JP2012143364A - 歩行支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自力で体重を支えきれなくなったときに膝関節が屈曲してしまうこと防止する歩行補助装置を提供する。
【解決手段】歩行支援装置１００は、大腿リンク１０、下腿リンク２０、第１及び第２補助リンク３０、４０、及び、モータ５５を備えている。第１補助リンク３０は大腿リンク１０に連結しており、第２補助リンク４０は下腿リンク２０に連結している。第１補助リンク３０の先端は第２補助リンク４０の先端に回転可能に連結している。大腿リンクと第１補助リンクの連結部の回転中心と、下腿リンクと第２補助リンクの連結部の回転中心の少なくとも一方は、膝関節回転軸を通る脚長手方向中心線よりも後方に位置している。さらに、ユーザが膝を伸ばしたとき、大腿リンクと第１補助リンクの連結部の回転中心、第１補助リンクと第２補助リンクの連結部の回転中心、及び、下腿リンクと第２補助リンクの連結部の回転中心が一直線に並ぶように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ユーザの脚の動きを補助する装置に関する。特に、歩行動作を補助する歩行支援装置に関する。

近年、アクチュエータによって積極的にユーザの脚の動きを補助する歩行支援装置が研究されている。そのような歩行支援装置は、ユーザの大腿に装着される大腿リンクと下腿に装着される下腿リンクが揺動可能に連結されており、アクチュエータが下腿リンクを揺動させる。そのような歩行支援装置の例が特許文献１や特許文献２に開示されている。

なお、特許文献２に開示された歩行支援装置は、モータ（アクチュエータ）のトルクを増幅して下腿リンクへ伝達する減速機構として、４リンク機構を採用している点でユニークである。その歩行支援装置は、大腿リンクと下腿リンクを２本の補助リンクで連結して４リンクの閉リンク機構を構成している。４リンクの閉リンク機構は、各リンクの長さを適宜に選定すると減速装置として機能することが知られている。例えば、最も短いリンクが一回転するときに最も長いリンクが１／４回転するように構成すると、このときのトルク増幅率はおよそ４倍となる。後述するように本発明も４リンク機構を採用した歩行支援装置であるので、関連する先行技術として特許文献２を挙げておく。

以下では簡単のため、「歩行支援装置」を「支援装置」と簡略化して称する場合がある。さらに、本明細書で用いる用語の幾つかを説明しておく。ピッチ軸とは、ロボットの技術分野でよく知られている用語であり、ロボット（本明細書の場合は支援装置を装着したユーザ）の左右方向（側方）に伸びる軸を意味する。また、以下の説明で用いる「前方」、「後方」とは、ユーザが直立姿勢をとったときの前方、後方を意味する。「脚の長手方向の中心線」とは、ユーザを側方から観測したとき、大腿については股関節回転中心と膝関節回転中心を結ぶ直線を意味し、下腿については、膝関節回転中心と足首関節回転中心を結ぶ直線を意味する。

特開２００２−３０１１２４号公報 特開２００８−２３２３４号公報

歩行支援装置は、装置を装着した脚（装着脚）が自己の筋力では体重を支えきれなくなった場合に膝関節が屈曲してしまうことを防止しなければならない。体重を支えきれなくなって膝関節が屈曲してしまうことは、「膝折れ」と俗称されている。以下、説明が理解し易くなるので本明細書でも「膝折れ」という用語を用いる。歩行支援装置には膝折れを防止することが要求される。典型的には、歩行支援装置は、歩行動作を支援する際、装着脚が立脚のときに、膝折れが生じないように下腿リンクの角度を維持するトルクを出力する必要がある。このときアクチュエータに要求される出力トルクを小さくすることができれば、支援装置の省エネルギ化が図れる。あるいは、アクチュエータに要求される最大トルクが小さくなるので小型（小出力）のアクチュエータを採用することができる。

