(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被訓練者の歩道をなす環状ベルトを有する歩行訓練装置に備えられた被訓練者介助用の介助アームを駆動する駆動手段を制御するアーム駆動制御装置において、前記アームの先端の位置を検出する検出手段と、前記介助アームの先端と前記介助アームを支持するアーム支持手段との距離が被訓練者の身体が占める空間の厚みより大きい値となる第１の所定値以上、前記介助アームの先端と前記環状ベルトとの距離が被訓練者の身体が占める空間の厚みより大きい値となる第２の所定値以上、前記介助アームの先端の前記環状ベルトからの高さが被訓練者の身長に応じて決定する値である第３の所定値以下となるように、前記アームが動き得る制限領域を設定する領域設定手段と、前記検出手段による検出結果と前記領域設定手段に設定した制限領域とを比較し、前記検出結果が前記制限領域を超えた場合に前記制限領域内で前記アームの動作を可能とする制限信号を前記駆動手段に出力する制限制御手段とを備えたことを特徴とするアーム駆動制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のアーム駆動制御装置において、前記制限制御手段は、前記アームが前記制限領域内にあるかどうかを判定する判定手段と、この判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、前記駆動手段の動作を停止する駆動停止手段とを備えたことを特徴とするアーム駆動制御装置。
【請求項３】
請求項１記載のアーム駆動制御装置において、前記制限制御手段は、前記アームが前記制限領域内にあるかどうかを判定する判定手段と、この判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、アームを制限領域内に戻す方向へ駆動するための復帰駆動信号を前記駆動手段に出力する復帰駆動手段とを備えたことを特徴とするアーム駆動制御装置。
【請求項４】
請求項１記載のアーム駆動制御装置において、前記制限制御手段は、前記アームが前記制限領域内にあるかどうかを判定する判定手段と、この判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、アームをその位置で停止させるための停止位置信号を前記駆動手段に出力する停止位置指令手段とを備えたことを特徴とするアーム駆動制御装置。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれかに記載のアーム駆動制御装置において、前記判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、前記使用者に警告を行う警告手段をさらに備えたことを特徴とするアーム駆動制御装置。
【請求項６】
被補助者の歩行を補助しつつ走行する歩行補助装置に備えられた被補助者保持用の保持アームを駆動する駆動手段を制御するアーム駆動制御装置において、  前記アームの先端の位置を検出する第１の検出手段と、前記歩行補助装置に設けられ、前記歩行補助装置が設置されている部屋の壁面との距離を検出する第２の検出手段と、前記保持アームの先端と前記歩行補助装置が設置されている部屋の壁面との距離が被補助者の身体が占める空間の厚みより大きい値となる第４の所定値以上、前記保持アームの先端と前記歩行補助装置が設置されている部屋の床面との距離が被補助者の身体が占める空間の厚みより大きい値となる第５の所定値以上、前記保持アームの先端の該歩行補助装置が設置されている部屋の床面からの高さが被補助者の身長に応じて決定する値である第６の所定値以下となるように制限領域を設定する領域設定手段と、前記第１及び第２の検出手段による検出結果と前記領域設定手段に設定した制限領域とを比較し、前記検出結果が前記制限領域を超えた場合に前記制限領域内で前記アームの動作を可能とする制限信号を前記駆動手段に出力する制限制御手段とを備えたことを特徴とするアーム駆動制御装置。
【請求項７】
請求項６記載のアーム駆動制御装置において、前記制限制御手段は、前記アームが前記制限領域内にあるかどうかを判定する判定手段と、この判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、前記駆動手段の動作を停止する駆動停止手段とを備えたことを特徴とするアーム駆動制御装置。
【請求項８】
請求項６記載のアーム駆動制御装置において、前記制限制御手段は、前記アームが前記制限領域内にあるかどうかを判定する判定手段と、この判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、アームを制限領域内に戻す方向へ駆動するための復帰駆動信号を前記駆動手段に出力する復帰駆動手段とを備えたことを特徴とするアーム駆動制御装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載のアーム駆動制御装置において、前記判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、前記使用者に警告を行う警告手段をさらに備えたことを特徴とするアーム駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、駆動力を有する介助アームによって使用者を保持する歩行訓練装置や歩行補助装置に係わり、特に、その介助アームの駆動を制御するアーム駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高齢者の増加や社会の変化によって脚力が著しく衰えた人が増えている。また、病気や事故によって歩行機能に障害を生じた人も増えている。このような人達に対するリハビリテーションの主要な方法として、歩行訓練がある。
従来、歩行訓練装置に関する公知技術としては、例えば以下のものがある。
▲１▼実開平２−４２６２５号公報
この公知技術は、所定の吊り上げ力で吊り上げられるリング状部材を使用者（この場合、被訓練者）の両側に配置し、このリング状部材に紐を介して連結された浮き輪状の空気袋により棒状部材の吊り上げ力を被訓練者に与えるものである。これにより、被訓練者の疲労を抑えつつ長時間の訓練を可能とする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公知技術においては、所定の長さの歩行路を確保する必要があることから設置容積が大型化するという問題があった。
上記問題を解決するため、本件出願人は、特願平５−２７７０３１号（出願日：平成５年１１月５日）において、被訓練者の歩道をなす環状ベルト、この環状ベルトの駆動手段及び速度検出手段、及びこの速度検出手段で検出されたベルト速度をもとに駆動手段を制御する速度制御手段を備えた歩行面装置と；環状ベルト上にある被訓練者の身体を支える介助アーム、この介助アームの姿勢を変化させる駆動手段、及び被訓練者が介助アームに印加している応力を測る応力測定手段を備えた介助装置と；歩行面装置及び介助装置の制御を行う統括制御装置とを有する歩行訓練装置を提案した。
しかし、上記した歩行訓練装置においては、駆動手段で介助アームの姿勢を変化させる際に、その駆動制御に関しなんら制限を設けておらず、介助者の誤操作や装置の故障による誤動作が発生した場合に対する配慮が十分でないという課題があった。
【０００４】
ここにおいて、上記歩行訓練装置と同様に、駆動されるアームを備えたものとして産業用ロボットがあり、これに関する公知技術として、例えば以下のものがある。
▲２▼特開平３−５５１９５号公報
この公知技術は、出力基準値生成回路が、アームを駆動するモータ駆動部の出力基準値を全自動モード時で運転する場合に比して低く設定し、異常検出回路がこの出力基準値とモータ駆動部から入力された駆動出力とを比較し、出力基準値以上の駆動力（又は速度）を検出した場合には制御回路若しくはモータ駆動部を停止するものである。これにより、使用者（この場合、作業者）がロボットの可動範囲内でロボットの手先を持って直接動かしながら教示を行うダイレクトティーチ時において、異常の発生を速やかに検出し作業者の安全を確保する。
【０００５】
▲３▼特開平４−３４４５０５号公報
この公知技術は、判定手段がアーム先端における外力（又は速度）の大きさを監視し、そのアーム先端の外力（又は速度）が予め設定した値以上になった場合には、制御装置が強制的にロボットの動きを抑制するものである。これにより、上記▲１▼同様、ダイレクトティーチ時において、異常の発生を速やかに検出し作業者の安全を確保する。
【０００６】
ここにおいて、歩行訓練装置における誤操作・誤動作時に配慮する観点から、上記産業ロボットに関する公知技術▲２▼及び▲３▼を歩行訓練装置における介助アームの駆動に適用することが考えられる。
