JP2017158689A

JP2017158689A - 歩行訓練システム

Info

Publication number: JP2017158689A
Application number: JP2016044303A
Authority: JP
Inventors: 裕樹伊豆; Hiroki Izu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-08
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2036-03-08
Also published as: JP6716970B2

Abstract

【課題】歩行訓練を行う際に訓練者がバランスを崩すことを抑制することが可能な歩行訓練システムを提供する。【解決手段】歩行訓練システム１は、トレッドミル１０と、訓練者９０の脚に装着される脚ロボット２０と、モータ制御部１２０と、トレッドミル制御部１３０とを有する。脚ロボット２０は、膝関節の動作を補助するモータ２２を備える。モータ制御部１２０は、脚ロボット２０のモータ２２を制御する。トレッドミル制御部１３０は、モータ２２の回転角度に応じて、トレッドミル１０の駆動速度を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、歩行訓練システムに関する。

例えば片麻痺等の患者などがトレッドミルの上で歩行訓練を行う際に、歩行動作を補助する脚装具を訓練者である患者の脚に装着して、訓練を行うことが知られている。これに関連し、特許文献１には、ユーザの脚に装着され歩行動作を補助する脚ロボット（脚装具）とトレッドミルとを組み合わせた歩行リハビリシステムが開示されている。

特開２０１５−１０７２４７号公報

脚ロボットを片方の脚（麻痺脚）に装着した訓練者は、麻痺脚をうまく前に振り出すことが困難であるため、麻痺脚を前に振り出す場合と、脚ロボットが装着されていない健脚（麻痺のない脚）を振り出す場合とで、異なる動作を行うことがある。このような場合、トレッドミルの駆動速度が一定であると、訓練者は、歩行訓練の際にバランスを崩すおそれがある。したがって、訓練者は歩行訓練を行うことが困難となるおそれがあった。

本発明は、歩行訓練を行う際に訓練者がバランスを崩すことを抑制することが可能な歩行訓練システムを提供する。

本発明にかかる歩行訓練システムは、訓練者が歩行訓練を行うために用いられる歩行訓練システムであって、トレッドミルと、前記訓練者の脚に装着され、膝関節の動作を補助するモータを備える脚ロボットと、前記脚ロボットの前記モータを制御するモータ制御手段と、前記モータの回転角度に応じて、前記トレッドミルの駆動速度を制御するトレッドミル制御手段とを有する。

本発明によれば、歩行訓練を行う際に訓練者がバランスを崩すことを抑制することが可能な歩行訓練システムを提供できる。

実施の形態１にかかる歩行訓練システムを示す図である。実施の形態１にかかる制御ユニットの構成を示す図である。実施の形態１にかかる歩行訓練における制御フローを示す図である。実施の形態１にかかる歩行訓練における制御の例を示すグラフを示す図である。実施の形態１にかかる歩行訓練における制御の例を示すグラフを示す図である。

（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

図１は、実施の形態１にかかる歩行訓練システム１を示す図である。歩行訓練システム１は、訓練者９０が歩行訓練を行うために用いられる。歩行訓練システム１は、トレッドミル１０と、脚ロボット２０と、制御ユニット１００とを有する。本実施の形態においては、制御ユニット１００は、トレッドミル１０に内蔵されている。

トレッドミル１０は、支持フレーム１１ａと、ハーネス１１ｂと、ベルト１２と、ベルト１２を駆動させる駆動装置１４とを有する。ハーネス１１ｂは、支持フレーム１１ａから吊り下げられている。訓練者９０は、ハーネス１１ｂを装着して、駆動しているベルト１２の上で歩行訓練を行う。訓練者９０がハーネス１１ｂを装着することで、歩行訓練中に訓練者９０が転倒することを防止できる。

脚ロボット２０は、訓練者９０の脚（麻痺脚）に装着される。脚ロボット２０は、モータ２２を有する。モータ２２は、脚ロボット２０が装着された脚（麻痺脚）の膝関節の動作を補助（アシスト）する。具体的には、モータ２２が回転駆動することによって、膝関節の曲げ伸ばし動作が補助される。また、脚ロボット２０が装着された脚（麻痺脚）の足裏には、足裏に加わる荷重（足裏荷重）を検知する足裏荷重センサ２４が装着されている。なお、足裏荷重センサ２４は、脚ロボット２０と一体の構造であってもよいし、物理的に別の構成であってもよい。また、足裏荷重センサ２４は、健脚に装着されてもよい。

