JP2022190880A - 歩行訓練システム、その制御方法、及び、制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】訓練者へのサポートが過剰な介助者に対してその旨を通知することにより、訓練者が効果的な歩行訓練を行うことが可能な歩行訓練システム、その制御方法、及び、制御プログラムを提供すること。【解決手段】本実施の形態にかかる歩行訓練システムは、トレッドミルと、トレッドミルのベルトに搭乗した訓練者の足裏から受ける荷重から、訓練者の重心位置を検出する重心位置検出部と、訓練者の姿勢を検出する姿勢検出部と、姿勢検出部によって検出された訓練者の姿勢から、訓練者の重心位置を推定する重心位置推定部と、重心位置検出部によって検出された重心位置と、重心位置推定部によって推定された重心位置と、の差分が所定値を超えたか否かを判定する判定部と、判定部によって差分が所定値を超えたと判定された場合にその旨を通知する通知部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、歩行訓練システム、その制御方法、及び、制御プログラムに関する。

特許文献１には、トレッドミルと、トレッドミルにかかる反力を測定する床反力センサと、ユーザの下肢に装着される脚ロボットと、脚ロボットが装着された下肢の距離を撮影する距離画像カメラと、床反力センサの測定値及び距離画像カメラの撮影画像に基づいてユーザの左右の下肢の足裏荷重を推定する荷重推定手段と、を有する歩行リハビリシステムが開示されている。

特許第６１８７２０８号公報

関連技術では、ユーザ（訓練者）が介助者のサポートを受けながら歩行訓練を行っている場合において、介助者によるユーザへのサポートが過剰である場合、当該ユーザは効果的な歩行訓練を行うことができない、という課題があった。

本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、訓練者へのサポートが過剰な介助者に対してその旨を通知することにより、訓練者が効果的な歩行訓練を行うことが可能な歩行訓練システム、その制御方法、及び、制御プログラムを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る歩行訓練システムは、トレッドミルと、前記トレッドミルのベルトに搭乗した訓練者の足裏から受ける荷重から、当該訓練者の重心位置を検出する重心位置検出部と、前記訓練者の姿勢を検出する姿勢検出部と、前記姿勢検出部によって検出された前記訓練者の姿勢から、前記訓練者の重心位置を推定する重心位置推定部と、前記重心位置検出部によって検出された重心位置と、前記重心位置推定部によって推定された重心位置と、の差分が所定値を超えたか否かを判定する判定部と、前記判定部によって前記差分が前記所定値を超えたと判定された場合にその旨を通知する通知部と、を備える。この歩行訓練システムは、介助者のサポートを受けながら歩行訓練を行っている訓練者の実際の重心位置と、当該訓練者の姿勢から推定される重心位置と、の差分（ズレ）が所定値よりも大きくなった場合に、介助者による訓練者へのサポートが過剰であると判断して、介助者にその旨を通知する。それにより、通知を受けた介助者が訓練者へのサポートを弱めること等ができるため、訓練者は効果的な歩行訓練を行うことができる。

前記重心位置検出部は、前記トレッドミルのベルトの下側に当該ベルトに連動しないように設置され、前記トレッドミルのベルトに搭乗した前記訓練者の足裏から受ける荷重の分布を検出する荷重分布センサであってもよい。

前記重心位置検出部は、前記訓練者の右脚及び左脚のそれぞれの足裏に取り付けられた一組の荷重センサと、前記訓練者の右脚及び左脚を少なくとも撮影する第１撮影部と、を備え、前記一組の荷重センサによって検出された荷重と、前記第１撮影部による撮影映像から特定される前記訓練者の右脚及び左脚のそれぞれの位置と、に基づいて、前記訓練者の重心位置を検出してもよい。

前記姿勢検出部は、前記訓練者を撮影する第２撮影部と、前記第２撮影部による前記訓練者の撮影映像から、前記訓練者の姿勢に関する情報を抽出する姿勢情報抽出部と、を有し、前記重心位置推定部は、前記姿勢情報抽出部によって抽出された前記訓練者の姿勢から前記訓練者の重心位置を推定してもよい。

前記姿勢検出部は、赤外線センサと、前記赤外線センサによる前記訓練者の検知結果から、前記訓練者の姿勢に関する情報を抽出する姿勢情報抽出部と、を有し、前記重心位置推定部は、前記姿勢情報抽出部によって抽出された前記訓練者の姿勢から前記訓練者の重心位置を推定してもよい。

前記所定値は、前記訓練者の歩行速度、及び、前記訓練者の所定部位の動作速度、の少なくとも何れかに応じて決定されてもよい。

前記所定値は、前記訓練者の歩行速度が速くなるほど大きな値に設定され、前記訓練者の歩行速度が遅くなるほど小さな値に設定されてもよい。

前記所定値は、介助者による前記訓練者へのサポートが行われていない場合における、前記重心位置検出部によって検出された重心位置と、前記重心位置推定部により推定された重心位置と、の差分が相殺されるように、決定されることが好ましい。

