JP2010142558A - 歩行補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザの歩き出しから適切に歩行動作を補助することができる歩行補助装置を提供する。
【解決手段】歩行補助装置は、ユーザの脚に沿って装着される脚装具と、ユーザの重心位置を検出する重心センサと、脚装具を制御するコントローラを備える。脚装具は、脚の関節にトルクを加えるモータを有している。コントローラは、ユーザの脚の関節角が目標角に追従するように脚装具を制御する。このコントローラは、重心位置の横方向の移動量に応じた目標角を生成する。この歩行補助装置は、ユーザが一歩踏み出そうとするときの体重移動と足の動きの関係によくマッチしたトルクを脚の関節に加えることができ、歩き出しから適切に歩行動作を補助する。
【選択図】図７

Description

本発明は、ユーザの脚にトルクを与えて歩行動作を補助する歩行補助装置に関する。特に、ユーザの一歩目の踏み出しから適切に歩行動作を補助することができる歩行補助装置に関する。

ユーザの脚に装着し、脚の関節にトルクを加えることによってユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置が研究されている。例えば、特許文献１や特許文献２に、そのような歩行補助装置の一例が開示されている。

特開２００７−１３０１７２号公報 特開平７−１６３６０７号公報

歩行動作とは、左右の脚の周期的な動きである。例えば、歩行動作に合わせてユーザの膝関節にトルクを加える歩行補助装置は、膝関節の角度が周期的な目標軌道に追従するようにトルクを加えればよい。

これまでの歩行補助装置は、左右の脚を交互に振り出す定常的周期的な歩行動作の補助に主眼が置かれていた。歩行補助装置は、定常的周期的な歩行動作を示す歩行パターンのデータを有していることがある。歩幅や歩行速度など、歩行パターンを特徴付けるパラメータは時々刻々変化する。歩行補助装置は、前回の歩行周期におけるそれらのパラメータに基づいて歩行パターンを補正していくことによって、ユーザの歩行動作を適切に補助することができる。

しかしながら、立ち止まっているユーザが最初の一歩を踏み出すときの脚の動きは、定常的周期的な歩行動作における脚の動きとは異なる。いずれか一方の脚を自由に動かすことができないユーザは、通常、不自由な脚から最初の一歩を踏み出す。両脚が不自由なユーザは、必ず患脚から一歩を踏み出す。なお、本明細書では、ユーザが自由に動かすことできない脚を患脚（ａｆｆｅｃｔｅｄ ｌｅｇ）と称し、自由に動かすことのできる脚を健常脚（ｓｏｕｎｄ ｌｅｇ）と称する。患脚の最初の一歩は、その動きを予め予想することが難しいため、定常的周期的な歩行動作に基づく制御では適切に補助することができない。本発明は、上記課題に鑑みて創作された。本発明は、ユーザの歩き出しから適切に歩行動作を補助することができる歩行補助装置を提供することを目的とする。

ユーザが歩行せずに立ち姿勢で停止しているとき、水平面内におけるユーザの重心位置は両足のほぼ中央に位置する。ユーザが一歩踏み出すとき、ユーザの重心は立脚側に移動する。一歩踏み出そうと一方の脚を上げるとき、ユーザの重心位置は徐々に他方の足側へ移動する。踏み出す動作を止める場合、一旦上げた脚を再度接地する。このとき、他方の足側へ移動していた重心位置は、両足の間へ戻る。すなわち、一歩踏み出すときの脚の動きは、ユーザの重心位置の横方向の移動量と一意の関係がある。

本発明は、上記の知見に基づいて創作された。本発明に係る歩行補助装置は、ユーザの脚に沿って装着される脚装具と、ユーザの重心位置を検出する重心センサと、脚装具を制御するコントローラを備える。脚装具は、脚の関節にトルクを加えるアクチュエータを有している。センサは、少なくとも、ユーザの重心の水平面内における位置を検出できればよい。以下では、「水平面内における重心位置」を単に「重心位置」と表現する。コントローラは、ユーザの脚の関節角度が目標角に追従するように脚装具を制御する。このコントローラは、重心位置の横方向の移動量に応じた目標角を生成する。より具体的には、コントローラは、重心の横方向の位置が一方の足に近づくにつれて他方の足を（鉛直）上方へ移動させる目標関節角を生成する。ここで、「横方向」は、ユーザの体側方向を意味する。

