位置変動検出装置、これを含むシステム、及び位置変動検出装置の動作方法
【課題】ユーザーの運動状態を簡易に計測することが強く望まれている。
【解決手段】計測ユニット２０は、複数のリンク及び検出部１１〜１４を含む歩行補助装置１０をユーザーの脚に対して装着し、歩行補助装置１０の検出装置から供給される検出値に基づいてユーザーの腰位置の変動を検出する。計測ユニット２０に含まれる算出部２２は、検出装置からの検出値（検出値は、複数の前記リンク同士が為す角度に応じた値、及び鉛直方向に対する前記リンクの傾斜角度に応じた値を含む）に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における腰位置を算出する。算出部２２は、検出装置からの検出値（検出値は、前記リンクの回転角加速度に応じた値、及び前記リンクの加速度に応じた値を含む）に基づいて所定方向に沿うリンクの加速度を算出し、当該加速度の積分に基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する。
【解決手段】計測ユニット２０は、複数のリンク及び検出部１１〜１４を含む歩行補助装置１０をユーザーの脚に対して装着し、歩行補助装置１０の検出装置から供給される検出値に基づいてユーザーの腰位置の変動を検出する。計測ユニット２０に含まれる算出部２２は、検出装置からの検出値（検出値は、複数の前記リンク同士が為す角度に応じた値、及び鉛直方向に対する前記リンクの傾斜角度に応じた値を含む）に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における腰位置を算出する。算出部２２は、検出装置からの検出値（検出値は、前記リンクの回転角加速度に応じた値、及び前記リンクの加速度に応じた値を含む）に基づいて所定方向に沿うリンクの加速度を算出し、当該加速度の積分に基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置変動検出装置、これを含むシステム、及び位置変動検出装置の動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
脳卒中等によって片脚麻痺となった患者は、その身体機能の回復のため、歩行運動等の反復が要求される場合がある。患者の身体機能の回復を早めるため、リハビリ指導者は、患者の現状／改善具合を見て、自己の経験則を踏まえて、患者に対して適切なアドバイスをする。リハビリ指導者による患者へのアドバイスは、リハビリ指導者の個人的経験則に基づくものが多く、リハビリ指導者の能力等に依存する程度が大きい。
【０００３】
特許文献１には、歩行感覚生成装置が開示されている。特許文献１の図１に示すように、歩行感覚生成装置は、ベルト機構１を有し、歩行者は、当該ベルト機構１上を歩行する。ベルト機構１は、３軸歩行面保持機構３上に設置されており、任意の傾斜角度に調整される。歩行者の脚先位置はＣＣＤカメラ４で検出され、腰部位置は糸式位置センサ５で検出され、頭部位置は磁気式位置姿勢計測装置６で検出され、各検出値は、計算機２０に入力される。歩行者の前方には、大型スクリーン７が設けられており、歩行動作にあわせた空間の映像が提示される。
【０００４】
特許文献２には、ユーザーの第１脚に対して装具を付け、装具が装着されていない第２脚の位置を計測する装置が開示されている。特許文献２の図１に示すように、脚装置１２には、第２脚を撮像するカメラ４２が設けられている。コントローラ３２は、カメラ４２が撮像した画像に基づいてカメラ位置に対する第２脚の位置を演算する。コントローラ３２による演算処理により、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置が算出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２９２３４９３号
【特許文献２】特開２０１０−２５９４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
患者の早期回復に繋がる効果的なリハビリを提供するためには、患者の現在の運動状態（歩行状態等）を的確に把握することが望ましい。現状、患者の運動を時分割して画像取得して解析することで患者の運動状態を計測する手法が提供されている。また、床、マット等の構造物に圧力センサを埋め込んで患者の運動状態を計測する手法が提供されている。しかしながら、このような場合には、比較的大型な装置が必要となる場合が多く、患者の運動状態を簡易に計測することはできない場合が多い。
【０００７】
上述の説明から明らかなように、ユーザーの運動状態を簡易に計測することが強く望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る位置変動検出装置は、複数のリンク、及び検出装置を含む治具をユーザーの脚に対して装着し、当該治具の前記検出装置から供給される検出値に基づいて前記ユーザーの所定部位の位置変動を検出する位置変動検出装置であって、前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、複数の前記リンク同士が為す角度に応じた値、及び鉛直方向に対する前記リンクの傾斜角度に応じた値を含む）に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における前記所定部位の位置を算出し、前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、前記リンクの回転角加速度に応じた値、及び前記リンクの加速度に応じた値を含む）に基づいて前記所定方向に沿う前記リンクの加速度を算出し、当該加速度の積分に基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する。この構成を採用することによって、ユーザーの運動状態を簡易に計測することが可能になる。
【０００９】
前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部と、前記ユーザーの前記脚が接地しているか否かを示す情報に応じて定まる前記第１位置算出部による算出結果に基づいて、前記所定部位の所定空間内の位置を算出する第２位置算出部と、を備える、と良い。
【００１０】
前記検出値は、前記ユーザーの前記脚が接地しているか否かを示す値を更に含む、上記いずれかの位置変動検出装置であって、前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部と、前記検出装置から供給される前記検出値に基づいて、前記ユーザーの前記脚が接地しているか否かを判定する判定部と、前記判定部による判定結果に応じて定まる前記第１位置算出部による算出結果に基づいて、前記所定部位の所定空間内の位置を算出する第２位置算出部と、を備える、と良い。
【００１１】
前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える、上記いずれかに記載の位置変動検出装置であって、前記第１位置算出部は、前記所定部位を中心として前記リンクが回転する際に検出される角加速度と、前記リンクの変位に応じて前記検出装置が検出する加速度とに基づいて前記リンクの前記加速度を算出し、当該算出した加速度を積分する、と良い。
【００１２】
前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える上記いずれかに記載の位置変動検出装置であって、前記第１位置算出部は、前記所定部位の前記鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する、と良い。
【００１３】
前記所定部位の前記鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える上記いずれかの位置変動検出装置であって、前記第１位置算出部による前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さの算出処理と、前記第１位置算出部による所定方向に沿う前記リンクの前記加速度の算出処理とは時間的に並列して実行される、と良い。
【００１４】
前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える上記いずれかの位置変動検出装置であって、前記第１位置算出部は、複数の前記リンクの各長さに応じた複数の設定値、及び複数の前記リンク同士が為す角度に基づいて、前記所定部位の前記鉛直軸線に沿う高さを算出する、と良い。
【００１５】
前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える上記いずれかに記載の位置変動検出装置であって、前記第１位置算出部は、複数の前記リンクの各長さを示す複数のリンク長値、及び複数の前記リンク同士が為す角度に基づいて、前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該高さと鉛直方向に対して前記リンクが為す角度とに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する、と良い。
【００１６】
前記治具は、ユーザーの脚の膝に対してトルクを与えることでユーザーの歩行を補助する歩行補助装置である、と良い。複数の前記リンクは、前記ユーザーの大腿骨に対応づけて配置された第１リンクと、前記ユーザーの脛骨に対応づけて配置された第２リンクとを含む、と良い。前記所定位置は、前記ユーザーの腰位置である、と良い。
【００１７】
本発明に係る位置変動検出システムは、複数のリンク、及び検出装置を含むと共に、ユーザーの脚に対して装着される治具と、前記治具の前記検出装置から供給される検出値に基づいて前記ユーザーの所定部位の位置変動を検出する位置変動検出装置と、を備える位置変動検出システムであって、前記位置変動検出装置は、前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、複数の前記リンク同士が為す角度に応じた値、及び鉛直方向に対する前記リンクの傾斜角度に応じた値を含む）に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における前記所定部位の位置を算出し、前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、前記リンクの回転角加速度に応じた値、及び前記リンクの加速度に応じた値を含む）に基づいて前記所定方向に沿う前記リンクの加速度を算出し、当該加速度の積分に基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する。
【００１８】
本発明に係る位置変動検出装置の動作方法は、複数のリンク及び検出装置を含む治具をユーザーの脚に対して装着し、当該治具の前記検出装置から供給される検出値に基づいて前記ユーザーの所定部位の位置変動を検出する位置変動検出装置の動作方法であって、 前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、複数の前記リンク同士が為す角度に応じた値、及び鉛直方向に対する前記リンクの傾斜角度に応じた値を含む）に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における前記所定部位の位置を算出し、前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、前記リンクの回転角加速度に応じた値、及び前記リンクの加速度に応じた値を含む）に基づいて前記所定方向に沿う前記リンクの加速度を算出し、当該加速度の積分に基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ユーザーの運動状態を簡易に計測することできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態１にかかる腰位置計測システムの概略的な模式図である。
【図２】実施の形態１にかかる歩行補助装置の構成及びユーザーに対するその装着状態を示す模式図である。
【図３】実施の形態１にかかるリンク同士が為すリンク角度を示す図である。
【図４】実施の形態１にかかる歩行補助装置の構成を示す概略的なブロック図である。
