JP2019097578A - 運動訓練装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運動訓練装置において、使用者の身体状況に応じた目標を設定可能にする。【解決手段】運動訓練装置１は、操作部３を第１ガイド部２３に沿って前後方向に直線運動させる第１駆動モーター３０を有する第１アクチュエーター部２１と、第１アクチュエーター部を左右方向に第２ガイド部３３に沿って直線運動させる第２駆動モーター３８を有する第２アクチュエーター部２２と、第１及び第２駆動モーターの駆動を制御する制御部７０と、操作部３が使用者から受ける力を検知するための力センサー５１とを備える。制御部７０は、操作部３の移動軌跡を設定する移動軌跡設定手段と、操作部３の移動軌跡における負荷値を設定する負荷情報設定手段と、を有する。【選択図】図１３

Description

本発明は、特に使用者の運動機能向上を図るための運動訓練装置に関するものである。

従来、人の運動機能を向上させるために、その運動機能に応じた様々な運動訓練が行われている。例えば、使用者の上肢や下肢の運動機能を向上させるために、机上を拭くような動作で肩や肘を屈曲、伸展させるワイピング動作訓練、上肢の筋力強化や関節の可動域改善のために、傾斜したボード上で手を上下方向に滑らせて動かすサンディング動作訓練が広く行われている。そして、これらの運動を支援するために様々な訓練装置が開発、提案されている。

例えば、十字状に架設した２本のガイド部材の交叉部から吊下げられた上肢吊下支持装置を、該ガイド部材及び交叉部に設けた可逆回転モータを含む直線駆動装置により前後左右及び上下方向に移動可能にした上肢機能回復訓練支援装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。上肢吊下支持装置に支持された使用者の上肢の動作軌道をセンサ装置で検出し、該動作軌道と目標軌道との差分をコンピュータで演算処理して画像表示装置にフィードバックするので、使用者は、視覚を通じて訓練状態を認識することができる。

また、装置本体の往復運動機構部により、使用者の下肢又は上肢を固定した台部材を往復運動させ、股、膝、足又は肩、肘、手の屈曲及び伸展を行う訓練装置が知られている（例えば、特許文献２を参照）。装置本体は、長手方向の両側面に取り付けたアームを立てて固定することにより、水平位置だけでなく、傾斜位置及び垂直位置でも使用可能である。往復運動機構部には、台部材を固定するスライドテーブルを、モータにより回転駆動される送りねじに螺合させて軸方向に案内したり、空気圧によりシリンダチューブ内を軸方向に摺動するロッドレスシリンダのピストンに一体的に取り付けた構造が採用されている。

特開２０００−２７１１８０号公報 特開２００２−１１９５５５号公報

特許文献１に記載される装置では、使用者の意思によらず目標軌道に沿うように上肢を動作させる他動運動による訓練と、使用者の意思によって目標軌道に沿うように上肢を動作させる自動運動による訓練とを行うことができる。上肢吊下支持装置に支持された上肢は、訓練の開始前に入力設定した目標軌道に基づいて出力される動作信号により各直線駆動装置を駆動させることによって、目標軌道に沿って移動する。

このような装置において、特に他動運動による訓練の場合に使用者に負荷がかかりすぎる可能性がある。よって、使用者から入力される負荷値を検出して、装置が予め定めた限界値を超えた場合は動作を停止していた。しかし、装置の限界値の範囲内でも使用者の限界を超えてしまう場合があり、その際は使用者に対して過剰な負荷がかかってしまい、適切な訓練を行うことができない虞があった。

そこで、本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、使用者の上肢及び／又は下肢の運動機能を向上させる訓練を支援するために、使用者の身体状況に応じた目標を設定可能にすることにある。

本発明の運動訓練装置は、上記目的を達成するためになされたものであり、人の運動機能を向上させるための運動訓練装置であって、装置フレームと、前記装置フレーム内の位置を移動可能な操作部と、前記操作部を移動させる駆動部と、前記操作部が使用者の上肢又は下肢から受ける力における少なくとも前記操作部の移動方向の並進力及び偶力を検知するための力センサーと、前記駆動部の駆動又は負荷を制御する制御部と、前記駆動部の駆動又は負荷のデータと前記力センサーの検知結果を含むデータを記録する記憶手段と、前記操作部の移動軌跡を設定する移動軌跡設定手段と、前記操作部が移動した際の前記力センサーによる検出結果に応じて前記操作部の移動軌跡の各点における負荷値を設定する負荷情報設定手段と、を備える。

前記制御部は、前記移動軌跡設定手段により設定された前記移動軌跡に基づいて前記操作部を移動制御する。そして、前記制御部は、前記負荷情報設定手段により設定された前記負荷値に基づいて前記操作部に掛かる負荷を制御する。

ここで、前記制御部は、前記負荷情報設定手段が設定した前記移動軌跡における各点の負荷値と前記力センサーが検出した前記操作部に掛かる負荷の検出値とを比較して前記駆動部を制御することで、使用者への負荷を監視することができる。

そして、前記制御部は、前記力センサーが検出した前記操作部に掛かる負荷の検出値が前記負荷情報設定手段に設定されている前記移動軌跡の各点における負荷値を超えた場合には、前記駆動部を停止制御する。又は、前記制御部は、前記力センサーが検出した前記操作部に掛かる負荷の検出値が前記負荷情報設定手段に設定されている前記移動軌跡の各点における負荷値を超えた場合には、前記操作部の移動を変更するように前記駆動部を制御する。これにより、使用者には過度な負担を強いることがなく、効果的な運動訓練となる。

また、ある実施態様では、前記負荷情報設定手段は、前記移動軌跡設定手段によって設定された移動軌跡に沿って前記駆動部により移動される前記操作部にかかる力を前記力センサーで検出することで、前記操作部の移動軌跡の各点における負荷値を設定する。

