JP2022038343A

JP2022038343A - バランス訓練システム

Info

Publication number: JP2022038343A
Application number: JP2020142791A
Authority: JP
Inventors: 洋佐藤; Hiroshi Sato
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2022-03-10

Abstract

【課題】簡便な構成で適切な訓練が可能なバランス訓練システムを提供すること。【解決手段】バランス訓練システム１００は、立位状態の訓練者の足裏を支持するプレート１５２と、プレート１５２が受ける荷重又は圧力分布を検出するセンサと、プレート１５２を上載した移動体と、プレート１５２に接触可能に配置された接触部材と、センサでの検出結果に基づいて足圧の中心位置を算出し、中心位置に応じて移動体を制御する制御部１６１と、センサで検出結果に基づいてプレート１５２が接触部材から荷重を受けた否かを判定する判定部１６２と、判定部での判定結果に応じて、プレートの移動を規制する規制部１６３とを、を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、バランス訓練システムに関する。

特許文献１に開示されたリハビリ支援装置は、被験者が立つことのできるフォースプレートと、フォースプレートに掛かる被験者の荷重を検出する荷重検出センサと、荷重検出センサによって検出された荷重から被験者の重心位置を検出する重心位置検出手段と、駆動手段と、を備える。ここで、駆動手段は、被験者の重心の移動方向に対応付けてフォースプレートを移動させる。

特許第６２６０８１１号公報

このような装置では、簡素な構成で適切に訓練を実施させたいという要望がある。

本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、簡素な構成で適切な訓練が可能なバランス訓練システムを提供することを目的とする。

本発明の一実施態様に係るバランス訓練システムは、立位状態の訓練者の足裏を支持するプレートと、前記プレートが受ける荷重又は圧力分布を検出するセンサと、前記プレートを上載した移動体と、前記プレートに接触可能に配置された接触部材と、前記センサの検出結果に基づいて足圧の中心位置を算出し、前記中心位置に応じて前記移動体を制御する制御部と、前記センサの検出結果に基づいて、前記プレートが前記接触部材から荷重を受けた否かを判定する判定部と、前記判定部での判定結果に応じて、前記プレートの移動を規制する規制部と、を備えている。

本開示によれば、簡素な構成で適切な訓練が可能なバランス訓練システムを提供することを目的とする。

実施の形態１に係るバランス訓練システムの概略斜視図である。図１に示すバランス訓練システムの一部の概略側面図である。プレートにローラが接触していない状態を模式的に示す上面図である。プレートに許容移動範囲の前端にある状態を模式的に示す上面図である。プレートに許容移動範囲の後端にある状態を模式的に示す上面図である。実施の形態２において、プレートにローラが接触している状態を模式的に示す上面図である。実施の形態２において、プレートに許容移動範囲の前端にある状態を模式的に示す上面図である。実施の形態２において、プレートに許容移動範囲の前端にある状態を模式的に示す上面図である。

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。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係るバランス訓練システム１００の概略斜視図（左斜め後方から見た図）である。図２は、バランス訓練システム１００の一部の概略側面図（左側から見た図）である。バランス訓練システム１００は、バランス訓練装置ということもできる。

バランス訓練システム１００は、片麻痺などの障害を持つ訓練者が歩行に必要な重心移動を習得したり、足関節に障害を持つ訓練者が足関節機能を回復させたりするためのシステムである。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バランス訓練システム１００に搭乗し続けることによって、バランス訓練システム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。

具体的には、バランス訓練システム１００は、トレッドミル１５０と、プレート１５２と、荷重センサ１５４と、処理装置１６０と、手摺り１７０と、を備える。さらに、バランス訓練システム１００はローラ１８０を備える。なお、以下の説明における上下方向、左右方向、前後方向は、訓練者９００の向きを基準とする方向である。

トレッドミル１５０は、リング状のベルト（移動体）１５１、トレッドミルローラ１５６、及び、図示しないモータを少なくとも備える。また、ベルト１５１には、プレート１５２が上載されている。

プレート１５２は、訓練者９００が搭乗する搭乗部であって、立位状態の訓練者９００の足裏を支持する載置面を有する。プレート１５２には、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。プレート１５２は、四隅に配置された荷重センサ１５４を介してベルト１５１の上面に支持されている。

