JP2014113396A - 状態検出システム、状態検出方法並びに状態検出用プログラム及び情報記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易／安価な構成で、且つ精度を向上させた状態で、患者と障害物との距離を正確に検出する。
【解決手段】患者６０の運動状態を検出しつつ回復訓練等を行う歩行アシストロボットＳにおいて、患者６０の移動方向にある壁等のまでの距離を光学的に検出する距離センサ１９と、実際の患者６０の運動の変動を検出するジャイロセンサ３０と、検出された変動に基づいて、距離センサ１９により検出された距離を補正する外部のパーソナルコンピュータと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、状態検出システム、状態検出方法並びに状態検出用プログラム及び情報記録媒体の技術分野に属する。より詳細には、歩行等を含む運動を行う被検出者の状態を外部から検出する状態検出システム、状態検出方法並びに状態検出用プログラム及び情報記録媒体の技術分野に属する。

例えば膝疾患の患者が行う歩行のための回復訓練等（いわゆるリハビリテーション）においては、例えばその回復訓練等の進捗管理や患者へ与えるべきアドバイスを検討するための資料として、回復訓練等の実施中における患者の運動の状態を把握／解析する必要がある。

そこで、回復訓練等を行っている患者の状態の解析方法として従来では、例えばその患者の身体の表面に外部から撮影可能なマーカを複数貼り付け、回復訓練等を実施中の患者を取り囲むように複数配置したビデオカメラを用いてそのマーカを撮影する方法がある。この方法では、その撮影結果を画像処理して三次元データ化することにより解析を行う。このような解析方法についての従来技術としては、例えば下記特許文献１に開示されているものがある。

特開２００５−２８７８０６号公報

しかしながら上記特許文献１に開示されている解析方法では、以下のような複数の問題点により、実際に上記のようなマーカの撮影による患者の状態の解析を行うことが容易ではないという問題点がある。また特許文献１記載の解析方法に供されるシステム自体が非常に高価であり、導入が進んでいないという問題点もある。
（Ｉ）比較的規模の大きな病院では、回復訓練等用の専用の部屋を設けて上記のようなデータの取得を行うが、当該部屋の中だけでは測定可能場所も限られた空間とならざるを得ず、例えば数歩分程度のデータしか取得できず、満足のいく解析が行い得ない。
（II）上記（Ｉ）のような状況下では、撮影も限定された数歩分のみが対象となるため、患者自身がそのことを意識してしまい、患者が意識しない、自然な（実際の）歩行データが取得できるとは限らない。
（III）上述したようなビデオカメラで撮影する際、下肢部の動作について、腕や手等の上肢部がビデオカメラの視野からマーカを遮ってしまう瞬間があり、そのような場合は撮影後にその遮られたマーカの部分の動きを推測により求めざるを得ず、正確なデータが取得できない場合もあり得る。なおこの点は、患者が、平行棒や歩行器、或いは杖等の歩行補助具を使用する場合もあり、これらの歩行補助具によりマーカが遮られてしまう場合にも同様に起こり得る。

これに対して回復訓練等の過程では、上述したように患者の回復度合いを判断することが求められるが、そのための特許文献１に開示されているような従来技術以外の方法としては、例えば理学療法士の目視判断による歩行状態の判断とならざるを得ない。そしてこの場合は、数値化がされない「感覚的」な解析結果となってしまうという問題点がある。

なお、考えられる他の解析方法として、実際の歩行を患者に行わせず、例えば足踏み程度の運動を行いつつ、スケール（定規）や角度測定器等を用いてその運動の数値化を図る方法が考えられる。しかしながらこの方法でも、測定項目毎に必要な箇所を測定してデータを取得する必要があり、データの取得自体にも長時間を要し、更には、測定項目の時間軸での比較／確認は全く不可能であるという問題点がある。

以上の通り、特許文献１に記載された解析方法を含む従来の解析方法では、全体として、非常に高価であること、広い測定場所の確保が難しかったこと、測定頻度が不足することにより回復訓練等の効果を数値化して評価することが難しい、といった問題点があった。

そこで、本発明は上記の問題点に鑑みて為されたもので、その課題の一例は、簡易／安価な構成で、且つ精度を向上させた状態で、患者の状態の一つとしての当該患者と障害物との距離を正確に検出することが可能な状態検出システム、状態検出方法並びに状態検出用プログラム及び情報記録媒体を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、患者等の被検出者の運動状態を検出する状態検出システムにおいて、前記被検出者の運動に対する障害物の、当該被検出者からの距離を光学的に検出する距離センサ等の距離検出手段と、実際の前記被検出者の前記運動の、当該運動として予め設定された三次元的な状態からの変動を検出するジャイロセンサ等の変動検出手段と、前記検出された変動に基づいて、前記検出された距離を補正するＣＰＵ等の補正手段と、を備える。

