JPH11253573A - 歩行訓練装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】歩行訓練装置において、摩擦抵抗の変化が大き
い歩行面に対しても、歩き始めを蹴り易くし、訓練者が
歩行面を蹴る力に応じた速度で運動できるようにするこ
と。 【解決手段】被訓練者の歩行面を成すように動作する歩
行面装置２と、歩行面の動作を制御する制御装置３とを
備え、歩行面装置３は歩行面の速度を検出する速度検出
手段を有し、この速度検出手段で検出した速度により歩
行面装置３の抵抗力に対する補償力を変化させる補償力
可変手段を備えるを歩行訓練装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、歩行機能の維持ま
たは回復を必要とする被訓練者のための歩行訓練装置及
びその制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の歩行訓練装置としては、被訓練者
の歩行面を成すように動作する環状ベルトを有する歩道
手段と、歩行面の動作を制御する制御手段と、歩道手段
の負荷特性を設定する手段と、歩道手段の走行速度を検
出する手段と、負荷特性と速度とを用いて歩道手段の制
御側を演算する手段とを備えたものが、例えば特開平８
−１４１０２７号公報に示されている。この歩行訓練装
置は訓練者が歩行面を蹴る力に応じた速度で運動するこ
とができるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、かかる歩行訓
練装置では、歩行面の駆動機構がもっている抵抗力に対
しては、制御則として通常歩行時に想定される一定値の
補償力を与えて抵抗力を打ち消すものであり、訓練者と
歩行面との間に作用する抵抗力に変化がある場合など、
駆動機構の損失の変化がある場合について、配慮が成さ
れていなかった。例えば、歩道手段を簡易な構造や組立
性を容易にするために、板状部材で環状ベルトを支持す
る場合には、摩擦抵抗の大きいすべり摩擦が作用し、歩
行面の摩擦力は停止時及び動き始め等の低速度時は速度
に依存した高摩擦力となり、ある速度以上では速度に依
存しないほぼ一定の摩擦力となるが、上記従来の歩行訓
練装置のように一定値の摩擦補償力を与えるものでは、
歩き始めは摩擦抵抗が著しく大きくなるため、脚力が著
しく劣った訓練者の運動に環状ベルトが追従してくれな
い虞れがあった。

【０００４】そこで本発明の目的は、歩行面の速度が変
化して歩行面装置の抵抗力が変化しても、その抵抗力に
対する補償力を変化し、訓練者の蹴り力を速度にかかわ
になく均等化することができ、これによって、歩き出し
やすくなるとともに歩き出し後も歩きやすい歩行訓練装
置およびその制御方法を得ることにある。

【０００５】本発明の他の目的は、歩行面速度の低い領
域で複数段階または無段階に補償力を変化させることに
より、より一層歩き出しやすくできる歩行訓練装置を得
ることにある。

【０００６】本発明の他の目的は、速度検出手段とトル
ク検出手段の情報に基づいて補償力を変化させることに
より、より滑らかな違和感のない歩行が得られる歩行訓
練装置を得ることにある。

【０００７】本発明の他の目的は、支持手段の撓みや捩
じれを減少でき、組立製作性や安定走行の向上が図れる
とともに、テーブル上面と環状ベルトとの隙間量を訓練
者に対応した最適な隙間量に設定できる歩行訓練装置を
得ることにある。。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、被訓練者の
歩行面を成すように動作する歩行面装置と、前記歩行面
の動作を制御する制御装置とを備え、前記歩行面装置は
歩行面の速度を検出する速度検出手段を有する歩行訓練
装置において、前記速度検出手段で検出した速度により
前記歩行面装置の抵抗力に対する補償力を変化させる補
償力可変手段を備えた構成にしたことにより達成され
る。

【０００９】上記目的は、補償力可変手段を前記速度検
出手段で検出した速度が低速の時に補償力を増やすよう
に構成したことにより達成される。

【００１０】上記目的は、補償力可変手段を前記速度検
出手段で検出した速度に応じて複数段階または無段階に
補償力を変化させるように構成したことにより達成され
る。

【００１１】上記目的は、歩行面装置が、歩行面を有す
る環状ベルトと、この環状ベルトを駆動する駆動手段と
を有し、前記駆動手段の出力トルクを検出するトルク検
出手段を有し、このトルク検出手段で検出したトルクと
前記速度検出手段で検出した速度とにより補償力を変化
させるように構成したことにより達成される。

