CN115475348A - 步行训练系统及其控制方法以及存储介质 - Google Patents

步行训练系统及其控制方法以及存储介质 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种步行训练系统及其控制方法以及存储介质。根据本实施例的步行训练系统包括：跑台；负荷分布传感器；成像装置，其拍摄受训者的图像；指定单元，其从由所述成像装置拍摄的所述图像指定由所述负荷分布传感器检测到的负荷是从所述受训者的右腿的脚底接收到的负荷还是从所述受训者的左腿的脚底接收到的负荷；以及判定单元，其基于从步行训练期间的所述受训者的所述右腿和所述左腿中的处于由所述负荷分布传感器检测到的站立状态的一条腿的脚底接收到的负荷的状态，判定处于所述站立状态的所述一条腿的所述脚底是否位于所述负荷分布传感器的负荷检测区域内。

Description

步行训练系统及其控制方法以及存储介质
技术领域
本发明涉及步行训练系统及其控制方法以及存储介质。
背景技术
日本专利第6187208号(JP 6187208 B)公开了一种步行康复系统，其包括跑台、用于测量施加至所述跑台的反作用力的地板反作用力传感器、附接至用户的小腿的腿部机器人、拍摄附接有所述腿部机器人的所述小腿的距离的距离图像相机，以及基于所述地板反作用力传感器的测量值和由所述距离图像相机拍摄的图像估计用户的左右小腿的脚底负荷的负荷估计单元。
发明内容
在现有技术中，并未判定用户(受训者)是否在地板反作用力传感器的负荷检测区域内正常步行。因此，例如，即使当用户走出地板反作用力传感器的负荷检测区域时，也没有考虑该事实就对用户的左右小腿的脚底负荷进行估计。因此，在现有技术中，存在从受训者的脚底接收的负荷的估计结果的可靠性被降低的问题。结果，在现有技术中，例如，存在不能准确地估计受训者的步行状态并且不能向受训者提供有效的步行训练的可能性。
本发明是鉴于上述背景而做出的，并且其目的在于提供一种步行训练系统及其控制方法以及存储介质，所述步行训练系统能够通过判定受训者是否在负荷分布传感器的负荷检测区域内正常步行来提高从受训者的脚底接收的负荷的检测结果的可靠性。
根据本发明的实施例的步行训练系统包括：跑台；负荷分布传感器，其设置在所述跑台的带的下侧以便不与所述带一起移动，并且检测从搭乘在所述跑台的所述带上的受训者的脚底接收到的负荷的分布；成像装置，其拍摄所述受训者的图像；指定单元，其从由所述成像装置拍摄的所述图像指定由所述负荷分布传感器检测到的所述负荷是从所述受训者的右腿的脚底接收到的负荷还是从所述受训者的左腿的脚底接收到的负荷；以及判定单元，其基于从步行训练期间的所述受训者的所述右腿和所述左腿中的处于由所述负荷分布传感器检测到的站立状态的一条腿的脚底接收到的负荷的状态，判定处于所述站立状态的所述一条腿的所述脚底是否位于所述负荷分布传感器的负荷检测区域内。步行训练系统能够判定受训者是否在负荷分布传感器的负荷检测区域内正常步行。因此，例如，步行训练系统能够从估计受训者的步行状态时使用的参照排除从被判定为在负荷分布传感器的负荷检测区域外步行的受训者的腿的脚底接收到的负荷。即，步行训练系统能够改进从受训者的脚底接收到的负荷的检测结果的可靠性。结果，例如，步行训练系统能够准确地估计受训者的步行状态，并且因此能够为受训者提供有效的步行训练。
当从步行训练期间的所述受训者的所述右腿和所述左腿中的处于由所述负荷分布传感器检测到的所述站立状态的所述一条腿的所述脚底接收到的所述负荷小于预定负荷时，所述判定单元可以判定处于所述站立状态的所述一条腿的所述脚底位于所述负荷分布传感器的所述负荷检测区域外。
当从步行训练期间的所述受训者的所述右腿和所述左腿中的处于由所述负荷分布传感器检测到的所述站立状态的所述一条腿的所述脚底接收到的所述负荷的分布面积小于预定面积时，所述判定单元可以判定处于所述站立状态的所述一条腿的所述脚底位于所述负荷分布传感器的所述负荷检测区域外。
当在沿着所述负荷分布传感器的所述负荷检测区域的外周设定的端部区域中检测到从步行训练期间的所述受训者的所述右腿和所述左腿中的处于由所述负荷分布传感器检测到的所述站立状态的所述一条腿的所述脚底接收到的所述负荷时，所述判定单元可以判定处于所述站立状态的所述一条腿的所述脚底位于所述负荷分布传感器的所述负荷检测区域外。
步行训练系统还可以包括估计单元，其基于由所述负荷分布传感器检测到并且由所述指定单元指定的从所述受训者的所述右腿和所述左腿中的每个的脚底接收到的负荷，估计所述受训者的步行状态。
当所述判定单元判定所述一条腿的所述脚底位于所述负荷分布传感器的所述负荷检测区域外时，所述估计单元可以基于由所述负荷分布传感器检测到的从另一条腿的脚底接收到的负荷的变化估计所述一条腿的步行状态。
当所述判定单元判定所述一条腿的所述脚底位于所述负荷分布传感器的所述负荷检测区域外时，所述估计单元可以基于关于所述一条腿的过去的负荷变化的信息估计所述一条腿的步行状态。
步行训练系统还可以包括：机器人腿，其附接至所述受训者的至少一条腿；以及控制单元，其基于所述估计单元的估计结果控制所述机器人腿的伸展。
根据本发明的实施例的控制步行训练系统的方法包括：使用负荷分布传感器检测从搭乘在跑台的带上的受训者的脚底接收到的负荷的分布的步骤，所述负荷分布传感器设置在所述跑台的所述带的下侧以便不与所述带一起移动；使用成像装置拍摄所述受训者的图像的步骤；指定步骤：从由所述成像装置拍摄的所述图像指定由所述负荷分布传感器检测到的所述负荷是从所述受训者的右腿的脚底接收到的负荷还是从所述受训者的左腿的脚底接收到的负荷；以及判定步骤：基于从步行训练期间的所述受训者的所述右腿和所述左腿中的处于由所述负荷分布传感器检测到的站立状态的一条腿的脚底接收到的负荷的状态，判定处于所述站立状态的所述一条腿的所述脚底是否位于所述负荷分布传感器的负荷检测区域内。通过控制步行训练系统的方法，能够判定受训者是否在负荷分布传感器的负荷检测区域内正常步行。因此，例如，能够从估计受训者的步行状态时使用的参照排除从被判定为在负荷分布传感器的负荷检测区域外步行的受训者的腿的脚底接收到的负荷。即，控制步行训练系统的方法能够改进从受训者的脚底接收到的负荷的检测结果的可靠性。结果，例如，控制步行训练系统的方法能够准确地估计受训者的步行状态，并且因此能够为受训者提供有效的步行训练。