さらに、ある実施形態においては、
前記駆動部は、
前記操作部を第１の方向に沿って直線状に移動させるための第１ガイド部と、前記第１ガイド部に沿って前記操作部の移動を駆動し又はその移動に負荷を与えるための第１駆動モーターとを有する第１アクチュエーター部と、
前記第１アクチュエーター部を、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って直線状に移動させるための第２ガイド部と、前記第２ガイド部に沿って前記第１アクチュエーター部の移動を駆動し又はその移動に負荷を与えるための第２駆動モーターとを有する第２アクチュエーター部と、
で構成される。
このとき、前記力センサーは、前記操作部が前記第１ガイド部及び／又は第２ガイド部に沿って、前記第１駆動モーター並びに／若しくは第２駆動モーターの駆動力に抗して使用者の上肢若しくは下肢によって動かされ、又は前記第１駆動モーター並びに／若しくは第２駆動モーターの駆動力によって使用者の上肢若しくは下肢を動かす際に、前記操作部が使用者の上肢又は下肢から受ける力における少なくとも前記第１の方向の並進力、前記第２の方向の並進力、前記第１の方向の偶力及び前記第２の方向の偶力を検知する。

本発明の運動訓練装置によれば、移動する操作部に使用者の上肢又は下肢から作用する力を力センサーが検出し、操作部の移動軌跡における負荷値を設定することができるため、使用者に過度な負荷を与えることがなく、使用者に合わせた適切な運動訓練を行うことができる。

本発明の運動訓練装置の第１実施形態を示す斜視図を示す。 第１実施形態の装置本体を示す斜視図を示す。 図２のIII-III線における装置本体の断面図を示す。 図２のIV-IV線における装置本体の断面図を示す。 装置本体のアクチュエーター機構の分解斜視図を示す。 図３における第１アクチュエーター部の部分拡大図を示す。 図４における第２アクチュエーター部の部分拡大図を示す。 操作部のホームポジションを示すアクチュエーター機構の上面図を示す。 操作部の移動範囲を示すアクチュエーター機構の上面図を示す。 制御部のブロック図を示す。 第１実施形態における駆動モーターの出力の基本的制御の線図。 移動軌跡設定モードでの制御ＣＰＵの処理手順のフローチャートを示す。 負荷検出モードでの制御ＣＰＵの処理手順のフローチャートを示す。 （ａ）は移動軌跡を模式的に示す説明図を示し、（ｂ）は力センサーの検出値を時間軸で表す説明図を示す。 訓練モードでの制御ＣＰＵの処理手順のフローチャートを示す。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。図１に示す第１実施形態の運動訓練装置１は、特に使用者Ｕの上肢の運動機能向上を目的として行われる運動訓練に使用される。尚、添付図面及び本明細書全体を通して、類似の構成要素は、同様の参照符号を付して表す。

運動訓練装置１は、全体として比較的高さの低い矩形箱状の装置本体２から構成され、水平な設置面に載置して使用される。図１に示すように、運動訓練装置１は、装置本体２の上面から突出する操作部３を有し、該操作部の周囲は、上面カバー４ａ乃至４ｄで略全面的に覆われている。図１において、使用者Ｕは運動訓練装置１の前側に位置し、例えばワイピング動作訓練を行うために、右腕ＵＬを前方に伸ばして操作部３を右手ＨＲで把持している。尚、本明細書中では、図１の運動訓練装置１における使用者Ｕの手前側を前側、奥側を後側と称することとする。

図２は、図１の運動訓練装置１から上面カバー４ａ乃至４ｄ、前部カバー５、後部カバー６、及び左右側部カバー７，８を取り外した状態の装置本体２を示している。尚、図２では、図中手前側即ち正面側が装置本体２の前側であり、奥側即ち背面側が後側である。

上面カバー４ａ乃至４ｄは、それぞれ操作部３の前後方向及び左右方向に配置され、操作部３の移動に合わせて前記上面カバーの面内で伸縮可能な蛇腹構造のシートで構成されている。別の実施例において、前記上面カバーは、例えば樹脂又は布製の比較的柔軟なシートで形成し、装置本体２の前後左右各側縁部の内側に配置されたロール機構（図示せず）に、巻取方向に付勢するばね構造によって巻取・引出自在に収納することができる。この種のロール機構は、従来より車両や建物の窓を覆うスクリーン等に広く採用されている。また、前記上面カバーには、前記蛇腹構造、ロール機構以外に、従来公知の様々な構造のものを使用することができる。

装置本体２は、図２に示すように、概ね矩形枠状の外側フレーム１１からなるフレーム構造を有する。外側フレーム１１の左右外側面には、運動訓練装置１を手で持ち上げたり持ち運ぶために、水平な棒状のハンドル部１２がそれぞれ固定されている。

外側フレーム１１の内側には、図２乃至図４に示すように、前後方向に延長する３つの前後固定フレーム１３ａ乃至１３ｃが、左右方向に離隔して平行に配置され、それらの両端がそれぞれ外側フレーム１１の内壁下端付近に固定されている。前後固定フレーム１３ａ乃至１３ｃの上には、それらと直交して外側フレーム１１内を左右方向に延長する２つの左右固定フレーム１４ａ，１４ｂが前後方向に離隔して平行に配置され、それらの両端がそれぞれ外側フレーム１１の内壁下端付近に固定されている。

本実施形態では、左右固定フレーム１４ａ，１４ｂは前後固定フレーム１３ａ乃至１３ｃの上に載置して、止めねじで一体に固定される。別の実施形態では、左右固定フレーム１４ａ，１４ｂと前後固定フレーム１３ａ乃至１３ｃとは、一体に結合しなくてもよく、また上下方向に離隔してもよい。また、外側フレーム１１の下面、より詳細には前後固定フレーム１３ａ乃至１３ｃの下面及び外側フレーム１１の右側部の下面には、運動訓練装置１を前記設置面に載置するために、複数の短い脚部１５が突設されている。

