JP2012235929A - 歩行支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】着地タイミングを判定する荷重閾値を簡単に調整することのできる歩行支援装置を提供する。
【解決手段】歩行支援装置は、大腿リンク、下腿リンク、モータ、センサ、及び、コントローラを備える。モータは下腿リンクを揺動させる。荷重センサは、下腿リンクを装着した脚の足裏に加わる荷重を検知する。コントローラは、ユーザの歩行動作中に荷重センサによって計測された荷重が着地判定荷重閾値を超えたタイミングに基づいてモータを制御する。支援装置は、コントローラが次の処理を含む荷重の調整モードを実行するように構成されている。（１）下腿リンクの揺動角を予め定められた調整モード角度に維持する処理。（２）揺動角を調整モード角度に維持した状態で、荷重センサによって計測される１歩行周期中の荷重の最大値と最小値を特定する処理。（３）特定された荷重の最大値と最小値に基づいて荷重閾値を決定する処理。
【選択図】図４

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近年、これまでの長下肢装具に加えて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、下腿リンクを揺動させるアクチュエータを備えている。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。

歩行動作がスムーズとなるように下腿リンクを揺動させる場合、支援する脚が立脚状態にあるか遊脚状態にあるかによって制御ロジックを変更することが考えられる。これは、立脚と遊脚では役割が異なるからである。立脚では下腿の揺動は小さいが体重を支えることが重要であり、遊脚では体重を支える必要はないがスムーズに大きく揺動することが求められる。従って、支援装置では、脚期間と遊脚期間で制御ロジックを切り換えることが検討されている。それゆえ、支援装置には、立脚期間と遊脚期間の切り換わりタイミング、すなわち、遊脚の着地タイミング、及び／又は立脚の離地タイミングを特定することが必要とされる。特許文献１と特許文献２には、支援装置を装着した脚の足裏に加わる荷重（接地反力）が予め定められた閾値を超えたタイミングに基づいて着地タイミングを特定する技術が開示されている。

着地／離地タイミングを特定するのに接地センサ（ＯＮ−ＯＦＦセンサ）ではなく接地反力の大きさを計測する荷重センサを用いるのには次の理由がある。出力がＯＮ−ＯＦＦだけの接地センサを用いると、足裏が床面を擦った場合にも「接地」が検知されてしまうという不都合がある。また、接地センサは靴の裏側に取り付ける必要があるが、それでは専用の靴を用意しなければならなくなる。荷重センサの場合、所定の荷重閾値を超えた時点を「着地」と判断することができるし（あるいは、所定の荷重閾値を下回った時点を「離地」と判断することができる）、足裏と靴底の間、いわゆるインソールという形でセンサを装備することもできる。特に、インソールとして荷重センサを装備できる点では、ユーザが靴を自由に選べるという利点がある。

特開２０１０−２７３７４８号公報 特開２０１０−０６３８１３号公報

インソール形式で荷重センサを装備する場合、インソールは足裏と靴底の間に挟まれるので、遊脚の間も含めて荷重センサに常に所定の荷重がオフセットとして加わることになる。例えば靴ひもの縛り強さが異なればそれだけで荷重オフセットも大きく変化する。発明者らの検討によれば、靴ひもの縛り方によって、荷重オフセットの大きさが１００［Ｎ］（約１０ｋｇｗ）程度も異なる場合があった。従って、着地／離地を特定するための荷重閾値も、靴を履く毎に設定し直す必要がある。本明細書が開示する技術の一つの目的は、着地タイミングを特定する荷重閾値（着地判定荷重閾値）を簡単に調整することのできる歩行支援装置を提供することにある。

本明細書が着目する歩行支援装置は、大腿リンク、下腿リンク、アクチュエータ、センサ、及び、コントローラを備える。大腿リンクはユーザの大腿に装着され、下腿リンクはユーザの下腿に装着される。大腿リンクと下腿リンクは揺動可能に連結されている。アクチュエータは下腿リンクを揺動させるために備えられている。荷重センサは、下腿リンクを装着した脚の足裏に加わる荷重（接地反力）を検知する。コントローラは、ユーザの歩行動作中に荷重センサによって計測された荷重が着地判定荷重閾値を超えたタイミングに基づいてアクチュエータを制御する。

