JP2012090849A - 下肢動作支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】利用者の負担をより軽減することができ、アクチュエータの出力が小さく抑えることができる下肢動作支援装置を提供する。
【解決手段】利用者Ｐが着座するサドル１２を備え、利用者Ｐの体幹に装着される体装着部１０と、前記体装着部１０に連結され、前記利用者の大腿に沿い非拘束状態に設けられる大腿リンク部３０と、前記利用者の下腿に沿い非拘束状態に設けられ、膝関節部を介して前記大腿リンク部に連結された下腿リンク部４０と、前記利用者の足を載置するように設けられ、前記下腿リンク部に連結された足載置部５０と、前記膝関節部に回転トルクを付与し、前記大腿リンク部３０又は下腿リンク部４０に設けられた膝関節部駆動用アクチュエータ６１と、前記大腿リンク部及び下腿リンク部が伸展する方向に付勢する付勢機構３４，４３ａを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、アクチュエータを用いて、人体の下肢の動作を支援する下肢動作支援装置に関する。

従来、利用者に対して歩行動作などの脚部の運動を支援するために動作の推進力を外的に付与する動作支援装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。動作支援装置は、脚の筋力が落ちた人、脚を怪我した人など、自力歩行が困難な人の歩行を助けるためのほか、自らの許容を超える力がかかった場合など、自己の能力以上の脚力を与えることができるため、例えば、工事現場などにおいての利用が期待されている。

また、利用者の体幹に装着される体装着部と、装着状態において利用者の大腿、膝関節および下腿に対して非拘束状態に構成されるリンク部と、を備え、膝関節部駆動用アクチュエータにより利用者の体重の一部を支持する力を付与する肢体アシスト装置が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

この肢体アシスト装置は、利用者が自力で立位状態を維持したまま体装着部を臀部に取りつけ、先端の靴部に足を入れるように装着し、リンク部は、利用者の足に対して非拘束状態となっている。そして、足部の裏に設けられたセンサが接地状態を感知した時には、膝関節にアシスト力を付与するように制御されている。

特開２００３−２５０８４４号公報 特開２００６−３３４２００号公報

しかしながら、特許文献２に記載の装置では、膝関節のアシスト力は付与されているが、装置自体の重量は、利用者が支えていることとなる。すなわち、利用者は、装置を装着した状態において、膝関節のアシスト力は付与されているものの装置の重量分を体装着部により支え、その上で歩行動作を行う必要があることから、利用者が自力で発揮する力は相当なものであった。

また、膝関節のアシスト力は、靴部が設置しているときにアクチュエータから与えられるものであるため、人間の自然体である立位状態において常時アクチュエータが足リンク部に回転トルクを付与し続けることが必要である。このことより、何らかの事情によりアクチュエータの動作が適切に行われない場合は、装置重量を含む自身の全体重を自力で支えることが必要であり、利用者の負担が大きいものであった。

また、足裏が接地しているときは必ず利用者の膝関節が伸直状態であるものとは限らず、さらに、足裏が接地していないときにおいても膝関節のアシスト力を必要とするような場合がある。すなわち、地面にしゃがみ込んだ状態や、片膝立ちの状態においても、利用者の下半身に加わる重量をアシストする必要がある。しかし、アシスト力を付与するために接地センサからの出力に基づいたアクチュエータからのトルク管理と、足リンク部の屈曲角度制御とを一つのアクチュエータにより管理することは、動作制御の煩雑性を招くものである。

本発明は、これらの課題に鑑みてなされたもので、利用者の動作支援を行う場合に、利用者の負担をより軽減することができ、常時のアクチュエータによるトルク管理を必要とせず、アクチュエータの出力が小さく抑えることができる下肢動作支援装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の下肢動作支援装置を提供する。

本発明の第１態様によれば、
利用者が着座するサドルを備え、利用者の体幹に装着される体装着部と、
前記体装着部に連結され、前記利用者の大腿に沿い非拘束状態に設けられる大腿リンク部と、
前記利用者の足を載置する足載置部が下端に設けられた前記利用者の下腿に沿い非拘束状態に設けられ、膝関節部を介して前記大腿リンク部に連結された下腿リンク部と、
前記膝関節部に回転トルクを付与し、前記大腿リンク部又は下腿リンク部に設けられた膝関節部駆動用アクチュエータと、
前記大腿リンク部及び下腿リンク部が伸展する方向に付勢する付勢機構と、
を有することを特徴とする下肢動作支援装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、前記膝関節部は、前記大腿リンク部又は下腿リンク部のいずれか一方に固定された第１プーリと、
前記大腿リンク部又は下腿リンク部の他方に前記第１プーリと同軸に設けられ前記膝関節部駆動用アクチュエータの動力を受けて駆動する第２プーリと、
を備え、
前記付勢機構は、前記膝関節部駆動用アクチュエータが設けられていない側である前記大腿リンク部又は下腿リンク部の他方と前記第１プーリに連結される、ことを特徴とする第１態様の下肢動作支援装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記第１プーリは前記下腿リンク部に固定され、前記スプリング部材は上端が前記大腿リンク部に接続されていることを特徴とする、第２態様の下肢動作支援装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、前記付勢機構は、前記大腿リンク部に沿って配置されたスプリングと、前記スプリングに連結するワイヤとを備え、前記ワイヤは前記第１プーリに固定されていることを特徴とする、第２又は第３態様の下肢動作支援装置を提供する。

