DE112020002716T5

DE112020002716T5 - Körpergewichtsbelastungsreduzierungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112020002716T5
Application number: DE112020002716.3T
Authority: DE
Inventors: Tomoyuki Noda; Tatsuya Teramae; Asuka Takai; Junichiro Furukawa; Jun Morimoto; Nao Nakano
Original assignee: Advanced Telecommunications Res Institute International; ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Current assignee: Advanced Telecommunications Res Institute International; ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2022-02-17
Also published as: JP7105013B2; CN113905705A; US20220241132A1; JPWO2020246587A1; WO2020246587A1

Abstract

Eine Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist auf einen ersten Aktuator, einen zweiten Aktuator, ein erstes Tragelement, ein zweites Tragelement, einen Sensor zur Messung des Ungleichgewichts zwischen Bodenreaktionskräften, welche jeweils auf die Beine eines Nutzers wirken, und eine Steuervorrichtung zur Steuerung von Vorgängen der Aktuatoren. Ein Ende der Tragelemente ist jeweils mit den Aktuatoren verbunden und das andere Ende der Tragelemente ist an dem Nutzer derart festgemacht, dass Entlastungskräfte, welche durch die Aktuatoren zugeführt werden, jeweils auf die Beine des Nutzers wirken. Die Steuervorrichtung steuert die Aktuatoren so, dass sie jeweils Entlastungskräfte erzeugen, welche gemäß dem Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften bestimmt sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Körpergewichtsentlastungsvorrichtung.
Stand der Technik
Um das Gehvermögen von Individuen mit Gangstörungen wie zum Beispiel hemiplegischer Patienten und älteren Menschen wiederherzustellen, welche Schwierigkeiten damit haben, selbstständig zu gehen, können Trainingsprogramme zur Erzeugung einer natürlichen Gehbewegung aus eigenem Antrieb implementiert werden. Subjekte, welche diese Gehbewegung üben, haben grundsätzlich Schwierigkeiten damit, ihr Gewicht selbstständig zu tragen. Beispielsweise haben hemiplegische Patienten Schwierigkeiten damit, das Gewicht auf ihrer gelähmten Seite selbstständig zu tragen. Somit wird eine Vorrichtung (Körpergewichtsentlastungsvorrichtung) in Anwendung gebracht, welche eingerichtet ist, um das Körpergewicht des Subjekts zumindest teilweise zu entlasten, sodass das Subjekt sicher gehen kann. Zum Beispiel wird in klinischen Umgebungen eine Körpergewichtsentlastungsvorrichtung (Körpergewichtsbelastungsreduzierungsvorrichtung), welche den Körper vertikal anhebt, um das Körpergewicht zu tragen, bei Subjekten verwendet, welche auf einem Laufband gehen. In den letzten Jahren wurden Körpergewichtsentlastungsvorrichtungen zudem für Subjekte entwickelt, welche auf einer normalen Bodenfläche gehen, welche das Körpergewicht des Subjekts zumindest teilweise entlasten und gleichzeitig die Bewegung des Subjekts verfolgen.
Patentliteratur 1 und 2 schlagen Fallverhinderungsvorrichtungen und Gehhilfevorrichtungen vor, welche ein Tragelement aufweisen, welches durch Hochziehen des Nutzers von oben eine Tragung bereitstellt, und beim Üben einer solchen Gehbewegung in Anwendung gebracht werden können. Konkret detektieren die in Patentliteratur 1 und 2 vorgeschlagenen Fallverhinderungsvorrichtungen im Voraus auf Grundlage von Variablen wie etwa der Distanz zwischen dem Hauptkörper der Gehhilfevorrichtung und dem Nutzer, dass der Körper des Nutzers zusammenbrechen wird. Wenn detektiert wird, dass der Körper des Nutzers zusammenbrechen wird, dann verhindern die Fallverhinderungsvorrichtungen durch Tragen des Körpers des Nutzers mit dem Tragelement, dass der Nutzer fällt. Des Weiteren schlagen Patentliteratur 1 und 2 eine Bereitstellung eines Entlastungselements zur Entlastung des Körpergewichts des Nutzers in Koordination mit dem Tragelement vor. Mit diesen Gehbewegungshilfevorrichtungen kann verhindert werden, dass ein Subjekt fällt, welches eine Gehbewegung übt, und das Körpergewicht des Subjekts kann während des Gehzeitraums zumindest teilweise entlastet werden.
Liste der Entgegenhaltungen
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP 2005-342306A
Patentliteratur 2: JP 2009-195636A

Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Die Erfinder haben ermittelt, dass Probleme wie etwa die folgenden bei herkömmlichen Körpergewichtsentlastungsvorrichtungen auftreten. Das heißt, ein Eigendrehmoment in den Beingelenken spielt eine wichtige Rolle, um eine normale zyklische Gehbewegung durchzuführen. Bei Individuen mit Gangstörungen werden aufgrund dessen, dass sich ein Eigendrehmoment in zumindest einigen der Gelenke verringert, Unregelmäßigkeiten in dem zyklischen Gang verursacht. Zum Beispiel wird bei hemiplegischen Patienten das Drehmoment des Abduktors und Adduktors des Hüftgelenks auf der gelähmten Seite erheblich reduziert, was zu einer zyklischen seitlichen Neigung des Beckens beim Gehen führt, wodurch es unmöglich gemacht wird, natürlich zu gehen. In dem Fall, in dem die Funktion eines Beins aufgrund einseitiger motorischer Lähmung, sensorischer Störung oder dergleichen reduziert ist, neigt die gehende behinderte Person dazu, sich auf ihr unbeeinträchtigtes Bein zu stützen, und folglich entwickelt sie einen Gang, welcher ihre unbeeinträchtigte Seite begünstigt, und eine beidseitige asymmetrische Bewegung tritt auf, wenn die Person geht. Die beidseitige asymmetrische Gehbewegung verursacht langfristig skelettale und muskuläre Asymmetrie, womit es umso schwieriger wird, einen natürlichen Gang wiederzuerlernen, welcher beidseitig symmetrisch ist.
In dieser Hinsicht ist es, damit das Subjekt eine natürliche Gehbewegung übt, bevorzugt, den Gang aus eigenem Antrieb des Subjekts durch unabhängiges und dynamisches Ändern der jeweils auf die Beine wirkenden Entlastungskräfte während des Gehzeitraums an einen natürlichen Gang anzunähern. Zum Beispiel ist es in dem Fall eines hemiplegischen Patienten bevorzugt, durch unabhängiges und dynamisches Ändern der jeweils auf die Beine wirkenden Entlastungskräfte in die zyklische seitliche Neigung des Beckens einzugreifen, welche während des Gehzeitraums auftritt.
Herkömmliche Körpergewichtsentlastungsvorrichtungen wie etwa in Patentliteratur 1 und 2 sind jedoch mit lediglich einem Aktuator zur Erzeugung einer Entlastungskraft versehen, welche das Körpergewicht des Subjekts trägt, und das Subjekt ist lediglich imstande, beide Seiten des Körpers mit derselben Kraft anzuheben. Somit ist es mit herkömmlichen Körpergewichtsentlastungsvorrichtungen schwierig, die Entlastungskräfte auf das linke und das rechte Bein des Subjekts während des Gehzeitraums unabhängig und dynamisch zu ändern.
Die vorliegende Erfindung erfolgte in einem Aspekt im Hinblick auf solche Gesichtspunkte und eine Aufgabe davon besteht in der Bereitstellung einer Körpergewichtsentlastungsvorrichtung, welche imstande ist, die Entlastungskräfte auf das linke und das rechte Bein des Nutzers während des Gehzeitraums unabhängig und dynamisch zu ändern.
Lösung des Problems
Um die oben genannten Probleme zu lösen, bringt die vorliegende Erfindung die folgende Ausgestaltung in Anwendung.
Das heißt, eine Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Körpergewichtsentlastungsvorrichtung zur Entlastung eines Körpergewichts eines Nutzers, aufweisend einen ersten Aktuator, einen zweiten Aktuator, ein erstes Tragelement mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei das distale Ende mit dem ersten Aktuator verbunden ist und das proximale Ende an dem Nutzer derart festzumachen ist, dass eine durch den ersten Aktuator zugeführte erste Entlastungskraft auf ein Bein des Nutzers wirkt, ein zweites Tragelement mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei das distale Ende mit dem zweiten Aktuator verbunden ist und das proximale Ende an dem Nutzer derart festzumachen ist, dass eine durch den zweiten Aktuator zugeführte zweite Entlastungskraft auf das andere Bein des Nutzers wirkt, einen Sensor, welcher eingerichtet ist, um Informationen zu messen, welche ein Ungleichgewicht zwischen jeweils auf die Beine des Nutzers wirkenden Bodenreaktionskräften angeben, und eine Steuervorrichtung, welche eingerichtet ist, um Vorgänge des ersten Aktuators und des zweiten Aktuators zu steuern. Die Steuervorrichtung ist eingerichtet, um die durch den Sensor gemessenen Informationen zu erfassen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben, jeweilige Stärken der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft gemäß dem durch die erfassten Informationen angegebenen Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften zu bestimmen und den ersten Aktuator und den zweiten Aktuator so zu steuern, dass sie die erste Entlastungskraft und die zweite Entlastungskraft mit den jeweils bestimmten Stärken erzeugen.
Mit der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß der oben genannten Ausgestaltung sind ein Aktuator (erster Aktuator), welcher eine Entlastungskraft (erste Entlastungskraft) zuführt, welche auf eines der Beine des Nutzers wirkt, und ein Aktuator (zweiter Aktuator), welcher eine Entlastungskraft (zweite Entlastungskraft) zuführt, welche auf das andere Bein wirkt, separat bereitgestellt. Während des Gehzeitraums wird das Ungleichgewicht zwischen den jeweils auf die Beine des Nutzers wirkenden Bodenreaktionskräften durch den Sensor gemessen. Die Steuervorrichtung bestimmt dann die Stärke jeder Entlastungskraft gemäß dem gemessenen Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften und steuert die Vorgänge der Aktuatoren so, dass sie die Entlastungskräfte mit den jeweils bestimmten Stärken erzeugen. Das heißt, die Entlastungskräfte auf die Beine des Nutzers können unter Verwendung des Ungleichgewichts zwischen den Bodenreaktionskräften während des Gehzeitraums als Indikator individuell und dynamisch eingestellt werden. Dementsprechend können mit der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß der oben genannten Ausgestaltung die Entlastungskräfte auf das linke und das rechte Bein des Nutzers während des Gehzeitraums unabhängig und dynamisch geändert werden.
Es sei angemerkt, dass „ein“ einem des linken und des rechten entspricht und das „andere“ dem anderen des linken und des rechten entspricht. Zum Beispiel kann das eine Bein das Bein auf der rechten Seite sein und das andere Bein kann das Bein auf der linken Seite sein. Alternativ kann das eine Bein das Bein auf der linken Seite sein und das andere Bein kann das Bein auf der rechten Seite sein. Analog dazu entspricht das „erste“ dem einen des linken und des rechten und das „zweite“ entspricht dem anderen des linken und des rechten oder dem anderen. Die Anzahl und der Typ von Aktuatoren müssen nicht konkret beschränkt sein und können gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden. Zudem kann in dem Fall, in dem die Aktuatoren zwei oder mehr Ausgänge aufweisen, einer der Ausgangsabschnitte als der „erste Aktuator“ in Anwendung gebracht werden und ein anderer Ausgangsabschnitt kann als der „zweite Aktuator“ verwendet werden.
Sofern das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften gemessen werden kann, muss der Typ von Sensor nicht konkret beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgewählt werden. Ein Kraftsensor, eine Bewegungserfassungseinrichtung, ein Neigungssensor, ein myoelektrischer Sensor oder ein Druckverteilungssensor können zum Beispiel für den Sensor verwendet werden. Eine Wägezelle kann zum Beispiel für den Kraftsensor verwendet werden. Der Neigungssensor kann zum Beispiel durch einen Beschleunigungssensor und einen Gyrosensor gebildet sein. Das „Bein“ ist der Abschnitt von dem Fuß zu der Hüfte und kann auch als die „untere Gliedmaße“ bezeichnet werden. Der „Fuß“ ist der Abschnitt von dem Sprunggelenk abwärts (zu der Sohle des Fußes) und ist der Abschnitt des Beins, welcher den Boden kontaktiert. Die „Sohle des Fußes“ ist die Fläche des Fußes, welche den Boden kontaktiert.
In der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß dem oben genannten Aspekt kann das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften durch ein erstes Verhältnis der auf das eine Bein wirkenden Bodenreaktionskraft zu einem Gesamtbetrag der auf beide Beine wirkenden Bodenreaktionskräfte und ein zweites Verhältnis der auf das andere Bein wirkenden Bodenreaktionskraft zu einem Gesamtbetrag der auf beide Beine wirkenden Bodenreaktionskräfte dargestellt sein. Zudem kann Bestimmen der jeweiligen Stärken der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft Bestimmen der Stärke der zweiten Entlastungskraft gemäß dem ersten Verhältnis und Bestimmen der Stärke der ersten Entlastungskraft gemäß dem zweiten Verhältnis umfassen. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Stärke der Entlastungskraft, welche auf das Schwungbein aufgebracht wird, gemäß der Bodenreaktionskraft auf das Standbein bestimmt werden. Es sei angemerkt, dass das „Standbein“ das Bein ist, welches während des Gehzeitraums mit dem Boden in Kontakt steht und das Körpergewicht trägt. Andererseits ist das „Schwungbein“ üblicherweise das Bein, welches während des Gehzeitraums über dem Boden ist und auf welchem kein Gewicht platziert ist. Alternativ ist das „Schwungbein“ das Bein, welches während des Gehzeitraums das Körpergewicht im Vergleich zu dem Standbein geringfügig trägt und in der Fortbewegungsrichtung voranschreitet.
In der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß dem oben genannten Aspekt kann Bestimmen der Stärke der zweiten Entlastungskraft gemäß dem ersten Verhältnis umfassen Erhöhen der zweiten Entlastungskraft in dem Maße, in dem sich das erste Verhältnis erhöht, und Reduzieren der zweiten Entlastungskraft in dem Maße, in dem sich das erste Verhältnis verringert. Zudem kann Bestimmen der Stärke der ersten Entlastungskraft gemäß dem zweiten Verhältnis umfassen Erhöhen der ersten Entlastungskraft in dem Maße, in dem sich das zweite Verhältnis erhöht, und Reduzieren der ersten Entlastungskraft in dem Maße, in dem sich das zweite Verhältnis verringert.
Es ist des Öfteren der Fall, dass die Handlung des Anhebens der Beine während der Gehbewegung für Individuen mit Gangstörungen schwierig ist. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Stärke der Entlastungskraft auf jedes Bein derart gesteuert werden, dass sich die Entlastungskraft auf das Bein verringert, wenn das Bein das Standbein ist, und sich die Entlastungskraft auf das Bein erhöht, wenn das Bein das Schwungbein ist. Die Entlastungskraft kann dadurch so erzeugt werden, dass sie die Handlung des Anhebens der Beine während der Gehbewegung vergleichsweise stark unterstützt.
In der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß dem oben genannten Aspekt kann Bestimmen der Stärke der zweiten Entlastungskraft gemäß dem ersten Verhältnis durch Berechnen eines ersten Produkts des ersten Verhältnisses und einer ersten Proportionalitätskonstante, Berechnen einer ersten Summe des berechneten ersten Produkts und eines ersten konstanten Terms und Anwenden der berechneten ersten Summe als Wert der zweiten Entlastungskraft gebildet sein. Zudem kann Bestimmen der Stärke der ersten Entlastungskraft gemäß dem zweiten Verhältnis durch Berechnen eines zweiten Produkts des zweiten Verhältnisses und einer zweiten Proportionalitätskonstante, Berechnen einer zweiten Summe des berechneten zweiten Produkts und eines zweiten konstanten Terms und Anwenden der berechneten zweiten Summe als Wert der ersten Entlastungskraft gebildet sein. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Stärke der auf jedes Bein wirkenden Entlastungskraft unter Verwendung jeweiliger Proportionalitätskonstanten und konstanter Terme einfach eingestellt werden, wodurch es einem Trainingsprogramm ermöglicht wird, gemäß verschiedenen Zuständen des Nutzers erstellt zu werden.
In der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß dem oben genannten Aspekt kann die Steuervorrichtung ferner eingerichtet sein, um eine Designation jeweiliger Werte des ersten konstanten Terms und des zweiten konstanten Terms zu empfangen. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Stärke der Entlastungskraft auf jedes Bein durch Ändern des Werts jeweiliger konstanter Terme einfach eingestellt werden.
In der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß dem oben genannten Aspekt kann Bestimmen der jeweiligen Stärken der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft Aufrechterhalten eines Gesamtbetrags der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft bei einem konstanten vorbestimmten Wert umfassen. Zudem kann in einem Fall, in dem ein Gesamtbetrag der jeweiligen designierten Werte des ersten konstanten Terms und des zweiten konstanten Terms größer als oder gleich dem vorbestimmten Wert ist, die Steuervorrichtung die jeweiligen Stärken der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft gemäß einem Verhältnis der jeweiligen designierten Werte des ersten konstanten Terms und des zweiten konstanten Terms bestimmen. Gemäß dieser Ausgestaltung kann selbst dann, wenn der Gesamtbetrag der konstanten Terme (Verzerrung) der Entlastungskräfte festgelegt ist, um einen vorbestimmten Wert zu übersteigen, gewährleistet werden, dass der Gesamtbetrag der Entlastungskräfte, welche den Beinen zugeführt werden, einen konstanten vorbestimmten Wert nicht übersteigt. Es ist dadurch möglich, zu verhindern, dass eine Entlastungskraft, welche eine angestrebte Stärke übersteigt, auf den Nutzer wirkt. Zudem können durch Bestimmen der jeweiligen Stärken der Entlastungskräfte gemäß dem Verhältnis der jeweiligen Werte der konstanten Terme Entlastungskräfte, welche der Absicht der Festlegungen der konstanten Terme entsprechen, auf die Beine des Nutzers aufgebracht werden.
In der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß dem oben genannten Aspekt kann der Sensor gebildet sein durch einen ersten Sensor, welcher eingerichtet ist, um eine erste Bodenreaktionskraft zu messen, welche auf eine Sohle eines Fußes des einen Beins des Nutzers wirkt, und einen zweiten Sensor, welcher eingerichtet ist, um eine zweite Bodenreaktionskraft zu messen, welche auf eine Sohle eines Fußes des anderen Beins des Nutzers wirkt. Erfassen von Informationen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben, kann umfassen Erfassen von Werten der ersten Bodenreaktionskraft und der zweiten Bodenreaktionskraft, welche jeweils durch den ersten Sensor und den zweiten Sensor gemessen werden. Das erste Verhältnis kann ein Verhältnis eines Werts der ersten Bodenreaktionskraft zu einem Gesamtwert der ersten Bodenreaktionskraft und der zweiten Bodenreaktionskraft sein. Das zweite Verhältnis kann ein Verhältnis eines Werts der zweiten Bodenreaktionskraft zu einem Gesamtwert der ersten Bodenreaktionskraft und der zweiten Bodenreaktionskraft sein. Vergleichsweise günstige Sensoren wie etwa Wägezellen können für den ersten Sensor und den zweiten Sensor in Anwendung gebracht werden. Somit kann gemäß der oben genannten Ausgestaltung eine Körpergewichtsentlastungsvorrichtung bereitgestellt werden, welche vergleichsweise günstig hergestellt werden kann.
In der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß dem oben genannten Aspekt können der erste Sensor und der zweite Sensor jeweils einen ersten Kraftsensor, welcher auf einer Fersenseite der Sohle des Fußes angeordnet ist, und einen zweiten Kraftsensor aufweisen, welcher auf einer Zehenseite der Sohle des Fußes angeordnet ist. Die Gesamtoberfläche der Sohle des Fußes jedes Beins kontaktiert während des Gehzeitraums nicht notwendigerweise den Boden. Es kann ebenso Zeiträume geben, in welchen lediglich der Zehenabschnitt der Sohle des Fußes in Kontakt steht, und Zeiträume, in welchen lediglich der Fersenabschnitt der Sohle des Fußes in Kontakt steht. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Bodenreaktionskraft, welche während des Gehzeitraums auf die Sohle des Fußes jedes Beins wirkt, durch Anordnen des ersten Kraftsensors an dem Fersenabschnitt und Anordnen des zweiten Kraftsensors an dem Zehenabschnitt genau gemessen werden. Das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften, welche genau gemessen wurden, kann dadurch bei der Bestimmung der Entlastungskraft auf jedes Bein berücksichtigt werden.
In der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß dem oben genannten Aspekt kann der Sensor eingerichtet sein, um eine Mittelposition der Bodenreaktionskraft, welche auf jedes der Beine des Nutzers wirkt, als Informationen zu messen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben. Erfassen von Informationen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben, kann Erfassen eines Werts der gemessenen Mittelposition der Bodenreaktionskraft umfassen. Das erste Verhältnis kann ein Verhältnis des Werts der Mittelposition der Bodenreaktionskraft zu einem Wert der Position des einen Beins sein, wenn es auf der Position des anderen Beins basiert. Das zweite Verhältnis kann ein Verhältnis des Werts der Mittelposition der Bodenreaktionskraft zu einem Wert der Position des anderen Beins sein, wenn es auf der Position des einen Beins basiert. Gemäß dieser Ausgestaltung muss kein Sensor an den Sohlen der Füße der Beine angeordnet sein, wodurch der Nutzer ermutigt wird, sich natürlich zu bewegen. Insbesondere ist der Bestandteil, welcher unter den Sohlen der Füße angeordnet ist, flexibel, was es dem Nutzer ermöglicht, natürliche Schritte zu machen.
In der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß dem oben genannten Aspekt kann die Steuervorrichtung ferner eingerichtet sein, um Zeitpunkte zur Erzeugung der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft mit den jeweils bestimmten Stärken gemäß einem Gangzyklus einzustellen. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Entlastungskraft, welche auf jedes Bein aufgebracht wird, zeitlich eingestellt werden. Aufgrund dieser Einstellung ist die Wirkung des Ermöglichens des Nutzers, ein Training zur Wiederherstellung eines natürlichen Gangs zu absolvieren, welcher beidseitig symmetrisch ist, ferner erwartbar.
