JP2004261622A

JP2004261622A - 自立歩行支援機

Info

Publication number: JP2004261622A
Application number: JP2004193842A
Authority: JP
Inventors: Akira Shimizu; 明清水
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2004-09-24

Abstract

【課題】高齢者、脚に障害を持つ人又は脚力の弱った人などが、特別な操作をせずに歩行、起立、着座をおこなえ、しかも使用者の行動に制約が非常に少ないコンパクトな自立歩行支援機を提供することを課題とする。
【解決手段】足裏から膝にかけて脚部を支持する脚部支持手段と、上記脚部支持手段の適所に設置された駆動手段と、上記脚部支持手段に設けられ少なくとも足裏に掛かる体重を検知する検出手段と、上記検出手段の検出信号に基づいて上記駆動手段を制御して上記脚部支持手段を介して脚部の動作を補助する制御手段とを具備したことを特徴とする自立歩行支援機。
【選択図】図１

Description

この発明は、装着することにより、高齢者、脚に障害を持つ人又は脚力の弱った人などが特別な操作をせずに椅子に座ったり歩行することが可能となる歩行弱者にとって画期的な自立歩行支援機に関する。

つえ、歩行補助車などが高齢者やリハビリテーションを必要とする人の歩行に役立っているが、それだけでは長い距離の歩行や、重度の歩行弱者の助けには充分ではない。そのため、歩行、起立、着座動作を支援する自立歩行支援機が特許出願されているが、手動にて操作が必要で、外観がおおきく、構造上使用者の動作に制約があるのが現状である。
特許第３０３２０３９号公報

しかしながら、以上の技術によれば、脚にエアーシリンダー付きのバンドを装着するだけで、わずかな慣れにより普通に歩行でき、生活の質の大幅な向上が図れる。そこで、この発明は、使用にあたり特別な操作を必要としない上に、使用者の行動に制約が非常に少ない自立歩行支援機を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するために、第一発明は、歩くということは体重移動の連続によって成り立ち、歩行時には足の裏への体重の掛かり具合を調べれば足の動きを特定できる事から、足の踵と足の裏の前の部分に掛かっている体重を感圧センサ等で測定して、体重のどの位のパーセントが足の踵と足の裏の前の部分に掛かっているかを調べ、そこに傾きセンサ等で検出した路面の傾斜を考慮し、使用者にあわせて設定可能なプログラマブルコントローラ等の制御装置でエアーシリンダー等の動作をおこない特別な操作を必要としない事を特徴とする自立歩行支援機である。

また第二発明は、座っている状態から起立する時、足の裏に体重が掛かっているかどうかを感圧センサ等で調べるとともに、座っているかどうかをエアーシリンダー等の状態をとおしての膝の曲がり具合で調べ、使用者にあわせて設定可能なプログラマブルコントローラ等の制御装置でエアーシリンダー等の動作をおこない起立、着座が可能である特別な操作を必要としない事を特徴とする自立歩行支援機である。

また第三発明は、エアーシリンダー等を縮めた状態と伸ばした状態の他にシリンダーの両方のエアー取り入れ口を開放の状態として力が掛からなくすることにより、一方の足の踵がついてからまたその足の踵がつくまでの一歩行周期における脚の筋力の補助が必要とされない時は、使用者の足首、もしくは膝の運動をエアーシリンダー等により拘束しないという制御をおこなうことである。足に体重が掛かっていない使用者の負担が軽い状態で、使用者が自由につぎの動きを決められる事により、歩幅の調整や起立、着座が可能であることを特徴とする自立歩行支援機である。

また、第四発明は、人は平衡感覚にすぐれ、転倒しないように筋肉を動かす事に慣れている事から、立ち姿勢など使用者の負担の軽い状態では、脚の補助具としてのみ働くことを特徴とする自立歩行支援機である。

また、第五発明は、エアーを用いることで、完全には動きを規制しない力で筋力の一部を補助して歩行支援をおこなうので、歩行訓練としての効果も併せ持つことを特徴とする自立歩行支援機である。

