JP2005074063A

JP2005074063A - 歩行訓練装置

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Publication number: JP2005074063A
Application number: JP2003309908A
Authority: JP
Inventors: Ryokichi Hirata; 亮吉平田; Taisuke Sakaki; 泰輔榊
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】歩行周期にあわせて股・膝・足関節駆動部を駆動し両下肢を協調させて動作させるとともに、生体情報計測手段により計測された生体情報を基に訓練者の訓練状況を評価し、訓練者の歩幅と歩行周期の一方あるいは両方を変更することができる歩行訓練装置を提供する。
【解決手段】訓練者の生体情報を計測する生体情報計測手段と、前記訓練者の歩幅あるいは歩行周期を計測して表示あるいは運動の合図を提示する訓練結果評価部と、を備え、前記訓練結果評価部は、前記生体情報計測手段により計測された生体情報を基に前記訓練者の訓練状況を評価し、前記訓練者の歩幅と歩行周期の一方あるいは両方を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、運動機能や脳機能などに障害を持つ患者を対象とし、リハビリテーションを行っている患者の状態を計測し、患者の状態に応じて歩行運動を行わせる歩行訓練装置に関するものである。

第１の従来例として、歩行および走行の歩幅を自動的に測定して表示あるいは記録することを目的として特許文献１のようなトレッドミルが提案されている。以下、簡単に図面を用いて説明する。図１８は従来のトレッドミルの構成を示す図である。１０１はベルト、１０１ａは走行面、１０１ｂは走行板、１０２はローラ、１０３はモータ、１０３ａは回転軸、１０４はサーボ制御回路、１０５は回転速度センサ、１０６は速度表示器、１１０は着地検出回路、１１１は計時回路、１１２は歩幅算出回路、１１３は平均歩幅算出回路、１１４は歩幅表示器、１１５は平均歩幅表示器である。以上の構成において、ローラ１０２およびモータ１０３の回転軸１０３ａに巻回され、かつ走行板１０１ｂに載置されたベルト１０１が、モータ１０３により無端ベルトコンベア式に一定方向へ回動させられ、その表面を走行面１０１ａとして歩行又は走行の訓練、健康維持或いは検査用の運動負荷等の目的に使用することができるようになっている。モータ１０３には、設定された走行速度に応じて駆動するサーボ制御回路１０４が付属しており、その回転速度はタコメータ、ロータリエンコーダ等の回転速度センサ１０５で検出され、速度表示器１０６に表示することができるようになっている。

第２の従来例として、歩行訓練中に歩行周期に対応させて作成した音符の繰り返し又はリズム音を患者へ提示することを目的として特許文献２のような歩行動作の訓練装置が提案されている。特許文献２では、歩行周期の音符化方法並びにこの方法を応用した歩行動作の訓練装置および分析が記載されている。以下、簡単に図面を用いて説明する。図１９は、第２の従来例の歩行動作の概略を示す説明図である。図２０は、第２の従来例の歩行動作の訓練装置の構成を示す図である。２０１は立脚期間検出手段、２０１´は接地検出手段、２０２は歩行周期計測手段、２０３は音符データ作成手段、２０４は記録手段、２０５は歩行動作解析手段、２０６はリズム音再生手段、２０７は歩行リズム解析手段、２０８は正常歩行リズム作成手段、２０９は中途目標歩行リズム作成手段、２１０はフットセンサ、２２０はリズム音再生手段、２３０は送信機、２３１は受信機である。
以上の構成において、立脚期間検出手段２０１、接地検出手段２０１´、および歩行周期計測手段２０２により被験者の歩行動作を検出し、歩行リズム解析手段２０７で歩行リズムを解析し、リズム音再生手段２０６で音符を発生する。上記のような歩行周期の音符化並びにこの方法を応用した歩行動作の訓練装置および分析において、いずれかの片脚が床面に設置して体重を支える期間である立脚期間、反対脚が離床している期間である遊脚期間、前記立脚期間に含まれる両脚が同時に床面に接地している期間である二重支持期間によって主たる１歩行周期を、この１歩行周期における脚の接地時点を音符の起点とし、脚が床に接地している立脚期間、又は反対脚が接地するまでの所要時間を音符の長さとして表現し、各歩において前記各期間を時系列的に連続させて成り立つ歩行動作を音符の繰り返しとその変化により表現し、被験者の歩行速度を改善できるようになっている。また、歩行周期に対応させて作成した音符をリズム音に変換して、１歩行周期を音の長さとして表現し、リズム音の持つ継起的な音の時間的変化によって歩行動作を表現し、被験者の歩行速度を改善することができる。

