(57)【要約】【課題】健常者の起立動作に使い自然な動作をさせることができる装置を提供する。【解決手段】訓練者の両下肢の大腿を支持・駆動する大腿アーム(101)と、両下肢の下腿を支持・駆動する下腿アーム(102)とを備えた起立介助装置において、下肢を下方へ踏ん張る際の下肢筋の状態を計測する随意性計測センサ(103)と、前記随意性計測センサの計測結果Ｓを評価し前記各アームへの指令値をベクトルとして配置した速度指令Ｖを出力する随意性評価部(104)と、前記速度指令をもとにモータを駆動するモータアンプ(105)とから成る。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
訓練者の両下肢の大腿を支持・駆動する大腿アーム(101)と、両下肢の下腿を支持・駆動する下腿アーム(102)とを備えた起立介助装置において、
下肢を下方へ踏ん張る際の下肢筋の状態を計測する随意性計測センサ(103)と、前記随意性計測センサの計測結果Ｓを評価し前記各アームへの指令値をベクトルとして配置した速度指令Ｖを出力する随意性評価部(104)と、前記速度指令をもとにモータを駆動するモータアンプ(105)とから成ることを特徴とする起立介助装置。
【請求項２】
前記起立介助装置において、前記計測結果Ｓが閾値Ａより大きい場合、前記随意性評価部(104)は前記下腿アーム(102)を水平に後方へ引く速度指令Ｖを前記モータアンプ(105)へ出力し座位姿勢の大腿骨の長さ方向における中点付近に足関節を移動させ、前記計測結果Ｓがさらに前記閾値Ａよりも大きい閾値Ｂよりもさらに大きい場合、前記随意性評価部(104)は前記計測結果Ｓの大きさに応じて大腿アーム(101)を上昇させる速度指令Ｖを決め、前記モータアンプ(105)へ出力して大腿を垂直に上昇させ、下肢が垂直になる立位姿勢間際では前記速度指令Ｖを速度零へ漸次減少させ、前記速度指令に伴う加速と減速を滑らかな曲線にて補間することを特徴とする請求項１記載の起立介助装置。
【請求項３】
前記大腿アーム(101)と下腿アーム(102)において、
少なくとも両下肢の大腿または下腿を支持・駆動できる各１または２本の多自由度アームで構成され、少なくとも両下肢の下腿を支持・駆動できる１または２本の多自由度アームとから構成され、各アームの自由度が少なくとも、矢状面内の２駆動自由度と、矢状面内の回転またはリニアスライド方向の少なくとも１方向の自由な運動を許容するフリー自由度とからなることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の起立介助装置。
【請求項４】
前記随意性計測センサ(103)が、訓練者の靴の足底または床面に設けられた足底圧センサ(401)で構成され、足底圧Ｐｆを前記計測結果Ｓとすることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の起立介助装置。
【請求項５】
前記随意性計測センサ(103)が、前記大腿アーム(101)に設けられた負荷センサ(501)で構成され、大腿から前記大腿アーム(101)にかかる負荷Ｆを計測し、座位における下肢筋の脱力状態における垂直方向の負荷Ｆｒから起立途中の垂直方向の負荷Ｆを引いた値を、前記計測結果Ｓとすることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の起立介助装置。
【請求項６】
前記随意性計測センサ(103)が、前記大腿アーム(101)が大腿の前面または背面を支持するスプリント部分に設けられた筋電センサ(601)で構成され、大腿の前面または背面に位置する筋に発生する筋電図Ｍを計測し、大腿の前面と背面の両方を計測する場合には両筋電図Ｍの平均値をもって、前記計測結果Ｓとすることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の起立介助装置。
【請求項７】
