JP2005348779A - 運動機能回復訓練システム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明に係る運動機能回復訓練システムは、より一層高い安全性を確保すること、少ないサポートで高い回復効果を期待できること、より一層実感覚に近い力学的感覚を伝えることを目的とする。
【解決手段】 本発明に係る運動機能回復訓練システムの代表的な構成は、患者の運動機能を回復させる訓練を行うための運動機能回復訓練システムであって、訓練を行う患者に合わせた訓練プログラムを選択するＳＷボックス１と、ほぼ一定速度で駆動するモータ８からクラッチ９を介して駆動を伝達することで患者に力学的感覚を伝える３次元力学的感覚提示手段２と、患者の３次元の位置、運動を検知するセンサ３と、訓練プログラムの画像及び患者の位置、運動に基づいた画像を表示するモニタ４と、訓練プログラムを行った訓練結果を次の訓練プログラムにフィードバックするフィードバック手段５と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、患者の運動機能を回復させる訓練を行うための運動機能回復訓練システムに関するものである。

従来、運動機能改善を目的としたリハビリテーションに有用な、速く正確な運動をリラックスした状態で行うことのできる機能の回復を効果的に実現させることのできる、運動訓練装置がある（特許文献１参照）。

また、コンピュータによって形成された画像や、ロボットを媒体とした実際に存在する世界と、電気粘性流体の波動抵抗とを実時間で連動させ、力学的感覚を操作者に呈示する仮想現実システムが提案されている（特許文献２参照）。

特許第３１２００６５号公報 国際公開第９６／０２８８７号パンフレット

しかしながら、近年、人間が扱う機械等は、故障や制御不良により人間に危害を加えないように、より高い安全性を確保することが求められている。特に、前述の従来例は、患者が操作するものであり、より一層高い安全性が求められる。

また、患者自ら訓練を進めることができ、療法士のサポートをなるべく必要としないが、患者の運動機能の回復は促進できることが求められている。

さらに、患者により一層、実感覚に近い力学的感覚を伝えることも求められている。

そこで本発明に係る運動機能回復訓練システムは、より一層高い安全性を確保すること、少ないサポートで高い回復効果を期待できること、より一層実感覚に近い力学的感覚を伝えることを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る運動機能回復訓練システムの第１の構成は、患者の運動機能を回復させる訓練を行うための運動機能回復訓練システムであって、訓練を行う患者に合わせた訓練プログラムを選択するプログラム選択手段と、ほぼ一定速度で駆動する駆動手段からクラッチを介して駆動を伝達することで患者に力学的感覚を伝える３次元力学的感覚提示手段と、患者の３次元の位置、運動を検知する運動検知手段と、前記訓練プログラムの画像及び患者の位置、運動に基づいた画像を表示する画像表示手段と、前記訓練プログラムを行った訓練結果を次の訓練プログラムにフィードバックするフィードバック手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る運動機能回復訓練システムの第２の構成は、第１の構成の運動機能回復訓練システムであって、前記クラッチは、電気粘性流体クラッチ又は磁気粘性流体クラッチであることを特徴とする。

また、本発明に係る運動機能回復訓練システムの第３の構成は、第１又は第２の構成の運動機能回復訓練システムであって、患者の上肢の運動機能を回復させる訓練を行うための運動機能回復訓練システムであって、前記３次元力学的感覚提示手段は、患者の上肢に力学的感覚を伝え、前記運動検知手段は、患者の上肢の位置、運動を検知することを特徴とする。

また、本発明に係る運動機能回復訓練システムの第４の構成は、第３の構成の運動機能回復訓練システムであって、前記３次元力学的感覚提示手段は、患者の上肢を支える仮想下面の力学的感覚を伝えることを特徴とする。

また、本発明に係る運動機能回復訓練システムの第５の構成は、第１乃至第４のいずれかの構成の運動機能回復訓練システムであって、前記３次元力学的感覚提示手段に所定以上の力が加わった際に、運動機能回復訓練システムを緊急停止する緊急停止手段を有することを特徴とする。

また、本発明に係る運動機能回復訓練システムの第６の構成は、第１乃至第５のいずれかの構成の運動機能回復訓練システムであって、前記フィードバック手段は、前記訓練結果から患者の運動機能回復の程度を評価し、運動機能回復の程度に合わせて次の訓練プログラムを選択することを特徴とする。

また、本発明に係る運動機能回復訓練システムの第７の構成は、第１乃至第６のいずれかの構成の運動機能回復訓練システムであって、前記フィードバック手段は、前記訓練結果から患者の運動機能回復の程度を評価、提示することを特徴とする。

また、本発明に係るグリップの構成は、患者の運動機能を回復させる訓練を行う運動機能回復訓練システムにおいて患者が操作するグリップであって、アーム先端に取り付けられ、１点で交わる３つの自由回転軸あるいは回転機構を有することを特徴とする。

