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JP7215442B2 - バランス訓練システム、その制御方法、及び、制御プログラム - Google Patents

バランス訓練システム、その制御方法、及び、制御プログラム Download PDF

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Description

本発明は、バランス訓練システム、その制御方法、及び、制御プログラムに関する。
特許文献１に開示されたリハビリ支援装置は、被験者が立つことのできるフォースプレートと、フォースプレートに掛かる被験者の荷重を検出する荷重検出センサと、荷重検出センサによって検出された荷重から被験者の重心位置を検出する重心位置検出手段と、駆動手段と、を備える。ここで、駆動手段は、被験者の重心の移動方向に対応付けてフォースプレートを移動させる。
特許第６２６０８１１号公報
ところで、リハビリ支援装置には、被験者（訓練者）が搭乗するフォースプレート等の移動板の下側に、当該移動板に連動しない荷重検出センサが設けられるものがある。
しかしながら、この場合、被験者の重心移動量の算出結果に、被験者の重心移動に伴って移動した移動板の移動量が包含されてしまうため、被験者の正味の重心位置の移動量を正確に算出することができない。それにより、関連技術では、被験者の重心移動に伴う移動体の移動を精度良く制御することができないため、被験者は効果的なバランス訓練を行うことができない、という課題があった。
本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、効果的な訓練を行うことが可能なバランス訓練システム、その制御方法、及び、制御プログラムを提供することを目的とする。
本発明の一実施態様に係るバランス訓練システムは、立位状態の訓練者の足裏を支持する移動板と、前記移動板上に固定された第１部材と、前記移動板の下側にマトリックス状に配置された複数のセンサを有し、前記移動板に搭乗した前記訓練者から受ける荷重、及び、前記第１部材の位置を検出する荷重分布センサと、前記荷重分布センサによって検出された前記訓練者から受ける荷重の重心位置の移動量と、前記荷重分布センサによって検出された前記第１部材の位置の移動量と、の差分に基づいて、前記訓練者の正味の重心位置の移動量を算出し、その算出結果に基づいて前記移動板の移動を制御する制御部と、を備える。このバランス訓練システムは、ベルト等の移動体の移動分を考慮して訓練者の正味の重心位置の移動量を算出することにより、重心位置の変化に応じて精度良く移動体の移動を制御することが可能になるため、訓練者は効果的なバランス訓練を実施することができる。
また、前記荷重分布センサは、前記移動板に連動しないように設けられている。また、前記第１部材は、前記移動板が移動した場合でも前記荷重分布センサによって位置の検出が可能な範囲内に固定されている。
さらに、前記移動板は、トレッドミルのベルトであって、前記荷重分布センサは、前記トレッドミルのベルトの下側に設けられている。
本発明の一実施態様に係るバランス訓練システムの制御方法は、立位状態の訓練者の足裏を支持する移動板の下側にマトリックス状に配置された複数のセンサを有する荷重分布センサを用いて、前記移動板に搭乗した前記訓練者から受ける荷重、及び、前記移動体上に固定された第１部材の位置、を検出するステップと、前記荷重分布センサによって検出された前記訓練者から受ける荷重の重心位置の移動量と、前記荷重分布センサによって検出された前記第１部材の位置の移動量と、の差分に基づいて、前記訓練者の正味の重心位置の移動量を算出し、その算出結果に基づいて前記移動板の移動を制御するステップと、を備える。このバランス訓練システムの制御方法では、ベルト等の移動体の移動分を考慮して訓練者の正確な重心位置の移動量を算出することにより、重心位置の変化に応じて精度良く移動体の移動を制御することが可能になるため、訓練者は効果的なバランス訓練を実施することができる。
本発明の一実施態様に係る制御プログラムは、立位状態の訓練者の足裏を支持する移動板の下側にマトリックス状に配置された複数のセンサを有する荷重分布センサを用いて、前記移動板に搭乗した前記訓練者から受ける荷重、及び、前記移動体上に固定された第１部材の位置、を検出する処理と、前記荷重分布センサによって検出された前記訓練者から受ける荷重の重心位置の移動量と、前記荷重分布センサによって検出された前記第１部材の位置の移動量と、の差分に基づいて、前記訓練者の正味の重心位置の移動量を算出し、その算出結果に基づいて前記移動板の移動を制御する処理と、をコンピュータに実行させる。この制御プログラムでは、ベルト等の移動体の移動分を考慮して訓練者の正確な重心位置の移動量を算出することにより、重心位置の変化に応じて精度良く移動体の移動を制御することが可能になるため、訓練者は効果的なバランス訓練を実施することができる。
