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明細書 :歩行訓練支援装置

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4581087号 (P4581087)
公開番号 特開2006-204730 (P2006-204730A)
登録日 平成22年9月10日(2010.9.10)
発行日 平成22年11月17日(2010.11.17)
公開日 平成18年8月10日(2006.8.10)
発明の名称または考案の名称 歩行訓練支援装置
国際特許分類 A61H   1/02        (2006.01)
A63B  23/04        (2006.01)
A63B  24/00        (2006.01)
FI A61H 1/02 R
A61H 1/02 N
A63B 23/04 Z
A63B 24/00
請求項の数または発明の数 9
全頁数 23
出願番号 特願2005-023501 (P2005-023501)
出願日 平成17年1月31日(2005.1.31)
審査請求日 平成19年12月5日(2007.12.5)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504174135
【氏名又は名称】国立大学法人九州工業大学
発明者または考案者 【氏名】和田 親宗
個別代理人の代理人 【識別番号】100090697、【弁理士】、【氏名又は名称】中前 富士男
審査官 【審査官】長谷川 一郎
参考文献・文献 特開2003-164544(JP,A)
特許第2917128(JP,B2)
特開2002-248093(JP,A)
特開2004-248794(JP,A)
特開2000-206862(JP,A)
特開2001-299842(JP,A)
国際公開第2004/103244(WO,A1)
特開2004-141275(JP,A)
調査した分野 A61H 1/02
A63B 23/04
A63B 24/00
特許請求の範囲 【請求項1】
歩行訓練者の両足の履物にそれぞれ配置された複数の感圧センサと、
前記両足の履物にそれぞれ設けられ、超音波を発生する超音波発生部及び該超音波発生部で発生する超音波を受信する少なくとも3つの超音波受信部を備えた第1、第2のセンサ部を有する位置センサと、
前記第1、第2のセンサ部の超音波発生部から送信される超音波を前記第1、第2のセンサ部の超音波受信部で受信して前記履物の相対的な位置を検知し、更に、前記履物にそれぞれ配置された前記感圧センサからの信号から前記各履物の着地状況を算出する演算部を有する制御手段と、
前記制御手段の出力を入力して、前記各履物の足跡及びその現在位置を表示する表示手段とを備えることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項2】
請求項1記載の歩行訓練支援装置において、前記位置センサには更に、前記歩行訓練者とは距離を隔てて配置されて磁界を発生する磁界発生部である第3のセンサ部が設けられ、前記第1、第2のセンサ部が、更に、前記第3のセンサ部で発生した磁界内に配置され電流が誘起されて前記第3のセンサ部からの距離及び角度が計測可能な磁力計測部を備えることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項3】
請求項1及び2のいずれか1項に記載の歩行訓練支援装置において、前記表示手段は、ヘッドマウント型のディスプレイであることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項4】
請求項1及び2のいずれか1項に記載の歩行訓練支援装置において、前記表示手段は、パネル形のディスプレイであって、前記歩行訓練者との距離を一定に保って移動可能な台車に搭載されていることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項5】
請求項1~4のいずれか1項に記載の歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、前記歩行訓練者の前記履物の接地面からの高さを算出し、前記表示手段に該履物の高さに対して色を変えて表示可能であることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項6】
請求項1~5のいずれか1項に記載の歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、予め設定された前記歩行訓練者の歩幅に合わせて決められた歩幅設定値に基づいて、前記履物の接地目標位置を演算し、前記表示手段に表示可能であることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項7】
請求項6記載の歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、前記感圧センサ及び前記位置センサより算出される前記歩行訓練者の身体重心位置の軌跡に基づいて、該歩行訓練者の転倒防止範囲を演算し、前記表示手段に表示可能であることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項8】
請求項1~7のいずれか1項に記載の歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、前記感圧センサのデータに基づいて、前記履物の負荷状態又は圧力分布を演算し、前記表示手段に3段階以上に色分けして表示可能であることを特徴とする歩行訓練支援装置。
【請求項9】
請求項1~8のいずれか1項に記載の歩行訓練支援装置において、前記制御手段によって得られた前記履物への負荷状態を音声で知らせる音声発生手段を備えることを特徴とする歩行訓練支援装置。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、リハビリテーション医療、スポーツ、予防医療、健康増進、美容、及び福祉の各分野において、歩行時に得られる各種情報を使用者にフィードバックする歩行訓練支援装置に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、脳卒中による軽度から中程度の片麻痺の患者は、発症後早い時期から、例えば、平行棒を備えた歩行練習器等を用いて歩行機能の回復訓練を受ける。片麻痺の患者は、麻痺した側の足が動かない、あるいは動き難いだけでなく、触覚情報(例えば、足が床と接触しているかどうか、足と床の接触時の圧力がどのくらいであるか等)も得ることができない。つまり、片麻痺の患者は、麻痺している側の足がどの位置にあるか、また、どのくらい体重がかかっているか等の情報を得ることができず、歩行時に足の位置を確認するため下を向く場合が多くなり、重心が後側に傾き歩行が困難になると共に、歩く姿勢(歩容)も悪くなる。そこで、片麻痺の患者は、リハビリテーションにおいて、前方に設置された鏡を見ながら歩行して足の位置の確認を行っている。また、麻痺した側の足にかかる体重については、理学療法士及び医師等が経験に基づいて口頭で指示していた。
【0003】
ここで、片麻痺の患者が歩行を確認するために使用する装置として、例えば、特許文献1には、床に設置されて接触した足による圧力分布を計測する圧力センサ部を備え、圧力センサ部に接触した被接触部位(足)の圧力分布と、予め設定された圧力の目標値とを比較して被接触部位に適切な荷重をかける荷重訓練支援方法及び装置並びに荷重訓練支援プログラムを記録した記録媒体が開示されている。また、特許文献2には、靴やスリッパ等の履物に挿入する足底シートに、足底にかかる圧力を検出する複数の圧力センサが設けられ、各圧力センサの出力値から足底の中心を求め、足底中心の空間的、時間的変化に応じて音を発生する足底圧分布-聴覚バイオフィードバックシステムが開示されている。
【0004】

【特許文献1】特開2000-308698号公報
【特許文献2】特開2004-141275号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、前記従来の歩行訓練支援装置は未だ解決すべき以下のような問題があった。