しかしながら、このような適用を行った場合、以下の問題を生じる。すなわち、公知技術▲２▼ではアームの駆動力及び速度、公知技術▲３▼ではアーム先端の力及び速度によって異常を検知しており、アーム先端の位置そのものには特に配慮がなされていない。
【０００７】
したがって、公知技術▲２▼▲３▼を歩行訓練装置に適用した場合、介助者の誤操作時や装置故障により介助アームが誤動作した時に、被訓練者や介助者等が、介助アームと装置の介助アーム以外の部位の間、若しくは、介助アームと装置周辺物の間の狭い空間で無理な体勢や不自然な姿勢を強いられる場合がある。また、介助者の誤操作や装置の故障によって介助アームが上方へ誤動作し、介助アームに保持されている被訓練者の身体が浮き上がって不自然な体勢となる場合がある。
そして、それらの人がその体勢・姿勢でいるまま、介助アームの力・速度等の異常が検知されて介助アームの動作が停止すると、その体勢・姿勢が長時間続いて疲労し肉体的負担が大きくなる。特に、歩行訓練装置の被訓練者は、自らが介助アームに保持されていて容易に介助アームから離れることができないので、その負担は大きい。
【０００８】
また、比較的軽微な歩行障害を生じた者の自力歩行を補助するための歩行補助装置に備えられる介助アームに関しても、同様の問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、アームの位置に関して一定の可動範囲を設定しその範囲外へのアームの移動を制限することにより、使用者等の肉体的負担を軽減することができるアーム駆動制御装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の発明は、被訓練者の歩道をなす環状ベルトを有する歩行訓練装置に備えられた被訓練者介助用の介助アームを駆動する駆動手段を制御するアーム駆動制御装置において、前記アームの先端の位置を検出する検出手段と、前記介助アームの先端と前記介助アームを支持するアーム支持手段との距離が被訓練者の身体が占める空間の厚みより大きい値となる第１の所定値以上、前記介助アームの先端と前記環状ベルトとの距離が被訓練者の身体が占める空間の厚みより大きい値となる第２の所定値以上、前記介助アームの先端の前記環状ベルトからの高さが被訓練者の身長に応じて決定する値である第３の所定値以下となるように、前記アームが動き得る制限領域を設定する領域設定手段と、前記検出手段による検出結果と前記領域設定手段に設定した制限領域とを比較し、前記検出結果が前記制限領域を超えた場合に前記制限領域内で前記アームの動作を可能とする制限信号を前記駆動手段に出力する制限制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、第２の発明は、第１の発明のアーム駆動制御装置において、前記制限制御手段は、前記アームが前記制限領域内にあるかどうかを判定する判定手段と、この判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、前記駆動手段の動作を停止する駆動停止手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
更に、第３の発明は、第１の発明のアーム駆動制御装置において、前記制限制御手段は、前記アームが前記制限領域内にあるかどうかを判定する判定手段と、この判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、アームを制限領域内に戻す方向へ駆動するための復帰駆動信号を前記駆動手段に出力する復帰駆動手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、第４の発明は、第１の発明のアーム駆動制御装置において、前記制限制御手段は、前記アームが前記制限領域内にあるかどうかを判定する判定手段と、この判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、アームをその位置で停止させるための停止位置信号を前記駆動手段に出力する停止位置指令手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
更に、第５の発明は、第２乃至第４の発明のいずれかのアーム駆動制御装置において、前記判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、前記使用者に警告を行う警告手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、第６の発明は、被補助者の歩行を補助しつつ走行する歩行補助装置に備えられた被補助者保持用の保持アームを駆動する駆動手段を制御するアーム駆動制御装置において、前記アームの先端の位置を検出する第１の検出手段と、前記歩行補助装置に設けられ、前記歩行補助装置が設置されている部屋の壁面との距離を検出する第２の検出手段と、前記保持アームの先端と前記歩行補助装置が設置されている部屋の壁面との距離が被補助者の身体が占める空間の厚みより大きい値となる第４の所定値以上、前記保持アームの先端と前記歩行補助装置が設置されている部屋の床面との距離が被補助者の身体が占める空間の厚みより大きい値となる第５の所定値以上、前記保持アームの先端の該歩行補助装置が設置されている部屋の床面からの高さが被補助者の身長に応じて決定する値である第６の所定値以下となるように制限領域を設定する領域設定手段と、前記第１及び第２の検出手段による検出結果と前記領域設定手段に設定した制限領域とを比較し、前記検出結果が前記制限領域を超えた場合に前記制限領域内で前記アームの動作を可能とする制限信号を前記駆動手段に出力する制限制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
更に、第７の発明は、第６の発明のアーム駆動制御装置において、前記制限制御手段は、前記アームが前記制限領域内にあるかどうかを判定する判定手段と、この判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、前記駆動手段の動作を停止する駆動停止手段とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、第８の発明は、第６の発明のアーム駆動制御装置において、前記制限制御手段は、前記アームが前記制限領域内にあるかどうかを判定する判定手段と、この判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、アームを制限領域内に戻す方向へ駆動するための復帰駆動信号を前記駆動手段に出力する復帰駆動手段とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
更に、第９の発明は、第７または第８の発明のアーム駆動制御装置において、前記判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、前記使用者に警告を行う警告手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００２９】
【作用】
以上のように構成した本発明においては、例えば歩行訓練装置に適用した場合を考えると、まず、訓練の介助を行う介助者が、訓練メニューや介助方法等を選択するときに同時に領域設定手段で介助アームが動き得る制限領域を設定する。このときの領域設定方法としては、介助アーム先端が、歩行訓練装置の介助アーム以外の部分（例えば、介助アームを支持するアーム支持手段、被訓練者の歩道をなす環状ベルト等）と所定距離以上離れるように設定する方法、あるいは介助アーム先端の高さ（例えば、環状ベルトからの高さ）を被訓練者の身長に対応した所定値以下となるように設定する方法、等がある。
このような領域設定が終了した後、車椅子中の被訓練者に介助アーム先端を近づけて介助アームと被訓練者とを一体化させる。その後、介助アームを上方へ動かし被訓練者を車椅子から引き上げて訓練位置まで誘導し、歩行訓練を開始する。訓練中の介助アームは、鉛直上方への一定の力と歩行方向への力とを被訓練者に対して作用させ、これによって被訓練者は適正な抵抗を受けつつ歩行訓練を行うことができる。
この訓練前〜訓練中における一連の介助アームの全動作中を通じ、介助アーム先端の位置が検出手段によって検出されており、この検出手段による検出結果と領域設定手段による制限領域設定とに従い、制限制御手段によって上記した制限領域内でのみ介助アームの動作を可能とする領域制限制御が行われている。
