JP2007020672A - 歩行補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】利用者の各脚の運動状態によらずに利用者の負担を適切に軽減することができる歩行補助装置を提供する。
【解決手段】歩行補助装置１は、利用者Ａの腰部に装着される体装着部２と、各足平に装着される足平装着部３Ｌ，３Ｒと、各足平装着部３を体装着部２に連結する脚リンク４Ｌ，４Ｒとを備える。各足平装着部３には、床反力センサ１３が設けられ、これにより検出される床反力ベクトル（３次元ベクトル）の絶対値に所定の比率を乗じたものを各脚リンク４に足平装着部３から伝達される支持力の大きさの目標値とする。この目標値の大きさの支持力が脚リンク４に足平装着部３から関節１９を介して作用するように各脚リンク４のアクチュエータ２０を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、利用者（人）の歩行を補助する歩行補助装置に関する。

従来、この種の歩行補助装置としては、例えば特許文献１に見られるものが知られている。この特許文献１には、利用者の各脚の大腿部、下腿部、足部に支持部材を装着し、これらの支持部材を連結する関節をアクチュエータにより駆動することによって、利用者に目標とする推進力を歩行補助装置から付与するようにした歩行補助装置（歩行介助装置）が記載されている。この歩行補助装置では、利用者が歩行を行なうときに、利用者の脚の各関節（股関節、膝関節、足首関節）とそれに対応する歩行補助装置のアクチュエータとの間に生じるトルクを検出する。そして、そのトルク検出値から歩行補助装置と利用者との間の力を演算し、それをあらかじめ設定した設定値と比較することで、アクチュエータの駆動力を決定して、該アクチュエータを制御するようにしている。
特開平５−３２９１８６号公報（［００３４］〜［００３６］、図１５および図１６）

前記特許文献１に記載されている歩行補助装置は、利用者の移動方向に目標とする推進力（利用者の遊脚の運動を補助する力）を発生させることで利用者自身で発生させる必要がある推進力を軽減することは可能である。しかしながら、特許文献１の図１５を参照して明らかなように、利用者の体重は利用者自身が支えることとなるため、利用者の負担軽減が不十分であった。

また、特許文献１のものは、歩行補助装置と利用者との間の作用力の目標値を利用者の各脚の運動状態に応じて設定するような技術を持たないものであるため、利用者の各脚の運動状態に適した補助力を利用者の各脚に作用させることが困難であった。例えば、利用者の歩行動作中の各時刻で各脚に必要な床反力が変化するので、それに応じて歩行補助装置の各脚部で負担する補助力も変化させることが望ましいものの、特許文献１のものでは、そのような補助力を歩行補助装置の各脚部に発生させることは困難である。

さらに、特許文献１のものは、歩行補助装置の股関節、膝関節、足首関節のそれぞれを駆動制御するようにしているため、各関節の適切な駆動力を発生するためには、複雑な動力学演算などを必要とする。そして、この場合、動力学モデルのモデル化誤差や演算誤差などの影響で、各関節の駆動力目標値が利用者の脚の運動に対して不適切なものとなりやすく、利用者の各脚の運動状態によっては、却って、利用者の負担が増大する恐れがあった。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、利用者の各脚の運動状態によらずに利用者の負担を適切に軽減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。

本発明の歩行補助装置の第１発明は、前記の目的を達成するために、利用者の腰部または胴体または大腿部に装着される体装着部と、利用者の各脚の足平にそれぞれ装着される一対の足平装着部と、各足平装着部と体装着部とをそれぞれ連結する一対の脚リンクと、各脚リンクと体装着部との連結部を構成する第１関節と、各脚リンクの中間部に設けられた第２関節と、各脚リンクと足平装着部との連結部を構成する第３関節と、各脚リンクの第２関節をそれぞれ駆動する一対のアクチュエータとを備えた歩行補助装置であって、
前記各足平装着部には、前記利用者の脚が立脚となる状態で、該利用者および前記歩行補助装置を床面に支える床反力が作用するように接地する接地部が設けられており、
各足平装着部の接地部に作用する床反力を３次元の床反力ベクトルとして検出する床反力検出手段と、
前記検出された各足平装着部の床反力ベクトルの絶対値にあらかじめ設定した比率を乗じてなる値を該床反力ベクトルのうちの各脚リンクに伝達させるべき支持力の大きさの目標値とし、該目標値の大きさの支持力が該脚リンクに足平装着部側から伝達されるように前記各アクチュエータを制御するアクチュエータ制御手段とを備えたことを特徴とする。

かかる第１発明によれば、各足平装着部の接地部に作用する実際の床反力（利用者および歩行補助装置の両者を床面に支える実際の床反力）を３次元の床反力ベクトルとして検出し、その検出した床反力ベクトルの絶対値（大きさ）に前記比率（例えば３０％、４０％など）を乗じてなる値を前記支持力の大きさの目標値とする。このため、該目標値は、利用者の脚の実際の運動の結果として各足平装着部に作用する実際の床反力ベクトルの絶対値に応じたものとなる。そして、該目標値の大きさの支持力が各脚リンクに足平装着部側から伝達されるように前記各アクチュエータを制御するので、各足平装着部に作用する実際の床反力ベクトルの絶対値のうちの、所望の比率分の大きさの支持力（前記目標値の大きさの支持力）を各脚リンクで負担できることとなる。また、このとき、各足平装着部に作用する実際の床反力ベクトルの絶対値のうちの、各脚リンクによる負担分を除いた大きさの支持力を利用者の各脚で負担することとなる。この場合、各脚リンクで負担する支持力から、該脚リンクの重量と、該脚リンクの運動に伴う慣性力とを支えるための力を差し引いた力が、前記体装着部を介して利用者に持ち上げ方向の力として作用し、その作用する力によって、利用者が自身の脚で支えるべき力を軽減することが可能となる。

このように第１発明によれば、利用者の各脚の運動の結果として各足平装着部に作用する実際の床反力ベクトルを直接的に検出し、その検出した床反力ベクトルの絶対値（大きさ）に応じた大きさの前記支持力を各脚リンクで負担させるので、利用者の各脚の運動状態によらずに利用者の負担を適切に軽減することができる。

かかる第１発明において、前記各脚リンクの第２関節は、直動型の関節で構成することも可能であるが、該脚リンクの屈伸を可能とする関節であることが好ましく、この場合には、前記各アクチュエータは、該第２関節にトルクを付与することにより該第２関節を駆動するアクチュエータである。そして、この場合、前記アクチュエータ制御手段は、より具体的には、前記支持力が各脚リンクの第１関節と第３関節とを結ぶ直線を作用線とする並進力ベクトルであると見なすことにより定まる、該支持力と前記第２関節の発生トルクと該第２関節における脚リンクの屈曲角度との相関関係を利用して、前記目標値の大きさの支持力を各脚リンクに足平装着部側から伝達させるために要する各アクチュエータのトルク指令値を決定し、その決定したトルク指令値に応じて該アクチュエータを制御することが好ましい（第２発明）。

すなわち、本発明では、前記支持力は、足平装着部から第３関節を介して脚リンクに伝達され、このとき、該第３関節の箇所で、脚リンクに作用する支持力は、各脚リンクの第１関節と第３関節とを結ぶ直線を作用線とする並進力ベクトルになると見なすことができる。このとき、第２関節で発生させるべきトルクは、該並進力ベクトル（支持力）によって該第２関節で発生するモーメントに釣り合うトルクであり、該トルクもしくはモーメントと並進力ベクトル（支持力）との関係は、第２関節における脚リンクの屈曲角度に応じて定まる（より詳しくは該屈曲角度に対応する、各脚リンクの第１関節、第２関節および第３関節の幾何学的な位置関係に応じて定まる）。つまり、前記支持力（前記並進力ベクトル）と前記第２関節の発生トルクと該第２関節における脚リンクの屈曲角度との間には一定の相関関係がある。従って、その相関関係を利用することで、前記目標値の大きさの支持力を各脚リンクに足平装着部側から伝達するために要する各アクチュエータのトルク指令値を比較的簡易な演算処理で決定することができる。よって、第２発明によれば、各アクチュエータのトルク指令値を複雑な演算処理を必要とすることなく決定しつつ、各アクチュエータを適切に制御することができる。

なお、前記第１または第２発明では、前記支持力の目標値自体を必ずしも算出する必要はなく、結果的に、実際の支持力が該目標値になるように各アクチュエータを制御すればよい。