重心センサは、両足裏に備えられた圧力センサでよいし、ユーザの脚の各関節角度を計測する角度センサ群であってもよい。ユーザの体格構造が既知であれば、脚の各関節角度からユーザの姿勢を特定し、重心位置を推定できる。また、重心センサは、ユーザのＺＭＰを計測するものであってもよい。一方を踏み出すときのＺＭＰの位置は、重心の位置が支配的である。従って、本発明を実現するに際しては、「ＺＭＰ位置」は、「重心位置」と実質的に同義に扱える。

上記の歩行補助装置は、ユーザが重心位置を一方の足へ近づけると他方の足を上方へ移動するように脚の関節にトルクを加える。重心位置を元に戻すと、他方の足は下方へ戻される。この歩行補助装置は、ユーザが一歩踏み出そうとするときの体重移動と足の動きの関係によくマッチしたトルクを脚の関節に加える。この歩行補助装置は、ユーザが定常的な歩行動作に移る前の、停止している状態から一歩を踏み出すときの動作を適切に補助することができる。また、ユーザが一歩を踏み出そうとして思い止まり、もとの停止状態に戻る場合でも、この歩行補助装置は、重心位置が元の位置に近づくにつれて足が下がるようにトルクを調整する。そのような歩行補助装置の動作は、歩行動作の周期的な目標軌道に沿って関節にトルクを加える従来の装置では実現できなかったものである。

ユーザは、一歩を踏み出した後、周期的な歩行動作に移る。従って歩行補助装置は、ユーザの一歩の踏み出し動作から周期的な歩行動作への移行を検知し、周期的な歩行動作を補助する制御モードに移行すると好適である。以下の技術的特徴を備えることによって、周期的な歩行補助モードへ円滑に移行できる歩行補助装置が実現する。即ち、歩行補助装置は、ユーザの両足間の前後方向距離を検出する脚センサを備える。コントローラは、重心位置の横方向の移動量に応じた目標角を生成する足踏み制御モードと、周期的な歩行パターンに基づいて目標角を生成する周期的歩行補助モードを切り替えることができる。コントローラは、足踏み制御モードを実行している間に、前後方向距離が距離閾値を超えた場合に周期的歩行補助モードに切り替える。

本発明の歩行補助装置は、ユーザの一歩目の歩き出しから適切に歩行動作を補助することができる。

図面を参照して実施例の歩行補助装置１０を説明する。図１に、歩行補助装置１０の概要図を示す。図１（Ａ）は正面図を示し、図１（Ｂ）は側面図を示す。本実施例では、ユーザは左膝関節を自由に動かすことができないとする。歩行補助装置１０は、ユーザの左膝関節に適切なトルクを加えてユーザの歩行動作を補助する。

歩行補助装置１０は、ユーザの右脚に沿って装着される右脚装具１２Ｒと左脚に沿って装着される左脚装具１２Ｌを有する。脚装具１２Ｒ、１２Ｌは、支持リンク３０によって連結されている。

左脚装具１２Ｌを詳しく説明する。左脚装具１２Ｌは、ユーザの大腿部から下腿部に沿って左脚の外側に装着される。左脚装具１２Ｌは、上部リンク１４Ｌ、下部リンク１６Ｌ、及び足底リンク１８Ｌを有する多リンク機構である。上部リンク１４Ｌの上端が腰ジョイント２０ａＬを介して支持リンク３０に連結されている。下部リンク１６Ｌは、膝の外側に位置する膝ジョイント２０ｂＬによって、上部リンク１４Ｌに連結されている。足底リンク１８Ｌは、ユーザの踝の外側に位置する足首ジョイント２０ｃＬによって、下部リンク１６Ｌに揺動可能に連結されている。上部リンク１４Ｌは、ベルトでユーザの大腿部に固定される。下部リンク１６Ｌは、ベルトでユーザの下腿部に固定される。足底リンク１８Ｌは、ベルトでユーザの足底に固定される。足底リンク１８Ｌを固定するベルトは、図示を省略している。支持リンク３０は、ユーザの体幹（腰）に固定される。

