JP2008194414A - 歩行支援機のキャスター車輪 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、脚力の能力に不安を持った人に対して、市街地での安定した歩行を提供する歩行支援機に関するものである。小回りの効く歩行動作のためにはキャスターの装着が優れている。しかし相反的に、各種バリアーが存在する歩行通路を安定して歩行支援するためには、キャスター車輪の姿勢を進む方向に安定化する必要がある。特に段差バリアーの乗越えやタイル路のような荒れた路面での車輪の姿勢の安定性が重要となる。
【解決手段】本発明は、前方歩行状態ではキャスターの自在の旋回角度を制限して歩行の安定性を確保し、小回りが必要な状況では、被支援者がハンドルに加える回転トルクなどを検知して、キャスターの車輪の旋回作動角度の自由度を解放する手段を提供する。これらの切り替えには、キャスターの旋回角度を制限するカム面を持ったスリーブの動きをばね・粘性系または電動や油空圧の動力で、自律的に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、福祉厚生分野の歩行に関する支援装置が安全に、人間にやさしく、安心感があり、扱いやすい機械的支援を可能とする構造と機能の分野に関するものである。
具体的には、歩行支援機が通路にある段差やおうとつ路などのバリアーを連続的に通行可能とする機能および小廻り動作が可能とする機能に関するキャスター車輪の技術分野である。ここで、歩行器、歩行支援機とは、屋外を含む歩行通路を、通常３または４個の車輪配置を持ち、手または腕部を介して被支援者の自重の一部を支持しながら歩行を可能とする装置であり、動力による移動支援補助装置が付いているものを歩行支援機と呼び、前記移動支援補助装置が付いていないものを歩行器と呼ぶこととする。この歩行支援機の進行方向を決める操舵輪に関する発明である。

従来の歩行に関する福祉支援装置は、道具としての機械的な支援の構造や形式に関する発明が多い。それらの機能を向上させるためには、いくつかの検出装置とそこで検出される情報を用いてその目的に適合する移動支援動作をおこなう前記動力による移動支援補助装置、それに付随する各種の歩行支援装置およびそれらの歩行支援装置を統合する制御機能が必要となる。このような複雑な動作である歩行動作を支援する歩行支援機は、主として屋内での使用を想定し平坦な路面での歩行を前提としているものが多く、屋外の各種の障害物や段差などのバリアーが存在する通路での歩行支援および人混みがあり、店内やエレベータ室内での小回りの歩行支援の両面での両立をめざす総合的な発明は少ない。

本発明が解決しようとする総括的な課題は、脚力の能力に不安を持ち屋外に出ることが少なくなる傾向を持った人に対して、本発明のシステムを組み込んだ前記歩行支援機を使用することにより、屋外の生活空間である市街地を歩行する自信を回復して屋外での生活環境を含めて自律的に歩行移動を行う意欲を持ってもらうことである。すなわち、脚力が衰えつつある高齢者や脚部に障害のある人に対して、楽しい生活を行うために市街地を含めた生活環境における自律的な移動能力を得るための支援システムを持った歩行支援機を提供するものである。

このような市街地での歩行支援を目指す場合に問題となることは大きく分けて二つある。最初は、市街地歩行路面や屋内およびその入り口でのバリアーの存在である。次は、市街地での人との接触やショッピングなどの店内移動に関する歩行の小廻り性である。この両者にもっとも直接的な機能を持っている部位は車輪である。この発明では、小回り性に関して優れた機能を持っているキャスターの車輪が対象である。図７に示すように、キャスターの旋回軸９の軸上に車輪の路面との接触点２６はなく、オフセット量があり、歩行支援機が進みたい方向と車輪の方向が一致していない場合は、旋回軸まわりに旋回トルクが発生して速やかに車輪が進行方向と一致する。しかし、旋回軸廻りに動きやすいことは、荒れた路面から車輪に外乱となる横力を受けると敏感に反応して、動作の安定性を欠く場合が多い。また、段差の乗越えでは、段差への斜め侵入は動作のいくつかのデメリットを持っている。以上のようなキャスターの良い点を伸ばし、欠点を解消することが課題である。

