JP2015221073A - Rehabilitation apparatus, control method and control program - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To perform an optimum rehabilitation training according to the posture of a subject.SOLUTION: A rehabilitation apparatus comprises: operation means operated by a subject; operation amount detection means for detecting an operation amount of the operation means; drive means for driving the operation means; control means for controlling the drive of the drive means; posture detection means for detecting a posture of the subject; external force detection means for detecting an external force applied to the operation means; and display means for displaying an operation target position of the operation means. The control means calculates an operable ellipse which shows the operability of a body of the subject on the basis of the posture detected by the posture detection means, calculates the operation target position based on the operable ellipse, calculates a target value of the operation amount with respect to the operation means on the basis of the external force detected by the external force detection means and the operation target position, and controls the drive means so that the operation amount detected by the operation amount detection means follows the target value of the operation amount.

Description

本発明は、被験者の運動機能を回復させるリハビリテーションを行うためのリハビリテーション装置、制御方法及び制御プログラムに関するものである。   The present invention relates to a rehabilitation apparatus, a control method, and a control program for performing rehabilitation for recovering a subject's motor function.

運動機能が損なわれた人等は、リハビリテーションをすることにより運動機能の回復に努めることが行われ、そのようなリハビリテーションを適切に行うための様々な装置が開発されている。例えば、流体クラッチを介して駆動手段により負荷を被験者の上肢に与え、そのリハビリテーションを行う装置が知られている（特許文献１参照）。   A person who has impaired motor function tries to recover the motor function by performing rehabilitation, and various devices for appropriately performing such rehabilitation have been developed. For example, a device is known in which a load is applied to a subject's upper limb by a driving means via a fluid clutch and rehabilitation is performed (see Patent Document 1).

特開２００６−２４７２８０号公報JP 2006-247280 A

ところで、一般に被験者の身体運動にはその姿勢に応じて動作し難い方向が存在する。上記リハビリテーション装置においては、そのような被験者の姿勢を考慮していないため、その姿勢によっては、被験者に無理な負荷を強いるという問題が生じ得る。   By the way, in general, there is a direction in which the subject's physical movement is difficult to operate according to the posture. In the rehabilitation apparatus, since the posture of such a subject is not taken into consideration, there may be a problem that an excessive load is imposed on the subject depending on the posture.

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、被験者の姿勢に応じた最適なリハビリテーション訓練を行うことができるリハビリテーション装置、制御方法及び制御プログラムを提供することを主たる目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and a main object of the present invention is to provide a rehabilitation apparatus, a control method, and a control program capable of performing optimal rehabilitation training according to the posture of the subject. .

上記目的を達成するための本発明の一態様は、リハビリテーションの被験者によって操作される操作手段と、前記操作手段の操作量を検出する操作量検出手段と、前記操作手段を駆動する駆動手段と、前記駆動手段の駆動を制御する制御手段と、被験者の姿勢を検出する姿勢検出手段と、前記操作手段に作用する外力を検出する外力検出手段と、前記操作手段の操作目標位置を表示する表示手段と、を備えるリハビリテーション装置であって、 前記制御手段は、前記姿勢検出手段により検出された被験者の姿勢に基づいて、被験者の身体の可操作性を示す可操作楕円を算出し、該算出した可操作楕円に基づいて前記操作目標位置を算出すると共に、前記外力検出手段により検出された外力と、前記算出した操作目標位置と、に基づいて、前記操作手段に対する操作量の目標値を算出し、該算出した操作量の目標値に前記操作量検出手段により検出された操作量が追従するように前記駆動手段を制御する、ことを特徴とするリハビリテーション装置である。なお、この一態様において、前記可操作楕円は、可操作楕円体を含むものとする。
この一態様において、前記制御手段は、前記可操作楕円の長径及び短径の比率及び傾きを含む振幅の正弦波関数に基づいて前記表示手段の表示画面上における２次元座標系の前記操作目標位置を算出してもよい。
この一態様において、前記制御手段は、下記式を用いて前記表示手段における２次元座標系の操作目標位置ｐｆｉｎを算出してもよい。
この一態様において、前記制御手段は、前記表示手段における２次元座標系の原点と前記操作目標位置とを結ぶ仮想ガイドラインを生成し、該仮想ガイドラインの方向に対して低負荷となり、該仮想ガイドラインと垂直方向に対して高負荷となるアドミタンス制御を前記駆動手段に対して行ってもよい。
この一態様において、前記制御手段は、前記仮想ガイドラインの方向に対してスティッフネス定数及びダンピング定数のうち少なくとも一方を低く設定し、前記垂直方向に対してスティッフネス定数及びダンピング定数のうち少なくとも一方を高く設定したアドミタンス行列を用いて、前記操作手段に対する操作量の目標値を算出してもよい。
この一態様において、前記制御手段は、前記外力検出手段により検出された外力をグローバル座標系の外力に変換し、該変換した外力を前記仮想ガイドラインの回転角度に基づいて回転変換し、該回転変換した値を前記アドミタンス行列を用いた変換を行い、該変換した値を前記仮想ガイドラインの回転角度に基づいて逆回転変換を行い、該逆回転変換した値を逆キネマティクスを用いて変換を行い、前記操作手段に対する操作量の目標値を算出してもよい。
この一態様において、前記制御手段は、下記式を用いて前記操作手段に対する操作量の目標値θｒｅｆを算出してもよい。
この一態様において、前記制御手段は、前記操作量検出手段により検出された操作量に対応する前記表示手段上の現在位置が前記仮想ガイドラインから前記垂直方向に外れるに従がって、前記ダンピング定数及び／又はスティッフネス定数を徐々高く設定してもよい。
この一態様において、前記制御手段は、前記操作量検出手段により検出された操作量に対応する前記表示手段上の現在位置が前記可操作楕円の外側に出たと判断すると、ダンピング定数及び／又はスティッフネス定数を所定量増加させてもよい。
この一態様において、前記姿勢検出手段は、前記被験者の身体の各関節角度を検出し、 前記制御手段は、前記姿勢検出手段により検出された各関節角度と、前記身体のヤコビアン行列と、に基づいて前記可操作楕円を算出してもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、リハビリテーションの被験者によって操作される操作手段の操作量を検出するステップと、被験者の姿勢を検出するステップと、 前記操作手段に作用する外力を検出するステップと、前記操作手段の操作目標位置を表示するステップと、を含むリハビリテーション装置の制御方法であって、前記検出された被験者の姿勢に基づいて、被験者の身体の可操作性を示す可操作楕円を算出するステップと、該算出した可操作楕円に基づいて前記操作目標位置を算出するステップと、前記検出された外力と、前記算出した操作目標位置と、に基づいて、前記操作手段に対する操作量の目標値を算出するステップと、該算出した操作量の目標値に前記検出された操作量が追従するように前記操作手段を駆動する駆動手段を制御するステップと、を含む、ことを特徴とするリハビリテーション装置の制御方法であってもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、リハビリテーションの被験者の姿勢に基づいて、被験者の身体の可操作性を示す可操作楕円を算出する処理と、該算出した可操作楕円に基づいて操作目標位置を算出する処理と、被験者によって操作される操作手段の前記操作目標位置を表示する処理と、前記操作手段に作用する外力と、前記算出した操作目標位置と、に基づいて、前記操作手段に対する操作量の目標値を算出する処理と、該算出した操作量の目標値に前記操作手段の操作量が追従するように前記操作手段を駆動する駆動手段を制御する処理と、をコンピュータに実行させる、ことを特徴とするリハビリテーション装置の制御プログラムであってもよい。 One aspect of the present invention for achieving the above object is an operation means operated by a rehabilitation subject, an operation amount detection means for detecting an operation amount of the operation means, a drive means for driving the operation means, Control means for controlling the drive of the drive means, posture detection means for detecting the posture of the subject, external force detection means for detecting external force acting on the operation means, and display means for displaying the operation target position of the operation means The control means calculates an operable ellipse indicating the manipulability of the subject's body based on the posture of the subject detected by the posture detecting means, and the calculated controllability. While calculating the operation target position based on the operation ellipse, based on the external force detected by the external force detection means and the calculated operation target position, A rehabilitation comprising: calculating a target value of an operation amount for the operation unit; and controlling the driving unit so that the operation amount detected by the operation amount detection unit follows the calculated target value of the operation amount Device. In this aspect, the operable ellipse includes an operable ellipsoid.
In this one aspect, the control unit is configured to operate the target position of the two-dimensional coordinate system on the display screen of the display unit based on a sinusoidal function of amplitude including the ratio of the major axis and the minor axis of the operable ellipse and the inclination May be calculated.
In this aspect, the control means may calculate the operation target position p fin of the two-dimensional coordinate system in the display means using the following formula.
In this aspect, the control unit generates a virtual guideline that connects the origin of the two-dimensional coordinate system in the display unit and the operation target position, and has a low load with respect to the direction of the virtual guideline. Admittance control with a high load in the vertical direction may be performed on the driving means.
In this aspect, the control means sets at least one of a stiffness constant and a damping constant low with respect to the direction of the virtual guideline, and sets at least one of the stiffness constant and the damping constant with respect to the vertical direction. The target value of the operation amount for the operation means may be calculated using an admittance matrix set high.
In this aspect, the control unit converts the external force detected by the external force detection unit into an external force in a global coordinate system, and converts the converted external force based on the rotation angle of the virtual guideline. The converted value is converted using the admittance matrix, the converted value is subjected to reverse rotation conversion based on the rotation angle of the virtual guideline, the reverse rotation converted value is converted using reverse kinematics, A target value of an operation amount for the operation means may be calculated.
In this aspect, the control unit may calculate a target value θ ref of an operation amount for the operation unit using the following equation.
In this one aspect, the control unit is configured so that the current position on the display unit corresponding to the operation amount detected by the operation amount detection unit deviates from the virtual guideline in the vertical direction, and the damping constant And / or the stiffness constant may be set gradually higher.
In this aspect, when the control unit determines that the current position on the display unit corresponding to the operation amount detected by the operation amount detection unit is outside the operable ellipse, the damping constant and / or the stiffening The Ness constant may be increased by a predetermined amount.
In this aspect, the posture detection unit detects each joint angle of the body of the subject, and the control unit is based on each joint angle detected by the posture detection unit and the Jacobian matrix of the body. The operable ellipse may be calculated.
One aspect of the present invention for achieving the above object is to detect an operation amount of an operating means operated by a rehabilitation subject, a step of detecting a posture of the subject, and an external force acting on the operating means. And a step of displaying an operation target position of the operation means, the control method of the rehabilitation device, wherein the manipulability indicating the manipulability of the subject's body based on the detected posture of the subject An operation on the operation means based on the step of calculating an ellipse, the step of calculating the operation target position based on the calculated operable ellipse, the detected external force, and the calculated operation target position A step of calculating a target value of the amount, and driving the operation means so that the detected operation amount follows the calculated target value of the operation amount And a step of controlling the driving means to perform the control.
One aspect of the present invention for achieving the above object is to calculate an operable ellipse indicating the manipulability of the subject's body based on the posture of the subject in rehabilitation, and based on the calculated operable ellipse. Based on the processing for calculating the operation target position, the processing for displaying the operation target position of the operation means operated by the subject, the external force acting on the operation means, and the calculated operation target position. A process of calculating a target value of an operation amount for the means, and a process of controlling a driving means for driving the operation means so that the operation amount of the operation means follows the calculated target value of the operation amount. The control program of the rehabilitation apparatus characterized by performing may be sufficient.

