JP2013116319A - 下肢動作支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】利用者への装着を簡易にすると共に、利用者の自由度を向上させると共に、前傾姿勢での屈伸作業においても安定して利用者を支えられる下肢動作支援装置を提供する。
【解決手段】下肢動作支援装置１は、利用者Ｐの体幹に装着される体装着部１０と、利用者の大腿及び下腿に沿って設けられ、利用者Ｐの大腿及び下腿について非拘束状態となるように体装着部に連結され、利用者Ｐの膝関節による屈伸に対応して屈伸可能に構成された膝関節部を有する脚リンク部２０と、前記脚リンク部２０と連結する足首関節部を備え、利用者Ｐの足を載置固定する足載置部５０と、膝関節部に回転トルクを付与する膝関節駆動用アクチュエータユニット６１と、足首関節部に回転トルクを付与する足首関節駆動用アクチュエータユニット６２と、を有して、体装着部１０は、利用者Ｐの膝関節による屈伸の前後にわたって利用者Ｐの体幹を固定して支持する。
【選択図】図５

Description

本発明は、アクチュエータユニットを用いて、人体の下肢の動作を支援する下肢動作支援装置に関する。

従来、利用者に対して歩行動作などの脚部の運動を支援するために動作の推進力を外的に付与する動作支援装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。動作支援装置は、脚の筋力が落ちた人、脚に障害を持つ人など、自力歩行が困難な人の歩行を助けるためのほか、自らの筋力の許容を超える力がかかった場合など、自己の能力以上の脚力を与えることができるため、例えば、工事現場などにおいての利用が期待されている。

また、動作補助装着具により装着者の動作を補助或いは代行する装着式動作補助装置であって、装着者の動作に応じた物理量と装着者の筋活動に伴う生体信号を検出する検出手段とを備え、検出手段により検出された関節角度を基準パラメータの関節角度と比較することにより、装着者の動作のパターンを判定するとともに、検出されたデータに応じた動力を駆動源に発生させるための指令信号を生成する装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。上記装置では、筋電位の信号と関節の角度との情報から一連の行動を特定して、特定された動作に応じて各関節を作動させている。

特開２００３−２５０８４４号公報 特開２００８−２００５１２号公報 特開２０１０−１７３９０号公報

しかしながら、特許文献２に記載の装置では、利用者の動作を筋電位により測定することから、正確な動作予測ができないという問題があった。すなわち、筋電位は、利用者が筋肉に力を加えることにより発生する信号であるが、必ずしも利用者の四肢の動作と連動していない場合がある。例えば、手足を動かさずに筋肉に力を込めることで、筋電位信号は発生するが、実際には筋電位が検出された筋肉によって手足は動くことはない。

このように、筋電位による利用者の動作の検出は、必ずしも利用者の動作と対応するものではない。このため、上記装置では、利用者の動作の物理量を検出したり、特許文献３に示すように関節の角度を検出したりすることで利用者の動作の予測の精度を高めることができる。

しかし、上記の装置では、筋電位に加え各関節の角度や利用者の動作に応じた物理量を測定するために必要なセンサが多いため、利用者への装着に時間がかかり、また、各種制御が煩雑になるという問題がある。

また、上記各装置では、装置の脚部が利用者の脚の大腿及び下腿に固定され、装置の重さが利用者自身の脚にかかるため、利用者が自由に動くことができない。さらに、利用者が屈伸を行った場合に、装置自体の重さが利用者自身に負荷となるため、深い屈伸が必要な作業を行うことができなかった。また、特に、前傾姿勢での屈伸を行うと、座面が垂直となり、腰の保持部で利用者の体幹を安定して支えられないという問題があった。

本発明は、これらの課題に鑑みてなされたもので、利用者への装着を簡易にすると共に、利用者の自由度を向上させると共に、前傾姿勢での屈伸作業においても安定して利用者を支えられる下肢動作支援装置を提供するものである。

本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の下肢動作支援装置を提供する。

第１の発明は、利用者の体幹に固定して装着される体装着部と、前記利用者の大腿及び下腿に沿って設けられ、前記利用者の大腿及び下腿について非拘束状態となるように前記体装着部に連結され、前記利用者の膝関節による屈伸に対応して屈伸可能に構成された膝関節部を有する脚リンク部と、前記脚リンク部と連結する足首関節部を有して、前記利用者の足を載置固定する足載置部と、前記膝関節部に回転トルクを付与する膝関節駆動用アクチュエータユニットと、前記足首関節部に回転トルクを付与する足首関節駆動用アクチュエータユニットとを備え、前記体装着部は、前記利用者の膝関節による屈伸の前後にわたって前記利用者の体幹を固定して支持することを要旨とする。

第２の発明は、上記第１の発明において、前記体装着部は、前記利用者の体幹背後に沿って配置される背当板と、前記背当板の上部に突設され前記利用者の肩上に位置する懸架部と、前記背当板を利用者に固定する固定ベルトと、を有することを要旨とする。

第３の発明は、上記第１の発明または上記第２の発明において、前記足載置部は、前記利用者の足の動作の方向及び力量を含む動作信号を出力する力センサを有し、前記力センサから出力された動作信号に基づいて前記利用者の動作を予測する動作予測部と、前記動作予測部の判断結果に基づいて、前記利用者が行なう動作に沿った形状に前記脚リンク部を駆動させるように前記膝関節駆動用アクチュエータユニット及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットをそれぞれ動作させるアクチュエータ作動部と、をさらに備えることを要旨とする。

第４の発明は、上記第３の発明において、さらに、前記脚リンク部及び前記足載置部の相対位置を検出して位置信号を出力する位置検出部を備え、前記動作予測部は、前記位置検出部から出力された前記位置信号に基づいて、前記利用者の動作を予測することを要旨とする。

第５の発明は、上記第３の発明または上記第４の発明において、前記力センサは、直交する３軸方向の力の大きさを示す第１信号及び当該３軸を中心とする回転トルクの大きさを示す第２信号を出力することを要旨とする。

第６の発明は、上記第５の発明において、前記動作予測部は、前記第２信号及び前記位置信号に基づいて前記利用者の動作を予測するとともに、この予測に基づいて駆動させる膝関節部と足飛関節部とを特定し、前記アクチュエータ作動部は、特定された前記膝関節部と前記足首関節部について、前記第１信号が示す方向へ前記足載置部を移動させるように前記膝関節駆動用アクチュエータユニット及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを動作させることを要旨とする。

第７の発明は、上記第１の発明または上記第２の発明において、前記脚リンク部は、前記利用者の股関節の回転に対応して回転可能に前記体装着部と前記脚リンク部とを連結する股関節部と、前記股関節部に回転トルクを付与する股関節駆動用アクチュエータユニットと、を含むことを要旨とする。

第８の発明は、上記第７の発明において、前記股関節部は、前記利用者の股関節の前後方向周りに回転可能に前記体装着部と前記脚リンク部とを連結する第１股関節部と、前記利用者の股関節の左右方向周りに回転可能に前記体装着部と前記脚リンク部とを連結する第２股関節部と、を含み、前記股関節駆動用アクチュエータユニットは、前記第１股関節部に回転トルクを付与する第１股関節駆動用アクチュエータユニットと、前記第２股関節部に回転トルクを付与する第２股関節駆動用アクチュエータユニットと、を含むことを要旨とする。

第９の発明は、上記第８の発明において、前記足載置部に載置され、前記利用者の足の動作の方向及び力量を含む動作信号を出力する力センサと、前記股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを少なくとも前記動作信号に基づき制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記利用者の支持脚に対応する前記脚リンク部と、前記利用者の遊脚に対応する前記脚リンク部とを、前記動作信号に基づいてそれぞれ制御することを要旨とする。

第１０の発明は、上記第９の発明において、前記制御部は、前記力センサの下方向に所定値以上の力が加えられる、又は当該力センサの左右方向周りに所定値以上のトルクが加えられたことを前記動作信号に基づいて認識したとき、当該動作信号を出力した前記力センサに対応する前記脚リンク部を、前記利用者の支持脚に対応する支持脚リンク部として特定し、前記力センサに対する下方向の力が所定値未満となったことを前記動作信号に基づいて認識したとき、当該動作信号を出力した前記力センサに対応する前記脚リンク部を、前記利用者の遊脚に対応する遊脚リンク部として特定することを要旨とする。

第１１の発明は、上記第１０の発明において、前記制御部は、前記力センサの下方向にかかる力が大きくなるのにしたがって前記下肢動作支援装置の上方向の力が大きくなるように、当該支持脚リンク部の前記第２股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを制御し、前記遊脚リンク部の前記足載置部が、当該足載置部に固定された前記利用者の足の動きに追従するように、当該遊脚リンク部の前記股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを制御することを要旨とする。

第１２の発明は、上記第１１の発明において、前記制御部は、前記支持脚リンク部の前記足載置部の底面と前記体装着部とが互いに平行になるように、前記支持脚リンク部の前記第１股関節駆動用アクチュエータユニットを制御することを要旨とする。

第１３の発明は、上記第１１の発明または上記第１２の発明において、前記制御部は、前記第１股関節駆動用アクチュエータユニットの回転軸よりも前記支持脚リンク部の前記足載置部が前方に存在し、且つ前記遊脚リンク部の前記足載置部が前記第１股関節駆動用アクチュエータユニットの回転軸から後方に存在するとき、前記遊脚リンク部の前記足載置部の前後方向の移動量の二倍の移動量で前記支持脚リンク部の前記足載置部が移動するように当該支持脚リンク部及び当該遊脚リンク部のそれぞれの前記第２股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを制御し、前記第１股関節駆動用アクチュエータユニットの回転軸よりも前記遊脚リンク部の前記足載置部が前方に存在し、且つ前記支持脚リンク部の前記足載置部が前記第１股関節駆動用アクチュエータユニットの回転軸から後方に存在するとき、前記支持脚リンク部の前記足載置部の前後方向の移動量の二倍の移動量で前記遊脚リンク部の前記足載置部が移動するように当該支持脚リンク部及び当該遊脚リンク部のそれぞれの前記第２股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを制御することを要旨とする。

上記第１の発明によれば、利用者が自然な立位状態において、体装着部に固定された体幹と足載置部に固定された足裏との２箇所で装置を装着することができるため、装置の装着を容易に行うことができる。

上記第２の発明によれば、体装着部として、肩から背中にかけて体幹部を広くサポートする背当板に、制御装置やバッテリなどの重量物あるいは、利用者の少なくとも上半身を覆う被覆部材などを取り付けることができる。また、これらの重量は、下肢動作支援装置が支持する。そのため、重量の大きいもの、例えば、高容量のバッテリや、被覆部材として金属板が内部に縫製された防弾チョッキや放射能防護服などを用いた場合であったとしても、利用者にかかる重量の負担を軽減することができる。

上記第３の発明によれば、足載置部に設けられている力センサにより、体幹部に固定された体装着部に対して利用者が実際に動かした足の動作の方向及び力量を含む動作信号を検出して出力することができる。よって、この信号に基づいて各アクチュエータユニットを制御することができ、下肢動作支援装置の操作を容易かつ確実にすることができる。

