JP6501727B2 - 歩行動作補助装置 - Google Patents

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Description

本発明は、歩行動作補助装置に関する。
麻痺患者等の障害者に対するリハビリテーションにおいて、歩行動作を健常者に近づけるよう矯正する歩行動作補助装置がある。歩行動作補助装置は麻痺患者等の装着者の下肢に装着され、装着者の関節の動作を健常者の動作に近づけるよう矯正するものである。
特許文献1の歩行動作補助装置では、装着者の歩行周期における動作状態量(足関節角度)を時系列的に検出して取得した動作パターンを、健常者の動作パターン(参照用動作パターン)に近似するよう制御している。
特開2015−58033号公報
特許文献1の装置では、時系列的に隣接する検出期間ごとの多数(例えば、16箇所)の足関節角度の目標値を一つ一つ変えていかなければ連続的な足関節角度変化データを得ることができない。このため、現場で修正時間が長くなってしまい、円滑な歩行訓練が困難という課題を有する。
本発明は上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的は円滑な歩行訓練が可能な歩行動作補助装置を提供することにある。
本発明に係る歩行動作補助装置は、
装着者の足関節の回動動作を補助する歩行動作補助装置であって、
駆動モータと、
前記駆動モータにより前記足関節に対して同軸的に回動動作可能な駆動機構と、
前記駆動モータの駆動制御を行う制御装置と、
歩行周期における時系列的な足関節角度の変化を表す基本動作パターン及び修正動作パターンが記憶される記憶部と、
操作者の入力に基づいて前記基本動作パターンを修正して前記修正動作パターンを得る演算部と、を備え、
前記基本動作パターンは、歩行周期における踵及び爪先接地時、踵離地時、爪先離地時、及び、遊脚中期に相当する4点を屈曲点とする折れ線、ベジエ曲線またはこれらの組み合わせで表され、
前記演算部は前記基本動作パターン上の前屈曲点の位置調整によって修正された前記修正動作パターンを生成し、
前記制御装置は前記修正動作パターンに基づいて前記駆動モータの駆動を制御する、
ことを特徴とする。
また、前記制御装置は、前記基本動作パターン或いは前記修正動作パターンに沿って、前記足関節の角速度を制御することが好ましい。
また、装着者の踵の接地及び離地を検出する踵側感圧センサと、爪先の接地及び離地を検出する爪先側感圧センサと、を備え、
装着者の立位状態時の踵及び爪先の荷重を前記踵側感圧センサ及び前記爪先側感圧センサがそれぞれ検出し、
立位状態時に検出された荷重を基準にして、歩行中の装着者の踵及び爪先の接地及び離地の状態を検出することが好ましい。
また、前記踵側感圧センサが装着者の踵の接地を検出した時点から、前記制御装置は歩行周期の始点として前記基本動作パターン或いは前記修正動作パターンに基づいて前記駆動モータの駆動を制御することが好ましい。
また、装着者の足関節角度を検出する回転センサを備え、
一歩の歩行周期の始点、終点をそれぞれ踵接地時、次の踵接地時とし、前記制御装置は、前記回転センサで検出されたn歩目の終点の足関節角度をn+1歩目の始点の足関節角度として、n+1歩目の前記基本動作パターン或いは前記修正動作パターンを調整して前記駆動モータを制御することが好ましい。
(nは正の整数を表す。)
本発明に係る歩行動作補助装置では、リハビリテーション現場での修正時間を短縮でき、円滑な歩行訓練が可能である。
歩行動作補助装置の斜視図である。 歩行動作補助装置の制御系を概念的に示すブロック図である。 歩行動作補助装置が装着された状態で足関節角度が変化している様子を示す図である。 表示操作装置に表示された基本動作パターンを示す図である。 n歩目の基本動作パターンとn歩目の実際の動作との相違を表す図である。 n+1歩目の基本動作パターンの調整を表す図である。 表示操作装置に表示された基本動作パターンを修正し修正動作パターンを生成している様子を示す図である。