これにより、たとえ介助者が誤操作したり、あるいは故障により介助アームが誤動作した場合であっても、介助アームは制限領域外において動作することはない。よって例えば、介助アーム先端がアーム支持手段や環状ベルトに接近し過ぎて、被訓練者や介助者が介助アーム先端とアーム支持手段・環状ベルトとの間の狭い空間で無理な体勢・不自然な姿勢となったり、介助アーム先端が上方へ移動し過ぎて、被訓練者の身体が浮いて不自然な体勢となったりすることが防止され、被訓練者・介助者の肉体的な負担を軽減することができる。
【００３０】
一方例えば、歩行補助装置に適用した場合を考えると、まず、補助されつつ歩行を行おうとする被補助者が、動作モード等を選択するときに領域設定手段で保持アームが動き得る制限領域を設定する。このときの領域設定方法としては、保持アーム先端が歩行補助装置外の周辺部材（例えば、歩行補助装置が設置してある部屋の床面・壁面等）と所定距離以上離れるように設定する方法、あるいは保持アーム先端の高さ（例えば、歩行補助装置が設置してある部屋の床面からの高さ）を被補助者の身長に対応した所定値以下となるように設定する方法、等がある。
このような領域設定が終了した後、被補助者は保持アーム先端を把持しつつ歩行を開始する。歩行中の保持アームは、鉛直上方への一定の力と歩行方向への力とを被補助者に対して作用させており、これによって被補助者は体重のうちの一部を適正な割合で補助されつつ自身の脚力で歩行することができる。
この補助前〜補助中における一連の保持アームの全動作中を通じ、保持アーム先端の位置が検出手段によって検出されており、この検出手段による検出結果と領域設定手段による制限領域設定とに従い、制限制御手段によって上記した制限領域内でのみ保持アームの動作を可能とする領域制限制御が行われている。
これにより、たとえ被補助者が誤操作したり、あるいは故障により保持アームが誤動作した場合であっても、保持アームは制限領域外において動作することはない。よって例えば、保持アーム先端が部屋の壁面や床面に接近し過ぎて、被補助者が保持アーム先端と壁面・床面との間の狭い空間で無理な体勢・不自然な姿勢となったり、保持アーム先端が上方へ移動し過ぎて、被補助者の身体が浮いて不自然な体勢となることが防止され、被補助者の肉体的な負担を軽減することができる。
【００３１】
また、歩行訓練装置に適用する場合、領域設定手段で、介助アームの先端とアーム支持手段との距離が第１の所定値以上となるように制限領域を設定することにより、たとえ介助者が誤操作したり、あるいは故障により介助アームが誤動作した場合であっても、介助アーム先端がアーム支持手段に接近し過ぎて被訓練者や介助者が介助アーム先端とアーム支持手段との間の狭い空間で無理な体勢・不自然な姿勢となることが防止される。
さらに、歩行訓練装置に適用する場合、領域設定手段で、介助アームの先端と環状ベルトとの距離が第２の所定値以上となるように制限領域を設定することにより、たとえ介助者が誤操作したり、あるいは故障により介助アームが誤動作した場合であっても、介助アーム先端が環状ベルトに接近し過ぎて被訓練者や介助者が介助アーム先端と環状ベルトとの間の狭い空間で無理な体勢・不自然な姿勢となることが防止される。
また、第１及び第２の所定値は、それぞれ、被訓練者及び介助者の身体が占める空間の厚みより大きい値であることにより、狭小空間による肉体的な負担を確実に軽減することができる。
さらに、歩行訓練装置に適用する場合、領域設定手段で、介助アームの先端の環状ベルトからの高さが、第３の所定値以下となるように制限領域を設定することにより、たとえ介助者が誤操作したり、あるいは故障により介助アームが誤動作した場合であっても、介助アーム先端が上方へ移動し過ぎて被訓練者の身体が浮き不自然な体勢となることが防止される。
また、歩行訓練装置に適用する場合、第３の所定値を、被訓練者の身長に応じて決定される固有値とすることにより、被訓練者の体型に応じて、適切に肉体的な負担を軽減することができる。
さらに、複数の被訓練者に関する固有値を、情報バンクに書き込み・読み出し可能に管理保管することにより、被訓練者の体型に応じたアーム駆動制御が容易に行える。
また、歩行補助装置に適用する場合、領域設定手段で、保持アームの先端と歩行補助装置が設置されている部屋の壁面との距離が第４の所定値以下となるように制限領域を設定することにより、たとえ被補助者が誤操作したり、あるいは故障により保持アームが誤動作した場合であっても、保持アーム先端が壁面に接近し過ぎて被補助者が保持アーム先端と壁面との間の狭い空間で無理な体勢・不自然な姿勢となることが防止される。
さらに、歩行補助装置に適用する場合、センサによって移動体の移動に合わせて移動体と壁面との距離をリアルタイムで計測するとともに対応する信号を出力し、領域設定手段が、このセンサからの信号の値に応じて制限領域を設定することにより、被補助者が歩行するに伴って動く移動体の位置に応じ、リアルタイムで制限領域を随時修正することができる。
また、歩行補助装置に適用する場合、領域設定手段で、保持アームの先端と歩行補助装置が設置されている部屋の床面との距離が第５の所定値以上となるように制限領域を設定することにより、たとえ被補助者が誤操作したり、あるいは故障により保持アームが誤動作した場合であっても、保持アーム先端が床面に接近し過ぎて被補助者が保持アーム先端と床面との間の狭い空間で無理な体勢・不自然な姿勢となることが防止される。
さらに、第４及び第５の所定値を、それぞれ、被補助者の身体が占める空間の厚みより大きい値とすることにより、狭小空間による肉体的な負担を確実に軽減することができる。
また、歩行補助装置に適用する場合、領域設定手段で、保持アームの先端の歩行補助装置が設置されている部屋の床面からの高さが、第６の所定値以下となるように制限領域を設定することにより、たとえ被補助者が誤操作したり、あるいは故障により保持アームが誤動作した場合であっても、保持アーム先端が上方へ移動し過ぎて被補助者の身体が浮き不自然な体勢となることが防止される。
さらに、第６の所定値が、被補助者の身長に応じて決定される値であることにより、被補助者の体型に応じて、適切に肉体的な負担を軽減することができる。
また、複数の被補助者に関する固有値を、情報バンクに書き込み・読み出し可能に管理保管することにより、被補助者の体型に応じたアーム駆動制御が容易に行える。
さらに、制限制御手段において、判定手段でアームが制限領域内にあるかどうかを判定し、この判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、駆動停止手段で駆動手段の動作を停止する、すなわち例えば、駆動手段に駆動停止信号を出力するか、あるいは駆動手段の電力供給を遮断する等により、制限領域内でのみアームの動作を可能とする手段を実現することができる。
また、判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、復帰駆動手段で、アームを制限領域内に戻す方向へ駆動するための復帰駆動信号を駆動手段に出力することにより、制限領域内でのみアームの動作を可能とする手段を実現することができる。
さらに、判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、停止位置指令手段で、アームをその位置で停止させるための停止位置信号を駆動手段に出力することにより、制限領域内でのみアームの動作を可能とする手段を実現することができる。
また、判定手段でアームが制限領域外にあると判定されたときには、警告手段で使用者に警告を行うことにより、使用者に注意を喚起することができる。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図１〜図１７により説明する。
本発明の第１の実施例を図２〜図１１により説明する。本実施例は、本発明を、歩行機能障害者の歩行訓練を行う歩行訓練装置に適用した場合の実施例である。
本実施例の対象となる歩行訓練装置１の全体構成を示す概念図を図２に示す。
図２において、歩行訓練装置１は、可動リンク機構２Ａ、回転機構２Ｂ、保持機構２Ｆ（後述）を備え、被訓練者Ｕの身体を支えて被訓練者の姿勢の矯正と負荷軽減を図る介助アーム装置２と、回転機構２Ｂを被うとともに介助アーム装置２を支持するカバー３と、床面または地上に固定され、例えば環状ベルトから構成される歩行面４Ａを備えた歩行面装置４と、ＣＲＴ５０、計算機５１、及びキーボード（マウス含む）５２によって構成され、介助アーム装置２及び歩行面装置４を制御する制御装置５とを有する。
なお、この歩行訓練装置１の操作は主として図示しない介助者が行い、またこの介助者は必要に応じて被訓練者Ｕの訓練の介助を行う。
【００３３】
歩行面装置４の詳細構造を示す概念図を図３に示す。
