步行训练设备和用于该设备的步行训练方法与流程

本发明涉及一种步行训练设备和用于该设备的步行训练方法，使用者通过该步行训练设备进行步行训练。

背景技术：

例如，本申请的申请人提出了一种步行训练设备，该设备包括附接于使用者的腿部并辅助使用者进行步行的步行辅助设备(参见日本未审查专利申请公开第2015-223294号)。

这里，假设另外添加了用于将步行辅助设备和使用者的腿部之一向上向前牵拉的第一牵拉装置和用于将步行辅助设备和使用者的腿部之一向上向前牵拉的第二牵拉装置的配置，并且第一和第二牵拉装置施加的拉力的竖直向上分量的合成力大致等于步行辅助设备的重量，使得由施加在使用者的腿部上的步行辅助设备的重力引起的负荷减少。本发明人已经发现在该配置中出现以下问题。即，步行时腿部摆动开始的定时也是使用者将他/她的腿部的运动从向后运动逆转为向前运动的定时。因此，附接有步行辅助设备的腿部在该逆转定时从步行辅助设备接收向后的惯性力。然而，虽然上述步行训练设备减少了由步行辅助设备的重力引起的对使用者的步行的负荷，但是它并没有减少由惯性力引起的上述负荷。因此，在该腿部摆动开始时在附接有步行辅助设备的腿部上施加过量的负荷。同时，能够想到仅增加由牵拉装置施加的拉力，以减少上述负荷。然而，在这种情况下，腿部可能容易地无意地抬起，使得腿部着地不稳并防止使用者进行稳定的步行训练。

技术实现要素：

鉴于上述问题做出本发明，并且本发明的主要目的之一是提供一种步行训练设备及其步行训练方法，该设备和方法能够减少在附接有步行辅助设备的腿部摆动开始时或在其摆动时段期间施加在该腿部上的负荷。

本发明的第一示例性方面是一种步行训练设备，该步行训练设备包括：步行辅助设备，其附接于使用者的腿部，该步行辅助设备被配置成辅助使用者的步行；第一牵拉装置，用于直接地或通过该步行辅助设备向上和向前牵拉腿部；以及控制装置，用于控制第一牵拉装置，使得由该第一牵拉装置施加的拉力的竖直向上分量减少步行辅助设备的重量，其中该步行训练设备还包括关节角度检测装置或用于拍摄使用者的腿部的图像的摄像装置，关节角度检测装置或摄像装置被布置在步行辅助设备中，并且控制装置通过使用由关节角度检测装置和摄像装置中的至少一个检测到的信息，在使用者的步行运动中腿部向前摆动开始时或在腿部的摆动时段期间，使第一牵拉装置除了该拉力之外还生成附加拉力。根据该方面，在附接有步行辅助设备的腿部向前摆动开始时或在其摆动时段期间可以减少施加在该腿部上的负荷。

在该方面，步行训练设备还可以包括第二牵拉装置，用于直接地或通过步行辅助设备向上和向后牵拉腿部，并且控制装置可以：控制第一牵拉装置和第二牵拉装置，使得由第一牵拉装置和第二牵拉装置施加的拉力的竖直向上分量的合成力减少步行辅助设备的重量；以及通过使用由关节角度检测装置和摄像装置中的至少一个检测到的信息，在使用者的步行运动中腿部向前摆动开始时或腿部的摆动时段期间，控制第一牵拉装置和第二牵拉装置，使得第一牵拉装置和第二牵拉装置除了该合成力之外还生成附加拉力。根据该方面，可以彼此独立地准确地控制由第一装置和第二装置施加的拉力的竖直向上分量和水平向前分量。结果，可以在减少由步行辅助设备的重力所引起的负荷的同时，以更优的方式减少在附接有步行辅助设备的腿部摆动开始时或其摆动时段期间施加在该腿部上的负荷。

在该方面，步行训练设备还可以包括：跑步机，使用者登上跑步机并且进行步行训练；以及速度检测装置，用于检测跑步机的速度，并且控制装置可以通过使用关节角度检测装置、摄像装置和速度检测装置中的至少一个检测到的信息，在使用者的步行运动中腿部向前摆动开始时或腿部的摆动时段期间，使第一牵拉装置除了拉力之外还生成附加拉力。根据该方面，可以通过使用关节角度检测装置、摄像装置和速度检测装置中的至少一个检测到的信息来检测附接有步行辅助设备的腿部摆动的开始或其摆动时段，从而减少在腿部向前摆动开始时或其摆动时段期间施加在该腿部上的负荷。

