JP6187208B2

JP6187208B2 - 歩行リハビリシステム

Info

Publication number: JP6187208B2
Application number: JP2013251923A
Authority: JP
Inventors: 一誠中島; 光留菅田; 宏史嶋田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-12-05
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2033-12-05
Also published as: JP2015107247A

Description

本発明は歩行リハビリシステムに関する。

ユーザの歩行訓練時に、ユーザに装置の一部を装着してユーザの歩行動作を補助する歩行リハビリシステムが知られている。このような歩行リハビリシステムにおいては、足裏荷重センサを備えることでシステムの制御を行う。

特許文献１には、ユーザが歩行するためのドレッドミルと、ドレッドミル上を歩行するユーザの下半身に装着する装具とを備えたリハビリシステムが記載されている。特許文献１に記載の技術では、床反力を規範とした制御入力を特徴としたリハビリ装置である。ここでの床反力は、ユーザに装着された装具の足裏荷重センサから取得する。つまり、ユーザの脚側に足裏荷重センサを取り付ける必要がある。

特開２０１２−２１０４７８号公報

ここで、人間の歩行は、地面と人間の足裏との相互作用に成り立つ。したがって、その相互作用を検知するために、足裏にかかる荷重の検出は必要不可欠である。しかしながら、足裏荷重を測定するためには、ユーザの足裏に足裏荷重センサを取り付ける必要があった。

足裏荷重センサは、具体的にはユーザの下肢に装着される脚ロボットの足部分に設けられる。そのため、足裏荷重センサと、足裏荷重センサのための配線及び足裏荷重センサ取り付けのための機構と、により、脚ロボットの重量が増加してしまい、構成も複雑化するという問題があった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、ユーザの下肢に装着される装具をより軽量化した歩行リハビリシステムを提供することを目的とする。

本発明にかかる歩行リハビリシステムは、トレッドミルと、前記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、前記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、前記床反力センサの測定値及び前記距離画像カメラの撮影画像と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。これにより、足裏荷重センサをユーザに装着することなく、足裏荷重を推定することができる。

本発明によれば、ユーザの下肢に装着される装具をより軽量化した歩行リハビリシステムを提供することができる。

実施の形態にかかる歩行リハビリシステムの全体図である。実施の形態にかかるロボット制御ユニットを示すブロック図である。実施の形態にかかる足裏荷重推定部における荷重推定方法を示す図である。

実施の形態
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、本実施の形態にかかる歩行リハビリシステムの全体像を示す図である。歩行リハビリシステム１は、トレッドミル１０と、床反力センサ１１と、ロボット制御ユニット１２と、距離画像カメラ１３と、脚ロボット１４と、を備える。また、本実施の形態においては、さらに、ユーザのリハビリを補助する主担当者がリハビリシステムを操作するための操作パネルと、ユーザを支持するためのフレームと、ユーザを撮影するためのカメラ、及び表示装置を有する。

床反力センサ１１は、ユーザの左右の足がトレッドミル１０に接触する位置と、トレッドミル１０にかかる負荷とを測定する。距離画像カメラ１３は、ユーザの脚部の画像を撮影し、ユーザの足部分がトレッドミル１０に接触した位置の座標を測定する。

脚ロボット１４は、ユーザのひざ関節部分に装着され、図示しないモータによりユーザのひざ関節の屈伸を補助する。ロボット制御ユニット１２は、床反力センサ１１の測定値及び距離画像カメラ１３の撮影画像に応じて、ユーザの左右の足にかかる足裏荷重を推定して、脚ロボット１４をフィードバック制御する。

ここで、ロボット制御ユニット１２についてさらに詳細に説明する。図２はロボット制御ユニット１２の構成を示すブロック図である。ロボット制御ユニット１２は、トルク指令演算部１２１と、歩行状態推定部１２２と、足裏荷重推定部１２３と、を有する。

足裏荷重推定部１２３は、床反力センサ１１が測定した負荷と、距離画像カメラ１３の撮影した画像から、足裏にかかる荷重を推定し、歩行状態推定部１２２に出力する。

歩行状態推定部１２２は、脚ロボット１４の駆動部であるモータ（不図示）から取得した回転角と、足裏荷重推定部１２３から受け取った足裏荷重と、に基づいて、歩行状態を推定する。歩行状態推定部１２２は、推定した歩行状態をトルク指令演算部１２１に出力する。トルク指令演算部１２１は、受け取った歩行状態に応じて、脚ロボット１４にモータ駆動トルク指令を出力する。

図３は、足裏荷重推定部１２３における荷重推定方法を示す図である。ここでは、Ｗｂを床反力の合力とし、Ｗｌを左足裏荷重とし、Ｗｒを右足裏荷重とする。また、（ｘｂ,ｙｂ）を床反力の重心位置の座標とし、（ｘｌ,ｙｌ）を左足裏荷重の重心位置とし、（ｘｒ，ｙｒ）を右足裏荷重の重心位置とする。

床反力の合力Ｗｂは、床反力センサ１１の測定値より求まる。床反力の重心位置（ｘｂ,ｙｂ）は、床反力センサ１１の測定値より求まる。左足裏荷重の重心位置（ｘｌ，ｙｌ）は、距離画像カメラの撮影画像より推定する。同様に、右足裏荷重の重心位置（ｘｒ、ｙｒ）は距離画像カメラの撮影画像より推定する。以上より、足裏荷重には以下のような関係が成り立つ。

式（１）と式（２）より、左右の足裏荷重が求まる。

本実施の形態にかかる歩行リハビリシステムは、床反力センサ１１からの測定値と、距離画像カメラからの情報を基に、ユーザの左右の足裏にかかる足裏荷重を推定することが可能である。よって、ユーザの足に装着していた足裏荷重センサを設ける必要がなくなった。

これにより、よりユーザに装着する脚ロボットの軽量化と簡易化を行うことができる。さらに、従来の足裏荷重センサを有する脚ロボットでは、足裏荷重センサをユーザの足部に取り付けるための足部モジュール化する必要があるため、短下肢装身具との併用が困難であるという問題があったが、本実施の形態にかかる歩行リハビリシステムにおいては、このような問題は発生しない。

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、距離画像カメラに替えて距離計測センサとしてもよい。また、距離画像カメラに替えてレーザセンサや超音波センサにしてもよい。また、モータの取り付け位置については、ユーザのひざ関節の場所以外でもよい。

１歩行リハビリシステム
１０トレッドミル
１１床反力センサ
１２ロボット制御ユニット
１３距離画像カメラ
１４脚ロボット
１２１トルク指令演算部
１２２歩行状態推定部
１２３足裏荷重推定部

Claims

トレッドミルと、
前記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、
前記脚ロボットが装着された下肢を撮影する距離計測センサと、
ユーザに装着されるセンサを用いることなくユーザの足裏荷重を推定する手段であって、前記床反力センサおよび前記距離計測センサを用いて測定した、床反力の合力、及びその重心位置、並びに前記ユーザの左右の下腿のそれぞれの足裏荷重の重心位置、から前記床反力センサの測定値及び前記距離計測センサの計測結果とに基づいてユーザの左右の下肢のそれぞれ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。