上記の課題を解決するために、請求項７に記載の発明は、患者等の被検出者の運動状態を検出する状態検出システムにおいて実行される状態検出方法において、前記被検出者の運動に対する障害物の、当該被検出者からの距離を光学的に検出する距離検出工程と、実際の前記被検出者の前記運動の、当該運動として予め設定された三次元的な状態からの変動を検出する変動検出工程と、前記検出された変動に基づいて、前記検出された距離を補正する補正工程と、を含む。

上記の課題を解決するために、請求項８に記載の発明は、患者等の被検出者の運動状態を検出する状態検出システムであって、前記被検出者の運動に対する障害物の、当該被検出者からの距離を光学的に検出する距離センサ等の距離検出手段と、実際の前記被検出者の前記運動の、当該運動として予め設定された三次元的な状態からの変動を検出するジャイロセンサ等の変動検出手段と、を備える状態検出システムに含まれるコンピュータを、前記検出された変動に基づいて、前記検出された距離を補正する補正手段として機能させる。

上記の課題を解決するために、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の状態検出用プログラムが請求項８に記載のコンピュータにより読み取り可能に記録されている。

請求項１又は請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の発明によれば、実際の被検出者の運動の既定の三次元的な状態からの変動に基づいて、障害物の被検出者からの距離の光学的な検出結果を補正するので、被検出者と障害物との間の距離を正確に検出することができる。

上記の課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の状態検出システムにおいて、前記距離検出手段及び前記変動検出手段は、前記被検出者の身体にそれぞれ固定されている。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の作用に加えて、距離検出手段及び変動検出手段が被検出者の身体にそれぞれ固定されているので、運動中における障害物までの距離をより正確に検出することができることで、被検出者の運動可能範囲に制約を与えること等を懸念することなく、正確に当該距離を検出することができる。

上記の課題を解決するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の状態検出システムにおいて、前記運動としての歩行又は駆け足により変化する前記被検出者の股関節の角度を検出する股関節角度センサ等の股関節角度検出手段が前記被検出者に備えられており、前記補正された距離と、前記検出された股関節の角度と、に基づいて、前記歩行又は駆け足における歩幅を算出するＣＰＵ等の算出手段を更に備える。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は請求項２に記載の発明の作用に加えて、歩行又は駆け足により変化する被検出者の股関節の角度と、補正された障害物までの距離と、に基づいて被検出者の歩幅を算出するので、運動中の被検出者の歩幅をより正確に算出することができる。

上記の課題を解決するために、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の状態検出システムにおいて、前記距離検出手段及び前記変動検出手段は、前記運動をしている前記被検出者の身体にそれぞれ固定されており、前記補正手段は固定設置された補正装置であり、前記距離検出手段及び前記変動検出手段それぞれの検出結果を無線により前記補正装置に送信する中継ボックス等の送信手段と、各前記検出結果を受信して前記補正装置に出力する無線インターフェース等の受信手段と、を備える。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、距離検出手段及び変動検出手段が運動している被検出者の身体にそれぞれ固定されており、各検出手段それぞれの検出結果を無線により送受信して距離の検出及び補正に用いるので、運動中の被検出者の障害物までの距離をリアルタイム且つ正確に検出することができる。

上記の課題を解決するために、請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の状態検出システムにおいて、前記距離検出手段は、レーザ光を前記障害物に向けて出射する距離センサ等の出射手段と、前記出射されたレーザ光の前記障害物からの反射光を受光する距離センサ等の受光手段と、前記受光された反射光に基づいて前記距離を検出する距離センサ等の検出手段と、を備える。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、障害物からのレーザ光の反射光に基づいて距離を検出するので、より正確且つ迅速に障害物までの距離を検出することができる。

上記の課題を解決するために、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の状態検出システムにおいて、前記変動検出手段は、前記運動において前記被検出者が移動すべき方向と前記レーザ光の光軸との、当該移動すべき方向におけるピッチ方向になす角度及びヨー方向になす角度のそれぞれを前記変動として検出するジャイロセンサ等の三次元センサ手段であるように構成される。

請求項６に記載の発明によれば、請求項５に記載の発明の作用に加えて、被検出者がその運動において移動すべき方向とレーザ光の光軸との、移動すべき方向におけるピッチ方向になす角度及びヨー方向になす角度のそれぞれを既定の三次元的な状態からの変動として検出するので、より正確に距離の検出結果を補正することができる。

本発明によれば、実際の被検出者の運動の既定の三次元的な状態からの変動に基づいて、障害物の被検出者からの距離の光学的な検出結果を補正するので、被検出者と障害物との間の距離を正確に検出することができる。

