(57)【要約】      （修正有）【課題】歩行周期にあわせて股・膝・足関節駆動部を駆動し、両下肢を協調させて動作させるとともに、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者へ提示し、効果的な歩行訓練をすることができる歩行訓練装置を提供する。【解決手段】訓練者9の肢体を訓練軌道8に沿って繰り返し駆動させる下肢駆動部10と、動作指令を出力するコントローラ2とを備える歩行訓練装置において、訓練者9の足関節を駆動する足関節駆動部13と、訓練データ記憶部4と、股、膝及び足関節角度を計測し訓練軌道8を生成する訓練結果評価部3と、健足側または患足側の運動のタイミングを提示する訓練者提示手段12とを有し、訓練結果評価部３は、コントローラ2に動作指令を与え、歩行パターンにあわせて下肢駆動部10と足関節駆動部13とを駆動し、両下肢を協調させて動作させるとともに、訓練者提示手段12を用いて、歩行周期にあわせて健足側または患足側の運動のタイミング提示を行う。【選択図】図１
2005013442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
訓練者の肢体を訓練軌道に沿って繰り返し駆動させる下肢駆動部と、前記訓練軌道に基づいて前記下肢駆動部に動作指令を出力するコントローラとを備える歩行訓練装置において、
前記訓練者の足関節を駆動する足関節駆動部と、
前記訓練者の訓練データを記憶する訓練データ記憶部と、
前記訓練者の股、膝及び足関節角度を計測し前記訓練軌道を生成する訓練結果評価部と、
前記訓練者の健足側または患足側の運動のタイミングを提示する訓練者提示手段とを有し、
前記訓練結果評価部は、歩行パターンにあわせて前記下肢駆動部と前記足関節駆動部とを駆動し、両下肢を協調させて動作させるとともに、
前記訓練者提示手段を用いて、歩行周期にあわせて健足側または患足側の運動のタイミング提示を行うことを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項２】
前記訓練者提示手段は、患足側の足尖離地の位相にあわせて、患足側の脚の踏出しのタイミング提示を行うことを特徴とする請求項１記載の歩行訓練装置。
【請求項３】
前記コントローラは、片方の下肢を歩行パターンに沿って動作させ、他の下肢を前記片方の下肢の歩行周期より半周期ずらして動作させることを特徴とする請求項１乃至２記載の歩行訓練装置。
【請求項４】
前記訓練者の足関節を駆動する足関節駆動部の代わりに、前記訓練者の下腿を装着する下肢装着部に前記訓練者の神経を刺激し筋を収縮させる電気刺激手段を備え、
歩行周期にあわせて訓練者の足関節を背屈させることを特徴とする請求項１乃至３記載の歩行訓練装置。
【請求項５】
前記訓練結果評価部は、画像を提示する視覚提示手段、音を提示する聴覚提示手段、または振動を提示する振動提示手段を選択的に用いて、前記訓練者の運動のタイミングを提示することを特徴とする請求項１乃至４記載の歩行訓練装置。
【請求項６】
前記足関節駆動部は、回転機構を備え、前記コントローラの動作指令に基づいて前記訓練者の足関節を底屈および背屈させることを特徴とする請求項１乃至５の歩行訓練装置。
【請求項７】
訓練者の肢体を訓練軌道に沿って繰り返し駆動させる下肢駆動部を備える歩行訓練装置の制御方法において、
前記訓練軌道は、時系列データとして格納されており、現在の位置ベクトルに基づいて次の制御周期で進む距離ｒを求め、
前記時系列データの次の制御周期での位置と現在の位置との距離ｔを求め、
距離ｔと距離ｒの大きさから、健足側及び患足側の次回の制御周期の目標位置を求めることを特徴とする歩行訓練装置の制御方法。
【請求項８】
前記訓練者の肢体が発生する力をインピーダンス制御に適用して前記訓練軌道に沿った位置偏差を求め、
前記位置偏差に基づいて、健足側及び患足側の次回の制御周期の目標位置を求めることを特徴とする請求項７記載の歩行訓練装置の制御方法。
【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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
第１の従来例として、従来の肢体駆動装置の制御装置においては、人間の肢体位置を監視しながらそれを動かし、関節に無理な負荷をかけず、装置自体にも安全性を持たせながら治療を行う目的のために次のような肢体駆動装置の制御装置であった。以下、簡単に図面を用いて説明する。図１５において、１０１は駆動装置のアーム、１０２は肢体、１０３はスプリント（手先位置）、１０４は力センサ、１０５はモータ、１０６は回転角検出部、１０７はアナログ／デジタル変換器、１０８は変位演算処理部、１０９は逆運動学計算部、１１０ｂは目標位置設定部、１１１は回転角変換回路、１１２はゲイン積分器、１１３はデジタル／アナログ変換器、１１４はサーボアンプ、１１５ｂは肢体位置算出部、１１６はインピーダンス変換部、１１７は関節負荷計測センサである。
以上の構成において、駆動装置のアーム１０１を用いて訓練パターンで肢体１０２を駆動し、力センサ１０４においてスプリント１０３にかかる負荷を計測し、図示しない負荷推定部において装置に取り付けられた肢体への負荷を常に監視し、インピーダンス変換部１１６において肢体への過負荷付近によりインピーダンス定数を変更し、訓練軌道に沿って動作する。上記のような肢体駆動装置の制御装置において、肢体に装着した装置の動作によって肢体を動かす目的で、装置に取り付けられた力センサまたは位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御し、肢体を訓練軌道に沿って動作させるようになっている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また第２の従来例として、従来のバイオフィードバック訓練においては、生体情報を生理学的に取り出し、工学的な方法つまり視覚、聴覚提示等により、本人に知覚させ、それにより身体の局部的反応を制御させるために、第２の従来例として、次のようなバイオフィードバック訓練であった。その中では、歩行周期の音符化方法並びにこの方法を応用した歩行動作の訓練装置及び分析が記載されている（例えば、特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１５４９００号公報
【特許文献２】
特開平９−２７６３４８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１の従来例の肢体駆動装置の制御装置においては、肢体に装着した装置の動作によって肢体を動かす目的で、装置に取り付けられた力センサまたは位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御し、肢体を訓練軌道に沿って動作させることができるが、歩行周期にあわせて股・膝・足関節駆動部を駆動し、両下肢を協調させて動作させるとともに、歩行周期の位相にあわせて、運動のタイミングを訓練者へ提示することができず、効果的な歩行訓練ができなかった。また、上記第２の従来例のバイオフィードバック訓練においては、歩行訓練中に、歩行周期に対応させて作成した音符の繰り返し又はリズム音を患者へ提示しているため、患者が音符の繰り返し又はリズム音に合わせて自発的に各関節を屈曲・伸展できない場合、患部を回復させることができなかった。
したがって、本発明の目的は、歩行周期にあわせて股・膝・足関節駆動部を駆動し、両下肢を協調させて動作させるとともに、歩行周期の位相にあわせて、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者へ提示し、効果的な歩行訓練をすることができる歩行訓練装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の歩行訓練装置は、訓練者の肢体を訓練軌道に沿って繰り返し駆動させる下肢駆動部と、前記訓練軌道に基づいて前記下肢駆動部に動作指令を出力するコントローラとを備える歩行訓練装置において、前記訓練者の足関節を駆動する足関節駆動部と、前記訓練者の訓練データを記憶する訓練データ記憶部と、前記訓練者の股、膝及び足関節角度を計測し前記訓練軌道を生成する訓練結果評価部と、前記訓練者の健足側または患足側の運動のタイミングを提示する訓練者提示手段とを有し、前記訓練結果評価部は、前記コントローラに動作指令を与え、歩行パターンにあわせて前記下肢駆動部と前記足関節駆動部とを駆動し、両下肢を協調させて動作させるとともに、前記訓練者提示手段を用いて、歩行周期にあわせて健足側または患足側の運動のタイミング提示を行うことを特徴とするものである。
