JP2012165966A - 歩行支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】足に装着される足リンクのピッチ軸とロール軸の２軸回りの回転が可能であり、必要に応じてロール軸回りの回転を禁止することのできる歩行支援装置を提供する。
【解決手段】歩行支援装置１００は、ユーザの下腿と足の夫々に配置される下腿リンクと足リンクを備える。下腿リンクと足リンクの連結部は、下腿リンクの下端に形成された窪みと、足リンクの上端に形成された突部と、窪みと突部の間に介在する継手部材で構成される。継手部材は、球面状の外面を有しているとともに内部に円筒状の溝を有している。下腿リンクの窪みは、継手部材の球面状の外面と嵌合する球状に形成されている。足リンクの突部は、継手部材の円筒状溝と嵌合する円柱状外面を有する。突部外周面を構成する円柱の中心線がピッチ軸方向に伸びている。連結部はさらに、足リンクのロール軸回りの回転の許容と禁止を切り換える回転制限手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ユーザの脚の動きを補助する歩行支援装置に関する。

脚の関節を自由に動かせない人のための歩行支援装置が知られている。典型的な歩行支援装置は、脚に装着できるように構成されている。そのような歩行支援装置は、ユーザの下腿に沿って装着される下腿リンクと、ユーザの足に装着される足リンクを備える。足リンクは、ユーザの足首の側方でピッチ軸回りに回転可能に下腿リンクに連結されている。そのような歩行支援装置の一例が特許文献１に開示されている。

本明細書で用いる用語を説明しておく。ピッチ軸は、ユーザの体側方向（横方向）に伸びる軸を意味する。ロール軸は、ユーザが直立姿勢をとったときに前後方向に伸びる軸を意味する。ヨー軸は、ユーザが直立姿勢をとったときにユーザの体幹の中心線に沿って伸びる軸を意味する。別の表現をすればヨー軸は鉛直方向に伸びる軸を意味する。なお、「ピッチ軸」、「ロール軸」、及び、「ヨー軸」は、ユーザに固定された座標系を基準として定義される。例えば、下腿のヨー軸は、下腿の長手方向に伸びる中心線に相当する。足のヨー軸は、足裏面と直交し、足首関節の回転軸を通る直線に相当する。本明細書で用いる「ピッチ軸」、「ロール軸」、及び、「ヨー軸」は、ロボット工学で一般的に用いられる用語と同じ意味で用いられる。

特開２０１０−１３１３７２号公報

歩行時にユーザの足は足首関節のピッチ軸の回りに揺動するため、足リンクは、足首のピッチ軸を回転軸として下腿リンクに対して回転可能に連結される。また、ユーザの足は足首関節のロール軸回りにも回転することができるため、特許文献１の歩行支援装置は、足リンクがピッチ軸回りだけでなく、ロール軸回りにも回転可能に構成されている。

しかしながら、足リンクがピッチ軸とロール軸の２軸回りに常に回転自在であると、下腿リンクが倒れ易くなり、ユーザを支えるのに不都合である。他方、Ｘ脚やＯ脚と呼ばれるように、下腿の形状は個人差が大きく、個々人の下腿の形状に適応させるために、足リンクは下腿リンクに対してロール軸回りに回転できることが好ましい。本明細書が開示する技術は、足リンクと下腿リンクを連結するコンパクトな連結部であって、足リンクのピッチ軸とロール軸の２軸回りの回転が可能でありながら、必要に応じてロール軸回りの回転を禁止することのできる連結部を有す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、足リンクが下腿リンクに２軸回りに回転可能に連結されている。ここで、下腿リンクは、ユーザの下腿に沿って配置される。足リンクは、ユーザの足に固定される。下腿リンクと足リンクの連結部は、歩行支援装置をユーザが装着したときにユーザの足首の側方に位置する。足リンクと下腿リンクの連結部は、ピッチ軸とロール軸の２軸回りに足リンクの回転を許容する。その連結部は、継手部材と窪みと突部と回転制限手段で構成されており、夫々は次の特徴を有する。継手部材は、球面状の外面を有しているとともに円筒状の溝を有しており、外面を構成する球面の中心が溝を構成する円筒面の中心軸線上に位置している。窪みは、下腿リンクの下端に形成されており、継手部材の外面と嵌合する球状に形成されている。突部は、足首側方に位置する足リンク上端に形成されており、継手部材の溝と嵌合する円柱状外面を有する。突部は、その軸線（外面を構成する円柱の中心線に相当する）がピッチ軸方向に伸びている。回転制限手段は、下腿リンクに対する継手部材の回転の許容と禁止を切り換えることが可能である。