根据本发明的实施例的存储介质存储控制程序，所述控制程序使计算机执行：使用负荷分布传感器检测从搭乘在跑台的带上的受训者的脚底接收到的负荷的分布的处理，所述负荷分布传感器设置在所述跑台的所述带的下侧以便不与所述带一起移动；使用成像装置拍摄所述受训者的图像的处理；指定处理：从由所述成像装置拍摄的所述图像指定由所述负荷分布传感器检测到的所述负荷是从所述受训者的右腿的脚底接收到的负荷还是从所述受训者的左腿的脚底接收到的负荷；以及判定处理：基于从步行训练期间的所述受训者的所述右腿和所述左腿中的处于由所述负荷分布传感器检测到的站立状态的一条腿的脚底接收到的负荷的状态，判定处于所述站立状态的所述一条腿的所述脚底是否位于所述负荷分布传感器的负荷检测区域内。控制程序能够判定受训者是否在负荷分布传感器的负荷检测区域内正常步行。因此，例如，控制程序能够从估计受训者的步行状态时使用的参照排除从被判定为在负荷分布传感器的负荷检测区域外步行的受训者的腿的脚底接收到的负荷。即，控制程序能够改进从受训者的脚底接收到的负荷的检测结果的可靠性。结果，例如，控制程序能够准确地估计受训者的步行状态，并且因此能够为受训者提供有效的步行训练。
本发明能够提供步行训练系统及其控制方法以及存储介质，所述步行训练系统通过判定受训者是否在负荷分布传感器的负荷检测区域内正常步行，能够改进从受训者的脚底接收到的负荷的检测结果的可靠性。
附图说明
将在下文中参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业方面的重要性，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1为示出根据第一实施例的步行训练装置的构造示例的整体概念图；
图2为设置在图1所示的步行训练装置中的跑台的一部分的示意性侧视图；
图3为示出设置在图1所示的步行训练装置中的步行辅助装置的构造示例的示意性立体图；
图4为示出图1所示的步行训练装置的系统配置示例的框图；
图5为阐述根据现有技术的用于估计受训者的步行状态的方法的问题的图；
图6为阐述根据现有技术的用于估计受训者的步行状态的方法的问题的图；
图7为阐述通过图1所示的步行训练装置判定受训者的处于站立状态的腿的脚底是否位于负荷分布传感器的负荷检测区域内的方法的第一示例的图；
图8为阐述通过图1所示的步行训练装置判定受训者的处于站立状态的腿的脚底是否位于负荷分布传感器的负荷检测区域内的方法的第一示例的图；
图9为阐述通过图1所示的步行训练装置判定受训者的处于站立状态的腿的脚底是否位于负荷分布传感器的负荷检测区域内的方法的第二示例的时间图；
图10为阐述通过图1所示的步行训练装置判定受训者的处于站立状态的腿的脚底是否位于负荷分布传感器的负荷检测区域内的方法的第三示例的图；
图11为阐述通过图1所示的步行训练装置判定受训者的处于站立状态的腿的脚底是否位于负荷分布传感器的负荷检测区域内的方法的第三示例的图；
图12为阐述通过图1所示的步行训练装置估计受训者的步行状态的方法的第一示例的时间图；
图13为阐述通过图1所示的步行训练装置估计受训者的步行状态的方法的第二示例的时间图；以及
图14为阐述通过图1所示的步行训练装置估计受训者的步行状态的方法的第三示例的时间图。
具体实施方式
在下文中，将通过本发明的实施例来描述本发明，但是根据权利要求书的范围的本发明不限于以下实施例。此外，并非实施例中描述的所有构造作为解决问题的手段都是必不可少的。为了清楚起见，在以下描述和附图中适当地进行省略和简化。在附图中，相同的元件由相同的附图标记表示，并且根据需要省略重复的描述。
第一实施例
图1为示出根据第一实施例的步行训练装置的构造示例的整体概念图。根据本实施例的步行训练装置100为支持受训者(用户)900的康复的康复支持装置的具体示例，并且尤其是支持步行训练的步行训练装置的具体示例。步行训练装置100是为了作为遭受单腿麻痹症的偏瘫患者的受训者900根据训练人员901的指导执行步行训练的装置。在此，训练人员901例如能够为治疗师(物理治疗师)或者医生，并且通过指导或者看护来协助受训者的训练。因此，训练人员901可以被称为训练指导员、训练看护人员或者训练助理。步行训练装置100也能够被称为步行训练系统。以下描述中的上下方向、左右方向以及前后方向为基于受训者900的方向的方向。
步行训练装置100主要包括附接至构成整个骨架的框架130的控制面板133、供受训者900步行的跑台131，以及附接至作为受训者900的瘫痪侧的腿的患腿的步行辅助装置(机器人腿)120。
跑台131为促使受训者900步行的装置，而且执行步行训练的受训者900搭乘在带1311上并且根据带1311的移动尝试步行运动。训练人员901例如如图1所示能够站在受训者900后面的带1311上并且与受训者900一起执行步行运动。然而，通常优选的是训练人员901处于易于对受训者900执行看护的状态，即，跨过带1311站立。
图2为跑台131的一部分的示意性侧视图。
如图2所示，跑台131至少包括环形的带1311、带轮1312以及马达(未示出)。此外，负荷分布传感器222安装在带1311的内侧(受训者900所搭乘的表面的带1311的下侧)，以便不与带1311一起移动。
