JP6974812B2 - 運動訓練装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に使用者の運動機能向上を図るための運動訓練装置に関するものである。

従来、人の運動機能を向上させるために、その運動機能に応じた様々な運動訓練が行われている。例えば、使用者の上肢や下肢の運動機能を向上させるために、机上を拭くような動作で肩や肘を屈曲、伸展させるワイピング動作訓練、上肢の筋力強化や関節の可動域改善のために、傾斜したボード上で手を上下方向に滑らせて動かすサンディング動作訓練が広く行われている。そして、これらの運動を支援するために様々な訓練装置が開発、提案されている。

例えば、十字状に架設した２本のガイド部材の交叉部から吊下げられた上肢吊下支持装置を、該ガイド部材及び交叉部に設けた可逆回転モータを含む直線駆動装置により前後左右及び上下方向に移動可能にした上肢機能回復訓練支援装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。上肢吊下支持装置に支持された使用者の上肢の動作軌道をセンサ装置で検出し、該動作軌道と目標軌道との差分をコンピュータで演算処理して画像表示装置にフィードバックするので、使用者は、視覚を通じて訓練状態を認識することができる。

また、装置本体の往復運動機構部により、使用者の下肢又は上肢を固定した台部材を往復運動させ、股、膝、足又は肩、肘、手の屈曲及び伸展を行う訓練装置が知られている（例えば、特許文献２を参照）。装置本体は、長手方向の両側面に取り付けたアームを立てて固定することにより、水平位置だけでなく、傾斜位置及び垂直位置でも使用可能である。往復運動機構部には、台部材を固定するスライドテーブルを、モータにより回転駆動される送りねじに螺合させて軸方向に案内したり、空気圧によりシリンダチューブ内を軸方向に摺動するロッドレスシリンダのピストンに一体的に取り付けた構造が採用されている。

特開２０００−２７１１８０号公報 特開２００２−１１９５５５号公報

通常のサンディング動作訓練は、使用者が手で、サンディングブロックをサンディングボードの傾斜面上で上下方向にスライドさせることにより行われる。このとき、サンディングボードの傾斜角度やサンディングブロックの重さは、使用者にかける負荷に応じて設定される。

特許文献２に記載される従来の装置は、装置本体を床面に対して傾斜させることによって、サンディング動作訓練に使用することが可能である。しかしながら、その際に使用者が上下にスライドさせる台部材は、通常のサンディング動作訓練に使用されるサンディングブロックよりも重量が重く、装置本体の傾斜の度合いによって、サンディングブロックから使用者が受ける負荷は大きく変化する。更に往復運動機構部は、台部材を駆動するモータのトルクが、印加される電流の大きさによって、またロッドレスシリンダのピストンの駆動力が、供給される空気圧によってそれぞれ変動する。

そのため、訓練時に過大又は過小な負荷や思いがけない負荷の変動が生じて、使用者に不快感を与えたり、訓練が十分効果的に行われない虞がある。更に、使用者に与えるべき負荷は、使用者毎にかつ／又は訓練の目的・条件等によって異なる場合があり、傾斜の度合いだけで調節することは容易でない。

そこで、本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、使用者の上肢及び／又は下肢の運動機能を向上させる訓練を支援するために、電動モーターにより駆動されて傾斜方向に直線運動可能な操作部に、使用者の上肢又は下肢を係合させて運動させる運動訓練装置において、その傾斜の度合いに応じて、使用者や訓練の目的・条件等が異なっても、常に使用者に与える負荷が最適となるように、電動モーターを制御して操作部の駆動を調節できるようにすることにある。

本発明の運動訓練装置は、上記目的を達成するためになされたものであり、
人の運動機能の向上を図るための運動訓練装置であって、
装置フレームと、
装置フレーム内の位置を移動可能な操作部と、
操作部を第１の方向に沿って直線状に移動させるための第１ガイド部と、第１ガイド部に沿って操作部を駆動し又はその移動に負荷を与えるための第１駆動モーターとを有する第１アクチュエーター部と、
第１駆動モーターの駆動又は負荷を制御するための制御部と、
操作部が第１ガイド部に沿って、第１駆動モーターの駆動力に抗して使用者の上肢若しくは下肢によって動かされ、又は第１駆動モーター駆動力によって使用者の上肢若しくは下肢を動かす際に、操作部が使用者の上肢又は下肢から受ける力を検知するための力センサーと、
第１の方向に沿った第１アクチュエーター部の傾斜を検知するための傾斜検知部とを備え、
力センサーは、操作部又はその近傍に設けられて、使用者の上肢又は下肢から受ける力の少なくとも第１の方向の力成分を検知し、
制御部は、傾斜検知部が検知する第１アクチュエーター部の傾斜に基づいて、力センサーが検知する使用者の力の第１の方向の力成分に対応して、第１駆動モーターを制御することを特徴とする。

本発明の運動訓練装置によれば、制御部が、力センサーが検知する使用者の力の第１の方向の力成分に対応して第１駆動モーターを制御し、傾斜検知部が検知した第１アクチュエーター部の傾斜の状態、例えば傾斜の向きや角度に基づいて、第１駆動モーターの駆動又は負荷を調節することができる。従って、使用者や訓練の目的・条件等によらず常に、使用者に不快感を与えることなく、最適な負荷をもって上肢又は下肢の運動訓練を実行することができる。

本発明の運動訓練装置の第１実施形態を示す斜視図。 第１実施形態の装置本体を示す斜視図。 図２のIII-III線における装置本体の断面図。 図２のIV-IV線における装置本体の断面図。 装置本体のアクチュエーター機構の分解斜視図。 図３における第１アクチュエーター部の部分拡大図。 図４における第２アクチュエーター部の部分拡大図。 操作部のホームポジションを示すアクチュエーター機構の上面図。 操作部の移動範囲を示すアクチュエーター機構の上面図。 第１実施形態の制御部のブロック図。 第１実施形態における駆動モーターの出力の基本的制御を示す線図。 本発明の第２実施形態の装置本体を示す斜視図。 第２実施形態の支持脚構造を示す装置本体の側部断面図。 支持脚構造の断面図。 第２実施形態の制御部のブロック図。 第２実施形態の使用状態を概念的に示す説明図。 第２実施形態における駆動モーターの出力制御の説明図。 本発明の第３実施形態の運動訓練装置の制御部のブロック図。 第３実施形態の第１動作モードにおける操作部の移動方向を示す図。 第３実施形態の第２動作モードにおける操作部の移動方向を示す図。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。図１に示す第１実施形態の運動訓練装置１は、特に使用者Ｕの運動機能向上を目的として行われる運動訓練に使用される。尚、添付図面及び本明細書全体を通して、類似の構成要素は、同様の参照符号を付して表す。

