JP6591744B2

JP6591744B2 - 荷重検出装置、及び歩行補助装置

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Publication number: JP6591744B2
Application number: JP2014239997A
Authority: JP
Inventors: 祥則藤掛
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2034-11-27
Also published as: EP3025645B1; CN105640557B; US20160151228A1; US10507156B2; JP2016101227A; EP3025645A1; CN105640557A

Description

本発明は、歩行訓練者の足裏に掛かる荷重を検出する荷重検出装置、及び歩行補助装置に関するものである。

足裏の荷重を測定する荷重センサを足裏の略輪郭形状に配置した荷重検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２００９／０８４３８７号

ところで、例えば、片麻痺患者などのバランスを崩しやすい歩行訓練者が装着する歩行訓練装置において、足裏が乗る足裏形状部に、その外側に張り出したフレア部が設けられることがある。しかしながら、上記特許文献１に示すように、足裏の形状内のみに荷重センサが配置された場合、その荷重の検出範囲が足裏の形状内に制限され得る。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、歩行訓練者の足裏荷重の検出範囲を広げその検出精度を向上させることができる荷重検出装置、及び歩行補助装置を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、歩行訓練者の足裏の形状に沿って形成され、該足裏が乗る足裏形状部と、前記足裏形状部の外側に突出して形成されたフレア部と、前記足裏形状部に設けられ前記足裏形状部の荷重を検出する第１荷重センサと、を備える荷重検出装置であって、前記フレア部に設けられ、該フレア部の荷重を検出する第２荷重センサを備える、ことを特徴とする荷重検出装置である。
この一態様において、前記第１及び第２荷重センサにより検出された荷重に基づいて、前記歩行訓練者の足裏荷重の中心点を算出する中心算出手段を更に備えていてもよい。
この一態様において、前記第１荷重センサは、前記足裏形状部の爪先側に２つ、踵側に１つ設けられ、前記フレア部に１つ設けられていてもよい。
この一態様において、前記第１及び第２荷重センサの校正データを記憶する記憶手段を更に備えていてもよい。
この一態様において、前記第１及び第２荷重センサの荷重データ及び／又は校正データを無線により送信する通信手段を更に備えていてもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、上記のうちいずれか記載の第１の荷重検出装置と、前記第１の荷重検出装置に足首関節部を介して連結された下腿フレームと、前記下腿フレームに膝関節部を介して連結された上腿フレームと、前記膝関節部を駆動する駆動ユニットと、を備えることを特徴とする歩行補助装置であってもよい。
この一態様において、前記歩行訓練者の健脚に装着された、上記のうちいずれか記載の第２の荷重検出装置と、前記第１及び第２の荷重検出装置の第１及び第２荷重センサにより検出された荷重に基づいて、健脚及び患脚の両足で接地したときの全荷重中心を算出する全中心算出手段と、を更に備えていてもよい。

本発明によれば、歩行訓練者の足裏荷重の検出範囲を広げその検出精度を向上させることができる荷重検出装置、及び歩行補助装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る歩行補助装置の概略的な構成を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る荷重検出装置の概略的構成を示す上面斜視図である。本発明の一実施形態に係る荷重検出装置の概略的構成を示す分解斜視図である。本発明の一実施形態に係る荷重検出装置の部分断面図である。センサホルダと底板との間に低弾性樹脂を設けた構成を示す図である。各第１及び第２荷重センサに皿ネジを用いて底板を直接的に取り付けた構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る歩行補助装置の概略的な構成を示す斜視図である。本実施形態に係る歩行補助装置１０は、例えば、歩行訓練を行うユーザの患脚に装着され、ユーザの歩行を補助する。歩行補助装置１０は、上腿フレーム１１と、上腿フレーム１１に膝関節部１２を介して連結された下腿フレーム１３と、下腿フレーム１３に足首関節部１４を介して連結された荷重検出装置１と、膝関節部１２を駆動する駆動ユニット１５と、足首関節部１４の可動範囲を調整する調整機構１６と、を有している。

