JPS60227776A - 運動・診断装置及び方法 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、一般に、運動装置及び方法に係り、特に、ト
レーニング及びリハビリテーションの両方の状況におい
て人体の骨格系及び筋肉組織系の働きを評価すると共に
これを向上させることのできる運動・診断装置及び方法
に係る。

従来の技術 過去１０年間にわたって調査を続けた結果。

傷害を受けた人体の関節部及びこれに関連した筋肉群の
リハビリテーションを行なったり、人体各部の働きを向
上させるように関節及び筋肉群のトレーニングを行なっ
たりする点から、等速運動が重要であると分かった。「
等速運動」とは、特定の解剖学的な回転軸に対して行な
う人体各部の運動を一定の回転速度に制限するような運
動概念を意味する。これは、適応する抵抗力、即ち、一
定に変化する抵抗力を、収縮する筋肉に加えることによ
って達成される。この抵抗力は、関連する筋肉群がその
収縮を通して種々の点で発生することのできる大きさの
変化する力を模擬するように、手足の動く範囲を通じて
大きさが変化する。

筋肉群によって生じる力の大きさがそれに関連した関節
の動き範囲を通じて変化することについては、解剖学的
な回転軸（即ち、可変の生物学的てこ長さの効果）、酵
素プロフィル（即ち、細胞間の収縮及び代謝蛋白質成分
）及び急所に関して説明できる。この現象は、例えば、
膝関節の開きにおいて示すことができ、この間には、四
頭筋が約６０°の回転角において最大トルクを発生する
ことが分かっている。

従来の「自由重量」運動方法では、関節の運動範囲内の
最も弱い点で発生する最低トルクより大きくなることの
ない荷重に対して筋肉を働かせることしか必要でない。

従って、自由荷重の場合には、筋肉が全運動範囲の僅か
な部分のみにおいて適度な作用荷重で働くに過ぎず、運
動範囲内のより強い点の間に最適な荷重で運動するもの
ではない。

筋肉に対する荷重にかたよりを与えて半可変にしたカム
をベースとする幾つかの運動装置で行なわれるような半
適応抵抗力運動は、人体断面からサンプリングされた特
定の筋肉群によって生じる力の変化をせいぜい近似する
に過ぎない。可変な力の発生についてのこの近似−運動
範囲の度合に対してプロットされた鐘状の力曲線として
見ることができる−を用いてカムを整形し、抵抗力を半
適応式に変えるようにその付与が制御される。

一方、等速運動装置は、関連する筋肉群によって発生さ
れる可変の力を模擬するように筋肉収縮に対抗する可変
の力となる完全に適応した抵抗力を与える。この形式の
装置においては、人間の手足に取り付けられたレバーア
ームの回転速度が最大許容値に制限され、この最大値を
越えてレバーアームを加速しようとする手足の力が適応
抵抗力に合致される。従って、関連する筋肉群は、全運
動範囲にわたって最適な緊張力を発生するように働く。

リハビリテーションにおける正味の効果、又はトレーニ
ング様式における人間の各部の働きの正味の向上度は、
従来の運動モードで得られるものよりも遥かに大きい。

等速運動の大きな効果は、特定筋肉繊維組織パターンの
補充パターンに対する作用についても説明できる。骨格
筋肉は、２つの別々の細胞形式を混ぜ合せたものである
とされている。一方の形式の細胞は、比較的大きく、嫌
気性酵素に富んでおり、これら酵素は、酸素のない状態
で細胞が新陳へ謝することを必要とする。他方の細胞は
、小さくて、好気性成分に富んでおり、細胞が新陳代謝
するには酸素が存在する必要である。荷重が大きく、収
縮速度が低い場合には、運動に主として含まれる筋肉細
胞の形式は、直径の大きな嫌気性の細胞である。これに
対して、荷重が小さく、収縮速度が高い場合には、直径
の小さい好気性の細胞が主として含まれる。

いずれかの極端な荷重及び速度において筋肉群に作用荷
重をかけるようなリハビリテーションの手順により、１
つの特定形式の筋肉細胞が神経的に回復される。それ故
、リハビリテーションの効果を最大に上げるには、カー
速度曲線の中央で筋肉を運動させることが重要である。

これは、関連筋肉群の一定収縮速度に対して等速運動及
び特定速度を選択することによって達成される。

公知の等速運動装置（例えば、Ｐｅｒｒｉｎｅ氏の米国
特許第３，４６５，５９２号に開示された装＠）は、一
定長さのレバーアームを備えており、このアームは、解
剖学的な回転軸と機械の固定回転軸とをできるだけ密接
に整列することによって、運動している手足の長さに正
確に調整される。然し乍ら、この整列は、運動を開始す
る前におおまかに行なえるに過ぎず、従って、手足の回
転速度はレバーアームの回転速度と異なる。

更に、複雑な要素として、人間の関節の回転軸が動的で
あって、運動中にずれることが挙げられる。当該関節の
位置を機械的に拘束したとしても、解剖学的な回転軸は
、運動中にずれる。その結果、固定長さのレバーアーム
を最大許容角速度に制限すると、解剖学的な回転軸に対
する手足の角速度が変化することになる。

公知の固定長さレバーアーム装置の更に別の欠点は、人
間の手足をレバーアームとの取り付は点で固定の回転路
に拘束することにより実質的な関節圧縮が生じることで
ある。この関節圧縮により、個人的に関節に不快な痛み
を招くという問題が生じる。更に重要なことは、公知装
置で生じるこの大きな関節圧縮により、当該関節部に外
科手術を受けた患者がリハビリテーションを早く始めよ
うとしないことである。

公知の固定長さレバーアーム装置の更に別の欠点は、伸
ばしたり曲げたりする際に含まれる筋肉群を分ける機能
が実質的に低いことであり、運動中に人体の他の部分の
動きが相当含まれることが観察される。運動が不自然に
感じることにより、患者がリハビリテーションの期間に
わたって運動療法を続けようとする関心及び意志の妨げ
となる。

発明の目的 そこで、本発明の主たる目的は、改良された運動装置及
び方法を提供することである。

本発明の別の目的は、真の等速関節回転速度を厳密に得
ることのできる等速運動装置及び方法を提供することで
ある。

本発明の更に別の目的は、関節圧縮を実質的に減少する
と共に運動中の筋肉群の区分けを改善した運動装置及び
方法を提供することである。

本発明の更に別の目的は、設定及び操作が容易であると
共により正確な診断情報を与える運動装置及び方法を提
供することである。

発明の溝成 本発明の１つの特徴は、レバーアームと、固　。

室軸に対してレバーアームを回転するように取り付ける
構成体とを備えた筋肉運動及び診断装置にある。選択さ
れた解剖学的回転軸に対してレバーアームと共に回転す
るように、人体の選択された部位をレバーアームに接続
する構成体が設けられている。この接続構成体は、レバ
ーアームと人体の部位との間に、固定の接線方向取り付
は関係と、スライドする半径方向取り付は関係とを確立
する取り付は構成体を備えている。本装置は、更に、レ
バーアームの最大許容瞬時回転速度を、所定の速度制御
関数に従って予め決められた値に制限するようにレバー
アームに作動的に関連された速度制御構成体を備え、上
記所定の速度制御関数は、解剖学的な軸及び固定の軸に
対する取り付は点がら測定した距雛の値を含む。

好ましい実施例では、上記取り付は構成体は、人体部位
に対して固定の接続を与えそしてレバーアームに対して
半径方向スライド接続を与える。

本発明の簡単な変形態様においては、解剖学的な距離及
び機械のレバーアームの距離がいったん測定されて、速
度制御構成体へ固定値として入力され、機械のレバーア
ームの距離において運動を行なう間に生じる変化は無視
される。好ましい実施例では、接続点から固定軸までの
距離を登録すると共に、この登録された距離の値を速度
制御構成体へ供給するように上記取り付は構成体に組み
合わされた機械のレバー長さ追従構成体と、固定接続点
から解剖学的軸までの距離測定値を速度制御構成体へ入
力する手動制御器とが設けられる。このようにして、運
動中のレバーアーム長さの変化を考慮に入れるように、
レバーアームの最大許容角速度が調整される。

本発明の運動装置は、その好ましい実施例においては、
レバーアームの運動範囲を、予め設定された最大角度、
もしくは、予め設定された最大角度（上限）及び最小角
度（下限）の両方に自動的に制限する構成体も備えてい
る。更に、レバーアームの初期移動中に自由加速に対し
て抵抗力を与える加速度制限機能が設けられている。

