(57)【要約】【課題】取り付けが容易な歩行状態判定装置を提供すること。【解決手段】本実施の形態にかかる歩行状態判定装置は、人の歩行状態を判定する歩行状態判定装置４であって、人の下肢の所定の部位に取り付けられた振り子４ａと、振り子４ａの動作を検出するセンサ４ｃと、センサ４ｃによる検出結果に基づいて人の歩行状態を判定する演算部４ｄと、を備える。【選択図】図７
2020137606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の歩行状態を判定する歩行状態判定装置であって、
前記人の下肢の所定の部位に取り付けられた振り子と、
前記振り子の動作を検出するセンサと、
前記センサによる検出結果に基づいて前記人の歩行状態を判定する演算部と、
を備えた、歩行状態判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行状態判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
訓練者が歩行訓練を行うのに用いられる歩行訓練システムでは、訓練者の歩行状態に合わせて適切な補助を行う必要があるため、訓練中における訓練者の歩行状態（例えば、歩行訓練をしている脚の状態が遊脚か立脚か）を正確に判定する必要がある。例えば、特許文献１には、足裏に取り付けられた荷重センサを用いて訓練者の歩行状態を判定する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１４８４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の構成では、特に靴を履いている場合などにおいて足裏への荷重センサの取り付けが困難な場合がある。また、装置の重量や配線が混雑する等の理由で足裏への荷重センサの取り付けが困難な場合もある。
【０００５】
本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、取り付けが容易な歩行状態判定装置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】
【０００６】
本発明の一実施態様に係る歩行状態判定装置は、人の歩行状態を判定する歩行状態判定装置であって、前記人の下肢の所定の部位に取り付けられた振り子と、前記振り子の動作を検出するセンサと、前記センサによる検出結果に基づいて前記人の歩行状態を判定する演算部と、を備えるものである。この歩行状態判定装置は、足裏に取り付けられる必要はなく、下肢の任意の部位に容易に取り付け可能である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、取り付けが容易な歩行状態判定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施の形態に係る歩行状態判定装置を適用する歩行訓練システムの概略構成を示す斜視図である。
【図２】歩行補助装置の概略構成を示す正面図である。
【図３】脚部に装着された歩行補助装置の概略構成を示す斜視図である。
【図４】歩行訓練システムのブロック図である。
【図５】本実施の形態に係る歩行状態判定装置の構成を示す模式図である。
【図６】脚部に装着された歩行状態判定装置の構成を示す模式図である。
【図７】訓練者の歩行状態、及び、歩行状態判定装置による訓練者の歩行状態の判定方法を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
【００１０】
本実施の形態に係るに係る歩行状態判定装置は、歩行訓練システムに適用されるもので、人（訓練者）の歩行状態を判定する。まず、本実施の形態に係る歩行状態判定装置を適用する歩行訓練システムの構成について説明する。
【００１１】
図１は、実施の形態１に係る歩行状態判定装置を適用する歩行訓練システムの構成について説明する模式図である。図１に示すように、歩行訓練システム１は、訓練者Ｕの脚部に装着された歩行補助装置２と、訓練者Ｕの歩行訓練を行う訓練装置３と、歩行状態判定装置４と、を備えている。
【００１２】
歩行補助装置２は、例えば、歩行訓練を行う訓練者Ｕの患脚に装着され、訓練者Ｕの歩行を補助する。訓練者Ｕは、膝関節に歩行補助装置２を装着した状態で歩行訓練を行う。歩行補助装置２は、膝関節の屈曲方向に抵抗力を与える。
