JP2012205621A - 歩行補助装置および歩行補助装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装着したユーザーの疲労を考慮した歩行アシストを実現する。
【解決手段】本発明に係る歩行補助装置は、ユーザーが歩行補助装置を装着してからの使用状況と、記憶手段に記憶する身体特徴量に基づいて疲労度を算出する疲労度算出処理と、疲労度算出処理にて算出された疲労度に基づいてアシスト量を決定するアシスト量決定処理と、アシスト量決定処理で決定されたアシスト量に基づいてアクチュエーターを駆動するアシスト処理と、を実行する制御部とを備えることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ユーザーの歩行に対してアシスト力を付与することで、歩行を補助する歩行補助装置、及び歩行補助装置の制御方法に関する。

近年、ユーザーの体に装着して、ユーザーの脚部、腕部などの可動部に対してアシスト力を付与する補助装置が開発されている。このような補助装置では、高齢者や身障者の歩行、動作を補助する装置として利用されることが期待されている。また高齢者などに限らず、宅配業者など重い荷物を運ぶ作業者に対する補助装置としても利用することで、作業者に対する負担を軽減することが期待されている。

このような補助装置として特許文献１には、床反力計測用のセンサーによって歩行者の床反力を計測し、計測された床反力から推定演算された関節モーメントからエネルギー消費量を推定演算し、推定されたエネルギー消費量に基づいて電装モーター他のアシスト量を決定する歩行補助装置の制御装置が記載されている。この歩行補助装置の制御装置を用いることで、歩行補助装置のアシスト量が最適制御され、使用する作業者などの作業負荷低減を図ることが可能となる。

特開２０１０−８２１５９号公報

従来、開発されている歩行補助装置は、装着者の体重などを入力しておき、体重から割り出されるアシスト量を与える方式であって、歩行を補助する際には、アシスト量は静的な固定値でしか与えられなかった。しかしながら、実際には歩行補助装置を装着したユーザーは、装着後の歩行にて疲労することとなるため、歩行開始直後とある程度時間が経ってからは、同じアシスト量に違和感が生じたものとなっている。

上記課題を解決するため、本発明に係る歩行補助装置は、
ユーザーの脚部に装着されアシスト力を加えることでユーザーの歩行を補助する歩行補助装置において、
支持部を駆動してアシスト力を加えるアクチュエーターと、
前記支持部をユーザーの脚部に固定する装着部と、
ユーザーの身体特徴量を記憶する記憶部と、
ユーザーが前記歩行補助装置を装着してからの使用状況と、前記記憶手段に記憶する身体特徴量に基づいて疲労度を算出する疲労度算出処理と、
前記疲労度算出処理にて算出された疲労度に基づいてアシスト量を決定するアシスト量決定処理と、
前記アシスト量決定処理で決定されたアシスト量に基づいて前記アクチュエーターを駆動するアシスト処理と、を実行する制御部とを備えることを特徴とする。

さらに本発明に係る歩行補助装置は、
前記歩行補助装置を装着したユーザーの身体特徴量を検出可能なセンサーを備え、
前記制御部は、前記センサーに身体特徴量を検出させて、前記記憶部に記憶させる身体
特徴量検出処理を実行することを特徴とする。

さらに本発明に係る歩行補助装置において、
前記身体特徴量は、ユーザーの脚部における筋肉量であることを特徴とする。

さらに本発明に係る歩行補助装置において、
前記疲労度算出処理で使用される使用状況は、ユーザーが前記歩行補助装置を装着してからの使用経過時間を含むことを特徴とする。

さらに本発明に係る歩行補助装置は、
ユーザーの歩行状況を記録する歩行状況記録部を備え、
前記疲労度算出処理で使用される使用状況は、ユーザーが前記歩行補助装置を装着してからの歩行状況を含むことを特徴とする。

また本発明に係る歩行補助装置の制御方法は、
ユーザーの脚部に装着され、アクチュエーターを用いてアシスト力を加えることでユーザーの歩行を補助する歩行補助装置の制御方法において、
ユーザーが前記歩行補助装置を装着してからの使用状況と、記憶するユーザーの身体特徴量に基づいて疲労度を算出する疲労度算出処理と、
前記疲労度算出処理にて算出された疲労度に基づいてアシスト量を決定するアシスト量決定処理と、
前記アシスト量決定処理で決定されたアシスト量に基づいて前記アクチュエーターを駆動するアシスト処理と、を歩行補助装置に実行させることを特徴とする。

