JP2000084016A

JP2000084016A - 歩行訓練装置

Info

Publication number: JP2000084016A
Application number: JP10262709A
Authority: JP
Inventors: Saku Egawa; 索柄川; Yasuhiro Nemoto; 泰弘根本; Atsushi Koseki; 篤志小関; Shizuko Hattori; 静子服部; Akihiko Sakai; 昭彦酒井; Masakatsu Fujie; 正克藤江
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2000-03-28
Anticipated expiration: 2018-09-17
Also published as: JP3570241B2

Abstract

(57)【要約】【課題】被訓練者からの作用力を検出する手段を備える
歩行訓練装置において、鉛直方向に大きな力が作用して
いる場合においても、水平方向の作用力を精度良く検出
できるようにする。【解決手段】歩行訓練装置の基体３に支持台５を設け、
支持台５と支持具７との間に、少なくとも前後および左
右の複数の位置において支持具７を支持する複数の弾性
部材６を設け、支持台５と支持具７との間の相対変位を
検出する検出器８を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、歩行訓練装置に関
し、特に、人体を支持する支持具に作用する力を検出す
る手段を備える歩行訓練装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】歩行に障害のある高齢者や障害者の歩行
を補助し、歩行の訓練を行う装置として、特開平７−１
８４９６６号公報に記載の歩行補助装置がある。この装
置は、車輪により移動できる移動体と、移動体に設けた
支柱の上端に回転可能に設けられた、被訓練者の体を支
持する支持具である保持アームと、保持アームを駆動す
るアクチュエータと、車輪を駆動するモータを備えてい
る。また、保持アームの根元に作用力検出器が挿入され
ている。被訓練者から保持アームに作用する力を、作用
力検出器により検出し、作用力の下向き成分が目標値に
等しくなるように、アクチュエータを駆動して保持アー
ムを回転させることで、一定の力で被訓練者の体を保持
している。また、作用力の前向き成分が目標値と等しく
なるように、モータを駆動して、移動体を前進させるこ
とで、移動のための力を補助している。このような歩行
補助装置においては、作用力検出器として、歪ゲージ式
多軸力センサが使用されてきた。これは、センサの内部
に精密に立体的に加工された梁を設け、梁に接着された
複数の歪ゲージの電気抵抗の変化を測定することによ
り、作用力を検出するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】歩行訓練装置では、被
訓練者が支持具に寄りかかって、脚に加わる体重の負担
を減らしながら歩行を行うので、支持具を通じて作用力
検出器に鉛直下向きに大きな力が加わる。一方、前進す
るために被訓練者が水平方向に加える力は、鉛直方向に
比べて小さい。従来の歩行訓練装置では、支持具の根元
に歪ゲージ式多軸力センサを設け、センサ内の梁の歪を
歪ゲージで測定することによって、作用力を検出してい
た。このとき、梁の歪は、鉛直方向と水平方向の両方の
力の影響を受けるので、複数の歪ゲージの抵抗変化を検
出し、それらに演算処理を施すことによって、各成分の
力を分離検出していた。しかし、水平方向の作用力は鉛
直方向に比べて小さいので、水平方向の作用力を高精度
に分離するのが困難であった。また、力センサが支持具
の根元に配置されており、支持具は力センサによって片
持ち支持されているので、力センサに対して、力センサ
を装置の左右軸（装置の幅方向の軸）回りにひねる大き
なモーメントが加わっていた。このため、力センサの剛
性を高める必要が生じるので、梁に生じる歪が小さくな
り、作用力の検出感度が小さくなっていた。これらによ
り、従来の構成では、作用力の検出精度を高めるのが困
難であり、ノイズや温度変化による検出誤差が大きくな
るという問題があった。また、従来の歩行訓練装置にお
いて、作用力の検出値に比例した速度で移動体を駆動す
ることにより、歩行を補助する場合、作用力の検出値に
対する移動体の駆動速度の比例ゲインを大きくすると、
作用力の検出誤差が駆動速度に与える影響が大きくな
る。このため、検出誤差が大きい場合には、ゲインを小
さくしなくてはならないので、歩行訓練装置の見かけの
抵抗が大きくなり、被訓練者の疲労が大きくなるという
問題が生じていた。また、歩行訓練装置では、歩行訓練
中の被訓練者からの作用力を記録して、訓練効果の評価
に利用するが、作用力の検出誤差が大きいので、正確な
評価を行うのが困難になるという問題があった。また、
実用上十分な作用力検出精度を得るためには、力センサ
の加工組み立てを極めて精密に行う必要があるので、製
作費用が高くなるという問題があった。

