JP7120162B2

JP7120162B2 - 歩行訓練システムおよび歩行訓練システムの制御プログラム

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Publication number: JP7120162B2
Application number: JP2019106942A
Authority: JP
Inventors: 一誠中島; 渚田中; 栄一才藤; 明宏齋藤; 哲平野; 茂雄田辺; 卓真井伊
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-06-07
Filing date: 2019-06-07
Publication date: 2022-08-17
Anticipated expiration: 2039-06-07
Also published as: EP3747361B1; JP2020198994A; US11565165B2; CN112053766A; US20200384342A1; EP3747361A1

Description

本発明は、歩行訓練システムおよび歩行訓練システムの制御プログラムに関する。

姿勢評価を行う対象である被検者をハーフミラー越しに撮像し、人体としての重心線等を算出して、当該ハーフミラーへＣＧとして映し出す技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２－８１０８９号公報

片麻痺を患っていたり補助装具を装着したりして、右脚と左脚で動きやすさが異なる麻痺患者が歩行訓練を行う場合に、当該麻痺患者は、歩行訓練の試行中に、許容される体のフレ範囲に対して自身の体がどれくらい傾いているのか、直感的に把握することが難しかった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、歩行訓練中の訓練者が、許容される体のフレ範囲に対して自身の体がどれくらい傾いているのかを直感的に把握できる歩行訓練システム等を提供するものである。

本発明の第１の態様における歩行訓練システムは、訓練者の歩行を促すトレッドミルと、訓練者がトレッドミル上を歩行しながら視認できるように設置された表示ユニットと、訓練者の歩容が認識できる画角で訓練者を撮像するカメラユニットと、カメラユニットで撮像した画像に基づいて歩行中における訓練者の体幹の傾きを演算する演算部と、傾きに対応する体幹ライン、および体幹ラインのフレが許容される範囲の少なくとも端を示す指標を表示ユニットに表示する表示制御部とを備える。このように、表示ユニットに体幹ラインと許容されるフレ範囲を共に表示するので、訓練者は、現在の自身の傾きが許容範囲を超えてしまったのか、超えていないのであればフレ範囲に対してどの程度の余裕があったのかを直感的に把握することができる。

また、上記の歩行訓練システムにおいて表示制御部は、撮像した訓練者の画像に重畳して体幹ラインと指標を表示ユニットに表示すると良い。体幹ラインと指標のグラフィックが自身の映像に重畳されていれば、訓練者は、より直感的に自身の歩容を把握することができる。この場合に、表示制御部は、訓練者の患脚の踵近傍を基点として体幹ラインを描画すると良い。体幹の傾きは体肢を除く部分から演算されるので、本来であれば体幹ラインは訓練者の胴体部分に重畳すべきである。しかし、歩行訓練を行う訓練者にとっては、体幹の傾きが主に患脚の状態によって生じるので、体幹ラインが患脚の踵近傍を基点として描画されている方が、訓練者の感覚により整合する。また、体幹ラインを大きく描画できるので、視認性も向上する。さらに、体幹ラインを患脚の踵近傍を基点として描画する場合に、フレ範囲を、当該基点を要とする扇形形状に描画すると良い。このような扇形形状に対して体幹ラインが揺れ動けば、訓練者は、より直感的に自身の歩容を把握することができる。

また、上記の歩行訓練システムは、訓練者の歩容を評価する評価部を備える場合に、表示制御部が、評価部の評価結果に基づくオブジェクトを表示しても良い。このように評価結果が可視化されることにより、訓練者が歩行訓練を行うモチベーションの向上が期待できる。この場合、表示制御部は、上記の扇形形状に内包されるオブジェクトとしてのインジケータが評価結果に基づいて増減するように表示すると良い。さらには、インジケータの全量が表示された場合に、レベルクリアのイベント表示を実行すると良い。このような表示を実行することにより、歩行訓練にゲーム性を付与することができ、訓練者は、より楽しく歩行訓練を行うことができる。

また、表示制御部は、評価部が歩容の不調を検出した場合に、体幹ラインの基点の近傍に不調を示すオブジェクトを表示すると良い。歩容の不調を生じさせている主な原因である患脚の踵近傍にオブジェクトを表示すれば、訓練者は、好ましくない歩容であったことを、より直感的に把握できる。

本発明の第２の態様における歩行訓練システムの制御プログラムは、訓練者の歩行を促すトレッドミルと、訓練者がトレッドミル上を歩行しながら視認できるように設置された表示ユニットと、訓練者の歩容が認識できる画角で訓練者を撮像するカメラユニットとを備える歩行訓練システムの制御プログラムであって、カメラユニットで撮像した画像に基づいて歩行中における訓練者の体幹の傾きを演算する演算ステップと、傾きに対応する体幹ライン、および体幹ラインのフレが許容される範囲の少なくとも端を示す指標を表示ユニットに表示する表示ステップとをコンピュータに実行させる。このような制御プログラムが実行される歩行訓練システムによれば、表示ユニットに体幹ラインと許容されるフレ範囲が共に表示されるので、訓練者は、現在の自身の傾きが許容範囲を超えてしまったのか、超えていないのであればフレ範囲に対してどの程度の余裕があったのかを直感的に把握することができる。

