JPH1176329A - 肢体駆動装置 - Google Patents

肢体駆動装置

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JPH1176329A
JPH1176329A JP9264936A JP26493697A JPH1176329A JP H1176329 A JPH1176329 A JP H1176329A JP 9264936 A JP9264936 A JP 9264936A JP 26493697 A JP26493697 A JP 26493697A JP H1176329 A JPH1176329 A JP H1176329A
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Masashi Kondo
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 使用者や肢体に装着した位置の違いによる調
節や設定の変更を行わず、動作の教示や複雑な設定・計
算を行わずに肢体を駆動する手段を求める。 【解決手段】 肢体の部分に装着された肢体装着部と、
それにリンクを経て前記肢体の部分を駆動する第1の駆
動軸と、この駆動軸と他のリンクを経て先の駆動軸を駆
動し基板に支承された第2の駆動軸とから成る肢体を任
意に駆動する肢体駆動部101〜109と、基板から駆
動軸の角度情報を受入れ、肢体関節から肢体装着部まで
の長さ情報を送出し、肢体を駆動する際の情報を測定す
る肢体情報測定部112と、予め入力された肢体の動作
条件情報を送出する動作条件入力部113と、長さ情報
と動作条件情報から肢体を駆動する際の軌道情報を生成
する軌道生成部111と、軌道情報と運動情報と負荷情
報とから、駆動軸へ運動指令を送出する動作制御部11
0とによって構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】本発明は、手術前後に用いら
れる連続他動運動装置[Continuous PasiveMotion 以
下単に(CPM装置)という]、肢体の機能を回復する
ために用いられるリハビリテーション支援装置及び、ト
レーニング装置等の肢体駆動装置に関し、さらには特に
それらの機構に複数の駆動自由度を持たせた下肢用の肢
体駆動装置に係る。
【0002】
【従来の技術】従来、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られるCPM装置、筋力の低
下した肢体の機能を回復するために用いるリハビリテー
ション支援装置及び、トレーニング装置などの、関節を
中心にして外部から機械的に肢体を駆動したり、関節の
動きに負荷をかけたりする装置として、さまざまな機構
が提案されている。これら従来の肢体駆動装置におい
て、1自由度機構で単純な往復運動を行う装置として特
表平4−506610「人体の下肢に連続受動運動を付
与する装置」や特開昭61−217163「筋肉の運動
とリハビリテーション用装置」がある。
【0003】複数の駆動自由度を持たせた装置として
「連続受動運動装置」があり、運動状態教示時には多自
由度機構に肢体を取り付けた状態でインピーダンス制御
を行ない、治療時にはメモリに保存された回転角度を平
衡点とするインピーダンス制御により、教示した運動お
よび力を再現する手段を備えたことを特徴としている。
同様の装置で特に膝関節に適用されるものとして「膝関
節用連続他動運動装置」があり、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
に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を備えたことを特徴としている。
【0004】また、肢体の軌道を設定する軌道設定手段
と、肢体の関節角度を漸次補正するよう肢体の軌道を修
正する軌道修正手段を備えた運動療法装置として、「運
動療法装置」が、肢体パラメータと動作角度範囲から肢
体の動作パターンを自動生成する肢体駆動装置として、
「肢体駆動装置の制御装置」が考案されている。
【0005】さらに、連続受動運動装置としての特開平
7−323048がある。これは、患部関節に過剰な負
荷かけることを禁止し、患部関節への牽引力あるいはひ
ねりの力を発生することで治療効果を高める手段であ
り、患部関節のひとつの回転軸に対し、その軸に対して
平行な3自由度以上の回転あるいは直動の駆動機構を設
けて牽引力を発生させ、患部関節の回転軸に対し、平行
