JP7298488B2

JP7298488B2 - 歩行訓練システム

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Publication number: JP7298488B2
Application number: JP2020006792A
Authority: JP
Inventors: 健太小西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2040-01-20
Also published as: JP2021112402A

Description

本発明は、歩行訓練システムに関する。

歩行能力回復のため、訓練者がトレッドミル上を歩行することによりリハビリを行う歩行訓練装置が知られている。例えば特許文献１には、訓練者の脚部に装着した装置を上方からワイヤで引っ張り、訓練者の歩行を補助する歩行訓練装置が開示されている。
特許文献１で開示されている歩行訓練装置は、訓練者の脚部に装着された装置を２本のワイヤで前方又は後方へそれぞれ引っ張ることで、脚部にかかる鉛直方向の免荷量と、前後方向にかかる振出しアシスト量とを調整するものである。

特許第６０５２２３４号公報

上記のような歩行訓練装置は、訓練者を上方から引っ張り上げるワイヤ部分が必要となるため、天井高さが十分な場所に設置する必要がある。しかし、リハビリを実施する医療機関としては、訓練の適用対象を広げ、効率的にリハビリを実施するため、天井の低い場所にも装置を設置できる方がよい。一方で、天井の高い場所に設置する場合には、装置の上部フレームの位置を高くして、訓練者の頭上の圧迫感を緩和できるとよい。
よって、このような歩行訓練装置は、設置場所の天井の高さに応じて、装置の高さを自由に変更できることが望ましい。

しかし、本件発明者の考察によれば、上記のような歩行訓練装置において、ワイヤが取り付けられた上部フレームの高さを変更した場合、訓練者と、訓練者を引っ張るワイヤとの角度に変化が生じ、訓練者の鉛直方向、水平方向にかかるワイヤの引張力も変化する。すなわち訓練者にかかる補助の強さが変化し、訓練者は適切な補助による歩行訓練を行うことができなくなる。また、施設内に補助の強さの異なる装置が混在するという問題も生じる。

上記の対応策として、上部フレームの高さ変更と共にワイヤの取り付け位置を変更し、訓練者とワイヤとの角度を維持する方法が考えられる。しかし、これを実現するためには上部フレームの構造が複雑になるおそれがある。またモータ等の駆動を利用すればコスト増加のおそれもある。

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、歩行訓練装置の上部フレームの高さを変更した場合であっても、適切な歩行訓練を行うことが可能な歩行訓練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訓練システムは、訓練者の脚部に装着され、当該訓練者の歩行を補助する歩行補助装置と、前記歩行補助装置及び前記訓練者の脚部のうち少なくとも一方を上方かつ前方に引っ張る第１のワイヤと、前記歩行補助装置及び前記訓練者の脚部のうち少なくとも一方を上方かつ後方に引っ張る第２のワイヤと、前記第１のワイヤの巻き取り又は巻き戻しを行う第１のワイヤ巻取り部と、前記第２のワイヤの巻き取り又は巻き戻しを行う第２のワイヤ巻取り部と、前記第１及び第２のワイヤ巻取り部を備えた、高さ調整可能な上部フレームと、前記上部フレームの高さを変更した場合に、当該変更後の前記上部フレームの高さに基づいて、前記脚部を上方に引っ張り上げる引張力の変化が当該変更前後で少なくなり、かつ、前記脚部を前方又は後方に引っ張る引張力の変化が当該変更前後で少なくなるように、前記第１及び第２のワイヤ巻取り部の駆動を制御する制御部と、を備えるものである。
このような構成により、歩行訓練装置の上部フレームの高さを変更した場合であっても、適切な歩行訓練を行うことができる。

本発明により、歩行訓練装置の上部フレームの高さを変更した場合であっても、適切な歩行訓練を行うことができる歩行訓練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訓練システムの概略的な構成を示す斜視図である。実施の形態にかかる歩行補助装置の概略的な構成を示す斜視図である。第１及び第２のワイヤの引張力を説明するための図である。上部フレームの高さ変更後の第１及び第２のワイヤの引張力を説明するための図である。実施の形態にかかる歩行訓練システムの処理を示すフローチャートである。

