JPS6319146A - リハビリテ−シヨン支援装置の制御方式 - Google Patents

リハビリテ−シヨン支援装置の制御方式

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JPS6319146A
JPS6319146A JP61162541A JP16254186A JPS6319146A JP S6319146 A JPS6319146 A JP S6319146A JP 61162541 A JP61162541 A JP 61162541A JP 16254186 A JP16254186 A JP 16254186A JP S6319146 A JPS6319146 A JP S6319146A
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多加夫 和田
裕司 進藤
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、筋力の低下した上肢体または下肢体などの肢
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
ン支援装置の制御方式に関し、もつと詳しくは、筋力の
低下した肢体を角変位可能なアームに取付けてリハビリ
テーション支援を行なうリハビリテーション支援装置の
制御方式に関する。
背景技術 典型的な先行技術は、特公昭57−30509などに示
されており、肢体が取付けられる角変位可能なアームの
揺動運動の等張制御を実現するために、相互に噛み合っ
ている複数の増速歯車の歯車軸に筋肉により力を加えて
回転させ、この回転をパウダーブレーキに伝達して制御
し、またモータによって歯車を制御状態において回転し
、筋肉に力を及ぼす機構を有している。このような構成
によって、患者のリハビリテーション訓練時において、
重錘を引上げるような動作を行なわせ、筋肉への負荷は
重錘の重さにより一定値とし、抗重力による訓練を行な
うものである。
発明が解決すべき問題点 このような先行技術では、パウダーブレーキなどを備え
ており、比較的複雑な構造を有し、また構成が大形化す
るという問題がある。
本発明の目的は、構成が簡単であり、小形化が可能なリ
ハビリテーション支援装置の制御方式を提供することで
ある。
問題点を解決するための手段 本発明は、角変位可能なアームに肢体を取付けて筋力の
低下した肢体の機能を回復するためのリハビリテーショ
ン支援装置の制御方式において、アームを角変位駆動す
るためのサーボ電動機と、サーボ電動機を駆動する電力
増幅器と、サーボ電動機の回転速度または駆動電流を検
出する回転速度/駆動電流検出器と、 アームに肢体から加えられる力またはトルクを検出する
力/トルク検出器と、 予め定めた力またはトルクを表わす信号を導出する設定
回路と、 力/トルク検出器の出力と設定回路の出力との差を演算
し、その差を表わす信号を導出する第1減算器と、 tA1減算器の出力と回転速度/駆動電流検出器の出力
との差を演算し、その差を表わす信号を電力増幅器に与
える第2減算器とを含むことを特徴とするリハビリテー
ション支援装置の制御方式である。
好ましい実施態様は、第1および第2減算器の開に、1
次低域通過フィルタを介在することを特徴する。
さらに好ましい実施態様では、アームの角度を検出する
角度検出器と、 角度検出器の出力に応答し、アームが予め定めた可動範
囲を超えたとき、予め定める大きなレベルを有する出力
を導出する不感帯要素と、第1および第2減算器の間に
介在され、第1減算器の出力と不感帯要素の出力との差
を演算し、その差を表わす信号を第2減算器に与える第
3減算器とを含むことを特徴する。
作  用 本発明に従えば、力またはトルクを検出する力/トルク
検出器によってアームに肢体から加えられる力またはト
ルクを検出し、この力/トルク検8器と設定回路からの
予め定めた力またはトルクを表わす信号との差を第1減
算器によって演算し、この第1減算器の出力を第2減算
器に与えてサーボ電動機を駆動するようにしたので、ア
ームには設定回路において設定された力またはトルクが
常に作用することになる。したがってリハビリテーショ
ン訓練を行なうとき、患者は重錘を引上げるような動作
を行なうことができ、等張制御が達成される。
実施例 第1図は、本発明の一実施例のブロック図である。筋力
の低下した肢体の機能を回復するために、本発明に従う
リハビリテーション支援装置の制御方式が実施される。
上肢体または下肢体は、アーム1の端部2に取付けられ
る。このアーム1の基端部3は、水平軸線を有する回転
軸4に固定される。サーボ電動8!5の出力軸6は、減
速機7に連結され、そのサーボ電動8!5の出力軸6の
回転速度が減速され、回転軸4に伝達される。サーボ電
動機5の出力軸6の回転速度は、回転速度検出器8によ
って検出される。この回転速度検出器8は、出力軸6の
回転速度の増大に伴ってライン9に導出される出力のレ
ベルが、第2図に示されるように増大する特性を有する
。サーボ電動機5は、電力増幅器10によって駆動され
る。
アーム1には力検出器11が取付けられ、アーム1に作
用する力を検出することができる。この力検出器11は
、アーム1に作用する力に対応する出力をライン12に
導出し、その特性は第3図に示されるとおりである。力
検出器11は、たとえばストレンゲージなどによって実
現される。力検出器11の出力信号は、ライン12を介
して係数器14に入力されて、予め定めた一定値に1が
掛は算される。
係数器14からの出力は、減算器15の一方の入力に与
えられる。減算器15の他方の入力には、予め定めた力
に対応したレベルを有する信号を導出する設定回路16
からの出力が与えられる。減算器15は、係数器14の
出力のレベルから設定回路16の出力のレベルを差し引
いて滅ヰし、その差を表わす信号を減算器17に与える
。減算器17の出力は1次低域通過フィルタ18に与え
られ、そのフィルタ18の出力は減算器19に与えられ
る。減算器19は、フィルタ18からの出力のレベルか
ら回転速度検出器8の出力のレベルを差し引いて演算し
、その差を表わす信号を電力増幅器10に与える。
アーム1の角変位量は、角度検出器21によって検出さ
れる。この角度検出器21は、第4図に示されるように
アーム1に固定された輸4の角度に対応した出力を導出
する。この角度検出器21からの出力は、ライン22か
ら不感帯要素23に入力される。
不感帯要素23は、第5図に示されるように、ライン2