でない1自由度以上の回転あるいは直動の駆動機構を付
加して患部関節へのひねりの力を発生させる装置であ
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、これら従来
の肢体駆動装置を用いて肢体を駆動する場合、機構の単
純な1自由度の装置では、肢体の長さによって装置のリ
ンクの長さを変えたり、肢体と装置との位置関係によっ
て肢体の関節と装置の回転軸を合わせるなどの調節を正
確に行なわないと、肢体を駆動する際にズレを生じ意図
した通りに肢体を駆動することができない。
【0007】また、多自由度の装置では肢体を動かすた
めの軌道を得るために、肢体を装置に取り付けた状態で
動作の教示を行なうか、肢体の各関節間の長さと位置関
係などの肢体の運動学的情報をあらかじめ装置に入力し
ておき、肢体の動くべき動作から装置の軌道を生成しな
いと、装置の動きが一意に決まらない。このため、従来
の装置では、装置の使用者や装置を肢体に装着した位置
が変わるたびに、リンクの調節、動作の教示あるいは肢
体の運動学的情報の入力などの設定を行わなければなら
ないという問題があった。
【0008】さらには、従来の装置では、装置の使用者
が変わるたびに動作の教示を行うか、あるいは複数の肢
体の運動学的情報を装置に入力し複雑な運動学的計算を
しなければ肢体を駆動できないという問題があった。こ
の発明は、こうした従来の技術が持つ問題点を解消する
ためになされたものであり、使用者や肢体に装着した位
置の違いによる調節や設定の変更を行わずに肢体を駆動
することができる肢体駆動装置、さらには動作の教示や
複雑な設定および計算を行わずに下肢を駆動することが
できる肢体駆動装置の提供を目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、請求項1の本発明は、治療あるいは訓練を行う肢体
の部分に装着された肢体装着部と、該肢体装着部に備え
るフリー回転軸に第1のリンクを経て前記肢体の部分を
駆動する第1の駆動軸と、該第1の駆動軸と第2のリン
クを経て前記第1の駆動軸を駆動し装置の基部に回転自
在に支承された第2の駆動軸とから成る肢体を任意に駆
動することが可能な肢体駆動部と、前記基部から前記駆
動軸の角度情報を受入れ、肢体関節から前記肢体装着部
までの長さ情報を送出し、前記肢体を駆動する際の情報
を測定することが可能な肢体情報測定部と、予め入力さ
れた肢体の動作条件情報を送出する動作条件入力部と、
前記長さ情報と前記動作条件情報から前記肢体を駆動す
る際の軌道情報を生成し送出する軌道生成部と、前記軌
道情報と駆動軸センサからの運動情報と力センサからの
負荷情報とから、前記駆動軸へ運動指令を送出する動作
制御部とによって構成されたことを特徴とする肢体駆動
装置である。
【0010】請求項2の本発明は、前記肢体情報測定部
は、前記肢体駆動部の駆動関節および前記肢体装着部の
角度センサによる角度情報やリンクの長さ情報により、
前記肢体の各関節間の長さ、前記肢体の装着位置、前記
肢体関節と前記肢体駆動部との位置関係などの前記肢体
の運動学的情報を測定することを特徴とする請求項1記
載の肢体駆動装置である。
【0011】上記請求項1及び請求項2手段により、本
発明は個人差による肢体の長さや肢体と装置との距離に
応じて、装置を駆動する目標軌道を生成するので、肢体
と装置との正確な位置合わせをすることなく、リハビリ
テーションやトレーニングに適切な動きを行なうことが
可能な肢体駆動装置の提供をすることが可能となる。
【0012】請求項3の本発明は、前記肢体を任意に駆
動することが可能な前記肢体駆動部と、前記肢体を駆動
する際の動作条件を入力することが可能な前記動作条件
入力部と、前記肢体を駆動する際の軌道を生成すること
が可能な前記軌道生成部とを備え、前記動作条件入力部
の情報に従って前記軌道生成部で前記肢体の少なくとも
1つの自由度に対する軌道を生成し、残りの自由度に対
する動作は、前記肢体を駆動するアームの機械的インピ
ーダンスを制御して前記軌道の動きに追従させることに
より前記肢体駆動部で肢体を駆動する構成にしたことを
特徴とする肢体駆動装置である。
【0013】請求項4の本発明は、前記動作条件入力部
は、前記肢体関節の駆動角度、駆動速度および動作繰り
返し回数を入力するものであることを特徴とする請求項
3記載の肢体駆動装置である。
【0014】上記請求項3及び請求項4の手段により、
本発明は一定の自由度に対する軌道のみを生成して肢体
を駆動し、残りの自由度に対する動作は、アームの機械
