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JP2006247280A - Upper limb rehabilitation device - Google Patents

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JP2006247280A
JP2006247280A JP2005071505A JP2005071505A JP2006247280A JP 2006247280 A JP2006247280 A JP 2006247280A JP 2005071505 A JP2005071505 A JP 2005071505A JP 2005071505 A JP2005071505 A JP 2005071505A JP 2006247280 A JP2006247280 A JP 2006247280A
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JP
Japan
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patient
upper limb
limb rehabilitation
rehabilitation device
rotation
Prior art date
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Pending
Application number
JP2005071505A
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Japanese (ja)
Inventor
Junji Furusho
純次 古荘
Akio Inoue
昭夫 井上
Ushio Ryu
潮 笠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osaka University NUC
Original Assignee
Osaka University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Osaka University NUC filed Critical Osaka University NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an upper extremity rehabilitation apparatus allowing a patient to perform a practice for recovering the motor function of the patient's extremity including the wrist, securing further high safety, and transmitting a dynamic sense further close to the actual sense. <P>SOLUTION: The first constitution of this upper extremity rehabilitation apparatus allowing the patient to perform the practice for recovering the motor function of his/her upper extremity is characterized in having at least one driving means transmitting the driving to a movement of at least a single freedom degree out of three freedom degrees of the patient's wrist to transmit the dynamic sense to the patient, and at least one functional fluid clutch adjusting the driving of the driving means. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、患者の上肢の運動機能を回復させる訓練を行うための上肢リハビリ装置に関するものである。   The present invention relates to an upper limb rehabilitation apparatus for performing training for restoring the motor function of an upper limb of a patient.

従来、運動機能改善を目的としたリハビリテーションに有用な、速く正確な運動をリラックスした状態で行うことのできる機能の回復を効果的に実現させることのできる、運動訓練装置がある(特許文献1参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, there is an exercise training apparatus that can effectively realize the recovery of a function that can be performed in a relaxed state, which is useful for rehabilitation aimed at improving an exercise function, in a relaxed state (see Patent Document 1). ).

また、コンピュータによって形成された画像や、ロボットを媒体とした実際に存在する世界と、電気粘性流体の波動抵抗とを実時間で連動させ、力学的感覚を操作者に呈示する仮想現実システムが提案されている(特許文献2参照)。   Also proposed is a virtual reality system that presents mechanical sensations to the operator by linking real-time worlds of images created by computers and robots as a medium with wave resistance of electrorheological fluids. (See Patent Document 2).

特許第3120065号公報Japanese Patent No. 3120065 国際公開第96/02887号パンフレットInternational Publication No. 96/02887 Pamphlet

しかしながら、近年、人間が扱う機械等は、故障や制御不良により人間に危害を加えないように、より高い安全性を確保することが求められている。特に、前述の従来例は、患者が操作するものであり、より一層高い安全性が求められる。   However, in recent years, machines and the like that humans handle have been required to ensure higher safety so as not to harm humans due to breakdowns or poor control. In particular, the above-described conventional example is operated by a patient, and higher safety is required.

また、患者自ら訓練を進めることができ、療法士のサポートをなるべく必要としないが、患者の運動機能の回復は促進できることが求められている。さらに、患者により一層、実感覚に近い力学的感覚を伝えることも求められている。   In addition, it is required that patients can advance their own training and need the support of therapists as much as possible, but can promote recovery of their motor function. Furthermore, there is a demand for the patient to convey a mechanical sensation closer to the real sensation.

また、脳卒中の患者は手首を含む上肢機能に障害をもつ場合が多い。しかし、従来の上肢リハビリ装置では、手首の姿勢は把持部で拘束を受けない。つまり、手首まで含む上肢のリハビリテーションを十分に行うことが求められている。   Stroke patients often have impaired upper limb function, including the wrist. However, in the conventional upper limb rehabilitation device, the posture of the wrist is not restrained by the grip portion. That is, it is required to fully rehabilitate the upper limb including the wrist.

そこで本発明に係る上肢リハビリ装置は、手首まで含む上肢の運動機能を回復させる訓練を行うことができ、より一層高い安全性を確保すること、より一層実感覚に近い力学的感覚を伝えることができる上肢リハビリ装置を提供することを目的とする。   Therefore, the upper limb rehabilitation apparatus according to the present invention can perform training to restore the motor function of the upper limb including the wrist, ensure higher safety, and transmit a mechanical sensation closer to the real sensation. An object of the present invention is to provide an upper limb rehabilitation device.

上記課題を解決するために本発明に係る上肢リハビリ装置の第1の構成は、患者の上肢の運動機能を回復させる訓練を行うための上肢リハビリ装置において、患者の手首の3自由度のうち、少なくとも1自由度の作動に対して駆動を伝達して患者に力学的感覚を伝える少なくとも1個の駆動手段と、前記駆動手段の駆動を調整する少なくとも1個の機能性流体クラッチと、を有することを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, the first configuration of the upper limb rehabilitation device according to the present invention is an upper limb rehabilitation device for performing training to recover the motor function of the patient's upper limb, among the three degrees of freedom of the patient's wrist, Having at least one drive means for transmitting a drive to at least one degree of freedom of operation to convey a mechanical sensation to the patient, and at least one functional fluid clutch for adjusting the drive of the drive means. It is characterized by.

また、本発明に係る上肢リハビリ装置の第2の構成は、患者の上肢の運動機能を回復させる訓練を行うための上肢リハビリ装置において、患者の手首の3自由度のうち、少なくとも1自由度の作動に対して患者に力学的感覚を伝える少なくとも1個の機能性流体ブレーキ、を有することを特徴とする。   Moreover, the 2nd structure of the upper limb rehabilitation apparatus which concerns on this invention is an upper limb rehabilitation apparatus for performing the exercise | movement which recovers the motor function of a patient's upper limb, Of at least 1 degree of freedom among 3 degrees of freedom of a patient's wrist. It has at least one functional fluid brake that transmits a mechanical sensation to the patient upon actuation.

また、本発明に係る上肢リハビリ装置の第3の構成は、患者の上肢の運動機能を回復させる訓練を行うための上肢リハビリ装置において、3つの自由回転軸あるいは回転機構を有する患者が操作するグリップと、前記3つの自由回転軸あるいは回転機構の回転駆動を制御する回転駆動制御機構と、を有することを特徴とする。   A third configuration of the upper limb rehabilitation apparatus according to the present invention is a grip that is operated by a patient having three free rotation axes or a rotation mechanism in an upper limb rehabilitation apparatus for performing training to recover the motor function of the patient's upper limb. And a rotation drive control mechanism for controlling the rotation drive of the three free rotation shafts or the rotation mechanism.

また、本発明に係る上肢リハビリ装置の第4の構成は、第3の構成の上肢リハビリ装置であって、前記グリップの前記3つの自由回転軸あるいは回転機構は、患者の手首を伸展、屈曲させる方向、患者の手首を外転、内転させる方向、患者の手首を回外、回内させる方向に回転可能であることを特徴とする。   Moreover, the 4th structure of the upper limb rehabilitation apparatus which concerns on this invention is an upper limb rehabilitation apparatus of 3rd structure, Comprising: The said 3 free rotating shaft or rotation mechanism of the said grip extends and bends a patient's wrist. It is characterized by being rotatable in a direction, a direction in which the patient's wrist is abducted and inwardly turned, and a direction in which the patient's wrist is turned out and turned.

また、本発明に係る上肢リハビリ装置の第5の構成は、第1〜第4のいずれかの構成の上肢リハビリ装置であって、ワイヤーを備え、該ワイヤーを引っ張ることで駆動制御することを特徴とする。   Moreover, the 5th structure of the upper limb rehabilitation apparatus which concerns on this invention is an upper limb rehabilitation apparatus in any one of the 1st-4th structure, Comprising: It comprises a wire and drive-controls by pulling this wire, It is characterized by the above-mentioned. And

また、本発明に係る上肢リハビリ装置の第6の構成は、第1〜第5のいずれかの構成の上肢リハビリ装置であって、両端にジョイントを取り付けた回転軸を備え、該回転軸を回転することで駆動制御することを特徴とする。   A sixth configuration of the upper limb rehabilitation apparatus according to the present invention is an upper limb rehabilitation apparatus having any one of the first to fifth configurations, and includes a rotation shaft with joints attached to both ends, and rotates the rotation shaft. Thus, drive control is performed.

また、本発明に係る上肢リハビリ装置の第7の構成は、第1〜第6のいずれかの構成の上肢リハビリ装置であって、患者の肘および肩の3自由度の作動に対して駆動を伝達して患者に力学的感覚を伝える、3個の駆動手段と、少なくとも3個の機能性流体クラッチと、を有することを特徴とする。   A seventh configuration of the upper limb rehabilitation device according to the present invention is the upper limb rehabilitation device according to any one of the first to sixth configurations, and is driven with respect to the operation of the patient's elbow and shoulder with three degrees of freedom. It is characterized by having three driving means for transmitting and transmitting a mechanical sensation to the patient, and at least three functional fluid clutches.

また、本発明に係る上肢リハビリ装置の第8の構成は、第1〜第6のいずれかの構成の上肢リハビリ装置であって、患者の肘および肩の3自由度の作動に対して駆動を伝達して患者に力学的感覚を伝える、3個の駆動手段と、少なくとも3個の機能性流体ブレーキと、を有することを特徴とする。   Moreover, the 8th structure of the upper limb rehabilitation apparatus which concerns on this invention is an upper limb rehabilitation apparatus in any one of the 1st-6th structure, Comprising: It drives with respect to the action | operation of a patient's elbow and shoulder 3 degrees of freedom. It is characterized by having three driving means for transmitting and transmitting a mechanical sensation to the patient, and at least three functional fluid brakes.

また、本発明に係る上肢リハビリ装置の第9の構成は、第3〜第8のいずれかの構成の上肢リハビリ装置であって、上下方向を長手方向とした回動軸と、該回動軸に一端を回動自在に取り付けた第1及び第2フレームと、該第1及び第2のフレームのそれぞれの他端に回動自在に取り付けた上下方向を長手方向とした第3のフレームとからなる平行リンクと、前記グリップを先端に設け、前記第3のフレームに支持され、 前記平行リンクの変形により上下方向に移動可能なアームと、を有することを特徴とする。   A ninth configuration of the upper limb rehabilitation apparatus according to the present invention is an upper limb rehabilitation apparatus having any one of the third to eighth configurations, and a rotation axis whose longitudinal direction is the vertical direction, and the rotation axis. And first and second frames having one end pivotably attached thereto, and a third frame having a longitudinal direction as a longitudinal direction and pivotally attached to the other end of each of the first and second frames. A parallel link and an arm that is provided at the tip, is supported by the third frame, and is movable in the vertical direction by deformation of the parallel link.

また、本発明に係る上肢リハビリ装置の第10の構成は、第3〜第9のいずれかの構成の上肢リハビリ装置であって、前記駆動手段は複数のワイヤーにて前記3つの自由回転軸あるいは回転機構を駆動しており、前記自由回転軸あるいは回転機構の回転部において、前記複数のワイヤーの間隔を狭くしたことを特徴とする。   Further, the tenth configuration of the upper limb rehabilitation device according to the present invention is the upper limb rehabilitation device according to any one of the third to ninth configurations, wherein the driving means is configured by the three free rotation axes or a plurality of wires. A rotating mechanism is driven, and the interval between the plurality of wires is narrowed in the free rotating shaft or the rotating part of the rotating mechanism.

また、本発明に係る上肢リハビリ装置の第11の構成は、第10又は第11の構成の上肢リハビリ装置であって、前記グリップの重量バランスをとるバランサーを設けたことを特徴とする。   The eleventh configuration of the upper limb rehabilitation device according to the present invention is the upper limb rehabilitation device according to the tenth or eleventh configuration, characterized in that a balancer that balances the weight of the grip is provided.

