JP2004329278A - 身体の吊り上げ装置及びこの装置を備えた歩行訓練機 - Google Patents
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Abstract
【課題】正常歩行時においては身体を拘束せず、転倒時には衝撃を与えることなく身体を元の位置に復元することを可能とする身体吊り上げ装置及びこの装置を用いた歩行訓練機を提供すること。
【解決手段】使用者の身体に装着された支持材と、支持材を吊下するロープと、ロープを巻き上げて前記支持材を上方に引き上げるモータと、使用者の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段と、ロープに加わる張力を測定する張力測定手段と、モータの駆動を制御する制御装置とからなり、制御装置は、位置検出手段により測定された吊り上げ部の現在位置と予め測定された使用者の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置との距離が所定値を超えた場合には基準位置に達するまでロープを巻き上げるようにモータを駆動させ、所定値以下の場合には使用者の動きに合わせてロープが上下動するように力制御によりモータを駆動させる。
【選択図】 図１
【解決手段】使用者の身体に装着された支持材と、支持材を吊下するロープと、ロープを巻き上げて前記支持材を上方に引き上げるモータと、使用者の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段と、ロープに加わる張力を測定する張力測定手段と、モータの駆動を制御する制御装置とからなり、制御装置は、位置検出手段により測定された吊り上げ部の現在位置と予め測定された使用者の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置との距離が所定値を超えた場合には基準位置に達するまでロープを巻き上げるようにモータを駆動させ、所定値以下の場合には使用者の動きに合わせてロープが上下動するように力制御によりモータを駆動させる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は身体吊り上げ装置及びこの装置を備えた歩行訓練機に関し、より詳しくは正常起立時においては身体を拘束して動作を妨げることがなく、転倒時には衝撃を与えることなく身体を元の位置に復元させることができる身体吊り上げ装置及びこの装置を備えた歩行訓練機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、交通事故や脳障害等の病気によって歩行が困難な状況にある患者が歩行リハビリテーションを行う場合、看護師や理学療法士などの医療者が患者に付き添って身体を支えることによって行われていたが、このような従来の歩行リハビリは介助する医療者の身体的負担が非常に大きかった。
このような実情から、介助者を必要とせずに患者が一人で歩行リハビリを行うことを可能とするための装置が提案されており、例えば図８に示すような歩行訓練機（Ａ）が知られている。
この歩行訓練機（Ａ）は、患者（Ｋ）が立って肘掛け部（Ｂ）に肘を置いた状態で歩行訓練機（Ａ）を押して前進するものであり、歩行訓練機に体重を預けて歩行することで介助者を不要とすることができるものである。
【０００３】
しかしながら、このような歩行訓練機（Ａ）を使用した場合、介助者がいないために歩行中に患者が転倒してしまうことがあり、転倒の代表的なパターンの一つとして、図８に示すような、患者（Ｋ）の下肢の支持性が欠如しているために膝が折れて鉛直方向に崩れ落ちるパターンがある。
そこで、このような転倒を防ぐ為に、患者の身体をロープで吊り上げるようにした歩行訓練装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−５８７１２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の吊り上げ機構を備えた歩行訓練機は、崩れ落ちた身体を元の位置に復元することができるものの、正常に立って歩行している場合にも患者の身体の動きがロープの長さにより拘束されてしまうため、歩行リハビリが円滑に行えなくなるという問題があった。
また、拘束を弱めるためにロープを緩めると、転倒中にロープが伸び切ったところで大きな張力を受けるため、患者の身体に強い衝撃が加わってしまうという問題が生じる。
【０００６】
本発明は上記したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、正常歩行時においては身体を拘束せず、転倒時には衝撃を与えることなく身体を元の位置に復元することを可能とする身体吊り上げ装置及びこの装置を用いた歩行訓練機を提供せんとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、使用者の身体に装着された支持材と、該支持材を吊下するロープと、該ロープを巻き上げて前記支持材を上方に引き上げるためのモータと、使用者の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段と、ロープに加わる張力を測定する張力測定手段と、前記モータの駆動を制御する制御装置とからなり、該制御装置は、前記位置検出手段により測定された吊り上げ部の現在位置と予め測定された使用者の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置との距離が、所定値を超えた場合には基準位置に達するまでロープを巻き上げるようにモータを駆動させ、所定値以下の場合には使用者の動きに合わせてロープが上下動するように力制御によりモータを駆動させるように構成されてなることを特徴とする身体吊り上げ装置に関する。
請求項２に係る発明は、前記制御装置が、前記距離が所定値を超えた場合において、ロープを巻き上げる前に一定時間モータの駆動を停止させることを特徴とする請求項１記載の身体吊り上げ装置に関する。
【０００８】
請求項３に係る発明は、使用者の身体に装着された支持材と、該支持材を吊下するロープと、該ロープを巻き上げて前記支持材を上方に引き上げるためのモータと、使用者の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段と、ロープに加わる張力を測定する張力測定手段と、前記モータの駆動を制御する制御装置とからなり、該制御装置は、吊り上げ部の加速度値が所定値を超えたときにモータの駆動を停止させ、その後、予め測定された使用者の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置に達するまでロープを巻き上げるようにモータを駆動させ、所定値以下の場合には使用者の動きに合わせてロープが上下動するように力制御によりモータを駆動させるように構成されてなることを特徴とする身体吊り上げ装置に関する。
請求項４に係る発明は、使用者の身体に装着された支持材と、該支持材を吊下するロープと、該ロープを巻き上げて前記支持材を上方に引き上げるためのモータと、使用者の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段と、ロープに加わる張力を測定する張力測定手段と、前記モータの駆動を制御する制御装置とからなり、該制御装置は、吊り上げ部の速度値が所定値を超えたときにモータの駆動を停止させ、その後、予め測定された使用者の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置に達するまでロープを巻き上げるようにモータを駆動させ、所定値以下の場合には使用者の動きに合わせてロープが上下動するように力制御によりモータを駆動させるように構成されてなることを特徴とする身体吊り上げ装置に関する。
