JP2014509919A - 能動的ロボティック歩行訓練システム及び方法 - Google Patents

能動的ロボティック歩行訓練システム及び方法 Download PDF

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Abstract

本発明は下腿部の傾きを測定して歩行周期を推正し、歩行周期に従いアクチュエーターによって股関節及び膝関節を動作させ、機能的電気刺激(FES)によって足首関節を動作させるようにして、歩行障害者の残存歩行能力に基づいてより能動的な歩行訓練ができるようにする、能動的ロボティック歩行訓練システム及び方法に関する。
本発明は、大腿支持部、股関節支持部、下腿支持部を含めたロボティック歩行訓練システムにおいて、下腿支持部の下端に位置され、前足(足先)部分を包めた前足ストラップと連結された線が固定される、足先固定掛け;下腿支持部の下端または前足ストラップの一側に附着した、傾きセンサー;前記傾きセンサーから受信された傾き信号からFES制御信号、股関節角度制御信号、膝関節角度制御信号を生成する制御部; 前記制御部から前記股関節角度制御信号を受信して、前記大腿支持部と前記股関節支持部との結合部である股関節部で、前記股関節角度制御信号によって前記大腿支持部を回動させる第1線形アクチュエーター;前記制御部から前記膝関節角度制御信号を受信して、前記下腿支持部と前記大腿支持部との結合部である膝関節部で、前記膝関節角度制御信号によって前記下腿支持部を回動させる第2線形アクチュエーター;を含むことを特徴にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、能動的ロボティック歩行訓練システム及び方法に関し、詳細には、下腿部の傾きを測定して歩行周期を推正し、歩行周期に従いアクチュエーターによって股関節及び膝関節を動作させ、機能的電気刺激(FES)によって足首関節を動作させるようにして、歩行障害者の残存歩行能力に基づいてより能動的な歩行訓練ができるようにする、能動的ロボティック歩行訓練システム及び方法に関する。
歩行は人間の固有の身体的機能の中の一つで、一番一般的な運動であり、人が毎日に基本的にする活動である。
一般的に正常人の歩行周期は二つの週期に大別されて、これは立脚期と遊脚期である。立脚期は足が地面に接地している時期で、接地初期(heel-strik)、足底接地期(foot flat)、立脚中期(mid-stance)、踵離地(heel off)、足趾離地(toe-off)に成している。正常歩行で、立脚期が約60%、遊脚期が約40%を占める。
歩行能力を喪失した歩行障害者たちに、歩行訓練は独立の水準と良い生の質とを進めるのに非常に重要な部分を占める。
歩行障害者の歩行能力の回復のためのリハビリテーションにおいて、多い分野の専門家たちの包括的な助けが必要であり、特に患者たちの均衡感覚を向上して、忍耐性を高めるために、繰り返して体系的な歩行訓練が要求される。
歩行障害者の約90%が後天的障害によるので、後天的障害原因の約50%位が各種疾患によって発生されて、その中で脳卒中が一番高い割合を現わしている。脳卒中後、初期には約51%の患者が全く歩くことができないで、約12%は助けを受けて歩くことができ、約37%が独立的に歩行することができると報告されている。また、リハビリ治療後に約64%では独立的歩行ができるように回復されるが、残り約36%は歩行が不可能であるか、あるいは依存的な状態で残り、歩行機能が回復した場合にも、さまざまな運動機能の障害による非正常的歩行パターンを見せる。
特に、歩行障害者によって歩行可能な程度が違うので、一律的な歩行訓練をする場合より、本人の残存感覚を利用して歩行訓練をする場合がより高い歩行訓練効果をもたらす。
このためには歩行障害者が現在どの位の歩行が可能なのかに対する正確な判断が必要であり、この判断による歩行訓練が必要である。
従来の場合には治療師の促進と感覚の刺激を利用して歩行障害者の歩行を判断した。
80年代中間に体重支持(body weight support)を用いたトレッドミル(treadmill)での歩行訓練が提案されて、臨床的に治療効果があると報告された。
しかし、従来には、歩行障害者がトレッドミルの上で訓練する際に、一二人の治療師が歩行障害者の四肢や体幹の動きを捕まえながら、歩行を誘導しなければならない短所があった。
また、従来にロボット関節によって足関節が受動的に動く受動的歩行訓練ロボットが老弱者及び障害者のために提案された事があるが、患者が意図する歩行経路と正確に一致することができないのは勿論、正常な歩行パターンに合わせるリハビリのための根本的な歩行訓練ができなかった。
それで、歩行障害者の残存感覚を利用して能動的歩行訓練が可能で、正常歩行パターンに合わせる関節運動を提供する歩行訓練システムが要望される。
したがって、本発明は下腿部の傾きを測定して歩行周期を推正して、歩行周期に 従いアクチュエーターによって股関節及び膝関節を動作させて、また機能的電気刺激(FES)によって足首関節を動作させて、歩行障害者の残存歩行能力に基づいてより能動的な歩行訓練ができる能動的ロボティック歩行訓練システム及び方法を提案する。
本発明が解決しようとする課題は、下腿部の傾きを測定して歩行周期を推正し、歩行周期に従いアクチュエーターによって股関節及び膝関節を動作させ、機能的電気刺激(FES)によって足首関節を動作させるようにして、歩行障害者の残存歩行能力に基づいてより能動的な歩行訓練ができるようにする、能動的ロボティック歩行訓練システム及び方法を提供するのである。
本発明が解決しようとする他の課題は、治療師の補助活動なく、歩行障害者の能動的な歩行訓練ができるようにして、しかも正常歩行パターンに合わせた関節運動を提供する能動的ロボティック歩行訓練システム及び方法を提供するのである。
本発明の課題を解決するために、本発明は、大腿部に位置され、大腿部と同じ長さや同じ方向を持つ大腿支持部；臀部に位置され、一端が前記大腿支持部の上端に装着されて、しかも前記大腿支持部が回動できるように装着される股関節支持部；下腿部に位置され、前記大腿支持部の下端に装着されて、しかも回動できるように装着される下腿支持部を含めたロボティック歩行訓練システムにおいて、下腿支持部の下端に位置され、前足(足先)部分を包めた前足ストラップと連結された線が固定される足先固定掛け; 下腿支持部の下端または前足ストラップの一側に附着した傾きセンサー; 前記傾きセンサーから受信された傾き信号から足首関節の低屈筋または背屈筋を機能的電気刺激(FES)するためのFES制御信号を生成する制御部; 前記制御部から受信されたFES制御信号によって足首関節の低屈筋または背屈筋を機能的電気刺激(FES)するように成しているFES部を含むことを特徴にする。