本発明に係る上肢リハビリ装置の第1〜第4、第7、第8の構成によれば、手首まで含む上肢の運動機能を回復させる訓練を行うことができ、より一層高い安全性を確保すること、より一層実感覚に近い力学的感覚を伝えることができる。   According to the 1st-4th, 7th, 8th structure of the upper limb rehabilitation device concerning the present invention, training which recovers the motor function of the upper limb including the wrist can be performed, and higher safety is secured. In addition, it is possible to convey a mechanical sensation closer to the real sensation.

本発明に係る上肢リハビリ装置の第9の構成によれば、実感覚に近い力学的感覚を操作者に呈示することができる。   According to the ninth configuration of the upper limb rehabilitation apparatus according to the present invention, a mechanical sensation close to a real sensation can be presented to the operator.

本発明に係る上肢リハビリ装置の第5、第6の構成によれば、正確な駆動伝達(バックドライブ性の向上)と、軽量化を図ることができ、装置の安全性を高めることができる。   According to the fifth and sixth configurations of the upper limb rehabilitation device according to the present invention, accurate drive transmission (improvement of back drive performance) and weight reduction can be achieved, and the safety of the device can be improved.

本発明に係る上肢リハビリ装置の第10の構成によれば、ワイヤーの捩れをおさえ、ワイヤーの長さの変化を小さくすることができ、バックドライブ性を高めることができる。   According to the tenth configuration of the upper limb rehabilitation apparatus according to the present invention, it is possible to suppress the twist of the wire, to reduce the change in the length of the wire, and to improve the back drive performance.

本発明に係る上肢リハビリ装置の第11の構成によれば、グリップの重量バランスを保ち、グリップが自重等で回転してしまうことを防止できる。   According to the eleventh configuration of the upper limb rehabilitation apparatus according to the present invention, the weight balance of the grip can be maintained, and the grip can be prevented from rotating due to its own weight or the like.

[第一実施形態]
本発明に係る上肢リハビリ装置の第一実施形態について、図を用いて説明する。
[First embodiment]
A first embodiment of an upper limb rehabilitation apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.

(上肢リハビリ装置の構成)
まず、本発明に係る上肢リハビリ装置の構成について説明する。図1は本発明に係る上肢リハビリ装置の概略構成図、図2は3次元力学的感覚提示手段の構成図、図3は3次元力学的感覚提示手段及び運動検知手段のブロック図である。図4は機能性流体ブレーキの構成図である。
(Configuration of upper limb rehabilitation device)
First, the configuration of the upper limb rehabilitation device according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an upper limb rehabilitation device according to the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram of a three-dimensional mechanical sense presentation unit, and FIG. 3 is a block diagram of a three-dimensional mechanical sense presentation unit and a motion detection unit. FIG. 4 is a block diagram of the functional fluid brake.

図1、図2に示すように、患者の運動機能を回復させる訓練を行うための上肢リハビリ装置は、プログラム選択手段であるSWボックス1、3次元力学的感覚提示手段2、運動検知手段であるセンサ3、画像表示手段であるモニタ4、フィードバック手段5、コンピュータ6、緊急停止手段7から構成されている。   As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the upper limb rehabilitation apparatus for training to restore the motor function of a patient is a SW selection box 1 that is a program selection means, a three-dimensional mechanical sensation presentation means 2, and a motion detection means. It comprises a sensor 3, a monitor 4 as image display means, a feedback means 5, a computer 6, and an emergency stop means 7.

SWボックス1は、選択ボタンと入力ボタンを備え、選択ボタンを押すことでカーソルを移動して患者に合わせた訓練プログラムを選び、入力ボタンを押すことでその訓練プログラムを選択する。   The SW box 1 includes a selection button and an input button. When the selection button is pressed, the cursor is moved to select a training program suitable for the patient, and the training program is selected by pressing the input button.

図2に示すように、3次元力学的感覚提示手段2は、駆動手段であるモータ8、クラッチ9、ロボットアーム10から構成されている。3次元力学的感覚提示手段2は、ほぼ一定速度で駆動(回転)するモータ8からクラッチ9を介して駆動を伝達することで患者の上肢に3次元の力学的感覚を伝える。   As shown in FIG. 2, the three-dimensional mechanical sensation presentation unit 2 includes a motor 8, a clutch 9, and a robot arm 10 which are driving units. The three-dimensional mechanical sensation presentation means 2 transmits a three-dimensional mechanical sensation to the patient's upper limb by transmitting the drive from the motor 8 that is driven (rotated) at a substantially constant speed via the clutch 9.

図3に示すように、モータ8、クラッチ9、センサ3は、X、Y、Z軸(ロボットアーム10の回動軸)にそれぞれ設けられており、グリップ11を3次元で操作(移動)でき、グリップ11の3次元の動きを検知できる。   As shown in FIG. 3, the motor 8, the clutch 9, and the sensor 3 are provided on the X, Y, and Z axes (rotation axes of the robot arm 10), respectively, and the grip 11 can be operated (moved) in three dimensions. The three-dimensional movement of the grip 11 can be detected.

モータ8は、患者の肘および肩の3自由度の作動に対して駆動を伝達して患者に力学的感覚を伝える、3個の駆動手段である。クラッチ9は、1個で正逆転を制御できる機能性流体クラッチを少なくとも1個用いるか、それぞれ正転、逆転を制御する少なくとも2個の機能性流体クラッチを用いることができる。   The motor 8 is three driving means for transmitting a driving force to the patient's elbow and shoulder with three degrees of freedom to transmit a mechanical sense to the patient. The clutch 9 can use at least one functional fluid clutch capable of controlling forward / reverse rotation by one, or at least two functional fluid clutches respectively controlling forward rotation and reverse rotation.

モータ8の回転速度は、減速機を介して減速されて、クラッチ9において20rpm以下、好ましくは10rpmになるようなほぼ一定の回転速度に設定されている。クラッチ9からロボットアーム10の回動軸へ伝わる回転の回転速度が20rpmの時、後述するグリップ11の移動速度は1m/sとなる。同様に、クラッチ9からロボットアーム10の回動軸へ伝わる回転の回転速度が10rpmの時、グリップ11の移動速度は人の上肢の速度と同等の0.5m/sとなる。   The rotational speed of the motor 8 is decelerated through a reduction gear, and is set to a substantially constant rotational speed such that the clutch 9 is 20 rpm or less, preferably 10 rpm. When the rotation speed of the rotation transmitted from the clutch 9 to the rotation axis of the robot arm 10 is 20 rpm, the movement speed of the grip 11 described later is 1 m / s. Similarly, when the rotational speed of rotation transmitted from the clutch 9 to the rotational axis of the robot arm 10 is 10 rpm, the moving speed of the grip 11 is 0.5 m / s, which is equivalent to the speed of a person's upper limb.

モータ8として、直流モータ、誘導モータ、超音波モータ、パルスモータ等の様々なモータを使用できる。直流モータでは、一定電圧を印加することにより、逆起電力と印加電圧がバランスする近傍において回転速度は変動するが、ほぼ一定の回転速度とすることができる。誘電モータでは、一定の周波数の交流を印加することにより、すべり速度の範囲内で回転速度は変動するが、ほぼ一定の回転速度とすることができる。超音波モータでは、一定の信号を与え続けることにより、ほぼ一定の回転速度とすることができる。パルスモータでは、一定の周期のパルスを印加することにより、ほぼ一定の回転速度とすることができる。   As the motor 8, various motors such as a DC motor, an induction motor, an ultrasonic motor, and a pulse motor can be used. In a DC motor, by applying a constant voltage, the rotation speed fluctuates in the vicinity where the counter electromotive force and the applied voltage are balanced, but the rotation speed can be made substantially constant. In the dielectric motor, by applying an alternating current with a constant frequency, the rotational speed varies within the range of the sliding speed, but the rotational speed can be made substantially constant. In the ultrasonic motor, by providing a constant signal, the rotation speed can be made substantially constant. In a pulse motor, a substantially constant rotational speed can be achieved by applying pulses with a constant period.

これらのモータは、サーボモータに比べて安価であり、センサ、コントローラを必要としないため、かかるモータを用いることで上肢リハビリ装置の製造コストをおさえることができる。   Since these motors are less expensive than servo motors and do not require sensors and controllers, the manufacturing cost of the upper limb rehabilitation device can be reduced by using such motors.

尚、モータ8として、DCサーボモータ、ACサーボモータ等を用い、ロータリーエンコダー、レソルバ、タコジェネレータ等のセンサ情報をフィードバックすることにより、速度をほぼ一定に制御する方法もある。この場合は、上記直流モータ、誘導モータ、超音波モータ、パルスモータ等を用いる場合と較べて、速度の変動は一般に小さくなるという利点がある。一方、モータが高価である、センサーおよびコントローラーを必要とするというコスト上の欠点、およびセンサーやコントローラの故障および配線の断線等によるモータの暴走の可能性があるという欠点も有する。しかしながら、かかるDCサーボモータ、ACサーボモータ等の制御は、回転速度をほぼ一定とする制御であり、モータの暴走の可能性は低く、高い安全性を確保することができる。   In addition, there is a method of controlling the speed almost constant by using a DC servo motor, an AC servo motor or the like as the motor 8 and feeding back sensor information of a rotary encoder, resolver, tachometer generator or the like. In this case, there is an advantage that fluctuations in speed are generally smaller than in the case of using the DC motor, induction motor, ultrasonic motor, pulse motor or the like. On the other hand, there are also disadvantages in that the motor is expensive, requires a sensor and a controller, and there is a possibility that the motor or the runaway may occur due to a failure of the sensor or the controller or disconnection of wiring. However, the control of the DC servo motor, the AC servo motor, and the like is control that makes the rotation speed substantially constant, and the possibility of motor runaway is low, and high safety can be ensured.

クラッチ9は、電気粘性流体106を注入された電気粘性(ER)流体クラッチである。電気粘性流体クラッチは、フランジ127(127a、127b)に形成された深溝126(126a、126b)に円筒電極123(123a、123b)を挿入し、その隙間に電気粘性流体106を注入した構成となっている。クラッチ9は、円筒電極123により電気粘性流体106に印加される電圧を変化することで電気粘性流体106の抵抗を変化させ、モータ8の出力トルクを変化させて伝達している。   The clutch 9 is an electrorheological (ER) fluid clutch injected with an electrorheological fluid 106. The electrorheological fluid clutch has a configuration in which a cylindrical electrode 123 (123a, 123b) is inserted into a deep groove 126 (126a, 126b) formed in the flange 127 (127a, 127b), and the electrorheological fluid 106 is injected into the gap. ing. The clutch 9 changes the resistance of the electrorheological fluid 106 by changing the voltage applied to the electrorheological fluid 106 by the cylindrical electrode 123, and changes the output torque of the motor 8 for transmission.

尚、クラッチ9は、電気粘性流体クラッチに限定されるものではなく、磁気粘性(MR)流体クラッチ、磁性流体クラッチ、パウダークラッチ、ER流体に変えてERゲルを用いたERゲルクラッチ等の機能性流体クラッチであってもよい。また、クラッチ9は、円筒型に限定されるものではなく、ディスク型、多重ディスク型であってもよい。   The clutch 9 is not limited to an electrorheological fluid clutch, but is a magnetic viscosity (MR) fluid clutch, a magnetic fluid clutch, a powder clutch, an ER gel clutch that uses ER gel instead of ER fluid, and the like. It may be a fluid clutch. The clutch 9 is not limited to a cylindrical type, and may be a disc type or a multiple disc type.

