步行训练装置及其控制方法
阅读：873发布：2021-01-12
专利汇可以提供步行训练装置及其控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种步行训练装置和用于步行训练装置的控制方法。第一示例性方面是一种步行训练装置，该步行训练装置包括：步行辅助装置，该步行辅助装置附接至训练者的下肢；至少一根拉线，所述至少一根拉线直接连接至下肢或者通过步行辅助装置连接至下肢；第一拉线卷绕机构，第一拉线卷绕机构构造成卷绕拉线以对拉线施加上拉 力 ； 传感器 ，该传感器用于检测根据连接至拉线的 位置 在侧向方向上的移位而定的移位信息；以及 控制器 ，该控制器被配置成基于移位信息来控制第一拉线卷绕机构。，下面是步行训练装置及其控制方法专利的具体信息内容。
1.一种步行训练装置，包括：
辅助矫形器，所述辅助矫形器附接至训练者的下肢；
至少一根拉线，所述至少一根拉线直接连接至所述下肢或者通过所述辅助矫形器连接至所述下肢；
驱动机构，所述驱动机构构造成卷绕所述拉线以对所述拉线施加上拉力；
传感器，所述传感器被配置成检测根据连接至所述拉线的位置在侧向方向上的移位而定的移位信息；以及
控制器，所述控制器被配置成基于所述移位信息来控制所述驱动机构。
2.根据权利要求1所述的步行训练装置，其中，
为所述控制器设定与所述上拉力对应的命令值，以及
所述控制器基于所述移位信息来校正所述命令值。
3.根据权利要求2所述的步行训练装置，其中，
所述移位信息是在俯视图中拉线方向相对于纵向方向的移位角θ，以及所述控制器通过将所述命令值除以cosθ来校正该命令值。
4.根据权利要求2或3所述的步行训练装置，其中，校正前的移位值根据步行运动而变化。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的步行训练装置，其中，
所述拉线包括：
第一拉线，所述第一拉线在所述训练者的前方沿斜向上方向连接至所述下肢；以及第二拉线，所述第二拉线在所述训练者的后方沿斜向上方向连接至所述下肢，所述驱动机构包括：
第一拉线卷绕机构，所述第一拉线卷绕机构构造成卷绕所述第一拉线以对所述第一拉线施加上拉力；以及
第二拉线卷绕机构，所述第二拉线卷绕机构构造成卷绕所述第二拉线以对所述第二拉线施加上拉力，以及
所述控制器对所述第一拉线卷绕机构和所述第二拉线卷绕机构中的每一者的命令值进行校正。
6.根据权利要求5所述的步行训练装置，其中，
所述传感器被配置成检测所述第一拉线和所述第二拉线中的每一者的拉线长度，以及所述控制器基于所述拉线长度来计算所述移位信息。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的步行训练装置，其中，所述传感器包括以下各者中的至少一者：用于对所述下肢进行拍摄的摄像机；用于检测所述下肢的运动的运动传感器；用于检测由所述驱动机构从所述拉线接收的反作用力的力传感器；以及用于检测所述辅助矫形器的关节角度的角度传感器。
8.一种用于步行训练装置的控制方法，所述步行训练装置包括：
辅助矫形器，所述辅助矫形器附接至训练者的下肢；
至少一根拉线，所述至少一根拉线直接连接至所述下肢或者通过所述辅助矫形器连接至所述下肢；
驱动机构，所述驱动机构构造成卷绕所述拉线以对所述拉线施加上拉力；以及传感器，所述传感器被配置成检测根据连接至所述拉线的位置在侧向方向上的移位而定的移位信息，以及
所述控制方法包括：
基于所述传感器的检测结果来获得所述移位信息；以及
基于所述移位信息来校正所述上拉力。
步行训练装置及其控制方法
技术领域
[0001] 本公开内容涉及步行训练装置及其控制方法。
背景技术
[0002] 日本未审特许申请公报No.2017-51464中公开的步行训练装置包括附接至训练者的腿部的步行辅助装置以及供训练者进行步行训练的训练装置。训练装置包括通过步行辅助装置连接至训练者的腿部的拉线以及用于卷绕拉线的卷绕机构。发明内容
[0003] 在日本未审特许申请公报No.2017-51464中，上拉力的值可能不同于训练者的腿部在步行训练期间沿侧向方向大幅移动时的适当的上拉力的值。
[0004] 第一示例性方面是一种步行训练装置，该步行训练装置包括：辅助矫形器，该辅助矫形器附接至训练者的下肢；至少一根拉线，所述至少一根拉线直接连接至下肢或者通过辅助矫形器连接至下肢；驱动机构，该驱动机构构造成卷绕拉线以对拉线施加上拉力；传感器，该传感器用于检测根据连接至拉线的位置在侧向方向上的移位而定的移位信息；以及控制器，该控制器被配置成基于移位信息来控制驱动机构。
[0005] 在上面的步行训练装置中，为控制器设定与上拉力对应的命令值，并且控制器可以基于移位信息来校正命令值。
[0006] 在上面的步行训练装置中，移位信息是在俯视图中拉线方向相对于纵向方向的移位角θ，并且控制器可以通过将命令值除以cosθ来校正命令值。
[0007] 在上面的步行训练装置中，校正前的移位值可以根据步行运动而变化。
