JP2003290302A - 歩行補助装置およびその制御プログラム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】歩行補助装置において、人が調節しなくても、
運動特性が自動調節され、装置の扱いが容易になるよう
にする。 【解決手段】移動可能な基体と、基体の移動を制御する
運動制御機構と、基体に設けられて利用者を支持する支
持部と、利用者からの作用によって生ずる装置の変化を
検出するセンサ９と、センサ９により検出される検出値
４１に従って運動制御機構を制御する運動制御演算装置
とを備えている。運動制御演算装置は、運動特性パラメ
ータを記憶する運動特性記憶部３２と、検出値４１に基
づいて運動特性パラメータを調整する運動特性調整部３
４と、検出値４１と運動特性パラメータとに従って運動
制御機構を制御する運動制御部３１とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、使用者の歩行を支
援する歩行補助装置およびその制御プログラムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】歩行が困難な人の歩行を補助する歩行補
助装置として、特許２８９８９６９号公報には、前進、
後退、旋回動作での抵抗を任意に設定できる歩行補助装
置が開示されている。この歩行補助装置は、抵抗を設定
するために、ダイヤル等の設定器を備えている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】歩行補助装置を用いて
歩行する時の歩きやすさは、移動抵抗などの歩行補助装
置の運動特性によって変化する。歩行補助装置の効果を
高めるには、使用者の脚の状態に合わせて運動特性を調
整することが望ましい。この望ましい設定値は、使用者
により異なり、さらに、同じ人でも使用環境や時間の経
過によって変化する。

【０００４】従来の技術では、運動特性を調整するに
は、ダイヤル等の設定器を用いて、本人、介護者、訓練
指導者等が、手動で設定する必要があっため、設定に手
間がかかるという問題があった。

【０００５】本発明の目的は、人が調節しなくても、運
動特性が自動調節され、装置の扱いが容易な歩行補助装
置およびその制御プログラムを提供することにある。

【０００６】なお、本発明のその他の目的と有利点は以
下の記述から明らかにされる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の歩行補助装置は、移動可能な基体と、前
記基体の移動を制御する運動制御機構と、前記基体に設
けられて利用者を支持する支持部と、前記利用者からの
作用によって生ずる装置の変化を検出するセンサと、前
記センサにより検出される検出値に従って前記運動制御
機構を制御する運動制御演算装置とを備えており、前記
運動制御演算装置は、運動特性パラメータを記憶する運
動特性記憶部と、前記検出値に基づいて前記運動特性パ
ラメータを調整する運動特性調整部と、前記検出値と前
記運動特性パラメータとに従って運動制御機構を制御す
る運動制御部とを備えている。

【０００８】また、本発明の歩行補助装置の制御プログ
ラムは、歩行補助装置の運動制御機構を制御するための
コンピュータを、運動特性パラメータを記憶する手段
と、利用者からからの作用によって生ずる前記歩行補助
装置の変化を検出して得られた検出値に基づいて前記運
動特性パラメータを調整する手段と、前記検出値と前記
運動特性パラメータとに従って運動制御機構を制御する
手段と、として機能させるものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
を用いて説明する。

【００１０】本発明の歩行補助装置の構造を図２に示
す。歩行補助装置１は、基体２と、基体２の上に設けら
れて使用者を支持する支持部５とを備えている。また、
歩行補助装置１は、基体２の移動を制御する運動制御機
構として、基体２を床面上に移動可能に支持する左右一
対の駆動車輪３ａ、３ｂと、方向が自在に回転可能な従
動車輪４ａ、４ｂと、駆動車輪３ａ、３ｂを駆動する駆
動手段である左右１対のモータ６ａ、６ｂと、減速機７
ａ、７ｂと、駆動ベルト８ａ、８ｂとを備えている。ま
た、歩行補助装置１は、使用者から支持部５を介して歩
行補助装置１に作用する少なくとも前後方向の力を検出
する力センサ９を備えている。

【００１１】そして、歩行補助装置１の速度を検出する
速度センサとして、モータ６ａ、６ｂの回転数を検出す
る回転数センサ１１ａ、１１ｂを備えている。歩行補助
装置１の速度は、回転数センサ１１ａ、１１ｂの出力か
ら求められる。また、力センサ９、速度センサ１１ａ、
１１ｂの検出値に従ってモータ６ａ、６ｂを制御する運
動制御演算装置１３とを備えている。