负荷分布传感器222由多个传感器组成，并且这些传感器在支撑受训者900的脚底的带1311的下侧布置为矩阵。通过使用这些传感器，负荷分布传感器222能够检测从受训者900的脚底接收的表面压力(负荷)的大小和分布。例如，负荷分布传感器222为将多个电极布置为矩阵的电阻变化检测型负荷检测片。根据负荷分布传感器222的检测结果，能够判定受训者900的步行状态(每条腿是处于站立状态还是摆动状态等)。稍后将描述用于基于负荷分布传感器222的检测结果来估计受训者900的步行状态的方法的细节。
例如，在跑台131中，将稍后描述的整体控制单元210基于负荷分布传感器222的检测结果判定受训者900的步行状态，并且根据步行状态使用马达(未示出)来使带轮1312旋转，由此使环形的带1311旋转(移动)。结果，受训者900能够在不离开带1311的状态下执行步行训练。
框架130竖立在安装在地板表面上的跑台131上，支撑容纳控制马达和传感器的整体控制单元210的控制面板133，并且支撑例如作为向受训者900呈现训练进展等的液晶面板的训练监视器138。此外，框架130在受训者900的头上方部的前方支撑前张紧单元135，在头上方部支撑线束张紧单元112，并且在头上方部的后方支撑后张紧单元137。框架130还包括供受训者900抓握的扶手130a。
扶手130a布置在受训者900的右侧和左侧。各扶手130a布置为在与受训者900的步行方向平行的方向上延伸。能够调整扶手130a在上下方向和左右方向上的位置。即，扶手130a能够包括用于改变其高度和宽度的机构。此外，例如扶手130a能够构造为使得调整扶手130a的高度以使在步行方向上的前侧的高度和后侧的高度不同，从而改变其倾斜角度。例如，扶手130a能够设置有沿着步行方向逐渐增加的倾斜角度。
此外，扶手130a设置有用于检测从受训者900接收的负荷的扶手传感器218。例如，扶手传感器218能够为电极布置为矩阵的电阻变化检测型负荷检测片。此外，扶手传感器218能够为组合了三轴加速度传感器(x、y、z)和三轴陀螺仪传感器(滚动、俯仰、横摆)的六轴传感器。然而，并不限制扶手传感器218的类型和安装位置。
相机140(成像装置)用作用于观察受训者900的全身的成像单元。相机140安装在训练监视器138附近以便面对受训者900。相机140拍摄训练期间的受训者900的静止图像和移动图像。相机140包括一组镜头和成像元件，所述成像元件提供能够拍摄受训者900的全身的视角。成像元件例如为将像平面上的光学图像转换为图像信号的互补金属氧化物半导体(CMOS，complementary metal-oxide-semiconductor)图像传感器。
在此，相机140安装为以便能够至少对受训者900所搭乘的跑台131的带1311的区域(换言之，负荷分布传感器222的负荷检测区域)的周边进行拍摄。这使得从由相机140拍摄的图像指定由负荷分布传感器222检测到的负荷是从受训者900的右腿的脚底接收的负荷，还是从受训者900的左腿的脚底接收的负荷。
通过前张紧单元135和后张紧单元137的协调操作，步行辅助装置120的负荷被抵消，从而不对患腿造成负担，并且此外，根据设定的程度辅助患腿的前摆运动。
前线(front wire)134的一端连接至前张紧单元135的卷绕机构，并且另一端连接至步行辅助装置120。前张紧单元135的卷绕机构通过打开和关闭马达(未示出)来根据患腿的移动对前线134进行卷绕和退绕。类似地，后线136的一端连接至后张紧单元137的卷绕机构，并且另一端连接至步行辅助装置120。后张紧单元137的卷绕机构通过打开和关闭马达(未示出)来根据患腿的移动对后线136进行卷绕和退绕。通过前张紧单元135和后张紧单元137的这种协调操作，步行辅助装置120的负荷被抵消，以便不会对患腿造成负担，并且此外，根据设定的程度辅助患腿的前摆运动。
例如，作为操作者，训练人员901针对严重瘫痪的受训者将辅助级别设定为高。当辅助级别设定为高时，前张紧单元135根据患腿的前摆时机以相对较大的力卷起前线134。随着训练的进行并且不再需要辅助，训练人员901将辅助级别设定为最低。当辅助级别被设定为最低时，前张紧单元135根据患腿的前摆时机以抵消步行辅助装置120的重量的力卷起前线134。
步行训练装置100还包括由支具110、线束线(harness wire)111以及线束张紧单元112组成的防跌倒线束装置。
支具110为缠绕在受训者900的腹部的带，并且例如通过钩环紧固件固定至腰部。支具110包括用于连接作为吊具的线束线111的一端的连接钩110a，并且也能够被称作吊具带。受训者900佩戴支具110，使得连接钩110a位于后背部。
线束线111的一端连接至支具110的连接钩110a，并且另一端连接至线束张紧单元112的卷绕机构。线束张紧单元112的卷绕机构通过打开和关闭马达(未示出)来卷绕和退绕线束线111。通过这样的构造，当受训者900即将跌倒时，防跌倒线束装置根据检测移动的整体控制单元210的指示卷起线束线111，通过支具110支撑受训者900的上半身，并且抑制受训者900跌倒。
支具110包括用于检测受训者900的姿势的姿势传感器217。姿势传感器217例如为陀螺仪传感器和加速度传感器的组合，并且输出附接有支具110的腹部相对于重力方向的倾斜角度。
管理监视器139为主要用于训练人员901的监视和操作的显示输入装置，并且附接至框架130。管理监视器139例如为液晶面板，并且在其表面上设置有触摸面板。管理监视器139显示与训练设定、训练时的各种参数值、训练结果等相关的各种菜单项。此外，紧急停止按钮232设置在管理监视器139附近。当训练人员901按下紧急停止按钮232时，执行步行训练装置100的紧急停止。