以下、図を参照しつつ、本実施の形態に係る歩行動作補助装置について説明する。歩行動作補助装置1は、図1〜3に示すように、足用装具10、足部フレーム11A、11B、頸部フレーム12A、12B、頸部用装具13、頸部収容ボックス20、駆動モータ30、駆動機構31、回転センサ50、爪先側感圧センサ51、踵側感圧センサ52、表示操作装置60、腰用装具70、腰部収容ボックス71を備える。
足用装具10は、装着者の足を内部に挿入するように装着する靴状の装具であり、足の姿勢が拘束されるように装着される。
足用装具10には、足部フレーム11A、11Bが設置されている。足部フレーム11A、11Bは、足用装具10に対して相対的に動かないよう固定されている。
また、足用装具10の底部には、爪先側感圧センサ51及び踵側感圧センサ52が設置されている。爪先側感圧センサ51は、足用装具10の母指球付近の底部に設置されている。爪先側感圧センサ52は、装着者の爪先の負荷加重を検出する。また、踵側感圧センサ52は、足用装具10の踵付近の底部に設置されている。踵側感圧センサ52は、装着者の踵の負荷加重を検出する。爪先側感圧センサ51及び踵側感圧センサ52は無線或いは有線により制御装置40と通信可能に接続されている。
頸部用装具13は、装着者の頸部に対してその周囲を巻装するよう装着する装具であり、装着者の膝の下部の位置に安定的に装着される。
頸部フレーム12A、12Bの上部は頸部用装具13に設置されている。頸部フレーム12A、12Bは頸部用装具13に対して動かないよう固定されている。
足部フレーム11A、11Bの上部と頸部フレーム12A、12Bの下部とは、装着者の足関節の回動軸と同軸上に位置するピボット等を介して接続されている。これにより、頸部フレーム12A、12Bが足部フレーム11A、11Bに対し、装着者の足関節と同軸上に回動可能に接続されている。
頸部フレーム11Aには、頸部収容ボックス20が設置されている。頸部収容ボックス20には、駆動モータ30、駆動機構31、回転センサ50が収容されている。
駆動モータ30は、回転駆動力を機械的に駆動機構31に伝達する。駆動機構31は、伝達された駆動モータ30の回転駆動力によって、頸部フレーム12Aに対して足部フレーム11Aを回動させる。これにより、装着者の足関節の回動を補助する。
回転センサ50は、例えば、上記駆動機構31の駆動軸と同軸的に設けられており、足部フレーム11Aの延在軸と頸部フレーム12Bの延在軸との交差角を求めることにより、装着者の足関節の回転角を検出する。図3に示すように、回転センサ50は立脚中期のときの足関節角度を基準角度(0°)とし、基準角度から足関節が底屈した場合に+θ、背屈した場合に−θとして検出する。回転センサ50は無線或いは有線により制御装置40と通信可能に接続されている。
表示操作装置60は、例えばタッチパネル式のデバイスであり、理学療法士等の操作者の操作に利用される。表示操作装置60には基本動作パターン或いは修正動作パターンとして所定の複数点を屈曲点とする折れ線、ベジエ曲線又はこれらの組み合わせが表示される。基本動作パターン、修正動作パターンは歩行の一周期における足関節角度(θ)と歩行の位相の関係を時系列的に表すパターンである。また、複数点は、足関節の回動方向が変化する点である。操作者は基本動作パターン上の複数箇所の移動操作を行うことができる。表示操作装置60は、無線或いは有線により制御装置40と通信可能に接続されている。
図1に戻り、腰用装具70には、腰部収容ボックス71が設置されている。腰用装具70は装着者の腰部に対してその周囲を巻装するよう装着する装具であり、装着者の腰の位置に安定的に装着され、腰部収容ボックス71を保持する。
腰部収容ボックス71には、制御装置40、バッテリ(不図示)が収容されている。
制御装置40は演算部41、記憶部42、入力部43を有している。制御装置40は、後述するように、角度、角速度、トルクのパラメータを基に、駆動モータ30の回転並びに回転トルクを制御することで、歩行動作補助装置1を装着した装着者の歩行中の足関節を制御する。