【００１２】上記目的は、歩行面装置が、歩行面を有す
る環状ベルトと、この環状ベルトを駆動する駆動手段
と、前記環状ベルト内に配置された支持手段とを有し、
前記支持手段は中央テーブルと前後テーブルとに分けた
テーブルで構成したことにより達成される。

【００１３】上記目的は、歩行面装置が、歩行面を有す
る環状ベルトと、この環状ベルトを駆動する駆動手段
と、前記環状ベルト内に配置された支持手段とを有し、
前記支持手段は上面に低摩擦面を有するテーブルで構成
し、このテーブル上面と前記環状ベルトとの隙間量を調
整する機構を設けたことにより達成される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１５】まず、本発明の第１の実施の形態を図１〜
図９に基づいて説明する。

【００１６】図１は本発明の歩行訓練装置１の全体構成
図である。歩行訓練装置１は歩行面装置２及びこれを制
御する制御装置３を備えている。歩行面装置２は、床面
または地上に固定され、回転可能な歩行面を有する環状
ベルト４を備えている。この環状ベルト４上で訓練者
（図示せず）は場所を移動することなく、歩行訓練を行
うことがでくる。環状ベルト４は、左右に１本ずつ（左
足用４Ａ、右足用４Ｂ）平行かつ密接に配置して、互い
に独立に動作するよう構成されている。なお、この環状
ベルト４は1本であってもよい。歩行面装置２の両側部
には訓練者が掴まる手すり５などの安全装置が設けられ
ている。なお、この手すり５は前面に設けてもてもよ
い。制御装置３は、ＣＲＴなどの表示手段６、演算手段
７、及びキーボードなどの入力手段８を備え、歩行面装
置２と電気的に接続されている。

【００１７】図２及び図３を用いて本発明歩行訓練装置
の歩行面装置２を詳細に説明する。歩行面装置２は、訓
練者の左右の足に対応した２本の環状ベルト４と、左右
それぞれの環状ベルト４を駆動する駆動手段９と、環状
ベルト４を支持する支持手段１０と、駆動手段９及び支
持手段１０の固定部材を固定するフレーム１１とを備え
ている。駆動手段９は、駆動ローラ１２、従動ローラ１
３、及び回転機構１４を備えている。従動ローラ１３
は、歩行方向の位置に調節可能となっており、駆動ロー
ラ１２と従動ローラ１３に巻かれた環状ベルト４を適切
な張力で張っている。駆動ローラ１２を動かす機構であ
る回転機構１４は、互いに独立した同じ機構であり、例
えば、ベルトを介してモータによって回転駆動する。こ
れにより、環状ベルト４は走行することになる。回転機
構１４には、その回転に伴って環状ベルト４の速度を検
出する速度検出手段１５が備えられている。

【００１８】支持手段１０は、環状ベルト４内で、左右
の駆動ローラ１２、左右の従動ローラ１３との間に配置
され、複数に分割されたテーブル１６の上に滑りシート
１７を貼設して構成されている。テーブル１６は、訓練
者及び環状ベルト４を支持する部材として機能し、滑り
シート１７は環状ベルト４が走行するときの摩擦抵抗を
低減する機能を有する。テーブル１６の側面にはネジ穴
１８ａが形成され、フレーム１１の側面には上下に延び
る長穴１８ｂが形成され、ボルト１８ｃが前記長穴１８
ｂを介してネジ穴１８ａに取付けられることにより、テ
ーブル１６の取り付け高さが任意に調整できるよう調整
機構１８が設けられている。この調整機構１８によりテ
ーブル１６とフレーム１１は連結されている。調整機構
１８により、環状ベルト４と滑りシート１７間のすきま
量δを調整可能となり、訓練者に対応した最適なすきま
量σに設定することができる。