上記第４の発明によれば、脚リンク部及び足載置部の相対位置に基づいて、利用者の動作を予測するため、高精度な予測結果を得ることができる。

上記第５の発明によれば、ねじりの第２信号を用いて利用者の動きや足の接地状態の検出などを高精度に行なうことが可能である。

上記第６の発明によれば、動作予測部による利用者の動作の予測結果に基づいて、各アクチュエータユニットを利用者の動作よりも早いタイミングで動作させるため、利用者の脚部にかかる負担を軽減することができる。

上記第７の発明によれば、下肢動作支援装置は、この下肢動作支援装置の左右の股関節部のそれぞれにおいてトルクを付与することができ、より高いアシスト効果を奏することができる。

上記第８の発明によれば、下肢動作支援装置は、この下肢動作支援装置の左右の股関節部のそれぞれにおいて前後方向周りのトルクを付与することにより、下肢動作支援装置の自重に起因する利用者に対する負荷を軽減することができる。

上記第９の発明によれば、下肢動作支援装置は、よりきめ細やかなアシスト動作を行うことができる。

上記第１０の発明によれば、下肢動作支援装置は、力センサから出力される信号に基づいて、利用者の支持脚に対応する脚リンク部と、利用者の遊脚に対応する脚リンク部を特定することができる。

上記第１１の発明によれば、下肢動作支援装置は、全ての重量がかかる支持脚に対応する支持脚リンク部によって発生する上方向の力をより大きくして利用者の支持脚にかかる負担を軽減することができる。

上記第１２の発明によれば、下肢動作支援装置は、利用者が遊脚を浮かせている状態であって、この利用者と下肢動作支援装置の重量を支持脚のみで支持しているときに、これらの重量に起因する支持脚への負荷をより軽減することができる。

上記第１３の発明によれば、下肢動作支援装置は、この下肢動作支援装置を装着した利用者の前後方向への移動をより効果的にアシストできる。

本発明の実施の形態１に係る下肢動作支援装置の構成を示す正面図である。 図１の下肢動作支援装置の別例であって、利用者の上半身を被覆するカバー部材を懸架部へ固定した場合の一例を示す正面図である。 図１の下肢動作支援装置の背面図である。 図１の下肢動作支援装置の側面図である。 図１の下肢動作支援装置が屈曲状態にある側面図である。 図１の下肢動作支援装置の力センサの構成を示す模式図である。 図１の下肢動作支援装置の機能ブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る下肢動作支援装置の構成を示す正面図である。 図８の下肢動作支援装置の左側面図である。 図８の下肢動作支援装置の制御構成を示すブロック図である。 図８の下肢動作支援装置の利用者の歩行時において、利用者の左足に対応する力センサに作用する外力について、（ａ）は左足の足載置部の力センサに作用する力を示す模式図であり、（ｂ）は左足の足載置部の力センサに作用するトルクを示す模式図である。 図８の下肢動作支援装置の足載置部の前後方向の移動量を平面視で示す模式図であり、（ａ）は支持脚リンク部の足載置部が股関節軸位置よりも前にあり、且つ遊脚リンク部の足載置部が股関節軸位置の後方にあるときの移動量を示す模式図であり、（ｂ）は支持脚リンク部の足載置部が股関節軸位置よりも後にあり、且つ遊脚リンク部の足載置部が股関節軸位置よりも前にあるときの移動量を示す模式図である。 図８の下肢動作支援装置の支持脚リンク部の足載置部と体装着部との位置関係を示す正面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る下肢動作支援装置について、添付図面を参照しながら説明する。なお、位置、方向などに関する表現については、下肢動作支援装置を装着し、直立状態で正面を向いた利用者Ｐの前後方向にＸ軸、左右方向にＹ軸、上下方向にＺ軸をとる。また、脚リンク部など、左右一対となるように設けられた部材において、左右の部材を区別する場合には利用者Ｐを基準として符号にＬ（左），Ｒ（右）を付し、左右の区別をしない場合には、Ｌ，Ｒを付さずに説明する。

（実施の形態１）
図１から図５は、本発明の実施の形態１に係る下肢動作支援装置１の構成を示す図であり、図１は正面図、図３は背面図、図４は側面図である。また、図２は、図１の別例の下肢動作支援装置であって、利用者の上半身を被覆するカバー部材２を懸架部１７へ固定した場合の一例を示す正面図である。さらに、図５は、実施の形態１に係る下肢動作支援装置１が屈曲状態にある側面図である。

図１に示す下肢動作支援装置１は、体装着部１０、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒ、足載置部５０Ｌ，５０Ｒ、膝関節駆動用アクチュエータユニット６１Ｌ、６１Ｒ、及びバックパックＢＰを有している。体装着部１０は、利用者Ｐの体幹に固定して装着される。脚リンク部２０Ｌ、２０Ｒは、利用者Ｐの大腿及び下腿に沿って設けられ、利用者Ｐの大腿及び下腿について非拘束状態となるように体装着部１０に連結される。また、体装着部１０は、利用者Ｐの膝関節による屈伸に対応して屈伸可能に構成された膝関節部３２Ｌ、３２Ｒを有する。足載置部５０Ｌ、５０Ｒは、脚リンク部２０Ｌ、２０Ｒと連結する足首関節部４１Ｌ、４１Ｒを有して、利用者Ｐの足を載置固定する。膝関節駆動用アクチュエータユニット６１Ｌ、６１Ｒは、膝関節部３２Ｌ、３２Ｒに回転トルクを付与して膝関節部３２Ｌ、３２Ｒを回転させる。足首関節駆動用アクチュエータユニット６２Ｌ、６２Ｒは、足首関節部４１Ｌ、４１Ｒに回転トルクを付与して足首関節部４１Ｌ、４１Ｒを回転させる。

この下肢動作支援装置によれば、利用者Ｐの体幹に固定して装着される体装着部１０を設けているので、この体装着部１０によって、利用者Ｐの膝関節による屈伸の前後にわたって利用者Ｐの体幹を固定して支持することができる。
また、脚リンク部２０Ｌ、２０Ｒは、利用者Ｐの大腿及び下腿について非拘束状態となるように体装着部１０に連結されている。そこで、利用者Ｐは、装置全体の重量による負荷を意識することなく大腿、膝関節及び下腿を比較的自由に動かすことができ、利用者Ｐの自由度を向上させることができる。

以下に、この下肢動作支援装置１を構成する各構成部材について説明する。

（体装着部１０）
図１から図４に示すように、体装着部１０は、利用者Ｐの体幹に固定して装着される部分である。体幹とは、利用者Ｐの肩、胸、背中、腹、腰及び臀部を含む胴体部分を意味する。図１から図４に示すように、体装着部１０は、本体部１１、背当板１２、大腿関節部１３Ｌ，１３Ｒ、固定ベルト１４，１５，１６Ｌ，１６Ｒを備えている。

本体部１１は、利用者Ｐの背後から側方まで腰まわりに沿って装着されるＵ字形の部材であり、その中央部分に背当板１２が取り付けられている。

本体部１１の左右両端には、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒを接続するための部材である股関節部３１Ｌ，３１Ｒが設けられている。股関節部３１Ｌ，３１Ｒと本体部１１は、Ｘ軸方向に沿った第１股関節軸１８Ｌ，１８Ｒを介して接続されている。したがって、股関節部３１Ｌ，３１ＲはＸ軸周りに回転することができる。

背当板１２は、利用者Ｐの体幹背後に沿って設けられる板状部材である。背当板１２には、固定ベルト１４，１５，１６Ｌ，１６Ｒ及びバックパックＢＰが固定される。

背当板１２の上部には、利用者Ｐの肩の上方へ伸びる懸架部１７が設けられている。懸架部１７は、例えば、利用者Ｐの上半身を被覆するカバー部材（図１には図示なし）などを固定するために用いられ、設置高さを変更可能に構成されている。懸架部１７は背当板１２に連結されて構成されているため懸架部１７に加わるカバー部材の重量は背当板１２に加わり、利用者Ｐに負担を生じさせることがない。

（カバー部材）
図２は、図１の別例の下肢動作支援装置であって、利用者Ｐの上半身を被覆するカバー部材２を、懸架部１７へ固定した場合の一例を示す正面図である。このカバー部材２は、目的に応じた材料によって構成すればよい。例えば、防弾チョッキや放射能防護服をカバー部材２として用いる場合は、金属板や繊維、セラミックプレートなどを被覆部材として利用して構成することができる。また、保温を目的とするカバー部材２の場合には、保温性に優れた材料によって構成すればよい。あるいは、耐熱を目的とするカバー部材の場合には、耐熱性を有する材料によって構成すればよい。
また、カバー部材２は、目的に応じた範囲について、利用者Ｐを被覆すればよい。例えば、利用者Ｐの内臓を保護するために、少なくとも上半身を被覆してもよい。また、図２では、正面側の上半身のみを覆っているが、これに限らず、背面側の上半身を覆ってもよい。さらに、例えば、頭部を保護するようにカバー部材２を懸架部１７から上部へ向かって固定してもよい。あるいは、下半身を保護するようにカバー部材２を懸架部１７に固定してもよい。さらに、全身を保護するために、カバー部材２によって利用者Ｐの全身を被覆してもよい。
さらに、カバー部材２は、上述した懸架部１７に代えて、本体部１１へ固定してもよい。
あるいは、利用者Ｐの下半身を厚く防護する場合、全身を被覆するカバー部材２を懸架部１７へ固定する。さらに、利用者Ｐの下半身を防護するカバー部材（図示せず）を本体部１１へ固定してもよい。

固定ベルト１４，１５，１６Ｌ，１６Ｒは、体装着部１０を利用者Ｐに固定するためのフルハーネスタイプの固定ベルトである。すなわち、利用者Ｐの肩から体幹の前後方向に伸びる上部の固定ベルト１４と、利用者Ｐの両大腿部の付け根にかけて設けられる脚部の固定ベルト１５と、利用者Ｐの腹部に位置するバックル部１６ｂに取り付ける腰の固定ベルト１６Ｌ，１６Ｒと、によって体装着部１０を利用者Ｐの体幹に固定する。

この体装着部１０は、座面等のような一つの面のみで利用者Ｐの体幹を支持するのではなく、フルハーネスタイプの固定ベルト１４，１５，１６Ｌ，１６Ｒによって、利用者Ｐの姿勢によらず利用者Ｐの体幹を確実に固定して支持できる。そこで、図５に示すような膝関節を曲げた屈伸状態においても、体装着部１０によって利用者Ｐの体幹を固定して支持できる。

（脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒ）
図１から図４に示すように、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒは、体装着部１０と足載置部５０Ｌ，５０Ｒとを複数の関節部を介して連結しており、利用者Ｐの脚（肢体）の外側部に沿うように設けられている。また、脚リンク部２０Ｌ、２０Ｒは、利用者Ｐ自身の脚の外側部に設けられているので、利用者Ｐの大腿、膝関節及び下腿について非拘束状態とすることができる。

本実施の形態において、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒは、アルミ製材料で構成されており、軽量で、利用者Ｐの体重及び装置自体の自重を支えることができる十分な強度を有する。なお、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒは、アルミ製材料の他に、カーボン材料などの他の材料から形成されていてもよい。

脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒは、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒと、を備えている。大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒは、利用者Ｐの大腿の外側部に沿って延びるリンクである。大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの上端は、大腿関節部１３Ｌ，１３Ｒと接続されており、股関節部３１Ｌ，３１Ｒを構成する。また、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの上端には、第２股関節軸１９Ｌ，１９Ｒが連結されており、股関節部３１Ｌ，３１Ｒに軸支されている。そのため、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒは、第２股関節軸１９Ｌ，１９Ｒを中心として回転可能となっている。さらに、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの下端は、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒと接続されており、膝関節部３２Ｌ，３２Ｒを構成する。

股関節部３１Ｌ，３１Ｒは、利用者Ｐの股関節の外側に位置している。股関節部３１Ｌ，３１Ｒは、第２股関節軸１９Ｌ，１９Ｒを介して、Ｙ軸まわりに回動可能に連結している。

また、股関節駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒの出力軸は、第２股関節軸１９Ｌ，１９Ｒに連結しており、後述のように股関節駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒが動作することで、大腿リンク部３０Ｌ，３０ＲがＹ軸を中心として回動する。

膝関節部３２Ｌ，３２Ｒは、利用者Ｐの膝関節の外側に位置し、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒとを回動可能に連結している。

下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒは、利用者Ｐの下腿の外側部に沿って延びるリンクである。下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒの上端は、膝関節部３２Ｌ，３２Ｒに連結されている。また、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒの下端は、足首関節部４１Ｌ，４１Ｒを構成する。

大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒの下端は、膝関節部３２Ｌ，３２Ｒを構成し、膝関節駆動軸３３Ｌ、３３Ｒを介して下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒの上端と接続されている。下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒには、後述する膝関節駆動用アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒが設けられている。この膝関節駆動用アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒが動作することで、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒが膝関節駆動軸３３Ｌ、３３Ｒを中心として回動し、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒとのなす角度が変化する。

（足載置部５０Ｌ，５０Ｒ）
図１乃至図４に示すように、足載置部５０Ｌ，５０Ｒは、利用者Ｐの足（肢端）に装着される部分である。図３に示すように、足載置部５０Ｌ，５０Ｒは、利用者Ｐが履いた専用の靴を固定する靴固定部５１Ｌ，５１Ｒと地面に接地する接地部５２Ｌ，５２Ｒを備えている。また、接地部５２Ｌ，５２Ｒと靴固定部５１Ｌ，５１Ｒとは、力センサ５３Ｌ，５３Ｒを介して接続されており、利用者Ｐの下肢の動作によって靴固定部５１Ｌ，５１Ｒに加えられた力を検知する。

力センサ５３Ｌ，５３Ｒは、図６に示すような互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向の力とそれぞれの３軸方向のねじれα、β、γを一つのセンサで同時に計測するセンサである。力センサ５３Ｌ、５３Ｒとしては、たとえば、ミネベア株式会社の６軸力センサ「ＯＰＦＴ（商標）シリーズ」などを使用することができる。力センサ５３Ｌ，５３Ｒは、基準部５４Ｌ，５４Ｒに対して作動部５５Ｌ，５５Ｒが連結した構成である。基準部５４Ｌ，５４Ｒは接地部５２Ｌ，５２Ｒに固定され、作動部５５Ｌ，５５Ｒには靴固定部５１Ｌ，５１Ｒが固定されている。そのため、利用者Ｐの動作が直接的に作動部５５Ｌ，５５Ｒに伝達され、基準部５４Ｌ，５４Ｒに対するＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向の少なくとも１つの力及びα、β、γの３軸方向沿いのねじれを計測され、出力端子５６Ｌ，５６Ｒを通じて出力される。なお、力センサ５３Ｌ、５３Ｒに対するＸ、Ｙ、Ｚの３軸及びα、β、γの３軸方向沿いのねじれの座標軸は絶対的なものであり、力センサ５３Ｌ、５３Ｒの向きに応じて外部からみた軸の方向は変動する。

接地部５２Ｌ，５２Ｒには、利用者Ｐの靴の外側に補強プレート５７Ｌ，５７Ｒが、設けられており、利用者Ｐの足の接地時に、接地部５２Ｌ，５２Ｒが受ける床反力を脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒに伝達可能な構造となっている。補強プレート５７Ｌ，５７Ｒの上端は下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒに軸支されており、足載置部５０Ｌ，５０Ｒが一体として足首関節部４１Ｌ、４１Ｒを介して下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒに対する回転運動が可能な構成となっている。

足首関節部４１Ｌ、４１Ｒは、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒと足載置部５０Ｌ，５０ＲとをＹ軸まわりに回動可能に連結している。この足首関節部４１Ｌ、４１Ｒは、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒの下端に設けられた足首関節駆動用アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒを備える。足首関節駆動用アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒの出力軸は、補強プレート５７Ｌ，５７Ｒに連結しており、足首関節駆動用アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒが動作することで、足載置部５０Ｌ，５０ＲがＹ軸を中心として回動する。

（アクチュエータユニット）
図１乃至図４に示すように、本実施の形態に係る下肢動作支援装置１は、アクチュエータユニットとして、股関節駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒ、膝関節駆動用アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒ、足首関節駆動用アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒを備えている。

それぞれのアクチュエータユニットは、電動モータ及び減速機を備え、電動モータの出力を減速機によって減速し、動作対象となる各部材感の相対姿勢を変位させる。すなわち、アクチュエータユニットは、各関節部に回転トルクを付与し、駆動させる機能を有する。

股関節駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒは、大腿関節部１３Ｌ，１３Ｒに固定されており、股関節駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒの出力軸は、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒに接続されている。すなわち、本実施の形態に係る股関節駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒは、大腿関節部１３Ｌ，１３Ｒと一体であり、その出力軸がＹ軸まわりに回動することによって、図３の矢印９０に示すように大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒが体装着部１０に対して股関節部３１Ｌ，３１Ｒの第２股関節軸１９Ｌ，１９Ｒを軸としてＹ軸まわりに回動する。

なお、股関節駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒがトルクを発生していない状態では、股関節部３１Ｌ，３１Ｒの第２股関節軸１９Ｌ，１９Ｒは、その回転抵抗は非常に小さくしておくことが好ましい。股関節部３１Ｌ，３１Ｒの回転抵抗が小さいため、股関節部３１Ｌ，３１Ｒは回動可能な状態となり、利用者Ｐの脚の振り出しに支障を来たさないようになっている。

また、大腿関節部１３Ｌ，１３Ｒの第１股関節軸１８Ｌ，１８Ｒは、アクチュエータユニットによる動作は行なわれず、利用者Ｐによる下肢の動作に応じて自由に回動することができる。したがって、利用者Ｐは、Ｘ軸を中心として脚を開閉する動作については、束縛されることなく行なうことができる。

股関節駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒには、エンコーダ（ロータリーエンコーダ、図７参照）が設けられている。このエンコーダは、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒの股関節部３１Ｌ，３１Ｒに対する相対位置に関するデータとして、股関節駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒの回転角度を検出する。検出された回転角度は、制御部７０に出力される。

膝関節駆動用アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒは、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒに設けられており、電動モータ及び減速機を備え、電動モータの出力を減速機によって減速し、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒとの相対姿勢を変位させる。膝関節駆動用アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒの出力軸は、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒ下端に接続されている。本実施の形態に係る膝関節駆動用アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒは、膝関節部３２Ｌ，３２Ｒと一体であり、その出力軸がＹ軸まわりに回動することによって、図３の矢印９１に示すように下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒが大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒに対して膝関節駆動軸３３Ｌ，３３Ｒを軸としてＹ軸まわりに回動する。

膝関節駆動用アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒには、図示しないエンコーダ（ロータリーエンコーダ，図７参照）が設けられている。このエンコーダは、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒの挙動に関するデータとして、膝関節駆動用アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒの回転角度を検出する。検出された回転角度は、制御部７０に出力される。

足首関節駆動用アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒは、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒの下端に設けられており、電動モータ及び減速機を備え、電動モータの出力を減速機によって減速し、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒと足載置部５０Ｌ，５０Ｒの相対姿勢を変位させる。すなわち、この足首関節駆動用アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒが、足飛関節部４１Ｌ、４１Ｒに回転トルクを付与し、駆動するためのアクチュエータユニットである。足首関節駆動用アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒの出力軸は、足載置部５０Ｌ，５０Ｒの上端に接続されている。本実施の形態に係る足首関節駆動用アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒは、足首関節部４１Ｌ、４１Ｒと一体であり、その出力軸がＹ軸まわりに回動する。そこで、図４の矢印９２に示すように下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒは、足載置部５０Ｌ、５０Ｒに対して足首関節軸（図示なし）を軸としてＹ軸まわりに回動する。

足首関節駆動用アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒには、図示しないエンコーダ（ロータリーエンコーダ，図７参照）が設けられている。このエンコーダは、下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒと足載置部５０Ｌ，５０Ｒとの相対位置の挙動に関するデータとして、足飛関節駆動用アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒの回転角度を検出する。検出された回転角度は、制御部７０に出力される。

（バックパックＢＰ）
バックパックＢＰは、利用者Ｐが背負うものであり、制御部７０（図７参照）、制御プログラムなどを記録した記憶装置７１等及びバッテリ（図示せず）等を収納している。

バッテリは、力センサ５３Ｌ，５３Ｒ、股関節駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒ、膝関節駆動用アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒ、足首関節駆動用アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒ及び制御部７０に電力を供給する。バッテリによる電力供給は、制御部７０によって制御される。

（制御部）
図７は、本実施の形態にかかる下肢動作支援装置１の機能ブロック図である。図７に示すように、制御部７０は、左右の脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒに設けられた力センサ５３Ｌ，５３Ｒからの出力信号及び各アクチュエータユニット６０、６１、６２に設けられているエンコーダからの位置情報を受けて、上述の３種類のアクチュエータユニット６０、６１、６２を動作させる。制御部７０は、それぞれ左右の脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒを独立して動作制御を行なう。すなわち、右側の力センサ５３Ｒから構成される右側操作部７２Ｒから出力された情報は、右側のアクチュエータユニット６０Ｒ、６１Ｒ、６２Ｒから構成される右側駆動機構７３Ｒを動作させるための信号として用いられる。

なお、左右の力センサ５３Ｌ，５３Ｒからの出力信号に基づく利用者Ｐの左右一方の脚の位置予測は、左右双方の力センサ５３Ｌ，５３Ｒからの出力信号に基づいて行ってもよい。例えば、連続した歩行動作において、右脚の動作を時系列的に分析して、同様に左足を動作させるように制御することも可能である。

図７に示すように、本実施の形態に係る下肢動作支援装置１の動作制御は、ＣＰＵなどから構成される制御部７０と協働する制御プログラム７１ａによって司られる。制御部７０には、たとえばＩＣチップなどを使用することができ、これらに力センサ５３Ｌ，５３Ｒからの検出が入力されることによって、駆動機構７３Ｌ，７３Ｒを駆動制御する。駆動機構７３Ｌ，７３Ｒに内包される各アクチュエータユニットは、それぞれドライバを通じて制御部７０と接続され、制御部７０からの動作信号に基づいて動作する。