制御ユニット１００は、脚ロボット２０と無線又は有線を介して通信可能に接続されている。制御ユニット１００は、トレッドミル１０の動作及び脚ロボット２０の動作を制御する。具体的には、制御ユニット１００は、トレッドミル１０の駆動速度（ベルト１２の進行速度）及び脚ロボット２０のモータ２２を制御する。つまり、制御ユニット１００は、トレッドミル制御手段及びモータ制御手段としての機能を有する。以下、詳述する。

図２は、実施の形態１にかかる制御ユニット１００の構成を示す図である。制御ユニット１００は、歩行状態推定部１１０、モータ制御部１２０及びトレッドミル制御部１３０を有する。制御ユニット１００は、訓練者９０が脚ロボット２０を装着してトレッドミル１０を用いて歩行訓練を行う際に、モータ２２の回転角度に応じて、トレッドミル１０の駆動速度を制御する。制御ユニット１００は、例えば、ＣＰＵ及びメモリ等を有するコンピュータによって実現され得る。

歩行状態推定部１１０は、脚ロボット２０（モータ２２）から、モータ２２の回転角度（モータ回転角度）を示す信号を取得する。また、歩行状態推定部１１０は、足裏荷重センサ２４から、足裏荷重値を示す信号を取得する。そして、歩行状態推定部１１０は、モータ回転角度及び足裏荷重値から、訓練者９０の歩行状態を推定する。歩行状態推定部１１０は、推定した歩行状態を示す信号を、モータ制御部１２０及びトレッドミル制御部１３０に対して出力する。ここで、歩行状態は、例えば、麻痺脚を振り出している状態、及び、健脚を振り出している状態を含む。さらに、麻痺脚を振り出しているとき、歩行状態は、麻痺脚の膝関節の曲げ角度（膝角度）を含む。ここで、脚ロボット２０は、麻痺脚の膝関節に装着され、モータ２２の回転に伴って膝関節が動作するので、膝角度は、モータ回転角度に対応し得る。

モータ制御部１２０は、歩行状態推定部１１０から受け付けた歩行状態に応じて、脚ロボット２０のモータ２２に対して、モータ駆動トルクを指示するモータ駆動トルク指令を出力する。例えば、モータ制御部１２０は、モータ回転角度に応じてモータ駆動トルクを決定する。つまり、モータ制御部１２０は、モータ回転角度に応じたフィードバック制御により、モータ２２を制御する。よって、モータ制御部１２０は、モータ制御手段としての機能を有する。

なお、モータ制御部１２０は、例えば、時間とモータ回転角度（膝関節の角度）の目標値との関係を示す目標パターンを記憶してもよい。この場合、モータ制御部１２０は、ある時間におけるモータ回転角度が目標パターンに追従するように、モータ駆動トルク指令を出力する。なお、モータ２２の回転角度を指令可能であれば、モータ制御部１２０は、モータ回転角度を指示する構成であってもよい。

トレッドミル制御部１３０は、歩行状態推定部１１０から受け付けた歩行状態に応じて、トレッドミル１０（駆動装置１４）の駆動を制御する。具体的には、トレッドミル制御部１３０は、モータ回転角度に応じて、トレッドミル１０の駆動速度（トレッドミル駆動速度）を制御する。さらに具体的には、トレッドミル制御部１３０は、モータ回転角度に応じたトレッドミル駆動速度となるように、トレッドミル１０の駆動装置１４に対して、制御信号を出力する。

ここで、トレッドミル駆動速度（目標速度）をＶｔとし、モータ回転角度をθｍとすると、Ｖｔは、θｍの関数となる。つまり、ｆ（ｘ）をｘの関数とすると、
Ｖｔ＝ｆ（θｍ）・・・（式１）
が成り立つ。

ここで、関数ｆ（ｘ）は、何らかの関数であるが、ｘ（つまりθｍ）の増減に応じて増減することが好ましい。関数ｆ（ｘ）は、例えば、正弦波等による三角関数、多次曲線による多項式関数、スプライン曲線による関数等であるが、これらに限定されない。また、関数ｆ（ｘ）に含まれるパラメータは、訓練者ごとに適宜設定され得る。また、関数ｆ（ｘ）は、ｘが増加するにつれて増加する関数であってもよいし、ｘが増加するにつれて減少する関数であってもよい。

図３は、実施の形態１にかかる歩行訓練における制御フローを示す図である。まず、訓練者９０の歩行状態は、健脚側を振り出す前の状態となる（ステップＳ１０２）。ここで、例えば、歩行状態推定部１１０は、麻痺脚の足裏荷重値が増加することで、歩行状態が健脚側を振り出す前の状態であることを推定してもよい。このとき、脚ロボット２０は、モータ回転角度が一定となるように制御される。具体的には、モータ制御部１２０は、麻痺脚の膝角度、つまりモータ回転角度を固定する制御を行う。つまり、モータ制御部１２０は、モータ回転角度が変化しないように、モータ駆動トルク指令を、脚ロボット２０に対して出力する。ここで、好ましくは、このときのモータ回転角度は、麻痺脚の膝が歩行動作において比較的伸びた状態となるような角度である。

