(57)【要約】【課題】  簡単に歩行状態を測定でき、足の動きが視覚で把握できる歩行訓練支援装置を提供する。【解決手段】  歩行訓練者１１の両足１２、１３の履物４２、４３にそれぞれ配置された複数の感圧センサ１６〜３９と、対となる履物４２、４３にそれぞれ設けられた第１、第２のセンサ部４８、４９、及び歩行訓練者１１とは距離を隔てて配置され第１、第２のセンサ部４８、４９と有線又は無線で信号連結される１又は複数の第３のセンサ部４６を有し、対となる履物４２、４３の位置を三次元で検知する位置センサ４５と、有線又は無線で連結された感圧センサ１６〜３９及び位置センサ４５のデータから少なくとも各履物４２、４３の現在位置及び各履物４２、４３の着地状況を算出する演算部を有する制御手段５９と、制御手段５９の出力を入力して、対となる履物４２、４３の足跡及びその現在位置を表示する表示手段６６とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩行訓練者の両足の履物にそれぞれ配置された複数の感圧センサと、
前記対となる履物にそれぞれ設けられた第１、第２のセンサ部、及び前記歩行訓練者とは距離を隔てて配置され前記第１、第２のセンサ部と有線又は無線で信号連結される１又は複数の第３のセンサ部を有し、前記対となる履物の位置を三次元で検知する位置センサと、
有線又は無線で連結された前記感圧センサ及び前記位置センサのデータから少なくとも前記各履物の現在位置及び前記各履物の着地状況を算出する演算部を有する制御手段と、
前記制御手段の出力を入力して、前記対となる履物の足跡及びその現在位置を表示する表示手段とを備えることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項２】
歩行訓練者の両足の履物にそれぞれ配置された複数の感圧センサと、
前記対となる履物に第１、第２のセンサ部がそれぞれ有線又は無線で信号連結されて設けられ前記対となる履物の位置を三次元で相対的に検知する位置センサと、
有線又は無線で連結された前記感圧センサ及び前記位置センサのデータから少なくとも前記各履物の現在位置及び前記各履物の着地状況を算出する演算部を有する制御手段と、
前記制御手段の出力を入力して、前記対となる履物の足跡及びその現在位置を表示する表示手段とを備えることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項３】
請求項１及び２のいずれか１項に記載の歩行訓練支援装置において、前記表示手段は、ヘッドマウント型のディスプレイであることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項４】
請求項１及び２のいずれか１項に記載の歩行訓練支援装置において、前記表示手段は、パネル形のディスプレイであって、前記歩行訓練者との距離を実質的に一定に保って移動可能な台車に搭載されていることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、前記歩行訓練者の前記履物の接地面からの高さを算出し、前記表示手段に該履物の高さに対して色を変えて表示可能であることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、予め設定された前記歩行訓練者の歩幅に合わせて決められた歩幅設定値に基づいて、前記履物の接地目標位置を演算し、前記表示手段に表示可能であることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項７】
請求項６記載の歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、前記感圧センサ及び前記位置センサより算出される前記歩行訓練者の身体重心位置の軌跡に基づいて、該歩行訓練者の転倒防止範囲を演算し、前記表示手段に表示可能であることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、前記感圧センサのデータに基づいて、前記履物の負荷状態又は圧力分布を演算し、前記表示手段に３段階以上に色分けして表示可能であることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の歩行訓練支援装置において、前記制御手段によって得られた前記履物への負荷状態を音声で知らせる音声発生手段を備えることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の歩行訓練支援装置において、前記制御手段によって得られた前記履物の接地目標位置を音像で知らせる音像発生手段を備えることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の歩行訓練支援装置において、前記制御手段によって得られた前記履物の接地目標位置を触覚で知らせる触覚表示手段を備えることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リハビリテーション医療、スポーツ、予防医療、健康増進、美容、及び福祉の各分野において、歩行時に得られる各種情報を使用者にフィードバックする歩行訓練支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、脳卒中による軽度から中程度の片麻痺の患者は、発症後早い時期から、例えば、平行棒を備えた歩行練習器等を用いて歩行機能の回復訓練を受ける。片麻痺の患者は、麻痺した側の足が動かない、あるいは動き難いだけでなく、触覚情報（例えば、足が床と接触しているかどうか、足と床の接触時の圧力がどのくらいであるか等）も得ることができない。つまり、片麻痺の患者は、麻痺している側の足がどの位置にあるか、また、どのくらい体重がかかっているか等の情報を得ることができず、歩行時に足の位置を確認するため下を向く場合が多くなり、重心が後側に傾き歩行が困難になると共に、歩く姿勢（歩容）も悪くなる。そこで、片麻痺の患者は、リハビリテーションにおいて、前方に設置された鏡を見ながら歩行して足の位置の確認を行っている。また、麻痺した側の足にかかる体重については、理学療法士及び医師等が経験に基づいて口頭で指示していた。
【０００３】
ここで、片麻痺の患者が歩行を確認するために使用する装置として、例えば、特許文献１には、床に設置されて接触した足による圧力分布を計測する圧力センサ部を備え、圧力センサ部に接触した被接触部位（足）の圧力分布と、予め設定された圧力の目標値とを比較して被接触部位に適切な荷重をかける荷重訓練支援方法及び装置並びに荷重訓練支援プログラムを記録した記録媒体が開示されている。また、特許文献２には、靴やスリッパ等の履物に挿入する足底シートに、足底にかかる圧力を検出する複数の圧力センサが設けられ、各圧力センサの出力値から足底の中心を求め、足底中心の空間的、時間的変化に応じて音を発生する足底圧分布−聴覚バイオフィードバックシステムが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３０８６９８号公報
【特許文献２】特開２００４−１４１２７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の歩行訓練支援装置は未だ解決すべき以下のような問題があった。
例えば、理学療法士等がリハビリや歩行訓練の指導を行う場合には、個人の経験によって判断されるので、客観的なデータがなく、それぞれの判断が異なることがあり、また、口頭での指導であるので、片麻痺の患者が理解し難かった。特許文献１の発明では、圧力センサ部が床に設置されるので、設置場所以外では測定できなかった。特許文献２の発明では、音のみによる指示であるので、足の状態が把握し難かった。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、簡単に歩行状態を測定でき、足の動きが視覚で把握できる歩行訓練支援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】
【０００７】
前記目的に沿う第１の発明に係る歩行訓練支援装置は、歩行訓練者の両足の履物にそれぞれ配置された複数の感圧センサと、
前記対となる履物にそれぞれ設けられた第１、第２のセンサ部、及び前記歩行訓練者とは距離を隔てて配置され前記第１、第２のセンサ部と有線又は無線で信号連結される１又は複数の第３のセンサ部を有し、前記対となる履物の位置を三次元で検知する位置センサと、
有線又は無線で連結された前記感圧センサ及び前記位置センサのデータから少なくとも前記各履物の現在位置及び前記各履物の着地状況を算出する演算部を有する制御手段と、
前記制御手段の出力を入力して、前記対となる履物の足跡及びその現在位置を表示する表示手段とを備える。
【０００８】
前記目的に沿う第２の発明に係る歩行訓練支援装置は、歩行訓練者の両足の履物にそれぞれ配置された複数の感圧センサと、