本発明の第５態様によれば、前記体装着部と前記大腿リンク部とは、前記体装着部に対して左右方向に揺動可能に連結されると共に前記大腿リンク部を前後方向に揺動可能に連結する大腿関節部を介して連結されており、
前記大腿関節部に前記大腿リンク部を駆動させる股関節部駆動用アクチュエータをさらに備えていることを特徴とする第１から第４態様のいずれか１つの下肢動作支援装置を提供する。

本発明の第６態様によれば、前記体装着部は、前記利用者の背後から両側方に伸びる本体部と、前記本体部から垂下され、前記サドルを固定するサドル取り付け部とを備えることを特徴とする、第１から第５態様のいずれか１つの下肢動作支援装置を提供する。

本発明の第１態様によれば、利用者が自然な状態で立位状態になるときなど，膝関節にかかる自重を付勢機構により補償することができ、膝関節の形状維持のためにアクチュエータユニットによるトルクの付与をする必要がない。このため、アクチュエータユニットは、自重補償のための管理を行なう必要がなく、動作制御の管理でよいため、簡易な管理を実現することができる。

また、本発明の第２態様によれば、同軸で回転する第１及び第２プーリにより、膝関節の運動と付勢機構との自重補償を行なうことができるので、アクチュエータの出力も小さく抑えることができる。また、膝関節の曲げ角度に応じたスプリングの牽引力が付加されるため、膝関節の曲げ角度に応じたアシスト力を確保することができ、アシスト力と動作制御とを容易かつ高精度に行なうことができる。

また、付勢機構をスプリングとワイヤにより構成することにより、第１プーリによる膝関節の変位に追従した付勢力を得ることができる。

本発明の第１実施形態にかかる下肢動作支援装置の構成を示す正面図である。 図１の下肢動作支援装置の側面図である。 図１の下肢動作支援装置の平面図である。 屈曲状態にある図１の下肢動作支援装置の平面図である。 図１の下肢動作支援装置の部分拡大正面断面図である。 図１の下肢動作支援装置の部分拡大側面図である。 図１の下肢動作支援装置の力センサの構成を示す模式図である。 図１の下肢動作支援装置の駆動制御部の機能ブロック図

以下、本発明の一実施形態に係る下肢動作支援装置について、図面を参照しながら説明する。なお、位置、方向などに関する表現については、利用者の前後方向にＸ軸、左右方向にＹ軸、上下方向にＺ軸をとる。また、脚リンク部など、左右一対となるように設けられた部材において、左右の部材を区別する場合には利用者Ｐを基準として符号の末尾にＬ（左），Ｒ（右）を付し、左右の区別をしない場合には、Ｌ，Ｒを付さずに説明する。

図１から図４は、本発明の実施形態にかかる下肢動作支援装置の構成を示す図であり、図１は正面図、図２は側面図、図３は平面図、図４は、屈曲状態にある側面図である。

図１に示す下肢動作支援装置１は、体装着部１０、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒ、足載置部５０Ｌ，５０ＲおよびバックパックＢＰを備えている。

（体装着部１０）
図１から図４に示すように、体装着部１０は、利用者Ｐの体幹に装着される部分である。体幹とは、利用者の肩、胸、背中、腹、腰および臀部を含む胴体部分を意味する。図１に示すように、体装着部１０は、本体部１１、サドル部１２、サドル取り付け部１３、大腿関節部としてのアクチュエータ取付部１４Ｌ，１４Ｒ、固定ベルト部１５，１６Ｌ，１６Ｒを備えている。

本体部１１は、利用者Ｐの背後から側方まで腰まわりに沿って装着されるＵ字形の部材であり、中央部分にサドル取り付け部１３を介してサドル部１２が設けられる。サドル部１２は、本体部の下方に設けられ、利用者Ｐが座った状態で本体部１１が利用者Ｐの背後に位置するように、サドル取り付け部１３によって取り付け位置を調整することができるようになっている。