例えば、理学療法士等がリハビリや歩行訓練の指導を行う場合には、個人の経験によって判断されるので、客観的なデータがなく、それぞれの判断が異なることがあり、また、口頭での指導であるので、片麻痺の患者が理解し難かった。特許文献1の発明では、圧力センサ部が床に設置されるので、設置場所以外では測定できなかった。特許文献2の発明では、音のみによる指示であるので、足の状態が把握し難かった。
【0006】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、簡単に歩行状態を測定でき、足の動きが視覚で把握できる歩行訓練支援装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
前記目的に沿う第1の発明に係る歩行訓練支援装置は、歩行訓練者の両足の履物にそれぞれ配置された複数の感圧センサと、
前記両足の履物にそれぞれ設けられ、超音波を発生する超音波発生部及び該超音波発生部で発生する超音波を受信する少なくとも3つの超音波受信部を備えた第1、第2のセンサ部を有する位置センサと、
前記第1、第2のセンサ部の超音波発生部から送信される超音波を前記第1、第2のセンサ部の超音波受信部で受信して前記履物の相対的な位置を検知し、更に、前記履物にそれぞれ配置された前記感圧センサからの信号から前記各履物の着地状況を算出する演算部を有する制御手段と、
前記制御手段の出力を入力して、前記各履物の足跡及びその現在位置を表示する表示手段とを備える。
【0009】
第1の発明に係る歩行訓練支援装置において、歩行訓練者としては、例えば、脳卒中による片麻痺の患者、糖尿病患者、及び膝や腰などを骨折した骨格系疾患者等の歩行障害者が挙げられ、歩行訓練支援装置は、これらの歩行障害者のリハビリテーション医療に使用される。また、歩行訓練支援装置は、歩行時に正しい姿勢を取ることができるため、スポーツ、予防医療、健康増進、美容、及び福祉等の各分野においても使用することができる。
【0010】
第1の発明に係る歩行訓練支援装置において、感圧センサは、歩行訓練者の両足の履物にそれぞれ複数配置され、歩行訓練者の両足にそれぞれかかる圧力を測定する。ここで、履物としては、例えば、靴、下駄、草履、サンダル、及びスリッパ等の足に履くもの、更には、足袋、靴下、及び、足に巻く包帯等の足に装着されるもの、また、靴の中に配置される中敷きも含まれる。感圧センサは、通常土踏まずの位置には配置せず、足底と床面(接地面)とが接触する部分に配置するのが好ましい。また、足底にかかる圧力の中心位置を得るためには、同一直線上にない少なくとも3以上の感圧センサを取付けるのが好ましい。
【0011】
感圧センサとしては、先端に導電材料(銀)層及び圧感インク層がそれぞれ設けられた上下2層のポリエステルフィルムが互いに接着剤でラミネートされたフィルム状のボタンセンサ(例えば、ニッタ株式会社製、商品名、商標、FlexiForce)、又は荷重変換器(ロードセル)等が使用できる。
【0012】
第1の発明に係る歩行訓練支援装置において、位置センサは、例えば、音波(超音波を含む)式、及び磁気式の非接触で計測可能なセンサが使用される。
【0013】
ここで、音波式の位置センサとしては、例えば、古河機械金属株式会社製の超音波動作解析システムであるZPS-MA(商品名)が使用できる(「ZPS」は登録商標)
【0015】
更に、磁気式の位置センサは、磁界中に配置されると電流が流れる磁力計測部を備えた第1及び第2のセンサ部と、第1及び第2のセンサ部で受信する磁界を発生する磁界発生部を備えた第3のセンサ部を有し、磁界内に第1及び第2のセンサ部を配置した際に誘起された電流の強さによって、第3のセンサ部から第1及び第2のセンサ部の距離と方向とが検知される。
【0016】
磁気式の位置センサの第3のセンサ部の主要部分である磁界発生部は、x方向、y方向、及びz方向の各軸に対応する3つの直交した第1~第3の磁界発生用コイルを備え、第1~第3の磁界発生用コイルに順番に電流を流すと、第1~第3の磁界発生用コイルには、例えば、約10kHzの交流磁界がx方向、y方向、及びz方向に時分割されて順番に奨磁される。
【0017】
また、磁力計測部は、磁界発生部の磁界発生用コイルと同様に、x方向、y方向、及びz方向の各軸に対応する3つの直交した第1~第3の電流誘起用コイルを備えており、第1~第3の電流誘起用コイルを、磁界発生部から発生した磁界内におくと、第1~第3の電流誘起用コイルには、磁界発生部との距離及び姿勢(角度)によってそれぞれ異なる強さの電流が発生する。この際に第1~第3の電流誘起用コイルに発生する電流値から、磁界発生部を原点とした磁力計測部の距離及び角度、すなわち、磁力計測部の三次元の位置が算出される。ここで、磁気式の位置センサとしては、米国POLHEMUS社製の三次元位置計測システムであるFASTRAK(商品名、商標)、ISOTRAKII(商品名、商標)、及びPATRIOT(商品名、商標)等が使用できる。
【0018】
また位置センサは、対となる履物にそれぞれ設けられ音波対となって受信又は発信が可能な第1、第2のセンサ部を有し、対となる履物の位置を三次元で相対的に検知する
【0019】
また、音波式の位置センサは、超音波を発生する超音波発生部と、超音波発生部で発生する超音波を受信する少なくとも3つの超音波受信部とを備える第1及び第2のセンサ部を有したものが使用できる。これら音波式の位置センサでは、例えば、感圧センサの作動によって設置している一方の履物を特定し、一方の履物の超音波発生部から超音波を発生させ、他方の履物の超音波受信部で受信し、一方の履物を原点として他方の位置を算出することができる。
【0021】
第1の発明に係る歩行訓練支援装置において、制御手段は、感圧センサ及び位置センサのデータから少なくとも各足(履物)の現在位置及び各足の着地状況を算出する演算部を備えている。ここで、着地状況とは、各履物の底部の圧力分布、各履物の圧力中心位置、及び歩行訓練者の身体重心位置等を含んでいる。制御手段としては、デスクトップ型、ノート型、及びウェラブル型のコンピュータが使用でき、演算部は、コンピュータ内に設けられた中央処理装置(CPU)が使用できる。
【0022】
また、制御手段には、演算部で演算されるプログラムが記憶された記憶装置(ハードディスク、ROM、及びRAM等)が備えられ、感圧センサ及び位置センサから得られたデータを記憶装置に保存されたプログラムに従って、演算部で処理して各足の現在位置及び各足の着地状況を算出する。更に、制御手段は、感圧センサ及び位置センサから得られるデータがアナログ信号の場合には、データをデジタル信号に変換するA/D(アナログ-デジタル)変換器を備えてもよい。
【0023】
更に、表示手段としては、ブラウン管(CRT)、発光ダイオード(LED)、液晶、フォトダイオード(PD)、又は有機ルミネセンス(EL)等によって形成されるディスプレイを用いることができる。表示手段に表示される履物の足跡及びその現在位置は、制御手段によるコンピューターグラフィックによって、平面(二次元)的、又は、立体(三次元)的に表示することができる。
【0024】
表示手段には、制御手段によって算出された各足の現在位置及び各足の着地状況が入力され、対となる履物の足跡及び現在位置を表示する。ここで、履物の足跡とは、足底に配置された複数の感圧センサの全てに力がかかり、足の裏全体に力がかかった状態の履物の位置の軌跡をいう。なお、表示手段には、制御手段によって算出された各履物の底部の圧力分布、各履物の圧力中心位置、及び歩行訓練者の身体重心位置等の着地状況を表示することもできる。
【0025】
第2の発明に係る歩行訓練支援装置は、第1の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記表示手段は、ヘッドマウント型のディスプレイである。
第2の発明に係る歩行訓練支援装置において、ヘッドマウント型のディスプレイは、例えば、単眼式でその様子を見ることができるシースルー機能を備えた株式会社島津製作所製のデータグラス2(商品名)が使用できる(「データグラス」は登録商標)
【0026】
第3の発明に係る歩行訓練支援装置は、第1の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記表示手段は、パネル形のディスプレイであって、前記歩行訓練者との距離を一定に保って移動可能な台車に搭載されている。
