JP3570241B2

JP3570241B2 - 歩行訓練装置

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Publication number: JP3570241B2
Application number: JP26270998A
Authority: JP
Inventors: 索柄川; 泰弘根本; 篤志小関; 静子服部; 昭彦酒井; 正克藤江
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2018-09-17
Also published as: JP2000084016A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歩行訓練装置に関し、特に、人体を支持する支持具に作用する力を検出する手段を備える歩行訓練装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
歩行に障害のある高齢者や障害者の歩行を補助し、歩行の訓練を行う装置として、特開平７−１８４９６６号公報に記載の歩行補助装置がある。
この装置は、車輪により移動できる移動体と、移動体に設けた支柱の上端に回転可能に設けられた、被訓練者の体を支持する支持具である保持アームと、保持アームを駆動するアクチュエータと、車輪を駆動するモータを備えている。また、保持アームの根元に作用力検出器が挿入されている。
被訓練者から保持アームに作用する力を、作用力検出器により検出し、作用力の下向き成分が目標値に等しくなるように、アクチュエータを駆動して保持アームを回転させることで、一定の力で被訓練者の体を保持している。また、作用力の前向き成分が目標値と等しくなるように、モータを駆動して、移動体を前進させることで、移動のための力を補助している。
このような歩行補助装置においては、作用力検出器として、歪ゲージ式多軸力センサが使用されてきた。これは、センサの内部に精密に立体的に加工された梁を設け、梁に接着された複数の歪ゲージの電気抵抗の変化を測定することにより、作用力を検出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
歩行訓練装置では、被訓練者が支持具に寄りかかって、脚に加わる体重の負担を減らしながら歩行を行うので、支持具を通じて作用力検出器に鉛直下向きに大きな力が加わる。一方、前進するために被訓練者が水平方向に加える力は、鉛直方向に比べて小さい。
従来の歩行訓練装置では、支持具の根元に歪ゲージ式多軸力センサを設け、センサ内の梁の歪を歪ゲージで測定することによって、作用力を検出していた。このとき、梁の歪は、鉛直方向と水平方向の両方の力の影響を受けるので、複数の歪ゲージの抵抗変化を検出し、それらに演算処理を施すことによって、各成分の力を分離検出していた。
しかし、水平方向の作用力は鉛直方向に比べて小さいので、水平方向の作用力を高精度に分離するのが困難であった。また、力センサが支持具の根元に配置されており、支持具は力センサによって片持ち支持されているので、力センサに対して、力センサを装置の左右軸（装置の幅方向の軸）回りにひねる大きなモーメントが加わっていた。このため、力センサの剛性を高める必要が生じるので、梁に生じる歪が小さくなり、作用力の検出感度が小さくなっていた。
これらにより、従来の構成では、作用力の検出精度を高めるのが困難であり、ノイズや温度変化による検出誤差が大きくなるという問題があった。
また、従来の歩行訓練装置において、作用力の検出値に比例した速度で移動体を駆動することにより、歩行を補助する場合、作用力の検出値に対する移動体の駆動速度の比例ゲインを大きくすると、作用力の検出誤差が駆動速度に与える影響が大きくなる。このため、検出誤差が大きい場合には、ゲインを小さくしなくてはならないので、歩行訓練装置の見かけの抵抗が大きくなり、被訓練者の疲労が大きくなるという問題が生じていた。
また、歩行訓練装置では、歩行訓練中の被訓練者からの作用力を記録して、訓練効果の評価に利用するが、作用力の検出誤差が大きいので、正確な評価を行うのが困難になるという問題があった。