実公平７−４５２３９号公報特開平９−２７６３４８号公報

しかしながら、上記第１の従来例のトレッドミルにおいては、訓練中に歩行および走行の歩幅を自動的に測定して表示あるいは記録することはできるが、歩行周期にあわせて股・膝・足関節駆動部を駆動し両下肢を協調させて動作させることができなかった。また、訓練者の訓練状況に応じて歩幅や歩行周期を変更することができなかった。
上記第２の従来例の歩行動作の訓練装置においては、歩行訓練中に歩行周期に対応させて作成した音符の繰り返しまたはリズム音を患者へ提示しているのみのため、患者が音符の繰り返しまたはリズム音に合わせて自発的に各関節を屈曲・伸展できない場合、訓練状況に応じて歩幅や歩行周期を変更できなかった。
ここで、片麻痺患者の回復レベルについて説明する。片麻痺患者の評価指標の一例として、Brunnstrom Stageがある。Brunnstrom Stageの段階としては、I、II、III、IV、Ｖ、VIの６段階があり、症状が回復するにつれてレベル（数字）が上がっていく。片麻痺患者のBrunnstrom Stageが上がるにつれて歩幅が拡大し、歩行周期が短縮されていく。
前記２つの従来例では、訓練者の訓練状況に応じて歩幅や歩行周期を変更することができないため、設定されている歩幅が訓練者のそれよりも狭い場合、あるいは設定されている歩行周期が訓練者のそれより長い場合、訓練者にとって適切な両下肢の股・膝・足関節の協調動作を実施することができず、効率的な回復訓練ができなかった。また、設定されている歩幅が訓練者のそれに比べ広すぎる場合、あるいは設定されている歩行周期が訓練者のそれに比べ短すぎる場合、負荷の大きい訓練となり、訓練者が訓練中に疲労することがあった。
したがって、本発明の目的は、歩行周期にあわせて股・膝・足関節駆動部を駆動し両下肢を協調させて動作させるとともに、生体情報計測手段により計測された生体情報を基に訓練者の訓練状況を評価し、訓練者の歩幅と歩行周期の一方あるいは両方を変更することができる歩行訓練装置を提供することである。

上記の問題を解決するため、本発明は以下のように構成されている。
請求項１記載の歩行訓練装置は、
訓練者の関節トルクを計測する力センサと、
前記訓練者の関節角度を計測する角度センサと、
前記訓練者の下肢を駆動する下肢駆動部と、
前記訓練者の足関節を駆動する足関節駆動部と、
訓練データを記憶する訓練データ記憶部と、
前記下肢駆動部と前記足関節駆動部とを駆動し両下肢を協調させて動作させる訓練軌道を生成する訓練軌道生成部と、
を備えた、前記訓練者の肢体を前記訓練軌道に沿って繰り返し動作させる歩行訓練装置において、
前記訓練者の生体情報を計測する生体情報計測手段と、前記訓練者の歩幅あるいは歩行周期を計測して表示あるいは運動の合図を提示する訓練結果評価部と、を備え、
前記訓練結果評価部は、前記生体情報計測手段により計測された生体情報を基に前記訓練者の訓練状況を評価し、前記訓練者の歩幅と歩行周期の一方あるいは両方を変更することを特徴とする。
請求項２記載の歩行訓練装置においては、
前記生体情報計測手段は、前記力センサを用いて前記訓練者の関節トルクを計測し、前記訓練結果評価部は、健側あるいは患側の歩行周期の一定の位相における前記関節トルクの大きさを基に前記訓練軌道生成部により前記訓練者の歩幅と歩行周期の一方あるいは両方を変更することを特徴とする。
請求項３記載の歩行訓練装置においては、
前記生体情報計測手段は、足底反力計測手段を用いて前記訓練者の足底反力の時間微分値を計測し、前記訓練結果評価部は、健側あるいは患側の歩行周期の一定の位相における前記足底反力の時間微分値の大きさを基に前記訓練軌道生成部により前記訓練者の歩幅と歩行周期の一方あるいは両方を変更することを特徴とする。
請求項４記載の歩行訓練装置においては、
前記生体情報計測手段は、筋電図計測手段を用いて前記訓練者の積分筋電図を計測し、前記訓練結果評価部は、健側あるいは患側の歩行周期の一定の位相における前記積分筋電図の大きさを基に前記訓練軌道生成部により前記訓練者の歩幅と歩行周期の一方あるいは両方を変更することを特徴とする。
請求項５記載の歩行訓練装置においては、
前記生体情報計測手段は、加速度計測手段を用いて前記訓練者の下肢が動作するときの加速度を計測し、前記訓練結果評価部は、健側あるいは患側の歩行周期の一定の位相における前記下肢が動作するときの加速度の大きさを基に前記訓練軌道生成部により前記訓練者の歩幅と歩行周期の一方あるいは両方を変更することを特徴とする。