図３において、歩行面装置４は、被訓練者Ｕの左・右の足に対応した２本の歩行面４Ａ（すなわち左歩行面４ＡL及び右歩行面４ＡR）と、これら左・右歩行面４ＡL,４ＡRの回転にともない、これら左・右歩行面４ＡL,４ＡRの速度を検出する左歩行面速度検出手段７０Ａ及び右歩行面速度検出手段７０Ｂと、これら左・右歩行面４ＡL,４ＡRの移動距離を検出する左歩行面距離検出手段及び７１Ａ及び右歩行面距離検出手段７１Ｂと、左歩行面４ＡL及び右歩行面４ＡRをそれぞれ駆動する左歩行面駆動手段６９Ａ及び右歩行面駆動手段６９Ｂとを有する。
【００３４】
左・右歩行面駆動手段６９Ａ,Ｂは、制御装置５の歩行面制御部５Ｂによって制御される。すなわち、歩行面制御部５Ｂは、被訓練者Ｕが左・右歩行面４ＡL,４ＡRを後方に蹴って歩行する際に左・右歩行面速度検出手段７０Ａ,７０Ｂによって検出される速度を基にして、被訓練者Ｕの両足に適正な粘性抵抗を与えるようにして駆動速度を計算し、この駆動速度を左・右歩行面４ＡL,４ＡRに与える。このような歩行面制御部５Ｂによる制御内容を表すブロック図を図４に示す。
図４において、歩行面制御部５Ｂによる制御は左・右両側で同一のシステム構成となっており、あらかじめ歩行面制御部５Ｂ内に設定された速度目標Ｖoと歩行面速度検出手段７０Ａ（又は７０Ｂ）から検出された速度情報ＶA（又はＶB）との差に、あらかじめ歩行面制御部５Ｂに設定された速度ゲインＫを乗算し、この結果すなわちＫ(ＶA−Ｖ)（又はＫ(ＶB−Ｖ)）を最終的な指令値として左・右歩行面駆動手段６９Ａ,Ｂに出力する。なお、速度目標ＶA,ＶB及び速度ゲインＫは、図示しない入力手段や制御装置５の他の部分からの指示によって変更可能に構成してもよい。
これにより、被訓練者Ｕの速度に応じた適正な粘性抵抗力を被訓練者Ｕの足に加えることになる。
【００３５】
なお左・右歩行面４ＡＬ,４ＡRは互いに接していてもよい。
【００３６】
介助アーム装置２の詳細構造を表す側面図を図１に示す。
介助アーム装置２を支持するカバー３は、歩行面装置４の歩行面４Ａの前方上面に据え付け固定されている。可動リンク機構２Ａを動かす回転機構２Ｂは、このカバー３の上部に収納され、かつ被訓練者Ｕの歩行方向（図１中右方向）と鉛直方向とがなす平面（以下適宜、矢状面という）に関し、左右対象の構造となっている。ここで、右とは図１の紙面手前側、左とは図１の紙面奥側を指す。
【００３７】
回転機構２Ｂの詳細構造を図１中Ｐ−Ｑ断面図である図５に示す。
図５において、回転機構２Ｂは、互いに独立して回転する右側回転軸７４Ｃ及び左側回転軸７４Ｄとを有する。右側回転軸７４Ｃの右側端部には回転駆動軸７４Ａ、左側回転軸７４Ｄの左側端部には回転駆動軸７４Ｂが設けられている。この回転駆動軸７４Ａ,７４Ｂは例えばプーリであり、回転指示部７６Ａ,７６Ｂの指令に応じて回転する。すなわち回転指示部７６Ａ,７６Ｂがクラッチ機構である場合には、プーリである回転駆動軸７４Ａ,７４Ｂは例えばベルトを介して駆動される。
【００３８】
なお、回転機構２Ｂには、アーム制御部５Ａ（後述）の一部を構成する、図示しない左・右角度センサ、左・右角速度センサ、及び左・右トルクセンサが設けられている。これらの取り付け部位は、回転軸７４Ｃ,Ｄ、回転駆動軸７４Ａ,Ｂのいずれでもよい。
【００３９】
また、可動リンク機構２Ａは金属性の素材から構成されており、縦駆動リンク２Ａａ、横駆動リンク２Ａｂ、短従動リンク２Ａｃ、長従動リンク２Ａｄを備えている。これら各リンク２Ａａ〜ｄは形状的・構造的に類似したものであり、それぞれ略平行面辺形をなす。これらのうち、長従動リンク２Ａｄを例にとってさらなる詳細構造を図６に示す。
図６において、長従動リンク２Ａｄは、互いに対向する「へ」の字型の２つの腕７９ａ,７９ｂを有し、その端部は部材７９ｃ,７９ｄで固定されている。さらに腕７９ａと腕７９ｂは、中間部どうしが部材７９ｅで溶接連結されている。
なお、他のリンク、すなわち縦駆動リンク２Ａａ、横駆動リンク２Ａｂ、短従動リンク２Ａｃも、構造はほぼ同様である。
【００４０】
図１に戻り、縦駆動リンク２Ａａ及び横駆動リンク２Ａｂは、それぞれ右側回転軸７４Ｃ及び左側回転軸７４Ｄに連結しており、右側回転軸７４Ｃの回転にしたがって縦駆動リンク２Ａａは図１中の矢印のように上下動し、左側回転軸７４Ｄの回転にしたがって横駆動リンク２Ａｂは図１中の矢印のように横移動する。すなわち、回転駆動軸７４Ａ,７４Ｂの回転可能角度は、縦駆動リンク２Ａａ及び横駆動リンク２Ａｂを矢印のように動かすような限定された角度範囲である。
縦駆動リンク２Ａａの回転軸７４Ｃから反対側（図示右側）の端部と短従動リンク２Ａｃの下側の端部とは回転可能な節２Ｃで連結され、短従動リンク２Ａｃの上側の端部と長従動リンク２Ａｄの被訓練者Ｕから反対側（図示右側）の端部とは回転可能な節２Ｄで連結されている。また、長従動リンク２Ａｄの部材７９ｅの中央部分は、回転可能な節２Ｅを介し横駆動リンク２Ａｂの回転軸７４ｄから反対側の端部に連結され、長従動リンク２Ａｄの被訓練者Ｕ側の端部には保持機構２Ｆが設けられている。
【００４１】
保持機構２Ｆは、被訓練者Ｕを直接把持する把持部８２と、把持部８２と長従動リンク２Ａｄとを連結する支持部８１と、支持部８１に設けられた応力センサ８１Ａとを備えている。応力センサ８１Ａは、Ｘ軸方向（図１中左方向）、Ｙ軸方向（図１中上方向）、Ｚ軸方向（図１において紙面に向かって手前から奥方向）の応力と各軸まわりのモーメントを測定する機能を有し、把持部８２を介し被訓練者Ｕと介助アーム装置２との間に作用する力を測定する。また、把持部８２はアタッチメント型であって種々の形式が準備されており、支持部８１に自在に取り付けて用いられる。この把持部８２近傍の詳細構造を表す側面図を図７に示す。
図７において、把持部８２は、被訓練者Ｕの肩部を支えるための肩部保持部材８２Ａと、肩部保持部材８２Ａの位置を被訓練者Ｕの身長・肩幅に合わせるための調整機構８２Ｂとからなる。把持部８２の動作領域は矢状面内にあるので、介助アーム装置２は把持部８２を介して被訓練者Ｕに矢状面内で力を及ぼすことになる。よって回転軸７４Ｃ及び７４Ｄを回転させ被訓練者Ｕが把持部８２へ加える力（外力）の反力となるように介助アーム装置２を動作させることにより、把持部８２において被訓練者Ｕからの力と可動リンク機構２Ａからの力とが平衡することとなる。
【００４２】
介助アーム装置２の動作は、制御装置５内のアーム制御部５Ａによって制御される。本実施例の要部であるこのアーム制御部５Ａによる制御内容を表すブロック図を図８に示す。
図８に示すアーム制御部５Ａ内において、まず、前述した左・右角度センサによって検出された回転機構２Ｂの回転軸７４Ｃ,Ｄ（又は回転駆動軸７４Ａ,Ｂ）の回転角度θ1,θ2が、先端位置算出器５Ａａに入力される。先端位置算出器５Ａａは、入力された回転角度θ1,θ2から、保持機構２Ｆが取り付けられる長従動リンク２Ａｄの先端位置を算出する。この算出方法を図９により説明する。図９は、介助アーム装置２の可動リンク機構２Ａと、回転機構２Ｂの回転軸位置を原点とする基準座標系との関係を簡略化して示したものである。
図９において、長従動リンク２Ａａの節２Ｅから先端側の長さをｌ1、横駆動リンク２Ａｂの長さをｌ2とすると、長従動リンク２Ａｄの先端位置８４のｘ座標及びｙ座標は、以下のように表されることになる。
【００４３】
ｘ  ＝  ｌ1ｃｏｓθ1＋ｌ2ｃｏｓθ2    …（１）
ｙ  ＝  ｌ1ｓｉｎθ1＋ｌ2ｓｉｎθ2    …（２）
このようにして算出したｘ,ｙ座標は、比較処理器５Ａｂへ送られる。
【００４４】
このとき一方、比較処理器５Ａｂには、介助者によって介助アーム装置２の可動範囲の設定値がキーボード５２を介して入力される。この設定入力方法を図１により説明する。
すなわち、介助者は、介助アーム装置２の可動範囲の設定値として、
▲１▼長従動リンク２Ａｄの先端８４とカバー３との間の距離の最小値Ｌ1
（被訓練者及び介助者の身体が占める空間の厚みより大きい値、例えばＬ1＝３００ｍｍ）
▲２▼長従動リンク２Ａｄの先端８４と歩行面４Ａとの間の距離の最小値Ｌ2
（被訓練者及び介助者の身体が占める空間の厚みより大きい値、例えばＬ2＝３００ｍｍ）
▲３▼長従動リンク２Ａｄの先端８４の歩行面４Ａからの高さの最大値Ｌ3
（被訓練者Ｕの身長に応じて決定する値、例えばＬ3＝１１００ｍｍ）
の３つを設定する。
なお、これらの操作は、装置を使用する毎に行っても良いし、一度設定した値を記憶しておき、操作者が変更しないかぎりその値を使用しても良い。
【００４５】
ここにおいて、上記▲１▼〜▲３▼の設定条件は、前述した基準座標系で表すと、以下のようになる。
▲１▼は、基準座標原点からカバー３までのｘ軸方向の距離をαとして、
ｘmin  ＝  α＋Ｌ1  ＝  α＋３００
▲２▼は、基準座標原点から歩行面４Ａまでのｙ軸方向の距離をβとして、
ｙmin  ＝  −β＋Ｌ2  ＝  −β＋３００
▲３▼は、基準座標原点から歩行面４Ａまでのｙ軸方向の距離をβとして、
ｙmax  ＝  −β＋Ｌ3  ＝  −β＋１１００