また、実用上十分な作用力検出精度を得るためには、力センサの加工組み立てを極めて精密に行う必要があるので、製作費用が高くなるという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記の問題を解決するために、簡便な構成で、水平方向の力を精度良く検出できる歩行訓練装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、基体と、該基体に設けられ、使用者の歩行動作を可能にする駆動部と、前記基体に支持された支持具と、該支持具に作用する力を検出する力検出手段とを備えた歩行訓練装置において、前記基体に支持台を設け、該支持台に前記支持具を支持部材で支持し、前記力検出手段を前記支持部材とは離隔して設け、前記支持部材を弾性部材で構成するとともに、鉛直方向の剛性に対して水平方向の剛性が柔らかい異方性弾性部材にすることにより達成される。
上記の力検出手段は、支持台と支持具との相対変位を検出してもよい。
また、上記の支持部材により支持具を複数箇所で支持台に支持し、力検出手段を複数の支持位置の間に設けるとよい。
また、上記の支持具を左側部材と右側部材とに分割し、支持台と左右の支持具部材との間に、左右の支持具部材を各々前後に移動可能に支持するレールを設け、左右の支持具部材と支持台との間に、左右の支持具部材の前後方向の動きに対して反力を発生する反力発生部材を設け、支持台と左右の支持具部材との間の相対変位に基づく物理量を検出する検出器を設けてもよい。
また、本発明に係る歩行訓練装置としては、上記の駆動部に、基体に設けられた車輪と、車輪を駆動するモータと、モータを制御する制御装置とを備えて構成することができる。
また、本発明に係る歩行訓練装置としては、前記駆動部に、環状ベルトと、該環状ベルトを回転駆動するモータと、該モータを制御する制御装置とを備えて構成することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る以下の実施例においては、装置を水平面上に置いた状態において、水平面に垂直な方向を上下方向とし、水平面から離れる向きを上向きと定義する。また、通常の使用において、使用者（被訓練者）が前進又は後退する方向を前後方向と定義する。従って、上下軸とは上下方向に、前後軸とは前後方向に定義される軸のことであり、左右軸とは上下軸及び前後軸に垂直な軸、すなわち装置の幅方向に定義される軸を意味する。
【０００７】
以下、図面を用いて、各実施例を説明する。
【０００８】
図１に本発明の歩行訓練装置の第１の構成を示す。図１（ａ）は本実施例の歩行訓練装置を右側面から見た側面図であり、（ｂ）は上側から見た上面図である。
【０００９】
歩行訓練装置１の基体３は支柱４を有しており、支柱４の上端に支持台５が設けられている。基体３と支柱４とは別体で構成されてもよいし、一体に形成されてもよい。支持台５の上には、弾性部材６ａ〜６ｄにより支持されて支持具７が設けられている。また、支持台５には支持台５と支持具７の間の相対変位を検出する変位検出器８ａ〜８ｄが設けられている。
【００１０】
基体３は、右および左の駆動車輪１１ａ，１１ｂおよび従動車輪１２ａ，１２ｂによって移動可能に支持されている。駆動車輪１１ａ、１１ｂは、モータ１０ａ，１０ｂに減速機１８ａ，１８ｂおよびベルト１９ａ，１９ｂを介して接続されており、制御装置１７により、モータ１０ａ，１０ｂを同方向に駆動制御することにより、歩行訓練装置１を前後に移動させる。また、右および左のモータ１０ａ、１０ｂを逆方向に駆動制御することにより、歩行訓練装置１を左右の車輪の中間点Ｐを中心に旋回させることができる。
【００１１】
被訓練者２は、支持具７につかまり、体重の一部を支持具７に加え、脚にかかる負担を減らしつつ歩行訓練を行う。
【００１２】
図２に本発明の歩行訓練装置の支持具７に作用する作用力検出部（手段）の詳細構造を示す。図２（ａ）は斜め上方より見た斜視図であり、（ｂ）は右側方より見た側面図である。
【００１３】
支持具７は、被訓練者２の体を取り囲むようにＵ字形に形成されている。すなわち、支持具７は前縁部７ｃの左右両端部からそれぞれ後方に向けて延長して設けられた延設部７ａと７ｂとを有している。延設部７ａは使用者の右側方又は右腕を支持する支持部であり、延設部７ｂは使用者の左側方又は左腕を支持する支持部である。使用者（被訓練者）は通常、腹部を前縁部７ｃに向けて使用するが、このとき前進する向きを前向き、後退する向きを後ろ向きとする。
【００１４】
支持台５は支持具７と相似形に形成されており、支持台５の四隅に少なくとも上下（鉛直）方向の荷重受け部材（支持部材）となる４個の弾性部材６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが設けられており、その上に支持具７が取り付けられている。すなわち、延設部７ａに対応する延設部５ａの前後方向の両端部にそれぞれ１個ずつ弾性部材６ａ、６ｃが設けられ、延設部７ｂに対応する延設部５ｂの前後方向の両端部にそれぞれ１個ずつ弾性部材６ｂ、６ｄが設けられている。