外側フレーム１１の前側及び後側内壁には、その上端から少し下がった高さ位置に、左右方向の略全長に亘って一定幅の段差面１６ａ，１６ｂが、それぞれ内側に向けて延設されている。更に、外側フレーム１１の前側及び後側内壁は、それぞれ上端が内側へ直角に折曲されて、左右方向の略全長に亘って一定幅の折曲板部１７ａ，１７ｂを形成し、その下方の段差面１６ａ，１６ｂとの間に高さの低い隙間を画定している。この隙間は、上面カバー４ａ，４ｂの左右側辺部が前後方向の略全長に亘って挿入され、後述するように操作部３が左右方向に移動するとき、その移動に合わせて前記上面カバーの蛇腹を伸縮させるためのガイドとなる。

装置本体２は、操作部３を外側フレーム１１内の所定の平面上で前後方向及び左右方向に移動させるためのアクチュエーター機構２０を備える。前記所定の平面は、本実施形態において、前記設置面と平行な水平面である。アクチュエーター機構２０は、図２に示すように、外側フレーム１１の内側に前後固定フレーム１３ａ〜１３ｃ及び左右固定フレーム１４ａ，１４ｂの上に設けられる。アクチュエーター機構２０は、操作部３を前後方向に沿って直線往復運動させるための第１アクチュエーター部２１と、それに直交する左右方向に沿って直線往復運動させるための第２アクチュエーター部２２とを備える。第１及び第２アクチュエーター部２１、２２は、それぞれ駆動部の回転運動を被動部の直線運動に変換する所謂直動アクチュエーターである。

第１アクチュエーター部２１は、操作部３を前後方向に直線状に案内するための第１ガイド部２３と、前記操作部を第１ガイド部２３に沿って駆動するための第１駆動部２４とを有する。第１駆動部２４は、第１ガイド部２３の一方の端部（本実施形態では、図２及び図４に示すように後側の端部）に前記第１ガイド部と一体に設けられる。

本実施形態において、第１ガイド部２３は、図５に示すように、上向きに開放された矩形チャネル形状の第１ガイドフレーム２５と、その内部を長手方向に延長するロッド状の送りねじ２６と、スライダーブロック２７とからなる。第１ガイドフレーム２５の長手方向の両側部上面は、その長手方向にスライダーブロック２７を案内するためのスライドレールを提供する。スライダーブロック２７は、複数の鋼球からなるボールを介して送りねじ２６のねじ溝と螺合するナット部を有し、該送りねじと組み合わされて公知のボールねじ構造を構成している。

図４及び図５に示すように、第１駆動部２４は、正逆回転可能な第１駆動モーター３０と、該第１駆動モーターの回転軸と送りねじ２６との間に介装された減速ギアユニット３１とからなる。第１駆動モーター３０には、その回転方向及び回転量を検出して制御するために、公知のロータリーエンコーダー等のセンサーが取り付けられている。減速ギアユニット３１は、第１駆動モーター３０の回転を減速して送りねじ２６に伝達する歯車列からなる。減速ギアユニットの減速ギア比は、操作部３を介して使用者の上肢又は下肢に第１駆動モーター３０の駆動力を伝達するのに十分なトルクを発生し得るように設定される。

減速ギアユニット３１のギア比は、第１駆動モーター３０がその電源遮断時に、送りねじ２６側からの逆入力によって容易に回転しないように、比較的高く設定することが好ましい。別の実施例では、第１駆動モーター３０への電源遮断時に、その回転を停止させかつ保持するように、電磁ブレーキ等のブレーキ手段を設けることができる。

第２アクチュエーター部２２は、第１アクチュエーター部２１を左右方向に直線状に案内するための第２ガイド部３３と、前記第１アクチュエーター部を第２ガイド部３３に沿って駆動するための第２駆動部３４とを有する。第２駆動部３４は、第２ガイド部３３の一方の端部（本実施形態では、図２及び図３の右側の端部）に前記第２ガイド部と一体に設けられる。

第１ガイド部２３と同様に、第２ガイド部３３は、上向きに開放された矩形チャネル形状の第２ガイドフレーム３５と、その内部を長手方向に延長するロッド状の送りねじ３６と、スライダーブロック３７とからなる。第２ガイドフレーム３５の長手方向の両側部上面は、その長手方向にスライダーブロック３７を案内するためのスライドレールを提供する。スライダーブロック３７は、複数の鋼球からなるボールを介して送りねじ３６のねじ溝と螺合するナット部を有し、該送りねじと組み合わされて公知のボールねじ構造を構成している。

図３及び図５に示すように、第２駆動部３４は、正逆回転可能な第２駆動モーター３８と、該第２駆動モーターの回転軸と送りねじ３６との間に介装された減速ギアユニット３９とからなる。第２駆動モーター３８には、その回転方向及び回転量を検出して制御するために、公知のロータリーエンコーダー等のセンサーが取り付けられている。減速ギアユニット３９は、第２駆動モーター３８の回転を減速して送りねじ３６に伝達する歯車列からなる。減速ギアユニット３９のギア比は、第１アクチュエーター部２１及び操作部３を介して使用者の上肢又は下肢に第２駆動モーター３８の駆動力を伝達するのに十分なトルクを発生し得るように設定される。

減速ギアユニット３９のギア比は、第２駆動モーター３８がその電源遮断時に、送りねじ３６側からの逆入力によって容易に回転しないように、比較的高く設定することが好ましい。別の実施例では、第２駆動モーター３８への電源遮断時に、その回転を停止させかつ保持するように、電磁ブレーキ等のブレーキ手段を設けることができる。

第１アクチュエーター部２１には、図２乃至図４に示すように、外側フレーム１１の内側を前後方向に略全長に亘って延長する可動フレーム４１が一体に設けられている。可動フレーム４１は、第１ガイド部２３の長手方向に沿って延長する、図６に示すように断面概ねＬ字形の１対の可動フレーム部材４１ａ，４１ｂからなる。可動フレーム部材４１ａ，４１ｂは、それぞれＬ字の内側を第１ガイド部２３側に向けて第１ガイドフレーム２５の長手方向両側部に、止めねじ等で固定されている。これにより、第１ガイド部２３と可動フレーム部材４１ａ，４１ｂとの間には、第１ガイドフレーム２５の側面から側方に延出する一定幅の水平面４２ａ，４２ｂと、断面矩形の溝状空間Ｓａ，Ｓｂとが画定される。

