(57)【要約】【課題】ユーザに感じさせる違和感を低減することができる、歩行訓練装置を提供する。【解決手段】歩行訓練装置１において制御装置（制御部）３３は、歩行補助装置２の重量モーメントと、第１引張部３５及び第２引張部３７によって引っ張られることで歩行補助装置２に発生するモーメントと、のモーメント差を小さくするように、第１引張部３５及び第２引張部３７の引張力を、歩行補助装置２が装着されたユーザの脚部の「振り角度」に基づいて、制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの脚部に装着される装着器具と、
前記装着器具の前部及び後部にそれぞれ連結される前方ワイヤ及び後方ワイヤを用いて、前方斜め上及び後方斜め上から前記装着器具を引っ張ることにより、前記脚部の振りを補助する引張手段と、
前記引張手段による前記前方ワイヤ及び前記後方ワイヤに対する引張力を制御する制御手段と、
を有する歩行訓練装置において、
前記制御手段は、前記装着器具の重量モーメントと、前記引張手段によって引っ張られることで前記装着器具に発生するモーメントと、のモーメント差を小さくするように、前記引張力を、前記脚部の振り角度に基づいて制御する、
歩行訓練装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行訓練装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ユーザの脚部に装着された装着器具（歩行補助装置）の前部及び後部にそれぞれ連結される前方ワイヤ及び後方ワイヤを用いて、前方斜め上及び後方斜め上から装着器具を引っ張ることにより、脚部の振りを補助する歩行訓練装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２２３２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
歩行訓練装置に対しては、ユーザが感じる違和感をできるだけ少なくしたい要求がある。
【０００５】
本発明者らは、このような要求に鑑みて、次の課題を見出した。
装着器具（歩行補助装置）の重心位置と装着器具に対するワイヤの取付位置（牽引位置）とが乖離している場合（つまり、一致しない場合）、上記重心位置と上記取付位置との相対位置関係によっては、重心位置に生じる装着器具の重量モーメントとワイヤによる牽引によって装着器具に生じる牽引モーメントとの間の、モーメント差が発生してしまう。そして、このモーメント差に起因して装着器具に回転力が生じ、この回転力によって脚部が装着器具の一部から引っ張られるような違和感又はフィット感に対する違和感を、ユーザに感じさせてしまう可能性がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ユーザに感じさせる違和感を低減することができる、歩行訓練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】
本発明の一態様に係る歩行訓練装置は、ユーザの脚部に装着される装着器具と、前記装着器具の前部及び後部にそれぞれ連結される前方ワイヤ及び後方ワイヤを用いて、前方斜め上及び後方斜め上から前記装着器具を引っ張ることにより、前記脚部の振りを補助する引張手段と、前記引張手段による前記前方ワイヤ及び前記後方ワイヤに対する引張力を制御する制御手段と、を有する歩行訓練装置において、前記制御手段は、前記装着器具の重量モーメントと、前記引張手段によって引っ張られることで前記装着器具に発生するモーメントと、のモーメント差を小さくするように、前記引張力を、前記脚部の振り角度に基づいて制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ユーザに感じさせる違和感を低減することができる、歩行訓練装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係る歩行訓練装置の外観構成例を概略的に示す斜視図である。
【図２】一実施形態に係る歩行補助装置の一例を示す図である。
【図３】一実施形態に係る制御装置の引張力制御に関わる構成の一例を示すブロック図である。
【図４】引張力のターゲット値の算出方法の説明に供する図である。
【図５】引張力のターゲット値の算出方法の説明に供する図である。
【図６】引張力のターゲット値の算出方法の説明に供する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
【００１１】