的インピーダンスを制御して軌道の動きに追従させるの
で、肢体と装置との正確な位置合わせを行うことなく肢
体を駆動することが可能な肢体駆動装置の提供をするこ
とが可能となる。
【0015】請求項5の本発明は、大腿部と下腿部を独
立に駆動することが可能な下肢駆動部と、下肢を駆動す
る際の情報を設定することが可能な下肢情報設定部と、
下肢を駆動する際の軌道を生成することが可能な軌道生
成部とを備え、前記下肢情報設定部の情報に従って前記
軌道生成部で前記大腿部の軌道と前記下腿部の軌道を生
成し、前記大腿部の軌道に従って前記大腿部を駆動し、
前記下腿部の軌道に従って前記下腿部を駆動する構成に
したことを特徴とする肢体駆動装置である。
【0016】請求項6の本発明は、前記下肢情報設定部
は、股関節と膝関節間の長さ、膝関節と下腿部装着位置
間の長さ、股関節と装置の基部との距離を設定するもの
であることを特徴とする請求項5記載の肢体駆動装置で
ある。
【0017】請求項7の本発明は、前記軌道生成部は、
前記大腿部の軌道を股関節位置を中心に前記股関節と大
腿部駆動位置との長さを径とする円弧を描くように生成
し、前記下腿部の軌道を股関節位置から前記膝関節と下
腿部駆動位置の長さだけ足先の方向へシフトした位置を
中心に大腿部長さを径とする円弧を描くように生成する
ことを特徴とする請求項5記載の肢体駆動装置である。
【0018】上記請求項5ないし請求項7手段により、
本発明は大腿部の軌道と下腿部の軌道を分けて軌道の生
成を行うので、動作の教示や複雑な設定を行わずに、下
肢を動かすことが可能な肢体駆動装置の提供をすること
が可能となる。
【0019】
【発明の実施の形態】
[実施の形態1]以下、本発明の各実施の形態を図に基
づいて説明する。図1は、本発明の実施の形態1におけ
る動作と装置全体の構成を示す図である。図1におい
て、107は治療あるいは訓練を行なう肢体の部分10
8を装置に装着する肢体装着部、101、102は駆動
軸、104、105はリンク、106は装置の基部、1
03はフリー回転部であり、これらによって動作本体を
なしている。110は、動作制御部であり、前記動作本
体との間で肢体装着部107内の図示していない力セン
サからの負荷情報や、駆動軸101、102に設けた各
種センサからの位置や姿勢情報などの運動情報114、
各駆動軸101、102への運動指令115をやりとり
する。
【0020】肢体情報測定部112は、駆動軸101、
102およびフリー回転軸103の角度情報118と装
置のリンク104、105の長さなどから駆動する肢体
関節109と肢体装着部107間の長さや肢体関節10
9と装置の基部106との距離を計算し、これらの長さ
および距離の情報117を軌道生成部111へ送る。動
作条件入力部113では、肢体を駆動する場合に必要な
肢体関節の駆動角度、駆動速度、回数などを入力し、こ
れらの動作条件情報119を軌道生成部111へ送る。
【0021】一方、軌道生成部111は、長さ及び距離
の情報117や動作条件情報119から動作本体の軌道
を計算して動作制御部110へ軌道情報115を送る。
以上のように構成された肢体駆動装置100は、装置を
肢体に装着した時の装置の姿勢および肢体装着部の角度
により、肢体を駆動する際の長さ及び位置の情報を測定
し、測定した長さ及び位置の情報より装置を駆動するた
めの軌道情報を生成するため、装置使用者の個人差や装
着位置によらずに肢体を駆動することができる。なお、
肢体情報測定部112、軌道生成部111、動作制御部
110について、さらに詳しい内部構成を以下に示す。
【0022】図2は、実施の形態1の肢体情報測定部の
内部構成を示す詳細図である。肢体情報測定部112内
には、肢体の運動学的情報の計算部112bがあり、あ
らかじめリンクの長さ情報が入力されている。肢体の運
動学的情報の計算部112bは、動作本体より駆動軸及
びフリー回転軸の角度情報を受ける。
【0023】図3は、肢体情報の算出方法を説明する図
である。ここで、肢体および装置の各パラメータを図3
のようにおくと、駆動軸101、102およびフリー回
転軸104の角度θ1、θ2、θhとリンク104、10
5の長さL1、L2から、肢体関節109と肢体装着部1
07との長さLh、肢体関節109と装置の基部106
との距離Ldは、次の(式1),(式2)で計算するこ
とができる。
【0024】 Lh =(L1 sinθ1 +L2 sin(θ1 +θ2 ))/sinθh ……………………(式1) Ld =−(L1 cosθ1 +L2 cos(θ1 +θ2 )) +(L1 sinθ1 +L2 sin(θ1 +θ2 ))/tanθh ……………………(式2) ただし、上記の式は、装置座標系の原点Oと肢体関節1
