特開 2024-60497 身体を動かしてロボットを制御するリハビリテーションシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024060497

(43)【公開日】2024-05-02

(54)【発明の名称】身体を動かしてロボットを制御するリハビリテーションシステム

(51)【国際特許分類】

   A63B 69/00 20060101AFI20240424BHJP

   B25J 3/00 20060101ALI20240424BHJP

【ＦＩ】

A63B69/00 A

B25J3/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022167903

(22)【出願日】2022-10-19

(71)【出願人】

【識別番号】504224153

【氏名又は名称】国立大学法人 宮崎大学

(74)【代理人】

【識別番号】100098729

【弁理士】

【氏名又は名称】重信 和男

(74)【代理人】

【識別番号】100204467

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 好文

(74)【代理人】

【識別番号】100148161

【弁理士】

【氏名又は名称】秋庭 英樹

(74)【代理人】

【識別番号】100195833

【弁理士】

【氏名又は名称】林 道広

(72)【発明者】

【氏名】山子 剛

(72)【発明者】

【氏名】帖佐 悦男

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707AS35

3C707BS27

3C707JS01

3C707JT06

3C707JT07

3C707KS11

3C707KT03

3C707KT06

3C707LT06

3C707LV20

3C707MS10

3C707MT11

(57)【要約】

【課題】身体を動かしてロボットを制御することにより、楽しく意欲的にリハビリテーションを行うことができるリハビリテーションシステムを提供する。
【解決手段】多関節ロボット６０と、使用者２０の部位の動作量を測定するモーションキャプチャ３０と、動作量を入力して多関節ロボット６０に移動信号を送信する制御装置４０と、から構成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

多関節ロボットと、
使用者の部位の動作量を測定するモーションキャプチャと、
前記動作量を入力して、前記多関節ロボットに移動信号を送信する制御装置とを備え、
前記制御装置は、測定された前記動作量に対応する前記多関節ロボットの移動量を前記使用者に応じて算出し前記移動信号として送信できることを特徴とするリハビリテーションシステム。

【請求項2】

前記制御装置は、動作量を、健常者と同等の関節可動域に増幅により変更した前記移動量を前記移動信号とすることを特徴とする請求項１に記載のリハビリテーションシステム。

【請求項3】

前記制御装置は、算出された前記多関節ロボットの前記移動量を、前記使用者の関節可動域に応じて複数段階に変更した内の１つを前記移動信号とすることを特徴とする請求項１に記載のリハビリテーションシステム。

【請求項4】

前記制御装置は、使用者ごとの部位の関節可動域に応じて前記多関節ロボットの移動量を算出し、この移動量を記憶することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のリハビリテーションシステム。

【請求項5】

前記制御装置は、使用者の一の部位の動作量から該使用者の他の動作量を予測し、前記一の部位の動作量に対応する前記多関節ロボットの複数の部位の移動量を算出し、前記移動信号として送信できることを特徴とする請求項４に記載のリハビリテーションシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、肢体不自由者のリハビリテーションに用いられる、ロボットを利用したリハビリテーション支援システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、病院や老人福祉施設等では、患者や高齢者のリハビリテーションを支援するため、人型ロボットの導入が行われている。

【0003】

このような技術として、例えば、特許文献１に示されるような人型ロボットが開発されている。特許文献１に示される人型ロボットは、鉛直方向に対し胴体の左右方向の軸の周りに所定の鋭角だけ傾いている肩ヨー軸を有することにより、ロボットの正面から見たユーザに対し、肩ヨー軸の回転で肩の上下運動を表現することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－５２７１０号公報（第５頁～第９頁、図１）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に示される人型ロボットは、人間の動きに近い動作を表現できるため、人型ロボットが体操を実演し患者や高齢者がその体操を真似ることによるリハビリテーションにおいて、インストラクターとしての活用ができる点で有効である。しかしながら、関節可動域が制限されている肢体不自由者は、人型ロボットの動作に合わせて身体を動かすことが難しいことから、人型ロボットをインストラクターとしたリハビリテーションを行う意欲を持てない場合が多いという問題があった。

【0006】

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、身体を動かしてロボットを制御することにより、楽しく意欲的にリハビリテーションを行うことができるリハビリテーションシステムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題を解決するために、本発明のリハビリテーションシステムは、
多関節ロボットと、
使用者の部位の動作量を測定するモーションキャプチャと、
前記動作量を入力して、前記多関節ロボットに移動信号を送信する制御装置とを備え、
前記制御装置は、測定された前記動作量に対応する前記多関節ロボットの移動量を前記使用者に応じて算出し前記移動信号として送信できることを
特徴としている。
この特徴によれば、多関節ロボットの移動量を肢体不自由者の関節可動域以上の移動量に変更することにより、肢体不自由者が自分ではできない身体の動作を多関節ロボットに実演させることができるため、肢体不自由者が楽しく意欲的にリハビリテーションに取り組むことができる。