操作部７２Ｌ，７２Ｒに設けられている力センサ５３Ｌ，５３Ｒは、上記のとおりＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向について正負方向の力とα，β，γ軸周りの回転トルクについて検出し出力する。また、上記の通り、各アクチュエータユニットに設けられているエンコーダは、現在のアクチュエータユニットのモータの位置情報、すなわち、左右の脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒの形状に関する情報を出力する。

力センサ５３Ｌ，５３Ｒから出力された６つのベクトル検出信号Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ，Ｓα、Ｓβ、Ｓγ及び３つのエンコーダから出力された３つの位置情報Ｓｐは、制御部７０に入力される。制御部７０は、入力された信号に基づいて、利用者Ｐがどのような動作をしようとしているかを予測し、それぞれ駆動機構に設けられている各アクチュエータユニット６０、６１、６２を駆動する。すなわち、制御部７０は、アクチュエータ作動部として機能する。

利用者Ｐの動作の予測データは、記憶部７１内に動作予測データ７１ｂとして予め格納されており、各信号の経過情報、各リンク部の相対位置の情報に基づいて、制御部７０において利用者Ｐの動作の予測が行なわれる。すなわち、制御部７０は、動作予測部としても機能する。

力センサ５３Ｌ、５３ＲのＸ軸に沿った方向の付勢力を検出したベクトル信号Ｓｘは、足載置部５０Ｌ，５０ＲをＸ軸方向に移動させるように必要なアクチュエータユニット６０、６１、６２を特定し、必要な動作を行なわせる。

力センサ５３Ｌ、５３ＲのＹ軸に沿った方向の付勢力を検出したベクトル信号Ｓｙは、足載置部５０Ｌ，５０ＲをＹ軸方向に移動させるように必要なアクチュエータユニット６０、６１、６２を特定し、必要な動作を行なわせる。ただし、本実施の形態においては、Ｙ軸方向に移動させるためのＸ軸中心又はＺ軸中心に回転する脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒの各関節の駆動軸は存在しないため、ベクトル信号Ｓｙが入力することによる動作は実質的には行なわれない。

力センサ５３Ｌ、５３ＲのＺ軸に沿った方向の付勢力を検出したベクトル信号Ｓｚは、足載置部５０Ｌ，５０ＲをＺ軸方向へ移動させるように必要なアクチュエータユニット６０、６１、６２を特定し、必要な動作を行なわせる。

力センサ５３Ｌ、５３ＲのＹ軸中心のねじり方向の回転トルクを検出したベクトル信号Ｓβは、足載置部５０Ｌ，５０ＲをＹ軸中心に回転させるために、足首関節駆動用アクチュエータユニット６２Ｌ，６２Ｒを駆動させ、必要な動作を行なわせる。

本実施の形態において、力センサ５３Ｌ、５３Ｒからの信号を受けて、どのアクチュエータユニット６０、６１、６２をどのように動作させるかについては、現在の脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒの相対位置に基づいて決定される。例えば、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒが、ほぼ伸張している状態において、Ｘ方向正の向きの力が入力された場合は、股関節駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒを動作させると共に、他の膝関節駆動用アクチュエータユニット６１、足首関節駆動用アクチュエータユニット６２を停止させて、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒを全体として前方に移動させる。

また、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒが屈曲し、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒが上がった状態（腿を上げた姿勢）においては、Ｘ方向正の向きの力が入力された場合、膝関節駆動用アクチュエータユニット６１Ｌ，６１Ｒを動作させて膝関節を伸張させる方向に移動させると共に、股関節駆動用アクチュエータユニット６０Ｌ，６０Ｒを動作させて、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒを下げるように動作させる。

力センサ５３Ｌ、５３Ｒの各ＸＹＺ軸を中心とするねじり方向の付勢力を検出したベクトル信号Ｓα、Ｓβ、Ｓγは、各アクチュエータユニット６０、６１、６２を直接的に動作させる他に、利用者Ｐの下肢の状態がどのような状態であるかを検出するための補助的な信号としても用いられる。例えば、通常、人間の下肢の足平は若干外側を向いているため、利用者Ｐが地面を踏み出す初期のタイミングにおいて、Ｚ軸方向のねじりが強く検出される。また、利用者Ｐの足平が地面を踏み出した直後においては、Ｙ軸方向のトルクが強く検出される。

また、例えば、Ｚ軸方向の力を検出している最中に、Ｘ軸方向に足首がねじれるような方向に力が加わった場合、当該脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒは接地していることを予測することができる。

このように、各ねじり方向の信号は、利用者Ｐの脚の状態（すなわち、動作経過や接地の有無）を予測に用いることができる。

上記の予測結果に基づいて、各軸方向の出力信号及びエンコーダの出力信号Ｓｐと共に、どのアクチュエータユニットを動作させるかの決定を行なうことができる。すなわち、利用者Ｐの脚の状態を各ねじり方向の信号Ｓα、Ｓβ、Ｓγにより予測すると共に、エンコーダからの出力信号Ｓｐにより、装置自体の位置情報を予測する。このように、本実施の形態の下肢動作支援装置においては、利用者Ｐの下肢と装置が足先でのみの固定であり、大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒと下腿リンク部４０Ｌ，４０Ｒにかけて、利用者Ｐの大腿、膝関節及び下腿について非拘束の状態である。そのため、これらの２種類の情報を用いることでより適切な制御動作を実現することができる。

＜下肢動作支援装置の使用方法＞
次に、本実施の形態に係る下肢動作支援装置の使用方法について説明する。本実施の形態に係る下肢動作支援装置１を利用者Ｐに装着する場合には、利用者Ｐが専用靴を履いた状態で、足載置部５０Ｌ，５０Ｒの靴固定部５１Ｌ，５１Ｒに専用靴を固定する。専用靴の靴裏には、靴固定部５１Ｌ，５１Ｒに固定するための図示しない突状部が設けられており、これを靴固定部５１Ｌ，５１Ｒにはめ込むことで、専用靴と靴固定部５１Ｌ，５１Ｒを固定させる。

その後、体装着部１０の固定ベルト１４，１５，１６Ｌ，１６Ｒを締め、体装着部１０を利用者Ｐの体幹に固定する。したがって、利用者Ｐは、足裏と体幹部分が下肢動作支援装置１に固定されるが、利用者Ｐ自身の大腿、膝関節及び下腿は、非拘束の状態となっている。

この状態では、利用者Ｐは、足載置部５０Ｌ、５０Ｒ上に乗り、固定ベルト１４，１５，１６Ｌ，１６Ｒによって体幹を体装着部１０に固定された状態となっている。このとき、利用者Ｐの体重及び体装着部１０に連結されたバックパックＢＰの重量などは、体装着部１０から大腿リンク部３０Ｌ，３０Ｒを下側に押下し、下肢動作支援装置１の膝関節部３２Ｌ、３２Ｒを屈曲する方向に加わり、利用者Ｐ自身には負荷が加わらない。

利用者Ｐが、足を動作させようとすると、足載置部５０Ｌ，５０Ｒの力センサ５３Ｌ、５３Ｒからその動作に応じた信号が出力され、上記のように各アクチュエータユニット６０、６１、６２の選択及び動作態様が演算される。その後、当該演算結果に基づいて上記の通り各アクチュエータユニット６０、６１、６２が作動し、利用者Ｐの動作に応じて下肢動作支援装置が動くことで利用者Ｐの動作をアシストする。

以上述べたように、本発明の実施の形態における下肢動作支援装置１においては、利用者Ｐが自然な立位状態において、体装着部１０を体幹に固定した後、足裏を足載置部５０Ｌ、５０Ｒに固定するだけで装置を装着することができるため、装置の装着が容易である。さらに、利用者Ｐが自然な状態で立位状態になるときなど、利用者Ｐ自身の膝関節にかかる自重を下肢動作支援装置１の脚リンク部２０Ｌ、２０Ｒにより支持することができる。このため、背当板１２などに設けられたバックパックや懸架部１７に取り付けられた利用者Ｐの上半身を被覆するカバー部材２などは、脚リンク部２０Ｌ，２０Ｒにより支持され、利用者Ｐの負担を軽減することができる。また、力センサ５３から出力される信号を検知して、制御部７０が使用者Ｐの動作を予測判定し、その判定結果にもとづいて、アクチュエータユニット６０、６１、６２を動作させるので、利用者Ｐの動作を確実にアシストすることができる。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２に係る下肢動作支援装置の構成を示す正面図である。図９は、図８の下肢動作支援装置の左側面図である。
図８及び図９を参照して、本発明の実施の形態２に係る下肢動作支援装置１０１の構成について説明する。
下肢動作支援装置１０１は、利用者Ｐの体幹に対応する構成として体装着部１１０を備える。また、下肢動作支援装置１０１は、脚リンク部１２０Ｌと、脚リンク部１２０Ｒと、バックパック２５０とを備える。

体装着部１１０は、本体部１１１と、背当板１１２と、上部固定ベルト１１３と、中部固定ベルト１１４と、下部固定ベルト１１５とを備える。本体部１１１は、背当板１１２の下部に取り付けられている。本体部１１１は、平面視で略Ｕ字型に成形されている。本体部１１１は、利用者Ｐが体装着部１１０を装着したときに利用者Ｐの背中の下部から左右の脇腹までの部位を覆う。

背当板１１２は、略長方形の板状に成形されている。背当板１１２は、利用者Ｐが体装着部１１０を装着したときに利用者Ｐの背中の一面を覆う。

上部固定ベルト１１３は、背当板１１２に取り付けられている。上部固定ベルト１１３は、利用者Ｐが体装着部１１０を背負うことを可能にする一対のベルトである。上部固定ベルト１１３は、背当板１１２の上部における左右方向の略中央にそれぞれの一端が取り付けられ、利用者Ｐの左右の脇腹に対応する本体部１１１の箇所にそれぞれの他端が取り付けられている。

中部固定ベルト１１４は、利用者Ｐの腹部に対応するベルトである。中部固定ベルト１１４は、利用者Ｐによって装着されるときに、Ｘ軸方向に沿って利用者Ｐの腹部を覆うように、本体部１１１の左右方向の両側面に両端が取り付けられる。

下部固定ベルト１１５は、利用者Ｐの左右の大腿部にそれぞれ対応する一対のベルトである。下部固定ベルト１１５は、利用者Ｐによって装着されるときに、利用者Ｐの股間を背後から通過するように、本体部１１１の左右方向の略中央にそれぞれの一端が取り付けられ、利用者Ｐの左右の脇腹に対応する本体部１１１の箇所にそれぞれの他端が取り付けられている。

なお、上部固定ベルト１１３、中部固定ベルト１１４、及び下部固定ベルト１１５は、利用者Ｐに対する着脱を容易にするため図示しないバックルをそれぞれ備えている。

脚リンク部１２０Ｌは、利用者Ｐの左脚部に対応する。脚リンク部１２０Ｌは、股関節部１３０Ｌと、大腿部１８０Ｌと、膝関節部１９０Ｌと、脛部２１０Ｌと、足首関節部２２０Ｌと、足載置部２４０Ｌとを備える。

股関節部１３０Ｌは、第１股関節部１４０Ｌと、第２股関節部１６０Ｌとを備える。第１股関節部１４０Ｌは、第１股関節軸１４１Ｌと、第１股関節駆動用アクチュエータユニット１５０Ｌとを備える。第１股関節軸１４１Ｌは、下肢動作支援装置１０１の前後方向に平行な回転軸を中心として回転可能に、本体部１１１の左側面の外側において、第１股関節部１４０Ｌを含む脚リンク部１２０Ｌを支持する。

