KR20160085777A - 훈련 장치 - Google Patents

Abstract

위치 편차의 변화의 차이와 동작 시의 부하량을 정확하게 모니터하고, 적절히 훈련 장치를 제어한다. 훈련 장치(100)는, 고정 프레임(1), 조작 로드(3), 모터, 회전 정보 출력 센서, 경동 각도 산출부(1131), 피드백 전류 검출부(1133), 위치 편차 산출부(1132), 판단부(1134)를 구비한다. 조작 로드(3)는 적어도 1 자유도로 경동한다. 모터는 조작 로드를 경동시킨다. 회전 정보 출력 센서는 모터의 회전량을 출력한다. 경동 각도 산출부(1131)는 경동 각도를 산출한다. 피드백 전류 검출부(1133)는 피드백 전류값 I를 검출한다. 위치 편차 산출부(1132)는 위치 편차를 제1 시간 T₁ 경과마다 산출한다. 판단부(1134)는 제1 시간 T₁ 동안에 생긴 위치 편차가 제1 임계값 φ₁ 이상이거나, 또는 피드백 전류값 I가 제2 시간 T₂ 이상, 제1 전류값 I₁ 이상인 경우에 에러라고 판단한다.

Description

훈련 장치{TRAINING DEVICE}

본 발명은, 모터에 의해 구동되는 조작 로드를 구비하고, 소정의 훈련 프로그램에 따라 환자의 상지 및 하지 등의 재활(rehabilitation)을 지원하는 훈련 장치에 관한 것이다.

뇌졸중 환자의 반신불수된 상지(上肢)나 하지(下肢)의 운동 기능 회복을 목적으로 하는 재활은 일반적으로 작업요법사(作業療法士)나 이학(理學)요법사에 의해 행해지므로, 재활의 효율적인 제공의 면에서는 한계가 있다. 예를 들면, 상지의 운동 기능 회복을 목적으로 한 재활에서는, 주로 마비된 상지의 정확한 동작을 현상(現狀)보다 약간 넓은 동작 범위에서 타동적 및 능동적으로 가능한 한 반복하는 것이 필요하다. 이들 운동 기능 회복에 관한 재활을 베이스로, 작업요법사 또는 이학요법사는 환자에게 정확한 동작을 교수(敎授)하고, 손재주에 의해 환자의 상지에 대해 타동적 부하를 더하면서 능동적인 동작을 유도한다.

관련 재활에서는, 요법사가 피로하게 되면 동작의 반복 횟수가 제한된다. 또, 요법사의 경험에 의해 재활의 의학적인 질에 차이가 발생할 가능성이 있다. 따라서, 요법사에 의한 훈련을 보조(補助)하여 피로에 의한 제약을 없게 하고, 또한 그 의학적인 질을 가능한 한 균질화하기 위해서, 예를 들면 특허 문헌 1과 같은 팔 등의 팔다리가 부자유스러운 환자의 재활을 지원하기 위한 훈련 장치가 알려져 있다. 이 장치는, 바닥면 상에 배치 가능한 고정 프레임, 모든 방향으로 경동(傾動) 가능한 고정 프레임에 지지되는 가동 프레임, 가동 프레임에 신축 가능하게 장착되고 훈련을 받는 사람의 손으로 조작되는 조작 로드를 구비한 상지 훈련 장치로서 개시되어 있다.

[선행 기술 문헌]

[특허 문헌]

[특허 문헌 1] 국제 공개 공보 제2012/117488호

특허 문헌 1에 개시된 훈련 장치는, 주로 훈련을 받는 사람이 훈련해야 할 팔다리, 예를 들면 상지를 훈련 프로그램에 따라 훈련하는 경우, 훈련해야 할 상지의 동작이 조작 로드의 동작을 추종하는지를 모니터하고, 필요에 따라 조작 로드의 움직임을 훈련 장치의 사용자에 대해서 시각적 또는 청각적 정보를 기초로 교시(敎示)한다. 이 경우, 종래의 훈련 장치는 장치 내부에서의 연산 처리에 의해, 예를 들면 훈련 프로그램에 의해 지시된 조작 로드의 경동해야 할 각도와 실제의 조작 로드의 경동 각도와의 편차(위치 편차)의 크기에만 기초하여 훈련해야 할 상지의 동작이 훈련 프로그램에 의해 지시된 조작 로드의 움직임으로서 추종하는지를 평가하였다. 그러나, 이와 같은 위치 편차의 크기에만 기초한 평가 방법에서는, 단시간에 발생한 급격한 위치 편차를 완만하고 서서히 변화하는 위치 편차와 구별할 수 없다. 또, 종래의 훈련 장치는 상기 2종류의 위치 편차를 구별할 수 없으므로, 장치의 사용자로서도 그 위치 편차가 어떠한 이유에 의해 발생했는지를 판별할 수 없다. 그러므로, 종래의 훈련 장치에서는 장치의 사용자는 적절한 훈련 프로그램을 향수(享受)하지 못 할 우려가 있다.

또, 훈련 장치에서는, 훈련 중에서의 환자에 대한 부하를 적절히 파악하고 훈련에 피드백하기 위해, 전술한 위치 편차와 동시에 조작 로드가 상지를 동작시키기 위해 필요로 하는 부하량을 모니터하는 기능이 필요하다. 그러나, 위치 편차의 크기는 경동해야 할 지시 각도와 실제 경동 각도와의 편차이므로, 이 측정값에만 기초하여 상기 부하량을 정확하게 모니터하는 것은 곤란하고, 다른 지표(指標)에 의해 모니터할 필요가 있다.

본 발명의 과제는, 위치 편차의 시간적인 변화의 차이와 조작 로드가 훈련해야 할 팔다리를 동작시키기 위해 필요로 하는 부하량을 동시에 정확하게 모니터하여, 적절히 조작 로드를 제어하는 재활 지원을 위한 훈련 장치를 제공하는 것에 있다.

이하, 문제점을 해결하기 위한 수단으로 복수의 태양을 설명한다. 이들의 태양은 필요에 따라 임의로 조합시킬 수 있다.

본 발명의 일례에 관한 훈련 장치는, 훈련 프로그램에 따라 환자의 상지 및 하지의 사지를 훈련하는 훈련 장치이다. 훈련 장치는, 고정 프레임, 조작 로드, 모터, 회전 정보 출력 센서, 경동 각도 산출부, 피드백 전류 검출부, 위치 편차 산출부, 판단부를 구비한다. 고정 프레임은 바닥면 상 또는 바닥면 상에 근접하여 탑재된다. 조작 로드는 고정 프레임에 적어도 1 자유도로 경동 축 주위에 경동 가능하게 지지된다. 그리고, 조작 로드는 팔다리를 보지(保持)한다. 모터는 조작 로드를 경동 축 주위에 경동(傾動)시킨다. 회전 정보 출력 센서는 모터의 회전량을 출력한다. 경동 각도 산출부는 모터의 회전량에 기초하여 조작 로드의 경동 각도를 산출한다. 피드백 전류 검출부는 모터의 피드백 전류값을 검출한다. 위치 편차 산출부는 위치 편차를 소정 시간인 제1 시간의 경과마다 산출한다. 여기서 위치 편차란, 조작 로드의 실제 경동 각도와 훈련 프로그램에서 지시된 조작 로드의 경동 각도인 지시 경동 각도와의 차를 말한다. 판단부는, 제1 시간 동안에 생긴 위치 편차가 제1 임계값 이상이거나, 또는 피드백 전류값이 소정 시간인 제2 시간 이상에서 제1 전류값 이상인 경우에 에러라고 판단한다.

이 훈련 장치에서는, 모터가 조작 로드를 제어하는 때에 위치 편차 산출부가 제1 시간마다 위치 편차를 산출한다. 그리고, 판단부는 제1 시간 동안에 생긴 위치 편차가 제1 임계값 이상이 된 경우에, 훈련 장치에 어떠한 문제점이 있다, 또는 단시간에 급격하게 위치 편차가 변화되었다고 판단하고, 에러로서 검출한다.

한편, 동일하게 모터가 조작 로드를 제어하는 때에, 피드백 전류 검출부가 모터에 공급되는 피드백 전류값을 모니터한다. 그리고, 판단부는 피드백 전류값이 제1 전류값 이상인 상태가 제2 시간 이상 계속된 경우에, 동일하게 훈련 장치에 어떠한 문제점이 있다, 또는 완만한 위치 편차가 장시간 계속되었다고 판단하고, 에러로서 검출한다.

이와 같이, 이 훈련 장치에서는, 제1 시간당 위치 편차의 변화량이 모니터되고 있다. 그러므로, 판단부는 제1 시간의 위치 편차의 변화량이 크면, 제1 시간을 기준으로 하여 단시간에 급격하게 변화된 위치 편차라고 판단할 수 있다. 그리고, 판단부는 단시간의 급격한 위치 편차의 변화가 발생했을 때 에러로서 검출할 수 있다.

또, 훈련 장치에서는, 모터에 입력되는 피드백 전류값을 모니터함으로써 모터가 조작 로드를 경동시키기 위해 필요로 하는 토크(torque)를 모니터할 수 있다.

또한, 훈련 장치는 조작 로드를 훈련 프로그램에 의해 지시된 경동 각도로 제어하므로, 피드백 전류값은 위치 편차의 변화의 크기에 따라 변화한다. 따라서, 피드백 전류값에 기초하여, 미리 결정한 판단 시간을 기초로 완만히 변화하는 위치 편차의 변화가 발생하는지, 또는 급격하게 변화하는 위치 편차가 발생하는지를 모니터할 수 있다.

또, 판단부는 피드백 전류값이 제1 전류값 이상인 상태가 제2 시간 이상 계속되었을 경우에 에러를 발생시킨다. 이로써, 판단부는 판단 시간에서 위치 편차가 일정 범위 내인 경우, 즉 모터(조작 로드)가 환자의 팔다리에 무리한 부하를 걸지 않은 경우, 또는 위치 편차가 완만히 변화하는 경우(환자의 팔다리가 조작 로드의 움직임에 어느 정도 추종하여 훈련의 계속이 가능한 경우)에는 제2 시간까지는 훈련을 지속하도록 훈련 장치를 제어할 수 있다.

조작 로드는 길이 축선 방향으로 신축되어도 된다. 여기서 길이 축선 방향이란 조작 로드의 길이 방향을 말한다. 조작 로드가 길이 축선 방향으로 신축 가능한 것에 의해, 상지 또는 하지의 조작 로드의 길이 방향에 대한 훈련도 가능해진다.

훈련 장치는 정보 제공부를 더 구비해도 된다. 정보 제공부는 판단부에 의해 에러를 판단했을 경우, 환자, 훈련 보조자 및 의료 종사자 등을 포함하는 사용자에 대해 시각적 정보 또는 청각적 정보를 제공한다.

이로써, 훈련 장치의 상태, 즉 훈련 장치에서 에러가 발생하는 것 및/또는 에러 발생의 원인을 환자나 훈련 장치의 사용자에 알릴 수 있다.

정보 제공부는, 환자가 훈련 프로그램에서 설정된 훈련 루트에서 미리 설정한 통과점에 조작 로드를 도달시켰을 때 사용자에 정보를 제공해도 된다. 이로써, 사용자는 조작 로드를 훈련 프로그램대로 조작한 것을 알 수 있다. 또, 사용자가 미리 설정한 통과점에 조작 로드를 도달시켰을 때 사용자에 시각적 정보 또는 청각적 정보를 제공하는 것에 의해, 환자가 훈련을 계속하기 위한 모티베이션을 유지할 수 있다.

판단부에 의해 에러라고 판단했을 경우, 모터의 회전을 정지해도 된다. 이로써, 에러가 발생했을 때 훈련 장치를 확실하게 정지할 수 있다.

훈련 장치는 피드백 전류 제한부를 더 구비하여도 된다. 피드백 전류 제한부는, 판단부에서 에러가 발생한 경우 모터의 피드백 전류값을 미리 적절히 설정한 제2 전류값으로 제한한다.

이로써, 훈련 장치에서 에러가 생긴 경우 모터로부터 출력되는 토크를 제한할 수 있다. 그 결과, 환자에 대해 훈련 중에 과도한 부하가 걸리지 않게 조작 로드를 제어하여 재활을 행할 수 있다.

제2 전류값은 모터에 입력 가능한 정격 전류의 1보다 작은 소정 배수의 전류값이어도 된다. 이로써, 정격 전류가 장시간에 걸쳐서 모터에 공급되지 않게 된다. 그 결과, 환자에 대해 과도한 부하가 걸리지 않게 조작 로드를 제어할 수 있다.

또, 훈련 장치의 제어부에 과잉 전기 부하가 가해지는 것을 피할 수 있다.

훈련 장치는 누계 시간 계측부를 더 구비해도 된다. 누계 시간 계측부는, 제1 시간 동안 생긴 위치 편차가 제1 임계값보다 작은 제2 임계값 이상 또한 제1 임계값 미만인 누계 시간을 계측한다. 이 경우, 판단부는 이 누계 시간이 제3 시간 이상인 경우 에러라고 판단해도 된다.

제1 시간 동안 생긴 위치 편차가 제2 임계값 이상 또한 제1 임계값 미만인 시간을 누계 시간 계측부가 계측하는 것에 의해, 완만히 변화하는 위치 편차가 계속되고 있는 시간(누계 시간)을 측정할 수 있다. 또, 판단부가 누계 시간이 소정 시간인 제3 시간 이상인 경우에 에러를 발생시킴으로써, 완만히 변화하는 위치 편차에 대해서 제3 시간까지는 훈련을 계속할 수 있다. 제2 임계값은 환자의 팔다리에 과도한 부하를 걸지 않았다고 판단되는 임계값이므로, 이 때 발생하는 에러는, 그 환자에 대해 설정된 훈련 프로그램의 난이도가 높고 그 훈련 프로그램이 적절히 실시되지 않은 경우나, 장치 내의 부품이 서서히 고장에 이르는 전조를 검출하는 것에 대해 바람직하게 이용할 수 있다. 이 판단에 의해, 환자는 그 증상에 따라 적절한 훈련 프로그램을 실시할 수 있다.

훈련 장치는 지령 제작부와 모터 구동부를 더 구비하여도 된다. 지령 제작부는 훈련 프로그램에 따라 모터의 속도를 제어하기 위한 지령인 속도 지령을 제작한다. 모터 구동부는 속도 지령에 기초하여 모터를 구동시킨다. 또, 속도 지령은 적어도 모터를 가속시키는 지령인 가속 지령과 모터를 감속시키는 감속 지령 중 어느 하나를 포함해도 된다. 또한, 모터 구동부는 가속 지령 실행시에 위치 편차를 누적 유지하도록 모터를 구동해도 된다.

지령 제작부에 의해 제작된 가속 지령과 감속 지령을 적어도 포함하는 속도 지령을 사용하여 모터를 구동함으로써, 모터는 훈련 프로그램과 환자의 조작에 대응하여 원활하게 동작할 수 있다. 그 결과, 환자는 조작 로드를 의도한 것처럼 조작할 수 있다.

또, 모터 구동부가 가속 지령 실행시에 위치 편차를 누적 유지하도록 모터를 구동함으로써, 특히 단시간에 위치 편차가 생기기 쉬운 가속 지령 실행시에 환자에 의한 조작 로드 시동시나 정지시 등에 위치 편차가 생긴 경우라도, 환자는 훈련 장치를 사용하여 훈련을 계속할 수 있다. 또, 위치 편차를 누적 유지함으로써, 위치 편차의 누적 유지량에 기초하여 훈련 중에서의 환자의 팔다리의 상황을 파악할 수 있다.

속도 지령은 정속 지령을 더 포함해도 된다. 정속 지령은 모터를 일정 속도로 회전시키는 지령이다. 또, 정속 지령은 가속 지령 또는 감속 지령의 전후 중 어느 하나에 배치된다. 또, 모터 구동부는 정속 지령 실행시에서 위치 편차를 누적 유지하도록 모터를 구동해도 된다.

속도 지령이 정속 지령을 더 포함하는 것에 의해, 조작 로드가 큰 경동 각도로 동작하는 경우에도, 피드백 전류값에 기초하여 모터를 일정 속도로 원활하게 동작할 수 있다. 또, 정속 지령 실행시에서 위치 편차를 누적 유지하도록 모터를 구동함으로써, 상대적으로 큰 모터 토크를 필요로 하여 위치 편차가 생기기 쉬운, 예를 들면 조작 로드가 큰 경동 각도로 동작하는 경우에도, 환자는 훈련 장치를 사용하여 훈련을 계속할 수 있다.

모터 구동부는, 가속 지령 및/또는 정속 지령 실행시에 속도 지령에만 추종 하도록 모터를 구동해도 된다. 이로써, 가속 지령 실행시 및/또는 정속 지령 실행시에 위치 편차에 관계없이 모터를 구동할 수 있다. 그 결과, 상대적으로 큰 모터 토크를 필요로 하여 위치 편차가 생기기 쉬운, 예를 들면 조작 로드가 큰 경동 각도로 동작하는 경우에서도, 환자는 훈련 장치를 사용하여 훈련을 계속할 수 있다.

지령 제작부는, 훈련 프로그램에 따라 조작 로드의 경동 각도를 제어하기 위한 지령인 위치 지령을 더 제작해도 된다. 또, 모터 구동부는, 감속 지령 실행시에 속도 지령 및 위치 지령에 추종 하도록 모터를 구동해도 된다.

이로써, 모터 구동부는, 조작 로드가 훈련 프로그램에서 지시된 목표 경동 각도까지 최대한 편차를 적게 하여 도달하도록 모터를 제어할 수 있다. 그 결과, 환자에 대해서 조작 로드의 위치 정보를 시각적 정보로서 피드백하는 경우에도 이 위치 정보를 바람직하게 이용할 수 있다.