In der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß dem oben genannten Aspekt kann die Steuervorrichtung ferner eingerichtet sein, um die erste Entlastungskraft und/oder die zweite Entlastungskraft zu einem vorbestimmten Zeitpunkt des Gangzyklus um einen sensorischen Schwellenwert zu erhöhen. Gemäß dieser Ausgestaltung kann dem Nutzer der Gehbewegungszeitpunkt durch somatische Wahrnehmung beigebracht werden.
In der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß dem oben genannten Aspekt können der erste Aktuator und der zweite Aktuator jeweils durch einen pneumatischen künstlichen Muskel gebildet sein. Ein pneumatischer künstlicher Muskel ist ein Beispiel eines Aktuators, welcher durch Einblasen von Luft in ein elastisches Material wie etwa Kautschuk oder Kohlenstofffaser Bewegungsenergie erlangt und vergleichsweise günstig ist. Somit kann gemäß der oben genannten Ausgestaltung eine Körpergewichtsentlastungsvorrichtung bereitgestellt werden, welche günstig hergestellt werden kann.
In der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß dem oben genannten Aspekt kann der künstliche Muskel jedes der Aktuatoren durch Aufbringen verdichteter Luft mit einem vorbestimmten Druck in einem Zustand, in dem die proximalen Enden der Tragelemente an dem Nutzer festgemacht sind, und Veranlassen der Tragelemente, derart gespannt zu sein, dass eine Muskelkontraktionsrate einen vorbestimmten Wert erreicht, anfangseingestellt werden. Die Antriebskraft des pneumatischen künstlichen Muskels wird durch den auf den künstlichen Muskel aufgebrachten Druck von Luft (im Folgenden auch schlicht als „Luftdruck“ bezeichnet) und die Muskelkontraktionsrate des künstlichen Muskels bestimmt. Die Antriebskraftänderung aufgrund von Variation der Muskelkontraktionsrate verringert sich, wenn der aufgebrachte Luftdruck niedrig ist, und die Antriebskraftänderung aufgrund von Variation der Muskelkontraktionsrate erhöht sich, wenn der aufgebrachte Luftdruck hoch ist. Analog dazu verringert sich die Antriebskraftänderung aufgrund von Variation des Luftdrucks in einem Zustand, in dem die Muskelkontraktionsrate hoch ist, und die Antriebskraftänderung aufgrund von Variation des Luftdrucks erhöht sich in einem Zustand, in dem die Muskelkontraktionsrate niedrig ist. Somit ist es beim Steuern der Antriebskraft erstrebenswert, dass die Luftdrücke und die Muskelkontraktionsraten passend festgelegt werden. Gemäß dieser Ausgestaltung kann der Zustand des künstlichen Muskels jedes Aktuators initialisiert werden, um zur Steuerung der Entlastungskraft geeignet zu sein. Die Entlastungskraft, welche für jedes Bein erzeugt wird, kann dadurch einfach gesteuert werden.
Die Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß dem oben genannten Aspekt kann ferner einen Aufhänger aufweisen, welcher das erste Tragelement und das zweite Tragelement derart aufhängt, dass die proximalen Enden des ersten Tragelements und des zweiten Tragelements von oberhalb des Nutzers herunterhängen. Das erste Tragelement und das zweite Tragelement können jeweils aufweisen ein Kabel mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, welches durch den Aufhänger aufgehängt ist, eine Kopplungseinrichtung, welche ausgebildet ist, um eine Hundebeinform aufzuweisen, und einen ersten Endteil, einen zweiten Endteil und einen erhöhten Teil aufweist, welcher zwischen den zwei Endteilen angeordnet ist und nach oben ausgerichtet ist, ein erstes Seil, welches den erhöhten Teil der Kopplungseinrichtung und das proximale Ende des Kabels koppelt und eingerichtet ist, um längeneinstellbar zu sein, ein zweites Seil mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei das distale Ende an den ersten Endteil der Kopplungseinrichtung angeschlossen ist, und ein drittes Seil mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei das distale Ende an den zweiten Endteil der Kopplungseinrichtung angeschlossen ist. Das distale Ende des Kabels jedes der Tragelemente kann das distale Ende des Tragelements bilden. Die jeweiligen proximalen Enden des zweiten Seils und des dritten Seils jedes der Tragelemente können das proximale Ende des Tragelements bilden. Gemäß dieser Ausgestaltung kann eine Körpergewichtsentlastungsvorrichtung bereitgestellt werden, in welcher die Länge jedes Tragelements für die Größe des Körpers des Nutzers zweckmäßig eingestellt werden kann.
In der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß dem oben genannten Aspekt kann der Aufhänger ein Paar Säulenteile aufweisen. Zudem kann die Körpergewichtsentlastungsvorrichtung ferner ein Paar Rückhalteeinrichtungen aufweisen, welche durch Koppeln jeweils der Kopplungseinrichtungen mit den Säulenteilen eingerichtet sind, um eine Bewegung der Kopplungseinrichtungen der Tragelemente zurückzuhalten. Gemäß dieser Ausgestaltung kann eine Bewegung der Kopplungseinrichtungen während der Gehbewegung des Nutzers unterbunden werden.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Körpergewichtsentlastungsvorrichtung bereitgestellt werden, welche imstande ist, die Entlastungskräfte auf das linke und das rechte Bein des Nutzers während des Gehzeitraums unabhängig und dynamisch zu ändern.
Figurenliste

1 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
2A ist eine perspektivische Ansicht zur schematischen Veranschaulichung eines Beispiels einer Kopplungseinrichtung gemäß der Ausführungsform.
2B ist eine Seitenansicht zur schematischen Veranschaulichung eines Beispiels einer Kopplungseinrichtung gemäß der Ausführungsform.
2C ist eine Querschnittsansicht zur schematischen Veranschaulichung eines Beispiels eines Tragelements, welches durch ein Halteteil gehalten wird, gemäß der Ausführungsform.
3 veranschaulicht schematisch ein Beispiel eines Sensors gemäß der Ausführungsform.
4 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Systemausgestaltung der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform.
5 veranschaulicht schematisch ein Beispiel der Hardware-Ausgestaltung einer Steuervorrichtung gemäß der Ausführungsform.
6 veranschaulicht schematisch ein Beispiel der Software-Ausgestaltung der Steuervorrichtung gemäß der Ausführungsform.
7 zeigt ein Beispiel eines Prozesses des Berechnens der jeweiligen Entlastungskräfte durch die Steuervorrichtung gemäß der Ausführungsform.
8 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen dem Ungleichgewicht zwischen Bodenreaktionskräften und jeder Entlastungskraft gemäß der Ausführungsform.
9 zeigt ein Beispiel einer Verarbeitungsvorgehensweise bezüglich Körpergewichtsentlastung durch die Steuervorrichtung gemäß der Ausführungsform.
10 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform.
11A veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform.
11B veranschaulicht schematisch ein Beispiel der Ausgestaltung einer Rückhalteeinrichtung.
12 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform.
13 veranschaulicht ein Beispiel der Beziehung zwischen der Stärke jeder Entlastungskraft und einem Gangzyklus.
14 veranschaulicht ein Beispiel des Zeitpunkts zum Hinzufügen einer Entlastungskraft eines sensorischen Schwellenwerts.
15 zeigt das Ergebnis des Messens des Gleichgewichts des Gangzyklus eines Probanden, wenn ein Gehbewegungstrainingsprogramm implementiert wird, unter Anwendung der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform.
16 zeigt das Ergebnis des Messens des Gleichgewichts des Gangzyklus eines Probanden, wenn ein Gehbewegungstrainingsprogramm implementiert wird, unter Anwendung der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform.
17 zeigt das Ergebnis des Messens des Gleichgewichts des Gangzyklus eines Probanden, wenn ein Gehbewegungstrainingsprogramm implementiert wird, unter Anwendung der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform.

Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden wird eine Ausführungsform (im Folgenden auch als „die vorliegende Ausführungsform“ bezeichnet) gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung auf Grundlage der Zeichnungen beschrieben. Die nachstehend beschriebene vorliegende Ausführungsform ist jedoch in jeder Hinsicht lediglich ein Beispiel der vorliegenden Erfindung. Verschiedene Verbesserungen oder Modifikationen können vorgenommen werden, ohne von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen. Mit anderen Worten können konkrete Ausgestaltungen, welche von der Ausführungsform abhängen, beim Implementieren der vorliegenden Erfindung zweckmäßig zum Einsatz kommen. Es sei angemerkt, dass zur einfacheren Beschreibung die folgende Beschreibung auf Grundlage der Ausrichtung innerhalb der Zeichnungen dargelegt wird.
1. Ausgestaltungsbeispiel
Zuerst wird die Ausgestaltung einer Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100 (Körpergewichtsbelastungsreduzierungsvorrichtung) gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung von 1 beschrieben. 1 veranschaulicht schematisch ein Beispiel der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Die Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird in Anwendung gebracht, um das Körpergewicht des Nutzers W zumindest teilweise zu entlasten. Der Zweck des Entlastens des Körpergewichts des Nutzers W (d.h. Verwendungszweck der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100) muss nicht konkret beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100 beim Gehbewegungstraining für Individuen mit Gangstörungen wie etwa hemiplegische Patienten und ältere Menschen verwendet werden, welche Schwierigkeiten damit haben, selbstständig zu gehen. Es sei angemerkt, dass Nutzer W gemäß der Situation zum Beispiel zweckmäßig durch Subjekt, Träger oder Trainierender ersetzt werden kann.
Die Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist einen ersten Aktuator 1, einen zweiten Aktuator 2, ein erstes Tragelement 3, ein zweites Tragelement 4, einen Sensor 5, eine Steuervorrichtung 6 und einen Aufhänger FL auf. Die Aktuatoren (1, 2) führen den Beinen des Nutzers W jeweils Entlastungskräfte zu. Die Tragelemente (3, 4) übertragen die Entlastungskräfte, welche durch die Aktuatoren (1, 2) zugeführt werden, jeweils an die Beine des Nutzers W. Der Sensor 5 misst Informationen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben, welche jeweils auf die Beine des Nutzers W wirken. Die Steuervorrichtung 6 bestimmt die Stärke der Entlastungskraft auf jedes Bein auf Grundlage der durch den Sensor 5 gemessenen Informationen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben, und steuert die Vorgänge jedes Aktuators (1, 2). Der Aufhänger FL hängt jedes Tragelement (3, 4) derart auf, dass ein Ende (nachstehend beschriebenes proximales Ende (31, 41)) jedes Tragelements (3, 4) von oberhalb des Nutzers W herunterhängt. Die Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100 ist dadurch imstande, durch jeweils Aufbringen der Entlastungskräfte, deren Stärken gemäß dem Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften auf die Beine des Nutzers W bestimmt wurden, das Körpergewicht des Nutzers W zumindest teilweise vertikal anzuheben.
Es sei angemerkt, dass in dem Beispiel in 1 der erste Aktuator 1 und das erste Tragelement 3 verwendet werden, um eine Entlastungskraft auf das Bein auf der linken Seite (im Folgenden auch schlicht „linkes Bein“) des Nutzers W aufzubringen. Zudem werden der zweite Aktuator 2 und das zweite Tragelement 4 verwendet, um eine Entlastungskraft auf das Bein auf der rechten Seite (im Folgenden auch schlicht „rechtes Bein“) des Nutzers W aufzubringen. Das heißt, das Bein auf der linken Seite des Nutzers W ist ein Beispiel „eines Beins“ der vorliegenden Erfindung und das Bein auf der rechten Seite des Nutzers W ist ein Beispiel des „anderen Beins“ der vorliegenden Erfindung. Die Beziehung zwischen jedem Bestandteil und der Körperrichtung des Nutzers W muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein. Die Beziehung kann umgekehrt zu der vorliegenden Ausführungsform sein. Das heißt, der erste Aktuator 1 und das erste Tragelement 3 können verwendet werden, um eine Entlastungskraft auf das rechte Bein des Nutzers W aufzubringen, und der zweite Aktuator 2 und das zweite Tragelement 4 können verwendet werden, um eine Entlastungskraft auf das linke Bein des Nutzers W aufzubringen. „Ein“ muss lediglich einem des linken und des rechten entsprechen und „das andere“ muss lediglich dem anderen des linken und des rechten entsprechen. Analog dazu muss „erste (-s)“ lediglich einem des linken und des rechten entsprechen und „zweite (-s)“ muss lediglich dem anderen des linken und des rechten entsprechen. Zudem ist das „Bein“ der Abschnitt von dem Fuß zu der Hüfte und kann auch als die „untere Gliedmaße“ bezeichnet werden. Der „Fuß“ ist der Abschnitt von dem Sprunggelenk abwärts (zu der Sohle des Fußes) und ist der Abschnitt des Beins, welcher den Boden kontaktiert. Die „Sohle des Fußes“ ist die Fläche des Fußes, welche den Boden kontaktiert. Im Folgenden werden die Bestandteile beschrieben.
Aktuatoren
Zuerst wird ein Beispiel der Aktuatoren (1 und 2) beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist der erste Aktuator 1 durch einen pneumatischen künstlichen Muskel gebildet. Um den Luftdruck zu steuern, welcher den künstlichen Muskel betätigt, ist ein Ventil 11 an dem ersten Aktuator 1 angebracht. Analog dazu ist der zweite Aktuator 2 durch einen pneumatischen künstlichen Muskel gebildet. Ein Ventil 21 ist an dem zweiten Aktuator 2 angebracht. Der Typ von pneumatischem künstlichem Muskel der Aktuatoren (1, 2) muss nicht konkret beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgewählt werden. Eine Aktuator-Vorrichtung, welche in JP 2016-61302A vorgeschlagen wird, kann zum Beispiel für die Aktuatoren (1, 2) verwendet werden.
Die Ventile (11, 21) sind mit einem gemeinsamen Verdichter CP verbunden. Ein gemeinsamer Vordruck wird dadurch von dem Verdichter CP den Ventilen (11, 21) zugeführt. Die Ventile (11, 21) geben einen ausgehend von dem Vordruck eingestellten Druck unter der Steuerung der Steuervorrichtung 6 an jeden Aktuator (1, 2) aus. Bekannte Drucksteuerventile können für die Ventile (11, 21) verwendet werden.
Ein pneumatischer künstlicher Muskel ist ein Beispiel eines Aktuators, welcher durch Einblasen von Luft in ein elastisches Material wie etwa Kautschuk oder Kohlenstofffaser Bewegungsenergie erlangt, und ist vergleichsweise günstig. Somit können in der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung pneumatischer künstlicher Muskeln für die Aktuatoren (1, 2) die Herstellungskosten der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100 niedrig gehalten werden.
Es sei angemerkt, dass in dem Beispiel in 1 der Umfang des zweiten Aktuators 2 (künstlichen Muskels) durch eine Abdeckung abgedeckt ist, wohingegen der erste Aktuator 1 (künstliche Muskel) eher freiliegt als abgedeckt zu sein. Die Bereitstellung dieser Abdeckung muss nicht konkret beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgewählt werden. Auf die Abdeckung des zweiten Aktuators 2 kann verzichtet werden. Zudem kann der Umfang des ersten Aktuators 1 durch eine Abdeckung abgedeckt sein.
Aufhänger und Tragelemente
Als nächstes wird ein Beispiel des Aufhängers FL und der Tragelemente (3, 4) beschrieben. Das erste Tragelement 3 weist ein proximales Ende 31 und ein distales Ende 32 auf. Das proximale Ende 31 ist das näher an dem Nutzer W liegende Ende und das distale Ende 32 ist ein anderes Ende als das proximale Ende 31 und ist das weiter von dem Nutzer W entfernte Ende. Dies gilt analog für das nahe und das distale Ende anderer Bestandteile. Das distale Ende 32 ist mit dem ersten Aktuator 1 verbunden. Die „Verbindung“ kann direkt oder indirekt sein. Dies gilt analog für die „Verbindung“ anderer Bestandteile. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Linearencoder 15 an dem Verbindungsabschnitt zwischen dem distalen Ende 32 des ersten Tragelements 3 und dem ersten Aktuator 1 angebracht. Dieser Linearencoder 15 misst die Muskelkontraktionsrate des pneumatischen künstlichen Muskels, welcher den ersten Aktuator 1 bildet. Andererseits ist das proximale Ende 31 an dem Nutzer W derart festgemacht, dass die erste Entlastungskraft, welche durch den ersten Aktuator 1 zugeführt wird, auf das Bein auf der linken Seite des Nutzers W wirkt.
Analog dazu weist das zweite Tragelement 4 ein proximales Ende 41 und ein distales Ende 42 auf. Das distale Ende 42 ist mit dem zweiten Aktuator 2 verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Linearencoder 25 an dem Verbindungsabschnitt zwischen dem distalen Ende 42 des zweiten Tragelements 4 und dem zweiten Aktuator 2 angebracht. Der Linearencoder 25 misst die Muskelkontraktionsrate des pneumatischen künstlichen Muskels, welcher den zweiten Aktuator 2 bildet. Andererseits ist das proximale Ende 41 an dem Nutzer W derart festgemacht, dass die zweite Entlastungskraft, welche durch den zweiten Aktuator 2 zugeführt wird, auf das Bein auf der rechten Seite des Nutzers W wirkt.
Der Aufhänger FL hängt die Tragelemente (3, 4) derart auf, dass die proximalen Enden (31, 41) der Tragelemente (3, 4) von oberhalb des Nutzers W herunterhängen. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Aufhänger FL mit einem Paar Säulenteile (F1, F2), einem Balkenteil F3 und einem Paar Halteteile (F4, F5) versehen. Die Säulenteile (F1, F2) sind eingerichtet, um sich vertikal zu erstrecken, und sind jeweils zu der Rechten und Linken des Nutzers W angeordnet. Zum Beispiel können in dem Fall, in dem der Nutzer W eine Gehbewegung auf einem Laufband (nicht dargestellt) übt, die Säulenteile (F1, F2) jeweils zu der Rechten und Linken des Laufbands befestigt sein. Alternativ kann eine Bewegungskomponente wie etwa eine Laufrolle an einem unteren Ende jedes Säulenteils (F1, F2) derart angebracht sein, dass der Aufhänger FL die Bewegung des Nutzers W verfolgen kann.
Das Balkenteil F3 ist eingerichtet, um die oberen Enden der Säulenteile (F1, F2) zu überbrücken und sich horizontal zu erstrecken. Das Paar Halteteile (F4, F5), welche angeordnet sind, um horizontal voneinander getrennt zu sein, sind an dem Balkenteil F3 bereitgestellt. Da die Entlastungskraft in Bezug auf die Schulter des Nutzers W auf der Innenseite aufzubringen ist, ist die Distanz zwischen dem Paar Halteteile (F4, F5) vorzugsweise geringfügig schmaler als die Schulterbreite des Nutzers W festgelegt. Die Halteeinheiten (F4, F5) sind eingerichtet, um jeweils die Tragelemente (3, 4) zu halten. Diese Ausgestaltung wird nachstehend ausführlich beschrieben. Zudem sind die Halteeinheiten (F4, F5) dadurch, dass sie jeweils mit Klemmteilen (F41, F51) versehen sind, derart gebildet, dass die Position, an welcher die Halteeinheiten (F4, F5) an dem Balkenteil F3 befestigt sind, einstellbar ist. Die Distanz zwischen dem Paar Halteteile (F4, F5) kann dadurch eingestellt werden. Das Material der Bestandteile des Aufhängers FL muss jedoch nicht konkret beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgewählt werden.
Als nächstes wird ein Beispiel der Ausgestaltung der Tragelemente (3, 4) ausführlich beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist das erste Tragelement 3 mit einem Kabel 35, einer Kopplungseinrichtung 36, einem ersten Seil 37, einem zweiten Seil 38 und einem dritten Seil 39 versehen. Das Kabel 35 ist durch ein Außenkabel 355 und ein Innenkabel 356 gebildet. Das Kabel 35 weist ein proximales Ende 351 und ein distales Ende 352 auf. Das distale Ende 352 des Kabels 35 bildet das distale Ende 32 des ersten Tragelements 3. Das heißt, das distale Ende 352 des Kabels 35 ist mit dem ersten Aktuator 1 verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform sind der erste Aktuator 1 und das Ventil 11 aus Sicht des Nutzers W an dem rechten Säulenteil F1 angebracht. Das Kabel 35 erstreckt sich von dem ersten Aktuator 1 und wird durch das Halteteil F4 gehalten, welches auf der linken Hälftenseite des Körpers des Nutzers W angeordnet ist, und ist dadurch durch den Aufhänger FL auf der linken Hälftenseite des Körpers des Nutzers W aufgehängt. Aufgrund dessen, dass das Kabel 35 die auf der linken Seite angeordnete Halteeinheit F4 von dem auf der rechten Seite angeordneten ersten Aktuator 1 durchläuft, wird die Distanz zum Überspannen des Kabels 35 gesichert und es kann gewährleistet werden, dass die Übertragbarkeit der ersten Entlastungskraft in dem Kabel 35 nicht beeinträchtigt wird.
Die Kopplungseinrichtung 36 ist ausgebildet, um eine Hundebeinform wie ein Boomerang aufzuweisen. Die Kopplungseinrichtung 36 weist einen ersten Endteil 361, einen zweiten Endteil 362 und einen erhöhten Teil 363 auf. In dem Beispiel in 1 ist der erste Endteil 361 bei Verwendung der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100 von dem Nutzer W aus nach vorne ausgerichtet. Der zweite Endteil 362 ist bei Verwendung von dem Nutzer W aus nach hinten ausgerichtet. Die Richtung, in welche die Enden (361, 362) weisen, muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgewählt werden. Der erhöhte Teil 363 ist zwischen beiden Endteilen (361, 362) angeordnet ist nach oben ausgerichtet.
Das erste Seil 37 koppelt den erhöhten Teil 363 der Kopplungseinrichtung 36 und das proximale Ende 351 des Kabels 35. Eine Wägezelle 30 ist an einem Anschlussabschnitt des ersten Seils 37 und des proximalen Endes 351 des Kabels 35 angebracht. Die Wägezelle 30 misst die erste Entlastungskraft, welche durch den ersten Aktuator 1 zugeführt wird und auf das Bein auf der linken Seite des Nutzers W wirkt. Das erste Seil 37 ist eingerichtet, um längeneinstellbar zu sein.