又、本発明は、密接なサーボ制御ループに結合された回
転速度調整機能を果たすような液圧アクチュエータ及び
バルブをベースとする改良された装置に係り、上記の機
能は、内部サーボループに比例制御バルブの位置の追従
を含んでいると共に、本発明の特殊目的アナログコンピ
ュータの場合には出力サーボ制御ループの１部分として
実際の角速度の追従を含んでいる。又、速度制御コンピ
ュータ構成体に含まれる基本的な制御機能は、マイクロ
プロセッサの実時間制御システムの実施例において容易
に達成することができ、又、この実施例では、データ収
集及びデータ計算能力も増大される。

又、本発明は、レバーアームを固定軸のまわりで回転す
るように取り付け、接線方向固定及び半径方向可動の取
り付は関係でレバーアームに人体取り付は装置を配置す
るという段階を含む適応抵抗力を制御して運動させる方
法にも係る。更に、この方法は、取り付は装置及びレバ
ーアームを人体部位と共に解剖学的回転軸のまわりで回
転させるように取り付は装置を人体の選択された部位に
接触させ、取り付は装置から固定の回転軸までのレバー
アーム半径を測定し、取り付は装置から解剖学的回転軸
までの解剖学的半径を測定し、そして測定されたレバー
アーム半径及び測定された解剖学的半径を含む所定の速
度制御関数に基づいて予め決定された値に等しいか又は
これより小さい角速度にレバーアームの回転を制限する
という段階を含んでいる。

好ましくは、レバーアーム半径を測定する上記段階は、
人体部位が回転運動路を横切る時にレバーアーム半径の
値を常時監視することより成り、レバーアームの回転を
制限する上記段階は、時間と共に変化するレバーアーム
半径を含む経時変化速度制御関数に基づいて行なわれる
。人体部位の等速回転を達成するために、上記所定の速
度制御関数は、解剖学的回転軸に対する人体部位の回転
に実質的に一定の最大角速度を与えるように予め構成さ
れる。解剖学的回転軸に対する回転の許容最大角速度を
変える別の速度制御関数が与えられてもよい。例えば、
速度制御関数は、人体部位が運動に入って間もなく抵抗
力を受けるように許容最大角速度を上昇傾斜関数にする
ことによってレバーアームの初期加速度を制限するもの
でもよい。

本発明の種々の特徴は、適応抵抗力の運動装置に著しい
改善を与えることである。運動中に半径方向に動けるよ
うにする人体への接続構成体によって関節圧縮が実質的
に軽減される。このように半径方向に動けるようにされ
ると共に、レバーアームの長さ測定値及び人体でこの長
さ測定値（即ち、取り付は点から解剖学的回転軸まで）
に基づいて速度計算構成体で最大許容角速度を補償する
ことにより、装置に対する患者の設定が相当に容易にさ
れると共に、人体関節の実際の回転速度に関してより正
確な速度制御が果たされる。解剖学的な軸をレバーアー
ムの軸と正確に整列させる必要はなく、変動が２ないし
３インチまでの場合に正確な結果が得られる。

運動中にレバーアームの長さを変えられるようにすると
共に速度制御計算器においてこのような動きを補償する
ことにより、運動中の解剖学的回転軸の位置の変化が速
度制御の精度に影響しないようにされる。更に、患者又
は運動を行なう者にとって運動がより自然に感じるよう
にされる。

診断状態において、強さく例えば、成る速度で生じる最
大トルク）を測定するために筋肉群を区分けすることが
所望される場合、本発明による装置及び方法では、手足
の屈伸中に筋肉群の活動性を区分けする機能が改善され
る。

速度をコンピュータで制御することにより、適応抵抗力
の運動装置に多数の新たな特徴を含ませることができる
。レバーアームが動く角度範囲をコンピュータで制御し
て制限することにより、本装置は、ぎくしゃくした手足
の動きを回避するように柔らかな停止動作で関節の運動
範囲を制限することができる。これにより、本装置は１
手術後の状態において治療者が付き添って患者の運動を
両手で拘束する必要なしに患者の当該関節の運動範囲を
制限しなければならない場合に使用することができる。

速度制御コンピュータは、幾つかの公知装置の場合のよ
うに急激に荷重がが＼るおそれを回避するために、手足
の運動中に早めに抵抗力を感じそして抵抗力がゆっくり
と増大するようにレバーアームに制御された初期加速度
を与える。速度コンピュータシステム内の種々のサーボ
制御ループ及び液圧システムの駆動回路部品は、非常に
正確な速度制御を与える。更に、リニアライザ（直線化
装置）の機能を組み込むことにより、装置の全速度範囲
にわたって正確な速度設定及び調整が行なわれる。

ソフトウェアプログラムで制御されるマイクロコンピュ
ータシステムの形態の速度制御コンピュータを使用する
ことにより、運動制御の範囲及び速度に新たな融通性が
与えられると共に、内蔵データ記憶及び管理機能が与え
られる。この形式のシステムでは、運動全体にわたって
色々な解剖学的要求速度で実験を行なうことができた。

例えば、このシステムでは、筋肉群の一定速度収縮に代
って、許容速度に正弦波変化を与えて、運動範囲の中間
で許容速度を増加もしくは減少することができる。

本発明の他の目的、特徴及び効果は、添付図面を参照し
た多数の実施例の詳細な説明より明らかとなろう。

実施例 第１図は、本発明の筋肉運動・診断システムを概略的に
示す。レバーアーム組立体１０は、レバーアーム１１を
有し、このレバーアームは、シャフト１２に取り付けら
れ、シャフト１２の軸の廻りを回転する。シャフト１２
は、第２図に概略的に示されているようなスタンド即ち
支持構成体で位置固定されている。接続構成体１３は、
第２図に示さ九でいる足掛けのような便利な接続アタッ
チメント（取り付は体）１４を使用して、人体の部位を
アーム１１に接続するための手段を栂成する。別の形態
をしたアタッチメントを、その他手足及び身体部位のた
めに設けることができる。

接続構成体１３は、取り付は構成体を使用してレバーア
ーム１１に取り付けられ、この取り付は構成体は、半径
方向にはスライドするが接線方向には固定された取り付
は関係を与える。例えば、この関係は、ホイールベアリ
ングに取り付けられたキャリッジ構成体を使用してこの
構成体を中空の長方形アーム内の溝に沿って移動させる
ことによって成し遂げられる。多くの色々な機械的な組
立体を用いて、この取り付は関係を得ることができる。

長さ測定システム１５は、運動を行なっている間に、人
体への取り付は点からシャフト１２の軸までの距離を常
時監視するように移動手足アタッチメント構成体１３に
作動的に組み合わされている。この長さ測定システムは
、長さをそれに比例した抵抗値として記録するために取
り付は構成体１３に作動的に接続されたポテンショメー
タを備えている。この長さ監視機能を発揮するように回
転式ポテンショメータにインターフェイスする方法とし
て今のところ好ましいとされているのは、キャリッジ構
成体に接続されたプーリ・ベルト構成体である。長さ測
定システム１５の出力信号１６は、速度制御コンピュー
タ１９に結合される。

このコンピュータの機能は、以下で説明する。

角度測定システム２８は、レバーアーム１１の角度を常
時監視するように、ライン２７によって示されている機
械的なリンク機構を経てシャフト１２に適当に結合され
る。この機能は、シャフト１２に接続されている回転式
ポテンショメータで容易に行なわれる。さらに、角度測
定システムの出力信号２９も、速度制御コンピュータ１
９に送られる。

さらに、速度制御コンピュータ１９は、手足の長さを設
定する制御器２０から送られる手足の長さを示す入力信
号２１と、速度設定制御器２２からの速度設定入力信号
と、範囲限界設定制御器３０からの範囲限界信号３１及
び３２とを受信する。設定制御器１７から送られるレバ
ーアーム長さ設定信号１８は、任意の実施例で使用され
、これについては以下で説明する。速度制御コンピュー
タ１９は、活性入力信号の全てを使用して出力速度制御
信号２４を発生し、回転速度調整システム２５を制御し
て、レバーアーム１１の最大許容角速度を確立する。後
に説明するように、速度信号２４を決める時には、速度
制御コンピュータ１９によって多くの単純な機能及び複
雑な機能が用いられる。

速度制御コンピュータの本質的な機能は、レバーアーム
長さ信号１６と手足長さ設定信号２１を使用して速度制
御信号２４を調整し、レバーアームの長さと手足の長さ
との差、即ち、レバーアーム１１の固定回転軸と、レバ
ーアームに付ける足又は他の身体の部位の解剖学的回転
軸との許容不整列による差、を補償する。レバーアーム
の長さを常時監視することにより、速度制御コンピュー
タは、運動中に解剖学的回転軸の位置が動的に変化する
ことによってレバーアーム長さが変化する時に速度制御
信号を常時調節することができる。