この歩行支援装置は、下腿リンクと足リンクの連結部において、ピッチ軸に沿って伸びる回転軸線とロール軸に沿って伸びる回転軸線が一点で交わっており、コンパクトである。また、ロール軸回りの回転は、ユーザの下腿の形状に合わせて調整する際には許容することができ、他方、調整が終了すれば禁止することができる。即ち、歩行時には足リンクのロール方向の回転を禁止することができるので、歩行中はユーザをしっかり支えることができる。

回転制限手段の好適な一実施形態は、下腿リンクの窪みの底面から上方に向かって伸びており窪みを前後に二分するスリットと、スリットを貫通して窪みを前後から締め付けるボルトによって構成されている。ボルトを締め付けると、窪みの球面が継手部材の外面に強く押し当てられ、足リンクのロール軸回りの回転を確実に禁止することができる。

歩行支援装置は、次のストッパピンを有していることが好ましい。ストッパピンは、足リンクのピッチ軸回りの揺動範囲を規制するように足リンクの突部の前後で上方に突出している。ストッパピンの上端が下腿リンクの下端に当接すると、足リンクはそれ以上回転することができなくなる。ストッパピンは、さらに、足リンクからの突出長さが調整可能に構成されている。

本明細書が開示する技術によれば、足リンクと下腿リンクがピッチ軸とロール軸の２軸回りに回転可能なコンパクトな連結部で連結されているとともに、歩行時にユーザをしっかり支えることができる歩行支援装置を提供することができる。

歩行支援装置の斜視図である。 下腿リンクと足リンクの連結部の拡大図である。 連結部の分解図である。 連結部の断面図である。 足リンクをピッチ軸回りに限界まで回転させたときの状態を示す図である。 足リンクのピッチ軸回りの回転を禁止した状態を示す図である。 連結部の変形例を示す斜視図である。

図を参照して実施例の歩行支援装置１００を説明する。なお、以下では、歩行支援装置１００を単に支援装置１００と称することがある。図１に、ユーザＨが装着した支援装置１００の模式的斜視図を示す。この支援装置１００は、ユーザＨの膝関節にトルクを加えて歩行動作を補助することができる。支援装置１００は、大腿リンク２、下腿リンク１２、足リンク２２によって構成される多リンク構造を有している。

図に示す座標系について説明する。図に示すＸＹＺ座標系において、Ｘ軸がロール軸に相当し、Ｙ軸がピッチ軸に相当し、Ｚ軸がヨー軸に相当する。ロール軸（Ｘ軸）は、ユーザＨが直立姿勢をとったときの前後方向に相当し、ピッチ軸（Ｙ軸）は、ユーザの横方向（側方）に相当し、ヨー軸（Ｚ軸）は、ユーザＨが直立姿勢をとったときの上下方向に相当する。座標系は全ての図において共通である。

大腿リンク２は、ユーザＨの大腿に固定される。なお、大腿リンク２には、コントローラユニット３が取り付けられている。コントローラユニット３の内部には、支援装置１００を制御するための回路のほか、下腿リンク１２を揺動させるためのモータ４、及び、下腿リンク１２の回転角を計測する角度センサが内蔵されている。

下腿リンク１２は、ユーザＨの下腿に沿って配置される。下腿リンク１２は、ユーザＨの下腿の側方の両側に位置するフレーム１６ａ、１６ｂと、左右のフレームを連結する連結バー１４を有している。

下腿リンク１２は、膝ジョイント５ａ、５ｂによって大腿リンク２に対して揺動可能に連結されている。膝ジョイント５ａ、５ｂは、ユーザＨの膝関節のピッチ軸と同軸に位置する。

コントローラユニット３に内蔵されたモータ４は、ユーザの膝側方外側に位置する膝ジョイント５ｂに連結している。このモータ４を駆動することによって、下腿リンク１２がピッチ軸回りに揺動する。即ち、支援装置１００は、モータ４によって下腿リンク１２をピッチ軸回りに揺動させ、ユーザＨの膝関節にトルクを加え、歩行動作を補助する。モータ４はコントローラユニット３の内部の回路によって制御される。コントローラユニット３は、ユーザの歩行動作に同調するように下腿リンク１２の揺動を制御する。制御アルゴリズムについては説明を省略する。歩行支援のための制御アルゴリズムについての説明は省略する。