【００１９】また、支持手段１０の歩行方向の長さは、
最大歩幅長の前後に余裕領域を設けることで、訓練者に
安心感を与えることができるので、略１２０ｃｍ以上と
することが望ましい。このような長尺物のテーブル１６
を従来のように一体物とすると、撓みや捩じれが生じ易
くなり、安定走行を確保することが困難となる。一方、
実質的な訓練領域となる中央部近傍は、テーブル１６の
高い剛性と精度を必要とするが、安心感を与える領域の
テーブル１６は必ずしも高い剛性や精度を必要としな
い。そこで、本実施例では、テーブル１６を３分割とし
て、訓練領域の中央テーブル１６Ａと安心感領域の前後
テーブル１６Ｂ、１６Ｃとに分けている。テーブル１６
を分割することにより、各テーブル１６Ａ、１６Ｂ、及び
１６Ｃが小型になり、撓みや捩じれを減少できるととも
に、組立製作性や安定走行の向上が図れる。さらに、滑
りシート１７は、例えば、フッ素樹脂シートであり、上
面を凸凹面で構成し、足部が接地している時に環状ベル
ト４と滑りシート１７が密着して摩擦力が大きくなるこ
とを防止して、より滑らかな歩行を実現できるようにな
っている。なお、テーブル１６の表面をフッ素樹脂コー
ティングすることによって構成してもよい。

【００２０】フレーム１１は、床面に設置され、訓練者
の身体が前後左右に揺れても歩行面装置２は動かないよ
うになっている。

【００２１】図４を用いて本発明歩行訓練装置の制御装
置３を詳細に説明する。制御装置３は、表示手段６、演
算手段７、入力手段８、情報前処理手段１９、及びデー
タベース２０を備えている。制御装置３は、歩行面装置
２の駆動手段９及び速度検出手段１５とは信号バスによ
り連結されている。

【００２２】入力手段８は、それぞれ独立に左右の環状
ベルト４の動作設定値を入力する手段であり、キーボー
ド等を用いる。情報前処理手段１９は、表示手段６に表
示させるために、速度検出手段１５や演算手段７からの
情報に対して単位の換算などの変換処理を行ったり、速
度検出手段１５からの情報を微分や積分などの変換処理
を行って演算手段７に送るなどの処理を行う。例えば、
速度検出手段１５からの情報を、微分すれば加速度が、
積分すれば距離が得られることになる。また、表示手段
６はＣＲＴのような表示装置を用いる。演算手段７は、
入力手段８からの設定に従い、環状ベルト４の速度検出
手段１５として用意されたエンコーダの出力を利用し
て、駆動手段９であるモータを制御する制御量を演算す
る。データベース２０は、歩行面装置２の負荷特性など
を記憶しておくために備えられている。

【００２３】図４乃至図９を用いて本発明歩行訓練装置
の制御方法を詳細に説明する。制御装置３は、訓練者か
ら見た環状ベルト４の負荷が、入力手段８およびデータ
ベース２０で設定された負荷になるように制御する。こ
の制御は、インピーダンス制御を適用し、訓練者から見
た歩行面装置２の負荷特性を定め、蹴りを補助するよう
に環状ベルト４を駆動する力を与えることにより、訓練
者が環状ベルト４を蹴る力に応じた速度で運動する受動
的な歩行面装置２を実現するものである。

【００２４】この制御量の演算として、粘性負荷特性の
変更を実現するには、駆動力ｆｕを ｆｕ=（ｃａ−ｃｄ）Ｖｍ＋ｆｏ…………………………（１） とすればよい。この機構は蹴り力ｆｒに対して、 ｍａα＋ｃｄＶｍ＋ｋａＸ＝ｆｒ………………………（２） の負荷特性を持つことになる。ここで、 ｆｒ：訓練者の足部が立脚期に加える蹴り力（外力） ｆｕ：歩行面装置の駆動力 ｆｏ：摩擦補償力（歩行面装置の機構の抵抗力ｆｇを打
ち消す） Ｘ ：環状ベルトの変位 Ｖｍ：環状ベルトの速度 α ：環状ベルトの加速度 ｍａ：機構の等価質量 ｃａ：機構の等価減衰係数 ｋａ：機構の等価ばね定数 ｃｄ：適切な減衰係数 である。前記ｃｄを変更することにより、環状ベルト４
の粘性負荷特性を増減でき、訓練者の脚力に応じた歩行
訓練を行うことができる。これを実現する制御ブロック
図が図５である。