なおこのｙmaxは被訓練者Ｕによって変化する値なので、操作者が訓練を行う毎に入力するか、情報バンクを設け、被訓練者個人情報として書き込み・読み出し可能に管理保管しても良い。これにより、被訓練者の体型に応じた介助アーム装置２の駆動制御を容易に行うことができる。
【００４６】
上記▲１▼〜▲３▼の設定により、長従動リンク２Ａｄの先端８４の可動範囲は、
ｘ  ≧  α＋３００          …（３）
かつ、
−β＋３００  ≦  ｙ  ≦  −β＋１１００            …（４）
となり、図１中斜線で示した領域が設定した可動範囲となる。
【００４７】
そして、比較処理器５Ａｂは、（１）式により算出されたｘが（３）式の条件を満たしているかどうか、及び（２）式により算出されたｙが（４）式の条件を満たしているかどうか比較を行う。
【００４８】
図８に戻り、ｘ及びｙが（３）式（４）式の条件をすべて満たしている場合は、比較処理器５Ａｂはサーボ制御処理器５Ａｃへ正常状態を通知する。サーボ制御処理器５Ａｃでは、正常時のサーボ処理を行い、回転機構２Ｂの左・右回転指示部７６Ａ,７６Ｂにモータ駆動指令値を出力する。
【００４９】
サーボ制御処理器５Ａｃにおけるサーボ制御の詳細を表すブロック図を図１０に示す。
図１０において、まず、長従動リンク２Ａｄの先端に発生させる力Ｆを、応力目標値とする。
そして、この目標値Ｆを基にして変換行列乗算器１０１で左・右回転駆動軸７４Ａ,７４Ｂへのトルク目標値Ｔoを算出する。すなわち、変換行列乗算器１０１において、左・右回転駆動軸７４Ａ,７４Ｂの角度と各リンク２Ａａ〜ｄの長さから求められるヤコビアン行列の転置Ｔf（変換行列）を応力目標値Ｆに乗じてトルク目標値Ｔoとする。求められたトルク目標値Ｔoは減算器１０２及び加算器１０４へと送られる。この加算器１０４へ向かう流れは、いわゆるフィードフォワード制御に該当する。
減算器１０２は、トルク目標値Ｔoと前述した左・右トルクセンサとの応答Ｔとの偏差Ｔo−Ｔを求め、トルクフィードバックゲイン乗算器１０３へと送る。
トルクフィードバックゲイン乗算器１０３は、予め設定されたトルクフィードバックゲインＫtを偏差Ｔo−Ｔに乗じて操作量Ｘ1を算出し、加算器１０４へ送る。このときの減算器１０２及びフィードバックゲイン乗算器１０３がいわゆるフィードバック制御系を構成する。
加算器１０４は、変換行列乗算器１０１からのトルク目標値Ｔoと、フィードバックゲイン乗算器１０３の操作量Ｘ1との和を求め、結果を減算器１０６へ送る。
【００５０】
一方このとき、前述した左・右角速度センサからの応答ωに対して、速度ゲイン１０５において予め設定された速度フィードバックゲインＫvが乗じられており、その結果が操作量Ｘ2として減算器１０６へ送られている。
そして、減算器１０６では、加算器１０４からのＴo＋Ｘ1と、速度ゲイン１０５からのＸ2との差を操作量信号Ｘ3として回転機構２Ｂの左・右回転指示部７６Ａ,７６Ｂに送信する。回転指示部７６Ａ,Ｂは、この操作量信号Ｘ3に基づき左・右回転駆動軸７４Ａ,７４Ｂを回転制御し、これによって、保持機構２Ｆには、被訓練者Ｕに作用する力が与えられる。
【００５１】
以上のようなアーム制御部５Ａにおける介助アーム装置２の動作の制御により回転軸７４Ｃが回転し、この回転軸７４Ｃの回転角度にしたがって縦駆動リンク２Ａａが上下動し、そしてこの動きに連動して短従動リンク２Ａｃが上下動する。同様に介助アーム装置２の動作の制御により回転軸７４Ｄが回転し、回転軸７４Ｄの回転角度にしたがって横駆動リンク２Ａｂが横移動する。この結果、長従動リンク２Ａｄは、横駆動リンク２Ａｂ及び短従動リンク２Ａｃの動きに追従して動く。このような動作挙動の例を図１１（ａ）〜（ｄ）に示す。
図１１（ａ）は初期姿勢を表している。この状態から、右側回転軸７４Ｃに固定された横駆動リンク２Ａａが回転せず、左側回転軸７４Ｄに固定された縦駆動リンク２Ａｂのみが回転すると、図１１（ｂ）に示すように主として長従動リンク２Ａｄが横方向へスライドする動きのみを示す。なお図では長従動リンク２Ａｄに取り付けられた保持機構２Ｆの支持部８１が被訓練者Ｕ側（図中左側）へ突き出る動きを示しているが、逆方向へもスライド可能であることはいうまでもない。
一方、図１１（ａ）の初期姿勢状態から、左側回転軸７４Ｄに固定された縦駆動リンク２Ａｂが回転せず、右側回転軸７４Ｃに固定された横駆動リンク２Ａａのみが回転すると、図１１（ｃ）に示すように支持部８１が主として上下方向へ動く。
そしてさらに、図１１（ｄ）に示すように、縦駆動リンク２Ａｂ及び横駆動リンク２Ａｃを同時に動かすと、矢状面内のかなり広い範囲で支持部８１を動かすことができる。よって、保持機構２Ｆを広範囲に動かすことができる。
【００５２】
図８に戻り、一方、比較処理器５Ａｂにおいて、ｘ及びｙが、（３）式（４）式の３つの条件のうちいずれか１つでも満たしていないことが判明した場合は、比較処理器５Ａｂは、サーボ制御処理器５Ａｃへ異常状態を通知すると共に、回転機構２Ｂの左・右回転指示部７６Ａ,７６Ｂへ停止指令を出力する。この結果サーボ制御処理器５Ａｃは比較処理器５Ａｂから正常状態の通知が来るまで待機し、また左・右回転指示部７６Ａ,７６Ｂは、それぞれ左・右回転駆動軸７４Ａ,Ｂの駆動を停止する。
なおこの時、比較処理器５Ａｂが左・右回転駆動軸７４Ａ,Ｂへの電力供給を遮断する構成にしても良い。この場合、比較処理器５Ａｂは、駆動手段の電力供給を遮断する遮断手段をも構成する。
【００５３】
上記一連の制御処理は、歩行訓練装置の駆動開始から終了まで一定時間間隔で繰返し行う。
【００５４】
なお、上記したアーム制御部５Ａにおいて、回転機構２Ｂに設けられた図示しない角度センサと先端位置算出器５Ａａとが、アームの先端の位置を検出する検出手段を構成し、キーボード５２がアームが動き得る制御領域を設定する領域設定手段を構成し、比較処理器５Ａｂがアームが制限領域内にあるかどうかを判定する判定手段を構成し、左・右回転指示部７６Ａ,７６Ｂが駆動手段の動作を停止する駆動停止手段を構成する。
【００５５】
以上のように構成した本実施例においては、まず、訓練の介助を行う介助者が、訓練メニューや介助方法等を選択するときに同時にアーム制御部５Ａのキーボード５２を介して介助アーム装置２の長従動リンク２Ａｄの先端８４が動き得る可動範囲を、例えばｘ≧α＋３００かつ−β＋３００≦ｙ≦−β＋１１００と設定する。このような範囲設定が終了した後、(a)車椅子中の被訓練者Ｕに介助アーム装置２の長従動リンク２Ａｄ先端を近づけて被訓練者Ｕを保持機構２Ｆと一体化させる。その後、(b)長従動リンク２Ａｄを上方へ動かし被訓練者Ｕを車椅子から引き上げて訓練位置まで誘導し、(c)歩行面４Ａを駆動させるとともに長従動リンク２Ａｄに所定の反力を与え歩行訓練を開始する。なおこれら(a)(b)(c)の手順における長従動リンク２Ａｄの移動は、被訓練者Ｕ又は介助者が手で軽く動かすとこれに回転機構２Ｂによる長従動リンク２Ａｄ等の動きが追従する構成でもよいし、介助者が制御装置５のキーボード５２等によって長従動リンク２Ａｄ等の動きを操作してもよい。そして訓練中の介助アーム装置２は、鉛直上方への一定の力と歩行方向への力とを被訓練者Ｕに対して作用させ、これによって被訓練者Ｕは適正な抵抗を受けつつ歩行訓練を行う。
この訓練前〜訓練中における一連の介助アーム装置２の全動作中を通じて、角度センサからの入力信号に基づき、アーム制御部５Ａの先端位置算出器５Ａａにおいて長従動リンク２Ａｄの先端８４の位置が検出されており、この先端位置算出器５Ａａによる算出結果と、可動範囲であるｘ≧α＋３００かつ−β＋３００≦ｙ≦−β＋１１００とが比較処理器５Ａｂで比較され、この範囲内にあればサーボ制御処理器５Ａｃで通常の制御を行い、範囲内になければ左・右回転指示部７６Ａ,７６Ｂを介して、右回転駆動軸７４Ａ,Ｂの駆動を停止する。すなわち、上記した可動範囲内でのみ動作可能とする制限制御が行われる。
これにより、たとえ介助者が誤操作したり、あるいは故障により介助アームが誤動作し、被訓練者Ｕを保持する保持機構２Ｆがカバー３や歩行面４Ａに接近し過ぎて、被訓練者Ｕや介助者が保持機構２Ｆ・長従動リンク２Ａｄとカバー３・歩行面４Ａとの間の狭い空間で無理な体勢・不自然な姿勢となったり、保持機構２Ｆが上方へ移動し過ぎて、被訓練者Ｕの身体が浮いて不自然な体勢となったりすることが防止され、被訓練者Ｕ・介助者の肉体的な負担を軽減することができる。
【００５６】
なお、上記第１の実施例においては、比較処理器５Ａｂにおいて、ｘ及びｙが、（３）式（４）式の３つの条件のうちいずれか１つでも満たしていないことが判明した場合は、回転機構２Ｂの左・右回転指示部７６Ａ,７６Ｂへ停止指令を出力したが、これに限られず、例えば下記の２つの変形例が考えられる。
（ｉ）復帰指令を出す構成