[0008] 在上面的步行训练装置中，拉线包括：第一拉线，该第一拉线在训练者的前方沿斜向上方向连接至下肢；以及第二拉线，该第二拉线在训练者的后方沿斜向上方向连接至下肢，驱动机构包括：第一拉线卷绕机构，该第一拉线卷绕机构构造成卷绕第一拉线以对第一拉线施加上拉力；以及第二拉线卷绕机构，该第二拉线卷绕机构构造成卷绕第二拉线以对第二拉线施加上拉力，并且控制器可以对第一拉线卷绕机构和第二拉线卷绕机构中的每一者的命令值进行校正。
[0009] 在步行训练装置中，传感器设置成用于检测第一拉线和第二拉线中的每一者的拉线长度，并且控制器可以基于拉线长度来计算移位信息。
[0010] 在上面的步行训练装置中，传感器可以包括下述各者中的至少一者：用于对下肢进行拍摄的摄像机；用于检测下肢的运动的运动传感器；用于检测由驱动机构从拉线接收的反作用力的力传感器；以及用于检测辅助矫形器的关节角度的角度传感器。
[0011] 另一示例性方面是一种用于步行训练装置的控制方法，该步行训练装置包括：辅助矫形器，该辅助矫形器附接至训练者的下肢；至少一根拉线，所述至少一根拉线直接连接至下肢或者通过辅助矫形器连接至下肢；驱动机构，该驱动机构构造成卷绕拉线以对拉线施加上拉力；以及传感器，该传感器用于检测根据连接至拉线的位置在侧向方向上的移位而定的移位信息，并且该控制方法包括：基于传感器的检测结果来获得移位信息；以及基于移位信息来校正上拉力。
[0012] 根据本方面，可以提供能够施加适当的上拉力的步行训练装置及其控制方法。
附图说明
[0014] 图1示出了步行训练装置的整体构型；
[0015] 图2示出了步行辅助装置的构型；
[0016] 图3是示出了控制装置的系统构型的框图；
[0017] 图4是示出了用于校正上拉力的控制系统的框图；
[0018] 图5是用于说明用于校正上拉力的控制的示意图；
[0019] 图6是示出了用于步行训练装置的控制方法的流程图；
[0020] 图7示出了用于测量足部位置的传感器的示例1；
[0021] 图8示出了用于测量足部位置的传感器的示例2；
[0022] 图9是用于说明足部位置在步行运动中的改变的图；
[0023] 图10是示出了在没有校正的情况下上拉力随时间的变化的曲线图；
[0024] 图11是示出了在校正的情况下上拉力随时间的变化的曲线图；
[0026] 图13是用于说明根据修改示例2的步行训练装置的示意图；
[0027] 图14是示出了根据第二实施方式的步行训练装置的控制系统的框图；
[0028] 图15是用于说明根据第二实施方式的步行训练装置中的获得移位角的过程的图；
[0029] 图16是示出了根据第二实施方式的用于步行训练装置的控制方法的流程图；以及[0030] 图17是用于说明根据修改示例3的步行训练装置中的获得移位角的过程的图。
具体实施方式
[0031] 在下文中将参照附图对本公开所应用的具体实施方式进行详细说明。然而，本公开不限于下面示出的实施方式。此外，为清楚说明起见，以下描述和附图被适当地简化。
[0032] 【第一实施方式】
[0033] 图1是示出了步行训练装置的示意性构型的立体图。步行训练装置1例如是供训练者U进行步行训练的装置，供训练者U比如为患有由中风引起的偏瘫的患者。步行训练装置1包括附接至训练者U的腿部的步行辅助装置2以及供训练者U进行步行训练的训练装置3。
[0034] 步行辅助装置2例如附接至进行步行训练的训练者U的患病腿部并辅助训练者U的步行(图2)。步行辅助装置2包括大腿框架21、通过膝关节部件22连接至大腿框架21的小腿框架23、通过踝关节部件24连接至小腿框架23的脚掌框架25、旋转地驱动膝关节部件22的马达单元26、以及调节踝关节部件24的可动范围的调节机构27。应当指出的是，步行辅助装置2的上述构型仅仅是示例并且步行辅助装置2的构型不限于这样的示例。例如，步行辅助装置2可以包括旋转地驱动踝关节部件24的另一马达单元。
[0035] 大腿框架21附接至训练者U的腿部的大腿，并且小腿框架23附接至训练者U的腿部的小腿。大腿框架21例如配备有大腿套具212以用于固定大腿。大腿框架21配备有水平延伸的且水平伸长的第一框架211，用于与第一拉线卷绕机构33(稍后描述)的拉线36连接。
[0036] 应当指出的是，第一拉线卷绕机构33的上述连接部件仅仅是示例，并且第一拉线卷绕机构33的连接不限于这样的示例。例如，第一拉线卷绕机构33的拉线36可以连接至大腿套具212，并且第一拉线卷绕机构33的牵拉点可以设置在步行辅助装置2中的任意位置处。应当指出的是，拉线36可以直接连接训练者的下肢。拉线36连接至步行辅助装置2或下肢的位置被定义为连接位置。连接位置可以靠近训练者的膝盖或足部。
[0037] 马达单元26根据训练者U的步行运动旋转地驱动膝关节部件22并且由此辅助训练者U的步行。应当指出的是，步行辅助装置2的上述构型仅仅是示例并且步行辅助装置2的构型不限于这样的示例。可以应用能够附接至训练者U的下肢并且辅助训练者U的步行的任何步行辅助装置。
[0038] 如上所述，步行辅助装置2是附接至训练者U的下肢的辅助矫形器。应当指出的是，下肢包括腿部和足部。腿部包括大腿(腿部的位于膝盖以上的部分)和小腿(腿部的从膝盖至脚踝的部分)。