【００２５】ところで（１）式は、対象とする訓練者は
脚力が衰えていて、摩擦を主要因とした機構の抵抗力ｆ
ｇを打ち消すことを目的に、摩擦補償力ｆｏを付加する
制御方法である。この場合、テーブル１６を用いたすべ
り摩擦が作用する場合、速度による摩擦係数の変化や駆
動系の損出を含む機構抵抗に速度依存性があり、歩行面
の摩擦力は停止時及び動き始め等の低速度時は速度に依
存した高摩擦力となり、ある速度以上では速度に依存し
ないほぼ一定の摩擦力となる。すなわち、機構固有のあ
る速度以下では、摩擦抵抗に変化が生じ、摩擦力が著し
く大きくなる。なお、本実施例の機構では環状ベルト４
の速度が0.5km/h以下で大きな速度依存性が認められ
た。

【００２６】そこで、図５に示すように補償力可変手段
を構成する摩擦補償力切り換え回路２１を設け、速度検
出手段１５からの情報に基づいて機構抵抗が速度に依存
する範囲内で摩擦補償力ｆｏを切り換えて高くなるよう
に設定している。そのベルト速度Ｖｍと摩擦補償力ｆｏ
との関係例が図６である。ベルト速度Ｖ３（本実施例で
は0.5km/h）以下の低速度高摩擦力の領域において、摩
擦補償力ｆｏはベルト速度Ｖ３以上の定常速度の摩擦補
償力ｆ１よりも増分ａだけ大きい摩擦補償力ｆ１＋ａと
なるように切り換えるものであり、訓練者に必要な蹴り
力を速度にかかわらず均等化できる。これにより、歩き
始めに必要な蹴り力を小さくでき、歩き出しやすくな
る。また、ベルト速度Ｖ３以下の低速度高摩擦力の領域
においては、動的に複数段階に摩擦補償力ｆ１＋ａから
ｆ１＋２ａに、さらにｆ１＋２ａからｆ１＋３ａに切替
えるものである。これにより、摩擦力の大きさの変化に
近似して摩擦補償力が加えられるので、訓練者の歩き始
めに必要な蹴り力を均等に小さくでき、より一層歩き出
しやすくなるものである。

【００２７】この図６の関係を実現するための摩擦補償
力の切り換え手段を図７に示す。摩擦補償力切り換え回
路２１には、摩擦補償力を切り換える切り換え手段２２
が設けられており、ベルト速度Ｖｍに対応した摩擦補償
力になるように自動的に切り換えられる。なお、この摩
擦補償力ｆｏはテーブルデータとしてデータベース２０
に備えられている。テーブルデータとすることで、処理
時間を早くすることが可能である。摩擦補償力を切り換
えるシーケンスを示したものが図８である。速度検出手
段１５から検出したベルト速度Ｖｍから、該当する速度
範囲の摩擦補償力ｆ１、ｆ１＋ａ、ｆ１＋２ａ、ｆ１＋
３ａを選択している。

【００２８】標準的な訓練時の動作シーケンスについて
図９を用いて説明する。まず、キーボード等の入力手段
８から、訓練時間や粘性係数等の左右の環状ベルト４の
動作設定値を入力し、キー操作により、歩行訓練を開始
する。制御装置３は設定した訓練時間に達しているか判
定する。達していない場合は、速度検出手段１５からベ
ルト速度を検出し、その情報を基に、摩擦補償力切換え
回路２１は、そのベルト速度に対応した摩擦補償力を選
択する。その後、演算手段７は制御演算量を演算し、駆
動手段９であるモータに駆動力を与える。このループを
訓練時間中繰り返すことにより、設定した粘性負荷特性
で環状ベルト４が訓練者の蹴りに追従して動作して、歩
行の訓練が行われる。この時、低速度高摩擦力の領域
で、摩擦補償力を上げるよう設定しているので、訓練者
の歩き始めに必要な蹴り力を小さくでき、蹴り始めの軽
い歩行が可能となる。