以上、本発明によれば、ユーザーの身体特徴量と、歩行補助装置の使用状況に応じて、歩行補助装置を使用するユーザーの疲労度を算出し、算出された疲労度に応じてアシスト量を変更することで、歩行に伴って変化するユーザーの疲労に応じた歩行補助を行うことが可能となる。

また、身体特徴量を、歩行補助装置にて測定可能とすることで、当該歩行補助装置に手適した身体特徴量を測定することが可能となる。また、歩行開始前に身体特徴量を測定することで、使用時におけるユーザーの体調などに応じた歩行補助を行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係る歩行補助装置の構成を示す図 本発明の実施形態に係る歩行補助装置の制御ブロックを示す図 本発明の実施形態に係る疲労度変化の様子を説明する図 本発明の実施形態に係る疲労度曲線を示す図 本発明の実施形態に係るアシスト量変更処理を示すフロー図

図１は、本発明の実施形態に係る歩行補助装置の構成を示す図であって、図１（ａ）は、歩行補助装置を装着したユーザーの側面図、図１（ｂ）は、その正面図となっている。本実施形態の歩行補助装置１は、ユーザーの体躯に固定して用いられる形態であって、左右大腿部、左右下腿部にアシスト力を加えることで歩行を補助する。主な構成としては、体躯装着部１１、制御部１００を備え、左右それぞれに、大腿支持部１２、大腿装着部１３、下腿支持部１４、下腿装着部１５、踵回動部２３、足底部１６、腰部アクチュエーター２１、膝部アクチュエーター２２などを備えている。

腰部アクチュエーター２１は、大腿支持部１２を図１（ａ）に示す方向に回動可能とするとともに、同方向にアシスト力を加えることが可能となっている。さらに、本実施形態では、図１（ｂ）に破線で示すように股を開く方向に対しても回動可能、かつ、アシスト力を加えることとしている。大腿支持部１２は、大腿装着部１３によってユーザーの大腿部に装着される。腰部アクチュエーター２１にて加えられるアシスト力は、ユーザーの大腿部の動作補助を行うこととなる。

膝部アクチュエーター２１は、下腿支持部１４を図１（ａ）に示す方向に回動可能とするとともに、同方向にアシスト力を加えることが可能とされている。下腿支持部１４は、下腿装着部１５によってユーザーの下腿部に装着される。膝部アクチュエーター２２にて加えられるアシスト力は、ユーザーの下腿部を動作補助する。

踵回動部２３、足底部１６を回動可能に支持する部材である。下腿支持部１４に連なる足底部１６が足底に対して固定された場合、歩行が不安定となるが、この踵回動部２３を回動可能とすることで、人体の動きにあわせることができ、歩行を安定させるとともに、歩行補助装置１の装着を安定させている。なお、本実施形態では、この踵回動部２３は、人体の動きに連動して回動するのみで、アシスト力を加えていないが、この踵回動部２３に対しても腰部アクチュエーター２１などと同様、アシスト力を加える構成としてもよい。

体躯装着部１１に固定されている制御部１００は、各種センサーからの出力に応じて、腰部アクチュエーター２１、膝部アクチュエーター２２にアシスト力を加える。アシスト力を加えるために用いられるセンサーとしては、大腿部、下腿部などに貼付した筋電位センサーや、各アクチュエーターに設け関節角度を計測する関節センサーなどを用いることが考えられる。各アクチュエーターに対するアシスト力を加える制御方法は、各種センサー、各種アルゴリズムを用いて適宜に設計したものを採用することができる。

図２は、本発明の実施形態に係る歩行補助装置の制御ブロックを示す図である。本実施形態では、腰部アクチュエーター２１、膝部アクチュエーター２２のそれぞれに関節センサー２１ｃ、ｄ、２２ｃ、ｄを設け、体躯の動きを予測してアシスト力を加えることとしている。また、各足底部２６には、足裏センサー１６ｃ、ｄが設けられており、着地状態、並びに、足裏の荷重分布などを取得することができる。制御ＥＣＵ１０１（制御部）は、各アクチュエーター２１、２２に設けられた関節センサー、並びに、足裏センサー１６からの出力信号に基づいて、各アクチュエーター２１、２２に対してアシスト力を付与してユーザーの方向を補助する。なお、各アクチュエーター２１、２２は、図示しないバッテリーからの電力供給を受けてアシスト力を発生することとしている。