前記対となる履物に第１、第２のセンサ部がそれぞれ有線又は無線で信号連結されて設けられ前記対となる履物の位置を三次元で相対的に検知する位置センサと、
有線又は無線で連結された前記感圧センサ及び前記位置センサのデータから少なくとも前記各履物の現在位置及び前記各履物の着地状況を算出する演算部を有する制御手段と、
前記制御手段の出力を入力して、前記対となる履物の足跡及びその現在位置を表示する表示手段とを備える。
【０００９】
第１及び第２の発明に係る歩行訓練支援装置において、歩行訓練者としては、例えば、脳卒中による片麻痺の患者、糖尿病患者、及び膝や腰などを骨折した骨格系疾患者等の歩行障害者が挙げられ、歩行訓練支援装置は、これらの歩行障害者のリハビリテーション医療に使用される。また、歩行訓練支援装置は、歩行時に正しい姿勢を取ることができるため、スポーツ、予防医療、健康増進、美容、及び福祉等の各分野においても使用することができる。
【００１０】
第１及び第２の発明に係る歩行訓練支援装置において、感圧センサは、歩行訓練者の両足の履物にそれぞれ複数配置され、歩行訓練者の両足にそれぞれかかる圧力を測定する。ここで、履物としては、例えば、靴、下駄、草履、サンダル、及びスリッパ等の足に履くもの、更には、足袋、靴下、及び、足に巻く包帯等の足に装着されるもの、また、靴の中に配置される中敷きも含まれる。感圧センサは、通常土踏まずの位置には配置せず、足底と床面（接地面）とが接触する部分に配置するのが好ましい。また、足底にかかる圧力の中心位置を得るためには、同一直線上にない少なくとも３以上の感圧センサを取付けるのが好ましい。
【００１１】
感圧センサとしては、先端に導電材料（銀）層及び圧感インク層がそれぞれ設けられた上下２層のポリエステルフィルムが互いに接着剤でラミネートされたフィルム状のボタンセンサ（例えば、ニッタ株式会社製、商品名、ＦｌｅｘｉＦｏｒｃｅ）、又は荷重変換器（ロードセル）等が使用できる。
【００１２】
第１の発明に係る歩行訓練支援装置において、位置センサは、例えば、光学式、音波（超音波を含む）式、及び磁気式等の非接触で計測可能なセンサが使用される。
光学式の位置センサは、例えば、発光マーカ、反射マーカ、及びパターンマーカ等のマーカからなる第１及び第２のセンサ部と、第１及び第２のセンサ部を撮影する複数のカメラ（例えば、ＣＣＤカメラ、高速度カメラ、ハンディータイプカメラ、デジタルＶＴＲ、又はデジタルビデオカメラ等）を備えた第３のセンサ部とを有し、撮影された第１及び第２のセンサ部の映像をコンピュータに入力して、対となる履物の位置を検知（モーションキャプチャーシステム）することができる。ここで、光学式の位置センサとしては、例えば、株式会社応用計測研究所製の三次元位置座標計側システムであるＰＣ−ＭＡＧ（商品名）が使用できる。
【００１３】
音波式の位置センサは、超音波を発生する超音波発生部を備えた第１及び第２のセンサ部と、第１及び第２のセンサ部で発生する超音波を受信する少なくとも３つの超音波受信部を備えた第３のセンサ部とを有し、第１及び第２のセンサ部からそれぞれ発信された超音波が、第３のセンサ部のそれぞれの超音波受信部へ到達する時間の差によって、対となる履物の位置を検知している。ここで、音波式の位置センサとしては、例えば、古河機械金属株式会社製の超音波動作解析システムであるＺＰＳ−ＭＡ（商品名）が使用できる。
【００１４】
また、音波式の位置センサとしては、例えば、超音波を受信する超音波受信部を備えた第１及び第２のセンサ部と、第１及び第２のセンサ部で受信する超音波を発生する少なくとも３つの超音波発生部を備えた第３のセンサ部とを有し、第３のセンサ部のそれぞれの超音波発生部から発生した超音波が、第１及び第２のセンサ部へ到達する時間の差によって、対となる履物の位置を検知するものも使用できる。
【００１５】
更に、磁気式の位置センサは、磁界中に配置されると電流が流れる磁力計測部を備えた第１及び第２のセンサ部と、第１及び第２のセンサ部で受信する磁界を発生する磁界発生部を備えた第３のセンサ部を有し、磁界内に第１及び第２のセンサ部を配置した際に誘起された電流の強さによって、第３のセンサ部から第１及び第２のセンサ部の距離と方向とが検知される。
【００１６】
磁気式の位置センサの第３のセンサ部の主要部分である磁界発生部は、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各軸に対応する３つの直交した第１〜第３の磁界発生用コイルを備え、第１〜第３の磁界発生用コイルに順番に電流を流すと、第１〜第３の磁界発生用コイルには、例えば、約１０ｋＨｚの交流磁界がｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向に時分割されて順番に奨磁される。
【００１７】
また、磁力計測部は、磁界発生部の磁界発生用コイルと同様に、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各軸に対応する３つの直交した第１〜第３の電流誘起用コイルを備えており、第１〜第３の電流誘起用コイルを、磁界発生部から発生した磁界内におくと、第１〜第３の電流誘起用コイルには、磁界発生部との距離及び姿勢（角度）によってそれぞれ異なる強さの電流が発生する。この際に第１〜第３の電流誘起用コイルに発生する電流値から、磁界発生部を原点とした磁力計測部の距離及び角度、すなわち、磁力計測部の三次元の位置が算出される。ここで、磁気式の位置センサとしては、米国ＰＯＬＨＥＭＵＳ社製の三次元位置計測システムであるＦＡＳＴＲＡＫ（商品名）、ＩＳＯＴＲＡＫＩＩ（商品名）、及びＰＡＴＲＩＯＴ（商品名）等が使用できる。
【００１８】
また、第２の発明に係る歩行訓練支援装置について、位置センサは、対となる履物にそれぞれ設けられ、例えば、光、音波、又は磁気等を対となって受信又は発信が可能な第１、第２のセンサ部を有し、対となる履物の位置を三次元で相対的に検知する。
光学式の位置センサは、例えば、発光マーカ、反射マーカ、及びパターンマーカ等のマーカと、マーカを撮影する複数のカメラとを備える第１及び第２のセンサ部を有したものが使用できる。この光学式の位置センサでは、例えば、感圧センサの作動によって接地（着地）している一方の履物を特定し、一方の履物のカメラで他方の履物のマーカを撮影し、一方の履物を原点として他方の位置を算出することができる。
【００１９】
また、音波式の位置センサは、超音波を発生する超音波発生部と、超音波発生部で発生する超音波を受信する少なくとも３つの超音波受信部とを備える第１及び第２のセンサ部を有したもの、また、少なくとも３つの超音波を発生する超音波発生部と、超音波発生部で発生する超音波を受信する超音波受信部とを備える第１及び第２のセンサ部を有したものが使用できる。これら音波式の位置センサでは、例えば、感圧センサの作動によって接地している一方の履物を特定し、一方の履物の超音波発生部から超音波を発生させ、他方の履物の超音波受信部で受信し、一方の履物を原点として他方の位置を算出することができる。
【００２０】
更に、磁気式の位置センサは、磁界を発生可能で、発生した磁界によって電流が誘起されるｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各軸に対応する３つの直交した第１〜第３のコイルをそれぞれ備える第１及び第２のセンサ部を有したものが使用できる。この磁気式の位置センサでは、例えば、感圧センサの作動によって接地している一方の履物を特定し、一方の履物の第１〜第３のコイルから磁界を発生させ、他方の履物の第１〜第３のコイルでそれぞれ誘起される電流の強さを測定し、一方の履物を原点として他方の位置を算出することができる。
【００２１】
第１及び第２の発明に係る歩行訓練支援装置において、制御手段は、感圧センサ及び位置センサのデータから少なくとも各足（履物）の現在位置及び各足の着地状況を算出する演算部を備えている。ここで、着地状況とは、各履物の底部の圧力分布、各履物の圧力中心位置、及び歩行訓練者の身体重心位置等を含んでいる。制御手段としては、デスクトップ型、ノート型、及びウェラブル型のコンピュータが使用でき、演算部は、コンピュータ内に設けられた中央処理装置（ＣＰＵ）が使用できる。
【００２２】
また、制御手段には、演算部で演算されるプログラムが記憶された記憶装置（ハードディスク、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等）が備えられ、感圧センサ及び位置センサから得られたデータを記憶装置に保存されたプログラムに従って、演算部で処理して各足の現在位置及び各足の着地状況を算出する。更に、制御手段は、感圧センサ及び位置センサから得られるデータがアナログ信号の場合には、データをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換器を備えてもよい。
【００２３】
