(57)【要約】【課題】ユーザが安心して使える歩行訓練システムを提供する。【解決手段】歩行訓練システム１００は、脚装具１０とトレッドミル５０を備える。脚装具１０は、脚関節にトルクを加えるモータ２６を備える。また脚装具１０は、脚の動きを計測するセンサを備える。トレッドミルは、脚装具のセンサ情報に基づいてベルト速度を制御する。トレッドミル５０は、脚の動きに応じてベルト速度が調整される。例えば脚の動きが止まればベルトも止まる。この歩行訓練システム１００は、ユーザの脚の動きに応じてトレッドミルのベルト速度が調整されるのでユーザが安心して使うことができる。【選択図】図１
2012095793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの脚に装着され、脚の関節にトルクを加えるアクチュエータを備えるとともに、脚の動作を検出するセンサを備える脚装具と、
前記センサの情報に基づいてベルト速度を制御するトレッドミルと、
を備えた歩行訓練システム。
【請求項２】
前記脚装具は、
大腿に装着される大腿リンクと、
大腿リンクに揺動可能に連結されており下腿に装着される下腿リンクと、
下腿リンクを揺動させる前記アクチュエータと、
膝関節角度を計測する角度センサと、
膝関節角度の目標角の経時的変化を記述した目標パターンを記憶しているとともに、角度センサが計測した膝関節角度が目標パターンに追従するようにアクチュエータを制御するコントローラと、を備え、
トレッドミルは、角度センサの計測値から推定される歩行速度に応じてベルト速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の歩行訓練システム。
【請求項３】
トレッドミルは、左右独立に動く２本のベルトを備えており、
ユーザの右脚の歩行速度に応じて左ベルト速度を制御し、ユーザの左脚の歩行速度に応じて右ベルト速度を制御することを特徴とする請求項２に記載の歩行訓練システム。
【請求項４】
トレッドミルは、脚装具が緊急停止したときにベルトの動きを停止することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の歩行訓練システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脚装具とトレッドミルが組み合わされた歩行訓練システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザの脚に装着され、脚の関節にトルクを加えて歩行動作を補助するアクチュエータ付き脚装具が開発されている。また、そのような脚装具とトレッドミルを組み合わせた歩行訓練システムが例えば特許文献１に開示されている。特許文献１のシステムは、トレッドミルのベルトの速度に応じて脚装具の動作を決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２５３８０４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のシステムは、トレッドミルのベルトの速度がまず決定され、これに合わせてユーザが装着する脚装具の動きが決定される。従って、ユーザの歩行動作が不安定な場合、ユーザがトレッドミルのベルト速さについていけない虞が生じる。ユーザが安心して使える歩行訓練システムが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する技術は、特許文献１のシステムの技術的思想を逆転し、脚装具によって計測されるユーザの脚の動きに応じてトレッドミルのベルト速度を決定する。本明細書が開示する歩行訓練システムの一実施形態は、ユーザの脚に装着され、脚の関節にトルクを加えるアクチュエータを備えるとともに、脚の動作を検出するセンサを備える脚装具と、そのセンサの情報に基づいてベルト速度を制御するトレッドミルを備える。
【０００６】