Das zweite Seil 38 weist ein proximales Ende 381 und ein distales Ende 382 auf. Das distale Ende 382 ist an den ersten Endteil 361 der Kopplungseinrichtung 36 angeschlossen. Analog dazu weist das dritte Seil 39 ein proximales Ende 391 und ein distales Ende 392 auf. Das distale Ende 392 ist an den zweiten Endteil 362 der Kopplungseinrichtung 36 angeschlossen. Die jeweiligen proximalen Enden (381, 391) des zweiten Seils 38 und des dritten Seils 39 bilden das proximale Ende 31 des ersten Tragelements 3. Das heißt, die jeweiligen proximalen Enden (381, 391) der Seile (38, 39) sind an dem Nutzer W festgemacht.
Das zweite Tragelement 4 ist analog zu dem ersten Tragelement 3 gebildet. Das heißt, das zweite Tragelement 4 weist ein Kabel 45, eine Kopplungseinrichtung 46, ein erstes Seil 47, ein zweites Seil 48 und ein drittes Seil 49 auf. Das Kabel 45 ist durch ein Außenkabel 455 und ein Innenkabel 456 gebildet. Das Kabel 45 weist ein proximales Ende 451 und ein distales Ende 452 auf. Das distale Ende 452 des Kabels 45 bildet das distale Ende 42 des zweiten Tragelements 4 und ist mit dem zweiten Aktuator 2 verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform sind der zweite Aktuator 2 und das Ventil 21 aus Sicht des Nutzers W an dem linken Säulenteil F2 angebracht. Das Kabel 45 erstreckt sich von diesem zweiten Aktuator 2 und wird durch das Halteteil F5 gehalten, welches auf der rechten Hälftenseite des Körpers des Nutzers W angeordnet ist, und ist dadurch durch den Aufhänger FL auf der rechten Hälftenseite des Körpers des Nutzers W aufgehängt. Aufgrund dessen, dass das Kabel 45 die auf der rechten Seite angeordnete Halteeinheit F5 von dem auf der linken Seite angeordneten zweiten Aktuator 2 durchläuft, wird die Distanz zum Überspannen des Kabels 45 gesichert und es kann gewährleistet werden, dass eine Übertragbarkeit der zweiten Entlastungskraft in dem Kabel 45 nicht beeinträchtigt wird. Das heißt, in der vorliegenden Ausführungsform überschneiden sich aufgrund dessen, dass sich das Kabel 35 des ersten Tragelements 3 von dem an dem Säulenteil F1 angebrachten ersten Aktuator 1 auf der rechten Seite in Richtung des Halteteils F4 auf der linken Seite erstreckt und sich das Kabel 45 des zweiten Tragelements 4 von dem an dem Säulenteil F2 angebrachten zweiten Aktuator 2 auf der linken Seite in Richtung des Halteteils F5 auf der rechten Seite erstreckt, die Kabel (35, 45) geringfügig oberhalb des Balkenteils F3. Eine Distanz, welche sich in der Breitenrichtung der Kabel (35, 45) erstreckt, kann dadurch gesichert werden und folglich können die Kabel (35, 45) dazu gebracht werden, sich von dem Balkenteil F3 weicher nach oben zu krümmen. Aufgrund dieser Handlung kann ein Verlust der Entlastungskräfte in den Kabeln (35, 45) reduziert werden. Des Weiteren kann die Höhe des sich nach oben krümmenden Abschnitts der Kabel (35, 45) von dem Balkenteil F3 gesenkt werden. In dem Fall, in dem die Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100 im Innenbereich verwendet wird, kann dadurch gewährleistet werden, dass der gekrümmte Abschnitt jedes Kabels (35, 45) die Decke oder Deckeninstallationen selbst dann nicht physisch behindert, wenn die Position des Balkenteils F3 erhöht wird, um Raum für den Nutzer W zu sichern.
Die Kopplungseinrichtung 46 ist ausgebildet, um eine Hundebeinform wie ein Boomerang aufzuweisen. Die Kopplungseinrichtung 46 weist einen ersten Endteil 461, einen zweiten Endteil 462 und einen erhöhten Teil 463 auf. In dem Beispiel in 1 ist der erste Endteil 461 von dem Nutzer W aus nach vorne ausgerichtet und der zweite Endteil 462 ist von dem Nutzer W aus nach hinten ausgerichtet. Die Richtung, in welche die Enden (461, 462) weisen, muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgewählt werden. Der erhöhte Teil 463 ist zwischen den Enden (461, 462) angeordnet ist nach oben ausgerichtet.
Das erste Seil 47 verbindet den erhöhten Teil 463 der Kopplungseinrichtung 46 und das proximale Ende 451 des Kabels 45. Eine Wägezelle 40 ist an dem Anschlussabschnitt des ersten Seils 47 und des proximalen Endes 451 des Kabels 45 angebracht. Die Wägezelle 40 misst die zweite Entlastungskraft, welche durch den zweiten Aktuator 2 zugeführt wird und auf das Bein auf der rechten Seite des Nutzers W wirkt. Das erste Seil 47 ist gebildet, um längeneinstellbar zu sein.
Es sei angemerkt, dass in dem Beispiel in 1 der Anschlussabschnitt des ersten Seils 37 und des proximalen Endes 351 des Kabels 35, aufweisend die Wägezelle 30, durch eine Abdeckung abgedeckt ist, wohingegen der Anschlussabschnitt des ersten Seils 47 und des proximalen Endes 451 des Kabels 45, aufweisend die Wägezelle 40, eher freiliegt als abgedeckt ist. Die Bereitstellung dieser Abdeckung muss nicht konkret beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgewählt werden. Auf die Abdeckung des Anschlussabschnitts in dem ersten Tragelement 3 kann verzichtet werden. Zudem kann der Anschlussabschnitt in dem zweiten Tragelement 4 durch eine Abdeckung abgedeckt sein.
Das zweite Seil 48 weist ein proximales Ende 481 und ein distales Ende 482 auf. Das distale Ende 482 ist an den ersten Endteil 461 der Kopplungseinrichtung 46 angeschlossen. Analog dazu weist das dritte Seil 49 ein proximales Ende 491 und ein distales Ende 492 auf. Das distale Ende 492 ist an den zweiten Endteil 462 der Kopplungseinrichtung 46 angeschlossen. Die proximalen Enden (481, 491) des zweiten Seils 48 und des dritten Seils 49 bilden das proximale Ende 41 des zweiten Tragelements 4. Das heißt, die proximalen Enden (481, 491) der Seile (48, 49) sind an dem Nutzer W festgemacht.
Hierbei wird die Umfangsausgestaltung der Kopplungseinrichtungen (36, 46) der Tragelemente (3, 4) ferner unter Verwendung der 2A und 2B beschrieben. Die 2A und 2B sind eine perspektivische und eine Seitenansicht zur schematischen Veranschaulichung eines Beispiels der Kopplungseinrichtungen (36, 46). In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Seilklemme 370 an dem erhöhten Teil 363 der Kopplungseinrichtung 36 des ersten Tragelements 3 bereitgestellt. Ein Ende 371 des ersten Seils 37 wird aus der Seilklemme 370 herausgezogen. Andererseits ist das andere Ende des ersten Seils 37 durch ein Befestigungselement 373 an dem erhöhten Teil 363 befestigt. Das erste Seil 37 bildet dadurch einen ringförmigen Abschnitt und der erhöhte Teil 363 der Kopplungseinrichtung 36 und das proximale Ende 351 des Kabels 35 sind durch diesen ringförmigen Abschnitt gekoppelt. Zudem kann die Länge des ringförmigen Abschnitts des ersten Seils 37 durch Betätigen der Seilklemme 370, um die herausgezogene Länge des einen Endes 371 zu ändern, eingestellt werden. Das erste Seil 37 ist dadurch derart eingerichtet, dass die Länge, welche den erhöhten Teil 363 der Kopplungseinrichtung 36 und das proximale Ende 351 des Kabels 35 koppelt, einstellbar ist. Eine Einstellung dieser Kopplungslänge ermöglicht es der Kopplungseinrichtung 36, auf einer Höhe angeordnet zu sein, welche für die Größe des Nutzers W geeignet ist.
Das distale Ende 382 des zweiten Seils 38 ist durch ein Befestigungselement 380 an dem ersten Endteil 361 befestigt. Das distale Ende 392 des dritten Seils 39 ist durch ein Befestigungselement 390 an dem zweiten Endteil 362 befestigt. Bekannte Befestigungselemente können für die Befestigungselemente (373, 380, 390) verwendet werden. Die Endteile (361, 362) weisen eine darin ausgebildete Ausnehmung jeweils zum Fassen der Seile (38, 39) auf. Die Seile (38, 39) können dadurch davon abgehalten werden, gegen die Kopplungseinrichtung 36 zu schwingen.
Andererseits sind die proximalen Enden (381, 391) der Seile (38, 39) an dem Nutzer W festgemacht. Die Ausgestaltung zum Festmachen der proximalen Enden (381, 391) an dem Nutzer W muss nicht konkret beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden. Zum Beispiel können die proximalen Enden (381, 391) jeweils mit einer Seilratsche versehen sein. In Entsprechung dazu kann ein Halter zum Anbringen der Seilratschen in der Nähe der Taille an der linken Hälfte der Hose bereitgestellt sein, welche der Nutzer W trägt. Die Längen des zweiten Seils 38 und des dritten Seils 39 können dadurch so eingestellt werden, dass sie für die Länge des Torsos des Nutzers W geeignet sind, und das proximale Ende 31 des ersten Tragelements 3 kann mit einem Berührungsvorgang an und von dem Nutzer W angebracht und gelöst werden.
Die Kopplungseinrichtung 46 des zweiten Tragelements 4 ist analog zu der Kopplungseinrichtung 36 des ersten Tragelements 3 eingerichtet. Das heißt, das erste Seil 47 des zweiten Tragelements 4 ist derart eingerichtet, dass die Länge, welche den erhöhten Teil 463 der Kopplungseinrichtung 46 und das proximale Ende 451 des Kabels 45 koppelt, durch eine Seilklemme einstellbar ist. Eine Einstellung dieser Kopplungslänge ermöglicht es der Kopplungseinrichtung 46, auf einer Höhe angeordnet zu sein, welche für die Größe des Nutzers W geeignet ist. Zudem sind die distalen Enden (482, 492) der Seile (48, 49) durch ein Befestigungselement jeweils an den Enden (461, 462) der Kopplungseinrichtung 46 befestigt. Die Enden (461, 462) weisen eine darin ausgebildete Ausnehmung zum Fassen der Seile (48, 49) auf und die Seile (48, 49) werden dadurch davon abgehalten, gegen die Kopplungseinrichtung 46 zu schwingen. Andererseits sind die proximalen Enden (481, 491) der Seile (48, 49) an dem Nutzer W festgemacht. Die Ausgestaltung zum Festmachen der proximalen Enden (481, 491) an dem Nutzer W muss nicht konkret beschränkt sein und kann analog zu dem ersten Tragelement 3 gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden. Zum Beispiel können die proximalen Enden (481, 491) jeweils mit einer Seilratsche versehen sein. In Entsprechung dazu kann ein Halter zum Anbringen der Seilratschen in der Nähe der Taille an der rechten Hälfte der Hose bereitgestellt sein, welche der Nutzer W trägt. Die Längen des zweiten Seils 48 und des dritten Seils 49 können dadurch so eingestellt werden, dass sie für die Länge des Torsos des Nutzers W geeignet sind, und das proximale Ende 41 des zweiten Tragelements 4 kann mit einem Berührungsvorgang an und von dem Nutzer W angebracht und gelöst werden.
Das Material der Bestandteile der Tragelemente (3, 4) muss nicht konkret beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgewählt werden. Zum Beispiel können Bowdenzüge für die Kabel (35, 45) verwendet werden. Kletterseile können für die Seile (36-39, 46-49) verwendet werden. Harzmaterial wie etwa faserverstärkte Kunststoffe und technische Kunststoffe können für die Kopplungseinrichtungen (36, 46) verwendet werden. Wie in 1 dargestellt können die Kopplungseinrichtungen (36, 46) derart abgedeckt sein, dass die Innenstruktur nicht freiliegt.
Hierbei wird ein Beispiel der Ausgestaltungen der Kabel (35, 45) und der Halteteile (F4 und F5) ferner unter Verwendung von 2C beschrieben. 2C ist eine Querschnittsansicht zur schematischen Veranschaulichung eines Beispiels der Kabel (35, 45), welche durch die Halteteile (F4, F5) gehalten werden, gemäß der vorliegenden Ausführungsform. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Kabel (35, 45) jeweils mit den Außenkabeln (355, 455) und den Innenkabeln (356, 456) versehen.
Die Halteteile (F4, F5) sind mit einem flachen Plattenteil 80 mit einem Durchgangsloch 81 versehen, welches vertikal durchläuft. Das Durchgangsloch 81 ist mit einem ersten Abschnitt 811, einem zweiten Abschnitt 812 und einem dritten Abschnitt 813 in Reihenfolge vertikal von oben nach unten versehen. Der Durchmesser des ersten Abschnitts 811 ist der größte und der Durchmesser des dritten Abschnitts 813 ist der kleinste. Ein durch eine Lagerkugel 83 gelagerter Bolzen 82 ist in dieses Durchgangsloch 81 eingeführt.
Konkret weist der Bolzen 82 eine sich in einer Richtung (axialer Richtung) erstreckende Form auf und ist mit einem Kopf 821 und einem Schaft 822 versehen, welche entlang der einen Richtung angeordnet sind. Der Durchmesser des Kopfs 821 ist größer als der Durchmesser des Schafts 822 und die Lagerkugel 83 wird durch den Kopf 821 gestoppt und lagert den Schaft 822. Die Lagerkugel 83 ist in dem ersten Abschnitt 811 und dem zweiten Abschnitt 812 des Durchgangslochs 81 angeordnet und der Schaft 822 des Bolzens 82 erstreckt sich mittels des dritten Abschnitts 813 des Durchgangslochs 81 zu der Außenseite. Der Bolzen 82 ist dadurch mittels der Lagerkugel 83 in das Durchgangsloch 81 eingeführt.
Zudem ist der Bolzen 82 in einer ebenen Mitte mit einem Durchgangsloch 824 versehen, welches den Kopf 821 und den Schaft 822 entlang der einen Richtung durchläuft. Die Kabel (35, 45) werden aufgrund dessen, dass sie in dieses Durchgangsloch 824 des Bolzens 82 eingeführt sind, jeweils durch die Halteteile (F4, F5) gehalten. Konkret ist das Durchgangsloch 824 mit einem ersten Abschnitt 825 und einem zweiten Abschnitt 826 in Reihenfolge von der Seite des Kopfs 821 versehen. Der Durchmesser des ersten Abschnitts 825 ist größer als der Durchmesser des zweiten Abschnitts 826.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Ende des Außenkabels (355, 455) der Kabel (35, 45) in den ersten Abschnitt 825 eingeführt. Mit anderen Worten erstreckt sich das Außenkabel (355, 455) von den Aktuatoren (1, 2) zu dem Bolzen 82 der Halteteile (F4, F5). Andererseits ist die Länge des Innenkabels (356, 456) der Kabel (35, 45) länger als das Außenkabel (355, 455). Das Innenkabel (356, 456) der Kabel (35, 45) erstreckt sich dadurch mittels des zweiten Abschnitts 826 des Durchgangslochs 824 zu der Außenseite.
Die distalen Enden der Innenkabel (356, 456) sind jeweils mit den Aktuatoren (1, 2) gekoppelt und die proximalen Enden sind jeweils mit den ersten Seilen (37, 47) gekoppelt. Die Entlastungskräfte, welche durch die Aktuatoren (1, 2) zugeführt werden, werden mittels der Innenkabel (356, 456) jeweils an die ersten Seile (37, 47) übertragen.
Die Halteeinheiten (F4, F5) sind imstande, durch jeweils Halten der Kabel (35, 45) mit der oben genannten Ausgestaltung Betriebsweisen und Wirkungen wie etwa die folgenden zu erzielen. Das heißt, wenn sich die Kabel (35, 45) vor- und zurück- und von Seite zu Seite bewegen und sich von der Vertikalen neigen, während der Nutzer W geht, drehen und verschieben sich die Lagerkugeln 83 in der Förderrichtung der Kabel (35, 45), womit es ermöglicht wird, Reibung der Kabel (35, 45) in den Halteteilen (F4, F5) daran zu hindern, aufzutreten. Ein Verlust der Entlastungskräfte, welche von den Aktuatoren (1, 2) übertragen werden, kann dadurch unterbunden werden. Zudem kann verhindert werden, dass die Kabel (35, 45) aufgrund von Reibung geschnitten werden.
Es sei angemerkt, dass die Ausgestaltung zum Halten der Kabel (35, 45) in den Halteteilen (F4, F5) mittels der Lagerkugeln 83 nicht auf das oben genannte Beispiel beschränkt sein muss und gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden kann. Freiheitsgrade können in der Förderrichtung der Kabel (35, 45) dadurch bereitgestellt werden, dass die Halteeinheiten (F4, F5) mit Lagern wie etwa Lagerkugeln versehen sind und die Kabel (35, 45) mittels der Lager gehalten werden. Die Freiheitsgrade in der Förderrichtung der Kabel (35, 45) werden durch die Wirkungsweise von Lagern wie etwa Drehen und Verschieben verwirklicht. Analog zu dem Vorangehenden kann dadurch Reibung der Kabel (35, 45) in den Halteteilen (F4, F5) daran gehindert werden, aufzutreten.
Es sei angemerkt, dass die Struktur der Halteteile (F4, F5) ebenso in ein Kopplungsteil des distalen Endes der Außenkabel (355, 455) der Tragelemente (3, 4) und der Aktuatoren (1, 2) integriert werden kann. Ein Anbringungsfehler der Antriebswelle der Aktuatoren (1, 2) und der Tragelemente (3, 4) kann dadurch toleriert werden.
Sensor
Als nächstes wird ein Beispiel des Sensors 5 ferner unter Verwendung von 3 beschrieben. 3 veranschaulicht schematisch ein Beispiel des Sensors 5 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Der Sensor 5 ist eingerichtet, um Informationen zu messen, welche das Ungleichgewicht zwischen den jeweils auf die Beine des Nutzers W wirkenden Bodenreaktionskräften angeben. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Sensor 5 durch einen ersten Sensor 51 und einen zweiten Sensor 52 gebildet.
In der vorliegenden Ausführungsform weist der erste Sensor 51 auf einen ersten Kraftsensor 511, welcher auf der Fersenseite (z.B. an dem Fersenabschnitt) der Sohle des Fußes angeordnet ist, und einen zweiten Kraftsensor 512, welcher auf der Zehenseite (z.B. an dem Zehenabschnitt) der Sohle des Fußes angeordnet ist. Der erste Sensor 51 kann zum Beispiel an einer Innensohle des Schuhs angeordnet sein, welchen der Nutzer W an dem Fuß des linken Beins trägt. Der erste Sensor 51 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist dadurch eingerichtet, um eine erste Bodenreaktionskraft zu messen, welche auf die Sohle des Fußes des Beins auf der linken Seite des Nutzers W wirkt.
Analog dazu weist der zweite Sensor 52 auf einen ersten Kraftsensor 521, welcher auf der Fersenseite der Sohle des Fußes angeordnet ist, und einen zweiten Kraftsensor 522, welcher an dem Zehenabschnitt der Sohle des Fußes angeordnet ist. Der zweite Sensor 52 kann zum Beispiel an einer Innensohle des Schuhs angeordnet sein, welchen der Nutzer W an dem Fuß des rechten Beins trägt. Der zweite Sensor 52 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist dadurch eingerichtet, um eine zweite Bodenreaktionskraft zu messen, welche auf die Sohle des Fußes des Beins auf der rechten Seite des Nutzers W wirkt. Wägezellen können zum Beispiel für die Kraftsensoren (511, 512, 521, 522) verwendet werden.
Während des Gehzeitraums kontaktiert die Gesamtoberfläche der Sohlen der Füße der Beine des Nutzers W nicht notwendigerweise den Boden. Es kann ebenso Zeiträume geben, in welchen lediglich der Zehenabschnitt der Sohle des Fußes in Kontakt steht, und Zeiträume, in welchen lediglich der Fersenabschnitt der Sohle des Fußes in Kontakt steht. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Bodenreaktionskraft, welche während des Gehzeitraums auf die Sohle des Fußes jedes Beins wirkt, durch Anordnen der ersten Kraftsensoren (511, 521) an dem Fersenabschnitt und Anordnen der zweiten Kraftsensoren (512, 522) an dem Zehenabschnitt genau gemessen werden. Das Ungleichgewicht zwischen den genau gemessenen Bodenreaktionskräften kann dadurch bei der Bestimmung der Entlastungskraft auf jedes Bein berücksichtigt werden. Zudem können wie oben erwähnt verhältnismäßig günstige Sensoren wie etwa Wägezellen und Krafterfassungswiderstände (FSR) für die Sensoren (51, 52) verwendet werden. Somit können die Herstellungskosten der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100 niedrig gehalten werden.
Steuervorrichtung
Als nächstes wird ein Beispiel der Steuervorrichtung 6 ferner unter Verwendung von 4 beschrieben. 4 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Systemausgestaltung der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100, aufweisend die Steuervorrichtung 6. Die Steuervorrichtung 6 ist ein Computer, welcher eingerichtet ist, um die Vorgänge der Aktuatoren (1, 2) zu steuern.
Das Ungleichgewicht zwischen den jeweils auf die Beine des Nutzers W wirkenden Bodenreaktionskräften wird durch den Sensor 5 gemessen. Die Steuervorrichtung 6 erfasst Informationen, welche das durch den Sensor 5 gemessene Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben. Die Steuervorrichtung 6 bestimmt die jeweiligen Stärken der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft gemäß dem Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften, welches durch die erfassten Informationen angegeben ist. Die Steuervorrichtung 6 steuert dann den ersten Aktuator 1 und den zweiten Aktuator 2 so, dass sie die erste Entlastungskraft und die zweite Entlastungskraft mit den jeweils bestimmten Stärken erzeugen.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Aktuatoren (1, 2) durch pneumatische künstliche Muskeln gebildet. Die Aktuatoren (1, 2) sind mit den Ventilen (11, 21) ausgestattet und die Ventile (11, 21) sind mit dem Verdichter CP verbunden. Ein gemeinsamer Vordruck wird den Ventilen (11, 21) von dem Verdichter CP zugeführt. Die Steuervorrichtung 6 steuert die Ausgangsventile der Ventile (11, 21), um den Druck von verdichteter Luft zu regeln, welcher von den Ventilen (11, 21) ausgegeben wird. Die Steuervorrichtung 6 steuert dadurch die Vorgänge des ersten Aktuators 1 derart, dass die erste Entlastungskraft mit der bestimmten Stärke von dem ersten Aktuator 1 ausgegeben wird. Zudem steuert die Steuervorrichtung 6 die Vorgänge des zweiten Aktuators 2 derart, dass die zweite Entlastungskraft mit der bestimmten Stärke von dem zweiten Aktuator 2 ausgegeben wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird die von dem ersten Aktuator 1 ausgegebene erste Entlastungskraft auf das Bein auf der linken Seite des Nutzers W aufgebracht und die von dem zweiten Aktuator 2 ausgegebene zweite Entlastungskraft wird auf das Bein auf der rechten Seite des Nutzers W aufgebracht.