本体部１１の左右両端には、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒを接続するための部材であるアクチュエータ取付部１４Ｌ，１４Ｒが設けられている。アクチュエータ取付部１４Ｌ，１４Ｒは、後述する股関節アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒ（図３参照）が設けられる。

アクチュエータ取付部１４Ｌ，１４Ｒと本体部１１は、Ｘ軸方向に沿った第１股関節軸１８Ｌ，１８Ｒを介して接続されている。したがって、アクチュエータ取付部１４Ｌ，１４ＲはＸ軸周りに回転することができる。

固定ベルト部１５，１６Ｌ，１６Ｒは、体装着部１０を利用者Ｐに固定するための部材であり、利用者Ｐの腹部に位置するバックル部１７に取り付けることで体装着部１０を固定する。固定ベルト部１５はサドル部１２の先端に、固定ベルト部１６Ｌ，１６Ｒは本体部１１の左右方向に接続され、サドル部１２に座った利用者を３方向から固定する。

（脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒ）
図１乃至図６に示すように、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒは、体装着部１０と足載置部５０Ｌ，５０Ｒとを複数の関節部を介して連結しており、利用者Ｐの脚（肢体）の外側部に沿うように設けられている。

本実施形態において、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒは、アルミ製材料で構成されており、軽量で、利用者Ｐの体重及び装置自体の自重を支えることができる十分な強度を有することができる。なお、アルミ製部材の他に、カーボン材料などの他の材料から形成されていてもよい。

脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒは、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒ、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒを備えている。大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの上端は、アクチュエータ取付部１４Ｌ，１４Ｒと接続されており、股関節部３１Ｌ，３１Ｒを構成する。また、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの下端は、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒと接続されており、膝関節部３２Ｌ，３２Ｒを構成する。

股関節部３１Ｌ，３１Ｒは、利用者Ｐの股関節の外側に位置している。股関節部３１Ｌ，３１Ｒは、第２股関節軸１９Ｌ，１９Ｒを介して、Ｘ軸まわりに回動可能に連結している。

大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒは、利用者Ｐの大腿の外側部に沿って延びるリンクである。上記の通り、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの上端は、アクチュエータ取付部１４Ｌ，１４Ｒに連結されている。また、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの下端は、膝関節部３２Ｌ，３２Ｒを構成する。

大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの上端には、股関節駆動ギア３３Ｌ，３３Ｒが設けられている。股関節駆動ギア３３Ｌ，３３Ｒは、第２股関節軸１９Ｌ，１９Ｒを介してアクチュエータ取付部１４Ｌ，１４Ｒに連結され、第２股関節軸１９Ｌ，１９Ｒを中心として回転可能となっている。

また、股関節駆動ギア３３Ｌ，３３Ｒと股関節アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒの出力軸は、無端ベルト３３ａＬ，３３ａＲで連動可能に構成されており、後述のように股関節アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒが動作することで、大腿リンク部３０Ｌ，３０ＲがＹ軸を中心として回動する。

膝関節部３２Ｌ，３２Ｒは、利用者Ｐの膝関節の外側に位置し、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク４０Ｌ，４０Ｒとを回動可能に連結している。

下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒは、利用者Ｐの下腿の外側部に沿って延びるリンクである。下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒの上端は、膝関節部３２Ｌ，３２Ｒに連結されている。また、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒの下端は、足首関節部４１Ｌ，４１Ｒを構成する。

大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの下端には、膝関節部３２Ｌ，３２Ｒを構成する部材の一つである膝関節駆動ギア４２Ｌ，４２Ｒが設けられている。また、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒの上端には、後述する付勢機構を構成する膝関節プーリ４３Ｌ，４３Ｒが固定されている。膝関節駆動ギア４２Ｌ，４２Ｒは、膝関節プーリ４３Ｌ，４３Ｒの中心位置に設けられている膝関節駆動軸に挿通されており、当該膝関節駆動軸を中心として大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒが駆動する。また、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒの上端には、後述する膝関節アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒ（図２参照）が設けられている。

膝関節駆動ギア４２Ｌ，４２Ｒは、後述する膝関節アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒ（図２参照）の出力軸と無端ベルト４２ａＬ，４２ａＲで連動可能に構成されており、後述のように股関節アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒが動作することで、大腿リンク部３０Ｌ，３０ＲがＹ軸を中心として回動する。

上記の通り、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒに接続されている股関節アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒが動作することで膝関節駆動ギア４２Ｌ，４２Ｒが回転し、結果として大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒが回転する。すなわち、股関節アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒを動作させることで、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒがなす角度が変化する。