荷重センサ１５４は、例えばロードセルであって、プレート１５２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１５４は、プレート１５２の四隅に配置され、プレート１５２を支持する。プレート１５２、及び荷重センサ１５４は、水平面内の重心位置（圧力中心）を検出するためのフォースプレートとして機能する。なお、トレッドミル１５０に設けられるセンサは、荷重センサ１５４に限られるものではない。例えば、足から受ける足圧の圧力分布を測定する足圧分布センサを用いることも可能である。つまり、足圧の中心位置を検出するためのセンサが、プレート１５２に設けられていればよい。

手摺り１７０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、例えば訓練者９００の側面に位置するように設けられている。

処理装置１６０は、制御部１６１と判定部１６２と規制部１６３を備えている．制御部１６１は、荷重センサ１５４によって検出された荷重から訓練者９００の足圧の中心位置（圧力中心）を算出する。制御部１６１は、算出された中心位置の移動ベクトル（移動方向及び移動量）に基づいてトレッドミルローラ１５６を回転させることにより、リング状のベルト１５１を回転させる。なお、ベルト１５１の回転（移動）に連動してプレート１５２も移動する。判定部１６２及び規制部１６３については後述する。

図３は、プレート１５２における訓練者９００の足の位置と足圧の中心位置との関係を示した図である。プレート１５２の直下には４つの荷重センサ１５４が配置されている。荷重センサ１５４は、矩形状のプレート１５２の四隅に配置されている。制御部１６１が、４つの荷重センサ１５４の検出値に基づいて、水平面内の重心（圧力中心）を算出する。

訓練者９００は、訓練開始前に、プレート１５２の中央部の任意の位置に足底を接地させて静止立位状態となり、訓練が開始されると、接地させた位置から足底を動かさないようにしながら重心移動を試みることによってバランスを取る訓練を行う。

まず、制御部１６１は、訓練開始前に、訓練者９００の静止立位状態における圧力中心ＣＯＰ０を算出する。具体的には、制御部１６１は、矩形状のプレート１５２の四隅に配置された荷重センサ１５４によって検出された、訓練者９００の左右の足ＦＴから受ける荷重から、訓練者９００の初期の圧力中心ＣＯＰ０を算出する。

訓練が開始されると、制御部１６１は、バランス訓練中の訓練者９００の圧力中心ＣＯＰ１を定期的に算出する。図３の例では、訓練者９００は、バランス訓練中において、初期の静止立位状態のときよりも前方に体重を傾けている。そのため、圧力中心ＣＯＰ１は、初期の圧力中心ＣＯＰ０よりも前方に位置している。

制御部１６１は、圧力中心ＣＯＰ０から圧力中心ＣＯＰ１までの移動ベクトル（図３中の矢印）に応じてベルト１５１を回転させる。それにより、プレート１５２が移動する。なお、本例では、ベルト１５１が前後方向にのみ回転可能となっている。図３の例では、初期の圧力中心ＣＯＰ０と圧力中心ＣＯＰ１の前後方向距離に応じて、制御部１６１がベルト１５１を回転させる。

図１及び図２に戻って、説明を続ける。バランス訓練システム１００は、２つのローラ１８０を備えている。プレート１５２の前後には、ローラ１８０が設けられている。つまり、一方のローラ１８０がプレート１５２の前側に配置され、他方のローラ１８０がプレート１５２の後ろ側に配置されている。ローラ１８０は円柱状の部材であり、左右方向に沿った回転軸周りに回転する。

ローラ１８０は、プレート１５２の落下を防ぐリミットローラとして機能する。つまり、ローラ１８０は、プレート１５２が移動することができる許容移動範囲を規定する。具体的には、２つのローラ１８０の間が、プレート１５２の許容移動範囲となる。前側のローラ１８０が許容移動範囲の前端を規定し、前側のローラ１８０が許容移動範囲の後端を規定する。

図２に示すように、ローラ１８０は、プレート１５２に接触可能に配置された接触部材である。ローラ１８０の下端がプレート１５２の載置面よりも低くなるように、ローラ１８０が配置されている。２つのローラ１８０は同じ高さに配置されている。例えば、ローラ１８０は、上下に可動することができ、スプリング（不図示）などで下方に押し当てられている。ローラ１８０の直下にプレート１５２が移動すると、スプリングによってローラ１８０がプレート１５２に押し当てられる。これにより、プレート１５２を介して、荷重センサ１５４に荷重が加わる。

