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技術 駆動装置

出願人 林原靖男株式会社多摩スプリング
発明者 林原靖男
出願日 2002年9月20日 (18年8ヶ月経過) 出願番号 2002-274902
公開日 2004年4月8日 (17年2ヶ月経過) 公開番号 2004-105609
状態 特許登録済
技術分野 リハビリ用具
主要キーワード 剛性中心 不等ピッチコイルばね 次ばね 支持点間 非線形ばね特性 線形ばね特性 非線形ばね 範囲条件
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2004年4月8日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (10)

目的

人の手で訓練するように、設定した軌道患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することはできる膝関節訓練装置等の駆動装置を提供する。

構成

駆動装置の構成として、被駆動部を保持するように配置され、被駆動部の動きに沿うように動く保持部材と、該保持部材に可変な剛性を与える剛性可変機構と、該剛性可変機構で作り出される剛性の中心位置を変化させ、被駆動部にある一定の軌道の動きをさせる駆動機構と、を設ける。

概要

背景

患者手術した後、膝の手術後の回復のために一定期間膝を固定し動かないようにしている。この結果、膝の可動範囲に狭くなりリハビリテーションが必要となる。従来、リハビリテーションの訓練装置としてはCPM(連続的受動運動)を用いることが、例えば、特開平06−105877号公報、特開平08−196585号公報、特開平11−192273号公報等に提案されている。
【特許文献1】
特開平06−105877号公報
【特許文献2】
特開平08−196585号公報
【特許文献3】
特開平11−192273号公報

概要

人の手で訓練するように、設定した軌道を患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することはできる膝関節訓練装置等の駆動装置を提供する。駆動装置の構成として、被駆動部を保持するように配置され、被駆動部の動きに沿うように動く保持部材と、該保持部材に可変な剛性を与える剛性可変機構と、該剛性可変機構で作り出される剛性の中心位置を変化させ、被駆動部にある一定の軌道の動きをさせる駆動機構と、を設ける。   

目的

本発明の目的は、人の手で訓練するように、設定した軌道を患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することのできる膝関節訓練装置等の駆動装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
3件

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請求項1

被駆動部を保持するように配置され、被駆動部の動きに沿うように動く保持部材と、該保持部材に可変剛性を与える剛性可変機構と、該剛性可変機構で作り出される剛性の中心位置を変化させ、被駆動部にある一定の軌道の動きをさせる駆動機構と、を有することを特徴とする駆動装置

請求項2

請求項1記載の駆動装置において、前記剛性は線形であり、前記剛性可変機構は2つの2次特性ばねの組合せによって構成されることを特徴とする駆動装置。

請求項3

請求項1記載の駆動装置において、前記剛性可変機構は、2次特性を持つ第1ばねと、2次特性を持つ第2ばねと、第1および第2ばねの端部を連結するワイヤーと、第1および第2ばねの圧縮とその作用する位置を制御する2つのサーボモータと、を有し、前記サーボモータによって作用力が加えられた第1ばねと第2ばねの拮抗に基づいて前記剛性が決められ、また拮抗する点を移動することでその剛性の中心が決められる、ことを特徴とする駆動装置。

技術分野

0001

本発明は駆動装置に関し、特に、膝関節やその他の関節を訓練する医療装置およびロボットヒューマノイド)に適用可能な駆動装置に関する。以下、本発明の駆動装置を膝関節訓練装置に関連して説明するが、本発明は膝関節訓練装置に限定されるものではない。

背景技術

0002

患者手術した後、膝の手術後の回復のために一定期間膝を固定し動かないようにしている。この結果、膝の可動範囲に狭くなりリハビリテーションが必要となる。従来、リハビリテーションの訓練装置としてはCPM(連続的受動運動)を用いることが、例えば、特開平06−105877号公報、特開平08−196585号公報、特開平11−192273号公報等に提案されている。
【特許文献1】
特開平06−105877号公報
【特許文献2】
特開平08−196585号公報
【特許文献3】
特開平11−192273号公報