上記第２発明では、より具体的には、前記各脚リンクに足平装着部側から実際に伝達される支持力を検出する支持力検出手段と、前記各脚リンクの屈曲角度を検出する屈曲角度検出手段とを備え、前記アクチュエータ制御手段は、前記検出された床反力ベクトルの絶対値に前記比率を乗じることにより各脚リンク毎の前記目標値を算出する手段と、その算出した目標値に前記検出された支持力の大きさを近づけるようにフィードバック制御則により各脚リンク毎の要求支持力を決定する手段と、その決定した要求支持力と前記検出された各脚リンクの屈曲角度と前記相関関係とに基づいて各アクチュエータのトルク指令値を決定する手段と、その決定したトルク指令値に応じて各アクチュエータを制御する手段とから構成される（第３発明）。

これによれば、前記支持力検出手段で検出される実際の支持力そのものを制御量として、その支持力の大きさが前記目標値に近づくようにフィードバック制御によって、各アクチュエータの発生トルク（ひいては第２関節の発生トルク）が制御されることとなる。これにより、実際の支持力の大きさが前記目標値になるように各アクチェエータを円滑に制御することができる。

なお、この第３発明では、前記支持力検出手段は、好ましくは、前記第３関節と足平装着部との間、または、該第３関節と脚リンクとの間に介装された３軸力センサを備え、該３軸力センサの出力に基づき前記支持力を検出する（第４発明）。

この場合、前記第３関節と足平装着部との間、または、該第３関節と脚リンクとの間のいずれに３軸力センサを介装しても、該３軸力センサに作用する並進力の大きさは、実際に支持力の大きさ（前記並進力ベクトルの大きさ）にほぼ等しくなる。そして、該支持力（前記並進力ベクトル）は、前記したように、各脚リンクの第１関節と第３関節を結ぶ直線の方向のベクトルであるので、該３軸力センサの出力（３つの各軸方向の力成分値を示す出力）を基に、各脚リンクに実際に伝達される支持力を検出できることとなる。

また、上記第３発明または第４発明では、前記アクチュエータ制御手段は、前記利用者の遊脚側の脚リンクに対応する前記目標値を０とする手段を備えることが好ましい（第５発明）。

この第５発明によれば、利用者の遊脚側の脚リンクに伝達される支持力が０に近づくように、ひいては、該脚リンクの第２関節の発生トルクが０に近づくように各アクチュエータが制御されるので、利用者がその脚を空中に持ち上げた状態で、該アクチュエータや第２関節のフリクションを歩行補助装置で負担することができ、利用者の遊脚の運動時の負担を軽減することができる。

前記第２発明では、より具体的な他の態様として、前記各脚リンクの第２関節に実際に発生するトルクを検出するトルク検出手段と、前記各脚リンクの屈曲角度を検出する屈曲角度検出手段とを備え、前記アクチュエータ制御手段は、前記検出された床反力ベクトルの絶対値と前記比率と前記検出された各脚リンクの屈曲角度と前記相関関係とに基づいて前記目標値の大きさの支持力を各脚リンクに伝達するための該脚リンクの第２関節の目標トルクを決定する手段と、その決定した目標トルクに前記検出された第２関節のトルクを近づけるようにフィードバック制御則により各アクチュエータのトルク指令値を決定する手段と、その決定したトルク指令値に応じて各アクチュエータを制御する手段とから構成されるようにしてもよい（第６発明）。

この第６発明によれば、前記トルク検出手段で検出される第２関節の実際のトルクを制御量として、そのトルクが前記目標値の大きさの支持力を各脚リンクに伝達するための目標トルクに近づくようにフィードバック制御によって、各アクチュエータの発生トルク（ひいては第２関節の発生トルク）が制御されることとなる。これにより、実際の支持力の大きさが間接的に前記目標値になるように各アクチェエータを円滑に制御することができる。なお、この場合、前記目標トルクを決定する手段では、より具体的には、例えば前記床反力ベクトルの絶対値に前記比率を乗じてなる前記目標値を算出した上で、その目標値と前記検出された各脚リンクの屈曲角度と前記相関関係とに基づいて前記目標トルクを求める（算出した支持力の目標値を目標トルクに変換する）ようにする。あるいは、前記床反力ベクトルの絶対値と前記検出された各脚リンクの屈曲角度と前記相関関係とに基づいて、該床反力ベクトルの絶対値に対応する第２関節のトルクを算出した上で、その算出したトルク（このトルクは、支持力の大きさが床反力ベクトルの絶対値に等しいと仮定した場合の第２関節のトルクに相当する）に前記比率を乗じることで、目標トルクを求めるようにすればよい。

かかる第７発明では、前記アクチュエータ制御手段は、前記利用者の遊脚側の脚リンクに対応する前記目標トルクを０とする手段を備えることが好ましい（第７発明）。

この第７発明によれば、利用者の遊脚側の脚リンクの第２関節の発生トルクが０に近づくように（結果的には、該脚リンクに伝達される支持力が０に近づくように）、各アクチュエータが制御されるので、第５発明と同様に、利用者がその脚を空中に持ち上げた状態で、該アクチュエータや第２関節のフリクションを歩行補助装置で負担することができ、利用者の遊脚の運動時の負担を軽減することができる。

以上説明した第１〜第７発明では、前記床反力検出手段は、前記利用者の足平の中趾節関節の直下の箇所で前記各足平装着部に設けられた３軸力センサを備え、該３軸力センサの出力に基づき前記床反力ベクトルを検出することが好ましい（第８発明）。

この第８発明によれば、特に、利用者がその足平のつま先側を着地させながら階段を昇るとき、あるいは、平地の歩行時に後側の足平のつま先を蹴るように該足平を離床させようとするときに、前記各足平装着部に作用する床反力ベクトルの絶対値を前記３軸力センサの出力から精度よく検出できる。従って、利用者が階段を昇るときや、平地での歩行時に、それらの動作を円滑に行なう上で重要なつま先側の床反力ベクトルを歩行補助装置の各脚リンクで適切に負担することができ、効果的に利用者の運動を補助することができる。また、床反力検出手段の３軸力センサをつま先側に備えることで、歩行時に、利用者の足平の踵側で着地するときに、その衝撃が直接的に該３軸力センサに伝わるのを防止し、該衝撃が歩行補助装置の各アクチュエータの制御に反映されるのを緩和することができる。

また、前記第１〜第８発明では、前記各足平装着部は、前記利用者の各脚の足平のつま先部を挿入する環状の剛体部材を備え、該剛体部材が前記第３関節を介して脚リンクに連結されると共に、該剛体部材の下面側に前記接地部を備えることが好ましい（第９発明）。

これによれば、各足平装着部の接地時において、各脚リンクで負担すべき前記支持力（足平装着部に作用する床反力ベクトルの一部）を確実に各脚リンクに足平装着部から伝達することができる。

本発明の第１実施形態を図１〜図４を参照して説明する。まず、図１および図２を参照して、本実施形態の歩行補助装置の構造を説明する。図１は本実施形態の歩行補助装置とこれを装備した利用者とを正面視で示す図（前額面で見た図）、図２は該歩行補助装置および利用者を側面視で示す図（矢状面で見た図）である。

図１および図２を参照して、本実施形態の歩行補助装置１は、利用者Ａの腰部に装着される体装着部２と、利用者Ａの左右の各足平にそれぞれ装着される左右一対の足平装着部３Ｌ，３Ｒと、各足平装着部３Ｌ，３Ｒをそれぞれ体装着部２に連結する左右一対の脚リンク４Ｌ，４Ｒとを備えている。足平装着部３Ｌ，３Ｒは左右対称の同一構造であり、脚リンク４Ｌ，４Ｒについても同様である。なお、図１および図２では、利用者Ａはその両脚を左右に並べてほぼ直立姿勢で起立している状態を示している。この状態では、脚リンク４Ｌと脚リンク４Ｒとは、同じ姿勢で利用者Ａの左右方向に並ぶため、図２では脚リンク４Ｌ，４Ｒは、図面上重なっている（左側の脚リンク３Ｌが図２の手前側に位置している）。図２中の足平装着部２Ｒ，２Ｌについても同様である。

ここで、本明細書の実施形態の説明では、符号「Ｒ」は、利用者Ａの右脚もしくは歩行補助装置１の右側脚リンクに関連するものという意味で使用し、符号「Ｌ」は、利用者Ａの左脚もしくは歩行補助装置１の左側脚リンクに関連するものという意味で使用する。但し、左右を特に区別する必要が無いときは、符号Ｒ，Ｌをしばしば省略する。

体装着部２は、本実施形態では、布地等の可撓性材からなる複数のハーネス部材５を相互に連結して構成され、これらのハーネス部材５により利用者Ａの腰部を包み込むようにして該腰部に装着されている。この場合、体装着部２は、主要なハーネス部材５として、腰部の外周に巻きつけることで該腰部に固定されたハーネス部材５ａと、腰部の前面側と背面側との間で両脚の付け根の間（股下）を通して配設されたハーネス部材５ｂ，５ｃとを備え、これらのハーネス部材５ａ，５ｂ，５ｃを補助的なハーネス部材５で相互に連結するようにしている。このように利用者Ａに装着される体装着部２は、歩行補助装置１の後述する動作によって、ハーネス部材５ａ，５ｂ，５ｃを介して利用者Ａの腰部に持ち上げ方向（上向き）の補助力を付与することが可能となっている。