最初に、段差などのバリアーやでこぼこ路では前進が阻まれるか移動時の抵抗が大きく、円滑な移動歩行は不可能という課題である。いくつかの調査報告によると、一般市街地の段差バリアは、段差高さは５０ｍｍ以下の場合がほとんどであり、一つの目標値になる。またバリアフリーとして国からも保証されるものは、２０ｍｍの高さの段差が許容されており、車いすは通過できるが、歩行器および歩行支援機では大きなバリアーである。ここに、車いすと歩行支援機の移動に関するフレキシビリティとバリアフリー性能が逆転している。その最大の理由が、車輪径である。図９および図１０に車輪径と乗越えるのに必要な前進押し力に差が出ている。この克服策として、電動モータなどによる前方押し力があり、歩行支援機の特徴となっている。しかし、この押し力支援のみでは限界があり、図１１，１２，１３に示すような段差乗越え支援システムディバイスが重要である。いずれも、車いすの車輪径並の大きさの円弧を部分的に必要な範囲を実現する事例である。これを大径円弧理論と称する。これらの装置はほぼ上述の目標を達成しており、ほぼ一般の市街地での段差バリアーは克服している。歩行支援機により、バリアフリーの車いすと歩行支援との矛盾点がほぼ克服することができる。しかし、キャスターの使用は、段差乗越え時の車輪が不安定な状態であり、特に段差への乗越えは斜めからの通過を避けて正面からの通過が推奨される。キャスターにとっては苦手な分野である。特に、段差や凹凸路は、歩きにくいと同時に躓きなどのリスクもあり、歩行支援をおこなう最も重要な注意すべき点である。

次に、重要となる項目は、歩行支援機の歩行支援での小回り性である。上述のように、キャスターそのものの小回り性は優れているが、バリアーや凹凸路での車輪の安定性のためとは相反する項目である。さらに、あまり大仰な装置は歩行支援機自身を大きなものにしてしまい、機能はたくさん持っているが使いにくいものとなる。歩行の支援は十分できても、寸法が大きいため市街地での人とのコンタクトやお店でのショッピングなどができない場合は問題となる。いかにコンパクトに高機能を実現するが課題である。上述のリスク回避のため、使いにくさがでて、使い勝手が悪いことは、被歩行支援者の歩行への積極性を阻害することになり、十分に配慮されるべきである。

本発明は、歩行支援機として、主として、前輪にキャスターを使用する場合を想定して記述してあるが、後輪に関しても、インホイールモータのように車輪の中にモータ類を内蔵する様式は、キャスターのような旋回性が可能となり、本発明を適用することができる。しかし、わかりやすくするため、主として前輪にキャスターを適用する事例を中心に記述を行う。

キャスターを用いる理由は小回り性の確保である。しかし、バリアーとなる段差やでこぼこ路の歩行移動時の歩行支援機の安定性のために、一般には、ひとつのキャスターに車輪は１枚でなく、２枚を若干の距離をとって双対して使用する場合が多い。不規則な凹凸路に対しては横からの加振力が２枚の車輪により異なって入力し、全体として加振力のピークが下がり平準化されるためである。しかし、それだけでは、根本的な解決にならないためキャスターの旋回作動角度の制限を行う。図５に示すようなキャスターの旋回軸にピン６を装着し、軸に勘合しているスリーブスリーブ５の切り欠きによってその作動各を狭く何段階かに制約している。一般には、このスリーブは手動で行うものであり、主として使う状況により設定を変えて使用するものである。一般には、前進歩行して使うのがほとんどであるので、キャスターの制限角度を左右に約３５度づつ振り分けにすることが多い。この場合は、歩行器としての小回り性は制約を受け、被歩行支援者自身が歩行器全体を持ち上げて方向転換することになってしまう。体力のない人には難しい動作を要求することとなる。