Hardware-Ausgestaltung
Als nächstes wird ein Beispiel der Hardware-Ausgestaltung der Steuervorrichtung 6 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung von 5 beschrieben. 5 veranschaulicht schematisch ein Beispiel der Hardware-Ausgestaltung der Steuervorrichtung 6 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Wie in 5 dargestellt ist die Steuervorrichtung 6 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Computer, in welchem eine Steuereinheit 61, eine Speichereinheit 62, eine externe Schnittstelle 63, eine Eingabevorrichtung 64, eine Ausgabevorrichtung 65 und ein Laufwerk 66 elektrisch verbunden sind. Es sei angemerkt, dass in 5 die externe Schnittstelle als „externe I/F“ bezeichnet wird.
Die Steuereinheit 61 weist eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit), welche ein Beispiel eines Prozessors ist, einen RAM (Direktzugriffsspeicher) und einen ROM (Festwertspeicher) auf und ist eingerichtet, um eine Informationsverarbeitung auf Grundlage von Programmen und verschiedenen Daten auszuführen. Die Speichereinheit 62 ist ein Beispiel eines Speichers und ist zum Beispiel durch ein Festplattenlaufwerk oder ein Solid-State-Drive gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform speichert die Speichereinheit 62 verschiedene Informationen wie etwa ein Steuerprogramm 90.
Das Steuerprogramm 90 ist ein Programm zum Veranlassen der Steuervorrichtung 6, eine nachstehend beschriebene Informationsverarbeitung (9) bezüglich Steuerung der Aktuatoren (1, 2) auszuführen. Das Steuerprogramm 90 weist eine Reihe von Befehlen der Informationsverarbeitung auf. Eine ausführliche Beschreibung ist nachstehend dargelegt.
Die externe Schnittstelle 63 ist zum Beispiel ein USB(Universal Serial Bus)-Anschluss oder ein dedizierter Anschluss und ist eine Schnittstelle zur Verbindung mit externen Vorrichtungen. Der Typ und die Anzahl externer Schnittstellen 63 kann gemäß dem Typ und der Anzahl zu verbindender externer Vorrichtungen zweckmäßig ausgewählt werden. Die externe Schnittstelle 63 kann per Kabel oder drahtlos mit externen Vorrichtungen verbunden sein.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Steuervorrichtung 6 mittels der externen Schnittstelle 63 mit den Ventilen (11, 21) der Aktuatoren (1, 2) verbunden und steuert die Antriebskräfte (Entlastungskräfte), welche von den Aktuatoren (1, 2) ausgegeben werden. Zudem ist die Steuervorrichtung 6 mittels der externen Schnittstelle 63 mit dem Sensor 5, den Linearencodern (15, 25) und den Wägezellen (30, 40) verbunden und erfasst verschiedene Informationen wie etwa Informationen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben, Informationen, welche die Muskelkontraktionsraten der künstlichen Muskeln angeben, und die tatsächlichen Messwerte der Entlastungskräfte.
Die Eingabevorrichtung 64 ist eine Vorrichtung zur Durchführung von Eingaben wie zum Beispiel eine Maus und eine Tastatur. Zudem ist die Ausgabevorrichtung 65 eine Vorrichtung zur Durchführung von Ausgaben wie zum Beispiel eine Anzeige und ein Lautsprecher. Ein Bediener ist imstande, die Steuervorrichtung 6 unter Anwendung der Eingabevorrichtung 64 und der Ausgabevorrichtung 65 zu bedienen. Der Bediener ist zum Beispiel der Nutzer W selbst oder ein Assistent, welcher beim durch den Nutzer W betriebenen Training hilft.
Das Laufwerk 66 ist zum Beispiel ein CD-Laufwerk oder ein DVD-Laufwerk und ist eine Laufwerksvorrichtung zum Laden von in dem Speichermedium 91 gespeicherten Programmen. Der Typ von Laufwerk 66 kann gemäß dem Typ von Speichermedium 91 zweckmäßig ausgewählt werden. Das Steuerprogramm 90 kann in diesem Speichermedium 91 gespeichert sein.
Das Speichermedium 91 ist ein Medium zum Speichern von Programmen oder anderen Informationen durch eine elektrische, magnetische, optische, mechanische oder chemische Wirkungsweise derart, dass die aufgezeichneten Programme oder anderen Informationen per Computer, Vorrichtung, Maschine oder dergleichen lesbar sind. Die Steuervorrichtung 6 kann das Steuerprogramm 90 aus diesem Speichermedium 91 erfassen.
Hierbei veranschaulicht 5 ein Speichermedium vom Scheibentyp wie etwa eine CD oder DVD als Beispiel des Speichermediums 91. Der Typ von Speichermedium 91 muss jedoch nicht auf Speichermedien vom Scheibentyp beschränkt sein, sondern kann ein anderes als ein Speichermedium vom Scheibentyp sein. Beispiele von Speichermedien außer Medien vom Scheibentyp umfassen einen Halbleiterspeicher wie etwa einen Flash-Speicher.
Es sei angemerkt, dass bezüglich der konkreten Hardware-Ausgestaltung der Steuervorrichtung 6 Bestandteile gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgelassen, ersetzt und hinzugefügt werden können. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 61 eine Vielzahl von Prozessoren aufweisen. Die Prozessoren können durch Mikroprozessoren, FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays), DSPs (digitale Signalprozessoren) und dergleichen gebildet sein. Die Speichereinheit 62 kann durch den RAM und ROM gebildet sein, welche in der Steuereinheit 61 enthalten sind. Auf die externe Schnittstelle 63 und/oder die Eingabevorrichtung 64 und/oder die Ausgabevorrichtung 65 und/oder das Laufwerk 66 kann verzichtet werden. Die Steuervorrichtung 6 kann durch eine Vielzahl von Computern gebildet sein. In diesem Fall können die Hardware-Ausgestaltungen der Computer übereinstimmen oder nicht. Zudem kann abgesehen davon, dass sie eine Informationsverarbeitungsvorrichtung ist, welche ausschließlich für die Leistung ausgelegt ist, welche bereitgestellt ist, die Steuervorrichtung 6 ein Mehrzweck-PC (Personal Computer) sein.
Software-Ausgestaltung
Als nächstes wird ein Beispiel der Software-Ausgestaltung der Steuervorrichtung 6 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung von 6 beschrieben. 6 veranschaulicht schematisch ein Beispiel der Software-Ausgestaltung der Steuervorrichtung 6 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Die Steuereinheit 61 der Steuervorrichtung 6 extrahiert das in der Speichereinheit 62 gespeicherte Steuerprogramm 90 an den RAM. Die Steuereinheit 61 verwendet dann die CPU, um die Befehle zu interpretieren, welche in dem an den RAM extrahierten Steuerprogramm 90 enthalten sind, und führt durch Steuern der Bestandteile eine Informationsverarbeitung entsprechend den Befehlen aus. Wie in 6 dargestellt ist die Steuervorrichtung 6 gemäß der vorliegenden Ausführungsform dadurch als Computer in Betrieb, welcher mit einer Informationserfassungseinheit 611, einer Entlastungskraftbestimmungseinheit 612, einer Entlastungsanweisungseinheit 613, einer Designationsempfangseinheit 614 und einer Anfangseinstelleinheit 615 als Softwaremodulen versehen ist. Das heißt, in der vorliegenden Ausführungsform werden die Softwaremodule der Steuervorrichtung 6 durch die Steuereinheit 61 (CPU) verwirklicht.
Die Informationserfassungseinheit 611 erfasst Informationen, welche das durch den Sensor 5 gemessene Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben. In der vorliegenden Ausführungsform erfasst die Informationserfassungseinheit 611 ferner Informationen, welche die durch die Linearencoder (15, 25) gemessenen jeweiligen Muskelkontraktionsraten der die Aktuatoren (1, 2) bildenden künstlichen Muskeln angeben. Zudem erfasst die Informationserfassungseinheit 611 Informationen, welche die jeweiligen tatsächlichen Messwerte der durch die Aktuatoren (1 und 2) zugeführten Entlastungskräfte angeben, welche durch die Wägezellen (30 und 40) gemessen werden.
Die Entlastungskraftbestimmungseinheit 612 bestimmt die jeweiligen Stärken der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft gemäß dem Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften, welches durch die erfassten Informationen angegeben ist. Die Entlastungsanweisungseinheit 613 steuert den ersten Aktuator 1 und den zweiten Aktuator 2 so, dass sie die erste Entlastungskraft und die zweite Entlastungskraft mit den jeweils bestimmten Stärken erzeugen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften dargestellt durch ein erstes Verhältnis der auf das Bein auf der linken Seite wirkenden Bodenreaktionskraft zu dem Gesamtbetrag der auf beide Beine wirkenden Bodenreaktionskräfte und ein zweites Verhältnis der auf das Bein auf der rechten Seite wirkenden Bodenreaktionskraft zu dem Gesamtbetrag der auf beide Beine wirkenden Bodenreaktionskräfte. Bestimmen der jeweiligen Stärken der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft umfasst Bestimmen der Stärke der zweiten Entlastungskraft gemäß dem ersten Verhältnis und Bestimmen der Stärke der ersten Entlastungskraft gemäß dem zweiten Verhältnis.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Sensor 5 durch den ersten Sensor 51 und den zweiten Sensor 52 gebildet. Somit umfasst Erfassen von Informationen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben, Erfassen des durch den ersten Sensor 51 gemessenen Werts der ersten Bodenreaktionskraft und des durch den zweiten Sensor 52 gemessenen Werts der zweiten Bodenreaktionskraft. Das erste Verhältnis ist das Verhältnis des Werts der ersten Bodenreaktionskraft zu dem Gesamtwert der ersten Bodenreaktionskraft und der zweiten Bodenreaktionskraft und das zweite Verhältnis ist das Verhältnis des Werts der zweiten Bodenreaktionskraft zu dem Gesamtwert der ersten Bodenreaktionskraft und der zweiten Bodenreaktionskraft. Es sei angemerkt, dass in der vorliegenden Ausführungsform der Messwert der ersten Bodenreaktionskraft der Gesamtwert der Bodenreaktionskräfte ist, welche durch den ersten Kraftsensor 511 und den zweiten Kraftsensor 512 gemessen werden. Analog dazu ist der Messwert der zweiten Bodenreaktionskraft der Gesamtwert der Bodenreaktionskräfte, welche durch den ersten Kraftsensor 521 und den zweiten Kraftsensor 522 gemessen werden.
Die Beziehung zwischen den Verhältnissen und den Entlastungskräften kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst Bestimmen der Stärke der zweiten Entlastungskraft gemäß dem ersten Verhältnis Erhöhen der zweiten Entlastungskraft in dem Maße, in dem sich das erste Verhältnis erhöht, und Reduzieren der zweiten Entlastungskraft in dem Maße, in dem sich das erste Verhältnis verringert. Analog dazu umfasst Bestimmen der Stärke der ersten Entlastungskraft gemäß dem zweiten Verhältnis Erhöhen der ersten Entlastungskraft in dem Maße, in dem sich das zweite Verhältnis erhöht, und Reduzieren der ersten Entlastungskraft in dem Maße, in dem sich das zweite Verhältnis verringert.
Das Verfahren zur Verwirklichung dieser Beziehung zwischen den Verhältnissen und den Entlastungskräften kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden. Die Beziehung zwischen den Verhältnissen und den Entlastungskräften kann zum Beispiel durch eine vorbestimmte Funktion definiert sein. In der vorliegenden Ausführungsform ist Bestimmen der Stärke der zweiten Entlastungskraft gemäß dem ersten Verhältnis durch Berechnen eines ersten Produkts des ersten Verhältnisses und einer ersten Proportionalitätskonstante, Berechnen einer ersten Summe des berechneten ersten Produkts und eines ersten konstanten Terms und Anwenden der berechneten ersten Summe als den Wert der zweiten Entlastungskraft gebildet. Analog dazu ist Bestimmen der Stärke der ersten Entlastungskraft gemäß dem zweiten Verhältnis durch Berechnen eines zweiten Produkts des zweiten Verhältnisses und einer zweiten Proportionalitätskonstante, Berechnen einer zweiten Summe des berechneten zweiten Produkts und eines zweiten konstanten Terms und Anwenden der berechneten zweiten Summe als den Wert der ersten Entlastungskraft gebildet. Das heißt, in der vorliegenden Ausführungsform ist die Beziehung zwischen den Verhältnissen und den Entlastungskräften durch eine lineare Funktion dargestellt. Die konstanten Terme beschreiben die Verzerrung der Entlastungskräfte.
Hierbei wird ein Beispiel des oben genannten Prozesses des Berechnens der Entlastungskräfte und des Steuerns der Aktuatoren (1, 2) unter Verwendung der 7 und 8 ausführlich beschrieben. 7 zeigt ein Beispiel des Prozesses des Berechnens der Entlastungskräfte und des Steuerns der Aktuatoren (1, 2). 8 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen dem Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften und den Entlastungskräften. Zuerst erfasst wie in 7 dargestellt die Informationserfassungseinheit 611 die jeweiligen Werte der Bodenreaktionskräfte, welche durch die den Sensor 5 bildenden Sensoren (51 und 52) gemessen werden, als Informationen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben. Ein Wert F_FP der Bodenreaktionskraft ist durch die folgende Formel 1 dargestellt.
Formel 1 $F_{F P} = [\begin{matrix} F_{L H} \\ F_{L T} \\ F_{R H} \\ F_{R T} \end{matrix}]$
F_LH steht für den Messwert, welcher durch den ersten Kraftsensor 511 des ersten Sensors 51 erlangt wird, und F_LT steht für den Messwert, welcher durch den zweiten Kraftsensor 512 erlangt wird. Mit anderen Worten ist der Gesamtwert von F_LH und FLT ein Beispiel des Werts der ersten Bodenreaktionskraft. Zudem steht F_RH für den Messwert, welcher durch den ersten Kraftsensor 521 des zweiten Sensors 52 erlangt wird, und FRT steht für den Messwert, welcher durch den zweiten Kraftsensor 522 erlangt wird. Das heißt, der Gesamtwert von F_RH und F_RT ist ein Beispiel des Werts der zweiten Bodenreaktionskraft. Die Informationserfassungseinheit 611 berechnet das erste Verhältnis und das zweite Verhältnis durch Ausrechnen der folgenden Formeln 2 und 3.
Formel 2 $R_{L} (F_{F P}) = \frac{F_{L H} + F_{L T}}{F_{L H} + F_{L T} + F_{R H} + F_{R T}}$

Formel 3 $R_{R} (F_{F P}) = \frac{F_{R H} + F_{R T}}{F_{L H} + F_{L T} + F_{R H} + F_{R T}}$
R_L(F_FP) steht für ein Beispiel des ersten Verhältnisses und R_R(F_FP) steht für ein Beispiel des zweiten Verhältnisses. Das heißt, in der vorliegenden Ausführungsform ist das erste Verhältnis als das Verhältnis des Werts der ersten Bodenreaktionskraft zu dem Gesamtwert der ersten Bodenreaktionskraft und der zweiten Bodenreaktionskraft dargestellt. Das zweite Verhältnis ist als das Verhältnis des Werts der zweiten Bodenreaktionskraft zu dem Gesamtwert der ersten Bodenreaktionskraft und der zweiten Bodenreaktionskraft dargestellt.
Als nächstes bestimmt die Entlastungskraftbestimmungseinheit 612 die Stärken der Entlastungskräfte (Zielwert 70) gemäß den jeweiligen erlangten Verhältnissen. Konkret bestimmt unter Verwendung der folgenden Formel 4 die Entlastungskraftbestimmungseinheit 612 die Stärke der zweiten Entlastungskraft gemäß dem ersten Verhältnis und bestimmt die Stärke der ersten Entlastungskraft gemäß dem zweiten Verhältnis.
Formel 4 $f_{F r e f} (F_{F P}) = [\begin{matrix} α_{L} R_{R} (F_{F P}) + β_{L} \\ α_{R} R_{L} (F_{F P}) + β_{R} \end{matrix}] = [\begin{matrix} F_{L r e f} \\ F_{R r e f} \end{matrix}] = F_{r e f}$
f_Fref (F_FP) steht für ein Beispiel einer Funktion, welche den Zielwert 70 beschreibt. Fref steht für den berechneten Zielwert 70. F_Lref steht für die Stärke der bestimmten ersten Entlastungskraft. F_Rref steht für die Stärke der bestimmten zweiten Entlastungskraft. α_R ist ein Beispiel der ersten Proportionalitätskonstante und β_R ist ein Beispiel des ersten konstanten Terms. α_L ist ein Beispiel der zweiten Proportionalitätskonstante und β_L ist ein Beispiel des zweiten konstanten Terms.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die erste Proportionalitätskonstante auf einen positiven Wert festgelegt. Wie in 8 dargestellt kann die Stärke der zweiten Entlastungskraft dadurch derart bestimmt werden, dass sich die zweite Entlastungskraft in dem Maße erhöht, in dem sich das erste Verhältnis erhöht, und sich die zweite Entlastungskraft in dem Maße verringert, in dem sich das erste Verhältnis verringert. Analog dazu ist in der vorliegenden Ausführungsform die zweite Proportionalitätskonstante auf einen positiven Wert festgelegt. Die Stärke der ersten Entlastungskraft kann dadurch derart bestimmt werden, dass sich die erste Entlastungskraft in dem Maße erhöht, in dem sich das zweite Verhältnis erhöht, und sich die erste Entlastungskraft in dem Maße verringert, in dem sich das zweite Verhältnis verringert. Die konstanten Terme (β_R, β_L) beschreiben die Verzerrung der Entlastungskräfte.
Es sei angemerkt, dass die Horizontalachse der in 8 dargestellten Grafik das zweite Verhältnis zeigt. In dem Beispiel in 8 ist der Gesamtwert der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft auf einen konstanten vorbestimmten Wert festgesetzt. Auf diese Weise kann der Gesamtwert der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft bei einem konstanten vorbestimmten Wert aufrechterhalten werden. Eine Festlegung der Entlastungskraft muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein. Der Gesamtwert der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft muss nicht auf einen konstanten vorbestimmten Wert festgesetzt sein.
Als nächstes erfasst, um eine Vorwärtskopplungssteuerung 71 zu implementieren, die Informationserfassungseinheit 611 Informationen, welche die jeweiligen Muskelkontraktionsraten der die Aktuatoren (1, 2) bildenden künstlichen Muskeln angeben, welche durch die Linearencoder (15, 25) gemessen werden. Eine Muskelkontraktionsrate ε jedes künstlichen Muskels ist durch die folgende Formel 5 dargestellt.
Formel 5 $ε = [\begin{matrix} ε_{L} \\ ε_{R} \end{matrix}]$
ε_L steht für die durch den Linearencoder 15 gemessene Muskelkontraktionsrate des ersten Aktuators 1. ε_R steht für die durch den Linearencoder 25 gemessene Muskelkontraktionsrate des zweiten Aktuators 2. Die Antriebskräfte (Entlastungskräfte), welche durch die Aktuatoren (1, 2) ausgegeben werden, werden jeweils gemäß den Muskelkontraktionsraten der künstlichen Muskeln und dem aufzubringenden Druck von Luft bestimmt. In dieser Hinsicht bestimmt, um eine Ausgabe einer angestrebten Entlastungskraft Fref durch die Vorwärtskopplungssteuerung 71 zu verwirklichen, die Entlastungsanweisungseinheit 613 einen auf die Aktuatoren (1, 2) aufzubringenden Druck P_f unter Verwendung der folgenden Formeln 6 bis 8.
Formel 6 $f_{P A M} (F_{r e f}, ε) = \frac{(P_{u} - P_{l}) F_{r e f} - (P_{u} f_{l} - P_{l} f_{u})}{f_{u} - f_{l}} = [\begin{matrix} P_{L f} \\ P_{R f} \end{matrix}] = P_{f}$

Formel 7 $f_{u} = a_{u} ε^{2} + b_{u} ε + c_{u}$

Formel 8 $f_{l} = a_{l} ε^{2} + b_{l} ε + c_{l}$
f_PAM (F_REF, ε) steht für eine Funktion jeweils zur Berechnung des auf die Aktuatoren (1, 2) aufzubringenden Drucks P_f ausgehend von dem Zielwert 70 (F_ref) der Entlastungskraft und den Muskelkontraktionsraten ε der künstlichen Muskeln. P_u steht für den Druck, welcher als Referenz auf der Hochdruckseite (im Folgenden auch als „hochdruckseitiger Bezugsdruck“ bezeichnet) dient. P₁ steht für den Druck, welcher als Referenz auf der Niederdruckseite (im Folgenden auch als „niederdruckseitiger Bezugsdruck“ bezeichnet) dient. Der Hochdruckbezugsdruck und der Niederdruckbezugsdruck geben den Luftdruck an, welcher beim Kalibrieren der künstlichen Muskeln in Anwendung gebracht wird. f₁ ist eine Proportionalitätskonstante zur Darstellung der Beziehung zwischen der Kraft des pneumatischen künstlichen Muskels und dem Luftdruck bei dem hochdruckseitigen Bezugsdruck P_u. f_u ist eine Proportionalitätskonstante zur Darstellung der Beziehung zwischen der Kraft des pneumatischen künstlichen Muskels und dem Luftdruck bei dem niederdruckseitigen Bezugsdruck P_l. Diese Proportionalitätskonstanten werden mit einer quadratischen Gleichung bei den jeweiligen Bezugsdrücken P_u und P₁ approximiert. (a_u, b_u, c_u) und (a₁,b₁,c₁) sind Koeffizienten der bei der Approximation verwendeten quadratischen Gleichung. P_Lf steht für den auf den ersten Aktuator 1 aufzubringenden Druck von Luft. P_Rf steht für den auf den zweiten Aktuator 2 aufzubringenden Druck von Luft. Es sei angemerkt, dass in der obenstehenden Beschreibung eine durch Approximation erlangte Modellgleichung des pneumatischen künstlichen Muskels durch eine quadratische Funktion gegeben ist. Die Modellgleichung muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein. Die Modellgleichung kann unter Verwendung einer Funktionsgleichung höherer Ordnung wie zum Beispiel einer Polynomgleichung dritter oder höherer Ordnung, einer trigonometrischen Funktion oder dergleichen approximiert werden.