また、前記ハーネス部材５ａの左側面部には、左側脚リンク４Ｌの動作制御を担う（後述の電動モータ２０Ｌを制御する）制御装置６Ｌの筐体６ａＬが固定され、右側面部には、右側脚リンク４Ｒの動作制御を担う（後述の電動モータ２０Ｒを制御する）制御装置６Ｒの筐体６ａＲが固定されている。

なお、図１および図２に示すハーネス部材５の連結の仕方は一例であり、これに限られるものではない。また、本実施形態では、体装着部２を利用者Ａの腰部に装着したが、腰部よりも上側の胴体に装着したり、あるいは、大腿部に装着するようにしてもよい。もしくは、腰部、胴体および大腿部のうちの２つ以上の部位に装着するようにしてもよい。体装着部２は、利用者Ａの腰部または胴体または大腿部との間で、上下方向の力を作用させ得るように該腰部または胴体または大腿部に装着されていればよい。

足平装着部３Ｌ，３Ｒはそれぞれ利用者Ａの左脚の足平、右脚の足平に装着するものである。この各足平装着部３は、利用者Ａの各足平に履かせる靴７と、その靴７のつま先部を挿脱可能に挿入した鐙形状の環状剛体部材８と、この環状剛体部材８の底部の下面に靴７の底面とほぼ平行な姿勢で固着された板状の剛体板９と、この剛体板９の下面に対面して該剛体板９とほぼ平行な姿勢で設けられた板状弾性部材１０とを備えている。該板状弾性部材１０は、各足平装着部３の底面部に配置されており、接地部として機能するものである。以下、この板状弾性部材１０を弾性接地部１０という。

靴７は、環状剛体部材８から抜けることが無いようにベルト１１（図２参照）を介して環状剛体部材８に固定されている。

剛体板９と弾性接地部１０との間には、硬質の弾性部材１２と床反力センサ１３とが介在されている。床反力センサ１３は、３軸方向の並進力を検出する３軸力センサにより構成され、靴７を履いた利用者Ａの足平の中趾節関節（該足平の親指の付け根の関節。以下、ＭＰ関節という）のほぼ直下の箇所に位置するように配置されている。また、硬質弾性部材１２は、靴７を履いた利用者Ａの足平の踵寄りの箇所に位置するように配置されている。そして、これらの床反力センサ１３および硬質弾性部材１２のそれぞれは、剛体板９と弾性接地部１０とに固着されている。従って、弾性接地部１０は、剛体板９の下面に硬質弾性部材１２および床反力センサ１３を介して固定されている。なお、弾性接地部１０は、足平装着部３の着地時等に床反力センサ１３に過大な衝撃力が加わらないようにして、該床反力センサ１３を保護するものである。また、剛体板９は、足平装着部３の底面（弾性接地部１０の底面）のほぼ全面を接地させた状態で、該弾性接地部１０に床面から作用する床反力の分布状態によらずに（利用者Ａが足平の踵寄りに自重をのせるか、つま先よりに自重をのせるかによらずに）、その床反力のほぼ全体が床反力センサ１３に作用し得るようにするためのものである。

また、本実施形態では、環状剛体部材１０の上面には、支持力センサ１４が固着されている。該支持力センサ１４は、床反力センサ１３と同様に３軸力センサにより構成されている。

なお、本実施形態では、各足平装着部３に備えた床反力センサ１３および支持力センサ１４がそれぞれ検出する並進力ベクトルの１軸成分は、各足平装着部３の底面のほぼ全面を床面に接地させた状態で、該床面にほぼ垂直となる１軸方向の成分であり、残りの２軸成分は、該１軸方向に垂直な平面上（床面に平行な平面上）で互いに直交する２軸方向の成分である。また、左側足平装着部３Ｌに備えた床反力センサ１３および支持力センサ１４は、それらの検出信号を図示しない信号線を介して制御装置６Ｌに出力し、右側足平装着部３Ｒに備えた床反力センサ１３および支持力センサ１４は、それらの検出信号を図示しない信号線を介して制御装置６Ｒに出力する。

補足すると、床反力センサ１３は、後述する床反力計測処理部と併せて、本発明における床反力検出手段を構成するものであり、支持力センサは、後述する支持力計測処理部と併せて本発明における支持力検出手段を構成するものである。

脚リンク４Ｌ，４Ｒは、それぞれ利用者Ａの左脚、右脚に概ね沿うように配置されている。この各脚リンク４は、利用者Ａの脚の大腿部に相当するロッド状の大腿フレーム１５と、該脚の下腿部に相当するロッド状の下腿フレーム１６と、大腿フレーム１５の上端部を体装着部２に連結する第１関節１７と、大腿フレーム１５の下端部を下腿フレーム１６の上端部に連結する第２関節１８と、下腿フレーム１６の下端部を足平装着部２に連結する第３関節１９とを備えている。換言すれば、各脚リンク４は、その上端部（体装着部２との連結部）と、中間部と、下端部（足平装着部３との連結部）とにそれぞれ第１関節１７、第２関節１８、第３関節１９を備えると共に、第１関節１７と第２関節１８との間を大腿フレーム１５で連結し、且つ、第２関節１８と第３関節１９とを下腿フレーム１６で連結している。

左側脚リンク４Ｌの第１関節１７Ｌは、大腿フレーム１５Ｌの上端部を前記制御装置６Ｌの筐体６ａＬに連結している。同様に、右側脚リンク４Ｒの第１関節１７Ｒは、大腿フレーム１５Ｒの上端部を前記制御装置６Ｒの筐体６ａＲに連結している。従って、本実施形態では、各脚リンク４は、その上端部（大腿フレーム１５の上端部）が第１関節１７および筐体６ａを介して体装着部２のハーネス５ａの左右の各側部に連結されている。なお、各制御装置６の筐体６ａを、体装着部２の側部とは別の箇所に装着し（例えば体装着部２のハーネス５ａの背面部に筐体６ａを固定したり、あるいは、利用者Ａの背中に背負うようにしたケース内に制御装置６の筐体６ａを収容する）、第１関節１７の体装着部２側への取付け部をハーネス５ａの側部に直接的に取り付けてもよい。

上記各第１関節１７は、本実施形態では、利用者Ａの左右方向の１軸まわり（図１の軸ａまわり）の回転自由度を有する関節である。これにより、第１関節１７を支点として、各脚リンク４の前後方向の揺動運動（振り出し運動）が可能とされている。補足すると、各制御装置６の筐体６ａを固定したハーネス部材５ａは、可撓性のものであるので、該ハーネス部材５ａもしくは他のハーネス部材５の撓みまたは捩れによって、各脚リンク４の左右方向の揺動運動（利用者Ａの各脚の外転・内転運動に相当する運動）も可能である。なお、各第１関節１７は、ボールジョイント等の、３軸まわりの回転自由度を有するフリージョイントで構成されていてもよく、あるいは、左右方向および前後方向の２軸まわりの回転自由度を有する関節であってもよい。

各第２関節１８は、利用者Ａの左右方向の１軸まわり（図１の軸ｂまわり）の回転自由度を有する関節である。これにより、各脚リンク４の下腿リンク１６が大腿リンク１５に対して第２関節１８の軸ｂのまわりに相対回転可能とされ、ひいては該第２関節１８における各脚リンク４の屈伸運動が可能とされている。

本実施形態では、この各第２関節１８に、該第２関節１８を駆動するアクチュエータとしての電動モータ２０と、該第２関節１８の回転角を検出するロータリエンコーダ２１とが取り付けられている。ロータリエンコーダ２１は、後述する屈曲角度計測処理部と併せて本発明における屈曲角度検出手段を構成するものであり、第２関節１８の所定の基準回転位置（例えば利用者Ａが直立姿勢で起立している状態での第２関節１８の回転位置）からの回転角に応じた検出信号を該第２関節１８における脚リンク３の屈曲角度を示す信号として出力する。なお、ロータリエンコーダ２１Ｌ，２１Ｒは、回転角の検出信号をそれぞれ図示しない信号線で制御装置６Ｌ，６Ｒに出力する。また、電動モータ２０Ｌ，２０Ｒはそれぞれ制御装置６Ｌ，６Ｒから通電するための図示しない接続線を介して該制御装置６Ｌ，６Ｒに各々接続されている。

