JP2012065704A - 歩行補助装置、歩行補助方法、及び歩行補助プログラム等 - Google Patents

Abstract

【課題】人体の関節等の特性を考慮した動力源を適用することで、歩行における人体の動作を十分にアシストする装置及び方法等を提供する。
【解決手段】歩行補助装置Ｓは、電気モータ１６Ｌ、１６Ｒによって発生させた動力によって回動可能に接続する膝関節部接続機構３Ｌ、３Ｒと、空気圧アクチュエータ１８Ｌ、１８Ｒによって発生させた動力によって、利用者Ｈの歩行方向に対して回動可能に接続する股関節部接続機構４Ｌ、４Ｒと、電気モータ１６Ｌ、１６Ｒ及び空気圧アクチュエータ１８Ｌ、１８Ｒから出力される動力を制御する制御部６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動源の動力を用いて歩行を補助する歩行補助装置の技術分野に関する。

従来、筋力の衰えた老人や傷病者等の歩行動作、階段の昇降動作、着座姿勢からの起立動作、起立姿勢からの着座動作等の各種動作を補助することで、筋力の増強、関節可動域の増大、及び脳神経伝達回路の新たな生成（シナプスの形成）等を図るリハビリテーションは、理学療法士又は作業療法士の指示に基づいて、老人や損傷者が自力で各種動作を試みるものであった。

近年、老人や損傷者が行うリハビリテーションを補助する歩行補助装置が利用されている。

例えば、特許文献１では、利用者の腹部に巻きつけられる腹帯の側面に固定される第一リンクと、利用者の大腿部に巻きつけられる脚当ての側面に固定される第二リンクとを、電気アクチュエータにより連結し、当該電気アクチュエータから出力される動力によって、第一リンクに対して第二リンクを前後方向に揺動させることで、利用者の大腿部の動きを補助する歩行補助装置が開示されている。

また、特許文献２では、空気圧アクチュエータ（空気回路部）から出力される動力によって、脚の立脚状態への移行をアシストする歩行ロボットに関する技術が開示されている。

特開２００２−３０１１２４号公報 特開２００９−２７４１４２号公報

このような歩行補助装置は、歩行における人体の股関節、膝関節及び踵部の動作をアシストすることを目的とするため、関節及び部位の構造及び動作の特性に応じた動力源を適用することが望ましい。

例えば、膝関節は、大腿骨、脛骨及び膝蓋骨からなる関節であり、この関節の周囲に張り巡らされた靭帯や筋肉の作用により、立位から歩行、座位、正座等可動域が広く複雑な動作が可能となっている。このような膝関節の動作をアシストする歩行補助装置では、複雑な機構の制御を可能とする動力源が必要となる。

一方、寛骨臼と球体に近い形状の大腿骨頭で構成される股関節は、膝関節よりも動作角度が少なく、動作開始時にわずかなアシストでも十分な場合が多い。このような股関節の動作をアシストする歩行補助装置では、単純な機構と簡易的な制御を可能とする動力源を適用することが好ましい。

しかしながら、従来の歩行補助装置における動力源は、人体の関節及び部位の構造、及び動作の特性を考慮して選択されたものではなく、このような装置を用いたとしても、歩行における人体の動作を十分にアシストすることはできなかった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的の一例は、人体の関節等の特性を考慮した動力源を適用することで、歩行における人体の動作を十分にアシストすることができる装置及び方法等を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、利用者の大腿部に装着される第１リンクの一の端部と、前記利用者の下腿部に装着される第２リンクの一の端部とを、利用者の膝関節の側部に対応する位置で、電気モータによって発生させた動力によって回動可能に接続する膝関節部接続手段と、前記第１リンクの他の端部を、利用者の股関節の側部に対応する位置で、空気圧アクチュエータによって発生させた動力によって、前記利用者の歩行方向に対して回動可能に接続する股関節部接続手段と、前記電気モータ及び前記空気圧アクチュエータから出力される動力を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、人体の関節等の特性を考慮した動力源を適用することで、歩行における人体の動作を十分にアシストすることができる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の歩行補助装置であって、前記利用者の踵部に接続され、空気圧アクチュエータを備え、この空気圧アクチュエータによって発生させた動力を、前記利用者の腰部方向に出力する踵部用動力発生手段を備え、前記制御手段は、さらに、前記踵部用動力発生手段から出力される動力を制御することを特徴とする。