第１ガイドフレーム２５に固定された可動フレーム部材４１ａ，４１ｂの上端は、長手方向の全長に亘って、内側即ち前記第１ガイドフレーム側に直角に折曲され、一定狭幅の折曲板部４３ａ，４３ｂを形成している。可動フレーム部材４１ａ，４１ｂの前記Ｌ字の垂直な内面には、その上端から少し下がった高さ位置に、前記内面から第１ガイドフレーム２５側に直角に延出する一定狭幅の突板部４４ａ，４４ｂが、長手方向の両端部を除く略全長に亘って一体に形成されている。これにより、可動フレーム部材４１ａ，４１ｂの上端内側には、折曲板部４３ａ，４３ｂと突板部４４ａ，４４ｂとの間に高さの低い隙間が、長手方向の両端部を除く略全長に亘って画定される。この隙間は、上面カバー４ｃ，４ｄの前後側辺部が左右方向の略全長に亘って挿入され、後述するように操作部３が前後方向に移動するとき、その移動に合わせて前記上面カバーの蛇腹を伸縮させるためのガイドとなる。

可動フレーム部材４１ａ，４１ｂの長手方向の両端部は、図２及び図４に示すように、突板部４４ａ，４４ｂより下側の部分が切除され、残された部分が長手方向の突出部４５ａ，４５ｂを形成している。各突出部４５ａ，４５ｂは、アクチュエーター機構２０を外側フレーム１１内に装着したとき、それぞれ該外側フレームの前記前側及び後側内壁の折曲板部１７ａ，１７ｂと段差面１６ａ，１６ｂとの間に画定される前記隙間内に、その内面との間に余裕をもって挿入される。

操作部３は、図５に示すように、比較的短い垂直な操作ロッド４８と、その上端に設けられたハンドル部材４９とからなる。本実施形態のハンドル部材４９は、操作ロッド４８と一体にかつ取外可能に取り付けられる。本実施形態のハンドル部材４９は、使用者Ｕの上肢ＵＬの運動機能を訓練するために片手で掴むことができるように、比較的厚い小型の円形ディスク状に形成されている。ハンドル部材４９は、使用者が掴んだ手で回すことができるように、操作ロッド４８を中心に回動可能に取り付けられる。別の実施例では、ハンドル部材４９を操作ロッド４８に対して回動しないように固定することも可能である。

ハンドル部材４９は、操作ロッド４８に対して取外可能に取り付けられる。それによって、ハンドル部材４９は、運動訓練装置１の使用目的、使用者の状態等に対応して、使用者の上肢又は下肢を係合させるのに適した様々な係合部材と交換することができる。例えば、使用者の手がハンドル部材４９を上手く掴むことができない場合、その手（又は上肢）を固定するベルト付きの係合部材を用いることができる。これにより、使用者の手（又は上肢）から操作ロッド４８に力を伝達して操作部３を移動させ、又は移動する操作部３から操作ロッド４８を介して力を受けて手（又は上肢）を動かすことができる。使用者の下肢を訓練する場合、同様にハンドル部材４９に代えて、使用者の足を載せる台や足を固定するベルト付きの係合部材を用いることができる。

操作部３は、操作ロッド４８に一体に設けられた力センサー５１を有する。力センサー５１は、使用者が自力で操作部３を動かす自動動作及び操作部３の力で上肢又は下肢を動かす他動動作のいずれにおいても、ハンドル部材４９から操作ロッド４８に作用する使用者の力を検出する。本実施形態では、力センサー５１として、歪みゲートを用いた市販の６軸力覚センサーが採用されている。

一般に、６軸力覚センサーは、直交する３軸方向ｘ，ｙ，ｚの力（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）とｘ，ｙ，ｚ３軸周りのモーメント（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）とを検出することができる。本実施形態では、６軸力覚センサーを、そのｘ軸及びｙ軸が、アクチュエーター機構の前後方向及び左右方向とそれぞれ一致するように配向する。

通常市販の力覚センサーは、固定側の基部と、検出すべき外力を受けるための検知部とを備えている。本実施形態では、図５に示すように、力センサー５１が概ね短円柱状の基部とその上面に設けられた検知部とを備える。力センサー５１の前記検知部には、その上面中央に操作ロッド４８が、垂直上向きに一体に固定されている。力センサー５１の前記基部は、取付プレート５２を介して、第１アクチュエーター部２１のスライダーブロック２７上に一体に固定されている。

これにより、力センサー５１は、使用者の上肢又は下肢が操作部３を動かし又は該操作部により動かされるとき、操作ロッド４８が使用者の上肢又は下肢から直接受ける力を、前後方向の力成分と左右方向の力成分とそれらに直交する垂直方向の力成分とに分けて、更に前後方向、左右方向及び垂直方向の各軸周りにそれぞれ作用するモーメントとして、検出することができる。

実際の運動訓練装置１の使用において、力センサー５１が検出する前後方向、左右方向及び垂直方向の力成分は、第１及び／又は第２アクチュエーター部２１，２２の第１及び／又は第２駆動モーター３０、３８の回転力と使用者が操作部３に及ぼす力との差分、即ち操作部３が使用者の上肢又は下肢から受ける抗力として検出される。例えば、他動動作の訓練において、使用者の力は、操作部３の移動に対する抵抗として、第１及び／又は第２駆動モーター３０、３８に作用する負荷即ち回転抗力である。自動動作の訓練では、使用者の力による操作部３の移動に対して、第１及び／又は第２駆動モーター３０、３８の回転力が抵抗として即ち使用者に負荷を与えるように作用する。

従来より、力覚センサーには、歪みゲートを用いたもの以外に、静電容量式や光学式のものが広く使用されている。本発明の力センサー５１には、いずれのタイプの力覚センサーも採用することができる。別の実施形態では、市販の力各センサーを使用せず、操作ロッド４８又は該操作ロッドと取付プレート５２との連結部に歪みゲージ等のセンサーデバイスを直接取り付けて、使用者が操作部３に及ぼす力を検出することもできる。

