JP2018130236A - 歩行訓練システム - Google Patents

Abstract

【課題】訓練者が歩行姿勢を崩したことをより的確に検知し、訓練者の転倒を防止することができる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３１と、訓練者Ｕの上方に設けられ訓練者Ｕをワイヤケーブル３６を介して上方に引張する引張部３３と、引張部３３におけるワイヤケーブル３６の引張力を制御する制御装置３５と、ワイヤケーブル３６の位置または変位を検出する検出手段とを備え、制御装置３５は、検出手段によって連続的に検出されたワイヤケーブル３６の位置または変位から求まるワイヤ間隔の変化を算出し、算出したワイヤ間隔の変化が、正常な歩行姿勢で歩行している場合に起こりうるワイヤ間隔の変化に対して大きい場合に、引張部３３によるワイヤケーブル３６の引張力を訓練者Ｕの転倒を防止するのに十分な引張力とする。【選択図】図１

Description

本発明は、歩行訓練システムに関するものである。

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が知られている。特許文献１には、各種センサにより、床面に対する訓練者の腰部の高さを算出し、算出された腰部の高さによって姿勢崩れを判定する歩行訓練システムが記載されている。さらに特許文献１には、歩行訓練システムにおいて、訓練者の姿勢が崩れる前には、算出された腰部の高さに基づいてワイヤケーブル（免荷ベルト）の長さ（垂れ下がり長さ）の目標値を算出し、訓練者の姿勢が崩れたと判定されたときには、ワイヤケーブルの長さが変化しないようにワイヤケーブルの長さの目標値を固定することが記載されている。これにより、訓練者が姿勢を崩した場合にワイヤケーブルが訓練者の上半身を支持することができるので、訓練者が、崩れた姿勢を立て直し、正常な姿勢に戻ることができるとしている。

特開２０１３−１８３８６３号公報

訓練中において、訓練者が正常な歩行姿勢で歩行を行っている間にも、若干の歩行姿勢の乱れやふらつきが生じるが、このような歩行姿勢の乱れやふらつきは転倒につながるものではない。しかしながら、特許文献１に記載の歩行訓練システムでは、訓練者が正常な歩行姿勢で歩行を行っている間の歩行姿勢の乱れやふらつきと、転倒につながる訓練者の姿勢崩れとを区別することができない。このため、例えば、正常な歩行姿勢で歩行を行っている間の歩行姿勢の乱れやふらつきが大きい訓練者の場合、転倒の恐れがないにもかかわらず、訓練者が、ワイヤケーブルによって強く引っ張られて腰部に衝撃を受けるおそれがあった。

本発明は、訓練者が歩行姿勢を崩したことをより的確に検知し、訓練者の転倒を防止することができる歩行訓練システムを提供することを目的とする。

本発明は、訓練者が歩行するための回転可能なベルトコンベアを有するトレッドミルと、前記訓練者の上方に設けられ、前記訓練者を、ワイヤケーブルを介して上方に引張する引張部と、前記引張部における前記ワイヤケーブルの引張力を制御する制御部と、を備え、前記ワイヤケーブルにおける、前記訓練者への直接的または間接的な取り付け位置から、前記ベルトコンベアの床面からの所定高さまで、の間隔であるワイヤ間隔が、前記訓練者の歩行に応じて変化するように構成された歩行訓練システムにおいて、前記ワイヤケーブルの位置または変位を検出する検出手段を更に備え、前記制御部は、前記検出手段によって連続的に検出された前記位置または変位から求まる前記ワイヤ間隔の変化を算出し、算出した前記ワイヤ間隔の変化が、正常な歩行姿勢で歩行している場合に起こりうる前記ワイヤ間隔の変化に対して大きい場合に、前記引張部による前記ワイヤケーブルの引張力を前記訓練者の転倒を防止するのに十分な引張力とするものである。