膝関節プーリ４３Ｌ，４３Ｒは、後述する付勢機構のスプリング３４Ｌ，３４Ｒに設けられているワイヤ４３ａＬ，４３ａＲを案内するためのものである。後述する大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒとの相対的な屈曲角度の変更時にワイヤ４３ａＬ，４３ａＲを巻き取ってスプリングを牽引することができるように構成されていればよく、円板形状に構成されていなくてもよい。

（付勢機構）
本実施形態にかかる下肢動作支援装置は、膝関節部３２Ｌ、３２Ｒによって連結された大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒが伸展する方向に付勢する付勢機構を備えている。付勢機構を構成する部材として、スプリング３４Ｌ，３４Ｒが設けられている。スプリング３４Ｌ，３４Ｒは、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの前方側に略平行に設けられている。スプリング３４Ｌ，３４Ｒの上端は大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの上端のスプリング固定部３５Ｌ，３５Ｒに設けられる。

また、スプリング３４Ｌ，３４Ｒの下端には、ワイヤ４３ａＬ，４３ａＲが接続されており、当該ワイヤは膝関節プーリ４３Ｌ，４３Ｒに前方側から巻き回され固定されている。

図４に示すように、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒとが膝関節部３２Ｌ、３２Ｒを屈曲点として回動すると、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒと供に一体として回転駆動する膝関節プーリ４３Ｌ，４３Ｒにワイヤ４３ａＬ，４３ａＲが巻き取られる。その結果として、スプリング３４Ｌ，３４Ｒが延伸する。したがって、スプリング３４Ｌ，３４Ｒによる復元力により、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒは膝関節部３２Ｌ、３２Ｒを介して一直線をなすように伸展する方向に付勢される。

なお、上記の例では、付勢機構が上腿リンク部３０Ｌ、３０Ｒに設けられ、膝関節部駆動用アクチュエータ６１Ｌ、６１Ｒが下腿リンク部４０Ｌ、４０Ｒに設けられているが、それぞれを互いに逆の配置としてもよい。例えば、付帯機構を構成するスプリング３４Ｌ、３４Ｒの一端は、下腿リンク部４０Ｌ、４０Ｒの下端に設けられ、膝関節部駆動用アクチュエータ６１Ｌ、６１Ｒは、上腿リンク部３０Ｌ、３０Ｒに設けられていてもよい。この場合には、膝関節駆動ギア４２Ｌ、４２Ｒが上腿リンク部３０Ｌ、３０Ｒに設けられ、膝関節プーリ４３Ｌ、４３Ｒが下腿リンク部４０Ｌ、４０Ｒに設けられる。

（足載置部５０Ｌ，５０Ｒ）
図１ないし図４に示すように、足載置部５０Ｌ，５０Ｒは、利用者Ｐの足（肢端）に装
着される部分である。図２に示すように、足載置部５０Ｌ，５０Ｒは、利用者が履いた専用の靴を固定する靴固定部５１Ｌ，５１Ｒと地面に接地する接地部５２Ｌ，５２Ｒを備えている。また、接地部５２Ｌ，５２Ｒと靴固定部５１Ｌ，５１Ｒとは、力センサ５３Ｌ，５３Ｒを介して接続されており、利用者の下肢の動作によって靴固定部５１Ｌ，５１Ｒに加えられた力を検知する。

力センサ５３Ｌ，５３Ｒは、図７に示すような互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向の力とそれぞれの３軸方向のねじれα、β、γを一つのセンサで同時に計測するセンサであり、たとえば、ミネベア株式会社の６軸力センサ「ＯＰＦＴシリーズ」などを使用することができる。力センサ５３Ｌ，５３Ｒは、基準部５４Ｌ，５４Ｒに対して作動部５５Ｌ，５５Ｒが連結した構成である。基準部５４Ｌ，５４Ｒは接地部５２Ｌ，５２Ｒに固定され、作動部５５Ｌ，５５Ｒには靴固定部５１Ｌ，５１Ｒが固定されているため、利用者の動作が直接的に作動部５５Ｌ，５５Ｒに基準部５４Ｌ，５４Ｒに対するＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向の少なくとも１つの力及びα、β、γの３軸方向沿いのねじれを計測し、出力端子５６Ｌ，５６Ｒを通じて出力する。なお、力センサに対するＸ、Ｙ、Ｚの３軸及びα、β、γの３軸方向沿いのねじれの座標軸は絶対的なものであり、センサの向きに応じて外部からみた軸の方向は変動する。