更に、表示手段としては、ブラウン管（ＣＲＴ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、液晶、フォトダイオード（ＰＤ）、又は有機ルミネセンス（ＥＬ）等によって形成されるディスプレイを用いることができる。表示手段に表示される履物の足跡及びその現在位置は、制御手段によるコンピューターグラフィックによって、平面（二次元）的、又は、立体（三次元）的に表示することができる。
【００２４】
表示手段には、制御手段によって算出された各足の現在位置及び各足の着地状況が入力され、対となる履物の足跡及び現在位置を表示する。ここで、履物の足跡とは、足底に配置された複数の感圧センサの全てに力がかかり、足の裏全体に力がかかった状態の履物の位置の軌跡をいう。なお、表示手段には、制御手段によって算出された各履物の底部の圧力分布、各履物の圧力中心位置、及び歩行訓練者の身体重心位置等の着地状況を表示することもできる。
【００２５】
第３の発明に係る歩行訓練支援装置は、第１及び第２の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記表示手段は、ヘッドマウント型のディスプレイである。
第３の発明に係る歩行訓練支援装置において、ヘッドマウント型のディスプレイは、例えば、単眼式でその様子を見ることができるシースルー機能を備えた株式会社島津製作所製のデータグラス２（商品名）が使用できる。
【００２６】
第４の発明に係る歩行訓練支援装置は、第１及び第２の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記表示手段は、パネル形のディスプレイであって、前記歩行訓練者との距離を実質的に一定に保って移動可能な台車に搭載されている。
第４の発明に係る歩行訓練支援装置において、ディスプレイは、例えば、平らな台に車輪が取付けられている台車に設置される。台車が自走式の場合には、車輪に駆動装置が設けられ、歩行訓練者との距離を所定範囲内に保つために歩行訓練者との距離を測定する超音波センサ等の距離センサが設けられている。また、台車に把手を設け、把手を引いて台車を移動することもできる。更に、台車には、ディスプレイを昇降可能に配置する昇降装置を取付けてもよい。
【００２７】
第５の発明に係る歩行訓練支援装置は、第１〜第４の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、前記歩行訓練者の前記履物の接地面からの高さを算出し、前記表示手段に該履物の高さに対して色を変えて表示可能である。
第５の発明に係る歩行訓練支援装置において、履物の高さは、高さに対応して、例えば、接地面から０ｃｍを白色とし、５ｃｍ以上を赤色として、その間を徐々に色が変わるようにグラデーション（濃淡）で示してもよい。また、接地面からの高さを数ｍｍ〜数ｃｍ、例えば、１ｃｍ毎の範囲で区切って、接地面から白色、赤色、マゼンタ、青色、シアン、緑色、及び黄色等と異なる色で示してもよい。
【００２８】
第６の発明に係る歩行訓練支援装置は、第１〜第５の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、予め設定された歩行訓練者の歩幅に合わせて決められた歩幅設定値に基づいて、前記履物の接地目標位置を演算し、前記表示手段に表示可能である。
第６の発明に係る歩行訓練支援装置において、足の接地目標位置は、予め測定された歩行訓練者の歩幅を歩幅設定値として制御手段に保存しておき、そのデータを基に制御手段で算出することができる。また、歩行している歩行訓練者の歩幅のデータを制御手段で逐次処理して、歩幅設定値の補正を行いながら接地目標位置を演算してもよい。
【００２９】
第７の発明に係る歩行訓練支援装置は、第６の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、前記感圧センサ及び前記位置センサより算出される前記歩行訓練者の身体重心位置の軌跡に基づいて、該歩行訓練者の転倒防止範囲を演算し、前記表示手段に表示可能である。
【００３０】
第７の発明に係る歩行訓練支援装置において、転倒防止範囲は、予め実験で求めた歩行訓練者が転倒しない時の身体重心位置の軌跡に対して、例えば、履物の横幅の５％以上で５０％以下、好ましくは１０％以上で３０％以下の範囲としている。歩行訓練者が片足で立っている状態、すなわち、一方の履物の感圧センサで圧力信号を検知できない状態で、他方の履物の感圧センサで感知された圧力から算出された歩行訓練者の身体重心位置の軌跡が、転倒防止範囲外にある場合には、接地していない方の履物が、接地している方の履物に対して、歩行訓練者の歩幅の２歩以上遠い位置にあるか、接地している履物と交差する状態にあり、歩行訓練者が転倒する危険性が高くなる。
【００３１】
第８の発明に係る歩行訓練支援装置は、第１〜第７の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、前記感圧センサのデータに基づいて、前記履物の負荷状態又は圧力分布を演算し、前記表示手段に３段階以上に色分けして表示可能である。
第８の発明に係る歩行訓練支援装置において、色分け表示は、色の濃淡（グラデーション）、又は、色の組み合わせ等で表示することができる。
【００３２】
第９の発明に係る歩行訓練支援装置は、第１〜第８の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記制御手段によって得られた前記履物への負荷状態を音声で知らせる音声発生手段を備える。
第９の発明に係る歩行訓練支援装置において、音声発生手段の音発生源としては、スピーカ、イヤホン、及びヘッドホン等がある。また、各足への負荷状態を表す音声のデータは、予め制御手段に保存されている。音声のデータは、音声ファイル、又は、発声時に音声合成されるテキストファイルが使用できる。
【００３３】
第１０の発明に係る歩行訓練支援装置は、第１〜第９の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記制御手段によって得られた前記履物の接地目標位置を音像で知らせる音像発生手段を備える。
第１０の発明に係る歩行訓練支援装置において、音像とは、三次元立体音響技術の１つであり、歩行訓練者の周囲に配置された複数のスピーカ、及び歩行訓練者の両耳に配置されるヘッドホン等の音発生源から発生される音の音圧や遅延時間等を調整し、音が空間内を移動しているように歩行訓練者に感じさせるものである。音像発生手段によって、歩行訓練者の身体を動かすべき方向から音を発生させ、歩行訓練者の身体をその方向に移動させることができる。
【００３４】
第１１の発明に係る歩行訓練支援装置は、第１〜第１０の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記制御手段によって得られた前記履物の接地目標位置を触覚で知らせる触覚表示手段を備える。
第１１の発明に係る歩行訓練支援装置において、触覚表示手段では、歩行訓練者の身体を動かすべき方向に振動刺激、接触刺激、及び温度刺激等を与え、歩行訓練者の身体をその方向に移動させる。
【発明の効果】
【００３５】
請求項１及びこれに従属する請求項３〜１１に記載の歩行訓練支援装置においては、表示手段には、履物の足跡及びその現在位置が表示されるので、歩行訓練者が足元を見ずに歩行可能となると共に、移動中の足の元の位置からの移動量が把握できて歩き易くなる。また、位置センサが、対となる履物にそれぞれ設けられた第１、第２のセンサ部と、歩行訓練者とは距離を隔てて配置され第１、第２のセンサ部と有線又は無線で信号連結される１又は複数の第３のセンサ部とから構成されているので、履物に取付ける第１及び第２のセンサ部を小型化できる。更に、第１、第２のセンサ部及び第３のセンサ部を無線で連結した場合、また、感圧センサ及び位置センサと、制御手段とを無線で連結した場合には、配線がなくなって装置がシンプルになると共に、配線が歩行訓練者の足に絡まる等の事故がなくなる。
【００３６】
請求項２及びこれに従属する請求項３〜１１に記載の歩行訓練支援装置においては、表示手段には、履物の足跡及びその現在位置が表示されるので、歩行訓練者が足元を見ずに歩行可能となると共に、移動中の足の元の位置からの移動量が把握できて歩き易くなる。また、位置センサが、対となる履物にそれぞれ設けられた第１、第２のセンサ部で構成されているので、測定範囲が実質的に無制限となる。更に、感圧センサ及び位置センサと、制御手段とを無線で連結した場合には、配線がなくなって装置がシンプルになると共に、配線が歩行訓練者の足に絡まる等の事故がなくなる。
【００３７】
特に、請求項３記載の歩行訓練支援装置においては、表示手段がヘッドマウント型のディスプレイであるので、固定されたディスプレイを凝視する必要がなく歩行訓練者の姿勢が良くなる。