このような構成によれば、人体の関節等の特性を考慮した動力源を適用することで、歩行における人体の動作を十分にアシストすることができる。

また、請求項３に記載の発明は、利用者の大腿部に装着される第１リンクの一の端部と、前記利用者の下腿部に装着される第２リンクの一の端部とを、利用者の膝関節の側部に対応する位置で、電気モータによって発生させた動力によって回動可能に接続する膝関節部接続手段と、前記第１リンクの他の端部を、利用者の股関節の側部に対応する位置で、空気圧アクチュエータによって発生させた動力によって、前記利用者の歩行方向に対して回動可能に接続する股関節部接続手段と、を備える歩行補助装置における歩行補助方法であって、前記電気モータ及び前記空気圧アクチュエータから出力される動力を制御する制御工程と、を有することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、利用者の大腿部に装着される第１リンクの一の端部と、前記利用者の下腿部に装着される第２リンクの一の端部とを、利用者の膝関節の側部に対応する位置で、電気モータによって発生させた動力によって回動可能に接続する膝関節部接続手段と、前記第１リンクの他の端部を、利用者の股関節の側部に対応する位置で、空気圧アクチュエータによって発生させた動力によって、前記利用者の歩行方向に対して回動可能に接続する股関節部接続手段と、を備える歩行補助装置に含まれるコンピュータを、前記電気モータ及び前記空気圧アクチュエータから出力される動力を制御する制御手段、として機能させることを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、歩行補助装置等は、人体の関節等の特性を考慮した動力源を適用することで、歩行における人体の動作を十分にアシストすることができる。

本実施形態の歩行補助装置を装備した利用者を正面視で示す図である。 本実施形態の歩行補助装置を装備した利用者を側面視で示す図である。 本実施形態の歩行補助装置を装備した利用者を背面視で示す図である。 本実施形態の空気圧アクチュエータの概要を示す図である。 本実施形態における歩行補助装置の機能構成を示すブロック図である。 制御部６が出力する制御信号を示すフローチャートである。 制御信号に基づいた膝関節部接続機構３Ｌ、３Ｒ、股関節部接続機構４Ｌ、４Ｒ及び足装着部５Ｌ、５Ｒの屈曲角度又は制御信号を示すグラフである。 利用者Ｈの歩行時における片脚の動作を模式的に示した図である。

以下、本願の最良の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、歩行における利用者の膝関節、股関節、及び踵部の動作をアシストする歩行補助装置に対して本願を適用した場合の実施形態である。

図１は本実施形態の歩行補助装置を装備した利用者を正面視で示す図であり、図２は本実施形態の歩行補助装置を装備した利用者を側面視で示す図であり、図３は本実施形態の歩行補助装置を装備した利用者を背面視で示す図であり、図４は本実施形態の空気圧アクチュエータの概要を示す図である。なお、各図で説明する部材には、その動作や制御等に必要な電力、信号、又は空気（エア）等の動力を伝達する伝達経路（信号線やエアチューブ等）が接続されているものとして、その図示を省略する。

図１、図２、及び図３に示すように、本実施形態における歩行補助装置Ｓは、利用者Ｈの大腿部に装着される第１リンク１Ｌ、１Ｒ（本願の第１リンクの一例）と、利用者Ｈの下腿部に装着される第２リンク２Ｌ、２Ｒ（本願の第２リンクの一例）と、膝関節部接続機構３Ｌ、３Ｒ（本願の膝関節部接続手段の一例）と、股関節部接続機構４Ｌ、４Ｒ（本願の股関節部接続手段の一例）と、足装着部５Ｌ、５Ｒと、制御部６（本願の制御手段の一例）等とを備える。

なお、本実施形態における説明において、部材番号に付されたＬは、利用者Ｈの左脚部に装着される部材を示す。また、部材番号に付されたＲは、利用者Ｈの右脚部に装着される部材を示す。特に説明をする場合を除き、Ｌ及びＲが付された部材番号が示す部材は、少なくとも同一の機能及び効果を奏する。

また、説明の便宜上、図１に示される右脚部に装着される部材では、左脚部に装着される部材のうち、カバーＴ１〜Ｔ５の図示を省略（破線で表示）する。また、図１において、右左脚部に装着される部材については、右脚部に装着される部材についてのみ部材番号を付し、左脚部に装着される部材についての部材番号の図示は省略する。

第１リンク１Ｌ、１Ｒは、第１リンク７Ｌ、７Ｒと第１リンク８Ｌ、８Ｒがダイヤル９Ｌ、９Ｒによって第１リンク１Ｌ、１Ｒの軸方向に伸縮自在に接続された、ロッド状の装具である。ダイヤル９Ｌ、９Ｒは略円盤状のノブであり、ダイヤル９Ｌ、９Ｒの利用者Ｈと対向する面には、図示しないネジが設けられた軸が立設されている。この軸は、第１リンク７Ｌ、７Ｒと第１リンク８Ｌ、８Ｒを軸通しており、この軸の先端部には、図示しない固定部品（例えばナット等）が螺結される。そして、ダイヤル９Ｌ、９Ｒが回動されると、前記固定部品がネジにそってダイヤル９Ｌ、９Ｒに近接されることにより、第１リンク７Ｌ、７Ｒと第１リンク８Ｌ、８Ｒの距離が近接され、リンク同士が固定されるようになっている。