【０００７】
本発明の請求項２記載の歩行訓練装置は、前記訓練者提示手段は、患足側の足尖離地の位相にあわせて、患足側の脚の踏出しのタイミング提示を行うことを特徴とするものである。
本発明の請求項３記載の歩行訓練装置は、前記コントローラは、片方の下肢を歩行パターンに沿って動作させ、他の下肢を前記片方の下肢の歩行周期より半周期ずらして動作させることを特徴とするものである。
本発明の請求項４記載の歩行訓練装置は、前記訓練者の足関節を駆動する足関節駆動部の代わりに、前記訓練者の下腿を装着する下肢装着部に前記訓練者の神経を刺激し筋を収縮させる電気刺激手段を備え、歩行周期にあわせて訓練者の足関節を背屈させることを特徴とするものである。
本発明の請求項５記載の歩行訓練装置は、前記訓練結果評価部は、画像を提示する視覚提示手段、音を提示する聴覚提示手段、または振動を提示する振動提示手段を選択的に用いて、前記訓練者の運動のタイミングを提示することを特徴とするものである。
本発明の請求項６記載の歩行訓練装置は、前記足関節駆動部は、回転機構を備え、前記コントローラの動作指令に基づいて前記訓練者の足関節を底屈および背屈させることを特徴とするものである。
本発明の請求項７記載の歩行訓練装置の制御方法は、訓練者の肢体を訓練軌道に沿って繰り返し駆動させる下肢駆動部を備える歩行訓練装置の制御方法において、前記訓練軌道は、時系列データとして格納されており、現在の位置ベクトルに基づいて次の制御周期で進む距離ｒを求め、前記時系列データの次の制御周期での位置と現在の位置との距離ｔを求め、距離ｔと距離ｒの大きさから、健足側及び患足側の次回の制御周期の目標位置を求めることを特徴とするものである。
本発明の請求項８記載の歩行訓練装置の制御方法は、前記訓練者の肢体が発生する力をインピーダンス制御に適用して前記訓練軌道に沿った位置偏差を求め、前記位置偏差に基づいて、健足側及び患足側の次回の制御周期の目標位置を求めることを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施形態】
本発明の第１の実施の形態の歩行訓練装置について図１に基づいて説明する。すなわち、図１において、１は下肢訓練装置、２はコントローラ、３は訓練結果評価部、４は訓練データ記憶部、５は力センサ、６は大腿装着部、７は下腿装着部、８は訓練軌道（歩行パターン）、９は訓練者、１０は下肢駆動部、１１は操作パネル、１２は訓練者提示手段、１３は足関節駆動部である。図２は、本発明の実施の形態の歩行パターンの実現と、健常者の歩行周期の踵接地、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の股関節、膝関節および足関節の関節運動と歩行パターンを示す図である。図２の下図の健常者の歩行周期の股関節、膝関節および足関節の関節運動と歩行パターンについて説明する。
【０００９】
踵接地において、股関節は最大屈曲位となり以後伸展していき、膝関節はほぼ完全伸展し以後屈曲していき、足関節は背屈位から底屈していく。足底接地において、股関節は伸展していき、膝関節は屈曲していき、足関節は底屈位（約１０°）となる。立脚中期において、股関節は伸展していき、膝関節は立脚期での最大屈曲位（約２０°）となり、足関節は背屈していく。踵離地において、股関節は最大伸展位（約１０°）となり、膝関節は伸展から屈曲に変わっていき、足関節は最大背屈位（約１０°）となり以後は底屈していく。足尖離地において、股関節は屈曲に向かい、膝関節は屈曲に向かい、足関節は最大底屈位（約２０°）となる。遊脚初期において、股関節は加速しながら屈曲していき、膝関節は最大約６０°まで屈曲していき、足関節は背屈していく。遊脚後期において、股関節は減速しながら屈曲していき、膝関節は伸展していき、足関節は背屈位を保つ。健常者の歩行時には、上記踵接地、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が繰り返される。
【００１０】
図２は、訓練結果評価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、繰り返し回数、硬さ、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（Ｍ１：慣性、Ｂ１：粘性、Ｋ１：剛性）制御して、訓練者に無理な負荷がかからないようにする。訓練結果評価部は、患足側の足関節の背屈のタイミング提示を行うため、股・膝・足関節角度を計測し、患足側の歩行周期の足尖離地の位相において、訓練者提示手段たとえば聴覚提示手段を用いて、訓練者へ音を提示する。
【００１１】
本発明の実施の形態の歩行訓練装置は、訓練者９の肢体に装着した装置の動作によって訓練者９の肢体を訓練軌道８に沿って繰り返し訓練を行う目的で、装置に取り付けられた力センサ５または位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部１０を備えた下肢訓練装置１において、下肢駆動部１０に訓練者９の足関節を駆動する足関節駆動部１３と、コントローラ２内に訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、前記コントローラ２内に訓練者９の股・膝・足関節角度を計測し訓練軌道を生成する訓練結果評価部３と、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者９へ提示する訓練者提示手段１２とを備え、前記訓練結果評価部３が、前記コントローラ２に動作指令を与え、歩行パターンにあわせて前記下肢駆動部１０と前記足関節駆動部１３とを駆動し、両下肢を協調させて動作させるとともに、前記訓練者提示手段１２を用いて、歩行周期の位相にあわせて、健足側もしくは患足側の運動のタイミング提示を行うことである。
【００１２】
本発明の実施の形態によれば、訓練者９の肢体に装着した装置の動作によって訓練者９の肢体を訓練軌道８に沿って繰り返し訓練を行う目的で、装置に取り付けられた力センサ５または位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部１０を備えた下肢訓練装置１において、下肢駆動部１０に訓練者９の足関節を駆動する足関節駆動部１３と、コントローラ２内に訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、前記コントローラ２内に訓練者９の股・膝・足関節角度を計測し訓練軌道を生成する訓練結果評価部３と、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者９へ提示する訓練者提示手段１２とを備え、前記訓練結果評価部３が、前記コントローラ２に動作指令を与え、歩行パターンにあわせて前記下肢駆動部１０と前記足関節駆動部１３とを駆動し、両下肢を協調させて動作させるとともに、前記訓練者提示手段１２を用いて、歩行周期の位相にあわせて、健足側もしくは患足側の運動のタイミング提示を行うことで、訓練者に健足側もしくは患足側の運動のタイミングを認識させ、目標とする運動を行わせることができる。
【００１３】
なお、患足側の歩行周期の足尖離地の位相において、訓練者提示手段を用いて、患足側の足関節の背屈のタイミングを訓練者へ提示するだけではなく、健足側もしくは患足側の歩行周期の任意の位相において、訓練者に運動のタイミングを提示してもよい。
【００１４】