運動訓練装置１は、全体として比較的高さの低い矩形箱状の装置本体２から構成され、水平な設置面に載置して使用される。図１に示すように、運動訓練装置１は、装置本体２の上面から突出する操作部３を有し、該操作部の周囲は、上面カバー４ａ〜４ｄで略全面的に覆われている。図１において、使用者Ｕは運動訓練装置１の前側に位置し、例えばワイピング動作訓練を行うために、右腕ＵＬを前方に伸ばして操作部３を右手ＨＲで把持している。尚、本明細書中では、図１の運動訓練装置１における使用者Ｕの手前側を前側、奥側を後側と称することとする。

図２は、図１の運動訓練装置１から上面カバー４ａ〜４ｄ、前部カバー５、後部カバー６、及び左右側部カバー７，８を取り外した状態の装置本体２を示している。尚、図２では、図中手前側即ち正面側が装置本体２の前側であり、奥側即ち背面側が後側である。

上面カバー４ａ〜４ｄは、それぞれ操作部３の前後方向及び左右方向に配置され、操作部３の移動に合わせて前記上面カバーの面内で伸縮可能な蛇腹構造のシートで構成されている。別の実施例において、前記上面カバーは、例えば樹脂又は布製の比較的柔軟なシートで形成し、装置本体２の前後左右各側縁部の内側に配置されたロール機構（図示せず）に、巻取方向に付勢するばね構造によって巻取・引出自在に収納することができる。この種のロール機構は、従来より車両や建物の窓を覆うスクリーン等に広く採用されている。また、前記上面カバーには、前記蛇腹構造、ロール機構以外に、従来公知の様々な構造のものを使用することができる。

装置本体２は、図２に示すように、概ね矩形枠状の外側フレーム１１からなるフレーム構造を有する。外側フレーム１１の左右外側面には、運動訓練装置１を手で持ち上げたり持ち運ぶために、水平な棒状のハンドル部１２がそれぞれ固定されている。

外側フレーム１１の内側には、図２〜図４に示すように、前後方向に延長する３つの前後固定フレーム１３ａ〜１３ｃが、左右方向に離隔して平行に配置され、それらの両端がそれぞれ外側フレーム１１の内壁下端付近に固定されている。前後固定フレーム１３ａ〜１３ｃの上には、それらと直交して外側フレーム１１内を左右方向に延長する２つの左右固定フレーム１４ａ，１４ｂが前後方向に離隔して平行に配置され、それらの両端がそれぞれ外側フレーム１１の内壁下端付近に固定されている。

本実施形態では、左右固定フレーム１４ａ，１４ｂは前後固定フレーム１３ａ〜１３ｃの上に載置して、止めねじで一体に固定される。別の実施形態では、左右固定フレーム１４ａ，１４ｂと前後固定フレーム１３ａ〜１３ｃとは、一体に結合しなくてもよく、また上下方向に離隔してもよい。また、外側フレーム１１の下面、より詳細には前後固定フレーム１３ａ〜１３ｃの下面及び外側フレーム１１の右側部の下面には、運動訓練装置１を前記設置面に載置するために、複数の短い脚部１５が突設されている。

外側フレーム１１の前側及び後側内壁には、その上端から少し下がった高さ位置に、左右方向の略全長に亘って一定幅の段差面１６ａ，１６ｂが、それぞれ内側に向けて延設されている。更に、外側フレーム１１の前側及び後側内壁は、それぞれ上端が内側へ直角に折曲されて、左右方向の略全長に亘って一定幅の折曲板部１７ａ，１７ｂを形成し、その下方の段差面１６ａ，１６ｂとの間に高さの低い隙間を画定している。この隙間は、上面カバー４ａ，４ｂの左右側辺部が前後方向の略全長に亘って挿入され、後述するように操作部３が左右方向に移動するとき、その移動に合わせて前記上面カバーの蛇腹を伸縮させるためのガイドとなる。

装置本体２は、操作部３を外側フレーム１１内の所定の平面上で前後方向及び左右方向に移動させるためのアクチュエーター機構２０を備える。前記所定の平面は、本実施形態において、前記設置面と平行な水平面である。アクチュエーター機構２０は、図２に示すように、外側フレーム１１の内側に前後固定フレーム１３ａ〜１３ｃ及び左右固定フレーム１４ａ，１４ｂの上に設けられる。アクチュエーター機構２０は、操作部３を前後方向に沿って直線往復運動させるための第１アクチュエーター部２１と、それに直交する左右方向に沿って直線往復運動させるための第２アクチュエーター部２２とを備える。第１及び第２アクチュエーター部２１、２２は、それぞれ駆動部の回転運動を被動部の直線運動に変換する所謂直動アクチュエーターである。

第１アクチュエーター部２１は、操作部３を前後方向に直線状に案内するための第１ガイド部２３と、前記操作部を第１ガイド部２３に沿って駆動するための第１駆動部２４とを有する。第１駆動部２４は、第１ガイド部２３の一方の端部（本実施形態では、図２及び図４に示すように後側の端部）に前記第１ガイド部と一体に設けられる。

本実施形態において、第１ガイド部２３は、図５に示すように、上向きに開放された矩形チャネル形状の第１ガイドフレーム２５と、その内部を長手方向に延長するロッド状の送りねじ２６と、スライダーブロック２７とからなる。第１ガイドフレーム２５の長手方向の両側部上面は、その長手方向にスライダーブロック２７を案内するためのスライドレールを提供する。スライダーブロック２７は、複数の鋼球からなるボールを介して送りねじ２６のねじ溝と螺合するナット部を有し、該送りねじと組み合わされて公知のボールねじ構造を構成している。