【００１３】
図２及び図３を用いて、歩行補助装置２についてさらに詳細に説明する。図２は、歩行補助装置２の正面図である。図３は、訓練者Ｕが歩行補助装置２を装着した状態を示す斜視図である。図３では、訓練者Ｕが左脚に歩行補助装置２を装着した例を示している。
【００１４】
歩行補助装置２は、サポータ２１と、ダンパ２２と、上腿フレーム２３と、下腿フレーム２４、を備えている。歩行補助装置２の下側には短下肢装具２５（図２では一部省略）が取り付けられていてもよい。サポータ２１は、樹脂材料や繊維材料などの伸縮可能な材料により形成されている。サポータ２１は、膝関節及びその周辺、具体的には、上腿ＵＬから下腿ＬＬに渡って配置される。なお、上腿ＵＬは、股関節から膝関節までの部分を示し、下腿ＬＬは、膝関節から足首関節までの部分を示す。上腿ＵＬ、下腿ＬＬ、及び足底ＦＴをまとめて下肢とする。
【００１５】
サポータ２１は、歩行補助装置２を膝関節に装着するための面ファスナ２１ａを有している。訓練者Ｕは、サポータ２１を脚部の周りに巻き回して、面ファスナ２１ａで固定する。面ファスナ２１ａは、膝関節の上下、具体的には、上腿ＵＬの前側、及び下腿ＬＬの前側にそれぞれ設けられている。面ファスナ２１ａを用いることにより、歩行補助装置２の着脱が容易になる。また、面ファスナ２１ａを用いることにより、歩行補助装置２が訓練者Ｕの膝関節からずれるのを防ぐことができる。さらに、面ファスナ２１ａを用いることにより、訓練者Ｕに膝関節にかかる圧迫度合いの調節が可能になる。なお、面ファスナ２１ａが外れたり、サポータ２１がずれたりするのを防止するために、固定バンド２１ｂがさらに設けられても良い。
【００１６】
サポータ２１の側部には、上腿フレーム２３及び下腿フレーム２４が取り付けられている。上腿フレーム２３は、上腿ＵＬに沿って配置されている。下腿フレーム２４は、下腿ＬＬに沿って配置されている。上腿フレーム２３と下腿フレーム２４とが、ダンパ２２を介して連結されている。ダンパ２２は、例えば、ロータリーダンパであり、膝関節の側部に位置する。具体的には、ダンパ２２の回転軸Ａｘが膝関節の軸とほぼ一致するように膝関節の高さにダンパ２２が配置される。上腿フレーム２３と下腿フレーム２４は、ダンパ２２の回転軸Ａｘ周りに回転可能なリンク機構を構成している。
【００１７】
ダンパ２２は、膝関節の屈曲方向に抵抗力を与える。例えば、ダンパ２２は、オイル等の流体の粘性抵抗を利用して、膝関節の屈曲方向の回転を減速させる。ダンパ２２は、一方向にのみ抵抗力を与える一方向ダンパとすることが好ましい。ダンパ２２は、膝関節の伸展方向の抵抗力を与えないようにフリーとなっている。ダンパ２２は、後述する制御部２８により抵抗力を調整する。
【００１８】
サポータ２１の下側には、短下肢装具２５が設けられている。図３に示すように、短下肢装具２５は、訓練者Ｕの下腿ＬＬに沿って配置されている。短下肢装具２５の下端には、足底フレーム２５ａが設けられている。足底フレーム２５ａは、面ファスナや固定バンドなどで訓練者Ｕの足底ＦＴに固定される。
【００１９】
なお、上述した歩行補助装置２の構成は一例であり、これに限られない。歩行補助装置２は、訓練者Ｕの脚部に装着され、その歩行を補助できるものであれば良い。
【００２０】
図１の説明に戻る。訓練装置３は、トレッドミル３１と、フレーム本体３２と、制御装置３５と、表示部３６と、を有している。トレッドミル３１、制御装置３５、及び表示部３６は、フレーム本体３２に固定されている。表示部３６は、訓練者Ｕの前方に配置されている。
【００２１】
トレッドミル３１は、訓練者Ｕが歩行するための回転可能なリング状のベルトコンベア３１１を有し、設定速度Ｖｓでベルトコンベア３１１を回転させる。訓練者Ｕは、ベルトコンベア３１１上に乗り、ベルトコンベア３１１の移動に応じて歩行を行う。表示部３６は、訓練者Ｕに対する訓練指示、訓練メニュー、訓練情報（設定速度、生体情報等）などの情報を表示する。例えば、表示部３６はタッチパネルを備えていてもよく、この場合、訓練者Ｕは表示部３６を介して各種の情報を入力できる。また、訓練装置３は訓練者Ｕを撮像するカメラなどを有していてもよい。これにより、表示部３６は、訓練中の訓練者Ｕの歩行動作の映像を表示することができる。
【００２２】