また、本発明に係るロボットアームの第１の構成は、患者の運動機能を回復させる訓練を行う運動機能回復訓練システムにおいて患者が操作するロボットアームであって、上下方向を長手方向とした回動軸と、該回動軸に一端を回動自在に取り付けた第１及び第２フレームと、該第１及び第２のフレームのそれぞれの他端に回動自在に取り付けた上下方向を長手方向とした第３のフレームとからなる平行リンクと、前記グリップを先端に設け、前記第３のフレームに支持され、 前記平行リンクの変形により上下方向に移動可能なアームと、を有することを特徴とする。

また、本発明に係るロボットアームの第２の構成は、第１の構成のロボットアームであって、前記平行リンクの変形により上下方向に移動可能なアームの水平面内における回転運動を３次元的な空間リンクにより行わせる機構を有することを特徴とする。

本発明に係る運動機能回復訓練システムの第１、第２の構成において、駆動手段をほぼ一定速度で駆動するようにしたことにより、駆動手段の制御を行う必要がなく、かかる制御不良による駆動手段の暴走を回避することができる。その結果、コンピュータの暴走やセンサの故障等によって運動機能回復訓練システムが暴走しても、その最大速度は制限され、人間等との衝突時の運動エネルギーも規定できるため、定量的に安全の確保が可能になる。また、最大速度の制限により、安全システムの動作時間の確保、操作者の退避時間の確保も可能となる。

また、クラッチを介して駆動を伝達することにより、患者に加わる力を制限することができるとともに、患者に加わる質量がクラッチから患者までの部分の質量となり患者に加わる力を小さくすることができる。これにより、故障や制御不良による危険性をおさえるとともに、患者に加わる最大の力を小さくすることができ、より高い安全性を確保することができる。

また、運動機能回復訓練システムの第３の構成にあっては、より高い安全性を必要とする患者の頭部に近い範囲で行う訓練においても、十分な安全性を確保することができる。

また、運動機能回復訓練システムの第４の構成により、患者が上肢の自重を支える負担を軽減することで、無理なく長時間の訓練が可能になり、運動機能の回復を促進することができる。

また、運動機能回復訓練システムの第５の構成により、故障や制御不良を即座に検知してシステムを停止することができ、より高い安全性を確保することができる。

また、運動機能回復訓練システムの第６の構成により、療法士の手を煩わせることなく、患者自ら訓練を進めることができる。

また、運動機能回復訓練システムの第７の構成により、患者の訓練を行う意欲を高め、回復を促進することができる。

また、本発明に係るグリップの構成により、正確な力の伝達を実現することができ、患者に実感覚に近い３次元の力学的感覚を伝えることができる。

また、本発明に係るロボットアームの第１の構成により、重力によるモーメントの影響を無くし、重力補償のためのトルクを発生させることなく全ての姿勢に対して重力補償がされ、任意の姿勢でバランスをとることができる。

また、本発明に係るロボットアームの第２の構成により、バックドライブ性を向上させることができると共に、摩擦の低減を実現できる。

図により本発明に係る運動機能回復訓練システムの実施形態を具体的に説明する。

（運動機能回復訓練システムの構成）
まず、本発明に係る運動機能回復訓練システムの構成について説明する。図１は本発明に係る運動機能回復訓練システムの概略構成図、図２は３次元力学的感覚提示手段の構成図、図３は３次元力学的感覚提示手段及び運動検知手段のブロック図である。図１、図２に示すように、患者の運動機能を回復させる訓練を行うための運動機能回復訓練システムは、プログラム選択手段であるＳＷボックス１、３次元力学的感覚提示手段２、運動検知手段であるセンサ３、画像表示手段であるモニタ４、フィードバック手段５、コンピュータ６、緊急停止手段７から構成されている。

ＳＷボックス１は、選択ボタンと入力ボタンを備え、選択ボタンを押すことでカーソルを移動して患者に合わせた訓練プログラムを選び、入力ボタンを押すことでその訓練プログラムを選択する。

図２に示すように、３次元力学的感覚提示手段２は、駆動手段であるモータ８、クラッチ９、ロボットアーム10から構成されている。３次元力学的感覚提示手段２は、ほぼ一定速度で駆動（回転）するモータ８からクラッチ９を介して駆動を伝達することで患者の上肢に３次元の力学的感覚を伝える。

図３に示すように、モータ８、クラッチ９、センサ３は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸（ロボットアーム10の回動軸）にそれぞれ設けられており、グリップ11を３次元で操作（移動）でき、グリップ11の３次元の動きを検知できる。

モータ８の回転速度は、減速機を介して減速されて、クラッチ９において20ｒｐｍ以下、好ましくは10ｒｐｍになるようなほぼ一定の回転速度に設定されている。クラッチ９からロボットアーム10の回動軸へ伝わる回転の回転速度が20ｒｐｍの時、後述するグリップ11の移動速度は１ｍ／ｓとなる。同様に、クラッチ９からロボットアーム10の回動軸へ伝わる回転の回転速度が10ｒｐｍの時、グリップ11の移動速度は人の上肢の速度と同等の０.５ｍ／ｓとなる。

