技术领域
本发明涉及一种为了实施用于步行机能恢复的康复训练而利用的步行训 练器。
背景技术
最近，随着人口结构的老龄化的发展，发生由于老龄而引起的跌倒骨折、 肌肉力量下降、关节可动范围降低以及平衡感觉衰退等的人数增加，其结果 为，需要步行机能的康复训练的患者的数量正在增多。
虽然在通常情况下，步行机能的康复训练是于医院等设施内在接受理疗 师以及护士等的护理人员的辅助的同时而实施的，但是存在由于护理人员的 身体负担较大以及理疗师的人数不足等从而无法获得充分的训练时间等的问 题。
虽然鉴于这种问题点，提出了多种用于不需要治疗师的辅助而由患者自 行实施步行训练的步行训练器，但是只能在前后方向上进行移动的步行训练 器不适合于在狭窄的室内的移动。
另一方面，由于本申请发明人之前提出的专利文献1的公开技术具有能 够向全方位进行移动的结构，因此对于在狭窄的室内的移动也能够适用。
但是，由于包括专利文献1的公开技术在内的、现有的步行训练器被构 成为，步行者在直立的姿势下实施步行训练，因此只能适用于具备某种程度 的直立姿势保持的肌肉力量的患者，而无法使用于刚刚遭遇事故或进行手术 之后等的、连支承上半身的肌肉力量都不具备的重度的步行障碍者的训练上。
另一方面，为了难以实施站立姿势下的步行训练的、重度的步行障碍者， 开发出了一种如下的训练器(下肢运动疗法装置)，其能够在躺在床上的状态 下实施踏板踩踏运动等的运动脚部的动作。
但是，由于通过这种训练器而实施的动作基本上为踩踏动作，而并非脚 与地面接触而实施的步行动作，因此无法充分地获得步行机能的康复效果。
在先技术文献
专利文献1：日本特开2003-62022号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明是为了解决上述的现有技术的问题点而实施的发明，其目的在于， 提供一种如下的步行训练器，即，即使对于刚刚遭遇事故或进行手术之后等 的、连支承上半身的肌肉力量都不具备的重度的步行障碍者也能够实施步行 训练，并能够获得较高的康复效果，而且还能够容易地实施在室内的移动的 步行训练器。
用于解决课题的方法
技术方案1所涉及的发明涉及一种步行训练器，其特征在于，具备：座 部，其高度为使用者能够在脚与地面接触的状态下就坐的高度；支承部件， 其对所述座部进行支承；全方位移动部件，其被安装在所述支承部件上。
技术方案2所涉及的发明涉及技术方案1所述的步行训练器，其特征在 于，具备前方跌倒防止部件，所述前方跌倒防止部件防止就坐于所述座部的 状态下的使用者向前方跌倒。
技术方案3所涉及的发明涉及技术方案2所述的步行训练器，其特征在 于，具备靠背部，所述靠背部对就坐于所述座部的状态下的使用者的背部进 行支承，所述前方跌倒防止部件由俯视观察时呈大致U字状的安全扶手构成， 所述安全扶手能够以所述靠背部为支点而从使用者的后方朝向前方进行转 动，并且在转动至前方的状态下包围就坐于所述座部的状态下的使用者的前 方以及左右侧方。
技术方案4所涉及的发明涉及技术方案2所述的步行训练器，其特征在 于，具备靠背部，所述靠背部对就坐于所述座部的状态下的使用者的背部进 行支承，并且所述前方跌倒防止部件由被安装在所述靠背部上且能够卷绕在 使用者的腹部上的带部件构成。
技术方案5所涉及的发明涉及技术方案2所述的步行训练器，其特征在 于，所述前方跌倒防止部件由正面观察时呈大致T字状的前方扶手构成，所 述前方扶手被安装在所述座部的前方，且能够被就坐于所述座部的状态下的 使用者用双手握住。
技术方案6所涉及的发明涉及技术方案1至5中任意一项所述的步行训 练器，其特征在于，所述座部以能够进行高度调节的方式而构成。