ここで、機能性流体とは、電場、磁場、光、剪断力などの外部刺激により、粘弾性特性が変化する流体である。ER流体(エレクトロ・レオロジー流体)とは、電場によってレオロジー特性を変えることのでき、粘弾性が大きく変化する流体である。MR流体(マグネト・レオロジー流体)とは、磁場によってレオロジー特性を変えることができ、粘弾性が大きく変化する流体である。機能性流体クラッチとは、ER流体あるいはMR流体の粘弾性特性を外部刺激により変化させて伝達力を制御するクラッチである。   Here, the functional fluid is a fluid whose viscoelastic properties are changed by an external stimulus such as an electric field, a magnetic field, light, and a shearing force. An ER fluid (electro-rheological fluid) is a fluid whose rheological properties can be changed by an electric field and viscoelasticity is greatly changed. An MR fluid (magneto-rheological fluid) is a fluid whose rheological properties can be changed by a magnetic field and viscoelasticity is greatly changed. The functional fluid clutch is a clutch that controls the transmission force by changing the viscoelastic characteristics of the ER fluid or MR fluid by an external stimulus.

例えば、モータ8によって、上下のフランジ127a、127bを同一速度で回転させると、上下の円筒電極123a、123bには、同じ大きさで反対方向の回転力が発生し、ロボットアーム10の回動軸には、何の回転力も伝わらない。   For example, when the upper and lower flanges 127 a and 127 b are rotated at the same speed by the motor 8, the upper and lower cylindrical electrodes 123 a and 123 b generate torques of the same magnitude in opposite directions, and the rotation axis of the robot arm 10 is rotated. No rotation force is transmitted to.

次に、上の円筒電極123aにのみ電圧を印加すると、上の深溝126aに注入された電気粘性流体106の粘性が増大し、上の円筒電極123aの回転力が弱くなる。ロボットアーム10の回動軸は、上下の電気粘性流体106の粘性抵抗の差に比例した回動力で回動する。逆に、下の円筒電極123bにのみ電圧を印加した場合には、ロボットアーム10の回動軸は逆方向に回動する。   Next, when a voltage is applied only to the upper cylindrical electrode 123a, the viscosity of the electrorheological fluid 106 injected into the upper deep groove 126a increases, and the rotational force of the upper cylindrical electrode 123a becomes weaker. The rotation axis of the robot arm 10 rotates with a rotational force proportional to the difference in viscosity resistance between the upper and lower electrorheological fluids 106. Conversely, when a voltage is applied only to the lower cylindrical electrode 123b, the rotation axis of the robot arm 10 rotates in the reverse direction.

このように、上下の円筒電極123に印加する電圧を制御することによって、ロボットアーム10の回動軸の回動方向、回転力を制御できる。   In this way, by controlling the voltage applied to the upper and lower cylindrical electrodes 123, the rotational direction and rotational force of the rotational axis of the robot arm 10 can be controlled.

電気粘性流体106は、電気的に応答よくその粘性を変化する。このため、多くの機械部品を使用することなく、コンパクトで応答が速く、実感覚に近い3次元の力学的感覚を患者に伝えることができる。   The electrorheological fluid 106 changes its viscosity with good electrical response. For this reason, without using many mechanical parts, a compact, quick response, and a three-dimensional mechanical sensation close to the real sensation can be transmitted to the patient.

また、モータ8、クラッチ9に変えて、機能性流体ブレーキ29を用いることもできる。機能性流体ブレーキとは、ER流体あるいはMR流体の粘弾性特性を外部刺激により変化させて伝達力を制御するブレーキである。   Further, in place of the motor 8 and the clutch 9, a functional fluid brake 29 can be used. The functional fluid brake is a brake that controls the transmission force by changing the viscoelastic characteristics of the ER fluid or MR fluid by an external stimulus.

図4に示すように、ブレーキ29は、電気粘性流体106を注入された電気粘性(ER)流体ブレーキである。電気粘性流体ブレーキは、フランジ127に形成された深溝126に円筒電極123を挿入し、その隙間に電気粘性流体106を注入した構成となっている。ブレーキ29は、円筒電極123により電気粘性流体106に印加される電圧を変化することで電気粘性流体106の抵抗を変化させ、ロボットアーム10から伝達される患者の力(入力トルク)に変化させた抵抗を加えている。   As shown in FIG. 4, the brake 29 is an electrorheological (ER) fluid brake injected with an electrorheological fluid 106. The electrorheological fluid brake has a configuration in which a cylindrical electrode 123 is inserted into a deep groove 126 formed in a flange 127 and an electrorheological fluid 106 is injected into the gap. The brake 29 changed the resistance of the electrorheological fluid 106 by changing the voltage applied to the electrorheological fluid 106 by the cylindrical electrode 123, and changed it to the patient's force (input torque) transmitted from the robot arm 10. Adding resistance.

すなわち、ブレーキ29は、モータ等の駆動手段から人間(患者)への力の伝達を調整するクラッチとは異なり、人間側が発生する力を調整してロボットアーム10の動きを調整し、また力覚を呈示するために使用される。   In other words, the brake 29 is different from a clutch that adjusts the transmission of force from a driving means such as a motor to a human (patient), and adjusts the movement of the robot arm 10 by adjusting the force generated by the human side. Used to present.

これにより、手首の関節が回りすぎて、患者の手首に過度の負担がかかることを防止できる。   Thereby, it can prevent that the wrist joint rotates too much and an excessive burden is applied to the patient's wrist.

尚、ブレーキ29は、電気粘性流体ブレーキに限定されるものではなく、磁気粘性(MR)流体ブレーキ、磁性流体ブレーキ、パウダーブレーキ、ER流体に変えてERゲルを用いたERゲルブレーキ等の機能性流体ブレーキであってもよい。また、ブレーキ29は、円筒型に限定されるものではなく、ディスク型、多重ディスク型であってもよい。   The brake 29 is not limited to an electrorheological fluid brake, but includes functionality such as a magnetic viscosity (MR) fluid brake, a magnetic fluid brake, a powder brake, and an ER gel brake using ER gel instead of ER fluid. It may be a fluid brake. The brake 29 is not limited to a cylindrical type, and may be a disc type or a multiple disc type.

例えば、円筒電極123に電圧を印加すると、深溝126に注入された電気粘性流体106の粘性が増大し、患者の操作に対して負荷を大きくすることができる。そして、円筒電極123に印加する電圧を制御することによって、ロボットアーム10の回動軸の回転力を制御できる。   For example, when a voltage is applied to the cylindrical electrode 123, the viscosity of the electrorheological fluid 106 injected into the deep groove 126 is increased, and the load on the patient's operation can be increased. Then, by controlling the voltage applied to the cylindrical electrode 123, the rotational force of the rotation shaft of the robot arm 10 can be controlled.

(ロボットアーム10)
図5はロボットアームの斜視図、図6はロボットアームを上側から見た模式図、図7はロボットアームを背面側から見た模式図である。尚、説明のために、回転軸41〜43等は省略している。図5に示すように、ロボットアーム10は、平行リンク12、アーム13、空間リンク(アーム13、回動軸19、40、支軸20b、21b、40a、フレーム20〜23)、回転軸41、42、43を備えている。平行リンク12は、上下方向(Z軸方向)を長手方向とした回動軸19、第1〜第3のフレーム20、21、22を相互に回動自在に取り付けて、平行四辺形を形成している。
(Robot arm 10)
5 is a perspective view of the robot arm, FIG. 6 is a schematic view of the robot arm as viewed from above, and FIG. 7 is a schematic view of the robot arm as viewed from the back side. For the sake of explanation, the rotating shafts 41 to 43 are omitted. As shown in FIG. 5, the robot arm 10 includes a parallel link 12, an arm 13, a space link (arm 13, rotating shafts 19 and 40, supporting shafts 20 b, 21 b and 40 a, frames 20 to 23), a rotating shaft 41, 42 and 43 are provided. The parallel link 12 forms a parallelogram by attaching a rotation shaft 19 having the longitudinal direction (Z-axis direction) as a longitudinal direction and first to third frames 20, 21, 22 to be rotatable with respect to each other. ing.

第1及び第2のフレーム20、21は、一端で、回動軸19に直交するように取り付けられた支軸20b、21bを中心に垂直方向に回動可能に形成されている。第1及び第2のフレーム20、21は、回動軸19の回動に伴って水平方向に回動する。第1及び第2のフレーム20、21の一端には、カウンターウェイト20a、21aが設けられている。カウンターウェイト20a、21aは、第1及び第2のフレーム20、21の支軸20b、21bを中心に平行リンク12、アーム13の自重を支えている。   The first and second frames 20 and 21 are formed at one end so as to be rotatable in the vertical direction around the support shafts 20b and 21b attached so as to be orthogonal to the rotation shaft 19. The first and second frames 20 and 21 rotate in the horizontal direction as the rotation shaft 19 rotates. Counter weights 20a and 21a are provided at one ends of the first and second frames 20 and 21, respectively. The counterweights 20a and 21a support the weights of the parallel link 12 and the arm 13 around the support shafts 20b and 21b of the first and second frames 20 and 21, respectively.

第3のフレーム22は、回動軸19と平行になるように上下方向を長手方向として、第1及び第2のフレーム20、21の他端に回動自在に取り付けられている。第3のフレーム22の下端にアーム13が固定されている。また、アーム13は、平行リンク12の変形により、支軸20b、21bを中心に上下方向(Z軸方向)に移動可能に構成されている。すなわち、第1及び第2のフレーム20、21の回動により、第3のフレーム22が上下方向(Z軸方向)に移動することでアーム13も第3のフレーム22と同様に移動する。   The third frame 22 is rotatably attached to the other ends of the first and second frames 20 and 21 with the vertical direction as the longitudinal direction so as to be parallel to the rotation shaft 19. An arm 13 is fixed to the lower end of the third frame 22. The arm 13 is configured to be movable in the vertical direction (Z-axis direction) around the support shafts 20b and 21b by deformation of the parallel link 12. That is, as the first and second frames 20 and 21 rotate, the third frame 22 moves in the vertical direction (Z-axis direction), so that the arm 13 moves in the same manner as the third frame 22.

アーム13は、一端でフレーム23に連結され、他端にグリップ11を着脱可能に取り付けている。図6(a)に示すように、フレーム23は、一端で連結部23aを介してアーム13と連結し、他端で連結部23bを介して支軸40aと連結している。支軸40aは回動軸19と同軸上に設けられた回動軸40に取り付けられている。   The arm 13 is connected to the frame 23 at one end, and a grip 11 is detachably attached to the other end. As shown in FIG. 6 (a), the frame 23 is connected to the arm 13 at one end via a connecting portion 23a and connected to the support shaft 40a at the other end via a connecting portion 23b. The support shaft 40 a is attached to a rotation shaft 40 provided coaxially with the rotation shaft 19.

そして、図6(b)、図6(c)に示すように、回動軸19、40の回動により、支軸20b、21b、40aを介して第1及び第2のフレーム20、21、フレーム23が常に平行に水平方向に回動軸19、40を中心として回動する。   Then, as shown in FIGS. 6B and 6C, the first and second frames 20, 21, through the support shafts 20b, 21b, 40a by the rotation of the rotation shafts 19, 40, respectively. The frame 23 always rotates in parallel and horizontally about the rotation shafts 19 and 40.

また、連結部23aはアーム13を首振り可能に連結しており、連結部23bは支軸40aを首振り可能に連結している。これにより、回動軸40のみ回動し、支軸40aを介してフレーム23をフレーム20、21と平行に移動することで、アーム13の先端のグリップ11が左右に移動する(図6(b)、図6(c)の一点鎖線、二点鎖線の状態)。   The connecting portion 23a connects the arm 13 so as to be able to swing, and the connecting portion 23b connects the support shaft 40a so as to be able to swing. Thereby, only the rotation shaft 40 is rotated, and the grip 23 at the tip of the arm 13 is moved left and right by moving the frame 23 in parallel with the frames 20 and 21 via the support shaft 40a (FIG. 6B). ), The state of the one-dot chain line and the two-dot chain line in FIG.