【００１５】
被訓練者２は、支持具７につかまり、支持具７に体重の一部を預けて歩行するが、被訓練者２からの作用力は、弾性部材６ａ〜６ｄにより、支持具７の四隅で分散して支持される。すなわち、被訓練者２からの作用力は両持ち構造で支持される。
【００１６】
支持台５には、４個の変位検出器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが設けられている。支持具７の右および左には、変位検出器８ａ、８ｂに対応して、標的９ａ，９ｂが表面を前後方向に垂直に向けて設けられている。また、支持具７には、弾性部材６ａ，６ｃの中間点および、弾性部材６ｂ、６ｄの中間点に、変位検出器８ｃ、８ｄに対応して、標的９ｃ、９ｄが表面を水平に向けて設けられている。標的９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは、変位検出器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが支持具７の変位量を検出するための位置基準（目印）となる部材である。
【００１７】
変位検出器８ａ、８ｂは標的９ａ、９ｂとの間の前後方向の距離の変化（相対変位）を測定し、変位検出器８ｃ、８ｄは標的９ｃ、９ｄとの間の上下方向の距離の変化（相対変位）を測定する。すなわち、本実施例においては、支持具７に作用する作用力を検出する作用力検出部（手段）は、変位検出器８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと標的９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄとによって構成される。
【００１８】
弾性部材６ａ〜６ｄは、円柱形のゴムであり、上下方向すなわち鉛直方向に対しては剛性が高く、前後・左右方向すなわち水平方向に対しては剛性が低くなる、異方性の弾性を持つようにゴムの直径と長さが選択されている。望ましくは、鉛直方向の剛性が、２００Ｎ／ｍｍ〜２０００Ｎ／ｍｍになり、水平方向の剛性が、垂直方向の剛性の１／４以下になるように、ゴムの硬度、直径、長さを選択することが望ましい。
【００１９】
なお、弾性部材６ａ〜６ｄはゴムに限定されるわけではなく、例えば、金属のばねの組み合わせたものを用いてもよい。
【００２０】
変位検出器８ａ〜８ｄは、差動トランス式変位センサであり、センサから伸びるロッドの先端を、センサに内蔵されたばねにより、標的９ａ〜９ｄに垂直に押し当て、ロッドの変位を検出する。これにより、ロッドに平行（ロッドの軸に沿う方向）、すなわち標的９ａ〜９ｄに垂直な方向の変位を検出する。他の方向に対しては、変位が発生しても、ロッドの先端は標的の表面を滑り、ロッドは動かないので、変位は検出されない。
【００２１】
なお、変位検出器８ａ〜８ｄとしては他の方式の変位検出器を用いてもよく、例えば、差動トランスの代わりに、抵抗変化により変位を検出するポテンショメータを用いてもよい。あるいは、渦電流式ギャップセンサ、反射光量や３角測量の原理により距離を検出する光学式センサ、永久磁石を標的に用いて磁気抵抗効果やホール効果により変位を測定する磁気式センサ、などの非接触式センサを用いてもよい。
【００２２】
上述のように、本実施例では、使用者の体重を受ける荷重受け部材、すなわち本実施例の弾性部材６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄと、作用力検出手段とを分離し、それぞれの機能を独立させている。これにより、使用者の体重を支えるとともに、必要な作用力の検出を高精度かつ高分解能に行う事が可能になる。
【００２３】
図３に制御装置１７のブロック図を示す。なお、制御装置１７で行われる演算処理は、マイクロコンピュータを用いてソフトウエアにより実現してもよく、アナログ回路により実現してもよい。
【００２４】
まず、前後方向の変位検出器８ａと８ｂの出力Ｓａ、Ｓｂの和を２で割って支持具７の前後方向の変位Ｄｙを求め、ばね定数Ｃｙを掛けて、前後方向の作用力Ｆｙを求める。また、ＳａからＳｂを引いた値を変位検出器８ａ、８ｂの間隔Ｌ１で割って支持具７の上下軸まわりの回転変位Ｄｒｚを求め、ばね定数Ｃｒｚを掛けて、上下軸まわりのモーメントＦｒｚを求める。また、上下方向の変位検出器８ｃと８ｄの出力Ｓｃ、Ｓｄを２で割って支持具７の上下方向の変位Ｄｚを求め、ばね定数Ｃｚを掛けて、上下方向の作用力Ｆｚを求める。また、ＳｄからＳｃを引いた値をＬ１で割って支持具７の前後軸回りの回転変位Ｄｒｙを求め、ばね定数Ｃｒｙを掛けて、前後軸回りのモーメントＦｒｙを求める。