【0008】

前記制御装置は、動作量を、健常者と同等の関節可動域に増幅により変更した前記移動量を前記移動信号とすることを特徴としている。
この特徴によれば、多関節ロボットの移動量を健常者と同等の移動量に変更することにより、肢体不自由者が健常者と同じ動作を多関節ロボットに実演させることができる。例えば、肢体不自由者と健常者とがそれぞれの多関節ロボットを対戦させることによるリハビリテーションを行うことができる。

【0009】

前記制御装置は、算出された前記多関節ロボットの前記移動量を、前記使用者の関節可動域に応じて複数段階に変更した内の１つを前記移動信号とすることを特徴としている。
この特徴によれば、多関節ロボットの移動量を段階的に設定できるため、肢体不自由者の関節可動域のステップアップを目的としたリハビリテーションを行うことができる。

【0010】

前記制御装置は、使用者ごとの部位の関節可動域に応じて前記多関節ロボットの移動量を算出し、この移動量を記憶することを特徴としている。
この特徴によれば、複数の使用者それぞれに対応した多関節ロボットの移動量を設定できるため、複数の使用者間で一の多関節ロボットを共用することができる。また、同じ使用者が都度初期設定を行う必要がなくなる。

【0011】

前記制御装置は、使用者の一の部位の動作量から該使用者の他の動作量を予測し、前記一の部位の動作量に対応する前記多関節ロボットの複数の部位の移動量を算出し、前記移動信号として送信できることを特徴としている。
この特徴によれば、使用者の特定の部位の関節を動かせないことにより特定の部位の動作量から移動量を算出できなくても、別の部位の関節の動作量から特定の部位の関節の移動量を算出することができるため、多関節ロボットの複数の関節を動かし健常者に近い動作を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施例１における身体を動かしてロボットを制御するリハビリテーションシステムを示す模式図である。

【図2】実施例１における身体を動かしてロボットを制御するリハビリテーションシステムを示すブロック図である。

【図3】実施例１における初期設定（使用者の修正係数算出）のフローチャートを示す図である。

【図4】実施例１におけるリハビリテーション実施のフローチャートを示す図である。

【図5】実施例１における表示装置に表示されるモード選択画面を示す図である。

【図6】実施例１における表示装置に表示される初期設定（修正係数算出）モード画面を示す図である。

【図7】実施例１における表示装置に表示されるリハビリテーションモード画面を示す図である。

【図8】本発明の実施例２における表示装置に表示されるモード選択画面を示す図である。

【図9】実施例２における表示装置に表示される初期設定（修正係数選択モード）画面を示す図である。

【図10】本発明の実施例３における表示装置に表示される使用者ＩＤ・パスワード入力画面を示す図である。

【図11】実施例３における表示装置に表示される使用者専用画面を示す図である。

【図12】本発明の実施例４における表示装置に表示される初期設定（修正係数算出）モード画面を示す図である。

【図13】実施例４における健常者モデルの関節の動作パターンを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明に係る身体を動かしてロボットを制御するリハビリテーションシステム（以下、リハビリテーションシステムと表記する。）を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

【実施例0014】

実施例１に係るリハビリテーションシステムにつき、図１から図７を参照して説明する。以下、図１の正面から見て左側を使用者および多関節ロボットの右側として説明する。

【0015】

本発明のリハビリテーションシステムは、肢体不自由者のリハビリテーションに適用され、モーションキャプチャで測定した肢体不自由者の動作量から多関節ロボットの移動量を算出し、移動量を移動信号として多関節ロボットに送信することで、肢体不自由者ができない身体の動作を多関節ロボットに実演させるものである。

【0016】

図１に示されるように、リハビリテーションシステム１は、使用者２０の動きを測定するモーションキャプチャ３０と、使用者２０の動きに応じて多関節ロボット６０を制御する制御装置４０と、表示装置５０と、多関節ロボット６０と、から主に構成されている。モーションキャプチャ３０、表示装置５０、多関節ロボット６０は、有線または無線の回線を介して制御装置４０に接続されている。

【0017】

図１に示されるように、モーションキャプチャ３０はマーカレス式のものであり、使用者２０の動作を検出するカメラ３１と、カメラ３１からの出力信号に基づいて使用者２０の動作量を算出する処理装置３２とから構成される。ここで、動作量とは、使用者２０の各部位の三次元座標、回転位相から算出した各関節の屈曲角度、捩じり角度、三次元位置である。

