JP2004201755A - 歩行運動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自然歩行に近い運動軌跡を再現し、揚力（足を引き揚げる力）を考慮した歩行運動装置を提供する。
【解決手段】歩行運動装置１０は、操作部１１と、ペダル２１Ｌ，２１Ｒを含む下肢運動装置２０と、制御部１２と、駆動部１３とを備え、下肢運動装置２０は、二足直立姿勢の歩行が可能な装置であって、左右の足を載せる左右のペダル部２１Ｌ，２１Ｒと、左右のペダル部２１がそれぞれスライド自在に設けられ、後方に配置された支点２２ａを中心に所定角度回転する左右のレール部２２Ｌ，２２Ｒとを備え、後方に支点２２ａを置き、ペダル部２１を載せたレール部２２を「上下」に駆動する動作（矢印Ａ）と、ペダル部２１を「前後」に駆動する動作（矢印Ｂ，Ｃ）を組合せ、自然歩行の軌跡を再現するようにしてある。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二足直立姿勢の歩行運動を行う歩行運動装置に関し、特に、高齢者をはじめ歩行に障害を持つ人の歩行運動のリハビリを行うのに適した歩行運動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の歩行運動装置は、数多く開発、商品化されている。しかし、それらは、ペダルを上下動するために、前方に支点を置く機構を採用している（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３２５８６０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の歩行運動装置は、前方に支点を置く機構を採用しているので、踏力（踏込む力）の鍛錬に特化されてしまい、また、高低差（踏込み幅）の調整が限定されている。
【０００５】
本発明の課題は、自然歩行に近い運動軌跡を再現し、揚力（足を引き揚げる力）を考慮した歩行運動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】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、左右の足を載せる第１及び第２のペダル部材と、前記第１及び第２のペダル部材がそれぞれスライド自在に設けられ、後方に配置された支点を中心に所定角度回転する第１及び第２レール部材と、前記第１及び第２レール部材に対して、前記第１及び第２のペダル部材を交互に前後駆動すると共に、前記第１及び第２レール部材を交互に回転駆動する駆動部と、前記駆動部を管理して、前記第１及び第２のペダル部材の前後高低位置を制御する制御部と、を含む歩行運動装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面などを参照しながら、本発明の実施の形態をあげて、さらに詳しく説明する。
図１〜図５は、本発明による歩行運動装置の実施形態を示す図であって、図１はブロック図、図２はペダル部を示す図、図３は圧力センサーを示す図、図４はフローチャート、図５は歩行運動軌跡を示す図である。
この実施形態の歩行運動装置１０は、図１に示すように、操作部１１と、ペダル２１Ｌ，２１Ｒを含む下肢運動装置２０と、制御部１２と、駆動部１３等とを備えている。
【０００８】
操作部１１は、タッチパネルの画面が用いられており、運動内容、踏込み量、歩幅等を設定する部分である。
【０００９】
下肢運動装置２０は、二足直立姿勢の歩行が可能な装置であって、図２に示すように、左右の足を載せる左右のペダル部（第１及び第２のペダル部材）２１Ｌ，２１Ｒ（以下、２１で代表することがある）と、左右のペダル部２１がそれぞれスライド自在に設けられ、後方に配置された支点２２ａを中心に所定角度回転する左右のレール部（第１及び第２レール部材）２２Ｌ，２２Ｒ（以下、２２で代表することがある）とを備えている。
