JP2000189475A - Limb driving apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、下肢や上肢のよう
な肢体の一部を運動させてその機能を向上する医療用の
機械装置であって、肢体にかかる過負荷を防止しつつ、
目標とする肢体の可動域に到達させることができる肢体
駆動装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a medical mechanical device for exercising a part of a limb such as a lower limb or an upper limb to improve the function thereof, while preventing overload on the limb.
The present invention relates to a limb driving device that can reach a movable range of a target limb.
【0002】[0002]
【従来の技術】最近の医療分野では、肢体に運動させて
筋力の衰えを回復したり、増強したりするための様々な
装置が開発されている。例えば、筋・骨格系統の機能の
低下を回復させて全身の機能を改善し、健康状態を維持
するため、関節可動域訓練や、筋力増強訓練、持続力増
強訓練、協調性訓練、神経筋再教育、その他の訓練を行
うことができる運動療法装置が開発されている。また、
整形外科に関しては、関節軟組織修復と関節可動域維持
・拡大のため、患者の肢体にかかる負荷を計測する手段
と負荷の大きさと方向に沿って軌道を修正する手段を備
えて関節他動運動をする肢体駆動装置が開発されてい
る。そこで、まず、従来の整形外科で用いられる関節運
動装置と理学療法科で用いられる運動療法装置について
説明する。なお、ここで引用する従来の技術は、関節の
可動域を確保するための関節可動域訓練と、筋力のスト
レッチと増強などの訓練が目的とされている。その訓練
では、肢体にかかる急激な負荷が関節や筋肉にとって大
変危険であるため、そのような負荷がかかることを回避
することが必要である。しかしながら、ある大きさ以下
の定常的な負荷はむしろかけながら、目標とする関節可
動域まで到達したり、筋肉をストレッチすることが重要
である。2. Description of the Related Art In the recent medical field, various devices have been developed for recovering or enhancing muscle weakness by exercising on a limb. For example, in order to restore the decline in the function of the musculoskeletal system, improve the function of the whole body, and maintain a healthy state, range of motion exercises, muscle strength training, sustained strength training, coordination training, neuromuscular retraining Exercise therapy devices that can provide education and other training have been developed. Also,
With regard to orthopedic surgery, in order to repair joint soft tissues and maintain and expand the range of motion of joints, it is equipped with a means to measure the load on the patient's limb and a means to modify the trajectory along the magnitude and direction of the load, and to perform passive joint movement Limb drive devices have been developed. Therefore, first, a description will be given of a conventional joint exercise apparatus used in orthopedic surgery and an exercise therapy apparatus used in a physical therapy department. The conventional techniques cited here are aimed at joint range-of-motion training for securing the range of motion of the joint, and training such as stretching and strengthening of muscle strength. In the training, it is necessary to avoid such a load because a sudden load on a limb is very dangerous for joints and muscles. However, it is important to reach a target range of motion or to stretch a muscle while applying a constant load of a certain size or less.
【0003】従来技術の第1グループの技術は、たとえ
ば、特開昭60−179062号、特開昭60−232
158号、特開昭61−170464号、特公平4−1
4028号の各公報などに開示された発明によると、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させるいわゆる連続他動
運動を行う。これは、関節可動域訓練を主な目的とす
る。これらの従来技術にもとづく製品には、例えば、マ
ンソン社のL4Kがある。こうした装置には一般にリバ
ースオンロードという機能があり、モータなどの駆動源
にかかる負荷を監視して、高負荷時には肢体関節への過
負荷を避けるため、一時停止や運動方向を反転させる機
能がある。[0003] The technologies of the first group of the prior art are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 60-179062 and 60-232.
No. 158, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 61-170464, Japanese Patent Publication No. 4-1
According to the invention disclosed in each publication of No. 4028, etc., when the operating angle of the limb is set as a numerical value, a so-called continuous passive movement in which the patient's limb is exercised at a constant speed according to the angle is performed. This is intended primarily for range of motion training. Products based on these prior arts include, for example, Manson L4K. These devices generally have a function called reverse on-load, which monitors the load on the drive source such as a motor, and has the function of temporarily stopping or reversing the direction of movement to avoid overloading the limb joints at high load. .
【0004】従来技術の第2グループの技術は、例え
ば、特公昭57−44337号、特公平3−54587
号の各公報に開示された発明によると、他動運動の他に
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う。他動運動の場合、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させることができる。ま
た自動運動の場合、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。なお、これらの従来技術に基づく製品に
も、肢体と関節への負荷を監視する機能が一般的に付加
されている。この場合、ロボット工学におけるインピー
ダンス制御が適用される。インピーダンス制御では、動
作する部分の慣性と、粘性、弾性の仮想インピーダンス
モデルによる2次動力学モデルが設定され、負荷の大き
さに応じてそのモデルに追従して倣い動作が行なわれ
る。そのため、制御装置に設定される仮想インピーダン
スモデルと計測した負荷の大きさと方向とにしたがっ
て、あらかじめ入力しておいた機構部の軌道を負荷に倣
う方向に修正し、患者に過大な負荷がかからないように
なっている。[0004] The technology of the second group of the prior art is disclosed, for example, in JP-B-57-44337 and JP-B-3-54587.
