(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被訓練者の歩行面を環状ベルトで構成した歩道手段と、前記環状ベルトの走行を制御する手段とを備えた歩行訓練装置において、前記歩道手段の負荷特性を設定する手段と、前記負荷特性と共に用いられる前記環状ベルトの変位又は加速度を検出する手段と、前記負荷特性と前記変位又は加速度とを用いて前記歩道手段の制御則を演算する手段とを備えることを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項２】
被訓練者の歩行面を環状ベルトで構成した歩道手段と、前記環状ベルトの走行を制御する手段とを備えた歩行訓練装置において、前記歩道手段の負荷特性を設定する手段と、前記負荷特性と共に用いられる前記環状ベルトの走行速度を検出する手段と、前記負荷特性と前記速度とを用いて前記歩道手段の制御則を演算する手段と、前記環状ベルトの変位及び加速度を検出する手段とを備えることを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項３】
請求項１に記載の歩行訓練装置において、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記環状ベルトの速度、変位又は加速度のうち、未検出の物理量を演算する手段を備えたことを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の歩行訓練装置において、前記加速度の代わりに、前記環状ベルトの張力を検出することを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の歩行訓練装置において、前記負荷特性が、前記歩道手段の実質的な等価質量、等価減衰係数又は等価ばね定数を変更する所望の特性値であることを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれかに記載の歩行訓練装置において、前記演算手段が、前記歩道手段の駆動によって前記駆動手段に生じる抵抗力を用いて、前記制御則を演算することを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項７】
被訓練者の歩行面を環状ベルトで構成した歩道手段と、前記環状ベルトの走行を制御する手段とを備えた歩行訓練装置において、前記歩道手段に所望の等価質量ｍd 、等価減衰係数ｃd 及び等価ばね定数ｋd の各負荷特性を設定する手段と、前記各負荷特性と共に用いられる前記環状ベルトの走行速度(dｘ／dｔ)を検出する手段と、前記速度から前記環状ベルトの加速度(d2ｘ／dｔ2)と変位ｘとを演算すると共に、前記各負荷特性と前記速度、加速度及び変位とを用いて前記歩道手段の制御則
0003584506.tif 000008
但し、  ｍa ：歩道手段の等価質量
ｃa ：歩道手段の等価減衰係数
ｋa ：歩道手段の等価ばね定数
ｆf ：歩行面の駆動機構がもっている抵抗力
ｆu ：歩道手段の駆動力
ｘ ：環状ベルトの変位
に基づいて駆動力ｆu を演算する手段と、を備え、前記駆動力に基づいて、前記環状ベルトを駆動することを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項８】
被訓練者の歩行面を環状ベルトで構成した歩道手段と、前記環状ベルトの走行を制御する手段とを備えた歩行訓練装置において、前記歩道手段に所望の等価質量ｍd 、等価減衰係数ｃd 及び等価ばね定数ｋd の各負荷特性を設定する手段と、前記各負荷特性と共に用いられる前記環状ベルトの走行速度(dｘ／dｔ)を検出する手段と、前記環状ベルトに作用する外力Ｆを検出する手段と、前記速度から前記環状ベルトの変位ｘを演算すると共に、前記各負荷特性と前記速度、変位及び外力とを用いて前記歩道手段の制御則
0003584506.tif 000009
α＝ｍa／ｍd
ｍa ：歩行路面の機構の等価質量
ｃa ：歩行路面の機構の等価減衰係数
ｋa ：歩行路面の機構の等価ばね定数
Ｆ ：ベルトに作用する外力
ｆf ：歩行路面の駆動機構がもっている抵抗力
ｆu ：駆動手段の駆動力
ｘ ：環状ベルトの変位