第3の発明に係る歩行訓練支援装置において、ディスプレイは、例えば、平らな台に車輪が取付けられている台車に設置される。台車が自走式の場合には、車輪に駆動装置が設けられ、歩行訓練者との距離を所定範囲内に保つために歩行訓練者との距離を測定する超音波センサ等の距離センサが設けられている。また、台車に把手を設け、把手を引いて台車を移動することもできる。更に、台車には、ディスプレイを昇降可能に配置する昇降装置を取付けてもよい。
【0027】
第4の発明に係る歩行訓練支援装置は、第1~第3の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、前記歩行訓練者の前記履物の接地面からの高さを算出し、前記表示手段に該履物の高さに対して色を変えて表示可能である。
第4の発明に係る歩行訓練支援装置において、履物の高さは、高さに対応して、例えば、接地面から0cmを白色とし、5cm以上を赤色として、その間を徐々に色が変わるようにグラデーション(濃淡)で示してもよい。また、接地面からの高さを数mm~数cm、例えば、1cm毎の範囲で区切って、接地面から白色、赤色、マゼンタ、青色、シアン、緑色、及び黄色等と異なる色で示してもよい。
【0028】
第5の発明に係る歩行訓練支援装置は、第1~第4の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、予め設定された歩行訓練者の歩幅に合わせて決められた歩幅設定値に基づいて、前記履物の接地目標位置を演算し、前記表示手段に表示可能である。
第5の発明に係る歩行訓練支援装置において、足の接地目標位置は、予め測定された歩行訓練者の歩幅を歩幅設定値として制御手段に保存しておき、そのデータを基に制御手段で算出することができる。また、歩行している歩行訓練者の歩幅のデータを制御手段で逐次処理して、歩幅設定値の補正を行いながら接地目標位置を演算してもよい。
【0029】
第6の発明に係る歩行訓練支援装置は、第5の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、前記感圧センサ及び前記位置センサより算出される前記歩行訓練者の身体重心位置の軌跡に基づいて、該歩行訓練者の転倒防止範囲を演算し、前記表示手段に表示可能である。
【0030】
第6の発明に係る歩行訓練支援装置において、転倒防止範囲は、予め実験で求めた歩行訓練者が転倒しない時の身体重心位置の軌跡に対して、例えば、履物の横幅の5%以上で50%以下、好ましくは10%以上で30%以下の範囲としている。歩行訓練者が片足で立っている状態、すなわち、一方の履物の感圧センサで圧力信号を検知できない状態で、他方の履物の感圧センサで感知された圧力から算出された歩行訓練者の身体重心位置の軌跡が、転倒防止範囲外にある場合には、接地していない方の履物が、接地している方の履物に対して、歩行訓練者の歩幅の2歩以上遠い位置にあるか、接地している履物と交差する状態にあり、歩行訓練者が転倒する危険性が高くなる。
【0031】
第7の発明に係る歩行訓練支援装置は、第1~第6の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記制御手段は、前記感圧センサのデータに基づいて、前記履物の負荷状態又は圧力分布を演算し、前記表示手段に3段階以上に色分けして表示可能である。
第7の発明に係る歩行訓練支援装置において、色分け表示は、色の濃淡(グラデーション)、又は、色の組み合わせ等で表示することができる。
【0032】
第8の発明に係る歩行訓練支援装置は、第1~第7の発明に係る歩行訓練支援装置において、前記制御手段によって得られた前記履物への負荷状態を音声で知らせる音声発生手段を備える。
第8の発明に係る歩行訓練支援装置において、音声発生手段の音発生源としては、スピーカ、イヤホン、及びヘッドホン等がある。また、各足への負荷状態を表す音声のデータは、予め制御手段に保存されている。音声のデータは、音声ファイル、又は、発声時に音声合成されるテキストファイルが使用できる。
【発明の効果】
【0036】
請求項及びこれに従属する請求項2~9に記載の歩行訓練支援装置においては、表示手段には、履物の足跡及びその現在位置が表示されるので、歩行訓練者が足元を見ずに歩行可能となると共に、移動中の足の元の位置からの移動量が把握できて歩き易くなる。また、位置センサが、対となる履物にそれぞれ設けられた第1、第2のセンサ部で構成されているので、測定範囲が実質的に無制限となる。更に、感圧センサ及び位置センサと、制御手段とを無線で連結した場合には、配線がなくなって装置がシンプルになると共に、配線が歩行訓練者の足に絡まる等の事故がなくなる。
【0037】
特に、請求項3記載の歩行訓練支援装置においては、表示手段がヘッドマウント型のディスプレイであるので、固定されたディスプレイを凝視する必要がなく歩行訓練者の姿勢が良くなる。
請求項4記載の歩行訓練支援装置においては、表示手段は、パネル形のディスプレイであって、歩行訓練者との距離を一定に保って移動可能な台車に搭載されているので、歩行範囲中の歩行範囲が限定されない。
請求項5記載の歩行訓練支援装置においては、制御手段は、歩行訓練者の履物の接地面からの高さを算出し、表示手段に履物の高さに対して色を変えて表示可能であるので、歩行訓練者が足をどのくらい上げたかを把握し易い。
【0038】
請求項6記載の歩行訓練支援装置においては、制御手段は、予め設定された歩行訓練者の歩幅に合わせて決められた歩幅設定値に基づいて、履物の接地目標位置を演算し、表示手段に表示可能であるので、目標となる足の位置が把握できて歩き易くなる。
請求項7記載の歩行訓練支援装置においては、制御手段は、感圧センサ及び位置センサより算出される歩行訓練者の身体重心位置の軌跡に基づいて、歩行訓練者の転倒防止範囲を演算し、表示手段に表示可能であるので、歩行訓練者が安心して歩行できると共に、歩行訓練者の転倒による怪我等の危険を防止できる。
請求項8記載の歩行訓練支援装置においては、制御手段は、感圧センサのデータに基づいて、履物の負荷状態又は圧力分布を演算し、表示手段に3段階以上に色分けして表示可能であるので、視覚的に解り易い。
【0039】
請求項9記載の歩行訓練支援装置においては、制御手段によって得られた履物への負荷状態を音声で知らせる音声発生手段を備えるので、視覚と共に音声による確認ができ、各履物の負荷状態が把握し易い。
【発明を実施するための最良の形態】
【0040】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図1は本発明の第1の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図、図2は同歩行訓練支援装置の感圧センサ及び位置センサが取付けられた履物の説明図、図3は同歩行訓練支援装置の感圧センサの配置図、図4は同歩行訓練支援装置のブロック図、図5~図11はそれぞれ同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図、図12は本発明の第2の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図、図13は同歩行訓練支援装置のブロック図、図14は本発明の第3の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図、図15は同歩行訓練支援装置のブロック図、図16(A)は本発明の第4の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図、(B)は同歩行訓練支援装置の触覚表示手段の配置図、図17は同歩行訓練支援装置のブロック図である。
【0041】
図1~図11を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る歩行訓練支援装置10について説明する。
歩行訓練支援装置10は、歩行訓練者11の左右の足12、13の足底14、15にかかる圧力をそれぞれ測定するための複数、例えば、12個の左足用の感圧センサ16~27及び12個の右足用の感圧センサ28~39が所定位置(座標(xn,yn)、n=1~24、図3参照)にそれぞれ配置された中敷き40、41を備えた左右の履物の一例である靴42、43を有している。