前記通知部は、所定の異常動作が検出された場合には、前記重心位置検出部によって検出された重心位置と、前記重心位置推定部により推定された重心位置と、の差分が前記所定値を超えた場合でも、その旨を通知しないようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る歩行訓練システムの制御方法は、重心位置検出部を用いて、トレッドミルのベルトに搭乗した訓練者の足裏から受ける荷重から、当該訓練者の重心位置を検出するステップと、前記訓練者の姿勢を検出するステップと、重心位置推定部を用いて、検出された前記訓練者の姿勢から、前記訓練者の重心位置を推定するステップと、前記重心位置検出部によって検出された重心位置と、前記重心位置推定部によって推定された重心位置と、の差分が所定値を超えたか否かを判定するステップと、前記差分が前記所定値を超えたと判定された場合にその旨を通知するステップと、を備える。この歩行訓練システムの制御方法は、介助者のサポートを受けながら歩行訓練を行っている訓練者の実際の重心位置と、当該訓練者の姿勢から推定される重心位置と、の差分（ズレ）が所定値よりも大きくなった場合に、介助者による訓練者へのサポートが過剰であると判断して、介助者にその旨を通知する。それにより、通知を受けた介助者が訓練者へのサポートを弱めること等ができるため、訓練者は効果的な歩行訓練を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る制御プログラムは、重心位置検出部を用いて、トレッドミルのベルトに搭乗した訓練者の足裏から受ける荷重から、当該訓練者の重心位置を検出する処理と、前記訓練者の姿勢を検出する処理と、重心位置推定部を用いて、検出された前記訓練者の姿勢から、前記訓練者の重心位置を推定する処理と、前記重心位置検出部によって検出された重心位置と、前記重心位置推定部によって推定された重心位置と、の差分が所定値を超えたか否かを判定する処理と、前記差分が前記所定値を超えたと判定された場合にその旨を通知する処理と、をコンピュータに実行させる。この制御プログラムは、介助者のサポートを受けながら歩行訓練を行っている訓練者の実際の重心位置と、当該訓練者の姿勢から推定される重心位置と、の差分（ズレ）が所定値よりも大きくなった場合に、介助者による訓練者へのサポートが過剰であると判断して、介助者にその旨を通知する。それにより、通知を受けた介助者が訓練者へのサポートを弱めること等ができるため、訓練者は効果的な歩行訓練を行うことができる。

本発明によれば、訓練者へのサポートが過剰な介助者に対してその旨を通知することにより、訓練者が効果的な歩行訓練を行うことが可能な歩行訓練システム、その制御方法、及び、制御プログラムを提供することができる。

実施の形態１に係る歩行訓練装置の一構成例を示す全体概念図である。 図１に示す歩行訓練装置に設けられたトレッドミルの一部の概略側面図である。 図１に示す歩行訓練装置に設けられた歩行補助装置の一構成例を示す概略斜視図である。 図１に示す歩行訓練装置のシステム構成例を示すブロック図である。 図１に示す歩行訓練装置の動作を説明するための図である。 図１に示す歩行訓練装置の動作を説明するための図である。 図１に示す歩行訓練装置の動作を説明するための図である。

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に係る歩行訓練装置の一構成例を示す全体概念図である。本実施形態に係る歩行訓練装置１００は、訓練者（ユーザ）９００のリハビリ（リハビリテーション）を支援するリハビリ支援装置の一具体例であって、特に歩行訓練を支援する歩行訓練装置の一具体例である。歩行訓練装置１００は、一方の脚に麻痺を患う片麻痺患者である訓練者９００が、訓練スタッフ９０１の指導に従って歩行訓練を行うための装置である。ここで、訓練スタッフ９０１は、例えば療法士（理学療法士）又は医師とすることができ、訓練者の訓練を指導又は介助などにより補助することから、訓練指導者、訓練介助者、訓練補助者などと称することもできる。歩行訓練装置１００は、歩行訓練システムということもできる。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。

歩行訓練装置１００は、主に、全体の骨格を成すフレーム１３０に取り付けられた制御盤１３３と、訓練者９００が歩行するトレッドミル１３１と、訓練者９００の麻痺側の脚部である患脚に装着する歩行補助装置（ロボット脚）１２０と、を備える。

トレッドミル１３１は、訓練者９００の歩行を促す装置であって、歩行訓練を行う訓練者９００は、ベルト１３１１に乗り、ベルト１３１１の移動に合わせて歩行動作を試みる。なお、訓練スタッフ９０１は、例えば図１に示すように訓練者９００の背後のベルト１３１１上に立って一緒に歩行動作を行うこともできるが、通常、ベルト１３１１を跨いだ状態で立つなど、訓練者９００の介助を行い易い状態に居ることが好ましい。

図２は、トレッドミル１３１の一部の概略側面図である。
図２に示すように、トレッドミル１３１は、リング状のベルト１３１１、プーリー１３１２、及び、図示しないモータを少なくとも備える。また、ベルト１３１１の内側（訓練者９００が搭乗する面のベルト１３１１の下側）には、ベルト１３１１に連動しないように荷重分布センサ２２２が設置されている。但し、荷重分布センサ２２２は、ベルト１３１１の上側に、当該ベルト１３１１に連動するように設けられてもよい。なお、荷重分布センサ２２２は、重心位置検出部２２５の一例である。重心位置検出部２２５の他の例については後述する。

荷重分布センサ２２２は、複数のセンサによって構成されており、これらの複数のセンサは、訓練者９００の足裏を支持するベルト１３１１の下側にマトリックス状に配置されている。荷重分布センサ２２２は、これらの複数のセンサを用いることにより、訓練者９００の足裏から受ける面圧（荷重）の大きさ及び分布を検出することができる。例えば、荷重分布センサ２２２は、複数の電極がマトリックス状に配置された抵抗変化検出型の荷重検出シートである。荷重分布センサ２２２の検出結果により、訓練者９００の歩行状態（各脚が立脚状態であるか遊脚状態であるか等）を判別することができる。荷重分布センサ２２２の検出結果による訓練者９００の歩行状態の判別方法の詳細については、後述する。

トレッドミル１３１では、例えば後述する全体制御部２１０が、荷重分布センサ２２２の検出結果に基づいて訓練者９００の歩行状態を判別し、その歩行状態に応じて不図示のモータを用いてプーリー１３１２を回転させることにより、リング状のベルト１３１１を回転（移動）させる。それにより、訓練者９００は、ベルト１３１１からはみ出ることなく歩行訓練を行うことができる。

フレーム１３０は、床面に設置されるトレッドミル１３１上に立設され、モータやセンサの制御を行う全体制御部２１０を収容する制御盤１３３や、訓練の進捗状況等を訓練者９００へ提示する例えば液晶パネルである訓練用モニタ１３８などを支持している。また、フレーム１３０は、訓練者９００の頭上部前方付近で前側引張部１３５を、頭上部付近でハーネス引張部１１２を、頭上部後方付近で後側引張部１３７を、それぞれ支持している。また、フレーム１３０は、訓練者９００が掴むための手摺り１３０ａを含む。

