JP2020146322A - バランス訓練装置およびバランス訓練装置の制御プログラム - Google Patents

バランス訓練装置およびバランス訓練装置の制御プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】訓練者が本当に身体の向きを訓練モードに応じた方向にしているかを確認可能なバランス訓練装置を提供する。【解決手段】バランス訓練装置は、駆動部を駆動することにより移動面上を移動可能な移動台車１１０と、移動台車１１０に立つ訓練者の足から受ける荷重を検出する検出部１４０と、検出部１４０が検出した荷重から訓練者９００の搭乗面における両足の荷重重心を算出する算出部と、訓練者９００が搭乗面で直立を維持したと推定される荷重重心を基準重心として設定部と、訓練者９００に身体の方向の指示と、訓練者に重心を移動させる指示と、を出力する指示制御部と、を有し、算出部は、指示制御部からの指示に従って訓練者９００が重心を移動させた際の荷重重心の基準重心からの変化方向に基づき訓練者９００の身体の方向を判定し、判定の結果が正しいと判断した場合に駆動部に動作指示を出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、バランス訓練装置およびバランス訓練装置の制御プログラムに関する。
脚の不自由な患者がリハビリ訓練を行うための訓練装置が普及しつつある。例えば、訓練を行う訓練者を踏み板の上に立たせてその重心位置を観察し、踏み出しを促したり転倒を防いだりするために、踏み板を駆動手段で移動させる訓練装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０１５−１００４７７号公報
踏み板が訓練装置に対して微小量移動する構成では、訓練者は原則として床面に対して直立した状態を維持するので、環境の変化に乏しく、訓練者のモチベーションを維持することが困難である。一方、環境の変化のために、移動台車を訓練者の重心の移動に応じて大きく移動させることが訓練者のモチベーションを維持、或いは、向上させることがわかってきた。
また、バランス訓練では、訓練者の前後方向のバランス機能の回復のための訓練に加えて、左右方向のバランス機能の回復のための訓練を行うことがある。バランス訓練の方向を変更する際に移動台車の移動方向を一定にして、訓練者の体の向きを変更することで、前後方向のバランス訓練と左右方向のバランス訓練を行うことができる。しかしながら、バランス訓練装置が訓練者が本当に身体の向きを訓練モードに応じた方向にしているかを確認出来なければ、正しいバランス訓練が行われない問題が生じる。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、バランス機能に疾患を有する訓練者がリハビリ訓練を行う際の身体の方向を正しく判断するバランス訓練装置等を提供するものである。
本発明の第１の態様におけるバランス訓練装置は、駆動部を駆動することにより移動面上を移動可能な移動台車と、前記移動台車に立つ訓練者の足から受ける荷重を検出する検出部と、前記検出部が検出した前記荷重から前記訓練者の搭乗面における両足の荷重重心を算出する算出部と、前記訓練者が前記搭乗面で直立を維持したと推定される前記荷重重心を基準重心として設定部と、前記訓練者に身体の方向の指示と、前記訓練者に重心を移動させる指示と、を出力する指示制御部と、を有し、前記算出部は、前記指示制御部からの指示に従って前記訓練者が重心を移動させた際の前記荷重重心の前記基準重心からの変化方向に基づき前記訓練者の身体の方向を判定し、前記判定の結果が正しいと判断した場合に前記駆動部に動作指示を出力する。
このように、訓練開始前に訓練者の身体の向きを判定し、判定結果が正しいと判断した場合に駆動部に動作指示を与えることで、訓練者に不適切な訓練を与えることを防止することができる。