従って、簡易／安価な構成で、且つ精度を向上させた状態で被検出者と障害物との距離を正確に検出することができる。

実施形態に係る歩行アシストロボットを患者に装着した際の状態図である。 実施形態に係る駆動ユニットを患者の両脚に装着した際の状態図である。 実施形態に係る歩行アシストロボットの概要構成を示すブロック図等であり、（ａ）は当該ブロック図であり、（ｂ）は実施形態に係る中敷センサの構成を示す断面図である。 実施形態に係る距離測定処理を説明する概念図である。 実施形態に係る距離測定処理の原理を説明する図である。 実施形態に係る歩行アシスト動作を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について、図１乃至図６を用いて説明する。なお以下に説明する実施形態は、例えば膝疾患を持つ患者（被検出者の一例）の回復訓練等としての歩行における膝関節の動作を補助する歩行アシストロボットに対して本発明を適用した場合の実施形態である。

また図１は実施形態に係る歩行アシストロボットを患者に装着した際の状態図であり、図２は実施形態に係る駆動ユニットを患者の両脚に装着した際の状態図である。また図３は当該歩行アシストロボットの概要構成を示すブロック図等であり、図４は実施形態に係る距離測定処理を説明する概念図である。更に図５は実施形態に係る距離測定処理の原理を説明する図であり、図６は実施形態に係る歩行アシスト動作を示すフローチャートである。

図１及び図２に示すように、実施形態に係る歩行アシストロボットＳは、患者６０の下肢部（両脚）に着脱自在のテープ状固定具やバンド等の固定具６によってそれぞれ取り付けられる一対の駆動ユニット１０を備えている。なお以下の説明では、左脚用の駆動ユニット１０を駆動ユニット１１とし、右脚用の駆動ユニット１０を駆動ユニット１２として説明する。また駆動ユニット１１及び駆動ユニット１２に共通する説明を行う場合は、一般に駆動ユニット１０として説明する。

一つの（即ち、右脚と左脚のいずれか一方用の）駆動ユニット１０には、図１に示すように、患者６０の膝部５の関節部分に取り付けられ、膝関節を屈曲及び伸展させるリンク機構部３と、患者６０の股部９の関節部分に取り付けられ、股関節を屈曲及び伸展させるリンク機構部８と、が取り付けられている。

先ずリンク機構部３は、図１に示すように、例えば患者６０の大腿部に巻きつけられる上部脚当て４の側面に取り付けられる第一リンク３ａと、患者６０の下腿部に巻きつけられる下部脚当て７の側面に取り付けられる第二リンク３ｂと、を含んで構成される。第一リンク３ａは、患者６０の腰部側から膝部５側に延びるように取り付けられ、第二リンク３ｂは患者６０の膝部５側から脚の先端（床面又は地面）側に延びるように取り付けられている。そして第一リンク３ａと第二リンク３ｂとは、患者６０の膝部５近傍で回動可能に連結されている。この構成において駆動ユニット１０は、その動力により、第一リンク３ａに対して第二リンク３ｂを歩行の前後方向に揺動させる。

このとき第一リンク３ａと第二リンク３ｂの連結部には、当該第一リンク３ａと第二リンク３ｂとの成す角度を示す膝関節角度データを出力する膝関節角度センサが内蔵されている。ここで、膝関節角度センサにより検出される角度は、第一リンク３ａと第二リンク３ｂとの連結部を中心として、大腿部の中心線を下腿部方向に延長した線と、後方に折り曲げた下腿部の中心線と、の成す角度であり、下腿部を後方に折り曲げた場合に正となる角度である。この膝関節角度センサは、例えばいわゆるポテンショメータ等により実現される。上部脚当て４及び下部脚当て７は、それぞれが図示しない一対の脚当て部材を含んで構成されており、当該脚当て部材は患者６０の大腿部及び下腿部の周囲を覆うように配置され、固定具６によって着脱可能に取り付けられる。また、上部脚当て４及び下部脚当て７は、例えばポリプロピレン樹脂等を成形して形成されており、患者６０の大腿部と接する部分には、伸縮自在の図示しないスポンジ部材等が取り付けられている。

一方リンク機構部８は、図１に示すように、上記した上部脚当て４の側面に取り付けられる第一リンク８ａと、患者６０の腰部に巻きつけられるベルト２３の側部に取り付けられる第二リンク８ｂと、を含んで構成される。第一リンク８ａは、患者６０の臀部側から膝部５側に延びるように取り付けられ、第二リンク８ｂは患者６０の腰部側から臀部側に延びるように取り付けられている。そして第一リンク８ａと第二リンク８ｂとは、患者６０の股部９近傍で回動可能に連結されている。この連結部にも、第一リンク８ａと第二リンク８ｂとの成す角度を示す股関節角度データを出力する股関節角度センサが内蔵されている。ここで、股関節角度センサにより検出される角度は、第一リンク８ａと第二リンク８ｂとの連結部を中心として、大腿部の中心線と鉛直線との成す角度であり、大腿部を前方に振り出した場合に正となる角度である。この股関節角度センサも、例えばいわゆるポテンショメータ等により実現される。