手摺り１３０ａは、訓練者９００の左右両側に配置されている。それぞれの手摺り１３０ａは、訓練者９００の歩行方向と平行な方向に配置されている。手摺り１３０ａは、上下位置、及び左右位置が調整可能となっている。つまり、手摺り１３０ａは、その高さ及び幅を変更する機構を含むことができる。さらに、手摺り１３０ａは、例えば歩行方向の前方側と後方側とで高さを異ならせるように調整することで、その傾斜角度を変更できるように構成することもできる。例えば、手摺り１３０ａは、歩行方向に沿って徐々に高くなるような傾斜角度を付すことができる。

また、手摺り１３０ａには、訓練者９００から受ける荷重を検出する手摺りセンサ２１８が設けられている。例えば、手摺りセンサ２１８は、電極がマトリックス状に配置された抵抗変化検出型の荷重検出シートとすることができる。また、手摺りセンサ２１８は、３軸の加速度センサ（ｘ，ｙ，ｚ）と３軸のジャイロセンサ（ｒｏｌｌ，ｐｉｔｃｈ，ｙａｗ）とを複合させた６軸センサとすることもできる。但し、手摺りセンサ２１８の種類や設置位置は問わない。

カメラ１４０は、訓練者９００の全身を観察するための撮像部としての機能を担う。カメラ１４０は、訓練用モニタ１３８の近傍に、訓練者９００と相対するように設置されている。カメラ１４０は、訓練中の訓練者９００の静止画や動画を撮影する。カメラ１４０は、訓練者９００の全身を捉えられる程度の画角となるような、レンズと撮像素子のセットを含む。撮像素子は、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）イメージセンサであり、結像面に結像した光学像を画像信号に変換する。ここで、後述する姿勢検出部２２６を用いることにより、カメラ１４０によって撮影された訓練者９００の全身の映像から、訓練者９００の姿勢に関する情報を抽出することが可能である。

前側引張部１３５と後側引張部１３７の連携した動作により、歩行補助装置１２０の荷重が患脚の負担とならないように当該荷重を相殺し、更には、設定の程度に応じて患脚の振出し動作をアシストする。

前側ワイヤ１３４は、一端が前側引張部１３５の巻取機構に連結されており、他端が歩行補助装置１２０に連結されている。前側引張部１３５の巻取機構は、不図示のモータをオンオフさせることにより、患脚の動きに応じて前側ワイヤ１３４を巻き取ったり繰り出したりする。同様に、後側ワイヤ１３６は、一端が後側引張部１３７の巻取機構に連結されており、他端が歩行補助装置１２０に連結されている。後側引張部１３７の巻取機構は、不図示のモータをオンオフさせることにより、患脚の動きに応じて後側ワイヤ１３６を巻き取ったり繰り出したりする。このような前側引張部１３５と後側引張部１３７の連携した動作により、歩行補助装置１２０の荷重が患脚の負担とならないように当該荷重を相殺し、更には、設定の程度に応じて患脚の振出し動作をアシストする。

例えば、訓練スタッフ９０１は、オペレータとして、重度の麻痺を抱える訓練者に対しては、アシストするレベルを大きく設定する。アシストするレベルが大きく設定されると、前側引張部１３５は、患脚の振出しタイミングに合わせて、比較的大きな力で前側ワイヤ１３４を巻き取る。訓練が進み、アシストが必要でなくなったら、訓練スタッフ９０１は、アシストするレベルを最小に設定する。アシストするレベルが最小に設定されると、前側引張部１３５は、患脚の振出しタイミングに合わせて、歩行補助装置１２０の自重をキャンセルするだけの力で前側ワイヤ１３４を巻き取る。

歩行訓練装置１００は、さらに、装具１１０、ハーネスワイヤ１１１、及びハーネス引張部１１２によって構成された転倒防止ハーネス装置を備える。

装具１１０は、訓練者９００の腹部に巻き付けられるベルトであり、例えば面ファスナによって腰部に固定される。装具１１０は、吊具であるハーネスワイヤ１１１の一端を連結する連結フック１１０ａを備え、ハンガーベルトと称することもできる。訓練者９００は、連結フック１１０ａが後背部に位置するように、装具１１０を装着する。

ハーネスワイヤ１１１は、一端が装具１１０の連結フック１１０ａに連結されており、他端がハーネス引張部１１２の巻取機構に連結されている。ハーネス引張部１１２の巻取機構は、不図示のモータをオンオフさせることにより、ハーネスワイヤ１１１を巻き取ったり繰り出したりする。このような構成により、転倒防止ハーネス装置は、訓練者９００が転倒しそうになった場合に、その動きを検知した全体制御部２１０の指示に従ってハーネスワイヤ１１１を巻き取り、装具１１０により訓練者９００の上体を支えて、訓練者９００の転倒を防ぐ。

装具１１０は、訓練者９００の姿勢を検出するための姿勢センサ２１７を備える。姿勢センサ２１７は、例えばジャイロセンサと加速度センサとを組み合わせたものであり、装具１１０が装着された腹部の重力方向に対する傾斜角を出力する。

管理用モニタ１３９は、主に訓練スタッフ９０１が監視及び操作するための表示入力装置であり、フレーム１３０に取り付けられている。管理用モニタ１３９は、例えば液晶パネルであり、その表面にはタッチパネルが設けられている。管理用モニタ１３９は、訓練設定に関する各種メニュー項目や、訓練時における各種パラメータ値、訓練結果などを表示する。また、管理用モニタ１３９の近傍には、非常停止ボタン２３２が設けられている。訓練スタッフ９０１が非常停止ボタン２３２を押すことで、歩行訓練装置１００が非常停止する。また、例えば訓練スタッフ９０１の側には、通知部２２７が設けられている。

歩行補助装置１２０は、訓練者９００の患脚に装着され、患脚の膝関節における伸展及び屈曲の負荷を軽減することにより訓練者９００の歩行を補助する。歩行補助装置１２０は、歩行訓練によって得られる運脚に関するデータを全体制御部２１０に送信したり、全体制御部２１０からの指示に従って関節部分を駆動させたりする。歩行補助装置１２０は、転送防止ハーネス装置の一部である装具１１０に取り付けられたヒップジョイント（回転部を有する接続部材）と、ワイヤなどを介して接続しておくこともできる。

