(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被訓練者の歩道を成す歩行面を有する歩行面装置と、被訓練者を支持する介助装置と、これら歩行面装置介助装置と制御する制御装置とを有する歩行訓練機において、前記介助装置は歩行面装置の上面に位置する基部と、リンク構造をし変位を計測する変位センサ及び力を検出可能なトルクセンサとを有する可動リンク機構と、可動リンク機構の先端に力センサを介して取り付けられ被訓練者を把持する把持部とを備え、前記制御装置は前記変位センサが検出した被訓練者の基準姿勢からのずれに基づき被訓練者に及ぼす力を鉛直方向と進行方向ごとに制御し、この被訓練者に及ぼす力は基準姿勢からのずれに対して連続する一次関数の組み合わせであり、基準姿勢からのずれが小さな範囲では傾きの小さな直線で、基準姿勢からのずれが大きな範囲では傾きの大きさな直線であり、被訓練者に及ぼす鉛直方向の力については基準姿勢で鉛直上向きにオフセットしていることを特徴とする歩行訓練機。
【請求項２】
請求項１に記載の歩行訓練機において、被訓練者の基準となる姿勢情報を入力する手段と、基準姿勢からのずれと被訓練者に及ぼす力の関係を表す関数を入力する手段と、この関数に基づいて被訓練者に及ぼす力を演算する演算手段と、この演算手段の演算結果に基づいて前記介助装置を駆動する駆動手段とを備えたことを特徴とする歩行訓練機。
【請求項３】
請求項１または２に記載の歩行訓練機において、前記把持部は、被訓練者の肩部を把持するように形成されていることを特徴とする歩行訓練機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、歩行機能の回復または維持を必要とする被訓練者が、歩行の助けに用いる歩行訓練機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の歩行介助装置において、被訓練者の姿勢の矯正と負荷軽減を行う手段としては、例えば特開平２−５９５３号公報に開示されているような、その下部に車輪を配したフレームにハンドルを設け、被訓練者がこのハンドルにつかまって歩くようした歩行補助器がある。
【０００３】
その他、歩行の訓練においては、被訓練者の全身を水槽に入れ浮力によって負荷の軽減を行う「水中歩行訓練」という手法や、実開平２−４２６２５号公報のように上半身を拘束して上方につり上げるものもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特開平２−５９５３号公報に開示されているような、つかまって歩くようにハンドルを設けた歩行介助装置は、手でのみ支持を行っているので、被訓練者にある程度の腕力が要求される。このため、高齢者など身体機能全般が劣化している人には不向きである。
【０００５】
また、「水中歩行訓練」は浮力に依るため、負荷軽減の量を容易に変更できない。被訓練者周囲の水量によって調節するとしても、例えば下半身に進行に抗する水の粘性負荷が集中するなどの問題が生じる。
【０００６】
実開平２−４２６２５号公報では、被訓練者の姿勢に依らず一定量の負荷軽減を行っているため、被訓練者の姿勢の矯正が十分になされない場合もある。
【０００７】
本発明は上述の事柄に基づいてなされたもので、被訓練者の状態に応じて適切な負荷を加えながら、歩行訓練を行うことができる歩行訓練機を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記の目的は、歩行訓練機が前記被訓練者に加える力を基準となる姿勢からのずれの関数として作用させることにより達成される。
【０００９】