According to the inventions disclosed in the above publications, automatic exercises such as isometric exercise, isotonic exercise, and constant-velocity exercise are performed in order to increase muscle strength and the like in addition to passive exercise. In the case of the passive exercise, if the operating angle is set as time-series data using so-called direct teaching means for directly moving the limb in addition to the previous angle input, the limb can be exercised according to the time-series data. Also, in the case of the automatic exercise, unlike the passive exercise in which the limb is moved by the device, the limb exercises by actively exerting a force. It should be noted that these products based on the prior art are also generally provided with a function of monitoring loads on limbs and joints. In this case, impedance control in robotics is applied. In the impedance control, a secondary dynamic model is set based on a virtual impedance model of inertia, viscosity, and elasticity of an operating part, and a copying operation is performed according to the model according to the magnitude of a load. Therefore, in accordance with the virtual impedance model set in the control device and the magnitude and direction of the measured load, the trajectory of the previously input mechanism is corrected to follow the load, so that an excessive load is not applied to the patient. It has become.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ところが、第1グルー
プの従来技術の場合には、リバースオンロード機能が働
く負荷のしきい値以下では関節可動域訓練を実施できる
が、そのしきい値以上の負荷がかかる場合には動作を反
転するために、目標の関節可動域まで装置の動作が到達
せず目標とする関節可動域訓練が実施できない。また、
そのしきい値はほとんどの場合変更することができない
か、変更できても、しきい値をあげれば肢体への急激な
過負荷防止ができないため肢体に痛みが発生するなど、
いずれにしても訓練に不都合である。However, in the case of the prior art of the first group, joint range-of-motion training can be performed when the load on which the reverse on-load function operates is below the threshold. When a load is applied, the operation is reversed, and the operation of the apparatus does not reach the target joint movable range, so that the target joint movable range training cannot be performed. Also,
In most cases, the threshold value cannot be changed, or even if it can be changed, raising the threshold value will not prevent sudden overload on the limb, causing pain in the limb,
In any case, it is inconvenient for training.
【0006】また、第2グループの従来技術の場合に
は、いくつかの考案にはインピーダンス制御機能が組み
込まれ、過負荷を防止することができる。これは、肢体
からの負荷の大きさに応じて装置の動作軌道のずれを発
生させることで実現している。しかし、この機能が、今
後は関節可動域訓練や筋肉のストレッチ訓練を実施する
には問題となる。通常、健常者の場合には肢体の剛性は
小さく、肢体が柔らかくなっているが、一方、患者の場
合には関節や筋肉が固く、肢体の剛性が大きい傾向にあ
る。これより、装置からみた肢体の剛性(関節の固さや
筋肉の固さの総合されたもの)がある程度存在している
限り、目標とする関節可動域に到達できない、あるいは
目標とする筋肉のストレッチができないことになる。以
上のことから、かつ、目標の関節可動域まで装置の動作
が到達せず目標とする関節可動域訓練および筋肉に定常
的な負荷をかけるストレッチ訓練を実施することを両立
させて実施することが、従来技術では実現できなかっ
た。ところが前記の従来技術は、いずれのグループも、
肢体への急激な過負荷を防止しつつ、関節可動域訓練と
筋肉のストレッチ訓練をするには不十分であった。In the case of the second group of the prior art, an impedance control function is incorporated in some of the devices to prevent overload. This is realized by generating a shift in the operation trajectory of the device according to the magnitude of the load from the limb. However, this function will be a problem in performing joint range of motion training and muscle stretching training in the future. Normally, the stiffness of the limb is small and the limb is soft in a healthy person, while the joints and muscles are stiff in the patient and the stiffness of the limb tends to be large. As a result, as long as the stiffness of the limb viewed from the device (total of joint stiffness and muscle stiffness) exists to some extent, it is not possible to reach the target joint movable range, or the target muscle stretch You can't. From the above, it is possible to implement both the target range of joint exercise training and the stretch training for applying a steady load to the muscles while the operation of the device does not reach the target joint range of motion. However, it cannot be realized by the prior art. However, in the above-mentioned conventional technology, both groups
It was not enough for joint range-of-motion training and muscle stretching training while preventing sudden overloading of the limbs.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
め、本発明の肢体駆動装置は、患者の肢体を支えて運動
させる機構部と、その機構部に設けられて患者の肢体に
かかる負荷を計測する負荷計測手段と、前記機構部が動
作してたどる軌道を予め設定する軌道設定手段と、その
軌道設定手段に設定された設定軌道を前記負荷計測手段
から得られる前記負荷の大きさと方向に沿って修正する
軌道修正手段と、を有する肢体駆動装置において、前記
軌道修正手段は、前記負荷計測手段の負荷情報を受ける
と、前記機構部が駆動する負荷の仮想慣性、仮想粘性、
仮想剛性でなる2次系動力学モデルまたは仮想粘性、仮
想剛性でなる1次系動力学モデルの何れかと、積分項の
演算をする演算器とを持つ仮想インピーダンスモデルを
用いて位置偏差を求め、前記軌道設定手段の軌道情報に
その位置偏差を加算して軌道を修正することを特徴とす
る。また、本発明の肢体駆動装置の軌道設定手段は、機
構部の教示によって軌道が設定され、その教示中は前記
仮想インピーダンスモデルの仮想剛性と前記積分項のゲ
インが0に設定されることを特徴とする。さらに、本発
明の肢体駆動装置は、仮想インピーダンスモデルを演算
する際は、前記積分項の演算をする前記演算器の後段に
リミッタを設けて演算し、或いは、前記積分項の演算を
する前記演算器の後段に、予め設定された軌道と実際の
軌道とのずれに応じて前記演算器の演算結果を調整する
積分量調整部を設けるとともに、実際の軌道があらかじ
め設定した軌道の近傍に近づけば、1より小さい数を前
記演算結果に乗じて調整し、或いは、前記積分項の演算
をする前記演算器の積分ゲインは、あらかじめ設定され
た軌道と実際の軌道とのずれに応じて変化させるととも
に、実際の軌道があらかじめ設定した軌道の近傍に近づ
くにしたがって前記積分ゲインを漸近的に0に近づける
ことを特徴とする。上記手段により、肢体への急激な過
負荷を防止しながら、目標の関節可動域まで装置の動作
が到達せず目標とする関節可動域訓練、および筋肉に定
常的な負荷をかけるストレッチ訓練を実施する肢体駆動
装置を提供できる。また、インピーダンスモデルに積分
項を挿入して構成した場合にも、目標とする関節可動域
をオーバーシュートして肢体を駆動する危険性がない肢