本発明では、いくつかの方法で、自動的にキャスターの旋回角度の制限を切り替えで、違和感のない装置を実現している。主として、信号は被歩行支援者からの情報として、ハンドルにかかる負荷値を３次元の方向に分けて検知して判断する。主として、ハンドルを回転させる方向のトルクを抽出し、閾値を決めて切替えを行なう方式である。また、本発明は、人間にやさしい移動制御の観点から、操作レバーによる切り替え装置は使用しない方法を追求している。いくつかの方法はセンサーとアクチュエータの組合せによるものであり、スリーブの切り欠きに連続して変化できる曲線のカムプロフィルを採用し、ばね力とのバランスでキャスターの旋回作動角度を変化させている。図６にカムプロフィルの一事例を示す。ピン６がカムプロフィルに沿って動く時に、スリーブに装着されたばね力または発生する振動を早く減少させるための減衰項をばね力に加えてあり、スリーブの軸方向の移動により、ｋｘという力が発生しその分力として図中のｆなる力が加わり、この力によって生じる抵抗トルクによりキャスターの旋回作動角度を自立的に変化させている。これらの旋回のためのトルクを低減するため、後輪の左右電動モータは独立して動くことができて、図１５に示すように、パワーアシストが可能である。このパワーアシストと各種キャスターの旋回作動角度の制限を組合せ、新しいアイディアを可能とした。

更に、本発明では、キャスターの旋回作動角度の変更を固定して、それに変わるいくつかの別の装置を組み合わせることで、歩行支援機の小回り性を確保する方法を提案している。一般には、キャスターと組み合わせるハンドルは固定式であるが、ハンドル自身で車輪の方向を機械的な機構を用いて行うものである。この方法の優れている点は、電気系統がダウンするときに旋回できる機能をしっかりと確保することができることである。また、第３輪方式であり、小回りの際は、ハンドルに加わる回転トルクを検知して、第３輪を下方に移動させることで前輪の旋回作動角度を制限された前輪を路面から分離する方法である。図１６にその概念図を示す。実際の作動状態を図１７，１８に示す。第３輪自身は、制限角度なしで自由にどちらの方向にうごかすことができる。そのため第３輪は、キャスター以外でも球面を利用するものも考えられる。キャスターこの第３輪方式は、上下させる動作ができるため、段差の上り下り両面で段差バリアー通過する優れた機能を持ってといる。

本発明は、脚力の衰えた高齢者や障害者が、本発明の車輪系を用いることで、市街地の中のいろいろな路面や環境条件に広範囲で適合し、いつでも違和感なく歩行支援を受けられる効果が期待できる。その結果、歩行支援システムにて自分の生活圏である屋外の市街地に自律的に歩行移動できることで、より充実した楽しい生活をすごすことができる効果がある。更に、歩行支援機を使用し、立ち姿勢で足を自ら動かすことで、内臓をはじめとする体内の各器官に刺激が加わり、体力の維持および脳への刺激による認知症への防止の効果がある。人間が寝たきり状態になると、そのために必要な介護などの人的、経済的負担の増加は、高齢化少子化社会にとっては大きな負担となる。本発明は、寝たり状態への予備軍となっている脚力が弱わり、屋内に引きこもり気味の人々にその自律的な充実した楽しい生活を延長するための効果がある。

本発明の形態は、歩行支援機を利用する人の歩行能力や体力がかなり残存しており、若干足元に不安を感じて、閉じこもり傾向になる人を主体的に考えている。その意味ではカムプロフィルを持っているスリーブでのばね力による構造の自立的な旋回作動角度を制限する方法である。図７，８に凹凸路を歩行移動した時のキャスターの車輪の左右への振れ角θの測定結果を示す。明らかに、旋回角度制限スリーブを採用するほうが振れの振幅は少ない。また、段差乗り越え時の操作性にも安定性がでている。しかし、本発明に含まれるこれ以外の発明は、色々な状況の人々が対象であり、それぞれの人に適合する特徴ある手法も同時に用意されている。歩行支援機の開発に関して、これらの木目の細かい方法を組み合わせたシステム統合ができて初めて社会へのインパクトを期待できる。
また、キャスターの特性を十分に引き出す方式としては、第３輪方式は、その発展性も考えると、優れたいくつもの効果が期待できる。段差乗り越えへのアシストや段差乗り越し時の衝撃緩和策などいろいろな付加価値を付加することが出来る。