第一発明から第三発明により、使用者に合わせた制御装置の設定をおこなっておけば、使用にあたり特別な操作がいらないので、使用者は自立歩行支援機の存在をほとんど意識する事なく、歩行、起立、着座が可能となる上に、使用者の行動に制約が非常に少ないため、生活の質の大幅な向上がはかれる。また、自立歩行支援機がコンパクトであるため、見た目でも違和感がなく、使用にあたり他人の目が気にならず、使用者の精神的な負担が少ない。
また、第四および第五発明により、使用者の負担が軽い状態では、脚の補助具としてのみ働くと共に、自立歩行支援機の作動そのものが、エアーという完全には動きを規制しない力で、筋力の不足部分を補う事で歩行支援をおこなうために、歩行訓練としての効果を併せ持っている。

この発明の一実施形態を、図１から図７に示す。図１および図３の歩行具は、使用者の体に合わせて調整可能であり調整してあると共に、膝の動きを補助するエアーシリンダーのストロークは、使用者が立ち姿勢から少し低い椅子に座れる長さ、また足首の動きを補助するエアーシリンダーのストロークは、使用者の足首関節が適度に背屈、底屈できる長さに調整してあるものとする。また空気ソレノイドバルブは、電源オンでエアーチューブに元圧がかかり、電源オフでめくら栓に元圧がかかると共にエアーチューブ側は開放されるので、電源オンでエアーシリンダーが駆動して、電源オフでエアーシリンダーがフリーとなる。
図８は右足のかかとが着いてからもう一度右足のかかとがつくまでの一歩行周期を表し、図９は起立、着座の動作を表している。
そして図７の23プログラマブルコントローラには、以下の制御０から制御２１ようなシーケンスを組んでおく。

制御０：右足感圧センサ15aと16aの値が共にゼロでなく、傾きセンサ17aの値が安定した時の前後方向の値、もしくは、左足感圧センサ15bと16bの値が共にゼロでなく、傾きセンサ17bの値が安定した時の前後方向の値を傾きとして記憶する。
制御１：傾きが−１０度未満で、右足前部感圧センサ15aと左足踵感圧センサ16bの値が共にゼロでなく、その和が使用者の体重の６０％以上、かつ左足前部感圧センサ15bの値がゼロの時、空気ソレノイドバルブ20aおよび21aオンとなり、右膝および右足首エアーシリンダーが伸びる。
制御２：傾きが−１０度未満で、左足前部感圧センサ15bと右足踵感圧センサ16aの値が共にゼロでなく、その和が使用者の体重の６０％以上、かつ右足前部感圧センサ15aの値がゼロの時、空気ソレノイドバルブ20bおよび21bオンとなり、左膝および左足首エアーシリンダーが伸びる。

制御３：傾きが±１０度未満で、右足感圧センサ15aと16aの値が共にゼロでなく、その和が使用者の体重の６０％以上、かつ左足踵感圧センサ16bの値がゼロで左足前部感圧センサ15bの値がゼロでない時、空気ソレノイドバルブ20a、21bオンとなり、右膝および左足首エアーシリンダーが伸びる。
制御４：傾きが±１０度未満で、左足感圧センサ15bと16bの値が共にゼロでなく、その和が使用者の体重の６０％以上、かつ右足踵感圧センサ16aの値がゼロで右足前部感圧センサ15aの値がゼロでない時、空気ソレノイドバルブ20b、21aオンとなり、左膝および右足首エアーシリンダーが伸びる。

制御５：右足感圧センサ15aと16aの値が共にゼロでなく、その和が使用者の体重の６０％以上の時、空気ソレノイドバルブ20aオンとなり、右膝エアーシリンダーが伸びる。
制御６：左足感圧センサ15bと16bの値が共にゼロでなく、その和が使用者の体重の６０％以上の時、空気ソレノイドバルブ20bオンとなり、左膝エアーシリンダーが伸びる。

制御７：右足前部感圧センサ15aが使用者の体重の６０％以上、かつ右足踵感圧センサ16aの値がゼロでなく、左足感圧センサ15bと16bの値がゼロの時、空気ソレノイドバルブ20a、22bオンとなり、右膝エアーシリンダーが伸び、左足首エアーシリンダーが縮む。
制御８：左足前部感圧センサ15bが使用者の体重の６０％以上、かつ左足踵感圧センサ16bの値がゼロでなく、右足感圧センサ15aと16aの値がゼロの時、空気ソレノイドバルブ20b、22aオンとなり、左膝エアーシリンダーが伸び、右足首エアーシリンダーが縮む。