また、本発明は、大腿部に位置され、大腿部と同じ長さや同じ方向を持つ大腿支持部；臀部に位置され、一端が前記大腿支持部の上端に装着されて、しかも前記大腿支持部が回動できるように装着される股関節支持部;下腿部に位置され、前記大腿支持部の下端に装着されて、しかも回動できるように装着される下腿支持部を含めたロボティック歩行訓練システムにおいて、下腿支持部の下端に位置され、前足(足先)部分を包めた前足ストラップと連結された線が固定される足先固定掛け; 下腿支持部の下端または前足ストラップの一側に附着した傾きセンサー; 前記傾きセンサーから受信された傾き信号で股関節角度制御信号を生成する制御部; 前記制御部から前記股関節角度制御信号を受信して、前記大腿支持部と前記股関節支持部との結合部である股関節部で、前記股関節角度制御信号によって前記大腿支持部が回動するように第1線形アクチュエーターを駆動させる第1線形アクチュエーター駆動部を含むことを特徴にする。
また、大腿部に位置され、大腿部と同じ長さや同じ方向を持つ大腿支持部；臀部に位置され、一端が前記大腿支持部の上端に装着されて、しかも前記大腿支持部が回動できるように装着される股関節支持部;下腿部に位置され、前記大腿支持部の下端に装着されて、しかも回動できるように装着される下腿支持部を含めたロボティック歩行訓練システムにおいて、下腿支持部の下端に位置され、前足(足先)部分を包めた前足ストラップと連結された線が固定される足先固定掛け; 下腿支持部の下端または前足ストラップの一側に附着した傾きセンサー; 前記傾きセンサーから受信された傾き信号で膝関節角度制御信号を生成する制御部; 前記制御部から前記膝関節角度制御信号を受信して、前記下腿支持部と前記大腿支持部との結合部である膝関節部で、前記膝関節角度制御信号によって前記下腿支持部が回動するように第2線形アクチュエーターを駆動させる第2線形アクチュエーター駆動部を含むことを特徴にする。
前記制御部は傾き信号で歩行周期を推正して、既に貯蔵されている股関節駆動パターンを用いて、推定した歩行周期によった股関節角度制御信号を生成し、前記制御部は傾き信号で歩行周期を推正して、既に貯蔵されている膝関節駆動パターンを用いて、推定された歩行周期によった膝関節角度制御信号を生成する。
第1線形アクチュエーターは一端が股関節支持部の一端に装着され、他の一端大が腿支持部の上端に装着されて、第2線形アクチュエーターは一端が大腿支持部に装着され、他の一端が下腿支持部の上端に装着される。
股関節部は、大腿支持部が回動された角度を測定するために、第1エンコーダが装着されて、膝関節部は、下腿支持部が回動された角度を測定するために、第2エンコーダが装着される。
制御部は傾き信号で歩行周期を推正して、第1エンコーダから股関節角度信号を受信して、既に貯蔵されている股関節駆動パターンを用いて、推定された歩行周期によった股関節角度制御信号を生成し、また、前記制御部は傾き信号で歩行周期を推正して、第2エンコーダから膝関節角度信号を受信して、既に貯蔵されている膝関節駆動パターンを用いて、推定された歩行周期によった膝関節角度制御信号を生成する。
第1線形アクチュエーターと大腿支持部との間に第1ロードセルが装着されて、第2線形アクチュエーターと下腿支持部との間に第2ロードセルが装着されている。
前記大腿支持部、前記股関節支持部、前記下腿支持部が一側の足のためのロボット-補助型歩行訓練装置を成して、左右側の足のために一組のロボット-補助型歩行訓練装置と、前記一組のロボット-補助型歩行訓練装置を装着して歩行訓練をするためのトレッドミルとを更に具備する。
また、ハーネスと、ハーネスに装着されたロープが経る滑車を装着するためのフレームと、前記滑車を経ったロープの一端に装着された重りとを更に具備する。
大腿支持部が大腿部と結合するための大腿部ストラップが大腿支持部に装着されて、下腿支持部の上端と下腿部とが結合するための下腿部ストラップと、下腿支持部の下端と足首とが結合するための足首ストラップとが具備される。
また本発明は、歩行障害者の歩行パターンを収集して動作を分析する歩行パターン収集段階; 歩行パターン収集段階で、収集された歩行パターン及び分析結果を歩行障害者別で貯蔵する歩行障害者別データベース化段階; 歩行障害者別データベース化段階で貯蔵された歩行パターンを用いて、FES制御信号と、股関節部及び膝関節部を駆動させるアクチュエーター制御信号とを生成して出力するシステム制御段階;を含むロボティック歩行訓練システムの駆動方法において、歩行パターン収集段階は、歩行訓練対象の個人情報が入力されれば、歩行障害者の歩行から歩行パターンを収集される歩行障害者の歩行パターン収集段階; 歩行障害者の歩行パターン収集段階で収集されたデータで、関節角度、歩行時点を含む歩行イベント(gait event)、歩行周期、歩行速度を検出する歩行パラメーター検出段階; 歩行パラメーター検出段階で検出された、歩行周期を含む歩行パラメーターから、歩行訓練の時に使われる訓練用歩行パターンを生成する訓練用歩行パターンの生成段階;を含むことを特徴にする。
歩行障害者別データベース化段階は、貯蔵されている歩行パターンの中で設定された初期歩行パターンを読み取る初期歩行パターン設定段階; 初期歩行パターン設定段階で読み取った初期歩行パターンと、前記訓練用歩行パターンの生成段階で生成した訓練用歩行パターンと、既に貯蔵されていった歩行障害者データベースを利用して、訓練用歩行パターンを再調整する、個人適応訓練パターンの生成段階; 個人適応訓練パターンの生成段階で生成された訓練用歩行パターンの情報を更新、貯蔵する、データベースのアップデート段階;を含む。
システム制御段階は、設定された訓練レベルの強さによって、FESセンサーの刺激位置、刺激速度を設定するFESセンサ設定段階; 歩行障害者が搭乗されない歩行訓練装置で、設定されている歩行訓練パターンで歩行訓練シミュレーションが行われて装備駆動状況を点検して異常可否を判断する歩行訓練シミュレーション段階;を含む。
