JP2010253048A - 脚補助装具 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザに違和感を与えることなく立ち上がり動作や着座動作を補助することのできる脚補助装具を提供する。
【解決手段】脚補助装具は、リンク機構、アクチュエータ、角度センサを備えている。リンク機構は、大腿リンクと下腿リンクがジョイントによって揺動可能に連結されている構造を有している。大腿リンクと下腿リンクを夫々ユーザの大腿と下腿に固定すると、ジョイントがユーザの膝関節に隣接して位置する。アクチュエータはジョイントを駆動する。脚補助装具は、ジョイントを駆動することによって、大腿リンクと下腿リンクが揺動して脚の動作を補助する。角度センサは、ジョイントの角度を検出する。本発明の脚補助装具は、検出された初期ジョイント角から予め定められた最終目標角まで、等加速等減速の三角速度パターンでジョイントを駆動することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、イスに着座した状態からの立ち上がり動作とイスへの着座動作を補助する脚補助装具に関する。

ユーザの脚や腕に沿って装着し、ユーザの筋力を補強するいわゆるパワードスーツが開発されている。パワードスーツの応用として、ユーザの立ち上がり動作や着座動作を補助する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。特許文献２の技術は、ユーザが脚に装着する脚補助装具のエアシリンダによって起立・着座時の脚の動作を補助する。本明細書では、ユーザの脚に沿って装着してユーザの脚の動作を補助する装置を「脚補助装具」と称する。

特開２０００−１６６９９７号公報 特開２００４−２６１６２２号公報

立ち上がり動作や着座動作では、ユーザの膝関節に加わる負荷が大きい。そのため、立ち上がり動作や着座動作を補助するための脚補助装具は、ユーザの膝の負担を軽減することが重要である。膝の負担を軽減する手法として次の２通りが考えられる。一つは、膝関節に予め定められたトルクを加える方法であり、他の一つは膝関節角が所定の軌道を描くように大腿部と下腿部をガイドする方法である。ここで、「所定の軌道」とは、立ち上がり動作（着座動作）において膝関節角の経時的変化が描くべき軌道である。その軌道が適切であれば、自然な立ち上がり動作（着座動作）が実現する。トルクを加える方法はロボット工学におけるいわゆる力制御に相当し、膝関節が所定の軌道を描くようにガイドする方法は位置制御（角度制御）に相当する。なお、特許文献２の技術では力制御を採用していると推定される。

良く知られているように、力（トルク）と位置（角度）を独立に制御目標値に採用することはできない。即ち、「力制御」では角度が不定となり「位置制御」では力（トルク）が不定となる。前者では、ユーザが自ら膝に加えるトルク（筋力）を加減することによってユーザが膝関節角度の軌道を決めることができる。しかしながら、ユーザが加えるトルクが足りない場合など、立ち上がり動作（着座動作）が完遂するか否かが保証されない。後者は、立ち上がり動作（着座動作）が完遂することが保証される。しかしながら、膝関節角度の軌道が脚補助装具によって規制されるため、脚補助装具のガイドする軌道がユーザの予想する軌道と相違する場合にはユーザに違和感を与えてしまう。

本発明は、立ち上がり動作或いは着座動作を完遂することが保証される角度制御を採用しつつ、ユーザに違和感を与えることなく立ち上がり動作（着座動作）を補助することのできる脚補助装具を実現することを目的とする。

発明者らは、健常者の立ち上がり動作と着座動作を子細に検討した結果、立ち上がり動作と着座動作のいずれの場合でも、膝関節の角度は等加速等減速の三角速度パターンで変化することを見出した。本発明は、この知見に基づいて創作された。

