KR20170123251A

KR20170123251A - 보행 훈련 장치 및 상태 판정 방법

Info

Publication number: KR20170123251A
Application number: KR1020170052666A
Authority: KR
Inventors: 잇세이 나카시마
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2017-11-07
Also published as: JP6399034B2; KR101974266B1; US20170312579A1; CN107334607B; EP3238686B1; US10300337B2; EP3238686A1; JP2017196231A; CN107334607A

Abstract

보행 훈련 장치(1)는, 보행 훈련자의 다리부에 장착되는 다리부 로봇(2)과, 다리부 로봇(2)의 슬관절부(22)를 회전 구동하는 모터(261)와, 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간에 있어서, 슬관절부(22)를 회전 구동하도록 모터(261)를 제어하는 제어부(332)와, 모터(261)가 발생시킨 토크인 모터 토크를 검출하는 모터 토크 검출부(262)와, 유각 기간 중에 모터 토크 검출부(262)에 의하여 검출된 모터 토크의 값을 이용하여 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정하는 판정부(333)를 구비한다.

Description

보행 훈련 장치 및 상태 판정 방법 {WALKING TRAINING APPARATUS AND STATE DETERMINATION METHOD}

본 발명은 보행 훈련자가 보행 훈련을 행하기 위한 보행 훈련 장치에 관한 것이며, 특히 보행 훈련 장치에 있어서 보행 훈련자가 경축(痙縮) 상태 또는 고축(固縮) 상태인지의 여부를 판정하는 기술에 관한 것이다.

보행 훈련자의 다리부에 다리부 로봇을 장착하여 보행 훈련을 행하는 보행 훈련 장치가 알려져 있다. 그러나 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태에 있는 경우에는 보행 훈련을 행하더라도 충분한 훈련 효과를 얻을 수는 없다. 경축 상태 및 고축 상태란, 근육이 긴장하여 딱딱해진 상태이며, 뇌졸중 등으로 인하여 다리부가 마비된 편마비자 등에 자주 보인다. 또한 경축은 수의 운동의 장애이고 고축은 불수의 운동의 장애이다.

최근에는 경축 상태 또는 고축 상태의 판정을 행하는 기술이 제안되어 있으며, 예를 들어 Riener R et al., "Robot-Supported Spasticity Evaluation", 9th Annual Conference of the International FES Society, September 2004(이하, 비특허문헌 1)에는, 환자가 경축 상태인지의 여부를 판정하는 기술이 제안되어 있다.

그런데 요즘에는 보행 훈련자가 보행 훈련을 행하고 있는 상태에서 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정하고 싶다는 요망이 있다.

그러나 비특허문헌 1은, 환자가 양 다리를 든 상태에서 환자가 경축 상태인지의 여부를 판정하는 기술이다. 달리 말하면 비특허문헌 1은, 바닥으로부터 반력을 받는 본래의 보행과는 괴리된 상태에서 환자의 경축 상태를 판정하는 기술이기 때문에, 보행 훈련 중인 환자의 경축 상태를 판정할 수는 없다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것이며, 보행 훈련자가 보행 훈련을 행하고 있는 상태에서 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정할 수 있는 보행 훈련 장치 및 상태 판정 방법을 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태에 관한 보행 훈련 장치는,

보행 훈련자의 다리부에 장착되는 다리부 로봇과,

상기 다리부 로봇의 슬관절부를 회전 구동하는 모터와,

상기 보행 훈련자의 보용(步容) 동작에 있어서의 유각 기간에 있어서, 상기 슬관절부를 회전 구동하도록 상기 모터를 제어하는 제어 수단과,

상기 모터가 발생시킨 토크인 모터 토크를 검출하는 모터 토크 검출 수단과,

상기 유각 기간 중에 상기 모터 토크 검출 수단에 의하여 검출된 모터 토크의 값을 이용하여 상기 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정하는 판정 수단을 구비한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태에 관한 상태 판정 방법은,

보행 훈련자의 다리부에 다리부 로봇을 장착하여 보행 훈련을 행하는 보행 훈련 장치에 있어서, 상기 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정하는 상태 판정 방법이며,

상기 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간에 있어서, 상기 다리부 로봇의 슬관절부를 회전 구동하도록 모터를 제어하고,

상기 유각 기간 중에 상기 모터가 발생시킨 토크인 모터 토크를 검출하고, 상기 유각 기간 중에 검출된 모터 토크의 값을 이용하여 상기 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정한다.

상기 각 양태에 의하면, 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간에 있어서, 다리부 로봇의 슬관절부를 회전 구동하는 모터가 발생시킨 모터 토크를 검출하고, 검출된 모터 토크의 값을 이용하여 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정한다. 이것에 의하여, 보행 훈련자가 보행 훈련을 행하고 있는 상태에서 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정할 수 있다.