【0042】
なお、感圧センサは、各中敷き40、41の底面に少なくとも3つ以上で、しかも、同一直線上に配置しないように取付けるのが好ましい。また、感圧センサ16~39は、靴の中敷き40、41に取付けたが、靴の底部に取付けてもよい。ここで、本実施の形態では、x方向は、歩行訓練者11の前後方向を示し、y方向は歩行訓練者11の左右方向を示し、z方向は上下方向を示す。
【0043】
図3に示すように、中敷き40、41を平面視して、感圧センサ16~39は、歩行訓練者11の足の土踏まずの位置を避け、しかも、左足用の感圧センサ16~27と右足用の感圧センサ28~39とが、実質的に左右対称となるようにそれぞれ配置されている。ここで、感圧センサ16~39には、導電材料(銀)層及び圧感インク層がそれぞれ設けられ、2層のポリエステルフィルムが互いに接着剤でラミネートされたフィルム状のボタンセンサ(例えば、ニッタ株式会社製、商品名、商標、FlexiForce)を使用した。なお、感圧センサとしては、荷重変換器を使用してもよい。
【0044】
歩行訓練支援装置10は、両足12、13の位置をそれぞれ三次元で測定する磁気式の位置センサ(例えば、米国POLHEMUS社製、商品名、商標、FASTRAK)45を有している。
位置センサ45は、歩行訓練者11と所定の距離を隔てて配置され磁界を発生する磁界発生部である第3のセンサ部46と、第3のセンサ部46の磁界の発生を制御するシステムコントロールユニット(以下、コントロールユニットともいう)47と、左右の靴42、43にそれぞれ取付けられ、第3のセンサ部46で発生した磁界内に配置されて電流が誘起されて第3のセンサ部46からの距離及び角度が計測可能な磁力計測部である第1、第2のセンサ部48、49とを有している。

【0045】
第3のセンサ部46は、所定位置に設置され、x方向、y方向、及びz方向の各軸に対応する3つの直交した第1~第3の磁界発生用コイル(図示せず)を備えている。第1~第3の磁界発生用コイルに順番に電流を流すことにより、例えば、約10kHzの交流磁界を発生させる。この際、第1~第3の磁界発生用コイルには、時分割されて順番に奨磁、すなわち、x方向、y方向、及びz方向に順次磁界が発生する。
コントロールユニット47は、第1~第3の磁界発生用コイルに流す電流の強さ及び時間(周波数)等を制御して、第3のセンサ部46で発生する磁界強さ及び時間(周波数)等を制御している。
【0046】
第1、第2のセンサ部48、49は、それぞれ第3のセンサ部46と同様に、x方向、y方向、及びz方向の各軸に対応する3つの直交した第1~第3の電流誘起用コイル(図示せず)を備えている。第3のセンサ部46によって発生する磁界内に、第1、第2のセンサ部48、49が配置されると、第1、第2のセンサ部48、49のそれぞれの第1~第3の電流誘起用コイルには、第3のセンサ部46との距離及び姿勢(角度)によってそれぞれ異なる強さの電流が発生する。
【0047】
第1のセンサ部48の第1~第3の電流誘起用コイルにそれぞれ発生する電流の強さによって第3のセンサ部46からの距離が解り、発生する電流の比率によって、第3のセンサ部46に対する角度が解るので、第3のセンサ部46からの第1のセンサ部48、すなわち、靴42の三次元位置が解る。同様に第3のセンサ部46からの第2のセンサ部49、すなわち、靴43の三次元位置が解る。また、第3のセンサ部46から発生する磁界を第1及び第2のセンサ部48、49で受信可能な受信範囲53は、実質的に第3のセンサ部46を中心とする球形状となる。
【0048】
コントロールユニット47は、第1~第3のセンサ部48、49、46とそれぞれ有線、すなわち、ケーブル50~52で接続されている。コントロールユニット47は、第1~第3の磁界発生用コイルに流す電流の強さ及び時間(周波数)等を制御して、第3のセンサ部46で発生する磁界強さ及び時間(周波数)等を制御し、また、第3のセンサ部46で発生した磁界によって第1、第2のセンサ部48、49のそれぞれの第1~第3の電流誘起用コイルに生じる電流をアナログ値からデジタル値に変換している。
【0049】
歩行訓練支援装置10は、感圧センサ16~39から得られたアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換するA/D変換器54を備え、左足用の感圧センサ16~27及び右足用の感圧センサ28~39は、それぞれケーブル55、56を介して、A/D変換器54に接続されている。
また、歩行訓練支援装置10は、制御手段の一例であるノート型のコンピュータ59を有している。図4に示すように、コンピュータ59は、インターフェイス60を有し、ケーブル57及びインターフェイス60を介して、コントロールユニット47と接続されると共に、ケーブル58及びインターフェイス60を介して、A/D変換器54と接続されている。
【0050】
更に、コンピュータ59は、インターフェイス60に接続され、各デジタル信号から各靴42、43の現在位置及び着地状況を算出する演算部の一例である中央処理装置61を有している。更に、コンピュータ59は、中央処理装置61に接続されるハードディスク62、ROM63、及びRAM64と、中央演算装置61に接続される画像出力手段65と、画像出力手段65に接続されて中央演算装置61で演算した結果を表示する表示手段の一例である液晶画面66を備えている。
【0051】
ここで、着地状況とは、各靴42、43の底部の圧力分布、各靴42、43の圧力中心位置、及び歩行訓練者11の身体重心位置等の情報を含んでいる。液晶画面66は、靴42、43の現在位置、接地目標位置、及び踏み出した靴の跡を示す靴跡位置を表示する大画面67と、靴42、43の数歩分の足跡(靴跡位置)及び現在位置を表示する小画面68に分割表示可能となっている(図5~図11参照)。ここで、現在位置、接地目標位置、靴跡位置、及び足跡は、実質的に靴42、43と同じ形状に表示される。
【0052】
なお、制御手段としては、ノート型のコンピュータの他に、デスクトップ型、又はウェラブル型のコンピュータも使用できる。また、表示手段としては、コンピュータ59に一体的に設けられた液晶画面66の他に、コンピュータ59に接続可能なブラウン管(CRT)、発光ダイオード(LED)、液晶、フォトダイオード(PD)、及び有機ルミネセンス(EL)等によって形成されるディスプレイや、ヘッドマウント型のディスプレイも用いることができる。
更に、コンピュータ59の液晶画面66が歩行訓練者11の実質的に目の高さに配置されるように、コンピュータ59は歩行訓練者11の歩行方向前方に設けられた高さ調節可能なテーブル69に載置されている。
【0053】
コンピュータ59のハードディスク62には、感圧センサ16~39及び位置センサ45の第1、第2のセンサ部48、49のデータから各足12、13に装着した靴42、43の現在位置及び着地状況を算出するための歩行訓練支援プログラム(以下、単に「プログラム」ともいう。以下、同様である。)70が保存されている。
プログラム70は、予め歩行訓練前に入力された、例えば、歩行訓練者11の氏名、性別、年齢、麻痺している足が左足又は右足か、障害度が高いか低いか、体重、及び歩幅に合わせて予め決められた歩幅設定値等の個人データを、例えば、ハードディスク62に保存する個人データ処理機能を有している。
【0054】
プログラム70は、左足用の感圧センサ16~27の測定データから感圧センサ16~27にそれぞれかかる圧力値p1~p12を算出し、また、右足用の感圧センサ28~39の測定データから感圧センサ28~39にそれぞれかかる圧力値p13~p24を算出して、得られた圧力値p1~p24から左右の靴42、43の負荷状態又は圧力分布をそれぞれ演算し、3段階以上に色分けして液晶画面66に表示する圧力処理機能を有している。プログラム70は、圧力処理機能によって、圧力値p1~p12から靴42の圧力中心位置QL(xQL,yQL)及び負荷量(圧力)PLを、また、圧力値p13~p24から靴43の圧力中心位置QR(xQR,yQR)及び負荷量(圧力)PRをそれぞれ算出することができる。
【0055】
