WO2014189032A1

WO2014189032A1 - 訓練装置

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Publication number: WO2014189032A1
Application number: PCT/JP2014/063300
Authority: WO
Inventors: 恵次郎見須; 裕光赤江; 北野　俊幸; 満徳川邉; 富崎　秀徳; 和美川平; 恵下堂薗; 永余; 良太林
Original assignee: Kagoshima University NUC; Yaskawa Electric Corp; Yaskawa Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kagoshima University NUC; Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2015-11-24
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Abstract

　訓練装置（１）は、肢部を訓練するための装置であって、肢部により触れさせるための目標部（Ｔ１，Ｔ２）と、肢部に対し上向きに作用する上向力を、肢部の上下動を許容しながら電力により発生する力発生機構（３）とを備える。

Description

訓練装置

　本開示は、運動機能の回復を必要とする患者の肢部を訓練するための装置に関する。

　脳卒中等の脳血管疾患の患者には、後遺症として身体の一部に麻痺が残ることがある。麻痺が残った身体の運動機能を回復させるために、様々な装置が提案されている。例えば特許文献１には、患者の上肢により押下させるための２個のスイッチを備えた訓練装置が開示されている。この訓練装置は、患者の上肢に２個のスイッチを繰り返し押下させることで、上肢の伸展運動及び屈曲運動を繰り返し発生させるものである。また、特許文献２には、患者の上肢への装着部と、装着部を吊る４本のワイヤとを備えた訓練装置が開示されている。この訓練装置は、上肢の動きに応じて４本のワイヤの巻き取り及び繰り出しを行うことで、上肢の動きを補助するものである。

特開２００６－３４６１０８号公報特開２０１２－６１１０１号公報

　特許文献１に記載された訓練装置を用いた訓練では、患者自身の力で上肢をスイッチまで動かすことができない場合が考えられる。このような場合、期待通りの効果は得られない。一方、特許文献２に記載された訓練装置では、上肢の動きに合わせて４本のワイヤの巻き取り又は繰り出しを同時進行で行うために、多くの力センサ及びモータが必要である。また、これらの力センサ及びモータを協調させる複雑な制御が必要である。このため、装置が複雑化及び高コスト化する可能性が高い。

　そこで本開示は、単純な構成で効果的な訓練を施すことができる装置を提供することを目的とする。

　本開示に係る訓練装置は、肢部を訓練するための装置であって、肢部により触れさせるための目標部と、肢部に対し上向きに作用する上向力を、肢部の上下動を許容しながら電力により発生する力発生機構とを備える。

　本開示によれば、単純な構成で効果的な訓練を施すことができる。

訓練装置の斜視図である。スイッチの位置の調節機構を示す側面図である。胸当部の変形例を示す斜視図である。モータを拡大して示す背面図である。訓練中の状態を示す模式図である。トルク制御の手順を示すフローチャートである。スリングの高さと免荷力との相関を示すグラフである。

　以下、本開示の好適な実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

　図１に示すように、本実施形態に係る訓練装置１は、運動機能の回復を必要とする患者の上肢を訓練するためのものである。運動機能の回復を必要とする患者としては、例えば脳卒中等の脳血管疾患により体の一部に麻痺が残った患者が挙げられる。訓練装置１は、作業台２と、力発生機構３と、電気刺激発生部４と、振動刺激発生部５と、制御部６とを備える。

　作業台２は床面に設置され、その周囲に患者用の椅子１１（図５参照）が配置される。以下の説明における「前後左右」は、患者から見た手前側を後側、奥側を前側とした方向を意味する。作業台２は、アルミフレーム等により構成されており、略直方体の外形を呈する。作業台２の長辺は左右方向に沿っている。作業台２の下部の四隅のそれぞれには、脚部２０が設けられている。

　作業台２の上部２ａは、椅子１１に座った患者の胸部の高さに位置する。上部２ａには、天板２１と、第１支持板２２と、第２支持板２３と、胸当部２４とが設けられている。天板２１は水平に配置され、左右方向において作業台２の中央に位置すると共に、作業台２の後縁寄りに位置している。

　第１支持板２２は、天板２１の後側に隣接し、作業台２の後縁から舌状に張り出している。第１支持板２２の上には、患者の上肢により操作させるための第１スイッチ２５が設けられている。すなわち、訓練装置１は、第１スイッチ２５を更に備える。第１スイッチ２５は、ドーム状の押しボタン２５ａを有しており、押しボタン２５ａの押下により第１スイッチ２５のオン・オフが切り替えられる。押しボタン２５ａは、患者の上肢により触れさせるための第１の目標部Ｔ１である。