本発明によれば、効果的なバランス訓練を行うことが可能なバランス訓練システム、その制御方法、及び、制御プログラムを提供することができる。
実施の形態１に係るバランス訓練システムの概略斜視図である。 図１に示すバランス訓練システムの一部の概略側面図である。 図１に示すバランス訓練システムの動作を説明するための図である。 図１に示すバランス訓練システムの動作を説明するための図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係るバランス訓練システム１００の概略斜視図（左斜め後方から見た図）である。図２は、バランス訓練システム１００の一部の概略側面図（左側から見た図）である。バランス訓練システム１００は、バランス訓練装置ということもできる。
バランス訓練システム１００は、片麻痺などの障害を持つ訓練者が歩行に必要な重心移動を習得したり、足関節に障害を持つ訓練者が足関節機能を回復させたりするためのシステムである。例えば、足関節機能を回復させたい訓練者９００がバランスを取りつつバランス訓練システム１００に搭乗し続けることによって、バランス訓練システム１００は、訓練者９００の足関節にリハビリ効果を期待できる程度の負荷を与えることができる。
具体的には、バランス訓練システム１００は、トレッドミル１５０と、荷重分布センサ１５２と、制御部１６０と、手摺り１７０と、部材（第１部材）Ｗ１と、を備える。なお、以下の説明における上下方向、左右方向、前後方向は、訓練者９００の向きを基準とする方向である。
トレッドミル１５０は、リング状のベルト（移動板）１５１、プーリー１５３、及び、図示しないモータを少なくとも備える。また、リング状のベルト１５１の内側（訓練者９００が搭乗する面のベルト１５１の下側）には、ベルト１５１に連動しないように荷重分布センサ１５２が配置されている。
さらに、ベルト１５１上には、所定の重量を有する部材Ｗ１が固定されている。部材Ｗ１は、荷重分布センサ１５２によって位置の検出が可能な所定の重量を有する固体であればどのようなものであっても良い。部材Ｗ１は、ベルト１５１上のうち、訓練者９００の搭乗の妨げにならない位置、かつ、ベルト１５１の移動に連動して移動した場合でも荷重分布センサ１５２によって位置の検出が可能な範囲内の位置に固定されている。
荷重分布センサ１５２は、複数のセンサによって構成されており、これら複数のセンサは、立位状態の訓練者９００の足裏を支持するベルト１５１の下側にマトリックス状に配置されている。荷重分布センサ１５２は、複数のセンサを用いることにより、ベルト１５１に搭乗する訓練者９００の足から受ける面圧の分布や、ベルト１５１上に固定された部材Ｗ１から受ける面圧の分布を検出することができる。それにより、荷重分布センサ１５２は、ベルト１５１に搭乗する訓練者９００の足から受ける荷重や、部材Ｗ１の位置を検出することができる。
手摺り１７０は、訓練者９００がバランスを崩しそうになった時や不安に感じた時に掴むことができるように、例えば訓練者９００の側面に位置するように設けられている。
制御部１６０は、荷重分布センサ１５２によって検出された訓練者９００から受ける荷重に基づいて訓練者９００の重心位置を算出するとともに、算出された重心位置の移動ベクトル（移動方向及び移動量）に応じた速度、方向及び量でプーリー１５３を回転させることにより、リング状のベルト１５１を回転させる。ベルト１５１の回転（移動）に伴って、ベルト１５１の上に立っている訓練者９００も移動する。
ここで、制御部１６０は、荷重分布センサ１５２によって検出された部材Ｗ１の位置の移動量（移動ベクトル）をさらに算出する。それにより、訓練者９００の重心移動に伴って移動したベルト１５１の移動量（移動ベクトル）を算出することができる。そして、制御部１６０は、訓練者９００から受ける荷重に基づいて算出された訓練者９００の重心位置の移動量から、部材Ｗ１の位置の移動量を差し引くことにより、訓練者９００の正味の重心位置の移動量を算出する。制御部１６０は、訓練者９００の正味の重心位置の移動量に応じてプーリー１５３を回転させることにより、リング状のベルト１５１を精度良く回転させることができる。
このように、バランス訓練システム１００では、制御部１６０が、訓練者９００から受ける荷重に基づいて算出された訓練者９００の重心位置の移動量から、荷重分布センサ１５２によって検出された部材Ｗ１の位置の移動量を差し引くことにより、訓練者９００の正味の重心位置の移動量を算出する。バランス訓練システム１００は、この正味の重心位置の移動量を用いることにより、ベルト１５１を精度良く回転（移動）させることが可能になるため、被験者は効果的なバランス訓練を行うことができる。