に基づいて駆動力ｆu を演算する手段と、を備え、前記駆動力に基づいて、前記環状ベルトを駆動することを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の歩行訓練装置において、被訓練者の進行方向逆向きに前記歩行面を微少時間駆動する手段を備えたことを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項１０】
被訓練者の歩行面を環状ベルトで構成した歩道手段と、前記環状ベルトの走行を制御する手段とを備えた歩行訓練装置の制御方法において、前記歩道手段の負荷特性を設定し、前記負荷特性と共に用いられる前記環状ベルトの変位又は加速度を検出し、前記負荷特性と前記変位又は加速度とを用いて前記歩道手段の制御則を演算することを特徴とする歩行訓練装置の制御方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の歩行訓練装置の制御方法において、前記速度の他に、前記環状ベルトの変位及び加速度を検出することを特徴とする歩行訓練装置の制御方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の歩行訓練装置の制御方法において、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記環状ベルトの速度、変位又は加速度のうち、未検出の物理量を演算することを特徴とする歩行訓練装置の制御方法。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２のいずれかに記載の歩行訓練装置の制御方法において、前記加速度の代わりに、前記環状ベルトの張力を検出することを特徴とする歩行訓練装置の制御方法。
【請求項１４】
請求項１０乃至１２のいずれかに記載の歩行訓練装置の制御方法において、前記負荷特性が、前記歩道手段の実質的な等価質量、等価減衰係数又は等価ばね定数を変更する所望の特性値であることを特徴とする歩行訓練装置の制御方法。
【請求項１５】
請求項１０乃至１２のいずれかに記載の歩行訓練装置において、前記制御則の演算を、前記歩道手段の駆動によって前記駆動手段に生じる抵抗力を用いて行うことを特徴とする歩行訓練装置の制御方法。
【請求項１６】
被訓練者の歩行面を環状ベルトで構成した歩道手段と、前記環状ベルトの走行を制御する手段とを備えた歩行訓練装置の制御方法において、前記歩道手段に所望の等価質量ｍd 、等価減衰係数ｃd 及び等価ばね定数ｋd の各負荷特性を設定し、前記各負荷特性と共に用いられる前記環状ベルトの走行速度(dｘ／dｔ)を検出し、前記速度から前記環状ベルトの加速度(d2ｘ／dｔ2)と変位ｘとを演算すると共に、前記各負荷特性と前記速度、加速度及び変位とを用いて前記歩道手段の制御則
0003584506.tif 000010
但し、  ｍa ：歩道手段の等価質量
ｃa ：歩道手段の等価減衰係数
ｋa ：歩道手段の等価ばね定数
ｆf ：歩行面の駆動機構がもっている抵抗力
ｆu ：歩道手段の駆動力
ｘ ：環状ベルトの変位
に基づいて駆動力ｆu を演算し、前記駆動力に基づいて前記環状ベルトを駆動することを特徴とする歩行訓練装置の制御方法。
【請求項１７】
被訓練者の歩行面を環状ベルトで構成した歩道手段と、前記環状ベルトの走行を制御する手段とを備えた歩行訓練装置の制御方法において、前記歩道手段に所望の等価質量ｍd 、等価減衰係数ｃd 及び等価ばね定数ｋd の各負荷特性を設定し、前記各負荷特性と共に用いられる前記環状ベルトの走行速度(dｘ／dｔ)と、前記環状ベルトに作用する外力Ｆとを検出し、前記速度から前記環状ベルトの変位ｘを演算すると共に、前記各負荷特性と前記速度、変位及び外力とを用いて前記歩道手段の制御則
0003584506.tif 000011
α＝ｍa／ｍd
ｍa ：歩行路面の機構の等価質量
ｃa ：歩行路面の機構の等価減衰係数
ｋa ：歩行路面の機構の等価ばね定数
Ｆ ：ベルトに作用する外力
ｆf ：歩行路面の駆動機構がもっている抵抗力
ｆu ：駆動手段の駆動力
ｘ ：環状ベルトの変位
に基づいて駆動力ｆu を演算し、前記駆動力に基づいて前記環状ベルトを駆動することを特徴とする歩行訓練装置の制御方法。
【請求項１８】
