JP7449603B2 - 運動支援装置及び運動支援方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ユーザの運動を支援する技術に関するものである。
これまで、ユーザが歩行訓練を行うための装置が種々考案されている。例えば、特許文献１には、設定した速度で運動するベルト状の歩行路面を備えたトレッドミルを用いた歩行訓練装置１が開示されている。なお、非特許文献１には、静止立位の状態にあるユーザの運動に同期して床を動かした場合に、当該運動が変化することが開示されている。
特開平８－１４１０２７号公報
E. Yu, M. Abe, K. Masani, N. Kawashima, F. Eto, N. Haga, and K. Nakazawa，"Evaluation of Postural Control in Quiet Standing Using Center of Mass Acceleration: Comparison Among the Young, the Elderly, and People With Stroke"，Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, 89:1133-1139,2008
特許文献１に記載された歩行訓練装置１は、歩道手段２の変位、速度、加速度、張力を検出し、その検出結果と歩道手段２の負荷特性とに基づくフィードバック制御則によって歩道手段２を駆動するものであるため、複雑な制御が必要になるという課題がある。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、ユーザの歩行や走行といった運動時における身体への負荷を、より簡易な制御により変化させる運動支援装置及び運動支援方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、ユーザが接地する面を設定速度で移動させることによりユーザの運動を支援する運動支援装置であって、ユーザの接地時点及び離地時点を検出してユーザの運動パターンを取得する検出手段と、上記運動パターンに同期して上記面の速度を制御する制御手段を備えた運動支援装置を提供する。
また、上記課題を解決するため、本発明は、ユーザが接地する面を設定速度で移動させることによりユーザの運動を支援する運動支援装置であって、上記面の速度を制御するための速度制御パターンを記憶する記憶手段と、記憶手段に記憶された速度制御パターンによって上記面の速度を制御する制御手段と、上記速度制御パターンに応じてユーザへ接地すべき時点を通知する通知手段を備えた運動支援装置を提供する。
また、上記課題を解決するため、本発明は、ユーザが接地する面を設定速度で移動させることによりユーザの運動を支援する運動支援方法であって、ユーザの接地時点及び離地時点を検出してユーザの運動パターンを取得する第一のステップと、上記運動パターンに同期して上記面の速度を制御する第二のステップを有する運動支援方法を提供する。
また、上記課題を解決するため、本発明は、ユーザが接地する面を設定速度で移動させることによりユーザの運動を支援する運動支援方法であって、予め記憶された速度制御パターンによって上記面の速度を制御する第一のステップと、上記速度制御パターンに応じてユーザへ接地すべき時点を通知する第二のステップを有する運動支援方法を提供する。
本発明によれば、ユーザの歩行や走行といった運動時における身体への負荷を、より簡易な制御により変化させる運動支援装置及び運動支援方法を提供することができる。
本発明の実施の形態１に係る運動支援装置１の構成を示すブロック図である。 図１に示された運動支援装置１の動作を示すフローチャートである。 図２に示されたステップＳ２における接地面の速度制御における第一の具体例を説明するための図であり、図３（ａ）はユーザの歩様を示す図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示された各歩様時における接地面の速度を示す波形図である。 図２に示されたステップＳ２における接地面の速度制御における第二の具体例を説明するための図であり、図４（ａ）はユーザの歩様を示す図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示された各歩様時における接地面の速度を示す波形図である。 図２に示されたステップＳ２における接地面の速度制御における第三の具体例を説明するための図であり、図５（ａ）はユーザの歩様を示す図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示された各歩様時における接地面の速度を示す波形図である。 図２に示されたステップＳ２における接地面の速度制御における第四の具体例を説明するための図であり、図６（ａ）はユーザの歩様を示す図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示された各歩様時における接地面の速度を示す波形図である。 本発明の実施の形態２に係る運動支援装置１０の構成を示すブロック図である。 図７に示された運動支援装置１０の動作を示すフローチャートである。