上記のバランス訓練装置において設定部は、訓練試行に先立って前記訓練者が行うキャリブレーション作業において前記算出部が算出する前記荷重重心に基づいて、前記基準重心を設定すると良い。また指示制御部は、直立状態の訓練者に片足を動かす重心移動指示を出力し、算出部は、重心移動指示後の訓練者の荷重重心の基準重心からのずれ方向が予め設定したずれ方向に沿った方向である場合に、駆動部に動作指示を出力することが好ましい。
また、算出部は、訓練者の身体の正面方向が移動台車の移動方向と一致する訓練モードと、訓練者の身体の方面方向が移動台車の移動方向と略直交する左右訓練モードとを外部からの指示に基づき切り替えることが好ましい。
また、算出部は、指示制御部に対して訓練者の荷重重心の位置を表示させる指示を行い、訓練者の荷重重心が予め設定した測定開始位置に一定の期間とどまっていると判定した後に、指示制御部に対して訓練者に重心を移動させる指示を行うこともできる。
また、本発明の第２の態様におけるバランス訓練装置の制御プログラムは、移動面上を移動する移動台車に訓練者が立ってバランス訓練を行うバランス訓練装置の制御プログラムであって、移動台車に搭載される検出部が検出した荷重から前記訓練者の搭乗面における両足の荷重重心を算出する重心算出ステップと、前記訓練者が前記搭乗面で直立を維持したと推定される前記荷重重心を基準重心として設定する基準重心設定ステップと、前記訓練者に身体の方向の指示と、前記訓練者に重心を移動させる指示と、を出力する指示制御ステップと、指示制御部ステップにおける指示に従って前記訓練者が重心を移動させた際の前記荷重重心の前記基準重心からの変化方向に基づき前記訓練者の身体の方向を判定し、前記判定の結果が正しいと判断した場合に移動台車を移動させる制御を行う制御判定ステップと、をコンピュータに実行させる。このような制御プログラムによって制御されたバランス訓練装置によれば、上記の通り、訓練開始前に訓練者の身体の向きを判定し、判定結果が正しいと判断した場合に駆動部に動作指示を与えることで、訓練者に不適切な訓練を与えることを防止することができる。
本発明により、バランス機能に疾患を有する訓練者がリハビリ訓練を行う際の身体の方向を正しく判断するバランス訓練装置等を提供することができる。
実施の形態１にかかる訓練装置の概略斜視図である。 実施の形態１にかかる訓練装置のシステム構成を示す図である。 実施の形態１にかかる訓練装置の訓練モードを説明する図である。 実施の形態１にかかる訓練装置の搭乗プレートの概略斜視図である。 実施の形態１にかかる訓練装置において検出する荷重重心の変位方向を説明する図である。 実施の形態１にかかる訓練装置における前後訓練モードから左右訓練モードへの切り替え手順を説明するフローチャートである。 実施の形態２にかかる訓練装置における前後訓練モードから左右訓練モードへの切り替え手順を説明するフローチャートである。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。
実施の形態１
図１は、実施の形態１にかかるバランス訓練装置の一例としての訓練装置１００の概略斜視図である。訓練装置１００は、片麻痺などの障害を持つ障害者が歩行に必要な重心移動を習得するためや、足関節に障害を抱える患者が足関節機能を回復させるための装置である。例えば、足関節機能を回復させたい訓練者９００がバランスを取りつつ訓練装置１００に搭乗を続けようとすると、訓練装置１００は、訓練者９００の足関節にリハビリ効果を期待できる程度の負荷を与えることができる。
訓練装置１００は、リハビリ施設の床面等を移動面として、その移動面上を前後方向に移動可能な移動台車１１０と、移動台車１１０に立設され、移動台車１１０に搭乗する訓練者９００の脱落を防止するフレーム１６０を備える。移動台車１１０は、主に、駆動輪１２１、キャスタ１２２、搭乗プレート１３０、荷重センサ１４０、コントロールボックス１５０を備える。