また、この状態のとき、トレッドミル制御部１３０は、予め設定されている一定の設定速度で駆動するように、トレッドミル１０を制御する。つまり、トレッドミル制御部１３０は、トレッドミル駆動速度が設定速度となるように、トレッドミル１０の駆動装置１４に対して、制御信号を出力する。言い換えると、設定速度は、式（１）において、麻痺脚の膝角度、つまりモータ回転角度が固定された状態におけるモータ回転角度に対応する。つまり、この状態のとき、トレッドミル制御部１３０は、モータ回転角度に応じてトレッドミル駆動速度を制御する。

次に、訓練者９０の歩行状態は、健脚側を振り出した状態となる（ステップＳ１０４）。ここで、例えば、歩行状態推定部１１０は、麻痺脚の足裏荷重値が最大となることで、歩行状態が健脚側を振り出した状態であることを推定してもよい。このとき、Ｓ１０２と同様に、脚ロボット２０は、モータ回転角度が一定となるように制御される。また、Ｓ１０２と同様に、トレッドミル制御部１３０は、予め設定されている一定の設定速度で駆動するように、トレッドミル１０を制御する。

次に、訓練者９０の歩行状態は、健脚側を振り出してから接地（健脚の足裏がベルト１２に接触）した状態となる（ステップＳ１０６）。ここで、例えば、歩行状態推定部１１０は、麻痺脚の足裏荷重値が減少することで、歩行状態が、健脚が接地した状態であることを推定してもよい。このとき、Ｓ１０２と同様に、脚ロボット２０は、モータ回転角度が一定となるように制御される。また、Ｓ１０２と同様に、トレッドミル制御部１３０は、予め設定されている一定の設定速度で駆動するように、トレッドミル１０を制御する。

次に、訓練者９０の歩行状態は、麻痺脚側を振り出した状態となる（ステップＳ１０８）。ここで、例えば、歩行状態推定部１１０は、麻痺脚の足裏荷重値が予め定められた閾値以下となることで、歩行状態が、麻痺脚側を振り出した状態であることを推定してもよい。このとき、脚ロボット２０は、麻痺脚の振り出し動作（曲げ伸ばし動作）をアシストするように制御される。具体的には、モータ制御部１２０は、予め定められたタイミングで麻痺脚の曲げ伸ばし動作を補助するように、モータ回転角度を制御する。

また、この状態のとき、トレッドミル制御部１３０は、脚ロボット２０のモータ回転角度に応じて、トレッドミル１０の駆動速度を制御する。つまり、歩行状態が、麻痺脚側を振り出した状態である場合、麻痺脚の曲げ伸ばし動作を補助するように、モータ回転角度は、増加又は減少するように変化する。そして、トレッドミル制御部１３０は、脚ロボット２０のモータ回転角度の変化に応じて、トレッドミル１０の駆動速度を増加又は減少させるように制御する。

このように、実施の形態１にかかる歩行訓練システム１は、脚ロボット２０のモータ回転角度に応じて、トレッドミル１０の駆動速度を制御する。これにより、訓練者９０が歩行訓練を行う際に健脚及び麻痺脚の動きが異なっても、健脚の振り出し状態（Ｓ１０２〜Ｓ１０６）と麻痺脚の振り出し状態（Ｓ１０８）とで、トレッドミル駆動速度を変化させることが可能となる。したがって、トレッドミル駆動速度が一定である場合と比較して、健脚の動き及び麻痺脚の動きの差に起因して訓練者９０がバランスを崩すことを抑制することが可能となる。

図４は、実施の形態１にかかる歩行訓練における制御の例を示すグラフを示す図である。図４において、横軸は時間を示す。また、縦軸は、脚ロボット２０のモータ回転角度θｍ又はトレッドミル駆動速度Ｖｔを示す。また、実線は、時間経過とトレッドミル駆動速度Ｖｔとの関係を示し、破線は、時間経過とモータ回転角度θｍとの関係を示す。

図４に示すように、Ｓ１０２〜Ｓ１０６（健脚の振り出し状態）では、モータ回転角度θｍ及びトレッドミル駆動速度Ｖｔは、それぞれ、一定角度θｍ＿ｃ及び一定速度Ｖｔ＿ｃである。このとき、モータ回転角度θｍ＿ｃは、麻痺脚の膝関節が歩行動作において比較的伸びた状態となるような角度である。

