JP5626827B2 - 歩行訓練機 - Google Patents

Description

本発明は、歩行機能回復のためのリハビリテーションを行うために利用される歩行訓練機に関する。

近年、人口構造の高齢化が進むにつれて、加齢による転倒骨折、筋力低下、関節可動域低下、平衡感覚の衰え等を生じる人が増加し、その結果、歩行機能のリハビリテーションを必要とする患者の数が多くなっている。
通常、歩行訓練のリハビリテーションは、病院等の施設において理学療養士や看護師等の介護者の補助を受けながら行われているが、介護者の身体的負担が大きいことや、理学療養士の人数不足などにより訓練の時間が充分にとれないこと等の問題があった。

このような問題点に鑑みて、理学療養士等の補助を必要とせずに患者が自力で歩行訓練を行うための歩行訓練機が数多く提案されているが、前後方向にしか移動できないものは狭い室内での移動には適していない。

一方、本願発明者が先に提案した特許文献１の開示技術は、全方向に移動可能な構造を有するため、狭い室内での移動にも適している。
しかしながら、特許文献１の開示技術も含めて従来の歩行訓練機は、歩行者が直立した姿勢において歩行訓練を行うように構成されているため、ある程度の直位姿勢保持筋力をもつ患者にしか適用できず、事故や手術の直後等における上半身を支えるだけの筋力が無い重度の歩行障害者の訓練に使用することができなかった。

一方、直立姿勢での歩行訓練を行うことが困難な重度の歩行障害者のために、ベッドに寝た状態でペダル踏み運動等の足を動かす動作を行うことができる訓練機（下肢運動療法装置）が開発されている。
しかしながら、このような訓練機によって実施されるのは基本的には踏む動作であって地面に足を着けて行う歩行動作ではないため、歩行機能のリハビリ効果を充分に得ることができなかった。

特開２００３−６２０２２号公報

本発明は、上記した従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、事故や手術の直後等における上半身を支えるだけの筋力がない重度の歩行障害者であっても歩行訓練を実施することが可能であって、しかも高いリハビリ効果を得ることができ、更に室内での移動も容易に行うことができる歩行訓練機を提供するものである。

請求項１に係る発明は、利用者が足を地面に着けた状態で座ることができる高さの座部と、前記座部を支持する支持部材と、前記支持部材に取り付けられた３つの全方向移動部材と、前記全方向移動部材の駆動を目標軌道追従制御する制御手段と、以下の通り算出される後述する式（５）の制御アルゴリズムに基づくプログラムを実行する実行手段とを有する制御部と、を備えており、前記目標軌道追従制御は、前記プログラムを前記実行手段により実行することにより後述する式（６）、式（７）が得られることを特徴とする歩行訓練機に関する。

請求項２に係る発明は、前記座部に座った状態の利用者の前方への転倒を防止する前方転倒防止部材を備えていることを特徴とする請求項１記載の歩行訓練機に関する。

請求項３に係る発明は、前記座部に座った状態の利用者の背中を支える背もたれ部を備えており、前記前方転倒防止部材が、前記背もたれ部を支点として利用者の後方から前方に向けて回動可能であり且つ前方に回動した状態において前記座部に座った状態の利用者の前方及び左右側方を囲う平面視略Ｕ字状のガードハンドルからなることを特徴とする請求項２記載の歩行訓練機に関する。

請求項４に係る発明は、前記座部に座った状態の利用者の背中を支える背もたれ部を備えており、前記前方転倒防止部材が、前記背もたれ部に取り付けられて利用者の腹部に巻くことができるベルト部材からなることを特徴とする請求項２記載の歩行訓練機に関する。

請求項５に係る発明は、前記前方転倒防止部材が、前記座部の前方に設けられており且つ前記座部に座った状態の利用者が両手で掴むことができる正面視略Ｔ字状の前方ハンドルからなることを特徴とする請求項２記載の歩行訓練機に関する。

請求項６に係る発明は、前記座部が高さ調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の歩行訓練機に関する。

