JP2009213671A - 密着型歩行支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来型の、駆動部分と前記駆動部分を駆動するための動力源とを切り離したタイプの歩行支援装置において、装着者は、歩行の際に、自分の足の上げ下げ動作を前記スイッチの切り替えにより行わねばならず、常に足の上げ下げのタイミングを考えつつ前記スイッチの切り替えを行わなければならなかった。前記スイッチ切り替えによる歩行動作は、前記装着者に歩行動作習得の手間をかけさせるという問題点を抱えている。
【解決手段】 動力源であるモータからの動力をフレキシブルシャフトにより膝関節および足首関節に伝達することで装着者の下肢部分の動きを補助し、なおかつ、前記装着者の下肢部分の動きをもとに前記モータの回転角およびトルクを制御することで、前記装着者に、スイッチ切り替えなどの操作が必要なく、かつ、より自然な歩行動作をもたらす歩行支援装置を提供する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、演算処理装置により駆動制御がなされ、かつ、装着部分に動力源のない歩行支援装置に関するものである。

外力により人の動きを補助する装置の開発がなされている。前記補助装置は、近年の制御工学の進歩や駆動源の小型化により、人の上肢や膝関節の動きなど、よりさまざまな人の動きを補助できるように進化しつつある。そして、前記補助装置は、福祉の現場などにおいて様々な効果が期待されている。一例として、歩行が困難な人の歩行動作を支援する装置すなわち歩行支援装置は、単に歩行困難な人が単独で歩行することを可能とすることで、歩行の際の介護者による助けを不要にするだけでなく、健常者と一緒に歩行ができる生活をもたらす。通常、歩行困難になってしまった人の多くは、車椅子による生活を余儀なくされ、物理的にも精神的にも苦痛を伴う生活を送らねばならなくなってしまう。例えば、歩行困難な人が健常者と一緒に旅行に出かけた場合、前記歩行困難な人は、車椅子による移動をせざるを得ず、前記健常者と同じ目線で旅先の景色を眺めることは難しい。ここで、前記歩行困難な人が前記歩行支援装置により、旅行先で歩行による移動が可能になれば、前記歩行困難な人は、前記健常者と同じ目線で旅先の景色を楽しむことができる。このように、歩行困難であっても車椅子を必要とせず健常者とほぼ同様に歩くことのできる生活は、車椅子による生活に比べ、明らかに前記歩行困難な人に精神的な潤いをもたらす。

前記歩行支援装置の従来例の一つとして、特許文献１などに記載のＨＡＬが挙げられる。このＨＡＬは、装着者の筋電から装着者の動作を検出し、装着者の股関節、膝関節を補助するものである。
特開２００６−２０４４２６号

前記ＨＡＬにおいては、駆動源が装着者の関節部分に取り付けられている。また、前記ＨＡＬに限らず、従来型の歩行支援装置の多くは、基本的には、駆動源が関節部分に取り付けられ、変形不可能な骨組みにより構成されたものである。前記従来型の歩行支援装置は、装着者の下肢部分に比べ大きく、装着者はズボンなど衣服を纏った上から前記従来型の歩行支援装置を装着する必要があり、前記装着者は格好の悪い思いを余儀なくされる。

最近開発された歩行支援装置においては、上記課題を克服するべく、自身の動力源を装着者背面など関節部分以外の箇所に備え、前記動力源からの動力をフレキシブルアームなど変形可能な軸により伝達する間接型の歩行支援装置が開発されている。しかし、前記間接型の歩行支援装置において、自身の操作は、自身に備えられた簡易なスイッチにより行われる。したがって、前記間接型の歩行支援装置の装着者は、歩行の際に、自分の足の上げ下げ動作を前記スイッチの切り替えにより行わねばならず、常に足の上げ下げのタイミングを考えつつ前記スイッチの切り替えを行わなければならなかった。前記スイッチ切り替えによる歩行動作は、前記装着者に歩行動作習得の手間をかけさせるという問題点を抱えている。

そこで、本件発明は、動力源であるモータからの動力をフレキシブルシャフトにより膝関節および足首関節に伝達することで装着者の下肢部分の動きを補助し、なおかつ、前記装着者の下肢部分の動きをもとに前記モータの回転角およびトルクを制御することで、前記装着者に、より自然な歩行動作をもたらす歩行支援装置を提供する。

まず、第一の発明として、モータと、モータに連結されたフレキシブルシャフトと、フレキシブルシャフトによって駆動される関節動作補助部と、モータからモータの回転角を取得するモータ角取得部と、関節動作補助部から駆動角を取得する駆動角取得部と、モータ角取得部にて取得された回転角と、駆動角取得部にて取得された駆動角とに基づいてモータの駆動制御をする制御部と、からなる歩行支援装置を提供する。

次に、第二の発明として、足裏の圧力を測定する圧力センサをさらに有し、制御部は、圧力センサから歩行位相を取得する歩行位相取得手段と、歩行位相取得手段にて取得される歩行位相にも応じてモータの制御をする歩行位相依存制御手段を有する第一から第三の発明のいずれか一に記載の歩行支援装置を提供する。

次に、第三の発明として、モータと、モータに連結されたフレキシブルシャフトと、フレキシブルシャフトによって駆動される関節動作補助部と、からなる歩行支援装置の動作方法であって、モータからモータの回転角を取得するモータ角取得ステップと、関節動作補助部から駆動角を取得する駆動角取得ステップと、モータ角取得ステップにて取得された回転角と、駆動角取得ステップにて取得された駆動角とに基づいてモータの駆動制御をする制御ステップと、からなる歩行支援装置の動作方法を提供する。

