JP2008023234A - 動力付歩行支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】歩行障害者の歩行を支援する動力付歩行支援装置であって、軽量化を成し得るだけでなく低コストで製造し得る動力付歩行支援装置を提供する。
【解決手段】４リンク変速機構１を具備する動力付歩行支援装置において、４リンク変速機構１が固定リンク１１、入力リンク１２、出力リンク１３及び中間リンク１４を順次回転自在に連結させらた閉リンク機構として構成され、固定リンク１１及び出力リンク１３がそれぞれ下肢の大腿部及び下腿部に固定される。
【選択図】図９

Description

本発明は、歩行障害者の歩行を支援する動力付歩行支援装置に関する。

歩行障害は加齢による筋力の衰えに起因する場合もあり、或いは事故や何らかの疾患等による下肢の麻痺に起因する場合もある。いずれの場合でも、歩行障害者は、通常、歩行機能に欠陥を持つだけでなく、立位姿勢を取ることも困難とされる。

従来、ＨＯＰ(Hip Guidance Orthosis)として知られる歩行支援装置は歩行障害を支援すると言うよりはむしろ歩行障害者の立位姿勢を安定化させるものである。即ち、ＨＯＰは下肢の足首関節、膝関節及び股関節を拘束することにより立位姿勢を安定化し、このＨＯＰを装着した歩行障害者は両手に杖をもって体を捻じるようにして歩行を支援するものであって、自然な歩行機能を支援するものではない。

ＲＧＯ(Reciprocating Gait Orthosis)はＨＯＰを改良した歩行支援装置であって、膝関節に或る程度の自由度を与えたものである。ＲＧＯでは、膝関節に或る程度の自由度が与えられるために、ＨＯＰによりも幾分優れた歩行支援を行うことができる反面、立位姿勢の安定化が損なわれるという問題がある。

近年のロボット技術の発展に伴ない、動力付歩行支援装置も種々開発され、このような動力付歩行支援装置では、歩行支援者に自然な歩行を支援し得るものも知られている。

動力付歩行支援装置の課題としては、その全体重量の軽量化と製造コストの低減化とが挙げられる。というのは、動力付歩行支援装置では、高価で重量のあるアクチュエータ（電動モータ等）が必要となるからである。本発明者の調査によれば、市販のアクチュエータの重量はその出力と比例関係にあり、高出力のアクチュエータ程、その重量は大きくなる。

ところで、人の日常生活では、蹲踞姿勢を取ることが屡々あり、このような蹲踞姿勢を取ることを配慮した動力付歩行支援装置の場合には、高出力のアクチュエータが使用されなければならい。というのは、蹲踞姿勢から立位姿勢に移行する際の所謂立上がり動作に大きな動力が必要となるからである。

従って、本発明の課題は、歩行障害者の歩行を支援する動力付歩行支援装置であって、軽量化を成し得るだけでなく低コストで製造し得る動力付歩行支援装置を提供することである。

本発明による動力付歩行支援装置は４リンク変速機構を具備し、この４リンク変速機構は固定リンク、入力リンク、出力リンク及び中間リンクを順次回転自在に連結させらた閉リンク機構として構成され、固定リンク及び出力リンクがそれぞれ下肢の大腿部及び下腿部に固定されるようになっている。

本発明によれば、好ましくは、入力リンクに入力されたトルクが可及的妥当性を持つ減速比で増大されて中間リンクを介して出力リンクに伝達され得るように、固定リンク、入力リンク、出力リンク及び中間リンクのリンク長比が定められる。

本発明によれば、好ましくは、出力リンクのリンク長については下腿部の長さに実質的に等しくされている。

本発明によれば、好ましくは、固定リンク、入力リンク、出力リンク及び中間リンクのリンク長比が順次Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４とされたとき、このリンク長比間に以下の関係が実質的に成立させられる。
Ｌ_１＋Ｌ_４≒Ｌ_２＋Ｌ_３

本発明の別の局面によれば、右下肢用の第１の動力付歩行支援装置と左下肢用の第２の動力付歩行支援装置とから成る組合が提供され、この組合において、第１及び第２の動力付歩行支援装置が互いに対象構造を備え、しかも可撓性シートで互いに連結され、第１及び第２の動力付歩行支援装置を装着した装着者が蹲踞姿勢を取ったとき、可撓性シートが装着者の臀部を保持するようになっている。

このような組合において、第１及び第２の動力付歩行支援装置の各々は４リンク変速機構を具備し、この４リンク変速機構は固定リンク、入力リンク、出力リンク及び中間リンクを順次回転自在に連結させらた閉リンク機構として構成され、固定リンク及び出力リンクがそれぞれ下肢の大腿部及び下腿部に固定されるようになっている。

上述の組合において、好ましくは、入力リンクに入力されたトルクが可及的妥当性を持つ減速比で増大されて中間リンクを介して出力リンクに伝達され得るように、固定リンク、入力リンク、出力リンク及び中間リンクのリンク長比が定められている。

上述の組合において、好ましくは、出力リンクのリンク長については下腿部の長さに実質的に等しくされる。

上述の組合において、好ましくは、固定リンク、入力リンク、出力リンク及び中間リンクのリンク長比が順次Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４とされたとき、このリンク長比間に以下の関係が実質的に成立させられる。
Ｌ_１＋Ｌ_４≒Ｌ_２＋Ｌ_３