【００１２】歩行補助装置１は、支持部５により使用者
を支持し、力センサ９、回転数センサ１１ａ、１１ｂの
検出値に従って、運動制御演算装置１３により、左右の
モータ６ａ、６ｂの速度あるいはトルクを制御して駆動
車輪３ａ、３ｂを駆動し、基体２の前進、後退、左右旋
回の移動を制御する。これにより、使用者の歩行を補助
し、使用者が容易かつ安全に歩行できるようにする。な
お、回転数センサ１１ａ、１１ｂの代わりにトルクセン
サを用いても同様に制御可能である。

【００１３】ここで、左右のモータ６ａ、６ｂを同方向
に制御、すなわち歩行補助装置１を左右いずれかの側面
から見て車輪が同じ方向に回転する方向に制御すると、
基体２の前後方向の移動を制御できる。また、左右のモ
ータ６ａ、６ｂを逆方向または異なる速度に制御する
と、基体２の左右方向の回転移動すなわち旋回動作を制
御できる。

【００１４】運動制御演算装置１３のハードウェア構成
を図３に示す。力センサ９の検出値４１と、回転数セン
サ１１ａ、１１ｂの速度検出値４２ａ、４２ｂとが、入
力部２２を通じて計算機２３に入力される。計算機２３
は内蔵されたプログラムに従って、左右のモータ６ａ、
６ｂに発生させる回転速度あるいはトルクを算出し、出
力部２４を通じてモータ制御器２５ａ、２５ｂに速度あ
るいはトルクの指令値２６ａ、２６ｂを出力する。モー
タ制御器２５ａ、２５ｂは、指令値２６ａ、２６ｂに従
って、左右のモータ６ａ、６ｂの回転速度あるいはトル
クを制御する。

【００１５】図１は本発明の歩行補助装置の制御システ
ムの構成を示すブロック図である。なお、以下に説明す
る制御システムは、図２に示す運動制御演算装置１３の
ハードウェアおよび計算機２３の内部で実行されるソフ
トウェアによって実現される。ここでは、前後方向の直
進運動に関する制御システムについて述べる。このた
め、力センサ９は、前後方向の力を検出し、トルク指令
値２６ａ、２６ｂに同じ値を出力することにより左右の
モータ６ａ、６ｂは、同方向に制御するものとする。

【００１６】この制御システムは、力センサ９から得ら
れた力検出値４１に従って、指令値２６ａ、２６ｂを生
成し、モータ６ａ、６ｂに与える運動制御部３１と、運
動特性パラメータ３３を記憶し、運動制御部３１に与え
る運動特性記憶部３２と、力センサ９の検出値４１に基
づいて、運動制御部３１に記憶された運動特性パラメー
タ３３を修正する運動特性調整部３４とを備えている。

【００１７】運動特性パラメータ３３として、ここで
は、歩行補助装置１の移動抵抗Ｄを用いる。移動抵抗Ｄ
とは、利用者に感じられる歩行補助装置１の見かけ上の
移動抵抗の大きさを表すものであり、使用者が歩行補助
装置１に加える力と、歩行補助装置１の移動速度の比に
対応する。運動制御部３１は、力センサ９の検出値４１
に抵抗Ｄの逆数を乗じ、その結果を目標速度とし、指令
値２６ａ、２６ｂとして出力する。

【００１８】運動特性調整部３４は、定常成分検出部５
１と、変動成分検出部５２と、判定部５３とを備えてい
る。

【００１９】変動成分検出部５２は、力検出値４１か
ら、変化の早い成分の大きさを検出することにより、利
用者のふらつきの大きさを求めるものである。歩行者の
ふらつきの周波数は、主に１Ｈｚないし数Ｈｚの範囲に
存在するので、遮断周波数は１Ｈｚ程度のローパスフィ
ルタにより、変動成分検出部５２を実現できる。

【００２０】定常成分検出部５１は、力検出値４１から
変化の遅い定常的な成分の大きさを取り出すことによ
り、利用者が歩行補助装置を押す力の平均的な大きさを
検出するものである。定常成分検出部５１の機能を実現
するには、力検出値４１からふらつきの成分を除けばよ
いので、遮断周波数１Ｈｚ程度のローパスフィルタを使
用すればよい。

【００２１】判定部５３は、変動成分検出部５２と定常
成分検出部５１の出力から、運動特性パラメータ３３の
修正の必要性を判定し、必要に応じて運動特性記憶部３
２に記憶された運動特性パラメータ３３を修正する。