第１リンク７Ｌ、７Ｒ又は第１リンク８Ｌ、８Ｒの少なくとも何れかは一方は、カフ１０Ｌ、１０Ｒを介して利用者Ｈの脚の大腿部に装着される。カフ１０Ｌ、１０Ｒは、布持又は樹脂材料等の収縮又は湾曲自在なベルト状の固定具であり、第１リンク７Ｌ、７Ｒ又は第１リンク８Ｌ、８Ｒを利用者Ｈの体（大腿部）へ装着することができる。

第２リンク２Ｌ、２Ｒは、第２リンク１１Ｌ、１１Ｒと第２リンク１２Ｌ、１２Ｒがダイヤル１３Ｌ、１３Ｒによって第２リンク２Ｌ、２Ｒの軸方向に伸縮自在に接続された、ロッド状の装具である。ダイヤル１３Ｌ、１３Ｒは、ダイヤル９Ｌ、９Ｒと同様の機能を有するため、詳しい説明は省略する。

第２リンク１１Ｌ、１１Ｒは、カフ１４Ｌ、１４Ｒを介して利用者Ｈの下腿部に装着される。また、第２リンク１２Ｌ、１２Ｒは、カフ１５Ｌ、１５Ｒを介して利用者Ｈの下腿部に装着される。カフ１４Ｌ、１４Ｒ及びカフ１５Ｌ、１５Ｒは、カフ１０Ｌ、１０Ｒと同一の構成であるため詳しい説明は省略する。

第１リンク８Ｌ、８Ｒの一端（本願の第１リンクの一の端部の一例）と、第２リンク１１Ｌ、１１Ｒ（本願の第２リンクの一の端部）は、利用者Ｈの膝関節の側部に対応する位置で、膝関節部接続機構３Ｌ、３Ｒによって回動可能に接続されている。

膝関節部接続機構３Ｌ、３Ｒは、利用者Ｈの左右方向の１軸まわり（図１の軸Ａまわり）の回転自由度を有する関節である。すなわち、膝関節部接続機構３Ｌ、３Ｒによって、第２リンク１１Ｌ、１１Ｒと第１リンク８Ｌ、８Ｒは、軸Ａまわりに相対的に回転可能となっている。

膝関節部接続機構３Ｌ、３Ｒには、膝関節部接続機構３Ｌ、３Ｒを駆動させるための電気モータ１６Ｌ、１６Ｒと、膝関節部接続機構３Ｌ、３Ｒの回転角を検出する膝関節角度センサ１７Ｌ、１７Ｒが接続されている。電気モータ１６Ｌ、１６Ｒとしては、例えば、直流モータ、交流モータ、又はステッピングモータ等、制御部６の制御のもと、回転角度を制御することが可能なモータを適用することができる。

また、図示しないが、膝関節部接続機構３Ｌ、３Ｒは、所定の歯車群（例えば、減速ギア、回転方向変更ギア等）を含んで構成されるギアボックスを介して電気モータ１６Ｌ、１６Ｒと接続されている。電気モータ１６Ｌ、１６Ｒの回転軸が回転することによって得られる回転駆動力が前記歯車群を介して、第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒに伝達（即ち、第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒによって構成される上記関節の中心部とギアボックスの回転軸が接続され回転）されるようになっており、利用者Ｈの膝関節における動作をアシスト（補助）し、利用者Ｈの歩行を補助する。

膝関節角度センサ１７Ｌ、１７Ｒは、第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒ（広義には、第１リンク１Ｌ、１Ｒと第２リンク２Ｌ、２Ｒ）の基準回転位置からの回転角に応じた検出信号を、第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒの屈曲角度を示す信号として、制御部６へ出力する。この基準回転位置は任意に設定することができ、例えば、利用者Ｈが直立姿勢を保っている時の第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒがなす角度を基準回転位置とするようにしてもよい。膝関節角度センサ１７Ｌ、１７Ｒとしては、例えば公知のロータリーエンコーダ等を適用することができる。また、図示しないが、膝関節部接続機構３Ｌ、３Ｒは、電気モータ１６Ｌ、１６Ｒを所定の回転方向及び速度で駆動制御する駆動制御部と、を含んで構成される。駆動制御部は、所謂モータ制御用のドライバ回路であり、制御部６に含むよう構成することもできる。

第１リンク８Ｌ、８Ｒの他の一端（本願の第１リンクの他の端部の一例）は、利用者Ｈの股関節の側部に対応する位置で、股関節部接続機構４Ｌ、４Ｒによって回動可能に接続されている。

