JP2012205834A - 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】同じ静止姿勢をとり続けた場合に蓄積するユーザーの疲労を軽減する。
【解決手段】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、支持部をユーザーの脚部に固定する装着部と、脚部脚部の状態を検出するセンサーと、センサーからの検出信号に基づいて、脚部が所定時間、静止姿勢にあることを検出する静止状態判定処理と、静止状態判定処理にて、脚部が静止姿勢にあることが検出された場合、疲労軽減姿勢あるいは疲労軽減動作をとるようにアクチュエーターを駆動する疲労軽減処理と、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６

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、壁により掛かった場合、稼働させる関節をロックすることで椅子として利用可能な歩行補助装置が開示されている。また、特許文献２には、ロック機構を作動させることで、利用者が装着したまま休息できるようにした歩行補助装置が開示されている。

特開２００９−２７９１７３号公報 特開２００９−２７９１７４号公報

このように、従来の歩行補助装置では、歩行をアシストするのみならず、ユーザーを着座させることで休息させるものがみられる。歩行補助装置は、人間の動作をアシストすることを目的としたものであるが、例えば、倒立状態のような静止状態をとる場合、同じ姿勢が強要されることとなるため、歩行補助装置を装着するユーザーの特定部位に疲労が蓄積することが考えられる。その際、歩行補助装置の重量がユーザーの負担となることも考えられ、歩行補助装置の装着が疲労に繋がる可能性もある。

本発明は、このような歩行補助装置を装着したユーザーに対する疲労を軽減することを目的としたものである。

そのため、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、
前記脚部の状態を検出するセンサーと、
前記センサーからの検出信号に基づいて、前記脚部が所定時間、静止姿勢にあることを検出する静止状態判定処理と、
前記静止状態判定処理にて、前記脚部が静止姿勢にあることが検出された場合、疲労軽減姿勢あるいは疲労軽減動作をとるように前記アクチュエーターを駆動する疲労軽減処理と、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において、
前記疲労軽減姿勢あるいは前記疲労軽減動作は、前記静止状態判定処理で判定された静止姿勢に対応してい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、
前記制御部にて実行される前記疲労軽減処理は、前記疲労軽減姿勢、あるいは、前記疲労軽減動作が、前記静止姿勢に対応した占有空間内であるか否かを判定し、
前記占有空間内で実行できる場合に、前記疲労軽減姿勢、あるいは、前記疲労軽減動作をとるように前記アクチュエーターを駆動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は、
前記ユーザーの周囲の様子を取得する周囲センサーを備え、
前記制御部にて実行される前記疲労軽減処理は、前記周囲センサーからの出力信号に基づいて、前記疲労軽減姿勢、あるいは、前記疲労軽減動作をとる際に障害物などに接触しないかを判定し、
接触しないと判定された場合に、前記疲労軽減姿勢、あるいは、前記疲労軽減動作をとるように前記アクチュエーターを駆動することを特徴とする。

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、
前記脚部が所定時間、静止姿勢にあることを検出する静止状態判定処理と、
前記静止状態判定処理にて、前記脚部が静止姿勢にあることが検出された場合、疲労軽減姿勢あるいは疲労軽減動作をとるように前記アクチュエーターを駆動する疲労軽減処理と、を歩行補助装置に対して実行させることを特徴とする。

以上、本発明によれば、歩行補助装置を装着したユーザーが、所定時間、静止姿勢にあることを検出したときに、疲労軽減姿勢あるいは疲労軽減動作をさせるようにアクチュエーターを駆動することで、静止姿勢に伴う疲労を軽減させることが可能となる。

さらに、静止姿勢に応じた疲労軽減姿勢あるいは疲労軽減動作をさせることで、当該静止姿勢で生ずる疲労箇所に適した疲労軽減処置を行い、効果的に疲労軽減させることが可能となる。

さらに、疲労軽減姿勢あるいは疲労軽減動作が、静止姿勢に対応した占有空間からはみ出さないか否かを判断した上で、疲労軽減姿勢あるいは疲労軽減動作をさせることで、障害物などに接触することを抑制することが可能となる。