本発明によれば、被験者の姿勢に応じた最適なリハビリテーション訓練を行うことができるリハビリテーション装置、制御方法及び制御プログラムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the rehabilitation apparatus, control method, and control program which can perform the optimal rehabilitation training according to a test subject's attitude | position can be provided.

本発明の一実施の形態に係るリハビリテーション装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a schematic system configuration of a rehabilitation apparatus according to an embodiment of the present invention. グリップレバー部の操作を示す図である。It is a figure which shows operation of a grip lever part. 本発明の一実施の形態に係る制御装置のアシスト制御系の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the assist control system of the control apparatus which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係るアドミタンス制御による効果を示す図である。It is a figure which shows the effect by the admittance control which concerns on one embodiment of this invention. 被験者の上肢を水平面内で横方向に回転動作させたときの、可操作楕円の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of an operable ellipse when a test subject's upper limb is rotated in the horizontal direction within a horizontal surface. 図５左端における腕姿勢（ａ）のときの仮想ガイドラインを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a virtual guideline in the arm posture (a) at the left end of FIG. 5. 図５右端における腕姿勢（ｂ）のときの仮想ガイドラインを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a virtual guideline in the arm posture (b) at the right end of FIG. 5. 本発明の一実施の形態に係るリハビリテーション装置の制御処理フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control processing flow of the rehabilitation apparatus which concerns on one embodiment of this invention.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係るリハビリテーション装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施の形態に係るリハビリテーション装置１は、被験者によって操作されるグリップレバー部２と、被験者の上肢の姿勢を撮影するカメラ３と、グリップレバー部２に操作トルクを付与する第１及び第２サーボモータ４、５と、グリップレバー部２の操作量を検出する第１及び第２回転センサ６、７と、グリップレバー部２に作用する外力を検出する力センサ８と、第１及び第２サーボモータ４、５を制御する制御装置９と、各種の操作情報を表示する表示装置１０と、を備えている。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic system configuration of a rehabilitation apparatus according to an embodiment of the present invention. The rehabilitation device 1 according to the present embodiment includes a grip lever portion 2 operated by a subject, a camera 3 that captures the posture of the upper limb of the subject, and first and second servos that apply operating torque to the grip lever portion 2. First and second rotation sensors 6 and 7 for detecting the operation amounts of the motors 4 and 5, the grip lever part 2, a force sensor 8 for detecting an external force acting on the grip lever part 2, and first and second servos A control device 9 for controlling the motors 4 and 5 and a display device 10 for displaying various operation information are provided.

グリップレバー部２は、操作手段の一具体例であり、被験者が上肢のリハビリテーションを行うために操作を行うものである（図２）。グリップレバー部２は、複数の関節部を有する多関節型のロボットアームとして構成されている。グリップレバー部２は、例えば、筺体２１と筺体２１に回転可能に設けられた第１関節軸２２と、第１関節軸２２に連結された第１リンク２３と、第１リンク２３に連結された第２関節軸２４と、第２関節軸２４に連結された第２リンク２５と、第２リンク２５の先端に連結され被験者が把持するハンドル２６と、を有している。   The grip lever part 2 is a specific example of the operation means, and is used by the subject to perform the rehabilitation of the upper limb (FIG. 2). The grip lever portion 2 is configured as an articulated robot arm having a plurality of joint portions. The grip lever portion 2 is, for example, a housing 21, a first joint shaft 22 rotatably provided on the housing 21, a first link 23 coupled to the first joint shaft 22, and a first link 23. It has the 2nd joint axis | shaft 24, the 2nd link 25 connected with the 2nd joint axis | shaft 24, and the handle | steering-wheel 26 connected with the front-end | tip of the 2nd link 25, and a test subject's grip.

第１リンク２３は第１関節軸２２を中心にして回転し、第２リンク２５は第２関節軸２４を中心にして回転する。この構成により、ハンドル２６は、２次元平面上の任意の位置に移動することができる。なお、上記グリップレバー部２の構成は一例であり、これに限らない。例えば、グリップレバー部２は３つ以上の関節部を有し、ハンドル２６が２次元平面あるいは３次元空間上の任意の位置に移動する構成であってもよい。被験者は、ハンドル２６を把持し、ハンドル２６を指示された方向に操作することで、リハビリテーション訓練を行う。   The first link 23 rotates about the first joint axis 22, and the second link 25 rotates about the second joint axis 24. With this configuration, the handle 26 can be moved to an arbitrary position on the two-dimensional plane. In addition, the structure of the said grip lever part 2 is an example, and is not restricted to this. For example, the grip lever portion 2 may have three or more joint portions, and the handle 26 may be moved to an arbitrary position on a two-dimensional plane or a three-dimensional space. The subject holds the handle 26 and performs rehabilitation training by operating the handle 26 in the designated direction.

第１及び第２回転センサ６、７は、操作量検出手段の一具体例であり、グリップレバー部２の操作量を検出する。第１回転センサ６は、グリップレバー部２の第１関節軸２２の回転角を検出する。第２回転センサ７は、グリップレバー部２の第２関節軸２４の回転角を検出する。第１及び第２回転センサ６、７は、例えば、ポテンショメータ、ロータリーエンコーダなどで構成されている。   The first and second rotation sensors 6 and 7 are a specific example of the operation amount detection means, and detect the operation amount of the grip lever portion 2. The first rotation sensor 6 detects the rotation angle of the first joint shaft 22 of the grip lever portion 2. The second rotation sensor 7 detects the rotation angle of the second joint shaft 24 of the grip lever portion 2. The 1st and 2nd rotation sensors 6 and 7 are constituted by a potentiometer, a rotary encoder, etc., for example.

第１及び第２回転センサ６、７はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器１１を介して制御装置９に接続されている。第１及び第２回転センサ６、７は、検出したグリップレバー部２の第１及び第２関節軸２２、２４の回転角に応じた回転角信号を制御装置９に出力する。   The first and second rotation sensors 6 and 7 are connected to the control device 9 via an A / D (analog / digital) converter 11. The first and second rotation sensors 6 and 7 output rotation angle signals corresponding to the detected rotation angles of the first and second joint shafts 22 and 24 of the grip lever portion 2 to the control device 9.

第１及び第２サーボモータ４、５は、駆動手段の一具体例であり、グリップレバー部２のハンドル２６に操作トルクを付与する機能を有している。第１サーボモータ４の駆動軸は、グリップレバー部２の第１関節軸２２に連結されている。第２サーボモータ５の駆動軸は、グリップレバー部２の第２関節軸２４に連結されている。第１及び第２サーボモータ４、５は、例えば、ＡＣ（交流式）サーボモータであり、減速機構を内蔵している。   The first and second servo motors 4 and 5 are specific examples of driving means, and have a function of applying an operation torque to the handle 26 of the grip lever portion 2. The drive shaft of the first servo motor 4 is connected to the first joint shaft 22 of the grip lever portion 2. The drive shaft of the second servo motor 5 is connected to the second joint shaft 24 of the grip lever portion 2. The first and second servo motors 4 and 5 are, for example, AC (alternating current) servo motors and have a built-in speed reduction mechanism.

第１及び第２サーボモータ４、５は、サーボアンプ１２及びＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換器１３を介して制御装置９に接続されている。第１及び第２サーボモータ４、５は制御装置９から送信される制御信号に応じて、第１及び第２関節軸２２、２４を介して、グリップレバー部２のハンドル２６にトルクを付与する。   The first and second servo motors 4 and 5 are connected to the control device 9 via a servo amplifier 12 and a D / A (digital / analog) converter 13. The first and second servo motors 4 and 5 apply torque to the handle 26 of the grip lever portion 2 via the first and second joint shafts 22 and 24 in accordance with a control signal transmitted from the control device 9. .

力センサ８は、外力検出手段の一具体例であり、被験者がグリップレバー部２を操作した際のハンドル２６に作用する外力を検出する。力センサ８は、例えば、グリップレバー部２のハンドル２６の根元に設けられている。力センサ８は、Ａ／Ｄ変換器１１を介して制御装置９に接続されている。力センサ８は、検出した外力に応じた力値信号を制御装置９に出力する。   The force sensor 8 is a specific example of the external force detection means, and detects an external force that acts on the handle 26 when the subject operates the grip lever portion 2. The force sensor 8 is provided at the base of the handle 26 of the grip lever portion 2, for example. The force sensor 8 is connected to the control device 9 via the A / D converter 11. The force sensor 8 outputs a force value signal corresponding to the detected external force to the control device 9.

カメラ３は、姿勢検出手段の一具体例であり、被験者がグリップレバー部２を操作する際の被験者の上肢の姿勢を撮影する。例えば、被験者の腕（手首関節、肘関節、肩関節など）には、複数の画像マーカＭが取付られている。カメラ３は、被験者の腕の各画像マーカＭを撮影する。カメラ３は、撮影した撮影画像を制御装置９に出力する。   The camera 3 is a specific example of posture detection means, and photographs the posture of the upper limb of the subject when the subject operates the grip lever unit 2. For example, a plurality of image markers M are attached to the subject's arm (wrist joint, elbow joint, shoulder joint, etc.). The camera 3 photographs each image marker M of the subject's arm. The camera 3 outputs the captured image to the control device 9.

制御装置９は、制御手段の一具体例であり、第１及び第２サーボモータ４、５を制御する。制御装置９は、力センサ８から出力された力値信号と、第１及び第２回転センサ６、７から出力される回転角信号と、に基づいて、第１及び第２サーボモータ４、５に対するトルク指令値（操作量の目標値）を算出する。制御装置９は、算出したトルク指令値に応じた制御信号を生成し、第１及び第２サーボモータ４、５に対して出力する。第１及び第２サーボモータ４、５は、制御装置９からの制御信号に応じてグリップレバー部２にトルクを付与する。   The control device 9 is a specific example of control means, and controls the first and second servo motors 4 and 5. Based on the force value signal output from the force sensor 8 and the rotation angle signals output from the first and second rotation sensors 6, 7, the control device 9 controls the first and second servomotors 4, 5. Torque command value (target value of manipulated variable) is calculated. The control device 9 generates a control signal corresponding to the calculated torque command value and outputs it to the first and second servomotors 4 and 5. The first and second servo motors 4 and 5 apply torque to the grip lever portion 2 in accordance with a control signal from the control device 9.