［実施の形態１］
以下において、本発明の実施の形態１を、図面を参照しつつ詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明の実施の形態１に係る運動支援装置１の構成を示すブロック図である。図１に示されるように、運動支援装置１は入出力部Ｔと、入出力部Ｔに接続されたバスＢと、それぞれバスＢに接続された検出部２、制御部３、記憶部４、操作部５、及び駆動部６を備える。
ここで、駆動部６は例えば、特許文献１の図１に示されるように、別個独立な二つの環状ベルトを用いてユーザの左右の足が接地する面を設定速度で移動させるトレッドミルにより構成される。
検出部２は例えば、上記環状ベルトの下若しくは運動支援装置１の下に設置され、ユーザと上記接地面との間の接触力を計測する床反力計により構成される。このような床反力計を用いれば、床反力の鉛直成分がある閾値を上回った時とする接地タイミングと、上記鉛直成分が上記閾値を下回った時とする離地タイミングを検出して、ユーザの運動パターンを取得することができる。
また、検出部２は、足にマーカを貼付したユーザを撮像する光学式モーションキャプチャシステムにより構成しても良い。このような光学式モーションキャプチャシステムを用いれば、撮像されたマーカの位置を計測してマーカの鉛直方向における位置がある閾値を下回った時とする接地タイミングと、上記鉛直方向の位置が上記閾値を上回った時とする離地タイミングを検出して、ユーザの運動パターンを取得することができる。
また、検出部２は、上記環状ベルトの張力を計測するベルト張力計により構成しても良い。このようなベルト張力計を用いれば、環状ベルトの張力がある閾値を上回った時とする接地タイミングと、環状ベルトの張力が上記閾値を下回った時とする離地タイミングを検出して、運動パターンを取得することができる。
制御部３は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）により構成され、検出部２により取得されたユーザの運動パターンに応じて上記環状ベルトの速度を制御するが、その制御方法については後に詳しく説明する。記憶部４は、メモリにより構成され、検出部２で取得された上記運動パターンを記憶する。操作部５は、ユーザインタフェースにより構成され、ユーザが所望する動作を実行するための命令を受け付ける。
図２は、図１に示された運動支援装置１の動作を示すフローチャートである。図２に示されるように、運動支援装置１はステップＳ１において、検出部２がユーザの接地時点及び離地時点を検出して当該ユーザの運動パターンを取得する。なお、取得された運動パターンは、記憶部４に記憶される。
次に、制御部３は、ステップＳ２において、上記運動パターンに同期して接地面の速度を制御する。本制御では例えば、ユーザの接地時点で接地面を設定速度より小さな速度とすると共に、ステップＳ１で取得され記憶部４に記憶された上記運動パターンに応じて、上記接地時点から離地時点までの期間における接地面の平均速度が上記設定速度とされる。
以下において、制御部３による本制御の具体例を接地面の速度制御パターンを用いて説明する。
（速度制御パターン例１）
図３は、図２に示されたステップＳ２における接地面の速度制御における第一の具体例を説明する図であり、それぞれ図３（ａ）はユーザの歩様を示す図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示された各歩様時における接地面の速度を示す波形図である。
ここで、図３（ｂ）に示される波形図の横軸は、図３（ａ）に示された各歩様時における時刻ｔを示し、縦軸は時刻ｔにおけるユーザの接地面の速度ｖ（ｔ）を示す。そして、横軸の時刻０は図３（ａ）に示されるようにユーザの斜線で示された足の踵が接地面に接地するタイミングを示し、それぞれ、時刻Ｔ１は上記足のつま先が接地面から離れるタイミング、時刻Ｔ２はユーザの上記踵が再度接地面に接地するタイミングを示す。