モータ８として、直流モータ、誘導モータ、超音波モータ、パルスモータ等の様々なモータを使用できる。直流モータでは、一定電圧を印加することにより、逆起電力と印加電圧がバランスする近傍において回転速度は変動するが、ほぼ一定の回転速度とすることができる。誘電モータでは、一定の周波数の交流を印加することにより、すべり速度の範囲内で回転速度は変動するが、ほぼ一定の回転速度とすることができる。超音波モータでは、一定の信号を与え続けることにより、ほぼ一定の回転速度とすることができる。パルスモータでは、一定の周期のパルスを印加することにより、ほぼ一定の回転速度とすることができる。

これらのモータは、サーボモータに比べて安価であり、センサ、コントローラを必要としないため、かかるモータを用いることで運動機能回復訓練システムの製造コストをおさえることができる。

尚、モータ８として、DCサーボモータ、ACサーボモータ等を用い、ロータリーエンコダー、レソルバ、タコジェネレータ等のセンサ情報をフィードバックすることにより、速度をほぼ一定に制御する方法もある。この場合は、上記直流モータ、誘導モータ、超音波モータ、パルスモータ等を用いる場合と較べて、速度の変動は一般に小さくなるという利点がある。一方、モータが高価である、センサーおよびコントローラーを必要とするというコスト上の欠点、およびセンサーやコントローラの故障および配線の断線等によるモータの暴走の可能性があるという欠点も有する。しかしながら、かかるDCサーボモータ、ACサーボモータ等の制御は、回転速度をほぼ一定とする制御であり、モータの暴走の可能性は低く、高い安全性を確保することができる。

クラッチ９は、電気粘性流体106を注入された電気粘性（ＥＲ）流体クラッチである。電気粘性流体クラッチは、フランジ127（127ａ、127ｂ）に形成された深溝126（126ａ、126ｂ）に円筒電極123（123ａ、123ｂ）を挿入し、その隙間に電気粘性流体106を注入した構成となっている。クラッチ９は、円筒電極123により電気粘性流体106に印加される電圧を変化することで電気粘性流体106の抵抗を変化させ、モータ８の出力トルクを変化させて伝達している。尚、クラッチ９は、電気粘性流体クラッチに限定されるものではなく、磁気粘性（ＭＲ）流体クラッチ、磁性流体クラッチ、パウダークラッチ等のクラッチであってもよい。

ここで、電気粘性流体とは、電場によってレオロジー特性を変えることのできる流体をいい、近年はＥＲ流体（エレクトロ・レオロジー流体）と呼ばれることが多い。また、磁気粘性流体とは、磁場によってレオロジー特性を変えることのできる流体であって、ＭＲ流体（マグネト・レオロジー流体）と呼ばれることが多い。

例えば、モータ８によって、上下のフランジ127ａ、127ｂを同一速度で回転させると、上下の円筒電極123ａ、123ｂには、同じ大きさで反対方向の回転力が発生し、ロボットアーム10の回動軸には、何の回転力も伝わらない。

次に、上の円筒電極123ａにのみ電圧を印加すると、上の深溝126ａに注入された電気粘性流体106の粘性が増大し、上の円筒電極123ａの回転力が弱くなる。ロボットアーム10の回動軸は、上下の電気粘性流体106の粘性抵抗の差に比例した回動力で回動する。逆に、下の円筒電極123ｂにのみ電圧を印加した場合には、ロボットアーム10の回動軸は逆方向に回動する。

このように、上下の円筒電極123に印加する電圧を制御することによって、ロボットアーム10の回動軸の回動方向、回転力を制御できる。

電気粘性流体106は、電気的に応答よくその粘性を変化する。このため、多くの機械部品を使用することなく、コンパクトで応答が速く、実感覚に近い３次元の力学的感覚を患者に伝えることができる。

図４はロボットアームの斜視図、図５はロボットアームを上側から見た模式図、図６はロボットアームを背面側から見た模式図である。図４に示すように、ロボットアーム10は、平行リンク12、アーム13、空間リンク（アーム13、回動軸19、40、支軸20ｂ、21ｂ、40ａ、フレーム20〜23）を備えている。平行リンク12は、上下方向（Ｚ軸方向）を長手方向とした回動軸19、第１〜第３のフレーム20、21、22を相互に回動自在に取り付けて、平行四辺形を形成している。

第１及び第２のフレーム20、21は、一端で、回動軸19に直交するように取り付けられた支軸20ｂ、21ｂを中心に垂直方向に回動可能に形成されている。第１及び第２のフレーム20、21は、回動軸19の回動に伴って水平方向に回動する。第１及び第２のフレーム20、21の一端には、カウンターウェイト20ａ、21ａが設けられている。カウンターウェイト20ａ、21ａは、第１及び第２のフレーム20、21の支軸20ｂ、21ｂを中心に平行リンク12、アーム13の自重を支えている。

第３のフレーム22は、回動軸19と平行になるように上下方向を長手方向として、第１及び第２のフレーム20、21の他端に回動自在に取り付けられている。第３のフレーム22の下端にアーム13が固定されている。また、アーム13は、平行リンク12の変形により、支軸20ｂ、21ｂを中心に上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能に構成されている。すなわち、第１及び第２のフレーム20、21の回動により、第３のフレーム22が上下方向（Ｚ軸方向）に移動することでアーム13も第３のフレーム22と同様に移動する。