本発明により、訓練者は、歩行訓練中に、許容される体のフレ範囲に対して自身の体がどれくらい傾いているのかを直感的に把握できる。

本実施形態にかかる歩行訓練装置の概略斜視図である。歩行補助装置の概略斜視図である。歩行訓練装置のシステム構成を示す図である。歩容が正常である場合の表示例である。歩容に不調が生じた場合の表示例である。訓練試行の進捗状況を示す表示例である。訓練試行のイベントクリアを示す表示例である。一回の訓練試行における表示処理のフローを示す図である。他の表示例である。さらに他の表示例である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態にかかる歩行訓練装置１００の概略斜視図である。歩行訓練装置１００は、歩行訓練システムの一例であり、一方の脚に麻痺を患う片麻痺患者である訓練者９００が、歩行訓練を行うための装置である。歩行訓練装置１００は、主に、全体の骨格を成すフレーム１３０に取り付けられた制御盤１３３と、訓練者９００が歩行するトレッドミル１３１と、訓練者９００の麻痺側の脚部である患脚に装着する歩行補助装置１２０とを備える。

フレーム１３０は、床面に設置されるトレッドミル１３１上に立設されている。トレッドミル１３１は、不図示のモータによりリング状のベルト１３２を回転させる。トレッドミル１３１は、訓練者９００の歩行を促す装置である。歩行訓練を行う訓練者９００は、ベルト１３２に乗り、ベルト１３２の移動に合わせて歩行動作を試みる。

フレーム１３０は、モータやセンサの制御を行う全体制御部２１０を収容する制御盤１３３や、訓練の進捗状況等を訓練者９００へ呈示する例えば液晶パネルである訓練用モニタ１３８などを支持している。すなわち、訓練用モニタ１３８は、表示ユニットであり、訓練者９００がトレッドミル１３１のベルト１３２上を歩行しながら視認できるように設置されている。また、フレーム１３０は、訓練者９００の頭上部前方付近で前側引張部１３５を、頭上部付近でハーネス引張部１１２を、頭上部後方付近で後側引張部１３７支持している。また、フレーム１３０は、訓練者９００が掴むための手摺り１３０ａを含む。

カメラユニット１４０は、訓練者９００の歩容が認識できる画角で訓練者を撮像する。本実施形態におけるカメラユニット１４０は、ベルト１３２上に立つ訓練者９００の頭部を含む全身を捉えられる画角となるような、レンズと撮像素子のセットを含む。撮像素子は、例えばＣＭＯＳイメージセンサであり、結像面に結像した光学像を画像信号に変換する。カメラユニット１４０は、訓練用モニタ１３８の近傍に、訓練者９００と相対するように設置されている。

前側ワイヤ１３４は、一端が前側引張部１３５の巻取機構に連結されており、他端が歩行補助装置１２０に連結されている。前側引張部１３５の巻取機構は、不図示のモータをオン／オフさせることにより、患脚の動きに応じて前側ワイヤ１３４を巻き取ったり繰り出したりする。同様に、後側ワイヤ１３６は、一端が後側引張部１３７の巻取機構に連結されており、他端が歩行補助装置１２０に連結されている。後側引張部１３７の巻取機構は、不図示のモータをオン／オフさせることにより、患脚の動きに応じて後側ワイヤ１３６を巻き取ったり繰り出したりする。このような前側引張部１３５と後側引張部１３７の連携した動作により、歩行補助装置１２０の荷重が患脚の負担とならないように当該荷重を相殺し、更には、設定の程度に応じて患脚の振り出し動作をアシストする。

例えば、訓練補助者であるオペレータは、重度の麻痺を抱える訓練者に対しては、アシストするレベルを大きく設定する。アシストするレベルが大きく設定されると、前側引張部１３５は、患脚の振り出しタイミングに合わせて、比較的大きな力で前側ワイヤ１３４を巻き取る。訓練が進み、アシストが必要でなくなったら、オペレータは、アシストするレベルを最小に設定する。アシストするレベルが最小に設定されると、前側引張部１３５は、患脚の振り出しタイミングに合わせて、歩行補助装置１２０の自重をキャンセルするだけの力で前側ワイヤ１３４を巻き取る。

歩行訓練装置１００は、装具１１０、ハーネスワイヤ１１１、ハーネス引張部１１２を主な構成要素とする安全装置を備える。装具１１０は、訓練者９００の腹部に巻き付けられるベルトであり、例えば面ファスナによって腰部に固定される。ハーネスワイヤ１１１は、一端が装具１１０に連結されており、他端がハーネス引張部１１２の巻取機構に連結されている。ハーネス引張部１１２の巻取機構は、不図示のモータをオン／オフさせることにより、ハーネスワイヤ１１１を巻き取ったり繰り出したりする。このような構成により、安全装置は、訓練者９００が体勢を大きく崩した場合に、その動きを検知した全体制御部２１０の指示に従ってハーネスワイヤ１１１を巻き取り、装具１１０により訓練者９００の上体を支える。