ここで、負荷状態とは、靴42、43にそれぞれかかる圧力PL、PRの大きさの指標であり、圧力分布とは、靴42の感圧センサ16~27、及び靴43の感圧センサ28~39のそれぞれの部位にかかる圧力の分布である。これらの結果に基づいて、例えば、白色、水色、及び青色の3段階による色分け表示を行って歩行訓練者11に視覚的に示す。なお、色分け表示は、例えば、赤色、黄色、及び青色等の3種類以上の異なる色、又は、白色から青色への3段階以上のグラデーションによって行ってもよい。
【0056】
また、プログラム70は、位置センサ45によって、第3のセンサ部46から第1、第2のセンサ部48、49のそれぞれの距離及び角度を算出し、第3のセンサ部46を原点(0,0,0)として、第1のセンサ部48の三次元位置SL(xSL,ySL,zSL)、及び第2のセンサ部49の三次元位置SR(xSR,ySR,zSR)を算出する位置処理機能を有している。位置処理機能によって、算出された第1及び第2のセンサ部48、49の三次元位置SL、SRから第1及び第2のセンサ部48、49の相対的な位置を算出することもできる。
【0057】
更に、プログラム70は、位置処理機能によって算出された各靴42、43の接地面からの高さ(それぞれ、zSL及びzSR)に対して色を変えて液晶画面66に表示する高さ処理機能を有している。プログラム70は、高さ処理機能によって、靴42、43のそれぞれの高さを、白色、桃色、及び赤色の3段階による色分け表示を行う。ここで、色分け表示は、前記した圧力処理機能による色分け表示とは異なる色を用いる。これによって、靴42、43が接地しているか、接地面から離れている(浮いている)かを区別することができる。なお、色分け表示は、例えば、赤色、黄色、及び青色等の3種類以上の異なる色、又は、白色から赤色への3段階以上のグラデーションによって行うこともできる。
【0058】
また、プログラム70は、圧力処理機能及び位置処理機能によって得られた靴42、43の圧力値p1~p24及び位置SL、SRを基に歩行訓練者11の身体重心位置G(xG,yG)を演算する重心処理機能を有している。ここで、身体重心位置Gは、左靴42の圧力中心位置QL(xQL,yQL)、圧力PL、及び三次元位置SL(xSL,ySL,zSL)と、右靴43の圧力中心位置QR(xQR,yQR)、圧力PR、及び三次元位置SR(xSR,ySR,zSR)とから算出される。なお、例えば、靴43が浮いた状態、すなわち、靴43の感圧センサ28~39が圧力を感知しない場合には、接地している靴42の感圧センサ16~27の圧力データから算出された靴42の圧力中心位置QRが身体重心位置Gとなる。
【0059】
更に、プログラム70は、個人データ処理機能によりハードディスク62に保存された歩幅設定値に基づいて、靴42、43の接地目標位置を演算し、算出された接地目標位置を液晶画面66に表示する目標接地位置設定処理機能を有している。なお、歩行訓練者11の歩行によって位置センサ45で測定される歩幅の平均値を逐次計算して接地目標位置とすることもできる。
【0060】
また、プログラム70は、重心処理機能によって算出された歩行訓練者11の身体重心位置Gの軌跡に基づいて、歩行訓練者11の転倒防止範囲を演算し、算出された転倒防止範囲を液晶画面66に表示する転倒防止範囲設定処理機能を有している。ここで、転倒防止範囲は、予め実験で求めた歩行訓練者11が転倒しない時の身体重心位置Gの軌跡に対して、履物の横幅の5%以上で50%以下、好ましくは10以上で30%以下の範囲となる。
【0061】
例えば、歩行訓練者11が左足12で立っている場合には、靴43が浮いて、靴43の感圧センサ28~39が圧力信号を検知できない状態であり、この際の身体重心位置Gの軌跡は、靴42の感圧センサ16~27の圧力データから算出された靴42の圧力中心位置QRと一致し、圧力中心位置QRが転倒防止範囲外となった場合には、液晶画面66上の危険を示す文字や記号の表示、又は、ブザーや音声による警報等によって歩行訓練者11に注意を促すことができる。
【0062】
次に、図5~図11を参照して、歩行訓練支援装置10を使用した歩行訓練者11の歩行訓練の方法について説明する。
まず、図1及び図2に示すように、歩行訓練者11は、所定位置に感圧センサ16~39が取付けられた中敷き40、41が挿入され、位置センサ45の第1及び第2のセンサ部48、49が取付けられた左右の靴42、43をそれぞれ左足12、右足13に装着する。コンピュータ59のプログラム70を起動し、氏名、性別、年齢、麻痺している足が左足又は右足か、障害度が高いか低いか、体重、及び歩行訓練者11の歩幅に合わせて決められた歩幅設定値等の個人データを入力して、歩行訓練者11の歩行訓練を開始する。
【0063】
歩行訓練者11が両足12、13を揃えて立っている場合、プログラム70の位置処理機能によって、位置センサ45の第1及び第2のセンサ部48、49のデータから靴42の三次元位置SL(xSL,ySL,zSL)及び靴43の三次元位置SR(xSR,ySR,zSR)がそれぞれ算出され、図5に示すように、液晶画面66の大画面67に靴42、靴43の各現在位置71、72が表示される。
【0064】
更に、プログラム70の圧力処理機能によって、左足用の感圧センサ16~27で測定された圧力値p1~p12のデータから左靴42の圧力中心位置QL(xQL,yQL)及び圧力PLが算出され、右用の感圧センサ28~39で測定された圧力値p13~p24のデータから右靴43の圧力中心位置QR(xQR,yQR)及び圧力PRが算出され、液晶画面66の大画面67に圧力中心位置QL、QRが点で表示される。
【0065】
また、プログラム70の圧力処理機能によって、算出された圧力PL、PRの大きさから、靴42、43の負荷状態を算出し、現在位置71、72の縁を圧力がかかっていない状態から歩行訓練者11の全体重をかけた状態までを白色、水色、及び青色の3段階で色分け表示する。現時点では両足12、13で均等に体重をかけて立っているので、現在位置71、72の縁はそれぞれ水色となっている。なお、現在位置全体に色を付けてもよい。また、負荷状態の代わりに、それぞれの靴42、43の圧力分布を算出し、現在位置71、72を3段階以上に色分け表示してもよい。
【0066】
また、プログラム70の重心処理機能によって、靴42の三次元位置SL、圧力中心位置QL、及び圧力PLと、靴43の三次元位置SR、圧力中心位置QR、及び圧力PRとから歩行訓練者11の身体重心位置G(xG,yG)が算出される。
【0067】
更に、プログラム70の目標接地位置設定処理機能によって、予め設定された歩幅設定値hに基づいて、靴42、43の接地目標位置を算出し、液晶画面66の大画面67にそれぞれの接地目標位置(図中、2点鎖線で示す)73、74を表示する。ここで、最初の1歩は両足12、13のいずれから歩き始めても対応できるように、両足12、13のそれぞれの接地目標位置73、74を表示している。また、歩き始めの1歩目の歩幅を、歩幅設定値hの半分のh/2とし、1歩目の接地目標位置73、74での第1及び第2のセンサ部48、49の三次元位置が、それぞれSL1(xSL+h/2,ySL,zSL)、SR1(xSR+h/2,ySR,zSR)となるように設定した。
【0068】
ここで、例えば、1歩目が左足12から歩き始めた場合には、位置センサ45の第1のセンサ部48が移動すると共に、感圧センサ16~28が圧力を受けなくなるので、靴42が接地面から離れていると判断され、図6に示すように、右靴43の接地目標位置74が消去され、現在位置71が靴跡を示す靴跡位置75(図中、破線で示す)に変更され、更に靴42の現在位置76(図中、一点鎖線で示す)が表示される。
【0069】
位置センサ45の第1のセンサ部48によって、靴42の接地面からの高さzSLが測定されるので、現在位置76は、高さzSLに対して、接地面から0cmを白色とし、0cmを超え5cm未満を桃色とし、5cm以上を赤色として色分け表示される。なお、色分け表示は、接地面から0cmを白色とし、5cm以上を赤色として、その間を徐々に色が変わるようにグラデーションで示してもよく、また、接地面からの高さを数mm~数cm、例えば、1cmの範囲ずつで区切って、接地面から白色、赤色、マゼンタ、青色、シアン、緑色、及び黄色等と異なる色で示してもよい。
【0070】
