JP2020146329A

JP2020146329A - バランス訓練装置

Info

Publication number: JP2020146329A
Application number: JP2019047892A
Authority: JP
Inventors: 和宏新谷; Kazuhiro Shintani
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2020-09-17

Abstract

【課題】効果的な訓練を行うことが可能なバランス訓練装置等を提供する。【解決手段】訓練装置１００は、移動台車１１０、初期設定部２０２、荷重算出部２０１および判断部２０３を有しているバランス訓練装置である。移動台車１１０は、駆動部２１０を駆動することにより移動面上を移動可能である。初期設定部２０２は、移動台車１１０の上で静止立位状態の訓練者の足から受ける初期荷重を設定する。荷重算出部２０１は、訓練中に移動台車１１０に立つ訓練者の足から受ける動的荷重を算出する。判断部２０３は、初期荷重と動的荷重との差に基づいて、訓練者に対して注意喚起を行うことを判断する。【選択図】図２

Description

本発明はバランス訓練装置に関する。

脚の不自由な患者のリハビリを支援するリハビリ支援装置やバランス訓練装置等と呼ばれる装置が開発されている。例えば、載置台（フォースプレート）に立位する訓練者の重心移動方向と同じ方向または逆方向に載置台を移動させて訓練者のバランス感覚の向上を図る装置が開発されている。

特許文献１に記載のリハビリ支援装置は、フォースプレートにかかる荷重を検出する荷重検出センサと、荷重検出センサにかかる荷重から訓練者の重心位置を検出する重心位置検出手段と、フォースプレートを水平方向に移動させる駆動手段を備える。このリハビリ支援装置は、訓練者の重心位置の移動に伴ってフォースプレートを移動させる。

特開２０１５−１００４７７号公報

特許文献１に記載のリハビリ支援装置は、訓練者が下肢の重心移動を訓練することにより歩行時のバランス感覚を向上させることを目的としている。しかしながら、訓練者は、安全のために設けられている手摺りを掴むことにより身体のバランスを維持しようとする場合がある。このような好ましくない状況で訓練を続けることは訓練の効果を低下させる可能性がある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、効果的な訓練を行うことが可能なバランス訓練装置を提供するものである。

本発明にかかるバランス訓練装置は、移動台車、初期設定部、荷重算出部および判断部を有している。移動台車は、駆動部を駆動することにより移動面上を移動可能である。初期設定部は、移動台車上で静止立位状態の訓練者の足から受ける初期荷重を設定する。荷重算出部は、訓練中に移動台車に立つ訓練者の足から受ける動的荷重を算出する。判断部は、初期荷重と動的荷重との差に基づいて、訓練者に対して注意喚起を行うことを判断する。

これにより、判断部は、訓練中の訓練者の足から受ける動的荷重と初期荷重との差が大きくなった場合に、訓練者に対して注意喚起することができる。

本発明によれば、効果的な訓練を行うことが可能なバランス訓練装置を提供することができる。

実施の形態にかかる訓練装置の概略斜視図である。実施の形態にかかる訓練装置のシステム構成を示す図である。訓練装置が初期荷重および初期重心を設定する処理を示すフローチャートである。初期設定をする場合における訓練者の状態の例を示した図である。訓練中における訓練者の状態の例を示す図である。実施の形態にかかる訓練装置が行う注意喚起表示処理のフローチャートである。訓練装置が注意喚起を表示する場合の訓練者の状態を示す図である。訓練装置の訓練により生成された訓練データの例を示した図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲にかか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＞
図１は、本実施形態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を有している。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矩形平板が用いられる。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。荷重センサ１４０は搭乗プレート１３０の四隅に配置され、搭乗プレート１３０を支持する。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、開閉扉１６１と手摺り１６２を含む。開閉扉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。訓練装置１００は、システム構成として、演算処理部２００、駆動部２１０、操作受付部２２０、表示制御部２３０、メモリ２４０および荷重センサ１４０を有している。