0003

前述の従来例のCPMでは、膝を中心として大腿部に対して下腿部を回動させることを繰り返し行うようになっているが、人の手で訓練するのとは異なり、設定した軌道を患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することはできなかった。

発明が解決しようとする課題

0004

したがって、本発明の目的は、人の手で訓練するように、設定した軌道を患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することのできる膝関節訓練装置等の駆動装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0005

前述の目的を達成するために、本発明は被駆動部を保持するように配置され、被駆動部の動きに沿うように動く保持部材と、該保持部材に可変な剛性を与える剛性可変機構と、該剛性可変機構で作り出される剛性の中心位置を変化させ、被駆動部にある一定の軌道の動きをさせる駆動機構と、を有することを特徴とする駆動装置を採用するものである。

0006

図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図1は本発明の剛性可変機構を用いた膝関節訓練装置を説明するための構成図である。図2は本発明の剛性可変機構の原理を説明するための図である。図3は本発明の非線形ばね動作特性を説明するための図である。図4は非線形ばねの2次特性を説明するための図である。図5は2つの2次特性ばねによる剛性可変を説明するための図である。図6は2つの非線形ばねによる剛性可変を説明するためのグラフである。図7は剛性の中心位置を変更する機構を説明するための図である。図8は2次特性ばねの例の円錐形のばねの構成を示す図である。図9は円錐形のばねの特性を示すグラフである。

0007

最初に、図2を参照して、本発明の剛性可変機構の原理を説明する。この剛性可変機構10は、端的に言えば、2つの2次(2乗)特性を持つ非線形ばね11を組み合わせることにより剛性可変の線形ばね特性拮抗点の部材12を得るものである。

0008

拮抗点の部材12は例えばスライダからなり、部材が動く方向の両端には、お互いに逆方向に力が加わるように非線形ばね11が配置される。非線形ばねの他端はばねを圧縮するための部材があり、そのばねを圧縮するための部材13の距離はサーボモータ14により変更することができる。

0009

このように構成された剛性可変機構では、各サーボモータ14でばねを圧縮するための部材13を移動させると、ばね11は圧縮されることになる。両方のばね11が拮抗点の部材12で連結されているので、お互いの力が拮抗するまで,拮抗点の部材12が移動して停止することになる。この所定位置は拮抗点における線形ばね特性の剛性に依存することになる。

0010

次に、図3から図6を参照して、どのようにして拮抗点の部材12に線形ばね特性が与えられるかについて説明する。図3には、非線形ばね特性(特に2次ばね特性)を持つ不等ピッチコイルばね11が示されている。すなわち、コイルピッチが2次ばね特性に対応するように徐々に変化させられてものである。不等ピッチコイルばねとしては同一径のコイル部分を持つものばかりでなく、コイル径が徐々に縮小する円錐形の不等ピッチコイルばねであってもよい。図8及び図9は,例として2次特性をもつ円錐形のばねの構造および2次特性をもつ円錐形のばねの特性を示している。また、特開平2000−337415号公報には非線形異形コイルが示されており、この非線形異形コイルから2次特性のばねを作製できるので、本発明で用いる2次特性のばねとして用いることができる。

0011

2次ばね特性を持つばねが圧縮されると、圧縮量(移動位置)に対してばね力図4に示すように2次特性を示す。

0012

今、図4に示すような2次特性を持つ2つのばねを図5に示すように配置すると仮定する。ここで、ばねの自由長をx0(m)とすると、非線形ばねの長さx(m)と力f(N)との関係は、
f=k(x−x0)2               (1)
と表すことができる。ただしkは2乗に比例する定数で単位はN/m2である。ここで、2つのばねが図5に示す位置で拮抗したとすると、支持点間の距離を2l(m)、中心からの距離をxc(m)とすると、それぞれのばねに生じる圧縮力f1、f2は、
f1=k(l+xc−x0)             (2)
f2=k(l−xc−x0)             (3)
となり、合成力f12は
f12=4k(l−x0)xc
となり、4k(l−x0)を比例定数とする線形ばねの特性が得られる。
なお、上記式の算出においては、簡略化のためにx、xc等の範囲条件を省略している。