さらに、ユーザーの周囲を検出する周囲センサーにて、疲労軽減姿勢あるいは疲労軽減動作をとることで障害物などに接触しないか否かを判断した上で、疲労軽減姿勢あるいは疲労軽減動作をさせることで、安全性の向上を図ることが可能となる。

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軽減処理を示す図 本発明の実施形態に係る静止状態検出処理を示す図 本発明の実施形態に係る静止アシスト処理を示す図 本発明の実施形態に係る疲労軽減姿勢の形態（重心移動）を説明する図 本発明の実施形態に係る疲労軽減動作の形態（振動付加）を説明する図 本発明の実施形態に係る疲労軽減姿勢の形態（重心移動）を説明する図 本発明の実施形態に係る疲労軽減姿勢の形態（足組）を説明する図

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、このような歩行補助装置１における疲労軽減処理について説明する。前述したように歩行補助装置は、ユーザーの歩行に対してアシスト力を加えることで歩行を補助することとしている。この他、ユーザーが重い荷物を持ち上げるなどにおいてもアシスト力を使用して補助することが可能である。しかしながら、ユーザーが静止し続ける場合など、一定時間以上、所定の姿勢を保った場合、ユーザーには歩行補助装置１自体の自重も加わっていることから、ユーザーを疲労させてしまうことが考えられる。

本実施形態では、このようにユーザーが一定時間以上、静止姿勢を保った場合、他の姿勢、あるいは、所定の動作をとらせるように、各アクチュエーターを駆動することとしており、所定の姿勢をとり続けることで、所定の部位に蓄積する疲労を軽減させることが可能となる。さらに、本実施形態では、他の姿勢、あるいは、所定の動作を静止姿勢に対応したものとすることで、静止姿勢にともなう疲労部分の疲労を効果的に軽減することとしている。

では、この疲労軽減処理について説明する。図３は、本発明の実施形態に係る疲労軽減処理を示すフロー図であって、歩行補助装置１の起動に伴って実行される処理である。なお、装着していないときの誤動作を防止するため、この処理は、各装着部１３、１５の装着状態を検出して、装着時に限り実行する処理としてもよい。

処理が開始されるとすぐに、静止状態の検出が実行される（Ｓ２００）。図４は、この静止状態検出処理の詳細を示すフロー図である。図４の処理では、まず、大腿部アクチュエーター２１、膝部アクチュエーター２２に設けられた関節センサーから関節角度データを取得する（Ｓ２０１）。Ｓ２０２では、前回取得した関節角度データとＳ２０１で取得した現在の関節角度データとを比較して、両者の差が所定範囲内であれば、静止状態と判断する（Ｓ２０４）。一方、両者の差が所定範囲を超えていた場合は、ユーザーに何らかの動きが見られたことを示すため、静止状態でないと判断（Ｓ２０５）する。Ｓ２０６では、今回、取得した関節データを前回のデータとして更新保存して処理を終了する。

図３のフロー図に戻り、Ｓ２０１では、Ｓ２００の検出結果に基づいて、静止状態と判断されたか、静止状態でないと判断されたかを判定する。静止状態と判断された場合（Ｓ１０１：Ｙｅｓ）には、静止タイマーを加算し（Ｓ１０２）、静止タイマーが所定時間経過したことを示すまで、静止状態検出処理Ｓ２００を継続して行う。一方、静止状態にないと判定された場合には、静止タイマーＳ１０４を初期化して静止状態検出処理Ｓ２００に戻る。このように、Ｓ１０１〜Ｓ１０３では、Ｓ２００で判断した静止状態が所定時間継続するか否かが判定されることとなる。

Ｓ１０３にて静止状態が所定時間継続したと判定された場合、静止アシスト処理Ｓ３００が実行される。なお、静止アシスト処理Ｓ３００が終了後には、再度、Ｓ２００に戻って所定時間静止状態が継続しているか否かが判定されることとなる。

図５は、本発明の実施形態に係る静止アシスト処理の詳細を示すフロー図となっている。静止アシスト処理Ｓ３００が開始されると、各関節センサーから取得した関節角度データなど各種センサーからの出力に基づいて、現在とっている静止姿勢が割り出される（Ｓ３０１）。そして、当該静止姿勢をとり続けたときに生ずる疲労部分が特定される（Ｓ３０２）。この疲労部分の特定は、制御ＥＣＵ１０１に記憶している静的なマップデータなどにて特定される。Ｓ３０３では、複数の姿勢、あるいは、動作の中から、特定された疲労部分の負荷を和らげるに最適な姿勢、あるいは、動作が選択される。