本明細書が開示する支援装置は、コントローラが次の処理を含む着地判定荷重閾値の調整モードを実行するように構成されている。
（１）下腿リンクの揺動角を予め定められた調整モード角度に維持する揺動角固定処理。（２）揺動角を調整モード角度に維持した状態でユーザが歩行している間に荷重センサによって計測される１歩行周期中の荷重の最大値と最小値を特定する最大最小荷重特定処理。
（３）特定された荷重の最大値と最小値に基づいて着地判定荷重閾値を決定する閾値決定処理。なお、調整モードは、ユーザの指示により実行される。

調整モード角度は、典型的には、膝を伸ばした状態に相当する角度でよい。別言すれば、調整モード角度は、大腿と下腿が一直線となる角度でよい。着地判定荷重閾値を調整するのに先立って下腿リンクの角度を固定するのは、毎回同じ状態で荷重を計測するためと、大腿と下腿が一直線になった状態はユーザにとって比較的に歩きやすいからである。

１歩行周期中の荷重の最小値は、前述した荷重オフセットに相当する。また、１歩行周期中の荷重の最大値は、ユーザの体重に相当する。従って上記の着地判定荷重閾値の決定アルゴリズムは、荷重オフセットとユーザの体重を計測し、それらの値から着地判定荷重閾値を決定する処置である。着地判定荷重閾値の求め方は、典型的には、荷重の最大値と最小値との差分に予め定められた係数を乗じた値に荷重の最小値を加えた値を着地判定荷重閾値として決定する。

また、１歩行周期における荷重の最大値と最小値を用いるよりも数歩分の歩行周期における荷重の最大値の平均と最小値の平均を用いる方がより精度が上がる。従ってコントローラは、最大最小荷重特定処理において、予め定められた歩数分について各歩行周期中の荷重の最大値と最小値を特定することが好ましい。この場合コントローラは、特定された複数歩行周期の荷重最大値の平均と荷重最小値の平均を算出する。さらにコントローラは、閾値決定処理において、特定された荷重の最大値の平均と最小値の平均に基づいて着地判定荷重閾値を決定する。この場合、コントローラは、閾値決定処理において、荷重の最大値の平均と最小値の平均との差分（最大値平均−最小値平均）に予め定められた係数（第１係数）を乗じた値に荷重の最小値の平均を加えた値を着地判定荷重閾値として決定することが好ましい。

着地判定荷重閾値と同様に離地判定荷重閾値も定めることが可能である。すなわちコントローラは、閾値決定処理において、荷重の最大値の平均と最小値の平均との差分に予め定められた別の係数（第２係数）を乗じた値に荷重の最小値の平均を加えた値を離地判定荷重閾値として決定することが好ましい。離地判定荷重閾値を定めた場合、コントローラは、歩行中に荷重が離地判定閾値を下回ったタイミングに基づいてアクチュエータを制御する。なお、第２係数は、第１係数よりも大きな値が選定される。すなわち、離地判定荷重閾値は着地判定荷重閾値よりも大きくなる。離地判定は、荷重センサの値が減少し始めたらできるだけ早く判定が下せることが好ましく、着地判定は、荷重センサの値が増加し始めたらできるだけ早く判定が下せることが好ましいからである。

歩行動作支援においては、荷重閾値に加えて、足の位置も、着地判定の条件に加えるとよい。具体的にはコントローラは、次の２つの条件が共に成立したタイミングに基づいてアクチュエータを制御することが好ましい。
第１条件：ユーザの腰位置に対する下腿リンクを装着した脚の足位置が着地判定距離閾値よりも前方にあること。
第２条件：荷重センサによって計測された荷重が着地判定荷重閾値を超えたこと。
なお、第１条件は、足が確かに前方に出ていることをチェックする条件である。

歩行支援装置の斜視図である。 １歩行周期における荷重センサの計測値の変化を示すグラフである。 着地判定荷重閾値と離地判定荷重閾値を説明するグラフである。 調整モードにおける処理のフローチャート図である。 腰位置に対する足位置の定義を説明する図である。 荷重変化と足位置変化の関係を示すグラフである。

図１に、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、左脚を自由に動かすことができないユーザが支援装置１００を用いる場合を想定する。すなわち、支援装置１００は、ユーザの左脚に装着される。支援装置１００は、モータ２（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。