本発明の能動的ロボティック歩行訓練システム及び方法によれば、下腿部の傾きを測定して歩行周期を推正し、歩行周期に従いアクチュエーターによって股関節及び膝関節を動作させ、機能的電気刺激(FES)によって足首関節を動作させて、本人のペイス(pace)に合わせた訓練が可能であり、また自分の意志による歩行訓練が可能で、より能動的な歩行訓練ができる。
また、本発明は治療師の補助活動なく、歩行障害者の能動的な歩行訓練ができ、しかも正常歩行パターンに合わせた関節運動を提供する能動的ロボティック歩行訓練ができる。
図1は本発明の能動的ロボティック歩行訓練システムを概略的に説明するための概念図である。 図2は本発明によるロボット-補助型歩行訓練装置の構成を説明する構成図である。 図3は図2のロボット-補助型歩行訓練装置の駆動された状態の一例である。 図4は図2のロボット-補助型歩行訓練装置が駆動される作用原理を現わす図面である。 図5は本発明の左右側足のロボット-補助型歩行訓練装置が統合されたロボティック歩行訓練システムを説明する説明図である 図6は本発明の能動的ロボティック歩行訓練システムの使用状態を説明するための説明図である。 図7は本発明でストラップと一体化されたFES部の一例である。 図8は本発明でFES部をストラップなどを利用して装着した例を現わす。 図9は本発明の能動的ロボティック歩行訓練システムを制御する構成を概略的に説明するためのブロック図である。 図10は図9のメイン演算処理部の構成を概略的に説明するためのブロック図である。 図11は本発明の能動的ロボティック歩行訓練システムの駆動方法を概略的に説明するための説明図である。
以下、本発明の一実施例による能動的ロボティック歩行訓練システム及び方法を添付された図面を参照して詳しく説明する。
図1は本発明の能動的ロボティック歩行訓練システムを概略的に説明するための概念図である。
歩行障害者である訓練者がロボット-補助型歩行訓練装置(10)を両足の各々に装着して、トレッドミル(treadmill)(60)で訓練を行うように成している。
ロボット-補助型歩行訓練装置(10)は股関節部(20)、膝関節部(30)、足首ストラップ (strap)(415)、FES部(50)、傾きセンサー(未図示)を含む。
傾きセンサー(未図示)はロボット-補助型歩行訓練装置(10)に装着されて下腿部(または足)の傾きを検出する。
股関節部(20)は尻の関節(股関節)をアクチュエーター(モーター)駆動によって所定角度で回転させるように成しているが、既に設定された歩行周期の間の股関節駆動パターン(25)に従う股関節アクチュエーター駆動信号を制御部(未図示)から受信して駆動される。
膝関節部(30)は膝の関節をアクチュエーター(モーター)駆動によって所定角度で回転させるように成しているが、既に設定された歩行周期の間の膝関節駆動パターン(35)に従う膝関節アクチュエーター駆動信号を制御部(未図示)から受信して駆動される。
足首ストラップ(415)はロボット-補助型歩行訓練装置(10)を足に装着するための手段の一つで、ロボット-補助型歩行訓練装置(10)の下端を足首に固定装着する。
FES部(50)は足首関節の底屈筋/背屈筋に機能的電気刺激(FES)を加えるための手段で、制御部(未図示)から既に設定された機能的電気刺激パターン(55)による電気刺激信号を受信して駆動される。既に設定された機能的電気刺激パターン(55)はパルス列で成している。 FES部(50)は足首部分または足背部分などに位置されることができる。
ROM(range of motion)曲線で足趾離地(toe off)にFES部(50)は駆動される。足趾離地(toe off)は、1歩行週期の全体を100%として踵接地(heel strike)を起点とすると、60%の時点に生じる。
制御部(未図示)は傾きセンサー(未図示)から受信された信号から現在の歩行周期を判定して、判定された歩行周期に従って股関節部(20)、膝関節部(30)、FES部(50)を駆動させて、しかも、股関節部(20)は既に設定された歩行周期の間の股関節駆動パターン(25)によって駆動させて、膝関節部(30)は既に設定された歩行周期の間の膝関節駆動パターン(35)によって駆動させて、FES部(50)は既に設定された機能的電気刺激パターン(55)によって足首関節に関する筋肉を刺激する。
すなわち、ロボット-補助型歩行訓練装置(10)はサーボモーターによって駆動される線形アクチュエーターを使って、脊髓損傷あるいは脳卒中患者のような歩行障害者の股関節と膝関節を正常歩行特性に応じて受動的な歩行訓練を制御し、傾きセンサーを利用して該当麻痺患者の歩行周期を検出してこれに合わせて足首関節の底屈筋/背屈筋に機能的電気刺激(FES)を加えて、能動的な歩行訓練を誘導することができる。股関節駆動パターン(25)は歩行障害者の正常歩行特性に応じて股関節を駆動させるアクチュエーターの駆動を示して、膝関節駆動パターン(35)は歩行障害者の正常歩行特性に応じて膝関節を駆動させるアクチュエーターの駆動を示す。 既に設定された機能的電気刺激パターン(55)は歩行障害者の正常歩行特性に応じて足首関節の底屈筋/背屈筋に機能的電気刺激(FES)を加えて能動的な歩行訓練を誘導する作用を示す。
図2は本発明によるロボット-補助型歩行訓練装置の構成を説明する構成図で、図3は図2のロボット-補助型歩行訓練装置の駆動された状態の一例である。
ロボット-補助型歩行訓練装置(10)は股関節支持部(100)、大腿支持部(200)、下腿支持部(300)、足首支持部(400)、股関節部(150)、膝関節部(250)を含めている。
股関節支持部(100)は人体の左右側の尻部位、即ち、臀部の左右側の位置に装着して、股関節部(150)に装着された大腿支持部(200)が第1線形アクチュエーター(170)によって回動することができるように支持する。股関節支持部(100)の一側端には股関節部(150)が装着されている。
股関節(尻の関節)部(150)は股関節支持部(100)と大腿支持部(200)の間に装着される。股関節部(150)に股関節支持部(100)が着されて、股関節部(150)に大腿支持部(200)が回動可能になるように装着される。すなわち、股関節部(150)は股関節支持部(100)と大腿支持部(200)とを回転できるように結合するジョイントとして構成される。股関節部(150)には、関節回転角を測定する第1回転角エンコーダ(155)が装着される。
第1回転角エンコーダ(155)は歩行障害者の関節回転角を繰り返して測定することで歩行特性を把握するための信号を出力して、この信号を用いて歩行障害者の歩行特性によって股関節部(150)を駆動する制御信号が加工される。