步行辅助装置120附接至受训者900的患腿，并且通过减小患腿的膝关节处的伸展和弯曲的负荷来辅助受训者900步行。步行辅助装置120将通过步行训练获得的腿部移动的数据传输至整体控制单元210，或者根据来自整体控制单元210的指令驱动关节部分。步行辅助装置120也能够经由线等连接至髋关节(包括旋转部的连接构件)，所述髋关节附接至作为防跌倒线束装置的一部分的支具110。
步行辅助装置120的细节
图3为示出步行辅助装置120的构造示例的示意性立体图。步行辅助装置120主要包括控制单元121和支撑患腿的各部位的多个框架。步行辅助装置120也被称作机器人腿。
控制单元121包括控制步行辅助装置120的辅助控制单元220，并且还包括产生用于辅助膝关节的伸展运动和弯曲运动的驱动力的马达(未示出)。支撑患腿的各部位的框架包括大腿框架122和能够枢转地连接至大腿框架122的小腿框架123。框架还包括能够枢转地连接至小腿框架123的足部平坦框架124，用于连接前线134的前连接框架127，以及用于连接后线136的后连接框架128。
大腿框架122和小腿框架123围绕图示的铰链轴Ha相对于彼此枢转。控制单元121的马达按照辅助控制单元220的指令旋转，以迫使大腿框架122和小腿框架123围绕铰链轴Ha相对地打开和关闭。容纳在控制单元121中的角度传感器223例如为旋转编码器，并且检测围绕铰链轴Ha的大腿框架122与小腿框架123之间的角度。小腿框架123和足部平坦框架124围绕图示的铰链轴Hb相对于彼此枢转。相对枢转角度范围由调整机构126预先调整。
前连接框架127设置为以便在大腿的前侧沿左右方向延伸并且在两端处连接至大腿框架122。前连接框架127还设置有用于在左右方向的中央附近连接前线134的连接钩127a。后连接框架128设置为以便在小腿的后侧沿左右方向延伸并且在两端处连接至小腿框架123。此外，后连接框架128设置有用于在左右方向的中央附近连接后线136的连接钩128a。
大腿框架122设置有大腿带129。大腿带129为一体地设置在大腿框架上的带子，并且缠绕在患腿的大腿部上，以将大腿框架122固定至大腿部。这抑制了整个步行辅助装置120相对于受训者900的腿移位。
步行训练装置100的系统配置示例
随后，将参照图4描述步行训练装置100的系统配置示例。图4为示出步行训练装置100的系统配置示例的框图。
如图4所示，步行训练装置100的系统配置包括整体控制单元210、跑台驱动单元211、操作接收单元212、显示控制单元213、张紧驱动单元214、线束驱动单元215、图像处理单元216、姿势传感器217、扶手传感器218、负荷分布传感器222、通信连接接口(IF)219以及步行辅助装置120。
整体控制单元210例如为微处理单元(MPU)，并且通过执行从系统存储器读取的控制程序来执行整个装置的控制。
跑台驱动单元211包括用于使跑台131的带1311旋转的马达及其驱动电路。整体控制单元210通过向跑台驱动单元211传输驱动信号来执行带1311的旋转控制。整体控制单元210例如根据由训练人员901设定的步行速度来调整带1311的旋转速度。或者，整体控制单元210根据基于负荷分布传感器222的检测结果判定的受训者900的步行状态，调整带1311的旋转速度。
操作接收单元212经由设置在装置上的操作按钮、叠置在管理监视器139上的触摸面板、附带的遥控器等，接收训练人员901的输入操作。由操作接收单元212接收到的操作信号被传输至整体控制单元210。整体控制单元210能够基于由操作接收单元212接收到的操作信号给予打开和关闭电源的指令，或者给予开始训练的指令。另外，能够输入与设定相关的数值并且选择菜单项。操作接收单元212不限于接收训练人员901的输入操作的情况，并且当然，操作接收单元212也能够接收受训者900的输入操作。
显示控制单元213接收来自整体控制单元210的显示信号，生成显示图像，并且在训练用监视器138或者管理监视器139上显示图像。显示控制单元213根据显示信号生成示出训练的进展以及由相机140拍摄的实时图像的图像。
张紧驱动单元214包括设置在前张紧单元135中的用于拉动前线134的马达及其驱动电路，以及设置在后张紧单元137中的用于拉动后线136的马达及其驱动电路。整体控制单元210通过将驱动信号传输至张紧驱动单元214来控制前线134的卷绕和后线136的卷绕。此外，不限于卷绕操作，整体控制单元210通过控制马达的驱动扭矩来控制每个线的张力。此外，整体控制单元210基于负荷分布传感器222的检测结果，识别患腿从站立状态切换至摆动状态的时机，并且与所述时机同步地增加或者减小每个线的张力，由此辅助患腿的前摆运动。
线束驱动单元215包括设置在线束张紧单元112中的用于拉动线束线111的马达及其驱动电路。整体控制单元210通过将驱动信号传输至线束驱动单元215来控制线束线111的卷绕以及线束线111的张力。例如，当预测到受训者900跌倒时，整体控制单元210将线束线111卷起一定量以抑制受训者跌倒。
图像处理单元216连接至相机140并且能够从相机140接收图像信号。根据来自整体控制单元210的指令，图像处理单元216从相机140接收图像信号，并且对接收到的图像信号执行图像处理以生成图像数据。此外，根据来自整体控制单元210的指令，图像处理单元216还能够对从相机140接收到的图像信号执行图像处理以执行特定的图像分析。例如，图像处理单元216通过图像分析检测与跑台131接触的患腿的脚的位置(站立位置)。具体地，例如，通过提取足部平坦框架124的末端附近的图像区域并且分析与末端部重叠的带1311上的绘制的识别标记来计算站立位置。
如上所述，姿势传感器217检测受训者900的腹部相对于重力方向的倾斜角度，并且将检测信号传输至整体控制单元210。整体控制单元210使用来自姿势传感器217的检测信号计算受训者900的姿势，具体地，计算躯干的倾斜角度。整体控制单元210和姿势传感器217可以通过有线通信或者近距离无线通信连接。
