JP2012235928A - 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支援装置を提供する。
【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補助リンク３０、及び、第２補助リンク４０を備えており、それらのリンクは閉リンク構造を構成している。ユーザが膝を伸ばしたときに側方から観測して、第１補助リンクと第２補助リンクの連結部の回転中心を頂点とする閉リンク構造の内角が１８０度となるように閉リンクが構成されている。さらに、下腿リンク２０に、第２補助リンク４０を引き付ける磁石６０が取り付けられている。ユーザが膝を伸ばした際、磁石６０が第２補助リンク４０を引き付け、内角が１８０度になると、下腿リンク２０は回転できなくなり、ユーザが自力で体重を支えきれなくなった場合でも膝関節が屈曲してしまうことがない。
【選択図】図５

Description

本発明は、ユーザの脚の動き、特に歩行動作を支援する装置に関する。

ユーザの脚の動きをサポートする装具として、これまでの長下肢装具に加えて近年、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装置（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、ユーザの大腿と下腿の夫々に装着される大腿リンクと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。歩行支援装置は、ユーザの歩行動作に応じて下腿リンクを揺動させ、歩行動作がスムーズとなるようにユーザの脚をガイドする。そのような装置の例が特許文献１や特許文献２に開示されている。なお以下では、「歩行支援装置」を単純に「支援装置」と称する場合がある。

特許文献２に開示された支援装置は、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閉リンク機構を採用している点でユニークである。その支援装置は、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、特定の一つのリンクを固定したと仮定して考えたときに、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回転するように各リンクの長さを規定すると、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リンクの閉リンク機構を採用した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。

ここで、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。従って、例えば「下腿リンクがピッチ軸周りに回転可能である」という表現は、支援装置をユーザが装着したときにユーザのピッチ軸周りに下腿リンクが回転可能である、ということを意味する。同様に、「下腿リンクの後方」とは、支援装置をユーザが装着したときであってユーザが直立姿勢をとったときに下腿リンクの後方となる位置、を意味する。さらに、「脚の長手方向の中心線」とは、ユーザを側方（ピッチ軸方向）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

脚を動かすことが不自由な非健常者に対して上記の支援装置を用いる場合、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する機能が備えられていることが望まれる。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。支援装置は、膝折れを防止する機能を備えていることが好ましい。そのような機能を具現化する一つの手法として、アクチュエータを有する脚装具の場合、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ことが考えられる。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を小さくすることができれば、小型（小出力）のアクチュエータを採用することができ、装置の軽量化／低コスト化が図れる。

他方、アクチュエータに頼らずに膝折れを防止する手法として、下腿リンクの回転に対してブレーキをかける方法が考えられる。しかしその場合、歩行動作中、装着脚が立脚のときには下腿リンクの回転にブレーキをかけ、遊脚のときにはブレーキを解放するように、歩行の所定のタイミングに合わせてブレーキのＯＮ／ＯＦＦ切り換える必要がある。

上記の課題に対して、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、メカ的な工夫により立脚の膝折れを防止することのできる支援装置が本願出願人によって出願された（特願２０１１−００３４８１、２０１１年１月１１日出願、本願出願時は未公開）。本明細書が開示する技術は、先に出願された支援装置を改良するものであり、歩行時の立脚の膝折れを防止する機能がより確実に作動するように工夫を加えたものである。

まず、先に出願された支援装置を説明する。その支援装置は、特許文献２の歩行支援装置と同様に、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支援装置の一つの特徴は、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。

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、それぞれが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補助リンクはその一端が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補助リンクはその一端が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補助リンクの他端は第２補助リンクの他端に回転可能に連結している。こうして閉リンク構造が確立されている。

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は、その閉リンク構造が、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（ピッチ方向）から観測して、閉リンク構造がなす矩形において、第１補助リンクと第２補助リンクの連結部の回転中心を頂点とする内角が１８０度となるように構成されている、という条件である。「内角」とは、４リンクの閉リンク機構が作る四角形の内角のことである。以下、この条件を、「膝ロック条件」と称することにする。膝ロック条件が成立すると、第１、第２補助リンクがほぼ一直線となり、それら２個のリンクがいわゆるつっかえ棒となって下腿リンクの屈曲方向の揺動を不可能にする、すなわち下腿リンクをロックする。なお、そのような機能ゆえ、「膝ロック条件」と名付けた。