請求項１に係る発明によれば、利用者は座部に座った状態で歩行訓練を行うことができるため、事故や手術の直後等における上半身を支えるだけの筋力がない重度の歩行障害者であっても歩行訓練を行うことができる。つまり、従来の直立姿勢で利用される歩行訓練機を利用することができなかった重度の患者でも、座ることができる筋力さえあれば歩行訓練を行うことが可能となる。
また、全方向移動部材を備えているため、座った状態における歩行動作によっても全方向に容易に移動することができ、高いリハビリ効果を得ることが可能となる。特に、実際に足を地面に着けて動かして移動することができるため、ベッドに寝た状態でペダル踏み運動等を行う従来の重症患者用の訓練機に比べて格段に優れたリハビリ効果を得ることができる。更に、狭い室内での移動も容易に行うことができる。

請求項２に係る発明によれば、座部に座った状態の利用者の前方への転倒を防止する前方転倒防止部材を備えていることから、訓練中に利用者が前方に転倒することが防止され、歩行訓練を安全に行うことが可能となる。

請求項３に係る発明によれば、訓練中においてガードハンドルを利用者の前方に回動させて利用者の前方及び左右の側方を囲うことにより、利用者が前方及び側方に転倒することが防止され、歩行訓練を安全に行うことが可能となる。また、訓練終了時にはガードハンドルを利用者の後方に回動させることにより、利用者が容易に訓練機から離れることができる。更に、背もたれ部を有するため、利用者が後方に倒れることも防止される。

請求項４に係る発明によれば、訓練中においてベルト部材を利用者の腹部に巻くことにより、利用者が前方に転倒することが防止され、歩行訓練を安全に行うことが可能となる。更に、背もたれ部を有するため、利用者が後方に倒れることも防止される。

請求項５に係る発明によれば、利用者が訓練中において前方ハンドルを両手で掴むことにより、利用者が前方に転倒することが防止され、歩行訓練を安全に行うことが可能となる。

請求項６に係る発明によれば、座部が高さ調整可能に構成されていることから、利用者の体格に合わせて座部の高さを調整することができ、個々の利用者にとって最適な高さで歩行訓練を行うことが可能となり、高いリハビリ効果を得ることができる。

本発明に係る歩行訓練機の第一実施形態を示す斜視図である。 座部の上面より下方を見た平面図である。 座部の下面より下方を見た平面図である。 本発明に係る歩行訓練機の側面図である。 本発明に係る歩行訓練機の第二実施形態を示す側面図である。 本発明に係る歩行訓練機の第三実施形態を示す側面図である。 本発明に係る歩行訓練機の運動制御を行うための運動学及び動力学を導出するための座標設定と構造モデルを示している。

以下、本発明に係る歩行訓練機の好適な実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る歩行訓練機の第一実施形態を示す斜視図である。
本発明に係る歩行訓練機は、利用者が足を地面に着けた状態で座ることができる高さの座部（１）と、座部（１）を前記高さに支持する支持部材（２）と、支持部材（２）に取り付けられた全方向移動部材（３）と、座部（１）に座った状態の利用者の前方への転倒を防止する前方転倒防止部材（４）と、全方向移動部材（３）の駆動を制御する制御手段と、後述する制御アルゴリズムに基づくプログラムを実行する実行手段とを有する制御部（図示略）を備えている。

図２は座部（１）の上面より下方を見た平面図、図３は座部（１）の下面より下方を見た平面図、図４は本発明に係る歩行訓練機の側面図である。
座部（１）は、図２に示す如く、前方の幅が狭くなった平面視略三角形状の自転車のサドルのような形状を有している。これにより、利用者（Ｒ）が座った状態において、脚が前方部を左右に跨ぐ形となる（図４参照）。その結果、利用者が左右方向に倒れにくくなるとともに、左右の脚を横方向に動かし易くなる。そのため、前後だけでなく左右や斜めへの歩行訓練を容易に行うことが可能となり、高いリハビリ効果を得ることができる。