前記随意性計測センサ(103)が、前記臀部または大腿を支持する座面(701)に設けられた座圧センサ(702)で構成され、座圧Ｐhを計測し、座位における下肢筋の脱力状態における座圧Ｐhｒから座圧Ｐhを引いた値をもって、前記計測結果Ｓとすることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の起立介助装置。
【請求項８】
前記随意性計測センサ(103)が前記座圧センサ(702)で構成される場合において、前記計測結果Ｓが前記閾値Ｂを超えた時点で前記随意性評価部(104)は前記速度指令Ｖを一定値に固定し、下肢が垂直になる立位姿勢間際では前記速度指令Ｖを速度零へ漸次減少させることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の起立介助装置。
【請求項９】
前記随意性評価部(104)は、前記計測結果Ｓと前記速度指令Ｖとを対応させるグラフ(801)を内蔵し、前記計測結果Ｓに対し前記閾値Ｂに対応する不感帯と、前記速度指令Ｖに対する飽和特性を有することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の起立介助装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全身機能低下を矯正し筋・骨格系統の機能を改善し健康状態を維持・改善する目的でリラクセーションや関節可動域訓練や筋力増強訓練や持続力増強訓練や協調性訓練や神経筋再教育のうち、特に運動機能回復を支援するための訓練を行う医学的リハビリテーションにおいて特に起立動作を介助する装置、あるいは整形外科における関節軟組織修復と関節可動域維持・拡大を目的とする関節他動運動を実施するための肢体駆動装置、あるいは体力向上など健康増進のための訓練を目的とする肢体駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特に運動機能回復を支援するための訓練を行う医学的リハビリテーションにおいて特に起立動作を介助することを目的とした装置がある（例えば特許文献1参照）。図１０に従来技術の例を示す。起立介助装置として、例えば、モータ1001により牽引ロープ1002を巻き上げ、前記牽引ロープ1002に接合した座面1003を上方に牽引することで起立を介助する方法がある。この場合、回転して巻き上げる前記モータ1001と前記牽引ロープ1002の代わりにリニア駆動のモータにより剛体リンクを牽引する方法もある。また、モータ1004により剛体リンク1005を回転し、前記剛体リンク1005に接合した座面1006を上方に持ち上げることで起立を介助する方法がある。
【０００３】
これら従来の方法によれば、訓練者の筋力が著しく衰えていても起立が可能である。そもそも健常者が起立する際には、まず上体をやや前面に傾斜して重心を前に移動させるとともに、下腿を後方に引いて大腿の長さ方向に対する中点付近に位置させ、前記重心位置と足底位置が近づくようにする。次に、下肢の前面・背面にある筋を同時に緊張させ、下肢関節まわりの剛性を随意的に高くする。さらに、筋力を増して下肢を下方に押す力を発生し下肢を伸展し、座面より腰を浮かせ立位へ移行する。このとき下肢を下方に押しはじめた瞬間から、足底圧は上昇し、腰が浮き始めた瞬間から座圧は減少する。また、下肢の随意的な筋緊張が生じた瞬間から下肢の筋電図は上昇する。健常者のような自然な起立動作となるように介助するには、筋の随意性に対応した介助動作となることと、下肢の動きも考慮した大腿と下腿との協調的な運動を介助する必要がある。
【０００４】
【特許文献１】
特公平６−９５９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術では、訓練者の筋力の回復度を考慮しておらず、随意的な筋力の如何に関わらず、事前に設定された一定速度で強制的に起立動作が実施されることになる。また、上記従来技術では、起立過程において下腿の姿勢を考慮しておらず、下腿姿勢を調整することを介助できない。以上のことから、健常者に近い自然な起立動作を実施することができない。