　図１及び図２に示すように、天板２１上には、前後方向に延在するガイド部２１ａと、ガイド部２１ａ上に装着された前後スライド部２１ｃとが設けられている。前後スライド部２１ｃの位置は、ガイド部２１ａに沿って変更可能となっている。前後スライド部２１ｃ上には鉛直な支柱２１ｂと、支柱２１ｂに装着された上下スライド部２１ｄとが設けられている。上下スライド部２１ｄの位置は、支柱２１ｂに沿って変更可能となっている。

　第２支持板２３は上下スライド部２１ｄに取り付けられており、後方に張り出して天板２１に対向している。第２支持板２３の上には、患者の上肢により操作させるための第２スイッチ２６が設けられている。すなわち、訓練装置１は、第２スイッチ２６を更に備える。第２スイッチ２６は、ドーム状の押しボタン２６ａを有しており、押しボタン２６ａの押下により第２スイッチ２６のオン・オフが切り替えられる。押しボタン２６ａは、患者の上肢により触れさせるための第２の目標部Ｔ２である。第２スイッチ２６は、第１スイッチ２５に比べ前方に位置すると共に、第１スイッチ２５に比べ上方に位置する。

　第２支持板２３の後部には、後方へ向かうに従い低くなる傾斜部２３ａが形成されている。この傾斜部２３ａにより、第２スイッチ２６の押しボタン２６ａを押下しようとする患者の上肢が第２支持板２３の後部に引っ掛り難くなっている。第２支持板２３の前部には、鉛直な起立壁２３ｂが形成されている。この起立壁２３ｂにより、患者の上肢が前方に行き過ぎて第２支持板２３から脱落することが防止される。

　前後方向における第２支持板２３及び第２スイッチ２６の位置は、前後スライド部２１ｃの位置を変更することにより調節可能である。すなわち、前後スライド部２１ｃは、前後方向における第２スイッチ２６の位置の調節機構Ａ１を構成する。また、第２支持板２３及び第２スイッチ２６の高さは、上下スライド部２１ｄの位置を変更することにより調節可能である。すなわち、上下スライド部２１ｄは、第２スイッチ２６の高さの調節機構Ａ２を構成する。このように、訓練装置１は、第２スイッチ２６の位置を前後方向及び上下方向で調節する調節機構Ａ１，Ａ２を更に備える。

　なお、前後スライド部２１ｃより後方において、ガイド部２１ａ上には蛇腹状のカバー２７が被せられている。カバー２７の後側端部は、ガイド部２１ａの後側端部に固定され、カバー２７の前側端部は前後スライド部２１ｃに固定されている。カバー２７は、前後スライド部２１ｃの位置の変更に伴って伸縮する。カバー２７により、患者の上肢がガイド部２１ａに触れることが防止される。

　また、支柱２１ｂの上端部には、高さの調節中における第２スイッチ２６の下降に対して抗力を発生する落下防止部２８が設けられている。落下防止部２８は、支柱２１ｂから前方に突出した巻取軸２８ａと、巻取軸２８ａに巻き取られた板バネ２８ｂとを有し、板バネ２８ｂの端部は上下スライド部２１ｄに固定されている。板バネ２８ｂは、上下スライド部２１ｄが下方へ移動するのに伴って巻取軸２８ａから引き出され、上下スライド部２１ｄの下降に対して抗力を発生する。これにより、第２スイッチ２６及びその支持部材（第２支持板２３及び上下スライド部２１ｄ）の重さが軽減されるので、第２スイッチ２６の高さを調節し易い。

　胸当部２４は、第１支持板２２の周縁に沿って延在する胸当フレーム２４ａと、胸当フレーム２４ａを被覆するクッション２４ｂとを有する。胸当フレーム２４ａの両端部は、作業台２の上部２ａに固定されている。胸当部２４は、スイッチ２５，２６側への患者の胸部の移動を規制する。スイッチ２５，２６を操作しようとする際に、スイッチ２５，２６側への胸部の移動が規制されると、その分上肢を多く動かす必要が生じる。このため、胸部の移動の規制により、上肢の運動量を確保できる。

　第１支持板２２は、図３に示すように、長辺が前後方向に沿った長方形を呈していてもよい。胸当部２４は、第１支持板２２の手前側の短辺のみに設けられたクッション２４ｃにより構成されていてもよい。このような構成によれば、左右方向における第１支持板２２及び胸当部２４の占有範囲が小さくなり、肘を上げられない患者の上肢の動作を妨げない。

　図１に示すように、力発生機構３は、スリング３０と、ワイヤ３１と、ワイヤガイド部３２と、モータ３３とを有する。スリング３０は、患者の手首への装着部であり、手首を囲むベルト状を呈している。ワイヤ３１は、スリング３０に接続され、スリング３０から上方に延出している。