先ず、図１を参照して、本発明による動力付歩行支援装置の一構成要素となる４リンク変速機構の原理について説明する。

４リンク変速機構は参照符号１で全体的に示され、この４リンク変速機構１は固定リンク１１、入力リンク１２、出力リンク１３及び中間リンク１４から成る。固定リンク１１の一端はピボット軸１５により入力リンク１２の一端に回転自在に連結され、入力リンク１２の他端はピボット軸１６により入力リンク１３の一端に回転自在に連結される。また、入力リンク１２の他端及び出力リンク１３の他端はそれぞれピボット軸１７及び１８により中間リンク１４の両端に回転自在に連結される。なお、以下の記載では、ピボット軸１５及び１６のそれぞれについては、説明の便宜上、必要に応じて入力軸１５及び出力軸１６として言及する。

このような４リンク変速機構１においては、固定リンク１１は適当な支持構造体に固定され、入力リンク１２は適当な駆動力源から入力軸１５の回りでの回転駆動力を受け、この回転駆動力は中間リンク１４を介して出力リンク１３から所定の減速比で出力される。なお、４リンク変速機構１が動力付歩行支援装置に組み込まれる場合には、後述するように、固定リンク１１は人の大腿部に取り付けられ、出力リンク１３は人の下腿部に取り付けられる。

図１において、Ｌ_１は固定リンク１１のリンク長即ちピボット軸１５及び１６の中心間距離であり、Ｌ_２は入力リンク１２のリンク長即ちピボット軸１５及び１７の中心間距離であり、Ｌ_３は出力リンク１３のリンク長即ちピボット軸１６及び１８の中心間距離であり、Ｌ_４は中間リンク１４のリンク長即ちピボット軸１７及び１８の中心間距離である。

また、Ｌ_ＩＮは入力軸１５の中心から中間リンク１４の長手方向軸線に下ろした垂線の距離であり、Ｌ_ＯＵＴは出力軸１６の中心から中間リンク１４の長手方向軸線に下ろした垂線の距離であり、これら距離Ｌ_ＩＮ及びＬ_ＯＵＴについては、それぞれ入力垂線距離及び出力垂線距離として定義することにする。なお、入力垂線距離Ｌ_ＩＮ及び出力垂線距離Ｌ_ＯＵＴの双方は４つのリンク長Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３及びＬ_４に依存する値である。

更に、図１では、入力リンク１２が入力軸１６の回りで反時計方向に回転させられるとき、その回転方向については正方向として定義される。入力リンク１２が正方向に回転させられた際の回転角度及びトルクについては、それぞれ入力角θ_ＩＮ及び入力トルクτ_ＩＮとして定義され、入力リンク１２の正方向の回転に伴なって出力リンク１３が回転させられる際の回転角度及びトルクについては、それぞれ出力角θ_ＯＵＴ及び出力トルクτ_ＯＵＴとして定義される。

以上で述べた４リンク変速機構１では、トルクτ_ＩＮと出力トルクτ_ＯＵＴとの関係は以下の式で表せる。
τ_ＯＵＴ＝（Ｌ_ＯＵＴ／Ｌ_ＩＮ）τ_ＩＮ

逆に、入力リンク１２の角速度をω_ＩＮ、出力リンク１３の角速度をω_ＯＵＴとすると、以下の式が成り立つ。
ω_ＯＵＴ＝（Ｌ_ＩＮ／Ｌ_ＯＵＴ）ω_ＩＮ

以上の式から、上述の４リンク変速機構１は、減速比Ｒ＝Ｌ_ＯＵＴ／Ｌ_ＩＮを持つトルク伝達機構として利用できることが分かる。

図２を参照すると、上述した４リンク変速機構１の動作範囲が模式的に示される。

詳述すると、図２の（ａ）では、入力リンク１２は中間リンク１４に対して完全に重なり合った第１の特異位置（Ｌ_ＩＮ＝０）で示される。入力リンク１２が第１の特異位置から正方向（反時計方向）に回転し始めると、入力リンク１２は図２の（ｂ）から図２の（ｇ）までのそれぞれに示す回転位置を経た後、図２の（ｈ）に示す第２の特異位置（Ｌ_ＩＮ＝０）、即ち入力リンク１２と中間リンク１４とが互いに一直線に整列する位置に到達する。入力リンク１２が第１の特異位置（図２の（ａ））から第２の特異位置（図２の（ｈ））まで回転させられる間、入力角θ_ＩＮは次第に増大し、これに伴なって出力角θ_ＯＵＴも増大する。入力リンク１２が第２の特異位置を越えると、図２の（ｉ）に示すように、出力角θ_ＯＵＴは減少に転じる。

本発明においては、４リンク変速機構の動作範囲のうち、入力角θ_ＩＮの増大に伴なって出力角θ_ＯＵＴが増大する動作範囲、即ち第１の特異位置（図２の（ａ））から第２の特異位置（図２の（ｈ））までの間の動作範囲が利用される。

上述したように、４リンク変速機構１の減速比Ｒは入力垂線距離Ｌ_ＩＮと出力垂線距離Ｌ_ＯＵＴとの比として求められる。即ち、
Ｒ＝（τ_ＯＵＴ／τ_ＩＮ）＝（Ｌ_ＯＵＴ／Ｌ_ＩＮ）

このとき入力垂線距離Ｌ_ＩＮ及び出力垂線距離Ｌ_ＯＵＴは図２に示すように入力角θ_ＩＮ及び出力角θに依存する。従って、減速比Ｒは入力リンク１２の回転位置（図２の（ａ）ないし図２の（ｈ））に応じて変化する。

