JP2005279149A

JP2005279149A - 歩行補助装置

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Publication number: JP2005279149A
Application number: JP2004101914A
Authority: JP
Inventors: Akira Toyoshima; 明豊嶋; Makoto Yamada; 誠山田; Toshio Nishitani; 俊男西谷
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】不整地でも転倒することなく歩行することが可能な歩行補助装置を提供する。
【解決手段】歩行補助装置本体１０と、複数の脚部１１ａからなる脚機構１１と、脚部１１ａの脚先近傍に設けられ、遊脚状態の脚先から着地点までの段差を検出する段差センサ２０と、歩行補助装置本体１０の傾斜を検出する傾斜センサ２１、重心を検出する重心センサ２２、脚機構１１の制御を行う脚機構制御部３０を備え、脚機構制御部３０は、遊脚状態の脚部の段差センサからの信号に基づいて脚先から着地点までの距離を算出する段差量算出部３１と、算出した段差量、傾斜センサ２１からの歩行補助装置本体１０の傾斜情報、重心センサ２２からの歩行補助装置本体１０の重心位置情報に基づいて脚部の姿勢制御量を算出する脚部制御量算出部３２とを備え、算出した段差量に基づいて遊脚の脚部の制御量を決定し、傾斜センサによる水平維持、重心センサによる転倒防止動作を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、歩行訓練を行う人や自力歩行が困難な人の歩行動作を補助する歩行補助装置に関し、さらに詳細には、不整地等の段差を有する場所での歩行動作を補助することが可能な歩行補助装置に関する。

足腰の筋力の弱った老人、病気や怪我により自力歩行が難しい病人等は、日常生活での歩行に歩行補助器具を利用している。また、病院などではリハビリのための歩行訓練に、歩行補助器具を利用している。

従来の歩行補助器具のなかには、歩行者の体の一部を支持する歩行補助器具本体に車輪が取り付けられ、歩行補助器具本体を車輪で転がすことにより、歩行者の歩行動作を助けるようにしているものがある。（例えば特許文献１、２参照）。このような歩行補助器具としては、図８に示すように、歩行者をフレーム（例えばコの字状フレーム）で囲むような歩行補助器具が多用されている。
また、他の形状の歩行補助器具としては、車輪付きの歩行補助器具の後部側に手すりを設け、歩行者が歩行補助器具の後ろに立って手すりを押しながら進む、いわゆる手押し車型の歩行補助器具も多く利用されている。

特開２０００−１５７５８５号公報特開２０００−２３３００２号公報

上述したような歩行補助器具は、いずれも車輪で移動するものであることから、段差を有する場所では利用できず、整地された場所でのみ利用されている。そのため、従来は、病院などのように、当初から歩行補助器具の利用を前提として整地されている施設、あるいはバリアフリー設備が整えられている施設での利用に限られていた。
もしも、整地されていない場所で、従来の歩行補助器具を利用すると、図９に示すように、歩行補助器具が傾斜し、誤って転倒することとなる。どうしても歩行補助器具を段差がある場所でも利用できるようにしたい場合には、車輪の径を大きくして段差を乗り越えやすくする必要があり、歩行補助器具が大型にならざるを得なかった。

そこで、本発明は、整地のみならず、不整地であっても安定して利用することができる歩行補助装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、大型の車輪を用いることなく、段差を乗り越えることができる歩行補助装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の歩行補助装置は、歩行者が歩行する際に歩行者の体の一部を支える歩行補助装置本体と、関節を有する複数の脚部により歩行補助装置本体を支持するとともに各脚部を移動させることにより歩行動作を行う脚機構と、それぞれの脚部の脚先近傍に設けられ、遊脚状態の脚先から着地点までの段差を検出する段差センサと、歩行補助装置本体の傾斜を検出する傾斜センサと、歩行補助装置本体の重心を検出する重心センサと、脚機構の制御を行う脚機構制御部とを備え、脚機構制御部は、遊脚状態の脚部の段差センサからの信号に基づいて脚先から着地点までの距離を算出する段差量算出部と、算出した段差量、傾斜センサからの歩行補助装置本体の傾斜情報、重心センサからの歩行補助装置本体の重心位置情報に基づいて脚部の姿勢制御量を算出する脚部制御量算出部とを備えるようにしている。