【0018】

図１に示されるように、制御装置４０は汎用のパーソナルコンピュータである。図２に示されるように、制御装置４０は、動作量記憶部４０１と、関節データ記憶部４０２と、修正係数演算部４０３と、修正係数記憶部４０４と、移動量演算部４０５と、移動量記憶部４０６と、通信部４０７と、から構成されている。これらの各構成部は、制御装置４０が備えるハードウェアやソフトウェア等によって構成されている。

【0019】

動作量記憶部４０１は、モーションキャプチャ３０を構成する処理装置３２から入力された使用者２０の各関節の動作量を記憶する。

【0020】

関節データ記憶部４０２は、健常者の各関節の関節可動域や、多関節ロボット６０の各関節の関節可動域やリンク長等を記憶する。関節可動域とは、ある関節において動かすことのできる角度範囲をいい、（最大関節角度－最小関節角度）により算出される。例えば、肘関節を屈曲する場合、掌を上に向けて前腕・上腕を水平に伸ばした状態の水平軸と前腕との間の角度が最小関節角度であり、前腕を最大限屈曲させた状態の水平軸と前腕との間の角度が最大関節角度となる。以下、肘関節を屈曲したときの関節可動域を、肘関節の屈曲角度の関節可動域という。一般的に肘関節の屈曲角度の関節可動域は、健常者で１４５°である。

【0021】

修正係数演算部４０３は、使用者２０の動作量から多関節ロボット６０の移動量を算出するための修正係数を算出する。ここで、移動量とは、多関節ロボット６０に動作させたい各関節の関節角度であり、以下、多関節ロボット６０が肘関節を伸長状態から屈曲したときの移動量を、肘関節の屈曲角度の移動量という。また、修正係数とは、健常者の一の関節の関節可動域を、対応する使用者２０の一の関節の関節可動域で除した値であり、以下、肘関節を屈曲したときの修正係数を、肘関節の屈曲角度の修正係数という。具体的には、健常者の肘関節の屈曲角度の関節可動域が１４５°であり、使用者２０の肘関節の屈曲角度の関節可動域が４０°である場合、使用者２０の肘関節の屈曲角度の修正係数は１４５°／４０°により３．６となる。

【0022】

修正係数記憶部４０４は、算出された各関節の修正係数を記憶する。

【0023】

移動量演算部４０５は、動作量記憶部４０１に記憶された動作量と修正係数記憶部４０４に記憶された修正係数とから、移動量を算出する。移動量は、使用者２０の一の関節の動作量に、対応する使用者２０の一の関節の修正係数を乗ずることにより算出される。具体的には、使用者２０の肘関節の屈曲角度の動作量が３０°，使用者２０の肘関節の屈曲角度の修正係数が２．５である場合、使用者２０の肘関節の屈曲角度の移動量は３０°×２．５により７５°となる。

【0024】

移動量記憶部４０６は、算出された各関節の移動量を記憶する。

【0025】

通信部４０７は、移動量記憶部４０６に記憶された各関節の移動量を移動信号に変換し多関節ロボット６０に送信する。

【0026】

図１に示されるように、表示装置５０は汎用パーソナルコンピュータのディスプレイである。表示装置５０には初期設定画面やリハビリテーション時の動作量、移動量等が表示される。本実施例１では、表示装置５０として汎用コンピュータのディスプレイを用いているが、これに限らず、例えばタブレット、スマートフォン等のモバイル機器を用いてもよい。

【0027】

図１に示されるように、多関節ロボット６０は複数の関節を有する人型のロボット（ヒューマノイドロボット）である。多関節ロボット６０の内部には駆動装置が組み込まれており、制御装置４０からの指示によって様々な動作を行う。多関節ロボット６０に実演させる動作としては、例えば、上肢の各関節の屈曲・伸展、下肢の各関節の屈曲・伸展、歩行等、主に肢体不自由者のリハビリテーションにおいて行われる動作が想定されるが、これらの動作に限られない。

【0028】

次に、実施例１に係るリハビリテーションシステム１の使用方法について説明する。なお、実施例１では、説明を単純化するため、複数の動作量の内、伸長状態から屈曲させた肘関節の屈曲角度を例に説明する。使用者２０は、まず、初期設定を行った後、リハビリテーションを行う。

【0029】

図３は、使用者２０の修正係数算出の一連の処理を示すフローチャートである。図３のフローチャートに沿って修正係数の算出方法を説明する。まず使用者２０は、表示装置５０に表示されたモード選択画面５００（図５参照）から、初期設定（修正係数算出）モードボタンＰ１を選択し操作する（Ｓ１）。これにより、表示装置５０には初期設定（修正係数算出）モード画面５１０（図６参照）が表示される。