また、図7(a)、図7(b)に示すように、連結部23aはアーム13を軸回転可能に連結しており、連結部23bは支軸40aを軸回転可能に連結している。支軸20b、21b、40aを中心として第1及び第2のフレーム20、21、フレーム23を常に平行に回動してフレーム22を上下方向に移動することで、アーム13を介してグリップ11を上下に移動する。   Further, as shown in FIGS. 7A and 7B, the connecting portion 23a connects the arm 13 so as to be capable of rotating the shaft, and the connecting portion 23b connects the support shaft 40a so as to be capable of rotating the shaft. . The first and second frames 20, 21, and 23 are always rotated in parallel around the support shafts 20 b, 21 b, and 40 a to move the frame 22 in the vertical direction, thereby holding the grip 11 via the arm 13. Move up and down.

このように、ロボットアーム10に、平行リンク12の変形により上下方向に移動可能なアーム13の水平面内における回転運動を3次元的な空間リンクにより行わせる機構を設けた。3次元的な空間リンクは、アーム13、回動軸19、40、支軸20b、21b、40a、フレーム20〜23とにより形成されている。   In this way, the robot arm 10 is provided with a mechanism for performing a rotational movement in the horizontal plane of the arm 13 movable in the vertical direction by deformation of the parallel link 12 by a three-dimensional spatial link. The three-dimensional space link is formed by the arm 13, the rotation shafts 19 and 40, the support shafts 20b, 21b and 40a, and the frames 20 to 23.

これにより、歯車、ベルト等の駆動伝達機構を介してアーム13を移動する方法に比べて、駆動伝達における摩擦を低減することができ、ロボットアーム10のバックドライブ性を飛躍的に向上させることができる。ここで、バックドライブ性とは、負荷側から逆にアクチュエータ(クラッチ9、モータ8)側を回転させるあるいは動かす際の、回転させ易さあるいは動かし易さの度合いをいう。そして、クラッチ9として、電気粘性(ER)流体クラッチ、磁気粘性(MR)流体クラッチ等の機能性流体クラッチを用いることで、3次元力学的感覚提示手段2のバックドライブ性を向上させることができる。   As a result, compared to the method of moving the arm 13 via a drive transmission mechanism such as a gear or a belt, friction in the drive transmission can be reduced, and the back drive performance of the robot arm 10 can be greatly improved. it can. Here, the back drive property refers to the degree of ease of rotation or ease of movement when the actuator (clutch 9, motor 8) side is rotated or moved in reverse from the load side. Then, by using a functional fluid clutch such as an electrorheological (ER) fluid clutch or a magnetic viscosity (MR) fluid clutch as the clutch 9, the back drive performance of the three-dimensional mechanical sense presentation means 2 can be improved. .

(回転軸41、42、43、ユニバーサルジョイント44)
回転軸41、42、43は、平行リンク12の鉛直方向下方で、回動軸40とフレーム22とを連結するように設けられている。図8に示すように、回転軸41、42、43は、軸回りに回転可能となっている。回転軸41、42、43の一端にはユニバーサルジョイント44が設けられており、後述するモータ52、62、72から駆動力を伝達される。回転軸41、42、43の他端には、ユニバーサルジョイント44が設けられており、プーリ41a、42a、43aが固定されており、モータ52、62、72から伝達された駆動力を、後述するワイヤー51、61、71に伝達する。
(Rotating shafts 41, 42, 43, universal joint 44)
The rotating shafts 41, 42, and 43 are provided so as to connect the rotating shaft 40 and the frame 22 below the parallel link 12 in the vertical direction. As shown in FIG. 8, the rotation shafts 41, 42, and 43 are rotatable around the axis. A universal joint 44 is provided at one end of each of the rotation shafts 41, 42, 43, and a driving force is transmitted from motors 52, 62, 72 described later. A universal joint 44 is provided at the other end of the rotating shafts 41, 42, and 43, and pulleys 41a, 42a, and 43a are fixed. A driving force transmitted from the motors 52, 62, and 72 will be described later. Transmit to wires 51, 61, 71.

回転軸41、42、43とユニバーサルジョイント44を用いることで、確実な駆動伝達ができ、装置のバックドライブ性を高めることができる。尚、ユニバーサルジョイント44に変えて、等速ジョイント等のジョイントを用いることもできる。等速ジョイントを用いることで、回転力(駆動力)を伝達する方向を変えても角速度を一定に保つことができる。   By using the rotary shafts 41, 42, 43 and the universal joint 44, reliable drive transmission can be performed and the back drive performance of the apparatus can be improved. In place of the universal joint 44, a joint such as a constant velocity joint may be used. By using the constant velocity joint, the angular velocity can be kept constant even if the direction in which the rotational force (driving force) is transmitted is changed.

モータ52、62、72は、モータ8と同様に、直流モータ等を使用でき、上肢リハビリ装置の製造コストをおさえることや、速度の変動をおさえたり、高い安全性を確保することができる。   As with the motor 8, the motors 52, 62, 72 can use a direct current motor or the like, and can suppress the manufacturing cost of the upper limb rehabilitation device, suppress the speed fluctuation, and ensure high safety.

(クラッチ9、ブレーキ29)
また、モータ52、62、72の駆動を伝達する駆動伝達系に、クラッチ9のような機能性流体クラッチを設けている。また、モータ52、62、72、クラッチ9に変えて、ブレーキ29を設けてもよい。ここで、モータ52、62、72は、後述するグリップ11を構成する外フレーム14、内フレーム15、回転軸17を回転させて、患者の手首の3自由度の回転(図10参照)を制御する駆動源である。
(Clutch 9, brake 29)
Further, a functional fluid clutch such as the clutch 9 is provided in a drive transmission system that transmits the drive of the motors 52, 62, 72. Further, instead of the motors 52, 62, 72 and the clutch 9, a brake 29 may be provided. Here, the motors 52, 62, and 72 rotate the outer frame 14, the inner frame 15, and the rotating shaft 17 constituting the grip 11 described later to control the rotation of the patient's wrist with three degrees of freedom (see FIG. 10). Drive source

クラッチ9として、電気粘性(ER)流体クラッチ、磁気粘性(MR)流体クラッチ等の機能性流体クラッチを用いることで、グリップ11のバックドライブ性を向上させることができる。また、ブレーキ29として、機能性流体ブレーキを用いることで、人間側が発生する力を調整してグリップ11の動きを調整し、力覚を呈示することができる。これにより、手首の関節が回りすぎて、患者の手首に過度の負担がかかることを防止できる。従って、グリップ11の操作においても、コンパクトで応答が速く、実感覚に近い3次元の力学的感覚を患者に伝えることができる。   By using a functional fluid clutch such as an electrorheological (ER) fluid clutch or a magnetic viscosity (MR) fluid clutch as the clutch 9, the back drive performance of the grip 11 can be improved. Further, by using a functional fluid brake as the brake 29, it is possible to adjust the force generated by the human side to adjust the movement of the grip 11 and present a force sense. Thereby, it can prevent that the wrist joint rotates too much and an excessive burden is applied to the patient's wrist. Therefore, even when the grip 11 is operated, a compact and quick response can be transmitted to the patient with a three-dimensional mechanical sensation that is close to the real sensation.

また、ブレーキ29として機能性流体ブレーキを用いることで、患者の状況に応じて動作範囲(手首の回転範囲)を変化させることができる。さらに、ブレーキ29は、応答性が良いため、単に各自由度毎の回転範囲を決めるだけでなく、複数の自由度を関連させて動作範囲を設定することもできる。   Further, by using a functional fluid brake as the brake 29, the operation range (wrist rotation range) can be changed according to the patient's condition. Furthermore, since the brake 29 has good responsiveness, it is possible not only to determine a rotation range for each degree of freedom but also to set an operation range by relating a plurality of degrees of freedom.

さらに、機能性流体ブレーキは、力の応答性が良いため、適切なダンピング(速度に比例した抵抗力)を与えることができ、装置の安全性や操作性を高めることができる。また、ブレーキ29は、モータ等のように積極的に患者に力を加えることがないため、ブレーキ29を用いることで、装置の誤作動による危険性も回避できる。   Furthermore, since the functional fluid brake has good force responsiveness, it can provide appropriate damping (resistance force proportional to speed), and can improve the safety and operability of the device. Further, since the brake 29 does not positively apply force to the patient unlike a motor or the like, the danger due to malfunction of the apparatus can be avoided by using the brake 29.

尚、本発明は、患者の手首の3自由度(外フレーム14、内フレーム15、回転軸17)のすべてにモータ、クラッチ9や、ブレーキ29を設けた構成に限定されるものではない。例えば、患者の手首の1自由度又は2自由度(外フレーム14、内フレーム15、回転軸17のいずれか1つ又は2つ)にのみ、モータ、クラッチ9や、ブレーキ29を設け、他の自由度は自由回転としてもよい。   The present invention is not limited to the configuration in which the motor, the clutch 9 and the brake 29 are provided in all of the three degrees of freedom of the patient's wrist (the outer frame 14, the inner frame 15, and the rotating shaft 17). For example, a motor, a clutch 9 and a brake 29 are provided only in one or two degrees of freedom (one or two of the outer frame 14, the inner frame 15, and the rotating shaft 17) of the patient's wrist, The degree of freedom may be free rotation.

また、モータ及びクラッチ9とブレーキ29を組み合わせて使用した構成としてもよい。例えば、患者の手首の1自由度又は2自由度には、モータ及びクラッチ9を用いて、他の自由度には、ブレーキ29を用いたり、自由回転とした構成であってもよい。   Further, the motor / clutch 9 and the brake 29 may be used in combination. For example, the motor and the clutch 9 may be used for one degree of freedom or two degrees of freedom of the patient's wrist, and the brake 29 may be used for the other degrees of freedom or may be configured to rotate freely.

(グリップ11)
図9はグリップの構成図である。図9に示すように、グリップ11は、患者が操作する部分であり、外フレーム14、内フレーム15、1対の軸受16、回転軸17、把持部18から構成されている。
(Grip 11)
FIG. 9 is a configuration diagram of the grip. As shown in FIG. 9, the grip 11 is a part that is operated by the patient, and includes an outer frame 14, an inner frame 15, a pair of bearings 16, a rotating shaft 17, and a gripping portion 18.

グリップ30には、患者の手首の3自由度の作動に対して駆動を伝達して患者に力学的感覚を伝える、少なくとも2個の駆動手段(モータ52、62、72)と、モータ52、62、72の駆動を調整する少なくとも1個の機能性流体クラッチまたはブレーキ(不図示)と、が設けられている。駆動手段(モータ52、62、72)は、グリップ11の3つの自由回転軸あるいは回転機構(外フレーム14、内フレーム15、回転軸17)を駆動する。   The grip 30 has at least two drive means (motors 52, 62, 72) for transmitting a drive to the patient's wrist with three degrees of freedom and transmitting a mechanical sensation to the patient. , 72 and at least one functional fluid clutch or brake (not shown) that adjusts the drive of. The driving means (motors 52, 62, 72) drive the three free rotating shafts or rotating mechanisms (the outer frame 14, the inner frame 15, and the rotating shaft 17) of the grip 11.

図10に示すように、手首の3自由度とは、Yaw回転、Pitch回転、Roll回転をいう。Yaw回転は、図10(a)に示す手首を伸展、屈曲させる矢印Y方向の動きである。Pitch回転は、図10(b)に示す手首を外転、内転させる矢印P方向の動きである。Roll回転は、図10(c)に示す手首を回外、回内させる矢印R方向の動きである。   As shown in FIG. 10, the three degrees of freedom of the wrist means Yaw rotation, Pitch rotation, and Roll rotation. Yaw rotation is a movement in the direction of arrow Y for extending and bending the wrist shown in FIG. Pitch rotation is a movement in the direction of arrow P that causes the wrist shown in FIG. Roll rotation is a movement in the direction of arrow R that causes the wrist shown in FIG.