駆動輪１２１は、走行方向に対して２つの前輪として配置されている。駆動輪１２１は、駆動部としての不図示のモータによって回転駆動され、移動台車１１０を前進させたり後退させたりする。キャスタ１２２は、従動輪であり、走行方向に対して２つの後輪として配置されている。搭乗プレート１３０は、訓練者９００が搭乗して両足を載置する搭乗部である。搭乗プレート１３０は、訓練者９００の搭乗に耐える比較的剛性の高い、例えばポリカーボネート樹脂製の平板が用いられる。搭乗プレート１３０は、四隅に配置された荷重センサ１４０を介して移動台車１１０の上面に支持されている。
荷重センサ１４０は、例えばロードセルであり、移動台車１１０に立つ訓練者９００の足から受ける荷重を検出する検出部としての機能を担う。コントロールボックス１５０は、後述する演算処理部やメモリを収容する。
フレーム１６０は、開扉１６１と手摺り１６２を含む。開扉１６１は、訓練者９００が搭乗プレート１３０に搭乗する場合に開いて、訓練者９００の通路を形成する。訓練試行を行う場合には閉じられてロックされる。手摺り１６２は、訓練者９００がバランスを崩しそうになった時や不安に感じた時に掴むことができるように、訓練者９００を取り囲むように設けられている。フレーム１６０は、表示パネル１７０を支持している。表示パネル１７０は、例えば液晶パネルである表示部であり、訓練者９００が訓練試行中に視認しやすい位置に配置されている。
図２は、訓練装置１００のシステム構成を示す図である。演算処理部２００は、例えばＭＰＵであり、メモリ２４０から読み込んだ制御プログラムを実行することにより、装置全体の制御を実行する。駆動部（例えば、駆動輪ユニット２１０）は、駆動輪１２１を駆動するための駆動回路やモータを含む。また、駆動輪ユニット２１０は、駆動輪１２１の回転量を検出するロータリエンコーダを含む。
操作受付部２２０は、訓練者９００やオペレータからの入力操作を受け付けて、操作信号を演算処理部２００へ送信する。訓練者９００やオペレータは、操作受付部２２０を構成する、装置に設けられた操作ボタンや表示パネル１７０に重畳されたタッチパネル、付属するリモコン等を操作して、電源のオン／オフや訓練試行の開始の指示を与えたり、設定に関する数値の入力やメニュー項目の選択を行ったりする。
表示制御部２３０は、演算処理部２００からの表示信号に従って、例えば、訓練者９００に対する姿勢の指示、或いは、課題ゲームのグラフィック映像等を生成し、表示パネル１７０に表示する。メモリ２４０は、不揮発性の記憶媒体であり、例えばソリッドステートドライブが用いられる。メモリ２４０は、訓練装置１００を制御するための制御プログラム等を記憶している。また、制御に用いられる様々なパラメータ値、関数、ルックアップテーブル等を記憶している。メモリ２４０は、特に、訓練者９００が楽しく訓練試行を行えるようにゲーム形式で課題を与えるプログラムである課題ゲーム２４１を記憶している。荷重センサ１４０は、搭乗プレート１３０を介して訓練者９００の足から加えられる荷重を検出して、その検出信号を演算処理部２００へ送信する。
演算処理部２００は、算出部であり、制御プログラムの要請に従って様々な演算や個別要素の制御を実行する機能実行部としての役割も担う。荷重算出部２０１は、４つの荷重センサ１４０の検出信号を取得して、訓練者９００の搭乗面における両足の荷重重心を算出する。具体的には、４つの荷重センサ１４０のそれぞれの位置は既知であるので、それぞれの荷重センサ１４０が検出する鉛直方向の荷重の分布から重心位置を算出して、その位置を荷重重心とする。
範囲設定部２０２は、訓練者９００が搭乗面で直立を維持したと推定される荷重重心を基準重心として設定する。なお、訓練者９００が搭乗面で直立を維持したとの判断は、予め設定した範囲である安定範囲内に荷重重心が一定時間あったか否かにより判断する。移動制御部２０３は、駆動輪ユニット２１０へ送信する駆動信号を生成し、駆動輪ユニット２１０を介して移動台車１１０の移動を制御する。実施の形態１においては特に、訓練者９００の身体の向きが表示制御部２３０により訓練者９００に対してした指示通りか否かの判断結果に基づき駆動輪ユニット２１０を動作させるか否かを切替える。