【図５】実施の形態１にかかる腰位置計測システムの構成を示す概略的なブロック図である。
【図６】実施の形態１にかかる腰位置計測システムの動作を示すタイミングチャートである。
【図７】実施の形態１にかかる腰位置の変動を示す模式図である。
【図８】実施の形態１にかかる立脚時の腰位置を算出する手順を示す図である。
【図９】実施の形態１にかかる遊脚時の腰位置を算出する手順を示す図である。
【図１０】実施の形態１にかかる腰位置計測システムの動作を示す概略的なフローチャートである。
【図１１】実施の形態２にかかる腰位置計測システムの動作を示すタイミングチャートである。
【図１２】実施の形態３にかかる腰位置計測システムを説明するための図である。
【図１３】健常者と片脚麻痺患者の歩行状態の相違を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
実施の形態１
本実施形態に係る位置変動検出装置は、複数のリンク及び検出装置を含む治具を患者の脚に対して装着し、治具の検出装置から供給される検出値に基づいて患者の腰位置の位置変動を検出する。位置変動検出装置は、検出装置から供給される検出値に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における腰位置を算出し、検出装置から供給される検出値に基づいて所定方向に沿うリンクの加速度を算出し、この加速度の積分に基づいて所定方向における腰位置を算出する。
【００２２】
この構成によれば、異なる内容の算出処理に基づいて、立脚及び遊脚時の腰位置が夫々算出され、患者の腰位置の変動を簡易に計測することが可能になる。特に、加速度を活用した演算処理に基づいて、遊脚時の腰位置を算出することで、連続した腰位置の変位を観察することが可能となる。複数のリンク及び検出装置を含む治具として、例えば、歩行補助装置を活用することによって、既存の装置を流用した態様にて、腰位置の変位を検出することが可能となる。
【００２３】
図１３に示すように、健常者と比べて、片麻痺患者は、横揺れした状態で歩行する。従って、片麻痺患者の歩行に伴うその腰位置の変動を観察することで、片麻痺患者の歩行状態の改善度合いを測ることができる。なお、図１３の左側は、健常者の歩行に伴って変位するその腰位置の軌跡を示し、図１３の右側は、片麻痺患者の歩行に伴って変位するその腰位置の軌跡を示す。
【００２４】
上述の構成によれば、患者のリハビリ時に患者の腰位置の変動を指導者又は患者に提示することが可能となる。従って、より効果的なリハビリ運動を達成することが可能になる。例えば、指導者は、ディスプレイに表示される腰位置の変動状態を勘案して、適切なアドバイスを患者に対してリアルタイム的に提示することができる。
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。図１は、腰位置計測システムの概略的な模式図である。図２は、歩行補助装置の構成及び患者に対するその装着状態を示す模式図である。図３は、リンク同士が為すリンク角度を示す図である。図４は、歩行補助装置の構成を示す概略的なブロック図である。図５は、腰位置計測システムの構成を示す概略的なブロック図である。図６は、腰位置計測システムの動作を示すタイミングチャートである。図７は、腰位置の変動を示す模式図である。図８は、立脚時の腰位置を算出する手順を示す図である。図９は、遊脚時の腰位置を算出する手順を示す図である。図１０は、腰位置計測システムの動作を示す概略的なフローチャートである。
【００２６】
図１に示すように、腰位置計測システム１００は、歩行補助装置（治具）１０、計測ユニット２０、及びコンピュータ３０を有する。歩行補助装置１０の出力は、計測ユニット２０に接続する。計測ユニット２０の出力は、コンピュータ３０に入力する。なお、計測ユニット２０の機能をコンピュータ３０に対して組み込んでも良く、その逆も然りである。すなわち、システム１００の具体的な構成は任意であり、当業者をすれば、適宜変更可能である。位置変動検出装置は、計測ユニット２０単体又は、計測ユニット２０とコンピュータ３０との組み合わせによって構成される。
【００２７】
図１に示す腰位置計測システム１００は、図１を正面視して右脚が麻痺している患者２００の腰位置の変動を計測する。コンピュータ３０の表示画面には、患者２００の歩行に応じた患者２００の腰位置の変動が同時的に表示される。患者２００のリハビリ指導者は、患者２００の現状の歩行動作を勘案して適切なアドバイスを患者２００に対して提示することができる。患者２００のリハビリ運動と指導者によるアドバイス間に大きなタイムラグが存在しないため、指導者のアドバイスを受けて、患者２００は、現姿勢等の修正を直ちに行うことができる。また、患者２００の腰位置データを保存等しておくことで、例えば、経時的な患者２００歩行状態の推移も観察することが可能になる。例えば、週単位又は月単位での患者２００の歩行状態の推移を観察することが可能になる。
【００２８】
図１及び図２に示すように、歩行補助装置（治具）１０は、患者２００の腰部からその脚部に至る範囲で患者２００の脚に沿って装着される装着型治具／装着型ロボットである。歩行補助装置１０は、患者２００の麻痺脚の関節に対してトルクを与え、患者２００の麻痺脚の歩行運動を補助するように構成されている。歩行補助装置１０は、計測ユニット２０に対して各種センシング結果を供給し、これにより、患者２００の腰位置が計測ユニット２０により算出される。計測ユニット２０で算出された腰位置は、コンピュータ３０の表示画面に表示され、腰位置の変動状態がリハビリ指導者に提示される。患者２００の歩行状態の評価時、患者２００の腰位置は重要な指標となる。従って、患者２００の歩行運動と患者２００の腰位置の変動状態を同時的に把握することで、リハビリ指導者は患者２００に対して適切なアドバイスを提示することができ、これを受けて、患者２００は、現状の歩行状態を修正することができる。
【００２９】
図１及び図２に示すように、歩行補助装置１０は、リンク（軸部材）１０ａ、リンク１０ｂ、フット部（足台部）１０ｃ、ジョイント部（連結中継部）１０ｄ、ジョイント部１０ｅ、ベルト（取り付け部）１０ｆ、ベルト（取り付け部）１０ｇ、およびコントローラ部（制御部）１０ｈを有する。リンク１０ａ、１０ｂのリンク長は、患者２００の脚長さに応じて適当に調整可能である。
【００３０】
リンク１０ａは、ベルト１０ｆによって、患者２００の大腿骨に対応づけて患者２００の脚に対して位置固定される。リンク１０ｂは、ベルト１０ｇによって、患者２００の脛骨に対応づけて患者２００の脚に対して位置固定される。ジョイント部１０ｄは、リンク１０ａとリンク１０ｂとの接続部分を構成し、患者２００の脚の膝位置に対応づけて配置される。フット部１０ｃ上には、患者２００の足が載せられる。ジョイント部１０ｅは、リンク１０ｂとフット部１０ｃとの接続部分を構成し、患者２００の足首位置に対応づけて配置される。コントローラ部１０ｈは、患者２００の腰位置に対応づけて配置される。
【００３１】
ジョイント部１０ｄは、図３に模式的に示すリンク１０ａとリンク１０ｂとが為すリンク角度を計測する計測器（例えば、アブソリュートエンコーダ等）を内蔵する。ジョイント部１０ｄは、更に、リンク１０ａとリンク１０ｂ間の同リンク角度を調整する駆動装置（例えば、電気モータ等）を内蔵する。コントローラ部１０ｈは、マイコン(Microcomputer)及び各種センサ類（ジャイロセンサ、加速度センサ等）を内蔵する。フット部１０ｃには、患者２００の麻痺脚が接地しているか否かを検知する検出器（例えば、圧力センサ等）が設けられている。ジョイント部１０ｅには、モータ等の駆動装置は内蔵されず、フット部１０ｃは、リンク１０ｂに対して揺動自在に連結している。
【００３２】
歩行補助装置１０は、ジョイント部１０ｄに設けられた駆動装置を所定態様にて駆動することによって、リンク１０ａとリンク１０ｂとが為すリンク角度（図３参照）を適当に調整し、これにより患者２００の麻痺脚の歩行運動を補助する。
【００３３】
歩行補助装置１０は、例えば、図４に示すように構成される。図４に示すように、歩行補助装置１０は、目標値パターン供給部９１、目標角度生成部９２、加算部９３、ドライバ９４、及びモータ９５を含む。
【００３４】
目標値パターン供給部９１は、患者２００の歩行状態を勘案して予め作成された目標値パターンを保持し、これを目標角度生成部９２に対して供給する。目標角度生成部９２は、目標値パターン供給部９１から供給された目標値パターンに基づいて、現時点における目標角度を生成し、これを加算部９３に供給する。
【００３５】
加算部９３は、目標角度生成部９２から供給される目標角度からジョイント部１０ｄに設けられた計測装置から供給されるリンク角度を減算し、この算出値をドライバ９４に供給する。ドライバ９４は、加算部９３からの供給値に基づいてモータ９５を制御する制御信号を生成し、これをモータ９５に供給する。
【００３６】
モータ９５は、ドライバ９４から供給される制御信号に応じて軸回転動作する。モータ９５で生じる軸回転力は、リンク機構に対して伝達する。このようにして、リンク１０ａとリンク１０ｂ間のリンク角度が、患者２００の麻痺脚の歩行パターンに応じて適当に調整される。
【００３７】
なお、図４に示す機能ブロックは、コントローラ部１０ｈに内蔵されたマイコンがジョイント部１０ｄに内蔵された電気モータを駆動することによって実現されるものである。コントローラ部１０ｈの内蔵マイコンは、プログラムを順次実行し、目標角度と現リンク角度とに応じた駆動信号をドライバ９４に対して供給する。このようにモータ９５をソフトウェア制御することが望ましい。
【００３８】
図５を参照して、腰位置計測システム１００の構成列について説明する。図５に示すように、歩行補助装置１０は、接地検出部１１、傾斜角度／回転角速度検出部（以下、傾斜角度検出部又は回転角速度検出部と呼ぶ場合がある）１２、加速度検出部１３、リンク角度検出部１４を含む。説明の便宜上、各機能部１１〜１４を単に検出部（検出装置）と呼ぶ場合がある。計測ユニット２０は、判定部２１、算出部（第１位置算出部）２２、設定値保持部２３、選択部２４、および腰位置計測部（第２位置算出部）２５を含む。コンピュータは、計測データ処理部３１、入力部３２、および計測データ表示部３３を含む。
【００３９】
図５に示す各機能ブロックの接続関係は、次のとおりである。判定部２１には、検出部１１、検出部１２の各出力が接続される。算出部２２には、検出部１２〜１４の各出力が接続される。設定値保持部２３の出力は、算出部２２に接続される。選択部２４には、判定部２１及び算出部２２の各出力が接続される。選択部２４の出力は、腰位置計測部２５に接続される。腰位置計測部２５の出力は、計測データ処理部３１に接続される。計測データ処理部３１の出力は、計測データ表示部３３に接続される。入力部３２の出力は、設定値保持部２３に接続される。なお、図５に示す接続関係は、あくまで例示的なものであり、不図示の接続関係が存在する場合もある。
【００４０】
図５に示す歩行補助装置１０は、検出部１１〜１４を含む。検出部１１は、患者２００の麻痺脚が接地していることを検出する。接地検出部１１は、例えば、患者２００の麻痺脚が接地している時、Ｈレベル信号を出力し、患者２００の麻痺脚が接地していない時、Ｌレベル信号を出力する。検出部１１は、フット部１０ｃに設けられた圧力センサ等から構成される。
【００４１】
検出部１２は、任意の種類のジャイロセンサから構成され、回転角速度と傾斜角度（図８に示す角度γ、α等）とを検出する。なお、傾斜角度αは、患者２００の歩行方向（Ｘ軸方向）を側面視して、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対してリンク１０ａの長手方向が為す角度である。傾斜角度αは、患者２００の歩行方向（Ｘ軸方向）から見て、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対してリンク１０ａの長手方向が為す角度である。検出部１２は、歩行補助装置１０のコントローラ部１０ｈに内蔵される。
【００４２】
検出部１３は、任意の種類の加速度センサから構成され、３軸方向の加速度を検出する。検出部１２と同様、検出部１３は、歩行補助装置１０のコントローラ部１０ｈに内蔵される。なお、起立状態の患者の脚に対して所望のように歩行補助装置１０が取り付けられているのとき、検出部１３により検出される加速度の一つは、鉛直方向の加速となる。