09の位置Hが接地面より、同じ高さにあることを前提
条件としている。
【0025】肢体関節の部位と装置の機構構成の関係に
より、接地面との高さをそろえることができない場合
は、高さの差をαとして上記(式1),(式2)を以下
の(式3),(式4)ように補正することで対応するこ
とが可能である。 Lh =(L1 sinθ1 +L2 sin(θ1 +θ2 ))/(sinθh +α) ……………………(式3) Ld =−(L1 cosθ1 +L2 cos(θ1 +θ2 )) +(L1 sinθ1 +L2 sin(θ1 +θ2 ))cosθh /(sinθh +α) ……………………(式4)
【0026】また、高さの差αが肢体の個人差により大
きく変わる場合は、その都度αを測って入力することが
必要となるが、一般に個人差による高さの変化は、肢体
の長さLhや肢体と装置との距離Ldに比べて小さな値と
なるためαは一定値で良く、肢体を駆動する際にこの個
人差が問題となることは少ない。なお、動作本体の構成
は、ロボットマニピュレータの順運動学計算などを用い
て、肢体装着部の位置と姿勢を求めることができる構成
であれば、同様にして肢体の長さLh及び肢体と装置と
の距離Ldを求めることができるため、上記のような2
駆動軸と1フリー回転軸以外のどのような構成でも良
い。このようにして、肢体の運動学的情報の計算部11
2bは、駆動軸及びフリー回転軸の角度情報112aか
ら肢体の長さ及び距離の情報112cを計算し軌道生成
部に出力する。
【0027】図4は、この実施の形態1の軌道生成部の
内部構成を示す詳細図である。軌道生成部111は、肢
体を駆動する軌道の計算部111a、装置の軌道計算と
記憶部111bで構成される。肢体を駆動する軌道11
1cは、次のようにして求めることができる。肢体条件
入力部113からの肢体関節の駆動角度をαとすると、
肢体情報測定部からの長さ及び距離の情報111dか
ら、装置の肢体装着部107の位置P(Xp,Yp)は、
次の式で計算することができる。 Xp =Lh cosα−Ld ……………………(式5) Yp =Lh sinα ……………………(式6)
【0028】これらの(式5),(式6)から肢体条件
入力部113からの駆動速度によって肢体関節の駆動角
度αを時系列で変化させてやれば、肢体を駆動する軌道
111eを得ることができる。この肢体を駆動する軌道
111eから装置駆動軸の関節角度の時系列における目
標軌道111fに変換するには、ロボット工学における
ロボットマニピュレータの逆運動学計算を用いれば良
い。このようにして、軌道生成部111は、肢体情報測
定部112からの長さ及び距離の情報111cと動作条
件入力部130からの動作条件情報111dから、装置
関節の目標軌道111fを計算し動作制御部110に出
力する。
【0029】図5は、この実施の形態1の動作制御部の
内部構成を示す詳細図である。動作制御部110は、軌
道生成部111からの目標軌道116を受ける。インピ
ーダンス制御部110bは、軌道生成部からの目標軌道
116と力センサからの負荷情報120とから最終的な
目標軌道110cを生成する。サーボ系110aは、目
標軌道110cと駆動軸センサからの角度・角速度情報
114とから、各駆動軸のモータへの出力指令115を
出力する。以上より、動作制御部110は軌道情報11
6を受けて、上記のように動作本体の運動を制御するこ
とができる。
【0030】以上述べたように、本発明の実施の形態1
によれば、肢体の長さや装置との位置関係を計測し、こ
れに応じて装置を動かす目標軌道を生成するので、個人
差や装着位置による装置の調節や設定の変更を行う必要
がなく操作性を向上することができる。また、装置の調
節ミスや肢体情報の入力ミスがなくなるため、安全性の
向上に効果がある。
【0031】[実施の形態2]図6は、本発明の実施の
形態2の全体の回路の構成等を示す図である。この装置
全体の構成を表す図1において、211は大腿部214
を装置に装着する大腿装着部、212は下腿部215を
装置に装着する下腿装着部、201、202、203は
駆動軸、204は201に連動し同じ角度回転する連動
駆動軸、207、208、209、210はリンク、2
13は装置の基部、205、206はフリー回転部であ
り、これらによって動作本体をなしている。218は、
大腿動作制御部であり、前記動作本体との間で大腿装着