次に、第四の発明として、前記歩行支援装置は、足裏の圧力を測定する圧力センサをさらに有し、制御ステップは、圧力センサから歩行位相を取得する歩行位相取得サブステップと、歩行位相取得サブステップにて取得される歩行位相にも応じてモータの制御をする歩行位相依存制御サブステップを有する第五から第七の発明のいずれか一に記載の歩行支援装置の動作方法を提供する。

第一および第三の発明により、装着者自身の手により動作を制御する必要のない歩行支援装置であって、自身を装着した上から着衣可能な歩行支援装置が実現する。

また、第二および第四の発明により、装着者の足裏から検知した歩行位相により駆動制御することのできる歩行支援装置が実現する。

以下に、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明はこれら実施の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる様態で実施しうる。なお、以下の実施形態と請求項の関係は次の通りである。
実施形態１は、主に請求項１および３などについて説明する。
実施形態２は、主に請求項２および４などについて説明する。
<<実施形態１>>
<実施形態１の概要>

本実施形態は、演算処理装置により駆動制御がなされ、かつ、装着部分に動力源のない歩行支援装置に関するものである。
<実施形態１の機能的構成>

図１は、本実施形態にかかる歩行支援装置の機能ブロックを示すものである。図１に示すように、本実施形態にかかる歩行支援装置（０１０１）は、モータ（０１０２）と、フレキシブルシャフト（０１０３）と、関節動作補助部（０１０４）と、モータ角取得部（０１０５）と、駆動角取得部（０１０６）と、制御部（０１０７）と、からなる。また、図１には示さないが、前記制御部を除く上記構成要件は、基本的には、前記歩行支援装置の装着者の右左両足に一つずつ配置されるものとする。

（モータについての説明）図２（ａ）は、本実施形態にかかる歩行支援装置を装着者が自身の右足に装着した様子の一例を装着者横側から見たもの、図２（ｂ）は、前記装着した様子の一例を装着者前面から見たものである。基本的には、モータは、装着者の片足に対し、前記装着者の膝関節の動きを補助するための動力を生成するモータすなわち膝関節モータ（０２０１）と、前記装着者の足首関節の動きを補助するための動力を生成するモータすなわち足首関節モータ（０２０２）と、の２つから構成される。図２において、前記モータは装着者の背面に設置されている（０２０３）が、図２に示すモータの配置の仕方は飽くまでも一例である。前記歩行支援装置におけるモータは、前記歩行支援装置を装着した上から着衣するのに支障をきたさない限り、どこに配置してもかまわない。また、前記モータ（０２０１、０２０２）は、前記装着者に、ベルトなどにより固定される。
また、前記モータ（０２０１、０２０２）を駆動するための信号は、制御部と前記モータ（０２０１、０２０２）とを接続する接続ケーブルにより伝達される。前記接続ケーブルには、汎用的なコネクタケーブルなどを用いる。ここで、前記駆動するための信号をアナログ変換して前記モータ（０２０１、０２０２）へ伝達する場合は、前記接続ケーブルの中間にＤ／Ａ変換機を設置し、前記駆動するための信号をアナログに変換したうえで前記モータ（０２０１、０２０２）へ伝達する。そして、前記モータ（０２０１、０２０２）については、具体的には、前記駆動するための信号をデジタル形式のままで用いる場合はステッピングモータなど、前記信号をアナログ形式に変換する場合はＤＣモータやギアドモータなどを用いるのが好ましい。また、前記モータ（０１０２）の駆動制御は、基本的には、自身の回転角および回転角速度が制御を受けることで行われる。したがって、前記モータ（０１０２）の駆動制御を行う信号は、前記回転角および前記回転角速度に関する情報を有する必要がある。また、（明記はしないが）図２においては、モータ（０２０１、０２０２）の回転軸が前記モータ本体から突出しており、回転角取得部を構成するエンコーダ（０２１６、０２１７）回転軸と連結している。前記連結については、前記モータの回転軸と前記エンコーダの回転軸が接続金具によって連結するなどの構成が好ましいが、前記連結についての構成は飽くまでも一例である。

（フレキシブルシャフトについての説明）フレキシブルシャフト（０１０３）は、モータ（０１０２）に連結されている。フレキシブルシャフトの一例としては、一本の金属線に複数層の金属線を一層ごとの金属線が互いに逆方向に螺旋を描くように巻きつけてできたインナーシャフトを、硬剛線などを管状に巻きあげたものの外面に塩化ビニルなどを皮覆してできたアウターチューブのなかに通したものなどがあげられる。また、前記フレキシブルシャフトと前記モータの回転軸とは、前記フレキシブルシャフト端部に設けられた接続金具により固定される。図２記載の例に示すように、基本的には、フレキシブルシャフトは、装着者の片足に対し、前記装着者の膝関節の動きを補助するための動力を伝達する膝関節フレキシブルシャフト（０２０４）と、前記装着者の足首関節の動きを補助するための動力を伝達する足首関節フレキシブルシャフト（０２０５）と、の２つから構成される。前記各フレキシブルシャフト（０２０４、０２０５）は、自身の上端が前記各モータ（０２０１、０２０２）回転軸に連結していて、前記各モータ回転軸の回転とともに回転する。なお、一般に、フレキシブルシャフトは、自身の片方の端部を持って回転させても、自身の片方の端部が物体に固定されていれば、前記物体からの抗力により、自身にねじれが生じてしまう。つまり、このフレキシブルシャフトの片方の端部が物体に固定されている場合、もう片方の端部から回転を加えても、両端部に生じる回転角は異なる。したがって、このような場合に、前記物体が固定されている方の端部に所望の回転角を与える場合には、回転する側の端部からさらに余分に力すなわちトルクを加える必要がある。前記トルクＴは、Ｔ＝（θ_１−θ_２）×ｋで表わされる。ここで、θ_１はフレキシブルシャフト端部のうち回転を加える側に生じた回転角、θ_２はフレキシブルシャフト端部のうち物体に固定された側に生じた回転角、ｋはねじりばね定数である。このねじりばね定数は、用いられるフレキシブルシャフトにより異なる値をとる。