より具体的には、脚装具は次の構造を有する。脚装具は、大腿に装着される大腿リンクと、下腿に装着される下腿リンクを備える。大腿リンクと下腿リンクは膝関節と同軸の位置で相互に揺動可能に連結されている。脚装具はさらに、センサとアクチュエータとコントローラを備える。センサの一つは、膝関節角度を計測する角度センサである。なお、以下では、膝関節角度を単に膝角度と称する。アクチュエータは、大腿リンクに対して下腿リンクを揺動させる。コントローラは、膝角度の目標角の経時的変化を記述した目標パターンを記憶しており、角度センサが計測した膝角度が目標パターンに追従するようにアクチュエータを制御する。トレッドミルは、角度センサの計測値から推定される歩行速度に応じてベルト速度を制御する。具体的には歩行速度に一致するようにベルト速度を制御する。
【０００７】
脚装具が目標パターンに追従するようにアクチュエータを動かしても、ユーザの脚の動作がついてこれなければ、アクチュエータの動きは遅くなる（アクチュエータからみると負荷が重くなれば動きは遅くなる）。即ち、実際の脚関節の動きは目標パターンから外れる可能性がある。本明細書が開示するシステムでは、脚装具が脚の動きを補助しながら、脚の動きに応じてトレッドミルのベルト速度が調整される。即ち、ユーザの脚が脚装具の目標パターン通りに動かない場合であっても、トレッドミルの動きはユーザの脚の動きに合わせて調整されるから、ユーザは安心して歩行訓練を行うことができる。
【０００８】
歩行動作とは、一定の動作の一定のリズムでの繰り返しであるから、歩行動作における膝角度の経時的変化はパターン化できる。即ち、膝角度と足の動きには一定の関係がある。従って、膝角度から足の動きが推定され、さらには、歩行速度が推定できる。トレッドミルは、推定された歩行速度に一致するようにベルト速度を制御する
【０００９】
一方の脚は健常であるが他方の脚が不自由なユーザは、左右の脚の動きが異なる。そのようなユーザのために、歩行訓練システムは次の特徴を備えることも好適である。即ち、トレッドミルは左右独立に動く２本のベルトを備えており、ユーザの右脚（右遊脚）の動きに応じて左側ベルトの速度を制御し、ユーザの左脚（左遊脚）の動きに応じて右側のベルトの速度を制御する。ここで、患脚にはアクチュエータ付き脚装具を装着すべきであるが、健脚には脚装具を取り付ける必要がない。トレッドミルが左右のベルトを独立して制御する場合、アクチュエータ付き脚装具を装着する必要がない脚（健脚）には、脚の動きを検知するセンサを装着すればよい。例えば、健脚の足に加速度センサを取り付ければ、健脚の動き（揺動周期と揺動振幅）を計測することができ、その計測結果から健脚の歩行速度（健脚が遊脚のときの足先の移動速度）を求めることができる。或いは健脚には、患脚に装着する脚装具と同じ構造を有するがアクチュエータを有さず、各ジョイントが受動回転自在な脚装具を装着してもよい。そのような脚装具は、ユーザの健脚の動きを検知するいわゆるモーションセンサの役割を果たす。
【００１０】
本明細書が開示する歩行訓練システムのトレッドミルは、脚装具が緊急停止したときに同時にベルトを停止することが好ましい。そのような特徴を備えることによって、ユーザがさらに安心してシステムを使うことができる。
【発明の効果】
【００１１】
本明細書が開示する技術は、ユーザが安心して使える歩行訓練システムを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】歩行訓練システムの概略側面図である。
【図２】トレッドミルの斜視図である。
【図３】脚装具の斜視図である。
【図４】歩行訓練システムのブロック図である。
【図５】目標パターンを説明する図である。
【図６】図５で用いるパラメータの定義を説明する図である。
【実施例】
【００１３】
本実施例の歩行訓練システム１００の概略側面図を図１に示す。歩行訓練システム１００は、脚装具１０とトレッドミル５０、加速度センサ４２から構成される。本実施例の脚装具１０は、ユーザＵの右脚に装着される。詳しくは後述するが、脚装具１０は、大腿と下腿の夫々に沿って装着されるリンクが膝関節と同軸の位置で揺動可能に連結される構造を有するとともに、モータ２６が、歩行動作に合うように下腿リンクを揺動させる。この実施例では、ユーザＵは、左脚は健康であるが右脚が自由に動かすことができない患者であり、歩行動作のリハビリを必要としている。左脚は健康であるので脚装具１０は右脚だけに装着される。左脚の足首には、左脚の動きを計測するための加速度センサ４２が取り付けられる。