扶手传感器218检测施加至扶手130a的负荷。即，与受训者900的不能通过受训者900的双腿支撑的重量的一部分相对应的负荷被施加至扶手130a。扶手传感器218检测该负荷并且将检测信号传输至整体控制单元210。
如上所述，负荷分布传感器222检测从受训者900的脚底接收到的表面压力(负荷)的大小和分布，并且将检测信号传输至整体控制单元210。整体控制单元210接收并且分析检测信号，以对步行状态进行估计并且对切换进行估计。
整体控制单元210还起到执行与控制相关的各种计算并且执行控制的功能执行单元的作用。整体控制单元210例如包括步行评估单元210a、训练判定单元210b、脚底负荷指定单元210c、脚底位置判定单元210d以及步行状态估计单元210e。稍后将描述脚底负荷指定单元210c、脚底位置判定单元210d以及步行状态估计单元210e。
步行评估单元210a使用从各种传感器获取的数据来评估受训者900的步行动作是否为异常步行。例如，训练判定单元210b基于由步行评估单元210a评估的异常步行的累计次数，判定一系列步行训练的训练结果。
可以适当地设定判定训练结果的方法和用于判定训练结果的标准。例如，可以通过针对每个步行阶段将瘫痪的身体部位的移动量与基准进行比较来判定训练结果。步行阶段通过将患腿(或者健康腿)的一个步行周期划分为腿处于站立状态的站立阶段、从站立阶段向腿处于摆动状态的摆动阶段的过渡阶段、摆动阶段、从摆动阶段向站立阶段的过渡阶段等等而获得。例如，步行阶段能够基于负荷分布传感器222的检测结果来分类(判定)。如上所述，针对步行周期，一个周期能够被看作包括站立阶段、过渡阶段、摆动阶段以及过渡阶段。然而，将哪个阶段定义为开始阶段并不重要。另外，针对步行周期，例如，一个周期能够被看作包括双腿支撑状态、单腿(患腿)支撑状态、双腿支撑状态以及单腿(健康腿)支撑状态，并且在该情况下，将哪个状态定义为开始状态并不重要。
另外，关注右腿或者左腿(健康腿或者患腿)的步行周期能够被进一步划分，并且能够通过将站立阶段划分为初始地面接触和四个阶段并且将摆动阶段划分为三个阶段来表示。初始地面接触是指被观察的脚接触地板的瞬间，并且站立阶段的四个阶段是指负荷响应阶段、站立中间阶段、站立结束阶段以及预摆动阶段。负荷响应阶段为从初始地面接触到相反侧的脚离开地板(对侧离地)的瞬间的阶段。站立中间阶段为从对侧离地到被观察的脚的脚跟离开地板(脚跟离地)的瞬间的阶段。站立结束阶段为从脚跟离地到相反侧的初始接触地面的阶段。预摆动阶段为从相反侧的初始地面接触到被观察的脚离开地板(离地)的时刻的阶段。摆动阶段的三个阶段是指摆动初始阶段、摆动中间阶段以及摆动结束阶段。摆动初始阶段为从预摆动阶段(上述离地)的结束到双脚交叉(脚交叉)的时刻的阶段。摆动中间阶段为从双脚交叉的时刻到胫骨变为竖直(胫骨竖直)的时刻的阶段。摆动结束阶段为从胫骨竖直的时刻到下一个初始地面接触的阶段。
通信连接IF 219为连接至整体控制单元210的接口，并且为用于向附接至受训者900的患腿的步行辅助装置120提供命令并且接收传感器信息的接口。
步行辅助装置120能够包括有线地或者无线地连接至通信连接IF 219的通信连接IF 229。通信连接IF 229连接至步行辅助装置120的辅助控制单元220。通信连接IF 219和通信连接IF 229为诸如符合通信标准的有线局域网(LAN)或者无线LAN的通信接口。
此外，步行辅助装置120能够包括辅助控制单元220、关节驱动单元221以及角度传感器223。辅助控制单元220例如为MPU，并且通过执行由整体控制单元210提供的控制程序来控制步行辅助装置120。此外，辅助控制单元220经由通信连接IF 219和通信连接IF 229向整体控制单元210通知步行辅助装置120的状态。此外，辅助控制单元220接收来自整体控制单元210的命令，并且执行步行辅助装置120的起动、停止等的控制。
关节驱动单元221包括控制单元121的马达及其驱动电路。辅助控制单元220将驱动信号传输至关节驱动单元221以迫使大腿框架122和小腿框架123围绕铰链轴Ha相对地打开或者关闭。这样的运动辅助膝盖伸展和弯曲运动并且抑制膝盖萎陷。
如上所述，角度传感器223检测围绕铰链轴Ha的大腿框架122与小腿框架123之间的角度，并且将检测信号传输至辅助控制单元220。辅助控制单元220接收该检测信号并且计算膝关节的打开角度。
步行训练装置100需要准确地估计受训者900的步行状态，以便为受训者900提供有效的训练。在此，为了准确地估计受训者900的步行状态，需要提高从受训者900的脚底接收到的负荷的检测结果的可靠性。当估计受训者900的步行状态时参照检测结果。
然而，例如，在JP 6187208 B中公开的现有技术中，不能判定用户(受训者)是否在地板反作用力传感器的负荷检测区域内正常步行。因此，例如，即使当用户走出地板反作用力传感器的负荷检测区域时，也不考虑这一事实而估计用户的左右小腿的脚底负荷。因此，在现有技术中，从受训者的脚底接收到的负荷的估计结果的可靠性降低。结果，在现有技术中，例如，存在不能准确地估计受训者的步行状态并且不能向受训者提供有效的步行训练的可能性。
图5和图6为阐述通过现有技术估计受训者900的步行状态的方法的问题的图。注意到的是，图5示出受训者900在地板反作用力传感器522的负荷检测区域内正常步行的情况的示例，而图6示出受训者900在地板反作用力传感器522的负荷检测区域外步行的情况的示例。
如图5所示，当受训者900在地板反作用力传感器522的负荷检测区域内正常步行时，从受训者900的右腿的脚底FR接收到的全部负荷与从受训者900的左腿的脚底FL接收到的全部负荷之间的中心部分被检测为负荷的重心CP。此时检测到的重心CP与实际负荷的重心CPx基本相同。