請求項４記載の歩行訓練支援装置においては、表示手段は、パネル形のディスプレイであって、歩行訓練者との距離を実質的に一定に保って移動可能な台車に搭載されているので、歩行範囲中の歩行範囲が限定されない。
請求項５記載の歩行訓練支援装置においては、制御手段は、歩行訓練者の履物の接地面からの高さを算出し、表示手段に履物の高さに対して色を変えて表示可能であるので、歩行訓練者が足をどのくらい上げたかを把握し易い。
【００３８】
請求項６記載の歩行訓練支援装置においては、制御手段は、予め設定された歩行訓練者の歩幅に合わせて決められた歩幅設定値に基づいて、履物の接地目標位置を演算し、表示手段に表示可能であるので、目標となる足の位置が把握できて歩き易くなる。
請求項７記載の歩行訓練支援装置においては、制御手段は、感圧センサ及び位置センサより算出される歩行訓練者の身体重心位置の軌跡に基づいて、歩行訓練者の転倒防止範囲を演算し、表示手段に表示可能であるので、歩行訓練者が安心して歩行できると共に、歩行訓練者の転倒による怪我等の危険を防止できる。
請求項８記載の歩行訓練支援装置においては、制御手段は、感圧センサのデータに基づいて、履物の負荷状態又は圧力分布を演算し、表示手段に３段階以上に色分けして表示可能であるので、視覚的に解り易い。
【００３９】
請求項９記載の歩行訓練支援装置においては、制御手段によって得られた履物への負荷状態を音声で知らせる音声発生手段を備えるので、視覚と共に音声による確認ができ、各履物の負荷状態が把握し易い。
請求項１０記載の歩行訓練支援装置においては、制御手段によって得られた履物の接地目標位置を音像で知らせる音像発生手段を備えるので、視覚と共に音像による確認ができ、各履物の接地目標位置が把握し易い。
請求項１１記載の歩行訓練支援装置においては、制御手段によって得られた履物の接地目標位置を触覚で知らせる触覚表示手段を備えるので、視覚と共に触覚による確認ができ、各履物の接地目標位置が把握し易い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の第１の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図、図２は同歩行訓練支援装置の感圧センサ及び位置センサが取付けられた履物の説明図、図３は同歩行訓練支援装置の感圧センサの配置図、図４は同歩行訓練支援装置のブロック図、図５〜図１１はそれぞれ同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図、図１２は本発明の第２の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図、図１３は同歩行訓練支援装置のブロック図、図１４は本発明の第３の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図、図１５は同歩行訓練支援装置のブロック図、図１６（Ａ）は本発明の第４の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図、（Ｂ）は同歩行訓練支援装置の触覚表示手段の配置図、図１７は同歩行訓練支援装置のブロック図である。
【００４１】
図１〜図１１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る歩行訓練支援装置１０について説明する。
歩行訓練支援装置１０は、歩行訓練者１１の左右の足１２、１３の足底１４、１５にかかる圧力をそれぞれ測定するための複数、例えば、１２個の左足用の感圧センサ１６〜２７及び１２個の右足用の感圧センサ２８〜３９が所定位置（座標（ｘn ，ｙn ）、ｎ＝１〜２４、図３参照）にそれぞれ配置された中敷き４０、４１を備えた左右の履物の一例である靴４２、４３を有している。
【００４２】
なお、感圧センサは、各中敷き４０、４１の底面に少なくとも３つ以上で、しかも、同一直線上に配置しないように取付けるのが好ましい。また、感圧センサ１６〜３９は、靴の中敷き４０、４１に取付けたが、靴の底部に取付けてもよい。ここで、本実施の形態では、ｘ方向は、歩行訓練者１１の前後方向を示し、ｙ方向は歩行訓練者１１の左右方向を示し、ｚ方向は上下方向を示す。
【００４３】
図３に示すように、中敷き４０、４１を平面視して、感圧センサ１６〜３９は、歩行訓練者１１の足の土踏まずの位置を避け、しかも、左足用の感圧センサ１６〜２７と右足用の感圧センサ２８〜３９とが、実質的に左右対称となるようにそれぞれ配置されている。ここで、感圧センサ１６〜３９には、導電材料（銀）層及び圧感インク層がそれぞれ設けられ、２層のポリエステルフィルムが互いに接着剤でラミネートされたフィルム状のボタンセンサ（例えば、ニッタ株式会社製、商品名ＦｌｅｘｉＦｏｒｃｅ）を使用した。なお、感圧センサとしては、荷重変換器を使用してもよい。
【００４４】
歩行訓練支援装置１０は、両足１２、１３の位置をそれぞれ三次元で測定する磁気式の位置センサ（例えば、米国ＰＯＬＨＥＭＵＳ社製、商品名ＦＡＳＴＲＡＫ）４５を有している。
位置センサ４５は、歩行訓練者１１と所定の距離を隔てて配置され磁界を発生する磁界発生部である第３のセンサ部４６と、第３のセンサ部４６の磁界の発生を制御するシステムコントロールユニット（以下、コントロールユニットともいう）４７と、左右の靴４２、４３にそれぞれ取付けられ、第３のセンサ部４６で発生した磁界内に配置されて電流が誘起されて第３のセンサ部４６からの距離及び角度が計測可能な磁界計測部である第１、第２のセンサ部４８、４９とを有している。
【００４５】
第３のセンサ部４６は、所定位置に設置され、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各軸に対応する３つの直交した第１〜第３の磁界発生用コイル（図示せず）を備えている。第１〜第３の磁界発生用コイルに順番に電流を流すことにより、例えば、約１０ｋＨｚの交流磁界を発生させる。この際、第１〜第３の磁界発生用コイルには、時分割されて順番に奨磁、すなわち、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向に順次磁界が発生する。
コントロールユニット４７は、第１〜第３の磁界発生用コイルに流す電流の強さ及び時間（周波数）等を制御して、第３のセンサ部４６で発生する磁界強さ及び時間（周波数）等を制御している。
【００４６】
第１、第２のセンサ部４８、４９は、それぞれ第３のセンサ部４６と同様に、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各軸に対応する３つの直交した第１〜第３の電流誘起用コイル（図示せず）を備えている。第３のセンサ部４６によって発生する磁界内に、第１、第２のセンサ部４８、４９が配置されると、第１、第２のセンサ部４８、４９のそれぞれの第１〜第３の電流誘起用コイルには、第３のセンサ部４６との距離及び姿勢（角度）によってそれぞれ異なる強さの電流が発生する。
【００４７】
第１のセンサ部４８の第１〜第３の電流誘起用コイルにそれぞれ発生する電流の強さによって第３のセンサ部４６からの距離が解り、発生する電流の比率によって、第３のセンサ部４６に対する角度が解るので、第３のセンサ部４６からの第１のセンサ部４８、すなわち、靴４２の三次元位置が解る。同様に第３のセンサ部４６からの第２のセンサ部４９、すなわち、靴４３の三次元位置が解る。また、第３のセンサ部４６から発生する磁界を第１及び第２のセンサ部４８、４９で受信可能な受信範囲５３は、実質的に第３のセンサ部４６を中心とする球形状となる。
【００４８】
コントロールユニット４７は、第１〜第３のセンサ部４８、４９、４６とそれぞれ有線、すなわち、ケーブル５０〜５２で接続されている。コントロールユニット４７は、第１〜第３の磁界発生用コイルに流す電流の強さ及び時間（周波数）等を制御して、第３のセンサ部４６で発生する磁界強さ及び時間（周波数）等を制御し、また、第３のセンサ部４６で発生した磁界によって第１、第２のセンサ部４８、４９のそれぞれの第１〜第３の電流誘起用コイルに生じる電流をアナログ値からデジタル値に変換している。
【００４９】
歩行訓練支援装置１０は、感圧センサ１６〜３９から得られたアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器５４を備え、左足用の感圧センサ１６〜２７及び右足用の感圧センサ２８〜３９は、それぞれケーブル５５、５６を介して、Ａ／Ｄ変換器５４に接続されている。
また、歩行訓練支援装置１０は、制御手段の一例であるノート型のコンピュータ５９を有している。図４に示すように、コンピュータ５９は、インターフェイス６０を有し、ケーブル５７及びインターフェイス６０を介して、コントロールユニット４７と接続されると共に、ケーブル５８及びインターフェイス６０を介して、Ａ／Ｄ変換器５４と接続されている。
【００５０】