例えば、固定リンク１１、入力リンク１２、出力リンク１３及び中間リンク１４のそれぞれのリンク長Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３及びＬ_４が以下のようなリンク長比を持つとき、
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝２０：１５：５０：５０
減速比Ｒがどのように変化するかについて計算が行われた。

計算結果を図３のグラフに示す。同グラフの縦軸は減速比Ｒを示し、横軸は出力角θ_ＯＵＴを示す。なお、同グラフ中の参照符号（ａ）ないし（ｈ）はそれぞれ図２の（ａ）ないし図２の（ｈ）に対応している。

入力リンク１２が図２の（ａ）に示す第１の特異位置にあるとき、入力垂線距離Ｌ_ＩＮ＝０であるので、減速比Ｒは理論上は無限大となる。入力リンク１２が第１の特異位置（図２の（ａ））から図２の（ｈ）に示す回転位置まで回転するにつれ、減速比Ｒは次第に減少する。入力リンク１２が図２の（ｈ）の回転位置を少し越えた個所で減速比Ｒは最小となり、次いで減速比Ｒは次第に増大する。入力リンク１２が図２の（ｈ）に示す第２の特異位置（Ｌ_ＩＮ＝０）に到達すると、減速比Ｒは再び理論上無限大となる。

図３の計算結果に示すように、減速比Ｒとして、約１．５以上が得られ、また出力角θ_ＯＵＴの範囲についてはほぼ３４°からほぼ１３１°の範囲となる。なお、これらの値はリンク長比（Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４）に依存して変化する。

上述のリンク長比を変えた場合に減速比Ｒがどのように変化するかについても計算が行われた。即ち、上述のリンク長比Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４のうちのＬ_２の値（１５）だけを５、１０、２０、２５及び３０に変化させたとき、減速比Ｒがどのように変化するかについて計算が行われた。

計算結果を図３の計算結果と共に図４のグラフに示す。図３のグラフの場合と同様に、図４のグラフの縦軸は減速比Ｒを示し、横軸は出力角θ_ＯＵＴを示す。

図４のグラフにおいて、Ｌ_２＝５のとき、その減速比Ｒの変化特性が最も細い実線で示され、Ｌ_２＝１０のとき、その減速比Ｒの変化特性は二番目に細い実線で示される。Ｌ_２＝１５のとき、その減速比Ｒの変化特性は最も太い実線で示され、これは図３に示したものと同じである。また、Ｌ_２＝２０のとき、その減速比Ｒの変化特性は最も細い破線で示され、Ｌ_２＝２５のとき、その減速比Ｒの変化特性は二番目に細い破線でしめされ、Ｌ_２＝３０のとき、その減速比Ｒの変化特性は最も太い破線で示される。中間の太さの実線で示される。、

図５の表を参照すると、上述した６つのケース（Ｌ_２＝５、Ｌ_２＝１０、Ｌ_２＝１５、Ｌ_２＝２０、Ｌ_２＝２５及びＬ_２＝３０）についての出力角範囲（θ_ＯＵＴ）の纏めて示されている。

以上の計算結果（図３及び図４）に示されるように、入力リンク１２のリンク長Ｌ_２を除くその他のリンク長Ｌ_１、Ｌ_３及びＬ_４を固定させて、入力リンク１２のリンク長Ｌ_２を変えただけで減速比Ｒの変化特性が大きく変動することが分かる。このことから、リンク長Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３及びＬ_４がそれぞれ独立して変えられた際には、減速比Ｒの変化特性が多様に変動することが推測される。

いずれにしても、図３及び図４の計算結果からは、入力リンク１２のリンク長Ｌ_２が短くなるにつれて、減速比Ｒは増大すると共に出力角範囲（θ_ＯＵＴ）は次第に狭くなるという傾向にあることが分かる。即ち、減速比Ｒと出力角範囲（θ_ＯＵＴ）とはトレードオフの関係にあり、リンク長Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３及びＬ_４をそれぞれ適当に選択することにより、４リンク変速機構１(図１)に所望の減速比（Ｒ）を設定し得ることが分かる。

図６を参照すると、本発明による動力付歩行支援装置の一構成要素を成す４リンク変速機構１が人の下肢に対してどのように適用されるかが図示される。同図に示すように、固定リンク１１は大腿部に沿って取り付けられ、出力リンク１４は下腿部に沿って取り付けられる。このことは、固定リンク１１及び出力リンク１４自体が動力付歩行支援装置を人に装具させるための装具フレームに利用し得ることを意味し、動力付歩行支援装置の全体の軽量化に寄与する。

本発明による動力付歩行支援装置においては、人が蹲踞姿勢を取り得るという点が配慮され得る。即ち、４リンク変速機構１（図１）は蹲踞姿勢から立位姿勢への立上がり動作を支援するように構成され得る。

次に、４リンク変速機構１が蹲踞姿勢から立位姿勢への立上がり動作を支援し得るための設計条件について以下に説明する。

先ず、図７を参照すると、或る人物に基づく計算モデルが示される。同図において、Ｗは体重を示し、Ｌ_ＬＥＧは大腿部長を示し、この人物の場合においては、Ｗ＝７２ｋｇ、Ｌ_ＬＥＧ＝４００ｍｍであった。また、τ_ＫＮＥＥは立上がり動作時に膝関節に掛かる負荷トルクを示し、θ_ＫＮＥＥは下腿部と大腿部とが成す膝角度を示す。