모터 구동부는, 조작 로드의 경동 각도가 감속 개시 위치에 도달한 때에 누적 유지한 위치 편차를 리셋하여도 된다. 여기서, 누적 유지한 위치 편차를 리셋하는 것은 누적 유지된 위치 편차를 0으로 하는 것이다. 이로써, 감속시에 모터의 속도가 위치 지령에 의해 과잉 상승하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 환자는 훈련 장치를 사용하여 훈련을 할 수 있다.

위치 편차의 시간적인 변화의 차이와 조작 로드가 상지 및 하지 등의 팔다리를 동작시키기 위해 필요로 하는 부하량을 정확하게 모니터할 수 있는 것에 의해, 환자에게 적절한 재활을 제공할 수 있다. 또, 이들의 모니터 정보에 기초하여 적절히 조작 로드를 제어할 수 있으므로, 그 환자의 상태에 따라 적절한 훈련 프로그램을 제공할 수 있다.

도 1은 훈련 장치를 모식적으로 나타낸 도면.
도 2는 제어부와 조작 로드 경동 기구(機構)의 전체 구성을 나타낸 도면.
도 3은 조작 로드의 구성을 나타낸 도면.
도 4는 제어부의 전체 구성을 나타낸 도면.
도 5a는 삼각 속도 궤도형의 속도 지령을 시간-속도 좌표 상에 나타낸 도면.
도 5b는 사다리꼴 속도 궤도형의 속도 지령을 시간-속도 좌표 상에 나타낸 도면.
도 6은 위치 지령을 시간-경동 각도 좌표 상에 나타낸 도면.
도 7a는 모터 제어부의 기본적인 구성을 나타낸 도면.
도 7b는 누계 시간 계측부를 가진 모터 제어부의 구성을 나타낸 도면.
도 7c는 누계 시간 계측부 및 피드백 전류 제한부를 가진 모터 제어부의 구성을 나타낸 도면.
도 8은 모터 구동부의 구성을 나타낸 도면.
도 9는 훈련 장치의 기본 동작을 나타낸 순서도.
도 10은 모터의 제어 방법을 나타낸 순서도.
도 11은 조작 로드의 경동 각도가 감속 지령을 실행해야 할 경동 각도인지를 체크하는 모양을 모식적으로 나타낸 도면.
도 12는 누적 유지된 위치 편차를 모식적으로 나타낸 도면.
도 13은 위치 편차 과대 판정 방법을 나타낸 순서도.
도 14는 피드백 전류값을 사용한 과부하 계속 검출 방법을 나타낸 순서도.
도 15는 모터의 실제의 회전 속도와 속도 지령과의 관계 및 속도 편차의 발생에 기인하는 피드백 전류의 시간 변화에 대하여 모식적으로 나타낸 도면.
도 16은 장시간에 걸쳐 속도 편차가 큰 속도 변화가 발생한 경우의 피드백 전류의 시간 변화를 나타낸 도면.
도 17은 위치 편차를 사용한 과부하 계속 검출 방법을 나타낸 순서도.
도 18은 도 15에 나타낸 속도 변화가 발생했을 때의 조작 로드의 실제 경동 각도와 위치 지령에 나타나 있는 지시 경동 각도와의 관계를 나타낸 도면.

1. 제1 실시예

(1) 훈련 장치의 전체 구성

제1 실시예에 따른 훈련 장치(100)의 전체 구성을 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 훈련 장치(100)를 모식적으로 나타낸 도면이다. 훈련 장치(100)는 소정의 훈련 프로그램에 따라 환자의 팔다리의 운동 기능 회복을 목적으로 한 훈련을 행하기 위한 훈련 장치이다.

훈련 장치(100)는 고정 프레임(1), 조작 로드(3), 훈련 지시부(5)를 주로 구비한다. 고정 프레임(1)은 훈련 장치(100)를 설치하는 바닥면 상 또는 바닥면에 근접하여 탑재된다. 또, 고정 프레임(1)은 훈련 장치(100)의 본체 하우징을 형성한다. 조작 로드(3)는 고정 프레임(1) 내부에 구비된 조작 로드 경동 기구(13)(도 2)를 통하여 고정 프레임(1)에 장착되어 있다. 이 결과, 조작 로드(3)는 조작 로드 경동 기구(13)에 의해 적어도 1 자유도에서, 고정 프레임(1)의 길이 방향으로 평행한 X축 및 고정 프레임(1)의 폭 방향으로 평행한 Y축(도 1 및 도 2) 방향으로 경동 가능해진다. 또, 조작 로드(3)는 내부에 조작 로드(3)를 길이 축 방향으로 신축시키는 신축 기구(도 3)를 구비해도 된다. 이 때, 조작 로드(3)는 조작 로드(3)의 길이 방향으로도 신축 가능해지므로, 조작 로드 경동 기구와 맞추어 적어도 2 자유도 또는 3 자유도로 동작할 수 있다.

또, 조작 로드(3)는 그 상단부에 팔다리 지지 부재(31)(후술)를 가지고 있다. 환자의 팔다리를 팔다리 지지 부재(31)에 지지하는 것에 의해, 조작 로드(3)에 의해 환자의 팔다리를 움직이는 것을 가능하게 한다. 또는, 환자가 스스로 조작 로드(3)를 움직이는 것을 가능하게 한다.

훈련 지시부(5)는 고정 부재(7)를 통하여 고정 프레임(1)에 고정되어 있다. 훈련 지시부(5)는 미리 설정한 훈련 프로그램을 실행하고, 필요에 따라 제어부(11)(도 2)에 조작 로드(3)를 동작시키기 위한 조작 로드 동작 지령을 송신한다. 또, 훈련 지시부(5)는 미리 설정된 훈련 프로그램에 의해 훈련 루트와 실제의 환자의 팔다리의 훈련 동작을 시각적 정보 또는 청각적 정보에 의해 제공한다. 이로써, 환자는 훈련 프로그램에 의해 설정된 훈련 동작과 실제의 동작을 피드백하면서 팔다리의 훈련을 행할 수 있다.

또, 훈련 지시부(5)는 판단부(1134)(도 7a~도 7c)가 에러라고 판단했을 때, 사용자에 대해서 에러 발생을 알리는 시각적 정보 또는 청각적 정보를 제공한다. 이로써, 사용자에 대해서 훈련 장치(100) 상태, 즉 에러가 발생하는 것 및/또는 에러 발생의 원인 등을 알릴 수가 있다.

또한, 훈련 지시부(5)는 환자가 훈련 프로그램에서 설정된 훈련 루트에서 미리 설정한 통과점(목표 경동 각도라고도 할 수 있음)에 조작 로드(3)를 도달시켰을 때, 사용자에 대해서 훈련 프로그램의 달성 등을 알리는 시각적 정보 또는/및 청각적 정보를 제공한다. 이로써, 사용자는 조작 로드(3)를 훈련 프로그램대로 조작한 것을 알 수 있다. 또, 사용자에 대해서 환자가 미리 설정한 통과점에 조작 로드(3)를 도달시킨 것을 시각적 정보 또는 청각적 정보에 의해 알려, 환자가 훈련을 계속하기 위한 모티베이션을 유지할 수 있다.

훈련 지시부(5)로서는 액정 디스플레이 등의 표시 장치와 CPU(Central Processing Unit), RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), 하드디스크, SSD(Solid State Disk) 등의 기억 장치와, 필요에 따라 터치 패널 등의 입력 장치를 구비한 일체형 컴퓨터 시스템을 사용할 수 있다. 또, 훈련 지시부(5)는 표시 장치와 그 외의 컴퓨터 시스템이 분리되어 구성되어 있어도 된다. 이 경우, 고정 프레임(1)에 고정 부재(7)를 통하여 고정되는 것은 표시 장치이다.

훈련 지시부(5)에서 실행되는 훈련 프로그램은, 예를 들면 (i) 가이디드 모드(Guided Mode), (ii) 이니시에이티드 모드(Initiated Mode), (iii) 스텝 이니시에이티드 모드(Step Initiated Mode), (iv) 팔로우 어시스트 모드(Follow Assist Mode), (v) 프리 모드(Free Mode)의 5개의 훈련 모드를 가지고 있다. 가이디드 모드는, 조작 로드(3)가 환자의 팔다리의 동작에 관계없이 팔다리를 미리 결정된 방향으로 일정 속도로 움직이는 훈련 모드이다. 이니시에이티드 모드는, 훈련 프로그램에서 미리 설정된 훈련 루트에 대해서, 환자가 팔다리에 의해 조작 로드(3)를 초동 위치에서 바른 방향으로 움직이려고 한 힘(역각(力覺) 트리거라고도 할 수 있음)을 검출한 경우에 조작 로드(3)가 환자의 팔다리를 미리 결정된 훈련 루트의 방향으로 일정 속도로 움직이는 훈련 모드이다. 스텝 이니시에이티드 모드는, 조작 로드(3)의 훈련 루트 중의 소정의 개소에서 역각 트리거를 검출했을 때, 훈련 루트에서의 일정 거리만큼 조작 로드(3)가 환자의 팔다리를 움직이는 훈련 모드이다. 팔로우 어시스트 모드는, 소정 주기마다 역각 트리거를 검출하고, 검출한 역각 트리거의 크기에 따라 조작 로드(3)의 속도를 변화시키는 훈련 모드이다. 프리 모드는, 환자의 팔다리의 동작에 추종하도록 조작 로드(3)를 움직이는 훈련 모드이다.

또, 훈련 장치(100)는 환자가 훈련 중에 앉기 위한 의자(9)를 더 구비하여도 된다. 의자(9)는, 의자 접속 부재(91)를 통하여 고정 프레임(1)에 접속되어 있으므로 훈련 장치(100)의 안정성을 확보할 수 있다. 또, 의자 접속 부재(91)를 재현 가능하도록 고정함으로써, 환자가 매회 훈련을 같은 위치에서 실시할 수 있다.

(2) 제어부 및 조작 로드 경동 기구의 구성

I. 전체 구성

이하, 제어부(11)와 조작 로드 경동 기구(13)의 전체 구성에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 고정 프레임(1) 내에 배치된 제어부(11)와 조작 로드 경동 기구(13)의 전체 구성을 나타낸 도면이다.

제어부(11)와 조작 로드 경동 기구(13)는 고정 프레임(1) 내에 배치되어 있다. 제어부(11)는 훈련 지시부(5)와 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 제어부(11)는 훈련 지시부(5)로부터 송신되는 조작 로드 동작 지령을 수신한다. 또, 제어부(11)는 X축 방향 경동 모터(135b)(후술), Y축 방향 경동 모터(135a)(후술) 및 신축 모터(359)(도 3)에 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 제어부(11)는 조작 로드 동작 지령에 기초하여 상기 3개의 모터를 구동한다. 그리고, 제어부(11)의 구성 및 동작에 대하여는 잠시 후에 상세하게 설명한다.

조작 로드 경동 기구(13)는 고정 프레임(1)에 고정된 조작 로드 경동 기구 고정 부재(15a, 15b)를 통하여 고정 프레임(1)에 경동 가능하게 장착되어 있다. 이로써, 조작 로드 경동 기구(13)는 조작 로드(3)를 X축 방향 및 Y축 방향(2 자유도)으로 경동 가능하게 한다. 이하, 조작 로드 경동 기구(13)의 구성에 대하여 상세하게 설명한다.

그리고, 조작 로드 경동 기구(13)는 조작 로드(3)를 X축 방향 또는 Y축방향만(1 자유도)으로 경동 가능하도록 구성되어 있어도 된다. 또는, 조작 로드 경동 기구(13)는, 설정에 의해 조작 로드(3)를 1 자유도로 경동시키는지, 2 자유도로 경동시키는지를 선택 가능하게 되어 있어도 된다.

II. 조작 로드 경동 기구의 구성

여기서, 본 실시형태의 조작 로드 경동 기구(13)의 구성에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다. 조작 로드 경동 기구(13)는 2축을 가동시킬 수 있는 「짐벌(gimbal)」기구에 의해 조작 로드(3)를 X축 방향 및 Y축 방향으로 경동 가능하게 하는 기구이다. 또, 본 실시형태의 조작 로드 경동 기구(13)는 동시에 X축 방향 및 Y축 방향의 양쪽(즉 경사 방향)으로 경동 가능하기도 하다. 여기서 X축 방향이란, 도 2에서 고정 프레임(1)의 길이 방향에 평행한 수평 방향이다. Y축 방향이란, 도 2에서 고정 프레임(1)의 폭 방향에 평행한 수평 방향이다.

조작 로드 경동 기구(13)는, X축 방향 경동 부재(131), Y축 방향 경동 부재(133), 각각에 대응하는 X축 방향 경동 모터(135b), Y축 방향 경동 모터(135a)를 가지고 있다.

그리고, 조작 로드 경동 기구(13)가 조작 로드(3)를 1 자유도로 경동시키는 경우, 조작 로드 경동 기구(13)는 X축 방향 경동 부재(131), X축 방향 경동 모터(135b)만을 구비하거나, 또는 Y축 방향 경동 부재(133), Y축 방향 경동 모터(135a)만을 구비하면 충분하다. 또는, 조작 로드 경동 기구(13)가 상기 4개의 부재 및 모터를 구비하는 경우라도, 어느 하나의 부재와 모터와의 조합을 무효로 함으로써, 조작 로드 경동 기구(13)는 조작 로드(3)를 1 자유도로 경동 가능해진다.

X축 방향 경동 부재(131)는 Y축 방향 경동 부재(133)의 공간의 내측에 배치되어 있다. 또, X축 방향 경동 부재(131)는 Y축에 평행한 법선을 가지는 2개의 측면으로부터 외측으로 신장되는 2개의 축(131a, 131b)을 가지고 있다. 이 2개의 축(131a, 131b)의 각각이, Y축 방향 경동 부재(133)의 Y축에 평행한 법선을 가지는 2개의 측면의 각각에, X축 방향 경동 부재(131)를 Y축 주위로 회동(回動) 가능하도록 지지되어 있다. 이로써, X축 방향 경동 부재(131)는 X축 방향 경동 부재(131)에 고정된 조작 로드(3)와 X축이 이루는 각도를 변화시킬 수 있다. 여기서, 조작 로드(3)와 X축이 이루는 각도를 변화 가능하게 하는 것을 「X축 방향으로 경동한다」라고 할 수도 있다.

그리고, 조작 로드(3)는 X축 방향 경동 부재(131)의 공간 S에 일부가 삽입된 상태로 X축 방향 경동 부재(131)에 고정된다.

마찬가지로, Y축 방향 경동 부재(133)는 X축에 평행한 법선을 가지는 2개의 측면으로부터 외측으로 신장되는 2개의 축(133a, 133b)을 가지고 있다. 이 2개의 축(133a, 133b)의 각각이, 조작 로드 경동 기구 고정 부재(15a, 15b)에 Y축 방향 경동 부재(133)를 X축 주위에 회동 가능하도록 지지되어 있다. 이로써, Y축 방향 경동 부재(133)는 조작 로드 경동 기구 고정 부재(15a, 15b)에 대해서 X축 주위로 회동 가능해진다. 그 결과, Y축 방향 경동 부재(133)는 X축 방향 경동 부재(131)에 고정된 조작 로드(3)와 Y축이 이루는 각도를 변화시킬 수 있다. 여기서, 조작 로드(3)와 Y축이 이루는 각도를 변화 가능하게 하는 것을 「Y축 방향으로 경동한다」라고 할 수도 있다.

이와 같이, Y축 방향 경동 부재(133)는 조작 로드(3)를 Y축 방향으로 경동시키고, X축 방향 경동 부재(131)는 조작 로드(3)를 X축 방향으로 경동시킨다. 그러므로, 조작 로드 경동 기구(13)는 조작 로드(3)를 2차원 자유도로 경동할 수 있다.

그리고, 도 2에서는 X축 방향 경동 부재(131)는 Y축 방향 경동 부재(133)의 공간의 내측에 배치되어 있지만, X축 방향 경동 부재(131)를 Y축 방향 경동 부재(133)의 공간의 외측에 배치하고 그에 대응하는 부재를 경동 가능하도록 설계 변경해도 된다.

Y축 방향 경동 모터(135a)는 조작 로드 경동 기구 고정 부재(15a)에 고정되어 있다. 또, Y축 방향 경동 모터(135a)의 출력 회전축은 도시하지 않은 감속 기구를 통하여 Y축 방향 경동 부재(133)로부터 신장되는 축(133a)과, 축(133a)을 회동 가능하도록 접속되어 있다. 그러므로, Y축 방향 경동 모터(135a)는 Y축 방향 경동 부재(133)를 X축 주위로 회동시킨다. 또한, Y축 방향 경동 모터(135a)는 제어부(11)와 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, Y축 방향 경동 모터(135a)는 제어부(11)에 의한 제어에 의해 조작 로드(3)를 Y축 방향으로 경동할 수 있다.

X축 방향 경동 모터(135b)는, Y축 방향 경동 부재(133)의 4개의 측면 중 X축 방향 경동 부재(131)로부터 신장되는 축(131a)을 축지지 하는 측면에 고정되어 있다. 또, X축 방향 경동 모터(135b)의 출력 회전축은 도시하지 않은 감속 기구를 통하여 X축 방향 경동 부재(131)로부터 신장되는 축(131a)과, 축(131a)을 회동 가능하도록 접속되어 있다. 그러므로, X축 방향 경동 모터(135b)는 X축 방향 경동 부재(131)를 Y축 주위로 회동 가능하게 되어 있다. 또한, X축 방향 경동 모터(135b)는 제어부(11)와 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, X축 방향 경동 모터(135b)는 제어부(11)에 의한 제어에 의해 조작 로드(3)를 X축 방향으로 경동할 수 있다.

