JP2010148637A - 歩行補助装置 - Google Patents

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Shuhei Manabe
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Abstract

【課題】遊脚状態終了タイミングを誤判断なく決定し、ユーザの歩行に応じて適切に制御を切り替え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、遊脚の接地センサが接地を検出したときに、接地の足に対する遊脚の足の相対速度が速度閾値を超えている場合には遊脚制御モードを継続し、相対速度が速度閾値以下の場合には制御モードを接地脚用モードに切り替える。この歩行補助装置は、遊脚状態終了タイミングを判定するのに、接地センサの出力に加えて、立脚の足に対する遊脚の足の相対速度を参照する。接地センサが接地を検知しても、足の相対速度が速度閾値を超えている場合には、遊脚状態終了タイミングと判断しない。そのような構成によって、遊脚状態終了タイミングの誤判断を防止し、適切なタイミングで遊脚制御モードから接地脚制御モードへ切り替えることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、脚の関節にトルクを与えることによってユーザの歩行を補助する歩行補助装置に関する。本明細書では、ユーザが自由に動かすことのできる脚を健常脚(sound leg)と称し、自由に動かすことできない脚を患脚(affected leg)と称する。
患脚の関節にトルクを与えることによってユーザの歩行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には、健常脚の動きと同じになるように患脚の関節にトルクを与える歩行補助装置が開示されている。
また、本明細書は、ユーザの脚が遊脚状態から接地状態に移行するタイミングを検出する技術を提供するが、従来、そのようなタイミングを検出するために、足裏に接地センサが備えられていた(例えば、特許文献2)。
特開2003−116893号公報 特開平7−163607号公報
歩行補助装置は、ユーザの脚が遊脚状態にあるか接地状態にあるかで制御則(制御モード)を切り替えることがある。従って、歩行補助装置は、ユーザの脚が遊脚状態から接地脚状態に移行するタイミングを検知する必要がある。以下では、遊脚状態から接地脚状態に移行するタイミングを遊脚状態終了タイミングと称する。前述したように、従来は、足裏に備えられた接地センサの信号に基づいて遊脚状態終了タイミングを検知していた。
しかしながら、ユーザが意図せずに、揺動中の遊脚の足が床を掠ることがある。遊脚の足が床を掠るとき、接地センサが接地を検知する。遊脚の足が床を掠っても遊脚状態は続いているので、このタイミングを遊脚状態終了タイミングと判断することは好ましくない。接地センサのみの情報から遊脚状態終了タイミングを決定すると、誤判断が発生する虞がある。本発明は上記の課題に鑑みて創作された。本発明の目的は、遊脚状態終了タイミングの誤判断を防止する技術、及び、その技術を適用してユーザの歩行に応じて適切に制御を切り替えることができる歩行補助装置を提供することにある。
本発明の歩行補助装置は、脚センサ、接地センサ、アクチュエータ、及びコントローラを備える。脚センサは、ユーザの脚の動きを検出する。接地センサは、ユーザの足裏に配置されている。アクチュエータは、ユーザの脚にトルクを加える。コントローラは、ユーザの脚が遊脚状態か否かに応じてアクチュエータの制御モードを切り替える。コントローラは、遊脚の接地センサが接地を検出したときに、接地していた足に対する遊脚の足の相対速度が速度閾値を超えている場合には遊脚状態が継続していると判断し、前記相対速度が速度閾値以下の場合には遊脚状態が終了したと判断する。即ち、コントローラは、遊脚の接地センサが接地を検出したときに、接地していた足に対する遊脚の足の相対速度が速度閾値を超えている場合には遊脚制御モードを継続し、相対速度が速度閾値以下の場合には制御モードを接地脚制御モードに切り替える。速度閾値は予め与えられている。ここで、「接地していた足」とは「後側の足」と換言してもよい。
