JP2018075302A - 歩行訓練システム - Google Patents

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Abstract

【課題】歩行補助装置の構造によらないで、より効果的に歩行訓練を行う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、歩行補助装置2、カメラ10、前側引張部35、後側引張部37及び制御装置100を有する。また、歩行訓練システム1は、歩行補助装置2の脚長方向に離間した位置に設けられた上部マーカ52及び下部マーカ54を有する。制御装置100は、カメラ10によって撮影された画像を用いて2つのマーカの加速度を算出し、この2つのマーカの加速度から、歩行補助装置2の重心位置の加速度を推定する。そして、制御装置100は、この重心位置の加速度と歩行補助装置2の重量との積から歩行補助装置2の慣性力を算出する。制御装置100は、歩行補助装置2の慣性力を低減するように、前側引張部35及び後側引張部37を制御する。
【選択図】図3

Description

本発明は歩行訓練システムに関し、特に、脚部に歩行補助装置を装着したユーザが歩行訓練を行うための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等の上で歩行訓練を行う際に、歩行動作を補助する脚装具(歩行補助装置)を訓練者(ユーザ)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。この技術に関連し、特許文献1は、ユーザが歩行訓練を行うための歩行訓練装置を開示している。特許文献1にかかる歩行訓練装置は、ユーザの脚部に装着され、該ユーザの歩行を補助する歩行補助装置と、歩行補助装置及びユーザの脚部のうち少なくとも一方を上方かつ前方に引張する第1引張手段と、歩行補助装置及びユーザの脚部のうち少なくとも一方を上方かつ後方に引張する第2引張手段とを備える。
特開2015−223294号公報
歩行補助装置を装着してユーザが歩行訓練を行うと、歩行補助装置の重量による慣性力が歩行補助装置に加わることがあるため、この慣性力の影響によりユーザが効果的に歩行訓練を行うことができないおそれがある。ここで、歩行補助装置の慣性力は、歩行補助装置の重量と歩行補助装置の重心における加速度との積によって求められ得る。したがって、歩行補助装置の重心位置に加速度センサを設置して重心における加速度を計測することで、慣性力を算出し、算出された慣性力を低減するように引張手段の引張力を制御する方法が考えられる。
しかしながら、歩行補助装置の構造上の理由により、歩行補助装置に加速度センサを設置できない場合は、上記の方法を用いることができないので、歩行補助装置の慣性力を算出することができない。したがって、歩行補助装置の慣性力を十分に低減させて効果的に歩行訓練を行う上で改善の余地がある。
本発明は、歩行補助装置の構造によらないで、より効果的に歩行訓練を行う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、ユーザ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、前記ユーザの脚部に装着され、前記ユーザの歩行を補助する歩行補助装置と、前記歩行補助装置の脚長方向に離間した位置に設けられた2つのマーカと、少なくとも前記ユーザが歩行訓練を行っている際に前記ユーザに装着された前記歩行補助装置を撮影可能な撮像手段と、前記歩行補助装置及び前記脚部の少なくとも一方を引っ張る少なくとも1つの引張手段と、前記引張手段の引張力を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記撮像手段によって撮影された画像を用いて前記2つのマーカの加速度を算出し、前記歩行補助装置の重心に対応する所定位置と前記2つのマーカそれぞれの位置との間の距離と、前記2つのマーカの加速度とを用いて、前記所定位置における加速度を推定し、前記推定された加速度と前記歩行補助装置の重量との積から算出される前記歩行補助装置の慣性力を低減するように、前記引張力を制御する。
本発明は、歩行補助装置に加速度センサを設置しなくても、歩行補助装置の重心に対応する所定位置における加速度を推定し、推定された加速度と歩行補助装置の重量との積から算出される歩行補助装置の慣性力を低減するように、引張手段の引張力を制御することができる。したがって、本発明は、歩行補助装置に加速度センサを設置しない場合であっても、歩行補助装置の慣性力を低減させることが可能となる。よって、本発明は、歩行補助装置の構造によらないで、より効果的に歩行訓練を行うことが可能となる。
また、好ましくは、前記歩行補助装置は、脚長方向の長さを可変とする脚長可変機構を有し、前記2つのマーカの間隔は、前記歩行補助装置の脚長方向の長さの変化に応じて変化し、前記制御手段は、変化した前記2つのマーカの間隔に応じて変化した前記距離を取得し、前記取得された前記距離を用いて、前記引張力を制御する。
歩行補助装置の長さが変化すると歩行補助装置の重心位置も変化するが、本発明においては、上記のように構成されていることによって、歩行補助装置の長さが変化しても、歩行補助装置に働く慣性力を算出することができる。したがって、本発明は、歩行補助装置の長さが変化する場合であっても、歩行補助装置の慣性力を低減させることが可能となる。よって、本発明は、歩行補助装置の長さが変化する場合であっても、より効果的に歩行訓練を行うことが可能となる。
また、好ましくは、前記歩行補助装置の、前記脚長可変機構に対して前記2つのマーカのうちの第1のマーカと同じ側の位置であって、前記脚長可変機構によって前記第1のマーカとの間隔が変更されない位置に設けられた固定マーカをさらに有し、前記制御手段は、前記固定マーカが撮影された画像における前記固定マーカと前記第1のマーカとの距離から、前記2つのマーカの間隔を算出する。
本発明は、このように構成されていることによって、2つのマーカの間隔を操作者が入力しなくても、制御装置が自動的に2つのマーカの間隔を算出することができる。したがって、歩行訓練をより効率的に行うことが可能である。
また、好ましくは、前記引張手段は、前記歩行補助装置及び前記ユーザの脚部のうち少なくとも一方を上方かつ前方に引張する第1引張手段と、前記歩行補助装置及び前記ユーザの脚部のうち少なくとも一方を上方かつ後方に引張する第2引張手段とを有し、前記制御手段は、前記歩行補助装置の前記脚部に対する負荷を軽減するように、前記第1引張手段及び前記第2引張手段の引張力をそれぞれ制御する。
本発明は、上記のように歩行補助装置の脚部に対する負荷を軽減するための制御を行うように構成されていることによって、歩行訓練時にユーザが歩行補助装置を装着したことによる負担を軽減することが可能となる。
また、好ましくは、前記引張手段は、前記歩行補助装置及び前記ユーザの脚部のうち少なくとも一方を下方に引張する第3引張手段をさらに有し、前記制御手段は、前記第1引張手段、前記第2引張手段及び第3引張手段の引張力をそれぞれ制御する。
本発明は、上記のように構成されていることによって、引張手段の引張力の合成ベクトルの向きの制限が抑制される。したがって、本発明は、歩行訓練の際にユーザが歩行補助装置を装着したことによる負担を軽減する方法の自由度を増加させることが可能となる。
また、好ましくは、前記制御手段は、前記歩行補助装置が装着された前記脚部の振り出しの開始及び終了を判断し、前記脚部の振り出しの開始のタイミングを含む一定期間、及び前記脚部の振り出しの終了のタイミングを含む一定期間において、前記歩行補助装置の慣性力を低減するように、前記引張力を制御する。
本発明は、上記のように構成されていることによって、歩行補助装置に大きな慣性力が作用し得る脚部の振り出しの開始のタイミング及び終了のタイミング以外のときに、歩行補助装置の慣性力を低減するような制御を行わなくてもよい。したがって、本発明は、脚部の振り出しの開始のタイミング及び終了のタイミング以外のときに、歩行補助装置の負荷を軽減するための制御をより確実に行うことが可能となる。