이와 같이, Y축 방향 경동 모터(135a) 및 X축 방향 경동 모터(135b)는 제어부(11)에 의한 제어에 의해 조작 로드(3)를 X축 방향 및 Y축 방향 각각에 대해 1 자유도로 경동시킨다. 즉, X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)를 구비하는 것에 의해, 조작 로드(3)를 2차원으로 제어할 수 있다.

Y축 방향 경동 모터(135a) 및 X축 방향 경동 모터(135b)로서는, 예를 들면 서보 모터(servo motor)나 브러스리스(brushless) 모터 등의 전동 모터를 사용할 수 있다.

(3) 조작 로드의 구성

I. 전체 구성

이하, 조작 로드(3)의 구성에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다. 먼저, 조작 로드(3)의 전체 구성에 대하여 설명한다. 도 3은 조작 로드(3)의 구성을 나타낸 도면이다. 조작 로드(3)는 팔다리 지지 부재(31)와 고정 스테이(33) 및 신축 기구(35)를 구비한다. 팔다리 지지 부재(31)는 신축 기구(35)의 커버(353)(후술)의 상단부에 고정되어 있다. 팔다리 지지 부재(31)는 환자의 팔다리를 지지하는 부재이다. 고정 스테이(33)는 조작 로드(3)의 본체를 형성한다. 또, 고정 스테이(33)는 신축 기구(35)의 가동 스테이(351)(후술)를 수납하는 공간 S'를 가지고 있다. 또한, 고정 스테이(33)는 조작 로드(3)를 조작 로드 경동 기구(13)의 X축 방향 경동 부재(131)에 고정시키기 위한 고정 부재(도시하지 않음)를 가지고 있다. 고정 스테이(33)의 상기 고정 부재에 의해 고정 스테이(33)를 X축 방향 경동 부재(131)에 고정함으로써, 조작 로드(3)는 조작 로드 경동 기구(13)에 고정된다.

신축 기구(35)는 고정 스테이(33)의 길이 방향을 따라 이동 가능하도록 고정 스테이(33)에 설치된다. 이로써, 조작 로드(3)는 조작 로드(3)의 길이 방향으로 신축 가능해진다. 이하, 신축 기구(35)의 구성에 대하여 상세하게 설명한다.

II. 신축 기구의 구성

이하, 신축 기구(35)의 구성에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다. 신축 기구(35)는 가동 스테이(351), 커버(353), 너트(355), 나사축(357)(후술) 및 신축 모터(359)를 가지고 있다.

가동 스테이(351)는 고정 스테이(33)에 설치된 공간 S'에 삽입되어 있다. 또, 가동 스테이(351)는 도시하지 않은 슬라이드 유닛을 가지고 있다. 이 슬라이드 유닛은 고정 스테이(33)의 내벽에 설치된 안내 레일(37)에 슬라이딩 가능하게 맞물려(係合) 있다. 그 결과, 가동 스테이(351)는 고정 스테이(33)에 설치된 공간 S' 내를 안내 레일(37)을 따라 이동 가능해진다. 커버(353)는 가동 스테이(351)의 상단부에 고정되어 있다. 이로써, 커버(353)는 가동 스테이(351)의 이동을 따라 조작 로드(3)의 길이 방향으로 이동할 수 있다. 또, 커버(353)는 상단부에 팔다리 지지 부재(31)를 구비한다. 그러므로, 커버(353)는 고정 스테이(33)의 길이 방향으로 팔다리 지지 부재(31)를 이동할 수 있다.

너트(355)는 가동 스테이(351)의 바닥부에 장착되어 있다. 너트(355)는 나사축(357)을 나사결합(螺合)한다. 나사축(357)은 고정 스테이(33)의 길이 방향과 평행한 방향으로 신장되는 나사 산이 설치된 부재이다. 또, 나사축(357)은 너트(355)에 나사결합되어 있다. 따라서, 나사축(357)은 회전함으로써 너트(355)를 나사축(357)의 길이 방향(즉, 고정 스테이(33)의 길이 방향(길이 축선 방향))을 따라 이동할 수 있다.

전술한 바와 같이, 너트(355)는 가동 스테이(351)의 바닥부에 고정되어 있으므로, 너트(355)가 나사축(357)의 길이 방향을 따라 이동함으로써 가동 스테이(351)는 고정 스테이(33)의 길이 방향을 따라 이동 가능해진다.

신축 모터(359)는 고정 스테이(33)의 바닥부에 고정되어 있다. 또, 신축 모터(359)의 출력 회전축은 나사축(357)의 길이 방향의 단부에 나사축(357)을 축 주위로 회전 가능하도록 접속되어 있다. 또한, 신축 모터(359)는 제어부(11)와 전기적으로 접속되어 있다. 그러므로, 신축 모터(359)는 제어부(11)로부터의 제어에 의해 나사축(357)을 나사축(357)의 축 주위로 회전할 수 있다.

전술한 바와 같이, 너트(355)는 나사축(357)에 나사결합되어 있으므로, 너트(355)는 나사축(357)의 회전에 따라 나사축(357)의 길이 방향을 따라 이동 가능하게 되어 있다. 그러므로, 가동 스테이(351)는 신축 모터(359)의 회전에 따라 고정 스테이(33)의 길이 방향(길이 축선 방향)을 따라 이동 가능해진다.

(4) 제어부의 구성

I. 전체 구성

이하, 제어부(11)의 전체 구성에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 제어부(11)의 전체 구성을 나타낸 도면이다. 제어부(11)로서는, 예를 들면 CPU와 RAM, ROM, 하드디스크 장치, SSD 등의 기억 장치와 전기 신호를 변환하는 인터페이스 등을 구비한 마이크로 컴퓨터 시스템 등을 사용할 수 있다. 또, 이하에 설명하는 제어부(11)의 기능의 일부 또는 전부는 마이크로 컴퓨터 시스템에서 실행 가능한 프로그램으로서 실현되어도 된다. 또, 상기 프로그램은 마이크로 컴퓨터 시스템의 기억 장치에 기억되어 있어도 된다. 또한, 제어부(11)의 기능의 일부 또는 전부는 커스텀 IC 등에 의해 실현되어도 된다.

제어부(11)는 지령 제작부(111) 및 모터 제어부(113a, 113b, 113c)를 가진다.

지령 제작부(111)는 훈련 지시부(5)와 모터 제어부(113a, 113b, 113c)에 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 지령 제작부(111)는 훈련 지시부(5)로부터 송신되는 조작 로드 동작 지령에 기초하여 모터 제어부(113a, 113b, 113c)의 각각이 Y축 방향 경동 모터(135a), X축 방향 경동 모터(135b) 및 신축 모터(359)를 구동시키기 위한 지령을 제작한다.

지령 제작부(111)에서 제작되는 지령에는 속도 지령과 위치 지령이 있다. 속도 지령이란 모터의 회전 속도(조작 로드(3)의 단위 시간당의 경동 각도 또는 신축되는 길이의 변화량)를 제어하기 위한 지령이다. 또, 위치 지령이란 조작 로드(3)의 경동 각도 또는 신축 길이를 제어하기 위한 지령이다.

후술하는 것과 같이, 모터 제어부(113a, 113b, 113c)가 속도 지령에 기초하여 상기 모터를 제어하는 경우, 상기 모터는 속도 지령에서 지시된 속도에 추종하도록 제어된다. 즉, 속도 지령에서 지시된 속도와 실제의 모터의 회전 속도와의 사이에 차(속도 편차)가 존재하는 경우, 모터 제어부(113a, 113b, 113c)는 속도 편차를 해소하도록 상기 모터를 제어한다.

한편, 모터 제어부(113a, 113b, 113c)가 위치 지령에 기초하여 상기 모터를 제어하는 경우, 상기 모터는 조작 로드(3)의 경동 각도 또는 신축 길이를 위치 지령에서 지시된 경동 각도(지시 경동 각도) 또는 신축 길이(지시 신축 길이)에 추종시키도록 제어된다. 즉, 위치 지령에서 지시된 경동 각도와 조작 로드(3)의 실제 경동 각도, 또는 위치 지령에서 지시된 신축 길이와 조작 로드(3)의 실제의 신축 길이와의 사이에 차(위치 편차)가 존재하는 경우, 모터 제어부(113a, 113b, 113c)는 위치 편차를 해소하도록 상기 모터를 제어한다.

그리고, 지령 제작부(111)에서 제작되는 속도 지령 및 위치 지령은 시간의 함수이다. 한편, 훈련 지시부(5)로부터 송신되는 조작 로드 동작 지령은 적어도 조작 로드(3)를 어느 경동 각도까지 이동시킬 것인지에 관한 정보(목표 위치 정보)와 조작 로드(3)의 단위 시간당 경동 각도 또는 신축 길이의 변화량(경동 각도 속도 내지는 신축 길이 속도)에 관한 정보(목표 속도 정보)를 포함하고, 또한 조작 로드(3)의 경동 각도 속도 또는 신축 길이 속도를 원하는 경동 각도 속도 또는 신축 길이 속도까지 도달시키기 위한 가속도에 관한 정보(가속도 정보)와 조작 로드(3)를 동작 상태로부터 정지 상태로 하기 위한 감속도에 관한 정보(감속도 정보)를 포함한다.

즉, 속도 지령 및 위치 지령을 제작하는 기초가 되는 조작 로드 동작 지령에는 시간에 관한 정보가 포함되어 있지 않다. 그러나, 조작 로드 동작 지령에는 거리에 관한 정보(목표 위치 정보에 대응), 속도에 관한 정보(목표 속도 정보에 대응)가 포함되어 있고, 또한 가속도에 관한 정보(가속도 정보 및 감속도 정보에 대응)가 포함되어 있다. 따라서, 이들의 정보로부터 시간에 관한 정보는 산출할 수 있다.

따라서, 지령 제작부(111)는 조작 로드 동작 지령에 포함되는 목표 위치 정보, 목표 속도 정보, 또한 가속도 정보 및 감속도 정보도 적절히 조합시켜 계산함으로써, 시간의 함수인 속도 지령 및 위치 지령을 제작할 수 있다.

또, 지령 제작부(111)에서 제작되는 속도 지령에는, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 것과 같은 2종류의 속도 지령이 있다. 하나는, 도 5a에 나타낸 것과 같이 모터를 일정한 가속도에 의해 가속시키는 가속 지령과 모터를 일정한 감속도에 의해 감속시키는 감속 지령만을 포함한 속도 지령이다. 이와 같은 속도 지령을 시간을 가로축으로 속도를 세로축으로 한 좌표 상에 나타내면, 삼각 형상의 그래프가 된다. 따라서, 이와 같은 속도 지령을 삼각 속도 궤도형 속도 지령이라고도 할 수 있다. 속도 지령이 삼각 속도 궤도가 되는 경우에는, 예를 들면 현재의 조작 로드(3)의 경동 각도로부터 훈련 지시부(5)에서 지시된 조작 로드(3)의 목표 경동 각도까지 사이에 이동하는 조작 로드(3)의 이동 거리가 짧은 경우나, 조작 로드 동작 지령에서 지시된 모터의 가속도나 감속도가 작은 경우 등이다.

이와 같이, 속도 지령에 가속 지령과 감속 지령이 포함되는 것에 의해, 모터 제어부(113a, 113b, 113c)는 모터를 원활하게 제어할 수 있다.

또 하나는, 도 5b에 나타낸 것과 같이 가속 지령과 감속 지령에 더하여 모터를 일정 속도로 회전시키는 정속 지령을 더 포함하는 속도 지령이다. 이와 같은 속도 지령을 시간을 가로축으로 속도를 세로축으로 한 좌표 상에 나타내면 사다리꼴 그래프가 된다. 따라서, 이와 같은 속도 지령을 사다리꼴 속도 궤도형 속도 지령이라고도 할 수 있다. 속도 지령이 사다리꼴 속도 궤도가 되는 경우에는, 예를 들면 현재의 조작 로드(3)의 경동 각도로부터 훈련 지시부(5)에서 지시된 조작 로드(3)의 목표 경동 각도까지의 사이에 이동하는 조작 로드(3)의 이동 거리가 큰 경우나, 모터의 가속도나 감속도가 큰 경우 등이다.

이와 같이, 속도 지령이 정속 지령을 더 포함하는 것에 의해, 조작 로드(3)가 큰 경동 각도로 동작하는 경우에도, 모터 제어부(113a, 113b, 113c)는 모터를 원활하게 동작할 수 있다.

한편, 지령 제작부(111)에서 제작되는 위치 지령은, 시간을 가로축으로 위치(경동 각도)를 세로축으로 한 좌표 상에 나타내면 도 6에 나타낸 것과 같은 형상이 된다. 위치 지령은 속도 지령의 시간의 적분값에 대응한다. 도 6에 나타낸 위치 지령은 도 5b에 나타낸 사다리꼴 속도 궤도형의 속도 지령에 대응하는 위치 지령이다. 따라서, 사다리꼴 속도 궤도형의 속도 지령에서 양의 경사로 속도가 증가하는 시간이 0으로부터 t₁까지(가속 지령 구간) 동안, 위치 지령은 시간이 0일 때에 정점(頂点)이 되는 아래로 볼록한 포물선 형상이 된다. 속도 지령에서 속도가 수평축과 평행한 직선이 되기까지의 시간이 t₁로부터 t₂까지(정속 지령 구간) 동안, 위치 지령은 양의 경사로 직선적으로 증가한다. 그리고, 속도 지령에서 속도가 음의 경사로 감소하는 시간 t₂부터 t₃까지(감속 지령 구간) 동안, 위치 지령은 시간이 t₃일 때에 정점이 되는 위로 볼록한 포물선 형상이 된다.

모터 제어부(113a, 113b, 113c)는 지령 제작부(111)와 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 그러므로, 모터 제어부(113a, 113b, 113c)는 지령 제작부(111)로부터 속도 지령 및 위치 지령을 수신할 수 있다. 또, 모터 제어부(113a, 113b, 113c)는 각각 Y축 방향 경동 모터(135a), X축 방향 경동 모터(135b), 신축 모터(359)와 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 모터 제어부(113a, 113b, 113c)는 속도 지령 및/또는 위치 지령에 따라 상기 모터를 제어할 수 있다.

또한, 모터 제어부(113a, 113b, 113c)는 각각 Y축 방향 경동 모터(135a)용 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1), X축 방향 경동 모터(135b)용 제2 회전 정보 출력 센서(135b-1), 신축 모터(359)용 제3 회전 정보 출력 센서(359-1)에 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다.

제1 회전 정보 출력 센서(135a-1), 제2 회전 정보 출력 센서(135b-1), 제3 회전 정보 출력 센서(359-1)는 각각 Y축 방향 경동 모터(135a)의 출력 회전축, X축 방향 경동 모터(135b)의 출력 회전축, 신축 모터(359)의 출력 회전축에 고정되는 것이 통례(通例)이다. 이로써, 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1), 제2 회전 정보 출력 센서(135b-1), 제3 회전 정보 출력 센서(359-1)는 각각 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전량, X축 방향 경동 모터(135b)의 회전량, 신축 모터(359)의 회전량을 출력할 수 있다.

제1 회전 정보 출력 센서(135a-1), 제2 회전 정보 출력 센서(135b-1), 제3 회전 정보 출력 센서(359-1)로서는, 모터의 출력 회전축의 회전량이 측정 가능한 센서를 사용할 수 있다. 이와 같은 센서로서, 예를 들면 인크리멘탈(incremental)형 인코더나, 앱솔루트(absolute)형 인코더 등의 인코더를 바람직하게 사용할 수 있다.

센서에 인코더를 사용한 경우, 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1), 제2 회전 정보 출력 센서(135b-1) 및 제3 회전 정보 출력 센서(359-1)는 각각 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전량, X축 방향 경동 모터(135b)의 회전량, 신축 모터(359)의 회전량에 따른 펄스 신호를 출력한다.

이와 같이, 모터 제어부(113a, 113b, 113c)가 모터의 출력 회전축의 회전량을 측정하는 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1), 제2 회전 정보 출력 센서(135b-1), 제3 회전 정보 출력 센서(359-1)에 접속됨으로써, 모터 제어부(113a, 113b, 113c)는 실제의 모터의 회전량 등을 고려하여 상기 모터를 제어할 수 있다.

이하, 모터 제어부(113a, 113b, 113c)에 대하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서는 모터 제어부(113a)를 예로 사용하여 설명한다. 왜냐하면, 다른 모터 제어부(113b, 113c)도 모터 제어부(113a)와 같은 구성을 가지고 같은 동작을 행하기 때문이다.

II. 모터 제어부의 구성

모터 제어부(113a)의 구성에 대하여 도 7a를 참조하여 설명한다. 도 7a는 모터 제어부(113a)의 기본적인 구성을 나타낸 도면이다.

모터 제어부(113a)는 경동 각도 산출부(1131), 위치 편차 산출부(1132), 피드백 전류 검출부(1133), 판단부(1134), 모터 구동부(1135)를 가진다.

경동 각도 산출부(1131)는 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1)와 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 이로써, 경동 각도 산출부(1131)에는 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1)에 의해 측정된 Y축 방향 경동 모터(135a)의 출력 회전축의 회전량에 따라 출력된 펄스 신호가 입력된다. 그리고, 경동 각도 산출부(1131)는 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1)로부터 출력된 펄스 신호에 포함된 펄스 수로부터 조작 로드(3)의 경동 각도를 산출한다.

위치 편차 산출부(1132)는 경동 각도 산출부(1131)와 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 이로써, 위치 편차 산출부(1132)에는 경동 각도 산출부(1131)에서 산출된 조작 로드(3)의 경동 각도가 입력된다. 또, 위치 편차 산출부(1132)는 지령 제작부(111)와 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 이로써, 위치 편차 산출부(1132)에는 지령 제작부(111)에 의해 제작된 위치 지령이 입력된다.