　ワイヤガイド部３２は、枠体３６Ａと、２本の連結フレーム３６Ｂと、２枚の天板３７Ａ，３７Ｂと、２個のプーリ３８Ａ，３８Ｂとを有する。枠体３６Ａは例えばアルミフレームからなり、長方形を呈している。枠体３６Ａは、その長辺が前後方向に沿った状態で、作業台２の上方に水平に配置されている。連結フレーム３６Ｂは例えばアルミフレームであり、左右方向に並んでそれぞれ鉛直方向に延び、枠体３６Ａの前縁部と作業台２の前縁部とを連結する。

　天板３７Ａ，３７Ｂは、それぞれ枠体３６Ａの上部に架け渡されており、天板３７Ａは枠体３６Ａの後縁寄りに位置し、天板３７Ｂは枠体３６Ａの前縁寄りに位置している。プーリ３８Ａは、天板３７Ａの下部の中央に取り付けられ、スリング３０の上方に位置する。天板３７Ａに対するプーリ３８Ａの取り付け位置は、前後方向において調節可能となっている。すなわち、力発生機構３は、前後方向におけるプーリ３８Ａの位置の調節機構Ａ３を更に有する。プーリ３８Ｂは天板３７Ｂの下部の中央に取り付けられている。

　スリング３０から上方に延出したワイヤ３１は、プーリ３８Ａに掛かって前側に向けられ、プーリ３８Ｂに掛かって下側に向けられている。プーリ３８Ｂに掛かって下側に向かったワイヤ３１の前側の端部は、モータ３３に接続されている。

　モータ３３は、連結フレーム３６Ｂの下端部近傍に位置し、作業台２内に固定されている。図４に示すように、モータ３３は、左右方向に沿う軸線を中心に回転する出力軸３３ａと、出力軸３３ａの先端部に設けられたリール３４と、出力軸３３ａの回転角度センサ３５とを有する。回転角度センサ３５は、例えばロータリーエンコーダである。リール３４は、プーリ３８Ｂの下方に位置し、プーリ３８Ｂから下側に向かったワイヤ３１を巻き取る。リール３４の外周面には、螺旋状の溝３４ａが設けられており、ワイヤ３１は溝３４ａに沿ってリール３４に巻き取られる。これにより、ワイヤ３１同士の重なり合いが防止され、ワイヤ３１の巻き取り半径が安定する。更に、ワイヤ３１同士の擦れ合いも防止される。なお、ワイヤ３１の「巻き取り半径」は、リール３４に巻き取られたワイヤ３１の中心軸線とリール３４の中心軸線との距離である。

　モータ３３は、制御部６によりトルク制御される。上述のように、ワイヤ３１の巻き取り半径が安定し、且つワイヤ３１同士の擦れ合いが防止されるので、リール３４に付与されるトルクとワイヤ３１に付与される張力との比率が略一定となる。従って、モータ３３をトルク制御することにより、ワイヤ３１に付与される張力が制御される。トルク制御されたモータ３３は、スリング３０の上下動を許容しながらワイヤ３１に張力を付与する。

　モータ３３がワイヤ３１に付与した張力は、スリング３０が装着された患者の上肢に対し上向きに作用する上向力となる。すなわち、力発生機構３は、患者の上肢に対し上向きに作用する上向力を、患者の上肢の上下動を許容しながら発生する。以下、力発生機構３は、上向力の具体例として、上肢の自重に対抗する免荷力を発生するものとして説明を進める。免荷力とは、上肢の自重を支える筋力を軽減する力である。免荷力の大きさは、上肢の自重以下である。

　図１に示すように、電気刺激発生部４は、柔軟なシート状の一対の導子４０Ａ，４０Ｂと、導子４０Ａ，４０Ｂにそれぞれ接続された給電ケーブル４１とを有する。導子４０Ａ，４０Ｂは、患者の上肢において、訓練中の運動に関与する部位に貼付される。電気刺激発生部４は、給電ケーブル４１を介して電力の供給を受け、導子４０Ａ，４０Ｂ間に電流を発生させることで患者の筋肉に電気刺激を与える。給電ケーブル４１において導子４０Ａ，４０Ｂの逆側の端部には、コネクタ４２が設けられている。

　振動刺激発生部５は、例えば振動モータを内蔵した振動体５０と、振動体５０に接続された給電ケーブル５１とを有する。振動体５０は、患者の上肢において、訓練中の運動に関与する部位に粘着テープ等によって貼付される。振動刺激発生部５は、給電ケーブル５１を介して電力の供給を受け、振動体５０から患者の上肢に振動刺激を与える。給電ケーブル５１において振動体５０の逆側の端部には、コネクタ５２が設けられている。