发明效果
根据技术方案1所涉及的发明，由于使用者能够在就坐于座部的状态下 实施步行训练，因此即使对于刚刚遭遇事故或进行手术之后等的、连支承上 半身的肌肉力量都不具备的重度的步行障碍者也能够实施步行训练。即，即 使是无法使用现有的在站立姿势下使用的步行训练器的重度的患者，只要具 备能够就坐的肌肉力量即可实施步行训练。
此外，由于具备全方位移动部件，因此即使通过在就坐状态下的步行运 动也能够容易地进行全方位的移动，从而能够获得较高的康复效果。尤其是， 由于能够以脚部与地面实际接触而进行运动的方式来进行移动，因此与在躺 在床上的状态下实施踏板踩踏等运动的、现有的重症患者用的训练器相比， 能够获得特别优异的康复效果。另外，还能够容易地实施在狭窄的室内的移 动。
根据技术方案2所涉及的发明，由于具备防止就坐于座部的状态下的使 用者向前方的跌倒的前方跌倒防止部件，因此防止了使用者在训练中向前方 跌倒的情况，从而能够安全地实施步行训练。
根据技术方案3所涉及的发明，通过在训练中将安全扶手转动至使用者 的前方而包围使用者的前方以及左右的侧方，从而防止了使用者向前方以及 侧方跌倒的情况，由此能够安全地实施步行训练。此外，通过在训练结束时 将安全扶手转动至使用者的后方，从而能够使使用者容易地从训练器离开。 而且，由于具有靠背部，因此还能够防止使用者向后方跌倒的情况。
根据技术方案4所涉及的发明，通过在训练中使带部件卷绕在使用者的 腹部上，从而防止了使用者向前方跌倒的情况，由此能够安全地实施步行训 练。而且，由于具有靠背部，因此还能够防止使用者向后方跌倒的情况。
根据技术方案5所涉及的发明，通过使用者在训练中用双手握住前方扶 手，从而防止了使用者向前方跌倒的情况，由此能够安全地实施步行训练。
根据技术方案6所涉及的发明，由于座部以能够进行高度调节的方式而 构成，因此能够按照使用者的体格而对座部的高度进行调节，从而对于各个 使用者而言，能够以最合适的高度来实施步行训练，由此能够获得较高的康 复效果。
附图说明
图1为表示本发明所涉及的步行训练器的第一实施方式的立体图。
图2为从座部的上表面向下方观察时的俯视图。
图3为从座部的下表面向下方观察时的俯视图。
图4为本发明所涉及的步行训练器的侧视图。
图5为表示本发明所涉及的步行训练器的第二实施方式的侧视图。
图6为表示本发明所涉及的步行训练器的第三实施方式的侧视图。
图7图示了用于导出用于实施本发明所涉及的步行训练器的运动控制 的、运动学以及动力学的坐标设定和结构模型。
具体实施方式
下面，适当参照附图，对本发明所涉及的步行训练器的优选实施方式进 行说明。
图1为表示本发明所涉及的步行训练器的第一实施方式的立体图。
本发明所涉及的步行训练器具备：座部1，其高度为使用者能够在脚与 地面接触的状态下就坐的高度；支承部件2，其将座部1支承在所述高度上； 全方位移动部件3，其被安装在支承部件2上；前方跌倒防止部件4，其防止 就坐于座部1的状态下的使用者向前方跌倒；控制部(省略图示)，其对全方 位移动部件3的驱动进行控制。
图2为从座部1的上表面向下方观察时的俯视图，图3为从座部1的下 表面向下方观察时的俯视图，图4为本发明所涉及的步行训练器的侧视图。
如图2所示，座部1具有前方的宽度变窄的在俯视观察时呈大致三角形 形状的、如自行车的车座那样的形状。由此，使用者R于就坐状态下，成为 脚部左右横跨前方部的形态(参照图4)。其结果为，使用者不易向左右方向 跌倒，并且左右的脚部易于在横向上运动。因此，不仅前后方向，还能够容 易地实施向左右以及斜向的步行训练，从而能够获得较高的康复效果。