【００２５】
次に、前進方向の作用力ＦｙにゲインＫｙを掛けて、前進速度指令Ｖｙを求める。また、モーメントＦｒｚにゲインＫｒｚを掛けて、旋回角速度指令Ｖｒｚを求める。速度指令ＶｙおよびＶｒｚから、次の式で表される計算を行って、右および左の駆動車輪１１ａ、１１ｂを駆動するモータ１０ａ、１０ｂの回転数の指令値Ｖｍ１、Ｖｍ２を求める。
【００２６】
Ｖｍ１＝（２Ｎ／Ｄ）×Ｖｙ＋（ＮＷ／Ｄ）×Ｖｒｚ
Ｖｍ２＝（２Ｎ／Ｄ）×Ｖｙ−（ＮＷ／Ｄ）×Ｖｒｚ
ここで、Ｎは減速機１８ａ、１８ｂの減速比、Ｗは駆動車輪１１ａ、１１ｂの間隔、Ｄは駆動車輪１１ａ、１１ｂの直径である。
【００２７】
指令値Ｖｍ１、Ｖｍ２をモータ駆動回路６１ａ、６１ｂに与え、モータ１０ａ、１０ｂを指令値に従って回転させる。
【００２８】
また、作用力Ｆｙ、Ｆｒｚ、Ｆｚ、Ｆｒｙを、所定の時間間隔でメモリ６２に記録する。
【００２９】
以下、本発明の歩行訓練装置における作用力検出の動作を説明する。
【００３０】
説明のために、図１に示すように、歩行訓練装置１の座標系を、右向きをＸ、前向きをＹ、上向きをＺと定める。また、軸回りの回転やモーメントに対しては、各軸の正の向きに進む右ねじの方向を正と定める。
【００３１】
支持台５および支持具７はＵ字形に形成されているので、中央部は空間になっているが、図４に示すように、４個の弾性部材６ａ〜６ｄの中心の位置に仮想的な基準点を考え、これをＱとする。なお、基準点Ｑは、４個の弾性部材が複合されたばねの弾性中心に一致する。尚、図４において、（ａ）は上方から見た図を示しており、（ｂ）は後方から見た図を示している。
【００３２】
図４に示すように、被訓練者２から支持具７に働く作用力の、右方向、前方向、上方向の各軸方向の成分をそれぞれＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚとする。また、基準点Ｑにおける各軸回りのモーメントをＦｒｘ、Ｆｒｙ、Ｆｒｚとする。
【００３３】
被訓練者２が支持具７につかまり、支持具７に力を加えると、弾性部材６ａ〜６ｄが変形し、支持具７は支持台５に対して相対的に変位する。基準点Ｑにおける、支持台５に対する支持具７の変位の各座標軸に対する並進、回転の成分を、Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚ、Ｄｒｘ、Ｄｒｙ、Ｄｒｚとする。変位および作用力の基準点Ｑを弾性部材６ａ〜６ｄの弾性中心に一致させているので、作用力の各軸の成分は、それぞれの軸に対する変位に比例し、
Ｆｘ＝Ｃｘ×Ｄｘ
Ｆｙ＝Ｃｙ×Ｄｙ
Ｆｚ＝Ｃｚ×Ｄｚ
Ｆｒｘ＝Ｃｒｘ×Ｄｒｘ
Ｆｒｙ＝Ｃｒｙ×Ｄｒｙ
Ｆｒｚ＝Ｃｒｚ×Ｄｒｚ
で表される。ここで、Ｃｘ、Ｃｙ、Ｃｚ、Ｃｒｘ、Ｃｒｙ、Ｃｒｚは、弾性部材６ａ〜６ｄが複合されたばねの、各軸に対するばね定数であり、弾性部材６ａ〜６ｄの前後・左右のばね定数をＣｓｘ、上下方向のばね定数をＣｓｚとし、弾性部材６ａ、６ｃと６ｂ、６ｄの間隔をＬ１、弾性部材６ａ，６ｂと６ｃ、６ｄの間隔をＬ２とすると、
Ｃｘ＝４×Ｃｓｘ
Ｃｙ＝４×Ｃｓｘ
Ｃｚ＝４×Ｃｓｚ
Ｃｒｘ＝Ｃｓｚ×Ｌ２×Ｌ２
Ｃｒｙ＝Ｃｓｚ×Ｌ１×Ｌ１
Ｃｒｚ＝Ｃｓｘ×（Ｌ１×Ｌ１＋Ｌ２×Ｌ２）
となる。
【００３４】
前後方向の変位検出器８ａおよび８ｂは、その位置における前後方向の変位のみを検出するので、変位の検出値は、前後方向の変位Ｄｙと、上下軸回りの回転変位Ｄｒｚのみの影響を受ける。従って、変位が小さい場合、変位検出器８ａ、８ｂの出力Ｓａ，Ｓｂは、
Ｓａ＝Ｄｙ＋Ｄｒｚ×Ｌ１／２
Ｓｂ＝Ｄｙ−Ｄｒｚ×Ｌ１／２
となる。ここで、Ｌ１は弾性部材６ａ〜６ｄの左右方向の間隔である。
【００３５】
また、上下方向の変位検出器８ｃおよび８ｄは、その位置における上下方向の変位のみを検出するので、変位の検出値は、上下方向の変位Ｄｚと前後軸回りの回転変位Ｄｒｙのみの影響を受ける。なお、変位検出器８ｃ、８ｄの標的９ｃ、９ｄは、弾性部材６ａ、６ｃ、および６ｂ、６ｄの中間点に設けられているので、支持具７の左右軸回りの回転変位Ｄｒｘの影響は受けない。従って、変位が小さい場合、変位検出器８ｃ、８ｄの出力Ｓｃ，Ｓｄは、
Ｓｃ＝Ｄｚ−Ｄｒｙ×Ｌ１／２
Ｓｄ＝Ｄｚ＋Ｄｒｙ×Ｌ１／２
となる。
【００３６】
上記の関係から、変位Ｄｙ、Ｄｒｚ、Ｄｚ、Ｄｒｙを求めると、
Ｄｙ＝（Ｓａ＋Ｓｂ）／２
Ｄｒｚ＝（Ｓａ−Ｓｂ）／Ｌ１