制御９：右足前部感圧センサ15aが使用者の体重の６０％以上、かつ右足踵感圧センサ16aおよび左足感圧センサ15bと16bの値がゼロの時、空気ソレノイドバルブ20a、21a、22bオンとなり、右膝と右足首エアーシリンダーが伸び、左足首エアーシリンダーが縮む。
制御１０：左足前部感圧センサ15bが使用者の体重の６０％以上、かつ左足踵感圧センサ16bおよび右足感圧センサ15aと16aの値がゼロの時、空気ソレノイドバルブ20b、21b、22aオンとなり、左膝と左足首エアーシリンダーが伸び、右足首エアーシリンダーが縮む。

制御１１：傾きが＋１０度以上で、右足感圧センサ15aと16aの値が共にゼロでなく、その和が使用者の体重の６０％以上、かつ左足踵感圧センサ16bの値がゼロで左足前部感圧センサ15bの値がゼロでない時、空気ソレノイドバルブ21bオンとなり、左足首エアーシリンダーが伸びる。
制御１２：傾きが＋１０度以上で、左足感圧センサ15bと16bの値が共にゼロでなく、その和が使用者の体重の６０％以上、かつ右足踵感圧センサ16aの値がゼロで右足前部感圧センサ15aの値がゼロでない時、空気ソレノイドバルブ21aオンとなり、右足首エアーシリンダーが伸びる。

制御１３：傾きが＋１０度以上で、右足前部感圧センサ15aの値が使用者の体重の６０％以上、かつ左足踵感圧センサ16bの値がゼロで右足踵感圧センサ16aと左足前部感圧センサ15bの値がゼロでない時、空気ソレノイドバルブ20a、21bオンとなり、右膝および左足首エアーシリンダーが伸びる。
制御１４：傾きが＋１０度以上で、左足前部感圧センサ15bの値が使用者の体重の６０％以上、かつ右足踵感圧センサ16aの値がゼロで左足踵感圧センサ16bと右足前部感圧センサ15aの値がゼロでない時、空気ソレノイドバルブ20b、21aオンとなり、左膝および右足首エアーシリンダーが伸びる。

制御１５：傾きが−１０度以上で、右足前部感圧センサ15aと左足踵感圧センサ16bの値が共にゼロでなく、その和が使用者の体重の６０％以上、かつ左足前部感圧センサ15bの値がゼロの時、空気ソレノイドバルブ20bオンとなり、左膝エアーシリンダーが伸びる。
制御１６：傾きが−１０度以上で、左足前部感圧センサ15bと右足踵感圧センサ16aの値が共にゼロでなく、その和が使用者の体重の６０％以上、かつ右足前部感圧センサ15aの値がゼロの時、空気ソレノイドバルブ20aオンとなり、右膝エアーシリンダーが伸びる。

制御１７：傾きが−１０度以上で、右足感圧センサ15aと16aの値が共にゼロでなく、その和が使用者の体重の６０％以上、かつ左足踵感圧センサ16bの値がゼロで左足前部感圧センサ15bの値がゼロでない時、空気ソレノイドバルブ20aオンとなり、右膝エアーシリンダーが伸びる。
制御１８：傾きが−１０度以上で、左足感圧センサ15bと16bの値が共にゼロでなく、その和が使用者の体重の６０％以上、かつ右足踵感圧センサ16aの値がゼロで右足前部感圧センサ15aの値がゼロでない時、空気ソレノイドバルブ20bオンとなり、左膝エアーシリンダーが伸びる。

制御１９：右足膝エアーシリンダー近接スイッチ19aと左足膝エアーシリンダー近接スイッチ19bが共にオンで、右足感圧センサ15aと16aの値の和が使用者の体重の３０％以上で、かつ左足感圧センサ15bと16bの値の和が使用者の体重の３０％以上の時、内部リレーがオンとなり自己保持される。
制御２０：右足膝エアーシリンダー近接スイッチ18aもしくは左足膝エアーシリンダー近接スイッチ18bがオンの時、もしくは右足感圧センサ15aと16aの値の和が使用者の体重の３０％未満、もしくは左足感圧センサ15bと16bの値の和が使用者の体重の３０％未満の時内部リレーはオフとなる。

