JP2008048981A - Standing-up training machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は立ち上がり訓練機に関し、より詳しくは、使用者が立ち上がるときに自力では不足する力のみで立ち上がり動作を支援することにより、立ち上がり訓練を効果的に行わせることが可能であるとともに、使用者が椅子から身体を浮かせて立ち上がり姿勢に移行するための立ち上がり準備動作の訓練を行うこともできる立ち上がり訓練機に関するものである。 The present invention relates to a stand-up training machine, and more specifically, it is possible to effectively perform stand-up training by supporting a stand-up operation only with a force that is insufficient by one's own power when the user stands up. The present invention relates to a stand-up training machine that can also perform a stand-up preparation operation training for lifting a body from a chair and shifting to a stand-up posture.
従来、怪我や病気によって自力での立ち上がりが困難となった患者が、立ち上がり動作のリハビリテーションを行う場合、看護師や理学療養士等の医療従事者が患者に付き添って身体を支えることによって行われていたが、このような従来のリハビリは介助する医療従事者の身体的負担が非常に大きかった。 Conventionally, when patients who have difficulty getting up on their own due to injury or illness are performing rehabilitation of standing up movements, health care workers such as nurses and physiotherapists are accompanied by the patient and supporting the body. However, such conventional rehabilitation has a very heavy physical burden on the medical staff.
このような実情から、介助者を必要とせずに患者が一人で立ち上がり動作を行うことを補助するための装置が提案されている。
このような装置としては、患者の身体に強制的に上向きの変位を加えるものや、患者の身体に上向きに一定の力を加えるものが存在している。前者の例としては、椅子の座面を上昇させるものがあり(例えば、下記特許文献1参照)、後者の例としては、ロープで患者の身体を吊り上げるものがある(例えば、下記特許文献2参照)。
Under such circumstances, there has been proposed an apparatus for assisting a patient to stand up alone without requiring an assistant.
As such a device, there are a device that forcibly applies an upward displacement to the patient's body and a device that applies a certain force upward to the patient's body. As an example of the former, there is one that raises the seating surface of a chair (see, for example,
しかしながら、患者の身体に強制的に上向きの変位を加える方法では、患者の努力とは関係なく自動的に立ち上がってしまうために訓練にはなりにくい。一方、患者の身体に上向きに一定の力を加える方法では、患者の努力が無ければ立ち上がれないので訓練にはなるが、患者が座っている時の姿勢によって立ち上がりに必要な補助力の大きさが異なることや、立ち上がっていく過程で必要な補助力が大きく変化することは考慮されないため、効果的な訓練を行うことは困難である。 However, the method of forcibly applying an upward displacement to the patient's body is difficult to train because it rises automatically regardless of the patient's efforts. On the other hand, in the method of applying a certain upward force to the patient's body, it will be training because it cannot stand up without the patient's effort, but the amount of auxiliary force required for standing up depends on the posture when the patient is sitting. It is difficult to perform effective training because it does not take into account differences or significant changes in the auxiliary power required in the process of getting up.
また、患者が立ち上がる際には、身体が椅子から離れて足の力のみで立ち上がる姿勢(以下、立ち上がり姿勢という)に移行する段階で、動的な重心(重量と慣性力の合力)が足裏長(足裏の長さ)の範囲内に入っていないと転倒してしまう。
そのため、立ち上がり動作のリハビリでは、椅子に座っている状態から立ち上がり姿勢へと移行する立ち上がり準備動作のための訓練も重要であるが、このような訓練を行うための装置は存在しておらず、また患者が自分の意思でかかる訓練を行うことは非常に困難である。
When the patient stands up, the dynamic center of gravity (the combined force of weight and inertial force) is applied to the sole of the foot at the stage where the body moves away from the chair and stands up with only the power of the feet (hereinafter referred to as standing posture). If it is not within the range of the length (the length of the sole), it falls.
Therefore, in the rehabilitation of the standing up movement, training for the standing up preparation movement that shifts from the sitting state to the standing posture is also important, but there is no device for performing such training, It is also very difficult for patients to perform such training on their own will.
本発明は、上記したような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、患者が立ち上がり動作を行うときの姿勢の変化に応じて、その時の姿勢に必要な力のみで患者の立ち上がり動作を補助することにより、効果的な立ち上がり訓練を可能とするとともに、使用者が椅子から身体を浮かせて立ち上がり姿勢に移行するための立ち上がり準備動作の訓練を行うことも可能とする立ち上がり訓練機を提供するものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and in response to a change in posture when the patient is standing up, only the force necessary for the posture at that time is used. A stand-up training machine that enables effective stand-up training by assisting the stand-up operation, and also allows the user to perform a stand-up preparation operation for lifting the body from the chair and shifting to the stand-up position. Is to provide.
請求項1に係る発明は、使用者の身体を上方へと吊り上げる吊り上げ手段と、使用者の立ち上がり動作時に作用する下肢関節モーメントをリアルタイムで推定する関節モーメント計測手段とを具備し、前記吊り上げ手段は、使用者の身体の上方から吊下されて該身体に装着されたロープと、該ロープを上方へ向けて巻き上げるためのモータと、該ロープに加わる張力を使用者の身体に加わる吊り上げ荷重として測定する吊り上げ荷重測定手段と、前記モータの駆動を制御する制御手段とからなり、該制御手段は、予めメモリに記憶された使用者が自力で立ち上がるために必要な下肢関節モーメントと、前記関節モーメント計測手段により推定された下肢関節モーメントの差を算出し、その差がゼロ又は僅かに負となるように、前記モータの駆動を制御して前記吊り上げ荷重を調整することを特徴とする立ち上がり訓練機に関する。
The invention according to
請求項2に係る発明は、使用者が立ち上がり動作を開始して一定時間経過しても立ち上がれない場合に、前記予めメモリに記憶された下肢関節モーメントの値を徐々に減少させることにより前記吊り上げ荷重を徐々に増加させ、使用者が立ち上がれるようになった時の該下肢関節モーメントの値を、予めメモリに記憶された下肢関節モーメントの値と置き換えるための補正手段を備えていることを特徴とする請求項1記載の立ち上がり訓練機に関する。
The invention according to claim 2 is directed to the lifting load by gradually decreasing the value of the lower limb joint moment stored in the memory in advance when the user does not stand up even after a certain period of time has elapsed since the start of the rising motion. And a correction means for replacing the value of the lower limb joint moment when the user can stand up with the value of the lower limb joint moment stored in the memory in advance. The rising training machine according to
請求項3に係る発明は、使用者の立ち上がり動作の速度及び加速度が予め設定された値を超えた場合に、前記予めメモリに記憶された下肢関節モーメントの値を徐々に増加させることにより前記吊り上げ荷重を徐々に減少させ、使用者が前記設定値以下の速度及び加速度で立ち上がれるようになった時の該下肢関節モーメントの値を、予めメモリに記憶された下肢関節モーメントの値と置き換えるための補正手段を備えていることを特徴とする請求項1記載の立ち上がり訓練機に関する。
According to a third aspect of the present invention, when the speed and acceleration of the rising motion of the user exceed preset values, the lifting is performed by gradually increasing the value of the lower limb joint moment stored in the memory in advance. For gradually reducing the load and replacing the value of the lower limb joint moment when the user can stand up at a speed and acceleration below the set value with the value of the lower limb joint moment stored in the memory in advance. The rising training machine according to
請求項4に係る発明は、前記ロープが複数本のロープからなり、該複数本のロープは、夫々異なる角度で使用者の身体を上方へと吊り上げるように配置されていることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の立ち上がり訓練機に関する。
The invention according to claim 4 is characterized in that the rope comprises a plurality of ropes, and the plurality of ropes are arranged so as to lift the user's body upward at different angles. It relates to the stand-up training machine according to any one of
請求項5に係る発明は、前記制御手段は、前記モータの回転角度に基づいて計測されたロープ長さからロープの角度及び下端部位置を算出するとともに、使用者の身体の重心の軌跡が自然な立ち上がり動作時における身体の重心軌跡に沿うように、前記モータの駆動を制御して各ロープの角度及び下端部位置を調整しながら巻き上げることを特徴とする請求項4記載の立ち上がり訓練機に関する。 In the invention according to claim 5, the control means calculates the rope angle and the lower end position from the rope length measured based on the rotation angle of the motor, and the locus of the center of gravity of the user's body is natural. 5. The standing-up training machine according to claim 4, wherein winding is performed while adjusting the angle and the lower end position of each rope by controlling the driving of the motor so as to follow the center of gravity locus of the body at the time of standing up.