管理用モニタ１３９は、フレーム１３０に取り付けられており、主にオペレータが監視および操作するための表示入力装置である。管理用モニタ１３９は、例えば液晶パネルであり、その表面にはタッチパネルが設けられている。管理用モニタ１３９は、訓練設定に関する各種メニュー項目や、訓練時における各種パラメータ値、訓練結果などを呈示する。

歩行補助装置１２０は、訓練者９００の患脚に装着され、患脚の膝関節における伸展および屈曲の負荷を軽減することにより訓練者９００の歩行を補助する。図２は、歩行補助装置１２０の概略斜視図である。歩行補助装置１２０は、主に、制御ユニット１２１と、患脚の各部を支える複数のフレームと、足裏に掛かる荷重を検出するための荷重センサ２２２とを備える。

制御ユニット１２１は、歩行補助装置１２０の制御を行う補助制御部２２０を含み、また、膝関節の伸展運動および屈曲運動を補助するための駆動力を発生させる不図示のモータを含む。患脚の各部を支えるフレームは、上腿フレーム１２２と、上腿フレーム１２２に回動自在に連結された下腿フレーム１２３と、下腿フレーム１２３に回動自在に連結された足平フレーム１２４と、前側ワイヤ１３４を連結するための前側連結フレーム１２７と、後側ワイヤ１３６を連結するための後側連結フレーム１２８とを含む。前側連結フレーム１２７は、上腿の前側を左右方向に伸延し、両端で上腿フレーム１２２に接続するように設けられている。後側連結フレーム１２８は、下腿の後側を左右方向に伸延し、両端でそれぞれ上下に伸延する下腿フレーム１２３に接続するように設けられている。

上腿フレーム１２２と下腿フレーム１２３は、図示するヒンジ軸Ｈ_ａ周りに相対的に回動する。制御ユニット１２１のモータは、補助制御部２２０の指示に従って回転して、上腿フレーム１２２と下腿フレーム１２３がヒンジ軸Ｈ_ａ周りに相対的に開くように加勢したり、閉じるように加勢したりする。制御ユニット１２１に収められた角度センサ２２３は、例えばロータリエンコーダであり、ヒンジ軸Ｈ_ａ周りの上腿フレーム１２２と下腿フレーム１２３の成す角を検出する。下腿フレーム１２３と足平フレーム１２４は、図示するヒンジ軸Ｈ_ｂ周りに相対的に回動する。相対的に回動する角度範囲は、調整機構１２６によって事前に調整される。

上腿フレーム１２２は、上腿ベルト１２９を備える。上腿ベルト１２９は、上腿フレームに一体的に設けられたベルトであり、患脚の上腿部に巻き付けて上腿フレーム１２２を上腿部に固定する。これにより、歩行補助装置１２０の全体が訓練者９００の脚部に対してずれることを防止している。

荷重センサ２２２は、足平フレーム１２４に埋め込まれた荷重センサである。荷重センサ２２２は、訓練者９００の足裏が受ける垂直荷重の大きさと分布を検出する。荷重センサ２２２は、例えば、電極がマトリックス状に配置された抵抗変化検出型の荷重検出シートである。

次に歩行訓練装置１００のシステム構成について説明する。図３は、歩行訓練装置１００のシステム構成図である。全体制御部２１０は、例えばＭＰＵであり、システムメモリから読み込んだ制御プログラムを実行することにより、装置全体の制御を実行する。トレッドミル駆動部２１１は、ベルト１３２を回転させるモータとその駆動回路を含む。全体制御部２１０は、トレッドミル駆動部２１１へ駆動信号を送ることにより、ベルト１３２の回転制御を実行する。例えば、設定された訓練レベルに応じて、ベルト１３２の回転速度を調整する。

操作受付部２１２は、訓練者９００やオペレータからの入力操作を受け付けて、操作信号を全体制御部２１０へ送信する。訓練者９００やオペレータは、操作受付部２１２を構成する操作ボタンや管理用モニタ１３９に重畳されたタッチパネル、付属するリモコン等を操作して、電源のオン／オフやトレーニングの開始の指示を与えたり、設定に関する数値の入力やメニュー項目の選択を行ったりする。

表示制御部２１３は、全体制御部２１０からの制御信号に従って表示映像を生成し、訓練用モニタ１３８または管理用モニタ１３９に表示する。表示制御部２１３は、トレーニングの進捗を示す映像等を生成する。具体的には後に詳述するが、表示制御部２１３は、歩行訓練を行う訓練者９００の体幹の傾きに対応する体幹ラインと、当該体幹ラインのフレが許容される範囲を示す指標を、コンピュータグラフィックス（ＣＧ）として訓練用モニタ１３８へ表示する。