（関節動作補助部についての説明）関節動作補助部（０１０４）は、フレキシブルシャフト（０１０３）によって駆動される。図２記載の例に示すように、基本的には、前記関節動作補助部は、前記膝関節フレキシブルシャフト（０２０４）下端に連結し、前記装着者の膝関節部分に配置されている膝関節動作補助部分（０２０６）を有する。また、前記足首関節フレキシブルシャフト（０２０５）下端に連結し、前記装着者の足首関節部分に配置されている足首関節動作補助部分（０２０７）を有する。また、前記装着者大腿部と前記膝関節動作補助部分（０２０６）とを固定する大腿部固定リンク（０２０８〜０２１０）を有する。また、前記前記膝関節動作補助部分（０２０６）と前記足首関節動作補助部分（０２０７）とを連結する下腿部固定リンク（０２１１〜０２１３）を有する。前記下腿部固定リンク（０２１１〜０２１３）は前記膝関節動作補助部分（０２０６）回転軸に固定され、その固定軸の回転により前後方向に駆動する。また、前記足首関節フレキシブルシャフト（０２０５）下端に連結し、前記下腿部固定リンク（０２１１〜０２１３）下端に配置されている足首関節動作補助部分（０２０７）を有する。また、前記装着者の足裏部分を支持する足裏支持板（０２１４、０２１５）を有する。前記足裏支持板（０２１４、０２１５）は、足首関節動作補助部分（０２０７）回転軸に固定され、その固定軸の回転により、その固定軸を軸中心として回転運動可能である。

図３（ａ）（ｂ）に、図２記載の膝関節動作補助部分（０２０６）近傍の機構の具体例を示す。図３（ａ）は、前記膝関節動作補助部分（０２０６）内部構造およびその近傍の構造、図３（ｂ）は、前記膝関節動作補助部分（０２０６）の外観およびその近傍を、それぞれ示す。図３（ａ）において、膝関節動作補助部分（０２０６）は、ウォームホイール（０３０１）と、前記ウォームホイールと噛み合って回転するウォームギア（０３０２）と、前記ウォームホイールとウォームギアとを格納する筐体（０３０３、０３０４）とからなる。また、図３（ａ）においては、前記ウォームギア（０３０２）の回転軸は、駆動角取得部の一部を構成する膝関節エンコーダ（０３０６）の回転軸下端と連結している。ここでは、前記膝関節エンコーダ（０３０６）には自身の回転軸が自身の筺体を上下に貫いているものが用いられている。また、前記ウォームギア（０３０２）の回転軸と前記膝関節エンコーダ（０３０６）の回転軸下端との連結は、両回転軸が同軸上にくるように、溶接や金属金具による固定などにより行われる。そして、前記膝関節エンコーダ（０３０６）の回転軸上端とフレキシブルシャフトとは、フレキシブルシャフトの接続金具（０３０５）により、両軸が同軸上にくるよう固定されている。なお、以上に示したウォームギア（０３０２）と膝関節エンコーダ（０３０６）とフレキシブルシャフトとの連結方法は飽くまでも一例である。本実施形態における関節動作補助部と駆動角取得部とフレキシブルシャフトとの連結方法については、前記方法に限定されるものではない。図３において、モータからの動力は、前記フレキシブルシャフト接続金具（０３０５）および前記膝関節エンコーダ（０３０６）の回転軸を介して前記ウォームギア（０３０２）に伝わり、前記ウォームギア（０３０２）と噛み合って回転する前記ウォームホイール（０３０１）に伝わることで前記ウォームホイール（０３０１）を回転させる。また、前記筐体（０３０３、０３０４）には前記大腿部固定リンク（０３０７）がねじにより固定されている。そして、前記ウォームホイール（０３０１）の回転軸（０３０８）は前記筐体（０３０３、０３０４）外部において下腿部固定リンク（０３０９）に溶接などにより固定されている。前記固定については、前記ウォームホイール（０３０１）の回転軸（０３０８）表面を歯車状に加工し、下腿部固定リンク（０３０９）に、前記回転軸（０３０８）がぴったり嵌めこまれるような歯車状の穴を設け、両者をはめ込むことで固定することも可能である。なお、図３に示す関節動作補助部（０１０４）の機構は飽くまでも一例である。関節動作補助部（０１０４）の具体的機構については、フレキシブルシャフトからの動力により装着者の各関節部分を駆動することができる機構であれば、いかなる構成をとってもかまわない。

また、図示はしないが、足首関節動作補助部分（０２０７）近傍の機構も、図３に例示した膝関節動作補助部分（０２０６）近傍の機構と同様の機構をとることが可能である。この場合、前記筐体（０３０３、０３０４）には下腿部固定リンクがねじにより固定される。そして、前記ウォームホイール（０３０１）の回転軸（０３０８）は前記筐体（０３０３、０３０４）外部において足裏支持板に溶接などにより固定される。

