(57)【要約】【課題】適切な引上げ力を与えることができる歩行訓練装置、及びその制御方法を提供すること。【解決手段】  本実施の形態にかかる歩行訓練装置は、訓練者Ｕの下肢に装着される歩行補助装置２と、下肢に直接的又は歩行補助装置２を介して接続された、少なくとも１本のワイヤ３６と、ワイヤ３６を巻き取ることで、ワイヤ３６に引上げ力を与える第１ワイヤ巻取り機構３３と、横方向におけるワイヤ接続位置のずれに応じたずれ情報を検出するために設けられたセンサと、ずれ情報に基づいて、第１ワイヤ巻取り機構３３を制御するコントローラと、を備えた歩行訓練装置。【選択図】図１
2019122664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
訓練者の下肢に装着されるアシスト装具と、
前記下肢に直接的又は前記アシスト装具を介して接続された、少なくとも１本のワイヤと、
前記ワイヤを巻き取ることで、前記ワイヤに引上げ力を与える駆動機構と、
横方向におけるワイヤ接続位置のずれに応じたずれ情報を検出するために設けられたセンサと、
前記ずれ情報に基づいて、前記駆動機構を制御するコントローラと、を備えた歩行訓練装置。
【請求項２】
前記引上げ力に対応する指令値が前記コントローラに設定されており、
前記コントローラは、前記ずれ情報に基づいて、前記指令値を補正する請求項１に記載の歩行訓練装置。
【請求項３】
前記ずれ情報が、上面視における前後方向からのワイヤ方向のずれ角度θであり、
前記コントローラが、前記指令値をｃｏｓθで除算することで前記指令値を補正する請求項２に記載の歩行訓練装置。
【請求項４】
補正前の前記指令値が歩行動作に応じて変化する請求項２、又は３に記載の歩行訓練装置。
【請求項５】
前記ワイヤは、
前方斜め上から前記下肢に接続された第１のワイヤと、
後方斜め上から前記下肢に接続された第２のワイヤと、を含んでおり、
前記駆動機構は、
前記第１のワイヤを巻き取ることで、前記第１のワイヤに引上げ力を与える第１のワイヤ巻取り機構と
前記第２のワイヤを巻き取ることで、前記第２のワイヤに引上げ力を与える第２のワイヤ巻取り機構と、を備えており、
前記コントローラは、前記第１のワイヤ巻取り機構と前記第２のワイヤ巻取り機構に対する指令値をそれぞれ補正する請求項２〜４のいずれか１項に記載の歩行訓練装置。
【請求項６】
前記センサが、前記第１のワイヤ及び前記第２のワイヤのワイヤ長を検出するために設けられており、
前記コントローラが、前記ワイヤ長に基づいて、前記ずれ情報を算出する請求項５に記載の歩行訓練装置。
【請求項７】
前記センサは、前記下肢を撮像するカメラ、前記下肢の動きを検出するモーションセンサ、前記ワイヤから前記駆動機構が受ける反力を検出する力センサ、及び、前記アシスト装具の関節角度を検出する角度センサの少なくとも一つを備えている請求項１〜６のいずれか１項に記載の歩行訓練装置。
【請求項８】
訓練者の下肢に装着されるアシスト装具と、
前記下肢に直接的又は前記アシスト装具を介して接続された、少なくとも１本のワイヤと、
前記ワイヤを巻き取ることで、前記ワイヤに引上げ力を与える駆動機構と、
横方向におけるワイヤ接続位置のずれに応じたずれ情報を検出するために設けられたセンサと、を備えた歩行訓練装置の制御方法であって、
前記センサの検出結果に応じて、前記ずれ情報を求め、
前記ずれ情報に応じて、前記引上げ力を補正する歩行訓練装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行訓練装置、及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示された歩行訓練装置は、訓練者の脚部に装着された歩行補助装置と、歩行訓練を行う訓練装置とを備えている。訓練装置は、歩行補助装置を介して脚部に接続されたワイヤと、ワイヤを巻き取る巻き取り機構とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−５１４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、歩行訓練中に脚部が横方向に大きくずれると、引上げ力が適切な値からずれてしまうおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本実施形態にかかる歩行訓練装置は、訓練者の下肢に装着されるアシスト装具と、前記下肢に直接的又は前記アシスト装具を介して接続された、少なくとも１本のワイヤと、前記ワイヤを巻き取ることで、前記ワイヤに引上げ力を与える駆動機構と、横方向におけるワイヤ接続位置のずれに応じたずれ情報を検出するために設けられたセンサと、前記ずれ情報に基づいて、前記駆動機構を制御するコントローラと、を備えたものである。
【０００６】
上記の歩行訓練装置において、前記引上げ力に対応する指令値が前記コントローラに設定されており、前記コントローラは、前記ずれ情報に基づいて、前記指令値を補正するようにしてもよい。
【０００７】
上記の歩行訓練装置において、前記ずれ情報が、上面視における前後方向からのワイヤ方向のずれ角度θであり、前記コントローラが、前記指令値をｃｏｓθで除算することで前記指令値を補正するようにしてもよい。
【０００８】
上記の歩行訓練装置において、補正前の前記指令値が歩行動作に応じて変化するようにしてもよい。
【０００９】
上記の歩行訓練装置において、前記ワイヤは、前方斜め上から前記下肢に接続された第１のワイヤと、後方斜め上から前記下肢に接続された第２のワイヤと、を含んでおり、