解剖学的な軸の廻りで手足を等速で回転することが所望
された場合、速度制御コンピュータ１９は、監視された
レバーアーム長さ信号Ｌ１と測定された手足長さ信号Ｌ
２との比をとり、速度設定値をこの比に乗算して、レバ
ーアームの最大許容角速度となる速度制御信号をめ、こ
れに対応して、速度設定値に非常に近い手足の最大許容
角速度を形成する。他のファクタもこの速度修正関数に
加えられるが、これらは、運動している間のアタッチメ
ン１への移動速度のような副次的なファクタで、小さく
て無視できる。

運動が進み、解剖学的な軸が移動すると、レバーアーム
の距離が変るが、速度制御コンピュータは、最大手足速
度を一定に保つようにレバーアーム最大許容速度を変え
ることによってこれを補償することが明らかであろう。

これは、公知技術の固定路レバーアームシステムと対照
的であり、この公知システムでは、レバーアームの回転
速度が一定の最大許容値に維持され、従って、運動中、
人間の手足の回転速度が必然的に変化する。

速度制御コンピュータ１９は、速度制御信号を良く調整
された状態に維持するために、サーボ制御ループの１部
分として角度入力２９を使用するのが好ましい。さらに
、このコンピュータは、レバーアームの運動許容範囲を
制御するために、この角度入力信号２９を範囲限界信号
３１及び３２と共に使用する。この機能を如何に成し遂
げるかは、このシステムに使用される速度制御コンピュ
ータの型式によって左右される。アナログコンピユータ
の場合には、アームの運動方向を表す信号が必要とされ
、この信号は、以下に説明する本発明の実施例の１つに
おいては、異なった運動方向に対して異なった極性を持
つトルク信号から引き出される。

本発明では、コンピュータ回路を使用して速度制御信号
を引き出すので、等速関数以外の解剖学的速度関数もコ
ンピュータのシステ１１にプログラムできることを理解
されたい。例えば、解剖学的な最大許容速度関数は、正
弦波であってもよいし、又は運動範囲にわたり許容速度
対角度について他の任意の形状をもつものであってもよ
い。

回転速度調整システム２５は、多くの色々の液圧式モー
タ及び歯車列と、レバーアーム１１の最大許容回転速度
を電気的に制御できるモータ・クラッチ構成体とを備え
ている。本発明によってこの機能を成し遂げるための液
圧アクチュエータ及び比例制御バルブ構成体の好ましい
形態につい″て以下に説明する。

第２図及び第３□図は、本発明の構成部分を一体的な運
動装置４０として組み立てた一例を概略的に示す。この
装置４ｏは、ハウジング４２へ延びているシャフト１２
に取り付けられたレバーアーム組立体１０を支持するス
タンド型構成体を備えている。ハウジング４２の内部に
は、第１０図から第１４図に示す液圧アクチュエータ・
バルブシステムが取り付けられている。さらに、ハウジ
ング４２内には、速度制御コンピュータの構成部品を含
む基板も取り付けられていて、速度制御コンピュータで
使用される種々の設定ツマミが、第４図に示す制御盤４
３に設けられている。

スタンド型構成体４１は、椅子及び／又はベッドを持っ
た取り付は構成体に良好な取り付は状態で一体化される
のが一般に好ましい。本装置を使用する患者又は運動を
行なう人の位置をレバーアームに関して決める多くの構
成体と共に多くの色々の取り付は構成体を使用できる。

本装置を人体の関節に適応させるように、色々の異なる
レバーアームや他のアタッチメントを設けることができ
る。この目的のために、レバーアームが着脱容易にシャ
ツ１−に取り付けられ、さらに、外部から操作できる電
気コネクタを介してレバーアーム内のポテンショメータ
へ信号ラインが接続されることが好ましい。

患者が例えば膝の運動を行なうのに用いるように装置を
設定する場合、患者は、スタンド４１が好ましくはしっ
かりと取り付けられている椅子に坐り、第２図で示され
ている足掛は構成体を使用して患者の足くびをレバーア
ームにひもで縛る。

患者の膝は、シャフト１２の回転軸の近傍に置かれるが
、装置の固定軸と解剖学的な軸との間に約３インチ未満
の変位が生じないようにすることのみが必要とされる。

関節から足掛けの取り付は点までの患者の足の長さを測
定し、制御盤４３の制御ツマミ２０Ａを回す。右足又は
左足を示すスイッチを適当な位置に入れ、患者の足に対
する所望の等速度を制御つまみ２２Ａでセットする。範
囲の限界が必要な場合は、制御つまみ３０Ａ及び３０Ｂ
でセットする。その後、装置を、患者に規定された一連
の特別の運動に対して準備する。運動の角度の範囲及び
運動中に患者によって生した１−ルクを記録するために
、ストリップチャー１〜記録装置を装置にに接続する。

（これらの信号を発生する回路は、以下で説明する。） 第５図は、本発明の好ましい実施例の構成要素を詳細に
示し、速度制御コンピュータは、特別仕様のアナログコ
ンピュータの形態で実施され、更に、速度調整システム
は、回転式アクチュエータ７１と、双方向流れ制御バル
ブシステム６９と、ソレノイド作動サーボバルブである
バルブ位置制御システム６７とを備えた液圧システムの
形態で実施される。

第５図で示されているように、アナログ方式で実施され
た速度制御コンピュータは、要求速度のコンピュータ５
０と、実際の速度のコンピュータ５４と、範囲限界・減
速度のコンピュータ５８と、和回路５２と、加速制限回
路５６と、最小値回路６０と、バルブ位置制御回路６２
とを有する。

使用されるバルブ位置制御回路及び流れ制御バルブの形
式にもよるが、位置検出回路６５を持つ内部サーボルー
プを用いて、流れ制御バルブ素子の位置の制御を維持す
ることができる。本発明のこのアナログ式の実施例につ
いての詳細な説明から理解できるように、速度制御機能
は、実際の速度のコンピュータと要求速度のコンピュー
タを備えている外部サーボループも含み、これらコンピ
ュータの出力は、和回路５２において互いに異なった極
性で加算され、エラー信号を形成し、その後、この信号
は、位置検出器６５の位置検出信号出力と加算され、ソ
レノイド制御バルブの位置を修正するのに使用される最
終的なエラー信号を形成する。

さらに、双方向流れ制御器６９は、流れ制御バルブ６７
と共に、成る形式の液圧式サーボシステムの形体を形成
し、このシステムは、さらに、アクチュエータの回転翼
にか＼るトルクが増大する時に比例制御バルブの制御さ
れたオリフィスの後方に確立される逆圧に従って液圧流
を調整することにより最大許容回転速度の調整値を維持
するように助成する。

加速制限回路５６は、最初にレバーアームが加速される
間に、許容速度が要求速度のコンピュータで決定された
最終値まで上昇するように最大許容回転速度の制御を受
け持つ。同様に、範囲限界・減速回路は、角度限界に達
し、トルクの反転を感知するまで減速度を制御しつ＼停
止へともっていく時に、速度制御信号の制御を受け持つ
。

トルクコンピュータ７６は、互いに逆の極の圧力変換器
７２及び７３から加えたトルクの値と符合を計算し、こ
れらの変換器は、液圧回路の双方向流れ流路に接続され
ている。装置が右足の運動に使用されているか又は左足
の運動に使用されているかに拘らず、信号の極性が正し
くなるように、ライン７７及びライン２９の角度信号及
びトルク信号が、左足／右足スイッチ４５（第４図）に
よって制御された選択的インバータ回路を経て送られる
。

第５図では、実際の速度のコンピュータ回路５４からの
角度出力が、要求速度のコンピュータ５０に任意に結合
されるものとして示されている。

これは、成る場合、運動中に、レバーアームの角度の関
数として要求速度信号に別々の値をもたせる必要がある
ことを示している。さらに、成る場合には、レバーアー
ム角度の関数である解剖学的要求速度信号を設定する助
けとして、範囲上限及び下限信号を要求速度のコンピュ
ータに接続することが所望又は必要とされる。

第６図は、本発明のアナログ方式における好ましい実施
例の実際の回路を示す。この実施例において、要求速度
のコンピュータ５０は、ＬＬ／Ｌ２の比率に対応する出
力信号を形成する比率回路１００を有する。この比率信
号は、制御盤から解剖学的要求速度が設定されるポテン
ショメータ２２において大きさが決められる。この大き
さの決められた出力は、関数ＶＤ＝ＶＡ（Ｌ１／Ｌ２）
を表すアナログ信号である。但し、ＶＡは、解剖学的要
求速度で、ＶＤは、それに対応するレバーアームシステ
ムの要求速度である。この出力信号は、和回路５２へ送
られる前に、回路１０１及び１０２によって反転される
。