更に患者６０の足首部には、下腿部の中心線と足部の中心線との成す角度を示す足関節角度データを出力する足関節角度センサ１８が内蔵されている。この足関節角度センサ１８も、例えばいわゆるポテンショメータ等により実現される。

他方、歩行アシストロボットＳは、患者が履く左右の靴内にそれぞれ敷かれた中敷き内に中敷センサ１７を備えている。この中敷センサ１７は、各脚が床面又は地面（以下、単に床面と称する）から離れたこと及びそれらに接地したことをそれぞれ示す中敷センサ信号を、後述するように無線を介して、図１及び図２において図示しない外部のパーソナルコンピュータに出力する。

更に患者６０の腰部の第二リンク８ｂの外側には、本発明に係る「距離検出手段」の一例、「出射手段」の一例、「受光手段」の一例及び「検出手段」の一例としての距離センサ１９と、本発明に係る「変動検出手段」の一例及び「三次元センサ手段」の一例としてのジャイロセンサ３０と、が備えられている。このうち距離センサ１９は、回復訓練等を実施している患者６０の前方に向けて直進性の高いレーザ光を出射し、更にそのレーザ光が例えば患者６０の前方にある壁等により反射された反射光を受光し、その受光強度等に基づいて患者６０（より正確には距離センサ１９自体）と上記壁等との間の距離を示す距離データを出力する。またジャイロセンサ３０は、回復訓練等の実施中の患者６０の移動方向が当該ジャイロセンサ３０の検出における中心軸となるように構成されている。そしてジャイロセンサ３０は、当該移動中における患者６０の姿勢を、ジャイロセンサ３０を中心とした床面に対して平行な方向（水平方向）の角度であるヨー角度と、ジャイロセンサ３０を中心とした鉛直方向の角度であるピッチ角度と、ジャイロセンサ３０の上記中心軸を中心とした上記移動方向周りのロール角度（言い換えれば、患者６０の身体における鉛直方向の中心軸の、当該鉛直方向からのずれ（患者６０の身体の左右方向の揺れ）を示すロール角度）と、により三次元的に検出し、それぞれの角度を示す角度データをリアルタイムに出力する。

一方図２に示すように、両脚にそれぞれ取り付けられる駆動ユニット１１及び駆動ユニット１２には、当該駆動ユニット１１及び駆動ユニット１２間、及び当該駆動ユニット１１及び駆動ユニット１２と上記外部のパーソナルコンピュータとの間でのデータ通信を行うための通信ユニット２０が、着脱可能に取り付けられる。この通信ユニット２０は、ケーブル２１と、そのケーブル２１の途中に配置される通信用基板及び制御用基板並びに電池等が収容された中継ボックス２２と、を備え、上記ベルト２３によって患者の腰部に取り付けられる。このとき通信ユニット２０と上記パーソナルコンピュータとの間では、中継ボックス２２に備えられた例えば無線ＬＡＮ（Local Area Network）機能又は所定の短距離無線通信機能を用いて、必要なデータ通信が行われる。この中継ボックス２２が本発明に係る「送信手段」の一例に相当する。

また通信ユニット２０は、ケーブル２１の両端に非接触でデータを通信可能な通信端子を備えた通信ヘッド２５を備えている。一方、駆動ユニット１０の筐体１０ａには、当該通信ヘッド２５を挿入可能な孔部１０ｂが設けられており、孔部１０ｂに対して当該通信ヘッド２５が着脱可能になっている。更に駆動ユニット１０は、電力を受電又は所定のデータを通信可能な図示しない通信ヘッドを筐体１０ａの内部に備えている。そして、駆動ユニット１０の筐体１０ａに有する孔部１０ｂには、通信ヘッド２５が挿入されて、非接触で上記図示しない通信ヘッドに電気的に接続され、データ通信可能となっている。

この図１及び図２に例示するような歩行アシストロボットＳにおいて、膝関節角度センサから出力された上記膝関節角度データ、股関節角度センサから出力された上記股関節角度データ、足関節角度センサ１８から出力された上記足関節角度データ、中敷センサ１７から出力された上記中敷センサ信号、距離センサ１９から出力された上記距離データ及び上記ジャイロセンサ３０から出力された上記各角度データは、それぞれ、中継ボックス２２により無線を介して上記パーソナルコンピュータに出力される。一方当該パーソナルコンピュータからは、上記膝関節角度データ等に基づいて各駆動ユニット１０の駆動を制御するための駆動制御データが、無線を介して中継ボックス２２に送信されてくる。そして当該駆動制御データを中継ボックス２２及びケーブル２１等を介して取得した各駆動ユニット１０は、当該取得した駆動制御データに基づき、各リンク等を駆動して患者６０の回復訓練等を補助する。

