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公開番号2024152541
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-25
出願番号2023079941
出願日2023-05-15
発明の名称個人化の下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置及び制御方法
出願人浙江大学,ZHEJIANG UNIVERSITY
代理人個人
主分類A61H 1/02 20060101AFI20241018BHJP(医学または獣医学;衛生学)
要約【課題】個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置及び制御方法を提供する。
【解決手段】装置は、下肢リハビリテーション外骨格と、シングルチップマシンと、を備え、シングルチップマシンは、下肢リハビリテーション外骨格に取付けられて利用者の脚に装着される。方法は、測定歩行パターン特性パラメータを取得するステップと、ZMP法により初期の運動軌跡を取得するステップと、下肢リハビリテーション外骨格に入力するステップと、自然言語評価を嗜好クラウド構築モジュールに入力するステップと、リハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウドを取得して歩行パターン生成モジュールに出力するステップと、個人化された歩行パターンパラメータを関節運動軌跡生成モジュールに出力して最終的な運動軌跡を下肢リハビリテーション外骨格に出力して作動させることにより装置の制御を達成するステップと、を備える。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置であって、
下肢リハビリテーション外骨格と、
取得モジュール、リハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウド構築モジュール、個人化下肢リハビリテーション歩行パターン生成モジュール、関節運動軌跡生成モジュール及び出力モジュールが取付けられるシングルチップマシンと、
を備え、
シングルチップマシンは、コントローラとして下肢リハビリテーション外骨格に取付けられて電気的に接続され、
下肢リハビリテーション外骨格は、利用者の脚に装着される、
ことを特徴とする個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置。
続きを表示（約 4,300 文字）【請求項２】
前記取得モジュールは、利用者の自然言語評価データを取得してリハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウド構築モジュールに入力し、
リハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウド構築モジュールは、処理後に、リハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウドを個人化下肢リハビリテーション歩行パターン生成モジュールに出力し、
個人化下肢リハビリテーション歩行パターン生成モジュールは、処理後に、個人化歩行パターンパラメータを関節運動軌跡生成モジュールに出力し、
関節運動軌跡生成モジュールは、処理後に、最終的な下肢リハビリテーション外骨格の関節運動軌跡を出力し、出力モジュールを介して下肢リハビリテーション外骨格に出力して制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置による下肢リハビリテーション歩行パターン生成の制御方法であって、
下肢リハビリテーション外骨格を利用者の脚に装着し、基準歩行パターン特性パラメータに基づき測定歩行パターン特性パラメータを取得するステップＳ１と、
測定歩行パターン特性パラメータに基づき、ゼロモーメントポイントプレビュー制御ＺＭＰ法により、初期の下肢リハビリテーション外骨格の関節運動軌跡を取得するステップＳ２と、
初期の下肢リハビリテーション外骨格の関節運動軌跡を下肢リハビリテーション外骨格に入力し、下肢リハビリテーション外骨格により初期の下肢リハビリテーション外骨格の関節運動軌跡に基づき、２つの予め定めた歩行パターン周期で利用者を歩行させるステップＳ３と、
利用者は、歩行パターン性能指標の自然言語評価データを、コントローラの取得モジュール、ないし、リハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウド構築モジュールに入力するステップＳ４と、
リハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウド構築モジュールは、自然言語評価データに基づき評価行列を生成し、評価行列に基づきリハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウドを取得して個人化下肢リハビリテーション歩行パターン生成モジュールに出力し、個人化下肢リハビリテーション歩行パターン生成モジュールは、個人化歩行パターンパラメータを関節運動軌跡生成モジュールに出力し、関節運動軌跡生成モジュールは、最終的な下肢リハビリテーション外骨格の関節運動軌跡を出力し、出力モジュールを介して下肢リハビリテーション外骨格に出力して制御するステップＳ５と、
最終的な下肢リハビリテーション外骨格の関節運動軌跡に基づき下肢リハビリテーション外骨格を作動させることにより、個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターン生成装置の制御を達成するステップＳ６と、
を備える、
ことを特徴とする個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置による下肢リハビリテーション歩行パターン生成の制御方法。
【請求項４】
前記ステップＳ１において、前記予め定めた基準歩行パターン特性パラメータは、基準歩幅、基準歩隔及び基準歩行周波数を含み、測定歩行パターン特性パラメータは、基準歩行パターン特性パラメータを調整し、具体的に、基準歩幅を、１０％減少し、５％減少し、５％増加し、または１０％増加し、基準歩隔を、１０％減少し、５％減少し、５％増加し、または１０％増加し、基準歩行周波数を、１０％減少し、５％減少、５％増加し、または１０％増加することにより取得される、