アクチュエータのトルクに頼らずに膝折れを防止する手法として、装着脚が立脚のときに下腿リンクの回転にブレーキをかける手法もあり得るが、その場合は歩行の所定のタイミングに合わせてブレーキのＯＮ／ＯＦＦ切り替える必要がある。本明細書は、ブレーキを用いることなく、また、アクチュエータに大きな出力トルクを要求することもなく、機構的な工夫により立脚の膝折れを防止することのできる歩行支援装置を提供する。

本明細書が開示する歩行支援装置は、特許文献２の歩行支援装置のように、大腿リンクと下腿リンクを２本の補助リンクで連結して４リンクの閉リンク機構を採用する。本明細書が開示する技術の一つの特徴は、特定の幾何学条件を満足するように閉リンクの構造を規定することによって、ブレーキを不要とするだけでなくアクチュエータのトルクすら必要とすることなく立脚の膝折れを防止することにある。

本明細書が開示する支援装置の一態様を説明する。その支援装置は、大腿リンク、下腿リンク、第１補助リンク、第２補助リンク、及び、アクチュエータを備えている。大腿リンクと下腿リンクは相互に回転可能に連結されており、それぞれ、ユーザの大腿と下腿に取り付けられる。大腿リンクと下腿リンクの間の回転軸線は、ユーザが支援装置を装着した際、膝関節の回転軸とほぼ一致する。第１補助リンクはピッチ軸回りに回転可能に大腿リンクに連結しており、第２補助リンクはピッチ軸回りに回転可能に下腿リンクに連結している。第１補助リンクの先端は第２補助リンクの先端に回転可能に連結している。アクチュエータは大腿リンクに対して下腿リンクを回転させるものである。

本明細書が開示する支援装置は、大腿リンク、下腿リンク、第１及び第２補助リンクが、４リンクの閉リンク構造（閉４リンク構造）を構成する。この点では特許文献２の支援装置と同じである。本明細書が開示する支援装置の特徴は、その閉４リンク構造が、次の２つの幾何学的条件を満足するように構成されていることにある。第１の幾何学的条件は、支援装置を装着したユーザが膝を伸ばしたときに側方から観測して、大腿リンクと第１補助リンクの連結部の回転中心、第１補助リンクと第２補助リンクの連結部の回転中心、及び、下腿リンクと第２補助リンクの連結部の回転中心の３点が一直線に並ぶように構成されている、という条件である。以下、この条件を、膝ロック条件と称することにする。その理由は後述する。

第２の幾何学的条件は、大腿リンクと第１補助リンクの連結部の回転中心と、下腿リンクと第２補助リンクの連結部の回転中心の少なくとも一方が、ユーザが支援装置を装着した際に側方から観測して、膝関節回転軸を通る脚長手方向中心線よりも後方に位置する、という条件である。以下、この条件を、屈曲条件と称することにする。屈曲条件は、膝ロック条件を満足した上で、大腿リンクと下腿リンクが膝屈曲方向に曲がることができるために必要な条件である。ユーザが脚を伸ばしたとき、第１及び第２補助リンクが共に完全に脚の長手方向の中心線よりも前方に位置する場合（屈曲条件が満足されないとき）、第１と第２のリンクが引っ張り合うので大腿リンクと下腿リンクは膝屈曲方向に回転できなくなるのは容易に想像がつくであろう。

膝ロック条件の技術的意味を、図５を参照して説明する。図５は、ユーザが装着した支援装置１００を側方から観測した図を模式的に示したものである。図５（Ａ）は、ユーザが膝を伸ばした状態を示しており、図５（Ｂ）は、ユーザが膝を曲げた状態を示している。符号１０、２０、３０、４０は、夫々、大腿リンク、下腿リンク、第１補助リンク、第２補助リンクを示している。大腿リンク１０と下腿リンク２０は、ジョイント５１で連結している。ジョイント５１の回転軸はユーザの膝の回転軸線とほぼ一致する。第１補助リンク３０の一端はジョイント５２で大腿リンク１０に連結している。第２補助リンク４０は一端はジョイント５４で下腿リンク２０に連結している。第２補助リンク４０の他端はジョイント５３で第１補助リンク３０の他端と連結している。第１補助リンク３０を回転させるモータ５５が大腿リンク１０（ジョイント５２）に取り付けられている。なお、「ジョイント」は「連結部」に相当する。