本発明によれば、訓練者が歩行姿勢を崩したことをより的確に検知し、訓練者の転倒を防止することができる。

本実施形態にかかる歩行訓練システムの概略構成を示す斜視図である。 本実施形態にかかる歩行訓練システムにおける歩行補助装置の概略構成を示す斜視図である。 本実施の形態にかかる歩行訓練システムのブロック図である。 訓練中において、訓練者が姿勢を崩した状態（異常歩行状態）を示す模式図である。 訓練開始からの経過時間とワイヤケーブルの長さとの関係の一例を示すグラフである。 訓練における、歩行訓練システムの処理の流れを示すフローチャートである。 訓練における、歩行訓練システムの処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る歩行訓練システムの概略構成を示す斜視図である。本実施形態に係る歩行訓練システム１は、例えば、脳卒中片麻痺患者などの訓練者Ｕの歩行訓練を行うためのシステムである。図１に示すように、歩行訓練システム１は、訓練者Ｕの脚部に装着された歩行補助装置２と、訓練者Ｕの歩行訓練を行う訓練装置３と、を備えている。

歩行補助装置２は、例えば、歩行訓練を行う訓練者Ｕの患脚に装着され、訓練者Ｕの歩行を補助する。図２は、歩行補助装置２の概略構成を示す斜視図である。図２に示すように、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。

上腿フレーム２１は、訓練者Ｕの脚部の上腿部に取り付けられ、下腿フレーム２３は訓練者Ｕ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、固定バンドなどを用いて、上腿部に固定される。これにより、歩行補助装置２が訓練者Ｕ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。

モータユニット２６は、訓練者Ｕの歩行動作に応じて膝関節部２２を回転駆動することで訓練者Ｕの歩行を補助する。足首関節部２４においても膝関節部２２と同様に、足首関節部２４を回転駆動するモータユニットが設けられていてもよい。

なお、上述した歩行補助装置２の構成は一例であり、これに限られない。訓練者Ｕ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。

再び図１を参照し、訓練装置３は、トレッドミル３１と、引張部３３と、検出手段としてのワイヤケーブル長検出部４１と、制御装置３５と、を有している。トレッドミル３１は、訓練者Ｕが歩行するための回転可能なリング状のベルトコンベア３１１を有し、設定速度Ｖｓでベルトコンベア３１１を回転させる。訓練者Ｕは、ベルトコンベア３１１上に乗り、ベルトコンベア３１１の移動に応じて歩行を行う。

引張部３３は、訓練者Ｕの上方に設けられている。引張部３３は、例えば、フレーム本体３２に固定されている。引張部３３は、歩行補助装置２を装着した訓練者Ｕを、ワイヤケーブル３６を介して上方に引張する。引張部３３による引張力により、歩行補助装置２の重さを支える。引張部３３は、例えば、ワイヤケーブル３６を巻取り及び巻き戻すドラム等の巻取り機構、該巻取り機構を駆動するモータ、などから構成されている。

ワイヤケーブル３６の一端は、引張部３３から垂れ下がっており、訓練者Ｕに直接的または間接的に取り付けられる。例えば、ワイヤケーブル３６の一端は、訓練者Ｕの腰部に取付けられている。ワイヤケーブル３６の他端は、引張部３３に支持され、巻取り機構に巻きつけられている。モータが巻取り機構を回転駆動させることにより、ワイヤケーブル３６の巻き取り又は送り出しが行われる。これにより、ワイヤ間隔としてのワイヤケーブル３６の長さを調節することができる。ここで、ワイヤ間隔としてのワイヤケーブル３６の長さは、ワイヤケーブル３６における、訓練者Ｕへの直接的または間接的な取り付け位置から、ベルトコンベア３１１の床面からの所定高さまでの間隔である。歩行訓練システム１において、ワイヤ間隔としてのワイヤケーブル３６の長さは、訓練者Ｕの歩行に応じて変化するように構成されている。検出手段は、ワイヤケーブル３６の位置または変位を検出する。ワイヤケーブル３６の長さの変化は、検出手段によって連続的に検出された位置または変位から求めることができる。例えば、検出手段は、ワイヤケーブル長検出部４１から構成される。ワイヤケーブル長検出部４１は、例えば、引張部３３の巻取機構の巻回軸に設けられ巻回軸の回転角（変位）を検出するロータリエンコーダなどのセンサである。ワイヤケーブル長検出部４１の検出信号から、ワイヤケーブル３６の長さの変化を検出する。なお、上記検出手段は、ワイヤケーブル長検出部４１から構成されるものに限られない。ワイヤケーブル３６の位置または変位を検出することができるものであれば、どのようなものであってもよい。例えば、ワイヤケーブルの外観情報（位置）を検出するカメラ等の撮像手段であってもよい。