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、本発明の一実施の形態に係る歩行訓練システムの概略的な構成を示す斜視図である。本実施の形態に係る歩行訓練システム１は、例えば、脳卒中片麻痺患者等のユーザの歩行訓練を行うためのシステムである。歩行訓練システム１は、ユーザの脚部に装着された歩行補助装置２と、ユーザの歩行訓練を行う訓練装置３と、を備えている。

歩行補助装置２は、例えば、歩行訓練を行うユーザの患脚に装着され、ユーザの歩行を補助する（図２）。歩行補助装置２は、上腿フレーム２１と、上腿フレーム２１に膝関節部２２を介して連結された下腿フレーム２３と、下腿フレーム２３に足首関節部２４を介して連結された足平フレーム２５と、膝関節部２２を回転駆動するモータユニット２６と、足首関節部２４の可動範囲を調整する調整機構２７と、を有している。なお、上記歩行補助装置２の構成は一例であり、これに限られない。例えば、歩行補助装置２は、足首関節部２４を回転駆動するモータユニットを備えていてもよい。

上腿フレーム２１は、ユーザの脚部の上腿部に取り付けられ、下腿フレーム２３はユーザの脚部の下腿部に取り付けられる。上腿フレームには、例えば、上腿部を固定するための上腿装具２１２が設けられている。上腿装具２１２は、例えば、マジックテープ（登録商標）等を用いて、上腿部に固定される。これにより、歩行補助装置２がユーザの脚部から左右方向あるいは上下方向にずれるのを防止できる。

上腿フレーム２１には、後述の第１のワイヤ巻取り部３５の第１のワイヤ３４を接続するための、左右方向に延在する横長の第１フレーム２１１が設けられている。下腿フレーム２３には、後述の第２のワイヤ巻取り部３７の第２のワイヤ３６を接続するための、左右方向に延在する横長の第２フレーム２３１が設けられている。

なお、上記第１及び第２のワイヤ巻取り部の接続部は一例であり、これに限られない。例えば、第１及び第２のワイヤ巻取り部３５、３７の各ワイヤ３４、３６を上腿装具２１２に接続してもよく、第１及び第２のワイヤ巻取り部３５、３７の引張点を歩行補助装置２の任意の位置に設けてもよい。

モータユニット２６は、ユーザの歩行動作に応じて膝関節部２２を回転駆動することでユーザの歩行を補助する。なお、上記歩行補助装置２の構成は一例であり、これに限られない。ユーザの脚部に装着され、その歩行を補助できる任意の歩行補助装置が適用可能である。

図１に示されるように、訓練装置３は、トレッドミル３１と、フレーム本体３２と、制御部３３と、を有している。トレッドミル３１は、リング状のベルト３１１を回転させる。ユーザは、ベルト３１１上に乗り当該ベルト３１１の移動に応じて歩行を行い、その歩行訓練を行う。

フレーム本体３２は、トレッドミル３１上に立設された２対の柱フレーム３２１と、各柱フレーム３２１に接続され前後方向に延在する一対の上部フレーム３２２と、各上部フレーム３２２に接続され左右方向に延在する３つの左右フレーム３２３と、を有している。なお、上記フレーム本体３２の構成は、これに限られない。後述の第１及び第２のワイヤ巻取り部３５、３７が適切に固定できれば、フレーム本体３２は任意のフレーム構成であってもよい。

前方の左右フレーム３２３には、第１のワイヤ３４を上方かつ前方に引っ張る第１のワイヤ巻取り部３５が設けられている。後方の左右フレーム３２３には、第２のワイヤ３６を上方かつ後方に引っ張る第２のワイヤ巻取り部３７が設けられている。

第１及び第２のワイヤ巻取り部３５、３７は、例えば、第１及び第２のワイヤ３４、３６の巻き取り及び巻き戻しを行う機構、当該機構を駆動するモータ、等から構成されている。第１及び第２のワイヤ巻取り部３５、３７が引っ張る第１及び第２のワイヤ３４、３６の一端は、歩行補助装置２に接続されている。第１のワイヤ巻取り部３５は、第１のワイヤ３４を介して歩行補助装置２を上方かつ前方に引っ張る。第２のワイヤ巻取り部３７は、第２のワイヤ３６を介して歩行補助装置２を上方かつ後方に引っ張る。