請求範囲１に関しては、切り欠きの一部に曲線形状を持つスリーブは、図６に示している。ここでは、装着しているばね定数やセット力でも変化するが、カムプロフィルの変更によって、いろいろなコントロールができ、各種の適合が可能である。請求範囲１，３の実施例として、図１，２がある。また、請求範囲２，４，５，６に関しては、図４でのハンドル１５とハンドルの支持点である１６に内蔵されているセンサーによりコントロールされるものである。なお、被歩行支援者の挙動のセンサーとして、人間と歩行支援機との距離をセンサー１８により、モニターもしている。また、図８は、アクチュエータの数を減少させる意味で、前輪左右に連携するリンク機構をつなぎ、一つのアクチュエータで制御するものである。また、請求範囲２で、切り欠きの一部に曲線形状部分が無いスリーブとは、図５に示す事例を指し、図６のようにスリーブのカムプロフィルとピン部の接触によって、連続的に、またスリーブ側からも、ピン部からも相手部位を回転や軸方向への移動が可能となるものと区分されるものを指す。

請求範囲９の別体キャスターを上記では第３輪と呼んでおり、図１６にその概念図を示しているが、より安定した動作のためには、左右の中央にある第３輪を前輪左右の近傍に各々配置する方式も考えられる。図１７は、通常の状態の前輪付近のキャスター群のレイアウトであり、前輪１０で支持、移動をする。しかし、ハンドルセンサーの信号によって、小回りモードに入ると、今まで働いていなかった第３輪２７が下方に降下してきて、路面と接地し、旋回作動角度を制限されている前輪を浮上させ、第３輪が主体的に作動する。その性格上、第３輪はキャスター角度は自由になって旋回動作の制限は行なっていないため、自転を含めた多機能の小回り運動が可能となる。また図１７，１８の事例では、第３輪の時用下方向の移動は、空油圧系のシリンダを用いた事例であるが、図１９，２０のように、ねじスクリューによる移動装置やウォームギア、傘歯車、スパイラルギアなどの回転軸方向を直交させるような歯車列などやその他特殊なリンク機構を併用した例えば図１９のような平行レバー４接点方式や自動車のサスペンションの方式を利用するタイプも含まれるものとする。なお、上下方向の移動装置としては、図１９は、キャスター全体をその本体への固定端のところで動かす方式であり、図２０は、キャスター内の旋回する構造部位のところにピン方式のリンク機構を内蔵させるタイプである。更に、このような上下方向の変位は、車輪内のインホイールにリンク機構を設置することでも可能である。

また、請求範囲１２のように、段差乗越え機能も組合せる場合は、複数設置する方がより安定した作動が期待できる。図２１は段差を上る場合の第３輪の移動動作により、ほとんど衝撃なしに段差を乗越えることができる事例である。また、図２２では、逆に段差を下る場合である。５０ｍｍ程度の段差をおりる場合は、車輪に特にサスペンションを付けない場合は１Ｇ前後の衝撃加速度が観測される場合がある。しっかりした車輪の挙動として回転角・トルクの制御を行なうことである程度は低減が可能であるが、図２２の方策はその効果は大きい。上記の２例はいずれも、センサーとアクチュエータを必要とするが、図２３の場合は、前輪と第３輪のキャスターの車輪が並んで、図中のＲで示される円弧上に二つの車輪を配置することで、パッシブに段差乗越え補助装置として優れている。

高齢化少子化社会において、高齢者の脚力の維持は、寝たきり状態における介護関連の公的資金の負担も含める経費の節減となり、その効果の算出では膨大なものとなる。６５才以上の高齢者は日本の人口の２０％を超え更に増加の傾向にある。約２５００万人以上の人が対象となり、寝たきり状態になる年齢を数年延長することができるとすると、そこで浮く介護費用は膨大な額になる。したがって、現在普及している歩行器に対してかなりの割合でコストが増大する本発明の歩行支援機ではあるが、その経済効果は大きい。また、高齢者がより長く自律的で楽しい生きがいのある生活をすごせることは更に重要である。従って、産業としても本発明の分野での技術の向上をはかり、その実用化をめざし、利用を推進する必要がある。

