JPH10258099A - 関節負荷を考慮した訓練装置 - Google Patents

関節負荷を考慮した訓練装置

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JPH10258099A
JPH10258099A JP9063104A JP6310497A JPH10258099A JP H10258099 A JPH10258099 A JP H10258099A JP 9063104 A JP9063104 A JP 9063104A JP 6310497 A JP6310497 A JP 6310497A JP H10258099 A JPH10258099 A JP H10258099A
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武志 坂本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 それぞれの症状や治療状況に対応し、肢体の
各関節に対して細かな治療を行うことのできる訓練装置
を提供する。 【解決手段】 肢体に装着した装置の動作によって肢体
を動かす目的で、装置に取り付けられた力計測装置のセ
ンシング情報および位置計測装置のセンシング情報をも
とに、装置の動作を制御する訓練装置において、訓練装
置の動作中に、装置に装着した肢体の関節への負荷を、
常に監視する関節負荷変換部105と、装置に装着した
肢体の関節角度を、常に監視する関節角度変換部101
とを備え、各関節ごとに目標インピーダンスを設定し、
関節負荷変換部により得られる肢体の関節への負荷と、
関節角度変換部により得られる肢体の関節の角度とから
肢体の各関節ごとにインピーダンス制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、肢体への負荷を考
慮した訓練装置において、特に、装置の動作を肢体の関
節の動きに基づいて制御する訓練装置に関する。
【0002】
【従来の技術】人間の肢体を動かす装置には、医療分野
で使用される連続他動運動装置(CPM装置)、リハビ
リの分野で使用されるリハビリテーシヨン装置やスポー
ツ・トレーニング装置等の訓練装置がある。上記装置に
おいて、力制御を行う従来の方法としては、図6に示す
ように装置先端に目標インピーダンスを設定し、力を制
御する方式がある(特開平7−323048号公報)。
また上記装置において、位置制御を行う従来の方法とし
ては、装置先端に目標インピーダンスを設定し位置を制
御する方式がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来技術で
は、力制御、位置制御のいずれも装置先端の動きに着目
しているため、各関節の症状や治療状況に適した制御を
行うことが難しい。しかし実際には、装置先端の動きで
はなく各関節ごとの動きに着目し、インピーダンス制御
を行う場合には、各関節ごとに目標インピーダンスを設
定し、あまり負荷をかけたくない関節に対しては目標イ
ンピーダンスを小さく設定して少しの負荷でもその負荷
を逃がすようにし、逆に治療のために負荷をかけたい関
節に対しては目標インビーダンスを大きく設定して、あ
る程度の負荷がかかっても逃げないようにできることが
望ましい。また、位置制御を行う場合には、肢体の各関
節の角度を用いて装置を制御することが望ましい。
【0004】本発明の目的は、従来技術の課題に鑑み、
それぞれの症状や治療状況に対応し、肢体の各関節に対
して細かな治療を行うことのできる訓練装置を提供する
ことである。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明は、肢体に装着した装置の動作によって肢体
を動かす目的で、装置に取り付けられた力計測装置のセ
ンシング情報および位置計測装置のセンシング情報をも
とに、装置の動作を制御する訓練装置において、訓練装
置の動作中に、装置に装着した肢体の関節への負荷を、
常に監視する関節負荷変換部と、装置に装着した肢体の
関節角度を、常に監視する関節角度変換部とを備え、各
関節ごとに目標インピーダンスを設定し、関節負荷変換
部により得られる肢体の関節への負荷と、関節角度変換
部により得られる肢体の関節の角度とから肢体の各関節
ごとにインピーダンス制御を行う訓練装置である。ま
た、関節角度変換部により得られる肢体の関節の角度か
ら肢体の各関節ごとに位置制御を行ない、関節負荷変換
部により得られる肢体の関節への負荷から肢体の各関節
ごとに力制御を行なう訓練装置である。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明の実施例1について図に基
づいて説明する。図1は実施例1である各関節ごとのイ
ンピーダンス制御をする制御ブロック図である。図1に
おいて、101は装置先端の位置・姿勢から肢体の関節
角度を求める関節角度変換部、102は肢体の関節角度
