JPH10258100A - 運動療法装置 - Google Patents
運動療法装置Info
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- JPH10258100A JPH10258100A JP9066835A JP6683597A JPH10258100A JP H10258100 A JPH10258100 A JP H10258100A JP 9066835 A JP9066835 A JP 9066835A JP 6683597 A JP6683597 A JP 6683597A JP H10258100 A JPH10258100 A JP H10258100A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 リハビリテーションの全ての局面にわたって
総合的な運動療法を実施できる装置を提供する。 【解決手段】 治療あるいは訓練を行う肢体の部分であ
る肢体１０１は装置の把持部１０２によって把持され
る。装置には肢体１０１からの負荷を計測する負荷計測
部２０３が備えられ、負荷情報２０４を発生する。軌道
教示部２０１では肢体の運動軌道２０２を設定する。こ
れら負荷情報２０４と肢体の運動軌道２０２とから、負
荷情報変換部２０５では装置の運動指令２０６を発生す
る。運動指令２０６を受けて、肢体駆動部２０７は装置
の各駆動軸１０４〜１０６を運動指令２０６にしたがっ
て動作させる。
総合的な運動療法を実施できる装置を提供する。 【解決手段】 治療あるいは訓練を行う肢体の部分であ
る肢体１０１は装置の把持部１０２によって把持され
る。装置には肢体１０１からの負荷を計測する負荷計測
部２０３が備えられ、負荷情報２０４を発生する。軌道
教示部２０１では肢体の運動軌道２０２を設定する。こ
れら負荷情報２０４と肢体の運動軌道２０２とから、負
荷情報変換部２０５では装置の運動指令２０６を発生す
る。運動指令２０６を受けて、肢体駆動部２０７は装置
の各駆動軸１０４〜１０６を運動指令２０６にしたがっ
て動作させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、全身機能低下を矯
正し、筋・骨格系統の機能を改善し、健康状態を維持・
改善する目的で、リラクセーションや関節可動域訓練や
筋力増強訓練や持続力増強訓練や協調性訓練や神経筋再
教育やその他の訓練を行う、いわゆる運動療法を実施す
る装置に関する。
正し、筋・骨格系統の機能を改善し、健康状態を維持・
改善する目的で、リラクセーションや関節可動域訓練や
筋力増強訓練や持続力増強訓練や協調性訓練や神経筋再
教育やその他の訓練を行う、いわゆる運動療法を実施す
る装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、整形外科で用いられる運動装置あ
るいは理学療法科で用いられる運動療法装置は、以下の
ようである。 １）例えば、特開昭６０−１７９０６２、特開昭６０−
２３２１５８、特開昭６１−１７０４６４、特公平４−
１４０２８では、肢体の稼働角度を数値で設定すると、
その角度にしたがって一定速度で患者の肢体を運動せし
める、いわゆる連続他動運動を行う。 ２）また、特公昭５７−４４３３７、特公平３−５４５
８７では、他動運動のほかに筋力増強などを目的とし
た、等尺運動、等張運動、等速運動の自動運動を行え
る。他動運動では、先の角度入力の他に肢体を直接動か
す、いわゆる直接教示手段を用いて稼働角度を時系列デ
ータとして設定すると、その時系列データにしたがって
肢体を運動せしめることができる。また、自動運動と
は、装置によって肢体が動かされる他動運動とは異な
り、肢体が能動的に力を発揮して運動するものである。
るいは理学療法科で用いられる運動療法装置は、以下の
ようである。 １）例えば、特開昭６０−１７９０６２、特開昭６０−
２３２１５８、特開昭６１−１７０４６４、特公平４−
１４０２８では、肢体の稼働角度を数値で設定すると、
その角度にしたがって一定速度で患者の肢体を運動せし
める、いわゆる連続他動運動を行う。 ２）また、特公昭５７−４４３３７、特公平３−５４５
８７では、他動運動のほかに筋力増強などを目的とし
た、等尺運動、等張運動、等速運動の自動運動を行え
る。他動運動では、先の角度入力の他に肢体を直接動か
す、いわゆる直接教示手段を用いて稼働角度を時系列デ
ータとして設定すると、その時系列データにしたがって
肢体を運動せしめることができる。また、自動運動と
は、装置によって肢体が動かされる他動運動とは異な
り、肢体が能動的に力を発揮して運動するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが従来技術で
は、１）の場合、他動運動しか実施できず、肢体の筋力
発揮による、いわゆる自動運動を行わせることができな
い。また、２）の場合では、他動運動の他に等尺運動、
等張運動、等速運動の自動運動を行わせることができる
が、肢体の疾患の始まりから回復までに実施する運動療
法からみると、上記従来装置によって実施できるのは運
動療法のごく一部であり、最も微妙な運動療法技能が要
求される部分の運動を実現することができない。例えば
上記従来装置の実施できる等尺運動とは、装置の動作の
ない状態で筋力を発揮させるもので肢体の運動がないも
のである。また、上記従来装置の実施できる等張運動と
は、肢体に筋力を発揮させて装置を動かすものではある
が、筋力のある程度回復した状態による抵抗運動に近い
ものである。また、上記従来装置の実施できる等速運動
とは、肢体が筋力を発揮しながら一方装置が等速で運動
し肢体もこれにつれて運動するものではあるが、装置の
運動速度は肢体の発揮した筋力に無関係である。しかし
ながら、上記いずれの運動も、肢体の発揮した筋力の大
きさにしたがってこれを介助するように運動させる、い
わゆる自動介助運動には置き換えることができないもの
である。
は、１）の場合、他動運動しか実施できず、肢体の筋力
発揮による、いわゆる自動運動を行わせることができな
い。また、２）の場合では、他動運動の他に等尺運動、
等張運動、等速運動の自動運動を行わせることができる
が、肢体の疾患の始まりから回復までに実施する運動療
法からみると、上記従来装置によって実施できるのは運
動療法のごく一部であり、最も微妙な運動療法技能が要
求される部分の運動を実現することができない。例えば
上記従来装置の実施できる等尺運動とは、装置の動作の
ない状態で筋力を発揮させるもので肢体の運動がないも
のである。また、上記従来装置の実施できる等張運動と
は、肢体に筋力を発揮させて装置を動かすものではある
が、筋力のある程度回復した状態による抵抗運動に近い
ものである。また、上記従来装置の実施できる等速運動
とは、肢体が筋力を発揮しながら一方装置が等速で運動
し肢体もこれにつれて運動するものではあるが、装置の
運動速度は肢体の発揮した筋力に無関係である。しかし
ながら、上記いずれの運動も、肢体の発揮した筋力の大
きさにしたがってこれを介助するように運動させる、い
わゆる自動介助運動には置き換えることができないもの
である。
【０００４】本発明の目的は、関節・筋力の疾患と回復
状態に応じ、急性期の他動運動と、等尺運動、等張運
動、等速運動の各種の自動運動・自動介助運動から、慢
性期の抵抗運動に至るまでの、リハビリテーションの全
ての局面にわたって総合的な運動療法を実施できる運動
療法装置を提供することである。
状態に応じ、急性期の他動運動と、等尺運動、等張運
動、等速運動の各種の自動運動・自動介助運動から、慢
性期の抵抗運動に至るまでの、リハビリテーションの全
ての局面にわたって総合的な運動療法を実施できる運動
療法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】本発明の運動療法装置
は、患者が運動すべき軌道を教示する軌道教示手段と、
患者の肢体から装置への負荷を計測する負荷計測手段
と、該負荷を方向と大きさを持った運動指令に変換する
負荷情報変換手段と、該運動指令に沿って患者の肢体を
駆動する肢体駆動手段を有する。本発明の他の運動療法
装置は、患者が運動すべき軌道を教示する軌道教示手段
と、該軌道を時系列データとして記憶する第１の記憶手
段と、順序点列として該軌道を整理し記憶する第２の記
憶手段と、各点列の各点において逐次座標変換を行う座
標変換手段と、患者の肢体から装置への負荷を計測する
負荷計測手段と、該負荷を各点列の該座標に沿って計算
する負荷計算手段と、計算された該負荷を方向と大きさ
を持った運動指令に変換する負荷変換手段と、該運動指
令の補正を行う運動指令補正手段と、補正された該運動
指令に沿って患者の肢体を駆動する肢体駆動手段を有す
る。
は、患者が運動すべき軌道を教示する軌道教示手段と、
患者の肢体から装置への負荷を計測する負荷計測手段
と、該負荷を方向と大きさを持った運動指令に変換する