演算処理部２００は、例えばＭＰＵ（Micro Processing Unit）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。また演算処理部２００は、実行した訓練の結果をメモリ２４０に記録する。演算処理部２００は、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。演算処理部２００は、荷重算出部２０１、初期設定部２０２、判断部２０３および移動制御部２０４を有している。

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、搭乗プレート１３０が訓練者９００から受ける荷重および搭乗面における訓練者９００の両足の荷重重心を算出する。具体的には、搭乗プレート１３０が訓練者９００から受ける荷重を算出する場合には、４つの荷重センサ１４０がそれぞれ受ける荷重の合計を算出する。また搭乗面における訓練者９００の両足の荷重重心を算出する場合には、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、その位置を訓練者９００の重心とする。

初期設定部２０２は、初期設定処理において、荷重算出部２０１が算出した訓練者９００の初期荷重および初期重心を設定する。初期設定部２０２は例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やフラッシュメモリなどの揮発性または不揮発性の記憶部を含み。訓練を開始する際に設定した初期荷重および初期重心を記憶する。

判断部２０３は、訓練中の訓練者に対して所定の注意喚起等のメッセージを出力することを判断する。所定の注意喚起とは、例えば訓練者の姿勢が試行中の訓練内容に適合していない場合に、正しい姿勢をとることを促すメッセージである。このようなメッセージを出力することを判断するために判断部２０３は、予め記憶しておいた訓練者９００の初期荷重値と訓練中の訓練者９００の動的荷重値との差を算出する。そして判断部２０３は、算出した差を予め設定された閾値と比較することにより、訓練者に対する注意喚起を出力することを判断する。

移動制御部２０４は、駆動部２１０へ送信する駆動信号を生成し、駆動部２１０を介して移動台車１１０の移動を制御する。駆動信号は、例えば、訓練者９００の重心の変化に応じて予め設定された速度または予め設定された加速度により移動することを駆動部２１０に指示する信号である。駆動信号は、訓練者の重心の変化に応じて予め設定された距離を移動することを駆動部２１０に指示する信号であってもよい。

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、訓練者に対するメッセージ等や、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。本実施の形態における表示制御部２３０は、訓練者９００に対するメッセージとして、訓練中の姿勢が正しくないことを注意喚起するメッセージを表示する。

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。メモリ２４０は、訓練試行の結果を記録領域２４２に記録する。訓練装置１００の管理者は記録された訓練結果を読取り、試行した訓練を評価したり、次の訓練の計画を立てたりする際に訓練結果を利用する。

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。本実施例において、搭乗プレート１３０を支持する４個の荷重センサ１４０は、それぞれが検出する鉛直方向の荷重を検出信号として演算処理部２００へ送信する。

駆動部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、駆動部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。駆動部２１０は、駆動輪１２１を駆動させる駆動部であって、移動制御部が生成する駆動信号に従って駆動輪１２１を駆動する。駆動部２１０は、例えば訓練者９００の重心の変化に応じて予め設定された速度または予め設定された加速度により、または予め設定された移動距離に移動台車１１０を移動させるために駆動輪１２１を駆動する。

次に、図３および図４を参照して初期荷重および初期重心を設定する場合の処理について説明する。訓練装置１００は、訓練を開始する際に、まず訓練者９００の初期荷重および初期重心を取得する。

図３は、初期荷重および初期重心を設定する場合における訓練者の状態の例を示した図である。図の上側は、訓練装置１００および訓練者９００の側面図である。図の下側は、搭乗プレートの上面図である。なお、図３は、理解を容易にするため、一部の構成を抽出して模式的に示している。

