JP6218146B2 - 運動訓練装置 - Google Patents
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Description
この装置では、麻痺側の手が全て他動的に動かされることが前提になっているが、麻痺側の手の状態によっては、麻痺側の手の自発的な運動をトリガーにその手を運動させることが随意性の回復に優れているとの知見がある(例えば、非特許文献1)。
これに対し、特許文献2〜4には、訓練者が腕を動かす際の生体信号をトリガーに腕を他動的に動かす装置が開示されている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、生体信号を検出するセンサを用いることなく、訓練者の自発的な動作をトリガーに運動を行わせる運動訓練装置を提供することを目的とする。
図1〜図3に示すように、本発明の一実施例に係る運動訓練装置10は、体の動作訓練を行う訓練者に装着されて用いられる装置であり、訓練者の体の一部が固定される固定部11a、12aをそれぞれ備え、回動して訓練者の関節を動作させる可動体11、12と、可動体11、12それぞれに対して回動力を与えるモータ(アクチュエータの一例)13、14と、訓練者から固定部11a、12aに対して加えられた各力により変化する物理量をそれぞれ検出する変化検出手段15、16とを備え、訓練者の自発的な運動をトリガーに可動体11、12を回動させて訓練者の関節を動作させる。以下、詳細に説明する。
可動体11(左の可動体)は、水平に配置され中心に軸19が連結された円形のターンテーブル20と、ターンテーブル20に固定され、ターンテーブル20上に立設した固定部11aとを備えている。
軸19は、図3に示すように、上下方向に沿って配置され、一端部がターンテーブル20に連結され、他端部がケーシング17内に配置されている。そして、軸19は、ケーシング17に固定された軸受けブロック21に回転可能に支持されているので、可動体11は軸19を中心に回動可能である。
軸22は、図3に示すように、上下方向に沿って配置され、一端部がターンテーブル23に連結され、他端部がケーシング17内に配置されている。
図1に示すように、固定部12aがターンテーブル23から上方に延びて形成されている点及び固定部12aがターンテーブル23の中心から離れた位置でターンテーブル23に固定されている点は、固定部11aと同様である。
モータ13には制御手段25が接続され、制御手段25はモータ13に指令信号を送ってモータ13を駆動させる。制御手段25は、例えばマイクロコンピュータによって構成することができる。
そして、可動体11は、訓練者の左手が固定部11aを掴み固定部11aに固定された状態で、軸19を中心に回動することによって訓練者の左手首を屈曲(掌屈)あるいは伸展(背屈)させる。
モータ14は、制御手段25に接続され、制御手段25からの指令信号によって駆動して、可動体12を軸22を中心に回動させる。
可動体12は、訓練者の右手が固定部12aを掴み固定部12aに固定された状態で、軸22を中心に回動して訓練者の右手首を屈曲あるいは伸展させる。
なお、本実施例では、モータ13及び変化検出手段15が一体となったサーボモータ機とモータ14及び変化検出手段16が一体となったサーボモータ機を用いている。
腕置きパッド29、30は、それぞれ訓練者が左腕及び右腕を載せるためのものであり、訓練者は、左前腕を腕置きパッド29に載せて左手で固定部11aを掴み、右前腕を腕置きパッド30に載せて右手で固定部12aを掴む。
訓練者の左前腕及び右前腕は、それぞれベルト31、32によってケーシング17に固定される。従って、左前腕及び右前腕がそれぞれベルト31、32で固定された訓練者は、可動体11の回動動作によって左手首が屈曲又は伸展し、可動体12の回動動作によって右手首が屈曲又は伸展する。
なお、図2は、ベルト31、32を省略している。
そして、訓練者が手首の動作訓練を行っている際には、タッチパネル33に動作訓練の状態が表示される。
左手の動作範囲は左手首を屈曲したい回動角度と伸展したい回動角度を定めることによって決定され、右手の動作範囲は右手首を屈曲したい回動角度と伸展したい回動角度を定めることによって決定される。
左右の手の動作範囲を決定するモードがタッチパネル33上で選択されると、モータ13、14が作動してターンテーブル20、23を回動させ、図1に示すように、真っ直ぐに伸ばした状態の左手首から最も離れた位置に固定部11aを配置させ、真っ直ぐに伸ばした状態の右手首から最も離れた位置に固定部12aを配置させる。
訓練者は、ターンテーブル20、23が回動して固定部11a及び固定部12aがそれぞれ左基準位置及び右基準位置に配置されるまで、固定部11a、12aに触れないようにする。
ブザー音がなるとモータ13、14はフリーとなり、ターンテーブル20、23は自在に回転可能な状態となる。
なお、左屈曲位置、左伸展位置、右屈曲位置及び右伸展位置のいずれから決定するかは制御手段25に格納されたプログラムによる。また、左基準位置及び右基準位置を0°位置とすると、本実施例では、左屈曲位置、左伸展位置、右屈曲位置及び右伸展位置を、−90°位置から0°位置を超え+90°位置の範囲で設定可能である。