【００４３】
検出部１４は、ジョイント部１０ｄに内蔵されたエンコーダ等から構成され、リンク角を示す値をコントローラ部１０ｈ内のマイコンへ供給する。
【００４４】
図５に示す計測ユニット２０は、マイコンを内蔵し、判定部２１〜腰位置計測部２５の各処理を実行する。マイコンによるプログラムの実行によって、歩行補助装置１０の検出部から供給される検出値が処理され、最終的に、グローバル座標（図７に示すＸｇ、Ｙｇ座標系）における患者２００の腰位置が算出される。
【００４５】
判定部２１は、検出部１１、１２の各出力に基づいて、患者２００の麻痺脚が接地しているか否かを判定する。判定部２１は、検出部１１からＨレベル信号が入力し、かつ検出部１２から供給されるＹｓ方向の加速度が零（又は所定閾値以下）のとき、患者２００の麻痺脚が接地していると判定し、これを示すＨレベル信号を出力する。２つの条件のうち一方が不足する場合、判定部２１は、患者２００の麻痺脚が接地していないと判定し、これを示すＬレベル信号を出力する。なお、判定部２１は、その判定精度を効果的に高めるべく、Ｙｓ方向の加速度も参照して、接地状態を判定している（図１３参照）。
【００４６】
算出部２２は、検出部１２〜１４から供給される検出値に基づいて患者２００の腰位置を算出する。設定値保持部２３は、算出部２２による算出処理に用いられる設定値（図８に示すリンク長Ｌ１、Ｌ２、図９に示す間隔Ｌ４等）を保持する。選択部２４は、判定部２１の出力に応じて、算出部２２からの２つの出力（腰位置データＶａ、腰位置データＶｂ）の一方を選択する。腰位置計測部２５は、選択部２４を介して供給される腰位置の座標をグローバル座標に変換して出力する。
【００４７】
図５に示すコンピュータ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ、ハードディスク等を具備する一般的な計算機であり、アプリケーションの実行により、計測ユニット２０から供給されるデータに応じた表示画像を生成し、これを表示パネル等の表示部に表示する。コンピュータ３０は、計測ユニット２０に設けられた設定値保持部２３の保持値の変更を計測ユニット２０に対して指示する。
【００４８】
計測データ処理部３１は、腰位置計測部２５からの供給値を処理し、表示データを生成する。計測データ表示部３３は、計測データ処理部３１から供給される表示データに応じた表示をする。入力部３２は、キーボード等の入力装置を含み、設定値保持部２３の保持値の変更を指示する。これに応じて、設定値保持部２３は、自身の保持値を、入力部３２からの供給値に書き換える。
【００４９】
図６に模式的に示すように、患者２００が歩行運動するとき、時間経過に伴って、立脚と遊脚とを繰り返す。立脚時、麻痺脚が接地しており、他方の健常脚は地面から離れた状態で前方に押し出される。遊脚時、健常脚が接地しており、他方の麻痺脚が地面から離れた状態で前方に押し出される。
【００５０】
図６に模式的に示すように、判定部２１の出力は、患者２００の歩行状態（立脚／遊脚）に応じてＨ−Ｌレベル間を変動する。算出部２２は、立脚時腰位置計算ａと遊脚時腰位置計算ｂとを時間的に並列して連続的に実行する。選択部２４は、判定部２１の出力に応じて、算出部２２の出力のいずれかを選択する。腰位置計測部２５は、選択部２４を介して連続的に供給される算出部２２の算出値に基づいて、腰位置の相対変位を時間的に連続して算出する。
【００５１】
例えば、時刻ｔ０〜ｔ１間は、遊脚状態にあり、判定部２１の出力はＬレベルにある。このとき、選択部２４は、遊脚時腰位置計算ｂによる算出値Ｖｂを選択出力する。腰位置計測部２５は、順次入力する算出値Ｖｂに基づいて腰位置の相対変位を順次算出する。
【００５２】
図７に模式的に示すように、患者２００の歩行運動に応じて、腰位置Ｐ０は、軸Ｘｇ及び軸Ｙｇから規定されるグローバル座標系内を移動する。なお、軸Ｘｇは、患者２００の進行方向に一致する。軸Ｙｇは、軸Ｘｇ及び鉛直軸線に対して直行する軸線であり、患者２００の胴幅方向に対応する。グローバル座標系の原点は、例えば、麻痺脚が最初の一歩を踏み出して接地した時の腰位置に設定される。グローバル座標系の原点の設定方法は任意であり、これに限られるべきものではない。
【００５３】
図７に示す腰位置Ｐ０は、例えば、所定の時間間隔で計測される。腰位置Ｐ０は、初期位置であり、本位置は、グローバル座標系における原点となる。腰位置Ｐ１０は、麻痺脚が地面から離れた時の腰位置である。腰位置Ｐ１１は、遊脚中の腰位置である。腰位置Ｐ２０は、麻痺脚が接地した時の腰位置である。腰位置Ｐ２１は、立脚中の腰位置である。
【００５４】
図７に示すように、患者２００の現在位置に対応して、軸Ｘｍと軸Ｙｍ（ｍは、任意の自然数とする）から規定されるローカル座標系が定義されている。軸Ｘｍは、グローバル座標系の軸Ｘｇに対して平行な軸線である。軸Ｙｍは、グローバル座標系の軸Ｙｍに対して平行な軸線である。ローカル座標系は、患者２００の腰位置、より正確には、歩行補助装置１０のコントローラ部１０ｈに対して設定された座標系である。ローカル座標系は、患者２００の歩行に応じて、グローバル座標系内を移動するものと理解できる。
【００５５】
上述のように、算出部２２は、検出部１１〜１４の検出値に基づいて患者２００の腰位置を算出する。この点について、図８及び図９を参照して詳細説明する。なお、図８は、立脚時の腰位置の算出原理を示す図である。図９は、遊脚時の腰位置の算出原理を示す図である。
【００５６】
図８から理解されるように、算出部２２は、幾何計算に基づいて腰位置Ｄｙを算出する。腰位置Ｄｙは、ローカル軸Ｙｍ及びグローバル軸Ｙｇ方向における腰位置を示す。より具体的には、算出部２２は、リンク長Ｌ１、Ｌ２、リンク角度θ１、傾斜角γに基づいて高さＬを算出し、その後、算出した高さＬ、傾斜角αに基づいて腰位置Ｄｙを算出する。
【００５７】
リンク長Ｌ１、Ｌ２は、設定値保持部２３から算出部２２に供給される。リンク角度θ１は、リンク角度検出部１４から算出部２２に供給される。傾斜角γ、αは、傾斜角度検出部１２から算出部２２に供給される。
【００５８】
算出部２２により実行される計算式を示す。なお、次の示す式（１）〜（６）のうち、式（１）〜式（５）は、図８（ａ）に示されており、式（６）は、図８（ｂ）に示されている。
【００５９】
算出部２２は、第１式に基づいて、リンク１０ａとリンク１０ｂに２辺とする三角形のその余の辺（以下、余辺と呼ぶ場合がある）の長さを算出する。算出部２２は、第２式を展開して得られる第３式に基づいて、リンク１０ａと余辺とが為す角度θ２を算出する。算出部２２は、算出した角度θ２と傾斜角λの減算によって角度θ３を算出する。算出部２２は、算出した角度θ３と余辺の長さＬ３とに基づく幾何計算によって高さＬを算出する。算出部２２は、算出した高さＬと傾斜角αに基づく幾何計算によって腰位置Ｄｙを得る。
【数１】
【数２】
【数３】
【数４】
【数５】
【数６】
【００６０】
算出部２２により算出された腰位置Ｄｙは、腰位置計測部２５によって、前回の算出処理により計算された腰位置に加算される。腰位置計測部２５は、式（７）に示す計算を行う。ただし、Ｐ０ｙは、前回の腰位置であり、Ｐ０１ｙは、今回算出された腰位置を示す。このようにして、グローバル座標系における腰位置が算出される。
【数７】
【００６１】
図９から理解されるように、算出部２２は、図８の場合とは異なり、リンク１０ａ、１０ｂ及びそれらが為す角度等の機構条件を活用することなく、角加速度及び加速度等の加速状態の検知に基づいて腰位置Ｄｙを算出する。麻痺脚が地面から浮いているとき、リンク１０ａ、１０ｂ及びそれらが為す角度等を活用しても腰位置Ｄｙを求めることは容易ではない。この点に鑑みて、本実施形態では、上述のように、角加速度及び加速度等の加速状態の検知に基づいて腰位置Ｄｙを算出する。これによって、連続的な腰位置計測をすることが可能となる。なお、図９に示すように、α＝α１の関係が成立する。
【００６２】
算出部２２は、式（８）〜（１１）に示す計算原理に基づいて腰位置Ｄｙを算出する。算出部２２は、回転角速度検出部１２から供給される回転角加速度α''と設定値保持部２３から供給される長さＬ４とに基づいて、腰位置に対応する点Ｐを回転中心としてリンク１０ａが回転したときの加速度Ｓｌｙを算出し（式（８）参照）、加速度検出部１３から供給される加速度Ｓａｙから加速度Ｓｌｙを減算し（式（９）参照）、腰移動に応じた値の加速度Ｓｋｙを得る。次に、算出部２２は、加速度Ｓｋｙと傾斜角度検出部１２から供給される傾斜角αに基づいて、軸Ｙ０方向の加速度Ｇａｙを算出する（式（１０）参照）。次に、算出部２２は、算出した加速度Ｇａｙを２回積分して腰位置Ｄｙを算出する（式（１１）参照）。
【数８】
【数９】
【数１０】
【数１１】
【００６３】
算出部２２により算出された腰位置Ｄｙは、腰位置計測部２５によって、前回の算出処理により計算された腰位置に加算される。腰位置計測部２５は、式（１２）に示す計算を行う。ただし、Ｐ１０ｙは、前回の腰位置であり、Ｐ１１ｙは、今回算出された腰位置を示す。このようにして、グローバル座標系における腰位置が算出される。
【数１２】
【００６４】
図６から明らかなように、本実施形態では、算出部２２は、立脚時腰位置計算ａ及び遊脚時腰位置計算ｂを時間的に並列して実行する。この場合、一方の計算結果は真値であるが、他方の計算結果は誤値である。この点を判別するべく、本実施形態では、判定部２１によって、立脚／遊脚を判定し、この判定結果に応じて定まる計算結果を活用する。これによって、算出部２２による計算処理を連続的に実行させた状態とすることができる。
【００６５】
図１０を参照して、腰位置計測システム１００の動作について説明する。なお、腰位置計測システム１００は、スタート〜リターンに至るサイクルを連続的に実行する。
【００６６】
はじめに検出処理をする（Ｓ１００）。具体的には、歩行補助装置１０の検出部１１〜１４は検出動作を為す。
【００６７】
次に、立脚又は遊脚の判定をする（Ｓ１０１）。具体的には、判定部２１は、接地検出部１１の出力がＨレベルであり、回転角速度の値が所定値又は閾値以下である場合、立脚状態と判定し、これを示すＨレベル信号を出力する。２つの条件のうち一方が不足する場合、判定部２１は、患者２００の麻痺脚が接地していないと判定し、これを示すＬレベル信号を出力する。
【００６８】
立脚判定の場合、立脚の開始状態であるか判定する（Ｓ１０２）。判定部２１は、前回のＳ１０１の判定結果を保持し、これとの比較において、今回の判定結果が初回の立脚判定であるのか判断する。つまり、判定部２１は、前回の判定結果が立脚を示す場合、立脚開始とは判断しない。判定部２１は、前回の判定結果が遊脚を示す場合、立脚開始と判断する。
【００６９】
立脚開始の場合、ローカル座標が仮想的に設定される（Ｓ１０３）。判定部２１による判定に応じて、図７に模式的に示すように、Ｘ２軸とＹ２軸とから規定されるローカル座標が仮想的に設定される。
【００７０】
次に、伸展保持される（Ｓ１０４）。具体的には、歩行補助装置１０は、連続的なトルク生成により、リンク１０ａ、１０ｂを駆動しているが、ある時点において静止しているものと観念する。
【００７１】
次に、ローカル座標において腰位置計算する（Ｓ１０５）。具体的には、図８を参照して説明したとおりである。
【００７２】
次に、グローバル座標において腰位置計算する（Ｓ１０６）。具体的には、腰位置計測部２５は、前回算出したＤｙに今回算出したＤｙを加算する（式（７）参照）。
【００７３】
次に、モータ駆動する（Ｓ１０７）。具体的には、ある時間において伸展保持とされた状態から離脱し、歩行補助装置１０は、トルク生成に基づくリンク駆動を開始する。
【００７４】
次に、モニタ表示する（Ｓ１０８）。具体的には、腰位置計測部２５から供給される供給値が計測データ処理部３１により処理され、計測データ表示部３３は、計測データ処理部３１から供給されるデータに基づいて腰の変位状態を示す画像を表示する。その後、スタートに戻る。
【００７５】
Ｓ１０１において遊脚と判定された場合、遊脚開始であるのかを判断する（Ｓ１０９）。具体的には、判定部２１は、前回のＳ１０１の判定結果を保持し、これとの比較において、今回の判定結果が初回の立脚判定であるのか判断する。つまり、判定部２１は、前回の判定結果が遊脚を示す場合、遊脚開始とは判断しない。判定部２１は、前回の判定結果が立脚を示す場合、遊脚開始と判断する。
【００７６】