前記駆動機構は、前記第１のワイヤを巻き取ることで、前記第１のワイヤに引上げ力を与える第１のワイヤ巻取り機構と、前記第２のワイヤを巻き取ることで、前記第２のワイヤに引上げ力を与える第２のワイヤ巻取り機構と、を備えており、前記コントローラは、前記第１のワイヤ巻取り機構と前記第２のワイヤ巻取り機構に対する指令値をそれぞれ補正するようにしてもよい。
【００１０】
上記の歩行訓練装置において、前記センサが、前記第１のワイヤ及び前記第２のワイヤのワイヤ長を検出するために設けられており、前記コントローラが、前記ワイヤ長に基づいて、前記ずれ情報を算出するようにしてもよい。
【００１１】
上記の歩行訓練装置において、前記センサは、前記下肢を撮像するカメラ、前記下肢の動きを検出するモーションセンサ、前記ワイヤから前記駆動機構が受ける反力を検出する力センサ、前記アシスト装具の関節角度を検出する角度センサの少なくとも一つを備えていてもよい。
【００１２】
本実施形態にかかる歩行訓練装置の制御方法、訓練者の下肢に装着されるアシスト装具と、前記下肢に直接的又は前記アシスト装具を介して接続された、少なくとも１本のワイヤと、前記ワイヤを巻き取ることで、前記ワイヤに引上げ力を与える駆動機構と、横方向におけるワイヤ接続位置のずれに応じたずれ情報を検出するために設けられたセンサと、を備えた歩行訓練装置の制御方法であって、前記センサの検出結果に応じて、前記ずれ情報を求め、前記ずれ情報に応じて、前記引上げ力を補正するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本実施形態によれば、適切な引上げ力を与えることができる歩行訓練装置、及び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】
【００１４】
【図１】歩行訓練装置の全体構成を示す図である。
【図２】歩行補助装置の構成を示す図である。
【図３】制御装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図４】引上げ力を補正するための制御系を示すブロック図である。
【図５】引上げ力を補正するための制御を説明するための模式図である。
【図６】歩行訓練装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図７】足位置を計測するセンサ例１を示す図である。
【図８】足位置を計測するセンサ例２を示す図である。
【図９】歩行動作における足位置の変化を説明するための図である。
【図１０】補正無しでの引上げ力の時間変化を示すグラフである。
【図１１】補正有りでの引上げ力の時間変化を示すグラフである。
【図１２】変形例１にかかる歩行訓練装置を説明するための模式図である。
【図１３】変形例２にかかる歩行訓練装置を説明するための模式図である。
【図１４】実施の形態２にかかる歩行訓練装置の制御系を示すブロック図である。
【図１５】実施の形態２における歩行訓練装置において、ずれ角度を求める処理を説明するための図である。
【図１６】実施の形態２における歩行訓練装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図１７】変形例３における歩行訓練装置において、ずれ角度を求める処理を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、歩行訓練装置の概略的な構成を示す斜視図である。歩行訓練装置１は、例えば、脳卒中片麻痺患者などの訓練者Ｕの歩行訓練を行うための装置である。歩行訓練装置１は、訓練者Ｕの脚部に装着された歩行補助装置２と、訓練者Ｕの歩行訓練を行う訓練装置３と、を備えている。
【００１７】
歩行補助装置２は、例えば、歩行訓練を行う訓練者Ｕの患脚に装着され、訓練者Ｕの歩行を補助する（図２）。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。なお、上記歩行補助装置２の構成は一例であり、これに限られない。例えば、歩行補助装置２は、足首関節部２４を回転駆動するモータユニットを備えていてもよい。
【００１８】
上腿フレーム２１は、訓練者Ｕの脚部の上腿部に取り付けられ、下腿フレーム２３は訓練者Ｕ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。上腿フレーム２１には、後述の第１ワイヤ巻取り機構３３のワイヤ３６を接続するための、左右方向に延在する横長の第１フレーム２１１が設けられている。
【００１９】
なお、上記第１ワイヤ巻取り機構３３の接続部は一例であり、これに限らない。例えば、第１ワイヤ巻取り機構３３のワイヤ３６を上腿装具２１２に接続してもよく、第１ワイヤ巻取り機構３３の引張点を歩行補助装置２の任意の位置に設けることができる。なお、ワイヤ３６は、訓練者の下肢に直接接続されていてもよい。歩行補助装置２又は下肢に対してワイヤ３６が接続された位置を接続位置とする。接続位置は、膝部や足部の近傍となっていてもよい。
【００２０】
モータユニット２６は、訓練者Ｕの歩行動作に応じて膝関節部２２を回転駆動することで訓練者Ｕの歩行を補助する。なお、上記歩行補助装置２の構成は一例であり、これに限られない。訓練者Ｕの下肢に装着され、その歩行を補助できる任意の歩行補助装置が適用可能である。
【００２１】
このように、歩行補助装置２は訓練者Ｕの下肢に装着されるアシスト装具である。なお、下肢は、脚と足とを含むものである。脚は、大腿（太もも）と、下腿（膝下から足首）とを含んでいる。
【００２２】
訓練装置３は、トレッドミル３１と、フレーム本体３２と、第１及び第３ワイヤ巻取り機構３３、３４と、制御装置３５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。訓練者Ｕは、ベルト３１１上に乗り該ベルト３１１の移動に応じて歩行を行い、その歩行訓練を行う。
【００２３】