本発明の第２の実施の形態の歩行訓練装置について図１に基づいて説明する。すなわち、図１において、１は下肢訓練装置、２はコントローラ、３は訓練結果評価部、４は訓練データ記憶部、５は力センサ、６は大腿装着部、７は下腿装着部、８は訓練軌道（歩行パターン）、９は訓練者、１０は下肢駆動部、１１は操作パネル、１２は訓練者用提示手段、１３は足関節駆動部である。図２（ｂ）は、本発明の実施の形態の歩行パターンの実現と、健常者の歩行周期の踵接地、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の股関節、膝関節および足関節の関節運動と歩行パターンを示す図である。図２の下図の健常者の歩行周期の股関節、膝関節および足関節の関節運動と歩行パターンについて説明する。踵接地において、股関節は最大屈曲位となり以後伸展していき、膝関節はほぼ完全伸展し以後屈曲していき、足関節は背屈位から底屈していく。足底接地において、股関節は伸展していき、膝関節は屈曲していき、足関節は底屈位（約１０°）となる。立脚中期において、股関節は伸展していき、膝関節は立脚期での最大屈曲位（約２０°）となり、足関節は背屈していく。
【００１５】
踵離地において、股関節は最大伸展位（約１０°）となり、膝関節は伸展から屈曲に変わっていき、足関節は最大背屈位（約１０°）となり以後は底屈していく。足尖離地において、股関節は屈曲に向かい、膝関節は屈曲に向かい、足関節は最大底屈位（約２０°）となる。遊脚初期において、股関節は加速しながら屈曲していき、膝関節は最大約６０°まで屈曲していき、足関節は背屈していく。遊脚後期において、股関節は減速しながら屈曲していき、膝関節は伸展していき、足関節は背屈位を保つ。健常者の歩行時には、上記踵接地、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が繰り返される。図２の下図は、訓練結果評価部３がコントローラ２に動作指令を与え、コントローラ２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、繰り返し回数、硬さ、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。
【００１６】
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（Ｍ１：慣性、Ｂ１：粘性、Ｋ１：剛性）制御して、訓練者に無理な負荷がかからないようにする。訓練結果評価部は、患足側の脚の踏出しのタイミング提示を行うため、股・膝・足関節角度を計測し、患足側の歩行周期の足尖離地の位相において、訓練者提示手段たとえば聴覚提示手段を用いて、訓練者へ音を提示する。
【００１７】
本発明の実施の形態の歩行訓練装置は、訓練者９の肢体に装着した装置の動作によって訓練者９の肢体を訓練軌道８に沿って繰り返し訓練を行う目的で、装置に取り付けられた力センサ５または位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部１０を備えた下肢訓練装置１において、下肢駆動部１０に訓練者９の足関節を駆動する足関節駆動部１３と、コントローラ２内に訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、前記コントローラ２内に訓練者９の股・膝・足関節角度を計測し訓練軌道を生成する訓練結果評価部３と、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者９へ提示する訓練者提示手段１２とを備え、前記訓練結果評価部３が、前記コントローラ２に動作指令を与え、歩行パターンにあわせて前記下肢駆動部１０と前記足関節駆動部１３とを駆動し、両下肢を協調させて動作させるとともに、前記訓練者提示手段１２を用いて、患足側の足尖離地の位相において、患足側の脚の踏出しのタイミング提示を行うことである。
【００１８】
本発明の実施の形態によれば、訓練者９の肢体に装着した装置の動作によって訓練者９の肢体を訓練軌道８に沿って繰り返し訓練を行う目的で、装置に取り付けられた力センサ５または位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部１０を備えた下肢訓練装置１において、下肢駆動部１０に訓練者９の足関節を駆動する足関節駆動部１３と、コントローラ２内に訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、前記コントローラ２内に訓練者９の股・膝・足関節角度を計測し訓練軌道を生成する訓練結果評価部３と、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者９へ提示する訓練者提示手段１２とを備え、前記訓練結果評価部３が、前記コントローラ２に動作指令を与え、歩行パターンにあわせて前記下肢駆動部１０と前記足関節駆動部１３とを駆動し、両下肢を協調させて動作させるとともに、前記訓練者提示手段１２を用いて、患足側の足尖離地の位相において、患足側の脚の踏出しのタイミング提示を行うことで、訓練者に患足側の脚の踏出しのタイミングを認識させ、脚の踏出しを促進させることができる。
【００１９】
なお、患足側の足尖離地の位相において、訓練者提示手段を用いて、患足側の脚の踏出しのタイミングを訓練者へ提示するだけではなく、健足側もしくは患足側の歩行周期の任意の位相において、訓練者に運動のタイミングを提示してもよい。
【００２０】
本発明の第３の実施の形態の歩行訓練装置について図１に基づいて説明する。すなわち、図１において、１は下肢訓練装置、２はコントローラ、３は訓練結果評価部、４は訓練データ記憶部、５は力センサ、６は大腿装着部、７は下腿装着部、８は訓練軌道（歩行パターン）、９は訓練者、１０は下肢駆動部、１１は操作パネル、１２は訓練者提示手段、１３は足関節駆動部である。図３は、本発明の実施の形態の歩行パターンの実現と、健常者の歩行周期の踵接地、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の股関節、膝関節および足関節の関節運動と歩行パターンを示す図である。図３の健常者の歩行周期の股関節、膝関節および足関節の関節運動と歩行パターンについて説明する。踵接地において、股関節は最大屈曲位となり以後伸展していき、膝関節はほぼ完全伸展し以後屈曲していき、足関節は背屈位から底屈していく。足底接地において、股関節は伸展していき、膝関節は屈曲していき、足関節は底屈位（約１０°）となる。立脚中期において、股関節は伸展していき、膝関節は立脚期での最大屈曲位（約２０°）となり、足関節は背屈していく。
【００２１】
踵離地において、股関節は最大伸展位（約１０°）となり、膝関節は伸展から屈曲に変わっていき、足関節は最大背屈位（約１０°）となり以後は底屈していく。足尖離地において、股関節は屈曲に向かい、膝関節は屈曲に向かい、足関節は最大底屈位（約２０°）となる。遊脚初期において、股関節は加速しながら屈曲していき、膝関節は最大約６０°まで屈曲していき、足関節は背屈していく。遊脚後期において、股関節は減速しながら屈曲していき、膝関節は伸展していき、足関節は背屈位を保つ。健常者の歩行時には、上記踵接地、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が繰り返される。図３は、訓練結果評価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。
【００２２】
（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、繰り返し回数、硬さ、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、健足側を動作させるとともに、患足側を健足側の歩行周期より半周期ずらせた動作を繰り返す。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（Ｍ１：慣性、Ｂ１：粘性、Ｋ１：剛性）制御して、訓練者に無理な負荷がかからないようにする。訓練結果評価部は、患足側の脚の踏出しのタイミング提示を行うため、股・膝・足関節角度を計測し、健足側の歩行周期の足底接地の位相において、訓練者提示手段たとえば聴覚提示手段を用いて、訓練者へ音を提示する。