図５（Ａ）が示すように、ユーザが膝を伸ばしたとき、ジョイント５２、５３、及び、５４の３点の回転中心は、側方から観測して一直線に並んでいる。即ち膝ロック条件が成立している。この状態でジョイント５１に膝屈曲方向の外力トルクが作用しても、第１補助リンク３０と第２補助リンク４０は、その長手方向（ジョイント５２、５３、及び、５４を結ぶ直線）に沿って力が作用するのであるから、回転しない。別言すると、第１補助リンク３０と第２補助リンク４０には軸力は作用するがモーメントは作用しないのであるからそれらは回転しない。即ち、膝ロック条件が成立すると、膝関節に屈曲方向の外力トルク（下腿リンク２０を矢印Ｔｆ方向に回転させるトルク）が作用しても下腿リンク２０は回転しない。つまり膝の回転がロックされる。これが、「膝ロック条件」の技術的意義である。

なお、屈曲条件、即ち、大腿リンク１０と第１補助リンク３０のジョイント５２の回転中心と、下腿リンク２０と第２補助リンク４０のジョイント５４の回転中心の少なくとも一方が、ユーザが支援装置１００を装着した際に側方から観測して、膝関節回転軸（ジョイント５１）を通る脚長手方向中心線（直線Ｌ１及びＬ２）よりも後方に位置する、という条件が成立しないと下腿リンク２０が膝屈曲方向に回転できないことは、図５から明らかであろう。

ジョイント５１の回りに外力トルクが作用しても下腿リンク２０は回転しないが（膝はロックされたままであるが）、ジョイント５２回りに第１補助リンク３０にトルクが作用すると、第１補助リンク３０は容易に回転し、その結果、下腿リンク２０が回転する。即ち、モータ５５が第１補助リンク３０を回転させるトルクを出力すれば膝のロックは解除される（図５（Ｂ））。

このように、ユーザが膝を伸ばしたときに膝ロック条件が成立すると、膝に外力トルクが作用しても、モータ５５がトルクを出力せずとも下腿リンクの回転を禁止することができる。即ち、モータ５５の出力トルクを要することなく膝折れを防止できる。なお、ジョイント５２、５３、及び、５４の回転中心は、厳密に一直線に並ばなくともよい。概ね一直線であればよい。具体的には、ジョイント５２の回転中心とジョイント５３の回転中心を結ぶ直線Ｌ３と、ジョイント５３の回転中心とジョイント５４の回転中心を結ぶ直線Ｌ４がなす角度が、１８０±５度程度以内であればよい。その程度の範囲内であれば、ジョイント５１に外力トルクが作用したときに第１補助リンク３０の回転を禁止するのにモータ５５に要求される出力トルクは非常に小さくて済むからである。これは、ジョイント５１に作用する外力トルクに起因して第１補助リンク３０に生じるトルク（モーメント）が非常に小さいからである。

支援装置は、側方向から観測して、第１補助リンクと第２補助リンクがなす角度であって膝を屈曲したときに１８０度以下となる側の角度が最大でも１８０度を超えないように制限するストッパを備えると好適である。図５の例では、角度Ａｇが最大でも１８０度を超えないように制限するストッパを備えることが好適である。より厳密には、第１補助リンクと第２補助リンクがなす角度であって膝を屈曲したときに１８０度以下となる側の角度が１８０度＋微小角を超えないように制限するストッパを備えると好適である。ここで、微小角とは、概ね５度以下である。図５から明らかなとおり、第１補助リンク３０と第２補助リンク４０がなす角度Ａｇが１８０度＋微小角のとき、膝関節に対して屈曲方向に作用する外力トルクは、角度Ａｇをさらに増大させる方向に作用する。従って、角度Ａｇを１８０度＋微小角に制限するストッパは、伸びきった膝関節に対して屈曲方向に作用する外力トルクに抵抗し、膝折れを防止する。