負荷情報変換手段と、該運動指令に沿って患者の肢体を
駆動する肢体駆動手段を有する。本発明の他の運動療法
装置は、患者が運動すべき軌道を教示する軌道教示手段
と、該軌道を時系列データとして記憶する第１の記憶手
段と、順序点列として該軌道を整理し記憶する第２の記
憶手段と、各点列の各点において逐次座標変換を行う座
標変換手段と、患者の肢体から装置への負荷を計測する
負荷計測手段と、該負荷を各点列の該座標に沿って計算
する負荷計算手段と、計算された該負荷を方向と大きさ
を持った運動指令に変換する負荷変換手段と、該運動指
令の補正を行う運動指令補正手段と、補正された該運動
指令に沿って患者の肢体を駆動する肢体駆動手段を有す
る。
【０００６】本装置により、運動療法の一部しか実施で
きず、特に、最も微妙な療法技能が要求される自動介助
運動を実施できないという問題は生じず、関節・筋力の
疾患と回復状態に応じ、急性期の他動運動と、等尺運
動、等張運動、等速運動の各種の自動運動と自動介助運
動から、慢性期の抵抗運動に至るまでの、リハビリテー
ションの全ての局面にわたって総合的な運動療法を実施
できる。
きず、特に、最も微妙な療法技能が要求される自動介助
運動を実施できないという問題は生じず、関節・筋力の
疾患と回復状態に応じ、急性期の他動運動と、等尺運
動、等張運動、等速運動の各種の自動運動と自動介助運
動から、慢性期の抵抗運動に至るまでの、リハビリテー
ションの全ての局面にわたって総合的な運動療法を実施
できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施
形態の運動療法装置の全体構成を示す図である。治療あ
るいは訓練を行う肢体の部分である肢体１０１は装置の
把持部１０２によって把持される。肢体１０１の負荷は
把持部１０２に取り付けられた、負荷計測部である力セ
ンサ２０３により常に計測され、負荷情報２０４を発生
する。軌道教示部２０１では以下に述べるような各種の
手法によって肢体１０１の運動軌道２０２を設定する。
負荷情報２０４と、軌道教示部２０１が発生した運動軌
道２０２と、肢体駆動部２０７から入力した各駆動軸の
位置・速度・加速度のいずれかの運動情報２０８とか
ら、負荷情報変換部２０５では運動指令２０６を発生
し、肢体駆動部２０７に送る。肢体駆動部２０７は、各
駆動軸の運動情報２０８と運動指令２０６とから各駆動
軸１０４〜１０６へのトルク指令１１０を発生する。装
置の機構は基部１０９と、駆動軸１０４〜１０６と、各
駆動軸１０４と１０５、１０５と１０６をそれぞれ連結
するリンク１０７，１０８と、把持部１０２とから構成
される。ここで、装置の機構のうち、可動部分、すなわ
ち駆動軸１０４〜１０６とリンク１０７、１０８をまと
めて装置のアームと称する。肢体駆動部２０７から受け
たトルク指令１１０にしたがって各駆動軸１０４〜１０
６は駆動トルクを発生し、各駆動軸１０４〜１０６に備
えられた角度センサまたは速度センサにより運動情報１
１１を発生する。ここで、軌道教示部２０１としては、
装置のアームを肢体１０１に取り付けた状態で該アーム
を直接動かすことでアームの動作を教示する、いわゆる
ロボット工学における直接教示によって肢体１０１の動
くべき動作を設定する手法や、他に直接教示による軌道
教示部２０１として、装置のアームの機械的インピーダ
ンスを制御によって仮想的に調整することで、肢体１０
１の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法や、直接教
示による軌道教示部２０１として、装置のアクチュエー
タのパワーを低減あるいは切ることで、肢体１０１の動
くべき軌道と動作範囲を設定する手法や、直接教示によ
る軌道教示部２０１として、装置のアクチュエータから
該アームへの駆動力伝達を機構的に遮断することで、肢
体１０１の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法があ
る。また、軌道教示部２０１として他に、装置のアーム
とは別に設けられたレバーやダイアルを調整すること
で、肢体１０１の動くべき軌道と動作範囲を設定する手
法がある。以上の方法により、肢体１０１の動くべき軌
道は、図２に示すように、あたかも空間にレールがある
かのように仮想的に設定することができる。肢体１０１
は装置の把持部１０２を介して仮想軌道レール３０１
（３０３は仮想軌道レール３０１に対する運動中心を示
す）の上を自由に動かすことができる。なお、図に示し
た仮想軌道レール３０１は両端に仮想的な止め部を備え
て上に開いており、両端の止め部の間であれば仮想軌道
レール３０１の上に自由に肢体１０１を動かすことがで
きることを示しているが、仮想軌道レール３０２のよう
にレールの形を上下に閉じた形にすれば、その上下のレ
ールの間のみ動くようにも容易に設定することができ
る。
て図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施
形態の運動療法装置の全体構成を示す図である。治療あ
るいは訓練を行う肢体の部分である肢体１０１は装置の
把持部１０２によって把持される。肢体１０１の負荷は
把持部１０２に取り付けられた、負荷計測部である力セ
ンサ２０３により常に計測され、負荷情報２０４を発生
する。軌道教示部２０１では以下に述べるような各種の
手法によって肢体１０１の運動軌道２０２を設定する。
負荷情報２０４と、軌道教示部２０１が発生した運動軌
道２０２と、肢体駆動部２０７から入力した各駆動軸の
位置・速度・加速度のいずれかの運動情報２０８とか
ら、負荷情報変換部２０５では運動指令２０６を発生
し、肢体駆動部２０７に送る。肢体駆動部２０７は、各
駆動軸の運動情報２０８と運動指令２０６とから各駆動
軸１０４〜１０６へのトルク指令１１０を発生する。装
置の機構は基部１０９と、駆動軸１０４〜１０６と、各
駆動軸１０４と１０５、１０５と１０６をそれぞれ連結
するリンク１０７，１０８と、把持部１０２とから構成
される。ここで、装置の機構のうち、可動部分、すなわ
ち駆動軸１０４〜１０６とリンク１０７、１０８をまと
めて装置のアームと称する。肢体駆動部２０７から受け
たトルク指令１１０にしたがって各駆動軸１０４〜１０
６は駆動トルクを発生し、各駆動軸１０４〜１０６に備
えられた角度センサまたは速度センサにより運動情報１
１１を発生する。ここで、軌道教示部２０１としては、
装置のアームを肢体１０１に取り付けた状態で該アーム
を直接動かすことでアームの動作を教示する、いわゆる
ロボット工学における直接教示によって肢体１０１の動
くべき動作を設定する手法や、他に直接教示による軌道
教示部２０１として、装置のアームの機械的インピーダ
ンスを制御によって仮想的に調整することで、肢体１０
１の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法や、直接教
示による軌道教示部２０１として、装置のアクチュエー
タのパワーを低減あるいは切ることで、肢体１０１の動
くべき軌道と動作範囲を設定する手法や、直接教示によ
る軌道教示部２０１として、装置のアクチュエータから
該アームへの駆動力伝達を機構的に遮断することで、肢
体１０１の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法があ
る。また、軌道教示部２０１として他に、装置のアーム
とは別に設けられたレバーやダイアルを調整すること
で、肢体１０１の動くべき軌道と動作範囲を設定する手
法がある。以上の方法により、肢体１０１の動くべき軌
道は、図２に示すように、あたかも空間にレールがある
かのように仮想的に設定することができる。肢体１０１
は装置の把持部１０２を介して仮想軌道レール３０１
（３０３は仮想軌道レール３０１に対する運動中心を示
す）の上を自由に動かすことができる。なお、図に示し
た仮想軌道レール３０１は両端に仮想的な止め部を備え
て上に開いており、両端の止め部の間であれば仮想軌道
レール３０１の上に自由に肢体１０１を動かすことがで
きることを示しているが、仮想軌道レール３０２のよう
にレールの形を上下に閉じた形にすれば、その上下のレ
ールの間のみ動くようにも容易に設定することができ
る。
【０００８】レバーやダイアルを調整することで、肢体
１０１の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法につい
て図３により説明する。図３はレバーによって肢体１０
１の動くべき軌道と動作範囲を設定する例を示したもの
である。本例には、装置の把持部１０２の垂直方向の可
動範囲に対応する設定部４０１と、水平方向の可動範囲
に対応する設定部４１１と、把持部１０２の軌道教示部
２０１とからなる。垂直方向の可動範囲に対応する設定
部４０１は、肢体頭部方向の端点における垂直方向の位
置に対応するレバー４０５とレバー溝４０２、肢体足部
方向の端点における垂直方向の位置に対応するレバー４
