JP2013070781A - 歩行支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二重関節においてアクチュエータの単位動作量当たりの変動過度特性を調整する。
【解決手段】歯車５４の歯車面には、ラックギア６７が円状に形成されており、連結アーム６１に固定されたウォームギア７２がかみ合っている。ウォームギア７２は、連結アーム６１に固定された連結アームアクチュエータ７１の回転軸に取り付けられている。連結アームアクチュエータ７１を駆動してウォームギア７２を回転させると歯車５４に対する連結アーム６１の取り付け角度が変化する。このようにして連結アーム６１の取り付け角度を調整することにより、膝関節アシストアクチュエータ１８の単位動作量当たりの関節動作量や関節動作トルクの変動過度特性を調整することができる。また、歯車５４とラックギア６７がゼロクリアランスとなるようにして連結アーム６１のがたつきを抑制することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、歩行支援装置に関し、例えば、歩行をアシストするものに関する。

近年、介護ビジネスなどを中心に、人の動作（歩行や持ち上げなど）に使われる筋力を補助する装着型ロボット（パワーアシストスーツ）などが開発されている。
装着型ロボットには、アシスト箇所として、上半身の筋力を補助するもの、下半身の筋力を補助するもの、あるいは、全身の筋力を補助するものなど各種のものがある。
また、装着型ロボットの用途も、健常者用から高齢者・障害者の補助用などがある。

装着型ロボットは、例えば、装着者の筋電から筋肉の動きを解析したり、関節各部に配置した姿勢センサで検出される装着者の動きを解析することで、当該動きに必要な関節モーメントを算出し、これに応じた必要なアシスト力を発生させている。これによって、装着者は、重量物の持ち上げや歩行を楽に行うことができる。

このような技術に、特許文献１の「装着式動作補助装置、装着式動作補助装置の制御方法および制御用プログラム」がある。
この技術は、装着者に設置したセンサによって生体信号を検出し、これを用いて装着者の意思に従った動力をアクチュエータに発生させるものである。

ところで、人間の肘関節や膝関節は複雑な構成になっており、装着型ロボットのこれら関節部分を二重関節にすると装着者の関節運動に対する追従性を向上させることができる。
図９の各図は、従来の二重関節駆動機構を説明するための図である。
図９（ａ）に示したように、装着者の上腿部に装着する上腿連結部材２６と下腿部に装着する下腿連結部材２７は、連動する歯車５４、歯車５６を有する二重関節部５０を介して接合している。
膝関節アシストアクチュエータ１８は、ロッド駆動部６４とロッド６３を有しており、ロッド駆動部６４は、上腿連結部材２６の股関節側の股側（上腿の前側）に軸支されている。一方、ロッド６３の先端は、下腿連結部材２７の脛側（下腿の前側）において上腿連結部材２６側に延設された部材１００に軸支されている。

このように構成された二重関節部５０において、膝関節アシストアクチュエータ１８を駆動し、ロッド駆動部６４がロッド６３を押し出すと、二重関節部５０によって、上腿連結部材２６と下腿連結部材２７は、図９（ｂ）に示したように屈曲する。
更に、ロッド駆動部６４がロッド６３を押し出すと、図９（ｃ）に示したように上腿連結部材２６と下腿連結部材２７は、膝を折った状態となる。
逆に、ロッド駆動部６４がロッド６３を引き込むと、図９（ａ）に示したように上腿連結部材２６と下腿連結部材２７は、膝を伸ばした状態となり、屈曲が解除される。

図１０の各図は、従来の二重関節駆動機構の他の例を説明するための図である。
この例では、図１０（ａ）に示したように、ロッド駆動部６４は、上腿連結部材２６の股関節側の股の裏側に軸支されており、ロッド６３の先端は、下腿連結部材２７の脹ら脛側に固定された部材１０１に軸支されている。
このように構成された二重関節部５０において、膝関節アシストアクチュエータ１８を駆動し、ロッド駆動部６４がロッド６３を引き込むと、図１０（ｂ）に示したように、上腿連結部材２６と下腿連結部材２７が屈曲し、更に、膝関節アシストアクチュエータ１８を駆動すると、図１０（ｃ）に示したように、上腿連結部材２６と下腿連結部材２７が更に屈曲し、膝を折った状態となる。
逆に、ロッド駆動部６４がロッド６３を押し出すと、図１０（ａ）に示したように上腿連結部材２６と下腿連結部材２７は、膝を伸ばした状態となる。