請求項6に係る発明は、前記制御手段によるモータの駆動が、インピーダンス制御により行われることを特徴とする請求項1乃至5いずれかに記載の立ち上がり訓練機に関する。
The invention according to claim 6 relates to the standing-up training machine according to any one of
請求項7に係る発明は、前記関節モーメント計測手段が、使用者の足裏が床から受ける反力を測定する床反力測定手段と、使用者の立ち上がり動作時における膝関節、股関節、足首関節のうち、少なくとも膝関節及び足首関節の位置を測定する関節位置測定手段と、前記測定された反力及び関節位置に基づいて、使用者の立ち上がり動作時における関節モーメントを算出する関節モーメント算出手段とを備えていることを特徴とする請求項1乃至6いずれかに記載の立ち上がり訓練機に関する。
The invention according to claim 7 is characterized in that the joint moment measuring means includes a floor reaction force measuring means for measuring a reaction force that the user's sole receives from the floor, and a knee joint, a hip joint, and an ankle joint during the standing motion of the user. A joint position measuring means for measuring at least the positions of the knee joint and the ankle joint, and a joint moment calculating means for calculating a joint moment at the time of the user's rising motion based on the measured reaction force and joint position. It is provided with the standing-up training machine in any one of
請求項8に係る発明は、立ち上がり動作開始時における使用者が訓練機から受ける力を除いた身体のゼロモーメントポイントを算出し、該算出されたゼロモーメントポイントが使用者の足裏長の範囲内にあるか否かを判定する手段、あるいはゼロモーメントポイントの位置をリアルタイムで表示する手段を備えていることを特徴とする請求項1乃至7いずれかに記載の立ち上がり訓練機に関する。
The invention according to claim 8 calculates the zero moment point of the body excluding the force that the user receives from the training machine at the start of the rising motion, and the calculated zero moment point is within the range of the sole length of the user. The starter trainer according to any one of
請求項1に係る発明によれば、使用者が自力で立ち上がるために必要な下肢関節モーメントと、関節モーメント計測手段により推定された下肢関節モーメントの差がゼロ又は僅かに負となるように、ロープによる使用者の吊り上げ荷重を調整することにより、患者が立ち上がり動作を行うときの姿勢の変化に応じて、吊り上げ荷重が調整されるため、その時の患者の姿勢に必要な力と同じもしくは僅かに大きい力で患者の立ち上がり動作が補助されることとなり、効果的な立ち上がり訓練が可能となる。 According to the first aspect of the present invention, the rope is such that the difference between the lower limb joint moment necessary for the user to stand up by himself and the lower limb joint moment estimated by the joint moment measuring means is zero or slightly negative. By adjusting the lifting load of the user, the lifting load is adjusted according to the change in posture when the patient is standing up, so it is the same or slightly larger than the force required for the patient's posture at that time The force assists the patient's standing up motion, and effective standing up training is possible.
請求項2に係る発明によれば、使用者が自力で立ち上がるために必要な下肢関節モーメントが増加した場合に、この増加に対応した設定値の補正を行い、立ち上がり動作を補助することができる。具体的には、使用者が立ち上がり動作を開始した後、一定時間経過しても立ち上がれない場合において、立ち上がり動作を補助する吊り上げ力を増加調整することができるため、使用者の立ち上がり能力の減少に対応した効果的な立ち上がり訓練を行うことが可能となる。 According to the second aspect of the present invention, when the lower limb joint moment necessary for the user to stand up by himself / herself increases, the set value corresponding to the increase is corrected to assist the rising operation. Specifically, when the user does not stand up even after a certain period of time after starting the rising motion, the lifting force that assists the rising motion can be increased and adjusted, thus reducing the user's rising ability. Corresponding and effective start-up training can be performed.
請求項3に係る発明によれば、使用者が自力で立ち上がるために必要な下肢関節モーメントが減少した場合に、この減少に対応した設定値の補正を行い、使用者の立ち上がり動作を補助することができる。具体的には、使用者の立ち上がり動作時の速度及び加速度が設定値を超えた場合において、立ち上がり動作を補助する吊り上げ力を減少調整することができるため、使用者の立ち上がり能力の増加に対応した効果的な立ち上がり訓練を行うことが可能となる。 According to the third aspect of the present invention, when the lower limb joint moment required for the user to stand up by himself / herself is reduced, the set value corresponding to the decrease is corrected to assist the user's rising motion. Can do. Specifically, when the speed and acceleration during the rising motion of the user exceed the set values, the lifting force that assists the rising motion can be adjusted to decrease, so it corresponds to the increase in the rising ability of the user. Effective start-up training can be performed.
請求項4に係る発明によれば、ロープが複数本のロープからなり、該複数本のロープが夫々異なる角度で使用者の身体を上方へと吊り上げるように配置されているため、使用者の立ち上がり時の姿勢の調整を良好に行うことができる。 According to the invention of claim 4, the rope is composed of a plurality of ropes, and the plurality of ropes are arranged so as to lift the user's body upward at different angles. The posture of the hour can be adjusted satisfactorily.
請求項5に係る発明によれば、使用者の身体の重心の軌跡が自然な立ち上がり動作時における身体の重心軌跡に沿うように、モータの駆動を制御して各ロープの角度及び下端部位置を調整しながら巻き上げるため、使用者の立ち上がり時の姿勢を自然なものとすることができる。 According to the fifth aspect of the invention, the angle of each rope and the position of the lower end are controlled by controlling the motor drive so that the locus of the center of gravity of the user's body follows the center of gravity locus of the body at the time of a natural rising motion. Since it winds up while adjusting, the posture of the user when standing up can be made natural.
請求項6に係る発明によれば、制御手段によるモータの駆動がインピーダンス制御により行われるため、制御パラメータでばねや減衰を変更することができ、必要に応じて動きしろを確保することが可能となる。 According to the invention of claim 6, since the motor is driven by the control means by impedance control, the spring and damping can be changed by the control parameter, and it is possible to secure the allowance as required. Become.
請求項7に係る発明によれば、関節モーメント計測手段が、使用者の足裏が床から受ける反力と、使用者の立ち上がり動作時における少なくとも膝関節及び足首関節の位置に基づいて、使用者の立ち上がり動作時における関節モーメントを算出することにより、関節モーメントを簡単且つ正確に算出することができる。 According to the invention of claim 7, the joint moment measuring means is based on the reaction force that the user's sole receives from the floor and the positions of at least the knee joint and ankle joint during the user's standing up motion. The joint moment can be calculated easily and accurately by calculating the joint moment during the start-up operation.