본 발명의 각 양태에 의하면, 보행 훈련자가 보행 훈련을 행하고 있는 상태에서 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정할 수 있는 보행 훈련 장치 및 상태 판정 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징과 이점은, 이하에 제시되는 상세한 설명, 및 예시로서 제시되는 첨부 도면으로부터 더욱 충분히 이해될 것이며, 따라서 본 발명을 한정하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1, 2에 관한 보행 훈련 장치의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1, 2에 관한 다리부 로봇의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 보행 훈련 장치의 개략적인 기능 블록 구성의 일례를 도시하는 블록도이다.
도 4는 보행 훈련 시의 보행 데이터의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 1, 2에 관한 다리부 로봇의 일례를 모식적으로 도시한 모식도이다.
도 6은 경축 모델에 있어서의 계수의 도출 방법의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 7은 고축 모델에 있어서의 계수의 도출 방법의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 보행 훈련 장치에 있어서의 상태 판정 방법의 개략적인 흐름의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태 2에 관한 보행 훈련 장치의 개략적인 기능 블록 구성의 일례를 도시하는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태 2에 관한 보행 훈련 장치에 있어서의 상태 판정 방법의 개략적인 흐름의 일례를 도시하는 흐름도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한 이하에서 설명하는 각 도면에 있어서, 동일 또는 대응하는 요소에는 동일한 부호가 붙여져 있으며, 설명의 명확화를 위하여 필요에 따라 중복 설명은 생략된다.

(1) 실시 형태 1

도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 보행 훈련 장치(1)의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 사시도이다. 본 실시 형태 1에 관한 보행 훈련 장치(1)는, 예를 들어 편마비자 등인 보행 훈련자의 보행 훈련을 행하기 위한 장치이다. 보행 훈련 장치(1)는, 보행 훈련자의 불편한 다리에 장착되는 다리부 로봇(2)과, 보행 훈련자의 보행 훈련을 행하는 훈련 장치(3)를 구비하고 있다.

다리부 로봇(2)은 보행 훈련자의 불편한 다리에 장착되어 보행 훈련자의 보행을 보조한다(도 2). 다리부 로봇(2)은, 허벅다리 프레임(21)과, 허벅다리 프레임(21)에 슬관절부(22)를 통해 연결된 종아리 프레임(23)과, 종아리 프레임(23)에 발목 관절부(24)를 통해 연결된 밑창 프레임(25)과, 슬관절부(22)를 회전 구동하는 모터 유닛(26)과, 발목 관절부(24)의 가동 범위를 조정하는 조정 기구(27)를 갖고 있다. 또한 다리부 로봇(2)의 구성은 일례이며, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 다리부 로봇(2)은, 발목 관절부(24)를 회전 구동하는 모터 유닛을 구비하고 있어도 된다.

밑창 프레임(25)에는, 보행 훈련자의 발바닥이 받는 하중을 검출하는 발바닥 하중 검출부(28)가 설치되어 있다. 발바닥 하중 검출부(28)는, 보행 훈련자의 발바닥이 받는 수직 하중을 검출하는 복수의 하중 센서(28a)를 갖고 있다. 도 2에 있어서는, 발끝측에 1쌍의 하중 센서(28a)가 배치됨과 함께 발뒤꿈치측에 1쌍의 하중 센서(28a)가 배치되어 있다. 또한 하중 센서(28a)의 수 및 위치는, 발바닥의 하중 중심을 고정밀도로 구할 수 있는 배치이면 임의여도 된다. 또한 발바닥 하중 검출부(28)는, 밑창 프레임(25)에 설치하는 것에 한정되지는 않는다. 발바닥 하중 검출부(28)는, 예를 들어 밑창 프레임(25)의 하측에 설치해도 된다.

허벅다리 프레임(21)은 보행 훈련자의 다리부의 허벅다리부에 설치되고, 종아리 프레임(23)은 보행 훈련자의 다리부의 종아리부에 설치된다. 허벅다리 프레임(21)에는, 허벅다리부에 고정하기 위한 허벅다리 장구(212)가 설치되어 있다. 이것에 의하여, 다리부 로봇(2)이 보행 훈련자의 다리부로부터 좌우 방향 또는 상하 방향으로 어긋나는 것을 방지할 수 있다.

허벅다리 프레임(21)에는, 후술하는 제1 인장부(35)의 와이어(34)를 접속하기 위한, 좌우 방향으로 연장되는 가로로 긴 제1 프레임(211)이 설치되어 있다. 종아리 프레임(23)에는, 후술하는 제2 인장부(37)의 와이어(36)를 접속하기 위한, 좌우 방향으로 연장되는 가로로 긴 제2 프레임(231)이 설치되어 있다.

또한 상술한 제1 및 제2 인장부(35, 37)의 접속 양태는 일례이며, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 제1 및 제2 인장부(35, 37)의 와이어(34, 36)를 허벅다리 장구(212)에 접속해도 된다.

모터 유닛(26)은 슬관절부(22)를 회전 구동한다. 모터 유닛(26)은 후술하는 모터(261), 모터 토크 검출부(262) 및 모터 회전 각도 검출부(263)를 구비하고 있다.

또한 상술한 다리부 로봇(2)의 구성은 일례이며, 이에 한정되지 않는다. 보행 훈련자의 다리부에 장착되어 그 보행을 보조할 수 있는 임의의 다리부 로봇을 적용 가능하다.

훈련 장치(3)는 트레드밀(31)과 프레임 본체(32)와 제어 장치(33)와 제1 인장부(35)와 제2 인장부(37)를 갖고 있다. 트레드밀(31)은 링형의 벨트(311)를 회전시킨다. 보행 훈련자는, 보행 훈련 시에는 벨트(311) 상에 올라타서 벨트(311)의 이동에 따라 보행을 행한다.