支承部件2由被安装在全方位移动部件3上的支承框架21、和被垂直地 直立设置在支承框架21的大致中心处的支柱22构成，座部1被固定在支柱 22的上端部上。
支柱22具有能够对长度进行调节的结构(例如，油压气缸结构或螺旋结 构)，通过对支柱22的长度进行调节，从而能够对座部1的高度进行调节。 由此，能够按照使用者的体格(身高以及坐高等)而对座部1的高度进行调 节。例如，通过将座部1的高度设定为能够在400至800mm之间进行调节， 从而能够对应于身高150至190cm的使用者。
如此，由于座部1的高度能够调节，因此能够针对于各个使用者而将座 部1的高度设定为最合适的高度，从而能够以舒适的姿势持续地实施步行训 练，由此能够获得较高的康复效果。
支承框架21是将由铝等金属构成的棒状的框架部件以俯视观察时呈大 致T字状的方式组装而形成的(参照图3)，在T字的三个方向的端部上分别 安装有全方位移动部件3。但是，支承框架21的俯视观察形状并不限定于T 字状，例如也可以为圆弧状等其他的形状。
在支承部件21上搭载有蓄电池5。
蓄电池5对用于驱动全方位移动部件3的电动机(省略图示)供给电力。
作为全方位移动部件3，虽然通常情况下优选使用例如称为“omni wheel” (商标)的全方位车轮，但只要是具有能够全方位进行移动的部件，则没有 特别限定，既可以为与全方位车轮结构不同的车轮式的移动部件，也可以为 带式的移动部件等。
在本发明中，作为全方位移动部件3，优选使用如下的部件，即，本申 请发明人在日本特许第4003082号中提出的结构的部件，具体而言，该部件 为，具备一个或多个能够利用第一转动轴而进行转动的滚轮框架，且滚轮框 架沿着自身的边缘而对多个自由滚轮进行保持，并且将框架转动单元收纳在 其自身的内部而形成的部件，其中，所述框架转动单元使滚轮框架围绕第一 转动轴而进行转动。
由于本发明所涉及的步行训练器具备全方位移动部件3，因此不仅在前 后方向上，还能够在左右方向、斜向以及转动方向等的全方位上顺利地进行 移动。因此，能够成为康复效果非常优异的步行训练器，从而实现步行机能 的提早恢复。
全方位移动部件3的数量没有特别限定，虽然在图示示例中设置了三个， 但也可以设置四个以上。当设置四个以上时，优选为，例如将支承框架22 的俯视形状设为圆弧状。
在座部1的后方安装有靠背部6，所述靠背部6对就坐于座部的状态下 的使用者的背部进行支承。由此，能够端正使用者的姿势，并且能够防止使 用者向后方跌倒的情况。
在靠背部6上安装有带部件41，所述带部件41作为用于防止就坐于座 部1的状态下的使用者向前方跌倒的前方跌倒防止部件4而发挥功能。
带部件41由左右两根带构成，各个带的顶端上安装有扣环等卡合部件。 因此，通过使左右两根带在使用者R的腹部前方相互卡合，从而能够以使带 部件41卷绕在使用者R的腹部上的状态而进行固定(参照图4)。
由此，防止了就坐于座部1的状态下的使用者R向前方跌倒的情况，从 而能够安全地实施步行训练。
在座部1的前方安装有操作部8，所述操作部8对控制全方位移动部件3 的驱动的控制部进行操作。但是，在本发明中，也可以通过例如对使用者的 重心移动进行检测从而确定移动方向的、被动式控制等的自动控制，来实施 全方位移动部件3的驱动，此时无需设置用于使用者通过手动来进行操作的 操作部8。
图5为表示本发明所涉及的步行训练器的第二实施方式的侧视图。