体駆動装置を提供できる。In order to solve the above-mentioned problems, a limb driving device according to the present invention includes a mechanism for supporting and exercising a limb of a patient, and a load provided on the mechanism and applied to the limb of the patient. Load measuring means for measuring the trajectory, a trajectory setting means for presetting a trajectory that the mechanism section operates, and a magnitude and direction of the load obtained from the load measuring means by a set trajectory set in the trajectory setting means. Trajectory correction means for correcting along, the trajectory correction means, when receiving the load information of the load measurement means, the virtual inertia of the load driven by the mechanism unit, virtual viscosity,
A position deviation is obtained by using a virtual impedance model having either a secondary system dynamic model composed of virtual rigidity or a virtual viscous primary system dynamic model composed of virtual rigidity, and an arithmetic unit for calculating an integral term, The trajectory is corrected by adding the position deviation to the trajectory information of the trajectory setting means. The trajectory setting means of the limb driving device according to the present invention is characterized in that the trajectory is set by the teaching of the mechanism section, and during the teaching, the virtual stiffness of the virtual impedance model and the gain of the integral term are set to 0. And Further, when calculating the virtual impedance model, the limb driving device of the present invention performs a calculation by providing a limiter at a stage subsequent to the calculator for calculating the integration term, or the calculation for calculating the integration term. In the latter stage of the vessel, an integral amount adjusting unit for adjusting the operation result of the computing unit according to the deviation between the preset trajectory and the actual trajectory is provided, and if the actual trajectory approaches the vicinity of the preset trajectory. Multiplying the calculation result by a number smaller than 1, or adjusting the integration gain of the calculator for calculating the integration term, while changing the integration gain in accordance with the difference between a preset trajectory and an actual trajectory; The integral gain is asymptotically approached to zero as the actual trajectory approaches the vicinity of a preset trajectory. By means of the above means, while preventing sudden overload on the limb, the target joint range of motion training where the operation of the device does not reach the target joint range of motion and stretching training to apply a steady load to the muscles are implemented Limb driving device can be provided. Also, even when the integral model is inserted into the impedance model, it is possible to provide a limb driving device that does not have a risk of driving the limb by overshooting the target movable range of the joint.
【0008】[0008]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて説明する。図1は本発明の実施例の主な構成を
示すブロック図である。図において7は治療や訓練を行
う患者の下肢であり、1は下肢7を動かす機構部であ
る。機構部1は、基部2と、駆動軸3A、3B、3C
と、その間をつなぐリンク4A、4Bと、下肢7を把持
する把持部6と、負荷計測手段5とからなる。駆動軸3
A、3B、3Cにはモータと減速機、角度・角速度検出
器が内蔵されており、減速機を介しモータによって駆動
される。モータまたは駆動するリンクの角度または角速
度は角度・角速度検出器によって検出される。下肢7に
かかる負荷は負荷計測手段5によって計測され、その負
荷情報fは負荷センサアンプ8に送られて、増幅された
負荷情報Fが軌道修正部9へ送られる。軌道修正部9で
は、その内部に設定された仮想インピーダンスモデル
と、教示された軌道があらかじめ記憶されている軌道設
定部10の軌道情報Xtと、負荷情報Fとをもとに軌道
を修正し、修正軌道X0が制御装置11に送られる。制
御装置11は、駆動軸3A、3B、3Cに内蔵されたモ
ータを駆動するサーボアンプと、駆動軸3A、3B、3
Cに内蔵された角度・角速度検出器の信号を受けて機構
部1が修正軌道Xoの通りに動作するようサーボアンプ
に指令を与える制御器を備えている。こうして、機構部
1の全構成要素を使い、下肢7を修正軌道X0に沿うよ
う駆動する。なお、軌道設定部10には、機構部1の先
端すなわち把持部6の位置と姿勢の時系列データ、ある
いは駆動軸3A、3B、3Cにおける角度の時系列デー
タ、あるいは下肢7の各関節の曲げ角度を機構部1から
教示軌道情報tとして受け取り、時系列データとしてそ
の教示軌道情報tがあらかじめ記憶されている。その時
系列データとは、運動の始めから終わりまでの運動周期
をひとつのパターンとして記憶したもので、そのパター
ンをある回数繰り返すことによって治療が行われる。な
お、軌道設定部10が軌道情報を機構部1の実際の動作
情報である教示軌道情報tとして得る代わりに、軌道修
正部9から制御装置11へ伝えられる修正軌道X0を得
ても良い。したがって、どちらかにより軌道情報を得る
ことができる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a main configuration of an embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 7 denotes a lower leg of a patient who performs treatment or training, and 1 denotes a mechanism for moving the lower leg 7. The mechanism 1 includes a base 2 and drive shafts 3A, 3B, 3C.
And links 4A and 4B connecting them, a gripper 6 for gripping the lower limb 7, and load measuring means 5. Drive shaft 3
A, 3B, and 3C have built-in motors, reduction gears, and angle / angular velocity detectors, and are driven by the motors via the reduction gears. The angle or angular velocity of the motor or the link to be driven is detected by an angle / angular velocity detector. The load applied to the lower limb 7 is measured by the load measuring unit 5, the load information f is sent to the load sensor amplifier 8, and the amplified load information F is sent to the trajectory correction unit 9. The trajectory correction unit 9 corrects the trajectory based on the virtual impedance model set therein, the trajectory information Xt of the trajectory setting unit 10 in which the taught trajectory is stored in advance, and the load information F, Fixed trajectory X 0 is sent to the control unit 11. The control device 11 includes a servo amplifier that drives a motor built in the drive shafts 3A, 3B, and 3C, and the drive shafts 3A, 3B, and 3C.
