JP6179393B2 - 歩行訓練システム - Google Patents

Description

本発明は、歩行訓練システムに関する。

病気や加齢により筋力が弱まると、自らの体の姿勢を維持したり、体重を支持したりする能力が衰えることが知られている。また、脳疾患により運動機能が損なわれる場合がある。

筋力や運動機能の回復を図るため、倒立型の移動ロボットを用いたバランス訓練装置が利用されている。このとき、筋力や運動機能の低下が著しい人であっても訓練が可能であるように、免荷装置が利用される。典型的には免荷装置による免荷は、天井に連結して吊り下げられた免荷ベルトを、人に装着することにより行われる。

特許文献１には、スライド機能付き免荷装置を利用した方向訓練装置に関する発明が開示されている。

特開２０１０−０２２４４１号公報

しかしながら、固定点に免荷ベルトを連結する免荷装置を用いた場合、移動ロボットの動作を考慮した免荷ベルトの調整が必要となる。この調整には微調整が必要となるため、補助者が必要となる場合が多い。また訓練前に免荷ベルトを調整するのは難しく、移動ロボットが倒立状態になって初めて、免荷ベルトの調整が可能となる場合が多い。また特許文献１に示すように、移動ロボットの上方に前後方向に動くスライダを用意し、スライダに免荷ベルトを接続した場合、移動ロボットが転倒しそうな場合であっても、移動ロボットが自由に動いてしまい安全担保が難しくなる場合がある。さらに、これらの免荷装置では移動ロボットの移動により、上方の固定点やスライダと接続する免荷ベルトの接続部の位置は、移動ロボットや搭乗者の位置とずれる。そのため、転倒又は降車時に真上方向以外の方向の張力が発生する場合がある。そのため搭乗者を、移動ロボットから安全に降車させることができない場合がある。したがって、移動ロボットや搭乗者が想定外の動きをした場合であっても安全を担保し、歩行訓練を効率的に行うことができる歩行訓練システムが望まれていた。

本発明にかかる歩行訓練システムは、移動ロボットと、前記移動ロボットが走行するエリアの上方に設けられ、前記移動ロボットの移動に応じてスライドするスライダと、一方の端部が前記スライダに接続し、他方の端部が前記移動ロボットに搭乗した搭乗者に接続する免荷ベルトと、前記スライダの位置を検出する位置検出部と、前記スライダのスライド動作に負荷を発生させる駆動部と、前記移動ロボットの状態を判定し、前記駆動部で発生させる負荷を制御する制御演算部と、を備え、前記制御演算部は、前記移動ロボットが走行状態であると判定した場合には、前記スライダがあらかじめ定めたトレーニング領域内にある場合に、前記スライダにかかる負荷を低負荷とし、前記トレーニング領域外にある場合に前記スライダにかかる負荷を高負荷とし、前記移動ロボットに人が乗車または降車すると判定した場合には、乗車または降車を開始する前記スライドの位置を基準位置として、前記トレーニング領域より狭い範囲である前記基準位置の近傍の領域において、前記スライダにかかる負荷を低負荷とし、前記近傍の領域外では前記スライダにかかる負荷を高負荷とし、前記移動ロボットが転倒したと判定した場合には、前記スライダにかかる負荷を高負荷とするよう、前記駆動部の動作を制御する。
これにより、スライダにかかる負荷を制御することができる。

歩行訓練を安全に行うことができる。

実施の形態１にかかる歩行訓練システムの構成を示す図である。 実施の形態１にかかる歩行訓練システムの模式図である。 実施の形態１にかかる歩行訓練システムの動作のフローチャートである。 実施の形態１にかかるトレーニング用の負荷パターンの一例を示す図である。 実施の形態１にかかる乗降用の負荷パターンの一例を示す図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１にかかる歩行訓練システム１の構成を示した図である。