本発明の歩行補助装置は、遊脚状態終了タイミングを判定するのに、接地センサの出力に加えて、立脚の足に対する遊脚の足の相対速度を参照する。接地センサが接地を検知しても、足の相対速度が速度閾値を超えている場合には、遊脚状態終了タイミングと判断しない。そのような構成によって、遊脚状態終了タイミングの誤判断を防止し、適切なタイミングで遊脚制御モードから接地脚制御モードへ切り替えることができる。なお、相対速度が速度閾値に等しい場合に遊脚制御モードを継続するか制御モードを切り替えるかは、任意に選択してよい。本発明では、接地が検知されているにも関わらずに、遊脚制御モードを継続するための速度閾値を設けた点に特徴がある。
遊脚の足の相対速度だけでなく、接地センサが作動したときの接地脚の足に対する遊脚の足の前後方向の相対位置を測定すると、さらに歩行終了のタイミングを決定することができる。歩行終了のタイミングを決定することができると、ユーザが歩行停止を意図したときにユーザの行動にさらにすばやく応じることのできる歩行補助装置を実現することができる。即ち、コントローラは、遊脚の接地センサが接地を検出したときの両足の前後方向の距離が距離閾値以上の場合に歩行継続用の接地脚制御モードに切り替え、当該距離が距離閾値を下回っている場合に歩行停止用の接地脚制御モードに切り替えることが好ましい。なお、両足の前後後方の距離が距離閾値に等しい場合に歩行継続用の接地脚制御モードに切り替えるか否かは、任意に選択してよい。本発明では、歩行停止用の制御モードに切り替えるための距離閾値を設けた点に特徴がある。
本発明の歩行補助装置は、遊脚状態終了タイミングを誤判断なく決定し、ユーザの歩行に応じて適切に制御を切り替えることができる。
実施例の装置の技術的特徴を述べる。接地脚制御モードは、体重を支えるためのトルクを脚に加える制御である。遊脚制御モードは、例えば、脚を前へ振り出す動作を補助するトルクを脚に加える制御である。従って、遊脚制御モードでは、接地脚制御モードの場合よりもアクチュエータの角度制御の角度ゲインが小さい。なお、「角度ゲイン」は、脚の関節角を目標関節角に追従させるためのゲインに相当する。即ち、実施例の歩行補助装置は、遊脚の接地センサが接地を検出し、かつ、接地していた足(後ろ側の足)に対する遊脚の足の相対速度が速度閾値以下の場合に、制御モードを遊脚制御モード時の角度ゲインよりも大きい角度ゲインを有する接地脚制御モードに切り替える。端的に表現すると、実施例の歩行補助装置は、遊脚の接地センサが接地を検出し、かつ、接地していた足に対する遊脚の足の相対速度が速度閾値以下の場合に、アクチュエータ制御の角度ゲインを変更する。
図面を参照して実施例の歩行補助装置を説明する。図1に、ユーザが装着した歩行補助装置10の模式図を示す。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、左脚の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、ユーザの歩行動作を補助する。
歩行補助装置10は、右脚装具12Rと左脚装具12Lからなる。右脚装具12Rは、ユーザの大腿部から下腿部に沿って脚の外側に装着される。右脚装具12Rは、上部リンク14R、下部リンク16R、及び足リンク26Rを有する。左右の脚装具12R、12Lは、支持バー30によって連結されている。支持バー30は、ユーザの背中側に配置され、右脚装具12Rの上端と左脚装具12Lの上端を連結している。
上部リンク14Rの上端が腰ジョイントを介して支持バー30に連結されている。上部リンク14Rの角度を検出する腰エンコーダ22Rが、腰ジョイントに取り付けられている。下部リンク16Rは、膝の外側に位置する膝ジョイントによって、上部リンク14Rに連結されている。下部リンク16Rの角度を検出する膝エンコーダ20Rが、膝ジョイントに取り付けられている。足リンク26Rは、足首の外側に位置する足首回転ジョイントによって、下部リンク16Rに揺動可能に連結されている。足リンク26Rの角度を検出する足首エンコーダ24Rが、足首回転ジョイントに取り付けられている。
