JP2002272873A - 歩行装置を用いた筋力増強支援装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広いグラウンドなどを必要とせず、ローラを
引く際の抵抗力を容易に変更可能な筋力増強支援装置を
提供する。 【解決手段】 ベルト機構１上で歩行している歩行者２
がローラバー８を把持することにより、擬似ローラ７に
より歩行者２に対して後方に張力を与えることにより負
荷を与え、速度制御装置１３によって歩行者の歩行状態
および張力に応じてベルト機構１の速度を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は歩行装置を用いた
筋力増強支援装置に関し、特に、ベルト機構の歩行面で
歩行しながら腰や上半身や下半身の筋力の増強を図る筋
力増強支援装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】本願発明者らは、特許第２９２３４９３
号において大規模な空間を仮想的に歩行によって移動す
ることを可能にした歩行感覚生成装置を提案した。この
装置では、ベルト機構の歩行面の姿勢が３軸歩行面保持
機構によって任意の角度に保持され、ＣＣＤカメラによ
って歩行者の足先位置が検出され、糸式センサによって
歩行者の腰部位置が検出され、磁気式位置姿勢計測装置
によって頭部位置が検出される。

【０００３】そして、計算機は検出された足先位置と腰
部位置と頭部位置とに基づいて歩行者の立脚時間を計測
し、歩行者の動きに連動してベルト機構のベルトの移動
を制御するとともに歩行者がベルト機構上で歩行してい
るときの視点位置からの仮想空間が大型スクリーンによ
って表示される。

【０００４】また、この装置では、歩行面を傾斜させて
いわば歩行者が上り坂を登る感覚で歩行することによ
り、足の筋肉増強トレーニングを行なうことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一方、スポーツの筋肉
増強トレーニングにおいては、足の筋肉トレーニングだ
けでは足りず、腰や上半身や下半身など体全体の筋肉増
強トレーニングをする必要がある。このようなトレーニ
ングの１つとして、「ローラ引き」と称するトレーニン
グ方法がある。これは広いグラウンドなどにおいて、ロ
ーラを引いたり押したりするトレーニングである。

【０００６】しかし、このトレーニングはローラの重さ
が一定であり、そのためローラを引いたり、押したりす
る際の抵抗力は容易に変更できない。つまり、利用者の
体力に合わせてローラの抵抗力を調整することは容易で
なかった。さらに、ローラを引きながら歩行するために
は、ある一定のスペースを必要とし、狭い室内などでは
行なうことができない。

【０００７】それゆえに、この発明の主たる目的は、広
いグラウンドなどを必要とせず、ローラを引く際の抵抗
力を容易に変更可能な筋力増強支援装置を提供すること
である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、その上で歩
行者が歩行したときに、歩行による移動を相殺するため
のベルト機構からなる歩行装置を用いて該歩行者の筋力
の増強を支援するための筋力増強支援装置であって、ベ
ルト機構上で歩行している歩行者に対して、負荷として
任意の張力または押圧力を与える擬似ローラと、擬似ロ
ーラによる張力または押圧力を検出する力検出手段と、
ベルト機構上での歩行者の歩行動作を検出する歩行動作
検出手段と、力検出手段および歩行動作検出手段のそれ
ぞれの検出出力に基づいて、ベルト機構のベルトの移動
速度を制御するための制御手段を備えたことを特徴とす
る。

【０００９】また、歩行動作検出手段は、歩行者の足先
位置と腰部位置と頭部位置を検出する。

【００１０】また、制御手段は、歩行動作検出手段によ
る検出結果に基づいて、左右の足の着地と離床を検知し
て歩行開始および停止の判定を行ない、その判定結果に
基づいてベルトの速度を制御し、歩行動作中は力検出手
段の検出出力に基づいて、ベルトの速度に所定の負荷係
数を掛けてベルト機構の速度を制御する。