相反，如图6所示，当受训者900在他/她的右腿在地板反作用力传感器522的负荷检测区域外的状态下步行时，从受训者900的右腿的脚底FR接收到的负荷的一部分与从受训者900的左腿的脚底FL接收到的全部负荷之间的中心部分被检测为负荷的重心CP。此时检测到的重心CP比实际负荷的重心CPx更靠近左腿的脚底FL侧。在这种情况下，即使存在右腿仍然处于站立状态的事实，但判定右腿已经切换至摆动状态。因此，如果步行辅助装置附接至右腿，则步行辅助装置的伸展控制可能不在适当的时机执行。即，在现有技术中，存在不能准确估计受训者900的步行状态并且不能向受训者900提供有效的步行训练的可能性。
因此，根据本实施例的步行训练装置100判定受训者900是否在负荷分布传感器222的负荷检测区域内正常步行，并且从估计受训者900的步行状态时使用的参照排除从被判定为在负荷分布传感器222的负荷检测区域外步行的受训者900的腿的脚底接收到的负荷。即，根据本实施例的步行训练装置100改进了从受训者900的脚底接收到的负荷的检测结果的可靠性。结果，例如，根据本实施例的步行训练装置100能够准确地估计受训者900的步行状态，并且因此能够为受训者900提供有效的步行训练。
具体地，首先，脚底负荷指定单元210c从由相机140拍摄的图像指定由负荷分布传感器222检测到的负荷是从受训者900的右腿的脚底接收到的负荷，还是从受训者900的左腿的脚底接收到的负荷。例如，当从由相机140拍摄的图像检测到受训者900的左腿位于前方并且右腿位于后方时，脚底负荷指定单元210c判定在负荷分布传感器222的负荷检测区域的左前方检测到的脚底的载荷为从受训者900的左腿的脚底接收到的负荷，并且判定在右后方检测到的脚底的负荷为从受训者900的右腿的脚底接收到的负荷。此后，基于从受训者900的右腿和左腿中的处于由负荷分布传感器222检测到的站立状态的一条腿的脚底接收到的负荷状态，脚底位置判定单元210d判定所述一条腿的脚底是否位于负荷分布传感器222的负荷检测区域内。
随后，步行状态估计单元210e基于从受训者900的右腿和左腿中的每个的脚底接收到的负荷估计受训者900的步行状态。负荷由负荷分布传感器222检测，并且由脚底负荷指定单元210c指定。在此，步行状态估计单元210e从估计受训者900的步行状态时使用的参照排除从被脚底位置判定单元210d判定为在负荷分布传感器222的负荷检测区域外步行的受训者900的腿的脚底接收到的负荷。由此，步行状态估计单元210e能够准确地估计受训者900的步行状态。结果，受训者900能够执行有效的步行训练。
用于通过脚底位置判定单元210d判定脚底位置的方法的第一示例
例如，当从步行训练期间的受训者900的右腿和左腿中的处于由负荷分布传感器222检测到的站立状态的一条腿的脚底接收到的负荷的分布面积小于预定面积时，脚底位置判定单元210d可以判定处于站立状态的一条腿的脚底位于负荷分布传感器222的负荷检测区域外。在此，例如，预定面积为处于站立状态的一条腿的脚底位于负荷分布传感器222的负荷检测区域内时检测到的脚底的面积。
图7和图8为阐述通过脚底位置判定单元210d判定受训者900的处于站立状态的腿的脚底是否位于负荷分布传感器222的负荷检测区域内的方法的第一示例的图。
在图7的示例中，从处于站立状态的右腿的脚底FR接收到的负荷的分布面积等于或者大于预定面积，所以脚底位置判定单元210d判定右腿的脚底FR位于负荷分布传感器222的负荷检测区域内。相反，从处于站立状态的左腿的脚底FL接收到的负荷的分布面积小于预定面积，所以脚底位置判定单元210d判定左腿的脚底FL位于负荷分布传感器222的负荷检测区域外。
在图8的示例中，从处于站立状态的左腿的脚底FL接收到的负荷的分布面积等于或者大于预定面积，所以脚底位置判定单元210d判定左腿的脚底FL位于负荷分布传感器222的负荷检测区域内。相反，从处于站立状态的右腿的脚底FR接收到的负荷的分布面积小于预定面积，所以脚底位置判定单元210d判定右腿的脚底FR位于负荷分布传感器222的负荷检测区域外。
用于通过脚底位置判定单元210d判定脚底位置的方法的第二示例
例如，当从步行训练期间的受训者900的右腿和左腿中的处于由负荷分布传感器222检测到的站立状态的一条腿的脚底接收到的负荷小于预定负荷时，脚底位置判定单元210d可以判定处于站立状态的一条腿的脚底位于负荷分布传感器222的负荷检测区域外。在此，例如，预定负荷为处于站立状态的一条腿的脚底位于负荷分布传感器222的负荷检测区域内时检测到的脚底的负荷。
图9为阐述通过脚底位置判定单元210d判定受训者900的处于站立状态的腿的脚底是否位于负荷分布传感器222的负荷检测区域内的方法的第二示例的时间图。注意到的是，图9示出由负荷分布传感器222检测到的从受训者900的右腿的脚底接收到的负荷发生变化的状态。
在图9的示例中，当由负荷分布传感器222检测到的从受训者900的右腿的脚底FR接收到的负荷等于或者大于预定负荷时(时刻t11至t12)，脚底位置判定单元210d判定右腿的脚底FR位于负荷分布传感器222的负荷检测区域内。相反，当由负荷分布传感器222检测到的从受训者900的右腿的脚底FR接收到的负荷小于预定负荷时(时刻t13至t14)，脚底位置判定单元210d判定右腿的脚底FR位于负荷分布传感器222的负荷检测区域外。
用于通过脚底位置判定单元210d判定脚底位置的方法的第三示例
例如，当在沿着负荷分布传感器222的负荷检测区域的外周设定的端部区域中检测到从步行训练期间的受训者900的右腿和左腿中的处于站立状态的一条腿的脚底接收到的负荷时，脚底位置判定单元210d可以判定处于站立状态的一条腿的脚底位于负荷分布传感器222的负荷检测区域外。