프레임 본체(32)는, 트레드밀(31) 상에 기립 설치된 2쌍의 기둥 프레임(321)과, 각 기둥 프레임(321)에 접속되고 전후 방향으로 연장되는 1쌍의 전후 프레임(322)과, 각 전후 프레임(322)에 접속되고 좌우 방향으로 연장되는 3개의 좌우 프레임(323)을 갖고 있다. 또한 상술한 프레임 본체(32)의 구성은 이에 한정되지 않는다. 후술하는 제1 및 제2 인장부(35, 37)가 적절히 고정되면, 프레임 본체(32)는 임의의 프레임 구성이어도 된다.

전방의 좌우 프레임(323)에는, 와이어(34)를 상방 및 전방으로 인장하는 제1 인장부(35)가 설치되어 있다. 후방의 좌우 프레임(323)에는, 와이어(36)를 상방 및 후방으로 인장하는 제2 인장부(37)가 설치되어 있다.

제1 및 제2 인장부(35, 37)는, 예를 들어 와이어(34, 36)를 권취 및 되감는 기구, 그 기구를 구동하는 모터 등으로 구성되어 있다. 제1 및 제2 인장부(35, 37)가 인장하는 와이어(34, 36)의 일단부는 다리부 로봇(2)에 접속되어 있다. 제1 인장부(35)는 와이어(34)를 통해 다리부 로봇(2)을 상방 및 전방으로 인장한다. 제2 인장부(37)는 와이어(36)를 통해 다리부 로봇(2)을 상방 및 후방으로 인장한다.

제1 및 제2 인장부(35, 37)는 모터의 구동 토크를 제어함으로써 와이어(34, 36)의 인장력을 제어하고 있지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 각 와이어(34, 36)에 스프링 부재가 접속되어 있고, 스프링 부재의 탄성력을 조정함으로써 와이어(34, 36)의 인장력을 조정해도 된다.

제1 및 제2 인장부(35, 37)에 의한 인장력의 연직 상방의 성분이 다리부 로봇(2)의 하중을 경감한다. 그리고 제1 및 제2 인장부(35, 37)에 의한 인장력의 수평 성분이 다리부의 발행을 어시스트한다. 그것에 의하여 보행 훈련 시에 있어서의 보행 훈련자의 보행 부하를 경감할 수 있다.

또한 프레임 본체(32)에는, 훈련 지시, 훈련 메뉴, 훈련 정보(보행 속도, 생체 정보 등) 등의 정보를 표시하는 표시부(331)가 설치되어 있다.

제어 장치(33)는, 제1 및 제2 인장부(35, 37)의 인장력과, 트레드밀(31)의 구동과, 다리부 로봇(2)을 각각 제어한다. 제어 장치(33)는 CPU(Central Processing Unit) 및 기억부를 가지며, 기억부에 저장된 프로그램을 CPU가 실행함으로써 본 실시 형태 1에 관한 제어 장치(33)로서의 처리를 실행한다. 즉, 제어 장치(33)의 기억부에 저장되는 프로그램은, 본 실시 형태 1에 관한 제어 장치(33)에 있어서의 처리를 CPU에 실행시키기 위한 코드를 포함한다. 또한 기억부는, 예를 들어 상술한 프로그램이나, CPU에 있어서의 처리에 이용되는 각종 정보를 저장할 수 있는 기억 장치를 포함하여 구성된다. 기억 장치로서, 예를 들어 메모리 및 하드 디스크 등의 기억 장치 중 적어도 하나의 임의의 기억 장치를 이용해도 된다.

본 실시 형태 1은 다리부 로봇(2)을 제어하는 구성에 특징이 있으며, 제1 및 제2 인장부(35, 37) 및 트레드밀(31)을 제어하는 구성은 주지의 기술을 이용 가능하다. 그 때문에, 이하에서는 다리부 로봇(2)의 제어를 행하는 구성에 대해서만 설명하고, 제1 및 제2 인장부(35, 37) 및 트레드밀(31)의 제어를 행하는 구성에 대해서는 설명을 생략한다.

도 3은, 본 실시 형태 1에 관한 보행 훈련 장치(1)의 개략적인 기능 블록 구성의 일례를 도시하는 블록도이다. 다리부 로봇(2)은 상술한 모터 유닛(26) 및 발바닥 하중 검출부(28)를 구비하고 있다. 또한 모터 유닛(26)은 모터(261), 모터 토크 검출부(262) 및 모터 회전 각도 검출부(263)를 구비하고 있다. 제어 장치(33)는 제어부(332) 및 판정부(333)를 구비하고 있다. 제어부(332) 및 판정부(333)는, 기억부에 저장되는 프로그램을 실행하는 CPU 등에 의하여 실현된다.

모터(261)는 슬관절부(22)를 회전 구동한다.

모터 토크 검출부(262)는, 모터(261)가 발생시킨 토크인 모터 토크(단위는 [Nm])를 검출한다. 모터 토크 검출부(262)는 유선 또는 무선을 통하여 제어 장치(33)와 접속되어 있으며, 검출한 모터 토크의 값을 제어 장치(33)에 출력한다.

모터 회전 각도 검출부(263)는 모터(261)의 회전 각도인 모터 회전 각도(단위는 [deg])를 검출한다. 모터 회전 각도 검출부(263)는 유선 또는 무선을 통하여 제어 장치(33)와 접속되어 있으며, 검출한 모터 회전 각도의 값을 제어 장치(33)에 출력한다.

발바닥 하중 검출부(28)는, 보행 훈련자의 발바닥이 받는 수직 하중인 발바닥 하중(단위는 [N])을 검출한다. 발바닥 하중 검출부(28)는 유선 또는 무선을 통하여 제어 장치(33)와 접속되어 있으며, 검출한 발바닥 하중의 값을 제어 장치(33)에 출력한다.