本発明によれば、歩行補助装置の構造によらないで、より効果的に歩行訓練を行う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の外観を示す斜視図である。 実施の形態1にかかる歩行補助装置の外観を示す斜視図である。 実施の形態1にかかる歩行訓練システムの概略を示す図である。 実施の形態1にかかる歩行訓練システムのハードウェア構成を示すブロック図である。 実施の形態1にかかる歩行補助装置及び各マーカを示す図である。 実施の形態1にかかる制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態1にかかる歩行訓練システムを用いて行われる歩行訓練方法を示すフローチャートである。 カメラ画像を例示する図である。 ワイヤ張力の算出方法を説明するための図である。 実施の形態2にかかる歩行補助装置及び各マーカを示す図である。 実施の形態2にかかる制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態2にかかる歩行訓練システムを用いて行われる歩行訓練方法を示すフローチャートである。 実施の形態3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)
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。図1は、実施の形態1にかかる歩行訓練システム1の外観を示す斜視図である。また、図2は、実施の形態1にかかる歩行補助装置の外観を示す斜視図である。本実施の形態に係る歩行訓練システム1は、例えば、片麻痺患者などのユーザの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、ユーザの脚部に装着される歩行補助装置2と、ユーザの歩行訓練を行う訓練装置3と、撮像手段であるカメラ10と、制御装置100とを備えている。
歩行補助装置2は、例えば、歩行訓練を行うユーザの患脚に装着され、ユーザの歩行を補助する。歩行補助装置2は、上腿フレーム21と、上腿フレーム21に膝関節部22を介して連結された下腿フレーム23と、下腿フレーム23に足首関節部24を介して連結された足平フレーム25と、膝関節部22を回転駆動するモータユニット26と、足首関節部24の可動範囲を調整する調整機構27と、を有している。なお、上記歩行補助装置2の構成は一例であり、これに限られない。例えば、歩行補助装置2は、足首関節部24を回転駆動するモータユニットを備えていてもよい。
上腿フレーム21は、ユーザの脚部の上腿部に取り付けられ、下腿フレーム23は、ユーザの脚部の下腿部に取り付けられる。上腿フレーム21には、例えば、上腿部を固定するための上腿装具212が設けられている。上腿装具212は、例えば、マジックテープ(登録商標)などを用いて、上腿部に固定される。これにより、歩行補助装置2がユーザの脚部から左右方向あるいは上下方向にずれるのを防止できる。
下腿フレーム23には、後述の前側引張機構41(第1引張手段)の前側ワイヤ34を接続するための、左右方向に延在する横長の第1フレーム211が設けられている。下腿フレーム23には、後述の後側引張機構42(第2引張手段)の後側ワイヤ36を接続するための、左右方向に延在する横長の第2フレーム231が設けられている。
なお、上述の前側引張機構41及び後側引張機構42の接続部は一例であり、これに限らない。前側引張機構41及び後側引張機構42の引張点を歩行補助装置2の任意の位置に設けることができる。さらに、前側ワイヤ34及び後側ワイヤ36は、歩行補助装置2に取り付けられる必要はなく、歩行補助装置2が装着された脚(麻痺脚)に、直接、取り付けられてもよい。
下腿フレーム23には、歩行補助装置2の脚長方向(ユーザの脚の長さに対応する方向)の長さを調整可能な脚長可変機構232が設けられている。脚長可変機構232によって、歩行補助装置2の脚長方向の長さは、ユーザの脚の長さに応じて可変とすることができる。なお、脚長可変機構232は、歩行補助装置2の脚長方向の長さを調整可能であれば、任意の位置に設置可能である。
足平フレーム25には、ユーザの足裏によって生じる荷重を検出する荷重センサ252が設けられている。荷重センサ252によって検出された荷重値によって、ユーザの歩行状態を判断することができる。具体的には、歩行補助装置2を装着した脚の振り出しの開始のタイミング等を判断することができる。モータユニット26は、ユーザの歩行動作に応じて膝関節部22を回転駆動することでユーザの歩行を補助する。なお、上記歩行補助装置2の構成は一例であり、これに限られない。ユーザの脚部に装着され、その歩行を補助できる任意の歩行補助装置が適用可能である。
訓練装置3は、トレッドミル31と、フレーム本体32と、を有している。制御装置100は、訓練装置3に内蔵されていてもよい。トレッドミル31は、リング状のベルト311を回転させる。ユーザは、ベルト311上に乗り該ベルト311の移動に応じて歩行を行い、その歩行訓練を行う。
フレーム本体32は、トレッドミル31上に立設された2対の柱フレーム321と、各柱フレーム321に接続され前後方向に延在する一対の前後フレーム322と、各前後フレーム322に接続され左右方向に延在する3つの左右フレーム323と、を有している。なお、上記フレーム本体32の構成は、これに限られない。後述の前側引張部35及び後側引張部37が適切に固定できれば、フレーム本体32は任意のフレーム構成であってもよい。
前方の左右フレーム323には、前側ワイヤ34を上方かつ前方に引っ張る前側引張部35が設けられている。そして、前側ワイヤ34と前側引張部35とによって、前側引張機構41が構成されている。また、後方の左右フレーム323には、後側ワイヤ36を上方かつ後方に引っ張る後側引張部37が設けられている。そして、後側ワイヤ36と後側引張部37とによって、後側引張機構42が構成されている。
前側引張部35は、例えば、前側ワイヤ34を巻取り及び巻き戻す機構、該機構を駆動するモータ、前側ワイヤ34の前側引張部35から引き出された長さを検出する機構、及び、前側ワイヤ34の角度を検出する機構などから構成されている。前側ワイヤ34の角度を検出する機構は、鉛直方向に対する前側ワイヤ34の角度を検出してもよい。同様に、後側引張部37は、例えば、後側ワイヤ36を巻取り及び巻き戻す機構、該機構を駆動するモータ、後側ワイヤ36の後側引張部37から引き出された長さを検出する機構、及び、後側ワイヤ36の角度を検出する機構などから構成されている。後側ワイヤ36の角度を検出する機構は、鉛直方向に対する後側ワイヤ36の角度を検出してもよい。
上述したように、前側ワイヤ34及び後側ワイヤ36の一端は、歩行補助装置2に接続されている。前側引張部35は、前側ワイヤ34を介して歩行補助装置2を上方かつ前方に牽引する。後側引張部37は、後側ワイヤ36を介して歩行補助装置2を上方かつ後方に牽引する。前側ワイヤ34及び後側ワイヤ36は、それぞれ、ユーザの脚部の歩行補助装置2から上方かつ前方及び上方かつ後方に延びる。したがって、前側ワイヤ34及び後側ワイヤ36は、ユーザの歩行時にユーザに干渉せず、歩行訓練の妨げとならない。
前側引張部35及び後側引張部37は、それぞれ、モータの駆動トルクを制御することで、前側ワイヤ34及び後側ワイヤ36の引張力を制御しているが、これに限らない。例えば、前側ワイヤ34及び後側ワイヤ36にバネ部材が接続されており、バネ部材の弾性力を調整することで、前側ワイヤ34及び後側ワイヤ36の引張力を調整してもよい。
制御装置100は、制御手段の一具体例である。制御装置100の構成については後述する。制御装置100は、前側引張部35及び後側引張部37の引張力と、トレッドミル31の駆動と、歩行補助装置2の動作とを制御する。また、制御装置100には、訓練指示、訓練メニュー、訓練情報(歩行速度、生体情報等)などの情報を表示する表示部331が設けられている。表示部331は、例えば、タッチパネルとして構成されており、ユーザは表示部331を介して各種の情報を入力できる。
カメラ10は、訓練装置3の側面側に設けられている。そして、カメラ10は、ユーザの横方向(矢状面)から、ユーザが歩行訓練を行っている様子を撮影する。これにより、ユーザの歩行訓練の画像を記録することができる。また、本実施の形態においては、カメラ10は、少なくとも、ユーザが歩行訓練を行っている際にユーザに装着された歩行補助装置2を撮影することができればよい。
図3は、実施の形態1にかかる歩行訓練システム1の概略を示す図である。図4は、実施の形態1にかかる歩行訓練システム1のハードウェア構成を示すブロック図である。上述したように、歩行訓練システム1は、歩行補助装置2と、カメラ10と、前側引張機構41と、後側引張機構42と、制御装置100とを有する。なお、歩行訓練における前方向をx軸の正方向とし、鉛直上方をy軸の正方向とする座標系を仮定する。
前側引張機構41(前側引張部35)は、歩行補助装置2を上方かつ前方に引張力f1で引っ張る。また、後側引張機構42(後側引張部37)は、歩行補助装置2を上方かつ後方に引張力f2で引っ張る。これにより、前側引張機構41による引張力f1の鉛直上方の成分f1yと、後側引張機構42による引張力f2の鉛直上方の成分f2yとによって、歩行補助装置2の重量が支えられる。さらに、前側引張機構41による引張力f1の水平方向の成分f1xと、後側引張機構42による引張力f2の水平方向の成分f2xとによって、脚部の振り出しが補助される。