（歩行補助装置１２０の詳細）
図３は、歩行補助装置１２０の一構成例を示す概略斜視図である。歩行補助装置１２０は、主に、制御ユニット１２１と、患脚の各部を支える複数のフレームと、を備える。なお、歩行補助装置１２０は、ロボット脚とも称す。

制御ユニット１２１は、歩行補助装置１２０の制御を行う補助制御部２２０を含み、また、膝関節の伸展運動及び屈曲運動を補助するための駆動力を発生させる不図示のモータを含む。患脚の各部を支えるフレームは、上腿フレーム１２２と、上腿フレーム１２２に回動自在に連結された下腿フレーム１２３と、を含む。また、このフレームは、下腿フレーム１２３に回動自在に連結された足平フレーム１２４と、前側ワイヤ１３４を連結するための前側連結フレーム１２７と、後側ワイヤ１３６を連結するための後側連結フレーム１２８と、を含む。

上腿フレーム１２２と下腿フレーム１２３は、図示するヒンジ軸Ｈａ周りに相対的に回動する。制御ユニット１２１のモータは、補助制御部２２０の指示に従って回転して、上腿フレーム１２２と下腿フレーム１２３がヒンジ軸Ｈａ周りに相対的に開くように加勢したり、閉じるように加勢したりする。制御ユニット１２１に収められた角度センサ２２３は、例えばロータリエンコーダであり、ヒンジ軸Ｈａ周りの上腿フレーム１２２と下腿フレーム１２３の成す角を検出する。下腿フレーム１２３と足平フレーム１２４は、図示するヒンジ軸Ｈｂ周りに相対的に回動する。相対的に回動する角度範囲は、調整機構１２６によって事前に調整される。

前側連結フレーム１２７は、上腿の前側を左右方向に伸延し、両端で上腿フレーム１２２に接続するように設けられている。また、前側連結フレーム１２７には、前側ワイヤ１３４を連結するための連結フック１２７ａが、左右方向の中央付近に設けられている。後側連結フレーム１２８は、下腿の後側を左右方向に伸延し、両端でそれぞれ上下に伸延する下腿フレーム１２３に接続するように設けられている。また、後側連結フレーム１２８には、後側ワイヤ１３６を連結するための連結フック１２８ａが、左右方向の中央付近に設けられている。

上腿フレーム１２２は、上腿ベルト１２９を備える。上腿ベルト１２９は、上腿フレームに一体的に設けられたベルトであり、患脚の上腿部に巻き付けて上腿フレーム１２２を上腿部に固定する。これにより、歩行補助装置１２０の全体が訓練者９００の脚部に対してずれることを防止している。

（歩行訓練装置１００のシステム構成例）
続いて、図４を用いて、歩行訓練装置１００のシステム構成例について説明する。
図４は、歩行訓練装置１００のシステム構成例を示すブロック図である。

図４に示すように、歩行訓練装置１００のシステム構成は、全体制御部２１０、トレッドミル駆動部２１１、操作受付部２１２、表示制御部２１３、ハーネス駆動部２１５、画像処理部２１６、姿勢検出部２２６の一例である姿勢センサ２１７、手摺りセンサ２１８、重心位置検出部２２５の一例である荷重分布センサ２２２、通信接続ＩＦ（インターフェース）２１９、及び、歩行補助装置１２０を含む。

全体制御部２１０は、例えばＭＰＵ（Micro Processing Unit）であって、システムメモリ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。

トレッドミル駆動部２１１は、トレッドミル１３１のベルト１３１１を回転させるモータ及びその駆動回路を含む。全体制御部２１０は、トレッドミル駆動部２１１へ駆動信号を送ることにより、ベルト１３１１の回転制御を実行する。全体制御部２１０は、例えば、訓練スタッフ９０１によって設定された歩行速度に応じて、ベルト１３１１の回転速度を調整する。或いは、全体制御部２１０は、荷重分布センサ２２２の検出結果から判別される訓練者９００の歩行状態に応じて、ベルト１３１１の回転速度を調整する。

操作受付部２１２は、装置に設けられた操作ボタン、管理用モニタ１３９に重畳されたタッチパネル、又は、付属するリモコン等を介した、訓練スタッフ９０１による入力操作を受け付ける。操作受付部２１２により受け付けられた操作信号は、全体制御部２１０に送信される。全体制御部２１０は、操作受付部２１２によって受け付けられた操作信号に基づいて、電源のオンオフの切り替えの指示を与えたり、トレーニング開始の指示を与えたりすることができる。また、設定に関する数値の入力やメニュー項目の選択を行うことができる。なお、操作受付部２１２は、訓練スタッフ９０１の入力操作を受け付ける場合に限られず、当然ながら訓練者９００の入力操作を受け付けることもできる。

表示制御部２１３は、全体制御部２１０からの表示信号を受け取って表示画像を生成し、訓練用モニタ１３８又は管理用モニタ１３９に表示する。表示制御部２１３は、表示信号に従って、トレーニングの進捗を示す画像や、カメラ１４０で撮影したリアルタイム映像を生成する。

引張駆動部２１４は、前側引張部１３５に設けられた、前側ワイヤ１３４を引張するためのモータ及びその駆動回路と、後側引張部１３７に設けられた、後側ワイヤ１３６を引張するためのモータ及びその駆動回路と、を含む。全体制御部２１０は、引張駆動部２１４へ駆動信号を送ることにより、前側ワイヤ１３４の巻き取り及び後側ワイヤ１３６の巻き取りをそれぞれ制御する。また、全体制御部２１０は、巻き取り動作に限らず、モータの駆動トルクを制御することにより、各ワイヤの引張力を制御する。さらに、全体制御部２１０は、例えば、荷重分布センサ２２２の検出結果から患脚が立脚状態から遊脚状態に切り替わるタイミングを同定し、そのタイミングに同期して各ワイヤの引張力を増減させることにより、患脚の振出し動作をアシストする。