【０００４】本発明は、上記の問題を解決するために、
簡便な構成で、水平方向の力を精度良く検出できる歩行
訓練装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、基体と、該
基体に設けられ、使用者の歩行動作を可能にする駆動部
と、前記基体に支持された支持具と、該支持具に作用す
る力を検出する力検出手段とを備えた歩行訓練装置にお
いて、前記支持具を前記基体に支持する手段とは離隔し
て前記力検出手段を設けることにより達成される。また
上記目的は、基体と、該基体に設けられ、使用者の歩行
動作を可能にする駆動部と、前記基体に支持された支持
具と、該支持具に作用する力を検出する力検出手段とを
備えた歩行訓練装置において、前記支持具を前記基体に
支持する手段を、前記力検出手段と離隔して設けること
により達成される。このとき、前記支持具を前記基体に
支持する手段は弾性部材で構成するとよい。また、上記
目的は、基体と、該基体に設けられ、使用者の歩行動作
を可能にする駆動部と、前記基体に支持された支持具
と、該支持具に作用する力を検出する力検出手段とを備
えた歩行訓練装置において、前記基体に支持台を設け、
該支持台に前記支持具を支持部材で支持し、前記力検出
手段を前記支持部材とは離隔して設けることにより達成
される。このとき、前記支持部材を弾性部材で構成する
とともに、鉛直方向の剛性に対して水平方向の剛性が柔
らかい異方性弾性部材にするとよい。上記の力検出手段
は、支持台と支持具との相対変位を検出してもよい。ま
た、上記の支持部材により支持具を複数箇所で支持台に
支持し、力検出手段を複数の支持位置の間に設けるとよ
い。また、上記の支持具を左側部材と右側部材とに分割
し、支持台と左右の支持具部材との間に、左右の支持具
部材を各々前後に移動可能に支持するレールを設け、左
右の支持具部材と支持台との間に、左右の支持具部材の
前後方向の動きに対して反力を発生する反力発生部材を
設け、支持台と左右の支持具部材との間の相対変位に基
づく物理量を検出する検出器を設けてもよい。また、本
発明に係る歩行訓練装置としては、上記の駆動部に、基
体に設けられた車輪と、車輪を駆動するモータと、モー
タを制御する制御装置とを備えて構成することができ
る。また、本発明に係る歩行訓練装置としては、前記駆
動部に、環状ベルトと、該環状ベルトを回転駆動するモ
ータと、該モータを制御する制御装置とを備えて構成す
ることができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明に係る以下の実施例におい
ては、装置を水平面上に置いた状態において、水平面に
垂直な方向を上下方向とし、水平面から離れる向きを上
向きと定義する。また、通常の使用において、使用者
（被訓練者）が前進又は後退する方向を前後方向と定義
する。従って、上下軸とは上下方向に、前後軸とは前後
方向に定義される軸のことであり、左右軸とは上下軸及
び前後軸に垂直な軸、すなわち装置の幅方向に定義され
る軸を意味する。

【０００７】以下、図面を用いて、各実施例を説明す
る。

【０００８】図１に本発明の歩行訓練装置の第１の構成
を示す。図１（a）は本実施例の歩行訓練装置を右側面
から見た側面図であり、（ｂ）は上側から見た上面図で
ある。

【０００９】歩行訓練装置１の基体３は支柱４を有して
おり、支柱４の上端に支持台５が設けられている。基体
３と支柱４とは別体で構成されてもよいし、一体に形成
されてもよい。支持台５の上には、弾性部材６ａ〜６ｄ
により支持されて支持具７が設けられている。また、支
持台５には支持台５と支持具７の間の相対変位を検出す
る変位検出器８ａ〜８ｄが設けられている。

【００１０】基体３は、右および左の駆動車輪１１ａ，
１１ｂおよび従動車輪１２ａ，１２ｂによって移動可能
に支持されている。駆動車輪１１ａ、１１ｂは、モータ
１０ａ，１０ｂに減速機１８ａ，１８ｂおよびベルト１
９ａ，１９ｂを介して接続されており、制御装置１７に
より、モータ１０ａ，１０ｂを同方向に駆動制御するこ
とにより、歩行訓練装置１を前後に移動させる。また、
右および左のモータ１０ａ、１０ｂを逆方向に駆動制御
することにより、歩行訓練装置１を左右の車輪の中間点
Ｐを中心に旋回させることができる。

【００１１】被訓練者２は、支持具７につかまり、体重
の一部を支持具７に加え、脚にかかる負担を減らしつつ
歩行訓練を行う。

【００１２】図２に本発明の歩行訓練装置の支持具７に
作用する作用力検出部（手段）の詳細構造を示す。図２
（ａ）は斜め上方より見た斜視図であり、（ｂ）は右側
方より見た側面図である。

【００１３】支持具７は、被訓練者２の体を取り囲むよ
うにＵ字形に形成されている。すなわち、支持具７は前
縁部７ｃの左右両端部からそれぞれ後方に向けて延長し
て設けられた延設部７ａと７ｂとを有している。延設部
７ａは使用者の右側方又は右腕を支持する支持部であ
り、延設部７ｂは使用者の左側方又は左腕を支持する支
持部である。使用者（被訓練者）は通常、腹部を前縁部
７ｃに向けて使用するが、このとき前進する向きを前向
き、後退する向きを後ろ向きとする。

【００１４】支持台５は支持具７と相似形に形成されて
おり、支持台５の四隅に少なくとも上下（鉛直）方向の
荷重受け部材（支持部材）となる４個の弾性部材６ａ、
６ｂ、６ｃ、６ｄが設けられており、その上に支持具７
が取り付けられている。すなわち、延設部７ａに対応す
る延設部５ａの前後方向の両端部にそれぞれ１個ずつ弾
性部材６ａ、６ｃが設けられ、延設部７ｂに対応する延
設部５ｂの前後方向の両端部にそれぞれ１個ずつ弾性部
材６ｂ、６ｄが設けられている。

【００１５】被訓練者２は、支持具７につかまり、支持
具７に体重の一部を預けて歩行するが、被訓練者２から
の作用力は、弾性部材６ａ〜６ｄにより、支持具７の四
隅で分散して支持される。すなわち、被訓練者２からの
作用力は両持ち構造で支持される。