　電気刺激発生部４の個数と振動刺激発生部５の個数に特に制限はなく、それぞれ１個であっても複数個であってもよい。図１は、１個の電気刺激発生部４と２個の振動刺激発生部５とが設けられている場合を例示している。

　制御部６は、本体６０と、ターミナル６１と、モニタ６２とを有し、モータ３３、電気刺激発生部４及び振動刺激発生部５を制御する。本体６０は、制御用コンピュータ及びサーボコントローラを内蔵しており、作業台２内の左側に配置されている。本体６０の後面（手前側の面）の上部には、制御用コンピュータに接続された複数のコネクタ６３Ａが設けられている。コネクタ６３Ａには、電気刺激発生部４のコネクタ４２又は振動刺激発生部５のコネクタ５２が接続される。これにより、電気刺激発生部４及び振動刺激発生部５が本体６０内の制御用コンピュータに接続される。本体６０内の制御用コンピュータには、図示しないケーブルを介して、スイッチ２５，２６及びモニタ６２も接続されている。サーボコントローラには、図示しないケーブルを介してモータ３３が接続されている。

　ターミナル６１は、コネクタ６３Ａと同じ複数のコネクタ６３Ｂを有するコネクタユニットである。コネクタ６３Ｂは、ターミナル６１の後面（手前側の面）に設けられている。ターミナル６１は、作業台内の右側に固定されている。すなわち、本体６０とターミナル６１とは、患者側から見て、スイッチ２５，２６を挟むように配置されている。

　コネクタ６３Ｂは、ケーブル（不図示）を介して本体６０内の制御用コンピュータに接続されており、制御用コンピュータに対して、本体６０のコネクタ６３Ａと並列となっている。このため、コネクタ４２及びコネクタ５２をコネクタ６３Ｂに接続しても、コネクタ６３Ａに接続するのと同様に、電気刺激発生部４及び振動刺激発生部５を制御用コンピュータに接続することが可能である。これにより、訓練対象が左右いずれの上肢であるかに応じて、スイッチ２５，２６に対し左側と右側のいずれに電気刺激発生部４及び振動刺激発生部５を接続するかを選択できる。

　モニタ６２は、例えば液晶ディスプレイであり、患者側に向いた状態で連結フレーム３６Ｂに固定されている。なお、モニタ６２をタッチパネルとし、制御用コンピュータに対する入力装置として用いてもよい。

　制御部６は、力発生機構３のモータ制御装置ＭＣとして機能する。すなわち、力発生機構３は、モータ制御装置ＭＣを更に備え、モータ３３とモータ制御装置ＭＣとはサーボ機構を構成する。モータ制御装置ＭＣとしての制御部６は、モータ３３をトルク制御する。トルク目標値は、ワイヤ３１の張力の目標値にワイヤ３１の巻き取り半径を乗算して設定される。ワイヤ３１の張力の目標値は、キーボード等の入力装置（不図示）により予め設定可能である。

　制御部６は、給電ケーブル４１，５１を介して電力を供給し、電気刺激発生部４及び振動刺激発生部５を駆動する。電気刺激発生部４に供給する電力は、キーボード等の入力装置（不図示）により予め設定することが可能である。振動刺激発生部５に電力を供給するタイミングも、キーボード等の入力装置により予め設定することが可能である。

　振動刺激発生部５を駆動するタイミングの設定例として、スイッチ２５，２６のオン・オフに応じて駆動する設定が挙げられる。この設定によれば、振動刺激発生部５は、スイッチ２５，２６のオン・オフに応じて上肢に振動刺激を与える。例えば、スイッチ２５，２６の一方が押下されたら駆動を開始し、スイッチ２５，２６の他方が押下されたら駆動を停止する設定が挙げられる。複数の振動刺激発生部５で、駆動タイミングをずらす設定を可能としてもよい。また、訓練中に振動刺激発生部５を継続的に駆動する設定を可能としてもよく、振動刺激発生部５を一切駆動しない設定を可能としてもよい。

　振動刺激発生部５を駆動するタイミングと同様に、電気刺激発生部４を駆動するタイミングを設定可能としてもよい。電気刺激発生部４を駆動するタイミングの設定例として、スイッチ２５，２６のオン・オフに応じて駆動する設定が挙げられる。この設定によれば、電気刺激発生部５４は、スイッチ２５，２６のオン・オフに応じて上肢に電気刺激を与える。例えば、スイッチ２５，２６の一方が押下されたら駆動を開始し、スイッチ２５，２６の他方が押下されたら駆動を停止する設定が挙げられる。訓練中に電気刺激発生部４を継続的に駆動する設定を可能としてもよく、電気刺激発生部４を一切駆動しない設定を可能としてもよい。