[0039] 训练装置3包括跑步机31、框架主体32、第一拉线卷绕机构33和第三拉线卷绕机构34、以及控制装置35。跑步机31使环形带311旋转。训练者U站在带311上并且根据带311的运动而在带311上步行。通过这样做，训练者U进行步行训练。
[0040] 框架主体32包括竖向地设置在跑步机31上的两对柱框架321、沿纵向方向延伸并连接至相应的柱框架321的一对纵向框架322、以及沿横向方向延伸并连接至纵向框架322中的每个纵向框架的三个横向框架323。应当指出的是，上述框架主体32的构型仅仅是示例，并且框架主体32的构型不限于该示例。
[0041] 在前横向框架323中，设置有第一拉线卷绕机构33，第一拉线卷绕机构33对直接连接至训练者U的腿部或通过步行辅助装置2连接至训练者U的腿部的拉线36进行卷绕，并由此牵拉拉线36。拉线36的由第一拉线卷绕机构33牵拉的一个端部连接至步行辅助装置2。第一拉线卷绕机构33通过卷绕拉线36而借助于拉线36将步行辅助装置2向上并向前牵拉。
[0042] 第一拉线卷绕机构33例如包括用于将拉线36围绕旋转件卷绕以及将拉线36从旋转件拉出的机构、驱动该机构的马达，等等。第一拉线卷绕机构33构造成在训练者U所进行的步行运动中的腿部腾空期间将拉线36围绕旋转件卷绕并由此收纳拉线36，并且在训练者所进行的步行运动中的腿部站立期间将拉线36从旋转件拉出，其中，在腿部腾空期间，训练者的腿部处于腿部腾空状态，在腿部站立期间，训练者U的腿部处于腿部站立状态。
[0043] 由第一拉线卷绕机构33施加的牵拉力f的竖向向上分量f2支承步行辅助装置2的重量(图3)。由第一拉线卷绕机构33施加的牵拉力f的水平向前分量f1辅助腿部开始摆动。以这种方式，可以减小训练者U在步行训练中的步行载荷。
[0044] 第三拉线卷绕机构34设置在纵向方向上的中央横向框架323中并将拉线37向上牵拉。拉线37的一个端部例如连接至下述带：该带附接至训练者U的腰部处或者附接至训练者U的腰部附近。第三拉线卷绕机构34例如包括用于将拉线37围绕旋转件卷绕以及将拉线37从旋转件拉出的机构、驱动该机构的马达，等等。第三拉线卷绕机构34通过拉线37将训练者U的腰部向上牵拉。以这种方式，可以减小训练者身上的由训练者U自身的重量引起的载荷。第一拉线卷绕机构33和第三拉线卷绕机构34中的每一者均通过布线线路等连接至控制装置35。
[0045] 第一拉线卷绕机构33和第三拉线卷绕机构34分别包括第一收纳量检测单元40和第三收纳量检测单元41，第一收纳量检测单元40和第三收纳量检测单元41对围绕第一拉线卷绕机构33和第三拉线卷绕机构34的相应旋转件卷绕并由此收纳在第一拉线卷绕机构33和第三拉线卷绕机构34中的拉线36和拉线37的收纳量(卷绕量)进行检测。第一收纳量检测单元40是收纳量检测器件(传感器)的具体示例。第一收纳量检测单元40和第三收纳量检测单元41通过使用角度传感器来检测例如旋转件的旋转角度和/或旋转量，并由此对围绕旋转件卷绕并收纳在拉线卷绕机构中的拉线36和拉线37的收纳量进行检测。第一收纳量检测单元40和第三收纳量检测单元41将检测到的拉线36和拉线37的收纳量输出至控制装置35。控制装置35可以根据拉线36和拉线37的收纳量来计算拉线长度。应指出的是，步行训练装置可仅包括第一拉线卷绕机构33。
[0046] 控制装置35是牵拉控制器件(控制器)的具体示例。控制装置35控制由第一拉线卷绕机构33和第三拉线卷绕机构34施加的牵拉力、跑步机31的驱动、以及步行辅助装置2中的每一者。例如，控制装置35由主要使用微计算机的硬件形成，微计算机包括执行运算处理并控制处理等的CPU(中央处理单元)、包括存储由CPU执行的运算程序、控制程序等的ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)等的存储器、以及从外部接收信号并输出信号的接口单元(I/F)。CPU、存储器和接口单元通过数据总线等彼此连接。
[0047] 控制装置35控制第一拉线卷绕机构33，使得在步行训练期间，第一拉线卷绕机构33以第一牵拉力牵拉拉线36以减轻步行辅助装置2的重量。控制装置35控制第一拉线卷绕机构33，使得在步行训练期间，例如由第一拉线卷绕机构33施加的第一牵拉力的竖向向上分量等于步行辅助装置2的重力。因此，可以减小由步行辅助装置2的重力对训练者U的步行施加的载荷。应当指出的是，拉线36的由第一拉线卷绕机构33施加的牵拉力可以恒定或者随时间变化。
[0048] 此外，步行训练装置1包括摄像机51。例如，摄像机51附接至训练装置3。在图1中，摄像机51安装在训练者U的前面。然而，对安装摄像机51的位置没有特别限制。此外，可以安装两个或更多个摄像机51。摄像机51对训练者U的下肢及其周围进行拍摄。特别优选的是，摄像机51对拉线36相对于下肢(步行辅助装置2)的连接位置进行拍摄。然后，摄像机51将拍摄的图像输出至控制装置35。控制装置35基于拍摄的图像来校正上拉力(牵拉力)。
[0049] 图3是示出了根据第一实施方式的控制装置的示意性系统配置的框图。
