JP2003190234A - 多自由度下肢リハビリ支援装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、安全性、軽量化、取り扱いの簡便
さ、使用時のユーザの心理的負担などに配慮して複数本
の牽引索による牽引機構を採用することにより、患者の
症状に応じて６自由度方向の訓練を可能とするとともに
アクチュエータの小型化、患者の拘束感の低減を可能に
した多自由度下肢リハビリ支援装置を提供することを目
的とする。 【解決手段】 本発明による多自由度下肢リハビリ支援
装置は、下肢の複数部位を牽引する複数本の牽引索を曲
線状のレールに沿って移動自在な巻取機構により巻取自
在に設け、各牽引索を制御装置で制御することにより下
肢関節を訓練可能としたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高齢者等が事故や
疾病で身体に機能障害を負った場合、病院でのリハビリ
の後、家庭または施設において、理学療法士の操作・監
視のもとで訓練するための下肢リハビリ支援装置に関
し、特に、ワイヤパラレル機構を応用した多自由度下肢
関節訓練装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の下肢機能訓練装置としては、図１
１に示すように、ベース３０に大腿部介添用ビーム３１
を回動自在に設け、該大腿部介添用ビーム３１にピボッ
トピン３２を支点として脛部支持体３３をピボット自在
に装着し、下肢４０をバンド３４，３４に載せた状態
で、図示しないモータを駆動させて脛部支持体３３をピ
ボットピン３２を支点として揺動運動させることによ
り、膝関節の屈曲・伸展運動をさせるものが知られてい
る（たとえば、特公平６−２０４７８号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来公知の下肢機能訓練装置にあっては、訓練装置が
ビーム等をリンク結合させた構成となっているため、柔
軟性に乏しく、誤って患者の下肢を訓練装置に装着して
しまったような場合には、患者の膝関節等を損傷すると
いった事態が生じるおそれがあった。

【０００４】本発明は、安全性、軽量化、取り扱いの簡
便さ、使用時のユーザの心理的負担などに配慮して複数
本の牽引索による牽引機構（通称、ワイヤパラレル機構
ともいう。）を採用することにより、患者の症状に応じ
て６自由度方向の訓練を可能にするとともにアクチュエ
ータの小型化、患者の拘束感の低減を可能にした多自由
度下肢リハビリ支援装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の多自由度下肢リハビリ支援装置は、下肢の
複数部位を牽引する複数本の牽引索を巻取自在に設け、
各牽引索を制御装置で制御することにより下肢関節を訓
練可能としたことを特徴とする。また、本発明の多自由
度下肢リハビリ支援装置は、牽引索をワイヤ、天然繊維
または合成繊維からなるロープで構成したことを特徴と
する。また、本発明の多自由度下肢リハビリ支援装置
は、各牽引索ごとに巻取機構を設け、各巻取機構を曲線
状のレールに沿って移動自在としたことを特徴とする。
また、本発明の多自由度下肢リハビリ支援装置は、レー
ルを、１対の長円形状外側レール、１対のＪ字形状中間
レールおよび１本の逆Ｕ字形状内側レールから構成する
とともに、これらのレールを一定の方向に向けて設けた
ことを特徴とする。また、本発明の多自由度下肢リハビ
リ支援装置は、下肢を載置するフレームをレールの方向
と直交する方向に回動自在に設けたことを特徴とする。
また、本発明の多自由度下肢リハビリ支援装置は、患者
身体データおよび訓練動作パラメータから、患者の下肢
における訓練目標位置、下肢上の牽引索取り付け位置、
巻取機構の位置および牽引索の長さを制御装置において
演算し制御するようにしたことを特徴とする。また、本
発明の多自由度下肢リハビリ支援装置は、下肢に加わる
力を制御するために、牽引索に作用する張力を制御する
ことを特徴とする。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の多自由度下肢リハ
ビリ支援装置の実施の形態を図に基づき説明する。 （実施の形態１）図１は、本発明の実施の形態１に係る
全体構成を示した斜視図、図２は同要部の正面図、図３
は同要部の平面図である。この実施の形態１において
は、訓練台１の上に、３種類５本のレールと５組の巻取
機構が設けられている。すなわち、長円形状をした１対
の外側レール２、２、Ｊ字形状をした１対の中間レール
３、３および逆Ｕ字形状をした１本の内側レール４が設
置される。各レールを図示のように直線と円弧を組み合
わせた曲線状に形成するのは、後述するように牽引索と
訓練する患者の下肢とができるだけ直交するようにする
ため、および、装置の可動部が患者の身体に接近しない
ようにするためである。また、各レールには、レールに
沿って移動自在の移動物体５を装着する。該移動物体５
は、レールに沿って設けられたタイミングベルトで駆動
される他、自走式としても良い。なお、１対の長円形状
外側レール２、２および１対のＪ字形状中間レール３、
３における移動物体５の移動は、左右独立に行えるよう
にしても、あるいは、同時・同方向に行えるようにして
も良い。各レールには、移動物体５がレールの一定範囲
を超えて移動しないよう図示しないリミットスイッチが
設けられている。

