JP2012147944A - 下肢動作支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】利用者への装着を簡易にすると共に、利用者の動作をより精度よく予測することができる下肢動作支援装置を提供する。
【解決手段】下肢動作支援装置は、利用者Ｐが着座するサドル部１２を備え、利用者の体幹に装着される体装着部１０と、利用者の大腿、膝関節及び下腿に沿って延伸し、大腿、膝関節及び下腿に対して非拘束状態となるように体装着部１０に連結され、大腿リンク部３０Ｌと下腿リンク部４０Ｌとが膝関節部３２Ｌを介して連結された脚リンク部２０Ｌと、脚リンク部と連結され、利用者の足を載置固定する足載置部５０Ｌと、大腿リンク部３０Ｌ又は下腿リンク部４０Ｌに設けられ脚リンク部２０Ｌの延伸方向を軸として回転する旋回関節部３６Ｌと、を備える。
【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。動作支援装置は、脚の筋力が落ちた人や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、将来的には、工事現場などにおいての利用が期待されている。

このような動作支援装置として、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知られている（例えば、特許文献１及び２参照。）。

これら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、利用者の下肢の動きを検出して、当該利用者の動きに合わせて膝関節、足首関節などをアクチュエータにより屈曲させる。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の装置は、膝関節の屈曲動作及びそれに付随する股関節の前後屈曲動作には追従できるが、股関節全体の動きには追従することができなかった。

また、体装着部とリンク部との連結に弾性変形する部材を用い、利用者の股関節の外転及び内転に追従することができる動作支援装置が知られている（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００５−２２０８５６号公報 特開２００６−３３４２００号公報 特開２０１０−７５５４８号公報

しかし、特許文献３に記載の装置は、股関節の動きの自由度を与えているが、十分な自由度を与えるには至らなかった。すなわち、股関節は球関節であり、前後屈曲や内外転の他に、内外旋の動作が可能であるが、本装置はこの動作には追従できるように構成されていなかった。

上記特許文献１から３の装置はいずれも、利用者の脚の側方に沿ってリンク部が取り付けられるため、装置の内外旋の動作が利用者の動作と対応しないという問題がある。すなわち、体幹部とリンク部との接続部分で内外旋できるように装置を構成すると、利用者の股関節との回転軸の位置にずれが存在するため、利用者の自由な動きが阻害されるという問題がある。

本発明の目的は、これらの課題に鑑みてなされたもので、利用者の股関節の動きに対する自由度を高め、股関節の旋回動作にも追従可能な下肢動作支援装置を提供することである。

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態様の下肢動作支援装置によれば、利用者が着座するサドル部を備え、前記利用者の体幹に装着される体装着部と、
前記利用者の大腿、膝関節及び下腿に沿って延伸し、前記大腿、膝関節及び下腿に対して非拘束状態となるように前記体装着部に連結され、大腿リンク部と下腿リンク部とが膝関節部を介して連結された脚リンク部と、
前記脚リンク部と連結され、前記利用者の足を載置固定する足載置部と、
前記大腿リンク部又は前記下腿リンク部に設けられ、前記脚リンク部の延伸方向を軸として回転する旋回関節部と、
を備えることを特徴とする。

本発明の第２態様の下肢動作支援装置によれば、上記第１態様の下肢動作支援装置において、さらに、前記体装着部と前記下腿リンク部に接続され、前記大腿リンク部に沿って配置されたスプリングを有し、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部材を備え、
前記旋回関節部は、前記大腿リンク部に設けられていることを特徴とする。

本発明の第３態様の下肢動作支援装置によれば、上記第２態様の下肢動作支援装置において、前記大腿リンク部は、上部大腿部と下部大腿部とが前記旋回関節部を挟んで連結されて構成されており、前記上部大腿部は、前記下部大腿部内に部分的に挿入可能であって
前記旋回関節部は、
前記上部大腿部に外装して設けられ、前記下部大腿部内に挿入される滑り部材と、
前記上部大腿部の周囲に設けられ、前記下部大腿部の上端に当接するブッシュ部と、
を備えることを特徴とする。

本発明の第１態様の下肢動作支援装置は、体装着部と足載置部が利用者に固定されているが、その一方で、脚リンク部及び膝関節部の部分は利用者と非拘束状態となっているため、旋回関節部を挟んだ両側の脚リンク部を旋回させやすい。また、本発明によれば、脚リンク部に旋回関節部を設けることにより、利用者の股関節の旋回動作に追従して脚リンク部を動かすことができる。すなわち、脚リンク部を旋回させるための機構を体装着部との連結部分ではなく脚リンク部の中間位置に設けることで、旋回動作を取りやすくすることができる。

また、本発明の第２態様の下肢動作支援装置によれば、大腿リンク部に旋回関節部を設けることにより、膝関節部が下腿リンク部と供に旋回する。このため、利用者の股関節の旋回による膝関節の屈曲の方向と膝関節部の屈曲の方向が変化することがなく、利用者の動作に追従させることができる。また、大腿リンク部に沿って設けられる付勢部材を構成するスプリングにより、旋回関節部の回転範囲が制限され、利用者の希望しない脚リンク部の旋回を防止することができる。