例えば、比較処理器５Ａｂからの指令を受け復帰制御を行う復帰制御処理器を別途設けるものである。すなわち、比較処理器５Ａｂにおいて、ｘ及びｙが、（３）式（４）式の３つの条件のうちいずれか１つでも満たしていないことが判明した場合は、比較処理器５Ａｂは、長従動リンク２Ａｄの先端８４の位置指令値ｘref，ｙrefとして、
ｘ＜ｘminの場合、  ｘref＝ｘmin＋ａ，ｙref＝ｙ  （例えばａ＝５ｍｍ）
ｙ＜ｙminの場合、  ｘref＝ｘ，ｙref＝ｙmin＋ｂ  （例えばｂ＝５ｍｍ）
ｙ＞ｙmaxの場合、  ｘref＝ｘ，ｙref＝ｙmax−ｃ  （例えばｃ＝５ｍｍ）
を復帰制御処理器に出力する。
復帰制御処理器では、上記の位置指令値ｘref，ｙrefに基づき、下記の２つの式、すなわち、
0003710511.tif 000002
によって回転機構２Ｂの左・右回転駆動７４Ａ,Ｂの回転角度θ1ref,θ2refを算出し、左・右回転指示部７６Ａ,７６Ｂにこの角度θ1ref,θ2refに対応するモータ駆動指令値を出力する。これに応じて左・右回転指示部７６Ａ,７６Ｂが左・右回転駆動軸７４Ａ,７４Ｂを駆動させるので、長従動リンク２Ａｄの先端８４が可動範囲内に復帰する。
なお、このとき復帰制御処理器は、復帰駆動信号を駆動信号に出力する復帰駆動手段を構成する。また、復帰制御処理器を新たに設けず、サーボ制御処理器５Ａｃにこの機能を持たせてもよい。
【００５７】
（ii）停止指令を出す構成
例えば、比較処理器５Ａｂからの指令を受け停止制御を行う停止制御処理器を別途設けるものである。すなわち、比較処理器５Ａｂにおいて、ｘ及びｙが、（３）式（４）式の３つの条件のうちいずれか１つでも満たしていないことが判明した場合は、比較処理器５Ａｂは、左・右回転駆動軸７４Ａ,Ｂの回転角度位置指令値θ1ref，θ2refとして、左・右角度センサによって検出された回転角度θ1,θ2を停止制御処理器に出力する。
【００５８】
停止制御処理器では、上記の位置指令値θ1ref，θ2refに基づき、左・右回転指示部７６Ａ,７６Ｂにこの角度θ1ref,θ2refに対応するモータ駆動指令値を出力する。これに応じて左・右回転指示部７６Ａ,７６Ｂは左・右回転駆動軸７４Ａ,７４Ｂの駆動を現在位置に停止させる。
【００５９】
なお、このとき、停止制御処理器は、アームを停止させるための停止位置信号を出力する停止位置指令手段を構成する。また、停止制御処理器を新たに設けず、サーボ制御処理器５Ａｃにこの機能を持たせてもよい。
【００６０】
本発明の第２の実施例を図１２により説明する。本実施例も、本発明を歩行訓練装置に適用した場合の実施例である。
本実施例の対象となる歩行訓練装置が第１の実施例の歩行訓練装置１と異なる点は、制御装置５のアーム制御部５Ａに、長従動リンク２Ａｄの先端８４が可動範囲外にあると判定された場合にそのことを被訓練者Ｕ・介助者に警告する介助アーム状態警告器１５を設けたことである。介助アーム状態警告器１５は、ランプまたはブザーまたは、ディスプレイの表示など、被訓練者Ｕ・介助者に可動範囲を超えたことを知らせることができる機器によって構成されており、この介助アーム状態警告器１５の動作中には、介助者等が長従動リンク２Ａｄの先端８４を可動範囲内に戻す方向へ操作を行うまで、介助アーム装置２は待機状態となるように構成される。
【００６１】
その他の構成は、上記第１の実施例とほぼ同様である。
【００６２】
本実施例によっても、第１の実施例と同様の効果を得る。
【００６３】
本発明の第３の実施例を図１３〜図１７により説明する。本実施例は、本発明を、比較的軽微な歩行障害を生じた者の自力歩行を補助する歩行補助装置に適用した場合の実施例である。
本実施例の対象となる歩行補助装置３２０の全体構成を示す概念図を図１３に示す。
図１３において、歩行補助装置３２０は、移動機構３２７と、この移動機構３２７に設けられた支柱３５４と、この支柱３５４の上端に設けられた保持アーム装置３０６とを有する。
【００６４】
移動機構３２７は、その後方に左右に設けた駆動輪３２８と、駆動輪３２８の近傍に設けられそれらを駆動する駆動モータ３６２と、前方に設けられた従動輪３２９と、これらの動作を制御する移動機構制御装置３６５と、後述する距離センサ３３６Ａとを有している。また、この移動機構制御装置３６５の近傍には、後述する距離センサ３６６ａを備え、保持アーム装置３０６を制御する保持アーム制御装置３６６と、距離センサ３６６Ａ及び後述する角度センサ・角速度センサを制御するセンサ制御装置３６７と、電源装置３６８等が設けられており、これらはいずれも移動機構３２７、支柱３５４等ともにカバー３６９によって被われている。
移動機構３２７の駆動輪３２８及び従動輪３２９は、車輪として図示してあるが、脚・キャタピラ・その他の方式でもよい。駆動輪３２８は、駆動モータ３６２から図示しない変速機構・ベルト等によって動力が伝達されており、左・右２つの駆動輪３２８の駆動速度の差や駆動方向の違いによって操舵方向を決定する方式で信地旋回など小さな回転半径を実現する構成としている。また従動輪３２９はキャスタータイプのものが１つ設けられており車輪の向きは駆動輪３２８によって操舵方向に自由に向く構成である。
また移動機構制御装置３６５による移動機構３２７の制御は、保持アーム３２１の根元に配置された作用力検出器３７４により検出された前方向の力が利用される。すなわち、並進用駆動モータ３２４及び回転用駆動モータ３２５,３６４により可動アーム３２２の姿勢が変化すると、これによって保持アーム３２１の位置が（図１３の紙面内で）２次元的に変化する。保持アーム３２１の位置変化は被補助者Ｖとの相対位置変化となり、それにより被補助者Ｖから保持アーム３２１への作用力が変化し、作用力検出器３７４により検出される。検出された移動方向への作用力は移動機構制御装置３６５に入力され、移動機構制御装置３６５は被補助者Ｖが進みたいとしている方向と作用力とを演算し、その作用力があらかじめ図示しない記憶装置に記憶されている目標値と常に等しくなるように駆動輪３２８の駆動力を制御する。この目標値は、例えば作用力の２０％と設定し記憶しておけば、常に前方向移動力の２０％が歩行補助装置３２０により補助される一方、残りの移動力は被補助者Ｖ自らの力で発生させて移動を行うことで、移動補助が実現される。
【００６５】
保持アーム装置３０６は、可動アームホルダ３０７と、可動アームホルダ３０７の内部に内蔵された並進用駆動モータ３２４と、両端にストッパ３１０及び使用者である被補助者Ｖの身体を支える保持アーム３２１を備えた可動アーム３２２と、保持アーム３２１の付け根部分に設けられた作用力検出器３２４と、保持アーム３２１の近傍で被補助者Ｖが腕をかけたときに手が届く範囲に設けられ、被補助者Ｖの意思を伝えるとともに装置の状態を被補助者Ｖに示す操作盤３１２と、回転軸３２３を中心に可動アーム３２２を回転するために設けられ、支柱３５４の上部と可動アームホルダ３０７を斜めに支持する回転用駆動モータ３２５,３６４とを有している。また各駆動モータ３２４,３２５,３６４には、保持アーム制御装置の一部を構成し、各駆動モータ３２４,３２５,３６４による角度及び角速度を検出する図示しない角度センサ及び角速度センサがそれぞれ設けられている。
【００６６】
保持アーム装置３０６の動作は、保持アーム制御装置３６６によって制御される。本実施例の要部であるこの保持アーム制御装置３６６による制御内容を表すブロック図を図１４に示す。
図１４に示す保持アーム制御装置３６６内において、まず、前述した角度センサによって検出された各駆動モータ３２４,３２５,３６４の回転軸の回転角度が、先端位置算出器３６６ａに入力される。先端位置算出器３６６ａは、入力された回転角度から、保持アーム３２１が取り付けられる可動アーム３２２の先端位置を算出する。この算出方法を図１５により説明する。図１５は、保持アーム装置３０６の可動アーム３２２と、回転軸３２３の位置を原点とする基準座標系との関係を簡略化して示したものである。
図１５において、可動アーム３２２の回転軸３２３から先端側の長さをｄ、水平方向となす角をθ3とすると、可動アーム３２２の先端位置３１４のｘ座標及びｙ座標は、以下のように表されることになる。
【００６７】
ｘ  ＝  ｄ×ｃｏｓθ3    …（１１）
ｙ  ＝  ｄ×ｓｉｎθ3    …（１２）
すなわち、先端位置算出器３６６ａは、角度センサからの各駆動モータ３２４,３２５,３６４の３つの回転角度から角度θ3及び並進距離ｄを算出し、このθ3及びｄを用いて上記（１１）（１２）式からｘ,ｙ座標を算出して、比較処理器３６６ｂへ送る。
【００６８】
図１４に戻り、このとき、比較処理器３６６ｂには、保持アーム制御装置３６６に備えられた入力手段（例えば操作盤３１２に設けられていてもよい）を介し、被補助者によって可動アーム３２２の可動範囲の設定値が入力されている。この設定入力方法を図１６により説明する。図１６は、図１５で示した基準座標上における歩行補助装置３２０と可動範囲の設定値との関係を示した概念図である。