この実施形態では、後方に支点２２ａを置き、ペダル部２１を載せたレール部２２を「上下」に駆動する動作（矢印Ａ）と、ペダル部２１を「前後」に駆動する動作（矢印Ｂ，Ｃ）を組合せ、自然歩行の軌跡を再現するようにしてある。
【００１０】
また、下肢運動装置２０は、図３に示すように、左右の足の踏力を計測する圧力センサー２３（２３Ｌ，２３Ｒ）が設けられている。
圧力センサー２３は、ロードセル等を使用することができ、図３に示すように、左右のペダル部（足置部）２１Ｒ、２１Ｌに、つま先側の右左にセンサーＳ１，Ｓ２が、センターにセンサーＳ３が、かかと側の右左にセンサーＳ４，Ｓ５が、それぞれ５個ずつ設けられている。
【００１１】
ペダル部２１設けた圧力センサー２３は、利用者の運動状態を把握するために設けられている。両足の圧力センサー２３が、数値０を示した場合には、転倒又は不正利用とみなし、装置を停止する安全策として活用することができる。
また、応用として、歩行運動中のバランスを測定することに用いることができる。歩行能力の測定として、足底の着地時、遊脚時（前方へ踏み出すために、片側の足が宙に浮いている状態）にあたる動作位置でのペダル部２１に掛かる力を計測し、実際の歩行に則したものか否かを判定することができる。
【００１２】
制御部１２は、駆動部１３を管理して、ペダル部２１の前後高低位置を制御する部分である。
駆動部１３は、レール部２２に対して、ペダル部２１を交互に前後駆動すると共に、レール部２２を交互に回転駆動する部分であり、例えば、各部をモータ駆動すればよい。
【００１３】
次に、図３のフローチャートを参照しながら、本実施形態による歩行運動装置の動作を説明する。
操作部１１のスタートＳＷをオンすると、この装置１０がスタートし（Ｓ１００）、操作部１１によって、運動内容、踏込み量や歩幅の設定を行う（Ｓ１０１）。
運動内容は、左右の足を交互に上下させる「踏込み運動」、左右の足を交互に前後させる「すり足運動」、歩行の運動軌跡を再現する「楕円運動運動」より、選択することができる。踏込み量としては、左右の足を上下させる高低差を設定し、歩幅としては、左右の足を前後させるスライド量を設定する。
【００１４】
運動が開始されてから（Ｓ１０２）、ペダル位置を図示しないエンコーダーで検出して（Ｓ１０３）、ＡＣサーボモータ制御を行ない（Ｓ１０４）、運動を終了する（Ｓ１０５）。
装置乗込み時に、体重を計測し、センサーをリセットする。一定時間経過したのちに、計測を開始する。この理由は、運動開始直後の測定誤差をなくし、システムを安定させるためである。センサーのドリフトなどの他に、歩行者のふらつきもある。
【００１５】
ここで、図５を参照しながら、本実施形態による歩行運動装置の歩行運動軌跡について説明する。
歩行時には、図５に示すように、かかとから着地し（Ｆ６，Ｐ６の状態）、つま先によって地面を斜め下後方に蹴る（Ｆ２，Ｐ２の状態）ことにより、推進力を得る。
このとき、ペダル部２１が、レール部２２上を前後にスライドして、「歩幅」を再現する。また、ペダル部２１を積んだレール部２２が上下に稼動して、「踏込み量（足の引き上げ量）」を再現する。
【００１６】
図６、図７は、本実施形態による歩行運動装置の動作（Ｂ）を、従来の歩行運動装置の動作（Ａ）と比較しながら説明する図である。
従来の歩行運動装置１００は、図６（Ａ）に示すように、常に「下り」方向への運動となる（矢印Ｄ）。そして、前方の支点１２２ａより後方下部へ足を蹴り（矢印Ｅ）、駆動部によるレール部１２２の跳ね挙げ動作により、支点１２２ａより上に足を上げた後に（矢印Ｆ）、支点１２２ａに向かって前方下方向へ足を差し出す動作になる（矢印Ｄ）。このときの足の軌跡が図７（Ａ）のようになる。
【００１７】
これに対して、本実施形態による歩行運動装置１０は、図６（Ｂ）に示すように、常に「上り」方向への運動となる（矢印Ｂ）。そして、レール部２２の最前部より踏込み（矢印Ａ）、最下位置より支点２２ａに向かい後方上方向へ蹴り上げた後に（矢印Ｃ）、レール部２２の最前部へ向け足を引き上げる動作になる（矢印Ｂ）。このときの足の軌跡が図７（Ｂ）のようになる。
【００１８】