なお、制御装置９は、例えば、演算処理、制御処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）９ａ、ＣＰＵ９ａによって実行される演算プログラム、制御プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ９ｂ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）９ｃ、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ９ａ、メモリ９ｂ、及びインターフェイス部９ｃは、データバス９ｄなどを介して相互に接続されている。   The control device 9 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit) 9a that performs arithmetic processing, control processing, and the like, a ROM (Read Only Memory) or a RAM (Random) that stores arithmetic programs executed by the CPU 9a, control programs, and the like. The hardware is mainly configured by a microcomputer including a memory 9b including an access memory and an interface unit (I / F) 9c for inputting / outputting signals to / from the outside. The CPU 9a, the memory 9b, and the interface unit 9c are connected to each other via a data bus 9d.

表示装置１０は、表示手段の一具体例であり、被験者の操作に関する各種の操作情報を表示する。表示装置１０は制御装置９に接続されており、制御装置９から出力される情報に基づいて各種の操作情報を表示する。表示装置１０は、例えば、液晶ディスプレイ装置、有機ＥＬディスプレイ装置などで構成されている。   The display device 10 is a specific example of display means, and displays various types of operation information related to the operation of the subject. The display device 10 is connected to the control device 9 and displays various operation information based on information output from the control device 9. The display device 10 includes, for example, a liquid crystal display device, an organic EL display device, and the like.

表示装置１０は、例えば、制御装置９から出力されるグリップレバー部２のハンドルの現在位置に対応するターゲットマーク□と、被験者が操作目標とするターゲットマーク○と、を同時に表示画面上に２次元座標系で表示させる。このターゲットマーク○は、被験者の上肢のリハビリテーション訓練を行う上でのハンドル操作の目標位置となる。被験者は、表示装置１０の表示画面上に表示されたターゲットマーク□を、そのトラッキング課題であるターゲットマーク○に追従させるように、グリップレバー部２のハンドル２６を操作する。
これにより、所望の関節運動の回復を可能とするリハビリテーション訓練が行われる。なお、上述したリハビリテーション訓練の方法は一例であり、これに限定されない。 The display device 10 simultaneously displays, for example, a target mark □ corresponding to the current position of the handle of the grip lever portion 2 output from the control device 9 and a target mark ○ targeted by the subject on the display screen. Display in coordinate system. This target mark (circle) becomes the target position of the steering wheel operation when performing the rehabilitation training of the subject's upper limb. The subject operates the handle 26 of the grip lever portion 2 so that the target mark □ displayed on the display screen of the display device 10 follows the target mark ◯ that is the tracking task.
Thereby, rehabilitation training which enables recovery of a desired joint motion is performed. In addition, the method of the rehabilitation training mentioned above is an example, and is not limited to this.

ところで、一般に被験者の上肢などの身体運動にはその姿勢に応じて動作し難い方向が存在する。従来のリハビリテーション装置においては、そのような被験者の姿勢を考慮していないため、その姿勢によっては、被験者に無理な負荷を強いるという問題が生じ得る。   By the way, in general, there is a direction in which the body movement such as the upper limb of the subject is difficult to move according to the posture. In the conventional rehabilitation apparatus, since the posture of such a subject is not taken into consideration, there may be a problem that an excessive load is imposed on the subject depending on the posture.

これに対し、本実施の形態に係るリハビリテーション装置１において、制御装置９は、カメラ３により撮影された被験者の姿勢の画像に基づいて、被験者の身体の可操作性を示す可操作楕円を算出し、該算出した可操作楕円に基づいてグリップレバー部２のハンドル２６の操作目標位置を算出し、表示装置１０に表示させる。さらに、制御装置９は、力センサ８により検出された外力と、算出した操作目標位置と、に基づいて、アドミタンス制御を行い、グリップレバー部２の第１及び第２関節軸２２、２４の制御目標値を算出し、該算出した制御目標値に第１及び第２回転センサ６、７により検出された第１及び第２関節軸２２、２４の回転角が追従するように第１及び第２サーボモータ４、５を制御する。   On the other hand, in the rehabilitation device 1 according to the present embodiment, the control device 9 calculates an operable ellipse indicating the operability of the subject's body based on the image of the posture of the subject taken by the camera 3. Based on the calculated operable ellipse, the operation target position of the handle 26 of the grip lever portion 2 is calculated and displayed on the display device 10. Further, the control device 9 performs admittance control based on the external force detected by the force sensor 8 and the calculated operation target position, and controls the first and second joint shafts 22 and 24 of the grip lever portion 2. A target value is calculated, and the first and second rotation angles of the first and second joint shafts 22 and 24 detected by the first and second rotation sensors 6 and 7 follow the calculated control target value. Servo motors 4 and 5 are controlled.

これにより、被験者の姿勢に基づいた可操作楕円を考慮して操作目標位置が設定される。このため、、被験者に無理な負荷を強いることがない。さらに、被験者がグリップレバー部２のハンドル２６を操作目標位置の方向に操作し易いようにガイドするアドミタンス制御を行う。これにより、被験者に掛かる負荷を適度に軽減できる。すなわち、被験者の上肢の姿勢に応じた最適なリハビリテーション訓練を行うことができる。   Thereby, the operation target position is set in consideration of the operable ellipse based on the posture of the subject. For this reason, an excessive load is not imposed on the subject. Further, admittance control is performed to guide the subject so that the handle 26 of the grip lever portion 2 is easily operated in the direction of the operation target position. Thereby, the load concerning a test subject can be moderately reduced. That is, the optimal rehabilitation training according to the posture of the upper limb of the subject can be performed.

上記制御を実現するために、制御装置９は、第１及び第２回転センサ６、７により検出されたグリップレバー部２の第１及び第２関節軸２２、２４の回転角と、力センサ８により検出されたグリップレバー部２のハンドル２６に作用する外力と、カメラ３により撮影された被験者の上肢の姿勢の画像と、に基づいて、被験者によるグリップレバー部２のハンドル２６の操作を補助するアシスト制御を行う。表示装置１０の表示画面上で仮想のガイドラインに沿って動く操作目標値（ターゲットマーク）の振幅は、可操作楕円の大きさで制限される。
制御装置９は、上記アシスト制御を実行する上で、後述する、上位制御系及び下位制御系を実行する。 In order to realize the above control, the control device 9 includes the rotation angle of the first and second joint shafts 22 and 24 of the grip lever portion 2 detected by the first and second rotation sensors 6 and 7, and the force sensor 8. Assisting the subject to operate the handle 26 of the grip lever portion 2 based on the external force acting on the handle 26 of the grip lever portion 2 detected by the above and the image of the posture of the upper limb of the subject taken by the camera 3. Assist control is performed. The amplitude of the operation target value (target mark) that moves along the virtual guideline on the display screen of the display device 10 is limited by the size of the operable ellipse.
The control device 9 executes an upper control system and a lower control system, which will be described later, in executing the assist control.

制御装置９は、上位制御系において、カメラ３により撮影された被験者の上肢の姿勢の画像に基づいて、可操作楕円を算出する。さらに、制御装置９は、上位制御系において、力センサ８により検出されたグリップレバー部２のハンドル２６に作用する外力に基づいて、２自由度アドミタンス制御を行い、ハンドル２６を操作目標位置へガイドする仮想のガイドラインを算出する。   The control device 9 calculates an operable ellipse based on the image of the posture of the upper limb of the subject photographed by the camera 3 in the host control system. Further, the control device 9 performs two-degree-of-freedom admittance control based on the external force acting on the handle 26 of the grip lever part 2 detected by the force sensor 8 in the host control system, and guides the handle 26 to the operation target position. Calculate virtual guidelines.

制御装置９は、下位制御系において、上位制御系で算出した仮想ガイドラインに沿った第１及び第２関節軸２２、２４の制御目標値にグリップレバー部２の第１及び第２関節軸２２、２４の回転角を追従させる位置制御を行う。制御装置９は、この位置制御において、グリップレバー部２の第１及び第２関節軸２２、２４の回転角をフィードバックさせたＰＩＤ制御によるフィードバック制御と、慣性補償及び摩擦補償によるフィードフォワード制御を行い、第１及び第２サーボモータ４、５に対するトルク指令値を算出する。   In the lower control system, the control device 9 adds the first and second joint shafts 22 of the grip lever unit 2 to the control target values of the first and second joint shafts 22 and 24 along the virtual guideline calculated by the upper control system. Position control for following the rotation angle of 24 is performed. In this position control, the control device 9 performs feedback control by PID control in which the rotation angles of the first and second joint shafts 22 and 24 of the grip lever portion 2 are fed back, and feedforward control by inertia compensation and friction compensation. The torque command values for the first and second servo motors 4 and 5 are calculated.

次に、上述した上位制御系について、詳細に説明する。
図３は、本実施の形態に係る制御装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。
本実施の形態に係る制御装置９は、上位制御系の円ハフ変換部９１と、関節角度変換部９２と、可操作楕円算出部９３と、目標値算出部９４と、回転変換部９５と、アドミタンス制御部９６と、逆キネマティクス部９７と、を有している。 Next, the above-described upper control system will be described in detail.
FIG. 3 is a block diagram showing a schematic system configuration of the control device according to the present embodiment.
The control device 9 according to the present embodiment includes a circular Hough conversion unit 91, a joint angle conversion unit 92, an operable ellipse calculation unit 93, a target value calculation unit 94, a rotation conversion unit 95, and a host control system. An admittance control unit 96 and an inverse kinematics unit 97 are provided.

円ハフ変換部９１は、カメラ３から出力された各画像マーカの撮影画像を、円のハフ変換を行い、各画像マーカの中心位置ｐｃｊを算出する。
ｐｃｊ＝（ｉｍｇｒａｙ、Ｒｃｉｒ）
ここで、ｉｍｇｒａｙはグレイスケールイメージであり、Ｒｃｉｒは画像マーカの半径である。ｐｃｊ＝[ｕｊ、ｖｊ、１]Ｔは、画像座標系における画像マーカの中心位置である。 The circle Hough transform unit 91 performs a circle Hough transform on the captured image of each image marker output from the camera 3 to calculate the center position pcj of each image marker.
p cj = (im gray , R cir )
Here, im gray is a gray scale image and R cir is the radius of the image marker. p cj = [u j , v j , 1] T is the center position of the image marker in the image coordinate system.