駆動ユニット１５は、ユーザの歩行動作に応じて膝関節部１２を回転駆動することでユーザの歩行を補助する。駆動ユニット１５は、膝関節部１２を回転駆動するモータと、モータを制御する制御装置と、を有している。なお、上記歩行補助装置１０の構成は一例であり、これに限られない。ユーザの脚部に装着され、その歩行を補助できる任意の歩行補助装置が適用可能である。例えば、歩行補助装置１０は、足首関節部１４を回転駆動するモータを備えていてもよい。

図２は、本発明の一実施形態に係る荷重検出装置の概略的な構成を示す上面斜視図である。図３は、荷重検出装置の概略的な構成を示す分解斜視図である。本実施形態に係る荷重検出装置１は、図２に示す如く、足裏が乗る足裏形状部２と、足裏形状部の外側に形成されたフレア部３と、足裏形状部２に設けられた複数の第１荷重センサ４と、フレア部３に設けられた少なくとも１つの第２荷重センサ５と、を有している。

足裏形状部２は、歩行訓練者の足裏の形状に沿って形成されて足裏が乗る部分である。フレア部３は、足裏形状部２の外側に突出し踵側に形成された部分である。フレア部３は、例えば、バランスを崩し易い片麻痺患者の足裏荷重が踵側に寄ったときに路面に接触して、その荷重を支えることで転倒を防止する転倒防止機能を有している。フレア部３は、例えば、足裏形状部２の外側に略２０ｍｍ突出し踵側に形成されている。

なお、足裏形状部２とフレア部３は、一体で形成されているが別体で形成されてもよい。足裏形状部２とフレア部３を一体形成することで、製造コストの低減に繋がる。各第１荷重センサ４は、例えば、足裏形状部２の爪先側に２つ、踵側に１つ夫々設けられており、足裏形状部２の荷重を検出する。第２荷重センサ５は、フレア部３に、例えば１つ設けらており、フレア部３の荷重を検出する。各第１及び第２荷重センサ４、５は、例えば、圧電素子などで構成されている。各第１及び第２荷重センサ４、５は、同一種のセンサとなっているが、これに限定されず、異なる種類のセンサであってもよい。

ところで、上述の如く、バランスを崩し易い歩行訓練者に対しては、足裏形状部の外側フレア部を設けることとなる。このとき、足裏の形状内のみに荷重センサが配置された場合、その荷重の検出範囲が足裏の形状内に制限され得るという問題が生じていた。

これに対して、本実施形態に係る荷重検出装置１は、上記記載の如く、フレア部３に第２荷重センサ５が設けられている。これにより、荷重の検出範囲を足裏の形状内だけでなく、フレア部３にまで広げることができる。すなわち、歩行訓練者の足裏荷重の検出範囲を広げその検出精度を向上させることができる。

なお、上記のように、荷重の検出範囲をフレア部３にまで広げることで、例えば、歩行訓練者のヒールコンタクト時に、荷重中心（ＣＯＰ：Center of Pressure）が足裏形状の外側にはみ出しているのか、いないのかを容易に判断できる。したがって、歩行訓練者の歩容の状態を容易に把握できる。

また、荷重の検出範囲を荷重センサの数を増やすことなく広げ、荷重中心を算出する上で最小となる４つの荷重センサに構成できる。したがって、荷重センサの個数を必要最小限に抑えることができ、コスト削減に繋がる。さらに、従来の荷重検出装置は、荷重の検出範囲を広げるため、例えば、土踏まず部に２つの荷重センサを設け、合計６つの荷重センサで構成されていた。一方、本実施形態に係る荷重検出装置１は、４つの荷重センサで構成される。したがって、土踏まず部に荷重センサを設ける必要がなくなるため、そのスペースに後述のマイコン基板７などを配置することができ、スペースの効率的な活用が可能となる。