接地部５２Ｌ，５２Ｒには、利用者Ｐの靴の外側に補強プレート５７Ｌ，５７Ｒが、設けられており、利用者Ｐの足の接地時に、接地部５２Ｌ，５２Ｒが受ける床反力を脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒに伝達可能な構造となっている。補強プレート５７Ｌ，５７Ｒの先端には、足首関節部を構成する足首関節ギア５８Ｌ，５８Ｒが設けられており、足載置部５０Ｌ，５０Ｒが一体として足首関節部を介して下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒに対する回転運動が可能な構成となっている。

足首関節部は、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒと足載置部５０Ｌ，５０ＲとをＹ軸まわりに回動可能に連結している。この足首関節部は、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒの下端に後方に突出して設けられたアクチュエータ取付部４４Ｌ，４４Ｒに設けられた足首関節アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒを備える。足首関節アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒの出力軸と足首関節ギア５８Ｌ，５８Ｒは、無端ベルト５８ａＬ，５８ａＲを介して連動可能に構成されており、足首関節アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒが動作することで、足載置部５０Ｌ，５０ＲがＹ軸を中心として回動する。

（アクチュエータユニット）
図１ないし図４に示すように、本実施形態にかかる下肢動作支援装置は、アクチュエータユニットとして、股関節アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒ、膝関節アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒ、足首関節アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒを備えている。

それぞれのアクチュエータユニットは、電動モータおよび減速機を備え、電動モータの出力を減速機によって減速し、動作対象となる各部材感の相対姿勢を変位させる。すなわち、アクチュエータユニットが、各関節部に回転トルクを付与し、駆動するためのアクチュエータである。

股関節部駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒの基部は、アクチュエータ取付部１４Ｌ，１４Ｒに固定されており、股関節部駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒの出力軸は、股関節駆動ギア３３Ｌ，３３Ｒの対抗位置に配置されて、両者が無端ベルトで接続されている。すなわち、本実施形態に係る股関節部駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒは、アクチュエータ取付部１４Ｌ，１４Ｒと一体であり、その出力軸がＹ軸まわりに回動することによって、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒが体装着部１０に対してアクチュエータ取付部１４Ｌ，１４Ｒの第２股関節軸１９Ｌ，１９Ｒを軸としてＹ軸まわりに回動する。股関節部駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒがトルクを発生していない状態では、アクチュエータ取付部１４Ｌ，１４Ｒの第２股関節軸１９Ｌ，１９Ｒは、その回転抵抗は非常に小さく、回動可能な状態となり、装着者Ｐの脚の振り出しに支障を来たさないようになっている。

なお、アクチュエータ取付部１４Ｌ，１４Ｒの第１股関節軸１８Ｌ，１８Ｒは、アクチュエータによる動作は行なわれず、利用者Ｐの自由に下肢の動作に応じて自由に回動することができる。したがって、利用者は、脚をＸ軸方向に開閉する動作については、束縛されることなく行なうことができる。

なお、股関節部駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒの取付関係は、前記したものに限定されない。また、第１股関節軸１８Ｌ，１８Ｒを中心としてアクチュエータ取付部１４Ｌ，１４Ｒを回動させるためのアクチュエータユニットをさらに備えていてもよい。

股関節部駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒには、エンコーダ（ロータリーエンコーダ、図８参照）が設けられていてもよい。このエンコーダは、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒのアクチュエータ取付部１４Ｌ，１４Ｒに対する相対位置に関するデータとして、股関節部駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒの回転角度を検出する。検出された回転角度は、制御部７０に出力される。

膝関節アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒは、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒに設けられており、電動モータおよび減速機を備え、電動モータの出力を減速機によって減速し、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒとの相対姿勢を変位させる。すなわち、この膝関節アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒが、膝関節部を構成する膝関節駆動ギア４２Ｌ，４２Ｒに回転トルクを付与し、駆動するためのアクチュエータである。膝関節アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒの出力軸は、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒ下端に設けられている膝関節駆動ギア４２Ｌ，４２Ｒと無端ベルト４２ａＬ，４２ａＲを介して接続されている。

膝関節アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒには、図示しないエンコーダ（ロータリーエンコーダ，図８参照）が設けられていてもよい。このエンコーダは、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒの挙動に関するデータとして、膝関節アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒの回転角度を検出する。検出された回転角度は、制御部７０に出力される。