在该方面，步行训练设备还可以包括：跑步机，使用者登上跑步机并且进行步行训练；以及速度检测装置，用于检测跑步机的速度，并且控制装置可以通过使用由关节角度检测装置、摄像装置和速度检测装置中的至少一个检测到的信息，在使用者的步行运动中腿部向前摆动开始时或腿部的摆动时段期间，控制第一牵拉装置和第二牵拉装置，使得第一牵拉装置和第二牵拉装置除了合成力之外还生成附加拉力。根据该方面，可以通过使用关节角度检测装置、摄像装置和速度检测装置中的至少一个检测到的信息来检测附接有步行辅助设备的腿部摆动的开始或其摆动时段，并且在腿部向前摆动开始时或其摆动时段期间彼此独立地准确控制第一装置和第二装置施加的拉力的竖直向上分量和水平向前分量。因此，可以更进一步地减少施加在腿部上的负荷。

控制装置可以包括控制第一牵拉装置的腿部负荷减轻控制单元、控制步行辅助设备的腿部控制单元、以及控制跑步机的跑步机控制单元。

关节角度检测装置可以被配置成检测关于膝关节部的角度随时间的变化的信息。

摄像装置可以被配置成检测关于附接有步行辅助设备的腿部的运动或位置的信息和/或关于步行辅助设备的运动或位置的信息。

速度检测装置可以被配置成基于检测到的跑步机的速度来计算关于使用者的步行周期的信息。

步行训练设备还可以包括拉力计算装置，用于计算针对第一牵拉装置的拉力命令值，并且将该拉力命令值输出至第一牵拉装置，其中，拉力计算装置被配置成：响应于在腿部向前摆动开始时从关节角度检测装置和摄像装置中的至少一个接收到所检测到的信息，在预定时间段内将拉力命令值从正常拉力命令值增大；以及当在腿部向前摆动开始之后经过了预定时间段时，向第一牵拉装置输出正常拉力命令值。

本发明的另一示例性方面是一种用于步行训练设备的步行训练方法，该步行训练设备包括：步行辅助设备，其附接于使用者的腿部，步行辅助设备被配置成辅助使用者步行；第一牵拉装置，用于直接地或通过步行辅助设备向上和向前牵拉腿部；以及控制装置，用于控制第一牵拉装置，使得由第一牵拉装置施加的拉力的竖直向上分量减少行辅助设备的重量，其中通过使用关节角度检测装置和用于拍摄使用者的腿部的图像的摄像装置中的至少一个检测到的信息，在使用者的步行运动中腿部向前摆动开始时或腿部的摆动时段期间，第一牵拉装置除了拉力之外还生成附加拉力，其中关节角度检测装置或摄像装置被布置在步行辅助设备中。根据该方面，在附接有步行辅助设备的腿部向前摆动开始时或在其摆动时段期间可以减少施加在该腿部上的负荷。

根据本发明，可以提供一种步行训练设备及其步行训练方法，该设备和方法能够减少在附接有步行辅助设备的腿部摆动开始时或在其摆动时段期间施加在该腿部上的负荷。

根据下文给出的详细描述以及附图将更全面地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点，其中详细描述和附图仅通过说明的方式给出，从而不应被认为是限制本发明。

附图说明

图1是示出根据本发明的示例性实施例的步行训练设备的示意性配置的透视图；

图2是示出步行辅助设备的示意性配置的透视图；

图3是示出根据本发明的示例性实施例的控制设备的示意性系统配置的框图；

图4是示出根据本发明的示例性实施例的计算机的示意性系统配置的框图；

图5示出了在腿部摆动开始时拉力命令值的变化；

图6是示出根据本发明的示例性实施例的步行训练方法的流程的流程图；

图7示出了在腿部摆动开始时拉力命令值的变化；以及

图8是根据本发明的示例性实施例的控制设备的示意性系统配置的框图。

具体实施方式

下文中参考附图说明根据本发明的示例性实施例。

图1是示出根据本发明的示例性实施例的步行训练设备的示意性配置的透视图。根据本示例性实施例的步行训练设备例如是这样的设备，诸如由中风引起的半身不遂的患者的使用者通过该设备进行步行训练。步行训练设备包括附接于使用者的腿部的步行辅助设备2、以及使用者借以进行步行训练的训练设备3。训练设备3至少包括第一牵拉单元和控制装置。

