(57)【要約】【課題】任意の訓練者に対して、基本的な歩行パターンに応じ両下肢の股・膝・足関節の協調動作を実施させる歩行訓練装置を提供する【解決手段】歩行パターン生成部は、歩行パターンデータ記憶部に予め記憶されている基本的な歩行パターンのある時点での関節角度データと、訓練者の下肢長とを基に、訓練者の下肢の位置を計算し、コントローラは訓練者の下肢の位置の計算結果に応じ下肢駆動部を駆動する。【選択図】    図１
2005006751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
力センサと角度センサのセンシング情報をもとに力制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部と、コントローラ内に歩行パターンデータを記憶する歩行パターンデータ記憶部と、前記コントローラに動作指令を与え前記下肢駆動部を駆動し両下肢を協調させて動作させる歩行パターンを生成する歩行パターン生成部と、を備えた、訓練者の肢体に装着し前記訓練者の肢体を歩行パターンに沿って繰り返し歩行運動させる歩行訓練装置において、
前記歩行パターン生成部は、前記歩行パターンデータ記憶部に予め記憶されている基本的な歩行パターンのある時点での関節角度データと、前記訓練者の下肢長とを基に、前記訓練者の下肢の位置を計算し、前記コントローラは前記訓練者の下肢の位置の計算結果に応じ前記下肢駆動部を駆動することを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項２】
前記歩行パターンが、健常者の立位歩行パターンである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】
前記歩行パターンが、訓練者の歩容に対応した歩行パターンであることを特徴とする請求項１記載の歩行訓練装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運動機能や脳機能などに障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、患者の状態に応じて歩行運動を実施させる歩行訓練装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の歩行訓練装置においては、訓練やリハビリを指導あるいは評価する医療スタッフや、訓練・リハビリを行う訓練者といった歩行訓練装置の使用者の訓練成果を高めることを目的として特許文献１のような装置が提案されている。
以下、簡単に図面を用いて説明する。図５は従来の歩行訓練装置の全体構成の概略を示す図である。図６は、図５に示す歩行訓練装置における制御装置の構成を示す図である。これらの図において、１０１は歩行訓練装置、１０２は訓練者Ｔが歩行する歩行面装置、１０３は訓練者Ｔの身体を支持する介助装置、１０４は歩行面１０２の駆動を制御する歩行面制御装置、１０５は介助装置１０３を制御する介助部制御装置、１１３は訓練者Ｔの上半身の動きを測定する測定センサを有する姿勢検出センサ、１１４は訓練者Ｔの生体情報を測定する生体情報検出手段、１１５は訓練者Ｔの訓練中の歩行状態（歩容）の画像を撮影する訓練画像検出手段、１０７は各装置や各検出手段の情報を有機的に処理するデータ処理装置、１０８はデータ処理装置１０７の各種訓練データなどを記録したり管理する管理保管手段である。データ処理装置１０７は、各検出手段、測定手段の情報を有機的に制御するものであり、設定入力手段１０９、情報処理手段１１０、情報提示手段１１１、および入出力インターフェース１１２から構成されている。
【０００３】
訓練条件の設定方法について説明する。図７は、歩行訓練装置の一体化した設定入力手段および情報提示手段の画面構成を示す図である。訓練設定条件には、訓練時間、歩行面装置１０２の設定モード、介助装置１０３の設定モード、歩行面装置２の設定速度または歩行面装置１０２の設定負荷、介助装置１０３の設定免荷力などがある。訓練時間の増減は「訓練時間」の欄の右側に表示された矢印を押す。上方向が増加で下方向が減少である。歩行面１２１、１２２の設定モードは「歩行面」の欄の右側に表示させた矢印を押す毎に「負荷」と「定速」が順次入れ替わり、所望の制御モードを選択する。