一方、Ｓ１０８（麻痺脚の振り出し状態）では、モータ回転角度θｍが一定角度θｍ＿ｃから小さくなるにつれて、つまり麻痺脚の膝関節が屈曲するにつれて、トレッドミル駆動速度Ｖｔが増加する。そして、モータ回転角度θｍが最小角度θｍ＿ｍｉｎとなったとき、つまり麻痺脚の膝関節の屈曲が最大となったとき、トレッドミル駆動速度Ｖｔは最大速度Ｖｔ＿ｍａｘとなる。

また、モータ回転角度θｍが最小角度θｍ＿ｍｉｎから大きくなるにつれて、つまり麻痺脚の膝関節が伸びるにつれて、トレッドミル駆動速度Ｖｔが減少する。そして、モータ回転角度θｍが一定角度θｍ＿ｃとなったとき、つまり麻痺脚の膝関節が比較的伸びた状態となるとき、トレッドミル駆動速度Ｖｔは一定速度Ｖｔ＿ｃとなる。

図４の例では、麻痺脚の膝関節が屈曲するほど、トレッドミル駆動速度が増加するように、トレッドミル制御部１３０は、トレッドミル駆動速度を制御する。訓練者９０は、麻痺脚の振り出し状態のときに、脚ロボット２０によって麻痺脚の膝関節の動作をアシストされても、麻痺脚を前に出すことが困難であることがある。このような場合に、麻痺脚の振り出し状態、つまり麻痺脚が遊脚となっている場合に、トレッドミル駆動速度を増加させると、ベルト１２に接触している健脚が速く後方に移動するので、麻痺脚が自然に前に出るようになる。つまり、図４に例示した制御により、麻痺脚が遊脚となっている場合に、訓練者９０は、麻痺脚を容易に前に出すことが可能となる。したがって、実施の形態１にかかる歩行訓練システム１は、歩行訓練を行う際に訓練者がバランスを崩すことを抑制することが可能となる。

なお、図４の例では、トレッドミル駆動速度の変化のタイミングは、モータ回転角度の変化のタイミングと同じであるとしたが、このような構成に限られない。トレッドミル駆動速度の変化のタイミングは、モータ回転角度の変化のタイミングからずれてもよい。例えば、図５に示すように、トレッドミル駆動速度の変化のタイミングは、モータ回転角度の変化のタイミングよりも予め定められた時間だけ遅らせてもよい。また、可能であれば、トレッドミル駆動速度の変化のタイミングは、モータ回転角度の変化のタイミングよりも予め定められた時間だけ早くしてもよい。

（変形例）
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、制御ユニット１００は、トレッドミル１０に内蔵されているとしたが、このような構成に限られない。制御ユニット１００は、トレッドミル１０と物理的に別の構成であってもよいし、脚ロボット２０に内蔵されていてもよい。

また、歩行状態推定部１１０、モータ制御部１２０及びトレッドミル制御部１３０は、それぞれ、物理的に別の構成であってもよい。例えば、モータ制御部１２０は、脚ロボット２０に内蔵されていてもよい。このような場合、モータ制御部１２０、歩行状態推定部１１０及びトレッドミル制御部１３０は、互いに、無線又は有線を介して通信可能に接続されていてもよい。

また、図４の例では、麻痺脚の振り出し状態のときにトレッドミル駆動速度を一定速度（設定速度）よりも増加させたが、このような構成に限られない。訓練者９０の麻痺脚の状態によっては、麻痺脚の振り出し状態のときにトレッドミル駆動速度を一定速度よりも減少させてもよい。また、図３及び図４の例では、Ｓ１０２〜Ｓ１０６の動作がそれぞれ区別されているが、これらの動作は区別される必要はない。つまり、Ｓ１０２〜Ｓ１０６の状態をまとめて「健脚振り出し状態」とし、Ｓ１０８の状態を「麻痺脚振り出し状態」としてもよい。

１歩行訓練システム
１０トレッドミル
２０脚ロボット
２２モータ
２４足裏荷重センサ
１００制御ユニット
１１０歩行状態推定部
１２０モータ制御部
１３０トレッドミル制御部

Claims

訓練者が歩行訓練を行うために用いられる歩行訓練システムであって、
トレッドミルと、
前記訓練者の脚に装着され、膝関節の動作を補助するモータを備える脚ロボットと、
前記脚ロボットの前記モータを制御するモータ制御手段と、
前記モータの回転角度に応じて、前記トレッドミルの駆動速度を制御するトレッドミル制御手段と
を有する歩行訓練システム。