足首関節アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒは、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒの下端に後方に突出して設けられたアクチュエータ取付部４１Ｌ，４１Ｒに設けられており、電動モータおよび減速機を備える。電動モータの出力を減速機によって減速し、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒと足載置部５０Ｌ，５０Ｒの相対姿勢を変位させる。すなわち、この足首関節アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒが、足首関節部を構成する足首関節ギア５８Ｌ，５８Ｒに回転トルクを付与し、駆動するためのアクチュエータである。足首関節アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒの出力軸は、足載置部５０Ｌ，５０Ｒの上端に設けられている足首関節ギア５８Ｌ，５８Ｒと無端ベルト５８ａＬ，５８ａＲを介して接続されている。

足首関節アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒには、図示しないエンコーダ（ロータリーエンコーダ，図８参照）が設けられていてもよい。このエンコーダは、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒと足載置部５０Ｌ，５０Ｒとの相対位置の挙動に関するデータとして、足首関節アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒの回転角度を検出する。検出された回転角度は、制御部７０に出力される。

（バックパックＢＰ）
バックパックＢＰは、利用者Ｐが背負うものであり、制御部７０（図８参照）、制御プログラムなどを記録した記憶装置７１などおよびバッテリ（図示せず）などを収納している。

バッテリは、力センサ５３Ｌ，５３Ｒ、股関節アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒ、膝関節アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒ、足首関節アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒおよび制御部７０に電力を供給する。バッテリによる電力供給は、制御部７０によって制御される。

（駆動制御部）
図８に、本実施形態にかかる下肢動作支援装置の駆動制御部の機能ブロック図を示す。図８に示すように、駆動制御部は、左右の脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒに設けられた力センサ５３Ｌ，５３Ｒからの出力信号及び各アクチュエータユニットに設けられているエンコーダからの位置情報を受けて、上述の３種類のアクチュエータユニットを動作させるものである。駆動制御部は、それぞれ左右の脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒを独立して動作制御を行なう。すなわち、右側の力センサ５３Ｒから構成される右側操作部７２Ｒから出力された情報は、右側のアクチュエータユニットから構成される右側駆動機構７３Ｒを動作させるための信号として用いられる。

なお、左右の力センサ５３Ｌ，５３Ｒからの出力信号は、利用者Ｐの左右の脚がどのような状態になっているかの予測は、左右の出力信号の双方に基づいて行なうようにしてもよい。例えば、連続した歩行動作において、右脚の動作を時系列的に分析して、同様に左足を動作させるように制御することも可能である。

図８に示すように、本実施形態にかかる下肢動作支援装置１の動作制御は、ＣＰＵなどから構成される制御部７０と協働する制御プログラム７１ａによって司られる。制御部７０及び制御プログラム７１ａには、たとえばＩＣチップなどを使用することができ、これらに力センサ５３Ｌ，５３Ｒからの検出が入力されることによって、駆動機構８３Ｌ，８３Ｒを駆動制御する。駆動機構８３Ｌ，８３Ｒに内包される各アクチュエータは、それぞれドライバを通じて制御部７０と接続され、制御部７０からの動作信号に基づいて動作する。

操作部７２Ｌ，７２Ｒに設けられている力センサ５３Ｌ，５３Ｒは、上記のとおりＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向について正負方向の力とα，β，γ軸周りのねじりねじり力について検出し出力する。また、上記の通り、各アクチュエータユニットに設けられているエンコーダは、現在のアクチュエータユニットのモータの位置情報、すなわち、左右の脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒの形状に関する情報を出力する。

力センサ５３Ｌ，５３Ｒから出力された６つのベクトル検出信号Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ，Ｓα、Ｓβ、Ｓγ及びエンコーダからの位置情報Ｓｐは、制御部７０に入力され、それぞれ駆動機構に設けられている各アクチュエータを駆動する。

力センサのＸ軸に沿った方向の付勢力を検出したベクトル信号Ｓｘは、足載置部５０Ｌ，５０ＲをＸ軸方向に移動させるように必要なアクチュエータユニットを特定し、必要な動作を行なわせる。

力センサのＹ軸に沿った方向の付勢力を検出したベクトル信号Ｓｙは、足載置部５０Ｌ，５０ＲをＹ軸方向に移動させるように必要なアクチュエータユニットを特定し、必要な動作を行なわせる。ただし、本実施形態においては、Ｙ軸中心に回転する脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒの各関節の駆動軸は存在しないため、ベクトル信号Ｓｙが入力することによる動作は実質的には行なわれない。

力センサのＺ軸に沿った方向の付勢力を検出したベクトル信号Ｓｚは、足載置部５０Ｌ，５０ＲをＺ軸方向へ移動させるように必要なアクチュエータユニットを特定し、必要な動作を行なわせる。