次に、図１及び図２を用いてその外観等を説明した実施形態に係る歩行アシストロボットＳの具体的な構成及び動作について、主として図３乃至図６を用いて説明する。

実施形態の歩行アシストロボットＳは、図３（ａ）に示すように、右足駆動系Ｒと、左足駆動系Ｌと、距離センサ１９と、中継ボックス２２と、ジャイロセンサ３０と、上記パーソナルコンピュータＰＣと、を備えている。そしてパーソナルコンピュータＰＣは、本発明に係る「算出手段」の一例としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）４２と、患者又は理学療法士等が操作可能な位置に備えられ且つＣＰＵ４２に対する指令操作を行うためのキーボード等を備える操作部４１と、ＣＰＵ４２に接続され且つ患者又は理学療法士等が視認可能な位置に備えられた液晶ディスプレイ等からなる表示部４０と、上記中継ボックス２２との間で種々のデータを無線により授受する無線インターフェース４３と、を備えている。この無線インターフェース４３が本発明に係る「受信手段」の一例に相当する。なおＣＰＵ４２は、オペレーティングシステム、歩行アシストロボットＳを制御するための制御プログラム、各駆動ユニット１０を駆動する上記駆動制御データを生成するための生成プログラム等のソフトウェア、中継ボックス２２を介して送信されてきた上記膝関節角度データ等、或いは生成された駆動制御データ等のデータを記憶する記憶部（図示せず）を有している。この記憶部は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ハードディスク又はシリコンディスク等により構成されている。

また各脚の駆動系（右足駆動系Ｒ及び左足駆動系Ｌ）には、それぞれ、上記駆動ユニット１０と、上記固定具６並びに上部脚当て４及び下部脚当て７と、上記膝関節角度センサ１６を含むリンク機構部３と、本発明に係る「股関節角度検出手段」の一例としての上記股関節角度センサ１５を含むリンク機構部８と、上記中敷センサ１７と、上記足関節角度センサ１８と、が含まれている。駆動ユニット１０には、上記駆動制御データに基づいて例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式により駆動されるＤＣモータ５０と、各リンクに接続されているギア部５２と、ＤＣモータ５０からの駆動力を、ギア部５２を介して各リンクに伝達するクラッチ部５１と、がそれぞれ含まれている。

以上の構成において、ＤＣモータ５０の回転方向及び回転速度の制御及びクラッチ部５１における開放／接続の制御等は、それぞれパーソナルコンピュータＰＣから送信されてくる上記駆動制御データ等により行われる。

他方中敷センサ１７は、図３（Ｂ）に断面図により例示するように、例えば靴下６４を履いた右足（及び左足）６３の足裏と、履いている靴の中底６１との間に挟まれて用いられる中敷６２内にそれぞれ備えられており、各脚が床面から離れたこと及びそれに接地したことをそれぞれ示す上記中敷センサ信号を、中継ボックス２２を介してパーソナルコンピュータＰＣに送信する。一方膝関節角度センサ１６、股関節角度センサ１５及び足関節角度センサ１８は、それぞれ、上記膝関節角度データ、上記股関節角度データ及び上記足関節角度データを生成し、中継ボックス２２を介してパーソナルコンピュータＰＣに送信する。更に上記距離センサ１９及びジャイロセンサ３０は、それぞれ、上記距離データ及び上記各角度データを生成し、中継ボックス２２を介してパーソナルコンピュータＰＣに送信する。これらによりパーソナルコンピュータＰＣのＣＰＵ４２は、上記各データを用いて上記駆動制御データを生成し、これを無線インターフェース４３及び中継ボックス２２を介して各駆動ユニット１０に出力して脚ごとにこれらを駆動し、患者６０の回復訓練等に供させる。このとき、例えば理学療法士等の補助者からの指示等は操作部４１を介して入力される。また回復訓練等の状況や後述する患者６０と壁等との距離を示す情報等は、必要に応じて表示部４０において表示される。