上部リンク14Rは、ベルトでユーザの大腿部に固定される。下部リンク16Rは、ベルトでユーザの下腿部に固定される。足リンク26Rは、ベルトでユーザの足に固定される。なお、図1では、足リンク26Rを固定するベルトの図示を省略している。
足リンク26Rの足底には、接地センサ28Rが取り付けられている。図1(B)に示すように、接地センサは、足リンクの前方と後方に夫々取り付けられている。
左脚装具12Lの構造は、右脚装具12Rの構造と同じであるので説明を省略する。ただし、左脚装具12Lは、モータ32を備える。モータ32は、左脚装具12Lの膝ジョイントに備えられており、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。
支持バー30にはコントローラ40が取り付けられている。コントローラ40の内部には、傾斜センサ27が備えられている。傾斜センサ27は、ユーザの体幹の絶対的な傾斜角を検出する。即ち、傾斜センサ27は、体幹の鉛直方向に対する傾斜角(絶対傾斜角)を検出する。各ジョイントに取り付けられているエンコーダ群を脚センサ20と総称する場合がある。また、左右の足リンク26L、26Rの夫々に取り付けられている接地センサ群を接地センサ28と総称する場合がある。
コントローラ40は、傾斜センサ27、脚センサ20、及び接地センサ28の出力に基づいて、モータ32を制御する。具体的には、コントローラ40は、左脚が浮いているときにユーザの下肢の揺動方向と同じ回転方向のトルクをユーザの膝関節に加え、左脚が接地しているときには膝を伸ばす方向のトルクを加える。
脚の状態について説明する。図2に脚の状態遷移図を示す。図2に示すように、歩行動作は、次の5種の状態に分けられる。即ち、歩行停止、患脚遊脚(健常脚接地)、両脚接地(患脚前)、患脚接地(健常脚遊脚)、両脚接地(健常脚前)の5種類である。図2の英字は、状態の移行を示している。状態は、次のタイミングで移行する。即ち、歩行停止状態は、患脚の離床タイミングで患脚遊脚状態に移行する(移行A)。或いは歩行停止状態は、健常脚の離床タイミングで患脚接地(健常脚遊脚)状態に移行する(移行B)。患脚遊脚状態は、患脚の接地タイミングで両脚接地状態(患脚前)に移行する(移行D)。両脚接地状態(患脚前)は、健常脚の離床タイミングで患脚接地状態(健常脚遊脚)に移行する(移行E)。患脚接地状態(健常脚遊脚)は、健常脚の接地タイミングで両脚接地状態(健常脚前)に移行する(移行F)。両脚接地状態(健常脚前)は、患脚の離床タイミングで患脚遊脚状態に移行する(移行C)。患脚遊脚状態(健常脚接地)は、健常脚の接地タイミングで歩行停止状態に移行する場合もある(移行G)。同様に、患脚接地状態(健常脚遊脚)は、健常脚の接地タイミングで歩行停止状態に移行する場合もある(移行H)。患脚遊脚状態が両脚接地状態と歩行停止状態のいずれに移行するかの判断については後述する。移行Dと移行Fのタイミングが、遊脚状態終了タイミングに相当する。
コントローラ40は、脚の状態に応じて制御モードを切り替える。図3に、コントローラ40のブロック図を示す。コントローラ40は、データベース42、管理モジュール44、PIDモジュール46を備える。データベース42には、目標歩幅と目標歩行速度のデータが記憶されている。管理モジュール44は、データベース42からデータを読み出すとともに、脚センサ20と接地センサ28の検出値に基づいて、膝目標角、即ち、モータ32の目標値を生成する。より詳しくは、目標歩幅と目標歩行速度は、歩行動作における両足先の位置と腰の位置の目標軌道のパラメータとして記述されている。目標軌道は歩行パターン、あるいは歩容データと呼ばれる場合もある。管理モジュール42は、歩行パターンにおけるサンプリング時毎の足位置と腰位置から、逆運動学によってサンプリング時毎の膝目標角を決定する。