第1線形アクチュエーター(170)はピストン(172)、シリンダー(174)、ギア部(176)、サーボモーター(178)を含めて成して、線形運動(直線運動)をするアクチュエーターで、一側は股関節支持部(100)の一端に装着されて、他の一側は第1ロードセル(180)を通じて大腿支持部(200)の上端に装着されている。 場合によって、第1ロードセル(180)は省略されることができる。
ピストン(172)はねじ山(螺糸山)を持ったピストンとして、一端は第1ロードセル(180)を通じて大腿支持部(200)に固定されて、他の一端は股関節支持部(100)に固定されたシリンダー(174)の内に収容される。
シリンダー(174)はピストン(172)を収容するシリンダーとして、一端は股関節支持部(100)に固定されて、他の一端はシリンダー(174)の内に収容されたピストン(172)と連結された第1ロードセル(180)を通じて大腿支持部(200)に固定される。
ギア部(176)はピストン(172)のねじ山(螺糸山)に回転できるように貫通、結合される。
ピストン(172)、シリンダー(174)、ギア部(176)はボールスクリュー(Ball Screw)を構成して、ボールスクリューはサーボモーター(178)の回転を直線運動に変えてくれる手段である。
サーボモーター(178)はギア部(176)を回転駆動させて、ピストン(172)をシリンダー(174)の内外で往復移動させる。
第1ロードセル(180)は股関節部(150)から大腿支持部(200)を持ち上げるのに加えられた力(荷重)を測定する。すなわち、第1線形アクチュエーター(170)から股関節(尻の関節)に加えられる力を測定する。
大腿支持部(200)は人体の左右側の大腿部位置に装着されて、一端は股関節部(150)に回動可能に装着されて、他の一端は膝関節部(250)に固定される。大腿支持部(200)は第1線形アクチュエーター(170)によって回動されて、このように回動されることによって、大腿部を上げるとか下ることのように動作することができる。また大腿支持部(200)は膝関節部(250)に装着された下腿支持部(300)が第2線形アクチュエーター(270)によって回動されることができるように支持する。大腿支持部(200)は人体の大腿部にストラップによって固定される。
大腿支持部(200)は大腿部を支持する手段として、人によって大腿長さが違うので、大腿支持部(200)を二つに分けた上端大腿支持部(225)と下端大腿支持部との間に位置する大腿延長部(210)をさらに具備する。
大腿延長部(210)は、棒形態を持って、一端が上端大腿支持部(225)に固定されて、多数のホール(hole)(220)を具備する。大腿延長部(210)の他の一端が下端大腿支持部(230)に挿入されて、下端大腿支持部(230)の外側のホールとねじ結合する。 大腿延長部(210)を用いて長さを変化されることができる。
膝関節部(250)は大腿支持部(200)と下腿支持部(300)の間に装着される。膝関節部(250)に大腿支持部(200)が固定装着されて、膝関節部(250)に下腿支持部(300)が回動可能になるように装着される。
膝関節部(250)には、関節回転角を測定する第2回転角エンコーダ(250)が装着される。第2回転角エンコーダ(250)は歩行障害者の関節回転角を繰り返して測定することで歩行特性を把握するための信号を出力して、この信号を用いて歩行障害者の歩行特性によって膝関節部(250)を駆動する制御信号が加工される。
第2線形アクチュエーター(270)はピストン(272)、シリンダー(274)、ギア部(276)、サーボモーター(278)を含めて成して、線形運動(直線運動)をするアクチュエーターで、一側は大腿支持部(200)に装着されていって、他の一側は第2ロードセル(280)を通じて下腿支持部(300)の上端に装着されている。場合によって、第2ロードセル(280)は省略されることができる。
ピストン(272)はねじ山(螺糸山)を持ったピストンとして、一端は第2ロードセル(280)を通じて下腿支持部(300)に固定されて、他の一端は大腿支持部(200)に固定されたシリンダー(274)の内に収容される。
シリンダー(274)はピストン(272)を収容するシリンダーで、一端は大腿支持部(200)に固定されて、他の一端はシリンダー(274)の内に収容されたピストン(272)と連結された第2ロードセル(280)を通じて下腿支持部(300)に固定される。
ギア部(276)はピストン(272)のねじ山(螺糸山)に回転できるように貫通、結合される。
ピストン(272)、シリンダー(274)、ギア部(276)はボールスクリューを構成して、ボールスクリュー はサーボモーター(278)の回転を直線運動に変えてくれる手段である。
サーボモーター(278)はギア部(276)を回転駆動させて、ピストン(272)をシリンダー(274)の内外に往復移動させる。
第2ロードセル(280)は股関節部(150)から下腿支持部(300)を移動させることに加えられた力(荷重)を測定する。すなわち、第2線形アクチュエーター(270)で加えられた力を測定する。
下腿支持部(300)は人体の左右側の下腿部位置に装着されて、一端は膝関節部(250)で回動可能に装着されて、他の一端は足首支持部(400)と連結される。下腿支持部(300)は第2線形アクチュエーター(270)によって回動されて、このように回動されることで、足を上げるとか下ることのような動作を行えることができる。下腿支持部(300)は人体のふくらはぎに対応する部分として、ストラップでふくらはぎと固定されることができる。
足首支持部(400)は一端が下腿支持部(300)と連結されて、足先固定掛け(440)が装着されている。足首支持部(400)は足首ストラップを具備して、足首支持部(400)を足首に固定することができる。
足先固定掛け(440)は、足先(前足)部分を抱えた足先保護台(前足ストラップ)(未図示)に連結された線が足先固定掛け(440)を通じ固定されることで、足先(前足)部分を固定する。
足先固定掛け(440)を通じてFES刺激部(未図示)が足に装着される。
足首延長部(445)は棒形態を持って、一端が足首支持部(400)に装着されており、多数のホール(220)を具備して、足首支持部(400)の外側のホールとねじ結合するように成して、足首支持部(400)の長さを変化されることができる。 場合によっては足首延長部(445)を略することができる。