補足すると、第２関節１８を駆動するアクチュエータは、油圧もしくは空圧アクチュエータや、高分子アクチュエータ（筋肉型アクチュエータ）を使用してもよい。また、アクチュータを体装着部２に取り付け、ワイヤなどを介して第２関節１８を駆動するようにしてもよい。また、屈曲角度検出手段は、ロータリエンコーダ２１に代えて、ポテンショメータ等により構成してもよい。このことは、後述する他の実施形態においても同様である。

各第３関節１９は、ボールジョイント等の、３軸まわりの回転自由度を有するフリージョイントで構成され、下腿フレーム１６の下端部を前記足平装着部３に備えた支持力センサ１４に連結している。従って、各脚リンク４の下腿フレーム１６は、第３関節１９と環状剛体部材８との間に支持力センサ１４を介在させた状態で、該第３関節１９および支持力センサ１４を介して足平装着部３の環状剛体部材８に連結されている。

また、各脚リンク４の大腿フレーム１５の長さ（第１関節１７と第２関節１８との間隔）および下腿フレーム１６の長さ（第２関節１８と第３関節１９との間隔）は、通常的な体型の利用者Ａが直立姿勢で起立した状態で、図２に示す如く、第２関節１８で脚リンク４が屈曲した状態となるように設定されている。つまり、利用者Ａがどのような姿勢をとっても、各脚リンク４が延びきることがないようになっている。これは、大腿フレーム１５および下腿フレーム１６が一直線上に並ぶような特異点状態を避け、利用者Ａの姿勢によらずに、電動モータ２０を作動させることで、歩行補助装置１から利用者Ａに上向きの補助力を作用させることができるようにするためである。

以上が本実施形態の歩行補助装置１の機構的な構成である。このような構造の歩行補助装置１では、例えば利用者Ａの両脚が立脚（利用者Ａの体重を床面に支えようとする脚）となっている状態（いわゆる両脚支持期の状態）では、両足平装着部３，３が弾性接地部１０，１０を介して接地し、そのそれぞれの弾性接地部１０を介して各足平装着部３に床反力（３次元ベクトル）が作用する。このとき、その床反力は該足平装着部３に備えた床反力センサ１３に作用し、それが３次元の並進力ベクトルとして床反力センサ１３で検出される。また、利用者Ａの一方の脚だけが立脚となっている状態（いわゆる片脚支持期の状態）では、その立脚側の足平装着部３（３Ｌまたは３Ｒ）のみが接地し、それに作用する床反力（並進力ベクトル）が該足平装着部３に備えた床反力センサ１３で検出される。なお、立脚でない方の脚（遊脚）に対応する足平装着部３に作用する床反力は０となる。この場合、床反力センサ１３には、厳密には、弾性接地部１０の慣性力も作用するが、弾性接地部１０の重量は十分に小さい。従って、遊脚側の床反力センサ１３に作用する並進力はほぼ０となる。

ここで、両脚支持期および片脚支持期のいずれの状態であっても、両足平装着部３，３についての床反力ベクトルの合力（以下、全床反力という）は、利用者Ａおよび歩行補助装置１の全体重量（利用者Ａの体重と歩行補助装置１の重量との和）と、それらの運動によって発生する慣性力とを床に支えるための支持力（利用者Ａおよび歩行補助装置１の全体に作用する重力と該慣性力との合力に釣り合う力）である。そして、このとき、両電動モータ２０，２０の発生トルクが０である状態（両電動モータ２０，２０の通電を遮断した状態）では、上記全床反力の大部分（詳しくは全床反力から、利用者Ａの立脚に対応する各足平装着部３の剛体板９や環状剛体部材８等、足平装着部３の一部の重量相当分を除いたもの）を利用者Ａの立脚（両脚または片脚）で負担することとなる。

一方、利用者Ａの立脚に対応する各脚リンク４に備えた電動モータ２０によって、該脚リンク４の伸展方向のトルクを第２関節１８に付与すると、その該脚リンク４側の足平装着部３に作用する床反力ベクトルのうちの一部が、該足平装着部３の環状剛体部材８および第３関節１９を介して脚リンク４に伝達される。この伝達される力（足平装着部３から第３関節１９を介して脚リンク４に作用する並進力ベクトル）は、本発明における支持力に相当するものであり、該支持力は、利用者Ａの立脚に対応する足平装着部３に作用する床反力ベクトルのうちの脚リンク４による負担分を意味する。以降、該支持力をアシスト力という。このように支持脚側の脚リンク４に伝達されるアシスト力は、３次元の並進力ベクトルとして前記支持力センサ１４で検出される。

補足すると、支持力センサ１４に作用する並進力ベクトル（支持力センサ１４が検出する並進力ベクトル）と、第３関節１９から脚リンク４に作用する並進力ベクトルとは、一般にはその向きが異なるものの、支持力センサ１４は、第３関節１９の近傍に設けられているので、それらの並進力ベクトルの絶対値はほぼ同一である。また、本実施形態の歩行補助装置１は、体装着部２および足平装着部３，３だけが利用者Ａに拘束されるので、各脚リンク４のアシスト力（足平装着部３から第３関節１９を介して脚リンク４に作用する並進力ベクトル）は、該脚リンク４の第３関節１９と第１関節１７とを結ぶ直線を作用線とするベクトルとなる。従って、支持力センサ１４の出力からアシスト力を検出できることとなる。

なお、本実施形態では、支持力センサ１４を第３関節１９と足平装着部３の環状剛体部材８との間に介装したが、第３関節１９の近傍で、該第３関節１９と脚リンク４の下腿フレーム１６との間に介装するようにしてもよい。この場合には、支持力センサに作用する並進力ベクトルと、第３関節１９から脚リンク４に作用する並進力ベクトルとは、その向きと絶対値とが互いにほぼ一致する。

上記の如く脚リンク４に足平装着部３から伝達されるアシスト力の一部（詳しくは該アシスト力から、脚リンク４の重量と慣性力とを床に支えるための力を差し引いた力）が該脚リンク４の第１関節１７を介して体装着部２に作用し、それによって、該脚リンク４から体装着部２を介して利用者Ａに上向き（持ち上げ方向）の補助力を作用させることが可能となる。これにより、利用者Ａの各脚による全床反力の負担分を軽減することが可能となる。本実施形態では、上記のように支持力センサ１４により検出されるアシスト力が所要の目標値になるように、各電動モータ２０の発生トルクを制御することで、利用者Ａに各脚リンク４から体装着部２を介して持ち上げ方向の補助力を作用させる。

次に、前記各制御装置６の詳細を図３および図４を参照して説明する。図３は制御装置６の機能的構成を示すブロック図、図４は該制御装置４の制御処理を説明するための図である。なお、本実施形態では、制御装置６Ｌ，６Ｒは、いずれも同じ構成であるので、図３では、制御装置６Ｒに関するものについては、括弧書きで示している。また、図４では、脚リンク４および足平装着部３を模式化して示している。

図３に示すように、各制御装置６は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェース回路などから構成された演算処理部３０と、電動モータ２１のドライバ回路３１とを備えている。そして、演算処理部３０は、本発明におけるアクチュエータ制御手段に相当するものであり、その機能的手段として、床反力計測処理部４１、目標アシスト力決定部４２、アシスト力計測処理部４３、ＰＩＤ制御部４４、屈曲角度計測処理部４５、およびトルク変換部４６を備えている。なお、制御装置６Ｌ，６Ｒの両者または一方には、図示を省略する電池などの蓄電器と電源スイッチとを含む電源回路が備えられ、この電源回路から各制御装置６の各回路および各電動モータ２０に電力が供給されるようになっている。

補足すると、本実施形態では、各電動モータ２０毎に制御装置６を備えているが、両電動モータ２０Ｌ，２０Ｒの動作制御を単一の制御装置で行なうようにしてもよい。この場合には、その制御装置に単一の演算処理部を備え、この演算処理部の時分割処理によって、並列的に各電動モータ２０を制御するようにしてもよい。また、蓄電器や電源回路は、制御装置とは別に、体装着部２や利用者Ａの胴体に装着するようにしてもよい。このことは、後述する他の実施形態においても同様である。

以下、演算処理部３０の各部の詳細な処理の説明と併せて、各制御装置６の制御処理を説明する。なお、以下の説明では、制御装置６Ｌの制御処理を代表的に説明するが、制御装置６Ｒについても同様である。また、以下の説明では、支持力センサ１４および床反力センサ１３がそれぞれ検出する並進力ベクトルの３軸方向を図４のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸で表し、その各軸方向の力成分にそれぞれ添え字ｘ、ｙ、ｚを付する。この場合、ｚ軸は足平装着部３の底面のほぼ全面を接地させた状態で、床面にほぼ垂直となる軸であり、ｘ軸およびｙ軸は、ｚ軸に垂直な平面上の直交軸である。また、特に、ｚ軸方向の力成分については、図４のｚ軸の矢印の向きを正方向とする。

