(57)【要約】【課題】下肢の運動の協調性を評価することができるようにする。【解決手段】肢体が発生する力の大きさｆをサンプリングタイムごとに積分した値とその力の大きさの目標値Ｆと全サンプリングデータ数Ｎを乗算した値ＦＮとの比をａ＝Σｆ／（ＦＮ）とし、訓練軌道１０の接線方向に対する力の方向のずれ角度の絶対値を｜θ｜、ｂ＝Σ（π／２−｜θ｜）／（πＮ／２）、Ａを係数としたとき、訓練結果評価部５が、（ａ２＋ｂ２）／Ａを評価関数Ｊとして、ｆとθを同時に評価する。【選択図】  図１
2004167055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
訓練者１１の足関節を駆動する足関節駆動部１３と、その足関節駆動部１３に取り付けられた力センサ６と角度センサ７のセンシング情報をもとに力制御をして動作を制御する下肢駆動部１２と、その下肢駆動部１２と前記足関節駆動部１３の軌道を生成する訓練軌道生成部３と、訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、肢体が発生する力の大きさを評価する訓練結果評価部５とを備えた歩行訓練装置において、
前記肢体が発生する力の大きさｆをサンプリングタイムごとに積分した値とその力の大きさの目標値Ｆと全サンプリングデータ数Ｎを乗算した値ＦＮとの比をａ＝Σｆ／（ＦＮ）とし、訓練軌道１０の接線方向に対する前記力の方向のずれ角度の絶対値を｜θ｜、ｂ＝Σ（π／２−｜θ｜）／（πＮ／２）、Ａを係数としたとき、
前記訓練結果評価部５が、（ａ２＋ｂ２）／Ａを評価関数Ｊとして、前記力の大きさｆと前記方向θを同時に評価することを特徴とする歩行訓練装置の評価方法。
【請求項２】
訓練者１１の肢体が発生する力の大きさをｆとし、前記訓練軌道１０の接線方向に対する前記力の方向のずれ角度の絶対値を｜θ｜、ｃ＝Σｆ×（π／２−｜θ｜）、力の大きさの目標値をＦ、全サンプリングデータ数をＮ、ｄ＝Ｆ×πＮ／２としたとき、
前記訓練結果評価部５がｃ／ｄを評価関数Ｊとして前記ｆと前記θを同時に評価することを特徴とする請求項１に記載の歩行訓練装置の評価方法。
【請求項３】
訓練者１１の肢体が発生する力の大きさをｆとし、前記訓練軌道１０の接線方向に対する前記力の方向のずれ角度の余弦ｃｏｓθを乗算じてサンプリングタイムごとに積分した値をｅ＝Σｆ×ｃｏｓθとし、力の大きさの目標値をＦ、全サンプリングデータ数をＮ、ｇ＝ＦＮとしたとき、
前記訓練結果評価部５がｅ／ｇを評価関数Ｊとして前記ｆと前記θを同時に評価することを特徴とする請求項１に記載の歩行訓練装置の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運動機能や脳機能などに傷害を持つ患者を対象とし、リハビリテーションを行っている患者の状態を計測し、訓練内容を評価するリハビリテーション支援装置の評価方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の歩行訓練装置の評価方法においては、自動介助運動を行いながら患者に自分が出している力を提示することを目的として次のような情報提示手段を備えた自動介助運動機能付肢体駆動装置であった。
その中で特開２００２−３５０６３公報では、情報提示手段を備えた自動介助機能付肢体駆動装置が記載されている。以下、簡単に図面を用いて説明する。
図８は従来の肢体駆動装置の全体の構成を示す図である。図９は第１の情報提示器のＬＥＤを示す図である。図１０は第２の情報提示器の画面を用いて、患者が発生する力を予め設定した軌道に対する接線方向の成分とこれに直交する成分に分解して示した図である。
【０００３】