Zudem erfasst in der vorliegenden Ausführungsform, um den auf die Aktuatoren (1, 2) aufzubringenden Druck durch eine Rückkopplungssteuerung 72 zu korrigieren, die Informationserfassungseinheit 611 Informationen, welche die tatsächlichen Messwerte der Entlastungskräfte auf die Beine des Nutzers W angeben, welche durch die Wägezellen (30, 40) gemessen werden. Ein tatsächlicher Messwert F_PAM jeder Entlastungskraft ist durch die folgende Formel 9 dargestellt.
Formel 9 $F_{P A M} = [\begin{matrix} F_{L P A M} \\ F_{R P A M} \end{matrix}]$
F_LPAM steht für den tatsächlichen Messwert der ersten Entlastungskraft, welcher durch die Wägezelle 30 gemessen wird. F_RPAM steht für den tatsächlichen Messwert der zweiten Entlastungskraft, welcher durch die Wägezelle 40 gemessen wird. Das Verfahren der Rückkopplungssteuerung 72 muss nicht konkret beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgewählt werden. Ein bekanntes Verfahren wie etwa PI-Steuerung und PID-Steuerung kann für die Rückkopplungssteuerung 72 zum Einsatz kommen.
In der vorliegenden Ausführungsform kommt PID-Steuerung als die Rückkopplungssteuerung 72 zum Einsatz. Somit berechnet die Entlastungsanweisungseinheit 613 eine Abweichung e zwischen dem Zielwert (F_ref) und dem tatsächlichen Messwert (F_PAM) jeder Entlastungskraft unter Verwendung der folgenden Formel 10. Die Entlastungsanweisungseinheit 613 berechnet dann auf Grundlage der berechneten Abweichung e unter Verwendung der folgenden Formel 11 einen Korrekturbetrag P_PID des auf jeden Aktuator (1, 2) aufzubringenden Drucks.
Formel 10 $e = [\begin{matrix} e_{L} \\ e_{R} \end{matrix}] = F_{r e f} - F_{P A M} = [\begin{matrix} F_{L r e f} - F_{L P A M} \\ F_{R r e f} - F_{R P A M} \end{matrix}]$

Formel 11 $P_{P I D} = [\begin{matrix} P_{L P I D} \\ P_{R P I D} \end{matrix}] = K_{p} e + K_{d} \dot{e} + T_{i} \int e d t$
e_L steht für die Abweichung zwischen dem Zielwert 70 und dem tatsächlichen Messwert der ersten Entlastungskraft. e_R steht für die Abweichung zwischen dem Zielwert 70 und dem tatsächlichen Messwert der zweiten Entlastungskraft. P_LPID steht für den Korrekturbetrag des auf den ersten Aktuator 1 aufzubringenden Drucks. P_RPID steht für den Korrekturbetrag des auf den zweiten Aktuator 2 aufzubringenden Drucks. K_p steht für die Proportionalverstärkung, K_d steht für die Differenzverstärkung und T_i steht für die Integralverstärkung. Die Verstärkungen können versuchsweise eingestellt werden. Eine Einstellung der Verstärkungen kann zum Beispiel durch ein Sprungantwortverfahren oder ein Schwellenempfindlichkeitsverfahren erfolgen.
Die Entlastungsanweisungseinheit 613 bestimmt einen Wert P des auf die Aktuatoren (1, 2) aufzubringenden Drucks durch Addieren des durch die Rückkopplungssteuerung 72 bestimmten Druckkorrekturbetrags P_PID zu dem durch die Vorwärtskopplungssteuerung 71 bestimmten Druckwert P_f unter Verwendung der folgenden Formel 12.
Formel 12 $P = [\begin{matrix} P_{L} \\ P_{R} \end{matrix} = P_{f} + P_{P I D}]$
P_L steht für den auf den ersten Aktuator 1 aufzubringenden Druck. P_R steht für den auf den zweiten Aktuator 2 aufzubringenden Druck. Die Entlastungsanweisungseinheit 613 regelt den Druck von Luft, welcher von dem Verdichter CP mittels der Ventile (11, 21) an die Aktuatoren (1, 2) ausgegeben wird, durch Erteilen von Anweisungen an die Ventile (11, 21). Die Entlastungsanweisungseinheit 613 steuert dadurch die Aktuatoren (1, 2) derart, dass der bestimmte Druck P auf jeden Aktuator (1, 2) aufgebracht wird und die angestrebte Entlastungskraft von jedem Aktuator (1, 2) ausgegeben wird.
Unter Rückbezugnahme auf 6 empfängt die Designationsempfangseinheit 614 eine Designation der Werte von Parametern zur Bestimmung der Entlastungskräfte wie etwa konstante Terme von Formel 4. Die Anfangseinstelleinheit 615 steuert die Ventile (11, 21) so, dass sie verdichtete Luft mit einem vorbestimmten Druck auf die Aktuatoren (1, 2) aufbringen, nachdem die proximalen Enden (31, 41) der Tragelemente (3, 4) an dem Nutzer W festgemacht werden. Die Anfangseinstelleinheit 615 gibt dann mittels der Ausgabevorrichtung 65 eine Anweisung an den Bediener aus, um die Tragelemente (3, 4) derart zu spannen, dass die Muskelkontraktionsraten, welche durch die Linearencoder (15 und 25) gemessen werden, jeweils einen vorbestimmten Wert erreichen. Die Anfangseinstelleinheit 615 implementiert dadurch eine Anfangseinstellung der die Aktuatoren (1, 2) bildenden künstlichen Muskeln.
Die Softwaremodule der Steuervorrichtung 6 werden mit einem nachstehend beschriebenen Funktionsbeispiel ausführlich beschrieben. Es sei angemerkt, dass in der vorliegenden Ausführungsform ein Beispiel beschrieben wird, in welchem die Softwaremodule der Steuervorrichtung 6 durch eine Mehrzweck-CPU verwirklicht werden. Einige oder sämtliche der oben genannten Softwaremodule können jedoch durch einen oder eine Vielzahl von dedizierten Prozessoren verwirklicht werden. Zudem können bezüglich der Software-Ausgestaltung der Steuervorrichtung 6 Softwaremodule gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgelassen, ersetzt und hinzugefügt werden.
2. Funktionsbeispiel
Als nächstes wird ein Funktionsbeispiel der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100 unter Verwendung von 9 beschrieben. 9 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Beispiels einer Verarbeitungsvorgehensweise bezüglich Körpergewichtsentlastung durch die Steuervorrichtung 6 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die nachstehend beschriebene Verarbeitungsvorgehensweise ist ein Beispiel eines Steuerverfahrens. Die nachstehend beschriebene Verarbeitungsvorgehensweise ist jedoch lediglich ein Beispiel und die jeweilige Verarbeitung kann in größtmöglichem Umfang geändert werden. Zudem kann im Hinblick auf die nachstehend beschriebene Verarbeitungsvorgehensweise eine Verarbeitung gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgelassen, ersetzt und hinzugefügt werden.
Vorherige Vorbereitung
Zuerst bewegt sich der Nutzer W unter das Balkenteil F3 des Aufhängers FL und macht die proximalen Enden (31, 41) der Tragelemente (3, 4) an der Nähe seiner Taille fest. Zum Beispiel können die proximalen Enden (381, 391) der Seile (38, 39) des ersten Tragelements 3 jeweils mit einer Seilratsche versehen sein. Der Nutzer W kann die Seilratschen der proximalen Enden (381, 391) an einem Halter anbringen, welcher in der Nähe seiner Taille an der linken Hälfte des Körpers bereitgestellt ist. Analog dazu können die proximalen Enden (481, 491) der Seile (48, 49) des zweiten Tragelements 4 jeweils mit einer Seilratsche versehen sein. Der Nutzer W kann die Seilratschen der proximalen Enden (481, 491) an einem Halter anbringen, welcher in der Nähe seiner Taille an der rechten Hälfte des Körpers bereitgestellt ist. Der Nutzer W ist dadurch imstande, die proximalen Enden (31, 41) der Tragelemente (3, 4) an der Nähe seiner Taille festzumachen. Ein Assistent kann bei diesem Festmachen helfen. Die Steuervorrichtung 6 kann eingerichtet sein, um zum Beispiel durch einen Bedienvorgang durch den Bediener mittels der Eingabevorrichtung 64 zu erkennen, dass die proximalen Enden (31, 41) der Tragelemente (3, 4) an dem Nutzer W festgemacht sind. Als Reaktion darauf kann die Steuervorrichtung 6 die folgende Informationsverarbeitung ausführen.
Schritt S10
In Schritt S10 ist die Steuereinheit 61 als die Anfangseinstelleinheit 615 in Betrieb und gibt eine Anweisung zur Durchführung einer Anfangseinstellung der Aktuatoren (1 und 2) an die Ausgabevorrichtung 65 aus. Beispielsweise steuert die Steuereinheit 61 die Ventile (11, 21) so, dass sie verdichtete Luft mit einem vorbestimmten Druck auf die Aktuatoren (1, 2) aufbringen, nachdem die proximalen Enden (31, 41) der Tragelemente (3, 4) an dem Nutzer W festgemacht werden. Die Steuereinheit 61 gibt dann eine Anweisung zum Veranlassen einer Spannung der Tragelemente (3, 4) an die Ausgabevorrichtung 65 derart aus, dass die Muskelkontraktionsrate, welche durch jeden Linearencoder (15, 25) gemessen wird, einen vorbestimmten Wert erreicht. Der Bediener spannt durch zweckmäßiges Einstellen der Länge jedes Seils (37-39, 47-49) die Tragelemente (3, 4) derart, dass die Muskelkontraktionsrate jedes künstlichen Muskels einen vorbestimmten Wert erreicht. Eine Anfangseinstellung der die Aktuatoren (1, 2) bildenden künstlichen Muskeln ist dadurch vollendet.
Die Antriebskraft eines pneumatischen künstlichen Muskels wird durch den Luftdruck, welcher auf den künstlichen Muskel aufgebracht wird, und die Muskelkontraktionsrate des künstlichen Muskels bestimmt. Die Antriebskraftänderung aufgrund von Variation der Muskelkontraktionsrate verringert sich, wenn der aufgebrachte Luftdruck niedrig ist, und die Antriebskraftänderung aufgrund von Variation der Muskelkontraktionsrate erhöht sich, wenn der aufgebrachte Luftdruck hoch ist. Analog dazu ist die Antriebskraftänderung aufgrund von Variation des Luftdrucks in einem Zustand niedrig, in dem die Muskelkontraktionsrate hoch ist, und die Antriebskraftänderung aufgrund von Variation des Luftdrucks erhöht sich in einem Zustand, in dem die Muskelkontraktionsrate niedrig ist. Somit ist es beim Steuern der Antriebskraft erstrebenswert, dass die Luftdrücke und Muskelkontraktionsraten passend festgelegt werden. Gemäß dieser Anfangseinstellung kann der Zustand des künstlichen Muskels jedes Aktuators (1, 2) initialisiert werden, um zur Steuerung der Entlastungskraft geeignet zu sein. In Schritt S18, welcher nachstehend beschrieben ist, kann die Entlastungskraft, welche für jedes Bein des Nutzers W erzeugt wird, dadurch einfach gesteuert werden.
Es sei angemerkt, dass die vorbestimmten Werte der Drücke und Muskelkontraktionsraten, welche auf die Aktuatoren (1, 2) aufgebracht werden, gemäß der Ausführungsform zweckmäßig festgelegt werden können. Die vorbestimmten Werte können durch Einstellwerte in dem Steuerprogramm 90 bereitgestellt werden oder können durch Eingabe durch den Bediener mittels der Eingabevorrichtung 64 bereitgestellt werden. Die Steuereinheit 61 erkennt auf Grundlage dessen, dass die Messwerte der Muskelkontraktionsraten, welche von den Linearencodern (15 und 25) erlangt werden, die vorbestimmten Werte erreichen, dass die Anfangseinstellung der künstlichen Muskeln vollendet ist. Sobald die Anfangseinstellung der künstlichen Muskeln vollendet ist, setzt die Steuereinheit 61 die Verarbeitung zu dem nächsten Schritt S12 fort.
Schritt S12
In Schritt S12 ist die Steuereinheit 61 als die Designationsempfangseinheit 614 in Betrieb und empfängt eine Designation der Werte von Parametern des Entlastungsbetrags, aufweisend die konstanten Terme (β_R, β_L) von Formel 4. Der Bediener gibt die Werte der Parameter unter Verwendung der Eingabevorrichtung 64 ein.
In der vorliegenden Ausführungsform kann der Gesamtwert der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft bei einem konstanten vorbestimmten Wert aufrechterhalten werden. Als Reaktion darauf kann die Steuereinheit 61 eine Designation der Werte der konstanten Terme (β_R, β_L) und des Gesamtwerts als die Parameter des Entlastungsbetrags empfangen. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Zielwert 70 jeder Entlastungskraft durch Ausrechnen der obenstehenden Formel 4 berechnet. Somit werden in dem Fall, in dem der Gesamtwert der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft bei einem konstanten vorbestimmten Wert aufrechterhalten wird, die Proportionalitätskonstanten (α_R, α_L) als derselbe Wert „(Gesamtwert)-(ß_R+ß_L)“ ermittelt. In diesem Fall können die Stärken der Entlastungskräfte auf die Beine durch Ändern der Werte der konstanten Terme (β_R, β_L) einfach eingestellt werden.
Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem die Summe der konstanten Terme (β_R, β_L) größer als der Gesamtwert der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft ist, der Wert der Proportionalitätskonstanten (α_R, α_L) negativ sein wird, was es schwierig macht, die Entlastungskraft auf das Bein zu reduzieren, wenn das Bein das Standbein ist, und die Entlastungskraft auf das Bein zu erhöhen, wenn das Bein das Schwungbein ist. Somit kann in dem Fall, in dem die Summe der designierten konstanten Terme (β_R, β_L) größer als der designierte Gesamtwert ist, die Steuereinheit 61 einen Fehler zurückgeben und erneut eine Designation der Werte der Parameter empfangen.
Eine Designation der Werte der Parameter muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein. Die Steuereinheit 61 kann eine Designation der Werte der konstanten Terme (β_R, β_L) empfangen, deren Summe größer als der Gesamtwert der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft ist. Zudem muss der Gesamtwert der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft nicht bei einem konstanten vorbestimmten Wert aufrechterhalten werden. In diesem Fall kann die Steuereinheit 61 ferner eine Designation der Werte der Proportionalitätskonstanten (α_R, α_L) als Parameter des Entlastungsbetrags empfangen.
Es sei angemerkt, dass gemäß nachstehend beschriebenen Versuchsbeispielen in dem Fall, in dem der Nutzer W ein hemiplegischer Patient ist, das beidseitige Gleichgewicht des Gangzyklus verbessert werden kann, wenn die auf das Bein auf der unbeeinträchtigten Seite aufgebrachte Entlastungskraft auf größer als die auf das Bein auf der gelähmten Seite aufgebrachte Entlastungskraft erhöht wird. Somit ist es, um das beidseitige Gleichgewicht des Gangzyklus zu verbessern, bevorzugt, den konstanten Term auf der unbeeinträchtigten Seite auf einen größeren Wert als den konstanten Term auf der gelähmten Seite festzulegen. Sobald ein Empfang einer Designation der Werte der Parameter vollendet ist, setzt die Steuereinheit 61 die Verarbeitung zu dem nächsten Schritt S14 fort.
Schritt S14
In Schritt S14 ist die Steuereinheit 61 als die Informationserfassungseinheit 611 in Betrieb und erfasst Informationen, welche das durch den Sensor 5 gemessene Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Sensor 5 durch den ersten Sensor 51 und den zweiten Sensor 52 gebildet. Somit erfasst die Steuereinheit 61 Informationen, welche den durch den ersten Sensor 51 gemessenen Wert der ersten Bodenreaktionskraft und den durch den zweiten Sensor 52 gemessenen Wert der zweiten Bodenreaktionskraft angeben, als Informationen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben.
Genauer gesagt sind die Sensoren (51, 52) jeweils durch die ersten Kraftsensoren (511, 521) und die zweiten Kraftsensoren (512, 522) gebildet. Die Steuereinheit 61 erfasst Informationen, welche die durch die Kraftsensoren (511, 512, 521, 522) gemessenen Werte F_FP der Bodenreaktionskräfte angeben. Die Steuereinheit 61 berechnet dann das erste Verhältnis R_L(F_FP) und das zweite Verhältnis R_R(F_FP) gemäß den obenstehenden Formeln 2 und 3. Die Steuereinheit 61 erfasst dadurch Informationen, welche das erste Verhältnis R_L(F_FP) und das zweite Verhältnis R_R(F_FP) angeben, als Informationen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben.
Zudem erfasst die Steuereinheit 61 für die Vorwärtskopplungssteuerung 71 Informationen, welche die durch die Linearencoder (15, 25) gemessenen Muskelkontraktionsraten ε der die Aktuatoren (1, 2) bildenden künstlichen Muskeln angeben. Konkret können die Längen der die Aktuatoren (1, 2) bildenden künstlichen Muskeln durch die Linearencoder (15, 25) gemessen werden. Die Steuereinheit 61 ist imstande, die Muskelkontraktionsrate jedes künstlichen Muskels von diesem Messwert abzuleiten. Zum Beispiel ist die Steuereinheit 61 imstande, die Muskelkontraktionsrate ε unter Verwendung der folgenden Formel 13 abzuleiten.
Formel 13 $ε = \frac{(L_{0} - L)}{L_{0}}$
L₀ steht für die natürliche Länge der künstlichen Muskeln und ist durch die Angaben der künstlichen Muskeln im Voraus gegeben. L steht für die Länge der künstlichen Muskeln, welche durch die Linearencoder (15, 25) gemessen wird. Die Steuereinheit 61 ist imstande, durch Einsetzen der Messwerte der Längen der künstlichen Muskeln, welche durch die Linearencoder (15, 25) erlangt werden, in Formel 13 und Ausführen der Berechnung von Formel 13 die Muskelkontraktionsrate ε zu berechnen.
Des Weiteren erfasst die Steuereinheit 61 für die Rückkopplungssteuerung 72 Informationen, welche die tatsächlichen Messwerte F_PAM der durch die Aktuatoren (1, 2) zugeführten Entlastungskräfte angeben, welche durch die Wägezellen (30, 40) gemessen werden.
Es sei angemerkt, dass der Weg zur Erfassung der jeweiligen Informationen nicht konkret beschränkt sein muss und gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgewählt werden kann. Zum Beispiel können der Sensor 5, die Linearencoder (15, 25) und die Wägezellen (30, 40) mittels der externen Schnittstelle 63 mit der Steuervorrichtung 6 direkt verbunden sein. In diesem Fall kann die Steuereinheit 61 die jeweiligen Informationen mittels der externen Schnittstelle 63 direkt von dem Sensor 5, den Linearencodern (15, 25) und den Wägezellen (30, 40) erfassen. Alternativ können der Sensor 5, die Linearencoder (15, 25) und die Wägezellen (30, 40) mit einem anderen Computer verbunden sein. In diesem Fall kann die Steuereinheit 61 die jeweiligen Informationen mittels des anderen Computers indirekt von dem Sensor 5, den Linearencodern (15, 25) und den Wägezellen (30, 40) erfassen. Sobald die jeweiligen Informationen erfasst sind, setzt die Steuereinheit 61 die Verarbeitung zu dem nächsten Schritt S16 fort.
Schritt S16
In Schritt S16 ist die Steuereinheit 61 als die Entlastungskraftbestimmungseinheit 612 in Betrieb und bestimmt die jeweiligen Stärken der ersten Entlastungskraft (F_Lref) und zweiten Entlastungskraft (F_Rref) gemäß dem Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften, welches durch die erfassten Informationen angegeben ist.
In der vorliegenden Ausführungsform setzt die Steuereinheit 61 die in Schritt S12 designierten konstanten Terme (β_R, β_L) und die in Schritt S12 ermittelten oder designierten Proportionalitätskonstanten (α_R, α_L) in Formel 4 ein. Des Weiteren setzt die Steuereinheit 61 die in Schritt S14 erfassten Werte (R_L(F_FP), R_R(F_Fp)) der Verhältnisse in Formel 4 ein. Die Steuereinheit 61 berechnet dann die jeweiligen Zielwerte 70 der Entlastungskräfte Fref oder mit anderen Worten bestimmt die jeweiligen Stärken der Entlastungskräfte Fref durch Ausführen der Berechnung von Formel 4. Sobald die jeweiligen Stärken der Entlastungskräfte Fref bestimmt sind, setzt die Steuereinheit 61 die Verarbeitung zu dem nächsten Schritt S18 fort.
Es sei angemerkt, dass wenn der Gesamtbetrag der Werte der designierten konstanten Terme (β_R, β_L) in dem Fall, in dem der Gesamtbetrag der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft bei einem konstanten vorbestimmten Wert aufrechterhalten wird, die Werte der Proportionalitätskonstanten (α_R, α_L) negativ sein werden, um die jeweiligen Stärken der Entlastungskräfte Fref gemäß Formel 4 zu bestimmen. Die Steuereinheit 61 kann die jeweiligen Stärken der Entlastungskräfte Fref gemäß Formel 4 unter Verwendung dieser Proportionalitätskonstanten (α_R, α_L) bestimmen, welche negative Werte sind.
In dem Fall, in dem die Absolutwerte der ermittelten Proportionalitätskonstanten (α_R, α_L) größer als der Absolutwert eines der konstanten Terme (β_R, β_L) sind, besteht die Möglichkeit, dass eine Entlastungskraft, welche die Summe der konstanten Terme (β_R, β_L) übersteigt, dem Nutzer W zugeführt wird. Um dies zu verhindern, kann in dem Fall, in dem der Gesamtbetrag der designierten Werte der konstanten Terme (β_R, β_L) größer als oder gleich dem vorbestimmten Wert ist, die Steuereinheit 61 die jeweiligen Stärken der Entlastungskräfte Fref gemäß dem Verhältnis der designierten Werte der konstanten Terme (β_R, β_L) bestimmen.