또한 상기에서는, 모터 토크 검출부(262), 모터 회전 각도 검출부(263) 및 발바닥 하중 검출부(28)의 각각이, 검출한 값을 제어 장치(33)에 출력하는 것으로 했지만, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어 제어 장치(33)와 유선 또는 무선을 통하여 접속된 통신부를 다리부 로봇(2)에 설치하고, 이 통신부가, 모터 토크 검출부(262), 모터 회전 각도 검출부(263) 및 발바닥 하중 검출부(28)의 각각에서 검출한 값을 제어 장치(33)에 출력해도 된다.

판정부(333)는, 발바닥 하중 검출부(28)가 검출한 발바닥 하중의 값을 이용하여 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간을 판정한다. 유각 기간이란, 다리부 로봇(2)이 장착된 측의 다리부가 바닥으로부터 들린 상태에 있는 기간이다. 본 실시 형태 1에 있어서는, 판정부(333)는 발바닥 하중의 역치로서 하나의 역치를 설정하고, 발바닥 하중이 역치를 하회한 타이밍(제1 타이밍)으로부터, 발바닥 하중이 역치를 초과한 타이밍(제2 타이밍)까지의 기간을, 유각 기간으로 판정한다.

또한 판정부(333)는, 모터 토크 검출부(262)이 검출한 모터 토크를, 슬관절부(22)를 구동하는 토크인 무릎 구동 토크(단위는 [Nm])로서 산출한다. 또한 판정부(333)는, 모터 회전 각도 검출부(263)가 검출한 모터 회전 각도에 기초하여 슬관절부(22)의 회전 각도인 무릎 회전 각도(단위는 [deg])를 산출한다. 본 실시 형태 1에 있어서는, 무릎 회전 각도는, 무릎이 신전 상태에 있을 때를 0[deg]으로 하고, 무릎을 굴곡함에 따라 부 방향으로 커지는 것으로 한다. 예를 들어 무릎을 직각으로 굴곡하고 있는 상태에 있을 때는 무릎 회전 각도는 -90[deg]으로 된다. 모터 회전 각도로부터 무릎 회전 각도를 산출하는 방법은 임의인데, 예를 들어 모터(261)의 1회전당 슬관절부(22)의 회전 각도를 미리 구해 두고, 그것을 이용하여 모터 회전 각도로부터 무릎 회전 각도를 산출할 수 있다. 또한 판정부(333)는 산출한 무릎 회전 각도를 이용하여 슬관절부(22)의 회전 각속도인 무릎 회전 각속도(단위는 [deg/sec])를 산출한다. 무릎 회전 각속도는 무릎 회전 각도를 단위 시간으로 나눔으로써 산출할 수 있다.

또한 판정부(333)는, 보행 훈련자나, 보행 훈련자의 근방에 배치되는 물리 치료사 등이 조작하는, 도시되지 않은 조작부로부터의 조작 신호를 유선 또는 무선을 통하여 입력한다. 그리고 판정부(333)는 입력된 조작 신호에 기초하여, 보행 훈련이 개시된 것, 보행 훈련이 정지된 것 등을 판정한다.

제어부(332)는, 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간에 있어서, 보행 훈련자의 보행을 보조(어시스트)하기 위하여 슬관절부(22)를 회전 구동하도록 모터(261)를 제어한다.

구체적으로는 제어부(332)는, 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간에 있어서, 유각 개시로부터 무릎 회전 각도가 설정값에 도달할 때까지의 유각 굴곡 시간에 있어서는, 무릎 회전 각도가 단조 증가하도록 모터(261)를 제어한다. 또한 제어부(332)는, 유각 기간에 있어서, 유각 굴곡 시간에 이어지는 시간이자, 무릎 회전 각도가 설정값에 도달하고 난 후 유각 종료까지의 유각 신전 시간에 있어서는, 무릎 회전 각도가 단조 감소하도록 모터(261)를 제어한다. 그 때문에, 제어부(332)는, 유각 기간 중에는 판정부(333)로부터 무릎 회전 각도를 수시 취득하여, 원하는 무릎 회전 각도를 실현할 수 있도록 모터(261)를 제어한다. 또한 제어부(332)는, 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간인지의 여부는 판정부(333)로부터 통지되어도 되고, 발바닥 하중 검출부(28)가 검출한 발바닥 하중의 값을 입력하여 스스로 판정해도 된다.

도 4는, 보행 훈련 시의 보행 데이터의 일례를 나타내는 그래프이다. 먼저, 발바닥 하중에 착안하면, 판정부(333)는, 발바닥 하중이 역치를 하회한 타이밍으로부터, 발바닥 하중이 역치를 초과한 타이밍까지의 기간을, 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간으로 판정한다. 다음으로, 무릎 회전 각도에 착안하면, 제어부(332)는, 유각 기간에 있어서, 유각 개시로부터 무릎 회전 각도가 설정값에 도달할 때까지는 무릎 회전 각도가 단조 증가하도록 모터(261)를 제어한다. 이것에 의하여 무릎 회전 각도는 0[deg]으로부터 서서히 증가하고 있다. 또한 제어부(332)는, 유각 기간에 있어서, 무릎 회전 각도가 설정값에 도달하고 난 후로부터는 무릎 회전 각도가 단조 감소하도록 모터(261)를 제어한다. 이것에 의하여, 무릎 회전 각도는 서서히 감소해 가서 최종적으로는 0[deg]으로 복귀된다. 또한 무릎 회전 각도의 설정값은 보행 훈련자마다 적정값이 상이하다고 생각되기 때문에, 보행 훈련자마다 설정해도 된다.