図８において、１０１は運動療法や関節他動運動を実施中の患者である。１０５は治療あるいは訓練を行う肢体の部分であり、肢体駆動部１０３により自動介助運動が実施される。患者１０１は予め設定した軌道１１２上を自力で動くように努め、患者１０１が発生する力は肢体保持具１１３を介して、力センサ１０４に伝わる。力センサ１０４により検出される負荷は、予め設定した軌道に対する接線方向の成分１０７とこれに直交する成分１０８に分解される。図示しない制御部は、ロボット工学におけるインピーダンス制御に基づいて肢体駆動部１０３に送る動作指令を決定する。自動介助運動を実施する場合、予め設定した軌道に対する接線方向のインピーダンスを低く設定し、これと直交する方向のインピーダンスを高く設定する。これにより、肢体駆動部１０３は、肢体１０５の設定軌道方向外の運動を抑制しつつ、肢体の設定軌道方向の動きに追従して運動を進める。一方、力センサ１０４により検出される負荷の、予め設定した軌道の接線方向の成分１０７の大きさに応じて、パラレルＩＯボード１１１からＯＮ信号が出力される。ＯＮ信号は情報提示器１０２に送られ、搭載されたＬＥＤ１１４を点灯させ、図示しない内蔵された振動子を振動させる。あるいは、回路１１０を介して音楽または音声をスピーカ１０９により発生させる。これらの情報提示器により、患者１０１は自動介助運動中に自分が出している力を、麻痺肢の代わりに視覚・聴覚・触覚によって感知することができるようになっている（例えば特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３５０６３公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の情報提示手段を備えた自動介助運動機能付肢体駆動装置においては、自動介助運動中に患者の肢体が発生する力の、予め設定した軌道の接線方向の成分の大きさに応じて、情報提示器により、患者に自分が出している力を実時間で提示しているのみであり、患者の肢体が発生した力の大きさと、力の方向を同時に評価する評価関数を用いて歩行訓練を評価していないため、下肢の運動の協調性を評価できなかった。したがって、本発明の目的は、歩行訓練中に患者の肢体が発生する力の大きさと、力の方向を同時に評価する評価関数を用いて歩行訓練を評価することで、下肢の運動の協調性を評価することができる歩行訓練装置の評価方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで発明の歩行訓練装置の評価方法は、訓練者１１の足関節を駆動する足関節駆動部１３と、その足関節駆動部１３に取り付けられた力センサ６と角度センサ７のセンシング情報をもとに力制御をして動作を制御する下肢駆動部１２と、その下肢駆動部１２と前記足関節駆動部１３の軌道を生成する訓練軌道生成部３と、訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、肢体が発生する力の大きさを評価する訓練結果評価部５とを備えた歩行訓練装置において、前記肢体が発生する力の大きさｆをサンプリングタイムごとに積分した値とその力の大きさの目標値Ｆと全サンプリングデータ数Ｎを乗算した値ＦＮとの比をａ＝Σｆ／（ＦＮ）とし、訓練軌道１０の接線方向に対する前記力の方向のずれ角度の絶対値を｜θ｜、ｂ＝Σ（π／２−｜θ｜）／（πＮ／２）、Ａを係数としたとき、前記訓練結果評価部５が、（ａ２＋ｂ２）／Ａを評価関数Ｊとして、前記力の大きさｆと前記方向θを同時に評価することを特徴としている。
請求項２に記載の本発明は、訓練者１１の肢体が発生する力の大きさをｆとし、前記訓練軌道１０の接線方向に対する前記力の方向のずれ角度の絶対値を｜θ｜、ｃ＝Σｆ×（π／２−｜θ｜）、力の大きさの目標値をＦ、全サンプリングデータ数をＮ、ｄ＝Ｆ×πＮ／２としたとき、前記訓練結果評価部５がｃ／ｄを評価関数Ｊとして前記ｆと前記θを同時に評価することを特徴としている。
請求項３に記載の本発明は、訓練者１１の肢体が発生する力の大きさをｆとし、前記訓練軌道１０の接線方向に対する前記力の方向のずれ角度の余弦ｃｏｓθを乗算じてサンプリングタイムごとに積分した値をｅ＝Σｆ×ｃｏｓθとし、力の大きさの目標値をＦ、全サンプリングデータ数をＮ、ｇ＝ＦＮとしたとき、前記訓練結果評価部５がｅ／ｇを評価関数Ｊとして前記ｆと前記θを同時に評価することを特徴としている。