위치 편차 산출부(1132)는 경동 각도 산출부(1131)에서 산출된 실제의 조작 로드(3)의 경동 각도와 위치 지령에서 지시된 조작 로드(3)의 경동 각도(지시 경동 각도)와의 차를 위치 편차로서 산출한다. 또, 위치 편차 산출부(1132)는 미리 설정된 제1 시간 T₁마다 위치 편차를 산출한다. 그리고, 위치 편차를 산출하는 타이밍을 결정하는 제1 시간 T₁은 필요에 따라 임의로 설정 가능하게 해두어도 된다.

피드백 전류 검출부(1133)는 모터 구동부(1135)(후술)의 출력에 전기적으로 접속되어 있다. 이로써, 피드백 전류 검출부(1133)는 모터 구동부(1135)로부터 Y축 방향 경동 모터(135a)에 출력되는 피드백 전류 I의 전류값을 검출할 수 있다. 이 경우, 피드백 전류 검출부(1133)로서는, 모터의 코일에 흐르는 전류값을 측정 가능한 장치를 사용할 수 있다. 예를 들면, 피드백 전류 검출부(1133)로서는, 션트(shunt) 저항, 클램프(clamp) 전류계, 또는 변류기(current trans) 등을 사용할 수 있다.

또는, 피드백 전류 검출부(1133)는 속도 제어부(1135-1)(도 8) 및/또는 위치 제어부(1135-2)(도 8)로부터 출력되고, 전력 공급부(1135-4)(도 8)를 제어하기 위한 제1 제어량 및/또는 제2 제어량의 신호 값을 검출해도 된다. 이 경우, 피드백 전류 검출부(1133)는 모터 구동부(1135)의 전력 공급부(1135-4)(도 8)의 입력에 신호 송수신 가능하게 접속된다. 이 경우, 피드백 전류 검출부(1133)는 합성부(1135-7)(도 8)로부터 출력되는 제1 제어량과 제2 제어량의 합성 제어량을 검출한다. 이로써, 피드백 전류 검출부(1133)는 모터의 코일을 흐르는 전류값을 측정하는 장치를 필요로하지 않고, 피드백 전류 I의 전류값을 예측할 수 있다.

또, 피드백 전류 검출부(1133)는 피드백 전류 I의 전류값이 제1 전류값 I₁ 이상인지를 판정하기 위한 판정부(미도시)를 가지고 있다.

판단부(1134)는 위치 편차 산출부(1132) 및 피드백 전류 검출부(1133)와 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 판단부(1134)는 (i) 위치 편차 산출부(1132)에서 산출된 제1 시간 T₁(후술) 동안에 생긴 위치 편차가 제1 임계값 φ₁(후술) 이상인지 및 (ii) 피드백 전류 검출부(1133)에서 검출된 피드백 전류 I의 전류값이 제1 전류값 I₁(후술) 이상인 시간이 제2 시간 T₂(후술) 이상 지속하는지를 판단한다. 그리고, 상기 조건 (i) 또는 (ii)이 「참」인 경우 에러라고 판단한다.

모터 구동부(1135)는 위치 지령과 속도 지령을 부여하는 지령 제작부(111)(지령 제작부(111)와 위치 지령 및 속도 지령의 관계는 도시하지 않음)와 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 그러므로, 모터 구동부(1135)에는 지령 제작부(111)로부터 위치 지령 및 속도 지령이 입력된다. 또, 모터 구동부(1135)는 Y축 방향 경동 모터(135a)와 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 모터 구동부(1135)는 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1)와 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다.

그러므로, 모터 구동부(1135)는 속도 지령 및/또는 위치 지령과 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전량에 기초하여 Y축 방향 경동 모터(135a)를 제어할 수 있다. 그리고, 모터 구동부(1135)의 상세에 대해서는 잠시 후에 설명한다.

모터 제어부(113a)는 도 7b에 나타낸 제1 변형예로서 누계 시간 계측부(1136)를 더 가지고 있어도 된다. 누계 시간 계측부(1136)는 위치 편차 산출부(1132)에 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 누계 시간 계측부(1136)는 위치 편차 산출부(1132)에서 산출된 제1 시간 T₁ 동안에 생긴 위치 편차가 제2 임계값 φ₂(후술) 이상 또한 제1 임계값 φ₁ 미만인 시간(누계 시간 t_A)을 계측한다.

또, 누계 시간 계측부(1136)는 판단부(1134)에 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 이로써, 누계 시간 계측부(1136)는 계측한 누계 시간 t_A를 판단부(1134)에 출력할 수 있다.

모터 제어부(113a)가 누계 시간 계측부(1136)를 가지는 제1 변형예에서는, 판단부(1134)는 누계 시간 t_A가 제3 시간 T₃(후술) 이상인 경우에 에러라고 판단한다. 이로써, 제1 임계값 φ₁보다 작은 값을 가지는 제1 시간 T₁당 위치 편차, 즉, 완만히 변화하는 위치 편차에 대해서, 제3 시간 T₃까지는 훈련을 계속할 수 있다.

또, 완만히 변화하는 위치 편차로부터, 판단부(1134)는 Y축 방향 경동 모터(135a)가 조작 로드(3)를 동작시키기 위해 필요한 부하를 예측할 수 있다. 그러므로, 피드백 전류값의 검출이 불가능한 경우라도, 누계 시간 계측부(1136)에서 완만히 변화하는 위치 편차가 계속하는 시간을 계측하는 것에 의해 Y축 방향 경동 모터(135a)에 있는 소정값 이상의 부하가 걸려 있는 상태가 계속하는 시간을 계측할 수 있다.

모터 제어부(113a)는 도 7c에 나타낸 제2 변형예로서 피드백 전류 제한부(1137)를 가지고 있어도 된다. 피드백 전류 제한부(1137)는 판단부(1134)와 모터 구동부(1135)에 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 피드백 전류 제한부(1137)는 판단부(1134)에서 에러를 판단했을 때, 모터 구동부(1135)로부터 출력되는 피드백 전류값을 제한한다. 피드백 전류 제한부(1137)에서 피드백 전류값이 제한되면, 모터 구동부(1135)로부터는 Y축 방향 경동 모터(135a)의 정격 전류값 이하의 전류값, 즉 정격 전류 I_R의 1보다 작은 소정의 배수 a의 전류값(a×I_R)을 가지는 제2 전류값 I₂인 피드백 전류 I가 출력된다.

III. 모터 구동부의 구성

이하, 모터 구동부(1135)의 구성에 대하여 도 8을 참조하여 설명한다. 도 8은 모터 구동부(1135)의 구성을 나타낸 도면이다. 모터 구동부(1135)는 속도 제어부(1135-1), 위치 제어부(1135-2), 속도 산출부(1135-3), 전력 공급부(1135-4), 전류 제한부(1135-5), 제1 편차 산출부(1135-6a), 제2 편차 산출부(1135-6b), 합성부(1135-7), 전환부(1135-8), 위치 편차 설정부(1135-9)를 가진다.

속도 제어부(1135-1)는 제2 편차 산출부(1135-6b)에 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 따라서, 속도 제어부(1135-1)는 제2 편차 산출부(1135-6b)에서 산출되는 속도 지령에 의해 지시된 속도(지시 속도)와 Y축 방향 경동 모터(135a)의 실제 속도와의 차(속도 편차)를 입력한다.

속도 제어부(1135-1)는, 입력된 속도 편차에 기초하여 전력 공급부(1135-4)를 제어하기 위한 제1 제어량을 산출한다. 이 때, 속도 제어부(1135-1)는 입력된 속도 편차를 없애도록 제1 제어량을 산출한다. 즉, 속도 제어부(1135-1)는 실제 모터의 속도를 지시 속도에 추종시키도록 하는 제1 제어량을 산출한다.

속도 제어부(1135-1)로서는, 예를 들면 제어 이론에 기초하여 속도 편차를 없애도록 하는 제어량을 산출하는 제어 장치를 사용할 수 있다. 이와 같은 제어 장치로서는, 예를 들면 PID(Proportional Integral Differential) 제어 이론을 사용한 제어 장치 등이 있다. 본 실시형태에서는, 속도 제어부(1135-1)로서 PI(Proportional Integral) 제어 이론을 사용한 제어 장치를 사용한다.

속도 제어부(1135-1)가 PI 제어 이론을 사용한 제어 장치인 경우, 제1 제어량은, 속도 편차를 Δv로 하면 K_pv×Δv＋K_iv×Int(Δv)로 표현된다. 여기서, Int(Δv)는 속도 편차Δv의 시간 적분값이다. K_pv, K_iv는 제어 게인이라 불리는 상수이다.

위치 제어부(1135-2)는 제1 편차 산출부(1135-6a)에 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 따라서, 위치 제어부(1135-2)에는 제1 편차 산출부(1135-6a)에서 산출되는 위치 지령에 의해 지시된 경동 각도(지시 경동 각도)와 조작 로드(3)의 실제 경동 각도와의 차(위치 편차)를 입력한다.

또, 위치 제어부(1135-2)는 위치 편차에 기초하여 전력 공급부(1135-4)를 제어하기 위한 제2 제어량을 산출한다. 즉, 위치 제어부(1135-2)는 조작 로드(3)의 실제 경동 각도를 지시 경동 각도에 추종시키도록 하는(위치 편차를 없애는) 제2 제어량을 산출한다.

위치 제어부(1135-2)로서는, 속도 제어부(1135-1)와 마찬가지로 제어 이론에 근거한 제어를 행하는 제어 장치를 사용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 위치 제어부(1135-2)로서 PI 제어 이론을 사용한 제어 장치를 사용한다.

이 경우, 제2 제어량은 위치 편차를 Δθ로 하면, K_pp×Δθ＋K_ip×Int(Δθ)로 표현된다. 여기서, Int(Δθ)는 위치 편차 Δθ의 시간 적분값이다. K_pp, K_ip는 제어 게인이라 불리는 상수이다.

속도 산출부(1135-3)는 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1)와 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 이로써, 속도 산출부(1135-3)는 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1)로부터 출력되는 펄스 신호로부터 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도를 산출한다. 그리고, Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도는, 펄스 신호 중 단위 시간당 펄스 수로부터 산출할 수 있다.

전력 공급부(1135-4)는 합성부(1135-7)를 통하여 속도 제어부(1135-1)와 접속되어 있다. 또, 전력 공급부(1135-4)는 합성부(1135-7) 및 전환부(1135-8)를 통하여 위치 제어부(1135-2)에 접속되어 있다.

이로써, 전력 공급부(1135-4)에는 속도 제어부(1135-1)로부터 출력되는 제1 제어량만이 입력되거나, 또는 제1 제어량과 위치 제어부(1135-2)로부터 출력되는 제2 제어량이 합성부(1135-7)에서 합성되어 입력된다.

전력 공급부(1135-4)에 제1 제어량만이 입력되는 경우, 전력 공급부(1135-4)는 Y축 방향 경동 모터(135a)의 속도(회전 속도)를 지시 속도에 추종시키는 제1 제어량에만 기초하여 피드백 전류 I를 출력한다. 이로써, 모터 구동부(1135)는 모터의 회전 속도를 지시 속도에 추종시키도록 Y축 방향 경동 모터(135a)를 구동할 수 있다.

한편, 제1 제어량과 제2 제어량의 양쪽이 합성부(1135-7)에서 합성되어 전력 공급부(1135-4)에 입력되는 경우, 전력 공급부(1135-4)는 모터의 회전 속도를 지시 속도에 추종시키고, 또한 조작 로드(3)의 경동 각도를 지시 경동 각도에 추종시키도록 하는 피드백 전류 I를 출력한다. 이로써, 모터 구동부(1135)는 모터의 회전 속도를 지시 속도에 추종시킬 뿐 아니라, 조작 로드(3)의 경동 각도를 지시 경동 각도에 추종시키도록 Y축 방향 경동 모터(135a)를 구동할 수 있다.

그리고, 본 실시형태에서,전력 공급부(1135-4)로부터는 제1 제어량 및/또는 제2 제어량에 기초하여 제어된 전류(피드백 전류 I)가 출력된다. 그러나, 전력 공급부(1135-4)로부터 출력되는 것은 피드백 전류에 한정되지 않는다. 예를 들면, 전력 공급부(1135-4)로부터, 제1 제어량 및/또는 제2 제어량에 기초하여 전압값 및/또는 듀티비가 제어된 전압이 출력되어도 된다.

전류 제한부(1135-5)는 전력 공급부(1135-4)의 출력 Y축 방향 경동 모터(135a)에 전기적으로 접속되어 있다. 또, 전류 제한부(1135-5)는 피드백 전류 제한부(1137)와 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 따라서, 전류 제한부(1135-5)가 피드백 전류 제한부(1137)로부터 피드백 전류 I를 제한하는 지령을 수신했을 때, 전류 제한부(1135-5)는 전력 공급부(1135-4)로부터 출력된 피드백 전류값이 미리 설정된 제2 전류값 I₂ 이상이 되지 않도록 피드백 전류값을 제한한다.

이 때, 전류 제한부(1135-5)에는 제2 전류값 I₂로서 Y축 방향 경동 모터(135a)의 정격 전류 I_R의 1보다 작은 소정의 배수 a의 전류값(a×I_R)이 설정되어 있다. 이로써, 판단부(1134)에서 에러가 발생했을 때, Y축 방향 경동 모터(135a)에 입력되는 피드백 전류 I를 정격 전류값 이하로 제한할 수 있다.

제1 편차 산출부(1135-6a), 제2 편차 산출부(1135-6b)는 각각 2개의 입력(「+」가 부여된 입력과 「-」가 부여된 입력)을 가진다. 제1 편차 산출부(1135-6a) 및 제2 편차 산출부(1135-6b)의 「+」가 부여된 입력은 지령 제작부(111)와 신호 송수신 가능하도록 접속되어 있다. 그리고, 제1 편차 산출부(1135-6a)의 「+」가 부여된 입력에는 위치 지령이, 제2 편차 산출부(1135-6b)의 「+」가 부여된 입력에는 속도 지령이 각각 지령 제작부(111)로부터 입력된다.

또, 제1 편차 산출부(1135-6a)의 「-」가 부여된 입력에는 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1)가 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 이로써, 제1 편차 산출부(1135-6a)의 「-」가 부여된 입력에는 속도 산출부(1135-3)에서 산출된 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전량에 따라 출력된 펄스 신호가 입력된다. 그리고, 제2 편차 산출부(1135-6b)의 「-」가 부여된 입력은 속도 산출부(1135-3)의 출력 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 이로써, 제2 편차 산출부(1135-6b)의 「-」가 부여된 입력에는 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도가 입력된다.

따라서, 제1 편차 산출부(1135-6a)에서는 위치 지령에서 지시된 지시 경동 각도와 조작 로드(3)의 실제 경동 각도와의 차, 즉 위치 편차가 산출된다. 한편, 제2 편차 산출부(1135-6b)에서는 속도 지령에서 지시된 지시 속도와 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도와의 차, 즉 속도 편차가 산출된다.

합성부(1135-7)는 속도 제어부(1135-1)로부터 출력된 제1 제어량 및 위치 제어부(1135-2)로부터 출력된 제2 제어량을 합성(합성 제어량)하고, 전력 공급부(1135-4)에 출력한다. 여기서, 합성 제어량이란, 제1 제어량 및 제2 제어량에 적절한 가중을 부여해 가산한 제어량을 말한다. 제1 제어량에 부여하는 가중과 제2 제어량에 부여하는 가중의 크기를 적절히 조절함으로써, Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도를 지시 속도에 추종시키도록 하는 제어(속도 제어)를 더욱 중시하는지, 조작 로드(3)의 경동 각도를 지시 경동 각도에 추종시키도록 하는 제어(위치 제어)를 더 중시하는지를 조정할 수 있다.

전환부(1135-8)는 위치 제어부(1135-2)의 출력, 합성부(1135-7)의 입력에 접속되어 있다. 또, 전환부(1135-8)는 지령 제작부(111) 및 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1)에 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 이로써, 전환부(1135-8)는, 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1)로부터 출력되는 펄스 수(즉, 조작 로드(3)의 실제 경동 각도)가 속도 지령에서 지시된 감속 개시 위치에 대응하는 값이 되었을 때에 전환부(1135-8)의 스위치를 ON으로 한다. 즉, 전환부(1135-8)는, Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전량이 속도 지령에서 지시된 감속 개시 위치에 대응하는 값이 되었을 때에 위치 제어부(1135-2)로부터의 출력인 제2 제어량을 합성부(1135-7)에 입력 가능하게 한다.

이로써, 전환부(1135-8)는, 속도 지령이 감속 지령일 때에만 위치 제어부(1135-2)로부터 출력되는 제2 제어량을 Y축 방향 경동 모터(135a)의 제어에 반영할 수 있다. 그 결과, 조작 로드(3)는 감속 지령의 실행시에 목표 경동 각도까지 최대한 편차를 작게 하여 도달할 수 있다.

위치 편차 설정부(1135-9)는 제1 편차 산출부(1135-6a)의 출력 위치 제어부(1135-2)의 입력에 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 또, 위치 편차 설정부(1135-9)는 지령 제작부(111)와 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1)에 신호 송수신 가능하게 접속되어 있다. 이로써, 위치 편차 설정부(1135-9)는, 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1)로부터 출력되는 펄스 수가 감속 개시 위치에 대응하는 값이 되었을 때에 제1 편차 산출부(1135-6a)로부터 출력되는 위치 편차를 0으로 한다(리셋한다). Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도를 감속할 때, (누적된) 위치 편차를 0으로 하는(리셋하는) 것에 의해, 모터 감속시에 일시적으로 위치 편차가 커짐으로써 그 위치 편차를 보정하기 위해 모터의 회전 속도가 과잉 상승하는 것을 억제할 수 있다.