また、本実施形態の制御部１００には、歩行補助装置１を装着したユーザーの周囲を検出する各種周囲センサーが設けられている。周囲センサーとしては、発光素子と、当該発光素子から発光された光の反射光を受光し、周囲の障害物を検出する光センサー３１、ユーザーの前方、後方の様子をそれぞれ撮影する前方カメラ３２ａ、後方カメラ３２ｂ、衛星からのＧＰＳ信号を受信し、歩行位置を検出するとともに、地図情報を参照することでユーザーを目的地に導くナビモジュール、インターネットなどの通信網に接続し、各種情報を取得する無線モジュールなどがある。なお、前方カメラ３２ａ、後方カメラ３２ｂは、それぞれについて２つのカメラユニットを設けることで外界を立体的に撮像し、障害物までの距離を算出可能としてもよい。

この他、各種設備に設置され、当該位置の位置信号を送出する狭エリア位置確認システムのための受信モジュールなどを設けておいてもよい。この狭エリア位置確認システムと
しては、例えば、ＬＥＤ照明などの照明駆動信号中に、当該位置の位置信号を含ませておき、照明光から位置信号を抽出することで位置を確認するシステムや、あるいは、室内ＧＰＳなど室内における位置確認システムなどが考えられる。

以上、本実施形態では、歩行補助装置１に対して、このような各種周囲センサーを設けたことで、安全な歩行補助を行うことのみならず、目的地までのルート案内や、各種情報をユーザーに提供することが可能となる。なお、各種情報の確認は、制御部１００に設けられた拡声装置、表示装置などで音声、画像出力することとしてもよいし、制御部１００と無線あるいは有線で接続された携帯情報端末（図示せず）に対して音声、画像出力することとしてもよい。

では、本発明に係る歩行補助装置の実施形態について図３〜図５を用いて説明する。図３は、本発明の実施形態に係る疲労度変化の様子を説明する図であり、図４は、本発明の実施形態に係る疲労度曲線を示す図であり、図５は、本発明の実施形態に係るアシスト量変更処理を示すフロー図となっている。

図３は、歩行補助装置を装着してからの使用状況を示した図であって、図３（ａ）は、使用開始直後の状況が、図３（ｂ）は、使用開始してからＸ１［分］後の状況が、そして、図３（ｃ）は、使用開始してからＸ２［分］後の状況が示されている。歩行補助装置を装着し、歩行を開始した直後と、時間が経過した場合では、ユーザーの脚部に対する疲労度が異なることとなる。ユーザーの脚部における各部位の疲労度は、大腿部における疲労度Ｈａ、下腿部における疲労度Ｈｂ、足底部における疲労度Ｈｃで見積もることができる。

例えば、平坦な道の歩行を継続した場合には、疲労度は時間の経過に伴って大きくなることが予想される。例えば、図３（ｃ）における大腿部の疲労度Ｈａ２は、図３（ｂ）における大腿部の疲労度Ｈａ１よりも大きくなる。本実施形態では、まず、疲労度が時間の経過に伴って変化することに着目したものであって、ユーザーが歩行補助装置を装着してからの使用経過時間に基づいて、疲労度を見積もる（算出する）こととしている。なお、疲労度は、使用経過時間のみならず、坂道や階段といった歩行する道の状況や、休息をとるなどといった歩行状況に応じても変化することが考えられる。このような使用経過時間や歩行状況は、歩行補助装置の使用状況を監視することで取得することが可能である。本発明における歩行補助装置の使用状況とは、このような使用経過時間、歩行状況を含んだものいう。

図４には、使用経過時間と疲労度の関係を示す疲労度曲線が示されている。本実施形態では、この疲労度曲線に基づいて疲労度を算出することとしている。また、疲労度には装着するユーザーによって個人差が生ずることが考えられる。そのため、各個人の身体特徴量に基づいて疲労度を算出することとしている。本実施形態では、この身体特徴量としてユーザーの筋肉量を用いることとしている。筋肉量は、ユーザーに装着した超音波センサーなど各種センサーにて予め計測しておくことや、ユーザーにて入力させることが考えられる。また身体特徴量としては、この筋肉量以外に、身長、体重など、各種の何れか、あるいは、複数を組み合わせて使用することとしてもよい。