ユーザが左脚装具１２Ｌを装着すると、腰ジョイント２０ａＬ、膝ジョイント２０ｂＬ、及び、足首ジョイント２０ｃＬは夫々、ユーザの股関節のピッチ軸、膝関節のピッチ軸、及び、足首関節のピッチ軸と同軸に位置する。即ち、左脚装具１２Ｌは、ユーザの左脚の動きに応じて揺動することができる。各ジョイントには、リンク間の角度を検出するためのエンコーダ２１が取り付けられている。以下では、リンク間の角度をジョイントの角度と別言する。また、各ジョイントに取り付けられているエンコーダ群２１を脚センサ２１と総称する。

足底リンク１８Ｌの足底面には、複数の圧力センサ２２ａ、２２ｂが取り付けられている。図１（Ｂ）に示すように、複数の圧力センサは、足底リンク１８Ｌの前方と後方に離間して取り付けられている。圧力センサ２２ａは、足底リンク１８Ｌの前方に取り付けられており、圧力センサ２２ｂは、足底リンク１８Ｌの後方に取り付けられている。前方の圧力センサ２２ａは、ユーザの拇指球に相当する位置に取り付けられており、後方の圧力センサ２２ｂはユーザの踵に相当する位置に取り付けられている。以下では、２つの圧力センサ２２ａと２２ｂを、圧力センサ２２と総称する。圧力センサ２２は、足底リンク１８Ｌと歩行面との接地を検知するとともに、足底リンク１８Ｌが歩行面から受ける圧力の分布を検出する。

膝ジョイント２０ｂＬには、モータ３２（アクチュエータ）が取り付けられている。モータ３２は、ユーザの膝関節の外側に位置する。モータ３２は、上部リンク１４Ｌに対して下部リンク１６Ｌを回転させることができる。即ちモータ３２は、ユーザの左膝関節にトルクを加えることができる。

右脚装具１２Ｒは、モータ３２を除いて、左脚装具１２Ｌと同じ構造を有している。

コントローラ４０は、脚センサ２１（エンコーダ２１）、及び圧力センサ２２の出力に基づいて、モータ３２を制御する。コントローラ４０のブロック図を図２に示す。コントローラ４０は、記憶装置４２、管理モジュール４４、及び、ドライバモジュール４６を備える。記憶装置４２には、周期的目標角パターンと重心依存目標角パターンが記憶されている。周期的目標角パターンは、歩行時の左膝関節の目標軌道である。重心依存目標角パターンは、ユーザの横方向（ユーザ体側方向）の重心位置と膝関節の目標角との関係を規定している。管理モジュール４４は、脚センサ２１と圧力センサ２２の出力に基づいて、周期的目標角パターンと重心依存目標角パターンのいずれか一方を選択するとともに、選択されたパターンに基づいて膝目標角を生成する。生成された膝目標角と脚センサ２１が検出する膝計測角の差分がドライバモジュール４６に入力される。ドライバモジュール４６は、差分がゼロとなるようにモータ３２を制御する。即ち、コントローラ４０は、ユーザの左膝が膝目標角に追従するようにモータ３２を制御し、左膝にトルクを加える。

図３〜図６を参照して、周期的目標角パターンと重心依存目標角パターンの一例を説明する。図３は重心依存目標角パターンを示している。図３の横軸は、ユーザの重心位置の横方向の位置Ｘを示しており、縦軸は膝目標角Ａを示している。膝目標角Ａの定義を、図５に示す。膝目標角Ａは、左上部リンク１４Ｌと左下部リンク１６Ｌのなす角度に相当する。別言すれば、膝目標角Ａは、左膝ジョイント２０ｂＬの角度である。膝目標角Ａ＝１８０度が、膝を伸ばした状態に対応する。膝目標角Ａが小さくなるほど膝が曲がることを意味する。

重心位置Ｘの定義を図６に示す。図６の上方がユーザの前方に相当し、図６の下方がユーザの後方に相当する。図６の符号ＧＰが重心を示す。重心位置Ｘは、左右足底リンク１８Ｌ、１８Ｒの横方向の中間位置を原点とする座標系における重心位置の横方向距離に相当する。重心位置Ｘが大きくなるほど、重心位置が左足から右足へ移動することを示す。