【００２３】
本発明の実施の形態の歩行訓練装置は、訓練者９の肢体に装着した装置の動作によって訓練者９の肢体を訓練軌道８に沿って繰り返し訓練を行う目的で、装置に取り付けられた力センサ５または位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部１０を備えた下肢訓練装置１において、下肢駆動部１０に訓練者９の足関節を駆動する足関節駆動部１３と、コントローラ２内に訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、前記コントローラ２内に訓練者９の股・膝・足関節角度を計測し訓練軌道を生成する訓練結果評価部３と、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者９へ提示する訓練者提示手段１２とを備え、前記訓練結果評価部３が、前記コントローラ２に動作指令を与え、前記下肢駆動部１０と前記足関節駆動部１３とを駆動し、片方の下肢を歩行パターンに沿って動作させ、もう片方の下肢を前記片方の下肢の歩行周期より半周期ずらせて動作させることである。
【００２４】
本発明の実施の形態によれば、訓練者９の肢体に装着した装置の動作によって訓練者９の肢体を訓練軌道８に沿って繰り返し訓練を行う目的で、装置に取り付けられた力センサ５または位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部１０を備えた下肢訓練装置１において、下肢駆動部１０に訓練者９の足関節を駆動する足関節駆動部１３と、コントローラ２内に訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、前記コントローラ２内に訓練者９の股・膝・足関節角度を計測し訓練軌道を生成する訓練結果評価部３と、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者９へ提示する訓練者提示手段１２とを備え、前記訓練結果評価部３が、前記コントローラ２に動作指令を与え、前記下肢駆動部１０と前記足関節駆動部１３とを駆動し、片方の下肢を歩行パターンに沿って動作させ、もう片方の下肢を前記片方の下肢の歩行周期より半周期ずらせて動作させることで、訓練者に歩行パターン動作を認識させ、効果的なリハビリ訓練ができる。
【００２５】
本発明の第４の実施の形態の歩行訓練装置について図４に基づいて説明する。すなわち、図４において、１は下肢訓練装置、２はコントローラ、３は訓練結果評価部、４は訓練データ記憶部、５は力センサ、６は大腿装着部、７は下腿装着部、８は訓練軌道（歩行パターン）、９は訓練者、１０は下肢駆動部、１１は操作パネル、１２は訓練者提示手段、１４は電気刺激手段である。図２は、本発明の実施の形態の歩行パターンの実現と、健常者の歩行周期の踵接地、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の股関節、膝関節および足関節の関節運動と歩行パターンを示す図である。図２の健常者の歩行周期の股関節、膝関節および足関節の関節運動と歩行パターンについて説明する。踵接地において、股関節は最大屈曲位となり以後伸展していき、膝関節はほぼ完全伸展し以後屈曲していき、足関節は背屈位から底屈していく。足底接地において、股関節は伸展していき、膝関節は屈曲していき、足関節は底屈位（約１０°）となる。立脚中期において、股関節は伸展していき、膝関節は立脚期での最大屈曲位（約２０°）となり、足関節は背屈していく。
【００２６】
踵離地において、股関節は最大伸展位（約１０°）となり、膝関節は伸展から屈曲に変わっていき、足関節は最大背屈位（約１０°）となり以後は底屈していく。足尖離地において、股関節は屈曲に向かい、膝関節は屈曲に向かい、足関節は最大底屈位（約２０°）となる。遊脚初期において、股関節は加速しながら屈曲していき、膝関節は最大約６０°まで屈曲していき、足関節は背屈していく。遊脚後期において、股関節は減速しながら屈曲していき、膝関節は伸展していき、足関節は背屈位を保つ。健常者の歩行時には、上記踵接地、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が繰り返される。図２は、訓練結果評価部がコントローラと電気刺激装置に動作指令を与え、コントローラが下肢駆動部を制御し、電気刺激装置が腓骨神経を電気刺激することで、歩行パターンを実現した図である。
【００２７】
（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、繰り返し回数、硬さ、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、訓練結果評価部が、患足側の足尖離地の位相において、電気刺激装置を用いて患足側の腓骨神経を電気刺激し、足関節を背屈させる。
【００２８】
さらに、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（Ｍ１：慣性、Ｂ１：粘性、Ｋ１：剛性）制御して、訓練者に無理な負荷がかからないようにする。訓練結果評価部は、患足側の脚の踏出しのタイミング提示を行うため、股・膝・足関節角度を計測し、健足側の歩行周期の足底接地の位相において、訓練者提示手段たとえば聴覚提示手段を用いて、訓練者へ音を提示する。
【００２９】
本発明の実施の形態の歩行訓練装置は、訓練者９の肢体に装着した装置の動作によって訓練者９の肢体を訓練軌道８に沿って繰り返し訓練を行う目的で、装置に取り付けられた力センサ５または位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部１０を備えた下肢訓練装置１において、コントローラ２内に訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、前記コントローラ２内に訓練者９の股・膝・足関節角度を計測し訓練軌道を生成する訓練結果評価部３と、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者９へ提示する訓練者提示手段１２と、訓練者９の下腿を装着する下肢装着部７に訓練者９の神経を刺激し筋を収縮させる電気刺激手段１４とを備え、前記訓練結果評価部３が、前記コントローラ２に動作指令を与え、歩行パターンにあわせて前記下肢駆動部１０と前記足関節駆動部１３とを駆動し、両下肢を協調させて動作させるとともに、健足側の足底接地の位相において、前記電気刺激装置１４を用いて患足側の腓骨神経を刺激し足関節を背屈させ、患足側の脚の踏出しのタイミング提示を行うことである。
【００３０】
本発明の実施の形態によれば、訓練者９の肢体に装着した装置の動作によって訓練者９の肢体を訓練軌道８に沿って繰り返し訓練を行う目的で、装置に取り付けられた力センサ５または位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部１０を備えた下肢訓練装置１において、コントローラ２内に訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、前記コントローラ２内に訓練者９の股・膝・足関節角度を計測し訓練軌道を生成する訓練結果評価部３と、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者９へ提示する訓練者提示手段１２と、訓練者９の下腿を装着する下肢装着部７に訓練者９の神経を刺激し筋を収縮させる電気刺激手段１４とを備え、前記訓練結果評価部３が、前記コントローラ２に動作指令を与え、歩行パターンにあわせて前記下肢駆動部１０と前記足関節駆動部１３とを駆動し、両下肢を協調させて動作させるとともに、健足側の足底接地の位相において、前記電気刺激装置１４を用いて患足側の腓骨神経を刺激し足関節を背屈させ、患足側の脚の踏出しのタイミング提示を行うことで、訓練者に患足側の脚の踏出しのタイミングを認識させ、脚の踏出しを促進させることができる。
【００３１】