次に、実施形態に係る歩行アシストロボットＳにおいて実行される、実施形態に係る距離測定処理について、その原理等と共に図４及び図５を用いて説明する。

上述したように実施形態に係る歩行アシストロボットＳでは、図４に示すように、床面ＢＳ上での回復訓練等の実施中において、距離センサ１９から出射されるレーザ光Ｂを用いて壁等Ｗと患者６０（より具体的には距離センサ１９の図示しない受光部）との距離を測定する。即ち、回復訓練等の実施中において距離センサ１９からレーザ光Ｂを出射し、それが患者６０の前方にある壁等Ｗにより反射された反射光を距離センサ１９の上記受光部により受光する。そして、その受光強度等に基づいて患者６０（距離センサ１９の受光部）と壁等Ｗとの間の距離を示す距離データを当該距離センサ１９において生成／出力し、中継ボックス２２を介してパーソナルコンピュータＰＣに送信する。これによりパーソナルコンピュータＰＣのＣＰＵ４２は、当該距離データと、例えば上記股関節角度データ等と、を用いて患者６０の回復訓練等における例えば歩幅を算出し、当該算出された歩幅を例えば表示部４０において表示させる。なお図４では、右脚ＲＧを床面Ｂから上げて一歩を踏み出そうとしている状態を例示しており、その際の足関節角度、膝関節角度及び股関節角度が、それぞれ足関節角度センサ１８，膝関節角度センサ１６及び股関節角度センサ１５により、それぞれ検出されることになる。

ここで図１及び図２において例示したように、実施形態に係る距離センサ１９は、患者６０の腰部の第二リンク８ｂの外側に配置されている。従って、例えば患者６０の腰が元々曲がっていたり、或いは患者６０の移動方向が回復訓練等中において左右にふらついたりすると、レーザ光Ｂが患者６０の移動方向と平行な方向には出射されず、例えば下方に出射されたり、或いは左右方向にずれて（振られて）出射されたりする場合がある。即ち図５に詳細に示すように、患者６０と壁等Ｗとの間の距離を正確に検出するためには、距離センサ１９から出射されたレーザ光Ｂは、本来は、壁等Ｗに対して垂直に図５の点Ａに照射されて反射されるべきである。しかしながら上述したように患者６０が前屈みになったり或いは左右にふらついたりすると、そのタイミングでは、例えば図５の点Ｂに照射される場合がある。この点Ｂに照射される場合、本来照射されるべき点Ａとの比較では、患者６０の移動方向に対して、ピッチ角度θ_Ｐ及びヨー角度θ_Ｈだけ誤差が出ることになる。このことは、長さにして図５の線分ＢＨ（ピッチ方向）及び線分ＢＰ（ヨー方向）の分だけ、レーザ光Ｂの照射距離が実際の距離Ｌ_０よりも長くなることを意味する。

一方、上記ピッチ角度θ_Ｐ及びヨー角度θ_Ｈは、それぞれ、距離センサ１９とほぼ同位置に備えられた（図１及び図２参照）ジャイロセンサ３０により、それぞれ別個に検出可能である。そこで、図５の場合においてレーザ光Ｂの反射光を受光することにより検出される距離をＬとし、上記線分ＢＨの長さをＬ_Ｐとし、上記線分ＢＰの長さをＬ_Ｈとし、図５の点Ａと点Ｂとの距離をＬ_００とすると、以下の式が、それぞれ順次成り立つ。

Ｌ_Ｐ＝Ｌ×sinθ_Ｐ
Ｌ_Ｈ＝Ｌ×sinθ_Ｈ
Ｌ_００ ^２＝Ｌ_Ｐ ^２＋Ｌ_Ｈ ^２
従って、図５の場合においてレーザ光Ｂの反射光を受光して検出される距離Ｌから、正確な距離Ｌ_０は以下の式により算出できる。

Ｌ_０ ^２＝Ｌ^２−Ｌ_００ ^２
＝Ｌ^２−（Ｌ_Ｐ ^２＋Ｌ_Ｈ ^２）
＝Ｌ^２−｛（Ｌ×sinθ_Ｐ）^２＋（Ｌ×sinθ_Ｈ）^２｝ （１）
即ち、上記式（１）の右辺の平方根を取れば正確な距離Ｌ_０が算出でき、更に当該右辺の「Ｌ」、「θ_Ｐ」及び「θ_Ｈ」は各々距離センサ１９及びジャイロセンサ３０により検出可能なのだから、上記式（１）によりＣＰＵ４２において正確な距離Ｌ_０が算出できるのである。そして実施形態に係る歩行アシストロボットＳとしては、例えば、算出された距離Ｌ_０を、例えば股関節角度データを用いて算出された当該距離Ｌ_０に相当する歩数により除することで、回復訓練等における患者６０の歩幅を検出して表示部４０に表示等するのである。

次に、上述した構成を備える実施形態に係る歩行アシストロボットＳによる距離検出処理を含む歩行アシスト動作について、図６を用いて説明する。

実施形態に係る歩行アシスト動作としては、初めに、実施形態に係る歩行アシストロボットＳを患者６０に装着して実際の回復訓練等を開始すると、距離センサ１９により正面にある壁等Ｗとの間の距離Ｌを検出すると共に（ステップＳ１）、ジャイロセンサ３０によりその時の患者６０の姿勢として上記ピッチ角度θ_Ｐ及びヨー角度θ_Ｈをそれぞれ検出する（ステップＳ２）。これら検出された距離Ｌを示す距離データ及びピッチ角度θ_Ｐ等を示す各角度データは、中継ボックス２２を介して無線によりパーソナルコンピュータＰＣに入力される。