股関節部接続機構４Ｌ、４Ｒは、利用者Ｈの左右方向の１軸まわり（図１の軸Ｂまわり）の回転自由度を有する関節である。すなわち、股関節部接続機構４Ｌ、４Ｒによって、第１リンク７Ｌ、７Ｒ（第１リンク８Ｌ、８Ｒ）は、軸Ｂまわりに相対的に回転可能となっている。なお、上述したように第１リンク７Ｌ、７Ｒは、第１リンク８Ｌ、８Ｒを介して、第２リンク１１Ｌ、１１Ｒ及び第２リンク１２Ｌ、１２Ｒと接続されている。従って、股関節部接続機構４Ｌ、４Ｒによって、第１リンク１Ｌ、１Ｒ及び第２リンク２Ｌ、２Ｒは、軸Ｂまわりに（即ち、利用者Ｈの進行方向へ）相対的に回転可能となる。

股関節部接続機構４Ｌ、４Ｒには、股関節部接続機構４Ｌ、４Ｒを駆動させるための空気圧アクチュエータ１８Ｌ、１８Ｒと、膝関節部接続機構３Ｌ、３Ｒの回転角を検出する股関節角度センサ１９Ｌ、１９Ｒが接続されている。股関節角度センサ１９Ｌ、１９Ｒは、膝関節角度センサ１７Ｌ、１７Ｒと少なくとも同一の機能を有するため、詳しい説明は省略する。

空気圧アクチュエータ１８Ｌ、１８Ｒとしては、例えば、公知のロータリーアクチュエータ（ロータリー型エアシリンダ）を適用することができる。

ここで、空気圧アクチュエータ１８Ｌ、１８Ｒの概要及び作動原理を、特に図３及び図４を用いて説明する。

図４（Ａ）に示すように、空気圧アクチュエータ１８Ｌ、１８Ｒは、圧縮空気の作用によって、空気圧アクチュエータ１８Ｌ、１８Ｒに設けられた軸２０Ｌ、２０Ｒを、設定された角度範囲で搖動させるアクチュエータである。

更に具体的には、図３に示すように、制御部６は、圧縮された空気（エア）が充填されたエアボンベ２１から、レギュレータ２２によって出力調整（空気圧の調整）した空気を、所定の空気圧アクチュエータに向けて出力する。そして、制御部６は、空気圧アクチュエータの空気の流入口に設けられた股関節動作用電磁弁（所謂、ソレノイドバルブ）２３を開き、上記空気を所定のアクチュエータに出力する。

図４（Ｂ）に示すように、空気圧アクチュエータ１８Ｌ、１８Ｒは、上記空気が入力されると、軸２０Ｌ、２０Ｒを、予め定められた角度の範囲で回転（搖動）させる。

軸２０Ｌ、２０Ｒは、利用者Ｈの左右方向の１軸まわり（図１の軸Ｂまわり）の回転自由度を有する関節の一例であり、第１リンク７Ｌ、７Ｒに接続されている。従って、軸２０Ｌ、２０Ｒの回転運動によって、利用者Ｈの股関節における動作をアシスト（補助）し、利用者Ｈの歩行を補助する。

そして、図４（Ｃ）に示すように、軸２０Ｌ、２０Ｒは、上記エアの作用によって回転運動が終了した後には、図１の軸Ｂを始点として自由に搖動運動（振り出し運動）が可能となっている。

すなわち、空気圧アクチュエータ１８Ｌ、１８Ｒは、制御部６の制御に基づき空気が入力されると予め定められた角度の範囲（目標値）まで回転させる。従って、制御部６は、前記角度に達する間、空気圧アクチュエータ１８Ｌ、１８Ｒを制御する必要がない。

なお、軸２０Ｌ、２０Ｒは第１リンク８Ｌ、８Ｒに接続されているとしたが、カフ１０Ｌ、１０Ｒに接続するようにしてもよい。また、軸２０Ｌ、２０Ｒは第１リンク７Ｌ、７Ｒに接続されるようにしてもよい。

股関節角度センサ１９Ｌ、１９Ｒは、第１リンク８Ｌ、８Ｒ（軸２０Ｌ、２０Ｒ。なお、広義には、第１リンク１Ｌ、１Ｒと第２リンク２Ｌ、２Ｒ）の基準回転位置からの回転角に応じた検出信号を、第１リンク７Ｌ、７Ｒの屈曲角度を示す信号として、制御部６へ出力する。この基準回転位置は任意に設定することができ、例えば、利用者Ｈが直立姿勢を保っている時の第１リンク７Ｌ、７Ｒが上方向（図１参照）となす角度を基準回転位置とするようにしてもよい。

また、股関節部接続機構４Ｌ、４Ｒは、軸方向に伸縮自在な図示しないラッチ等を備える固定軸２５Ｌ、２５Ｒを介して、固定ベルト２６に接続されている。固定ベルト２６は、布持又は樹脂材料等の収縮又は湾曲自在なベルト状の固定具であり、利用者Ｈの腰部を包み込むように装着する。

また、第１リンク７Ｌ、７Ｒは、リンクボール２７Ｌ、２７Ｒを介して、空気圧アクチュエータ１８Ｌ、１８Ｒに接続されている。リンクボール２７Ｌ、２７Ｒは、ボールジョイント等の３軸まわりの回転自由度を有するフリージョイントである。このリンクボール２７Ｌ、２７Ｒによって、第１リンク７Ｌ、７Ｒは、該第１リンク７Ｌ、７Ｒの軸方向に対して摺動可能に接続される。