本発明は、イスに着座した状態からの立ち上がり動作とイスへの着座動作を補助する脚補助装具に具現化することができる。その脚補助装具は、リンク機構、アクチュエータ、及び角度センサを備えている。リンク機構は、大腿リンクと下腿リンクがジョイントによって揺動可能に連結されている構造を有している。大腿リンクと下腿リンクを夫々ユーザの大腿と下腿に固定すると、ジョイントがユーザの膝関節に隣接して位置する。アクチュエータはジョイントを駆動する。即ち、ジョイントを駆動することによって、大腿リンクと下腿リンクが揺動して脚の動作を補助する。角度センサは、ジョイントの角度を検出する。本発明の脚補助装具は、検出された初期ジョイント角から予め定められた最終目標角まで、等加速等減速の三角速度パターンでジョイントを駆動することを特徴とする。なお、ここでいう「三角速度パターン」は、ジョイントの回転角速度を意味しているので、厳密には「三角角速度パターン」と表現するのが適切であるが、ロボット工学の分野ではジョイントの角速度パターンを「台形速度パターン」や「三角速度パターン」と呼んでいるので本明細書でも「角速度パターン」を単純に「速度パターン」と称する。

ここで、「等加速等減速の三角速度パターン」とは、角速度ゼロから一定の角加速度Ａで加速し、最大角速度に到達した時点で直ちに一定の角加速度Ｂで減速して角速度ゼロに至る速度パターンであり、角加速度Ａと角加速度Ｂが大きさが等しく正負が逆である速度パターンを意味する。なお、本明細書では、前半の角加速度Ａの値が負であっても「加速」と称する。同様に、「最大角速度」は、絶対値が最大であることを意味する。「最大角速度」が正値であるか負値であるかは、正負の方向の定め方に依存する形式的なものであり、技術的な意味を有さないことに留意されたい。

立ち上がり動作の場合、最終目標角は、典型的には膝関節を伸ばした状態に対応する大腿リンクと下腿リンクのなす角度である。着座動作の場合、最終目標角は、典型的には膝関節を直角に曲げた状態に対応する大腿リンクと下腿リンクのなす角度である。膝を伸ばした状態を膝関節角度のゼロ度と定め、膝を曲げる方向を膝関節角度の正値の方向と定めると、立ち上がり動作の場合の最終目標角は略ゼロ度であり、着座動作の場合の最終目標角は略９０度である。

立ち上がり動作の開始時、或いは、着座動作の開始時のジョイント角度は角度センサで検出される。即ち、本発明の脚補助装具では、最終目標角は予め定められているが、初期角度は角度センサによって検出する。本発明の脚補助装具は、立ち上がり動作の開始時（着座動作の開始時）の角度から最終目標角度まで、膝関節に隣接するジョイントを三角速度パターンで駆動する。これによって、本発明の脚補助装具は、ユーザに違和感を与えることなく、健常者と同様な自然な立ち上がり動作（着座動作）となるように脚の動きを補助することができる。

脚補助装具が補助を開始するときにユーザの準備が整っていないと適切な補助ができない虞がある。そのため、脚補助装具は、ジョイントの駆動に先立ってユーザの各足が接地しているか否かを判断し、ユーザの各足が接地していることを条件に、ジョイントの駆動を開始することが好ましい。或いは、脚補助装具は、着座動作を補助する場合に、ジョイントの駆動に先立って腰位置に対する各足の水平方向の相対位置を計測し、前記相対位置が予め決められた範囲内に存することを条件にジョイントの駆動を開始することが好ましい。ユーザの各足が接地していない場合、或いは、腰位置に対する各足の水平方向の相対位置が予め決められた範囲から外れている場合は、ユーザの準備が整っていない可能性が高い。上記の特徴を有する脚補助装具は、そのような場合は脚の補助を中止することでユーザの安全を確保することができる。

なお、接地しているか否かを検知するために脚装具は接地センサを備えているとよい。また、腰位置に対する各足の水平方向の相対位置は、ユーザの股関節のピッチ軸回りの角度と膝関節の角度から求めることができる。或いは、相対位置は、大腿リンクの鉛直方向に対する傾斜角と膝関節に相当するジョイントの角度から求めることもできる。また、「予め決められた範囲」は、典型的には、腰位置と足の前後方向の水平距離が、ユーザの大腿部の長さよりも短い範囲でよい。