Ｄｚ＝（Ｓｃ＋Ｓｄ）／２
Ｄｒｙ＝（Ｓｄ−Ｓｃ）／Ｌ１
の関係が得られる。
【００３７】
上記の原理に基づいて、図３に示した制御装置１７では、変位検出器８ａ〜８ｄの出力Ｓａ〜Ｓｄから、作用力Ｆｙ、Ｆｒｚ、Ｆｚ、Ｆｒｙを求めている。すなわち、Ｓａ、Ｓｂの和を２で割って、変位Ｄｙを求め、ばね定数Ｃｙを掛けて作用力Ｆｙを検出し、ＳａからＳｂを引いた値をＬ１で割って回転変位Ｄｒｚを求め、ばね定数Ｃｒｚを掛けて、モーメントＦｒｚを検出し、Ｓｃ、Ｓｄの和を２で割って変位Ｄｚ求め、ばね定数Ｃｚを掛けて、作用力Ｆｚを検出し、ＳｄからＳｃを引いた値をＬ１で割って回転変位Ｄｒｙを求め、ばね定数Ｃｒｙを掛けて作用力Ｆｒｙを検出している。
【００３８】
以下、本発明の歩行訓練装置の動作を説明する。
【００３９】
まず、被訓練者２が、脚に加わる負担を減らすために、支持具７に寄りかかって体重の一部を預けて鉛直下向きに力を加え、支持具７に対して上下方向の負の作用力Ｆｚを加えると、弾性部材６ａ〜６ｄが鉛直下向きに圧縮され、支持具７に支持台５に対して上下方向の負の変位Ｄｚが発生する。次に、前進歩行を開始するために、被訓練者２が支持具７に前向きに作用力Ｆｙを加えると、弾性部材６ａ〜６ｄが前向きに（弾性部材の上端側が下端側に対して前側に変位するように）変形し、支持具７に支持台５に対して前後方向の変位Ｄｙが発生する。
【００４０】
このとき、被訓練者２の体重による下向きの力に比べて、前進のための前向きの力は小さいが、弾性部材６ａ〜６ｄの水平方向の剛性を、鉛直方向よりも柔らかくしているので、前後方向の変位Ｄｙとして、上下方向の変位Ｄｚと同等の大きさの変位が得られる。
【００４１】
支持具７に発生した変位Ｄｙにより、前後方向の変位検出器８ａ，８ｂに同方向の変位が検出され、上述のように、制御装置１７によって、作用力Ｆｙが求められる。また、変位Ｄｚにより、上下方向の変位検出器８ｃ、８ｄに同方向の変位が検出され、制御装置１７により作用力Ｆｚが求められる。
【００４２】
制御装置１７は、前向きの作用力ＦｙにゲインＫｙを掛けて、速度指令Ｖｙを求め、それに従っ
て右および左の駆動車輪１１ａ，１１ｂを同方向に駆動することにより、前向きの作用力Ｆｙに比例した速度Ｖｙで、歩行訓練装置１を前進させる。
【００４３】
これにより、支持具７が前方に移動するので、被訓練者２の歩行速度が歩行訓練装置１の移動速度Ｖｙよりも遅い場合には、支持具７の変位Ｄｙが減少し、速度が低下する。逆に被訓練者２の歩行速度の方が速い場合は、変位Ｄｙが増加し、歩行訓練装置１の移動速度Ｖｙが増加する。これにより、歩行訓練装置１は、被訓練者２の歩行に同期して移動するので、歩行訓練装置１の見かけの抵抗を小さくする事ができる。
【００４４】
この時、作用力とＦｙと速度Ｖｙの関係は、ゲインＫｙにより定まるので、ゲインＫｙを変化させることにより、歩行補助装置１の見かけの抵抗を変えることができ、被訓練者２の身体状態に合わせた訓練を行うことができる。
【００４５】
また、被訓練者２が旋回を行うために、支持具７をひねり、上下軸回りのモーメントＦｒｚを加えると、弾性部材６ａ〜６ｄが変形し、支持具７に上下軸回りの回転変位Ｄｒｚが発生する。これにより、前後方向の変位検出器８ａ，８ｂに逆向きの変位が検出され、上述のように、制御装置１７により、モーメントＦｒｚが検出される。
【００４６】
制御装置１７は、モーメントＦｒｚにゲインＫｒｚを掛けて、回転速度指令Ｖｒｚを求め、それに従って右および左の駆動車輪１１ａ，１１ｂを逆方向に駆動することにより、モーメントＦｒｚに比例した回転速度Ｖｒｚで、歩行訓練装置１を旋回させる。
【００４７】
これにより、前進の場合と同様に、歩行訓練装置１は、被訓練者２の旋回歩行に同期して旋回する。この時、モーメントＦｒｚと回転速度Ｖｒｚの関係は、ゲインＫｙにより定まるので、ゲインＫｙを変化させることにより、被訓練者２の身体状態に応じて、歩行補助装置１の見かけの旋回抵抗を調整することができる。
【００４８】
上下方向の作用力Ｆｚは、被訓練者２が支持具７に加えている体重を表しており、被訓練者２の脚力の評価に用いる。また、傾斜面を歩行する場合に、前後方向の作用力Ｆｙから、重力による影響を除くためも使用できる。また、前後軸回りのモーメントＦｒｙは、被訓練者２の左右方向のバランスの評価に用いる。
【００４９】
歩行中の作用力Ｆｙ、Ｆｚ、Ｆｒｚ、Ｆｒｙは、記憶装置６２に記録されており、医師や理学療法士が、訓練後に記録を参照することにより、歩行訓練の効果を評価する。作用力の複数の成分が記録されるので、被訓練者２の運動の状況を詳しく調べることができる。