引張駆動部２１４は、前側ワイヤ１３４を引張するためのモータとその駆動回路と、後側ワイヤ１３６を引張するためのモータとその駆動回路とを含む。全体制御部２１０は、引張駆動部２１４へ駆動信号を送ることにより、前側ワイヤ１３４の巻き取りと後側ワイヤ１３６の巻き取りをそれぞれ制御する。また、巻き取り動作に限らず、モータの駆動トルクを制御することにより、各ワイヤの引張力を制御する。全体制御部２１０は、例えば、荷重センサ２２２の検出結果から患脚が立脚状態から遊脚状態に切り替わるタイミングを同定し、そのタイミングに同期して各ワイヤの引張力を増減させることにより、患脚の振り出し動作をアシストする。

ハーネス駆動部２１５は、ハーネスワイヤ１１１を引張するためのモータとその駆動回路を含む。全体制御部２１０は、ハーネス駆動部２１５へ駆動信号を送ることにより、ハーネスワイヤ１１１の巻き取りと、ハーネスワイヤ１１１の引張力を制御する。全体制御部２１０は、例えば、訓練者９００が体勢を大きく崩した場合に、ハーネスワイヤ１１１を一定量巻き取って、訓練者の転倒を防止する。

画像処理部２１６は、全体制御部２１０からの制御信号に従って、カメラユニット１４０から受け取った画像信号を画像処理して画像データを生成する。また、画像処理部２１６は、全体制御部２１０からの指示に従って、カメラユニット１４０から受け取った画像信号に画像処理を施して、特定の画像解析を実行することもできる。例えば、抽出されたエッジ等の情報から、両肩位置や股関節位置を検出することができる。これらの位置情報は、後述する体幹演算の入力情報となる。同様に、取得した画像内における患脚の踵近傍位置を検出することができる。このような情報は、ＣＧを描画する位置の決定に利用される。

カメラユニット１４０は、全体制御部２１０からの制御信号に従って撮像動作を繰り返し、画像処理部２１６へ画像信号を出力する。グラフィックＤＢ２１７は、訓練用モニタ１３８または管理用モニタ１３９に表示されるＣＧ素材が格納されている。全体制御部２１０は、各モニタへ表示させるＣＧ素材をグラフィックＤＢ２１７から読み出して、表示制御部２１３へ引き渡す。表示制御部２１３は、受け取ったＣＧ素材に拡大処理、回転処理等を施して所定位置へ配置し、表示映像を生成する。

全体制御部２１０は、制御に関わる様々な演算や制御を実行する機能実行部としての役割も担う。体幹演算部２１０ａは、カメラユニット１４０が撮像した訓練者画像を画像処理部２１６が解析した結果を受けて、歩行中である訓練者９００の体幹の傾きを演算する。具体的には、画像処理部２１６が解析した両肩位置や股関節位置などの主要骨格の基準位置を接続して画像中の体幹を決定し、当該体幹の伸延方向と歩行面の鉛直軸が成す角を傾斜角として演算する。歩容評価部２１０ｂは、体幹演算部２１０ａが演算した体幹の傾きを用いて訓練者９００の歩容を評価する。歩容評価部２１０ｂは、画像処理部２１６による画像解析や荷重センサ２２２、距離センサ等のセンサ出力から検出される引摺り歩行や躓き、手摺り１３０ａの把持等についても、評価の対象として考慮することもできる。距離センサとしては、測定対象にパターン光を投射してその歪み具合から複数のポイントの距離を取得するデプスセンサ等を利用し得る。

上述のように、歩行補助装置１２０は訓練者９００の患脚に装着されるが、歩行訓練装置１００は、歩行補助装置１２０に指令を与えたり、センサ情報を受け取ったりするために、全体制御部２１０に接続された通信接続ＩＦ２１９を備える。歩行補助装置１２０も、通信接続ＩＦ２１９と有線または無線によって接続される通信接続ＩＦ２２９が設けられている。通信接続ＩＦ２２９は、歩行補助装置１２０の補助制御部２２０に接続されている。通信接続ＩＦ２１９、２２９は、通信規格に則った例えば無線ＬＡＮ等の通信インタフェースである。

補助制御部２２０は、例えばＭＰＵであり、全体制御部２１０から与えられた制御プログラムを実行することにより、歩行補助装置１２０の制御を実行する。また、歩行補助装置１２０の状態を、通信接続ＩＦ２１９、２２９を介して全体制御部２１０へ通知する。また、全体制御部２１０からの指令を受けて、歩行補助装置１２０の起動／停止等を実行する。