ユーザが脚部に歩行補助装置2を装着して歩行訓練を行う場合、歩行補助装置2の重さにより脚部にかかる歩行負荷が増加するおそれがある。一方、本実施の形態にかかる歩行訓練システム1を用いることによって、歩行補助装置2の重量が支えられ、脚部の振り出しが補助されるので、歩行補助時におけるユーザの歩行負荷を軽減することができる。
また、歩行訓練システム1は、歩行補助装置2の脚長方向に離間した位置に設けられた2つのマーカを有する。歩行補助装置2の脚長可変機構232よりも上部の位置に、その位置おける加速度を検出するために使用される上部マーカ52が設けられている。図3の例では、上部マーカ52はモータユニット26(膝関節部22)の近傍に設けられているが、これに限られない。また、歩行補助装置2の脚長可変機構232よりも下部の位置には、その位置における加速度を検出するために使用される下部マーカ54が設けられている。図3の例では、下部マーカ54は足平フレーム25の近傍に設けられているが、これに限られない。このように、上部マーカ52と下部マーカ54との間に脚長可変機構232があるので、上部マーカ52と下部マーカ54との間隔であるマーカ間隔Dは、脚長可変機構232による歩行補助装置2の長さの変化に応じて、変化し得る。
また、上部マーカ52及び下部マーカ54は、歩行補助装置2の、ユーザが歩行補助装置2を装着して歩行訓練を行うときに、カメラ10の方に向く側に設けられている。そして、上部マーカ52及び下部マーカ54は、カメラ10によって撮影された場合に、カメラ10によって撮影された画像(カメラ画像)を用いて画像認識を行うことができるように構成されている。つまり、上部マーカ52及び下部マーカ54は、カメラ画像において識別可能であるような大きさ、形状、模様及び色で構成されている。また、上部マーカ52及び下部マーカ54は、例えば、塗料を塗布することによって歩行補助装置2に設けられてもよいし、目印となる物体(テープ等)を貼付することによって歩行補助装置2に設けられてもよい。
カメラ10は、ユーザが歩行訓練を行っている際にユーザに装着された歩行補助装置2を撮影する。そして、カメラ10は、撮影されたカメラ画像を示す画像データ(以後、単に「カメラ画像」と称する)を、制御装置100に対して送信する。ここで、カメラ画像は、歩行補助装置2の画像と、上部マーカ52及び下部マーカ54の画像とを含み得る。
図4に示すように、制御装置100は、カメラ10、荷重センサ252、前側引張部35、後側引張部37及びモータユニット26と、有線又は無線を介して接続されている。制御装置100は、荷重センサ252によって検出された荷重値から膝の屈曲動作のタイミングを判断して、モータユニット26の屈曲動作を制御する。なお、モータユニット26が、荷重センサ252によって検出された荷重値から、膝関節部22を回転駆動させるタイミング(膝の屈曲動作のタイミング)を判断してもよい。
具体的には、例えば、制御装置100は、荷重センサ252の荷重値が予め定められた閾値以下となった場合に、膝関節部22を回転駆動させて膝の屈曲動作を開始するようにモータユニット26を制御してもよい。また、ユーザの歩行動作が略一定である場合、屈曲動作を開始してからの膝関節部22の動作も、屈曲動作の開始時点からの経過時間に応じて一定とし得る。したがって、例えば、制御装置100は、屈曲動作を開始してからの経過時間と、その時間における膝関節部22の目標角度(モータユニット26の回転角度)との関係を示す曲線パターンを予め記憶し、その曲線パターンに応じて、モータユニット26の回転角度(膝関節部22の屈曲動作)を制御してもよい。
また、制御装置100は、予め設定された歩行補助装置2の重量を支える力(免荷量)と、振り出しを補助する力(振出アシスト量)とに応じて、前側引張部35及び後側引張部37を制御する。これによって、上述したように、歩行補助装置2の重量が支えられ、脚部の振り出しが補助されるように、前側引張機構41及び後側引張機構42による引張力が制御される。
さらに、制御装置100は、カメラ10からカメラ画像を取得し、取得したカメラ画像に対して画像処理を行う。制御装置100は、カメラ10から取得したカメラ画像を用いて、上部マーカ52及び下部マーカ54における加速度を算出する。また、制御装置100は、算出された上部マーカ52及び下部マーカ54の加速度から、歩行補助装置2の重心に対応する位置すなわち重心位置の加速度を推定する。そして、制御装置100は、この重心位置の加速度(重心加速度)と歩行補助装置2の重量との積から歩行補助装置2の慣性力を算出する。そして、制御装置100は、上述した歩行負荷の軽減のための制御に加えて、歩行補助装置2の慣性力を低減するように、前側引張部35及び後側引張部37を制御する。これにより、ユーザは、歩行訓練時において、脚部に装着された歩行補助装置2の慣性力が低減されるので、歩行訓練をより効果的に行うことができる。詳しくは後述する。
なお、歩行補助装置2の「重心位置」とは、厳密に歩行補助装置2の重心の位置である場合と、厳密に歩行補助装置2の重心の位置でない場合と、の両方を含む。後者の場合、重心位置は、操作者等によって、ここが歩行補助装置2の重心であると予め定められた所定位置であればよい。あるいは、この重心位置(所定位置)は、上部マーカ52及び下部マーカ54それぞれの位置よりも、歩行補助装置2の厳密な重心の位置に近く、厳密な重心位置を含む所定範囲内、に位置する所定位置であればよい。そして、この厳密な重心の位置と、予め定められた重心位置(所定位置)とのずれ、又は、所定範囲が大きい(広い)と、ユーザにとって歩行訓練が効果的となるように慣性力を低減することができない。したがって、上記のずれ及び所定範囲は、ユーザにとって歩行訓練が効果的となるように慣性力を低減できる程度に小さい(狭い)ことが望ましい。
図5は、実施の形態1にかかる歩行補助装置2及び各マーカを示す図である。上部マーカ52は、制御装置100によって、上部マーカ52の位置における加速度a1[m/s]を算出するために使用される。また、下部マーカ54は、制御装置100によって、下部マーカ54の位置における加速度a2[m/s]を算出するために使用される。ここで、加速度a1及び加速度a2は加速度ベクトルであり、成分で表すと、それぞれ、a1=(a1x,a1y)、a2=(a2x,a2y)となる。また、歩行補助装置2の重心位置G(重心であると予め定められた所定位置)における加速度である重心加速度(加速度ベクトル)を、a=(ax,ay)とする。
また、重心位置Gは、上部マーカ52と下部マーカ54との間にあり得る。本実施の形態では、重心位置Gは、上部マーカ52の位置と下部マーカ54の位置とを結んだ線分上にある。ここで、重心位置Gと上部マーカ52の位置との間の距離をD1[m]とし、重心位置Gと下部マーカ54の位置と間の距離をD2[m]とする。このとき、D=D1+D2となる。ここで、上述したように、マーカ間隔Dは、脚長可変機構232による歩行補助装置2の長さの変化に応じて、変化し得る。一方、重心位置Gは、脚長可変機構232による歩行補助装置2の長さの変化に応じて、一意に定められ得る。つまり、マーカ間隔Dが決定すれば、重心位置Gは一意に定まる。したがって、マーカ間隔Dの変化に応じて、距離D1及び距離D2は変化し、距離D1及び距離D2は、マーカ間隔Dに応じて一意に定められ得る。
図6は、実施の形態1にかかる制御装置100の構成を示すブロック図である。制御装置100は、主要なハードウェア構成として、CPU(Central Processing Unit)102と、ROM(Read Only Memory)104と、RAM(Random Access Memory)106と、インタフェース部108(IF;Interface)とを有する。CPU102、ROM104、RAM106及びインタフェース部108は、データバスなどを介して相互に接続されている。
CPU102は、制御処理及び演算処理等を行う演算装置としての機能を有する。ROM104は、CPU102によって実行される制御プログラム及び演算プログラム等を記憶するための機能を有する。RAM106は、処理データ等を一時的に記憶するための機能を有する。インタフェース部108は、有線又は無線を介して外部と信号の入出力を行う。また、インタフェース部108は、ユーザによるデータの入力の操作を受け付け、ユーザに対して情報を表示する。上述した表示部331は、インタフェース部108によって実現されてもよい。