図4は図2のロボット-補助型歩行訓練装置が駆動される作用原理を現わす図面である。
第1線形アクチュエーター(170)が股関節部(150)または第1ロードセル(180)の側に動いたら、股関節部(150)は時計回りに動いて、大腿支持部(200)は上の方向、すなわち大腿部を持ち上げる方向に動く。第1線形アクチュエーター(170)が反対側に動いたら、結果的に大腿支持部(200)は下の方向、すなわち大腿部を下げる方向に動く。
第2線形アクチュエーター(270)が股関節部(150)側に動いたら、膝関節部(250)は時計回りに動いて、下腿支持部(300)は上の方向、すなわち下腿部(こむら)を持ち上げる方向に動く。 第2線形アクチュエーター(270)が足首部(400)側に動いたら、結果的に下腿支持部(300)は下の方向、すなわち下腿部を下げる方向に動く。
図5は本発明の左右側足のロボット-補助型歩行訓練装置が統合されたロボティック歩行訓練システムを説明する説明図である。
左右側足のロボット-補助型歩行訓練装置(10)から股関節支持部(100)の一端(股関節部(150)と反対になる端部)が統合固定団(77)に装着、固定されて、統合固定団(70)の一側には背支持部(90)を装着して、このロボティック歩行訓練システムを着用した時に背中を支えるように成している。また統合固定団(70)はフレーム連結部(95)を通じてロボティック歩行訓練システムのフレームと連結されている。フレームはハーネスなどを装着するためのフレームである。
左右側足のロボット-補助型歩行訓練装置(10)は大腿ストラップ(215)、下腿ストラップ(315)、足首ストラップ(415)を具備して、足とロボット-補助型歩行訓練装置(10)とを結合する。
尻の左右両側に位置される臀部ガイド(17)はロボット-補助型歩行訓練装置(10)の上端に位して臀部に固定されて、ロボット-補助型歩行訓練装置(10)が肌を押して痛いことを緩和するためのクッションの役目をする。
すなわち、本発明によるハイブリッドロボット-補助型歩行訓練装置は、歩行障害者をして、足の関節部位を動かすための筋力を補強することで歩行訓練ができる歩行訓練装置であり、人体の腰及び尻部位、大腿部、ふくらはぎとそれぞれ結合される、股関節支持部(100)、大腿支持部(200)、下腿支持部(300)を含めて、各支持部を回転できるように結合させる、股関節部(150)、膝関節部(250)を含む。
股関節支持部(100)は人体の腰及び尻部位に対応する部分として、単純に大腿支持部(200)及び下腿支持部(300)を支持する機能のみを担当することができるし、また、人体の上体とストラップで結合して人体の上体の荷重を支えることもできる。大腿支持部(200)は人体の大腿部とストラップによって結合されて大腿部(上腿、高もも)を固定させる。下腿支持部(300)は人体のふくらはぎに対応する部分としてふくらはぎストラップに結合されて固定されることができる。
図6は本発明の能動的ロボティック歩行訓練システムの使用状態を説明するための説明図である。
歩行障害者がハーネス(112)を装着して左右側足にロボット-補助型歩行訓練装置(10)を装着して、トレッドミル(60)の上で歩行訓練を受ける。
歩行障害者の体重を支持するために、ハーネス(112)に装着されたロープ(114)がフレーム(65)で設置される。ロープ(114)はフレーム(65)で歩行障害者の上側に位置された滑車(116)を経って、重さを支えるための重り(118)と連結される。すなわち、歩行障害者の重量を支持するために、歩行障害者に着用されるハーネス(112)と、滑車(116)と、重り(118)とを具備して、滑車(116)はハーネス(112)に連結されたロープ(114)を通じて歩行障害者の重量を支持して、重り(118)は、ロープ(114)で連結された歩行障害者の垂直移動を制御する。
歩行障害者が歩行訓練の中に手を握ることができる腕据置台(70)が左右両側にあり、腕据置台(70)の上には停止スィッチ(75)を具備して訓練の中で危急事項が発生すれば訓練者によって止めることができるように成している。
制御部(40)は傾きセンサー、ロードセルなどから受信された信号から現在の歩行者の状態と歩行周期とを判定して、判定された歩行周期によって股関節部(20)、膝関節部(30)、FES部(50)を駆動させる。
また訓練中の歩行障害者は制御部(40)のディスプレー部に出力された訓練結果のディスプレーを見ながら歩行訓練を行うことができて、バイオフィードバックの効果をもたらす。
図7は本発明でストラップと一体化されたFES部の一例で、図8は本発明でFES部をストラップなどを利用して装着した例を現わす。
FES部(50)は下腿支持部(300)の下端に位して、制御部(150)によって人体の足首部位に機能的電気刺激(Functional Electric Stimulation)を加える。電気刺激部(40)は、人体の足首部位にストラップ或いは靴下によって接触式で電気刺激を加えることができる。
本発明による歩行訓練装置(10)は股関節部(150)で関節回転角を測定する第1回転角エンコーダ(155)を具備して、また膝関節部(250)で関節回転角を測定する第2回転角エンコーダ(250)を具備して、回転角エンコーダ(155、255)で検出された関節回転角は制御部(150)に送信されて、制御部(150)は繰り返しに受信される回転角データによって個別の歩行障害者ことに歩行特性をデータベース化して、各歩行特性によってサーボモーター(178、278)の回転量及び回転速度を制御して駆動させることで線形アクチュエーター(170、270)を制御することができる。
そして、本発明による歩行訓練装置(10)は前記の股関節部(150)に加えられる荷重を測定するロードセル及び前記の膝関節部(250)に加えられる荷重を測定するロードセルを具備することができる。ロードセルは関節部(150、250)に加えられる荷重を制御部(150)に送信して、制御部(150)は歩行障害者の歩行特性によって適切な張力を調節するために重り(118)を制御する。これで、ロープ(114)及び滑車(116)と結合されたハーネス(112)に加えられる張力が制御されて、個別の歩行障害者の特性に合わせて最適化された歩行訓練ができる。