制御手段25は、決定された動作訓練の速度を基に、可動体11、12の角速度を設定する。本実施例では、1秒〜4秒の範囲において1秒単位で動作訓練の速度が選択でき、T秒の速度が選択されると、制御手段25は固定部11aがT秒で回動領域Aを1往復する可動体11の角速度と固定部12aがT秒で回動領域Bを1往復する可動体12の角速度を算出する。
訓練者は、左右の手でそれぞれ固定部11a、12aを把持し、左右の前腕をそれぞれベルト31、32に固定することによって、手首の動作訓練を行うための装着が完了する。従って、訓練者は、簡単かつ短時間で装着作業を行うことが可能である。
1つ目は、訓練者の手首を他動的に曲げる他動モードであり、他動モードが開始されると、訓練者は、自らの筋力で左手又は右手を動かすことなく、モータ13、14の駆動により回動する可動体11、12によって左手及び右手の曲げ運動が行われる。
ここで、固定部11a、12aそれぞれに図示しない接触式のセンサ(人体接触検出部の一例)を設け、制御手段25は、この接触式のセンサにより訓練者の手(体の一部)が固定部11a及び固定部12aに接触しているのを検出している際にのみ、モータ13、14を駆動するようにしてもよい。これによって、訓練者が固定部11a、12aを把持していない状態で、モータ13、14が駆動して可動体11、12を回動させるのを防ぐことが可能である。
自動介助モード1、2では、制御手段25は、モータ13、14が静止中に変化検出手段15、16から回動角度情報を受けることによって可動体11、12が訓練者によって回動させられたのを検知し、モータ13、14を駆動して可動体11、12の回動を開始する。
可動体11、12のいずれをモータ13、14の駆動を開始するためのトリガーにするかは設定で定めることができ、療法士又は訓練者は、訓練者の左右の手の状態に応じてトリガーとなる可動体を決定する。
自動介助モード1、2では、モータ13、14が静止中に、トリガーとして定められた可動体(可動体11又は可動体12)がD°回動した時点で、モータ13、14が駆動を開始する。制御手段25は、トリガーとなっている一方の可動体が訓練者によって回動された方向に回動するようにモータを駆動すると共に他方の可動体もモータの駆動により回動させる。このとき、可動体11、12は左右対称となる方向に回動する。
従って、制御手段25は、訓練者から固定部(固定部11a又は固定部12a)に対して力が加えられて、変化検出手段(変化検出手段15又は変化検出手段16)が物理量(本実施例では、可動体の回動角度)の所定の変化を検出したことに応答し、モータ13、14を駆動することになる。
固定部11a、12aがそれぞれ左屈曲位置及び右屈曲位置に位置するまで可動体11、12が回動すると、制御手段25は、引き続いて、可動体11、12の回動方向を反転させ、可動体11を訓練者の左手を伸展する方向(第2の方向)に回動させ、可動体12を訓練者の右手を伸展する方向(第2の方向)に回動させる。本実施例では、固定部11a、12aのうち、先に左屈曲位置又は右屈曲位置に到達した一方は、他方が左屈曲位置又は右屈曲位置に到達するまで一時停止する。そして、固定部11a、12aは同時に訓練者の手を伸展する方向に動き始める。
自動介助モード1では、トリガーとして設定された可動体がD°回動されると、モータ13、14は、固定部11a、12aをそれぞれ回動領域A、Bを1往復するまで駆動して静止する。
このため、モータ13、14の駆動によって回動を始めた可動体11、12は左右対称となる方向に回動することになり、訓練者の左右の手を左右対称の向きに動作させる。左右の手を左右対称の向きに動かすことは、訓練者のリハビリテーション効果を上げるうえで有効であるという知見がある。
本実施例では、制御手段25は、モータ13、14の駆動レベル、即ちモータ13、14の出力軸の角速度を調整して、可動体11が回動領域Aを1往復する周期と可動体12が回動領域Bを1往復する周期を合わせている。左屈曲位置及び左伸展位置の角度差(以下、「回動領域Aの角度幅」とも言う)と右屈曲位置及び右伸展位置の角度差(以下、「回動領域Bの角度幅」とも言う)が同じ場合、モータ13、14の出力軸の角速度は等しくなり、回動領域Aの角度幅と回動領域Bの角度幅が異なる場合、モータ13、14の出力軸の角速度は異なる値となる。
従って、自動介助モード2においても、自動介助モード1と同様に、モータ13、14の駆動によって回動を始めた可動体11、12は左右対称となる方向に回動することになる。
この場合、屈曲位置(左屈曲位置又は右屈曲位置)に早く到達した一方の可動体は、他方の可動体が屈曲位置に到着するまで一時停止し、その他方の可動体と同じタイミングで屈曲位置から基準位置に向かう回動動作を開始する。そして、同様の制御によって、可動体11、12は、伸展位置(左伸展位置又は右伸展位置)から基準位置に向かう回動動作を同じタイミングで開始する調整がなされる。これにより、可動体11が回動領域Aを往復する周期と可動体12が回動領域Bを往復する周期を合わせることができる。