步行辅助设备2例如附接于进行步行训练的使用者的患病腿部并辅助使用者步行(图2)。步行辅助设备2包括大腿(upper thigh)框21、通过膝关节部分22连接至大腿框21的小腿(lower thigh)框23、通过踝关节部分24连接至小腿框23的脚底框25、以旋转的方式驱动膝关节部分22的电动机单元26、以及调节踝关节部分24的可动范围的调节机构27。注意，步行辅助设备2的上述配置仅是示例，并且步行辅助设备2的配置不限于这样的示例。例如，步行辅助设备2可以包括以旋转的方式驱动踝关节部分24的另一电动机单元。

大腿框21附接于使用者的腿部的大腿，小腿框23附接于使用者的腿部的小腿。大腿框21例如装备有用于固定大腿的大腿护具(harness)212。大腿护具212通过使用例如Velcro(注册商标)被固定至大腿。以这种方式，可以阻止步行辅助设备2在水平方向或竖直方向上从使用者的腿部移位。大腿框21装备有水平延伸的和水平长的第一框211，以用于与(稍后描述的)第一牵拉单元33的引线36连接。

注意，第一牵拉单元33的上述连接部分仅是示例，并且第一牵拉单元33的连接不限于这样的示例。例如，第一牵拉单元33的引线36可以连接至大腿护具212，并且第一牵拉单元33的牵拉点可以被布置在步行辅助设备2中的任意位置处。

电动机单元26根据使用者的步行运动以旋转的方式驱动膝关节部分22，从而辅助使用者步行。注意，步行辅助设备2的上述配置仅是示例，并且步行辅助设备2的配置不限于这样的示例。可以应用能够附接于使用者的腿部且辅助使用者步行的任何步行辅助设备。

训练设备3包括跑步机31、框主体32、第一牵拉单元33和第二牵拉单元34、以及控制设备35。跑步机31使环状带311旋转。使用者登上带311并根据带311的运动在带311上步行。通过这样做，使用者进行步行训练。

框主体32包括竖直布置在跑步机31上的两对柱框321、在长度方向上延伸且连接至相应柱框321的一对长度框322、以及在横向(crosswise)方向上延伸且连接至长度框322中的每个的至少一个横向框323。在图1的示例中，存在三个横向框323，但是横向框323的数目不限于此。注意，上述框主体32的配置不限于该示例。假设(稍后描述的)第一牵拉单元和第二牵拉单元可以被适当地固定至框主体32，对于框主体32，可以采用任何框结构。

在前横向框323(图3)中，设置了向上和向前牵拉引线36的第一牵拉单元33。第一牵拉单元33是第一牵拉装置的具体示例。第一牵拉单元33包括例如用于卷起和倒卷引线36的机构，驱动该机构的电动机等。引线36的由第一牵拉单元33牵拉的一端连接至步行辅助设备2。第一牵拉单元33通过引线36向上和向前牵拉步行辅助设备2。

由第一牵拉单元33施加的拉力的竖直向上分量支撑步行辅助设备2的重量。由第一牵拉单元33施加的拉力的水平向前分量辅助腿部摆动开始。以这种方式，可以减少步行训练时使用者的步行负荷。

第二牵拉单元34被布置在后横向框323(图3)中并向上牵拉引线37。引线37的一端连接到例如附接在使用者的腰部处或附近的带。第二牵拉单元包括例如用于卷起和倒卷引线37的机构、驱动该机构的电动机等。第二牵拉单元34通过引线37向上牵拉使用者的腰部。以这种方式，可以减少由使用者他/她自己的重量引起的对使用者的负荷。第一牵拉单元33和第二牵拉单元34中的每个通过引线线路等连接至控制设备35。