足装着部５Ｌ、５Ｒは、利用者Ｈの靴底に取り付けられる足底センサ２８Ｌ、２８Ｒと、利用者Ｈの踵部に接続される空気圧アクチュエータ２９Ｌ、２９Ｒ（本願の踵部用動力発生手段の一例）とから構成される。

足底センサ２８Ｌ、２８Ｒは、例えば、半導体圧力センサ等が適用され、当該センサに加えられた圧力を電気信号に変換し、制御部６へ出力する。本実施形態では、足底センサ２８Ｌ、２８Ｒは、利用者Ｈが立脚期（接地状態）にあるか、遊脚期（浮き状態）にあるかを判別するために用いられる。

具体的には、利用者Ｈが立脚期にある場合には、利用者Ｈの脚底は地面に接触しているため、足底センサ２８Ｌ、２８Ｒには所定の圧力が加えられる。この場合、足底センサ２８Ｌ、２８Ｒは、上記圧力を電気信号に変換し、制御部６へ出力する。一方、利用者Ｈが遊脚期にある場合には、利用者Ｈの脚底は地面に接触していないため、足底センサ２８Ｌ、２８Ｒには所定の圧力が加えらない。この場合、足底センサ２８Ｌ、２８Ｒは、何らの電気信号も出力しない。制御部６は、上記電気信号に応じて、利用者Ｈが立脚期にあるか遊脚期にあるかを検出するようになっている。

空気圧アクチュエータ２９Ｌ、２９Ｒは、利用者Ｈの踵部を上部へ持ち上げ歩行動作をアシストするためのアクチュエータである。具体的には、空気圧アクチュエータ２９Ｌ、２９Ｒは、圧縮空気の作用によって、空気圧アクチュエータ２９Ｌ、２９Ｒに備えられたロッド３０Ｌ、３０Ｒを直線的に外部へ押し出す。本実施形態では、ロッド３０Ｌ、３０Ｒの作用によって、利用者Ｈの踵部が上部へ持ち上げられるようになっている。

充電池（バッテリＢＯＸ）３１は、例えば、充電によって蓄えられた電気を電源部（電源ＢＯＸ）３２へ供給する。電源部３２は、歩行補助装置Ｓの各部へ電気を供給する。

次に、本実施形態における歩行補助装置の機能構成について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態における歩行補助装置の機能構成を示すブロック図である。なお、他の図において同一の部材番号を示す部材は、少なくとも同一の機能を有するものとし、詳しい説明は省略する。

図５に示すように、制御部６は、主として演算機能を有するＣＰＵ、作業用ＲＡＭ、及び各種データやプログラムを記憶するＲＯＭを備えて構成されている。当該ＣＰＵが、例えばＲＯＭに記憶された各種プログラムを実行することにより、歩行補助装置Ｓ全体を統括制御すると共に、本実施形態における制御手段として機能する。

具体的には、歩行における利用者Ｈの膝関節の動作をアシストするため、制御部６は、第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒを所定の屈曲角度に制御するための制御信号を上記駆動制御部へ出力する。制御信号を受信した駆動制御部は、該制御信号に基づいて、第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒを所定の屈曲角度に制御する。膝関節角度センサ１７Ｌ、１７Ｒは、上記制御信号に基づいて屈曲する第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒがなす角度を計測（モニタリング）し、制御部６へ屈曲角度を示す信号として出力する。

制御部６は、受信した当該信号と、先に出力した制御信号とを比較することによって、第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒが当該制御信号に応じた動作を実行しているか否かを確認する。そして、当該制御信号に応じた動作が実行されていない場合には、制御部６は、上記当該制御信号に応じた動作を実行するための補正信号を出力するようになっている（所謂、フィードバック制御を実行する）。

なお、上述した第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒを所定の屈曲角度に制御するための一連の制御信号（フィードバック制御についての信号も含む）を、「膝関節用制御信号」とする。

一般的に、膝関節は、大腿骨、脛骨及び膝蓋骨からなる関節であり、この関節の周囲に張り巡らされた靭帯や筋肉の作用により、立位から歩行、座位、正座等可動域が広く複雑な動作が可能となっている。このような膝関節の動作をアシストする歩行補助装置では、複雑な機構の制御を可能とする動力源が必要となる。

上記膝関節の動作をアシストするために、利用者Ｈの大腿部に装着された第１リンク８Ｌ、８Ｒと利用者Ｈの下腿部に装着された第２リンク１１Ｌ、１１Ｒは、上述した制御部６の膝関節用制御信号に基づく制御によって、所定の屈曲角度至るまで継続的に制御される。