なお、健足側の足底接地の位相において、訓練者提示手段を用いて、患足側の脚の踏出しのタイミングを訓練者へ提示するだけではなく、健足側もしくは患足側の歩行周期の任意の位相において、訓練者に運動のタイミングを提示してもよい。
【００３２】
本発明の第５の実施の形態の歩行訓練装置について図５に基づいて説明する。すなわち、図５において、１は下肢訓練装置、２はコントローラ、３は訓練結果評価部、４は訓練データ記憶部、５は力センサ、６は大腿装着部、７は下腿装着部、８は訓練軌道（歩行パターン）、９は訓練者、１０は下肢駆動部、１１は操作パネル、１３は足関節駆動部、１５は聴覚提示手段、１６は音声発生装置、１７はスピーカー、１８は振動提示手段、１９はバイブレータ、２０は視覚提示手段、２１はモニターである。図２は、本発明の実施の形態の歩行パターンの実現と、健常者の歩行周期の踵接地、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の股関節、膝関節および足関節の関節運動と歩行パターンを示す図である。図２の健常者の歩行周期の股関節、膝関節および足関節の関節運動と歩行パターンについて説明する。踵接地において、股関節は最大屈曲位となり以後伸展していき、膝関節はほぼ完全伸展し以後屈曲していき、足関節は背屈位から底屈していく。足底接地において、股関節は伸展していき、膝関節は屈曲していき、足関節は底屈位（約１０°）となる。立脚中期において、股関節は伸展していき、膝関節は立脚期での最大屈曲位（約２０°）となり、足関節は背屈していく。
【００３３】
踵離地において、股関節は最大伸展位（約１０°）となり、膝関節は伸展から屈曲に変わっていき、足関節は最大背屈位（約１０°）となり以後は底屈していく。足尖離地において、股関節は屈曲に向かい、膝関節は屈曲に向かい、足関節は最大底屈位（約２０°）となる。遊脚初期において、股関節は加速しながら屈曲していき、膝関節は最大約６０°まで屈曲していき、足関節は背屈していく。遊脚後期において、股関節は減速しながら屈曲していき、膝関節は伸展していき、足関節は背屈位を保つ。健常者の歩行時には、上記踵接地、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が繰り返される。図２は、訓練結果評価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。
【００３４】
（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、繰り返し回数、硬さ、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（Ｍ１：慣性、Ｂ１：粘性、Ｋ１：剛性）制御して、訓練者に無理な負荷がかからないようにする。訓練結果評価部は、患足側の脚の踏出しのタイミング提示を行うため、股・膝・足関節角度を計測し、健足側の歩行周期の足底接地の位相において、視覚提示手段、聴覚提示手段、振動提示手段のいずれかを選択的に用いることで、訓練者へ提示する。
【００３５】
本発明の実施の形態の歩行訓練装置は、前記訓練結果評価部３が、画像を提示する視覚提示手段１０、音を提示する聴覚提示手段１３及び振動を提示する振動提示手段１６のいずれかを選択的に用いて、訓練者９の運動のタイミングを提示することである。
【００３６】
本発明の実施の形態によれば、前記訓練結果評価部３が、画像を提示する視覚提示手段１０、音を提示する聴覚提示手段１３及び振動を提示する振動提示手段１６のいずれかを選択的に用いて、訓練者９の運動のタイミングを提示することで、訓練者が自分の訓練状態を認識しつつ訓練することができるため、効果的な訓練を行うことができる。
【００３７】
本発明の第６の実施の形態の歩行訓練装置について図６に基づいて説明する。
すなわち、図６において、１は下肢訓練装置、２はコントローラ、３は訓練結果評価部、４は訓練データ記憶部、５は力センサ、６は大腿装着部、７は下腿装着部、８は訓練軌道（歩行パターン）、９は訓練者、１０は下肢駆動部、１１は操作パネル、１２は訓練者提示手段、１３は足関節駆動部、１４は回転機構である。図２は、本発明の実施の形態の歩行パターンの実現と、健常者の歩行周期の踵接地、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の股関節、膝関節および足関節の関節運動と歩行パターンを示す図である。図７は足関節駆動部を示す図である。図２の健常者の歩行周期の股関節、膝関節および足関節の関節運動と歩行パターンについて説明する。踵接地において、股関節は最大屈曲位となり以後伸展していき、膝関節はほぼ完全伸展し以後屈曲していき、足関節は背屈位から底屈していく。足底接地において、股関節は伸展していき、膝関節は屈曲していき、足関節は底屈位（約１０°）となる。立脚中期において、股関節は伸展していき、膝関節は立脚期での最大屈曲位（約２０°）となり、足関節は背屈していく。
【００３８】
踵離地において、股関節は最大伸展位（約１０°）となり、膝関節は伸展から屈曲に変わっていき、足関節は最大背屈位（約１０°）となり以後は底屈していく。足尖離地において、股関節は屈曲に向かい、膝関節は屈曲に向かい、足関節は最大底屈位（約２０°）となる。遊脚初期において、股関節は加速しながら屈曲していき、膝関節は最大約６０°まで屈曲していき、足関節は背屈していく。遊脚後期において、股関節は減速しながら屈曲していき、膝関節は伸展していき、足関節は背屈位を保つ。健常者の歩行時には、上記踵接地、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が繰り返される。図２は、訓練結果評価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。
【００３９】
（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、繰り返し回数、硬さ、股、膝もしくは足関節の最大屈曲角度、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、股・膝関節の他動運動訓練の動作を繰り返す。同時に、コントローラは、股・膝関節の他動運動訓練と同期して回転機構を回転させることで足関節駆動部を駆動し、訓練者の足関節を底屈、背屈させる。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（Ｍ１：慣性、Ｂ１：粘性、Ｋ１：剛性）制御して、訓練者に無理な負荷がかからないようにする。
【００４０】
本発明の実施の形態の筋硬度を指標とするフィードバック装置は、前記足関節駆動部１３が、回転機構を備え、前記コントローラ２の動作指令を基に、訓練者９の足関節を底屈、背屈させることである。
本発明の実施の形態によれば、前記足関節駆動部１３が、回転機構を備え、前記コントローラ２の動作指令を基に、訓練者９の足関節を底屈、背屈させることで、歩行周期の位相にあわせて、足関節を底屈、背屈させることができ、効果的なリハビリ訓練ができる。
【００４１】
なお、足関節駆動部に回転機構を備える代わりにスライド機構を用いて、歩行周期の位相にあわせて足底に圧力を加えてもよく、ワイヤー機構を用いて、歩行周期にあわせて足先を引っ張ってもよい。
【００４２】
本発明の第７の実施の形態の歩行訓練装置の制御方法について図８に基づいて説明する。すなわち、図８は歩行訓練装置の制御方法の処理を示す図である。図９は、定義している訓練軌道の時系列データとベクトル、位置偏差を示す図である。図８と図９の関係について説明する。例えば、左脚と右脚の制御方法に図８の処理を用いることで、左脚の足首の軌跡が図９の訓練軌道（歩行パターン）上を通過するとともに、右脚の足首の軌跡が左脚より半周期ずらせた訓練軌道（歩行パターン）上を通過するように、歩行パターンにあわせて左脚と右脚の股・膝関節をそれぞれ屈曲・伸展させる。同時に、歩行パターンにあわせて、足関節駆動部を駆動することで、左脚と右脚の足関節を底屈・背屈させる。図１０は、図８のｉｎｄｅｘ、ｔｉｍを更新する主要部ｐ４の処理を示す図である。図１１は、図８のｉｎｄｅｘ、ｔｉｍ更新部ｐ５の処理を示す図である。図１２は、図８の前処理としてオフラインで行う、訓練軌道の時系列データの生成方法の処理を示す図である。