【００５０】
本実施例の歩行訓練装置においては、前後方向の変位検出器８ａおよび８ｂの出力Ｓａ，Ｓｂは、前後方向の作用力Ｆｙに比例する変位Ｄｙと、上下軸回りのモーメントＦｒｚに比例する回転変位Ｄｒｚのみの影響を受ける。すなわち、変位検出器８ａおよび８ｂの出力は、水平面内の作用力・モーメントのみに影響され易く、鉛直方向の作用力の影響を受けにくいので、被訓練者２が支持具７に寄りかかり、鉛直下向きに大きな力が加わっている場合でも、水平面内の作用力・モーメントを簡便に精度良く検出することができる。
【００５１】
また、上下方向の変位検出器８ｃおよび８ｄの出力Ｓｃ、Ｓｄは、上下方向の作用力Ｆｚに比例する変位Ｄｚと前後軸回りのモーメントＦｒｙに比例する回転変位Ｄｒｙの影響を受けるが、上下方向に２つの変位検出器８ｃ、８ｄを設けており、両者の出力の平均を求めることにより、上下方向の変位Ｄｚを求め、上下方向の作用力Ｆｚを検出しているので、被訓練者２が支持具７に体重を加える位置が変化しても、鉛直方向の作用力を正確に検出できる。
【００５２】
また、支持具７を、弾性部材６ａ〜６ｄにより、前後左右の四隅で両持ち支持しており、被訓練者２から力が作用する作用点が弾性部材６ａ〜６ｄの中央に位置しているので、被訓練者２が支持具７に寄りかかり、鉛直下向きに大き力を加えても、弾性部材６ａ〜６ｄに無理なモーメントが作用し難く、弾性部材６ａ〜６ｄが破損する恐れがない。また、このため、弾性部材６ａ〜６ｄの剛性を小さくすることができるので、作用力検出器８ａ〜８ｄにより検出される変位を大きくすることができ、作用力の検出感度が高まる。
【００５３】
また、弾性部材６ａ〜６ｄは、水平方向の剛性を、鉛直方向よりも小さくしているので、鉛直方向に比べて小さい水平方向の作用力を精度良く検出することができる。
【００５４】
歪ゲージを用いた従来の力センサでは、梁の微小な歪を検出することにより、力を検出していたが、本実施例では、弾性部材の変形により発生した、大きな変位を変位検出器で検出して力を検出しているので、ノイズや温度変化の影響を受けにくく、高い精度で作用力を検出できる。また、変位検出器に高い分解能が要求されないので、コストが低減される。
【００５５】
本実施例の歩行訓練装置では、高い精度で作用力を検出できるので、作用力に応じて駆動車輪を駆動するゲインＫｙ、Ｋｒｚを大きくすることができ、小さな力で歩行訓練装置１を移動させることができる。このため、被訓練者２に与える疲労を低減できる。また、訓練中の作用力を高い精度で検出し記録することができるので、訓練の効果を精密に評価することができる。
【００５６】
また、歩行訓練装置１の基体３は、方向が前後方向に固定された駆動車輪１１ａ，１１ｂと、方向が自在に回転する従動車輪１２ａ，１２ｂにより支持されているので、歩行訓練装置１は前後の移動と、駆動車輪１１ａ，１１ｂの中間点Ｐを中心とした旋回を行うことができるが、左右方向への平行移動はできない。このため、移動の制御には、被訓練者２から働く作用力の成分のうち、前後方向と、車輪中間点Ｐの回りのモーメントの成分を必要とするが、左右方向の成分を必要としない。
【００５７】
作用力検出の基準点Ｑと車輪中間点Ｐの水平面内の位置が一致している場合には、車輪中間点Ｐ回りのモーメントは、前述の上下軸回りの作用力の成分Ｆｒｚに一致する。すなわち、移動の制御には、前後方向の作用力Ｆｙと、上下軸回りのモーメントＦｒｚを必要とするが、左右方向の作用力Ｆｘを必要としない。
【００５８】
一方、基準点Ｑは弾性部材６ａ〜６ｄの弾性中心に一致しているので、左右方向の作用力Ｆｘに対して、支持具７は左右方向に平行に変位するが、上下軸回りの回転変位は生じない。すなわち、左右方向の作用力Ｆｘは、左右方向の変位Ｄｘのみに影響を及ぼす。また、前後方向の変位検出器９ａ，９ｂの出力Ｓａ、Ｓｂは、前後方向の変位Ｄｙと上下軸回りの回転変位Ｄｒｚの影響を受けるが、左右方向の変位Ｄｘに影響を受けない。このため、検出器出力Ｓａ，Ｓｂは、前後方向の作用力Ｆｙと、上下軸回りのモーメントＦｒｚのみに影響され、左右方向の作用力Ｆｘの影響を受けない。
このため、移動の制御のために必要となる、ＦｙおよびＦｒｚの２個の作用力の成分を、２個の変位検出器９ａ，９ｂで検出することができ、移動の制御に必要としないＦｘの影響を除くために、別に変位検出器を設ける必要がないので、変位検出器の数を最小限にすることができ、コストを低減できる。
【００５９】