請求項１記載の歩行訓練装置によれば、訓練中の訓練者の生体情報に応じた歩幅あるいは歩行周期で、両下肢を協調させた歩行訓練を実施できる。
請求項２記載の歩行訓練装置によれば、訓練中の訓練者の関節トルクに応じた歩幅あるいは歩行周期で、両下肢を協調させた歩行訓練を実施できる。
請求項３記載の歩行訓練装置によれば、訓練中の訓練者の足底反力の時間微分値に応じた歩幅あるいは歩行周期で、両下肢を協調させた歩行訓練を実施できる。
請求項４記載の歩行訓練装置によれば、訓練中の訓練者の積分筋電図に応じた歩幅あるいは歩行周期で、両下肢を協調させた歩行訓練を実施できる。
請求項５記載の歩行訓練装置によれば、訓練中の訓練者の下肢が動作するときの加速度に応じた歩幅あるいは歩行周期で、両下肢を協調させた歩行訓練を実施できる。

以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。

本発明の歩行訓練装置の概略について図１乃至５に基づいて説明する。
図１は、本発明の歩行訓練装置のシステム構成を示す図である。１は歩行訓練装置、２はコントローラ、３は訓練軌道生成部、４は訓練データ記憶部、５は訓練結果評価部、６は力センサ、７は角度センサ、８は大腿装着部、９は下腿装着部、１０は訓練軌道、１１は訓練者、１２は下肢駆動部、１３は足関節駆動部、１４は操作パネル、１５は生体情報計測手段である。図２は、本発明の訓練軌道の変更方法を示す図である。
図４は、健常者の歩行周期の位相と股関節、膝関節および足関節の関節運動との関係を示す図である。歩行周期の位相は、踵接地、足底接地、立脚中期、踵離地、足尖離地、遊脚初期および遊脚後期から構成され、各位相に応じて股関節、膝関節および足関節の屈曲・伸展運動が繰り返される。
また、図５は本発明の歩行訓練装置における歩行パターンの実現を示す図である。訓練軌道生成部３がコントローラ２に動作指令を与え、コントローラ２が下肢駆動部１２、足関節駆動部１３を制御し訓練軌道を実現した図である。（ａ）は踵接地、（ｂ）は足底接地、（ｃ）は立脚中期、（ｄ）は踵離地、（ｅ）は足尖離地、（ｆ）は遊脚初期、（ｇ）は遊脚後期を実現した図である。医師や理学療法士が、操作パネル１４を用いて、訓練内容（他動運動訓練、自動介助運動訓練などの訓練モード、繰り返し回数、メカニカルインピーダンス制御の慣性、粘性、剛性の係数といった運動の硬さ、訓練軌道）を入力し、訓練データ記憶部４から訓練軌道のデータが呼び出される。そして、コントローラ２が下肢駆動部１２、足関節駆動部１３を制御し、踵接地、足底接地、立脚中期、踵離地、足尖離地、遊脚初期および遊脚後期を１周期として訓練の動作を繰り返す。また、力センサ６により訓練者１１の発生する力を検出し、コントローラ２が下肢駆動部１２をメカニカルインピーダンス制御して、訓練者１１に無理な負荷がかからないようにすることができる。

まず、例えば患側の生体情報の大きさを基に、訓練者１１の歩幅を変更する方法について説明する。訓練軌道生成部３は、訓練者１１に訓練軌道１０に沿って自動介助運動訓練を実施させ、生体情報計測手段１５により訓練者１１の生体情報を計測し、訓練データ記憶部４が生体情報を記憶する。訓練結果評価部５は、歩行周期のある位相（例えば足尖離地）における生体情報の大きさを基に、下記のように歩幅をある一定間隔（例えば１周期）ごとに変更する。生体情報の目標値をＳ、生体情報の最小基準値をＳ₀、予め決められた訓練軌道１０の任意の座標を（Ｘ_N，Ｚ_N）とする。患側の足尖離地における生体情報の大きさｓを基に、訓練軌道１０のＺ座標を以下のようにnew_Ｚ_Nに変更し、訓練軌道生成部３が下肢駆動部１２を駆動させる。

ｓ＜Ｓ₀のとき
new_Ｚ_N＝（Ｓ₀／Ｓ）Ｚ_N・・・（１）
Ｓ₀＜ｓ＜Ｓのとき
new_Ｚ_N＝（ｓ／Ｓ）Ｚ_N ・・・（２）
ｓ＞Ｓのとき
new_Ｚ_N＝Ｚ_N ・・・（３）

以上のようにすればある間隔ごとに歩幅を変更でき、最小基準値Ｓ₀を訓練者１１に合わせた値に設定しておけば歩幅をより長くするような訓練を実施できる。ここで、訓練軌道１０のＺ座標を変更するのではなく、生体情報の大きさに応じて股・膝関節角度の屈曲角度を変更するようにしてもよい。

次に、例として患側の生体情報の大きさを基に、訓練者１１の歩行周期を変更する方法について説明する。図３は、本発明の歩行周期の変更方法を示す図である。訓練軌道生成部３は、訓練者１１に訓練軌道１０に沿って自動介助運動訓練を実施させ、生体情報計測手段１５により訓練者１１の生体情報を計測し、訓練データ記憶部４が生体情報を記憶する。訓練結果評価部５は、歩行周期のある位相（例えば足尖離地）における生体情報の大きさを基に、下記のように歩行周期をある一定時間（例えば１周期）ごとに変更する。生体情報の目標値をＳ、生体情報の最小基準値をＳ₀、目標とする歩行周期をＴとする。患側の足尖離地における生体情報の大きさｓを基に、歩行周期を以下のようにnew_Ｔに変更し、訓練軌道生成部３が下肢駆動部１２を駆動させる。