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。Ｙ軸はユーザの左右方向（側方）を示している。Ｚ軸は鉛直方向を示している。Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸はそれぞれ、ロール軸、ピッチ軸、及び、ヨー軸と呼ばれることもある。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の構造を説明する。支援装置１００は、大腿リンク１２、下腿リンク２２、及び、足リンク３２が連結されたいわゆる多関節多リンク構造を有している。大腿リンク１２、下腿リンク２２、及び、足リンク３２は夫々ユーザの大腿、下腿、及び、足に固定される。大腿リンク１２と下腿リンク２２は一対のジョイント４で連結されている。一対のジョイント４のそれぞれはユーザの膝関節の両側に位置する。ジョイント４の回転軸線は、支援装置１００をユーザが装着したときにユーザの膝関節回転軸線とほぼ同軸となる。ユーザの膝外側のジョイント４にはモータ２が備えられている。モータ２は、大腿リンク１２に対して下腿リンク２２を膝ピッチ軸周りに揺動させる。モータ２のケースには、モータ２を制御するコントローラ３が内蔵されている。また、ジョイント４には、大腿リンク１２に対する下腿リンク２２のピッチ軸周りの揺動角を計測する角度センサ（不図示）が組み込まれている。さらに、図示を省略しているが、大腿リンク１２には、ユーザの大腿のピッチ軸周りの傾斜角（鉛直に対する傾斜角）を計測する傾斜センサが備えられている。

足リンク３２と下腿リンク２２は一対のジョイント６で連結されている。一対のジョイント６のそれぞれはユーザの足首関節の両側に位置する。ジョイント６の回転軸線は、支援装置１００をユーザが装着したときに足首関節のピッチ軸周りの回転軸線とほぼ同軸となる。

足リンク３２は、ユーザが装着したままその上から一般の靴を履けるようにできている。足リンク３２は、インソール３３を備えており、ユーザが靴を履くとインソール３３が靴の中敷きとなる。インソール３３には荷重センサ３４が埋め込まれており、足裏に加わる荷重（厳密には足裏と靴底の間に加わる荷重）を計測する。荷重センサ３４は具体的にはロードセルである。

コントローラ３は、傾斜センサ、角度センサ、及び、荷重センサ３４のセンサデータに基づいてモータ２を制御する。具体的には、コントローラ３には、遊脚のときの下腿リンクの揺動パターン（揺動角の経時的変化）を記した遊脚パターンと、立脚のときの下腿リンクの揺動パターンを記した立脚パターンを記憶しており、脚の着地を判定すると立脚パターンに沿って下腿リンクを揺動させ、脚の離地を判定すると遊脚パターンに沿って下腿リンクを揺動させる。脚制御（下腿リンク制御）のアルゴリズムについては説明を省略する。

次に、コントローラ３が着地を判定するための着地判定荷重閾値と、その閾値の決定アルゴリズムを説明する。まず、図２に、荷重センサ３４の計測値（センサデータ）の時間変化を示す。以下、荷重センサ３４が計測した値を「荷重データＷ」と称する。荷重データＷは、脚が遊脚のとき、小さい値を示し、脚が立脚のときに大きい値を示す。脚が遊脚のときは、接地反力は理論上はゼロであるが、荷重センサ３４はインソール３３に装備されているため、遊脚期間中であってもゼロとはならない。また、遊脚期間中の荷重データＷは一定ではなく、ある範囲で微小に振れる。これは、脚の揺動中に加わる慣性力と、足と靴との関係の微妙な変化に起因する。今、１歩行期間中の荷重データの最小値をＷｍｉｎで表し、最大値をＷｍａｘで表す。最小値Ｗｍｉｎは、遊脚中であっても荷重センサが出力する荷重データ、すなわち、足裏と靴底の間に作用する圧力であり、荷重オフセットに相当する。前述したように、荷重オフセット（最小値Ｗｍｉｎ）は、靴ひもの縛り方によっても大きく変化する可能性がある。最大値Ｗｍａｘは、ユーザの体重に相当する。