　制御部６は、訓練に関する様々な情報をモニタ６２に表示する。表示する情報としては、例えばスイッチ２５，２６のオン・オフ回数、スイッチ２５，２６のオン・オフの時間間隔及びワイヤ３１の張力の目標値等が挙げられる。

　続いて、訓練装置１を用いた訓練手順について説明する。まず、図５に示すように、作業台２の後側の椅子１１に患者Ｐを座らせる。次に、患者Ｐの手首にスリング３０を装着し、患者Ｐの上肢において運動に関与する部位に電気刺激発生部４の導子４０Ａ，４０Ｂ及び振動刺激発生部５の振動体５０を貼付する。

　次に、患者Ｐの上肢の自重に合わせ、力発生機構３が発生する免荷力を調節する。すなわち、モータ３３がワイヤ３１に付与する張力の目標値を設定する。

　次に、制御部６から電気刺激発生部４に供給する電流値を設定する。このとき、電気刺激により上肢の関節が動かない程度に電流値を設定する。また、制御部６から振動刺激発生部５に電力を供給するタイミングを設定する。以上で訓練の準備が完了する。スリング３０の装着、導子４０Ａ，４０Ｂの貼付、振動体５０の貼付及び各種設定の順序は、上述した順序に限られない。

　次に、スイッチ２５，２６を交互に押す反復運動を患者Ｐに行わせ、患者Ｐの上肢を訓練する。すなわち、目標部Ｔ１，Ｔ２に交互に触れる反復運動を患者Ｐに行わせる。反復運動が目標回数に到達すると、１セットの訓練を終了させる。予め設定した時間が経過したときに、１セットの訓練を終了させてもよい。

　反復運動中において、力発生機構３は、上肢に対し上向きに作用する上向力を、上肢の上下動を許容しながら発生する。このため、反復運動中の上肢の自重が継続的に軽減される。力発生機構３は、上向力のみを発生させればよいので、構成の単純化が可能である。例えば、上述したように、一組のスリング３０、ワイヤ３１、モータ３３及びモータ制御装置ＭＣにより力発生機構３を構成できる。目標とする上肢の動作は、目標部Ｔ１，Ｔ２に触れるという単純な動作に限られているため、力発生機構３により継続的に自重を軽減するのみで、訓練の遂行し易さを大幅に向上させることができる。力発生機構３は、上肢を強制的に動かすものではないので、上肢の伸展運動及び屈曲運動は、患者Ｐの自力で遂行されることとなる。このため、訓練の遂行は、上肢の運動機能の回復に極めて効果的である。従って、単純な構成で効果的な訓練を施すことができる。

　力発生機構３は電力によって上向力を発生させるので、供給電力を制御することで上向力を自在に制御できる。これにより、上肢の状態に合わせて細やかに上向力を変化させ、反復運動をより円滑に遂行させることができる。例えば、モータ制御装置ＭＣとしての制御部６は、スリング３０がプーリ３８Ａに近づく方向に加速している最中には、上向力を大きくし、スリング３０がプーリ３８Ａから遠ざかる方向に加速している最中には、上向力を小さくしてもよい。すなわち、ワイヤ３１を巻き取る方向にモータ３３が加速しているときには、モータ３３が静止しているときに比べ上向力を大きくし、ワイヤ３１を送り出す方向にモータ３３が加速しているときには、モータ３３が静止しているときに比べ上向力を小さくしてもよい。

　このように、モータ３３の回転に応じて上向力を変化させる制御手順として、例えば図６に示すものが挙げられる。図６に示す手順では、まず回転角度センサ３５の検出値を用いて、モータ３３の回転角度情報を取得する（Ｓ０１）。次に、現在及び過去の回転角度情報を用いて、モータ３３の角速度・角加速度を算出する（Ｓ０２）。

　次に、モータ３３の角速度・角加速度、モータ３３のイナーシャ、上肢の質量、モータ３３の粘性係数、モータ３３内の摩擦抵抗、リール３４及びワイヤ３１の粘性係数及びリール３４の半径等に基づいて、上肢の筋力を推定する（Ｓ０３）。推定した筋力に所定の比率を乗じて補助力を算出する（Ｓ０４）。所定の比率は、例えば０～８０％である。所定の比率をキーボード等の入力装置により設定可能としてもよい。