従って、利用者Ｈの大腿骨、脛骨及び膝蓋骨の動作（即ち、膝関節の動作のアシスト）を高精度にかつ確実に制御することができる。

また、歩行における利用者Ｈの股関節の動作をアシストするため、制御部６は、第１リンク７Ｌ、７Ｒを所定の屈曲角度に回動するための制御信号を空気圧アクチュエータ１８Ｌ、１８Ｒへ出力する。

この制御信号は、上述したように上記空気を所定のアクチュエータに出力するために股関節動作用電磁弁２３を開くための制御信号である。換言すれば、股関節動作用電磁弁２３を開くための制御信号は、オンオフ信号（０１信号等）等の制御信号（即ち、単一の命令）であるため、膝関節用制御信号よりも簡便な構成であり、複雑な制御を必要としない。

なお、第１リンク７Ｌ、７Ｒを所定の屈曲角度に回動するための制御信号を、以下単に「股関節用制御信号」とする。

一般的に、寛骨臼と球体に近い形状の大腿骨頭で構成される股関節は、膝関節よりも動作角度が少なく、動作開始時にわずかなアシストでも十分な場合が多い。具体的には、歩行動作において、大腿部は膝関節を回転中心として、利用者Ｈの進行方向に回動するようになっている（即ち、進行方向に対して大腿部を振り出す）。このような股関節の動作をアシストする歩行補助装置では、制御部６の処理負担軽減の観点から、単純な機構と簡易的な制御を可能とする動力源を適用することが好ましい。

そこで、このような動作をアシストするために、制御部６は、利用者Ｈの大腿部に装着された第１リンク７Ｌ、７Ｒを、利用者Ｈの進行方向に回動させる動作を実行させればよい。この動作を実行させる命令として、制御部６は、股関節用制御信号を出力する。

従って、利用者Ｈの大腿骨、脛骨及び膝蓋骨の動作を簡便な制御によって、アシストすることができる。

また、歩行における利用者Ｈの踵部の動作をアシストするため、制御部６は、利用者Ｈの踵部を上部へ持ち上げるための制御信号を空気圧アクチュエータ２９Ｌ、２９Ｒへ出力する。

この制御信号は、股関節用制御信号と同様に、上記空気を所定のアクチュエータに出力するために踵部動作用電磁弁３３を開くための制御信号である。

なお、利用者Ｈの踵部が上部へ持ち上げるための制御信号を、以下単に「踵部用制御信号」とする。

一般的に、踵部は、脚の構成要素の一つであり利用者Ｈの全荷重が集中する場合もある。しかし、歩行動作では、踵部が接地面（床、地面等）から離れるにつれて、当該荷重が緩和され、利用者Ｈの重心位置が前側（進行方向）に移動し、歩行に至る。即ち、単に利用者Ｈの踵部を上部へ持ち上げるだけで、歩行動作をアシストすることができる。このような踵部の動作をアシストする歩行補助装置では、単純な機構と簡易的な制御を可能とする動力源を適用することが好ましい。

上記踵部の動作をアシストするために、上述した制御部６の踵部用制御信号に基づく制御によって、利用者Ｈの踵部を上部へ持ち上げることができる。

従って、利用者Ｈの踵部の動作を簡便な制御によって、アシストすることができる。

次に、制御部６の各種制御信号に基づく歩行補助装置Ｓの動作について、図６、図７、及び図８をそれぞれ対比して説明する。図６は制御部６が出力する制御信号を示すフローチャートであり、図７は制御信号に基づいた膝関節部接続機構３Ｌ、３Ｒ、股関節部接続機構４Ｌ、４Ｒ及び足装着部５Ｌ、５Ｒの屈曲角度又は制御信号を示すグラフであり、図８は利用者Ｈの歩行時における片脚の動作を模式的に示した図である。なお、図７における（Ａ）〜（Ｃ）が示す経過時間Ｘは、共通である。

歩行動作は、利用者Ｈの膝関節、股関節、及び踵部の動作が連動して行われるものである。そこで、制御部６は、上述したように、膝関節、股関節、及び踵部の動作をアシストすべく、膝関節用制御信号、股関節用制御信号、及び踵部用制御信号を出力する。

具体的には、図６に示すように、制御部６は、時間Ｔ１において、股関節用制御信号を出力する（ステップＳ１）。ここで、歩行時における片脚の動作に要した時間Ｔ１〜Ｔ３における股関節用制御信号に基づいて第１リンク７Ｌ、７Ｒが示した屈曲角度について、図７（Ａ）を用いて説明する。

図７（Ａ）は歩行時における片脚の動作に要した時間Ｔ１〜Ｔ３における股関節用制御信号に基づいて第１リンク７Ｌ、７Ｒが示した屈曲角度を表す波形である。

制御部６からの股関節用制御信号に基づいて、第１リンク７Ｌ、７Ｒは、空気圧アクチュエータ１８Ｌ、１８Ｒの動力によって、図８（Ａ）の矢印イの方向へ回動される。そして、第１リンク７Ｌ、７Ｒは、所定の屈曲角度（図７（Ａ）の４０°近辺）まで回動しする（図８の（Ｂ）、（Ｃ））。そして、立脚期へと移行するにつれて、第１リンク７Ｌ、７Ｒが示す屈曲角度は減少する（図８の（Ｄ）（Ｅ））。