【００４３】
図８において、ｐ１は動作積算時間ｔｉｍを一制御周期分増やす動作積算時間カウンタ部、ｐ２は訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）から進む距離ｒを計算する距離ｒ計算部、ｐ３は距離ｒが訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ＋１）とｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）間の距離ｔとの大小関係を判断する距離ｒ判定部、ｐ４は変数ｉｎｄｅｘと動作積算時間ｔｉｍを更新するｉｎｄｅｘ、ｔｉｍ更新主要部、ｐ５は変数ｉｎｄｅｘと動作積分時間ｔｉｍを更新するｉｎｄｅｘ、ｔｉｍ更新部、ｐ６は健足側の目標位置を決定する健足側目標位置決定部、ｐ７は患足側の目標位置を決定する患足側目標位置決定部である。図９は、定義している訓練軌道の時系列データとベクトル、位置偏差を示す図である。７０１は訓練軌道、７０２は現在の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）、７０３は次回の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ＋１）、７０４は前回の制御周期における目標値、７０５は訓練軌道の時系列データ間の相対ベクトルｔ、７０６は前回の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）からの訓練軌道に沿った位置偏差ｒ´、７０７は現在の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）からの訓練軌道に沿った位置偏差ｒである。
【００４４】
上記フロー処理の概要について、図８のフローチャートを用いて、訓練軌道の時系列データｔｄａｔａを更新する手順を示す。
ステップ１は、動作積算時間カウンタ部（ｐ１）において、動作積算時間ｔｉｍを一制御周期分増やす。
ステップ２は、距離ｒ計算部（ｐ２）において、現在の制御周期における訓練軌道の時系列データ（７０２）から進む距離ｒ（７０７）を計算する。
ステップ３は、距離ｒ判定部（ｐ３）において、現在の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）と、次回の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ＋１）との相対ベクトルの距離ｔを計算し、前記距離ｒと距離ｔとの大小関係を比較する。
【００４５】
ステップ４は、前記距離ｒが大きい場合、ｉｎｄｅｘ、ｔｉｍ更新主要部（ｐ４）において、変数ｉｎｄｅｘと動作積算時間ｔｉｍを更新する。
ステップ５は、前記距離ｒが小さい場合、ｉｎｄｅｘ、ｔｉｍ更新部（ｐ５）において、変数ｉｎｄｅｘと動作積算時間ｔｉｍを更新する。
ステップ６は、健足側目標位置決定部（ｐ６）において、訓練軌道に沿った健足側の目標位置を計算する。
ステップ７は、患足側目標位置決定部（ｐ７）において、健足側の変数ｉｎｄｅｘと動作積算時間ｔｉｍを用いて、健足側の訓練軌道（歩行パターン）より半周期ずらせた患足側の目標位置を計算し、健足側と患足側を協調させて動作させる。
【００４６】
以上の処理により、左脚の足首の軌跡が図９の訓練軌道（歩行パターン）上を通過するとともに、右脚の足首の軌跡が左脚より半周期ずらせた訓練軌道（歩行パターン）上を通過するように、歩行パターンにあわせて左脚と右脚の股・膝関節をそれぞれ屈曲・伸展させることができる。同時に、歩行パターンにあわせて、足関節駆動部を駆動することで、左脚と右脚の足関節を底屈・背屈させることができる。すなわち、歩行パターンにあわせて、両下肢を協調させて動作させることができる。
【００４７】
図１０は、変数ｉｎｄｅｘ、動作積算時間ｔｉｍを更新するｉｎｄｅｘ、ｔｉｍ更新主要部である。フロー処理の概要について説明する。
ステップ１は、前記ｉｎｄｅｘ更新主要部（ｐ４）において、ｉｎｄｅｘを一つ増加し（ｐ８）、距離ｒから距離ｔを差し引いて新しい距離ｒとする（ｐ９）。
ステップ２は、現在の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）（７０２）と、次回の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ＋１）（７０３）間の距離を求め、新しい距離ｔとする（ｐ１０）。
ステップ３は、距離ｒと距離ｔの比較部において、新しい距離ｒと新しい距離ｔを比較し（ｐ１１）、新しい距離ｒのほうが大きい場合、変数ｉｎｄｅｘを一つ増加する処理（ｐ８）に戻り、以上の処理を繰り返し、新しい距離ｒが小さくなった場合、変数ｉｎｄｅｘ、距離ｒ、距離ｔを決定する処理へ進む。
ステップ４は、距離ｒ、距離ｔ、とｔ１（予め設定された、訓練軌道の時系列データを格納している時間分解能）を用いて、動作積算時間ｔｉｍを決定する（ｐ１２）。
すなわち、前記距離ｒ、前記距離ｔを用いて、前記時間分解能ｔ１を基に、ｔｉｍ＝ｔ１×ｒ／ｔとして、前記動作積分時間ｔｉｍを決定する。以上の処理により、ｉｎｄｅｘ、ｔｉｍが更新される。
【００４８】
図１１は、変数ｉｎｄｅｘ、動作積算時間ｔｉｍを更新するｉｎｄｅｘ、ｔｉｍ更新部（ｐ５）である。フローの概要について説明する。
ステップ１は、距離ｒ計算部（ｐ３）において、現在の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）から進む距離ｒを求める。
ステップ２は、ｉｎｄｅｘ、ｔｉｍ更新部（ｐ５）において、現在の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）と、次回の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ＋１）間の相対ベクトルｔを用いて、ｔ１（予め設定された、訓練軌道の時系列データを格納している時間分解能）に基づいて、動作積算時間ｔｉｍを決定する。すなわち、前記距離ｒ、前記距離ｔを用いて、前記時間分解能ｔ１を基に、ｔｉｍ＝ｔ１×ｒ／ｔとして、前記動作積分時間ｔｉｍを決定する。以上の処理により、ｉｎｄｅｘ、ｔｉｍが更新される。
【００４９】
図１２は、図８の前処理としてオフラインで行う、訓練軌道の時系列データの生成方法の処理を示す図である。概要について説明する。現在の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）と、次回の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ＋１）間の相対ベクトルｔが０に近い場合、距離ｔ（７０５）の鉛直・水平成分が両方とも０に近づき、訓練軌道の時系列データ間の相対ベクトルの作業座標系に対する傾きη（７０８）は不定となるので、訓練軌道の時系列データを格納する時点で近接点を同一化しておく。
【００５０】
以上の処理により、訓練軌道の時系列データ間の距離が互いに近接している場合でも、訓練軌道の時系列データ間の相対ベクトルの傾きを求める際に０で除算することがないため、図８において、正しく目標位置を決定することができる。
【００５１】