Selbst in dem Fall, in dem der Gesamtbetrag der konstanten Terme (β_R, β_L), das heißt die Gesamtverzerrung der Entlastungskräfte einen vorbestimmten Wert übersteigt, wird dadurch gewährleistet, dass der Gesamtbetrag der Entlastungskräfte, welche den Beinen zugeführt werden, einen konstanten vorbestimmten Wert nicht übersteigt, und es kann verhindert werden, dass eine Entlastungskraft, welche die angestrebte Stärke übersteigt, auf den Nutzer W wirkt. Zudem können durch Bestimmen der jeweiligen Stärken der Entlastungskräfte Fref gemäß dem Verhältnis der konstanten Terme (β_R, β_L) Entlastungskräfte, welche der Absicht der Festlegungen der konstanten Terme (β_R, β_L) entsprechen, auf die Beine des Nutzers W aufgebracht werden.
Schritt S18
In Schritt S18 ist die Steuereinheit 61 als die Entlastungsanweisungseinheit 613 in Betrieb und steuert den ersten Aktuator 1 und den zweiten Aktuator 2 so, dass sie die erste Entlastungskraft (F_Lref) und die zweite Entlastungskraft (F_Rref) mit den jeweils bestimmten Stärken erzeugen.
In der vorliegenden Ausführungsform bestimmt die Steuereinheit 61 durch die Vorwärtskopplungssteuerung 71 den auf die Aktuatoren (1, 2) aufzubringenden Druck P_f gemäß Formeln 6 bis 8, um eine Ausgabe der angestrebten Entlastungskraft Fref zu verwirklichen. Bei der Vorwärtskopplungssteuerung 71 werden die in Schritt S16 bestimmten Werte der Entlastungskräfte Fref und in Schritt S14 erlangte Informationen in Anwendung gebracht, welche die Muskelkontraktionsraten ε der künstlichen Muskeln angeben.
Zudem berechnet die Steuereinheit 61 durch die Rückkopplungssteuerung 72 den Korrekturbetrag P_PID des auf jeden Aktuator (1, 2) aufzubringenden Drucks auf Grundlage der Abweichung e zwischen dem Zielwert 70 (F_ref) und dem tatsächlichen Messwert (F_PAM) der Entlastungskraft gemäß Formeln 10 und 11. Bei der Rückkopplungssteuerung 72 werden Informationen in Anwendung gebracht, welche die in Schritt S16 bestimmten Werte der Entlastungskräfte Fref und die in Schritt S14 erlangten tatsächlichen Messwerte F_PAM der Entlastungskräfte angeben.
Die Steuereinheit 61 bestimmt dann den Wert P des auf jeden Aktuator (1, 2) aufzubringenden Drucks durch Addieren des durch die Rückkopplungssteuerung 72 bestimmten Druckkorrekturbetrags P_PID zu dem durch die Vorwärtskopplungssteuerung 71 bestimmten Wert P_f des Drucks gemäß Formel 12. Die Steuereinheit 61 regelt den Druck von Luft, welcher von dem Verdichter CP mittels der Ventile (11, 21) an die Aktuatoren (1, 2) ausgegeben wird, durch Erteilen von Anweisungen an die Ventile (11, 21). Die Steuereinheit 61 steuert dadurch die Vorgänge der Aktuatoren (1, 2) derart, dass die angestrebte Antriebskraft (Entlastungskraft) von jedem Aktuator (1 und 2) ausgegeben wird. Sobald eine Ausgabe der Antriebskräfte vollendet ist, setzt die Steuereinheit 61 die Verarbeitung zu dem nächsten Schritt S20 fort.
Schritt S20
In Schritt S20 bestimmt die Steuereinheit 61, ob eine Steuerung der Vorgänge der Aktuatoren (1 und 2) zu beenden ist. Der Auslöser zur Beendigung einer Steuerung kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig festgelegt werden.
Zum Beispiel kann die Steuereinheit 61 mittels der Eingabevorrichtung 64 eine Designation empfangen, um eine Steuerung zu beenden. In diesem Fall bestimmt, solange keine Designation, um eine Steuerung zu beenden, mittels der Eingabevorrichtung 64 eingegeben wird, die Steuereinheit 61, eine Steuerung der Aktuatoren (1, 2) nicht zu beenden. Andererseits bestimmt, sobald eine Designation, um eine Steuerung zu beenden, mittels der Eingabevorrichtung 64 eingegeben wird, die Steuereinheit 61, eine Steuerung der Aktuatoren (1, 2) zu beenden.
Zudem kann zum Beispiel ein Zeitraum zur Fortsetzung einer Steuerung der Aktuatoren (1, 2) (im Folgenden schlicht als „Fortsetzungszeitraum“ bezeichnet) festgelegt werden. In diesem Fall bestimmt, bis der Fortsetzungszeitraum verstreicht, die Steuereinheit 61, eine Steuerung der Aktuatoren (1, 2) nicht zu beenden. Andererseits bestimmt, sobald der Fortsetzungszeitraum verstrichen ist, die Steuereinheit 61, eine Steuerung der Aktuatoren (1, 2) zu beenden.
Es sei angemerkt, dass der Fortsetzungszeitraum durch Eingabe durch den Bediener mittels der Eingabevorrichtung 64 designiert werden kann oder durch einen Einstellwert innerhalb des Steuerprogramms 90 bereitgestellt werden kann. In dem Fall des Empfangens einer Eingabe eines Fortsetzungszeitraums kann die Festlegung des Fortsetzungszeitraums in Schritt S12 erfolgen oder kann getrennt von dem oben genannten Schritt S12 erfolgen. Die Steuereinheit 61 kann einen Zeitgeber (nicht dargestellt) aufweisen, um die verstrichene Zeit nach Steuern der Vorgänge der Aktuatoren (1, 2) zu messen.
In dem Fall, in dem bestimmt wird, eine Steuerung nicht zu beenden, wiederholt die Steuereinheit 61 die Verarbeitung ausgehend von Schritt S14. Andererseits beendet in dem Fall, in dem bestimmt wird, eine Steuerung zu beenden, die Steuereinheit 61 die Verarbeitungsabfolge gemäß diesem Funktionsbeispiel.
3. Merkmale
Wie oben beschrieben sind gemäß der vorliegenden Ausführungsform Aktuatoren (erster Aktuator 1 und zweiter Aktuator 2), welche Entlastungskräfte zuführen, welche auf die Beine des Nutzers W wirken, separat bereitgestellt. Während des Gehzeitraums wird das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften, welche auf die Beine des Nutzers W erforderlich sind, durch den Sensor 5 gemessen. Die Steuervorrichtung 6 bestimmt dann bei der Verarbeitung von Schritten S14 bis S18 die Stärke jeder Entlastungskraft gemäß dem Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften, welche gemessen sind, und steuert die Vorgänge der Aktuatoren (1, 2) so, dass sie die Entlastungskräfte mit den jeweils bestimmten Stärken erzeugen. Das heißt, die Entlastungskräfte auf die Beine des Nutzers W können wie in 8 dargestellt zum Beispiel unter Verwendung des Ungleichgewichts zwischen den Bodenreaktionskräften während des Gehzeitraums als Verwendung individuell und dynamisch eingestellt werden. Dementsprechend können mit der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform die Entlastungskräfte auf das linke und das rechte Bein des Nutzers W während des Gehzeitraums unabhängig und dynamisch geändert werden.
Zudem bestimmt in der vorliegenden Ausführungsform die Steuervorrichtung 6 in dem oben genannten Schritt S16 die Stärke der zweiten Entlastungskraft (F_Rref) auf das rechte Bein gemäß dem ersten Verhältnis (R_L(F_FP)) der auf das linke Bein wirkenden Bodenreaktionskraft. Die Steuervorrichtung 6 bestimmt die Stärke der ersten Entlastungskraft (F_Lref) auf das linke Bein gemäß dem zweiten Verhältnis (R_R(F_FP)) der auf das rechte Bein wirkenden Bodenreaktionskraft. Die Stärke der Entlastungskraft, welche auf das Schwungbein aufgebracht wird, kann dadurch gemäß der Bodenreaktionskraft auf das Standbein bestimmt werden.
Zudem kann in der vorliegenden Ausführungsform durch Festlegen der Proportionalitätskonstanten (α_R, α_L) auf einen positiven Wert die zweite Entlastungskraft (F_Rref) als Reaktion auf eine Erhöhung oder Verringerung des ersten Verhältnisses (R_L(F_FP)) erhöht oder verringert werden. Zudem kann die erste Entlastungskraft (F_Lref) als Reaktion auf eine Erhöhung oder Verringerung des zweiten Verhältnisses (R_R(F_FP)) erhöht oder verringert werden. Das heißt, die Stärke der Entlastungskraft auf jedes Bein kann derart gesteuert werden, dass sich die Entlastungskraft auf das Bein verringert, wenn das Bein das Standbein ist, und sich die Entlastungskraft auf das Bein erhöht, wenn das Bein das Schwungbein ist. Eine Entlastungskraft kann dadurch so erzeugt werden, dass sie die Handlung des Anhebens des Beins während der Gehbewegung vergleichsweise stark unterstützt. Zudem wird ein Szenario vorausgesetzt, in welchem ein hemiplegischer Patient die Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet. In diesem Szenario kann durch Steuern der oben genannten Entlastungskräfte eine Gewichtsverlagerung von der unbeeinträchtigten Seite zu der gelähmten Seite gefördert werden, wenn der Nutzer eine Tragung mit dem Bein auf der gelähmten Seite beginnt. Das Gleichgewicht während einer beidseitigen Tragung kann dadurch durch Erhöhen des Zeitanteils, welcher mit einer Tragung des Beins auf der gelähmten Seite verbracht wird, verbessert werden.
Zudem ist in der vorliegenden Ausführungsform die Beziehung zwischen den Verhältnissen (R_L(F_FP), R_R(F_Fp)) und den Entlastungskräften (F_Rref,F_Lref) durch eine lineare Funktion gegeben, welche durch die Proportionalitätskonstanten (α_R, α_L) und die konstanten Terme (β_R, β_L) beschrieben ist. Dementsprechend können die Stärken der Entlastungskräfte, welche den Beinen des Nutzers W zugeführt werden, durch die Proportionalitätskonstanten (α_R, α_L) und die konstanten Terme (β_R, β_L) einfach eingestellt werden, wodurch es einem Trainingsprogramm ermöglicht wird, gemäß verschiedenen Zuständen des Nutzers W erstellt zu werden.
Zudem wird in der vorliegenden Ausführungsform in den Tragelementen (3, 4) der Körper des Nutzers W durch die zweiten Seile (38, 48) und die dritten Seile (39, 49) von vorne und hinten angehoben. Zusätzlich sind die zweiten Seile (38, 48) und die dritten Seile (39, 49) an die ersten Endteile (361, 461) und die zweiten Endteile (362, 462) der Kopplungseinrichtungen (36, 46) angeschlossen, in welchen die erhöhten Teile (363, 463) weiter nach oben ausgerichtet sind. Ein Schwanken in der Vorne-Hinten-Richtung kann dadurch unterdrückt werden und der Körper des Nutzers W kann stabil angehoben werden. Zudem sind aufgrund dessen, dass die Breite der Halteteile (F4, F5) geringfügig schmaler als die Schulterbreite des Nutzers W ist, die Tragelemente (3, 4) in Bezug auf die Schultern des Nutzers W auf der Innenseite angeordnet und der Körper des Nutzers W kann von der Innenseite der Schultern angehoben werden. Die Tragelemente (3, 4) können dadurch den Körper des Nutzers W stabil tragen. Des Weiteren kann aufgrund dessen, dass die Kopplungseinrichtungen (36, 46) ausgebildet sind, um eine Hundebeinform aufzuweisen, und so angeordnet sind, dass sie nach oben weisen, Raum um die Schultern des Nutzers W gesichert werden. Der Nutzer W ist dadurch imstande, während der Gehbewegung einfach seine Schultern zu bewegen und seine Arme zu schwingen. Das heißt, der Nutzer W kann einfach ermutigt werden, eine natürliche Gehbewegung anzunehmen.
4. Modifikationen
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde oben ausführlich beschrieben, die oben dargelegte Beschreibung ist jedoch in jeder Hinsicht lediglich ein veranschaulichendes Beispiel der vorliegenden Erfindung. Selbstverständlich können verschiedene Verbesserungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen. Änderungen wie etwa die folgenden können zum Beispiel vorgenommen werden. Es sei angemerkt, dass im Folgenden analoge Bezugszeichen für Bestandteile verwendet werden, welche analog zu der oben genannten Ausführungsform sind, und auf eine Beschreibung analoger Gesichtspunkte zu der oben genannten Ausführungsform zweckmäßig verzichtet wird. Die folgenden Modifikationen können zweckmäßig kombiniert werden.
4.1
In der oben genannten Ausführungsform werden pneumatische künstliche Muskeln für die Aktuatoren (1, 2) verwendet. Der Typ von Aktuatoren (1, 2) muss jedoch nicht auf pneumatische künstliche Muskeln beschränkt sein. Der Typ von Aktuatoren (1, 2) muss nicht konkret beschränkt sein, sofern Entlastungskräfte zugeführt werden können, und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgewählt werden. Zum Beispiel können pneumatische Zylinder, drahtgewickelte Motoren, serielle elastische Aktuatoren, Hydraulikkolben, Kugelumlaufspindeln oder Direktantriebsmotoren für die Aktuatoren (1, 2) verwendet werden. Unterschiedliche Typen von Aktuatoren können zudem für den ersten Aktuator 1 und den zweiten Aktuator 2 verwendet werden. Zudem können die Aktuatoren (1, 2) durch einen oder eine Vielzahl von Aktuatoren gebildet sein. In dem Fall, in dem die Aktuatoren zwei oder mehr Ausgänge aufweisen, kann einer der Ausgangsabschnitte als der erste Aktuator 1 in Anwendung gebracht werden und ein anderer Ausgangsabschnitt kann als der zweite Aktuator 2 in Anwendung gebracht werden. Zum Beispiel ist ein pneumatischer Zylinder, welcher eine Hin- und Herbewegung durchführt, imstande, eine Ausgabe aus zwei Richtungen zu extrahieren. In diesem Fall wird die Hin- und Herbewegung auf das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften abgestimmt und Ausgaben in den jeweiligen Richtungen können als Ausgaben des ersten Aktuators 1 und des zweiten Aktuators 2 extrahiert werden.
Zudem werden die Ventile (11, 21) und der Verdichter CP als Ausgestaltung zur Steuerung des Luftdrucks in Anwendung gebracht, welcher den künstlichen Muskeln der Aktuatoren (1, 2) zugeführt wird. Die Ausgestaltung zur Steuerung des Luftdrucks, welcher den künstlichen Muskeln zugeführt wird, muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden. Zum Beispiel können separate Verdichter für die Aktuatoren (1, 2) bereitgestellt sein.
4.2
In der oben genannten Ausführungsform weist der Aufhänger FL das Paar Säulenteile (F1, F2), das Balkenteil F3 und das Paar Halteteile (F4, F5) auf. Die Ausgestaltung des Aufhängers FL muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein, sofern die Tragelemente (3, 4) aufgehängt werden können, und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden. Zudem kann in dem Fall, in dem die Tragelemente (3, 4) durch ein anderes Element wie etwa eine Gebäudeinstallation aufgehängt sind, auf den Aufhänger FL verzichtet werden. Zudem kann der Abstand zwischen dem Paar Halteteile (F4, F5) breiter als die Schulterbreite des Nutzers W sein. Die Tragelemente (3, 4) können dadurch auf der Außenseite der Schultern des Nutzers W angeordnet sein und die Entlastungskräfte können in Bezug auf den Körper des Nutzers W in Richtung der Außenseite erzeugt werden.
Zudem weisen in der oben genannten Ausführungsform die Tragelemente (3, 4) die Kabel (35, 45), die Kopplungseinrichtungen (36, 46), die ersten Seile (37, 47), die zweiten Seile (38, 48) und die dritten Seile (39, 49) auf. Die Ausgestaltung der Tragelemente (3, 4) muss jedoch nicht konkret beschränkt sein, sofern die Entlastungskräfte, welche von den Aktuatoren (1, 2) zugeführt werden, an die Beine des Nutzers W übertragen werden können, und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden. Zudem können die Tragelemente (3, 4) ferner mit einer Rückhalteeinrichtung versehen sein, welche die Kopplungseinrichtungen (36, 46) daran hindert, von Seite zu Seite zu schwingen und sich zu drehen.
10 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100A gemäß dieser Modifikation. In dieser Modifikation ist die Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100A ferner mit einer Rückhalteeinrichtung RT versehen. Mit Ausnahme dieses Gesichtspunkts ist die Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100A gemäß dieser Modifikation analog zu der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100 gemäß der oben genannten Ausführungsform gebildet. In dem Beispiel in 10 koppelt die Rückhalteeinrichtung RT die zweiten Endteile (362, 462) der Kopplungseinrichtungen (36, 46). Die Rückhalteeinrichtung RT hindert dadurch die Kopplungseinrichtungen (36, 46) daran, von Seite zu Seite zu schwingen und sich zu drehen. Die Kopplungsposition der Rückhalteeinrichtung RT muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein, sofern die Kopplungseinrichtungen (36, 46) daran gehindert werden können, von Seite zu Seite zu schwingen und sich zu drehen, und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden. Es sei angemerkt, dass das Material dieser Rückhalteeinrichtung RT nicht konkret beschränkt sein muss und gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgewählt werden kann. Zum Beispiel kann ein Material mit Elastizität oder Dämpfungseigenschaften wie etwa eine Blattfeder oder Urethanharz für die Rückhalteeinrichtung RT verwendet werden.
11A veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Körpergewichtsentlastungsvorrichtung, welche mit einer Rückhalteeinrichtung RT2 gemäß einer anderen Ausführungsform versehen ist.
11B veranschaulicht schematisch ein Beispiel der Ausgestaltung der Rückhalteeinrichtung RT2. Die Körpergewichtsentlastungsvorrichtung gemäß dieser Modifikation ist mit einem Paar Rückhalteeinrichtungen RT2 versehen. Mit anderen Worten ist eine Rückhalteeinrichtung RT2 für jede Kopplungseinrichtung (36, 46) bereitgestellt. Die Rückhalteeinrichtung RT2 auf der rechten Seite ist durch Koppeln der Kopplungseinrichtung 46 auf der rechten Seite mit dem Säulenteil F1 auf der rechten Seite eingerichtet, um die Kopplungseinrichtung 46 zurückzuhalten. Die Rückhalteeinrichtung RT2 auf der linken Seite ist durch Koppeln der Kopplungseinrichtung 36 auf der linken Seite mit dem Säulenteil F2 auf der linken Seite eingerichtet, um die Kopplungseinrichtung 36 zurückzuhalten.
Jede Rückhalteeinrichtung RT2 weist ein Paar erster Kopplungsschnüre 1001, eine Feder 1002, eine zweite Kopplungsschnur 1003 und ein Anbringungsteil 1004 auf. Ein Ende der ersten Kopplungsschnüre 1001 der Rückhalteeinrichtung RT2 ist an die jeweiligen Enden (361, 362) (461, 462) der Kopplungseinrichtungen (36) (46) angeschlossen und das andere Ende der ersten Kopplungsschnüre 1001 ist an ein Ende der Feder 1002 angeschlossen. Ein Ende der zweiten Kopplungsschnur 1003 ist an das andere Ende der Feder 1003 angeschlossen und das andere Ende der zweiten Kopplungsschnur 1003 ist an das Anbringungsteil 1004 angeschlossen. Die Kopplungsschnüre (1001, 1003) können eingerichtet sein, um längeneinstellbar zu sein. Das Anbringungsteil 1004 ist eingerichtet, um mit den Säulenteilen (F1, F2) koppelbar zu sein. Das Anbringungsteil 1004 kann zum Beispiel durch einen Magneten gebildet sein. In diesem Fall ist das Anbringungsteil 1004 eingerichtet, um durch Magnetkraft mit den Säulenteilen (F1, F2) koppelbar zu sein. Gemäß dieser Rückhalteeinrichtung RT2 kann durch Koppeln der Kopplungseinrichtungen (36, 46) mit den Säulenteilen (F2, F1) und gleichzeitig Spannen mit der Feder 1002 eine Bewegung der Kopplungseinrichtungen (36, 46) (insbesondere ein Drehschwingen) zurückgehalten werden. Folglich kann gewährleistet werden, dass die Kopplungseinrichtungen (36, 46) während der Gehbewegung nicht auf das Gesicht und den Körper des Nutzers W treffen.
Des Weiteren ist in dieser Modifikation auf der Innenseite der Säulenteile (F1, F2) eine sich vertikal erstreckende Führungsschiene 1103 bereitgestellt und eine Bahn 1101, auf welcher diese Führungsschiene 1103 verschiebbar ist, ist angeordnet. Ein Ende einer Schnur 1102 ist an die Bahn 1101 angeschlossen. Die Schnur 1102 ist um eine Umlenkrolle 1104 gewickelt, welche oberhalb der Bahn 1101 der Säulenteile (F1, F2) bereitgestellt ist. Ein Ende der Feder 1105 ist an das andere Ende der Schnur 1102 angeschlossen und das andere Ende der Feder 1105 ist mittels einer Schnur mit einem Befestigungsteil 1106 gekoppelt. Die Ausgestaltung der Befestigungseinheit 1106 kann frei bestimmt werden. Infolgedessen, dass die Säulenteile (F1, F2) diese Bestandteile aufweisen, ist die Bahn 1101 eingerichtet, um durch die Wirkungsweise der Feder 1105 in der Vertikalrichtung positionseinstellbar zu sein. Das Anbringungsteil 1004 der Rückhalteeinrichtung RT2 ist dadurch imstande, sich als Reaktion auf eine Vertikalbewegung der Kopplungseinrichtungen (36 und 46) auf und ab zu bewegen. Folglich kann selbst dann, wenn die Vertikalposition der Kopplungseinrichtungen (36, 46) aufgrund eines Schwankens des Körpers aufgrund der Gehbewegung, eines Wechsels des Nutzers W und dergleichen geändert wird, eine Bewegung der Kopplungseinrichtungen (36, 46) durch die Rückhalteeinrichtung RT2 zweckmäßig zurückgehalten werden.