ことを特徴とする請求項３に記載の個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置による下肢リハビリテーション歩行パターン生成の制御方法。
【請求項５】
前記ステップＳ２において、前記初期の下肢リハビリテーション外骨格の関節運動軌跡は、初期の左膝関節の運動軌跡、初期の右膝関節の運動軌跡、初期の左股関節の運動軌跡、及び初期の右股関節の運動軌跡を含む、
ことを特徴とする請求項３に記載の個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置による下肢リハビリテーション歩行パターン生成の制御方法。
【請求項６】
前記ステップＳ４において、歩行パターン性能指標は、支持段階の軌跡制御補助度ＡＦ１、揺れ発動段階の初期軌跡制御補助度ＡＦ２、及び揺れ段階の軌跡制御補助度ＡＦ３を含み、ただし、
支持段階は、具体的に、利用者が下肢リハビリテーション外骨格を用いる際に、予め定めた歩行パターン周期における立上り期間の初期から終期までの段階であり、
揺れ発動段階は、具体的に、利用者が下肢リハビリテーション外骨格を用いる際に、予め定めた歩行パターン周期における立上り期間の終期から揺れ期間の初期までの段階であり、
揺れ段階は、具体的に、利用者が下肢リハビリテーション外骨格を用いる際に、予め定めた歩行パターン周期における揺れ期間の初期から終期までの段階である、
ことを特徴とする請求項３に記載の個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置による下肢リハビリテーション歩行パターン生成の制御方法。
【請求項７】
前記ステップＳ４において、自然言語評価データは、具体的に、Ｇ５：とても高い、Ｇ４：高い、Ｇ３：適度、Ｇ２：低い、Ｇ１：とても低いという５つの評価レベルを含み、
利用者は、支持段階の軌跡制御補助度ＡＦ１の自然言語評価データにおける各評価レベル、揺れ発動段階の初期軌跡制御補助度ＡＦ２の自然言語評価データにおける各評価レベル、及び揺れ段階の軌跡制御補助度ＡＦ３の自然言語評価データにおける各評価レベルに対して、予め定めたスコア値の範囲内にスコアリングを行い、スコアリングされたスコア値をコントローラの取得モジュールに、ないしリハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウド構築モジュールに入力して評価行列として構築し、ただし、
評価行列には、支持段階の軌跡制御補助度ＡＦ１、揺れ発動段階の初期軌跡制御補助度ＡＦ２、及び揺れ段階の軌跡制御補助度ＡＦ３の自然言語評価データにおける各評価レベルのスコア値が含まれ、
支持段階の軌跡制御補助度ＡＦ１の自然言語評価データにおける各評価レベルのスコア値の合計、揺れ発動段階の初期軌跡制御補助度ＡＦ２の自然言語評価データにおける各評価レベルのスコア値の合計、及び揺れ段階の軌跡制御補助度ＡＦ３の自然言語評価データにおける各評価レベルのスコア値の合計は、何れも１である、
ことを特徴とする請求項６に記載の個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置による下肢リハビリテーション歩行パターン生成の制御方法。
【請求項８】
前記ステップＳ５において、評価行列に基づきリハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウドを取得するのは、具体的に、
リハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウド構築モジュールが、評価行列における支持段階の軌跡制御補助度ＡＦ１、揺れ発動段階の初期軌跡制御補助度ＡＦ２、及び揺れ段階の軌跡制御補助度ＡＦ３の自然言語評価データにおける各評価レベルのスコア値を抽出するステップＳ５．１と、
リハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウド構築モジュールが、支持段階の軌跡制御補助度ＡＦ１の自然言語評価データにおける各評価レベルのスコア値、揺れ発動段階の初期軌跡制御補助度ＡＦ２の自然言語評価データにおける各評価レベルのスコア値、及び揺れ段階の軌跡制御補助度ＡＦ３の自然言語評価データにおける各評価レベルのスコア値を、それぞれ、バックワードクラウドジェネレーターに入力し、バックワードクラウドジェネレーターが、支持段階、揺れ発動段階、及び揺れ段階のクラウドモデルを出力するステップＳ５．２と、
リハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウド構築モジュールが、クラウド集約演算子を取出し、ステップＳ５．１における各スコア値、及びステップＳ５．２における各クラウドモデルに基づき、リハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウドを集約して生成するステップＳ５．３と、
を備える、
ことを特徴とする請求項７に記載の個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置による下肢リハビリテーション歩行パターン生成の制御方法。
【請求項９】
前記ステップＳ５において、リハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウドが個人化下肢リハビリテーション歩行パターン生成モジュールに入力されて個人化下肢リハビリテーション歩行パターン生成モジュールが個人化歩行パターンパラメータを出力するのは、具体的に、個人化下肢リハビリテーション歩行パターン生成モジュールが、リハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウドをフォーワードクラウドジェネレーターに入力し、フォーワードクラウドジェネレーターが、個人化下肢リハビリテーション歩行パターンの歩幅と歩隔と歩行周波数との数値の含む個人化歩行パターンパラメータを出力することである、
ことを特徴とする請求項３に記載の個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置による下肢リハビリテーション歩行パターン生成の制御方法。