イスの高さによっては、着座したときのユーザの膝関節角度が最終目標角度に一致するとは限らない。そこで、本発明の脚補助装具は、着座動作を補助する場合に、最終目標角へ到達後にジョイントを受動回転可能な状態とすることが好ましい。そのような特徴を備えることによって、ユーザは着座直前までは脚補助装具に補助されるとともに、最後は自重によって自然にイスに座ることができる。なお、ここでいう「最終目標角へ到達後」とは厳密な意味に限定される必要はなく、「最終目標角への到達直前」を含む。

本発明によれば、ユーザに違和感を与えることなく立ち上がり動作と着座動作を補助することのできる脚補助装具を実現することができる。

ユーザが装着した状態の脚補助装具の模式的側面図を示す。 着座動作補助のための制御フローチャートを示す。 膝ジョイントの駆動パターンを示す。

図１に、ユーザが装着した状態の脚補助装具１０の模式的側面図を示す。図１では、ユーザがイスＣに着座している状態を示している。脚補助装具１０は、ユーザの大腿部から足に亘って装着される。脚補助装具１０は、支持リンク２０、大腿リンク１４、下腿リンク１６、及び足リンク１８がジョイント２２、２４、及び２６によって揺動可能に連結されたリンク機構１２を備えている。即ち、脚補助装具１０の機構自体がリンク機構１２に相当する。各リンクはジョイントによって揺動可能に連結されているので、リンク機構１２は、ジョイントを駆動することによってユーザの脚の動作を補助することができる。また逆に、リンク機構１２は、ジョイントを受動回転自在とすることで、ユーザの脚の動作に合わせて揺動することができる。脚補助装具１０はユーザの各脚に装着するための一対のリンク機構を備えている。一対のリンク機構は同じ構造を有しており、同じ動作を行うので以下では、ひとつのリンク機構について説明する。

リンク機構１２の構造を詳しく説明する。大腿リンク１４の上端が股ジョイント２２を介して支持リンク２０に連結されている。下腿リンク１６は、膝の外側に位置する膝ジョイント２４によって、大腿リンク１４に連結されている。足リンク１８は、ユーザの踝の外側に位置する足首ジョイント２６によって、下腿リンク１６に連結されている。大腿リンク１４、下腿リンク１６、及び足リンク１８はそれぞれ、ベルトによってユーザの大腿部、下腿部、及び足に固定される。支持リンク２０はユーザの腰に固定される。なお各リンクを固定するベルトは、図示を省略している。

各ジョイントは、ジョイントの角度を検出するためのエンコーダを内蔵している。エンコーダが、ジョイントの角度を検出する角度センサの一例に相当する。エンコーダが検出する角度を微分することでジョイントの角速度を検出することができる。膝ジョイント２４は、ユーザの膝関節に隣接しており、膝ジョイント２４の角度はユーザの膝関節の角度を表す。同様に、股ジョイント２２の角度は股関節のピッチ軸回りの角度を表し、足首ジョイント２６の角度はユーザの足首の角度を表す。

膝ジョイント２４にはモータが内蔵されており、モータによって膝ジョイント２４が駆動し、大腿リンク１４と下腿リンク１６が相対的に揺動する。脚補助装具１０は、膝ジョイント２４を駆動することによってユーザの立ち上がり動作時、及び、着座動作時の膝の負荷を軽減する。

足リンク１８には、足リンク１８が歩行面に接地しているか否かを検知するための接地センサ３０が取り付けられている。接地センサ３０は、圧力センサであり、正値の圧力が検知されたときが、接地を検知したときに相当する。