図３に示す通り、重心位置Ｘが大きくなるほど、膝目標関節Ａは小さくなる。即ち、重心位置が右側に移動するほど、左膝を曲げる方向に膝目標角Ａがシフトする。別言すれば、重心位置が右側に移動するほど、左足を上げる方向に膝目標角Ａがシフトする。一般的に表現すると、重心依存目標角パターンは、膝目標角と重心位置の関係を規定しており、重心の歩行方向の位置が一方の足に近づくにつれて他方の足を鉛直上方へ移動させるように他方の脚の膝目標角Ａが変化する。ただし、距離Ｘ≦Ｐ１の範囲、及び、Ｐ２≦距離Ｘの範囲は不感帯である。位置Ｐ２は、重心位置Ｘが左足底リンク１８Ｌの領域内に入る位置に相当する。重心位置が左足底リンク１８Ｌ内に入れば、ユーザは右脚のみで立つことができる。別言すれば、重心位置が左足底リンク１８Ｌ内に入れば、ユーザは左脚を浮かせてもバランスを保つことができる。コントローラ４０は、重心依存目標角パターンを選択している場合、図３に示すパターンに基づいて、重心位置Ｘから膝目標角Ａを決定する。

図４は周期的目標角パターンを示している。図４の横軸は時間を示しており、縦軸は膝目標角Ａを示している。Ｔ０は、左脚の離床タイミングに相当する。Ｔ２は、左脚の着床タイミングに相当する。左脚が着床するとき、膝目標角Ａ＝１８０となり、左膝が最も伸びる。Ｔ０からＴ２までの期間が、左脚が浮いている期間（遊脚期間）に相当する。Ｔ１は、左膝が最も屈曲したタイミングに相当する。このとき、左膝の位置が右膝の位置と横方向に概ね並ぶ。Ｔ３は右脚の離床タイミングに相当し、Ｔ４は右脚の着床タイミングに相当する。Ｔ５は左脚の離床タイミングに相当する。すなわち、Ｔ０からＴ５までのパターンが周期的に続く。なお、図４のグラフは、周期的目標角パターンの形状を模式化して示しているにすぎず、実際の周期的目標角パターンはさらに複雑な軌道を描く。コントローラ４０は、周期的目標角パターンを選択している場合、図５に示す周期的パターンに基づいて、各時刻の膝目標角Ａを決定する。足の位置と脚関節の間には一意の対応関係があるので、周期的目標角パターンは、歩行時の足の軌道を記した歩行パターンで表現されていてもよい。

前述したように、コントローラ４０は、管理モジュール４４が生成した膝目標角Ａにユーザの左膝の角度が追従するようにモータ３２を駆動する。重心依存目標角パターンに基づいて膝目標角Ａを生成するときの制御を足踏み制御モードと称し、周期的目標角パターンに基づいて膝目標角Ａを生成するときの制御を周期的歩行補助モードと称する。

図７にコントローラ４０が実行する処理のフローチャートを示す。図７のフローチャートは、ユーザが立ち止まっているときからスタートする。コントローラ４０は、足踏み制御モードでスタートする。コントローラ４０はまず、脚センサ２１と圧力センサ２２のデータを取得する（Ｓ１０）。圧力センサ２２は、両方の足底リンク１８Ｌ、１８Ｒの下面に加わっている圧力分布を計測している。コントローラ４０は、圧力センサ２２が計測した圧力分布に基づいて、ユーザの重心の横方向位置を算出する。同時にコントローラ４０は、脚センサ２１のデータに基づいて、両足間の前後方向の距離を算出する（Ｓ１２）。次にコントローラ４０は、重心の横方向位置に基づいて膝目標角を生成し出力する（Ｓ１４）。前述したようにこのときコントローラ４０は、重心依存目標角パターンを参照して、重心の横方向位置から膝目標角を決定する。コントローラ４０は、足間距離が距離閾値を超えるまで上記ステップＳ１０−Ｓ１４のループを繰り返す（Ｓ１６：ＮＯ）。