なお、「内角」の表現を用いる際、閉リンクの幾何学的構造、すなわち、リンク連結部（矩形の頂点）の位置が重要であり、リンクの物理的な形状には限定されない。例えば、湾曲しているリンクの両端が他のリンクと連結している場合であっても、閉リンク構造を規定するリンクの幾何学的構造は、リンク両端の連結点を結ぶ直線である。すなわち、「内角が１８０度である」とは、リンクの実際の形状によらず、大腿リンクと第１補助リンクの連結部の回転中心（すなわち閉リンクの矩形の一つの頂点）と第１、第２補助リンクの連結部の回転中心を結ぶ直線と、第１、第２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を結ぶ直線がなす角度を意味する。従って膝ロック条件は、次のように表現することもできる。すなわち、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。

以下では、「閉リンク構造がなす矩形において、第１補助リンクと第２補助リンクの連結部の回転中心を頂点とする内角」を簡単化のため「補助リンク内角」と称することにする。そうすると、膝ロック条件は、支援装置を装着したユーザが膝を伸ばしたときに側方（ピッチ方向）から観測して、補助リンク内角が１８０度となるように閉リンク構造が構成されている、と表現できる。なお、膝ロック条件は、支援装置を装着したユーザが膝を伸ばしたときに側方（ピッチ方向）から観測して、補助リンク内角がわずかに１８０度を超えてもよい。その場合は、補助リンク内角がわずかに１８０度を超える時点でそれ以上増大しないように補助リンクの動作範囲を制限するストッパが備えられていればよい。補助リンク内角がわずかに１８０度を超えた時点でその可動範囲リミットに達すれば、上記した「つっかえ棒」の役割を確実に果たすことができる。補助リンク内角が１８０度をわずかに超えてもそれ以上大きくならないので、実質的には、補助リンク内角は１８０度であると表現することができる。本明細書でいう「補助リンク内角が１８０度となるように構成されている」状態には、補助リンク内角が１８０度を僅かに超える場合も含まれることに留意されたい。

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（ピッチ軸方向）から観測して、膝関節回転中心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。

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、下腿リンクが揺動することができなくなり、膝に外力トルクが作用しても膝折れが防止される。膝折れ防止にアクチュエータのトルクは必要ない。なお、アクチュエータを備える場合は、アクチュエータによって第１あるいは第２補助リンクを回転させれば膝ロックは解除される。すなわち、歩行動作に従ってアクチュエータが下腿リンクを揺動させる際、膝が伸びきった状態まで下腿リンクが揺動すると、受動的に膝折れ防止が達成される。歩行動作が進み、アクチュエータが下腿リンクを後方に揺動させれば膝ロックは解除される。この支援装置は、膝が伸びきるまで下腿リンクが揺動すると受動的に膝ロックが成立し、アクチュエータが下腿リンクを膝屈曲方向に回転させると受動的に膝ロックが解除される。

本明細書が開示する支援装置は、上記した構造に加えて、大腿リンク、下腿リンク、第１補助リンク、及び、第２補助リンクのいずれかのリンクに、第１補助リンクと第２補助リンクの連結部を下腿リンクと大腿リンクの連結部に近づける方向に他のリンクを引き付ける磁石（第１磁石）が取り付けられている。なお、引き付けられるリンクは、少なくとも一部は磁性体で構成されている。本明細書が開示する支援装置は、磁石を備えることによって、膝ロック条件が成立する角度に至るまで補助リンクの回転を促進する。

第１磁石は、どのリンクに備えられてもよいが、好ましくは、第１補助リンクが第２補助リンクよりも短く、下腿リンクと第２補助リンクのいずれか一方のリンクに第１磁石が取り付けられていることが好ましい。さらに、第１補助リンクを回転駆動するアクチュエータが大腿リンクに取り付けられていることが好ましい。重量の嵩むアクチュエータは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、ユーザの脚に与える負担が少ない。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ことは第２補助リンクを長くすることに他ならない。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。

そして上記の場合、第２補助リンクが長いので、第１磁石を、下腿リンクと第２補助リンクの連結部回転中心から遠い位置に配置することができる。回転中心から遠いほど磁石の吸引力が第２補助リンクを駆動するトルクを大きくすることができる。すなわち、第１磁石が第２補助リンクを下腿リンクに近づけ易くなる。