図３は、歩行訓練システム１のブロック図である。図３に示すように、制御部としての制御装置３５は、配線などを介して、歩行補助装置２、トレッドミル３１、引張部３３、ワイヤケーブル長検出部４１と接続されている。制御装置３５は、トレッドミル３１の駆動と、歩行補助装置２の動作と、をそれぞれ制御する。また、制御装置３５は、引張部３３におけるワイヤケーブル３６の引張力を制御する。制御装置３５により、引張部３３におけるワイヤケーブル３６の引張力を制御する方法については後述する。

制御装置３５は、例えば、演算処理、制御処理等と行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＣＰＵによって実行される演算プログラム、制御プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、各種のデータなどを記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びインターフェイス部は、データバスなどを介して相互に接続されている。

図１に示す歩行訓練システム１の引張部３３において、ワイヤケーブル３６の長さは訓練者Ｕの訓練中の歩行姿勢に追随して変わる。図４は、訓練中において、訓練者Ｕが姿勢を崩した状態（異常歩行状態）を示す模式図である。ここで、比較のため、訓練者Ｕが正常な歩行姿勢で歩行している状態（正常歩行状態）を仮想線（二点鎖線）で示す。上述したように、ワイヤ間隔としてのワイヤケーブル３６の長さは、ワイヤケーブル３６における、訓練者Ｕの脚部への直接的または間接的な取り付け位置から、ベルトコンベア３１１の床面からの所定高さまでの間隔である。なお、本実施の形態にかかる歩行訓練システム１では、所定高さを、例えば、ベルトコンベア３１１の床面（歩行面）から引張部３３までの高さＨｈとしている。正常歩行状態におけるワイヤケーブル３６の長さをＬｐ、異常歩行状態におけるワイヤケーブル３６の長さをＬｑとする。図４に示すように、異常歩行状態におけるワイヤケーブル３６の長さＬｑは、正常歩行状態におけるワイヤケーブル３６の長さＬｐよりもずっと長くなる。すなわち、訓練中において、訓練者Ｕが姿勢を崩すと、姿勢を崩す前後においてワイヤケーブル３６の長さが大きく変化する。

図５は、訓練開始からの経過時間とワイヤケーブル３６の長さＬとの関係の一例を示すグラフである。ここで、オフセット期間は、歩行訓練システム１が動作を開始してから所定の時間Ｔまでの期間である。所定の時間Ｔは、訓練者Ｕが数歩程度（例えば３歩）歩くのに要する時間である。オフセット期間は訓練を開始した直後の短い期間であるので、この期間において、訓練者Ｕが歩行姿勢を崩すことはほとんどなく、訓練者Ｕの歩行姿勢は正常である。ただし、図５に示すように、オフセット期間において、訓練者Ｕが正常な歩行姿勢で歩行を行っている間にも、若干の歩行姿勢の乱れやふらつきが生じるため、ワイヤケーブル３６の長さＬは変化する。オフセット期間におけるワイヤケーブル３６の長さの平均値をＬａｓとする。また、オフセット期間におけるワイヤケーブル３６の長さの最大値をＬｍａｘとする。最大値Ｌｍａｘと平均値Ｌａｓとの差分Ｌｄｓが、訓練中における訓練者Ｕの歩行姿勢の乱れ、ふらつきによって起こうるワイヤケーブル３６の長さＬの変化である。