第１及び第２のワイヤ巻取り部３５、３７は、モータの駆動トルクを制御することで、第１及び第２のワイヤ３４、３６の引張力を制御しているが、これに限られない。例えば、第１及び第２のワイヤ３４、３６にバネ部材が接続されており、バネ部材の弾性力を調整することで、各ワイヤ３４、３６の引張力を調整してもよい。

第１及び第２のワイヤ３４、３６は、それぞれ、ユーザの脚部の歩行補助装置２から上方かつ前方及び上方かつ後方に延びる。したがって、各ワイヤ３４、３６がユーザの歩行時にユーザに干渉せず、歩行訓練の妨げとならない。

高さセンサ３８は、訓練装置３の高さ情報を取得する。高さ情報は、例えば歩行補助装置２から上部フレーム３２２までの距離である。

制御部３３は、制御手段の一具体例であり、高さセンサ３８が取得した高さ情報に基づいて、第１及び第２のワイヤ巻取り部３５、３７の駆動を制御する。
制御部３３は、例えば、演算処理、制御処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによって実行される演算プログラム、制御プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）、各種のデータ等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）、等からなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びインターフェイス部は、データバス等を介して相互に接続されている。

制御部３３は、訓練指示、訓練メニュー、訓練情報（歩行速度、生体情報等）等の情報を表示する表示部３３１が設けられている。表示部３３１は、例えば、タッチパネルとして構成されており、ユーザは表示部３３１を介して各種の情報を入力できる。

上部フレーム３２２は、歩行補助装置２の設置場所の天井高さ等に応じて高さ調整可能となるよう、フレーム本体３２に取り付けられている。
上部フレーム３２２は、例えばフレーム本体３２よりも径の小さい円筒状の部材により構成され、中空構造を有するフレーム本体３２にはめ込み、ユーザ所望の位置まで上部フレーム３２２をスライドさせ、上部フレーム３２２とフレーム本体３２とをネジで締め付け固定することで高さを決定することができる。ネジはフレーム本体３２に直接用いてもよいし、別の部材を介して用いてもよい。

上部フレーム３２２は、上記のように無段階に高さ調整可能でもよいし、複数段階に高さ調整可能でもよい。複数段階に高さ調整する場合は、上部フレーム３２２のフレーム本体３２へのはめ込み部分に、ネジを段階的に固定するための固定孔を設ける。これにより高さ変更の際にも一対の上部フレーム３２２を水平に保つことが容易となる。
また上部フレーム３２２は、ユーザが表示部３３１に所望の高さを入力し、モータ等の駆動装置を用いて高さ調整する等してもよい。

次に、図３を用いて、第１及び第２のワイヤ巻取り部３５、３７が第１及び第２のワイヤ３４、３６に与える引張力ｆ１、ｆ２を説明する。
図３に示すように、本実施の形態にかかる歩行訓練システム１において、第１のワイヤ巻取り部３５は、第１のワイヤ３４を介して歩行補助装置２を上方かつ前方に引っ張り、第２のワイヤ巻取り部３７は、第２のワイヤ３６を介して歩行補助装置２を上方かつ後方に引っ張る。これにより、第１及び第２のワイヤ３４、３６にそれぞれ引張力ｆ１、ｆ２が生じる。引張力ｆ１、ｆ２は、第１及び第２のワイヤ巻取り部３５、３７が行う第１及び第２のワイヤ３４、３６の巻き取り又は巻き戻しの駆動により変化する。制御部３３はこれらの駆動を制御する。

第１及び第２のワイヤ３４、３６の引張力ｆ１、ｆ２の鉛直成分をそれぞれｆｙ１、ｆｙ２とする。ｆｙ１、ｆｙ２は歩行補助装置２の重さを支える。例えばこれらの合力（ｆｙ１＋ｆｙ２）が歩行補助装置２の重力と等しくなるように引張力ｆ１、ｆ２を制御すれば、訓練者は歩行補助装置２の重さを感じることなく、より自然な歩行訓練を行うことができる。