図７の計算モデルでは、重心は常に腰の中心にあり、体重Ｗは図７に示すように重心に掛かるもの仮定されている。実際には、人が蹲踞姿勢から立ち上がる場合、上半身を前のめりにして、重心位置を腰の中心から前方側にシフトさせ、これにより膝関節に掛かる負荷トルクを軽減させている。立上がり時、重心をどの時点でどの程度シフトさせるかについては個人差があり、また同一人物でも重心のシフトについては状況に応じて多様に変化する。そこで、図７の計算モデルでは、膝関節に最も大きな負荷トルクを生じさせる個所即ち腰の中心個所に体重Ｗが掛かることとした。

図７の計算モデルに基づいて、蹲踞姿勢から立位姿勢への立上がり時に膝関節にどの程度の負荷トルクが掛かるかが以下の式で計算された。
τ_ＫＮＥＥ＝（Ｗ×９．８／２）×Ｌ_ＬＥＧｃｏｓ（θ_ＫＮＥＥ／２）
ここで、定数９．８は重力加速度であり、図７の計算モデルは一方の下肢についてのものであるので、（Ｗ×９．８）は２で除される。なお、上記計算には用いられないが、図７の計算モデルの下腿部長は３５０ｍｍであった。

計算結果を図８のグラフに示す。同グラフの縦軸は負荷トルク（τ_ＫＮＥＥ）を示し、横軸は膝角度（θ_ＫＮＥＥ）である。

図８に示すように、人が蹲踞姿勢から立位姿勢への立上がり時に膝関節に掛かる負荷トルクτ_ＫＮＥＥはコサイン曲線に沿って変化する。従って、４リンク変速機構１（図１）の設計はその減速特性（Ｒ）が図８のコサイン曲線に可及的に近づくように行えば、蹲踞姿勢から立位姿勢への立上がり動作を支援することができる。

次に、図９を参照して、出力リンク１３のリンク長Ｌ_３の決定条件について説明する。なお、図９には、図７の計算モデルとなった人物の下肢に４リンク変速機構１を適用した状態が示される。

蹲踞姿勢からの立上がり動作が出力トルクτ_ＯＵＴで支援される場合、足首に及ぼされる力Ｆ_ＬＥＧは、出力リンク１３と中間リンク１４との間のピボット軸１８の中心を通って中間リンク１４に平行な力となる。力Ｆ_ＬＥＧについては出力トルクτ_ＯＵＴと出力垂線距離Ｌ_ＯＵＴとにより以下の式のように求まる。
Ｆ_ＬＥＧ＝τ_ＯＵＴ／Ｌ_ＯＵＴ

この場合、動力付歩行支援装置の装着者の負担を軽減するためには、足首に掛かる力Ｆ_ＬＥＧは小さくすることが望ましく、このためには出力垂線距離Ｌ_ＯＵＴを大きくすればよい。出力垂線距離Ｌ_ＯＵＴを大きくするためには、出力リンクＬ_３を長くすることが必要であるが、出力リンク１３のリンク長Ｌ_３の最大長は動力付歩行支援装置の装着者の下腿部長によって制限される。上述したように、図７の計算モデルとなった人物の下腿部長は３５０ｍｍであるから、出力リンク長Ｌ_３は以下のように決めることができる。
Ｌ_３＝３５０ｍｍ （１）

次に、図１０を参照して、固定リンク１１のリンク長Ｌ_１及び入力リンク１２のリンク長Ｌ_２の決定条件について説明する。なお、図１０には、図９と同様に、図７の計算モデルとなった人物の下肢に４リンク変速機構１を適用した状態が示されている。

図１０に示すように、入力リンク１２が固定リンク１１と重なり合って一直線状となるように４リンク変速機構１が構成されている場合には、固定リンク１１のリンク長Ｌ_１及び入力リンクのリンク長Ｌ_２のいずれか一方若しくは双方が長過ぎると、入力リンク１２の後方端部が動力付歩行支援装置の装着者の臀部を越えて突出し得ることになる。これを確実に防止するためには以下の条件が満たされなければならない。
Ｌ_１＋Ｌ_２≦４００ｍｍ（Ｌ_ＬＥＧ） （２）

次に、図１１を参照して、出力角θ_ＯＵＴとして１８０°の角度が得られることを保証するためのリンク長Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３及びＬ_４の決定条件について説明する。なお、図１１にも、図９と同様に、図７の計算モデルとなった人物の下肢に４リンク変速機構１を適用した状態が示されている。

図１１に示すように、出力角θ_ＯＵＴとして１８０°の角度が得られることを保証するということは動力付歩行支援装置の装着者が立位姿勢を取り得るということに他ならない。立位姿勢時、下肢は垂直に伸ばされ、このとき入力軸１５、出力軸１６及びピボット軸１８は一直線状に整列されることになる。このような条件、即ちθ_ＯＵＴ＝１８０°が満たされるためには、入力軸１５、ピボット軸１７及びピボット軸１８のそれぞれの中心を頂点とする三角形が形成されなければならない。このような三角形の形成が保証されるためには、その三辺の長さから、以下の条件が満足されなければならない。
Ｌ_２＋Ｌ_４≧Ｌ_１＋Ｌ_３

次に、図１２を参照して、出力角θ_ＯＵＴとしてほぼ２０°ないし３０°の角度が得られるように保証するためのリンク長Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３及びＬ_４の決定条件について説明する。なお、図１２の（ａ）及び図１２の（ｂ）のそれぞれにも、図９と同様に、図７の計算モデルとなった人物の下肢に４リンク変速機構１を適用した状態が示されている。