第１股関節駆動用アクチュエータユニット１５０Ｌは、モータ１５１Ｌと、減速機１５２Ｌと、駆動用プーリー１５３Ｌと、被駆動用プーリー１５４Ｌと、タイミングベルト１５５Ｌと、ロータリーエンコーダ１５６Ｌとを用いて構成され、第１股関節部１４０Ｌに取り付けられる。モータ１５１Ｌの出力軸は、下肢動作支援装置１０１の前後方向と平行する。

減速機１５２Ｌは、入力部に伝達された回転を減速して出力部に伝達する波動歯車装置である。減速機１５２Ｌは、下肢動作支援装置１０１の前後方向を中心として入力部と出力部とがそれぞれ回転可能に第１股関節部１４０Ｌに取り付けられる。減速機１５２Ｌの出力部には、第１股関節軸１４１Ｌの一端が挿入され、第１股関節軸１４１Ｌの他端には第２股関節部１６０Ｌが嵌め込まれる。減速機１５２Ｌの出力部は、第２股関節部１６０Ｌに連結される。減速機１５２Ｌの出力部と第２股関節部１６０Ｌとは一体的、且つ第１股関節軸１４１Ｌに対して相対回転可能に固定される。

駆動用プーリー１５３Ｌは、モータ１５１Ｌの出力軸に取り付けられる。被駆動用プーリー１５４Ｌは、減速機１５２Ｌの入力部に取り付けられる。タイミングベルト１５５Ｌは、駆動用プーリー１５３Ｌと、被駆動用プーリー１５４Ｌとを連結する。ロータリーエンコーダ１５６Ｌは、モータ１５１Ｌに内蔵される。

第２股関節部１６０Ｌは、第２股関節軸１６１Ｌと、第２股関節駆動用アクチュエータユニット１７０Ｌとを備える。第２股関節軸１６１Ｌは、下肢動作支援装置１０１の左右方向を中心として回転可能に、第１股関節部１４０Ｌの下部において、大腿部１８０Ｌと、膝関節部１９０Ｌと、脛部２１０Ｌと、足首関節部２２０Ｌと、足載置部２４０Ｌとを支持する。

第２股関節駆動用アクチュエータユニット１７０Ｌは、モータ１７１Ｌと、減速機１７２Ｌと、駆動用プーリー１７３Ｌと、被駆動用プーリー１７４Ｌと、タイミングベルト１７５Ｌと、ロータリーエンコーダ１７６Ｌとを用いて構成され、第２股関節部１６０Ｌに取り付けられる。モータ１７１Ｌの出力軸は、下肢動作支援装置１０１の左右方向と平行する。

減速機１７２Ｌは、減速機１５２Ｌと同様の波動歯車装置である。減速機１７２Ｌは、下肢動作支援装置１０１の前後方向を中心として入力部と出力部とがそれぞれ回転可能に第２股関節部１６０Ｌに取り付けられる。減速機１７２Ｌの出力部には、第２股関節軸１６１Ｌの一端が挿入され、第２股関節軸１６１Ｌの他端には大腿部１８０Ｌが嵌め込まれる。減速機１７２Ｌの出力部は、大腿部１８０Ｌに連結される。減速機１７２Ｌの出力部と大腿部１８０Ｌとは一体的、且つ第２股関節軸１６１Ｌに対して相対回転可能に固定される。

駆動用プーリー１７３Ｌは、モータ１７１Ｌの出力軸に取り付けられる。被駆動用プーリー１７４Ｌは、減速機１７２Ｌの入力部に取り付けられる。タイミングベルト１７５Ｌは、駆動用プーリー１７３Ｌと、被駆動用プーリー１７４Ｌとを連結する。ロータリーエンコーダ１７６Ｌは、モータ１７１Ｌに内蔵される。

大腿部１８０Ｌは、回転連結部１８１Ｌと、ロータリーエンコーダ１８２Ｌとを備える。大腿部１８０Ｌは、減速機１７２Ｌの出力部に長手方向の一端側が連結され、膝関節部１９０Ｌに長手方向の他端側が連結される。

回転連結部１８１Ｌは、大腿部１８０Ｌの長手方向の一端側と他端側とを、この大腿部１８０Ｌの長手方向を中心として相対的に回転可能に連結する。ロータリーエンコーダ１８２Ｌは、大腿部１８０Ｌの長手方向の一端側と他端側との回転連結部１８１Ｌにおける連結箇所に取り付けられる。

膝関節部１９０Ｌは、膝関節軸１９１Ｌと、膝関節駆動用アクチュエータユニット２００Ｌとを備える。膝関節部１９０Ｌは、長手方向の一端側が大腿部１８０Ｌに連結され、長手方向の他端側が脛部２１０Ｌに連結される。膝関節軸１９１Ｌは、脛部２１０Ｌと、足首関節部２２０Ｌと、足載置部２４０Ｌとを、下肢動作支援装置１０１の左右方向を中心として回転可能に、脛部２１０Ｌ側において支持する。

膝関節駆動用アクチュエータユニット２００Ｌは、モータ２０１Ｌと、減速機２０２Ｌと、駆動用プーリー２０３Ｌと、被駆動用プーリー２０４Ｌと、タイミングベルト２０５Ｌと、ロータリーエンコーダ２０６Ｌとを用いて構成され、膝関節部１９０Ｌに取り付けられる。モータ２０１Ｌの出力軸は、下肢動作支援装置１０１の左右方向と平行する。

減速機２０２Ｌは、減速機１５２Ｌと同様の波動歯車装置である。減速機２０２Ｌは、下肢動作支援装置１０１の前後方向を中心として入力部と出力部とがそれぞれ回転可能に膝関節部１９０Ｌに取り付けられる。減速機２０２Ｌの出力部には、膝関節軸１９１Ｌの一端が挿入され、膝関節軸１９１Ｌの他端には脛部２１０Ｌが嵌め込まれる。減速機２０２Ｌの出力部は、脛部２１０Ｌに連結される。減速機２０２Ｌの出力部と脛部２１０Ｌとは一体的、且つ膝関節軸１９１Ｌに対して相対回転可能に固定される。

駆動用プーリー２０３Ｌは、モータ２０１Ｌの出力軸に取り付けられる。被駆動用プーリー２０４Ｌは、減速機２０２Ｌの入力部に取り付けられる。タイミングベルト２０５Ｌは、駆動用プーリー２０３Ｌと、被駆動用プーリー２０４Ｌとを連結する。ロータリーエンコーダ２０６Ｌは、モータ２０１Ｌに内蔵される。

脛部２１０Ｌは、長手方向の一端側が減速機２０２Ｌの出力部に連結され、長手方向の他端側が足首関節部２２０Ｌに連結される。

足首関節部２２０Ｌは、足首関節軸２２１Ｌと、足首関節駆動用アクチュエータユニット２３０Ｌとを備える。足首関節部２２０Ｌは、長手方向の一端側が脛部２１０Ｌに連結され、長手方向の他端側が足載置部２４０Ｌに連結される。足首関節軸２２１Ｌは、下肢動作支援装置１０１の左右方向を中心として回転可能に、足首関節部２２０Ｌの足載置部２４０Ｌ側において、この足載置部２４０Ｌを支持する。

足首関節駆動用アクチュエータユニット２３０Ｌは、モータ２３１Ｌと、減速機２３２Ｌと、駆動用プーリー２３３Ｌと、被駆動用プーリー２３４Ｌと、タイミングベルト２３５Ｌと、ロータリーエンコーダ２３６Ｌとを用いて構成され、足首関節部２２０Ｌに取り付けられる。モータ２３１Ｌの出力軸は、下肢動作支援装置１０１の左右方向と平行する。

減速機２３２Ｌは、減速機１５２Ｌと同様の波動歯車装置である。減速機２３２Ｌは、下肢動作支援装置１０１の左右方向を中心として入力部と出力部とがそれぞれ回転可能に足首関節部２２０Ｌに取り付けられる。減速機２３２Ｌの出力部には、足首関節軸２２１Ｌの一端が挿入され、足首関節軸２２１Ｌの他端には足載置部２４０Ｌが嵌め込まれる。減速機２３２Ｌの出力部は、足載置部２４０Ｌに連結される。減速機２３２Ｌの出力部と足載置部２４０Ｌとは一体的、且つ足首関節軸２２１Ｌに対して相対回転可能に固定される。

駆動用プーリー２３３Ｌは、モータ２３１Ｌの出力軸に取り付けられる。被駆動用プーリー２３４Ｌは、減速機２３２Ｌの入力部に取り付けられる。タイミングベルト２３５Ｌは、駆動用プーリー２３３Ｌと、被駆動用プーリー２３４Ｌとを連結する。ロータリーエンコーダ２３６Ｌは、モータ２３１Ｌに内蔵される。

足載置部２４０Ｌは、足首リンク部２４１Ｌと、足底リンク部２４２Ｌと、足底板２４３Ｌと、力センサ２４４Ｌと、靴連結部２４５Ｌと、ロータリーエンコーダ２４６Ｌとを備える。足首リンク部２４１Ｌは、一端側が足首関節軸２２１Ｌに嵌め込まれ、他端側が足底リンク部２４２Ｌに連結される。足底リンク部２４２Ｌは、下肢動作支援装置１０１の前後方向を中心として、足底板２４３Ｌが足首リンク部２４１Ｌに対して回転可能に、この足底板２４３Ｌを、回転軸を用いて足首リンク部２４１Ｌに連結する。足底板２４３Ｌは、足底リンク部２４２Ｌとの連結箇所から下肢動作支援装置１０１の内側に突出する略板状に成形される。

力センサ２４４Ｌは、略円柱形状に成形される。力センサ２４４Ｌは、互いに平行な上側面と下側面とに直交する方向を上下方向とし、この上下方向を法線方向とする平面における任意の一方向を左右方向とし、この平面においてこの左右方向に直交する方向を前後方向とする。力センサ２４４Ｌは、この力センサ２４４Ｌの前後方向、左右方向、及び上下方向に作用する直線方向の力と、これらの各直線方向周りのトルクをそれぞれ独立して検出する。力センサ２４４Ｌは、足底板２４３Ｌの上側面において、下肢動作支援装置１０１を装着した利用者Ｐの左足裏に対応する箇所に取り付けられる。

靴連結部２４５Ｌは、下肢動作支援装置１０１を装着した利用者Ｐが左足に着用している靴と力センサ２４４Ｌとを、この力センサ２４４Ｌの上側面において連結する。靴連結部２４５Ｌは、利用者Ｐが着用している靴の靴底に設けられた金具に対応し、この靴を着脱可能にする固定金具を有する。

脚リンク部１２０Ｒは、利用者Ｐの右脚部に対応する。脚リンク部１２０Ｒの各構成は、脚リンク部１２０Ｌの各要素の形状と左右対称の形状を有することを除いて、脚リンク部１２０Ｌの各構成と同様であるため、説明を省略する。

