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JPH0323065B2 - - Google Patents
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JPH0323065B2 - - Google Patents

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JPH0323065B2
JPH0323065B2 JP61162541A JP16254186A JPH0323065B2 JP H0323065 B2 JPH0323065 B2 JP H0323065B2 JP 61162541 A JP61162541 A JP 61162541A JP 16254186 A JP16254186 A JP 16254186A JP H0323065 B2 JPH0323065 B2 JP H0323065B2
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JP
Japan
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force
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arm
difference
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JP61162541A
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Takao Wada
Juji Shindo
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
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【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、筋力の低下した上肢体または下肢体
などの肢体の機能を回復するために用いられるリ
ハビリテーシヨン支援装置の制御方式に関し、も
つと詳しくは、筋力の低下した肢体を角変位可能
なアームに取付けてリハビリテーシヨン支援を行
なうリハビリテーシヨン支援装置の制御方式に関
する。
背景技術 典型的な先行技術は、特公昭57−30509などに
示されており、肢体が取付けられる角変位可能な
アームの揺動運動の等張制御を実現するために、
相互に噛み合つている複数の増速歯車の歯車軸に
筋肉により力を加えて回転させ、この回転をパウ
ダーブレーキに伝達して制御し、またモータによ
つて歯車を制御状態において回転し、筋肉に力を
及ぼす機構を有している。このような構成によつ
て、患者のリハビリテーシヨン訓練時において、
重錘を引上げるような動作を行なわせ、筋肉への
負荷は重錘の重さにより一定値とし、抗重力によ
る訓練を行なうものである。
発明が解決すべき問題点 このような先行技術では、パウダーブレーキな
どを備えており、比較的複雑な構造を有し、また
構成が大形化するという問題点がある。
本発明の目的は、構成が簡単であり、小形化が
可能なリハビリテーシヨン支援装置の制御方式を
提供することである。
問題点を解決するための手段 本発明は、角変位可能なアームに肢体を取付け
て筋力の低下した肢体の機能を回復するためのリ
ハビリテーシヨン支援装置の制御方式において、 アームを角変位駆動するためのサーボ電動機
と、 サーボ電動機を駆動する電力増幅器と、 サーボ電動機の回転速度または駆動電流を検出
する回転速度/駆動電流検出器と、 アームに肢体から加えられる力またはトルクを
検出する力/トルク検出器と、 予め定めた力またはトルクを表わす信号を導出
する設定回路と、 力/トルク検出器の出力と設定回路の出力との
差を演算し、その差を表わす信号を導出する第1
減算器と、 第1減算器の出力と回転速度/駆動電流検出器
の出力との差を演算し、その差を表わす信号を電
力増幅器に与える第2減算器とを含むことを特徴
とするリハビリテーシヨン支援装置の制御方式で
ある。
好ましい実施態様は、第1および第2減算器の
間に、1次低域通過フイルタを介在することを特
徴する。
さらに好ましい実施態様では、アームの角度を
検出する角度検出器と、 角度検出器の出力に応答し、アームが予め定め