【００１６】支持台５には、４個の変位検出器８ａ、８
ｂ、８ｃ、８ｄが設けられている。支持具７の右および
左には、変位検出器８ａ、８ｂに対応して、標的９ａ，
９ｂが表面を前後方向に垂直に向けて設けられている。
また、支持具７には、弾性部材６ａ，６ｃの中間点およ
び、弾性部材６ｂ、６ｄの中間点に、変位検出器８ｃ、
８ｄに対応して、標的９ｃ、９ｄが表面を水平に向けて
設けられている。標的９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは、変位
検出器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが支持具７の変位量を検
出するための位置基準（目印）となる部材である。

【００１７】変位検出器８ａ、８ｂは標的９ａ、９ｂと
の間の前後方向の距離の変化（相対変位）を測定し、変
位検出器８ｃ、８ｄは標的９ｃ、９ｄとの間の上下方向
の距離の変化（相対変位）を測定する。すなわち、本実
施例においては、支持具７に作用する作用力を検出する
作用力検出部（手段）は、変位検出器８ａ、８ｂ、８
ｃ、８ｄと標的９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄとによって構成
される。

【００１８】弾性部材６ａ〜６ｄは、円柱形のゴムであ
り、上下方向すなわち鉛直方向に対しては剛性が高く、
前後・左右方向すなわち水平方向に対しては剛性が低く
なる、異方性の弾性を持つようにゴムの直径と長さが選
択されている。望ましくは、鉛直方向の剛性が、２００
Ｎ／ｍｍ〜２０００Ｎ／ｍｍになり、水平方向の剛性
が、垂直方向の剛性の１／４以下になるように、ゴムの
硬度、直径、長さを選択することが望ましい。

【００１９】なお、弾性部材６ａ〜６ｄはゴムに限定さ
れるわけではなく、例えば、金属のばねの組み合わせた
ものを用いてもよい。

【００２０】変位検出器８ａ〜８ｄは、差動トランス式
変位センサであり、センサから伸びるロッドの先端を、
センサに内蔵されたばねにより、標的９ａ〜９ｄに垂直
に押し当て、ロッドの変位を検出する。これにより、ロ
ッドに平行（ロッドの軸に沿う方向）、すなわち標的９
ａ〜９ｄに垂直な方向の変位を検出する。他の方向に対
しては、変位が発生しても、ロッドの先端は標的の表面
を滑り、ロッドは動かないので、変位は検出されない。

【００２１】なお、変位検出器８ａ〜８ｄとしては他の
方式の変位検出器を用いてもよく、例えば、差動トラン
スの代わりに、抵抗変化により変位を検出するポテンシ
ョメータを用いてもよい。あるいは、渦電流式ギャップ
センサ、反射光量や３角測量の原理により距離を検出す
る光学式センサ、永久磁石を標的に用いて磁気抵抗効果
やホール効果により変位を測定する磁気式センサ、など
の非接触式センサを用いてもよい。

【００２２】上述のように、本実施例では、使用者の体
重を受ける荷重受け部材、すなわち本実施例の弾性部材
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄと、作用力検出手段とを分離
し、それぞれの機能を独立させている。これにより、使
用者の体重を支えるとともに、必要な作用力の検出を高
精度かつ高分解能に行う事が可能になる。

【００２３】図３に制御装置１７のブロック図を示す。
なお、制御装置１７で行われる演算処理は、マイクロコ
ンピュータを用いてソフトウエアにより実現してもよ
く、アナログ回路により実現してもよい。

【００２４】まず、前後方向の変位検出器８ａと８ｂの
出力Ｓａ、Ｓｂの和を２で割って支持具７の前後方向の
変位Ｄｙを求め、ばね定数Ｃｙを掛けて、前後方向の作
用力Ｆｙを求める。また、ＳａからＳｂを引いた値を変
位検出器８ａ、８ｂの間隔Ｌ１で割って支持具７の上下
軸まわりの回転変位Ｄｒｚを求め、ばね定数Ｃｒｚを掛
けて、上下軸まわりのモーメントＦｒｚを求める。ま
た、上下方向の変位検出器８ｃと８ｄの出力Ｓｃ、Ｓｄ
を２で割って支持具７の上下方向の変位Ｄｚを求め、ば
ね定数Ｃｚを掛けて、上下方向の作用力Ｆｚを求める。
また、ＳｄからＳｃを引いた値をＬ１で割って支持具７
の前後軸回りの回転変位Ｄｒｙを求め、ばね定数Ｃｒｙ
を掛けて、前後軸回りのモーメントＦｒｙを求める。

【００２５】次に、前進方向の作用力ＦｙにゲインＫｙ
を掛けて、前進速度指令Ｖｙを求める。また、モーメン
トＦｒｚにゲインＫｒｚを掛けて、旋回角速度指令Ｖｒ
ｚを求める。速度指令ＶｙおよびＶｒｚから、次の式で
表される計算を行って、右および左の駆動車輪１１ａ、
１１ｂを駆動するモータ１０ａ、１０ｂの回転数の指令
値Ｖｍ１、Ｖｍ２を求める。

【００２６】Ｖｍ１＝（２Ｎ／Ｄ）×Ｖｙ＋（ＮＷ／Ｄ）×ＶｒｚＶｍ２＝（２Ｎ／Ｄ）×Ｖｙ−（ＮＷ／Ｄ）×Ｖｒｚここで、Ｎは減速機１８ａ、１８ｂの減速比、Ｗは駆動
車輪１１ａ、１１ｂの間隔、Ｄは駆動車輪１１ａ、１１
ｂの直径である。