歩行訓練システム１は、移動ロボット１１と、免荷ベルト１２と、駆動部１３と、スライダ１４と、位置検出部１５と、制御演算部１６を備える。図１は、移動ロボット１１の構成を示した図である。また図２は、歩行訓練システム１の模式図である。

移動ロボット１１は、人が乗車した場合に、倒立状態となって走行する倒立二輪車である。典型的には移動ロボット１１は、本体部２１と、車輪２２を有する。

本体部２１は、移動ロボット１１の本体部である。本体部２１は、制御演算部２１１、車両駆動部２１２、姿勢角センサ２１３、ステップスイッチ２１４、降車ボタン２１５と、無線通信部２１６を有する。搭乗者は、本体部２１の上に搭乗する。

制御演算部２１１は、移動ロボット１１の動作を制御する。例えば制御演算部２１１は、姿勢角センサ２１３が取得した移動ロボット１１の傾斜角や角速度に応じて、制御信号を生成する。典型的には制御演算部２１１は、制御信号を車両駆動部２１２に出力し、動作を制御する。

車両駆動部２１２は、車輪２２を回転駆動させる動力源である。車両駆動部２１２は、例えばモータである。車両駆動部２１２は、制御演算部２１１から入力された制御信号に応じて駆動状態を変更する。これにより車両駆動部２１２は、車輪２２の回転速度を変更する。

姿勢角センサ２１３は、搭乗者の重心移動により変化する移動ロボット１１の車体の傾斜角（ピッチ角）や角速度を取得する。姿勢角センサ２１３は、取得した情報を制御演算部２１１に出力する。また姿勢角センサ２１３は、取得した情報を、無線通信部２１６を介して制御演算部１６に出力する。

ステップスイッチ２１４は、典型的には本体部２１の上部に設けられたスイッチである。典型的には、ステップスイッチ２１４は２箇所に設けられており、搭乗者が本体部２１に搭乗したときに両足により押圧されることで、スイッチがＯＮ状態となる。ステップスイッチ２１４は、スイッチの状態に関する情報を、無線通信部２１６を介して制御演算部１６に出力する。

降車ボタン２１５は、搭乗者がトレーニングを終了し、移動ロボット１１から降車したい場合に操作するボタンである。降車ボタン２１５は、操作された場合に降車信号を生成し、無線通信部２１６を介して制御演算部１６に出力する。なお、降車ボタン２１５は、搭乗者がトレーニング中であっても、容易に操作可能な箇所に設けられていることが望ましい。

無線通信部２１６は、移動ロボット１１において取得された情報を、制御演算部１６に出力する。具体的には無線通信部２１６は、姿勢角センサ２１３で取得された姿勢角に関する情報と、ステップスイッチ２１４のステップの状態に関する情報と、降車ボタン２１５の降車信号を、制御演算部１６に出力する。

車輪２２は、移動ロボット１１の左右に、同軸上に設けられた一対の車輪である。車輪２２は、車両駆動部２１２により動力が与えられ、回転駆動する。

免荷ベルト１２は、一端がスライダ１４と連結し、他端が搭乗者に装着されているベルトである。なお免荷ベルト１３にはワイヤ等を用いても良い。

駆動部１３は、スライダ１４の移動範囲に応じて、スライダ１４の移動に対して負荷を発生させるアクチュエータである。駆動部１３は、移動ロボット１１の前後方向の天井部の２箇所に設けられ、２箇所間を、スライダ１４を介してワイヤで接続している。駆動部１３は、制御演算部１６から入力された制御信号に基づいて動作し、スライダの動作に負荷を発生させる。

スライダ１４は、移動ロボット１１の上方に設けられ、移動ロボット１１の動作に伴ってスライドを行うスライド部である。スライダ１４には、免荷ベルト１２の一端が連結している。またスライダ１４は、２つの駆動部１３とワイヤにより接続している。スライダ１４は、駆動部１３の動作に応じて負荷が与えられ、スライド動作が制限される。