本実施形態では、Ａ１〜Ａ２のポイントで、足首の動きを促すようにしている。つまり、Ａ１では、かかとから着地するように、レール部２２の先端によって最高位置に達し、水平位置までかかと側に荷重を掛ける動きとなる。
また、Ａ２では、水平位置より下がることによって、自然界と異なる動きを強いられることになるが、かかと側にあった荷重をつま先側へ移し、「蹴る」動きを促すようにしている。
レール部２２が水平位置にあるときに、ペダル部２１は、最前部に達し、後方の支点を中心とする円弧を描くことから、後方への移動が行われ、かかと側の荷重をつま先へ移動する動きを促す。
【００１９】
図８は、自然歩行の１サイクル（＃１〜＃５）の動作を説明する図、図９は、本実施形態による歩行運動装置の動作を詳細に示す図である。
＃１では、左かかとがつく。つまり、左足の膝が伸び、足首はほぼ直角の状態でかかとがつく。それとほぼ同時に右足のかかとが上がる。右つま先は、地面についている。この動作は、図９の後方支点の（ａ）〜（ｂ）に対応する。
【００２０】
＃２では、左足底全面で支える。つまり、左足の底全面がついた後に、右足先で後方へ蹴り出し、左足先に荷重がかかっていく。右足首は、曲がったままの状態で、つま先が前方へ振り出される。この動作は、図９の後方支点の（ｂ）〜（ｅ）に対応する。
【００２１】
＃３では、左つま先が残る（ついている）。つまり、右足のかかとがつき、左足のかかとが上がる。左足先で後方へ蹴り出し、つま先が上がる。この動作は、図９の後方支点の（ｆ）〜（ｇ）に対応する。
【００２２】
＃４では、左足を前方へ振り出す。つまり、左足首が曲がった状態で、つま先が前方へ振り出される。右足底面で支える。この動作は、図９の後方支点の（ｇ）〜（ｊ）に対応する。
＃５では、再び、左かかとがつき、＃１の動きに戻る。
【００２３】
次に、前方支点と後方支点の感覚について説明する。
（１）従来の前方支点では、レールが上がる際に、後ろ足が「はねあげられる」感覚がする。これに対して、本実施形態の後方支点では、支点に近く移動量が少ないため、上がることに対しての違和感は感じない（図９の（ａ）〜（ｃ）における右足及び図９の（ｆ）〜（ｈ）における左足）。
（２）従来の前方支点では、レールが下がる際に（支点に近く移動量が少ないため）、前足に力を入れて踏むような感覚はない。これに対して、本実施形態の後方支点では、前足で踏込む感覚になる（図９の（ａ）〜（ｃ）における左足及び図９の（ｆ）〜（ｈ）における右足）。
【００２４】
（３）従来の前方支点では、上りエスカレーターを下っている感覚がある。これに対して、本実施形態の後方支点では、下りエスカレーターを上っている感覚になる（図９の（ｃ）〜（ｅ）及び図９の（ｈ）〜（ｊ））。
つまり、エスカレーターの例えは、前後方向への身体移動を伴わなず、重心が降り方向（前方支点）又は登り方向（後方支点）に向っているか表現したものである。
前方支点（＝上りエスカレーターを降る感覚）では、振り出した足（仮に右足とする）が下の段に着地した後に、エスカレーターの動きにより身体の後方へ上昇しながら流され、身体の中心線を通過する時点で、反対側の足（左足）を振り出す動きであり、意識としては、足を下ろすことに向けられる。
一方、後方支点（＝下りエスカレーターを登る感覚）では、振り出した足が上の段に着地した後に、エスカレーターの動きにより身体の後方へ下降しながら流されることから、意識としては、足を上げることに向けられる。
図９の（ｃ）〜（ｅ）に、前後方向への移動を示しているが、レールの傾斜が進行方向に向かい「上り」か「下り」かの違いにより、「足を上げる」又は「足を下げる」のどちらかに、意識が向けられるものと思われる。
（４）従来の前方支点では、前方支点では、常に降り坂に向って運動している感覚がある。これに対して、本実施形態の後方支点では、常に登り坂に向って運動している感覚になる（図９の（ｃ）〜（ｅ）及び図９の（ｈ）〜（ｊ））。
【００２５】
（５）従来の前方支点では、降り方向に引っ張られる感覚がある。本実施形態の後方支点では、この感覚はない（図９の（ｃ）〜（ｅ）及び図９の（ｈ）〜（ｊ））。