これらの評価方法によれば、歩行訓練中に訓練者の下肢の運動の協調性を評価することができ、効果的な歩行訓練を実施できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１の方法を適用する歩行訓練装置のシステム構成を示す図である。１は歩行訓練装置、２はコントローラ、３は訓練軌道生成部、４は訓練データ記憶部、５は訓練結果評価部、６は力センサ、７は角度センサ、８は大腿装着部、９は下腿装着部、１０は訓練軌道（歩行パターン）、１１は訓練者、１２は下肢駆動部、１３は足関節駆動部、１４は操作パネルである。図２は、健常者の歩行周期の位相と股関節、膝関節および足関節の関節運動との関係を示す図である。歩行周期の位相は、踵接地、足底接地、立脚中期、踵離地、足尖離地、遊脚初期および遊脚後期から構成され、各位相に応じて股関節、膝関節および足関節の屈曲・伸展運動が繰り返される。図３は、本発明の実施の形態の歩行訓練装置における歩行パターンの実現を示す図である。訓練軌道生成部がコントローラに動作指令を与え、コントローラが下肢駆動部、足関節駆動部を制御し歩行パターンを実現した図である。（ａ）は踵接地、（ｂ）は足底接地、（ｃ）は立脚中期、（ｄ）は踵離地、（ｅ）は足尖離地、（ｆ）は遊脚初期、（ｇ）は遊脚後期を実現した図である。医師や理学療法士が、操作パネルを用いて、訓練内容（訓練モード（他動運動訓練、自動介助運動訓練など）、繰り返し回数、運動の硬さ（メカニカルインピーダンス制御の慣性、粘性、剛性の係数）、訓練軌道（歩行パターン））を入力し、訓練データ記憶部から訓練軌道（歩行パターン）のデータが呼び出される。そして、コントローラが下肢駆動部、足関節駆動部を制御し、踵接地、足底接地、立脚中期、踵離地、足尖離地、遊脚初期および遊脚後期を１周期とする歩行パターンに沿って、訓練の動作を繰り返す。また、力センサにより訓練者の発生する力を検出し、コントローラが下肢駆動部をメカニカルインピーダンス制御して、訓練者に無理な負荷がかからないようにする。
【０００８】
図４は、訓練者の肢体が発生した力の大きさｆをサンプリングした図である。図５は、訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生した力の方向とのずれ角度の絶対値｜θ｜を最大ずれ角度π／２から減算した値をサンプリングした図である。ここで、訓練軌道の評価する区間におけるデータのサンプリングタイムを２００ｍｓ、サンプリングデータ数Ｎを１００個とする。訓練結果評価部は、訓練軌道の評価する区間、例えば訓練軌道の１周期ごとにおける、２００ｍｓごとにサンプリングした訓練者の肢体が発生する力の大きさｆの１００個の値を積分した値Σｆと、力の大きさの目標値Ｆと全サンプリングデータ数Ｎ＝１００を乗算した値１００×Ｆとの比ａ＝Σｆ／（１００×Ｆ）を２乗した値ａ２と、２００ｍｓごとにサンプリングした訓練軌道９の接線方向に対する訓練者の肢体が発生する力の方向とのずれ角度の絶対値｜θ｜を最大ずれ角度π／２から減算した値π／２−｜θ｜の１００個の値を積分した値Σ（π／２−｜θ｜）と、前記最大ずれ角度π／２と全サンプリングデータ数Ｎ＝１００を乗算した値１００×π／２との比ｂ＝Σ（π／２−｜θ｜）／（πＮ／２）を２乗した値ｂ２と、を加算し、係数Ａ例えば２で除算した値（ａ２＋ｂ２）／２を評価関数Ｊとして、訓練者の肢体が発生する力の大きさｆと、訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生する力の方向θを同時に評価する。
【０００９】
このように評価関数Ｊ＝（ａ２＋ｂ２）／Ａを用いているので、訓練者の肢体が発生する力の大きさｆと、訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生する力の方向θを同時に評価することができる。評価関数Ｊの値が１に近い程、歩行訓練の各位相において、訓練者が発生した力の大きさが目標値に達し、かつ訓練軌道に沿って運動していることになり、下肢の運動の協調性の評価がよいということになる。
この評価方法によれば、前記評価関数Ｊ＝（ａ２＋ｂ２）／Ａを用いているので、訓練者の肢体が発生する力の大きさｆと、訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生する力の方向θを同時に評価することで、下肢の協調性の評価ができ、評価結果を基に、訓練軌道の歩行周期や歩幅などを変更する効果的な訓練が実施できる。例えば、評価関数Ｊにしきい値を設け、Ｊ＞０．９のとき、歩行周期を１ｓ短縮したり、歩幅を１ｃｍ拡大したりする。Ｊ＜０．８のとき、歩行周期を１ｓ延長したり、歩幅を１ｃｍ縮小したりする。