図１６において、被補助者は、保持アーム装置３０６の可動範囲の設定値として、
▲１▼可動アーム３２２の先端３１４と障害物（例えば歩行補助装置３２０が設置される壁面３４１）との間の距離の最大値Ｔ1
（被訓練者及び介助者の身体が占める空間の厚みより大きい値、例えばＴ1＝３００ｍｍ）
▲２▼可動アーム３２２の先端３１４と歩行補助装置３２０が設置される床面３４０との間の距離の最小値Ｔ2
（被補助者の身体が占める空間の厚みより大きい値、例えばＴ2＝３００ｍｍ）
▲３▼可動アーム３２２の先端３１４の床面３４０からの高さの最大値Ｔ3
（被補助者Ｖの身長に応じて決定する値、例えばＴ3＝１１００ｍｍ）
の３つを設定する。
なお、これらの操作は、装置を使用する毎に行っても良いし、一度設定した値を記憶しておき、操作者が変更しないかぎりその値を使用しても良い。
【００６９】
ここにおいて、上記▲１▼〜▲３▼の設定条件は、前述した基準座標系で表すと、以下のようになる。
▲１▼は、基準座標原点から距離センサ３３６Ａまでのｘ軸方向の距離をγ、距離センサ３３６Ａが検出した障害物までの距離をｘsensorとして、
ｘmax  ＝  γ＋ｘsensor−Ｔ1  ＝  γ＋ｘsensor−３００
なお、ｘsensorの値は時々刻々変化するものであり、図１４に示すように、距離センサ３３６Ａがリアルタイムで計測して比較処理器３６６ｂに入力する。
【００７０】
▲２▼は、基準座標原点から床面３４０までのｙ軸方向の距離をβとして、
ｙmin  ＝  −β＋Ｔ2  ＝  −β＋３００
▲３▼は、基準座標原点から床面４Ａまでのｙ軸方向の距離をβとして、
ｙmax  ＝  −β＋Ｔ3  ＝  −β＋１１００
なおこのｙmaxは被補助者Ｖによって変化する値なので、歩行補助を行う毎に入力するか、情報バンクを設け、被補助者個人情報として書き込み・読み出し可能に管理保管しても良い。これにより、被補助者の体型に応じた保持アーム装置３０６の駆動制御を容易に行うことができる。
【００７１】
上記▲１▼〜▲３▼の設定により、可動アーム３２２の先端３１４の可動範囲は、
ｘ  ≧  γ＋ｘsensor−３００          …（１３）
かつ、
−β＋３００  ≦  ｙ  ≦  −β＋１１００            …（１４）
となり、図１６中斜線で示した領域が設定した可動範囲となる。
【００７２】
図１４に戻り、比較処理器３６６ｂは、（１１）式により算出されたｘが（１３）式の条件を満たしているかどうか、及び（１２）式により算出されたｙが（１４）式の条件を満たしているかどうか比較を行う。
【００７３】
ｘ及びｙが（１３）式（１４）式の条件をすべて満たしている場合は、比較処理器３６６ｂはサーボ制御処理器３６６ｃへ正常状態を通知する。サーボ制御処理器３６６ｃでは、正常時のサーボ処理を行い、駆動モータ３２４,３２５,３６４に対応するモータ駆動指令値を出力する。
【００７４】
サーボ制御処理器３６６ｃにおけるサーボ制御の詳細を表すブロック図を図１７に示す。
サーボ制御処理器３６６ｃにおける駆動モータ３２４,３２５,３６４の制御は、保持アーム３２１の付け根に設けた作用力検出器３７４で検出された下方向の力を利用して行われ、３つの駆動モータ３２４,３２５,３６４に関し互いにほぼ同様に以下のようにして行われる。
すなわち、図１７において、保持アーム３２１への作用力は、作用力検出器３７４で検出され、変換器３４５に入力される。変換器３４５では、入力された作用力を、駆動モータ３２４,３２５,３６４への指令値と同じ物理量（例えば駆動トルク）をもつ制御量３４６に変換する。変換された制御量３４６は、減算器３５５へと送られる。
一方このとき、被保持者Ｖを支持する支持力の目標値があらかじめ図示しない記憶装置に記憶されており、この目標値が同様に変換器３４２に入力され、駆動モータ３２４,３２５,３６４への指令値３４３となる。そしてこの指令値３４３は、減算器３５５及び加算器３５７へ送られる。なお加算器３５７へと向かう流れがいわゆるフィードフォワード制御である。
減算器３５５においては、変換器３４２から入力された指令値３４３と変換器３４５から入力された制御量３４６との偏差３４７が求められ、この偏差３４７が制御ゲイン３４８へと送られる。制御ゲイン乗算器３４８においては、入力された偏差３４７にフィードバックゲインＫtを乗じて操作量が求められ、この操作量が加算器３５７に送られる。なお減算器３５５及び制御ゲイン乗算器３４８がいわゆるフィードバック制御系を構成する。
【００７５】
加算器３５７においては、変換器３４２からの指令値３４３と制御ゲイン乗算器３４８からの操作量とが加算されて駆動モータ目標値３４９となり、減算器３５６へ送られる。
【００７６】
また一方、角速度検出手段で検出された各駆動モータ３２４,３２５,３６４で検出された角速度３５０は、速度ゲイン乗算器３５１に入力され、あらかじめ設定されている速度フィードバックゲインＫvが乗じられる。そしてこのＫvを乗じた結果が操作量として減算器３５６へ送られる。
【００７７】
減算器３５６においては、加算器３５７からの駆動モータ目標値３４９と速度ゲイン乗算器３５１からの操作量との偏差を求め、これを駆動モータ制御量偏差３５２として各駆動モータ３２４,３２５,３６４へ送られる。
【００７８】
上記一連の制御により、保持アーム装置３０６からの作用力が常に一定に被補助者Ｖに作用し、常に一定の支持力で被補助者Ｖを保持する制御が実現できる。
また、記憶装置内の目標値を適宜変更することで、被補助者Ｖの障害の度合いに応じた適切な補助を実現することができる。
【００７９】
図１４に戻り、一方、比較処理器３６６ｂにおいて、ｘ及びｙが、（１３）式（１４）式の３つの条件のうちいずれか１つでも満たしていないことが判明した場合は、第１の実施例同様、比較処理器３６６ｂは、サーボ制御処理器３６６ｃへ異常状態を通知すると共に、駆動モータ３２４,３２５,３６４へ停止指令を出力する。この結果サーボ制御処理器３６６ｃは比較処理器３６６ｂから正常状態の通知が来るまで待機し、また駆動モータ３２４,３２５,３６４は駆動を停止する。
なおこの時、比較処理器３６６ｂが駆動モータ３２４,３２５,３６４への電力供給を遮断する構成にしても良い。
【００８０】
上記一連の制御処理は、歩行訓練装置の駆動開始から終了まで一定時間間隔で繰返し行う。
【００８１】
なお、上記した保持アーム制御装置３６６において、駆動モータ３２４,３２５,３６４に設けられた図示しない角度センサと、先端位置算出器３６６ａとが、アームの先端の位置を検出する検出手段を構成し、Ｔ1,Ｔ2,Ｔ3を設定入力する入力手段が、アームが動き得る制御領域を設定する領域設定手段を構成し、比較処理器３６６ｂが制限領域内でのみアームの動作を可能とする制限制御手段を構成する。
【００８２】
以上のように構成した本実施例においては、まず、補助されつつ歩行を行うことする被補助者Ｖが、動作モード等を選択するときに同時に入力手段を介して可動アーム３２２の先端３１４が動き得る可動範囲を、例えばｘ≧γ＋ｘsensor−３００かつ−β＋３００≦ｙ≦−β＋１１００と設定する。このような範囲設定が終了した後、被補助者Ｖは保持アーム３２１を把持しつつ歩行を開始する。なお可動アーム３２２の姿勢変更動作は、被補助者Ｖが手で軽く動かすとこれに駆動モータ３２４,３２５,３６４による動きが追従する構成でもよいし、保持アーム制御装置３６６に備えられた図示しない入力手段等によって可動アーム３２２が操作される構成でもよい。そして歩行補助中の保持アーム装置３０６は、鉛直上方への一定の力と歩行方向への力を被補助者Ｖに対して作用させており、これによって被補助者Ｖは体重のうちの一部を適正な割合で補助されつつ自身の脚力で歩行することができる。
この補助前〜補助中における一連の保持アーム装置３０６の全動作中を通じて、角度センサからの入力信号に基づき、保持アーム制御装置３６６の先端位置算出器３６６ａにおいて可動アーム３２２の先端３１４の位置が検出されており、この先端位置算出器３６６ａによる算出結果と、可動範囲であるｘ≦γ＋ｘsensor−３００かつ−β＋３００≦ｙ≦−β＋１１００とが比較処理器３６６ｂで比較され、この範囲内にあればサーボ制御処理器３６６ｃで通常の制御を行い、範囲内になければ駆動モータ３２４,３２５,３６４の駆動を停止する。すなわち、上記した可動範囲内でのみ動作可能とする制限制御が行われている。
これにより、たとえ被補助者が誤操作したり、あるいは故障により可動アーム３２２が誤動作し、被補助者Ｖを保持する保持アーム３２１が床面３４０や壁面３４１に接近し過ぎて、被補助者Ｖが保持アーム３２１と床面３４０・壁面３４１との間の狭い空間で無理な体勢・不自然な姿勢となったり、保持アーム３２１が上方へ移動し過ぎて、被補助者Ｖの身体が浮いて不自然な体勢となったりすることが防止され、被補助者Ｖの肉体的な負担を軽減することができる。