アーム13は、一端でフレーム23に連結され、他端にグリップ11を着脱可能に取り付けている。図５（ａ）に示すように、フレーム23は、一端で連結部23ａを介してアーム13と連結し、他端で連結部23ｂを介して支軸40ａと連結している。支軸40ａは回動軸19と同軸上に設けられた回動軸40に取り付けられている。

そして、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示すように、回動軸19、40の回動により、支軸20ｂ、21ｂ、40ａを介して第１及び第２のフレーム20、21、フレーム23が常に平行に水平方向に回動軸19、40を中心として回動する。

また、連結部23ａはアーム13を首振り可能に連結しており、連結部23ｂは支軸40ａを首振り可能に連結している。これにより、回動軸40のみ回動し、支軸40ａを介してフレーム23をフレーム20、21と平行に移動することで、アーム13の先端のグリップ11が左右に移動する（図５（ｂ）、図５（ｃ）の一点鎖線、二点鎖線の状態）。

また、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、連結部23ａはアーム13を軸回転可能に連結しており、連結部23ｂは支軸40ａを軸回転可能に連結している。支軸20ｂ、21ｂ、40ａを中心として第１及び第２のフレーム20、21、フレーム23を常に平行に回動してフレーム22を上下方向に移動することで、アーム13を介してグリップ11を上下に移動する。

このように、ロボットアーム10に、平行リンク12の変形により上下方向に移動可能なアーム13の水平面内における回転運動を３次元的な空間リンクにより行わせる機構を設けた。３次元的な空間リンクは、アーム13、回動軸19、40、支軸20ｂ、21ｂ、40ａ、フレーム20〜23とにより形成されている。

これにより、歯車、ベルト等の駆動伝達機構を介してアーム13を移動する方法に比べて、駆動伝達における摩擦を低減することができ、ロボットアーム10のバックドライブ性を飛躍的に向上させることができる。ここで、バックドライブ性とは、負荷側から逆にアクチュエータ（クラッチ９、モータ８）側を回転させるあるいは動かす際の、回転させ易さあるいは動かし易さの度合いをいう。そして、クラッチ９として、電気粘性（ＥＲ）流体クラッチ、磁気粘性（ＭＲ）流体クラッチを用いることで、３次元力学的感覚提示手段２のバックドライブ性を向上させることができる。

図７はグリップの構成図である。図７に示すように、グリップ11は、患者が操作する部分であり、外フレーム14、内フレーム15、１対のスライド部材16、回転軸17、把持部18から構成されている。

外フレーム14は、Ｕ字状（半円形）に形成され、アーム13の先端に着脱可能に取り付けられている。内フレーム15は、円形に形成され、中心点を挟んで対向する２点で、外フレーム14の両端14ａに回転可能に軸支されている。すなわち、内フレーム15は、この対向する２点を結ぶ直線を中心として回転可能となっている。

スライド部材16は、内フレーム15内に対向して設けられ、内フレーム15に沿って円周方向にスライド可能に形成されている。回転軸17は、スライド部材16に両端を回転可能に軸支されている。把持部18は、回転軸17の中央かつアーム13の延長線上に固定されており、患者が把持して３６０°回転自在に操作可能に形成されている。

尚、グリップは上記構成に限定されるものではなく、アーム先端に取り付けられ、１点で交わる３つの自由回転軸あるいは回転機構を有するものであればよい。図８、図９は他のグリップの構成図である。

図８に示すように、グリップ11に変えてグリップ29を用いることもできる。グリップ29は、１対のスライド部材16を内フレーム15に固定し、回転軸17の軸方向が内フレーム15の回転軸に直交するように構成したものである。

これにより、スライド部材16をスライド可能とするベアリングが不要となり、グリップの構造を簡略化して、軽量化、低コスト化を図ることができる。また、軽量化により運動機能回復訓練システムの安全性を高めることもできる。

また、図９に示すように、グリップ11に変えてグリップ30を用いることもできる。グリップ30は、グリップ30は、患者が操作する部分であり、第１フレーム31、第２フレーム32、回転軸33、把持部34から構成されている。

第１フレーム31は、１／４円の円弧状に形成され、その一端で、上下方向（Ｚ軸方向）を中心に回動可能に、アーム13の先端に着脱可能に支持されている。第２フレーム32は、１／４円の円弧状に形成され、その一端で、アーム13の長手方向と平行な回動軸を中心として回動可能に、第１フレーム31の他端に支持されている。回転軸33は、その一端で、第２フレーム32の他端にＺ軸方向及びアーム13の長手方向に直交する方向を中心に回動可能に支持されている。把持部34は、回転軸33の他端に固定されており、患者が把持して３６０°回転自在に操作可能に形成されている。

これにより、スライド部材16をスライド可能とするベアリングが不要となり、グリップの構造を簡略化して、軽量化、低コスト化を図ることができる。また、軽量化により運動機能回復訓練システムの安全性を高めることもできる。