図に示すように、初期荷重および初期重心を設定する場合、訓練者９００は搭乗プレート１３０の上に静止して立つ状態すなわち静止立位状態となる。この際に、訓練者９００は、手摺り１６２などに触れないようにする。訓練者９００が搭乗プレート１３０に静止立位状態となることにより、搭乗プレート１３０は訓練者９００から圧力ＰＲ_１を受ける。搭乗プレート１３０の下に配置された４か所の荷重センサ１４０は、圧力ＰＲ_１の分圧をそれぞれ受ける。荷重センサ１４０は、それぞれが受けた分圧に応じた検出信号を荷重算出部２０１に供給する。

図の下側に示した搭乗プレート１３０の中央部に二点鎖線で示されているのは訓練者９００の足底ＦＴである。訓練者は、訓練を開始する際に搭乗プレート１３０の中央部の任意の位置に足底を接地させ、接地させた位置から足底を動かさないように訓練を行う。足底ＦＴの中央部に示された点は、訓練者９００の初期重心ＣＰ_０である。

また、搭乗プレート１３０の下側に矢印で示したＸ軸は、搭乗プレート１３０の後方の端部を起点とした場合における重心の前後方向の位置を示している。図の例において、初期重心ＣＰ_０の位置は、位置Ｘ０である。

次に、図４を参照して初期荷重および初期重心を設定する処理について説明する。図４は、訓練装置が初期荷重および初期重心を設定する初期設定処理を示すフローチャートである。

まず、訓練者は、図３に示したように、搭乗プレート１３０の所定の位置で静止立位状態になる（ステップＳ１）。次に、訓練装置１００は、例えば訓練者９００からの操作を受け付けることにより、荷重データの取得を開始する（ステップＳ２）。より具体的には、演算処理部２００の荷重算出部２０１が荷重センサ１４０から検出信号を受け取る。荷重センサ１４０は、検出信号を予め設定された時間ごと（例えば５００ミリ秒ごと）に演算処理部２００に供給する。

次に、荷重算出部２０１は、荷重センサ１４０から供給される検出信号が安定したか否かを判断する（ステップＳ３）。検出信号が安定した状態とは、例えば、検出信号が３回連続で５パーセント以内の変動に収束した場合などである。荷重算出部２０１は、検出信号が安定しない場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、検出信号が安定するまで検出信号を受け取る。

検出信号が安定した場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、初期設定部２０２は、初期荷重Ｚ０および初期重心の位置Ｘ０を設定する（ステップＳ４）。荷重算出部２０１が初期荷重Ｚ０および初期重心の位置Ｘ０を設定すると、演算処理部２００は、初期設定処理を終了させる。なお、ステップＳ３において、検出信号が安定しない場合には、タイマを設けてタイムアウト処理をしてもよい。

次に、図５を参照して訓練中の状態について説明する。図５は、訓練中における訓練者の状態の例を示す図である。図に示した例において、訓練者９００は、姿勢をやや前かがみにすることにより、重心を前方に移動させている。図の下側に示した搭乗プレート１３０の上面図に、初期重心ＣＰ_０および図に示した訓練者９００の動的重心ＣＰ_１を示している。動的重心ＣＰ_１は、初期重心ＣＰ_０よりも前方に位置する。動的重心ＣＰ_１の前後方向の位置は、位置Ｘ１である。訓練装置１００は、初期重心ＣＰ_０と動的重心ＣＰ_１との差に応じて前方または後方へ移動台車１１０を移動させる。

したがって図に示した例の場合、移動台車１１０は、位置Ｘ１と位置Ｘ０との差に応じて、前方に移動する。訓練装置１００はこのようにして移動台車１１０を前方に移動させる。訓練者９００の重心が初期重心ＣＰ_０よりも後方に位置する場合には、訓練装置１００は、初期重心ＣＰ_０にかかる位置Ｘ０との差に応じて後方に移動する。

次に図６を参照して訓練装置が注意喚起を行う場合の処理について説明する。図６は、実施の形態にかかる訓練装置が行う注意喚起表示処理のフローチャートである。図６は、演算処理部２００が行う処理について示したものである。