図４及び図５に示すように、第１駆動部２４は、正逆回転可能な第１駆動モーター３０と、該第１駆動モーターの回転軸と送りねじ２６との間に介装された減速ギア３１とからなる。第１駆動モーター３０には、その回転方向及び回転量を検出して制御するために、公知のロータリーエンコーダー等のセンサーが取り付けられている。減速ギア３１は、第１駆動モーター３０の回転を減速して送りねじ２６に伝達する歯車列からなる。減速ギア３１のギア比は、操作部３を介して使用者の上肢又は下肢に第１駆動モーター３０の駆動力を伝達するのに十分なトルクを発生し得るように設定される。

減速ギア３１のギア比は、第１駆動モーター３０がその電源遮断時に、送りねじ２６側からの逆入力によって容易に回転しないように、比較的高く設定することが好ましい。別の実施例では、第１駆動モーター３０への電源遮断時に、その回転を停止させかつ保持するように、電磁ブレーキ等のブレーキ手段を設けることができる。

第２アクチュエーター部２２は、第１アクチュエーター部２１を左右方向に直線状に案内するための第２ガイド部３３と、前記第１アクチュエーター部を第２ガイド部３３に沿って駆動するための第２駆動部３４とを有する。第２駆動部３４は、第２ガイド部３３の一方の端部（本実施形態では、図２及び図３の右側の端部）に前記第２ガイド部と一体に設けられる。

第１ガイド部２３と同様に、第２ガイド部３３は、上向きに開放された矩形チャネル形状の第２ガイドフレーム３５と、その内部を長手方向に延長するロッド状の送りねじ３６と、スライダーブロック３７とからなる。第２ガイドフレーム３５の長手方向の両側部上面は、その長手方向にスライダーブロック３７を案内するためのスライドレールを提供する。スライダーブロック３７は、複数の鋼球からなるボールを介して送りねじ３６のねじ溝と螺合するナット部を有し、該送りねじと組み合わされて公知のボールねじ構造を構成している。

図３及び図５に示すように、第２駆動部３４は、正逆回転可能な第２駆動モーター３８と、該第２駆動モーターの回転軸と送りねじ３６との間に介装された減速ギア３９とからなる。第２駆動モーター３８には、その回転方向及び回転量を検出して制御するために、公知のロータリーエンコーダー等のセンサーが取り付けられている。減速ギア３９は、第２駆動モーター３８の回転を減速して送りねじ３６に伝達する歯車列からなる。減速ギア３９のギア比は、第１アクチュエーター部２１及び操作部３を介して使用者の上肢又は下肢に第２駆動モーター３８の駆動力を伝達するのに十分なトルクを発生し得るように設定される。

減速ギア３９のギア比は、第２駆動モーター３８がその電源遮断時に、送りねじ３６側からの逆入力によって容易に回転しないように、比較的高く設定することが好ましい。別の実施例では、第２駆動モーター３８への電源遮断時に、その回転を停止させかつ保持するように、電磁ブレーキ等のブレーキ手段を設けることができる。

第１アクチュエーター部２１には、図２〜図４に示すように、外側フレーム１１の内側を前後方向に略全長に亘って延長する可動フレーム４１が一体に設けられている。可動フレーム４１は、第１ガイド部２３の長手方向に沿って延長する、図６に示すように断面概ねＬ字形の１対の可動フレーム部材４１ａ，４１ｂからなる。可動フレーム部材４１ａ，４１ｂは、それぞれＬ字の内側を第１ガイド部２３側に向けて第１ガイドフレーム２５の長手方向両側部に、止めねじ等で固定されている。これにより、第１ガイド部２３と可動フレーム部材４１ａ，４１ｂとの間には、第１ガイドフレーム２５の側面から側方に延出する一定幅の水平面４２ａ，４２ｂと、断面矩形の溝状空間Ｓａ，Ｓｂとが画定される。

第１ガイドフレーム２５に固定された可動フレーム部材４１ａ，４１ｂの上端は、長手方向の全長に亘って、内側即ち前記第１ガイドフレーム側に直角に折曲され、一定狭幅の折曲板部４３ａ，４３ｂを形成している。可動フレーム部材４１ａ，４１ｂの前記Ｌ字の垂直な内面には、その上端から少し下がった高さ位置に、前記内面から第１ガイドフレーム２５側に直角に延出する一定狭幅の突板部４４ａ，４４ｂが、長手方向の両端部を除く略全長に亘って一体に形成されている。これにより、可動フレーム部材４１ａ，４１ｂの上端内側には、折曲板部４３ａ，４３ｂと突板部４４ａ，４４ｂとの間に高さの低い隙間が、長手方向の両端部を除く略全長に亘って画定される。この隙間は、上面カバー４ｃ，４ｄの前後側辺部が左右方向の略全長に亘って挿入され、後述するように操作部３が前後方向に移動するとき、その移動に合わせて前記上面カバーの蛇腹を伸縮させるためのガイドとなる。

可動フレーム部材４１ａ，４１ｂの長手方向の両端部は、図２及び図４に示すように、突板部４４ａ，４４ｂより下側の部分が切除され、残された部分が長手方向の突出部４５ａ，４５ｂを形成している。各突出部４５ａ，４５ｂは、アクチュエーター機構２０を外側フレーム１１内に装着したとき、それぞれ該外側フレームの前記前側及び後側内壁の折曲板部１７ａ，１７ｂと段差面１６ａ，１６ｂとの間に画定される前記隙間内に、その内面との間に余裕をもって挿入される。

操作部３は、図５に示すように、比較的短い垂直な操作ロッド４８と、その上端に設けられたハンドル部材４９とからなる。本実施形態のハンドル部材４９は、使用者Ｕの上肢ＵＬの運動機能を訓練するために片手で掴むことができるように、比較的厚い小型の円形ディスク状に形成されている。ハンドル部材４９は、使用者が掴んだ手で回すことができるように、操作ロッド４８を中心に回動可能に取り付けられる。別の実施例では、ハンドル部材４９を操作ロッド４８に対して回動しないように固定することも可能である。