請求項8に係る発明によれば、立ち上がり動作開始時における使用者が訓練機から受ける力を除いた身体のゼロモーメントポイントを算出し、該算出されたゼロモーメントポイントが使用者の足裏長の範囲内にあるか否かを判定すること、あるいは、ゼロモーポイントの位置をリアルタイムで表示し、それを使用者が見ることにより、使用者が自力で立ち上がり動作を行ったときに、立ち上がり可能な姿勢になっているかを判断することができ、立ち上がり姿勢への移行のための訓練を行うことが可能となる。また、リアルタイムでゼロモーメントポイントを使用者が見ることができれば、使用者がどのような動きをすれば正しい立ち上がりの準備になるかを学習しながら訓練することができる。 According to the invention according to claim 8, the zero moment point of the body excluding the force that the user receives from the training machine at the start of the standing motion is calculated, and the calculated zero moment point is the length of the sole of the user's sole. It is possible to stand up when the user performs a stand-up operation by himself / herself by judging whether it is within the range or by displaying the zero-mo point position in real time and seeing it by the user. It is possible to determine whether the posture is achieved and to perform training for shifting to the standing posture. In addition, if the user can see the zero moment point in real time, it is possible to train while learning how the user moves to prepare for a correct rise.
以下、本発明に係る立ち上がり訓練機の好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1は本発明に係る立ち上がり訓練機の模式図であり、図中の矢印は訓練機及び使用者に作用する力を示しており、鉛直下向きの矢印は各部分に作用する重力、鉛直上向きの矢印は各部分に作用する反力(足底から受ける床反力、手からの反力、椅子からの反力)、斜め上向きの矢印はロープに作用する張力を示している。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, a preferred embodiment of a standing-up training machine according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram of a stand-up training machine according to the present invention, where arrows in the figure indicate forces acting on the training machine and the user, and vertical downward arrows indicate gravity acting on each part, vertical upwards. The arrows indicate the reaction force acting on each part (the floor reaction force received from the sole, the reaction force from the hand, the reaction force from the chair), and the diagonally upward arrow indicates the tension acting on the rope.
本発明に係る立ち上がり訓練機は、椅子(C)に座った状態にある訓練機の使用者(S)の身体を上方へと吊り上げる吊り上げ手段と、使用者の立ち上がり動作時における下肢関節モーメントをリアルタイムで推定する関節モーメント計測手段とを備えている。 The standing-up training machine according to the present invention is a lifting means for lifting the body of the user (S) of the training machine sitting on the chair (C) upward, and the lower limb joint moment during the standing-up action of the user in real time. And a joint moment measuring means estimated in (1).
吊り上げ手段は、使用者(S)の身体の上方から吊下されて該身体に装着されたロープ(1)と、ロープ(1)を該身体の上方へ向けて巻き上げるためのモータ(2)と、ロープ(1)に加わる張力を使用者の身体に加わる吊り上げ荷重として測定する吊り上げ荷重測定手段(3)と、モータ(2)の駆動を制御する制御手段(4)とを備えている。 The lifting means includes a rope (1) suspended from above the body of the user (S) and attached to the body, and a motor (2) for winding the rope (1) upward of the body. A lifting load measuring means (3) for measuring the tension applied to the rope (1) as a lifting load applied to the user's body, and a control means (4) for controlling the drive of the motor (2) are provided.
ロープ(1)は、側面視略Γ字形状の支柱(5)に取り付けられたローラ(6)に沿って張設されており、その一端部は使用者(S)の腰部に固定され、他端部はモータ(2)に接続されている。
これによって、モータ(2)が正回転したときは、ロープ(1)が巻き取られて使用者(S)の身体が上方に向けて吊り上げられ、逆回転したときは、ロープ(1)の巻き取りが解かれて使用者(S)の身体が下方に向けて下ろされる。
The rope (1) is stretched along a roller (6) attached to a substantially Γ-shaped support (5) in side view, and one end of the rope (1) is fixed to the waist of the user (S). The end is connected to the motor (2).
Thus, when the motor (2) rotates forward, the rope (1) is wound up and the body of the user (S) is lifted upward. When the motor (2) rotates backward, the rope (1) is wound. The removal is released and the body of the user (S) is lowered downward.
ロープ(1)は複数本(図示例では2本)からなる。
夫々のロープ(1)の向きを下方向へと変換するローラ(6)は、使用者(S)の上方において前後に位置をずらして支柱(5)に取り付けられており、これによって、夫々のロープ(1)は異なる角度で使用者(S)の身体に向けて吊り下げられて該身体に固定されている。
各ロープ(1)は、それぞれ別のモータ(2)に接続されており(図ではモータは1つのブロックに簡略化されている)、制御手段(4)は各モータの駆動を個別に制御して、夫々のロープ(1)を個別に上下動させることが可能となっている。
The rope (1) consists of a plurality (two in the illustrated example).
The roller (6) for converting the direction of each rope (1) to the downward direction is attached to the column (5) with the position shifted back and forth above the user (S). The rope (1) is suspended and fixed to the body of the user (S) at different angles.
Each rope (1) is connected to a separate motor (2) (in the figure, the motor is simplified to one block), and the control means (4) controls the drive of each motor individually. Each rope (1) can be moved up and down individually.
モータ(2)は、エンコーダ付きのサーボモータからなり、モータ軸の回転角度を検出することが可能となっている。
エンコーダにより検出されたモータ軸の回転角度に関する情報は、制御手段(4)へと送られて、ロープ長さを算出するために用いられる。
The motor (2) consists of a servo motor with an encoder, and can detect the rotation angle of the motor shaft.
Information on the rotation angle of the motor shaft detected by the encoder is sent to the control means (4) and used to calculate the rope length.
吊り上げ荷重測定手段(3)は、ロープ(1)の支柱(5)から使用者(S)に向けて延びている部分の中途に介装されたロードセルからなり、ロープ(1)に加わる張力を使用者の身体に加わる吊り上げ荷重として測定する。
尚、吊り上げ荷重測定手段(3)は、ロードセルで直接ロープに加わる張力を測定する構成に代えて、モータ(2)の電流値を測定して電流値に基づいて張力を算出する構成としてもよい。
吊り上げ荷重測定手段(3)により測定された吊り上げ荷重値は、制御手段(4)へと送られる。
The lifting load measuring means (3) is composed of a load cell interposed in the middle of a portion extending from the support (5) of the rope (1) toward the user (S), and applies tension applied to the rope (1). It is measured as a lifting load applied to the user's body.
The lifting load measuring means (3) may be configured to measure the current value of the motor (2) and calculate the tension based on the current value, instead of the configuration to measure the tension directly applied to the rope by the load cell. .
The lifting load value measured by the lifting load measuring means (3) is sent to the control means (4).
制御手段(4)は、CPU及び必要なアプリケーションプログラムが記憶されたメモリを備えたコンピュータからなり、複数のロープ(1)の張力のベクトル和である使用者を吊り下げる力が使用者の立ち上がりのために必要な最小の値になるように、また使用者の立ち上がり動作の速度及び加速度が予め設定された値を超えないように、モータ(2)の駆動を制御する。
制御方式としては、目標とする立ち上がりの軌跡から使用者の意思による動きしろを確保したい場合には、位置又は速度指令ベースのインピーダンス制御(あたかもバネ・ダンパー・質量があるかのように位置又は速度指令を与える制御)を用いるとよい。
The control means (4) is composed of a computer having a CPU and a memory in which necessary application programs are stored, and the force to suspend the user as the vector sum of the tensions of the plurality of ropes (1) Therefore, the driving of the motor (2) is controlled so that the minimum value necessary for the above-mentioned operation is achieved and the speed and acceleration of the user's rising motion do not exceed preset values.
As a control method, when it is desired to secure the allowance for the user's intention from the target rising trajectory, the position or speed command-based impedance control (position or speed as if there is a spring, damper, or mass) It is recommended to use a control for giving a command.