部211内の図示していない力センサからの負荷情報
や、駆動軸201に設けた各種センサからの位置情報な
どの運動情報222、駆動軸201への運動指令223
をやりとりする。
【0032】また、220は、下腿動作制御部であり、
前記動作本体との間で下腿装着部212内の図示してい
ない力センサからの負荷情報や、駆動軸202、203
に設けた各種センサからの位置や姿勢情報などの運動情
報226、228、各駆動軸202、203への運動指
令227、229をやりとりする。動作条件入力部22
1では、下肢を駆動する場合に必要な下肢を駆動する場
合に必要な下肢関節の駆動角度、駆動速度、動作繰り返
し回数などを入力し、これらの動作条件情報225を軌
道生成部219へ送る。一方、軌道生成部219は、動
作条件情報225から動作本体の軌道を計算して動作制
御部218へ軌道情報224を送る。動作条件入力部2
21,軌道生成部219,大腿動作制御部218,下腿
動作制御部220について、さらに詳しい説明を述べ
る。
【0033】図7は、この実施の形態2の動作条件入力
部の内部を示す詳細図である。動作条件入力部221内
には、動作条件の記憶部221aがあり、股関節の駆動
角度、駆動速度および動作繰り返し回数などの肢体を駆
動する際の動作条件221bを入力し、軌道生成部21
9に動作条件情報225を出力するようになっている。
【0034】図8は、この実施の形態2の軌道生成部の
内部を示す詳細図である。軌道生成部219は、大腿を
駆動する軌道の計算部219a、大腿を駆動するアーム
の軌道計算と記憶部219bで構成される。大腿を駆動
する軌道219cは、次のようにして求めることができ
る。動作条件入力部221からの股関節の駆動角度をθ
とすると、大腿を駆動するアームの角度θ0は股関節の
角度θに等しいため、θ0 =θとおき、動作条件入力部
221からの駆動速度によって駆動角度θを時系列で変
化させてやれば、大腿を駆動する軌道219cを得るこ
とができる。
【0035】図9は、この実施の形態2の大腿動作制御
部の内部を示す詳細図である。大腿動作制御部218
は、軌道生成部からの目標軌道224を受ける。インピ
ーダンス制御部218bは、軌道生成部からの目標軌道
224と力センサからの負荷情報231とから最終的な
目標軌道218cを生成する。サーボ系218aは、目
標軌道218cと駆動軸センサからの角度・角速度情報
222とから、各駆動軸のモータへの出力指令223を
出力する。以上より、動作制御部218は軌道情報22
4を受けて、大腿部を駆動するアームを制御することが
できる。
【0036】図10は、この実施の形態2の下腿動作制
御部の内部を示す詳細図である。下腿動作制御部220
は、下腿装着部212内の図示していない力センサから
の負荷情報230を受ける。インピーダンス制御部22
0cは、力センサからの負荷情報230から最終的な目
標軌道220d、220eを生成する。サーボ系220
aは、目標軌道220dと駆動軸センサからの角度・角
速度情報229とから、駆動軸202のモータへの出力
指令228を出力する。また、サーボ系220bは、目
標軌道220eと駆動軸センサからの角度・角速度情報
226とから、駆動軸203のモータへの出力指令22
7を出力する。
【0037】下腿部を大腿部の動きに追従させて駆動す
るため、下腿動作制御部のインピーダンス制御は、次の
式のバネ係数K=0として制御を行えば良い。 Fx =Max +Bvx +K(x−x0 ) ……………………(式7) ここで各記号は、次の意味である。 Fx :下腿部とアーム間に作用する力 M、B、K:目標インピーダンス x:フリー回転軸106の位置(X,Y ) x0 :xのバネ剛性の平衡点 ax :xの微分値 vx :xの2回微分値 以上のように構成された肢体駆動装置[図6]は、大腿
部を設定した動作角度で駆動すると、下腿部はインピー
ダンス制御により大腿部の動きに追従して駆動するた
め、下腿部の軌道を生成せずに下肢を駆動することがで
きる。
【0038】以上述べたように、本発明の実施の形態2
によれば、肢体の一定の自由度に対する軌道のみを生成
し、残りの自由度に対する動作は、インピーダンス制御
により追従させて肢体を駆動するため、個人差や装着位
置による装置の調節や設定の変更を行う必要がなく操作
性を向上することができる。また、装置の調節ミスや肢
体情報の入力ミスがなくなるため、安全性の向上に効果
がある。
【0039】[実施の形態3]以下、本発明の実施の形
態3を図に基づいて説明する。図11は本発明の実施の
形態3の全体の回路構成等を示す図である。この装置全