前後方向において２つのローラ１８０の間隔は、プレート１５２よりも大きくなっている。従って、初期の静止立位状態では、図３に示すようにローラ１８０がプレート１５２に接触していない。つまり、前後方向において、２つのローラ１８０の間に、プレート１５２が配置されている。換言すると、ローラ１８０の直下には、プレート１５２が配置されていない。

そして、初期の静止立位状態からプレート１５２が前方に移動すると、図４に示すようにローラ１８０の真下に、プレート１５２が移動する。前側のローラ１８０がプレート１５２に接触する。一方のローラ１８０の真下に、左前角の荷重センサ１５４が配置される。よって、ローラ１８０からの荷重が、プレート１５２を介して、左前方角の荷重センサ１５４に加わる。

一方、初期の静止立位状態からプレート１５２が後方に移動すると、図５に示すように、ローラ１８０の真下に、プレート１５２が移動する。後ろ側のローラ１８０がプレート１５２に接触する。他方のローラ１８０の真下に、左後ろ角の荷重センサ１５４が配置される。よって、ローラ１８０からの荷重が、プレート１５２を介して、左後方角の荷重センサ１５４に加わる。

判定部１６２は、荷重センサ１５４の検出結果に基づいて、プレート１５２がローラ１８０から荷重を受けた否かを判定する。つまり、荷重センサ１５４で検出された荷重から、ローラ１８０がプレート１５２に接触しているか否かを判定する。ローラ１８０がプレート１５２に接触した場合、１つの荷重センサ１５４の検出値が他の３つの荷重センサ１５４の検出値よりも極めて高くなる。

判定部１６２の判定結果に基づいて、プレート１５２が許容移動範囲の端に達したことが検知される。つまり、左前角の荷重センサ１５４の検出荷重が他の荷重センサ１５４の検出荷重よりも極めて高くなった場合（図４の状態）、プレート１５２が許容移動範囲の前端に達したことが検知される。左後ろ角の荷重センサ１５４の検出荷重が他の荷重センサ１５４の検出荷重よりも極めて高くなった場合（図５の状態）、プレート１５２が許容移動範囲の後端に達したことが検知される。

このように、判定部１６２は、ローラ１８０とプレート１５２とが接触状態か非接触状態かを判定する。規制部１６３は、判定部１６２の判定結果に応じて、プレート１５２の移動を規制する。プレート１５２がローラ１８０と接触したと判定された場合、規制部１６３がベルト１５１の回転を停止させる。あるいは、プレート１５２がローラ１８０と接触した場合、ベルト１５１を反対方向に回転させるように、規制部１６３が制御する。つまり、規制部１６３は、判定部１６２での判定結果に応じて、制御部１６１によるベルト１５１の回転制御を規制する。これにより、プレート１５２が許容移動範囲を越えるのを防ぐことができる。

プレート１５２が許容移動範囲の前端に達した場合、さらにプレート１５２が前方に移動しないように、規制部１６３がベルト１５１の回転を規制する。プレート１５２が許容移動範囲の後端に達した場合、さらにプレート１５２が後方に移動しないように、規制部１６３がベルト１５１の回転を規制する。これにより、プレート１５２が許容移動範囲を越えることを防ぐことができる。プレート１５２とローラ１８０とが接触していないと判定された場合、規制部１６３がプレート１５２の移動を規制しない。移動の規制が解除された状態となるため、上記の通り、足圧の中心位置の移動に応じて、制御部１６１がベルト１５１を制御する。

上記の構成により、センサ、スイッチなどの部品、回路を追加することなく、リミット位置を検知することができる。つまり、足圧の中心位置を検出するための荷重センサ１５４で許容移動範囲を確定することができる。センサやスイッチなどを追加することなく、リミット位置を設定することができるため、コストの増加を防ぐことができる。簡素な構成で、適切な訓練を行うことが可能となる。また、プレート１５２がローラ１８０と接触した状態で、さらにプレート１５２の移動に応じてローラ１８０が回転する。よって、トレッドミル１５０のモータに過剰な負荷がかかるのを防ぐことができる。