関節駆動部２２１は、制御ユニット１２１のモータとその駆動回路を含む。補助制御部２２０は、関節駆動部２２１へ駆動信号を送ることにより、上腿フレーム１２２と下腿フレーム１２３がヒンジ軸Ｈ_ａ周りに相対的に開くように加勢したり、閉じるように加勢したりする。このような動作により、膝の伸展動作および屈曲動作をアシストしたり、膝折れを防止したりする。荷重センサ２２２は、上述の通り訓練者９００の足裏が受ける垂直荷重の大きさと分布を検出して、検出信号を補助制御部２２０へ送信する。

補助制御部２２０は、検出信号を受け取り解析することにより、遊脚／立脚の状態判別や切替り推定等を行う。角度センサ２２３は、上述の通りヒンジ軸Ｈ_ａ周りの上腿フレーム１２２と下腿フレーム１２３の成す角を検出して、検出信号を補助制御部２２０へ送信する。補助制御部２２０は、検出信号を受け取って膝関節の開き角を演算する。

本実施形態における歩行訓練装置１００は、訓練者９００が楽しみながら歩行訓練を行えるよう、訓練試行にはゲーム性が取り入れられている。具体的には、訓練計画に沿って設定された各目標状態を達成できるように、訓練者が、ふらつくことなく一定の歩容を保って歩行すれば、訓練プログラムは当該訓練試行に対して高得点を与える。しかも、訓練の進行に従って、動的かつリアルタイムに視覚効果を与え、得点情報を更新する。以下に、訓練試行時における訓練用モニタ１３８の表示例をいくつか説明する。

図４は、訓練者９００の歩容が正常である場合の訓練用モニタ１３８の表示例である。訓練用モニタ１３８の最上部にはステータス領域３１０が設けられており、訓練試行におけるステータス情報が表示されている。ステータス情報は、試行継続時間、歩行距離、訓練レベル、得点インジケータ等を含む。試行継続時間は、試行開始からの時間であり、継続時間は、不図示のタイマーによって計測される。歩行距離は、トレッドミル駆動部２１１がベルト１２３を回転させた積算量から計測される。訓練レベルは、訓練試行の難易度を表わし、予め設定された基準を満たすごとに更新される。訓練試行の難易度は、ベルト１２３の回転速度や歩行補助装置１２０のアシスト量によって規定されている。訓練開始時の訓練レベルは、訓練者９００の状態に合わせて、療法士等である訓練補助者によって設定される。得点インジケータは、後述する獲得ポイントの加算、減算に応じて増減される。

訓練用モニタ１３８のうちステータス領域３１０以外の領域には、カメラ画像３２０が映し出されている。カメラ画像３２０は、カメラユニット１４０によって撮像された訓練者９００の全身画像であり、例えば６０ｆｐｓのリアルタイム映像として表示される。訓練者９００は、訓練試行中の自身の姿をリアルタイム映像として確認することができる。なお、訓練者９００は訓練用モニタ１３８に相対しているので、カメラ画像３２０は、視認性の観点から、図示するように鏡像反転されていることが好ましい。

カメラ画像３２０には、体幹演算部２１０ａによって演算された体幹の傾きに対応する体幹ライン３３０と、体幹ライン３３０のフレが許容される範囲を示すフレ指標３４０とが、それぞれＣＧとして重畳されている。本実施形態においては、体幹ライン３３０は、訓練者９００の患脚の踵近傍を基点３３０ａとして肩付近まで伸延する直線ポール状のＣＧで表現されている。肩付近の端点３３０ｂは、体幹のフレを視認しやすいように、若干の装飾が施されている。

体幹ライン３３０は、訓練者９００がベルト１２３上にまっすぐ立っているのであれば、基点３３０ａから端点３３０ｂまで、ベルト１２３の面に対して垂直に描画される。また、訓練者９００の体幹が歩行に伴って揺れ動けば、体幹ライン３３０は、その傾きの角度に応じて、基点３３０ａ周りに揺れ動く。なお、基点３３０ａは患脚の踵近傍位置に定められるので、体幹ライン３３０の全体が患脚の動き（立脚や遊脚）に応じて移動する。歩行訓練を行う訓練者９００にとっては、不調となる体幹の傾きが主に患脚の状態によって生じるので、体幹ライン３３０が患脚の踵近傍位置を基点として描画されていると、因果関係の認識において感覚と良く整合する。また、体幹ライン３３０を踵近傍から肩付近まで描画すれば、訓練用モニタ１３８の表示領域において比較的大きなオブジェクトとなるので、視認性が向上する。

フレ指標３４０は、体幹ライン３３０の基点３３０ａを要とする扇形形状として描画される。扇形形状の弧の部分は、体幹ライン３３０の端点３３０ｂの揺動方向に沿うように描画される。また、扇形状の中心角は、体幹ライン３３０のフレが許容される範囲に従って決定される。フレ指標３４０は、例えば薄く着色された半透過状に描画されることが好ましい。半透過状に描画されれば訓練者９００の姿が大きく隠れることがないので、訓練者９００は、自身の状態をより正しく確認することができる。フレが許容される範囲は、訓練レベルごとに予め設定されている。訓練レベルが低いうちは大きく設定され、訓練レベルが高くなるに従って徐々に小さく設定される。