０７とレバー溝４０４、両端点の中間位置における垂直
方向の位置に対応するレバー４０６とレバー溝４０３と
からなる。各レバー溝４０２〜４０４は上端が垂直方向
の最高位値を、下端が最低位置を示す。各レバー４０５
〜４０７を動かすことで両端点および中間点における軌
道の垂直方向の位置を設定できる。各レバー４０５〜４
０７からの位置情報４０８〜４１０は軌道教示部２０１
に送られる。一方、水平方向の可動範囲に対応する設定
部４１１は、２つのレバー４１３と４１４がレバー溝４
１２を動くことができ、レバー４１３と４１４は各々頭
部方向の端点と足部方向の端点の位置を示す。水平方向
の両位置情報４１５は軌道教示部２０１に送られる。軌
道教示部２０１は、垂直方向の位置情報４０８〜４１０
と水平方向の位置情報４１５とから、軌道を２次または
３次の滑らかな曲線で補間し、把持部１０２の動くべき
軌道を２次元空間において設定する。設定された運動軌
道２０２は負荷情報変換部２０５へ送られる。なお、レ
バーの代りにダイアルでも容易に実現可能である。ま
た。３次元空間における運動軌道の設定も、さらにレバ
ーあるいはダイアルを加えることで容易に実現可能であ
る。以上の各手法による軌道設定により図２で示したよ
うな仮想軌道レール３０１を形成することができる。
１０１の動くべき軌道と動作範囲を設定する手法につい
て図３により説明する。図３はレバーによって肢体１０
１の動くべき軌道と動作範囲を設定する例を示したもの
である。本例には、装置の把持部１０２の垂直方向の可
動範囲に対応する設定部４０１と、水平方向の可動範囲
に対応する設定部４１１と、把持部１０２の軌道教示部
２０１とからなる。垂直方向の可動範囲に対応する設定
部４０１は、肢体頭部方向の端点における垂直方向の位
置に対応するレバー４０５とレバー溝４０２、肢体足部
方向の端点における垂直方向の位置に対応するレバー４
０７とレバー溝４０４、両端点の中間位置における垂直
方向の位置に対応するレバー４０６とレバー溝４０３と
からなる。各レバー溝４０２〜４０４は上端が垂直方向
の最高位値を、下端が最低位置を示す。各レバー４０５
〜４０７を動かすことで両端点および中間点における軌
道の垂直方向の位置を設定できる。各レバー４０５〜４
０７からの位置情報４０８〜４１０は軌道教示部２０１
に送られる。一方、水平方向の可動範囲に対応する設定
部４１１は、２つのレバー４１３と４１４がレバー溝４
１２を動くことができ、レバー４１３と４１４は各々頭
部方向の端点と足部方向の端点の位置を示す。水平方向
の両位置情報４１５は軌道教示部２０１に送られる。軌
道教示部２０１は、垂直方向の位置情報４０８〜４１０
と水平方向の位置情報４１５とから、軌道を２次または
３次の滑らかな曲線で補間し、把持部１０２の動くべき
軌道を２次元空間において設定する。設定された運動軌
道２０２は負荷情報変換部２０５へ送られる。なお、レ
バーの代りにダイアルでも容易に実現可能である。ま
た。３次元空間における運動軌道の設定も、さらにレバ
ーあるいはダイアルを加えることで容易に実現可能であ
る。以上の各手法による軌道設定により図２で示したよ
うな仮想軌道レール３０１を形成することができる。
【０００９】次に、負荷計測部２０３の例をいくつか以
下に示す。これには例えば、図１で示したような、装置
が肢体１０１を支持する部分に備えた力センサ２０３を
用いることで患者の肢体１０１から装置への負荷を計測
することができる。また、別の手段として、図１の装置
のアームの各駆動軸１０４〜１０６に備えられたトルク
センサを用いて、装置のアームの位置と姿勢情報から、
患者の肢体１０１から装置への負荷を計測することがで
きる。また、別の手段として、図１の装置のアームの各
アクチュエータの電流値を用いることで患者の肢体１０
１から装置への負荷を計測することができる。また、別
の手段として、図１の装置のアームの各モータの電流値
と各モータの速度情報とを用いたいわゆる外乱オブザー
バを用いることで患者の肢体１０１から装置への負荷を
計測することができる。また、別の手段として、図１の
駆動される肢体１０１の主要な筋肉の筋電情報を用い
て、そのときの肢体１０１の各関節の角度情報とから、
患者の肢体１０１から装置への負荷を計測することがで
きる。また、別の手段として、図１の駆動される肢体１
０１の主要な筋肉のふくらみの大きさとそのときの肢体
１０１の各関節の角度情報とを計測することで、患者の
肢体１０１から装置への負荷の計測をすることができ
る。また、別の手段として、以上の計測手段を組み合わ
せることで患者の肢体１０１から装置への負荷をより精
密に計測することができる。
下に示す。これには例えば、図１で示したような、装置
が肢体１０１を支持する部分に備えた力センサ２０３を
用いることで患者の肢体１０１から装置への負荷を計測
することができる。また、別の手段として、図１の装置
のアームの各駆動軸１０４〜１０６に備えられたトルク
センサを用いて、装置のアームの位置と姿勢情報から、
患者の肢体１０１から装置への負荷を計測することがで
きる。また、別の手段として、図１の装置のアームの各
アクチュエータの電流値を用いることで患者の肢体１０
１から装置への負荷を計測することができる。また、別
の手段として、図１の装置のアームの各モータの電流値
と各モータの速度情報とを用いたいわゆる外乱オブザー
バを用いることで患者の肢体１０１から装置への負荷を
計測することができる。また、別の手段として、図１の
駆動される肢体１０１の主要な筋肉の筋電情報を用い
て、そのときの肢体１０１の各関節の角度情報とから、
患者の肢体１０１から装置への負荷を計測することがで
きる。また、別の手段として、図１の駆動される肢体１
０１の主要な筋肉のふくらみの大きさとそのときの肢体
１０１の各関節の角度情報とを計測することで、患者の
肢体１０１から装置への負荷の計測をすることができ
る。また、別の手段として、以上の計測手段を組み合わ
せることで患者の肢体１０１から装置への負荷をより精
密に計測することができる。
【００１０】次に、負荷情報変換部２０５の例を図４に
示す。負荷情報変換部２０５は、負荷計測部２０３によ
って計測された負荷情報２０４を、垂直／水平方向分離
部５０１において地面に対し垂直方向の負荷情報５０２
と水平方向の負荷情報５０３に分離し、軌道教示部２０
１からの肢体１０１の動作すべき軌道と運動軌道２０２
をもとに、各方向において負荷情報５０２、５０３を増
幅するフィルタ５０４と、フィルタ通過後の負荷情報５
０７と５０８をもとに負荷情報２０４を位置または速度
または加速度の運動指令２０６に変換するフィルタであ
る垂直／水平方向運動指令生成部５０９とに通す。この
とき、負荷情報５０２を増幅するフィルタ５０４内の垂
直方向フィルタ５０５は、軌道より下に肢体１０１があ
る場合、肢体１０１の動作すべき軌道により下に肢体１
０１が下がらないように、地面に向かう方向の負荷情報
を無視するように構成する。また、垂直方向フィルタ５
０５は、軌道の下に肢体１０１がある場合、肢体１０１
の動作すべき軌道より下に肢体１０１が下がらないよう
に、地面方向の距離に応じて地面とは反対方向にある負
荷情報を負荷計測値に加算するように構成してもよい。
また、垂直方向フィルタ５０５は、軌道より上に肢体１
０１がある場合、軌道からの距離に応じて地面とは反対
方向の負荷情報を負荷計測値に加算するように構成して
もよい。このときの垂直方向フィルタ５０５の構成例を
図５（Ａ）、（Ｂ）に示す。
示す。負荷情報変換部２０５は、負荷計測部２０３によ
って計測された負荷情報２０４を、垂直／水平方向分離
部５０１において地面に対し垂直方向の負荷情報５０２
と水平方向の負荷情報５０３に分離し、軌道教示部２０
１からの肢体１０１の動作すべき軌道と運動軌道２０２
をもとに、各方向において負荷情報５０２、５０３を増
幅するフィルタ５０４と、フィルタ通過後の負荷情報５
０７と５０８をもとに負荷情報２０４を位置または速度
または加速度の運動指令２０６に変換するフィルタであ
る垂直／水平方向運動指令生成部５０９とに通す。この
とき、負荷情報５０２を増幅するフィルタ５０４内の垂
直方向フィルタ５０５は、軌道より下に肢体１０１があ
る場合、肢体１０１の動作すべき軌道により下に肢体１
０１が下がらないように、地面に向かう方向の負荷情報
を無視するように構成する。また、垂直方向フィルタ５
０５は、軌道の下に肢体１０１がある場合、肢体１０１
の動作すべき軌道より下に肢体１０１が下がらないよう
に、地面方向の距離に応じて地面とは反対方向にある負
荷情報を負荷計測値に加算するように構成してもよい。
また、垂直方向フィルタ５０５は、軌道より上に肢体１
０１がある場合、軌道からの距離に応じて地面とは反対
方向の負荷情報を負荷計測値に加算するように構成して
もよい。このときの垂直方向フィルタ５０５の構成例を
図５（Ａ）、（Ｂ）に示す。
【００１１】また、負荷情報５０３を増幅するフィルタ