ハンドル部材４９は、操作ロッド４８に対して取外可能に取り付けられる。それによって、ハンドル部材４９は、運動訓練装置１の使用目的、使用者の状態等に対応して、使用者の上肢又は下肢を係合させるのに適した様々な係合部材と交換することができる。例えば、使用者の手がハンドル部材４９を上手く掴むことができない場合、その手（又は上肢）を固定するベルト付きの係合部材を用いることができる。これにより、使用者の手（又は上肢）から操作ロッド４８に力を伝達して操作部３を移動させ、又は移動する操作部３から操作ロッド４８を介して力を受けて手（又は上肢）を動かすことができる。使用者の下肢を訓練する場合、同様にハンドル部材４９に代えて、使用者の足を載せる台や足を固定するベルト付きの係合部材を用いることができる。

操作部３は、操作ロッド４８に一体に設けられた力センサー５１を有する。力センサー５１は、使用者が自力で操作部３を動かす自動動作及び操作部３の力で上肢又は下肢を動かす他動動作のいずれにおいても、ハンドル部材４９から操作ロッド４８に作用する使用者の力を検出する。本実施形態では、力センサー５１として、歪みゲートを用いた市販の６軸力覚センサーが採用されている。

一般に、６軸力覚センサーは、直交する３軸方向ｘ，ｙ，ｚの力（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）とｘ，ｙ，ｚ３軸周りのモーメント（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）とを検出することができる。本実施形態では、６軸力覚センサーを、そのｘ軸及びｙ軸が、アクチュエーター機構の前後方向及び左右方向とそれぞれ一致するように配向する。

通常市販の力覚センサーは、固定側の基部と、検出すべき外力を受けるための検知部とを備えている。本実施形態では、図５に示すように、力センサー５１が概ね短円柱状の基部とその上面に設けられた検知部とを備える。力センサー５１の前記検知部には、その上面中央に操作ロッド４８が、垂直上向きに一体に固定されている。力センサー５１の前記基部は、取付プレート５２を介して、第１アクチュエーター部２１のスライダーブロック２７上に一体に固定されている。

これにより、力センサー５１は、使用者の上肢又は下肢が操作部３を動かし又は該操作部により動かされるとき、操作ロッド４８が使用者の上肢又は下肢から直接受ける力を、前後方向の力成分と左右方向の力成分とそれらに直交する垂直方向の力成分とに分けて、更に前後方向、左右方向及び垂直方向の各軸周りにそれぞれ作用するモーメントとして、検出することができる。

実際の運動訓練装置１の使用において、力センサー５１が検出する前後方向、左右方向及び垂直方向の力成分は、第１及び／又は第２アクチュエーター部２１，２２の第１及び／又は第２駆動モーター３０、３８の回転力と使用者が操作部３に及ぼす力との差分、即ち操作部３が使用者の上肢又は下肢から受ける抗力として検出される。例えば、他動動作の訓練において、使用者の力は、操作部３の移動に対する抵抗として、第１及び／又は第２駆動モーター３０、３８に作用する負荷即ち回転抗力である。自動動作の訓練では、使用者の力による操作部３の移動に対して、第１及び／又は第２駆動モーター３０、３８の回転力が抵抗として即ち使用者に負荷を与えるように作用する。

従来より、力覚センサーには、歪みゲートを用いたもの以外に、静電容量式や光学式のものが広く使用されている。本発明の力センサー５１には、いずれのタイプの力覚センサーも採用することができる。別の実施形態では、市販の力各センサーを使用せず、操作ロッド４８又は該操作ロッドと取付プレート５２との連結部に歪みゲージ等のセンサーデバイスを直接取り付けて、使用者が操作部３に及ぼす力を検出することもできる。

操作部３の一部を構成する取付プレート５２は、矩形のプレート部材からなり、図６に示すように、可動フレーム４１の長手方向に直交する幅方向に、該可動フレームの内幅より少し小さい寸法を有する。取付プレート５２の、可動フレーム４１の長手方向に沿う両側部は、下面側が直角に切除されて、折曲板部４３ａ，４３ｂと突板部４４ａ，４４ｂとの隙間の高さより薄い側辺部５３ａ，５３ｂを形成している。

取付プレート５２は、第１ガイド部２３と可動フレーム部材４１ａ，４１ｂとの間に画定される溝状空間Ｓａ，Ｓｂを横断し、側辺部５３ａ，５３ｂを折曲板部４３ａ，４３ｂと突板部４４ａ，４４ｂとの前記隙間内に余裕をもって挿入させて、スライダーブロック２７に取り付けられる。これにより、取付プレート５２は、操作部３を前後方向に移動させたとき、第１ガイドフレーム２５及び溝状空間Ｓａ，Ｓｂの直上をその長手方向に沿って走行する。

第１アクチュエーター部２１は、図５に示すように、連結部材５３を介して第２アクチュエーター部２２上に取り付けられる。連結部材５３は、矩形のプレート部材からなり、第１ガイドフレーム２５の下面に結合されて、第１ガイド部２３を第２アクチュエーター部２２のスライダーブロック３７上に一体に固定する。これにより、第１アクチュエーター部２１は、操作部３を左右方向に移動させたとき、第２ガイドフレーム３５の直上をその長手方向に沿って走行する。

第１アクチュエーター部２１は、操作部３の前後方向の移動範囲を制限するために、１対のリミットセンサー５５ａ，５５ｂを有する。図２に示すように、リミットセンサー５５ａ，５５ｂは、第１ガイド部２３と一方（図中右側）の可動フレーム部材４１ｂとの間の水平面４２ｂ上に、それぞれ外側フレーム１１の前部及び後部より手前の位置に配置されている。

本実施形態のリミットセンサー５５ａ，５５ｂは、アームレバーを水平方向に揺動可能にばね付勢した公知の構造を有する。取付プレート５２の下面には、リミットセンサー５５ａ，５５ｂの前記アームレバーを作動させるための作動ブロック５６が一体に突設されている。これにより、操作部３が前後方向に移動してその限界位置に到達すると、作動ブロック５６が前記アームレバーを回転させて、リミットセンサー５５ａ，５５ｂをオンにする。

第１アクチュエーター部２１は更に、操作部３を前後方向のホームポジションに停止／維持するためのホームポジションセンサー５７を有する。ホームポジションセンサー５７は、図２に示すように、可動フレーム部材４１ｂとの間の水平面４２ｂ上に、一方（図中前側）のリミットセンサー５５ａより少し前方に配置されている。