【００２７】指令値Ｖｍ１、Ｖｍ２をモータ駆動回路６
１ａ、６１ｂに与え、モータ１０ａ、１０ｂを指令値に
従って回転させる。

【００２８】また、作用力Ｆｙ、Ｆｒｚ、Ｆｚ、Ｆｒｙ
を、所定の時間間隔でメモリ６２に記録する。

【００２９】以下、本発明の歩行訓練装置における作用
力検出の動作を説明する。

【００３０】説明のために、図１に示すように、歩行訓
練装置１の座標系を、右向きをＸ、前向きをＹ、上向き
をＺと定める。また、軸回りの回転やモーメントに対し
ては、各軸の正の向きに進む右ねじの方向を正と定め
る。

【００３１】支持台５および支持具７はＵ字形に形成さ
れているので、中央部は空間になっているが、図４に示
すように、４個の弾性部材６ａ〜６ｄの中心の位置に仮
想的な基準点を考え、これをＱとする。なお、基準点Ｑ
は、４個の弾性部材が複合されたばねの弾性中心に一致
する。尚、図４において、（ａ）は上方から見た図を示
しており、（ｂ）は後方から見た図を示している。

【００３２】図４に示すように、被訓練者２から支持具
７に働く作用力の、右方向、前方向、上方向の各軸方向
の成分をそれぞれＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚとする。また、基準
点Ｑにおける各軸回りのモーメントをＦｒｘ、Ｆｒｙ、
Ｆｒｚとする。

【００３３】被訓練者２が支持具７につかまり、支持具
７に力を加えると、弾性部材６ａ〜６ｄが変形し、支持
具７は支持台５に対して相対的に変位する。基準点Ｑに
おける、支持台５に対する支持具７の変位の各座標軸に
対する並進、回転の成分を、Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚ、Ｄｒ
ｘ、Ｄｒｙ、Ｄｒｚとする。変位および作用力の基準点
Ｑを弾性部材６ａ〜６ｄの弾性中心に一致させているの
で、作用力の各軸の成分は、それぞれの軸に対する変位
に比例し、Ｆｘ＝Ｃｘ×ＤｘＦｙ＝Ｃｙ×ＤｙＦｚ＝Ｃｚ×ＤｚＦｒｘ＝Ｃｒｘ×ＤｒｘＦｒｙ＝Ｃｒｙ×ＤｒｙＦｒｚ＝Ｃｒｚ×Ｄｒｚで表される。ここで、Ｃｘ、Ｃｙ、Ｃｚ、Ｃｒｘ、Ｃｒ
ｙ、Ｃｒｚは、弾性部材６ａ〜６ｄが複合されたばね
の、各軸に対するばね定数であり、弾性部材６ａ〜６ｄ
の前後・左右のばね定数をＣｓｘ、上下方向のばね定数
をＣｓｚとし、弾性部材６ａ、６ｃと６ｂ、６ｄの間隔
をＬ１、弾性部材６ａ，６ｂと６ｃ、６ｄの間隔をＬ２
とすると、Ｃｘ＝４×ＣｓｘＣｙ＝４×ＣｓｘＣｚ＝４×ＣｓｚＣｒｘ＝Ｃｓｚ×Ｌ２×Ｌ２Ｃｒｙ＝Ｃｓｚ×Ｌ１×Ｌ１Ｃｒｚ＝Ｃｓｘ×（Ｌ１×Ｌ１＋Ｌ２×Ｌ２）となる。

【００３４】前後方向の変位検出器８ａおよび８ｂは、
その位置における前後方向の変位のみを検出するので、
変位の検出値は、前後方向の変位Ｄｙと、上下軸回りの
回転変位Ｄｒｚのみの影響を受ける。従って、変位が小
さい場合、変位検出器８ａ、８ｂの出力Ｓａ，Ｓｂは、Ｓａ＝Ｄｙ＋Ｄｒｚ×Ｌ１／２Ｓｂ＝Ｄｙ−Ｄｒｚ×Ｌ１／２となる。ここで、Ｌ１は弾性部材６ａ〜６ｄの左右方向
の間隔である。

【００３５】また、上下方向の変位検出器８ｃおよび８
ｄは、その位置における上下方向の変位のみを検出する
ので、変位の検出値は、上下方向の変位Ｄｚと前後軸回
りの回転変位Ｄｒｙのみの影響を受ける。なお、変位検
出器８ｃ、８ｄの標的９ｃ、９ｄは、弾性部材６ａ、６
ｃ、および６ｂ、６ｄの中間点に設けられているので、
支持具７の左右軸回りの回転変位Ｄｒｘの影響は受けな
い。従って、変位が小さい場合、変位検出器８ｃ、８ｄ
の出力Ｓｃ，Ｓｄは、Ｓｃ＝Ｄｚ−Ｄｒｙ×Ｌ１／２Ｓｄ＝Ｄｚ＋Ｄｒｙ×Ｌ１／２となる。

【００３６】上記の関係から、変位Ｄｙ、Ｄｒｚ、Ｄ
ｚ、Ｄｒｙを求めると、Ｄｙ＝（Ｓａ＋Ｓｂ）／２Ｄｒｚ＝（Ｓａ−Ｓｂ）／Ｌ１Ｄｚ＝（Ｓｃ＋Ｓｄ）／２Ｄｒｙ＝（Ｓｄ−Ｓｃ）／Ｌ１の関係が得られる。