　ワイヤ３１を巻き取る方向にモータ３３が加速しているときには、上肢を上昇させる筋力の発生が推定されるので、上肢を上昇させる補助力（上肢の上昇の補助力）が算出される。ワイヤ３１を送り出す方向にモータ３３が加速しているときには、上肢を下降させる筋力の発生が推定されるので、上肢を下降させる補助力（上肢の下降の補助力）が算出される。

　次に、免荷力に対し補助力を加算又は減算する（Ｓ０５）。詳しくは、ワイヤ３１を巻き取る方向にモータ３３が加速しているときには、免荷力に上肢の上昇の補助力を加算する。ワイヤ３１を送り出す方向にモータ３３が加速しているときには、免荷力から上肢の下降の補助力を減算する。次に、免荷力に対し補助力を加算又は減算した力を発生させるためのトルクを算出し（Ｓ０６）、そのトルクを目標値としてモータ３３をトルク制御する（Ｓ０７）。

　図６に示す手順を繰り返すことにより、次のような制御が実現される。すなわち、ワイヤ３１を巻き取る方向にモータ３３が加速しているときには、免荷力に上肢の上昇の補助力を加算した力を上向力として発生するように、モータ３３がトルク制御される。ワイヤ３１を送り出す方向にモータ３３が加速しているときには、免荷力から上肢の下降の補助力を減算した力を上向力として発生するように、モータ３３がトルク制御される。

　これにより、患者の意図に応じた上肢の上下動をアシストし、反復運動をより円滑に遂行させることができる。補助力は、上肢の筋力の推定値に応じて算出されるので、上肢の筋力に見合った強さで上肢の上下動をアシストできる。上肢の筋力は、力センサを用いることなく、回転角度センサ３５により検出されるモータ３３の回転状態に基づいて推定される。このため、図６に示す手順でトルク制御を行うことは訓練装置１の単純化にも寄与している。

　モータ制御装置ＭＣとしての制御部６は、スリング３０の位置に応じて免荷力を変化させてもよい。例えば、スリング３０の高さに応じて免荷力を変化させてもよい。図７は、スリング３０の高さと、免荷力との相関を例示するグラフである。図中の高さ「低」は、スイッチ２５を押下するときのスリング３０の高さである。高さ「高」は、スイッチ２６を押下するときのスリング３０の高さである。高さ「中」は、例えば患者の腕が水平となるときのスリング３０の高さである。高さ「低」及び「高」における免荷力は、高さ「中」における免荷力に比べ小さい。高さ「低」、「中」、「高」の近傍には、高さが変化しても免荷力が変化しない不感帯域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３がそれぞれ設けられている。不感帯域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の間は緩やかな曲線でつながっている。

　図７に示す免荷力は、例えばスリング３０の高さと免荷力との相関を関数化しておき、その関数にスリング３０の高さを当てはめて算出できる。また、スリング３０の高さとの対応関係をテーブル化して記憶しておき、そのテーブルを参照することでスリング３０の高さに応じた免荷力を抽出してもよい。更に、テーブルから抽出した値に線形補完等を施して免荷力を算出してもよい。

　スリング３０の位置と免荷力との相関を特定するパラメータをキーボード等の入力装置により入力可能としてもよい。例えば、図７において、不感帯域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３における免荷力Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、不感帯域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を入力可能としてもよい。更に、幅Ｗ２を、高さ「中」より下側部分の幅Ｗ４と、高さ「中」より上側部分の幅Ｗ５とに分けて入力可能としてもよい。

　このように免荷力を変化させることにより、上肢の姿勢に合わせて免荷力を調整し、訓練中の上肢の負荷の最適化を図ることができる。

　力発生機構３は、スリング３０の上下動を許容しながら、１本のワイヤ３１の張力のみにより上向力を発生させている。このような構成によれば、上肢の姿勢が拘束され難いため、患者Ｐの自力による運動を更に促すことができる。

　訓練装置１は、目標部Ｔ１，Ｔ２の押下によりオン・オフが切り替わるスイッチ２５，２６を備えている。このため、目標部Ｔ１，Ｔ２に患者が触れたことを検知し、訓練の遂行状況を的確に把握できる。

　反復運動中において、患者Ｐの上肢には、電気刺激発生部４により電気刺激が付与される。これにより患者Ｐの筋を刺激し、訓練の遂行し易さをより向上させることができる。なお、電気刺激発生部４への電流値は、関節運動を生じない程度に設定されているので、上肢を強制的に動かすことはない。このため、患者Ｐの自力による運動を促す効果は損なわれない。

　反復運動中において、患者Ｐの上肢には振動刺激発生部５により振動刺激が付与される。振動刺激は、患者Ｐの筋の深部感覚に効果的に作用し、大脳から筋に至る神経路を興奮させる。このため、運動機能をより効果的に回復させることができる。特に、スイッチ２５，２６の操作に応じて振動刺激発生部５を駆動する場合、上肢の反復運動に応じて神経路の興奮が繰り返されることとなり、運動機能を一層効果的に回復させることができる。