【００１１】さらに、擬似ローラは、歩行者が把持する
ローラバーと、該ローラバーに対して、後方に張力また
は前方に押圧力を与える力付与手段とを含む。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の一実施形態を示
す全体のブロック図である。図１において、ベルト機構
１は歩行者２がその上で歩行したときに、歩行による移
動を相殺する機構であり、ベルト機構１の前方には、歩
行者２の脚部の運動情報を獲得するためにＣＣＤカメラ
３が配置される。なお、ＣＣＤカメラ３によって歩行者
２の脚部の運動情報を獲得するために、歩行者２の両足
先端部には赤外線の反射シールＰｌ，Ｐｒが貼り付けら
れる。

【００１３】また、歩行者２のベルト機構１上での位置
を計測するために糸式位置センサ４と歩行者２の頭部の
位置姿勢を計測するための磁気式位置姿勢計測装置５が
配置される。これらのＣＣＤカメラ３と糸式位置センサ
４と磁気式位置姿勢計測装置５は歩行者の歩行動作を検
出する歩行動作検出手段を構成している。なお、これら
の歩行動作検出手段は、その他のレーザなどを用いた装
置などであってもよい。さらに、歩行者２の前方には、
歩行動作に連動して仮想空間の映像情報を提示するため
の後方投影方式のプロジェクタ装置と大型スクリーン６
が設置されている。この大型スクリーン６には、映像情
報生成装置１４で生成された仮想空間の映像情報が表示
される。

【００１４】歩行者２の後方には、この発明の特徴とな
る力付与手段としての擬似ローラ７が配置される。擬似
ローラ７は歩行者２がローラバー８を引きながらベルト
機構１上で歩行するときに後方へ張力を与えることによ
り、歩行者２の腰，上半身あるいは下半身の筋力増強の
ための負荷を与える。擬似ローラ７はばね機構や油圧機
構などによって構成される。擬似ローラ７は歩行者２の
後方に配置されているときには、歩行者２に後方への張
力を与えるが、擬似ローラ７が歩行者２の前方に配置さ
れれば、歩行者２がローラバー８を把持すれば前方への
押圧力を与える。

【００１５】また、擬似ローラ７による張力は張力測定
器１０によって測定され、負荷比較器１１に与えられ、
引張り負荷入力・設定装置１２から入力された引張り負
荷と比較され、その比較出力が速度制御装置１３に与え
られる。なお、擬似ローラ７が歩行者２の前方に配置さ
れているときには、張力測定器１０によって押圧力が測
定され、引張り負荷入力・設定装置１２によって押圧負
荷が入力される。

【００１６】速度制御装置１３には、ＣＣＤカメラ３の
画像出力と糸式位置センサ４のセンサ出力と磁気式位置
姿勢計測装置５の出力とが与えられる。速度制御装置１
３はこれらの出力に基づいて、左右の足の着地と離床を
検知して歩行開始および停止の判定を行ない、その判定
結果に基づいてベルト機構１の速度を制御し、歩行動作
中は負荷比較器１１の比較出力に基づいて、ベルト機構
１の速度に所定の負荷係数を乗算してベルト機構１の速
度が遅くなるように制御する。

【００１７】図２はベルト速度の制御を説明するための
フローチャートである。以下に、ベルト機構１の速度制
御について詳細に説明する。まず、歩行者２の歩行開始
時および歩行停止時に、意識することなく歩行による体
の移動を相殺するために、装着感の低い方式で両足先位
置情報と腰部位置情報を計測し、ベルト機構１のベルト
速度を制御している。この制御目的は、歩行者がある速
度Ｖｗで歩行しているとき、歩行者２をベルト機構１上
でのある基準位置Ｘ０上に保つことである。したがっ
て、制御量であるベルトの速度指令Ｖｂは２種類のフィ
ードバックから決定される。Ｆ１は走行速度に関するフ
ィードバックであり、Ｆ２は歩行位置に関するフィード
バックである。