（モータ角取得部についての説明）モータ角取得部（０１０５）は、モータ（０１０２）からモータの回転角（０１０８）を取得する。本実施形態における回転角は、単にモータ（０１０２）の回転軸が何度変化したかという角度の変化量を示すこともできれば、モータ（０１０２）の初期状態においてモータ（０１０２）の回転軸が何度回転した状態にあるかという角度の位相について示すこともできる。図１には示さないが、基本的には、前記モータ角取得部（０１０５）は、片足につき、前記装着者の膝関節の動きを補助するための動力を生成するモータに備え付けられるものと、前記装着者の足首関節の動きを補助するための動力を生成するモータに備え付けられるものと、の２つから構成される。図２記載の例においては、モータ角取得部は膝関節モータ（０２０１）および足首関節モータ（０２０２）上部に取り付けられた各モータ側エンコーダ（０２１６、０２１７）により構成されている。そして、前記各モータ側エンコーダ（０２１６、０２１７）の回転軸は前記各モータ（０２０１、０２０２）の回転軸と連結しており、前記各モータ（０２０１、０２０２）の回転軸の回転角度および回転方向を回転角（０１０８）として検知する。なお、図２において、モータ角取得部はエンコーダにより構成されているが、飽くまでもこの構成は一例である。本実施形態にかかるモータ角取得部（０１０５）においては、前記モータ（０１０２）の回転角を検知する機能があるものであれば、いかなる機構を用いてもかまわない。なお、モータ角取得部（０１０５）と制御部（０１０７）とは接続ケーブルにより接続する。前記接続ケーブルには、汎用的なコネクタケーブルなどを用いる。モータ角取得部（０１０５）にて取得した回転角（０１０８）は、回転角信号として前記接続ケーブルを伝達させ、制御部（０１０７）へと送る。なお、前記回転角信号がアナログ形式で生ずる場合、前記接続ケーブルの中間にＡ／Ｄ変換機を設け、前記回転角信号をデジタル変換したうえで制御部へ送るなどの機構が必要となる。

（駆動角取得部についての説明）駆動角取得部（０１０６）は、関節動作補助部（０１０４）から駆動角（０１０９）を取得する。本実施形態における駆動角は、単に各関節エンコーダ（０２１８、０２１９）の回転軸が何度回転したかという角度の変化量を示すこともできれば、モータ（０１０２）の初期状態においてモータ（０１０２）の回転軸が何度回転した状態にあるかという角度の位相について示すこともできる。図１には示さないが、基本的には、前記駆動角取得部（０１０６）は、片足につき、前記装着者の膝関節部分に配置され前記膝関節の回転を検知するものと、前記装着者の足首関節部分に配置され前記足首関節の回転を検知するものと、の２つから構成される。図２記載の例においては、駆動角取得部は、前記膝関節フレキシブルシャフト（０２０４）下端と膝関節動作補助部分（０２０６）との連結部分に配置された膝関節エンコーダ（０２１８）と、前記足首関節フレキシブルシャフト（０２０５）下端と足首関節動作補助部分（０２０７）との連結部分に配置された足首関節エンコーダ（０２１９）と、により構成されている。そして、前述したとおり、前記連結部分と前記各関節エンコーダ（０２１８、０２１９）の回転軸は連結しており、前記連結部分の回転角度および回転方向を駆動角（０１０９）として検知する。なお、図２において、駆動角取得部はエンコーダにより構成されているが、飽くまでもこの構成は一例である。本実施形態にかかる駆動角取得部（０１０６）においては、前記膝関節動作補助部分（０１０４）からの駆動角を検知する機能があるものであれば、いかなる機構を用いてもかまわない。なお、駆動角取得部（０１０６）と制御部（０１０７）とは接続ケーブルにより接続する。前記接続ケーブルには、汎用的なコネクタケーブルなどを用いる。駆動角取得部（０１０６）にて取得した駆動角（０１０９）は、駆動角信号として前記接続ケーブルを伝達させ、制御部（０１０７）へと送る。なお、前記駆動角信号がアナログ形式で生ずる場合、前記接続ケーブルの中間にＡ／Ｄ変換機を設け、前記駆動角信号をデジタル変換したうえで制御部へ送るなどの機構が必要となる。

（制御部についての説明）制御部（０１０７）は、モータ角取得部（０１０５）にて取得された回転角（０１０８）と、駆動角取得部（０１０６）にて取得された駆動角（０１０９）とに基づいてモータ（０１０２）の駆動制御を行う。前記モータの駆動制御は、コンピュータなどの演算処理装置により行う。

ここで、本実施形態にかかる制御部（０１０７）をコンピュータなどの演算処理装置により構成した場合における、前記制御部（０１０７）のハードウエア的構成の一例を以下に示す。図４は、本実施形態に係る制御部を実現するためのデータが、ＣＰＵ（０４０１）、ＨＤＤ（０４０２）、メインメモリ（０４０３）、Ｉ／Ｏ（０４０４）などからなる計算機に、どのように格納されているかを示すものである。この図にあるように、メインメモリ（０４０３）のワーク領域には回転角制御プログラム（０４０５）、トルク制御プログラム（０４０６）、モータ駆動プログラム（０４０７）が展開される。そして、メインメモリ（０４０３）のワーク領域には回転角制御テーブル（０４０８）、トルク制御テーブル（０４０９）が格納される。