Der Umfang jeder Feder (1002, 1105) kann durch einen Gewebeschlauch (1010, 1110) abgedeckt sein. Die Federn (1002, 1105) können dadurch davon abgehalten werden, zu schwingen, selbst ohne einen Dämpfer oder dergleichen zu verwenden. Zudem kann ein Einklemmen der Federn (1002, 1105) verhindert werden.
Es sei angemerkt, dass die Ausgestaltungen der Rückhalteeinrichtung RT2 und der Säulenteile (F1, F2) nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein müssen. Zum Beispiel kann das Anbringungsteil 1004 mit den Säulenteilen (F1, F2) direkt gekoppelt (daran befestigt) sein. Zudem kann zum Beispiel auf die Umlenkrolle 1104 verzichtet werden und die Bahn 1101 kann eingerichtet sein, um mit einem Verfahren außer der Umlenkrolle 1104 nach oben und nach unten positionseinstellbar zu sein.
4.3
In der oben genannten Ausführungsform ist der Sensor 5 durch Kraftsensoren (511, 512, 521, 522) gebildet. Der Sensor 5 muss jedoch nicht bezüglich Typ beschränkt sein, sofern das Ungleichgewicht zwischen den jeweils auf die Beine des Nutzers W wirkenden Bodenreaktionskräften gemessen werden kann, und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgewählt werden. Bewegungserfassungseinrichtungen, Neigungssensoren, myoelektrische Sensoren und Druckverteilungssensoren können zum Beispiel außer Kraftsensoren für den Sensor 5 verwendet werden. Die Neigungssensoren können zum Beispiel durch Beschleunigungssensoren und Gyrosensoren gebildet sein. Diese Neigungssensoren sind imstande, das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften dadurch zu messen, dass sie an der Hüfte oder dergleichen des Nutzers W festgemacht sind. Die myoelektrischen Sensoren können zum Beispiel an den Beinen des Nutzers W festgemacht werden. Die auf die Beine des Nutzers W wirkende Bodenreaktionskraft (insbesondere Vertikalbelastung) kann durch die Myoelektrik geschätzt werden, welche durch die myoelektrischen Sensoren gemessen wird. Zudem können zum Beispiel Sensoren, welche Teildruck messen, wie etwa Drucksensoren (FSR (Krafterfassungswiderstände), PVDF-Film usw.) verwendet werden. In diesem Fall kann der Messwert des Teildrucks, welcher durch den Sensor erlangt wird, annähernd als der Messwert der Bodenreaktionskraft behandelt werden. Zudem wird in der oben genannten Ausführungsform das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften von den Werten der jeweils auf die Sohlen der Füße der Beine wirkenden Bodenreaktionskräfte abgeleitet, welche durch die Kraftsensoren (511, 512, 521, 522) gemessen werden. Das Verfahren zur Ableitung des Ungleichgewichts zwischen den Bodenreaktionskräften muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein.
12 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100B gemäß dieser Modifikation. Die Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100B ist analog zu der Körpergewichtsentlastungsvorrichtung 100 gemäß der oben genannten Ausführungsform gebildet, außer dass der Sensor 5 durch einen Sensor 5A ersetzt ist. Der Sensor 5A ist eingerichtet, um eine Mittelposition der auf die Beine des Nutzers W wirkenden Bodenreaktionskraft als Informationen zu messen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben. Ein Druckverteilungssensor kann zum Beispiel für den Sensor 5A verwendet werden. In dem Fall, in dem der Nutzer W eine Gehbewegung auf einem Laufband übt, kann der Sensor 5A in das Laufband integriert sein.
In diesem Fall kann die Erfassung von Informationen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben, in Schritt S14 Erfassen der gemessenen Mittelposition der Bodenreaktionskraft umfassen. Zudem kann das erste Verhältnis (R_L(F_FP)) als Verhältnis des Werts der Mittelposition der Bodenreaktionskraft zu dem Wert der Position eines Beins (Beins auf linker Seite in der Ausführungsform) dargestellt sein, wenn es auf der Position des anderen Beins (Beins auf rechter Seite in der Ausführungsform) basiert. Analog dazu kann das zweite Verhältnis (R_R(F_FP)) als Verhältnis des Werts der Mittelposition der Bodenreaktionskraft zu dem Wert der Position des anderen Beins dargestellt sein, wenn es auf der Position des einen Beins basiert. Es sei angemerkt, dass der Wert der Position jedes Beins durch den Sensor 5A gemessen werden kann. Alternativ kann ein anderer Sensor verwendet werden, um den Wert der Position jedes Beins zu messen. Eine Bewegungserfassungseinrichtung kann zum Beispiel für den anderen Sensor in Anwendung gebracht werden. Gemäß dieser Modifikation muss der Sensor nicht in einer Position angeordnet sein, welche mit der Sohle des Fußes jedes Beins direkt in Kontakt steht, wodurch der Nutzer W ermutigt wird, sich natürlich zu bewegen. Insbesondere sind die Bestandteile, welche unter der Sohle des Fußes angeordnet sind, flexibel und ermöglichen es dem Nutzer W, natürliche Schritte zu machen.
Zudem sind in der oben genannten Ausführungsform die den Sensor 5 bildenden Sensoren (51, 52) an den Sohlen der Füße (z.B. Sohlen der Schuhe) der Beine des Nutzers W angeordnet. Die Anordnung des Sensors 5 muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein. Eine Anordnung des Sensors 5 kann gemäß dem Typ von Sensor 5 und dem Messverfahren zweckmäßig bestimmt werden. In dem Fall des Messens der Bodenreaktionskräfte, welche jeweils auf die Beine eines Nutzers W wirken, welcher eine Gehbewegung zum Beispiel auf einem Laufband vom geteilten Typ übt, kann der Kraftsensor entsprechend jedem Bein in das Laufband integriert sein.
Zudem sind in der oben genannten Ausführungsform die Sensoren (51, 52) jeweils durch die auf der Fersenseite angeordneten ersten Kraftsensoren (511, 521) und die auf der Zehenseite angeordneten zweiten Kraftsensoren (512, 522) gebildet. Die Ausgestaltung der Sensoren (51, 52) muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden. Die Anzahl an die Sensoren (51, 52) bildenden Kraftsensoren muss nicht auf zwei beschränkt sein und kann eins betragen oder kann drei oder mehr betragen.
Zudem erfolgt in der oben genannten Ausführungsform eine Anfangseinstellung der die Aktuatoren (1, 2) bildenden künstlichen Muskeln durch die Verarbeitung von Schritt S10. Auf diese Verarbeitung von Schritt S10 kann verzichtet werden. Zum Beispiel kann die Anfangseinstellung der künstlichen Muskeln im Voraus erfolgen. In dem Fall, in dem auf die Verarbeitung von Schritt S10 verzichtet wird, kann in der Software-Ausgestaltung der Steuervorrichtung 6 auf die Anfangseinstelleinheit 615 verzichtet werden.
4.4
Zudem kann in der oben genannten Ausführungsform in dem Fall, in dem der Gesamtbetrag der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft bei einem konstanten vorbestimmten Wert aufrechterhalten wird und der Gesamtbetrag der designierten Werte der konstanten Terme (β_R, β_L) größer als oder gleich dem vorbestimmten Wert ist, die Steuervorrichtung 6 in Schritt S16 die Stärken der Entlastungskräfte Fref gemäß dem Verhältnis der designierten Werte der konstanten Terme (β_R, β_L) bestimmen. Das Verfahren zur Bestimmung der Entlastungskräfte Fref muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Steuervorrichtung 6 in einem solchen Fall die designierten Werte der konstanten Terme (β_R, β_L) direkt als die Entlastungskräfte Fref anwenden.
Zudem empfängt in der oben genannten Ausführungsform die Steuervorrichtung 6 in Schritt S12 eine Designation der Werte von Parametern des Entlastungsbetrags, aufweisend die konstanten Terme (β_R, β_L). Auf die Verarbeitung zum Empfang einer Designation der Werte dieser Parameter kann verzichtet werden. Zum Beispiel können zumindest einige der Proportionalitätskonstanten (α_R, α_L) und der konstanten Terme (β_R, β_L) durch Festlegen von Werten innerhalb des Steuerprogramms 90 oder dergleichen im Voraus bereitgestellt sein. In dem Fall, in dem auf die Verarbeitung von Schritt S12 verzichtet wird, kann in der Software-Ausgestaltung der Steuervorrichtung 6 auf die Designationsempfangseinheit 614 verzichtet werden.
Zudem ist in der oben genannten Ausführungsform die Beziehung zwischen den Verhältnissen (R_L(F_FP), R_R(F_Fp) ) und den Entlastungskräften (F_Rref,F_Lref) durch eine lineare Funktion gegeben, welche durch die Proportionalitätskonstanten (α_R, α_L) und die konstanten Terme (β_R, β_L) beschrieben ist. Die Beziehung zwischen den Verhältnissen (R_L (F_FP) , R_R(F_FP)) und den Entlastungskräften (F_Rref,F_Lref) muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig festgelegt werden. Zum Beispiel kann die Beziehung zwischen den Verhältnissen (R_L(F_FP), R_R(F_FP) ) und den Entlastungskräften (F_Rref,F_Lref) durch eine Funktion außer einer linearen Funktion wie etwa eine Funktion n-ter Ordnung (wobei n eine natürliche Zahl von 2 oder mehr ist), eine trigonometrische Funktion und eine logarithmische Funktion beschrieben sein.
Zudem erhöht sich (verringert sich) in der oben genannten Ausführungsform in dem Fall, in dem die Proportionalitätskonstanten (α_R, α_L) auf positive Werte festgelegt sind, die zweite Entlastungskraft (F_Rref) als Reaktion auf eine Erhöhung (Verringerung) des ersten Verhältnisses (R_L(F_FP)) und die erste Entlastungskraft (F_Lref) erhöht sich (verringert sich) als Reaktion auf eine Erhöhung (Verringerung) des zweiten Verhältnisses (R_R(F_FP)). Das Verfahren zur Bereitstellung einer solchen Beziehung muss nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein. Zudem kann diese Beziehung umgekehrt werden. Das heißt, die zweite Entlastungskraft (F_Rref) kann sich als Reaktion auf eine Erhöhung des ersten Verhältnisses (R_L(F_FP)) verringern und die zweite Entlastungskraft (F_Rref) kann sich als Reaktion auf eine Verringerung des ersten Verhältnisses (R_L(F_FP) ) erhöhen. Analog dazu kann sich die erste Entlastungskraft (F_Lref) als Reaktion auf eine Erhöhung des zweiten Verhältnisses (R_R(F_FP)) verringern. Die erste Entlastungskraft (F_Lref) kann sich zudem als Reaktion auf eine Verringerung des zweiten Verhältnisses (R_R(F_FP)) erhöhen.
Zudem wird in der oben genannten Ausführungsform die zweite Entlastungskraft (F_Rref) unter Verwendung des ersten Verhältnisses (R_L(F_FP)) als Indikator bestimmt und die erste Entlastungskraft (F_Lref) wird unter Verwendung des zweiten Verhältnisses (R_R(F_FP)) als Indikator bestimmt. Das Verfahren zur Bestimmung der Bodenreaktionskräfte (F_Lref, F_Rref) auf Grundlage des Ungleichgewichts zwischen den Bodenreaktionskräften muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein. Die erste Entlastungskraft (F_Lref) kann unter Verwendung des ersten Verhältnisses (R_L(F_FP)) als Indikator bestimmt werden und die zweite Entlastungskraft (F_Rref) kann unter Verwendung des zweiten Verhältnisses (R_R (F_FP) ) als Indikator bestimmt werden. Die Entlastungskräfte können sich als Reaktion auf eine Erhöhung (Verringerung) der jeweiligen Verhältnisse erhöhen (verringern). Zudem kann diese Beziehung umgekehrt werden.
Zudem ist in der oben genannten Ausführungsform das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften durch die Verhältnisse (R_L (F_FP) , R_R(F_Fp) ) der Bodenreaktionskräfte dargestellt. Das Verfahren zur Darstellung des Ungleichgewichts zwischen den Bodenreaktionskräften muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden. Zum Beispiel kann der Messwert eines Sensors, welcher imstande ist, eine Druckverteilung zu messen, wie etwa eines Flächendrucksensors oder eines Druckverteilungssensors direkt als das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften erfasst werden. Alternativ kann das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften in Bezug auf die Messwerte, welche durch einen Sensor wie etwa einen Elektromyographen oder einen Winkelsensor erlangt werden, im Voraus modelliert werden. In diesem Fall kann das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften durch Eingeben von durch diesen Sensor erlangten Messwerten in eine gegebene Modellgleichung berechnet werden.
Zudem werden in der oben genannten Ausführungsform die Linearencoder (15, 25) verwendet, um jeweils die Muskelkontraktionsraten der die Aktuatoren (1, 2) bildenden künstlichen Muskeln zu messen. Die Linearencoder (15, 25) sind jeweils in den Verbindungsabschnitten zwischen den Aktuatoren (1, 2) und den Tragelementen (3, 4) angeordnet. Der Typ und die Anordnung der Sensoren zur Messung der Muskelkontraktionsraten müssen jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein, sofern die Muskelkontraktionsraten gemessen werden können, und können gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden. Encoder außer den Linearencodern können für die Sensoren zur Messung der Muskelkontraktionsraten in Anwendung gebracht werden.
Zudem werden in der oben genannten Ausführungsform die Wägezellen (30, 40) verwendet, um die jeweils auf die Beine wirkenden Entlastungskräfte zu messen. Die Wägezellen (30, 40) sind jeweils in den Anschlussabschnitten der Kabel (35, 45) und der ersten Seile (37, 47) in den Tragelementen (3, 4) angeordnet. Der Typ und die Anordnung der Sensoren zur Messung der jeweils auf die Beine wirkenden Entlastungskräfte müssen jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein, sofern die Entlastungskräfte auf die Beine gemessen werden können, und können gemäß der Ausführungsform zweckmäßig bestimmt werden.
4.5
In der oben genannten Ausführungsform gibt die Steuervorrichtung 6 die Entlastungskräfte mit Stärken, welche gemäß dem Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften bestimmt sind, ohne Berücksichtigung des Gangzyklus des Nutzers W aus. Der Zeitpunkt zur Ausgabe der Entlastungskräfte muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein. Die Steuervorrichtung 6 kann eingerichtet sein, um den Zeitpunkt zur Erzeugung der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft mit jeweils bestimmten Stärken gemäß dem Gangzyklus einzustellen.
13 veranschaulicht ein Beispiel der Beziehung zwischen der Stärke jeder Entlastungskraft und dem Gangzyklus. In dieser Modifikation erfasst die Steuereinheit 61 Informationen, welche den Gangzyklus angeben (im Folgenden auch als Zyklusinformationen bezeichnet). Das Verfahren zur Erfassung der Zyklusinformationen muss nicht konkret beschränkt sein und kann gemäß der Ausführungsform zweckmäßig ausgewählt werden. Der Gangzyklus kann durch einen anderen Sensor wie zum Beispiel einen Bewegungssensor gemessen werden. Alternativ kann die Steuervorrichtung 6 mit einer Phasenschätzeinrichtung, welche eingerichtet ist, um den Gangzyklus zu schätzen, als Softwaremodul versehen sein. Das heißt, die Steuereinheit 61 kann durch zweckmäßiges Schätzen des Gangzyklus des Nutzers Zyklusinformationen erfassen. Ein bekanntes Verfahren kann als das Verfahren zur Schätzung des Gangzyklus zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann die Steuereinheit 61 den Gangzyklus auf Grundlage von durch den anderen Sensor erlangten Messdaten schätzen. Als anderes Beispiel kann in dem Fall, in dem der Nutzer W die Gehbewegung auf dem Laufband absolviert, der Gangzyklus ausgehend von der Geschwindigkeit des Laufbands und des Zeitpunkts von Fersenauftritten geschätzt werden. Zudem können in der oben genannten Ausführungsform Fersenauftritte der Füße auf Grundlage der Ausgabe der Kraftsensoren (511, 512, 521, 522) des Sensors 5 detektiert werden. In diesem Fall kann die Steuereinheit 61 Informationen, welche die Geschwindigkeit des Laufbands angeben, direkt von dem Laufband oder durch Eingabe durch den Bediener erfassen. Zudem kann die Steuereinheit 61 Fersenauftritte der Füße auf Grundlage der Ausgabe des Sensors 5 detektieren. Die Steuereinheit 61 kann dann ausgehend von der Geschwindigkeit des Laufbands und dem Zeitpunkt der Fersenauftritte den Gangzyklus schätzen.
Als nächstes bestimmt die Steuereinheit 61 die Stärken der zu den jeweiligen Zeitpunkten auszugebenden Entlastungskräfte gemäß dem Gangzyklus, welcher durch die erlangten Zyklusinformationen angegeben ist. Beispielsweise bestimmt die Steuereinheit 61 in Schritt S16 die Stärken der zu jeweiligen Zeitpunkten auszugebenden Entlastungskräfte durch Ausführen der Berechnung der folgenden Formel 14 anstatt der Berechnung der obenstehenden Formel 4.
Formel 14 $F_{t r e f} (t) = [\begin{matrix} F_{L r e f} (t - Δ T_{L}) \\ F_{R r e f} (t - Δ T_{R}) \end{matrix}]$
F_tref entspricht Fref und steht für den Zielwert 70, welcher berechnet wird. ΔT_L steht für den Einstellbetrag des Ausgabezeitpunkts der ersten Entlastungskraft in Bezug auf den Gangzyklus und ΔT_R steht für den Einstellbetrag des Ausgabezeitpunkts der zweiten Entlastungskraft. Die Einstellbeträge können durch Eingabe durch den Bediener designiert werden. Alternativ können die Einstellbeträge gemäß dem Gangzyklus zweckmäßig bestimmt werden. Die Verarbeitung durch die Steuervorrichtung 6 außer der oben genannten kann analog zu der oben genannten Ausführungsform sein. Wie in 13 dargestellt ist die Steuervorrichtung 6 dadurch imstande, die Entlastungskräfte mit jeweiligen Verzögerungen von ΔT_L und ΔT_R auszugeben.
Gemäß dieser Modifikation ist die Steuervorrichtung 6 imstande, die Zeitpunkte zur Ausgabe der Entlastungskräfte durch zweckmäßiges Einstellen von ΔT_L und ΔT_R zeitlich zu variieren. Das Muster jeder Entlastungskraft in Bezug auf den Gangzyklus kann dadurch frei eingestellt werden und folglich ist die Wirkung es Ermöglichens des Nutzers W, ein Training zur Wiederherstellung eines natürlichen Gangs zu absolvieren, welcher beidseitig symmetrisch ist, erwartbar. Zum Beispiel kann durch relatives Ändern des Ausgabezeitpunkts der Entlastungskraft auf das Bein auf der gelähmten Seite der Nutzer W ermutigt werden, mit einem natürlichen Gang zu gehen, welcher beidseitig symmetrisch ist. Es sei angemerkt, dass in dem oben genannten Beispiel die Zeitpunkte zur Ausgabe der Entlastungskräfte jeweils um ΔT_L und ΔT_R verzögert sind. Das Zeitpunkteinstellverfahren muss jedoch nicht auf ein solches Beispiel beschränkt sein. Die Steuervorrichtung 6 kann den Einstellbetrag so bestimmen, dass sie den Zeitpunkt zur Ausgabe jeder Entlastungskraft vorverlegt.
4.6
Zudem kann in der oben genannten Ausführungsform die Steuervorrichtung 6 eingerichtet sein, um die erste Entlastungskraft und/oder die zweite Entlastungskraft zu einem vorbestimmten Zeitpunkt des Gangzyklus um einen sensorischen Schwellenwert zu erhöhen.
14 veranschaulicht ein Beispiel eines Zeitpunkts zum Hinzufügen einer Entlastungskraft eines sensorischen Schwellenwerts (ΔF_L) zu der ersten Entlastungskraft (F_Lref). Es sei angemerkt, dass in 14 die Stärke der ersten Entlastungskraft (F_Lref) zur einfacheren Beschreibung als konstanter Wert dargestellt ist, jedoch durch ein Verfahren der oben genannten Ausführungsform oder Modifikationen bestimmt werden kann. Eine Entlastungskraft des sensorischen Schwellenwerts kann ebenso analog zu der zweiten Entlastungskraft hinzugefügt werden. In dieser Modifikation erfasst die Steuereinheit 61 Zyklusinformationen, welche den Gangzyklus angeben. Die Zyklusinformationen können mit einem Verfahren analog zu der oben genannten Modifikation 4.5 erfasst werden. Die Steuereinheit 61 erhöht dann die Stärke der Zielentlastungskraft um den sensorischen Schwellenwert als Reaktion darauf, dass der Gangzyklus an einem vorbestimmten Zeitpunkt ist. Die Verarbeitung durch die Steuervorrichtung 6 außer der oben genannten kann analog zu der oben genannten Ausführungsform sein.
Der sensorische Schwellenwert kann derart zweckmäßig bestimmt werden, dass der Nutzer W imstande ist, die Änderung der Entlastungskräfte durch somatische Wahrnehmung wahrzunehmen. Der Änderungsbetrag kann somatisch wahrnehmbar, aber geringfügig sein. Der Änderungsbetrag ist größer als der somatisch wahrnehmbare Schwellenwert. Der Schwellenwert des variablen Betrags kann vorab bestimmt werden. Beispielsweise kann der Schwellenwert des Änderungsbetrags durch ein Verfahren wie etwa das folgende bestimmt werden. Zuerst wird eine Entlastungskraft einer beliebigen Stärke festgelegt, um auf den Nutzer W aufgebracht zu werden. Zum Beispiel kann wie in 14 dargestellt die Stärke der Entlastungskraft (in 14 veranschaulichten ersten Entlastungskraft) ein konstanter Wert sein. Der konstante Wert kann der Durchschnittswert der Entlastungskräfte sein, welche in einem Gangzyklus aufgebracht werden. Der Wert des Änderungsbetrags wird dann schrittweise erhöht und es wird mit dem Nutzer W abgestimmt, ob er oder sie die Variation des Entlastungsbetrags wahrnimmt. Der Wert, welcher durch den Nutzer W wahrgenommen werden kann, kann dadurch als der sensorische Schwellenwert des Änderungsbetrags bestimmt werden. Zudem kann der Zeitpunkt zum Hinzufügen einer Entlastungskraft des sensorischen Schwellenwerts frei bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Entlastungskraft des sensorischen Schwellenwerts zu dem Zeitpunkt zur Anweisung des Bewegungsbeginns zum Auftreten auf den Boden mit jedem Fuß hinzugefügt werden. Dieser Zeitpunkt kann durch Eingabe durch den Bediener (z.B. Therapeuten) designiert werden. Gemäß dieser Modifikation kann dem Nutzer W der Gehbewegungszeitpunkt durch somatische Wahrnehmung beigebracht werden. In dem Fall, in dem der Nutzer W ein Training zur Wiederherstellung eines natürlichen Gangs absolviert, welcher beidseitig symmetrisch ist, kann dieses Beibringen des Gehbewegungszeitpunkts durch somatische Wahrnehmung durchgeführt werden, wenn keine Verbesserung der beidseitigen Symmetrie des Gangs erkennbar ist. In diesem Fall kann eine Verbesserung der Symmetrie der Gehbewegung erzielt werden, ohne das Muster der Entlastungskräfte zu stören, welche auf die Beine aufgebracht werden.