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。なお、上記フレーム本体３２の構成は一例であり、これに限られない。
【００２４】
前方の左右フレーム３２３には、訓練者Ｕの脚部に直接的又は歩行補助装置２を介して接続されたワイヤ３６を巻き取り、ワイヤ３６を引張する第１ワイヤ巻取り機構３３が設けられている。第１ワイヤ巻取り機構３３が引張するワイヤ３６の一端は、歩行補助装置２に接続されている。第１ワイヤ巻取り機構３３は、ワイヤ３６を巻き取ることでワイヤ３６を介して歩行補助装置２を上方かつ前方に引張する。
【００２５】
第１ワイヤ巻取り機構３３は、例えば、ワイヤ３６をロータに巻取り及びワイヤ３６をロータから引き出す機構、該機構を駆動するモータ、などから構成されている。第１ワイヤ巻取り機構３３は、訓練者Ｕの歩行動作において脚部が遊脚状態となる遊脚期間ではワイヤ３６をロータに巻取り収納し、訓練者Ｕの歩行動作において脚部が立脚状態となる立脚期間ではワイヤ３６をロータから引出す、ように構成されている。
【００２６】
第１ワイヤ巻取り機構３３による引張力ｆの鉛直上方成分ｆ２が、歩行補助装置２の重さを支える（図３）。第１ワイヤ巻取り機構３３による引張力ｆの水平前方成分ｆ１が、脚部の振出しを補助することができる。これにより、歩行訓練時における訓練者Ｕの歩行負荷を軽減できる。
【００２７】
第３ワイヤ巻取り機構３４は、前後方向の中央の左右フレーム３２３に設けられ、ワイヤ３７を上方に引張する。ワイヤ３７の一端は、例えば、訓練者Ｕの腰部付近に装着されたベルトに接続されている。第３ワイヤ巻取り機構３４は、例えば、ワイヤ３７をロータなどに巻取り及びワイヤ３７をロータなどから引き出す機構、該機構を駆動するモータ、などから構成されている。第３ワイヤ巻取り機構３４は、ワイヤ３７を介して訓練者Ｕの腰部を上方に引張する。これにより、訓練者Ｕの自重による負荷を軽減できる。第１及び第３ワイヤ巻取り機構３３、３４は、配線などを介して制御装置３５に夫々接続されている。
【００２８】
第１及び第３ワイヤ巻取り機構３３、３４には、これら第１及び第３ワイヤ巻取り機構３３、３４のロータに巻き取られ収納されているワイヤ３６、３７の収納量（巻取り量）を検出する第１及び第３収納量検出部４０、４１が夫々設けられている。第１収納量検出部４０は、収納量検出手段（センサ）の一具体例である。第１及び第３収納量検出部４０、４１は、例えば、角度センサを用いてロータの回転角や回転量を検出することで、ロータに巻き取られ収納されているワイヤ３６、３７の収納量を検出する。第１及び第３収納量検出部４０、４１は、検出したワイヤ３６、３７の収納量を制御装置３５に出力する。制御装置３５は、ワイヤ３６、３７の収納量から、ワイヤ長を算出することができる。なお、第１ワイヤ巻取り機構３３のみが設けられる構成であってもよい。
【００２９】
制御装置３５は、引張制御手段（コントローラ）の一具体例である。制御装置３５は、第１及び第３ワイヤ巻取り機構３３、３４の引張力と、トレッドミル３１の駆動と、歩行補助装置２と、を夫々制御する。制御装置３５は、例えば、演算処理、制御処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによって実行される演算プログラム、制御プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ、メモリ及びインターフェイス部は、データバスなどを介して相互に接続されている。
【００３０】
制御装置３５は、歩行訓練中、歩行補助装置２の重量を低減する第１引張力でワイヤ３６を引張するように、第１ワイヤ巻取り機構３３を制御する。制御装置３５は、歩行訓練中、例えば、第１ワイヤ巻取り機構３３による第１引張力の鉛直上方成分が歩行補助装置２の重力と等しくなるように第１ワイヤ巻取り機構３３を制御する。これにより、訓練者Ｕの歩行に対する歩行補助装置２の重力負荷を軽減することができる。なお、第１ワイヤ巻取り機構３３によるワイヤ３６の引張力は、一定であってもよく、時間とともに変化してもよい。
【００３１】
さらに、歩行訓練装置１は、カメラ５１を備えている。例えば、カメラ５１は、訓練装置３に取り付けられている。図１では、訓練者Ｕの前方にカメラ５１が設置されているが、カメラ５１の設置位置は特に限定されるものではない。また、２台以上のカメラ５１を設置してもよい。カメラ５１は、訓練者Ｕの下肢、及びその周辺を撮像する。特に、カメラ５１は、下肢（歩行補助装置２）に対するワイヤ３６の接続位置を撮像することが好ましい。そして、カメラ５１は、撮像した画像を制御装置３５に出力する。制御装置３５は、撮像した画像に基づいて、引上げ力（引張力）を補正する。
【００３２】
図３は、本実施形態１に係る制御装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。
【００３３】
制御装置３５は、例えば、第１ワイヤ巻取り機構３３を制御する脚部免荷制御ユニット３５１と、第３ワイヤ巻取り機構３４を制御する人部免荷制御ユニット３５２と、歩行補助装置２を制御する脚部制御ユニット３５３と、トレッドミル３１を制御するトレッドミル制御ユニット３５４と、これらユニットを制御するコンピュータ（Personal Computer）３５５と、コンピュータ３５５を操作するための操作パネル３５６と、から構成されている。操作パネル３５６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。操作パネル３５６は、例えば、タッチパネルとして構成されており、ユーザは操作パネル３５６を介して各種の情報を入力できる。
【００３４】