控制设备35是控制装置的具体示例。控制设备35控制由第一牵拉单元33和第二牵拉单元34施加的拉力、跑步机31的驱动、以及步行辅助设备中的每个。例如，控制设备35由主要使用微型计算机的硬件形成，该微型计算机包括：执行运算处理、控制处理等的CPU(中央处理单元)，存储要由CPU执行的运算程序、控制程序等的ROM(只读存储器)，存储各种数据等的RAM(随机存取存储器)，以及在外部接收并输出信号的接口单元(I/F)。CPU、ROM、RAM和接口单元通过数据总线等彼此连接。

图3是示出根据本示例性实施例的控制设备的示意性系统配置的框图。

控制设备35包括例如控制第一牵拉单元33的腿部负荷减轻控制单元351、控制第二牵拉单元34的个人负荷减轻控制单元352、控制步行辅助设备2的腿部控制单元353、控制跑步机31的跑步机控制单元354、控制这些单元的计算机或PC(个人计算机)355、以及用于操作计算机355的操作面板356。操作面板356显示诸如训练指示、训练菜单和训练信息(诸如步行速度和生物信息)的信息。操作面板356被形成为例如触摸面板，并且使用者可以通过操作面板356输入各种类型的信息(由第一牵拉单元33和第二牵拉单元34施加的拉力)。

顺便提及，步行时腿部摆动开始的定时也可以是使用者将他/她的腿部的运动从向后运动逆转为向前运动的定时。因此，附接有步行辅助设备的腿部在该逆转定时从步行辅助设备接收向后惯性力。然而，虽然相关技术的步行训练设备减少由步行辅助设备的重力引起的对使用者的步行的负荷，但是其没有减少由惯性力引起的上述负荷。因此，在步行中腿部摆动开始时，对使用者(特别是，由中风引起的半身不遂的患者等)的腿部施加过多负荷。同时，可想到仅增加由牵拉单元施加的拉力，以减少上述负荷。然而，在这样的情况下，可以容易地非故意地抬起腿部，使得腿部着地不稳并且阻止使用者进行稳定的步行训练。

与之相比，根据本示例性实施例的控制设备35控制第一牵拉单元33，使得由第一牵拉单元33施加的拉力f的竖直向上分量f2减少步行辅助设备的重力。此外，控制设备35控制第一牵拉单元33，使得第一牵拉单元33增加拉力f，从而在附接有步行辅助设备2的腿部摆动开始时或在腿部摆动时段期间生成附加拉力。

如上所述，根据本示例性实施例，可以通过控制第一牵拉单元33以使得由第一牵拉单元33施加的拉力f的竖直向上分量f2减少步行辅助设备的重力，来减少步行辅助设备2的重力对使用者的步行所引起的负荷。此外，根据本示例性实施例，通过在腿部摆动开始时或在腿部的摆动时段期间增大第一牵拉单元33施加的拉力f以及由此增大其水平向前分量f1，可以在摆动腿部开始时或在腿部的摆动时段期间减少由步行辅助设备2的惯性力引起的负荷。也就是，对附接有步行辅助设备2的腿部施加的负荷可以在该腿部摆动开始时或在腿部的摆动时段期间减少。

图4是示出根据本示例性实施例的计算机的示意系统配置的框图。根据本示例性实施例的计算机355包括检测附接有步行辅助设备2的腿部向前摆动的开始的运动检测单元357，以及计算针对第一牵拉单元33的拉力命令值的拉力计算单元358。

例如，运动检测单元357通过使用摄像机(摄像装置的具体示例)检测关于附接有步行辅助设备2的腿部或足部的运动或位置的信息。运动检测单元357基于检测到的信息来检测附接有步行辅助设备2的腿部向前摆动的开始。替选地，运动检测单元357通过使用摄像机来检测关于步行辅助设备2的运动或位置的信息，并基于检测到的信息来检测附接有步行辅助设备2的腿部向前摆动的开始。

运动检测单元357基于设置在步行辅助设备2的膝关节部22中的角度传感器(膝部角度检测装置的具体示例)检测的膝关节部的角度随时间的变化，来检测附接有步行辅助设备2的腿部的向前摆动的开始。更具体地，当运动检测单元357基于角度传感器所检测的膝关节部的角度随时间的变化来确定所检测的膝关节部的角度进入与摆动开始运动相对应的变化范围时，运动检测单元357检测到腿部摆动开始。