【００３７】上記の原理に基づいて、図３に示した制御
装置１７では、変位検出器８ａ〜８ｄの出力Ｓａ〜Ｓｄ
から、作用力Ｆｙ、Ｆｒｚ、Ｆｚ、Ｆｒｙを求めてい
る。すなわち、Ｓａ、Ｓｂの和を２で割って、変位Ｄｙ
を求め、ばね定数Ｃｙを掛けて作用力Ｆｙを検出し、Ｓ
ａからＳｂを引いた値をＬ１で割って回転変位Ｄｒｚを
求め、ばね定数Ｃｒｚを掛けて、モーメントＦｒｚを検
出し、Ｓｃ、Ｓｄの和を２で割って変位Ｄｚ求め、ばね
定数Ｃｚを掛けて、作用力Ｆｚを検出し、ＳｄからＳｃ
を引いた値をＬ１で割って回転変位Ｄｒｙを求め、ばね
定数Ｃｒｙを掛けて作用力Ｆｒｙを検出している。

【００３８】以下、本発明の歩行訓練装置の動作を説明
する。

【００３９】まず、被訓練者２が、脚に加わる負担を減
らすために、支持具７に寄りかかって体重の一部を預け
て鉛直下向きに力を加え、支持具７に対して上下方向の
負の作用力Ｆｚを加えると、弾性部材６ａ〜６ｄが鉛直
下向きに圧縮され、支持具７に支持台５に対して上下方
向の負の変位Ｄｚが発生する。次に、前進歩行を開始す
るために、被訓練者２が支持具７に前向きに作用力Ｆｙ
を加えると、弾性部材６ａ〜６ｄが前向きに（弾性部材
の上端側が下端側に対して前側に変位するように）変形
し、支持具７に支持台５に対して前後方向の変位Ｄｙが
発生する。

【００４０】このとき、被訓練者２の体重による下向き
の力に比べて、前進のための前向きの力は小さいが、弾
性部材６ａ〜６ｄの水平方向の剛性を、鉛直方向よりも
柔らかくしているので、前後方向の変位Ｄｙとして、上
下方向の変位Ｄｚと同等の大きさの変位が得られる。

【００４１】支持具７に発生した変位Ｄｙにより、前後
方向の変位検出器８ａ，８ｂに同方向の変位が検出さ
れ、上述のように、制御装置１７によって、作用力Ｆｙ
が求められる。また、変位Ｄｚにより、上下方向の変位
検出器８ｃ、８ｄに同方向の変位が検出され、制御装置
１７により作用力Ｆｚが求められる。

【００４２】制御装置１７は、前向きの作用力Ｆｙにゲ
インＫｙを掛けて、速度指令Ｖｙを求め、それに従って
右および左の駆動車輪１１ａ，１１ｂを同方向に駆動す
ることにより、前向きの作用力Ｆｙに比例した速度Ｖｙ
で、歩行訓練装置１を前進させる。

【００４３】これにより、支持具７が前方に移動するの
で、被訓練者２の歩行速度が歩行訓練装置１の移動速度
Ｖｙよりも遅い場合には、支持具７の変位Ｄｙが減少
し、速度が低下する。逆に被訓練者２の歩行速度の方が
速い場合は、変位Ｄｙが増加し、歩行訓練装置１の移動
速度Ｖｙが増加する。これにより、歩行訓練装置１は、
被訓練者２の歩行に同期して移動するので、歩行訓練装
置１の見かけの抵抗を小さくする事ができる。

【００４４】この時、作用力とＦｙと速度Ｖｙの関係
は、ゲインＫｙにより定まるので、ゲインＫｙを変化さ
せることにより、歩行補助装置１の見かけの抵抗を変え
ることができ、被訓練者２の身体状態に合わせた訓練を
行うことができる。

【００４５】また、被訓練者２が旋回を行うために、支
持具７をひねり、上下軸回りのモーメントＦｒｚを加え
ると、弾性部材６ａ〜６ｄが変形し、支持具７に上下軸
回りの回転変位Ｄｒｚが発生する。これにより、前後方
向の変位検出器８ａ，８ｂに逆向きの変位が検出され、
上述のように、制御装置１７により、モーメントＦｒｚ
が検出される。

【００４６】制御装置１７は、モーメントＦｒｚにゲイ
ンＫｒｚを掛けて、回転速度指令Ｖｒｚを求め、それに
従って右および左の駆動車輪１１ａ，１１ｂを逆方向に
駆動することにより、モーメントＦｒｚに比例した回転
速度Ｖｒｚで、歩行訓練装置１を旋回させる。

【００４７】これにより、前進の場合と同様に、歩行訓
練装置１は、被訓練者２の旋回歩行に同期して旋回す
る。この時、モーメントＦｒｚと回転速度Ｖｒｚの関係
は、ゲインＫｙにより定まるので、ゲインＫｙを変化さ
せることにより、被訓練者２の身体状態に応じて、歩行
補助装置１の見かけの旋回抵抗を調整することができ
る。

【００４８】上下方向の作用力Ｆｚは、被訓練者２が支
持具７に加えている体重を表しており、被訓練者２の脚
力の評価に用いる。また、傾斜面を歩行する場合に、前
後方向の作用力Ｆｙから、重力による影響を除くためも
使用できる。また、前後軸回りのモーメントＦｒｙは、
被訓練者２の左右方向のバランスの評価に用いる。

【００４９】歩行中の作用力Ｆｙ、Ｆｚ、Ｆｒｚ、Ｆｒ
ｙは、記憶装置６２に記録されており、医師や理学療法
士が、訓練後に記録を参照することにより、歩行訓練の
効果を評価する。作用力の複数の成分が記録されるの
で、被訓練者２の運動の状況を詳しく調べることができ
る。