【０００７】さらにまた、各移動物体５に、モータ、牽
引索巻取ドラム、滑車類などからなる巻取機構６を設け
る。各巻取機構６の牽引索巻取ドラムには、牽引索７が
巻き付けられており、モータにより牽引索７は独立に巻
取・巻戻され、所定の繰り出し長さになるよう制御され
る。また、牽引索７には図示しない張力センサが設けら
れ、後述する制御装置１１に牽引索７に作用する張力を
リアルタイムで送信するようになっている。この巻取機
構６を移動物体５に設けて曲線状のレールに沿って可動
式にしているのは、牽引索同士の干渉を防ぎ、張力の作
用する方向を下肢に対してできるだけ垂直に保つためで
ある。牽引索７の先端は患者８のリハビリを行う下肢９
に装着するベルト１０に取り付けられ、このベルト１０
を牽引索７で牽引することにより下肢９に外力を伝達す
る。なお、牽引索７は、柔軟性を有し、ある程度以上の
強度を有するものであれば良く、たとえば、ワイヤ、天
然繊維または合成繊維からなるロープで構成される。

【０００８】図１〜図３においては、患者はあおむけの
状態であり、１対の長円形状外側レール２、２に装着さ
れた移動物体５の巻取機構６の牽引索７は下肢９の膝上
を、１対のＪ字形状中間レール３、３に装着された移動
物体５の巻取機構６の牽引索７は下肢９の膝下を、ま
た、１本の逆Ｕ字形状内側レール４に装着された移動物
体５の巻取機構６の牽引索７は、足首部をそれぞれ牽引
するようになっている。なお、患者は、うつぶせ状態で
も訓練可能であり、また、ベルト１０を介して牽引する
位置は、訓練する関節位置に応じて適宜設定する。安全
のため、巻取機構６には、牽引索７が一定範囲を超えて
巻き取られることがないよう図示しないリミットスイッ
チが設けられる。

【０００９】装置の制御を行う制御装置１１は、パソコ
ンと入出力ボード類で構成されており、該制御装置１１
には、氏名、体重、大腿長、下腿長等の患者身体データ
１２および股関節屈曲・伸展／膝関節屈曲・伸展、動作
範囲、速度、繰り返し回数、体の向き等の訓練動作パラ
メータ１３を予め入力するようになっている。また、制
御装置１１には、リハビリ動作実行中のコンピュータの
任意キー押し下げによるプログラム上の停止機構が設け
られている。

【００１０】患者８の手元には、患者が必要と感じたと
きに押し下げることで電流を遮断して装置を停止する非
常スイッチ１４が備えられる。また、各牽引索７に、患
者の体重に対して一定割合以上の張力が加わった際には
プログラムを停止するようになっている。

【００１１】上記したリハビリ装置においては、患者８
の下肢９のうち、股関節、膝関節、足関節を対象にして
おり、股関節は、屈曲・伸展、内転・外転（真横への振
り出し）、内旋・外旋（脚のひねり）の３自由度、膝関
節は、屈曲・伸展の１自由度、足関節は、底屈・背屈
（かかとを中心にしたつま先の上下）、内反・外反（足
首を軸にした足部のひねり）の２自由度、の全部で６自
由度を対象にしている。ただし、足指の運動などは本装
置の対象外である。股関節の屈曲角は、膝伸展時で0゜
〜90゜、膝屈曲時で0゜〜125゜であり、また、膝関節屈
曲角は、0゜〜130゜を想定して設定されている。