管理モジュール44は、膝目標角の生成に際して、脚センサ20と接地センサ28の出力から、歩行状態を決定し、制御モードを歩行状態に応じた制御モードへ切り替える。歩行状態の決定と制御モードについては後述する。PIDモジュール46は、膝目標角と実際の膝角度(膝計測角)の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、ユーザの膝角度(膝計測角)が膝目標角に追従するようにモータ32を制御する。
制御モードについて説明する。コントローラ40は、次の制御モードを有している。即ち、(1)遊脚制御モード、(2)接地脚制御モード、及び(3)歩行停止モード。遊脚制御モードと接地制御モードは、いずれも歩行動作中の制御モードであり、経時的に変化する膝目標角にモータ32を追従させる制御である。遊脚制御モードと接地脚制御モードの相違点は、次のとおりである。接地脚制御モードにおけるPIDモジュールの角度偏差ゲインが、遊脚制御モードにおける角度偏差ゲインよりも大きい。また接地脚制御モードにおけるモータトルク上限値が、遊脚制御モードにおけるモータトルク上限値よりも大きい。これらの相違は、遊脚はユーザの意思で自由に動かせることが好ましいため弱い補助トルクで十分であり,他方、接地脚は重力に抗して体重を支えるために強い補助トルクが必要であるという知見に基づいている。歩行停止モードは、予め決められた一定の膝目標角を維持するようにモータ32を制御する制御モードである。
コントローラ40の制御ルールについて説明する。図4に、制御のフローチャートを示す。まずコントローラ40は各種センサのデータを取得する(S10)。次にコントローラ40は、取得したセンサデータをローパスフィルタに通してノイズを除去する(S12)。脚センサ20の出力は各関節の角度データであるので、コントローラ40は角度データを足の位置と速度に変換する(S14)。関節角度と角速度から足の位置と速度への変換は、良く知られたロボットの順運動学のアルゴリズムを利用して計算することができる。ここでは、同時に、立脚の足の位置と速度を基準とした遊脚の足の相対位置と相対速度が求められる。コントローラ40は、足の位置と速度、及び接地センサの出力に基づいて歩行状態を決定する(S16)。決定された歩行状態が前回の歩行状態と異なる場合(S18:YES)、コントローラ40は制御モードを切り替える(S20)。次にコントローラ40は、足の目標位置のデータを取得する(S22)。足の目標位置は、データベース42に予め記憶されている。そしてコントローラ40は、ロボットの逆運動学に基づいて足の目標位置を膝目標角に変換する(S24)。こうして得られた膝目標角にユーザの膝角度が一致するようにモータへ指令値を出力する(S26)。以上の処理が、制御サイクル毎に繰り返される。
歩行状態の決定処理を説明する。図5に、状態移行の条件を示す。図5の左欄の英字は、図2に示した各状態移行に相当する。なお、図5における「ON」は、接地センサが接地を検知していることを表し、「OFF」は接地を検知していないことを表す。別言すれば、「ON」は足が接地していることを表しており、「OFF」は足が浮いていることを表している。従って図5の「ON→OFF」は、足が地面に接触したタイミングを意味し、「OFF→ON」は、離床タイミングを意味する。また、前述したように、図4のステップS14において、立脚の足の位置と速度を基準とした遊脚の足の相対位置と相対速度が求められる。以下では、「相対位置」と「相対速度」は、ユーザの前後方向の相対位置と相対速度を意味する。図5の「足間距離」は、両足の前後の相対距離を示し、「遊脚足速度」は、接地脚の足(後ろ側の足)に対する遊脚の足の前後方向の相対速度を示す。なお、接地脚の足の速度はゼロであるので、遊脚の足の相対速度は絶対速度に等しい。また、距離閾値と速度閾値は、事前にデータベース42に記憶されている。
左脚(患脚)接地センサ28Lが患脚の離床を検知するとともに遊脚足位置が距離閾値以上の場合に、コントローラ40は、歩行停止状態から患脚遊脚状態への移行を判断する(移行A)。右脚(健常脚)の接地センサ28Rが健常脚の離床を検知するとともに足間距離が距離閾値以上の場合に、コントローラ40は、歩行停止状態から患脚接地脚(健常脚遊脚)状態への移行を判断する(移行B)。