ハーネス駆動部２１５は、ハーネス引張部１１２に設けられた、ハーネスワイヤ１１１を引張するためのモータ及びその駆動回路を含む。全体制御部２１０は、ハーネス駆動部２１５へ駆動信号を送ることにより、ハーネスワイヤ１１１の巻き取り、及び、ハーネスワイヤ１１１の引張力を制御する。全体制御部２１０は、例えば、訓練者９００の転倒を予測した場合に、ハーネスワイヤ１１１を一定量巻き取って、訓練者の転倒を防止する。

画像処理部２１６は、カメラ１４０に接続されており、カメラ１４０から画像信号を受け取ることができる。画像処理部２１６は、全体制御部２１０からの指示に従って、カメラ１４０から画像信号を受け取り、受け取った画像信号を画像処理して画像データを生成する。また、画像処理部２１６は、全体制御部２１０からの指示に従って、カメラ１４０から受け取った画像信号に画像処理を施して、特定の画像解析を実行することもできる。例えば、画像処理部２１６は、トレッドミル１３１に接する患脚の足の位置（立脚位置）を、画像解析により検出する。具体的には、例えば、足平フレーム１２４の先端近傍の画像領域を抽出し、当該先端部と重なるベルト１３１１上に描かれた識別マーカを解析することにより、立脚位置を演算する。

姿勢検出部２２６の一例である姿勢センサ２１７は、上述の通り訓練者９００の腹部の重力方向に対する傾斜角を検出して、検出信号を全体制御部２１０へ送信する。全体制御部２１０は、姿勢センサ２１７からの検出信号を用いて、訓練者９００の姿勢、具体的には体幹の傾斜角を演算する。なお、全体制御部２１０と姿勢センサ２１７は、有線で接続されていても良いし、近距離無線通信で接続されていても良い。

なお、姿勢検出部２２６は、姿勢センサ２１７に限られず、例えば、トレッドミル１３１のベルト１３１１に搭乗した訓練者９００の全身を撮影するカメラ（第２撮影部；例えばカメラ１４０）と、当該カメラによる撮影映像から訓練者９００の姿勢に関する情報を抽出する姿勢情報抽出部と、によって構成されてもよい。

或いは、姿勢検出部２２６は、トレッドミル１３１のベルト１３１１に搭乗した訓練者９００を検知する赤外線センサと、当該赤外線センサによる検知結果から訓練者９００の姿勢に関する情報を抽出する姿勢情報抽出部と、によって構成されてもよい。

手摺りセンサ２１８は、手摺り１３０ａに加わる荷重を検出する。つまり、訓練者９００が両脚で自身の体重を支えきれない分の荷重が手摺り１３０ａに加わる。手摺りセンサ２１８は、この荷重を検出して、検出信号を全体制御部２１０へ送信する。

荷重分布センサ２２２は、上述の通り訓練者９００の足裏から受ける面圧（荷重）の大きさ及び分布を検出して、検出信号を全体制御部２１０へ送信する。全体制御部２１０は、検出信号を受け取り解析することにより、歩行状態の判別や切り替わり推定などを行う。ここで、荷重分布センサ２２２は、重心位置検出部２２５として、訓練者９００の足裏から受ける荷重から、当該訓練者９００の重心位置（実際の重心位置）ＣＰを検出することもできる。

なお、重心位置検出部２２５は、荷重分布センサ２２２に限られず、例えば、訓練者９００の右脚及び左脚のそれぞれの足裏に取り付けられた一組の荷重センサと、トレッドミル１３１のベルト１３１１に搭乗した訓練者９００の足元を撮影するカメラ（第１撮影部；例えばカメラ１４０）と、によって構成されてもよい。この場合、一組の荷重センサによって検出された荷重と、カメラの撮影映像から特定される訓練者９００の右脚及び左脚のそれぞれの位置と、に基づいて、訓練者９００の重心位置ＣＰが検出される。

全体制御部２１０は、制御に関わる様々な演算や制御を実行する機能実行部としての役割も担う。全体制御部２１０は、例えば、歩行評価部２１０ａ、訓練判定部２１０ｂ、歩行状態判別部２１０ｃ、重心位置推定部２１０ｄ、及び、判定部２１０ｅを含む。重心位置推定部２１０ｄ及び判定部２１０ｅについては後述する。

歩行評価部２１０ａは、各種センサから取得したデータを用いて、訓練者９００の歩行動作が異常歩行であるか否かを評価する。訓練判定部２１０ｂは、例えば、歩行評価部２１０ａが評価した異常歩行の積算数に基づいて、一連の歩行訓練に対する訓練結果を判定する。

なお、訓練結果の判定方法及び判定基準については、任意に設定されてよい。
例えば、歩行フェーズ毎に麻痺体部の動作量と基準とを比較することによって訓練結果の判定が行われてもよい。なお、歩行フェーズとは、患脚（又は健脚）についての１歩行周期（１歩行サイクル）を、立脚状態にある立脚期、立脚期から遊脚状態にある遊脚期への移行期、遊脚期、遊脚期から立脚期への移行期などに分類したものである。どの歩行フェーズであるかは、例えば荷重分布センサ２２２による検出結果などから分類（判定）することができる。なお、歩行サイクルは、上述のように、立脚期、移行期、遊脚期、移行期で１サイクルとして取り扱うことができるが、どの時期を開始期と定義するかは問わない。その他、歩行サイクルは、例えば、両脚支持状態、単脚（患脚）支持状態、両脚支持状態、単脚（健脚）支持状態で１サイクルとして取り扱うこともでき、この場合にもどの状態を開始状態と定義するかは問わない。