本実施形態のホームポジションセンサー５７は、小さな隙間をもって対向配置した投光部と受光部とを有する透過型のフォトセンサーであり、例えば前記投光部から前記受光部に光が通過するとオフ状態に、前記受光部が遮光されるとオン状態になる。取付プレート５２には、垂直下向きに突出する板状のセンサーフラグ部材５８が、操作部３を前後方向に移動させたとき、ホームポジションセンサー５７の前記投光部と前記受光部の間隙を通過し得るように取り付けられている。

第２アクチュエーター部２２は、同様に、第１アクチュエーター部２１の左右方向の移動範囲を制限するために、１対のリミットセンサー６１ａ，６１ｂを有する。図２に示すように、リミットセンサー６１ａ，６１ｂは、奥側の左右固定フレーム１４ａ上に、それぞれ外側フレーム１１の左右側部より手前の位置に配置されている。

本実施形態のリミットセンサー６１ａ，６１ｂも、アームレバーを水平方向に揺動可能にばね付勢した公知の構造を有する。図７に示すように、一方（図２の左側）の可動フレーム部材４１ａの下面には、リミットセンサー６１ａ，６１ｂの前記アームレバーを作動させるための作動ブロック６２が、取付プレート６３を介して一体に突設されている。これにより、操作部３が第１アクチュエーター部２１と共に左右方向に移動してその限界位置に到達すると、作動ブロック６２が前記アームレバーを回転させて、リミットセンサー６１ａ，６１ｂをオンにする。

第２アクチュエーター部２２は更に、操作部３を左右方向のホームポジションに停止／維持するためのホームポジションセンサー６４を有する。ホームポジションセンサー６４は、図２に示すように、奥側の左右固定フレーム１４ａ上に、一方（図中右側）のリミットセンサー６１ｂより少し中央寄りに配置されている。

本実施形態のホームポジションセンサー６４は、同様に小さな隙間をもって対向配置した投光部と受光部とを有する透過型のフォトセンサーであり、例えば前記投光部から前記受光部に光が通過するとオフ状態に、前記受光部が遮光されるとオン状態になる。可動フレーム部材４１ａの下面には、垂直下向きに突出する板状のセンサーフラグ部材６５が、操作部３を左右方向に移動させたとき、ホームポジションセンサー６４の前記投光部と前記受光部の間隙を通過し得るように、取付プレート６３によって取り付けられている。

図８は、操作部３がホームポジションに配置されている状態を示している。同図に示すように、操作部３のホームポジションは、運動訓練装置１の上面中央位置よりも前後方向に手前側かつ左右方向に右側に設定されている。これにより、使用者Ｕは、図１に示すように運動訓練装置１の前に位置したとき、右手を前に伸ばすと直ぐに操作部３のハンドル部材４９に触れることができる。しかしながら、本発明において、操作部３のホームポジションは、図８の位置に限定されるものではない。

図９は、アクチュエーター機構２０における操作部３の前後方向及び左右方向の移動可能な範囲を示している。同図に示すように、操作部３の前後方向の移動範囲は、第１ガイドフレーム２５によって直接決定されている。操作部３の左右方向の移動範囲は、第１アクチュエーター部２１を介して第２ガイドフレーム３５によって決定されている。

更に運動訓練装置１は、第１及び第２アクチュエーター部２１，２２を制御するための制御部７０を備える。制御部７０は、図１０に示すように、駆動制御部７１と、信号制御部７２と、表示制御部７３と、メモリー７４と、それらを制御管理するための制御ＣＰＵ７５とを備える。

駆動制御部７１は、第１及び第２駆動モーター３０，３８に接続され、それらの駆動を制御する。信号制御部７２は、力センサー５１、各リミットセンサー５５ａ，５５ｂ，６１ａ，６１ｂ、及び各ホームポジションセンサー５７，６４に接続され、前記各センサーから出力される信号を受信する。表示制御部７３は、モニター装置７６に接続され、該モニター装置の表示を制御する。メモリー７４は、運動訓練装置１を動作させるためのプログラムに加えて、例えば使用者の個人データや訓練履歴等の訓練に関するデータを保存する。

本発明の運動訓練装置１において、使用者の訓練を行う際に、第１及び第２アクチュエーター部２１，２２の第１及び第２駆動モーター３０，３８の出力を制御するための基本的な概念を以下に説明する。説明を簡単にするために、第２アクチュエーター部２２を停止させて、第１アクチュエーター部２１のみを使用する場合を考える。

図１１は、力センサー５１が検出した使用者の力の変動と、前記使用者の力に応じて制御部７０によって制御される第１駆動モーター３０の出力の変動とを、時間軸に沿って示している。同図において、操作部３が受ける使用者の力及び第１駆動モーター３０の回転力は、該第１駆動モーターの出力（ｋＷ）に置き換えて示している。尚、同図の縦軸は、上向き（＋）が操作部３を前方へ押す力、下向き（−）が手前側に引く力を表している。

図１１に示すように、時刻ｔ１に力センサー５１が出力値５の力を検出すると、その出力信号が制御部７０の信号制御部７２に入力され、制御ＣＰＵ７５は、時刻ｔ２に第１駆動モーター３０が同じ出力値５の回転力を発生するように駆動制御部７１を制御する。時刻ｔ３に力センサー５１からの入力信号が０になると、制御ＣＰＵ７５は、時刻ｔ４に第１駆動モーター３０の出力が０になるように駆動制御部７１を制御する。

本発明によれば、力センサー５１が実質的に操作部３に設けられているので、検出した使用者の力をそのまま直接制御部７０に出力することができる。従って、力センサー５１が信号を出力する時刻ｔ１から、それが第１駆動モーター３０に反映される時刻ｔ２までの時間遅れを、使用者が体感し得ない程度に短くすることができる。更に、力センサー５１からの出力信号は、制御部７０内で増幅したり信号変換する必要が無いので、第１駆動モーター３０に使用者の力に応じた回転力を出力させるように最適に駆動することができる。

運動訓練装置１は、例えばサンディング動作訓練を行うために、装置本体２を前後方向又は左右方向に傾斜させた状態で使用することができる。そのために、装置本体２は、その傾斜状態、即ち傾斜方向及び傾斜角度を検出するための傾斜センサー７７を備えることができる。この場合、運動訓練装置１は、傾斜角度を調整可能な別個の支持構造上に設置される。傾斜センサー７７の出力信号は制御部７０に入力され、装置本体２の傾斜方向及び傾斜角度の大きさに対応して、第１及び／又は第２駆動モーター３０，３８の出力を制御するために使用される。