バックパック２５０は、背当板１１２において、利用者Ｐの後側の面に取り付けられる。バックパック２５０は、制御部２５１と、記憶装置２５２と、電源２５３とを備える。

下肢動作支援装置１０１の動作について説明する。
第１股関節駆動用アクチュエータユニット１５０Ｌのモータ１５１Ｌの回転に伴って、駆動用プーリー１５３Ｌ、タイミングベルト１５５Ｌ、被駆動用プーリー１５４Ｌ、及び減速機１５２Ｌが回転する。第２股関節部１６０Ｌ、大腿部１８０Ｌ、膝関節部１９０Ｌ、脛部２１０Ｌ、足首関節部２２０Ｌ、及び足載置部２４０Ｌは、減速機１５２Ｌの回転に伴って、第１股関節軸１４１Ｌを中心として、一体的に回転する。ロータリーエンコーダ１５６Ｌは、モータ１５１Ｌの出力軸の回転角度を絶対値で示す信号を出力する。

第２股関節駆動用アクチュエータユニット１７０Ｌのモータ１７１Ｌの回転に伴って、駆動用プーリー１７３Ｌ、タイミングベルト１７５Ｌ、被駆動用プーリー１７４Ｌ、及び減速機１７２Ｌが回転する。大腿部１８０Ｌ、膝関節部１９０Ｌ、脛部２１０Ｌ、足首関節部２２０Ｌ、及び足載置部２４０Ｌは、減速機１７２Ｌの回転に伴って、第２股関節軸１６１Ｌを中心として、一体的に回転する。ロータリーエンコーダ１７６Ｌは、モータ１７１Ｌの出力軸の回転角度を絶対値で示す信号を出力する。

膝関節駆動用アクチュエータユニット２００Ｌのモータ２０１Ｌの回転に伴って、駆動用プーリー２０３Ｌ、タイミングベルト２０５Ｌ、被駆動用プーリー２０４Ｌ、及び減速機２０２Ｌが回転する。脛部２１０Ｌ、足首関節部２２０Ｌ、及び足載置部２４０Ｌは、減速機２０２Ｌの回転に伴って、膝関節軸１９１Ｌを中心として、一体的に回転する。ロータリーエンコーダ２０６Ｌは、モータ２０１Ｌの出力軸の回転角度を絶対値で示す信号を出力する。

足首関節駆動用アクチュエータユニット２３０Ｌのモータ２３１Ｌの回転に伴って、駆動用プーリー２３３Ｌ、タイミングベルト２３５Ｌ、被駆動用プーリー２３４Ｌ、及び減速機２３２Ｌが回転する。足載置部２４０Ｌは、減速機２３２Ｌの回転に伴って、足首関節軸２２１Ｌを中心として、一体的に回転する。ロータリーエンコーダ２３６Ｌは、モータ２３１Ｌの出力軸の回転角度を絶対値で示す信号を出力する。

脚リンク部１２０Ｒの各構成の動作は、脚リンク部１２０Ｌの各構成の動作と左右対称の動作をすることを除いて、脚リンク部１２０Ｌの各構成の動作と同様であるため、説明を省略する。

利用者Ｐの動作、脚リンク部１２０Ｌの各モータ、及び脚リンク部１２０Ｒの各モータの動作に伴う力が、足底板２４３Ｌと足底板２４３Ｒを介して接地面に作用する。また、足底板２４３Ｌと足底板２４３Ｒとは、接地面に作用する力に応じた反力を受ける。足底２４３Ｌと足底板２４３Ｒとの接地面を介して作用する力と反力（以下、作用力と称する）とに応じて、下肢動作支援装置１０１及び利用者Ｐの姿勢が変化する。

大腿部１８０Ｌにおいて、膝関節部１９０Ｌ側の端部は、作用力に応じて回転連結部１８１Ｌの回転方向に回転する。膝関節部１９０Ｌ、脛部２１０Ｌ、足首関節部２２０Ｌ、及び足載置部２４０Ｌは、回転連結部１８１Ｌの回転に伴って、この回転連結部１８１Ｌの回転方向に一体的に回転する。ロータリーエンコーダ１８２Ｌは、大腿部１８０Ｌの膝関節部１９０Ｌ側の端部が、第２股関節部１６０Ｌ側の端部に対してなす角度を絶対値で示す信号を出力する。

足底板２４３は、足底リンク部２４２Ｌの回転軸周りに作用するトルクに応じて回転する。ロータリーエンコーダ２４６Ｌは、足首リンク部２４１Ｌと足底リンク部２４２とのなす角度を絶対値で示す信号を出力する。

力センサ２４４Ｌ、及び力センサ２４４Ｒのそれぞれは、作用力に応じた各直線方向の力と、各直線方向周りのトルクとをそれぞれ示す信号を出力する。

図１０を参照して、下肢動作支援装置１０１の制御構成について説明する。
ロータリーエンコーダ１５６Ｌ、ロータリーエンコーダ１７６Ｌ、ロータリーエンコーダ１８２Ｌ、ロータリーエンコーダ２０６Ｌ、ロータリーエンコーダ２３６Ｌ、ロータリーエンコーダ２４６Ｌ、及び力センサ２４４Ｌが、脚リンク部１２０Ｌの各構成の状態を検出するセンサとして制御部２５１に接続される。また、ロータリーエンコーダ１５６Ｒ、ロータリーエンコーダ１７６Ｒ、ロータリーエンコーダ１８２Ｒ、ロータリーエンコーダ２０６Ｒ、ロータリーエンコーダ２３６Ｒ、ロータリーエンコーダ２４６Ｒ、及び力センサ２４４Ｒが、脚リンク部１２０Ｒの各構成の状態を検出するセンサとして制御部２５１に接続される。

以下では、脚リンク部１２０Ｌに含まれるロータリーエンコーダについて、ロータリーエンコーダ１５６Ｌから出力される信号を左第１股関節角度信号ＬＳａと称し、ロータリーエンコーダ１７６Ｌから出力される信号を左第２股関節角度信号ＬＳｂと称し、ロータリーエンコーダ１８２Ｌから出力される信号を左大腿部角度信号ＬＳｃと称する。さらに、ロータリーエンコーダ２０６Ｌから出力される信号を左膝関節角度信号ＬＳｄと称し、ロータリーエンコーダ２３６Ｌから出力される信号を左足首関節角度信号ＬＳｅと称し、ロータリーエンコーダ２４６Ｌから出力される信号を左足底角度信号ＬＳｆと称する。

そして、脚リンク部１２０Ｌの力センサ２４４Ｌについて、力センサ２４４Ｌによって検出された前後方向の力を示す信号を左第１力信号ＬＳｘと称し、力センサ２４４Ｌによって検出された左右方向の力を示す信号を左第２力信号ＬＳｙと称し、力センサ２４４Ｌによって検出された上下方向の力を示す信号を左第３力信号ＬＳｚと称する。さらに、力センサ２４４Ｌによって検出された前後方向周りのトルクを示す信号を左第１トルク信号ＬＳαと称し、力センサ２４４Ｌによって検出された左右方向周りのトルクを示す信号を左第２トルク信号ＬＳβと称し、力センサ２４４Ｌによって検出された上下方向周りのトルクを示す信号を左第３トルク信号ＬＳγと称する。

また、脚リンク部１２０Ｒに含まれるロータリーエンコーダについて、ロータリーエンコーダ１５６Ｒから出力される信号を右第１股関節角度信号ＲＳａと称し、ロータリーエンコーダ１７６Ｒから出力される信号を右第２股関節角度信号ＲＳｂと称し、ロータリーエンコーダ１８２Ｒから出力される信号を右大腿部角度信号ＲＳｃと称する。さらに、ロータリーエンコーダ２０６Ｒから出力される信号を右膝関節角度信号ＲＳｄと称し、ロータリーエンコーダ２３６Ｒから出力される信号を右足首関節角度信号ＲＳｅと称し、ロータリーエンコーダ２４６Ｒから出力される信号を右足底角度信号ＲＳｆと称する。

そして、脚リンク部１２０Ｒの力センサ２４４Ｒについて、力センサ２４４Ｒによって検出された前後方向の力を示す信号を右第１力信号ＲＳｘと称し、力センサ２４４Ｒによって検出された左右方向の力を示す信号を右第２力信号ＲＳｙと称し、力センサ２４４Ｒによって検出された上下方向の力を示す信号を右第３力信号ＲＳｚと称する。さらに、力センサ２４４Ｒによって検出された前後方向周りのトルクを示す信号を右第１トルク信号ＲＳαと称し、力センサ２４４Ｒによって検出された左右方向周りのトルクを示す信号を右第２トルク信号ＲＳβと称し、力センサ２４４Ｒによって検出された上下方向周りのトルクを示す信号を右第３トルク信号ＲＳγと称する。

図１０は、図８の下肢動作支援装置の制御構成を示すブロック図である。
図１０に示されるように、脚リンク部１２０Ｌのモータ１５１Ｌ、モータ１７１Ｌ、モータ２０１Ｌ、及びモータ２３１Ｌは、制御部２５１の制御対象としてこの制御部２５１に接続される。また、脚リンク部１２０Ｒのモータ１５１Ｒ、モータ１７１Ｒ、モータ２０１Ｒ、及びモータ２３１Ｒは、制御部２５１の制御対象としてこの制御部２５１に接続される。

記憶装置２５２は、制御部２５１に接続される。記憶装置２５２は、不揮発性の情報記憶媒体である。記憶装置２５２は、制御部２５１による情報の読み出し動作に応じた情報の出力と、制御部２５１による情報の書き込み動作に応じた情報の記憶とを行う。

電源２５３は、制御部２５１に接続される。電源２５３は、制御部２５１及び記憶装置２５２に電力を供給する。また、電源２５３は、脚リンク部１２０Ｌ、及び脚リンク部１２０Ｒにそれぞれ備えられた各ロータリーエンコーダ、各力センサ、及び各モータに電力を供給する。なお、脚リンク部１２０Ｌ、及び脚リンク部１２０Ｒにそれぞれ備えられた各ロータリーエンコーダ、各力センサ、及び各モータと、電源２５３との接続関係は、図示の便宜のために省略する。

制御部２５１の制御動作について説明する。
制御部２５１の制御動作は、次の少なくとも四つの制御動作を除いて実施の形態１にかかる下肢動作支援装置１と同様である。第一の制御動作は、脚リンク部１２０Ｌ及び脚リンク部１２０Ｒを、利用者Ｐの支持脚及び遊脚に対応する脚リンク部としてそれぞれ特定する制御動作である。第二の制御動作は、足載置部２４０Ｌ及び足載置部２４０Ｒの前後方向の移動量の制御動作である。第三の制御動作は、第１股関節アクチュエータユニット１５０Ｌ及び第１股関節アクチュエータユニット１５０Ｒの制御動作である。第四の制御動作は、支持脚リンク部を制御することによって、下肢動作支援装置１０１の上方向の力を発生する制御動作である。

図１１は、図８の下肢動作支援装置の利用者の歩行時において、利用者の左足に対応する力センサに作用する外力について、図１１（ａ）は左足の足載置部の力センサに作用する力を示す模式図であり、図１１（ｂ）は左足の足載置部の力センサに作用するトルクを示す模式図である。
図１１を参照して、脚リンク部１２０Ｌ及び脚リンク部１２０Ｒのそれぞれが、利用者Ｐの支持脚及び遊脚のいずれに対応するかを制御部２５１が特定する動作を、上記第一の制御動作として説明する。