回転角制御プログラム（０４０５）とは、Ｉ／Ｏ（０４０４）を介して得られる前記駆動角信号（０４１３）をもとに、回転角制御テーブル（０４０８）に基づいて、駆動角を何度変化させるか、についての情報である回転角制御情報（０４１１）を生成し、メインメモリ（０４０３）のデータ領域に格納するものである。回転角制御テーブル（０４０８）は、前記駆動角信号（０４１３）の値に対し、どれほどの駆動角が生じているか、を特定するための情報である駆動角特定情報を有する。またさらに、前記駆動角特定情報により特定された駆動角に基づき、モータの駆動制御により駆動角をどのような周期でどの程度変化させるか、に関する情報である駆動角参照情報も含む。前記駆動角参照情報については、具体的には「ボディダイナミクス入門 歩き始めと歩行の分析 ＣＤ−ＲＯＭ付（医歯薬出版株式会社発行 江原義弘、山基澄子著 ２００２年１０月１５日第１版第１刷発行）」１３７〜１３８頁に記載の、歩行時における健常者の下肢部分の各関節角度の周期的変化ついてのデータなどを用いることなどが可能である。また、装着者が歩行時に生じる筋電を測定し、前記測定結果から、歩行時における前記装着者の下肢部分の各関節角度の周期的変化についてのデータを新たに作成し、前記データを前記駆動角参照情報として用いるなどしてもかまわない。

トルク制御プログラム（０４０６）とは、Ｉ／Ｏ（０４０４）を介して得られる前記回転角信号（０４１０）および駆動角信号（０４１３）をもとに、トルク制御テーブル（０４０９）に基づいて、モータの回転軸に対しどの方向にどれほどのトルクを加えるか、についての情報であるトルク制御情報（０４１２）を生成し、メインメモリ（０４０３）のデータ領域に格納するものである。トルク制御テーブル（０４０９）とは、前記回転角信号（０４１０）の値および駆動角信号（０４１３）の値に対し、フレキシブルシャフト（０１０３）にどれほどのトルクが加わってるか、を特定するための情報であるトルク特定情報を有するものである。また、前記トルク特定情報により特定されたトルクに基づき、モータの駆動制御によりモータ（０１０２）の回転軸に対しどのような周期でどの方向にどれほどのトルクを加えるか、に関する情報であるトルク参照情報も含む。前記情報については、具体的には「ボディダイナミクス入門 歩き始めと歩行の分析 ＣＤ−ＲＯＭ付（医歯薬出版株式会社発行 江原義弘、山基澄子著 ２００２年１０月１５日第１版第１刷発行）」１３７〜１３８頁に記載の、健常者の歩行時における前記健常者の下肢部分の各関節にかかる力および各関節角度の周期的変化についてのデータなどを用いることなどが可能である。また、装着者の歩行時に生じる筋電を測定し、前記測定結果から前記装着者の歩行時における下肢部分の各関節にかかる力および各関節角度の周期的変化についてのデータを新たに作成し、前記データを前記情報として用いるなどしてもかまわない。

モータ制御プログラム（０４０７）は、回転角制御情報（０４１１）とトルク制御情報（０４１２）とに基づいて、モータ（０１０２）の回転軸に加える回転角についての情報を含むモータ制御信号（０４１４）を生成する。より具体的には、トルク制御情報（０４１２）が有する、モータ（０１０２）の駆動制御に用いるトルクの値Ｔと、回転角制御情報（０４１１）が有する、モータ（０１０２）の駆動制御による駆動角θ_２と、前述したトルクＴと回転角と駆動角との関係式Ｔ＝（θ_１−θ_２）×ｋと、を用いて、モータ（０１０２）の駆動制御により加えるべき回転角θ_１'および回転角速度を計算する。たとえば、前記モータ制御信号（０４１４）においては、前記加えるべき回転角θ_１は、モータ制御信号の単位周期当たりのパルス本数により表わされる。また、前記加えるべき回転角速度は、モータ制御信号に含まれるパルス一本一本が有する電流値により表わされる。そして、生成されたモータ制御信号（０４１４）は、Ｉ／Ｏを介して制御部の外へ送信され、モータ（０１０２）へと伝達される。

ここで図５に、本実施形態におけるモータ（０１０２）の駆動制御の流れの概要を示す。まず、モータ（０１０２）の回転軸がθ_１回転し、モータ角取得部（０１０５）が回転角θ_１を取得する（０５０１）。それに伴い、フレキシブルシャフト（０１０３）下端がθ_２回転し、駆動角取得部（０１０６）が駆動角θ_２を取得する（０５０２）。前記駆動角θ_２と駆動角参照情報（０５０３）に基づいて、制御部（０１０７）がモータ（０１０２）の駆動制御により加えるべき回転角θ_１'を計算する（０５０４）。前記計算と同時に、制御部（０１０７）が、前述したトルクＴと回転角と駆動角との関係式Ｔ＝（θ_１−θ_２）×ｋと回転軸がθ_１と駆動角θ_２とを用いて、フレキシブルシャフト（０１０３）にかかっているトルクの値Ｔを計算する（０５０５）。前記トルクの値Ｔとトルク参照情報（０５０６）とを基に、制御部（０１０７）は回転角速度を計算する（０５０７）。前記回転角θ_１'および前記回転角速度をもとに、制御部（０１０７）はモータ（０１０２）の駆動制御を行う（０５０８）。以上が、本実施形態におけるモータ（０１０２）の駆動制御の流れの概要である。

ここで、図４に例示するようなハードウエア構成を用いた場合における、モータ（０１０２）の駆動制御の流れの一例を図６に示す。先ず、モータ角取得部が回転角を取得し、回転角信号を生成する（Ｓ０６０１）。次に、駆動角取得部が駆動角を取得し、駆動角信号を生成する（Ｓ０６０２）。次に、制御部が、前記駆動角信号に基づき、回転角制御情報を生成する（Ｓ０６０３）。次に、制御部が、前記回転角信号および前記駆動角信号に基づきトルク制御情報を生成する（Ｓ０６０４）。次に、制御部が、前記回転角制御情報とトルク制御情報とに基づいて、モータ駆動信号を生成する（Ｓ０６０５）。次に、前記モータ駆動信号をモータに伝達することで、制御部が、前記モータ駆動信号に基づいてモータの駆動を制御する（Ｓ０６０６）。
<実施形態１における処理の流れ>