上記の支援装置において、第１補助リンクは第２補助リンクよりも短く、アクチュエータは、大腿リンクに取り付けられており第１補助リンクを回転駆動することが好ましい。アクチュエータを下腿リンクに取り付けるよりも大腿リンクに取り付けた方が、ユーザの脚に加わる負担が少ない。さらに、アクチュエータが回転駆動する第１補助リンクが短ければ短いほど、アクチュエータが第１補助リンクに加えるトルク（入力トルク）と、そのトルクに起因して下腿リンクに生じるトルク（出力トルク）の比（即ち減速機構としてのトルク比）が大きくなる。第１補助リンクを短くするには第２補助リンクを長くしなければならない。従って、定性的には、第１補助リンクは第２補助リンクよりも短い方が、トルク比を大きくとれる。即ち、そのように構成すれば、アクチュエータが小さくて済み、支援装置を軽量化できる。或いは、同じサイズのアクチュエータを採用する場合、第１補助リンクが短いほど、下腿リンクを回転させるトルクを大きくすることができる。

本発明によれば、ブレーキを用いることなく、また、アクチュエータに大きなトルクを要求することもなく、立脚の膝折れを防止することのできる歩行支援装置を実現できる。

歩行支援装置の外観図である。 大腿リンクと下腿リンクの連結部分の拡大側面図である。 ユーザが膝を伸ばした状態に対応する、大腿リンクと下腿リンクの連結部分の拡大側面図である。 ユーザが膝を曲げた状態に対応する、大腿リンクと下腿リンクの連結部分の拡大側面図である。 歩行支援装置の模式的側面図である。

図１に、実施例の支援装置１００（歩行支援装置）の外観図を示す。この実施例では、支援装置１００は、ユーザの左脚に装着される。この支援装置１００は、モータ５５（アクチュエータ）を備えており、左脚の膝関節にトルクを加え、歩行動作を支援する。支援装置１００は、下腿の回転角度（膝角度）を計測する角度センサや、脚の接地を検知する接地センサを備えているとともに、それらセンサの計測結果に基づいてモータ５５を制御するコントローラを備えている。各種センサとコントローラは図示を省略してある。

図面で用いる座標系について説明する。Ｘ軸はユーザの前後方向を示しており、Ｘ軸の正方向が「前方」に相当し、負方向が「後方」に相当する。図面のＹ軸はユーザの左右方向（側方）を示している。Ｙ軸はピッチ軸とも呼ばれる。Ｚ軸は鉛直方向を示している。これらの座標系のとり方は、ロボットの技術分野において一般的に使われている手法である。

支援装置１００は、モータ５５を制御するアルゴリズムを様々に変更することによって、歩行動作だけでなく、立ち上がり動作や着座動作の際の膝関節の動き（下腿の動き）を支援する。なお、本明細書が開示する技術は、支援装置の機構に特徴があるのであるから、歩行支援や立ち上がり支援のための制御アルゴリズムについては説明を省略する。

支援装置１００の機械的構造を説明する。支援装置１００は、ユーザの大腿に装着される大腿リンク１０と、下腿に装着される下腿リンク２０がジョイント５２で連結された脚装具構造を有している。下腿リンク２０の下端には、ジョイント２４を介して足リンク２５が連結されている。足リンク２５はユーザの足に装着される。「ジョイント」は「連結部」に相当する。

大腿リンク１０は大腿の両側方に伸びるフレームを有しており、両側のフレームは腿当て１２によって連結されている。下腿リンク２０は下腿の両側方に伸びるフレームを有しており、両側のフレームは膝当て２２によって連結されている。

大腿リンク１０と下腿リンク２０は、一対のジョイント５２によって相互に回転可能に連結されている。一対のジョイント５２は、ユーザが装着したときに膝両側に位置し、その回転軸線は膝関節の回転軸線（ピッチ軸回りの回転軸線）とほぼ一致する。一方のジョイント５２には、モータ５５が装備されている。モータ５５は、大腿リンク１０に固定されている。モータ５５は、後述する第１補助リンク３０を回転駆動する。