본 실시 형태 1에 있어서는, 판정부(333)는, 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간으로 판정한 기간 중의 무릎 구동 토크, 무릎 회전 각도 및 무릎 회전 각속도의 값을 이용하여 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정한다.

이하, 판정부(333)에 있어서, 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정하는 판정 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

경축은 속도 의존성이 있는 것이 알려져 있다. 예를 들어 환자가 경축 상태인 경우, 외부로부터의 힘으로 환자의 근육을 빠르게 움직이려고 하면 할수록 환자의 근육 저항은 커진다.

이를 이용하여 경축 모델은, 무릎 구동 토크를 T_spasticity[Nm]라 하고 무릎 회전 각속도를

[deg/sec]라 한 경우, 이하의 식 (1)과 같이 근사할 수 있다.

여기서, D는, 무릎 구동 토크의 값을 나뉨수로 하고 무릎 회전 각속도의 값을 나눗수로 하는 나눗셈의 몫에 상당하는 계수이다. 이 계수 D에는, 보행 훈련자가 경축 상태인지의 여부를 판정하기 위한 역치인 경축 역치(정의 값)가 설정되어 있다. 판정부(333)는, 이 계수 D의 값의 절댓값이 경축 역치를 초과한 경우에 보행 훈련자가 경축 상태라고 판정한다.

한편, 고축은 속도 의존성이 없으며, 외부로부터의 힘으로 근육을 움직이는 속도에 관계없이 근육은 균일한 저항을 나타내는 것이 알려져 있다. 예를 들어 환자가 고축 상태인 경우, 외부로부터의 힘으로 환자의 근육을 빠르게 움직이려고 하든 느리게 움직이려고 하든 환자의 근육 저항은 거의 변화되지 않는다.

이를 이용하여 고축 모델은, 무릎 구동 토크를 T_rigidity[Nm]라 하고 무릎 회전 각도를 θ[deg]라 한 경우, 이하의 식 (2)와 같이 근사할 수 있다.

여기서, K는, 무릎 구동 토크의 값을 나뉨수로 하고 무릎 회전 각도의 값을 나눗수로 하는 나눗셈의 몫에 상당하는 계수이고, θ_offset은 상기 나눗셈의 나머지에 상당하는 계수이다. 이 계수 K에는, 보행 훈련자가 고축 상태인지의 여부를 판정하기 위한 역치인 제1 고축 역치(정의 값)가 설정되고, 또한 이 계수 θ_offset에는, 보행 훈련자가 고축 상태인지의 여부를 판정하기 위한 역치인 제2 고축 역치(정의 값)가 설정되어 있다. 판정부(333)는, 이 계수 K의 값의 절댓값이 제1 고축 역치를 초과한 경우에, 또는 이 계수 θ_offset의 값의 절댓값이 제2 고축 역치를 초과한 경우에 보행 훈련자가 고축 상태라고 판정한다.

또한 경축 역치, 제1 고축 역치 및 제2 고축 역치는, 예를 들어 이하와 같이하여 결정할 수 있다.

금회 보행 훈련을 행하는 보행 훈련자의 과거의 보행 훈련에 있어서, 고축 또는 경축이 발생한 때의 보행 데이터를 참고하여 결정할 수 있다.

또는 많은 보행 훈련자의 과거의 보행 훈련에 있어서, 고축 또는 경축이 발생한 때의 보행 데이터를 참고하여 결정할 수도 있다.

또는 보행 훈련자의 근방에 배치된 물리 치료사 등이 그 자리에서 적절히 원하는 값으로 설정할 수도 있다.

단, 경축 역치, 제1 고축 역치 및 제2 고축 역치의 상기 결정 방법은 어디까지나 일례이며, 상술한 것에 한정되지는 않는다.

이하, 식 (1)의 경축 모델에 있어서의 계수 D, 및 식 (2)의 고축 모델에 있어서의 계수 K 및 θ_offset의 도출 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

처음에, 식 (1)의 경축 모델에 있어서의 계수 D의 도출 방법에 대하여 설명한다.

수순 1:

예를 들어 도 5에 도시된 바와 같은 모식화된 다리부 로봇(2)을 상정한다. 도 5에 있어서, θ는 무릎 회전 각도, φ는 중력 방향에 대한 하지의 각도, m은 하지의 무게 중심 위치의 질량, l은 슬관절과 하지 무게 중심 위치 사이의 거리이다.

여기서, 보행 훈련자가 장착하고 있지 않을 때의 다리부 로봇(2)의 저항 모델은 이하의 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.

식 (3)에 있어서, T는 슬관절을 구동하는 토크, I는 관성 모멘트, R은 점성 저항, F는 동마찰 계수, g는 중력 가속도이다. 또한 K₁, K₂는 이하의 관계에 있다.

판정부(333)는 상기 I, D, F, K₁, K₂를 동정함으로써 식 (3)의 토크 T를 사전에 구해 둔다.

수순 2:

계속해서, 판정부(333)는, 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간 중에 얻어진 무릎 구동 토크를 T1, 식 (3)에서 얻어진 토크 T를 T2라 하고, T1에서 T2를 뺀 토크 T3(T3=T1-T2)을 구한다. 이 토크 T3이 경축 모델의 산출에 이용하는 토크로 된다.