更に、コンピュータ５９は、インターフェイス６０に接続され、各デジタル信号から各靴４２、４３の現在位置及び着地状況を算出する演算部の一例である中央処理装置６１を有している。更に、コンピュータ５９は、中央処理装置６１に接続されるハードディスク６２、ＲＯＭ６３、及びＲＡＭ６４と、中央演算装置６１に接続される画像出力手段６５と、画像出力手段６５に接続されて中央演算装置６１で演算した結果を表示する表示手段の一例である液晶画面６６を備えている。
【００５１】
ここで、着地状況とは、各靴４２、４３の底部の圧力分布、各靴４２、４３の圧力中心位置、及び歩行訓練者１１の身体重心位置等の情報を含んでいる。液晶画面６６は、靴４２、４３の現在位置、接地目標位置、及び踏み出した靴の跡を示す靴跡位置を表示する大画面６７と、靴４２、４３の数歩分の足跡（靴跡位置）及び現在位置を表示する小画面６８に分割表示可能となっている（図５〜図１１参照）。ここで、現在位置、接地目標位置、靴跡位置、及び足跡は、実質的に靴４２、４３と同じ形状に表示される。
【００５２】
なお、制御手段としては、ノート型のコンピュータの他に、デスクトップ型、又はウェラブル型のコンピュータも使用できる。また、表示手段としては、コンピュータ５９に一体的に設けられた液晶画面６６の他に、コンピュータ５９に接続可能なブラウン管（ＣＲＴ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、液晶、フォトダイオード（ＰＤ）、及び有機ルミネセンス（ＥＬ）等によって形成されるディスプレイや、ヘッドマウント型のディスプレイも用いることができる。
更に、コンピュータ５９の液晶画面６６が歩行訓練者１１の実質的に目の高さに配置されるように、コンピュータ５９は歩行訓練者１１の歩行方向前方に設けられた高さ調節可能なテーブル６９に載置されている。
【００５３】
コンピュータ５９のハードディスク６２には、感圧センサ１６〜３９及び位置センサ４５の第１、第２のセンサ部４８、４９のデータから各足１２、１３に装着した靴４２、４３の現在位置及び着地状況を算出するための歩行訓練支援プログラム（以下、単に「プログラム」ともいう。以下、同様である。）７０が保存されている。
プログラム７０は、予め歩行訓練前に入力された、例えば、歩行訓練者１１の氏名、性別、年齢、麻痺している足が左足又は右足か、障害度が高いか低いか、体重、及び歩幅に合わせて予め決められた歩幅設定値等の個人データを、例えば、ハードディスク６２に保存する個人データ処理機能を有している。
【００５４】
プログラム７０は、左足用の感圧センサ１６〜２７の測定データから感圧センサ１６〜２７にそれぞれかかる圧力値ｐ1 〜ｐ12を算出し、また、右足用の感圧センサ２８〜３９の測定データから感圧センサ２８〜３９にそれぞれかかる圧力値ｐ13〜ｐ24を算出して、得られた圧力値ｐ1 〜ｐ24から左右の靴４２、４３の負荷状態又は圧力分布をそれぞれ演算し、３段階以上に色分けして液晶画面６６に表示する圧力処理機能を有している。プログラム７０は、圧力処理機能によって、圧力値ｐ1 〜ｐ12から靴４２の圧力中心位置ＱL （ｘQL，ｙQL）及び負荷量（圧力）ＰL を、また、圧力値ｐ13〜ｐ24から靴４３の圧力中心位置ＱR （ｘQR，ｙQR）及び負荷量（圧力）ＰR をそれぞれ算出することができる。
【００５５】
ここで、負荷状態とは、靴４２、４３にそれぞれかかる圧力ＰL 、ＰR の大きさの指標であり、圧力分布とは、靴４２の感圧センサ１６〜２７、及び靴４３の感圧センサ２８〜３９のそれぞれの部位にかかる圧力の分布である。これらの結果に基づいて、例えば、白色、水色、及び青色の３段階による色分け表示を行って歩行訓練者１１に視覚的に示す。なお、色分け表示は、例えば、赤色、黄色、及び青色等の３種類以上の異なる色、又は、白色から青色への３段階以上のグラデーションによって行ってもよい。
【００５６】
また、プログラム７０は、位置センサ４５によって、第３のセンサ部４６から第１、第２のセンサ部４８、４９のそれぞれの距離及び角度を算出し、第３のセンサ部４６を原点（０，０，０）として、第１のセンサ部４８の三次元位置ＳL （ｘSL，ｙSL，ｚSL）、及び第２のセンサ部４９の三次元位置ＳR （ｘSR，ｙSR，ｚSR）を算出する位置処理機能を有している。位置処理機能によって、算出された第１及び第２のセンサ部４８、４９の三次元位置ＳL 、ＳR から第１及び第２のセンサ部４８、４９の相対的な位置を算出することもできる。
【００５７】
更に、プログラム７０は、位置処理機能によって算出された各靴４２、４３の接地面からの高さ（それぞれ、ｚSL及びｚSR）に対して色を変えて液晶画面６６に表示する高さ処理機能を有している。プログラム７０は、高さ処理機能によって、靴４２、４３のそれぞれの高さを、白色、桃色、及び赤色の３段階による色分け表示を行う。ここで、色分け表示は、前記した圧力処理機能による色分け表示とは異なる色を用いる。これによって、靴４２、４３が接地しているか、接地面から離れている（浮いている）かを区別することができる。なお、色分け表示は、例えば、赤色、黄色、及び青色等の３種類以上の異なる色、又は、白色から赤色への３段階以上のグラデーションによって行うこともできる。
【００５８】
また、プログラム７０は、圧力処理機能及び位置処理機能によって得られた靴４２、４３の圧力値ｐ1 〜ｐ24及び位置ＳL 、ＳR を基に歩行訓練者１１の身体重心位置Ｇ（ｘG ，ｙG ）を演算する重心処理機能を有している。ここで、身体重心位置Ｇは、左靴４２の圧力中心位置ＱL （ｘQL，ｙQL）、圧力ＰL 、及び三次元位置ＳL （ｘSL，ｙSL，ｚSL）と、右靴４３の圧力中心位置ＱR （ｘQR，ｙQR）、圧力ＰR 、及び三次元位置ＳR （ｘSR，ｙSR，ｚSR）とから算出される。なお、例えば、靴４３が浮いた状態、すなわち、靴４３の感圧センサ２８〜３９が圧力を感知しない場合には、接地している靴４２の感圧センサ１６〜２７の圧力データから算出された靴４２の圧力中心位置ＱR が身体重心位置Ｇとなる。
【００５９】
更に、プログラム７０は、個人データ処理機能によりハードディスク６２に保存された歩幅設定値に基づいて、靴４２、４３の接地目標位置を演算し、算出された接地目標位置を液晶画面６６に表示する目標接地位置設定処理機能を有している。なお、歩行訓練者１１の歩行によって位置センサ４５で測定される歩幅の平均値を逐次計算して接地目標位置とすることもできる。
【００６０】
また、プログラム７０は、重心処理機能によって算出された歩行訓練者１１の身体重心位置Ｇの軌跡に基づいて、歩行訓練者１１の転倒防止範囲を演算し、算出された転倒防止範囲を液晶画面６６に表示する転倒防止範囲設定処理機能を有している。ここで、転倒防止範囲は、予め実験で求めた歩行訓練者１１が転倒しない時の身体重心位置Ｇの軌跡に対して、履物の横幅の５％以上で５０％以下、好ましくは１０以上で３０％以下の範囲となる。
【００６１】
例えば、歩行訓練者１１が左足１２で立っている場合には、靴４３が浮いて、靴４３の感圧センサ２８〜３９が圧力信号を検知できない状態であり、この際の身体重心位置Ｇの軌跡は、靴４２の感圧センサ１６〜２７の圧力データから算出された靴４２の圧力中心位置ＱR と一致し、圧力中心位置ＱR が転倒防止範囲外となった場合には、液晶画面６６上の危険を示す文字や記号の表示、又は、ブザーや音声による警報等によって歩行訓練者１１に注意を促すことができる。
【００６２】
次に、図５〜図１１を参照して、歩行訓練支援装置１０を使用した歩行訓練者１１の歩行訓練の方法について説明する。
まず、図１及び図２に示すように、歩行訓練者１１は、所定位置に感圧センサ１６〜３９が取付けられた中敷き４０、４１が挿入され、位置センサ４５の第１及び第２のセンサ部４８、４９が取付けられた左右の靴４２、４３をそれぞれ左足１２、右足１３に装着する。コンピュータ５９のプログラム７０を起動し、氏名、性別、年齢、麻痺している足が左足又は右足か、障害度が高いか低いか、体重、及び歩行訓練者１１の歩幅に合わせて決められた歩幅設定値等の個人データを入力して、歩行訓練者１１の歩行訓練を開始する。
【００６３】
歩行訓練者１１が両足１２、１３を揃えて立っている場合、プログラム７０の位置処理機能によって、位置センサ４５の第１及び第２のセンサ部４８、４９のデータから靴４２の三次元位置ＳL （ｘSL，ｙSL，ｚSL）及び靴４３の三次元位置ＳR （ｘSR，ｙSR，ｚSR）がそれぞれ算出され、図５に示すように、液晶画面６６の大画面６７に靴４２、靴４３の各現在位置７１、７２が表示される。
【００６４】
更に、プログラム７０の圧力処理機能によって、左足用の感圧センサ１６〜２７で測定された圧力値ｐ1 〜ｐ12のデータから左靴４２の圧力中心位置ＱL （ｘQL，ｙQL）及び圧力ＰL が算出され、右用の感圧センサ２８〜３９で測定された圧力値ｐ13〜ｐ24のデータから右靴４３の圧力中心位置ＱR （ｘQR，ｙQR）及び圧力ＰR が算出され、液晶画面６６の大画面６７に圧力中心位置ＱL 、ＱR が点で表示される。
【００６５】
