(57)【要約】【課題】  立位が維持できない患者であっても座位にて下肢筋力を鍛えることが可能な座位歩行訓練機のオムニホイールにより駆動する対象に対して、訓練者の姿勢や座り方の変化で生じた重心位置の変化による経路追従誤差を軽減するための座位歩行訓練機の適応制御法を提供するものである。【解決手段】  要訓練者の質量と座位歩行訓練機の質量と重心位置における慣性モーメントによる座位歩行訓練機の運動エネルギーと、座位歩行訓練機と訓練者による全体の重心位置と座位歩行訓練機の中心位置の違いと、各オムニホイールに加わる力の関係に基づいて座位歩行訓練機を制御し、訓練者の影響を受けるために未知数である値を計算し、推定パラメータとして利用し、リアプノフの安定定理により座位歩行訓練機適応制御の安定性を証明する。【選択図】図３
2014136151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
座位歩行訓練機のオムニホイールにより駆動する対象に対して、訓練者の重心は姿勢や座り方で変化するため、座位歩行訓練機と訓練者による全体の重心もそれに伴い変化し、その結果、各車輪への質量配分が変化し、必要とする動力に違いが発生することで生じている経路追従誤差を軽減させる座位歩行訓練機の適応制御法。
【請求項２】
前記制御法が、座位歩行訓練機と訓練者による全体の重心位置と座位歩行訓練機の中心位置の違いを考慮することを特徴とする請求項１記載の座位歩行訓練機の適応制御法。
【請求項３】
前記制御法が、要訓練者の質量と座位歩行訓練機の質量と重心位置における慣性モーメントによる座位歩行訓練機の運動エネルギーと、各オムニホイールに加わる力の関係に基づくことを特徴とする請求項１と請求項２いずれかに記載の座位歩行訓練機の適応制御法。
【請求項４】
前記制御法が、訓練者の影響を受けるために未知数である値を計算し、推定パラメータとすることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の座位歩行訓練機の適応制御法。
【請求項５】
前記制御法が、リアプノフの安定定理によりその安定性を証明し、すなわち本制御法を用いて座位歩行訓練機を制御することで、経路追従誤差を零に収束することが可能であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の座位歩行訓練機の適応制御法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、立位が維持できない患者であっても座位にて下肢筋力を鍛えることが可能な座位歩行訓練機に対して、要訓練者の変化する姿勢や座り方の影響を考慮する座位歩行訓練機の適応制御法に関する。
【背景技術】
【０００２】  超高齢社会である日本では、加齢による老化や事故、病気により歩行障害を患う人が増加している。彼らに対してリハビリテーションを行うことにより、歩行障害からの回復や改善が期待できる。現在のリハビリテーションは、治療期間の目安となる診療報酬の標準的算定日数が疾患別に設けられており、医師の判断により標準的算定日数後も同様に算定できるが、リハビリテーションを行う期間、時間が決められている。そのため、早期回復が期待できる手術直後からの早期リハビリテーションやより効果的なリハビリテーションが望まれている。そこで、効果的なリハビリテーションを行い、かつ介護者の肉体的・精神的負担が軽減できる様々な訓練器具や訓練機が研究開発、販売されている。【０００３】  現在の歩行リハビリテーションにおいては、手術直後の寝たきり状態から自立歩行可能となるまで、段階的に様々な訓練が行われている。ベッド上訓練や起立訓練、歩行訓練などである。これら各訓練において共通している重要なことは下肢筋力を鍛えることである。しかし、現在の歩行訓練器具や訓練機の多くは立位を維持し訓練を行うため、下肢筋力が弱く立位が維持できない患者は使用できない。そこで、我々は立位が維持できない患者であっても座位にて下肢筋力を鍛えることが可能な座位歩行訓練機を開発している。座位歩行訓練機による訓練を行うことで、早期から下肢筋力を鍛え早期回復に繋がることを期待している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  しかし、開発している座位歩行訓練機には訓練者の重心位置が主な原因として考えられる経路追従誤差が生じている。経路追従誤差は理学療法士に決められた訓練経路の効果や訓練者自身が操作する際の操作性に影響する問題である。【０００５】  本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであって、座位歩行訓練機のオムニホイールにより駆動する対象に対して、重心位置の変化による経路追従誤差を軽減するための座位歩行訓練機の適応制御法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  請求項１に係る発明は、訓練者の重心は姿勢や座り方で変化するため、座位歩行訓練機と訓練者による全体の重心もそれに伴い変化し、その結果、各車輪への質量配分が変化し、必要とする動力に違いが発生することで生じている経路追従誤差を軽減させることを特徴とする座位歩行訓練機の適応制御法に関する。