図に示されるように、各ユーザーの筋肉量に応じた疲労度曲線を用いることで、各ユーザーにて異なる疲労度を算出することを可能としている。図には曲線Ａと曲線Ｂが示されているが、筋肉量が少ないユーザーに対しては、傾きの大きい曲線Ａが、筋肉量が多いユーザーに対しては、傾きの少ない曲線Ｂが適用されることとなる。なお、この２曲線以外にも筋肉量に応じた他の曲線を設定しておくことも可能である。また、疲労度の算出は、このような疲労度曲線を用いることに限らず、疲労度と使用経過時間の関係を記憶したテ
ーブル、あるいは、計算式にて算出することとしてもよい。

では、筋肉量（身体特徴量）を用いると共に、ユーザーが歩行補助装置を装着してからの使用経過時間（歩行補助装置の使用状況）を利用し、ユーザーの疲労度、並びに、疲労度に基づいて算出されるアシスト量に基づいて歩行を補助する処理について図５のフロー図を用いて説明する。

歩行補助装置の電源がオン（システム起動）すると、まず、設定情報が記憶されている否かが判定される。この設定情報は、前述したユーザーの筋肉量を記憶した情報とされており、以前に計測、あるいは、入力されている場合には、制御ＥＣＵ１０１に付随する記憶部に記憶されている。複数のユーザーにて歩行補助装置を共用する場合には、ユーザー名などに対応付けて設定情報が記憶管理され、装着するユーザーは自分の設定情報を読み出して歩行補助制御に使用することもできる。

Ｓ１０２にて設定情報が無いと判定された場合には、設定情報としての筋肉量の測定が開始される（Ｓ１０３）。この筋肉量の測定は、例えば、図１に示す大腿装着部１３ａ、下腿装着部１５ａなどに筋肉量測定のための超音波センサーを設けておき、超音波センサーで検出した応答信号に基づいて測定することが可能である。筋肉量の測定箇所としては、この他に、ユーザーの足底、臀部といった歩行による疲労が生じやすい箇所の筋肉に対して測定することとしてもよい。なお、各種センサーによる測定に代え、負荷試験を行うことで筋肉量を測定することとしてもよい。例えば、歩行補助装置を装着したユーザーに対し、アクチュエーターに所定負荷をかけた上で、所定の動きを行わせ、その応答に基づいて筋肉量を測定することもできる。

また、この筋肉量の取得は、測定により得ることに代え、歩行補助装置に接続された入力手段からの入力にて得ることとしてもよい。このように設定情報としての筋肉量を記憶していない場合には、歩行補助の開始前にそれを取得する処理が実行される。

歩行補助手段の装着後、まず、使用経過時間が初期される（Ｓ１０４）。次に、歩行時間周期カウンタについても初期化が実行される（Ｓ１０５）。歩行時間周期カウンタは、所定時間経過する毎（この場合Ｙ分）にカウントアップされる。初期化が終了後、歩行が開始されたことを検知する（Ｓ１０６）と、タイマーによる計時が開始される。タイマーはＹ分経過する毎に歩行周カウンタをカウントアップする（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）。Ｙ分経過すると、Ｓ１０９にて使用経過時間が算出される。使用経過時間は、歩行周期カウンタのカウント値とＹ分の積で算出することができる。

Ｓ１１０では、設定情報に含まれる筋肉量に応じた疲労度曲線に基づいて、使用経過時間に対応した疲労度が算出される。Ｓ１１１では、算出された疲労度に基づいて、アシスト量が決定される。図３（ｂ）の場合、大腿部の疲労度Ｈａ１、下腿部の疲労度Ｈｂ１となっており、腰部アクチュエーター２１の初期状態のアシスト量をＡ、腰部アクチュエーター２１についての新たなアシスト量Ａ１は、
Ａ１＝Ａ×（１＋Ｈａ１）
また、膝部アクチュエーター２２の初期状態のアシスト量をＢとした場合、膝部アクチュエーター２１についての新たなアシスト量Ｂ１は、
Ｂ１＝Ｂ×（１＋Ｈｂ１）
などといったアルゴリズムで計算される。図３（ｃ）のＸ２［分］経過した場合においても同様の計算で、それぞれのアクチュエーター２１、２２に対して新たなアシスト量Ａ２、Ｂ２が計算される。このように本実施形態では、大腿部の疲労度Ｈａを腰部アクチュエーター２１のアシスト量に、また、下腿部の疲労度Ｈｂを膝部アクチュエーター２２のアシスト量にそれぞれ反映させているが、各アクチュエーターのアシスト量は、算出され
た各部の疲労度を複合的に勘案して算出することとしてもよい。

