JP2010110381A - 歩行補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】歩行面の状態に応じて足装具の中立位置を変更することのできる歩行補助装置を提供する。
【解決手段】歩行補助装置１００は、下腿装具１２と足装具１４とアクチュエータ２０を備える。下腿装具１２は、使用者の下腿に取り付けられる。足装具１４は、使用者の足に取り付けられる。足装具１４は、揺動可能に下腿装具１２に連結されている。下腿装具１２と足装具１４の間に、揺動に対して復元力を与える弾性部材３０が連結されている。アクチュエータ２０は、足装具１４の中立位置を変更することができる。アクチュエータ２０を備えているので、足装具１４の中立位置を容易に変更することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、使用者の下腿と足に装着して歩行を補助する歩行補助装置に関する。特に、足首の背屈底屈方向の揺動に対して復元力を加える弾性部材を備えた歩行補助装置に関する。

使用者の下腿に取り付ける下腿装具と足に取り付けられる足装具の間に弾性部材を取り付けた歩行補助装置が例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。なお、本明細書にいう「足」は、脚の足首関節よりも先の部位を意味する。使用者が下腿に対して足を揺動させると、弾性部材が足装具を中立位置に戻す復元力を発生させる。この復元力によって、使用者は自らの力を要せずに足を中立位置に保持することができる。
これらの歩行補助装置では、足首が略直角となる姿勢が中立位置となるように弾性部材の長さが調整されている。

特開平９−１０３４４３号公報 特開平９−２０６３４７号公報

水平面を歩行する場合、足装具の中立位置は、足首関節が略直角となる姿勢が適切である。しかしながら、登り坂では、着床時の足の角度は、水平面を歩行する場合よりも背屈方向へシフトし、降り坂では水平面歩行時よりも底屈方向にシフトする。同様に、登り段差では、着床時の足の角度は、水平面を歩行する場合よりも背屈方向へシフトし、降り段差では水平面歩行時よりも底屈方向にシフトする。歩行面の状態に応じて中立位置を変更することのできる歩行補助装置が望まれている。

本発明は、使用者の下肢に取り付けられる下腿装具と足に取り付けられる足装具が揺動可能に連結されている歩行補助装置に具現化することができる。なお、そのような歩行補助装置は、下肢装具とも呼ばれる。足装具は、使用者に取り付けられたときに、使用者の足首関節と略同軸で足首の背屈底屈方向に揺動する。この歩行補助装置は、一端が下腿装具に接続されているとともに他端が足装具に接続されており、揺動した足装具を中立位置へ戻す復元力を発生する弾性部材を備えている。この歩行補助装置は、弾性部材の中立位置を変更するアクチュエータを備えていることを特徴とする。この歩行補助装置は、アクチュエータを備えることによって、歩行中であっても中立位置を変更することができる。アクチュエータは、使用者のスイッチ操作によって動作するものであってよいが、後述するように、歩行面の傾斜や段差に応じて自動的に動作することが好ましい。

弾性部材は典型的にはばねでよい。アクチュエータは典型的にはモータでよい。なお、本明細書においては、「アクチュエータ」は、その動作を制御するコントローラを含む場合がある。

本発明の歩行補助装置は、好ましくはさらに、歩行面の前後方向の傾斜を検出する傾斜角センサを備える。アクチュエータは、傾斜が登りの場合は中立位置を水平面歩行時よりも背屈方向へ移動させ、傾斜が降りの場合は中立位置を水平面歩行時よりも底屈方向へ移動させる。或いは、歩行補助装置は、傾斜角センサに変えて使用者前方の歩行面の段差を検出する段差センサを備えていてもよい。この場合、アクチュエータは、段差が登りの場合は中立位置を水平面歩行時よりも背屈方向へ移動させ、段差が降りの場合は中立位置を水平面歩行時よりも底屈方向へ移動させる。いずれの場合も、歩行補助装置は、歩行面の傾斜或いは段差に応じて中立位置が自動的に調整されるので、傾斜或いは段差における歩行を適切に補助することができる。歩行補助装置は、傾斜センサと段差センサの双方を備えていてもよい。