Es sei angemerkt, dass als das Verfahren zum Beibringen des Gehbewegungszeitpunkts außer diesem Verfahren unter Verwendung somatischer Wahrnehmung zum Beispiel Verfahren unter Verwendung von Video oder Ton denkbar sind. In dem Fall des Beibringens des Gehbewegungszeitpunkts durch Video muss der Nutzer W dem Video große Aufmerksamkeit schenken. Zudem wird in dem Fall des Beibringens durch Ton der Zeitpunkt mit unterschiedlichen Typen von Ton für das linke und das rechte Bein beigebracht und der Nutzer W muss diese Typen von Ton erkennen. Dementsprechend ist in dem Fall, in dem der Nutzer W zum Beispiel eine ältere Person oder ein Patient mit einer Störung des zentralen Nervensystems ist, die Belastung bei einer Wahrnehmung des Nutzers W der jeweiligen Lernvorgabe hoch und es könnte möglicherweise schwierig sein, den Nutzer W dazu zu bringen, die Gehbewegung wie beigebracht durchzuführen. Zudem könnte, wenn die Aufmerksamkeit des Nutzers W auf Töne gerichtet ist, eine verbale Kommunikation mit der Person, welche die Bewegung beibringt, wie etwa einem Gangübungsassistenten oder Therapeuten möglicherweise behindert werden. Des Weiteren ist ein Beibringen durch Ton in dem Fall schwierig, in dem Sprach- oder Hörstörungen vorliegen. Im Gegensatz dazu kann gemäß dieser Modifikation dem Nutzer W der Gehbewegungszeitpunkt durch somatische Wahrnehmung beigebracht werden, ohne wie oben beschrieben die kognitive Belastung zu erhöhen. Somit ist erwartbar, im Vergleich zu anderen Verfahren die Zeit zu verkürzen, welche erforderlich ist, um den Gehbewegungszeitpunkt beizubringen, und Sicherheit zu verbessern.
5. Anwendungsbeispiele
Als nächstes werden Anwendungsbeispiele beschrieben. Eine Körpergewichtsentlastungsvorrichtung mit einer analogen Ausgestaltung zu der vorliegenden Ausführungsform wurde produziert und ein Gangübungstraining wurde auf einem Laufband mit einem hemiplegischen Patienten durchgeführt.
Erstes Anwendungsbeispiel
In der ersten Ausführungsform wurden die proximalen Enden der Tragelemente an einem Probanden festgemacht, dessen linkes Bein gelähmt war und dessen rechtes Bein unbeeinträchtigt war, und ein Gangübungstraining wurde durchgeführt, während das Körpergewicht des Probanden mit einer analogen Verarbeitungsvorgehensweise zu der oben genannten Ausführungsform teilweise entlastet wurde. Der Gesamtwert der Entlastungskräfte auf die Beine wurde auf einen konstanten Wert (konstanten Wert, welcher auf 7,5%, 10% oder 15% des Körpergewichts festgelegt wurde; in Abhängigkeit von den Bedingungen unterschiedlich) festgelegt. Die auf jedes Bein wirkende Entlastungskraft (der Entlastungsbetrag) wurde durch Ändern der konstanten Terme von Formel 4 eingestellt. Die Gehgeschwindigkeit des Laufbands wurde auf eine Geschwindigkeit eingestellt, mit welcher der Proband in einem Bereich von 1 km/h bis 2 km/h komfortabel gehen könnte. Während ein Training implementiert wurde, wurden jeweils die Standzeit auf der unbeeinträchtigten Seite (dem rechten Bein) und die Standzeit auf der gelähmten Seite (dem linken Bein) gemessen und das Verhältnis der Standzeit auf der gelähmten Seite zu der Standzeit auf der unbeeinträchtigten Seite wurde unter Verwendung der erlangten Messwerte berechnet. Es sei angemerkt, dass sich die beidseitige Differenz der Standzeiten in dem Maße verringert, in dem sich das Verhältnis der Standzeiten 1 annähert, was angibt, dass das beidseitige Gleichgewicht der Gehbewegung gut ist, das heißt der Gang natürlich ist.
Die 15 und 16 zeigen die Berechnungsergebnisse des Verhältnisses der Standzeit auf der gelähmten Seite zu der Standzeit auf der unbeeinträchtigten Seite. Die Horizontalachse der Grafik in 15 zeigt die Summe des Entlastungsbetrags, wenn das Bein auf der gelähmten Seite das Standbein ist, und des Entlastungsbetrags, wenn das Bein auf der gelähmten Seite das Schwungbein ist. Die Horizontalachse der Grafik in 16 zeigt die Summe des Entlastungsbetrags, wenn das Bein auf der unbeeinträchtigten Seite das Standbein ist, und des Entlastungsbetrags, wenn das Bein auf der unbeeinträchtigten Seite das Schwungbein ist. In 15 verschlechtert sich das Verhältnis von Standzeiten in dem Maße, in dem sich die Summe der Entlastungsbeträge erhöht, wohingegen sich in 16 das Verhältnis von Standzeiten in dem Maße verbessert, in dem sich die Summe der Entlastungsbeträge erhöht. Ausgehend von den in den 15 und 16 dargestellten Berechnungsergebnissen wurde ermittelt, dass durch Reduzieren des Entlastungsbetrags auf das Bein auf der gelähmten Seite und Erhöhen des Entlastungsbetrags auf das Bein auf der unbeeinträchtigten Seite das beidseitige Verhältnis von Standzeiten verbessert werden kann und der Proband ermutigt werden kann, natürlich zu gehen. Zudem kann in der oben genannten Ausführungsform ein solcher Vorgang der Entlastungskräfte durch Einstellen der konstanten Terme einfach erzielt werden.
Zweites Anwendungsbeispiel und Bezugsbeispiel
In einem zweiten Anwendungsbeispiel und einem Bezugsbeispiel wurden analog zu der ersten Ausführungsform die proximalen Enden der Tragelemente an einem Probanden festgemacht, dessen linkes Bein gelähmt war und dessen rechtes Bein unbeeinträchtigt war, und ein Gangübungstraining wurde auf einem Laufband durchgeführt, während das Körpergewicht des Probanden mit einer analogen Verarbeitungsvorgehensweise zu der oben genannten Ausführungsform teilweise entlastet wurde. Mit der zweiten Ausführungsform und dem Bezugsbeispiel wurden fünf Versuche durchgeführt. Als gemeinsame Bedingung für die fünf Versuche wurde der Gesamtwert der Entlastungskraft auf die Beine auf einen konstanten Wert (15% des Körpergewichts) festgelegt.
Bei dem ersten Versuch als Bezugsbeispiel wurde das Verfahren zur Bestimmung der Entlastungskräfte geändert und die Entlastungskraft auf jedes Bein wurde auf denselben konstanten Wert festgelegt. Andererseits wurde bei den Versuchen zwei bis fünf als Anwendungsbeispiele die Entlastungskräfte analog zu der oben genannten Ausführungsform bestimmt. Bei dem zweiten Versuch wurden die Werte der konstanten Terme auf „0“ festgelegt. Bei dem dritten Versuch wurde der Wert des konstanten Terms auf der unbeeinträchtigten Seite auf 45% des Gesamtwerts der Entlastungskräfte festgelegt und der Wert des konstanten Terms auf der gelähmten Seite wurde auf „0“ festgelegt. Bei dem vierten Versuch wurde der Wert des konstanten Terms auf der gelähmten Seite auf 45% des Gesamtwerts der Entlastungskräfte festgelegt und der Wert des konstanten Terms auf der unbeeinträchtigten Seite wurde auf „0“ festgelegt. Bei dem fünften Versuch wurden die Werte der konstanten Terme der unbeeinträchtigten Seite und der gelähmten Seite jeweils auf 22,5% des Gesamtwerts der Entlastungskräfte festgelegt. Während bei jedem Versuch ein Training implementiert wurde, wurden die Standzeit auf der unbeeinträchtigten Seite (dem rechten Bein) und die Standzeit auf der gelähmten Seite (dem linken Bein) gemessen und das Verhältnis der Standzeit auf der gelähmten Seite zu der Standzeit auf der unbeeinträchtigten Seite wurde unter Verwendung der erlangten Messwerte berechnet.
17 zeigt die Berechnungsergebnisse des Verhältnisses der Standzeit auf der gelähmten Seite zu der Standzeit auf der unbeeinträchtigten Seite bei jedem Versuch. Die Horizontalachse in 17 zeigt die Nummern der Versuche. Wie in 17 dargestellt verbesserte sich das beidseitige Verhältnis von Standzeiten am meisten bei dem dritten Versuch, bei welchem der Entlastungsbetrag auf der unbeeinträchtigten Seite erhöht wurde, und das beidseitige Verhältnis von Standzeiten verschlechterte sich am meisten bei dem vierten Versuch, bei welchem der Entlastungsbetrag auf der gelähmten Seite erhöht wurde. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurde ermittelt, dass durch Reduzieren des Entlastungsbetrags auf das Bein auf der gelähmten Seite und Erhöhen des Entlastungsbetrags auf das Bein auf der unbeeinträchtigten Seite analog zu der ersten Ausführungsform das beidseitige Verhältnis der Standzeiten verbessert werden kann und der Proband ermutigt werden kann, natürlich zu gehen. Zudem wurde ermittelt, dass das Verfahren zur Bestimmung der Entlastungskräfte gemäß der oben genannten Ausführungsform und das Festlegungsverfahren, bei welchem der Wert des konstanten Terms auf der gelähmten Seite reduziert wird und der Wert des konstanten Terms auf der unbeeinträchtigten Seite erhöht wird, beim Ermutigen des Probanden, auf natürliche Weise zu gehen, wirksam waren.
Bezugszeichenliste

100: Körpergewichtsentlastungsvorrichtung
W: Nutzer
1: Erster Aktuator
11: Ventil
15: Linearencoder
2: Zweiter Aktuator
21: Ventil
25: Linearencoder
CP: Verdichter
3: Erstes Tragelement
30: Wägezelle
31: Proximales Ende
32: Distales Ende
35: Kabel
351: Proximales Ende
352: Distales Ende
36: Kopplungseinrichtung
361: Erster Endteil
362: Zweiter Endteil
363: Erhöhter Teil
37: Erstes Seil
370: Seilklemme
371: Ein Ende
372: Anderes Ende
373: Befestigungselement
38: Zweites Seil
380: Befestigungselement
381: Proximales Ende
382: Distales Ende
39: Drittes Seil
390: Befestigungselement
391: Proximales Ende
392: Distales Ende
4: Zweites Tragelement
40: Wägezelle
41: Proximales Ende
42: Distales Ende
45: Kabel
451: Proximales Ende
452: Distales Ende
46: Kopplungseinrichtung
461: Erster Endteil
462: Zweiter Endteil
463: Erhöhter Teil
47: Erstes Seil
48: Zweites Seil
481: Proximales Ende
482: Distales Ende
49: Drittes Seil
491: Proximales Ende
492: Distales Ende
FL: Aufhänger
F1, F2: Säulenteil
F3: Balkenteil
F4, F5: Halteteil
5: Sensor
51: Erster Sensor
511: Erster Kraftsensor
512: Zweiter Kraftsensor
52: Zweiter Sensor
521: Erster Kraftsensor
522: Zweiter Kraftsensor
6: Steuervorrichtung
61: Steuereinheit
62: Speichereinheit
63: Externe Schnittstelle
64: Eingabevorrichtung
65: Ausgabevorrichtung
66: Laufwerk
90: Steuerprogramm
91: Speichermedium
611: Informationserfassungseinheit
612: Entlastungskraftbestimmungseinheit
613: Entlastungsanweisungseinheit
614: Designationsempfangseinheit
615: Anfangseinstelleinheit
70: Zielwert
71: Vorwärtskopplungssteuerung
72: Rückkopplungssteuerung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005342306 A [0003]
JP 2009195636 A [0003]
JP 2016061302 A [0034]

Claims

Körpergewichtsentlastungsvorrichtung zur Entlastung eines Körpergewichts eines Nutzers, aufweisend: einen ersten Aktuator; einen zweiten Aktuator; ein erstes Tragelement mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei das distale Ende mit dem ersten Aktuator verbunden ist und das proximale Ende an dem Nutzer derart festzumachen ist, dass eine durch den ersten Aktuator zugeführte erste Entlastungskraft auf ein Bein des Nutzers wirkt; ein zweites Tragelement mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei das distale Ende mit dem zweiten Aktuator verbunden ist und das proximale Ende an dem Nutzer derart festzumachen ist, dass eine durch den zweiten Aktuator zugeführte zweite Entlastungskraft auf das andere Bein des Nutzers wirkt; einen Sensor, welcher eingerichtet ist, um Informationen zu messen, welche ein Ungleichgewicht zwischen jeweils auf die Beine des Nutzers wirkenden Bodenreaktionskräften angeben; und eine Steuervorrichtung, welche eingerichtet ist, um Vorgänge des ersten Aktuators und des zweiten Aktuators zu steuern, wobei die Steuervorrichtung die durch den Sensor gemessenen Informationen erfasst, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben, jeweilige Stärken der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft gemäß dem durch die erfassten Informationen angegebenen Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften bestimmt, und den ersten Aktuator und den zweiten Aktuator so steuert, dass sie die erste Entlastungskraft und die zweite Entlastungskraft mit den jeweils bestimmten Stärken erzeugen.
Körpergewichtsentlastungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften dargestellt ist durch ein erstes Verhältnis der auf das eine Bein wirkenden Bodenreaktionskraft zu einem Gesamtbetrag der auf beide Beine wirkenden Bodenreaktionskräfte und ein zweites Verhältnis der auf das andere Bein wirkenden Bodenreaktionskraft zu einem Gesamtbetrag der auf beide Beine wirkenden Bodenreaktionskräfte, und Bestimmen der jeweiligen Stärken der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft umfasst Bestimmen der Stärke der zweiten Entlastungskraft gemäß dem ersten Verhältnis, und Bestimmen der Stärke der ersten Entlastungskraft gemäß dem zweiten Verhältnis.
Körpergewichtsentlastungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei Bestimmen der Stärke der zweiten Entlastungskraft gemäß dem ersten Verhältnis umfasst Erhöhen der zweiten Entlastungskraft in dem Maße, in dem sich das erste Verhältnis erhöht, und Reduzieren der zweiten Entlastungskraft in dem Maße, in dem sich das erste Verhältnis verringert, und Bestimmen der Stärke der ersten Entlastungskraft gemäß dem zweiten Verhältnis umfasst Erhöhen der ersten Entlastungskraft in dem Maße, in dem sich das zweite Verhältnis erhöht, und Reduzieren der ersten Entlastungskraft in dem Maße, in dem sich das zweite Verhältnis verringert.
Körpergewichtsentlastungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei Bestimmen der Stärke der zweiten Entlastungskraft gemäß dem ersten Verhältnis gebildet ist durch Berechnen eines ersten Produkts des ersten Verhältnisses und einer ersten Proportionalitätskonstante, Berechnen einer ersten Summe des berechneten ersten Produkts und eines ersten konstanten Terms, und Anwenden der berechneten ersten Summe als Wert der zweiten Entlastungskraft, und Bestimmen der Stärke der ersten Entlastungskraft gemäß dem zweiten Verhältnis gebildet ist durch Berechnen eines zweiten Produkts des zweiten Verhältnisses und einer zweiten Proportionalitätskonstante, Berechnen einer zweiten Summe des berechneten zweiten Produkts und eines zweiten konstanten Terms, und Anwenden der berechneten zweiten Summe als Wert der ersten Entlastungskraft.
Körpergewichtsentlastungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuervorrichtung ferner eingerichtet ist, um eine Designation jeweiliger Werte des ersten konstanten Terms und des zweiten konstanten Terms zu empfangen.
Körpergewichtsentlastungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei Bestimmen der jeweiligen Stärken der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft Aufrechterhalten eines Gesamtbetrags der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft bei einem konstanten vorbestimmten Wert umfasst, und in einem Fall, in dem ein Gesamtbetrag der jeweiligen designierten Werte des ersten konstanten Terms und des zweiten konstanten Terms größer als oder gleich dem vorbestimmten Wert ist, die Steuervorrichtung die jeweiligen Stärken der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft gemäß einem Verhältnis der jeweiligen designierten Werte des ersten konstanten Terms und des zweiten konstanten Terms bestimmt.
Körpergewichtsentlastungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Sensor gebildet ist durch einen ersten Sensor, welcher eingerichtet ist, um eine erste Bodenreaktionskraft zu messen, welche auf eine Sohle eines Fußes des einen Beins des Nutzers wirkt, und einen zweiten Sensor, welcher eingerichtet ist, um eine zweite Bodenreaktionskraft zu messen, welche auf eine Sohle eines Fußes des anderen Beins des Nutzers wirkt, Erfassen von Informationen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben, umfasst Erfassen von Werten der ersten Bodenreaktionskraft und der zweiten Bodenreaktionskraft, welche jeweils durch den ersten Sensor und den zweiten Sensor gemessen sind, das erste Verhältnis ein Verhältnis eines Werts der ersten Bodenreaktionskraft zu einem Gesamtwert der ersten Bodenreaktionskraft und der zweiten Bodenreaktionskraft ist, und das zweite Verhältnis ein Verhältnis eines Werts der zweiten Bodenreaktionskraft zu einem Gesamtwert der ersten Bodenreaktionskraft und der zweiten Bodenreaktionskraft ist.
Körpergewichtsentlastungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der erste Sensor und der zweite Sensor jeweils einen ersten Kraftsensor, welcher auf einer Fersenseite der Sohle des Fußes angeordnet ist, und einen zweiten Kraftsensor aufweisen, welcher auf einer Zehenseite der Sohle des Fußes angeordnet ist.
Körpergewichtsentlastungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Sensor eingerichtet ist, um eine Mittelposition der Bodenreaktionskraft, welche auf jedes der Beine des Nutzers wirkt, als Informationen zu messen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben, Erfassen von Informationen, welche das Ungleichgewicht zwischen den Bodenreaktionskräften angeben, Erfassen eines Werts der gemessenen Mittelposition der Bodenreaktionskraft umfasst, das erste Verhältnis ein Verhältnis des Werts der Mittelposition der Bodenreaktionskraft zu einem Wert der Position des einen Beins ist, wenn es auf der Position des anderen Beins basiert, und das zweite Verhältnis ein Verhältnis des Werts der Mittelposition der Bodenreaktionskraft zu einem Wert der Position des anderen Beins ist, wenn es auf der Position des einen Beins basiert.
Körpergewichtsentlastungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuervorrichtung ferner eingerichtet ist, um Zeitpunkte zur Erzeugung der ersten Entlastungskraft und der zweiten Entlastungskraft mit den jeweils bestimmten Stärken gemäß einem Gangzyklus einzustellen.
Körpergewichtsentlastungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Steuervorrichtung ferner eingerichtet ist, um die erste Entlastungskraft und/oder die zweite Entlastungskraft zu einem vorbestimmten Zeitpunkt des Gangzyklus um einen sensorischen Schwellenwert zu erhöhen.
Körpergewichtsentlastungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der erste Aktuator und der zweite Aktuator jeweils durch einen pneumatischen künstlichen Muskel gebildet sind.
Körpergewichtsentlastungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der künstliche Muskel jedes der Aktuatoren durch Aufbringen verdichteter Luft mit einem vorbestimmten Druck in einem Zustand, in dem die proximalen Enden der Tragelemente an dem Nutzer festgemacht sind, und Veranlassen der Tragelemente, derart gespannt zu sein, dass eine Muskelkontraktionsrate einen vorbestimmten Wert erreicht, anfangseingestellt ist.
Körpergewichtsentlastungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner aufweisend: einen Aufhänger, welcher das erste Tragelement und das zweite Tragelement derart aufhängt, dass die proximalen Enden des ersten Tragelements und des zweiten Tragelements von oberhalb des Nutzers herunterhängen, wobei das erste Tragelement und das zweite Tragelement jeweils aufweisen: ein Kabel mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, welches durch den Aufhänger aufgehängt ist; eine Kopplungseinrichtung, welche ausgebildet ist, um eine Hundebeinform aufzuweisen, und einen ersten Endteil, einen zweiten Endteil und einen erhöhten Teil aufweist, welcher zwischen den zwei Endteilen angeordnet ist und nach oben ausgerichtet ist; ein erstes Seil, welches den erhöhten Teil der Kopplungseinrichtung und das proximale Ende des Kabels koppelt und eingerichtet ist, um längeneinstellbar zu sein; ein zweites Seil mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei das distale Ende an den ersten Endteil der Kopplungseinrichtung angeschlossen ist; und ein drittes Seil mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei das distale Ende an den zweiten Endteil der Kopplungseinrichtung angeschlossen ist, das distale Ende des Kabels jedes der Tragelemente das distale Ende des Tragelements bildet, und die jeweiligen proximalen Enden des zweiten Seils und des dritten Seils jedes der Tragelemente das proximale Ende des Tragelements bilden.
Körpergewichtsentlastungsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Aufhänger ein Paar Säulenteile aufweist, und die Körpergewichtsentlastungsvorrichtung ferner ein Paar Rückhalteeinrichtungen aufweist, welche durch Koppeln jeweils der Kopplungseinrichtungen mit den Säulenteilen eingerichtet sind, um eine Bewegung der Kopplungseinrichtungen der Tragelemente zurückzuhalten.