また、縦軸の速度Ｖ０は上記設定速度を示し、速度ｖ１は速度ｖ０より小さい速度、速度ｖ２は速度ｖ０より大きい速度を示す。
なお、以上のような図３（ａ）と図３（ｂ）の関係は、以下の図４から図６においても同様であるため、図４から図６については重複説明を省略する。
図３（ｂ）に示されるように、本例では、時刻０から時刻Ｔ１までの間において、接地面は速度Ｖ１から速度Ｖ２まで一定加速度で加速される。また、その後の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間において、接地面は速度Ｖ２から速度Ｖ１まで一定加速度で減速される。
以上のように、ユーザの運動パターンに同期して接地面を加速することにより、ユーザが接地面から受ける床反力を、このような加速を行わない場合に比して低減することができるため、変形膝関節症等につながる膝等下肢へのユーザにおける負荷を低減することができる。
なお、ユーザの運動パターンに同期して接地面を減速すれば、ユーザが接地面から受ける床反力を、このような減速を行わない場合に比して増加させることができる。
以上のような接地面の加減速による作用効果は、以下の速度制御パターンによっても同様に得ることができる。
（速度制御パターン例２）
図４は、図２に示されたステップＳ２における接地面の速度制御における第二の具体例を説明する図であり、それぞれ図４（ａ）はユーザの歩様を示す図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示された各歩様時における接地面の速度を示す波形図である。
図４（ｂ）に示されるように、本例では、時刻０における接地面の加速度を時刻０から時刻Ｔ１までの期間において最大とすると共に、時刻Ｔ１における接地面の加速度を時刻０から時刻Ｔ１までの期間において最小とするように接地面の速度が制御される。
（速度制御パターン例３）
図５は、図２に示されたステップＳ２における接地面の速度制御における第三の具体例を説明する図であり、それぞれ図５（ａ）はユーザの歩様を示す図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示された各歩様時における接地面の速度を示す波形図である。
図５（ｂ）に示されるように、本例では、時刻０及び時刻Ｔ１における接地面の加速度が時刻０から時刻Ｔ１までの期間において最小となるように接地面の速度が制御される。
（速度制御パターン例４）
図６は、図２に示されたステップＳ２における接地面の速度制御における第四の具体例を説明する図であり、それぞれ図６（ａ）はユーザの歩様を示す図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示された各歩様時における接地面の速度を示す波形図である。
図６（ｂ）に示されるように、本例では、接地面の速度を、ユーザの接地時点（時刻０）の直後から時刻Ｔ１までの期間において速度ｖ０とするよう制御される。
なお、図２に示された以上のようなアルゴリズムは、図１に示された運動支援装置１によって実行する場合に限られず、広く他の手段を用いて実行することができ、このような場合にも同様な効果を得ることができることは言うまでもない。
以上より、本発明の実施の形態１に係る運動支援装置１及び図２に示された運動支援方法によれば、ユーザの運動パターンに同期して接地面の速度を加減速することにより、ユーザが接地面から受ける床反力の大きさを変化させることができるため、変形膝関節症等につながる膝等下肢への負荷など、歩行や走行といった運動時における身体への負荷をより簡易な制御により変化させることができる。
［実施の形態２］
図７は、本発明の実施の形態２に係る運動支援装置１０の構成を示すブロック図である。図７に示されるように、運動支援装置１０は入出力部Ｔと、入出力部Ｔに接続されたバスＢと、それぞれバスＢに接続された通知部７、制御部３、記憶部４、操作部５、及び駆動部６を備える。
運動支援装置１０は図１に示された本発明の実施の形態１に係る運動支援装置１と同様の構成を有するため、共通点については説明を省略し、以下においては相違点についてのみ説明する。
図８は、図７に示された運動支援装置１０の動作を示すフローチャートである。図８に示されるように、運動支援装置１０はステップＳ１において、制御部３が、予め記憶部４に記憶された図３（ｂ）から図６（ｂ）に示される上記速度制御パターンによって、上記接地面の速度を制御する。
次に、ステップＳ２において、通知部７は、上記速度制御パターンに応じてユーザへ上記接地面に足を接地すべき時点を通知する。ここで、通知部７は例えば、上記時点に音声を出力することによって聴覚を介してユーザへ本時点を通知するスピーカ等により構成される。