なお、「１歩行周期」は次のようにして定められる。コントローラ３内には、予め定められた周期切り出し閾値Ｗｔｈが記憶されている。周期切り出し閾値Ｗｔｈは、例えば３５０［Ｎ］（約３５ｋｇｗ）に設定されている。コントローラ３は、荷重データＷが周期切り出し閾値Ｗｔｈを超えている状態から下回るタイミング（図２のＴ１、Ｔ２）を特定する。タイミングＴ１とＴ２の間の期間が１歩行周期に相当する。コントローラ３は、荷重データＷが周期切り出し閾値Ｗｔｈを下回るタイミングを特定し、隣接する２つのタイミング間のデータを１歩行周期分の荷重データとして切り出す。なお、１歩行周期は、荷重データＷが周期切り出し閾値Ｗｔｈを下回っている状態から上回るタイミングによって特定してもよい。

詳しくは後述するが、コントローラ３は、複数歩に亘る最大値Ｗｍａｘの平均値と最小値Ｗｍｉｎの平均値から、着地を判定するための着地判定荷重閾値Ｗｏｎと、離地を判定するための離地判定荷重閾値Ｗｏｆｆを定める。図３に、着地判定荷重閾値Ｗｏｎと離地判定荷重閾値Ｗｏｆｆの関係を示す。概略すると、着地判定荷重閾値Ｗｏｎは荷重の最大値Ｗｍａｘと最小値Ｗｍｉｎの中間値（平均）よりも小さい値に設定され、離地判定荷重閾値Ｗｏｆｆは荷重の最大値Ｗｍａｘと最小値Ｗｍｉｎの中間値（平均）よりも大きい値に設定される。着地は荷重データＷができるだけ小さいうちに判定できることが好ましく、離地は荷重データＷができるだけ大きいうちに判定できることが好ましいからである。

コントローラ３は、荷重データＷが着地判定荷重閾値Ｗｏｎを下回っている状態から上回ったタイミングＴｏｎを着地タイミングとして特定する。また、コントローラ３は、荷重データＷが離地判定荷重閾値Ｗｏｆｆを上回っている状態から下回ったタイミングＴｏｆｆを離地タイミングとして特定する。離地タイミングＴｏｆｆから着地タイミングＴｏｎまでの期間が遊脚期間に相当する。コントローラ３は、着地タイミングＴｏｎを特定した時点から立脚パターンに沿ってモータ２を制御し、離地タイミングＴｏｆｆを特定した時点から遊脚パターンに沿ってモータ２を制御する。以下、簡単化のため、着地判定荷重閾値Ｗｏｎを着地閾値Ｗｏｎと称し、離地判定荷重閾値Ｗｏｆｆを離地閾値Ｗｏｆｆと称する。

着地閾値Ｗｏｎと離地閾値Ｗｏｆｆは、次の式で求められる。
Won=Wmin_av + (Wmax_av − Wmin_av) × C1 （１）
Woff=Wmin_av + (Wmax_av − Wmin_av) × C2 （２）
ここで、Ｗｍｉｎ＿ａｖは、荷重データＷの最小値Ｗｍｉｎの数歩分の平均値であり、Ｗｍａｘ＿ａｖは、荷重データＷの最大値Ｗｍａｘの数歩分の平均値である。また、第１係数Ｃ１、第２係数Ｃ２は予め定められた係数であり、一例として、Ｃ１＝０．１５、Ｃ２＝０．６０である。なお、第１係数Ｃ１には０．５より小さい値が選定され、第２係数Ｃ２には０．５より大きい値が選定される。そのような選定により、必ず、Ｗｏｎ＜Ｗｏｆｆとなるように着地閾値Ｗｏｎと離地閾値Ｗｏｆｆが定められる。

上記の（１）式と（２）式が示しているように、着地閾値Ｗｏｎと離地閾値Ｗｏｆｆは、係数Ｃ１とＣ２が夫々決定的な要因となっている。第１係数Ｃ１が０．５より小さいことが、着地閾値Ｗｏｎが荷重データの最大値Ｗｍａｘと最小値Ｗｍｉｎの中間値（平均）よりも小さい値に設定されることを示している。同様に、第２係数Ｃ２が０．５よりも大きいことが、離地閾値Ｗｏｆｆが荷重データの最大値Ｗｍａｘと最小値Ｗｍｉｎの中間値（平均）よりも大きい値に設定されることを示している。