【００１２】リハビリ動作実行に当たって、制御装置１
１は、患者の身体データ１２および訓練動作パラメータ
１３から、一定時間ごとの患者８の下肢９における訓練
する目標位置を演算するとともに、下肢９上の牽引索７
の取り付け位置を同時に決定する。次に、下肢９の長手
方向に対して、牽引索７が常に一定角度（たとえば、直
角）を保つという条件を与え、レール上の巻取機構６の
位置および牽引索７の長さの目標値を演算させる。この
目標値を、各移動物体５のモータおよび各巻取機構６の
モータの目標出力に変換し、モータ電圧指令値１５とし
てモータに送信することにより、位置制御を行うことが
できる。さらに、牽引索７に設けた張力センサからの張
力は、リアルタイムで制御装置１１に入力されており、
上記の位置制御と組み合わせて牽引索７に作用する張力
も制御することにより、患者の下肢に加わる力を制御す
ることができる。この張力制御によれば、牽引索７の張
力が許容値の上限に達した場合は、巻取機構６の位置お
よび牽引索７の長さが目標値に達していなくとも、その
時点で巻取機構６の移動および巻取の動作を保留すると
いうものである。たとえば、目標動作を膝関節角度１５
度から９０度の範囲で往復運動としたときに、６０度以
上の屈曲を行おうとすると、張力がそのときの許容値よ
り大きくなっため、そこで動作を保留する。復路で目標
軌道が６０度から小さくなる方向に進行したときに、再
び伸展動作、または、動作を保留した段階で直ちに反転
し伸展動作に入る。

【００１３】今、膝関節の屈曲・伸展動作訓練を行う場
合、たとえば、図２に示すようにあおむけの患者８の下
肢９の膝上、膝下および足首上部に牽引索先端と連結し
たベルト１０を装着しておき、１対の長円形状外側レー
ル２、２に装着した移動物体５および巻取機構６を制御
して大腿部を適度な角度まで持ち上げた状態で静止させ
ておき、１対のＪ字状中間レール３、３に装着された移
動物体５の巻取機構６および１本の逆Ｕ字状内側レール
４に装着された移動物体５の巻取機構６を制御してこれ
らに連結した牽引索７、７を交互に所定回数伸縮させれ
ば良い。また、患者８がうつぶせの姿勢の場合は、足首
部の牽引索のみ伸縮せることにより膝関節の屈曲・伸展
動作訓練を行うこともできる。

【００１４】（実施の形態２）図４は、本発明の実施の
形態２に係る全体構成を示した斜視図である。この実施
の形態２は、上記した実施の形態１の構成に、患者の股
関節の内旋・外旋および内転・外転の訓練に適した装置
を加えた構成となっている。すなわち、訓練台１上に、
患者の下肢を載置できるフレーム１６を設ける。該フレ
ーム１６は、側面形状が四辺形をし、下肢を載置できる
奥行きを持った形状をしており、下辺に設けられた水平
方向の軸１７を中心にしてレールの方向と直交する方向
に回動できるようになっている。フレーム１６には、患
者の下肢の大腿および下腿がベルト１８、１８で固定さ
れる。患者の股関節の内旋・外旋および内転・外転の運
動を行わせるには、たとえば、長円形状外側レール２、
２および逆Ｕ字形状内側レール４に装着された巻取機構
６を利用するか、あるいは、専用の巻取機構を新設し
て、これらに巻付けられた牽引索をフレーム１６あるい
は患者下肢に取り付けたベルト１８に装着し、巻取機構
を制御することにより行う。その際、巻取機構は、レー
ルに沿って移動されることなく、一定位置に固定され、
巻取り、巻戻しのみ行う。また、フレーム１６は、患者
の下肢に接する部分の１辺の長さおよび２辺の交角を調
節可能としておくことにより、患者の身体に合わせて設
定を変更できる。

【００１５】

【実施例】図５は、牽引索としてワイヤロープを用いた
本件発明の多自由度下肢リハビリ支援装置に係る実験装
置の概略を示したもので、本件発明の実験装置には逆Ｕ
字形状内側レール４のみ使用し、患者８として人体ダミ
ーおよび男性被験者（３０代健常者）によりうつぶせの
姿勢で実験を行った。巻取機構位置ｄ、ワイヤ長ｌは膝
関節角度θの関数、ｄ＝ｆ（θ）、ｌ＝ｇ（θ）で表さ
れる。足首から約１０cm体幹側をワイヤにより吊り下
げ、膝関節角度20゜〜50゜の範囲で３往復を目標動作と
した。関節角度はゴニオメータにより計測した。また、
本件発明の実験装置による実験と並行して、図８に示し
た従来装置を用いて同じ目標動作の実験を行った。な
お、従来装置による実験では、被験者の姿勢はあおむけ
であった。

【００１６】図８は、人体ダミーによる実験結果を、ま
た、図９は、男性健常者による実験結果を示したもので
ある。図の横軸は時間（ただし、２つの装置の速度の決
定方法が異なるため、動作開始時点を０、３往復終了時
点を１として正規化している。）、縦軸は膝関節角度
（２つの装置の角度計の装着状態によって絶対値が大き
く異なるため、２通り使用している。）を示している。
図中、真っ直ぐな線は理論値、理論値に近い方のぎざぎ
ざ線が従来装置による動作結果、下にずれてぎざぎざの
多い線が本件発明の実験装置による動作結果である。人
体ダミーによる実験では、本件発明の実験装置において
は目標変位量の８０％程度の変位量であり、また、屈曲
・伸展を繰り返すにつれて、折り返し点の角度が小さく
なっていく現象が生じている。男性健常者による本件発
明の実験装置における実験では、目標の５０％程度の変
位量しか得られなかった。これは、厚手の衣服を着てい
る影響が大きく出ていると考えられる。