なお、ベルト１５１の移動量は、ベルト１５１を駆動するモータのエンコーダからも算出可能である。しかしなら、エンコーダからベルト移動量に関する情報を取得するタイミングと、荷重分布センサ１５２から重心移動量に関する情報を取得するタイミングとでは、遅延量の違いによりズレが生じてしまう可能性がある。それに対し、バランス訓練システム１００では、ベルト移動量に関する情報、及び、重心移動量に関する情報を何れも荷重分布センサ１５２から取得しているため、それらの取得タイミングにズレは生じない。そのため、バランス訓練システム１００は、訓練者９００の正味の重心位置の移動量を精度良く算出することができる。
続いて、図３及び図４を用いて、バランス訓練システム１００の動作を説明する。
図３及び図４は、バランス訓練システム１００の動作を説明するための図である。なお、図３には、ベルト１５１が移動する前の状態が示されている。図４には、図３に示す訓練者９００の重心移動によってベルト１５１が移動した後の状態が示されている。
まず、図３を用いて、ベルト１５１が移動する前の状態について説明する。
訓練者９００は、訓練開始前に、ベルト１５１の中央部の任意の位置に足底を接地させて静止立位状態となり、訓練が開始されると、接地させた位置から足底を動かさないようにしながら重心移動を試みることによってバランスを取る訓練を行う。
制御部１６０は、訓練開始前に、訓練者９００の静止立位状態における重心位置ＣＰ０を算出する。具体的には、制御部１６０は、荷重分布センサ１５２によって検出された訓練者９００の左右の足ＦＴから受ける荷重から、訓練者９００の重心位置ＣＰ０を算出する。
訓練が開始されると、制御部１６０は、バランス訓練中の訓練者９００の重心位置ＣＰ１を定期的に算出する。図３の例では、訓練者９００は、バランス訓練中において、静止立位状態のときよりも前方に体重を傾けている。そのため、重心位置ＣＰ１は、初期の重心位置ＣＰ０よりも前方に位置している。
制御部１６０は、重心位置ＣＰ０から重心位置ＣＰ１までの移動ベクトル（図３中の矢印）に応じてベルト１５１を回転させる。ベルト１５１の回転に伴って、ベルト１５１の上に立っている訓練者９００も移動する。なお、本例では、ベルト１５１が前後方向にのみ回転可能となっている。
図３に示したＸ軸は、矩形状の荷重分布センサ１５２の後方の端部を起点とした場合の重心の前後方向の位置を示している。図３の例では、初期の重心ＣＰ０の位置は、位置Ｘ０であり、重心ＣＰ１の位置は、位置Ｘ１である。制御部１６０は、位置Ｘ１と位置Ｘ０の差分に応じて前方又は後方にベルト１５１を回転させる。図３の例では、制御部１６０は、位置Ｘ１と位置Ｘ０の差分に応じて前方にベルト１５１を回転させる。それにより、ベルト１５１の上に立っている訓練者９００も前方に移動する。
次に、図４を用いて、図３に示す訓練者９００の重心移動によってベルト１５１が移動した後の状態について説明する。
図４に示すように、訓練者９００の重心移動によってベルト１５１が移動すると、訓練者９００から受ける荷重に基づいて算出された訓練者９００の重心移動量（図４におけるＸ１－Ｘ０）には、ベルト１５１の移動量が包含されてしまう。
そこで、制御部１６０は、荷重分布センサ１５２によって検出された部材Ｗ１の位置の移動量（図４におけるＹ１－Ｙ０）を、訓練者９００の重心移動に伴って移動したベルト１５１の移動量としてさらに算出する。そして、制御部１６０は、訓練者９００から受ける荷重に基づいて算出された訓練者９００の重心移動量（Ｘ１－Ｘ０）から、部材Ｗ１の位置の移動量（Ｙ１－Ｙ０）を差し引くことにより、訓練者９００の正味の重心位置の移動量（図４におけるＸ１－Ｘ０’）を算出する。
その後、制御部１６０は、訓練者９００の正味の重心位置の移動量（Ｘ１－Ｘ０’）に基づいて、ベルト１５１を回転させる。
このように、バランス訓練システム１００では、制御部１６０が、訓練者９００から受ける荷重に基づいて算出された訓練者９００の重心位置の移動量から、荷重分布センサ１５２によって検出された部材Ｗ１の位置の移動量を差し引くことにより、訓練者９００の正味の重心位置の移動量を算出する。バランス訓練システム１００は、この正味の重心位置の移動量を用いることにより、ベルト１５１を精度良く回転（移動）させることが可能になるため、被験者は効果的なバランス訓練を行うことができる。
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。