A controller is provided which receives a signal from an angle / angular velocity detector built in C and gives a command to a servo amplifier so that the mechanism section 1 operates according to the corrected trajectory Xo. Thus, using all the components of the mechanism portion 1, then drives along the leg 7 to the modified trajectory X 0. The trajectory setting unit 10 includes time-series data of the position and orientation of the tip of the mechanism unit 1, that is, the gripper 6, time-series data of angles on the drive shafts 3A, 3B, and 3C, or bending of each joint of the lower limb 7. The angle is received from the mechanism unit 1 as the taught trajectory information t, and the taught trajectory information t is stored in advance as time-series data. The time-series data is obtained by storing a movement cycle from the beginning to the end of the movement as one pattern, and the treatment is performed by repeating the pattern a certain number of times. Instead of the trajectory setting unit 10 is obtained as the teach orbit information t is the actual operation information mechanism 1 orbit information may be obtained a modified trajectory X 0 delivered from the track correction unit 9 to the control device 11. Therefore, the trajectory information can be obtained by either of them.
【0009】次に、軌道修正部9について図2を用いて
説明する。図中、21はインピーダンスモデルを演算す
るインピーダンスモデル演算部であり、22は加算器で
ある。軌道修正部9が負荷センサアンプ8から負荷情報
Fをうけると、インピーダンスモデル演算部21によっ
て軌道修正のための位置偏差ΔXが計算される。この位
置偏差ΔXと軌道情報Xtとが加算器22で加算される
と、図示しない飽和防止用のリミッタを通じて、修正さ
れた軌道Xoが出力される。Next, the trajectory correction unit 9 will be described with reference to FIG. In the figure, reference numeral 21 denotes an impedance model calculation unit for calculating an impedance model, and 22 denotes an adder. When the trajectory correction unit 9 receives the load information F from the load sensor amplifier 8, the impedance model calculation unit 21 calculates a position deviation ΔX for trajectory correction. When the position deviation ΔX and the trajectory information Xt are added by the adder 22, the corrected trajectory Xo is output through a limiter (not shown) for preventing saturation.
【0010】ここで、本発明の特徴を表わしているイン
ピーダンスモデル演算部21について説明する。従来、
インピーダンスモデルには、慣性M、粘性B、剛性Kの
いわゆる2次動力学モデルが使用されている。これに対
し、本発明では、その2次モデルに新規に積分項が加え
られている。負荷情報Fを入力とし、位置偏差ΔXを出
力とした時、これらの関係は(1)式であらわされる。
ただし、以下は周波数領域で表わしたもので、積分ゲイ
ンをHとしている。 ΔX(s)=F(s)/{Ms2+Bs+K+H/s} (1) このとき、修正された軌道Xoは(2)式のようにな
る。 Xo(s)=Xt(s)+ΔX(s) (2) ここで、Xtは教示軌道である。従来の仮想インピーダ
ンスモデルを使うと、負荷Fに対し、慣性M、粘性B、
剛性Kのいわゆる機械系の2次モデルに沿って過渡的な
応答を行なうことができる。このため、リハビリ装置の
場合は患者の肢体への負荷に対し柔らかくならう動作を
実現していた。ところが、定常状態のときは仮想剛性K
の大きさにもとづくF/Kという位置偏差が残るため、
目標とする関節可動域まで把持部6の位置が到達せず、
関節可動域訓練が十分に行なえなかった。これに対し、
本発明の仮想インピーダンスモデルでは、積分項H/s
を加えたことにより、いわゆる制御理論における内部モ
デル原理により、一定の大きさの負荷Fに対し、位置偏
差を0にすることができる。一方、それ以外の急激に変
動する負荷に対しては、位置偏差を0にする必要はな
く、むしろ従来どおりの、負荷に対し柔らかくならう動
作を実現できるのである。ここで、上記は治療動作中の
機構部1の動作について説明したが、機構部1の動作を
教示する場合は、剛性Kと積分項のゲインを0に設定
し、かつ、制御系が不安定にならないように粘性項を小
さい値に設定すると、機構部1はフリーに動くようにな
るので、肢体を把持した状態で自由に動作を教示でき
る。このときの軌道が時系列データとして、軌道設定部
10に記憶される。Here, an explanation will be given of the impedance model calculating section 21 representing the feature of the present invention. Conventionally,
As the impedance model, a so-called secondary dynamic model of inertia M, viscosity B, and rigidity K is used. On the other hand, in the present invention, an integral term is newly added to the secondary model. When the load information F is input and the position deviation ΔX is output, these relations are expressed by equation (1).
However, the following is expressed in the frequency domain, and the integral gain is set to H. ΔX (s) = F (s) / {Ms 2 + Bs + K + H / s} (1) At this time, the corrected trajectory Xo is as shown in equation (2). Xo (s) = Xt (s) + ΔX (s) (2) Here, Xt is a teaching trajectory. Using the conventional virtual impedance model, the inertia M, viscosity B,
A transient response can be performed along a second-order model of a mechanical system having a rigidity K. For this reason, in the case of the rehabilitation device, an operation of softening the load on the limb of the patient has been realized. However, in the steady state, the virtual rigidity K
Because the position deviation of F / K based on the size of
The position of the gripper 6 does not reach the target joint movable range,
I couldn't do enough range of motion training. In contrast,
In the virtual impedance model of the present invention, the integral term H / s
Is added, the position deviation can be set to 0 for a load F of a fixed magnitude by the internal model principle in the control theory. On the other hand, it is not necessary to set the position deviation to 0 for other rapidly changing loads, and rather, it is possible to realize the conventional operation of softening the load. Here, the operation of the mechanism unit 1 during the treatment operation has been described. However, when teaching the operation of the mechanism unit 1, the rigidity K and the gain of the integral term are set to 0, and the control system is unstable. When the viscosity term is set to a small value so as not to cause the movement, the mechanism unit 1 moves freely, so that the movement can be freely taught while holding the limb. The trajectory at this time is stored in the trajectory setting unit 10 as time-series data.