このようにフレ指標３４０を扇形形状で描画されていると、訓練者９００は、運脚に応じて揺れ動く体幹ライン３３０が扇形形状の内側に収まっていればその訓練試行において許容される歩容であると認識することができる。なお、訓練者９００は、体幹ライン３３０の全体を注視しなくても、例えば端点３３０ｂが扇形の弧上に存在するかを一瞥すれば、現在の体幹の傾きが許容範囲であるかを認識することができる。このような描画は、訓練試行中に補助者を見たり足元を見たりする訓練者９００にとっては都合が良い。上述のように、体幹ライン３３０およびフレ指標３４０は、体幹演算部２１０ａの演算に基づいて描画されるものであり、訓練者９００とは区別して視認されるものである。

図５は、訓練者９００の歩容に不調が生じた場合の訓練用モニタ１３８の表示例である。歩容評価部２１０ｂが評価する訓練者９００の歩容の不調には様々な種類があるが、ここでは、その代表例である体幹の異常傾きについて説明する。

歩容評価部２１０ｂは、体幹演算部２１０ａが演算した訓練者９００の体幹の傾きが、設定されているフレ許容範囲に収まっているか否かを判断し、収まっていない場合には歩容不調と評価する。このように不調が検出されると、体幹ライン３３０の基点３３０ａの近傍に、不調を示すオブジェクトである不調オブジェクト３５０が表示される。不調オブジェクト３５０は、図においては破裂を示唆する図形として表わしているが、不調の程度や原因によって異なるオブジェクトを表示しても良く、アニメーションを伴っても良い。このように、歩容の不調を生じさせている主な原因である患脚の踵近傍にオブジェクトを表示すれば、訓練者９００は、好ましくない歩容であったことを、より直感的に把握できる。

また、体幹ライン３３０は、体幹演算部２１０ａが演算した訓練者９００の体幹の傾きに応じて基点３３０ａ周りに傾けて表示されるので、設定されているフレ許容範囲に収まっていない場合にはフレ指標３４０の外縁を超えて傾いて描画される。すなわち、端点３３０ｂは、フレ指標３４０の弧から離れて描画される。このように、訓練者９００の体幹の傾きに対応する体幹ライン３３０と、体幹ライン３３０のフレが許容される範囲の端を視認させるフレ指標３４０のような指標とを同時に訓練用モニタ１３８に表示すれば、訓練者９００は、自身の状況を容易に認識できる。すなわち、訓練者９００は、片麻痺を患っていたり歩行補助装置１２０を装着したりして右脚と左脚で動きやすさが異なる状況でありながら、歩行訓練の試行中に、許容される体のフレ範囲に対して自身の体がどれくらい傾いているのか、直感的に把握することができる。

本実施形態における歩行訓練装置１００は、歩行訓練にゲーム性を与えている。ゲーム性に関する表示について説明する。図６は、訓練試行の進捗状況を示す表示例である。図５の表示例では、歩容評価部２１０ｂの評価結果として不調オブジェクト３５０が表示されたが、図６の表示例では、ゲーム性を付与するために、歩容評価部２１０ｂの評価結果を獲得ポイントに換算し、その獲得ポイントに応じたオブジェクトが表示される。

具体的には、フレ指標３４０の扇形形状に内包される達成インジケータ３６０が、歩容評価部２１０ｂの評価結果に応じて増減するように表示される。また、現時点の達成度合が一瞥で認識できるように、達成インジケータ３６０に隣接してポイント指標３６１が表示される。また、どれくらいのポイントを獲得すれば現在のレベルをクリアできるかを認識できるように、フレ指標３４０の頂上部近傍にクリア指標３６２が表示される。ポイント指標３６１とクリア指標３６２は、図示するように、例えばポイントを示すアイコンと数値で描画される。

獲得ポイントは、一定時間（例えば１秒）の間継続して体幹ライン３３０がフレ指標３４０の範囲に収まっていれば加算され、達成インジケータ３６０は、フレ指標３４０の弧へ向かって拡大される。獲得ポイントは、運脚が周期的であるなど他の評価ポイントによっても加算され得る。一方で、獲得ポイントは、体幹ライン３３０がフレ指標３４０の範囲から逸脱すると減算され、達成インジケータ３６０は、フレ指標３４０の要へ向かって縮小される。獲得ポイントは、引摺りを検出した場合など他の評価ポイントによっても減算され得る。

図７は、訓練試行のイベントクリアを示す表示例である。訓練試行中に、獲得ポイントがクリアポイントに到達すると、すなわち達成インジケータ３６０の全量が表示された場合に、その時点でのレベルはクリアしたものと評価して、レベルクリアのイベント表示が実行される。イベント表示は、例えばアニメーションとして変化する「ＬＥＶＥＬＵＰ！」の文字列や、きらめきを表現する十字図形からなるイベントオブジェクト３７０の描画によって行われる。このようなイベント表示を実行することにより、歩行訓練にゲーム性を付与することができ、訓練者９００は、より楽しく歩行訓練を行うことができる。