請求項１０乃至１７のいずれかに記載の歩行訓練装置の制御方法において、被訓練者の進行方向逆向きに前記歩行路面を微少時間駆動することを特徴とする歩行訓練装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、歩行機能の維持または回復を必要とする被訓練者のための歩行訓練装置とその制御方法に関する。
【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策として、歩行訓練がある。
【０００３】
歩行訓練の方法には、
（イ）平行に渡した２本の手すりの間を「つかまり歩き」で往復する
（ロ）訓練施設内の手すりをガイドにして歩行する
などの方法があるが、これらは長距離の歩行訓練にはスペースを要する方法である。
【０００４】
スペースを要さずに長距離の歩行ができる方法としては、設定した速度で運動するベルト状の歩行路面を備えた、トレッドミルと呼ばれる訓練装置がある。しかし、前記訓練装置は、訓練時における訓練者の筋力または脚力に応じて、前記歩行路面の速度を制御するようにはなっていなかった。
【０００５】
前記訓練装置に対して、歩行中にその歩行路面の速度を制御するようにした訓練装置としては、特開昭６２−２５８６８４号公報や、特開昭６３−３０９２８０号公報に開示されたものがある。
【０００６】
特開昭６２−２５８６８４号公報に開示された歩行器は、歩行者の足の動きを検出するセンサと、タイマー手段と、演算手段と、歩行路面となるエンドレスベルトの駆動制御手段とを備え、踏み込み足が歩行路面から離れて再び接するまでの前記歩行路面に対する前記踏み込み足の相対的な位置変化から、歩行者の歩行速度を演算し、前記歩行速度に追随するようにエンドレスベルトを駆動制御するというものである。
【０００７】
また、特開昭６３−３０９２８０号公報に開示された歩行・走行訓練装置は、被訓練者の前方に被訓練者の位置検出手段を設け、被訓練者の位置の変化に基づいて、歩行路面となる無端ベルトの走行速度を制御するというものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述した各公報に開示された訓練装置においては、歩行訓練装置上での被訓練者の位置ずれに基づいて、歩行路面となるベルトの走行速度を制御しており、被訓練者が前記歩行路面または前記歩行路面が構成される歩行手段から受ける負荷を設定する手段または方法については、十分に配慮されていなかった。従って、被訓練者に対して、例えば歩行機能の回復状態に応じた適切な負荷を与えることができなかった。
【０００９】
また、設定した速度で運動するベルト状の歩行路面を備えたトレッドミルは、その設定速度を加減することによって、前記負荷を変更することが可能であるが、被訓練者は必ずしも歩行路面に対して蹴る力を作用させる必要がないため、被訓練者に対して適切な負荷を与えることができなかった。
【００１０】
さらに、歩行路面となるベルトに摩擦力等で抵抗力を付与し、被訓練者に対して負荷を与える訓練器具も存在するが、このような器具では、前記ベルトの走行部が有している抵抗力等の影響から、前記負荷を小さくすることに限界があった（極端には、ゼロに設定することができない）。この場合、脚力の非常に衰えた、例えば、訓練初期の被訓練者には過負荷となり、歩行路面を駆動することができないという問題があった。また、このような器具では、前記摩擦力や走行部の抵抗力等が変化するため、一定の負荷を与えることが困難であったり、微細な調整を行うことができない等の問題も有している。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、被訓練者が歩道手段より受ける負荷を自在に設定でき、設定した負荷のもとで被訓練者が望む歩行速度で歩行訓練を行うことができる歩行訓練装置またはその制御方法を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、前記負荷を、非常に小さい範囲から自在に設定可能な歩行訓練装置またはその制御方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を達成するために、本発明の歩行訓練装置は、被訓練者の歩行面を成すように動作する歩道手段と、前記歩行面の動作を制御する手段とを備えた歩行訓練装置において、前記歩道手段の負荷特性を設定する手段と、前記負荷特性と共に用いられる物理量を前記歩道手段から検出する手段と、前記負荷特性と前記物理量とを用いて前記歩道手段の制御則を演算する手段とを備えたものである。