このために本発明の歩行訓練機は、被訓練者の歩道を成す歩行面を有する歩行面装置と、被訓練者を支持する介助装置と、これら歩行面装置介助装置と制御する制御装置とを有し、介助装置は歩行面装置の上面に位置する基部と、リンク構造をし変位を計測する変位センサ及び力を検出可能なトルクセンサとを有する可動リンク機構と、可動リンク機構の先端に力センサを介して取り付けられ被訓練者を把持する把持部とを備え、制御装置は変位センサが検出した被訓練者の基準姿勢からのずれに基づき被訓練者に及ぼす力を鉛直方向と進行方向ごとに制御し、この被訓練者に及ぼす力は連続する一次関数の組み合わせであり、基準姿勢からのずれが小さな範囲では傾きの小さな直線で、基準姿勢からのずれが大きな範囲では傾きの大きさな直線とし、被訓練者に及ぼす鉛直方向の力については基準姿勢で鉛直上向きにオフセットしているものである
【００１０】
そしてこの特徴において、被訓練者の基準となる姿勢情報を入力する手段と、基準姿勢からのずれと被訓練者に及ぼす力の関係を表す関数を入力する手段と、この関数に基づいて被訓練者に及ぼす力を演算する演算手段と、この演算手段の演算結果に基づいて前記介助装置を駆動する駆動手段とを備えるのが好ましい。また、把持部は被訓練者の肩部を把持するように形成されているのがよい。
【００１３】
【作用】
被訓練者に加える力を基準となる姿勢からのずれの関数として作用させるため、各被訓練者の能力に応じて適切な設定が可能となり、また歩行中の姿勢により力が変化するため、姿勢変化に応じた姿勢の矯正が実現される。
【００１４】
また、歩行介助装置に前記関数を入力する手段を設けることにより、被訓練者の能力に応じて適切な介助力や負荷を発生する関数を採用することが可能であり、より適切な訓練を行うことができる。
【００１５】
【実施例】
本発明の介助方式を採用した歩行介助装置の、実施例の構成を図１に示す。
【００１６】
本実施例は、歩行機能が不全の被訓練者Ｕ（以後、被訓練者Ｕ）の歩行訓練に使用する歩行訓練機１である。これは、歩行面装置２、映像表示装置３、介助装置４、統括制御装置５から構成される。なお、訓練の補助を行うものとして、介助者Ｓ（図示せず）がいるものとする。
【００１７】
歩行面装置２は床面または地上に固定されており、上部には環状ベルトからなる訓練歩道である歩行面６を持ち、この歩行面６は互いに独立に動く右足用歩行面６Ａ、左足用歩行面６Ｂを持つ。介助要素４は歩行面装置２にその底部が固定された基部４Ａと可動リンク機構４Ｂからなり、可動リンク機構４Ｂの可動端にある把持部４Ｃを介して被訓練者Ｕと介助要素４は接続している。統括制御装置５は、ＣＲＴ５Ａ、計算機５Ｂ、入力手段５Ｃとしてキーボード（マウス含む）、データベース５Ｄよりなる。
【００１８】
被訓練者Ｕは歩行面装置２の歩行面６に立ち、歩行を開始する。このとき被訓練者Ｕは歩行面装置２上に設置された介助要素４によって把持され、姿勢の矯正と負荷軽減を受ける。姿勢の矯正とは、歩行中の被訓練者Ｕの上半身が鉛直になるよう、姿勢が傾いたらそれを戻す向きに力を作用させることである。また負荷軽減とは、被訓練者Ｕに鉛直上向きの力を作用させて支えてやることで、被訓練者Ｕの足が支えるべき重量を軽くすることである。
【００１９】
被訓練者Ｕの歩行方向前面にはスクリーン付きの映像表示装置３があり、歩行に伴ってスクリーン上にデータベース５Ｄのメモリ等に格納してある風景映像を読み出して投影する。統括制御要素５はこれら各装置と接続されている。
【００２０】
続いて、本実施例による歩行訓練の手順の一例として、普段は車椅子に乗っている被訓練者Ｕが歩行訓練機１を使用して歩行訓練を行う場合を、図２に示す流れ図を用いて説明する。
【００２１】
１）設定（Ｓ２）
歩行訓練時の映像表示装置３に投影する風景映像の種類と歩行面装置２が被訓練者に与える負荷は、入力手段５Ｃにより選択する。
【００２２】
同じく、入力手段５Ｃの関数入力手段１４により介助要素４が把持部４Ｃを介して被訓練者Ｕに加える力を設定する。歩行訓練時と、引き上げ／引き下ろし（訓練前後の被訓練者Ｕの誘導）での力の設定を行う。
【００２３】
２）引き上げ（Ｓ３）
被訓練者Ｕと把持部４Ｃを接続した後に、介助者Ｓが把持部４Ｃを持って誘導し、訓練位置まで誘導する。この時、介助要素４は把持部４Ｃの位置に依らず常に一定の力を出すようにする。例えば、鉛直上向には被訓練者Ｕの体重相当、その他の方向には０とすると、介助者Ｓは被訓練者Ｕの体重を支えることは介助要素４に任せ、引き上げの誘導を自由に行える。