操作部３の一部を構成する取付プレート５２は、矩形のプレート部材からなり、図６に示すように、可動フレーム４１の長手方向に直交する幅方向に、該可動フレームの内幅より少し小さい寸法を有する。取付プレート５２の、可動フレーム４１の長手方向に沿う両側部は、下面側が直角に切除されて、折曲板部４３ａ，４３ｂと突板部４４ａ，４４ｂとの隙間の高さより薄い側辺部５３ａ，５３ｂを形成している。

取付プレート５２は、第１ガイド部２３と可動フレーム部材４１ａ，４１ｂとの間に画定される溝状空間Ｓａ，Ｓｂを横断し、側辺部５３ａ，５３ｂを折曲板部４３ａ，４３ｂと突板部４４ａ，４４ｂとの前記隙間内に余裕をもって挿入させて、スライダーブロック２７に取り付けられる。これにより、取付プレート５２は、操作部３を前後方向に移動させたとき、第１ガイドフレーム２５及び溝状空間Ｓａ，Ｓｂの直上をその長手方向に沿って走行する。

第１アクチュエーター部２１は、図５に示すように、連結部材５３を介して第２アクチュエーター部２２上に取り付けられる。連結部材５３は、矩形のプレート部材からなり、第１ガイドフレーム２５の下面に結合されて、第１ガイド部２３を第２アクチュエーター部２２のスライダーブロック３７上に一体に固定する。これにより、第１アクチュエーター部２１は、操作部３を左右方向に移動させたとき、第２ガイドフレーム３５の直上をその長手方向に沿って走行する。

第１アクチュエーター部２１は、操作部３の前後方向の移動範囲を制限するために、１対のリミットセンサー５５ａ，５５ｂを有する。図２に示すように、リミットセンサー５５ａ，５５ｂは、第１ガイド部２３と一方（図中右側）の可動フレーム部材４１ｂとの間の水平面４２ｂ上に、それぞれ外側フレーム１１の前部及び後部より手前の位置に配置されている。

本実施形態のリミットセンサー５５ａ，５５ｂは、アームレバーを水平方向に揺動可能にばね付勢した公知の構造を有する。取付プレート５２の下面には、リミットセンサー５５ａ，５５ｂの前記アームレバーを作動させるための作動ブロック５６が一体に突設されている。これにより、操作部３が前後方向に移動してその限界位置に到達すると、作動ブロック５６が前記アームレバーを回転させて、リミットセンサー５５ａ，５５ｂをオンにする。

第１アクチュエーター部２１は更に、操作部３を前後方向のホームポジションに停止／維持するためのホームポジションセンサー５７を有する。ホームポジションセンサー５７は、図２に示すように、可動フレーム部材４１ｂとの間の水平面４２ｂ上に、一方（図中前側）のリミットセンサー５５ａより少し前方に配置されている。

本実施形態のホームポジションセンサー５７は、小さな隙間をもって対向配置した投光部と受光部とを有する透過型のフォトセンサーであり、例えば前記投光部から前記受光部に光が通過するとオフ状態に、前記受光部が遮光されるとオン状態になる。取付プレート５２には、垂直下向きに突出する板状のセンサーフラグ部材５８が、操作部３を前後方向に移動させたとき、ホームポジションセンサー５７の前記投光部と前記受光部の間隙を通過し得るように取り付けられている。

第２アクチュエーター部２２は、同様に、第１アクチュエーター部２１の左右方向の移動範囲を制限するために、１対のリミットセンサー６１ａ，６１ｂを有する。図２に示すように、リミットセンサー６１ａ，６１ｂは、奥側の左右固定フレーム１４ａ上に、それぞれ外側フレーム１１の左右側部より手前の位置に配置されている。

本実施形態のリミットセンサー６１ａ，６１ｂも、アームレバーを水平方向に揺動可能にばね付勢した公知の構造を有する。図７に示すように、一方（図２の左側）の可動フレーム部材４１ａの下面には、リミットセンサー６１ａ，６１ｂの前記アームレバーを作動させるための作動ブロック６２が、取付プレート６３を介して一体に突設されている。これにより、操作部３が第１アクチュエーター部２１と共に左右方向に移動してその限界位置に到達すると、作動ブロック６２が前記アームレバーを回転させて、リミットセンサー６１ａ，６１ｂをオンにする。

第２アクチュエーター部２２は更に、操作部３を左右方向のホームポジションに停止／維持するためのホームポジションセンサー６４を有する。ホームポジションセンサー６４は、図２に示すように、奥側の左右固定フレーム１４ａ上に、一方（図中右側）のリミットセンサー６１ｂより少し中央寄りに配置されている。

本実施形態のホームポジションセンサー６４は、同様に小さな隙間をもって対向配置した投光部と受光部とを有する透過型のフォトセンサーであり、例えば前記投光部から前記受光部に光が通過するとオフ状態に、前記受光部が遮光されるとオン状態になる。可動フレーム部材４１ａの下面には、垂直下向きに突出する板状のセンサーフラグ部材６５が、操作部３を左右方向に移動させたとき、ホームポジションセンサー６４の前記投光部と前記受光部の間隙を通過し得るように、取付プレート６３によって取り付けられている。

図８は、操作部３がホームポジションに配置されている状態を示している。同図に示すように、操作部３のホームポジションは、運動訓練装置１の上面中央位置よりも前後方向に手前側かつ左右方向に右側に設定されている。これにより、使用者Ｕは、図１に示すように運動訓練装置１の前に位置したとき、右手を前に伸ばすと直ぐに操作部３のハンドル部材４９に触れることができる。しかしながら、本発明において、操作部３のホームポジションは、図８の位置に限定されるものではない。

図９は、アクチュエーター機構２０における操作部３の前後方向及び左右方向の移動可能な範囲を示している。同図に示すように、操作部３の前後方向の移動範囲は、第１ガイドフレーム２５によって直接決定されている。操作部３の左右方向の移動範囲は、第１アクチュエーター部２１を介して第２ガイドフレーム３５によって決定されている。