また、制御装置100は、カメラ画像格納部110、テーブル格納部112、データ取得部114、負荷軽減量設定部116、マーカ位置検出部117、マーカ加速度算出部118、重心加速度推定部120、慣性力算出部122、ワイヤ張力算出部124及びモータ制御部126(以下、「各構成要素」と称する)を有する。カメラ画像格納部110、テーブル格納部112、データ取得部114、負荷軽減量設定部116、マーカ位置検出部117、マーカ加速度算出部118、重心加速度推定部120、慣性力算出部122、ワイヤ張力算出部124及びモータ制御部126は、それぞれ、カメラ画像格納手段、テーブル格納手段、データ取得手段、負荷軽減量設定手段、マーカ位置検出手段、マーカ加速度算出手段、重心加速度推定手段、慣性力算出手段、ワイヤ張力算出手段及びモータ制御手段としての機能を有する。各構成要素は、例えば、CPU102がROM104に記憶されたプログラムを実行することによって実現可能である。また、必要なプログラムを任意の不揮発性記録媒体に記録しておき、必要に応じてインストールするようにしてもよい。なお、各構成要素は、上記のようにソフトウェアによって実現されることに限定されず、何らかの回路素子等のハードウェアによって実現されてもよい。
カメラ画像格納部110は、カメラ10からカメラ画像を取得する。例えば、カメラ画像格納部110は、インタフェース部108によってカメラ10から受信されたカメラ画像を取得するようにしてもよい。また、カメラ画像格納部110は、取得されたカメラ画像を格納する。ここで、カメラ画像格納部110は、フレームごとにカメラ画像を格納してもよい。つまり、カメラ画像格納部110は、時刻t[s]におけるフレームに対応するカメラ画像Im(t)を格納する。そして、カメラ画像格納部110は、時刻tから撮像間隔ft[s]が経過した時刻t+ftにおけるフレームに対応するカメラ画像Im(t+ft)を格納する。ここで、「撮像間隔」は、カメラシャッター間隔であって、フレームレート[fps:frames per second]の逆数である。
テーブル格納部112は、マーカ間隔Dと、重心位置Gと上部マーカ52との距離D1と、重心位置Gと下部マーカ54との距離D2とを対応付けたテーブルを格納する。なお、このテーブルは、予め、脚長可変機構232によって段階的にマーカ間隔Dを変化させ、それらのマーカ間隔Dごとに重心位置Gを測定し、測定された重心位置Gと各マーカとの距離(D1及びD2)を測定することで、生成され得る。
なお、カメラ画像格納部110及びテーブル格納部112以外の各構成要素の機能については、以下に示すフローチャート(図7)を用いて説明する。
図7は、実施の形態1にかかる歩行訓練システム1を用いて行われる歩行訓練方法を示すフローチャートである。まず、操作者は、制御装置100に必要なデータを入力する(ステップS102)。具体的には、操作者は、インタフェース部108を操作してデータを入力する。そして、制御装置100のデータ取得部114は、そのデータを受け付ける。ここで、入力されるデータは、歩行補助装置2の重量m[kg]を含む。また、入力されるデータは、ユーザの脚部に歩行補助装置2を装着したときの、上部マーカ52と下部マーカ54との間の間隔であるマーカ間隔D[m]を含む。ユーザの脚部が長いほど、脚長可変機構232によって歩行補助装置2の脚長方向の長さが長くなるように調整される。したがって、マーカ間隔Dは、ユーザの脚部の長さに応じて変化し得る。
次に、操作者は、制御装置100を用いて負荷軽減量を決定する(ステップS104)。具体的には、操作者は、インタフェース部108を操作して、免荷量Fm[N]及び振出アシスト量Fa[N]を入力する。負荷軽減量設定部116は、入力された免荷量Fm及び振出アシスト量Faを受け付けて、以降のワイヤ張力の算出(S109)で用いられる負荷軽減量と決定する。なお、免荷量Fmは、歩行補助装置2の重量mに重力加速度g[m/s]を乗算した値であってもよい。これにより、歩行補助装置2の全ての重量を、前側引張機構41及び後側引張機構42によって支えることができる。
次に、歩行訓練が開始される(ステップS106)。例えば、操作者が制御装置100に備えられた開始スイッチを操作することで、制御装置100は、歩行訓練のための制御を開始する。歩行訓練が開始すると、制御装置100は、カメラ画像における2つのマーカの位置を検出する(ステップS107)。具体的には、マーカ位置検出部117は、カメラ画像格納部110から、現在の時刻t(最新のカメラ画像が撮影された時刻)におけるカメラ画像Im(t)と、カメラ画像Im(t)の1つ前のフレームのカメラ画像Im(t−ft)とを取得する。
図8は、カメラ画像を例示する図である。(a)は、カメラ画像Im(t−ft)を示し、(b)は、カメラ画像Im(t)を示す。カメラ画像Im(t−ft)は、カメラ画像Im(t)の1つ前のフレームの画像である。カメラ画像Im(t−ft)及びカメラ画像Im(t)は、歩行補助装置2の画像である歩行補助装置画像2Iと、上部マーカ52の画像である上部マーカ画像52Iと、下部マーカ54の画像である下部マーカ画像54Iとを含む。図8の例では、時刻t−ftから時刻tにかけて、歩行補助装置2が傾きながら前方向に移動した状態が示されている。
マーカ位置検出部117は、カメラ画像Im(t)における、上部マーカ52(上部マーカ画像52I)の位置c1(t)と、下部マーカ54(下部マーカ画像54I)の位置c2(t)とを検出する。具体的には、マーカ位置検出部117は、画像認識処理によって、カメラ画像Im(t)から、上部マーカ画像52I及び下部マーカ画像54Iを認識する。そして、マーカ位置検出部117は、認識された上部マーカ画像52I及び下部マーカ画像54Iの、カメラ画像Im(t)における位置を検出する。また、マーカ位置検出部117は、同様にして、カメラ画像Im(t−ft)における、上部マーカ52(上部マーカ画像52I)の位置c1(t−ft)と、下部マーカ54(下部マーカ画像54I)の位置c2(t−ft)とを検出する。
ここで、カメラ画像Im(t)における位置とは、カメラ画像Im(t)における画素の座標値(X,Y)である。したがって、位置c1(t)及び位置c2(t)は、カメラ画像Im(t)における画素の座標値を示す。同様に、位置c1(t−ft)及び位置c2(t−ft)は、カメラ画像Im(t−ft)における画素の座標値を示す。さらに、位置c1(t)及び位置c2(t)は、カメラ画像Im(t)における位置ベクトルであり、成分で表すと、それぞれ、c1(t)=(c1x(t),c1y(t))、c2(t)=(c2x(t),c2y(t))となる。位置c1(t−ft)及び位置c2(t−ft)についても同様である。
次に、制御装置100は、上部マーカ52及び下部マーカ54の加速度を算出する(ステップS108)。具体的には、マーカ加速度算出部118は、以下に説明するようにして、上部マーカ52の加速度a1[m/s]及び下部マーカ54の加速度a2[m/s]を算出する。まず、マーカ加速度算出部118は、以下の式1を用いて、カメラ画像Im(t)における、上部マーカ画像52Iと下部マーカ画像54Iとの間隔であるマーカ画像間隔dを算出する。なお、マーカ画像間隔dは、マーカ間隔Dに対応する。また、マーカ画像間隔dはカメラ画像Im(t)とカメラ画像Im(t−ft)とで同じであるので、カメラ画像Im(t−ft)を用いて算出してもよい。
(式1)
d=|c1(t)−c2(t)|
次に、マーカ加速度算出部118は、以下の式2を用いて、時刻tにおける上部マーカ52の移動速度v1(t)[m/s]及び下部マーカ54の移動速度v2(t)[m/s]を算出する。ここで、撮像間隔をft[s]とする。また、「*」は乗算を示す。
(式2)
v1(t)=(c1(t)−c1(t−ft))/ft*(D/d)
v2(t)=(c2(t)−c2(t−ft))/ft*(D/d)
ここで、移動速度v1(t)及び移動速度v2(t)は速度ベクトルであり、成分で表すと、それぞれ、v1(t)=(v1x(t),v1y(t))、v2(t)=(v2x(t),v2y(t))となる。したがって、式2は、ベクトルのx成分とy成分とで独立して計算され得る。なお、式2において(D/d)が乗算されていることにより、移動速度v1(t)及び移動速度v2(t)は、カメラ画像上の速度から、現実の歩行補助装置2におけるマーカの速度[m/s]に変換されている。同様にして、マーカ加速度算出部118は、時刻t−ftにおける上部マーカ52の移動速度v1(t−ft)[m/s]及び下部マーカ54の移動速度v2(t−ft)[m/s]を算出する。
次に、マーカ加速度算出部118は、以下の式3を用いて、上部マーカ52の加速度a1[m/s]及び下部マーカ54の加速度a2[m/s]を算出する。なお、式3は、ベクトルのx成分とy成分とで独立して計算され得る。
(式3)
a1=(v1(t)−v1(t−ft))/ft