ここで、範囲設定部２０２による基準重心の決定方法について説明する。実施の形態１にかかる訓練装置１００では、訓練者９００に搭乗面において直立を維持することを指示する。このとき、荷重センサ１４０から検出される訓練者９００の荷重重心がぶれる範囲は、所定の大きさの範囲内に収まる。範囲設定部２０２は、例えば、訓練者９００の荷重重心がぶれる範囲の中心を基準重心として設定する。
また、実施の形態１にかかる訓練装置１００における訓練モードの違いについて説明する。そこで、図３に実施の形態１にかかるバランス訓練装置の訓練モードを説明する図を示す。図３に示すように、実施の形態１にかかる訓練装置１００では、前後訓練モードと、左右訓練モードがある。前後訓練モードと左右訓練モードは、いずれも移動台車１１０の上に設置される搭乗プレート１３０上に訓練者９００が搭乗した状態で行われるバランス訓練である。前後訓練モードでは、訓練者９００に身体正面を移動台車１１０の移動方向と同じ方向に向けた状態でバランス訓練を行う。一方、前後訓練モードでは、訓練者９００に身体正面を移動台車１１０の移動方向に対して略直交方向となる状態でバランス訓練を行う。実施の形態１にかかる訓練装置１００では、前後訓練モードと左右訓練モードとの間の訓練モードの切り替わり、又は、訓練装置１００の使用開始時に訓練者９００の身体の向きを荷重重心の移動方向と移動量から判定し、訓練者９００の身体の向きと訓練モードとが一致していた場合にのみ移動台車１１０を移動させる。
また、実施の形態１にかかる搭乗プレート１３０の構成の詳細について説明する。図４に実施の形態１にかかる訓練装置１００の搭乗プレート１３０の概略斜視図を示す。図４に示すように、搭乗プレート１３０は、ベースプレート３１０とトッププレート３２０を有する。ベースプレート３１０は、移動台車１１０に接する面である。トッププレート３２０は、訓練者９００が搭乗する面である。そして、ベースプレート３１０とトッププレート３２０とに挟まれるように４つの荷重センサ１４０が設けられる。４つの荷重センサ１４０は、ベースプレート３１０とトッププレート３２０とが対向する部分の四隅に配置される。そして、４つの荷重センサ１４０から得られる荷重情報の比率と、既知の荷重センサ１４０の設置位置から荷重算出部２０１が訓練者９００の荷重重心を算出する。
続いて、実施の形態１にかかる訓練装置１００において、訓練者９００の身体の向きを判断する基準となる荷重重心の変位方向について説明する。そこで、図５に実施の形態１にかかる訓練装置において検出する荷重重心の変位方向を説明する図に示す。図５に示すように、前後訓練モードでは、訓練者９００の身体の正面方向が訓練装置１００の移動方向と一致する方向に向く。また、左右訓練モードでは、訓練者９００の身体の正面方向が訓練装置１００の移動方向と略直行する方向に向く。このとき、訓練者９００が直立した場合の荷重重心が基準重心（図５の基準ＣＯＰ）となる。そして、訓練装置１００では、訓練者９００に荷重重心の一定の方向に移動するような動作を指示する。例えば、訓練装置１００では、訓練者９００に右足の踵をあげるように指示を行う。このような指示を行った場合、訓練者９００の荷重重心は、左足前方方向に荷重重心が移動する。座標としては、前後訓練モードでは、Ｘ方向が正の方向、かつ、Ｙ方向が正の方向で荷重重心の座標が移動する。また、左右訓練モードでは、Ｘ方向が負の方向、かつ、Ｙ方向が正の方向で荷重重心の座標が移動する。
続いて、実施の形態１にかかる訓練装置１００における訓練開始前の訓練者９００の身体の向きの判定方法について説明する。ここでは、訓練者９００の身体の向きの判定方法の一例として、前後訓練モードから左右訓練モードへの切り替え時の訓練者９００の身体の向きの判定方法を説明する。そこで、図６に実施の形態１にかかる訓練装置における前後訓練モードから左右訓練モードへの切り替え手順を説明するフローチャートを示す。
図６に示すように、実施の形態１にかかる訓練装置１００では、動作モードを前後訓練モードから左右訓練モードへと切替える場合、まず、表示制御部２３０を介して、訓練者９００に、身体の向きを横方向（移動台車１１０の移動方向と直交する方向）に変更する指示を与える（ステップＳ１）。また、訓練装置１００は、表示制御部２３０を介して、訓練者９００に、姿勢を安定させて搭乗プレート１３０に立つように指示を与える（ステップＳ２）。