更に運動訓練装置１は、第１及び第２アクチュエーター部２１，２２を制御するための制御部７０を備える。制御部７０は、図１０に示すように、駆動制御部７１と、信号制御部７２と、表示制御部７３と、メモリ７４と、記憶部７８と、入力部７９と、それらを制御管理するための制御ＣＰＵ７５とを備える。

駆動制御部７１は、第１及び第２駆動モーター３０，３８と減速ギアユニット３１，３９に接続され、それらの駆動を制御する。信号制御部７２は、力センサー５１、各リミットセンサー５５ａ，５５ｂ，６１ａ，６１ｂ、各ホームポジションセンサー５７，６４及び位置センサー８０に接続され、前記各センサーから出力される信号を入力する。

位置センサー８０は、操作部３のＸ−Ｙ座標位置を得るための座標情報を検出するもので、例えば、各駆動モーター３０，３８に設けられた、モーターの回転量を検出するエンコーダーで、操作部３がホームポジションにいる状態からのモーター３０，３８の回転量（正逆）を検出し、その結果を制御ＣＰＵ７５に出力することで、制御ＣＰＵ７５は操作部３の座標情報を算出することができる。

表示制御部７３は、モニター装置７６に接続され、該モニター装置の表示を制御する。メモリ７４は、運動訓練装置１を動作させるためのプログラムに加えて、例えば使用者の個人データや訓練履歴等の訓練に関するデータを保存する。

記憶部７８は、制御ＣＰＵ７５が駆動制御部７１を制御して、駆動モーター３０，３８を駆動させたとき、駆動モーター３０と駆動モーター３８の駆動又は負荷のデータと力センサー５１の検知結果を含むデータとを記録する。入力部７９は、制御ＣＰＵ７５に対する動作指令の入力等に用いられる。

本発明の運動訓練装置１において、使用者の訓練を行う際に、第１及び第２アクチュエーター部２１，２２の第１及び第２駆動モーター３０，３８の出力を制御するための基本的な概念を以下に説明する。説明を簡単にするために、第２アクチュエーター部２２を停止させて、第１アクチュエーター部２１のみを使用する場合を考える。

図１１は、力センサー５１が検出した使用者の力の変動と、前記使用者の力に応じて制御部７０によって制御される第１駆動モーター３０の出力の変動とを、時間軸に沿って示している。同図において、操作部３が受ける使用者の力及び第１駆動モーター３０の回転力は、該第１駆動モーターの出力（ｋＷ）に置き換えて示している。尚、同図の縦軸は、上向き（＋）が操作部３を前方へ押す力、下向き（−）が手前側に引く力を表している。

図１１に示すように、時刻ｔ１に力センサー５１が出力値５の力を検出すると、その出力信号が制御部７０の信号制御部７２に入力され、制御ＣＰＵ７５は、時刻ｔ２に第１駆動モーター３０が同じ出力値５の回転力を発生するように駆動制御部７１を制御する。時刻ｔ３に力センサー５１からの入力信号が０になると、制御ＣＰＵ７５は、時刻ｔ４に第１駆動モーター３０の出力が０になるように駆動制御部７１を制御する。

本発明によれば、力センサー５１が実質的に操作部３に設けられているので、検出した使用者の力をそのまま制御部７０に出力することができる。従って、力センサー５１が信号を出力する時刻ｔ１から、それが第１駆動モーター３０に反映される時刻ｔ２までの時間遅れを、使用者が体感し得ない程度に短くすることができる。更に、力センサー５１からの出力信号は、制御部７０内で増幅したりして信号変換する必要が無いので、第１駆動モーター３０に使用者の力に応じた回転力を出力させるように最適に駆動することができる。

運動訓練装置１は、例えばサンディング動作訓練を行うために、装置本体２を前後方向又は左右方向に傾斜させた状態で使用することができる。そのために、装置本体２は、その傾斜状態、即ち傾斜方向及び傾斜角度を検出するための傾斜センサー７７を備えることができる。この場合、運動訓練装置１は、傾斜角度を調整可能な別個の支持構造上に設置される。傾斜センサー７７の出力信号は制御部７０に入力され、装置本体２の傾斜方向及び傾斜角度の大きさに対応して、第１及び／又は第２駆動モーター３０，３８の出力を制御するために使用される。

傾斜センサー７７には、例えば従来公知のジャイロセンサーを用いることができるが、これに限定されるものではない。例えば、運動訓練装置１を別個の支持構造上に傾斜させて支持する場合、該支持構造に傾斜センサーを備えることができる。この場合、傾斜センサーとして、前記支持構造を傾動させる電動モーターのエンコーダーやモーター駆動パルスカウンターを用いたり、前記支持構造の設置面を傾斜させるヒンジ部分にその傾斜を特定するセンサーや目盛りを設けることができる。

上記構成による運動訓練装置１を利用して使用者の上肢の運動訓練を行うには、次の３通りのステップで行われる。制御ＣＰＵ７５は、入力部７９に入力される動作指令に応じて、選択されたステップでの制御処理を行う。

ステップ１は、使用者が操作部３を持ち、その上から訓練指導者が使用者の手を持って、使用者３の上肢の状況に合わせた動作範囲で操作部３を移動させることで、使用者が操作部３を操作して上肢が辿る移動軌跡を設定する移動軌跡設定モードである。

移動軌跡設定モードにおいては、制御ＣＰＵ７５は、図１２に示す処理手順を実行して移動軌跡設定手段としての処理を行う。この処理で、制御ＣＰＵ７５は、使用者が手に掛けた操作部３を訓練指導者の主導で移動させる際に、使用者に所定の負荷が掛かるように減速ギアユニット３１，３９のギア比を調整して、駆動モーター３０，３８の駆動を制御する（手順Ｐ１）。このときの負荷のデータは記憶部７８に記録される。訓練指導者によって、使用者の動作範囲で操作部３が移動すると、位置センサー８０は、移動に沿って駆動モーター３０，３８の回転量情報を制御ＣＰＵ７５に出力して制御ＣＰＵ７５は操作部３の位置を算出する（手順Ｐ２）。そして、制御ＣＰＵは、逐次入力されるＸ−Ｙの座標軸での位置情報を記憶部７８に蓄積して移動軌跡を記憶する（手順Ｐ３）。表示制御部７３は、位置センサー８０が検出する操作部３が移動する各点での位置情報をモニター装置７６にプロットして移動軌跡を表示する。