[0050] 控制装置35例如包括控制第一拉线卷绕机构33的腿部负载减轻控制单元351、控制第三拉线卷绕机构34的人员负载减轻控制单元352、控制步行辅助装置2的腿部控制单元353、控制跑步机31的跑步机控制单元354、控制这些单元的计算机或PC(个人计算机)355、以及用于操作计算机355的操作面板356。操作面板356显示诸如训练指导、训练菜单和训练信息(诸如步行速度和生物信息)之类的信息。操作面板356例如形成为触摸面板，并且用户可以通过操作面板356输入各种类型的信息。
[0051] 此外，来自摄像机51的图像被输入至计算机355。然后，计算机355基于输入的图像来校正上拉力。应当指出的是，在图1和图3中，第一拉线卷绕机构33在训练者U前方沿斜向上方向向上牵拉训练者U的患病腿部。然而，第一拉线卷绕机构33可以在训练者U后方沿斜向上方向向上牵拉训练者U的患病腿部。
[0052] 参照图4对用于控制腿部负载减轻控制单元351的上拉力的控制系统进行描述。图4为示出了控制系统的配置的框图。
[0053] 如图4所示，第一收纳量检测单元40将拉线36的收纳量输出至计算机355。第一收纳量检测单元40检测马达和旋转件的旋转量。第一收纳量检测单元40包括旋转编码器等。例如，编码器检测马达或辊的旋转量。例如，可以通过对编码器的检测值进行积分来检测旋转量。由此，控制装置35可以获得拉线36的收纳量。此外，通过对拉线36的收纳量的上述求取，可以获得从第一拉线卷绕机构33至连接位置的拉线长度。
[0054] 摄像机51对附接有步行辅助装置2的下肢进行拍摄。然后，摄像机51将拍摄的图像输出至计算机355。应当指出的是，摄像机51可以仅对下肢的一部分而非整个下肢进行拍摄。
[0055] 计算机355包括用于校正上拉力的校正单元358。校正单元358基于来自摄像机51的图像来校正上拉力。根据上拉力为控制装置35设定命令值。命令值可以是能够产生与步行辅助装置2的重量相对应的上拉力的值。例如，控制装置35将预定的命令值存储在存储器中。该命令值可以对应于马达转矩等。校正单元358校正命令值并将校正的命令值输出至腿部负载减轻控制单元351。即，校正单元358将校正后的命令值输出至腿部负载减轻控制单元351。
[0056] 腿部负载减轻控制单元351根据校正的命令值来控制第一拉线卷绕机构33。此外，已经根据第一收纳量检测单元40的收纳量获得拉线长度。第一拉线卷绕机构33基于校正的命令值来驱动马达以卷绕拉线36。由此，可以借助于拉线36的校正的上拉力来向上牵拉步行辅助装置2。因此，训练者U可以在进行步行训练的同时适当地减轻负载。
[0057] 在下文中参照图5对用于校正上拉力的控制进行描述。图5是用于说明用于校正上拉力的过程的示意图，并且示出了该过程的简化构型。图5示出了三维正交坐标系，在该三维正交坐标系中，步行方向中的向前方向被定义为+X方向，步行方向中的向后方向被定义为-X方向，步行方向中的向右方向被定义为作为+Y方向，步行方向中的向左方向被定义为-Y方向，步行方向中的竖向向上方向被定义为+Z方向，并且步行方向中的竖向向下方向被定义为-Z方向。应当指出的是，X方向、Y方向和Z方向也被分别称为纵向方向、侧向方向(水平方向)和竖向方向。
[0058] 现在将对上拉力被持续地设定为恒定的示例进行描述。即，假定为控制装置35预先设定的上拉力的命令值F是恒定的。此外，图5示意性地示出了患病腿部的足部位置。
[0059] 第一拉线卷绕机构33包括辊子331、动力传动轴332和马达333。辊子331通过动力传动轴332连接至马达333。拉线36围绕辊子331卷绕。马达333根据来自控制装置35的命令值而旋转。动力传动轴332将马达333的旋转力传递至辊子331。因此，辊子331可以旋转以对拉线36进行卷绕或牵拉。因此，步行辅助装置2可以借助于根据命令值的上拉力被向上牵拉。
[0060] 当训练者U的足部处于与辊子331的位置相同的Y位置(Y坐标)时，训练者U的足部的位置被定义为足部位置A1。此外，当训练者U的足部位于与辊子331的位置不同的Y位置时，训练者U的足部的位置被定义为足部位置A2。应当指出的是，为了简化说明，假定拉线36相对于步行辅助装置2的连接位置与足部位置一致，并且拉线36在足部位置与辊子331的卷绕位置之间笔直地延伸。
[0061] 在XY平面视图(俯视图)中，在足部位置A1的情况下，拉线36平行于X方向。因此，足部位置A1处的上拉力与命令值F一致。另一方面，在足部位置A2的情况下，足部位置A2在Y方向上从辊子331移位。在XY平面视图中，拉线36相对于X方向倾斜。在XY平面视图中，拉线36的方向与X方向之间形成的角度被定义为移位角θ。
[0062] 当足部位置A2处的上拉力被定义为F’时，F’＝Fcosθ成立，如图5所示。当控制装置35向马达333输出相同的命令值F时，在足部位置A1和足部位置A2中的每一者处对拉线36施加的上拉力根据移位角θ而不同。即，足部位置A2处的上拉力F’的值比足部位置A1处的上拉力F的值小cosθ。换言之，随着θ的增加，足部位置A2处的上拉力F’的值从命令值F减小。应当指出的是，移位角θ是拉线36的方向相对于X方向的移位角并且移位角θ的范围在0°与90°之间。