【0011】次に、仮想インピーダンスモデルを離散系
として演算する場合のインピーダンスモデル演算器21
の構成について図3を用いて説明する。図において、3
1は位置偏差Xの前回、前前回の値Xp、Xppを演算
する演算器、32はその演算結果と負荷情報Fを受ける
と図に示す関数を演算する演算器、33は積分項の演算
をする演算器、34は入力値の大きさを制限する飽和防
止リミッタ、35は加算器、36は図に示す関数を演算
する演算器、37は除算器である。この構成で、まず、
位置偏差Xの前回、前前回の値Xp、Xppが演算器3
1で計算されると、演算器32では、その計算結果と、
負荷情報F、インピーダンスモデルの係数M、B、K、
制御周期Tとを用いて図に示す計算が行われる。また、
演算器33が位置偏差をうけて積分項の計算を行い、計
算結果αを出力すると、飽和防止リミッタ34で飽和が
点検され、その点検結果が出力される。飽和防止リミッ
タ34と演算器32の出力は加算器35で加算されると
加算結果βが得られる。一方、演算器36でインピーダ
ンスモデルの係数M、B、K、Hと制御周期Tをもとに
図に示す関数が演算されると定数γが得られる。2つの
計算結果β、γを受けると除算器37ではβ/γの計算
が行われ、最終的に軌道修正のための位置偏差ΔXが計
算される。なお、ここでは便宜上位置偏差ΔXを位置偏
差Xと表わしている。また、qはいわゆる離散系で用い
られるシフトオペレータである。なお、演算器31、3
3の入力となっている位置偏差と、除算器37の出力と
なっている位置偏差ΔXは等しい量である。制御ブロッ
クを簡単化するため図示していないが、位置偏差ΔXが
フィードバックされ、形式上は演算器31、33にそれ
ぞれ入力される。ただし、実際には、位置偏差Xは演算
器31、33で過去の偏差量に変換されるため、位置偏
差ΔXが直接計算に用いられるわけではない。Next, an impedance model calculator 21 for calculating a virtual impedance model as a discrete system.
Will be described with reference to FIG. In the figure, 3
1 is a calculator for calculating the previous and previous values Xp, Xpp of the position deviation X, 32 is a calculator for calculating the function shown in the figure when receiving the calculation result and the load information F, and 33 is for calculating the integral term. , A saturation prevention limiter for limiting the magnitude of the input value, 35 an adder, 36 a calculator for calculating the function shown in the figure, and 37 a divider. With this configuration, first,
The previous and previous values Xp and Xpp of the position deviation X are calculated by the arithmetic unit 3
When the calculation is performed at 1, the calculation unit 32 calculates the calculation result,
Load information F, coefficients M, B, K of the impedance model,
The calculation shown in the figure is performed using the control cycle T. Also,
When the computing unit 33 receives the position deviation and calculates the integral term and outputs the calculation result α, the saturation is checked by the saturation prevention limiter 34, and the check result is output. When the outputs of the saturation prevention limiter 34 and the arithmetic unit 32 are added by the adder 35, an addition result β is obtained. On the other hand, when the function shown in the figure is calculated by the calculator 36 based on the coefficients M, B, K, H of the impedance model and the control period T, a constant γ is obtained. Upon receiving the two calculation results β and γ, the divider 37 calculates β / γ, and finally calculates the position deviation ΔX for orbit correction. Here, the position deviation ΔX is represented as the position deviation X for convenience. Further, q is a shift operator used in a so-called discrete system. The arithmetic units 31, 3
The position deviation input as 3 and the position deviation ΔX output from the divider 37 are equal. Although not shown for simplification of the control block, the position deviation ΔX is fed back and formally input to the calculators 31 and 33. However, in practice, the position deviation X is converted into past deviation amounts by the calculators 31 and 33, so that the position deviation ΔX is not directly used for the calculation.
【0012】ここで、演算器33と飽和防止リミッタ3
4の動作について補足説明する。演算器33では、そも
そも位置偏差が存在するときにその偏差を積分し、その
積分量にゲインをかけたものが出力されるが、実際のシ
ステムではメモリなどに制約があるため、無限に積分す
ることができない。その積分された量を制限するために
飽和防止リミッタ34が設けられているのである。この
制限の上限は、本発明を適用するシステムのメモリの制
約などにより適宜決めればよい。The arithmetic unit 33 and the saturation prevention limiter 3
The operation 4 is supplementarily described. When there is a position deviation in the first place, the arithmetic unit 33 integrates the deviation and outputs a value obtained by multiplying the integration amount by a gain. However, in an actual system, the integration is performed indefinitely because the memory and the like are limited. Can not do. An anti-saturation limiter 34 is provided to limit the integrated amount. The upper limit of this limit may be determined as appropriate according to the limitation of the memory of the system to which the present invention is applied.