遊脚開始の場合、ローカル座標が仮想的に設定される（Ｓ１１０）。判定部２１による判定に応じて、図７に模式的に示すように、Ｘ１軸とＹ１軸とから規定されるローカル座標が仮想的に設定される。
【００７７】
次に、パターン供給する（Ｓ１０４）。具体的には、歩行補助装置１０は、連続的なトルク生成により、リンク１０ａ、１０ｂを駆動している状態にあり、目標値パターン供給部９１は、目標値パターンを目標角度生成部９２に対して連続的に供給している。次ステップは、時間的な要素を踏まえて腰位置を算出するため、この点を明確にするために本ステップをフローチャートに盛り込んでいる。
【００７８】
次に、ローカル座標において腰位置計算する（Ｓ１１２）。具体的には、図９を参照して説明したとおりである。
【００７９】
次に、グローバル座標において腰位置計算する（Ｓ１０６）。具体的には、腰位置計測部２５は、前回算出したＤｙに今回算出したＤｙを加算する（式（１２）参照）。
【００８０】
次に、上述の場合と同様に、モータ駆動する（Ｓ１０７）、モニタ表示する（Ｓ１０８）。その後、スタートに戻る。
【００８１】
上述の説明から明らかなように、本実施形態では、算出部２２は、図８を参照して説明した算出処理により腰位置を算出し、かつ図９を参照して説明した算出処理により腰位置を算出する。これによって、連続的な腰位置の変位を簡易に計測することが可能となる。また、既存の歩行補助装置１０を活用した態様にて、患者２００の腰位置の変位を計測することが可能となる。この場合、大がかりな装置構成を伴うこともない。
【００８２】
実施の形態２
本実施形態では、実施の形態１とは異なる方法で遊脚時の腰位置（移動量）を算出する。これによって、経時的に重畳する腰位置の誤差を効果的に低減することが可能となる。この場合であっても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００８３】
具体的には、算出部２２は、図１１に示すステップを実行する。
【００８４】
まず、立脚時の最終サイクルで算出される速度を初期速度として設定し、かつＹ軸方向の移動量を０として設定する（Ｓ２０１）。
【００８５】
次に、算出部２２は、式（８）を実行して、加速度Ｓｌｙを算出する（Ｓ２０２）。
【００８６】
次に、算出部２２は、算出した加速度Ｓｌｙを積分した速度から上述の初期速度を減算して速度を算出する（Ｓ２０３）。
【００８７】
次に、算出部２２は、Ｓ２０３により算出された速度を積分する（Ｓ２０４）。これによって、経時的に重畳する腰位置の誤差を効果的に低減することが可能となる。
【００８８】
図６を参照して補足説明すれば、本実施形態では、時刻ｔ０、時刻ｔ２のとき、積算誤差をリセットすべく、今回の計算過程で算出される速度から前回の計算過程で算出された速度を減算した後、速度の積分により加速度を算出する。これによって、腰位置の算出精度を効果的に高めることが可能になる。
【００８９】
実施の形態３
本実施形態では、コンピュータ３０は、患者２００の歩行状態を判定して表示する。これによって、リハビリ指導者は、患者２００の歩行状態を直感的に把握することが可能となる。また、患者自身に対してコンピュータ３０の表示を提示すれば、患者２００は、自身の歩行状態を、その場で直感的に把握することが可能となる。なお、この場合であっても実施の形態１及び２と同様の効果を得ることができる。
【００９０】
図１２に示すように、患者の腰位置が時系列に変動するものとする。なお、図１２の実線は、計測ユニット２０により算出された患者の腰位置の変動を示す。図１２の上部分は、コンピュータ３０の表示部に表示されているものとする。
【００９１】
時刻ｔ０と時刻ｔ１間では、腰位置は、閾値位置ＴＨ２を超える。この時、コンピュータ３０は、自身が備える表示部３５の点灯３５ｃを点灯させる。時刻ｔ１と時刻ｔ２間では、腰位置は、閾値位置ＴＨ２を下回る。この時、コンピュータ３０は、表示部３５の点灯３５ｂを点灯させる。時刻ｔ２と時刻ｔ３間では、腰位置は、閾値位置ＴＨ１を超える。この時、コンピュータ３０は、表示部３５の点灯３５ａを点灯させる。この構成を採用することによって、リハビリ指導者及び患者に対して、より直接的に現在の歩行状態を提示することが可能となる。
【００９２】
なお、コンピュータ３０の具体的な構成は任意である。閾値位置ＴＨ１、ＴＨ２は、ユーザーにより事前設定されているものとする。閾値数を増加して、より多段階的／詳細に歩行状態を判別しても良い。
【００９３】
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、加速度検出の具体方法は任意である。角速度検出の具体的な方法は任意である。治具の具体的な構成は任意である。片麻痺患者以外のユーザー（例えば、スポーツ選手）に対しても適用し得る。歩行補助装置１０の具体的な構成は任意である。計測ユニットの具体的な構成は任意である。コンピュータ３０の具体的な構成は任意である。
【符号の説明】
【００９４】
１００ 腰位置計測システム
１０ 歩行補助装置
２０ 計測ユニット
３０ コンピュータ
１１ 接地検出部
１２ 傾斜角度／回転角速度検出部
１３ 加速度検出部
１４ リンク角度検出部
２１ 判定部
２２ 算出部
２３ 設定値保持部
２４ 選択部
２５ 腰位置計測部
２６ モータ
２７ 傾斜センサ
３１ 計測データ処理部
３２ 入力部
３３ 計測データ表示部
３５ 表示部
９１ 目標値パターン供給部
９２ 目標角度生成部
９３ 加算部
９４ ドライバ
９５ モータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置変動検出装置、これを含むシステム、及び位置変動検出装置の動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
脳卒中等によって片脚麻痺となった患者は、その身体機能の回復のため、歩行運動等の反復が要求される場合がある。患者の身体機能の回復を早めるため、リハビリ指導者は、患者の現状／改善具合を見て、自己の経験則を踏まえて、患者に対して適切なアドバイスをする。リハビリ指導者による患者へのアドバイスは、リハビリ指導者の個人的経験則に基づくものが多く、リハビリ指導者の能力等に依存する程度が大きい。
【０００３】
特許文献１には、歩行感覚生成装置が開示されている。特許文献１の図１に示すように、歩行感覚生成装置は、ベルト機構１を有し、歩行者は、当該ベルト機構１上を歩行する。ベルト機構１は、３軸歩行面保持機構３上に設置されており、任意の傾斜角度に調整される。歩行者の脚先位置はＣＣＤカメラ４で検出され、腰部位置は糸式位置センサ５で検出され、頭部位置は磁気式位置姿勢計測装置６で検出され、各検出値は、計算機２０に入力される。歩行者の前方には、大型スクリーン７が設けられており、歩行動作にあわせた空間の映像が提示される。
【０００４】
特許文献２には、ユーザーの第１脚に対して装具を付け、装具が装着されていない第２脚の位置を計測する装置が開示されている。特許文献２の図１に示すように、脚装置１２には、第２脚を撮像するカメラ４２が設けられている。コントローラ３２は、カメラ４２が撮像した画像に基づいてカメラ位置に対する第２脚の位置を演算する。コントローラ３２による演算処理により、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置が算出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２９２３４９３号
【特許文献２】特開２０１０−２５９４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
患者の早期回復に繋がる効果的なリハビリを提供するためには、患者の現在の運動状態（歩行状態等）を的確に把握することが望ましい。現状、患者の運動を時分割して画像取得して解析することで患者の運動状態を計測する手法が提供されている。また、床、マット等の構造物に圧力センサを埋め込んで患者の運動状態を計測する手法が提供されている。しかしながら、このような場合には、比較的大型な装置が必要となる場合が多く、患者の運動状態を簡易に計測することはできない場合が多い。
【０００７】
上述の説明から明らかなように、ユーザーの運動状態を簡易に計測することが強く望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る位置変動検出装置は、複数のリンク、及び検出装置を含む治具をユーザーの脚に対して装着し、当該治具の前記検出装置から供給される検出値に基づいて前記ユーザーの所定部位の位置変動を検出する位置変動検出装置であって、前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、複数の前記リンク同士が為す角度に応じた値、及び鉛直方向に対する前記リンクの傾斜角度に応じた値を含む）に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における前記所定部位の位置を算出し、前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、前記リンクの回転角加速度に応じた値、及び前記リンクの加速度に応じた値を含む）に基づいて前記所定方向に沿う前記リンクの加速度を算出し、当該加速度の積分に基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する。この構成を採用することによって、ユーザーの運動状態を簡易に計測することが可能になる。
【０００９】
前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部と、前記ユーザーの前記脚が接地しているか否かを示す情報に応じて定まる前記第１位置算出部による算出結果に基づいて、前記所定部位の所定空間内の位置を算出する第２位置算出部と、を備える、と良い。
【００１０】
前記検出値は、前記ユーザーの前記脚が接地しているか否かを示す値を更に含む、上記いずれかの位置変動検出装置であって、前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部と、前記検出装置から供給される前記検出値に基づいて、前記ユーザーの前記脚が接地しているか否かを判定する判定部と、前記判定部による判定結果に応じて定まる前記第１位置算出部による算出結果に基づいて、前記所定部位の所定空間内の位置を算出する第２位置算出部と、を備える、と良い。
【００１１】
前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える、上記いずれかに記載の位置変動検出装置であって、前記第１位置算出部は、前記所定部位を中心として前記リンクが回転する際に検出される角加速度と、前記リンクの変位に応じて前記検出装置が検出する加速度とに基づいて前記リンクの前記加速度を算出し、当該算出した加速度を積分する、と良い。
【００１２】
前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える上記いずれかに記載の位置変動検出装置であって、前記第１位置算出部は、前記所定部位の前記鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する、と良い。
【００１３】
前記所定部位の前記鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える上記いずれかの位置変動検出装置であって、前記第１位置算出部による前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さの算出処理と、前記第１位置算出部による所定方向に沿う前記リンクの前記加速度の算出処理とは時間的に並列して実行される、と良い。
【００１４】
前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える上記いずれかの位置変動検出装置であって、前記第１位置算出部は、複数の前記リンクの各長さに応じた複数の設定値、及び複数の前記リンク同士が為す角度に基づいて、前記所定部位の前記鉛直軸線に沿う高さを算出する、と良い。
【００１５】