制御手段(4)は、上述した如くモータ(2)の回転角度に基づいてロープ長さを算出するとともに、算出されたロープ長さに基づいて各ロープの角度(使用者に対する角度)及び下端部位置(使用者への固定位置)を算出する。
そして、使用者(S)の身体の下端部位置の軌跡が、自然な立ち上がり動作時における身体の下端部位置の軌跡に沿うように、モータ(2)の駆動を制御して各ロープ(1)の角度及び下端部位置を調整しながら巻き上げる。
The control means (4) calculates the rope length based on the rotation angle of the motor (2) as described above, and the angle of each rope (angle with respect to the user) and the lower end based on the calculated rope length. Calculate the position (fixed position to the user).
And each rope (1) is controlled by controlling the drive of the motor (2) so that the locus of the lower end position of the body of the user (S) follows the locus of the lower end position of the body at the time of natural rising motion. Wind up while adjusting the angle and the lower end position.
使用者の自然な立ち上がり動作時における下端部位置の軌跡は、予め求めておく必要があり、求められた軌跡は、ロープ(1)の角度及び下端部位置と対応付けられて、予め制御手段(4)により読み出し可能なメモリに記憶される。
下端部位置の軌跡の求め方としては、
・理学療養士などの専門家が使用者(患者)の回復状況や初期姿勢を考慮し、手本となる立ち上がりを行い、CCDカメラを用いた動作解析等により下端部位置の軌跡を求め、この軌跡に使用者との体格の違いによる補正を施す。
・実際に理学療養士などの専門家が使用者(患者)を支援して立ち上がらせ、動作解析等により下端部位置の軌跡を求める。
・使用者と年齢や病状が近い多くの人の平均的な軌跡等の既知の標準的な軌跡を用いる。
などの方法が考えられる。
The trajectory of the lower end position at the time of the natural rising operation of the user needs to be obtained in advance, and the obtained trajectory is associated with the angle of the rope (1) and the lower end position, and is previously controlled by the control means ( 4) is stored in a readable memory.
As a method of obtaining the locus of the lower end position,
・ An expert such as a physiotherapist considers the recovery status and initial posture of the user (patient), makes a stand-up as a model, and obtains the locus of the lower end position by motion analysis etc. using a CCD camera. The trajectory is corrected by the difference in physique from the user.
・ An expert such as a physiotherapist actually supports the user (patient) to stand up, and obtains a locus of the lower end position by motion analysis or the like.
Use a known standard trajectory such as the average trajectory of many people whose age and medical condition are close to the user.
Such a method is conceivable.
関節モーメント計測手段は、使用者の立ち上がり動作時における下肢関節モーメントをリアルタイムで推定する手段であって、使用者の足裏が床から受ける反力を測定する床反力測定手段(7)と、使用者の立ち上がり動作時における膝関節、股関節、足首関節の位置を測定する関節位置測定手段(8)と、前記測定された反力及び関節位置に基づいて、使用者の立ち上がり動作時における関節モーメントを算出する関節モーメント算出手段(9)とを備えている。 The joint moment measuring means is means for estimating in real time the lower limb joint moment at the time of the user's standing motion, and the floor reaction force measuring means (7) for measuring the reaction force that the user's sole receives from the floor; The joint position measuring means (8) for measuring the positions of the knee joint, the hip joint, and the ankle joint during the user's rising motion, and the joint moment during the user's rising motion based on the measured reaction force and joint position. And a joint moment calculating means (9) for calculating.
図2は、使用者の下肢部分を抽出して示す模式図である。
図中のAは足首関節、Bは膝関節、Cは股関節であり、W1、W2、W3は夫々Aから先の部分、A−B間、B−C間の各重心位置に加わる荷重(自重)であり、FZは使用者が床から受ける反力であり、ra、rb、rcは夫々FZの作用位置とA,B,Cの位置との水平距離である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an extracted lower limb portion of the user.
In the figure, A is an ankle joint, B is a knee joint, and C is a hip joint, and W 1 , W 2 , and W 3 are added to the respective center of gravity positions between A and B, and between B and C, respectively. a load (self-weight), F Z is a reactive force that the user receives from the floor, is r a, r b, the horizontal distance r c is the operating position of the respective F Z a, B, and the position of the C .
床反力測定手段(7)は、使用者が両足の裏から受ける床反力(FZ)の荷重位置と大きさを測定する床反力計からなる。左右の足については、左右独立して計測してもよいし、両者の合計を計測してもよい。
床反力計は、3方向の力と荷重位置を計測するものが一般的であり、本発明においてもこれを床反力測定手段(7)として用いることができるが、最低限の情報として上下方向の荷重と荷重位置が計測できるものであればよい。また、据え置き型の床反力計を用いてもよいし、ウェアラブル型の床反力計を用いてもよい。ウェアラブル型の床反力計では、センサを内蔵した履物を使用者が着用し、使用者の足裏の座標でどの位置にどれだけの上下方向荷重が加わっているかを計測する。
The floor reaction force measuring means (7) comprises a floor reaction force meter that measures the load position and magnitude of the floor reaction force (F Z ) that the user receives from the backs of both feet. The left and right feet may be measured independently on the left and right, or the total of both may be measured.
The floor reaction force meter generally measures force and load position in three directions, and can be used as the floor reaction force measuring means (7) in the present invention. What is necessary is just to be able to measure the load and the load position in the direction. Moreover, a stationary floor reaction force meter may be used, or a wearable floor reaction force meter may be used. In a wearable floor reaction force meter, a user wears footwear with a built-in sensor and measures how much vertical load is applied to which position in the coordinates of the user's sole.
関節位置測定手段(8)による関節位置の測定方法としては、例えば、以下の方法が例示できる。
・使用者の足首関節(A)、膝関節(B)、股関節(C)に夫々マーカを取り付けて、これを据え置き型の複数のカメラで撮影し、幾何学的な計算により各関節の3次元の座標を求める方法。
・使用者の足首関節(A)、膝関節(B)、股関節(C)に夫々マーカを取り付けて、これを立ち上がり訓練機に固定した1台のカメラで撮影し、撮影画像から位置計測する方法。
・傾きを計測できるウェアラブルな姿勢計測装置(加速度計とジャイロセンサ等を組み合わせた鉛直からの傾斜を計測できる装置、或いは、関節の角度を直接計測できる装置などの公知のもの)を使用者に取り付けて、足首関節(A)、膝関節(B)、股関節(C)の角度を計測し、この計測値と予め定められた基準位置の座標から順次各関節部の位置を計測する方法。
Examples of the joint position measuring method by the joint position measuring means (8) include the following methods.
・ A marker is attached to each of the user's ankle joint (A), knee joint (B), and hip joint (C), and these are photographed with a plurality of stationary cameras. How to get the coordinates of
A method in which a marker is attached to each of the user's ankle joint (A), knee joint (B), and hip joint (C), and this is taken with a single camera fixed to a training machine, and the position is measured from the photographed image. .
・ A wearable posture measurement device that can measure tilt (known devices such as a device that can measure the tilt from the vertical by combining an accelerometer and a gyro sensor, or a device that can directly measure the joint angle) is attached to the user. The angle of the ankle joint (A), the knee joint (B), and the hip joint (C) is measured, and the position of each joint portion is sequentially measured from the measured value and the coordinates of a predetermined reference position.
後述する関節モーメントの計算には、図2のra、rb、rcの値が必要であり、これらの値を求めるためには、使用者の関節位置と床反力計の位置関係の情報が必要である。
床反力測定手段(7)として据え置き型の床反力計を用いる場合、使用者の関節位置と床反力計の位置関係の情報は、上述した関節位置測定手段(8)による関節位置の測定に基づいて得られる。
床反力測定手段(7)としてウェアラブル型の床反力計を用いる場合、床反力計のセンサの座標と使用者の足裏座標とが一致しているので、使用者の関節位置と床反力計の位置関係の情報は、使用者が床反力計を着用した時に入力しておけば、立ち上がり動作の途中で測定する必要はない。
The calculation described later joint moment, r a, r b in FIG. 2, it requires the value of r c, of these to determine the value, the positional relationship between the joint position and force plate of the user Information is needed.