【００８３】
なお、上記第３の実施例においては、比較処理器３６６ｂにおいて、ｘ及びｙが、（１３）式（１４）式の３つの条件のうちいずれか１つでも満たしていないことが判明した場合は、駆動モータ３２４,３２５,３６４へ停止指令を出力したが、これに限られず、第１の実施例同様、例えば下記の２つの変形例が考えられる。
（ｉ）復帰指令を出す構成
例えば、比較処理器３６６ｂからの指令を受け復帰制御を行う復帰制御処理器を別途設けるものである。すなわち、比較処理器３６６ｂにおいて、ｘ及びｙが、（１３）式（１４）式の３つの条件のうちいずれか１つでも満たしていないことが判明した場合は、比較処理器３６６ｂは、可動アーム３２２の先端３１４の位置指令値ｘref，ｙrefとして、
ｘ＞ｘmaxの場合、  ｘref＝ｘmax−ａ，ｙref＝ｙ  （例えばａ＝５ｍｍ）
ｙ＜ｙminの場合、  ｘref＝ｘ，ｙref＝ｙmin＋ｂ  （例えばｂ＝５ｍｍ）
ｙ＞ｙmaxの場合、  ｘref＝ｘ，ｙref＝ｙmax−ｃ  （例えばｃ＝５ｍｍ）
を復帰制御処理器に出力する。
復帰制御処理器では、上記の位置指令値ｘref，ｙrefに基づき、対応する可動アーム３２２の回転角度の指令値θref及び並進距離の指令値ｄrefを算出し、各駆動モータ３２４,３２５,３６４にこのθref及びｄrefに対応するモータ駆動指令値を出力する。これにより、可動アーム３２２の先端３１４が可動範囲内に復帰する。
なお、この場合、比較処理器３６６ｂは制限制御手段のうち、アームが制限領域内にあるかどうかを判定する判定手段のみを構成し、復帰制御処理器が復帰駆動信号を出力する復帰駆動手段を構成することとなる。また、復帰制御処理器を設けず、サーボ制御処理器３６６ｃにこの機能を持たせてもよい。
【００８４】
（ii）停止指令を出す構成
例えば、比較処理器３６６ｂからの指令を受け停止制御を行う停止制御処理器を別途設けるものである。すなわち、比較処理器３６６ｂにおいて、ｘ及びｙが、（１３）式（１４）式の３つの条件のうちいずれか１つでも満たしていないことが判明した場合は、比較処理器３６６ｂは、各駆動モータ３２４,３２５,３６４の位置指令値θref，ｄrefとして、角度センサによって検出された回転角度θ,ｄを出力する。
【００８５】
停止制御処理器では、上記の位置指令値θref，ｄrefに基づき、各駆動モータ３２４,３２５,３６４にこのθref及びｄrefに対応するモータ駆動指令値を出力する。これに応じて各駆動モータ３２４,３２５,３６４は現在位置に停止する。なお、この場合、比較処理器３６６ｂは制限制御手段のうち、アームが制限領域内にあるかどうかを判定する判定手段のみを構成し、停止制御処理器がアームを停止させる信号を出力する停止位置指令手段を構成することとなる。また、停止制御処理器を設けず、サーボ制御処理器３６６ｃにこの機能を持たせてもよい。
【００８６】
また、上記第３の実施例においても、第２の実施例と同様、可動アーム３２２の先端３１４が可動範囲外にあると判定された場合、そのことを被訓練者Ｖに警告する保持アーム状態警告器を設けてもよく、この場合も同様の効果を得る。
【００８７】
【発明の効果】
本発明によれば、一連のアームの全動作中を通じ、検出手段による検出結果と領域設定手段による制限領域設定とに従って、制限制御手段で領域制限制御が行われるので、たとえ使用者等が誤操作したり、あるいは故障によりアームが誤動作した場合であっても、アームは制限領域外において動作することはない。よって、アーム先端が例えばアーム支持手段・環状ベルト・設置された部屋の壁面・床面に接近し過ぎて使用者等が狭い空間で無理な体勢・不自然な姿勢となったり、アーム先端が上方へ移動し過ぎて使用者の身体が浮いて不自然な体勢となったりすることが防止される。よって、使用者等の肉体的な負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の対象となる歩行訓練装置の介助アーム装置の詳細構造を表す側面図である。
【図２】図１に一部を示した歩行訓練装置の全体構成を示す概念図である。
【図３】図２に示した歩行訓練装置に備えられた歩行面装置の詳細構造を示す概念図である。
【図４】図３に示した歩行面装置を制御する歩行面制御部による制御内容を表すブロック図である。
【図５】図１に示した回転機構の詳細構造を示す断面図である。
【図６】図１に示した長従動リンクの詳細構造を示す側面図である。
【図７】図１に示された保持機構に備えられた把持部近傍の詳細構造を表す側面図である。
【図８】アーム制御部による制御内容を表すブロック図である。
【図９】介助アーム装置の可動リンク機構と、回転機構の回転軸位置を原点とする基準座標系との関係を簡略化して示した説明図である。
【図１０】図８に示されたサーボ制御処理器におけるサーボ制御の詳細を表すブロック図である。
【図１１】介助アーム装置の動作挙動の例を示す概念図である。
【図１２】本発明の第２の実施例によるアーム制御部による制御内容を表すブロック図である。
【図１３】本発明の第３の実施例の対象となる歩行補助装置の全体構成を示す概念図である。
【図１４】図１３に示された歩行補助装置に備えられた保持アーム制御装置による制御内容を表すブロック図である。
【図１５】保持アーム装置の可動アームと、回転軸の位置を原点とする基準座標系との関係を簡略化して示した説明図である。
【図１６】図１５で示した基準座標上における歩行補助装置と可動範囲の設定値との関係を示した概念図である。
【図１７】図１４に示されたサーボ制御処理器におけるサーボ制御の詳細を表すブロック図である。
【符号の説明】
１          歩行訓練装置
２          介助アーム装置
２Ａ        可動リンク機構
２Ｂ        回転機構部
２Ａａ      縦駆動リンク
２Ａｂ      横駆動リンク
２Ａｃ      短従動リンク
２Ａｄ      長従動リンク
２Ｃ        回転可能な節
２Ｄ        回転可能な節
２Ｅ        回転可能な節
２Ｆ        保持機構
３          カバー（アーム支持手段）
４          歩行面装置
４Ａ        歩行面（環状ベルト）
５          制御装置
５Ａ        アーム制御部（アーム駆動制御装置）
５Ａａ      先端位置算出器
５Ａｂ      比較処理器（判定手段）
１５        アーム状態警告器（警告手段）
５０        ＣＲＴ
５１        計算機
５２        キーボード（領域設定手段）
７６Ａ      左回転指示部（駆動停止手段）
７６Ｂ      右回転指示部（駆動停止手段）
８４        長従動リンクの先端
３２０      歩行補助装置
３２１      保持アーム
３２２      可動アーム
３２４      並進用駆動モータ
３２５      回転用駆動モータ
３６４      回転用駆動モータ
３６６      保持アーム制御装置（アーム駆動制御装置）
３６６Ａ    距離センサ（センサ）
３６６ａ    先端位置算出器
３６６ｂ    比較処理器（制限制御手段）
３６９      カバー
Ｌ1         長従動リンクの先端とカバーとの間の距離の最小値（第１の所定値）
Ｌ2         長従動リンクの先端と歩行面との間の距離の最小値（第２の所定値）
Ｌ3         長従動リンクの先端の歩行面からの高さの最大値（第３の所定値）
Ｔ1         可動アームの先端と壁面との間の距離の最大値（第４の所定値）
Ｔ2         可動アームの先端と歩行補助装置が設置される床面との間の距離の最小値（第５の所定値）
Ｔ3         可動アームの先端の床面からの高さの最大値（第６の所定値）
Ｕ          被訓練者
Ｖ          被補助者
【図１】
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【図２】
0003710511.tif 000004
【図３】
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【図４】
0003710511.tif 000006
【図５】
0003710511.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003710511.tif 000015
【図１４】
0003710511.tif 000016
【図１５】
0003710511.tif 000017
【図１６】
0003710511.tif 000018
【図１７】
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