体の構成を表す図11において、311は大腿部314
を装置に装着する大腿装着部、312は下腿部315を
装置に装着する下腿装着部、301、302、303は
駆動軸、304は301に連動し同じ角度回転する連動
駆動軸、307、308、309、310はリンク、3
13は装置の基部、305、306はフリー回転部であ
り、これらによって動作本体をなしている。318は、
動作制御部であり、前記動作本体との間で大腿装着部3
11や下腿装着部312内の図示していない力センサか
らの負荷情報や、駆動軸301、302、303に設け
た各種センサからの位置や姿勢情報などの運動情報32
2、各駆動軸301、302、303への運動指令32
3をやりとりする。
【0040】下肢情報設定部320は、股関節316と
膝関節317間の長さ、膝関節317と下腿部装着位置
306間の長さ、股関節316と装置の基部313との
距離を設定し、これらの長さおよび距離の情報325を
軌道生成部319へ送る。動作条件入力部321では、
下肢を駆動する場合に必要な下肢関節の駆動角度,駆動
速度,回数などを入力し、これらの動作条件情報326
を軌道生成部319へ送る。
【0041】一方、軌道生成部319は、長さ及び距離
の情報325や動作条件情報326から動作本体の軌道
を計算して動作制御部318へ軌道情報324を送る。
軌道生成部319,動作制御部318について、さらに
詳しい説明を以下に示す。
【0042】図14は、この実施の形態3の軌道生成部
の内部を示す詳細図である。軌道生成部319は、大腿
を駆動する軌道の計算部319a、下腿を駆動する軌道
の計算部319b、大腿を駆動するアームの軌道計算と
記憶部319c、下腿を駆動するアームの軌道計算と記
憶部319dで構成される。大腿を駆動する軌道319
eおよび下腿を駆動する軌道319fは、肢体および装
置の各パラメータを図12のようにおくと、次のように
して求めることができる。まず、大腿を駆動する軌道3
19cは、動作条件入力部321からの股関節の駆動角
度をθとすると、大腿を駆動するアームの角度θ0は、
股関節の角度θに等しいため、θ0=θとおき、動作条
件入力部321からの駆動速度によって駆動角度θを時
系列で変化させてやれば、大腿を駆動する軌道319c
を得ることができる。
【0043】次に、下腿を駆動する軌道319fは、動
作条件入力部321からの股関節の駆動角度をθとする
と、下肢情報設定部からの長さ及び距離の情報329か
ら、装置の下肢装着部312の位置P1 (X, Y)は、
次の式で計算することができる。(図13参照) X=Lm cosθ+Ls −Lh −La ……………………(式8) Y=Lm sinθ ……………………(式9) これらの式から動作条件入力部321からの駆動速度に
よって肢体関節の駆動角度θを時系列で変化させてやれ
ば、下肢体を駆動する軌道319fを得ることができ
る。
【0044】この下肢を駆動する軌道319fから装置
駆動軸の関節角度の時系列における目標軌道324bに
変換するには、ロボット工学におけるロボットマニピュ
レータの逆運動学計算を用いれば良い。このようにし
て、軌道生成部319は、下肢情報設定部からの長さ及
び距離の情報329と動作条件入力部からの動作条件情
報326から、装置関節の目標軌道324a、324b
を計算し動作制御部318に出力する。
【0045】図15は、この実施の形態3の動作制御部
の内部を示す詳細図である。動作制御部318は、軌道
生成部からの目標軌道324を受ける。インピーダンス
制御部318bは、軌道生成部からの目標軌道324と
力センサからの負荷情報327とから最終的な目標軌道
318cを生成する。サーボ系318aは、目標軌道3
18cと駆動軸センサからの角度・角速度情報322と
から、各駆動軸のモータへの出力指令323を出力す
る。以上より、動作制御部318は軌道情報318cを
受けて、動作本体の運動を制御することができる。
【0046】以上のように構成された下肢を含む肢体駆
動装置[図11]は、大腿を駆動するアームと下腿を駆
動するアームの2つのアームで構成され、大腿を駆動す
るアームの軌道と下腿を駆動するアームの軌道を分けて
生成するため、複雑な設定や計算を行わずに肢体を駆動
することができる。以上述べたように、本発明の実施の
形態3によれば、大腿と下腿をわけて目標軌道を生成す
るので、簡単な入力と単純な軌道計算で下肢を駆動する
ことができる。
【0047】
【発明の効果】かくして、これまでの詳細な説明から明
らかなように、本発明は、その請求項1及び請求項2の