なお、上記の効果を得るには、駆動車輪１１ａ、１１ｂの中間点Ｐと、弾性部材６ａ〜６ｄの弾性中心である基準点Ｑの水平面内の位置が一致している必要があるが、実際には、若干の誤差は許容される。しかし、操作感覚に違和感を与えないために、できるだけ車輪中間点Ｐと、基準点Ｑを近づけるように、駆動車輪１１ａ、１１ｂと支持台５、弾性部材６ａ〜６ｄ、支持具７を配置することが望ましい。
【００６０】
また、歩行訓練の効果の評価のために、左右方向の作用力の検出が必要な場合には、左右方向の変位Ｄｘを検出する変位検出器を追加することにより、左右方向の作用力Ｆｘを検出することもできる。
【００６１】
図５に本発明に係る歩行訓練装置の作用力検出部の別の構成を示す。
【００６２】
支持台５には、弾性部材の代わりに右および左のレール７２ａ、７２ｂが設けられている。レール上には、左右２個に分割された支持具７１ａ、７１ｂが前後方向に動きを規制されて移動可能に支持されている。このために、支持具７１ａ、７１ｂにはレールと摺動する摺動部材７５ａ、７５ｂが設けられている。また、支持具７１ａ、７１ｂは、前後方向に変形する板ばね７３ａ，７３ｂにより、支持台５と連結されている。このとき板ばね７３ａ，７３ｂは前向きの動きに対しても、また後ろ向きの動きに対しても反力を発生する事ができるので、コイルばねを用いるよりも構成が簡単になる。支持台５には、変位検出器６ａ，６ｂが設けられており、支持具７１ａ，７１ｂに設けられた標的９ａ、９ｂとの距離を検出することにより、支持具７１ａ，７１ｂの前後方向の変位を検出する。
【００６３】
被訓練者２が、支持具７１ａ、７１ｂに寄りかかり、前進するために前向きに作用力Ｆｙを加えると、支持具７１ａ、７１ｂは共に前向きに変位する。また、被訓練者２が、旋回するために支持具７１ａ、７１ｂに対して上下軸回のモーメントＦｒｚを加えると、支持具７１ａ，７１ｂは、逆方向に変位する。この変位を変位検出器６ａ，６ｂにより検出し、検出値Ｓａ，Ｓｂを、前記と同能に制御装置１７に与え、駆動車輪１１ａ，１１ｂを駆動制御することにより、前進および旋回の移動制御を行う。
【００６４】
被訓練者２から支持具７１ａ，７１ｂに加わる鉛直下向の作用力は、レール７２ａ、７２ｂにより支持され、変位検出器６ａ，６ｂの出力Ｓａ，Ｓｂに影響を及ぼさないので、被訓練者２が脚にかかる負担を減らすために、支持具７１ａ，７１ｂに体重を預け、鉛直下向きに大きな力を加えた状態でも、水平方向の作用力を精度良く検出できる。
【００６５】
図６に本発明に係る歩行訓練装置の第２の構成を示す。図６は装置を右側方より見た側面図を示している。
【００６６】
基体３には、支柱４が設けられており、その上部に支持台５が設けられている。支持台５には、弾性部材６ａ〜６ｄが設けられており、その上に支持具７が設けられている。また、基体３には、モータ８２により駆動されるベルト８１が設けられている。被訓練者２は、支持具７につかまり、ベルト８１の上を歩行して歩行訓練を行う。
【００６７】
前述の第１の構成では、駆動部を、基体の移動を可能にする車輪とこの車輪を駆動するモータ他からなる駆動手段とによって構成し、実際に移動することによって被訓練者の歩行動作を可能にしたが、本実施例では、環状のベルト８１とこのベルト８１を駆動するモータ８２他からなる駆動手段を用いて、ベルト８１上での被訓練者の歩行動作を可能にしている。
【００６８】
前述の第１の構成と同様に、支持具７の支持台５に対する変位を検出することにより、支持具７に働く作用力を検出し、前後方向の作用力に応じてモータ８２を駆動して、ベルト８１を動かすことにより、被訓練者２対する歩行訓練を行う。また、訓練中に支持具７に働く作用力を記録することにより、訓練の効果を評価する。
【００６９】
なお、モータ８２を一定の速度で駆動して、ベルト８１を一定の速度で駆動して、歩行訓練を行ってもよい。また、モータ８２の回転数に応じて、所定のトルクを発生するようにモータ８２を制御することにより、ベルト８１の抵抗を制御して歩行訓練を行ってもよい。
【００７０】
本実施例において、支持具７に作用する作用力の検出や、その利点は第１の構成と同様であり、また支持台及び支持具周りを図５の構成のようにしてもよい。
【００７１】
なお、本発明の歩行訓練装置の作用力検出方法は、パワーアシスト機能を備える電動車椅子や、荷物運搬用台車にも適用できる。
【００７２】
上記説明したように、本発明に係る歩行訓練装置の各実施例では、支持台に鉛直方向よりも水平方向の剛性を小さくした複数の弾性部材を設けて、支持具を両持ち支持し、支持台に対する支持具の変位を変位検出器により検出することにより、被訓練者から支持具に働く作用力を検出しており、水平方向の変位検出器の検出値は鉛直方向の作用力の影響を受けないので、被訓練者が脚にかかる負担を減らすために支持具に寄りかかり、支持具に鉛直下向きに大きな力を加えている場合でも、水平方向の作用力を精度良く検出できる。