【０００７】  請求項２に係る発明は、前記制御法が、座位歩行訓練機と訓練者による全体の重心位置と座位歩行訓練機の中心位置の違いを考慮することを特徴とする請求項１記載の座位歩行訓練機の適応制御法に関する。【０００８】  請求項３に係る発明は、前記制御法が、要訓練者の質量と座位歩行訓練機の質量と重心位置における慣性モーメントによる座位歩行訓練機の運動エネルギーと、各オムニホイールに加わる力の関係に基づくことを特徴とする請求項１と請求項２いずれかに記載の座位歩行訓練機の適応制御法に関する。【０００９】  請求項４に係る発明は、前記制御法が、訓練者の影響を受けるために未知数である値を計算し、推定パラメータとすることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の座位歩行訓練機の適応制御法に関する。【００１０】  請求項５に係る発明は、前記制御法が、リアプノフの安定定理によりその安定性を証明し、すなわち本制御法を用いて座位歩行訓練機を制御することで、経路追従誤差を零に収束することが可能であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の座位歩行訓練機の適応制御法に関する。
【発明の効果】
【００１１】  本発明の座位歩行訓練機の適応制御法によれば、立位が維持できない患者であっても座位にて下肢筋力を鍛えることが可能であり、訓練者の姿勢や座り方の変化で生じた重心位置の変化による経路追従誤差を軽減させることができるため、理学療法士に決められた訓練経路の効果や訓練者自身が操作する際の操作性に影響する問題を解決する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の座位歩行訓練機の例を示す図である。
【図２】本発明の座位歩行訓練機のモデルを示す図である。
【図３】本発明の座位歩行訓練機の適応制御法のブロック線図を示す図である。
【図４】１００秒までのｘ方向とｙ方向と姿勢角度の目標軌道との誤差を示す図である。
【図５】１０００秒までのｘ軸方向とｙ軸方向と姿勢角度の目標軌道との誤差を示す図である。
【図６】１０００秒までの各推定値の結果を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】  以下、本発明に係る座位歩行訓練機の適応制御法の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。【００１４】  座位歩行訓練機を図１に示す。３輪のオムニホイールにより駆動し、全方向移動が可能である。また、ジョイスティックを用いることで要訓練者による操作が可能である。そのため、狭い室内でも移動可能であり、訓練場所までの移動機器としての利用も可能である。座位歩行訓練機を用いた下肢筋力の訓練は、理学療法士が要訓練者の容態に合わせて訓練内容を決定して行う。要訓練者は、座位歩行訓練機に座りながら操作しつつ足を動かす訓練と、要訓練者自身の力のみにより座位歩行訓練機を動かす訓練で、下肢筋力を鍛える。【００１５】  図１に示す状態を初期形態として、座位歩行訓練機のモデルを図２に示す。ただし、図を見やすくするため。各オムニホイールに関係する記号を図中では一部省略している。また、重心位置は座位歩行訓練機と訓練者との全体の重心位置とする。図２のモデルにより、座位歩行訓練機の中心位置と各オムニホイールの逆運動学式は式（１）と表せる。
2014136151.tif 000003
ただし、
2014136151.tif 000004
また、座位歩行訓練機の重心位置と各オムニホイールの逆運動学式は式（２）と表せる。
2014136151.tif 000005
ただし、
2014136151.tif 000006
そして、式（１）、（２）より中心位置と重心位置の関係式は式（３）と表せる。
2014136151.tif 000007
また、式（３）においてＡを計算すると以下の式（４）となる。
2014136151.tif 000008
更に、式（４）を微分すると以下の式（５）となる。
2014136151.tif 000009
【００１６】  要訓練者の質量をＭ、座位歩行訓練機の質量をｍ、重心位置における慣性モーメントをＩＧとおくと、座位歩行訓練機の運動エネルギーは式（６）と表せる。
2014136151.tif 000010
また、ラグランジュ運動方程式を式（６）に示す。
2014136151.tif 000011
式（３）、（６）、（７）より中心位置での座位歩行訓練機の運動方程式は、各オムニホイールに加わる力をそれぞれＦ１、Ｆ２、Ｆ３とおくと式（８）と表せる。
2014136151.tif 000012