ここで、脚機構制御部は、段差量算出部が脚先から着地点までの距離を算出する際に、脚部を揺動するようにしてもよい。

この発明の歩行補助装置によれば、歩行補助装置本体は、歩行者の体の一部を支えた状態で脚機構により歩行動作を行う。体の支え方は、例えば歩行者が歩行補助装置の中に立つようにして、手で歩行補助装置に寄りかかり、体重の一部を預けるようにして体全体を支えるものでもよい。また、歩行補助装置の中に簡単な腰掛を用意し、腰掛に体重の一部を預けるようにしてもよい。また、手押し車のように、手すりを手で持つようにして支えるものでもよい。

脚の数は４脚が好ましいが、３脚であってもよい。また、５脚以上であってもよいが、脚数が増えるほど脚機構の複雑な制御が必要になる。

歩行の際に、遊脚状態になった脚の脚先近傍に設けられた段差センサにより、遊脚状態の脚先から着地点までの段差を検出する。検出した段差情報に基づいて、段差量を算出し、算出した段差量を参照して脚部の姿勢制御量を算出する。さらに、歩行補助装置本体の傾斜を検出する傾斜センサによって歩行補助装置本体の傾斜情報、すなわち、傾斜方向や傾斜角度を検出し、水平を維持するように脚部を制御する。また、歩行補助装置本体の重心を検出する重心センサによって歩行補助装置本体の重心位置を検出し、転倒の恐れがある場合には、脚部が転倒防止の姿勢となるように脚部を制御する。
これにより、段差を有する場所を歩行する場合に、段差センサ、傾斜センサ、重心センサの検出結果に基づいて脚部を制御することで、歩行補助装置本体を水平に維持させることができ、しかも、ロボット装置を転倒することなく歩行させることができる。

また、段差量算出部が脚先から着地点までの距離を算出する際に、脚部を揺動するようにすれば、広範囲にわたって周囲の段差状態を検出することができる。

以下に、本発明の歩行補助装置について、図面を参照しつつ説明する。
図１は、この歩行補助装置の外観構成を示す図であり、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）はその正面図、図１（ｃ）はその右側面図である。また、図２は、脚先先端の拡大図である。また、図３は、このロボット装置の段差歩行のための制御系の構成を示すブロック図である。

まず、この歩行補助装置の外観構成について図１、図２を用いて説明する。
この歩行補助装置１は、コの字状フレーム１０ａを有する歩行補助装置本体１０と、歩行補助装置本体１０に取り付けられた４本の脚部１１ａで構成される脚機構１１とからなる。

歩行補助装置本体１０は、コの字状フレーム枠１０ａの内側寸法が、人の肩幅とほぼ同程度となるようにしてあり、コの字の開口部分からフレーム枠１０ａ内に人が入り込むことができるようにしてある。フレーム枠１０ａには、図示しないフックが取り付けてあり、フックに掛けられるバンドによって支持される腰掛１２が設けられている。この腰掛１２は、利用者が腰掛１２に自分の体重の一部を預けるようにすることで、利用者自身の体重による足への負担が軽減されるようにしてある。

コの字状フレーム枠１０ａの内部には、歩行補助装置本体１０の傾斜を検知する傾斜センサ２１と、重心の変化を検知する重心センサ２２とが取り付けられている。また、歩行動作を開始するための図示しない歩行ＳＷ（スイッチ）がフレーム上面に取り付けられており、利用者が操作できるようにしてある。
傾斜センサ２１は、歩行補助装置本体１０が傾斜したときに、その傾斜情報、すなわち、傾斜方向、傾斜角度を計測する。重心センサ２２は、歩行補助装置本体１０の重心位置を計測し、歩行補助装置の中心（安定な状態のときの重心位置）からの重心のずれを計測する。なお、傾斜センサ２１、重心センサ２２はいずれも、周知の製品を用いることができる。