従来は、以上のようにして二重関節部５０を駆動していたが、この駆動機構では、例えば、膝を伸ばした状態と屈曲させた状態では、膝関節アシストアクチュエータ１８を同じ量だけ動作させたとしても関節動作トルクや関節動作速度などが異なる。
即ち、膝の屈曲角度に応じて単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作トルクや関節動作速度が異なる。
しかし、従来の駆動機構では、膝の屈曲角度に応じて単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作トルクや関節動作速度を調整することができないという問題があった。

特開２００５−９５５６１号公報

本発明は、二重関節においてアクチュエータの単位動作量当たりの関節動作トルクや関節動作速度の変動過度特性を調整することを目的とする。

（１）請求項１に記載の発明では、歩行支援対象者の上腿部を支持する第１の支持部材に軸支され、前記上腿部の膝関節に対応して形成された第１の歯部と、前記膝関節に接合する下腿部を支持する第２の支持部材に固定され、前記第１の歯部とかみ合って連動する第２の歯部と、前記第１の歯部と前記第２の歯部を所定の位置関係に軸支する歯部保持部材と、前記第１の歯部に対して固定された固定部材と、前記固定部材を駆動して前記第１の歯部を回転させる駆動手段と、前記固定部材の前記第１の歯部に対する前記第１の歯部の回転軸の周りにおける固定角度を調整する角度調整手段と、を具備したことを特徴とする歩行支援装置を提供する。
（２）請求項２に記載の発明では、前記角度調整手段が、前記第１の歯部の前記回転軸に垂直な面に形成された第３の歯部と、前記第３の歯部とかみ合って前記第３の歯部と連動するウォームギアと、前記固定部材に固定され、前記ウォームギアを駆動して回転させるウォームギア駆動手段と、を用い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を提供する。
（３）請求項３に記載の発明では、前記ウォームギア駆動手段が、前記固定部材において、前記ウォームギアと前記第３の歯部とのバックラッシュが生じない角度に固定されていることを特徴とする請求項２に記載の歩行支援装置を提供する。

本発明によれば、二重関節の歯車とアクチュエータを連結する連結アームの歯車に対する角度を可変とすることにより、アクチュエータの単位動作量当たりの関節動作トルクや関節動作速度の変動過度特性を調整することができる。

装着型ロボットの装着状態を示した図である。 装着型ロボットのシステム構成を示した図である。 二重関節部の装着位置を説明するための図である。 二重関節部の構造を詳細に説明するための図である。 膝関節アシストアクチュエータの構成、及び二重関節部の動作を説明するための図である。 単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作トルクと関節動作速度を説明するための図である。 連結アームの設置角度の調整機構を説明するための図である。 歯車に対する連結アームのがたつき防止機構を説明するための図である。 従来例を説明するための図である。 従来例を説明するための図である。

（１）実施形態の概要
二重関節部５０（図４）において、歯車５４は、上腿連結部材２６の下腿連結部材２７に回転自在に軸支されており、歯車５６は、下腿連結部材２７に回転しないように固定されている。
関節フレーム５２は、歯車５４と歯車５６を回転自在に軸支しており、歯車５４と歯車５６の歯部がかみ合う位置に歯車５４と歯車５６を保持している。
歯車５４の表面には、連結アーム６１が半径方向に固定されており、更に、連結アーム６１は、連結軸６２によってロッド６３に軸支されている。図示しないが、ロッド６３は膝関節アシストアクチュエータ１８を構成しており、軸方向に移動する。
そのため、膝関節アシストアクチュエータ１８を駆動すると、ロッド６３によって歯車５４が回転し、これに連動して歯車５６が回転し、上腿連結部材２６に対して下腿連結部材２７が屈曲する。

図７に示したように、歯車５４の表面（回転軸に垂直な面）には、ラックギア６７が円状に形成されており、連結アーム６１に固定されたウォームギア７２がかみ合っている。ウォームギア７２は、連結アーム６１に固定された連結アームアクチュエータ７１（モータ）の回転軸に取り付けられている。
連結アームアクチュエータ７１を駆動してウォームギア７２を回転させると歯車５４に対する連結アーム６１の取り付け角度が変化する。このようにして連結アーム６１の取り付け角度を調整することにより、膝関節アシストアクチュエータ１８の単位動作量当たりの関節動作トルクや関節動作速度、及び関節動作量などの変動過度特性を調整することができる。
また、歯車５４とラックギア６７がゼロクリアランスとなるように連結アームアクチュエータ７１の取り付け角度にオフセット角度を持たせることにより連結アーム６１のがたつきを抑制することができる。