(5) 훈련 장치의 동작

I. 훈련 장치의 기본 동작

이하, 훈련 장치(100)의 동작에 대하여 설명한다. 먼저, 훈련 장치(100)의 기본 동작에 대하여 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9는 훈련 장치(100)의 기본 동작을 나타낸 순서도이다. 그리고, 이하에서는 훈련 모드를 가이디드 모드로 설정한 경우의 훈련 장치(100)의 동작을 예로 들어 훈련 장치(100)의 동작을 설명한다. 또, 이하에 설명하는 예에서는, 모터 제어부(113a)는 도 7c에 나타낸 것과 같이 누계 시간 계측부(1136)와 피드백 전류 제한부(1137)를 가지고 있는 것으로 한다. 또, 여기서는 Y축 방향 경동 모터(135a)를 모터 제어부(113a)에 의해 제어하는 경우의 동작을 예로 들어 훈련 장치(100)의 동작을 설명한다. 왜냐하면, X축 방향 경동 모터(135b), 신축 모터(359)를 각각 모터 제어부(113b, 113c)에 의해 제어하는 경우에도 동일한 제어가 행해지기 때문이다.

먼저, 사용자가 훈련 장치(100)의 각종 초기 설정을 훈련 지시부(5) 등을 사용하여 행한다(단계 S1). 이 때, 훈련 장치(100)의 사용자는 훈련 지시부(5)를 사용하여 상기 훈련 모드를 가이디드 모드로 설정한다. 그리고, 훈련 장치(100)의 사용자는 훈련 지시부(5)를 사용하여 가이디드 모드에서의 환자의 팔다리의 훈련 프로그램을 설정한다.

다음에, 훈련 지시부(5)는 설정된 훈련 프로그램에 기초하여 조작 로드 동작 지령을 제작한다. 그리고, 훈련 지시부(5)는 조작 로드 동작 지령(상위 지령)을 제어부(11)의 지령 제작부(111)에 송신한다(단계 S2).

그 후, 조작 로드 동작 지령을 수취한 지령 제작부(111)는 조작 로드 동작 지령에 포함되는 목표 위치 정보, 목표 속도 정보 및 가속도 정보에 기초하여 속도 지령 및 위치 지령을 제작한다(단계 S3).

지령 제작부(111)에 의해 속도 지령 및 위치 지령이 제작된 후, 모터 제어부(113a)가 속도 지령 또는/및 위치 지령에 따라 Y축 방향 경동 모터(135a)를 제어한다(단계 S4). 그리고, 본 실시형태에서의 모터 제어부(113a)에 의한 Y축 방향 경동 모터(135a)의 구동의 자세한 것은 후술한다.

모터 제어부(113a)가 Y축 방향 경동 모터(135a)의 구동을 개시한 후, 먼저, 판단부(1134)가 위치 지령에서 지시받은 지시 경동 각도와 조작 로드(3)의 실제 경동 각도와의 차(위치 편차)가 제1 임계값 φ₁ 이상인지를 판정한다(단계 S5). 즉, 단계 S5에서는 단위 시간(제1 시간 T₁)당 위치 편차가 과잉으로 크게 된(위치 편차 과대) 것인지가 판정된다.

제1 시간 T₁당 위치 편차가 제1 임계값 φ₁ 이상인 경우(단계 S5에서 「Yes」인 경우)에는, 단계 S7로 진행한다. 한편, 제1 시간 T₁당 위치 편차가 제1 임계값 φ₁보다 작은 경우(단계 S5에서 「No」인 경우)에는, 단계 S6으로 진행한다.

그리고, 단계 S5에서의 위치 편차 과대의 판정 방법에 대하여는 잠시 후에 상세하게 설명한다.

단계 S6에서, 판단부(1134)는 Y축 방향 경동 모터(135a)가 환자의 팔다리를 동작시키기 위해 팔다리에 과잉 부하(과부하)를 소정 시간(제2 시간 T₂) 계속하여 걸고 있는지를 판정한다. Y축 방향 경동 모터(135a)가 팔다리에 과부하를 제2 시간 T₂ 이상 계속하여 걸고 있는 경우(단계 S6에서 「Yes」인 경우), 단계 S7로 진행한다. 한편, Y축 방향 경동 모터(135a)가 팔다리에 과부하를 걸고 있는 시간이 제2 시간 T₂보다 작은 경우, 또는 Y축 방향 경동 모터(135a)가 팔다리에 과부하를 걸고 있지 않은 경우(단계 S6에서 「No」인 경우), 단계 S8로 진행한다.

단계 S5에서 위치 편차가 제1 임계값 φ₁ 이상으로 판정된 경우, 또는 단계 S6에서 팔다리에 과부하를 제2 시간 T₂ 이상 계속하여 걸고 있는 것으로 판단된 경우, 판단부(1134)는 에러라고 판단한다(단계 S7).

그리고, 판단부(1134)가 에러라고 판단하는 경우, 훈련 장치(100)에서는 각종 에러 처리가 실행된다.

단계 S7에서의 에러 처리로서, 모터 제어부(113a)가 피드백 전류 제한부(1137)를 가지고 있는 경우에는, 판단부(1134)는 피드백 전류 제한부(1137)에 대해서 에러를 통지해도 된다. 또, 에러를 수신한 피드백 전류 제한부(1137)는 모터 구동부(1135)의 전류 제한부(1135-5)를 구동해도 된다. 이로써, 판단부(1134)에서 에러라고 판단했을 경우, Y축 방향 경동 모터(135a)에 입력되는 피드백 전류 I의 전류값은 정격 전류 I_R보다 작은 제2 전류값 I₂(a×I_R(a: 1보다 작은 양수))로 제한된다.

일반적으로, 모터의 토크는 로터(rotor) 및/또는 스테이터(stator)의 코일(권선)에 흐르는 전류 값이 커짐에 따라 커진다. 따라서, 판단부(1134)에서 에러를 판단했을 때에, Y축 방향 경동 모터(135a)에 입력하는 피드백 전류 I를 제2 전류값 I₂로 제한함으로써, Y축 방향 경동 모터(135a)로부터 출력되는 토크를 제한할 수 있다. 그 결과, 훈련 장치(100)에서 에러가 발생했을 때 환자에 대해서 과잉 부하가 걸리지 않게 조작 로드(3)를 제어할 수 있다.

또, 단계 S7에서의 에러 처리로서, 훈련 지시부(5)는 에러 발생을 알리는 시각적 정보 또는 청각적 정보를 제공한다. 이로써, 사용자는 훈련 장치(100) 상태, 즉 훈련 장치(100)에서 에러가 발생하는 것 및/또는 에러 발생의 원인 등을 알 수 있다.

단계 S7에서는 훈련 장치(100)의 사용 시에 필요에 따라 그 외의 에러 처리를 행할 수 있다.

단계 S7에서의 에러 처리의 종료 후 또는 단계 S5에서 「No」가 되고 또한 단계 S6에서 「No」가 되었을 경우(즉, 판단부(1134)에서 위치 편차가 제1 임계값 φ₁보다 작고, 또한 Y축 방향 경동 모터(135a)가 팔다리에 과부하를 걸고 있는 시간이 제2 시간 T₂보다 작다고 판단된 경우. 또한 바꾸어 말하면 에러라고 판단되지 않는 경우), 모터 제어부(113a)에서 조작 로드(3)가 최종적으로 도달해야 할 경동 각도인 목표 경동 각도에 조작 로드(3)가 도달한 것인지가 판단된다(단계 S8).

조작 로드(3)의 경동 각도가 목표 경동 각도인 경우(단계 S8에서 「Yes」인 경우), 모터 제어부(113a)에 의한 Y축 방향 경동 모터(135a)의 제어는 종료한다.

한편, 조작 로드(3)의 경동 각도가 목표 경동 각도에 도달하지 않은 경우(단계 S8에서 「No」의 경우)에는 단계 S5로 돌아온다.

그리고, 조작 로드(3)가 목표 경동 각도에 도달하였는지는, 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1)로부터 출력되는 펄스 수에 기초하여 판정해도 되고, 속도 지령 및/또는 위치 지령이 모두 실행되었는지 여부에 기초하여 판정해도 된다.

II. 모터 제어 방법

이하, 상기 단계 S4에서의 Y축 방향 경동 모터(135a)의 제어 방법에 대하여 도 10을 참조하여 설명한다. 도 10은 모터의 제어 방법을 나타낸 순서도이다. 본 실시형태에서, 모터 제어부(113a)는 속도 지령의 가속 지령 및/또는 정속 지령의 실행시에서 속도 지령에만 추종하도록 Y축 방향 경동 모터(135a)를 제어한다. 그리고, 감속 지령 실행시에서, 속도 지령 및 위치 지령에 추종하도록 Y축 방향 경동 모터(135a)를 제어한다.

모터 구동을 개시하면, 먼저 전환부(1135-8)가 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1)로부터 출력되는 펄스 수로부터 조작 로드(3)의 경동 각도를 산출한다. 그리고, 산출된 조작 로드(3)의 경동 각도가 속도 지령에서 감속 지령을 실행해야 할 경동 각도인지를 체크한다(단계 S41).

여기서, 도 11을 사용하여 단계 S41에서의 동작에 대하여 상세하게 설명한다. 도 11은 조작 로드(3)의 경동 각도가 감속 지령을 실행해야 할 경동 각도인지를 체크하는 모양을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 11에 나타낸 위치 지령 및 속도 지령(도 11에서는 모두 일점 쇄선으로 나타나 있음)에서는, Y축 방향 경동 모터(135a)의 구동을 개시하고 나서의 경과 시간 t가 t_dc가 되었을 때에 감속 지령이 개시된다. 이 때, 경과 시간 t_dc에서의 조작 로드(3)의 지시 경동 각도는 θ_d이다. 지시 경동 각도 θ_d가 감속 개시 위치에 대응한다. 한편, 도 11에서 실선으로 나타낸 조작 로드(3)의 실제 경동 각도는, 경과 시간이 t_dc에서도 지시 경동 각도 θ_d(감속 개시 위치의 일례)보다 작은 경동 각도로 되어 있다.

따라서, Y축 방향 경동 모터(135a)의 구동을 개시하고 나서의 경과 시간이 t_dc가 되었을 때에 감속 지령을 실행하면, 조작 로드(3)가 목표 경동 각도에 도달하기 전에 Y축 방향 경동 모터(135a)의 제어가 정지해 버릴 수 있다. 또는, 속도 지령의 감속 지령 실행시에 위치 편차를 해소하고자, Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도가 과잉 상승해 버릴 수도 있다. Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도가 과잉 상승한 경우, 훈련을 받고 있는 팔다리에 과잉 부담이 가는 경우가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 실시형태의 단계 S4(모터의 구동) 에서는, 조작 로드(3)의 실제 경동 각도가 감속 개시 위치에 대응하는 경동 각도 θ_d가 되었을 때 감속 지령의 실행을 개시한다. 그 결과, 실제로는 모터의 구동을 개시하고 나서의 경과 시간 t가 t_dc보다 긴 t_da가 되었을 때에 감속 지령의 실행이 개시된다.

이로써, 모터 구동부(1135)는 조작 로드(3)가 팔다리에 과잉 부담을 주지 않고 목표 경동 각도로 양호한 정밀도로 도달하도록 Y축 방향 경동 모터(135a)를 제어할 수 있다.

구체적으로는, 조작 로드(3)의 실제 경동 각도가 감속 개시 위치에 대응하는 경동 각도 θ_d에 도달하지 않은 경우(단계 S41에서 「No」인 경우), 단계 S42로 진행한다. 한편, 조작 로드(3)의 실제 경동 각도가 감속 개시 위치에 대응하는 경동 각도 θ_d보다 목표 경동 각도에 가까운 경우, 즉, 조작 로드(3)의 실제 경동 각도가 속도 지령에서 감속 지령 실행을 행하려는 경동 각도인 경우(단계 S41에서 「Yes」인 경우), 단계 S43으로 진행한다.

단계 S41에서, 조작 로드(3)의 실제 경동 각도가 감속 개시 위치에 대응하는 경동 각도 θ_d에 도달하지 않았다고 판정되었을 때, 전환부(1135-8)는 위치 제어부(1135-2)로부터 출력되는 제2 제어량이 합성부(1135-7)에 입력되지 않도록 위치 제어부(1135-2)와 합성부(1135-7)를 전기적으로 절단한다(단계 S42).

이로써, 속도 제어부(1135-1)로부터 출력되는 제1 제어량만이 전력 공급부(1135-4)에서 피드백 전류를 출력할 때 반영된다. 그 결과, 모터 구동부(1135)는 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도가 지시 속도에만 추종하도록 Y축 방향 경동 모터(135a)를 제어한다(속도 제어).

그리고, 조작 로드(3)의 실제 경동 각도가 감속 개시 위치인 경동 각도 θ_d보다 작은 때, 속도 지령에서는 가속 지령 또는 정속 지령이 실행되고 있다. 따라서, 속도 지령에서 가속 지령 또는 정속 지령이 실행되고 있는 때에, 모터 구동부(1135)는 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도가 지시 속도에만 추종하도록 Y축 방향 경동 모터(135a)를 제어하는 것이 된다.

또, Y축 방향 경동 모터(135a)가 속도 제어에만 의해 제어되는 경우, 도 12에 나타낸 것과 같이 Y축 방향 경동 모터(135a)의 실제의 회전 속도와 지시 속도와의 속도 편차에 기인하여 생기는 지시 경동 각도와 조작 로드(3)의 실제 경동 각도와의 위치 편차는 누적되어 유지된다. 예를 들면, 도 12의 예에서 최초에 생긴 속도 편차 (i)가 해소된 시간 t_a에서 속도 편차 (i)의 시간 적분(도면에서 사선에 의해 나타낸 영역의 면적)에 대응하는 위치 편차 Δθ_A가 유지된다. 그 후, 2번째에 생긴 속도 편차 (ii)가 해소된 시간 t_b에서 위치 편차 Δθ_A에 속도 편차 (ii)의 시간 적분(도면에서 빗금선에 의해 나타낸 영역의 면적)에 대응하는 위치 편차가 또한 누적된 위치 편차 Δθ_B가 유지된다. 그리고, 시간 t_b 이후 속도 편차가 해소되어도 위치 편차 Δθ_B는 불변인 채 유지된다.

이와 같이, 속도 제어에만 의해 모터를 제어함으로써 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도는 지시 속도에 추종하는 한편, 위치 편차는 해소되지 않고 누적 유지된다. 왜냐하면, 속도 제어에서는 속도 제어부(1135-1)에서 제1 제어량을 산출하는 때에 위치 편차는 고려되고 있지 않기 때문이다.

훈련 장치(100)에서는, 팔다리의 동작이 조작 로드 동작 지령에 나타낸 조작 로드(3)의 동작에 어느 정도 추종할 수 있다면 위치 편차가 다소 생긴 것으로 하더라도 훈련을 계속하는 것이 바람직하다. 따라서, 속도 지령의 가속 지령 및/또는 정속 지령 실행시에 속도 제어에만 의해 Y축 방향 경동 모터(135a)를 제어함으로써, Y축 방향 경동 모터(135a)를 위치 편차를 해소하지 않고 속도 지령에 추종하도록 제어할 수 있다. 그 결과, 다소의 위치 편차가 있었다고 해도 조작 로드(3)의 동작 속도를 조작 로드 동작 지령에 나타낸 동작 속도에 추종시키면서 팔다리의 훈련을 계속할 수 있다.

단계 S41에서, 조작 로드(3)의 실제 경동 각도가 속도 지령에서 감속 지령 실행을 행하려는 경동 각도라고 판정된 경우(단계 S41에서 「Yes」인 경우), 단계 S43으로 진행된다.

단계 S43에서는, 위치 편차 설정부(1135-9)가 조작 로드(3)의 실제 경동 각도가 감속 개시 위치에 대응하는 경동 각도 θ_d인지를 확인한다. 조작 로드(3)의 실제 경동 각도가 θ_d인 경우(단계 S43에서 「Yes」인 경우), 단계 S44로 진행한다. 한편, 조작 로드(3)의 실제 경동 각도가 θ_d가 아닌 경우(단계 S43에서 「No」인 경우), 단계 S46으로 진행한다.

단계 S43에서, 조작 로드(3)의 실제 경동 각도가 θ_d라고 판단된 경우, 먼저, 위치 편차 설정부(1135-9)가 조작 로드(3)가 경동 각도 θ_d까지 동작하는 동안에 누적 유지된 위치 편차를 리셋(위치 편차를 0으로 설정)한다(단계 S44). 도 11에 나타낸 예에서는, 실제 경동 각도가 θ_d가 된 경과 시간 t_da에서 누적 유지된 위치 편차 Δθ_da를 0으로 한다.

경과 시간 t_da에서의 위치 편차 Δθ_da는, 예를 들면 경과 시간 t_da에서의 지시 경동 각도가 θ_d가 되도록 위치 지령을 갱신(도 11의 2점 쇄선으로 나타낸 위치 지령)함으로써 리셋된다. 또, 그와 동시에, 속도 지령은 경과 시간 t_da에서 감속 지령이 개시되도록 갱신(도 11에서 2점 쇄선으로 나타낸 속도 지령)된다.

단계 S44에서 위치 편차를 리셋 후, 전환부(1135-8)가 위치 제어부(1135-2)와 합성부(1135-7)을 전기적으로 접속한다(단계 S45). 즉, 위치 제어부(1135-2)로부터 출력되는 제2 제어량이 합성부(1135-7)에 입력 가능해진다. 이로써, 감속 지령의 실행시에 제1 제어량뿐 아니라 제2 제어량도 전력 공급부(1135-4)에서 피드백 전류 I를 출력할 때 반영되게 된다.