から装置先端の位置・姿勢を求める位置・姿勢変換部で
ある。また、103は装置のサーボシステム、104は
駆動される肢体の剛性である。そして、105は装置先
端の力センサで計測された力を肢体の関節負荷に変換す
る関節負荷変換部、106は肢体の各関節ごとの目標イ
ンピーダンスを設定するインピーダンス設定部である。
図4は3自由度(位置2、姿勢1自由度)を有したCP
M装置の構成を示したもので、この実施例では膝と股の
関節を対象とした装置を示す。装置の機軸は大地等に取
り付け、CPM装置の先端は目的とする関節より先の部
分に取り付けを行う。リンク機構部の先端には患者の脚
から作用する力を計測するために3自由度の力センサ4
04が取り付けられている。またリンク機構部はモータ
401〜403が3個連続して同じ平面上を回転できる
ように配置されている。モータ内部には、角度の検出が
可能なエンコーダを内蔵しているものとする。
【0007】図5は3自由度のCPM装置の説明図であ
る。図5において、501は治療を行う肢体、502は
装置、503は膝関節、504は股関節である。またO
r-XrYrは装置の座標系、Om-XmYmは肢体の座標系、
1は大腿部の長さ、L2は下腿部の長さ、Fx、Fy、M
zは力センサ404で計測される力およびモーメント、
θ1、θ2はそれぞれ膝関節、股関節の角度、τ1、τ2
それぞれ膝関節、股関節に加わるトルクを表す。実施例
1の作用について説明する。まず、図1において、装置
先端の位置・姿勢(xe,ye,θ)の指令値Xdを関節
角度変換部101により関数Atan2を用いて肢体の
関節角度の目標値θ tchmに変換する。
【0008】 θ2=Atan2[{hx−xe−L2sin(90゜−θ)},{hy−ye− L2cos(90゜−θ)}] (1) θ1=θ2−(90゜−θ) (2) ここで、(hx,hy):肢体の座標系の原点Omからみ
た装置の座標系の原点Orの位置(xe,ye,θ):装
置の座標系の原点Orからみた装置先端の位置と姿勢そ
して、肢体104からの反力fと目標インピーダンス設
定部106から計算される角度変位δθを加え、各関節
角度の目標値θrをつくりだす。次に各関節の目標値θr
を位置・姿勢変換部102によって装置先端の位置・姿
勢(xe,ye,θ)の目標値Xrに変換する。
【0009】 xe=hx−L1cosθ2−L2cos(θ2−θ1) (3) ye=hy−L1sinθ2−L2sin(θ2−θ1) (4) θ=90゜−θ2+θ1 (5) この装置先端の位置・姿勢(xe,ye,θ)の目標値X
rを装置のサーボシステム103に入力し装置を駆動制
御する。この時、装置の位置Xと肢体位置にズレがある
と、肢体剛性104に比例した力fが装置に加わる。こ
の力fを力センサ404によって計測し、力センサ計測
値に基づいて関節負荷変換部105において各膝関節、
股関節に加わるトルクτ1,τ2を求める。 τ2={L1cosθ2+L2cos(θ2−θ1)}Fx−{L1sinθ2+ L2sin(θ2−θ1)}Fy+Mz (6) τ1=−L2cos(θ2−θ1)Fx+L2sin(θ2−θ1)Fy−Mz (7) そして、各関節における目標インピーダンスをインピー
ダンス設定部106により次のように設定する。
【0010】膝関節に対する目標インピーダンス (m
1,d1,k1) 股関節に対する目標インピーダンス (m2,d2
2) なお、この目標インピーダンス設定部106では、関節
の治療状態ごとに、例えば、あまり負荷をかけたくない
関節の目標インピーダンスは小さく設定し、少しの負荷
でもその負荷を逃がすようにする。逆に治療のために負
荷をかけたい関節は目標インピーダンスを大きく設定
し、ある程度の負荷がかかっても逃げないようにするな
ど、最適な目標インピーダンス値を選択する。この場
合、各関節における力学的関係式は次式となる。 τi=miαi+diωi+ki(θi−θtchmi) (8) ここで、 τi:各関節に加わるトルク mi,di,ki:各関節の目標インピーダンス θi:各関節の角度 ωi:各関節の各速度 αi:各関節の各加速度 θtchmi:ティーチング時の各関節の角度 計算機で実行するために(8)式の関係式を差分式の関
係に置き換えると、角度変位δθは次式により求めるこ
とができる。
【0011】 θk=Caθkー1+Cbθkー2+Ccτ+θtchmi (9) ここで、 θk:k番目の角度指令 角度指令θk=(θ1,θ2) τk:各関節に加わるトルク Ca=diag(a1,a2) Cb=diag(b1,b2) Cc=diag(c1,c2) ai=(2mi+Tdi)/D,bi=−mi/D,ci=T2/D D=mi+diT+kiT2 (i=1,2) T:サンプリング周期 以上の関係式を用いて各関節ごとのインピーダンス制御
を実現する。次に、本発明の実施例2について図に基づ
いて説明する。
【0012】図2は実施例2である各関節ごとの位置制
御をする制御ブロック図である。同図において、まず、