アクチュエータは、脚が遊脚状態にあるときに中立位置を移動させることも好ましい。そのような歩行補助装置は、歩行者の一歩毎に中立位置を調整することができる。また、脚が遊脚状態にあるときは、足首に負荷が加わっていない。従ってそのような歩行補助装置は、使用者に無用な負荷を加えることなく、中立位置を自動的に変更することができる。

歩行面の状態に応じて中立位置を変更するという技術的思想をさらに発展させると、着地前に足装具の底面と歩行面が予め決められた角度となるように中立位置を変更させる歩行補助装置を得る。そのような歩行補助装置は、足装具を装着した脚が遊脚にあるときの足装具底面と歩行面とがなす角度を計測する角度センサを備える。そして、アクチュエータは、角度センサの出力に基づいて、着地前の遊脚の足装具底面と歩行面が予め決められた角度となるように中立位置を移動させる。そのような歩行補助装置は使用者の歩行動作を一層適切に補助することができる。「予め決められた角度」は、着床タイミングにおける歩行面と足とのなす適切な角度を人間工学に基づいて決定すればよい。例えば登り段差では、「予め決められた角度」は、ゼロ、即ち、歩行面と足装具底面が略平行となる角度である。

（第１実施例）図１を参照して第１実施例の歩行補助装置１００を説明する。歩行補助装置１００は、使用者Ｕの下腿に取り付けられる下腿装具１２と使用者Ｕの足に取り付けられる足装具１４を備えている。下腿装具１２と足装具１４は、ジョイント１６で相対回転可能に連結されている。歩行補助装置１００を使用者Ｕに装着したとき、ジョイント１６の回転軸は、使用者Ｕの足首のピッチ軸とほぼ同軸に位置する。なお、ピッチ軸とは、人体の左右方向に伸びる軸を意味する。即ち、ジョイント１６は、足装具１４を背屈・底屈方向に揺動可能に下腿装具１２に連結している。なお、「背屈」は、つま先を脛に近づける方向に足を曲げることを意味し、「底屈」は、つま先を伸ばす方向に足を曲げることを意味する。

下腿装具１２には、回転軸がピッチ軸方向に伸びているモータ２０が取り付けられている。モータ２０の回転軸に、後方に伸びる支持梁２２が固定されている。支持梁２２の後方先端と足装具１４の踵部の間に、ばね３０（弾性部材）とダンパ３２が並列に連結されている。別言すれば、ばね３０の一端は下腿装具１２に連結されており、他端は足装具１４に連結されている。なお、図１は、ばね３０が自然長の状態を示している。別言すれば、下腿装具１２と足装具１４が略直角をなすときが、足装具１４の中立位置となる。このときの中立位置を基準位置と呼ぶ。中立位置は、別言すると、ばね３０が自然長となるときの下腿装具と足装具がなす角度を意味する。

歩行補助装置１００のばね３０は、揺動した足装具を中立位置へ戻す復元力を与える。ダンパ３２は、復元力が徐々に大きくなるように作用する。この歩行補助装置１００は、着床時や離床時に揺動する足に、中立位置へ戻す復元力を加えることによって歩行者の歩行を補助する。

図１に矢印でしめすように、モータ２０を回転すると、支持梁２２の先端が上下方向に動き、ばね３０の上端の位置が移動する。ばね３０上端の位置が上下に移動すると、足装具の中立位置が背屈底屈方向にシフトする。支持梁２２の先端が上方に移動すると、中立位置は基準位置よりも底屈方向にシフトする。逆に、支持梁２２の先端が下方に移動すると、中立位置が基準位置よりも背屈側にシフトする。

足装具１４には、傾斜センサ４０が取り付けられている。また、足装具１４の足底の前後に接地センサ４２ａ、４２ｂが取り付けられている。傾斜センサ４０は、鉛直方向に対する足装具１４の前後方向の傾斜角を検出する。接地センサ４２ａ、４２ｂは、足装具１４が歩行面に接地しているか否かを検知する。