【００１４】
ここで、負荷特性とは、前記制御手段（制御系）から見た前記歩道手段の負荷特性であり、前記歩道手段機構系の機械的な特性を表すものである。例えば、前記歩道手段機構系をばね−マス−ダンパ系としてモデル化したときは、前記制御系から見た前記機構系の等価質量、等価減衰係数、等価ばね定数等である。
【００１５】
本発明が用いる前記物理量としては、前記歩行面の動作速度、加速度又は変位等が挙げられ、これらを１つ又は複数を組み合わせて用いる。前記歩行面が走行する手段によるときは、前記物理量は前記歩行面の走行速度、加速度又は変位であり、前記歩行面が回転体によって構成されれば、角速度、角加速度又は角度である。
【００１６】
また、被訓練者の歩行面を成すように動作する歩道手段と、前記歩行面の動作を制御する手段とを備えた歩行訓練装置において、前記歩道手段の負荷特性を設定する手段と、前記負荷特性と共に用いられる前記歩行面の動作速度を検出する手段と、被訓練者によって前記歩行面に及ぼされる外力を検出する手段と、前記負荷特性、前記速度及び外力を用いて前記歩道手段の制御則を演算する手段とを備えたものである。
【００１７】
さらに、本発明の歩行訓練装置において、前記演算手段が、前記歩道手段の駆動によって前記駆動手段に生じる抵抗力を用いて、前記制御則を演算するようにしたものである。
【００１８】
また、本発明の歩行訓練装置は、被訓練者の歩行面を環状ベルトで構成した歩道手段と、前記環状ベルトの走行を制御する手段とを備えた歩行訓練装置において、前記歩道手段に所望の等価質量ｍｄ  、等価減衰係数ｃｄ  及び等価ばね定数ｋｄ  の各負荷特性を設定する手段と、前記各負荷特性と共に用いられる前記環状ベルトの走行速度（ｄｘ／ｄｔ）を検出する手段と、前記速度から前記環状ベルトの加速度（ｄ２ｘ／ｄｔ２）と変位ｘとを演算すると共に、前記各負荷特性と前記速度、加速度及び変位とを用いて前記歩道手段の制御則
0003584506.tif 000002
但し、ｍａ  ：歩道手段の等価質量
ｃａ  ：歩道手段の等価減衰係数
ｋａ  ：歩道手段の等価ばね定数
ｆｆ  ：歩行面の駆動機構がもっている抵抗力
ｆｕ  ：歩道手段の駆動力
ｘ  ：環状ベルトの変位
に基づいて駆動力ｆｕ  を演算する手段とを備え、前記駆動力に基づいて前記環状ベルトを駆動するようにしたものである。
【００１９】
また、被訓練者の歩行面を環状ベルトで構成した歩道手段と、前記環状ベルトの走行を制御する手段とを備えた歩行訓練装置において、前記歩道手段に所望の等価質量ｍｄ  、等価減衰係数ｃｄ  及び等価ばね定数ｋｄ  の各負荷特性を設定する手段と、前記各負荷特性と共に用いられる前記環状ベルトの走行速度（ｄｘ／ｄｔ）を検出する手段と、前記環状ベルトに作用する外力Ｆを検出する手段と、前記速度から前記環状ベルトの変位ｘを演算すると共に、前記各負荷特性と前記速度、変位及び外力とを用いて前記歩道手段の制御則
0003584506.tif 000003
但し、α＝ｍａ／ｍｄ
ｍａ  ：歩行路面の機構の等価質量
ｃａ  ：歩行路面の機構の等価減衰係数
ｋａ  ：歩行路面の機構の等価ばね定数
ｆｆ  ：歩行路面の駆動機構がもっている抵抗力
ｆｕ  ：駆動手段の駆動力
ｘ  ：環状ベルトの変位
に基づいて駆動力ｆｕ  を演算する手段とを備え、前記駆動力に基づいて前記環状ベルトを駆動するようにしたものである。
【００２０】
また、本発明の歩行訓練装置の制御方法は、被訓練者の歩行面を成すように動作する歩道手段と、前記歩行面の動作を制御する手段とを備えた歩行訓練装置の制御方法において、前記歩道手段の負荷特性を設定し、前記負荷特性と共に用いられる物理量を前記歩道手段から検出し、前記負荷特性と前記物理量とを用いて前記歩道手段の制御則を演算するようにしたものである。
【００２１】
本発明の制御方法における前記物理量も、前述したようなものが用いられる。
【００２２】