実際の速度のコンピュータ５４は、回路構成体１０７及
び１０８を有し、この構成体は、角度ポテンショメータ
２８の信号を緩衝及び反転し、その結果化じた信号を微
分回路構成体１０９に接続し、この微分回路構成体は、
角度変化率として速度を計算する。微分回路１０９の出
力信号は、絶対値回路１１０に接続され、レバーアーム
の絶対速度に比例する大きさを有する単極のアナログ信
号が形成される。この実際の絶対速度信号ＶＡは、アナ
ログ和回路１０３に接続される。要求速度の信号と実際
の速度の信号は、和回路がこの２つの信号の値を実際に
差し引きするように、互いに逆極性にされる。さらに、
要求速度信号は、１０にオームの抵抗器１０４を介して
和回路に接続され、実際の速度の信号は、２０にオーム
の抵抗器を介して和回路に接続られることに注目された
い。従って、他の入力を無視できるので、和回路の出力
は２ＶＤ−ＶＡとなる。

加速制限回路５６は、非線形フィルタ回路で、この回路
は、出力信号の値が、入力絶対速度信号の値の１．２倍
であるような入／出力特性を持っている。しかしながら
、このフィルタ回路は、その出力信号が予め決められた
割合より速く変化しないような特性も持っている。さら
に、この出力信号は、全ての条件の下で、非ゼロとなる
ように少しずれている。この出力信号は、最小値回路６
０に供給され、従って、最終要求速度の信号は、和回路
の出力と加速制限回路の出力の小さい方である。このよ
うに、加速制限回路は、最終要求速度まで初期加速が行
なわれる間、レバーアームの許容加速度を制御する。

さらに、範囲限界・減速回路５８は、その出力が和回路
５２で加えられ、運動の設定角度限界に達した時、制御
しつへ減速を行なうように機能する。実際の速度のコン
ピュータ５４からの角度信号出力は、一対の比較回路１
１３及び１１４に接続され、この接続は、右／左スイッ
チ４５Ａの設定により、直接的に又はインバータ回路１
１１を介して行なわれる。この比較回路１１３及び１１
４の他の入力は、下限設定値及び上限設定値である。こ
の比較回路１１３及び１１４の出力は、ＮＯＲ論理ゲー
ト１１６及び１１７に入力として個々に接続される。Ｎ
ＯＲゲート１１６の他の論理入力は、比較回路１１２の
出力であり、このゲートの出力は、第８図で示されてい
る回路で形成されるトルク信号Ｔの符合に基づいたもの
である。

ＮＯＲゲート１１７の他の論理入力は、比較回路１１２
の論理的に反転された出力である。ＮＯＲゲート１１６
及び１１７の出力は、ＮＯＲゲート１１８に入力として
接続される。ＮＯＲゲート１１８の出力は、このゲート
１１８の出力が論理低レベルである時に積分回路１１９
が制動信号電圧を形成するように積分回路１１９を制御
し、上記制動信号電圧は、和回路５２で加えられ、速度
ゼロに対応する要求速度値に向かって和回路の出方を駆
動するような特性を持つ。これは、装置のレバーアーム
を徐々に停止するように、十分に制御されて徐々に行な
われる。本装置の使用者がレバーアー１１に対してトル
クを反転した時には、Ｎ。

Ｒゲート１１８の論理出力が高レベルになるので、積分
回路１１９が素早くリセッ１〜される。これにより、加
速制限回路５６の制御の下で、レバーアームを反対方向
加速することができる。

第７図は、比較器１１２．１１３及び１１４の典型的な
作動シーケンスを示している。時間ｔ１まで、レバーア
ームは、正の方向に移動し、従って、ＡＮＧＬＥ信号は
正の方向に上限設定値Ｕへ向かう。トルクは正の向きで
あるから、比較器１１２の出力は、論理高レベル値（グ
ラフには１で示す）である。ＡＮＯＬＥ　（角度）信号
の値が下限設定値りを越えるので、比較器１１３の出力
は論理高レベルの値である。更に、ＡＮＯＬＥ信号の値
が上限設定値Ｕより小さいので、比較器１１４の出力も
論理高レベル値である。ＡＮＧＬＥ信号は、比較器１１
４の一人カに接続されると共に比較器１１３の十人力に
接続されることに注意されたい。従って、比較器１１４
の出力は、ＡＮＧ　Ｌ　Ｅ信号が上限設定値Ｕより小さ
い時に高レベルとなり、一方、比較器１１３の出方は、
ＡＮＧＬＥ信号が下限設定値りより大きい時に高レベル
となる。

時間ｔ１に至るまでの間には、比較器１１２及び１１３
の出力が論理１１高″レベルであることによりＮＯＲゲ
ート１１６の出力が論理″低″レベルになる。比較器１
１４の出力が論理″高″レベルなので、ＮＯＲゲート１
１７の出力は、論理１′低”レベルである。ＮＯＲゲー
ト１１６及び１１７は、それらの入力が両方とも論理１
′低２ルベル状態である時のみ、それらの出力が論理″
高″レベルになる。同様に、ＮＯＲゲート１１８は、そ
れらの双方の入力が論理″低″レベル状態である時のみ
、その出力が論理″高２レベルになる。

時間ｔ１に至るまでの間には、ＮＯＲゲート１１８の双
方の信号入力が論理′低″し゛ベルなので、Ｎ　ＯＲゲ
ート１１８の出力は論理″′高″レベルであり、積分回
路１１９は、その信号出力が速度コマンド信号に影響し
ないように、リセット状態に保たれる。

時間ｔ１には、角度信号Ａが上限設定値Ｕに到達し、比
較器１１４の出力が論理１′低″レベルになる。従って
、時間ｔ１においては、ＮＯＲゲート１１７の双方の入
力が論理″低Ｉルベルになり、それらの出力が論理″高
″レベルになる。ＮＯＲゲート１１７の出力が論理″高
″レベルになると、ＮＯＲゲート１１８の出力が論理″
低″レベルになり、制動信号を和回路５２に送るように
積分回路１１９をトリガする。さらに、比較器１１４の
出力が時間ｔ１に論理″低″レベルになると、ブザー１
１５が鳴る。ブザーの音が聞こえると共にレバーアーム
にか＼る制動力を感じることにより、患者は、レバーア
ームに正のトルクを加えるのを止め、その直後に、レバ
ーアームを反対方向に動かす負のトルクを加え始める。

従って、時間ｔ１の短時間後に、トルク信号の反転によ
り比較器１１２の出力が論理１１低″レベルレこなる。

ＮＯＲゲート１１７に対してこの論理″低″レベル出力
が論理″高″レベル入力に反転することにより、ＮＯＲ
ゲート１１７は再び論理１′低ｌルベル入力になる。比
較器１１３の出力は論理″高″レベルのま＼であるので
、ＮＯＲゲート１１６の出力は論理低”レベルのま＼で
ある。従って、ＮＯＲゲート１１７が論理″低″レベル
になると、ＮＯＲゲート１１８が論理″高″レベルにな
り、積分回路１１９をリセットして制動信号を解除する
と共に、最大許容速度に到達するまでし／＜−アームを
反対方向に加速できるようにする。

時間ｔ２には、角度信号が上限設定値より下に減少し、
比較回路１１４の出力は再び″高″レベルになるが、こ
れによってＮＯＲゲート１１７の出力が変化することは
ない。というのは、Ｎ。

Ｒゲート１１７の他方の入力が既に論理″高″レベルだ
からであり、従って、その出力は１′低″ルベルにされ
る。時間ｔ２からｔ３までの間に、ＮＯＲゲート１１６
及び１１７の出力は論理″低″レベルのま＼であり、従
って、ＮＯＲゲート１１８の出力は論理″高″レベルの
ま＼で、積分回路１１９をリセット状態に保つ。

時間ｔ３には、角度信号が下限設定値に到達し、比較器
１１３の出力は論理″低″レベルになる。比較器１１２
の出力は既に論理″低″レベルであるため、ＮＯＲゲー
ト１１６の双方の入力が論理パ低″レベルとなり、その
出力は論理″高″レベルとなる。これにより、時間ｔ３
にＮＯＲゲート１１８の出力が論理“低”レベルになり
、積分回路１１９をトリガして、制動信号をもう一度供
給するようにさせる。ブザーが再び鳴り、患者は、負の
トルクを加えるのを停止し、時間ｔ３の短時間後に、レ
バーアームに正のトルクを加え始める。トルクが正の値
になった時、比較器１１２の出力は論理１１高”レベル
になり、この出力により、ＮＯＲゲート１１６の出力が
再び論理“低”レベルなり、次に、ＮＯＲゲート１１８
の出力が再び論理“高″レベルになる。ＮＯＲゲート１
１８が論理高”レベルになると、積分回路１１９は再び
リセットされ、制動信号を解除し、レバーアームを正の
方向に加速できるようにする。