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、起立動作を介助する装置において、訓練者の下肢の筋の随意性に応じた介助動作と下腿の姿勢を調整することができ、健常者の起立動作に近い自然な動作をさせることができる装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項1記載の発明は、訓練者の両下肢の大腿を支持・駆動する大腿アーム(101)と、両下肢の下腿を支持・駆動する下腿アーム(102)とを備えた起立介助装置において、下肢を下方へ踏ん張る際の下肢筋の状態を計測する随意性計測センサ(103)と、前記随意性計測センサの計測結果Ｓを評価し前記各アームへの指令値をベクトルとして配置した速度指令Ｖを出力する随意性評価部(104)と、前記速度指令をもとにモータを駆動するモータアンプ(105)とから成ることを特徴とする起立介助装置である。
【０００７】
また、請求項２記載の発明は、前記起立介助装置において、前記計測結果Ｓが閾値Ａより大きい場合、前記随意性評価部(104)は前記下腿アーム(102)を水平に後方へ引く速度指令Ｖを前記モータアンプ(105)へ出力し座位姿勢の大腿骨の長さ方向における中点付近に足関節を移動させ、前記計測結果Ｓがさらに前記閾値Ａよりも大きい閾値Ｂよりもさらに大きい場合、前記随意性評価部(104)は前記計測結果Ｓの大きさに応じて大腿アーム(101)を上昇させる速度指令Ｖを決め、前記モータアンプ(105)へ出力して大腿を垂直に上昇させ、下肢が垂直になる立位姿勢間際では前記速度指令Ｖを速度零へ漸次減少させ、前記速度指令に伴う加速と減速を滑らかな曲線にて補間することを特徴とするものである。
また、請求項３記載の発明は、前記大腿アーム(101)と下腿アーム(102)において、少なくとも両下肢の大腿または下腿を支持・駆動できる各１または２本の多自由度アームで構成され、少なくとも両下肢の下腿を支持・駆動できる１または２本の多自由度アームとから構成され、各アームの自由度が少なくとも、矢状面内の２駆動自由度と、矢状面内の回転またはリニアスライド方向の少なくとも１方向の自由な運動を許容するフリー自由度とからなることを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項４記載の発明は、前記随意性計測センサ(103)が、訓練者の靴の足底または床面に設けられた足底圧センサ(401)で構成され、足底圧Ｐｆを前記計測結果Ｓとすることを特徴とするものである。
また、請求項５記載の発明は、前記随意性計測センサ(103)が、前記大腿アーム(101)に設けられた負荷センサ(501)で構成され、大腿から前記大腿アーム(101)にかかる負荷Ｆを計測し、座位における下肢筋の脱力状態における垂直方向の負荷Ｆｒから起立途中の垂直方向の負荷Ｆを引いた値を、前記計測結果Ｓとすることを特徴とするものであ。
また、請求項６記載の発明は、前記随意性計測センサ(103)が、前記大腿アーム(101)が大腿の前面または背面を支持するスプリント部分に設けられた筋電センサ(601)で構成され、大腿の前面または背面に位置する筋に発生する筋電図Ｍを計測し、大腿の前面と背面の両方を計測する場合には両筋電図Ｍの平均値をもって、前記計測結果Ｓとすることを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項７記載の発明は、前記随意性計測センサ(103)が、前記臀部または大腿を支持する座面(701)に設けられた座圧センサ(702)で構成され、座圧Ｐhを計測し、座位における下肢筋の脱力状態における座圧Ｐhｒから座圧Ｐhを引いた値をもって、前記計測結果Ｓとすることを特徴とするものである。
また、請求項８記載の発明は、前記随意性計測センサ(103)が前記座圧センサ(702)で構成される場合において、前記計測結果Ｓが前記閾値Ｂを超えた時点で前記随意性評価部(104)は前記速度指令Ｖを一定値に固定し、下肢が垂直になる立位姿勢間際では前記速度指令Ｖを速度零へ漸次減少させることを特徴とするものである。