【０００９】
請求項５に係る発明は、使用者の身体に装着された支持材と、該支持材を吊下するロープと、該ロープを巻き上げて前記支持材を上方に引き上げるためのモータと、使用者の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段と、ロープに加わる張力を測定する張力測定手段と、前記モータの駆動を制御する制御装置とからなり、該制御装置は、前記張力測定手段により測定された荷重と使用者の体重との比が所定値を超えたときにモータの駆動を停止させ、その後、予め測定された使用者の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置に達するまでロープを巻き上げるようにモータを駆動させ、所定値以下の場合には使用者の動きに合わせてロープが上下動するように力制御によりモータを駆動させるように構成されてなることを特徴とする身体吊り上げ装置に関する。
請求項６に係る発明は、前記制御装置が、基準位置までロープを巻き上げた後、前記張力測定手段による測定値が、使用者の正常自立状態における測定値に基づいて定められた基準値を超えている場合にはモータの駆動を停止し、該基準値以下になった場合には前記力制御によるモータの駆動を行うことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の身体吊り上げ装置に関する。
請求項７に係る発明は、前記力制御が仮想コンプライアンス制御であることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の身体吊り上げ装置に関する。
請求項８に係る発明は、前記請求項１乃至７いずれかに記載の身体吊り上げ装置を備えてなることを特徴とする歩行訓練機に関する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る身体の吊り上げ装置及びこの装置を備えた歩行訓練機の好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明に係る身体の吊り上げ装置を備えた歩行訓練機の概略側面図である。
本発明に係る歩行訓練機（１）は、走行用の車輪（２）を備えた基台（３）と、この基台（３）上に載設された吊り上げ装置（４）及び前方支持台（５）とから構成される。
【００１１】
基台（３）は平面視略Ｕ字状に形成され、その開口部分に歩行リハビリを行う患者等の使用者（Ｓ）が入り込んで立つことができるようになっている。
また、基台（３）には、車輪（２）を駆動させるためのエンコーダ付きモータ（１４）と、電力供給用のバッテリー（１５）が搭載されている。
前方支持台（５）は使用者（Ｓ）の身体を前方で支持するものであり、吊り上げ装置（４）の前方に配置されるとともに、使用者（Ｓ）が正常に起立した状態における肘の高さの位置に肘置き部（５１）を備えており、使用者（Ｓ）は図示の如く肘置き部（５１）に両肘を置いた状態で歩行を行うことができる。
【００１２】
吊り上げ装置（４）は、使用者（Ｓ）の身体に装着された支持材（６）と、該支持材（６）を吊下するロープ（７）と、該ロープ（７）を巻き上げて前記支持材（６）を上方に引き上げるためのエンコーダ付きのＡＣサーボモータ（８）と、使用者（Ｓ）の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段（９）と、ロープ（７）に加わる張力を測定する張力測定手段（１０）と、前記モータ（８）の駆動を制御する制御装置（１１）とから構成されている。
【００１３】
支持材（６）は、使用者（Ｓ）の身体を支持できるように装着され、その上端部左右位置にはそれぞれロープ（７）の一端部が接続されている。尚、支持材（６）は、少なくとも使用者の腰と脇下と股下を同時に支持できるように装着されることが好ましい。
支持材（６）に一端部が接続されたロープ（７）は一旦上方に延出されてから、基台（３）上に立設された側面視略Γ形状の支柱（１２）に取り付けられたローラ（１３）に沿って下方に延び、その他端部はモータ（８）と接続されている。
これによって、モータ（８）が正回転したときは、ロープ（７）が巻き取られて支持材（６）と共に使用者（Ｓ）の身体が上方に引っ張り上げられ、逆回転したときは、ロープ（７）の巻き取りが解かれて支持材（６）と共に使用者（Ｓ）の身体が下方に降ろされる。
また、左右のロープ（７）はそれぞれ別のモータ（８）に接続されており、制御装置（１１）によりこれら左右のモータ（８）を個別に制御することで、左右のロープ（７）の上下動を別々に行わせることが可能とされている。
【００１４】
位置検出手段（９）はモータ（８）の回転軸に取り付けられた位置検出装置、例えばポテンショメータからなり、張力測定手段（１０）は例えばロープ（７）の支持材（６）との連結部分に取り付けられたロードセルからなり、これら各手段による測定値は制御装置（１１）へと送られる。
尚、本発明において、位置検出手段（９）として、ポテンショメータに代えて、例えばエンコーダやリゾルバ等の他の装置を用いることも可能である。また、張力測定手段（１０）についても、ロードセルで直接張力を測定する構成に代えて、モータ（８）の電流を測定して電流値に基づいて張力を算出するようにしてもよい。
【００１５】
制御装置（１１）は、力制御（Ｃｏｍｐｌｉａｎｔ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）によりモータ（８）の駆動を制御する。
力制御は、一般にロボットの運動制御として用いられており、位置（あるいは速度）を指令値とする位置制御ベース力制御と、トルクを指令値とするトルク制御ベース力制御に大別されるが、本発明においてはいずれの制御方式を用いることもできる。
【００１６】
位置制御ベース力制御には、位置指令制御方式として、スティフネス制御（あたかもバネがあるかのようにモータを駆動させるように位置指令を与える制御）、ダンピング制御（あたかもダンパーがあるかのように位置指令を与える制御）、インピーダンス制御（あたかもバネ・ダンパー・質量があるかのように位置指令を与える制御）があり、速度指令制御方式として、仮想コンプライアンス制御（あたかもバネ・ダンパー・質量があるかのようにモータに速度指令を与える制御）があるが、本発明ではいずれの制御方式を用いることも可能である。
また、トルク制御ベース力制御には、トルク制御（トルクを一定値に保つなどトルクのみを制御する）、ハイブリッド制御（位置とトルクの混合制御：目的に合わせて位置制御とトルク制御を使い分ける制御）、インピーダンス制御（あたかもバネ・ダンパー・質量があるかのようにトルク指令を与える制御）があるが、本発明ではいずれの制御方式を用いることも可能である。
【００１７】
以上例示した如く、力制御には種々の制御が存在しているが、これらは制御方式が異なるだけで、簡単に言うとモータを柔らかく制御することを目的とする点で共通している。
具体的には、本発明においては、モータ（８）を柔らかく制御することで使用者（Ｓ）の吊り上げ部の動作制御を柔らかくすることを目的としており、上記したいずれの制御方式の力制御でもこの目的を達成することができるため、いずれの制御方式を採用することも可能である。
【００１８】
以下、制御装置（１１）が仮想コンプライアンス制御によりモータ（８）を制御する場合を例に挙げて本発明をより詳細に説明する。
この場合、制御装置（１１）は、使用者（Ｓ）の吊り上げ部に仮想的にあたかもバネ・ダンパー・質量があるかのようにモータ（８）に速度指令を与えて駆動させる。尚、図２に仮想コンプライアンス制御の模式図を示す。
具体的には、左右のモータ（８）をそれぞれ次式により得られる速度で駆動するように制御する。