【００１７】図６は、被験者の姿勢をあおむけとして膝
関節の屈曲・伸展を行った場合のシミュレーションを、
図７は、被験者の姿勢をよこむきとして股関節の内転・
外転を行った場合のシミュレーションを示したものであ
る。これらのシミュレーション結果によれば、患者の姿
勢を変えても、巻取機構位置ｄおよびワイヤ長ｌを決定
する関数を変えることにより、うつぶせの姿勢による実
験と同様の制御で訓練が可能であることが分かる。

【００１８】図１０は、被験者による実験の主観的評価
を示したもので、従来装置を使用した場合には、剛性
感、動く感覚、圧迫感、拘束感、苦痛が多く感じられる
のに対し、本件発明の実験装置を使用した場合には、剛
性感、圧迫感、拘束感、苦痛が少なく、被験者のリハビ
リに対する姿勢の自由度が高いことが分かる。

【００１９】

【発明の効果】上記したように、本発明は、複数本の牽
引索を利用する形態とすることにより、患者の拘束感、
圧迫感、苦痛の低減を図ることができ、使用時のユーザ
の心理的負担を軽減できるとともに、患者の症状に応じ
て６自由度方向の訓練を可能にでき、安全性、取り扱い
の簡便さの向上、さらにまた、アクチュエータの小型化
を図ることができるという多大な効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る全体構成を示した
斜視図である。

【図２】本発明の実施の形態１に係る要部の正面図であ
る。

【図３】本発明の実施の形態１に係る要部の平面図であ
る。

【図４】本発明の実施の形態２に係る全体構成を示した
斜視図である。

【図５】本件発明に係る実験装置の概略を示したもので
ある。

【図６】被験者の姿勢をあおむけとした場合のシュミレ
ーション結果を示した図である。

【図７】被験者の姿勢をよこむきとした場合のシュミレ
ーション結果を示した図である。

【図８】人体ダミーによる実験結果を示した図である。

【図９】男性健常者による実験結果を示した図である

【図１０】被験者による実験の主観的評価を示した図で
ある。

【図１１】従来の下肢機能訓練装置の要部説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 訓練台 ２ 楕円形外側レール ３ Ｊ字状中間レール ４ 逆Ｕ字状内側レール ５ 移動物体 ６ 巻取機構 ７ 牽引索 ８ 患者 ９ 下肢 １０ ベルト １１ 制御装置 １２ 患者の身体データ １３ 訓練動作パラメータ １４ 非常スイッチ １５ モータ電圧指令値 １６ フレーム １７ 軸 １８ ベルト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 甲田 壽男 茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下肢の複数部位を牽引する複数本の牽引
   索を巻取自在に設け、各牽引索を制御装置で制御するこ
   とにより下肢関節を訓練可能としたことを特徴とする多
   自由度下肢リハビリ支援装置。
2. 【請求項２】 牽引索をワイヤ、天然繊維または合成繊
   維からなるロープで構成したことを特徴とする請求項１
   記載の多自由度下肢リハビリ支援装置。
3. 【請求項３】 各牽引索ごとに巻取機構を設け、各巻取
   機構を曲線状のレールに沿って移動自在としたことを特
   徴とする請求項１または請求項２記載の多自由度下肢リ
   ハビリ支援装置。
4. 【請求項４】 レールを、１対の長円形状外側レール、
   １対のＪ字形状中間レールおよび１本の逆Ｕ字形状内側
   レールから構成するとともにこれらの各レールを一定の
   方向に向けて設けたことを特徴とする請求項３記載の多
   自由度下肢リハビリ支援装置。
5. 【請求項５】 下肢を載置するフレームをレールの方向
   と直交する方向に回動自在に設けたことを特徴とする請
   求項３または請求項４記載の多自由度下肢リハビリ支援
   装置。
6. 【請求項６】 患者身体データおよび訓練動作パラメー
   タから、患者の下肢における訓練目標位置、下肢上の牽
   引索取り付け位置、巻取機構の位置および牽引索の長さ
   を制御装置において演算し制御するようにしたことを特
   徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載
   の多自由度下肢リハビリ支援装置。
7. 【請求項７】 下肢に加わる力を制御するために、牽引
   索に作用する張力を制御することを特徴とする請求項６
   記載の多自由度下肢リハビリ支援装置。