また、請求項９記載の発明は、前記随意性評価部(104)は、前記計測結果Ｓと前記速度指令Ｖとを対応させるグラフ(801)を内蔵し、前記計測結果Ｓに対し前記閾値Ｂに対応する不感帯と、前記速度指令Ｖに対する飽和特性を有することを特徴とするものである。
【００１０】
上記手段により、訓練者の筋力の随意性に応じた起立動作と下肢の動作も考慮した健常者のような自然な起立動作を介助できる。
また、上記の起立動作の過程において、下肢に無理な負荷がかからずに動作を行うことができる。
また、足底圧の変化を下肢筋力の随意性として評価し、これに応じて起立動作を介助することができる。
また、大腿からの負荷の変化を下肢筋力の随意性として評価し、これに応じて起立動作を介助することができる。
また、下肢筋電図の変化を下肢筋力の随意性として評価し、これに応じて起立動作を介助することができる。
また、座圧の変化を下肢筋力の随意性として評価し、これに応じて起立動作を介助することができる。
また、下肢の筋の随意性変化を下肢筋力の随意性として評価し、これに応じて起立動作の速度を決定することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の起立介助装置の全体構成を示したものである。本装置は、訓練者の矢状面内において下肢の水平・垂直方向の運動を介助するための、両下肢の大腿を支持・駆動する大腿アーム101と、両下肢の下腿を支持・駆動する下腿アーム102と、下肢を下方へ踏ん張る際の下肢筋の状態を計測する随意性計測センサ103と、前記随意性の計測結果Ｓを評価し前記各アームへの指令値をベクトルとして配置した速度指令Ｖを出力する随意性評価部104と、前記速度指令をもとにモータを駆動するモータアンプ105とから成り、前記モータの駆動により、前記大腿アーム101と下腿アーム102とが駆動される。訓練者が立位を取ろうと立ち上がり動作を行う際、前記下腿アーム102は下腿を水平・後方へ引く動作を行ない、前記大腿アーム101は大腿の支持点をほぼ垂直に上昇させる。なお、前記下腿アーム102が下腿を水平・後方へ引いたときの足首の位置、および前記大腿アーム101が上昇させる大腿の支持点は、前記訓練者の重心の水平方向の位置付近になるようにする。このことにより、訓練者は、随意的な筋力に応じた介助を得ることができ、かつ、足底にほぼ訓練者の重心がくるように自然な起立動作をおこなうことができる。
【００１２】
次に、本発明の前記随意性評価部104の処理フローについて図２により説明する。計測結果Ｓが予め定めた閾値Ａより大きいか否かを判定する。前記計測結果Ｓが閾値Ａより大きい場合、前記随意性評価部104において前記下腿アーム102を水平に後方へ引く速度指令Ｖを前記モータアンプ105へ出力し座位姿勢の大腿骨の長さ方向における中点付近に足関節を移動させる。次に、前記計測結果Ｓがさらに前記閾値Ａよりも大きい閾値Ｂを超えた場合、前記随意性評価部104において前記計測結果Ｓの大きさに応じて大腿アーム101を上昇させる速度指令Ｖを決める。前記大腿アーム101を上昇させる前記速度指令Ｖを決定する際には、前記計測結果Ｓと前記速度指令Ｖとを対応させるＳ・Ｖの対応グラフをメモリ上に保持しておき、これを参照して前記速度指令Ｖを決定する。
【００１３】
ただし、下肢が垂直になる立位姿勢間際では前記速度指令Ｖを速度零へ漸次減少させる。なお、以上の速度指令に伴う加速と減速を滑らかな曲線にて補間する。前記速度指令Ｖを前記モータアンプ105へ出力して大腿を垂直に上昇させる。このことにより、筋力の随意性に対応してアームによる介助動作の速度を決定することができ、より自然な起立動作の訓練につなげることができる。
【００１４】
次に、本発明のうち特にアームの構成例を図３により説明する。前記大腿アーム101と下腿アーム102は、それぞれ両下肢の大腿および下腿を支持・駆動できる各２本のアームで構成し、左右の下肢を独立に動かすための合計４本のアームと各アームの手先に備える左右の各大腿と下腿とを支持する合計４個のスプリントで構成する。なお、両下肢を同時に駆動するよう、大腿および下腿のそれぞれを支持する部位を左右の下肢共通としたスプリントを構成し、大腿と下腿それぞれを駆動する合計２本のアームで駆動してもよい。各アームの自由度は、２駆動自由度と、矢状面内の回転およびリニアスライド方向の自由な運動を許容するフリー自由度とから構成する。