ｖｎ＝（Δｔ／ｍ）・｛Ｆ−Ｆ０−ｃｖｎ−１−ｋ（ｘ−ｘ０）｝＋ｖｎ−１
ここで、Δｔはサンプリングタイム、ｖｎは現在のモータへの指令速度、ｖｎ−１は１サイクル前の指令速度、ｍは仮想質量、ｋは仮想バネ定数、ｃは仮想粘性係数、ｘは吊り上げ部の現在位置、ｘ０は吊り上げ部の基準位置（正常自立状態における吊り上げ部位置）、Ｆはロープに生じる張力であり、ｍ、ｋ、ｃの各パラメーターは、使用者の好みや症状に応じて設定することができる。また、Ｆ０は吊り上げ方向に常に加わっていると仮定する力である。Ｆ０を仮定する理由は、ロープは弛まないことが望ましいので、ロープには張力が必要であること、また普通に立っておられない使用者（患者）のように吊り上げ力の補助（免荷）が必要な使用者に対応することができないためである。
【００１９】
尚、使用者の歩行時においては、免荷が必要でない場合のようにできるだけ歩行時に使用者を拘束したくない場合には、ｍ、ｋを除外して、歩行時の引張荷重（＝Ｆ）でロープ部の速度（ｄｘ／ｄｔ）を制御することが好ましい。これは、ｍを入れると動き始めが遅くなり、ｋを入れると大きな変位では復元力が発生するためである。ロープがたるまない程度の最小限の張力を確保するために必要なＦ０と安定化のためのｃを用いることにより拘束感の小さい制御が可能となる。但し、免荷の必要な患者の場合には、ｋを用いる場合もある。図３はＦ０とｃを用いたときの制御の模式図であり、ｄｘ／ｄｔ＝（Ｆ−Ｆ０）／ｃによりモータ（８）を制御する。
但し、使用者の転倒が検知された場合には、それ以上転倒が進まないように、モータを停止するか、或いは仮想粘性係数や仮想質量を大きい値に変更し、モータが徐々に停止するようにする。
【００２０】
図４は制御装置（１１）の制御動作を示すフローチャートであり、以下このフローチャートに沿って制御装置（１１）の動作を説明する。
先ず、予め使用者の好みや症状に応じて、Ｆ０、ｍ、ｋ、ｃの各パラメーターの値を設定し、位置検出手段（９）により吊り上げ部の基準位置ｘ０を測定する。
次いで、位置検出手段（９）により吊り上げ部の現在位置ｘを測定するとともに、張力測定手段（１０）によりロープに生じている張力Ｆを測定する。
そして、制御装置（１１）において、位置検出手段（９）により測定された吊り上げ部現在位置ｘと吊り上げ部基準位置ｘ０との距離Δｘ（＝ｘ−ｘ０）と、予め設定された距離ｄ（以下、所定値ｄという）を比較する。
【００２１】
Δｘが所定値ｄ以下であった場合、使用者（Ｓ）が正常自立状態で歩行していることを意味するから、この場合には前式に示した仮想コンプライアンス制御によりモータ（８）を駆動させる。
これによって、使用者（Ｓ）の吊り上げ部にあたかも張力、（バネ・マス）・ダンパーがあるかのように、使用者の動きに合わせてロープ（７）が上下動するので、使用者（Ｓ）の正常歩行時における歩行動作がロープによって拘束されることがなく、円滑に歩行を続けることができる。
【００２２】
一方、Δｘが所定値ｄを超えた場合、使用者（Ｓ）が正常自立状態から崩れ落ちて転倒していることを意味するから、この場合にはロープ（７）を巻き上げるようにモータ（８）を駆動させる必要があるが、本発明においては、ロープを巻き上げる前に一定時間（Ｔ秒間）モータ（８）の駆動を停止させる。
一定時間モータ（８）の駆動を停止させる理由は、転倒を検知したときには、使用者（Ｓ）はロープの巻き上げ方向（上方）とは逆の方向（下方）の速度をもっており、直ちに巻き上げを開始すると使用者（Ｓ）に大きな衝撃力が加わることになるので、それを避けるため、また使用者があわてないように配慮したためである。
【００２３】
制御装置（１１）は、一定時間モータ（８）を停止させた後、前記吊り上げ部基準位置に達するまで一定速度ｖ０でロープ（７）を巻き上げるようにモータ（８）を駆動させる。これによって、使用者（Ｓ）の身体は正常自立状態となる位置まで上方に引き上げられる。尚、使用者の病状によっては、停止位置のままそのまま動かさず、医師や介助者が復帰の開始の操作を行うようにパラメータを設定することも可能である。
【００２４】
吊り上げ部基準位置までロープ（７）が巻き上げられることによって使用者（Ｓ）の身体が正常自立状態まで引き上げられた後、使用者（Ｓ）が自分の脚の力で立った場合には、張力測定手段（１０）による測定値が減少する。
従って、この使用者が自力で立った状態での張力の測定値を基準値ＦＱとし、張力測定手段（１０）による測定値ＦＧがこの基準値ＦＱ以下になった場合には、前記仮想コンプライアンス制御によるモータの駆動を行わせる。これによって、使用者（Ｓ）はロープ（７）に拘束されることなく歩行を再開することが可能となる。
【００２５】
一方、使用者（Ｓ）の身体が正常自立状態まで引き上げられた後、使用者（Ｓ）が自分の脚の力で立っていない場合、即ちロープの張力で強制的に自立姿勢となっている場合には、張力測定手段（１０）による測定値ＦＧは高い値を示したままとなる。
従って、制御装置（１１）は、張力測定手段（１０）による測定値が前記した基準値ＦＱを超えている間はモータ（８）の駆動を停止させる。このモータの駆動停止は、急停止させてもよいし、徐々に速度を落として停止させてもよい。
そして、使用者（Ｓ）が自力で立つと、測定値ＦＧが基準値ＦＱ以下になるので、上記した如く仮想コンプライアンス制御によってモータを駆動させる。
【００２６】
以上説明したように、本発明に係る吊り上げ装置（４）を歩行訓練機（１）に搭載することによって、歩行が困難な状況にある患者が歩行リハビリテーションを行うために適した歩行訓練機を得ることができる。
【００２７】
尚、上記説明した例においては、使用者（Ｓ）が正常自立状態から崩れ落ちて転倒していることを、吊り上げ部の変位（Δｘ）の値により検知するように制御しているが、転倒検知に変位を用いると、転倒が始まってから実際にモータが停止するまでにある程度（１秒以上）時間がかかるため、使用者の姿勢が大きく崩れてしまうことや、転倒速度が大きくなるために停止時に強い衝撃を受けるおそれがある。またモータの停止が間に合わないおそれもある。このような不都合を防ぐためには、所定値ｄを小さく設定すればよいが、そうすると正常歩行時においても転倒を検知する可能性が生じてしまう。
【００２８】
そこで、本発明においては、かかる不都合を解消するために、使用者（Ｓ）の転倒検知を吊り上げ部の加速度の値により検知するように制御する構成を採用することができる。この場合における制御装置の制御動作のフローチャートを図５に示す。
より詳しくは、制御装置（１１）が、前記位置検出手段（９）により測定された吊り上げ部の位置の時間的変化から差分法あるいは直接的な手段にて加速度を算出し、該加速度値が予め設定された所定値（ａ）を超えたときにモータ（８）の駆動を停止させる。
その後、予め測定された使用者（Ｓ）の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置に達するまでロープ（７）を巻き上げるようにモータ（８）を駆動させ、加速度値が前記所定値以下の場合には使用者（Ｓ）の動きに合わせてロープ（７）が上下動するように力制御（例えば仮想コンプライアンス制御）によりモータ（８）を駆動させるように構成する。
このように、転倒検知を吊り上げ部の加速度の値により検知するように制御する構成を採用すると、転倒の早期検知が可能となる上に、正常歩行時における転倒検知を防ぐことができる。
【００２９】
また、本発明においては、使用者（Ｓ）の転倒検知を吊り上げ部の速度の値により検知するように制御する構成を採用することができる。この場合における制御装置の制御動作のフローチャートを図６に示す。
より詳しくは、制御装置（１１）が、前記位置検出手段（９）により測定された吊り上げ部の位置の時間的変化から速度を算出し、該速度値が予め設定された所定値（ｂ）を超えたときにモータ（８）の駆動を停止させる。