第二实施方式所涉及的步行训练器与第一实施方式的步行训练器同样地 具备：座部1，其高度为使用者能够在脚与地面接触的状态下就坐的高度； 支承框架2，其将座部1支承在所述高度上；全方位移动部件3，其被安装在 支承框架2上；前方跌倒防止部件4，其防止就坐于座部1的状态下的使用 者向前方跌倒；支承部件2，其对座部1进行支承；蓄电池5；控制部(省略 图示)，其对全方位移动部件3的驱动进行控制。
由于座部1、支承部件2、全方位移动部件3以及蓄电池(5)的结构与 第一实施方式的部件相同，因此省略其说明，并对与第一实施方式的部件不 同结构的前方跌倒防止部件4进行说明。
第二实施方式所涉及的步行训练器具备前方扶手42，所述前方扶手42 作为用于防止就坐于座部1的状态下的使用者向前方跌倒的前方跌倒防止部 件4而发挥功能。
前方扶手42为，被设置在座部1的前方的、正面观察时呈大致T字状的 部件，且由在上下方向上延伸的垂直部分42a、和于垂直部分42a的上端部 在左右方向上延伸的水平部分42b构成。使用者在就坐于座部1的状态下， 能够用双手握住前方扶手42的水平部分42b(参照图5)。
由此，防止了就坐于座部1的状态下的使用者向前方跌倒的情况，从而 能够安全地实施步行训练。
图6为表示本发明所涉及的步行训练器的第三实施方式的侧视图。
第三实施方式所涉及的步行训练器与第一实施方式的步行训练器同样地 具备：座部1，其高度为使用者能够在脚与地面接触的状态下就坐的高度； 支承部件2，其将座部1支承在所述高度上；全方位移动部件3，其被安装在 支承部件2上；前方跌倒防止部件4，其防止就坐于座部(1)的状态下的使 用者向前方跌倒；蓄电池5；靠背部6；控制部(省略图示)，其对全方位移 动部件3的驱动进行控制。
由于座部1、支承框架2、全方位移动部件3、蓄电池5以及靠背部6的 结构与第一实施方式的部件相同，因此省略其说明，并对与第一实施方式的 部件不同结构的前方跌倒防止部件4进行说明。
第三实施方式所涉及的步行训练器具备安全扶手43，所述安全扶手43 作为用于防止就坐于座部1的状态下的使用者向前方跌倒的前方跌倒防止部 件4而发挥功能。
安全扶手43为如下的部件，即，由使用时在横穿使用者R前方的方向上 延伸的前方部分43a、和在使用者R的左右侧方沿前后方向延伸的左右一对 侧方部分43b一体形成的、俯视观察时呈大致U字状的部件，且侧方部分43b 的两个端部以能够转动的方式而被安装在靠背部6的上端部上。由此，在附 图中如想象线(双点划线)所示，安全扶手43能够以靠背部6为支点而从使 用者R的后方朝向前方在大约90度的范围内进行转动，并且在转动至前方的 状态下，包围就坐于座部1的状态下的使用者R的前方以及左右的侧方(参 照图6)。此外，在该状态下，使用者R能够用双手握住安全扶手43。
由此，防止了就坐于座部(1)的状态下的使用者(R)向前方以及侧方 跌倒的情况，从而能够安全地实施步行训练。此外，在步行训练结束时，通 过将安全扶手(43)转动至使用者(R)的后方，从而能够使使用者容易地从 训练器离开。
下面，导出并示出用于实施本发明所涉及的步行训练器的运动控制(全 方位移动部件的驱动控制)的运动学以及动力学。
图7图示了用于导出运动学以及动力学的坐标设定和结构模型。
此处，坐标设定和参数的定义如下文所示。
∑(x，y，0)：绝对坐标
∑(xt，yt，G)：相对坐标
F＝(ff，fl，fr)T：驱动力矢量
V G = ( v x G , v y G ) T = ( x · G , y · G ) T : ]]>移动速度矢量
V＝(vf，vl，vr)T：各个全方位移动部件的接线移动速度矢量 l1，l2，l3：从各个全方位移动部件起到步行训练器重心为止的距离
θ(t)：x轴与x1轴所成的角度