【請求項１０】
前記ステップＳ５において、個人化歩行パターンパラメータが関節運動軌跡生成モジュールに出力されて関節運動軌跡生成モジュールが最終的な下肢リハビリテーション外骨格の関節運動軌跡を出力するのは、具体的に、関節運動軌跡生成モジュールが、個人化歩行パターンパラメータに基づき、ＺＭＰ法により、最終的な左膝関節運動軌跡と、最終的な右膝関節運動軌跡と、最終的な左股関節運動軌跡と、最終的な右股関節運動軌跡との含む最終的な下肢リハビリテーション外骨格の関節運動軌跡を取得することである、
ことを特徴とする請求項３に記載の個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置による下肢リハビリテーション歩行パターン生成の制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、リハビリテーション歩行パターンの生成装置に関し、具体的に、個人化の下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置及び制御方法に関するものである。
続きを表示（約 1,900 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、下肢の外骨格は、人間の運動補助に広く用いられる。下肢の外骨格の運動基準軌跡は予め設定された値であるが、予め設定された歩行パターンのタイプは、ダイナミクス特性及び訓練内容の個人差により、各利用者の要求を十分に満たさない。したがって、利用者の好みを満たすためには、下肢の外骨格補助の歩行パターンの生成方法を最適化させて各利用者に適する最適な歩行パターンを見つける必要がある。
【０００３】
下肢機能障害の患者は、下肢の筋力が不足しており、下肢の運動機能が健常者よりも弱いため、下肢リハビリテーション外骨格に対して健常者の歩行パターンによりリハビリテーション訓練を行えず、患者自身の身体状況及び回復程度に応じて個人化の歩行速度及び歩幅などを設計する必要がある。これにより、人体が下肢リハビリテーション外骨格を装着して歩行する歩行パターンでは、各関節の実際の運動学・ダイナミクス特性に近づき、下肢リハビリテーション外骨格を装着者と協働させて自己適応自発リハビリテーション訓練を完了させる。利用者は、認知機能の違いにより、歩行パターンの性能を明確的な数値で定量的に評価しにくいため、利用者の個人化の好みを満たす下肢リハビリテーション歩行パターンが確立できず、実際のリハビリテーション訓練における下肢リハビリテーションの促進・利用が極めて大きく制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、背景技術に記載の課題を解決するために、下肢リハビリテーション歩行パターンの正確な定量的評価と、利用者の好みを満たす下肢リハビリテーションの個人に応じた歩行パターンの予測とを実現し、患者の安全・効果的なリハビリテーション訓練が補助され、肢体の運動機能が改善・回復される、個人化された下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置及び制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る技術案は、
（一）個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置であって、
【０００６】
下肢リハビリテーション外骨格と、
取得モジュール、リハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウド構築モジュール、個人化下肢リハビリテーション歩行パターン生成モジュール、関節運動軌跡生成モジュール及び出力モジュールが備えられたＳＴＭ３２ｆ１０３ＲＣＴ６型のシングルチップマシン（ＳｉｎｇｌｅＣｈｉｐＭａｃｈｉｎｅ）と、を備え、
シングルチップマシンは、コントローラとして下肢リハビリテーション外骨格に取り付けられて電気的に接続され、下肢リハビリテーション外骨格は、利用者の脚に装着される、個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置である。
【０００７】
前記取得モジュールは、利用者の自然言語評価データを取得してリハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウド構築モジュールに入力し、リハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウド構築モジュールは、処理後に、リハビリテーション歩行パターンパラメータ嗜好クラウドを個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターン生成モジュールに出力し、個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターン生成モジュールは、処理後に、個人に応じた歩行パターンパラメータを関節運動軌跡生成モジュールに出力し、関節運動軌跡生成モジュールは、処理後に、最終的な下肢リハビリテーション外骨格の関節運動軌跡を出力し、出力モジュールを介して下肢リハビリテーション外骨格に出力して制御する。
【０００８】
（二）個人に応じた下肢リハビリテーション歩行パターンの生成装置による下肢リハビリテーション歩行パターン生成の制御方法は、以下のステップを含む。
Ｓ１：下肢リハビリテーション外骨格を利用者の脚に装着し、基準歩行パターン特性パラメータに基づきテスト歩行パターン特性パラメータを取得する。
【０００９】
ただし、利用者の身長、体重、下肢長、膝幅、足首幅、足長及び足幅が含まれる利用者人体特性パラメータに基づき基準歩行パターン特性パラメータを取得する。
【００１０】
Ｓ２：テスト歩行パターン特性パラメータに基づき、ゼロモーメントポイントプレビュー制御ＺＭＰ法（ＺｅｒｏＭｏｍｅｎｔＰｏｉｎｔＰｒｅｖｉｅｗＣｏｎｔｒｏｌＺＭＰＭｅｔｈｏｄ）により、初期の下肢リハビリテーション外骨格の関節運動軌跡を取得する。
（【００１１】以降は省略されています）

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