その後、予め測定された使用者（Ｓ）の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置に達するまでロープ（７）を巻き上げるようにモータ（８）を駆動させ、速度値が前記所定値以下の場合には使用者（Ｓ）の動きに合わせてロープ（７）が上下動するように力制御（例えば仮想コンプライアンス制御）によりモータ（８）を駆動させるように構成する。
このように、転倒検知を吊り上げ部の速度の値により検知するように制御する構成を採用した場合も、転倒の早期検知が可能となる上に、正常歩行時における転倒検知を防ぐことができる。
【００３０】
また、本発明においては、使用者（Ｓ）の転倒検知を、張力測定手段（１０）により測定された荷重と、予め測定された使用者の体重との比の値により検知するように制御する構成を採用することができる。この場合における制御装置の制御動作のフローチャートを図７に示す。
この場合、制御装置（１１）が、張力測定手段（１０）により測定された荷重値（Ｗ１）と使用者の体重値（Ｗ２）の比（例えば、荷重／体重）が予め設定された所定値（ｃ）を超えたときにモータ（８）の駆動を停止させる。
その後、予め測定された使用者（Ｓ）の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置に達するまでロープ（７）を巻き上げるようにモータ（８）を駆動させ、前記荷重と体重の比の値が前記所定値以下の場合には使用者（Ｓ）の動きに合わせてロープ（７）が上下動するように力制御（例えば仮想コンプライアンス制御）によりモータ（８）を駆動させるように構成する。
このように、転倒検知を吊り上げ部に加わる荷重と使用者の体重の比の値により検知するように制御する構成を採用した場合も、転倒の早期検知が可能となる上に、正常歩行時における転倒検知を防ぐことができる。
【００３１】
尚、本発明においては、上記した変位と、加速度、速度、荷重と体重の比のいずれかを併用して転倒検知を行うようにする構成が更に好ましく採用できる。
このような構成とすると、ゆっくりとした転倒には変位による検知で対応でき、急激な転倒には加速度又は速度又は荷重と体重の比による検知で対応でき、あらゆる転倒パターンに柔軟に対応することが可能となる。
【００３２】
尚、上述した如く、本発明においては仮想コンプライアンス制御に代えて他の制御方式を採用することもできる。それぞれの制御方式を採用した場合、制御装置は歩行訓練時に以下のような制御を行う。
スティフネス制御を用いる場合には、使用者（Ｓ）の吊り上げ部に仮想的にあたかもバネがあるかのようにモータ（８）に位置指令を与えて駆動させる。
ダンピング制御を用いる場合には、使用者（Ｓ）の吊り上げ部に仮想的にあたかもダンパーがあるかのようにモータ（８）に位置指令を与えて駆動させる。
インピーダンス制御を用いる場合には、使用者（Ｓ）の吊り上げ部に仮想的にあたかもバネ・ダンパー・質量があるかのようにモータ（８）に位置指令を与えて駆動させる。
【００３３】
トルク制御を用いる場合には、使用者（Ｓ）の吊り上げ力が一定になるようにモータ（８）にトルク指令を与えて駆動させる。
インピーダンス制御を用いる場合には、使用者（Ｓ）の吊り上げ部に仮想的にあたかもバネ・ダンパー・質量があるかのようにモータ（８）にトルク指令を与えて駆動させる。
ハイブリッド制御を用いる場合には、上記した位置制御とトルク制御を使い分けるようにモータ（８）に指令を与えて駆動させる。
スティフネス制御を用いる場合には、使用者（Ｓ）の吊り上げ部に仮想的にあたかもバネがあるかのようにモータ（８）にトルク指令を与えて駆動させる。
ダンピング制御を用いる場合には、使用者（Ｓ）の吊り上げ部に仮想的にあたかもダンパーがあるかのようにモータ（８）にトルク指令を与えて駆動させる。
【００３４】
尚、本発明に係る歩行訓練機（１）は、以上説明した電動走行式のものに限定されず、図８に示したような使用者が自分で押しながら進むタイプのものに吊り上げ装置（４）を取り付けたものも含まれる。
また、本発明における吊り上げ装置（４）の用途は歩行訓練機に限定されず、例えば患者が車椅子から立ち上がって移動するときの起立補助装置として、或いは様々な器具を取り付けた重い着衣を身に着けて作業する作業者の身体に加わる負荷を軽減するための装置としてなど、様々な用途に幅広く使用することが可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、歩行リハビリを行う患者等の使用者の膝が折れて鉛直方向に崩れ落ちる転倒を防ぐことができるとともに、正常に起立した状態においてはロープにより身体が拘束されることがなく円滑に動作することが可能となる。
請求項２に係る発明によれば、使用者が転倒した場合において身体を引き上げる際に、使用者に大きな衝撃力が加わることを防ぐことができる。
請求項３乃至５に係る発明によれば、使用者の転倒の早期検知が可能となって急激な転倒を確実に防止することが可能となり、また正常歩行時における転倒検知が防がれて円滑な正常歩行を行うことができる。
請求項６に係る発明によれば、転倒した使用者が自分の脚の力で立つまではロープの張力で使用者の身体を支持することができ、自力で立った後にはロープによる拘束を解いて円滑な動作を可能とすることができる。
請求項７に係る発明によれば、吊り上げ部の動作を円滑に柔らかく制御することができる。
請求項８に係る発明によれば、歩行リハビリを行う患者が、正常に歩行している時においては身体を拘束することがなく、転倒時には身体に衝撃を与えることなく身体を元の位置に復元することが可能な、歩行リハビリを円滑に行うことができ且つ安全性に優れた歩行訓練機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る身体の吊り上げ装置を備えた歩行訓練機の概略側面図である。
【図２】仮想コンプライアンス制御の模式図である。
【図３】正常歩行時における制御の模式図である。
【図４】制御装置の制御動作を示すフローチャートである。
【図５】制御装置の制御動作の他の例を示すフローチャートである。
【図６】制御装置の制御動作の他の例を示すフローチャートである。
【図７】制御装置の制御動作の他の例を示すフローチャートである。
【図８】従来の歩行訓練機を使用して歩行リハビリを行う患者の代表的な転倒パターンの一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 歩行訓練機
４ 吊り上げ装置
６ 支持材
７ ロープ
８ モータ
９ 位置検出手段
１０ 張力測定手段
１１ 制御装置
Ｓ 使用者
【発明の属する技術分野】
本発明は身体吊り上げ装置及びこの装置を備えた歩行訓練機に関し、より詳しくは正常起立時においては身体を拘束して動作を妨げることがなく、転倒時には衝撃を与えることなく身体を元の位置に復元させることができる身体吊り上げ装置及びこの装置を備えた歩行訓練機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、交通事故や脳障害等の病気によって歩行が困難な状況にある患者が歩行リハビリテーションを行う場合、看護師や理学療法士などの医療者が患者に付き添って身体を支えることによって行われていたが、このような従来の歩行リハビリは介助する医療者の身体的負担が非常に大きかった。
このような実情から、介助者を必要とせずに患者が一人で歩行リハビリを行うことを可能とするための装置が提案されており、例えば図８に示すような歩行訓練機（Ａ）が知られている。
この歩行訓練機（Ａ）は、患者（Ｋ）が立って肘掛け部（Ｂ）に肘を置いた状態で歩行訓練機（Ａ）を押して前進するものであり、歩行訓練機に体重を預けて歩行することで介助者を不要とすることができるものである。