図１は、一実施形態に係る歩行訓練装置の外観構成例を概略的に示す斜視図である。図１に示す歩行訓練装置の外観構成は、上記特許文献１と同じであってもよい。図１に示す歩行訓練装置１は、例えば、脳卒中片麻痺患者などのユーザの歩行訓練を行うための装置である。
【００１２】
図１において、歩行訓練装置１は、ユーザの脚部に装着された歩行補助装置（装着器具）２と、ユーザの歩行訓練を行う訓練装置３とを有する。
【００１３】
歩行補助装置２は、例えば、歩行訓練を行うユーザの患脚に装着される。図２は、一実施形態に係る歩行補助装置の一例を示す図である。
【００１４】
図２において歩行補助装置２は、上腿フレーム２１と、上腿フレーム２１に膝関節部２２を介して連結された下腿フレーム２３と、下腿フレーム２３に足首関節部２４を介して連結された足平フレーム２５と、膝関節部２２を回転駆動するモータユニット２６と、足首関節部２４の可動範囲を調整する調整機構２７とを有している。
【００１５】
上腿フレーム２１は、ユーザの脚部の上腿部に取り付けられ、下腿フレーム２３はユーザの脚部の下腿部に取り付けられる。上腿フレーム２１には、例えば、上腿部を固定するための上腿装具２１２が設けられている。
【００１６】
上腿フレーム２１には、前方に膨らんだ湾曲形状を有していて左右方向に延在する第１フレーム２１１が設けられている。第１フレーム２１１の左右両端部は、上腿フレーム２１の左右両端部にそれぞれ繋がっている。第１フレーム２１１には、後述する前方ワイヤ３４が接続（連結）される。
【００１７】
下腿フレーム２３には、後方に膨らんだ湾曲形状を有していて左右方向に延在する第２フレーム２３１が設けられている。第２フレーム２３１の左右両端部は、左右一対の下腿フレーム２３にそれぞれ連結されている。第２フレーム２３１には、後述する後方ワイヤ３６が接続（連結）される。
【００１８】
モータユニット２６は、ユーザの歩行動作に応じて膝関節部２２を回転駆動することでユーザの歩行を補助する。
【００１９】
図１の説明に戻り、訓練装置３は、トレッドミル３１と、フレーム本体３２と、制御装置（制御部）３３とを有している。トレッドミル３１は、リング状のベルト３１１を回転させる。ベルト３１１の移動に応じて、ベルト３１１上に乗ったユーザは歩行訓練を行う。制御装置（制御部）３３の後面（つまり、ユーザと対向する面）には、訓練指示、訓練メニュー、訓練情報（歩行速度、生体情報等）などの情報を表示する表示部３３１が設けられている。表示部３３１は、例えば、タッチパネルとして構成されており、ユーザは表示部３３１を介して各種の情報を入力できる。
【００２０】
フレーム本体３２は、トレッドミル３１上に立設された２対の柱フレーム３２１と、各柱フレーム３２１に接続され前後方向に延在する一対の前後フレーム３２２と、各前後フレーム３２２に接続され左右方向に延在する３つの左右フレーム３２３と、を有している。
【００２１】
前方の左右フレーム３２３には、前方ワイヤ３４を引張する第１引張部３５が設けられている。一端部が歩行補助装置２に連結された前方ワイヤ３４はその連結位置から前方斜め上に向けて張られるので、第１引張部３５が前方ワイヤ３４を引っ張ることにより、歩行補助装置２が前方斜め上に引っ張られる。これにより、歩行補助装置２が装着されたユーザの脚は、前方に振られることになる。
【００２２】
また、後方の左右フレーム３２３には、後方ワイヤ３６を引張する第２引張部３７が設けられている。一端部が歩行補助装置２に連結された後方ワイヤ３６はその連結位置から後方斜め上に向けて張られるので、第２引張部３７が後方ワイヤ３６を引っ張ることにより、歩行補助装置２が後方斜め上に引っ張られる。これにより、歩行補助装置２が装着されたユーザの脚は、後方に振られることになる。
【００２３】
ここで、第１引張部３５及び第２引張部３７は、例えば、それぞれ、前方ワイヤ３４及び後方ワイヤ３６を巻き取り及び繰り出す（巻き戻す）機構、並びに、この機構を駆動する駆動部（モータ）等を含んでいる。そして、第１引張部３５は、例えば、後述する制御装置３３から受け取る「第１制御信号」に基づいて、第１引張部３５が有する駆動部の駆動力を調整することにより、前方ワイヤ３４に対する引張力を調整する。同様に、第２引張部３７は、例えば、後述する制御装置３３から受け取る「第２制御信号」に基づいて、第２引張部３７が有する駆動部の駆動力を調整することにより、後方ワイヤ３６に対する引張力を調整する。
【００２４】