演算部41は、CPU(Central Professor Unit)であり、記憶部42に格納されたプログラムを実行することで、歩行動作補助装置1の全体の機能を発揮する。また、後述の基本動作パターンを修正して修正動作パターンを取得するほか、歩行動作補助装置1全体を制御する機能を有する。
記憶部42はROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、フラッシュメモリなどの不揮発性記憶装置である。記憶部42には、演算部41の動作を制御するプログラムが格納されている。記憶部42には、歩行の一周期における時系列的な足関節角度の変化を表す基本動作パターンが複数(例えば4パターン)記憶されている。また、記憶部42は、後述するように、基本動作パターンが修正されて得られる修正動作パターンを記憶する。
入力部43は、表示操作装置60からの情報、並びに、回転センサ50、爪先側感圧センサ51、踵側感圧センサ52の検出結果が入力される。
バッテリは、駆動モータ30や制御装置40等、歩行動作補助装置1の電源である。駆動機構31は、頸部収容ボックス20に配置され、駆動モータ30の回転動力を伝達し、頸部フレーム12Aに対して足部フレーム11Aを回動させる機構である。
続いて、歩行動作補助装置1の動作について説明する。まず、装着者(歩行訓練者)の足を足用装具10に入れて、足を固定し、頸部用装具13を装着者の頸部に固定する。
そして、歩行動作補助装置1の電源が入れられた後、理学療法士等の操作者が表示操作装置60を用い、記憶部42に記憶されている複数の基本動作パターンから、歩行訓練者に応じて任意の基本動作パターンを選択する。基本動作パターンは歩行周期における時系列的な足関節角度の変化を表すものであり、たとえば、図4に示すように、表示操作装置60にP1〜P4の4点を通る折れ線として表示される。
P1〜P4の4点の位相は、歩行周期における踵接地及び爪先接地(P1)、踵離地(P2)、爪先離地(P3)、遊脚中期(P4)に相当している。大凡、P1、P2、P3及びP4の位置は、それぞれ歩行周期における位相の5〜15%、35〜45%、55〜65%及び75〜85%である。
ここで、歩行周期は、足用装具10が装着された側の足の踵接地から、その足が次に踏み出されて踵が接地するまでとする。したがって、足の踵接地時を歩行周期の始点(図4の歩行周期:0%)、その足が次に踏み出されて踵が接地した時点を歩行周期の終点(図4の歩行周期:100%)として説明する。
歩行周期は人それぞれ異なるので、装着者に応じた歩行周期に調整される。たとえば、操作者が図4に示す「歩行周期」の「up」ボタン、「down」ボタンを押すことで、歩行周期を長く、或いは、短く設定でき、制御装置40は設定された歩行周期に基づいて制御する。
装着者が足用装具10をつけた後、爪先側感圧センサ51、踵側感圧センサ52の検出感度が設定される。具体的には、装着者が起立状態(立位状態)をとったときに、爪先側感圧センサ51、踵側感圧センサ52それぞれが検出した負荷を基準負荷として、制御装置40の記憶部42は記憶する。この基準負荷は、表示操作装置60のセンサの「up」、「down」を押すことにより、大きくしたり、小さく設定することが可能である。そして、装着者の歩行動作中に、爪先側感圧センサ51、踵側感圧センサ52が基準負荷以上の負荷を検出した場合に、制御装置40は装着者の爪先側が接地していること、踵側が接地していることをそれぞれ認識する。
なお、爪先側感圧センサ51、踵側感圧センサ52の検出感度は調整可能であり、基準負荷を大きく、或いは、小さく調整して設定することが可能である。たとえば、図4に示す表示操作装置60において、「センサ」の「up」ボタン、「down」ボタンを押すことで、基準負荷を大きくしたり、小さくしたりすることができる。なお、本実施形態は、爪先側感圧センサ51を利用しない制御形態である。