次にパーソナルコンピュータＰＣのＣＰＵ４２は、上記送信されてきた距離Ｌを示す距離データ及びピッチ角度θ_Ｐ等を示す各角度データを用いて、上記式（１）により、そのタイミングにおける距離Ｌを補正して正確な距離Ｌ_０を算出する（ステップＳ３）。

次にＣＰＵ４２は、中継ボックス２２を介して送信されてくる例えば股関節角度データにより、上記距離Ｌ（言い換えれば正確な距離Ｌ_０）に相当する歩数を検出する（ステップＳ４）。そしてＣＰＵ４２は、ステップＳ３の処理により補正されて算出された正確な距離Ｌ_０を上記ステップＳ４の処理により検出された歩数により除して、当該距離Ｌ（正確な距離Ｌ_０）に相当する患者６０の歩幅を算出し（ステップＳ６）、それを図示しない上記記憶部に例えば一時的に記憶する。

次に、例えば操作部４１により回復訓練等を終了する旨の操作が行われる等により、実施中の回復訓練等を終了するか否かをＣＰＵ４２において確認し（ステップＳ７）、引き続き回復訓練等を行う場合には（ステップＳ７；ＮＯ）、ＣＰＵ４２は上記ステップＳ１に戻って距離Ｌの検出等の処理を継続させる。一方ステップＳ７の判定において回復訓練等を終了する場合（ステップＳ７；ＹＥＳ）、ＣＰＵ４２は、回復訓練等の最中に算出された上記歩幅等を用いた所定の分析及び評価処理を所定の方法を用いて実行し（ステップＳ８）、実施形態に係る歩行アシスト動作等を終了する。このステップＳ８の処理の一環としてＣＰＵ４２は、上記算出した歩幅を示すデータを例えば表示部４０において表示するのである。

以上説明したように、実施形態に係る歩行アシストロボットＳにおける歩行アシスト動作によれば、実際の患者６０の回復訓練等に係る運動の変動に基づいて、壁等Ｗの患者６０からの距離の光学的な検出結果Ｌを補正するので、患者６０と壁等Ｗとの間の距離Ｌ_０を正確に検出することができる。

また、距離センサ１９及びジャイロセンサ３０が患者６０の身体にそれぞれ固定されているので、運動中における壁等Ｗまでの距離をより正確に検出することができる。

更に、例えば歩行を含む患者６０の回復訓練等により変化する患者６０の股関節角度と、補正された壁等Ｗまでの距離Ｌ_０と、に基づいて患者６０の歩幅を算出するので、回復訓練等中の患者６０の歩幅をより正確に算出することができる。

更にまた、距離センサ１９及びジャイロセンサ３０が患者６０の身体にそれぞれ固定されており、当該距離センサ１９等の検出結果を無線により送受信して距離の検出及び補正に用いるので、運動中の患者６０の壁等Ｗまでの距離をリアルタイム且つ正確に検出することができる。

また、壁等Ｗからのレーザ光Ｂの反射光に基づいて距離を検出するので、より正確且つ迅速に壁等Ｗまでの距離を検出することができる。

更に、患者６０がその運動の移動方向とレーザ光Ｂの光軸との、移動方向におけるピッチ角度θ_Ｐ及びヨー角度θ_Ｈのそれぞれを変動として検出するので、より正確に距離の検出結果を補正することができる。

なお、上述した実施形態では、距離センサ１９及びジャイロセンサ３０を近接させて患者緒６０の腰部に固定したが、これ以外に、例えば患者６０の腰部の左右に分けて距離センサ１９及びジャイロセンサ３０をそれぞれ固定するように構成することもできる。この場合、床面ＢＳからの高さを距離センサ１９とジャイロセンサ３０とで同一とすることが望ましい。

また上述した実施形態では、膝疾患を有する患者の回復訓練等としての歩行を補助する歩行アシストロボットＳに対して本発明を適用した場合について説明したが、これ以外に、回復訓練等との一環としての駆け足等の移動を補助する場合に本発明を適用することもできる。

更に上述した実施形態では、三次元センサたるジャイロセンサ３０によりピッチ角度θ_Ｐ及びヨー角度θ_Ｈを検出する構成としたが、これ以外に、例えばピッチ角度θ_Ｐ及びロール角度を検出する二軸の傾斜センサにより患者６０の姿勢等を検出して、光学的な距離の検出結果Ｌを補正するように構成することもできる。