本発明の実施の形態の歩行訓練装置は、訓練者９の肢体に装着した装置の動作によって訓練者９の肢体を訓練軌道８に沿って繰り返し訓練を行う目的で、装置に取り付けられた力センサ５または位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部１０を備えた下肢訓練装置１において、下肢駆動部１０に訓練者９の足関節を駆動する足関節駆動部１３と、コントローラ２内に訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、前記コントローラ２内に訓練者９の股・膝・足関節角度を計測し訓練軌道を生成する訓練結果評価部３と、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者９へ提示する訓練者提示手段１２とを備え、前記訓練結果評価部３が、訓練者９の健足側の訓練軌道８の時系列データの番号を表す変数ｉｎｄｅｘを更新する際は、現在の変数ｉｎｄｅｘを持つ前記健足側の訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）から進む距離ｒと、現在と次の前記健足側の訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ＋１）の距離であるｔとを比較することによって前記変数ｉｎｄｅｘを更新し、前記健足側を歩行パターンに沿って動作させ、動作積算時間（前記健足側の訓練データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）から目標位置に到達するまでの時間）であるｔｉｍを一制御周期分増やした後に前記距離ｒを求め、前記距離ｒと前記距離ｔとの大小関係を比較し、前記距離ｒのほうが大きい場合、前記変数ｉｎｄｅｘ、前記時間ｔｉｍを更新する主要部に進み、前記距離ｒのほうが小さい場合、前記距離ｒと前記距離ｔを用いて前記ｉｎｄｅｘと前記時間ｔｉｍを更新する処理に進んで前記目標位置を決定し、前記健足側の前記ｉｎｄｅｘと前記時間ｔｉｍを患足側のｉｎｄｅｘと動作積算時間ｔｉｍとして、前記患足側を前記健足側に協調させて動作させることである。
【００５２】
本発明の実施の形態によれば、前記患足側を前記健足側に協調させて動作させるとともに、前記訓練者提示手段１２を用いて、健足側の足底接地の位相において、患足側の脚の踏出しのタイミング提示を行うことで、訓練者に患足側の脚の踏出しのタイミングを認識させ、脚の踏出しを促進させることができる。
なお、患足側を健足側に協調させて動作させるだけではなく、健足側を患足側に協調させて動作させてもよく、健足側と患足側を独立に歩行訓練させてもよい。
【００５３】
本発明の第８の実施の形態の歩行訓練装置について、図１３に基づいて説明する。すなわち、図１３は、図８の処理ｐ２における、訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）からの訓練軌道に沿った位置偏差ｒを計算する位置偏差ｒ計算部の処理を示す図である。図１４は、図１３の処理Ｑ５における、インピーダンス制御による位置偏差ｒ計算部の処理を示す図である。図１３のフローの概要について説明する。
【００５４】
ステップ１は、相対ベクトルの傾き計算部（Ｑ１）において、訓練軌道の時系列データ間で定義される相対ベクトルをたとえば２次元平面における座標系において、ｔ＝（ｔｘ，ｔｙ）と表す。相対ベクトルｔを基に、相対ベクトルｔの作業座標系における傾きηをη＝ａｔａｎ２（ｔｙ，ｔｘ）として計算する。
ステップ２は、外力座標変換部（Ｑ２）において、負荷情報Ｆを計測し、負荷のセンサ座標系から作業座標系へのロボット工学における座標変換の計算を行う。
ステップ３は、肢体発生力計算部（Ｑ３）において、肢体が発生する力の大きさの計算を行うため、予め求めておいた肢体の自重補償分（図示していない）を外力から差し引き、肢体が発生する力を計算する。
ステップ４は、肢体発生力の座標変換部（Ｑ４）において、肢体が発生する力の訓練軌道上の座標系を前記傾きηにそって定義し、訓練軌道上の座標系への座標変換を前記肢体が発生する力に対して行う。
ステップ５は、位置偏差計算部（Ｑ５）において、ロボット工学におけるインピーダンス制御による位置偏差の計算を行う。
【００５５】
次に、図１４の概要を説明する。
図示しない制御条件設定部において予め定めた、制御周期ｔ０、訓練軌道の時系列データ上の座標系におけるインピーダンス係数（たとえば粘性のみの場合の粘性係数：ｂｔ）と、前回の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）からの訓練軌道に沿った位置偏差ｒ´（７０６）と、訓練者の肢体が発生する力Ｆを用いて、現在の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）（７０２）からの訓練軌道に沿った位置偏差ｒを求める。すなわち、位置偏差ｒをｒ＝ｒ´＋Ｆ×ｔ０／Ｂとして求める。
【００５６】
そして、図８の健足側目標位置決定部（ｐ６）において、訓練軌道に沿った健足側の目標位置を計算する。さらに、図８の患足側目標位置決定部（ｐ７）において、健足側の変数ｉｎｄｅｘと動作積算時間ｔｉｍを用いて、健足側の訓練軌道（歩行パターン）より半周期ずらせた患足側の目標位置を計算し、健足側と患足側を協調させて動作させる。
以上の処理を行うことで、訓練者の肢体が発生した力を指標として、健足側に自動介助運動訓練を行わせ、患足側を健足側に協調させて動作させることができる。
【００５７】
本発明の歩行訓練装置は、訓練者９の肢体に装着した装置の動作によって訓練者９の肢体を訓練軌道８に沿って繰り返し訓練を行う目的で、装置に取り付けられた力センサ５または位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部１０を備えた下肢訓練装置１において、下肢駆動部１０に訓練者９の足関節を駆動する足関節駆動部１３と、コントローラ２内に訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、前記コントローラ２内に訓練者９の股・膝・足関節角度を計測し訓練軌道を生成する訓練結果評価部３と、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者９へ提示する訓練者提示手段１２とを備え、前記訓練結果評価部３のインピーダンス制御による位置偏差の計算部において、予め定めた制御周期ｔ０と、訓練軌道８上の座標系におけるインピーダンス係数Ｂ、前記制御周期における前記訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）からの訓練軌道に沿った位置偏差ｒ´、訓練者９の肢体が発生する力Ｆを用いて、現在の制御周期における前記訓練データの時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）からの訓練軌道に沿った位置偏差ｒ（前記距離ｒと同一のもの）を
【００５８】
ｒ＝ｒ´＋Ｆ×ｔ０／Ｂ
【００５９】
として求め、前記健足側の前記ｉｎｄｅｘと前記時間ｔｉｍを患足側のｉｎｄｅｘと動作積算時間ｔｉｍとして、前記患足側を前記健足側に協調させて動作させることである。
【００６０】
本発明の実施の形態によれば、前記健足側に自動介助運動訓練を行わせ、前記患足側を前記健足側に協調させて動作させるとともに、前記訓練者提示手段１２を用いて、健足側の足底接地の位相において、患足側の脚の踏出しのタイミング提示を行うことで、訓練者に患足側の脚の踏出しのタイミングを認識させ、脚の踏出しを促進させることができる。
【００６１】
なお、患足側を健足側に協調させて動作させるだけではなく、健足側を患足側に協調させて動作させてもよく、健足側と患足側を独立に歩行訓練させてもよい。
【発明の効果】
第１の発明の歩行訓練装置によれば、訓練者９の肢体に装着した装置の動作によって訓練者９の肢体を訓練軌道８に沿って繰り返し訓練を行う目的で、装置に取り付けられた力センサ５または位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部１０を備えた下肢訓練装置１において、下肢駆動部１０に訓練者９の足関節を駆動する足関節駆動部１３と、コントローラ２内に訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、前記コントローラ２内に訓練者９の股・膝・足関節角度を計測し訓練軌道を生成する訓練結果評価部３と、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者９へ提示する訓練者提示手段１２とを備え、前記訓練結果評価部３が、前記コントローラ２に動作指令を与え、歩行パターンにあわせて前記下肢駆動部１０と前記足関節駆動部１３とを駆動し、両下肢を協調させて動作させるとともに、前記訓練者提示手段１２を用いて、歩行周期の位相にあわせて、健足側もしくは患足側の運動のタイミング提示を行うことで、訓練者に健足側もしくは患足側の運動のタイミングを認識させ、目標とする運動を行わせることができる。