【０００３】
しかしながら、このような歩行訓練機（Ａ）を使用した場合、介助者がいないために歩行中に患者が転倒してしまうことがあり、転倒の代表的なパターンの一つとして、図８に示すような、患者（Ｋ）の下肢の支持性が欠如しているために膝が折れて鉛直方向に崩れ落ちるパターンがある。
そこで、このような転倒を防ぐ為に、患者の身体をロープで吊り上げるようにした歩行訓練装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−５８７１２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の吊り上げ機構を備えた歩行訓練機は、崩れ落ちた身体を元の位置に復元することができるものの、正常に立って歩行している場合にも患者の身体の動きがロープの長さにより拘束されてしまうため、歩行リハビリが円滑に行えなくなるという問題があった。
また、拘束を弱めるためにロープを緩めると、転倒中にロープが伸び切ったところで大きな張力を受けるため、患者の身体に強い衝撃が加わってしまうという問題が生じる。
【０００６】
本発明は上記したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、正常歩行時においては身体を拘束せず、転倒時には衝撃を与えることなく身体を元の位置に復元することを可能とする身体吊り上げ装置及びこの装置を用いた歩行訓練機を提供せんとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、使用者の身体に装着された支持材と、該支持材を吊下するロープと、該ロープを巻き上げて前記支持材を上方に引き上げるためのモータと、使用者の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段と、ロープに加わる張力を測定する張力測定手段と、前記モータの駆動を制御する制御装置とからなり、該制御装置は、前記位置検出手段により測定された吊り上げ部の現在位置と予め測定された使用者の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置との距離が、所定値を超えた場合には基準位置に達するまでロープを巻き上げるようにモータを駆動させ、所定値以下の場合には使用者の動きに合わせてロープが上下動するように力制御によりモータを駆動させるように構成されてなることを特徴とする身体吊り上げ装置に関する。
請求項２に係る発明は、前記制御装置が、前記距離が所定値を超えた場合において、ロープを巻き上げる前に一定時間モータの駆動を停止させることを特徴とする請求項１記載の身体吊り上げ装置に関する。
【０００８】
請求項３に係る発明は、使用者の身体に装着された支持材と、該支持材を吊下するロープと、該ロープを巻き上げて前記支持材を上方に引き上げるためのモータと、使用者の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段と、ロープに加わる張力を測定する張力測定手段と、前記モータの駆動を制御する制御装置とからなり、該制御装置は、吊り上げ部の加速度値が所定値を超えたときにモータの駆動を停止させ、その後、予め測定された使用者の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置に達するまでロープを巻き上げるようにモータを駆動させ、所定値以下の場合には使用者の動きに合わせてロープが上下動するように力制御によりモータを駆動させるように構成されてなることを特徴とする身体吊り上げ装置に関する。
請求項４に係る発明は、使用者の身体に装着された支持材と、該支持材を吊下するロープと、該ロープを巻き上げて前記支持材を上方に引き上げるためのモータと、使用者の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段と、ロープに加わる張力を測定する張力測定手段と、前記モータの駆動を制御する制御装置とからなり、該制御装置は、吊り上げ部の速度値が所定値を超えたときにモータの駆動を停止させ、その後、予め測定された使用者の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置に達するまでロープを巻き上げるようにモータを駆動させ、所定値以下の場合には使用者の動きに合わせてロープが上下動するように力制御によりモータを駆動させるように構成されてなることを特徴とする身体吊り上げ装置に関する。
【０００９】
請求項５に係る発明は、使用者の身体に装着された支持材と、該支持材を吊下するロープと、該ロープを巻き上げて前記支持材を上方に引き上げるためのモータと、使用者の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段と、ロープに加わる張力を測定する張力測定手段と、前記モータの駆動を制御する制御装置とからなり、該制御装置は、前記張力測定手段により測定された荷重と使用者の体重との比が所定値を超えたときにモータの駆動を停止させ、その後、予め測定された使用者の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置に達するまでロープを巻き上げるようにモータを駆動させ、所定値以下の場合には使用者の動きに合わせてロープが上下動するように力制御によりモータを駆動させるように構成されてなることを特徴とする身体吊り上げ装置に関する。
請求項６に係る発明は、前記制御装置が、基準位置までロープを巻き上げた後、前記張力測定手段による測定値が、使用者の正常自立状態における測定値に基づいて定められた基準値を超えている場合にはモータの駆動を停止し、該基準値以下になった場合には前記力制御によるモータの駆動を行うことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の身体吊り上げ装置に関する。
請求項７に係る発明は、前記力制御が仮想コンプライアンス制御であることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の身体吊り上げ装置に関する。
請求項８に係る発明は、前記請求項１乃至７いずれかに記載の身体吊り上げ装置を備えてなることを特徴とする歩行訓練機に関する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る身体の吊り上げ装置及びこの装置を備えた歩行訓練機の好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明に係る身体の吊り上げ装置を備えた歩行訓練機の概略側面図である。
本発明に係る歩行訓練機（１）は、走行用の車輪（２）を備えた基台（３）と、この基台（３）上に載設された吊り上げ装置（４）及び前方支持台（５）とから構成される。
【００１１】
基台（３）は平面視略Ｕ字状に形成され、その開口部分に歩行リハビリを行う患者等の使用者（Ｓ）が入り込んで立つことができるようになっている。
また、基台（３）には、車輪（２）を駆動させるためのエンコーダ付きモータ（１４）と、電力供給用のバッテリー（１５）が搭載されている。
前方支持台（５）は使用者（Ｓ）の身体を前方で支持するものであり、吊り上げ装置（４）の前方に配置されるとともに、使用者（Ｓ）が正常に起立した状態における肘の高さの位置に肘置き部（５１）を備えており、使用者（Ｓ）は図示の如く肘置き部（５１）に両肘を置いた状態で歩行を行うことができる。
【００１２】