関節角度変換部９２は、各画像マーカの中心位置ｐｃｊを、周知の変換行列Ｍｐｅｒｓによりワールド座標系（ＸＹ座標系）の中心位置ｐｊに変換する。

Figure 2015221073
The joint angle conversion unit 92 converts the center position p cj of each image marker into the center position p j of the world coordinate system (XY coordinate system) using a known conversion matrix M pers .
Figure 2015221073

上記式において、ｐｊ＝[ｐｊｘ、ｐｊｙ]Ｔはワールド座標系における各画像マーカの中心位置であり、ｊ＝１、２、３は、被験者の上肢の肩関節、肘関節、及び手首関節を夫々示している。但し、上肢の肩関節、肘関節、及び手首関節は、同一の高さ平面内で運動しているものとし、その高さ情報は省略する。 In the above equation, p j = [p jx , p jy ] T is the center position of each image marker in the world coordinate system, and j = 1, 2, and 3 are the shoulder joint, elbow joint, and wrist of the subject's upper limb. Each joint is shown. However, it is assumed that the shoulder joint, elbow joint, and wrist joint of the upper limb are moving within the same height plane, and the height information is omitted.

ここで、幾何学的関係により上肢の肩関節角度ｑ１及び肘関節角度ｑ２は、下記式で表すことができる。

Figure 2015221073
Here, the shoulder joint angle q 1 and the elbow joint angle q 2 of the upper limb can be expressed by the following equations due to a geometric relationship.
Figure 2015221073

したがって、上肢のヤコビアン行列は下記式で表すことができる。なお、下記式において、Ｌ１は上肢の上腕の長さであり、Ｌ２は上肢の前腕の長さである。

Figure 2015221073
Therefore, the Jacobian matrix of the upper limb can be expressed by the following equation. In the following equation, L 1 is the length of the upper arm of the upper limb, and L 2 is the length of the forearm of the upper limb.
Figure 2015221073

関節角度変換部９２は、上記式を用いて、上肢のヤコビアン行列を算出する。
可操作楕円算出部９３は、下記式を用いてヤコビアン行列を特異値分解し、被験者の手先の可操作性を示す可操作楕円の長軸の大きさσｌｏｎｇ、短軸の大きさσｓｈｏｒｔ、および方向（Ｕｈの第１列ベクトル）を算出する。

Figure 2015221073
The joint angle conversion unit 92 calculates the Jacobian matrix of the upper limb using the above formula.
The manipulative ellipse calculation unit 93 performs singular value decomposition of the Jacobian matrix using the following formula, and the major axis size σ long , the minor axis size σ short , which indicates the maneuverability of the subject's hand, And the direction (first column vector of U h ).
Figure 2015221073

可操作楕円算出部９３は、可操作楕円の半径比率λｅｌｌｉｐ及び傾きθｅｌｌｉｐは、下記式を用いて算出する。

Figure 2015221073
The operable ellipse calculator 93 calculates the radius ratio λ ellip and the inclination θ ellip of the operable ellipse using the following equations.
Figure 2015221073

目標値算出部９４は、可操作楕円算出部９３により算出された可操作楕円の半径比率λｅｌｌｉｐ及び傾きθｅｌｌｉｐに基づいて、下記式を用いてトラッキング課題の最終目標値ｐｆｉｎ＝[ｐｒｘ、ｐｒｙ]Ｔを算出する。
ｐｆｉｎ＝ｆ（λｅｌｌｉｐ、θｅｌｌｉｐ） The target value calculation unit 94 uses the following formula to calculate the final target value p fin = [p rx for the tracking task based on the radius ratio λ ellip and the inclination θ ellip of the controllable ellipse calculated by the controllable ellipse calculation unit 93. , P ry ] T is calculated.
p fin = f (λ elip , θ elip )

但し、上記最終目標値ｐｆｉｎは、トラッキング課題において、被験者が表示装置１０の表示画面上で目視により操作目標とする操作目標位置（例えば、ターゲットマークの２次元座標位置）である。 However, the final target value p fin is an operation target position (for example, a two-dimensional coordinate position of the target mark) that the subject visually targets on the display screen of the display device 10 in the tracking task.

目標値算出部９４は、算出した最終目標値ｐｆｉｎを表示装置１０に対して出力する。表示装置１０は、表示画面の２次元座標系において、目標値算出部９４から出力された最終目標値ｐｆｉｎを操作目標のターゲットマークとして、グリップレバー部２のハンドル２６の現在位置を示すターゲットマークと共に表示する。 The target value calculation unit 94 outputs the calculated final target value p fin to the display device 10. In the two-dimensional coordinate system of the display screen, the display device 10 uses the final target value p fin output from the target value calculation unit 94 as the target mark of the operation target, and the target mark indicating the current position of the handle 26 of the grip lever unit 2 Display with

なお、目標値算出部９４は、例えば、第１及び第２回転センサ６、７から出力されるグリップレバー部２の第１及び第２関節軸２２、２４の回転角に基づいて順キネマティクスを用いてグリップレバー部２のハンドル２６の現在位置に対応するターゲットマークの位置を算出する。   The target value calculation unit 94 performs forward kinematics based on the rotation angles of the first and second joint shafts 22 and 24 of the grip lever unit 2 output from the first and second rotation sensors 6 and 7, for example. Using this, the position of the target mark corresponding to the current position of the handle 26 of the grip lever portion 2 is calculated.

上記最終目標値ｐｆｉｎを下記式で表すことができる。下記式において、Ｒ（θｒｏｔ＿ｋ）は回転行列である。θｒｏｔ＿ｋ＝０＋π（ｋ−１）／８（ｋ＝１、・・・、８）は、最終目標値ｐｆｉｎの主軸（２次元座標系の原点とｐｆｉｎとを結ぶ線であり、仮想のガイドライン）の回転角度である。

Figure 2015221073
The final target value p fin can be expressed by the following equation. In the following formula, R (θ rot — k ) is a rotation matrix. θ rot — k = 0 + π (k−1) / 8 (k = 1,..., 8) is the main axis (the line connecting the origin of the two-dimensional coordinate system and p fin ) of the final target value p fin , (Guideline) rotation angle.
Figure 2015221073

上記式において、ｐｒｘ０は、最終目標値の信号であり、下記正弦波で表すことができる。
ｐｒｘ０＝Ａｒｓｉｎ（２πｆｔ）
上記正弦波の振幅Ａｒは、最終目標値ｐｆｉｎの主軸の回転角度θｒｏｔ＿ｋだけでなく、可操作楕円の半径に応じて変化する。 In the above equation, p rx0 is a signal of the final target value and can be represented by the following sine wave.
p rx0 = A r sin (2πft)
Amplitude A r of the sine wave, not only the rotation angle theta Rot_k the main axis of the final target value p fin, varies according to the radius of the manipulability ellipse.

すなわち、正弦波の振幅Ａｒは、可操作楕円の長軸方向（被験者の上肢が動作し易い方向）には大きく変化する。このため、表示装置１０の表示画面上において可操作楕円の長軸方向に最終目標値ｐｆｉｎは大きく変化する。一方、正弦波の振幅Ａｒは、可操作楕円の短軸方向（被験者の上肢が動作し難い方向）には小さく変化する。このため、表示装置１０の表示画面上において可操作楕円の短軸方向に最終目標値ｐｆｉｎは小さく変化する。このように、被験者に無理のないトラッキング課題となるような最終目標値ｐｆｉｎが生成される。 That is, the amplitude A r of the sine wave changes greatly in the longitudinal direction of the manipulability ellipse (easy direction subjects the upper limb is operated). For this reason, on the display screen of the display device 10, the final target value p fin changes greatly in the major axis direction of the manipulated ellipse. On the other hand, the amplitude A r of the sine wave, the short axis direction of the manipulability ellipse (upper limbs operation difficult direction of the subject) to small changes. For this reason, on the display screen of the display device 10, the final target value pfin changes slightly in the short axis direction of the manipulated ellipse. In this way, the final target value p fin is generated so as to be a tracking task that is comfortable for the subject.

但し、上記式において、正弦波の周波数を、例えばｆ＝０．３（Ｈｚ）とし、振幅Ａｒを下記式で表すことができる。

Figure 2015221073
However, in the above equation, the frequency of the sine wave is, for example, f = 0.3 (Hz), and the amplitude Ar can be expressed by the following equation.
Figure 2015221073

上記式において、可操作楕円の長径Ｒｅｌ及び短径Ｒｅｓは、下記式を用いて算出できる。下記式において、Ｒｅｎは可操作楕円のノミナル半径であり、予め設計時に設定される設計パラメータである。

Figure 2015221073
In the above formula, the major axis R el and minor axis R es of the manipulable ellipse can be calculated using the following formulas. In the following equation, R en is the nominal radius of the manipulable ellipse and is a design parameter set in advance during design.
Figure 2015221073

なお、回転角度θｒｏｔ＿ｋ＝０＋π（ｋ−１）／８（ｋ＝１、・・・、８）としているが、これに限らない。例えば、回転角度θｒｏｔ＿ｋ＝０＋π（ｋ−１）／ｎ（ｋ＝１、・・・、ｎ）としもよい。ｎを増加させることで、グリップレバー部２のハンドル２６をより滑らかにガイドすることができる。
目標値算出部９４は、算出した最終目標値ｐｆｉｎの主軸の回転角度θｒｏｔ＿ｋを回転変換部９５に出力する。 In addition, although it is set as rotation angle (theta) rot_k = 0 + (pi) (k-1) / 8 (k = 1, ..., 8), it is not restricted to this. For example, the rotation angle θ rot — k = 0 + π (k−1) / n (k = 1,..., N) may be used. By increasing n, the handle 26 of the grip lever portion 2 can be guided more smoothly.
The target value calculation unit 94 outputs the calculated rotation angle θ rot_k of the main shaft of the final target value p fin to the rotation conversion unit 95.

続いて、グリップレバー部２の操作をガイドするための、仮想のガイドライン（以下、仮想ガイドライン）を作成する２自由度アドミタンス制御について詳細に説明する。
回転変換部９５は、第１回転センサ６から出力される第１関節軸２２の回転角θ１と第２回転センサ７から出力される第２関節軸２４の回転角θ２と、に基づいて、力センサ８から出力される力値信号を、下記式を用いて回転変換することでワールド座標系の力値信号に変換する。ここで、上記回転変換前の力値信号（力ベクトル）は、ｆｅｘｔ０＝[ｆｅｘ０ ｆｅｙ０]Ｔであり、上記回転変換後の力値信号（力ベクトル）は、ｆｅｘｔ＝[ｆｅｘ ｆｅｙ]Ｔである。
ｆｅｘｔ＝Ｒ（θｘ）ｆｅｘｔ０
θｘ＝θ１＋θ２−π／２ Next, two-degree-of-freedom admittance control for creating a virtual guideline (hereinafter referred to as a virtual guideline) for guiding the operation of the grip lever unit 2 will be described in detail.
The rotation conversion unit 95 is based on the rotation angle θ 1 of the first joint shaft 22 output from the first rotation sensor 6 and the rotation angle θ 2 of the second joint shaft 24 output from the second rotation sensor 7. The force value signal output from the force sensor 8 is converted into a force value signal of the world coordinate system by rotationally converting it using the following equation. Here, the force value signal (force vector) before the rotation conversion is f ext0 = [f ex0 f ey0 ] T , and the force value signal (force vector) after the rotation conversion is f ext = [f ex f ey ] T.
f ext = R (θ x ) f ext0
θ x = θ 1 + θ 2 −π / 2

アドミタンス制御部９６は、回転変換部９５により変換された力信号ｆｅｘｔに基づいて、下記式を用いて、作業空間におけるグリップレバー部２のハンドル２６の操作目標位置である制御目標値ｐｒｅｆを算出する。 Based on the force signal f ext converted by the rotation conversion unit 95, the admittance control unit 96 uses the following equation to obtain a control target value p ref that is an operation target position of the handle 26 of the grip lever unit 2 in the work space. calculate.