图10和图11为阐述通过脚底位置判定单元210d判定受训者900的处于站立状态的腿的脚底是否位于负荷分布传感器222的负荷检测区域内的方法的第三示例的图。
在图10的示例中，在沿着负荷分布传感器222的负荷检测区域的外周设定的端部区域222a中没有检测到从处于站立状态的右腿的脚底FR接收到的负荷，所以脚底位置判定单元210d判定右腿的脚底FR位于负荷分布传感器222的负荷检测区域内。相反，在端部区域222a中检测到从处于站立状态的左腿的脚底FL接收到的负荷，所以脚底位置判定单元210d判定左腿的脚底FL位于负荷分布传感器222的负荷检测区域外。
在图11的示例中，在沿着负荷分布传感器222的负荷检测区域的外周设定的端部区域222a中没有检测到从处于站立状态的左腿的脚底FL接收到的负荷，所以脚底位置判定单元210d判定左腿的脚底FL位于负荷分布传感器222的负荷检测区域内。相反，在端部区域222a中检测到从处于站立状态的右腿的脚底FR接收到的负荷，所以脚底位置判定单元210d判定右腿的脚底FR位于负荷分布传感器222的负荷检测区域外。
随后，将描述当脚底位置判定单元210d判定受训者900在负荷分布传感器222的负荷检测区域外步行时通过步行状态估计单元210e估计受训者900的步行状态的方法。
用于通过步行状态估计单元210e估计步行状态的方法的第一示例
例如，当脚底位置判定单元210d判定一条腿的脚底位于负荷分布传感器222的负荷检测区域外时，步行状态估计单元210e可以基于由负荷分布传感器222检测到的从另一条腿的脚底接收到的负荷的变化来估计所述一条腿的步行状态。
图12为阐述通过步行状态估计单元210e估计受训者900的步行状态的方法的第一示例的时间图。
在图12的示例中，在时间段T4中，右腿的脚底位于负荷分布传感器222的负荷检测区域外(从负荷分布传感器222的负荷检测区域突出)。在此，如果基于从右腿的脚底接收到的负荷的变化估计右腿的步行状态，则右腿的从站立状态向摆动状态的切换时刻(时机)(时刻t41)被估计为早于正常步行期间的切换时机(时刻t42)。因此，在本实施例中，基于从左腿的脚底(而不是从右腿的脚底)接受到的负荷的变化来估计从负荷检测区域突出的右腿的步行状态。
具体地，首先，预先获取左腿在右腿在正常步行期间(当在负荷检测区域内步行时)从站立状态向摆动状态切换的时机的负荷值。随后，步行状态估计单元210e将左腿的负荷达到预先获取的预定负荷的时刻(时机)估计为右腿从站立状态向摆动状态切换的时刻(时刻t43)。由此，步行状态估计单元210e能够准确地估计受训者900的步行状态。
用于通过步行状态估计单元210e估计步行状态的方法的第二示例
例如，当脚底位置判定单元210d判定一条腿的脚底位于负荷分布传感器222的负荷检测区域外时，步行状态估计单元210e可以基于关于所述一条腿的过去的负荷变化的信息来估计所述一条腿的步行状态。
图13为阐述通过步行状态估计单元210e估计受训者900的步行状态的方法的第二示例的时间图。
在图13的示例中，在时间段T5中，右腿的脚底位于负荷分布传感器222的负荷检测区域外(从负荷分布传感器222的负荷检测区域突出)。在此，如果基于从右腿的脚底接收到的负荷的变化估计右腿的步行状态，则右腿的从站立状态向摆动状态的切换时刻(时机)(时刻t54)被估计为早于正常步行期间的切换时机(时刻t55)。因此，在本实施例中，基于一个周期之前的右腿的脚底负荷的变化来估计从负荷检测区域突出的右腿的步行状态。
具体地，步行状态估计单元210e采用从一个周期之前的右腿的脚底负荷开始减小的时刻至脚底负荷达到摆动判定阈值的时刻的时间(时刻t51至t52)，作为从突出于负荷检测区域的右腿的脚底负荷开始减小的时刻至右腿已经切换至摆动状态的时刻的时间(时刻t53至t55)。由此，步行状态估计单元210e能够准确地估计受训者900的步行状态。
用于通过步行状态估计单元210e估计步行状态的方法的第三示例
例如，当脚底位置判定单元210d判定一条腿的脚底位于负荷分布传感器222的负荷检测区域外时，步行状态估计单元210e可以基于关于正常步行期间的所述一条腿的平均负荷的变化的信息来估计所述一条腿的步行状态。
图14为阐述通过步行状态估计单元210e估计受训者900的步行状态的方法的第三示例的时间图。
在图14的示例中，在时间段T6中，右腿的脚底位于负荷分布传感器222的负荷检测区域外(从负荷分布传感器222的负荷检测区域突出)。在此，如果基于从右腿的脚底接收到的负荷的变化估计右腿的步行状态，则右腿的从站立状态向摆动状态的切换时刻(时机)(时刻t64)被估计为早于正常步行期间的切换时机(时刻t65)。因此，在本实施例中，基于正常步行期间的右腿的平均负荷的变化来估计从负荷检测区域突出的右腿的步行状态。
具体地，采用从正常步行期间的右腿的平均脚底负荷开始减小的时刻至平均脚底负荷达到摆动判定阈值的时刻的时间(时刻t61至t62)，作为从突出于负荷检测区域的右腿的脚底负荷开始减小的时刻至右腿已经切换至摆动状态的时刻的时间(时刻t63至t65)。由此，步行状态估计单元210e能够准确地估计受训者900的步行状态。
如上所述，根据本实施例的步行训练装置100判定受训者900是否在负荷分布传感器222的负荷检测区域内正常步行，并且从估计受训者900的步行状态时使用的参照排除从被判定为在负荷分布传感器222的负荷检测区域外步行的受训者900的脚底接收到的负荷。即，根据本实施例的步行训练装置100改进了从受训者900的脚底接收到的负荷的检测结果的可靠性。结果，例如，根据本实施例的步行训练装置100能够准确地估计受训者900的步行状态，并且因此能够为受训者900提供有效的步行训练。