図１２に示すように、出力角θ_ＯＵＴとしてほぼ２０°ないし３０°の角度が得られるように保証するということは、動力付歩行支援装置の装着者が蹲踞姿勢を取り得るということに他ならない。蹲踞姿勢時、理論的には出力角θ_ＯＵＴについては０として定義し得るが、しかし人の膝角度（図７のθ_ＫＮＥＥ）は実際問題として０とは成り得ない。従って、蹲踞姿勢を保証する出力角θ_ＯＵＴについてはほぼ２０°ないし３０°の十分小さい角度となる。

蹲踞姿勢を取り得ることを保証する前提条件としては、２つの前提条件がある。即ち、第１の前提条件としてはＬ_１≦Ｌ_３の場合であり、第２の前提条件としてはＬ_１≧Ｌ_３の場合である。なお、第２の前提条件Ｌ_１≧Ｌ_３の場合、蹲踞姿勢を取ったとき、後述するような不都合が起きるので、本発明では、第２の前提条件Ｌ_１≧Ｌ_３は採用されない。

第１の前提条件Ｌ_１≦Ｌ_３に対しては、条件Ｌ_２≦Ｌ_４を組み合わせる第１の組合条件（図１２の（ａ））と、条件Ｌ_２≧Ｌ_４を組み合わせる第２の組合条件（図１２の（ｂ））とが考えられる。

先ず、図１２の（ａ）を参照して、第１の組合条件（Ｌ_１≦Ｌ_３かつＬ_２≦Ｌ_４）について説明する。先ず、入力軸１５とピボット軸１８との中心間距離をＬ_Ａとすると、出力角θ_ＯＵＴは十分に小さいので、以下の式を仮定することができる。
Ｌ_Ａ≒Ｌ_３−Ｌ_１

このとき図１２の（ａ）の蹲踞姿勢を取り得るためには、入力軸１５、ピボット軸１８及びピボット軸１７のそれぞれの中心を頂点とする三角形Ｔ_Ａが形成されなければならない。このような三角形Ｔ_Ａの形成が保証されるためには、その三辺の長さから、以下の条件が満足されなければならない。
Ｌ_４≦Ｌ_Ａ＋Ｌ_２
上記式にＬ_Ａ≒Ｌ_３−Ｌ_１を代入すると、以下のようになる。
Ｌ_４≦Ｌ_３−Ｌ_１＋Ｌ_２ → Ｌ_２＋Ｌ_３≧Ｌ_４＋Ｌ_１ （３）
即ち、第１の組合条件(Ｌ_１≦Ｌ_３かつＬ_２≦Ｌ_４)下では、上記式（３）が満足されれば、図１２の（ａ）の蹲踞姿勢を取ることが可能となる。

次に、図１２の（ｂ）を参照して、第２の組合条件（Ｌ_１≦Ｌ_３かつＬ_２≧Ｌ_４）について説明する。先ず、入力軸１５とピボット軸１８との中心間距離をＬ_Ｂとすると、出力角θ_ＯＵＴは十分に小さいので、以下の式を仮定することができる。
Ｌ_Ｂ≒Ｌ_３−Ｌ_１

このとき図１２の（ｂ）の蹲踞姿勢を取り得るためには、入力軸１５、ピボット軸１８及びピボット軸１７のそれぞれの中心を頂点とする三角形Ｔ_Ｂが形成されなければならない。このような三角形Ｔ_Ｂの形成が保証されるためには、その三辺の長さから、以下の条件が満足されなければならない。
Ｌ_２≦Ｌ_Ｂ＋Ｌ_４
上記式にＬ_Ｂ≒Ｌ_３−Ｌ_１を代入すると、以下のようになる。
Ｌ_２≦Ｌ_３−Ｌ_１＋Ｌ_４ → Ｌ_１＋Ｌ_２≦Ｌ_３＋Ｌ_４ （４）
即ち、第２の組合条件(Ｌ_１≦Ｌ_３かつＬ_２≧Ｌ_４)下では、上記式（４）が満足されれば、図１２の（ｂ）の蹲踞姿勢を取ることが可能となる。

上述した第２の前提条件Ｌ_１≧Ｌ_３に対しても、条件Ｌ_２≦Ｌ_４を組み合わせる第１の組合条件と、条件Ｌ_２≧Ｌ_４を組み合わせる第２の組合条件とが考えられる。

図１３の（ａ）に示すように、第２の前提条件に基づく第１の組合条件（Ｌ_１≧Ｌ_３かつＬ_２≦Ｌ_４）の場合には、蹲踞姿勢を取ると、入力リンク１２と中間リンク１４との連結部（ピボット軸１７）が床面よりも下方に突出することとなる。

また、図１３の（ｂ）に示すように、第２の前提条件に基づく第２の組合条件（Ｌ_１≧Ｌ_３かつＬ_２≧Ｌ_４）の場合にも、蹲踞姿勢を取ると、入力リンク１２と中間リンク１４との連結部（ピボット軸１７）が床面よりも下方に突出することとなる。

以上の理由により、上述した第２の前提条件Ｌ_１≧Ｌ_３については本発明では採用されない。

次に、上述した条件式（１）、（２）、（３）及び（４）を満たす４リンク変速機構１(図１)の減速比特性（Ｒ）について検討する。

先ず、条件式（１）、（２）、（３）及び（４）から、出力角θ_ＯＵＴについて、０°付近から１８０°までの範囲が得られる条件は以下のように纏めることができる。即ち、
（ｉ） Ｌ_３＝３５０ｍｍ
（ｉｉ） Ｌ_１＋Ｌ_２≦４００ｍｍ
（ｉｉｉ） Ｌ_１≦Ｌ_３かつＬ_２≦Ｌ_４)のとき、
Ｌ_２＋Ｌ_４≧Ｌ_１＋Ｌ_３
Ｌ_２＋Ｌ_３≧Ｌ_４＋Ｌ_１
（ｉｖ） Ｌ_１≦Ｌ_３かつＬ_２≧Ｌ_４)のとき、
Ｌ_２＋Ｌ_４≧Ｌ_１＋Ｌ_３
Ｌ_１＋Ｌ_２≧Ｌ_３＋Ｌ_３