制御装置３３は、上記第１制御信号及び第２制御信号を第１引張部３５及び第２引張部３７へ出力することにより、第１引張部３５及び第２引張部３７が前方ワイヤ３４及び後方ワイヤ３６を引っ張る引張力を制御する。例えば、制御装置３３は、歩行補助装置２の重量モーメントと、第１引張部３５及び第２引張部３７によって引っ張られることで歩行補助装置２に発生するモーメントと、のモーメント差を小さくするように、第１引張部３５及び第２引張部３７の引張力を、歩行補助装置２が装着されたユーザの脚部の「振り角度」に基づいて、制御する。以下では、歩行補助装置２の重量モーメントを「第１モーメント」と呼び、第１引張部３５及び第２引張部３７によって引っ張られることで歩行補助装置２に発生するモーメントを「第２モーメント」と呼ぶことがある。
【００２５】
図３は、一実施形態に係る制御装置の引張力制御に関わる構成の一例を示すブロック図である。図３には、便宜上、制御装置３３の他に、第１引張部３５及び第２引張部３７も示されている。
【００２６】
図３において、制御装置３３は、姿勢推定部３３Ａと、引張力調整部３３Ｂと、記憶部３３Ｃとを有する。
【００２７】
姿勢推定部３３Ａは、歩行補助装置２の姿勢（つまり、傾き及び位置）を推定する。例えば、姿勢推定部３３Ａは、歩行補助装置２が装着されたユーザの脚の「振り角度θＬ」を算出する。この「振り角度」の算出方法については後に詳しく説明する。
【００２８】
引張力調整部３３Ｂは、上記第１モーメントと、上記第２モーメントとの、モーメント差が小さくなるように、姿勢推定部３３Ａで算出された「振り角度θＬ」に基づいて、第１引張部３５及び第２引張部３７の引張力を調整（制御）する。例えば、引張力調整部３３Ｂは、第１引張部３５及び第２引張部３７の引張力のターゲット値（つまり、調整後の引張力の値）をそれぞれ算出し、算出した引張力のターゲット値を示す制御信号を、上記第１制御信号及び第２制御信号として第１引張部３５及び第２引張部３７へ出力する。この引張力のターゲット値の算出方法については、後に詳しく説明する。
【００２９】
記憶部３３Ｃは、引張力調整部３３Ｂが引張力のターゲット値を算出する際に用いる、種々のパラメータを記憶している。
【００３０】
＜振り角度の算出方法（姿勢推定方法）＞
振り角度の算出方法としては、例えば、以下の４つの方法を挙げることができる。
【００３１】
（算出方法１）例えば、加速度センサをそのセンシング方向が歩行補助装置２の上下方向を向くように取り付けることで、加速度センサのセンシング値は歩行補助装置２の傾き角度（つまり、振り角度θL）に応じた値となる。これを利用して、姿勢推定部３３Ａは、加速度センサのセンシング値に応じた振り角度θLを特定する。
【００３２】
（算出方法２）ユーザの歩行速度（トレッドミルの速度）によって、ユーザの脚がどのような時間経緯でどこまで上がるのかについてある程度予想ができるので、姿勢推定部３３Ａは、ユーザの歩行速度と歩行補助装置２の傾き角度（つまり、振り角度θL）の時間経緯との対応関係を予め保持しておく。そして、姿勢推定部３３Ａは、圧力センサで感知した脚の離れたタイミングからの経過時間によって、振り角度θLを特定する。
【００３３】
（算出方法３）まず、一平面（前後上下平面）上で、スタート時点（静止時）のユーザの基準箇所（例えば腰）の位置座標、及び、前方ワイヤ３４及び後方ワイヤ３６の牽引位置（見なし牽引位置）を特定する。ユーザの基準箇所（例えば腰）の位置座標は、ユーザによって異なるので、例えば、ユーザの身長に基づいて、その身長の平均的な基準箇所（例えば腰）の位置座標を用いることができる。そして、或るタイミングでの見なし牽引位置の位置座標を、そのタイミングでの前方ワイヤ３４及び後方ワイヤ３６の各繰り出し長さに基づいて特定する。そして、スタート時点での基準箇所の位置座標及び見なし牽引位置の位置座標、並びに、或るタイミングでの見なし牽引位置の位置座標に基づいて、その或るタイミングでの振り角度θLと特定する。
【００３４】
（算出方法４）歩行補助装置２において上下方向の配設ラインに並ぶようにマーカ群を取り付け、姿勢推定部３３Ａは、そのマーカ群が撮影されたカメラ画像を取得する。そして、姿勢推定部３３Ａは、取得したカメラ画像中の鉛直方向と配設ラインとのなす角度を、歩行補助装置２の傾き角度（つまり、振り角度θL）として特定する。
【００３５】
＜引張力のターゲット値の算出方法＞
例えば、引張力調整部３３Ｂは、姿勢推定部３３Ａによって算出された振り角度θLと、記憶部３３Ｃに記憶されているパラメータである、Ｌ１、Ｌ２とを、下記式（１）に代入することにより、θｆを算出する。
tanθｆ＝（L1／L2−１）・tanθL  ・・・（１）