前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える上記いずれかに記載の位置変動検出装置であって、前記第１位置算出部は、複数の前記リンクの各長さを示す複数のリンク長値、及び複数の前記リンク同士が為す角度に基づいて、前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該高さと鉛直方向に対して前記リンクが為す角度とに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する、と良い。
【００１６】
前記治具は、ユーザーの脚の膝に対してトルクを与えることでユーザーの歩行を補助する歩行補助装置である、と良い。複数の前記リンクは、前記ユーザーの大腿骨に対応づけて配置された第１リンクと、前記ユーザーの脛骨に対応づけて配置された第２リンクとを含む、と良い。前記所定位置は、前記ユーザーの腰位置である、と良い。
【００１７】
本発明に係る位置変動検出システムは、複数のリンク、及び検出装置を含むと共に、ユーザーの脚に対して装着される治具と、前記治具の前記検出装置から供給される検出値に基づいて前記ユーザーの所定部位の位置変動を検出する位置変動検出装置と、を備える位置変動検出システムであって、前記位置変動検出装置は、前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、複数の前記リンク同士が為す角度に応じた値、及び鉛直方向に対する前記リンクの傾斜角度に応じた値を含む）に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における前記所定部位の位置を算出し、前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、前記リンクの回転角加速度に応じた値、及び前記リンクの加速度に応じた値を含む）に基づいて前記所定方向に沿う前記リンクの加速度を算出し、当該加速度の積分に基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する。
【００１８】
本発明に係る位置変動検出装置の動作方法は、複数のリンク及び検出装置を含む治具をユーザーの脚に対して装着し、当該治具の前記検出装置から供給される検出値に基づいて前記ユーザーの所定部位の位置変動を検出する位置変動検出装置の動作方法であって、 前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、複数の前記リンク同士が為す角度に応じた値、及び鉛直方向に対する前記リンクの傾斜角度に応じた値を含む）に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における前記所定部位の位置を算出し、前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、前記リンクの回転角加速度に応じた値、及び前記リンクの加速度に応じた値を含む）に基づいて前記所定方向に沿う前記リンクの加速度を算出し、当該加速度の積分に基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ユーザーの運動状態を簡易に計測することできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態１にかかる腰位置計測システムの概略的な模式図である。
【図２】実施の形態１にかかる歩行補助装置の構成及びユーザーに対するその装着状態を示す模式図である。
【図３】実施の形態１にかかるリンク同士が為すリンク角度を示す図である。
【図４】実施の形態１にかかる歩行補助装置の構成を示す概略的なブロック図である。
【図５】実施の形態１にかかる腰位置計測システムの構成を示す概略的なブロック図である。
【図６】実施の形態１にかかる腰位置計測システムの動作を示すタイミングチャートである。
【図７】実施の形態１にかかる腰位置の変動を示す模式図である。
【図８】実施の形態１にかかる立脚時の腰位置を算出する手順を示す図である。
【図９】実施の形態１にかかる遊脚時の腰位置を算出する手順を示す図である。
【図１０】実施の形態１にかかる腰位置計測システムの動作を示す概略的なフローチャートである。
【図１１】実施の形態２にかかる腰位置計測システムの動作を示すタイミングチャートである。
【図１２】実施の形態３にかかる腰位置計測システムを説明するための図である。
【図１３】健常者と片脚麻痺患者の歩行状態の相違を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
実施の形態１
本実施形態に係る位置変動検出装置は、複数のリンク及び検出装置を含む治具を患者の脚に対して装着し、治具の検出装置から供給される検出値に基づいて患者の腰位置の位置変動を検出する。位置変動検出装置は、検出装置から供給される検出値に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における腰位置を算出し、検出装置から供給される検出値に基づいて所定方向に沿うリンクの加速度を算出し、この加速度の積分に基づいて所定方向における腰位置を算出する。
【００２２】
この構成によれば、異なる内容の算出処理に基づいて、立脚及び遊脚時の腰位置が夫々算出され、患者の腰位置の変動を簡易に計測することが可能になる。特に、加速度を活用した演算処理に基づいて、遊脚時の腰位置を算出することで、連続した腰位置の変位を観察することが可能となる。複数のリンク及び検出装置を含む治具として、例えば、歩行補助装置を活用することによって、既存の装置を流用した態様にて、腰位置の変位を検出することが可能となる。
【００２３】
図１３に示すように、健常者と比べて、片麻痺患者は、横揺れした状態で歩行する。従って、片麻痺患者の歩行に伴うその腰位置の変動を観察することで、片麻痺患者の歩行状態の改善度合いを測ることができる。なお、図１３の左側は、健常者の歩行に伴って変位するその腰位置の軌跡を示し、図１３の右側は、片麻痺患者の歩行に伴って変位するその腰位置の軌跡を示す。
【００２４】
上述の構成によれば、患者のリハビリ時に患者の腰位置の変動を指導者又は患者に提示することが可能となる。従って、より効果的なリハビリ運動を達成することが可能になる。例えば、指導者は、ディスプレイに表示される腰位置の変動状態を勘案して、適切なアドバイスを患者に対してリアルタイム的に提示することができる。
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。図１は、腰位置計測システムの概略的な模式図である。図２は、歩行補助装置の構成及び患者に対するその装着状態を示す模式図である。図３は、リンク同士が為すリンク角度を示す図である。図４は、歩行補助装置の構成を示す概略的なブロック図である。図５は、腰位置計測システムの構成を示す概略的なブロック図である。図６は、腰位置計測システムの動作を示すタイミングチャートである。図７は、腰位置の変動を示す模式図である。図８は、立脚時の腰位置を算出する手順を示す図である。図９は、遊脚時の腰位置を算出する手順を示す図である。図１０は、腰位置計測システムの動作を示す概略的なフローチャートである。
【００２６】
図１に示すように、腰位置計測システム１００は、歩行補助装置（治具）１０、計測ユニット２０、及びコンピュータ３０を有する。歩行補助装置１０の出力は、計測ユニット２０に接続する。計測ユニット２０の出力は、コンピュータ３０に入力する。なお、計測ユニット２０の機能をコンピュータ３０に対して組み込んでも良く、その逆も然りである。すなわち、システム１００の具体的な構成は任意であり、当業者をすれば、適宜変更可能である。位置変動検出装置は、計測ユニット２０単体又は、計測ユニット２０とコンピュータ３０との組み合わせによって構成される。
【００２７】
図１に示す腰位置計測システム１００は、図１を正面視して右脚が麻痺している患者２００の腰位置の変動を計測する。コンピュータ３０の表示画面には、患者２００の歩行に応じた患者２００の腰位置の変動が同時的に表示される。患者２００のリハビリ指導者は、患者２００の現状の歩行動作を勘案して適切なアドバイスを患者２００に対して提示することができる。患者２００のリハビリ運動と指導者によるアドバイス間に大きなタイムラグが存在しないため、指導者のアドバイスを受けて、患者２００は、現姿勢等の修正を直ちに行うことができる。また、患者２００の腰位置データを保存等しておくことで、例えば、経時的な患者２００歩行状態の推移も観察することが可能になる。例えば、週単位又は月単位での患者２００の歩行状態の推移を観察することが可能になる。
【００２８】
図１及び図２に示すように、歩行補助装置（治具）１０は、患者２００の腰部からその脚部に至る範囲で患者２００の脚に沿って装着される装着型治具／装着型ロボットである。歩行補助装置１０は、患者２００の麻痺脚の関節に対してトルクを与え、患者２００の麻痺脚の歩行運動を補助するように構成されている。歩行補助装置１０は、計測ユニット２０に対して各種センシング結果を供給し、これにより、患者２００の腰位置が計測ユニット２０により算出される。計測ユニット２０で算出された腰位置は、コンピュータ３０の表示画面に表示され、腰位置の変動状態がリハビリ指導者に提示される。患者２００の歩行状態の評価時、患者２００の腰位置は重要な指標となる。従って、患者２００の歩行運動と患者２００の腰位置の変動状態を同時的に把握することで、リハビリ指導者は患者２００に対して適切なアドバイスを提示することができ、これを受けて、患者２００は、現状の歩行状態を修正することができる。
【００２９】
図１及び図２に示すように、歩行補助装置１０は、リンク（軸部材）１０ａ、リンク１０ｂ、フット部（足台部）１０ｃ、ジョイント部（連結中継部）１０ｄ、ジョイント部１０ｅ、ベルト（取り付け部）１０ｆ、ベルト（取り付け部）１０ｇ、およびコントローラ部（制御部）１０ｈを有する。リンク１０ａ、１０ｂのリンク長は、患者２００の脚長さに応じて適当に調整可能である。
【００３０】
リンク１０ａは、ベルト１０ｆによって、患者２００の大腿骨に対応づけて患者２００の脚に対して位置固定される。リンク１０ｂは、ベルト１０ｇによって、患者２００の脛骨に対応づけて患者２００の脚に対して位置固定される。ジョイント部１０ｄは、リンク１０ａとリンク１０ｂとの接続部分を構成し、患者２００の脚の膝位置に対応づけて配置される。フット部１０ｃ上には、患者２００の足が載せられる。ジョイント部１０ｅは、リンク１０ｂとフット部１０ｃとの接続部分を構成し、患者２００の足首位置に対応づけて配置される。コントローラ部１０ｈは、患者２００の腰位置に対応づけて配置される。
【００３１】
ジョイント部１０ｄは、図３に模式的に示すリンク１０ａとリンク１０ｂとが為すリンク角度を計測する計測器（例えば、アブソリュートエンコーダ等）を内蔵する。ジョイント部１０ｄは、更に、リンク１０ａとリンク１０ｂ間の同リンク角度を調整する駆動装置（例えば、電気モータ等）を内蔵する。コントローラ部１０ｈは、マイコン(Microcomputer)及び各種センサ類（ジャイロセンサ、加速度センサ等）を内蔵する。フット部１０ｃには、患者２００の麻痺脚が接地しているか否かを検知する検出器（例えば、圧力センサ等）が設けられている。ジョイント部１０ｅには、モータ等の駆動装置は内蔵されず、フット部１０ｃは、リンク１０ｂに対して揺動自在に連結している。
【００３２】
歩行補助装置１０は、ジョイント部１０ｄに設けられた駆動装置を所定態様にて駆動することによって、リンク１０ａとリンク１０ｂとが為すリンク角度（図３参照）を適当に調整し、これにより患者２００の麻痺脚の歩行運動を補助する。
【００３３】
歩行補助装置１０は、例えば、図４に示すように構成される。図４に示すように、歩行補助装置１０は、目標値パターン供給部９１、目標角度生成部９２、加算部９３、ドライバ９４、及びモータ９５を含む。
【００３４】
目標値パターン供給部９１は、患者２００の歩行状態を勘案して予め作成された目標値パターンを保持し、これを目標角度生成部９２に対して供給する。目標角度生成部９２は、目標値パターン供給部９１から供給された目標値パターンに基づいて、現時点における目標角度を生成し、これを加算部９３に供給する。
【００３５】
加算部９３は、目標角度生成部９２から供給される目標角度からジョイント部１０ｄに設けられた計測装置から供給されるリンク角度を減算し、この算出値をドライバ９４に供給する。ドライバ９４は、加算部９３からの供給値に基づいてモータ９５を制御する制御信号を生成し、これをモータ９５に供給する。