た可動範囲を超えたとき、予め定める大きなレベ
ルを有する出力を導出する不感帯要素と、 第1および第2減算器の間に介在され、第1減
算器の出力と不感帯要素の出力との差を演算し、
その差を表わす信号を第2減算器に与える第3減
算器とを含むことを特徴する。
作 用 本発明に従えば、力またはトルクを検出する
力/トルク検出器によつてアームに肢体から加え
られる力またはトルクを検出し、この力/トルク
検出器と設定回路からの予め定めた力またはトル
クを表わす信号との差を第1減算器によつて演算
し、この第1減算器の出力を第2減算器に与えて
サーボ電動機を駆動するようにしたので、アーム
には設定回路において設定された力またはトルク
が常に作用することになる。したがつてリハビリ
テーシヨン訓練を行なうとき、患者は重錘を引上
げるような動作を行なうことができ、等張制御が
達成される。
実施例 第1図は、本発明の一実施例のブロツク図であ
る。筋力の低下した肢体の機能を回復するため
に、本発明に従うリハビリテーシヨン支援装置の
制御方式が実施される。上肢体または下肢体は、
アーム1の端部2に取付けられる。このアーム1
の基端部3は、水平軸線を有する回転軸4に固定
される。サーボ電動機5の出力軸6は、減速機7
に連結され、そのサーボ電動機5の出力軸6の回
転速度が減速され、回転軸4に伝達される。サー
ボ電動機5の出力軸6の回転速度は、回転速度検
出器8によつて検出される。この回転速度検出器
8は、出力軸6の回転速度の増大に伴つてライン
9に導出される出力のレベルが、第2図に示され
るように増大する特性を有する。サーボ電動機5
は、電力増幅器10によつて駆動される。
アーム1には力検出器11が取付けられ、アー
ム1に作用する力を検出することができる。この
力検出器11は、アーム1に作用する力に対応す
る出力をライン12に導出し、その特性は第3図
に示されるとおりである。力検出器11は、たと
えばストレンゲージなどによつて実現される。力
検出器11の出力信号は、ライン12を介して係
数器14に入力されて、予め定めた一定値k1が
掛け算される。
係数器14からの出力は、減算器15の一方の
入力に与えられる。減算器15の他方の入力に
は、予め定めた力に対応したレベルを有する信号
を導出する設定回路16からの出力が与えられ
る。減算器15は、係数器14の出力のレベルか
ら設定回路16の出力のレベルを差し引いて減算
し、その差を表わす信号を減算器17に与える。
減算器17の出力は1次低域通過フイルタ18に
与えられ、そのフイルタ18の出力は減算器19
に与えられる。減算器19は、フイルタ18から
の出力のレベルから回転速度検出器8の出力のレ
ベルを差し引いて演算し、その差を表わす信号を
電力増幅器10に与える。
アーム1の角変位量は、角度検出器21によつ
て検出される。この角度検出器21は、第4図に
示されるようにアーム1に固定された軸4の角度
に対応した出力を導出する。この角度検出器21
からの出力は、ライン22から不感帯要素23に
入力される。
不感帯要素23は、第5図に示されるように、
ライン22を介して与えられる入力のレベルが、
予め定めた値θMAX〜θMINの範囲にあるとき、ライ
ン24に導出する出力のレベルは零であり、入力
のレベルが上限値である前記値θMAX以上であると
き、および下限値である値θMIN以下であるとき、
傾きkpの出力を導出する。入力のレベルが値
θMAX以上および値θMIN以下であるとき、その入力
のレベルの変化量に対応する出力のレベルの変化
量、すなわち傾きkpはきわめて大きく、第5図
に示される角度αは、90度に近い値である。不感
帯要素23からライン24に導出される出力は、
係数器25に与えられて定数kEが掛け算され、減
算器17に入力される。減算器17は、前述の減
算器15の出力から、係数器25の出力を差し引
いて減算し、その差に対応するレベルを有する信
号をフイルタ18に与える。
アーム1の角変位位置が、不感帯要素23にお
いて予め設定された値θMAX〜θMINに対応した可動
範囲にある状態を想定する。アーム1に肢体によ
つて力が作用すると、その力は力検出器11によ
つて検出される。
サーボ電動機5と、回転速度検出器8と、電力
増幅器10と、減算器19とは、速度フイードバ
ツクループを構成しており、回転速度検出器8に
よつて検出される出力軸6の実回転速度θ〓は、フ
イルタ18から減算器19に入力される回転速度
指令値θ〓rに追従する。以下の説明では、θ〓とθ〓r