現在の状態が両脚接地状態にあるとき、接地センサ28Lが患脚の離床を検知した場合には、足間距離や遊脚足速度に関わらずに、コントローラ40は両脚接地状態から患脚遊脚状態への移行を判断する(移行C)。接地センサ28Lが遊脚(患脚)の接地を検知するとともに、足間距離が距離閾値以上であり、かつ足速度が速度閾値以下の場合、コントローラ40は、患脚遊脚状態から両脚接地状態への移行を判断する(移行D)。すなわち、コントローラ40は、このとき、遊脚状態終了タイミングを特定する。他方、接地センサ28Lが遊脚(患脚)の接地を検知したにも関わらずに、足間距離が距離閾値を下回っているか、あるいは、足速度が速度閾値を超えている場合には、コントローラ40は、患脚の遊脚状態が継続していると判断する。現在の状態が両脚接地状態にあるとき、接地センサ28Rが健常脚の離床を検知した場合には、足間距離や遊脚足速度に関わらずに、コントローラ40は両脚接地状態から患脚接地(健常脚遊脚)への移行を判断する(移行E)。
接地センサ28Rが遊脚(健常脚)の接地を検知するとともに、足間距離が距離閾値以上、かつ足速度が速度閾値以下の場合、コントローラ40は、患脚接地(健常脚遊脚)状態から両脚接地状態への移行を判断する(移行F)。すなわち、コントローラ40は、このとき、遊脚状態終了タイミングを特定する。他方、接地センサ28Rが遊脚(健常脚)の接地を検知しているにも関わらずに、足間距離が距離閾値を下回っているか、あるいは、足速度が速度閾値を超えている場合には、コントローラ40は、患脚接地状態(健常脚遊脚)が継続していると判断する。
左脚(患脚)が遊脚状態にあるとき、接地センサ28Lが接地を検知するとともに、足間距離が距離閾値を下回っており、かつ、遊脚足速度が速度閾値以下の場合、コントローラ40は、患脚遊脚(健常脚接地)状態から停止状態への移行を判断する(移行G)。右脚(健常脚)が遊脚状態にあるとき、接地センサ28Rが接地を検知するとともに、足間距離が距離閾値を下回っており、かつ、遊脚足速度が速度閾値以下の場合、コントローラ40は、患脚接地(健常脚遊脚)状態から停止状態への移行を判断する(移行H)。
上記の判断で留意すべき点を述べる。コントローラ40は、遊脚の接地を検知しても、遊脚の足の相対速度が速度閾値を超えている場合には遊脚制御モードを継続する。そのような構成によって、ユーザが意図せずに足が地面を掠った場合に制御が接地脚制御モードに切り替わることが防止される。また、患脚遊脚状態において患脚の接地が検知された場合、コントローラ40は、足間距離が距離閾値以上であれば歩行中であると判断して歩行用の制御を継続し、足間距離が距離閾値を下回っている場合には、停止制御モードに切り替える。
実施例の歩行補助装置は、次のとおり表現してもよい。歩行補助装置は、ユーザの脚の動きを検出する脚センサと、ユーザの足裏に配置されている接地センサと、ユーザの脚にトルクを加えるアクチュエータと、脚が遊脚状態か否かに応じてアクチュエータの制御モードを切り替えるコントローラを備える。そのコントローラは、遊脚の接地センサが接地を検出したときに、接地していた足に対する遊脚の足の相対速度が速度閾値を超えている場合には遊脚制御モードを継続し、前記相対速度が速度閾値以下の場合には制御モードを接地脚制御モードに切り替える。
本実施例の歩行補助装置では、状態移行の判断は、接地センサが接地を検知したときの足間距離や遊脚足速度に基づいて行われる。従って、接地センサの接地検知と同時に上記の判断が行われる。このように状態移行の判断が迅速に行える点も、本実施例の歩行補助装置の特徴である。
実施例の好適な変形例をいくつか説明する。実施例では、接地脚制御モードと遊脚制御モードは角度ゲインが相違する。接地脚制御モードは、遊脚制御モードにおいて参照される歩行パターン(膝角度、或いは足先位置と腰位置の軌道)が異なるものであってもよい。
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。