また、本発明の歩行訓練装置の制御方法は、被訓練者の歩行面を成すように動作する歩道手段と、前記歩行面の動作を制御する手段とを備えた歩行訓練装置の制御方法において、  前記歩道手段の負荷特性を設定し、前記負荷特性と共に用いられる前記歩行面の動作速度と、被訓練者によって前記歩行面に及ぼされる外力とを検出し、前記負荷特性、前記速度及び外力を用いて前記歩道手段の制御則を演算するようにしたものである。
【００２３】
さらに、本発明の歩行訓練装置の制御方法において、前記制御則の演算を、前記歩道手段の駆動によって前記駆動手段に生じる抵抗力を用いて、行うようにしたものである。
【００２４】
また、被訓練者の歩行面を環状ベルトで構成した歩道手段と、前記環状ベルトの走行を制御する手段とを備えた歩行訓練装置の制御方法において、前記歩道手段に所望の等価質量ｍｄ  、等価減衰係数ｃｄ  及び等価ばね定数ｋｄ  の各負荷特性を設定し、前記各負荷特性と共に用いられる前記環状ベルトの走行速度（ｄｘ／ｄｔ）を検出し、前記速度から前記環状ベルトの加速度（ｄ２ｘ／ｄｔ２）と変位ｘとを演算すると共に、前記各負荷特性と前記速度、加速度及び変位とを用いて前記歩道手段の制御則
0003584506.tif 000004
に基づいて駆動力ｆｕ  を演算し、前記駆動力に基づいて前記環状ベルトを駆動するようにしたものである。
【００２５】
また、被訓練者の歩行面を環状ベルトで構成した歩道手段と、前記環状ベルトの走行を制御する手段とを備えた歩行訓練装置の制御方法において、前記歩道手段に所望の等価質量ｍｄ  、等価減衰係数ｃｄ  及び等価ばね定数ｋｄ  の各負荷特性を設定し、前記各負荷特性と共に用いられる前記環状ベルトの走行速度（ｄｘ／ｄｔ）と、前記環状ベルトに作用する外力Ｆとを検出し、前記速度から前記環状ベルトの変位ｘを演算すると共に、前記各負荷特性と前記速度、変位及び外力とを用いて前記歩道手段の制御則
0003584506.tif 000005
に基づいて駆動力ｆｕ  を演算し、前記駆動力に基づいて前記環状ベルトを駆動するようにしたものである。
【００２６】
【作用】
被訓練者は歩道手段の歩行面上で歩行訓練を行う。このとき、本発明においては、前記歩道手段の負荷特性を変更するための設定手段を設けて、前記歩道手段から被訓練者が受ける負荷を変更可能な構成にしている。この設定は訓練毎に行うようにしても良いが、予め様々な負荷特性のパターンに応じたデータの組合せを用意し、データベースで管理するようにしても良い。
【００２７】
前記負荷特性の変更は、例えば、前記歩道手段の機構系をモデル化したときの実質的な等価質量、等価減衰係数又は等価ばね定数等に対する、所望の等価質量、等価減衰係数又は等価ばね定数等を設定することによって行うことができる。
【００２８】
また、前記歩道手段の動作に基づく物理量は、前記制御則の演算に用いられる。前記物理量としては、一般的には、前記歩行面の動作速度、加速度又は変位等が挙げられ、前記制御則にはこれらの１つ又は複数が組み合わされて用いられる。
【００２９】
前記歩行面は一般的には環状ベルトで構成されることが多い。このとき、前記速度は、例えば、エンコーダによって検出可能であるが、前記環状ベルトの変位及び加速度は前記速度から演算によって求めることができる。この演算は前記制御則を演算する手段によって行うことができるが、別に演算手段を設けることも可能である。さらに、前記変位、加速度を検出するための個別の検出手段を設けてもよい。
【００３０】
また、前記加速度を検出又は演算する代わりに、被訓練者が前記歩行面に及ぼす外力を検出して用いることができる。前記歩行面として環状ベルトを用いる場合には、前記外力はベルトの張力から検出することができる。
【００３１】
演算手段は前述のように前記制御則を演算するほか、検出した物理量から他の物理量を演算して得るために使用される。演算速度等が問題であれば、演算手段を目的別に複数設けても良い。
【００３２】
以上を見方を変えて説明すれば、本発明では、前記歩道手段の動作を制御する制御則の演算において、歩道手段の機構が有する、補正された等価質量、等価減衰係数又は等価ばね定数等を用いる。補正された等価質量、等価減衰係数又は等価ばね定数等は、測定又は演算によって得られた前記歩行面の変位、速度、加速度と共に前記制御則の演算に用いられ、その結果に基づいて、前記歩道手段がフィードバック制御されることによって、被訓練者から見た歩道手段の負荷特性が変更される。