下腿リンクを揺動させるアクチュエータを備えていれば、そのアクチュエータが、膝ロックを解除することができる。他方、次のように構成すれば、膝ロックを解除する機構として、上記した磁石を活用することも可能である。すなわち、第１補助リンクと第２補助リンクの連結部が下腿リンクと大腿リンクの連結部に近づいたときに第１磁石と対向する第２磁石を他のリンクに設ける。別言すれば、ユーザが膝を伸ばしたときに第１磁石と対向する他のリンクに第２磁石を設ける。このとき、第１磁石と第２磁石の一方には電磁石を採用する。さらに支援装置は、第１磁石と第２磁石の間に引力が作用する状態と斥力が作用する状態とが切り換わるように電磁石への通電方向を制御するコントローラをさらに備える。第１磁石と第２磁石の間に引力が作用するようにすれば、前述したとおり膝ロック条件が成立するように第１／第２補助リンクの連結部が下腿／大腿リンクの連結部に引き付けられる。他方、第１磁石と第２磁石の間に斥力が作用するようにすれば、第１／第２補助リンクの連結部を下腿／大腿リンクの連結部から遠ざける方向に磁力が働く。すなわち、磁力により膝ロックが解除できる。

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斜視図である。 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。 図３の状態におけるリンク群を線画にて模式的に表した図である。 支援装置の模式的側面図である。図５（Ａ）はユーザが膝を伸ばしたときの支援装置の形態を示しており、図５（Ｂ）はユーザが膝を曲げたときの支援装置の形態を示している。 第２実施例の支援装置の模式的側面図である。 第３実施例の支援装置の模式的側面図である。 第４実施例の支援装置の模式的側面図である。

図１に、第１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。すなわち、ユーザは左脚を自由に動かすことができず、支援装置１００は左脚の動きをサポートする。具体的には、支援装置１００は、モータ５５（アクチュエータ）を備えており、歩行動作に合わせて左脚の下腿を揺動させ、歩行動作を支援する。支援装置１００は、下腿の揺動角度（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１４を備えている。コントローラ１４は、モータ５５のケース内部に収められている。各種センサ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。

符号６０は磁石を示している。磁石６０の説明は後述するとして、まず、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の夫々は、ユーザが装着したときに膝の両側に位置し、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（及びコントローラ１４）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。詳しくは後述するが、第１補助リンク３０の回転に連動して、下腿リンク２０が大腿リンク１０に対して揺動する。

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を示す。図３は連結部分の側面図を示している。なお、図２、図３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（第１補助リンク３０、第２補助リンク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、４リンクの閉リンク機構が構成されている。図４は、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を模式的に線画で表した図である。なお、図２、図３の下腿リンク２０が例示するようにリンクの物理的形状が湾曲形状であっても、図４に示すように、リンク機構を規定するための構造としては、各リンクは連結部を結ぶ直線で表すことができる。図４からも、４本のリンクが閉リンク構造を構成しており、矩形を形作ることが理解される。

閉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。以下、大腿リンク１０と下腿リンク２０を連結するジョイント５１を、第１ジョイント５１と称する。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を、第２ジョイント５２と称する。第１補助リンク３０と第２補助リンク４０を連結するジョイント５３を、第３ジョイント５３と称する。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を第４ジョイントと称する。また、ジョイント（第１ジョイント５１、第２ジョイント５２、第３ジョイント５３、第４ジョイント５４）との用語は、「ジョイントの回転中心」を意味する場合があることに留意されたい。

図３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３は、ユーザが直立姿勢をとったときの閉リンク機構の形態を示している。図３が示しているように、ユーザが直立姿勢をとったとき、第２ジョイント５２の回転中心は、膝関節回転中心（第１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。第４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、第２ジョイント５２と第４ジョイント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４は、図３の状態の各リンクを線画で模式的に表した図である。図３、図４に示すように、ユーザが直立姿勢をとったとき、側方（Ｙ軸方向、ピッチ軸方向）から観測して、第２ジョイント５２の回転中心、第３ジョイント５３の回転中心、及び、第４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、第２ジョイント５２と第３ジョイント５３の回転中心を結ぶ直線Ｌ３と、第３ジョイント５３と第４ジョイント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。なお、図４では、内角Ａｇが１８０度よりも大きいことがはっきりとわかるように内角Ａｇを１８０度よりもかなり大きく描いているが、正確には、角度Ａｇは１８０度＋微小角である。「微小角」とは、おおむね５度以下である。角度Ａｇはわずかに１８０度よりも大きいが、後述する角度Ａｇの役割からすれば、角度Ａｇはほぼ１８０度と表現してよい。

図４がよく示しているように、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は矩形を構成する。従って、図４の符号Ａｇが示す角度は、第３ジョイント５３の回転中心を頂点とする矩形（閉リンク機構）の内角と呼ぶことができる。すなわち、膝ロック条件とは、ユーザが膝を伸ばしたときに側方から観測して、第３ジョイント５３の回転中心を頂点とする閉リンク構造の内角が１８０度となるように構成されていることである。