図４のフローチャート図を参照して、着地閾値Ｗｏｎと離地閾値Ｗｏｆｆを決定する処理、すなわち、調整モードの処理を説明する。調整モードは、支援装置１００に備えられた操作盤（不図示）のスイッチをユーザが入れると開始される。

調整モードに入るとコントローラ３はまず、下腿リンク２２が大腿リンク１２と一直線となるように下腿リンク２２を制御する（Ｓ２）。コントローラ３は、調整モードが終了するまで下腿リンク２２をその角度（調整モード角度）に維持する（ロックする）。別言すれば、コントローラ３は、下腿リンク２２の揺動角を予め定められた調整モード角度に維持する。ステップＳ２の処理が揺動角固定処理に相当する。ユーザは、下腿リンク２２が調整モード角度に固定されたことを確認した後、歩行を開始する。なお、このときの歩行は、支援装置１００を装着した脚の膝関節を伸ばしたままの歩行となる。

コントローラ３は、歩行中の荷重データＷを記録する（Ｓ４）。また、コントローラ３は、荷重データＷを記録しつつ、６歩行周期分の記録を切り出す（Ｓ６）。図２を参照して説明したように、コントローラ３は、１歩行周期分の荷重データＷを切り出すための閾値（周期切り出し閾値Ｗｔｈ）を記憶している。コントローラ３は、計測している荷重データＷの値が閾値Ｗｔｈを上回っている状態から下回る状態に変化したタイミングを検知し、そのタイミングと次のタイミングの間の荷重データＷを１歩行周期分のデータとして切り出す。コントローラ３は、６歩行周期分の荷重データＷを切り出したら計測を停止する（Ｓ８：ＹＥＳ）。なお、コントローラ３は、予め定められた時間を経過しても６歩行周期分の荷重データＷを切り出せなかった場合は、ユーザに調整モード不成功を通知して処理を終了する（Ｓ８：ＮＯ、Ｓ１８）。「６歩行周期」は、一例であり、切り出す歩行周期の数はいくつでもよい。

次にコントローラ３は、切り出した荷重データＷから、各歩行周期における荷重データＷの最大値Wｍａｘと最小値Ｗｍｉｎを特定する（Ｓ１０）。次いで、コントローラ３は、最大値Ｗｍａｘの６歩行周期の平均Ｗｍａｘ＿ａｖと、最小値Ｗｍｉｎの６歩行周期の平均Ｗｍｉｎ＿ａｖを算出する（Ｓ１２）。コントローラ３はこのとき、さらに、最大値Ｗｍａｘの６歩行周期の分散、及び、最小値Ｗｍｉｎの６歩行周期の分散も計算する。ステップＳ１０、Ｓ１２の処理が、最大最小荷重特定処理の一例に相当する。

次にコントローラ３は、ステップＳ１２で算出された各分散の値が予め与えられている閾値ＣＥ１よりも小さいか否か、及び、ステップＳ１２で算出された平均値の差分（Ｗｍａｘ＿ａｖ−Ｗｍｉｎ＿ａｖ）が予め与えられている閾値ＣＥ２よりも大きいか否かをチェックする（Ｓ１４）。ステップＳ１４の処理は、算出された分散、あるいは、平均の差分が、正常値の範囲内であるか否かをチェックするための処理である。例えば、分散が閾値ＣＥ１よりも大きい場合は、６歩行周期の平均のばらつきが大きいことを意味する。そのような場合は算出値が正常でない可能性が高い。そのような場合には、ユーザに調整モード不成功を通知して処理を終了する（Ｓ１４：ＮＯ、Ｓ１８）。

ステップＳ１４のチェックがＯＫの場合、コントローラ３は、ステップＳ１２で算出した平均値を前述した数式（１）、（２）に代入し、着地閾値Ｗｏｎと離地閾値Ｗｏｆｆを決定する（Ｓ１６）。ステップＳ１６の処理が、閾値決定処理の一例に相当する。以上の処理が、着地／離地判定荷重閾値の調整モードにおける処理である。こうして決定された着地閾値Ｗｏｎと離地閾値Ｗｏｆｆはコントローラ３に記憶され、通常の歩行支援制御における着地／離地タイミングの特定に用いられる。