さらに、グリップ30を、円形、Ｕ字状（半円形）のフレームを設けることなく、１／４円の円弧状のフレームにて構成したことにより、大きなリングが患者の視界を妨げることがなく、グリップ30を操作する際に、モニタ４を見やすくすることができる。

センサ３には、ロータリーエンコーダが用いられており、各回動軸等の回動を検出して、患者の上肢（グリップ10）の３次元の位置、運動を検知する。すなわち、センサ３により、各回動軸の角度、回転加速度を検出することで、グリップ11（患者の上肢）の３次元の位置、移動速度を検知する。

モニタ４は、訓練プログラムの画像及び患者の位置、運動に基づいた画像を表示する。

フィードバック手段５は、訓練プログラムを行った訓練結果を次の訓練プログラムにフィードバックする。すなわち、フィードバック手段５は、訓練結果から患者の運動機能回復の程度を評価し、運動機能回復の程度に合わせて次の訓練プログラムを選択する。また、フィードバック手段５は、訓練結果から患者の運動機能回復の程度を評価、提示する。評価、提示の方法としては、点数をモニタ４に表示したり、拍手等の効果音を出力する方法がある。

コンピュータ６は、フィードバック手段５、緊急停止手段７を備え、ＳＷボックス１、３次元力学的感覚提示手段２、センサ３、モニタ４に接続しており、運動機能回復訓練システムを制御している。すなわち、コンピュータ６は、ＳＷボックス１で選択する訓練プログラム及び、選択した訓練プログラムの画像を表示する信号をモニタ４へ送ること、患者に３次元の力学的感覚を伝えるために電気粘性流体106に印加する電圧を変えること、センサ３で検知した患者の動きを表示する信号をモニタ４へ送ること等を行っている。

また、コンピュータ６は、選択した訓練プログラムの設定によっては、患者の上肢を支える仮想下面の力学的感覚を伝えるように３次元力学的感覚提示手段２、モニタ４を制御することもできる。仮想下面を斜めに傾けたり、抵抗の有る下面として、患者の訓練に負荷をかけることもできる。

緊急停止手段７は、３次元力学的感覚提示手段２に所定以上の力が加わった際に、その所定以上の異常な力、速度等の情報をセンサ３から受け、かかる情報に基づいて、モータ８を停止したり、クラッチ９により力の伝達を切ったりすることで、運動機能回復訓練システムを緊急停止する。

（運動機能回復訓練システムによる訓練方法）
次に、運動機能回復訓練システムによる訓練方法について説明する。図10は運動機能回復訓練システムによる訓練方法を説明するフローチャート、図11は訓練プログラムの設定の説明図、図12は「壁画めくり」の訓練プログラムの説明図である。

図10に示すように、まず、患者が運動機能回復訓練を行うことができる体勢を整えた後、運動機能回復訓練システムの電源をＯＮにする（Ｓ１）。次に、ＳＷボックス１を用いて、モニタ４に患者名が表示されたリストから訓練を行う患者名を選択する（Ｓ２）。尚、患者名を選択する設定に変えて、患者名を直接入力する設定、バーコード、音声等で患者を認識する設定としてもよい。

次に、ＳＷボックス１を用いて、実行する訓練プログラムを選択する（Ｓ３）。図11に示すように、この訓練プログラムには、「壁画めくり」、「迷路」等のプログラムがあり、粘性抵抗の強弱、壁間隔等のパラメータを変更することで、訓練プログラムの設定（運動の強度、難易度）を変更可能となっている。このため、予め、患者毎に訓練プログラムを患者に合わせた設定として記憶させておくことができる。

選択した訓練プログラムが開始し、患者はプログラムに従って訓練を行う（Ｓ４）。例えば、「壁画めくり」の訓練プログラムでは、図12（ａ）に示すように、壁画が描かれた正面の壁24と、この正面の壁を囲む上左右の３枚の壁25〜27と、床面28がモニタ４に表示される。患者は、グリップ11を正面の壁24に当たるように押し込んだ状態で、正面の壁24に沿って動かす。グリップ11の動きを検知したセンサ３からグリップ11の位置、運動の情報の信号がコンピュータ６に送られ、グリップ11の軌道に沿って、薄いベールで隠してある壁画が現れてくる。１枚の壁画の所定の割合（例えば80％）、所定の場所（絵が描かれた部分）等をめくるといった目標をクリアすることで、次にめくる壁画が現れ、患者は次々と壁画をめくっていく。訓練条件としては、５分間のタイムリミットで５ｃｍ毎に奥行方向に配置された６面の壁画をめくる等の様々な訓練条件を設定することができる。

訓練中は、異常停止の有無を判断している（Ｓ５）。異常停止した場合には、停止理由がトルクオーバーか否かを判断する（Ｓ６）。トルクオーバーである場合には、モニタ４にトルクオーバーの表示をして（Ｓ７）、全プログラムを完了するか否か選択する（Ｓ１８）。トルクオーバーでない場合には、停止理由が非常停止か否かを判断する（Ｓ８）。非常停止である場合には、モニタ４に非常停止の表示をし（Ｓ９）、ブザーを鳴らして療法士に異常を知らせ（Ｓ１０）、訓練を終了する（Ｓ１９）。非常停止でない場合には、システム異常と判断して、モニタ４にシステム異常の表示をし（Ｓ１１）、ブザーを鳴らして療法士に異常を知らせ（Ｓ１２）、訓練を終了する（Ｓ１９）。