吊り上げ装置（４）は、使用者（Ｓ）の身体に装着された支持材（６）と、該支持材（６）を吊下するロープ（７）と、該ロープ（７）を巻き上げて前記支持材（６）を上方に引き上げるためのエンコーダ付きのＡＣサーボモータ（８）と、使用者（Ｓ）の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段（９）と、ロープ（７）に加わる張力を測定する張力測定手段（１０）と、前記モータ（８）の駆動を制御する制御装置（１１）とから構成されている。
【００１３】
支持材（６）は、使用者（Ｓ）の身体を支持できるように装着され、その上端部左右位置にはそれぞれロープ（７）の一端部が接続されている。尚、支持材（６）は、少なくとも使用者の腰と脇下と股下を同時に支持できるように装着されることが好ましい。
支持材（６）に一端部が接続されたロープ（７）は一旦上方に延出されてから、基台（３）上に立設された側面視略Γ形状の支柱（１２）に取り付けられたローラ（１３）に沿って下方に延び、その他端部はモータ（８）と接続されている。
これによって、モータ（８）が正回転したときは、ロープ（７）が巻き取られて支持材（６）と共に使用者（Ｓ）の身体が上方に引っ張り上げられ、逆回転したときは、ロープ（７）の巻き取りが解かれて支持材（６）と共に使用者（Ｓ）の身体が下方に降ろされる。
また、左右のロープ（７）はそれぞれ別のモータ（８）に接続されており、制御装置（１１）によりこれら左右のモータ（８）を個別に制御することで、左右のロープ（７）の上下動を別々に行わせることが可能とされている。
【００１４】
位置検出手段（９）はモータ（８）の回転軸に取り付けられた位置検出装置、例えばポテンショメータからなり、張力測定手段（１０）は例えばロープ（７）の支持材（６）との連結部分に取り付けられたロードセルからなり、これら各手段による測定値は制御装置（１１）へと送られる。
尚、本発明において、位置検出手段（９）として、ポテンショメータに代えて、例えばエンコーダやリゾルバ等の他の装置を用いることも可能である。また、張力測定手段（１０）についても、ロードセルで直接張力を測定する構成に代えて、モータ（８）の電流を測定して電流値に基づいて張力を算出するようにしてもよい。
【００１５】
制御装置（１１）は、力制御（Ｃｏｍｐｌｉａｎｔ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）によりモータ（８）の駆動を制御する。
力制御は、一般にロボットの運動制御として用いられており、位置（あるいは速度）を指令値とする位置制御ベース力制御と、トルクを指令値とするトルク制御ベース力制御に大別されるが、本発明においてはいずれの制御方式を用いることもできる。
【００１６】
位置制御ベース力制御には、位置指令制御方式として、スティフネス制御（あたかもバネがあるかのようにモータを駆動させるように位置指令を与える制御）、ダンピング制御（あたかもダンパーがあるかのように位置指令を与える制御）、インピーダンス制御（あたかもバネ・ダンパー・質量があるかのように位置指令を与える制御）があり、速度指令制御方式として、仮想コンプライアンス制御（あたかもバネ・ダンパー・質量があるかのようにモータに速度指令を与える制御）があるが、本発明ではいずれの制御方式を用いることも可能である。
また、トルク制御ベース力制御には、トルク制御（トルクを一定値に保つなどトルクのみを制御する）、ハイブリッド制御（位置とトルクの混合制御：目的に合わせて位置制御とトルク制御を使い分ける制御）、インピーダンス制御（あたかもバネ・ダンパー・質量があるかのようにトルク指令を与える制御）があるが、本発明ではいずれの制御方式を用いることも可能である。
【００１７】
以上例示した如く、力制御には種々の制御が存在しているが、これらは制御方式が異なるだけで、簡単に言うとモータを柔らかく制御することを目的とする点で共通している。
具体的には、本発明においては、モータ（８）を柔らかく制御することで使用者（Ｓ）の吊り上げ部の動作制御を柔らかくすることを目的としており、上記したいずれの制御方式の力制御でもこの目的を達成することができるため、いずれの制御方式を採用することも可能である。
【００１８】
以下、制御装置（１１）が仮想コンプライアンス制御によりモータ（８）を制御する場合を例に挙げて本発明をより詳細に説明する。
この場合、制御装置（１１）は、使用者（Ｓ）の吊り上げ部に仮想的にあたかもバネ・ダンパー・質量があるかのようにモータ（８）に速度指令を与えて駆動させる。尚、図２に仮想コンプライアンス制御の模式図を示す。
具体的には、左右のモータ（８）をそれぞれ次式により得られる速度で駆動するように制御する。
ｖｎ＝（Δｔ／ｍ）・｛Ｆ−Ｆ０−ｃｖｎ−１−ｋ（ｘ−ｘ０）｝＋ｖｎ−１
ここで、Δｔはサンプリングタイム、ｖｎは現在のモータへの指令速度、ｖｎ−１は１サイクル前の指令速度、ｍは仮想質量、ｋは仮想バネ定数、ｃは仮想粘性係数、ｘは吊り上げ部の現在位置、ｘ０は吊り上げ部の基準位置（正常自立状態における吊り上げ部位置）、Ｆはロープに生じる張力であり、ｍ、ｋ、ｃの各パラメーターは、使用者の好みや症状に応じて設定することができる。また、Ｆ０は吊り上げ方向に常に加わっていると仮定する力である。Ｆ０を仮定する理由は、ロープは弛まないことが望ましいので、ロープには張力が必要であること、また普通に立っておられない使用者（患者）のように吊り上げ力の補助（免荷）が必要な使用者に対応することができないためである。
【００１９】
尚、使用者の歩行時においては、免荷が必要でない場合のようにできるだけ歩行時に使用者を拘束したくない場合には、ｍ、ｋを除外して、歩行時の引張荷重（＝Ｆ）でロープ部の速度（ｄｘ／ｄｔ）を制御することが好ましい。これは、ｍを入れると動き始めが遅くなり、ｋを入れると大きな変位では復元力が発生するためである。ロープがたるまない程度の最小限の張力を確保するために必要なＦ０と安定化のためのｃを用いることにより拘束感の小さい制御が可能となる。但し、免荷の必要な患者の場合には、ｋを用いる場合もある。図３はＦ０とｃを用いたときの制御の模式図であり、ｄｘ／ｄｔ＝（Ｆ−Ｆ０）／ｃによりモータ（８）を制御する。
但し、使用者の転倒が検知された場合には、それ以上転倒が進まないように、モータを停止するか、或いは仮想粘性係数や仮想質量を大きい値に変更し、モータが徐々に停止するようにする。
【００２０】
図４は制御装置（１１）の制御動作を示すフローチャートであり、以下このフローチャートに沿って制御装置（１１）の動作を説明する。
先ず、予め使用者の好みや症状に応じて、Ｆ０、ｍ、ｋ、ｃの各パラメーターの値を設定し、位置検出手段（９）により吊り上げ部の基準位置ｘ０を測定する。
次いで、位置検出手段（９）により吊り上げ部の現在位置ｘを測定するとともに、張力測定手段（１０）によりロープに生じている張力Ｆを測定する。
そして、制御装置（１１）において、位置検出手段（９）により測定された吊り上げ部現在位置ｘと吊り上げ部基準位置ｘ０との距離Δｘ（＝ｘ−ｘ０）と、予め設定された距離ｄ（以下、所定値ｄという）を比較する。
【００２１】
Δｘが所定値ｄ以下であった場合、使用者（Ｓ）が正常自立状態で歩行していることを意味するから、この場合には前式に示した仮想コンプライアンス制御によりモータ（８）を駆動させる。
これによって、使用者（Ｓ）の吊り上げ部にあたかも張力、（バネ・マス）・ダンパーがあるかのように、使用者の動きに合わせてロープ（７）が上下動するので、使用者（Ｓ）の正常歩行時における歩行動作がロープによって拘束されることがなく、円滑に歩行を続けることができる。
【００２２】
一方、Δｘが所定値ｄを超えた場合、使用者（Ｓ）が正常自立状態から崩れ落ちて転倒していることを意味するから、この場合にはロープ（７）を巻き上げるようにモータ（８）を駆動させる必要があるが、本発明においては、ロープを巻き上げる前に一定時間（Ｔ秒間）モータ（８）の駆動を停止させる。