そして、前記の第2支持部(25)は地軸に対する傾きを測定する傾きセンサーを具備して、前記の電気刺激部(40)は前記の傾きセンサーによって測定される前記の歩行障害者の歩行週期ごとに足首関節の底屈筋/背屈筋に機能的電気刺激を加えることで、能動的な歩行訓練が可能になる。電気刺激部(40)は傾きセンサーによって測定される歩行瞬間を探知して機能的電気刺激を出力することもでき、制御部(150)で蓄積された各歩行障害者の歩行特性に対するデータベースから最適化された歩行訓練に合わせた歩行週期ごとに機能的電気刺激を出力することもできる。
図9は本発明の能動的ロボティック歩行訓練システムを制御する構成を概略的に説明するためのブロック図で、メイン演算処理部(500)、FES駆動部(510)、ロボティック歩行制御部(520)、センサー部(530)、データ貯蔵部(590)、ディスプレー部(600)を含めて成している。
メイン演算処理部(500)はセンサー部(530)の出力信号を受信して、データ貯蔵部(590)から既に貯蔵された歩行周期パターンを受信して、FES制御信号、第1線形アクチュエーター制御信号、第2線形アクチュエーター制御信号などを生成して、FES駆動部(510)、ロボティック歩行制御部(520)の第1線形アクチュエーター駆動部(570)や第2線形アクチュエーター駆動部(580)に送る。また受信されたセンサー部(530)の出力信号をデータ貯蔵部(590)に貯蔵する。メイン演算処理部(500)は歩行訓練者の歩行訓練結果を分析してディスプレー部(600)に出力する。
FES駆動部(510)はメイン演算処理部(500)からのFES制御信号によってFES刺激信号を出力する。
ロボティック歩行制御部(520)は第1線形アクチュエーター駆動部(570)、第2線形アクチュエーター駆動部(580)を含む。
第1線形アクチュエーター駆動部(570)はメイン演算処理部(500)から受信された第1線形アクチュエーター制御信号によって第1線形アクチュエーター(170)を駆動して、第1線形アクチュエーター(170)が大腿支持部(200)をあげるとか下るように回動させる。
第2線形アクチュエーター駆動部(580)はメイン演算処理部(500)から受信された第2線形アクチュエーター制御信号によって第2線形アクチュエーター(270)を駆動して、第2線形アクチュエーター(270)が下腿支持部(200)をあげるとか下るように回動させる。
センサー部(530)は傾きセンサー(540)、ロードセル部(550)、エンコーダ部(560)を含めて検出された信号をメイン演算処理部(500)に送る。
傾きセンサー(540)はロボット-補助型歩行訓練装置(10)の下腿支持部または足先(前足)部分を巻いた足先保護台に装着されて、下腿部の傾きまたは足の傾きを検出する。
ロードセル部(550)は第1ロードセル(180)と第２ロードセル(280)を含めて、第1ロードセル(180)は股関節部(150)から大腿支持部(200)を持ち上げるのに加えられた力(荷重)を測定して、第2ロードセル(280)は膝関節部(250)から下腿支持部(300)を持ち上げるのに加えられた力(荷重)を測定する。
エンコーダ部(560)は第1回転角エンコーダ(155)と、第2回転角エンコーダ(255)とを含めて、第1回転角エンコーダ(155)は股関節部の回転角を測定して、この測定結果を利用して第1線形アクチュエーター制御信号が生成して、第2回転角エンコーダ(255)は膝関節部の回転角を測定して、この測定結果を利用して第2線形アクチュエーター制御信号が生成する。すなわち、エンコーダ部(560)を用いて歩行障害者の関節回転角を繰り返して測定することで歩行特性を把握するための信号を出力して、この信号を用いて歩行障害者の歩行特性によって股関節部(150)及び膝関節部(250)を駆動させる制御信号が加工されることができる。
データ貯蔵部(590)はメイン演算処理部(500)から受信された信号を貯蔵して、ディスプレー部(600)はメイン演算処理部(500)かた受信された信号を出力する。
図10は図9のメイン演算処理部の構成を概略的に説明するためのブロック図で、動作分析部(502)、患者情報データベース(504)、システム制御部(506)を含めて成している。
動作分析部(502)は患者、すなわち歩行障害者の歩行パターンを収集して動作を分析する。
患者情報データベース(504)は動作分析部(502)から受信された歩行パターン及び分析結果を患者別で貯蔵する。
システム制御部(506)は患者情報データベース(504)から歩行パターンを読み取って、FES制御信号、第1線形アクチュエーター制御信号、第2線形アクチュエーター制御信号を生成して、FES駆動部(510)、ロボティック歩行制御部(520)の第1線形アクチュエーター駆動部(570)や第2線形アクチュエーター駆動部(580)に送る。
図11は本発明の能動的ロボティック歩行訓練システムの駆動方法を概略的に説明するための説明図である。
歩行障害者の設定段階で、歩行訓練対象の歩行障害者(患者)を設定して、歩行障害者の基礎情報(個人情報)を入力する(S110)。
歩行障害者の歩行パターン収集段階で、歩行障害者の歩行を測定して歩行パターンを収集する(S120)。
歩行パラメーター検出段階で、収集された歩行パターンから歩行訓練に関するパラメーターを検出して、関節角度、歩行時点を含む歩行イベント(gait event)、歩行周期、歩行速度を検出する(S130)。
訓練用歩行パターンの生成段階で、歩行パラメーター検出段階で検出されたパラメーターを利用して、歩行訓練の際に使う訓練用歩行パターンとして、個人的に個別化された歩行パターンを生成する(S140)。
歩行能力評価段階で、既に貯蔵されたデータを利用して歩行能力を評価する(S150)。
歩行障害者の設定段階(S110)ないし歩行能力評価段階(S150)は、動作を分析して歩行パターンを収集する、歩行パターン収集段階であると言える。
次は検出または設定されたデータを歩行障害者別のデータベース化する段階について説明する。
使用者登録情報のロード(load)段階で、歩行訓練システムの使用者、すなわち歩行障害者の基礎情報(個人情報)を読み取る(S210)。
初期歩行パターン設定段階で、歩行訓練システムで使う初期歩行パターンを設定する(S210)。
個人適応訓練パターンの生成段階で、初期歩行パターン設定段階(S210)での初期歩行パターンと、訓練用歩行パターンの生成段階(S140)で生成した訓練用歩行パターンと、既に貯蔵された歩行障害者データベースを利用して、個人適応訓練パターンを生成する(S230)。