When a stationary floor reaction force meter is used as the floor reaction force measuring means (7), information on the positional relationship between the joint position of the user and the floor reaction force meter is obtained by the joint position measuring means (8) described above. Obtained based on measurements.
When a wearable floor reaction force meter is used as the floor reaction force measuring means (7), the coordinates of the sensor of the floor reaction force meter and the sole coordinates of the user coincide with each other. If the user inputs the information on the positional relationship of the reaction force meter when the user wears the floor reaction force meter, it is not necessary to measure it during the rising operation.
ウェアラブル型の床反力計を用いる場合、関節位置測定手段(8)による関節位置の測定方法として上述したカメラを利用する方法を用いてもよいが、上述した使用者が着用できる(ウェアラブルな)姿勢計測装置を利用する方法を用いれば、全てが使用者の座標で扱えるため、関節モーメントを計算するために必要な情報が少なくて済む。但し、この場合、ra、rb、rcを計算するために、Aから先の部分、A−B間、B−C間の長さを予め入力しておき、左右の脚について別々に計算する必要がある。 When a wearable floor reaction force meter is used, a method using the above-described camera may be used as a joint position measuring method by the joint position measuring means (8), but the above-described user can wear it (wearable). If the method using the posture measuring device is used, all of the information can be handled by the user's coordinates, so that less information is required to calculate the joint moment. However, in this case, in order to calculate the r a, r b, r c , the portion of the first from A, between A-B, previously entered the length between B-C, separately for left and right legs It is necessary to calculate.
関節モーメント算出手段(9)は、床反力測定手段(7)により測定された床反力と、関節位置測定手段(8)により測定された使用者の関節位置に基づいて、使用者の立ち上がり動作時における関節モーメントを算出する。 The joint moment calculating means (9) is based on the floor reaction force measured by the floor reaction force measuring means (7) and the joint position of the user measured by the joint position measuring means (8). Calculate the joint moment during operation.
以下、関節モーメントの算出方法について説明する。
一般的には、人間(使用者)を図1に示したような剛体のリンクに置き換え、各部の重心の重量、各部の重心の加速度による慣性力、床反力、椅子からの反力、ロープの張力が分かれば、静的な釣り合いより、下肢の各関節(足首関節、膝関節、股関節)に作用するモーメントを計算することができる。更に、必要に応じて、モーメントから筋・骨格モデルを用いて筋張力を推定することができる。
本発明においては、下肢に注目しているので、下から順に計算していけば上肢などの情報は不要であり、図2に示すように下肢に加わる外力、下肢各部(Aから先の部分、A−B間、B−C間)の重心位置、自重、慣性力が分かれば、下肢の関節モーメントを精度よく計算することができる。但し、静的な(ゆっくりとした)立ち上がりであれば、慣性力は無視できる。
Hereinafter, a method for calculating the joint moment will be described.
Generally, humans (users) are replaced with rigid links as shown in FIG. 1, and the weight of the center of gravity of each part, inertial force due to acceleration of the center of gravity of each part, floor reaction force, reaction force from a chair, rope If the tension is known, the moment acting on each joint (ankle joint, knee joint, hip joint) of the lower limb can be calculated from static balance. Furthermore, if necessary, muscle tension can be estimated from the moment using a muscle / skeletal model.
In the present invention, since attention is paid to the lower limb, information such as the upper limb is not necessary if the calculation is performed in order from the bottom, and external forces applied to the lower limb as shown in FIG. If the position of the center of gravity (between A and B, between B and C), its own weight, and inertial force are known, the joint moment of the lower limb can be calculated with high accuracy. However, if it is a static (slow) rise, the inertial force can be ignored.
以下、関節モーメントを下から順に計算していく方法について説明する。
先ず、図3に示すように、最下部の足部(足首(A)から先の部分)について、フリーボディダイヤグラムを描く。
足部は静止しているので慣性力はないため、床反力測定手段(7)により測定されたFZと、関節位置測定手段(8)により測定されたra、既知情報として入力されるW1とr1を用いて、上下方向の力とモーメントの釣り合い式から、未知変数であるMAとFAを計算する。具体的には、下式により計算する。
FA=FZ−W1
MA=FZra−W1r1
Hereinafter, a method of calculating joint moments in order from the bottom will be described.
First, as shown in FIG. 3, a free body diagram is drawn for the lowermost foot portion (portion from the ankle (A)).
Since the foot is not inertial force since the stationary input and F Z measured by the floor reaction force measuring means (7), r a is determined by the joint position measurement means (8), as known information Using W 1 and r 1 , unknown variables M A and F A are calculated from the balance equation of the force and moment in the vertical direction. Specifically, it is calculated by the following formula.
F A = F Z −W 1
M A = F Z r a -W 1
これにより得られるMAが足首関節モーメントである。尚、場合によっては、W1の影響は小さいので無視してもよい。
FAとMAが求まれば、作用と反作用の関係で、−FAと−MAが既知外力として下腿(A−B間)に加わるとして、同様の手順で未知変数MBとFBを求めれば、MBが膝関節モーメントとなり、更に同様の手順で股関節モーメントも得られる。加速度が大きく慣性力が無視できない場合には、計測した加速度と質量の推定値から慣性力を求め、それも含めて力の釣り合いを考えればよい。
尚、ここでは、鉛直方向の力のみを用いたが、水平方向の力を考慮する必要がある場合には、水平方向の力についても計測し、水平方向の力の釣り合い式を追加して計算すればよい。
Thus obtained M A is the ankle joint moment. In some cases, it may ignore the influence of W 1 is small.
If Motomare is F A and M A, in relation to action and reaction, -F A and the -M A is applied to the lower leg (between A-B) as a known external force, unknown variables M in the same procedure B and F B , M B becomes the knee joint moment, and the hip joint moment can also be obtained by the same procedure. If the acceleration is large and the inertial force cannot be ignored, the inertial force can be obtained from the measured acceleration and the estimated mass value, and the balance of the forces can be considered.
Although only the vertical force is used here, if it is necessary to consider the horizontal force, the horizontal force is also measured and calculated by adding a horizontal force balance formula. do it.
以上のような方法で関節モーメント算出手段(9)により求められた関節モーメント値は、制御手段(4)へと送られる。
制御手段(4)は、予めメモリに記憶されている使用者が自力で立ち上がるために必要な下肢関節モーメントと、関節モーメント計測手段により推定された下肢関節モーメントの差を算出し、その差がゼロ又は僅かに負となるように、モータ(2)の駆動を制御してロープ(1)による吊り上げ荷重を調整する。
すなわち、制御手段(4)によるモータ(2)の駆動制御は、使用者が自力で立ち上がるために必要な下肢関節モーメントに対する不足分もしくは僅かにそれ以上、言い換えれば使用者の脚力の不足分だけもしくは不足分よりも僅かに大きい力だけ、ロープ(1)に引っ張り力(吊り上げ力)を加えるように行われ、これによって、使用者の立ち上がりを最小限の力で補助することができる。
The joint moment value obtained by the joint moment calculating means (9) by the method as described above is sent to the control means (4).
The control means (4) calculates the difference between the lower limb joint moment required for the user to stand up by himself / herself and the lower limb joint moment estimated by the joint moment measuring means, and the difference is zero. Alternatively, the lifting load by the rope (1) is adjusted by controlling the drive of the motor (2) so as to be slightly negative.