次に、支援装置１００の変形例を説明する。この変形例では、荷重だけでなく、支援装置１００を装着した足の位置も着地／離地判定に利用する。図５を参照して、実施例における「足位置」の定義を説明する。図５にて、「足位置」は符号ｘｆで表される。足位置ｘｆは、ピッチ軸方向から観測して、ユーザの腰位置ＨＰ（股関節のピッチ軸方向回転軸線）を原点とし、前方を正にとった座標系での足首の位置で表される。先に説明したように、大腿リンク１２には、ユーザの大腿のピッチ軸周りの傾斜角を計測する傾斜センサが備えられており、膝に位置するジョイント４には、大腿リンク１２と下腿リンク２２の揺動角を計測する角度センサが備えられている。また、ユーザの大腿の長さ、及び、下腿の長さはコントローラ３に予めインプットされている。ユーザの大腿のピッチ軸周りの傾斜角、大腿に対する下腿の揺動角（大腿リンク１２に対する下腿リンク２２の揺動角）、及び、大腿と下腿の長さが既知であるので、それらの値から腰位置ＨＰを基準とした足位置ｘｆが算出できる。

コントローラ３は、図４のステップＳ４において、荷重データＷとともに、足位置ｘｆのデータも記録する。さらにコントローラ３は、ステップＳ１０において、各歩行周期における荷重の最大値Ｗｍａｘと最小値Ｗｍｉｎを特定するとともに、足位置ｘｆの最大値Ｘｍａｘと最小値Ｘｍｉｎも特定する。コントローラ３は、ステップＳ１２の処理において、最大値Ｘｍａｘの６歩行周期の平均Ｘｍａｘ＿ａｖと、最小値Ｘｍｉｎの６歩行周期の平均Ｘｍｉｎ＿ａｖを算出する。さらにコントローラ３は、ステップＳ１６において、次の（３）式と（４）式に基づいて着地判定距離閾値Ｘｏｎと離地判定距離閾値Ｘｏｆｆを算出する。

Xon=Xmin_av + (Xmax_av − Xmin_av) × C2 （３）
Xoff=Xmin_av + (Xmax_av − Xmin_av) × C1 （４）
ここで、Ｃ１＝０．１５、Ｃ２＝０．６０である。また、（３）式と（４）式は、係数Ｃ１とＣ２を含め、先に示した（１）式と（２）式と同じパターンの式である点に留意されたい。

着地判定距離閾値Ｘｏｎ、離地判定距離閾値Ｘｏｆｆは、歩行制御における着地判定と離地判定に用いられる。コントローラ３は、支援装置１００を装着した脚の足位置ｘｆが着地判定距離閾値Ｘｏｎよりも前方であること（第１条件）、及び、荷重センサによって計測された荷重が着地判定荷重閾値を超えたこと（第２条件）、の２つの条件が共に成立したタイミングを着地タイミングとして特定する。同様にコントローラ３は、支援装置１００を装着した脚の足位置ｘｆが離地判定距離閾値Ｘｏｆｆよりも後方であること（第３条件）、及び、荷重センサによって計測された荷重が離地判定荷重閾値を下回ったこと（第４条件）、の２つの条件が共に成立したタイミングを離地タイミングとして特定する。そしてコントローラ３は、着地タイミングを特定した時点から立脚パターンに沿って下腿リンク２２を制御し、離地タイミングを特定した時点から遊脚パターンに沿って下腿リンク２２を制御する。

図６に、荷重データＷの変化と足位置ｘｆの変化の関係、及び、着地閾値Ｗｏｎ、離地閾値Ｗｏｆｆと、着地判定距離閾値Ｘｏｎと離地判定距離閾値Ｘｏｆｆの関係を示す。図６のグラフは、概説すると、足が離地するタイミングＴｏｆｆでは荷重Ｗが急減するとともに、足位置が最後方位置に近づいており、着地するタイミングＴｏｎでは荷重Ｗが急増するとともに、足位置が最前方位置に到達する、という歩行動作の特性を表している。発明者らの検討によると、（数１）〜（数４）の式、及び係数Ｃ１、Ｃ２を上記のごとく選定すると、立脚から遊脚に切り替わる際、荷重データＷが最大値Ｗｍａｘ付近から急激に減少し、離地閾値Ｗｏｆｆを下回るタイミングで足位置は離地判定距離閾値Ｘｏｆｆよりも後方となることが判明した。同様に、遊脚から立脚に切り替わる際、荷重データＷが最小値Ｗｍｉｎ付近から急激に増加し、着地閾値Ｗｏｎを上回るタイミングで足位置は着地判定距離閾値Ｘｏｎよりも前方となることが判明した。