[0063] 因此，在该实施方式中，校正单元358根据第一拉线卷绕机构33的卷绕位置与拉线36的连接位置之间的移位量来校正上拉力。校正单元358具体地根据由摄像机51拍摄的下肢图像来计算连接位置与辊子331之间的相对位置。校正单元358根据连接位置与辊子331之间的相对位置来获得移位角θ作为移位信息。校正单元358通过将预定命令值F除以cosθ来校正命令值。
[0064] 例如，校正单元358可以通过对由摄像机51拍摄的图像进行图像处理来测量拉线36的连接位置。校正单元358基于由摄像机51拍摄的图像来计算XY平面上的连接位置、即连接位置的X坐标和Y坐标。由于辊子331固定至横向框架323，因此辊子331的卷绕位置的坐标是已知的。拉线36在相对于步行辅助装置2的连接位置与辊子331的卷绕位置之间伸展。因此，校正单元358可以计算移位角θ。在这种情况下，优选使用从多个方向对患病腿部的下肢进行拍摄的立体摄像机作为摄像机51。显然，校正单元358通过安装多个摄像机对来自多个方向的图像进行图像处理，以便可以获得连接位置。
[0065] 接下来，参照图6对用于步行训练装置1的控制方法进行描述。图6是示出了控制方法的流程图。
[0066] 首先，校正单元358使用由摄像机51拍摄的图像来测量连接位置(S11)。摄像机51拍摄足部并将拍摄的图像输出至控制装置35。校正单元358基于图像来计算拉线36的连接位置。替代性地，摄像机51可以包括根据图像来计算连接位置的处理功能。在这种情况下，由摄像机51计算的连接位置可以输出至控制装置35。即，根据足部位置的移位而定的移位信息可以由校正单元358计算或者可以由摄像机51检测。
[0067] 接下来，校正单元358基于连接位置来确定校正值(S12)。例如，如上所述，校正单元358根据连接位置的移位量获得移位角θ作为移位信息。然后，校正单元358校正上拉力(S13)。校正单元358将根据校正的上拉力而定的命令值输出至腿部负载减轻控制单元351。例如，校正单元358通过将预定命令值除以cosθ来校正命令值。校正单元358将校正的命令值输出至腿部负载减轻控制单元351。结果，第一拉线卷绕机构33能够用校正的上拉力向上牵拉步行辅助装置2。
[0068] 通过在步行训练期间执行上述过程，步行辅助装置2可以借助于适当的上拉力来向上牵拉。此外，摄像机51对足部进行连续拍摄。校正单元358基于连续获得的足部图像顺序地更新连接位置。以这种方式，可以根据最新的连接位置来校正上拉力。由于上拉力根据步行运动而改变，因此可以借助于适当的上拉力进行步行训练。因此，可以在执行步行训练的同时根据训练者U的步行运动施加上拉力(负载减轻力)。
[0069] (传感器示例1)
[0070] 应当指出的是，使用摄像机51来测量连接位置。然而，用于测量连接位置的传感器单元不限于摄像机51。例如，如图7所示，运动传感器52可以测量连接位置。运动传感器52使用运动捕捉来测量训练者U的下肢在步行运动中的运动。可以使用诸如光学传感器、机械传感器和磁传感器之类的传感器作为运动传感器52。例如，可以使用Kinect传感器等作为运动传感器52。此外，可以将标记附着于训练者U的足部或步行辅助装置2。在这种情况下，运动传感器52通过检测附着的标记来检测下肢的运动。然后，运动传感器52或控制装置35基于下肢的运动来检测连接位置。控制装置35基于检测到的连接位置来计算移位角θ。控制装置35根据移位角θ执行上述校正处理。
[0071] (传感器示例2)
[0072] 替代性地，如图8所示，可以基于力传感器53的测量结果来测量足部A的移位角θ。力传感器53检测由辊子331接收的来自拉线36的反作用力。然后，控制装置35基于由力传感器53测量的反作用力矢量来计算移位角θ。如上所述，校正单元358根据移位角θ来校正上拉力。
[0073] (其他传感器的示例)
[0074] 替代性地，设置在步行辅助装置2的每个关节中的角度传感器可以获得拉线36的连接位置。例如，控制装置35根据由角度传感器检测到的每个关节的角度来计算连接位置。
[0075] 对用于测量连接位置的传感器没有特别限制。此外，两个或更多个传感器可以组合来测量连接位置。传感器可以直接测量移位角θ，而不是根据Y方向上的连接位置来计算移位角θ。步行训练装置1可以包括用于根据连接位置在侧向方向(Y方向)上的移位量来检测移位信息的传感器。然后，控制装置35基于移位信息来校正上拉力。结果，第一拉线卷绕机构33可以用适当的上拉力向上牵拉足部。此外，通过使用移位角θ作为移位信息，可以获得适当的上拉力。
[0076] 【示例1】
[0077] 接下来，参照图9至图11对第一实施方式的示例1进行描述。图9是用于说明示例1中的运动的图。图10是示出了在没有校正的情况下上拉力和命令值的曲线图。图11是示出了在校正的情况下上拉力和命令值的曲线图。图10和图11是示出了包括腿部腾空时段和腿部站立时段的一个步行周期中的随时间的变化的曲线图。