（２）実施形態の詳細
図１は装着型ロボット１の装着状態を示した図である。
装着型ロボット１は、装着者の腰部及び下肢に装着し、装着者の歩行を支援（アシスト）するものである。
装着型ロボット１は、腰部装着部２１、上腿装着部２２、下腿装着部２３、足装着部２４、上腿連結部材２６、下腿連結部材２７、制御装置２、つま先反力センサ１０、踵反力センサ１１、つま先姿勢センサ１２、踵姿勢センサ１３、腰姿勢センサ１４、上腿姿勢センサ１５、下腿姿勢センサ１６、股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９などを備えている。なお、腰部装着部２１、制御装置２、腰姿勢センサ１４以外は、左右の両足に設けられており、それぞれの検出値が出力されるようになっている。
但し、つま先反力センサ１０、踵反力センサ１１については、反力の検出が不要である実施例の場合には、両センサに変えてつま先接地センサ、踵接地センサを備えるようにしてもよい。

腰部装着部２１は、装着者の腰部の周囲に取り付けられ装着型ロボット１を固定する。
腰姿勢センサ１４は、腰部装着部２１に取り付けられ、ジャイロなどによって腰部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、腰部の角速度や角加速度を求めることもできる。

制御装置２は、腰部装着部２１に取り付けられ、装着型ロボット１の動作を制御する。
股関節アシストアクチュエータ１７は、装着者の股関節と同じ高さに設けられており、腰部装着部２１に対して上腿連結部材２６を前後方向に駆動する。なお、股関節アシストアクチュエータ１７を３軸アクチュエータとして横方向にも駆動するように構成することもできる。

上腿連結部材２６は、装着者の上腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、上腿装着部２２によって装着者の上腿部に固定される。そして、上腿連結部材２６は、股関節アシストアクチュエータ１７によって駆動し、上腿部の運動を支援する。
上腿装着部２２は、外側が上腿連結部材２６の内側に固定されており、内側が装着者の上腿に固定される。
上腿姿勢センサ１５は、上腿部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、上腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。

膝関節アシストアクチュエータ１８は、膝関節部に形成された後述の二重関節部５０を駆動し、これによって下腿連結部材２７を前後方向に運動させて装着者の下腿部の運動を支援する。
下腿連結部材２７は、装着者の下腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、下腿装着部２３によって装着者の下腿部に固定される。そして、下腿連結部材２７は、膝関節アシストアクチュエータ１８によって駆動し、下腿部の運動を支援する。

下腿装着部２３は、外側が下腿連結部材２７の内側に固定されており、内側が装着者の下腿に固定される。
下腿姿勢センサ１６は、下腿部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、下腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。

足首関節アシストアクチュエータ１９は、装着者の足首関節と同じ高さに設けられており、下腿連結部材２７に対して足装着部２４のつま先を上下する方向に駆動する。
足装着部２４は、装着者の足部（足の甲、及び足裏）に固定される。一般に、足指の付け根の関節は歩行の際に屈曲するが、足装着部２４も足指の付け根の部分が足指に従って屈曲するようになっている。

つま先姿勢センサ１２と踵姿勢センサ１３は、それぞれ、足装着部２４の先端と後端に設置され、それぞれ、つま先と踵の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、つま先や踵の角速度や角加速度を求めることもできる。

つま先反力センサ１０は、足装着部２４の足裏部前方に設置され、つま先の接地を検出すると共に、歩行面からの反力を検出する。
踵反力センサ１１は、足装着部２４の足裏部後方に設置され、踵の接地を検出すると共に、歩行面からの反力を検出する。
以上のように構成された装着型ロボット１は、股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９を駆動することにより、装着者の歩行を支援する。

図２は、装着型ロボット１のシステム構成を示した図である。
制御装置２は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、時間を計測する手段としての時計、記憶部７、各種インターフェースなどを備えた電子制御ユニットであり、装着型ロボット１の各部を電子制御する。

制御装置２は、また、ＣＰＵで記憶部７に記憶された歩行支援プログラム等の各種プログラムを実行することにより構成される、センサ情報取得部３、各種パラメータ算出部４、歩行動作判定部５、歩行シーン判定部６、歩行アシスト力決定部８、連結アーム角度調整部９を備えている。
センサ情報取得部３は、つま先反力センサ１０〜下腿姿勢センサ１６の各センサから検出値を取得する。センサ情報取得部３で取得した各センサの検出値は、歩行動作の判定や、歩行シーンの判定や、歩行パラメータの算出等に使用される。