制御装置６Ｌは、以下に説明する演算処理部３０Ｌの処理を所定の制御処理周期で実行する。まず、前記ロータリーエンコーダ２１Ｌ、支持力センサ１４Ｌ、床反力センサ１３Ｌの出力がそれぞれ屈曲角度計測処理部４５Ｌ、アシスト力計測処理部４３Ｌ、床反力計測処理部４１Ｌに取り込まれ、これらの処理部４５Ｌ，４３Ｌ，４１Ｌの処理が実行される。

屈曲角度計測処理部４５Ｌでは、ロータリーエンコーダ２１Ｌの出力から、第２関節１８Ｌの所定の基準回転位置からの回転角度を計測し、その回転角度を、基準回転位置での脚リンク４Ｌの屈曲角度（これはあらかじめ図示しないメモリに記憶保持されている）に加えることで、第２関節１８Ｌにおける脚リンク４Ｌの屈曲角度θ1_Lが求められる。屈曲角度θ1_Lは、図４に示す如く、大腿リンク１５Ｌと下腿リンク１６Ｌとが成す角度（より正確には、第１関節１７Ｌおよび第２関節１８Ｌを結ぶ線分と、第２関節１８Ｌおよび第３関節１９Ｌを結ぶ線分とのなす角度）である。

アシスト力計測処理部４３Ｌでは、支持力センサ１４Ｌの出力（３軸方向の並進力検出値）を基に、脚リンク４Ｌに第３関節１９Ｌから作用する並進力（足平装着部３Ｌから脚リンク４Ｌに伝達される支持力）の検出値としてのアシスト力Ｆa_Lが求められる。このアシスト力Ｆa_Lは、具体的には、次のように求められる。

まず、支持力センサ１４Ｌの出力が示す３軸方向の力成分検出値（Ｆax，Ｆay，Faz）（より詳しくは、３軸方向の力成分検出値から高周波成分や所定のオフセット分を除いたもの）から、該支持力センサ１４Ｌに作用する並進力ベクトルの絶対値（＝√（Fax²＋Fay²＋Faz²））が求められる。そして、この絶対値に、ｚ軸方向の力成分検出値Fazの符号を乗じることにより、アシスト力Ｆa_L（足平装着部３Ｌから第３関節１９Ｌを介して脚リンク４Ｌに実際に作用している並進力）が求められる。つまり、アシスト力Fa_Lは次式（１）により算出される。

Ｆa_L＝sgn（Faz）・√（Fax²＋Fay²＋Faz²） ……（１）

なお、sgn（ ）は、符号関数である。このようにして求められるアシスト力Fa_Lは、その大きさが支持力センサ１４Ｌで検出される並進力ベクトルの絶対値に等しく、且つ、Fazと同じ符号を持つものである。この場合、アシスト力Fa_Lの符号に関し、利用者Ａの左脚が立脚であるとき（足平装着部３Ｌが接地しているとき）には、常にFa_L＞０である。また、利用者Ａの左脚が遊脚である場合には、利用者Ａがその左脚を屈曲させようとしたときには、Fa_L＜０であり、利用者Ａがその左脚を伸展させようとしたときには、Fa_L＞０である。

補足すると、足平装着部３Ｌから第３関節１９Ｌを介して脚リンク４Ｌに実際に作用する並進力ベクトルは、前記したように第３関節１９Ｌと第１関節１７Ｌとを結ぶ直線を作用線とするベクトルとなる。上記の如く求められるアシスト力Fa_Lは、図４に示す如く、第３関節１９Ｌから脚リンク４Ｌに実際に作用する並進力ベクトルの、上記作用線上での大きさと向きを示している。図４の例では、Ｆa_L＞０である。

また、床反力計測処理部４１Ｌでは、床反力センサ１３Ｌの出力（３軸方向の並進力検出値）を基に、足平装着部３Ｌに作用する床反力の検出値としてのFt_Lが求められる。この床反力Ft_Lは、具体的には、次のように求められる。

まず、床反力センサ１３Ｌの出力が示す３軸方向の力成分検出値（Ｆtz，Ｆty，Ftz）（より詳しくは、３軸方向の力成分検出値から高周波成分や所定のオフセット分を除いたもの）から、該床反力センサ１３Ｌに作用する並進力ベクトルの絶対値（＝√（Ftx²＋Fty²＋Ftz²））が求められる。そして、この絶対値に、ｚ軸方向の力成分検出値Ftzの符号を乗じることにより、床反力Ｆt_Lが求められる。つまり、床反力Ft_Lは次式（２）により算出される。

Ｆt_L＝sgn（Ftz）・√（Ftx²＋Fty²＋Ftz²） …式（２）

但し、この場合、３軸方向の力成分検出値（Ｆtz，Ｆty，Ftz）のうち、Ftzが所定の微小範囲内にあるときには、Ftz＝０として、Ft_Lが算出される。従って、この場合には、Ft_L＝０である。

このようにして求められる床反力Ft_Lは、その大きさが床反力センサ１３Ｌで検出される並進力ベクトルの絶対値に等しく、且つ、Ftzと同じ符号を持つものである。この場合、床反力Ft_Lの符号に関し、利用者Ａの左脚が立脚であるとき（足平装着部３Ｌが接地しているとき）には、常にFt_L＞０である。また、利用者Ａの左脚が遊脚である場合には、Ftzが上記所定の微小範囲内に存するので（こうなるように微小範囲が定められている）、Ft_L＝０である。図４には、Ｆt_L＞０である場合の、Ft_Lの例をベクトルで示している。

次いで、目標アシスト力決定部４２Ｌの処理が実行される。なお、この処理は、アシスト力計測処理部４３Ｌおよび屈曲角度計測処理部４５Ｌの処理よりも、前に実行してもよい。

該目標アシスト力決定部４２Ｌには、床反力計測処理部４１Ｌから床反力Ft_Lが与えられる。また、制御装置６Ｌには、あらかじめアシスト比率の設定値が入力されて記憶保持されており、そのアシスト比率も目標アシスト力決定部４２Ｌに与えられる。ここで、アシスト比率の設定値は、アシスト力Fa_Lの床反力Ft_Lに対する目標割合の設定値である。なお、アシスト比率の設定値は、左右の脚リンク４Ｌ，４Ｒについて共通である。ただし、各脚リンク４Ｌ，４Ｒ毎に、各別にアシスト比率を設定してもよい。両脚リンク４Ｌ，４Ｒのアシスト比率の設定値を共通とする場合には、そのアシスト比率の設定値は、例えば、利用者Ａの重量と歩行補助装置１の重量との総和に対する歩行補助装置１の重量の比率よりも若干大きいものに設定される。

そして、目標アシスト力決定部４２Ｌは、入力された床反力Ft_Lにアシスト比率の設定値を乗じることにより、目標アシスト力TFa_Lを決定する。すなわち、次式（３）により、TFa_Lを決定する。

TFa_L＝アシスト比率・Ft_L ……（３）

図４に目標アシスト力TFa_Lの例を破線の矢印で示す。この目標アシスト力TFa_Lは、足平装着部３Ｌに作用する床反力ベクトルの絶対値にアシスト比率を乗じた大きさを有し、且つ、アシスト力Fa_Lと同方向（第３関節１９Ｌと第１関節１７Ｌとを結ぶ直線方向）のベクトルの大きさと向きを示している。図示の例では、TFa_L＞０である。

次いで、ＰＩＤ制御部４４Ｌの処理が実行される。なお、この処理は、屈曲角度計測処理部４５Ｌの処理よりも前に実行してもよい。

ＰＩＤ制御部４４Ｌには、アシスト力計測処理部４３Ｌからアシスト力Fa_Lが入力されると共に、目標アシスト力決定部４２Ｌから目標アシスト力TFa_Lが入力される。そして、ＰＩＤ制御部４４Ｌは、入力された目標アシスト力TFa_Lとアシスト力Fa_Lとの偏差（＝TFa_L−Fa_L）から、フィードバック制御則としてのＰＩＤ制御則により、要求アシスト力DFa_Lを算出する。すなわち、偏差（TFa_L−Fa_L）と、その微分値と、積分値（累積加算値）とにそれぞれ所定のゲインを乗じて加え合わせることにより、要求アシスト力DFa_Lを算出する。この要求アシスト力DFa_Lは、アシスト力Fa_Lを目標アシスト力TFa_Lに近づけるために要求されるアシスト力（足平装着部３Ｌから脚リンク４Ｌに作用させるべき支持力）を意味する。図４にこの要求アシスト力DFa_Lの例をベクトルで示す。

