JP2008068046A

JP2008068046A - 人体装着型脚部支援システム

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Publication number: JP2008068046A
Application number: JP2006278131A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kondo; 良近藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】下肢が麻痺、または半身麻痺状態の身体障害者が歩行できるように、手で脚部の動作を指示して、人体の脚部に取り付けたアクチュエータを作用させて、リハビテーション、人体の脚機能強化等に用いる人体装着型脚部支援システムを提供する。
【解決手段】人体に装着される人体固定具、人体に装着され、手で脚部の動作を指示する操作部、前記人体固定具に取り付けられたリンク機構部、前記リンク機構部に取り付けられたアクチュエータ部、前記操作部からの信号を取り込み、前記アクチュエータ部への信号を制御する制御装置、前記制御装置と前記アクチュエータ部とを連絡するケーブル部とから構成された人体装着型脚部支援システムにおいて、前記操作部からの脚部の動作の指示信号に応じて、前記制御装置により駆動、制御された前記アクチュエータ部により、前記リンク機構部を変位させ、手で脚部を操作して、所望の脚部を動作させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、人体に装着して使用する人体装着型脚部支援システムに関し、特に下肢が麻痺、または半身麻痺状態の身体障害者が歩行できるように、手で脚部の動作を指示して、人体の脚部である大腿部関節部、膝関節部、足首関節部に取り付けたアクチュエータを作用させて、リハビテーション、人体の脚機能強化等に用いる人体装着型脚部支援システムに関する。

近年、高齢者の介護や高齢者の自立を促すための介護者のパワーを支援する機器として、または人体の機能強化を支援する機器として、歩行支援機器等さまざまな福祉、介護機器が開発されている。本発明は、その中でも特に、複数のセンサを用いて、センサ情報に基づき、人体の脚部に関する運動や情報を取得し、人体の大腿部、関節部に取り付けた各種アクチュエータを作用させて、脚部の運動を支援する人体装着型脚部支援システムを提案するものである。また、従来、人間の運動を推定し、何らかの装具によってその運動を支援する機器としては、人体装着型の歩行支援機器や外骨格型のパワー支援スーツ等が開発されてきた。
特開２００６−０７５４５６号特開２００５−０９５５６１号

特許文献１に示された人体モデルに基づく装着型支援システムでは、人間と床の接触力を計測するセンサと、人間の関節角度を計測するセンサシステムから得られる情報を、装着型支援システムの計算機内に構築された人間のモデルに適応し、人間の運動状態における生体情報を推定し、その推定値に基づき、各関節に装着された駆動装置の駆動モーメントを制御する装着型支援システムである。しかし、このシステムでは、人間のさまざまな動作に対応することや、人間の意思に基づく行動の変更に対応することは難しい。

特許文献２に示された装着式動作補助装置では、人間の筋力を推定する必要があり、その推定には表面筋電位や筋肉表面硬さの変化といった生体信号を用いる。しかし、関節の運動は、それを取り巻くすべての筋力の合力と、重力、慣性力、外力等が複雑に生成されるので、数種類の筋肉からの情報を基に支援機器を制御するのは容易ではない。また、特許文献２に示された装着式動作補助装置では、筋肉の筋電位を計測し、それに連動させて脚関節部のアクチュエータを駆動する方法を採用している。このように、筋電位を利用したパワー支援の手法は、広く研究されている。しかし、この方法では、半身麻痺や下半身麻痺の身体障害者では、筋電位が正常に発生されていないため適用できない問題がある。

以上の課題を解決するために、本発明は、人体に装着される少なくとも１個の人体固定具、人体に装着され、手で脚部の動作を指示する操作部、前記人体固定具に取り付けられた少なくとも１個のリンク機構部、前記リンク機構部に取り付けられた少なくとも１個のアクチュエータ部、前記操作部からの信号を取り込み、前記アクチュエータ部への信号を制御する制御装置、前記制御装置と前記アクチュエータ部とを連絡するケーブル部とから構成された人体装着型脚部支援システムにおいて、前記操作部からの脚部の動作の指示信号に応じて、前記制御装置により前記アクチュエータ部への信号を制御し、前記制御装置からの指令信号を前記アクチュエータ部で受け取り、前記アクチュエータ部を駆動させ、前記アクチュエータ部の駆動により、前記リンク機構部を変位させ、手で脚部を操作して、所望の脚部を動作させることを特徴とする人体装着型脚部支援システムである。