【００２２】この判定は、定常成分５４と変動成分５５
の比により行なう。変動成分５５を定常成分５４で割っ
て得た値を変動率Ｑとし、変動率Ｑを判定値Ｃと比較
し、Ｑが大きい場合には、移動抵抗Ｄを増やし、Ｑが小
さい場合には、Ｄを減らす。ここで判定値Ｃは、変動率
Ｑの最適値であり、予め実験評価により定めておく。移
動抵抗Ｄを変化させる時には、急激な変化を起こさない
ように、十分に長い時定数、例えば１分以上の時定数で
ゆっくりと変化させる。

【００２３】次に、この制御システムの動作を図４を参
照しながら説明する。

【００２４】最初に、運動特性記憶部３２に運動特性パ
ラメータの初期値を記憶させておく（ステップ６０）。
この記憶は、計算機２３の製作時に行なわれるが、利用
者がカードなどを装置に挿入することにより行なわれる
ようにしてもよい。

【００２５】利用者が支持部５につかまり、支持部５を
介して歩行補助装置１に力を加えると、力センサ９がそ
の力を検出し、力検出値４１を出力する。運動制御演算
装置１３は、入力部２２を通じて力検出値を入力する
（ステップ６１）。運動制御部３１は、この力検出値４
１に移動抵抗Ｄの逆数を掛けて、速度指令値である指令
値２６ａ、２６ｂを算出し、モータ制御器２５ａ、２５
ｂに与える（ステップ６２）。モータ制御器２５ａ、２
５ｂは、指令値２６ａ、２６ｂに従って、モータ６ａ、
６ｂを制御し、指令値２６ａ、２６ｂと同じ速度で歩行
補助装置１を移動させる。これにより、利用者には、歩
行補助装置１があたかも移動抵抗Ｄの大きさの移動抵抗
を持っているかのように感じられる。

【００２６】この時、移動抵抗Ｄが小さすぎると、歩行
がふらつく可能性がある。一方、移動抵抗Ｄが大きすぎ
ると、歩行に対する負荷が大きくなり、疲労が大きくな
る可能性がある。歩行のふらつきは、力検出値４１の変
動成分に、歩行負荷は、力検出値４１の定常成分に対応
する。従って、歩きやすくするためには、変動成分と定
常成分の比率を適度に保ち、また、両者を小さくするこ
とが望まれる。

【００２７】運動特性調整部３４は、このための自動調
整機能を有する。移動抵抗Ｄが小さすぎる場合、力検出
値４１から変動性分検出部で検出した変動成分５５が大
きくなり、変動率Ｑが大きくなる。変動率Ｑが判定値Ｃ
を越えると、判定部５３は、移動抵抗Ｄを増やす。これ
により、歩行のふらつきが抑制される。

【００２８】すなわち、変動成分検出部５２に力検出値
４１を入力し、変動成分検出部５２で力検出値４１から
変化の早い成分の大きさを検出することにより、変動成
分５５として出力する（ステップ６３）。そして、定常
成分検出部５１に力検出値４１を入力し、定常成分検出
部５１で力検出値４１から定常的成分の大きさを検出す
ることにより、定常成分５４として出力する（ステップ
６４）。さらに、判定部５３に変動成分５５および定常
成分５４を入力し、変動成分５５を定常成分５４で割っ
て変動率Ｑを算出し、この変動率Ｑと判定値Ｃとを比較
して移動抵抗Ｄの制御値３５を記憶部３２へ出力する
（ステップ６５）。移動抵抗Ｄが大き過ぎる場合、力検
出値４１から検出した定常成分５４が大きくなり、変動
率Ｑが小さくなるように修正値３５を出力する。また、
変動率Ｑが判定値Ｃより小さくなると、判定部５３は移
動抵抗Ｄを減らすように修正値３５を出力する。これに
より、歩行負荷が減る。

【００２９】上記により、移動抵抗Ｄが利用者の歩行の
状態により変化し、利用者が歩きやすい状態に常に自動
的に調整される。そして、利用者が運転終了のスイッチ
を押すなどの運転終了状態を判定する（ステップ６
７）。

【００３０】なお、上記では、定常成分５４と変動成分
５５の比である変動率Ｑに基づいて、移動抵抗Ｄを変化
させたが、他の指標を用いてもよい。例えば、定常成分
５４と変動成分５５は、どちらも歩行のストレスに関係
するので、両者の線形和や２乗和などを歩行ストレスの
指標として用い、それの値を最小化するように移動抵抗
Ｄを変化させてもよい。