また、プログラム７０の圧力処理機能によって、算出された圧力ＰL 、ＰR の大きさから、靴４２、４３の負荷状態を算出し、現在位置７１、７２の縁を圧力がかかっていない状態から歩行訓練者１１の全体重をかけた状態までを白色、水色、及び青色の３段階で色分け表示する。現時点では両足１２、１３で均等に体重をかけて立っているので、現在位置７１、７２の縁はそれぞれ水色となっている。なお、現在位置全体に色を付けてもよい。また、負荷状態の代わりに、それぞれの靴４２、４３の圧力分布を算出し、現在位置７１、７２を３段階以上に色分け表示してもよい。
【００６６】
また、プログラム７０の重心処理機能によって、靴４２の三次元位置ＳL 、圧力中心位置ＱL 、及び圧力ＰL と、靴４３の三次元位置ＳR 、圧力中心位置ＱR 、及び圧力ＰR とから歩行訓練者１１の身体重心位置Ｇ（ｘG ，ｙG ）が算出される。
【００６７】
更に、プログラム７０の目標接地位置設定処理機能によって、予め設定された歩幅設定値ｈに基づいて、靴４２、４３の接地目標位置を算出し、液晶画面６６の大画面６７にそれぞれの接地目標位置（図中、２点鎖線で示す）７３、７４を表示する。ここで、最初の１歩は両足１２、１３のいずれから歩き始めても対応できるように、両足１２、１３のそれぞれの接地目標位置７３、７４を表示している。また、歩き始めの１歩目の歩幅を、歩幅設定値ｈの半分のｈ／２とし、１歩目の接地目標位置７３、７４での第１及び第２のセンサ部４８、４９の三次元位置が、それぞれＳL1（ｘSL＋ｈ／２，ｙSL，ｚSL）、ＳR1（ｘSR＋ｈ／２，ｙSR，ｚSR）となるように設定した。
【００６８】
ここで、例えば、１歩目が左足１２から歩き始めた場合には、位置センサ４５の第１のセンサ部４８が移動すると共に、感圧センサ１６〜２８が圧力を受けなくなるので、靴４２が接地面から離れていると判断され、図６に示すように、右靴４３の接地目標位置７４が消去され、現在位置７１が靴跡を示す靴跡位置７５（図中、破線で示す）に変更され、更に靴４２の現在位置７６（図中、一点鎖線で示す）が表示される。
【００６９】
位置センサ４５の第１のセンサ部４８によって、靴４２の接地面からの高さｚSLが測定されるので、現在位置７６は、高さｚSLに対して、接地面から０ｃｍを白色とし、０ｃｍを超え５ｃｍ未満を桃色とし、５ｃｍ以上を赤色として色分け表示される。なお、色分け表示は、接地面から０ｃｍを白色とし、５ｃｍ以上を赤色として、その間を徐々に色が変わるようにグラデーションで示してもよく、また、接地面からの高さを数ｍｍ〜数ｃｍ、例えば、１ｃｍの範囲ずつで区切って、接地面から白色、赤色、マゼンタ、青色、シアン、緑色、及び黄色等と異なる色で示してもよい。
【００７０】
また、左靴４２が接地面から浮いているので、身体重心位置Ｇは右靴４３側に移動し、左靴４２が着地するまで右靴４３内を移動する。ここで、予め実験で求めた歩行訓練者１１が転倒しない時の身体重心位置の軌跡７９に対して、靴４３の横幅の５％以上で５０％未満、好ましくは１０％以上で３０％（本実施の形態では３０％とした。以下同様）の範囲が歩行訓練者１１の転倒防止範囲７７として表示され、歩行訓練者１１の身体重心位置Ｇの軌跡７８が転倒防止範囲７７の外側となった場合には、液晶画面６６上の危険を示す文字や記号の表示、又は、ブザーや音声による警報等によって歩行訓練者１１に注意を促すことができる。
【００７１】
歩行訓練者１１は、液晶画面６６の大画面６７を見ながら、現在位置７６を接地目標位置７３に重なるように左足１２を動かす。図７に示すように、左靴４２が着地すると、靴４２の位置センサ４５の第１のセンサ４８の高さが０となると共に、感圧センサ１６〜２７が圧力を感知するので、接地目標位置７３を消去し、現在位置８０（図中、実線で示す）が表示される。
【００７２】
両足１２、１３が接地したので、大画面６７の表示が消去された後、図８に示すように、新たに左靴４２を示す現在位置８０及び右靴４３を示す現在位置７２が表示されると共に、２歩目である右靴４３が歩幅ｈ分前方に移動した接地目標位置８１（ＳR2（ｘSR＋ｈ，ｙSR，ｚSR））が表示される。更に、図９に示すように、歩行訓練者１１が右足１３を接地目標位置８１に移動させ始めると、右靴４３が接地面から離れ、現在位置７２の表示が靴跡位置８２（図中、破線で示す）となり、右靴４３の現在位置８３（図中、一点鎖線で示す）が表示される。歩行訓練者１１は左足１２と同様に、現在位置８３が接地目標位置８１に重なるように右足１３を動かす。
【００７３】
また、右靴４３が接地面から浮いているので、身体重心位置Ｇは左靴４２側に移動し、右靴４３が着地するまで左靴４２内を移動する。ここで、予め実験で求めた歩行訓練者１１が転倒しない時の身体重心位置の軌跡８６に対して、靴４２の横幅の３０％以下の範囲を転倒防止範囲８４とした。歩行訓練者１１の身体重心位置Ｇの軌跡８５が転倒防止範囲８４の外側となった場合には、液晶画面６６上の危険を示す文字や記号の表示、又は、ブザーや音声による警報等によって歩行訓練者１１に注意を促すことができる。
【００７４】
図１０に示すように、右靴４３が着地すると、靴４３の位置センサ４５の第２のセンサ４９の高さが０ｃｍとなると共に、感圧センサ２８〜３９が圧力を感知するので、接地目標位置８１を消去し、現在位置８７（図中、実線で示す）が表示される。両足１２、１３が接地したので、大画面６７の表示が消去された後、図１１に示すように、図１０よりも手前側に新たに左靴４２を示す現在位置８０及び右靴４３を示す現在位置８７が表示されると共に、３歩目である左靴４２が歩幅ｈ分前方に移動した接地目標位置８８（ＳL2（ｘSL＋３／２・ｈ，ｙSL，ｚSL））が表示される。
【００７５】
以上の動作を繰り返し行い歩行訓練者１１の歩行訓練を行ことができる。また、図５〜図１１に示すように、液晶画面６６の小画面６８には、靴４２、４３の足跡及び現在位置が表示されている。これによって、移動中の足１２、１３の元の位置からの移動量が把握できて歩き易くなる。なお、液晶画面６６の小画面６８には、靴４２、４３の足跡及び現在位置の代わりに、身体重心位置Ｇの軌跡を表示してもよい。
【００７６】
図１２及び図１３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る歩行訓練支援装置９０について説明する。なお、歩行訓練支援装置１０と同一の構成要素については同一の番号を付してその詳しい説明を省略する。
歩行訓練支援装置９０は、表示手段が、パネル形のディスプレイ９１であって、歩行訓練者１１との距離を実質的に一定に保って移動可能な台車９２に搭載されている点、及び靴４２、４３の三次元位置測定に超音波を使用している点で歩行訓練支援装置１０と異なっている。以下、歩行訓練支援装置９０について詳しく説明する。
【００７７】
歩行訓練者１１が装着する左右の靴４２、４３は、両足１２、１３の足底１４、１５にかかる圧力をそれぞれ測定する１２個の左足用の感圧センサ１６〜２７及び１２個の右足用の感圧センサ２８〜３９が所定位置（座標（ｘn ，ｙn ）、ｎ＝１〜２４、図３参照）にそれぞれ配置された中敷き４０、４１を備えている。
【００７８】
歩行訓練支援装置９０は、両足１２、１３の位置をそれぞれ三次元で測定する超音波式の位置センサ９３を有している。位置センサ９３は、左右の靴４２、４３にそれぞれ設けられ、超音波を発生する超音波発生部（図示せず）を備えた第１及び第２のセンサ部９４、９５と、台車９２に搭載され、第１及び第２のセンサ部９４、９５で発生する超音波を受信する３つの超音波受信部９６〜９８を備えた第３のセンサ部９９とを有している。第１及び第２のセンサ部９４、９５からそれぞれ発信された超音波が、第３のセンサ部の３つの超音波受信部９６〜９８へ到達する時間の差によって、対となる靴４２、４３の位置を検知することができる。
【００７９】
台車９２は、平面視して矩形の板状の台車本体１００、台車本体１００の４隅の下部に設けられる車輪１０１、車輪１０１を駆動させる図示しない駆動装置、及び図示しない電源を有している。また、台車本体１００の上部後側には、後方の第１及び第２のセンサ部９４、９５から発生される超音波を受信する第３のセンサ部９９を構成する超音波受信部９６〜９８が所定の間隔を有して配置されている。ここで、歩行訓練支援装置９０は、第１及び第２のセンサ部９４、９５から発生される超音波を第３のセンサ部９９の超音波受信部９６〜９８のいずれか１又は２以上、例えば、超音波受信部９７で受信し、歩行訓練者１１との距離を測定して、台車９２と歩行訓練者１１との距離を実質的に一定に保つように、駆動装置で車輪１０１を動かしている。
【００８０】
なお、歩行訓練者１１と台車９２の距離の測定は、第１及び第２のセンサ部９４、９５から発生される超音波を他の超音波受信部９６、又は超音波受信部９８で受信してもよく、２以上の超音波受信部で受信して行ってもよい。また、別の超音波発生部及び超音波受信部を設けて、歩行訓練者１１と台車９２の距離を測定してもよい。
【００８１】