【００７３】
また、支持具を弾性部材により両持ち支持し、弾性部材の水平方向の剛性を鉛直方向よりも柔らかくしているため、支持具に発生する変位が大きくなるので、容易に高い力検出精度が得られるとともに、変位検出器のコストが低減される。
【００７４】
作用力の検出精度が高まるので、作用力に応じて歩行訓練装置を移動させるゲインを高めることができ、軽い力で歩行できるようになるので、被訓練者の疲労が低減される。また、歩行訓練中の被訓練者から働く作用力の記録精度が高まるので、歩行訓練の効果をより精密に評価できる。
【００７５】
本発明に係る上記の実施例では、支持具を基体に支持する手段或いは部材と力検出手段とを隔離することにより、使用者（被訓練者）の体重による鉛直下向きの荷重が、水平方向の作用力の検出に影響を及ぼすことを防いでいる。このような技術思想は、支持具を基体に支持する手段を設けた上で、支持具と基体との間にこの支持手段よりも弱い支持剛性を有する梁を別に設け、この梁に歪みゲージを貼り付けて用いることによっても実施可能である。このような構成によっても、水平方向の作用力の検出精度を向上することができる。
【００７６】
【発明の効果】
支持具を基体に支持する手段とは離隔して力検出手段を設けたことにより、被訓練者が脚にかかる負担を減らすために支持具に寄りかかり、支持具に鉛直下向きに大きな力を加えている場合でも、水平方向の作用力を精度良く検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の歩行訓練装置の一実施例の構成を表す側面図および上面図。
【図２】作用力検出部の構成を示す斜視図および側面図。
【図３】制御装置の構成を示すブロック図。
【図４】作用力検出の動作を説明するための支持具および支持台の上面図および後側面図。
【図５】作用力検出部の別の構成を示す斜視図。
【図６】本発明の歩行訓練装置の別の実施例を示す側面図。
【符号の説明】
１…歩行訓練装置、２…被訓練者、３…基体、４…支柱、５…支持台、６ａ〜６ｄ…弾性部材、７…支持具、８ａ〜８ｄ…変位検出器、９ａ〜９ｄ…標的、１０ａ，１０ｂ…モータ、１１ａ，１１ｂ…駆動車輪、１２ａ，１２ｂ…従動車輪、１７…制御装置、１８ａ、１８ｂ…減速機、１９ａ，１９ｂ…ベルト、６１ａ、６１ｂ…駆動回路、６２…メモリ、７１ａ、７１ｂ…支持具、７２ａ，７２ｂ…レール、７３ａ，７３ｂ…板ばね、８１…歩行ベルト、８２…モータ。

Claims

基体と、該基体に設けられ、使用者の歩行動作を可能にする駆動部と、前記基体に支持された支持具と、該支持具に作用する力を検出する力検出手段とを備えた歩行訓練装置において、前記基体に支持台を設け、該支持台に前記支持具を支持部材で支持し、前記力検出手段を前記支持部材とは離隔して設け、前記支持部材は弾性部材であって、鉛直方向の剛性に対して水平方向の剛性が柔らかい異方性弾性部材であることを特徴とする歩行訓練装置。
請求項１に記載の歩行訓練装置において、前記力検出手段は、前記支持台と前記支持具との相対変位を検出する検出手段であることを特徴とする歩行訓練装置。
請求項１に記載の歩行訓練装置において、前記支持部材は前記支持具を複数箇所で前記支持台に支持し、前記力検出手段は複数の支持位置の間に設けられていることを特徴とする歩行訓練装置。
請求項１に記載の歩行訓練装置において、前記支持具を左側部材と右側部材とに分割し、前記支持台と前記左右の支持具部材との間に、該左右の支持具部材を各々前後に移動可能に支持するレールを設け、前記左右の支持具部材と前記支持台との間に、前記左右の支持具部材の前後方向の動きに対して反力を発生する反力発生部材を設け、前記支持台と前記左右の支持具部材との間の相対変位に基づく物理量を検出する検出器を設けたことを特徴とする歩行訓練装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載の歩行訓練装置において、前記駆動部は、前記基体に設けられた車輪と、該車輪を駆動するモータと、該モータを制御する制御装置とを備えてなることを特徴とする歩行訓練装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載の歩行訓練装置において、前記駆動部は、環状ベルトと、該環状ベルトを回転駆動するモータと、該モータを制御する制御装置とを備えてなることを特徴とする歩行訓練装置。