なお、通知部７は、上記時点に光や視覚情報を出力することによって、視覚を介してユーザへ本時点を通知するディスプレイや発光ダイオード等により構成しても良い。また、通知部７は、上記時点に振動し、若しくは触覚情報を出力することによって、触覚を介してユーザへ本時点を通知するユーザに装着された振動子により構成しても良い。
また、運動支援装置１０に実施の形態１に係る検出部２をさらに設け、制御部３が検出部２により検出されたユーザの接地時点に応じて、上記速度制御パターンに照らしてユーザが次に接地すべき時点を通知部７に通知させるようにしても良い。
以上より、本発明の実施の形態２に係る運動支援装置１０及び図８に示された運動支援方法によれば、通知部７が速度制御パターンに応じてユーザへ接地すべき時点を通知することにより、予め設定された速度制御パターンに同期したタイミングで接地することをユーザへ促すことができるため、ユーザの下肢に与える負荷を適正に変化させることにより、歩行や走行といった運動を矯正することができる。
１，１０ 運動支援装置、２ 検出部、３ 制御部、７ 通知部。

Claims (6)

  1. 別個独立な二つの環状ベルトを用いてユーザの左右の足が別々に接地する独立した二つの面を設定速度で移動させる運動支援装置であって、
    前記ユーザの接地時点及び離地時点を検出して前記ユーザの運動パターンを取得する検出手段と、
    前記ユーザの前記接地時点において前記足の接地面を設定速度より小さな速度にするとともに、前記運動パターンに応じて、前記接地時点から前記離地時点までの期間における前記接地面の加速度を一定とし、かつ、前記期間における前記接地面の平均速度を前記設定速度とするように前記環状ベルトを制御する制御手段を備えた運動支援装置。
  2. 別個独立な二つの環状ベルトを用いてユーザの左右の足が別々に接地する独立した二つの面を設定速度で移動させる運動支援装置であって、
    前記ユーザの接地時点及び離地時点を検出して前記ユーザの運動パターンを取得する検出手段と、
    前記ユーザの前記接地時点において前記足の接地面を設定速度より小さな速度にするとともに、前記運動パターンに応じて、前記接地時点及び前記離地時点における前記接地面の加速度を前記接地時点から前記離地時点までの期間において最小とし、かつ、前記期間における前記接地面の平均速度を前記設定速度とするように前記環状ベルトを制御する制御手段を備えた運動支援装置。
  3. さらに、前記運動パターンに応じて、前記ユーザへ接地すべき時点を通知する通知手段を備えた、請求項１又は２のいずれか一項に記載の運動支援装置。
  4. 別個独立な二つの環状ベルトを用いてユーザの左右の足が別々に接地する独立した二つの面を設定速度で移動させる運動支援装置によってなされる前記ユーザの運動支援方法であって、
    前記運動支援装置に含まれた検出手段に、前記ユーザの接地時点及び離地時点を検出させることにより、前記ユーザの運動パターンを取得する第一のステップと、
    前記運動支援装置に含まれた制御手段に、前記ユーザの前記接地時点において前記足の接地面を設定速度より小さな速度にするとともに、前記運動パターンに応じて、前記接地時点から前記離地時点までの期間における前記接地面の加速度を一定とし、かつ、前記期間における前記接地面の平均速度を前記設定速度とするように前記環状ベルトを制御させる第二のステップを有する運動支援方法。
  5. 別個独立な二つの環状ベルトを用いてユーザの左右の足が別々に接地する独立した二つの面を設定速度で移動させる運動支援装置によってなされる前記ユーザの運動支援方法であって、
    前記運動支援装置に含まれた検出手段に、前記ユーザの接地時点及び離地時点を検出させることにより、前記ユーザの運動パターンを取得する第一のステップと、
    前記運動支援装置に含まれた制御手段に、前記ユーザの前記接地時点において前記足の接地面を設定速度より小さな速度にするとともに、前記運動パターンに応じて、前記接地時点及び前記離地時点における前記接地面の加速度を前記接地時点から前記離地時点までの期間において最小とし、かつ、前記期間における前記接地面の平均速度を前記設定速度とするように前記環状ベルトを制御させる第二のステップを有する運動支援方法。
  6. さらに、前記運動パターンに応じて、前記ユーザへ接地すべき時点を通知する第三のステップを有する、請求項４又は５のいずれか一項に記載の運動支援方法。
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