また、カメラ５１からの画像がコンピュータ３５５に入力される。そして、コンピュータ３５５は、入力された画像に基づいて、引上げ力を補正する。なお、図１、図３では、第１ワイヤ巻取り機構３３が訓練者Ｕの患脚を前方斜め上から引上げているが、後方斜め上から引上げるようにしてもよい。
【００３５】
脚部免荷制御ユニット３５１の引上げ力を制御するための制御系について、図４を用いて説明する。図４は、制御系の構成を示すブロック図である。
【００３６】
図４に示すように、第１収納量検出部４０は、ワイヤ３６の収納量をコンピュータ３５５に出力する。第１収納量検出部４０は、モータやロータの回転量を検出する。第１収納量検出部４０は、ロータリーエンコーダ等を備えている。例えば、エンコーダは、モータ又はローラの回転量を検出する。例えば、エンコーダの検出値を積分することで、回転量を検出することができる。これにより、制御装置３５が、ワイヤ３６の収納量を求めることができる。また、ワイヤ３６の収納量を求めることで、第１ワイヤ巻取り機構３３から接続位置までのワイヤ長を求めることができる。
【００３７】
カメラ５１は、歩行補助装置２が装着された下肢を撮像する。そして、カメラ５１は、撮像した画像をコンピュータ３５５に出力する。なお、カメラ５１は、下肢全体ではなく、下肢の一部のみを撮像してもよい。
【００３８】
コンピュータ３５５は、引上げ力を補正する補正部３５８を備えている。補正部３５８は、カメラ５１からの画像に基づいて、引上げ力を補正する。制御装置３５には、引上げ力に応じた指令値が設定されている。指令値は、歩行補助装置２の重量に対応する引上げ力を発生させる値であってもよい。例えば、制御装置３５は予め設定されている指令値をメモリに記憶している。指令値は、モータトルクなどに対応していてもよい。補正部３５８は、指令値を補正して、脚部免荷制御ユニット３５１に出力する。すなわち、補正部３５８は、補正後の指令値を脚部免荷制御ユニット３５１に出力する。
【００３９】
脚部免荷制御ユニット３５１は、補正後の指令値に応じて、第１ワイヤ巻取り機構３３を制御する。さらに、第１収納量検出部４０の収納量からワイヤ長が求められている。第１ワイヤ巻取り機構３３が、補正後の指令値に基づいてモータを駆動して、ワイヤ３６を巻き取る。これにより、ワイヤ３６が補正された引上げ力で、歩行補助装置２を引上げることができる。よって、適切に免荷した状態で、訓練者Ｕが歩行訓練を行うことができる。
【００４０】
以下、図５を参照して、引上げ力を補正するための制御について説明する。図５は、引上げ力を補正するための処理を説明する模式図であり、構成を簡略化して示している。図５では、歩行方向の前方向を＋Ｘ方向、後方向を−Ｘ方向とし、右方向を＋Ｙ方向、左方向を−Ｙ方向、鉛直上方向を＋Ｚ方向、鉛直下方向を−Ｚ方向とする３次元直交座標系を示している。なお、Ｘ方向を前後方向、Ｙ方向を横方向（左右方向）、Ｚ方向を上下方向ともいう。
【００４１】
ここでは、常時、一定の引上げ力が設定されている例について説明する。すなわち、制御装置３５に予め設定されている引上げ力の指令値Ｆが一定値であるとする。また、図５では、患脚の足の位置を模式的に示している。
【００４２】
第１ワイヤ巻取り機構３３は、ローラ３３１と、動力伝達軸３３２と、モータ３３３とを備えている。ローラ３３１は、動力伝達軸３３２を介して、モータ３３３と連結されている。ローラ３３１には、ワイヤ３６が巻き付けられている。モータ３３３は、制御装置３５からの指令値に応じて、回転する。動力伝達軸３３２は、モータ３３３の回転力を、ローラ３３１に伝達する。これにより、ローラ３３１が回転して、ワイヤ３６を巻き取る、あるいは引き出すことができる。したがって、指令値に応じた引上げ力で、歩行補助装置２を引上げることができる。
【００４３】
訓練者Ｕの足が、ローラ３３１と同じＹ位置（Ｙ座標）にある場合を足位置Ａ１とし、ローラ３３１と異なるＹ位置にある場合を足位置Ａ２とする。また、説明の簡略化のため、歩行補助装置２に対するワイヤ３６の接続位置が足位置と一致しており、ワイヤ３６が足位置とローラ３３１の巻取り位置との間に直線的に延びているとして説明を行う。
【００４４】
ＸＹ平面視（上面視）において、足位置Ａ１の場合、ワイヤ３６は、Ｘ方向と平行になる。このため、足位置Ａ１での引上げ力は、指令値Ｆと一致する。一方、足位置Ａ２の場合、Ｙ方向における足位置Ａ２がローラ３３１からずれている。ＸＹ平面視において、ワイヤ３６は、Ｘ方向から傾いている。ＸＹ平面視において、ワイヤ３６の方向と、Ｘ方向とが成す角度をずれ角度θとする。
【００４５】
足位置Ａ２での引上げ力をＦ’とすると、図５に示すように、Ｆ’＝Ｆｃｏｓθとなる。制御装置３５が同じ指令値Ｆをモータ３３３に出力した場合、足位置Ａ１と足位置Ａ２でワイヤ３６にかかる引上げ力がずれ角度θに応じて異なる。すなわち、足位置Ａ２で引上げ力Ｆ’は、足位置Ａ１での引上げ力Ｆよりもｃｏｓθ分だけ小さい値となる。換言すると、足位置Ａ２での引上げ力Ｆ’は、θが大きくなるほど、指令値Ｆから減少する。なお、ずれ角度θは、ワイヤ３６の方向のＸ方向からのずれ角度で有り、０°〜９０°の範囲である。
【００４６】
よって、本実施の形態では、補正部３５８が、第１ワイヤ巻取り機構３３の巻取り位置と、ワイヤ３６の接続位置との間のずれ量に応じて、引上げ力を補正している。具体的には、カメラ５１が撮像した下肢の画像から、補正部３５８は、接続位置とローラ３３１との相対位置を算出する。補正部３５８は接続位置とローラ３３１との相対位置からずれ角度θをずれ情報として求める。補正部３５８は予め設定された指令値Ｆをｃｏｓθで除算することで、指令値を補正している。
【００４７】