ｓ＜Ｓ₀のとき
new_Ｔ＝２Ｔ−（Ｓ₀／Ｓ）Ｔ・・・（４）
Ｓ₀＜ｓ＜Ｓのとき
new_Ｔ＝２Ｔ−（ｓ／Ｓ）Ｔ・・・（５）
ｓ＞Ｓのとき
new_Ｔ＝Ｔ・・・（６）

以上のようにすればある間隔ごとに歩行周期を変更でき、最小基準値Ｓ₀を訓練者１１に合わせた値に設定しておけば歩行周期をより短くするような訓練を実施できる。

なお、生体情報を計測する下肢を患側ではなく健側としてもよく、評価対象に生体情報を統計処理した値、例えば生体情報の平均値などを用いてもよい。また、生体情報を計測する期間は歩行周期の足尖離地に限らず、踵接地、立脚中期、踵離地、足尖離地、遊脚初期、遊脚後期、歩行全位相としてもよい。さらに、歩幅あるいは歩行周期を変更する間隔を１周期ではなく、複数周期、時間としてもよい。

本発明の第１の実施の形態の歩行訓練装置について図６乃至８に基づいて説明する。
図６は、本発明の第１の実施の形態の歩行訓練装置のシステム構成を示す図である。図６において図１と同じ符号のものは同一のものを示しているので説明は省略する。

図７は、本発明の第１の実施の形態の訓練軌道の変更方法を示す図である。まず、例えば患側の股関節トルクの大きさを基に、訓練者１１の歩幅を変更する方法について説明する。訓練軌道生成部３は、訓練者１１に訓練軌道に沿って自動介助運動訓練を実施させ、力センサ６により訓練者１１の股関節トルクを計測し、訓練データ記憶部４が股関節トルクを記憶する。訓練結果評価部５は、歩行周期のある位相例えば足尖離地における股関節トルクの大きさを基に、下記のように歩幅をある一定時間（例えば１周期）ごとに変更する。股関節トルクの目標値をＨ、股関節トルクの最小基準値をＨ₀、予め決められた訓練軌道の任意の座標を（Ｘ_N，Ｚ_N）とする。患側の足尖離地における股関節トルクの大きさｈを基に、訓練軌道１０のＺ座標を以下のようにnew_Ｚ_Nを変更し、訓練軌道生成部３が下肢駆動部１２を駆動させる。

ｈ＜Ｈ₀のとき
new_Ｚ_N＝（Ｈ₀／Ｈ）Ｚ_N ・・・（７）
Ｈ₀＜ｈ＜Ｈのとき
new_Ｚ_N＝（ｈ／Ｈ）Ｚ_N ・・・（８）
ｈ＞Ｈのとき
new_Ｚ_N＝Ｚ_N ・・・（９）

以上のようにすればある一定時間ごとに歩幅を変更でき、最小基準値Ｈ₀を訓練者１１に合わせた値に設定しておけば歩幅をより長くするような訓練を実施できる。ここで、訓練軌道のＺ座標を変更するのではなく、股関節トルクの大きさに応じて股・膝関節角度の屈曲角度を変更するようにしてもよい。

次に、例えば患側の股関節トルクの大きさを基に、訓練者１１の歩行周期を変更する方法について説明する。図８は、本発明の第１の実施の形態の歩行周期の変更方法を示す図である。訓練軌道生成部３は、訓練者１１に訓練軌道に沿って自動介助運動訓練を実施させ、力センサ６により訓練者１１の股関節トルクを計測し、訓練データ記憶部４が股関節トルクを記憶する。訓練結果評価部５は、歩行周期のある位相（例えば足尖離地）における股関節トルクの大きさを基に、下記のように歩行周期をある一定時間（例えば１周期）ごとに変更する。股関節トルクの目標値をＨ、股関節トルクの最小基準値をＨ₀、目標とする歩行周期をＴとする。患側の足尖離地における股関節トルクの大きさｈを基に、歩行周期を以下のようにnew_Ｔを変更し、訓練軌道生成部３が下肢駆動部を駆動させる。

ｈ＜Ｈ₀のとき
new_Ｔ＝２Ｔ−（Ｈ₀／Ｈ）Ｔ・・・（１０）
Ｈ₀＜ｈ＜Ｈのとき
new_Ｔ＝２Ｔ−（ｈ／Ｈ）Ｔ・・・（１１）
ｈ＞Ｈのとき
new_Ｔ＝Ｔ・・・（１２）