そして、立位状態の装着者が歩行訓練を始める。立位状体の歩行訓練者は、足用装具10が取り付けられた側の足を一歩踏み出す。踵側感圧センサ52が踏み出された足の踵が接地したことを検出すると、制御装置40は、その踵が接地した時点の足関節角度を歩行周期の始点における足関節角度とし、選択された基本動作パターンに基づいて駆動モータ30の駆動制御を開始する。
制御装置40は、選択された基本動作パターンに基づき、足関節角度が基本動作パターンに沿うよう、駆動モータ30の角速度、トルクを制御する。例えば、演算部41が内臓タイマを備えており、演算部41は選択された基本動作パターンと設定された1周期(図4では1600ms)に基づいて、歩行周期:0%〜P1、P1〜P2、P2〜P3、P3〜P4、P4〜歩行周期:100%のそれぞれの間の駆動モータ30の回転方向、角速度、継続時間を求める。そして、演算部41は、求めた情報に基づいて、駆動モータ30を制御する。また、P1(踵接地及び爪先接地)において、背屈から底屈へと切り替わるタイミング、及び、その勢いを装着者に伝えるよう、制御装置40が駆動モータ30の駆動を制御する。また、P2(踵離地)時において、底屈から背屈へと切り替わるタイミング、及び、その勢いを装着者に伝えるよう、制御装置40が駆動モータ30の駆動を制御する。また、P3(爪先離地)時において、背屈から底屈へと切り替わるタイミング及び、その勢いを装着者に伝えるよう、制御装置40が駆動モータ30の駆動を制御する。また、P4(遊脚中期)時において、底屈から背屈へと切り替わるタイミング、及び、その勢いを装着者に伝えるよう、制御装置40が駆動モータ30の駆動を制御する。
したがって、図4の折れ線で表される基本動作パターンにおいては、P1で足関節の角速度をプラス(背屈)方向へ、P2でマイナス(底屈)方向へ、P3でプラス(背屈)方向へ、P4でマイナス(底屈)方向へ変換するよう、駆動モータ30の回転駆動(角速度、トルク)が制御される。また、P1からP2まで、P2からP3まで、P3からP4まで、P4からP1まで、それぞれ一定の角速度になるように、駆動モータ30の回転駆動(角速度、トルク)が制御される。
これにより、装着者は基本動作パターンにおける歩行周期の時系列的な足関節角度に沿うように歩行を行うことになる。なお、回転センサ50、爪先側感圧センサ51、踵側感圧センサ52の検出結果が入力部43に送信され、制御装置40は装着者の歩行状態に応じ、適切なタイミングで駆動モータ30の駆動を制御する。
また、駆動モータ30のトルク制御により、基本動作パターン或いは修正動作パターンとして表される時系列的な足関節角度に強制的に沿わせることがないようにもできる。操作者が図4に示す表示操作装置60の「増幅率」の「up」ボタン、「down」ボタンを押すことで、駆動モータ30のトルクを高く、或いは、低く設定することができる。そして、設定された増幅率に基づいて、制御装置40は駆動モータ30のトルクを制御する。
たとえば、ある程度能動的に足関節を動かせるヒトの場合、底屈から背屈へ切り替えるタイミング、或いは、背屈から底屈へ切り替えるタイミングを示唆するだけの方が、トレーニング効率が高いことがある。このような場合では、増幅率を小さく設定し、制御装置40が駆動モータ30のトルクを小さくするよう制御することで、過剰なサポートを与えることなくトレーニング効率を高めることができる。
一方、能動的に足関節を動かすことが困難なヒトの場合では、増幅率を大きく設定し、制御装置40が駆動モータ30のトルクを大きくするよう制御することで、十分なサポートを与えることもできる。
このように、歩行動作補助装置1は、トルク制御と足関節の角速度の制御をしており、歩行周期において目標とする足関節角度を絶対的な角度として制御しないこともできる。この場合、実際の歩行動作における歩行者の足関節角度は、基本動作パターンとは完全一致せず、ずれが生じることもある。