なお、要求アシスト力DFa_Lは、アシスト力Fa_Lが定常的に目標アシスト力TFa_Lに一致している状態では、目標アシスト力TFa_Lに一致する。

次いで、トルク変換部４６Ｌの処理が実行される。該トルク変換部４６Ｌには、屈曲角度計測処理部４５Ｌから脚リンク４Ｌの屈曲角度θ1_Lが入力されると共に、ＰＩＤ制御部４４Ｌから要求アシスト力DFa_Lが入力される。また、制御装置６Ｌには、あらかじめ各脚リンク４の大腿フレーム１５の長さＤ１（各脚リンク４の第１関節１７と第２関節１８との間隔。図４を参照）と、下腿フレーム１６の長さＤ２（各脚リンク４の第２関節１８と第３関節１８Ｒとの間隔。図４を参照）とが図示しないメモリに記憶保持されており、これらのＤ１，Ｄ２がトルク変換部４６Ｌに与えられる。なお、Ｄ１，Ｄ２は、左右の脚リンク４Ｌ，４Ｒについて共通である。

そして、トルク変換部４６Ｌは、これらの入力データを基に、要求アシスト力DFa_Lによって、第２関節１８Ｌに発生するモーメントに釣り合うトルクを電動モータ２０Ｌのトルク指令値DT_Lとして算出する。

具体的には、まず、θ1_L、Ｄ１、Ｄ３から、次式（４）で示す幾何学的関係式（図４の各関節１７〜１９を頂点とする三角形に関する幾何学的関係式）に基づいて、第１関節１７Ｌと第３関節１９Ｌとの間隔Ｄ３が算出される。

Ｄ３²＝Ｄ１²＋Ｄ１²＋２・Ｄ１・Ｄ２・cosθ1_L ……（４）

次いで、このＤ３と、Ｄ１およびＤ２とから、次式（５）で示す幾何学的関係式（図４の各関節１７〜１９を頂点とする三角形に関する幾何学的関係式）に基づいて、図４に示す角度θ2_Lが算出される。該角度θ2_Lは、第１関節１７Ｌおよび第３関節１９Ｌを結ぶ線分（長さＤ３の線分）と、第２関節１８Ｌおよび第３関節１９Ｌを結ぶ線分（長さＤ２の線分）とのなす角度である。

Ｄ１²＝Ｄ２²＋Ｄ３²＋２・Ｄ２・Ｄ３・cosθ2_L ……（５）

次いで、この角度θ2_Lと、要求アシスト力DFa_Lと、下腿フレーム１６Ｌの長さＤ２とから、次式（６），（７）により、トルク指令値DT_Lが算出される。

F1_L＝DFa_L・sinθ2_L ……（６）
DT_L＝Ｆ1_L・Ｄ２ ……（７）

ここで、F1_Lは、要求アシスト力DFa_Lのうちの、第２関節１８Ｌおよび第３関節１９Ｌを結ぶ線分に直交する方向の成分である。

なお、このようにして求められるトルク指令値DT_Lは、それが正の値であるとき、脚リンク３Ｌの伸展方向のトルクを意味し、負の値であるとき、脚リンク３Ｌの屈曲方向のトルクを意味する。図４にトルク指令値DT_Lの例を円弧矢印で示す。この例では、DT_L＞０である。補足すると、上記式（４）〜（７）は、アシスト力と、第２関節１８Ｌと、屈曲角度θ1との相関関係を示すものである。

以上の如くトルク変換部４６Ｌで求められたトルク指令値DT_Lは、電動モータ２０Ｌの通電電流を規定する指令値として、ドライバ回路３１Ｌに与えられる。そして、該ドライバ回路３１Ｌは、そのトルク指令値DT_Lに従って、電動モータ２０Ｌに通電し、これにより、電動モータ２０Ｌがトルク指令値DT_Lのトルクを発生することとなる。

以上が制御装置６Ｌの制御処理の詳細である。そして、その制御処理は、制御装置６Ｒについても同様に行なわれる。

以上説明した本実施形態によれば、各足平装着部３に作用する床反力ベクトルFtを直接的に検出しながら、その床反力ベクトルの絶対値に前記アシスト比率を乗じたものを各脚リンク４の目標アシスト力とし、その目標アシスト力を実際に脚リンク４で発生させるように各電動モータ２０の発生トルクが制御される。このため、利用者Ａの運動に伴う実際の床反力ベクトルを反映させながら、その実際の床反力ベクトルに見合ったアシスト力を各脚リンク４で発生させることができる。そして、このアシスト力によって、利用者Ａに体装着部２を介して持ち上げ方向の力を作用させることができるので、利用者Ａ自身の脚（立脚）による負担を効果的に軽減できる。

また、利用者Ａの遊脚側では、目標アシスト力が０になるので、第２関節１８あるいは電動モータ２０のフリクションの影響を補償し、そのフリクションを利用者Ａの脚で負担することがないように、電動モータ２０が制御されるので、利用者Ａの遊脚の負担も軽減できる。

また、床反力センサ１３は、利用者Ａの各足平のＭＰ関節の直下の箇所に設けられているので、足平のつま先側での床反力ベクトルを該床反力センサ１３の出力から精度よく検出できる。このため、特に、利用者Ａが平地を歩行したり、階段を昇ったりしようとする場合に、足平のつま先側で床面を蹴ろうとするときに必要な床反力の一部を各脚リンク４で適切に負担することができる。

また、床反力センサ１３が利用者Ａの足平のつま先側に設けられていることから、利用者Ａを遊脚側の足平装着部３をその踵側から着地させたときに、その着地に伴う過大な床反力ベクトルが直接的に床反力センサ１３に作用するのを防止できる。その結果、アシスト力が瞬時的に過大なものとなるような事態を回避することができる。

次に、本発明の第２実施形態を図５〜図７を参照して説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態のものと、一部の機構的構成と制御装置６の制御処理とだけが相違するものであるので、第１実施形態と同一構成部分もしくは同一機能部分については第１実施形態と同一の参照符号を用いて説明を省略する。

図５は、本実施形態の歩行補助装置５１とこれを装備した利用者Ａとを正面視で示す図である。同図示の如く、本実施形態の歩行補助装置５１では、支持力センサが備えられず、各脚リンク４は、足平装着部３の環状剛体部材８に第３関節１９を介して直接的に連結されている。また、この歩行補助装置５１では、支持力センサの代わりに、電動モータ２０によって第２関節１８に付与されるトルク（電動モータ２０の発生トルク）を検出するトルクセンサ５２が該第２関節１８に取り付けられている。以降、該トルクセンサ５２が検出するトルクをアシストトルクという。これ以外の機構的構成は、第１実施形態と同じである。なお、トルクセンサ５２は、後述するアシストトルク計測処理部と併せて本発明におけるトルク検出手段を構成するものである。

そして、本実施形態では、各電動モータ２０を制御する制御装置６は、図６のブロック図に示す如く、その演算処理部３０の機能的手段として、床反力計測処理部６１、トルク変換部６２、目標トルク決定部６３、アシストトルク計測処理部６３、屈曲角度計測処理部６５、ＰＩＤ制御部６６を備えている。これ以外の制御装置６の構成は、第１実施形態と同じである。

以下、本実施形態での演算処理部３０の各部の詳細な処理の説明と併せて、各制御装置６の制御処理を図６および図７を参照して説明する。図７は該制御装置４の制御処理を説明するための図で説明する。なお、図７では、前記図４と同様に、脚リンク４および足平装着部３は模式化して示している。以下の説明では、制御装置６Ｌの制御処理を代表的に説明するが、制御装置６Ｒについても同様である。

制御装置６Ｌは、以下に説明する演算処理部３０Ｌの処理を所定の制御処理周期で実行する。まず、前記トルクセンサ５２Ｌ、床反力センサ１３Ｌ、ロータリーエンコーダ２１Ｌの出力がそれぞれアシストトルク計測処理部６４Ｌ、床反力計測処理部６１Ｌ、屈曲角度計測処理部６５Ｌに取り込まれ、これらの処理部６４Ｌ，６１Ｌ，６５Ｌの処理が実行される。

アシストトルク計測処理部６４Ｌでは、トルクセンサ５２Ｌの出力（より詳しくは、該出力から高周波成分や所定のオフセット分を除いたもの）から、アシストトルクTa_Lが求められる。ここで、本実施形態では、アシストトルクTa_Lの符号は、脚リンク４Ｌの伸展方向のトルクを正、屈曲方向のトルクを負とする。このとき、利用者Ａの左脚が立脚となっている状態では、トルクセンサ５２Ｌで検出されるアシストトルクTa_Lは常にTa_L＞０である。また、利用者Ａの左脚が遊脚となっている状態では、利用者Ａが該左脚を伸展させようとするときには、Ta_L＜０となり、該左脚を屈曲させようとするときには、Ta_L＞０となる。図７にアシストトルクTa_Lの例を示す。この場合、Ta_L＞０である。