【００２９】次に、本発明の他の実施の形態について、
図１０〜図１２に基づいて説明する。

【００３０】図１０は他の実施例の制御ブロック図であ
る。図１０に示すように、トルク検出手段２３を備え
て、速度検出手段１５とトルク検出手段２３の情報を基
に、摩擦補償力ｆｏを切り換えるものである。これによ
れば、指令値である駆動力ｆｕとの偏差が検出でき、機
構抵抗の変化が検出可能となるため、より滑らかな違和
感のない歩行が得られる。

【００３１】また、図１１は別の摩擦補償力ｆｏの設定
例である。図１１に示すように、摩擦補償切替え回路の
摩擦補償力の切替えを、関数を用いて連続的に無段階に
可変とすることで、蹴る力に応じた速度特性をより連続
性の高い特性とすることができ、より滑らかな歩行が得
られる。

【００３２】図１２は粘性係数の設定例である。図１２
に示すように、粘性係数Ｃａ−Ｃｄを環状ベルト４の速
度に応じた関数としたものである。これは、接床時のベ
ルト速度Ｖｍが低い時ではｃｄを小さくし、離床時のベ
ルト速度が高い時ではｃｄを大きくするものである。こ
れにより、歩行面装置２の粘性負荷特性は、接床時に
は、足部を後方に運びやすい程度に軽い負荷特性とな
り、離床時には、足部が過度に後方に流されない程度に
重い負荷特性とすることができるので、歩きやすいもの
とすることができる。特に、離床時には上体を前方に出
している感覚になり、歩行の実感を高められる。

【００３３】

【発明の効果】本発明の歩行訓練装置およびその制御方
法によれば、歩行面の速度が変化して歩行面装置の抵抗
力が変化しても、その抵抗力に対する補償力も変化する
ので、訓練者の蹴り力を速度にかかわになく均等化する
ことができる。これによって、訓練者の歩き始めに必要
な蹴り力を小さくできので、歩き出しやすくなるととも
に、接床時に軽く離床時に重い負荷特性とすることがで
きるので、歩きやすいものとすることができる。また、
歩行面速度の低い領域で複数段階または無段階に補償力
を変化させることにより、より一層歩き出しやすくでき
る。さらには、速度検出手段とトルク検出手段の情報に
基づいて補償力を変化させることにより、より滑らかな
違和感のない歩行が得られる。しかも、支持手段として
のテーブルを中央テーブルと前後テーブルとに分けてい
るので、各テーブルが小型になり、撓みや捩じれを減少
でき、組立製作性や安定走行の向上が図れるとともに、
テーブル上面と環状ベルトとの隙間量を調整することが
できるので、訓練者に対応した最適な隙間量に設定でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の歩行訓練装置の外観図
である。