アドミタンス制御部９６は、下記式に示す如く、回転変換部９５からの力値信号ｆｅｘｔに対して、最終目標値ｐｆｉｎの主軸の回転角度θｒｏｔ＿ｋ＝０＋π（ｋ−１）／８を用いて回転変換Ｒ（θｒｏｔ＿ｋ）を行う。そして、アドミタンス制御部９６は、回転変換Ｒ（θｒｏｔ＿ｋ）後、アドミタンス行列Ｇａｄｍ（ｓ）による変換（アドミタンス制御）を行い、逆回転変換ＲＴ（θｒｏｔ＿ｋ）を行うことで、制御目標値ｐｒｅｆを算出する。

Figure 2015221073
The admittance control unit 96 uses the rotation angle θ rot — k = 0 + π (k−1) / 8 of the main axis of the final target value p fin with respect to the force value signal f ext from the rotation conversion unit 95 as shown in the following equation. Rotation conversion R (θ rot — k ). Then, the admittance control unit 96 performs the conversion (admittance control) by the admittance matrix G adm (s) after the rotation conversion R (θ rot — k ), and performs the reverse rotation conversion R T (θ rot — k ), thereby achieving the control target value. Calculate p ref .
Figure 2015221073

上記式において、Ｄａｄｍ１は主軸方向（仮想ガイドラインの方向）に対するダンピング定数であり、Ｋａｄｍ１は主軸方向のスティッフネス定数である。Ｄａｄｍ２は副軸方向（仮想ガイドラインの方向に対して垂直方向）に対するダンピング定数であり、Ｋａｄｍ２は副軸方向のスティッフネス定数である。 In the above equation, D adm1 is a damping constant with respect to the principal axis direction (the direction of the virtual guideline), and K adm1 is a stiffness constant in the principal axis direction. D adm2 is a damping constant with respect to the minor axis direction (perpendicular to the direction of the virtual guideline), and K adm2 is a stiffness constant in the minor axis direction.

例えば、主軸方向のダンピング定数Ｄａｄｍ１及び／又はスティッフネス定数Ｋａｄｍ１を低く設定し、副軸方向のダンピング定数Ｄａｄｍ２及び／又はスティッフネス定数Ｋａｄｍ２を高く設定する。これにより、グリップレバー部２のハンドル２６を主軸方向に操作したとき低負荷となり、副軸方向に操作したとき高負荷となる。したがって、被験者はグリップレバー部２のハンドル２６を仮想ガイドラインの方向に操作しとき低負荷を感じ、グリップレバー部２のハンドル２６を仮想ガイドラインから外れた方向に操作を行ったとき、高負荷を感じる。このようにして、グリップレバー部２のハンドル２６の操作を仮想ガイドラインに沿って操作目標位置（制御目標値ｐｒｅｆ）の方向に自然とガイドすることができる。したがって、被験者は、グリップレバー部２のハンドル２６を操作目標位置に向けて容易に操作できるため、その負荷を適度に軽減できる。 For example, set low the main axis of the damping constant D adm1 and / or stiffness constant K adm1, set high countershaft direction of damping constant D adm2 and / or stiffness constant K adm2. Thereby, when the handle 26 of the grip lever part 2 is operated in the main axis direction, the load is low, and when the handle 26 is operated in the sub axis direction, the load is high. Accordingly, the subject feels a low load when operating the handle 26 of the grip lever part 2 in the direction of the virtual guideline, and feels a high load when operating the handle 26 of the grip lever part 2 in a direction away from the virtual guideline. . In this way, the operation of the handle 26 of the grip lever portion 2 can be naturally guided in the direction of the operation target position (control target value p ref ) along the virtual guideline. Therefore, since the subject can easily operate the handle 26 of the grip lever portion 2 toward the operation target position, the load can be moderately reduced.

逆キネマティクス部９７は、下記逆キネマティクス関数ＩＫ（）を用いて、アドミタンス制御部９６から出力される作業空間における制御目標値ｐｒｅｆを関節空間における制御目標値θｒｅｆに変換する。
θｒｅｆ＝ＩＫ（ｐｒｅｆ） The inverse kinematics unit 97 converts the control target value p ref in the work space output from the admittance control unit 96 into the control target value θ ref in the joint space, using the following inverse kinematics function IK ().
θ ref = IK (p ref )

次に、上述した下位制御系について、詳細に説明する。
制御装置９は、下位制御系において、上位制御系で算出した関節空間の制御目標値θｒｅｆ＝[θｒ１ θｒ２]をグリップレバー部２の第１及び第２関節軸２２、２４の回転角θ１、θ２を追従させる位置制御を行う。下位制御系は、ＰＩＤ制御からなるフィードバック部分と慣性補償及び摩擦補償からなるフィードフォワード部分とを含む。 Next, the above-described lower control system will be described in detail.
In the lower control system, the control device 9 sets the joint space control target value θ ref = [θ r1 θ r2 ] calculated by the upper control system to the rotation angles of the first and second joint shafts 22 and 24 of the grip lever portion 2. Position control is performed to follow θ 1 and θ 2 . The lower control system includes a feedback part composed of PID control and a feedforward part composed of inertia compensation and friction compensation.

制御装置９は、上位制御系の逆キネマティクス部９７から出力された制御目標値θｒｅｆに、第１及び第２回転センサ６、７により検出されたグリップレバー部２の第１及び第２関節軸２２、２４の回転角θ１、θ２を追従させるように、第１及び第２サーボモータ４、５に対するトルク指令値τ１、τ２を下記式を用いて夫々算出する。制御装置９は、算出したトルク指令値τ１、τ２に応じた制御信号を生成し第１及び第２サーボモータ４、５に対して出力することで、第１及び第２サーボモータ４、５を夫々制御する。

Figure 2015221073
The control device 9 detects the first and second joints of the grip lever portion 2 detected by the first and second rotation sensors 6 and 7 based on the control target value θ ref output from the inverse kinematics portion 97 of the host control system. Torque command values τ 1 and τ 2 for the first and second servomotors 4 and 5 are calculated using the following equations so that the rotation angles θ 1 and θ 2 of the shafts 22 and 24 follow. The control device 9 generates a control signal corresponding to the calculated torque command values τ 1 and τ 2 and outputs the control signal to the first and second servo motors 4 and 5, whereby the first and second servo motors 4, 5 is controlled.
Figure 2015221073

上記式において、ｉ＝１、２であり、ｉ＝１は第１関節軸２２を表し、ｉ＝２は第２関節軸２４を表している。Ｉｍハットはグリップレバー部２のハンドル２６の慣性モーメントの推定値、Ｂｍハットは粘性摩擦項係数の推定値、Ｄｍハットは動摩擦係数の推定値、を夫々示している。Ｉｍハット、Ｂｍハット、Ｄｍハットは、慣性補償および摩擦補償のため最小２乗法によりオフライン同定されている。Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄは、ＰＩＤ制御の比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインを夫々示している。 In the above formula, i = 1 and 2, i = 1 represents the first joint axis 22, and i = 2 represents the second joint axis 24. I m hat indicates an estimated value of the moment of inertia of the handle 26 of the grip lever portion 2, B m hat indicates an estimated value of the viscous friction term coefficient, and D m hat indicates an estimated value of the dynamic friction coefficient, respectively. The I m hat, B m hat, and D m hat have been identified off-line by the least square method for inertia compensation and friction compensation. K p , K i , and K d indicate the proportional gain, integral gain, and differential gain of PID control, respectively.

制御装置９は、上記式に基づいて、慣性補償部、摩擦補償部、及び、ＰＩＤ制御によるフィードバック部を含む、下位制御を実行することができる。この下位制御系において、慣性補償部及び、特に、摩擦補償部を含むことで、安価なサーボモータを用いることができるため、コスト低減に繋がる。   Based on the above equation, the control device 9 can execute lower-order control including an inertia compensation unit, a friction compensation unit, and a feedback unit based on PID control. In this lower control system, by including an inertia compensation unit and, in particular, a friction compensation unit, an inexpensive servo motor can be used, which leads to cost reduction.

制御装置９は、グリップレバー部２の第１及び第２関節軸２２、２４の回転角θ＝[θ１ θ２]Ｔから下記式の順キネマティクスを用いて、作業空間におけるグリップレバー部２のハンドル２６の現在位置ｐ＝[ｐｘ ｐｙ]Ｔを算出し、表示装置１０に出力する。表示装置１０は、表示画面の２次元座標系で、グリップレバー部２のハンドル２６の現在位置ｐ＝[ｐｘ ｐｙ]Ｔに対応した位置にターゲットマークを表示させる。
ｐ＝ＦＫ（θ） The control device 9 uses the forward kinematics of the following formula from the rotation angle θ = [θ 1 θ 2 ] T of the first and second joint shafts 22 and 24 of the grip lever portion 2 to hold the grip lever portion 2 in the work space. The current position p = [p x py ] T of the handle 26 is calculated and output to the display device 10. The display device 10 displays a target mark at a position corresponding to the current position p = [p x py ] T of the handle 26 of the grip lever unit 2 in the two-dimensional coordinate system of the display screen.
p = FK (θ)

図４は、本実施の形態に係るアドミタンス制御による効果を示す図である。但し、本アドミタンス制御において、可操作楕円は考慮されていない。図４に示す如く、作業空間において、仮想ガイドラインにより円周方向に２２．５（ｄｅｇ）毎に等分割されており、その仮想ガイドラインに沿って、グリップレバー部２のハンドルをスムーズに操作可能であることが確認できる。   FIG. 4 is a diagram illustrating an effect of admittance control according to the present embodiment. However, in this admittance control, the operable ellipse is not considered. As shown in FIG. 4, the work space is equally divided by 22.5 (deg) in the circumferential direction by a virtual guideline, and the handle of the grip lever portion 2 can be smoothly operated along the virtual guideline. It can be confirmed that there is.