たとえば、図5に模式的に示しているが、歩行者のn歩目の実際の動作のように、設定された基本動作パターンからずれており、n歩目の歩行周期の終点では、実際の動作の足関節角度は基本動作パターンの足関節角度よりも小さくなることがある。この場合、図6に示すように、n歩目の実際の動作での歩行周期の終点の足関節角度を、n+1歩目の歩行周期の始点の足関節角度として、基本動作パターンが全体的に下降する。そして、このように調整された基本動作パターンに基づいて、制御装置40が駆動モータ30の駆動を制御する。なお、nは正の整数を表している。
同様に、歩行訓練者のn歩目の実際の動作における歩行周期の終点の足関節角度が、基本動作パターンの足関節角度よりも大きくなる場合、上記とは逆に、n歩目の実際の動作での歩行周期の終点の足関節角度を、n+1歩目の歩行周期の始点の足関節角度として、基本動作パターンが全体的に上昇する。
このように、歩行動作補助装置1は、n歩目の歩行周期の終点の足関節角度をn+1歩目の歩行周期の始点の足関節角度として、n+1歩目の歩行周期について、基本動作パターンを調整し、制御しているので、歩行者の一歩一歩が異なっていても、無理に機械に合わせることなく自然な歩行訓練が可能である。
人の一歩一歩は異なることから、装着者は歩行中の足関節角度を完全に矯正された場合、操られているようで非常に歩行し難いと感じ、途中で挫折するなど、リハビリ効率に難がある。一方で、本実施の形態に係る歩行動作補助装置1では、上述したように、一歩ごとに異なる歩行動作に応じた制御を行っており、また、P1〜P4における底屈から背屈、或いは、背屈から底屈へ切り替わるタイミングとその勢いを指示しているに過ぎない。このため、歩行者にとって、歩行動作補助装置1に操られている感覚が小さく、煩わしさを感じにくいことから、リハビリ効率の向上につながる。
基本動作パターンに基づいた制御において、装着者がぎこちない歩き方になっている等、装着者が違和感を持ち、この状態では歩行し辛い場合、操作者は表示操作装置60の折れ線上のP1〜P4の4点を上下左右に動かす。
操作者が表示操作装置60を用い、このP1〜P4の位置をそれぞれ横軸方向に移動させることにより、踵及び爪先接地、踵離地、爪先離地、遊脚中期のタイミング、即ち、それぞれにおける底屈から背屈へ、或いは、背屈から底屈へのタイミングを調整する。また、P1〜P4の位置をそれぞれ縦軸方向に移動させることにより、踵及び爪先接地、踵離地、爪先離地、遊脚中期それぞれにおける底屈から背屈へ、或いは、背屈から底屈への角速度の大きさを調整する。
上記の操作者による修正情報は入力部43に送信され、演算部41は移動された基本動作パターンのP1〜P4点の位置が上下左右に調整され、位置調整されたP1〜P4点を通る折れ線で表される修正動作パターンを生成し、図7に示すように表示操作装置60に修正動作パターンが表示される。
折れ線上の4点の位置調整により、折れ線で表される修正動作パターンでは、踵及び爪先接地、踵離地、爪先離地、遊脚中期それぞれの底屈から背屈へ、或いは、背屈から底屈へ切り替わるタイミングだけでなく、踵接地から踵及び爪先接地まで、踵及び爪先接地から踵離地まで、踵離地から爪先離地まで、爪先離地から遊脚中期まで、遊脚中期から踵接地までそれぞれ適切な足関節角度の角速度に修正される。
また、生成された修正動作パターンは記憶部42に記憶される。そして、演算部41は上記の基本動作パターンに基づいた制御と同様に、踵が接地した時点から修正動作パターンに基づいて、駆動モータ30の駆動を制御する。これにより、装着者に対してスムーズな歩行動作の補助を可能にする。
なお、上述した基本動作パターンに基づく制御と同様に、n歩目の歩行周期の終点における実際の足関節角度が、n+1歩目の歩行周期の始点の足関節角度となるよう修正動作パターンは歩行周期ごとに調整される。
このように、歩行動作補助装置1では、基本動作パターンにおける折れ線上の4点の移動により修正動作パターンが得られることから、動作パターンの修正時に装着者の待機時間を短縮できる。また、理学療法士等は、修正すべき足関節角度量、位相を同時に修正でき、装着者の効率的トレーニングに寄与する。