第１及び第２のワイヤ３４、３６の引張力ｆ１、ｆ２の水平成分をそれぞれｆｘ１、ｆｘ２とする。ｆｘ１、ｆｘ２は、訓練者の前方への脚部の振り出しを補助する、振り出し力を調整する。ｆｘ１は訓練者を前方へ引っ張る力、ｆｘ２は後方へ引っ張る力である。訓練者を前方へ引っ張る方向を正とすれば、これらの合力（ｆｘ１＋ｆｘ２）が０より大きければ大きいほど、訓練者の脚部の振り出しへの補助度合いは大きくなり、訓練者は歩行しやすくなる。

例えば、麻痺が強く自力での脚部の振り出しが困難な訓練者の場合には、合力（ｆｘ１＋ｆｘ２）が十分に大きくなるように引張力ｆ１、ｆ２を調整することで、訓練者が脚部を前方に振り出しやすくすることができる。逆に、訓練者の回復が進んだ場合には、合力（ｆｘ１＋ｆｘ２）を小さくすることで補助の度合いを弱め、難易度の高い歩行訓練へと移行することができる。
このように、歩行訓練システム１は、訓練者の回復度合いに応じて引張力ｆ１、ｆ２を調整し、歩行の難易度を適切に設定することができる。

続いて、図４を用いて、上部フレーム３２２の高さを変更した場合の第１及び第２のワイヤ巻取り部３５、３７が第１及び第２のワイヤ３４、３６に与える引張力ｆ３、ｆ４を説明する。図４は、図３で示した歩行訓練システム１において、上部フレーム３２２の高さを変更した場合の引張力ｆ３、ｆ４を説明した図である。

図３及び図４のＸＹ平面視において、第１のワイヤ３４の方向とＹ方向とが成す角度をそれぞれθ１及びθ３とし、第２のワイヤ３６の方向とＹ方向とが成す角度をそれぞれθ２及びθ４とする。
図３において、引張力ｆ１、ｆ２の鉛直成分ｆｙ１、ｆｙ２の合力をｆｈとし、水平成分ｆｘ１、ｆｘ２の合力をｆｗとする。
また上部フレーム３２２の高さ変更後の図４において、引張力ｆ３、ｆ４の鉛直成分ｆｙ３、ｆｙ４の合力をｆｈ’とし、水平成分ｆｘ３、ｆｘ４の合力をｆｗ’とする。

ｆｈ、ｆｗ、ｆｈ’、ｆｗ’は下記の（１）から（４）の式で表される。
（高さ変更前）
ｆｈ＝ｆｙ１＋ｆｙ２＝ｆ１ｃｏｓθ１＋ｆ２ｃｏｓθ２・・・（１）
ｆｗ＝ｆｘ１＋ｆｘ２＝ｆ１ｓｉｎθ１＋ｆ２ｓｉｎθ２・・・（２）
（高さ変更後）
ｆｈ’＝ｆｙ３＋ｆｙ４＝ｆ３ｃｏｓθ３＋ｆ４ｃｏｓθ４・・・（３）
ｆｗ’＝ｆｘ３＋ｆｘ４＝ｆ３ｓｉｎθ３＋ｆ４ｓｉｎθ４・・・（４）

ここで、上部フレーム３２２の高さ変更前後において、第１及び第２のワイヤ３４、３６の引張力が固定されているとする。ｆ１＝ｆ３、ｆ２＝ｆ４であるので、ｆｈ’、ｆｗ’はθ３、θ４により変動する。その結果、訓練者は、脚部に装着した歩行補助装置２の鉛直方向と水平方向とに、高さ変更前とは異なる強さの補助を受けることとなり、適切な歩行訓練ができない。

そのため、高さ変更後においても訓練者が変更前と同じ強さの補助を受けるためには、高さ変更後のθ３、θ４に基づいて、第１及び第２のワイヤ３４、３６に与えるべき引張力ｆ３、ｆ４を再計算し、その結果に基づいて、第１及び第２のワイヤ巻取り部３５、３７の駆動を変更する必要がある。