制御装置３５は、例えば、演算処理、制御処理等と行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＣＰＵによって実行される演算プログラム、制御プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、各種のデータなどを記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びインターフェイス部は、データバスなどを介して相互に接続されている。
【００２３】
図４は、歩行訓練システム１のブロック図である。図４に示すように、制御装置３５は、配線などを介して、歩行補助装置２及びトレッドミル３１と接続されている。制御装置３５は、歩行補助装置２の制御部２８から送信されてくる訓練者Ｕの歩行状態に関する情報に基づいて、トレッドミル３１の駆動を制御する。また、制御装置３５は、歩行補助装置２の制御部２８から送信されてくる訓練者Ｕの歩行状態に関する情報に基づいて、表示部３６に訓練者Ｕに対する訓練指示、訓練メニュー、訓練情報などの情報を表示させる。歩行補助装置２と歩行状態判定装置４とは、配線などを介して接続されている。歩行補助装置２の制御部２８には、歩行状態判定装置４から訓練者の歩行状態が送信されてくる。歩行補助装置２の制御部２８は、歩行状態判定装置４から送信されてきた訓練者Ｕの歩行状態に応じてダンパの抵抗力を調節する。
【００２４】
図５及び図６は、何れも、本実施の形態に係る歩行状態判定装置４の構成を示す模式図である。図５では、歩行状態判定装置４が単体で示されており、図６では、訓練者Ｕの脚部に装着された歩行状態判定装置４が示されている。なお、本実施の形態では、歩行状態判定装置４が、歩行訓練システム１に組み込まれた場合について説明しているが、図５及び図６では、説明の便宜上、歩行状態判定装置４のみが示されており、歩行訓練システム１のその他の構成要素は省略されている。
【００２５】
歩行状態判定装置４は、訓練者Ｕの下肢の所定の部位に取り付けられる。図６の例では、歩行状態判定装置４は、訓練者Ｕの患脚である右脚の下腿部に取り付けられている。
【００２６】
具体的には、歩行状態判定装置４は、筐体４ｂと、振り子４ａと、センサ４ｃと、演算部４ｄと、固定部４ｅと、を備える。
【００２７】
振り子４ａは、筐体４ｂ内の天井部分からつり下げられており、訓練者Ｕの進行方向に沿って前後に揺れることが可能な状態となっている。センサ４ｃは、筐体４ｂ内の側面のうち、訓練者Ｕの進行方向に垂直な２つの側面の何れかに取り付けられている。本例では、センサ４ｃは、訓練者Ｕの進行方向の前方に位置する側面に取り付けられている。センサ４ｃは、例えば非接触スイッチであって、揺れた振り子４ａの先端がセンサ４ｃに接触しているか否かを検出する。なお、筐体４ｂ内に振り子４ａ及びセンサ４ｃが取り付けられることにより、外乱を防ぐことができる。
【００２８】
固定部４ｅは、筐体４ｂを、訓練者Ｕの下肢の所定の部位に固定するためのものであり、例えば医療サポータなどのバンドである。なお、歩行状態判定装置４は、歩行補助装置２とは独立して下肢に装着されても良いが、歩行補助装置２と一体になって下肢に装着されても良い。その場合、固定部４ｅは、歩行状態判定装置４を歩行補助装置２に固定させるためのネジなどである。
【００２９】
演算部４ｄは、センサ４ｃによる検出結果に基づいて訓練者Ｕの歩行状態を判定する。詳細は後述するが、例えば、演算部４ｄは、センサ４ｃが振り子４ａの先端の接触を検出した場合、歩行状態判定装置４が装着された患脚（本例では右脚）が遊脚状態であると判定し、センサ４ｃが振り子４ａの先端の接触を検出しない場合、患脚が立脚状態であると判定する。
【００３０】
具体的には、演算部４ｄは、例えば、演算処理、制御処理等を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＣＰＵによって実行される演算プログラム、制御プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、各種のデータなどを記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びインターフェイス部は、データバスなどを介して相互に接続されている。
【００３１】
≪歩行状態の判定方法の説明≫
続いて、訓練者Ｕの歩行状態の判定方法について説明する。