発明に係る手段により、個人差による肢体の長さや肢体
と装置との距離に応じて、装置を駆動する目標軌道を生
成するので、肢体と装置との正確な位置合わせをするこ
となく、リハビリテーションやトレーニングに適切な動
きを行なうことが可能な肢体駆動装置の提供をすること
が可能となる。
【0048】またその請求項3及び請求項4の発明に係
る手段により、一定の自由度に対する軌道のみを生成し
て肢体を駆動し、残りの自由度に対する動作は、アーム
の機械的インピーダンスを制御して軌道の動きに追従さ
せるので、肢体と装置との正確な位置合わせを行うこと
なく肢体を駆動することが可能な肢体駆動装置の提供を
することが可能となる。
【0049】さらに請求項5ないし請求項7の発明に係
る手段により、大腿部の軌道と下腿部の軌道を分けて軌
道の生成を行うので、動作の教示や複雑な設定を行わず
に、下肢を動かすことが可能な肢体駆動装置の提供をす
ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の動作と回路構成を示す
ブロック図
【図2】実施の形態1の肢体情報測定部の内部の構成を
示す詳細図
【図3】実施の形態1の肢体情報の算出方法を説明する
ための図
【図4】実施の形態1の軌道生成部の内部の構成を示す
詳細図
【図5】実施の形態1の動作制御部の内部の構成を示す
詳細図
【図6】本発明の実施の形態2の動作と回路構成を示す
ブロック図
【図7】実施の形態2の動作条件入力部の内部の構成を
示す詳細図
【図8】実施の形態2の軌道生成部の内部の構成を示す
詳細図
【図9】実施の形態2の大腿動作制御部の内部の構成を
示す詳細図
【図10】実施の形態2の下腿動作制御部の内部の構成
を示す詳細図
【図11】本発明の実施の形態3の動作と回路構成を示
すブロック図
【図12】実施の形態3の軌道の算出方法を説明するた
めの肢体および装置の各パラメータの定義を示す図
【図13】実施の形態3の軌道の算出方法を図12の定
義によって説明するための図
【図14】実施の形態3の軌道生成部の内部の構成を示
す詳細図
【図15】実施の形態3の動作制御部の内部の構成を示
す詳細図
【符号の説明】
101,102 駆動軸 103 フリー回転軸 104,105 リンク 106 装置の基部 107 肢体装着部 108 治療あるいは訓練を行う肢体の部分 109 肢体関節 110 動作制御部 110a サーボ系 110b インピーダンス制御部 110c 目標軌道 111 軌道生成部 111a 肢体を駆動する軌道の計算部 111b 装置の軌道計算と記憶部 111c 肢体を駆動する軌道 112 肢体情報測定部 112a 肢体の運動学的情報の計算部 113 動作条件入力部 114 駆動軸センサからの角度・角速度情報(運動情
報) 115 モータへの出力指令(運動指令) 116 軌道生成部からの(目標)軌道情報 117 肢体情報測定部からの長さ及び距離の情報 118 角度情報(駆動軸及びフリー回転軸の角度) 119 動作条件入力部からの動作条件情報 120 力センサからの負荷情報 201,202,203,204 駆動軸 205,206 フリー回転軸 207,208,209,210 リンク 211 大腿装着部 212 下腿装着部 213 装置の基部 214 大腿部 215 下腿部 216 股関節 217 膝関節 218 大腿動作制御部 218a サーボ系 218b インピーダンス制御部 218c 目標軌道 219 軌道生成部 219a 大腿を駆動する軌道の計算部 219b 大腿を駆動するアームの軌道計算と記憶部 219c 大腿を駆動する軌道 220 下腿動作制御部 220a,220b サーボ系 220c インピーダンス制御部 220d,220e 目標軌道 221 動作条件入力部 221a 動作条件の記憶部 221b 肢体を駆動する際の動作条件 222 駆動軸センサからの角度・角速度情報 223 モータへの出力指令 224 軌道生成部からの目標軌道 225 動作条件入力部からの動作条件情報 226,229 駆動軸センサからの角度・角速度情報 227,228 モータへの出力指令 230,231 力センサからの負荷情報 301,302,303 駆動軸 304 連動駆動軸 305,306 フリー回転軸 307,308,309,310 リンク 313 装置の基部 311 大腿装着部 312 下腿装着部 314 大腿部 315 下腿部 316 股関節 317 膝関節 318 動作制御部 318a サーボ系 318b インピーダンス制御部 318c 目標軌道 319 軌道生成部 319a 大腿を駆動する軌道の計算部 319b 下腿を駆動する軌道の計算部 319c 大腿を駆動するアームの軌道計算と記憶部 319d 下腿を駆動するアームの軌道計算と記憶部 319e 大腿を駆動する軌道 319f 下腿を駆動する軌道 320 下肢情報設定部 321 動作条件入力部 322 運動情報 323 モータへの出力指令 324a,324b 軌道生成部への(目標)軌道情報 325 長さ及び距離の情報 326 動作条件入力部からの動作条件情報 327 力センサからの負荷情報 329 下肢情報設定部からの長さ及び距離の情報