図１の破線で囲った部分は、大腿リンク１０と下腿リンク２０の連結部分を示しており、図２にその連結部分の拡大図が示されている。図３と図４は、連結部分の側面図を示している。なお、図２〜図４では、大腿リンク１０と下腿リンク２０はそれらのフレームの一部のみが示されている。これらの図に示されているように、大腿リンク１０と下腿リンク２０の間には２本の補助リンク３０、４０が連結されており、大腿リンク１０、下腿リンク２０、第１補助リンク３０、及び、第２補助リンク４０によって、閉４リンク機構が構成されている。

閉４リンク機構の構造を詳しく説明する。第１補助リンク３０の一端はジョイント５２を介して大腿リンク１０に連結されている。第２補助リンク４０の一端はジョイント５４を介して下腿リンク２０に連結されている。第１補助リンク３０の他端と第２補助リンク４０の他端はジョイント５３を介して連結されている。ジョイント５１、５２、５３、５４は、いずれもピッチ軸（図のＹ軸）方向に伸びる回転軸線を有している。即ち、いずれのリンクも、ジョイントを中心にピッチ軸回りに回転することができる。

図３、図４の直線Ｌ１は、大腿の長手方向の中心線を示しており、Ｌ２は下腿の長手方向の中心線を示している。Ｌ１とＬ２を合わせて脚の長手方向中心線と称する。なお、中心線は、四肢の各部位（大腿や下腿など）の両端の関節の中心を結ぶ線分を意味する。図４は、ユーザが直立姿勢をとったときの閉４リンク機構の形態を示しており、大腿リンク１０と第１補助リンク３０を連結するジョイント５２の回転中心は、膝関節回転中心（ジョイント５１の回転中心）を通る脚長手方向の中心線Ｌ１よりも後方に位置している。下腿リンク２０と第２補助リンク４０を連結するジョイント５４の回転中心も、膝関節回転中心を通る脚長手方向の中心線Ｌ２よりも後方に位置している。なお、ジョイント５２と５４の少なくとも一方が、膝関節回転中心を通る脚の長手方向の中心線Ｌ１、Ｌ２よりも後方に位置していればよい。この幾何学的条件が前述した屈曲条件に相当する。前述したように、屈曲条件は、下腿リンク２０が屈曲側に回転することを保証するための条件にすぎない。

図３（Ａ）は、ユーザが直立姿勢をとったときの閉４リンク機構の側面図を示している。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）における第１補助リンク３０と第２補助リンク４０の形態を模式的に示した図である。図３に示すように、ユーザが直立姿勢をとったとき、側方（ピッチ軸方向）から観測して、大腿リンク１０と第１補助リンク３０を連結するジョイント５２の回転中心、第１補助リンク３０と第２補助リンク４０を連結しているジョイント５３の回転中心、及び、下腿リンク２０と第２補助リンク４０を連結しているジョイント５４の回転中心がほぼ一直線に並ぶように構成されている。即ち、前述した膝ロック条件が成立する。別言すれば、ユーザが直立姿勢をとったとき、ジョイント５２と５３の回転中心を結ぶ直線Ｌ３と、ジョイント５３と５４の回転中心を結ぶ直線Ｌ４がなす角度Ａｇがほぼ１８０度である。厳密には、図３（Ｂ）に示すように、角度Ａｇは１８０＋微小角である。

図３に示すように、下腿リンク２０にはメカストッパ２１が設けられている。メカストッパ２１は、角度Ａｇが１８０度＋微小角を越えないように制限している。なお、角度Ａｇは、正確に言えば、側方向から観測して、第１補助リンク３０と第２補助リンク４０がなす角度であって膝を屈曲したときに１８０度以下となる側の角度である。図４において符号Ａｇが示すように、第１補助リンク３０と第２補助リンク４０は、ユーザが膝を曲げたときに下腿リンク２０に近い側で１８０以下の角度となる。