本実施形態に係る荷重検出装置１は、図３に示す如く、あぶみ部２１と、あぶみ部２１の下面に取り付けられたナイロン部材２２と、ナイロン部材２２の下面に取り付けられたセンサホルダ２３と、センサホルダ２３の下方に設けられた底板２４と、底板２４の下面に取り付けられたパウチ部材２５と、パウチ部材２５の下面に取り付けられたサイズ調整ソール２６と、を有している。

あぶみ部２１は、足首関節部１４を介して下腿フレーム１３が連結され、歩行訓練者の足裏が接触する高剛性部材である。あぶみ部２１の爪先側および踵側の下面には、下方に突出する突起部２１１が夫々設けられている。各突起部２１１は、第１及び第２荷重センサ４、５の設けられる位置に対応して形成されている。このため、歩行訓練者の足裏があぶみ部２１に乗ったときに、各突起部２１１が第１及び第２荷重センサ４、５を確実に押圧し、そのセンサ感度を上げている。

あぶみ部２１、ナイロン部材２２、センサホルダ２３、底板２４、パウチ部材２５、およびサイズ調整ソール２６の外縁形状は、足裏形状部２及びフレア部３を一体成型した形状となっている。

ナイロン部材２２の外縁は、パウチ部材２５の外縁と糸などで縫合及び接着されているが、これに限定されない。ナイロン部材２２の外縁は、例えば、パウチ部材２５の外縁と熱溶着などにより接合されていてもよい。

センサホルダ２３の爪先側には、２つの第１荷重センサ４及びセンサアンプ６が夫々設けられている。センサホルダ２３の踵側には、第１及び第２荷重センサ４、５及びセンサアンプ６が夫々設けられている。センサホルダ２３の略中央部（土踏まず部）には、マイコン基板７が設けられている。センサホルダ２３の略中央部には、外側に張り出してバッテリ８が設けられている。バッテリ８は、マイコン基板７及びセンサアンプ６に電力を供給する。

マイコン基板７は、例えば、演算処理と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによって実行される演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）、各種のデータなどを記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。各第１及び第２荷重センサ４、５は、各センサアップ６を介してマイコン基板７に接続されている。各第１及び第２荷重センサ４、５は、検出した荷重値を荷重信号として各センサアンプ６に出力する。各センサアンプ６は、荷重信号を増幅してマイコン基板７に出力する。

マイコン基板７のＣＰＵ（中心算出手段の一具体例）は、例えば、各第１及び第２荷重センサ４、５から出力される荷重信号に基づいて、足裏の荷重中心を算出する。マイコン基板７のＣＰＵは、算出した荷重中心データを駆動ユニット１５に出力する。駆動ユニット１５の制御装置は、マイコン基板７からの荷重中心データに応じてモータを制御し膝関節部１２を回転駆動することで、ユーザの歩行を補助する。

各第１及び第２荷重センサ４、５の校正データ（キャリブレーションデータ）は、例えば、マイコン基板７のＲＯＭやＲＡＭ（記憶手段の一具体例）に記憶されている。マイコン基板７は、例えば、記憶した校正データを上位の駆動ユニット１５に自動的に出力する。これにより、ユーザは、駆動ユニット１５に校正データを入力する必要がないため、利便性が高く、さらに、その入力ミスも防止できる。

マイコン基板７は、上記荷重中心データ及び校正データを有線を介して駆動ユニット１５に出力しているが、これに限定されない。マイコン基板（通信手段の一具体例）７は、Bluetooth（登録商標）などの無線通信機能を有していてもよい。この場合、マイコン基板７は、上記荷重中心データ及び校正データを無線を介して駆動ユニット１５に出力する。これにより、歩行訓練者の足のサイズに応じて、荷重検出装置１をサイズ交換（例えば、２２ｃｍ用と２６ｃｍ用の２種類用意されている場合）したときなど、荷重検出装置１と駆動ユニット１５との配線を行う必要がなく便宜である。