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 治療あるいは訓練を行う肢体の部分に装
    着された肢体装着部と、該肢体装着部に備えるフリー回
    転軸に第1のリンクを経て前記肢体の部分を駆動する第
    1の駆動軸と、 該第1の駆動軸と第2のリンクを経て前記第1の駆動軸
    を駆動し装置の基部に回転自在に支承された第2の駆動
    軸とから成る肢体を任意に駆動することが可能な肢体駆
    動部と、 前記基部から前記駆動軸の角度情報を受入れ、肢体関節
    から前記肢体装着部までの長さ情報を送出し、前記肢体
    を駆動する際の情報を測定することが可能な肢体情報測
    定部と、 予め入力された肢体の動作条件情報を送出する動作条件
    入力部と、 前記長さ情報と前記動作条件情報から前記肢体を駆動す
    る際の軌道情報を生成し送出する軌道生成部と、 前記軌道情報と駆動軸センサからの運動情報と力センサ
    からの負荷情報とから、前記駆動軸へ運動指令を送出す
    る動作制御部とによって構成されたことを特徴とする肢
    体駆動装置。
  2. 【請求項2】 前記肢体情報測定部は、前記肢体駆動部
    の駆動関節および前記肢体装着部の角度センサによる角
    度情報やリンクの長さ情報により、前記肢体の各関節間
    の長さ、前記肢体の装着位置、前記肢体関節と前記肢体
    駆動部との位置関係などの前記肢体の運動学的情報を測
    定することを特徴とする請求項1記載の肢体駆動装置。
  3. 【請求項3】 前記肢体を任意に駆動することが可能な
    前記肢体駆動部と、前記肢体を駆動する際の動作条件を
    入力することが可能な前記動作条件入力部と、前記肢体
    を駆動する際の軌道を生成することが可能な前記軌道生
    成部とを備え、前記動作条件入力部の情報に従って前記
    軌道生成部で前記肢体の少なくとも1つの自由度に対す
    る軌道を生成し、残りの自由度に対する動作は、前記肢
    体を駆動するアームの機械的インピーダンスを制御して
    前記軌道の動きに追従させることにより前記肢体駆動部
    で肢体を駆動する構成にしたことを特徴とする肢体駆動
    装置。
  4. 【請求項4】 前記動作条件入力部は、前記肢体関節の
    駆動角度、駆動速度および動作繰り返し回数を入力する
    ものであることを特徴とする請求項3記載の肢体駆動装
    置。
  5. 【請求項5】 大腿部と下腿部を独立に駆動することが
    可能な下肢駆動部と、下肢を駆動する際の情報を設定す
    ることが可能な下肢情報設定部と、下肢を駆動する際の
    軌道を生成することが可能な軌道生成部とを備え、前記
    下肢情報設定部の情報に従って前記軌道生成部で前記大
    腿部の軌道と前記下腿部の軌道を生成し、前記大腿部の
    軌道に従って前記大腿部を駆動し、前記下腿部の軌道に
    従って前記下腿部を駆動する構成にしたことを特徴とす
    る肢体駆動装置。
  6. 【請求項6】 前記下肢情報設定部は、股関節と膝関節
    間の長さ、膝関節と下腿部装着位置間の長さ、股関節と
    装置の基部との距離を設定するものであることを特徴と
    する請求項5記載の肢体駆動装置。
  7. 【請求項7】 前記軌道生成部は、前記大腿部の軌道を
    股関節位置を中心に前記股関節と大腿部駆動位置との長
    さを径とする円弧を描くように生成し、前記下腿部の軌
    道を股関節位置から前記膝関節と下腿部駆動位置の長さ
    だけ足先の方向へシフトした位置を中心に大腿部長さを
    径とする円弧を描くように生成することを特徴とする請
    求項5記載の肢体駆動装置。 【0001】
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