外フレーム14は、コの字状(凹状)に形成され、アーム13の先端に、アーム13の軸回り(矢印R方向)にRoll回転可能に着脱可能に取り付けられている。内フレーム15は、四角形に形成され、中心点を挟んで対向する2点で、外フレーム14の両端14aに回転可能に軸支されている。すなわち、内フレーム15は、この対向する2点を結ぶ直線を中心として矢印P方向にPitch回転可能となっている。   The outer frame 14 is formed in a U-shape (concave shape), and is detachably attached to the tip of the arm 13 so as to be rotatable around the axis of the arm 13 (arrow R direction). The inner frame 15 is formed in a quadrangular shape and is pivotally supported at both ends 14a of the outer frame 14 at two points facing each other across the center point. That is, the inner frame 15 can be pitch-rotated in the direction of the arrow P around the straight line connecting the two opposing points.

軸受16は、内フレーム15内に対向して固定されており、回転軸17の軸方向が内フレーム15の回転軸に直交する。回転軸17は、軸受16に両端を矢印Y方向にYaw回転可能に軸支されている。把持部18は、回転軸17の中央かつアーム13の延長線上に固定されており、患者が把持して360°回転自在に操作可能に形成されている。   The bearing 16 is fixed so as to face the inner frame 15, and the axial direction of the rotating shaft 17 is orthogonal to the rotating shaft of the inner frame 15. The rotary shaft 17 is pivotally supported by the bearing 16 so that both ends can be rotated in the Y-direction. The grasping portion 18 is fixed to the center of the rotation shaft 17 and on the extension line of the arm 13, and is formed so that the patient can grasp and rotate it 360 °.

尚、3つの自由回転軸あるいは回転機構である外フレーム14、内フレーム15、回転軸17の3つの回転軸方向は、把持部18の位置で交わる。これにより、実感覚に近い力学的感覚を操作者に呈示することができる。しかし、本発明はかかる位置関係に限定されるものではなく、3つの回転軸方向が交わらないような配置であってもよい。   It should be noted that the three rotation axis directions of the three free rotation shafts or rotation mechanisms, ie, the outer frame 14, the inner frame 15, and the rotation shaft 17, intersect at the position of the grip portion 18. Thereby, a mechanical sensation close to a real sensation can be presented to the operator. However, the present invention is not limited to such a positional relationship, and may be arranged such that the three rotation axis directions do not intersect.

また、外フレーム14、内フレーム15の形状は、上記形状に限定されるものではなく、外フレーム14は、U字状(半円形)であってもよく、内フレーム15は、円形であってもよい。   Further, the shapes of the outer frame 14 and the inner frame 15 are not limited to the above shapes, and the outer frame 14 may be U-shaped (semi-circular), and the inner frame 15 is circular. Also good.

(グリップの回転駆動制御機構)
次に、グリップ11の回転駆動を制御する回転駆動制御機構について説明する。本実施形態の回転駆動制御機構は、捻り方式を採用している。
(Grip rotation drive control mechanism)
Next, a rotation drive control mechanism that controls the rotation drive of the grip 11 will be described. The rotation drive control mechanism of this embodiment employs a twisting method.

図11はグリップ11の回転駆動制御機構の構成図である。図11に示すように、本実施形態のグリップ11の内部には、外フレーム14を矢印R方向に回転させるワイヤー51、内フレーム15を矢印P方向に回転させるワイヤー61、回転軸17を矢印Y方向に回転させるワイヤー71が設けられている。   FIG. 11 is a configuration diagram of the rotation drive control mechanism of the grip 11. As shown in FIG. 11, inside the grip 11 of this embodiment, a wire 51 for rotating the outer frame 14 in the direction of arrow R, a wire 61 for rotating the inner frame 15 in the direction of arrow P, and a rotation shaft 17 for the arrow Y A wire 71 that rotates in the direction is provided.

ワイヤー51は、一端をプーリ41aに取り付けられており、駆動手段であるモータ52から駆動力を伝達される。ワイヤー51の他端は、外フレーム14の端部に設けられた回転用プーリ53に取り付けられている。ワイヤー51は、複数のアイドラ54によって位置決めされ、アーム13の内部を配線されている。ワイヤー51は、2本設けられており、モータ52の駆動により、回転軸41を回転し、2本のワイヤー51のどちらか一方を引く。これにより、回転用プーリ53を介して、外フレーム14が矢印R方向に正逆転する(Roll回転)。   One end of the wire 51 is attached to the pulley 41a, and a driving force is transmitted from a motor 52 as a driving means. The other end of the wire 51 is attached to a rotation pulley 53 provided at the end of the outer frame 14. The wire 51 is positioned by a plurality of idlers 54 and wired inside the arm 13. Two wires 51 are provided. When the motor 52 is driven, the rotating shaft 41 is rotated to pull one of the two wires 51. As a result, the outer frame 14 rotates forward and backward in the direction of the arrow R via the rotation pulley 53 (Roll rotation).

ワイヤー61は、一端をプーリ42aに取り付けられており、駆動手段であるモータ62から駆動力を伝達される。ワイヤー61の他端は、内フレーム15の端部に設けられた回転用プーリ63に取り付けられている。ワイヤー61は、複数のアイドラ64によって位置決めされ、アーム13、外フレーム14の内部を配線されている。ワイヤー61は、2本設けられており、モータ62の駆動によりどちらか一方を引く。これにより、ワイヤー61、回転用プーリ63を介して、内フレーム15が矢印P方向に正逆転する(Pitch回転)。   One end of the wire 61 is attached to the pulley 42a, and a driving force is transmitted from a motor 62 as a driving means. The other end of the wire 61 is attached to a rotation pulley 63 provided at the end of the inner frame 15. The wire 61 is positioned by a plurality of idlers 64 and wired inside the arm 13 and the outer frame 14. Two wires 61 are provided, and one of the wires 61 is pulled by driving the motor 62. As a result, the inner frame 15 rotates forward and backward in the direction of the arrow P via the wire 61 and the rotation pulley 63 (Pitch rotation).

ワイヤー71は、一端をプーリ43aに取り付けられており、駆動手段であるモータ72から駆動力を伝達される。ワイヤー71の他端は、回転軸17の端部に設けられた回転用プーリ73に取り付けられている。ワイヤー71は、複数のアイドラ74によって位置決めされ、アーム13、外フレーム14、内フレーム15の内部を配線されている。ワイヤー71は、2本設けられており、モータ62の駆動によりどちらか一方を引く。これにより、回転用プーリ73を介して、回転軸17が矢印Y方向に正逆転する(Yaw回転)。   One end of the wire 71 is attached to the pulley 43a, and a driving force is transmitted from a motor 72 which is a driving means. The other end of the wire 71 is attached to a rotating pulley 73 provided at the end of the rotating shaft 17. The wire 71 is positioned by a plurality of idlers 74 and wired inside the arm 13, the outer frame 14, and the inner frame 15. Two wires 71 are provided, and one of them is pulled by driving the motor 62. As a result, the rotation shaft 17 is rotated forward and backward in the direction of arrow Y (Yaw rotation) via the rotation pulley 73.

このように、回転駆動制御機構を、回転軸とワイヤーとから構成したことにより、正確な駆動伝達(バックドライブ性の向上)と、軽量化を図ることができ、装置の安全性を高めることができる。   As described above, the rotational drive control mechanism is composed of the rotating shaft and the wire, so that accurate drive transmission (improvement of back drive performance) and weight reduction can be achieved, and the safety of the apparatus can be improved. it can.

また、3つの自由回転軸あるいは回転機構である外フレーム14、内フレーム15、回転軸17の回転部(アーム13と外フレーム14の接続部、外フレーム14と内フレーム15の接続部、内フレーム15と回転軸17の接続部)において、複数のワイヤー51、61、71の間隔を狭くしている。特に、図12(a)に示すように、アーム13と外フレーム14との接合部では、複数のワイヤー51、61、71の間隔を狭くしている。   Also, the outer frame 14, the inner frame 15, and the rotating portion of the rotating shaft 17 (the connecting portion of the arm 13 and the outer frame 14, the connecting portion of the outer frame 14 and the inner frame 15, the inner frame) which are three free rotating shafts or rotating mechanisms 15 and the rotating shaft 17), the intervals between the plurality of wires 51, 61, 71 are reduced. In particular, as shown in FIG. 12 (a), at the joint between the arm 13 and the outer frame 14, the intervals between the plurality of wires 51, 61, 71 are narrowed.

これにより、図12(b)に示すように、外フレーム14、内フレーム15、回転軸17のいずれかを回転させた際に、アーム13、外フレーム14、内フレーム15の内部を配線されたワイヤーの捩れによる長さの変化を小さくしている。そして、ワイヤーの長さの変化を小さくすることで、ワイヤーの耐久性を向上させることができる。また、ワイヤーを太くすることができ、装置の剛性を高めることができる。また、バックドライブ性を高めることができる。   Thus, as shown in FIG. 12B, when any of the outer frame 14, the inner frame 15, and the rotating shaft 17 is rotated, the inside of the arm 13, the outer frame 14, and the inner frame 15 is wired. The change in length due to the twisting of the wire is reduced. And durability of a wire can be improved by making the change of the length of a wire small. Moreover, the wire can be thickened, and the rigidity of the apparatus can be increased. Moreover, the back drive property can be improved.

(センサ3〜緊急停止手段7)
センサ3には、ロータリーエンコーダが用いられており、各回動軸等の回動を検出して、患者の上肢(グリップ10)の3次元の位置、運動を検知する。すなわち、センサ3により、各回動軸の角度、回転加速度を検出することで、グリップ11(患者の上肢)の3次元の位置、移動速度を検知する。
(Sensor 3-Emergency stop means 7)
A rotary encoder is used for the sensor 3 and detects the three-dimensional position and motion of the patient's upper limb (grip 10) by detecting the rotation of each rotation axis and the like. That is, the sensor 3 detects the angle and rotational acceleration of each rotation axis, thereby detecting the three-dimensional position and moving speed of the grip 11 (patient's upper limb).

モニタ4は、訓練プログラムの画像及び患者の位置、運動に基づいた画像を表示する。   The monitor 4 displays an image of the training program and an image based on the position and movement of the patient.

フィードバック手段5は、訓練プログラムを行った訓練結果を次の訓練プログラムにフィードバックする。すなわち、フィードバック手段5は、訓練結果から患者の運動機能回復の程度を評価し、運動機能回復の程度に合わせて次の訓練プログラムを選択する。また、フィードバック手段5は、訓練結果から患者の運動機能回復の程度を評価、提示する。評価、提示の方法としては、点数をモニタ4に表示したり、拍手等の効果音を出力する方法がある。   The feedback means 5 feeds back the training result obtained by performing the training program to the next training program. That is, the feedback means 5 evaluates the degree of recovery of the motor function of the patient from the training result, and selects the next training program according to the degree of recovery of the motor function. The feedback means 5 evaluates and presents the degree of recovery of the motor function of the patient from the training result. As a method of evaluation and presentation, there are a method of displaying the score on the monitor 4 and outputting a sound effect such as applause.

コンピュータ6は、フィードバック手段5、緊急停止手段7を備え、SWボックス1、3次元力学的感覚提示手段2、センサ3、モニタ4に接続しており、上肢リハビリ装置を制御している。すなわち、コンピュータ6は、SWボックス1で選択する訓練プログラム及び、選択した訓練プログラムの画像を表示する信号をモニタ4へ送ること、患者に3次元の力学的感覚を伝えるために電気粘性流体106に印加する電圧を変えること、センサ3で検知した患者の動きを表示する信号をモニタ4へ送ること等を行っている。   The computer 6 includes a feedback means 5 and an emergency stop means 7 and is connected to the SW box 1, the three-dimensional mechanical sense presentation means 2, the sensor 3, and the monitor 4 to control the upper limb rehabilitation device. That is, the computer 6 sends a signal indicating the training program selected by the SW box 1 and an image of the selected training program to the monitor 4, and transmits the signal to the electrorheological fluid 106 to convey a three-dimensional mechanical sensation to the patient. The voltage to be applied is changed, and a signal indicating the movement of the patient detected by the sensor 3 is sent to the monitor 4.