【0013】次に、積分項の計算をする演算器33につ
いて図4を用いて説明する。図4は演算器33をその演
算内容と等価な演算器に置き換えたブロック図を示して
おり、41、44はシフトオペレータにより前回の値を
求める演算器、42は積分ゲインHと制御周期Tを用い
て図に示す演算をする演算器、43は加算器である。こ
のような構成をした演算器33が、位置偏差Xを入力す
ると演算器41でシフトオペレータqにより前回の値が
求められ、その値と積分ゲインH、制御周期Tとから図
に示す計算が行われる。加算器43では、その出力αか
ら演算器44のシフトオペレータで前回の値を計算した
結果と演算器42の計算結果とが加算されて出力αが得
られる。インピーダンスモデル演算部21と、そこで演
算される積分項の演算内容が上記のようになっているの
で、肢体にかかる急激な過負荷を防止することができ、
同時に、目標とする関節可動域訓練と筋肉に定常的な負
荷をかけるストレッチ訓練を実施することができるので
ある。Next, the calculator 33 for calculating the integral term will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a block diagram in which the computing unit 33 is replaced by a computing unit equivalent to the contents of the computation. Reference numerals 41 and 44 denote computing units for obtaining the previous value by the shift operator. Reference numeral 42 denotes an integral gain H and a control cycle T. An arithmetic unit 43 for performing the operation shown in the figure is used, and an adder 43 is used. When the arithmetic unit 33 having such a configuration inputs the position deviation X, the previous value is obtained by the shift operator q in the arithmetic unit 41, and the calculation shown in the figure is performed from the value, the integral gain H, and the control cycle T. Will be The adder 43 adds the result of the previous value calculation by the shift operator of the arithmetic unit 44 and the calculation result of the arithmetic unit 42 from the output α to obtain an output α. Since the impedance model calculation unit 21 and the calculation content of the integration term calculated there are as described above, it is possible to prevent a sudden overload on the limb,
At the same time, it is possible to perform a target range of motion exercise and a stretch exercise for applying a steady load to muscles.
【0014】次に本発明の第1の変形例を図5を用いて
説明する。その変形例とは、飽和防止リミッタ34に代
えて積分量の調整部38を設け、これによって演算器3
3の情報が調整される点が特徴である。積分量の調整部
38は、目標とする関節可動域に対し駆動される肢体の
位置のオーバーシュートを避けるために設けられてい
る。そもそも、積分項は、位置偏差が存在するときに、
その偏差を積分し、その積分量にゲインをかけたものを
積分量として出力とするのであるが、目標とする関節可
動域に十分近づいたときにも積分量は増加する一方であ
り、その関節可動域を超えてはじめて積分量が減少す
る。従って、従来は関節可動域に対するオーバーシュー
トが避けられなかった。そこでこの変形例では、図2の
位置偏差ΔXが十分小さくなった時を目標関節可動域に
十分近づいた時とし、この場合に、制御周期ごとに1よ
り小さい数を積分量に乗じて積分量を滑らかに減少させ
ることによって、積分量の調整を行なうようにしてい
る。なお、この場合、目標関節可動域に近い範囲を予め
設定し、その範囲内に入ったら、可動域との距離、すな
わち位置偏差ΔXに応じて1から0までの単調に減少す
る数を、積分量に乗じてもよい。Next, a first modification of the present invention will be described with reference to FIG. In the modified example, an adjustment unit 38 for an integral amount is provided in place of the saturation prevention limiter 34, and thereby the arithmetic unit 3
3 is adjusted. The integration amount adjusting unit 38 is provided to avoid overshoot of the position of the limb driven with respect to the target joint movable range. In the first place, the integral term, when there is a position deviation,
The deviation is integrated, and the integrated value multiplied by the gain is output as the integral amount.The integral amount is increasing even when the target joint movable range is sufficiently approached. The integration amount decreases only after the range of motion is exceeded. Therefore, conventionally, overshoot to the movable range of the joint has been unavoidable. Therefore, in this modified example, the time when the position deviation ΔX in FIG. 2 becomes sufficiently small is regarded as the time when the target joint movable range is sufficiently approached. In this case, the integral amount is multiplied by a number smaller than 1 every control cycle. Is smoothly reduced to adjust the integral amount. In this case, a range close to the target joint movable range is set in advance, and when the range falls within the range, the distance from the movable range, that is, the number monotonically decreasing from 1 to 0 according to the position deviation ΔX is integrated. You may multiply the quantity.
【0015】次に本発明の第2の変形例を図6を用いて
説明する。その変形例とは、演算器36の積分ゲインH
を可変にする操作36Cを設け、この操作によって目標
関節可動域に対する肢***置のオーバーシュートを回避
することができるようにした点が特徴である。目標関節
可動域に対し、積分ゲインHを十分近い範囲をあらかじ
め設定しておくと、この範囲外では、積分ゲインHは予
め設定した値を保ち、操作36Cは何もしない。一方、
その範囲内では、図2の位置偏差ΔXに応じて、操作3
6Cにより積分ゲインHを漸近的に小さくする。このと
き、位置偏差ΔXに対して、予め設定した積分ゲインH
の値から0まで単調に減少するような関数を設定してお
き、これに応じて積分ゲインHを調整する。Next, a second modification of the present invention will be described with reference to FIG. The modification refers to the integral gain H of the arithmetic unit 36.
Is characterized in that an operation 36C is provided to vary the distance between the limbs and the target joint movable range. When a range in which the integral gain H is sufficiently close to the target joint movable range is set in advance, outside this range, the integral gain H maintains the preset value and the operation 36C does nothing. on the other hand,
Within the range, the operation 3 is performed according to the position deviation ΔX in FIG.
6C, the integral gain H is asymptotically reduced. At this time, with respect to the position deviation ΔX, a preset integral gain H
A function that monotonically decreases from the value of 0 to 0 is set, and the integral gain H is adjusted accordingly.