　上述したように、訓練装置１は、第２スイッチ２６の位置の調節機構Ａ１，Ａ２を備えている。調節機構Ａ２により、第１スイッチ２５に対する第２スイッチ２６の相対的な位置を上下方向で調節することが可能である。このため、患者Ｐの麻痺の程度又は運動機能の回復の程度に合わせ、第１スイッチ２５と第２スイッチ２６との高低差を調節できる。例えば、麻痺の程度が軽い場合に第１スイッチ２５と第２スイッチ２６との高低差を大きくし、訓練の負荷を大きくしてもよい。訓練を繰り返して運動機能の回復が進むのに応じて第１スイッチ２５と第２スイッチ２６との高低差を大きくし、訓練の負荷を大きくしてもよい。

　また、調節機構Ａ１により、第１スイッチ２５に対する第２スイッチ２６の相対的な位置を前後方向でも調節することが可能である。このため、患者Ｐの麻痺の程度又は運動機能の回復の程度に合わせ、第１スイッチ２５と第２スイッチ２６との前後方向での距離を調節できる。例えば、麻痺の程度が軽い場合に第１スイッチ２５と第２スイッチ２６との前後方向での距離を大きくし、上肢の移動距離を大きくしてもよい。訓練を繰り返して運動機能の回復が進むのに応じて第１スイッチ２５と第２スイッチ２６との前後方向での距離を大きくし、上肢の移動距離を大きくしてもよい。

　このように、調節機構Ａ１，Ａ２によって第２スイッチ２６の位置を調節することにより、訓練遂行の難易度を調節し、より効果的な訓練を施すことができる。調節機構Ａ１，Ａ２は、第２スイッチ２６に代えて第１スイッチ２５の位置を調節するものであってもよいし、第１スイッチ２５と第２スイッチ２６の両方の位置を調節するものであってもよい。

　訓練装置１は、前後方向におけるプーリ３８Ａの位置の調節機構Ａ３備える。これにより、プーリ３８Ａから垂れ下がるスリング３０の位置を、第１スイッチ２５及び第２スイッチ２６の位置に合わせて調節し、反復運動をより円滑に遂行させることができる。

　患者Ｐの麻痺の程度又は運動機能の回復の程度に応じて、ワイヤ３１の張力の大きさ、すなわち力発生機構３が発生する上向力の大きさを調節してもよい。例えば、麻痺の程度が軽い場合に上向力を小さくし、訓練の負荷を大きくしてもよい。また、運動機能の回復が進むのに応じて上向力を小さくし、訓練の負荷を大きくしてもよい。

　モータ制御装置ＭＣとしての制御部６は、スイッチ２５，２６のオン・オフに応じて上向力を変化させてもよい。スイッチ２５，２６を交互に押す反復運動の遂行中には、スイッチ２５を押した後に上肢は上昇し、スイッチ２６を押した後に上肢は下降する。そこで、例えばスイッチ２５を押した後の上向力とスイッチ２６を押した後の上向力とを変えることで、上肢の上昇時と下降時とで上向力を変えることができる。具体的手法として、スイッチ２５を押した後とスイッチ２６を押した後とで、互いに異なる調整比率を免荷力に乗じて上向力を算出することが挙げられる。例えば、スイッチ２６を押した後の調整比率に比べ、スイッチ２５を押した後の調整比率を大きく設定することにより、上肢の上昇時の上向力を大きくできる。調整比率の設定値を入力可能としてもよい。スイッチ２５，２６のオン・オフに応じて上向力を変化させることにより、上肢の筋力の推定等を行うことなく、上向力を上肢の運動に合わせて調整できる。

　スイッチ２５，２６のオン・オフと、スリング３０の位置との両方に応じて上向力を変化させてもよい。具体的手法として、次のものが挙げられる。すなわち、スイッチ２５が押された後、スイッチ２６が押されるまでの間において、スリング３０が所定の高さ（以下、「上昇基準高さ」という。）より上に位置するときに、上肢の上昇時用の調整比率を免荷力に乗じて上向力を算出する。スイッチ２６を押した後、スイッチ２５が押されるまでの間において、スリング３０が所定の高さ（以下、「下降基準高さ」という。）より下に位置するときに、上肢の下降時用の調整比率を免荷力に乗じて上向力を算出する。上昇基準高さ及び下降基準高さの設定値を入力可能としてもよい。スイッチ２５，２６のオン・オフと、スリング３０の位置との両方に応じて上向力を変化させことにより、上向力を上肢の運動に合わせて更に最適化できる。