各種パラメータ算出部４は、センサ情報取得部３で取得した検出値から、各関節の角度や位置を求めることで歩行パラメータ値（重複歩調と重複歩距離）を算出する。
ここで、１側の踵が接地してから次に同側の踵が接地するまでの動作を重複歩といい、この重複歩における一連の動作を歩行周期という。そして、重複歩における踵の両接地点間の距離を重複歩距離といい、１分間当たりの重複歩数（重複歩数／分）を重複歩調という。

歩行動作判定部５は、装着者の動作が屈伸運動や足踏み動作などの歩行以外の動作なのか、それとも実際に歩行している動作なのかを判定する。
歩行シーン判定部６は、センサ情報取得部３で取得した検出値から、装着者の歩行している歩行シーンを判定する。判定対象となる歩行シーンとしては、歩行面種類（平地、上り階段、下り階段、上り坂道、下り坂道）の５種類のそれぞれに対して、前進歩行と後進歩行の歩行方向２種類があり、合計１０の歩行シーンがある。

歩行アシスト力決定部８は、左右両足のそれぞれに配置されている股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９に出力させるアシスト力を決定し、これに従ってこれらアシストアクチュエータを駆動する。なお、アシスト力とは、装着型ロボット１がアシストアクチュエータを駆動して脚部に作用させるモーメント（トルク）である。

連結アーム角度調整部９は、後に詳細に説明するように、二重関節部５０（図４）の連結アーム６１に設置された連結アームアクチュエータ７１（図７）を駆動することにより歯車５４に対する連結アーム６１の取り付け角度を調整する。
これにより連結アーム角度調整部９は、二重関節部５０における膝関節アシストアクチュエータ１８の単位動作量当たりの関節動作トルクや関節動作速度などの変動過度特性を調整する。

図３は、二重関節部５０の装着位置を説明するための図である。図３（ａ）は、正面図を示しており、図３（ｂ）は、側面図を示している。
なお、図３（ａ）では、図を簡略化するため右足のみ装着しているが、両足に装着するものである。また、膝関節アシストアクチュエータ１８は、省略してある。
二重関節部５０は、装着者の膝関節の位置に対応して形成されており、上腿連結部材２６の下端と下腿連結部材２７の上端を接合している。
二重関節部５０は、上腿連結部材２６の下端側に軸支された円形の歯車５４、下腿連結部材２７の上端側に固定された円形の歯車５６、及び、歯車５４、歯車５６を軸支する関節フレーム５２を有している。
歯車５４と歯車５６は、歯部（ギア）がかみ合って連動するようになっている。

装着者が膝を曲げると、これにともなって二重関節部５０も屈曲する。すると、上腿連結部材２６に対する下腿連結部材２７の回転中心は、上腿連結部材２６と下腿連結部材２７の軸線の交点となり、膝の屈曲にともなって前方に移動する。この動きが人体の膝の動きによく適合しており、二重関節部５０は、膝の前後運動に良好に追従することができる。

図４は、二重関節部５０の構造を説明するための図である。なお、二重関節部５０は、歯車５４に対する連結アーム６１の角度を調整する機構を備えているが、これについては後に詳細に説明するため省略してある。
上腿連結部材２６の下端側（下腿連結部材２７側）には、歯車５４が固定軸５５によって回転自在に軸支されている。
図示しないが、歯車５４の全周には歯部が形成されている。なお、歯部は歯車５４の全周に形成されている必要はなく、少なくとも歯車５６とかみ合う部分に形成されていればよい。

一方、下腿連結部材２７の上端側（上腿連結部材２６側）には、固定軸５７、及び固定軸５７の周囲で１２０度おきに設けられた固定具６０、６０、６０によって歯車５６が固定されている。なお、図の煩雑化を避けるため、固定具６０は、１つのみに符号を付している。
下腿連結部材２７に対する歯車５６の回転は、固定具６０によって規制されるため、歯車５６は、下腿連結部材２７に対して回転せず、下腿連結部材２７と一体となって運動する。
図示しないが、歯車５６の全周には歯部が形成されている。なお、歯部は歯車５６の全周に形成されている必要はなく、少なくとも歯車５４とかみ合う部分に形成されていればよい。

関節フレーム５２は、板状の部材であり、歯車５４の歯部と歯車５６の歯部がかみ合って、お互いが連動する位置に歯車５４と固定軸５５を軸支している。
このため、歯車５４が関節フレーム５２に対して回転すると、これにともなって歯車５６も関節フレーム５２に対して回転する。そして、歯車５６は、下腿連結部材２７に固定されているため、下腿連結部材２７は、上腿連結部材２６に対して回転することとなる。