異常停止がない場合には、訓練を中止するか否かを選択する（Ｓ１３）。訓練を中止した場合には、モニタ４に訓練中止の表示をして（Ｓ１４）、全プログラムを完了するか否か選択する（Ｓ１８）。

訓練を中止しない場合には、タイムオーバーか否かを判断している（Ｓ１５）。所定時間、グリップ11の動きが検知されない場合には、タイムオーバーと判断して、モニタ４にタイムオーバーの表示をして（Ｓ１６）、全プログラムを完了するか否か選択する（Ｓ１８）。

タイムオーバーでないと判断された場合には、訓練プログラムが正常終了したか否かを判断する（Ｓ１７）。正常終了していない場合には、Ｓ４に戻り上記のシーケンスを繰り返す（Ｓ４〜Ｓ１７）。

訓練プログラムが正常終了した場合には、全プログラムを完了するか否か選択する（Ｓ１８）。全プログラムを完了した場合には、訓練終了の表示を行う。この際、正常終了した場合には、訓練結果を表示し、フィードバック手段５により患者の運動機能回復の程度を評価、提示する（Ｓ１９）。

例えば、「壁画めくり」の訓練プログラムでは、図12（ｂ）に示すように、消去した壁画の枚数、訓練終了にかかった時間等を表示する。また、以前に行った訓練の結果、試行回数等も合わせて表示することで、運動機能の回復具合を評価、提示することができる。

全プログラムを完了しない場合には、次のプログラムに進む選択を行い（Ｓ２０）、次の訓練を開始する（Ｓ２１、Ｓ４〜Ｓ２１）。この際、前のプログラムを正常終了した場合には、次の訓練の開始前に、フィードバック手段５により前の訓練の結果を表示し、フィードバック手段５により患者の運動機能回復の程度を評価、提示する。

療法士は、訓練の結果にもとづいて、訓練プログラムの設定（運動の強度、難易度）を変更して、次回行う訓練プログラムの設定を記憶させておくことができる。

（運動機能回復訓練システムを用いた訓練による運動機能回復の評価）
図１３は運動機能回復訓練システムを用いた訓練による運動機能回復の評価を示す図である。図１３の字句は、以下の意味を示す、SIAS(脳卒中機能障害評価法)、Knee-mouth test(膝・口テスト)、Finger-function test(手指テスト)、U/E muscle tone(上肢筋緊張)、U/E DTR(bi ceps or triceps) (上肢深部けん反射)、U/E light touch(上肢軽触覚)、U/E position(上肢位置覚)、UEDA 12段階法 (上田式12段階法)、Modified Ashworth test(改良型アシュワーステスト)、9 hole peg test９穴式ペッグテスト、STEF 金子式簡易上肢機能検査、10 seconds test(10秒テスト)、MMT(徒手筋力テスト)、Del toid (三角筋)、bi ceps(二頭筋)、wrist extension(肘伸展)、wrist flexion(手首屈曲)、ROM(関節可動域)、Shoulder flexion (肩屈曲)、Shoulder extension(肩伸展)、Shoulder abduction(肩外転)、Shoulder adduction(肩内転)、Shoulder external rotation(肩外旋)、Shoulder internal rotation(肩内旋)、Elbow flexion (肘屈曲)、Elbow extension(肘伸展)、wrist flexion(手首屈曲)、wrist extension(手首伸展)、grip strength (握力)、Fugl-Meyer (フューガル・マイヤーテスト)、WMFT（WolfMotor Function Test）。

図１３に示すように、本実施形態の運動機能回復訓練システム（上肢運動訓練支援システム）を用いて、二人の脳血管障害による片麻痺患者Ａ、Ｂに１回40分、週に3回、６週間（合計１８回）に渡り訓練を行い、その訓練前、訓練中（３週間後）、訓練後（６週間後）臨床評価を行った。

訓練はゲームを含む五つの訓練ソフト（壁画めくり、迷路、軌道追跡、ストラックアウト、ホッケーゲーム）を利用し、この五つの順番は予め決めておくが、患者さんのやりたい訓練ソフトがあればその意志に従う等の融通性を持たせた。5分ぐらいで訓練ソフトを変え、途中休憩をはさみ、又疲れた場合には適宜休憩をしてもらうようにした。

訓練の効果の判定は、装置に組み込まれたセンサー、タイマー、判定手段等により、訓練装置に搭載された方法で、片麻痺患者Ａ、Ｂの運動機能障害やＡＤＬ障害などに対する改善効果があるかどうか（学習の汎化可能性）をみるために、各種臨床評価を行った。