歩行支援機のキャスター型車輪のばね・カム方式の旋回作動角度制限装置 同上の旋回作動角度制限装置の構成部品分解図 市販の前輪キャスター型の歩行器の事例 歩行支援機のプロトタイプの一つの事例 市販型の手動切替え方式の旋回作動角度制限装置の実施例 曲線部分を持つカムプロフィルの事例 キャスターの旋回動作について 凹凸路走行の旋回動作に関する旋回作動角度制限装置の効果 歩行支援機における前輪の段差乗り越え時の力のバランスについて 歩行支援機のバリアー段差高さと必要な押し力の関係への車輪径の影響 段差乗越え：大径円弧付振り子形式 段差乗越え：スライダー方式 段差乗越え：スイング式 キャスターの回転抵抗とハンドルからの外力により旋回するメカニズム 後輪駆動軸逆転による歩行支援機の旋回・自転のパワステアリンク機能 前輪に第３輪を追加するレイアウト 第３輪方式の通常歩行時のレイアウト 第３輪方式の小回り、自転時のレイアウト キャスター全体の上下移動機構の事例 キャスター内臓型リンクによる上下移動機構の事例 第３輪方式による段差上りの事例 第３輪方式による段差下りの事例 第３輪方式の大径円弧理論による段差乗越えの事例

符号の説明

１ キャスター作動角度制限装置の上部ケース
２ ベアリング、ａ，ｂは上、下を表わす
３ ばね押さえ
４ コイルばね
５ 作動角度制限装置用スリープ
６ ピン部
７ 下部キャスター旋回軸ブッシュ
８ キャスター作動角度制限装置の下部ケース
９ キャスター旋回軸部
１０ キャスター車輪部
１１ キャスターステー部
１２ キャスターアッシー、ａ，ｂは右、左を表わす
１３ 歩行支援機本体
１４ 歩行支援機の後輪、ａ，ｂは右、左を表わす
１５ ハンドル部
１６ ハンドルセンサー集合部
１７ ハンドブレーキレバー
１８ 歩行支援機、距離センサー配置場所
１９ 前輪車軸系
２０ 機械式操舵装置
２１ 被歩行支援者
２３ 歩行支援機重心位置
２４ 段差乗越え時のコーナー頂点
２５ 旋回作動ふお２６角度制限装置用スリーブカムプロフィル
２６ キャスター用タイヤの路面との接点
２７ 第３輪用キャスター
２８ 第３番輪用シリンダー

Claims (12)