歩行補助装置１０は、図示しないコントローラを備えており、傾斜センサ４０と接地センサ４２ａ、４２ｂの出力に基づいてモータ２０を制御する。歩行補助装置１０の動作を説明する。コントローラは、２つの接地センサ４２ａ、４２ｂのいずれもが歩行面との接触を検知したときの足装具１４の傾斜角を求める。傾斜角は、傾斜センサ４０の出力から求められる。

コントローラは、歩行面が水平の場合、足装具の中立位置が基準位置となるように、モータ２０の回転角、即ち、支持梁２２の回転角を制御する。歩行面が登りの場合、コントローラは、モータ２０の回転角を制御し、足装具の中立位置を基準位置よりも背屈方向へ移動させる。歩行面が降りの場合、コントローラは、モータ２０の回転角を制御し、足装具の中立位置を基準位置よりも底屈方向へ移動させる。ここで、「登り」、「降り」は、使用者の前後方向の傾斜を意味する。より具体的には、コントローラは、使用者の下腿が略鉛直方向に沿っているときの足装具１４の底面が、歩行面と略平行となるように中立位置を調整する。

歩行補助装置１００の効果を説明する。登り坂において足が接地しているとき、歩行者の足と下腿のなす角度は、水平な歩行面を歩行している場合よも小さくなる。他方、降り坂において足が接地しているとき、歩行者の足と下腿のなす角度は、水平な歩行面を歩行している場合よりも大きくなる。歩行補助装置１００は、使用者が登り坂を歩行する場合には、足装具１４の中立位置を背屈方向に移動させる。すなわちこの場合、中立位置における下腿装具１２と足装具１４のなす角度は、水平面を歩行する場合の角度よりも小さくなる。他方、歩行補助装置１００は、使用者が降り坂を歩行する場合には、足装具の中立位置を底屈方向に移動させる。すなわちこの場合、中立位置における下腿装具１２と足装具１４のなす角度は、水平面を歩行する場合の角度よりも大きくなる。この歩行補助装置１００は、中立位置を歩行面の傾斜方向と同じ方向にシフトさせることによって、歩行面の傾斜に適した中立位置を与える。

（第２実施例）図２を参照して、第２実施例の歩行補助装置２００を説明する。第２実施例の歩行補助装置１００は、傾斜センサ４０と接地センサ４２ａ、４２ｂの代わりに画像センサ５０を有している点が第１実施例の歩行補助装置１００と異なる。その他の構成は第１実施例の歩行補助装置１００と同じであるので説明を省略する。

画像センサ５０は、下腿装具１２に取り付けられている。画像センサ５０は、使用者Ｕの足前方の歩行面を撮影する。コントローラ（不図示）は、画像センサ５０が撮影した画像から、前方の段差を検出する。さらにコントローラは、前方の段差が登りの段差であるか降りの段差であるかを判断する。画像から登り段差や降り段差を検出する方法は、既知の画像処理技術を適用することによって実現できる。

コントローラとアクチュエータは、登り段差が検出された場合、中立位置を水平面歩行時よりも背屈方向へ移動させる。またコントローラとアクチュエータは、降り段差が検出された場合、中立位置を水平面歩行時よりも底屈方向へ移動させる。中立位置を変更するタイミングは、歩行補助装置２００を取り付けた足が接地する直前である。

段差を登る場合、歩行者の足と下腿のなす角度は、水平な歩行面を歩行している場合よりも小さくなっている時間が長い。他方、段差を降る場合、歩行者の足と下腿のなす角度は、水平な歩行面を歩行している場合よりも大きくなっている時間が長い。歩行補助装置２００は、使用者が段差を登る場合には、足装具１４の中立位置を背屈方向に移動させる。他方、歩行補助装置１００は、使用者が段差を降る場合には、足装具１４の中立位置を底屈に移動させる。歩行補助装置２００を装着した使用者Ｕは、段差を楽に登る（降る）ことができる。