コントローラ４０は、足間距離が距離閾値を超えると、制御モードを周期的歩行補助モードに切り替える（Ｓ１６：ＹＥＳ、Ｓ１８）。制御モードに切り換わると、それまで重心位置に応じて決定されていた膝目標角が、周期的に変化する周期的目標角パターンに基づいて決定される。

足踏み制御モードでは、ユーザが重心を右方向へ移動すると、その移動量に応じて左足を上げる方向に膝目標角が生成され、その膝目標角にユーザの左膝関節角が追従するように左膝関節にトルクが加えられる。歩行を開始するとき、ユーザは、自らの意思でゆっくり重心を移動させればよい。ユーザが重心を右足側へ移動させると、ユーザの左膝を持ち上げる方向にトルクが加えられる歩行補助装置１０は、ユーザの重心の移動量に合わせて左膝関節にトルクを加える。この歩行補助装置１０は、歩き出しの一歩目の動きを適切に補助する。

ユーザが歩行開始の動作を中止したい場合、重心を左右の足の中心に戻すと左膝に加えられていたトルクが弱まり、左足が下がる。

距離閾値は、コントローラ４０が予め記憶している。距離閾値は、例えは３０ｃｍに設定されている。両足間の距離が３０ｃｍ以上の場合は、ユーザが一歩前に踏み出したこと示す。そのタイミングで、歩行補助装置１０は、足踏み制御モードから周期的歩行補助モードに切り替える。ユーザの歩行開始の動作に合わせて、足踏み制御モードから周期的歩行補助モードへ円滑に自動的に切り換わる。

実施例の歩行補助装置の特徴を以下にまとめる。コントローラは、ユーザの脚の関節角度が目標角に追従するように脚装具を制御する。コントローラは、ユーザが周期的な歩行動作を開始する前に、ユーザの横方向の重心移動量に応じた目標角を生成する足踏み制御モードを実行する。コントローラは、足踏み制御モードを実行している間に、両足の前後方向距離が距離閾値を超えた場合に、周期的歩行補助モードに切り替える。ここで、足踏み制御モードは、重心の左右方向位置の中心位置からの移動量に応じて、重心位置が離れる側の足を上方に移動させる目標角を生成する。周期的歩行補助モードは、歩行動作の周期的な脚の軌道に基づく脚関節の目標角を生成する。

実施例の歩行補助装置は、一方の脚のみが患脚のユーザに適しているが、両足の関節にトルクを与える歩行補助装置へも容易に展開できる。トルクを与える関節は、膝関節に限られない。歩行補助装置は、足首関節にトルクを加える装置であってもよいし、股関節にトルクを加える装置であってもよい。

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。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。

歩行補助装置の概略図である。 コントローラのブロック図である。 重心依存目標角パターンの例を示す図である。 周期的目標角パターンの例を示す図である。 膝目標角の定義を説明する図である。 重心位置の定義を説明する図である。 制御フローチャートを示す図である。

符号の説明

１０：歩行補助装置
１２Ｒ、１２Ｌ：脚装具
１４Ｒ、１４Ｌ：上部リンク
１６Ｒ、１６Ｌ：下部リンク
１８Ｒ、１８Ｌ：足底リンク
２０：ジョイント
２１：エンコーダ
２２：圧力センサ
３０：支持リンク
３２：モータ
４０：コントローラ

Claims (2)

1. ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であり、
   ユーザの脚に沿って装着され、脚の関節にトルクを加える脚装具と、
   ユーザの重心位置を検出する重心センサと、
   ユーザの脚の関節角度が目標角に追従するように脚装具を制御するコントローラと、を備えており、
   コントローラは、重心位置の横方向の移動量に応じた目標角を生成することを特徴とする歩行補助装置。
2. ユーザの両足間の前後方向距離を検出する脚センサをさらに備え、
   コントローラは、重心位置の横方向の移動量に応じた目標角を生成する足踏み制御モードと、周期的な歩行パターンに基づいて目標角を生成する周期的歩行補助モードを切り替え可能であり、足踏み制御モードを実行している間に、前記前後方向距離が距離閾値を超えた場合に周期的歩行補助モードに切り替えることを特徴とする歩行補助装置。

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