なお、図４では、歯車５４、歯車５６の片面側にだけ関節フレーム５２を配設したが、対向する片面側にも関節フレーム５２を設け、２枚の関節フレーム５２で歯車５４、歯車５６を挟み込んでもよい。更に、２枚の関節フレーム５２を連結して互いに固定すると、二重関節部５０の強度を向上させることができる。

連結アーム６１は、後述のウォームギア７２によって歯車５４に固定されており、歯車５４の半径方向に歯車５４の外部まで延設されている。後述するようにウォームギア７２を駆動することにより連結アーム６１の固定されている角度を調整することができる。
連結アーム６１先端部分には、ロッド６３の先端部分が連結軸６２（アクチュエータピボット）によって軸支されている。
そして、ロッド６３が伸縮すると連結アーム６１を介して歯車５４に力が伝達され、歯車５４を回転させるトルクが発生する。

ロッド６３によるトルクによって歯車５４が回転すると、歯車５６が連動して回転し、これによって、下腿連結部材２７が上腿連結部材２６に対して回転する。このようにして、ロッド６３を駆動することにより、二重関節部５０を駆動し、下腿連結部材２７を回転させ、屈曲運動させることができる。

図５の各図は、膝関節アシストアクチュエータ１８の構成、及び二重関節部５０の動作を説明するための図である。
図５（ａ）は、膝が伸びた状態での二重関節部５０を示している。
膝関節アシストアクチュエータ１８は、ロッド駆動部６４からロッド６３を軸線方向に出し入れすることにより伸縮する。
ロッド駆動部６４は、例えば、ボールねじ、油圧、空気圧、人工筋肉（例えばマッキベン型）などを用いることができる。
ロッド駆動部６４の端部は、連結軸６５によって、上腿連結部材２６の股側に軸支されている。このため、膝関節アシストアクチュエータ１８は、伸縮に従って上腿連結部材２６に対する取り付け角度を自由に変化させることができる。

膝関節アシストアクチュエータ１８を動作させてロッド駆動部６４がロッド６３を引き込むと図５（ｂ）に示したように膝関節アシストアクチュエータ１８の長さが縮まる。
すると、ロッド駆動部６４は、上腿連結部材２６に軸支されているため連結アーム６１がロッド駆動部６４側に引き寄せられて歯車５４が回転し、これに連動して歯車５６が歯車５４と逆方向に回転する。
そして、歯車５４は、下腿連結部材２７に固定されているため、下腿連結部材２７が上腿連結部材２６に対して膝を屈する方向に回転する。このようにして二重関節部５０は、膝関節アシストアクチュエータ１８によって駆動される。

更に、ロッド駆動部６４がロッド６３を引き込むと、図５（ｃ）に示したように下腿連結部材２７が上腿連結部材２６に対して膝を折り曲げる角度まで回転する。
逆に、ロッド駆動部６４がロッド６３を送出すると、図５（ａ）に示したように上腿連結部材２６と下腿連結部材２７は、膝を伸ばした状態となる。

図６の各図は、単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作トルクや関節動作速度を説明するための図である。
図６（ａ）に示したように、固定軸５５の中心を原点とし、原点から歯車５６の中心方向にｘ軸、ロッド６３の方向（より詳細には、連結軸６２がｘ軸から最も離れる方向）にｙ軸を設定する。
膝関節アシストアクチュエータ１８を駆動してロッド６３をｘ軸方向に移動させると歯車５４が原点を中心に回転する。

今、図に示したようにｙ軸と連結アーム６１の成す角度をθとする。そして、θの入力可能角度、即ち、人体の膝構造を考えずに二重関節部５０を機械的に動かせる角度をβ（−β／２からβ／２まで）とし、必要関節駆動角度、即ち、膝の運動をアシストするのに要する角度をα（−α／２からα／２まで）とする。θ＝α／２が膝を伸ばした状態となる。
なお、この入力可能角度と必要関節駆動角度は一例であって、入力可能角度はβ１からβ２まで、必要関節駆動角度はα１からα２まで、というように二重関節部５０の構成や連結アーム６１の基準取り付け角度によって各種値をとり得る。θが大きいほど関節角度は小さくなり（膝を伸ばした状態になり）θが小さいほど関節角度は大きくなる（膝を屈曲した状態になる。

図６（ｂ）は、各θにおける単位アクチュエータ動作量当たりのトルク、即ち、ロッド６３を単位量だけ駆動した場合に連結アーム６１が歯車５４に作用させるトルクの値を各θに渡ってプロットしたものである。
図に示したように、当該トルクは、θが０に近いほど（ｘ軸から離れるほど）大きくなり、θの絶対値が大きくなるほど（ｘ軸に近づくほど）小さくなる。