介助装置１０３の設定モードも同様に「介助」の欄の右側に表示させた矢印を押す毎に「免荷」と「ばね」が順次入れ替わり、所望の制御モードを選択する。歩行面１２１、１２２の設定速度または設定負荷は、歩行面１２１、１２２の設定モードが「負荷」の場合、負荷と表示され、「定速」の場合、速度と表示される。この「負荷または速度」の欄の右側に表示させた矢印を押すことにより、速度の増減または負荷の増減を行い調整する。また、介助装置１０３の設定免荷力は「免荷」の欄の右側に表示させた矢印を押すことにより、免荷力の増減を行い調整する。但し、介助装置１０３の設定モードがばねの場合は無効となる。これらの訓練条件を設定した後、訓練者Ｔは歩行訓練を実施することができるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３４５９９４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の歩行訓練装置においては、訓練時間、歩行面装置の設定モード、介助装置の設定モード、歩行面装置の設定速度または歩行面装置の設定負荷、介助装置の設定免荷力を訓練者ごとに画面で入力できるが、歩行面側の設定のみであり、基本的な歩行パターン（例えば健常者の立位歩行パターン）に応じ両下肢の股・膝・足関節の協調動作を実施させることができなかった。
したがって、本発明の目的は、任意の訓練者に対して、基本的な歩行パターンに応じ両下肢の股・膝・足関節の協調動作を実施させ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】
請求項１記載の歩行訓練装置は、力センサと角度センサのセンシング情報をもとに力制御によって装置の動作を制御する下肢駆動部と、コントローラ内に歩行パターンデータを記憶する歩行パターンデータ記憶部と、前記コントローラに動作指令を与え前記下肢駆動部を駆動し両下肢を協調させて動作させる歩行パターンを生成する歩行パターン生成部と、を備えた、訓練者の肢体に装着し前記訓練者の肢体を歩行パターンに沿って繰り返し歩行運動させる歩行訓練装置において、前記歩行パターン生成部は、前記歩行パターンデータ記憶部に予め記憶されている基本的な歩行パターンのある時点での関節角度データと、前記訓練者の下肢長とを基に、前記訓練者の下肢の位置を計算し、前記コントローラは前記訓練者の下肢の位置の計算結果に応じ前記下肢駆動部を駆動するものである。
請求項１記載の歩行訓練装置によれば、任意の訓練者に対して、基本的な歩行パターンに応じ両下肢の股・膝・足関節の協調動作を実施させることができる。
請求項２記載の歩行訓練装置は、前記歩行パターンが、健常者の立位歩行パターンであるものである。
請求項２記載の歩行訓練装置によれば、任意の訓練者に対して、健常者の立位歩行パターンに応じ両下肢の股・膝・足関節の協調動作を実施させることができ、訓練者は健常者の歩行パターンを学習できる。
請求項３記載の歩行訓練装置は、前記歩行パターンが、訓練者の歩容に対応した歩行パターンであるものである。
請求項３記載の歩行訓練装置によれば、任意の訓練者に対して、訓練者の歩容に対応した歩行パターンに応じ両下肢の股・膝・足関節の協調動作を実施させることができ、訓練効果を促進することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（第１実施例）
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乃至３に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態の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は歩行パターンデータ記憶部４に記憶された歩行パターン１０を基にパターンを生成する歩行パターン生成部、５は訓練者１１の発生する力を検出する力センサ、６は下肢駆動部７の角度を検出する角度センサ、７は訓練者１１の股・膝・足関節を駆動する下肢駆動部、８は訓練者１１の大腿を装着する大腿装着部、９は訓練者１１の下腿を装着する下腿装着部、１２は医師や理学療法士が訓練パラメータを入力する操作パネル、１３はパッシブなベルトを持つ歩行面である。
まず、座標系について説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態の歩行訓練装置の歩行パターンを示す図である。図２は、下肢駆動部７の大腿アーム、下腿アーム、および訓練者１１の肢体の位置関係を示している。鉛直方向をＸ座標、水平方向をＺ座標とし、下腿アームの基軸を原点としている。１０は歩行パターン、１４は大腿アームと下腿アームのＺ軸方向オフセットｏｆｆｓｅｔ１、１５は大腿アームと下腿アームのＸ軸方向オフセットｏｆｆｓｅｔ２、１６は大腿アームと股関節のＺ軸方向オフセットｏｆｆｓｅｔ３、１７は大腿アームと股関節のＸ座標方向オフセットｏｆｆｓｅｔ４、１８は下腿アーム先端と下腿中心のＺ軸方向オフセットｏｆｆｓｅｔ５、１９は股関節、２０は股関節角度ｈｉｐ、２１は膝関節角度ｋｎｅｅである。
歩行パターン生成部３が歩行パターン１０を生成するためには、予め下記の前準備が必要である。