속도 지령의 감속 지령의 실행시에는, 속도 제어에 더하여 위치 제어도 행하기 때문에, 감속 개시 위치에서 위치 편차를 리셋하지 않는 경우, 감속 지령 실행 개시시에 누적 유지된 위치 편차 Δθ_da를 해소하도록 하는 그 외의 정보 처리를 행하여야 한다. 이 처리를 실시하지 않는 경우에는, 감속 지령 실행 개시시에 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도가, 누적 유지된 위치 편차 Δθ_da에 의해 속도 지령 이상의 속도로 과잉 상승해 버릴 경우가 있기 때문이다. 이것은, 위치 편차를 정보 처리에 의해 해소하지 않는 경우, 제2 제어량의 합성 제어량에 차지하는 비율이 높아질 가능성이 있기 때문이다. 이와 같이, 감속 지령 실행시에도 불구하고 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도가 과잉 상승하면, 환자의 팔다리에 과잉 부하를 걸게 된다.

한편, 감속 개시 위치에서 위치 편차를 리셋하는 것에 의해, 감속 지령 실행시에 위치 제어가 행해지더라도 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도가 과잉 상승하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 환자의 팔다리에 대해서 조작 로드(3)로부터 큰 부하를 부여하지 않고 훈련을 계속할 수 있다.

조작 로드(3)의 실제 경동 각도가 θ_d가 아닌 경우(단계 S43에서 「No」인 경우), 또는 단계 S44에서 위치 편차 Δθ_da를 리셋한 후, 모터 구동부(1135)는 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도를 속도 지령의 지시 속도에 추종하도록, 또한 조작 로드(3)의 경동 각도를 위치 지령의 지시 경동 각도에 추종하도록 Y축 방향 경동 모터(135a)를 구동한다(단계 S46). 이로써, 모터 구동부(1135)는 조작 로드(3)가 목표 경동 각도까지 최대한 편차를 작게 하여 도달하도록 Y축 방향 경동 모터(135a)를 제어할 수 있다.

III. 위치 편차 과대 판정 방법

이하, 도 9에 나타낸 순서도 중 단계 S5에서의 위치 편차 과대 판정 방법에 대하여 도 13을 참조하여 설명한다. 도 13은 위치 편차 과대 판정 방법을 나타낸 순서도이다.

위치 편차 과대 판정을 개시하면, 먼저 판단부(1134)가 Y축 방향 경동 모터(135a)가 구동을 개시하고 나서의 경과 시간 t가 제1 시간 T₁의 정수(整數)(n)배인지를 판단한다(단계 S51). 경과 시간 t가 제1 시간 T₁의 정수배가 아닌 경우(단계 S51에서 「No」인 경우), 판단부(1134)는 위치 편차 과대가 발생하지 않는다고 판단하고(단계 S55), 위치 편차 과대 판정을 종료한다.

한편, 경과 시간 t가 제1 시간 T₁의 정수배인 경우(단계 S51에서 「Yes」인 경우), 판단부(1134)는 위치 편차 산출부(1132)에 대해서 현재 누적 유지되어 있는 위치 편차를 산출하도록 지령한다(단계 S52). 그리고, 판단부(1134)는 산출된 위치 편차를 경과 시간 t=nT₁에서 누적 유지된 위치 편차 Δθ_n로서 모터 제어부(113a)의 기억 장치 등에 기억한다.

다음에, 판단부(1134)가 제1 시간 T₁당 생긴 위치 편차가 제1 임계값 φ₁ 이상인지를 판정한다(단계 S53). 구체적으로는, 먼저 판단부(1134)는 모터 제어부(113a)의 기억 장치 등으로부터 전회 산출된 위치 편차 Δθ_{n -1}, 즉 경과 시간 t=(n-1)T₁ 시간에서 누적 유지된 위치 편차를 판독한다. 그리고, 경과 시간 t=nT₁에서의 위치 편차 Δθ_n과 경과 시간 t=(n-1)T₁에서의 위치 편차 Δθ_{n -1}과의 편차 Δθ_n-Δθ_n-1을 산출한다. 이로써, 경과 시간 t=nT₁에서 제1 시간 T₁(즉 단위 시간)당 생긴 위치 편차가 산출된다. 그 후, 판단부(1134)는 Δθ_n-Δθ_{n -1}이 제1 임계값 φ₁ 이상인지를 판단한다.

Δθ_n-Δθ_{n -1}이 제1 임계값 φ₁ 이상인 경우(단계 S53에서 「Yes」인 경우), 위치 편차 과대가 발생한 것으로 판단하고(단계 S54), 위치 편차 과대 판정을 종료한다. 한편, Δθ_n-Δθ_{n -1}이 제1 임계값 φ₁보다 작은 경우(단계 S53에서 「No」인 경우), 위치 편차 과대는 발생하지 않는다고 판단하고(단계 S55), 위치 편차 과대 판정을 종료한다.

이와 같이, 임의의 경과 시간의 위치 편차와 상기 경과 시간보다 제1 시간 T₁ 전의 위치 편차와의 차를 산출함으로써, 제1 시간 T₁(단위 시간)당 생긴 위치 편차를 산출할 수 있다. 그리고, 제1 시간 T₁당 위치 편차가 제1 임계값 φ₁ 이상인지를 판정하는 것에 의해, 판단부(1134)는 급격한 위치 편차의 변화를 검출할 수 있다.

IV. 과부하 계속 검출 방법

이하, 판단부(1134)에서 조작 로드(3)(Y축 방향 경동 모터(135a))가 팔다리에 과잉 부하(과부하)를 소정 시간(제2 시간 T₂) 계속하여 걸고 있는지를 판정하는 방법(과부하 계속 검출 방법)에 대하여 설명한다. 과부하 계속 검출 방법에는 (i) 피드백 전류값을 사용한 검출 방법과, (ii) 위치 편차를 사용한 검출 방법이 있다. 이하에서는 (i) 방법, (ii) 방법 각각에 대하여 설명한다.

(i) 피드백 전류값을 사용한 과부하 계속 검출 방법

먼저, 피드백 전류값을 사용한 과부하 계속 검출 방법에 대하여 도 14를 참조하여 설명한다. 도 14는 피드백 전류값을 사용한 과부하 계속 검출 방법을 나타낸 순서도이다.

먼저, 과부하 계속 검출을 개시하면, 피드백 전류 검출부(1133)가 피드백 전류 I가 제1 전류값 I₁ 이상인지를 검출한다(단계 S611). 피드백 전류 I가 제1 전류값 I₁ 이상인 경우(단계 S611에서 「Yes」인 경우), 단계 S612로 진행한다. 한편, 피드백 전류 I가 제1 전류값 I₁보다 작은 경우(단계 S611에서 「No」인 경우), 판단부(1134)는 과부하 상태가 계속하지 않는다고 판단하고(단계 S614), 과부하 계속의 검출을 종료한다.

단계 S611에서, 피드백 전류 I가 제1 전류값 I₁ 이상이라고 판정된 경우(단계 S611에서 「Yes」인 경우), 판단부(1134)는 피드백 전류 I가 제1 전류값 I₁ 이상인 상태가 제2 시간 T₂ 이상 계속하는지를 판정한다(단계 S612). 피드백 전류 I가 제1 전류값 I₁ 이상인 상태가 제2 시간 T₂ 이상 계속하는 경우(단계 S612에서 「Yes」인 경우), 판단부(1134)는 과부하 상태가 계속한다고 판단하고(단계 S613), 과부하 계속의 검출을 종료한다.

한편, 피드백 전류 I가 제1 전류값 I₁ 이상인 상태의 계속 시간이 제2 시간 T₂ 미만인 경우(단계 S612에서 「No」인 경우), 판단부(1134)는 과부하 상태가 계속하지 않는다고 판단 하고(단계 S614), 과부하 계속의 검출을 종료한다.

여기서, 피드백 전류값을 사용한 과부하 계속 검출에 대하여 도 15를 사용하여 추가로 설명한다. 도 15는 모터의 실제의 회전 속도와 속도 지령(지시 속도)과의 관계 및 속도 편차의 발생에 기인하는 피드백 전류 I의 시간적 변화에 대하여 모식적으로 나타낸 도면이다. 지금, 도 15에 나타낸 것과 같이 정속 지령 실행시 에서, 예를 들면 Y축 방향 경동 모터(135a)에 3개의 회전 속도의 변화(속도 변화 (i), 속도 변화 (ii), 및 속도 변화 (iii))가 발생한 것으로 한다. 전술한 바와 같이, 정속 지령 실행시에는 Y축 방향 경동 모터(135a)는 속도 지령에만 추종하도록 제어되고 있다.

도 15의 (i)과 같은 속도 변화는, 예를 들면 훈련 장치(100)를 가이디드 모드에 의해 동작시킨 경우에서, 훈련 중의 팔다리에 어느 정도의 힘의 보조를 조작 로드(3)를 통하여 가함으로써, 팔다리의 동작이 훈련 프로그램에 추종할 수 있었을 경우 등에 발생한다. 도 15의 (ii)와 같은 속도 변화는, 예를 들면 훈련 중의 팔다리의 동작이 단시간 대략 정지해 버렸지만, 그 후 팔다리가 동작하기 시작했을 경우 등에 발생한다. 도 15의 (iii)와 같은 속도 변화는, 훈련 중의 팔다리에 힘의 보조를 가해도 팔다리의 동작이 훈련 프로그램에 추종할 수 없는 경우 등에 발생한다.

먼저, 도 15의 속도 변화 (i)가 생겼을 때의 피드백 전류값의 변화에 대하여 설명한다. 임의의 경과 시간에서, 훈련 중의 팔다리가 훈련 프로그램에 추종 하기 어려워지는 등의 이유에 의해, 작은 속도 편차 (i)이 발생한다. 이 때, 속도 제어부(1135-1)로부터는 작은 속도 변화에 따른 작은 제1 제어량이 출력된다. 이것은 전술한 제1 제어량을 산출하는 식 Kpv×Δv+Kiv×Δv로부터도 분명하다. 제1 제어량이 작은 경우, 피드백 전류 I는 완만히 상승한다(도 15의 (1)). 왜냐하면, 피드백 전류 I의 상승은 제1 제어량의 축적에 의해 생기기 때문이다. 피드백 전류 I의 증가에 따라, Y축 방향 경동 모터(135a)로부터 출력되는 토크도 완만히 상승한다. 왜냐하면, 모터로부터 출력되는 토크는 피드백 전류 I에 따라 변화하기 때문이다.

그리고, Y축 방향 경동 모터(135a)로부터 출력되는 토크가 어느 정도 커져 훈련 중인 팔다리의 동작이 훈련 프로그램에 추종 가능하게 되면, 속도 편차는 해소한다. 그리고, 속도 편차가 해소하면, 피드백 전류 I의 상승도 정지한다.

도 15에 나타낸 것과 같이, 속도 편차 (i)이 해소한 후의 피드백 전류 I의 전류값은 제1 전류값 I₁ 이하이다. 이것은, 속도 편차 (i)이 해소한 후의 Y축 방향 경동 모터(135a)로부터 출력되는 토크는, 훈련 중의 팔다리를 무리하게 동작시키는 정도의 토크(과부하)가 아닌 것을 의미한다. 이와 같은 경우, 팔다리의 훈련은 속행되어도 상관없다.

이와 같이, 피드백 전류 I가 제1 전류값 I₁ 이상인지를 판정하는 것에 의해, Y축 방향 경동 모터(135a)가 조작 로드(3)를 통하여 팔다리에 과잉 부하를 걸고 있지 않은지를 판정할 수 있다. 따라서, 피드백 전류 I의 전류값이 제1 전류값 I₁ 미만인 경우에는, 판단부(1134)에서 과부하 상태가 계속하지 않는다고 판단할 수 있다. 그 결과, 피드백 전류 I의 전류값이 제1 전류값 I₁ 미만인 경우에는, Y축 방향 경동 모터(135a)는 팔다리에 무리한 부하를 걸고 있지 않다고 판단하고, 훈련 장치(100)는 팔다리의 훈련 프로그램을 속행할 수 있다.

그리고, 제1 전류값 I₁는 과부하라고 판단하는 기준에 기초하여 적절히 설정된다. 따라서, 제1 전류값 I₁는 훈련의 레벨 등에 따라 조정 가능해도 된다.

한편, 팔다리의 동작이 단시간 정지한 것 등에 의해 단시간에 큰 속도 편차가 생긴 경우(도 15의 속도 변화 (ii)에 대응), 피드백 전류 I의 전류값은 제1 전류값 I₁보다 커진다(도 15의 (2)). 그러나, 피드백 전류 I의 전류값이 제1 전류값 I₁보다 큰 상태인 기간은 제2 시간 T₂보다 짧다.

이 경우, 팔다리는 일시적으로 훈련 프로그램에 추종할 수 없었을 뿐이고, 훈련 프로그램에 추종할 수 없었던 기간 이외에는 팔다리의 동작은 훈련 프로그램에 추종하였다. 이와 같은 경우도, 훈련 장치(100)는 팔다리의 훈련을 속행해도 상관없다.

따라서, 피드백 전류 I의 전류값이 제1 전류값 I₁ 이상인 시간이 제2 시간 T₂ 이하라면, 판단부(1134)에서 과부하 상태가 계속하지 않는다고 판단하고, 에러를 발생시키지 않는다. 그 결과, Y축 방향 경동 모터(135a)가 일시적으로 단시간만 팔다리에 무리한 부하를 건 경우에는, 훈련 장치(100)는 팔다리의 훈련 프로그램을 속행할 수 있다.

그리고, 제2 시간 T₂도 제1 전류값 I₁과 마찬가지로, 과부하가 계속되고 있다고 판정하는 기준 시간에 기초하여 적절히 설정된다. 따라서, 제2 시간 T₂도 훈련의 레벨 등에 따라 조정 가능해도 된다.

한편, 속도 편차가 장시간에 걸쳐 해소되지 않는 경우(도 15의 속도 변화 (iii)에 대응), 피드백 전류 I의 전류값은 속도 편차가 해소되지 않는 한 상승을 계속한다(도 15의 (3)). 이 때, 팔다리가 훈련 프로그램에 추종 가능하게 될 때까지, 팔다리에 대해서 부여되는 부하는 계속 상승한다. 이와 같이, 팔다리에 아무리 부하를 부여해도 지가 훈련 프로그램에 추종할 수 없는 경우에는, 팔다리에 무리한 부하를 걸지 않게 하는 것이 바람직하다.

따라서, 피드백 전류 I의 전류값이 제1 전류값 I₁ 이상인 상태가 제2 시간 T₂ 이상 계속하는 경우에는, 판단부(1134)에서 과부하 상태가 계속한다고 판단하고, 에러를 발생시킨다. 그리고, 본 실시형태에서는, 에러가 발생했을 때는 피드백 전류 I를 제2 전류값 I₂(a×I_R)으로 제한한다. 이 결과, Y축 방향 경동 모터(135a)가 장시간에 걸쳐 팔다리에 무리한 부하를 걸고 있는 경우에는, 피드백 전류 I를 제한하여 Y축 방향 경동 모터(135a)가 팔다리에 대해서 무리한 부하를 걸지 않게 할 수 있다. 또, 훈련 장치(100)의 제어부(11)에 과잉의 전기 부하가 가해지는 것을 피할 수 있다.

여기서, 도 15에 나타낸 속도 변화 (i)~(iii)가 발생한 경우의 피드백 전류 I의 전류값의 변화와 도 16에 나타낸 장시간에 걸쳐 속도 편차가 큰 속도 변화 (iv)가 발생한 경우의 피드백 전류 I의 전류값의 변화를 비교한다. 도 16에 나타낸 장시간에 걸쳐 속도 편차가 큰 속도 변화 (iv)는, 예를 들면 훈련 중의 팔다리가 대략 완전히 동작 불가능이 되었을 경우 등에 발생한다.

속도 변화 (iv)와 같은 속도 변화가 발생하면, 피드백 전류 I는 단시간 내에 Y축 방향 경동 모터(135a)에 출력 가능한 최대 전류 I_max까지 상승한다. 그리고, 피드백 전류 I는 최대 전류 I_max로부터 하강하지 않게 된다.

한편, 도 15에 나타낸 것과 같이, 속도 변화 (i)~(iii)가 발생한 경우의 피드백 전류 I의 변화 (1)~(3)에서는, 피드백 전류 I는 비교적 완만히 상승하거나(변화 (1) 및 (3)), 단시간 내에 제1 전류값 I₁를 초과하는 전류값이 된다(변화 (2)). 따라서, 피드백 전류 I의 변화를 모니터함으로써, 큰 속도 편차가 생기는 속도 변화(위치 편차가 급격하게 변화)인지, 작은 속도 편차가 생기는 속도 변화(위치 편차가 완만히 변화)인지, 또는 큰 속도 편차이지만 단시간이었는지를 판정할 수 있다.

(ii) 위치 편차를 사용한 과부하 계속 검출 방법

이하, 위치 편차를 사용한 과부하 계속 검출 방법에 대하여 도 17을 참조하여 설명한다. 도 17은 위치 편차를 사용한 과부하 계속 검출 방법을 나타낸 순서도이다. 위치 편차를 사용한 과부하 계속 검출 방법에서는, 단위 시간(제1 시간 T₁)당 위치 편차의 변화량이 소정 범위 내인지를 판정하는 것에 의해 과부하 상태가 계속하는지를 판정한다.

구체적으로는, 먼저 누계 시간 계측부(1136)가 경과 시간 t가 제1 시간 T₁의 정수배 nT₁인지를 판정한다(단계 S621). 경과 시간 t가 제1 시간 T₁의 정수배 nT₁인 경우(단계 S621에서 「Yes」인 경우), 단계 S622로 진행된다. 한편, 경과 시간 t가 제1 시간 T₁의 정수배 nT₁이 아닌 경우(단계 S621에서 「No」인 경우), 누계 시간 계측부(1136)는 과부하 상태가 계속하지 않는다고 판단하고(단계 S628), 과부하 계속의 검출을 종료한다.