時間ｔ４には、角度信号の値が再び下限設定値以上に増
加するので、比較器１１３の出力が再び論理“高″レベ
ルになるが、この時はその他の作動シーケンスが起らな
い。時間ｔ４の後、回路は、時間ｔ１に至るまでの状態
と同じ状態をとり、患者が運動を中断するまで作動サイ
クルを繰り返す。

この時、左／右スイッチ４５の目的は、角度制限・減速
の論理回路が人体の右又は左の足の運動に対して適切に
機能するように、角度の上限及び下限設定値に対して角
度信号及びトルク信号の極性を調°啓することである点
に注意されたい。輩に、左／右スイッチは、どちらの足
が本装置に対して運動しているかに拘りなく、記録され
る角度及びトルクの読みがチャート上で常に同じ方向に
なるように、チャート記録装置に接続される角度信号及
びトルク信号の選択的な反転動作を制御する。言い換え
れば、例えば、膝の運動中には、それが左足であるか右
足であるかに拘りなく、腔を屈げる（レバーアー１１を
下げる）間に膝健筋肉群によって発生されたトルクがチ
ャー１−の基線の左側しこ常に記録され、そして、膝を
伸ばす間に回頭筋によって発生されたトルクがチャート
の基線の右側に常に記録される。同様に、どちらの足が
運動しているかに拘りなく、屈伸中の関節の運動範囲が
チャート上の基線の左右に各々現われるようにされる。

これは、記録装置に現われるチャートを解読する上で助
けとなる。

角度信号及びトルク信号の極性を制御する左／右スイッ
チは、便宜上設けられたものに過ぎず、運動範囲に対す
る限界設定値が人体の互いに他の半身の運動中に反転さ
れることが分かると共に、チャー１・記録器に現われる
トルク及び角度のグラフも同様に反転されるならば、こ
のスイッチを除去できることが理解されよう。さらに、
本発明の装置を動作する場合、運動中に上限及び下限の
設定値を考慮する必要がないことも理解されたい。

患者が当該関節をいっばいに伸ばしたり曲げたりできる
ように、運動中患者によって到達し得る角度範囲を越え
た点に１方又は両方の設定値を設定することができる。

或いは又、屈げ運動又は伸ばし運動のいずれか一方のみ
に対して限界値を設定し、他方の運動方向には限界がな
いま＼にしてもよい。

本発明の別の実施例では、装置の制御式停止部分を排除
し、限界値に達した時に、ブザーのみを鳴らすように構
成できることが明らかである。

更に、制御式停止機能それ自体は、任意なものであって
、本発明の非常に有用な特徴及び本発明の主たる効果は
、制御式停止部分を装置に組み込まなくても達成できる
ことが明らかであろう。加速制限回路についても同じこ
とが言え、即ち、この回路は、非常に効果的な本発明の
任意な特徴であるが、本発明の主たる効果は、このよう
な機能を排除した装置でも成し遂げられる。

第８図は、バルブ位置制御回路６２の今のところ好まし
いとされている実施例の詳細な回路図を示し、この回路
は、本発明のこの態様では、速度設定ポテンショメータ
によって最大許容回転速度を正確に設定するためにこの
最大許容回転速度の制御を直線化するように働く直線化
回路を有している。装置全体には非直線性をもたらす種
々の源があり、直線的に目盛を設定するポテンショメー
タを、第４図から第９図の実施例に示されているような
アナログ装置に使用した場合には、最大速度設定値が不
正確なものになる。非直線性をもたらす源の１つは、許
容液圧流量を制御する比例バルブ制御器であるが、非直
線性をもたらす他の源としては、アナログコンピュータ
の回路素子に現われる非直線性が含まれる。回路素子１
２ｏ。

１２２．１２４及びこれに関連する回路素子を含む直線
化回路の機能は、第７図に示されている基本的なソレノ
イド位置制御回路を説明した後に以下で説明する。

ソレノイド制御バルブ６７（第５図）に含まれたバルブ
ピストンの位置は、ソレノイドの制御巻線に供給される
矩形波信号の衝撃係数によって制御される。ソレノイド
の電気駆動力は、バルブピストンに対して逆方向の引っ
張りを与えるテンションスプリングと対抗する。衝撃係
数の可変な矩形信号をソレノイドの巻線に供給すること
により、位置制御巻線の平均付勢量が制御され、従って
、ピストンのとる位置及びバルブのオリフィ寸法が制御
される。比例制御バルブのオーバーシュートやその他の
やっかいな特性を避けるためには、バルブピストンの実
際の位置を監視し、バルブ位置に関するサーボ制御信号
として位置制御回路に位置信号をフィードバックするの
が好ましい。本発明のここに示す好ましい実施例として
は、リデックスコーポレーションより入手できる比例ソ
レノイドバルブ（部品番号１６０００１−００４）が使
用される。このバルブシステムには、バルブピストンの
位置を監視するのに使用される位置感知用の一次及び二
次巻線が組み込まれている。

第８図を参照すると、リード１２５に現われる直線化回
路の出力が、位置エラー和回路１２９の入力で、位置検
出回路６５からの位置信号と加算される。直線化された
要求速度信号ＶＤＬ及びバルブ位置信号Ｐは、各々互い
に逆の極性を有し、従って、位置エラー和回路１２９の
出力は、その値が信号ＶＤＬと位置信号Ｐの値によって
左右されるような位置エラー信号となる。又、この信号
は、直線化された要求速度信号ＶＤＬに位置エラー信号
を加味したものとみなすこともできる。この位置エラー
信号の値は、比較器１３１の正の入力側に送られ、その
負の入力は、鋸歯状波発振回路１３０に接続される。従
って、比較回路１３１の出力は、位置エラー信号の値に
よって衝撃係数が制御された矩形波となる。この矩形波
信号は、電力用電界効果トランジスタ１３２に送られ、
このトランジスタは、トランジスタ作動サイクルのオン
部分中にソレノイドの巻線に１２ボルトの電圧を印加す
るように上記信号によってオン及びオフにされる。鋸歯
状波発振器は、便宜上０．２ないしＩ　Ｋ　Ｈｚの範囲
の周波数で作動される。

比例ソレノイドは、−次巻線ＰＲＩと、この−次巻線に
相補的に接続された一対の二次巻線５ＥＣＩ及び５ＥＣ
２とを含んだ変成器系統を備えている。−次巻線に供給
される一定の交流信号入力に対して、図示されたように
直列に接続された二次巻線からの出力は、ソレノイドの
位置に比例した信号となる。−次巻線は、増幅回路１３
５を介して方形波発振器１３４に接続される。更に、方
形波発振器１３４の出力は、ゲート回路１３７内の信号
サンプリングゲートＡ及びＢを作動させ、二次巻線から
の信号出力の値を利得１の増幅器１３６を経てサンプリ
ングする。サンプリングされた信号はホールド（保持）
回路１３８に記憶され、和回路１２９に送られる。方形
波発振器１３４は、２ないし１０ＫＨｚの周波数で動作
する。

第８図に示されている直線化回路は、基本的に、自走ア
ナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１２０を使用して、
リード６１の要求速度信号ＶＤの値をバス１２１の８ビ
ツトデジタルワードに変換する。この８ビツトのデジタ
ルワードは、プログラムできるリードオンリメモリ（Ｆ
ＲＯＭ）１２２に貫己憶された８ビツトデータワードを
アドレスし、これは、データバス１２３に出力される。

データバス１２３の８ビツトデータワードは、デジタル
／アナログ変換器（ＤＡＣ）１２４に接続され、デジタ
ルワードの値がアナログ電圧に再度変換される。デジタ
ル／アナログ変換器（ＤＡＣ）１２４は、有効なデータ
が与えられた時、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）
１２０の各サイクルにＦＲＯＭ１２２から新しいデータ
ワードをロードするように指示される内部データラッチ
を有する。このロード信号は、論理回路１２６を経て与
えられる。

比較回路１２７は、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ
）１２０及びデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）１２
４に安定した基準電圧を与える。

入力回路１２８は、第６図の範囲限界回路から送られる
Ｓ信号を受信して、これをアドレス信号としてＦＲＯＭ
１２２へ送り、レバーアームが成る方向に動かされてい
る間にアドレスされるＦＲＯＭ１２２の部分が、レバー
アームがその反対の方向に動かされている間にアドレス
される部分と異なるようにする。これにより、別々の方
向に対して別々の直線化の値がＦＲＯＭに記憶される。