臨床評価項目として、SIAS（Stroke Impairment Assessment Set；脳卒中機能障害評価法）、MMT(筋力)、ROM（関節可動域）、片麻痺テスト、Fugl-Meyer score、Motricity Index、Wolf Motor Function Test、STEF、ADL(FIM)を評価した。ここでADLは患側の障害を健側で代償していることが多いため、変化を捉えにくい可能性がある。そこで、患側の上肢手指を実際の日常生活でどの程度使用しているかを評価する方法、すなわち「患側上肢使用度評価」を新たに作成し、評価項目とした。

患者Ａの臨床評価結果より、SIASの手指機能、Ｕ／Ｅ muscle tone １２段階評価法、徒手筋力評価法、Motricity index、ROMの一部（肩関節周り）、Fugl-Meyerスケール、日常生活上肢使用度評価等が向上している。特に１２段階評価法、Fugl-Meyerスケール、日常生活上肢使用度評価において大幅な向上が認められ、ADLが向上しているとの患者からのコメントと一致する。本発明の訓練メニューは主に機能障害に対する理学・作業療法的訓練であるが、結果的にはADLの向上につながるものといえる。

患者Ｂの最終結果より、SIASのＵ／Ｅ muscle tone、STEF、12段階評価法、徒手筋力評価法、10秒テスト、Fugl-Meyerスケール、日常生活上肢使用度評価で向上している。特に10秒テスト、Fugl-Meyerスケール、Motorcity index等で大きな向上が見られる。肩の動きがよくなったとの患者のコメントに対しては、STEF等の結果からそれが裏付けられている。

尚、本実施形態では、上肢の運動機能を回復させる訓練を行うための運動機能回復訓練システムについて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、下肢等の運動機能を回復させる訓練を行うための運動機能回復訓練システムであってもよい。

以上説明したように、モータ８をほぼ一定速度で回転するようにしたことにより、モータ８を制御する必要がなく、かかる制御不良によるモータ８の暴走を回避することができる。その結果、コンピュータの暴走やセンサの故障等によって運動機能回復訓練システムが暴走しても、その最大速度は制限され、人間等との衝突時の運動エネルギーも規定できるため、定量的に安全の確保が可能になる。また、最大速度の制限により、安全システムの動作時間の確保、操作者の退避時間の確保も可能となる。

尚、モータ８として、DCサーボモータ、ACサーボモータ等のモータを用い、ロータリーエンコダー、レソルバ、タコジェネレータ等のセンサ情報をフィードバックすることにより、回転速度をほぼ一定に制御する場合であっても、モータのフィードバック制御器、センサの故障等により、モータが暴走する確率は、システムがシンプルであるため非常に小さい。

一方、運動機能回復訓練システムにおいては、複数軸を同時に制御する必要があり、仮想の壁を表すモード、仮想の衝突感を表すモード、仮想の医師・療法士を実現するロボットモード、仮想の流体を表すモードなど種々の複雑なソフトを開発し、切り替えていく必要がある。

そして、モータ８におけるモータ単体の簡単な速度制御システムが暴走する確率は、上記リハシステムのソフトウエアのバグ等があった場合の暴走の確率と較べるとはるかに小さい。

以上からわかるように、DCサーボモータ、ACサーボモータ等のモータを用いてモータ８をほぼ一定速度で回転するように制御した場合でも、上述のごとく、モータ８を制御する必要がなく、かかる制御不良によるモータ８の暴走を回避することができ、システム全体の安全性を大きく向上させることができる。

また、クラッチ９を介して駆動を伝達することにより、患者に加わる力を制限することができるとともに、患者に加わる質量がクラッチ９から患者までの部分（ロボットアーム10）の質量となり患者に加わる力を小さくすることができる。これにより、故障や制御不良による危険性をおさえるとともに、患者に加わる最大の力を小さくすることができ、より高い安全性を確保することができる。

また、患者の上肢の運動機能を回復させる訓練のように、より高い安全性を必要とする患者の頭部に近い範囲で行う訓練においても、十分な安全性を確保することができる。

また、患者の上肢を支える仮想下面の力学的感覚を伝えることにより、患者が上肢の自重を支える負担を軽減することができ、無理なく長時間の訓練が可能になり、運動機能の回復を促進することができる。

また、３次元力学的感覚提示手段２に所定以上の力が加わった際に、運動機能回復訓練システムを緊急停止する緊急停止手段７を設けた。これにより、故障や制御不良を即座に検知してシステムを停止することができ、より高い安全性を確保することができる。

また、フィードバック手段５は、訓練結果から患者の運動機能回復の程度を評価し、運動機能回復の程度に合わせて次の訓練プログラムを選択する。これにより、療法士の手を煩わせることなく、患者自ら訓練を進めることができる。

また、フィードバック手段により、訓練結果から患者の運動機能回復の程度を評価、提示する。これにより、患者の訓練を行う意欲を高め、回復を促進することができる。

また、グリップ11を上述のごとく構成したことにより、正確な力の伝達を実現することができ、患者に実感覚に近い３次元の力学的感覚を伝えることができる。

また、ロボットアーム10にアーム13を上下方向に移動可能な平行リンク12を設けたことにより、重力によるモーメントの影響を無くし、重力補償のためのトルクを発生させることなく全ての姿勢に対して重力補償がされ、任意の姿勢でバランスをとることができる。