脚機構１１の各脚部１１ａは、多関節で構成され、３軸の自由度を備えている。すなわち、歩行補助装置本体１０に固定される水平方向の支軸１４ａを中心として、回動可能に接続される第１脚部１４と、第１脚部１４の歩行補助装置本体１０から離れた側の端面において、支軸１４ａとは直交する支軸１５ａを中心として回動可能に接続される第２脚部１５と、第２脚部１５に固定される支軸１６ａを中心として回動可能に接続される第３脚部１６とにより、脚部１１ａが形成してある。このうち、先端が脚先となる第３脚部１３は、第１脚部１４、第２脚部１５に比して長くしてあり、第３脚部１６を上げて、遊脚状態（地面から離れ支持脚ではない脚状態）にしたとき、乗り越えることが可能な段差ができるだけ大きくなるようにしてある。
なお、各脚部１１ａに、さらに多くの支軸を設け、脚部の自由度を増やせば、さまざまな姿勢をとることができるので、姿勢を維持する点ではさらに優れたものとなる。ただし、脚機構が複雑化し、制御が複雑となり、費用も増大するので、実用的には３軸程度が好ましい。

脚先となる第３脚部１６の先端近傍には、図２に示すように凹部１７が形成されており、凹部１７内には、赤外線発光素子１８と赤外線受光素子１９とからなる段差センサ２０が取り付けられている。この段差センサ２０は、赤外線発光素子１８から出射した赤外線が、外部の障害物で反射して戻ってくる赤外線強度を赤外線受光素子１９により検出することにより、障害物までの距離情報を取得するものである。なお、段差センサ２０は赤外線センサに限らず、例えば超音波センサなどであってもよい。
なお、段差センサ２０により段差を検出する際は、遊脚状態の脚部１１ａを揺動させて赤外線の照射方向、および入射方向を広範囲にすることで、漏れなく段差情報を取得できるようにする。

次に、図３に基づいて本歩行補助装置の段差歩行のための制御系を説明する。なお、図１、図２と同じものは同符号を付す。この歩行補助装置１は、段差センサ２０、傾斜センサ２１、重心センサ２２、歩行動作を行うための駆動機構および関節で構成される脚部１１ａ（第１脚部１４、第２脚部１５、第３脚部１６）、段差センサ２０および傾斜センサ２１および重心センサ２２からの信号に基づいて脚部１１ａ（脚機構１１）の制御を行う脚機構制御部３０とからなる。

脚機構制御部３０について、制御機能ごとに分け、さらに詳細に説明する。脚機構制御部３０は、段差量算出部３１、脚部制御量算出部３２とからなる。
段差量算出部３１は、脚部１１ａの脚先が地面から離れて遊脚状態となったときに、脚先を揺動させて段差センサ２０の赤外線発光素子１８から赤外線を放出する。そして、地面などから反射して戻ってくる赤外線を段差センサ２０の赤外線受光素子１９で検出し、検出信号強度に基づいて着地点の段差を算出する。

脚部制御量算出部３２は、まず、段差量算出部３１で算出された段差量に基づいて、脚部１１ａの第１脚部１４、第２脚部１５、第３脚部１６について、それぞれの姿勢制御の行動計画を立て、そのための制御信号を算出する。すなわち、歩行補助装置本体１０が傾斜しないような姿勢となるように、脚部１１ａの各部（第１脚部１４、第２脚部１５、第３脚部１６）の制御信号を算出し、脚部１１ａに送る。
さらに、（段差センサ２０に基づいた算出結果だけでは、確実に歩行補助装置本体１０を水平に維持できない場合もあるので）実際に段差歩行を開始したときに、傾斜センサ２１が、歩行補助装置本体１０が傾斜していることを検知すると、傾斜センサ２１からの傾斜情報（傾斜方向、傾斜角度）に基づいて、脚部１１ａの各部の制御信号を再度算出し、その結果に基づいて制御信号を脚部１１ａに再送する。
また、たとえ、歩行補助装置本体１０が水平を維持したとしても、歩行補助装置本体１０の重心が大きくずれると、転倒するおそれが生じるので、重心センサ２２が歩行補助装置本体１０の重心が転倒する程度に移動したことを検出すると、転倒を防止するように脚部１１ａの各部の制御信号を送る。このときは、転倒防止用の制御信号が他に優先するように扱われる。

このように、段差量算出部３１により算出された段差量、傾斜センサ２１からの傾斜情報、重心センサ２２からの重心位置情報に基づいて、脚機構制御部３０は、脚部１１ａの各部の制御量を算出して脚部１１ａを制御する。