φ(t)：x轴与VG方向所成的角度
α：l1与l2所成的角度
β：l2与l3所成的角度
M：步行训练器的质量
m：使用者的质量
I：惯性力矩
在以上的坐标系中以式(1)表示运动学，以式(2)表示动力学。
- sin ( θ ) cos ( θ ) l 1 - sin ( α + θ ) cos ( α + θ ) l 2 - sin ( α + β + θ ) cos ( α + β + θ ) l 3 x · G y · G θ · = v f v l v r ]]>式(1)
M + m 0 0 0 M + m 0 0 0 I x · · G y · · G θ · · + sin ( θ ) sin ( α + θ ) sin ( α + β + θ ) - cos ( θ ) - cos ( α + θ ) - cos ( α + β + θ ) - l 1 - l 2 - l 3 f f f l f r = 0 0 0 ]]>式(2)
将式(2)整理归纳为式(3)
M ( M , m ) X · · + H ( α , β , θ ) F = 0 ]]>式(3)
M ( M , m ) = M + m 0 0 0 M + m 0 0 0 I , X · · = x · · G y · · G θ · · , F = f f f l f r , ]]>
H ( α , β , θ ) = sin ( θ ) sin ( α + θ ) sin ( α + β + θ ) - cos ( θ ) - cos ( α + θ ) - cos ( α + β + θ ) l 2 - l 1 - l 2 - l 3 ]]>
此处，设为下述式(4)成立。
|H(α，β，θ)|＝l1sin(θ)-l2sin(α+β)+l3sin(α)≠0 式(4)
矢量xd表示矢量x的目标值。
如果使用式(5)以作为控制算法，则能够得到式(6)所示的错误方程 式。KD和Kp为控制参数。
F = H - 1 M [ - X · · d + K D ( X · - X · d ) + K p ( X - X d ) ] ]]>式(5)
e · · ( t ) + K D e · ( t ) + K p e ( t ) = 0 ]]>
e(t)＝Xd(t)-X(t) 式(6)
如果，以如下方式选择控制参数KD和Kp，则式(6)将成为稳定的常微 分方程式，从而式(7)成立。即，能够达成所谓的目标轨迹追踪控制的目的。
Kp＝diag(ω12，ω22，ω32)
KD＝diag(2ζ1ω1，2ζ2ω2，2ζ3ω3)
0＜ζi≤1.0，0＜ωi，i＝1，2，3
lim t → ∞ e ( t ) = lim t → ∞ [ X d ( t ) - X ( t ) ] = 0 ]]>式(7)
在上述式(1)至式(7)中，式(1)至式(4)为导出了本发明所涉及 的步行训练器所特有的运动特性(运动学以及动力学)的公式，而式(5)至 式(7)为控制算法(加速度控制方法)的一般式。
在本发明中，能够将通过上文所述的控制算法而具体化了的程序存储在 控制部中，从而实施运动控制。
产业上的可利用性
本发明所涉及的步行训练器为，作为用于连支承上半身的肌肉力量都不 具备的重度的步行障碍者的步行训练器而适合利用的设备，其不仅可以用于 医院以及护理福利院，在狭窄的住宅中也可以使用。
符号说明
1 座部
2 支承部件
21 支承框架
22 支柱
3 全方位移动部件
4 前方跌倒防止部件
41 带部件
42 前方扶手
43 安全扶手
5 蓄电池
6 靠背部
R 使用者