【００１４】
トレッドミル５０の概略図を図２に示す。トレッドミル５０は、左右独立に動くベルト（右ベルト５２ａ、左ベルト５２ｂ）を備える。なお、右ベルト５２ａは、ユーザの右足が乗るベルトであり、左ベルト５２ｂは、ユーザの左足が乗るベルトである。夫々のベルトは、右モータ５１ａ、左モータ５１ｂ（図２では図示省略）によって独立に駆動される。左右のベルトの移動速度は、コントローラ５４によって制御される。コントローラ５４は、アンテナ５５を介して脚装具１０から送信されるデータに基づいて左右のベルトの速度を調整する。
【００１５】
脚装具１０の構造を図３に示す。脚装具１０は、コントローラ１２、大腿リンク２０、下腿リンク３０、及び、足リンク４０を備えている。コントローラ１２は、小型のコンピュータやバッテリを内蔵しており、ケーブル１６を介して脚装具１０の各部へ電力を供給するとともに、脚装具１０の各部の動作を制御する。コントローラ１２は、一例であるが、ユーザＵの体幹（腰）に取り付けられる。コントローラ１２は、装着ベルト１４によって、ユーザＵの体幹に固定される。なお、コントローラ１２を装着する位置は特に限定されず、例えばユーザＵの背に装着する構造としてもよい。コントローラ１２の上部には、トレッドミル５０とデータ通信を行うためのアンテナ１３が取り付けられている。
【００１６】
大腿リンク２０と下腿リンク３０と足リンク４０は、補助を必要とするユーザＵの患脚ＵＡ（ここでは右脚）に装着される。詳しくは、大腿リンク２０が大腿ＵＢに装着され、下腿リンク３０が下腿ＵＤに装着され、足リンク４０が足ＵＥに装着される。
【００１７】
大腿リンク２０と下腿リンク３０は、ユーザの膝関節ＵＣの両側で連結されている。詳しくは、大腿リンク２０と下腿リンク３０は、ユーザの膝関節と同軸に位置する一対の膝ジョイント２５で回転可能に連結されている。外側の膝ジョイント２５には、モータ２６と角度センサ２７が内蔵されている。モータ２６は、下腿リンク３０を膝ピッチ軸回りに揺動させる。以下では、大腿リンク２０と下腿リンク３０がなす角度を膝角度（膝関節角度）と称する。角度センサ２７が計測する角度は、大腿リンク２０と下腿リンク３０がなす角度であるが、その角度は、ユーザＵの大腿ＵＢと下腿ＵＤがなす膝角度にも相当する。コントローラ１２が、角度センサ２７の計測値に基づいてモータ２６を制御する。
【００１８】
下腿リンク３０と足リンク４０は、ユーザの足首関節の両側で連結されている。詳しくは、下腿リンク３０と足リンク４０はユーザの足首関節のピッチ軸と同軸に位置する一対の足首ジョイント３４によって回転可能に連結されている。足首ジョイント３４はアクチュエータを備えておらず、足リンク４０は、ユーザＵの足の揺動に応じて受動的に揺動する。足リンク４０の足底には、荷重センサ３２が配置されており、ユーザＵの右脚が接地しているときの接地荷重を計測する。図３にも示されているように、ユーザの左脚の足首には加速度センサ４２が装着される。加速度センサ４２のセンサデータもコントローラ１２へ送られる。
【００１９】
脚装具１０とトレッドミル５０は協調して動作する。より正確に表現すると、脚装具１０の動きよってユーザの脚の動きが補助され、その脚の動きに応じてトレッドミル５０が動作する。即ち、脚装具１０が主であり、トレッドミルは従である。図４に、歩行訓練システム１００のブロック図を示す。
【００２０】
脚装具１０のコントローラ１２には、ＣＰＵ１２ａと記憶部１２ｂが内蔵されている。記憶部１２ｂは、具体的にはハードディスクである。記憶部１２ｂは、目標パターンデータと、ＣＰＵ１２ａが実行すべきプログラム（不図示）が格納されている。目標パターンデータは、膝角度の目標角の経時的変化を記述したデータである。コントローラ１２は、角度センサ２７が計測する膝角度が目標パターンに追従するように、モータ２６を制御する。モータ２６は角度制御される。目標パターンについては後に詳しく説明する。