次のステップ２は、使用者のみが操作部３を持ち、操作部３を移動軌跡設定モードで設定された軌跡で移動することで、使用者の負荷を検出する負荷検出モードである。

負荷検出モードにおいては、制御ＣＰＵ７５は、図１３に示す処理手順を実行して負荷情報設定手段としての処理を行う。この処理で、制御ＣＰＵ７５は、操作部３が移動軌跡設定モードで設定した軌跡を再現するように、駆動モーター３０，３８の駆動を制御する（手順Ｐ１１）。このとき力センサー５１では、駆動モーター３０、３８に作用する負荷（回転抗力）が検出される。よって、操作部３が移動軌跡をなぞる過程での、操作部３の移動に対する使用者の抵抗としての力の変動が力センサー５１によって検出される（手順Ｐ１２）。そして、制御ＣＰＵ７５は、力センサー５１で検出の負荷値を逐次記憶部７８に格納する（手順Ｐ１３）。

図１４において、（ａ）は移動軌跡を模式的に示し、（ｂ）は力センサー５１の検出値を時間軸で示している。よって、この例においては、時間Ｔ１からＴ２の範囲で、使用者から操作部３に大きな力が加わっていることが示されている。よって、図１４（ａ）において、鎖線で示す時間Ｔ１からＴ２の範囲での移動軌跡が、使用者にとって動かし難いことが判別できる。したがって、訓練指導者はこのデータを基にして、使用者の運動訓練のプログラムを作成することができる。

ステップ３は、運動訓練の訓練モードである。制御ＣＰＵ７５は、図１５に示す処理手順を実行する。訓練モードには、設定した移動軌跡通りに移動する操作部３に使用者の上肢が引っ張られる前述の他動動作を行なう受動制御モードと、使用者が自分で操作部３をこの移動軌跡通りに動かす前述の自動動作を行なう能動制御モードとがある。この受動制御モードと能動制御モードも、入力部７９に入力される動作指令によって選択される。

制御ＣＰＵ７５は、受動制御モードが選択されると、移動軌跡設定モードで設定した軌跡を再現するように駆動モーター３０，３８を駆動制御して、操作部３を移動させる（手順Ｐ２１）。このときの操作部３に掛る使用者の力は、操作部３の移動に対する抵抗として、駆動モーター３０、３８に作用する負荷即ち回転抗力となる。

そして、制御ＣＰＵ７５は、操作部３が移動軌跡をなぞる過程で力センサー５１から逐次入力されてくる力の検出値と、負荷設定モードで記憶部７８に蓄積している移動軌跡の同じ点での負荷値（設定負荷値）とを順次比較する（手順Ｐ２２）。このとき、力センサー５１の検出値が記憶部７８に記憶の設定負荷値を予定の許容範囲を超えていると、駆動モーター３０，３８の駆動を停止する（手順Ｐ２４）。よって、この場合には、使用者に予定以上の負担が掛り過ぎているとして、運動訓練をいったん終了する。又は終了せずとも、移動範囲を狭めるよう、設定した移動軌跡よりも被検者に近い位置での移動軌跡となるよう駆動モーター３０，３８の駆動制御を行なう、或いは駆動モーター３０，３８の負荷トルクを弱めるよう駆動モーター３０，３９の出力を調節してもよい。

一方、移動軌跡の各点で順次比較した結果、検出値が設定負荷値を超えていても予定の許容範囲内にあるときは、繰り返し手順Ｐ２２で移動軌跡の次の点での検出値と設定負荷値との比較を行う。そして、移動軌跡の終点に達すると（手順Ｐ２３の「ＹＥＳ」）、駆動モーター３０，３８の駆動を停止する（手順Ｐ２４）。

能動制御モードでは、制御ＣＰＵ７５は、使用者が操作部３を移動させる際に、使用者に所定の負荷が掛かるように、減速ギアユニット３１，３９のギア比を調整して、駆動モーター３０，３８の駆動を制御する（手順Ｐ３１）。このときの被検者の力による操作部３の移動に対して、駆動モーター３０、３８の回転力が抵抗として使用者に負荷を与えることになる。

制御ＣＰＵ７５は、操作部３が移動軌跡をなぞる過程で、移動軌跡の各点で位置センサー８０から逐次入力されてくる操作部３の位置情報と、記憶部７８に蓄積している移動軌跡の同じ点での設定位置情報とを順次比較する（手順Ｐ３２）。比較の結果、両方の位置情報の差が許容範囲内であれば、繰り返し手順Ｐ３２で移動軌跡の次の点での位置センサー８０からの位置情報と設定位置情報との比較を行う。そして、移動軌跡の終点で（手順Ｐ３４の「ＹＥＳ」）、駆動モーター３０，３８の駆動を停止する（手順Ｐ３５）。

しかし、手順Ｐ３２の処理で、位置センサー８０が検出の位置情報が記憶部７８に記憶の設定位置情報から外れていると、制御ＣＰＵ７５は、その差分を演算し、その差が予定の許容範囲内であれば、それに応じて操作部３が設定した移動軌跡に復帰するように、駆動モーター３０，３８を駆動制御する（手順Ｐ３３）。この場合、制御ＣＰＵ７５は、駆動制御部７１を通して、モーター３０，３８の出力を調整して回転トルクを大きくする。

このように、位置センサー８０が検出の位置情報が記憶部７８に記憶の移動軌跡の同じ点での位置情報との差が許容範囲内であれば、その都度、操作部３を予定の移動軌跡に復帰させつつ、操作部３の移動軌跡の最終点まで移動すると（手順Ｐ３５）、能動制御モードが終了する（手順Ｐ３６）。