位置検出部１５は、スライダ１４の位置を検出する。例えば位置検出部１５は、ワイヤエンコーダである。例えば位置検出部１５は、移動ロボット１１の移動に伴って移動したスライダ１４に応じて、ワイヤが移動した量を算出する。これにより、スライダ１４の位置を算出する。位置検出部１５は、算出したスライダ１４の位置情報を、制御演算部１６に出力する。

制御演算部１６は、駆動部１３の動作を制御する。具体的には制御演算部１６は、位置検出部１５から入力したスライダ１４の位置情報と、移動ロボット１１から入力した姿勢角の情報およびステップスイッチ２１４の状態に基づいて移動ロボット１１の状態を算出し、駆動信号を生成して、駆動部１３の動作を制御する。これにより制御演算部１６は、スライダ１４に与える負荷を制御する。制御演算部１６による具体的な制御については、後に詳述する。なお典型的には、制御演算部１６は、移動ロボット１１の状態に合わせて設定する負荷パターンを記憶する記憶部（図示せず）を有する。記憶部で記憶する負荷パターンは、トレーニング用、乗車・降車用、転倒用の３つである。また制御演算部１６は、移動ロボット１１が無線通信部２１６を介して送信した情報を受信する受信部（図示せず）を備える。

次に、歩行訓練システム１の動作について説明する。図３は、歩行訓練システム１の動作フローを示したフローチャートである。

制御演算部１６は、移動ロボット１１の状態と、スライダ１４の位置を取得する（ステップＳ１１）。言い換えると、制御演算部１６は、移動ロボット１１の無線通信部２１６を介し、姿勢角センサ２１３による計測情報と、ステップスイッチ２１４の状態の情報と、降車ボタン２１５の動作情報を取得する。また制御演算部１６は、位置検出部１５により検出されたスライダ１４の位置情報を取得する。その後ステップＳ１２に進む。

制御演算部１６は、移動ロボット１１に人が搭乗している状態か否かを判定する（ステップＳ１２）。具体的には制御演算部１６は、２つのステップスイッチ２１４のスイッチの両方が、搭乗者により、両足で押された状態であれば、乗車中であると判定する。または制御演算部１６は、移動ロボット１１から入力した姿勢角が所定の角度以内であれば、乗車中であると判定する。すなわち制御演算部１６は、姿勢角センサ２１３により取得されたピッチ角が、例えば０°などの静止状態を示す角度ではなく、かつ所定の角度の範囲内であれば、走行状態であると判定する。なお所定の角度は、任意に設定できることが望ましい。人が乗車中であれば（ステップＳ１２でＹｅｓ）、ステップＳ１３に進む。人が乗車中でなければ（ステップＳ１２でＮｏ）、ステップＳ１６に進む。

制御演算部１６は、移動ロボット１１が転倒したか否かを判定する（ステップＳ１３）。具体的には、制御演算部１６は、２つのステップスイッチ２１４のスイッチの片方または両方がＯＦＦ状態であり、かつ、移動ロボット１１から入力した姿勢角が所定の角度以上である場合には、転倒状態と判断する。ここで所定の角度とは、ステップＳ１２において走行状態の判定に用いた角度である。転倒状態であると判定した場合には（ステップＳ１３でＹｅｓ）、ステップＳ１７に進む。転倒状態でないと判定した場合には（ステップＳ１３でＮｏ）、ステップＳ１４に進む。

制御演算部１６は、降車ボタン２１５が押されたか否かを判定する（ステップＳ１４）。降車ボタン２１５が押された場合には（ステップＳ１４でＹｅｓ）、ステップＳ１６に進む。降車ボタン２１５が押されていない場合には（ステップＳ１４でＮｏ）、ステップＳ１５に進む。