図４は、脚部１１を揺動させて段差を計測する様子を説明する図である。昇り段差であっても、降り段差であっても、遊脚となっている脚部１１を揺動し、前方に存在する段差に対して段差センサ２０から照射される赤外線を用いて着地点までの段差を計測する。
図５は、歩行補助装置１による不整地での歩行状態を説明する図である。脚部制御量算出部３２は、歩行補助装置本体１０が水平状態で維持されるように各脚部１１の制御信号を算出し、送信する。これにより、歩行補助装置本体１０を水平に保ちつつ、不整地上を歩行補助装置１が移動できるようになる。

次に、制御系による歩行補助装置１０の制御動作について、図６のフロー図を用いて説明する。
歩行補助装置１を利用する歩行者が、歩行ＳＷ（歩行スイッチ）をＯＮにするのを待ち、ＯＮになればＳ１０２に進む（Ｓ１０１）。
歩行ＳＷがＯＮになると、通常歩行動作を開始する。すなわち、４本の脚部１１ａのいずれか１脚（あるいは２脚）を順次交互に上げて遊脚状態とし、遊脚を前進させる動作を繰り返す（Ｓ１０２）。
続いて、各センサによる計測を開始する。ここでは、段差センサ２０、傾斜センサ２１、重心センサ２２による計測をほぼ同時にスタートする。
まず、遊脚状態となった脚部１１ａの先端近傍に取り付けられた段差センサ２０により、その遊脚が着地する付近の段差を計測する（Ｓ１０３）。すなわち、赤外線発光素子１８から照射された赤外線を赤外線受光素子１９により検出し、その赤外線強度に基づいて、現在の脚部先端と着地点までの段差を検出し、検出結果に基づいて段差量を算出する。
さらに、傾斜センサ２１により、歩行補助装置本体１０の傾斜方向、傾斜角度を計測する（Ｓ１０４）。
また、重心センサ２２により、歩行補助装置本体１０の重心位置を計測する（ｓ１０５）。

重心センサ２２の計測結果に基づいて、転倒状態であるかを判別する（Ｓ１０６）。すなわち、計測された重心位置のずれ量が、予め定められた転倒状態判定用の閾値と比較され、閾値を越えた場合に転倒状態であるとの判断をなす。もし、重心のずれ量が閾値を越えていれば、Ｓ１０７に進む。
重心のずれ量が閾値以内であれば、そのままＳ１０８に進む。
重心のずれ量が閾値を越え、Ｓ１０７に進むと、重心が元の位置に復帰するように脚部１１ａを制御し、転倒を防止する（Ｓ１０７）。具体的には、重心ずれが生じた方向の脚部１１ａを外側に開くようにして、安定な姿勢がとれるようにする。

重心のずれ量が閾値を越えない場合は、Ｓ１０８に進み、傾斜センサ２１の出力が変化したかが判断される。傾斜センサ２１の出力が変化していない場合は、そのままＳ１０２に戻り、再び段差計測、傾斜計測、重心計測を行う動作を繰り返す。
もしも傾斜センサ２１の出力が変化した場合は、Ｓ１０９に進む（Ｓ１０８）。

傾斜センサ２１の出力が変化して、Ｓ１０９に進むと、段差があるものと判断して、傾斜センサ２１の出力から傾斜方向、傾斜角度を計測する（Ｓ１０９）。
そして、傾斜方向、傾斜角度に対応して、歩行補助装置本体１０の上面が水平を維持するように、各脚部１１ａを制御する（Ｓ１１０）。

段差センサ２０の計測結果に基づいて、昇り段差が存在するかを判断する（Ｓ１１１）。昇り段差が存在する場合には、Ｓ１１２に進み、存在しない場合はＳ１１４に進む。
昇り段差が存在すると判断されてＳ１１２に進んだ場合は、段差センサ２０の検出信号に基づいて段差量算出部３１により算出された段差量に応じて遊脚の上方移動量を決定する（Ｓ１１２）。
続いて、遊脚の上方移動量に応じて、他の脚部１１ａについても歩行補助装置本体１０が水平を維持するように移動量を制御する（Ｓ１１３）。続いてＳ１１４に進む。