【００２４】
３）歩行訓練（Ｓ４）
被訓練者Ｕは訓練位置に立ち、把持部４Ｃの具合など事前の点検を行った後に訓練開始となる。訓練中、映像表示装置３と歩行面装置２は被訓練者Ｕの訓練環境を与え、介助装置４は被訓練者Ｕの負荷軽減と姿勢の矯正を行う。
【００２５】
４）引き下ろし（Ｓ５）
２）とは逆に、介助者Ｓが把持部４Ｃを持って、被訓練者Ｕを元の位置まで誘導する。
【００２６】
５）訓練終了（Ｓ６）
以上で終了である。
【００２７】
介助装置４の構成例を図３に示す。
【００２８】
介助装置４の基部４Ａは歩行面装置２の上面に設置され、基部４Ａの上部には２個の回転駆動要素７の固定部７Ａが取り付けられ、各回転駆動要素７の回転部７Ｂには駆動リンク８の一端が取り付けられ、駆動リンク８の他端は短従動リンク９、長従動リンク１０と回転可能な節１１で連結され、短従動リンク９の他端も長従動リンク１０と回転可能な節１１で連結されている。
【００２９】
長従動リンク１０には力センサ１２が付き、力センサ１２の先には本実施例では被訓練者Ｕの肩部を把持する把持部４Ｃが付いている。力センサ１２は把持部４Ｃを介して被訓練者Ｕと介助装置４の間に作用する力を測定する。把持部４Ｃの動作領域は鉛直面内にあるため、介助装置４は把持部４Ｃを介して被訓練者Ｕに鉛直面内の力を及ぼすことになる。
【００３０】
回転駆動要素７には回転角度、角速度、トルクを測定する角度センサ１３、角速度センサ１４、トルクセンサ１５、さらに統括制御装置５からの動作指令とセンサ情報を基に回転駆動要素７を制御する制御要素１６が備えられている。
【００３１】
ここで、介助要素４に依る歩行訓練中の姿勢の矯正と負荷軽減の方法を説明する。
【００３２】
介助装置４の可動範囲は鉛直面内であるから、被訓練者Ｕに対して及ぼす力は鉛直方向の力と進行（前後）方向の力との合力となる。そこで、ずれと力の関係を示す関数１３は鉛直方向と進行方向の２方向について各々設定する。
【００３３】
この例では図４のように、ずれに対する力の値の連続性を保つという条件の下で、ずれの大きさによって傾きを変更した１次関数の組み合わせとした。ずれと力の向きは、鉛直方向については鉛直上向きを正、進行方向については前向きを正としている。ずれの原点が基準姿勢となる。関数１３を決定する要素は、
Ｆ０：ずれが０のときに作用させる力
ａ１、ａ２、ａ３：１次関数の傾き
ｄ１、ｄ２：傾きが切り替わるずれの位置（しきい値）
である。
【００３４】
なお、図５以降の関数１３は一つの方向のみについて示したものである。
【００３５】
例えば鉛直方向について、図５のようにＦ０（最大で被訓練者Ｕの体重まで）のみを設定する、つまり力をずれに依らず一定に設定すると、被訓練者Ｕの負荷軽減のみが行われる。このとき、被訓練者Ｕは、自身の足で支える重量が体重より小さいため、自身の体重が軽減されたように感じる。従来はプールなどに被訓練者Ｕの身体を沈めて行う「水中歩行訓練」で、同様の効果を得ていた。しかし本方式では「水中歩行訓練」と異なり、力Ｆ０の設定を変更することにより、軽減する負荷の量は被訓練者Ｕの筋力に応じて任意に設定できる。
【００３６】
また、進行方向について図６のようにａ１のみ設定し、力とずれの関数を原点を通る直線とすると、被訓練者Ｕにはずれの大きさに比例しずれと反対向きの力が作用することになり、被訓練者Ｕは前後からばねで押されているかのような感覚を得る。ずれの原点を例えば直立した状態にすれば、被訓練者Ｕは常に直立するような力を受けることにより姿勢の矯正がなされる。傾きは被訓練者Ｕの筋力の回復度合いに応じて設定することができる。
【００３７】
さらに、図７のようにずれにしきい値ｄ１、ｄ２を設け、しきい値より大きくなると傾きも大きくなるように設定すると、被訓練者Ｕに作用する力が急変することになり、被訓練者Ｕはあたかも壁が立ちふさがっているかのような感覚を得る。傾きの大きさが壁の弾力性の感覚に相当する。しきい値を変更することにより仮想的な壁の位置は任意に設定できるため、被訓練者Ｕの姿勢の許容範囲を設定すれば、姿勢の矯正に加え被訓練者Ｕの転倒防止が実現できる等、安全対策に有効である。