まず演算処理部２００は、荷重センサ１４０から検出信号を取得する（ステップＳ１１）。次に、演算処理部２００の荷重算出部２０１は、取得した検出信号から訓練者９００の動的荷重Ｚを算出する（ステップＳ１２）。動的荷重Ｚは、訓練中の訓練者９００から荷重センサ１４０が受ける鉛直方向の荷重を合算したものである。

次に、判断部２０３は、動的荷重Ｚと初期荷重Ｚ０との差であるΔＺを算出する（ステップＳ１３）。さらに、判断部２０３は、算出したΔＺを予め設定された閾値ａｚと比較する（ステップＳ１４）。ΔＺが閾値ａｚ以上である場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、判断部２０３は、訓練者に対する注意喚起を出力することを判断し、ステップＳ１５に進む。

次に演算処理部２００は、判断部２０３の判断に応じて、訓練者に対する注意喚起表示をオンにする（ステップＳ１５）。より具体的には、演算処理部２００は、表示制御部２３０に対して、表示パネル１７０に注意喚起表示をするよう指示をする。これにより、例えば、表示パネル１７０に、「手摺りを離して訓練を続けてください」等の注意喚起が表示される。

注意喚起表示がオンされた後、演算処理部２００は、注意喚起表示後に所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ１６）。所定時間が経過した場合（ステップＳ１６：Ｙｅｓ）、演算処理部２００は、注意喚起表示をオフにして（ステップＳ１７）、ステップＳ１９に進む。一方、注意喚起後に所定時間が経過していない場合（ステップＳ１６：Ｎｏ）、演算処理部２００は、注意喚起表示を操作することなくステップＳ１９に進む。

次に、演算処理部２００は、一連の処理を終了するか否かを判断する（ステップＳ１９）。一連の処理を終了すると判断する場合（ステップＳ１９：Ｙｅｓ）、演算処理部２００は、処理を終了する。一方、一連の処理を終了すると判断しない場合（ステップＳ１９：Ｎｏ）、演算処理部２００は、最初のステップに戻り、検出信号の取得（ステップＳ１１）を行い、以降の一連の処理を繰り返す。

ステップＳ１４に戻る。ΔＺが閾値ａｚ以上でない場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）、判断部２０３は、訓練者に対する注意喚起を出力することを判断しない。この場合、演算処理部２００は、表示パネル１７０が注意喚起表示中か否かを判断する（ステップＳ１８）。表示パネル１７０が注意喚起表示中の場合（ステップＳ１８：Ｙｅｓ）、演算処理部２００は、ステップＳ１６に進み、注意喚起後に所定時間が経過しているか否かを判断する（ステップＳ１６）。一方、表示パネル１７０が注意喚起表示中ではない場合（ステップＳ１８：Ｎｏ）、演算処理部２００は、ステップＳ１９に進む。

演算処理部２００は、上述のような処理により、ΔＺが閾値ａｚ以上の場合に、訓練者に対して所定時間、注意喚起表示を行う。

次に図７を参照して、訓練装置１００が注意喚起を表示する場合の訓練者の状態について説明する。図７は、訓練装置１００が注意喚起を表示する場合の訓練者の状態を示す図である。図７は、訓練装置１００および訓練者９００の側面図である。なお、図７は、理解を容易にするため、一部の構成を抽出して模式的に示している。

図に示す訓練者９００は、手摺り１６２を掴み、上肢の体重の一部を手摺り１６２に預けた状態となっている。すなわち、訓練者９００は搭乗プレート１３０に体重を正しく載せていない状態である。より具体的には、訓練者９００は、搭乗プレート１３０に対して圧力ＰＲ_２を与えるとともに、手摺り１６２に対して圧力ＰＲ_３を与えている。このため、荷重センサ１４０は、初期荷重Ｚ０を算出した際に受けた圧力ＰＲ_１より小さい圧力ＰＲ_２の分力をそれぞれ受けることとなる。