【００３３】
また、被訓練者が前記歩道手段に及ぼす外力を考慮されることにより、被訓練者が前記歩行面を蹴る力に応じた速度で運動する、受動的な歩行訓練装置を実現することができる。
【００３４】
本発明の歩行訓練装置は前述したように受動的であるため、訓練開始時に、まず被訓練者が歩道手段の歩行面を後方へ蹴る必要がある。このとき、脚力が非常に弱くなっている被訓練者は、前記歩道手段が有する摩擦力の他、前記歩道手段の駆動によってその駆動手段に生じる抵抗力のために、前記歩道手段を駆動することができない場合もありうる。そこで、前記摩擦力や抵抗力に関する情報を前記制御則に与え、制御系において前記抵抗力が相殺されるようにすれば、前記歩行面は非常に小さな力で、被訓練者の後方に移動するようになり、脚力が非常に弱くなっている被訓練者でも、容易に訓練を開始することができる。
【００３５】
また、被訓練者の歩行開始前に前記歩行路面を被訓練者の反進行方向に微小時間駆動することによって、被訓練者の歩行開始を促し、訓練開始を容易にすることができる。
【００３６】
【実施例】
以下本発明を実施例を図面に基づいて、より詳しく述べる。
【００３７】
図１は、本発明の歩行訓練装置１の全体的構成を示す見取図である。
【００３８】
図１に示したように、歩行訓練装置１は、歩道手段２、及び制御装置３から成る。制御装置３は、歩道手段２とケーブルで電気的に接続されている。起動スイッチ１３は、外部から歩道手段２を起動させるものであり、制御装置３とケーブルで電気的に接続されている。被訓練者Ｕの歩行訓練中には、介助者Ｓ（図示せず）が補助を行う。
【００３９】
歩道手段２は床面又は地上に固定されている。歩道手段２は、歩行面を持ち、この歩行面は、互いに独立に動く２本の環状ベルト６（左足用６Ａ、右足用６Ｂ）により構成される。
【００４０】
制御装置３は、ＣＲＴ３０、計算機３１、キーボード（マウス含む）３２より成る。
【００４１】
被訓練者Ｕは、歩道手段２の２本の環状ベルト６（左足用６Ａ、右足用６Ｂ）から成る歩道手段２の上に立ち、歩行を行う。訓練中は、被訓練者に事故がないように介助者が状態を監視するが、歩道手段２に手すりなどを設けておいても良い。
【００４２】
歩道手段２には、被訓練者の左右の足に対応した２本の環状ベルト６（左足用６Ａ及び右足用６Ｂ）とその回転に伴って環状ベルトの速度を検出する左足ベルト速度検出手段７Ａ、右足ベルト速度検出手段７Ｂ、被訓練者と環状ベルトの間に生じる張力を検出する左足ベルト張力検出手段８Ａ、右足ベルト張力検出手段８Ｂ、左右それぞれの環状ベルト６Ａ、６Ｂを駆動する駆動手段９Ａ、９Ｂ、環状ベルトの変位を検出する左足ベルト変位検出手段１１Ａ、右足ベルト変位検出手段１１Ｂ、環状ベルトの加速度を検出する左足ベルト加速度検出手段１２Ａ、右足ベルト加速度検出手段１２Ｂを含む左足、右足の歩行装置４、５が固設されている。
【００４３】
なお、歩行訓練装置１には補強材１０が接合されており、さらには床面に固定されており、被訓練者Ｕの身体が左右前後に揺れても動かない。
【００４４】
制御装置３の作用を、図２を用いて説明する。
【００４５】
図１では統括制御装置３をＣＲＴ３０、計算機３１、キーボード３２で構成した例としたが、これはシステム構成図であり、図２は機能本意の図である。
【００４６】
制御装置３は、設定手段３３、データベース３４、演算手段３５からなる。設定手段３３は、演算手段３５の制御変数を与え、データベース３４は歩道手段２の機構の特性の情報がある。演算手段３５は、歩道手段２の左右のベルト速度検出手段７、ベルト張力検出手段８、駆動手段９、ベルト変位検出手段１１、ベルト加速度検出手段１２、起動スイッチ１３と接続しており、駆動手段９で発生すべき駆動力を出力する。
【００４７】
演算手段３５での駆動力算出法を、図３を用いて説明する。
【００４８】
図３は左右どちらか一方の歩道手段２を、１自由度のばね−マス−ダンパ系としてモデル化したもので、外力として、演算手段３５が算出した駆動力ｆｕ  、訓練者Ｕの足が接地時に加える力Ｆ、歩道手段２の機構が持っている抵抗力ｆｆ  が作用している。抵抗力ｆｆは、駆動手段９に作用する抵抗力などの歩道手段２の機構が元々持っている固有の抵抗力の他に、歩行者Ｕが乗ったために環状ベルト６と補強材１０が接触して発生する摩擦力のように、歩行者Ｕの体重などの外部要因に依って変化する抵抗力がある。