a2=(v2(t)−v2(t−ft))/ft
次に、制御装置100は、ワイヤ張力を算出する(ステップS110)。まず、重心加速度推定部120は、重心加速度aを推定する。具体的には、重心加速度推定部120は、テーブル格納部112に記憶されたテーブルを用いて、データ取得部114によって取得されたマーカ間隔Dに対応する距離D1及び距離D2を取得する。そして、重心加速度推定部120は、以下の式4を用いて、重心加速度aを算出する。なお、式4は、ベクトルのx成分とy成分とで独立して計算され得る。これにより、重心加速度a=(ax,ay)が算出される。
(式4)
a=(D2*a1+D1*a2)/(D1+D2)
次に、慣性力算出部122は、歩行補助装置2に作用する慣性力F[N]を算出する。なお、慣性力Fは力ベクトルであって、成分で表すとF=(Fx,Fy)となる。慣性力算出部122は、以下の式5を用いて、慣性力Fを算出する。
(式5)
Fx=−m*ax
Fy=−m*ay
図9は、ワイヤ張力の算出方法を説明するための図である。図9を参照して、ワイヤ張力の算出方法を説明する。ここで、前側ワイヤ34及び後側ワイヤ36の歩行補助装置2における接続点が点Pで一致していると仮定する。そして、前側ワイヤ34及び後側ワイヤ36の歩行補助装置2における接続点Pと、前側引張部35と、後側引張部37とを頂点とする三角形を仮定する。また、前側引張部35の高さは、後側引張部37の高さと等しいとする。
また、前側引張部35と後側引張部37との間の距離をL0[m](以後、「モータ間隔L0」)とする。また、前側ワイヤ34の前側引張部35から引き出された長さをL1[m](以後、「前側ワイヤ長さL1」)とし、後側ワイヤ36の後側引張部37から引き出された長さをL2[m](以後、「後側ワイヤ長さL2」)とする。また、前側ワイヤ34の鉛直方向に対する角度をθ1(以後、「前側ワイヤ角度θ1」)とし、後側ワイヤ36の鉛直方向に対する角度をθ2(以後、「後側ワイヤ角度θ2」)とする。
距離L0は一定であり、制御装置100によって予め記憶されている。前側ワイヤ長さL1及び前側ワイヤ角度θ1は、上述したように、前側引張部35によって検出可能である。したがって、制御装置100は、前側引張部35から前側ワイヤ長さL1及び前側ワイヤ角度θ1を取得できる。同様に、後側ワイヤ長さL2及び後側ワイヤ角度θ2は、後側引張部37によって検出可能であり、制御装置100は、後側引張部37から後側ワイヤ長さL2及び後側ワイヤ角度θ2を取得できる。
ワイヤ張力算出部124は、歩行補助装置2の慣性力を低減する(打ち消す)ように、前側ワイヤ34及び後側ワイヤ36の張力(引張力)を算出する。言い換えると、ワイヤ張力算出部124は、算出された慣性力Fの方向と逆方向に慣性力Fと同じ大きさの力が歩行補助装置2に働くように、前側ワイヤ34及び後側ワイヤ36の張力を算出する。具体的には、まず、ワイヤ張力算出部124は、以下の式6を用いて、前側ワイヤ34の張力f1[N](以後、「前側ワイヤ張力f1」)及び後側ワイヤ36の張力f2[N](以後、「後側ワイヤ張力f2」)の合成ベクトルf[N]を算出する。ここで、合成ベクトルfを成分で表すと、f=(fx,fy)となる。
(式6)
fx=−Fx+Fa
fy=−Fy+Fm
次に、ワイヤ張力算出部124は、式6を用いて算出された合成ベクトルfから、前側ワイヤ34の張力f1及び後側ワイヤ36の張力f2を算出する。ここで、合成ベクトルf=(fx,fy)と前側ワイヤ張力f1及び後側ワイヤ張力f2との関係は、以下の式7で表される。
(式7)
fx=f1*sinθ1−f2*sinθ2
fy=f1*cosθ1+f2*cosθ2
また、前側ワイヤ角度θ1及び後側ワイヤ角度θ2は、モータ間隔L0、前側ワイヤ長さL1及び後側ワイヤ長さL2を用いて以下の式8を用いて算出される。
(式8)
L1*cosθ1=L2*cosθ2
L1*sinθ1+L2*sinθ2=L0
したがって、ワイヤ張力算出部124は、式8を用いて前側ワイヤ角度θ1及び後側ワイヤ角度θ2を算出し、算出されたθ1及びθ2を式7に代入することで、f1及びf2を算出することができる。
次に、制御装置100は、算出されたワイヤ張力となるように、前側引張部35及び後側引張部37を制御する(ステップS112)。具体的には、モータ制御部126は、前側引張部35の引張力がf1となるように、前側引張部35のモータを制御する。これにより、前側引張部35は、引張力f1で前側ワイヤ34を引っ張る。また、モータ制御部126は、後側引張部37の引張力がf2となるように、後側引張部37のモータを制御する。これにより、後側引張部37は、引張力f2で後側ワイヤ36を引っ張る。
次に、制御装置100は、歩行訓練が終了したか否かを判断する(ステップS114)。具体的には、例えば、制御装置100は、予め定められた訓練時間が満了したか否かを判断する。あるいは、制御装置100は、操作者が停止スイッチを操作したか否かを判断してもよい。そして、歩行訓練が終了したと判断された場合(S114のYES)、制御装置100は、歩行訓練を終了する。一方、歩行訓練が終了していないと判断された場合(S114のNO)、S107〜S112の処理が繰り返される。
このように、実施の形態1にかかる制御装置100は、歩行補助装置2の慣性力を低減させるように、ワイヤ張力(引張力)を制御することができる。したがって、歩行訓練の際に、ユーザが歩行補助装置2の慣性力の影響を受けて歩行動作を行い難くなることが抑制される。よって、実施の形態1にかかる歩行訓練システム1は、歩行補助装置2の慣性力を低減させない場合と比較して、より効果的な歩行訓練を行うことが可能となる。
特に、ユーザが、歩行補助装置2が装着された脚(麻痺脚)の振り出しを開始する際、及び、その麻痺脚の振り出しを終了する際に、歩行補助装置2に大きな慣性力が作用し得る。具体的には、振り出しの開始時では、ユーザは麻痺脚を前に振り出そうとするが、後ろ向きの慣性力によって、麻痺脚を前に出しにくい。また、振り出しの終了時では、ユーザは麻痺脚を止めようとするが、前向きの慣性力によって、麻痺脚が前に出過ぎてしまう。一方、上述した実施の形態にかかる歩行訓練システム1は、歩行補助装置2の重心位置Gの加速度を推定して歩行補助装置2の慣性力を算出し、歩行補助装置2の慣性力を打ち消すようにワイヤ張力を制御する。したがって、振り出しの開始時に麻痺脚を前に出しにくくなることが抑制され、振り出しの終了時に麻痺脚が前に出過ぎてしまうことが抑制される。
なお、歩行補助装置2に作用する慣性力の値を算出(推定)しなくても、振り出しの開始時に前向きの力が働くように、前側ワイヤ34の張力を所定の値だけ大きくし、振り出しの終了時に後向きの力が働くように、後側ワイヤ36の張力を所定の値だけ大きくすることも考えられる。しかしながら、この所定の値は、歩行補助装置2に実際に働く慣性力を考慮していない。そして、歩行補助装置2に実際に働く慣性力は、麻痺脚つまり歩行補助装置2の動作に応じて変わり得る。したがって、単に、振り出しの開始時及び終了時に所定の値だけワイヤの張力の大きさを変えるだけでは、効果的に慣性力を低減させることができないおそれがある。一方、本実施の形態にかかる制御装置100は、2つのマーカ(上部マーカ52及び下部マーカ54)を用いて重心位置Gにおける加速度を推定して歩行補助装置2の慣性力を算出している。したがって、より効果的に慣性力を低減させることができる。つまり、ユーザが、歩行補助装置2をあたかも装着していないかのように、歩行訓練を行うことができる。言い換えると、歩行補助装置2の重量による影響をできるだけ低減させて、歩行訓練を行うことが可能となる。
なお、歩行補助装置2に働く慣性力の算出を行うために、歩行補助装置2の実際の重心位置に加速度センサを設置することができれば、上部マーカ52及び下部マーカ54は不要であり得る。しかしながら、歩行補助装置2の構造によっては、加速度センサを設置することが困難である場合がある。
一方、本実施の形態にかかる歩行訓練システム1では、加速度センサを歩行補助装置2に設置しなくても、歩行補助装置2にマーカを設けることによって、重心位置の加速度を推定することができる。したがって、歩行補助装置2に加速度センサを設置しない場合であっても、歩行補助装置2の慣性力を低減させることが可能である。よって、本実施の形態にかかる歩行訓練システム1は、歩行補助装置2の構造によらないで、より効果的に歩行訓練を行うことが可能である。
なお、歩行補助装置2に働く慣性力の算出を行うために、歩行補助装置2の実際の重心位置にマーカを設けることができれば、上部マーカ52及び下部マーカ54は不要であり得る。しかしながら、歩行補助装置2の構造によっては、重心位置にマーカを設けることが困難である場合がある。例えば、実際の重心位置に、マーカを設けるための部材がない場合等である。