ただし、
2014136151.tif 000013
【００１７】  座位歩行訓練機の動力学式である式（８）において、式（４）、（５）より訓練者の影響を受けるために未知数である値を計算し、推定パラメータαとする。計算結果及びαについて式（９）、（１０）、（１１）に示す。
2014136151.tif 000014
制御アルゴリズムを式（１２）、適応アルゴリズムを式（１３）制御アルゴリズムを式（１３）、適応アルゴリズムを式（１２）に示す。ここで、ＸｄはＸＣの目標値であり、Ｅは単位行列である。
2014136151.tif 000015
ただし、
2014136151.tif 000016
λ、Ｋ、Γはそれぞれ３次、３次、６次の正定行列を満たす制御パラメータである。【００１８】  リアプノフの安定定理により本制御法の安定性を証明する。リアプノフ関数は式（１４）とした。
2014136151.tif 000017
ただし、
2014136151.tif 000018
2014136151.tif 000019
このとき、リアプノフ関数の時間微分は式（８）、（１２）、（１３）により式（１５）となる。
2014136151.tif 000020
2014136151.tif 000021
で示した適応制御アルゴリズムを用いて座位歩行訓練機を制御することで、経路追従誤差を零に収束することが可能である。適応制御のブロック線図を図３に示す。【００１９】  式（１２）、（１３）で示した適応制御アルゴリズムの有効性を検証するためにシミュレーションを行った。シミュレーションでは要訓練者が乗らず重心位置が中心位置にある場合と要訓練者が乗り重心位置が中心位置とは異なる場合の２パターン行った。その際のパラメータをＴａｂｌｅ１に示す。なお、重心位置については座位歩行訓練機上の位置であり、座位歩行訓練機の回転により変化するため、シミュレーション開始時における位置を示した。制御パラメータλ、Ｋ、Γ及び推定パラメータαにおける初期値は重心位置の変化がない場合に調整を行った。その結果をＴａｂｌｅ２に示す。
2014136151.tif 000022
2014136151.tif 000023
また、座位歩行訓練機の初期位置を式（１６）に示す。
2014136151.tif 000024
時間ｔにおける目標軌道は円軌道とし、式（１７）に示す。
2014136151.tif 000025
【００２０】  １００秒までのシミュレーション結果についてｘ方向、ｙ方向、姿勢角度の目標軌道との誤差における結果を図４に示す。また、１０００秒までのシミュレーション結果についてｘ方向、ｙ方向、姿勢角度の目標軌道との誤差における結果を図５に示す。図５より時間が経つと角度に関しては荷重の有無に関わらず収束しているが、ｘ軸方向、ｙ軸方向の誤差は一定の振幅で生じている。これは、円軌道のため常に進行方向が変化し誤差が変化する中で、適応し収束しようとはするものの適応値が誤差によって変化するため、誤差が少なからず生じた後適応していくためだと考えられる。従って、予見制御のようにあらかじめ変化を見越した操作量の変化を行わない限り、このような誤差が生じてしまうと考えられる。また、２００秒付近よりｘ軸方向、ｙ軸方向の誤差の振幅が増加する原因として、角度の誤差に対する補正の方が強い事が考えられる。そのため、角度の誤差は収束し、代わりとしてｘ軸方向、ｙ軸方向に誤差が少し多く生じたと考えられる。その他、誤差の周期は円軌道を描く周期と一致しているため、振幅は制御パラメータの値によって増減する事が考えられる。実際に用いる場合、誤差については、角度の誤差は操作性や安心感に大きく影響するが、位置の誤差は小さければ特に問題ないと思われる。そのため、この制御法でも充分実用できると考えられる。また、１０００秒までの各推定値のシミュレーション結果を図６に示す。
【図１】
2014136151.tif 000026
【図２】
2014136151.tif 000027
【図３】
2014136151.tif 000028
【図４】
2014136151.tif 000029
【図５】
2014136151.tif 000030
【図６】
2014136151.tif 000031
【図７】
2014136151.tif 000032
【手続補正書】
【提出日】平成25年4月11日(2013.4.11)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
【図１】本発明の座位歩行訓練機の例を示す図である。
【図２】本発明の座位歩行訓練機のモデルを示す図である。
【図３】本発明の座位歩行訓練機の適応制御法のブロック線図を示す図である。
【図４】１００秒までのｘ方向とｙ方向と姿勢角度の目標軌道との誤差を示す図である。
【図５】１０００秒までのｘ軸方向とｙ軸方向と姿勢角度の目標軌道との誤差を示す図である。
【図６】１０００秒までの各推定値の結果を示す図である。
【図７】目標軌道と荷重の有無による経路追従誤差の詳細を示す図である。