５０４内の水平方向フィルタ５０６は、肢体１０１の動
作すべき運動軌道２０２に対し、得られた負荷情報５０
３にある正の比例定数をかけて負荷情報５０３の増幅を
行うように構成する。また、水平方向フィルタ５０６
は、肢体１０１の動作すべき運動軌道２０２に対し、得
られた負荷情報５０３にある正のオフセットを加算して
負荷情報５０３の増幅を行うように構成してもよい。ま
た、水平方向フィルタ５０６は、肢体１０１の動作すべ
き運動軌道２０２に対し、得られた負荷情報５０３にあ
る不感帯を設けて負荷情報５０３の増幅を行うように構
成してもよい。また、水平方向フィルタ５０６は、肢体
１０１の動作すべき運動軌道２０２に対し、以上述べた
いくつか組み合わせて得られた負荷情報５０３の増幅を
行うように構成してもよい。
５０４内の水平方向フィルタ５０６は、肢体１０１の動
作すべき運動軌道２０２に対し、得られた負荷情報５０
３にある正の比例定数をかけて負荷情報５０３の増幅を
行うように構成する。また、水平方向フィルタ５０６
は、肢体１０１の動作すべき運動軌道２０２に対し、得
られた負荷情報５０３にある正のオフセットを加算して
負荷情報５０３の増幅を行うように構成してもよい。ま
た、水平方向フィルタ５０６は、肢体１０１の動作すべ
き運動軌道２０２に対し、得られた負荷情報５０３にあ
る不感帯を設けて負荷情報５０３の増幅を行うように構
成してもよい。また、水平方向フィルタ５０６は、肢体
１０１の動作すべき運動軌道２０２に対し、以上述べた
いくつか組み合わせて得られた負荷情報５０３の増幅を
行うように構成してもよい。
【００１２】次に、以上のように負荷情報変換部２０５
を構成した場合の肢体１０１を含めた装置の動作を説明
する。まず、患者が自らの意思によってその肢体１０１
を動かそうと肢体の筋肉に力を入れると、その筋肉が装
置への負荷情報となり負荷計測部２０３により計測され
る。その負荷情報２０４は垂直／水平方向分離部５０１
によりそれぞれの方向の負荷情報５０２と５０３に分離
されるが、ここで図２において示したような仮想軌道レ
ール３０１により、肢体１０１はこの仮想軌道レール３
０１に沿って動作することになる。まず、先に説明した
垂直方向フィルタ５０５により、肢体１０１は仮想軌道
レール３０１より下に進まず必ず仮想軌道レール３０１
より上に位置することになる。垂直方向にはさらに肢体
重力項の補償がある程度行われ、肢体１０１を仮想軌道
レール３０１より持ち上げて動かすことが可能である。
また、先に説明した水平方向フィルタ５０６により肢体
１０１は仮想軌道レール３０１のある水平方向の範囲内
を動作する。このとき、水平方向の負荷の値が増幅され
るので患者がかけた筋力以上の力で肢体１０１が動作す
ることになり、患者は少しの力を出すだけで肢体１０１
を自分の意思で動かすことができる。以上のことから、
肢体１０１は仮想軌道レール３０１の上を滑るように動
かすことができ、さらに、このとき患者は自分の肢体１
０１が非常に軽くなったかのような感触を持ちながら動
かすことができ、患者の出す筋力を補助しながら肢体１
０１を動かす、いわゆる自動介助運動を実施することが
できる。
を構成した場合の肢体１０１を含めた装置の動作を説明
する。まず、患者が自らの意思によってその肢体１０１
を動かそうと肢体の筋肉に力を入れると、その筋肉が装
置への負荷情報となり負荷計測部２０３により計測され
る。その負荷情報２０４は垂直／水平方向分離部５０１
によりそれぞれの方向の負荷情報５０２と５０３に分離
されるが、ここで図２において示したような仮想軌道レ
ール３０１により、肢体１０１はこの仮想軌道レール３
０１に沿って動作することになる。まず、先に説明した
垂直方向フィルタ５０５により、肢体１０１は仮想軌道
レール３０１より下に進まず必ず仮想軌道レール３０１
より上に位置することになる。垂直方向にはさらに肢体
重力項の補償がある程度行われ、肢体１０１を仮想軌道
レール３０１より持ち上げて動かすことが可能である。
また、先に説明した水平方向フィルタ５０６により肢体
１０１は仮想軌道レール３０１のある水平方向の範囲内
を動作する。このとき、水平方向の負荷の値が増幅され
るので患者がかけた筋力以上の力で肢体１０１が動作す
ることになり、患者は少しの力を出すだけで肢体１０１
を自分の意思で動かすことができる。以上のことから、
肢体１０１は仮想軌道レール３０１の上を滑るように動
かすことができ、さらに、このとき患者は自分の肢体１
０１が非常に軽くなったかのような感触を持ちながら動
かすことができ、患者の出す筋力を補助しながら肢体１
０１を動かす、いわゆる自動介助運動を実施することが
できる。
【００１３】なお、以上の実施形態においては、肢体駆
動部２０７として電機式モータを想定したが、これに限
らず油圧式サーボ駆動手段、空気圧式サーボ駆動手段を
用いて同様の効果が得られる。図６は本発明の第２の実
施形態の運動療法装置の全体の構成を示す図である。治
療あるいは訓練を行う部分である肢体１０１は装置の把
持部１０２によって把持される。装置の動作部分には駆
動部１０４〜１０６があり、装置の基部１０９からリン
ク１０７，１０８を介して把持部１０２へ連結されてい
る。また、動作部分には把持部１０２との間に力センサ
２０３が配されている。動作部分と制御部６１０は、力
センサ２０３からの負荷情報２０４、トルク指令１１
０、装置の運動情報１１１とをやりとりする。制御部６
１０では、軌道教示部６１１が負荷情報２０４と肢体駆
動部６１２から装置の運動情報６１４を受け取り運動指
令６１３を生成する。肢体駆動部６１２は運動指令６１
３をもとに装置の運動情報１１１からトルク指令１１０
を動作部分に送り、駆動軸１０４〜１０６を駆動する。
動作部分はトルク指令１１０にしたがって動作し、把持
部１０２を介して肢体１０１を運動させる。肢体１０１
は装置の動作によって駆動され、あるいは該動作に抗し
て訓練を行う。
動部２０７として電機式モータを想定したが、これに限
らず油圧式サーボ駆動手段、空気圧式サーボ駆動手段を
用いて同様の効果が得られる。図６は本発明の第２の実
施形態の運動療法装置の全体の構成を示す図である。治
療あるいは訓練を行う部分である肢体１０１は装置の把
持部１０２によって把持される。装置の動作部分には駆
動部１０４〜１０６があり、装置の基部１０９からリン
ク１０７，１０８を介して把持部１０２へ連結されてい
る。また、動作部分には把持部１０２との間に力センサ
２０３が配されている。動作部分と制御部６１０は、力
センサ２０３からの負荷情報２０４、トルク指令１１
０、装置の運動情報１１１とをやりとりする。制御部６
１０では、軌道教示部６１１が負荷情報２０４と肢体駆
動部６１２から装置の運動情報６１４を受け取り運動指
令６１３を生成する。肢体駆動部６１２は運動指令６１
３をもとに装置の運動情報１１１からトルク指令１１０
を動作部分に送り、駆動軸１０４〜１０６を駆動する。
動作部分はトルク指令１１０にしたがって動作し、把持
部１０２を介して肢体１０１を運動させる。肢体１０１
は装置の動作によって駆動され、あるいは該動作に抗し
て訓練を行う。
【００１４】図７は、図８の制御部６１０の制御ブロッ
クを詳細に示したものである。制御ブロックは装置の動
作モードにしたがって異なる構成となる。以下、１）教
示モード、２）他動運動モード、３）介助・自動・抵抗
運動モードに分けて説明する。 １）教示モード 教示モードでは、スイッチ７０３を接点Ａ２に、スイッ
チ７０９を接点Ｂ１に設定する。装置の動作によって発
生した運動７４０，７４１は各々操作者７１７と患者７
１９を介して負荷７２０，７４２を発生する。負荷７２
０，７４２は力センサ２０３によって計測され、負荷情
報２０４となる。座標変換部７０２では、装置の現在位
置・姿勢情報７２１をサーボ系７１６から得て負荷情報
２０４を座標変換する。座標変換された負荷情報７２３
はスイッチ７０３の接点Ａ２を介して教示用フィルタ７
０５に送られ、運動指令７２９を発生する。運動指令７
２９はスイッチ７０９の接点Ｂ１を介して指令７３６と
なり、加算器７１５に送られるが、軌道修正用フィルタ
７０４からの運動指令７２４は零のままなので、そのま
ま運動指令７３７としてサーボ系７１６に送られる。サ
ーボ系７１６では装置の運動（位置または速度または加
速度）情報７３９を得て、駆動指令７３８を発生する。
一方、教示用フィルタ７０５はまた運動指令７２５をメ
モリ７０６に送り、運動指令７２５の時系列データとし
て記憶する。これが装置の動作を教示した結果のデータ
となる。
クを詳細に示したものである。制御ブロックは装置の動
作モードにしたがって異なる構成となる。以下、１）教
示モード、２）他動運動モード、３）介助・自動・抵抗
運動モードに分けて説明する。 １）教示モード 教示モードでは、スイッチ７０３を接点Ａ２に、スイッ
チ７０９を接点Ｂ１に設定する。装置の動作によって発
生した運動７４０，７４１は各々操作者７１７と患者７