図３から明らかなとおり、ユーザが膝を伸ばしたとき、膝ロック条件が成立しているので、大腿リンク１０と下腿リンク２０は回転しない。より具体的には、大腿リンク１０、あるいは、下腿リンク２０に膝折れ方向の外力トルクが作用しても、第１補助リンク３０の長手方向Ｌ３と第２補助リンク４０の長手方向Ｌ４がほぼ一直線となっているので、それら補助リンクが外力トルクに抗し、下腿リンク２０の回転を阻止する。即ち、一直線に並んだ２本の補助リンクが、膝折れを防止している。なお、厳密には、外力トルクは角度Ａｇを増大する方向に作用するが、メカストッパ２１が角度Ａｇを最大でも１８０度＋微小角に制限しているので、下腿リンク２０は回転しない。モータ５５が膝折れ防止のためのトルクを出力せずとも、２本の補助リンクが膝折れを防止する。

モータ５５が第１補助リンク３０を回転駆動すると、膝ロックが解除され、さらに回転駆動すると、図４に示すように下腿リンク２０を回転させる。モータ５５は、膝ロックを解除する機能と、下腿リンク２０を揺動させる機能を兼ね備えている。ここで、図３（Ｂ）に示すように、モータ５５が回転駆動する第１補助リンク３０の長さＨ１は、第２補助リンク４０の長さＨ２よりも短い。従って、モータは、短い方の補助リンク（第１補助リンク３０）を回転駆動するので、長い方の補助リンク（第２補助リンク４０）を回転駆動する場合よりも、下腿リンク２０に発生するトルク（即ち出力トルク）は大きくなる。また、モータ５５は大腿リンク１０に固定されているので、下腿リンク２０に固定される場合と比較してユーザへの負担が小さくて済む。

実施例の支援装置１００の変形例を説明する。支援装置は、下腿リンクを揺動させるアクチュエータのほかに、膝ロックを解除する補助アクチュエータを備えていてもよい。補助アクチュエータは、例えば、図２に示したメカストッパ２１を後方へ伸展させるものでよい。この場合、メカストッパ２１が後方へ伸び、第２補助リンク４０を時計方向に回転させることによって、ジョイント５２、５３、及び５４の３点が一直線に並ぶ状態が崩れ、膝ロックが解除される。

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：大腿リンク
２０：下腿リンク
２１：メカストッパ
２４：ジョイント
２５：足リンク
３０：第１補助リンク
４０：第２補助リンク
５１、５２、５３、５４：ジョイント
５５：モータ
１００：歩行支援装置

Claims (3)

1. ユーザの大腿に装着される大腿リンクと、
   ピッチ軸回りに回転可能に大腿リンクに連結しており、ユーザの下腿に装着される下腿リンクと、
   ピッチ軸回りに回転可能に大腿リンクに連結している第１補助リンクと、
   ピッチ軸回りに回転可能に下腿リンクに連結しているとともに、先端が第１補助リンクの先端に回転可能に連結している第２補助リンクと、
   大腿リンクに対して下腿リンクを回転させるアクチュエータと、
   を備えており、
   大腿リンクと第１補助リンクの連結部の回転中心と、下腿リンクと第２補助リンクの連結部の回転中心の少なくとも一方が、膝関節回転中心を通る脚の長手方向の中心線よりも後方に位置しており、
   ユーザが膝を伸ばしたときに側方から観測して、大腿リンクと第１補助リンクの連結部の回転中心、第１補助リンクと第２補助リンクの連結部の回転中心、及び、下腿リンクと第２補助リンクの連結部の回転中心が一直線に並ぶように構成されていることを特徴とする歩行支援装置。
2. 側方向から観測して、第１補助リンクと第２補助リンクがなす角度であって膝を屈曲したときに１８０度以下となる側の角度が１８０度を超えないように制限するストッパを備えることを特徴とする請求項１に記載の歩行支援装置。
3. 第１補助リンクは第２補助リンクよりも短く、
   アクチュエータは、大腿リンクに取り付けられており第１補助リンクを回転駆動することを特徴とする請求項１又は２に記載の歩行支援装置。

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