第２の発明の歩行訓練装置によれば、訓練者９の肢体に装着した装置の動作によって訓練者９の肢体を訓練軌道８に沿って繰り返し訓練を行う目的で、装置に取り付けられた力センサ５または位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部１０を備えた下肢訓練装置１において、下肢駆動部１０に訓練者９の足関節を駆動する足関節駆動部１３と、コントローラ２内に訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、前記コントローラ２内に訓練者９の股・膝・足関節角度を計測し訓練軌道を生成する訓練結果評価部３と、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者９へ提示する訓練者提示手段１２とを備え、前記訓練結果評価部３が、前記コントローラ２に動作指令を与え、歩行パターンにあわせて前記下肢駆動部１０と前記足関節駆動部１３とを駆動し、両下肢を協調させて動作させるとともに、前記訓練者提示手段１２を用いて、患足側の足尖離地の位相において、患足側の脚の踏出しのタイミング提示を行うことで、訓練者に患足側の脚の踏出しのタイミングを認識させ、脚の踏出しを促進させることができる。
第３の発明の歩行訓練装置によれば、訓練者９の肢体に装着した装置の動作によって訓練者９の肢体を訓練軌道８に沿って繰り返し訓練を行う目的で、装置に取り付けられた力センサ５または位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部１０を備えた下肢訓練装置１において、下肢駆動部１０に訓練者９の足関節を駆動する足関節駆動部１３と、コントローラ２内に訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、前記コントローラ２内に訓練者９の股・膝・足関節角度を計測し訓練軌道を生成する訓練結果評価部３と、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者９へ提示する訓練者提示手段１２とを備え、前記訓練結果評価部３が、前記コントローラ２に動作指令を与え、前記下肢駆動部１０と前記足関節駆動部１３とを駆動し、片方の下肢を歩行パターンに沿って動作させ、もう片方の下肢を前記片方の下肢の歩行周期より半周期ずらせて動作させることで、訓練者に歩行パターン動作を認識させ、効果的なリハビリ訓練ができる。
第４の発明の歩行訓練装置によれば、訓練者９の肢体に装着した装置の動作によって訓練者９の肢体を訓練軌道８に沿って繰り返し訓練を行う目的で、装置に取り付けられた力センサ５または位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部１０を備えた下肢訓練装置１において、コントローラ２内に訓練データを記憶する訓練データ記憶部４と、前記コントローラ２内に訓練者９の股・膝・足関節角度を計測し訓練軌道を生成する訓練結果評価部３と、健足側もしくは患足側の運動のタイミングを訓練者９へ提示する訓練者提示手段１２と、訓練者９の下腿を装着する下肢装着部７に訓練者９の神経を刺激し筋を収縮させる電気刺激手段１４とを備え、前記訓練結果評価部３が、前記コントローラ２に動作指令を与え、歩行パターンにあわせて前記下肢駆動部１０と前記足関節駆動部１３とを駆動し、両下肢を協調させて動作させるとともに、健足側の足底接地の位相において、前記電気刺激装置１４を用いて患足側の腓骨神経を刺激し足関節を背屈させ、患足側の脚の踏出しのタイミング提示を行うことで、訓練者に患足側の脚の踏出しのタイミングを認識させ、脚の踏出しを促進させることができる。
第５の発明の歩行訓練装置によれば、前記訓練結果評価部３が、画像を提示する視覚提示手段１０、音を提示する聴覚提示手段１３及び振動を提示する振動提示手段１６のいずれかを選択的に用いて、訓練者９の運動のタイミングを提示することで、訓練者が自分の訓練状態を認識しつつ訓練することができるため、効果的な訓練を行うことができる。
第６の発明の歩行訓練装置によれば、前記足関節駆動部１３が、回転機構を備え、前記コントローラ２の動作指令を基に、訓練者９の足関節を底屈、背屈させることで、歩行周期の位相にあわせて、足関節を底屈、背屈させることができ、効果的なリハビリ訓練ができる。
第７、第８の発明の歩行訓練装置の制御方法によれば、健足側と患足側の踏み出しのタイミングを認識させ、脚の踏み出しを促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の歩行訓練装置のシステム構成図
【図２】本発明の実施の形態の歩行パターン図
【図３】本発明の第３の実施の形態の歩行パターン図
【図４】本発明の第４の実施の形態の歩行訓練装置のシステム構成図
【図５】本発明の第５の実施の形態の歩行訓練装置のシステム構成図
【図６】本発明の第６の実施の形態の歩行訓練装置のシステム構成図
【図７】本発明の第６の実施の形態の足関節駆動部を示す図
【図８】本発明の第７の実施の形態のフロー
【図９】本発明の第７の実施の形態の訓練軌道の時系列データとベクトル、位置偏差を示す図
【図１０】本発明の第７の実施の形態のｉｎｄｅｘ、ｔｉｍを更新する主要部ｐ４のフロー
【図１１】本発明の第７の実施の形態のｉｎｄｅｘ、ｔｉｍ更新部ｐ５のフロー、
【図１２】本発明の第７の実施の形態のオフラインで行う訓練軌道の時系列データの生成方法のフロー
【図１３】本発明の第８の実施の形態のｐ２フロー
【図１４】本発明の第８の実施の形態の処理Ｑ５のフロー
【図１５】従来の第１の実施の形態の下肢駆動装置のシステム構成図
【符号の説明】
１下肢訓練装置
２コントローラ
３訓練結果評価部
４訓練データ記憶部
５力センサ
６大腿装着部
７下腿装着部
８訓練軌道（歩行パターン）
９訓練者
１０下肢駆動部
１１操作パネル
１２訓練者提示手段
１３足関節駆動部
１４回転機構
１０１駆動装置のアーム
１０２肢体
１０３スプリント（手先位置）
１０４力センサ
１０５モータ
１０６回転角検出部
１０７アナログ／デジタル変換器
１０８変位演算処理部
１０９逆運動学計算部
１１０ｂ  目標位置設定部
１１１    回転角変換回路
１１２ゲイン積分器
１１３デジタル／アナログ変換器
１１４サーボアンプ
１１５ｂ  肢体位置算出部
１１６    インピーダンス変換部
１１７    関節負荷計測センサ
２０１    立脚期間検出手段
２０１’  接地検出手段
２０２歩行周期計測手段
２０３音符データ作成手段
２０４記録手段
２０５歩行動作解析手段
２０６リズム音再生手段
２０７歩行リズム解析手段
２０８正常歩行リズム作成手段
２０９中途目標歩行リズム作成手段
２１０フットセンサ
２２０リズム音再生手段
２２１ビデオカメラ
２２２ビデオデッキ
２２３電卓
２２４リズム音作成器
２３０送信機
２３１受信機
７０１    訓練軌道
７０２    現在の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）
７０３    次の訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ＋１）
７０４    前回の制御周期における目標値
７０５    訓練軌道の時系列データ間の相対ベクトルｔ
７０６    前回の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）からの訓練軌道に沿った位置偏差ｒ´
７０７    現在の制御周期における訓練軌道の時系列データｔｄａｔａ（ｉｎｄｅｘ）からの訓練軌道に沿った位置偏差ｒ
７０８    訓練軌道の時系列データ間の相対ベクトルの作業座標に対する傾きη
【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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