図５は、被験者の上肢を水平面内で横方向に回転動作させたときの、可操作楕円の形状を示す図である。図５に示す如く、被験者の手先の円弧運動に応じて、その円弧の円周方向に可操作楕円の長軸が配置されている。したがって、算出された可操作楕円の形状が良好であることが分かる。また、円弧の半径方向に可操作楕円の短軸が配置されており、その半径方向が動かし難い方向であることが分かる。本実施の形態に係るリハビリテーション装置１は、このような上肢の姿勢の場合、手先の円弧運動の円周方向に大きく半径方向に小さくグリップレバー部２を操作するトラッキング課題を設定する。   FIG. 5 is a diagram showing the shape of an operable ellipse when the upper limb of a subject is rotated in the horizontal direction in a horizontal plane. As shown in FIG. 5, the long axis of the operable ellipse is arranged in the circumferential direction of the arc in accordance with the arc motion of the subject's hand. Therefore, it can be seen that the calculated shape of the operable ellipse is good. Further, it can be seen that the short axis of the manipulable ellipse is arranged in the radial direction of the arc, and the radial direction is difficult to move. In the case of such an upper limb posture, the rehabilitation device 1 according to the present embodiment sets a tracking task for operating the grip lever portion 2 that is large in the circumferential direction of the arc motion of the hand and small in the radial direction.

図６は、図５左端における腕姿勢（ａ）のときの仮想ガイドラインを示す図である。図７は、図５右端における腕姿勢（ｂ）のときの仮想ガイドラインを示す図である。
図６及び図７に示す如く、仮想ガイドラインに沿った制御目標値ｐｆｉｎが可操作楕円の大きさにより制限されて、腕の動作し易い方向（可操作楕円の長軸方向）には長く、腕の動作し難い方向（可操作楕円の短軸方向）には短く、グリップレバー部２の操作が誘導されていることが分かる。よって、被験者は無理の無いリハビリテーションを行うことができることが分かる。 FIG. 6 is a diagram showing a virtual guideline in the arm posture (a) at the left end of FIG. FIG. 7 is a diagram showing a virtual guideline in the arm posture (b) at the right end of FIG.
As shown in FIGS. 6 and 7, the control target value p fin along the virtual guideline is limited by the size of the manipulable ellipse, and is long in the direction in which the arm easily moves (long axis direction of the manipulable ellipse) It can be seen that it is short in the direction in which the arm is difficult to move (the short axis direction of the operable ellipse) and that the operation of the grip lever portion 2 is guided. Therefore, it can be seen that the subject can perform rehabilitation without difficulty.

次に、本実施の形態に係るリハビリテーション装置の制御方法について詳細に説明する。図８は、本実施の形態に係るリハビリテーション装置の制御処理フローを示すフローチャートである。なお、図８に示す制御処理は所定時間毎に繰り返し実行される。   Next, the control method of the rehabilitation apparatus according to the present embodiment will be described in detail. FIG. 8 is a flowchart showing a control processing flow of the rehabilitation apparatus according to the present embodiment. Note that the control process shown in FIG. 8 is repeatedly executed every predetermined time.

カメラ３は、被験者の腕の各画像マーカＭを撮影し、撮影した撮影画像を制御装置９に出力する。円ハフ変換部９１は、カメラ３から出力された各画像マーカＭの撮影画像を円ハフ変換して各画像マーカの中心位置ｐｃｊを算出し、関節角度変換部９２に出力する（ステップＳ１０１）。 The camera 3 captures each image marker M of the subject's arm and outputs the captured image to the control device 9. The circle Hough transform unit 91 performs a circle Hough transform on the captured image of each image marker M output from the camera 3 to calculate the center position pcj of each image marker, and outputs it to the joint angle transform unit 92 (step S101). .

関節角度変換部９２は、円ハフ変換部９１から出力された各画像マーカの中心位置ｐｃｊを変換行列によりワールド座標系の中心位置ｐｊに変換し、上肢のヤコビアン行列を算出し、可操作楕円算出部９３に出力する（ステップＳ１０２）。 The joint angle conversion unit 92 converts the center position p cj of each image marker output from the circle Hough conversion unit 91 to the center position p j of the world coordinate system using the conversion matrix, calculates the Jacobian matrix of the upper limb, and is operable. It outputs to the ellipse calculation part 93 (step S102).

可操作楕円算出部９３は、関節角度変換部９２から出力されたヤコビアン行列を特異値分解し、可操作楕円の長軸の長さσｌｏｎｇ、短軸の長さσｓｈｏｒｔ、および方向（Ｕｈの第１列ベクトル）を算出し、可操作楕円の半径比率λｅｌｌｉｐ及び傾きθｅｌｌｉｐを算出する（ステップＳ１０３）。可操作楕円算出部９３は、算出した可操作楕円の半径比率λｅｌｌｉｐ及び傾きθｅｌｌｉｐを目標値算出部９４に出力する。 The manipulative ellipse calculation unit 93 performs singular value decomposition on the Jacobian matrix output from the joint angle conversion unit 92, the long axis length σ long , the short axis length σ short , and the direction (U h The first column vector) is calculated, and the radius ratio λ ellip and inclination θ ellip of the operable ellipse are calculated (step S103). The manipulable ellipse calculation unit 93 outputs the calculated radius ratio λ ellip and inclination θ ellip of the manipulable ellipse to the target value calculation unit 94.

目標値算出部９４は、可操作楕円算出部９３から出力された可操作楕円の半径比率λｅｌｌｉｐ及び傾きθｅｌｌｉｐに基づいて、トラッキング課題の最終目標値ｐｆｉｎ＝[ｐｒｘ、ｐｒｙ]Ｔを算出し、表示装置１０に対して出力する（ステップＳ１０４）。 The target value calculation unit 94 is based on the radius ratio λ ellip and inclination θ ellip of the operable ellipse output from the operable ellipse calculation unit 93, and the final target value p fin = [p rx , p ry ] T of the tracking task. Is calculated and output to the display device 10 (step S104).

表示装置１０は、表示画面の２次元座標系において、目標値算出部９４から出力された最終目標値ｐｆｉｎを操作目標のターゲットマークとして、グリップレバー部２のハンドル２６の現在位置を示すターゲットマークと共に表示する（ステップＳ１０５）。 In the two-dimensional coordinate system of the display screen, the display device 10 uses the final target value p fin output from the target value calculation unit 94 as the target mark of the operation target, and the target mark indicating the current position of the handle 26 of the grip lever unit 2 It is displayed together (step S105).

回転変換部９５は、第１回転センサ６から出力される第１関節軸２２の回転角θ１と第２回転センサ７から出力される第２関節軸２４の回転角θ２と、に基づいて、力センサ８から出力される力値信号ｆｅｘｔ０を、回転変換することでワールド座標系の力値信号ｆｅｘｔに変換し、アドミタンス制御部９６に出力する（ステップＳ１０６）。 The rotation conversion unit 95 is based on the rotation angle θ 1 of the first joint shaft 22 output from the first rotation sensor 6 and the rotation angle θ 2 of the second joint shaft 24 output from the second rotation sensor 7. The force value signal f ext0 output from the force sensor 8 is converted into a force value signal f ext of the world coordinate system by rotational conversion and output to the admittance control unit 96 (step S106).

アドミタンス制御部９６は、回転変換部９５から出力されたワールド座標系の力値信号ｆｅｘｔに基づいて、作業空間におけるグリップレバー部２のハンドル２６の位置である制御目標値ｐｒｅｆを算出し、逆キネマティクス部９７に出力する（ステップＳ１０７）。 The admittance control unit 96 calculates a control target value p ref that is the position of the handle 26 of the grip lever unit 2 in the work space based on the world coordinate system force value signal f ext output from the rotation conversion unit 95. It outputs to the reverse kinematics part 97 (step S107).

逆キネマティクス部９７は、逆キネマティクス関数ＩＫ（）を用いて、アドミタンス制御部９６から出力される作業空間における制御目標値ｐｒｅｆを関節空間における制御目標値θｒｅｆに変換する（ステップＳ１０８）。 The inverse kinematics unit 97 converts the control target value p ref in the work space output from the admittance control unit 96 into the control target value θ ref in the joint space, using the inverse kinematics function IK () (step S108). .

制御装置９は、上位制御系の逆キネマティクス部９７から出力された制御目標値θｒｅｆに、第１及び第２回転センサ６、７により検出されたグリップレバー部２の第１及び第２関節軸２２、２４の回転角θ１、θ２を追従させるように、第１及び第２サーボモータ４、５に対するトルク指令値τ１、τ２を夫々算出する（ステップＳ１０９）。制御装置９は、算出したトルク指令値τ１、τ２に応じた制御信号を生成し第１及び第２サーボモータ４、５に対して出力することで、第１及び第２サーボモータ４、５を夫々制御する。 The control device 9 detects the first and second joints of the grip lever portion 2 detected by the first and second rotation sensors 6 and 7 based on the control target value θ ref output from the inverse kinematics portion 97 of the host control system. Torque command values τ 1 and τ 2 for the first and second servomotors 4 and 5 are calculated so as to follow the rotation angles θ 1 and θ 2 of the shafts 22 and 24 (step S109). The control device 9 generates a control signal corresponding to the calculated torque command values τ 1 and τ 2 and outputs the control signal to the first and second servo motors 4 and 5, whereby the first and second servo motors 4, 5 is controlled.

以上、本実施の形態に係るリハビリテーション装置１において、被験者の手先の可操作性を示す可操作楕円を算出し、該算出した可操作楕円に基づいてグリップレバー部２のハンドル２６の操作目標位置を算出し、表示装置１０に表示させる。さらに、リハビリテーション装置１において、力センサ８により検出された外力と、算出した操作目標位置と、に基づいて、アドミタンス制御を行い、グリップレバー部２の第１及び第２関節軸２２、２４の操作量の目標値を算出し、該算出した操作量の目標値に第１及び第２回転センサ６、７により検出された第１及び第２関節軸２２、２４の回転角が追従するように第１及び第２サーボモータ４、５を制御する。   As described above, in the rehabilitation apparatus 1 according to the present embodiment, the operable ellipse indicating the operability of the subject's hand is calculated, and the operation target position of the handle 26 of the grip lever portion 2 is determined based on the calculated operable ellipse. Calculate and display on the display device 10. Further, in the rehabilitation device 1, admittance control is performed based on the external force detected by the force sensor 8 and the calculated operation target position, and the first and second joint shafts 22 and 24 of the grip lever portion 2 are operated. The target value of the amount is calculated, and the first and second joint shafts 22 and 24 detected by the first and second rotation sensors 6 and 7 follow the calculated target value of the manipulated variable so that the rotation angles of the first and second joint shafts 22 and 24 follow. The first and second servo motors 4 and 5 are controlled.

これにより、被験者の上肢の姿勢に基づいた可操作楕円を考慮して操作目標位置が設定される。このため、被験者に無理な負荷を強いることがない。さらに、被験者がグリップレバー部２のハンドル２６を操作目標位置の方向に操作し易いようにガイドするアドミタンス制御を行う。これにより、被験者に掛かる負荷を適度に軽減できる。すなわち、被験者の姿勢に応じた最適なリハビリテーション訓練を行うことができる。   Accordingly, the operation target position is set in consideration of the operable ellipse based on the posture of the upper limb of the subject. For this reason, an excessive load is not imposed on the subject. Further, admittance control is performed to guide the subject so that the handle 26 of the grip lever portion 2 is easily operated in the direction of the operation target position. Thereby, the load concerning a test subject can be moderately reduced. That is, optimal rehabilitation training according to the posture of the subject can be performed.