段差センサ２０の計測結果に基づいて、降り段差が存在するかを判断する（Ｓ１１４）。降り段差が存在する場合には、Ｓ１１５に進み、存在しない場合はスタートに戻る。なお、上述したように、昇り段差があって、Ｓ１１１からＳ１１３のステップを経たときは、降り段差が存在しないので（形式的に）Ｓ１１４に進むと、そのままスタートに戻ることになる。
降り段差が存在すると判断されて、Ｓ１１５に進んだ場合は、段差センサ２０の検出信号に基づいて、段差量算出部３１により算出された段差量に応じて遊脚の下方移動量を決定する（Ｓ１１５）。
続いて、遊脚の下方移動量に応じて、他の脚部１１ａについても歩行補助装置本体１０が水平を維持するように移動量を制御する（Ｓ１１６）。
Ｓ１１６まで進むことにより、一連のフローを終え、再びスタートに戻って同様の動作を繰り返す。
以上の動作により、歩行補助装置１は、段差がある不整地であっても歩行することができ、しかも、傾斜センサ２０により常に水平を維持することができ、さらに、転倒する恐れがある程度まで重心がずれたときには、転倒を防止するように脚部が制御されるので、利用者は安心して歩行補助装置１により、段差のある場所を歩行することができる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。図７は、本発明の他の実施形態である歩行補助装置の外観を説明する図である。この実施形態では、歩行補助装置本体１０に取っ手（手すり）４１が取り付けてあり、歩行者はこの取っ手４１を握って、歩行の際の支えとし、手押し車のようにして歩行を行うことができるようにしてある。
段差センサ２０、傾斜センサ２１、重心センサ２２については、上述した実施形態と同じように取り付けてあり、図６で示したフローと同様の動作を行う。本実施形態では、歩行者が自立できる程度の脚力を備えていることが必要であるが、歩行補助装置本体１０の部分に利用者が立ち入らないので、歩行補助装置本体１０の占める投影面積を小さくすることができる。したがって、さらに狭い通路などでも使用可能な歩行補助装置とすることができる。

本発明は、高齢者などが自立歩行したり、病院で患者がリハビリのため歩行訓練をしたりするときに使用する歩行補助装置として利用することができる。

本発明の一実施形態である歩行補助装置の構成を示す図。本発明の一実施形態である歩行補助装置の脚部先端に取り付けた段差センサを説明する図。本発明の一実施形態である歩行補助装置の制御系を説明するブロック図。歩行補助装置が段差を歩行する状態を説明する図。歩行補助装置が不整地を歩行する状態を説明する図。本発明の一実施形態である歩行補助装置の動作を説明するフロー図。本発明の他の一実施形態である歩行補助装置の構成を示す図。従来からの歩行補助装置の構成を示す図。従来からの歩行補助装置の構成を示す図。

符号の説明

１：歩行補助装置
１０：歩行補助装置本体
１１：脚部機構
１１ａ：脚部
１２：腰掛
１４：第１脚部
１５：第２脚部
１６：第３脚部
１８：赤外線発光素子
１９：赤外線受光素子
２０：段差センサ
２１：傾斜センサ
２２：重心センサ
３０：脚機構制御部
３１：段差量算出部
３２：脚部制御量算出部

Claims

歩行者が歩行する際に歩行者の体の一部を支える歩行補助装置本体と、
関節を有する複数の脚部により歩行補助装置本体を支持するとともに各脚部を移動させることにより歩行動作を行う脚機構と、
それぞれの脚部の脚先近傍に設けられ、遊脚状態の脚先から着地点までの段差を検出する段差センサと、
歩行補助装置本体の傾斜を検出する傾斜センサと、
歩行補助装置本体の重心を検出する重心センサと、
脚機構の制御を行う脚機構制御部とを備え、
脚機構制御部は、遊脚状態の脚部の段差センサからの信号に基づいて脚先から着地点までの距離を算出する段差量算出部と、算出した段差量、傾斜センサからの歩行補助装置本体の傾斜情報、重心センサからの歩行補助装置本体の重心位置情報に基づいて脚部の姿勢制御量を算出する脚部制御量算出部とを備えたことを特徴とする歩行補助装置。
脚機構制御部は、段差量算出部が脚先から着地点までの距離を算出する際に、脚部を揺動することを特徴とする請求項１に記載の歩行補助装置。