本実施の形態では、制御部１６０が、重心ＣＰ０（又はＣＰ０’）から重心ＣＰ１までの移動ベクトルに応じてベルト１５１を前後方向に回転させる場合を例に説明したが、これに限られない。ベルト１５１が前後方向だけでなく左右方向に回転可能に構成されていれば、制御部１６０は、重心ＣＰ０（又はＣＰ０’）から重心ＣＰ１までの移動ベクトルに応じてベルト１５１を前後左右に回転させることが可能である。
また、実施の形態１では、制御部１６０がトレッドミル１５０に内蔵された場合を例に説明したが、これに限られない。制御部１６０は、トレッドミル１５０の外部に設けられても良く、さらには、トレッドミル１５０を遠隔操作可能に構成されても良い。
さらに、上記実施の形態では、本開示をハードウェアの構成として説明したが、本開示は、これに限定されるものではない。本開示は、バランス訓練システムの制御処理を、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することが可能である。
また、上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体は、例えば、磁気記録媒体、光磁気記録媒体、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリを含む。磁気記録媒体は、例えば、フレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブなどである。光磁気記録媒体は、例えば光磁気ディスクなどである。半導体メモリは、例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ ＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などである。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
１００ バランス訓練システム
１５０ トレッドミル
１５１ ベルト
１５２ 荷重分布センサ
１５３ プーリー
１６０ 制御部
１７０ 手摺り
９００ 訓練者
Ｗ１ 部材

Claims (6)

  1. 立位状態の訓練者の足裏を支持する移動板と、
    前記移動板上に固定された第１部材と、
    前記移動板の下側にマトリックス状に配置された複数のセンサを有し、前記移動板に搭乗した前記訓練者から受ける荷重、及び、前記第１部材の位置を検出する荷重分布センサと、
    前記荷重分布センサによって検出された前記訓練者から受ける荷重の重心位置の移動量と、前記荷重分布センサによって検出された前記第１部材の位置の移動量と、の差分に基づいて、前記訓練者の正味の重心位置の移動量を算出し、その算出結果に基づいて前記移動板の移動を制御する制御部と、
    を備えた、バランス訓練システム。
  2. 前記荷重分布センサは、前記移動板に連動しないように設けられている、
    請求項１に記載のバランス訓練システム。
  3. 前記第１部材は、前記移動板が移動した場合でも前記荷重分布センサによって位置の検出が可能な範囲内に固定されている、
    請求項１又は２に記載のバランス訓練システム。
  4. 前記移動板は、トレッドミルのベルトであって、
    前記荷重分布センサは、前記トレッドミルのベルトの下側に設けられている、
    請求項１～３の何れか一項に記載のバランス訓練システム。
  5. 立位状態の訓練者の足裏を支持する移動板の下側にマトリックス状に配置された複数のセンサを有する荷重分布センサを用いて、前記移動板に搭乗した前記訓練者から受ける荷重、及び、前記移動体上に固定された第１部材の位置、を検出するステップと、
    前記荷重分布センサによって検出された前記訓練者から受ける荷重の重心位置の移動量と、前記荷重分布センサによって検出された前記第１部材の位置の移動量と、の差分に基づいて、前記訓練者の正味の重心位置の移動量を算出し、その算出結果に基づいて前記移動板の移動を制御するステップと、
    を備えた、バランス訓練システムの制御方法。
  6. 立位状態の訓練者の足裏を支持する移動板の下側にマトリックス状に配置された複数のセンサを有する荷重分布センサを用いて、前記移動板に搭乗した前記訓練者から受ける荷重、及び、前記移動体上に固定された第１部材の位置、を検出する処理と、
    前記荷重分布センサによって検出された前記訓練者から受ける荷重の重心位置の移動量と、前記荷重分布センサによって検出された前記第１部材の位置の移動量と、の差分に基づいて、前記訓練者の正味の重心位置の移動量を算出し、その算出結果に基づいて前記移動板の移動を制御する処理と、
    をコンピュータに実行させる制御プログラム。
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