また、図６に示すように、制御部６は、時間Ｔ１において、踵部用制御信号を出力する（ステップＳ２）。ここで、歩行時における片脚の動作に要した時間Ｔ１〜Ｔ３における制御部６の、踵部用制御信号に基づく制御によって、足底センサ２８Ｌ、２８Ｒが示した脚底の接地状態について、図７（Ｃ）を用いて説明する。

図７（Ｃ）は、歩行時における片脚の動作に要した時間Ｔ１〜Ｔ３における制御部６の、踵部用制御信号に基づく制御によって、足底センサ２８Ｌ、２８Ｒが示した脚底の接地状態を示す波形である。

制御部６からの踵部用制御信号に基づいて、利用者Ｈの脚底（踵部）は、空気圧アクチュエータ２９Ｌ、２９Ｒの動力によって、図８（Ａ）の矢印ハの方向（上部）へ持ち上げられる。利用者Ｈの脚底（踵部）が持ち上げられている間（遊脚期。図８の（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ））、足底センサ２８Ｌ、２８Ｒには圧力が加えられないため、何らの電気信号も出力しない（図７（Ｃ）参照）。そして、立脚期へ移行すると、利用者Ｈの脚底は地面に接触するため（図８（Ｅ））、足底センサ２８Ｌ、２８Ｒに圧力が加えられる。すると、足底センサ２８Ｌ、２８Ｒは、上記圧力を電気信号に変換し、制御部６へ出力する（図７（Ｃ）参照）。

また、図６に示すように、制御部６は、時間Ｔ１〜Ｔ３の間、膝関節用制御信号を出力する（ステップＳ３）。

歩行時における片脚の動作において、一般的に膝関節は０°〜最大７５°程度まで屈曲し、伸展する。この動作をアシストするために、制御部６は、膝関節用制御信号によって第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒを所定の屈曲角度となるように、継続的に制御する。

ここで、歩行時における片脚の動作に要した時間Ｔ１〜Ｔ３における制御部６の膝関節用制御信号に基づく制御によって、第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒが示した屈曲角度について図７（Ｂ）を用いて説明する。

図７（Ｂ）は歩行時における片脚の動作に要した時間Ｔ１〜Ｔ３における制御部６の膝関節用制御信号に基づく制御によって、第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒが示した屈曲角度を表す波形である。

制御部６からの膝関節用制御信号に基づいて、第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒは、電気モータ１６Ｌ、１６Ｒの制御によって、図８（Ａ）の矢印ロの方向へ屈曲される。そして、第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒは、所定の屈曲角度（図７（Ｂ）の６０°近辺）まで屈曲（図８の（Ｂ）、（Ｃ））する。

そして、立脚期へと移行するため、第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒは、電気モータ１６Ｌ、１６Ｒの制御によって、図８（Ｃ）の矢印ロの方向へ屈曲される。すると、第１リンク８Ｌ、８Ｒと第２リンク１１Ｌ、１１Ｒの屈曲角度が減少し（図７（Ｂ））、直立姿勢へと移行する。

なお、以上説明した実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。そして、上記実施形態の中で説明されている構成の組合せ全てが発明の課題解決に必須の手段であるとは限らない。また、上記実施形態の中で説明されている構成は、適宜組合わせて実施することが可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、歩行補助装置Ｓは、利用者Ｈの大腿部に装着される第１リンク８Ｌ、８Ｒの一端と、利用者Ｈの下腿部に装着される第２リンク１１Ｌ、１１Ｒの一の端部とを、利用者Ｈの膝関節の側部に対応する位置で、電気モータ１６Ｌ、１６Ｒによって発生させた動力によって回動可能に接続する膝関節部接続機構３Ｌ、３Ｒと、第１リンク８Ｌ、８Ｒの他の一端を、利用者Ｈの股関節の側部に対応する位置で、空気圧アクチュエータ１８Ｌ、１８Ｒによって発生させた動力によって、利用者Ｈの歩行方向に対して回動可能に接続する股関節部接続機構４Ｌ、４Ｒと、電気モータ１６Ｌ、１６Ｒ及び空気圧アクチュエータ１８Ｌ、１８Ｒから出力される動力を膝関節用制御信号及び股関節用制御信号によって制御する制御部６と、を備えるように構成したため、人体の関節等の特性を考慮した動力源を適用することで、歩行における人体の動作を十分にアシストすることができる。また、股関節用制御信号を用いることによって、制御部６の処理負担を軽減することができる。