また、コンピュータ6は、選択した訓練プログラムの設定によっては、患者の上肢を支える仮想下面の力学的感覚を伝えるように3次元力学的感覚提示手段2、モニタ4を制御することもできる。仮想下面を斜めに傾けたり、抵抗の有る下面として、患者の訓練に負荷をかけることもできる。   The computer 6 can also control the three-dimensional mechanical sensation presentation means 2 and the monitor 4 so as to convey the mechanical sensation of the virtual lower surface that supports the patient's upper limb depending on the setting of the selected training program. The virtual lower surface can be tilted obliquely, or a lower surface having resistance can be used to load the patient's training.

緊急停止手段7は、3次元力学的感覚提示手段2に所定以上の力が加わった際に、その所定以上の異常な力、速度等の情報をセンサ3から受け、かかる情報に基づいて、モータ8を停止したり、クラッチ9により力の伝達を切ったりすることで、上肢リハビリ装置を緊急停止する。   The emergency stop means 7 receives information such as abnormal force and speed exceeding the predetermined value from the sensor 3 when a force exceeding a predetermined value is applied to the three-dimensional mechanical sense presentation means 2, and based on the information, the motor The upper limb rehabilitation device is urgently stopped by stopping 8 or cutting off the transmission of force by the clutch 9.

(上肢リハビリ装置による訓練方法)
次に、上肢リハビリ装置による訓練方法について説明する。図13は上肢リハビリ装置による訓練方法を説明するフローチャート、図14は訓練プログラムの設定の説明図、図15は「壁画めくり」の訓練プログラムの説明図である。
(Training method using upper limb rehabilitation device)
Next, a training method using the upper limb rehabilitation apparatus will be described. FIG. 13 is a flowchart for explaining a training method using the upper limb rehabilitation apparatus, FIG. 14 is an explanatory diagram for setting a training program, and FIG. 15 is an explanatory diagram for a training program for “mural turning”.

図13に示すように、まず、患者が運動機能回復訓練を行うことができる体勢を整えた後、上肢リハビリ装置の電源をONにする(S1)。次に、SWボックス1を用いて、モニタ4に患者名が表示されたリストから訓練を行う患者名を選択する(S2)。尚、患者名を選択する設定に変えて、患者名を直接入力する設定、バーコード、音声等で患者を認識する設定としてもよい。   As shown in FIG. 13, first, after preparing a posture in which the patient can perform exercise function recovery training, the upper limb rehabilitation apparatus is turned on (S1). Next, a patient name to be trained is selected from the list in which the patient name is displayed on the monitor 4 using the SW box 1 (S2). In addition, it is good also as a setting which recognizes a patient by the setting which inputs a patient name directly, a barcode, an audio | voice etc. instead of the setting which selects a patient name.

次に、SWボックス1を用いて、実行する訓練プログラムを選択する(S3)。図14に示すように、この訓練プログラムには、「壁画めくり」、「迷路」等のプログラムがあり、粘性抵抗の強弱、壁間隔等のパラメータを変更することで、訓練プログラムの設定(運動の強度、難易度)を変更可能となっている。このため、予め、患者毎に訓練プログラムを患者に合わせた設定として記憶させておくことができる。   Next, the training program to be executed is selected using the SW box 1 (S3). As shown in FIG. 14, this training program includes programs such as “turning murals” and “maze”. By changing parameters such as the strength of viscous resistance and wall spacing, the training program can be set (exercise of exercise). (Strength, difficulty) can be changed. For this reason, the training program for each patient can be stored in advance as a setting tailored to the patient.

選択した訓練プログラムが開始し、患者はプログラムに従って訓練を行う(S4)。例えば、「壁画めくり」の訓練プログラムでは、図15(a)に示すように、壁画が描かれた正面の壁24と、この正面の壁を囲む上左右の3枚の壁25〜27と、床面28がモニタ4に表示される。患者は、グリップ11を正面の壁24に当たるように押し込んだ状態で、正面の壁24に沿って動かす。グリップ11の動きを検知したセンサ3からグリップ11の位置、運動の情報の信号がコンピュータ6に送られ、グリップ11の軌道に沿って、薄いベールで隠してある壁画が現れてくる。1枚の壁画の所定の割合(例えば80%)、所定の場所(絵が描かれた部分)等をめくるといった目標をクリアすることで、次にめくる壁画が現れ、患者は次々と壁画をめくっていく。訓練条件としては、5分間のタイムリミットで5cm毎に奥行方向に配置された6面の壁画をめくる等の様々な訓練条件を設定することができる。   The selected training program starts, and the patient performs training according to the program (S4). For example, in the “mural turning” training program, as shown in FIG. 15A, a front wall 24 on which a mural is drawn, and three upper and left walls 25 to 27 surrounding the front wall, The floor surface 28 is displayed on the monitor 4. The patient moves along the front wall 24 while pushing the grip 11 so as to hit the front wall 24. A signal indicating the position of the grip 11 and movement information is sent to the computer 6 from the sensor 3 that has detected the movement of the grip 11, and a mural hidden by a thin veil appears along the track of the grip 11. By clearing the goal of turning a predetermined percentage (for example, 80%) of a single mural and turning a predetermined place (the part on which the picture is drawn), the next turning mural appears, and the patient turns the mural one after another. To go. As training conditions, various training conditions can be set, such as turning over six murals arranged in the depth direction every 5 cm with a time limit of 5 minutes.

訓練中は、異常停止の有無を判断している(S5)。異常停止した場合には、停止理由がトルクオーバーか否かを判断する(S6)。トルクオーバーである場合には、モニタ4にトルクオーバーの表示をして(S7)、全プログラムを完了するか否か選択する(S18)。トルクオーバーでない場合には、停止理由が非常停止か否かを判断する(S8)。非常停止である場合には、モニタ4に非常停止の表示をし(S9)、ブザーを鳴らして療法士に異常を知らせ(S10)、訓練を終了する(S19)。非常停止でない場合には、システム異常と判断して、モニタ4にシステム異常の表示をし(S11)、ブザーを鳴らして療法士に異常を知らせ(S12)、訓練を終了する(S19)。   During training, it is determined whether or not there is an abnormal stop (S5). In the case of an abnormal stop, it is determined whether the reason for the stop is torque over (S6). If the torque is over, the monitor 4 displays torque over (S7) and selects whether or not to complete all programs (S18). If the torque is not over, it is determined whether or not the stop reason is an emergency stop (S8). If it is an emergency stop, an emergency stop display is displayed on the monitor 4 (S9), a buzzer is sounded to inform the therapist of the abnormality (S10), and the training is terminated (S19). If it is not an emergency stop, it is determined that the system is abnormal, the system abnormality is displayed on the monitor 4 (S11), a buzzer is sounded to notify the therapist of the abnormality (S12), and the training is terminated (S19).

異常停止がない場合には、訓練を中止するか否かを選択する(S13)。訓練を中止した場合には、モニタ4に訓練中止の表示をして(S14)、全プログラムを完了するか否か選択する(S18)。   If there is no abnormal stop, it is selected whether or not to stop the training (S13). When the training is stopped, the training 4 is displayed on the monitor 4 (S14), and it is selected whether or not all the programs are completed (S18).

訓練を中止しない場合には、タイムオーバーか否かを判断している(S15)。所定時間、グリップ11の動きが検知されない場合には、タイムオーバーと判断して、モニタ4にタイムオーバーの表示をして(S16)、全プログラムを完了するか否か選択する(S18)。   If the training is not stopped, it is determined whether or not the time is over (S15). If the movement of the grip 11 is not detected for a predetermined time, it is determined that the time is over, the time over is displayed on the monitor 4 (S16), and whether or not all the programs are completed is selected (S18).

タイムオーバーでないと判断された場合には、訓練プログラムが正常終了したか否かを判断する(S17)。正常終了していない場合には、S4に戻り上記のシーケンスを繰り返す(S4〜S17)。   If it is determined that the time is not over, it is determined whether or not the training program has ended normally (S17). If not completed normally, the process returns to S4 and the above sequence is repeated (S4 to S17).

訓練プログラムが正常終了した場合には、全プログラムを完了するか否か選択する(S18)。全プログラムを完了した場合には、訓練終了の表示を行う。この際、正常終了した場合には、訓練結果を表示し、フィードバック手段5により患者の運動機能回復の程度を評価、提示する(S19)。   When the training program is normally completed, it is selected whether or not all the programs are completed (S18). When all programs are completed, the end of training is displayed. At this time, when the operation is completed normally, the training result is displayed, and the degree of recovery of the motor function of the patient is evaluated and presented by the feedback means 5 (S19).

例えば、「壁画めくり」の訓練プログラムでは、図15(b)に示すように、消去した壁画の枚数、訓練終了にかかった時間等を表示する。また、以前に行った訓練の結果、試行回数等も合わせて表示することで、運動機能の回復具合を評価、提示することができる。   For example, in the “mural turning” training program, as shown in FIG. 15 (b), the number of murals erased, the time taken to complete the training, and the like are displayed. In addition, by displaying the result of training performed previously, the number of trials, and the like together, it is possible to evaluate and present the degree of recovery of motor function.

全プログラムを完了しない場合には、次のプログラムに進む選択を行い(S20)、次の訓練を開始する(S21、S4〜S21)。この際、前のプログラムを正常終了した場合には、次の訓練の開始前に、フィードバック手段5により前の訓練の結果を表示し、フィードバック手段5により患者の運動機能回復の程度を評価、提示する。   If all the programs are not completed, selection to proceed to the next program is performed (S20), and the next training is started (S21, S4 to S21). At this time, if the previous program is normally completed, the result of the previous training is displayed by the feedback means 5 before the start of the next training, and the degree of recovery of the motor function of the patient is evaluated and presented by the feedback means 5. To do.

療法士は、訓練の結果にもとづいて、訓練プログラムの設定(運動の強度、難易度)を変更して、次回行う訓練プログラムの設定を記憶させておくことができる。   The therapist can change the setting (exercise intensity, difficulty level) of the training program based on the result of the training, and can store the setting of the training program to be performed next time.

以上説明したように、本発明によれば、手首まで含む上肢の運動機能を回復させる訓練を行うことができ、より一層高い安全性を確保すること、より一層実感覚に近い力学的感覚を伝えることができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to perform training to restore the motor function of the upper limb including the wrist, to ensure higher safety, and to convey a mechanical sensation closer to the real sensation. be able to.

[第二実施形態]
次に本発明に係る上肢リハビリ装置の第二実施形態について図を用いて説明する。図16は他のグリップの構成図である。上記第一実施形態と説明の重複する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the upper limb rehabilitation apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 16 is a configuration diagram of another grip. About the part which overlaps with said 1st embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.

図16に示すように、本実施形態の上肢リハビリ装置は、上記第一実施形態のグリップ11に変えてグリップ30を用いたものである。グリップ30は、患者が操作する部分であり、第1フレーム31、第2フレーム32、回転軸33、把持部34から構成されている。   As shown in FIG. 16, the upper limb rehabilitation device of this embodiment uses a grip 30 instead of the grip 11 of the first embodiment. The grip 30 is a part operated by the patient, and includes a first frame 31, a second frame 32, a rotation shaft 33, and a grip part 34.

第1フレーム31は、L字状に形成され、その一端で、上下方向(Z軸方向)を中心に回動可能に、アーム13の先端に着脱可能に支持されている。第2フレーム32は、L字状に形成され、その一端で、アーム13の長手方向と平行な回動軸を中心として回動可能に、第1フレーム31の他端に支持されている。回転軸33は、その一端で、第2フレーム32の他端にZ軸方向及びアーム13の長手方向に直交する方向を中心に回動可能に支持されている。把持部34は、回転軸33の他端に固定されており、患者が把持して360°回転自在に操作可能に形成されている。   The first frame 31 is formed in an L shape, and is supported at one end of the first frame 31 so as to be rotatable about the vertical direction (Z-axis direction) and detachably attached to the tip of the arm 13. The second frame 32 is formed in an L shape, and is supported at the other end of the first frame 31 at one end thereof so as to be rotatable about a rotation axis parallel to the longitudinal direction of the arm 13. The rotation shaft 33 is supported at one end thereof at the other end of the second frame 32 so as to be rotatable around a direction perpendicular to the Z-axis direction and the longitudinal direction of the arm 13. The grip part 34 is fixed to the other end of the rotary shaft 33, and is formed so that the patient can grip and rotate it 360 degrees.