図７に、本実施形態にかかる歩行支援装置の動作方法における処理の流れを示す。前記動作方法は、モータ角取得ステップ（Ｓ０７０１）と、駆動角取得ステップ（Ｓ０７０２）と、制御ステップ（Ｓ０７０３）とからなる。

モータ角取得ステップ（Ｓ０７０１）は、モータ（０１０２）からモータの回転角（０１０８）を取得するステップである。すなわち、図１にかかるモータ角取得部（０１０５）における処理と同様の処理を行うステップである。

駆動角取得ステップ（Ｓ０７０２）は、関節動作補助部（０１０４）から駆動角（０１０９）を取得するステップである。すなわち、図１にかかる駆動角取得部（０１０６）における処理と同様の処理を行うステップである。

制御ステップ（Ｓ０７０３）は、モータ角取得ステップにて取得された回転角と、駆動角取得ステップにて取得された駆動角とに基づいてモータの駆動制御をするステップである。すなわち、図１にかかる制御部（０１０７）における処理と同様の処理を行うステップである。
<実施形態１の効果>

本実施形態により、装着者自身の手により動作を制御する必要のない歩行支援装置であって、自身を装着した上から着衣可能な歩行支援装置が実現する。
<<実施形態２>>
<実施形態２の概要>

本実施形態は、装着者の足裏から検知した歩行位相により駆動制御することのできる歩行支援装置に関するものである。
<実施形態２の機能的構成>

図８は、本実施形態にかかる歩行支援装置の機能ブロックを示すものである。図８に示すように、本実施形態の機能的構成は、基本的には実施形態１の機能的構成と同様であるが、圧力センサ（０８０２）を有する点、および、制御部（０８０１）がさらに歩行位相取得手段（０８０３）と歩行位相依存制御手段（０８０４）とを有する点において、実施形態１の機能的構成と異なる。

（圧力センサについての説明）圧力センサ（０８０２）は、足裏の圧力を測定する。前記圧力センサ（０８０２）には、感圧センサを用いる。また、前記圧力センサ（０８０２）は装着者の足裏に配置する。ここで、前記圧力センサ（０８０２）は、少なくとも前記装着者の足裏表面のうち母指球近傍とかかとの部分に配置する。なお、前記配置方法は、飽くまでも本実施形態にかかる圧力センサの配置方法の一例であり、この方法にのみ限定されるというものではない。圧力センサ（０８０２）は、汎用的なコネクタケーブルなどの接続手段により制御部（０８０１）と接続する。また、測定した足裏の圧力の制御部（０８０１）への伝達については、前記圧力センサ（０８０２）が装着者足裏からの圧力を検知することで生じた電位差を、前記接続手段の途中に設けられたＡ／Ｄ変換機によりＡ／Ｄ変換し、足裏圧力信号として制御部（０８０１）へと伝達する方法が一例として挙げられる。

（歩行位相取得手段についての説明）歩行位相取得手段（０８０３）は、圧力センサ（０８０２）から歩行位相を取得する。ここで、歩行位相とは、歩行者の歩行周期中における歩行タイミングのことである。歩行周期とは、前記歩行者のストライド時間のことである。「ボディダイナミクス入門 歩き始めと歩行の分析 ＣＤ−ＲＯＭ付（医歯薬出版株式会社発行 江原義弘、山基澄子著 ２００２年１０月１５日第１版第１刷発行）」１３７〜１３８頁にも記載されているように、人間の歩行動作には周期性がある。すなわち、人間の歩行動作は、限られた動作の繰り返しからなる。前記動作とは、たとえば、歩行者が自身の片足を持ち上げた状態や、自身の前足に体重をかけた状態などのことである。すなわち、歩行位相とは、前述に例示したような一つ一つの動作、および、前記各動作が歩行周期中のどの時間に行われるか、についてを指す。また、歩行位相の取得とは、演算処理装置などを用いて歩行位相を算出することである。そして、歩行位相は、圧力センサ（０８０２）において測定した装着者の足裏の圧力を用いて、コンピュータなどの演算処理装置が算出する。より具体的には、たとえば、図９に記載の、歩行支援装置（０８０６）に直線方向の歩行動作の補助をさせる際における、一つ一つの歩行補助動作に対して関節動作補助部（０８０７）に加えるべき各駆動角と、前記一つ一つの歩行補助動作の際に圧力センサ（０８０２）が測定する圧力値と、の関係例を示したデータなどを参照して行う。ここで、図９（ａ）は、前記モータ（０８０５）の制御により右足側の膝関節部分の駆動角を何度にすべきか、を表したものであり、図９（ｂ）は、前記モータ（０８０５）の制御により右足側の足首関節部分の駆動角を何度にすべきか、を表したものである。同様に、図９（ｃ）は、前記モータ（０８０５）の制御により左足側の膝関節部分の駆動角を何度にすべきか、を表したものであり、図９（ｄ）は、前記モータ（０８０５）の制御により左足側の足首関節部分の駆動角を何度にすべきか、を表したものである。図９の各グラフ下部に記載されたｔ０〜ｔ６、ｔ１'は、人間の歩行動作に係る一つ一つの動作の終了時間を示す。たとえば、ｔ０からｔ１の間は、歩行者が自身の右下腿部を持ちあげる動作を行う期間である。このように、ｔ１からｔ１'の期間からなる、一つ一つの動作の組み合わせを、周期的に繰り返すことが、人間の歩行動作の全体像をなす。そして、図９（ａ）、（ｂ）の前記ｔ０〜ｔ６、ｔ１'の下にそれぞれ記載された括弧書きの中の数字および比例式（０９０１）は、装着者右足側の感圧センサ（０８０２）のうち、母指球側に配置されたセンサが測定した圧力と、かかと側に配置されたセンサが測定した圧力と、の比をとったものである。同様に、図９（ｃ）、（ｄ）の前記ｔ０〜ｔ６、ｔ１'の下にそれぞれ記載された括弧書きの中の数字および比例式（０９０２）は、装着者右足側の感圧センサ（０８０２）のうち、母指球側に配置されたセンサが測定した圧力と、かかと側に配置されたセンサが測定した圧力と、の比をとったものである。前記括弧書きの中が比例式である場合、比例の記号「：」を挟んで左側は前記各母指球側のセンサが測定した圧力の相対値、右側は前記各かかと側のセンサが測定した圧力の相対値である。また、前記括弧書きの中が０である場合、前記各母指球側および各かかと側のセンサは双方とも圧力を検知していないことを示す。すなわち、前記括弧書きの中が０である状態において、装着者の該下肢部は歩行動作のため地面から持ち上がった状態にある、といえる。たとえば、図９の時刻ｔ２において、装着者は右足を左足より一歩踏み出した状態にある。この場合、装着者の右足後方側には、該前方側の倍の力がかかっている。よって、該かかと側に配置されたセンサが測定する圧力値は、該母指球側に配置されたセンサが測定する圧力値の倍である。この様子は、図９において、ｔ２の下部に記載された括弧書き（（１：２））によってあらわされている。したがって、前記かかと側に配置されたセンサが測定する圧力値が、前記母指球側に配置されたセンサが測定する圧力値の倍である時において、装着者の歩行タイミングは、図９におけるｔ２の状態にあることがわかる。このようにして歩行位相は算出される。なお、以上の歩行位相算出方法はあくまでも一例である。そして、前記算出された歩行位相は、演算処理装置内の記憶装置に格納される。