図６は、本発明の実施形態に係る姿勢変更の形態（重心移動）を説明する図である。図６（ａ）は、所定時間静止状態として判定されたときのユーザーの脚部の様子が示されている。なお、この状態においても歩行補助装置１は、装着された状態としているが、説明のため省略して記載している。この図の破線にて示されるように、本実施形態では、ある姿勢から所定の空間を占有空間として定義している。この占有空間内は、歩行補助装置１の各種アクチュエーターで、ユーザーの脚部を積極的に動かした場合においても障害物などに接触しない範囲を定めた空間であって、ユーザーがとっている姿勢、具体的には、各関節データからの関節角度データによって定まる空間である。

Ｓ３０４では、Ｓ３０３で選択された疲労を和らげる姿勢への移行が、現在の占有空間内にあるか否かを判定する。占有空間内にあると判定された場合には、障害物などに接触することなく姿勢変更することができると推定できるため、Ｓ３０８において、姿勢変更するように各種アクチュエーターを動作させる。図６の例では、左右の腰部アクチュエーター２１ａ、２１ｂなどを駆動することで、僅かに重心を移動させ、両足に均等にかけられていた負荷を左足に多くかかるように姿勢変更し、右足への負荷を軽減した実施形態となっている。このときの姿勢変更は図に示されているように占有空間内で行われたものとなっている。

なお、本実施形態では、積極的にアクチュエーターを駆動することとなるため、ユーザーの意思とは関係なく体躯に力が作用することとなる。そのため、本実施形態のように倒立した静止姿勢では、転倒を防ぐため左右の足裏センサー１６ｃ、１６ｄからの荷重分布などを監視しつつ、アクチュエーターを制御することが好ましい。さらには、ユーザーからの反力が加えられた場合には、ユーザーが意図しない、あるいは、障害物に接触している可能性があるため、アクチュエーターの駆動を中止することが安全性の向上を図る上で好ましい。

図７は、他の実施形態に係る姿勢変更の形態を説明する図であって、図６では、姿勢変更を行っていたのに対し、本実施形態では、アクチュエーターを駆動することで、所定の動作をさせることとしている。図７（ａ）は、前述の実施形態と同様、所定時間倒立した状態である。このような倒立状態が持続した場合、常に足裏に体重がかかるため、脚部の
疲労に繋がる。図７（ｂ）は、そのような疲労を解消するための動作であって、脚部を振動させるように左足側の腰部アクチュエーター２１ｂ、膝部アクチュエーター２２ｂが駆動される。この場合においても転倒防止のため、左右の足裏センサー１６ｃ、１６ｄの荷重分布などを関しつつ、右足側も含む各アクチュエーターを制御することが好ましい。このように振動を加えることで、足裏にかかる体重の分布を時間的に移動させ、脚部の疲労を解消することとしている。本実施形態においても占有空間内で実行させる動作であるため、障害物などへの接触は抑制される。また、姿勢の変更に代えて、振動付加など所定の動作を行わせる場合には、所定時間で動作を中止することが好ましい。

図５のフロー図に戻り、一方、ある疲労部分の負荷を軽減するには、占有区間からはみ出してとる姿勢、動作の方が好ましい場合がある。このような姿勢、動作が選択された場合（Ｓ３０４：Ｎｏ）、周囲の障害物などに接触する可能性が考えられる。そのため、このように占有区間からはみ出してとる姿勢、動作の場合には、まず、各種周囲センサーにて検知が行われる。図２で説明した実施形態の場合には、光センサー３１によるユーザー周囲に存在する障害物までの距離計測、あるいは、前方カメラ３２ａ、後方カメラ３２ｂからの撮像情報の解析などにて、Ｓ３０３にて選択された姿勢、動作に移行する際、直接、周囲に障害物など接触の可能性がないかが判定される（Ｓ３０５）。また、障害物の検出には、ナビモジュール３３あるいは無線通信モジュール３４にて受信した現在位置と障害物の位置関係を用いて判定することもできる。