ここで、仮に、固定リンク１１と出力リンク１３のリンク長比をＬ_１：Ｌ_３＝４：１０に固定し、一方出力リンク１２のリンク長Ｌ_２の比率を上記条件式により４ないし７の範囲内で変え、また中間リンク１４のリンク長Ｌ_４の比率を上記条件式により９ないし１３の範囲内で変えて、減速比特性（Ｒ）の計算を行った。

計算結果を図１４のグラフに示す。同グラフに示すように、以下の４つのリンク長比については、好ましい減速比特性を持つものと評価し得る。
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝４：４：１０：１０
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝４：５：１０：１１
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝４：６：１０：１２
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝４：７：１０：１３

以上の４つのリンク長比に共通している特徴は以下の式が成立している点にある。即ち、
Ｌ_１＋Ｌ_４＝Ｌ_２＋Ｌ_３

そこで、Ｌ_１＋Ｌ_４＝Ｌ_２＋Ｌ_３の条件を満たす以下のリンク長について更に減速比特性（Ｒ）について計算を行った。
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝ ５： ５：１０：１０
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝ ５： ６：１０：１１
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝ ４： ４：１０：１０
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝ ４： ５：１０：１１
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝ ２： ２：１０：１０
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝ １：１０：１０：１９

計算結果を図１５のグラフに示す。なお、同グラフに示したコサイン曲線は図８に示したものである。この計算結果から、蹲踞姿勢からの立上がり開始時に最も負荷が掛かる出力角θ_ＯＵＴ＝２０°〜３０°付近で大きな減速比Ｒを持つリンク長比が４つあることが分かる。これらリンク比を減速比Ｒの値と共に以下に示す。
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝ ５： ５：１０：１０ （Ｒ＝３．３９）
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝ ５： ６：１０：１１ （Ｒ＝３．８７）
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝ ４： ４：１０：１０ （Ｒ＝３．３１）
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝ ４： ５：１０：１１ （Ｒ＝３．２１）

また、図１５のグラフにおいて、出力角θ_ＯＵＴ＝４５°〜７０°付近に注目すると、どの減速比特性（Ｒ）もコサイン曲線に対して大巾に下回っている。即ち、４リンク変速機構１(図１)が最も支援し難い出力角範囲（θ_ＯＵＴ＝４５°〜７０°）となる。この出力角範囲内で大きな減速比Ｒを持つリンク長比を以下に示す。
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝ ４： ４：１０：１０
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝ ２： ２：１０：１０

以上の検討結果から、出力角θ_ＯＵＴ＝２０°〜３０°付近でだけなく、出力角θ_ＯＵＴ＝４５°〜７０°付近でも大きな減速比Ｒを持つリンク長比は以下の１つだけあることが分かる。即ち、
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝ ４： ４：１０：１０

以上のリンク長比を採用して、固定リンク１１、入力リンク１２、出力リンク１３及び中間リンク１４のリンク長を決めると以下の通りとなる。
Ｌ_１（固定リンク１１）＝１４０ｍｍ
Ｌ_２（入力リンク１２）＝１４０ｍｍ
Ｌ_３（出力リンク１３）＝３５０ｍｍ
Ｌ_４（中間リンク１４）＝３５０ｍｍ

この場合、Ｌ_１＋Ｌ_４＝Ｌ_２＋Ｌ_３と言う条件のために、図１１に示すような立位姿勢を取ったとき、全てのリンク１１、１２、１３及び１４が一直線に並ぶ特異姿勢となるので、この特異姿勢を回避するために、例えば、入力リンク１２のリンク長Ｌ_２については１４７ｍｍとし、このときのリンク長比を改変リンク長比として以下に示す。
Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝１４０：１４７：３５０：３５０
なお、この場合には、Ｌ_１＋Ｌ_４≒Ｌ_２＋Ｌ_３という関係になる。

また、以上の改変リンク長比の場合についても減速比特性(Ｒ)が計算された。

計算結果については図１６のグラフに示す。なお、同グラフには、比較のために、元のリンク長比（Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４＝４：４：１０：１０）の減速比特性（Ｒ）が共に示され、また上述のコサイン曲線も示されている。

図１６のグラフに示されるように、改変リンク長比の場合においては、出力角θ_ＯＵＴの範囲は０°〜１８０°とされ、最大減速比Ｒは３．０６（θ_ＯＵＴ＝２０°）とされる。また、元のリンク長比の場合と比べると、改変リンク長比の場合の方が全体的に改善されたものとなっている。

次に、図１７、図１８及び図１９を参照して、本発明による動力付歩行支援装置の一実施形態について説明する。なお、図１７は正面図、図１８は図１７の左側面図、図１９は図１８のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿う部分拡大矢視図である。

先ず、図１７を参照すると、一対の動力付歩行支援装置ＲＴ及びＬＴが正面図として示される。動力付歩行支援装置ＲＴ及びＬＴはそれぞれ歩行障害者の右下肢及び左下肢に装着されるものであって、互いに対して対象構造を持つものである。