【００３８】
図４は、図５から図７を複合したものであり、姿勢の矯正と負荷軽減の両方の効果を得る。関数１３は、ずれに対する力の値の連続性を保っていればよく、例えば３次関数のように１次関数と違い連続（ずれに依らず微分可能）であれば、被訓練者Ｕに作用する力が急変しないので被訓練者Ｕに動揺を与えない。
【００３９】
このように先端の力が設定されると、統括制御装置５が介助要素４へのトルク目標値を算出しトルク制御を行い、設定の力を実現する。これを図８、図９を用いて説明する。
【００４０】
図８は制御系の全体を示すものである。入力手段５Ｃは、Ｆ０、ａ１、ａ２、ａ３、ｄ１、ｄ２を入力して関数１３を決定する関数入力手段部１４と、ずれの原点を決める基準姿勢入力手段部１５からなる。演算手段部５Ｄは、計算機５Ｂの内の介助要素４の制御に関与する構成要素であり、メモリ１６、ＣＰＵ１７、入出力部１８からなる。入出力部１８は入力手段バス１９、２０によって入力手段５Ｃの設定を受け、介助要素の力センサ１２、角度センサ１３の情報をＡＤコンバータ２２、センサバス２３によって取り込み、メモリ１６、ＣＰＵ１７を用いて演算したリンク機構４Ｂへの指令値をＤＡコンバータ２１によって送る。
【００４１】
図９は入出力部１８の構成の一例である。角度センサ情報は角度ー姿勢変換部２４によって被訓練者Ｕの姿勢に変換され、基準姿勢との差を計算することでずれが求められる。ずれを関数１３に入力して力の目標値が得られ、力−トルク変換部２５によってリンク機構４Ｂへのトルク目標が決定する。一方、力センサ情報も力−トルク変換部２５によってリンク機構４Ｂの実際のトルクに変換され、フィードフォワード、フィードバックの組み合わせの制御系に依ってＤＡコンバータ２１への指令値となる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、被訓練者を介助する際に加える力を基準となる姿勢からのずれの関数として作用させるため、被訓練者の状態に応じて適切な負荷を加えながら、歩行訓練を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の歩行介助装置の一実施例である。
【図２】本発明に係る歩行訓練の流れ図である。
【図３】本発明の介助要素４の構成例である。
【図４】本発明の歩行介助装置に適用する関数１３の実施例である。
【図５】本発明の歩行介助装置に適用する負荷軽減の関数１３の実施例である。
【図６】本発明の歩行介助装置に適用する姿勢の矯正の関数１３の実施例である。
【図７】本発明の歩行介助装置に適用する姿勢の矯正の関数１３の他の実施例である。
【図８】本発明の制御系の全体を示すものである。
【図９】本発明の入出力部１８の構成の一例である。
【符号の説明】
Ｕ…被訓練者、Ｓ…介助者、１…歩行訓練機、２…歩行面装置、３…映像表示装置、４…介助装置、４Ａ…基部、４Ｂ…可動リンク機構、４Ｃ…把持部、５…統括制御装置、５Ａ…ＣＲＴ、５Ｂ…計算機、５Ｃ…入力手段、５Ｄ…演算手段部、６…歩行面、６Ａ…右足用歩行面、６Ｂ…左足用歩行面、７…回転駆動要素、７Ａ…固定部、７Ｂ…回転部、８…駆動リンク、９…短従動リンク、１０…長従動リンク、１１…節、１２…力センサ、１３…関数、１４…関数入力手段部、１５…基準姿勢入力手段部、１６…メモリ、１７…ＣＰＵ、１８…入出力部、１９…入力手段バス、２０…入力手段バス、２１…ＤＡコンバータ、２２…ＡＤコンバータ、２３…センサバス、２４…角度ー姿勢変換部、２５…力−トルク変換部、２６…フィードバックゲイン。
【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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【図８】
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【図９】
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