수순 3:

계속해서, 판정부(333)는, 도 6에 나타난 바와 같이

을 횡축으로, T3을 종축으로 하여, 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간 중에 얻어진

및 T3의 값을 그래프 상에 플롯해 가서, 이하의 식 (4)와 같은 근사식을 얻는다.

무릎 구동 토크는 반력으로 되기 때문에 판정부(333)는 식 (4)를 이하의 식 (5)와 같이 치환한다.

판정부(333)는 식 (5)에 있어서의 「-D'」을 식 (1)의 경축 모델에 있어서의 계수 D로서 도출한다.

그리고 판정부(333)는, 식 (1)의 경축 모델에 있어서의 계수 D의 값의 절댓값이 경축 역치를 초과한 경우에 보행 훈련자가 경축 상태라고 판정하게 된다. 따라서 계수 D의 값의 절댓값이 커질수록 보행 훈련자가 경축 상태라고 판정되기 쉬워진다.

다음으로, 식 (2)의 고축 모델에 있어서의 계수 K 및 θ_offset의 도출 방법에 대하여 설명한다.

수순 1:

판정부(333)는 경축 모델의 수순 1과 마찬가지로 식 (3)의 토크 T를 사전에 구해 둔다.

수순 2:

계속해서, 판정부(333)는 경축 모델의 수순 2와 마찬가지로 토크 T3(T3=T1-T2)을 구한다. 이 토크 T3이 고축 모델의 산출에 이용하는 토크로 된다.

수순 3:

계속해서, 판정부(333)는, 도 7에 나타난 바와 같이 θ를 횡축으로, T3을 종축으로 하여, 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간 중에 얻어진 θ 및 T3의 값을 그래프 상에 플롯해 가서, 이하의 식 (6)과 같은 근사식을 얻는다.

무릎 구동 토크는 반력으로 되기 때문에 판정부(333)는 식 (6)을 이하의 식 (7)과 같이 치환한다.

판정부(333)는 식 (7)에 있어서의 「-K'」을 식 (2)의 고축 모델에 있어서의 계수 K로서 도출함과 함께, 식 (7)에 있어서의 「-θ'_offset」을 식 (2)의 고축 모델에 있어서의 계수 θ_offset으로서 도출한다.

그리고 판정부(333)는, 식 (2)의 고축 모델에 있어서의 계수 K의 값의 절댓값이 제1 고축 역치를 초과한 경우에, 또는 식 (2)의 고축 모델에 있어서의 계수 θ_offset의 값의 절댓값이 제2 고축 역치를 초과한 경우에 보행 훈련자가 고축 상태라고 판정하게 된다. 따라서 계수 K의 값의 절댓값이 커질수록, 또한 계수 θ_offset의 값의 절댓값이 커질수록 보행 훈련자가 고축 상태라고 판정되기 쉬워진다.

도 8은, 본 실시 형태 1에 관한 보행 훈련 장치(1)에 있어서, 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정하는 상태 판정의 방법의 일례를 도시하는 흐름도이다.

보행 훈련자나 물리 치료사 등은 도시되지 않은 조작부를 조작하여 보행 훈련을 개시한다. 보행 훈련이 개시되면, 판정부(333)는 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간인지의 여부를 판정한다(스텝 S11). 유각 기간이 아닌 경우(스텝 S11의 "아니오"), 후술하는 스텝 S14로 나아간다.

스텝 S11에 있어서, 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간인 경우(스텝 S11의 "예"), 제어부(332)는 보행 훈련자의 보행을 보조하기 위하여 슬관절부(22)를 회전 구동하도록 모터(261)를 제어한다(스텝 S12).

계속해서, 판정부(333)는, 유각 기간 중에 모터 토크 검출부(262)에 의하여 검출된 모터 토크의 값을 이용하여 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정한다(스텝 S13).

계속해서, 판정부(333)는 보행 훈련이 정지되었는지의 여부를 판정한다(스텝 S14). 보행 훈련자나 그 근방에 배치된 물리 치료사 등은, 보행 훈련을 정지시키는 경우, 도시되지 않은 조작부를 조작하여 보행 훈련을 정지한다. 그 때문에, 판정부(333)는, 보행 훈련을 정지시키는 조작이 이루어졌는지의 여부로 보행 훈련이 정지되었는지의 여부를 판정하면 된다.

스텝 S14에 있어서, 보행 훈련이 정지된 경우(스텝 S14의 "예"), 처리를 종료하고, 보행 훈련이 정지되어 있지 않은 경우(스텝 S14의 "아니오"), 스텝 S11의 처리로 되돌아간다.

상술한 바와 같이 본 실시 형태 1에 의하면, 판정부(333)는, 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간 중에 모터 토크 검출부(262)에 의하여 검출된 모터 토크의 값을 이용하여 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정한다. 그 때문에, 보행 훈련자가 보행 훈련을 행하고 있는 상태에서 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정할 수 있다.

또한 경축 상태 또는 고축 상태의 판정에 이용하는 모터 토크의 값을 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간만에 한정하고, 입각(立脚) 기간 중의 모터 토크의 값을 이용하지 않도록 하고 있다. 이것에 의하여, 보행 훈련자의 다리부가 입각 시의 접지에 의하여 바닥으로부터 받는 하중의 영향을 받지 않으면서 경축 상태 또는 고축 상태의 판정을 행할 수 있기 때문에, 경축 상태 또는 고축 상태의 판정을 고정밀도로 행할 수 있다.