１．歩行動作時のデータの計測：基本的な歩行パターンとして、手本となる歩行パターン、例えば健常者の股・膝・足関節に角度計を装着して、歩行動作時の関節角度データを取得しておく。
２．大腿長さ、下腿長さの計測：訓練者１１の大腿長さＬ１（股関節から膝関節までの長さ）、下腿長さＬ２（膝関節から足底までの長さ）を計測する。
３．基本的な歩行パターンの作成（１周期分）：歩行１周期分の関節角度データを周期［％］−角度［ｒａｄ］のグラフにする。図３は、本発明の第１の実施の形態の歩行訓練装置の歩行パターンを示す図である。
【０００８】
次に、歩行パターン生成部３のフローについて説明する。図４は、本発明の第１の実施の形態の歩行パターン生成部３のフローを示す図である。歩行パターン生成部３は、以下の処理を実施する。
０．基本的な歩行パターンの記憶（Ｆ０）：歩行パターンデータ記憶部４に下記のいずれかの方法で関節角度データを記憶する。
（方法１）関節角度データを直接記憶する。
（方法２）関節角度データを関数化して記憶する。
股関節角度：ｈｉｐ＝ｆ（ｔ）、
膝関節角度：ｋｎｅｅ＝ｇ（ｔ）、
足関節角度：ａｎｋｌｅ＝ｈ（ｔ）
１．歩行周期の時点の決定（Ｆ１）：歩行周期における現在の時点ｔ１［％］を決定する。
２．関節角度データの取出し（Ｆ２）：歩行訓練実行中において、歩行パターンデータ記憶部４に記憶された歩行パターンより、時点ｔ１［％］での股関節角度ｈｉｐ［ｒａｄ］、膝関節角度ｋｎｅｅ［ｒａｄ］、足関節角度ａｎｋｌｅ［ｒａｄ］を取出す。データを直接記憶している場合、データを取出す。データを関数化している場合、下記のように股・膝関節角度を計算する。
股関節角度：ｈｉｐ＝ｆ（ｔ１）、
膝関節角度：ｋｎｅｅ＝ｇ（ｔ１）、
足関節角度：ａｎｋｌｅ＝ｈ（ｔ１）
３．大腿アームの角度、下腿アーム先端位置、および足関節角度の計算（Ｆ３）：
・大腿アームの角度は股関節角度ｈｉｐとする。
・下腿アームの先端位置を順運動学により計算する。
操作パネル１２により入力された訓練者１１の大腿長さＬ１と下腿長さＬ２、下腿アームの先端位置から足底までのオフセットＬ３より、下腿アームの先端位置は下記のように計算できる。
下腿アームのＸ座標
【０００９】
【数１】
2005006751.tif 000003
【００１０】
下腿アームのＺ座標
【００１１】
【数２】
2005006751.tif 000004
【００１２】
・足関節駆動部の角度は足関節角度ａｎｋｌｅとする。
４．コントローラへの動作指令の出力（Ｆ４）：上記大腿アームの角度、下腿アーム先端位置、および足関節角度に基づき、コントローラ２へ下肢駆動部７の動作指令を出力する。ここで、左下肢駆動部と右下肢駆動部の動作指令を半周期ずらせたものとする。
５．実時間で１．〜４．を繰り返す。
以上のようにすれば、任意の訓練者に対して、歩行面上において、基本的な歩行パターンに応じ両下肢の股・膝・足関節の協調動作を実施させることができる。
本発明の実施の形態の歩行訓練装置の特徴は、歩行パターン生成部３が、歩行パターンデータ記憶部４に予め記憶されている基本的な歩行パターン１０のある時点での関節角度データと、訓練者１１の下肢長とを基に、訓練者１１の下肢の位置を計算し、訓練者１１の下肢の位置の計算結果に応じ下肢駆動部７を駆動することである。
本発明の実施の形態の歩行訓練装置によれば、任意の訓練者に対して、基本的な歩行パターンに応じ両下肢の股・膝・足関節の協調動作を実施させることができる。
【００１３】
（第２実施例）
本発明の第２の実施の形態の歩行訓練装置について説明する。第１の実施の形態の基本的な歩行パターンとして、健常者の立位歩行パターンを用いるものである。歩行パターン生成部３の処理は第１の実施の形態と同じである。
本発明の実施の形態の歩行訓練装置は、歩行パターン生成部３が、歩行パターンデータ記憶部４に予め記憶されている健常者の立位歩行パターンのある時点での関節角度データと、訓練者１１の下肢長とを基に、訓練者１１の下肢の位置を計算し、訓練者１１の下肢の位置の計算結果に応じ下肢駆動部７を駆動することである。
本発明の実施の形態の歩行訓練装置によれば、任意の訓練者に対して、健常者の立位歩行パターンに応じ両下肢の股・膝・足関節の協調動作を実施させることができ、訓練者１１は健常者の歩行パターンを学習できる。
【００１４】
（第３実施例）
本発明の第３の実施の形態の歩行訓練装置について説明する。第１の実施の形態の基本的な歩行パターンとして、訓練者の歩容に対応した歩行パターンを用いるものである。歩行パターン生成部３の処理は第１の実施の形態と同じである。