（第３実施例）第３実施例の歩行補助装置を説明する。第３実施例の歩行補助装置は、図２に示した第２実施例の歩行補助装置２００と同じ構成を有している。本実施例の歩行補助装置は、コントローラにおける処理が第１実施例の歩行補助装置２００と異なる。画像センサ５０は、その撮像範囲に使用者Ｕの足先が含まれるように取り付けられている。即ち、画像センサ５０の映像には、着地予定面と足先が含まれる。コントローラは、画像センサ５０の画像から、着地予定面と足底面とがなす角度を計測する。画像から角度を計測する方法も既存の画像処理技術を応用すれば実現できる。使用者Ｕの足底面は、足装具１４の底面と平行である。従って、コントローラが計測する角度は、着地予定の歩行面と足装具１４の底面とがなす角度に等しい。コントローラは、計測した角度に基づいて、足装具１４の中立位置が、予め決められた角度となるようにモータ２０を制御する。「予め決められた角度」は、着床タイミングにおける歩行面と足とのなす適切な角度を人間工学に基づいて決定すればよい。例えば登り段差では、「予め決められた角度」は、ゼロ、即ち、歩行面と足装具底面が略平行となる角度である。

本実施例の歩行補助装置を用いると、使用者Ｕが足首に力を加えなくとも、着地する瞬間の歩行面に対する足底の角度が予め決められた角度に調整される。しかも、歩行面の傾斜や段差に応じて着床時の足底の角度を変更することもできる。この歩行補助装置は、歩行面の傾斜や段差に応じて、着床時の足底を適切な角度に調整する。この歩行補助装置は、歩行面が登り坂であっても降り坂であっても、足が円滑に着地するように使用者Ｕを補助することができる。

上記説明した実施例の歩行補助装置の変形例を説明する。歩行補助装置は、画像センサ５０に代えて複数の距離センサを備えていてもよい。複数の距離センサによっても、前方の段差の有無や、歩行面の傾斜を計測することができる。

次に、図３と図４を参照して、歩行補助装置の機構の変形例を説明する。なお、図３と図４では、歩行補助装置が備えるべきセンサは図示を省略している。図３と図４の歩行補助装置は、第１実施例の歩行補助装置１００が備えたセンサ４０、４２ａ、４２ｂを備えていればよい。或いは図３と図４の歩行補助装置は、第２実施例の歩行補助装置２００が備えた画像センサ５０を備えていてもよい。

図３に示す歩行補助装置３００は、下肢の後側にばね３３０ａとダンパ３３２ａを備えるとともに、下肢の前側にばね３３０ｂと３３２ｂを備える。ばね３３０ａとダンパ３３２ａは、第１実施例の歩行補助装置１００におけるばね３０とダンパ３２と同じである。モータ２０の回転軸に、下肢の前後方向に直線的に伸びる支持梁３２２が取り付けられている。支持梁３２２の後端にばね３３０ａとダンパ３３２ａが取り付けられており、支持梁３２２の前端にばね３３０ｂとダンパ３３２ｂが取り付けられている。ばね３３０ｂとダンパ３３２ｂは、ジョイント１６よりも前方で足装具１４に連結されている。すなわち、ばね３３０ａと３３０ｂが、ジョイント１６の回転軸の両側に配置されている。

モータ２０の回転軸は、支持梁３２２をその長手方向の中央で支持している。支持梁３２２の前端が下がると後端が上がる。このとき支持梁３２２の前端と後端は同じ距離だけ移動する。

図４に示す歩行補助装置４００は、図３のモータ２０の代わりに直動アクチュエータ４２０を備えている。直動アクチュエータ４２０は、使用者Ｕの膝の後で下腿装具１２に固定されている。直動アクチュエータ４２０の直動軸が支持梁３２２に連結している。直動アクチュエータ４２０が、支持梁３２２を回転させる。

図１に示した歩行補助装置１００の機構を図３や図４に示した機構に置き換えても本発明の効果を奏することができる。また、図２に示した歩行補助装置２００の機構を図３や図４に示した機構に置き換えても本発明の効果を奏することができる。

上記の実施例の歩行補助装置は、モータの回転角を指定するスイッチを備えていてもよい。使用者がスイッチを操作して、希望する中立位置に調整することができる。スイッチを備える歩行補助装置は、センサを備えてなくともよい。