本発明の第３態様の下肢動作支援装置によれば、ブッシュ部の位置を調整することで上部大腿部の下部大腿部内への挿入長さを調整することにより、大腿リンク部全体の長さ調整を行うことができ、利用者の体格に対応させることができる。

本発明の第１実施形態に係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側面図である。 図１の下肢動作支援装置の部分拡大側面断面図である。 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である。

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係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の先端に接続され、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７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。なお、アルミ製材料の他に、軽量かつ十分な強度を有する材料、例えば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。

また、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの中間位置には、旋回関節部３６Ｌ，３６Ｒが設けられており、旋回関節部３６Ｌ，３６Ｒを挟んで上方に設けられている上部大腿部３７Ｌ，３７Ｒと、下方に設けられている下部大腿部３８Ｌ，３８Ｒとに分断されている。旋回関節部３６Ｌ，３６Ｒは、上部大腿部３７Ｌ，３７Ｒと下部大腿部３８Ｌ，３８Ｒとの相対位置を、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの延在方向に沿った軸（Ｚ軸方向）を中心として回転させるための関節である。下部大腿部３８Ｌ，３８Ｒは、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒに連結されており、旋回関節部３６Ｌ，３６Ｒが回転することで膝関節部３２Ｌ，３２Ｒを含む下部大腿部３８Ｌ，３８Ｒより下の部分が一体として旋回する。

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Ｙ軸周りに回動可能に連結している。

旋回関節部３６Ｌ，３６Ｒは、図５に示すように、上部大腿部３７Ｌ，３７Ｒの下端部分を、筒状の下部大腿部３８Ｌ，３８Ｒ内に部分的に挿入し、その軸方向に自由に回転可能に構成されている。旋回関節部３６Ｌ，３６Ｒは、アクチュエータによる駆動関節ではなく、利用者の脚の動きに応じて適宜変形するように構成されている。

旋回関節部３６Ｌ，３６Ｒは、上部大腿部３７Ｌ，３７Ｒの下端部分に外装される滑り部材８１と滑り部材８１の脱落を防止する固定部材８２とを備えた状態で、下部大腿部３８Ｌ，３８Ｒ内に挿入される。

また、下部大腿部３８Ｌ，３８Ｒには、上部大腿部３７Ｌ，３７Ｒが抜けるのを防止するための抜け防止部材８３が設けられている。抜け防止部材８３は、上部大腿部３７Ｌ，３７Ｒの外径とほぼ同様の挿通孔８３ａが設けられており、上部大腿部３７Ｌ，３７Ｒに外装される滑り部材８１の上端を係止して上部大腿部３７Ｌ，３７Ｒが抜けるのを防止する。

下部大腿部３８Ｌ，３８Ｒには、下部大腿部３８Ｌ，３８Ｒが下がりすぎないようにブッシュ部８４が設けられている。また、ブッシュ部８４と抜け防止部材８３との接触面には、クッション部材８５が設けられている。

図５に示す構成の旋回関節部３６Ｌ，３６Ｒは、ブッシュ部８４の取り付け位置を調整して、上部大腿部３７Ｌ，３７Ｒと下部大腿部３８Ｌ，３８Ｒとの挿入幅を適宜調整することで、利用者の体格に応じた脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒの長さ調整を行うことができる。また、滑り部材８１を設けることで、上部大腿部３７Ｌ，３７Ｒと下部大腿部３８Ｌ，３８Ｒとの回転摩擦を少なくすることができ、利用者の股関節の旋回運動を阻害することがない。

なお、図５に示すように、滑り部材８１は、上部大腿部３７Ｌ，３７Ｒの挿入長さと同じか挿入長さよりも短く構成されている。滑り部材８１を挿入長さより短く構成することで、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの長さを変化させることができる。すなわち、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒは、後述する付勢機構のスプリングにより、通常時はブッシュ部８４が抜け防止部材８３の上面に当接しているが、引っ張り応力が働くと滑り部材８１の上端が抜け防止部材８３に当接するまで伸張可能である。このように大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒを伸張可能に構成することで、後述する膝関節の伸展動作をよりスムーズに行う事ができる。

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３４Ｌ，３４Ｒを牽引することができるように構成されていればよく、膝関節プーリ４３Ｌ，４３Ｒの形状は、円板形状でなくてもよい。

（付勢機構）
本実施形態に係る下肢動作支援装置は、膝関節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。なお、付勢機構を構成する部材は、上記スプリング３４Ｌ，３４Ｒに限定されるものではなく、例えば、ワイヤ等によって付勢機構を構成してもよい。

スプリング固定部３５Ｌ，３５Ｒとスプリング３４Ｌ，３４Ｒとは、自在継手により連結されており、旋回関節部３６Ｌ，３６Ｒによる大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの旋回時には、当該継手により膝関節部３２Ｌ，３２Ｒの旋回に応じてスプリング３４Ｌ，３４Ｒが傾き、旋回動作の支障とならないように構成されている。また、継手の可動範囲、すなわちスプリング３４Ｌ，３４Ｒの傾斜の程度を制限することで、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの旋回の角度を制限することができる。