図６（ｃ）は、各θにおける単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作速度、即ち、ロッド６３を単位量だけ駆動した場合に連結アーム６１が歯車５４を回転させる速さを各θに渡ってプロットしたものである。
図に示したように、当該関節動作速度は、θが０に近いほど（ｘ軸から離れるほど）小さくなり、θの絶対値が大きくなるほど（ｘ軸に近づくほど）大きくなる）。
なお、単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作量も同様な特性となる。

このようにθに応じてトルクと関節動作速度（及び関節動作量）が変化するため、例えば、ロッド６３をより伸ばした位置（θが大きい位置）に連結アーム６１及び連結軸６２を設置すると、関節屈曲角度が小さい部分では、単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作速度が小さくなるとともに関節動作トルクが大きくなる。また、各節屈曲角度が大きい部分では、単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作速度が大きくなるとともに関節動作トルクが小さくなる。

逆に、膝関節アシストアクチュエータ１８をより縮めた位置（θが小さい位置）に連結アーム６１及び連結軸６２を設置すると、関節屈曲角度が少ない部分では、単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作速度が大きくなるとともに関節動作トルクが小さくなる。また、各節屈曲角度が大きい部分では、単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作速度が小さくなるとともに関節動作トルクが大きくなる。

このように、二重関節部５０は、連結アーム６１の取り付け位置によって変動過度特性を持つため、連結アーム６１を予め決められた位置に固定してしまうと、例えば、二重関節部５０の変動過度特性に合わせて膝関節アシストアクチュエータ１８に歩行支援に適した出力特性を持たせる必要が生じたり、連結アーム６１に過負荷が作用する可能性が考えられるなどの問題が考えられる。
そこで、本実施の形態では、歯車５４の周方向に対する連結アーム６１の設置角度を可変とし、単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作トルクや関節動作速度、及び関節動作量を調整できるようにした。

図７は、連結アーム６１の設置角度の調整機構を説明するための図である。
歯車５４は、円周面に歯部（図示せず）が形成されているとともに歯車５４の表面に円形のラックギア６７が組み込まれ、またはモールドされるなどして形成されている。
一方、連結アーム６１には、連結アームアクチュエータ７１が固定されている。本実施の形態では、連結アームアクチュエータ７１としてモータを用いる。連結アームアクチュエータ７１の回転軸にはウォームギア７２が取り付けられており、ウォームギア７２の歯部はラックギア６７の歯部とかみ合っている。

連結アームアクチュエータ７１が駆動してウォームギア７２を回転すると、ラックギア６７が連動して回転し、歯車５４に対する連結アーム６１の設置角度が変化する。
また、このように連結アーム６１の設置角度の調整機構にウォームギア７２とラックギア６７を用いると、バックドライバビリティを排除することができる。
即ち、ウォームギア７２を回転させてラックギア６７を回転させることはできるが、ラックギア６７を回転させてウォームギア７２を回転させることはできない。

このため、歩行支援に際して歯車５４から連結アーム６１に負荷がかかってもウォームギア７２を回転させることはできず、特にストッパを設けるなどしなくても連結アーム６１の設置角度を固定することができる。
このように、連結アーム６１の設置角度を調整する機構はバックドライバビリティのないものが望ましい。
なお、実施の形態のウォームギア方式以外にも、超音波モータなどのバックドライバビリティのない動力により連結アーム６１の位置を調整する仕組みとしてもよい。

このように、二重関節部５０では、歯車５４の表面に形成された歯部（ラックギア６７）を連結アーム６１上に配置された連結アームアクチュエータ７１に取り付けられたウォームギア７２で駆動することで連結アーム６１の角度を任意に可変できる。
また、ウォームギア７２を用いることでバックドライバビリティを排除し、膝関節アシストアクチュエータ１８、あるいは外部からの膝関節への入力に対し、連結アーム６１の角度が動かされてしまうことを回避することができる。

このように、本実施の形態では、連結アーム６１の設置角度によって関節動作トルクや関節動作速度の変動過度特性を変化させることができる。
この調整は、歩行開始前にある角度に調整して固定し、その角度を保ちながら歩行アシストを行ってもよいし、あるいは、歩行アシストを行っている最中にリアルタイムで行ってもよい。
リアルタイムで角度調整する場合は、例えば、膝関節角度や関節に発生しているトルクや膝関節の回転速度などに応じて連結アーム６１の角度を歩行アシストに適した角度に変化させる。