足リンク２２は、ユーザＨの足に固定される。足リンク２２は、ユーザの足裏に固定されるソール２６と、ソール２６の側方両側から伸びているフレーム２４ａ、２４ｂを有している。図示を省略しているが、ソール２６の上には靴が取り付けられ、その靴によって足リンク２２がユーザの足に固定される。

フレーム２４ａが、ユーザの足首の内側側方で下腿リンク１２のフレーム１６ａと連結しており、フレーム２４ｂが、足首の外側側方で下腿リンク１２のフレーム１６ｂと連結している。足首外側の連結部では、足リンク２２はピッチ軸回りに回転可能である。足首内側の連結部５５の構造について、次に詳しく説明する。

支援装置１００を装着する際、下腿リンク１２がユーザＨの下腿に固定され、足リンク２２がユーザＨの足に固定される。Ｘ脚やＯ脚と呼ばれるように、下腿の形状は個人差が大きい。特に、前方から観察したときの下腿の形状について個人差が大きい。このことは別言すれば、膝関節と足首関節の位置関係についての個人差が大きいことを意味する。そのため、支援装置１００を様々なユーザにフィットさせるために、下腿リンク１２に対する足リンク２２の取り付け位置が調整可能であることが好ましい。足リンク２２の取り付け位置を調整可能にするため、支援装置１００は、下腿リンク１２と足リンク２２の足首側方内側の連結部５５に、自在継手構造を採用している。以下では、連結部５５を自在継手構造５５と言い換えることがある。

自在継手構造５５を詳しく説明する。図２に、図１の破線で囲った部分の拡大図を示す。図３に自在継手構造５５の分解図を示す。図４に、自在継手構造５５の断面図を示す。図４（Ａ）は、ＸＺ平面に沿った断面を示し、図４（Ｂ）は、ＹＺ平面に沿った断面を示す。自在継手構造５５は、下腿リンク１２のフレーム１６ａの下端に取り付けられた継手ハウジング３２と、足リンク２２のフレーム２４ａの上端に取り付けられた継手ステー３６と、継手ハウジング３２と継手ステー３６の間に介在する継手部材３４で構成される。

継手ハウジング３２の下端には窪み３２ｂが形成されている。なお、継手ハウジング３２の下端は、下腿リンク１２の下端に相当する。窪み３２ｂは、部分球面状に形成されている。継手ステー３６の上端には部分円筒状の突部３６ａが形成されている。なお、継手ステー３６の上端は、足リンク２２の上端に相当する。突部３６ａの外面を形成する円筒の中心線ＣＬ１はピッチ軸に平行に伸びている。継手部材３４は、球面状の外面３４ａを有しているとともに円筒状の溝３４ｂを有している。図に示すように、継手部材３４は概ね、Ｃの字の形状を有している。外面３４ａを構成する球面の中心ＣＰ１は、溝３４ｂを構成する円筒面の中心軸線ＣＬ１上に位置する。継手部材３４の球状の外面３４ａの形状は、継手ハウジング３２の窪み３２ｂの形状に一致しており、前者が後者に嵌合する。また、継手ステー３６の突部３６ａの円筒外面の形状は継手部材３４の溝３４ｂの円筒内面の形状に一致しており、前者が後者に嵌合する。窪み３２ｂに継手部材３４の外面３４ａが嵌合し、継手部材３４の円筒状溝３４ｂに突部３６ａが嵌合するとき、窪み３２ｂの内面を構成する球面の中心ＣＰ２は、継手部材３４の外面３４ａを構成する球面の中心ＣＰ１に一致する。また、継手部材３４の円筒状溝３４ｂの円筒中心線ＣＬ１は、突部３６ａの外面を構成する円筒の中心線に一致する。窪み３２ｂの内面を構成する球面の中心ＣＰ２（即ち、継手部材３４の外面３４ａを構成する球面の中心ＣＰ１）は、この円筒中心線ＣＬ１上に位置する。

継手ハウジング３２には、ロール軸に平行に伸びる孔３２ｄが形成されており、この孔に留めピン４２が挿通される。留めピン４２の先端は孔３２ｄを貫通し、継手部材３４の外面に設けられた孔３４ｃ内に至る。継手部材３４は、継手ステー３６（足リンク２２）とともに、留めピン４２を通る中心線ＣＬ２を軸としてロール軸回りに回転することができる。ただし、継手ハウジング３２には、窪み３２ｂの底面から上方に伸びており窪み３２ｂを前後に二分するスリット３２ａが形成されており、ボルト４１がこのスリット３２ａを貫通して窪み３２ｂを前後から締め付けると、継手ハウジング３２の窪み３２ｂの内面が継手部材３４の外面３４ａに強く押し当てられ、継手部材３４（即ち足リンク２２）のロール軸回りの回転は禁止される。ボルト４１を緩めると、継手部材３４（即ち足リンク２２）のロール軸回りの回転が許容される。スリット３２ａとボルト４１が、回転制限手段の一例に相当する。なお、符号３２ｃは、ボルト４１を通す貫通孔を示している。