2を介して与えられる入力のレベルが、予め定めた値θ
WAX〜θWINの範囲にあるとき、ライン24に導出
する出力のレベルは零であり、入力のレベルが上限値で
ある前記値θに^X以上であるとき、および下限値であ
る値θWIN以下であるとき、傾きkpの出力を導出す
る。入力のレベルが値θWAX以上および値θHXN以
下であるとき、その入力のレベルの変化量に対応する出
力のレベルの変化量、すなわち傾きkpはきわめて大き
く、第5図に示される角度αは、90度に近い値である
不感帯要素23からライン24に導出される出力は、係
数器25に与えられて定数kEが掛は算され、減算器1
7に入力される。減算器17は、前述の減算器15の出
力から、係数器25の出力を差し引いて減算し、その差
に対応するレベルを有する信号をフィルタ18に与える
アーム1の角変位位置が、不感帯要素23において予め
設定された値θに^X〜θWINに対応した可動範囲に
ある状態を想定する。アーム1に肢体によって力が作用
すると、その力は力検出器11によって検出される。
サーボ電動8!5と、回転速度検出器8と、電力増幅器
10と、減算器19とは、速度フィードバックループを
構成しており、回転速度検出器8によって検出される出
力軸6の実回転速度δは、フィルタ18から減算器1つ
に入力される回転速度指令値θrに追従する。以下の説
明では、θと々rとの偏差が充分小さいものとする。
アーム1の可動範囲の設定に関して、説明を行なう。減
算器15から減算器17に与えられる信号のレベルをA
とするとき、角度検出器21がら不感帯要素23に信号
が与えられると、次の第1式〜第5式が成立する。
θr=θ=A (θNIN≦θ≦θ腕^×)  ・・・
(1)θr=θ=A−kp−に、(θ−θロ×)(θに
^×くθ)        ・・・(2)θr=θ=A
−kp−kE(θ−θNIN)(θくθWIN)   
    ・・・(3)不感帯要素23に入力される信号
のレベルθが、値θMAx〜θNINの範囲であるとき
には、後述のように、等張制御が行なわれる。
第2式または第3式が成立するとき、すなわちアーム1
の角度がθ!IAxを超えるときまたはθMIN未満で
あるときには、位置フィードバック動作が行なわれ、ア
ーム1は上下位置θ蝕^X〜θWINの可動範囲を大き
く越えないようになる。不感帯要素23において、ライ
ン22から入力される角度検出器21の出力がθ口×以
上およびθWIN以下であるときには、入力の変化に対
して出力は大きく変化し、たとえば90度に近いけれど
も90度ではない大きな傾きaを有している。そのため
肢体によって、アーム位置に力を加えて等張制御を行な
っているとき、アーム位置が値θMAXy θMINに
対応した角変位位置で、急激に停止することが防がれる
。そのため衝撃力が肢体に加わることを防ぐことができ
る。
次に、等張制御の動作を説明する。力検出器11、係数
器14、減算器15、力設定回路16、フィルタ18な
どを含むフィードバックループにおいて、1次低域通過
フィルタ18の伝達関数Wを第4式で表わす。ここでS
はラプラス演算子であり、J、Dは定数である。
したがって係数器14の出力をTとし、力設定回路16
の出力をT。とじたとき、サーボ電動機5の出力軸6の
回転速度θは、フィルタ18の出力々rとの偏差が充分
小さいものとすると、第5式が成立する。
第5式をラプラス逆変換すると、第6式が成立する。
Jθ+Dθ十T 0= T        ・・・(6
)この第6式を参照すると、ちょうど、慣性力Jおよび
摩擦力りの負荷に、さらに一定の力T。が加わっている
ものを、リハビリテーション訓練を行なう患者がTの力
を発生させてアーム1を角変位することに相当する。
したがって慣性力Jおよび摩擦力りが充分小さければ、 T=T、              ・・・(7)と
なって、等張運動となる。また値J、D、T、を変化す
ることによって各種の態様でアーム1に力を発生させる
ことができ、衝撃力の緩和を行なうことができる。
1次低域通過フィルタ18の具体的な構成は、たとえば
第6図に示されているとおりである。滅算器17からの
出力は、ライン26.27に与えられる。ライン26に
は抵抗28が直列に接続され、接続点29とライン27
との闇にはコンデンサ30が接続される。コンデンサ3
0に後続して、高入力インピーダンスを有する増幅回路
31が接続される。増幅回路31の出力は、減算器19
に与えられる。増幅回路31は、演算増幅器32と抵抗
R1,R2を有し、その利得には第8式に示されるとお
りである。
このような構成を有するフィルタ18において、前述の
値J、Dは第9式および10式のとおりである。抵抗2
8の抵抗値はRで表わし、コンデンサ30の容量はCで
表わす。
第7図は、本発明の他の実施例のブロック図である。本
実施例は、前述の実施例に類似し、対応する部分には、
同一の参照符を付す。注目すべきは、前述の実施例にお
ける回転数検出器8に代えて、本実施例では、変流器3
5と、駆動電流検出器36とが用いられる。サーボ電動
機5と、変流器35と、駆動電流検出器36と、電力増
幅器10と、減算器19とは、フィードバックループを
構成しており、変流器35と駆動電流検出器36とによ
って検出される電力増幅器10の出力電流すなわちサー
ボ電動8!5の界磁電流iは、フィルタ18から減算器
19に入力される回転速度指令値θrに追従する。
力検出器11に代えて、アーム1のトルクを検出する検
出器が用いられてもよく、このときには力設定回路16
に代えて、予め定めたトルクを表わす信号を導出する設
定回路が用いられる。
効  果 以上のように本発明によれば、構成が簡略化されるとと
もに小形化が可能となり、また商業的に入手が容易な構
成要素を用いて実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例のブロック図、第2図は回転
速度検出器8の特性を示す図、第3図は力検出器11の
特性を示す図、第4図は角度検出器21の特性を示す図
、第5図は不感帯要素23の特性を示す図、第6図は1
次低域通過フィルタ18の具体的な構成を示す電気回路
図、第7図は本発明の他の実施例のブロック図である。 1・・・アーム、4・・・回転軸、5・・・サーボ電動
機、7・・・減速機、8・・・回転速度検出器、9・・
・電力増幅器、11・・・力検出器、14.25・・・
係数器、15゜17.19・・・減算器、16・・・力
設定回路、23・・・不感帯要素、35・・・変流器、
36・・・駆動電流検出器