【００１０】
次に第２の実施例について図に基づいて説明する。
図６は、肢体が発生した力の大きさｆと、訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生した力の方向とのずれ角度の絶対値｜θ｜を最大ずれ角度π／２から減算した値とを乗算した値をサンプリングした図である。ここで、訓練軌道の評価する区間におけるデータのサンプリングタイムを２００ｍｓ、サンプリングデータ数を１００個とする。訓練結果評価部は、訓練軌道の評価する区間、例えば訓練軌道の１周期ごとにおける、２００ｍｓごとにサンプリングした訓練者の肢体が発生する力の大きさｆと、２００ｍｓごとにサンプリングした訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生する力の方向とのずれ角度の絶対値｜θ｜を最大ずれ角度π／２から減算した値π／２−｜θ｜とを乗算した値ｆ×（π／２−｜θ｜）の１００個の値を積分した値ｃ＝Σｆ×（π／２−｜θ｜）と、力の大きさの目標値Ｆと、最大ずれ角度π／２と全サンプリングデータ数Ｎ＝１００を乗算した値ｄ＝１００×Ｆ×π／２との比ｃ／ｄを評価関数Ｊとして、訓練者の肢体が発生する力の大きさｆと、訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生する力の方向θを同時に評価する。
【００１１】
このように評価関数Ｊ＝ｃ／ｄを用いているので、訓練者の肢体が発生する力の大きさｆと、訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生する力の方向θを同時に評価することができる。評価関数Ｊの値が１に近い程、歩行訓練の各位相において、訓練者が発生した力の大きさが目標値に達し、かつ訓練軌道に沿って運動していることになり、下肢の運動の協調性の評価がよいということになる。本発明の評価方法によれば、評価関数Ｊ＝ｃ／ｄを用いているので、訓練者の肢体が発生する力の大きさｆと、訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生する力の方向θを同時に評価することができ、下肢の協調性の評価ができ、評価結果を基に訓練軌道の歩行周期や歩幅などを変更する効果的な訓練が実施できる。例えば、評価関数Ｊにしきい値を設け、Ｊ＞０．９のとき、歩行周期を１ｓ短縮したり、歩幅を１ｃｍ拡大したりする。Ｊ＜０．８のとき、歩行周期を１ｓ延長したり、歩幅を１ｃｍ縮小したりする。
【００１２】
次に第３実施例について図に基づいて説明する。
図７は、肢体が発生した力の大きさｆと、訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生した力の方向とのずれ角度の余弦ｃｏｓθとを乗算した値をサンプリングした図である。ここで、訓練軌道の評価する区間におけるデータのサンプリングタイムを２００ｍｓ、サンプリングデータ数を１００個とする。訓練結果評価部は、訓練軌道の評価する区間、例えば訓練軌道の１周期ごとにおける、２００ｍｓごとにサンプリングした訓練者の肢体が発生する力の大きさｆと、２００ｍｓごとにサンプリングした訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生する力の方向とのずれ角度の余弦ｃｏｓθとを乗算した値ｆ×ｃｏｓθの１００個の値を積分した値ｅ＝Σｆ×ｃｏｓθと、力の大きさの目標値Ｆと全サンプリングデータ数Ｎ＝１００を乗算した値ｇ＝１００×Ｆとの比ｅ／ｇを評価関数Ｊとして、訓練者の肢体が発生する力の大きさｆと、訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生する力の方向θを同時に評価する。
【００１３】