１９を介して負荷７２０，７４２を発生する。負荷７２
０，７４２は力センサ２０３によって計測され、負荷情
報２０４となる。座標変換部７０２では、装置の現在位
置・姿勢情報７２１をサーボ系７１６から得て負荷情報
２０４を座標変換する。座標変換された負荷情報７２３
はスイッチ７０３の接点Ａ２を介して教示用フィルタ７
０５に送られ、運動指令７２９を発生する。運動指令７
２９はスイッチ７０９の接点Ｂ１を介して指令７３６と
なり、加算器７１５に送られるが、軌道修正用フィルタ
７０４からの運動指令７２４は零のままなので、そのま
ま運動指令７３７としてサーボ系７１６に送られる。サ
ーボ系７１６では装置の運動（位置または速度または加
速度）情報７３９を得て、駆動指令７３８を発生する。
一方、教示用フィルタ７０５はまた運動指令７２５をメ
モリ７０６に送り、運動指令７２５の時系列データとし
て記憶する。これが装置の動作を教示した結果のデータ
となる。
【００１５】ここで、教示用フィルタ７０５において
は、次のような機械的インピーダンスと呼ばれる２次の
フィルタを負荷情報Ｆにかけることによって運動情報Ｘ
に変換している。この式は周波数領域で表したもので、
ｓはラプラス演算子である。また、Ｍは仮想慣性係数、
Ｂは仮想粘性係数、Ｋは仮想ばね係数であり、それぞれ
正の値である。 Ｘ＝Ｆ／（Ｍｓ2 ＋Ｂｓ＋Ｋ）・・・・・（１） このフィルタによって操作者からみた装置の動特性は、
パラメータ（Ｍ，Ｂ，Ｋ）からなる２次の機械的インピ
ダンスに調整され、この動特性にしたがって操作者は装
置を直接動かすことができる。教示モードでは操作者に
よる操作をし易くするため、Ｋを零または小さい値にお
く。
は、次のような機械的インピーダンスと呼ばれる２次の
フィルタを負荷情報Ｆにかけることによって運動情報Ｘ
に変換している。この式は周波数領域で表したもので、
ｓはラプラス演算子である。また、Ｍは仮想慣性係数、
Ｂは仮想粘性係数、Ｋは仮想ばね係数であり、それぞれ
正の値である。 Ｘ＝Ｆ／（Ｍｓ2 ＋Ｂｓ＋Ｋ）・・・・・（１） このフィルタによって操作者からみた装置の動特性は、
パラメータ（Ｍ，Ｂ，Ｋ）からなる２次の機械的インピ
ダンスに調整され、この動特性にしたがって操作者は装
置を直接動かすことができる。教示モードでは操作者に
よる操作をし易くするため、Ｋを零または小さい値にお
く。
【００１６】また、軌道教示部６１１として、以上のよ
うに装置アームの機械的インピーダンスを制御によって
仮想的に調整することの他に、装置のアクチュエータの
パワーを低減あるいは切ることで、あるいはアクチュエ
ータからアームの駆動力電圧を機構的に遮断すること
で、アームを肢体に取り付けた状態で該アームを直接動
かすことができる状態でアームの動作を教示してもよ
い。また、軌道教示部６１１として、運動療法に対象と
する肢体の各関節間の長さと位置関係、すなわち肢体の
いわゆる運動学をあらかじめ装置に入力し、肢体の動く
べき動作範囲から肢体の運動指令の時系列データを生成
してもよい。 ２）他動運動モード 他動運動モードでは、スイッチ７０３を接点Ａ１に、ス
イッチ７０９を接点Ｂ２に設定する。装置の動作によっ
て発生した運動７４１は患者７１９を介して負荷７４２
を発生する。負荷７４２は力センサ２０３によって計測
され、負荷情報２０４となる。座標変換部７０２では、
装置の現在位置・姿勢情報７２１をサーボ系７１６から
得て負荷情報２０４を座標変換する。座標変換された負
荷情報７２３はスイッチ７０３のＡ１を介し軌道修正用
フィルタ７０４に送られ、運動指令７２４を発生する。
運動指令７２４は加算器７１５に送られる。
うに装置アームの機械的インピーダンスを制御によって
仮想的に調整することの他に、装置のアクチュエータの
パワーを低減あるいは切ることで、あるいはアクチュエ
ータからアームの駆動力電圧を機構的に遮断すること
で、アームを肢体に取り付けた状態で該アームを直接動
かすことができる状態でアームの動作を教示してもよ
い。また、軌道教示部６１１として、運動療法に対象と
する肢体の各関節間の長さと位置関係、すなわち肢体の
いわゆる運動学をあらかじめ装置に入力し、肢体の動く
べき動作範囲から肢体の運動指令の時系列データを生成
してもよい。 ２）他動運動モード 他動運動モードでは、スイッチ７０３を接点Ａ１に、ス
イッチ７０９を接点Ｂ２に設定する。装置の動作によっ
て発生した運動７４１は患者７１９を介して負荷７４２
を発生する。負荷７４２は力センサ２０３によって計測
され、負荷情報２０４となる。座標変換部７０２では、
装置の現在位置・姿勢情報７２１をサーボ系７１６から
得て負荷情報２０４を座標変換する。座標変換された負
荷情報７２３はスイッチ７０３のＡ１を介し軌道修正用
フィルタ７０４に送られ、運動指令７２４を発生する。
運動指令７２４は加算器７１５に送られる。
【００１７】一方、教示によってメモリ７０６に記憶さ
れていた時系列の教示データは運動指令７３０として逐
次スイッチ７０９の接点Ｂ２を介して運動指令７３６と
して加算器７１５に送られる。運動指令７３６は運動指
令７２４と加算され、新たな運動指令７３７としてサー
ボ系７１６に送られ、装置を駆動する。装置は患者７１
９を他動的に動作させる。なお、軌道修正用フィルタ７
０４においても、教示用フィルタ７０５と同様に式
（１）の構造をもつ機械的インピーダンスによって負荷
情報を運動情報に変換する。この場合、ばね係数Ｋは教
示モードと異なり、ばね係数に適切な大きさの正の値を
用いる。 ３）介助・自動・抵抗運動モード 介助・自動・抵抗運動モードでは、スイッチ７０３を接
点Ａ１に、スイッチ７０９をＢ３に設定する。装置の動
作によって発生した運動７４１は患者７１９を介して負
荷７４２を発生する。負荷７４２は力センサ２０３によ
って計測され、負荷情報２０４となる。座標変換部７０
２では、装置の現在位置・姿勢情報７２１をサーボ系７
１６から得て負荷情報２０４を座標変換する。座標変換
された負荷情報７２３はスイッチ７０３の接点Ａ１を介
し軌道修正用フィルタ７０４に送られ、運動指令７２４
を発生する。運動指令７２４は加算器７１５に送られ
る。
れていた時系列の教示データは運動指令７３０として逐
次スイッチ７０９の接点Ｂ２を介して運動指令７３６と
して加算器７１５に送られる。運動指令７３６は運動指
令７２４と加算され、新たな運動指令７３７としてサー
ボ系７１６に送られ、装置を駆動する。装置は患者７１
９を他動的に動作させる。なお、軌道修正用フィルタ７
０４においても、教示用フィルタ７０５と同様に式
（１）の構造をもつ機械的インピーダンスによって負荷
情報を運動情報に変換する。この場合、ばね係数Ｋは教
示モードと異なり、ばね係数に適切な大きさの正の値を
用いる。 ３）介助・自動・抵抗運動モード 介助・自動・抵抗運動モードでは、スイッチ７０３を接
点Ａ１に、スイッチ７０９をＢ３に設定する。装置の動
作によって発生した運動７４１は患者７１９を介して負
荷７４２を発生する。負荷７４２は力センサ２０３によ
って計測され、負荷情報２０４となる。座標変換部７０
２では、装置の現在位置・姿勢情報７２１をサーボ系７
１６から得て負荷情報２０４を座標変換する。座標変換
された負荷情報７２３はスイッチ７０３の接点Ａ１を介
し軌道修正用フィルタ７０４に送られ、運動指令７２４
を発生する。運動指令７２４は加算器７１５に送られ
る。
【００１８】一方、座標変換部７０２では、装置の現在
位置・姿勢情報７２１をサーボ系７１６から得て装置の
現在位置における座標系の情報７２８を各点での座標系
を計算する座標計算部７０８から得、負荷情報２０４を
座標変換する。座標変換された負荷情報７３１は、負荷
選択部７１１において教示軌道に沿って座標軸の負荷の
みを選択し、その他の座標軸に沿った負荷は無視する。
その選択された負荷情報を７３２とする。選択された負
荷情報７３２は負荷増幅部７１２で増幅され、負荷情報
７３３となる。負荷情報７３３はフィルタ７１３におい
て運動指令７３５に変換され、スイッチ７０９を介して
運動指令７３６として加算器７１５に送られる。加算器
７１５では運動指令７３５と運動指令７２４とを加算
し、新たな運動指令７３７を生成する。これが順序点列
およびさらに細分化された点列によって構成された軌道
の上をどのくらい動くかという目標量になる。運動指令
７３７がサーボ系７１６に送られ、装置を駆動する。装
置は患者７１９を動作させる。
位置・姿勢情報７２１をサーボ系７１６から得て装置の
現在位置における座標系の情報７２８を各点での座標系
を計算する座標計算部７０８から得、負荷情報２０４を
座標変換する。座標変換された負荷情報７３１は、負荷
選択部７１１において教示軌道に沿って座標軸の負荷の
みを選択し、その他の座標軸に沿った負荷は無視する。
その選択された負荷情報を７３２とする。選択された負
荷情報７３２は負荷増幅部７１２で増幅され、負荷情報
７３３となる。負荷情報７３３はフィルタ７１３におい
て運動指令７３５に変換され、スイッチ７０９を介して