この場合、関節角度φ、関節に発生しているトルクτとしてθ＝ｆ（φ、τ）などと表すことができ、連結アーム角度調整部９がセンサ情報取得部３で得られた値を基にして計算し、連結アームアクチュエータ７１を駆動する。

また、連結アーム角度調整部９が連結アームアクチュエータ７１を駆動して連結アーム６１を回転する際には、例えば、連結アーム６１を−θ方向に回転する場合には膝関節アシストアクチュエータ１８の長さを短く、連結アーム６１を＋θ方向に回転する場合には膝関節アシストアクチュエータ１８の長さを長くする必要がある。
このため、歩行アシスト力決定部８は、連結アーム６１の回転に連動して膝関節アシストアクチュエータ１８のロッド６３を出し入れして膝関節アシストアクチュエータ１８の長さを調整する。

図８の各図は、歯車５４に対する連結アーム６１のがたつき防止機構を説明するための図である。
図８（ａ）に示したように連結アームアクチュエータ７１の回転軸は、連結アーム６１の中心軸に対してオフセット角度γをもって取り付けられている。これによりウォームギア７２の角度もγに調整される。

図８（ｂ）は、ウォームギア７２とラックギア６７の位置関係を示した図である。
ラックギア６７に対してオフセット角度を設けることによりウォームギア７２を傾けて取り付けると、ウォームギア７２の何れかのねじ山７３がラックギア６７のねじ山と部位７４、７５にて接触する。オフセット角度γは、このようにウォームギア７２のねじ山のうちの何れかがラックギア６７のねじ山によって両側から挟持される角度、即ち、ゼロクリアランス（接触するねじ山間に遊びがないこと、つまりバックラッシュがないこと）を保持する角度に設定される。
このようにオフセット角度を設定することにより二重関節部５０に対する連結アーム６１のがたつきを抑制することができる。

以上、本実施の形態の二重関節部５０について説明したが、これによって次のような効果を得ることができる。
（１）歯車５４に対する連結アーム６１の取り付け角度が調整可能となり、二重関節部５０における膝関節アシストアクチュエータ１８の単位動作量当たりの関節動作トルクや関節動作速度の変動過度特性を調整することができる。
（２）歩行アシスト中においても連結アーム６１の取り付け角度を調整することにより歩行状態（関節角度、関節に生じているトルクなど）に取り付け角度をリアルタイムに追従させることができ、これによって二重関節部５０の特性を歩行の運動特性に適した値に動的に変化させることができる。
（３）連結アーム６１の取り付け角度の調整をウォームギア７２とラックギア６７の組み合わせによって行うことにより簡単な機構でバックドライバビリティを排除することができる。
（４）連結アームアクチュエータ７１のオフセット角γを設定することによりウォームギア７２とラックギア６７でゼロクリアランスを実現することができ、ギア間のバックラッシュがなくなるため、連結アーム６１のがたつきを抑制することができる。
（５）二重関節部５０の内部に設置する歯車５４を駆動することで、関節動作に必要な膝関節アシストアクチュエータ１８のストロークを短小化することができる。そのため、膝関節アシストアクチュエータ１８として短いストロークの直動アクチュエータを用いることができる。また、膝関節アシストアクチュエータ１８の取り付け位置を大きくオフセットすることがなくなるとともに関節周りの張り出しがなくなる。以上により二重関節部５０の駆動機構が小型化できる。
（６）アクチュエータピボットの位置（連結軸６２の位置）を最適化することにより単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作トルク、及び関節動作速度の変動過度特性を調整できる。
（７）図９に示した従来例では、（ａ）膝関節アシストアクチュエータ１８の必要ストロークが長大、（ｂ）単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作角度の変動が大きく、屈曲角度が大きくなるにつれて動作角度当たりのアクチュエータ動作量が少なくなり、屈曲角度が大きい部分で関節トルクが出にくい、（ｃ）膝頂点部にアクチュエータピボットが張り出して突起するため、作用点であるピボットが障害物に接触する可能性が高くなる、などの問題があるが、本実施の形態では、これらの問題を著しく軽減することができる。
（８）図１０に示した従来例では、（ａ）膝関節アシストアクチュエータ１８の必要ストロークが長大、（ｂ）屈曲時に関節内側に膝関節アシストアクチュエータ１８が張り出し、椅子に座ることが困難になる、などの問題があるが、本実施の形態では、これらの問題を著しく軽減することができる。