底板２４は、パウチ部材２５の上面に設けられている。底板２４の爪先側の、センサホルダ２３の各第１荷重センサ４に対応する位置に一対の荷重受けピン２４１が設けられている（図４）。底板２４の踵側の、センサホルダ２３の第１及び第２荷重センサ４、５に対応する位置に一対の荷重受けピン２４１が設けられている。各荷重受けピン２４１は、底板２４の上面に上方に突出して設けられている。各荷重受けピン２４１は、センサホルダ２３の対応する各第１及び第２荷重センサ４、５の印加部に当接する。

パウチ部材２５は、例えば、弾性樹脂などで形成されている。パウチ部材２５は、上面が開口したケース部材である。パウチ部材２５は、その内部に底板２４及びセンサホルダ２３を収納している。パウチ部材２５上面の開口は、ナイロン部材２２で塞がれている。これにより、センサホルダ２３の第１及び第２荷重センサ４、５、センサアンプ６、及びマイコン基板７、が密閉され、粉塵や水分などから保護される。

センサホルダ２３及び底板２４は、パウチ部材２５内で位置決めされ、サイズ調整ソール２６に一体化されている。これにより、パウチ部材２５は、センサホルダ２３の各第１及び第２荷重センサ４、５と、底板２４の各荷重受けピン２４１と、を確実に位置決めする。

センサホルダ２３と底板２４の隙間の距離は、例えば、略２ｍｍとなっており、第１及び第２荷重センサ４、５の印加部と各荷重受けピン２４１とが接近している。したがって、第１及び第２荷重センサ４、５の印加部が各荷重受けピン２４１を押圧したときの他部材への荷重逃げが少なくなるため、荷重検出精度を向上させることができる。

サイズ調整ソール２６は、パウチ部材２５の上に被せるようにして設けられている。サイズ調整ソール２６は、例えば、２６〜２９ｃｍまで１ｃｍ刻みのサイズで用意されている。
以上、本実施形態に係る荷重検出装置１において、フレア部３の荷重を検出する第２荷重センサ５を備える。これにより、これにより、歩行訓練者の足裏荷重の検出範囲をフレア部３にまで広げその検出精度を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

上記実施形態において、センサホルダ２３と底板２４との間に、低弾性樹脂２７を設けることで、パウチ部材２５を用いることなく、センサホルダ２３と底板２４との位置決めを行ってもよい（図５）。この場合、低弾性樹脂２７への荷重逃げを極力少なくするため、低弾性樹脂２７は柔らかい部材である必要がある。低弾性樹脂２７として、例えば、ウレタンゴムやスポンジなどを用いることができる。

上記実施形態において、センサホルダ２３の各第１及び第２荷重センサ４、５に、皿ネジ２８などを用いて底板２４を直接的に取り付けることで、センサホルダ２３と底板２４との位置決めを行ってもよい（図６）。この場合、荷重センサの外径を大きくし、印加部に取付用タップを設け、皿ネジ２８などをねじ込む。これにより、上記荷重逃げを抑制できる。

上記実施形態において、制御装置は、駆動ユニット内に設けられているが、これに限定されない。制御装置は、駆動ユニットとは別の、例えば、端末装置内に設けられていてもよい。この場合、歩行補助装置１０は、端末装置により遠隔的に操作される。
上記実施形態において、荷重検出装置１にマイコン基板７が設けられているが、これに限定されない。マイコン基板７は、駆動ユニット１５の制御装置に設けられていてもよい。

上記実施形態において、荷重検出装置１は、歩行補助装置１０に組み込まれる構成であるが、これに限定されない。例えば、歩行訓練者の脚に第２の荷重検出装置１を独立して装着してもよい。さらに、歩行訓練者の健脚に第２の荷重検出装置１を装着し、患脚に第１の荷重検出装置１を含む歩行補助装置１０を装着してもよい。駆動ユニット１５の制御装置（全中心算出手段の一具体例）は、健脚側の第２の荷重検出装置１および患脚側の第１の荷重検出装置１から無線あるいは有線を介して送信される荷重信号に基づいて、両脚で接地したときの全荷重中心を算出することができる。この全荷重中心データは、歩行訓練者の歩行中の重心ブレを確認する上で有効なデータとなる。したがって、この有効データを用いて訓練効率を向上させることができる。