また、右脚又は左脚（健脚又は患脚）に注目した歩行周期は、より細分化することもでき、例えば、立脚期を初期接地と４期、遊脚期を３期に分けて表現することができる。初期接地は、観察足部が床に接地する瞬間を指し、立脚期の４期とは、荷重応答期、立脚中期、立脚終期、及び前遊脚期を指す。荷重応答期は、初期接地から反対側の足部が床から離れた瞬間（対側離地）までの期間である。立脚中期は、対側離地から観察足部の踵が離れた瞬間（踵離地）までの期間である。立脚終期は、踵離地から反対側の初期接地までの期間である。前遊脚期は、反対側の初期接地から観察足部が床から離れる（離地）までの期間である。遊脚期の３期とは、遊脚初期、遊脚中期、及び遊脚後期を指す。遊脚初期は、前遊脚期の最後（上記離地）から両足が交差する（足部交差）までの期間である。遊脚中期は、足部交差から頸骨が垂直となる（頸骨垂直）までの期間である。遊脚終期は、頸骨垂直から次の初期接地までの期間である。

歩行状態判別部２１０ｃは、荷重分布センサ２２２によって検出される各脚の荷重分布に基づいて訓練者９００の歩行状態を判別する。例えば、歩行状態判別部２１０ｃは、荷重分布センサ２２２によって検出される訓練者９００の一方の脚から受ける荷重が、第１閾値未満の状態から第１閾値以上に変化した場合に、当該一方の脚が遊脚状態から立脚状態に移行したと判定し、第２閾値（第１閾値＞第２閾値）以上の状態から第２閾値未満に変化した場合に、当該一方の脚が立脚状態から遊脚状態に移行したと判定する。同様にして、歩行状態判別部２１０ｃは、荷重分布センサ２２２によって検出される訓練者９００の他方の脚から受ける荷重が、第１閾値未満の状態から第１閾値以上に変化した場合に、当該他方の脚が遊脚状態から立脚状態に移行したと判定し、第２閾値（第１閾値＞第２閾値）以上の状態から第２閾値未満に変化した場合に、当該他方の脚が立脚状態から遊脚状態に移行したと判定する。なお、歩行状態判別部２１０ｃは、健脚のみならず、歩行補助装置１２０を装着した患脚の歩行状態の判別も行う。その場合、歩行状態判別部２１０ｃは、歩行補助装置１２０の荷重分を考慮して歩行状態の判別を行う。例えば、歩行状態判別部２１０ｃの判別結果に基づいて、歩行補助装置１２０による患脚の屈伸制御が行われる。

通信接続ＩＦ２１９は、全体制御部２１０に接続されたインターフェースであり、訓練者９００の患脚に装着される歩行補助装置１２０に指令を与えたり、センサ情報を受け取ったりするためのインターフェースである。

歩行補助装置１２０は、通信接続ＩＦ２１９と有線又は無線によって接続される通信接続ＩＦ２２９を備えることができる。通信接続ＩＦ２２９は、歩行補助装置１２０の補助制御部２２０に接続されている。通信接続ＩＦ２１９、２２９は、通信規格に則った例えば有線ＬＡＮ又は無線ＬＡＮ等の通信インターフェースである。

また、歩行補助装置１２０は、補助制御部２２０、関節駆動部２２１、及び、角度センサ２２３を備えることができる。補助制御部２２０は、例えばＭＰＵであり、全体制御部２１０から与えられた制御プログラムを実行することにより、歩行補助装置１２０の制御を実行する。また、補助制御部２２０は、歩行補助装置１２０の状態を、通信接続ＩＦ２１９、２２９を介して全体制御部２１０へ通知する。また、補助制御部２２０は、全体制御部２１０からの指令を受けて、歩行補助装置１２０の起動や停止等の制御を実行する。

関節駆動部２２１は、制御ユニット１２１のモータ及びその駆動回路を含む。補助制御部２２０は、関節駆動部２２１へ駆動信号を送ることにより、上腿フレーム１２２と下腿フレーム１２３がヒンジ軸Ｈａ周りに相対的に開くように加勢したり、閉じるように加勢したりする。このような動作により、膝の伸展動作及び屈曲動作をアシストしたり、膝折れを防止したりする。

角度センサ２２３は、上述の通りヒンジ軸Ｈａ周りの上腿フレーム１２２と下腿フレーム１２３の成す角を検出して、検出信号を補助制御部２２０へ送信する。補助制御部２２０は、この検出信号を受け取って膝関節の開き角を演算する。

ところで、訓練者９００が訓練スタッフ９０１のサポートを受けながら歩行訓練を行っている場合において、訓練スタッフ９０１による訓練者９００へのサポートが過剰である場合、何も対策されていなければ、訓練者９００は効果的な歩行訓練を行うことができない。

そこで、本実施の形態に係る歩行訓練装置１００は、介助者である訓練スタッフ９０１による訓練者９００へのサポートが過剰である場合、訓練スタッフ９０１にその旨を通知する機能を備えている。それにより、通知を受けた訓練スタッフ９０１が訓練者９００へのサポートを弱めること等ができるため、訓練者９００は効果的な歩行訓練を行うことができる。

具体的には、まず、重心位置推定部２１０ｄは、姿勢センサ２１７等の姿勢検出部２２６によって検出された訓練者９００の姿勢から、訓練者９００の重心位置ＣＰｘを推定する。例えば、重心位置推定部２１０ｄは、姿勢センサ２１７等の姿勢検出部２２６によって検出された訓練者９００の姿勢に対して、例えばデータベースに格納された各部位の重量及び重心を当てはめて、訓練者９００の重心位置ＣＰｘを推定する。また、このとき、荷重分布センサ２２２等の重心位置検出部２２５は、訓練者９００の実際の重心位置ＣＰを検出している。

その後、判定部２１０ｅは、重心位置検出部２２５によって検出された実際の重心位置ＣＰと、重心位置推定部２１０ｄによって訓練者９００の姿勢から推定された重心位置ＣＰｘと、の差分（ズレ）が所定値Ｔ１を超えたか否かを判定する。そして、通知部２２７は、判定部２１０ｅによって、実際の重心位置ＣＰと、訓練者９００の姿勢から推定された重心位置ＣＰｘと、の差分が所定値Ｔ１を超えたと判定された場合、訓練スタッフ９０１による訓練者９００へのサポートが過剰である旨を当該訓練スタッフ９０１に通知する。