オフセット期間に続く監視期では、訓練者Ｕが歩行姿勢を崩していないかどうかを監視する。訓練者Ｕが姿勢を崩した場合におけるワイヤケーブル３６の長さＬの変化は、訓練者Ｕが通常の歩行姿勢で歩行を行っている間のワイヤケーブル３６の長さＬの変化よりもずっと大きくなる。すなわち、監視期において、ワイヤケーブル３６の長さＬの変化が差分Ｌｄｓよりも大きい場合には、訓練者Ｕが歩行姿勢を崩したと判断することができる。

例えば、監視時刻ｔ１および監視時刻ｔ２における、訓練者Ｕの歩行状態の判断について説明する。まず、監視時刻ｔ１については、監視時刻ｔ１におけるワイヤケーブルの長さと、監視時刻ｔ１よりも時間Ｔｗだけ前の時刻から監視時刻ｔ１までの間の期間におけるワイヤケーブルの長さの平均との差分Ｌｄは、差分Ｌｄｓ以下である（Ｌｄ≦Ｌｄｓ）。なお、時間Ｔｗは、例えば、オフセット期間における訓練者Ｕの歩行動作から割り出した訓練者Ｕの平均的な歩行周期であってもよい。ここで、歩行周期とは、訓練者Ｕが一歩を踏み出してから次の一歩を踏み出すまでに要する時間である。よって、監視時刻ｔ１において、訓練者Ｕは歩行姿勢を崩していない（正常歩行状態）と判断することができる。

一方、監視時刻ｔ２については、監視時刻ｔ２におけるワイヤケーブルの長さと、監視時刻ｔ２よりも時間Ｔｗだけ前の時刻から監視時刻ｔ２までの間の期間におけるワイヤケーブルの長さの平均との差分Ｌｄは、差分Ｌｄｓ以下である（Ｌｄ＞Ｌｄｓ）。よって、監視時刻ｔ２において、訓練者Ｕは歩行姿勢を崩している（異常歩行状態）と判断することができる。このようにすることで、訓練中において、訓練者Ｕが歩行姿勢を崩したことを的確に検知することができる。なお、差分Ｌｄｓとの比較において、現時刻におけるワイヤケーブルの長さと、現時刻ｔ２よりも時間Ｔｗだけ前の時刻から現時刻までの間の期間におけるワイヤケーブルの長さの平均との差分Ｌｄを用いる代わりに、現時刻において検出されたワイヤケーブル３６の長さと現時刻の直前に検出されたワイヤケーブル３６の長さとの差分を用いてもよい。ただし、差分Ｌｄｓとの比較において、現時刻におけるワイヤケーブルの長さと、現時刻ｔ２よりも時間Ｔｗだけ前の時刻から現時刻までの間の期間におけるワイヤケーブルの長さの平均と、の差分Ｌｄを用いる方が、訓練者Ｕが歩行姿勢を崩したことをより的確に検知することができる。

次に、制御装置３５により、引張部３３におけるワイヤケーブル３６の引張力を制御する方法について説明する。なお、以下の説明では、図３および図５についても適宜参照する。
監視期において、正常歩行状態と判断された場合、引張部３３は通常の引張力Ｆｐでワイヤケーブル３６を引っ張る。ここで、通常の引張力Ｆｐは、差分Ｌａと差分Ｌａｓとの差（Ｌａ−Ｌａｓ）に応じて変化させる。例えば、Ｌａ−Ｌａｓが増加すると通常の引張力Ｆｐが線形的に増加するようにする。一方、監視期において、異常歩行状態と判断された場合、引張部３３は、訓練者Ｕの転倒を防止するのに十分な引張力Ｆｑでワイヤケーブル３６を引っ張る。これにより、訓練者Ｕの転倒を防止することができる。