（歩行位相依存制御手段についての説明）歩行位相依存制御手段（０８０４）は、歩行位相取得手段（０８０３）にて取得される歩行位相にも応じてモータ（０８０５）の制御を行う。具体例としては、まず、前記歩行位相にかかる該駆動角と、前記駆動角参照情報にかかる駆動角とを比較し、前記駆動角参照情報における装着者の歩行タイミングを特定する。前記歩行タイミングをもとに、前記駆動角参照情報および前記トルク参照情報を用いて、前記回転角制御情報および前記トルク制御情報を生成する。そして、前記両制御情報を用いて前記モータ制御信号を生成する。なお、ここに示した前記モータ（０８０５）の制御は、あくまでも一例である。

ここで、本実施形態にかかる制御部（０８０１）をコンピュータなどの演算処理装置により構成した場合における、前記制御部（０８０１）のハードウエア的構成の一例を図１６および以下に示す。図１０に示したように、本実施形態にかかる制御部（０８０１）のハードウエア構成は、基本的には実施形態１のものと同様である。ただし、本実施形態にかかる制御部（０８０１）のハードウエア構成におけるメインメモリのワーク領域にはさらに歩行位相決定プログラム（１００１）が展開される。またさらに、前記メインメモリのデータ領域には、歩行位相決定プログラムにより生成される歩行位相情報（１００２）が格納される。

歩行位相決定プログラム（１００１）は、足裏圧力信号（１００４）をもとに、歩行位相決定テーブル（１００８）に基づいて歩行位相情報（１００２）を生成する。ここで、歩行位相決定テーブル（１００８）とは、足裏圧力信号（１００４）強度に対し、装着者の歩行位相がどの状態にあるか、を示すものである。この歩行位相決定テーブルについては、図９に示すような歩行支援装置（０８０６）に直線方向の歩行動作の補助をさせる際における、一つ一つの歩行補助動作に対して関節動作補助部（０８０７）に加えるべき各駆動角と、前記一つ一つの歩行補助動作の際に圧力センサ（０８０２）が測定する圧力値と、の関係例などを用いる。

本実施形態において、モータ駆動プログラム（１００５）は、回転角制御情報（１００６）と、トルク制御情報（１００７）と、歩行位相情報（１００２）とに基づいてモータ駆動信号（１００８）を生成する。本実施形態にかかるモータ駆動信号（１００８）は、前記歩行位相情報に基づいて決定された、モータ（０８０５）に加えるべき回転角θ_１および回転角速度に関する情報を含む。前記モータ駆動信号（１００８）においても、前記加えるべき回転角θ_１は、モータ制御信号の単位周期当たりのパルス本数により表わされる。また、前記加えるべき回転角速度は、モータ制御信号に含まれるパルス一本一本が有する電流値により表わされる。

ここで図９に、本実施形態におけるモータ（０８０５）の駆動制御の流れの概要を示す。
図９に示す本実施形態におけるモータ（０８０５）の駆動制御の流れの概要は、基本的には図５に示す該概要と同様である。ただし、関節動作補助部（０８０７）が駆動するのと同時に、圧力センサ（０８０２）が装着者足裏からの圧力を測定し、前記圧力をもとに歩行位相取得手段が（０８０３）が歩行位相を取得する（１１０１）点で異なる。また、制御部（０８０１）が回転角θ_１'および回転角速度を計算する際に、前記歩行位相を参照する点においても異なる。