【００１８】まず、Ｆ１について説明する。歩行速度を
直接計測することは難しいため、この実施形態では、計
測可能な立脚時間から歩行速度を推定する。立脚時間と
は歩行時に片足が地面に接地し、体に対して相対的に後
方に移動するモードである。一方、歩行時に後方に下が
った足を前方に振り出すモードは遊脚モードと呼ばれ、
歩行はこの立脚と遊脚を左右の足で交互に繰返す運動で
ある。ここで、実際の歩行動作からこれらの立・遊脚時
間を計測したところ、次の第（１）式に示すような形式
で、歩行者によらず立脚時間がほぼ歩行速度に反比例す
ることが計測された。

【００１９】Ｖｗ′＝ａ／Ｔ＋ｂ…（１） ただし、Ｖｗ′は推定歩行速度、Ｔは立脚時間、ａ，ｂ
は定数である。厳密には、定数係数ａ，ｂには個人差が
ある。そのため、実施形態では、事前にベルトを一定速
度で動かして利用者に歩行してもらい、このパラメータ
の調整を行なって個人の歩行特性に合わせた調整機能を
有している。

【００２０】図２を参照してより具体的に説明すると、
まず歩行者２の両足先位置Ｐｌ，Ｐｒに赤外線反射シー
ルを貼り付け、ステップＳＰ１で前方に設置されている
ＣＣＤカメラ３によって光学的にＰｌ，Ｐｒが計測され
る。得られたＰｌ，ＰｒをステップＳＰ２で時間的に差
分して両足の速度情報を算出し、別に計測されるベルト
速度情報と比較した上で、足先の運動の立・遊脚モード
を判定する。この情報をもとにベルト上での歩行状態の
解析を行ない、ステップＳＰ３で前述の計測が得られた
回帰式により歩行速度Ｖｗ′が推定され、ステップＳＰ
４で速度に関するフィードバックが行なわれる。

【００２１】一方、Ｆ２に関しては、ステップＳＰ５で
糸式位置センサ４によってベルト上で歩行者位置Ｘが計
測され、ステップＳＰ６で歩行者基準位置Ｘ０との距離
誤差ｅをパラメータとして位置制御が行なわれ、Ｆ２の
フィードバックが行なわれる。

【００２２】ステップＳＰ８において以上をまとめ、目
標ベルト速度Ｖｂが第（２）式のように定義される。

【００２３】 Ｖｂ＝Ｆ１（Ｖｗ′）＋Ｆ２（ｅ）…（２） この発明の一実施形態での各フィードバック関数の形式
は第（３）式に示すように、Ｆ１はＶｗ′，Ｆ２はｅを
引数とした１次の線形フィードバックを採用している。

【００２４】Ｖｂ＝αＶｗ′＋βｅ…（３） なお、係数αとβは制御が発散しない範囲で決定する定
数である。

【００２５】図３は停止状態から右足踏み出しで歩行を
開始したときの動作分析図（ａ），（ｂ）とそれに対応
したベルト速度制御アルゴリズム（ｃ）を示す図であ
る。図３（ａ）（ｃ）の大文字のアルファベットはそれ
ぞれの足の着地や離床イベント発生を示す記号であり、
図４（ｂ）は横軸を時間として両足先の遊・立脚モード
の遷移を示している。

【００２６】図３（ｃ）に示すステップＳＰ１１のまず
停止状態からステップＳＰ１２で右足で踏み出し
（Ａ），着地後（Ｂ）に左足を離床した瞬間（Ｃ）に踏
み出しを検知し、ステップＳＰ１３で足の重複歩幅Ｌ₁
が大人の標準的な重複歩幅の１／２以上ならばステップ
ＳＰ１４で歩行開始と判定する。なお、重複歩幅とは片
足の離床から接地するまでの間隔であり、両足が接地し
た状態での両足間の前後間隔を示す歩幅とは異なる。