実施例の歩行補助装置の概略図を示す。 歩行状態の遷移図を示す。 コントローラのブロック図を示す。 コントローラが実行する処理のフローチャートを示す。 状態遷移判断の条件を示す図である。
符号の説明
10:歩行補助装置
12R、12L:装具
14R、14L:上部リンク
16R、16L:下部リンク
20R、20L:膝エンコーダ
22R、22L:腰エンコーダ
24R、24L:足首エンコーダ
26R、26L:足リンク
27:傾斜センサ
28R、28L:接地センサ
30:支持バー
40:コントローラ
42:データベース
44:管理モジュール
46:PIDモジュール
本発明の歩行補助装置は、脚センサ、接地センサ、アクチュエータ、及びコントローラを備える。脚センサは、ユーザの脚の動きを検出する。接地センサは、ユーザの足裏に配置されている。アクチュエータは、ユーザの脚にトルクを加える。コントローラは、ユーザの脚が遊脚状態か否かに応じてアクチュエータの制御モードを切り替える。コントローラは、遊脚の接地センサが接地を検出したときの接地していた足(接地脚の足)に対する遊脚の足の相対速度が速度閾値を超えている場合には遊脚状態が継続していると判断し、前記相対速度が速度閾値以下の場合には遊脚状態が終了したと判断する。即ち、コントローラは、遊脚の接地センサが接地を検出したときの接地していた足に対する遊脚の足の相対速度が速度閾値を超えている場合には遊脚制御モードを継続し、相対速度が速度閾値以下の場合には制御モードを接地脚制御モードに切り替える。速度閾値は予め与えられている。ここで、「接地していた足」とは「後側の足」と換言してもよい。
本発明の歩行補助装置は、脚センサ、接地センサ、アクチュエータ、及びコントローラを備える。脚センサは、ユーザの脚の動きを検出する。接地センサは、ユーザの足裏に配置されている。アクチュエータは、ユーザの脚にトルクを加える。コントローラは、ユーザの脚が遊脚状態か否かに応じてアクチュエータの制御モードを切り替える。コントローラは、遊脚の接地センサが接地を検出したときに、接地していた足に対する遊脚の足の相対速度が速度閾値を超えている場合には遊脚状態が継続していると判断し、遊脚の接地センサが接地を検出するとともに前記相対速度が速度閾値以下の場合には遊脚状態が終了したと判断する。即ち、コントローラは、遊脚の接地センサが接地を検出したときに接地していた足に対する遊脚の足の相対速度が速度閾値を超えている場合には遊脚制御モードを継続し、接地センサが接地を検出するとともに相対速度が速度閾値以下の場合には制御モードを接地脚制御モードに切り替える。速度閾値は予め与えられている。ここで、「接地していた足」とは「後側の足」と換言してもよい。

Claims (3)

  1. ユーザの脚にトルクを加えて歩行動作を補助する歩行補助装置であり、
    ユーザの脚の動きを検出する脚センサと、
    ユーザの足裏に配置されている接地センサと、
    遊脚の接地センサが接地を検出したときに、接地していた足に対する遊脚の足の相対速度が速度閾値を超えている場合には遊脚状態が継続していると判断し、前記相対速度が速度閾値以下の場合には遊脚状態が終了したと判断するコントローラと、
    を備えることを特徴とする歩行補助装置。
  2. ユーザの脚にトルクを加えるアクチュエータを備えており、
    コントローラは、遊脚制御モードと接地脚制御モードを切り替え可能であり、遊脚状態が継続していると判断した場合には遊脚制御モードを継続し、遊脚状態が終了したと判断した場合に遊脚制御モードから接地脚制御モードに切り替えることを特徴とする請求項1に記載の歩行補助装置。
  3. コントローラは、遊脚の接地センサが接地を検出したときの両足の前後方向の距離が距離閾値以上の場合に歩行継続用の接地脚制御モードに切り替え、当該距離が距離閾値を下回っている場合に歩行停止用の接地脚制御モードに切り替えることを特徴とする請求項2に記載の歩行補助装置。
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