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

上記一実施の形態において、制御装置９は、カメラ３から出力される被験者の上肢の撮影画像に基づいて、上記可操作楕円を算出しているが、これに限らず、任意のセンサを用いて上記可操作楕円を算出することができる。制御装置９は、例えば、被験者の上肢に装着された慣性センサから出力される信号に基づいて、上記可操作楕円を算出してもよい。制御装置９は、例えば、慣性センサから出力される信号と、予め設定された関節角度の運動モデルと、に基づいて上肢の関節角度を算出し、該算出した関節角度と、上肢のヤコビアン行列とに基づいて上記可操作楕円を算出する。   In the above-described embodiment, the control device 9 calculates the operable ellipse based on the photographed image of the upper limb of the subject output from the camera 3, but is not limited thereto, and an arbitrary sensor is used. The operable ellipse can be calculated. For example, the control device 9 may calculate the operable ellipse based on a signal output from an inertial sensor attached to the upper limb of the subject. For example, the control device 9 calculates the joint angle of the upper limb based on a signal output from the inertial sensor and a motion model of a preset joint angle, and calculates the joint angle and the Jacobian matrix of the upper limb. Based on the above, the operable ellipse is calculated.

また、制御装置９は、例えば、デプスセンサ（キネクト（登録商標））から出力される信号に基づいて、上記可操作楕円を算出してもよい。制御装置９は、例えば、デプスセンサから出力される深度情報と、予め設定された関節角度の運動モデルと、に基づいて上肢の関節角度を算出し、該算出した関節角度と、上肢のヤコビアン行列とに基づいて上記可操作楕円を算出する。   Further, the control device 9 may calculate the operable ellipse based on, for example, a signal output from a depth sensor (Kinect (registered trademark)). For example, the control device 9 calculates the joint angle of the upper limb based on the depth information output from the depth sensor and the motion model of a preset joint angle, and calculates the joint angle and the Jacobian matrix of the upper limb. Based on the above, the operable ellipse is calculated.

制御装置９は、上位制御系において、力センサ８により検出されたグリップレバー部２のハンドルに作用する外力に基づいて、２自由度アドミタンス制御を行って仮想ガイドラインを算出しているが、これに限らない。制御装置９は、上位制御系において、力センサ８により検出されたグリップレバー部２のハンドルに作用する外力に基づいて、２自由度インピーダンス制御を行って仮想ガイドラインを算出してもよい。   In the host control system, the control device 9 performs two-degree-of-freedom admittance control based on the external force acting on the handle of the grip lever unit 2 detected by the force sensor 8, and calculates a virtual guideline. Not exclusively. The control device 9 may calculate a virtual guideline by performing two-degree-of-freedom impedance control based on the external force acting on the handle of the grip lever portion 2 detected by the force sensor 8 in the host control system.

上記実施の形態において、グリップレバー部２は、例えば、３つの関節軸を有し、ハンドル２６が３次元空間上の任意の位置に移動する構成であってもよい。この場合、可操作楕円算出部９３は、上肢のヤコビアン行列を特異値分解し、被験者の手先の可操作性を示す可操作楕円体の長軸の大きさ、短軸の大きさ、および方向を算出し、可操作楕円体の半径比率λｅｌｌｉｐ及び傾きθｅｌｌｉｐを算出する。目標値算出部９４は、可操作楕円算出部９３により算出された可操作楕円体の半径比率λｅｌｌｉｐ及び傾きθｅｌｌｉｐに基づいて、トラッキング課題の最終目標値ｐｆｉｎを算出する。一方、アドミタンス制御部９６は、回転変換Ｒ（θｒｏｔ＿ｋ）後、３行３列のアドミタンス行列による変換（アドミタンス制御）を行い、逆回転変換ＲＴ（θｒｏｔ＿ｋ）を行うことで、制御目標値ｐｒｅｆを算出する。 In the above embodiment, the grip lever portion 2 may have, for example, three joint axes, and the handle 26 may move to an arbitrary position in the three-dimensional space. In this case, the manipulative ellipse calculation unit 93 performs singular value decomposition on the Jacobian matrix of the upper limb, and calculates the major axis size, minor axis size, and direction of the manipulable ellipsoid indicating the maneuverability of the subject's hand. The radius ratio λ ellip and the inclination θ ellip of the manipulable ellipsoid are calculated. The target value calculation unit 94 calculates the final target value p fin of the tracking task based on the radius ratio λ ellip and the inclination θ ellip of the operable ellipsoid calculated by the operable ellipse calculation unit 93. On the other hand, the admittance control unit 96 performs a conversion (admittance control) using an admittance matrix of 3 rows and 3 columns after the rotation conversion R (θ rot — k ), and performs a reverse rotation conversion R T (θ rot — k ), thereby achieving a control target value. Calculate p ref .

上記実施の形態において、制御装置９のアドミタンス制御部９６は、グリップレバー部２のハンドル２６の現在位置が仮想ガイドラインから副軸方向に外れるに従がって、ダンピング定数Ｄａｄｍ２及び／又はスティッフネス定数Ｋａｄｍ２を徐々高く設定してもよい。これにより、グリップレバー部２のハンドル２６を仮想ガイドライン上にゆるやかに導くことができる。 In the above-described embodiment, the admittance control unit 96 of the control device 9 performs the damping constant D adm2 and / or the stiffness as the current position of the handle 26 of the grip lever unit 2 deviates from the virtual guideline in the secondary axis direction. The constant K adm2 may be set gradually higher. Thereby, the handle | steering-wheel 26 of the grip lever part 2 can be gently guided on a virtual guideline.

上記実施の形態において、制御装置９のアドミタンス制御部９６は、グリップレバー部２のハンドル２６の現在位置が可操作楕円の外側に出たと判断すると、ダンピング定数Ｄａｄｍ１、Ｄａｄｍ２及び／又はスティッフネス定数Ｋａｄｍ１、Ｋａｄｍ２を所定量だけ急激に増加させてもよい。これにより、グリップレバー部２のハンドル２６の位置が可操作楕円の外側に外れるとハンドル２６の動作が急激に固くなる。したがって、ハンドル２６が可操作楕円の外側に外れるのを抑制でき、被験者に無理な姿勢を強制的に抑制できる。 In the above embodiment, when the admittance control unit 96 of the control device 9 determines that the current position of the handle 26 of the grip lever unit 2 is outside the operable ellipse, the damping constants D adm1 , D adm2 and / or stiffness. The constants K adm1 and K adm2 may be increased rapidly by a predetermined amount. As a result, when the position of the handle 26 of the grip lever part 2 deviates from the outside of the operable ellipse, the operation of the handle 26 stiffens rapidly. Therefore, it is possible to suppress the handle 26 from coming out of the operable ellipse, and to forcibly suppress an unreasonable posture for the subject.

上記実施の形態において、リハビリテーション装置１は、被験者の上肢のリハビリテーション訓練を行っているが、これに限らず、例えば、被験者の下肢のリハビリテーション訓練を行ってもよい。制御装置９は、上位制御系において、カメラ３により撮影された被験者の下肢の姿勢の画像に基づいて、可操作楕円を算出する。制御装置９は、上位制御系において、力センサ８により検出された下肢の外力に基づいてアドミタンス制御を行い、操作目標位置の仮想ガイドラインを算出する。   In the embodiment described above, the rehabilitation apparatus 1 performs rehabilitation training for the upper limbs of the subject. However, the present invention is not limited thereto, and for example, rehabilitation training for the lower limbs of the subject may be performed. The control device 9 calculates an operable ellipse based on the posture image of the lower limb of the subject taken by the camera 3 in the host control system. In the host control system, the control device 9 performs admittance control based on the external force of the lower limbs detected by the force sensor 8 and calculates a virtual guideline for the operation target position.

本発明は、例えば、図８に示す処理を、ＣＰＵ９ａにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。   In the present invention, for example, the processing shown in FIG. 8 can be realized by causing the CPU 9a to execute a computer program.

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。   The program may be stored using various types of non-transitory computer readable media and supplied to a computer. Non-transitory computer readable media include various types of tangible storage media. Examples of non-transitory computer-readable media include magnetic recording media (for example, flexible disks, magnetic tapes, hard disk drives), magneto-optical recording media (for example, magneto-optical disks), CD-ROMs (Read Only Memory), CD-Rs, CD-R / W and semiconductor memory (for example, mask ROM, PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), flash ROM, RAM (random access memory)) are included.

プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。   The program may be supplied to the computer by various types of transitory computer readable media. Examples of transitory computer readable media include electrical signals, optical signals, and electromagnetic waves. The temporary computer-readable medium can supply the program to the computer via a wired communication path such as an electric wire and an optical fiber, or a wireless communication path.

１ リハビリテーション装置、２ グリップレバー部、３ カメラ、４、５ 第１及び第２サーボモータ、６、７ 第１及び第２回転センサ、８ 力センサ、９ 制御装置、１０ 表示装置、９１ 円ハフ変換部、９２ 関節角度変換部、９３ 可操作楕円算出部、９４ 目標値算出部、９５ 回転変換部、９６ アドミタンス制御部、９７ 逆キネマティクス部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rehabilitation apparatus, 2 Grip lever part, 3 Cameras, 4, 5 1st and 2nd servo motor, 6, 7 1st and 2nd rotation sensor, 8 Force sensor, 9 Control apparatus, 10 Display apparatus, 91 yen Hough conversion Unit, 92 joint angle conversion unit, 93 operable ellipse calculation unit, 94 target value calculation unit, 95 rotation conversion unit, 96 admittance control unit, 97 inverse kinematics unit

Claims (12)