【0030】

次に、使用者２０は、初期設定（修正係数算出）モード画面５１０に表示されている開始ボタンＰ３を操作する（Ｓ２）。これにより、使用者２０の各関節の修正係数の算出が可能になる。

【0031】

次に、使用者２０は、モーションキャプチャ３０を構成するカメラ３１の前で所定の動作を行い、各関節の動作量を測定する（Ｓ３）。所定の動作とは、使用者２０の各関節の関節可動域が測定できる動作をいう。例えば、掌を上に向けて上肢を前方に伸ばし、肘関節を最小関節角度から最大関節角度まで屈曲させる動作が挙げられるが、関節可動域が測定できればその内容は特に限られない。カメラ３１は、使用者２０の動作を検出し処理装置３２に信号を出力する。処理装置３２は入力された信号から、使用者２０の各関節の動作量を算出する。

【0032】

次に、モーションキャプチャ３０を構成する処理装置３２は、算出した使用者２０の各関節の動作量を制御装置４０に出力し、動作量記憶部４０１に記憶する（Ｓ４）。

【0033】

次に、修正係数演算部４０３は、動作量記憶部４０１に記憶された各関節の動作量から対応する各関節の関節可動域を算出する（Ｓ５）。なお、本実施例では説明の単純化のため、最小関節角度は０°である場合を例に説明する。また、使用者によっては、最小関節角度が０°よりも大きな角度である場合もあるが、その場合、最小関節角度を０°に修正した上で関節可動域を算出するものとする。具体的には、肘関節の屈曲角度の最小関節角度が０°，最大関節角度が４０°である場合、使用者２０の肘関節の屈曲角度の関節可動域は４０°となる。

【0034】

次に、修正係数演算部４０３は、算出した各関節の関節可動域と、関節データ記憶部４０２に記憶されている健常者の各関節の関節可動域とから、各関節の修正係数を算出する（Ｓ６）。関節の修正係数は、健常者の関節の関節可動域を、対応する使用者２０の関節の関節可動域で除することにより算出される。具体的には、健常者の肘関節の屈曲角度の関節可動域が１４５°，使用者２０の肘関節の屈曲角度の関節可動域が４０°である場合、使用者２０の肘関節の屈曲角度の修正係数は３．６となる。

【0035】

次に、各関節の最小関節角度、最大関節角度、関節可動域、修正係数のそれぞれの値が修正係数記憶部４０４に記憶される（Ｓ７）。

【0036】

次に、修正係数記憶部４０４に記憶された各関節の最小関節角度、最大関節角度、関節可動域、修正係数の値が、初期設定（修正係数算出）モード画面５１０にそれぞれ表示される（Ｓ８）。図６に示されるように、初期設定（修正係数算出）モード画面５１０には、肘関節（屈曲）について、最小関節角度０°，最大関節角度４０°，関節可動域４０°，修正係数３．６がそれぞれ表示されている。ここで、肘関節（屈曲）とは、肘関節の屈曲角度を意味する。

【0037】

次に、初期設定（修正係数算出）モード画面５１０の決定ボタンＰ４を操作することにより（Ｓ９）、再びモード選択画面５００が表示される（Ｓ１０）。これにより、各関節の修正係数算出の一連の処理が終了する。

【0038】

次いで、リハビリテーションについて説明する。図４は、リハビリテーションの一連の処理を示すフローチャートである。図４のフローチャートに沿ってリハビリテーションの流れを説明する。まず、使用者２０は、表示装置５０に表示されたモード選択画面５００から、リハビリテーションモードボタンＰ２を選択し操作する（Ｓ１１）。これにより、表示装置５０にはリハビリテーションモード画面５２０（図７参照）が表示される。

【0039】

次に、リハビリテーションモード画面５２０に表示されている開始ボタンＰ５を操作する（Ｓ１２）。これにより、使用者２０の各関節の動作量の測定が可能になる。

【0040】

次に、使用者２０は、モーションキャプチャ３０を構成するカメラ３１の前で例えば図示しないタブレット端末等の動画中のインストラクターによる動作を模して様々な動作を行う、これにより各関節の動作量が測定される（Ｓ１３）。カメラ３１は、使用者２０の動作を検出し処理装置３２に信号を出力する。処理装置３２は入力された信号から、使用者２０の各関節の動作量を算出する。