力センサのＹ軸中心のねじり方向の付勢力を検出したベクトル信号Ｓβは、足載置部５０Ｌ，５０ＲをＹ軸中心に回転させるために、足首関節アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒを駆動させ、必要な動作を行なわせる。

本実施形態において、力センサからの信号を受けて、どのアクチュエータユニットをどのように動作させるかについては、現在の脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒの相対位置に基づいて決定される。例えば、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒが、ほぼ伸張している状態において、Ｘ方向正の向きの力が入力された場合は、股関節アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒを動作させると共に他のアクチュエータを停止させて、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒを全体として前方に移動させる。

また、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒが屈曲し、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒが上がった状態（腿を上げた姿勢）においては、Ｘ方向正の向きの力が入力された場合、膝関節アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒを動作させて膝関節を伸張させる方向に移動させると共に股関節アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒを動作させて、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒを下げるように動作させる。

力センサの各ＸＹＺ軸を中心とするねじり方向の付勢力を検出したベクトル信号Ｓα、Ｓβ、Ｓγは、各アクチュエータを直接的に動作させる他に、利用者Ｐの下肢の状態がどのような状態であるかを検出するための補助的な信号としても用いられる。例えば、通常人間の下肢の足平は若干外側を向いているため、利用者が地面を踏み出す初期のタイミングにおいて、Ｚ軸方向のねじりが強く検出される。また、利用者の足平が地面を踏み出した直後においては、Ｙ軸方向のねじりが強く検出される。

また、例えば、Ｚ軸方向の力を検出している最中に、Ｘ軸方向に足首がねじれるような方向に力が加わった場合、当該脚リンク２０Ｌ，２０Ｒは接地していることを予測することができる。

このように、各ねじり方向の信号は、利用者Ｐの脚の状態（すなわち、動作経過や接地の有無）を予測に用いることができる。そして、これらの予測結果に基づいて、各軸方向の出力信号及びエンコーダの出力信号Ｓｐと共に、どのアクチュエータを動作させるかの決定を行なうことができる。すなわち、利用者の脚の状態を各ねじり方向の信号Ｓα、Ｓβ、Ｓγにより予測すると共に、エンコーダからの出力信号Ｓｐにより、装置自体の位置情報を予測する。このように、本実施形態の下肢動作支援装置においては、利用者Ｐの下肢と装置が脚先でのみの固定であり、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒにかけて非拘束の状態であるため、これらの２種類の情報を用いることでより適切な制御動作を実現することができる。

次に本実施形態にかかる下肢動作支援装置の使用方法について説明する。本実施形態にかかる下肢動作支援装置１を利用者に装着する場合には、利用者が専用靴を履いた状態でサドル部１２に腰掛け、足載置部５０Ｌ，５０Ｒの靴固定部５１Ｌ，５１Ｒに専用靴を固定する。専用靴の靴裏には、靴固定部５１Ｌ，５１Ｒに固定するための図示しない突状部が設けられており、これを靴固定部５１Ｌ，５１Ｒにはめ込むことで、専用靴と靴固定部５１Ｌ，５１Ｒを固定させる。これらの突状部は、例えば、競輪などで、競輪用のシューズとサドルとを固定する機構として使用されており、この機構を用いることができる。

その後、体装着部１０の固定ベルト部１５，１６Ｌ，１６Ｒを締め、体装着部１０を利用者に固定する。したがって、利用者は、足裏と体幹部分が下肢動作支援装置１に固定され、脚は、非拘束の状態となっている。

この状態では、利用者は、足載置部５０Ｌ、５０Ｒ上に乗り、サドル１２に下側から支えられた状態となっている。このとき、利用者の体重は、体装着部１０から大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒを下側に押下し、膝関節を屈曲する方向に加わる。

このとき、膝関節が屈曲すると、付勢機構のスプリング３４Ｌ，３４Ｒが伸び、その弾性力と体重による下方向の力が釣り合った状態となる。このように、付勢機構のスプリング３４Ｌ，３４Ｒによる弾性力により、膝関節の屈曲を抑制するように力が働いているため、膝関節アクチュエータユニットにより、利用者Ｐの静止立位状態において、駆動トルクを付与することなく、体重を支えることができる。したがって、常時のアクチュエータによるトルク管理を必要とせず、動作制御を簡略化することができる。

利用者が、脚を動作させようとすると、足載置部５０Ｌ，５０Ｒのセンサからその動作に応じた信号が出力され、上記のように各アクチュエータユニットの選択及び動作態様が演算される。その後、当該演算結果に基づいて上記の通り各アクチュエータユニットが作動し、利用者の動作に応じて下肢動作支援装置が動くことで利用者の動作をアシストする。