ここで、本実施形態におけるモータ（０８０５）の駆動制御の流れの一例を図１２に示す。図１２に示すものは、基本的には図５において説明したものと基本的なところで同様である。ただし、歩行位相依存制御手段が回転角制御情報を生成するステップ（Ｓ１２０１）において、前記生成処理を駆動角信号と歩行位相とに基づき行う点において、図５において説明したものと異なる。また、歩行位相依存制御手段がトルク制御情報を生成するステップ（Ｓ１２０２）において、前記生成処理を回転角信号と駆動角信号と歩行位相とに基づき行う点において、図５において説明したものと異なる。
<実施形態４における処理の流れ>

図１３に、本実施形態にかかる歩行支援装置の動作方法における処理の流れを示す。前記動作方法は、基本的には実施形態３にかかる歩行支援装置の動作方法における処理の流れと同様である。ただし、本実施形態にかかる歩行支援装置の動作方法における処理の流れにかかる制御ステップ（Ｓ１３０１）がさらに歩行位相取得サブステップ（Ｓ１３０２）および歩行位相依存制御サブステップ（Ｓ１３０３）を有する点において、実施形態１に記載のものとは異なる。

歩行位相取得サブステップ（Ｓ１３０２）は、圧力センサから歩行位相を取得するステップである。すなわち、図８にかかる歩行位相取得手段（０８０３）における処理と同様の処理を行うステップである。

歩行位相依存制御サブステップ（Ｓ１３０３）は、歩行位相取得サブステップ（Ｓ１３０２）にて取得される歩行位相にも応じてモータの制御をするステップである。すなわち、図８にかかる歩行位相依存制御手段（０８０４）における処理と同様の処理を行うステップである。
<実施形態４の効果>

本実施形態により、装着者の足裏から検知した歩行位相により駆動制御することのできる歩行支援装置が実現する。ひいては、装着者の歩行周期に合わせた歩行補助の可能な歩行支援装置が実現する。

実施形態１にかかる歩行支援装置の機能ブロック図 実施形態１にかかる歩行支援装置を装着者が自身の右足に装着した様子の一例を示す図 図２記載の膝関節動作補助部分近傍の機構の具体例を示す図 実施形態１にかかる制御部のハードウエア的構成の一例を示す図 実施形態１におけるモータの駆動制御の流れの概要を示す図 図４に例示するようなハードウエア構成を用いた場合における、モータの駆動制御の流れの一例を示す図 実施形態１にかかる歩行支援装置の動作方法における処理の流れを示す図 実施形態２にかかる歩行支援装置の機能ブロック図 歩行支援装置に直線方向の歩行動作の補助をさせる際における、一つ一つの歩行補助動作に対して関節動作補助部に加えるべき各駆動角と、前記一つ一つの歩行補助動作の際に圧力センサが測定する圧力値と、の関係例を示す図 実施形態２にかかる制御部のハードウエア的構成の一例を示す図 実施形態２におけるモータの駆動制御の流れの概要を示す図 図１０に例示するようなハードウエア構成を用いた場合における、モータの駆動制御の流れの一例を示す図 実施形態２にかかる歩行支援装置の動作方法における処理の流れを示す図

符号の説明

０２０１ 膝関節モータ
０２０２ 足首関節モータ
０２０３ 膝関節モータおよび足首関節モータが装着者背面に設置されている様子
０２０４ 膝関節フレキシブルシャフト
０２０５ 足首関節フレキシブルシャフト
０２０６ 膝関節動作補助部分
０２０７ 足首関節動作補助部分
０２０８ 大腿部固定リンク
０２０９ 大腿部固定リンク
０２１０ 大腿部固定リンク
０２１１ 下腿部固定リンク
０２１２ 下腿部固定リンク
０２１３ 下腿部固定リンク
０２１４ 足裏支持板
０２１５ 足裏支持板
０２１６ 膝関節モータ側エンコーダ
０２１７ 足首関節モータ側エンコーダ
０２１８ 膝関節エンコーダ
０２１９ 足首関節エンコーダ

Claims (4)

1. モータと、
   モータに連結されたフレキシブルシャフトと、
   フレキシブルシャフトによって駆動される関節動作補助部と、
   モータからモータの回転角を取得するモータ角取得部と、
   関節動作補助部から駆動角を取得する駆動角取得部と、
   モータ角取得部にて取得された回転角と、駆動角取得部にて取得された駆動角とに基づいてモータの駆動制御をする制御部と、
   からなる歩行支援装置。
2. 足裏の圧力を測定する圧力センサをさらに有し、
   制御部は、圧力センサから歩行位相を取得する歩行位相取得手段と、
   歩行位相取得手段にて取得される歩行位相にも応じてモータの制御をする歩行位相依存制御手段を有する請求項１に記載の歩行支援装置。
3. モータと、
   モータに連結されたフレキシブルシャフトと、
   フレキシブルシャフトによって駆動される関節動作補助部と、
   からなる歩行支援装置の動作方法であって、
   モータからモータの回転角を取得するモータ角取得ステップと、
   関節動作補助部から駆動角を取得する駆動角取得ステップと、
   モータ角取得ステップにて取得された回転角と、駆動角取得ステップにて取得された駆動角とに基づいてモータの駆動制御をする制御ステップと、
   からなる歩行支援装置の動作方法。
4. 前記歩行支援装置は、足裏の圧力を測定する圧力センサをさらに有し、
   制御ステップは、圧力センサから歩行位相を取得する歩行位相取得サブステップと、
   歩行位相取得サブステップにて取得される歩行位相にも応じてモータの制御をする歩行位相依存制御サブステップを有する請求項３に記載の歩行支援装置の動作方法。

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