図１において符号θは膝ジョイント２４の角度を表す。以下の説明では、大腿リンク１４と下腿リンク１６が一直線に並んだときの膝ジョイント２４の角度θを角度ゼロに定める。また、膝が曲がる方向を角度θの正方向と定める。

図１において符号Ｐ１は、股ジョイント２２の水平方向位置を表しており、符号Ｐ２は足首ジョイント２６の水平方向の位置を表している。股ジョイント２２の水平方向位置Ｐ１は、ユーザの腰の水平方向位置に相当し、足首ジョイント２６の水平方向位置Ｐ２はユーザの足の水平方向位置に相当する。符号Ｌは、股ジョイント２２と足首ジョイント２６の前後方向の水平距離を示しており、この距離Ｌは、ユーザの腰位置に対する足の水平方向の相対位置に相当する。腰位置に対する足の水平方向の相対位置Ｌは、エンコーダによって検出される各ジョイントの角度、下腿リンク１６の長さ、大腿リンク１４の長さから、幾何学的計算によって求めることができる。

イスからの立ち上がり動作を補助するときの脚補助装具１０の制御フローを、図２のフローチャートを参照して説明する。脚補助装具１０は、立ち上がり動作の補助を開始するための第１スイッチと、着座動作の補助を開始するための第２スイッチを備えており、ユーザが第２スイッチを押すと図２のフローチャートに沿った処理を開始する。

まず脚補助装具１０は、接地センサ３０の検出値に基づいて、ユーザの各足が接地しているか否かを判断する（Ｓ２）。いずれかの足が接地していない場合、脚補助装具１０は、ジョイントの駆動開始を中止する（ステップＳ２：ＮＯ）。いずれかの足が接地してない態ではユーザは適切に立ち上がることができない可能性が高いので、脚補助装具１０は立ち上がり動作補助を中止する。

次に脚補助装具１０は、腰位置に対する足の水平方向の相対位置Ｌを計測する（Ｓ４）。相対位置Ｌの具体的な計測方法は前述した通りである。次に脚補助装具１０は、計測した相対位置Ｌが、予め定められた範囲内に存するか否かを判断する（Ｓ６）。ここで、「予め定められた範囲」とは、大腿リンク１４の長さ以下の範囲に設定されている。大腿リンク１４の長さは、ユーザの大腿部の長さにほぼ相当する。即ち、脚補助装具１０は、ジョイントの駆動に先立って、相対位置がユーザの大腿部長さ以下であるか否かを判断する。相対位置が大腿部長さ以下でない場合、脚補助装具１０は、ジョイントの駆動開始を中止する（ステップＳ６：ＮＯ）。相対位置がユーザの大腿部長さ以下でない場合とは、足が膝よりも前に位置している可能性が高く、そのような状態では適切に立ち上がることができない可能性が高いので、脚補助装具１０は立ち上がり動作補助を中止する。

ユーザの両足が接地しており、各足の相対位置が上記の範囲内の場合、脚補助装具１０は、膝ジョイント２４の角度θを検出する（Ｓ８）。このときの角度を初期角度θｓと称する。初期角度θｓは、立ち上がり動作補助を開始するときの膝ジョイント２４の角度に相当する。次に脚補助装具１０は、初期角度θｓと、立ち上がり動作補助用の最終目標角度θｅ、及び、最大角速度Ｖｍａｘに基づいて、膝ジョイント２４の角速度軌道を生成する（Ｓ１０）。なお、立ち上がり動作補助用の最終目標角度θｅ、及び、最大角速度Ｖｍａｘは、脚補助装具１０が予め記憶している。立ち上がり動作補助用の最終目標角度θｅは、角度ゼロである。膝ジョイント２４の角度ゼロは、大腿リンク１４と下腿リンク１６が一直線上に並んだ状態に相当する。