【００２７】次に、ステップＳＰ１５で位置誤差ルール
Ｆ２によってベルト機構１が駆動される。なお、ステッ
プＳＰ１３において歩幅が標準歩幅の１／２以上を満た
さない場合には足位置は停止しているものと判定し、ベ
ルト機構１の駆動は行なわれない。次に、ステップＳＰ
１６で先に踏み出し右足が再び離床するタイミング
（Ｄ，Ｅ）を待って、ステップＳＰ１７でこの足の立脚
時間ｔ₁ を計測し、ステップＳＰ１８で回帰式によって
速度を推定することでベルトの速度制御に推定法歩行速
度ルールＦ１が加えられる。それ以降は、次の図５で示
す走行フェーズに移行する。なお、便宜上ここでは右足
踏み切りでの動作遷移を示しているが、アルゴリズムは
踏み出し足に依存しない。

【００２８】図４は歩行中の動作分析とそれに対応した
ベルト速度制御アルゴリズムを示す図である。この図４
においても、図中の記号などは前述の図３と同様であ
る。ここで、右足での着地（Ａ）からの状態制御を示す
が、アルゴリズムは踏み出し足に依存しない。

【００２９】ステップＳＰ２１においてまず右足が着地
した瞬間（Ｇ）に、ステップＳＰ２２で右足の重複歩幅
Ｌ₂ が計測される。重複歩幅は後で述べる停止アルゴリ
ズムで使用される。次いで、ステップＳＰ２３で左足の
離床（Ｈ）を検知し、ステップＳＰ２４で立脚時間ｔ₂
が計測される。この際に、ステップＳＰ２５でベルト速
度アルゴリズムのＦ１のパラメータＶｗ′が更新され
る。

【００３０】このとき、張力測定器１０で測定された張
力と引張り負荷入力装置１２からの入力値とが負荷比較
器１１で比較され、その比較出力に基づいてパラメータ
Ｖｗ´に負荷係数が乗じられ、擬似ローラ７によって張
力が与えられていないときに比べてベルト機構１のベル
ト速度が遅くなるように制御される。

【００３１】以後、ステップＳＰ２６〜ＳＰ２９によ
り、（Ｉ→Ｊ→Ｋ→Ｌ）と交互に立・遊脚動作を繰返す
ために、それぞれの重複歩幅Ｌ₃ ，Ｌ₄ 、立脚時間
ｔ₃ ，ｔ₄の計測が繰返される。したがって、Ｆ１はス
テップＳＰ３０で数Ｈｚの歩行のタイミングで更新さ
れ、一方Ｆ２はより速い周期（実施形態では３０Ｈｚ）
で更新される。また、この後で述べる停止アルゴリズム
のために遊脚時間も計測される。

【００３２】図５は歩行停止動作時の動作分析とそれに
対応したベルト制御アルゴリズムを示す図である。この
図５においても記号などは図３と同じである。また、こ
こでは右足での着地（Ｍ）から両足が停止する状態
（Ｑ）までの状態制御を示しているが、同様にアルゴリ
ズムは踏み出し足に依存しない。

【００３３】図５（ｃ）においてステップＳＰ３１で右
足の着地が検知され、ステップＳＰ３４で右足の離床
（Ｂ）を検知するまでは前述の歩行フェーズと同様であ
るが、ステップＳＰ３５において右足の着地を検知した
瞬間（Ｑ）において、ステップＳＰ３６で１）重複歩幅
がこれまでの７０％以下、２）遊脚時間ｔ₅ がこれまで
の半分以下、３）右足が停止後に一定時間左足が動かな
い点の３条件が満たされた際にベルト機構１の駆動は停
止される。なお、この実施形態では、この停止判定は歩
行フェーズの一部として実装される。