そして、訓練装置１００では、荷重算出部２０１により荷重重心（図中のＣＯＰ）を検出と、重心動揺の安定性の判定を行う（ステップＳ３、Ｓ４）。そして、荷重重心の重心動揺量が所定の範囲内にあると判定されたことに応じて荷重算出部２０１が基準重心（図中の基準ＣＯＰ）の座標を決定する（ステップＳ５）。
続いて、実施の形態１にかかる訓練装置１００では、表示制御部２３０を介して訓練者９００に右足の踵を浮かせるように指示を出力する（ステップＳ６）。そして、訓練者９００が指示に従って右足の踵を浮かせる動作を行うことによって移動した荷重重心を検出する（ステップＳ７）。そして、荷重算出部２０１は、荷重重心が基準重心からの移動方向が想定したものであるかを確認する（ステップＳ８）。ここで、図６に示す例では、訓練者９００を左右訓練モードに合わせた姿勢とする。そこで、ステップＳ８では、荷重重心の移動方向のＸ方向が負の方向、かつ、Ｙ方向が正の方向となることで、姿勢変化を合格とする。図６に示す例では、ステップＳ８で荷重重心の移動方向のＸ方向が負の方向、かつ、Ｙ方向が正の方向であったことに基づき、左右訓練モードの訓練を開始する。一方、図６に示す例では、ステップＳ８で荷重重心の移動方向のＸ方向が負の方向、かつ、Ｙ方向が正の方向でなかった場合、訓練装置１００は、ステップＳ１の訓練者９００への姿勢変化指示の処理を再度行う。
上記説明より、実施の形態１にかかる訓練装置１００では、バランス訓練を開始する前のキャリブレーション処理の１つとして、訓練者９００の身体の方向が訓練モードに合わせた方向となっているかを荷重重心の移動方向に基づき判定する。そして、実施の形態１にかかる訓練装置１００は、訓練者９００の身体の方向が訓練モードに合わせた方向であることが確認できた場合にバランス訓練を開始する。これにより、実施の形態１にかかる訓練装置１００は、訓練モードと訓練者９００の姿勢のズレを防止して、訓練者９００に対して適切な訓練を提供することができる。
また、実施の形態１にかかる訓練装置１００では、画像処理等に頼ることなく、バランス訓練に必要な荷重重心の検出値を用いた訓練者９００の姿勢の確認を行うことができる。つまり、実施の形態１にかかる訓練装置１００では、姿勢変化の検出のために追加の装置を加える必要がない。
また、実施の形態１にかかる訓練装置１００では、訓練者の重心を前後あるいは左右に揺らすといった訓練者にとって負荷の高い動作をさせることなく、荷重重心の移動方向を検出することができる。
実施の形態２
実施の形態２では、訓練者に荷重重心の移動を指示した後の訓練者９００の身体の向きの判定方法の別の形態について説明する。実施の形態２では、演算処理部２００の荷重算出部２０１及び表示制御部２３０を利用して、訓練者９００の荷重重心を測定開始位置に安定させることを指示する。具体的には、演算処理部２００は、指示制御部２３０に対して訓練者９００の荷重重心の位置を表示させる指示を行い、訓練者の荷重重心が予め設定した測定開始位置に一定の期間とどまっていると判定した後に、指示制御部２３０に対して訓練者に重心を移動させる指示を行う。
ここで、実施の形態２にかかる訓練装置１００における訓練開始前の訓練者９００の身体の向きの判定方法について説明する。ここでは、訓練者９００の身体の向きの判定方法の一例として、前後訓練モードから左右訓練モードへの切り替え時の訓練者９００の身体の向きの判定方法を説明する。そこで、図７に実施の形態２にかかる訓練装置における前後訓練モードから左右訓練モードへの切り替え手順を説明するフローチャートを示す。
図７に示すように、実施の形態２にかかる判定方法では、図６に示したステップＳ４に代えてステップＳ１１、Ｓ１２を有する。ステップＳ１１は、ステップＳ３で荷重算出部２０１により検出された荷重重心位置を表示制御部２３０に表示する処理である。そして、実施の形態２にかかる訓練装置１００では、荷重重心が訓練開始位置で一定期間安定していると判定した後に、基準荷重重心を決定する（ステップＳ１２、Ｓ５）。