各関節に配置したエンコーダの検出角度から実際の膝関
節および股関節の角度θ1、θ2を計算し、肢体の各関節
の目標角度θdからのズレδθを計算する。そして、
(3)式、(4)式および(5)式を用いてこのδθを
装置の位置・姿勢変換部102により装置座標系の原点
0rからみた装置先端の位置指令(xe,ye,θ)に変
換し、装置のサーボシステム103に入力する。その
後、装置先端の位置・姿勢(xe,ye,θ)から関節角
度変換部101により膝関節、股関節の角度θ1,θ2
(1)式および(2)式を用いて求め、フィードバック
を行う。以上の手順を用いて各関節ごとの位置制御を実
現する。
【0013】次に本発明の実施例3について図に基づい
て説明する。図3は実施例3である各関節ごとの力制御
をする制御ブロック図である。図において、301は肢
体の各関節の負荷τを装置先端の力fに変換する先端力
変換部、302は装置に力制御を行う力制御部である。
まず肢体の各関節における目標負荷τdを指定し、実際
の膝関節および股関節の負荷τ1,τ2とのズレδτを計
算する。そして、先端力変換部301において、このズ
レδτを以下の式を用いて装置先端における力偏差δf
に変換する。 δf=J#Tδτ (10) ここでJ#はヤコビアンJの疑似逆行列である。そし
て、この力偏差δfを装置に力制御を行う力制御部30
2に入力し、装置を駆動する。この時、力センサ404
によって計測される装置先端に加わる力から、各関節に
加わる負荷τを(6)式および(7)式を用いて関節負
荷変換部105において求め、フィードバックを行う。
以上の手順を用いて各関節ごとの力制御を実現する。
【0014】
【発明の効果】以上述ベたように、本発明によれば、装
置先端の動きではなく各関節ごとの動きに着目した制御
が実現でき、インピーダンス制御を行う場合には、治療
関節に合った目標インピーダンスを設定することでき、
従来の脚先端の目標インピーダンスを設定していた方式
に比ベ治療関節に対して細かな治療を行うことができ
る。また、本発明によれば、位置制御もしくは力制御を
行う場合には、肢体の各関節の角度もしくは負荷を用い
た制御が実現でき、症状や治療状況に対応して肢体の各
関節に対して細かな治療を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1である各関節ごとのインピーダンス制
御をする制御ブロック図
【図2】実施例2である各関節ごとの位置制御をする制
御ブロック図
【図3】実施例3である各関節ごとの力制御をする制御
ブロック図
【図4】3自由度のCPM装置の模式図
【図5】3自由度のCPM装置の説明図
【図6】従来のインピーダンス制御の模式図
【符号の説明】
101 関節角度変換部 102 位置・姿勢変換部 103 サーボシステム 104 肢体剛性 105 関節負荷変換部 106 インピーダンス設定部 301 先端力変換部 302 力制御部 401〜3 モータ 404 力センサ 501 対象肢体 502 装置 503 ヒザ関節 504 股関節

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 肢体に装着した装置の動作によって肢体
    を動かす目的で、装置に取り付けられた力計測装置のセ
    ンシング情報および位置計測装置のセンシング情報をも
    とに、装置の動作を制御する訓練装置において、 訓練装置の動作中に、装置に装着した肢体の関節への負
    荷を、常に監視する関節負荷変換部と、装置に装着した
    肢体の関節角度を、常に監視する関節角度変換部とを備
    え、各関節ごとに目標インピーダンスを設定し、関節負
    荷変換部により得られる肢体の関節への負荷と、関節角
    度変換部により得られる肢体の関節の角度とから肢体の
    各関節ごとにインピーダンス制御を行うことを特徴とす
    る訓練装置。
  2. 【請求項2】 関節角度変換部により得られる肢体の関
    節の角度から、肢体の各関節ごとに位置制御を行なうこ
    とを特徴とする請求項1に記載の訓練装置。
  3. 【請求項3】 関節負荷変換部により得られる肢体の関
    節への負荷から、肢体の各関節ごとに力制御を行なうこ
    とを特徴とする請求項1乃至2のいずれかの1項に記載
    の訓練装置。
  4. 【請求項4】 関節負荷変換部は、肢体の各関節に取り
    付けた力検出器の検出出力より関節負荷を求めることを
    特徴とする請求項1乃至3のいずれかの1項に記載の訓
    練装置。
  5. 【請求項5】 関節角度変換部は、肢体の各関節に取り
    付けたエンコーダ、ポテンショメータなどの計測装置の
    計測出力より関節角度を求めることを特徴とする請求項
    1乃至4のいずれかの1項に記載の訓練装置。
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