【００３６】
モータ９５は、ドライバ９４から供給される制御信号に応じて軸回転動作する。モータ９５で生じる軸回転力は、リンク機構に対して伝達する。このようにして、リンク１０ａとリンク１０ｂ間のリンク角度が、患者２００の麻痺脚の歩行パターンに応じて適当に調整される。
【００３７】
なお、図４に示す機能ブロックは、コントローラ部１０ｈに内蔵されたマイコンがジョイント部１０ｄに内蔵された電気モータを駆動することによって実現されるものである。コントローラ部１０ｈの内蔵マイコンは、プログラムを順次実行し、目標角度と現リンク角度とに応じた駆動信号をドライバ９４に対して供給する。このようにモータ９５をソフトウェア制御することが望ましい。
【００３８】
図５を参照して、腰位置計測システム１００の構成列について説明する。図５に示すように、歩行補助装置１０は、接地検出部１１、傾斜角度／回転角速度検出部（以下、傾斜角度検出部又は回転角速度検出部と呼ぶ場合がある）１２、加速度検出部１３、リンク角度検出部１４を含む。説明の便宜上、各機能部１１〜１４を単に検出部（検出装置）と呼ぶ場合がある。計測ユニット２０は、判定部２１、算出部（第１位置算出部）２２、設定値保持部２３、選択部２４、および腰位置計測部（第２位置算出部）２５を含む。コンピュータは、計測データ処理部３１、入力部３２、および計測データ表示部３３を含む。
【００３９】
図５に示す各機能ブロックの接続関係は、次のとおりである。判定部２１には、検出部１１、検出部１２の各出力が接続される。算出部２２には、検出部１２〜１４の各出力が接続される。設定値保持部２３の出力は、算出部２２に接続される。選択部２４には、判定部２１及び算出部２２の各出力が接続される。選択部２４の出力は、腰位置計測部２５に接続される。腰位置計測部２５の出力は、計測データ処理部３１に接続される。計測データ処理部３１の出力は、計測データ表示部３３に接続される。入力部３２の出力は、設定値保持部２３に接続される。なお、図５に示す接続関係は、あくまで例示的なものであり、不図示の接続関係が存在する場合もある。
【００４０】
図５に示す歩行補助装置１０は、検出部１１〜１４を含む。検出部１１は、患者２００の麻痺脚が接地していることを検出する。接地検出部１１は、例えば、患者２００の麻痺脚が接地している時、Ｈレベル信号を出力し、患者２００の麻痺脚が接地していない時、Ｌレベル信号を出力する。検出部１１は、フット部１０ｃに設けられた圧力センサ等から構成される。
【００４１】
検出部１２は、任意の種類のジャイロセンサから構成され、回転角速度と傾斜角度（図８に示す角度γ、α等）とを検出する。なお、傾斜角度αは、患者２００の歩行方向（Ｘ軸方向）を側面視して、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対してリンク１０ａの長手方向が為す角度である。傾斜角度αは、患者２００の歩行方向（Ｘ軸方向）から見て、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対してリンク１０ａの長手方向が為す角度である。検出部１２は、歩行補助装置１０のコントローラ部１０ｈに内蔵される。
【００４２】
検出部１３は、任意の種類の加速度センサから構成され、３軸方向の加速度を検出する。検出部１２と同様、検出部１３は、歩行補助装置１０のコントローラ部１０ｈに内蔵される。なお、起立状態の患者の脚に対して所望のように歩行補助装置１０が取り付けられているのとき、検出部１３により検出される加速度の一つは、鉛直方向の加速となる。
【００４３】
検出部１４は、ジョイント部１０ｄに内蔵されたエンコーダ等から構成され、リンク角を示す値をコントローラ部１０ｈ内のマイコンへ供給する。
【００４４】
図５に示す計測ユニット２０は、マイコンを内蔵し、判定部２１〜腰位置計測部２５の各処理を実行する。マイコンによるプログラムの実行によって、歩行補助装置１０の検出部から供給される検出値が処理され、最終的に、グローバル座標（図７に示すＸｇ、Ｙｇ座標系）における患者２００の腰位置が算出される。
【００４５】
判定部２１は、検出部１１、１２の各出力に基づいて、患者２００の麻痺脚が接地しているか否かを判定する。判定部２１は、検出部１１からＨレベル信号が入力し、かつ検出部１２から供給されるＹｓ方向の加速度が零（又は所定閾値以下）のとき、患者２００の麻痺脚が接地していると判定し、これを示すＨレベル信号を出力する。２つの条件のうち一方が不足する場合、判定部２１は、患者２００の麻痺脚が接地していないと判定し、これを示すＬレベル信号を出力する。なお、判定部２１は、その判定精度を効果的に高めるべく、Ｙｓ方向の加速度も参照して、接地状態を判定している（図１３参照）。
【００４６】
算出部２２は、検出部１２〜１４から供給される検出値に基づいて患者２００の腰位置を算出する。設定値保持部２３は、算出部２２による算出処理に用いられる設定値（図８に示すリンク長Ｌ１、Ｌ２、図９に示す間隔Ｌ４等）を保持する。選択部２４は、判定部２１の出力に応じて、算出部２２からの２つの出力（腰位置データＶａ、腰位置データＶｂ）の一方を選択する。腰位置計測部２５は、選択部２４を介して供給される腰位置の座標をグローバル座標に変換して出力する。
【００４７】
図５に示すコンピュータ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ、ハードディスク等を具備する一般的な計算機であり、アプリケーションの実行により、計測ユニット２０から供給されるデータに応じた表示画像を生成し、これを表示パネル等の表示部に表示する。コンピュータ３０は、計測ユニット２０に設けられた設定値保持部２３の保持値の変更を計測ユニット２０に対して指示する。
【００４８】
計測データ処理部３１は、腰位置計測部２５からの供給値を処理し、表示データを生成する。計測データ表示部３３は、計測データ処理部３１から供給される表示データに応じた表示をする。入力部３２は、キーボード等の入力装置を含み、設定値保持部２３の保持値の変更を指示する。これに応じて、設定値保持部２３は、自身の保持値を、入力部３２からの供給値に書き換える。
【００４９】
図６に模式的に示すように、患者２００が歩行運動するとき、時間経過に伴って、立脚と遊脚とを繰り返す。立脚時、麻痺脚が接地しており、他方の健常脚は地面から離れた状態で前方に押し出される。遊脚時、健常脚が接地しており、他方の麻痺脚が地面から離れた状態で前方に押し出される。
【００５０】
図６に模式的に示すように、判定部２１の出力は、患者２００の歩行状態（立脚／遊脚）に応じてＨ−Ｌレベル間を変動する。算出部２２は、立脚時腰位置計算ａと遊脚時腰位置計算ｂとを時間的に並列して連続的に実行する。選択部２４は、判定部２１の出力に応じて、算出部２２の出力のいずれかを選択する。腰位置計測部２５は、選択部２４を介して連続的に供給される算出部２２の算出値に基づいて、腰位置の相対変位を時間的に連続して算出する。
【００５１】
例えば、時刻ｔ０〜ｔ１間は、遊脚状態にあり、判定部２１の出力はＬレベルにある。このとき、選択部２４は、遊脚時腰位置計算ｂによる算出値Ｖｂを選択出力する。腰位置計測部２５は、順次入力する算出値Ｖｂに基づいて腰位置の相対変位を順次算出する。
【００５２】
図７に模式的に示すように、患者２００の歩行運動に応じて、腰位置Ｐ０は、軸Ｘｇ及び軸Ｙｇから規定されるグローバル座標系内を移動する。なお、軸Ｘｇは、患者２００の進行方向に一致する。軸Ｙｇは、軸Ｘｇ及び鉛直軸線に対して直行する軸線であり、患者２００の胴幅方向に対応する。グローバル座標系の原点は、例えば、麻痺脚が最初の一歩を踏み出して接地した時の腰位置に設定される。グローバル座標系の原点の設定方法は任意であり、これに限られるべきものではない。
【００５３】
図７に示す腰位置Ｐ０は、例えば、所定の時間間隔で計測される。腰位置Ｐ０は、初期位置であり、本位置は、グローバル座標系における原点となる。腰位置Ｐ１０は、麻痺脚が地面から離れた時の腰位置である。腰位置Ｐ１１は、遊脚中の腰位置である。腰位置Ｐ２０は、麻痺脚が接地した時の腰位置である。腰位置Ｐ２１は、立脚中の腰位置である。
【００５４】
図７に示すように、患者２００の現在位置に対応して、軸Ｘｍと軸Ｙｍ（ｍは、任意の自然数とする）から規定されるローカル座標系が定義されている。軸Ｘｍは、グローバル座標系の軸Ｘｇに対して平行な軸線である。軸Ｙｍは、グローバル座標系の軸Ｙｍに対して平行な軸線である。ローカル座標系は、患者２００の腰位置、より正確には、歩行補助装置１０のコントローラ部１０ｈに対して設定された座標系である。ローカル座標系は、患者２００の歩行に応じて、グローバル座標系内を移動するものと理解できる。
【００５５】
上述のように、算出部２２は、検出部１１〜１４の検出値に基づいて患者２００の腰位置を算出する。この点について、図８及び図９を参照して詳細説明する。なお、図８は、立脚時の腰位置の算出原理を示す図である。図９は、遊脚時の腰位置の算出原理を示す図である。
【００５６】
図８から理解されるように、算出部２２は、幾何計算に基づいて腰位置Ｄｙを算出する。腰位置Ｄｙは、ローカル軸Ｙｍ及びグローバル軸Ｙｇ方向における腰位置を示す。より具体的には、算出部２２は、リンク長Ｌ１、Ｌ２、リンク角度θ１、傾斜角γに基づいて高さＬを算出し、その後、算出した高さＬ、傾斜角αに基づいて腰位置Ｄｙを算出する。
【００５７】
リンク長Ｌ１、Ｌ２は、設定値保持部２３から算出部２２に供給される。リンク角度θ１は、リンク角度検出部１４から算出部２２に供給される。傾斜角γ、αは、傾斜角度検出部１２から算出部２２に供給される。
【００５８】
算出部２２により実行される計算式を示す。なお、次の示す式（１）〜（６）のうち、式（１）〜式（５）は、図８（ａ）に示されており、式（６）は、図８（ｂ）に示されている。
【００５９】
算出部２２は、第１式に基づいて、リンク１０ａとリンク１０ｂに２辺とする三角形のその余の辺（以下、余辺と呼ぶ場合がある）の長さを算出する。算出部２２は、第２式を展開して得られる第３式に基づいて、リンク１０ａと余辺とが為す角度θ２を算出する。算出部２２は、算出した角度θ２と傾斜角λの減算によって角度θ３を算出する。算出部２２は、算出した角度θ３と余辺の長さＬ３とに基づく幾何計算によって高さＬを算出する。算出部２２は、算出した高さＬと傾斜角αに基づく幾何計算によって腰位置Ｄｙを得る。
【数１】
【数２】
【数３】
【数４】
【数５】
【数６】
【００６０】
算出部２２により算出された腰位置Ｄｙは、腰位置計測部２５によって、前回の算出処理により計算された腰位置に加算される。腰位置計測部２５は、式（７）に示す計算を行う。ただし、Ｐ０ｙは、前回の腰位置であり、Ｐ０１ｙは、今回算出された腰位置を示す。このようにして、グローバル座標系における腰位置が算出される。
【数７】
【００６１】
図９から理解されるように、算出部２２は、図８の場合とは異なり、リンク１０ａ、１０ｂ及びそれらが為す角度等の機構条件を活用することなく、角加速度及び加速度等の加速状態の検知に基づいて腰位置Ｄｙを算出する。麻痺脚が地面から浮いているとき、リンク１０ａ、１０ｂ及びそれらが為す角度等を活用しても腰位置Ｄｙを求めることは容易ではない。この点に鑑みて、本実施形態では、上述のように、角加速度及び加速度等の加速状態の検知に基づいて腰位置Ｄｙを算出する。これによって、連続的な腰位置計測をすることが可能となる。なお、図９に示すように、α＝α１の関係が成立する。
【００６２】
算出部２２は、式（８）〜（１１）に示す計算原理に基づいて腰位置Ｄｙを算出する。算出部２２は、回転角速度検出部１２から供給される回転角加速度α''と設定値保持部２３から供給される長さＬ４とに基づいて、腰位置に対応する点Ｐを回転中心としてリンク１０ａが回転したときの加速度Ｓｌｙを算出し（式（８）参照）、加速度検出部１３から供給される加速度Ｓａｙから加速度Ｓｌｙを減算し（式（９）参照）、腰移動に応じた値の加速度Ｓｋｙを得る。次に、算出部２２は、加速度Ｓｋｙと傾斜角度検出部１２から供給される傾斜角αに基づいて、軸Ｙ０方向の加速度Ｇａｙを算出する（式（１０）参照）。次に、算出部２２は、算出した加速度Ｇａｙを２回積分して腰位置Ｄｙを算出する（式（１１）参照）。
【数８】
【数９】
【数１０】
【数１１】
【００６３】