歩行訓練支援装置９０は、制御手段の一例であるデスクトップ型のコンピュータ１０２を有している。また、歩行訓練支援装置９０は、左足用の感圧センサ１６〜２７及び右足用の感圧センサ２８〜３９が、それぞれケーブル５５、５６を介して、Ａ／Ｄ変換器５４に接続され、更に、Ａ／Ｄ変換器５４は、ケーブル５８を介して、コンピュータ１０２のインターフェイス１０３と接続されている。また、第１及び第２のセンサ部９４、９５、及び第３のセンサ部９９の超音波受信部９６〜９８は、それぞれケーブル１０４〜１０８を介して、コンピュータ１０２のインターフェイス１０３と接続されている。
【００８２】
また、コンピュータ１０２は、インターフェイス１０３に接続され、各デジタル信号から各靴４２、４３の現在位置及び着地状況を算出する中央処理装置６１を有している。更に、コンピュータ１０２は、中央処理装置６１に接続されるハードディスク６２、ＲＯＭ６３、及びＲＡＭ６４と、中央演算装置６１に接続される画像出力手段６５と、画像出力手段６５に接続されて中央演算装置６１で演算した結果を表示するディスプレイ９１を備えている。ディスプレイ９１は、靴４２、４３の現在位置、接地目標位置、及び踏み出した靴の跡を示す靴跡位置を表示する大画面１０９と、靴４２、４３の数歩分の足跡（靴跡位置）及び現在位置を表示する小画面１１０に分割表示可能となっている。
【００８３】
コンピュータ１０２のハードディスク６２は、個人データ処理機能、圧力処理機能、位置処理機能、高さ処理機能、重心処理機能、目標接地位置設定処理機能、及び転倒防止範囲設定処理機能を備えた歩行訓練支援プログラム１１１が保存されている。プログラム１１１は、位置処理機能が第１及び第２のセンサ部９４、９５、及び第３のセンサ部９９の超音波受信部９６〜９８で左右の靴４２、４３の三次元位置を算出する点と、第１及び第２のセンサ部９４、９５、及び第３のセンサ部９９の超音波受信部９７で歩行訓練者１１と台車９２との距離を測定し、歩行訓練者１１と台車９２との距離を一定に保つために、駆動装置によって車輪１０１を動かす点とが、プログラム７０と異なっている。
【００８４】
次に、歩行訓練支援装置９０を使用した歩行訓練者１１の歩行訓練の方法について説明する。
まず、図１２に示すように、歩行訓練者１１は、所定位置に感圧センサ１６〜３９が取付けられた中敷き４０、４１が挿入され、更に、位置センサ９３の第１及び第２のセンサ部９４、９５が取付けられた左右の靴４２、４３をそれぞれ左足１２、右足１３に装着し、台車９２の後方、すなわち、ディスプレイ９１の正面に立つ。
【００８５】
コンピュータ１０２のプログラム１１１を起動して個人データ入力等の処理を行った後、プログラム１１１に従って、歩行訓練者１１の歩行訓練を行う。なお、歩行訓練者１１の歩行とディスプレイ９１の大画面１０９及び小画面１１０の変遷は、歩行訓練支援装置１０の場合と実質的に同じであるので説明を省略する（図５〜図１１参照）。歩行訓練支援装置９０では、歩行訓練者１１がディスプレイ９１に近づいても、台車９２を動かして、歩行訓練者１１と台車９２との距離を実質的に一定に保っている。
【００８６】
図１４及び図１５を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る歩行訓練支援装置１２０について説明する。なお、歩行訓練支援装置１０、９０と同一の構成要素については同一の番号を付してその詳しい説明を省略する。
歩行訓練者１１が装着する左右の靴４２、４３は、両足１２、１３の足底１４、１５にかかる圧力をそれぞれ測定する１２個の左足用の感圧センサ１６〜２７及び１２個の右足用の感圧センサ２８〜３９が所定位置（座標（ｘn ，ｙn ）、ｎ＝１〜２４、図３参照）にそれぞれ配置された中敷き４０、４１を備えている。
【００８７】
歩行訓練支援装置１２０は、両足１２、１３の三次元位置を相対的に測定する磁気式の位置センサ１２３を有している。位置センサ１２３は、左右の靴４２、４３にそれぞれ設けられ、磁界を発生可能であると共に、発生した磁界によって電流が誘起されるｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各軸に対応する３つの直交した第１〜第３のコイル（図示せず）を備える第１及び第２のセンサ部１２１、１２２を備えている。
【００８８】
位置センサ１２３は、例えば、左靴４２が接地し、右靴４３が接地面から離れている場合、すなわち、左足用の感圧センサ１６〜２７が作動し、右足用の感圧センサ２８〜３９が圧力を感知しない場合に、靴４２の第１のセンサ部１２１の第１〜第３のコイルに順番に電流を流し、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向に、例えば、約１０ｋＨｚの交流磁界を順次発生させ、この磁界によって誘起される靴４３の第２のセンサ部１２２の第１〜第３のコイルの電流の強さを測定し、接地されている靴４２の第１のセンサ部１２１を原点として、接地面から離れている靴４３の距離及び姿勢（角度）を測定し、三次元位置を相対的に算出する。
【００８９】
歩行訓練支援装置１２０は、左足用の感圧センサ１６〜２７及び右足用の感圧センサ２８〜３９が、それぞれケーブル５５、５６を介して、Ａ／Ｄ変換器５４に接続され、更に、Ａ／Ｄ変換器５４は、ケーブル５８を介して、制御手段の一例であるウェラブル型のコンピュータ１２５のインターフェイス１２７と接続されている。コンピュータ１２５及びＡ／Ｄ変換器５４は、歩行訓練者１１の腰又は背中に装着されている。また、第１及び第２のセンサ部１２１、１２２は、それぞれケーブル１２８、１２９を介して、コンピュータ１２５のインターフェイス１２７と接続されている。
【００９０】
また、コンピュータ１２５は、インターフェイス１２７に接続され、各デジタル信号から各靴４２、４３の現在位置及び着地状況を算出する中央処理装置６１を有している。更に、中央処理装置６１には、ハードディスク６２、ＲＯＭ６３、ＲＡＭ６４、及び画像出力手段６５が接続されている。更に、コンピュータ１２５の画像出力手段６５には、歩行訓練者１１の顔に装着され、中央演算装置６１で演算した結果を表示する表示手段の一例であるヘッドマウント型のディスプレイ１２４がケーブル１３０を介して接続されている。ディスプレイ１２４は、靴４２、４３の現在位置、接地目標位置、及び踏み出した靴の跡を示す靴跡位置を表示する大画面１３１と、靴４２、４３の数歩分の足跡（靴跡位置）及び現在位置を表示する小画面１３２に分割表示可能となっている。
【００９１】
歩行訓練支援装置１２０には、音声発生手段１２６が設けられ、音声発生手段１２６は、音発生源として、歩行訓練者１１の両耳に装着される音発生部１３３、１３４を備えるヘッドホン１３５を有し、ヘッドホン１３５の音発生部１３３、１３４は、ケーブル１３７、１３８、コンピュータ１２５の音声出力手段１３６を介して中央制御装置６１と接続されている。更に、音声発生手段１２６は、各足１２、１３への負荷状態を表す音声データ１３９を有している。ここで、音声データ１３９には、例えば、「左足に体重がかかり過ぎています」、及び「もう少し右足に体重をかけて下さい」等の通常理学療法士が使用する言葉が含まれ、音声ファイル、又は、発声時に音声合成されるテキストファイルの形式で、予めコンピュータ１２５のハードディスク６２に保存されている。
【００９２】
コンピュータ１２５のハードディスク６２は、個人データ処理機能、圧力処理機能、位置処理機能、高さ処理機能、重心処理機能、目標接地位置設定処理機能、及び転倒防止範囲設定処理機能を備えた歩行訓練支援プログラム１４０が保存されている。プログラム１４０は、位置処理機能と圧力処理機能とによって、例えば、左足１２を接地させて右足１３を浮かせ片足立ちをしている場合、感圧センサ１６〜２８によって左靴４２が接地面に接地し右靴４３が接地面から離れていることが検知され、左靴４２に設けられた第１のセンサ部１２１の第１〜第３のコイルに電流を流して磁界を発生させ、この磁界によって靴４３の第２のセンサ部１２２の第１〜第３のコイルに生じる電流を測定する点と、音声発生手段１２６によって靴４２、４３への負荷状態を音声で知らせる点とがプログラム７０、１１１と異なっている。
【００９３】
次に、歩行訓練支援装置１２０を使用した歩行訓練者１１の歩行訓練の方法について説明する。
まず、図１４に示すように、歩行訓練者１１は、所定位置に感圧センサ１６〜３９が取付けられた中敷き４０、４１が挿入され、更に、位置センサ１２３の第１及び第２のセンサ部１２１、１２２が取付けられた左右の靴４２、４３をそれぞれ左足１２、右足１３に装着し、顔にディスプレイ１２４及びヘッドホン１３５を装着する。
【００９４】
コンピュータ１２５のプログラム１４０を起動して個人データの入力等の処理を行った後、プログラム１４０に従って、歩行訓練者１１の歩行訓練を行う。なお、歩行訓練者１１の歩行とディスプレイ１２４の大画面１３１及び小画面１３２の変遷は、歩行訓練支援装置１０の場合と実質的に同じであるので説明を省略する（図５〜図１１参照）。