図５に示したフローチャートを用いて、上部フレーム３２２の高さを変更した場合に歩行訓練システム１が実行する処理について説明する。
まず、歩行訓練システム１における上部フレーム３２２の高さを変更した後、高さセンサ３８は、歩行補助装置２から上部フレーム３２２までの距離を測定し、測定結果を高さ情報として取得する（ステップＳ１０１）。

次に、制御部３３は、取得した高さ情報に基づいて、ＸＹ平面視において、第１のワイヤ３４の方向とＹ方向とが成す角度θ３と、第２のワイヤ３６の方向とＹ方向とが成す角度θ４を算出する（ステップＳ１０２）。

制御部３３は、算出したθ３及びθ４に基づいて、高さ変更後の第１及び第２のワイヤ３４、３６に与えるべき引張力ｆ３、ｆ４を算出する（ステップＳ１０３）。引張力ｆ３、ｆ４は高さ変更前の歩行補助装置２にかかっていた、鉛直方向の引張力ｆｈ、水平方向の引張力ｆｗが、高さ変更後の鉛直方向の引張力ｆｈ’、水平方向の引張力ｆｗ’とそれぞれ等しくなるように求められる。

制御部３３は、第１及び第２のワイヤ３４、３６にかかる引張力が、ステップＳ１０３において算出された引張力ｆ３、ｆ４となるよう、第１及び第２のワイヤ巻取り部３５、３７の駆動を制御する（ステップＳ１０４）。これにより、高さ変更後の第１及び第２のワイヤ３４、３６の引張力ｆ３、ｆ４への変更が完了する。

以上説明したように、本実施の形態にかかる歩行訓練システム１によれば、訓練装置３の上部フレーム３２２の高さを変更した場合であっても、適切な歩行訓練を行うことができる。

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、上記の例では、第１及び第２のワイヤ３４、３６は歩行補助装置２に接続されているが、これに限られない。例えば、第１及び第２のワイヤ３４、３６は、ユーザの脚部にベルト、リングなどの装着具を介して接続される構成であってもよい。さらに、第１及び第２のワイヤ３４、３６は、歩行補助装置２及びユーザの脚部に接続される構成であってもよい。
また上記の例では、高さセンサ３８を用いて上部フレーム３２２の高さを測定したが、ユーザがメジャー等を用いて高さを測定し、表示部３３１に結果を入力することで、制御部３３が高さ情報を取得してもよい。高さ調整を段階的に行える場合には、例えば各段階に対応した数字を表示部３３１に入力してもよい。また、このような高さ入力や、第１及び第２のワイヤ巻取り部３５、３７の駆動の制御には、表示部３３１ではなく、別途設けたコントローラを用いてもよい。

１歩行訓練システム
２歩行補助装置
３訓練装置
２１上腿フレーム
２３下腿フレーム
３１トレッドミル
３２フレーム本体
３３制御部
３４第１のワイヤ
３５第１のワイヤ巻取り部
３６第２のワイヤ
３７第２のワイヤ巻取り部
３８高さセンサ
３２１柱フレーム
３２２上部フレーム

Claims

訓練者の脚部に装着され、当該訓練者の歩行を補助する歩行補助装置と、
前記歩行補助装置及び前記訓練者の脚部のうち少なくとも一方を上方かつ前方に引っ張る第１のワイヤと、
前記歩行補助装置及び前記訓練者の脚部のうち少なくとも一方を上方かつ後方に引っ張る第２のワイヤと、
前記第１のワイヤの巻き取り又は巻き戻しを行う第１のワイヤ巻取り部と、
前記第２のワイヤの巻き取り又は巻き戻しを行う第２のワイヤ巻取り部と、
前記第１及び第２のワイヤ巻取り部を備えた、高さ調整可能な上部フレームと、
前記上部フレームの高さを変更した場合に、当該変更後の前記上部フレームの高さに基づいて、前記脚部を上方に引っ張り上げる引張力の変化が当該変更前後で少なくなり、かつ、前記脚部を前方又は後方に引っ張る引張力の変化が当該変更前後で少なくなるように、前記第１及び第２のワイヤ巻取り部の駆動を制御する制御部と、
を備える歩行訓練システム。