【図２】本発明の第１実施形態の歩行訓練装置の歩行面
装置の一部破断分解図である。

【図３】本発明の第１実施形態の歩行訓練装置の歩行面
装置の断面概略図である。

【図４】本発明の第１実施形態の歩行訓練装置の制御装
置の機能説明図である。

【図５】本発明の第１実施形態の歩行訓練装置の制御装
置の制御ブロック図である。

【図６】本発明の第１実施形態の歩行訓練装置の摩擦補
償力とベルト速度の関係図である。

【図７】本発明の第１実施形態の歩行訓練装置の摩擦補
償力の切り換え説明図である。

【図８】本発明の第１実施形態の歩行訓練装置の摩擦補
償力の切り換えシーケンス図である。

【図９】本発明の第１実施形態の歩行訓練装置の標準的
な訓練時の動作シーケンスである。

【図１０】本発明の他の実施形態の歩行訓練装置の制御
ブロック図である。

【図１１】本発明の他の実施形態の歩行訓練装置の摩擦
補償力とベルト速度の関係図である。

【図１２】本発明の他の実施形態の歩行訓練装置の粘性
係数とベルト速度の関係図である。

【符号の説明】

１…歩行訓練装置、２…歩行面装置、３…制御装置、４
…環状ベルト、５…手すり、６…表示手段、７…演算手
段、８…入力手段、９…駆動手段、１０…支持手段、１
１…フレーム、１２…駆動ローラ、１３…従動ローラ、
１４…回転機構、１５…速度検出手段、１６…テーブ
ル、１７…滑りシート、１８…調整機構、１９…情報前
処理手段、２０…データベース、２１…摩擦補償力切り
換え回路、２２…切り換え手段、２３…トルク検出手
段、δ…すきま量。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服部 静子 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 根本 泰弘 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被訓練者の歩行面を成すように動作する歩
   行面装置と、前記歩行面の動作を制御する制御装置とを
   備え、前記歩行面装置は歩行面の速度を検出する速度検
   出手段を有する歩行訓練装置において、前記速度検出手
   段で検出した速度により前記歩行面装置の抵抗力に対す
   る補償力を変化させる補償力可変手段を備えたことを特
   徴とする歩行訓練装置。
2. 【請求項２】歩行面装置は、歩行面を有する環状ベルト
   と、この環状ベルトを駆動する駆動手段とを有し、前記
   制御装置は前記歩行面の負荷特性を制御する演算手段を
   有する速度検出手段は、前記駆動手段の速度を検出して
   歩行面の速度を実質的に検出するように設けられ、補償
   力可変手段は、前記歩行面装置の摩擦を主要因とした抵
   抗力に対する摩擦補償力を変化させるようにしたことを
   特徴とする請求項１記載の歩行訓練装置。
3. 【請求項３】補償力可変手段は、前記速度検出手段で検
   出した速度が低速の時に補償力を増やすようにしたこと
   を特徴とする請求項１記載の歩行訓練装置。
4. 【請求項４】補償力可変手段は、前記速度検出手段で検
   出した速度に応じて複数段階または無段階に補償力を変
   化させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の歩
   行訓練装置。
5. 【請求項５】歩行面装置は、歩行面を有する環状ベルト
   と、この環状ベルトを駆動する駆動手段とを有し、前記
   駆動手段の出力トルクを検出するトルク検出手段を有
   し、このトルク検出手段で検出したトルクと前記速度検
   出手段で検出した速度とにより補償力を変化させるよう
   にしたを特徴とする請求項１記載の歩行訓練装置。
6. 【請求項６】歩行面装置は、歩行面を有する環状ベルト
   と、この環状ベルトを駆動する駆動手段と、前記環状ベ
   ルト内に配置された支持手段とを有し、前記支持手段は
   中央テーブルと前後テーブルとに分けたテーブルで構成
   したことを特徴とする請求項１記載の歩行訓練装置。
7. 【請求項７】歩行面装置は、歩行面を有する環状ベルト
   と、この環状ベルトを駆動する駆動手段と、前記環状ベ
   ルト内に配置された支持手段とを有し、前記支持手段は
   上面に低摩擦面を有するテーブルで構成し、このテーブ
   ル上面と前記環状ベルトとの隙間量を調整する機構を設
   けたことを特徴とする請求項１記載の歩行訓練装置。
8. 【請求項８】歩行面装置は、歩行面を有する環状ベルト
   と、この環状ベルトを駆動する駆動手段と、前記環状ベ
   ルト内に配置された支持手段と、フレームとを有し、前
   記駆動手段は、前記環状ベルトが巻設される駆動ローラ
   および従動ローラと回転機構を有し、制御装置は表示手
   段と演算手段と入力手段とを有し、補償力可変手段は前
   記速度検出手段で検出した速度に応じて複数段階または
   無段階に補償力を変化させるようにし、前記支持手段
   は、中央テーブルと前後テーブルとに分けたテーブルで
   構成するとともに、このテーブル上面と前記環状ベルト
   との隙間量を調整する機構を設けたことを特徴とする請
   求項１記載の歩行訓練装置。
9. 【請求項９】前記歩行面の動作を制御する制御装置とを
   備え、前記歩行面装置は歩行面の速度を検出する速度検
   出手段を有し、歩行訓練装置において、前記速度検出手
   段で検出した速度により前記歩行面装置の抵抗力に対す
   る補償力を変化させることを特徴とする歩行訓練装置の
   制御方法。