図２、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、前述したように第３ジョイント５３の回転中心を頂点とする閉リンク構造の内角である。従って別言すると、角度Ａｇは、側方から観測して、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、と表現することもできる。

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、側方から観測したときの支援装置１００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。

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、側方から観測してほぼ一直線に並んでいる。即ち膝ロック条件が成立している。この状態で第１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。膝関節に作用する外力トルクとは、典型的には、ユーザの体重に起因するトルクであり、ユーザの筋力がこの外力トルクに抗することができないと、いわゆる「膝折れ」となる。膝ロック条件が満たされれば、ユーザの筋力に代わって支援装置１００が膝折れを防止する。

なお、屈曲条件、即ち、第２ジョイント５２の回転中心と、第４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（第１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からも明らかであろう。

第１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）、第２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２０は回転できなくなる。即ち、モータ５５の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。すなわち、内角Ａｇはおおむね１８０度であればよい。具体的には、内角Ａｇは、１８０〜１８０＋５度程度以内であればよい。その程度の範囲内であれば、第１ジョイント５１（ユーザの膝関節）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、第１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。

図５（Ａ）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に対して下腿リンク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（直線Ｌ３）と第２補助リンク４０の長手方向（直線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、外力トルクは内角Ａｇを増大する方向に作用するが、メカストッパ２１が内角Ａｇを最大でも１８０度＋微小角（５度程度）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５（Ｂ）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４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。モータ５５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。

下腿リンク２０が備える磁石６０について説明する。磁石６０は、メカストッパ２１に埋設されている。ユーザが膝を伸ばしたときにメカストッパ２１に当接する第２補助リンク４０は、鉄（磁性体）で作られており、磁力に引き付けられる。モータ５５が下腿リンクを膝伸展方向に揺動させた際、第２補助リンク４０が下腿リンク２０のメカストッパ２１にある程度近づくと、第２補助リンク４０は磁石６０に引き寄せられ、最後にはメカストッパ２１にくっつく。すなわち、磁石６０は、膝ロック条件が成立するように第２補助リンク４０をメカストッパ２１（下腿リンク２０）に引き寄せる。磁石６０を備えることによって、ユーザが膝を伸ばすように下腿を揺動させた際、膝ロック条件が確実に成立するようになる。磁石６０は、膝ロック条件が成立する角度に至るまで第２補助リンク４０の回転を促進する。

磁石６０とこれに引き付けられるリンクは、第１実施例の関係に限られない。以下、磁石とリンクの関係のバリエーションを説明する。図６は第２実施例の支援装置２００の模式的側面図である。図６（Ａ）はユーザが膝を伸ばしたときの各リンクの形態を示しており、図６（Ｂ）はユーザが膝を曲げたときの各リンクの形態を示している。第２実施例の閉リンク機構は、大腿リンク２１０、下腿リンク２２０、第１補助リンク２３０、第２補助リンク２４０で構成される。第２実施例の支援装置２００も、ユーザが膝を伸ばしたときに側方から観測して、第１補助リンク２３０と第２補助リンク２４０の連結部（第３ジョイント５３）の回転中心を頂点とする閉リンク構造の内角（図６（Ａ）において直線Ｌ３とＬ４が図面左側でなす角度）が１８０度（＋微小角）となるように閉リンクが構成されている。第３ジョイント５３を頂点とする内角が１８０度（＋微小角）を超えないように、下腿リンク２２０には、第１補助リンク２３０が当接するメカストッパ２１が設けられている。

第２実施例の支援装置２００では、磁石６０の位置は第１実施例の場合と同じであるが、メカストッパ２１に当接するのが第２補助リンク２４０でなく第１補助リンク２３０である点で第１実施例と異なる。別言すれば、第１補助リンク２３０が第２補助リンク２４０よりも長い。この実施例の場合、第１補助リンク２３０は磁性体（典型的には鉄）で作られており、磁力が作用する。図６に示す第２実施例の磁石６０も、第１実施例の磁石６０と同じ効果を奏する。

図７は第３実施例の支援装置３００の模式的側面図である。図７（Ａ）はユーザが膝を伸ばしたときの各リンクの形態を示しており、図７（Ｂ）はユーザが膝を曲げたときの各リンクの形態を示している。第３実施例の閉リンク機構は、大腿リンク３１０、下腿リンク３２０、第１補助リンク３３０、第２補助リンク３４０で構成される。第３実施例の支援装置３００も、ユーザが膝を伸ばしたときに側方から観測して、第１補助リンク３３０と第２補助リンク３４０の連結部（第３ジョイント５３）の回転中心を頂点とする閉リンク構造の内角（図７（Ａ）において直線Ｌ３とＬ４が図面左側でなす角度）が１８０度となるように閉リンクが構成されている。第３ジョイント５３を頂点とする内角が１８０度を超えないように、大腿リンク３１０には、第１補助リンク３３０が当接するメカストッパ２１が設けられている。