（６）従来の前方支点では、自身の力に加え重力が働いている感覚がある。本実施形態の後方支点では、この感覚はない（図９の（ｃ）〜（ｅ）及び図９の（ｈ）〜（ｊ））。
（７）従来の前方支点では、特に足を後方へ蹴る際、滑り落ちるようで怖い感覚がある。本実施形態の後方支点では、この感覚はない（図９の（ｃ）〜（ｅ）の左足及び図９の（ｈ）〜（ｊ）の右足）。
（８）従来の前方支点では、レールの上下により降り方向への傾斜が生じることから、低い方向へと重心が前後にぶれてしまう感覚がある。本実施形態の後方支点では、この感覚はない（図９の（ｃ）〜（ｅ）及び図９の（ｈ）〜（ｊ））。
（９）従来の前方支点では、踏込み運動時（ペダルの前後運動を固定）に、僅かながら後方へ踏み降ろす感覚がある。本実施形態の後方支点では、踏込み運動時（ペダルの前後運動を固定）に、僅かながら前方へ踏む感覚になる。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態によれば、後方支点機構を用いることにより、自然歩行の運動軌跡を再現することができる。
したがって、踏力（踏込む力）の鍛錬に加え、下肢を引き揚げる力、関節運動をトレーニングすることができる。
【００２７】
高齢者が「寝たきり生活」に陥る要因として、転倒事故による骨折から入院生活を経たものが大半を占め、段差解消等のバリアフリー環境の整備が必要とされているが、転倒の要因としては、段差へのつまづき以上に筋力低下による「つま先下がり」の状態による自身のつま先甲側から着地し体重を支えられず転倒に至るものが多く、下肢を引き揚げる力を維持することが重要と考えられる。
本実施形態の後方支点を用いることにより、作用点となる前方の高低差を可変し、利用者に見合った負荷量を設定することができる。
【００２８】
（変形形態）
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
例えば、下肢運動装置は、図１０のような歩行運動機構２０を用いてもよい。この場合には、駆動部１３は、ペダル進退機構部３０と、レール上下動機構部４０とで実施される。
図１０は、本発明による歩行運動装置の下肢運動装置の具体例を示す斜視図である。
なお、以下において、特に、左右を区別する必要があるときは、適宜、符号にＬ又はＲの文字を添える。
歩行運動機構２０は、ペダル２１（右ペダル２１Ｒ及び左ペダル２１Ｌ）と、ペダル搭載レール２２（右ペダル搭載レール２２Ｒ及び左ペダル搭載レール２２Ｌ）と、ペダル進退機構部３０と、レール上下動機構部４０とを備える。
【００２９】
ペダル２１（右ペダル２１Ｒ及び左ペダル２１Ｌ）は、歩行運動者が足を載せて歩行運動を行う部分である。ペダル２１は、４本のスプリングによって支持されており、歩行運動者の足の動作に追従可能となっている。
ペダル搭載レール２２（右ペダル搭載レール２２Ｒ及び左ペダル搭載レール２２Ｌ）は、そのペダル２１を載置する。ペダル搭載レール２２は、上面が開口しており、後述の通り、ペダル２１を移動させるベルト３１が露出している。
【００３０】
ペダル進退機構部３０は、右ペダル２１Ｒ及び左ペダル２１Ｌを交互にペダル搭載レール２２上で前進後退させる機構部である。ペダル進退機構部３０は、ベルト３１（右ベルト３１Ｒ及び左ベルト３１Ｌ）と、従動シャフト３２（右従動シャフト３２Ｒ及び左従動シャフト３２Ｌ）と、駆動シャフト３３（右駆動シャフト３３Ｒ及び左駆動シャフト３３Ｌ）と、傘歯車３４（右傘歯車３４Ｒ及び左傘歯車３４Ｌ）と、傘歯車３５と、ペダル進退モータ３６とを備える。
【００３１】
ベルト３１は、ペダル搭載レール２２に設けられた開口部分から、その一部分が露出しており、ペダル２１を取り付けている。したがって、ベルト３１が移動すると、ペダル２１も一体となって移動する。ベルト３１は、従動シャフト３２及び駆動シャフト３３の間に張られている。
【００３２】
従動シャフト３２は、ベルト３１の張力を調整するシャフトである。従動シャフト３２は、両端がペダル搭載レール２２の側壁部分で回転自在に保持されている。
【００３３】