一定時間モータ（８）の駆動を停止させる理由は、転倒を検知したときには、使用者（Ｓ）はロープの巻き上げ方向（上方）とは逆の方向（下方）の速度をもっており、直ちに巻き上げを開始すると使用者（Ｓ）に大きな衝撃力が加わることになるので、それを避けるため、また使用者があわてないように配慮したためである。
【００２３】
制御装置（１１）は、一定時間モータ（８）を停止させた後、前記吊り上げ部基準位置に達するまで一定速度ｖ０でロープ（７）を巻き上げるようにモータ（８）を駆動させる。これによって、使用者（Ｓ）の身体は正常自立状態となる位置まで上方に引き上げられる。尚、使用者の病状によっては、停止位置のままそのまま動かさず、医師や介助者が復帰の開始の操作を行うようにパラメータを設定することも可能である。
【００２４】
吊り上げ部基準位置までロープ（７）が巻き上げられることによって使用者（Ｓ）の身体が正常自立状態まで引き上げられた後、使用者（Ｓ）が自分の脚の力で立った場合には、張力測定手段（１０）による測定値が減少する。
従って、この使用者が自力で立った状態での張力の測定値を基準値ＦＱとし、張力測定手段（１０）による測定値ＦＧがこの基準値ＦＱ以下になった場合には、前記仮想コンプライアンス制御によるモータの駆動を行わせる。これによって、使用者（Ｓ）はロープ（７）に拘束されることなく歩行を再開することが可能となる。
【００２５】
一方、使用者（Ｓ）の身体が正常自立状態まで引き上げられた後、使用者（Ｓ）が自分の脚の力で立っていない場合、即ちロープの張力で強制的に自立姿勢となっている場合には、張力測定手段（１０）による測定値ＦＧは高い値を示したままとなる。
従って、制御装置（１１）は、張力測定手段（１０）による測定値が前記した基準値ＦＱを超えている間はモータ（８）の駆動を停止させる。このモータの駆動停止は、急停止させてもよいし、徐々に速度を落として停止させてもよい。
そして、使用者（Ｓ）が自力で立つと、測定値ＦＧが基準値ＦＱ以下になるので、上記した如く仮想コンプライアンス制御によってモータを駆動させる。
【００２６】
以上説明したように、本発明に係る吊り上げ装置（４）を歩行訓練機（１）に搭載することによって、歩行が困難な状況にある患者が歩行リハビリテーションを行うために適した歩行訓練機を得ることができる。
【００２７】
尚、上記説明した例においては、使用者（Ｓ）が正常自立状態から崩れ落ちて転倒していることを、吊り上げ部の変位（Δｘ）の値により検知するように制御しているが、転倒検知に変位を用いると、転倒が始まってから実際にモータが停止するまでにある程度（１秒以上）時間がかかるため、使用者の姿勢が大きく崩れてしまうことや、転倒速度が大きくなるために停止時に強い衝撃を受けるおそれがある。またモータの停止が間に合わないおそれもある。このような不都合を防ぐためには、所定値ｄを小さく設定すればよいが、そうすると正常歩行時においても転倒を検知する可能性が生じてしまう。
【００２８】
そこで、本発明においては、かかる不都合を解消するために、使用者（Ｓ）の転倒検知を吊り上げ部の加速度の値により検知するように制御する構成を採用することができる。この場合における制御装置の制御動作のフローチャートを図５に示す。
より詳しくは、制御装置（１１）が、前記位置検出手段（９）により測定された吊り上げ部の位置の時間的変化から差分法あるいは直接的な手段にて加速度を算出し、該加速度値が予め設定された所定値（ａ）を超えたときにモータ（８）の駆動を停止させる。
その後、予め測定された使用者（Ｓ）の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置に達するまでロープ（７）を巻き上げるようにモータ（８）を駆動させ、加速度値が前記所定値以下の場合には使用者（Ｓ）の動きに合わせてロープ（７）が上下動するように力制御（例えば仮想コンプライアンス制御）によりモータ（８）を駆動させるように構成する。
このように、転倒検知を吊り上げ部の加速度の値により検知するように制御する構成を採用すると、転倒の早期検知が可能となる上に、正常歩行時における転倒検知を防ぐことができる。
【００２９】
また、本発明においては、使用者（Ｓ）の転倒検知を吊り上げ部の速度の値により検知するように制御する構成を採用することができる。この場合における制御装置の制御動作のフローチャートを図６に示す。
より詳しくは、制御装置（１１）が、前記位置検出手段（９）により測定された吊り上げ部の位置の時間的変化から速度を算出し、該速度値が予め設定された所定値（ｂ）を超えたときにモータ（８）の駆動を停止させる。
その後、予め測定された使用者（Ｓ）の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置に達するまでロープ（７）を巻き上げるようにモータ（８）を駆動させ、速度値が前記所定値以下の場合には使用者（Ｓ）の動きに合わせてロープ（７）が上下動するように力制御（例えば仮想コンプライアンス制御）によりモータ（８）を駆動させるように構成する。
このように、転倒検知を吊り上げ部の速度の値により検知するように制御する構成を採用した場合も、転倒の早期検知が可能となる上に、正常歩行時における転倒検知を防ぐことができる。
【００３０】
また、本発明においては、使用者（Ｓ）の転倒検知を、張力測定手段（１０）により測定された荷重と、予め測定された使用者の体重との比の値により検知するように制御する構成を採用することができる。この場合における制御装置の制御動作のフローチャートを図７に示す。
この場合、制御装置（１１）が、張力測定手段（１０）により測定された荷重値（Ｗ１）と使用者の体重値（Ｗ２）の比（例えば、荷重／体重）が予め設定された所定値（ｃ）を超えたときにモータ（８）の駆動を停止させる。
その後、予め測定された使用者（Ｓ）の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置に達するまでロープ（７）を巻き上げるようにモータ（８）を駆動させ、前記荷重と体重の比の値が前記所定値以下の場合には使用者（Ｓ）の動きに合わせてロープ（７）が上下動するように力制御（例えば仮想コンプライアンス制御）によりモータ（８）を駆動させるように構成する。
このように、転倒検知を吊り上げ部に加わる荷重と使用者の体重の比の値により検知するように制御する構成を採用した場合も、転倒の早期検知が可能となる上に、正常歩行時における転倒検知を防ぐことができる。
【００３１】
尚、本発明においては、上記した変位と、加速度、速度、荷重と体重の比のいずれかを併用して転倒検知を行うようにする構成が更に好ましく採用できる。
このような構成とすると、ゆっくりとした転倒には変位による検知で対応でき、急激な転倒には加速度又は速度又は荷重と体重の比による検知で対応でき、あらゆる転倒パターンに柔軟に対応することが可能となる。
【００３２】
尚、上述した如く、本発明においては仮想コンプライアンス制御に代えて他の制御方式を採用することもできる。それぞれの制御方式を採用した場合、制御装置は歩行訓練時に以下のような制御を行う。
スティフネス制御を用いる場合には、使用者（Ｓ）の吊り上げ部に仮想的にあたかもバネがあるかのようにモータ（８）に位置指令を与えて駆動させる。
ダンピング制御を用いる場合には、使用者（Ｓ）の吊り上げ部に仮想的にあたかもダンパーがあるかのようにモータ（８）に位置指令を与えて駆動させる。
インピーダンス制御を用いる場合には、使用者（Ｓ）の吊り上げ部に仮想的にあたかもバネ・ダンパー・質量があるかのようにモータ（８）に位置指令を与えて駆動させる。
【００３３】
トルク制御を用いる場合には、使用者（Ｓ）の吊り上げ力が一定になるようにモータ（８）にトルク指令を与えて駆動させる。
インピーダンス制御を用いる場合には、使用者（Ｓ）の吊り上げ部に仮想的にあたかもバネ・ダンパー・質量があるかのようにモータ（８）にトルク指令を与えて駆動させる。