また、左靴42が接地面から浮いているので、身体重心位置Gは右靴43側に移動し、左靴42が着地するまで右靴43内を移動する。ここで、予め実験で求めた歩行訓練者11が転倒しない時の身体重心位置の軌跡79に対して、靴43の横幅の5%以上で50%未満、好ましくは10%以上で30%(本実施の形態では30%とした。以下同様)の範囲が歩行訓練者11の転倒防止範囲77として表示され、歩行訓練者11の身体重心位置Gの軌跡78が転倒防止範囲77の外側となった場合には、液晶画面66上の危険を示す文字や記号の表示、又は、ブザーや音声による警報等によって歩行訓練者11に注意を促すことができる。
【0071】
歩行訓練者11は、液晶画面66の大画面67を見ながら、現在位置76を接地目標位置73に重なるように左足12を動かす。図7に示すように、左靴42が着地すると、靴42の位置センサ45の第1のセンサ48の高さが0となると共に、感圧センサ16~27が圧力を感知するので、接地目標位置73を消去し、現在位置80(図中、実線で示す)が表示される。
【0072】
両足12、13が接地したので、大画面67の表示が消去された後、図8に示すように、新たに左靴42を示す現在位置80及び右靴43を示す現在位置72が表示されると共に、2歩目である右靴43が歩幅h分前方に移動した接地目標位置81(SR2(xSR+h,ySR,zSR))が表示される。更に、図9に示すように、歩行訓練者11が右足13を接地目標位置81に移動させ始めると、右靴43が接地面から離れ、現在位置72の表示が靴跡位置82(図中、破線で示す)となり、右靴43の現在位置83(図中、一点鎖線で示す)が表示される。歩行訓練者11は左足12と同様に、現在位置83が接地目標位置81に重なるように右足13を動かす。
【0073】
また、右靴43が接地面から浮いているので、身体重心位置Gは左靴42側に移動し、右靴43が着地するまで左靴42内を移動する。ここで、予め実験で求めた歩行訓練者11が転倒しない時の身体重心位置の軌跡86に対して、靴42の横幅の30%以下の範囲を転倒防止範囲84とした。歩行訓練者11の身体重心位置Gの軌跡85が転倒防止範囲84の外側となった場合には、液晶画面66上の危険を示す文字や記号の表示、又は、ブザーや音声による警報等によって歩行訓練者11に注意を促すことができる。
【0074】
図10に示すように、右靴43が着地すると、靴43の位置センサ45の第2のセンサ49の高さが0cmとなると共に、感圧センサ28~39が圧力を感知するので、接地目標位置81を消去し、現在位置87(図中、実線で示す)が表示される。両足12、13が接地したので、大画面67の表示が消去された後、図11に示すように、図10よりも手前側に新たに左靴42を示す現在位置80及び右靴43を示す現在位置87が表示されると共に、3歩目である左靴42が歩幅h分前方に移動した接地目標位置88(SL2(xSL+3/2・h,ySL,zSL))が表示される。
【0075】
以上の動作を繰り返し行い歩行訓練者11の歩行訓練を行ことができる。また、図5~図11に示すように、液晶画面66の小画面68には、靴42、43の足跡及び現在位置が表示されている。これによって、移動中の足12、13の元の位置からの移動量が把握できて歩き易くなる。なお、液晶画面66の小画面68には、靴42、43の足跡及び現在位置の代わりに、身体重心位置Gの軌跡を表示してもよい。
【0076】
図12及び図13を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る歩行訓練支援装置90について説明する。なお、歩行訓練支援装置10と同一の構成要素については同一の番号を付してその詳しい説明を省略する。
歩行訓練支援装置90は、表示手段が、パネル形のディスプレイ91であって、歩行訓練者11との距離を実質的に一定に保って移動可能な台車92に搭載されている点、及び靴42、43の三次元位置測定に超音波を使用している点で歩行訓練支援装置10と異なっている。以下、歩行訓練支援装置90について詳しく説明する。
【0077】
歩行訓練者11が装着する左右の靴42、43は、両足12、13の足底14、15にかかる圧力をそれぞれ測定する12個の左足用の感圧センサ16~27及び12個の右足用の感圧センサ28~39が所定位置(座標(xn,yn)、n=1~24、図3参照)にそれぞれ配置された中敷き40、41を備えている。
【0078】
歩行訓練支援装置90は、両足12、13の位置をそれぞれ三次元で測定する超音波式の位置センサ93を有している。位置センサ93は、左右の靴42、43にそれぞれ設けられ、超音波を発生する超音波発生部(図示せず)を備えた第1及び第2のセンサ部94、95と、台車92に搭載され、第1及び第2のセンサ部94、95で発生する超音波を受信する3つの超音波受信部96~98を備えた第3のセンサ部99とを有している。第1及び第2のセンサ部94、95からそれぞれ発信された超音波が、第3のセンサ部の3つの超音波受信部96~98へ到達する時間の差によって、対となる靴42、43の位置を検知することができる。
【0079】
台車92は、平面視して矩形の板状の台車本体100、台車本体100の4隅の下部に設けられる車輪101、車輪101を駆動させる図示しない駆動装置、及び図示しない電源を有している。また、台車本体100の上部後側には、後方の第1及び第2のセンサ部94、95から発生される超音波を受信する第3のセンサ部99を構成する超音波受信部96~98が所定の間隔を有して配置されている。ここで、歩行訓練支援装置90は、第1及び第2のセンサ部94、95から発生される超音波を第3のセンサ部99の超音波受信部96~98のいずれか1又は2以上、例えば、超音波受信部97で受信し、歩行訓練者11との距離を測定して、台車92と歩行訓練者11との距離を実質的に一定に保つように、駆動装置で車輪101を動かしている。
【0080】
なお、歩行訓練者11と台車92の距離の測定は、第1及び第2のセンサ部94、95から発生される超音波を他の超音波受信部96、又は超音波受信部98で受信してもよく、2以上の超音波受信部で受信して行ってもよい。また、別の超音波発生部及び超音波受信部を設けて、歩行訓練者11と台車92の距離を測定してもよい。
【0081】
歩行訓練支援装置90は、制御手段の一例であるデスクトップ型のコンピュータ102を有している。また、歩行訓練支援装置90は、左足用の感圧センサ16~27及び右足用の感圧センサ28~39が、それぞれケーブル55、56を介して、A/D変換器54に接続され、更に、A/D変換器54は、ケーブル58を介して、コンピュータ102のインターフェイス103と接続されている。また、第1及び第2のセンサ部94、95、及び第3のセンサ部99の超音波受信部96~98は、それぞれケーブル104~108を介して、コンピュータ102のインターフェイス103と接続されている。
【0082】
また、コンピュータ102は、インターフェイス103に接続され、各デジタル信号から各靴42、43の現在位置及び着地状況を算出する中央処理装置61を有している。更に、コンピュータ102は、中央処理装置61に接続されるハードディスク62、ROM63、及びRAM64と、中央演算装置61に接続される画像出力手段65と、画像出力手段65に接続されて中央演算装置61で演算した結果を表示するディスプレイ91を備えている。ディスプレイ91は、靴42、43の現在位置、接地目標位置、及び踏み出した靴の跡を示す靴跡位置を表示する大画面109と、靴42、43の数歩分の足跡(靴跡位置)及び現在位置を表示する小画面110に分割表示可能となっている。
【0083】
コンピュータ102のハードディスク62は、個人データ処理機能、圧力処理機能、位置処理機能、高さ処理機能、重心処理機能、目標接地位置設定処理機能、及び転倒防止範囲設定処理機能を備えた歩行訓練支援プログラム111が保存されている。プログラム111は、位置処理機能が第1及び第2のセンサ部94、95、及び第3のセンサ部99の超音波受信部96~98で左右の靴42、43の三次元位置を算出する点と、第1及び第2のセンサ部94、95、及び第3のセンサ部99の超音波受信部97で歩行訓練者11と台車92との距離を測定し、歩行訓練者11と台車92との距離を一定に保つために、駆動装置によって車輪101を動かす点とが、プログラム70と異なっている。