ここで、脚補助装具１０が生成する角速度軌道を説明する。図３の上段のグラフは、角速度軌道を示しており、下段のグラフは、角速度軌道から導出される角度軌道を示している。脚補助装具１０は、図３の上段のグラフが示すように、等加速等減速の三角速度パターンの角速度軌道を生成する。ここで、「等加速等減速」とは、角速度ゼロから最大角速度Ｖｍａｘまで一定角加速度Ａで加速し、最大角速度Ｖｍａｘに到達後に直ちに一定角加速度Ｂで角速度ゼロまで減速する角速度パターンであり、角加速度Ａと角加速度Ｂの大きさが等しいことを意味する。ただし、ここで最大角速度Ｖｍａｘは負値である。「最大」とは、絶対値｜Ｖｍａｘ｜が最大であることを意味する。また、ここでいう「加速」には、角速度ゼロから負の角速度Ｖｍａｘまでの速度変化が含まれ、「減速」には負の角速度Ｖｍａｘから角速度ゼロまでの速度変化が含まれることに留意されたい。角加速度や角速度が正値であるか負値であるかは、正負の方向の定め方に依存する形式上のものであり、技術的な意味を有さないことに留意されたい。

角速度軌道を生成するときに既知の変数は、膝ジョイント２４の初期角度θｓ、最終目標角度θｅ、及び、最大角速度Ｖｍａｘである。これらの変数から三角速度パターンの角加速度Ａ、及び、最終目標角度θｅへ到達するまでの所要時間Ｔを求める数式は次の（数１）と（数２）の通りである。（数１）の第１式は、角度と角加速度の関係を示しており、第２式は角速度と角加速度の関係を示している。（数２）は、（数１）の２式を整理して得られる。

三角速度パターンによって実現される角度軌道は、図３の下段のグラフに示されているように、初期角度θｓから最終目標角度θｅまで滑らかに変化する。

図２のフローチャートに戻って説明を続ける。脚補助装具１０は、三角速度パターンに基づく膝ジョイント２４の駆動に先立って、膝ジョイント２４を微小振動させる（Ｓ１２）。この微小振動は、ユーザに膝ジョイント２４の駆動開始を知らせるための動作である。

次に脚補助装具１０は、生成した三角速度パターンに追従するように、膝ジョイント２４を駆動する（Ｓ１４）。ユーザは、三角速度パターンに追従するように動作する膝ジョイント２４に合わせて立ち上がる。モータによって相対的に揺動する大腿リンク１４と下腿リンク１６がユーザの脚の動きをガイドするのでユーザは低負荷で立ち上がることができる。

着座動作を補助する場合の制御フローは、上記の立ち上がり動作補助の制御フローを次の点で変更したものに相当する。第１に、ステップＳ６の判断における範囲が異なる。着座動作補助における範囲は、例えば、腰位置に対する足の水平方向の相対位置が腰位置の前後約３０ｃｍ以内に設定される。第２に、最終目標角度θｅが約９０度である。第３に、最大角速度Ｖｍａｘが、立ち上がり動作補助における最大角速度Ｖｍａｘと大きさが同じで正負が逆の値である。第４に、脚補助装具１０は、ステップＳ１４の処理に続いて、最終目標角度θｅに到達した後に、モータへの電力供給を遮断し、膝ジョイント２４を受動回転可能な状態とする。この処理によって、イスの座面の高さが低く、イスに着座するときの膝関節角度が９０度よりも小さくなる場合でも、腰がイス座面の直上に到達した時点で脚補助装具１０による補助が終了したのちに、自重によってユーザは自然にイスに着座することができる。

上記の脚補助装具１０の作用効果を説明する。脚補助装具１０は、ユーザの膝関節が所定の三角速度パターンに追従するように角度制御する。即ち、脚に装着されるリンク機構は、ユーザが立ち上がるまで、或いは着座するまで確実に脚をガイドする。予め定められたトルクを膝に加える手法と異なり、脚補助装具１０は立ち上がり動作或いは着座動作を完遂するまで補助することができる。