以上のようにすればある一定時間ごとに歩行周期を変更でき、最小基準値Ｈ₀を訓練者１１に合わせた値に設定しておけば歩行周期をより短くするような訓練を実施できる。

なお、関節トルクを計測する下肢を患側ではなく健側としてもよく、評価対象に関節トルクを統計処理した値、例えば関節トルクの平均値などを用いてもよい。また、関節トルクを計測する期間は歩行周期の足尖離地に限らず、踵接地、立脚中期、踵離地、足尖離地、遊脚初期、遊脚後期、歩行全位相としてもよい。さらに、歩幅あるいは歩行周期を変更する間隔を１周期ではなく、複数周期、時間としてもよい。

本発明の第２の実施の形態の歩行訓練装置について図９乃至１１に基づいて説明する。
図９は、本発明の第２の実施の形態の歩行訓練装置のシステム構成を示す図である。図９において１６は足底反力計測手段である。図１と同じ符号のものは同一のものを示しているので説明は省略する。

図１０は、本発明の第２の実施の形態の訓練軌道の変更方法を示す図である。まず、例えば患側のｔ秒ごとの足底反力の時間微分値の大きさを基に、訓練者１１の歩幅を変更する方法について説明する。訓練軌道生成部３は、訓練者１１に訓練軌道１０に沿って自動介助運動訓練を実施させ、足底反力計測手段により訓練者１１の足尖部のｔ秒ごとの足底反力の時間微分値を計測し、訓練データ記憶部４が足尖部のｔ秒ごとの足底反力の時間微分値を記憶する。訓練結果評価部は、歩行周期のある位相例えば足尖離地における足尖部のｔ秒ごとの足底反力の時間微分値の大きさを基に、下記のように歩幅をある一定時間例えば１周期ごとに変更する。足尖部の足底反力の時間微分値の目標値をＦ、足尖部の足底反力の時間微分値の最小基準値をＦ₀、予め決められた訓練軌道の任意の座標を（Ｘ_N，Ｚ_N）とする。患側の足尖離地における足尖部のｔ秒ごとの足底反力の時間微分値の大きさｆ／ｔを基に、訓練軌道１０のＺ座標を以下のようにnew_Ｚ_Nに変更し、訓練軌道生成部３が下肢駆動部１２を駆動させる。

（ｆ／ｔ）＜Ｆ₀のとき
new_Ｚ_N＝（Ｆ₀／Ｆ）Ｚ_N ・・・（１３）
Ｆ₀＜（ｆ／ｔ）＜Ｆのとき
new_Ｚ_N＝（（ｆ／ｔ）／Ｆ）Ｚ_N ・・・（１４）
（ｆ／ｔ）＞Ｆのとき
new_Ｚ_N＝Ｚ_N ・・・（１５）

以上のようにすればある一定時間ごとに歩幅を変更でき、最小基準値Ｆ₀を訓練者１１に合わせた値に設定しておけば歩幅をより長くするような訓練を実施できる。ここで、訓練軌道１０のＺ座標を変更するのではなく、足尖部のｔ秒ごとの足底反力の時間微分値の大きさに応じて股・膝関節角度の屈曲角度を変更するようにしてもよい。

次に、例えば患側の足尖部のｔ秒ごとの足底反力の時間微分値の大きさを基に、訓練者１１の歩行周期を変更する方法について説明する。図１１は、本発明の第２の実施の形態の歩行周期の変更方法を示す図である。訓練軌道生成部３は、訓練者１１に訓練軌道１０に沿って自動介助運動訓練を実施させ、足底反力計測手段１６により訓練者１１の足尖部のｔ秒ごとの足底反力の時間微分値を計測し、訓練データ記憶部４が足尖部のｔ秒ごとの足底反力の時間微分値を記憶する。訓練結果評価部５は、歩行周期のある位相（例えば足尖離地）における足尖部のｔ秒ごとの足底反力の時間微分値の大きさを基に、下記のように歩行周期をある一定時間（例えば１周期）ごとに変更する。足尖部の足底反力の時間微分値の目標値をＦ、足尖部の足底反力の時間微分値の最小基準値をＦ₀、目標とする歩行周期をＴとする。患側の足尖離地における足尖部のｔ秒ごとの足底反力の時間微分値の大きさｆ／ｔを基に、歩行周期を以下のようにnew_Ｔに変更し、訓練軌道生成部３が下肢駆動部１２を駆動させる。

（ｆ／ｔ）＜Ｆ₀のとき
new_Ｔ＝２Ｔ−（Ｆ₀／Ｆ）Ｔ・・・（１６）
Ｆ₀＜（ｆ／ｔ）＜Ｆのとき
new_Ｔ＝２Ｔ−（（ｆ／ｔ）／Ｆ）Ｔ・・・（１７）
（ｆ／ｔ）＞Ｆのとき
new_Ｔ＝Ｔ・・・（１８）