本発明によれば、人体に装着され、手で脚部の動作を指示し、脚部を操作させる信号を作成する操作部を用い、脚部の動作への指示信号を制御装置で制御して、脚部の大腿部関節、膝関節、足首関節部をアクチュエータ部で駆動し、肢が麻痺、または半身麻痺状態の身体障害者が歩行できる。

本発明の人体装着型脚部支援システムの一実施例を図面に基づいて説明する。
図１および図２は、本発明の人体装着型脚部支援システムを人体、特に脚部に装着する例を示す。本発明の人体装着型脚部支援システムは、主として、人体固定具Ａ１、リンク機構部Ｂ１、アクチュエータ部Ｃ１、制御装置部Ｄ１、操作レバー部Ｅ１、およびケーブル部Ｆ１とから構成されている。

人体固定具Ａ１は、腰部固定具１１、大腿部固定具１２、脛部固定具１３、及び足部固定具１４とから構成されている。これら腰部固定具１１、大腿部固定具１２、脛部固定具１３及び足部固定具１４は、それぞれ人体の腰部、大腿部、脛部及び足部の回転しない箇所に取り巻いて装着されている。これら腰部固定具１１、大腿部固定具１２、脛部固定具１３及び足部固定具１４には、リンク機構部Ｂ１の各種リンクを取り付ける。リンク機構部Ｂ１は、大腿部リンク２１、脛部リンク２２及び各種関節軸等から構成されている。大腿部リンク２１の上部には、大腿部前後方向関節軸２３及び大腿部左右方向関節軸２４が取り付けられている。大腿部リンク２１と脛部リンク２２の間には、膝関節軸２５が取り付けられている。脛部リンク２２の下部には、足首部関節軸２６が取り付けられている。

アクチュエータ部Ｃ１は、大腿部前後方向関節軸２３に取り付けられた大腿部前後方向駆動アクチュエータ３１、大腿部左右方向関節軸２４に取り付けられた大腿部左右方向駆動アクチュエータ３２、膝関節軸２５に取り付けられた膝駆動アクチュエータ３３、及び足首部関節軸２６に取り付けられた足首駆動アクチュエータ３４とから構成されている。
なお、上記した各種の大腿部前後方向駆動アクチュエータ３１、大腿部左右方向駆動アクチュエータ３２、膝駆動アクチュエータ３３、足首駆動アクチュエータ３４には、それぞれ公知の角度センサが取り付けられている。

ケーブル部Ｆ１は、大腿部前後方向駆動アクチュエータ３１と制御装置部Ｄ１とを結ぶケーブル４１、大腿部左右方向駆動アクチュエータ３２と制御装置部Ｄ１とを結ぶケーブル４２、膝駆動アクチュエータ３３と制御装置部Ｄ１とを結ぶケーブル４３、及び足首駆動アクチュエータ３４と制御装置部Ｄ１とを結ぶケーブル４４とから構成されている。制御装置部Ｄ１は、制御装置本体５１で構成され、この制御装置本体５１が背負い帯５２を用いて人体に装着されている。操作レバー部Ｅ１は、制御装置部Ｄ１に連結線６１を介して連結されている。

図３は、操作レバー部Ｅ１の構成を示す。操作レバー部Ｅ１の操作レバー本体１０１は、制御装置本体５１を装着している背負い帯５２の背負い帯取付部５３に取り付けられている。この操作レバー本体１０１の先端に角度センサ（α）１０２、この角度センサ（α）１０２の回転軸１０３、角度センサ（β）１０４、この角度センサ（β）１０４の回転軸１０５が取り付けられている。前記角度センサ（α）１０２と前記角度センサ（β）１０４は、大腿部の部位を操作するものである。

この角度センサ（β）１０４の回転軸１０５に、操作レバー本体１０１の一部であるスライド棒１０６がその収納部１０７に摺動可能に取り付けられている。さらに、操作レバー本体１０１は、その収納部１０７にスライド棒変位センサ（Ｌ）１０８が取り付けられ、前記スライド棒１０６の先端に把手部角度センサ（γ）１０９が設けられており、この把手部角度センサ（γ）１０９の把手回転軸１１０、及びこの把手回転軸１１０に把手１１１が取り付けられている。前記把手部角度センサ（γ）１０９は、操作レバー本体１０１の伸長（Ｌ）で膝の曲げ具合を操作できる。また、把手部角度センサ（γ）１０９により、足首の曲げ具合を操作できる。このように、操作レバー部Ｅ１の操作レバー本体１０１の操作作用により、図３に示すように、支点部の回転角（α、β）、レバーの伸長（Ｌ）、および操作レバー本体１０１の端部の回転角（γ）の４自由度の指示ができる。