手順Ｐ３３において、駆動モーター３０，３８を駆動して操作部３を予定の移動軌跡に復帰させる場合は、使用者の上肢は操作部３に引っ張られることになるので、受動制御モードと同様に操作部３にかかる使用者の力は、操作部３の移動に対する抵抗として、駆動モーター３０，３８に作用する負荷となる。制御ＣＰＵ７５は、現在の操作部３の位置と最も近い位置における負荷値（記憶部７８に記憶されている設定負荷値）と、現在の操作部３の位置における力の検出値とを比較して、その差が許容範囲内かを判別する（手順Ｐ３４）。

このとき、力センサー５１の検出値が記憶部７８に記憶の設定負荷値を予定の許容範囲を超えていると、駆動モーター３０，３８の駆動を停止する（手順Ｐ３４）。よって、この場合には、使用者に予定以上の負担が掛り過ぎているとして、運動訓練をいったん終了する。又は終了せずとも、移動範囲を狭めるよう、設定した移動軌跡よりも被検者に近い位置での移動軌跡となるよう駆動モーター３０，３８の駆動制御を行なう、或いは駆動モーター３０，３８の負荷トルクを弱めるよう駆動モーター３０，３９の出力を調節してもよい。

上記した運動訓練装置１においては、移動軌跡設定モードにおいては実際に操作部３を移動させて、そのとき位置センサー８０が検出する位置情報で移動軌跡を記憶部７８に記憶させて、移動軌跡を設定している。しかし、予めデータ化された位置情報を入力部７９から入力するようにしてもよい。

以上、本発明を好適な実施形態に関連して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、その技術的範囲において、様々な変更又は変形を加えて実施し得ることは言うまでもない。

１ 運動訓練装置
２ 装置本体
３ 操作部
１１ 外側フレーム
２０ アクチュエーター機構
２１ 第１アクチュエーター部
２２ 第２アクチュエーター部
２３ 第１ガイド部
２４ 第１駆動部
２５ 第１ガイドフレーム
３０ 第１駆動モーター
３３ 第２ガイド部
３４ 第２駆動部
３５ 第２ガイドフレーム
３８ 第２駆動モーター
４１ 可動フレーム
５１ 力センサー
７０ 制御部
７１ 駆動制御部
７２ 信号制御部
７３ 表示制御部
７４ メモリ
７５ 制御ＣＰＵ
７８ 記憶部

Claims (9)

1. 人の運動機能を向上させるための運動訓練装置であって、
   装置フレームと、
   前記装置フレーム内の位置を移動可能な操作部と、
   前記操作部を移動させる駆動部と、
   前記操作部が使用者の上肢又は下肢から受ける力における少なくとも前記操作部の移動方向の並進力及び偶力を検知するための力センサーと、
   前記駆動部の駆動又は負荷を制御する制御部と、
   前記駆動部の駆動又は負荷のデータと前記力センサーの検知結果を含むデータを記録する記憶手段と、
   前記操作部の移動軌跡を設定する移動軌跡設定手段と、
   前記操作部が移動した際の前記力センサーによる検出結果に応じて前記操作部の移動軌跡の各点における負荷値を設定する負荷情報設定手段と、
   を備えた運動訓練装置。
2. 前記制御部は、前記移動軌跡設定手段により設定された前記移動軌跡に基づいて前記操作部を移動制御することを特徴とする請求項１に記載の運動訓練装置。
3. 前記制御部は、前記負荷情報設定手段により設定された前記負荷値に基づいて前記前記操作部に掛かる負荷を制御することを特徴とする請求項２に記載の運動訓練装置。
4. 前記制御部は、前記負荷情報設定手段が設定した前記移動軌跡における各点の負荷値と前記力センサーが検出した前記操作部に掛かる負荷の検出値とを比較して前記駆動部を制御することを特徴とする請求項３に記載の運動訓練装置。
5. 前記制御部は、前記力センサーが検出した前記操作部に掛かる負荷の検出値が前記負荷情報設定手段に設定されている前記移動軌跡の各点における負荷値を超えた場合には、前記駆動部を停止制御することを特徴とする請求項４に記載の運動訓練装置。
6. 前記制御部は、前記力センサーが検出した前記操作部に掛かる負荷の検出値が前記負荷情報設定手段に設定されている前記移動軌跡の各点における負荷値を超えた場合には、前記操作部の移動を変更するように前記駆動部を制御することを特徴とする請求項４に記載の運動訓練装置。
7. 前記負荷情報設定手段は、前記移動軌跡設定手段によって設定された移動軌跡に沿って前記駆動部により移動される前記操作部にかかる力を前記力センサーで検出することで、前記操作部の移動軌跡の各点における負荷値を設定することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の運動訓練装置。
8. 前記駆動部は、
   前記操作部を第１の方向に沿って直線状に移動させるための第１ガイド部と、前記第１ガイド部に沿って前記操作部の移動を駆動し又はその移動に負荷を与えるための第１駆動モーターとを有する第１アクチュエーター部と、
   前記第１アクチュエーター部を、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って直線状に移動させるための第２ガイド部と、前記第２ガイド部に沿って前記第１アクチュエーター部の移動を駆動し又はその移動に負荷を与えるための第２駆動モーターとを有する第２アクチュエーター部と、
   で構成されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の運動訓練装置。
9. 前記力センサーは、
   前記操作部が前記第１ガイド部及び／又は第２ガイド部に沿って、前記第１駆動モーター並びに／若しくは第２駆動モーターの駆動力に抗して使用者の上肢若しくは下肢によって動かされ、又は前記第１駆動モーター並びに／若しくは第２駆動モーターの駆動力によって使用者の上肢若しくは下肢を動かす際に、前記操作部が使用者の上肢又は下肢から受ける力における少なくとも前記第１の方向の並進力、前記第２の方向の並進力、前記第１の方向の偶力及び前記第２の方向の偶力を検知することを特徴とする請求項８に記載の運動訓練装置。

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