以上に説明した実施の形態により次のような構成を得ることができる。
（１）上腿連結部材２６は、歩行支援対象者の上腿部を支持する第１の支持部材として機能している。そして歯車５４の歯部は、第１の支持部材に軸支され、前記上腿部の膝関節に対応して形成された第１の歯部として機能している。
下腿連結部材２７は、前記膝関節に接合する下腿部を支持する第２の支持部材として機能している。そして、歯車５６の歯部は、第２の支持部材に固定され、前記第１の歯部とかみ合って連動する第２の歯部として機能している。
関節フレーム５２は、歯車５４と歯車５６をかみ合う位置に軸支するため前記第１の歯部と前記第２の歯部を所定の位置関係に軸支する歯部保持部材として機能している。
連結アーム６１は、ラックギア６７とウォームギア７２を介して歯車５４に対して固定されるため、前記第１の歯部に対して固定された固定部材として機能している。
膝関節アシストアクチュエータ１８は、連結アーム６１を駆動して上腿連結部材２６に対して歯車５４を回転させるため前記固定部材を駆動して前記第１の歯部を回転させる駆動手段として機能している。
連結アームアクチュエータ７１、ウォームギア７２、及びラックギア６７からなる機構は、歯車５４に対する連結アーム６１の取り付け角度（固定角度）を調整するため前記固定部材の前記第１の歯部に対する前記第１の歯部の回転軸の周りにおける固定角度を調整する角度調整手段として機能している。
（２）前記角度調整手段において、ラックギア６７は、歯車５４の回転軸に垂直な表面に形成されており、前記第１の歯部の前記回転軸に垂直な面に形成された第３の歯部として機能している。
また、ウォームギア７２は、前記第３の歯部とかみ合って前記第３の歯部と連動するウォームギアとして機能している。
また、連結アームアクチュエータ７１は、連結アーム６１に固定されており、前記固定部材に固定され、前記ウォームギアを駆動して回転させるウォームギア駆動手段として機能している。
（３）連結アームアクチュエータ７１は、ラックギア６７とウォームギア７２にバックラッシュが生じないオフセット角γをもって連結アーム６１に固定されているため前記ウォームギア駆動手段は、前記固定部材において、前記ウォームギアと前記第３の歯部とのバックラッシュが生じない角度に固定されている。

１ 装着型ロボット
２ 制御装置
３ センサ情報取得部
４ 各種パラメータ算出部
５ 歩行動作判定部
６ 歩行シーン判定部
７ 記憶部
８ 歩行アシスト力決定部
９ 連結アーム角度調整部
１０ つま先反力センサ
１１ 踵反力センサ
１２ つま先姿勢センサ
１３ 踵姿勢センサ
１４ 腰姿勢センサ
１５ 上腿姿勢センサ
１６ 下腿姿勢センサ
１７ 股関節アシストアクチュエータ
１８ 膝関節アシストアクチュエータ
１９ 足首関節アシストアクチュエータ
２１ 腰部装着部
２２ 上腿装着部
２３ 下腿装着部
２４ 足装着部
２６ 上腿連結部材
２７ 下腿連結部材
５０ 二重関節部
５２ 関節フレーム
５４ 歯車
５５ 固定軸
５６ 歯車
５７ 固定軸
６０ 固定具
６１ 連結アーム
６２ 連結軸
６３ ロッド
６４ ロッド駆動部
６５ 連結軸
６７ ラックギア
７１ 連結アームアクチュエータ
７２ ウォームギア
７３ ねじ山
７４ 部位
７５ 部位
１００ 部材
１０１ 部材

Claims (3)

1. 歩行支援対象者の上腿部を支持する第１の支持部材に軸支され、前記上腿部の膝関節に対応して形成された第１の歯部と、
   前記膝関節に接合する下腿部を支持する第２の支持部材に固定され、前記第１の歯部とかみ合って連動する第２の歯部と、
   前記第１の歯部と前記第２の歯部を所定の位置関係に軸支する歯部保持部材と、
   前記第１の歯部に対して固定された固定部材と、
   前記固定部材を駆動して前記第１の歯部を回転させる駆動手段と、
   前記固定部材の前記第１の歯部に対する前記第１の歯部の回転軸の周りにおける固定角度を調整する角度調整手段と、
   を具備したことを特徴とする歩行支援装置。
2. 前記角度調整手段は、
   前記第１の歯部の前記回転軸に垂直な面に形成された第３の歯部と、
   前記第３の歯部とかみ合って前記第３の歯部と連動するウォームギアと、
   前記固定部材に固定され、前記ウォームギアを駆動して回転させるウォームギア駆動手段と、
   を用い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. 前記ウォームギア駆動手段は、前記固定部材において、前記ウォームギアと前記第３の歯部とのバックラッシュが生じない角度に固定されていることを特徴とする請求項２に記載の歩行支援装置。

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