次に、本発明の人体装着型脚部支援システムの動作について説明する。ここでは、例として、下肢が麻痺、または半身麻痺状態の身体障害者が、大腿部を前方に移動する（歩行で前方に進む）について説明する。身体障害者は、図１および図２に示すように、まず各種装置を人体に装着する。次いで、操作レバー本体１０１の把手１１１を倒して前方に移動させる。即ち、手で脚部の動作を指示する。このため、背負い帯５２の背負い帯取付部５３に対する操作レバー本体１０１の角度が変化、変位する。その結果、背負い帯取付部５３に取り付けられている角度センサ（α）１０２が、操作レバー本体１０１の変化、変位した角度を計測し、その計測値が制御装置部Ｄ１にある制御装置本体５１に取り込まれる。

そして、大腿部前後方向駆動アクチュエータ３１のモータの回転角を計算し、大腿部前後方向駆動アクチュエータ３１にその計算した回転角（指令値）を指令する。この計算した回転角（指令値）に応じてモータを駆動して、大腿部を前方に移動できる。

身体障害者が、大腿部を左側に移動する（脚を開くまたは股を開く）場合について説明する。操作レバー本体１０１の角度が変化、変位する。その結果、角度センサ（β）１０４が、操作レバー本体１０１の変化、変位した角度を計測し、その計測値が制御装置本体５１に取り込まれる。そして、大腿部左右方向駆動アクチュエータ３２のモータの回転角を計算し、大腿部左右方向駆動アクチュエータ３２にその計算した回転角（指令値）を指令する。この計算した回転角（指令値）に応じてモータを駆動して、大腿部を左側に移動できる。さらに、身体障害者が、膝を曲げる場合、手で脚の動作を指示する。即ち、操作レバー本体１０１のスライド棒１０６を操作し、そのスライド棒１０６の伸長（Ｌ）を変化、変位させる。その結果、スライド棒変位センサ（Ｌ）１０８が、スライド棒１０６の変位量を計測し、その計測値が制御装置本体５１に取り込まれる。そして、膝駆動アクチュエータ３３のモータの回転角を計算し、膝駆動アクチュエータ３３にその計算した回転角（指令値）を指令する。この計算した回転角（指令値）に応じてモータを駆動して、膝を曲げることができる。

さらに、身体障害者が、足首を曲げる場合、手で脚の動作を指示する。即ち、操作レバー本体１０１の把手１１１を回転、操作する。その結果、先端に把手部角度センサ（γ）１０９が計測し、その計測値が制御装置本体５１に取り込まれる。そして、足首駆動アクチュエータ３４のモータの回転角を計算し、足首駆動アクチュエータ３４にその計算した回転角（指令値）を指令する。この計算した回転角（指令値）に応じてモータを駆動して、足首を曲げることができる。

図４および図５は、本発明の他の実施例である人体装着型脚部支援システムを人体、特に下肢の一部がない脚部に装着する例を示す。この本発明の他の実施例である人体装着型脚部支援システムは、主として、人体固定具Ａ２、リンク機構部Ｂ２、アクチュエータ部Ｃ２、制御装置部Ｄ２、操作レバー部Ｅ２、及びケーブル部Ｆ２とから構成されている。人体固定具Ａ２は、大腿部固定具１２ａから構成されており、大腿部固定具１２ａは、大腿部の回転しない箇所に取り巻いて装着されている。リンク機構部Ｂ２は、大腿部リンク２１ａと脛部リンク２２ａとから構成されている。

アクチュエータ部Ｃ２は、膝関節軸２５ａに取り付けられた膝駆動アクチュエータ３３ａ、及び足首部関節軸２６ａに取り付けられた足首駆動アクチュエータ３４ａとから構成されている。なお、上記した膝駆動アクチュエータ３３ａ、および足首駆動アクチュエータ３４ａには、それぞれ公知の角度センサが取り付けられている。

ケーブル部Ｆ２は、膝駆動アクチュエータ３３ａと制御装置部Ｄ２とを結ぶケーブル４３ａ、及び足首駆動アクチュエータ３４ａと制御装置部Ｄ２とを結ぶケーブル４４ａとから構成されている。
制御装置部Ｄ２は制御装置本体５１ａで構成され、この制御装置本体５１ａは人体に装着されている。操作レバー部Ｅ２は、制御装置部Ｄ２に操作線６１ａを介して連結されている。