図１７及び図１８を参照すると、動力付歩行支援装置ＲＴは４リンク変速機構２を具備し、この４リンク変速機構２は固定リンク２１、入力リンク２２、出力リンク２３及び中間リンク２４から構成される。固定リンク２１の一端は入力軸２５により入力リンク２２の一端に回転自在に連結され、固定リンク２１の他端は出力軸２６により出力リンク２３の一端に回転自在に連結される。また、入力リンク２２の他端及び出力リンク２３の他端のそれぞれはピボット軸２７及び２８により中間リンク２４の両端に回転自在に連結される。即ち、４リンク変速機構２は固定リンク２１、入力リンク２２、出力リンク２３及び中間リンク４４を順次回転自在に連結させらた閉リンク機構として構成される。

図１９に示すように、固定リンク２１は箱形部材として形成され、その外側壁にはアクチュエータとして駆動モータ３が固定支持され、その内側壁には駆動プーリ４及び被駆動プーリ５が取り付けられる。駆動プーリ４は駆動モータ３の出力シャフトに適宜結合させられ、これにより駆動プーリ４は駆動モータにより回転駆動させられる。駆動プーリ４及び被駆動プーリ５の間には無端駆動ベルト６が介在させられ、駆動プーリ４の回転駆動力が被駆動プーリ５に伝達させられるようになっている。

固定リンク即ち箱形部材２１内には減速手段としてハーモニックドライブ７が設けられ、このハーモニックドライブ７の入力側には被駆動プーリ５のシャフトが適宜連結させられる。ハーモニックドライブ７の出力側には入力リンク２２の入力軸２５に作動的に連結させられ、これにより被駆動プーリ５の回転駆動力が減速され、その減速駆動力により入力リンク２２はその入力軸２５の回りで回転駆動させられる。なお、駆動モータ５の外側端面には駆動モータ３の駆動制御を行うためのロータリエンコーダ８が取り付けられる。

再び図１７及び図１８に戻って説明すると、固定リンク即ち箱型状部材２１の内側壁には装着板９が固着され、この装着板９は動力付歩行支援装置ＲＴを右下肢の大腿部に装着する際に使用される。例えば、装着板９には着脱自在の締付けベルト(図示されない)が装備され、この締付けベルトにより装着板９は右下肢の大腿部に固定される。また、このとき出力リンク２３も適当な締付けベルト等（図示されない）で右下肢の下腿部に固定される。

上述したように、動力付歩行支援装置ＬＴは動力付歩行支援装置ＲＴに対して対象構造を持つものであるので、動力付歩行支援装置ＬＴの構造の説明は省かれるが、動力付歩行支援装置ＲＴの構成要素に対応した個々の構成要素については、ダッシュを付した同じ参照符号で示されている。

図１７及び図１８に示すように、好ましくは、動力付歩行支援装置ＲＴ及びＬＴは適当な矩形状可撓性シートＳによって互いに連結される。即ち、図１８に示すように、固定リンク即ち箱形部材２１はその長さ方向に沿って延びる長尺板２１Ａを備え、このような長尺板は動力付歩行支援装置ＬＴ側の箱形部材２１′にも設けられ、この双方の長尺板間に矩形状可撓性シートＳが張り渡される。動力付歩行支援装置ＲＴ及びＬＴの装着者が蹲踞姿勢を取ったとき、矩形状可撓性シート８は装着者の臀部を包み込んで保持するようになっており、これにより装着者は安定した状態で蹲踞姿勢を維持することができる。

詳述すると、実際問題として、動力付歩行支援装置ＲＴ及びＬＴがそれぞれ歩行障害者の右下肢及び左下肢に装着するとき、装着板９及び９′と締付けベルト(図示されない)とを用いて固定リンク２１及び２１′が両大腿部に固定されるが、固定リンク２１及び２１′と両大腿部との間に完全に一体化した固定状態を得ることは事実上不可能である。このため非常に窮屈な蹲踞姿勢が取られたとき、装着板９及び９′と両大腿部との間にズレが発生し得るが、しかしそのようなズレは矩形状可撓性シートＳで装着者の臀部を保持することにより阻止され、これにより安定した状態で蹲踞姿勢が維持され得ることになる。なお、矩形状可撓性シートＳについては、適当なシート材料、例えばキャンバス布、合成樹脂シート或いはゴムシート等から形成することができる。

なお、上記実施形態が図７の計算モデルとなった人物用として作成される場合には、図１８に示すように、固定リンク２１のリンク長、即ち入力軸２５及び出力軸２６の中心間距離は１４０ｍｍとされ、入力リンク２２のリンク長、即ち入力軸２５及びピボット軸２７の中心間距離は１４７ｍｍとされ、出力リンク２３のリンク長、即ち出力軸２６及びピボット軸２８の中心間距離は３５０ｍｍとされ、中間リンク２４のリンク長、即ちピボット軸２７及び２８の中心間距離は３５０ｍｍとされる。

上述の実施形態では、一対の動力付歩行支援装置ＲＴ及びＬＴが用意されているが、片足だけに歩行障害を持つ歩行障害者にはそのうちの一方だけが用いられる。

以上の記載から明らかなように、本発明による動力付歩行支援装置に用いられる４リンク変速機構においては、駆動モータ３から入力リンク２２に入力されたトルクが可及的妥当性を持つ減速比で増大されて中間リンク２４を介して出力リンク２３に伝達されるので、歩行機能障害者に的確な歩行支援を行うことができるだけでなく、蹲踞姿勢から立位姿勢への立上がり動作時には大きなトルクで支援することも可能である。また、本発明によれば、４リンク変速機構で得られる大きな減速比のために低出力アクチュエータの可能であり、しかもその固定リンク２１及び出力リンク２３自体が装着者への装着フレームとして利用できるので、動力付歩行支援装置の全体重量を大巾に軽減化することができる。