着地判定距離閾値Ｘｏｎ、離地判定距離閾値Ｘｏｆｆを採用する利点は二つある。一つは、荷重閾値と距離閾値の次元の異なる２つのパラメータで着地タイミング、離地タイミングを判定することによって、判定の確実性を高めることができるという点である。すなわち誤判定の可能性を低く抑えられる。他の一つは、荷重データＷがWｏｎよりも大きい値を示しているにも関わらず足位置ｘｆが着地判定距離閾値Ｘｏｎよりも後方である、あるいは、足位置ｘｆが離地判定距離閾値Ｘｏｆｆよりも前方である場合に、ユーザが歩行の意思を有していないと推定できる点にある。別言すると、歩行支援中、荷重データＷがＷｏｎよりも大きく、かつ、Ｘｏｆｆ＜ｘｆ＜Ｘｏｎとなった場合、ユーザは歩行停止を意図していると推定することができる。そのような場合には、歩行支援の制御を行っているコントローラ３は、下腿リンク２２の揺動をゆっくり停止するようモータ２を制御する。すなわち、着地判定距離閾値Ｘｏｎ、離地判定距離閾値Ｘｏｆｆを採用することによって、支援装置１００は、ユーザの停止意図を推定し、歩行支援の状態から歩行停止へ速やかに移行することができる。

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：モータ
３：コントローラ
４、６：ジョイント
１２：大腿リンク
２２：下腿リンク
３２：足リンク
３３：インソール
３４：荷重センサ
１００：歩行支援装置

Claims (5)

1. ユーザの大腿に装着される大腿リンクと、
   大腿リンクに揺動可能に連結されておりユーザの下腿に装着される下腿リンクと、
   下腿リンクを揺動させるアクチュエータと、
   下腿リンクを装着した脚の足裏に加わる荷重を検知する荷重センサと、
   ユーザの歩行動作中に荷重センサによって計測された荷重が着地判定荷重閾値を超えたタイミングに基づいてアクチュエータを制御するコントローラと、
   を備えており、
   コントローラは、以下の処理を含む着地判定荷重閾値の調整モード、すなわち、
   （１）下腿リンクの揺動角を予め定められた調整モード角度に維持する揺動角固定処理；
   （２）揺動角を調整モード角度に維持した状態でユーザが歩行している間に荷重センサによって計測される１歩行周期中の荷重の最大値と最小値を特定する最大最小荷重特定処理；
   （３）特定された荷重の最大値と最小値に基づいて着地判定荷重閾値を決定する閾値決定処理；
   を実行することを特徴とする歩行支援装置。
2. コントローラは、
   最大最小荷重特定処理において、予め定められた歩数分について各歩行周期中の荷重の最大値と最小値を特定し、特定された複数歩行周期の荷重最大値の平均と荷重最小値の平均を算出し、
   閾値決定処理において、特定された荷重の最大値の平均と最小値の平均に基づいて着地判定荷重閾値を決定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の歩行支援装置。
3. コントローラは、閾値決定処理において、荷重の最大値の平均と最小値の平均との差分に予め定められた係数（第１係数）を乗じた値に荷重の最小値の平均を加えた値を着地判定荷重閾値として決定することを特徴とする請求項２に記載の歩行支援装置。
4. コントローラは、閾値決定処理において、荷重の最大値の平均と最小値の平均との差分に予め定められた係数であって第１係数よりも大きい第２係数を乗じた値に荷重の最小値の平均を加えた値を離地判定荷重閾値として決定し、
   コントローラは、歩行中に荷重が離地判定閾値を下回ったタイミングに基づいてアクチュエータを制御することを特徴とする請求項３に記載の歩行支援装置。
5. コントローラは、ユーザの腰位置に対する下腿リンクを装着した脚の足位置が着地判定距離閾値よりも前方にあるという第１条件、及び、荷重センサによって計測された荷重が着地判定荷重閾値を超えたという第２条件、の両条件が成立したタイミングに基づいてアクチュエータを制御する、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の歩行支援装置。

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