【００５０】本実施例の歩行訓練装置においては、前後
方向の変位検出器８ａおよび８ｂの出力Ｓａ，Ｓｂは、
前後方向の作用力Ｆｙに比例する変位Ｄｙと、上下軸回
りのモーメントＦｒｚに比例する回転変位Ｄｒｚのみの
影響を受ける。すなわち、変位検出器８ａおよび８ｂの
出力は、水平面内の作用力・モーメントのみに影響され
易く、鉛直方向の作用力の影響を受けにくいので、被訓
練者２が支持具７に寄りかかり、鉛直下向きに大きな力
が加わっている場合でも、水平面内の作用力・モーメン
トを簡便に精度良く検出することができる。

【００５１】また、上下方向の変位検出器８ｃおよび８
ｄの出力Ｓｃ、Ｓｄは、上下方向の作用力Ｆｚに比例す
る変位Ｄｚと前後軸回りのモーメントＦｒｙに比例する
回転変位Ｄｒｙの影響を受けるが、上下方向に２つの変
位検出器８ｃ、８ｄを設けており、両者の出力の平均を
求めることにより、上下方向の変位Ｄｚを求め、上下方
向の作用力Ｆｚを検出しているので、被訓練者２が支持
具７に体重を加える位置が変化しても、鉛直方向の作用
力を正確に検出できる。

【００５２】また、支持具７を、弾性部材６ａ〜６ｄに
より、前後左右の四隅で両持ち支持しており、被訓練者
２から力が作用する作用点が弾性部材６ａ〜６ｄの中央
に位置しているので、被訓練者２が支持具７に寄りかか
り、鉛直下向きに大き力を加えても、弾性部材６ａ〜６
ｄに無理なモーメントが作用し難く、弾性部材６ａ〜６
ｄが破損する恐れがない。また、このため、弾性部材６
ａ〜６ｄの剛性を小さくすることができるので、作用力
検出器８ａ〜８ｄにより検出される変位を大きくするこ
とができ、作用力の検出感度が高まる。

【００５３】また、弾性部材６ａ〜６ｄは、水平方向の
剛性を、鉛直方向よりも小さくしているので、鉛直方向
に比べて小さい水平方向の作用力を精度良く検出するこ
とができる。

【００５４】歪ゲージを用いた従来の力センサでは、梁
の微小な歪を検出することにより、力を検出していた
が、本実施例では、弾性部材の変形により発生した、大
きな変位を変位検出器で検出して力を検出しているの
で、ノイズや温度変化の影響を受けにくく、高い精度で
作用力を検出できる。また、変位検出器に高い分解能が
要求されないので、コストが低減される。

【００５５】本実施例の歩行訓練装置では、高い精度で
作用力を検出できるので、作用力に応じて駆動車輪を駆
動するゲインＫｙ、Ｋｒｚを大きくすることができ、小
さな力で歩行訓練装置１を移動させることができる。こ
のため、被訓練者２に与える疲労を低減できる。また、
訓練中の作用力を高い精度で検出し記録することができ
るので、訓練の効果を精密に評価することができる。

【００５６】また、歩行訓練装置１の基体３は、方向が
前後方向に固定された駆動車輪１１ａ，１１ｂと、方向
が自在に回転する従動車輪１２ａ，１２ｂにより支持さ
れているので、歩行訓練装置１は前後の移動と、駆動車
輪１１ａ，１１ｂの中間点Ｐを中心とした旋回を行うこ
とができるが、左右方向への平行移動はできない。この
ため、移動の制御には、被訓練者２から働く作用力の成
分のうち、前後方向と、車輪中間点Ｐの回りのモーメン
トの成分を必要とするが、左右方向の成分を必要としな
い。

【００５７】作用力検出の基準点Ｑと車輪中間点Ｐの水
平面内の位置が一致している場合には、車輪中間点Ｐ回
りのモーメントは、前述の上下軸回りの作用力の成分Ｆ
ｒｚに一致する。すなわち、移動の制御には、前後方向
の作用力Ｆｙと、上下軸回りのモーメントＦｒｚを必要
とするが、左右方向の作用力Ｆｘを必要としない。

【００５８】一方、基準点Ｑは弾性部材６ａ〜６ｄの弾
性中心に一致しているので、左右方向の作用力Ｆｘに対
して、支持具７は左右方向に平行に変位するが、上下軸
回りの回転変位は生じない。すなわち、左右方向の作用
力Ｆｘは、左右方向の変位Ｄｘのみに影響を及ぼす。ま
た、前後方向の変位検出器９ａ，９ｂの出力Ｓａ、Ｓｂ
は、前後方向の変位Ｄｙと上下軸回りの回転変位Ｄｒｚ
の影響を受けるが、左右方向の変位Ｄｘに影響を受けな
い。このため、検出器出力Ｓａ，Ｓｂは、前後方向の作
用力Ｆｙと、上下軸回りのモーメントＦｒｚのみに影響
され、左右方向の作用力Ｆｘの影響を受けない。このた
め、移動の制御のために必要となる、ＦｙおよびＦｒｚ
の２個の作用力の成分を、２個の変位検出器９ａ，９ｂ
で検出することができ、移動の制御に必要としないＦｘ
の影響を除くために、別に変位検出器を設ける必要がな
いので、変位検出器の数を最小限にすることができ、コ
ストを低減できる。