制御２１：内部リレーがオンの時、空気ソレノイドバルブ20aおよび20bオンとなり、右膝および左膝シリンダーが伸びる。
なお、このシーケンスは使用者の歩行障害に合わせて設定変更可能であると共に、簡単に設定できるよう考慮されているものとする。

まず、歩行時における動作について、図８に則して請求項１記載の自立歩行支援機の実施動作を説明する。
図８の26：右足踵接地。左から右足に体重が移り、右足はただちに少し屈曲する。踵を着くことによって膝がスムーズに出やすくなる。
平地と上り坂では制御２が当てはまり、左膝を伸ばし、左足首を底屈させるようにエアーシリンダーが働く。
下り坂では制御１６が当てはまり、右膝を伸ばすようにエアーシリンダーが働き、ブレーキをかける。

図８の27：右足足底接地。右足に体重が掛かり、足全体が地面に着いた時期である。
平地では制御３が当てはまり、右膝を伸ばし、左足首を底屈させるようにエアーシリンダーが働く。
上り坂ではまず制御１１が当てはまり、左足首を底屈させるようにエアーシリンダーが働き、続いて重心が右足より前方に移動するので制御１３が当てはまり、右膝を伸ばし、左足首を底屈させるようにエアーシリンダーが働く。
下り坂では制御１７が当てはまり、右膝を伸ばすようにエアーシリンダーが働く。左足蹴りだしはしない。

図８の28：右足に体重が掛かり、体がまっすぐ起き、重心がまっすぐ体の真下に来る時期である。
制御５が当てはまり、右膝を伸ばすようにエアーシリンダーが働く。

図８の29：右足に体重が掛かり、重心が右足より前方に移動すると膝は伸展する。
制御７が当てはまり、右膝を伸ばし、左足首を背屈させるようにエアーシリンダーが働く。

図８の30：右足踵離床。踵が地面を離れ始めた時。
制御９が当てはまり、右膝を伸ばし、右足首を底屈させ、左足首を背屈させるようにエアーシリンダーが働く。

図８の31：左足踵接地。このあと右膝は屈曲し、速度を増して地面からはなれます。左足に体重移り、左足はただちに少し屈曲する。
平地と上り坂では制御１が当てはまり、右膝を伸ばし、右足首を底屈させるようにエアーシリンダーが働く。
下り坂では制御１５が当てはまり、左膝を伸ばすようにエアーシリンダーが働き、ブレーキをかける。

図８の32：左足足底接地。右足踏み切り。右足が地面をけり離れる時。
平地では制御４が当てはまり、左膝を伸ばし、右足首を底屈させるようにエアーシリンダーが働く。
上り坂ではまず制御１２が当てはまり、右足首を底屈させるようにエアーシリンダーが働き、続いて重心が左足より前方に移動するので制御１４が当てはまり、左膝を伸ばし、右足首を底屈させるようにエアーシリンダーが働く。
下り坂では制御１８が当てはまり、左膝を伸ばすようにエアーシリンダーが働く。蹴りだしはいらない。

図８の33：左足に体重が掛かり、体がまっすぐ起き、重心がまっすぐ体の真下に来る時期である。
制御６が当てはまり、左膝を伸ばすようにエアーシリンダーが働く。

図８の34：左足に体重が掛かり、重心が左足より前方に移動すると膝は伸展する。加速された右足が体の真下を通り過ぎる時期。
制御８が当てはまり、左膝を伸ばし、右足首を背屈させるようにエアーシリンダーが働く。

図８の35：左足踵離床。前方に蹴り出された右足が減速される時期。
制御１０が当てはまり、左膝を伸ばし、左足首を底屈させ、右足首を背屈させるようにエアーシリンダーが働く。