例えば、補正部３５８は、カメラ５１の画像を画像処理することで、ワイヤ３６の接続位置を計測することができる。補正部３５８は、カメラ５１の画像に基づいて、ＸＹ平面における接続位置、つまりの接続位置のＸ座標、及びＹ座標を算出する。ローラ３３１は、左右フレーム３２３に固定されているため、ローラ３３１による巻取り位置の座標は既知である。ワイヤ３６は、歩行補助装置２に対する接続位置と、ローラ３３１による巻取り位置との間に張設されている。よって、補正部３５８はずれ角度θを算出することができる。この場合、カメラ５１は、複数の方向から患脚の下肢を撮像するステレオカメラを用いることが好ましい。もちろん、複数台のカメラを設置して、補正部３５８が複数の方向からの画像を画像処理することで、接続位置を求めることも可能である。
【００４８】
次に、図６を参照して、歩行訓練装置１の制御方法について説明する。図６は、制御方法を示すフローチャートである。
【００４９】
まず、カメラ５１が撮像した画像によって、補正部３５８が接続位置を計測する（Ｓ１１）。カメラ５１が足を撮像して、画像を制御装置３５に出力する。補正部３５８が画像に基づいて、ワイヤ３６の接続位置を算出する。あるいは、カメラ５１が、画像から接続位置を算出する処理機能を有していてもよい。この場合、カメラ５１が算出した接続位置を制御装置３５に出力するようにしてもよい。すなわち、足位置のずれに応じたずれ情報は、補正部３５８が算出してもよく、カメラ５１が検出してもよい。
【００５０】
次に、補正部３５８が接続位置に基づいて、補正値を決定する（Ｓ１２）。例えば、上記のように、接続位置のずれ量に応じたずれ角度θをずれ情報として求める。そして、補正部３５８が引上げ力を補正する（Ｓ１３）。補正部３５８は、補正した引上げ力に応じた指令値を脚部免荷制御ユニット３５１に出力する。例えば、補正部３５８は、予め設定されている指令値をｃｏｓθで乗算することで、指令値を補正する。補正部３５８は、補正後の指令値を、脚部免荷制御ユニット３５１に出力する。これにより、第１ワイヤ巻取り機構３３が補正後の引上げ力で歩行補助装置２を引上げることができる。
【００５１】
上記の処理を歩行訓練中に行うことで、適切な引上げ力で歩行補助装置２を引上げることができる。また、カメラ５１は、連続して足を撮像している。連続して取得された足の画像に基づいて、補正部３５８が接続位置を随時更新していく。このようにすることで、最新の接続位置に応じて、引上げ力を補正することができる。引上げ力が歩行動作に応じて変化していくため、適切な引上げ力で歩行訓練を行うことができる。よって、訓練者Ｕの歩行動作に応じた引上げ力（免荷力）を与えながら、歩行訓練を行うことができる。
【００５２】
（センサ例１）
なお、カメラ５１を用いて接続位置を計測しているが、接続位置を計測するためのセンサ部はカメラ５１に限られるものではない。例えば、図７に示すように、モーションセンサ５２が接続位置を計測してもよい。モーションセンサ５２は、モーションキャプチャにより、歩行動作時における訓練者Ｕの下肢の動きを計測する。モーションセンサ５２としては、光学式、機械式、又は磁気式などのセンサを用いることができる。モーションセンサ５２としては、例えば、Ｋｉｎｅｃｔセンサなどを用いることができる。また、訓練者Ｕの足又は歩行補助装置２にマーカが装着されていてもよい。この場合、モーションセンサ５２は、装着されたマーカを検出することで、下肢の動きを検出する。そして、モーションセンサ５２又は制御装置３５が、下肢の動きに基づいて、接続位置を検出する。検出された接続位置に基づいて、制御装置３５がずれ角度θを算出する。制御装置３５は、ずれ角度θに応じて、上記の補正処理を行う。
【００５３】
（センサ例２）
あるいは、図８に示すように、力センサ５３の測定結果に基づいて、足Ａのずれ角度θを計測してもよい。力センサ５３は、ローラ３３１がワイヤ３６から受ける反力を検出する。そして、力センサ５３によって計測された反力ベクトルに基づいて、制御装置３５がずれ角θを算出する。上記したように、補正部３５８が、ずれ角度θに応じて引上げ力を補正する。
【００５４】
（その他のセンサ例）
あるいは、歩行補助装置２の各関節に設けられた角度センサが、ワイヤ３６の接続位置を求めてもよい。例えば、角度センサが検出した各関節の角度から、制御装置３５が接続位置を算出する。
【００５５】
接続位置を計測するためのセンサは特に限定されるものではない。また、２以上のセンサを組み合わせて、接続位置を計測してもよい。センサは、Ｙ方向における接続位置からずれ角度θを算出するものではなく、ずれ角度θを直接計測してもよい。歩行訓練装置１は、接続位置の横方向（Ｙ方向）におけるずれ量に応じたずれ情報を検出するためのセンサを備えていればよい。そして、制御装置３５は、ずれ情報に基づいて、引上げ力を補正する。これにより、第１ワイヤ巻取り機構３３が適切な引上げ力で足を引上げることができる。さらに、ずれ情報として、ずれ角度θを用いることで、適切な引上げ力を得ることができる。
【００５６】
実施例１．
次に、実施の形態１の実施例１について、図９〜図１１を用いて説明する。図９は、実施例１における動作を説明するための図である。図１０は、補正無しでの引上げ力と指令値とを示すグラフである。図１１は、補正有りでの引上げ力と指令値とを示すグラフである。図１０、図１１は、遊脚期間と立脚期間とを含む１歩行周期における時間変化を示すグラフである。
【００５７】
図９には、立脚期間における足Ａの移動軌跡Ｔ１と、遊脚期間における足Ａの移動軌跡Ｔ２と、が示されている。また、図９に示す移動軌跡Ｔ１、Ｔ２はＸＹ平面視における足Ａの移動軌跡である。立脚期間では、足Ａがトレッドミル３１（図１、図３参照）上に接地している。トレッドミル３１の動作方向が−Ｘ方向（後方）になっている。このため、足Ａが−Ｘ方向（後方）に直線的に進む。従って、立脚期間における移動軌跡Ｔ１は、Ｘ方向に平行な直線となる。立脚期間では、ずれ角度θ＝０°となる。