以上述べたように、本発明の実施の形態における下肢動作支援装置においては、センサから出力される信号を検知して、制御部が、使用者がどのような動作をしようとしているか判定し、その判定結果にもとづいて、アクチュエータユニットを動作させるので、利用者の動作を確実にアシストすることができる。さらに、利用者が自然な状態で立位状態になるときなど、膝関節にかかる自重を付勢機構により補償することができ、膝関節の形状維持のためにアクチュエータユニットによる出力トルクをきわめて小さくすることができる。このため、アクチュエータユニットは、自重補償のための管理を行なう必要がなく、動作制御の管理でよいため、簡易な管理を実現することができる。

以上述べたように、本発明によれば、使用者の望む方向および力で動作支援を行うことができるという格別な効果を奏することができる。

１ 下肢動作支援装置
１０ 体装着部
１１ 本体部
１２ サドル部
１３ サドル取り付け部
１４Ｌ，１４Ｒ アクチュエータ取付部
１５，１６Ｌ，１６Ｒ 固定ベルト部
１８Ｌ，１８Ｒ 第１股関節軸
１９Ｌ，１９Ｒ 第２股関節軸
２０Ｌ，２０Ｒ 脚リンク部
３０Ｌ，３０Ｒ 大腿リンク部
３１Ｌ，３１Ｒ 股関節部
３２Ｌ，３２Ｒ 膝関節部
３３ａＬ，３３ａＲ 無端ベルト
３４Ｌ，３４Ｒ スプリング
３５Ｌ，３５Ｒ スプリング固定部
４０Ｌ，４０Ｒ 下腿リンク部
４１Ｌ，４１Ｒ 足首関節部
４２Ｌ，４２Ｒ 膝関節駆動ギア
４３Ｌ，４３Ｒ 膝関節プーリ
４３ａＬ，４３ａＲ ワイヤ
５０Ｌ，５０Ｒ 足載置部
５１Ｌ，５１Ｒ 靴固定部
５２Ｌ，５２Ｒ 接地部
５３Ｌ，５３Ｒ 力センサ
５８Ｌ，５８Ｒ 足首関節ギア
６０Ｌ，６０ 股関節アクチュエータユニット
６１Ｌ，６１Ｒ 膝関節アクチュエータユニット
６２Ｌ，６２Ｒ 足首関節アクチュエータユニット

Claims (6)

1. 利用者が着座するサドルを備え、利用者の体幹に装着される体装着部と、
   前記体装着部に連結され、前記利用者の大腿に沿い非拘束状態に設けられる大腿リンク部と、
   前記利用者の足を載置する足載置部が下端に設けられ前記利用者の下腿に沿い非拘束状態に設けられ、膝関節部を介して前記大腿リンク部に連結された下腿リンク部と、
   前記膝関節部に回転トルクを付与し、前記大腿リンク部又は下腿リンク部に設けられた膝関節部駆動用アクチュエータと、
   前記大腿リンク部及び下腿リンク部が伸展する方向に付勢する付勢機構と、
   を有する、ことを特徴とする下肢動作支援装置。
2. 前記膝関節部は、前記大腿リンク部又は下腿リンク部のいずれか一方に固定された第１プーリと、
   前記大腿リンク部又は下腿リンク部の他方に前記第１プーリと同軸に設けられ前記膝関節部駆動用アクチュエータの動力を受けて駆動する第２プーリと、
   を備え、
   前記付勢機構は、前記膝関節部駆動用アクチュエータが設けられていない側である前記大腿リンク部又は下腿リンク部の他方と前記第１プーリに連結される、ことを特徴とする請求項１に記載の下肢動作支援装置。
3. 前記第１プーリは前記下腿リンク部に固定され、前記付勢機構は上端が前記大腿リンク部に接続されていることを特徴とする、請求項２に記載の下肢動作支援装置。
4. 前記付勢機構は、前記大腿リンク部に沿って配置されたスプリングと、前記スプリングに連結するワイヤとを備え、前記ワイヤは前記第１プーリに固定されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の下肢動作支援装置。
5. 前記体装着部と前記大腿リンク部とは、前記体装着部に対して左右方向に揺動可能に連結されると共に前記大腿リンク部を前後方向に揺動可能に連結する大腿関節部を介して連結されており、
   前記大腿関節部に前記大腿リンク部を駆動させる股関節部駆動用アクチュエータをさらに備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の下肢動作支援装置。
6. 前記体装着部は、前記利用者の背後から両側方に伸びる本体部と、前記本体部から垂下され、前記サドルを固定するサドル取り付け部とを備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載の下肢動作支援装置。

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