0013

この結果、図6のグラフに示すように剛性が可変のものが得られる。

0014

次に、図1を参照して、本発明の剛性可変機構を用いた膝関節訓練装置を説明する。剛性可変機構10が設けられており、その詳細は図2に関連して既に説明しているので、省略する。

0015

膝関節訓練装置100は剛性可変機構10に加えて、その剛性可変機構で作り出される剛性の中心位置を変動させ、脚部50にある一定の軌道の動きをさせる駆動機構20を備える。駆動機構20は、図7に示すように、例えば,スライダ21とボールネジ22とサーボモータ23からなる。サーボモータにより、スライダ上の剛性可変気候10を移動することで、剛性の中心位置を変動させることができる。

0016

これら剛性可変機構10と剛性の中心位置を変動する駆動機構20で使用するモータモータコントローラを含む軌道・剛性特性入力装置40により制御され、訓練に用いる軌道と剛性を生成する。

0017

さらに、膝関節訓練装置100は、これら剛性可変機構10と剛性中心の駆動機構20で生成される動きと力を、患者の脚部50に伝えるために,脚部保持部材30を備えている。この脚部保持部材30は、患者の脚部50を保持するように配置され,脚部の動きに沿うように動く。また脚部保持部材30は、剛性可変機構10の拮抗点の部材12と連結されており、その姿勢の変動と関節の剛性の調整は、剛性可変機構10のサーボモータ14と剛性中心の駆動機構20のサーボモータ23によって行われる。このように姿勢と剛性を調整することで、患者にとって最適な条件でリハビリテーションの訓練を受けることができる。

発明を実施するための最良の形態

0018

以上、本発明の駆動装置を膝関節訓練装置を例として説明してきたが、本発明は膝関節ばかりでなく、他の関節にも適用できるものであり、また、ロボット(ヒューマノイド)にも適用可能である。

発明の効果

0019

以上説明したように、本発明によれば、例えば、人の手で訓練するように、設定した軌道を患者からの抵抗力に合わせて柔軟に可変することはできる膝関節訓練装置等の駆動装置が得られる。

図面の簡単な説明

0020

その他、以下のような効果が得られる。
(1)サーボモータの速度が遅くてもやわらかさを実現できる。また,トルクも比較的小さくできる。
(2)電源が停止しても柔らかさを保持できる。
(3)力センサが必要ない。また、力センサで感知することのできない場所に力を加えても反応する。

図1
図1は本発明の剛性可変機構を用いた膝関節訓練装置を説明するための構成図である。
図2
図2は本発明の剛性可変機構の原理を説明するための図である。
図3
図3は本発明の非線形ばねの動作特性を説明するための図である。
図4
図4は非線ばねの2次特性を説明するための図である。
図5
図5は2つの2次特性ばねによる剛性可変を説明するための図である。
図6
図6は2つの2次特性ばねによる剛性可変を説明するためのグラフである。
図7
図7は剛性の中心位置を変更する機構を説明するための図である。
図8
図8は2次特性ばねの例の円錐形のばねの構成を示す図である。
図9
図9は円錐形のばねの特性を示すグラフである。
【符号の説明】
10    剛性可変機構
11    非線形ばね
12    拮抗点の部材
13    ばねを圧縮するための部材
14    ばねを圧縮するサーボモータ
20    剛性の中心位置を変更する駆動機構
21    スライダ
22    ボールネジ
23    剛性の中心位置を変更するサーボモータ
30    脚部保持部材
40    モータコントローラを含む軌道。剛性特性入力装置
50    患者の脚部
100   膝関節訓練装置
20    下腿部保持部材

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