【００２１】
また、コントローラ１２は、加速度センサ４２の計測値（加速度）を取り込み、計測された加速度を２回数値積分し、左足（左脚の先端）の動きの軌道を算出する。左足の軌道から、左遊脚の歩行速度を算出する。なお、「左遊脚の歩行速度」とは、左脚が離地してから着地するまでの距離をその移動に要した時間で除した値を意味する。従って、「左遊脚の歩行速度」は１歩毎に変化し得る。コントローラ１２は、算出した左遊脚歩行速度をトレッドミル５０へ送信する。
【００２２】
コントローラ１２は、角度センサ２７の計測値から、右遊脚の歩行速度を算出し、算出した右遊脚歩行速度をトレッドミルへ送信する。前述したように、歩行時の脚の各部の動きはほぼ一定であるので、膝角度から足位置が推定でき、足位置の経時的変化から足先の速度（歩行速度）が推定できる。結局、コントローラ１２は、右遊脚歩行速度と左遊脚歩行速度を交互にトレッドミル５０へ送信する。
【００２３】
また、コントローラ１２は、荷重センサ３２の計測結果から異常事態の発生を検知する。異常事態検知の一例を説明する。コントローラ１２は、荷重センサ３２のデータから、患脚である右脚が接地しているか否かを判別する。他方、目標パターンには遊脚期（脚が接地していない期間）と立脚期（脚が接地している期間）が定められている。コントローラ１２は、現在時点における目標パターン上の位置が遊脚期であるにも関わらずに荷重センサ３２（接地センサ）のデータが接地を示している場合、また、逆に、現在時点における目標パターン上の位置が立脚期であるにも関わらずに荷重センサ３２のデータが遊脚を示している場合に、異常発生と判断する。異常発生という判断をした場合、コントローラ１２は、直ちにモータ２６の駆動を中止する。同時にコントローラ１２は、異常発生をトレッドミル５０へ送信する。
【００２４】
トレッドミル５０のコントローラ５４は、アンテナ５５を介して脚装具１０からデータを受信する。前述したように、脚装具１０は、右遊脚歩行速度と左遊脚歩行速度をトレッドミル５０へ送信する。トレッドミル５０のコントローラ５４は、右遊脚歩行速度と同じ速度で左ベルト５２ｂが移動するように左モータ５１ｂを制御する。またコントローラ５４は、左遊脚歩行速度と同じ速度で右ベルト５２ａが移動するように右モータ５１ａを制御する。またコントローラ５４は、脚装具１０から異常発生を知らせるデータを受信すると、直ちに両モータ５１ａ、５１ｂを停止する。
【００２５】
図５と図６を用いて、歩行動作における膝角度の変化を説明する。図５は、左右の膝角度の経時変化を示すグラフである。縦軸は膝角度を示しており、横軸は時間軸である。実線のグラフが右膝角度Ａｋを表しており、破線が左膝角度を表している。図６は、図５で用いるパラメータの定義を説明する図である。図６では、実線が右脚を表しており、破線が左脚を表している。股関節より上の実線は体幹を表している。なお、図５の（ａ）から（ｅ）が示す線画も同様である。直線Ｌ１は、股関節の回転中心と膝関節の回転中心を結ぶ直線を示している。直線Ｌ１は、大腿の長手方向に沿った直線である。膝角度Ａｋは、直線Ｌ１から下腿へ向かう角度として定義される。膝が伸びきったときが膝角度Ａｋ＝０である。膝が直角に曲がったときが膝角度Ａｋ＝＋９０度である。
【００２６】
図５に戻って歩行動作を説明する。図から明らかなとおり、一歩行周期の膝角度の経時変化は、大きな山（ピーク）と小さな山（ピーク）が連続したプロファイルを有している。概ね、大きな山が遊脚期に相当し、小さな山は立脚期に相当する。また、右脚の動き（実線）と左脚の動き（破線）は、ちょうど半周期ずれている。
【００２７】
図に示したタイミング毎に歩行動作を説明する。タイミングＴａは、右脚立脚期間の最終段階において、左脚が着地するタイミングに相当する。図５の（ａ）に、タイミングＴａにおける脚の形態を示す。タイミングＴａにおいて、右脚の膝角度Ａｋはゼロである。なお、左脚の膝角度もゼロである。
【００２８】