That is, the drive control of the motor (2) by the control means (4) is performed by a shortage or a little more than the lower limb joint moment necessary for the user to stand up on his own, in other words, only by a shortage of the user's leg strength or The pulling force (lifting force) is applied to the rope (1) by a force slightly larger than the shortage, and this can assist the user to stand up with a minimum force.
上述した関節モーメントを下から順に計算していく方法に従うと、股関節モーメントを求めるための釣り合い式には、図1から明らかなようにロープの張力の要素が加わる(C点にロープの張力が作用するとみなせる)ため、制御手段(4)はこれを利用して必要な吊り上げ荷重(引っ張り力)を算出することができる。 According to the above-described method of calculating the joint moments in order from the bottom, as shown in FIG. 1, an element of the rope tension is added to the balance equation for obtaining the hip joint moment (the rope tension acts on the point C). Therefore, the control means (4) can use this to calculate the necessary lifting load (tensile force).
使用者が自力で立ち上がるために必要な下肢関節モーメントは、予め制御手段(4)により読み出し可能なメモリに記憶される。この下肢関節モーメントの求め方としては、次の3種類の方法が考えられる。
第一の方法は、ロープによる吊り上げ無しで使用者(患者)に立ち上がり訓練を行わせ、このときに使用者に作用する関節モーメントを測定する方法である。
第二の方法は、使用者の意思に応じて設定した適当な値を用いる方法である。
第三の方法は、使用者が立ち上がり訓練機に座って可能な範囲で立ち上がった後、ロープによる吊り上げ荷重を徐々に増加させ、椅子での荷重がゼロになるかもしくは立ち上がり始めたときの関節モーメントを計算し、この計算値を用いる方法である。
本発明においては、いずれの方法で求めたモーメント値を用いてもよい。
The lower limb joint moment necessary for the user to stand up by himself / herself is stored in advance in a memory that can be read out by the control means (4). The following three types of methods are conceivable for obtaining the lower limb joint moment.
The first method is a method in which a user (patient) is trained to stand up without lifting with a rope, and the joint moment acting on the user at this time is measured.
The second method is a method using an appropriate value set according to the user's intention.
The third method is to gradually increase the lifting load by the rope after the user stands up and sits on the training machine as much as possible, and the joint moment when the load on the chair becomes zero or starts rising Is calculated and this calculated value is used.
In the present invention, the moment value obtained by any method may be used.
但し、上記した方法で求められて予めメモリに記憶される下肢関節モーメントは、常に一定とは限らず、状況により変化する場合がある。つまり、使用者の立ち上がり能力は、状況により増加したり減少したりする場合がある。
そのため、本発明に係る立ち上がり訓練機においては、使用者が自力で立ち上がるときに必要な下肢関節モーメントが状況により変化した場合でも対応できるように、以下の2つの補正手段を具備させることが好ましい。
However, the lower limb joint moment obtained by the above-described method and stored in the memory in advance is not always constant and may vary depending on the situation. That is, the rising ability of the user may increase or decrease depending on the situation.
Therefore, it is preferable that the standing-up training machine according to the present invention is provided with the following two correction means so that even when the lower limb joint moment required when the user stands up by himself / herself changes depending on the situation.
第一の補正手段は、使用者が立ち上がり動作を開始して一定時間経過しても立ち上がれない場合に、予めメモリに記憶された下肢関節モーメントの値を徐々に減少させることにより前記吊り上げ荷重を徐々に増加させ、使用者が立ち上がれるようになった時の該下肢関節モーメントの値を、予めメモリに記憶された下肢関節モーメントの値と置き換える手段である。
第二の補正手段は、使用者の立ち上がり動作の速度及び加速度が予め設定された値を超えた場合に、予めメモリに記憶された下肢関節モーメントの値を徐々に増加させることにより前記吊り上げ荷重を徐々に減少させ、使用者が前記設定値以下の速度及び加速度で立ち上がれるようになった時の該下肢関節モーメントの値を、予めメモリに記憶された下肢関節モーメントの値と置き換える手段である。
尚、予め設定される速度及び加速度は、使用者の立ち上がり能力に応じて設定され、制御手段(4)により読み取り可能なメモリに記憶される。
The first correction means gradually reduces the lifting load by gradually reducing the value of the lower limb joint moment stored in the memory in advance when the user does not stand up even after a lapse of a certain time since the start of the rising motion. The lower limb joint moment value when the user can stand up is replaced with the lower limb joint moment value stored in the memory in advance.
When the speed and acceleration of the rising motion of the user exceed preset values, the second correcting means gradually increases the value of the lower limb joint moment stored in the memory in advance to increase the lifting load. It is means for gradually decreasing and replacing the value of the lower limb joint moment when the user can stand up at a speed and acceleration below the set value with the value of the lower limb joint moment stored in advance in the memory.
The speed and acceleration set in advance are set according to the user's rising ability and stored in a memory readable by the control means (4).
第一の補正手段は、使用者が自力で立ち上がるために必要な下肢関節モーメントが増加した場合に、この増加に対応した設定値(予めメモリに記憶された下肢関節モーメントの値)の補正を行うものである。この補正により、使用者が立ち上がり動作を開始した後、一定時間経過しても立ち上がれない場合において、立ち上がり動作を補助する吊り上げ力を増加調整し、使用者の立ち上がり能力の減少に対応した立ち上がり訓練を行うことが可能となる。 The first correction means corrects a setting value corresponding to the increase (a value of the lower limb joint moment previously stored in the memory) when the lower limb joint moment necessary for the user to stand up by himself / herself increases. Is. With this correction, if the user does not stand up after a certain period of time after starting the standing-up operation, the lifting force that assists the standing-up operation is increased and adjusted, and the rising training corresponding to the decrease in the rising ability of the user is performed. Can be done.
第二の補正手段は、使用者が自力で立ち上がるために必要な下肢関節モーメントが減少した場合に、この減少に対応した設定値(予めメモリに記憶された下肢関節モーメントの値)の補正を行うものである。この補正により、使用者の立ち上がり動作時の速度及び加速度が設定値を超えた場合において、立ち上がり動作を補助する吊り上げ力を減少調整し、使用者の立ち上がり能力の増加に対応した立ち上がり訓練を行うことが可能となる。 When the lower limb joint moment necessary for the user to stand up by himself / herself is reduced, the second correction means corrects a setting value corresponding to the decrease (a value of the lower limb joint moment stored in the memory in advance). Is. With this correction, when the speed and acceleration during the user's rising motion exceed the set values, the lifting force that assists the rising motion is adjusted to decrease, and the training for rising corresponding to the increase in the user's rising capability is performed. Is possible.
これら2つの補正手段は、制御手段(4)により実行される制御プログラムの一つとして構成され、下肢関節モーメントの値の置き換えは制御手段(4)により自動的に実行される。但し、本発明においては、手動で設定値を入力し直すことにより、下肢関節モーメントの値の置き換えを実行するように構成してもよい。 These two correction means are configured as one of control programs executed by the control means (4), and the replacement of the lower limb joint moment values is automatically executed by the control means (4). However, in the present invention, the lower limb joint moment value may be replaced by manually inputting the set value again.
制御手段(4)によるモータ(2)の駆動制御は、安全の為に、一旦吊り上げたロープ(1)が逆戻りしないように行われ、また使用者を起立状態よりも高く吊り上げることがないように行われる。また、前述したように、使用者の立ち上がり動作の速度及び加速度が予め設定された値を超えないように行われる。 The drive control of the motor (2) by the control means (4) is performed so that the rope (1) once lifted does not reverse for safety, and the user is not lifted higher than the standing state. Done. Further, as described above, the speed and acceleration of the rising motion of the user are performed so as not to exceed preset values.