本発明による動力付歩行支援装置の一構成要素となる４リンク変速機構の原理を説明するための説明図である。 図１の４リンク変速機構の動作範囲を説明するための説明図である。 図１の４リンク変速機構の減速比特性についてのシミュレーション結果を例示的に示すグラフである。 図１の４リンク変速機構のその他の減速比特性についてのシミュレーション結果を例示的に示すグラフである。 図４のグラフについての幾つかの項目を関連させて示す表である。 図１の４リンク変速機構を人の下肢にどのように適用するかを示す説明図である。 人が蹲踞姿勢から立位姿勢への立上がり時に膝関節に掛かる負荷トルクを算出するための計算モデルを示す説明図である。 図７で説明した負荷トルクと膝関節角度との関係を示すグラフである。 図１の４リンク変速機構を人との下肢に適用した状態を示す説明図である。 図１の４リンク変速機構を人との下肢に適用した状態を示す説明図である。 図１の４リンク変速機構を人との下肢に適用した状態を示す説明図である。 図１の４リンク変速機構を人との下肢に適用した状態を示す説明図である。 図１の４リンク変速機構を人との下肢に適用した状態を示す説明図である。 図１の４リンク変速機構のリンク長比を変化させた際の減速比と出力角との関係を示すグラフである。 図１の４リンク変速機構のリンク長比を変化させた際の減速比と出力角との関係を示すグラフである。 図１の４リンク変速機構の特定のリンク長比とした際の減速比と出力角との関係を示すグラフである。 本発明による動力付歩行支援装置の一実施形態を示す正面図である。 図１７の左側面図である。 図１８のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿う部分拡大矢視図である。

符号の説明

１・２：４リンク変速機
１１・２１：固定リンク
１２・２２：入力リンク
１３・２３：出力リンク
１４・２４：中間リンク
１５・２５：ピボット軸（入力軸）
１６・２６：ピボット軸（出力軸）
１７・２７：ピボット軸
１８・２８：ピボット軸
３：駆動モータ
４：駆動プーリ
５：被駆動プーリ
６：無端駆動ベルト
７：ハーモニックドライブ
８：ロータリエンコーダ
９：装着板
Ｓ：矩形状可撓性シート

Claims (9)

1. ４リンク変速機構（２）を具備する動力付歩行支援装置であって、前記４リンク変速機構が固定リンク（２１）、入力リンク（２２）、出力リンク（２３）及び中間リンク（２４）を順次回転自在に連結させらた閉リンク機構として構成され、前記固定リンク及び前記出力リンクがぞれぞれ下肢の大腿部及び下腿部に固定されるようになっている動力付歩行支援装置。
2. 請求項１に記載の動力付歩行支援装置であって、前記入力リンク（２２）に入力されたトルクが可及的妥当性を持つ減速比で増大されて前記中間リンク（２４）を介して前記出力リンク（２３）に伝達され得るように、前記４つのリンク（２１、２２、２３、２４）のリンク長比が定められている動力付歩行支援装置。
3. 請求項２に記載の動力付歩行支援装置であって、前記出力リンク（２３）のリンク長が前記下腿部の長さに実質的に等しくされている動力付歩行支援装置。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の動力付歩行支援装置であって、前記固定リンク（２１）、入力リンク（２２）、出力リンク（２３）及び中間リンク（２４）のリンク長比が順次Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４とされたとき、このリンク長比間に以下の関係が実質的に成立している動力付歩行支援装置。
   Ｌ_１＋Ｌ_４≒Ｌ_２＋Ｌ_３
5. 右下肢用の第１の動力付歩行支援装置と左下肢用の第２の動力付歩行支援装置との組合であって、前記第１及び第２の動力付歩行支援装置が互いに対象構造を備え、しかも可撓性シート（Ｓ）で互いに連結され、前記第１及び第２の動力付歩行支援装置を装着した装着者が蹲踞姿勢を取ったとき、前記可撓性シートが前記装着者の臀部を保持するようになっている組合。
6. 請求項５に記載の組合であって、前記第１及び第２の動力付歩行支援装置の各々が４リンク変速機構（２）を具備し、この４リンク変速機構が固定リンク（２１）、入力リンク（２２）、出力リンク（２３）及び中間リンク（２４）を順次回転自在に連結させらた閉リンク機構として構成され、前記固定リンク及び前記出力リンクがそれぞれ下肢の大腿部及び下腿部に固定されるようになっている組合。
7. 請求項６に記載の組合であって、前記入力リンク（２２）に入力されたトルクが可及的妥当性を持つ減速比で増大されて前記中間リンク（２４）を介して前記出力リンク（２３）に伝達され得るように、前記４つのリンク（２１、２２、２３、２４）のリンク長比が定められている組合。
8. 請求項６に記載の組合であって、前記出力リンク（２３）のリンク長が前記下腿部の長さに実質的に等しくされている組合。
9. 請求項６から８までのいずれか１項に記載の組合であって、前記固定リンク（２１）、入力リンク（２２）、出力リンク（２３）及び中間リンク（２４）のリンク長比が順次Ｌ_１：Ｌ_２：Ｌ_３：Ｌ_４とされたとき、このリンク長比間に以下の関係が実質的に成立している組合。
   Ｌ_１＋Ｌ_４≒Ｌ_２＋Ｌ_３

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