【００３１】また、運動特性パラメータ３３として、移
動抵抗Ｄを用いたが、慣性などの他の特性値を用いても
よい。その場合も同様の方法で調整することができる。

【００３２】また、ここでは、前後方向の直進運動に関
する制御システムについて述べたが、同様の方法によ
り、左右旋回方向に対する制御を行なうこともできる。
この場合、力センサ９により左右旋回方向の力、すなわ
ちトルクを検出し、トルク指令値２６ａ、２６ｂに逆符
号あるいは異なる値を出力することにより左右のモータ
に６ａ、６ｂを逆向きにあるいは異なる速度で制御して
旋回を制御する。また、前後方向の制御と旋回の制御を
組み合わせることもできる。

【００３３】また、上記では、力検出値４１の定常成分
５４と変動成分５５を用いて、運動特性パラメータ３３
の調整を行なう例を示したが、力検出値４１の代わり
に、回転数センサ１１ａ、１１ｂを用いて歩行補助装置
１の移動速度を求め、移動速度の定常成分と変動成分か
ら運動特性パラメータ３３を調整するようにしてもよ
い。

【００３４】また、上記では、運動制御機構として、モ
ータ６ａ、６ｂを用いたが、その代わりに、パウダーブ
レーキ、電気粘性流体などの、制御信号により制動力を
変化させられる制動機構を用いることもできる。その場
合は、速度を減らす向きのトルクしか発生できないの
で、制御範囲は限られるが、安価にシステムを構成する
ことができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、人が調節しなくても、
運動特性が自動調節され、装置の扱いが容易になる歩行
補助装置およびその制御プログラムが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の歩行補助装置の制御シ
ステムの構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の歩行補助装置の構造を示す側面図およ
び正面図である。

【図３】本発明の歩行補助装置の制御システムのハード
ウェア構成を示すブロック図である。

【図４】本発明の歩行補助装置の制御システムの制御の
フローチャート図である。

【符号の説明】

１…歩行補助装置、２…基体、５…支持部、６ａ、６ｂ
…モータ、９…力センサ、１１ａ、１１ｂ…回転数セン
サ、１３…運動制御演算装置、２５ａ、２５ｂ…モータ
制御器、２６ａ、２６ｂ…指令値、３１…運動制御部、
３２…運動特性記憶部、３３…運動特性パラメータ、３
４…運動特性調整部、４１…力検出値、４２ａ、４２ｂ
…速度検出値、５１…定常成分検出部、５２…変動成分
検出部、５３…判定部、５４…定常成分、５５…変動成
分。

フロントページの続き (72)発明者 竹内 郁雄 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 根本 泰弘 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】移動可能な基体と、 前記基体の移動を制御する運動制御機構と、 前記基体に設けられて利用者を支持する支持部と、 前記利用者からの作用によって生ずる装置の変化を検出
   するセンサと、 前記センサにより検出される検出値に従って前記運動制
   御機構を制御する運動制御演算装置とを備えており、 前記運動制御演算装置は、 運動特性パラメータを記憶する運動特性記憶部と、 前記検出値に基づいて前記運動特性パラメータを調整す
   る運動特性調整部と、 前記検出値と前記運動特性パラメータとに従って運動制
   御機構を制御する運動制御部とを備えることを特徴とす
   る歩行補助装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の歩行補助装置において、
   前記センサは利用者から支持部に作用する作用力を検出
   する力センサであることを特徴とする歩行補助装置。
3. 【請求項３】請求項１に記載の歩行補助装置において、
   前記センサは前記基体の移動速度を検出する速度センサ
   であることを特徴とする歩行補助装置。
4. 【請求項４】請求項１ないし３の何れかに記載の歩行補
   助装置において、前記運動特性パラメータは歩行補助装
   置１の移動抵抗であることを特徴とする歩行補助装置。
5. 【請求項５】請求項１ないし４の何れかに記載の歩行補
   助装置において、前記運動特性調整部は前記センサの検
   出値の変動成分と定常成分に基づいて運動特性パラメー
   タを調整することを特徴とする歩行補助装置。
6. 【請求項６】請求項１ないし５の何れかに記載の歩行補
   助装置において、前記運動制御機構は動力源を備える制
   御可能な駆動機構であることを特徴とする歩行補助装
   置。
7. 【請求項７】請求項１ないし５の何れかに記載の歩行補
   助装置において、前記運動制御機構は制御可能な制動機
   構であることを特徴とする歩行補助装置。
8. 【請求項８】歩行補助装置の運動制御機構を制御するた
   めのコンピュータを、 運動特性パラメータを記憶する手段と、 利用者からからの作用によって生ずる前記歩行補助装置
   の変化を検出して得られた検出値に基づいて前記運動特
   性パラメータを調整する手段と、 前記検出値と前記運動特性パラメータとに従って運動制
   御機構を制御する手段と、 として機能させるための歩行補助装置の制御プログラ
   ム。