図６および図７は、訓練における、歩行訓練システム１の処理の流れを示すフローチャートである。図６に示すように、まず、歩行訓練システム１が動作を開始する（ステップＳ１）。すなわち、制御装置３５からの訓練開始の指令を受けて、トレッドミル３１が、ベルトコンベア３１１の回転を開始させ、ワイヤケーブル長検出部４１が、ワイヤケーブル３６の長さの検出を開始する。ワイヤケーブル長検出部４１により連続的に検出されたワイヤケーブル３６の長さは、制御装置３５に設けられたメモリなどの記憶手段に逐次格納される。次に、制御装置３５が、歩行訓練システム１が動作を開始してから所定の時間Ｔが経過したか否かを判断する（ステップＳ２）。

ステップＳ２において歩行訓練システム１が動作を開始してから所定の時間Ｔが経過した場合、制御装置３５が、歩行訓練システム１が動作を開始してから所定の時間Ｔが経過するまでの期間における、ワイヤケーブル３６の長さの平均値Ｌａｓ、および、ワイヤケーブル３６の長さの最大値Ｌｍａｘを求める（ステップＳ３）。続いて、制御装置３５が、ワイヤケーブル３６の長さの最大値Ｌｍａｘとワイヤケーブル３６の長さの平均値Ｌａｓとの差分Ｌｄｓを算出する（ステップＳ４）。続いて、制御装置３５が、歩行訓練システム１が動作を開始してから所定の時間Ｔが経過するまでの期間における訓練者Ｕの歩行動作から割り出した平均的な訓練者Ｕの歩行周期からＴｗを決定する（ステップＳ５）。ステップＳ１からステップＳ５までの処理がオフセット工程である。

ステップＳ５より先の工程は監視工程である。図７に示すように、制御装置３５が、現時刻よりもＴｗ前から現時刻までのワイヤケーブル３６の長さの平均値Ｌａを算出する（ステップＳ６）。続いて、現時刻のワイヤケーブル３６の長さＬと現時刻よりもＴｗ前から現時刻までのワイヤケーブル３６の長さの平均値Ｌａとの差分Ｌｄ（＝Ｌ−Ｌａ）を算出する（ステップＳ７）。続いて、差分Ｌｄが差分Ｌｄｓより大きいか否かを判断する（ステップＳ８）。ステップＳ８において、差分Ｌｄが差分Ｌｄｓより大きい場合（Ｌｄ＞Ｌｄｓ）、引張部３３が訓練者Ｕの転倒を防止するのに十分な引張力Ｆｑでワイヤケーブル３６を引っ張り（ステップＳ９）、歩行訓練システム１の動作を停止させる（ステップＳ１０）。ステップＳ８において、差分Ｌｄが差分Ｌｄｓ以下である場合（Ｌｄ≦Ｌｄｓ）、引張部３３が通常の引張力Ｆｐでワイヤケーブル３６を引っ張る（ステップ１１）。ステップＳ１１に続いて、訓練が終了したか否かを判断する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２において、訓練が終了したと判断された場合（ＹＥＳの場合）、歩行訓練システム１の動作を停止させる（ステップＳ１０）。ステップＳ１２において、訓練が終了していないと判断された場合（ＮＯの場合）は処理をステップＳ６に戻す。

以上より、歩行訓練システム１における制御装置３５は、ワイヤケーブル長検出部４１により連続的に検出されたワイヤケーブル３６の長さからワイヤケーブル３６の長さの変化を算出する。そして、制御装置３５は、算出したワイヤケーブル３６の長さの変化が、正常な歩行姿勢で歩行している場合に起こりうるワイヤケーブル３６の長さの変化に対して大きい場合に、引張部３３によるワイヤケーブル３６の引張力を訓練者Ｕの転倒を防止するのに十分な引張力とする。これにより、訓練者が歩行姿勢を崩したことをより的確に検知し、訓練者の転倒を防止することができる。