【００５９】なお、上記の効果を得るには、駆動車輪１
１ａ、１１ｂの中間点Ｐと、弾性部材６ａ〜６ｄの弾性
中心である基準点Ｑの水平面内の位置が一致している必
要があるが、実際には、若干の誤差は許容される。しか
し、操作感覚に違和感を与えないために、できるだけ車
輪中間点Ｐと、基準点Ｑを近づけるように、駆動車輪１
１ａ、１１ｂと支持台５、弾性部材６ａ〜６ｄ、支持具
７を配置することが望ましい。

【００６０】また、歩行訓練の効果の評価のために、左
右方向の作用力の検出が必要な場合には、左右方向の変
位Ｄｘを検出する変位検出器を追加することにより、左
右方向の作用力Ｆｘを検出することもできる。

【００６１】図５に本発明に係る歩行訓練装置の作用力
検出部の別の構成を示す。

【００６２】支持台５には、弾性部材の代わりに右およ
び左のレール７２ａ、７２ｂが設けられている。レール
上には、左右２個に分割された支持具７１ａ、７１ｂが
前後方向に動きを規制されて移動可能に支持されてい
る。このために、支持具７１ａ、７１ｂにはレールと摺
動する摺動部材７５ａ、７５ｂが設けられている。ま
た、支持具７１ａ、７１ｂは、前後方向に変形する板ば
ね７３ａ，７３ｂにより、支持台５と連結されている。
このとき板ばね７３ａ，７３ｂは前向きの動きに対して
も、また後ろ向きの動きに対しても反力を発生する事が
できるので、コイルばねを用いるよりも構成が簡単にな
る。支持台５には、変位検出器６ａ，６ｂが設けられて
おり、支持具７１ａ，７１ｂに設けられた標的９ａ、９
ｂとの距離を検出することにより、支持具７１ａ，７１
ｂの前後方向の変位を検出する。

【００６３】被訓練者２が、支持具７１ａ、７１ｂに寄
りかかり、前進するために前向きに作用力Ｆｙを加える
と、支持具７１ａ、７１ｂは共に前向きに変位する。ま
た、被訓練者２が、旋回するために支持具７１ａ、７１
ｂに対して上下軸回のモーメントＦｒｚを加えると、支持具
７１ａ，７１ｂは、逆方向に変位する。この変位を変位
検出器６ａ，６ｂにより検出し、検出値Ｓａ，Ｓｂを、
前記と同能に制御装置１７に与え、駆動車輪１１ａ，１
１ｂを駆動制御することにより、前進および旋回の移動
制御を行う。

【００６４】被訓練者２から支持具７１ａ，７１ｂに加
わる鉛直下向の作用力は、レール７２ａ、７２ｂにより
支持され、変位検出器６ａ，６ｂの出力Ｓａ，Ｓｂに影
響を及ぼさないので、被訓練者２が脚にかかる負担を減
らすために、支持具７１ａ，７１ｂに体重を預け、鉛直
下向きに大きな力を加えた状態でも、水平方向の作用力
を精度良く検出できる。

【００６５】図６に本発明に係る歩行訓練装置の第２の
構成を示す。図６は装置を右側方より見た側面図を示し
ている。

【００６６】基体３には、支柱４が設けられており、そ
の上部に支持台５が設けられている。支持台５には、弾
性部材６ａ〜６ｄが設けられており、その上に支持具７
が設けられている。また、基体３には、モータ８２によ
り駆動されるベルト８１が設けられている。被訓練者２
は、支持具７につかまり、ベルト８１の上を歩行して歩
行訓練を行う。

【００６７】前述の第１の構成では、駆動部を、基体の
移動を可能にする車輪とこの車輪を駆動するモータ他か
らなる駆動手段とによって構成し、実際に移動すること
によって被訓練者の歩行動作を可能にしたが、本実施例
では、環状のベルト８１とこのベルト８１を駆動するモ
ータ８２他からなる駆動手段を用いて、ベルト８１上で
の被訓練者の歩行動作を可能にしている。

【００６８】前述の第１の構成と同様に、支持具７の支
持台５に対する変位を検出することにより、支持具７に
働く作用力を検出し、前後方向の作用力に応じてモータ
８２を駆動して、ベルト８１を動かすことにより、被訓
練者２対する歩行訓練を行う。また、訓練中に支持具７
に働く作用力を記録することにより、訓練の効果を評価
する。

【００６９】なお、モータ８２を一定の速度で駆動し
て、ベルト８１を一定の速度で駆動して、歩行訓練を行
ってもよい。また、モータ８２の回転数に応じて、所定
のトルクを発生するようにモータ８２を制御することに
より、ベルト８１の抵抗を制御して歩行訓練を行っても
よい。

【００７０】本実施例において、支持具７に作用する作
用力の検出や、その利点は第１の構成と同様であり、ま
た支持台及び支持具周りを図５の構成のようにしてもよ
い。

【００７１】なお、本発明の歩行訓練装置の作用力検出
方法は、パワーアシスト機能を備える電動車椅子や、荷
物運搬用台車にも適用できる。

【００７２】上記説明したように、本発明に係る歩行訓
練装置の各実施例では、支持台に鉛直方向よりも水平方
向の剛性を小さくした複数の弾性部材を設けて、支持具
を両持ち支持し、支持台に対する支持具の変位を変位検
出器により検出することにより、被訓練者から支持具に
働く作用力を検出しており、水平方向の変位検出器の検
出値は鉛直方向の作用力の影響を受けないので、被訓練
者が脚にかかる負担を減らすために支持具に寄りかか
り、支持具に鉛直下向きに大きな力を加えている場合で
も、水平方向の作用力を精度良く検出できる。