【００５８】
一方、遊脚期間では、足Ａは、＋Ｘ方向（前方）に進む。ここでは、ＸＹ平面視において、足Ａが＋Ｘ方向に円弧状に進んでいると仮定している。よって、遊脚期間における移動軌跡Ｔ２も、円弧状になる。ここでは、円弧の中点で、足位置のずれ量が最大となる。
【００５９】
離地後、足を上げて行くにしたがって、徐々にずれ角度θが大きくなっていく。その後、着地に向けて足を下げて行くにしたがって、ずれ角度θが徐々に小さくなっていく。そのため、離地後、ずれ角度θが増加していき、その後、減少していく。このように、遊脚期間では、ずれ角度θが時間とともに変化していく。
【００６０】
ここでは、図１０、図１１に示すように、歩行動作に応じて指令値が変化している。遊脚期間では、引上げ力が徐々に増加し、立脚期間で徐々に減少するように指令値が変化している。そして、遊脚期間から立脚期間に切り替わるタイミング、すなわち、着地するタイミングで引上げ力の指令値が最大となっている。また、立脚期間から遊脚期間に切り替わるタイミング、すなわち、離地するタイミングで指令値が最小となっている。時間とともに引上げ力を変化させる制御については、特許文献１に記載されているため、説明を省略する。
【００６１】
制御装置３５が、引上げ力の指令値を補正しない場合、引上げ力は、図１０に示すように変化する。遊脚期間では、ずれ角度θが時間とともに変化するため、指令値よりも引上げ力が低下してしまう。
【００６２】
制御装置３５が引上げ力をずれ角度θに応じて補正する場合、引上げ力は図１１に示すようになる。遊脚期間においても、指令値と引上げ力がほぼ一致する。したがって、第１ワイヤ巻取り機構３３が適切な引上げ力で、足を引上げることができる。これにより、訓練者が歩行訓練を効果的に実施することができる。
【００６３】
（変形例１）
図１２は、実施の形態１の変形例１を示す図である。図１２では、２本のワイヤ３６、３９が歩行補助装置２に取り付けられている。ワイヤ３６は、前方斜め上から患脚を引上げる。ワイヤ３９は後方斜め上から患脚を引上げる。このような場合、制御装置３５は、ずれ角度θに応じて、ワイヤ３６、及びワイヤ３９の引上げ力の少なくとも一方を補正する。すなわち、ワイヤ３６、及びワイヤ３９の少なくとも一方に対する指令値をｃｏｓθで除算することで、指令値を補正する。
【００６４】
（変形例２）
図１３は、実施の形態１の変形例２を示す図である。図１３では、歩行補助装置２が、訓練者の足に装着される足装着具である。具体的には、歩行補助装置２は、訓練者Ｕの脚部に装着される部分がなく、足のみに装着されている。歩行補助装置２は、足首関節の動きをアシストする。この場合も、上記のように、ずれ角度θに応じて、ワイヤ３６、及びワイヤ３９の引上げ力を補正する。
【００６５】
実施の形態２．
本実施の形態２にかかる歩行訓練装置１について、図１４を用いて説明する。図１４は、実施の形態２にかかる歩行訓練装置１の制御系を示す模式図である。実施の形態２では、２本のワイヤ３６、３９が歩行補助装置２に取り付けられている。ワイヤ３９が追加されている点以外の基本的な構成については、実施の形態１と同様であるため、適宜説明を省略する。例えば、人部免荷制御ユニット３５２、脚部制御ユニット３５３、及びトレッドミル制御ユニット３５４等については、実施の形態１と同様である。
【００６６】
ワイヤ３６は、前方斜め上から患脚を引上げる。ワイヤ３９は後方斜め上から患脚を引上げる。そのため、実施の形態２では、第２ワイヤ巻取り機構３８と、第２収納量検出部４２が追加されている。
【００６７】
第２ワイヤ巻取り機構３８は、ワイヤ３９を巻き取ることで、歩行補助装置２を引上げるための引上げ力をワイヤ３６に与える。第２ワイヤ巻取り機構３８は、第１ワイヤ巻取り機構３３と同様の構成を有しており、左右フレームに取り付けられていている。第２ワイヤ巻取り機構３８は、例えば、ワイヤ３９をロータに巻取り及びワイヤ３９をロータから引き出す機構、該機構を駆動するモータ、などから構成されている。第２ワイヤ巻取り機構３８は、第１ワイヤ巻取り機構３３よりも後方に設置されている。
【００６８】
第２収納量検出部４２は、第２ワイヤ巻取り機構３８でのワイヤ３９の収納量を検出する。第２収納量検出部４２は、第１収納量検出部４０と同様にエンコーダを有している。そして、エンコーダの検出値を積算することで、モータやロータの回転量を検出することができる。本実施の形態では、第１収納量検出部４０、及び第２収納量検出部４２のエンコーダが、接続位置のずれ情報を検出するためのセンサとして用いられている。具体的には、第１収納量検出部４０、及び第２収納量検出部４２で検出した収納量から、ワイヤ長を求めることで接続位置を算出することができる。この処理については後述する。
【００６９】
脚部免荷制御ユニット３５１は、第１及び第２ワイヤ巻取り機構３３、３８による引上げ力の鉛直上方成分の合力が歩行補助装置２の重力を低減するような指令値を、第１及び第２ワイヤ巻取り機構３３、３８に出力する。第１及び第２ワイヤ巻取り機構３３、３８による引上げ力の鉛直上方成分の合力が歩行補助装置２の重さを支える。そして、第１及び第２ワイヤ巻取り機構３３、３８による引上げ力の水平成分の合力により、脚部の振出しを補助する。
【００７０】
以下、ワイヤ長から接続位置を検出するための処理について、図１５を用いて説明する。図１５は、ワイヤ長から接続位置を検出するための処理を説明するための側面図（ＸＺ平面図）と、膝高さにおけるＸＹ平面図である。図１５では、実施の形態２にかかる歩行訓練装置１が簡略化されている。
【００７１】