また、床反力計測処理部６１Ｌでは、前記第１実施形態における床反力計測処理部４１Ｌと同じ処理によって、符号付きの床反力Ft_L（図７を参照）が求められる。

さらに、屈曲角度計測処理部６５Ｌでは、前記第１実施形態における屈曲角度計測処理部４５Ｌと同じ処理によって、図７に示す屈曲角度θ1_Lが求められる。

次いで、トルク変換部６２Ｌの処理が実行される。なお、この処理は、アシストトルク計測処理部６４Ｌの処理よりも前に実行してもよい。

該トルク変換部６２Ｌには、屈曲角度計測処理部６５Ｌから脚リンク４Ｌの屈曲角度θ1_Lが入力されると共に、床反力計測処理部６１Ｌから床反力Ft_Lが入力される。また、トルク変換部６２Ｌには、前記第１実施形態におけるトルク変換部４６Ｌと同様に、あらかじめ制御装置６で記憶保持された各脚リンク４の大腿フレーム１５の長さＤ１と、下腿フレーム１６の長さＤ２とが与えられる。

そして、トルク変換部６２Ｌは、これらの入力データを基に、床反力Ft_Lが足平装着部３Ｌから第３関節１９Ｌを介して脚リンク４Ｌに作用したと仮定した場合（より詳しくは、足平装着部位３Ｌから脚リンク４Ｌに実際に作用する並進力ベクトルの大きさが床反力Ft_Lの大きさに等しく、且つ、該並進力ベクトルの向きが第１関節１７Ｌおよび第３関節１９Ｌを結ぶ直線上で床反力Ft_Lの符号に応じた向きになると仮定した場合）に、その床反力Ft_L（脚リンク４Ｌに作用する並進力ベクトル）によって、第２関節１８Ｌに発生するモーメントに釣り合うトルクを床反力相当トルクTt_Lとして求める。

具体的には、まず、θ1_L、Ｄ１、Ｄ３から、前記第１実施形態で説明した前記式（４）、（５）に基づいて図７に示す角度θ2_L、すなわち、第１関節１７Ｌおよび第３関節１９Ｌを結ぶ線分と、第２関節１８Ｌおよび第３関節１９Ｌを結ぶ線分とのなす角度θ2_Lが算出される。そして、この角度θ2_Lと、床反力Ft_Lと、下腿フレーム１６Ｌの長さＤ２とから、前記式（６），（７）と同様の次式（８），（９）により、床反力相当トルクTt_Lが算出される。

F2_L＝Ft_L・sinθ2_L …（８）
Tt_L＝F2_L・Ｄ２ ……（９）

ここで、F2_Lは、図７に示す如く、脚リンク４Ｌに作用すると仮定した床反力Ft_L（図７に破線の直線矢印で示す）のうちの、第２関節１８Ｌおよび第３関節１９Ｌを結ぶ線分に直交する方向の成分である。なお、このようにして求められる床反力相当トルクTt_Lの符号と向きとの関係は、アシストトルクTa_Lと同じである。

次いで、目標トルク決定部６３Ｌの処理が実行される。なお、この処理は、アシストトルク計測処理部６４Ｌの処理よりも前に実行してもよい。

該目標トルク決定部６３Ｌには、トルク変換部６２Ｌから床反力相当トルクTt_Lが入力される。また、目標トルク決定部６３Ｌには、前記第１実施形態における目標アシスト力決定部４２Ｌと同様に、あらかじめ制御装置６Ｌで記憶保持されたアシスト比率の設定値が与えられる。そして、目標トルク決定部６３Ｌは、入力された床反力相当トルクTt_Lにアシスト比率の設定値を乗じることにより、目標アシストトルクTTa_Lを決定する。すなわち、次式（１０）により、TTa_Lを決定する。

TTa_L＝アシスト比率・Tt_L ……（１０）

図７に目標アシストトルクTTa_Lの例を破線の円弧矢印で示す。図示の例では、TTa_L＞０である。

補足すると、このようにして求められる目標アシストトルクTTa_Lは、前記第１実施形態で目標アシスト力決定部４２Ｌにより求められる目標アシスト力TFa_Lを、トルク変換部６２Ｌ（またはトルク変換部４６Ｌ）と同様の処理によって、第２関節１８Ｌのトルクに変換したものと等価である。従って、第１実施形態と同様に、床反力Ft_Lから目標アシスト力TFa_Lを求めた後に、それをトルク変換部６２Ｌ（またはトルク変換部４６Ｌ）と同様の処理によって、トルクに変換することで、目標アシストトルクTTa_Lを求めるようにしてもよい。

次いで、ＰＩＤ制御部６６Ｌの処理が実行される。ＰＩＤ制御部６６Ｌには、アシストトルク計測処理部６４ＬからアシストトルクTa_Lが入力されると共に、目標アシストトルク決定部６３Ｌから目標アシストトルクTTa_Lが入力される。そして、ＰＩＤ制御部６６Ｌは、入力された目標アシストトルクTTa_LとアシストトルクTa_Lとの偏差（＝TTa_L−Ta_L）から、フィードバック制御則としてのＰＩＤ制御則により、アシストトルクTa_Lを目標アシストトルクTTa_Lに近づけるための電動モータ２０Ｌのトルク指令値DT_Lを算出する。すなわち、偏差（TTa_L−Ta_L）と、その微分値と、積分値（累積加算値）とにそれぞれ所定のゲインを乗じて加え合わせることにより、トルク指令値DT_Lを算出する。このようにして求められるトルク指令値DT_Lの符号と向きとの関係は、アシストトルクTa_Lと同じである。図４にこのトルク指令値DT_Lの例を円弧矢印で示す。この例では、DT_L＞０である。なお、トルク指令値DT_Lは、アシストトルクTa_Lが定常的に目標アシストトルクTTa_Lに一致している状態では、目標アシストトルクTTa_Lに一致する。

以上の如くＰＩＤ制御部６６Ｌで求められたトルク指令値DT_Lは、電動モータ２０Ｌの通電電流を規定する指令値として、ドライバ回路３１Ｌに与えられる。このとき、第１実施形態と同様に、電動モータ２０Ｌがトルク指令値DT_Lのトルクを発生することとなる。

以上説明した制御装置６Ｌの制御処理は、制御装置６Ｒについても同様である。

かかる本実施形態では、第１実施形態のように直接的にアシスト力を制御するものではないものの、前記目標アシストトルクTTa_Lは、第１実施形態で説明した目標アシスト力TFaに対応するものである。このため、第２実施形態においても、結果的には、第１実施形態と同様に、各脚リンク４の実際のアシスト力は目標アシスト力TFaに制御されることとなる。従って、第２実施形態においても第１実施形態で説明した効果と同様の効果を奏することができる。

次に、本発明の第３実施形態を図８（ａ），（ｂ）を参照して説明する。図８（ａ），（ｂ）は、それぞれ本実施形態の歩行補助装置の腰部付近とこれを装着した利用者とを正面視、側面視で示す図である。

本実施形態は、体装着部の構成のみが、前記第１または第２実施形態と相違するものである。すなわち、本実施形態の歩行補助装置１では、体装着部７０は、利用者Ａの腰部の周囲に巻き付けられたものであり、背面側に巻きつけられた背面側部材７１と、前面側に巻きつけられた前面側部材７２とに大別される。

背面側部材７１は、利用者Ａの腰部の一方の側部から背面側を通って他方の側部に至る部材であり、樹脂などの硬質の材料で形成されている。この背面部材７１の左右の側部箇所（利用者Ａの腰部の側方箇所）には、それぞれ蝶番部材７３Ｌ，７３Ｒが設けられている。各蝶番部材７３は、背面部材７１に固定された固定部７４と、この固定部７４に軸ピン７５（図８（ａ）を参照）を介して連結された可動部７６とを備え、可動部７６が軸ピン７５を支点として、固定部７４に対して（背面部材７１に対して）揺動自在とされている。この場合、図８（ｂ）に示すように、軸ピン７５の軸心ｃは、ほぼ前後方向に向けられている。従って、可動部７６は、背面部材７１に対して前後方向の軸心ｃのまわりに揺動自在である。そして、各蝶番部材７３の固定部７４には、前記第１実施形態と同じ構造の脚リンク４が第１関節１７を介して連結されている。詳しくは、蝶番部材７３Ｌの固定部７４に第１関節１７Ｌを介して脚リンク４Ｌが連結され、蝶番部材７３Ｒの固定部７４に第１関節１７Ｒを介して脚リンク４Ｒが連結されている。

従って、各脚リンク４は、第１関節１７により前後方向の振り出し運動が可能であると共に、蝶番部材７３によって、外転・内転運動（前記軸ピン７５の軸心ｃのまわりの揺動運動）が可能となっている。