他方、継手ステー３６の上端（即ち足リンク２２の上端）の円柱状の突部３６ａと継手部材３４の円筒状の溝３４ｂが嵌合し、足リンク２２は中心線ＣＬ１を軸線としてピッチ軸回りに揺動することができる。

突部３６ａの前後には、突出長さが調整できるストッパピン４４ａ、４４ｂが突出している。足リンク２２は下腿リンク１２に対してピッチ軸回り（中心線ＣＬ１回り）に回転することができるが、継手ハウジング３２の下面（下腿リンク１２の下面）がいずれかのストッパピン４４ａ、４４ｂに当接することによって、ピッチ軸回りの回転範囲が制限される。図５（Ａ）は、足リンク２２が前方へ最大角度Ａｆまで回転した状態を示しており、図５（Ｂ）は足リンク２２が後方へ最大角度Ａｂまで回転した状態を示している。なお、図６に示すように、ストッパピン４４ａ、４４ｂの双方が常に下腿リンク１２の下面に当接するようにストッパピン４４ａ、４４ｂを突出させると、足リンク２２のピッチ軸回りの回転を禁止することも可能である。

自在継手構造５５によって、足リンク２２は下腿リンク１２に対してピッチ軸回りとロール軸回りの２軸回りに回転することができる。ピッチ軸回りの回転軸線ＣＬ１とロール軸回りの回転軸線ＣＬ２は直交する。このことは、この自在継手構造５５がコンパクトであることを意味する。また、足リンク２２のロール軸回りの回転は、スリット３２ａとボルト４１によって禁止することができる。下腿リンク１２に対する足リンク２２のロール軸回りの回転角を、ユーザに合わせて調整した後、ボルト４１を締めてロール軸回りの回転を禁止する。そうすると、足リンク２２はピッチ軸回りの回転のみが許容される。歩行中は、足はピッチ軸回りには大きく揺動するが、ロール軸回りにはあまり揺動しない。従って歩行中は足リンク２２が下腿リンク１２に対してロール軸回りに回転する必要はない。逆に、足リンク２２のロール軸回りの回転が禁止されることによって、足リンク２２がロール軸回りにふらつくことがなく、支援装置１００はユーザをしっかりと支えることができる。

図７に、支援装置１００の連結部（自在継手）の変形例を示す。この連結部１５５では、継手部材２３４の溝２３４ｂの中央付近にスリット２３４ｄが設けてある。スリット２３４ｄは、ピッチ軸方向（Ｙ軸）に伸びており、継手部材２３４の前後方向の剛性を低減させる。従って、ボルト４１を締め付けると、継手部材２３４は、継手ハウジング３２によって前後から強く押し付けられて変形する。そのため、継手部材２３４の円筒状の溝２３４ｂが継手ステー３６の突部３６ａに強く押し当てられ、継手部材２３４と継手ステー３６の間の摺動抵抗が増大する。この摺動抵抗は、足リンク２２のピッチ軸回りの回転についての粘性抵抗に相当する。摺動抵抗を大きくすることによって、足リンク２２が回転し難くなる。例えば、足首に力が入らないユーザの場合、遊脚時につま先が下がってしまうことがある。摺動抵抗を大きくしておくことによって、遊脚時のつま先の下降を抑制することができる。

実施例の支援装置１００は、次のように表現することも可能である。歩行支援装置１００は、下腿に沿って伸びる下腿リンク１２と足に固定される足リンク２２が継手部材３４を介して連結している歩行支援装置である。継手部材３４は、球面状の外面３４ａを有しているとともに円筒状の溝３４ｂを有しており、外面を構成する球面の中心ＣＰ１が窪み３２ｂを構成する円筒面の中心軸線ＣＬ１上に位置している。下腿リンク１２の下端に、継手部材３４の外面と嵌合する球状の窪み３２ｂが形成されている。足首側方に位置する足リンク２２の上端に、継手部材３４の溝３４ｂと嵌合する円柱外周を有する突部３６ａであってその軸線ＣＬ１がピッチ方向に伸びている突部３６ａが形成されている。