図５乃至図７は、歩行訓練装置１００の動作を説明するための図である。
まず、図５の例では、訓練スタッフ９０１による訓練者９００へのサポートが行われていないため、実際の重心位置ＣＰと、訓練者９００の姿勢から推定された重心位置ＣＰｘと、の差分が実質的にゼロとなっている。このとき、判定部２１０ｅは、実際の重心位置ＣＰと、訓練者９００の姿勢から推定された重心位置ＣＰｘと、の差分が所定値Ｔ１以下であるため、訓練スタッフ９０１による訓練者９００へのサポートが過剰でない、と判定する。そのため、通知部２２７による通知は行われない。

なお、訓練スタッフ９０１による訓練者９００へのサポートが行われていない状態において、重心位置ＣＰ，ＣＰｘ間にズレ（誤差）が生じている場合には、判定部２１０ｅは、その誤差を差し引いて、重心位置ＣＰ，ＣＰｘ間のズレが所定値Ｔ１を超えたか否かを判定することが好ましい。或いは、所定値Ｔ１は、訓練スタッフ９０１による訓練者９００へのサポートが行われていない状態における重心位置ＣＰ，ＣＰｘ間のズレ（誤差）が相殺されるような値に設定されてもよい。

次に、図６の例では、訓練スタッフ９０１が訓練者９００を右側から左方向に支えるようにしてサポートしているが、訓練スタッフ９０１による訓練者９００へのサポートが過剰でないため、実際の重心位置ＣＰの左方向へのズレが小さい。このとき、判定部２１０ｅは、実際の重心位置ＣＰと、訓練者９００の姿勢から推定された重心位置ＣＰｘと、の差分が所定値Ｔ１以下であるため、訓練スタッフ９０１による訓練者９００へのサポートが過剰でない、と判定する。そのため、通知部２２７による通知は行われない。

次に、図７の例では、訓練スタッフ９０１が訓練者９００を右側から左方向に支えるようにしてサポートしているが、訓練スタッフ９０１による訓練者９００へのサポートが過剰であるため、実際の重心位置ＣＰの左方向へのズレが大きい。このとき、判定部２１０ｅは、実際の重心位置ＣＰと、訓練者９００の姿勢から推定された重心位置ＣＰｘと、の差分が所定値Ｔ１を超えているため、訓練スタッフ９０１による訓練者９００へのサポートが過剰である、と判定する。そのため、通知部２２７は、訓練スタッフ９０１による訓練者９００へのサポートが過剰である旨を当該訓練スタッフ９０１に通知する。それにより、通知を受けた訓練スタッフ９０１が訓練者９００のサポートを弱めること等ができるため、訓練者９００は効果的な歩行訓練を行うことができる。

このように、本実施の形態に係る歩行訓練装置１００は、訓練スタッフ９０１による訓練者９００へのサポートが過剰である場合、訓練スタッフ９０１にその旨を通知する機能を備えている。それにより、通知を受けた訓練スタッフ９０１が訓練者９００へのサポートを弱めること等ができるため、訓練者９００は効果的な歩行訓練を行うことができる。

なお、所定値Ｔ１は、既に説明したように、訓練スタッフ９０１による訓練者９００へのサポートが行われていない状態における重心位置ＣＰ，ＣＰｘ間のズレ（誤差）が相殺されるような値に設定されてもよい。また、所定値Ｔ１は、訓練者９００の歩行速度、及び、訓練者９００の所定部位（腕など）の動作速度の少なくとも何れかに応じてリアルタイムに調整されてもよい。例えば、訓練者９００の歩行速度が速くなるほど、訓練者９００の姿勢から推定される重心位置ＣＰｘの誤差が大きくなる傾向にあるため、所定値Ｔ１は大きな値に設定され、訓練者９００の歩行速度が遅くなるほど、重心位置ＣＰｘの誤差が小さくなる傾向にあるため、所定値Ｔ１は小さな値に設定されてもよい。

また、本実施の形態では、通知部２２７が、訓練スタッフ９０１による訓練者９００へのサポートが過剰である場合にその旨を通知する場合を例に説明したが、これに限られない。例えば、訓練者９００が明らかに転びそうになった場合など、訓練者９００の所定の異常動作が検出された場合には、訓練スタッフ９０１による訓練者９００のサポートが過剰であるか否かの判定は無用であるため、通知部２２７による通知は行われないようにしてもよい。

さらに、本実施の形態では、訓練者９００が、一方の脚に麻痺を患う片麻痺患者である場合を例に説明したが、それに限られない。訓練者９００は、例えば、両脚に麻痺を患う患者であってもよい。その場合、訓練者９００は、両脚に歩行補助装置１２０を装着して訓練を実施する。或いは、訓練者９００は、何れの脚にも歩行補助装置１２０を装着していなくてもよい。

さらに、本開示は、歩行訓練装置１００における処理の一部又は全部を、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）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。

上述したプログラムは、コンピュータに読み込まれた場合に、実施形態で説明された１又はそれ以上の機能をコンピュータに行わせるための命令群（又はソフトウェアコード）を含む。プログラムは、非一時的なコンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体に格納されてもよい。限定ではなく例として、コンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体は、ｒａｎｄｏｍ－ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ（ＲＡＭ）、ｒｅａｄ－ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｄｒｉｖｅ（ＳＳＤ）又はその他のメモリ技術、ＣＤ－ＲＯＭ、ｄｉｇｉｔａｌ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｄｉｓｃ（ＤＶＤ）、Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標）ディスク又はその他の光ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ又はその他の磁気ストレージデバイスを含む。プログラムは、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体上で送信されてもよい。限定ではなく例として、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体は、電気的、光学的、音響的、またはその他の形式の伝搬信号を含む。