また、上述した歩行補助装置2は、ユーザの脚部の長さに応じて脚長可変機構232によって脚長方向の長さが変わり得る。この場合、歩行補助装置2の実際の重心位置は、脚長方向の長さの変化に応じて変化してしまう。したがって、この場合も、実際の重心位置にマーカを設けることが困難である。なお、重心位置が変化するごとにマーカを付け直すことも考えられるが、歩行補助装置2の長さが変化するたびにマーカを付け直すのは非常に煩雑である。特に、塗料によってマーカを塗布する場合では、歩行補助装置2の長さが変化するたびにマーカを付け直すことは極めて困難である。
一方、本実施の形態にかかる歩行訓練システム1は、歩行補助装置2の重心位置にマーカを設けなくても、歩行補助装置2の慣性力を算出することができる。したがって、歩行補助装置2の重心位置にマーカを設けない場合であっても、歩行補助装置2の慣性力を低減させることが可能である。よって、本実施の形態にかかる歩行訓練システム1は、歩行補助装置2の構造によらないで、より効果的に歩行訓練を行うことが可能である。そして、本実施の形態にかかる歩行訓練システム1では、歩行補助装置2の長さが変化するたびにマーカを付け直すことが不要となる。
また、本実施の形態にかかる歩行訓練システム1は、歩行補助装置2の脚長方向の長さの変化に応じて歩行補助装置2の慣性力を算出できるので、その歩行補助装置2の長さの変化に応じてワイヤ張力を制御することができる。なお、上述したように、重心位置が変化するごとにマーカを付け直すのは非常に煩雑である。一方、上述したように、本実施の形態にかかる歩行訓練システム1では、歩行補助装置2の長さが変化するたびにマーカを付け直すことが不要となる。
また、ユーザの歩行動作を記録するためにカメラが用いられることが多い。本実施の形態にかかる歩行訓練システム1は、このような、通常用いられるカメラを用いて歩行補助装置2の重心位置の加速度を推定し、歩行補助装置2の慣性力を算出することができる。したがって、加速度センサといった特別な装置を設置することなく、歩行補助装置2の慣性力を低減させることが可能である。
(実施の形態2)
次に、実施の形態2について説明する。なお、実施の形態2にかかる歩行訓練システム1のハードウェア構成については、実施の形態1と実質的に同一であるので、説明を省略する。
図10は、実施の形態2にかかる歩行補助装置2及び各マーカを示す図である。実施の形態2にかかる歩行補助装置2には、上部マーカ52及び下部マーカ54の他に、固定マーカ56が設けられている。固定マーカ56は、脚長可変機構232に対して上部マーカ52(第1のマーカ)と同じ側の位置に設けられている。さらに、固定マーカ56が設けられた位置は、その位置と上部マーカ52との間隔が脚長可変機構232によって変更されないような位置となっている。つまり、脚長可変機構232によって歩行補助装置2の脚長方向の長さが変更されても、固定マーカ56と上部マーカ52との間隔D3は変更されない。なお、固定マーカ56の構成については、上部マーカ52及び下部マーカ54と同様である。
図11は、実施の形態2にかかる制御装置100の構成を示すブロック図である。実施の形態2にかかる制御装置100は、実施の形態1にかかる制御装置100が有する構成要素に加えて、マーカ間隔算出部128を有する。マーカ間隔算出部128は、マーカ間隔算出手段としての機能を有する。マーカ間隔算出部128の機能については、以下に示すフローチャート(図12)を用いて説明する。
図12は、実施の形態2にかかる歩行訓練システム1を用いて行われる歩行訓練方法を示すフローチャートである。まず、操作者は、制御装置100に必要なデータを入力する(ステップS202)。ここで、実施の形態2においては、操作者は、マーカ間隔Dを入力する必要はない。その他のデータについては、実施の形態1と実質的に同様である。次に、図7のS104の工程と同様に、操作者は、制御装置100を用いて負荷軽減量を決定する(ステップS204)。
次に、制御装置100は、マーカ間隔Dを算出する(ステップS205)。具体的には、時刻t0において、カメラ10は、ユーザの麻痺脚に装着された歩行補助装置2を、膝関節部22が伸びた状態で撮影する。例えば、ユーザが「気を付け」をした状態で、カメラ10は、歩行補助装置2を撮影する。これにより、制御装置100は、カメラ画像Im(t0)を取得し、カメラ画像格納部110に格納する。なお、上部マーカ52が膝関節部22上に設けられている場合は、膝関節部22の角度によらないで間隔D3は一定であり得るので、歩行補助装置2を撮影する際に、歩行補助装置2を装着したユーザが膝を伸ばした状態でなくてもよい。
マーカ間隔算出部128は、カメラ画像格納部110から、時刻t0におけるカメラ画像Im(t0)を取得する。そして、マーカ間隔算出部128は、マーカ位置検出部117の処理と同様にして、カメラ画像Im(t0)における、上部マーカ52の位置c1(t0)と、下部マーカ54の位置c2(t0)と、固定マーカ56の位置c3(t0)とを検出する。ここで、位置c1(t0)等と同様に、位置c3(t0)は、カメラ画像Im(t0)における画素の座標値を示す。また、位置c3(t0)は、カメラ画像Im(t0)における位置ベクトルであり、成分で表すと、c3(t0)=(c3x(t0),c3y(t0))となる。
また、マーカ間隔算出部128は、固定長である間隔D3と、マーカ位置c1(t0),c2(t0),c3(t0)とによって、マーカ間隔Dを算出する。具体的には、マーカ間隔算出部128は、以下の式9を用いて、マーカ間隔Dを算出する。
(式9)
D=D3*|c1(t0)−c2(t0)|/|c1(t0)−c3(t0)|
次に、歩行訓練が開始される(ステップS207)。制御装置100は、マーカ位置を検出し(ステップS207)、上部マーカ52及び下部マーカ54の加速度を算出する(ステップS208)。そして、制御装置100は、ワイヤ張力を算出し(ステップS210)、算出されたワイヤ張力となるように、前側引張部35及び後側引張部37を制御する(ステップS212)。さらに、制御装置100は、歩行訓練が終了したか否かを判断し(ステップS214)、歩行訓練が終了したと判断された場合(S214のYES)、制御装置100は、歩行訓練を終了する。一方、歩行訓練が終了していないと判断された場合(S214のNO)、S2107〜S212の処理が繰り返される。なお、S206〜S214の処理については、それぞれ、図7に示したS106〜S114の処理と実質的に同様であるので、説明を省略する。なお、S210の処理において、重心加速度推定部120は、テーブル格納部112に記憶されたテーブルを用いて、マーカ間隔算出部128によって算出されたマーカ間隔Dに対応する距離D1及び距離D2を取得する。
実施の形態1と同様に、実施の形態2にかかる歩行訓練システム1でも、加速度センサを歩行補助装置2に設置しなくても、歩行補助装置2にマーカを設けることによって、重心位置の加速度を推定することができる。したがって、実施の形態1と同様に、歩行補助装置2に加速度センサを設置しなくても、歩行補助装置2の慣性力を低減させることが可能である。よって、本実施の形態にかかる歩行訓練システム1は、歩行補助装置2の構造によらないで、より効果的に歩行訓練を行うことが可能である。
また、マーカ間隔Dは、脚長可変機構232によって、ユーザの脚部の長さに応じて変化し得る。したがって、実施の形態1では、操作者は、歩行訓練を行うユーザが変わるたびに、マーカ間隔Dを入力し直す必要がある。一方、実施の形態2にかかる歩行訓練システム1は、マーカ間隔Dを入力しなくても、マーカ間隔Dを自動的に算出することができる。したがって、実施の形態2にかかる歩行訓練システム1では、操作者は、マーカ間隔Dを入力しなくてもよい。したがって、実施の形態2にかかる歩行訓練システム1では、操作者の負担をより軽減させることが可能となり、歩行訓練をより効率的に行うことが可能である。
(実施の形態3)
次に、実施の形態3について説明する。実施の形態3は、ワイヤの数が3本である点で、実施の形態1及び実施の形態2と異なる。なお、それ以外の実施の形態3にかかる歩行訓練システム1の構成は、実施の形態1(及び実施の形態2)にかかる歩行訓練システム1の構成と実質的に同様であるので、説明を省略する。
図13は、実施の形態3にかかる歩行訓練システム1を示す図である。図13に示す例では、歩行訓練システム1は、前側ワイヤ34及び後側ワイヤ36に加えて下側ワイヤ38をさらに有し、前側引張部35及び後側引張部37に加えて下側引張部39を有する。そして、下側ワイヤ38と下側引張部39とによって、下側引張機構43(第3引張手段)が構成されている。下側引張部39は、例えばトレッドミル31に設けられている。下側引張機構43(下側引張部39)は、歩行補助装置2を下方かつ前方に牽引する。なお、下側引張機構43は、歩行補助装置2を下方かつ後方に牽引してもよいし、歩行補助装置2を下方(真下)に牽引してもよい。