リハビリテーションの被験者によって操作される操作手段と、
前記操作手段の操作量を検出する操作量検出手段と、
前記操作手段を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段の駆動を制御する制御手段と、
被験者の姿勢を検出する姿勢検出手段と、
前記操作手段に作用する外力を検出する外力検出手段と、
前記操作手段の操作目標位置を表示する表示手段と、
を備えるリハビリテーション装置であって、
前記制御手段は、
前記姿勢検出手段により検出された被験者の姿勢に基づいて、被験者の身体の可操作性を示す可操作楕円を算出し、該算出した可操作楕円に基づいて前記操作目標位置を算出すると共に、
前記外力検出手段により検出された外力と、前記算出した操作目標位置と、に基づいて、前記操作手段に対する操作量の目標値を算出し、該算出した操作量の目標値に前記操作量検出手段により検出された操作量が追従するように前記駆動手段を制御する、
ことを特徴とするリハビリテーション装置。 Operation means operated by a subject of rehabilitation;
An operation amount detection means for detecting an operation amount of the operation means;
Driving means for driving the operating means;
Control means for controlling the drive of the drive means;
Posture detection means for detecting the posture of the subject;
An external force detecting means for detecting an external force acting on the operating means;
Display means for displaying an operation target position of the operation means;
A rehabilitation device comprising:
The control means includes
Based on the posture of the subject detected by the posture detection means, calculate an operable ellipse indicating the manipulability of the subject's body, calculate the operation target position based on the calculated operable ellipse,
Based on the external force detected by the external force detection means and the calculated operation target position, a target value of the operation amount for the operation means is calculated, and the operation amount detection means is added to the calculated target value of the operation amount. Controlling the driving means so that the operation amount detected by
A rehabilitation device characterized by that. 請求項１記載のリハビリテーション装置であって、
前記制御手段は、前記可操作楕円の長径及び短径の比率及び傾きを含む振幅の正弦波関数に基づいて前記表示手段の表示画面上における２次元座標系の前記操作目標位置を算出する、ことを特徴とするリハビリテーション装置。 The rehabilitation device according to claim 1,
The control means calculates the operation target position of the two-dimensional coordinate system on the display screen of the display means based on a sinusoidal function of amplitude including the ratio of the major axis and minor axis of the operable ellipse and the inclination. A rehabilitation device. 請求項２記載のリハビリテーション装置であって、
前記制御手段は、下記式を用いて前記表示手段における２次元座標系の操作目標位置ｐｆｉｎを算出する、ことを特徴とするリハビリテーション装置。
Figure 2015221073
 但し、上記式において、θｒｏｔ＿ｋは前記表示手段における２次元座標系の原点と前記操作目標位置とを結ぶ線である仮想ガイドラインの回転角度、λｅｌｌｉｐは前記可操作楕円の長径及びと短径の比率、θｅｌｌｉｐは前記可操作楕円の傾き、Ｒｅｎは前記可操作楕円のノミナル半径である。 The rehabilitation device according to claim 2,
The rehabilitation apparatus, wherein the control means calculates an operation target position p fin of a two-dimensional coordinate system in the display means using the following formula.
Figure 2015221073
 However, in the above equation, θ rot — k is the rotation angle of the virtual guideline that is a line connecting the origin of the two-dimensional coordinate system in the display means and the operation target position, and λ elip is the major axis and the minor axis of the manipulable ellipse. ratio, theta ellip inclination of the manipulability elliptical, R en is the nominal radius of the manipulability ellipse. 請求項１乃至３のうちいずれか１項記載のリハビリテーション装置であって、
前記制御手段は、前記表示手段における２次元座標系の原点と前記操作目標位置とを結ぶ仮想ガイドラインを生成し、該仮想ガイドラインの方向に対して低負荷となり、該仮想ガイドラインと垂直方向に対して高負荷となるアドミタンス制御を前記駆動手段に対して行う、ことを特徴とするリハビリテーション装置。 The rehabilitation device according to any one of claims 1 to 3,
The control means generates a virtual guideline connecting the origin of the two-dimensional coordinate system in the display means and the operation target position, and has a low load with respect to the direction of the virtual guideline, A rehabilitation device that performs admittance control with high load on the driving means. 請求項４記載のリハビリテーション装置であって、
前記制御手段は、前記仮想ガイドラインの方向に対してスティッフネス定数及びダンピング定数のうち少なくとも一方を低く設定し、前記垂直方向に対してスティッフネス定数及びダンピング定数のうち少なくとも一方を高く設定したアドミタンス行列を用いて、前記操作手段に対する操作量の目標値を算出する、ことを特徴とするリハビリテーション装置。 The rehabilitation device according to claim 4,
The control means sets at least one of a stiffness constant and a damping constant low with respect to the direction of the virtual guideline, and sets an at least one of the stiffness constant and the damping constant high with respect to the vertical direction. The rehabilitation apparatus is characterized in that a target value of an operation amount for the operation means is calculated using. 請求項４又は５記載のリハビリテーション装置であって、
前記制御手段は、前記外力検出手段により検出された外力をグローバル座標系の外力に変換し、該変換した外力を前記仮想ガイドラインの回転角度に基づいて回転変換し、該回転変換した値を前記アドミタンス行列を用いた変換を行い、該変換した値を前記仮想ガイドラインの回転角度に基づいて逆回転変換を行い、該逆回転変換した値を逆キネマティクスを用いて変換を行い、前記操作手段に対する操作量の目標値を算出する、ことを特徴とするリハビリテーション装置。 The rehabilitation device according to claim 4 or 5,
The control means converts the external force detected by the external force detection means into an external force in a global coordinate system, rotationally converts the converted external force based on a rotation angle of the virtual guideline, and converts the rotation converted value into the admittance value. Performing conversion using a matrix, performing reverse rotation conversion on the converted value based on the rotation angle of the virtual guideline, converting the reverse rotation converted value using reverse kinematics, and operating the operation means A rehabilitation device for calculating a target value of quantity. 請求項４又は５記載のリハビリテーション装置であって、
前記制御手段は、下記式を用いて前記操作手段に対する操作量の目標値θｒｅｆを算出する、ことを特徴とするリハビリテーション装置。
Figure 2015221073
 但し、上記式において、θｒｏｔ＿ｋは前記表示手段における２次元座標系の原点と前記操作目標位置とを結ぶ線である仮想ガイドラインの回転角度、回転変換Ｒ（θｒｏｔ＿ｋ）は回転変換行列、Ｇａｄｍ（ｓ）はアドミタンス行列、ＲＴ（θｒｏｔ＿ｋ）は逆回転変換行列、ｆｅｘｔはグローバル座標系における前記外力、Ｄａｄｍ１は前記仮想ガイドラインの方向に対するダンピング定数、Ｋａｄｍ１は前記仮想ガイドラインの方向に対するスティッフネス定数、Ｄａｄｍ２は前記垂直方向に対するダンピング定数、Ｋａｄｍ２は前記垂直方向に対するスティッフネス定数である。 The rehabilitation device according to claim 4 or 5,
The rehabilitation apparatus, wherein the control means calculates a target value θ ref of an operation amount for the operation means using the following formula.
Figure 2015221073
 In the above equation, θ rot — k is the rotation angle of the virtual guideline that is a line connecting the origin of the two-dimensional coordinate system in the display means and the operation target position, the rotation transformation R (θ rot — k ) is the rotation transformation matrix, G adm (S) is an admittance matrix, R T (θ rot — k ) is a reverse rotation transformation matrix, f ext is the external force in the global coordinate system, D adm1 is a damping constant with respect to the direction of the virtual guideline, and K adm1 is with respect to the direction of the virtual guideline A stiffness constant, D adm2 is a damping constant with respect to the vertical direction, and K adm2 is a stiffness constant with respect to the vertical direction. 請求項５記載のリハビリテーション装置であって、
前記制御手段は、前記操作量検出手段により検出された操作量に対応する前記表示手段上の現在位置が前記仮想ガイドラインから前記垂直方向に外れるに従がって、前記ダンピング定数及び／又はスティッフネス定数を徐々高く設定する、ことを特徴とするリハビリテーション装置。 The rehabilitation device according to claim 5,
The control means may be arranged such that the current position on the display means corresponding to the operation amount detected by the operation amount detection means deviates from the virtual guideline in the vertical direction, and the damping constant and / or stiffness. A rehabilitation device characterized in that the constant is gradually increased. 請求項５記載のリハビリテーション装置であって、
前記制御手段は、前記操作量検出手段により検出された操作量に対応する前記表示手段上の現在位置が前記可操作楕円の外側に出たと判断すると、ダンピング定数及び／又はスティッフネス定数を所定量増加させる、ことを特徴とするリハビリテーション装置。 The rehabilitation device according to claim 5,
When the control means determines that the current position on the display means corresponding to the operation amount detected by the operation amount detection means is outside the operable ellipse, a damping constant and / or a stiffness constant are set to a predetermined amount. A rehabilitation device characterized by increasing. 請求項１乃至９のうちいずれか１項記載のリハビリテーション装置であって、
前記姿勢検出手段は、前記被験者の身体の各関節角度を検出し、
前記制御手段は、前記姿勢検出手段により検出された各関節角度と、前記身体のヤコビアン行列と、に基づいて前記可操作楕円を算出する、ことを特徴とするリハビリテーション装置。 The rehabilitation device according to any one of claims 1 to 9,
The posture detecting means detects each joint angle of the subject's body,
The rehabilitation device, wherein the control means calculates the operable ellipse based on each joint angle detected by the posture detection means and the Jacobian matrix of the body. リハビリテーションの被験者によって操作される操作手段の操作量を検出するステップと、
被験者の姿勢を検出するステップと、
前記操作手段に作用する外力を検出するステップと、
前記操作手段の操作目標位置を表示するステップと、
を含む制御方法であって、
前記検出された被験者の姿勢に基づいて、被験者の身体の可操作性を示す可操作楕円を算出するステップと、
該算出した可操作楕円に基づいて前記操作目標位置を算出するステップと、
前記検出された外力と、前記算出した操作目標位置と、に基づいて、前記操作手段に対する操作量の目標値を算出するステップと、
該算出した操作量の目標値に前記検出された操作量が追従するように前記操作手段を駆動する駆動手段を制御するステップと、
を含む、ことを特徴とする制御方法。 Detecting an operation amount of an operation means operated by a subject of rehabilitation;
Detecting the posture of the subject;
Detecting an external force acting on the operating means;
Displaying an operation target position of the operation means;
A control method comprising:
Based on the detected posture of the subject, calculating an operable ellipse indicating the operable property of the subject's body;
Calculating the operation target position based on the calculated operable ellipse;
Calculating a target value of an operation amount for the operation means based on the detected external force and the calculated operation target position;
Controlling a drive means for driving the operation means so that the detected operation amount follows the calculated operation amount target value;
A control method comprising: リハビリテーションの被験者の姿勢に基づいて、被験者の身体の可操作性を示す可操作楕円を算出する処理と、
該算出した可操作楕円に基づいて操作目標位置を算出する処理と、
被験者によって操作される操作手段の前記操作目標位置を表示する処理と、
前記操作手段に作用する外力と、前記算出した操作目標位置と、に基づいて、前記操作手段に対する操作量の目標値を算出する処理と、
該算出した操作量の目標値に前記操作手段の操作量が追従するように前記操作手段を駆動する駆動手段を制御する処理と、
をコンピュータに実行させる、ことを特徴とする制御プログラム。 Based on the posture of the subject in the rehabilitation, a process of calculating an operable ellipse indicating the operable property of the subject's body,
A process of calculating an operation target position based on the calculated operable ellipse;
Processing for displaying the operation target position of the operation means operated by the subject;
A process of calculating a target value of an operation amount for the operation means based on an external force acting on the operation means and the calculated operation target position;
A process for controlling a driving means for driving the operating means so that the operating quantity of the operating means follows the calculated target value of the operating quantity;
A control program for causing a computer to execute.
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