【００１５】
具体的には、前記大腿アーム101において、２つの大腿アームモータ301により矢状面内の水平・垂直方向の大腿への駆動自由度を持たせ、前記アームの手先に設けた１つの回転方向の大腿アーム用フリー軸303およびこれに結合した大腿を支持・固定する大腿スプリント304とをもって構成する。また、前記下腿アーム102において、２つの下腿アームモータ302により矢状面内の水平・垂直方向の下腿への駆動自由度を持たせ、前記アームの手先に設けた１つの回転方向の下腿アーム用フリー軸305およびこれに結合した下腿スプリント306とをもって構成する。なお、下腿スプリント306は下腿と足を支持・固定する２つの部分から成り、それぞれ前記下腿アーム用フリー軸305に結合する。これにより、各アームの自由度は矢状面内の水平・垂直方向の２自由度の動作を保証することができ、矢状面内の立ち上がり動作に対する介助動作を行うことができる。
【００１６】
次に、前記随意性計測センサ103の構成例を図４により説明する。前記随意性計測センサ103は訓練者の靴の足底または床面に設けられた前記足底圧センサ401で構成され、具体的には、歪みゲージ型負荷センサ、半導体負荷センサ、抵抗変化型感圧センサ等で構成すればよい。前記足底圧センサ401で得られた前記足底圧Ｐｆを前記計測結果Ｓとする。図の左は前記足底圧センサ401を床面に配置した例で、図の右は訓練者の靴底に前記足底圧センサ401を床面に配置した例である。これにより、下肢を下方に押しはじめた瞬間から、生じる前記足底圧Ｐｆを計測でき、これをもって下肢筋の随意性として介助動作の速度を決定することができる。
【００１７】
次に、前記随意性計測センサ103の第２の構成例を図５により説明する。前記随意性計測センサ103が、前記大腿アーム101の先端にある大腿を支持するスプリント部分に設けられた負荷センサ501で構成され、大腿から前記大腿アーム101にかかる負荷Ｆを計測する。あらかじめ座位における下肢筋の脱力状態における垂直方向の負荷Ｆｒを計測し記憶しておく。前記下肢筋の脱力状態における垂直方向の負荷Ｆｒから、起立途中の垂直方向の負荷Ｆを引いた値を、前記計測結果Ｓとする。これは下肢を押す随意的な力を発揮したときに、その力の大きさに応じて前記負荷Ｆが小さくなることを利用したものである。これにより、下肢を下方に押しはじめた瞬間から生じる負荷Ｆを計測でき、これをもって下肢筋の随意性として介助動作の速度を決定することができる。
【００１８】
次に、前記随意性計測センサ103の第３の構成例を図６により説明する。前記随意性計測センサ103が、前記大腿アーム101が大腿の前面と背面を支持するスプリント部分に設けられた前記筋電センサ601で構成され、大腿の前面および背面に位置する筋（大腿四頭筋、ハムストリングスまたは大臀筋）に発生する前記筋電図Ｍを計測し、時間積分を行っていわゆる積分筋電図を得て前記計測結果Ｓとする。図６では大腿四頭筋に前記筋電センサ601の電極を配置した例を示している。なお、起立動作時には上記に説明したように、下肢の前面と背面の筋を同時に緊張させるため、筋電図の計測位置は下肢の前面または背面のいずれかで計測可能であるが、大腿の前面と背面の両方を計測しても良い。その場合には両筋電図Ｍの平均値をもって、前記計測結果Ｓとする。これにより、下肢を下方に押しはじめた瞬間から生じる前記筋電図Ｍを計測でき、これをもって下肢筋の随意性として介助動作の速度を決定することができる。
【００１９】
次に、前記随意性計測センサ103の第４の構成例を図７により説明する。前記随意性計測センサ103が、前記訓練者の臀部または大腿を支持する座面701に設けられた座圧センサ702で構成され、座圧Ｐhを計測する。具体的には、図４で説明した圧センサとして使用したものを用いることができる。あらかじめ座位における下肢筋の脱力状態における座圧Ｐhｒを計測し保持しておく。起立動作の過程において、前記下肢筋の脱力状態における座圧Ｐhｒから座圧Ｐhを引いた値をもって、前記計測結果Ｓとする。これは下肢を押す随意的な力を発揮し前記腰部が前記座面701より浮いたときに前記座圧Ｐhが小さくなることを利用したものである。