ここまで、訓練者の関節動作の一例である手首を屈曲、伸展する動作を訓練する運動訓練装置10について記載したが、本発明のポイントは、アクチュエータが静止中に、可動体が訓練者によって回動されたのを位置検出手段で検知し、これをトリガーにアクチュエータを駆動する点にある。因って、本発明は、前腕の回内、回外や、肩関節の内転、外転、内旋、外旋や、肘関節の屈曲、伸展や足関節の背屈、底屈等の他の関節の動作訓練にも応用することが可能である。
可動体54、55は、軸60に連結されたモータの駆動及び軸61に連結されたモータの駆動によってそれぞれ軸60、61を中心に回動する。
訓練者は、側壁部52に向かい合う位置から左右の前腕を側壁部52に向かって伸ばし、左前腕を支持棒材56aに沿って配置した状態にして左手で固定部57を掴み、右前腕を支持棒材58aに沿って配置した状態にして右手で固定部59を掴んで、左右の前腕の回内、回外の動作訓練を行う。具体的には、訓練者が、2つのモータが静止している際に、自らの左右の前腕の一方を回内、回外してトリガーとして定められた可動体を回動すると、2つのモータが駆動を開始して、可動体54、55を回動させ訓練者の左右の前腕を他動的に回内、回外動作させる。
運動訓練装置70は、前後にキャスター71が取り付けられた前後に長いベース材72、73が左右に間隔を空けて配置され、ベース材72、73にはそれぞれ下柱材74、75が固定されている。
左に配置されたベース材72、下柱材74及び上柱材76と、右に配置されたベース材73、下柱材75及び上柱材77の間で、ケーシング80の下側には、車椅子が入り込む大きさの空間が設けられている。従って、訓練者は車椅子に座った状態で運動訓練装置70に近づき、手首の動作訓練を行える位置につくことや、あるいは、車椅子に座った訓練者に運動訓練装置70を近づけて手首の動作訓練を行える位置に運動訓練装置70を配置することが可能である。
また、上柱材76、77及びケーシング80は、下柱材74、75にそれぞれ取り付けられたガススプリング82、83によって、高さ調整が可能であるので、ケーシング80の高さは、訓練者の体格に応じて調整される。
本実施例では、支持台84に、支持台84の前後動を補助するガススプリング87が取り付けられ、支持台84の前後方向の位置調整が円滑に行われるようにしている。
例えば、可動体に回転力を与えるアクチュエータは、モータに限定されず、例えばエアシリンダーであってもよい。
また、動作訓練の設定入力が行われるデバイスとして、タッチパネルの代わりに、キーボードやマウス等のデバイスを用いることができる。
そして、可動体、変化検出手段及びモータは、2組ある必要はなく、片手のみの動作訓練を行う場合、可動体、変化検出手段及びモータは1組のみでよい。
また、変化検出手段は、位置検出手段に限定されず、訓練者から固定部に対して加えられた力により変化する物理量を検出できればよい。例えば、訓練者が固定部に力を加えることにより変化する可動体に生じるトルクを検出するトルクセンサを変化検出手段に採用してもよく、その場合、可動体に生じているトルクが所定の値に達したことをトリガーにして、モータの駆動による可動体の回動を開始するように設計することができる。なお、変化検出手段に位置検出手段以外のものを採用する場合、変化検出手段とは別に可動体の回動角度を検出する手段を設けて可動体の回動を制御する必要がある。
Claims (2)
- 体の動作訓練を行う訓練者に装着される運動訓練装置において、
前記訓練者の左手によって把持される左把持部を備え、第1の軸を中心に回動して前記訓練者の左手首の屈曲又は伸展を行う左の可動体と、
前記訓練者の右手によって把持される右把持部を備え、第2の軸を中心に回動して前記訓練者の右手首の屈曲又は伸展を行う右の可動体と、
前記左の可動体及び前記右の可動体に回転力をそれぞれ与える第1、第2のアクチュエータと、
前記左の可動体の回動角度及び前記右の可動体の回動角度をそれぞれ検出する第1、第2の変化検出手段と、
前記第1の変化検出手段により前記左の可動体が所定角度回動したのが検出されたことに応答し、前記第1、第2のアクチュエータを駆動して、前記左右の可動体を回動させ、前記第2の変化検出手段により前記右の可動体が所定角度回動したのが検出されたことに応答し、前記第1、第2のアクチュエータを駆動して、前記左右の可動体を回動させる制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記左右の可動体それぞれの回動領域A、Bを決定し、前記第1、第2のアクチュエータによってそれぞれ回動を開始した前記左右の可動体を左右対称となる方向に回動させ、前記第1、第2のアクチュエータの駆動レベルを調整して、前記左の可動体が前記回動領域Aを往復する周期と前記右の可動体が前記回動領域Bを往復する周期とを合わせることを特徴とする運動訓練装置。 - 請求項1記載の運動訓練装置において、前記左把持部に前記訓練者の左手が接触していることを検出する左の人体接触検出部と、前記右把持部に前記訓練者の右手が接触していることを検出する右の人体接触検出部とを設けたことを特徴とする運動訓練装置。
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