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)角変位可能なアームに肢体を取付けて筋力の低下
    した肢体の機能を回復するためのリハビリテーシヨン支
    援装置の制御方式において、 アームを角変位駆動するためのサーボ電動機と、サーボ
    電動機を駆動する電力増幅器と、 サーボ電動機の回転速度または駆動電流を検出する回転
    速度/駆動電流検出器と、 アームに肢体から加えられる力またはトルクを検出する
    力/トルク検出器と、 予め定めた力またはトルクを表わす信号を導出する設定
    回路と、 力/トルク検出器の出力と設定回路の出力との差を演算
    し、その差を表わす信号を導出する第1減算器と、 第1減算器の出力と回転速度/駆動電流検出器の出力と
    の差を演算し、その差を表わす信号を電力増幅器に与え
    る第2減算器とを含むことを特徴とするリハビリテーシ
    ヨン支援装置の制御方式。
  2. (2)第1および第2減算器の間に、1次低域通過フィ
    ルタを介在することを特徴する特許請求の範囲第1項記
    載のリハビリテーシヨン支援装置の制御方式。
  3. (3)アームの角度を検出する角度検出器と、角度検出
    器の出力に応答し、アームが予め定めた可動範囲を超え
    たとき、予め定める大きなレベルを有する出力を導出す
    る不感帯要素と、 第1および第2減算器の間に介在され、第1減算器の出
    力と不感帯要素の出力との差を演算し、その差を表わす
    信号を第2減算器に与える第3減算器とを含むことを特
    徴する特許請求の範囲第1項記載のリハビリテーシヨン
    支援装置の制御方式。
JP61162541A 1986-07-10 1986-07-10 リハビリテ−シヨン支援装置の制御方式 Granted JPS6319146A (ja)

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JPH0323065B2 JPH0323065B2 (ja) 1991-03-28

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