なお、上記では、折れ線で表される基本動作パターン、修正動作パターンに基づいて制御を行う例について説明したが、折れ線のほか、ベジエ曲線、ベジエ曲線と折れ線の組み合わせなどで表される基本動作パターン、修正動作パターンに基づいて制御する形態であってもよい。なお、基本動作パターンがベジエ曲線で表される場合、基本動作パターンに沿うように、演算部41は選択された基本動作パターンと設定された1周期に基づいて、歩行周期における駆動モータ30の回転方向、角速度、継続時間を求める。そして、演算部41は、求めた情報に基づいて、駆動モータ30を制御する。また、表示操作装置60には単一の歩行周期が表示される例について説明したが、複数の歩行周期が表示される構成であってもよい。
1 歩行動作補助装置
10 足用装具
11A、11B 足部フレーム
12A、12B 頸部フレーム
13 頸部用装具
20 頸部収容ボックス
30 駆動モータ
31 駆動機構
40 制御装置
41 演算部
42 記憶部
43 入力部
50 回転センサ
51 爪先側感圧センサ
52 踵側感圧センサ
60 表示操作装置
70 腰用装具
71 腰部収容ボックス
P1 踵接地及び爪先接地
P2 踵離地
P3 爪先離地
P4 遊脚中期

Claims (5)

  1. 装着者の足関節の回動動作を補助する歩行動作補助装置であって、
    駆動モータと、
    前記駆動モータにより前記足関節に対して同軸的に回動動作可能な駆動機構と、
    前記駆動モータの駆動制御を行う制御装置と、
    歩行周期における時系列的な足関節角度の変化を表す基本動作パターン及び修正動作パターンが記憶される記憶部と、
    操作者の入力に基づいて前記基本動作パターンを修正して前記修正動作パターンを得る演算部と、を備え、
    前記基本動作パターンは、歩行周期における踵及び爪先接地時、踵離地時、爪先離地時、及び、遊脚中期に相当する4点を屈曲点とする折れ線、ベジエ曲線またはこれらの組み合わせで表され、
    前記演算部は前記基本動作パターン上の前屈曲点の位置調整によって修正された前記修正動作パターンを生成し、
    前記制御装置は前記修正動作パターンに基づいて前記駆動モータの駆動を制御する、
    ことを特徴とする歩行動作補助装置。
  2. 前記制御装置は、前記基本動作パターン或いは前記修正動作パターンに沿って、前記足関節の角速度を制御する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の歩行動作補助装置。
  3. 装着者の踵の接地及び離地を検出する踵側感圧センサと、爪先の接地及び離地を検出する爪先側感圧センサと、を備え、
    装着者の立位状態時の踵及び爪先の荷重を前記踵側感圧センサ及び前記爪先側感圧センサがそれぞれ検出し、
    立位状態時に検出された荷重を基準にして、歩行中の装着者の踵及び爪先の接地及び離地の状態を検出する、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の歩行動作補助装置。
  4. 前記踵側感圧センサが装着者の踵の接地を検出した時点から、前記制御装置は歩行周期の始点として前記基本動作パターン或いは前記修正動作パターンに基づいて前記駆動モータの駆動を制御する、
    ことを特徴とする請求項に記載の歩行動作補助装置。
  5. 装着者の足関節角度を検出する回転センサを備え、
    一歩の歩行周期の始点、終点をそれぞれ踵接地時、次の踵接地時とし、前記制御装置は、前記回転センサで検出されたn歩目の終点の足関節角度をn+1歩目の始点の足関節角度として、n+1歩目の前記基本動作パターン或いは前記修正動作パターンを調整して前記駆動モータを制御する、
    ことを特徴とする請求項又はに記載の歩行動作補助装置。
    (nは正の整数を表す。)
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