第３実施例の場合、補助リンクの揺動範囲を規制するメカストッパ２１は大腿リンク３１０に設けられている。また、磁石６０は、第３ジョイント５３が第１ジョイント５１に近づいたときに、メカストッパ２１に当接する部分（第１補助リンク３３０）に埋設されている。メカストッパ２１は磁性体で作られている。この実施例の場合でも、第１実施例の磁石６０と同じ効果を奏する。

第１から第３実施例から理解されるように、大腿リンク、下腿リンク、第１補助リンク、及び、第２補助リンクのいずれかのリンクに、第１補助リンクと第２補助リンクの連結部を大腿リンクと下腿リンクの連結部に近づける方向に他のリンクを引き付ける磁石（第１磁石）が取り付けられていればよい。

図８は、２個の磁石を備える第４実施例の支援装置４００の模式的側面図である。図８（Ａ）はユーザが膝を伸ばしたときの各リンクの形態を示しており、図８（Ｂ）はユーザが膝を曲げたときの各リンクの形態を示している。第４実施例の閉リンク機構の構造は、第３実施例の閉リンクの構造と同じである。従って図８の支援装置４００の各部品には図７と同じ符号を付している。支援装置４００は、第２磁石６２を有する点で第３実施例の支援装置と異なる。以下、支援装置４００の特徴を説明する。

第４実施例の支援装置４００では、第３ジョイント５３が第１ジョイント５１に近づくと、第２補助リンク３４０がメカストッパ２１に近づく。メカストッパ２１は、大腿リンク３１０に設けられている。支援装置４００では、メカストッパ２１内に第２磁石６２が埋設されており、第２補助リンク３４０の一部であって第３ジョイント５３が第１ジョイント５１に近づいたときに第２磁石６２と対向する位置に第１磁石６０が埋設されている。第２磁石６２は電磁石であり、コントローラ１４がその極性を制御する。コントローラ１４は、第３ジョイント５３が第１ジョイント５１に近づくとき、第１磁石６０と第２磁石６２の間に引力が作用するように極性を制御する。このときは、前の実施例と同様に、第２補助リンク３４０（第１磁石６０）がメカストッパ２１（第２磁石６２）に吸い寄せられ、膝ロック条件が成立する。膝ロックを解除する場合、コントローラ１４は、第１磁石６０と第２磁石６２の間に斥力が作用するように第２磁石６２の極性を制御する。斥力は、第３ジョイント５３を第１ジョイント５１から遠ざける向きに作用する。すなわち、電磁石である第２磁石６２は、膝ロックを促進するアクチュエータとして働くとともに、膝ロックを解除するアクチュエータとしても働く。

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、２１０、３１０：大腿リンク
２０、２２０、３２０：下腿リンク
２１：メカストッパ
２４：ジョイント
２５：足リンク
３０、２３０、３３０：第１補助リンク
４０、２４０、３４０：第２補助リンク
５１、５２、５３、５４：ジョイント
５５：モータ
６０、６２：磁石
１００、２００、３００、４００：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、
   一端が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、
   一端が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、他端が第１補助リンクの他端に回転可能に連結している第２補助リンクと、
   を備えており、
   大腿リンクと下腿リンクと第１補助リンクと第２補助リンクが閉リンク構造をなしており、
   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、第１補助リンクと第２補助リンクの連結部の回転中心を頂点とする閉リンク構造の内角が１８０度となるように閉リンクが構成されているとともに、
   大腿リンク、下腿リンク、第１補助リンク、及び、第２補助リンクのいずれかのリンクに、第１補助リンクと第２補助リンクの連結部を下腿リンクと大腿リンクの連結部に近づける方向に他のリンクを引き付ける磁石（第１磁石）が取り付けられていることを特徴とする歩行支援装置。
2. 第１補助リンクは第２補助リンクよりも短く、
   下腿リンクと第２補助リンクのいずれか一方のリンクに第１磁石が取り付けら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. 第１補助リンクと第２補助リンクの連結部が下腿リンクと大腿リンクの連結部に近づいたときに第１磁石と対向する第２磁石が他のリンクに取り付けられており、
   第１磁石と第２磁石の一方は電磁石であり、
   第１磁石と第２磁石の間に引力が作用する状態と斥力が作用する状態が切り換わるように電磁石への通電方向を制御するコントローラをさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の歩行支援装置。

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