図１１（ａ）に示されるように、左足が支持脚となっている場合に、利用者Ｐの歩行動作の過程には、力センサ２４４Ｌの左側面視における略真上に利用者Ｐの重心が移動する時が含まれる。このとき、力センサ２４４Ｌの下方向にかかる力が上昇する。したがって、左第３力信号ＬＳｚによって示される力が上昇する。右足が支持脚となっている場合は、左足が支持脚となっている場合と同様に、右第３力信号ＲＳｚによって示される力が上昇する。

図１１（ｂ）に示されるように、左足が支持脚となっている場合に、利用者Ｐの歩行動作の過程には、左足のつま先を踏み込む動作と、左足の踵を上方向に持ち上げる動作とが含まれる。このとき、力センサ２４４Ｌには、この力センサ２４４Ｌの左右方向周りのトルクが作用する。したがって、左第２トルク信号ＬＳβによって示されるトルクが上昇する。右足が支持脚となっている場合は、左足が支持脚となっている場合と同様に、右第２トルク信号ＲＳβによって示されるトルクが上昇する。

制御部２５１は、左第３力信号ＬＳｚによって示される力または左第２トルク信号ＬＳβによって示されるトルクが、それぞれに対する所定のしきい値以上となったとき、左足に対応する脚リンク部１２０Ｌを支持脚リンク部として特定する。制御部２５１は、右第３力信号ＲＳｚによって示される力または右第２トルク信号ＲＳβによって示されるトルクが、それぞれに対する所定のしきい値以上となったとき、右足に対応する脚リンク部１２０Ｒを支持脚リンク部として特定する。

左足が遊脚になるとき、利用者Ｐは、左足を持ち上げようとするため、力センサ２４４Ｌの下方向に作用する力が減少する。したがって、左第３力信号ＬＳｚによって示される力が減少する。右足が遊脚になるとき、利用者Ｐは、右足を持ち上げようとするため、力センサ２４４Ｒの下方向に作用する力が減少する。そして、右第３力信号ＲＳｚによって示される力が減少する。

制御部２５１は、左第３力信号ＬＳｚによって示される力が、所定のしきい値未満となったとき、左足に対応する脚リンク部１２０Ｌを遊脚リンク部として特定する。制御部２５１は、右第３力信号ＲＳｚによって示される力が、所定のしきい値未満となったとき、右足に対応する脚リンク部１２０Ｒを遊脚リンク部として特定する。

図１２は、図８の下肢動作支援装置の足載置部の前後方向の移動量を平面視で示す模式図であり、図１２（ａ）は支持脚リンク部の足載置部が股関節軸位置よりも前にあり、且つ遊脚リンク部の足載置部が股関節軸位置の後方にあるときの移動量を示す模式図であり、図１２（ｂ）は支持脚リンク部の足載置部が股関節軸位置よりも後にあり、且つ遊脚リンク部の足載置部が股関節軸位置よりも前にあるときの移動量を示す模式図である。
図１２を参照して、制御部２５１が、足載置部２４０Ｌ及び足載置部２４０Ｒの前後方向の位置を制御する動作を上記第二の制御動作として説明する。
制御部２５１は、各ロータリーエンコーダから出力される信号を取得することにより、脚リンク部１２０Ｌ及び脚リンク部１２０Ｒの各構成の回転角度または位置を算出する。
より詳細には、制御部２５１は、左第１股関節角度信号ＬＳａによって示されるモータ１５１Ｌの出力軸の回転角度と減速機１５２Ｌの減速比とに基づいて、第２股関節部１６０Ｌの第１股関節軸１４１Ｌ周りの回転角度を左第１股関節角度Ｌθａとして算出する。制御部２５１は、左第２股関節角度信号ＬＳｂによって示されるモータ１７１Ｌの出力軸の回転角度と減速機１７２Ｌの減速比とに基づいて、大腿部１８０Ｌの第２股関節軸１６１Ｌ周りの回転角度を左第１股関節角度Ｒθｂとして算出する。

制御部２５１は、回転連結部１８１Ｌにおける大腿部１８０Ｌの長手方向周りの膝関節部１９０Ｌの回転角度として、左大腿部角度信号ＬＳｃによって示される回転角度を取得し、左大腿部ねじり角度Ｌθｃとして認識する。制御部２５１は、左膝関節角度信号ＬＳｄによって示されるモータ２０１Ｌの回転角度と減速機２０２Ｌの減速比とに基づいて、膝関節軸１９１Ｌ周りの脛部２１０Ｌの回転角度を左膝回転角度Ｌθｄとして算出する。制御部２５１は、左足首関節角度信号ＬＳｅによって示されるモータ２３１Ｌの出力軸の回転角度と減速機２３２Ｌの減速比とに基づいて、足首関節軸２２１Ｌ周りの足載置部２４０Ｌの回転角度を左足首角度Ｌθｅとして算出する。

制御部２５１は、足底板２４３Ｌの足底リンク部２４２の回転軸周りの回転角度として、左足底角度信号ＬＳｆによって示される回転角度を取得し、左足底角度Ｌθｆとして認識する。

制御部２５１は、右第１股関節角度信号ＲＳａによって示されるモータ１５１Ｒの出力軸の回転角度と減速機１５２Ｒの減速比とに基づいて、第１股関節軸１４１Ｒ周りの第２股関節部１６０Ｒの回転角度を右第１股関節角度Ｒθａとして算出する。制御部２５１は、右第２股関節角度信号ＲＳｂによって示されるモータ１７１Ｒの出力軸の回転角度と減速機１７２Ｒの減速比とに基づいて、第２股関節軸１６１Ｒ周りの大腿部１８０Ｒの回転角度を右第２股関節角度Ｒθｂとして算出する。

制御部２５１は、回転連結部１８１Ｒにおける大腿部１８０Ｒの長手方向周りの膝関節部１９０Ｒの回転角度として、右大腿部角度信号ＲＳｃによって示される回転角度を取得し、右大腿部ねじり角度Ｒθｃとして認識する。制御部２５１は、右膝関節角度信号ＲＳｄによって示されるモータ２０１Ｒの回転角度と減速機２０２Ｒの減速比とに基づいて、膝関節軸１９１Ｒ周りの脛部２１０Ｒの回転角度を右膝回転角度Ｒθｄとして算出する。制御部２５１は、右足首関節角度信号ＲＳｅによって示されるモータ２３１Ｒの出力軸の回転角度と減速機２３２Ｒの減速比とに基づいて、足載置部２４０Ｒの足首関節軸２２１Ｒ周りの回転角度を右足首角度Ｒθｅとして算出する。

制御部２５１は、足底板２４３Ｒの足底リンク部２４２の回転軸周りの回転角度として、右足底角度信号ＲＳｆによって示される回転角度を取得し、右足底角度Ｒθｆとして認識する。

制御部２５１は、脚リンク部１２０Ｒの各構成の回転角度と長さに基づいて、第１股関節軸１４１Ｒを基準とする前後方向、左右方向、及び上下方向の足載置部２４０Ｒの位置を幾何学的な手法を用いて算出する。制御部２５１は、脚リンク部１２０Ｌの各構成の回転角度と長さに基づいて、第１股関節軸１４１Ｌを基準とする前後方向、左右方向、及び上下方向の足載置部２４０Ｌの位置を幾何学的な手法を用いて算出する。

制御部２５１は、足載置部２４０Ｌ及び足載置部２４０Ｒのそれぞれの位置と、支持脚リンク部及び遊脚リンク部の特定結果に基づいて、足載置部２４０Ｌ及び足載置部２４０Ｒのそれぞれの前後方向の移動量を制御する。

図１２に示されるように、制御部２５１は、第１股関節軸１４１Ｌ及び第１股関節軸１４１Ｒの前後方向の位置を股関節軸位置とする。
図１２（ａ）に示されるように、制御部２５１は、支持脚リンク部に対応する足載置部が股関節軸位置よりも前方に位置し、且つ遊脚リンク部に対応する足載置部が股関節軸位置から後方に位置すると判定する。制御部２５１は、この判定結果が肯定である場合において、利用者Ｐが支持脚の足を前後方向に移動させるとき、支持脚リンク部に対応する足載置部の前後方向の移動量を遊脚リンク部の足載置部の前後方向の移動量の２倍にする。

図１２（ｂ）に示されるように、制御部２５１は、支持脚リンク部に対応する足載置部が股関節軸位置から後方に位置し、且つ遊脚リンク部に対応する足載置部が股関節軸位置よりも前方に位置すると判定する。制御部２５１は、この判定結果が肯定である場合において、利用者Ｐが遊脚の足を前後方向に移動させるとき、遊脚リンク部に対応する足載置部の前後方向の移動量を支持脚リンク部の足載置部の前後方向の移動量の２倍にする。

図１３は、図８の下肢動作支援装置の支持脚リンク部の足載置部と体装着部との位置関係を示す正面図である。
図１３を参照して、制御部２５１が、第１股関節駆動用アクチュエータユニット１５０Ｌ及び第１股関節駆動用アクチュエータユニット１５０Ｒを制御する動作を上記第三の制御動作として説明する。

図１３に示されるように、制御部２５１は、脚リンク部１２０Ｌを支持脚リンク部として特定しているとき、左第１股関節角度Ｌθａと左足底角度Ｌθｆとに基づいて、足底板２４３Ｌと、体装着部１１０とが、下肢動作支援装置１０１の前方からの正面視において平行になるように、モータ１５１Ｌを制御する。

同様に、制御部２５１は、脚リンク部１２０Ｒを支持脚リンク部として特定しているとき、右第１股関節角度Ｒθａと右足底角度Ｒθｆとに基づいて、足底板２４３Ｒと、体装着部１１０とが、下肢動作支援装置１０１の前方からの正面視において平行になるように、モータ１５１Ｒを制御する。

制御部２５１が、下肢動作支援装置１０１の上下方向の力を制御する動作を上記第四の制御動作として説明する。
制御部２５１は、脚リンク部１２０Ｌを支持脚リンク部として特定しているとき、左第３力信号ＬＳｚによって示される力が大きくなるのに従って、下肢動作支援装置１０１の上方向の力が大きくなるように、モータ１５１Ｌ、モータ１７１Ｌ、モータ２０１Ｌ、及びモータ２３１Ｌを制御する。

制御部２５１は、脚リンク部１２０Ｒを支持脚リンク部として特定しているとき、右第３力信号ＲＳｚによって示される力が大きくなるのに従って、下肢動作支援装置１０１の上方向の力が大きくなるように、モータ１５１Ｒ、モータ１７１Ｒ、モータ２０１Ｒ、及びモータ２３１Ｒを制御する。

下肢動作支援装置１０１による効果を説明する。
下肢動作支援装置１０１は、第１股関節駆動用アクチュエータユニット１５０Ｌ及び第２股関節駆動用アクチュエータユニット１５０Ｌを第１股関節部１４０Ｌに備える。また、下肢動作支援装置１０１は、第１股関節駆動用アクチュエータユニット１５０Ｒ及び第２股関節駆動用アクチュエータユニット１５０Ｒを第１股関節部１４０Ｒに備える。
これにより、下肢動作支援装置１０１は、この下肢動作支援装置１０１の股関節部１３０Ｌ及び股関節部１３０Ｒのそれぞれにおいて前後方向周りのトルクを付与することができ、下肢動作支援装置１と比較してより高いアシスト効果を奏することができる。