(2) 실시 형태 2

본 실시 형태 2에 관한 보행 훈련 장치 1'은, 실시 형태 1에 관한 보행 훈련 장치(1)와 비교하여, 도 1 및 도 2에 도시되는 외관 구성에 대해서는 마찬가지이지만, 기능 블록 구성이 상이하다.

도 9는, 본 실시 형태 2에 관한 보행 훈련 장치 1'의 개략적인 기능 블록 구성의 일례를 도시하는 블록도이다. 본 실시 형태 2에 관한 보행 훈련 장치 1'은 제어 장치(33) 내에 통지부(334)가 추가되어 있다.

통지부(334)는, 판정부(333)에 의하여 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태라고 판정된 경우, 보행 훈련자나 그 근방에 배치된 물리 치료사 등에 대하여 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태에 있는 것을 통지한다. 통지의 방법으로서는 임의의 방법을 이용 가능하다. 예를 들어 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태에 있는 것을 나타내는 화면을 표시부(331)에 화면 표시해도 된다. 또한 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태에 있는 것을 나타내는 메시지를 스피커 등의 음성 출력부로부터 음성 출력해도 된다. 또한 메시지 대신 버저 등의 경고음을 음성 출력해도 된다.

도 10은, 본 실시 형태 2에 관한 보행 훈련 장치 1'에 있어서, 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정하는 상태 판정 방법의 일례를 도시하는 흐름도이다.

먼저, 실시 형태 1의 도 8과 마찬가지의 스텝 S11 내지 S13의 처리가 행해진다.

계속해서, 통지부(334)는 직전의 스텝 S13에 있어서, 판정부(333)에 의하여 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태라고 판정되었는지의 여부를 판정한다(스텝 S21). 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태라고 판정되어 있지 않은 경우(스텝 S21의 "아니오"), 후술하는 스텝 S14로 나아간다.

스텝 S21에 있어서, 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태라고 판정되어 있는 경우(스텝 S21의 "예"), 통지부(334)는 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태에 있는 것을 통지한다(스텝 S22). 상술한 바와 같이, 통지의 방법으로서는, 예를 들어 표시부(331)에 화면 표시하거나, 스피커 등의 음성 출력부로부터 메시지를 음성 출력하거나, 버저 등의 경고음을 음성 출력하는 등이 생각된다.

그 후, 실시 형태 1의 도 8과 마찬가지의 스텝 S14의 처리가 행해진다.

상술한 바와 같이 본 실시 형태 2에 의하면, 통지부(334)는 판정부(333)에 의하여 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태라고 판정한 경우, 그 취지를 통지한다. 그 때문에, 보행 훈련자나 그 근방에 배치된 물리 치료사 등은 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태로 되어 있는 것을 알 수 있다.

또한 본 실시 형태 2의 그 외의 효과는 실시 형태 1과 마찬가지이다.

또한 본 발명은 상기 실시 형태에 한정된 것은 아니며, 취지를 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경하는 것이 가능하다.

예를 들어 상기 실시 형태에 있어서는, 발바닥 하중의 역치를 하나 설정하고, 발바닥 하중이 역치를 하회한 제1 타이밍으로부터, 발바닥 하중이 역치를 초과한 제2 타이밍까지를, 유각 기간으로 판정하고 있었지만, 유각 기간의 판정 방법은 이에 한정되지는 않는다.

예를 들어 발바닥 하중의 역치로서, 제1 역치와, 제1 역치보다도 작은 값으로 되는 제2 역치의 2개의 역치를 설정한다. 그리고 발바닥 하중이 제1 역치를 하회한 제1 타이밍으로부터, 발바닥 하중이 제2 역치를 초과한 제2 타이밍까지를, 유각 기간으로 판정해도 된다. 유각 기간 종료를 판정하는 제2 역치를 높게 한 경우, 입각 시에 바닥을 어느 정도 강하게 답입하지 않으면 유각 기간 종료로 판정되지는 않는다. 그러나 입각 시에 바닥을 강하게 답입하면, 그 반동 등으로 인하여 발바닥 하중이 작은 쪽으로 흔들려 버리는 경우가 있다. 그렇게 하면, 실제로는 다리부가 입각 상태에 있음에도 불구하고 유각 기간이 개시되었다고 오판정되어, 유각 기간 중의 보행 훈련자의 보행을 보조하는 처리를 개시해 버린다는 오동작이 발생한다. 이를 방지하기 위하여, 유각 기간 종료를 판정하는 제2 역치는 낮게 설정하는 것이 좋다.

또는 발바닥 하중의 역치를 하나인 채로 하고, 발바닥 하중이 역치를 하회한 제1 타이밍으로부터, 소정 시간을 경과한 제2 타이밍까지를, 유각 기간으로 판정해도 된다. 소정 시간은, 보행 훈련자가 무릎의 굴곡을 개시한 타이밍으로부터, 무릎 회전 각도가 설정값에 도달하고 그 후에 보행 훈련자가 무릎을 신전시킨 타이밍까지의 시간에 상당한다. 소정 시간의 경과 후에도 발바닥 하중이 역치를 하회하고 있는 경우, 소정 시간의 경과 후의 상태는 보행 훈련자가 입각하지 않고 무릎을 신전시킨 채로의 상태에 있다고 생각된다. 그러나 그 상태의 보행 데이터를 취하더라도 경축 상태 및 고축 상태 중 어느 쪽도 판정할 수 없어, 그 보행 데이터는 의미가 없는 보행 데이터로 된다. 그 때문에, 상기 소정 시간만을 유각 기간으로 판정하여 경축 상태 또는 고축 상태를 판정한다.