[0078] 图9示出了在腿部站立期间足部A的移动轨迹T1和在腿部腾空时段期间足部A的移动轨迹T2。此外，图9中所示的移动轨迹T1和T2是在XY平面视图中足部A的移动轨迹。在腿部站立时段期间，足部A放在跑步机31上(参见图1和图3)。跑步机31的移动方向是-X方向(向后方向)。因此，足部A在-X方向(向后方向)上成直线地前进。因此，腿部站立时段期间的移动轨迹T1是与X方向平行的直线。在腿部站立时段中，移位角θ＝0°。
[0079] 另一方面，在腿部腾空时段期间，足部A沿+X方向(向前方向)前进。在这种情况下，在XY平面视图中，假设足部A在+X方向上以弧形方式前进。因此，移动轨迹T2在腿部腾空时段期间具有圆弧形状。应当指出的是，足部位置的移位量在圆弧的中点处变为最大。
[0080] 在将足部从地面放开之后，移位角θ随着足部上升而逐渐增大。随后，移位角θ随着足部下降以用于落地而逐渐减小。因此，在将足部从地面放开之后，移位角θ增大然后减小。以这种方式，移位角θ在腿部腾空时段期间随时间变化。
[0081] 应当指出的是，如图10和图11中所示，命令值根据步行运动而改变。命令值以使得上拉力在腿部腾空时段中逐渐增大且在腿部站立时段中逐渐减小的方式改变。于是，在从腿部腾空时段改变为腿部站立时段的时刻、即在落地时刻，上拉力的命令值最大。此外，在从腿部站立时段变为腿部腾空时段的时刻、即在放开的时刻，上拉力的命令值最小。在日本未审特许申请公报No.2017-51464中公开了一种使上拉力随时间变化的控制，并且因此省略对这种控制的说明。
[0082] 当控制装置35没有校正上拉力的命令值时，上拉力如图10所示那样变化。在腿部腾空时段中，移位角θ随时间变化，因此上拉力变为小于命令值。
[0083] 当控制装置35根据移位角θ校正上拉力时，上拉力变为如图11所示。在腿部腾空时段中，命令值与上拉力大致一致。因此，第一拉线卷绕机构33可以用适当的上拉力向上牵拉足部。因此，训练者可以有效地进行步行训练。
[0084] (修改示例1)
[0085] 图12示出了第一实施方式的修改示例1。在图12中，两根拉线36和39附接至步行辅助装置2。拉线36在训练者U的前方沿斜向上方向向上牵拉患病腿部。拉线39在训练者U的后方沿斜向上方向向上牵拉患病腿部。在这种情况下，控制装置35根据移位角θ来校正拉线36和拉线39的上拉力中的至少一个上拉力。即，用于拉线36和拉线39中的至少一者的命令值除以cosθ以校正该命令值。
[0086] (修改示例2)
[0087] 图13示出了第一实施方式的修改示例2。在图13中，步行辅助装置2是待附接至训练者的足部的足部矫形器。步行辅助装置2具体地仅附接至训练者U的足部，这是因为步行辅助装置2没有用于附接至训练者U的腿部的部件。步行辅助装置2辅助踝关节的运动。在这种情况下，如上所述，拉线36和拉线39的上拉力根据移位角θ来校正。
[0088] 【第二实施方式】
[0089] 参照图14对根据第二实施方式的步行训练装置1进行描述。图14是示出了根据第二实施方式的步行训练装置1的控制系统的示意图。在第二实施方式中，两根拉线36和39附接至步行辅助装置2。该基本构型除了增加拉线39之外与第一实施方式的基本构型相同，因此适当地省略对该基本构型的说明。例如，人员负载减轻控制单元352、腿部控制单元353、跑步机控制单元354等与第一实施方式中的那些相同。
[0090] 拉线36在训练者U的前方沿斜向上方向向上牵拉患病腿部。拉线39从训练者U的后方沿斜向上方向向上牵拉患病腿部。因此，在第二实施方式中增加第二拉线卷绕机构38和第二收纳量检测单元42。
[0091] 第二拉线卷绕机构38卷绕拉线39以对拉线36施加将步行辅助装置2向上牵拉的上拉力。第二拉线卷绕机构38具有与第一拉线卷绕机构33的构型相同的构型并且附接至横向框架。第二拉线卷绕机构38例如包括用于将拉线39围绕旋转件卷绕以及将拉线39从旋转件拉出的机构、驱动该机构的马达，等等。第二拉线卷绕机构38定位在第一拉线卷绕机构33的后方。
[0092] 第二收纳量检测单元42检测第二拉线卷绕机构38中的拉线39的收纳量。与第一收纳量检测单元40类似，第二收纳量检测单元42包括编码器。此外，可以通过对编码器的检测值进行积分来检测马达和旋转件的旋转量。在该实施方式中，第一收纳量检测单元40和第二收纳量检测单元42的编码器用作检测关于连接位置的移位信息的传感器。具体地，可以通过根据由第一收纳量检测单元40和第二收纳量检测单元42检测到的收纳量获得拉线长度来计算连接位置。稍后将对该过程进行描述。
[0093] 腿部负载减轻控制单元351对第一拉线卷绕机构33和第二拉线卷绕机构38输出命令值，使得由第一拉线卷绕机构33和第二拉线卷绕机构38施加的上拉力的竖向向上分量的合力减轻步行辅助装置2的重力。由第一拉线卷绕机构33和第二拉线卷绕机构38施加的上拉力的竖向向上分量的合力支承步行辅助装置2的重量。于是，由第一拉线卷绕机构33和第二拉线卷绕机构38施加的上拉力的水平分量的合力辅助腿部开始摆动。