以上説明したように、本発明に係る立ち上がり訓練機によれば、立ち上がり動作の支援を行うことができる。しかし、人間が座った状態から立ち上がる動作は、
A.立ち上がるための姿勢の準備動作
B.立ち上がり動作
の2段階からなるため、立ち上がり訓練においては、立ち上がるための姿勢の準備の訓練を行うことが重要且つ効果的である。
As described above, according to the standing-up training machine according to the present invention, it is possible to support the standing-up motion. However, the action of getting up from a sitting state is
A. B. Preparation for posture to stand up Since it consists of two stages of standing up motion, it is important and effective to perform posture preparation training for standing up in standing up training.
従って、本発明に係る立ち上がり訓練機においては、立ち上がるための姿勢準備の訓練を行うための機能を設けることが好ましい。
このような機能は、立ち上がり訓練機に、立ち上がり動作開始時における使用者が訓練機から受ける力を除いた身体のゼロモーメントポイントを算出し、該算出されたゼロモーメントポイントが使用者の足裏長の範囲内にあるか否かを判定する手段、あるいはゼロモーポイントの位置をリアルタイムで表示し、それを使用者が見ることの可能な手段を設けることにより実現される。
Therefore, in the stand-up training machine according to the present invention, it is preferable to provide a function for performing posture preparation training for standing up.
Such a function is used to calculate the zero moment point of the body excluding the force that the user receives from the training device at the start of the rising motion, and the calculated zero moment point is the length of the sole of the user. It is realized by providing a means for determining whether or not it is within the range of the above, or a means for displaying the position of the zero-mo-point in real time and allowing the user to see it.
立ち上がり動作開始時における使用者の身体のゼロモーメントポイントを算出する方法としては、大きく分けて以下の2つの方法がある。
1)使用者に加わる外力の和から求める。
2)使用者の姿勢・動きから、重力や慣性力を計算することにより求める。
これら2つの力は釣り合っているためいずれの方法で算出してもよいが、以下それぞれの方法についてより詳細に説明する。
There are roughly the following two methods for calculating the zero moment point of the user's body at the start of the rising motion.
1) Obtain from the sum of external forces applied to the user.
2) Calculate by calculating gravity and inertial force from user's posture and movement.
Since these two forces are balanced, they may be calculated by any method, but each method will be described in more detail below.
先ず、第一の方法について説明する。
椅子に座った状態の使用者の身体に加わる外力は、図4に示すように、床反力F1、椅子からの反力F2、手からの反力F3、ロープからの張力F4があり、これら4つの力について、夫々鉛直力と水平力の大きさ及び荷重位置を求める。尚、図において、床反力及び椅子反力の水平力は示していない。
First, the first method will be described.
As shown in FIG. 4, the external force applied to the body of the user sitting in the chair is the floor reaction force F 1 , the reaction force F 2 from the chair, the reaction force F 3 from the hand, and the tension F 4 from the rope. For these four forces, the magnitude of the vertical force and the horizontal force and the load position are obtained. In the drawing, the floor reaction force and the horizontal force of the chair reaction force are not shown.
床反力F1についての鉛直力と水平力の大きさ及び荷重位置は、上述した床反力測定手段(7)の床反力計を用いて測定することができる。尚、水平力の荷重位置は床面であり既知であるため、水平力については正負と大きさを測定すればよい。但し、この力は測定しなくても計算できる。
ロープからの張力F4は、吊り上げ荷重測定手段(3)のロードセルを用いて測定することができる。また、上述したように、制御手段(4)により、ロープ長さと、ロープの角度(使用者に対する角度)及び下端部位置(使用者への固定位置)を算出することができるので、これらの値に基づいて、F4についての鉛直力と水平力の大きさ及び荷重位置を算出することができる。
Size and load position of the vertical force and horizontal force of the floor reaction force F 1 can be measured using a force plate of the above-mentioned floor reaction force measuring means (7). In addition, since the load position of a horizontal force is a floor surface and is known, what is necessary is just to measure positive / negative and magnitude | size about a horizontal force. However, this force can be calculated without measurement.
Tension from the rope F 4 can be measured using a lifting load cell load measuring means (3). Further, as described above, the control means (4) can calculate the rope length, the rope angle (angle to the user), and the lower end position (fixed position to the user). based on, it is possible to calculate the size and load position of the vertical force and horizontal force of F 4.
椅子からの反力F2についての鉛直力と水平力の大きさ及び荷重位置は、椅子の座面に上述した床反力計と同様の反力計を設置することにより測定することができる。尚、水平力の荷重位置は座面であり既知であるため、水平力については正負と大きさを測定すればよい。
手からの反力F3についての鉛直力と水平力の大きさ及び荷重位置は、手をつく部分(肘掛け等)の表面に上述した床反力計と同様の反力計を設置することにより測定することができる。尚、手で力を加えない場合には、F3は使用しない。
Size and load position of the vertical force and horizontal force of the reaction force F 2 from the chair, can be measured by placing a reaction force gauge similar to the force plate as described above on the seat surface of the chair. In addition, since the load position of the horizontal force is the seating surface and is known, what is necessary is just to measure positive / negative and magnitude | size about a horizontal force.
Size and load position of the vertical force and horizontal force of the reaction force F 3 from hand, by installing the same reaction force gauge and force plate as described above to the surface of the part to get a hand (armrests, etc.) Can be measured. In the case where not apply pressure by hand, F 3 are not used.
上記4つの力F1〜F4について、図4中のxy座標を用いて、i番目の力の鉛直方向(y方向)と水平方向(x方向)の分力をFix,Fiyと表し、荷重位置をxi,yiと表すと、全ての外力による点O(使用者の足裏長の中心)まわりのモーメントMは、
となる。これを使用者の自重Wで割ると、
となる。これが、近似的に立ち上がり補助がない場合のゼロモーメントポイントであり、原点Oからの位置を示す。
For the above four forces F 1 to F 4 , the component force in the vertical direction (y direction) and the horizontal direction (x direction) of the i-th force is expressed as F ix and F iy using the xy coordinates in FIG. When the load position is expressed as x i and y i , the moment M around the point O (the center of the sole length of the user's foot) due to all external forces is
It becomes. When this is divided by the user's own weight W,
It becomes. This is a zero moment point when there is approximately no assistance for rising, and indicates a position from the origin O.
次に、第二の方法について説明する。
姿勢からの判定の場合、各部の重力を重心位置を考慮して加えることにより、重心位置と重力がわかる。手などで勢いをつけて立ち上がる場合には、慣性力を考慮して力のつりあいを考えればよい.
使用者の身体を、図5に示すような、剛体リンクの集合であると仮定する。
i番目のリンクの重心の質量mi,重心まわりの慣性モーメントJiとする。重心の位置と角度をxi,yi,θiとすると、全リンクによる点Oまわりのモーメントは、
自重Wで割れば、
となる。これが、近似的に立ち上がり補助がない場合のゼロモーメントポイントであり、原点Oからの位置を示す。
Next, the second method will be described.
In the case of determination from the posture, the gravity center position and gravity can be obtained by adding the gravity of each part in consideration of the gravity center position. When standing up with momentum with your hands etc., you should consider the balance of forces in consideration of the inertial force.
Assume that the user's body is a collection of rigid links as shown in FIG.
It is assumed that the mass m i of the center of gravity of the i-th link and the moment of inertia J i around the center of gravity. If the position and angle of the center of gravity are x i , y i , θ i , the moment around the point O by all links is
If you divide by its own weight W,
It becomes. This is a zero moment point when there is approximately no assistance for rising, and indicates a position from the origin O.