傾斜センサー７７には、例えば従来公知のジャイロセンサーを用いることができるが、これに限定されるものではない。例えば、運動訓練装置１を別個の支持構造上に傾斜させて支持する場合、該支持構造に傾斜センサーを備えることができる。この場合、傾斜センサーとして、前記支持構造を傾動させる電動モーターのエンコーダーやモーター駆動パルスカウンターを用いたり、前記支持構造の設置面を傾斜させるヒンジ部分にその傾斜を特定するセンサーや目盛りを設けることができる。

図１２及び図１３は、装置本体２を前後方向に傾斜した状態で使用するのに適した本発明の第２実施形態を示している。特に図１２は、装置本体２の後部側を高く傾斜した状態を背面側から示している。

第２実施形態の運動訓練装置８１は、第１実施形態の脚部１５に代えて、伸縮式の支持脚機構８２と、装置本体２がその傾斜状態、即ち傾斜方向及び傾斜角度を検出するための傾斜センサーとを備える点において、第１実施形態と異なる。それらの点以外は、第１実施形態の運動訓練装置１と同一であるので、詳細な説明を省略する。

支持脚機構８２は、装置本体２の下面に取り付けられた前後左右４本の支持脚８３ａ〜８３ｄを有する。各支持脚８３ａ〜８３ｄは、断面矩形筒状の外側下部脚部分８４ａ〜８４ｄと内側上部脚部分８５ａ〜８５ｄとを有する。内側上部脚部分８５ａ〜８５ｄは、その外法寸法が外側下部脚部分８４ａ〜８４ｄの内法寸法より幾分小さく形成され、該外側下部脚部分の上端開口から上下に抜き差し可能に挿入されている。

前側の内側上部脚部分８５ａ、８５ｂは、その上端が前側の左右固定フレーム１４ｂの下面に、左右方向に離隔して、前後方向に回動可能に結合されている。後側の内側上部脚部分８５ｃ、８５ｄは、その上端が後側の左右固定フレーム１４ａの下面に、左右方向に離隔して、前後方向に回動可能に結合されている。外側下部脚部分８４ａ〜８４ｄの下端には、運動訓練装置８１を設置面に安定して設置するために、平坦なベースプレートが設けられている。

内側上部脚部分８５ａ〜８５ｄには、その対向する左右側面を水平に貫通する複数の位置決め孔８６ａ〜８６ｄが、それぞれ上下方向に一列に概ね等間隔で形成されている。所望高さの位置決め孔８６ａ〜８６ｄには、それぞれ位置決めピン８７ａ〜８７ｄが水平方向に前記左右側面を貫通するように挿通される。位置決めピン８７ａ〜８７ｄは、内側上部脚部分８５ａ〜８５ｄの前記左右側面から外側に突出する部分が、外側下部脚部分８４ａ〜８４ｄの上端に係合する。これにより、各支持脚８３ａ〜８３ｄが所望の高さに設定される。

第２実施形態の運動訓練装置８１において、装置本体２の傾斜状態を検出するための傾斜センサーは、支持脚機構８２に設けることができる。図１４は、一方の後側の支持脚８３ｃに装着された傾斜センサー８８を例示している。傾斜センサー８８は、内側上部脚部分８５ｃの内面に上下方向に設けられたラック８９と、これに噛合させて外側下部脚部分８４ｃ内に固定されたピニオン９０と、該ピニオンに設けられたセンサーデバイス（図示せず）とからなる。このセンサーデバイスとして、例えばロータリーボリュームのような可変抵抗器を用いることができ、ピニオン９０の回転量によって、最下位置から上昇させた内側上部脚部分８５ｃの長さ即ち支持脚８３ｃの高さを検出することができる。

別の実施形態では、装置本体２の傾斜状態を検出するための傾斜センサーには、図１に示す第１実施形態の傾斜センサー７７を用いることができる。その場合、支持脚機構８２の構造をより簡単にし、装置本体２の傾斜状態をより高精度に検出することができる。

図１５は、第２実施形態の運動訓練装置８１において、第１及び第２アクチュエーター部２１，２２を制御するための制御部９１の構成を示している。同図に示すように、制御部９１は、信号制御部７２が、傾斜センサー８８にも接続されており、該傾斜センサーが検出する装置本体の傾斜状態にも対応して、駆動制御部７１が、第１及び第２駆動モーター３０，３８の駆動を制御する。

図１６は、使用者Ｕが運動訓練装置８１を使用して訓練を行う状態を概念的に示している。同図に示すように、操作部３には、第１実施形態の円形ディスク状のハンドル部材４９に代えて、左右のハンドル部９４ａを設けた係合部材９４が、操作ロッド４８に取り付けられている。操作部３を左右方向に動かすことができないように、第２アクチュエーター部２２は、第２駆動モーター３８がロックされている。使用者Ｕは、ハンドル部９４ａを両手で掴んで、操作部３を第１ガイド部２３に沿って前後方向にのみ動かすことができる。

この場合、係合部材９４は、操作ロッド４８に対してその周りに回動しないように固定することが、運動の性質上好ましい。しかしながら、使用者の上肢（又は下肢）の状態や運動機能等に応じて、係合部材９４を操作ロッド４８に対して回動可能に取り付けることも可能である。また別の実施例では、１つの係合部材９４を操作ロッド４８に対して回動可能に又は回動不能に切り換えて使用できるように、操作ロッド４８及び／又は係合部材９４の取付構造を構成することもできる。

第２実施形態における第１駆動モーター３０の出力の制御について、図１７を用いて説明する。図１７は、装置本体２を前後方向に或る角度θで傾斜させたとき、操作部３に作用する力を示している。ここで、操作部３は、使用者の力が作用していないフリー状態である。同図において、ｍは操作部の質量、ｇは重力加速度、μは操作部３と第１アクチュエーター部２１との間における摩擦係数である。図中、傾斜面における力の作用方向は、使用者が操作部３を押し上げる方向の上向きを正（＋）、該操作部を引き下げる方向の下向きを負（−）とする。