以上のようにすればある一定時間ごとに歩行周期を変更でき、最小基準値Ｆ₀を訓練者１１に合わせた値に設定しておけば歩行周期をより短くするような訓練を実施できる。

なお、ｔ秒ごとの足底反力の時間微分値を計測する下肢を患側ではなく健側としてもよく、評価対象にｔ秒ごとの足底反力を統計処理した値、例えば足底反力の平均値などを用いてもよい。また、ｔ秒ごとの足底反力の時間微分値を計測する期間は歩行周期の足尖離地に限らず、踵接地、立脚中期、踵離地、足尖離地、歩行全位相としてもよい。さらに、歩幅あるいは歩行周期を変更する間隔を１周期ではなく、複数周期、時間としてもよい。

本発明の第３の実施の形態の歩行訓練装置について図１２乃至１４に基づいて説明する。
図１２は、本発明の第３の実施の形態の歩行訓練装置のシステム構成を示す図である。図１２において１７は筋電図計測手段である。図１と同じ符号のものは同一のものを示しているので説明は省略する。

図１３は、本発明の第３の実施の形態の訓練軌道の変更方法を示す図である。まず、例えば患側のｔ秒ごとの積分筋電図の大きさを基に、訓練者１１の歩幅を変更する方法について説明する。訓練軌道生成部３は、訓練者１１に訓練軌道１０に沿って自動介助運動訓練を実施させ、筋電図計測手段により訓練者１１の前脛骨筋のｔ秒ごとの積分筋電図を計測し、訓練データ記憶部４が前脛骨筋のｔ秒ごとの積分筋電図を記憶する。訓練結果評価部５は、歩行周期のある位相（例えば足尖離地）における前脛骨筋のｔ秒ごとの積分筋電図の大きさを基に、下記のように歩幅をある一定時間（例えば１周期）ごとに変更する。前脛骨筋の積分筋電図の目標値をＥ、前脛骨筋の積分筋電図の最小基準値をＥ₀、予め決められた訓練軌道１０の任意の座標を（Ｘ_N，Ｚ_N）とする。患側の足尖離地における前脛骨筋のｔ秒ごとの積分筋電図の大きさΣｅtを基に、訓練軌道１０のＺ座標を以下のようにnew_Ｚ_Nに変更し、訓練軌道生成部３が下肢駆動部１２を駆動させる。

（Σｅt）＜Ｅ₀のとき
new_Ｚ_N＝（Ｅ₀／Ｅ）Ｚ_N ・・・（１９）
Ｅ₀＜（Σｅt）＜Ｅのとき
new_Ｚ_N＝（（Σｅt）／Ｅ）Ｚ_N ・・・（２０）
（Σｅt）＞Ｅのとき
new_Ｚ_N＝Ｚ_N ・・・（２１）

以上のようにすればある一定時間ごとに歩幅を変更でき、最小基準値Ｅ₀を訓練者１１に合わせた値に設定しておけば歩幅をより長くするような訓練を実施できる。ここで、訓練軌道のＺ座標を変更するのではなく、前脛骨筋のｔ秒ごとの積分筋電図の大きさに応じて股・膝関節角度の屈曲角度を変更するようにしてもよい。

次に、例えば患側の前脛骨筋のｔ秒ごとの積分筋電図の大きさを基に、訓練者１１の歩行周期を変更する方法について説明する。図１４は、本発明の第３の実施の形態の歩行周期の変更方法を示す図である。訓練軌道生成部３は、訓練者１１に訓練軌道１０に沿って自動介助運動訓練を実施させ、筋電図計測手段１７により訓練者１１の前脛骨筋のｔ秒ごとの積分筋電図を計測し、訓練データ記憶部４が前脛骨筋のｔ秒ごとの積分筋電図を記憶する。訓練結果評価部５は、歩行周期のある位相例えば足尖離地における前脛骨筋のｔ秒ごとの積分筋電図の大きさを基に、下記のように歩行周期をある一定時間例えば１周期ごとに変更する。前脛骨筋の積分筋電図の目標値をＥ、前脛骨筋の積分筋電図の最小基準値をＥ₀、目標とする歩行周期をＴとする。患側の足尖離地における前脛骨筋のｔ秒ごとの積分筋電図の大きさｅを基に、歩行周期を以下のようにnew_Ｔに変更し、訓練軌道生成部３が下肢駆動部１２を駆動させる。

（Σｅt）＜Ｅ₀のとき
new_Ｔ＝２Ｔ−（Ｅ₀／Ｅ）Ｔ・・・（２２）
Ｅ₀＜（Σｅt）＜Ｅのとき
new_Ｔ＝２Ｔ−（（Σｅt）／Ｅ）Ｔ・・・（２３）
（Σｅt）＞Ｅのとき
new_Ｔ＝Ｔ・・・（２４）

以上のようにすればある一定時間ごとに歩行周期を変更でき、最小基準値Ｅ₀を訓練者１１のレベルに設定しておけば歩行周期をより短くするような訓練を実施できる。

なお、ｔ秒ごとの積分筋電図を計測する下肢を患側ではなく健側としてもよく、評価対象にｔ秒ごとの積分筋電図の大きさを統計処理した値、例えば筋電図の平均値などを用いてもよい。また、ｔ秒ごとの積分筋電図を計測する期間を歩行周期の足尖離地に限らず、踵接地、立脚中期、踵離地、足尖離地、歩行全位相としてもよい。さらに、歩幅あるいは歩行周期を変更する間隔を１周期ではなく、複数周期、時間としてもよい。