図１５に示すように、ワイヤ３６のワイヤ長をＬａ、ワイヤ３９のワイヤ長をＬｂとする。第１ワイヤ及び第２ワイヤ巻取り機構３３、３８の取り付け高さをＨｈとする。第１ワイヤ巻取り機構３３と第２ワイヤ巻取り機構３８のＹ位置は一致しており、第１ワイヤ巻取り機構３３と第２ワイヤ巻取り機構３８との中点を原点とする。Ｘ方向において、原点からの第１及び第２ワイヤ巻取り機構３３、３８までの距離をそれぞれＲａ（Ｒａは正の値）とする。すなわち、第１ワイヤ巻取り機構３３のＸ位置が＋Ｒａ、第２ワイヤ巻取り機構３８のＸ位置が−Ｒａとなっている。なお、Ｒａ、Ｈｈは訓練装置３に依存する定数である。また、トレッドミル３１が水平になっていると仮定する。
【００７２】
歩行補助装置２に対するワイヤ３６、３９の接続位置が膝位置となっており、膝位置のＸ位置、及びＹ位置をそれぞれ、Ｘ、Ｙとする。また、膝高さをＨｎとする。膝高さＨｎでのＸＹ平面内におけるワイヤ３６、３９のワイヤ長をｌａ、ｌｂとする。なお、ｌａ、ｌｂは以下の式（１）、式（２）で示される。
【００７３】
ｌａ＝（Ｌａ２―（Ｈｈ―Ｈｎ）２）１／２  ・・・（１）
ｌｂ＝（Ｌｂ２―（Ｈｈ―Ｈｎ）２）１／２  ・・・（２）
【００７４】
ここで、ワイヤ長Ｌａのワイヤ３６が、膝高さＨｎでのＸＹ平面内に作る円Ｃ１の方程式は、以下の式（３）で示され、ワイヤ長Ｌｂのワイヤ３９が、膝高さＨｎでのＸＹ平面内に作る円Ｃ２の方程式は、以下の式（４）で示される。
Ｃ１：（ｘ−Ｒａ）２＋ｙ２＝ｌａ２  ・・・（３）
Ｃ２：（ｘ＋Ｒａ）２＋ｙ２＝ｌｂ２  ・・・（４）
【００７５】
膝位置は、円Ｃ１と円Ｃ２の交点にあるため、膝のＹ位置であるＹは以下の式（５）で示される。
【数１】
2019122664.tif 000003
【００７６】
Ｙを膝高さＨｎ、ワイヤ長Ｌａ、ワイヤ長Ｌｂを用いて示すと、以下の式（６）が得られる。
【数２】
2019122664.tif 000004
【００７７】
なお、Ｒａ、Ｈｈは訓練装置３によって決まる定数である。ワイヤ３６に関するずれ角度θａと、ワイヤ３９に関するずれ角度θｂは以下の式（７）、（８）で示される。
θａ＝ｓｉｎ−１（Ｙ／ｌａ）  ・・・（７）
θｂ＝ｓｉｎ−１（Ｙ／ｌｂ）  ・・・（８）
【００７８】
そして、ずれ角度θａ、θｂを用いて、指令値Ｆａ、Ｆｂを補正すると、以下の式（９）、（１０）が得られる。
Ｆａ’＝Ｆａ／ｃｏｓθａ  ・・・（９）
Ｆｂ’＝Ｆｂ／ｃｏｓθｂ  ・・・（１０）
【００７９】
Ｆａ’は、第１ワイヤ巻取り機構３３に対して与えられる補正後の指令値である。Ｆｂ’は、第２ワイヤ巻取り機構３８に対して与えられる補正後の指令値である。よって、ワイヤ３６、３９に対して、適切な引上げ力を与えることができる。
【００８０】
上記のように、ケーブル長Ｌａ、Ｌｂは、第１収納量検出部４０、及び第２収納量検出部４２での検出結果により得られる。膝高さＨｎが決まると、幾何学的に膝位置（Ｘ，Ｙ）を算出することができる。そして、上記の式（１）〜（１０）にしたがって、指令値を補正することができる。指令値を求めるための処理は、コンピュータプログラムなどにより実施される。
【００８１】
なお、上記の説明では、膝位置がワイヤの接続位置としたが、膝位置以外をワイヤの接続位置としてもよい。また、ワイヤ３６とワイヤ３９とが同じ接続位置で、歩行補助装置２に接続されていたが、ワイヤ３６とワイヤ３９との接続位置は異なっていてもよい。さらに、第１ワイヤ巻取り機構３３と第２ワイヤ巻取り機構３８とのＹ位置が同じであったが、異なっていてもよい。さらには、トレッドミル３１が傾斜していてもよい。このような場合であっても、接続位置の高さが決まっていれば、２本のワイヤ長と接続位置の高さからずれ角度θを制御装置３５が幾何学的に算出することができる。すなわち、歩行訓練装置１の構成に依存する幾何学的な距離等に応じて、ずれ角度θを算出することができる。よって、適切な引上げ力となるように、補正部３５８が補正を行うことができる。
【００８２】
実施の形態１で説明したように、接続位置の高さは、カメラ５１によって検出してもよい。あるいは、モーションセンサ５２、力センサ５３、関節角度センサ等の他のセンサを用いて、接続位置の高さを検出してもよい。
【００８３】
制御装置３５が、訓練者Ｕの歩行パターンから接続位置の高さを決定してもよい。この場合、接続位置の高さを求めるためのセンサが不要となる。例えば、訓練者Ｕが直立した状態での膝高さから、歩行パターンを予め設定しておけばよい。歩行パターンでは、１歩行周期における膝高さ（接続位置の高さ）が時間の関数となる。
【００８４】
例えば、立脚期間では、接続位置の高さを一定とし、遊脚期間では、接続位置の高さが徐々に変化するようなパターンを設定してもよい。もちろん、立脚期間においても接続位置の高さが変化するようなパターンを設定してもよい。
【００８５】
本実施の形態では、第１収納量検出部４０、第２収納量検出部４２が、ずれ角度θを検出するためのセンサとして用いられる。すなわち、ずれ角度θを検出するためのセンサは、エンコーダとなっている。したがって、ずれ角度θを検出するためのセンサは、エンコーダ、カメラ、モーションセンサ、力センサ、及び関節角度センサの１つ以上を備えている構成とすることが可能である。２種類以上のセンサを組み合わせて用いることも可能である。もちろん、ずれ角度θを検出するためのセンサは上記のセンサに限定されるものではなく、様々なタイプのものを用いることができる。
【００８６】
図１６を用いて、歩行訓練装置１の制御方法について説明する。図１６は制御方法を示すフローチャートである。また、ワイヤ３６、及びワイヤ３９の接続位置が膝位置と一致しているとして説明を行う。
【００８７】