支持部材（２）は、全方向移動部材（３）が取り付けられた支持フレーム（２１）と、支持フレーム（２１）の略中心において垂直に立設された支柱（２２）とからなり、座部（１）は支柱（２２）の上端部に固定されている。
支柱（２２）は長さを調整することが可能な構造（例えば油圧シリンダ構造やネジ構造等）を有しており、支柱（２２）の長さを調整することにより座部（１）の高さを調整することが可能となっている。これによって、利用者の体格（身長や座高等）に合わせて座部（１）の高さを調整することができる。例えば、座部（１）の高さを４００〜８００ｍｍの間で調整可能とすることにより、身長１５０〜１９０ｃｍの利用者に対応することができる。
このように座部（１）の高さが調整可能であることにより、個々の利用者に対して座部（１）を最適な高さに設定して楽な姿勢で継続的に歩行訓練を行わせることが可能となり、高いリハビリ効果を得ることができる。

支持フレーム（２１）は、アルミニウム等の金属からなる棒状のフレーム部材を平面視略Ｔ字状に組み合わせて形成されており（図３参照）、Ｔ字の３方向の端部には夫々全方向移動部材（３）が取り付けられている。但し、支持フレーム（２１）の平面視形状はＴ字状には限定されず、例えば円弧状等の他の形状であってもよい。
支持フレーム（２１）上にはバッテリー（５）が搭載されている。
バッテリー（５）は、全方向移動部材（３）を駆動するための電動モータ（図示略）に対して電力を供給する。

全方向移動部材（３）としては、例えば一般的にオムニホイール（商標）と呼ばれている全方向車輪が好適に使用されるが、全方向に移動可能な構造を有する部材であれば特に限定されず、全方向車輪とは異なる構造の車輪式の移動部材でもよいし、ベルト式の移動部材などであってもよい。
本発明においては、全方向移動部材（３）として、本願発明者が特許第４００３０８２号において提案した構造のもの、具体的には、第一の回動軸で回動可能なローラフレームを一個又は複数個具備し、ローラフレームがそれ自体の周縁に沿って複数のフリーローラを保持するとともに、それ自体の内部に、ローラフレームを第一の回動軸回りに回動させるフレーム回動手段を収容してなるものが好適に使用される。

本発明に係る歩行訓練機は、全方向移動部材（３）を備えていることにより、前後方向だけでなく、左右方向、斜め方向、回転方向などの全方向に円滑に移動することができる。そのため、リハビリ効果に非常に優れたものとなり、歩行機能の早期回復を図ることが可能となる。
全方向移動部材（３）の数は特に限定されず、図示例では３つとされているが、４つ以上設けても良い。４つ以上設ける場合には、例えば支持フレーム（２）の平面視形状を円弧状とすることが好ましい。

座部（１）の後方には、座部に座った状態の利用者の背中を支える背もたれ部（６）が取り付けられている。これにより、利用者の姿勢を正すことができるとともに、利用者が後方に倒れることが防止できる。
背もたれ部（６）には、座部（１）に座った状態の利用者の前方への転倒を防止するための前方転倒防止部材（４）として機能するベルト部材（４１）が取り付けられている。
ベルト部材（４１）は、左右２本のベルトからなり、各ベルトの先端にはバックル等の係合部材が取り付けられている。そのため、左右２本のベルトを利用者（Ｒ）の腹部前方において互いに係合させることにより、ベルト部材（４１）を利用者（Ｒ）の腹部に巻き付けた状態で固定することができる（図４参照）。
これにより、座部（１）に座った状態の利用者（Ｒ）が前方へと倒れることが防止され、歩行訓練を安全に行うことができる。

座部（１）の前方には、全方向移動部材（３）の駆動を制御する制御部を操作する操作部（８）が取り付けられている。但し、本発明においては、全方向移動部材（３）の駆動を、例えば利用者の重心移動を検知して移動方向を決定するパッシブ制御等の自動制御により行うこともでき、この場合には利用者が手動で操作するための操作部（８）を設ける必要はない。