実施例の歩行補助装置の好適な変形例を説明する。図３と図４に示した機構では、下肢の前後にばねを配置した。それぞれのばねは、支持梁の前後端に支持されている。このとき、支持梁の回転中心から前端までの距離と後端までの距離が等しくなっている。従って、図３と図４に示した機構では、一方のばねの伸び量が他方のばねの縮み量に等しい。そのような構成に代えて、支持梁の回転中心から支持梁の前端までの距離が、後端までの距離と異なっていてもよい。

また、下肢の前後にばねを配置する場合、それぞれのばねが、中立位置から圧縮方向あるいは伸張方向のいずれか一方にのみ力を発生する機構を備えていることも好ましい。たとえば、ばねと足装具の連結部材、或いは、ばねと下腿装具の連結部材の少なくとも一方をワイヤで構成することによって、圧縮方向には力が作用しない機構を実現することができる。このとき、下腿前後のばねのばね定数が異なっているとよい。そのような機構を装備することによって、背屈方向と底屈方向で異なる力を発生させることができる。

また、下腿の前後にばね定数の異なるばねを配置してもよい。或いは、下腿の前後に減衰係数の異なるダンパを配置してもよい。

また、初期角度から一定力を加えないと伸び縮みしないような非線形の弾性特性を有するばねを配置することも好適である。そのようなばねを配置することによって、自然底屈を避けることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、足装具と下腿装具をつなぐ弾性部材は、コイルばねの代わりにつるまきばねであってもよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例の歩行補助装置の模式図を示す。 第２実施例の歩行補助装置の模式図を示す。 歩行補助装置の機構の変形例を示す。 歩行補助装置の機構の別の変形例を示す。

符号の説明

１０：歩行補助装置
１２：下腿装具
１４：足装具
１６：ジョイント
２０：モータ
２２：支持梁
３０：ばね
３２：ダンパ
４０：傾斜センサ
４２ａ、４２ｂ：接地センサ
３０：コントローラ
３２：報知モジュール
４０：ヘッドフォン
４２：腕動作センサ

Claims (5)

1. 使用者の下腿に取り付けられる下腿装具と、
   使用者の足に取り付けられ、下腿装具に揺動可能に連結されている足装具と、
   一端が下腿装具に接続されているとともに他端が足装具に接続されており、揺動した足装具を中立位置へ戻す復元力を発生する弾性部材と、
   弾性部材のいずれか一方の端部の位置を移動させて中立位置を変更するアクチュエータと、
   を備えていることを特徴とする歩行補助装置。
2. 歩行面の前後方向の傾斜を検出する傾斜角センサを備えており、
   アクチュエータは、傾斜が登りの場合は中立位置を水平面歩行時よりも背屈方向へ移動させ、傾斜が降りの場合は中立位置を水平面歩行時よりも底屈方向へ移動させることを特徴とする請求項１に記載の歩行補助装置。
3. 使用者前方の歩行面の段差を検出する段差センサを備えており、
   アクチュエータは、段差が登りの場合は中立位置を水平面歩行時よりも背屈方向へ移動させ、段差が降りの場合は中立位置を水平面歩行時よりも底屈方向へ移動させることを特徴とする請求項１に記載の歩行補助装置。
4. アクチュエータは、脚が遊脚状態にあるときに中立位置を移動させることを特徴とする請求項２又は３に記載の歩行補助装置。
5. 使用者の下腿に取り付けられる下腿装具と、
   使用者の足に取り付けられ、下腿装具に揺動可能に連結されている足装具と、
   一端が下腿装具に接続されているとともに他端が足装具に接続されており、揺動した足装具を中立位置へ戻す復元力を発生する弾性部材と、
   弾性部材のいずれか一方の端部の位置を移動させて中立位置を変更するアクチュエータと、
   足装具を装着した脚が遊脚状態にあるときの足装具底面と歩行面とがなす角度を計測する角度センサと、を備えており、
   アクチュエータが、着地前の遊脚の足装具底面と歩行面が予め決められた角度となるように中立位置を移動させることを特徴とする歩行補助装置。

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