駆動シャフト３３は、ベルト３１を駆動するシャフトである。駆動シャフト３３は、ペダル搭載レール２２の側壁部分で回転自在に保持されているとともに、さらに、一端はペダル搭載レール２２の側壁を貫通して、その先端に傘歯車３４を取り付ける。駆動シャフト３３は、その傘歯車３４の回転を伝達して、ベルト３１を駆動する。
【００３４】
傘歯車３４，３５は、ペダル進退モータ３６の回転を駆動シャフト３３に伝達する伝達部である。
ペダル進退モータ３６は、傘歯車３５を回転させる。また、ペダル進退モータ３６の後部には、ロータリエンコーダ（不図示）が一体的に設けられており、回転角度が連続的に検知されている。
【００３５】
レール上下動機構部４０は、右駆動シャフト３３Ｒ及び左駆動シャフト３３Ｌを回転中心として、右ペダル搭載レール２２Ｒ及び左ペダル搭載レール２２Ｌを交互に上下動させる。レール上下動機構部４０は、ベルト４１と、レール上下動モータ４２と、駆動プーリ４３と、テンションプーリ４４とを備える。
【００３６】
ベルト４１は、駆動プーリ４３及びテンションプーリ４４の間に、「Ｗ」状に掛け渡されており、両端が、右ペダル搭載レール２２Ｒ及び左ペダル搭載レール２２Ｌに固定されている。
【００３７】
レール上下動モータ４２は、駆動プーリ４３を回転させる。また、レール上下動モータ４２の後部には、ロータリエンコーダ（不図示）が一体的に設けられており、回転角度が連続的に検知されている。なお、ペダル搭載レール２２の可動範囲は、このレール上下動モータ４２の回転角度によって決定されるが、本実施形態では、その可動範囲は、水平位置より上下にそれぞれ１０度ずつ（レンジで２０度）である。
【００３８】
駆動プーリ４３は、レール上下動モータ４２に取り付けられ、レール上下動モータ４２の回転を伝達してベルト４１を駆動する。
テンションプーリ４４は、ベルト４１の張力を調整する。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、後方支点の機構を用いることにより、自然歩行の運動軌跡を再現することができ、踏力（踏込む力）の鍛錬に加え、下肢を引き揚げる力、関節運動をトレーニングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による歩行運動装置の実施形態を示すブロック図である。
【図２】本実施形態による歩行運動装置のペダル部を示す図ある。
【図３】本実施形態による歩行運動装置のペダル部の圧力センサーを示す図ある。
【図４】本実施形態による歩行運動装置の動作を説明するフローチャートである。
【図５】本実施形態による歩行運動装置の歩行運動軌跡を示す図である。
【図６】本実施形態による歩行運動装置の動作（Ｂ）を、従来の歩行運動装置の動作（Ａ）と比較しながら説明する図である。
【図７】本実施形態による歩行運動装置の動作（Ｂ）を、従来の歩行運動装置の動作（Ａ）と比較しながら説明する図である。
【図８】自然歩行の１サイクル（＃１〜＃５）の動作を説明する図である。
【図９】本実施形態による歩行運動装置の動作を詳細に示す図である。
【図１０】本発明による歩行運動装置の下肢運動装置の具体例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０ 歩行運動装置
１１ 操作部
１２ 制御部
１３ 駆動部
２０ 下肢運動装置

Claims (1)

1. 左右の足を載せる第１及び第２のペダル部材と、
   前記第１及び第２のペダル部材がそれぞれスライド自在に設けられ、後方に配置された支点を中心に所定角度回転する第１及び第２レール部材と、
   前記第１及び第２レール部材に対して、前記第１及び第２のペダル部材を交互に前後駆動すると共に、前記第１及び第２レール部材を交互に回転駆動する駆動部と、
   前記駆動部を管理して、前記第１及び第２のペダル部材の前後高低位置を制御する制御部と、
   を含む歩行運動装置。

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