【００４９】
図４のばね−マス−ダンパ系の運動方程式が
ｍａ（ｄ２ｘ／ｄｔ２）＋ｃａ（ｄｘ／ｄｔ）＋ｋａ  ｘ＝ｆｕ＋ｆｆ＋Ｆ          （９）
で与えられるものとする。ここで、
Ｆ：訓練者Ｕの足が接地時に加える力
ｆｕ：駆動手段の駆動力
ｆｆ：歩道手段２の機構が持っている抵抗力
ｘ：環状ベルト６の変位
ｔ：時刻
ｍａ：歩道手段２の機構の等価質量
ｃａ：歩道手段２の機構の等価減衰係数
ｋａ：歩道手段２の機構の等価ばね定数
である。なお、（ｄ２ｘ／ｄｔ２）、（ｄｘ／ｄｔ）、ｘ、Ｆはベルト加速度検出手段１２、ベルト速度検出手段７、ベルト変位検出手段１１、ベルト張力検出手段８によって検出される。さらに、ｍａ、ｃａ、ｋａのような機構固有の負荷特性（インピーダンス）と、ｆｆ  と外部要因の関係の情報はデータベース３４にある。
【００５０】
訓練者Ｕの脚力が十分でない場合、即ちＦが小さい場合、歩行路面の負荷特性（ｍａ、ｃａ、ｋａ）と歩道手段２の機構が持っている抵抗力ｆｆが訓練者Ｕにとって大きすぎて、環状ベルト６の変位が小さくなる。ここで訓練者Ｕが歩行路面上での歩幅を稼ぐためにＦを大きくすると、踏ん張る動作となり自然な歩行が出来ないことが有り得る。
【００５１】
ここで、訓練者Ｕが自分の脚力で自然に歩行できる時の歩道手段２の外力Ｆに対する負荷特性が、
ｍｄ（ｄ２ｘ／ｄｔ２）＋ｃｄ（ｄｘ／ｄｔ）＋ｋｄ  ｘ＝Ｆ                  （１０）
で表されるものとする。ここで、ｍｄ、ｃｄ、ｋｄ  はそれぞれ質量、減衰係数、ばね定数である。歩道手段２の負荷特性（９）を（１０）に変更するには、演算手段３５が駆動力ｆｕ  を
0003584506.tif 000006
という制御則によって定めれば良い。
【００５２】
なお、ｆｆはデータベース３４から演算手段３５に伝達される。これをブロック図で表現したものが、図４である。これを、（ｄｘ／ｄｔ）、ｘ、Ｆが測定できる場合に書き直すと、
0003584506.tif 000007
ただし、α＝ｍａ／ｍｄ
となる。これをブロック図で表現したものが、図５である。演算手段３５は
式（１２）で求められる駆動力ｆｕを駆動手段９の駆動力としている。
【００５３】
これにより、歩行訓練装置１の負荷特性を自在に変更でき、歩行訓練装置１に外力Ｆを加えている訓練者Ｕにとっては、さまざまな環境での歩行を体験できることになる。
【００５４】
実際の歩行環境は、例えば土の地面などは足の着地状況によって局所的な密度などが変化し、結果として負荷特性が時間に依って変化する場合がある。これを再現するには、
ｍｄ、ｃｄ、ｋｄのうち１個もしくは複数個を、ｘ、（ｄｘ／ｄｔ）、（ｄ２ｘ／ｄｔ２）、もしくはＦの関数として、
ｍｄ＝ｍｄ｛ｘ，（ｄｘ／ｄｔ），（ｄ２ｘ／ｄｔ２）｝                      （１３）
もしくは、  ｍｄ＝ｍｄ｛ｘ，（ｄｘ／ｄｔ），Ｆ｝                  （１４）
ｃｄ＝ｃｄ｛ｘ，（ｄｘ／ｄｔ），（ｄ２ｘ／ｄｔ２）｝                      （１５）
もしくは、  ｃｄ＝ｃｄ｛ｘ，（ｄｘ／ｄｔ），Ｆ｝                  （１６）
ｋｄ＝ｋｄ｛ｘ，（ｄｘ／ｄｔ），（ｄ２ｘ／ｄｔ２）｝                      （１７）
もしくは、  ｋｄ＝ｋｄ｛ｘ，（ｄｘ／ｄｔ），Ｆ｝                  （１８）
のように設定すれば良い。
【００５５】
ここで、ｍｄ、ｃｄ、ｋｄの設定例と、その効果を示す。
【００５６】
（ａ）ｍｄ、ｃｄ、ｋｄ  のすべてを０としてはならない。
【００５７】
すべてを０とすると、理論上はＦの大小に依らず無限大の加速度を出すことになる。これは、歩道手段２が空回りすることになる。
【００５８】
（ｂ）ｃｄ、ｆｆのみを設定する。
【００５９】
例えば、駆動手段９にサーボモータを使用する場合、速度の検出手段には簡便で十分な精度のものがあるが、加速度や張力の検出手段は十分な精度を得るためには信号の処理が複雑になることが多い。そのため、歩道手段２の外力Ｆに対する負荷特性を、