このような場合に、ΔＺが閾値ａｚを越える場合がある。判断部は、訓練中の訓練者９００の足から受ける動的荷重Ｚと初期荷重Ｚ０との差が大きくなった場合に、訓練者に対して注意喚起を行う。訓練装置１００は、このような場合に注意喚起を表示することにより、訓練者９００が下肢を使った訓練を行うことを促すことができる。

次に、図８を参照して訓練装置１００が取得した訓練データの例について説明する。図８は、訓練装置１００の訓練により生成された訓練データの例を示した図である。訓練装置１００は、課題ゲーム２４１を実行することにより、例えば１０分間程度の訓練が試行される。そして、訓練装置１００は、試行された訓練の記録データを記録領域２４２に記録する。

図８に示した表３００は訓練データの例である。表３００の一番左側の列に、「００２１」「００２２」「００２３」と示された４桁の数字は、記録された訓練データごとに一意に与えられたＩＤを示している。ＩＤの右隣の列には、訓練の実行開始日時が示されている。訓練実行開始日時の右隣の列は、訓練で使用された課題ゲームの番号である課題番号が示されている。課題番号の右隣の列は、課題ゲームを実行した結果としてどのような評価が成されたかが記録されている。評価は、例えば３段階で示され、最も良好な結果だった場合が「Ａ」であり、最も良好でなかった結果が「Ｃ」である。

評価の右隣の列３０１は、注意喚起表示を行ったか否かを示すフラグが示されている。訓練中に注意喚起が表示された場合には「１」が示されており、注意喚起が表示されなかった場合には「０」が示されている。

表３００の行３０２は、ＩＤが「００２２」として記録されている訓練データである。ＩＤ００２２の訓練データは、課題番号０２３であり、評価はＡとなっている。ただし、注意喚起が表示されたことを示すフラグが「１」となっている。すなわち、ＩＤ００２２は、訓練中に注意喚起が表示されたものである。このように、訓練データに注意喚起が表示されたことを示す情報が含まれることにより、訓練データを利用する訓練装置１００の管理者は、注意喚起が表示された訓練データと、注意喚起が表示されなかった訓練データとを容易に峻別し、評価精度を向上させることができる。したがって、訓練装置１００は、効率的に利用可能な訓練データを提供することができる。なお、訓練装置１００は、注意喚起が表示された訓練データを記録せず、注意喚起が表示されなかった訓練データのみを利用可能に記録してもよい。上述した例において、注意喚起が表示されたことを示すフラグは、注意喚起が複数回表示された場合に「１」とするように設定されていてもよい。

以上、実施の形態について説明した。実施の形態にかかる訓練装置１００は、上述の構成に限られない。例えば、注意喚起を行う手段は表示パネル１７０を介した表示に代えて、あるいは、注意喚起を行う手段は表示パネル１７０を介した表示に加えて、音や振動、光等により訓練者に通知するものであってもよい。実施の形態によれば、効果的な訓練を行うことが可能なバランス訓練装置等を提供することができる。

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、判断部２０３は、所定期間の動的荷重と初期荷重との差を積分し、積分した値と閾値とを比較することにより、注意喚起を行うことを判断してもよい。

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開閉扉
１６２手摺り
１７０表示パネル
２００演算処理部
２０１荷重算出部
２０２初期設定部
２０３判断部
２０４移動制御部
２１０駆動部
２２０操作受付部
２３０表示制御部
２４０メモリ
２４１課題ゲーム
２４２記録領域
９００訓練者
ＣＰ_０初期重心
ＣＰ１動的重心
Ｚ動的荷重
Ｚ０初期荷重
ａｚ閾値

Claims

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、
前記移動台車の上で静止立位状態の訓練者の足から受ける初期荷重を設定する初期設定部と、
訓練中に前記移動台車の上に立つ訓練者の足から受ける動的荷重を算出する荷重算出部と、
前記初期荷重と前記動的荷重との差に基づいて、前記訓練者に対して注意喚起を行うことを判断する判断部と
を備えるバランス訓練装置。