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４３ａＬ，４３ａＲ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。

大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒが屈曲するように回動すると、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は伸長する方向に付勢される。

（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８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る。力センサ５３Ｌ，５３Ｒとしては、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５３Ｌ，５３Ｒ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４１Ｌ，４１Ｒ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４１Ｌ，４１Ｒ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４１Ｌ，４１Ｒ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４１Ｌ，４１Ｒ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、本実施形態に係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間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の対向位置に配置されて、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９参照）７４Ｌ，７４Ｒが設けられている。このエンコーダ７４Ｌ，７４Ｒ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は、膝関節部３２Ｌ，３２Ｒ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９参照）が設けられている。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４４Ｌ，４４Ｒ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、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９参照）が設けられている。このエンコーダ７４Ｌ，７４Ｒ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９参照）、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９に、本実施形態に係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９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。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９に示すように、本実施形態に係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７３Ｌ，７３Ｒを駆動制御する。駆動機構７３Ｌ，７３Ｒ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５３Ｌ，５３Ｒ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５３Ｌ，５３Ｒ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５３Ｌ，５３Ｒ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５３Ｌ，５３Ｒ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５３Ｌ，５３Ｒ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、利用者Ｐの大腿、膝関節及び下腿に対し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。

次に本実施形態に係る下肢動作支援装置の使用方法について説明する。本実施形態に係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に固定されているが、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、サドル部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、膝関節の屈曲を防止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６１Ｌ，６１Ｒ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。

なお、膝関節を屈曲した状態から伸展させる場合には、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒに引っ張り応力が働くため、旋回関節部３６Ｌ，３６Ｒが伸展することで、アクチュエータユニットの動作遅延が生じた場合でも自然な動作を行なうことができる。

アクチュエータによる駆動を行なわない、利用者の股関節の内外転及び旋回動作については、利用者の下肢の動きに応じて各関節（第１股関節軸１８Ｌ，１８Ｒ及び旋回関節３６Ｌ，３６Ｒ）がそれぞれ動作する。

股関節の内外転動作は、利用者が下肢を外内転させると、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒは、Ｘ軸方向に沿った第１股関節軸１８Ｌ，１８Ｒを中心として回転移動する。第１股関節軸１８Ｌ，１８Ｒは、利用者の股関節部位であるサドル部１２よりも上方外側に設けられており、利用者の内外転動作において干渉しないように構成されている。

股関節の旋回動作は、利用者が下肢（つま先）を旋回させると、旋回関節部３６Ｌ，３６Ｒより下側の脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒが旋回する。すなわち、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと体装着部１０との相対位置は変化しないため、利用者の股関節と大腿関節部としてのアクチュエータ取付部１４Ｌ，１４Ｒとの位置の相違による旋回動作の障害の原因を防止することができる。

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、制御部が使用者の動作を予測判定し、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。また、利用者は、自然な立位状態において、人体の股関節の自由度に沿った動きを実現できるため、違和感なく動くことができる。

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下肢の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
３６Ｌ，３６Ｒ 旋回関節部
３７Ｌ，３７Ｒ 上部大腿部
３８Ｌ，３８Ｒ 下部大腿部
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
４４Ｌ，４４Ｒ アクチュエータ取付部
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，６０Ｒ 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
７０ 制御部
８１ 滑り部材
８２ 固定部材
８３ 抜け防止部材
８４ ブッシュ部
８５ クッション部材

Claims (3)

1. 利用者が着座するサドル部を備え、前記利用者の体幹に装着される体装着部と、
   前記利用者の大腿、膝関節及び下腿に沿って延伸し、前記大腿、膝関節及び下腿に対して非拘束状態となるように前記体装着部に連結され、大腿リンク部と下腿リンク部とが膝関節部を介して連結された脚リンク部と、
   前記脚リンク部と連結され、前記利用者の足を載置固定する足載置部と、
   前記大腿リンク部又は前記下腿リンク部に設けられ、前記脚リンク部の延伸方向を軸として回転する旋回関節部と、
   を備えることを特徴とする下肢動作支援装置。
2. さらに、前記体装着部と前記下腿リンク部に接続され、前記大腿リンク部に沿って配置されたスプリングを有し、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部材を備え、
   前記旋回関節部は、前記大腿リンク部に設けられてい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. 前記大腿リンク部は、上部大腿部と下部大腿部とが前記旋回関節部を挟んで連結されて構成されており、前記上部大腿部は、前記下部大腿部内に部分的に挿入可能であって、
   前記旋回関節部は、
   前記上部大腿部に外装して設けられ、前記下部大腿部内に挿入される滑り部材と、
   前記上部大腿部の周囲に設けられ、前記下部大腿部の上端に当接するブッシュ部と、
   を備え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。

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