次に、訓練試行における表示処理の処理フローについて説明する。図８は、一回の訓練試行における表示処理の処理フローを示す図である。図示するフローは、訓練試行が開始されてベルト１３２が動き始めた状態から開始される。

全体制御部２１０は、ステップＳ１０１で、カメラユニット１４０に撮像処理を行わせて訓練者９００が映るフレーム画像を取得する。画像処理部２１６は、カメラユニット１４０が出力したフレーム画像を受け取って画像処理し、さらに、両肩位置や股関節位置等を検出する画像解析を実行する。

体幹演算部２１０ａは、ステップＳ１０２で、画像処理部２１６が検出した両肩位置や股関節位置等を受け取り、訓練者９００の体幹の傾きを演算する。歩容評価部２１０ｂは、ステップＳ１０３で、体幹演算部２１０ａが演算した体幹の傾きを受け取り、当該傾きがフレ許容範囲に収まっているか否かを判断して、訓練者９００の歩容を評価する。

表示制御部２１３は、ステップＳ１０４で、画像処理部２１６によって画像処理された訓練者９００のフレーム画像に、演算された体幹の傾きに応じた体幹ライン３３０、フレ指標３４０、その他表示すべきオブジェクトを重畳して表示映像を調整する。このように調整された表示映像は、訓練用モニタ１３８に送られ、それまでに表示されていた映像が更新される。ステップＳ１０５へ進み、表示制御部２１３は、獲得ポイントがクリアポイントに到達しているか否かを確認する。到達していれば、レベルクリアのイベント表示を実行（ステップＳ１０６）してからステップＳ１０７へ進む。到達していなければ、ステップＳ１０６をスキップしてステップＳ１０７へ進む。

全体制御部２１０は、ステップＳ１０７で、試行訓練が終了したか否かを判断する。例えば訓練時間や歩行距離、目標レベルへの到達が、予め終了条件として設定されている。終了していないと判断した場合は、ステップＳ１０１へ戻り、訓練試行を継続する。終了したと判断した場合は、ステップＳ１０８へ進む。表示制御部２１３は、ステップＳ１０８で、訓練試行の結果を表示する。訓練試行の結果は、例えば、歩行距離、獲得総ポイント、到達レベル、評価コメントを含む。全体制御部２１０は、表示制御部２１３が結果表示を行ったら、一連の処理を終了させる。

以上に説明した本実施形態においては、フレ指標３４０を、体幹ライン３３０の基点３３０ａを要とする扇形形状として描画したが、フレ指標はこれに限らず、様々に描画し得る。以下に他の例を説明する。図９は、訓練用モニタ１３８の他の表示例である。

フレ指標４４０は、円弧とその両端の境界によって構成されている。両端の境界に挟まれた円弧の範囲がフレ許容範囲である。訓練者９００は、体幹ライン３３０の端点３３０ｂが円弧上に存在している間は体幹の傾きが許容された範囲に収まっていると認識することができる。よりシンプルなフレ指標を採用するのであれば、円弧部分を描画することなくフレ許容範囲の両端を示す境界のみをフレ指標としても良い。

図１０は、訓練用モニタ１３８のさらに他の表示例である。フレ指標５４０は、フレ指標の構成としては図９に示すフレ指標４４０と同様である。しかし、ここでは実際のフレ角に対して２倍の角度で揺動する体幹ライン５３０が採用されており、これに合わせて、フレ指標５４０のフレ許容範囲も２倍の長さで描画されている。したがって、体幹ライン３３０は、実際の体幹の傾き（点線で示す傾き）よりも大きく傾くので、訓練者９００は自身の体幹の傾きをより敏感に認識することができる。もちろん、拡大率は２倍に限らず、例えば訓練段階に応じて適宜選択できるようにしても構わない。訓練が進んで体幹の傾きが小さくなってきた段階で、このような表示形式を選択すると良い。逆に、訓練の初期段階で体幹が大きく傾いてしまうような場合には、１より小さい拡大率で体幹ライン５３０を揺動させ、これに合わせてフレ指標５４０のフレ許容範囲も短く描画しても良い。

以上説明した実施形態においては、体幹ラインを直線ポール状のＣＧとして描画したが、体幹の傾きに対応する角度が認識される態様であれば、いかなる描画であっても構わない。また、体幹ラインの基点を患脚の踵近傍としたが、これに限らず、例えば、接地した足が基点となるように運脚に合わせて描画しても良い。また、本実施形態においては、訓練者９００を正面から観察した場合の体幹の傾きについて説明したが、側方から訓練者９００を撮像するようにカメラユニット１４０を設置し、運脚の前後方向における体幹の傾きについて同様の表示を行っても良い。あるいは、正面からと側方からのそれぞれの体幹の傾きを並列で評価して、分割表示によって、あるいは交互表示によって正面からと側方からの映像表示を行っても良い。