選択した姿勢への変更、あるいは、動作の実行に対して障害がないと判定された場合には当該姿勢への変更、あるいは、動作を実行させる（Ｓ３０８）。一方、障害がある、すなわち、周囲に存在する障害物などと接触の可能性があると判定された場合（Ｓ３０６：Ｎｏ）には、疲労部分の負荷が軽減される他の姿勢、あるいは、動作が選択される（Ｓ３０７）」。なお、障害物が移動する可能性もあるため、所定時間、障害物の検出を実行し、障害物が無くなった場合には、Ｓ３０３で選択された姿勢への変更、あるいは、動作を実行することとしてもよい。

新たな姿勢、動作を選択後、Ｓ３０４に戻って、占有空間内に収まるか否かなどが再び判断される。なおＳ３０７にて所定回数、新たな姿勢、動作を変更した場合、あるいは、全ての姿勢、動作について実行することができない場合には、このループを抜けて、処理を中止してもよい。その際、ユーザーに疲労している部位を伝えるメッセージを画像や音声などにて告知することとしてもよい。

図８、図９は、このように占有空間からはみ出して姿勢変更させる場合の実施形態となっている。図８に示す姿勢変更の形態は、前述同様、図８（ａ）に示される倒立状態からの姿勢変更であって、図８（ｂ）に示されるように、右足をＡからＡ’に移動させ右足にかかる負荷を軽減させることとしている。このとき、占有空間をはみ出して姿勢変更することとなるため、姿勢変更を行う前には、各種周囲センサーからの出力に基づいて、変更後の姿勢に移行するときに障害物などに接触しないかが判定され、接触の可能性がないときにこの姿勢への変更が実施される。なお、ユーザーの体躯を振動させるなど所定の動作を行わせるときには、当該動作を行っているときにおいても周囲センサーによる監視を継続することが好ましい。

なお、姿勢の変更、所定の動作の実行については、倒立状態のみならず、ユーザーが着座した状態においても行うことができる。図９（ａ）は、両足を揃えてユーザーが着座した状態となっている。このような着座状態を継続した場合、ユーザーの臀部の一定箇所が押圧し続けられることで、臀部に疲労が蓄積することが考えられる。本実施形態では、ユーザーに足を組ませる姿勢をとらせることで、臀部への疲労を軽減させている。本実施形態においても占有空間をはみ出して姿勢変更することとなるため、姿勢変更する前に周囲
センサーによる接触の可能性が確認される。

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 (5)

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、
   前記脚部の状態を検出するセンサーと、
   前記センサーからの検出信号に基づいて、前記脚部が所定時間、静止姿勢にあることを検出する静止状態判定処理と、
   前記静止状態判定処理にて、前記脚部が静止姿勢にあることが検出された場合、疲労軽減姿勢あるいは疲労軽減動作をとるように前記アクチュエーターを駆動する疲労軽減処理と、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. 前記疲労軽減姿勢あるいは前記疲労軽減動作は、前記静止状態判定処理で判定された静止姿勢に対応していることを特徴とする
   請求項１に記載の歩行補助装置。
3. 前記制御部にて実行される前記疲労軽減処理は、前記疲労軽減姿勢、あるいは、前記疲労軽減動作が、前記静止姿勢に対応した占有空間内であるか否かを判定し、
   前記占有空間内で実行できる場合に、前記疲労軽減姿勢、あるいは、前記疲労軽減動作をとるように前記アクチュエーターを駆動す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. 前記ユーザーの周囲の様子を取得する周囲センサーを備え、
   前記制御部にて実行される前記疲労軽減処理は、前記周囲センサーからの出力信号に基づいて、前記疲労軽減姿勢、あるいは、前記疲労軽減動作をとる際に障害物などに接触しないかを判定し、
   接触しないと判定された場合に、前記疲労軽減姿勢、あるいは、前記疲労軽減動作をとるように前記アクチュエーターを駆動することを特徴とする
   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、
   前記脚部が所定時間、静止姿勢にあることを検出する静止状態判定処理と、
   前記静止状態判定処理にて、前記脚部が静止姿勢にあることが検出された場合、疲労軽減姿勢あるいは疲労軽減動作をとるように前記アクチュエーターを駆動する疲労軽減処理と、を歩行補助装置に対して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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