【００７３】また、支持具を弾性部材により両持ち支持
し、弾性部材の水平方向の剛性を鉛直方向よりも柔らか
くしているため、支持具に発生する変位が大きくなるの
で、容易に高い力検出精度が得られるとともに、変位検
出器のコストが低減される。

【００７４】作用力の検出精度が高まるので、作用力に
応じて歩行訓練装置を移動させるゲインを高めることが
でき、軽い力で歩行できるようになるので、被訓練者の
疲労が低減される。また、歩行訓練中の被訓練者から働
く作用力の記録精度が高まるので、歩行訓練の効果をよ
り精密に評価できる。

【００７５】本発明に係る上記の実施例では、支持具を
基体に支持する手段或いは部材と力検出手段とを隔離す
ることにより、使用者（被訓練者）の体重による鉛直下
向きの荷重が、水平方向の作用力の検出に影響を及ぼす
ことを防いでいる。このような技術思想は、支持具を基
体に支持する手段を設けた上で、支持具と基体との間に
この支持手段よりも弱い支持剛性を有する梁を別に設
け、この梁に歪みゲージを貼り付けて用いることによっ
ても実施可能である。このような構成によっても、水平
方向の作用力の検出精度を向上することができる。

【００７６】

【発明の効果】支持具を基体に支持する手段とは離隔し
て力検出手段を設けたことにより、被訓練者が脚にかか
る負担を減らすために支持具に寄りかかり、支持具に鉛
直下向きに大きな力を加えている場合でも、水平方向の
作用力を精度良く検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の歩行訓練装置の一実施例の構成を表す
側面図および上面図。

【図２】作用力検出部の構成を示す斜視図および側面
図。

【図３】制御装置の構成を示すブロック図。

【図４】作用力検出の動作を説明するための支持具およ
び支持台の上面図および後側面図。

【図５】作用力検出部の別の構成を示す斜視図。

【図６】本発明の歩行訓練装置の別の実施例を示す側面
図。

【符号の説明】

１…歩行訓練装置、２…被訓練者、３…基体、４…支
柱、５…支持台、６ａ〜６ｄ…弾性部材、７…支持具、
８ａ〜８ｄ…変位検出器、９ａ〜９ｄ…標的、１０ａ，
１０ｂ…モータ、１１ａ，１１ｂ…駆動車輪、１２ａ，
１２ｂ…従動車輪、１７…制御装置、１８ａ、１８ｂ…
減速機、１９ａ，１９ｂ…ベルト、６１ａ、６１ｂ…駆
動回路、６２…メモリ、７１ａ、７１ｂ…支持具、７２
ａ，７２ｂ…レール、７３ａ，７３ｂ…板ばね、８１…
歩行ベルト、８２…モータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小関篤志茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者服部静子茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者酒井昭彦茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者藤江正克茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体と、該基体に設けられ、使用者の歩行
動作を可能にする駆動部と、前記基体に支持された支持
具と、該支持具に作用する力を検出する力検出手段とを
備えた歩行訓練装置において、前記支持具を前記基体に支持する手段とは離隔して前記
力検出手段を設けたことを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項２】基体と、該基体に設けられ、使用者の歩行
動作を可能にする駆動部と、前記基体に支持された支持
具と、該支持具に作用する力を検出する力検出手段とを
備えた歩行訓練装置において、前記支持具を前記基体に支持する手段を、前記力検出手
段と離隔して設けたことを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項３】請求項１又は２に記載の歩行訓練装置にお
いて、前記支持具を前記基体に支持する手段は弾性部材
であることを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項４】基体と、該基体に設けられ、使用者の歩行
動作を可能にする駆動部と、前記基体に支持された支持
具と、該支持具に作用する力を検出する力検出手段とを
備えた歩行訓練装置において、前記基体に支持台を設け、該支持台に前記支持具を支持
部材で支持し、前記力検出手段を前記支持部材とは離隔
して設けたことを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項５】請求項４に記載の歩行訓練装置において、
前記支持部材は弾性部材で構成され、鉛直方向の剛性に
対して水平方向の剛性が柔らかい異方性弾性部材である
ことを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項６】請求項１又は２に記載の歩行訓練装置にお
いて、前記力検出手段は、前記支持台と前記支持具との
相対変位を検出する検出手段であることを特徴とする歩
行訓練装置。
【請求項７】請求項４に記載の歩行訓練装置において、
前記支持部材は前記支持具を複数箇所で前記支持台に支
持し、前記力検出手段は複数の支持位置の間に設けられ
ていることを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項８】請求項４に記載の歩行訓練装置において、
前記支持具を左側部材と右側部材とに分割し、前記支持
台と前記左右の支持具部材との間に、該左右の支持具部
材を各々前後に移動可能に支持するレールを設け、前記
左右の支持具部材と前記支持台との間に、前記左右の支
持具部材の前後方向の動きに対して反力を発生する反力
発生部材を設け、前記支持台と前記左右の支持具部材と
の間の相対変位に基づく物理量を検出する検出器を設け
たことを特徴とする歩行訓練装置。
【請求項９】請求項１乃至８のいずれかに記載の歩行訓
練装置において、前記駆動部は、前記基体に設けられた
車輪と、該車輪を駆動するモータと、該モータを制御す
る制御装置とを備えてなることを特徴とする歩行訓練装
置。
【請求項１０】請求項１乃至８のいずれかに記載の歩行
訓練装置において、前記駆動部は、環状ベルトと、該環
状ベルトを回転駆動するモータと、該モータを制御する
制御装置とを備えてなることを特徴とする歩行訓練装
置。