図５は本発明に係る歩行訓練機の第二実施形態を示す側面図である。
第二実施形態に係る歩行訓練機は、第一実施形態のものと同様に、利用者が足を地面に着けた状態で座ることができる高さの座部（１）と、座部（１）を前記高さに支持する支持フレーム（２）と、支持フレーム（２）に取り付けられた全方向移動部材（３）と、座部（１）に座った状態の利用者の前方への転倒を防止する前方転倒防止部材（４）と、座部（１）を支持する支持部材（２）と、バッテリー（５）と、全方向移動部材（３）の駆動を制御する制御手段と、後述する制御アルゴリズムに基づくプログラムを実行する実行手段とを有する制御部（図示略）を備えている。
座部（１）、支持部材（２）、全方向移動部材（３）、バッテリー（５）の構成は第一実施形態のものと同様であるため説明を省略し、第一実施形態のものと異なる構成である前方転倒防止部材（４）について説明する。

第二実施形態に係る歩行訓練機は、座部（１）に座った状態の利用者の前方への転倒を防止するための前方転倒防止部材（４）として機能する前方ハンドル（４２）を備えている。
前方ハンドル（４２）は、座部（１）の前方に設けられた正面視略Ｔ字状の部材であって、上下方向に延びる垂直部分（４２ａ）と、垂直部分（４２ａ）の上端部において左右方向に延びる水平部分（４２ｂ）からなる。利用者（Ｒ）は座部（１）に座った状態において、前方ハンドル（４２）の水平部分（４２ｂ）を両手で掴むことができる（図５参照）。
これにより、座部（１）に座った状態の利用者（Ｒ）が前方へと倒れることが防止され、歩行訓練を安全に行うことができる。

図６は本発明に係る歩行訓練機の第三実施形態を示す側面図である。
第三実施形態に係る歩行訓練機は、第一実施形態のものと同様に、利用者が足を地面に着けた状態で座ることができる高さの座部（１）と、座部（１）を前記高さに支持する支持部材（２）と、支持部材（２）に取り付けられた全方向移動部材（３）と、座部（１）に座った状態の利用者の前方への転倒を防止する前方転倒防止部材（４）と、バッテリー（５）と、背もたれ部（６）と、全方向移動部材（３）の駆動を制御する制御手段と、後述する制御アルゴリズムに基づくプログラムを実行する実行手段とを有する制御部（図示略）を備えている。
座部（１）、支持フレーム（２）、全方向移動部材（３）、バッテリー（５）、背もたれ部（６）の構成は第一実施形態のものと同様であるため説明を省略し、第一実施形態のものと異なる構成である前方転倒防止部材（４）について説明する。

第三実施形態に係る歩行訓練機は、座部（１）に座った状態の利用者の前方への転倒を防止するための前方転倒防止部材（４）として機能するガードハンドル（４３）を備えている。
ガードハンドル（４３）は、使用時において利用者（Ｒ）の前方を横切る方向に延びる前方部分（４３ａ）と、利用者（Ｒ）の左右側方で前後方向に延びる左右一対の側方部分（４３ｂ）とが一体に形成された平面視Ｕ字状の部材であって、側方部分（４３ｂ）の２つの端部が背もたれ部（６）の上端部に回動可能に取り付けられている。これにより、図中に仮想線（二点鎖線）で示すように、ガードハンドル（４３）は、背もたれ部（６）を支点として利用者（Ｒ）の後方から前方に向けて約９０度の範囲で回動可能となり、前方に回動した状態において座部（１）に座った状態の利用者（Ｒ）の前方及び左右の側方を囲うようになる（図６参照）。また、この状態において、利用者（Ｒ）は両手でガードハンドル（４３）を掴むことができる。
これにより、座部（１）に座った状態の利用者（Ｒ）が前方及び側方へと倒れることが防止され、歩行訓練を安全に行うことができる。また、歩行訓練が終了した時にはガードハンドル（４３）を利用者（Ｒ）の後方に回動させることにより、利用者が容易に訓練機から離れることができる。

以下、本発明に係る歩行訓練機の運動制御（全方向移動部材の駆動制御）を行うための運動学及び動力学を導出して示す。
図７は運動学及び動力学を導出するための座標設定と構造モデルを示している。
ここで、座標設定とパラメータの定義は以下の通りである。