【0084】
次に、歩行訓練支援装置90を使用した歩行訓練者11の歩行訓練の方法について説明する。
まず、図12に示すように、歩行訓練者11は、所定位置に感圧センサ16~39が取付けられた中敷き40、41が挿入され、更に、位置センサ93の第1及び第2のセンサ部94、95が取付けられた左右の靴42、43をそれぞれ左足12、右足13に装着し、台車92の後方、すなわち、ディスプレイ91の正面に立つ。
【0085】
コンピュータ102のプログラム111を起動して個人データ入力等の処理を行った後、プログラム111に従って、歩行訓練者11の歩行訓練を行う。なお、歩行訓練者11の歩行とディスプレイ91の大画面109及び小画面110の変遷は、歩行訓練支援装置10の場合と実質的に同じであるので説明を省略する(図5~図11参照)。歩行訓練支援装置90では、歩行訓練者11がディスプレイ91に近づいても、台車92を動かして、歩行訓練者11と台車92との距離を実質的に一定に保っている。
【0086】
図14及び図15を参照して、本発明の第3の実施の形態に係る歩行訓練支援装置120について説明する。なお、歩行訓練支援装置10、90と同一の構成要素については同一の番号を付してその詳しい説明を省略する。
歩行訓練者11が装着する左右の靴42、43は、両足12、13の足底14、15にかかる圧力をそれぞれ測定する12個の左足用の感圧センサ16~27及び12個の右足用の感圧センサ28~39が所定位置(座標(xn,yn)、n=1~24、図3参照)にそれぞれ配置された中敷き40、41を備えている。
【0087】
歩行訓練支援装置120は、両足12、13の三次元位置を相対的に測定する磁気式の位置センサ123を有している。位置センサ123は、左右の靴42、43にそれぞれ設けられ、磁界を発生可能であると共に、発生した磁界によって電流が誘起されるx方向、y方向、及びz方向の各軸に対応する3つの直交した第1~第3のコイル(図示せず)を備える第1及び第2のセンサ部121、122を備えている。
【0088】
位置センサ123は、例えば、左靴42が接地し、右靴43が接地面から離れている場合、すなわち、左足用の感圧センサ16~27が作動し、右足用の感圧センサ28~39が圧力を感知しない場合に、靴42の第1のセンサ部121の第1~第3のコイルに順番に電流を流し、x方向、y方向、及びz方向に、例えば、約10kHzの交流磁界を順次発生させ、この磁界によって誘起される靴43の第2のセンサ部122の第1~第3のコイルの電流の強さを測定し、接地されている靴42の第1のセンサ部121を原点として、接地面から離れている靴43の距離及び姿勢(角度)を測定し、三次元位置を相対的に算出する。
【0089】
歩行訓練支援装置120は、左足用の感圧センサ16~27及び右足用の感圧センサ28~39が、それぞれケーブル55、56を介して、A/D変換器54に接続され、更に、A/D変換器54は、ケーブル58を介して、制御手段の一例であるウェラブル型のコンピュータ125のインターフェイス127と接続されている。コンピュータ125及びA/D変換器54は、歩行訓練者11の腰又は背中に装着されている。また、第1及び第2のセンサ部121、122は、それぞれケーブル128、129を介して、コンピュータ125のインターフェイス127と接続されている。
【0090】
また、コンピュータ125は、インターフェイス127に接続され、各デジタル信号から各靴42、43の現在位置及び着地状況を算出する中央処理装置61を有している。更に、中央処理装置61には、ハードディスク62、ROM63、RAM64、及び画像出力手段65が接続されている。更に、コンピュータ125の画像出力手段65には、歩行訓練者11の顔に装着され、中央演算装置61で演算した結果を表示する表示手段の一例であるヘッドマウント型のディスプレイ124がケーブル130を介して接続されている。ディスプレイ124は、靴42、43の現在位置、接地目標位置、及び踏み出した靴の跡を示す靴跡位置を表示する大画面131と、靴42、43の数歩分の足跡(靴跡位置)及び現在位置を表示する小画面132に分割表示可能となっている。
【0091】
歩行訓練支援装置120には、音声発生手段126が設けられ、音声発生手段126は、音発生源として、歩行訓練者11の両耳に装着される音発生部133、134を備えるヘッドホン135を有し、ヘッドホン135の音発生部133、134は、ケーブル137、138、コンピュータ125の音声出力手段136を介して中央制御装置61と接続されている。更に、音声発生手段126は、各足12、13への負荷状態を表す音声データ139を有している。ここで、音声データ139には、例えば、「左足に体重がかかり過ぎています」、及び「もう少し右足に体重をかけて下さい」等の通常理学療法士が使用する言葉が含まれ、音声ファイル、又は、発声時に音声合成されるテキストファイルの形式で、予めコンピュータ125のハードディスク62に保存されている。
【0092】
コンピュータ125のハードディスク62は、個人データ処理機能、圧力処理機能、位置処理機能、高さ処理機能、重心処理機能、目標接地位置設定処理機能、及び転倒防止範囲設定処理機能を備えた歩行訓練支援プログラム140が保存されている。プログラム140は、位置処理機能と圧力処理機能とによって、例えば、左足12を接地させて右足13を浮かせ片足立ちをしている場合、感圧センサ16~28によって左靴42が接地面に接地し右靴43が接地面から離れていることが検知され、左靴42に設けられた第1のセンサ部121の第1~第3のコイルに電流を流して磁界を発生させ、この磁界によって靴43の第2のセンサ部122の第1~第3のコイルに生じる電流を測定する点と、音声発生手段126によって靴42、43への負荷状態を音声で知らせる点とがプログラム70、111と異なっている。
【0093】
次に、歩行訓練支援装置120を使用した歩行訓練者11の歩行訓練の方法について説明する。
まず、図14に示すように、歩行訓練者11は、所定位置に感圧センサ16~39が取付けられた中敷き40、41が挿入され、更に、位置センサ123の第1及び第2のセンサ部121、122が取付けられた左右の靴42、43をそれぞれ左足12、右足13に装着し、顔にディスプレイ124及びヘッドホン135を装着する。
【0094】
コンピュータ125のプログラム140を起動して個人データの入力等の処理を行った後、プログラム140に従って、歩行訓練者11の歩行訓練を行う。なお、歩行訓練者11の歩行とディスプレイ124の大画面131及び小画面132の変遷は、歩行訓練支援装置10の場合と実質的に同じであるので説明を省略する(図5~図11参照)。
【0095】
プログラム140は、歩行訓練者11の歩行の際の靴42、43の負荷状態によって、コンピュータ125のハードディスク62に保存された音声データ139を出力し、音声発生手段126のヘッドホン135の音発生部133、134から流し、歩行訓練者11に靴42、43の負荷状態、又は対応する指示を音声で知らせる。音声発生手段126は、音声データ139が音声ファイルで保存されている場合には、音声ファイルを再生し、音声データ139がテキストデータで保存されている場合には、テキストデータを音声合成して流し、歩行訓練者11が靴42、43の負荷状態を把握し易くしている。
【0096】
図16及び図17を参照して、本発明の第4の実施の形態に係る歩行訓練支援装置150について説明する。なお、歩行訓練支援装置120と同一の構成要素については同一の番号を付してその詳しい説明を省略する。
歩行訓練支援装置150は、音声発生手段の代わりに、靴42、43の接地目標位置を触覚で知らせる触覚表示手段151を備えている点で、歩行訓練支援装置120と異なっている。以下、歩行訓練支援装置150について詳しく説明する。
【0097】
触覚表示手段150は、歩行訓練者11の腰回りに所定の間隔を有して配置される複数、例えば、8つのバイブレータ152~159を有し、バイブレータ152~159が、ケーブル162、及び制御手段の一例であるコンピュータ160に設けられる振動出力手段161を介して、コンピュータ160の中央制御装置61と接続されている。触覚表示手段151は、歩行訓練者11の身体を動かすべき方向のバイブレータ152~159に振動を与え、この振動刺激によって、靴42、43の接地目標位置を知らせることができる。なお、触覚表示手段は、振動刺激の他に、歩行訓練者の身体を動かすべき方向に接触刺激及び温度刺激等の刺激を与えることもできる。