本発明の実施の形態の歩行訓練装置は、歩行パターン生成部３が、歩行パターンデータ記憶部４に予め記憶されている訓練者１１の歩容に対応した歩行パターン１０のある時点での関節角度データと、訓練者１１の下肢長とを基に、訓練者１１の下肢の位置を計算し、訓練者１１の下肢の位置の計算結果に応じ下肢駆動部７を駆動することである。例えば、爪先が歩行面に引っかかりそうな訓練者の場合、爪先を高く上げる歩行パターンで訓練を実施させることで、爪先が歩行面に引っかかることがない。
本発明の実施の形態の歩行訓練装置によれば、任意の訓練者に対して、訓練者の歩容に対応した歩行パターンに応じ両下肢の股・膝・足関節の協調動作を実施させることができ、訓練効果を促進することができる。
なお、力センサ５により計測された訓練者１１の関節トルクを基に訓練者の回復度合いを評価したり、訓練者１１に生体計測手段を装着し、足底反力、筋電図等での計測結果を基に訓練者１１の回復度合いを評価したりして、歩容が改善されていけば、歩行パターンを徐々に健常者の立位歩行パターンに近付けていってもよい。さらに、訓練者提示手段により、回復度合いを視覚、聴覚等を用いて訓練者に提示してもよい。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１記載の歩行訓練装置によれば、任意の訓練者に対して、基本的な歩行パターンに応じ両下肢の股・膝・足関節の協調動作を実施させることができる。
請求項２記載の歩行訓練装置によれば、任意の訓練者に対して、健常者の立位歩行パターンに応じ両下肢の股・膝・足関節の協調動作を実施させることができ、訓練者は健常者の歩行パターンを学習できる。
請求項３記載の歩行訓練装置によれば、任意の訓練者に対して、訓練者の歩容に対応した歩行パターンに応じ両下肢の股・膝・足関節の協調動作を実施させることができ、訓練効果を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の歩行訓練装置のシステム構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の歩行訓練装置の座標系を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の歩行訓練装置の歩行パターンを示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の歩行パターン生成部のフローを示す図である。
【図５】従来の歩行訓練装置の全体構成の概略を示す図である。
【図６】図５に示す歩行訓練装置における制御装置の構成を示す図である。
【図７】歩行訓練装置の一体化した設定入力手段および情報提示手段の画面構成を示す図である。
【符号の説明】
１  歩行訓練装置
２  コントローラ
３  歩行パターン生成部
４  歩行パターンデータ記憶部
５  力センサ
６  角度センサ
７  下肢駆動部
８  大腿装着部
９  下腿装着部
１０  歩行パターン
１１  訓練者
１２  操作パネル
１３  歩行面
１４  大腿アームと下腿アームのＺ軸方向オフセットｏｆｆｓｅｔ１
１５  大腿アームと下腿アームのＸ軸方向オフセットｏｆｆｓｅｔ２
１６  大腿アームと股関節のＺ軸方向オフセットｏｆｆｓｅｔ３
１７  大腿アームと股関節のＸ軸方向オフセットｏｆｆｓｅｔ４
１８  下腿アーム先端と下腿中心のＺ軸方向オフセットｏｆｆｓｅｔ５
１９  下腿アームの先端位置から足底までのオフセットＬ３
２０  股関節
２１  股関節角度ｈｉｐ
２２  膝関節角度ｋｎｅｅ
Ｔ  訓練者
Ｓ  指導者
１０１  歩行訓練装置
１０２  歩行面装置
１０３  介助装置
１０４  歩行面制御装置
１０５  介助部制御装置
１０７  データ処理装置
１０８  管理保管手段
１０９  設定入力手段
１１０  情報処理手段
１１１  情報提示手段
１１２  入出力インターフェース
１１３  姿勢検出手段
１１４  生体情報検出手段
１１５  訓練画像検出手段
１１６  把持手段
１１７  介助部駆動手段
１１８  力検出手段
１１９  位置検出手段
１２０  表示手段
１２１  左側歩行面
１２２  右側歩行面
１２３  左側歩行面駆動手段
１２４  右側歩行面駆動手段
１２５  左側速度検出手段
１２６  右側速度検出手段
１２７  左側トルク検出手段
１２８  右側トルク検出手段
１２９  左側着地検出手段
１３０  右側着地検出手段
１３１  情報出力手段
【図１】
2005006751.tif 000005
【図２】
2005006751.tif 000006
【図３】
2005006751.tif 000007
【図４】
2005006751.tif 000008
【図５】
2005006751.tif 000009
【図６】
2005006751.tif 000010
【図７】
2005006751.tif 000011