また、以上説明した実施形態においては、カメラユニット１４０が撮像した訓練者９００の画像に体幹ラインとフレ指標を重畳して表示したが、重畳させることなく、例えば体幹ラインとフレ指標は別ウィンドウで表示しても構わない。また、訓練者の画像を直接的に表示するのではなく、訓練者の姿を例えばＣＧキャラクタに変換してアニメーションで表示しても構わない。訓練者によっては、自身の姿を観察したくないという事情もあり得るので、様々な表示態様を選択できるように構成すると良い。

また、歩行訓練システムは、それぞれの機能要素のすべてが歩行訓練装置１００に集約された構成でなくても良い。例えば、体幹演算部２１０ａの機能は、歩行訓練装置１００とネットワークを介して接続されたサーバが備える演算部が担っても良い。この場合、サーバは、演算した体幹の傾きを歩行訓練装置１００へ送信する。歩行訓練装置１００の全体制御部２１０は、送られてきた体幹の傾きを利用して、上述の実施形態と同様の表示を実現する。このように、サーバと歩行訓練装置１００を含むように歩行訓練システムを構成しても良い。

１００歩行訓練装置、１１０装具、１１１ハーネスワイヤ、１１２ハーネス引張部、１２０歩行補助装置、１２１制御ユニット、１２２上腿フレーム、１２３下腿フレーム、１２４足平フレーム、１２６調整機構、１２７前側連結フレーム、１２８後側連結フレーム、１２９上腿ベルト、１３０フレーム、１３０ａ手摺り、１３１トレッドミル、１３２ベルト、１３３制御盤、１３４前側ワイヤ、１３５前側引張部、１３６後側ワイヤ、１３７後側引張部、１３８訓練用モニタ、１３９管理用モニタ、１４０カメラユニット、２１０全体制御部、２１０ａ体幹演算部、２１０ｂ歩容評価部、２１１トレッドミル駆動部、２１２操作受付部、２１３表示制御部、２１４引張駆動部、２１５ハーネス駆動部、２１６画像処理部、２１７グラフィックＤＢ、２１９通信接続ＩＦ、２２０補助制御部、２２１関節駆動部、２２２荷重センサ、２２３角度センサ、２２９通信接続ＩＦ、３１０ステータス領域、３２０カメラ画像、３３０、５３０体幹ライン、３４０、４４０、５４０フレ指標、３５０不調オブジェクト、３６０達成インジケータ、３６１ポイント指標、３６２クリア指標、３７０イベントオブジェクト、９００訓練者

Claims

訓練者の歩行を促すトレッドミルと、
前記訓練者が前記トレッドミル上を歩行しながら視認できるように設置された表示ユニットと、
前記訓練者の歩容が認識できる画角で前記訓練者を撮像するカメラユニットと、
前記カメラユニットで撮像した画像に基づいて歩行中における前記訓練者の体幹の傾きを演算する演算部と、
前記歩容を評価する評価部と、
前記傾きに対応する体幹ラインを、前記訓練者の患脚の踵近傍を基点として描画し、前記体幹ラインのフレが許容される範囲を、前記基点を要とする扇形形状に描画し、前記画像に重畳して前記体幹ラインと前記範囲とを前記表示ユニットに表示し、前記扇形形状に内包されるオブジェクトとしてのインジケータを、前記評価部の評価結果に基づいて増減するように表示する、表示制御部と
を備える歩行訓練システム。
前記表示制御部は、前記インジケータの全量が表示された場合に、レベルクリアのイベント表示を実行する請求項１に記載の歩行訓練システム。
前記表示制御部は、前記評価部が前記歩容の不調を検出した場合に、前記基点の近傍に前記不調を示すオブジェクトを表示する請求項１又は２に記載の歩行訓練システム。
訓練者の歩行を促すトレッドミルと、前記訓練者が前記トレッドミル上を歩行しながら視認できるように設置された表示ユニットと、前記訓練者の歩容が認識できる画角で前記訓練者を撮像するカメラユニットとを備える歩行訓練システムの制御プログラムであって、
前記カメラユニットで撮像した画像に基づいて歩行中における前記訓練者の体幹の傾きを演算する演算ステップと、
前記歩容を評価する評価ステップと、
前記傾きに対応する体幹ラインを、前記訓練者の患脚の踵近傍を基点として描画し、前記体幹ラインのフレが許容される範囲を、前記基点を要とする扇形形状に描画し、前記画像に重畳して前記体幹ラインと前記範囲とを前記表示ユニットに表示し、前記扇形形状に内包されるオブジェクトとしてのインジケータを、前記歩容の評価結果に基づいて増減するように表示する、表示ステップと
をコンピュータに実行させる歩行訓練システムの制御プログラム。