タイミングＴｂは、右脚が浮く（離地する）タイミングに相当する。タイミングＴａ以降、右脚の膝が前方へ移動しながら膝角度が増していく。それと同時に踵が浮き始める。そして、タイミングＴｂで右脚のつま先が浮き始める。図５の（ｂ）に、タイミングＴｂにおける脚の形態を示す。タイミングＴａからＴｂまでの期間は、右脚のつま先が接地したまま踵が浮き上がるとともに膝が前方へ移動する期間であり、プレスイング期と呼ばれている。プレスイング期は、つま先は接地しているが、踵は浮き上っており、その脚はもはや体重を支えてはおらず、立脚としての役割（体重支持の役割）は果さない。従って、プレスイング期間を遊脚期に含むか立脚期に含むかは、設計上の定義による。本実施例では、プレスイング期は立脚期に含める。
【００２９】
タイミングＴｃは、膝角度Ａｋが最大となるタイミングを示す。（ｃ）は、タイミングＴｃにおける脚の形態を示す。タイミングＴｄは、右脚の着地タイミングを示す。（ｄ）は、タイミングＴｄにおける脚の形態を示す。タイミングＴｅは、左脚が浮く（離地する）タイミングに相当し、タイミングＴｂとちょうど左右の脚が反転した状態である。こうして、歩行周期が繰り返される。
【００３０】
図５の実線が、一般的な右脚膝角度の経時的変化を表している。即ち、図５の実線が、目標パターンに相当する。目標パターンは、ユーザ毎の歩行速度や歩幅に合わせて調整された上で、脚装具１０のコントローラ１２に予め記憶される。なお本実施例では、右脚の立脚期では目標膝角度はゼロに設定されている。即ち、目標パターンは遊脚期だけである。脚装具１０は、荷重センサ３２が離地を検知したタイミングを、現実の脚の動きにおけるタイミングＴｂとして認識する。そして、現実の脚動作におけるタイミングＴｂと目標パターン上のＴｂを一致させることにより、目標パターンと実際の歩行動作の同期をとる。
【００３１】
図５のグラフと（ａ）〜（ｅ）の図から明らかなとおり、膝角度と脚全体の姿勢（股関節角度と膝角度と足首角度で表される）は、相関がある。即ち、膝角度の経時的変化が解れば、足先端の経時的変化が推定できる。脚装具１０のコントローラ１２は、角度センサ２７によって取得される膝角度の経時的変化から足位置の経時的変化を推定し、右遊脚の歩行速度を推定する。
【００３２】
また、図５は、左右の脚がともに健康であり、左右の脚が同じ動きをする健常者の脚の動きを表している。即ち、図５では、右膝角度の経時的変化と左膝角度の経時的変化が同じである。一方は健脚であるが他方が患脚のユーザの場合、膝角度の経時的変化は必ずしも同じにならない。即ち、左右の脚で歩行速度（離地から着地までの速度）は必ずしも同じにならない。そのような場合、本実施例のように、トレッドミルの左右のベルトが独立に動く方がよい。
【００３３】
上記説明したとおり、歩行訓練システム１００では、トレッドミル５０は、脚装具１０が計測する右脚が遊脚のときの歩行速度（離地から着地までに足先が移動する距離と所要時間で定まる）に一致するように左のベルト速度を調整する。また、トレッドミル５０は、左脚に装着された加速度センサ４２が計測する左脚が遊脚のときの歩行速度に一致するように右のベルト速度を調整する。遊脚の動きが遅くなれば、ベルト速度も遅くなる。ユーザの遊脚の動きに同期してベルト速度が調整されるので、この歩行訓練装置は、ベルト速度が速いという感覚をユーザに与えることがなく、ユーザが安心して利用することができる。
【００３４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３５】
１０：脚装具
１２：コントローラ
２０：大腿リンク
２６：モータ（アクチュエータ）
２７：角度センサ
３０：下腿リンク
３２：荷重センサ
４０：足リンク
４２：加速度センサ
５０：トレッドミル
５１ａ、５１ｂ：モータ
５２ａ、５２ｂ：ベルト
５４：コントローラ
１００：歩行訓練システム
【図１】
2012095793.tif 000003
【図２】
2012095793.tif 000004
【図３】
2012095793.tif 000005
【図４】
2012095793.tif 000006
【図５】
2012095793.tif 000007
【図６】
2012095793.tif 000008