これは、直線性の存在が２つの運動方向において異なる
ことが観察されている点から有用である。

ＦＲＯＭ１２２に記憶されたデータワードの値は、本発
明装置の個々に製造されたユニットを作動させた状態で
校正試験することによって得られたものであり、そのユ
ニツＩ・に使用された特定部品の個々の非直線性が除去
されるようになっている。この校正試験は、設定範囲全
体にわたる複数の速度制御設定値において、レバーアー
ムがその速度で動いている時にその設定値における実際
の要求速度信号ＶＤを、液圧システム及びその制御回路
から最大許容速度を得るために和回路１２９に送らなけ
ればならない信号と比較して、測定することを含む。次
いで、これらのデータポイン１〜を、これらポイント間
の適当な直線補間データと共に使用して、ＶＤ信号の値
を適当に補正した信号値ＶＤＣに変換するためにＦＲＯ
Ｍ１２２に記憶する２５６個のデータワードを決定する
。

第９図は、本発明のここに示す好ましいアナログコンピ
ュータ実施例に使用されるトルク測定回路を示す。歪計
７２及び７３は、フォクスボロ社の歪計（モデル番号９
０００）のようなモノリシック半導体の歪計である。こ
れらの歪計は、各々の出力信号調整回路１４１及び１４
２へ互いに逆の極性で接続されている。回路１３９およ
び１４０は、歪計のための定電流駆動回路である。これ
らの歪計の調整された出力は、回路１４３で加算され、
校正されたトルク信号となる。この信号は、左／右スイ
ッチ４５Ｂの設定により、トルク出力信号Ｔとして反転
回路１４４を介して送られるか又は直接送られる。

歪計７２及び７３は、第５図に示された回転式アクチュ
エータ７１と双方向流れ制御器６９との間に延びる２本
の双方向液圧流体路の圧力を測定する。この歪計は、ア
クチュエータの各室内の圧力を測定し、２つの室間の圧
力差は、アクチュエータの摩擦による小さなエラーを除
き、患者がレバーアームに加えるトルクに比例する。

トルクの測定値は、範囲限界制御回路において、制動信
号回路を作動及び解除する論理の一部として利用される
ので、安定したトルク信号基線、即ち、いずれの方向に
もトルクが加えられない時のトルク信号のゼロ値、を得
ることが必要である。

従って、第９図に示した回路は、レバーアームが数秒間
静止した時にゼロの読みの基線を再調整するように働く
自動基線校正システムを組み込んでいる。

微分回路１４５は、いつレバーアームが動いたかを決定
するのに用いられ、ひいては、いつトルク信号出力に変
化が生じたかを決定するのに使用される。微分回路１４
５の出力は、絶対値回路１４６を経て比較回路１４６Ａ
に接続され、そのスレッシュホールドは、レバーアーム
が運動中であることを示す大きなトルク値変化によって
比較回路がトリガされるように、単一ダイオードの電圧
降下（約０．６ボルト）によって確立される。

比較器１４６Ａの出力は、ゲート回路１４７のゲートＢ
を作動してタイマ１４８をリセットする。

従って、ゲー１−Ａを閉じてトルク出力信号の値を基線
設定回路に接続しないようにする。

然し乍ら、レバーアームが静止状態である間には、タイ
マ回路１４８が時間切れし、ゲートＡを閉じる。この時
には、トルク信号の非ゼロの出力値が比較器１４９で検
出され、積分器１５０に基線エラー信号として送られ、
該積分器の出力は、検出されたエラーを減少する方向に
変わる。次いで、ゲートＡが開くと、積分器の出力信号
の値は、差の回路１４３ヘフイードバツクされる電流基
線修正値として一定に維持される。

第１１図から第１３図までを参照して、回転式アクチュ
エータ７１、双方向流れ制御器６９及びソレノイド作動
式の流れ制御バルブ６７を説明する。ソレノイド流れバ
ルブ６７は、バルブピストン２０４の位置を制御するよ
うに働く比例ソレノイドを有し、このバルブピストン２
０４は、非常に精密に加工された表面同志が金属対金属
の密封関係になるようにしてバルブ本体２００内の溝２
０６をスライド移動する。ピストン２０４の動きは、流
れ溝２０８に延びる圧縮スプリング２０５と対抗する。

スライドするピストン２０４の端が、溝２０８と２０６
との間の流れオリフィスの寸法を決める。各々の溝２０
６及び２０８と液圧流体をやり取りするために、バルブ
本体２００の側部に流体ボート２０１及び２０２が設け
られている。

双方向流れ制御器６９は、内部溝１９５が設けられたバ
ルブ本体１８０を備え、内部溝１９５にはバルブピスト
ン１８３がスライド可能に受け入れられていて、このｉ
７＋Ｗ　１．９５とピストン１８３の外面１９４との間
に金属対金属の密封状態が与えられるようになっている
。このピストン１８３は、中空シャフト１９３に取り付
けられ、この中空シャフトは、エンドキャップ１８４と
１８５との間に延びる内実のシャフト１８６にのせられ
、スライド係合された各々の面が金属対金属の密封を果
たすようになっている。圧縮スプリング１９１及び１９
２は、エンドキャップとピストンとの間でシャフト１８
６に支えられ、ピストンを中心位置に偏位させる。ピス
トン１８３の各端は、溝１８７及び１８８と共に、一対
の流れオリフィス１９６及び１９７を画成し、その寸法
は、ピストン１８３の位置によって決る。流体ポート１
８１及び１８２は、液圧流体を溝１８７及び１８８に送
り、更に、流体ポート１８９及び１９０は、オリフィス
１９６及び１９７の両側と流体のやりとりをする。

回転式アクチュエータ７１は、内部空胴を形成するよう
にエンドキャップ１６１及び１６２が取り付けられたア
クチュエータハウジング１６０を備えている。シャフト
１６８は、アクチュエータの内部空胴を貫通して延び、
各エンドキャップに取り付けられたベアリング１６９に
おいて回転するようにジャーナル軸受される。Ｏリング
シール１７０及び１７１は、エンドキャップ対アクチュ
エータハウジング及び回転シャフト対エンドキャップに
対して流体密シールを果たす。固定翼１６３は、アクチ
ュエータハウジングの上部内面に取り付けられ、一方、
回転翼１７２は、シャフト１６８のキー溝に支持されて
いる。

回転翼１７２の底面１７２Ａは、ハウジングの内面の輪
郭に適合して金属対金属の密接嵌合シールをなすように
精密に加工される。回転翼の端も、エンドキャップの内
面に対して金属対金属の密接なシールをなすように同様
に加工される。固定翼１６３の底面１６３Ａは、シャフ
ト１６８が回転する時にシャフト１６８の外面と厳密な
裕度でぴったりとスライドするように加工される。固定
翼１６３及び回転シャフト１６８は１回転翼１７２と共
に、アクチュエータの内部を２つの別々の流体区画室に
分けている。

ポート１６４及び１６５は、ハウジング１６０の上面を
貫通して延び、ポート１６６及び１６７と連通している
。これらのポートは、固定翼を通して延び、２つの内部
区画室と連通している。

アクチュエータは、シャフト及び翼が回転する時に互い
に移動する内面によってアクチュエータに僅かな寄生摩
擦しか生じないようにするためには、面を精密に加工す
ることが必要である。アクチュエータ本体に圧力ドラン
スジューサを取り付けるために取付穴１７４が設けられ
ており、内部の室１６０Ａ及び１６０Ｂから２つの圧力
１〜ランスジユーサへ流体圧力を接続するようにポーＩ
〜１６４及び１６５に向かって適当な溝が設けられてい
る。

双方向流れ制御器６９は、ポー１〜１８１及び１８２が
ポート１６４及び１６５に整列されるようにして、アク
チュエータハウジング１６０の上面に直接取り付けられ
る。適当なＯリングシール及び取付スクリュー（図示せ
ず）を用いて、これら２つの部分がポート間に流体密シ
ール状態で取り付けられる。ソレノイドバルブ組立体６
７は、ポート２０１及び２０２がポート１８９及び１９
０に整列されるようにして、双方向流れ制御器６９の側
部に取り付けられる。これら２つの部分は、成る配列で
取付スクリューを用いると共にＯリングシール（図示せ
ず）をポートに設けることによって互いに固定され、こ
れら２つの素子間に流体密結合が与えられる。

これらの液圧部品の全体的な作動は、次の通りである。

ソレノイド比例制御バルブ６７のピストン２０４の位置
は、要求速度信号によってセットされ、従って、バルブ
を通る液圧流体の流量を調整する特定のオリフィスサイ
ズを決める。この調整は、アクチュエータシャフト１６
８の最大許容回転速度を設定する主たる重要な流れ調整
部分をなす。然し乍ら、高トルク状態のもとでは、比例
バルブ自体と、これに付随するフィードバック制御回路
（要求速度信号に伴う速度の計算及びサーボ作動）だけ
では、最大許容角速度の安定した調整が与えられない。