の偏差が充分小さいものとする。
アーム1の可動範囲の設定に関して、説明を行
なう。減算器15から減算器17に与えられる信
号のレベルをAとするとき、角度検出器21から
不感帯要素23に信号が与えられると、次の第1
式〜第5式が成立する。
θ〓r=θ〓=A (θMIN≦θ≦θMAX) …(1) θ〓r=θ〓=A−kp・kE(θ−θMAX) (θMAX<θ) …(2) θ〓r=θ〓=A−kp・kE(θ−θMIN) (θ<θMIN) …(3) 不感帯要素23に入力される信号のレベルθ
が、値θMAX〜θMINの範囲であるときには、後述の
ように、等張制御が行なわれる。
第2式または第3式が成立するとき、すなわち
アーム1の角度がθMAXを超えるときまたはθMIN
満であるときには、位置フイードバツク動作が行
なわれ、アーム1は上下位置θMAX〜θMINの可動範
囲を大きく越えないようになる。不感帯要素23
において、ライン22から入力される角度検出器
21の出力がθMAX以上およびθMIN以下であるとき
には、入力の変化に対して出力は大きく変化し、
たとえば90度に近いけれども90度ではない大きな
傾きαを有している。そのため肢体によつて、ア
ーム位置に力を加えて等張制御を行なつていると
き、アーム位置が値θMAX、θMINに対応した角変位
位置で、急激に停止することが防がれる。そのた
め衝撃力が肢体に加わることを防ぐことができ
る。
次に、等張制御の動作を説明する。力検出器1
1、係数器14、減算器15、力設定回路16、
フイルタ18などを含むフイードバツクループに
おいて、1次低域通過フイルタ18の伝達関数W
を第4式で表わす。ここでsはラブラス演算子で
あり、J、Dは定数である。
W=1/Js+D …(4) したがつて係数器14の出力をTとし、力設定
回路16の出力をT0としたとき、サーボ電動機
5の出力軸6の回転速度θ〓は、フイルタ18の出
力θ〓rとの偏差が充分小さいものとすると、第5式
が成立する。
θ〓=1/Js+D(T−T0) …(5) 第5式をラブラス逆変換すると、第6式が成立
する。
Jθ¨+Dθ〓+T0=T …(6) この第6式を参照すると、ちようど、慣性力J
および摩擦力Dの負荷に、さらに一定の力T0
加わつているものを、リハビリテーシヨン訓練を
行なう患者がTの力を発生させてアーム1を角変
位することに相当する。
したがつて慣性力Jおよび摩擦力Dが充分小さ
ければ、 T=T0 …(7) となつて、等張運動となる。また値J、D、T0
を変化することによつて各種の態様でアーム1に
力を発生させることができ、衝撃力の緩和を行な
うことができる。
1次低域通過フイルタ18の具体的な構成は、
たとえば第6図に示されているとおりである。減
算器17からの出力は、ライン26,27に与え
られる。ライン26には抵抗28が直列に接続さ
れ、接続点29とライン27との間にはコンデン
サ30が接続される。コンデンサ30に後続し
て、高入力インピーダンスを有する増幅回路31
が接続される。増幅回路31の出力は、減算器1
9に与えられる。増幅回路31は、演算増幅器3
2と抵抗R1,R2を有し、その利得Kは第8式
に示されるとおりである。
K=1+R2/R1 …(8) このような構成を有するフイルタ18におい
て、前述の値J、Dは第9式および10式のとおり
である。抵抗28の抵抗値はRで表わし、コンデ
ンサ30の容量はCで表わす。
J=C・R/K …(9) D=1/K …(10) 第7図は、本発明の他の実施例のブロツク図で
ある。本実施例は、前述の実施例に類似し、対応
する部分には、同一の参照符を付す。注目すべき
は、前述の実施例における回転数検出器8に代え
て、本実施例では、変流器35と、駆動電流検出
器36とが用いられる。サーボ電動機5と、変流
器35と、駆動電流検出器36と、電力増幅器1
0と、減算器19とは、フイードバツクループを
構成しており、変流器35と駆動電流検出器36
とによつて検出される電力増幅器10の出力電流
すなわちサーボ電動機5の界磁電流iは、フイル
タ18から減算器19に入力される回転速度指令
値θ〓rに追従する。
力検出器11に代えて、アーム1のトルクを検
出する検出器が用いられてもよく、このときには
力設定回路16に代えて、予め定めたトルクを表
わす信号を導出する設定回路が用いられる。
効 果 以上のように本発明によれば、構成が簡略化さ
れるとともに小形化が可能となり、また商業的に
入手が容易な構成要素を用いて実現することが可
能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例のブロツク図、第2
図は回転速度検出器8の特性を示す図、第3図は
力検出器11の特性を示す図、第4図は角度検出
器21の特性を示す図、第5図は不感帯要素23
の特性を示す図、第6図は1次低域通過フイルタ
18の具体的な構成を示す電気回路図、第7図は
本発明の他の実施例のブロツク図である。 1……アーム、4……回転軸、5……サーボ電
動機、7……減速機、8……回転速度検出器、9
……電力増幅器、11……力検出器、14,25
……係数器、15,17,19……減算器、16
……力設定回路、23……不感帯要素、35……
変流器、36……駆動電流検出器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 角変位可能なアームに肢体を取付けて筋力の
    低下した肢体の機能を回復するためのリハビリテ
    ーシヨン支援装置の制御方式において、 アームを角変位駆動するためのサーボ電動機
    と、 サーボ電動機を駆動する電力増幅器と、 サーボ電動機の回転速度または駆動電流を検出
    する回転速度/駆動電流検出器と、 アームに肢体から加えられる力またはトルクを
    検出する力/トルク検出器と、 予め定めた力またはトルクを表わす信号を導出
    する設定回路と、 力/トルク検出器の出力と設定回路の出力との
    差を演算し、その差を表わす信号を導出する第1
    減算器と、 第1減算器の出力と回転速度/駆動電流検出器
    の出力との差を演算し、その差を表わす信号を電
    力増幅器に与える第2減算器とを含むことを特徴
    とするリハビリテーシヨン支援装置の制御方式。 2 第1および第2減算器の間に、1次低域通過
    フイルタを介在することを特徴する特許請求の範
    囲第1項記載のリハビリテーシヨン支援装置の制
    御方式。 3 アームの角度を検出する角度検出器と、 角度検出器の出力に応答し、アームが予め定め
    た可動範囲を超えたとき、予め定める大きなレベ
    ルを有する出力を導出する不感帯要素と、 第1および第2減算器の間に介在され、第1減
    算器の出力と不感帯要素の出力との差を演算し、
    その差を表わす信号を第2減算器に与える第3減
    算器とを含むことを特徴する特許請求の範囲第1
    項記載のリハビリテーシヨン支援装置の制御方
    式。
JP61162541A 1986-07-10 1986-07-10 リハビリテ−シヨン支援装置の制御方式 Granted JPS6319146A (ja)

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JP61162541A JPS6319146A (ja) 1986-07-10 1986-07-10 リハビリテ−シヨン支援装置の制御方式

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JPS6319146A JPS6319146A (ja) 1988-01-26
JPH0323065B2 true JPH0323065B2 (ja) 1991-03-28

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JP61162541A Granted JPS6319146A (ja) 1986-07-10 1986-07-10 リハビリテ−シヨン支援装置の制御方式

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