运动检测单元(速度检测装置的具体示例)357检测跑步机31的带311的运动速度，并基于所检测的运动速度来计算使用者的步行周期。然后，运动检测单元357基于所计算的使用者的步行周期来检测附接有步行辅助设备2的腿部的向前摆动的开始。可以预先实验获得步行周期与跑步机31的带311的运动速度之间的关系(例如，步行周期被表达为包括训练设备3的带311的运动速度作为其变量的单调现象函数)。注意，上述用于检测腿部摆动开始的方法仅是示例。也就是，检测方法不限于这样的示例，并且可以应用任意检测方法。当运动检测单元357检测到附接有步行辅助设备2的腿部的向前摆动开始时，运动检测单元357向拉力计算单元358输出检测信号。

拉力计算单元358(拉力计算装置的具体示例)计算针对第一牵拉单元33的拉力命令值，并向第一牵拉单元33输出所计算的拉力命令值。第一拉力单元33根据从拉力计算单元358输出的拉力命令值来牵拉步行辅助设备2的引线36。此时，第一牵拉单元33所施加的拉力f的竖直向上分量f2支撑步行辅助设备2的重量。第一牵拉单元33所施加的拉力f的水平向前分量f1辅助腿部摆动开始。也就是，拉力命令值被设置，使得对于使用者的正常步行运动，拉力f的竖直向上分量f2支撑步行辅助设备2的重量，并且拉力f的水平向前分量f1最佳地辅助腿部摆动开始。

然而，如先前所述，在步行中腿部摆动开始时腿部从步行辅助设备2接收向后惯性力，因此在腿部摆动开始时在腿部上施加比在正常步行运动中施加的负荷更高的负荷。为了应对这种情况，当根据本示例性实施例的拉力计算单元358从运动检测单元357接收到检测信号时，拉力计算单元358在预定时间段内使拉力命令值从其正常值开始增大(图5)。如上所述，仅当腿部在腿部摆动开始时接收到惯性力时，增大针对第一牵拉单元33的拉力f。以这种方式，可以减少在腿部摆动开始时由惯性力引起的负荷。

当拉力计算单元358从运动检测单元357接收到检测信号时，拉力计算单元358在短时间内例如以脉冲的方式急剧地增大拉力命令值。注意，可以例如基于根据跑步机31的带311的运动速度计算的步行辅助设备2的惯性力来设置拉力命令值的增量。当检测到在腿部摆动开始之后经过了预定时间时，拉力计算单元358向第一牵拉单元33输出正常拉力命令值。

图6是示出根据本示例性实施例的步行训练方法的流程的流程图。

运动检测单元357基于例如脚底上的压力分布随时间的变化来检测附接有步行辅助设备2的腿部向前摆动的开始(步骤S101)。

当运动检测单元357检测到附接有步行辅助设备2的腿部的向前摆动开始时(步骤S101处为是)，拉力计算单元358增大拉力命令值并向第一拉力单元33输出增大的拉力命令值(步骤S102)。另一方面，当运动检测单元357没有检测到附接有步行辅助设备2的腿部向前摆动开始时(步骤S101处为否)，拉力计算单元358向第一牵拉单元33输出正常拉力命令值(步骤S103)。过程然后返回到上述步骤S101。

当检测到在腿部摆动开始之后已经经过预定时间时，拉力计算单元358向第一牵拉单元33输出正常拉力命令值(步骤S104)。

如上所述，根据本示例性实施例的步行训练设备控制第一牵拉单元33，使得第一牵拉单元33所施加的拉力f的竖直向上分量f2减少步行辅助设备的重力。例如，使得第一牵拉单元33所施加的拉力f的竖直向上分量f2等于步行辅助设备2的重力，或等于步行辅助设备2的重力的一半。

此外，在腿部摆动开始时，第一牵拉单元33所施加的拉力f增大。以这种方式，可以在腿部摆动开始时减少步行辅助设备2的惯性力所引起的负荷，从而减少在腿部摆动开始时施加在腿部上的负荷。