경과 시간 t가 제1 시간 T₁의 정수배 nT₁인 경우(단계 S621에서 「Yes」인 경우), 누계 시간 계측부(1136)는 위치 편차 산출부(1132)에 대해서 경과 시간 t가 nT₁일 때의 위치 편차 Δθ_n을 산출하도록 지령한다(단계 S622). 그리고, 누계 시간 계측부(1136)는 산출한 위치 편차를 경과 시간 t=nT₁에서 누적 유지된 위치 편차 Δθ_n로서 모터 제어부(113a)의 기억 장치 등에 기억한다.

다음에, 누계 시간 계측부(1136)가 제1 시간 T₁당 생긴 위치 편차가 제2 임계값 φ₂ 이상인지를 판정한다(단계 S623). 구체적으로는, 이하와 같이 하여 판정한다. 먼저, 누계 시간 계측부(1136)는 모터 제어부(113a)의 기억 장치 등으로부터 전회 계측한 경과 시간 t=(n-1)T₁ 시간에서 누적 유지된 위치 편차 Δθ_{n -1}을 판독한다. 그리고, 경과 시간 t=nT₁에서의 위치 편차 Δθ_n과 경과 시간 t=(n-1)T₁에서의 위치 편차 Δθ_{n -1}과의 차 Δθ_n-Δθ_{n -1}을 산출한다. 이로써, 경과 시간 t=nT₁에서 제1 시간 T1(즉 단위 시간)당 생긴 위치 편차가 산출된다. 그 후, 누계 시간 계측부(1136)는 Δθ_n-Δθ_{n -1}이 제2 임계값 φ₂ 이상인지를 판단한다.

Δθ_n-Δθ_{n -1}이 제2 임계값 φ₂ 이상인 경우(단계 S623에서 「Yes」인 경우), 과부하 상태인 것으로 판정한다. 그리고, 누계 시간 계측부(1136)는 누계 시간 t_A에 T₁을 가산하여 새로운 누계 시간 t_A로 한다(단계 S624). 이로써, 누계 시간 계측부(1136)는 Δθ_n-Δθ_{n -1}이 제2 임계값 φ₂ 이상인 상태(즉, 과부하 상태)가 계속하는 시간(누계 시간 t_A)을 계측할 수 있다. 누계 시간 t_A를 갱신 후, 단계 S626으로 진행한다.

한편, Δθ_n-Δθ_{n -1}이 제2 임계값 φ₂보다 작은 경우(단계 S623에서 「No」인 경우), 누계 시간 계측부(1136)는 과부하 상태가 아니라고 판단한다. 그리고, 누계 시간 계측부(1136)는 누계 시간 t_A를 0으로 리셋한다(단계 S625). 누계 시간 t_A를 리셋 후, 단계 S626으로 진행한다.

그리고, 단계 S623에서, 경과 시간 t=nT₁에서의 위치 편차 Δθ_n과 경과 시간 t=(n-1)T₁에서의 위치 편차 Δθ_{n -1}과의 차 Δθ_n-Δθ_{n -1}이 제1 임계값 φ₁ 미만 인지를 판정하지 않는다. 왜냐하면, 과부하 계속의 검출은 도 9에 나타낸 순서도의 단계 S5에서 위치 편차 과대가 생기지 않았다고(즉, 단계 S5에서 「No」) 판단된 후에 실행되기 때문이다. 즉, Δθ_n-Δθ_{n -1}이 제1 임계값 φ₁ 미만인 것은 단계 S5에서 이미 판정되어 있기 때문이다.

그러나, 이에 한정되지 않고, 단계 S623에서 누계 시간 계측부(1136)가 Δθ_n-Δθ_n-1이 제1 임계값 φ₁ 미만인지도 판정해도 된다.

단계 S626에서, 판단부(1134)는 누계 시간 t_A가 제3 시간 T₃ 이상인지를 판정한다. 누계 시간 t_A가 제3 시간 T₃ 이상이라고 판정된 경우(단계 S626에서 「Yes」인 경우), 판단부(1134)는 과부하 상태가 계속한다고 판단하고(단계 S627), 과부하 계속의 검출을 종료한다.

한편, 누계 시간 t_A가 제3 시간 T₃ 미만이라고 판정된 경우(단계 S626에서 「No」인 경우), 판단부(1134)는 과부하 상태가 계속하지 않는다고 판단하고(단계 S628), 과부하 계속의 검출을 종료한다.

상기 위치 편차를 사용한 과부하 계속 검출 방법에 대하여, 도 18을 사용하여 추가로 설명한다. 도 18은 도 15에 나타낸 것와 같은 속도 변화 (i)~(iii)가 발생했을 때의 조작 로드(3)의 실제 경동 각도와 위치 지령에 나타나 있는 지시 경동 각도와의 관계를 나타낸 도면이다. 도 18에서, 속도 변화 (i)은 경과 시간 t가 2T₁와 3T₁ 사이에서 생기고 있다. 그리고, 경과 시간 t가 2T₁일 때의 위치 편차 Δθ₂는 0이다. 따라서, 경과 시간 t가 3T₁이 된 시점에서, 제1 시간 T₁당 위치 편차 Δθ₃이 생긴 것으로 된다. 그러나, 속도 변화 (i)의 시간 적분값(Δθ₃-Δθ₂에 대응)은 작으므로, 경과 시간 t가 3T₁이 된 시점에서, 제1 시간 T₁당 생긴 위치 편차 Δθ₃-Δθ₂는 제2 임계값 φ₂ 미만의 값이 된다. 따라서, 누계 시간 계측부(1136)는 경과 시간 t=3T₁에서 과부하 상태가 아니라고 판정한다.

한편, 경과 시간 t가 4T₁가 된 시점에서, 제1 시간 T₁당 생긴 위치 편차 Δθ₄-Δθ₃은, 속도 변화 (ii)에 대응한 위치 편차이며, 제2 임계값 φ₂ 이상으로 되어 있다. 그 결과, 누계 시간 t_A가 T₁으로 갱신된다. 그러나, 경과 시간 t가 5T₁이 된 시점에서, 제1 시간 T₁당 생긴 위치 편차 Δθ₅-Δθ₄는 제2 임계값 φ₂ 미만으로 되어 있다. 왜냐하면, 속도 변화 (ii)는 단기간에 생긴 속도 변화이기 때문이다. 이 경우, 경과 시간 t=5T₁에서 누계 시간 t_A가 0으로 리셋된다. 그 결과, 경과 시간 t=5T₁에서 판단부(1134)는 과부하 상태가 계속하지 않는다고 판정한다.

또한, 경과 시간 t가 5T₁ 이후, 속도 변화 (iii)가 발생한다. 이 경우, 경과 시간 t=6T₁이 된 시점에서, 제1 시간 T₁당 생긴 위치 편차 Δθ₆-Δθ₅는 제2 임계값 φ₂ 이상으로 되어 있다. 그 결과, 누계 시간 t_A가 T₁으로 갱신된다. 또, 경과 시간 t=7T₁이 된 시점에서도, 제1 시간 T₁당 생긴 위치 편차 Δθ₇-Δθ₆은 경과 시간 t=6T₁이 된 시점에서 제1 시간 T₁당 생긴 위치 편차 Δθ₆-Δθ₅과 거의 같은 값이며, 제2 임계값 φ₂ 이상으로 되어 있다. 그 결과, 경과 시간 t=7T₁에서, 누계 시간 t_A에 T₁이 가산되고, 누계 시간 t_A가 2T₁으로 갱신된다.

여기서, 만약 누계 시간 t_A가 제3 시간 T₃ 이상인 경우에는, 판단부(1134)는 과부하 상태가 계속한다고 판정한다.

전술한 도 15와 도 18을 비교하면, 속도 변화 (i)~(iii)에 기인하여 발생하는 피드백 전류 I의 변화 (1)~(3)은 단위 시간(제1 시간 T₁)당 생기는 위치 편차의 변화량에 잘 대응한다고 말할 수 있다. 즉, 도 15에 나타낸 피드백 전류 I의 변화가 도 15의 (1)이나 (2)인 경우에는, 제1 시간 T₁당 생기는 위치 편차의 변화량도 작다. 한편, 도 15의 (3)에 나타낸 것과 같이 피드백 전류 I의 전류값이 계속하여 증가하는 경우, 위치 편차는 계속 증가한다.

이것은, 피드백 전류 I의 변화가 단위 시간당 생기는 위치 편차의 변화량으로부터도 예측 가능한 것을 나타내고 있다. 즉, 피드백 전류 I의 변화에 기인하여 생기는, 조작 로드(3)로부터 훈련 중의 팔다리에 걸리는 부하의 변화는, 단위 시간당 생기는 위치 편차의 변화량에 의해서도 검출 가능하다.

이와 같이, 단위 시간(제1 시간 T₁)당 생기는 위치 편차가 제2 임계값 φ₂ 이상(또한, 제1 임계값 φ₁ 미만)인 시간을 누계 시간 계측부(1136)에 의해 계측하는 것에 의해, 완만히 변화하는 위치 편차가 계속하는 시간(누계 시간 t_A)을 측정할 수 있다. 그와 동시에, 속도 변화 (i)~(iii)와 같은 속도 변화에 기인하여 발생하는, 팔다리에 걸리는 부하의 변화도 모니터할 수 있다. 그리고, 완만히 변화하는 위치 편차가 계속하는 시간(누계 시간 t_A)을 측정하는 것에 의해, 팔다리에 무리한 부하가 걸리는 상태(과부하 상태)가 계속하여 발생하는지를 판정할 수 있다.

그리고, 과부하 계속을 검출하는것에 따라, 도 7b나 도 7c에 나타낸 것과 같이 피드백 전류 검출부(1133) 및 누계 시간 계측부(1136)를 양쪽 다 가지고 있는 모터 제어부(113a, 113b, 113c)에서는, 피드백 전류 I에 기초하여 과부하 계속을 검출할 것인지, 또는 위치 편차에 기초하여 과부하 계속을 검출할 것인지를 선택 가능하게 되어 있어도 된다.

이로써, 피드백 전류 검출부(1133)의 고장에 의해 피드백 전류 I가 검출 불가능이 되었을 경우나, 또는 누계 시간 계측부(1136)(경동 각도 산출부(1131), 위치 편차 산출부(1132), 또는 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1))의 고장에 의해 위치 편차를 산출 불가능하게 되었을 경우 등에, 어느 하나 정상으로 검출 또는 산출 가능한 계측량에 기초하여 과부하 상태가 계속하여 발생하는지를 판정할 수 있다.

또, 상기 제2 임계값 φ₂는 환자의 팔다리에 과잉 부하를 걸고 있지 않다고 판단되는 임계값이다. 과부하 계속의 판단은, (1) 그 환자에 있어 설정된 훈련 프로그램의 난이도가 높고 그 훈련 프로그램을 적절히 실시할 수 없는 경우 및/또는 (2) 훈련 장치(100) 내의 임의의 구성 부품의 수명이 가까워지고 있어 상기 구성 부품이 고장의 전조를 나타내고 있는 경우 등에 에러를 발생할 필요가 있을 때 바람직하게 사용할 수 있다.

그 결과, 과부하 계속의 판단에 의해, 환자는 그 증상에 따라 적절한 훈련 프로그램을 실시할 수 있다.

(6) 본 실시형태의 효과

이하 본 실시형태의 효과에 대하여 설명한다.

훈련 장치(100)(훈련 장치의 일례)는 훈련 프로그램(훈련 프로그램의 일례)에 따라 환자(환자의 일례)의 상지 및 하지의 사지를 훈련하는 훈련 장치이다. 훈련 장치(100)는 고정 프레임(1)(고정 프레임의 일례), 조작 로드(3)(조작 로드의 일례), X축 방향 경동 모터(135b)(모터의 일례), Y축 방향 경동 모터(135a)(모터의 일례), 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1)(회전 정보 출력 센서의 일례), 제2 회전 정보 출력 센서(135b-1)(회전 정보 출력 센서의 일례), 경동 각도 산출부(1131)(경동 각도 산출의 일례), 피드백 전류 검출부(1133)(피드백 전류 검출부의 일례), 위치 편차 산출부(1132)(위치 편차 산출부의 일례), 판단부(1134)(판단부의 일례)를 구비한다. 고정 프레임(1)은 바닥면 상 내지는 바닥면에 근접하여 탑재된다. 조작 로드(3)는 고정 프레임(1)에 적어도 X축 또는 Y축(소정의 경동 축의 일례) 주위에 경동 가능하게 지지된다. 그리고, 조작 로드(3)는 팔다리를 보지(保持)한다. X축 방향 경동 모터(135b), Y축 방향 경동 모터(135a)는 각각 조작 로드(3)를 X축 및 Y축 주위에 경동시킨다. 제1 회전 정보 출력 센서(135a-1) 및 제2 회전 정보 출력 센서(135b-1)는 각각 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전량 및 X축 방향 경동 모터(135b)의 회전량을 출력한다. 경동 각도 산출부(1131)는 X축 방향 경동 모터(135b)의 회전량 및 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전량에 기초하여 조작 로드(3)의 경동 각도(경동 각도의 일례)를 산출한다. 피드백 전류 검출부(1133)는 X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)의 피드백 전류 I의 전류값(피드백 전류값의 일례)을 검출한다. 위치 편차 산출부(1132)는 위치 편차(위치 편차의 일례)를 제1 시간 T₁(제1 시간의 일례)이 경과할 때마다 산출한다. 여기서, 위치 편차란, 조작 로드(3)의 실제 경동 각도와 훈련 프로그램에서 지시된 조작 로드(3)의 경동 각도인 지시 경동 각도(지시 경동 각도의 일례)와의 차를 말한다. 판단부(1134)는 제1 시간 T₁ 동안에 생긴 위치 편차가 제1 임계값 φ₁(제1 임계값의 일례) 이상이거나, 또는 피드백 전류 I의 전류값이 제2 시간 T₂(제2 시간의 일례) 이상, 제1 전류값 I₁(제1 전류값의 일례) 이상인 경우에 에러라고 판단한다.

훈련 장치(100)에서는, X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)가 조작 로드(3)를 제어하는 때에, 위치 편차 산출부(1132)가 제1 시간 T₁마다 위치 편차를 산출한다. 그리고, 판단부(1134)는 제1 시간 T₁ 동안에 생긴 위치 편차가 제1 임계값 φ₁ 이상으로 되었을 경우에, 훈련 장치(100)에 어떠한 문제점이 있다, 또는 단시간에 급격하게 위치 편차가 변화되었다고 판단하고, 에러라고 판단한다.

한편, 동일하게, X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)가 조작 로드(3)를 제어하는 때에, 피드백 전류 검출부(1133)가 X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)에 공급되는 피드백 전류 I의 전류값을 모니터한다. 그리고, 판단부(1134)는 피드백 전류 I의 전류값이 제1 전류값 I₁ 이상인 상태가 제2 시간 T₂ 이상 계속되었을 경우에, 동일하게 훈련 장치(100)에 어떠한 문제점이 있다, 또는 완만한 위치 편차가 장시간 계속되었다고 판단하고, 에러라고 판단한다.

이와 같이, 훈련 장치(100)에서는 제1 시간 T₁당 위치 편차의 변화량이 모니터되고 있다. 그러므로, 판단부(1134)는 제1 시간 T₁당 위치 편차의 변화량이 크면, 제1 시간 T₁을 기준으로 하여 단시간에 급격하게 변화된 위치 편차라고 판단할 수 있다. 그리고, 판단부(1134)는 단시간의 급격한 위치 편차의 변화가 발생했을 때, 에러라고 판단할 수 있다.

또, 훈련 장치(100)에서는 X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)에 입력되는 피드백 전류 I의 전류값을 모니터함으로써, X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)가 조작 로드(3)를 경동시키기 위해 필요로 하는 토크를 모니터할 수 있다.

또한, 훈련 장치(100)는 조작 로드(3)를 훈련 프로그램에 의해 지시된 경동 각도로 제어하므로, 피드백 전류 I의 전류값은 위치 편차의 변화의 크기에 따라 변화한다. 따라서, 피드백 전류 I의 전류값에 기초하고, 미리 결정한 판단 시간에 기초하여, 완만히 변화하는 위치 편차의 변화가 발생하는지, 또는 급격하게 변화하는 위치 편차가 발생하는지를 모니터할 수 있다.

또, 판단부(1134)는 피드백 전류 I의 전류값이 제1 전류값 I₁ 이상인 상태가 제2 시간 T₂ 이상 계속되었을 경우에, 에러를 발생시킨다. 이로써, 판단부(1134)는 판단 시간에서 위치 편차가 일정 범위 내인 경우, 결국은 조작 로드(3)(X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a))가 환자의 팔다리에 무리한 부하를 걸고 있지 않은 경우, 또는 위치 편차가 완만히 변화되고 있는 경우(환자의 팔다리가 조작 로드(3)의 동작에 어느 정도 추종하여 훈련의 계속이 가능한 경우)에는, 제2 시간 T₂까지는 훈련을 지속하도록 조작 로드(3)를 제어할 수 있다.

조작 로드(3)는 길이 축선 방향(길이 축선 방향의 일례)에 따라 신축 가능하게 되어 있다. 조작 로드(3)가 길이 축선 방향을 따라 신축 가능한 것에 의해, 상지 또는 하지의 조작 로드(3)의 길이 방향의 훈련도 가능해진다.

훈련 장치(100)는 훈련 지시부(5)(정보 제공부의 일례)를 더 구비한다. 훈련 지시부(5)는 판단부(1134)에 의해 에러를 판단했을 때에, 사용자에 대해서 시각적 정보 또는 청각적 정보를 제공한다.