１００ 歩行訓練装置
１１０ 装具
１１０ａ 連結フック
１１１ ハーネスワイヤ
１１２ ハーネス引張部
１２０ 歩行補助装置
１２１ 制御ユニット
１２２ 上腿フレーム
１２３ 下腿フレーム
１２４ 足平フレーム
１２６ 調整機構
１２７ 前側連結フレーム
１２７ａ 連結フック
１２８ 後側連結フレーム
１２８ａ 連結フック
１２９ 上腿ベルト
１３０ フレーム
１３０ａ 手摺り
１３１ トレッドミル
１３３ 制御盤
１３４ 前側ワイヤ
１３５ 前側引張部
１３６ 後側ワイヤ
１３７ 後側引張部
１３８ 訓練用モニタ
１３９ 管理用モニタ
１４０ カメラ
２１０ 全体制御部
２１０ａ 歩行評価部
２１０ｂ 訓練判定部
２１０ｃ 歩行状態判別部
２１０ｄ 重心位置推定部
２１０ｅ 判定部
２１１ トレッドミル駆動部
２１２ 操作受付部
２１３ 表示制御部
２１４ 引張駆動部
２１５ ハーネス駆動部
２１６ 画像処理部
２１７ 姿勢センサ
２１８ 手摺りセンサ
２１９ 通信接続ＩＦ
２２０ 補助制御部
２２１ 関節駆動部
２２２ 荷重分布センサ
２２３ 角度センサ
２２５ 重心位置検出部
２２６ 姿勢検出部
２２７ 通知部
２２９ 通信接続ＩＦ
２３２ 非常停止ボタン
９００ 訓練者
９０１ 訓練スタッフ
１３１１ ベルト
１３１２ プーリー

Claims (11)

1. トレッドミルと、
   前記トレッドミルのベルトに搭乗した訓練者の足裏から受ける荷重から、当該訓練者の重心位置を検出する重心位置検出部と、
   前記訓練者の姿勢を検出する姿勢検出部と、
   前記姿勢検出部によって検出された前記訓練者の姿勢から、前記訓練者の重心位置を推定する重心位置推定部と、
   前記重心位置検出部によって検出された重心位置と、前記重心位置推定部によって推定された重心位置と、の差分が所定値を超えたか否かを判定する判定部と、
   前記判定部によって前記差分が前記所定値を超えたと判定された場合にその旨を通知する通知部と、
   を備えた、歩行訓練システム。
2. 前記重心位置検出部は、前記トレッドミルのベルトの下側に当該ベルトに連動しないように設置され、前記トレッドミルのベルトに搭乗した前記訓練者の足裏から受ける荷重の分布を検出する荷重分布センサである、
   請求項１に記載の歩行訓練システム。
3. 前記重心位置検出部は、
   前記訓練者の右脚及び左脚のそれぞれの足裏に取り付けられた一組の荷重センサと、
   前記訓練者の右脚及び左脚を少なくとも撮影する第１撮影部と、
   を備え、
   前記一組の荷重センサによって検出された荷重と、前記第１撮影部による撮影映像から特定される前記訓練者の右脚及び左脚のそれぞれの位置と、に基づいて、前記訓練者の重心位置を検出する、
   請求項１に記載の歩行訓練システム。
4. 前記姿勢検出部は、
   前記訓練者を撮影する第２撮影部と、
   前記第２撮影部による前記訓練者の撮影映像から、前記訓練者の姿勢に関する情報を抽出する姿勢情報抽出部と、を有し、
   前記重心位置推定部は、前記姿勢情報抽出部によって抽出された前記訓練者の姿勢から前記訓練者の重心位置を推定する、
   請求項１～３の何れか一項に記載の歩行訓練システム。
5. 前記姿勢検出部は、
   赤外線センサと、
   前記赤外線センサによる前記訓練者の検知結果から、前記訓練者の姿勢に関する情報を抽出する姿勢情報抽出部と、を有し、
   前記重心位置推定部は、前記姿勢情報抽出部によって抽出された前記訓練者の姿勢から前記訓練者の重心位置を推定する、
   請求項１～３の何れか一項に記載の歩行訓練システム。
6. 前記所定値は、前記訓練者の歩行速度、及び、前記訓練者の所定部位の動作速度、の少なくとも何れかに応じて決定される、
   請求項１～５の何れか一項に記載の歩行訓練システム。
7. 前記所定値は、前記訓練者の歩行速度が速くなるほど大きな値に設定され、前記訓練者の歩行速度が遅くなるほど小さな値に設定される、
   請求項１～５の何れか一項に記載の歩行訓練システム。
8. 前記所定値は、介助者による前記訓練者へのサポートが行われていない場合における、前記重心位置検出部によって検出された重心位置と、前記重心位置推定部により推定された重心位置と、の差分が相殺されるように、決定される、
   請求項１～７の何れか一項に記載の歩行訓練システム。
9. 前記通知部は、所定の異常動作が検出された場合には、前記重心位置検出部によって検出された重心位置と、前記重心位置推定部により推定された重心位置と、の差分が前記所定値を超えた場合でも、その旨を通知しない、
   請求項１～８の何れか一項に記載の歩行訓練システム。
10. 重心位置検出部を用いて、トレッドミルのベルトに搭乗した訓練者の足裏から受ける荷重から、当該訓練者の重心位置を検出するステップと、
    前記訓練者の姿勢を検出するステップと、
    重心位置推定部を用いて、検出された前記訓練者の姿勢から、前記訓練者の重心位置を推定するステップと、
    前記重心位置検出部によって検出された重心位置と、前記重心位置推定部によって推定された重心位置と、の差分が所定値を超えたか否かを判定するステップと、
    前記差分が前記所定値を超えたと判定された場合にその旨を通知するステップと、
    を備えた、歩行訓練システムの制御方法。
11. 重心位置検出部を用いて、トレッドミルのベルトに搭乗した訓練者の足裏から受ける荷重から、当該訓練者の重心位置を検出する処理と、
    前記訓練者の姿勢を検出する処理と、
    重心位置推定部を用いて、検出された前記訓練者の姿勢から、前記訓練者の重心位置を推定する処理と、
    前記重心位置検出部によって検出された重心位置と、前記重心位置推定部によって推定された重心位置と、の差分が所定値を超えたか否かを判定する処理と、
    前記差分が前記所定値を超えたと判定された場合にその旨を通知する処理と、
    をコンピュータに実行させる制御プログラム。

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