歩行訓練システム１では、訓練者Ｕの歩行状態に合わせて適切な補助を行うために、訓練中の訓練者Ｕの歩行状態を判定する必要がある。ここで、歩行動作において、歩行補助装置２が装着された患脚が立脚状態である場合には、当該患脚にかかる負荷は相対的に大きくなり、患脚が遊脚状態である場合には、当該患脚にかかる負荷は相対的に小さくなる。そのため、歩行補助装置２は、少なくとも、歩行補助装置２が装着された患脚が立脚状態である期間中には、歩行補助装置２に設けられたダンパ２２の抵抗値を相対的に大きくすることによって、訓練者Ｕの歩行を補助する必要がある。
【００３２】
図７は、訓練者Ｕの歩行状態、及び、歩行状態判定装置４による訓練者Ｕの歩行状態の判定方法を説明するための模式図である。図７の例では、訓練者Ｕの健脚（ここでは左脚）がＵ１で示され、歩行補助装置２及び歩行状態判定装置４が装着された患脚（ここでは右脚）がＵ２で示されている。また、図７の例では、歩行状態判定装置４が、訓練者Ｕの患脚Ｕ２の下腿部に取り付けられている。なお、以下で説明する歩行状態は、特に断りが無い限り患脚Ｕ２の歩行状態を示している。
【００３３】
図７に示すように、訓練者Ｕの歩行動作は、１歩行周期当たり８つの歩行状態Ｔ１〜Ｔ８に区分される。歩行状態Ｔ１は、初期接地（Ｉｎｉｔｉａｌ  Ｃｏｎｔａｃｔ）の状態を表している。歩行状態Ｔ２は、荷重応答期（Ｌｏａｄｅｉｎｇ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）の状態を表している。歩行状態Ｔ３は、立脚中期（Ｍｉｄ  Ｓｔａｎｃｅ）の状態を表している。歩行状態Ｔ４は、立脚終期（Ｔｅｒｍｉｎａｌ  Ｓｔａｎｃｅ）の状態を表している。歩行状態Ｔ５は、前遊脚期（Ｐｒｅ−Ｓｗｉｎｇ）の状態を表している。歩行状態Ｔ６は、遊脚初期（Ｉｎｉｔｉａｌ  Ｓｗｉｎｇ）の状態を表している。歩行状態Ｔ７は、遊脚中期（Ｍｉｄ  Ｓｗｉｎｇ）の状態を表している。歩行状態Ｔ８は、遊脚終期（Ｔｅｒｍｉｎａｌ  Ｓｔａｎｃｅ）の状態を表している。なお、患脚Ｕ２の歩行状態Ｔ１〜Ｔ４を纏めて立脚状態と称し、患脚Ｕ２の歩行状態Ｔ５〜Ｔ８を纏めて遊脚状態と称す。
【００３４】
例えば、患脚Ｕ２が歩行状態Ｔ２を示す期間では、鉛直方向に対する患脚Ｕ２の下腿部の傾きが小さいため、歩行状態判定装置４の振り子４ａの先端がセンサ４ｃに接触していない。このとき、歩行状態判定装置４の演算部４ｄは、センサ４ｃが振り子４ａの先端の接触を検出していないため、患脚Ｕ２が立脚状態であると判定する。
【００３５】
また、例えば、患脚Ｕ２が歩行状態Ｔ６を示す期間では、鉛直方向に対する患脚Ｕ２の下腿部の傾きが大きいため、歩行状態判定装置４の振り子４ａの先端がセンサ４ｃに接触している。このとき、歩行状態判定装置４の演算部４ｄは、センサ４ｃが振り子４ａの先端の接触を検出しているため、患脚Ｕ２が遊脚状態であると判定する。
【００３６】
歩行状態判定装置４は、立脚状態である歩行状態Ｔ１〜Ｔ４の期間において、振り子４ａの先端がセンサ４ｃに接触しないように調整され、かつ、遊脚状態である歩行状態Ｔ５〜Ｔ８の期間において、振り子４ａの先端がセンサ４ｃに接触するように調整されることが好ましい。あるいは、歩行状態判定装置４は、センサ４ｃが振り子４ａの先端の接触を検出したタイミングを基準にして遊脚期間及び立脚期間を推定するように構成されてもよい。
【００３７】
なお、図７の例では、歩行状態判定装置４が訓練者Ｕの患脚Ｕ２の下腿部に取り付けられた場合を例に説明しているが、これに限られず、歩行状態判定装置４は患脚Ｕ２の下肢の任意の部位に取り付けられてよい。ただし、歩行状態判定装置４の装着位置によっては、振り子４ａの先端とセンサ４ｃとの接触タイミングが、歩行状態判定装置４が患脚Ｕ２の下腿部に取り付けられた場合と異なる可能性がある。そのため、演算部４ｄは、歩行状態判定装置４の装着位置に応じて、センサ４ｃによる検出結果の取り扱いを切り替える必要がある。
【００３８】
患脚Ｕ２に装着された歩行補助装置２において、制御部２８は、歩行状態判定装置４によって患脚Ｕ２が立脚状態であると判定された場合（より好ましくは、患脚Ｕ２が遊脚状態から立脚状態に切り替わったことが検出された場合）、歩行補助装置２のダンパ２２の抵抗値を相対的に大きくする。それにより、歩行補助装置２は、患脚Ｕ２に大きな負荷がかかる立脚期間において、訓練者Ｕの歩行を補助することができる。
【００３９】