上記説明より、実施の形態２にかかる訓練装置１００では、予め設定した訓練開始位置に訓練者９００の荷重重心が安定して位置したことに応じて基準重心を決定する。これにより、実施の形態２にかかる訓練装置１００では、実施の形態１にかかる訓練装置１００よりも精度良く荷重重心の移動方向を判定することができる。
１００ 訓練装置
１１０ 移動台車
１２１ 駆動輪
１２２ キャスタ
１３０ 搭乗プレート
１４０ 荷重センサ
１５０ コントロールボックス
１６０ フレーム
１６１ 開扉
１６２ 手摺り
１７０ 表示パネル
２００ 演算処理部
２０１ 荷重算出部
２０２ 範囲設定部
２０３ 移動制御部
２１０ 駆動輪ユニット
２２０ 操作受付部
２３０ 表示制御部
２４０ メモリ
２４１ 課題ゲーム
３１０ ベースプレート
３２０ トッププレート
８００ 移動面
９００ 訓練者

Claims (6)

  1. 駆動部を駆動することにより移動面上を移動可能な移動台車と、
    前記移動台車に立つ訓練者の足から受ける荷重を検出する検出部と、
    前記検出部が検出した前記荷重から前記訓練者の搭乗面における両足の荷重重心を算出する算出部と、
    前記訓練者が前記搭乗面で直立を維持したと推定される前記荷重重心を基準重心として設定する設定部と、
    前記訓練者に身体の方向の指示と、前記訓練者に重心を移動させる指示と、を出力する指示制御部と、を有し、
    前記算出部は、前記指示制御部からの指示に従って前記訓練者が重心を移動させた際の前記荷重重心の前記基準重心からの変化方向に基づき前記訓練者の身体の方向を判定し、前記判定の結果が正しいと判断した場合に前記駆動部に動作指示を出力するバランス訓練装置。
  2. 前記設定部は、訓練試行に先立って前記訓練者が行うキャリブレーション作業において前記算出部が算出する前記荷重重心に基づいて、前記基準重心を設定する請求項１に記載のバランス訓練装置。
  3. 前記指示制御部は、直立状態の前記訓練者に片足を動かす重心移動指示を出力し、
    前記算出部は、重心を移動させる指示の後の前記訓練者の前記荷重重心の前記基準重心からのずれ方向が予め設定したずれ方向に沿った方向である場合に、前記駆動部に前記動作指示を出力する請求項１又は２に記載のバランス訓練装置。
  4. 前記算出部は、前記訓練者の身体の正面方向が前記移動台車の移動方向と一致する前後訓練モードと、前記訓練者の身体の正面方向が前記移動台車の移動方向と略直交する左右訓練モードとを外部からの指示に基づき切り替える請求項１乃至３のいずれか１項に記載のバランス訓練装置。
  5. 前記算出部は、前記指示制御部に対して前記訓練者の前記荷重重心の位置を表示させる指示を行い、前記訓練者の前記荷重重心が予め設定した測定開始位置に一定の期間とどまっていると判定した後に、前記指示制御部に対して前記訓練者に前記重心を移動させる指示を行う請求項１乃至４のいずれか１項に記載のバランス訓練装置。
  6. 移動面上を移動する移動台車に訓練者が立ってバランス訓練を行うバランス訓練装置の制御プログラムであって、
    移動台車に搭載される検出部が検出した荷重から前記訓練者の搭乗面における両足の荷重重心を算出する重心算出ステップと、
    前記訓練者が前記搭乗面で直立を維持したと推定される前記荷重重心を基準重心として設定する基準重心設定ステップと、
    前記訓練者に身体の方向の指示と、前記訓練者に重心を移動させる指示と、を出力する指示制御ステップと、
    指示制御部ステップにおける指示に従って前記訓練者が重心を移動させた際の前記荷重重心の前記基準重心からの変化方向に基づき前記訓練者の身体の方向を判定し、前記判定の結果が正しいと判断した場合に移動台車を移動させる制御を行う制御判定ステップと、
    をコンピュータに実行させるバランス訓練装置の制御プログラム。
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