従って、高トルク状態のもとて流れを調整する助けとし
て双方向流れ制御器が含まれる。

双方向流れ制御器は、比例制御バルブのオリフィスの後
方に確立される背圧が、成る値、例えば、約５ポンド／
平方インチ（０，３５Ｋｇ／ｒｎ２）に達するまで調整
作用を果たさないように設計される。室１９６と１９７
との間にこのような圧力差が確立されるまで、圧縮スプ
リングはバルブピストンを中央位置に維持する。バルブ
の制限オリフィスを通してより速い速度でオイルを動か
そうとするトルクがアクチュエータシャフトにかぎるこ
とによって制御器のスレッシュホールド圧力を越えた後
に、制御器のビストン１８３が制御器の低圧側へと移動
し始める。これにより、制御器の低圧側でオリフィスに
部分的な閉塞が生じ、これは、増加トルクが生じようと
しているオイルの流量増加を制限するように助成する。

従って、制御器は、加えられたトルクが比例バルブ及び
フィードバック系統の容量を越えて増加する時にこれを
安定に制御するようアクチュエータシャフトの加速を制
限する助けをなす。調整器のピストン１８３は、トルク
の変化及びこれにより生じる流体背圧の変化に敏感に応
答して生じる該ピストンの両端の圧力差に応じた位置を
とる。

制御器６９自体は、サーボ型の制御を果たし、即ち１片
側に生じる背圧増加の形態のエラー信号に応答して他側
の流量を制限し、これによって、制御器の対応側に圧力
が確立されるように上記他側の流量を制限する。流体流
量を増加して最大許容速度以上の速度へと加速させるよ
うなトルク増加は、アクチュエータシャフトの加速に対
抗するより以上の流量制限によって防止される。

流量の液圧サーボ調整と、電子制御回路の内部及び外部
サーボフィードバックループとを組み合わせたことによ
り、アクチュエータシャフトの最大許容角速度が非常に
安定且つ正“確に制御される。更に、これと、直線化回
路とによって、等速度の設定及び制御に成る程度の精度
が与えられる。

これは、公知装置ではなし得なかったことである。

以上に述べた液圧システムは、回転速度調整装置の好ま
しい実施例であるが、必ずしも同程度の性能でないかも
しくは同等の性能に対して必ずしも同じコストでないこ
とを除けば本質的に同様の機能を果たすように使用でき
る別の形式の速度調整装置もあることが理解されよう。

例えば、ギヤ装置の機械的な利点を利用してレバーアー
ムの回転に対抗するモータトルクを制御するようなモー
タ・ギヤ装置構成体も使用できるが、このようなシステ
ムは非常にコストがか＼す、然も、レバーアームの初期
加速に対して大きな寄生抗力を与える傾向がある。上記
したＰａｒｒｉｎｅ氏の特許に開示された幾つかの速度
調整装置も使用できるが、これらも、上記液圧アクチュ
エーター制御器−バルブシステムのようなコスト／性能
利点を有していない。

又、本発明の装置は、例えば、両方向ステップモータを
使用し、必要に応じて検出されたバルブ位置を同様にフ
ィードバックして、比例制御バルブを位置設定するよう
な別の解決策を利用できることが理解されよう。第１４
図は、本発明の速度ＴＩＪ御コシコンピユータシステム
マイクロプロセッサをベースとする実時間デジタル制御
システムの形態で実施したものを示している。第１４図
に示された大部分の要素は、マイクロプロセッサをベー
スとする標準的なコンピュータシステムの要素である。

このようなシステムでは、マイクロプロセッサ及びサポ
ート回路２２０は、アドレスバス２２１．データバス２
２２及び制御バス２２３を経てプログラムメモリ２２４
、データメモリ２２５及び入／出力ポート２２６と通信
する。又、キーボード及びディスプレイ２２９、プリン
タ２３０及びデータ通信チャンネル２３２のような種々
の入／出力装置にマイクロコンピュータシステムをイン
ターフェイスするのがｇ準的である。マイクロコンピュ
ータを実時間制御及びデータ収集に用いる場合には、ア
ナログ信号マルチプレクサ２２７とアナログ／デジタル
変換器２２８を組み合わせてマイクロコンピュータに使
用し、制御されているシステムの測定値及び制御パラメ
ータを収集するのが標準的である。又、デジタル／アナ
ログ変換器２３１を用いて、制御信号を、制御されてい
るシステムに通信するのが標準的である。

第１図の一般的な装置実施例に含まれた速度制御コンピ
ュータとしてマイクロコンピュータを使用するためには
、角度信号Ａ、レバーアーム長さ信号Ｌ１、並びに２つ
のトルク信号Ｔ１及びＴ２がアナログマルチプレクサ２
２７へ入力として送られる。解剖学的なてこ長さＬ２、
コマンド速度値■、範囲限界Ｕ及びし、並びに左／右制
御情報は、全て、キーボード及びディスプレイ２２９を
経てコンピュータシステムへ入力される。

このマイクロコンピュータシステムは、第６図ないし第
９図のアナログコンピュータ回路カ全てアナログ的に実
行したものと本質的に同じ機能をデジタルＨＪ算的に実
行するようにプログラムされる。然し乍ら、デジタル制
御システムの場合には、運動装置の全実時間制御を果た
すために実行しなければならない種々の機能間で、コン
ピュータの計算リソースを時分割しなければならない。

デジタルコンピュータは、計算を非常に迅速に行なえる
から、このようにリソースを時分割することができ、デ
ジタルコンピュータは、オンラインアナログコンピュー
タシステムと同程度の実時間制御を維持する。

更に、デジタルコンピュータシステムの形態で速度制御
コンピュータを実施した場合には、付加的なデータ処理
及び実時間制御が可能となる。

例えば、運動中に得られる累積仕事量をデジタルコンピ
ュータシステムで連続的に割算することは簡単であり、
この計算は、もし所望されるならば。

屈伸に含まれる筋肉群に対して個別に行なうことができ
る。コンピュータは、運動中に生じるピークトルクを計
算して患者に示すようにプログラムすることができる。

更に、角度のピーク値を検出することによって当該関節
の最大運動範囲を測定するようにプログラムすることが
でき、この運動範囲の計算値は、多数の運動にわたって
平均化することができる。

デジタルコンピュータシステムを使用することにより、
種々様々な解剖学的要求速度関数を実験して、等速解剖
学的回転からの変化が成る種のリハビリテーション状態
にとって好ましいか或いは人間の活動を改善する成る種
の運動療法にとって好ましいかを判断することができる
。例えば、筋肉群がピークトルクを発生する点で解剖学
的な要求速度関数に等尺保持作用をプログラムすること
ができ、これは、１回以上の試験的な運動に対して得た
実際のトルタ刻角度測定値をペースとしてこの等尺保持
作用に対して要求速度信号をゼロに至らしめなければな
らない角度値をコンピュータ自体で測定することに基づ
いて実行できる。又、別の例として、正弦波速度制御関
数を用いて、運動の中間領域中に最大許容角速度を増加
したり減少したりすることができる。又、これらの関数
は、関節の全運動範囲についてのデータを与える試験的
な運動行程に基づいて設定することができる。

速度制御コンピュータをデジタルコンピュータシステム
の形態で実施することにより、−続きの個々の運動中並
びに成るリハビリテーション時間もしくは筋肉トレーニ
ングプログラムにわたって装置に対して行なわれた運動
に関するデータの処理が著しく促進される。最終的に、
個々の患者に対する特定のリハビリテーションプログラ
ムとして運動療法を設定することができ、コンピュータ
システムは、運動の機会の毎に自動的にその療法をたど
り、その毎に、予定の進行が達せられたかどうかを追跡
すると共にこれを報告し、必要に応じて療法を調整する
ことができる。これは、患者番号の入力のみに基づいて
個々の患者に対してコンピュータに制御変数をロードす
ることによって達成される。これにより、患者の手足の
長さや、装置によって必要とされる他の制御変数を何回
も測定したり入力したりすることが回避される。