算出部２２により算出された腰位置Ｄｙは、腰位置計測部２５によって、前回の算出処理により計算された腰位置に加算される。腰位置計測部２５は、式（１２）に示す計算を行う。ただし、Ｐ１０ｙは、前回の腰位置であり、Ｐ１１ｙは、今回算出された腰位置を示す。このようにして、グローバル座標系における腰位置が算出される。
【数１２】
【００６４】
図６から明らかなように、本実施形態では、算出部２２は、立脚時腰位置計算ａ及び遊脚時腰位置計算ｂを時間的に並列して実行する。この場合、一方の計算結果は真値であるが、他方の計算結果は誤値である。この点を判別するべく、本実施形態では、判定部２１によって、立脚／遊脚を判定し、この判定結果に応じて定まる計算結果を活用する。これによって、算出部２２による計算処理を連続的に実行させた状態とすることができる。
【００６５】
図１０を参照して、腰位置計測システム１００の動作について説明する。なお、腰位置計測システム１００は、スタート〜リターンに至るサイクルを連続的に実行する。
【００６６】
はじめに検出処理をする（Ｓ１００）。具体的には、歩行補助装置１０の検出部１１〜１４は検出動作を為す。
【００６７】
次に、立脚又は遊脚の判定をする（Ｓ１０１）。具体的には、判定部２１は、接地検出部１１の出力がＨレベルであり、回転角速度の値が所定値又は閾値以下である場合、立脚状態と判定し、これを示すＨレベル信号を出力する。２つの条件のうち一方が不足する場合、判定部２１は、患者２００の麻痺脚が接地していないと判定し、これを示すＬレベル信号を出力する。
【００６８】
立脚判定の場合、立脚の開始状態であるか判定する（Ｓ１０２）。判定部２１は、前回のＳ１０１の判定結果を保持し、これとの比較において、今回の判定結果が初回の立脚判定であるのか判断する。つまり、判定部２１は、前回の判定結果が立脚を示す場合、立脚開始とは判断しない。判定部２１は、前回の判定結果が遊脚を示す場合、立脚開始と判断する。
【００６９】
立脚開始の場合、ローカル座標が仮想的に設定される（Ｓ１０３）。判定部２１による判定に応じて、図７に模式的に示すように、Ｘ２軸とＹ２軸とから規定されるローカル座標が仮想的に設定される。
【００７０】
次に、伸展保持される（Ｓ１０４）。具体的には、歩行補助装置１０は、連続的なトルク生成により、リンク１０ａ、１０ｂを駆動しているが、ある時点において静止しているものと観念する。
【００７１】
次に、ローカル座標において腰位置計算する（Ｓ１０５）。具体的には、図８を参照して説明したとおりである。
【００７２】
次に、グローバル座標において腰位置計算する（Ｓ１０６）。具体的には、腰位置計測部２５は、前回算出したＤｙに今回算出したＤｙを加算する（式（７）参照）。
【００７３】
次に、モータ駆動する（Ｓ１０７）。具体的には、ある時間において伸展保持とされた状態から離脱し、歩行補助装置１０は、トルク生成に基づくリンク駆動を開始する。
【００７４】
次に、モニタ表示する（Ｓ１０８）。具体的には、腰位置計測部２５から供給される供給値が計測データ処理部３１により処理され、計測データ表示部３３は、計測データ処理部３１から供給されるデータに基づいて腰の変位状態を示す画像を表示する。その後、スタートに戻る。
【００７５】
Ｓ１０１において遊脚と判定された場合、遊脚開始であるのかを判断する（Ｓ１０９）。具体的には、判定部２１は、前回のＳ１０１の判定結果を保持し、これとの比較において、今回の判定結果が初回の立脚判定であるのか判断する。つまり、判定部２１は、前回の判定結果が遊脚を示す場合、遊脚開始とは判断しない。判定部２１は、前回の判定結果が立脚を示す場合、遊脚開始と判断する。
【００７６】
遊脚開始の場合、ローカル座標が仮想的に設定される（Ｓ１１０）。判定部２１による判定に応じて、図７に模式的に示すように、Ｘ１軸とＹ１軸とから規定されるローカル座標が仮想的に設定される。
【００７７】
次に、パターン供給する（Ｓ１０４）。具体的には、歩行補助装置１０は、連続的なトルク生成により、リンク１０ａ、１０ｂを駆動している状態にあり、目標値パターン供給部９１は、目標値パターンを目標角度生成部９２に対して連続的に供給している。次ステップは、時間的な要素を踏まえて腰位置を算出するため、この点を明確にするために本ステップをフローチャートに盛り込んでいる。
【００７８】
次に、ローカル座標において腰位置計算する（Ｓ１１２）。具体的には、図９を参照して説明したとおりである。
【００７９】
次に、グローバル座標において腰位置計算する（Ｓ１０６）。具体的には、腰位置計測部２５は、前回算出したＤｙに今回算出したＤｙを加算する（式（１２）参照）。
【００８０】
次に、上述の場合と同様に、モータ駆動する（Ｓ１０７）、モニタ表示する（Ｓ１０８）。その後、スタートに戻る。
【００８１】
上述の説明から明らかなように、本実施形態では、算出部２２は、図８を参照して説明した算出処理により腰位置を算出し、かつ図９を参照して説明した算出処理により腰位置を算出する。これによって、連続的な腰位置の変位を簡易に計測することが可能となる。また、既存の歩行補助装置１０を活用した態様にて、患者２００の腰位置の変位を計測することが可能となる。この場合、大がかりな装置構成を伴うこともない。
【００８２】
実施の形態２
本実施形態では、実施の形態１とは異なる方法で遊脚時の腰位置（移動量）を算出する。これによって、経時的に重畳する腰位置の誤差を効果的に低減することが可能となる。この場合であっても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００８３】
具体的には、算出部２２は、図１１に示すステップを実行する。
【００８４】
まず、立脚時の最終サイクルで算出される速度を初期速度として設定し、かつＹ軸方向の移動量を０として設定する（Ｓ２０１）。
【００８５】
次に、算出部２２は、式（８）を実行して、加速度Ｓｌｙを算出する（Ｓ２０２）。
【００８６】
次に、算出部２２は、算出した加速度Ｓｌｙを積分した速度から上述の初期速度を減算して速度を算出する（Ｓ２０３）。
【００８７】
次に、算出部２２は、Ｓ２０３により算出された速度を積分する（Ｓ２０４）。これによって、経時的に重畳する腰位置の誤差を効果的に低減することが可能となる。
【００８８】
図６を参照して補足説明すれば、本実施形態では、時刻ｔ０、時刻ｔ２のとき、積算誤差をリセットすべく、今回の計算過程で算出される速度から前回の計算過程で算出された速度を減算した後、速度の積分により加速度を算出する。これによって、腰位置の算出精度を効果的に高めることが可能になる。
【００８９】
実施の形態３
本実施形態では、コンピュータ３０は、患者２００の歩行状態を判定して表示する。これによって、リハビリ指導者は、患者２００の歩行状態を直感的に把握することが可能となる。また、患者自身に対してコンピュータ３０の表示を提示すれば、患者２００は、自身の歩行状態を、その場で直感的に把握することが可能となる。なお、この場合であっても実施の形態１及び２と同様の効果を得ることができる。
【００９０】
図１２に示すように、患者の腰位置が時系列に変動するものとする。なお、図１２の実線は、計測ユニット２０により算出された患者の腰位置の変動を示す。図１２の上部分は、コンピュータ３０の表示部に表示されているものとする。
【００９１】
時刻ｔ０と時刻ｔ１間では、腰位置は、閾値位置ＴＨ２を超える。この時、コンピュータ３０は、自身が備える表示部３５の点灯３５ｃを点灯させる。時刻ｔ１と時刻ｔ２間では、腰位置は、閾値位置ＴＨ２を下回る。この時、コンピュータ３０は、表示部３５の点灯３５ｂを点灯させる。時刻ｔ２と時刻ｔ３間では、腰位置は、閾値位置ＴＨ１を超える。この時、コンピュータ３０は、表示部３５の点灯３５ａを点灯させる。この構成を採用することによって、リハビリ指導者及び患者に対して、より直接的に現在の歩行状態を提示することが可能となる。
【００９２】
なお、コンピュータ３０の具体的な構成は任意である。閾値位置ＴＨ１、ＴＨ２は、ユーザーにより事前設定されているものとする。閾値数を増加して、より多段階的／詳細に歩行状態を判別しても良い。
【００９３】
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、加速度検出の具体方法は任意である。角速度検出の具体的な方法は任意である。治具の具体的な構成は任意である。片麻痺患者以外のユーザー（例えば、スポーツ選手）に対しても適用し得る。歩行補助装置１０の具体的な構成は任意である。計測ユニットの具体的な構成は任意である。コンピュータ３０の具体的な構成は任意である。
【符号の説明】
【００９４】
１００ 腰位置計測システム
１０ 歩行補助装置
２０ 計測ユニット
３０ コンピュータ
１１ 接地検出部
１２ 傾斜角度／回転角速度検出部
１３ 加速度検出部
１４ リンク角度検出部
２１ 判定部
２２ 算出部
２３ 設定値保持部
２４ 選択部
２５ 腰位置計測部
２６ モータ
２７ 傾斜センサ
３１ 計測データ処理部
３２ 入力部
３３ 計測データ表示部
３５ 表示部
９１ 目標値パターン供給部
９２ 目標角度生成部
９３ 加算部
９４ ドライバ
９５ モータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリンク、及び検出装置を含む治具をユーザーの脚に対して装着し、当該治具の前記検出装置から供給される検出値に基づいて前記ユーザーの所定部位の位置変動を検出する位置変動検出装置であって、
前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、複数の前記リンク同士が為す角度に応じた値、及び鉛直方向に対する前記リンクの傾斜角度に応じた値を含む）に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における前記所定部位の位置を算出し、
前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、前記リンクの回転角加速度に応じた値、及び前記リンクの加速度に応じた値を含む）に基づいて前記所定方向に沿う前記リンクの加速度を算出し、当該加速度の積分に基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する、位置変動検出装置。
【請求項２】
前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部と、
前記ユーザーの前記脚が接地しているか否かを示す情報に応じて定まる前記第１位置算出部による算出結果に基づいて、前記所定部位の所定空間内の位置を算出する第２位置算出部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の位置変動検出装置。
【請求項３】
前記検出値は、前記ユーザーの前記脚が接地しているか否かを示す値を更に含む、請求項１又は２に記載の位置変動検出装置であって、
前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部と、
前記検出装置から供給される前記検出値に基づいて、前記ユーザーの前記脚が接地しているか否かを判定する判定部と、
前記判定部による判定結果に応じて定まる前記第１位置算出部による算出結果に基づいて、前記所定部位の所定空間内の位置を算出する第２位置算出部と、
を備える。
【請求項４】
前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の位置変動検出装置であって、
前記第１位置算出部は、前記所定部位を中心として前記リンクが回転する際に検出される角加速度と、前記リンクの変位に応じて前記検出装置が検出する加速度とに基づいて前記リンクの前記加速度を算出し、当該算出した加速度を積分する。
【請求項５】
前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える請求項１乃至４のいずれか一項に記載の位置変動検出装置であって、
前記第１位置算出部は、前記所定部位の前記鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する。
【請求項６】
前記所定部位の前記鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の位置変動検出装置であって、