本発明の第４の実施の形態の歩行訓練装置について図１５乃至１７に基づいて説明する。
図１５は、本発明の第４の実施の形態の歩行訓練装置のシステム構成を示す図である。図１５において１８は加速度計測手段である。図１と同じ符号のものは同一のものを示しているので説明は省略する。

図１６は、本発明の第４の実施の形態の訓練軌道の変更方法を示す図である。まず、例えば患側の下肢を踏出すときの加速度の大きさを基に、訓練者１１の歩幅を変更する方法について説明する。訓練軌道生成部３は、訓練者１１に訓練軌道１０に沿って自動介助運動訓練を実施させ、加速度計測手段により訓練者１１が下肢を踏出すときの加速度を計測し、訓練データ記憶部４が下肢の踏出しの加速度を記憶する。訓練結果評価部５は、歩行周期のある位相例えば足尖離地における下肢の踏出しの加速度の大きさを基に、下記のように歩幅をある一定時間例えば１周期ごとに変更する。下肢の踏出しの加速度の目標値をＡ、下肢の踏出しの加速度の最小基準値をＡ₀、予め決められた訓練軌道の任意の座標を（Ｘ_N，Ｚ_N）とする。患側の足尖離地における下肢の踏出しの加速度の大きさａを基に、訓練軌道１０のＺ座標を以下のようにnew_Ｚ_Nに変更し、訓練軌道生成部３が下肢駆動部１２を駆動させる。

ａ＜Ａ₀のとき
new_Ｚ_N＝（Ａ₀／Ａ）Ｚ_N ・・・（２５）
Ａ₀＜ａ＜Ａのとき
new_Ｚ_N＝（ａ／Ａ）Ｚ_N ・・・（２６）
ａ＞Ａのとき
new_Ｚ_N＝Ｚ_N ・・・（２７）

以上のようにすればある一定時間ごとに歩幅を変更でき、最小基準値Ａ₀を訓練者１１に合わせた値に設定しておけば歩幅をより長くするような訓練を実施できる。ここで、訓練軌道１０のＺ座標を変更するのではなく、下肢の踏出しの加速度の大きさに応じて股・膝関節角度の屈曲角度を変更するようにしてもよい。

次に、例えば患側の下肢を踏出すときの加速度の大きさを基に、訓練者１１の歩行周期を変更する方法について説明する。図１７は、本発明の第４の実施の形態の歩行周期の変更方法を示す図である。訓練軌道生成部３は、訓練者１１に訓練軌道１０に沿って自動介助運動訓練を実施させ、加速度計測手段１８により訓練者１１が下肢を踏出すときの加速度を計測し、訓練データ記憶部４が下肢の踏出しの加速度を記憶する。訓練結果評価部は、歩行周期のある位相例えば足尖離地における下肢の踏出しの加速度の大きさを基に、下記のように歩行周期をある一定時間例えば１周期ごとに変更する。下肢の踏出しの加速度の目標値をＡ、下肢の踏出しの加速度の最小基準値をＡ₀、目標とする歩行周期をＴとする。患側の足尖離地における下肢の踏出しの加速度の大きさａを基に、歩行周期を以下のようにnew_Ｔに変更し、訓練軌道生成部３が下肢駆動部１２を駆動させる。

ａ＜Ａ₀のとき
new_Ｔ＝２Ｔ−（Ａ₀／Ａ）Ｔ・・・（２８）
Ａ₀＜ａ＜Ａのとき
new_Ｔ＝２Ｔ−（ａ／Ａ）Ｔ・・・（２９）
ａ＞Ａのとき
new_Ｔ＝Ｔ・・・（３０）

以上のようにすればある一定時間ごとに歩行周期を変更でき、最小基準値Ａ₀を訓練者のレベルに設定しておけば歩行周期をより短くするような訓練を実施できる。

なお、加速度を計測する下肢を患側ではなく健側としてもよく、評価対象に下肢の動作するときの加速度の大きさを統計処理した値、例えば下肢の動作するときの加速度の平均値などを用いてもよい。また、下肢の動作するときの加速度を計測する期間は歩行周期の足尖離地に限らず、踵接地、立脚中期、踵離地、足尖離地、歩行全位相としてもよい。さらに、歩幅あるいは歩行周期を変更する間隔を１周期ではなく、複数周期、時間としてもよい。