制御手段(4)は、上記した2つの方法のいずれかにより、立ち上がり動作開始時における使用者の身体のゼロモーメントポイントを算出し、次いで、この算出されたゼロモーメントポイントが使用者の足裏長の範囲内にあるか否かを判定する。この判定結果は、訓練機に付設されたディスプレイへの表示や、ブザー等の音の発生等により使用者に知らせることができる。
ゼロモーメントポイントが、足裏長の範囲内であると判定した場合には、概略的に転倒せずに立ち上がれる状況であると考えられる。しかし、足裏長の範囲外であれば、足で支えることができなくなる。つまり、足裏長の中心Oとゼロモーメントポイントの距離が、ゼロに近づくほど補助がなくても転倒しない姿勢に近づいている、即ち立ち上がるための姿勢の準備動作が良好に行われていると言える。
The control means (4) calculates the zero moment point of the user's body at the start of the rising motion by one of the two methods described above, and then the calculated zero moment point is the user's sole length. It is determined whether it is within the range. This determination result can be notified to the user by displaying on a display attached to the training machine, generating a sound such as a buzzer, or the like.
If it is determined that the zero moment point is within the range of the sole length, it can be considered that the robot can stand up without falling down roughly. However, if it is outside the range of the sole length, it cannot be supported by the foot. In other words, it can be said that the distance between the center O of the sole and the zero moment point is approaching a posture that does not fall without assistance as the distance approaches zero, that is, the posture preparation operation for standing up is performed well. .
また、本発明においては、制御手段(4)が、算出したゼロモーポイントの位置を、リアルタイムで訓練機に付設されたディスプレイに表示させるように構成してもよい。
このような構成とすると、使用者はリアルタイムでゼロモーメントポイントを見ることができるので、どのような動きをすれば正しい立ち上がりの準備になるかを学習しながら訓練することができる。
Moreover, in this invention, you may comprise so that a control means (4) may display the position of the calculated zero motor point on the display attached to the training machine in real time.
With such a configuration, since the user can see the zero moment point in real time, it is possible to train while learning how to make a preparation for a correct rise.
尚、上記第一の方法において、
は一般的な表現であるが、手の力なし、ロープからはまだ吊り上げていない状態でのトレーニングで静かな動きであれば、床反力と椅子からの反力の鉛直成分F1y,F2y(荷重位置はそれぞれ,x1,x2)のみを考慮し、その合力の荷重位置
と足裏長の関係により近似的に評価することができる。
In the first method,
Is a general expression, but if the movement is quiet with no hand force and not yet lifted from the rope, the vertical components F 1y and F 2y of the floor reaction force and the reaction force from the chair (Load positions are x 1 and x 2 , respectively), and the resultant load position
Can be approximately evaluated by the relationship between the length of the foot and the sole length.
また、上記第二の方法において、
静的でゆっくりした動きの場合には、近似的に
とみなして、
とすればよい。
In the second method,
For static and slow movements, approximately
As
And it is sufficient.
以上のように、立ち上がり動作開始時における使用者の身体のゼロモーメントポイントを算出し、この算出されたゼロモーメントポイントが使用者の足裏長の範囲内にあるか否かを判定することにより、またはリアルタイムで表示されたゼロモーメントポイントを見ることにより使用者が自力で立ち上がり動作を行ったときに、立ち上がり可能な姿勢になっているか、またそのような姿勢に近づきつつあるかを判断することができ、立ち上がり姿勢への移行のための訓練を行うことが可能となる。 As described above, by calculating the zero moment point of the user's body at the start of the rising motion, and determining whether the calculated zero moment point is within the range of the sole length of the user, Or, by looking at the zero moment point displayed in real time, it is possible to determine whether or not the user is ready to stand up and approaching such a posture when the user performs a stand-up operation by himself. It is possible to perform training for transition to a standing posture.
本発明に係る立ち上がり訓練機は、怪我や病気によって自力での立ち上がりが困難となった患者の立ち上がり及び立ち上がり準備動作の訓練のために好適に利用される他、患者が車椅子から歩行訓練機へと移るときの支援機器としても利用可能である。 The stand-up training machine according to the present invention is suitably used for training of stand-up and stand-up preparation operations for patients who have difficulty standing up on their own due to injury or illness. It can also be used as support equipment when moving.
1 ロープ
2 モータ
3 吊り上げ荷重測定手段
4 制御手段
7 床反力測定手段
8 関節位置測定手段
9 関節モーメント算出手段
S 立ち上がり訓練機の使用者
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記吊り上げ手段は、使用者の身体の上方から吊下されて該身体に装着されたロープと、該ロープを上方へ向けて巻き上げるためのモータと、該ロープに加わる張力を使用者の身体に加わる吊り上げ荷重として測定する吊り上げ荷重測定手段と、前記モータの駆動を制御する制御手段とからなり、
該制御手段は、予めメモリに記憶された使用者が自力で立ち上がるために必要な下肢関節モーメントと、前記関節モーメント計測手段により推定された下肢関節モーメントの差を算出し、その差がゼロ又は僅かに負となるように、前記モータの駆動を制御して前記吊り上げ荷重を調整することを特徴とする立ち上がり訓練機。 A lifting means for lifting the user's body upward, and a joint moment measuring means for estimating in real time the lower limb joint moment that acts when the user stands up,
The lifting means includes a rope suspended from above the user's body and attached to the body, a motor for winding the rope upward, and tension applied to the rope to the user's body. A lifting load measuring means for measuring as a lifting load, and a control means for controlling the driving of the motor,
The control means calculates a difference between a lower limb joint moment necessary for the user to stand up by himself / herself and a lower limb joint moment estimated by the joint moment measurement means, and the difference is zero or slightly The rising training machine is characterized in that the lifting load is adjusted by controlling the driving of the motor so as to be negative.
該複数本のロープは、夫々異なる角度で使用者の身体を上方へと吊り上げるように配置されていることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の立ち上がり訓練機。 The rope is composed of a plurality of ropes,
The standing-up training machine according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of ropes are arranged to lift a user's body upward at different angles.
使用者の身体の重心の軌跡が自然な立ち上がり動作時における身体の重心軌跡に沿うように、前記モータの駆動を制御して各ロープの角度及び下端部位置を調整しながら巻き上げることを特徴とする請求項4記載の立ち上がり訓練機。 The control means calculates a rope angle and a lower end position from a rope length measured based on a rotation angle of the motor,
Winding up while adjusting the angle and the lower end position of each rope by controlling the drive of the motor so that the locus of the center of gravity of the user's body follows the center of gravity locus of the body at the time of natural rising motion The stand-up training machine according to claim 4.
使用者の足裏が床から受ける反力を測定する床反力測定手段と、
使用者の立ち上がり動作時における膝関節、股関節、足首関節のうち、少なくとも膝関節及び足首関節の位置を測定する関節位置測定手段と、
前記測定された反力及び関節位置に基づいて、使用者の立ち上がり動作時における関節モーメントを算出する関節モーメント算出手段と、
を備えていることを特徴とする請求項1乃至6いずれかに記載の立ち上がり訓練機。 The joint moment measuring means is
Floor reaction force measuring means for measuring the reaction force that the user's sole receives from the floor;
A joint position measuring means for measuring the position of at least the knee joint and the ankle joint among the knee joint, the hip joint, and the ankle joint at the time of standing up by the user;
Based on the measured reaction force and joint position, a joint moment calculating means for calculating a joint moment at the time of the user's standing motion;
The stand-up training machine according to any one of claims 1 to 6, further comprising:
Calculate the zero moment point of the body excluding the force that the user receives from the training machine at the start of the rising motion, and determine whether the calculated zero moment point is within the range of the sole length of the user The stand-up training machine according to any one of claims 1 to 7, further comprising means for displaying the position of the zero moment point in real time.
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