データベースのアップデート(update)段階で、生成された個人適応訓練パターン情報を貯蔵して更新する(S240)。
使用者登録情報のロード段階(S210)ないしデータベースのアップデート段階(S240)は歩行障害者別のデータベース化段階であると言える。
次はシステム及び訓練による制御に関して説明する。
システム初期化段階で、システムを初期化する(S310)。
使用者検索段階で、使用者を検索して認識する(S320)。
訓練レベル設定段階で、訓練パターンを使った訓練時の訓練の強さを設定する(S330)。
例えば 6段階で設定する場合、歩行訓練装置(10)の左右膝関節部や左右股関節部の関節角度制御を、正常歩行と患者歩行との差の大きさを6段階に分けて歩行訓練する。
FESセンサ設定段階で、FESセンサーの刺激位置、刺激速度を設定して、データ収集(DAQ)の速度などを設定する(S340)。
訓練パラメーター設定段階で、歩行訓練装置(10)で訓練パラメーターを設定する(S350)。
歩行訓練シミュレーション段階で、歩行訓練装置(10)だけで設定された歩行訓練パターンで歩行訓練シミュレーションを行って装備駆動状況を確認して、もし問題点が発見されれば個人適応訓練パターンの生成段階(S230)に行って訓練パターンを再生成する(S360)。
歩行訓練段階で、歩行訓練を行いながらデータ収集も並行する(S370)。
歩行訓練結果の分析段階で、歩行訓練が終われば(S380)、歩行訓練の結果を貯蔵して分析する(S400)。
このように歩行訓練結果の分析段階で貯蔵されたデータは歩行パターン収集段階、歩行障害者別のデータベース化段階で再び利用されるようになる。
以上で、本発明はたとえ限られた実施例及び図面によって説明されても、本発明は前記の実施例に限定されるのではなくて、本発明が属する分野で通常の知識を持った者ならばこのような記載から多様な修正及び変形が可能である。したがって、本発明の思想は本発明の特許請求範囲によりのみ、把握されなければならない。そして、これの均等または等価的な変形の全ては本発明思想の範疇に属すると言えられる。
本発明は歩行障害者の残存歩行能力に基づいてより能動的な歩行訓練ができる能動的ロボティック歩行訓練システム及び方法に関することとして、リハビリ病院などで歩行障害者の歩行訓練をさせるのに利用することができる。

Claims (24)

  1. 大腿部に位置され、大腿部と同じ長さや同じ方向を持つ、大腿支持部； 臀部に位置され、一端が前記大腿支持部の上端に装着されて、しかも前記大腿支持部が回動できるように装着される、股関節支持部; 下腿部に位置され、前記大腿支持部の下端に装着されて、しかも回動できるように装着される、下腿支持部;を含めたロボティック歩行訓練システムにおいて、
    下腿支持部の下端に位置され、前足(足先)部分を包めた前足ストラップと連結された線が固定される、足先固定掛け;
    下腿支持部の下端または前足ストラップの一側に附着した、傾きセンサー;
    前記傾きセンサーから受信された傾き信号で足首関節の低屈筋または背屈筋を機能的電気刺激(FES)するためのFES制御信号を生成する、制御部;
    前記制御部から受信されたFES制御信号によって足首関節の低屈筋または背屈筋を機能的電気刺激(FES)をするように成している、FES部;を含むことを特徴にする、ロボティック歩行訓練システム。
  2. 大腿部に位置され、大腿部と同じ長さや同じ方向を持つ、大腿支持部； 臀部に位置され、一端が前記大腿支持部の上端に装着されて、しかも前記大腿支持部が回動できるように装着される、股関節支持部; 下腿部に位置され、前記大腿支持部の下端に装着されて、しかも回動できるように装着される、下腿支持部;を含めたロボティック歩行訓練システムにおいて、
    下腿支持部の下端に位置され、前足(足先)部分を包めた前足ストラップと連結された線が固定される、足先固定掛け;
    下腿支持部の下端または前足ストラップの一側に附着した、傾きセンサー;
    前記傾きセンサーから受信された傾き信号で股関節角度制御信号を生成する、制御部;
    前記制御部から前記股関節角度制御信号を受信して、前記大腿支持部と前記股関節支持部との結合部である股関節部で、前記股関節角度制御信号によって前記大腿支持部が回動するように第1線形アクチュエーターを駆動させる、第1線形アクチュエーター駆動部;を含むことを特徴にする、ロボティック歩行訓練システム。
  3. 大腿部に位置され、大腿部と同じ長さや同じ方向を持つ、大腿支持部； 臀部に位置され、一端が前記大腿支持部の上端に装着されて、しかも前記大腿支持部が回動できるように装着される、股関節支持部; 下腿部に位置され、前記大腿支持部の下端に装着されて、しかも回動できるように装着される、下腿支持部;を含めたロボティック歩行訓練システムにおいて、
    下腿支持部の下端に位置され、前足(足先)部分を包めた前足ストラップと連結された線が固定される、足先固定掛け;
    下腿支持部の下端または前足ストラップの一側に附着した、傾きセンサー;
    前記傾きセンサーから受信された傾き信号で膝関節角度制御信号を生成する、制御部;
    前記制御部から前記膝関節角度制御信号を受信して、前記下腿支持部と前記大腿支持部との結合部である膝関節部で、前記膝関節角度制御信号によって前記下腿支持部が回動するように第2線形アクチュエーターを駆動させる、第2線形アクチュエーター駆動部;を含むことを特徴にする、ロボティック歩行訓練システム。
  4. 前記制御部は前記傾きセンサーから受信された傾き信号から足首関節の低屈筋または背屈筋を機能的電気刺激(FES)するためのFES制御信号を生成して、
    前記制御部から受信されたFES制御信号によって足首関節の低屈筋または背屈筋を機能的電気刺激(FES)するように成しているFES部を を更に含む、請求項２または 請求項３のうちのいずれか１項に記載のロボティック歩行訓練システム。
  5. 前記制御部は前記傾きセンサーから受信された傾き信号から股関節角度制御信号と膝関節角度制御信号を生成して、
    前記制御部から前記股関節角度制御信号を受信して、前記大腿支持部と前記股関節支持部の結合部である股関節部で、前記股関節角度制御信号によって前記大腿支持部が回動するように第1線形アクチュエーターを具備して、