【００２０】
また、この前記随意性計測センサ103が前記座圧センサ702で構成される場合の、前記随意性評価部104における処理フローの第２の実施例を図８により説明する。前記計測結果Ｓが閾値Ａより大きい場合、前記随意性評価部104において前記下腿アーム102を水平に後方へ引く速度指令Ｖを前記モータアンプ105へ出力し座位姿勢の大腿骨の長さ方向における中点付近に足関節を移動させる。次に、前記計測結果Ｓが前記閾値Ｂを超えた時点で、前記随意性評価部104において前記速度指令Ｖを一定値に固定する。ただし下肢が垂直になる立位姿勢間際では前記速度指令Ｖを速度零へ漸次減少させる。すなわち、前記座圧Ｐhをもとにした前記計測結果Ｓをスイッチ的に利用するものである。これにより、下肢を下方に押しはじめた瞬間から生じる前記座圧Ｐhを計測でき、これをもって下肢筋の随意性による起立動作のタイミングが計測でき、介助動作を開始するタイミングを決定できる。
【００２１】
次に、本発明の前記随意性評価部104の処理フローのうち、Ｓ・Ｖの対応グラフの実施例について図９により説明する。前記随意性評価部104において、前記計測結果Ｓと前記速度指令Ｖとを対応させるグラフ801を内蔵し、前記計測結果Ｓに対する不感帯と前記速度指令Ｖに対する飽和特性を有する。前記計測結果Ｓが不感帯以下であれば、前記速度指令Ｖは零である。この不感帯の上限値は前記閾値Ｂに相当する。前記計測結果Ｓが不感帯を超えた時点で、前記計測結果Ｓに対し比例した前記速度指令Ｖを得る。なお、前記速度指令Ｖはあるところで飽和するように構成する。
なお、以上の実施例においては、肢体駆動手段として電気式モータを想定できるが、これに限らず油圧式サーボ駆動手段、空気圧式サーボ駆動手段を用いても同様な効果が得られる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、本発明は、全身機能低下を矯正し筋・骨格系統の機能を改善し健康状態を維持・改善する目的でリラクセーションや関節可動域訓練や筋力増強訓練や持続力増強訓練や協調性訓練や神経筋再教育のうち、特に運動機能回復を支援するための訓練を行う医学的リハビリテーションにおいて特に起立動作を介助する装置において、従来技術における訓練効果および機構構成上の問題を解決できる。すなわち、上記手段により、訓練者の下肢の筋の随意性に応じた介助動作と下腿の姿勢を調整することができ、健常者の起立動作に近い自然な動作を実施することが可能な装置を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の機構構成を示す図
【図２】本発明の随意性評価部の処理フローの実施例を示す図
【図３】本発明のアームの構成例を示す図
【図４】本発明の随意的計測センサの構成を示す図
【図５】本発明の随意的計測センサの第２の構成を示す図
【図６】本発明の随意的計測センサの第３の構成を示す図
【図７】本発明の随意的計測センサの第４の構成を示す図
【図８】本発明の随意性評価部の処理フローの第２の実施例を示す図
【図９】本発明の随意性評価部の処理フローのうちＳ・Ｖ対応グラフの実施
例を示す図
【図１０】従来の起立介助装置の例を示す図
【符号の説明】
101  大腿アーム
102  下腿アーム
103  随意性計測センサ
104  随意性評価部
105  モータアンプ
301  大腿アームモータ
302  下腿アームモータ
303  大腿アーム用フリー軸
304  大腿スプリント
305  下腿アーム用フリー軸
306  下腿スプリント
401  足底圧センサ
501  負荷センサ
601  筋電図センサ
701  座圧センサ
【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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