更に、図６に示すフローチャートに対応するプログラムをフレキシブルディスク、コンパクトディスク又はハードディスク等の記録媒体に記録しておき、又はインターネット等のネットワークを介して取得して記憶しておき、それを汎用のマイクロコンピュータで読み出して実行することにより、当該マイクロコンピュータを実施形態に係るＣＰＵ４２として動作させることも可能である。

以上それぞれ説明したように、本発明は歩行アシストロボットの分野に利用することが可能であり、特に患者の歩行又は駆け足等の回復訓練等を補助する歩行アシストロボットの分野に適用すれば特に顕著な効果が得られる。

３、８ リンク機構部
３ａ、８ａ 第一リンク
３ｂ、８ｂ 第二リンク
４ 上部脚当て
５ 膝部
６ 固定具
７ 下部脚当て
９ 股部
１０、１１、１２ 駆動ユニット
１０ａ 筐体
１０ｂ 孔部
１５ 股関節角度センサ
１６ 膝関節角度センサ
１７ 中敷センサ
１８ 足関節角度センサ
１９ 距離センサ
２０ 通信ユニット
２１ ケーブル
２２ 中継ボックス
２３ ベルト
２５ 通信ヘッド
３０ ジャイロセンサ
４０ 表示部
４１ 操作部
４２ ＣＰＵ
４３ 無線インターフェース
５０ ＤＣモータ
５１ クラッチ部
５２ ギア部
６０ 患者
６１ 中底
６２ 中敷
６３ 右足（左足）
６４ 靴下
Ｓ 歩行アシストロボット
Ｒ 右足駆動系
Ｌ 左足駆動系
Ｂ レーザ光
ＢＳ 床面
ＰＣ パーソナルコンピュータ
ＲＧ 右脚

Claims (9)

1. 被検出者の運動状態を検出する状態検出システムにおいて、
   前記被検出者の運動に対する障害物の、当該被検出者からの距離を光学的に検出する距離検出手段と、
   実際の前記被検出者の前記運動の、当該運動として予め設定された三次元的な状態からの変動を検出する変動検出手段と、
   前記検出された変動に基づいて、前記検出された距離を補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とする状態検出システム。
2. 請求項１に記載の状態検出システムにおいて、
   前記距離検出手段及び前記変動検出手段は、前記被検出者の身体にそれぞれ固定されていることを特徴とする状態検出システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の状態検出システムにおいて、
   前記運動としての歩行又は駆け足により変化する前記被検出者の股関節の角度を検出する股関節角度検出手段が前記被検出者に備えられており、
   前記補正された距離と、前記検出された股関節の角度と、に基づいて、前記歩行又は駆け足における歩幅を算出する算出手段を更に備えることを特徴とする状態検出システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の状態検出システムにおいて、
   前記距離検出手段及び前記変動検出手段は、前記運動をしている前記被検出者の身体にそれぞれ固定されており、
   前記補正手段は固定設置された補正装置であり、
   前記距離検出手段及び前記変動検出手段それぞれの検出結果を無線により前記補正装置に送信する送信手段と、
   各前記検出結果を受信して前記補正装置に出力する受信手段と、
   を備えることを特徴とする状態検出システム。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の状態検出システムにおいて、
   前記距離検出手段は、
   レーザ光を前記障害物に向けて出射する出射手段と、
   前記出射されたレーザ光の前記障害物からの反射光を受光する受光手段と、
   前記受光された反射光に基づいて前記距離を検出する検出手段と、
   を備えることを特徴とする状態検出システム。
6. 請求項５に記載の状態検出システムにおいて、
   前記変動検出手段は、前記運動において前記被検出者が移動すべき方向と前記レーザ光の光軸との、当該移動すべき方向におけるピッチ方向になす角度及びヨー方向になす角度のそれぞれを前記変動として検出する三次元センサ手段であることを特徴とする状態検出システム。
7. 被検出者の運動状態を検出する状態検出システムにおいて実行される状態検出方法において、
   前記被検出者の運動に対する障害物の、当該被検出者からの距離を光学的に検出する距離検出工程と、
   実際の前記被検出者の前記運動の、当該運動として予め設定された三次元的な状態からの変動を検出する変動検出工程と、
   前記検出された変動に基づいて、前記検出された距離を補正する補正工程と、
   を含むことを特徴とする状態検出方法。
8. 被検出者の運動状態を検出する状態検出システムであって、前記被検出者の運動に対する障害物の、当該被検出者からの距離を光学的に検出する距離検出手段と、実際の前記被検出者の前記運動の、当該運動として予め設定された三次元的な状態からの変動を検出する変動検出手段と、を備える状態検出システムに含まれるコンピュータを、
   前記検出された変動に基づいて、前記検出された距離を補正する補正手段として機能させることを特徴とする状態検出用プログラム。
9. 請求項８に記載の状態検出用プログラムが請求項８に記載のコンピュータにより読み取り可能に記録されていることを特徴とする情報記録媒体。

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