此外，在上述各实施例中，作为示例已经描述了受训者900为遭受单腿麻痹的偏瘫患者的情况，但本公开并不限于此。受训者900例如可以为遭受双腿麻痹的患者。在该情况下，受训者900在双腿上佩戴步行辅助装置120的同时执行训练。或者，受训者900不需要将步行辅助装置120佩戴在任何一条腿上。
此外，在本公开中，步行训练装置100中的部分或者全部处理能够通过使中央处理单元(CPU)执行计算机程序来实现。
上述程序包括用于当载入计算机时使计算机执行实施例中所描述的一个以上的功能的指令(或者软件代码)。程序可以存储在非暂时性计算机可读介质中或者存储在有形存储介质中。非暂时性计算机可读介质或者有形存储介质的示例包括但不限于，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、固态驱动器(SSD)或者其他存储技术，光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)、蓝光(注册商标)光盘或者其他光盘存储器，以及磁性卡带、磁带、磁盘存储器或者其他磁性存储装置。程序可以在暂时性计算机可读介质或者通信介质上传输。暂时性计算机可读介质或者通信介质的示例包括但不限于，电、光、声或者其他形式的传播信号。

Claims (10)

1.一种步行训练系统，包括：
跑台；
负荷分布传感器，其设置在所述跑台的带的下侧以便不与所述带一起移动，并且检测从搭乘在所述跑台的所述带上的受训者的脚底接收到的负荷的分布；
成像装置，其拍摄所述受训者的图像；
指定单元，其从由所述成像装置拍摄的所述图像指定由所述负荷分布传感器检测到的所述负荷是从所述受训者的右腿的脚底接收到的负荷还是从所述受训者的左腿的脚底接收到的负荷；以及
判定单元，其基于从步行训练期间的所述受训者的所述右腿和所述左腿中的处于由所述负荷分布传感器检测到的站立状态的一条腿的脚底接收到的负荷的状态，判定处于所述站立状态的所述一条腿的所述脚底是否位于所述负荷分布传感器的负荷检测区域内。
2.根据权利要求1所述的步行训练系统，其中，当从步行训练期间的所述受训者的所述右腿和所述左腿中的处于由所述负荷分布传感器检测到的所述站立状态的所述一条腿的所述脚底接收到的所述负荷小于预定负荷时，所述判定单元判定处于所述站立状态的所述一条腿的所述脚底位于所述负荷分布传感器的所述负荷检测区域外。
3.根据权利要求1所述的步行训练系统，其中，当从步行训练期间的所述受训者的所述右腿和所述左腿中的处于由所述负荷分布传感器检测到的所述站立状态的所述一条腿的所述脚底接收到的所述负荷的分布面积小于预定面积时，所述判定单元判定处于所述站立状态的所述一条腿的所述脚底位于所述负荷分布传感器的所述负荷检测区域外。
4.根据权利要求1所述的步行训练系统，其中，当在沿着所述负荷分布传感器的所述负荷检测区域的外周设定的端部区域中检测到从步行训练期间的所述受训者的所述右腿和所述左腿中的处于由所述负荷分布传感器检测到的所述站立状态的所述一条腿的所述脚底接收到的所述负荷时，所述判定单元判定处于所述站立状态的所述一条腿的所述脚底位于所述负荷分布传感器的所述负荷检测区域外。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的步行训练系统，还包括估计单元，其基于由所述负荷分布传感器检测到并且由所述指定单元指定的从所述受训者的所述右腿和所述左腿中的每个的脚底接收到的负荷，估计所述受训者的步行状态。
6.根据权利要求5所述的步行训练系统，其中，当所述判定单元判定所述一条腿的所述脚底位于所述负荷分布传感器的所述负荷检测区域外时，所述估计单元基于由所述负荷分布传感器检测到的从另一条腿的脚底接收到的负荷的变化估计所述一条腿的步行状态。
7.根据权利要求5所述的步行训练系统，其中，当所述判定单元判定所述一条腿的所述脚底位于所述负荷分布传感器的所述负荷检测区域外时，所述估计单元基于关于所述一条腿的过去的负荷变化的信息估计所述一条腿的步行状态。
8.根据权利要求5至7中的任一项所述的步行训练系统，还包括：
机器人腿，其附接至所述受训者的至少一条腿；以及
控制单元，其基于所述估计单元的估计结果控制所述机器人腿的伸展。
9.一种控制步行训练系统的方法，所述方法包括：
使用负荷分布传感器检测从搭乘在跑台的带上的受训者的脚底接收到的负荷的分布的步骤，所述负荷分布传感器设置在所述跑台的所述带的下侧以便不与所述带一起移动；
使用成像装置拍摄所述受训者的图像的步骤；
指定步骤：从由所述成像装置拍摄的所述图像指定由所述负荷分布传感器检测到的所述负荷是从所述受训者的右腿的脚底接收到的负荷还是从所述受训者的左腿的脚底接收到的负荷；以及
判定步骤：基于从步行训练期间的所述受训者的所述右腿和所述左腿中的处于由所述负荷分布传感器检测到的站立状态的一条腿的脚底接收到的负荷的状态，判定处于所述站立状态的所述一条腿的所述脚底是否位于所述负荷分布传感器的负荷检测区域内。
10.一种存储介质，其存储控制程序，所述控制程序使计算机执行：
使用负荷分布传感器检测从搭乘在跑台的带上的受训者的脚底接收到的负荷的分布的处理，所述负荷分布传感器设置在所述跑台的所述带的下侧以便不与所述带一起移动；
使用成像装置拍摄所述受训者的图像的处理；
指定处理：从由所述成像装置拍摄的所述图像指定由所述负荷分布传感器检测到的所述负荷是从所述受训者的右腿的脚底接收到的负荷还是从所述受训者的左腿的脚底接收到的负荷；以及
判定处理：基于从步行训练期间的所述受训者的所述右腿和所述左腿中的处于由所述负荷分布传感器检测到的站立状态的一条腿的脚底接收到的负荷的状态，判定处于所述站立状态的所述一条腿的所述脚底是否位于所述负荷分布传感器的负荷检测区域内。
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