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、上記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を備えているが、歩行訓練システムにおいて歩行補助装置を備えていない構成であってもよい。

上記実施の形態では、ワイヤケーブル３６の長さの増加に対して通常の引張力Ｆｐを線形的に増加するようにしているが、これに限るものではない。例えば、ワイヤケーブル３６の長さの増加に対して通常の引張力Ｆｐを対数的に増加するようにしてもよい。このようにすると、訓練者は歩行姿勢の乱れが小さい段階から強めの力で引っ張られることになり、訓練中において訓練者は大きな違和感を受ける。また、ワイヤケーブル３６の長さの増加に対して通常の引張力Ｆｐを指数関数的に増加するようにしてもよい。このようにすると、歩行姿勢の乱れが小さい段階ではワイヤケーブル３６による引張力が弱いため、訓練者が違和感（ワイヤケーブルによって引っ張られる感じ）を受けることが少なくなる。しかしながら、正常歩行状態において歩行姿勢の乱れが大きい訓練者の場合には、訓練中において訓練者は大きな違和感を受ける。

上記実施の形態では、現時刻のワイヤケーブル３６の長さＬと現時刻よりもＴｗ前から現時刻までのワイヤケーブル３６の長さの平均値Ｌａとの差分Ｌｄが、差分Ｌｄｓよりも大きいか否かによって、訓練者が、正常歩行状態であるか、異常歩行状態であるかを判断する。上記実施の形態において、差分Ｌｄｓは、オフセット期間における、ワイヤケーブル３６の長さの平均値Ｌａｓとワイヤケーブル３６の長さの最大値Ｌｍａｘとの差分としたが、代わりに、基準位置において訓練者が直立状態であるときのワイヤケーブル３６の長さとオフセット期間におけるワイヤケーブル３６の長さの最大値Ｌｍａｘとの差分としてもよい。

上記実施の形態では、ワイヤケーブル長検出部４１によって検出されたワイヤケーブルの長さを記憶させる記憶手段を制御装置３５に設けたが、これに限るものではない。検出されたワイヤケーブルの長さを記憶させる記憶手段を制御装置３５とは別体として設け、制御装置３５が当該記憶手段にアクセスするようにしてもよい。

上記実施の形態では、訓練中におけるワイヤケーブルの長さの変化に基づいて、訓練者Ｕが歩行姿勢を崩したことを検知したが、この検知において、カメラによる訓練者の撮影画像の解析結果等を併せて用いるようにしてもよい。

１ 歩行訓練システム
２ 歩行補助装置
３ 訓練装置
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
３３ 引張部
３５ 制御装置
３６ ワイヤケーブル
４１ ワイヤケーブル長検出部
２１２ 上腿装具
３１１ ベルトコンベア
Ｕ 訓練者

Claims (1)

1. 訓練者が歩行するための回転可能なベルトコンベアを有するトレッドミルと、
   前記訓練者の上方に設けられ、前記訓練者を、ワイヤケーブルを介して上方に引張する引張部と、
   前記引張部における前記ワイヤケーブルの引張力を制御する制御部と、を備え、
   前記ワイヤケーブルにおける、前記訓練者への直接的または間接的な取り付け位置から、前記ベルトコンベアの床面からの所定高さまで、の間隔であるワイヤ間隔が、前記訓練者の歩行に応じて変化するように構成された歩行訓練システムにおいて、
   前記ワイヤケーブルの位置または変位を検出する検出手段を更に備え、
   前記制御部は、前記検出手段によって連続的に検出された前記位置または変位から求まる前記ワイヤ間隔の変化を算出し、算出した前記ワイヤ間隔の変化が、正常な歩行姿勢で歩行している場合に起こりうる前記ワイヤ間隔の変化に対して大きい場合に、前記引張部による前記ワイヤケーブルの引張力を前記訓練者の転倒を防止するのに十分な引張力とする、歩行訓練システム。

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