以上に述べた本発明の運動装置の種々の実施例は、本発
明をＭ説するものに過ぎず、特許請求の範囲に規定する
本発明の範囲から逸脱せずに、本発明に含まれた種々の
技術に多数の変更がなされ得ることが当業者に理解され
よう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による運動装置の一般的なブロック図
であり、 第２図及び第３図は、本発明の一実施例による機械的な
装置パッケージを示す図であり、第４図は、本発明の一
実施例に有用な制御パネルを示す図であり、 第５図は、アナログコンピュータ回路形態で実施された
本発明装置の一実施例のブロック図であり、 第６図ないし第９図は、アナログコンピュータ形態で実
施された本発明装置の一実施例の構造及び動作を示す詳
細な回路図であり、 第１０図ないし第１３図は、本発明による速度調整シス
テムの好ましい形態に含まれた液圧素子の機械的及び作
動的特徴を説明するための図であり、そして 第１４図は、本発明による速度制御コンピュータの別の
実施例を示す図である。 １０・・・レバーアーム組立体 １１・・・レバーアーム　１２・・・シャフト１３・・
・接続構成体 １４・・・接続アタッチメント １５・・・長さ測定システム １９・・・速度制御コンピュータ ２０・・・手足長さ設定制御器 ２５・・・回転速度調整システム ２８・・・角度測定システム ３０・・・範囲限界設定制御器 ４０・・・運動装置　４２・・・ハウジング４１・・・
スタンド構成体 ４３・・・制御パネル ４５・・・左／右スイッチ ５ｏ・・・要求速度コンピュータ ５４・・・実際の速度のコンピュータ ５８・・・範囲制限・減速コンピュータ５２・・・和回
路　５６・・・加速制限回路６０・・・最小値回路 ６２・・・バルブ位置制御回路 ６５・・・位置検出回路 ６７・・・バルブ位置制御システム ６９・・・双方向流れ制御バルブシステム７１・・・回
転式アクチュエータ ７６・・・トルクコンピュータ 図面のｉｊ・Ｉ！：（白’Ｉｒに変更なし）ＦＩＧ、　
Ｉ ＦＩＧ、２　ＦＩＧ、３ 特許庁長官　殿 １．事件の表示　昭和６０年特許願第７３６号２、発明
の名称　運動・診断装置及び方法３、補正をする者 事件との関係　出願人 名　称　ローアダン　バイオメディカルインコーホレー
テッド ４、代理人 ５、補正命令の日付　昭和６０年４月３０日７、補正の
内容　別紙のとおり 願書に最初に添付した図面の浄書・別紙のとおり（内容
に変更なし）

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）レバーアームと、このレバーアームを固定軸のま
   わりで回転するように取り付ける手段と、人体の選択さ
   れた部位を上記レバーアームと共に選択された解剖学的
   回転軸のまわりで回転するように上記レバーアームに接
   続する手段であって、上記レバーアームと上記人体部位
   との間に、接線方向の固定取付関係及び半径方向のスラ
   イド取り付は関係を確立する取り付は手段を含んでいる
   ような接続手段と、上記レバーアームに作動的に関連さ
   れていて、取り付は点から上記解剖学的な軸及び上記固
   定軸までの距離の測定値を含む所定の速度制御関数に従
   って予め決定された値に上記アームの最大許容回転速度
   を制限するような速度制御手段とを備えたことを特徴と
   する筋肉運動・診断装置。
2. （２）上記取り付は手段は、人体の部位に固定接続を与
   えると共に、レバーアームに半径方向スライド接続を与
   え、更に、上記取り付は手段に関連していて、上記接続
   点から上記固定軸までの距離を登録してこの登録した距
   離の値を上記速度制御手段に供給する手段と、上記固定
   接続点から上記解剖学的な軸までの距離の測定値を上記
   速度制御手段に手動で入力する手段とを備えた特許請求
   の範囲第（１）項の記載の装置。
3. （３）レバーアームの角度を登録する角度手段を更に備
   え、上記速度制御手段は、入力角度限界値及び上記登録
   された角度値に応答して上記アームの回転角度を上記角
   度限界値未満に制限する運動制限手段を更に備えている
   特許請求の範囲第（１）項に記載の装置。
4. （４）解剖学的な要求速度関数を確立する手段を更に備
   え、上記速度制御手段は、入力速度制御信号に応答して
   レバーアームの最大許容瞬時回転速度を制限する回転速
   度調整システムを備え、更に、上記速度制御信号を上記
   解剖学的要求速度関数の子め構成した関数として供給す
   ると共に上記取り付は点から上記解剖学的な軸及び上記
   固定軸までの距離の上記測定値を供給する速度制御コン
   ピュータ手段を備えている特許請求の範囲第（２）項に
   記載の装置。
5. （５）上記レバーアームの実際の瞬時回転速度を測定し
   てこれに対応する実際速度信号を発生する速度測定手段
   を備え、上記速度制御コンピュータ手段の上記予め構成
   された関数は、上記実際の速度信号を含む特許請求の範
   囲第（４）項に記載の装置。
6. （６）レバーアームの角度を登録する角度測定手段を更
   に備え、上記速度制御コンピュータ手段は、上記測定さ
   れた角度値がプリセット角度限界値に等しい時を検出し
   てこの時に予め構成された制動関数信号を供給する限界
   検出手段を備え、上記予め構成された関数は、上記制動
   関数信号を含む特許請求の範囲第（４）項に記載の装置
   。
7. （７）上記速度コンピュータ手段は、上記最大許容瞬時
   速度に向かってレバーアームが初期加速される間に上記
   速度制御信号を予め構成された加速限界関数として供給
   する特許請求の範囲第（４）項に記載の装置。
8. （８）解剖学的な要求速度関数を確立する上記手段は、
   解剖学的な軸に対する上記人体部位の所定の一定の最大
   角速度を設定するポテンショメータを備え、上記速度制
   御手段は、抵抗制御ノブの設定が上記取り付は点から上
   記解剖学的な軸までの距離に対して校再された第１可変
   抵抗と、制御器が上記接続手段に接続されていると共に
   上記取り付は点から上記固定回転軸までの瞬時距離を登
   録するように校正された第２の可変抵抗と、上記第１及
   び第２の可変抵抗に接続され、上記レバーアームの長さ
   と解剖学的なてこ長さとの比率に対応する値を有した出
   力電気信号を供給する比率回路とを備え、上記出力信号
   は、上記ポテンショメータに送られ、レバーアームの長
   さと共に変化する要求速度制御信号を発生する特許請求
   の範囲第（４）項に記載の装置。
9. （９）レバーアームの角度を登録するように上記取り付
   は手段に接続された角度ポテンショメータを更に備え、
   上記速度制御コンピュータ手段は、上記角度ポテンショ
   メータから実際の速度信号を導出する速度回路手段と、
   上記要求速度制御信号及び上記実際の速度信号の合成関
   数として速度制御信号を発生する合成回路手段とを更に
   備えた特許請求の範囲第（８）項に記載の装置。
10. （１０）上記合成回路の出力にある最小値回路と、加速
    制限回路とを更に備え、この加速制限回路は、上記実際
    の速度信号を受け取って、上記実際の速度信号より増分
    的に大きな値をもつ加速制御信号を上記最小値回路に供
    給し、これにより、レバーアームの初期加速を制限し、
    レバーアームの動き始めから加速に対する適応抵抗力を
    感じるようにする特許請求の範囲第（９）項に記載の装
    置。
11. （１１）制御された適応抵抗力で運動を行なう方法にお
    いて、 レバーアームを固定軸のまわりで回転するように取り付
    け、 接線方向に固定で半径方向に可動な取り付は関係で上記
    レバーアームに人体取り付は装置を配置し、 上記取り付は装置及びレバーアームを人体の選択された
    部位と共に解剖学的な回転軸のまわりで回転するように
    上記取り付は装置を上記人体の部位に接触させ、 上記取り付は装置から上記固定の回転軸までのレバーア
    ーム半径を測定し、 上記取り付は装置から上記解剖学的回転軸までの解剖学
    的半径を測定し、そして 測定されたレバーアーム半径及び測定された解剖学的半
    径を含む所定の速度制御関数に基づいて予め決定された
    値に等しいが又はこれより小さい角速度にレバーアーム
    の回転を拘束することを特徴とする方法。
12. （１２）レバーアーム半径を測定する上記段階は１人体
    部位が回転運動路を進む時にレバーアーム半径値を常時
    監視することを含み、レバーアームの回転を拘束する上
    記段階は、時間と共に変化するレバーアーム半径を含む
    経時変化速度制御関数に従って実行される特許請求の範
    囲第（１１）項に記載の方法。
13. （１３）上記所定の速度制御関数は、上記解剖学的回転
    軸に対する上記人体部位の回転に実質的に一定の最大角
    速度を与えるように予め構成される特許請求の範囲第（
    １１）項に記載の方法。
14. （１４）上記所定の速度制御関数は、上記監視されるレ
    バーアーム長さの変化に応答して、上記固定軸に対する
    レバーアームの回転の最大許容角速度を調整することに
    より、上記解剖学的回転軸に対する人体部位の回転に実
    質的に一定の最大角速度を与える特許請求の範囲第（１
    ３）項に記載の方法。