ハイブリッド制御を用いる場合には、上記した位置制御とトルク制御を使い分けるようにモータ（８）に指令を与えて駆動させる。
スティフネス制御を用いる場合には、使用者（Ｓ）の吊り上げ部に仮想的にあたかもバネがあるかのようにモータ（８）にトルク指令を与えて駆動させる。
ダンピング制御を用いる場合には、使用者（Ｓ）の吊り上げ部に仮想的にあたかもダンパーがあるかのようにモータ（８）にトルク指令を与えて駆動させる。
【００３４】
尚、本発明に係る歩行訓練機（１）は、以上説明した電動走行式のものに限定されず、図８に示したような使用者が自分で押しながら進むタイプのものに吊り上げ装置（４）を取り付けたものも含まれる。
また、本発明における吊り上げ装置（４）の用途は歩行訓練機に限定されず、例えば患者が車椅子から立ち上がって移動するときの起立補助装置として、或いは様々な器具を取り付けた重い着衣を身に着けて作業する作業者の身体に加わる負荷を軽減するための装置としてなど、様々な用途に幅広く使用することが可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、歩行リハビリを行う患者等の使用者の膝が折れて鉛直方向に崩れ落ちる転倒を防ぐことができるとともに、正常に起立した状態においてはロープにより身体が拘束されることがなく円滑に動作することが可能となる。
請求項２に係る発明によれば、使用者が転倒した場合において身体を引き上げる際に、使用者に大きな衝撃力が加わることを防ぐことができる。
請求項３乃至５に係る発明によれば、使用者の転倒の早期検知が可能となって急激な転倒を確実に防止することが可能となり、また正常歩行時における転倒検知が防がれて円滑な正常歩行を行うことができる。
請求項６に係る発明によれば、転倒した使用者が自分の脚の力で立つまではロープの張力で使用者の身体を支持することができ、自力で立った後にはロープによる拘束を解いて円滑な動作を可能とすることができる。
請求項７に係る発明によれば、吊り上げ部の動作を円滑に柔らかく制御することができる。
請求項８に係る発明によれば、歩行リハビリを行う患者が、正常に歩行している時においては身体を拘束することがなく、転倒時には身体に衝撃を与えることなく身体を元の位置に復元することが可能な、歩行リハビリを円滑に行うことができ且つ安全性に優れた歩行訓練機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る身体の吊り上げ装置を備えた歩行訓練機の概略側面図である。
【図２】仮想コンプライアンス制御の模式図である。
【図３】正常歩行時における制御の模式図である。
【図４】制御装置の制御動作を示すフローチャートである。
【図５】制御装置の制御動作の他の例を示すフローチャートである。
【図６】制御装置の制御動作の他の例を示すフローチャートである。
【図７】制御装置の制御動作の他の例を示すフローチャートである。
【図８】従来の歩行訓練機を使用して歩行リハビリを行う患者の代表的な転倒パターンの一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 歩行訓練機
４ 吊り上げ装置
６ 支持材
７ ロープ
８ モータ
９ 位置検出手段
１０ 張力測定手段
１１ 制御装置
Ｓ 使用者
Claims (8)
- 使用者の身体に装着された支持材と、該支持材を吊下するロープと、該ロープを巻き上げて前記支持材を上方に引き上げるためのモータと、使用者の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段と、ロープに加わる張力を測定する張力測定手段と、前記モータの駆動を制御する制御装置とからなり、該制御装置は、前記位置検出手段により測定された吊り上げ部の現在位置と予め測定された使用者の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置との距離が、所定値を超えた場合には基準位置に達するまでロープを巻き上げるようにモータを駆動させ、所定値以下の場合には使用者の動きに合わせてロープが上下動するよう力制御によりモータを駆動させるように構成されてなることを特徴とする身体吊り上げ装置。
- 前記制御装置が、前記距離が所定値を超えた場合において、ロープを巻き上げる前に一定時間モータの駆動を停止させることを特徴とする請求項１記載の身体吊り上げ装置。
- 使用者の身体に装着された支持材と、該支持材を吊下するロープと、該ロープを巻き上げて前記支持材を上方に引き上げるためのモータと、使用者の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段と、ロープに加わる張力を測定する張力測定手段と、前記モータの駆動を制御する制御装置とからなり、該制御装置は、吊り上げ部の加速度値が所定値を超えたときにモータの駆動を停止させ、その後、予め測定された使用者の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置に達するまでロープを巻き上げるようにモータを駆動させ、所定値以下の場合には使用者の動きに合わせてロープが上下動するように力制御によりモータを駆動させるように構成されてなることを特徴とする身体吊り上げ装置。
- 使用者の身体に装着された支持材と、該支持材を吊下するロープと、該ロープを巻き上げて前記支持材を上方に引き上げるためのモータと、使用者の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段と、ロープに加わる張力を測定する張力測定手段と、前記モータの駆動を制御する制御装置とからなり、該制御装置は、吊り上げ部の速度値が所定値を超えたときにモータの駆動を停止させ、その後、予め測定された使用者の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置に達するまでロープを巻き上げるようにモータを駆動させ、所定値以下の場合には使用者の動きに合わせてロープが上下動するように力制御によりモータを駆動させるように構成されてなることを特徴とする身体吊り上げ装置。
- 使用者の身体に装着された支持材と、該支持材を吊下するロープと、該ロープを巻き上げて前記支持材を上方に引き上げるためのモータと、使用者の吊り上げ部位置を検出する位置検出手段と、ロープに加わる張力を測定する張力測定手段と、前記モータの駆動を制御する制御装置とからなり、該制御装置は、前記張力測定手段により測定された荷重と使用者の体重との比が所定値を超えたときにモータの駆動を停止させ、その後、予め測定された使用者の正常自立状態における吊り上げ部の基準位置に達するまでロープを巻き上げるようにモータを駆動させ、所定値以下の場合には使用者の動きに合わせてロープが上下動するように力制御によりモータを駆動させるように構成されてなることを特徴とする身体吊り上げ装置。
- 前記制御装置が、基準位置までロープを巻き上げた後、前記張力測定手段による測定値が、使用者の正常自立状態における測定値に基づいて定められた基準値を超えている場合にはモータの駆動を停止し、該基準値以下になった場合には前記力制御によるモータの駆動を行うことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の身体吊り上げ装置。
- 前記力制御が仮想コンプライアンス制御であることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の身体吊り上げ装置。
- 前記請求項１乃至７いずれかに記載の身体吊り上げ装置を備えてなることを特徴とする歩行訓練機。
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