まず、初期化を行うため、基準位置でのワイヤ長Ｌａ０、Ｌｂ０を取得して、制御装置３５が膝高さＨｎを算出する（Ｓ２１）。例えば、基準位置とは、ＸＹ平面において、膝位置が、第１及び第２ワイヤ巻取り機構３３、３８との中点となり、訓練者Ｕが直立した状態で求められる。基準位置において、第１収納量検出部４０、第２収納量検出部４２が検出した収納量からワイヤ長が求められる。基準位置での膝高さＨｎ０は以下の式（１１）で求められる。
【００８８】
Ｈｎ０＝（Ｈｈ−（Ｌａ０２―Ｒａ２））１／２  ・・・（１１）
【００８９】
そして、基準位置での膝高さＨｎ０から歩行パターンを決定して、膝高さＨｎを時間の関数として求める。なお、膝高さＨｎはカメラ５１などのセンサにより求めてもよい。この場合、膝高さＨｎの算出処理を省略することができる。
【００９０】
ワイヤ長Ｌａ、Ｌｂを計測して、制御装置３５が、膝高さＨｎからＹ位置を求める（Ｓ２２）。膝のＹ位置は式（６）に示したように、ワイヤ長Ｌａ、Ｌｂと膝高さＨｎから求めることができる。膝高さＨｎは、ワイヤ長を計測したタイミングの値を用いることができる。
【００９１】
制御装置３５は、Ｙ位置から、ずれ角度θを算出する（Ｓ２３）。式（７）、（８）に示したように、ずれ角度θはＹ位置から求めることができる。制御装置３５は、式（９）、式（１０）に示したように指令値をｃｏｓθで除算することで、引上げ力を補正する（Ｓ２４）。これにより、ワイヤ３６、３９に補正後の引上げ力が与えられる。そして、制御装置３５は、訓練が終了したか否かを判定する（Ｓ２５）。
【００９２】
訓練が終了していないと判定された場合（Ｓ２５のＮＯ）、Ｓ２２に戻る。これにより、制御装置３５は、最新のワイヤ長Ｌａ、Ｌｂと膝高さＨｎから、Ｙ位置を更新する。最新のＹ位置に応じたずれ角度θで補正が行われる。よって、適切な引上げ力を与えた状態で、訓練者Ｕが歩行訓練を行うことが可能となる。訓練が終了したと判定された場合（Ｓ２５のＹＥＳ）、処理を終了する。
【００９３】
変形例３
実施の形態２の変形例３について、図１７を用いて説明する。図１７は、変形例３において、接続位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を算出する処理を説明するための図である。変形例３では、３本のワイヤ３６、３９、４４が歩行補助装置２に接続されている。すなわち、ワイヤ４４が追加されている。歩行補助装置２に対する３本のワイヤ３６、３９、４４の接続位置は同じであるとする。３本のワイヤ３６、３９、４４は異なる方向から歩行補助装置２に接続されている。
【００９４】
図１７に示すように、３本のワイヤ３９、３６、４４のワイヤ長をｌ１、ｌ２，ｌ３とする。なお、ワイヤ４４は、第４ワイヤ巻取り機構４５によって、巻き取られている。なお、第４ワイヤ巻取り機構４５によるワイヤ４４の収納量は他のワイヤと同様に、収納量検出部（不図示）により検出されている。よって、３本のワイヤ３９、３６、４４のワイヤ長をｌ１、ｌ２，ｌ３を計測することができる。
【００９５】
そして、３本のワイヤ３９、３６、４４の巻取り位置のＸＹＺ座標をそれぞれ（ｘ１，ｙ１、ｚ１）、（ｘ２，ｙ２、ｚ２）、（ｘ３，ｙ３、ｚ３）とする。歩行補助装置２に対するワイヤの接続位置のＸＹＺ座標を（Ｘ，Ｙ,Ｚ）とすると、以下の式（１２）〜（１４）が成り立つ。
【００９６】
ｌ１２＝（Ｘ−ｘ１）２＋（Ｙ−ｙ１）２＋（Ｚ−ｚ１）２  ・・・（１２）
ｌ２２＝（Ｘ−ｘ２）２＋（Ｙ−ｙ２）２＋（Ｚ−ｚ２）２  ・・・（１３）
ｌ３２＝（Ｘ−ｘ３）２＋（Ｙ−ｙ３）２＋（Ｚ−ｚ３）２  ・・・（１４）
【００９７】
よって、制御装置３５が、以下の式（１５）に示す行列計算により、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めることができる。
【数３】
2019122664.tif 000005
【００９８】
このように、３本のワイヤで脚免荷を行う場合、３本のワイヤ長を計測することで、接続位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を幾何学的に算出することができる。よって、接続位置の高さを時間の関数とする歩行パターンを求める処理が不要となる。さらに、カメラなどのセンサも不要となる。
【００９９】
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】
【０１００】
１  歩行訓練装置
２  歩行補助装置
３  訓練装置
３１  トレッドミル
３３  第１ワイヤ巻取り機構
３４  第３ワイヤ巻取り機構
３５  制御装置
３５８  補正部
３６  ワイヤ
３７  ワイヤ
３８  第２ワイヤ巻取り機構
３９  ワイヤ
４０  第１収納量検出部
４１  第３収納量検出部
４２  第２収納量検出部
５１  カメラ
５２  モーションセンサ
５３  力センサ
【図１】
2019122664.tif 000006
【図２】
2019122664.tif 000007
【図３】
2019122664.tif 000008
【図４】
2019122664.tif 000009
【図５】
2019122664.tif 000010
【図６】
2019122664.tif 000011
【図７】
2019122664.tif 000012
【図８】
2019122664.tif 000013
【図９】
2019122664.tif 000014
【図１０】
2019122664.tif 000015
【図１１】
2019122664.tif 000016
【図１２】
2019122664.tif 000017
【図１３】
2019122664.tif 000018
【図１４】
2019122664.tif 000019
【図１５】
2019122664.tif 000020
【図１６】
2019122664.tif 000021
【図１７】
2019122664.tif 000022