前記第１位置算出部による前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さの算出処理と、前記第１位置算出部による所定方向に沿う前記リンクの前記加速度の算出処理とは時間的に並列して実行される。
【請求項７】
前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える請求項１乃至６のいずれか一項に記載の位置変動検出装置であって、
前記第１位置算出部は、複数の前記リンクの各長さに応じた複数の設定値、及び複数の前記リンク同士が為す角度に基づいて、前記所定部位の前記鉛直軸線に沿う高さを算出する。
【請求項８】
前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える請求項１乃至７のいずれか一項に記載の位置変動検出装置であって、
前記第１位置算出部は、複数の前記リンクの各長さを示す複数のリンク長値、及び複数の前記リンク同士が為す角度に基づいて、前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該高さと鉛直方向に対して前記リンクが為す角度とに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する。
【請求項９】
前記治具は、ユーザーの脚の膝に対してトルクを与えることでユーザーの歩行を補助する歩行補助装置であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の位置変動検出装置。
【請求項１０】
複数の前記リンクは、前記ユーザーの大腿骨に対応づけて配置された第１リンクと、前記ユーザーの脛骨に対応づけて配置された第２リンクとを含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の位置変動検出装置。
【請求項１１】
前記所定位置は、前記ユーザーの腰位置であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の位置変動検出装置。
【請求項１２】
複数のリンク、及び検出装置を含むと共に、ユーザーの脚に対して装着される治具と、
前記治具の前記検出装置から供給される検出値に基づいて前記ユーザーの所定部位の位置変動を検出する位置変動検出装置と、
を備える位置変動検出システムであって、
前記位置変動検出装置は、
前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、複数の前記リンク同士が為す角度に応じた値、及び鉛直方向に対する前記リンクの傾斜角度に応じた値を含む）に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における前記所定部位の位置を算出し、
前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、前記リンクの回転角加速度に応じた値、及び前記リンクの加速度に応じた値を含む）に基づいて前記所定方向に沿う前記リンクの加速度を算出し、当該加速度の積分に基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する、位置変動検出システム。
【請求項１３】
複数のリンク及び検出装置を含む治具をユーザーの脚に対して装着し、当該治具の前記検出装置から供給される検出値に基づいて前記ユーザーの所定部位の位置変動を検出する位置変動検出装置の動作方法であって、
前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、複数の前記リンク同士が為す角度に応じた値、及び鉛直方向に対する前記リンクの傾斜角度に応じた値を含む）に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における前記所定部位の位置を算出し、
前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、前記リンクの回転角加速度に応じた値、及び前記リンクの加速度に応じた値を含む）に基づいて前記所定方向に沿う前記リンクの加速度を算出し、当該加速度の積分に基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する、位置変動検出装置の動作方法。
【請求項１】
複数のリンク、及び検出装置を含む治具をユーザーの脚に対して装着し、当該治具の前記検出装置から供給される検出値に基づいて前記ユーザーの所定部位の位置変動を検出する位置変動検出装置であって、
前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、複数の前記リンク同士が為す角度に応じた値、及び鉛直方向に対する前記リンクの傾斜角度に応じた値を含む）に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における前記所定部位の位置を算出し、
前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、前記リンクの回転角加速度に応じた値、及び前記リンクの加速度に応じた値を含む）に基づいて前記所定方向に沿う前記リンクの加速度を算出し、当該加速度の積分に基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する、位置変動検出装置。
【請求項２】
前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部と、
前記ユーザーの前記脚が接地しているか否かを示す情報に応じて定まる前記第１位置算出部による算出結果に基づいて、前記所定部位の所定空間内の位置を算出する第２位置算出部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の位置変動検出装置。
【請求項３】
前記検出値は、前記ユーザーの前記脚が接地しているか否かを示す値を更に含む、請求項１又は２に記載の位置変動検出装置であって、
前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部と、
前記検出装置から供給される前記検出値に基づいて、前記ユーザーの前記脚が接地しているか否かを判定する判定部と、
前記判定部による判定結果に応じて定まる前記第１位置算出部による算出結果に基づいて、前記所定部位の所定空間内の位置を算出する第２位置算出部と、
を備える。
【請求項４】
前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の位置変動検出装置であって、
前記第１位置算出部は、前記所定部位を中心として前記リンクが回転する際に検出される角加速度と、前記リンクの変位に応じて前記検出装置が検出する加速度とに基づいて前記リンクの前記加速度を算出し、当該算出した加速度を積分する。
【請求項５】
前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える請求項１乃至４のいずれか一項に記載の位置変動検出装置であって、
前記第１位置算出部は、前記所定部位の前記鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する。
【請求項６】
前記所定部位の前記鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の位置変動検出装置であって、
前記第１位置算出部による前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さの算出処理と、前記第１位置算出部による所定方向に沿う前記リンクの前記加速度の算出処理とは時間的に並列して実行される。
【請求項７】
前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える請求項１乃至６のいずれか一項に記載の位置変動検出装置であって、
前記第１位置算出部は、複数の前記リンクの各長さに応じた複数の設定値、及び複数の前記リンク同士が為す角度に基づいて、前記所定部位の前記鉛直軸線に沿う高さを算出する。
【請求項８】
前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該算出した高さに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する第１位置算出部を備える請求項１乃至７のいずれか一項に記載の位置変動検出装置であって、
前記第１位置算出部は、複数の前記リンクの各長さを示す複数のリンク長値、及び複数の前記リンク同士が為す角度に基づいて、前記所定部位の鉛直軸線に沿う高さを算出し、当該高さと鉛直方向に対して前記リンクが為す角度とに基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する。
【請求項９】
前記治具は、ユーザーの脚の膝に対してトルクを与えることでユーザーの歩行を補助する歩行補助装置であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の位置変動検出装置。
【請求項１０】
複数の前記リンクは、前記ユーザーの大腿骨に対応づけて配置された第１リンクと、前記ユーザーの脛骨に対応づけて配置された第２リンクとを含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の位置変動検出装置。
【請求項１１】
前記所定位置は、前記ユーザーの腰位置であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の位置変動検出装置。
【請求項１２】
複数のリンク、及び検出装置を含むと共に、ユーザーの脚に対して装着される治具と、
前記治具の前記検出装置から供給される検出値に基づいて前記ユーザーの所定部位の位置変動を検出する位置変動検出装置と、
を備える位置変動検出システムであって、
前記位置変動検出装置は、
前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、複数の前記リンク同士が為す角度に応じた値、及び鉛直方向に対する前記リンクの傾斜角度に応じた値を含む）に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における前記所定部位の位置を算出し、
前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、前記リンクの回転角加速度に応じた値、及び前記リンクの加速度に応じた値を含む）に基づいて前記所定方向に沿う前記リンクの加速度を算出し、当該加速度の積分に基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する、位置変動検出システム。
【請求項１３】
複数のリンク及び検出装置を含む治具をユーザーの脚に対して装着し、当該治具の前記検出装置から供給される検出値に基づいて前記ユーザーの所定部位の位置変動を検出する位置変動検出装置の動作方法であって、
前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、複数の前記リンク同士が為す角度に応じた値、及び鉛直方向に対する前記リンクの傾斜角度に応じた値を含む）に基づいて鉛直軸線に対して交差する所定方向における前記所定部位の位置を算出し、
前記検出装置から供給される前記検出値（当該検出値は、少なくとも、前記リンクの回転角加速度に応じた値、及び前記リンクの加速度に応じた値を含む）に基づいて前記所定方向に沿う前記リンクの加速度を算出し、当該加速度の積分に基づいて前記所定方向における前記所定部位の位置を算出する、位置変動検出装置の動作方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１９１９６２（Ｐ２０１２−１９１９６２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５５８６３（Ｐ２０１１−５５８６３）
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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