この場合、操作部３を傾斜面に沿って上向きに動かすために必要な力Ｆ(＋)は、Ｆ(＋)＝ｍｇ・ｓｉｎθ＋μｍｇ・ｃｏｓθである。逆に、操作部３を傾斜面に沿って下向きに動かすために必要な力Ｆ(−)は、Ｆ(−)＝−ｍｇ・ｓｉｎθ＋μｍｇ・ｃｏｓθである。

装置本体２を水平に設置した場合（θ＝０°）、操作部３を前後方向に動かすために必要な力は、操作部３と第１アクチュエーター部２１との間に生じる摩擦力μｍｇだけである。これに対し、装置本体２を傾斜させた場合（θ≠０°）、操作部３の重量ｍｇの一部が傾斜角度θに対応した大きさ（ｓｉｎθ倍）で＋方向又は−方向に作用する。その大きさは、例えばθ＝３０°の場合、操作部３の重量ｍｇの１／２である。通常、操作部３と第１アクチュエーター部２１間の摩擦力μｍｇは、操作部３の重量ｍｇに比して非常に小さい。

従って、操作部３を傾斜面に沿って上向きに動かす場合、操作部３の重量ｍｇの約ｓｉｎθ倍だけ、第１駆動モーター３０の回転力を増加させるように、その出力を制御する。操作部３を傾斜面に沿って下向きに動かす場合には、逆に操作部３の重量ｍｇの約ｓｉｎθ倍だけ、第１駆動モーター３０の回転力を減少させるように、その出力を制御する。

本実施形態の運動訓練装置８１によれば、傾斜センサーが検知した装置本体の傾斜の度合いに応じて、制御部９１が第１駆動モーター３０を制御して、操作部３の駆動力を調節することができる。従って、使用者や訓練の目的・条件等によらず常に、使用者に不快感を与えることなく、使用者に対して最適な負荷をもって上肢又は下肢の運動訓練を実行することができる。

本発明の第３実施形態によれば、第１アクチュエーター部２１又は第２アクチュエーター部２２を選択的に機能停止させることができる。機能停止状態の第１及び第２アクチュエーター部２１，２２は、第１及び第２ガイド部２３、３３が、予め設定された所定の位置、例えば前記ホームポジション又は装置本体２の中央位置に停止し、第１及び第２駆動モーターは回転不能にロックされる。尚、第３実施形態の運動訓練装置は、第１又は第２実施形態の装置本体２を使用するので、その詳細な説明は省略する。

図１８は、第３実施形態の運動訓練装置の制御部１０１の構成を示している。制御部１０１は、アクチュエーター部切換制御部１０２を更に備える点において、第２実施形態の制御部９１と異なる。その他の構成は、制御部９１と同一であるので、詳細な説明は省略する。

アクチュエーター部切換制御部１０２は、制御ＣＰＵ７５からの指令に基づいて、第１アクチュエーター部２１又は第２アクチュエーター部２２を選択的に機能停止させ、又は停止した機能を回復する。前記アクチュエーター部の機能停止は、例えば該アクチュエーター部への電源を遮断することによって実行される。第１及び第２駆動モーター３０，３８が電磁ブレーキ回路等のブレーキ手段を備えている場合は、該ブレーキ手段を作動させて、機能停止させた前記アクチュエーター部の駆動モーターの回転をロックさせる。これによって、操作部３は、機能停止していない第１又は第２アクチュエーター部２１，２２においてのみ動かすことができる。

第３実施形態の運動訓練装置は、使用者又はその支援者が、第１アクチュエーター部２１のみを作動させて第２アクチュエーター部２２を機能停止させる第１動作モードと、第２アクチュエーター部２２のみを作動させて第１アクチュエーター部２１を機能停止させる第２動作モードのいすれかを選択するための入力手段を備え、又はそのような外部の入力手段に接続して使用することができる。この場合、前記入力手段は制御部１０１に接続され、該入力手段からの入力に対応して、制御ＣＰＵ７５がアクチュエーター部切換制御部１０２を制御する。前記入力手段からの入力がない場合、制御部１０１は、第１及び第２アクチュエーター部２１，２２をその両方が動作可能な基準動作モードで制御する。

図１９は、第１動作モードにおける操作部３の移動方向を示している。この場合、第１アクチュエーター部２１が、第１及び第２実施形態と同様に、前後方向に沿って配置される。この配置で装置本体２を前後方向に傾斜させることによって、サンディング動作訓練を行うことができる。このとき、操作部３には、装置本体２の傾斜角度に対応して、操作部３の重量の一部が、図１７における＋方向又は−方向の負荷として作用する。この場合に操作部３に作用する力は、第２実施形態について図１７に関連して上述したので、説明を省略する。

図２０は、第２動作モードにおける操作部３の移動方向を示している。この場合、第２アクチュエーター部２２が前後方向に沿って配置される。この配置で装置本体２を前後方向に傾斜させることによって、同様にサンディング動作訓練を行うことができる。この場合、操作部３には、装置本体２の傾斜角度に対応して、該操作部及び第１アクチュエーター部２１の重量の一部が作用する。

従って、第２動作モードにおいて、操作部３を傾斜面に沿って上向きに動かす場合、操作部３の重量及び第１アクチュエーター部２１の重量の約ｓｉｎθ倍だけ、第１駆動モーター３０の回転力を増加させるように、その出力を制御する。操作部３を傾斜面に沿って下向きに動かす場合には、逆に操作部３の重量及び第１アクチュエーター部２１の重量の約ｓｉｎθ倍だけ、第２駆動モーター３８の回転力を減少させるように、その出力を制御する。

第１動作モードでは、第１駆動モーター３０にかかる負荷が小さいので、その出力は比較的低くて済む。それに対し、第２動作モードでは、第１動作モードに比して、第２駆動モーター３８にかかる負荷が大きいので、その出力も増大する。このように、本実施形態では、使用者にかける負荷に応じて、それに必要な駆動モーターの出力も増減するので、使用時にはその点にも留意する必要がある。

第３実施形態によれば、制御部１０１が、アクチュエーター部切換制御部１０２を制御して第１アクチュエーター部２１又は第２アクチュエーター部２２を選択的に機能停止させることによって、１台の装置で、使用者に作用する負荷等、その条件に応じた訓練を選択的に行うことができる。