本発明の歩行訓練装置によれば、訓練中の訓練者の生体情報に応じた歩幅あるいは歩行周期で、両下肢を協調させた歩行訓練を実施できる。

本発明の歩行訓練装置のシステム構成を示す図である。本発明の訓練軌道の変更方法を示す図である。本発明の歩行周期の変更方法を示す図である。健常者の歩行周期の位相と股関節、膝関節および足関節の関節運動との関係を示す図である。本発明の歩行訓練装置における歩行パターンの実現を示す図である。本発明の第１の実施の形態の歩行訓練装置のシステム構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態の訓練軌道の変更方法を示す図である。本発明の第１の実施の形態の歩行周期の変更方法を示す図である。本発明の第２の実施の形態の歩行訓練装置のシステム構成を示す図である。本発明の第２の実施の形態の訓練軌道の変更方法を示す図である。本発明の第２の実施の形態の歩行周期の変更方法を示す図である。本発明の第３の実施の形態の歩行訓練装置のシステム構成を示す図である。本発明の第３の実施の形態の訓練軌道の変更方法を示す図である。本発明の第３の実施の形態の歩行周期の変更方法を示す図である。本発明の第４の実施の形態の歩行訓練装置のシステム構成を示す図である。本発明の第４の実施の形態の訓練軌道の変更方法を示す図である。本発明の第４の実施の形態の歩行周期の変更方法を示す図である。第１の従来例のトレッドミルの構成を示す図である。第２の従来例の歩行動作の概略を示す説明図である。第２の従来例の歩行動作の訓練装置の構成を示す図である。

符号の説明

１歩行訓練装置
２コントローラ
３訓練データ生成部
４訓練データ記憶部
５訓練結果評価部
６力センサ
７角度センサ
８大腿装着部
９下腿装着部
１０訓練軌道
１１訓練者
１２下肢駆動部
１３足関節駆動部
１４操作パネル
１５生体情報計測手段
１６足底反力計測手段
１７筋電図計測手段
１８加速度計測手段
１０１ベルト
１０１ａ走行面
１０１ｂ走行板
１０２ローラ
１０３モータ
１０３ａ回転軸
１０４サーボ制御回路
１０５回転速度センサ
１０６速度表示器
１１０着地検出回路
１１１計時回路
１１２歩幅算出回路
１１３平均歩幅算出回路
１１４歩幅表示器
１１５平均歩幅表示器
２０１立脚期間検出手段
２０１´ 接地検出手段
２０２歩行周期計測手段
２０３音符データ作成手段
２０４記録手段
２０５歩行動作解析手段
２０６リズム音再生手段
２０７歩行リズム解析手段
２０８正常歩行リズム作成手段
２０９中途目標歩行リズム作成手段
２１０フットセンサ
２２０リズム音再生手段
２３０送信機
２３１受信機

Claims

訓練者の関節トルクを計測する力センサと、
前記訓練者の関節角度を計測する角度センサと、
前記訓練者の下肢を駆動する下肢駆動部と、
前記訓練者の足関節を駆動する足関節駆動部と、
訓練データを記憶する訓練データ記憶部と、
前記下肢駆動部と前記足関節駆動部とを駆動し両下肢を協調させて動作させる訓練軌道を生成する訓練軌道生成部と、
を備えた、前記訓練者の肢体を前記訓練軌道に沿って繰り返し動作させる歩行訓練装置において、
前記訓練者の生体情報を計測する生体情報計測手段と、前記訓練者の歩幅あるいは歩行周期を計測して表示あるいは運動の合図を提示する訓練結果評価部と、を備え、
前記訓練結果評価部は、前記生体情報計測手段により計測された生体情報を基に前記訓練者の訓練状況を評価し、前記訓練者の歩幅と歩行周期の一方あるいは両方を変更することを特徴とする歩行訓練装置。
前記生体情報計測手段は、前記力センサを用いて前記訓練者の関節トルクを計測し、前記訓練結果評価部は、健側あるいは患側の歩行周期の一定の位相における前記関節トルクの大きさを基に前記訓練軌道生成部により前記訓練者の歩幅と歩行周期の一方あるいは両方を変更することを特徴とする請求項１記載の歩行訓練装置。
前記生体情報計測手段は、足底反力計測手段を用いて前記訓練者の足底反力の時間微分値を計測し、前記訓練結果評価部は、健側あるいは患側の歩行周期の一定の位相における前記足底反力の時間微分値の大きさを基に前記訓練軌道生成部により前記訓練者の歩幅と歩行周期の一方あるいは両方を変更することを特徴とする請求項１記載の歩行訓練装置。
前記生体情報計測手段は、筋電図計測手段を用いて前記訓練者の積分筋電図を計測し、前記訓練結果評価部は、健側あるいは患側の歩行周期の一定の位相における前記積分筋電図の大きさを基に前記訓練軌道生成部により前記訓練者の歩幅と歩行周期の一方あるいは両方を変更することを特徴とする請求項１記載の歩行訓練装置。
前記生体情報計測手段は、加速度計測手段を用いて前記訓練者の下肢が動作するときの加速度を計測し、前記訓練結果評価部は、健側あるいは患側の歩行周期の一定の位相における前記下肢が動作するときの加速度の大きさを基に前記訓練軌道生成部により前記訓練者の歩幅と歩行周期の一方あるいは両方を変更することを特徴とする請求項１記載の歩行訓練装置。