　制御部６により、訓練データを記録してもよい。訓練データとしては、反復運動の周期及びワイヤ３１の張力の目標値等が挙げられる。このような訓練データを事後的に分析することで、運動機能の回復の程度を把握できる。例えば、反復運動の周期が短くなったことに基づいて、運動機能の回復が進行したことを把握できる。

　以上、実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、訓練装置は必ずしもスイッチ２５，２６、電気刺激発生部４及び振動刺激発生部５を備えていなくてもよい。患者の上肢により触れさせるための目標部の数は２箇所に限られず、１箇所であっても３箇所以上であってもよい。本発明は、患者の下肢の訓練にも適用可能である。すなわち、本発明は、上肢及び下肢を含む肢部の訓練に適用可能である。

　本開示は、運動機能の回復を必要とする患者の肢部を訓練するための装置に利用可能である。

　１…訓練装置、３…力発生機構、５…振動刺激発生部、２５，２６…スイッチ、３０…スリング（装着部）、３１…ワイヤ、３３…モータ、Ａ１，Ａ２…スイッチの位置の調節機構、ＭＣ…モータ制御装置、Ｔ１，Ｔ２…目標部。

Claims

　肢部を訓練するための装置であって、
　前記肢部により触れさせるための目標部と、
　前記肢部に対し上向きに作用する上向力を、前記肢部の上下動を許容しながら電力により発生する力発生機構と、を備える訓練装置。
　前記力発生機構は、
　前記肢部への装着部と、
　前記装着部から上方に延出するワイヤと、
　前記ワイヤを巻き取るモータと、
　前記装着部の上下動を許容しながら前記ワイヤに張力を付与することで前記上向力を発生するように、前記モータをトルク制御するモータ制御装置と、を備える請求項１記載の訓練装置。
　前記モータ制御装置は、前記肢部の自重に対抗する免荷力を前記上向力として発生するように、前記モータをトルク制御する、請求項２記載の訓練装置。
　前記モータ制御装置は、前記ワイヤを巻き取る方向に前記モータが加速しているときには、前記肢部の自重に対抗する免荷力に前記肢部の上昇の補助力を加算した力を前記上向力として発生するように、前記モータをトルク制御し、前記ワイヤを送り出す方向に前記モータが加速しているときには、前記免荷力から前記肢部の下降の補助力を減算した力を前記上向力として発生するように、前記モータをトルク制御する、請求項２記載の訓練装置。
　前記モータ制御装置は、前記モータの回転状態に基づいて前記肢部の筋力を推定し、前記肢部の筋力の推定値に応じて前記補助力を算出する、請求項４記載の訓練装置。
　前記モータ制御装置は、前記装着部の位置に応じて前記免荷力を変化させるように前記モータをトルク制御する、請求項３～５のいずれか一項記載の訓練装置。
　前記目標部の位置の調節機構を更に備える、請求項１～６のいずれか一項記載の訓練装置。
　前記調節機構として、前記目標部の高さの調節機構を備えると共に、前記高さの調節中における前記目標部の下降に対抗する力を発生する落下防止部を更に備える、請求項７記載の訓練装置。
　前記目標部の押下に伴いオン・オフが切り替わるスイッチを更に備える、請求項１～８のいずれか一項記載の訓練装置。
　前記目標部の押下に伴いオン・オフが切り替わるスイッチを更に備え、
　前記モータ制御装置は、前記スイッチのオン・オフに応じて前記上向力を変化させるように前記モータをトルク制御する、請求項２～６のいずれか一項記載の訓練装置。
　前記モータ制御装置は、前記スイッチのオン・オフと前記装着部の位置とに応じて前記上向力を変化させるように前記モータをトルク制御する、請求項１０記載の訓練装置。
　前記スイッチのオン・オフに応じて前記肢部に振動刺激を与える振動刺激発生部を更に備える、請求項９～１１のいずれか一項記載の訓練装置。
　関節運動を生じない程度の電流値で前記肢部に電気刺激を与える電気刺激発生部を更に備える、請求項９～１２のいずれか一項記載の訓練装置。
　前記電気刺激発生部は、前記スイッチのオン・オフに応じて前記肢部に前記電気刺激を与える、請求項１３記載の訓練装置。
　肢部を訓練するための装置であって、
　前記肢部により操作させるためのスイッチと、
　前記スイッチの位置の調節機構と、を備える訓練装置。
　前記調節機構として、前記スイッチの高さの調節機構を備えると共に、前記高さの調節中における前記スイッチの下降に対抗する力を発生する落下防止部を更に備える、請求項１５記載の訓練装置。