【0016】次に本発明の第3の変形例を図7を用いて
説明する。その変形例とは、演算器42の積分ゲインH
を可変にする操作42Cを設け、この操作によって目標
関節可動域に対する肢***置のオーバーシュートを回避
することができるようにした点が特徴である。目標関節
可動域に対して十分近い範囲をあらかじめ設定しておく
と、この範囲外では積分ゲインHは予め設定した値を保
ち、操作42Cは何もしない。一方、その範囲内では、
図2の位置偏差量ΔXに応じて、操作42Cにより積分
ゲインHを漸近的に小さくする。このとき、位置偏差Δ
Xに対して、予め設定した積分ゲインHの値から0まで
単調に減少するような関数を設定しておき、これに応じ
て積分ゲインHを調整する。これら、いずれの変形例に
よっても、第1実施例と同様に肢体にかかる急激な過負
荷を防止することができ、同時に、目標とする関節可動
域訓練と筋肉に定常的な負荷をかけるストレッチ訓練を
実施することができるのである。Next, a third modification of the present invention will be described with reference to FIG. The modification refers to the integral gain H of the arithmetic unit 42.
Is provided with an operation 42C that makes it possible to avoid overshooting of the limb position with respect to the target joint movable range by this operation. If a range sufficiently close to the target joint movable range is set in advance, outside this range, the integral gain H keeps a preset value and the operation 42C does nothing. On the other hand, within that range,
According to the position deviation amount ΔX in FIG. 2, the integral gain H is asymptotically reduced by the operation 42C. At this time, the position deviation Δ
For X, a function that monotonically decreases from a preset value of the integral gain H to 0 is set, and the integral gain H is adjusted accordingly. In any of these modified examples, similar to the first embodiment, it is possible to prevent a sudden overload on the limb, and at the same time, to perform a target range of motion exercise and a stretch exercise for applying a steady load to muscles. Can be implemented.
【0017】次に、負荷計測手段5の実施例のいくつか
を以下に示す。これには例えば、患者の肢体にかかる負
荷を計測する手段として、図1で示したように、把持部
6の根元に力センサを備えることで患者の肢体から装置
への負荷を計測することができる。また、図示していな
いが、別の手段として、図1の機構部1の各駆動軸3
A、3B、3Cにトルクセンサを備え、把持部6の位置
と姿勢情報から、患者の肢体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に示した
アームの各軸に備えたモ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ことができる。ま
た、図示していないが、別の手段として、図1に示した
アームに設けた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
の肢体から装置への負荷を計測することができる。ま
た、図示していないが、別の手段として、図1の駆動さ
れる肢体の主要な筋肉の筋電情報と、そのときの肢体の
各関節の角度情報とから、患者の肢体から装置への負荷
を計測することができる。また、図示していないが、別
の手段として、図1の駆動される肢体の主要な筋肉のふ
くらみの大きさと、そのときの肢体の各関節の角度情報
とを計測することで、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から装置への負
荷をより精密に計測することができる。これはたとえ
ば、各出力に重みをつけて加算することで実現できる。Next, some embodiments of the load measuring means 5 will be described below. For example, as shown in FIG. 1, as a means for measuring the load applied to the patient's limb, it is possible to measure the load applied to the device from the patient's limb by providing a force sensor at the base of the grip 6. it can. Although not shown, each drive shaft 3 of the mechanism 1 shown in FIG.
A, 3B, and 3C are provided with torque sensors, and the load on the device from the patient's limb can be measured from the position and posture information of the gripper 6. As another means, the load on the device from the patient's limb can be measured by using the current value of the motor provided on each axis of the arm shown in FIG. Although not shown, as another means, a so-called disturbance observer using the current value of each motor and the speed information of each motor provided on the arm shown in FIG. Can be measured. Although not shown, as another means, the electromyographic information of the main muscles of the driven limb in FIG. 1 and the angle information of each joint of the limb at that time are used to convert the patient's limb to the device. The load can be measured. Although not shown, as another means, by measuring the size of the bulge of the main muscles of the driven limb in FIG. 1 and the angle information of each joint of the limb at that time, the limb of the patient is measured. Can measure the load on the device. Further, as another means, the load on the device from the patient's limb can be measured more precisely by combining the above measuring means. This can be realized, for example, by weighting and adding each output.
【0018】なお、本発明の装置は、関節組織または筋
肉またはじん帯またはその他の関節組織の治療を一般に
対象とするものであって、実施例で示したような股関節
と膝関節の関節や筋肉等の組織の治療を対象とするもの
に限定されるものではなく、肢体の各部の関節や筋肉に
容易に適用できるものである。また、前記実施例では、
駆動軸3A、3B、3Cのモータに電気式モータを用い
ることを想定していたが、本発明によるとこれに限られ
ることはなく、油圧式サーボ駆動手段や空気圧式サーボ
駆動手段を用いても同様な効果が得られる。The apparatus of the present invention is generally intended for treating joint tissues or muscles, ligaments or other joint tissues, and includes the joints and muscles of the hip and knee joints as shown in the embodiments. The present invention is not limited to the treatment of the above tissue, but can be easily applied to joints and muscles of various parts of the limb. In the above embodiment,
Although it is assumed that an electric motor is used for the motors of the drive shafts 3A, 3B, and 3C, the present invention is not limited to this, and hydraulic servo drive means and pneumatic servo drive means may be used. Similar effects can be obtained.
【0019】[0019]
【発明の効果】以上述べたように、本発明の肢体駆動装
置は、患者の肢体にかかる負荷を計測する負荷計測手段
と、負荷の大きさと方向に沿って設定軌道を修正する軌
道修正手段とを備え、肢体への急激な過負荷を防止しな
がら、目標とする関節可動域訓練、および筋肉に定常的
な負荷をかけるストレッチ訓練を実施するので、肢体へ
の急激な過負荷を防止しながら関節可動域訓練・筋肉の
ストレッチ訓練を実施するには不十分であるという従来
の問題と、訓練をする際に目標関節可動域を越えて肢体
がオーバーシュートするという従来の問題を解決できる
という効果がある。As described above, the limb driving apparatus according to the present invention comprises a load measuring means for measuring a load applied to a limb of a patient, and a trajectory correcting means for correcting a set trajectory along the magnitude and direction of the load. With the aim of performing a range of motion exercise that aims at the target and a stretching exercise that applies a steady load to the muscles while preventing sudden overload on the limb, it is possible to prevent sudden overload on the limb The effect of being able to solve the conventional problem of insufficient joint range of motion training and muscle stretching training and the conventional problem of limb overshoot beyond the target joint range of motion during training There is.