運動指令７３６として加算器７１５に送られる。加算器
７１５では運動指令７３５と運動指令７２４とを加算
し、新たな運動指令７３７を生成する。これが順序点列
およびさらに細分化された点列によって構成された軌道
の上をどのくらい動くかという目標量になる。運動指令
７３７がサーボ系７１６に送られ、装置を駆動する。装
置は患者７１９を動作させる。
【００１９】このとき、座標変換部７１０による座標系
の設定は以下のように行う。時系列データとして記憶し
た教示データ７２６を、まず、メモリ７０７において順
序点列として記憶し、これから座標計算部７０８におい
て各点での座標系を計算する。また、順序点列として該
軌道を整理し記憶するには、点列をさらに細かい点列に
分割する。あるいは該軌道上の互いの距離がある値また
はそれより大きくなるように点列を補間または捨象して
再設定し、時系列にしたがった順序をもつ点列として記
憶してもよい。後者の方法では、例えば、直列データの
時系列にしたがって点の位置の順序を決定し、ある点Ａ
において、その順序の隣の点Ｂまでの距離があらかじめ
設定した値以下の場合には、点Ｂのさらに隣の点Ｃを点
Ａの隣の点とし、点Ｂは点列から捨象する。各点の互い
の距離が設定した値より大きくなるまで上記の作業を繰
り返す。さらに、点列の各点の隣の点とを補間し、先に
設定した値よりさらに小さい値になるように点列をさら
に細かく設定してもよい。
の設定は以下のように行う。時系列データとして記憶し
た教示データ７２６を、まず、メモリ７０７において順
序点列として記憶し、これから座標計算部７０８におい
て各点での座標系を計算する。また、順序点列として該
軌道を整理し記憶するには、点列をさらに細かい点列に
分割する。あるいは該軌道上の互いの距離がある値また
はそれより大きくなるように点列を補間または捨象して
再設定し、時系列にしたがった順序をもつ点列として記
憶してもよい。後者の方法では、例えば、直列データの
時系列にしたがって点の位置の順序を決定し、ある点Ａ
において、その順序の隣の点Ｂまでの距離があらかじめ
設定した値以下の場合には、点Ｂのさらに隣の点Ｃを点
Ａの隣の点とし、点Ｂは点列から捨象する。各点の互い
の距離が設定した値より大きくなるまで上記の作業を繰
り返す。さらに、点列の各点の隣の点とを補間し、先に
設定した値よりさらに小さい値になるように点列をさら
に細かく設定してもよい。
【００２０】また、座標系の適用方法においては、例え
ば、該点列を滑らかな軌道で補間したときに該軌道に垂
直な平面を各点列で設定し、該軌道の近傍において隣り
合う２つの該平面で囲まれる領域において、各点列で定
めた座標系を適用する。または、該点列を通る線分に垂
直な平面を各点列で設定し、その平面で囲まれる領域に
おいて、各点列で定めた座標系を適用してもよい。な
お、フィルタ７１３においても、教示用フィルタ７０５
と同様に式（１）の構造をもつ機械的インピーダンスに
よって負荷情報を運動情報に変換する。この場合、パラ
メータ（Ｍ，Ｂ，Ｋ）のうちＫは零とし、他のＭ，Ｂ
は、介助運動の場合には小さい正の値に、自動・抵抗運
動の場合には大きい正の値に設定すると目的の動作を行
うことができる。パラメータの変更はパラメータ変換部
７１４によって行う。また、介助運動のとき、患者の筋
力が極めて小さい場合には装置の動作が不安定にならな
い程度にＢ，Ｋを小さい負の値に設定してもよい。これ
らのパラメータを小さい正の値あるいは負の値に設定す
ることは、少しの負荷で装置が動作することを意味し、
これにより介助運動が実現できる。また、大きい正の値
にすれば、値が大きいほど肢体への抵抗が増し、その大
きさにしたがって適切な自動運動から抵抗運動までを実
現できる。
ば、該点列を滑らかな軌道で補間したときに該軌道に垂
直な平面を各点列で設定し、該軌道の近傍において隣り
合う２つの該平面で囲まれる領域において、各点列で定
めた座標系を適用する。または、該点列を通る線分に垂
直な平面を各点列で設定し、その平面で囲まれる領域に
おいて、各点列で定めた座標系を適用してもよい。な
お、フィルタ７１３においても、教示用フィルタ７０５
と同様に式（１）の構造をもつ機械的インピーダンスに
よって負荷情報を運動情報に変換する。この場合、パラ
メータ（Ｍ，Ｂ，Ｋ）のうちＫは零とし、他のＭ，Ｂ
は、介助運動の場合には小さい正の値に、自動・抵抗運
動の場合には大きい正の値に設定すると目的の動作を行
うことができる。パラメータの変更はパラメータ変換部
７１４によって行う。また、介助運動のとき、患者の筋
力が極めて小さい場合には装置の動作が不安定にならな
い程度にＢ，Ｋを小さい負の値に設定してもよい。これ
らのパラメータを小さい正の値あるいは負の値に設定す
ることは、少しの負荷で装置が動作することを意味し、
これにより介助運動が実現できる。また、大きい正の値
にすれば、値が大きいほど肢体への抵抗が増し、その大
きさにしたがって適切な自動運動から抵抗運動までを実
現できる。
【００２１】負荷増幅部７１２における増幅方法として
は、例えば、ある正の比例乗数を負荷の値にかけること
や、正のオフセットを加算すること、不感帯を設けるこ
と、あるいはそれらの組み合わせを行ってもよい。な
お、以上のいずれの動作モードにおいても、患者の肢体
から装置への負荷を計測する手段として、装置が肢体を
支持する部分に備えた力センサを用いることの他に、装
置アームの各軸に備えたトルクセンサを用いる、あるい
はアクチュエータの電流値を用いる、あるいは肢体の筋
電値を用いる、あるいは駆動される肢体の筋肉のふくら
みの大きさを計測する、あるいは以上の計測手段を組み
合わせることで、患者の肢体から装置への負荷を計測し
てもよい。なお、負荷から運動に変換する上記のいずれ
もフィルタにおいても、説明したような単純な２次のモ
デルの他に、静摩擦あるいは動摩擦モデルを用いてもよ
いし、非線形ばねを用いてもよい。
は、例えば、ある正の比例乗数を負荷の値にかけること
や、正のオフセットを加算すること、不感帯を設けるこ
と、あるいはそれらの組み合わせを行ってもよい。な
お、以上のいずれの動作モードにおいても、患者の肢体
から装置への負荷を計測する手段として、装置が肢体を
支持する部分に備えた力センサを用いることの他に、装
置アームの各軸に備えたトルクセンサを用いる、あるい
はアクチュエータの電流値を用いる、あるいは肢体の筋
電値を用いる、あるいは駆動される肢体の筋肉のふくら
みの大きさを計測する、あるいは以上の計測手段を組み
合わせることで、患者の肢体から装置への負荷を計測し
てもよい。なお、負荷から運動に変換する上記のいずれ
もフィルタにおいても、説明したような単純な２次のモ
デルの他に、静摩擦あるいは動摩擦モデルを用いてもよ
いし、非線形ばねを用いてもよい。
【００２２】なお、負荷選択部７１１と負荷増幅部７１
２とフィルタ７１３は順序を入れ替えてもよい。また、
負荷増幅部７１２はフィルタ７１３によって等価な機能
を実現できる場合にはどちらかを省略してもよい。
２とフィルタ７１３は順序を入れ替えてもよい。また、
負荷増幅部７１２はフィルタ７１３によって等価な機能
を実現できる場合にはどちらかを省略してもよい。
【００２３】
【発明の効果】以上のように、本発明は、関節・筋力の
疾患と回復状態に応じた運動療法のうち、急性期の他動
運動と、等尺運動、等張運動、等速運動の各種の自動運
動・自動介助運動から、肢体の筋力発揮によるいわゆる
自動運動と、肢体の発揮した筋力の大きさにしたがって
これを介助するように運動させるいわゆる自動介助運動
の各運動療法を簡易に実施できる効果がある。
疾患と回復状態に応じた運動療法のうち、急性期の他動
運動と、等尺運動、等張運動、等速運動の各種の自動運
動・自動介助運動から、肢体の筋力発揮によるいわゆる
自動運動と、肢体の発揮した筋力の大きさにしたがって
これを介助するように運動させるいわゆる自動介助運動
の各運動療法を簡易に実施できる効果がある。
【図１】本発明の第１の実施形態の運動療法装置の構成
を示す図である。
を示す図である。
【図２】第１の実施形態にの軌道設定の例を示す図であ
る。
る。
【図３】第１の実施形態の軌道教示部２０１の例を示す
図である。
図である。
【図４】第１の実施形態の負荷情報変換部２０５の例を
示す図である。
示す図である。
【図５】第１の実施形態の負荷を増幅するフィルタ５０
４のうち垂直方向フィルタ５０５の例を示す図である。
４のうち垂直方向フィルタ５０５の例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の運動療法装置の構成
を示す図である。
を示す図である。
【図７】第２の実施形態の制御ブロックを示す図であ
る。
る。