他方、歩行補助装置２において、制御部２８は、歩行状態判定装置４によって患脚Ｕ２が遊脚状態であると判定された場合（より好ましくは、患脚Ｕ２が立脚状態から遊脚状態に切り替わったことが検出された場合）、歩行補助装置２のダンパ２２の抵抗値を相対的に小さくする。それにより、歩行補助装置２は、患脚Ｕ２にかかる負荷が小さくなる遊脚期間では、訓練者Ｕの歩行の補助を軽減させる。
【００４０】
このように、本実施の形態にかかる歩行状態判定装置４は、荷重センサの場合と異なり、下肢の任意の部位に容易に取り付け可能に構成されている。また、歩行状態判定装置４は、筐体４ｂ内に振り子４ａ及びセンサ４ｃを設置するだけの簡易かつコンパクトな構成で実現可能である。
【００４１】
なお、振り子４ａの長さ及びそれに対応するセンサ４ｃの取り付け位置、振り子４ａの揺れやすさ等は、訓練者Ｕに合わせて適宜変更可能である。また、振り子４ａの先端とセンサ４ｃとの接触の有無から訓練者Ｕの歩行状態を判定する際には、誤判定防止のため、接触の不感帯期間が設けられてもよい。即ち、振り子４ａの先端がセンサ４ｃに所定期間以上接触した場合にのみ、遊脚状態と判定されるようにしてもよい。
【００４２】
本実施の形態では、歩行状態判定装置４が、歩行訓練システム１に組み込まれた歩行補助装置２に適用された場合について説明したが、これに限られない。当然ながら、歩行状態判定装置４は、単体の歩行補助装置２に適用されても良い。
【００４３】
本実施の形態では、センサ４ｃが筐体４ｂの側面に取り付けられた場合を例に説明したがこれに限られない。例えば、センサ４ｃは、振り子４ａの先端に取り付けられていても良い。この場合、歩行状態判定装置４は、振り子４ａの先端が筐体４ｂの側面に接触したか否かに基づいて、訓練者Ｕの歩行状態を判定する。
【００４４】
また、本実施の形態では、センサ４ｃが接触スイッチである場合を例に説明したが、これに限られない。センサ４ｃは、非接触センサであってもよい。
【００４５】
例えば、センサ４ｃは、測距センサであってもよい。測距センサは、センサ４ｃと振り子４ａの先端との距離を測定する。歩行状態判定装置４は、測距センサによって検出された、振り子４ａの先端と、センサ４ｃと、の間の距離に基づいて、訓練者Ｕの歩行状態を判定する。そのため、歩行状態判定装置４は、より細かく訓練者Ｕの歩行状態を判定することができる。
【００４６】
なお、測距センサには、ＬＥＤやレーザダイオードなどの光源から対象物に光を照射し、受光素子により受光された当該対象物からの反射光について評価・演算を行って当該対象物までの距離を求める一般的な測距センサが用いられる。測距センサの測定方式としては、三角測距方式や位相差測距方式が一般的である。三角測距方式は、対象物に照射されたレーザーの反射光を、センサ内にある受光素子にて読み取り、三角測量の原理にて距離計測を行う方法である。位相差測距方式は、投影したレーザーとその反射光の「光の位相差」を検出し、距離測定を行う方法である。
【００４７】
また、センサ４ｃは、光センサであってもよい。この場合、センサ４ｃは、振り子４ａの先端が近づくにつれて弱くなり、遠ざかるにつれて強くなる光を検出する。また、センサ４ｃは、磁力センサであってもよい。この場合、センサ４ｃは、振り子４ａの先端が近づくにつれて強くなり、遠ざかるにつれて弱くなる磁力を検出する。そして、歩行状態判定装置４は、光センサ又は磁力センサによる検出結果に基づいて、訓練者Ｕの歩行状態を判定する。そのため、歩行状態判定装置４は、より細かく訓練者Ｕの歩行状態を判定することができる。
【００４８】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１  歩行訓練システム
２  歩行補助装置
３  訓練装置
４  歩行状態判定装置
４ａ  振り子
４ｂ  筐体
４ｃ  センサ
４ｄ  演算部
４ｅ  固定部
２１  サポータ
２１ａ  面ファスナ
２１ｂ  固定バンド
２２  ダンパ
２３  上腿フレーム
２４  下腿フレーム
２５  短下肢装具
２５ａ  足底フレーム
２８  制御部
３１  トレッドミル
３２  フレーム本体
３５  制御装置
３６  表示部
３１１  ベルトコンベア
ＦＴ  足底
ＬＬ  下腿
Ｕ  訓練者
Ｕ１  健脚
Ｕ２  遊脚
ＵＬ  上腿
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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