    前記制御部から前記膝関節角度制御信号を受信して、前記下腿支持部と前記大腿支持部の結合部である膝関節部で、前記膝関節角度制御信号によって前記下腿支持部が回動するように第2線形アクチュエーターを駆動させる第2線形アクチュエーター駆動部を更に具備する、請求項１に記載のロボティック歩行訓練システム。
  6. 前記制御部は傾き信号で歩行周期を推正して、貯蔵されている股関節駆動パターンを用いて、推定した歩行周期によった股関節角度制御信号を生成する、請求項５に記載のロボティック歩行訓練システム。
  7. 前記制御部は傾き信号で歩行周期を推正して、貯蔵されている膝関節駆動パターンを用いて、推定された歩行周期によった膝関節角度制御信号を生成する、請求項５に記載のロボティック歩行訓練システム。
  8. 前記制御部は前記傾きセンサーから受信された傾き信号から膝関節角度制御信号を生成して、
    前記制御部から前記膝関節角度制御信号を受信して、前記下腿支持部と前記大腿支持部の結合部である膝関節部で、前記膝関節角度制御信号によって前記下腿支持部が回動するように第2線形アクチュエーターを駆動させる第2線形アクチュエーター駆動部を更に具備する、請求項２に記載のロボティック歩行訓練システム。
  9. 第1線形アクチュエーターは、一端が股関節支持部の一端に装着されて、他の一端が大腿支持部の上端に装着される、請求項２に記載のロボティック歩行訓練システム。
  10. 第2線形アクチュエーターは、一端が大腿支持部に装着されて、他の一端が下腿支持部の上端に装着される、請求項３に記載のロボティック歩行訓練システム。
  11. 股関節部は大腿支持部が回動された角度を測定するための第1エンコーダが装着される、請求項２に記載のロボティック歩行訓練システム。
  12. 膝関節部は下腿支持部が回動された角度を測定するための第2エンコーダが装着される、請求項３に記載のロボティック歩行訓練システム。
  13. 制御部は傾き信号で歩行周期を推正して、第1エンコーダから股関節角度信号を受信して、貯蔵されている股関節駆動パターンを用いて、推定された歩行周期によった股関節角度制御信号を生成する、請求項11に記載のロボティック歩行訓練システム。
  14. 前記制御部は傾き信号で歩行周期を推正して、第2エンコーダから膝関節角度信号を受信して、貯蔵されている膝関節駆動パターンを用いて、推定された歩行周期によった膝関節角度制御信号を生成する、請求項12に記載のロボティック歩行訓練システム。
  15. 第1線形アクチュエーターと大腿支持部との間にロードセルが装着される、請求項９に記載のロボティック歩行訓練システム。
  16. 第2線形アクチュエーターと下腿支持部との間にロードセルが装着される、請求項10に記載のロボティック歩行訓練システム。
  17. 股関節部及び膝関節部のそれぞれにエンコーダを具備する、請求項５に記載のロボティック歩行訓練システム。
  18. 第1線形アクチュエーターと大腿支持部との間に第1ロードセルが装着されて、
    第2線形アクチュエーターと下腿支持部との間に第2ロードセルが装着される、請求項５に記載のロボティック歩行訓練システム。
  19. 前記大腿支持部、前記股関節支持部、前記下腿支持部が一側の足のためのロボット-補助型歩行訓練装置を成して、
    左右側の足のために一組のロボット-補助型歩行訓練装置と、
    前記一組のロボット-補助型歩行訓練装置を装着して歩行訓練をするためのトレッドミルとを更に具備する、請求項５に記載のロボティック歩行訓練システム。
  20. ハーネスと、
    ハーネスに装着されたロープが経る滑車を装着するためのフレームと、
    前記滑車を経ったロープの一端に装着された重りとを更に具備する、請求項19に記載のロボティック歩行訓練システム。
  21. 大腿支持部が大腿部と結合するための大腿部ストラップが大腿支持部に装着されて、
    下腿支持部の上端と下腿部とが結合するための下腿部ストラップと、下腿支持部の下端と足首とが結合するための足首ストラップとが装着される、請求項５に記載のロボティック歩行訓練システム。
  22. 歩行障害者の歩行パターンを収集して動作を分析する、歩行パターン収集段階;
    歩行パターン収集段階で、収集された歩行パターン及び分析結果を歩行障害者別で貯蔵する、歩行障害者別データベース化段階;
    歩行障害者別データベース化段階で貯蔵された歩行パターンから、FES制御信号と、股関節部及び膝関節部を駆動させるアクチュエーター制御信号とを生成して出力する、システム制御段階;を含むロボティック歩行訓練システムの駆動方法において、
    歩行パターン収集段階は、
    歩行訓練対象の個人情報が入力されれば、歩行障害者の歩行から歩行パターンを収集される、歩行障害者の歩行パターン収集段階;
    歩行障害者の歩行パターン収集段階で収集されたデータで、関節角度、歩行時点を含む歩行イベント(gait event)、歩行周期、歩行速度を検出する、歩行パラメーター検出段階;
    歩行パラメーター検出段階で検出された、歩行周期を含む歩行パラメーターから、歩行訓練の時に使われる訓練用歩行パターンを生成する、訓練用歩行パターンの生成段階;を含む、ロボティック歩行訓練システムの駆動方法。
  23. 歩行障害者別データベース化段階は、
    貯蔵されている歩行パターンの中で設定された初期歩行パターンを読み取る、初期歩行パターン設定段階;
    初期歩行パターン設定段階で読み取った初期歩行パターンと、前記訓練用歩行パターンの生成段階で生成した訓練用歩行パターンと、貯蔵されていった歩行障害者データベースとを利用して、訓練用歩行パターンを再調整する、個人適応訓練パターンの生成段階;
    個人適応訓練パターンの生成段階で生成された訓練用歩行パターンの情報を更新、貯蔵する、データベースのアップデート段階;を含む、請求項22に記載のロボティック歩行訓練システムの駆動方法。
  24. システム制御段階は、
    設定された訓練レベルの強さによって、FESセンサーの刺激位置、刺激速度を設定する、FESセンサ設定段階;
    歩行障害者が搭乗されない歩行訓練装置で、設定されている歩行訓練パターンで歩行訓練シミュレーションが行われて装備駆動状況を点検して異常可否を判断する歩行訓練シミュレーション段階;を含む、請求項23に記載のロボティック歩行訓練システムの駆動方法。
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