次に、起立、着座における動作について、図９に則して請求項１記載の自立歩行支援機の実施動作を説明する。
図９の36、40：椅子に座っている状態。この時には、両足共に体重は掛からないため、一切の制御はおこなわれず脚は自由に動かす事ができる。

図９の37：椅子から立ち上がろうとしている状態。
制御２１があてはまり、右膝と左膝を伸ばすようにエアーシリンダーが働き起立動作をおこなう。この時に、後傾して体重を椅子にかければ、起立動作は中止できる。

図９の38：立っている状態。
両足に体重が掛かっている時は制御はおこなわないが、片足に体重が掛かった時は、制御５もしくは、制御６が当てはまり体重が掛かった足を伸ばす。
図９の39：椅子に座ろうとしている状態。
両足に体重がかかっている時は制御はおこなわれないので、自力で着座をする。

「実施形態の効果」
この実施形態では、正しい歩き方をもとに制御装置のシーケンス設定をおこなってあり、脚の障害の程度や、脚力の弱り具合などでシーケンスを使用者に合わせる必要があるが、使用にあたり特別な操作がいらないので、使用者は自立歩行支援機の存在をほとんど意識する事なく、歩行、起立、着座が可能となる上に、使用者の行動に制約が非常に少ないため、生活の質の大幅な向上がはかれる。また、自立歩行支援機がコンパクトであるため、見た目でも違和感がなく、使用にあたり他人の目が気にならず、使用者の精神的な負担が少ない。
また、使用者の負担が軽い状態では、脚の補助具としてのみ働くと共に、自立歩行支援機の作動そのものが、エアーという完全には動きを規制しない力で、筋力の不足部分を補う事で歩行支援をおこなうために、歩行訓練としての効果を併せ持っている。

「他の実施形態」
図の実施形態では、エアーシリンダーの動作スピードは、エアーシリンダーのスピードコントローラで使用者に合わせて一定に設定してあるが、１つのエアーシリンダーに対して複数のスピードコントローラを配置してプログラマブルコントローラで制御すれば、よりきめ細かな制御が可能となる。また図の実施形態では階段の上り下りはおこなえないが、階段の上り下り用の手元スイッチを設けて、そのための制御を組んでも良い。

高齢者の増加にともない、使い勝手の良い歩行補助車が市販され高齢者の自立歩行の助けとなっているが、あくまでも高齢者の筋力のみでの歩行となっている。そこで筋力の不足部分を補う事で歩行支援をおこなう本発明の自立歩行支援機の脚部支持手段以外のエアーコンプレッサー、電源装置、空気ソレノイドバルブ、プログラマブルコントローラ等を歩行補助車に設置すれば、すぐに疲れてしまう事なく高齢者が自立歩行可能となり、産業上の利用が考えられる。

本発明の一実施の形態を示す図で、自立歩行支援機の右足装着用の歩行具部分を示す斜視図である。本発明の一実施の形態を示す図で、右足装着用の歩行具部分を脚に取り付けた状態を示す側面図である。本発明の一実施の形態を示す図で、自立歩行支援機の左足装着用の歩行具部分を示す斜視図である。本発明の一実施の形態を示す図で、左足装着用の歩行具部分を脚に取り付けた状態を示す側面図である。本発明の一実施の形態を示す図で、請求項５の移動手段の一例である歩行補助車に自立歩行支援機の制御装置部分を載せた状態を示す側面図である。本発明の一実施の形態を示す図で、請求項５の自立歩行支援機の制御装置部分を背負っている状態を示す側面図である。本発明の一実施の形態を示す図で、自立歩行支援機全体の配線と配管を示す図である。右足の踵が地面についてからまたその足の踵がつくまでの１歩行周期を表す図である。人間の起立から、着座までの動作を表す図である。