実施の形態1においては、合成ベクトルfは、接続点Pと前側引張部35と後側引張部37とを頂点とする三角形の内側に向くこと、つまり前側ワイヤ34の方向と後側ワイヤ36の方向との間の方向を向くことが必要である。言い換えると、実施の形態1のような前側引張機構41及び後側引張機構42のみの構成では、接続点Pと前側引張部35と後側引張部37とを頂点とする三角形の外側、つまり前側ワイヤ34の方向と後側ワイヤ36の方向との間から逸脱した方向を向く合成ベクトルfを実現することはできない。
一方、実施の形態3では、図13に示すような下側引張機構43を設けることによって、前側ワイヤ34の方向と後側ワイヤ36の方向との間から逸脱した方向を向く合成ベクトルfを実現することができる。したがって、実施の形態3にかかる歩行訓練システム1は、任意の方向の合成ベクトルfを実現することが可能となる。言い換えると、実施の形態3にかかる歩行訓練システム1は、引張手段の引張力の合成ベクトルの向きの制限が抑制される。これにより、例えば免荷量を減らして振出アシスト量を増加させるといった、歩行訓練時にユーザが歩行補助装置を装着したことによる負担を軽減する方法の自由度が増加する。
下側ワイヤ38は、歩行補助装置2の任意の位置に接続されている。下側引張部39は、例えば、下側ワイヤ38を巻取り及び巻き戻す機構、該機構を駆動するモータ、下側ワイヤ38の下側引張部39から引き出された長さを検出する機構、及び、下側ワイヤ38の角度を検出する機構などから構成されている。なお、下側ワイヤ38の角度を検出する機構は、水平方向に対する下側ワイヤ38の角度θ3(以後、「下側ワイヤ角度θ3」)を検出してもよい。
また、図13に示した例では、前側ワイヤ34、後側ワイヤ36及び下側ワイヤ38の歩行補助装置2における接続点Pが互いに一致していると仮定する。また、下側ワイヤ38の下側引張部39から引き出された長さをL3[m](以後、「下側ワイヤ長さL4」)とする。また、下側引張部39と後側引張部37(前側引張部35)との高低差をL4[m]とする。高低差L4は一定であり、制御装置100によって予め記憶され得る。下側ワイヤ長さL3及び下側ワイヤ角度θ3は、上述したように、下側引張部39によって検出可能であり、制御装置100は、下側引張部39から下側ワイヤ長さL3及び下側ワイヤ角度θ3を取得できる。
図13に示した例において、ワイヤ張力算出部124が各ワイヤ(前側ワイヤ34、後側ワイヤ36及び下側ワイヤ38)の張力(引張力)を算出する方法について説明する。なお、重心加速度a及び慣性力Fを算出する方法は、上述した実施の形態1(及び実施の形態2)にかかる方法と同様である。
ワイヤ張力算出部124は、式6を用いて、前側ワイヤ張力f1と、後側ワイヤ張力f2と、下側ワイヤ38の張力f3(以後、「下側ワイヤ張力f3」)の合成ベクトルf[N]を算出する。次に、ワイヤ張力算出部124は、合成ベクトルfから、前側ワイヤ張力f1、後側ワイヤ張力f2及び下側ワイヤ張力f3を算出する。合成ベクトルf=(fx,fy)と、前側ワイヤ張力f1、後側ワイヤ張力f2及び下側ワイヤ張力f3との関係は、以下の式10で表される。
(式10)
fx=f1*sinθ1−f2*sinθ2+f3*cosθ3
fy=f1*cosθ1+f2*cosθ2−f3*sinθ3
また、前側ワイヤ角度θ1、後側ワイヤ角度θ2及び下側ワイヤ角度θ3は、モータ間隔L0、前側ワイヤ長さL1、後側ワイヤ長さL2、下側ワイヤ長さL3及び高低差L4を用いた以下の式11を用いて算出される。
(式11)
L1*cosθ1=L2*cosθ2
L1*sinθ1+L2*sinθ2=L0
L2*cosθ2+L3*sinθ3=L4
したがって、ワイヤ張力算出部124は、式11を用いて前側ワイヤ角度θ1、後側ワイヤ角度θ2及び下側ワイヤ角度θ3を算出し、算出されたθ1、θ2及びθ3を式10に代入することで、f1、f2及びf3を算出することができる。
(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、上述した実施の形態においては、ワイヤの数は2本又は3本としたが、このような構成に限られない。歩行補助装置2の慣性力を低減できれば、ワイヤは1本でもよいし、4本以上でもよい。
また、上述した実施の形態1においては、操作者がマーカ間隔Dを入力し、制御装置100が予め記憶されたテーブルを用いて距離D1及び距離D2を取得するとしたが、このような構成に限られない。距離D1及び距離D2を入力可能であれば、マーカ間隔Dを入力しなくても、操作者は、距離D1及び距離D2を、直接入力してもよい。
さらに、上述した実施の形態においては、重心加速度推定部120は、テーブル格納部112に格納されたテーブルを用いて、マーカ間隔Dに対応する距離D1及び距離D2を取得するとしたが、このような構成に限られない。距離D1及び距離D2を取得することができれば、テーブルを用いる必要はない。例えば、脚長可変機構232によって可能な最長のマーカ間隔D及び最短のマーカ間隔Dにおける重心位置を測定しておいて、それらの間のマーカ間隔Dにおいては、線形補間を行うことで、重心位置を推定してもよい。なお、歩行補助装置2の重量が対称であるとは限らないため、テーブルを用いることにより、より正確に、重心加速度を推定することが可能となる。
また、上述した実施の形態にかかる歩行補助装置2については、脚長可変機構232を用いて脚長方向の長さを変更することが可能としたが、このような構成に限られない。歩行補助装置2は、脚長可変機構232を有しなくてもよい。なお、上述したように、脚長可変機構232がない場合であっても、歩行補助装置2の構造上、重心位置にマーカを設けることができない場合がある。上述したように、本実施の形態にかかる歩行訓練システム1は、歩行補助装置2が脚長可変機構232を有しない場合であっても、有効である。
また、上述した実施の形態にかかる歩行訓練システム1は、歩行補助装置2のユーザの脚部に対する負荷を軽減するため、予め設定された免荷量と振出アシスト量とに応じて、前側引張部35及び後側引張部37(及び下側引張部39)を制御するとした。しかしながら、歩行訓練システム1は、このような構成に限られない。免荷量及び振出アシスト量のいずれか一方のみによって、歩行補助装置2の負荷を軽減するような制御を行ってもよい。
さらに、本実施の形態にかかる歩行訓練システム1において、歩行補助装置2の負荷を軽減するための機能は必須ではない。歩行訓練システム1は、歩行訓練時において歩行補助装置2に作用する慣性力を低減する目的のみのために、前側引張部35及び後側引張部37(及び下側引張部39)を制御してもよい。しかしながら、歩行訓練システム1は、負荷を軽減するための機能を備えることによって、歩行訓練時にユーザが歩行補助装置2を装着したことによる負担をさらに軽減することができるので、さらに効果的に、歩行訓練を行うことが可能となる。
また、上述した実施の形態においては、慣性力を低減するための制御は、歩行訓練の最中に常に行われるとしたが、このような構成に限られない。慣性力を低減するための制御は、歩行訓練の間、常に行われる必要はない。歩行補助装置2を装着した脚(麻痺脚)がトレッドミル31に接地しているときには、歩行補助装置2の慣性力の影響はほとんどないと考えられるので、麻痺脚が遊脚状態であるときのみ、慣性力を低減するための制御を行ってもよい。麻痺脚が遊脚状態であるか否かの判断は、荷重センサ252を用いて行われ得る。具体的には、制御装置100は、荷重センサ252の荷重値が予め定められた閾値(例えば0[N])以下となった場合に、麻痺脚が遊脚状態となったと判断してもよい。
さらに、上述したように、歩行補助装置2に大きな慣性力が作用し得るのは、麻痺脚の振り出しを開始するとき、及び、麻痺脚の振り出しを終了するときと考えられる。したがって、麻痺脚の振り出しを開始するとき及び麻痺脚の振り出しを終了するときのみ、慣性力を低減する(慣性力を打ち消す)ための制御を行ってもよい。より具体的には、制御装置100は、麻痺脚の振り出しの開始のタイミングを含む一定期間、及び、麻痺脚の振り出しの終了のタイミングを含む一定期間のみ、慣性力を低減するための制御を行ってもよい。このように、大きな慣性力が作用すると想定されるときにのみに慣性力を低減するための制御を行うことで、歩行補助装置2の慣性力を低減するための制御を、歩行補助装置2の麻痺脚に対する負荷を軽減するための制御と、できる限り切り分けることができる。これにより、歩行補助装置2に大きな慣性力が作用し得る麻痺脚の振り出しの開始のタイミング及び終了のタイミング以外のときに、歩行補助装置2の麻痺脚に対する負荷を軽減するための制御をより確実に行うことが可能となる。