１０１ 肢体 １０２ 把持部 １０４〜１０６ 駆動軸 １０７、１０８ リンク １０９ 基部 １１０ トルク指令 １１１ 運動情報 ２０１ 軌道教示部 ２０２ 運動軌道 ２０３ 負荷計測部（力センサ） ２０４ 負荷情報 ２０５ 負荷情報変換部 ２０６ 運動指令 ２０７ 肢体駆動部 ２０８ 運動情報 ３０１ 仮想軌道レール ３０２ 別に設定した仮想軌道レール ３０３ 仮想軌道レールに対する運動中心 ４０１ 垂直方向の軌道位置の設定部 ４０２〜４０４ レバー溝 ４０５〜４０７ レバー ４０８〜４１０ 位置情報 ４１１ 水平方向の軌道の可動範囲の設定部 ４１２ レバー溝 ４１３〜４１４ レバー ４１５ 位置情報 ５０１ 垂直／水平方向分離部 ５０２ 垂直方向の負荷情報 ５０３ 水平方向の負荷情報 ５０４ 負荷情報を増幅するフィルタ ５０５ 垂直方向フィルタ ５０６ 水平方向フィルタ ５０７ 垂直方向の増幅された負荷情報 ５０８ 水平方向の増幅された負荷情報 ５０９ 垂直／水平方向運動指令生成部 ６１０ 制御部 ６１１ 軌道教示部 ６１２ 肢体駆動部 ６１３ 運動指令 ６１４ 運動情報 ７０２ 座標変換部 ７０３ スイッチ ７０４ 軌道修正用フィルタ ７０５ 教示用フィルタ ７０６ 教示データを時系列データとして記憶するメ
モリ ７０７ 時系列の教示データを順序点列として記憶す
るメモリ ７０８ 各点での座標系を計算する座標計算部 ７０９ スイッチ ７１０ 座標変換部 ７１１ 負荷選択部 ７１２ 負荷増幅部 ７１３ 負荷から運動指令への変換フィルタ ７１４ フィルタのパラメータ変換部 ７１５ 加算器 ７１６ サーボ系 ７１７ 操作者 ７１８ 装置の動作 ７１９ 患者 ７２０ 操作者からの負荷 ７２１ 装置の現在位置・姿勢情報 ７２３ 座標変換された負荷情報 ７２４ 軌道修正フィルタによる運動指令 ７２５ 教示用フィルタによる運動指令 ７２６ 時系列の教示データ ７２７ 順序点列の教示データ ７２８ 座標系の情報 ７２９ 教示用フィルタによる運動指令 ７３０ 運動指令 ７３１ 座標変換された負荷情報 ７３２ 選択された負荷情報 ７３３ 増幅された負荷情報 ７３４ パラメータ変換指令 ７３５ フィルタによる運動指令 ７３６ 運動指令 ７３７ 加算された運動指令 ７３８ サーボ系からの駆動指令 ７３９ 装置の運動情報 ７４０ 操作者に対する装置の運動 ７４１ 患者あるいは訓練者に対する装置の運動 ７４２ 患者あるいは訓練者からの負荷
モリ ７０７ 時系列の教示データを順序点列として記憶す
るメモリ ７０８ 各点での座標系を計算する座標計算部 ７０９ スイッチ ７１０ 座標変換部 ７１１ 負荷選択部 ７１２ 負荷増幅部 ７１３ 負荷から運動指令への変換フィルタ ７１４ フィルタのパラメータ変換部 ７１５ 加算器 ７１６ サーボ系 ７１７ 操作者 ７１８ 装置の動作 ７１９ 患者 ７２０ 操作者からの負荷 ７２１ 装置の現在位置・姿勢情報 ７２３ 座標変換された負荷情報 ７２４ 軌道修正フィルタによる運動指令 ７２５ 教示用フィルタによる運動指令 ７２６ 時系列の教示データ ７２７ 順序点列の教示データ ７２８ 座標系の情報 ７２９ 教示用フィルタによる運動指令 ７３０ 運動指令 ７３１ 座標変換された負荷情報 ７３２ 選択された負荷情報 ７３３ 増幅された負荷情報 ７３４ パラメータ変換指令 ７３５ フィルタによる運動指令 ７３６ 運動指令 ７３７ 加算された運動指令 ７３８ サーボ系からの駆動指令 ７３９ 装置の運動情報 ７４０ 操作者に対する装置の運動 ７４１ 患者あるいは訓練者に対する装置の運動 ７４２ 患者あるいは訓練者からの負荷
Claims (32)
- 【請求項１】 全身機能低下を矯正し、筋・骨格系統の
機能を改善し、健康状態を維持・改善する目的で、リラ
クセーションや関節可動域訓練や筋力増強訓練や持続力
増強訓練や協調性訓練や神経筋再教育やその他の訓練を
行う、いわゆるリハビリテーションにおける運動療法を
実施する運動療法装置であって、 患者が運動すべき軌道を教示する軌道教示手段と、 患者の肢体から装置への負荷を計測する負荷計測手段
と、 該負荷を方向と大きさを持った運動指令に変換する負荷
情報変換手段と、 該運動指令に沿って患者の肢体を駆動する肢体駆動手段
を有する運動療法装置。 - 【請求項２】 全身機能低下を矯正し、筋・骨格系統の
機能を改善し、健康状態を維持・改善する目的で、リラ
クセーションや関節可動域訓練や筋力増強訓練や持続力
増強訓練や協調性訓練や神経筋再教育やその他の訓練を
行う、いわゆる運動療法を実施する運動療法装置であっ
て、 患者が運動すべき軌道を教示する軌道教示手段と、 該軌道を時系列データとして記憶する第１の記憶手段
と、 順序点列として該軌道を整理し記憶する第２の記憶手段
と、 各点列の各点において逐次座標変換を行う座標変換手段
と、 患者の肢体から装置への負荷を計測する負荷計測手段
と、 該負荷を各点列の該座標に沿って計算する負荷計算手段
と、 計算された該負荷を方向と大きさを持った運動指令に変
換する負荷情報変換手段と、 該運動指令の補正を行う運動指令補正手段と、 補正された該運動指令に沿って患者の肢体を駆動する肢
体駆動手段を有する運動療法装置。 - 【請求項３】 前記軌道教示手段は、装置のアームを肢
体に取り付けた状態で該アームを直接動かすことで該ア
ームの動作を教示する、いわゆるロボット工学における
直接教示によって肢体の動くべき動作を設定する、請求
項１または２記載の運動療法装置。 - 【請求項４】 前記軌道教示手段は、該運動療法の対象
とする肢体の各関節間の長さと位置関係、すなわち肢体
のいわゆる運動学をあらかじめ装置に入力し、肢体の動
くべき動作を設定する、請求項１または２記載の運動療
法装置。 - 【請求項５】 直接教示による軌道教示手段として、装
置のアームの機械的インピーダンスを制御によって仮想
的に調整することで、肢体の動くべき軌道と動作範囲を
設定する軌道教示手段を有する請求項１または２記載の
運動療法装置。 - 【請求項６】 直接教示による軌道教示手段として、装
置のアクチュエータのパワーを低減あるいは切ること
で、肢体の動くべき軌道と動作範囲を設定する軌道教示
手段を有する、請求項１または２記載の運動療法装置。 - 【請求項７】 直接教示による軌道教示手段として、装
置のアクチュエータから装置のアームへの駆動力伝達を
機構的に遮断することで、肢体の動くべき軌道と動作範
囲を設定する軌道教示手段を有する、請求項１または２
記載の運動療法装置。 - 【請求項８】 前記軌道教示手段は、装置のアームとは
別に設けられたレバーやダイアルを調整することで、肢
体の動くべき軌道と動作範囲を設定する、請求項１また
は２記載の運動療法装置。 - 【請求項９】 前記負荷計測手段は、装置が肢体を支持
する部分に備えられた力センサを用いることで、患者の
肢体から装置への負荷を計測する、請求項１または２記
載の運動療法装置。 - 【請求項１０】 前記負荷計測手段は、装置のアームの
各軸に備えられたトルクセンサを用いることで、患者の
肢体から装置への負荷を計測する、請求項１または２記
載の運動療法装置。 - 【請求項１１】 前記負荷計測手段は、装置のアームの
各アクチュエータの電流値を用いることで、患者の肢体
から装置への負荷を計測する、請求項１または２記載の
運動療法装置。 - 【請求項１２】 前記負荷計測手段は、装置のアームの
各アクチュエータの電流値と各アクチュエータの速度情
報とを用いたいわゆる外乱オブザーバを用いることで、
患者の肢体から装置への負荷を計測する、請求項１また
は２記載の運動療法装置。 - 【請求項１３】 前記負荷計測手段は、駆動される肢体
の主要な筋肉の筋電情報を用いることで、患者の肢体か
ら装置への負荷を計測する、請求項１または２記載の運
動療法装置。 - 【請求項１４】 前記負荷計測手段は、駆動される肢体
の主要な筋肉の筋肉ふくらみの大きさを計測すること
で、患者の肢体から装置への負荷を計測する、請求項１
または２記載の運動療法装置。 - 【請求項１５】 前記負荷計測手段は、請求項９から１
４までの計測手段を組み合わせることで、患者の肢体か
ら装置への負荷を計測する、請求項９から１４のいずれ
か１項記載の運動療法装置。 - 【請求項１６】 前記負荷情報変換手段は、請求項９か
ら１５に記載の負荷計測手段によって計測された負荷の
値を、地面に対し垂直方向と水平方向に分離し、請求項
３から８に記載の軌道教示手段で設定された肢体の動作
すべき軌道と範囲をもとに、各方向において負荷情報を
増幅するフィルタと、負荷情報を位置または速度または
加速度の運動指令に変換するフィルタとに通す、請求項
９から１５のいずれか１項記載の運動療法装置。 - 【請求項１７】 前記負荷情報を増幅するフィルタとし
て、該軌道より下に肢体がある場合、請求項３から８に
記載の軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき軌道
より下に肢体が下がらないように、地面に向かう方向の
該負荷情報を無視する垂直方向のフィルタが構成され
る、請求項１６記載の運動療法装置。 - 【請求項１８】 前記負荷情報を増幅するフィルタとし