注意，本发明不限于上述示例性实施例，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改。

在上述示例性实施例中，当计算机355的运动检测单元357检测到附接有步行辅助设备2的腿部的向前摆动开始时，拉力计算单元358可以增大拉力命令值并且然后逐渐降低拉力命令值(图7)。例如，当检测到腿部的摆动开始时，拉力计算单元358以脉冲的方式增大拉力命令值。此后，当摆动时段已经完成时(当脚底框25落在地面上时)，拉力计算单元358逐渐降低拉力命令值并将拉力命令值返回至正常值。在这种情况下，拉力计算单元358可以随着在该摆动时段期间步行辅助设备2的引线36上施加的拉力增大而增大拉力命令值。

以这种方式，可以在摆动时段(使用者摆动他/她的腿部的时段)期间在摆动方向上持续加上大于正常拉力的拉力。结果，可以既减少由惯性力引起的负荷，又减少摆动运动的整体负荷。

上述示例性实施例可以具有如下配置：其中通过引线39向上和向后牵拉步行辅助设备的第三牵拉单元38被设置在框主体32的横向框323中(图8)。第三牵拉单元38是第二牵拉装置的具体示例。由第一牵拉单元33和第三牵拉单元38施加的拉力的竖直向上分量的合成力支撑步行辅助设备2的重量。此外，第一牵拉单元33和第三牵拉单元38施加的拉力的水平分量的合成力辅助腿部摆动开始。

拉力计算单元358向第一牵拉单元33和第三牵拉单元38输出拉力命令值，该拉力命令值使得第一牵拉单元33和第三牵拉单元38所施加的拉力的竖直向上分量的合成力等于步行辅助设备2的重力。此外，当拉力计算单元358从运动检测单元357接收检测信号时，拉力计算单元358在预定时间段内将拉力命令值从其正常值开始增大，并且向第一牵拉单元33输出增大的拉力命令值。此时，拉力计算单元358正向第三牵拉单元38输出正常拉力命令值(拉力命令值＝常数)。然而，本发明不限于这样的配置和方法。也就是，针对第三牵拉单元38的拉力命令值可以以与针对第一牵拉单元33的拉力命令值相似的方式改变。换言之，拉力计算单元358在腿部摆动开始时改变针对第一牵拉单元33和第三牵拉单元38的拉力命令值，从而增大第一牵拉单元33和第三牵拉单元38所施加的拉力的水平向前分量。以这种方式，可以彼此独立地准确地控制由第一牵拉单元33和第三牵拉单元38施加的拉力的竖直向上分量和水平向前分量。结果，可以在减少由步行辅助设备的重力所引起的负荷的同时，以更优的方式减少在附接有步行辅助设备2的腿部开始摆动时施加在该腿部上的负荷。

此外，当检测到附接有步行辅助设备2的腿部在向后方向上后摆开始时，控制设备35可以控制第一牵拉单元33和第三牵拉单元38，使得第一牵拉单元33和第三牵拉单元38所施加的拉力的水平分量增加。以这种方式，在腿部后摆开始时由步行辅助设备2的惯性力所导致的负荷也会减少。

在上述示例性实施例中，训练设备3可以不包括框主体32。在这种情况下，第一和第二牵拉单元可以例如被设置(或安装)在墙壁或天花板上。

虽然在上述示例性实施例中第一牵拉单元33的引线36连接至步行辅助设备2，但是本发明不限于这样的配置。例如，第一牵拉单元33的引线36可以通过诸如带和环的固定物连接至使用者的腿部。此外，第一牵拉单元33的引线36可以连接至步行辅助设备2和使用者的腿部二者。

虽然在上述示例性实施例中装备有步行辅助设备2的使用者在跑步机31上行走，但是本发明不限于这样的配置。本发明可以应用于这样的配置，其中装备有步行辅助设备2的使用者在静止路面上行走，并且根据使用者的运动来移动第一牵拉单元33。

根据这样描述的本发明，将明显的是，可以以多种方式改变本发明的实施例。这样的变型不应被认为是背离本发明的精神和范围，并且如对本领域的技术人员而言明显的所有这样的修改意在包括在所附权利要求的范围之内。