なお、麻痺脚の振り出しの開始及び終了のタイミングの判断は、荷重センサ252を用いて行われ得る。具体的には、制御装置100は、荷重センサ252の荷重値が予め定められた閾値以下となった場合に、麻痺脚の振り出しが開始したと判断してもよい。例えば、麻痺脚がトレッドミル31から離れて遊脚状態となったとき、つまり荷重センサ252の荷重値が0[N]以下となったときに、制御装置100は、麻痺脚の振り出しが開始したと判断してもよい。また、ユーザが略一定の歩行動作を行う場合、麻痺脚の振り出しが開始してから一定時間後に麻痺脚の振り出しが終了すると推定される。したがって、制御装置100は、麻痺脚の振り出しが開始してから予め定められた時間が経過したときに、麻痺脚の振り出しが終了したと判断してもよい。また、上述した膝関節部22の屈曲動作の制御において振り出しの開始及び終了が判断され得るので、制御装置100は、膝関節部22の屈曲動作の制御と連動して、振り出しの開始及び終了を判断してもよい。一方、上述した実施の形態にかかる歩行訓練システム1のように、麻痺脚の振り出し状態に関わらず慣性力を低減するための制御を行うことで、麻痺脚の振り出し状態を判断することが不要となる。これにより、慣性力を低減するための制御が簡素化され得る。
また、上述した実施の形態においては、重心位置Gは、上部マーカ52の位置と下部マーカ54の位置とを結んだ線分上にあるとしたが、重心位置Gは、厳密に、上部マーカ52の位置と下部マーカ54の位置とを結んだ線分上になくてもよい。歩行補助装置2は、脚長方向に長い構造となっているので、重心位置Gは、上部マーカ52の位置と下部マーカ54の位置とを結んだ線分から大きくずれることはない。そして、仮に、上部マーカ52の位置と下部マーカ54の位置とを結んだ線分から重心位置Gが前方向又は後方向にずれたとしても、算出される重心加速度a及び慣性力Fの誤差は、ユーザの歩行訓練に悪影響を及ぼすほどではないと推測される。
また、上述した実施の形態においては、荷重センサ252を用いて足裏によって生じる荷重を検出するとしたが、このような構成に限られない。例えば、トレッドミル31に床反力計を設置して、その床反力計の値から、足裏によって生じる荷重を検出してもよい。
また、上述した実施の形態においては、歩行訓練はユーザがトレッドミル31の上で歩行することで行われるとしたが、このような構成に限られない。ユーザの移動に伴って引張機構及びカメラ10が移動可能であれば、トレッドミル31の上で歩行訓練を行う必要はない。一方、トレッドミル31の上で歩行訓練を行うことで、引張機構及びカメラ10を移動させる機構が不要となる。
また、上述した実施の形態2において、上部マーカ52が膝関節部22よりも下に設けられ、固定マーカ56が膝関節部22の上に設けられている場合に、膝関節部22が曲がっている歩行補助装置2をカメラ10で撮影しても、マーカ間隔算出部128は、マーカ間隔Dを算出することができる。この場合であっても、上部マーカ52と膝関節部22との距離、及び膝関節部22と固定マーカ56との距離は一定である。そして、制御装置100は、膝関節部22の角度を制御しているのであるから、モータユニット26又は膝関節部22の角度センサ等によって、膝関節部22の角度を取得可能である。したがって、マーカ間隔算出部128は、膝関節部22が曲がっている場合であっても、余弦定理によって上部マーカ52と固定マーカ56との実際の距離(間隔D3)を算出可能である。したがって、上述した方法によって、マーカ間隔算出部128は、マーカ間隔Dを算出することができる。
また、上述した実施の形態2においては、歩行訓練が開始される前にマーカ間隔Dを算出するとしたが、このような構成に限られない。マーカ間隔算出部128は、歩行訓練を行っている間に、マーカ間隔Dを算出してもよい。この場合、膝関節部22が曲がっていることがあるが、上述したように、膝が曲がった状態であっても、マーカ間隔算出部128は、マーカ間隔Dを算出することができる。
また、上述した実施の形態においては、固定マーカ56は、下部マーカ54との間隔が一定であるとしたが、このような構成に限られない。固定マーカ56は、下部マーカ54(第1のマーカ)との間隔が一定であってもよい。
1・・・歩行訓練システム、2・・・歩行補助装置、3・・・訓練装置、10・・・カメラ、21・・・上腿フレーム、22・・・膝関節部、23・・・下腿フレーム、24・・・足首関節部、25・・・足平フレーム、26・・・モータユニット、27・・・調整機構、31・・・トレッドミル、32・・・フレーム本体、34・・・前側ワイヤ、35・・・前側引張部、36・・・後側ワイヤ、37・・・後側引張部、38・・・下側ワイヤ、39・・・下側引張部、41・・・前側引張機構、42・・・後側引張機構、43・・・下側引張機構、52・・・上部マーカ、54・・・下部マーカ、56・・・固定マーカ、100・・・制御装置、110・・・カメラ画像格納部、112・・・テーブル格納部、114・・・データ取得部、116・・・負荷軽減量設定部、117・・・マーカ位置検出部、118・・・マーカ加速度算出部、120・・・重心加速度推定部、122・・・慣性力算出部、124・・・ワイヤ張力算出部、126・・・モータ制御部、128・・・マーカ間隔算出部、232・・・脚長可変機構、252・・・荷重センサ

Claims (6)

  1. ユーザ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、
    前記ユーザの脚部に装着され、前記ユーザの歩行を補助する歩行補助装置と、
    前記歩行補助装置の脚長方向に離間した位置に設けられた2つのマーカと、
    少なくとも前記ユーザが歩行訓練を行っている際に前記ユーザに装着された前記歩行補助装置を撮影可能な撮像手段と、
    前記歩行補助装置及び前記脚部の少なくとも一方を引っ張る少なくとも1つの引張手段と、
    前記引張手段の引張力を制御する制御手段と
    を有し、
    前記制御手段は、前記撮像手段によって撮影された画像を用いて前記2つのマーカの加速度を算出し、前記歩行補助装置の重心に対応する所定位置と前記2つのマーカそれぞれの位置との間の距離と、前記2つのマーカの加速度とを用いて、前記所定位置における加速度を推定し、前記推定された加速度と前記歩行補助装置の重量との積から算出される前記歩行補助装置の慣性力を低減するように、前記引張力を制御する
    歩行訓練システム。
  2. 前記歩行補助装置は、脚長方向の長さを可変とする脚長可変機構を有し、前記2つのマーカの間隔は、前記歩行補助装置の脚長方向の長さの変化に応じて変化し、
    前記制御手段は、変化した前記2つのマーカの間隔に応じて変化した前記距離を取得し、前記取得された前記距離を用いて、前記引張力を制御する
    請求項1に記載の歩行訓練システム。
  3. 前記歩行補助装置の、前記脚長可変機構に対して前記2つのマーカのうちの第1のマーカと同じ側の位置であって、前記脚長可変機構によって前記第1のマーカとの間隔が変更されない位置に設けられた固定マーカをさらに有し、
    前記制御手段は、前記固定マーカが撮影された画像における前記固定マーカと前記第1のマーカとの距離から、前記2つのマーカの間隔を算出する
    請求項2に記載の歩行訓練システム。
  4. 前記引張手段は、
    前記歩行補助装置及び前記ユーザの脚部のうち少なくとも一方を上方かつ前方に引張する第1引張手段と、
    前記歩行補助装置及び前記ユーザの脚部のうち少なくとも一方を上方かつ後方に引張する第2引張手段と
    を有し、
    前記制御手段は、前記歩行補助装置の前記脚部に対する負荷を軽減するように、前記第1引張手段及び前記第2引張手段の引張力をそれぞれ制御する
    請求項1から3のいずれか1項に記載の歩行訓練システム。
  5. 前記引張手段は、前記歩行補助装置及び前記ユーザの脚部のうち少なくとも一方を下方に引張する第3引張手段をさらに有し、
    前記制御手段は、前記第1引張手段、前記第2引張手段及び第3引張手段の引張力をそれぞれ制御する
    請求項4に記載の歩行訓練システム。
  6. 前記制御手段は、前記歩行補助装置が装着された前記脚部の振り出しの開始及び終了を判断し、前記脚部の振り出しの開始のタイミングを含む一定期間、及び前記脚部の振り出しの終了のタイミングを含む一定期間において、前記歩行補助装置の慣性力を低減するように、前記引張力を制御する
    請求項4又は5に記載の歩行訓練システム。
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