【００９５】
プログラム１４０は、歩行訓練者１１の歩行の際の靴４２、４３の負荷状態によって、コンピュータ１２５のハードディスク６２に保存された音声データ１３９を出力し、音声発生手段１２６のヘッドホン１３５の音発生部１３３、１３４から流し、歩行訓練者１１に靴４２、４３の負荷状態、又は対応する指示を音声で知らせる。音声発生手段１２６は、音声データ１３９が音声ファイルで保存されている場合には、音声ファイルを再生し、音声データ１３９がテキストデータで保存されている場合には、テキストデータを音声合成して流し、歩行訓練者１１が靴４２、４３の負荷状態を把握し易くしている。
【００９６】
図１６及び図１７を参照して、本発明の第４の実施の形態に係る歩行訓練支援装置１５０について説明する。なお、歩行訓練支援装置１２０と同一の構成要素については同一の番号を付してその詳しい説明を省略する。
歩行訓練支援装置１５０は、音声発生手段の代わりに、靴４２、４３の接地目標位置を触覚で知らせる触覚表示手段１５１を備えている点で、歩行訓練支援装置１２０と異なっている。以下、歩行訓練支援装置１５０について詳しく説明する。
【００９７】
触覚表示手段１５０は、歩行訓練者１１の腰回りに所定の間隔を有して配置される複数、例えば、８つのバイブレータ１５２〜１５９を有し、バイブレータ１５２〜１５９が、ケーブル１６２、及び制御手段の一例であるコンピュータ１６０に設けられる振動出力手段１６１を介して、コンピュータ１６０の中央制御装置６１と接続されている。触覚表示手段１５１は、歩行訓練者１１の身体を動かすべき方向のバイブレータ１５２〜１５９に振動を与え、この振動刺激によって、靴４２、４３の接地目標位置を知らせることができる。なお、触覚表示手段は、振動刺激の他に、歩行訓練者の身体を動かすべき方向に接触刺激及び温度刺激等の刺激を与えることもできる。
【００９８】
コンピュータ１６０のハードディスク６２は、個人データ処理機能、圧力処理機能、位置処理機能、高さ処理機能、重心処理機能、目標接地位置設定処理機能、及び転倒防止範囲設定処理機能を備えた歩行訓練支援プログラム１６３が保存されている。プログラム１６３は、位置処理機能と圧力処理機能とによって、例えば、左足１２を接地させて右足１３を浮かせ片足立ちをしている場合、感圧センサ１６〜２８によって左靴４２が接地面に接地し右靴４３が接地面から離れていることが検知され、左靴４２に設けられた第１のセンサ部１２１の第１〜第３のコイルに電流を流して磁界を発生させ、この磁界によって靴４３の第２のセンサ部１２２の第１〜第３のコイルに生じる電流を測定し、歩行訓練者１１の身体を動かすべき方向のバイブレータ１５２〜１５９に振動を与える。
【００９９】
次に、歩行訓練支援装置１５０を使用した歩行訓練者１１の歩行訓練の方法について説明する。
まず、図１６に示すように、歩行訓練者１１は、所定位置に感圧センサ１６〜３９が取付けられた中敷き４０、４１が挿入され、更に、位置センサ１２３の第１及び第２のセンサ部１２１、１２２が取付けられた左右の靴４２、４３をそれぞれ左足１２、右足１３に装着し、顔にディスプレイ１２４を、背中にコンピュータ１６０とＡ／Ｄ変換器５４を、腰にバイブレータ１５２〜１５９を装着する。
【０１００】
コンピュータ１６０のプログラム１６３を起動して個人データの入力等の処理を行った後、プログラム１６３に従って、歩行訓練者１１の歩行訓練を行う。なお、歩行訓練者１１の歩行とディスプレイ１２４の大画面１３１及び小画面１３２の変遷は、歩行訓練支援装置１０の場合と実質的に同じであるので説明を省略する（図５〜図１１参照）。
プログラム１６３は、歩行訓練者１１の身体を動かすべき方向のバイブレータ１５２〜１５９に振動を与え、この振動刺激によって、靴４２、４３の接地目標位置を知らせることができる。
【０１０１】
本発明は、前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明の歩行訓練支援装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、前記実施の形態の歩行訓練支援装置において、それぞれの機器を有線接続により信号接続したが、無線による信号連結としてもよい。
【０１０２】
更に、歩行訓練支援装置に、履物の接地目標位置を音像で知らせる音像発生手段を装備してもよい。音像とは、三次元立体音響技術の１つであり、歩行訓練者の周囲に配置された複数のスピーカ、及び歩行訓練者の両耳に配置されるヘッドホン等の音発生源から発生される音の音圧や遅延時間等を調整し、音が空間内を移動しているように歩行訓練者に感じさせるものである。音像発生手段によって、歩行訓練者の身体を動かすべき方向から音を発生させ、歩行訓練者の身体をその方向に移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図である。
【図２】同歩行訓練支援装置の感圧センサ及び位置センサが取付けられた履物の説明図である。
【図３】同歩行訓練支援装置の感圧センサの配置図である。
【図４】同歩行訓練支援装置のブロック図である。
【図５】同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図である。
【図６】同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図である。
【図７】同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図である。
【図８】同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図である。
【図９】同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図である。
【図１０】同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図である。
【図１１】同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図である。
【図１３】同歩行訓練支援装置のブロック図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図である。
【図１５】同歩行訓練支援装置のブロック図である。
【図１６】（Ａ）は本発明の第４の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図、（Ｂ）は同歩行訓練支援装置の触覚表示手段の配置図である。
【図１７】同歩行訓練支援装置のブロック図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１０：歩行訓練支援装置、１１：歩行訓練者、１２、１３：足、１４、１５：足底、１６〜３９：感圧センサ、４０、４１：中敷き、４２、４３：靴、４５：位置センサ、４６：第３のセンサ部、４７：システムコントロールユニット、４８：第１のセンサ部、４９：第２のセンサ部、５０〜５２：ケーブル、５３：受信範囲、５４：Ａ／Ｄ変換器、５５〜５８：ケーブル、５９：コンピュータ、６０：インターフェイス、６１：中央演算装置、６２：ハードディスク、６３：ＲＯＭ、６４：ＲＡＭ、６５：画像出力手段、６６：液晶画面、６７：大画面、６８：小画面、６９：テーブル、７０：歩行訓練支援プログラム、７１、７２：現在位置、７３、７４：接地目標位置、７５：靴跡位置、７６：現在位置、７７：転倒防止範囲、７８、７９：軌跡、８０：現在位置、８１：接地目標位置、８２：靴跡位置、８３：現在位置、８４：転倒防止範囲、８５、８６：軌跡、８７：現在位置、８８：接地目標位置、９０：歩行訓練支援装置、９１：ディスプレイ、９２：台車、９３：位置センサ、９４：第１のセンサ部、９５：第２のセンサ部、９６〜９８：超音波受信部、９９：第３のセンサ部、１００：台車本体、１０１：車輪、１０２：コンピュータ、１０３：インターフェイス、１０４〜１０８：ケーブル、１０９：大画面、１１０：小画面、１１１：歩行訓練支援プログラム、１２０：歩行訓練支援装置、１２１：第１のセンサ部、１２２：第２のセンサ部、１２３：位置センサ、１２４：ディスプレイ、１２５：コンピュータ、１２６：音声発生手段、１２７：インターフェイス、１２８〜１３０：ケーブル、１３１：大画面、１３２：小画面、１３３、１３４：音発生部、１３５：ヘッドホン、１３６：音声出力手段、１３７、１３８：ケーブル、１３９：音声データ、１４０：歩行訓練支援プログラム、１５０：歩行訓練支援装置、１５１：触覚表示手段、１５２〜１５９：バイブレータ、１６０：コンピュータ、１６１：振動出力手段、１６２：ケーブル、１６３：歩行訓練支援プログラム
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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