本発明の評価方法は、評価関数Ｊ＝ｅ／ｇを用いており、訓練者の肢体が発生する力の大きさｆと、訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生する力の方向θを同時に評価している。評価関数Ｊの値が１に近い程、歩行訓練の各位相で訓練者が発生した力の大きさが目標値に達し、かつ訓練軌道に沿って運動していることになり、下肢の運動の協調性の評価がよいということになる。
また下肢の協調性の評価ができるので、評価結果を基に訓練軌道の歩行周期や歩幅などを変更する効果的な訓練が実施できる。例えば、評価関数Ｊにしきい値を設け、Ｊ＞０．９のとき、歩行周期を１ｓ短縮したり、歩幅を１ｃｍ拡大したりする。Ｊ＜０．８のとき、歩行周期を１ｓ延長したり、歩幅を１ｃｍ縮小したりする。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１記載の歩行訓練装置の評価方法によれば、（ａ２＋ｂ２）／Ａを評価関数Ｊとしているので、歩行訓練中に訓練者の下肢の運動の協調性を評価することができ、効果的な歩行訓練を実施できるという効果がある。
請求項２記載の歩行訓練装置の評価方法によれば、ｃ／ｄを評価関数Ｊとしているので、歩行訓練中に訓練者の下肢の運動の協調性を評価することができ、効果的な歩行訓練を実施できるという効果がある。
請求項３記載の歩行訓練装置の評価方法によれば、ｅ／ｇを評価関数Ｊとしているので、歩行訓練中に訓練者の下肢の運動の協調性を評価することができ、効果的な歩行訓練を実施できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の歩行訓練装置のシステム構成を示す図
【図２】健常者の歩行周期の位相と股関節、膝関節および足関節の関節運動との関係を示す図
【図３】第１実施例の歩行訓練装置における歩行パターン図
【図４】第１実施例で訓練者の肢体が発生した力をサンプリングした図
【図５】第１実施例で訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生した力の方向とのずれ角度の絶対値｜θ｜を最大ずれ角度π／２から減算した値をサンプリングした図
【図６】第２実施例で訓練者の肢体が発生した力と、訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生した力の方向とのずれ角度の絶対値｜θ｜を最大ずれ角度π／２から減算した値とを乗算した値をサンプリングした図
【図７】第３実施例で訓練者の肢体が発生した力と、訓練軌道の接線方向に対する訓練者の肢体が発生した力の方向とのずれ角度の余弦ｃｏｓθとを乗算した値をサンプリングした図
【図８】従来の肢体駆動装置の構成を示す図
【図９】従来の第１情報提示器
【図１０】従来の第２情報提示器
【符号の説明】
１  歩行訓練装置
２  コントローラ
３  訓練データ生成部
４  訓練データ記憶部
５  訓練結果評価部
６  力センサ
７  角度センサ
８  大腿装着部
９  下腿装着部
１０  訓練軌道（歩行パターン）
１１  訓練者
１２  下肢駆動部
１３  足関節駆動部
１４  操作パネル
１０１  運動療法や関節他動運動を実施中の患者
１０２  第１の情報提示器
１０３  肢体駆動部
１０４  力センサ
１０５  治療あるいは訓練を行う肢体部分
１０６  患者の肢体が発生する負荷の方向
１０７  予め設定した軌道に対する接線方向の成分
１０８  予め設定した軌道に対する接線方向に直交する成分
１０９  スピーカ
１１０  回路
１１１  パラレルＩＯボード
１１２  予め設定した軌道
１１３  肢体保持具
１１４  ＬＥＤ
１１５  第２の情報提示器
【図１】
2004167055.tif 000003
【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】
2004167055.tif 000009
【図８】
2004167055.tif 000010
【図９】
2004167055.tif 000011
【図１０】
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