ｍａ（ｄ２ｘ／ｄｔ２）＋ｃｄ（ｄｘ／ｄｔ）＋ｋａ  ｘ＝Ｆ                  （１９）
とする。これにより、歩道手段２の検出手段はベルト速度検出手段７のみの簡便な方式で実現できることになる。さらには、
ｍｄ＝ｍｄ（ｄｘ／ｄｔ）                                      （２０）
ｃｄ＝ｃｄ（ｄｘ／ｄｔ）                                      （２１）
ｋｄ＝ｋｄ（ｄｘ／ｄｔ）                                      （２２）
とすれば、ひとつの検出手段でさらに変化をつけられる。
【００６０】
さらに、訓練開始時に訓練者が歩き出さないときには、左右の歩行路面ともに、
｜ｆｕｓ｜＞｜ｆｆ｜                                            （２３）
で、訓練者から見て後ろ向きの駆動力ｆｕｓを、微少な時間△ｔだけ作用させる。すると訓練者の両足には
Ｐ＝（ｆｕｓ−ｆｆ）△ｔ                                        （２４）
なる大きさの力積が作用し、訓練者は微少な時間△ｔの間足下をすくわれた状態になり、必然的に左右どちらかの足を前方に踏み出して転ばないようにする。これにより、強制的に歩行を開始させることが可能になる。
【００６１】
起動スイッチ１３を用いてこれを実現する例を図６の流れ図に示す。
【００６２】
起動スイッチ１３が押されない場合は（１１）または（１２）で決められるｆｕを駆動手段９に出力するようにし、起動スイッチ１３が押されてから時間△ｔまではｆｕｓを駆動手段９に出力する。起動スイッチ１３の方法としては、訓練者Ｕもしくは介助者Ｓが操作できるような手持ちのスイッチにして、準備が出来てから作用させる方法と、訓練開始になると自動的にｆｕｓを時間△ｔ作用させる強制的な方法とがある。時間△ｔは、通常の歩行で１歩に要する時間である０．５秒程度で十分であるため、演算手段３５にタイマ機能を組み込むことで実現できる。
【００６３】
また、訓練者Ｕもしくは介助者Ｓがうまく歩行のスタートが出来たと判断できるまで時間△ｔを与えられるよう、起動スイッチ１３が押されている間とすることも効果がある。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、歩道手段の変位、速度、加速度を検出し、前記検出結果と歩道手段の負荷特性とに基づくフィードバック制御則によって歩道手段を駆動することにより、被訓練者が歩道手段より受ける負荷を自在に設定でき、設定した負荷のもとで被訓練者が望む歩行速度で歩行訓練を行うことができる歩行訓練装置またはその制御方法を提供することができる。
【００６５】
また、歩行面の駆動に対して歩道手段が有する抵抗力を、前記フィードバック制御則によって相殺することにより、前記負荷を、非常に小さい範囲から自在に設定することが可能な歩行訓練装置またはその制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の歩行訓練機の外観図である。
【図２】本発明の制御手段の構成図である。
【図３】本発明の歩行路面駆動のモデルである。
【図４】本発明の制御則に関わる演算の一実施例を示すブロック図である。
【図５】本発明の制御則に関わる演算の他の実施例を示すブロック図である。
【図６】本発明の歩道手段の駆動方法の一実施例を示す流れ図である。
【符号の説明】
１…歩行訓練装置、２…歩道手段、３…制御装置、３０…ＣＲＴ、３１…計算機、３２…キーボード（マウス含む）、３３…設定手段、３４…データベース、３５…演算手段、４…左足歩行装置、５…右足歩行装置、６…環状ベルト、７…ベルト速度検出手段、８…ベルト張力検出手段、９…駆動手段、Ｕ…被訓練者、Ｓ…介助者。
【図１】
0003584506.tif 000012
【図２】
0003584506.tif 000013
【図３】
0003584506.tif 000014
【図４】
0003584506.tif 000015
【図５】
0003584506.tif 000016
【図６】
0003584506.tif 000017