이로써, 훈련 장치(100)의 상태, 즉 훈련 장치(100)에서 에러가 발생하는 것 및/또는 에러 발생의 원인을 환자나 훈련 장치(100)의 사용자에 알릴 수 있다.

훈련 지시부(5)는 환자가 목표 경동 각도(훈련 프로그램에서 설정된 훈련 루트에서 미리 설정한 통과점의 일례)에 조작 로드(3)를 도달시켰을 때에, 사용자에 시각적 정보 및/또는 청각적 정보를 제공한다. 이로써, 사용자는 조작 로드(3)를 훈련 프로그램대로 조작한 것을 알 수 있다. 또, 환자가 미리 설정한 통과점에 조작 로드(3)를 도달시켰을 때에, 환자에게 시각적 정보 또는 청각적 정보를 제공하는 것에 의해, 환자가 훈련을 계속하기 위한 모티베이션을 유지할 수 있다.

훈련 장치(100)는 피드백 전류 제한부(1137)(피드백 전류 제한부의 일례)를 더 구비한다. 피드백 전류 제한부(1137)는 판단부(1134)에서 에러가 발생한 경우에, X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)의 피드백 전류 I의 전류값을 미리 적절히 설정한 제2 전류값 I₂(제2 전류값의 일례)로 제한한다.

이로써, 훈련 장치(100)에서 에러가 생긴 경우에, X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)로부터 출력되는 토크를 제한할 수 있다. 그 결과, 환자에 대해서 훈련 중에 과도한 부하가 걸리지 않게 조작 로드(3)를 제어하여 재활을 행할 수 있다.

제2 전류값 I₂는, X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)에 입력 가능한 정격 전류 I_R(정격 전류의 일례)의 1보다 작은 소정의 배수 a(소정의 배수의 일례)의 전류값 a×I_R(전류값의 일례)이다. 이로써, 정격 전류 I_R가 장시간에 걸쳐서 X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)에 공급되지 않게 된다. 그 결과, 환자에 대해서 과도한 부하가 걸리지 않게 조작 로드(3)를 제어할 수 있다.

또, 훈련 장치(100)의 제어부(11)에 과잉의 전기 부하가 가해지는 것을 피할 수 있다.

훈련 장치(100)는 누계 시간 계측부(1136)를 더 구비한다. 누계 시간 계측부(1136)는 제1 시간 T₁ 동안에 생긴 위치 편차가 제1 임계값 φ₁보다 작은 제2 임계값 φ₂(제2 임계값의 일례) 이상, 또한 제1 임계값 φ₁ 미만인 누계 시간 t_A(누계 시간의 일례)를 계측한다. 이 경우, 판단부(1134)는 누계 시간 t_A가 제3 시간 T₃(제3 시간의 일례) 이상인 경우에 에러라고 판단한다.

제1 시간 T₁ 동안에 생긴 위치 편차가 제2 임계값 φ₂ 이상, 또한 제1 임계값 φ₁ 미만인 시간을 누계 시간 계측부(1136)가 계측하는 것에 의해, 완만히 변화하는 위치 편차가 계속하는 시간(누계 시간 t_A)을 측정할 수 있다. 또, 판단부(1134)가 누계 시간 t_A가 제3 시간 T₃ 이상인 경우에 에러라고 판단함으로써, 완만히 변화하는 위치 편차에 대해서, 제3 시간 T₃까지는 훈련을 계속할 수 있다.

제2 임계값 φ₂는, 환자의 팔다리에 과잉 부하를 걸고 있지 않는다고 판단 되는 임계값이므로, 이 때 발생하는 에러는, 그 환자에게 있어 설정된 훈련 프로그램의 난이도가 높고 그 훈련 프로그램을 적절히 실시할 수 없는 경우나, 장치 내의 부품이 서서히 고장에 이르는 전조를 검출하는 것에 대해 바람직하게 이용할 수 있다. 이 판단에 의해, 환자는 그 증상에 따라 적절한 훈련 프로그램을 실시할 수 있다.

훈련 장치(100)는 지령 제작부(111)(지령 제작부의 일례)와 모터 구동부(1135)(모터 구동부의 일례)를 더 구비한다. 지령 제작부(111)는 훈련 프로그램에 따라 X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도(속도의 일례)를 제어하기 위한 지령인 속도 지령(속도 지령의 일례)을 제작한다. 모터 구동부(1135)는, 속도 지령에 기초하여 X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)를 구동한다. 또, 속도 지령은 적어도 X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)를 가속시키는 지령인 가속 지령(가속 지령의 일례)과 X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)를 감속시키는 감속 지령(감속 지령의 일례)을 포함한다. 또한, 모터 구동부(1135)는 가속 지령 실행시에서 위치 편차를 누적 유지하도록, X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)를 구동한다.

지령 제작부(111)에 의해 제작된 가속 지령과 감속 지령을 적어도 포함하는 속도 지령을 사용하여, X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)를 구동함으로써, X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)는 훈련 프로그램과 환자의 조작에 대응하여 원활하게 동작할 수 있다. 그 결과, 환자는 조작 로드(3)를 의도한 것처럼 조작할 수 있다.

또, 모터 구동부(1135)가 가속 지령 실행시에서 위치 편차를 누적 유지하도록 X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)를 구동함으로써, 특히 단시간에서의 위치 편차가 생기기 쉬운 가속 지령 실행시에 환자에 의한 조작 로드(3) 시동 시 또는 정지 시 등에서 위치 편차가 생긴 경우라도, 환자는 훈련 장치(100)를 사용하여 훈련을 계속할 수 있다. 또, 위치 편차를 누적 유지함으로써, 위치 편차의 누적 유지량에 기초하여 훈련 중에서의 환자의 팔다리의 상황을 파악할 수 있다.

속도 지령은 정속 지령(정속 지령의 일례)을 더 포함한다. 정속 지령은 X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)를 일정한 회전 속도로 회전시키는 지령이다. 또, 정속 지령은 가속 지령 또는 감속 지령의 전후 중 어느 하나에 배치된다. 또, 모터 구동부(1135)는 정속 지령 실행시에서 위치 편차를 누적 유지하도록, X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)를 구동한다.

속도 지령이 정속 지령을 더 포함하는 것에 의해, 조작 로드(3)가 큰 경동 각도로 동작하는 경우에도, 피드백 전류값에 기초하여 X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)를 일정 속도에 따라 원활하게 동작할 수 있다. 또, 정속 지령 실행시에서 위치 편차를 누적 유지하도록, X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)를 구동함으로써, 상대적으로 큰 토크를 필요로 하여 위치 편차가 생기기 쉬운 경우, 예를 들면 조작 로드(3)가 큰 경동 각도로 동작하는 경우에서도, 환자는 훈련 장치(100)를 사용하여 훈련을 계속할 수 있다.

모터 구동부(1135)는 가속 지령 및/또는 정속 지령 실행시에서, 속도 지령에만 추종하도록 X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)를 구동한다. 이로써, 가속 지령 실행시 및/또는 정속 지령 실행시에, 위치 편차에 관계없이 X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)를 구동할 수 있다. 그 결과, 상대적으로 큰 모터 토크를 필요로 하여 위치 편차가 생기기 쉬운, 예를 들면 조작 로드(3)가 큰 경동 각도로 동작하는 경우에서도, 환자는 훈련 장치(100)를 사용하여 훈련을 계속할 수 있다.

지령 제작부(111)는 훈련 프로그램에 따라 조작 로드(3)의 경동 각도를 제어하기 위한 지령인 위치 지령(위치 지령의 일례)을 또한 제작한다. 또, 모터 구동부(1135)는, 감속 지령 실행시에서 속도 지령 및 위치 지령에 추종하도록 X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)를 구동한다.

이로써, 모터 구동부(1135)는 조작 로드(3)가 훈련 프로그램에서 지시된 목표 경동 각도까지 최대한 편차를 적게 하여 도달하도록, X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)를 제어할 수 있다. 그 결과, 환자에 대해서 조작 로드(3)의 위치 정보를 시각적 정보로서 피드백하는 경우에서도, 이 위치 정보를 바람직하게 이용할 수 있다.

모터 구동부(1135)는 경동 각도가 지시 경동 각도 θ_d(감속 개시 위치의 일례)에 도달한 때에, 누적 유지한 위치 편차를 리셋한다. 이로써, 감속시에서 위치 편차가 일시적으로 증대함으로써, 그 위치 편차를 보정하기 위해 X축 방향 경동 모터(135b) 및 Y축 방향 경동 모터(135a)의 회전 속도가 과잉 상승하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 환자는 훈련을 계속할 수 있다.

2. 다른 실시형태

이상, 본 발명의 일 실시형태에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 각종의 변경이 가능하다. 특히, 본 명세서에 쓰여진 복수의 실시형태 및 변형예는 필요에 따라 임의로 조합 가능하다.

(A) 모터의 제어에 관한 다른 실시형태

전술한 제1 실시예에서는, 속도 지령의 감속 지령 실행시에만 조작 로드(3)의 경동 각도가 위치 지령에서 지시된 지시 경동 각도에 추종하도록(위치 제어) Y축 방향 경동 모터(135a)(X축 방향 경동 모터(135b), 신축 모터(359))가 제어되고 있었다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 속도 지령의 가속 지령 실행시 및/또는 정속 지령 실행시에서도, 위치 제어 및 속도 제어에 의해 Y축 방향 경동 모터(135a)(X축 방향 경동 모터(135b), 신축 모터(359))가 제어되어도 된다. 이 경우, 모터 구동부(1135)의 전환부(1135-8)는 특별히 필요하지 않다.

속도 지령의 가속 지령 실행시 및/또는 정속 지령 실행시에서, 위치 제어에 의해 Y축 방향 경동 모터(135a)(X축 방향 경동 모터(135b), 신축 모터(359))를 제어하는 경우에는, 조작 로드(3)의 경동 각도 속도가 과잉으로 커지지 않도록, 제어 게인 K_pp 및 K_ip를 조정하거나, 합성부(1135-7)에서의 제2 제어량의 가중치 부여의 값을 조정하거나 하는 것이 바람직하다.

이로써, 조작 로드(3)의 경동 각도 속도를 과잉으로 크게 하지 않고, 조작 로드(3)의 경동 각도가 지시 경동 각도에 추종할 수 있다.

(B) 에러 발생시에서의 처리의 다른 실시형태

전술한 제1 실시예에서는, 판단부(1134)가 에러를 발생한 때 Y축 방향 경동 모터(135a)(X축 방향 경동 모터(135b), 신축 모터(359))에 입력하는 피드백 전류 I를 제2 전류값 I₂로 제한하였다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 판단부(1134)가 에러를 발생한 때, Y축 방향 경동 모터(135a)(X축 방향 경동 모터(135b), 신축 모터(359))의 제어(회전)를 정지해도 된다. 또는, 훈련 프로그램을 중지해도 된다.

이로써, 판단부(1134)가 에러를 발생한 경우에, 훈련 장치(100)를 확실하게 정지할 수 있다.

[산업상 이용 가능성]

본 발명은, 모터에 의해 구동되는 조작 로드를 구비하고, 소정의 훈련 프로그램에 따라 환자의 팔다리를 훈련하는 훈련 장치에 널리 적용할 수 있다.

100 훈련 장치
1 고정 프레임
11 제어부
111 지령 제작부
113a, 113b, 113c 모터 제어부
1131 경동 각도 산출부
1132 위치 편차 산출부
1133 피드백 전류 검출부
1134 판단부
1135 모터 구동부
1135-1 속도 제어부
1135-2 위치 제어부
1135-3 속도 산출부
1135-4 전력 공급부
1135-5 전류 제한부
1135-6a 제1 편차 산출부
1135-6b 제2 편차 산출부
1135-7 합성부
1135-8 전환부
1135-9 위치 편차 설정부
1136 누계 시간 계측부
1137 피드백 전류 제한부
13 조작 로드 경동 기구
131 X축 방향 경동 부재
131a, 131b 축
133 Y축 방향 경동 부재
133a, 133b 축
135a Y축 방향 경동 모터
135a-1 제1 회전 정보 출력 센서
135b X축 방향 경동 모터
135b-1 제2 회전 정보 출력 센서
15a, 15b 조작 로드 경동 기구 고정 부재
3 조작 로드
31 팔다리 지지 부재
33 고정 스테이
35 신축 기구
351 가동 스테이
353 커버
355 너트
357 나사축
359 신축 모터
359-1 제3 회전 정보 출력 센서
37 안내 레일
5 훈련 지시부
7 고정 부재
9 의자
91 의자 접속 부재
I 피드백 전류
I₁ 제1 전류값
I₂ 제2 전류값
I_max 최대 전류
I_R 정격 전류
K_pv, K_iv 속도 제어에서의 제어 게인
K_pp, K_pv 위치 제어에서의 제어 게인
S, S' 공간
T₁ 제1 시간
T₂ 제2 시간
T₃ 제3시간
n 정수
t, t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t_dc, t_da, t_a, t_b 경과 시간
t_A 누계 시간
Δv 속도 편차
θ_d 감속 개시 위치에 대응하는(지시) 경동 각도
Δθ_da, Δθ_A, Δθ_B, Δθ_n, Δθ_{n -1}, Δθ₂, Δθ₃, Δθ₄, Δθ₅, Δθ₆, Δθ₇ 위치 편차
φ₁ 제1 임계값
φ₂ 제2 임계값

Claims (13)

1. 소정의 훈련 프로그램에 따라 사용자의 상지 및/또는 하지의 사지를 훈련하는 훈련 장치로서,
   바닥면 상 또는 바닥면에 근접하여 탑재되는 고정 프레임,
   상기 고정 프레임에 적어도 1 자유도로 소정의 경동(傾動) 축 주위에 경동 가능하게 지지되고, 팔다리(肢)를 보지(保持)하는 조작 로드,
   상기 조작 로드를 상기 경동 축 주위로 경동시키는 모터,
   상기 모터의 회전량을 출력하는 회전 정보 출력 센서,
   상기 모터의 상기 회전량에 기초하여 상기 조작 로드의 경동 각도를 산출하는 경동 각도 산출부,
   상기 모터의 피드백 전류값을 검출하는 피드백 전류 검출부,
   상기 조작 로드의 실제의 상기 경동 각도와 상기 훈련 프로그램에서 지시된 상기 조작 로드의 경동 각도인 지시 경동 각도와의 차인 위치 편차를, 미리 결정된 제1 시간이 경과할 때마다 산출하는 위치 편차 산출부,
   상기 제1 시간 동안에 생긴 상기 위치 편차가 미리 결정된 제1 임계값 이상이거나, 또는 상기 피드백 전류값이 미리 결정된 제2 시간 이상인 동안 제1 전류값 이상일 때에 에러라고 판단하는 판단부
   를 구비하는 훈련 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 조작 로드는 길이 축선 방향으로 신축 가능한, 훈련 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 판단부에서 상기 에러를 판단했을 때에, 사용자에 대해서 시각적 정보 또는 청각적 정보를 제공하는 정보 제공부를 더 구비하는, 훈련 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 정보 제공부는, 상기 사용자가 상기 훈련 프로그램에서 설정된 훈련 루트에서 미리 설정한 통과점에 상기 조작 로드를 도달시켰을 때에, 상기 사용자에 시각적 정보 또는 청각적 정보를 제공하는, 훈련 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 판단부에 의해 상기 에러를 판단했을 때에, 상기 모터의 회전을 정지하는, 훈련 장치.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 판단부가 에러라고 판단했을 경우에, 상기 모터의 상기 피드백 전류값을 미리 결정된 제2 전류값 이하로 제한하는 피드백 전류 제한부를 더 구비하는, 훈련 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제2 전류값은, 상기 모터에 입력 가능한 정격 전류의 1보다 작은 소정의 배수의 전류값인, 훈련 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 시간 동안에 생긴 상기 위치 편차가, 상기 제1 임계값보다 작은 제2 임계값 이상이고 상기 제1 임계값 미만일 때의 누계 시간을 계측하는 누계 시간 계측부를 더 구비하고,
   상기 판단부는, 상기 누계 시간이 미리 결정된 제3 시간 이상인 경우에 상기 에러를 발생시키는, 훈련 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 훈련 프로그램에 따라 상기 모터의 속도를 제어하기 위한 지령인 속도 지령을 제작하는 지령 제작부,
   상기 속도 지령에 기초하여 상기 모터를 구동시키는 모터 구동부
   를 더 포함하고,
   상기 속도 지령은, 적어도 상기 모터를 가속시키는 지령인 가속 지령과 상기 모터를 감속시키는 감속 지령 중 어느 하나를 포함하고,
   상기 모터 구동부는, 상기 가속 지령의 실행시에 상기 위치 편차를 누적 유지하도록 상기 모터를 구동하는, 훈련 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 속도 지령은, 상기 가속 지령 또는 상기 감속 지령의 전후 중 어느 하나에 배치되고, 상기 모터를 일정 속도로 회전시키는 정속 지령을 더 포함하고,
    상기 모터 구동부는, 또한 상기 정속 지령의 실행시에 상기 위치 편차를 누적 유지하도록 상기 모터를 구동하는, 훈련 장치.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 모터 구동부는, 상기 가속 지령 및/또는 상기 정속 지령 실행시에 상기 속도 지령에만 추종하도록 상기 모터를 구동하는, 훈련 장치.
12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지령 제작부는, 상기 훈련 프로그램에 따라 상기 조작 로드의 상기 경동 각도를 제어하기 위한 지령인 위치 지령을 더 제작하고,
    상기 모터 구동부는, 상기 감속 지령의 실행시에 상기 속도 지령 및 상기 위치 지령에 추종하도록 상기 모터를 구동하는, 훈련 장치.
13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조작 로드의 상기 경동 각도가 감속 개시 위치에 도달한 때에 누적 유지한 상기 위치 편차를 리셋하는, 훈련 장치.

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