を用い
る。

【００４３】ｏ個々の操作点及び時間値の説明 ０…把持力スイッチ 閉じ（ｓ＝１） １…６０ｍｓの休止（固定） ２…ＰＷＭテ−ブルの第１の値を取り出し、１００ｍｓ
の間出力する。

【００４４】３．１…電流Ｉ が測定され、（Ｉ 目標
テ−ブルの）Ｉ目標 と比較される： ａ）実際のＩ ＞目標のＩ ：ＴＩＲが停止される ｂ）実際のＩ ＜目標のＩ ：最大限数１００ｍｓ以上
の間に対するもの。この時間中にａ）に記した状態が生
じないときは、この１００ｍｓ後にＴＩＲが停止され
る。

【００４５】３．２…Ｉ 目標とは独立して、実際のＩ
がＩ max と連続的に比較される。Ｉ max を越える
と、再ポンピングを防止するために、遮断（ＴＩＲはロ
ック）される。この状態は信号のＡ（手 開き）の活性
化によってのみアンロックされる。

【００４６】４…ＴＡＢポインタを増加させる（２つの
テ−ブルにおける値に０から１８まで番号を付する。Ｔ
ＡＢポインタとＢが同一のテ−ブル番号を指示するとき
は、所望の把持力が達成されて、ＴＩＲが停止し得る。

【００４７】この状態がまだ達成されないときは、点１
で再度開始される。この状態が達成されたら、Ｂが記憶
され、ロックの際に新たな閉成しきい値として用いられ
る。これによって、手はこの（把持）状態に留まり、把
持力を減少させるためにＡ（手 開き）を活性化させる
こと、又は把持力を高めるために、最後に記憶した値よ
り高くなければならないＢ値（新たな閉成しきい値）に
よってＢ（手 閉じ）を活性化させることによってのみ
手をこの姿勢から移動させることができる。

【００４８】（テ−ブル番号＞１８に対応する）１．２
Ｖ以上の電極信号Ｂが、迅速にかつ強く掴もうとする願
望に対応する）筋収縮によって起動されると、ＴＡＢポ
インタは、対応の値へと傾斜路状に上がることなく、即
座にテ−ブル番号１３に移動される。

【００４９】これが妥当であるのは、活性化の時点でＴ
ＡＢポインタがテ−ブル番号１３以下にあるときのみで
ある。

【００５０】図４に対して：ＴＩＲの開放に必要な条件
が満たされるときは、この８ビットタイマは２５５から
０への移行の際に中断を解放し、続いて、ＰＷＭの発生
に寄与する中断ル−チンがタイマに割り込まれる。

【００５１】ｏ調整保存［１］：主プログラムが（タイ
マの終了に従ってのみ）不定の箇所で中断されるので、
操作中の値を記憶する必要がある。

【００５２】ｏチャネル選択／インバ−ト［２］：実際
のモ−タ回転方向を確定するために、２つの入力端Ａ又
はＢのどちらが活性状態にあるかを究明する。次に、そ
の時までに出力されたモ−タ信号を反転させる。

【００５３】ｏｔ オン／ｔ オフ［３］：ＰＷＭの形
成の際に「モ−タ オン」か「モ−タ オフ」の状態に
あるか否かの識別。これに応じて、ｋから、スイッチン
グオン時間（ｔ オン）又はスイッチングオフ時間（ｔ
オフ）を形成する。

【００５４】ｏｔ ＞タイマ［４］：点３で計算された
時間値をここではタイマに装荷し、該時間値を起動す
る。これは実際のパルス占有率を生じさせる。

【００５５】ｏ調整呼出し［５］：初めに記憶された値
を再度活動化し、主実行を続行する。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、１つのシステムに２つ
の制御機能を備えるようにすれば、ＥＭＧ信号に比例す
る速度制御及び把持力制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】比例速度制御（機能）及び比例把持力制御（機
能）を有する本発明のシステムの機能方法のブロックダ
イアグラムである。