以上の座標系において運動学は式（１）、動力学は式（２）に示す。

式（２）を式（３）のように纏める。

ここでは、次式（４）が成立するとする。

ベクトルｘ_ｄはベクトルｘの目標値を表す。
制御アルゴリズムとしては、式（５）を用いれば、式（６）に示すエラー方程式が得られる。Ｋ_ＤとＫ_ｐは制御パラメータである。

もし、制御パラメータＫ_ＤとＫ_ｐを次のように選べば、式（６）は安定した常微分方程式となり、式（７）が成立する。すなわち、目標軌道追従制御という目的を達成することができる。

上記式（１）〜式（７）のうち、式（１）〜式（４）は本発明に係る歩行訓練機に特有の運動特性（運動学及び動力学）を導出した式であり、式（５）〜式（７）は制御アルゴリズム（加速度制御方法）の一般式である。
本発明においては、上記した制御アルゴリズムをより具体化したプログラムを制御部に記憶させ、実行手段により実行することで運動制御（目標軌道追従制御）を行わせることができる。

本発明に係る歩行訓練機は、上半身を支えるだけの筋力がない重度の歩行障害者のための歩行訓練機として好適に利用されるものであり、病院や介護福祉施設のみならず、狭い住宅においても利用可能なものである。

１ 座部
２ 支持部材
２１ 支持フレーム
２２ 支柱
３ 全方向移動部材
４ 前方転倒防止部材
４１ ベルト部材
４２ 前方ハンドル
４３ ガードハンドル
５ バッテリー
６ 背もたれ部
Ｒ 利用者

Claims (6)

1. 利用者が足を地面に着けた状態で座ることができる高さの座部と、
   前記座部を支持する支持部材と、
   前記支持部材に取り付けられた３つの全方向移動部材と、
   前記全方向移動部材の駆動を目標軌道追従制御する制御手段と、以下の通り算出される下式（５）の制御アルゴリズムに基づくプログラムを実行する実行手段とを有する制御部と、を備えており、
   前記目標軌道追従制御は、前記プログラムを前記実行手段により実行することにより下式（６）、式（７）が得られることを特徴とする歩行訓練機。
   
   座標設定とパラメータの定義を以下の通りとし、
   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   Ｇ：歩行訓練機の重心
   
   上記座標系において運動学は式（１）、動力学は式（２）であり、
   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   式（２）を式（３）のように纏め、
   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   次式（４）が成立するとし、
   
   

   

   
   （ベクトルｘ_ｄはベクトルｘの目標値を表す。）
   
   制御アルゴリズムとして、式（５）を用いることにより、式（６）に示すエラー方程式を得て（Ｋ_ＤとＫ_ｐは制御パラメータである）、
   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   制御パラメータＫ_ＤとＫ_ｐを以下のように選ぶことにより、式（６）は安定した常微分方程式となり、式（７）が成立する。
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   
2. 前記座部に座った状態の利用者の前方への転倒を防止する前方転倒防止部材を備えていることを特徴とする請求項１記載の歩行訓練機。
3. 前記座部に座った状態の利用者の背中を支える背もたれ部を備えており、
   前記前方転倒防止部材が、前記背もたれ部を支点として利用者の後方から前方に向けて回動可能であり且つ前方に回動した状態において前記座部に座った状態の利用者の前方及び左右側方を囲う平面視略Ｕ字状のガードハンドルからなることを特徴とする請求項２記載の歩行訓練機。
4. 前記座部に座った状態の利用者の背中を支える背もたれ部を備えており、
   前記前方転倒防止部材が、前記背もたれ部に取り付けられて利用者の腹部に巻くことができるベルト部材からなることを特徴とする請求項２記載の歩行訓練機。
5. 前記前方転倒防止部材が、前記座部の前方に設けられており且つ前記座部に座った状態の利用者が両手で掴むことができる正面視略Ｔ字状の前方ハンドルからなることを特徴とする請求項２記載の歩行訓練機。
6. 前記座部が高さ調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の歩行訓練機。

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