【図1】本発明の実施例の主な構成を示すブロック図FIG. 1 is a block diagram showing a main configuration of an embodiment of the present invention.
【図2】軌道修正部の構成を示すブロック図FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a trajectory correction unit.
【図3】インピーダンスモデル演算部の構成を示すブロ
ック図FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of an impedance model calculation unit.
【図4】積分項の構成を示すブロック図FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of an integral term.
【図5】インピーダンスモデル演算部の第1変形例FIG. 5 is a first modified example of the impedance model calculation unit.
【図6】インピーダンスモデル演算部の第2変形例FIG. 6 is a second modification of the impedance model calculation unit.
【図7】積分項の変形例FIG. 7 is a modified example of the integral term.
1 機構部 2 基部 3A、3B、3C 駆動軸 4A、4B リンク 5 負荷計測手段 6 把持部 7 下肢 8 負荷センサアンプ 9 軌道修正部 10 軌道設定部 11 制御装置 21、21B、21C インピーダンスモデル演算部 22、35、43 加算器 31、32、33、35、36、36B、41、42、
42B、44 演算器 34 飽和防止リミッタ 37 除算器 38 積分量の調整部Reference Signs List 1 mechanism part 2 base part 3A, 3B, 3C drive shaft 4A, 4B link 5 load measuring means 6 gripping part 7 lower limb 8 load sensor amplifier 9 trajectory correction unit 10 trajectory setting unit 11 control device 21, 21B, 21C impedance model calculation unit 22 , 35, 43 Adders 31, 32, 33, 35, 36, 36B, 41, 42,
42B, 44 Operation unit 34 Saturation prevention limiter 37 Divider 38 Integral amount adjustment unit
Claims (5)
その機構部に設けられて患者の肢体にかかる負荷を計測
する負荷計測手段と、前記機構部が動作してたどる軌道
を予め設定する軌道設定手段と、その軌道設定手段に設
定された設定軌道を前記負荷計測手段から得られる前記
負荷の大きさと方向に沿って修正する軌道修正手段と、
を有する肢体駆動装置において、 前記軌道修正手段は、前記負荷計測手段の負荷情報を受
けると、前記機構部が駆動する負荷の仮想慣性、仮想粘
性、仮想剛性でなる2次系動力学モデルまたは仮想粘
性、仮想剛性でなる1次系動力学モデルの何れかと、積
分項の演算をする演算器とを持つ仮想インピーダンスモ
デルを用いて位置偏差を求め、前記軌道設定手段の軌道
情報にその位置偏差を加算して軌道を修正することを特
徴とする肢体駆動装置。1. A mechanism for supporting and exercising a limb of a patient,
A load measuring unit provided in the mechanism unit for measuring a load applied to the limb of the patient, a trajectory setting unit for presetting a trajectory that the mechanism unit operates, and a set trajectory set in the trajectory setting unit. Trajectory correcting means for correcting along the size and direction of the load obtained from the load measuring means,
In the limb driving device having the following, when the trajectory correction means receives the load information of the load measurement means, the secondary system dynamic model or virtual kinetic or virtual stiffness of the load driven by the mechanism unit is obtained. A position deviation is obtained using a virtual impedance model having one of a primary system dynamic model consisting of viscosity and virtual stiffness and a calculator for calculating an integral term, and the position deviation is calculated in the trajectory information of the trajectory setting means. A limb driving device characterized by correcting the trajectory by adding.
よって軌道が設定され、その教示中は前記仮想インピー
ダンスモデルの仮想剛性と前記積分項のゲインが0に設
定されることを特徴とする請求項1記載の肢体駆動装
置。2. The trajectory setting means sets a trajectory according to the teaching of the mechanism section, and during the teaching, sets the virtual stiffness of the virtual impedance model and the gain of the integral term to zero. The limb driving device according to claim 1.
際は、前記積分項の演算をする前記演算器の後段にリミ
ッタを設けて演算することを特徴とする請求項1記載の
肢体駆動装置。3. The limb driving device according to claim 1, wherein when calculating the virtual impedance model, a limiter is provided at a stage subsequent to the calculator that calculates the integral term.
に、予め設定された軌道と実際の軌道とのずれに応じて
前記演算器の演算結果を調整する積分量調整部を設ける
とともに、実際の軌道があらかじめ設定した軌道の近傍
に近づけば、1より小さい数を前記演算結果に乗じて調
整することを特徴とする請求項1記載の肢体駆動装置。4. An integration amount adjusting unit which adjusts a calculation result of the arithmetic unit according to a deviation between a preset trajectory and an actual trajectory is provided at a subsequent stage of the arithmetic unit for calculating the integral term. 2. The limb driving device according to claim 1, wherein if the actual trajectory approaches the vicinity of a preset trajectory, the number is adjusted by multiplying the result by a number smaller than one.
ゲインは、あらかじめ設定された軌道と実際の軌道との
ずれに応じて変化させるとともに、実際の軌道があらか
じめ設定した軌道の近傍に近づくにしたがって前記積分
ゲインを漸近的に0に近づけることを特徴とする請求項
1記載の肢体駆動装置。5. An integral gain of said arithmetic unit for calculating said integral term is changed according to a difference between a predetermined orbit and an actual orbit, and an actual orbit is set near a predetermined orbit. The limb driving device according to claim 1, wherein the integral gain is asymptotically approached to zero as the distance approaches.
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- 1998-12-28 JP JP37384798A patent/JP4247727B2/en not_active Expired - Fee Related
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