制御演算部１６は、負荷パターンをトレーニング用に更新する（ステップＳ１５）。より具体的には、制御演算部１６は、トレーニング用の負荷パターンを記憶部から入力する。ここで図４は、トレーニング用の負荷パターンの一例であり、スライダ１４の位置に応じて与えられる負荷の大きさを示している。図４で示すように、典型的にはトレーニング用の負荷パターンでは、トレーニング中に移動ロボット１１が用いられるトレーニング領域では、スライダ１４には対して無負荷あるいは低負荷とする。一方、移動ロボット１１がトレーニング領域から外れた場合には、スライダ１４の稼働域の限界まで徐々に高負荷にする。このとき、バネ特性のように位置に応じて負荷を高めるだけでなく、ダンパ特性を持たせることや、Ｎ次曲線を用いた負荷のかけ方を設定しても良い。なお典型的には、トレーニング用の負荷パターンでは、スライダ１４の稼働域の限界では、スライダ１４を完全に静止させるよう設定されている。負荷パターンの更新後、ステップＳ１８に進む。

制御演算部１６は、負荷パターンを乗車・降車用に更新する（ステップＳ１６）。例えば制御演算部１６は、乗車・降車用の負荷パターンを記憶部から入力する。図５は、乗車・降車位置を基準位置とする、乗車・降車用の負荷パターンの一例である。乗車・降車用の負荷パターンでは、乗車又は降車が行われる基準位置の、近傍の領域でのみ、スライダ１４に対してかかる負荷を無負荷あるいは低負荷とし、近傍の領域の外では高負荷とする。例えば基準位置からの距離に比例して負荷を高くしていき、所定の距離以上離れた位置からは、一定の高負荷とする。ここでスライダ１４にかかる負荷を低負荷とする領域は、前述したトレーニング領域において低負荷とする領域に比べて狭い範囲とする。なお典型的には、基準位置とは、乗車の場合にはあらかじめ設定した乗車を行う初期位置であり、降車を行う場合には降車ボタン２１５が押された位置である。負荷パターンの更新後、ステップＳ１８に進む。

制御演算部１６は、負荷パターンを転倒用に更新する（ステップＳ１７）。具体的には制御演算部１６は、転倒用の負荷パターンを記憶部から入力する。ここで転倒用の負荷パターンは、転倒を検知した場所を基準位置として、スライダ１４にかかる負荷を高負荷とし、スライダ１４を基準位置に固定するパターンである。負荷パターンの更新後、ステップＳ１８に進む。

制御演算部１６は、更新した負荷パターンに基づいて、発生させる負荷を算出する（ステップＳ１８）。例えば制御演算部１６は、移動ロボット１１２が走行中の状態であれば、ステップＳ１１において位置検出部１５が検出したスライダ１４の位置の情報と、トレーニング用の負荷パターンを参照し、スライダ１４に発生させる負荷を算出する。制御演算部１６は、算出した負荷の値に応じた駆動信号を生成し、駆動部１３に出力する。

同様に、制御演算部１６は、移動ロボット１１が転倒状態であれば、転倒の負荷パターンを参照し、スライダ１４を転倒が発生したときの位置に固定させる負荷を算出する。制御演算部１６は、算出した負荷の値に応じた駆動信号を生成し、駆動部１３に出力する。

また同様に、制御演算部１６は、移動ロボット１１に人が乗車・降車する状態であれば、位置検出部１５が検出したスライダ１４の位置の情報と、乗車・降車用の負荷パターンを参照し、スライダ１４に発生させる負荷を算出する。

移動ロボット１１に人が乗車する場合については、制御演算部１６は、スライダ１４の位置があらかじめ定めた初期位置であるか否かを判定する。スライダ１４の位置が初期位置でない場合には、制御演算部１６は、スライダ１４が初期位置に動く方向に負荷が発生するよう、駆動信号を駆動部１３に出力する。スライダ１４が初期位置である場合には、制御演算部１６は、乗車・降車用の負荷パターンを参照し、基準位置の近傍の領域でのみ、スライダ１４に対してかかる負荷を無負荷あるいは低負荷とし、近傍の領域の外では高負荷とするよう、駆動信号を駆動部１３に出力する。