ここで、図４乃至図６に示すように、Ｌ１は、ユーザの基準箇所（例えば腰）の位置ＢＰと、歩行補助装置２の重心Ｇ（ここでは、モータユニット２６の位置）との離間距離である。また、Ｌ２は、基準箇所位置ＢＰと、前方ワイヤ３４及び後方ワイヤ３６の牽引位置（見なし牽引位置）ＰＰとの離間距離である。また、θｆは、前方ワイヤ３４による前方引張力Ｎｆと後方ワイヤ３６による後方引張力Ｎｒとの合力と鉛直方向とのなす角度である。なお、ユーザの基準箇所位置ＢＰはユーザの身長によって異なるので、記憶部３３Ｃが身長と、Ｌ１，Ｌ２との対応関係を予め記憶しておき、引張力調整部３３Ｂは、入力されたユーザの身長と、該対応関係とに基づいて、上記式（１）に代入するＬ１，Ｌ２を特定してもよい。
【００３６】
また、記憶部３３Ｃは、角度θｆと、前方引張力Ｎｆ及び後方引張力Ｎｒのターゲット値との対応関係を予め記憶している。
【００３７】
そして、引張力調整部３３Ｂは、記憶部３３Ｃに記憶されている対応関係において、算出したθｆに対応する、前方引張力Ｎｆ及び後方引張力Ｎｒのターゲット値を特定する。
【００３８】
次に、上記式（１）の導出方法について説明する。
【００３９】
図５には、歩行補助装置が装着されている脚がトレッドミルのベルトから離れた状態（遊脚状態）において、発生する力を示す図である。図５に示すように、遊脚状態では、モーメントが発生するため、次の式（２）乃至式（４）の連立方程式が成立する。
Ｔ１＝Ｌ１・Ｍｇ・ｓｉｎθL  ・・・（２）
Ｔ２＝Ｌ２・Ｎａｌｌ・ｓｉｎ（θL＋θｆ）  ・・・（３）
Ｍｇ＝Ｎａｌｌ・ｃｏｓθｆ  ・・・（４）
【００４０】
ここで、Ｔ１（上記第１モーメント）とＴ２（上記第２モーメント）とのモーメント差を小さくすることを目指しているので、Ｔ１＝Ｔ２とする。この条件を用いて、上記式（２）乃至式（４）を整理することにより、上記式（１）を求めることができる。上記式（１）は、ユーザの違和感を低減するためには、遊脚時の振り角度θLに応じて、引張力合力Ｎａｌｌの方向θｆを調整する必要がある、つまり、その方向θｆに合力方向が向くような、前方引張力Ｎｆ及び後方引張力Ｎｒのターゲット値に調整する必要がある、ことを示している。
【００４１】
因みに、図６に示す立脚時には、次の式（５）及び式（６）の連立方程式が成立する。
Ｍｇ＝Ｎａｌｌ・ｃｏｓθｆ  ・・・（５）
Ｎａｌｌ・ｓｉｎθｆ＝０  ・・・（６）
【００４２】
この式（５）及び式（６）から、立脚状態では、引張力合力Ｎａｌｌの方向θｆがゼロとなるようなＮａｌｌを決めて、前方引張力Ｎｆ及び後方引張力Ｎｒを調整すればよい。
【００４３】
以上のように一実施形態によれば、歩行訓練装置１において制御装置（制御部）３３は、歩行補助装置２の重量モーメントと、第１引張部３５及び第２引張部３７によって引っ張られることで歩行補助装置２に発生するモーメントと、のモーメント差を小さくするように、第１引張部３５及び第２引張部３７の引張力を、歩行補助装置２が装着されたユーザの脚部の「振り角度」に基づいて、制御する。
【００４４】
この歩行訓練装置１の構成により、歩行補助装置２の重心位置と前方ワイヤ３４及び後方ワイヤ３６の牽引位置（見なし牽引位置）とが一致しない場合であっても、歩行補助装置２に生じる回転力を抑制することができる。この結果として、この回転力によって脚部が装着器具の一部から引っ張られるような違和感又はフィット感に対する違和感を低減することができる。
【００４５】
なお、以上で説明した、歩行補助装置２に対する前方ワイヤ３４及び後方ワイヤ３６の連結位置（つまり、牽引位置）は一例であり、例えば、前方ワイヤ３４及び後方ワイヤ３６を上腿装具２１２に接続してもよく、前方ワイヤ３４及び後方ワイヤ３６の連結位置を歩行補助装置２の任意の位置に設けることができる。前方ワイヤ３４及び後方ワイヤ３６の連結位置によって上記見なし牽引位置が変わってくるが、以上で説明した引張力調整方法と同じ考え方によって引張力を調整することにより、ユーザに感じさせる違和感を低減することができる。
【００４６】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１  歩行訓練装置
２  歩行補助装置
３  訓練装置
２１  上腿フレーム
２１１  第１フレーム
２１２  上腿装具
２２  膝関節部
２３  下腿フレーム
２３１  第２フレーム
２４  足首関節部
２５  足平フレーム
２６  モータユニット
２７  調整機構
３１  トレッドミル
３１１  ベルト
３２  フレーム本体
３２１  柱フレーム
３２２  前後フレーム
３２３  左右フレーム
３３  制御装置
３３Ａ  姿勢推定部
３３Ｂ  引張力調整部
３３Ｃ  記憶部
３３１  表示部
３４  前方ワイヤ
３５  第１引張部
３６  後方ワイヤ
３７  第２引張部
【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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