また、背面部材７１の、各蝶番部材７３の後方側の箇所には、前記第１実施形態で説明した各制御装置６の筐体６ａが固定されている。

前記前面部材７２は、背面部材７１の一端部から利用者Ａの腰部の前面側を経由して他端部に至る部材であり、該背面部材７１の左側端部および右側端部からそれぞれ延設された左側ベルト部７７Ｌ、右側ベルト部７７Ｒと、これらのベルト部７７Ｌ，７７Ｒを利用者Ａの腰部の前面箇所で結合するバックル７８とから構成されている。各ベルト部７７は、可撓性材料で形成されている。この場合、バックル７８で前面部材７２の周長（ひいては体装着部７０の全周長）を調整可能とされ、その調整によって、体装着部７０は、利用者Ａの腰部に対して上下方向にずれないように（腰部と体装着部７０との間で上下方向の力が作用し得るように）腰部に巻き付け装着されている。

本実施形態の歩行補助装置７０は、以上説明した以外の構造は、第１実施形態または第２実施形態のものと同じである。

かかる本実施形態は、体装着部７０の構成のみが第１実施形態または第２実施形態のものと相違するだけなので、第１実施形態または第２実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、以上説明した第１〜第３実施形態では、足平装着部３の構成に関し、前記環状剛体部材８、剛体板９、床反力センサ１３、硬質弾性部材１２、および弾性接地部１０を靴７の外部に設けたが、これらを靴７の内部に収容してもよい。このとき、弾性接地部１０を省略し、靴７の内部の底面と剛体板９との間に前記床反力センサ１３および硬質弾性部材１２を介在させるようにしてもよい。この場合には、靴７の底部が弾性接地部として機能することとなる。なお、このように環状剛体部材１０などを靴７の内部に収容するようにした場合には、前記したように各脚リンク４を足平装着部３に連結するために、環状剛体部材１０の上面部を靴７の靴紐装着部から露出させておくか、もしくは、該靴紐装着部に形成した開口に臨ませておく。

また、前記第１〜第３実施形態では、足平装着部３の構成に関し、剛体板９を備えるようにしたが、利用者Ａが階段あるいは坂道を昇る動作を補助するような場合には、立脚側の足平装着部３に作用する床反力ベクトルは、主に、足平装着部３のつま先側に作用するので、剛体板９を省略してもよい。この場合には、例えば各床反力センサ１３を足平環状剛体部材９の底面に固着すると共に、硬質弾性部材１２を靴７の踵の底面に固着し、これらの床反力センサ１３および硬質弾性部材１２の下面に弾性接地部１０を固着するようにすればよい。

本発明の第１実施形態の歩行補助装置とこれを装備した利用者とを正面視で示す図。 第１実施形態の歩行補助装置および利用者を側面視で示す図。 第１実施形態の歩行補助装置に備えた制御装置の構成を示すブロック図。 図３の制御装置の制御処理を説明するための図。 本発明の第２実施形態の歩行補助装置とこれを装備した利用者とを正面視で示す図。 第２実施形態の歩行補助装置に備えた制御装置の構成を示すブロック図。 図６の制御装置の制御処理を説明するための図。 （ａ）は本発明の第３実施形態の歩行補助装置とこれを装備した利用者との要部を正面視で示す図、（ｂ）は該歩行補助装置と利用者との要部を側面視で示す図。

符号の説明

１，５１…歩行補助装置、２，７０…体装着部、３…足平装着部、４…脚リンク、６…制御装置、８…環状剛体部材、１０…弾性接地部、１３…床反力センサ（床反力検出手段）、１４…支持力センサ（支持力検出手段）、１７…第１関節、１８…第２関節、１９…第３関節、２０…電動モータ（アクチュエータ）、２１…ロータリーエンコーダ（屈曲角度検出手段）、３０…演算処理部（アクチュエータ制御手段）、４１，６１…床反力計測処理部（床反力検出手段）、４２…支持力計測処理部（支持力検出手段）、４５，６５…屈曲角度計測処理部（屈曲角度検出手段）、５２…トルクセンサ（トルク検出手段）、６４…アシストトルク計測処理部（トルク検出手段）。

Claims (9)

1. 利用者の腰部または胴体または大腿部に装着される体装着部と、利用者の各脚の足平にそれぞれ装着される一対の足平装着部と、各足平装着部と体装着部とをそれぞれ連結する一対の脚リンクと、各脚リンクと体装着部との連結部を構成する第１関節と、各脚リンクの中間部に設けられた第２関節と、各脚リンクと足平装着部との連結部を構成する第３関節と、各脚リンクの第２関節をそれぞれ駆動する一対のアクチュエータとを備えた歩行補助装置であって、
   前記各足平装着部には、前記利用者の脚が立脚となる状態で、該利用者および前記歩行補助装置を床面に支える床反力が作用するように接地する接地部が設けられており、
   各足平装着部の接地部に作用する床反力を３次元の床反力ベクトルとして検出する床反力検出手段と、
   前記検出された各足平装着部の床反力ベクトルの絶対値にあらかじめ設定した比率を乗じてなる値を該床反力ベクトルのうちの各脚リンクに伝達させるべき支持力の大きさの目標値とし、該目標値の大きさの支持力が該脚リンクに足平装着部側から伝達されるように前記各アクチュエータを制御するアクチュエータ制御手段とを備えたことを特徴とする歩行補助装置。
2. 前記各脚リンクの第２関節は、該脚リンクの屈伸を可能とする関節であると共に、前記各アクチュエータは、該第２関節にトルクを付与することにより該第２関節を駆動するアクチュエータであり、
   前記アクチュエータ制御手段は、前記支持力が各脚リンクの第１関節と第３関節とを結ぶ直線を作用線とする並進力ベクトルであると見なすことにより定まる、該支持力と前記第２関節の発生トルクと該第２関節における脚リンクの屈曲角度との相関関係を利用して、前記目標値の大きさの支持力を各脚リンクに足平装着部側から伝達させるために要する各アクチュエータのトルク指令値を決定し、その決定したトルク指令値に応じて該アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１記載の歩行補助装置。
3. 前記各脚リンクに足平装着部側から実際に伝達される支持力を検出する支持力検出手段と、前記各脚リンクの屈曲角度を検出する屈曲角度検出手段とを備え、前記アクチュエータ制御手段は、前記検出された床反力ベクトルの絶対値に前記比率を乗じることにより各脚リンク毎の前記目標値を算出する手段と、その算出した目標値に前記検出された支持力の大きさを近づけるようにフィードバック制御則により各脚リンク毎の要求支持力を決定する手段と、その決定した要求支持力と前記検出された各脚リンクの屈曲角度と前記相関関係とに基づいて各アクチュエータのトルク指令値を決定する手段と、その決定したトルク指令値に応じて各アクチュエータを制御する手段とから構成されていることを特徴とする請求項２記載の歩行補助装置。
4. 前記支持力検出手段は、前記第３関節と足平装着部との間、または、該第３関節と脚リンクとの間に介装された３軸力センサを備え、該３軸力センサの出力に基づき前記支持力を検出することを特徴とする請求項３記載の歩行補助装置。
5. 前記アクチュエータ制御手段は、前記利用者の遊脚側の脚リンクに対応する前記目標値を０とする手段を備えることを特徴とする請求項３または４記載の歩行補助装置。
6. 前記各脚リンクの第２関節に実際に発生するトルクを検出するトルク検出手段と、前記各脚リンクの屈曲角度を検出する屈曲角度検出手段とを備え、前記アクチュエータ制御手段は、前記検出された床反力ベクトルの絶対値と前記比率と前記検出された各脚リンクの屈曲角度と前記相関関係とに基づいて前記目標値の大きさの支持力を各脚リンクに伝達するための該脚リンクの第２関節の目標トルクを決定する手段と、その決定した目標トルクに前記検出された第２関節のトルクを近づけるようにフィードバック制御則により各アクチュエータのトルク指令値を決定する手段と、その決定したトルク指令値に応じて各アクチュエータを制御する手段とから構成されることを特徴とする請求項２記載の歩行補助装置。
7. 前記アクチュエータ制御手段は、前記利用者の遊脚側の脚リンクに対応する前記目標トルクを０とする手段を備えることを特徴とする請求項６記載の歩行補助装置。
8. 前記床反力検出手段は、前記利用者の足平の中趾節関節の直下の箇所で前記各足平装着部に設けられた３軸力センサを備え、該３軸力センサの出力に基づき前記床反力ベクトルを検出することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の歩行補助装置。
9. 前記各足平装着部は、前記利用者の各脚の足平のつま先部を挿入する環状の剛体部材を備え、該剛体部材が前記第３関節を介して脚リンクに連結されると共に、該剛体部材の下面側に前記接地部を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の歩行補助装置。

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