これにより、グリップの構造を簡略化して、軽量化、低コスト化を図ることができる。また、軽量化により上肢リハビリ装置の安全性を高めることもできる。さらに、グリップ30を、四角形、コの字状(凹状)のフレームを設けることなく、L字状のフレームにて構成したことにより、大きなリングが患者の視界を妨げることがなく、グリップ30を操作する際に、モニタ4を見やすくすることができる。   Thereby, the structure of a grip can be simplified and weight reduction and cost reduction can be achieved. Moreover, the safety of the upper limb rehabilitation device can be enhanced by weight reduction. In addition, the grip 30 is configured by an L-shaped frame without providing a square, U-shaped (concave) frame, so that the large ring does not interfere with the patient's field of view. This makes it easier to see the monitor 4.

また、第1フレーム31、第2フレーム32の形状は、上記形状に限定されるものではなく、1/4円弧状であってもよい。   Moreover, the shape of the 1st frame 31 and the 2nd frame 32 is not limited to the said shape, A 1/4 circular arc shape may be sufficient.

(グリップの回転駆動制御機構)
ここで、グリップ30の回転駆動を制御する回転駆動制御機構について説明する。図17、図18に示すように、本実施形態の回転駆動制御機構は、上記第一実施形態の捻り方式に変えて、重軸構造を採用している。
(Grip rotation drive control mechanism)
Here, a rotation drive control mechanism for controlling the rotation drive of the grip 30 will be described. As shown in FIGS. 17 and 18, the rotational drive control mechanism of the present embodiment adopts a heavy shaft structure instead of the twisting system of the first embodiment.

図17に示すように、グリップ30の内部には、第1フレーム31を矢印Y方向に回転させるワイヤー81、第2フレーム32を矢印P方向に回転させるワイヤー91、93、回転軸33を矢印Y方向に回転させるワイヤー101、103、105が設けられている。   As shown in FIG. 17, the grip 30 includes a wire 81 for rotating the first frame 31 in the direction of arrow Y, wires 91 and 93 for rotating the second frame 32 in the direction of arrow P, and a rotation shaft 33 for the arrow Y. Wires 101, 103, and 105 that are rotated in the direction are provided.

ワイヤー81は、一端をプーリ41aに取り付けられており、駆動手段であるモータ52から駆動力を伝達される。ワイヤー81の他端は、第1フレーム31の端部に設けられた回転用プーリ53に取り付けられている。ワイヤー81は、アーム13の内部を配線されている。ワイヤー81は、2本設けられており、モータ52の駆動により、回転軸41を回転し、2本のワイヤー81のどちらか一方を引く。これにより、回転用プーリ53を介して、第1フレーム31が矢印Y方向に正逆転する(Yaw回転)。   One end of the wire 81 is attached to the pulley 41a, and a driving force is transmitted from the motor 52 which is a driving means. The other end of the wire 81 is attached to a rotation pulley 53 provided at the end of the first frame 31. The wire 81 is wired inside the arm 13. Two wires 81 are provided. When the motor 52 is driven, the rotating shaft 41 is rotated, and one of the two wires 81 is pulled. As a result, the first frame 31 rotates forward and backward in the arrow Y direction via the rotation pulley 53 (Yaw rotation).

ワイヤー91は、一端をプーリ42aに取り付けられており、駆動手段であるモータ62から駆動力を伝達される。ワイヤー91の他端は、回転軸92の一端に設けられた中間プーリ92aに取り付けられている。回転軸92の他端には、中間プーリ92bが設けられている。回転軸92は、第1フレーム31の内部で回転可能となっている。回転軸92は、アーム13の内部と第1フレーム31の内部にまたがって設けられている。中間プーリ92aは、アーム13の内部にあり、中間プーリ92bは第1フレーム31の内部にある。   One end of the wire 91 is attached to the pulley 42a, and a driving force is transmitted from the motor 62 which is a driving means. The other end of the wire 91 is attached to an intermediate pulley 92 a provided at one end of the rotating shaft 92. An intermediate pulley 92 b is provided at the other end of the rotating shaft 92. The rotating shaft 92 is rotatable inside the first frame 31. The rotation shaft 92 is provided across the inside of the arm 13 and the inside of the first frame 31. The intermediate pulley 92 a is inside the arm 13, and the intermediate pulley 92 b is inside the first frame 31.

ワイヤー93は、複数のアイドラ94によって位置決めされ、第1フレーム31の内部を配線されている。ワイヤー93は、一端を中間プーリ92bに取り付けられており、他端を回転用プーリ63に取り付けられている。ワイヤー91、93は、それぞれ2本づつ設けられており、駆動手段であるモータ62の駆動により、回転軸42を回転し、2本のワイヤー91のどちらか一方を引く。これにより、中間プーリ92aを介して回転軸92が正逆転し、中間プーリ92b、ワイヤー93、回転用プーリ63を介して第2フレーム32が矢印R方向に正逆転する(Roll回転)。   The wire 93 is positioned by a plurality of idlers 94 and wired inside the first frame 31. One end of the wire 93 is attached to the intermediate pulley 92b, and the other end is attached to the rotating pulley 63. Two wires 91 and 93 are provided, respectively, and the rotating shaft 42 is rotated by driving a motor 62 as a driving means, and one of the two wires 91 is pulled. As a result, the rotating shaft 92 rotates forward and backward via the intermediate pulley 92a, and the second frame 32 rotates forward and backward in the direction of arrow R via the intermediate pulley 92b, the wire 93, and the rotating pulley 63 (Roll rotation).

ワイヤー101は、一端をプーリ43aに取り付けられており、駆動手段であるモータ72から駆動力を伝達される。ワイヤー101の他端は、回転軸102の一端に設けられた中間プーリ102aに取り付けられている。回転軸102の他端には、中間プーリ102bが設けられている。回転軸102は、中空の回転軸92の内部に回転可能に設けられている。回転軸102は、アーム13の内部と第1フレーム31の内部にまたがって設けられている。中間プーリ102aは、アーム13の内部にあり、中間プーリ102bは第1フレーム31の内部にある。   One end of the wire 101 is attached to the pulley 43a, and a driving force is transmitted from a motor 72 which is a driving means. The other end of the wire 101 is attached to an intermediate pulley 102 a provided at one end of the rotating shaft 102. An intermediate pulley 102b is provided at the other end of the rotating shaft 102. The rotating shaft 102 is rotatably provided inside a hollow rotating shaft 92. The rotating shaft 102 is provided across the inside of the arm 13 and the inside of the first frame 31. The intermediate pulley 102 a is inside the arm 13, and the intermediate pulley 102 b is inside the first frame 31.

ワイヤー103は、第1フレーム31の内部を配線されている。ワイヤー103は、一端を中間プーリ102bに取り付けられており、他端を回転軸104の一端に設けられた中間プーリ104aに取り付けられている。回転軸104の他端には、中間プーリ104bが設けられている。回転軸104は、第2フレーム32の内部に回転可能に設けられている。回転軸104は、第1フレーム31の内部と第2フレーム32の内部にまたがって設けられている。中間プーリ104aは、第1フレーム31の内部にあり、中間プーリ104bは内フレーム32の内部にある。   The wire 103 is wired inside the first frame 31. One end of the wire 103 is attached to the intermediate pulley 102b, and the other end is attached to the intermediate pulley 104a provided at one end of the rotating shaft 104. An intermediate pulley 104b is provided at the other end of the rotating shaft 104. The rotating shaft 104 is rotatably provided inside the second frame 32. The rotating shaft 104 is provided across the inside of the first frame 31 and the inside of the second frame 32. The intermediate pulley 104 a is inside the first frame 31, and the intermediate pulley 104 b is inside the inner frame 32.

図18に示すように、ワイヤー105は、第2フレーム32の内部を配線されている。ワイヤー105は、一端を中間プーリ104bに取り付けられており、他端を回転用プーリ33aに取り付けられている。ワイヤー101、103、105は、それぞれ2本づつ設けられており、駆動手段であるモータ72の駆動により、回転軸41を回転し、2本のワイヤー71のどちらか一方を引く。これにより、中間プーリ102aを介して回転軸102が正逆転し、中間プーリ102b、ワイヤー103、中間プーリ104aを介して回転軸104が正逆転し、ワイヤー105、回転用プーリ33aを介して回転軸33が矢印P方向に正逆転する(Pitch回転)。   As shown in FIG. 18, the wire 105 is wired inside the second frame 32. The wire 105 has one end attached to the intermediate pulley 104b and the other end attached to the rotation pulley 33a. Two wires 101, 103, and 105 are provided, and the rotating shaft 41 is rotated by pulling one of the two wires 71 by driving a motor 72 that is driving means. As a result, the rotating shaft 102 is rotated forward and backward via the intermediate pulley 102a, the rotating shaft 104 is rotated forward and backward via the intermediate pulley 102b, the wire 103 and the intermediate pulley 104a, and the rotating shaft is rotated via the wire 105 and the rotating pulley 33a. 33 rotates forward and backward in the direction of arrow P (Pitch rotation).

尚、ワイヤー105に変えて、プッシュプル式又はプルプル式のだ管ワイヤーや、トルクチューブを用いることもできる。   Instead of the wire 105, a push-pull or pull-pull type elliptical wire or a torque tube can be used.

(重量バランス機構)
また、上記第一実施形態のグリップ11は、両持ちの構造であり、重量バランスが保たれていた。しかし、グリップ30は、片持ちの構造であり、重量バランスが崩れている。具体的には、第2フレーム32の先端には、回転軸33、把持部34の重量がかかっている。このため、第2フレーム32が矢印R方向に回転してしまう。そこで、図19に示すように、グリップ30の重量バランスをとるバランサー35を設けている。
(Weight balance mechanism)
Further, the grip 11 of the first embodiment has a double-sided structure, and the weight balance is maintained. However, the grip 30 has a cantilever structure, and the weight balance is lost. Specifically, the weight of the rotating shaft 33 and the grip portion 34 is applied to the tip of the second frame 32. For this reason, the second frame 32 rotates in the arrow R direction. Therefore, as shown in FIG. 19, a balancer 35 for balancing the weight of the grip 30 is provided.

バランサー35は、ベルト36、プーリ37、カウンターウェイト38から構成されている。ベルト36は、プーリ37、39に掛け回されている。プーリ37には、カウンターウェイト38が固定されている。プーリ39は、回転軸42の回動軸40側に取り付けられている。   The balancer 35 includes a belt 36, a pulley 37, and a counterweight 38. The belt 36 is wound around pulleys 37 and 39. A counterweight 38 is fixed to the pulley 37. The pulley 39 is attached to the rotating shaft 40 side of the rotating shaft 42.

第2フレーム32の角度とカウンターウェイト38の角度は、図20(a)に示すような点対象となる角度、又は図20(b)に示すような線対称となる角度となっている。このような角度とすることで、カウンターウェイト38によって、第2フレーム32が自重や、回転軸33、34の重量によって回転する方向と逆方向にトルクをかけることができる。   The angle of the second frame 32 and the angle of the counterweight 38 are point-symmetrical angles as shown in FIG. 20A or line-symmetrical angles as shown in FIG. 20B. With such an angle, the counterweight 38 can apply torque in the direction opposite to the direction in which the second frame 32 rotates due to its own weight or the weight of the rotary shafts 33 and 34.

これにより、モータ62で第2フレーム32の姿勢を保持することなく、第2フレーム32の重量バランスを保ち、第2フレーム32が自重等で回転してしまうことを防止できる。   Thereby, without maintaining the posture of the second frame 32 by the motor 62, the weight balance of the second frame 32 can be maintained and the second frame 32 can be prevented from rotating due to its own weight or the like.