歩行支援装置１００の特徴を整理しておく。ユーザの脚に装着される歩行支援装置１００は、下腿リンク１２に対する足リンク２２のピッチ軸とロール軸の２軸回りの回転が可能でありながら、必要に応じてロール軸回りの回転を禁止することができる。下腿リンク１２と足リンク２２の連結部５５は、下腿リンク１２の下端（継手ハウジング３２の下端）に形成された窪み３２ｂと、足リンク２２の上端（継手ステー３６の上端）に形成された突部３６ａと、窪み３２ｂと突部３６ａの間に介在する継手部材３４で構成される。継手部材３４は、球面状の外面３４ａを有しているとともに内部に円筒状の溝３４ｂを有しており、外面３４ａを構成する球面の中心ＣＰ１が溝３４ｂを構成する円筒面の中心線ＣＬ１上に位置している。窪み３２ｂは、継手部材３４の球面状の外面３４ａと嵌合する球状に形成されている。突部３６ａは、継手部材３４の円筒状溝３４ｂと嵌合する円柱状外面を有する。突部３６ａの外周面を構成する円柱の中心線ＣＬ１が、ピッチ軸に平行に伸びている。連結部５５はさらに、下腿リンク１２に対する足リンク２２のロール軸回りの回転の許容と禁止を切り換える回転制限手段、即ち、スリット３２ａとボルト４１を備える。

連結部５５、１５５において、足リンク側が円柱状の嵌合部（突部３６ａと溝３４ｂ）を有し、下腿リンク側が球状の嵌合部（窪み３２ｂと球状外面３４ａ）を有することにも利点がある。足リンク側が、ピッチ軸に平行な中心軸線ＣＬ１を有する円柱状の嵌合部によって継手部材３４と足リンク２２が係合しているので、足リンク２２がピッチ軸回りに揺動する際、足リンク２２のソール２６と回転軸ＣＬ１が常に平行となる。即ち、歩行支援装置１００は、足リンク２２のピッチ軸回りの回転軸ＣＬ１が、常にユーザの足首のピッチ軸と一致するという利点を有する。この関係は、下腿リンク１２に対して足リンク２２がロール軸回りに回転しても変わらない。即ち、Ｏ脚やＸ脚など、ユーザの下腿の形状に応じて下腿リンク１２に対する足リンク２２のロール軸回りの角度を調整しても、足リンク２２のピッチ軸回りの回転軸ＣＬ１は常にユーザの足首のピッチ軸と一致する。

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。

２：大腿リンク
３：コントローラユニット
４：モータ
５ａ、５ｂ：膝ジョイント
１２：下腿リンク
１６ａ、１６ｂ：フレーム
２２：足リンク
２４ａ、２４ｂ：フレーム
３２：継手ハウジング
３２ａ：スリット
３２ｂ：球状窪み
３４：継手部材
３４ａ：球状外面
３４ｂ、２３４ｂ：円筒状溝
３６：継手ステー
３６ａ：円柱状突部
４１：ボルト
４４ａ、４４ｂ：ストッパピン
５５、１５５：連結部
１００：歩行支援装置

Claims (3)

1. ユーザの下腿に沿って配置される下腿リンクと、
   ユーザの足に固定される足リンクであり、下腿リンクとの連結部がユーザの足首の側方に位置する足リンクと、
   を備えており、下腿リンクと足リンクの連結部が、
   球面状の外面を有しているとともに内部に円筒状の溝を有しており、外面を構成する球面の中心が溝を構成する円筒面の中心線上に位置している継手部材と、
   下腿リンクの下端に形成されており、継手部材の球面状の外面と嵌合する球状の窪みと、
   足リンクの上端に形成されており、継手部材の円筒状溝と嵌合する円柱状外面を有する突部であってその円柱の中心線がピッチ軸方向に伸びている突部と、
   下腿リンクに対する足リンクのロール軸回りの回転の許容と禁止を切り換える回転制限手段と、
   によって構成されていることを特徴とする歩行支援装置。
2. 回転制限手段は、
   下腿リンクの窪みの底面から上方に向かって伸びており窪みを前後に二分するスリットと、スリットを貫通して窪みを前後から締め付けるボルトによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の歩行支援装置。
3. 足リンクのピッチ軸回りの揺動範囲を規制するように足リンクの突部の前後で上方に突出しており、足リンクからの突出長さが調整可能なストッパピンを有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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