【0098】
コンピュータ160のハードディスク62は、個人データ処理機能、圧力処理機能、位置処理機能、高さ処理機能、重心処理機能、目標接地位置設定処理機能、及び転倒防止範囲設定処理機能を備えた歩行訓練支援プログラム163が保存されている。プログラム163は、位置処理機能と圧力処理機能とによって、例えば、左足12を接地させて右足13を浮かせ片足立ちをしている場合、感圧センサ16~28によって左靴42が接地面に接地し右靴43が接地面から離れていることが検知され、左靴42に設けられた第1のセンサ部121の第1~第3のコイルに電流を流して磁界を発生させ、この磁界によって靴43の第2のセンサ部122の第1~第3のコイルに生じる電流を測定し、歩行訓練者11の身体を動かすべき方向のバイブレータ152~159に振動を与える。
【0099】
次に、歩行訓練支援装置150を使用した歩行訓練者11の歩行訓練の方法について説明する。
まず、図16に示すように、歩行訓練者11は、所定位置に感圧センサ16~39が取付けられた中敷き40、41が挿入され、更に、位置センサ123の第1及び第2のセンサ部121、122が取付けられた左右の靴42、43をそれぞれ左足12、右足13に装着し、顔にディスプレイ124を、背中にコンピュータ160とA/D変換器54を、腰にバイブレータ152~159を装着する。
【0100】
コンピュータ160のプログラム163を起動して個人データの入力等の処理を行った後、プログラム163に従って、歩行訓練者11の歩行訓練を行う。なお、歩行訓練者11の歩行とディスプレイ124の大画面131及び小画面132の変遷は、歩行訓練支援装置10の場合と実質的に同じであるので説明を省略する(図5~図11参照)。
プログラム163は、歩行訓練者11の身体を動かすべき方向のバイブレータ152~159に振動を与え、この振動刺激によって、靴42、43の接地目標位置を知らせることができる。
【0101】
本発明は、前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明の歩行訓練支援装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、前記実施の形態の歩行訓練支援装置において、それぞれの機器を有線接続により信号接続したが、無線による信号連結としてもよい。
【0102】
更に、歩行訓練支援装置に、履物の接地目標位置を音像で知らせる音像発生手段を装備してもよい。音像とは、三次元立体音響技術の1つであり、歩行訓練者の周囲に配置された複数のスピーカ、及び歩行訓練者の両耳に配置されるヘッドホン等の音発生源から発生される音の音圧や遅延時間等を調整し、音が空間内を移動しているように歩行訓練者に感じさせるものである。音像発生手段によって、歩行訓練者の身体を動かすべき方向から音を発生させ、歩行訓練者の身体をその方向に移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0103】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図である。
【図2】同歩行訓練支援装置の感圧センサ及び位置センサが取付けられた履物の説明図である。
【図3】同歩行訓練支援装置の感圧センサの配置図である。
【図4】同歩行訓練支援装置のブロック図である。
【図5】同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図である。
【図6】同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図である。
【図7】同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図である。
【図8】同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図である。
【図9】同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図である。
【図10】同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図である。
【図11】同歩行訓練支援装置の表示手段の歩行時の表示画面の説明図である。
【図12】本発明の第2の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図である。
【図13】同歩行訓練支援装置のブロック図である。
【図14】本発明の第3の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図である。
【図15】同歩行訓練支援装置のブロック図である。
【図16】(A)は本発明の第4の実施の形態に係る歩行訓練支援装置の説明図、(B)は同歩行訓練支援装置の触覚表示手段の配置図である。
【図17】同歩行訓練支援装置のブロック図である。
【符号の説明】
【0104】
10:歩行訓練支援装置、11:歩行訓練者、12、13:足、14、15:足底、16~39:感圧センサ、40、41:中敷き、42、43:靴、45:位置センサ、46:第3のセンサ部、47:システムコントロールユニット、48:第1のセンサ部、49:第2のセンサ部、50~52:ケーブル、53:受信範囲、54:A/D変換器、55~58:ケーブル、59:コンピュータ、60:インターフェイス、61:中央演算装置、62:ハードディスク、63:ROM、64:RAM、65:画像出力手段、66:液晶画面、67:大画面、68:小画面、69:テーブル、70:歩行訓練支援プログラム、71、72:現在位置、73、74:接地目標位置、75:靴跡位置、76:現在位置、77:転倒防止範囲、78、79:軌跡、80:現在位置、81:接地目標位置、82:靴跡位置、83:現在位置、84:転倒防止範囲、85、86:軌跡、87:現在位置、88:接地目標位置、90:歩行訓練支援装置、91:ディスプレイ、92:台車、93:位置センサ、94:第1のセンサ部、95:第2のセンサ部、96~98:超音波受信部、99:第3のセンサ部、100:台車本体、101:車輪、102:コンピュータ、103:インターフェイス、104~108:ケーブル、109:大画面、110:小画面、111:歩行訓練支援プログラム、120:歩行訓練支援装置、121:第1のセンサ部、122:第2のセンサ部、123:位置センサ、124:ディスプレイ、125:コンピュータ、126:音声発生手段、127:インターフェイス、128~130:ケーブル、131:大画面、132:小画面、133、134:音発生部、135:ヘッドホン、136:音声出力手段、137、138:ケーブル、139:音声データ、140:歩行訓練支援プログラム、150:歩行訓練支援装置、151:触覚表示手段、152~159:バイブレータ、160:コンピュータ、161:振動出力手段、162:ケーブル、163:歩行訓練支援プログラム
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
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【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8
【図10】
9
【図11】
10
【図12】
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【図13】
12
【図14】
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【図15】
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【図16】
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【図17】
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