また、ロボットアーム10に平行リンク12の変形により上下方向に移動可能なアーム13の水平面内における回転運動を３次元的な空間リンクにより行わせる機構を設けたことにより、バックドライブ性を向上させることができると共に、摩擦の低減を実現できる。

本発明の活用例として、患者の運動機能を回復させる訓練を行うための運動機能回復訓練システムに適用可能である。

本実施形態に係る運動機能回復訓練システムの概略構成図である。 ３次元力学的感覚提示手段の構成図である。 ３次元力学的感覚提示手段及び運動検知手段のブロック図である。 ロボットアームの斜視図である。 ロボットアームを上側から見た模式図である。 ロボットアームを背面側から見た模式図である。 グリップの構成図である。 他のグリップの構成図である。 他のグリップの構成図である。 運動機能回復訓練システムによる訓練方法を説明するフローチャートである。 訓練プログラムの設定の説明図である。 訓練プログラムの説明図である。 運動機能回復訓練システムを用いた訓練による運動機能回復の評価を示す図である。

符号の説明

１…ＳＷボックス、２…３次元力学的感覚提示手段、３…センサ、４…モニタ、５…フィードバック手段、６…コンピュータ、７…緊急停止手段、８…モータ、９…クラッチ、10…ロボットアーム、11…グリップ、12…平行リンク、13…アーム、14…外フレーム、14ａ…両端、15…内フレーム、16…スライド部材、17…回転軸、18…把持部、19…回動軸、20…第１のフレーム、20ａ…カウンターウェイト、20ｂ…支軸、21…第２のフレーム、21ａ…カウンターウェイト、21ｂ…支軸、22…第３のフレーム、23…フレーム、23ａ、23ｂ…連結部、24…壁、25…壁、27…壁、28…床面、29…グリップ、30…グリップ、31…第１フレーム、32…第２フレーム、33…回転軸、34…把持部、40…回動軸、40ａ…支軸、106…電気粘性流体、123…円筒電極、126…深溝、127…フランジ

Claims (10)

1. 患者の運動機能を回復させる訓練を行うための運動機能回復訓練システムであって、
   訓練を行う患者に合わせた訓練プログラムを選択するプログラム選択手段と、
   ほぼ一定速度で駆動する駆動手段からクラッチを介して駆動を伝達することで患者に力学的感覚を伝える３次元力学的感覚提示手段と、
   患者の３次元の位置、運動を検知する運動検知手段と、
   前記訓練プログラムの画像及び患者の位置、運動に基づいた画像を表示する画像表示手段と、
   前記訓練プログラムを行った訓練結果を次の訓練プログラムにフィードバックするフィードバック手段と、を有することを特徴とする運動機能回復訓練システム。
2. 前記クラッチは、電気粘性流体クラッチ又は磁気粘性流体クラッチであることを特徴とする請求項１に記載の運動機能回復訓練システム。
3. 患者の上肢の運動機能を回復させる訓練を行うための運動機能回復訓練システムであって、
   前記３次元力学的感覚提示手段は、患者の上肢に力学的感覚を伝え、
   前記運動検知手段は、患者の上肢の位置、運動を検知することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の運動機能回復訓練システム。
4. 前記３次元力学的感覚提示手段は、患者の上肢を支える仮想下面の力学的感覚を伝えることを特徴とする請求項３に記載の運動機能回復訓練システム。
5. 前記３次元力学的感覚提示手段に所定以上の力が加わった際に、運動機能回復訓練システムを緊急停止する緊急停止手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の運動機能回復訓練システム。
6. 前記フィードバック手段は、前記訓練結果から患者の運動機能回復の程度を評価し、運動機能回復の程度に合わせて次の訓練プログラムを選択することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の運動機能回復訓練システム。
7. 前記フィードバック手段は、前記訓練結果から患者の運動機能回復の程度を評価、提示することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の運動機能回復訓練システム。
8. 患者の運動機能を回復させる訓練を行う運動機能回復訓練システムにおいて患者が操作するグリップであって、
   アーム先端に取り付けられ、１点で交わる３つの自由回転軸あるいは回転機構を有することを特徴とするグリップ。
9. 患者の運動機能を回復させる訓練を行う運動機能回復訓練システムにおいて患者が操作するロボットアームであって、
   上下方向を長手方向とした回動軸と、該回動軸に一端を回動自在に取り付けた第１及び第２フレームと、該第１及び第２のフレームのそれぞれの他端に回動自在に取り付けた上下方向を長手方向とした第３のフレームとからなる平行リンクと、
   前記グリップを先端に設け、前記第３のフレームに支持され、 前記平行リンクの変形により上下方向に移動可能なアームと、を有することを特徴とするロボットアーム。
10. 患者の運動機能を回復させる訓練を行う運動機能回復訓練システムにおいて患者が操作するロボットアームであって、
    前記平行リンクの変形により上下方向に移動可能なアームの水平面内における回転運動を３次元的な空間リンクにより行わせる機構を有することを特徴とする請求項９に記載のロボットアーム。

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