ローラ１８０は、ドレッドミルのベルト１５１に接するように設けられていてもよい。そして、ベルト１５１の移動に伴ってローラ１８０を回転させることにより、所定の位置に固定されるようにすることができる。また、ローラ１８０は訓練者に干渉しない位置に配置されていればよい。例えば、プレート１５２の左端又は右端の周辺に配置されていればよい。また、プレート１５２が許容移動範囲内にある場合、プレート１５２がローラ１８０から荷重を受けていない。これにより、足圧の中心位置の検出精度の低下を防ぐことができる。

また、ローラ１８０の数は２つに限定される者ではない。例えば、前、又は後方の一方のみに、ローラ１８０が設けられていればよい。上記の実施形態１では、ベルト１５１が前後にプレート１５２を移動させるものとして説明したが、プレート１５２の移動方向は特に限定されるものではない。例えば、ベルト１５１がプレート１５２を左右に移動させても良い。つまり、ローラ１８０は、プレート１５２の移動を規制したい位置に設けられていればよい。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では、ローラ１８０がプレート１５２に接触した場合に、許容移動範囲に達したことが検知されたが、実施の形態２ではこの反対としている。つまり、実施の形態１では、ローラ１８０がプレート１５２に接触しなくなった場合に、許容移動範囲に達したことが検知される。実施の形態２の構成について、図６～図８を用いて説明する。なお、バランス訓練システム１００の基本的な構成、及び制御は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

実施の形態２では、バランス訓練システム１００が１つローラ１８０のみを有している。そして、前後方向において、ローラ１８０がプレート１５２の中央に配置されている。静止立位状態では、図６に示すように、ローラ１８０がプレート１５２に接触している。

静止立位状態から、プレート１５２が前方に移動すると、図７に示すように、プレート１５２がローラ１８０から離間する。すなわち、プレート１５２がローラ１８０と非接触の状態となる。静止立位状態から、プレート１５２が後方に移動すると、図８に示すように、プレート１５２がローラ１８０から離間する。すなわち、プレート１５２がローラ１８０と非接触の状態となる。

判定部１６２が、実施の形態１と同様に、プレート１５２がローラ１８０から荷重を受けたか否かを判定する。つまり、プレート１５２がローラ１８０から荷重を受けなくなった場合、許容移動範囲の端に達したことが検知される。そして、規制部１６３は判定部１６２の判定結果に応じて、プレート１５２の移動を規制する。例えば、規制部１６３がベルト１５１の回転を停止させる。これにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態では、１つのローラ１８０で前後両方向の移動を規制することができる。

なお、プレート１５２と接触する接触部材は、ローラ１８０に限らず、様々な形状の部材を用いることができる。例えば、樹脂製のそりのような形状の接触部材を、プレート１５２に押し当てるようにしてもよい。また、接触部材をバネなどの弾性体によりプレート１５２により押し当てる構成とすることができる。あるいはプレート１５２自体が弾性材料により形成されていてもよい。

さらに、上記実施の形態では、本開示をハードウェアの構成として説明したが、本開示は、これに限定されるものではない。本開示は、バランス訓練システムの制御処理を、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することが可能である。

また、上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙｃｏｍｐｕｔｅｒｒｅａｄａｂｌｅｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅｓｔｏｒａｇｅｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体は、例えば、磁気記録媒体、光磁気記録媒体、ＣＤ－ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリを含む。磁気記録媒体は、例えば、フレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブなどである。光磁気記録媒体は、例えば光磁気ディスクなどである。半導体メモリは、例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）などである。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙｃｏｍｐｕｔｅｒｒｅａｄａｂｌｅｍｅｄｉｕｍ）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

１００バランス訓練システム
１５０トレッドミル
１５１ベルト
１５２プレート
１５４荷重センサ
１５６トレッドミルローラ
１６０処理装置
１６１制御部
１６２判定部
１６３規制部
１７０手摺り
１８０ローラ

Claims

立位状態の訓練者の足裏を支持するプレートと、
前記プレートが受ける荷重又は圧力分布を検出するセンサと、
前記プレートを上載した移動体と、
前記プレートに接触可能に配置された接触部材と、
前記センサでの検出結果に基づいて足圧の中心位置を算出し、前記中心位置に応じて前記移動体を制御する制御部と、
前記センサの検出結果に基づいて、前記プレートが前記接触部材から荷重を受けた否かを判定する判定部と、
前記判定部での判定結果に応じて、前記プレートの移動を規制する規制部と、を備えたバランス訓練システム。