て、該軌道より下に肢体がある場合、請求項３から８に
記載の軌道教示手段で設定された肢体の動作すべき軌道
より下に肢体が下がらないように、地面方向の距離に応
じて地面とは反対方向にある負荷情報を負荷計測値に加
算する垂直方向のフィルタが構成される、請求項１６記
載の運動療法装置。 - 【請求項１９】 前記負荷情報を増幅するフィルタとし
て、該軌道より上に肢体がある場合、該軌道からの距離
に応じて地面とは反対方向に該負荷情報を負荷計測値に
加算するように、垂直方向のフィルタが構成される、請
求項１６記載の運動療法装置。 - 【請求項２０】 負荷情報を増幅するフィルタとして、
請求項３から８に記載の軌道教示手段で設定された肢体
の動作すべき範囲に対し、得られた負荷情報にある正の
比例定数をかけて負荷情報の増幅を行うように、水平方
向のフィルタが構成される、請求項１６記載の運動療法
装置。 - 【請求項２１】 負荷情報を増幅するフィルタとして、
請求項３から８に記載の軌道教示手段で設定された肢体
の動作すべき範囲に対し、得られた負荷情報にある正の
オフセットを加算して負荷情報の増幅を行うように、水
平方向のフィルタが構成される、請求項１６記載の運動
療法装置。 - 【請求項２２】 負荷情報を増幅するフィルタとして、
請求項２から８に記載の軌道教示手段で設定された肢体
の動作すべき範囲に対し、得られた負荷情報にある不感
帯を設けて負荷情報の増幅を行うように、水平方向のフ
ィルタが構成される、請求項１６記載の運動療法装置。 - 【請求項２３】 負荷情報を増幅するフィルタとして、
請求項３から８に記載の軌道教示手段で設定された肢体
の動作すべき範囲に対し、得られた負荷情報に、請求項
２０から２２に記載の手法を組み合わせて負荷情報の増
幅を行うように、水平方向のフィルタが構成される、請
求項２０から２２のいずれか１項記載の運動療法装置。 - 【請求項２４】 前記肢体駆動手段は、肢体に取り付け
られた装置のアームを前記運動指令にしたがって動かす
ことで肢体を駆動する、請求項１または２記載の運動療
法装置。 - 【請求項２５】 前記第２の記憶手段は、記憶された前
記時系列データを時系列にしたがった順序をもつ点列と
してそのまま記憶する、あるいは該軌道上の互いの距離
があらかじめ定められた値またはその値よりも大きくな
るように前記時系列データを補間または捨象して再設定
し、時系列にしたがった順序をもつ点列として記憶する
請求項２記載の運動療法装置。 - 【請求項２６】 前記座標変換手段は、前記点列の一つ
の点とその隣の点とを結ぶ直線に沿って１つの座標軸を
定め、他の１つの座標軸は地面に対する垂直平面に平行
になるように設定することで、前記点列の各点において
各々座標系を定める、請求項２記載の運動療法装置。 - 【請求項２７】 前記点列を滑らかな軌道で補間したと
きに該軌道に垂直な平面を各点列で設定し、該軌道の近
傍において隣り合う２つの該平面で囲まれる領域におい
て、各点列で定めた座標系を前記座標変換手段に適用す
る、請求項２６記載の運動療法装置。 - 【請求項２８】 前記点列を通る線分に垂直な平面を各
点列で設定し、その平面で囲まれる領域において、各点
列で定めた座標系を前記座標変換手段に適用する、請求
項２６記載の運動療法装置。 - 【請求項２９】 前記負荷計算手段は、請求項２６また
は２７で定められた座標系に沿って負荷を計測するこ
と、またはさらには各点列を補間する直線に沿った座標
軸以外の負荷は無視する請求項２６または２７記載の運
動療法装置。 - 【請求項３０】 前記負荷変換手段は、請求項２９で定
められた方法によって計測した各座標軸方向の負荷の値
を、負荷を増幅するフィルタと、負荷を位置または速度
または加速度の運動指令に変換するフィルタとに通す請
求項２９記載の運動療法装置。 - 【請求項３１】 前記負荷変換手段は、２次の機械的イ
ンピーダンスモデルのほかに、静摩擦モデルあるいは動
摩擦モデルあるいは非線形ばねモデルを用いる請求項２
記載の運動療法装置。 - 【請求項３２】 前記負荷変換手段は、ある正の比例乗
数を負荷の値にかける、あるいは正のオフセットを負荷
の値に加算する、あるいは不感帯を設けるあるいはそれ
らの組み合わせを行って負荷の増幅を行う、請求項２記
載の運動療法装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06683597A JP4061432B2 (ja) | 1997-03-19 | 1997-03-19 | 運動療法装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06683597A JP4061432B2 (ja) | 1997-03-19 | 1997-03-19 | 運動療法装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10258100A true JPH10258100A (ja) | 1998-09-29 |
| JP4061432B2 JP4061432B2 (ja) | 2008-03-19 |
Family
ID=13327308
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06683597A Expired - Fee Related JP4061432B2 (ja) | 1997-03-19 | 1997-03-19 | 運動療法装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4061432B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007307180A (ja) * | 2006-05-19 | 2007-11-29 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | リハビリテーション装置 |
| WO2008123040A1 (ja) | 2007-03-22 | 2008-10-16 | University Of Tsukuba | リハビリテーション支援装置 |
| JP2023072398A (ja) * | 2021-11-12 | 2023-05-24 | トヨタ自動車株式会社 | 処理システム、処理方法、及びプログラム |
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|---|---|---|---|---|
| KR101799942B1 (ko) * | 2016-05-13 | 2017-11-21 | 권병안 | 운동기구 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08141961A (ja) * | 1994-09-19 | 1996-06-04 | Yaskawa Electric Corp | アーム駆動装置 |
-
1997
- 1997-03-19 JP JP06683597A patent/JP4061432B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08141961A (ja) * | 1994-09-19 | 1996-06-04 | Yaskawa Electric Corp | アーム駆動装置 |
Cited By (5)
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| JP2007307180A (ja) * | 2006-05-19 | 2007-11-29 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | リハビリテーション装置 |
| WO2008123040A1 (ja) | 2007-03-22 | 2008-10-16 | University Of Tsukuba | リハビリテーション支援装置 |
| CN101636142B (zh) | 2007-03-22 | 2011-12-07 | 国立大学法人筑波大学 | 康复训练辅助装置 |
| US8574176B2 (en) | 2007-03-22 | 2013-11-05 | University Of Tsukuba | Rehabilitation supporting device |
| JP2023072398A (ja) * | 2021-11-12 | 2023-05-24 | トヨタ自動車株式会社 | 処理システム、処理方法、及びプログラム |
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|---|---|
| JP4061432B2 (ja) | 2008-03-19 |
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