脚補助装具１０は、ユーザの立ち上がり動作、或いは着座動作を補助する際、ユーザの膝関節角の変化が三角速度パターンに追従するように補助する。三角速度パターンは健常者の立ち上がり動作或いは着座動作における膝関節角の自然な動きに合致しているので、この脚補助装具１０はユーザに違和感を与えることなく、自然な動きとなるように補助することができる。

脚補助装具１０は、着座動作を補助する際、最終目標角へ到達後にジョイント角を受動回転可能にする。これによって、イスの座面高さが、膝関節角が最終目標角に到達したときの腰高さよりも低い場合であってもユーザを着座させることができる。

脚補助装具１０は、立ち上がり動作補助のためのジョイント駆動に先立って、ユーザが立ち上がり動作に適しているか否かを、接地センサ、及び、腰位置に対する足の相対位置によって判断する。脚補助装具１０は、ユーザの各足が接地していること、及び、腰位置に対する各足の水平方向の相対位置が予め決められた範囲内に存することを条件に、ジョイントの駆動を開始する。別言すれば、脚補助装具１０は、ユーザの足が接地していない場合、或いは、足の相対位置が所定の範囲から外れている場合、ジョイント駆動開始を中止する。そのような処理によって、脚補助装具１０は、ユーザが動作準備を整えていないと推定される場合にジョイントを駆動してしまうことがない。

脚補助装具１０は、膝ジョイントの駆動に先立って膝ジョイントを微小振動させる。この微小振動は、膝ジョイントの駆動開始をユーザに知らせるためである。この微小振動によって、ユーザは膝ジョイントの駆動開始を知ることができる。

実施例の脚補助装具１０の留意点を説明する。脚補助装具１０は、（１）ユーザの各足が接地していること、及び、（２）腰位置に対する各足の水平方向の相対位置が予め決められた範囲内に存すること、の２つを条件に、ジョイントの駆動を開始する。脚補助装具１０は、上記２つの条件のうちいずれか一方の条件をチェックするだけでもよい。

実施例の脚補助装具１０は、ジョイントの駆動に先立ってジョイントを微小振動させる。微小振動に代えて光や音によって駆動開始をユーザに知らせるものであってもよい。

脚補助装具１０は、股ジョイント２２や足首ジョイント２６にもモータを備え、立ち上がり動作や着座動作におけるユーザの股関節や足首関節の負荷を補助的に軽減するように構成してもよい。

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。

１０：脚補助装具
１２：リンク機構
１４：大腿リンク
１６：下腿リンク
１８：足リンク
２０：支持リンク
２２：股ジョイント
２４：膝ジョイント
２６：足首ジョイント
３０：接地センサ

Claims (4)

1. イスに着座した状態からの立ち上がり動作とイスへの着座動作を補助する脚補助装具であり、
   ユーザの大腿と下腿に夫々固定される大腿リンクと下腿リンクがユーザの膝関節に隣接して位置するジョイントによって揺動可能に連結されているリンク機構と、
   ジョイントを駆動するアクチュエータと、
   ジョイントの角度を検出する角度センサと、を備えており、
   検出された初期ジョイント角から予め定められた最終目標角まで、等加速等減速の三角速度パターンでジョイントを駆動することを特徴とする脚補助装具。
2. ユーザの各足の接地を検知する接地センサを備えており、
   ジョイントの駆動に先立ってユーザの各足が接地しているか否かを判断し、ユーザの各足が接地していることを条件に、ジョイントの駆動を開始することを特徴とする請求項１に記載の脚補助装具。
3. 着座動作を補助する場合に、ジョイントの駆動に先立って腰位置に対する各足の水平方向の相対位置を計測し、前記相対位置が予め決められた範囲内に存することを条件に、ジョイントの駆動を開始することを特徴とする請求項１又は２に記載の脚補助装具。
4. 着座動作を補助する場合に、最終目標角へ到達後にジョイントを受動回転可能な状態とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の脚補助装具。

Images