【００３４】上述のごとく、この実施形態によれば、歩
行者２がローラバー８を把持しながらベルト機構１上で
歩行動作することにより、擬似ローラ７によって歩行者
２の腰や下半身に負荷を与えながら筋力増強トレーニン
グを行なうことができる。したがって、従来のローラ引
きのトレーニングのように広いスペースも必要がなく、
しかも擬似ローラ７の張力は張力設定装置によって任意
の張力を設定できるので、歩行者２の体力に合わせた筋
力増強トレーニングが可能になる。

【００３５】なお、図１に示したベルト機構１は水平に
固定されたものとして図示されているがこれに限定され
るものではなく、前述の特許第９２３４９３号に記載さ
れている３軸歩行面保持機構に取り付けられたベルト機
構にもこの発明による擬似ローラ７を設けることも可能
である。

【００３６】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、ベル
ト機構上で歩行している歩行者が把持することにより、
歩行者に対して負荷として任意の張力または押圧力を与
える擬似ローラを設け、擬似ローラによる張力または押
圧力と、ベルト機構上での歩行者の歩行動作の検出出力
とに基づいて、ベルト機構のベルトの移動速度を制御す
るようにしたので、狭い室内などにおいても腰や上半身
あるいは下半身の筋力増強のトレーニングの支援を行な
うことができる。しかも、張力あるいは圧縮力を歩行者
の体力に合わせて任意に設定できるので、歩行者の体力
に応じたトレーニングが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施形態を示す全体のブロック
図である。

【図２】 ベルト速度の制御を説明するためのフローチ
ャートである。

【図３】 停止状態から右足踏み出しで歩行を開始した
ときの動作分析図とそれに対応したベルト速度制御アル
ゴリズムを示す図である。

【図４】 歩行中の動作分析とそれに対応したベルト速
度制御アルゴリズムを示す図である。

【図５】 歩行停止動作時の動作分析とそれに対応した
ベルト制御アルゴリズムを示す図である。

【符号の説明】

１ ベルト機構、２ 歩行者、３ ＣＣＤカメラ、４
糸式位置センサ、５磁気式位置姿勢計測装置、６ 大型
スクリーン、７ 擬似ローラ、８ ローラバー、１０
張力測定器、１１ 負荷比較器、１２ 引張り負荷入力
・設定装置、１３ 速度制御装置、１４ 映像生成装
置。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 その上で歩行者が歩行したときに、歩行
   による移動を相殺するためのベルト機構からなる歩行装
   置を用いて該歩行者の筋力の増強を支援する筋力増強支
   援装置であって 前記ベルト機構上で歩行している歩行者に対して、負荷
   として任意の張力または押圧力を与える擬似ローラ、 前記擬似ローラによる張力または押圧力を検出する力検
   出手段、 前記ベルト機構上での歩行者の歩行動作を検出する歩行
   動作検出手段、および前記力検出手段および前記歩行動
   作検出手段のそれぞれの検出出力に基づいて、前記ベル
   ト機構のベルトの移動速度を制御するための制御手段を
   備えた、歩行装置を用いた筋力増強支援装置。
2. 【請求項２】 前記歩行動作検出手段は、前記歩行者の
   足先位置と腰部位置と頭部位置を検出することを特徴と
   する、請求項１に記載の歩行装置を用いた筋力増強支援
   装置。
3. 【請求項３】 前記制御手段は、前記歩行動作検出手段
   による検出結果に基づいて、左右の足の着地と離床を検
   知して歩行開始および停止の判定を行ない、その判定結
   果に基づいて前記ベルトの速度を制御し、歩行動作中は
   前記力検出手段の検出出力に基づいて、前記ベルトの速
   度に所定の負荷係数を掛けて前記ベルト機構の速度を制
   御することを特徴とする、請求項２に記載の歩行装置を
   用いた筋力増強支援装置。
4. 【請求項４】 前記擬似ローラは、前記歩行者が把持す
   るローラバーと、該ローラバーに対して、後方に張力ま
   たは前方に押圧力を与える力付与手段とを含むことを特
   徴とする、請求項１に記載の歩行装置を用いた筋力増強
   支援装置。