또한 상기 실시 형태에 있어서는, 보행 훈련 장치는 보행 훈련자의 경축 상태 및 고축 상태의 양쪽을 판정하는 것이 가능한 구성이었지만, 이에 한정되지는 않는다. 본 발명의 보행 훈련 장치는 보행 훈련자의 경축 상태 또는 고축 상태 중 어느 한쪽을 판정하는 것이 가능한 구성이면 된다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 본 발명의 실시 형태가 다양하게 변경될 수 있음은 자명하다. 이러한 변형은 본 발명의 사상 및 범위로부터 일탈하는 것으로 간주되어서는 안 되며, 당업자에게 자명한 그러한 변경의 전부는, 첨부된 특허 청구범위 내에 포함되는 것이 의도된다.

Claims

보행 훈련자의 다리부에 장착되는 다리부 로봇과,
상기 다리부 로봇의 슬관절부를 회전 구동하는 모터와,
상기 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간에 있어서, 상기 슬관절부를 회전 구동하도록 상기 모터를 제어하는 제어 수단과,
상기 모터가 발생시킨 토크인 모터 토크를 검출하는 모터 토크 검출 수단과,
상기 유각 기간 중에 상기 모터 토크 검출 수단에 의하여 검출된 모터 토크의 값을 이용하여 상기 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정하는 판정 수단
을 구비하는, 보행 훈련 장치.
제1항에 있어서,
상기 모터의 회전 각도인 모터 회전 각도를 검출하는 모터 회전 각도 검출 수단을 더 구비하고,
상기 판정 수단은,
상기 유각 기간 중에 상기 모터 회전 각도 검출 수단에 의하여 검출된 상기 모터 회전 각도의 값을 이용하여, 상기 유각 기간 중의 상기 슬관절부의 회전 각도인 무릎 회전 각도, 또는 상기 슬관절부의 회전 각속도인 무릎 회전 각속도를 산출하고,
상기 유각 기간 중의 상기 모터 토크의 값과, 상기 유각 기간 중의 상기 무릎 회전 각도 또는 상기 무릎 회전 각속도의 값을 이용하여, 상기 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정하는,
보행 훈련 장치.
제2항에 있어서,
상기 판정 수단은,
상기 유각 기간 중의 상기 모터 토크의 값을 나뉨수로 하고 상기 유각 기간 중의 상기 무릎 회전 각도의 값을 나눗수로 하는 나눗셈의 몫에 상당하는 값의 절댓값이, 상기 보행 훈련자의 고축 상태를 판정하기 위한 역치인 제1 고축 역치를 초과한 경우에, 또는 상기 나눗셈의 나머지에 상당하는 값의 절댓값이, 상기 보행 훈련자의 고축 상태를 판정하기 위한 역치인 제2 고축 역치를 초과한 경우에, 상기 보행 훈련자가 고축 상태라고 판정하는,
보행 훈련 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 판정 수단은,
상기 유각 기간 중의 상기 모터 토크의 값을 나뉨수로 하고 상기 유각 기간 중의 상기 무릎 회전 각속도의 값을 나눗수로 하는 나눗셈의 몫에 상당하는 값의 절댓값이, 상기 보행 훈련자의 경축 상태를 판정하기 위한 역치인 경축 역치를 초과한 경우에, 상기 보행 훈련자가 경축 상태라고 판정하는,
보행 훈련 장치.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 수단은,
상기 유각 기간에 있어서, 상기 무릎 회전 각도가 설정값에 도달할 때까지는 상기 무릎 회전 각도가 단조 증가하고 상기 무릎 회전 각도가 상기 설정값에 도달하고 나서는 상기 무릎 회전 각도가 단조 감소하도록 상기 모터를 제어하는,
보행 훈련 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보행 훈련자의 발바닥이 받는 하중인 발바닥 하중을 검출하는 발바닥 하중 검출 수단을 더 구비하고,
상기 판정 수단은,
상기 발바닥 하중 검출 수단에 의하여 검출된 발바닥 하중의 값이 제1 역치를 하회한 제1 타이밍으로부터, 상기 발바닥 하중 검출 수단에 의하여 검출된 발바닥 하중의 값이 상기 제1 역치보다도 작은 제2 역치를 초과했거나 또는 상기 제1 타이밍으로부터 소정 시간이 경과한 제2 타이밍까지의 기간을, 상기 유각 기간으로 판정하는,
보행 훈련 장치.
보행 훈련자의 다리부에 다리부 로봇을 장착하여 보행 훈련을 행하는 보행 훈련 장치에 있어서, 상기 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정하는 상태 판정 방법이며,
상기 보행 훈련자의 보용 동작에 있어서의 유각 기간에 있어서, 상기 다리부 로봇의 슬관절부를 회전 구동하도록 모터를 제어하고,
상기 유각 기간 중에 상기 모터가 발생시킨 토크인 모터 토크를 검출하고, 상기 유각 기간 중에 검출된 모터 토크의 값을 이용하여 상기 보행 훈련자가 경축 상태 또는 고축 상태인지의 여부를 판정하는,
상태 판정 방법.