上記本発明の他の実施例である人体装着型脚部支援システムの操作、作用については、上述した一実施例の場合とほぼ同様であるのでその説明は省略する。

本発明の人体装着型脚部支援システムのその他の例について説明する。まず、操作レバーの他の実施例として肩に２自由度の２個の角度センサ、肘に１自由度の角度センサ、手首に１自由度の角度センサを設けて、４自由度の指示ができる。

肩に設ける２自由度の２個の角度センサは、上記実施例の角度センサ（α）１０２及び角度センサ（β）１０４に相当し、大腿部の移動ができる。肘に設ける１自由度の角度センサは、上記実施例のレバーの伸長（Ｌ）に相当し、膝を曲げることができる。手首に設ける１自由度の角度センサは、上記実施例の把手部角度センサ（γ）１０９に相当し、足首を曲げることができる。

また、本発明の人体装着型脚部支援システムの脚部である４関節の駆動は、回転型のアクチュエータと直動型のアクチュエータのどちらで駆動してもよい。

本発明の人体装着型脚部支援システムは制御方式としては、片方向制御方式（操作レバーから制御系、制御系から脚部の片方向制御）及び双方向制御方式（操作レバーから制御系と制御系から操作レバーへの双方向制御、及び制御系から脚部と脚部から制御系の双方向制御）がある。

また、身体障害者が倒れた場合など、体に負担がかからないように制御を切り替える機能を付加してもよい。歩行を行わないときに、手が自由に使えるように、操作レバーが動いても、脚を停止させる機能を付加してもよい。左脚を操作するために操作レバーを右肩に取り付け右手で操作してもよい。また、両脚を操作するために操作レバーを両肩に取り付け両手で操作してもよい。

なお、力フイードバックを行う場合には、靴底に感圧センサと関節にトルクセンサを装着し、操作レバー本体にもアクチュエータを取り付け、脚に加わる力をフイードバックし、脚に掛かった力を操作者が分るようにしてもよい。

本発明の人体装着型脚部支援システムの一実施例を示し、人体の装着した例を示す。図１の側面図である。本発明の人体装着型脚部支援システムの操作レバー部の一実施例である。本発明の人体装着型脚部支援システムの他の実施例を示し、人体の装着した例を示す。図４の側面図である。

符号の説明

１１腰部固定具１２大腿部固定具１３脛部固定具
１４足部固定具２１大腿部リンク２２脛部リンク
３１大腿部前後方向駆動アクチュエータ
３２大腿部左右方向駆動アクチュエータ
３３膝駆動アクチュエータ
３４足首駆動アクチュエータ
４１、４２、４３、４４ケーブル
５１制御装置本体
１０１操作レバー本体
１０２、１０４角度センサ
１０８スライド棒変位センサ
１０９把手部角度センサ

Claims

人体に装着される少なくとも１個の人体固定具、人体に装着され、手で脚部の動作を指示する操作部、前記人体固定具に取り付けられた少なくとも１個のリンク機構部、前記リンク機構部に取り付けられた少なくとも１個のアクチュエータ部、前記操作部からの信号を取り込み、前記アクチュエータ部への信号を制御する制御装置、前記制御装置と前記アクチュエータ部とを連絡するケーブル部とから構成された人体装着型脚部支援システムにおいて、前記操作部からの脚部の動作の指示信号に応じて、前記制御装置により前記アクチュエータ部への信号を制御し、前記制御装置からの指令信号を前記アクチュエータ部で受け取り、前記アクチュエータ部を駆動させ、前記アクチュエータ部の駆動により、前記リンク機構部を変位させ、所望の脚部を動作させることを特徴とする人体装着型脚部支援システム。
請求項１の人体装着型脚部支援システムにおいて、前記操作部は、操作レバー部から構成され、操作レバ−本体と、この操作レバー本体に連動し、大腿部の前後の移動を行う１自由度の角度センサ、前記操作レバー本体に連動し、大腿部の左右の移動を行う１自由度の角度センサ、前記操作レバー本体に設けられた摺動可能なスライド棒と、上記この操作レバ−本体に取り付けられたスライド棒変位センサと、前記スライド棒の先端に取り付けられた把手部角度センサと、前記スライド棒の先端に設けられた把手とからなることを特徴とする人体装着型脚部支援システム。
請求項１の人体装着型脚部支援システムにおいて、前記操作部は、４個のセンサで構成され、肩に取り付けられた２自由度の２個の角度センサ、肘に取り付けられた１自由度の角度センサ、手首に取り付けられた１自由度の角度センサとからなることを特徴とする人体装着型脚部支援システム。