[0094] 在下文中参照图15对用于根据拉线长度来检测连接位置的过程进行描述。图15示出了用于说明用于根据拉线长度来检测连接位置的过程的侧视图(XZ平面视图)、以及膝盖高度处的XY平面视图。在图15中，根据第二实施方式的步行训练装置1被简化。
[0095] 如图15所示，拉线36的拉线长度用La表示，并且拉线39的拉线长度用Lb表示。第一拉线卷绕机构33和第二拉线卷绕机构38的附接高度由Hh表示。第一拉线卷绕机构33和第二拉线卷绕机构38的Y位置彼此一致，并且第一拉线卷绕机构33和第二拉线卷绕机构38之间的中点被定义为原点。在X方向上，从原点到第一拉线卷绕机构33和第二拉线卷绕机构38的距离相应地由Ra表示(Ra是正值)。即，第一拉线卷绕机构33的X位置由+Ra表示，第二拉线卷绕机构38的X位置由-Ra表示。应当指出的是，Ra和Hh是取决于训练装置3的常数。此外，假定跑步机31是水平的。
[0096] 拉线36和拉线39相对于步行辅助装置2的连接位置是膝盖位置，并且膝盖位置处的X位置和Y位置分别由X和Y表示。此外，膝盖的高度由Hn表示。在膝盖高度Hn处的拉线36和拉线39在XY平面中的各个拉线长度分别由1a和1b表示。应当指出的是，1a和1b由下面的表达式(1)和表达式(2)表示。
[0097] la＝(La2-(Hh-Hn)2)1/2···(1)
[0098] lb＝(Lb2-(Hh-Hn)2)1/2···(2)
[0099] 应当指出的是，由在膝盖高度Hn处具有拉线长度La的拉线36在XY平面中形成的圆C1的等式由下面的表达式(3)表示，并且由在膝盖高度Hn处具有拉线长度Lb的拉线39在XY平面中形成的圆C2的等式由下面的表达式(4)表示。
[0100] C1：(x-Ra)2+y2＝la2···(3)
[0101] C2：(x+Ra)2+y2＝lb2···(4)
[0102] 由于膝盖位置位于圆C1与C2的交点处，因此作为膝盖的Y位置的Y由以下表达式(5)表示。
[0103] 【表达式5】
[0104]
[0105] 当使用膝盖高度Hn和拉线长度La和Lb表示Y时，获得下面的表达式(6)。
[0106] 【表达式6】
[0107]
[0108] 应当指出的是，Ra和Hh是由训练装置3确定的常数。关于拉线36的移位角θa和关于线39的移位角θb由以下表达式(7)和表达式(8)表示。
[0109] θa＝sin-1(Y/la)···(7)
[0110] θb＝sin-1(Y/lb)···(8)
[0111] 于是，当使用移位角θa和θb校正命令值Fa和Fb时，获得以下表达式(9)和表达式(10)。
[0112] Fa’＝Fa/cosθa···(9)
[0113] Fb’＝Fb/cosθb···(10)
[0114] Fa’是给予第一拉线卷绕机构33的校正命令值。Fb’是给予第二拉线卷绕机构38的校正命令值。因此，可以对拉线36和拉线39施加适当的上拉力。
[0115] 如上所述，根据第一收纳量检测单元40和第二收纳量检测单元42的检测结果获得拉线长度La和拉线长度Lb。当膝盖高度Hn确定时，膝盖位置(X和Y)可以根据几何学计算。然后，命令值可以根据上述表达式(1)至表达式(10)来校正。获得命令值的过程由计算机程序等执行。
[0116] 应当指出的是，在上面的说明中，膝盖位置是拉线的连接位置。然而，除膝盖位置之外的任何位置均可以是拉线的连接位置。此外，尽管拉线36和拉线39在相同的连接位置处连接至步行辅助装置2，但是拉线36和拉线39的连接位置可以不同。此外，第一拉线卷绕机构33和第二拉线卷绕机构38的Y位置相同，但是也可以不同。此外，跑步机31可以是倾斜的。即使在这种情况下，当连接位置的高度确定时，控制装置35仍可以根据两根拉线的长度和连接位置根据几何学计算移位角θ。即，可以根据取决于步行训练装置1的构型的几何距离等来计算移位角θ。因此，校正单元358可以校正以使得上拉力是适当的。
[0117] 如第一实施方式中所述，连接位置的高度可以由摄像机51检测。替代性地，可以使用诸如运动传感器52、力传感器53、关节角度传感器等之类的其他传感器来检测连接位置的高度。
[0118] 控制装置35可以通过训练者U的步行模式来确定连接位置的高度。在这种情况下，不需要用于获得连接位置的高度的传感器。例如，步行模式可以根据直立的训练者U的膝盖高度来预先确定。在步行模式中，一个步行时段中的膝盖高度(连接位置的高度)是时间的函数。
[0119] 例如，可以设定这样的模式：连接位置的高度在腿部站立时段期间是固定的并且连接位置的高度在腿部腾空时段期间逐渐变化。显然，可以设定使得连接位置的高度在腿部站立时段期间改变的模式。
[0120] 在该实施方式中，第一收纳量检测单元40和第二收纳量检测单元42用作用于检测移位角θ的传感器。即，用于检测移位角θ的传感器是编码器。因此，可以包括编码器、摄像机、运动传感器、力传感器和关节角度传感器中的至少一者作为用于检测移位角θ的传感器。可以使用两种或更多种类型的传感器的组合。显然，用于检测移位角θ的传感器不限于上述传感器，可以使用各种其他类型的传感器。