ここで、カウンターウェイト38の重心とプーリ37の回転中心との距離rを小さくし、カウンターウェイト38の重量mを大きくする。これにより、バランスをとるために必要なトルクmrを確保しつつ、慣性モーメントmrを小さくすることができる。 Here, the distance r between the center of gravity of the counterweight 38 and the rotation center of the pulley 37 is reduced, and the weight m of the counterweight 38 is increased. As a result, the moment of inertia mr 2 can be reduced while securing the torque mr necessary for achieving balance.

尚、グリップは上記構成に限定されるものではなく、アーム先端に取り付けられ、1点で交わる3つの自由回転軸あるいは回転機構を有するものであればよい。   The grip is not limited to the above-described configuration, and any grip may be used as long as it has three free rotation shafts or rotation mechanisms that are attached to the tip of the arm and intersect at one point.

また、回転駆動制御機構は、捻り方式、重軸構造のいずれか一方のみで構成する必要はなく、捻り方式、重軸構造の両方を組み合わせて構成してもよい。   Further, the rotational drive control mechanism does not have to be configured by only one of the twisting method and the heavy shaft structure, and may be configured by combining both the twisting method and the heavy shaft structure.

本発明の活用例として、患者の運動機能を回復させる訓練を行うための上肢リハビリ装置に適用可能である。   As an application example of the present invention, the present invention can be applied to an upper limb rehabilitation apparatus for performing training for recovering a patient's motor function.

第一実施形態に係る上肢リハビリ装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the upper limb rehabilitation apparatus which concerns on 1st embodiment. 3次元力学的感覚提示手段の構成図である。It is a block diagram of a three-dimensional dynamic sense presentation means. 3次元力学的感覚提示手段及び運動検知手段のブロック図である。It is a block diagram of a three-dimensional mechanical sense presentation means and a motion detection means. 機能性流体ブレーキの構成図である。It is a block diagram of a functional fluid brake. ロボットアームの斜視図である。It is a perspective view of a robot arm. ロボットアームを上側から見た模式図である。It is the schematic diagram which looked at the robot arm from the upper side. ロボットアームを背面側から見た模式図である。It is the schematic diagram which looked at the robot arm from the back side. ジョイントと回転軸の構成図である。It is a block diagram of a joint and a rotating shaft. グリップの構成図である。It is a block diagram of a grip. 手首の3自由度の説明図である。It is explanatory drawing of 3 degrees of freedom of a wrist. グリップの回転駆動制御機構の構成図である。It is a block diagram of the rotation drive control mechanism of a grip. ワイヤーの捩れ防止機構の説明図である。It is explanatory drawing of the twist prevention mechanism of a wire. 上肢リハビリ装置による訓練方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the training method by an upper limb rehabilitation apparatus. 訓練プログラムの設定の説明図である。It is explanatory drawing of the setting of a training program. 訓練プログラムの説明図である。It is explanatory drawing of a training program. 第二実施形態にかかるグリップの構成図である。It is a block diagram of the grip concerning 2nd embodiment. 第二実施形態にかかるグリップの回転駆動制御機構の構成図である。It is a block diagram of the rotational drive control mechanism of the grip concerning 2nd embodiment. 第二実施形態にかかるグリップの回転駆動制御機構の構成図である。It is a block diagram of the rotational drive control mechanism of the grip concerning 2nd embodiment. 第二実施形態にかかる重量バランス機構の構成図である。It is a block diagram of the weight balance mechanism concerning 2nd embodiment. 第二実施形態にかかる第2フレームの角度とカウンターウェイトの角度を示す図である。It is a figure which shows the angle of the 2nd frame concerning 2nd embodiment, and the angle of a counterweight.

符号の説明Explanation of symbols

1…SWボックス、2…3次元力学的感覚提示手段、3…センサ、4…モニタ、5…フィードバック手段、6…コンピュータ、7…緊急停止手段、8…モータ、9…クラッチ、10…ロボットアーム、11…グリップ、12…平行リンク、13…アーム、14…外フレーム、14a…両端、15…内フレーム、16…軸受、17、19、26…回動軸、18、34…把持部、20〜23…フレーム、20a、21a、38…カウンターウェイト、20b、21b…支軸、23a、23b…連結部、24、25、27…壁、28…床面、29…ブレーキ、30…グリップ、31…第1フレーム、32…第2フレーム、33、40〜43、92、102、104…回転軸、33a、53、63、73…回転用プーリ、35…バランサー、36…ベルト、37、39、41a〜43a…プーリ、40a…支軸、44…ユニバーサルジョイント、51、61、71、81、91、93、101、103、105…ワイヤー、52…モータ、54、64、74、94…アイドラ、62、72…モータ、92a、92b、102a、102b、103a、103b、104a、104b…中間プーリ、106…電気粘性流体、123…円筒電極、126…深溝、127…フランジ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... SW box, 2 ... Three-dimensional mechanical sense presentation means, 3 ... Sensor, 4 ... Monitor, 5 ... Feedback means, 6 ... Computer, 7 ... Emergency stop means, 8 ... Motor, 9 ... Clutch, 10 ... Robot arm 11 ... grips, 12 ... parallel links, 13 ... arms, 14 ... outer frames, 14a ... both ends, 15 ... inner frames, 16 ... bearings, 17, 19, 26 ... rotating shafts, 18, 34 ... grips, 20 23 ... Frame, 20a, 21a, 38 ... Counter weight, 20b, 21b ... Support shaft, 23a, 23b ... Connecting part, 24, 25, 27 ... Wall, 28 ... Floor surface, 29 ... Brake, 30 ... Grip, 31 ... 1st frame, 32 ... 2nd frame, 33, 40-43, 92, 102, 104 ... Rotating shaft, 33a, 53, 63, 73 ... Rotating pulley, 35 ... Balancer, 36 ... Belt, 37, 39, 41a-43a ... pulley, 40a ... spindle, 44 ... universal joint, 51, 61, 71, 81, 91, 93, 101, 103, 105 ... wire, 52 ... Motor, 54, 64, 74, 94 ... idler, 62, 72 ... motor, 92a, 92b, 102a, 102b, 103a, 103b, 104a, 104b ... intermediate pulley, 106 ... electrorheological fluid, 123 ... cylindrical electrode, 126 ... Deep groove, 127 ... flange

Claims (11)

患者の上肢の運動機能を回復させる訓練を行うための上肢リハビリ装置において、
患者の手首の3自由度のうち、少なくとも1自由度の作動に対して駆動を伝達して患者に力学的感覚を伝える少なくとも1個の駆動手段と、前記駆動手段の駆動を調整する少なくとも1個の機能性流体クラッチと、を有することを特徴とする上肢リハビリ装置。
In the upper limb rehabilitation device for performing training to restore the motor function of the patient's upper limb,
At least one driving means for transmitting a driving force to an operation of at least one degree of freedom among three degrees of freedom of the patient's wrist and transmitting a mechanical sensation to the patient, and at least one for adjusting the driving of the driving means And an upper limb rehabilitation device.
患者の上肢の運動機能を回復させる訓練を行うための上肢リハビリ装置において、
患者の手首の3自由度のうち、少なくとも1自由度の作動に対して患者に力学的感覚を伝える少なくとも1個の機能性流体ブレーキ、を有することを特徴とする上肢リハビリ装置。
In the upper limb rehabilitation device for performing training to restore the motor function of the patient's upper limb,
An upper limb rehabilitation device comprising at least one functional fluid brake that transmits a mechanical sensation to a patient with respect to actuation of at least one degree of freedom of the patient's wrist.
患者の上肢の運動機能を回復させる訓練を行うための上肢リハビリ装置において、
3つの自由回転軸あるいは回転機構を有する患者が操作するグリップと、
前記3つの自由回転軸あるいは回転機構の回転駆動を制御する回転駆動制御機構と、
を有することを特徴とする上肢リハビリ装置。
In the upper limb rehabilitation device for performing training to restore the motor function of the patient's upper limb,
A grip operated by a patient having three free rotation axes or rotation mechanisms;
A rotational drive control mechanism for controlling rotational driving of the three free rotational shafts or the rotational mechanism;
An upper limb rehabilitation device comprising:
前記グリップの前記3つの自由回転軸あるいは回転機構は、患者の手首を伸展、屈曲させる方向、患者の手首を外転、内転させる方向、患者の手首を回外、回内させる方向に回転可能であることを特徴とする請求項3に記載の上肢リハビリ装置。
The three free rotation axes or rotation mechanisms of the grip can be rotated in the direction of extending and bending the patient's wrist, the direction of rotating and inward rotation of the patient's wrist, and the direction of rotating and rotating the patient's wrist The upper limb rehabilitation apparatus according to claim 3, wherein:
ワイヤーを備え、該ワイヤーを引っ張ることで駆動制御することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の上肢リハビリ装置。
The upper limb rehabilitation device according to any one of claims 1 to 4, wherein the upper limb rehabilitation device includes a wire and is driven and controlled by pulling the wire.
両端にジョイントを取り付けた回転軸を備え、該回転軸を回転することで駆動制御することを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の上肢リハビリ装置。
The upper limb rehabilitation device according to any one of claims 1 to 5, further comprising: a rotation shaft having joints attached to both ends, wherein drive control is performed by rotating the rotation shaft.
患者の肘および肩の3自由度の作動に対して駆動を伝達して患者に力学的感覚を伝える、3個の駆動手段と、少なくとも3個の機能性流体クラッチと、を有することを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の上肢リハビリ装置。
Characterized in that it has three driving means and at least three functional fluid clutches that transmit driving force to the patient in response to three-degree-of-freedom actuation of the patient's elbows and shoulders. The upper limb rehabilitation device according to any one of claims 1 to 6.
患者の肘および肩の3自由度の作動に対して駆動を伝達して患者に力学的感覚を伝える、3個の駆動手段と、少なくとも3個の機能性流体ブレーキと、を有することを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の上肢リハビリ装置。
Characterized in that it has three driving means and at least three functional fluid brakes that transmit driving force to the patient in response to three-degree-of-freedom actuation of the patient's elbows and shoulders. The upper limb rehabilitation device according to any one of claims 1 to 6.
上下方向を長手方向とした回動軸と、該回動軸に一端を回動自在に取り付けた第1及び第2フレームと、該第1及び第2のフレームのそれぞれの他端に回動自在に取り付けた上下方向を長手方向とした第3のフレームとからなる平行リンクと、
前記グリップを先端に設け、前記第3のフレームに支持され、 前記平行リンクの変形により上下方向に移動可能なアームと、を有することを特徴とする請求項3〜請求項8のいずれか1項に記載の上肢リハビリ装置。
A pivot shaft having a longitudinal direction as a longitudinal direction, first and second frames having one end pivotably attached to the pivot shaft, and pivotable to the other ends of the first and second frames. A parallel link consisting of a third frame with the vertical direction attached to
9. The arm according to claim 3, further comprising: an arm provided at the tip, supported by the third frame, and movable in a vertical direction by deformation of the parallel link. The upper limb rehabilitation device described in 1.
前記駆動手段は複数のワイヤーにて前記3つの自由回転軸あるいは回転機構を駆動しており、前記自由回転軸あるいは回転機構の回転部において、前記複数のワイヤーの間隔を狭くしたことを特徴とする請求項3〜請求項9のいずれか1項に記載の上肢リハビリ装置。
The drive means drives the three free rotating shafts or rotating mechanisms with a plurality of wires, and the interval between the plurality of wires is narrowed in the rotating portion of the free rotating shaft or rotating mechanism. The upper limb rehabilitation device according to any one of claims 3 to 9.
前記グリップの重量バランスをとるバランサーを設けたことを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の上肢リハビリ装置。   The upper limb rehabilitation device according to claim 10 or 11, further comprising a balancer that balances the weight of the grip.
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