また、本実施形態の歩行補助装置Ｓによれば、制御部６の制御のもと、各リンク機構部が強制的に動作するので、利用者Ｈは自然に足を動かすこととなり踏み出しタイミングを自然と体に身に付けさせることができる。

また、制御部６は、足底センサ２８Ｌ、２８Ｒを用いて、利用者Ｈの歩行の開始を監視し、利用者Ｈが歩行を開始したことを示す監視結果を受信した場合に、各種制御信号（膝関節用制御信号、股関節用制御信号、又は踵部用制御信号）を出力するようにしてもよい。

以上のように構成することによって、利用者Ｈの意思に基づいたリハビリテーションを実行することができる。

１Ｌ 第１リンク
１Ｒ 第１リンク
２Ｌ 第２リンク
２Ｒ 第２リンク
３Ｌ 膝関節部接続機構
３Ｒ 膝関節部接続機構
４Ｌ 股関節部接続機構
４Ｒ 股関節部接続機構
５Ｌ 足装着部
５Ｒ 足装着部
６ 制御部
７Ｌ 第１リンク
７Ｒ 第１リンク
８Ｌ 第１リンク
８Ｒ 第１リンク
９Ｌ ダイヤル
９Ｒ ダイヤル
１０Ｌ カフ
１０Ｒ カフ
１１Ｌ 第２リンク
１１Ｒ 第２リンク
１２Ｌ 第２リンク
１２Ｒ 第２リンク
１３Ｌ ダイヤル
１３Ｒ ダイヤル
１４Ｌ カフ
１４Ｒ カフ
１５Ｌ カフ
１５Ｒ カフ
１６Ｌ 電気モータ
１６Ｒ 電気モータ
１７Ｌ 膝関節角度センサ
１７Ｒ 膝関節角度センサ
１８Ｌ 空気圧アクチュエータ
１８Ｒ 空気圧アクチュエータ
１９Ｌ 股関節角度センサ
１９Ｒ 股関節角度センサ
２０Ｌ 軸
２０Ｒ 軸
２１ エアボンベ
２２ レギュレータ
２３ 股関節動作用電磁弁
２５Ｌ 固定軸
２５Ｒ 固定軸
２６ 固定ベルト
２７Ｌ リンクボール
２７Ｒ リンクボール
２８Ｌ 足底センサ
２８Ｒ 足底センサ
２９Ｌ 空気圧アクチュエータ
２９Ｒ 空気圧アクチュエータ
３０Ｌ ロッド
３０Ｒ ロッド
３１ 充電池
３２ 電源部
３３ 踵部動作用電磁弁
Ｈ 利用者
Ｓ 歩行補助装置

Claims (4)

1. 利用者の大腿部に装着される第１リンクの一の端部と、前記利用者の下腿部に装着される第２リンクの一の端部とを、利用者の膝関節の側部に対応する位置で、電気モータによって発生させた動力によって回動可能に接続する膝関節部接続手段と、
   前記第１リンクの他の端部を、利用者の股関節の側部に対応する位置で、空気圧アクチュエータによって発生させた動力によって、前記利用者の歩行方向に対して回動可能に接続する股関節部接続手段と、
   前記電気モータ及び前記空気圧アクチュエータから出力される動力を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする歩行補助装置。
2. 請求項１に記載の歩行補助装置であって、
   前記利用者の踵部に接続され、空気圧アクチュエータを備え、この空気圧アクチュエータによって発生させた動力を、前記利用者の腰部方向に出力する踵部用動力発生手段を備え、
   前記制御手段は、さらに、前記踵部用動力発生手段から出力される動力を制御することを特徴とする歩行補助装置。
3. 利用者の大腿部に装着される第１リンクの一の端部と、前記利用者の下腿部に装着される第２リンクの一の端部とを、利用者の膝関節の側部に対応する位置で、電気モータによって発生させた動力によって回動可能に接続する膝関節部接続手段と、
   前記第１リンクの他の端部を、利用者の股関節の側部に対応する位置で、空気圧アクチュエータによって発生させた動力によって、前記利用者の歩行方向に対して回動可能に接続する股関節部接続手段と、を備える歩行補助装置における歩行補助方法であって、
   前記電気モータ及び前記空気圧アクチュエータから出力される動力を制御する制御工程と、
   を有することを特徴とする歩行補助方法。
4. 利用者の大腿部に装着される第１リンクの一の端部と、前記利用者の下腿部に装着される第２リンクの一の端部とを、利用者の膝関節の側部に対応する位置で、電気モータによって発生させた動力によって回動可能に接続する膝関節部接続手段と、
   前記第１リンクの他の端部を、利用者の股関節の側部に対応する位置で、空気圧アクチュエータによって発生させた動力によって、前記利用者の歩行方向に対して回動可能に接続する股関節部接続手段と、を備える歩行補助装置に含まれるコンピュータを、
   前記電気モータ及び前記空気圧アクチュエータから出力される動力を制御する制御手段、として機能させることを特徴とする歩行補助プログラム。

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