[0121] 参照图16对步行训练装置1的控制方法进行描述。图16是示出了控制方法的流程图。此外，在假设拉线36和拉线39的连接位置与膝盖位置一致的情况下对该控制方法进行说明。
[0122] 首先，为了执行初始化，控制装置35获得参考位置处的拉线长度La0和Lb0以计算膝盖高度Hn(S21)。例如，在膝盖位置是第一拉线卷绕机构33与第二拉线卷绕机构38之间的在XY平面中的中点并且训练者U直立的状态下计算参考位置。在参考位置中，根据由第一收纳量检测单元40和第二收纳量检测单元42检测的收纳量来获得拉线长度。通过下面的表达式(11)获得参考位置处的膝盖高度Hn0。
[0123] Hn0＝Hh-(La02-Ra2)1/2···(11)
[0124] 然后，通过参考位置处的膝盖高度Hn0确定步行模式，以获得根据时间变化的膝盖高度Hn。应当指出的是，膝盖高度Hn可以通过诸如摄像机51之类的传感器获得。在这种情况下，可以省去计算膝盖高度Hn的过程。
[0125] 控制装置35测量拉线长度La和拉线长度Lb以根据膝盖高度Hn获得Y位置(S22)。如表达式(6)所示，膝盖的Y位置可以根据拉线长度La和Lb以及膝盖高度Hn获得。膝盖高度Hn可以使用在测量拉线长度时获得的值。
[0126] 控制装置35根据Y位置来计算移位角θ(S23)。如表达式(7)和表达式(8)所示，可以根据Y位置来获得移位角θ。如表达式(9)和表达式(10)所示，控制装置35将命令值除以cosθ以校正上拉力(S24)。因此，校正的上拉力被施加至拉线36和拉线39。然后，控制装置35判断训练是否已经完成(S25)。
[0127] 当判定训练尚未完成时(S25中为否)，处理返回至S22。因此，控制装置35根据最新的拉线长度La和拉线长度Lb以及膝盖高度Hn来更新Y位置。根据最新的Y位置以移位角θ执行校正。因此，训练者U可以借助于适当的上拉力进行步行训练。当判定训练已经完成时(S25中为是)，该过程结束。
[0128] (修改示例3)
[0129] 参照图17对第二实施方式的修改示例3进行描述。图17是用于说明修改示例3中的计算连接位置(X、Y和Z)的过程的图。在修改示例3中，三根拉线36、39和44连接至步行辅助装置2。即，在该示例中新增加拉线44。假定三根拉线36、39和44相对于步行辅助装置2的连接位置是相同的。三根拉线36、39和44中的每一者从不同的方向连接至步行辅助装置2。
[0130] 如图17所示，三根拉线36、39和44的拉线长度分别由l1、l2和l3表示。应当指出的是，拉线44由第四拉线卷绕机构45卷绕。应当指出的是，与其他拉线相似，由第四拉线卷绕机构45收纳的拉线44的收纳量由收纳量检测单元(未示出)检测。因此，可以分别测量三根拉线36、39和44的拉线长度l1、l2和l3。
[0131] 然后，三根拉线36、39和44的卷绕位置的XYZ坐标分别是(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)和(x3，y3，z3)。当假定拉线相对于步行辅助装置2的连接位置的XYZ坐标是(X，Y，Z)时，以下表达式(12)至表达式(14)成立。
[0132] l12＝(X-x1)2+(Y-y1)2+(Z-z1)2···(12)
[0133] l22＝(X-x2)2+(Y-y2)2+(Z-z2)2···(13)
[0134] l32＝(X-x3)2+(Y-y3)2+(Z-z3)2···(14)
[0135] 因此，控制装置35可以通过由以下表达式(15)表示的矩阵计算来获得(X，Y，Z)。
[0136] 【表达式15】
[0137]
[0138] 当如上所述使用三根拉线执行腿部的负载减轻时，可以通过测量三根拉线的拉线长度来根据几何学计算连接位置(X，Y，Z)。因此，不需要执行获得连接位置的高度根据时间变化的步行模式的过程。此外，不需要诸如摄像机之类的传感器。
[0139] 应当指出的是，本公开不限于上述实施方式，并且在不背离本公开的主旨的情况下可以做出各种改型。
[0140] 能够使用任意类型的非暂时性计算机可读介质来储存程序并且将该程序提供给计算机。非暂时性计算机可读介质包括任意类型的有形存储介质。非暂时性计算机可读介质的示例包括磁存储介质(诸如软盘、磁带、硬盘驱动器等)、光磁存储介质(例如，磁光盘)、CD-ROM(光盘只读存储器)、CD-R(可记录光盘)、CD-R/W(可重写光盘)和半导体存储器(如掩模ROM、PROM(可编程ROM)、EPROM(可擦除PROM)、闪存ROM、RAM(随机存取存储器)等)。可以通过使用任意类型的暂时性计算机可读介质将程序提供给计算机。暂时性计算机可读介质的示例包括电信号、光信号以及电磁波。暂时性计算机可读介质能够经由有线通信线路(例如，电线和光导纤维)或无线通信线路将程序提供给计算机。
[0141] 根据如此描述的公开内容，将明显的是，本公开的实施方式可以以许多方式改变。这些变型不应被视为背离本公开的主旨和范围，并且对于本领域技术人员将是明显的所有这些改型都意在包括于所附权利要求的范围内。
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