【図２】速度に比例の作動のための制御回路の図であ
る。

【図３】把持力に比例の作動のための制御回路の図であ
る。

【図４】ＰＷＭを発生させるためのタイマ中断の実行を
示す図である。

フロントページの続き (72)発明者 カール・ジュースツ オーストリア国、アー − 1050 ヴィー ン、ヘーゲルミュラーガッセ １−３ (72)発明者 ヤノス・カルマル オーストリア国、アー − 1050 ヴィー ン、レーアガッセ 15／30

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 その時々の電極信号の電圧を測定し、そ
   れを制御装置に供給して、電動モ−タで作動する義肢、
   特に義手を筋電気で比例制御する方法において、 ａ）駆動モ−タに関連し、かつその時々に所定の電極電
   圧によって定められる種々の回転数目標値から、その時
   々に測定された電極電圧に関連する回転数目標値を検出
   するステップと、 ｂ）該回転数目標値を、モ−タの測定された実際の回転
   数と比較し、それを制御差として比例積分制御装置（Ｐ
   Ｉ制御装置）に供給するステップと、 ｃ）該ＰＩ制御装置内で、調整されたパラメ−タに応じ
   て制御差をパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）に変換する
   と共に、これによって電極電圧に比例する回転数を維持
   すように駆動モ−タを制御するステップと、 ｄ）該駆動モ−タのその時々の実際の電流値を測定し、
   それを所定の電流最大値と比較し、該電流最大値を越え
   るときは、前記ＰＩ制御装置を遮断するステップと、 により比例速度制御を実行することを特徴とする筋電気
   制御方法。
2. 【請求項２】 その時々の電極信号の電圧を測定し、そ
   れを制御装置に供給して、電動モ−タで作動する義肢、
   特に義手を筋電気で比例制御する方法において、 ａ）把持力を段階的に発生させるステップと、 ｂ）実際の電極電圧を所定の段階数に対応するため最大
   把持力を複数段階に区分するステップと、 ｃ）段階毎に、所定のパルス幅変調値（ＰＷＭ値）と対
   応の電流遮断値とを関連づけるステップと、 ｄ）計数状態０から実際の電極電圧によって予め定めら
   れた段階数までカウントアップし、カウンタによってそ
   の時々に選択されたＰＷＭ値を該ＰＷＭ値に等しい電流
   遮断値と共に出力するステップと、 ｅ）前記計数と平行して、前記駆動モ−タの電流を測定
   し、これをその時々に出力された電流遮断値と比較する
   ステップと、 ｆ）該電流遮断値に達すると、前記カウンタを１だけカ
   ウントアップし、次のＰＷＭ値を出力するステップと、 ｇ）前記カウンタが電極電圧によって予め定められた段
   階数に達すると、即ち、所定の把持力が達成されると、
   前記駆動モ−タを遮断するステップと、 ｈ）前記駆動モ−タのその時々の実際の電流値を測定
   し、それを所定の電流最大値と比較し、該電流最大値を
   越えるとき、同様に前記駆動モ−タを遮断するステップ
   と、 により比例把持力制御を実行することを特徴とする筋電
   気制御方法。
3. 【請求項３】 所定の把持力に達成したとき、電極電圧
   の振幅を記憶し、かつそれを手による不慮の把持に対す
   る開閉しきい値として固定することを特徴とする請求項
   ２に記載の方法。
4. 【請求項４】 最大把持力で即座の把握を可能にするた
   め、所定の開閉しきい値を越えるときは、電極電圧によ
   りカウント状態を０でなく、それより高いテ−ブル値に
   設定することを特徴とする請求項２又は３に記載の方
   法。
5. 【請求項５】 ２つの電極信号を測定し、それらの電極
   信号の平均を取り、インタロック装置に供給し、このイ
   ンタロック装置で前記電極信号を所定の開閉しきい値と
   比較し、前記駆動モ−タの対応する方向を開放すること
   を特徴とする１乃至４のいずれか１に記載の方法。
6. 【請求項６】 測定され、場合によってはインタロック
   された電極信号を制御回路に供給し、把持力スイッチに
   より制御方法を比例速度制御と把持力制御に分け、前記
   電極信号が自動制御歯車装置の切換点以上に達しないと
   きは、制御方法を比例速度制御で作用させ、切換点を越
   えるときは、比例把持力制御で作用させることを特徴と
   する請求項１乃至５のいずか１に記載の方法。