Ｓ１１２では、Ｓ１１１で算出されたアシスト量にしたがって、各アクチュエーターを駆動する。このようにＳ１０９〜Ｓ１１２の一連の処理は、歩行終了（電源オフ、Ｓ１０７：Ｙｅｓ）するまで、Ｙ分経過する毎に実行されることとなり、歩行補助装置において、使用経過時間に応じた疲労度を鑑みた歩行アシストが実行されることとなる。

以上、本実施形態では、疲労度算出に使用する歩行補助装置の使用状況として、歩行補助装置の使用経過時間を利用しているが、この歩行補助装置の使用状況としては、使用経過時間に代え、あるいは、それと一緒に、歩行距離、歩行歩数などといった歩行状況を採用することとしてもよい。このような歩行状況は、各アクチュエーターに対応して設けられている関節センサーから取得することができる。

歩行状況としては、この他、周囲センサーとしてのナビモジュール３３、あるいは、無線通信モジュール３４にて取得することとも考えられる。ナビモジュール３３などのように地図情報を利用することができる場合には、歩行状況として、歩行したルートについて、地図情報から得られる階段や坂道など、平坦な部分とは歩行する労力が異なる部分の歩行状況を加味して疲労度を算出することが可能となり、疲労度算出の精度向上を図ることができる。

なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１０…歩行補助装置
１１…体躯装着部
１２ａ、ｂ…大腿支持部
１３ａ、ｂ…大腿装着部
１４ａ、ｂ…下腿支持部
１５ａ、ｂ…下腿装着部
１６ａ、ｂ…足底部
１６ｃ、ｄ…足裏センサー
２１ａ、ｂ…腰部アクチュエーター
２１ｃ、ｄ…関節センサー
２２ａ、ｂ…膝部アクチュエーター
２２ｃ、ｄ…関節センサー
２３ａ、ｂ…踵回動部
３１…光源装置
３２ａ…前方カメラ
３２ｂ…後方カメラ
３３…ナビモジュール
３４…無線通信モジュール
１０１…制御ＥＣＵ

Claims (6)

1. ユーザーの脚部に装着されアシスト力を加えることでユーザーの歩行を補助する歩行補助装置において、
   支持部を駆動してアシスト力を加えるアクチュエーターと、
   前記支持部をユーザーの脚部に固定する装着部と、
   ユーザーの身体特徴量を記憶する記憶部と、
   ユーザーが前記歩行補助装置を装着してからの使用状況と、前記記憶手段に記憶する身体特徴量に基づいて疲労度を算出する疲労度算出処理と、
   前記疲労度算出処理にて算出された疲労度に基づいてアシスト量を決定するアシスト量決定処理と、
   前記アシスト量決定処理で決定されたアシスト量に基づいて前記アクチュエーターを駆動するアシスト処理と、を実行する制御部とを備えることを特徴とする
   歩行補助装置。
2. 前記歩行補助装置を装着したユーザーの身体特徴量を検出可能なセンサーを備え、
   前記制御部は、前記センサーに身体特徴量を検出させて、前記記憶部に記憶させることを特徴とする
   請求項１に記載の歩行補助装置。
3. 前記身体特徴量は、ユーザーの脚部における筋肉量であることを特徴とする
   請求項１または請求項２に記載の歩行補助装置。
4. 前記疲労度算出処理で使用される使用状況は、ユーザーが前記歩行補助装置を装着してからの使用経過時間を含むことを特徴とする
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の歩行補助装置。
5. ユーザーの歩行状況を記録する歩行状況記録部を備え、
   前記疲労度算出処理で使用される使用状況は、ユーザーが前記歩行補助装置を装着してからの歩行状況を含むことを特徴とする
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載の歩行補助装置。
6. ユーザーの脚部に装着され、アクチュエーターを用いてアシスト力を加えることでユーザーの歩行を補助する歩行補助装置の制御方法において、
   ユーザーが前記歩行補助装置を装着してからの使用状況と、記憶するユーザーの身体特徴量に基づいて疲労度を算出する疲労度算出処理と、
   前記疲労度算出処理にて算出された疲労度に基づいてアシスト量を決定するアシスト量決定処理と、
   前記アシスト量決定処理で決定されたアシスト量に基づいて前記アクチュエーターを駆動するアシスト処理と、を歩行補助装置に実行させることを特徴とする
   歩行補助装置の制御方法。

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