駆動部１３は、入力した駆動信号に基づいて、スライダ１４にかかる負荷を変更する（ステップＳ１９）。すなわち駆動部１３は、接続されたワイヤの動作を操作することで、スライダ１４にかかる負荷を変更する。

したがって、移動ロボットの状態に応じて、スライダの移動の負荷を制御することができる。すなわち移動ロボットが走行状態であるか、移動ロボットに人が搭乗する状態であるか、移動ロボットから人が降車する状態であるか、移動ロボットから転倒する状態であるかに応じて、スライダの移動の負荷を変更することができる。

より具体的には、人が移動ロボットに乗車または降車する場合には、乗降を行う位置の近傍において自由にスライダが移動する。これにより、ロボットが想定外の動作をした際の安全を担保することができる。またトレーニングを行う際には、免荷ベルトの調整が不要となる。トレーニング領域を広く取ることができるため、トレーニング内容の幅を広げることができる。またトレーニング中にスライダによる外力が加わりにくくなるため、効率的な歩行訓練が可能となる。さらにトレーニング領域の外では徐々に負荷が高くなるため、トレーニング領域でのトレーニングを自然に促すことができる。またスライダは、トレーニング領域では移動ロボットの動作に応じて移動し、転倒した場合には転倒を検知した位置で固定される。これにより転倒した搭乗者は、免荷ベルトにより上方向に引き上げられることから、安全の担保を図ることができる。

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、図５では、乗降車が行われる基準位置の近傍の範囲から、位置の変化に比例して負荷の大きさが変化する状態が示されているが、比例関係でなくても良い。例えば、トレーニング時の負荷パターンと同様に、ばね特性のように位置に応じて位置に応じて負荷を上げることや、ダンパ特性やＮ次曲線を用いた負荷パターンとしても良い。移動ロボット１１から、制御演算部１６には無線通信により情報が送信されるものとして記載したが、有線による通信であってもよい。

１ 歩行訓練システム
１１ 移動ロボット
１２ 免荷ベルト
１３ 駆動部
１４ スライダ
１５ 位置検出部
１６ 制御演算部
２１ 本体部
２１１ 制御演算部
２１２ 車両駆動部
２１３ 姿勢角センサ
２１４ ステップスイッチ
２１５ 降車ボタン
２１６ 無線通信部
２２ 車輪

Claims (1)

1. 移動ロボットと、
   前記移動ロボットが走行するエリアの上方に設けられ、前記移動ロボットの移動に応じてスライドするスライダと、
   一方の端部が前記スライダに接続し、他方の端部が前記移動ロボットに搭乗した搭乗者に接続する免荷ベルトと、
   前記スライダの位置を検出する位置検出部と、
   前記スライダのスライド動作に負荷を発生させる駆動部と、
   前記移動ロボットの状態を判定し、前記駆動部で発生させる負荷を制御する制御演算部と、を備え、
   前記制御演算部は、
   前記移動ロボットが走行状態であると判定した場合には、前記スライダがあらかじめ定めたトレーニング領域内にある場合に、前記スライダにかかる負荷を低負荷とし、前記トレーニング領域外にある場合に前記スライダにかかる負荷を高負荷とし、
   前記移動ロボットに人が乗車または降車すると判定した場合には、乗車または降車を開始する前記スライドの位置を基準位置として、前記トレーニング領域より狭い範囲である前記基準位置の近傍の領域において、前記スライダにかかる負荷を低負荷とし、前記近傍の領域外では前記スライダにかかる負荷を高負荷とし、
   前記移動ロボットの傾斜角が所定の角度以上である場合には、前記スライダにかかる負荷を高負荷とするよう、前記駆動部の動作を制御する、
   歩行訓練システム。

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