1. 高齢者、歩行機能障害者等の歩行者の歩行を支援する歩行支援機本体に取付けられる取付基体とこの取付基体に旋回軸を介して軸着する旋回可能な主枠および主枠に懸架され且つ旋回軸と垂直面上にある車軸によって支承される走行車輪とを有するキャスター（以下、キャスターと称す）に関し、キャスターの旋回軸外周にある突起と、この旋回軸と同心であり旋回軸方向への移動可能であり旋回軸周りの回転はキャスターの取付基体と相対的に固定されている旋回作動角度を制限する切り欠きを持つスリーブとを組合せて、この旋回軸の突起物がスリーブの切り欠きにより旋回を制約される装置（またはスリーブ側に突起を設けキャスターの旋回軸に切り欠きを持つ装置）において、切り欠きの一部に曲線形状部分を持ち、スリーブが旋回軸方向に移動することによりキャスター旋回作動角度範囲が連続的に変化することのできるカム機構を持っている装置
2. 請求項目１および請求範囲１でスリーブ（または旋回軸）の切り欠きの一部に曲線形状部分が無いスリーブを含み他は同一な装置において、キャスターの旋回軸の旋回作動角度を制約するスリーブのキャスター旋回軸方向移動動作を、被歩行者自身の操作または被歩行者の状態量を自動的に検知することにより制御システムの指令信号を出し、電動モータ、空油圧シリンダ装置などの移動作動パワー装置でおこなう装置。
3. 請求項目１において、キャスターの旋回軸の旋回作動角度を制約するスリーブを、キャスター旋回軸方向にバネまたはバネとダンピング装置を用いてピン部に押しつける構造を有する装置
4. 請求項目２において、被支援者によって固定式ハンドルに加わる回転モーメントまたはそれに相当する代用特性値を検出する装置を持ち、この回転モーメントの大きさによりスリーブ（またはピン部）がキャスターの旋回軸方向に移動し、キャスターの旋回転作動角度範囲を変化させる装置。
5. 請求範囲４において、歩行支援機の前進方向の移動値またはハンドルの前進方向の押力の信号がほぼゼロ近傍で且つハンドルの回転モーメントまたはその代用特性値が一定の値以上かつ一定時間の間に保持される場合は、歩行支援機を自転する指令であると解釈してスリープ（またはピン部）を移動させ、キャスターの旋回作動角度範囲を進行方向に対し進行方向左右の７５度またはそれ以上とする装置
6. 請求範囲１，２，３，４，５において、歩行支援機の当該キャスター車輪以外に進行方向に対して左右に配置された２車輪対の動力を付与する駆動車輪を有し左右逆転方向に駆動力を与えることにより歩行支援機に回転モーメントを付与し歩行支援機を自転する機能を追加して、被支援者がハンドルに加える回転モーメントの値を認識して、その値の大きさにより判断される回転モーメントを付与して支援する装置
7. 請求範囲１，２，３，４，５，６において、キャスターの旋回作動角度範囲を制限する機構として、旋回軸とスリーブとそれらに付属する突起物と切り欠きを，キャスターの旋回軸の回転を伝達するベルトまたはチェーンまたは歯車などの装置を介して、キャスターの旋回軸とは別の回転軸を設けて同様なキャスター旋回作動角度範囲の制約を行う機能を付与する装置
8. 請求範囲１，２，３，４，５，６において、キャスター旋回作動角度範囲を制限する機構として、旋回軸とスリーブとそれらに付属する突起物と切り欠きの代用機能として、二対以上のキャスターの主枠を取付け部が回転自由なロッドで結合し、対象となるキャスターが同じ向きに常に向いているように設定する装置において、ロッド上の突起を付けて、ロッド上の突起物の移動動作を同様な切り欠きを有するスリーブで制限し、キャスター旋回作動角度範囲の制約を行う機能を付与する装置
9. 請求範囲１および請求範囲１でスリーブ（または旋回軸）の切り欠きの一部に曲線形状部分が無いスリーブを含み他は同一な装置において、被支援者によって固定式ハンドルに加わる回転モーメントまたはそれに相当する代用特性値を検出する装置を持ち、上下方向に車輪を移動可能な装置を備えている別体キャスターおよび歩行支援機本体への装着装置を一つまたは複数追加装着し、ハンドルの回転モーメントまたは代用特性値の大きさなどの信号により、路面と車輪が接触しているキャスターを、従来のキャスターかまたは別体キャスターかに切り替えるため、電動モータを動力とするねじ機構による回転移動または油空圧のシリンダ作動移動により、上下方向に移動させる機能を有する装置
10. 請求項目１，３，４および請求範囲１でスリーブ（または旋回軸）の切り欠きの一部に曲線形状部分が無いスリーブを含み他は同一な装置において、ハンドルの回転角度に従い車輪を構造的な機構で向きを変えて操舵できる操舵装置を同時に有する装置
11. 請求項目１０において、キャスターの旋回作動角度とハンドルの操舵角度を加えると、前方に対する左右振り分けで、各々７５度以上とする装置
12. 請求項目９において、上下方向に車輪を移動可能な装置を備えている別体キャスターを一つまたは複数追加装着する際に、キャスターの車輪がもっとも後方に位置する旋回状態で比較し、追加装着するキャスターの車輪の最下点が前軸のキャスターの車輪の最下点より、より前方且つ上方に配置している装置

Images