別の実施形態において、アクチュエーター部切換制御部１０２は、装置本体２の傾斜に連動させることができる。制御部１０１は、前記傾斜センサーからの入力によって、装置本体２の傾斜方向を決定することができる。例えば、制御部１０１は、装置本体２が前後方向に傾斜している場合、第２アクチュエーター部２２を機能停止させるように、又は装置本体２が左右方向に傾斜している場合、第１アクチュエーター部２１を機能停止させるように、アクチュエーター部切換制御部１０２を制御する。

更に別の実施形態では、第１及び／又は第２アクチュエーター部２１，２２に機械的なロック機構を設けて、第１ガイド部２３の第２ガイド部３３に関する移動と、第１ガイド部２３における操作部３の移動をロックさせることができる。この場合、第１及び第２アクチュエーター部２１，２２、又は前記機械的なロック機構にセンサーを設け、第１又は第２アクチュエーター部２１，２２がロック状態になると、これを検出して制御部１０１に出力させることができる。

以上、本発明を好適な実施形態に関連して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、その技術的範囲において、様々な変更又は変形を加えて実施し得ることは言うまでもない。例えば、第１アクチュエーター部２１の第１ガイド部２３と第２アクチュエーター部２２の第２ガイド部３３とは、直角以外の角度で交差するように配置することができる。また、第１及び第２駆動モーター３０、３８の制御が、前後方向及び左右方向の力成分、又は前後方向及び左右方向の力成分と垂直軸周りのモーメントを検出できれば良い場合、力センサー５１には、上記実施形態の６軸力覚センサーに代えて、直交する２軸方向ｘ，ｙの力（Ｆｘ，Ｆｙ）とそれらに直交するｚ軸周りのモーメントＭｚとを検出する３軸力覚センサーを用いることができる。

１，８１ 運動訓練装置
２ 装置本体
３ 操作部
１１ 外側フレーム
２０ アクチュエーター機構
２１ 第１アクチュエーター部
２２ 第２アクチュエーター部
２３ 第１ガイド部
２４ 第１駆動部
２５ 第１ガイドフレーム
２６，３６ 送りねじ
２７，３７ スライダーブロック
３０ 第１駆動モーター
３３ 第２ガイド部
３４ 第２駆動部
３５ 第２ガイドフレーム
３８ 第２駆動モーター
４１ 可動フレーム
４８ 操作ロッド
４９ ハンドル部材
５１ 力センサー
５２ 取付プレート
５３ 連結部材
７０，９１，１０１ 制御部
７１ 駆動制御部
７２ 信号制御部
７３ 表示制御部
７４ メモリー
７５ 制御ＣＰＵ
７７，８８ 傾斜センサー
８２ 支持脚機構
８３ａ〜８３ｄ 支持脚
９４ 係合部材
１０２ アクチュエーター部切換制御部

Claims (8)

1. 人の運動機能の向上を図るための運動訓練装置であって、
   装置フレームと、
   前記装置フレーム内の位置を移動可能な操作部と、
   前記操作部を第１の方向に沿って直線状に移動させるための第１ガイド部と、前記第１ガイド部に沿って前記操作部を駆動し又はその移動に負荷を与えるための第１駆動モーターとを有する第１アクチュエーター部と、
   前記第１駆動モーターの駆動又は負荷を制御するための制御部と、
   前記操作部が前記第１ガイド部に沿って、前記第１駆動モーターの駆動力に抗して使用者の上肢若しくは下肢によって動かされ、又は前記第１駆動モーター駆動力によって使用者の上肢若しくは下肢を動かす際に、前記操作部が使用者の上肢又は下肢から受ける力を検知するための力センサーと、
   前記第１の方向に沿った前記第１アクチュエーター部の傾斜を検知するための傾斜検知部とを備え、
   前記力センサーは、前記操作部又はその近傍に設けられて、使用者の上肢又は下肢から受ける力の少なくとも前記第１の方向の力成分を検知し、
   前記制御部は、前記傾斜検知部によって検知される前記第１アクチュエーター部の傾斜に基づいて、前記力センサーによって検知される使用者の力の前記第１の方向の力成分に対応して、前記第１駆動モーターを制御することを特徴とする運動訓練装置。
2. 前記第１アクチュエーター部を、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って直線状に案内するための第２ガイド部と、前記第２ガイド部に沿って前記第１操作ガイド部を駆動するための第２駆動モーターとを有する第２アクチュエーター部を更に備え、
   前記力センサーは、前記操作部が前記第１ガイド部及び／又は第２ガイド部に沿って、前記第１駆動モーター並びに／若しくは第２駆動モーターの駆動力に抗して使用者の上肢若しくは下肢によって動かされ、又は前記第１駆動モーター並びに／若しくは第２駆動モーターの駆動力によって使用者の上肢若しくは下肢を動かす際に、前記操作部が使用者の上肢又は下肢から受ける力の、少なくとも前記第１の方向及び第２の方向の力成分を検知し、
   前記制御部は、前記傾斜検知部によって検知される前記第１アクチュエーター部の傾斜に基づいて、前記力センサーによって検知される使用者の力の前記第１及び第２の方向の力成分に対応して、前記第１駆動モーター及び／又は第２駆動モーターを制御することを特徴とする請求項１に記載の運動訓練装置。
3. 前記第１の方向と前記第２の方向とが互いに直交していることを特徴とする請求項２に記載の運動訓練装置。
4. 前記第１アクチュエーター部を前記第１の方向に沿って傾斜させるための傾斜支持機構を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の運動訓練装置。
5. 前記傾斜支持機構が、前記装置フレームに設けられた支持脚構造であることを特徴とする請求項４に記載の運動訓練装置。
6. 前記傾斜検知部が前記傾斜支持機構に設けられていることを特徴とする請求項４又は５に記載の運動訓練装置。
7. 前記力センサーが、互いに直交するｘ，ｙ軸方向の力と、前記ｘ，ｙ軸に直交するｚ軸周りのモーメントとを検出する３軸力覚センサーであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の運動訓練装置。
8. 前記力センサーが、互いに直交するｘ，ｙ，ｚ軸方向の力と、前記ｘ，ｙ，ｚ軸周りのモーメントとを検出する６軸力覚センサーであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の運動訓練装置。

Images