符号の説明

1a エアーシリンダー
1b エアーシリンダー
2a エアーシリンダー
2b エアーシリンダー
3a ふともも装着バンド
3b ふともも装着バンド
4a すね装着バンド
4b すね装着バンド
5a 足装着バンド
5b 足装着バンド
6a 膝関節
6b 膝関節
7a 足首関節
7b 足首関節
8a 接続ロッド
8b 接続ロッド
9a 接続ロッド
9b 接続ロッド
10a 足の裏装着部
10b 足の裏装着部
11 ベルト
12 歩行補助車
13 制御装置
14 制御装置
15a 感圧センサ
15b 感圧センサ
16a 感圧センサ
16b 感圧センサ
17a 傾きセンサ
17b 傾きセンサ
18a 近接スイッチ
18b 近接スイッチ
19a 近接スイッチ
19b 近接スイッチ
20a 空気ソレノイドバルブ
20b 空気ソレノイドバルブ
21a 空気ソレノイドバルブ
21b 空気ソレノイドバルブ
22a 空気ソレノイドバルブ
22b 空気ソレノイドバルブ
23 プログラマブルコントローラ
24 エアーコンプレッサー
25 電源装置
26〜35 歩行時の体の状態を表す。
36〜40 起立から着座までの体の状態を表す。

Claims

脚部を支持する脚部支持手段と、上記脚部支持手段の適所に設置された駆動手段と、上記脚部支持手段に設けられ少なくとも足裏に掛かる体重を検知する検出手段と、上記検出手段の検出信号に基づいて上記駆動手段を制御して上記脚部支持手段を介して脚部の動作を補助する制御手段とを具備したことを特徴とする自立歩行支援機。
脚部を支持する脚部支持手段と、上記脚部支持手段の適所に設置された駆動手段と、歩行においては、上記脚部支持手段に設けられ足裏に掛かる体重を検知する検出手段および路面の傾斜を検知する検出手段と、上記検出手段の検出信号に基づいて上記駆動手段を制御して上記脚部支持手段を介して脚部の動作を補助する制御手段とを具備したことを特徴とすると共に、起立着座においては、上記脚部支持手段に設けられ足裏に掛かる体重を検知する検出手段および膝の屈伸状態を検知する検出手段と、上記検出手段の検出信号に基づいて上記駆動手段を制御して上記脚部支持手段を介して脚部の動作を補助する制御手段とを具備したことを特徴とする請求項１記載の自立歩行支援機。
完全には動きを規制しないエアーの力で筋力の一部を補助して歩行支援をおこない、脚部支持手段の適所に設置されたエアーシリンダー等の駆動手段が、オンで縮み動作もしくは伸ばし動作をおこない、オフで駆動手段に力が掛からない状態にする事で、筋力の補助が必要とされない時は、使用者の行動を駆動手段により拘束しないことを特徴とする請求項１記載の自立歩行支援機。
脚部を支持する脚部支持手段に複数個の感圧センサ等足裏に掛かる体重を検知する検出手段と、路面の傾斜を検知する傾きセンサ等の検出手段と、駆動手段であるエアーシリンダー等の伸び縮みを検知する近接スイッチ等の検出手段と、上記検出手段の検出信号に基づいて上記脚部支持手段の適所に設置されたエアーシリンダー等の駆動手段を制御して上記脚部支持手段を介して脚部の動作を補助するプログラマブルコントローラ等の制御手段とを具備したことを特徴とする請求項１記載の自立歩行支援機。
エアーコンプレッサー、外部電源から電力を供給されその電力を蓄積する電源装置、空気ソレノイドバルブ、プログラマブルコントローラ等を、使用者が体に装着もしくは歩行補助車等の移動手段に設置し、使用者に装着した歩行具等の脚部支持手段とエアーチューブ等および検出手段の電線で接続し、脚部支持手段に取り付けた感圧センサ等、傾きセンサ等および近接スイッチ等の検出信号に基づいてエアーシリンダー等の駆動手段を制御して脚部の動作を補助することを特徴とする請求項１記載の自立歩行支援機。
屋内で日常使用できるよう、エアーコンプレッサー、電源装置、空気ソレノイドバルブ、プログラマブルコントローラ等を一箇所に固定し、充分な長さのエアーチューブ等もしくはエアーホース等および検出手段の電線を使用者に装着した歩行具等の脚部支持手段と接続し、脚部支持手段に取り付けた感圧センサ等、傾きセンサ等および近接スイッチ等の検出信号に基づいてエアーシリンダー等の駆動手段を制御して脚部の動作を補助することを特徴とする請求項１記載の自立歩行支援機。