【0041】

次に、モーションキャプチャ３０を構成する処理装置３２は、算出した使用者２０の各関節の動作量を制御装置４０に出力し、動作量記憶部４０１に記憶する（Ｓ１４）。

【0042】

次に、制御装置４０に記憶された各関節の動作量は、リハビリテーションモード画面５２０に経時的に表示される（Ｓ１５）。図７に示されるように、リハビリテーションモード画面５２０には、時刻１５．２１．１２から１秒間隔ごとに、肘関節の屈曲角度の動作量（実測値）２０．０°，２２．３°，２４．５°が表示されている。

【0043】

次に、移動量演算部４０５は、動作量記憶部４０１に記憶された各関節の動作量から対応する各関節の移動量を算出する（Ｓ１６）。各関節の移動量は、使用者２０の各関節の動作量に、対応する使用者２０の各関節の修正係数を乗じることにより算出される。なお、本実施例では説明の単純化のため、算出される移動量については複数の動作量の内、肘関節を例に説明し、また複数の動作量の内、伸長状態から屈曲させた屈曲角度を例に説明する。

【0044】

次に、算出された各関節の移動量は、移動量記憶部４０６に記憶される（Ｓ１７）。

【0045】

次に、各関節の移動量は、リハビリテーションモード画面５２０に経時的に表示される（Ｓ１８）。図７に示されるように、リハビリテーションモード画面５２０には、時刻１５．２１．１２から１秒間隔ごとに、肘関節の屈曲角度の移動量（指令値）７２．０°，８０．３°，８８．２°が表示されている。

【0046】

次に、通信部４０７は、各関節の移動量を移動信号に変換して多関節ロボット６０に送信する（Ｓ１９）。多関節ロボット６０は、移動信号を受信し、各関節の移動量が反映された動作を実演する（Ｓ２０）。すなわち、多関節ロボット６０は、使用者２０である肢体不自由者の各関節の関節可動域以上の関節の動作を実演することができる。

【0047】

次に、リハビリテーションモード画面５２０の終了ボタンＰ６を操作することにより（Ｓ２１）、再びモード選択画面５００が表示される（Ｓ２２）。これにより、リハビリテーションの一連の処理が終了する。

【0048】

なお、リハビリテーションの一連の処理において、カメラ３１による使用者２０の動作量の検出から多関節ロボット６０の実演までの処理は、リアルタイムに行われる。

【実施例0049】

次に、実施例２に係るリハビリテーションシステムにつき、図８，図９を参照して説明する。尚、前記実施例１と同一構成で重複する構成を省略する。

【0050】

図８に示されるように、表示装置５０に表示されるモード選択画面６００には、初期設定（修正係数算出）モードボタンＰ１１、修正係数選択モードボタンＰ１２、リハビリテーションモードボタンＰ１３が表示されている。モード選択画面６００から修正係数選択モードボタンＰ１２を選択し操作することにより、表示装置５０には修正係数選択モード画面６１０（図９参照）が表示される。

【0051】

図９に示されるように、修正係数選択モード画面６１０には、修正係数を選択できる部位として、肘関節（屈曲）、肘関節（捩れ）、手首関節（掌屈）、肩関節（屈曲）、肩関節（伸展）の各関節が表示されている。ここで、肘関節（捩れ）は肘関節の捩れ角度、手首関節（掌屈）は手首関節の掌屈角度、肩関節（屈曲）は肩関節の屈曲角度、肩関節（伸展）は肩関節の伸展角度、をそれぞれ意味する。また、各関節ごとに、１．０，２．０，３．０，４．０の修正係数ボタンＰ１４が表示されている。使用者２０は、各関節について修正係数ボタンＰ１４を操作することにより、修正係数を選択することができる。図９に示されるように、肘関節（屈曲）には３．０が、肘関節（捩れ）には３．０が、手首関節（掌屈）には２．０が、肩関節（屈曲）には１．０が、肩関節（伸展）には１．０が、それぞれ選択されている。例えば、使用者が肘関節（捩れ）のリハビリが順調にすすんでいると感じており、負荷をあげたいという場合には、肘関節（捩れ）の修正係数ボタン１４を押し「３．０」から「２．０」に修正することができる。

【0052】

修正係数の選択が終了した場合は、修正係数選択モード画面６１０に表示されている決定ボタンＰ１５を操作する。これにより、選択された各関節の修正係数が制御装置４０の修正係数記憶部４０４に記憶されると共に、表示装置５０に再びモード選択画面６００が表示される。

【0053】

モード選択画面６００に表示されているリハビリテーションモードボタンＰ１３を選択することにより、修正係数選択モード画面６１０で選択された各関節の修正係数を用いたリハビリテーションシステム１を使用することができる。