上記実施形態において、フレア部３は、踵側に１つ設けられているが、これに限定されない。フレア部３は、例えば、爪先側、土踏まず部に設けられていてもよい。フレア部３は、複数設けられていてもよい。この場合、各フレア部３に第２荷重センサ５を夫々設けてもよい。

上記実施形態において、荷重検出装置１は、荷重受けピン２４１の無い構成であってもよい。例えば、第１及び第２荷重センサ４、５がサイズ調整ソール２６に設けられ、印加部が路面と直接接触し押圧される構成であってもよい。

１荷重検出装置、２足裏形状部、３フレア部、４第１荷重センサ、５第２荷重センサ、１０歩行補助装置、１１上腿フレーム、１２膝関節部、１３下腿フレーム、１４足首関節部、１５駆動ユニット、１６調整機構、２１あぶみ部、２２ナイロン部材、２３センサホルダ、２４底板、２５パウチ部材、２６サイズ調整ソール

Claims

歩行訓練者の足裏の形状に沿って形成され、該足裏が乗る足裏形状部と、
前記足裏形状部の外側に突出して形成されたフレア部と、
前記足裏形状部に設けられ前記足裏形状部の荷重を検出する第１荷重センサと、を備える荷重検出装置であって、
前記フレア部に設けられ、該フレア部の荷重を検出する第２荷重センサを備え、
前記第１荷重センサ及び前記第２荷重センサを、上側および下側からそれぞれ挟む２枚の板状部材を備え、
前記足裏形状部及び前記フレア部はともに、前記２枚の板状部材のそれぞれに形成され、
前記２枚の板状部材の間であって、且つ、前記第１及び第２荷重センサに対応する位置に、該第１及び第２荷重センサからの荷重を受ける部材が設けられており、
前記足裏形状部及び前記フレア部を一体形成した形状であり、中央部にセンサアンプ、バッテリー、基板の少なくとも何れかを設けることが可能なセンサホルダを備え、
前記第１荷重センサは、前記センサホルダの前記足裏形状部の爪先側に少なくとも１つ、踵側に１つ設けられ、
前記第２荷重センサは、前記センサホルダの前記フレア部に１つ設けられ、
前記第１及び第２荷重センサにより検出された荷重に基づいて、前記歩行訓練者の足裏荷重の中心点を算出する中心算出手段を更に備える、
ことを特徴とする荷重検出装置。
請求項１記載の荷重検出装置であって、
前記第１荷重センサは、前記足裏形状部の爪先側に２つ、踵側に１つ設けられ、前記フレア部に１つ設けられている、ことを特徴とする荷重検出装置。
請求項１又は２記載の荷重検出装置であって、
前記第１及び第２荷重センサの校正データを記憶する記憶手段を更に備える、ことを特徴とする荷重検出装置。
請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の荷重検出装置であって、
前記第１及び第２荷重センサの荷重データ及び／又は校正データを無線により送信する通信手段を更に備える、ことを特徴とする荷重検出装置。
前記歩行訓練者の患脚に装着された、請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の荷重検出装置と、
前記患脚の荷重検出装置に足首関節部を介して連結された下腿フレームと、
前記下腿フレームに膝関節部を介して連結された上腿フレームと、
前記膝関節部を駆動する駆動ユニットと、を備えることを特徴とする歩行補助装置。
請求項５記載の歩行補助装置であって、
前記歩行訓練者の健脚に装着された前記荷重検出装置と、
前記患脚及び健脚の荷重検出装置の第１及び第２荷重センサにより検出された荷重に基づいて、健脚及び患脚の両足で接地したときの全荷重中心を算出する全中心算出手段と、を更に備える、ことを特徴とする歩行補助装置。