下肢動作支援装置１０１は、力センサ２４４Ｌ及び力センサ２４４Ｒを備える。そして、制御部２５１は、これらの力センサから出力される左第３力信号ＬＳｚ、左第２トルク信号ＬＳβ、右第３力信号ＲＳｚ、及び右第２トルク信号ＲＳβに基づいて、支持脚リンク部及び遊脚リンク部を特定する。制御部２５１は、支持脚リンク部及び遊脚リンク部に応じた異なる制御動作を実行する。
これにより、下肢動作支援装置１０１は、下肢動作支援装置１と比較してよりきめ細やかなアシスト動作を行うことができる。

制御部２５１は、支持脚リンク部に対応する力センサに対する上下方向の力が大きくなるのに従って、支持脚リンク部によって生ずる上方向の力が大きくなるように各モータを制御する。
これにより、下肢動作支援装置１０１は、全ての重量がかかる支持脚に対応する支持脚リンク部によって発生する上方向の力をより大きくして利用者Ｐの支持脚にかかる負担を軽減することができる。

制御部２５１は、支持脚リンク部に対応する足底板と体装着部１１０とが、下肢動作支援装置１０１の正面視において平行になるように各モータを制御する。
これにより、利用者Ｐが遊脚を浮かせている状態であって、この利用者Ｐと下肢動作支援装置１０１の重量を支持脚のみで支持しているときに、これらの重量に起因する支持脚への負荷をより軽減することができる。

制御部２５１は、支持脚リンク部に対応する足載置部と股関節軸位置との前後方向の位置関係に応じて、利用者Ｐが支持脚の足を前後方向に移動させるときの支持脚リンク部に対応する足載置部の前後方向の移動量を変化させる。
これにより、下肢動作支援装置１０１は、この下肢動作支援装置１０１を装着した利用者Ｐの前後方向への移動をより効果的にアシストできる。

以上述べたように、本発明によれば、利用者への装着を簡易にすると共に、利用者の自由度を向上させると共に、利用者が膝関節を曲げた状態等の前傾姿勢での屈伸作業においても安定して利用者を支えられる下肢動作支援装置を提供できる。さらに、利用者の望む方向及び力で動作支援を行うことができるという格別な効果を奏することができる。

１ 下肢動作支援装置
２ カバー部材
１０ 体装着部
１１ 体部
１２ 背当板
１３Ｌ，１３Ｒ 大腿関節部
１４，１５，１６Ｌ，１６Ｒ 固定ベルト
１７ 懸架部
１８Ｌ，１８Ｒ 第１股関節軸
１９Ｌ，１９Ｒ 第２股関節軸
２０，２０Ｌ，２０Ｒ 脚リンク部
３０Ｌ，３０Ｒ 大腿リンク部
３１Ｌ，３１Ｒ 股関節部
３２Ｌ，３２Ｒ 膝関節部
３３Ｌ，３３Ｒ 膝関節駆動軸
４０Ｌ，４０Ｒ 下腿リンク部
４１Ｌ，４１Ｒ 足首関節部
５０，５０Ｌ，５０Ｒ 足載置部
５１Ｌ，５１Ｒ 靴固定部
５２Ｌ，５２Ｒ 接地部
５３，５３Ｌ，５３Ｒ 力センサ
５７Ｌ，５７Ｒ 補強プレート
６０Ｌ，６０Ｒ 股関節駆動用アクチュエータユニット
６１，６１Ｌ，６１Ｒ 膝関節駆動用アクチュエータユニット
６２，６２Ｌ，６２Ｒ 足首関節駆動用アクチュエータユニット
１０１ 下肢動作支援装置
１１０ 体装着部
１１１ 本体部
１１２ 背当板
１１３ 上部固定ベルト
１１４ 中部固定ベルト
１１５ 下部固定ベルト
１２０Ｌ，１２０Ｒ 脚リンク部
１３０Ｌ，１３０Ｒ 股関節部
１４０Ｌ，１４０Ｒ 第１股関節部
１４１Ｌ，１４１Ｒ 第１股関節軸
１５０Ｌ，１５０Ｒ 第１股関節駆動用アクチュエータユニット
１５１Ｌ，１５１Ｒ モータ
１５２Ｌ，１５２Ｒ 減速機
１５３Ｌ，１５３Ｒ 駆動用プーリー
１５４Ｌ，１５４Ｒ 被駆動用プーリー
１５５Ｌ，１５５Ｒ タイミングベルト
１５６Ｌ，１５６Ｒ ロータリーエンコーダ
１６０Ｌ，１６０Ｒ 第２股関節部
１６１Ｌ，１６１Ｒ 第２股関節軸
１７０Ｌ，１７０Ｒ 第２股関節駆動用アクチュエータユニット
１７１Ｌ，１７１Ｒ モータ
１７２Ｌ，１７２Ｒ 減速機
１７３Ｌ，１７３Ｒ 駆動用プーリー
１７４Ｌ，１７４Ｒ 被駆動用プーリー
１７５Ｌ，１７５Ｒ タイミングベルト
１７６Ｌ，１７６Ｒ ロータリーエンコーダ
１８０Ｌ，１８０Ｒ 大腿部
１８１Ｌ，１８１Ｒ 回転連結部
１８２Ｌ，１８２Ｒ ロータリーエンコーダ
１９０Ｌ，１９０Ｒ 膝関節部
１９１Ｌ，１９１Ｒ 膝関節軸
２００Ｌ，２００Ｒ 膝関節駆動用アクチュエータユニット
２０１Ｌ，２０１Ｒ モータ
２０２Ｌ，２０２Ｒ 減速機
２０３Ｌ，２０３Ｒ 駆動用プーリー
２０４Ｌ，２０４Ｒ 被駆動用プーリー
２０５Ｌ，２０５Ｒ タイミングベルト
２０６Ｌ，２０６Ｒ ロータリーエンコーダ
２１０Ｌ，２１０Ｒ 脛部
２２０Ｌ，２２０Ｒ 足首関節部
２２１Ｌ，２２１Ｒ 足首関節軸
２３０Ｌ，２３０Ｒ 足首関節駆動用アクチュエータユニット
２３１Ｌ，２３１Ｒ モータ
２３２Ｌ，２３２Ｒ 減速機
２３３Ｌ，２３３Ｒ 駆動用プーリー
２３４Ｌ，２３４Ｒ 被駆動用プーリー
２３５Ｌ，２３５Ｒ タイミングベルト
２３６Ｌ，２３６Ｒ ロータリーエンコーダ
２４０Ｌ，２４０Ｒ 足載置部
２４１Ｌ，２４１Ｒ 足首リンク部
２４２Ｌ，２４２Ｒ 足底リンク部
２４３Ｌ，２４３Ｒ 足底板
２４４Ｌ，２４４Ｒ 力センサ
２４５Ｌ，２４５Ｒ 靴連結部
２４６Ｌ，２４６Ｒ ロータリーエンコーダ
２５０ バックパック
２５１ 制御部
２５２ 記憶装置
２５３ 電源

Claims (13)

1. 利用者の体幹に固定して装着される体装着部と、
   前記利用者の大腿及び下腿に沿って設けられ、前記利用者の大腿及び下腿について非拘束状態となるように前記体装着部に連結され、前記利用者の膝関節による屈伸に対応して屈伸可能に構成された膝関節部を有する脚リンク部と、
   前記脚リンク部と連結する足首関節部を有して、前記利用者の足を載置固定する足載置部と、
   前記膝関節部に回転トルクを付与する膝関節駆動用アクチュエータユニットと、
   前記足首関節部に回転トルクを付与する足首関節駆動用アクチュエータユニットと、
   を備え、
   前記体装着部は、前記利用者の膝関節による屈伸の前後にわたって前記利用者の体幹を固定して支持する、下肢動作支援装置。
2. 前記体装着部は、前記利用者の体幹背後に沿って配置される背当板と、前記背当板の上部に突設され前記利用者の肩上に位置する懸架部と、前記背当板を利用者に固定する固定ベルトと、を有することを特徴とする、請求項１に記載の下肢動作支援装置。
3. 前記足載置部は、前記利用者の足の動作の方向及び力量を含む動作信号を出力する力センサを有し、
   前記力センサから出力された動作信号に基づいて前記利用者の動作を予測する動作予測部と、
   前記動作予測部の判断結果に基づいて、前記利用者が行なう動作に沿った形状に前記脚リンク部を駆動させるように前記膝関節駆動用アクチュエータユニット及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットをそれぞれ動作させるアクチュエータ作動部と、
   をさらに備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の下肢動作支援装置。
4. さらに、前記脚リンク部及び前記足載置部の相対位置を検出して位置信号を出力する位置検出部を備え、
   前記動作予測部は、前記位置検出部から出力された前記位置信号に基づいて、前記利用者の動作を予測することを特徴とする、請求項３に記載の下肢動作支援装置。
5. 前記力センサは、直交する３軸方向の力の大きさを示す第１信号及び当該３軸を中心とする回転トルクの大きさを示す第２信号を出力することを特徴とする、請求項３又は４に記載の下肢動作支援装置。
6. 前記動作予測部は、前記第２信号及び前記位置信号に基づいて前記利用者の動作を予測するとともに、この予測に基づいて駆動させる膝関節部と足首関節部とを特定し、
   前記アクチュエータ作動部は、特定された前記膝関節部と前記足首関節部について、前記第１信号が示す方向へ前記足載置部を移動させるように前記膝関節駆動用アクチュエータユニット及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを動作させることを特徴とする、請求項５に記載の下肢動作支援装置。
7. 前記脚リンク部は、
   前記利用者の股関節の回転に対応して回転可能に前記体装着部と前記脚リンク部とを連結する股関節部と、
   前記股関節部に回転トルクを付与する股関節駆動用アクチュエータユニットと、を含む、請求項１又は２に記載の下肢動作支援装置。
8. 前記股関節部は、
   前記利用者の股関節の前後方向周りに回転可能に前記体装着部と前記脚リンク部とを連結する第１股関節部と、
   前記利用者の股関節の左右方向周りに回転可能に前記体装着部と前記脚リンク部とを連結する第２股関節部と、を含み、
   前記股関節駆動用アクチュエータユニットは、
   前記第１股関節部に回転トルクを付与する第１股関節駆動用アクチュエータユニットと、
   前記第２股関節部に回転トルクを付与する第２股関節駆動用アクチュエータユニットと、を含む、請求項７に記載の下肢動作支援装置。
9. 前記足載置部に載置され、前記利用者の足の動作の方向及び力量を含む動作信号を出力する力センサと、
   前記股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを少なくとも前記動作信号に基づき制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記利用者の支持脚に対応する前記脚リンク部と、前記利用者の遊脚に対応する前記脚リンク部とを、前記動作信号に基づいてそれぞれ制御する、請求項８に記載の下肢動作支援装置。
10. 前記制御部は、
    前記力センサの下方向に所定値以上の力が加えられる、又は当該力センサの左右方向周りに所定値以上のトルクが加えられたことを前記動作信号に基づいて認識したとき、当該動作信号を出力した前記力センサに対応する前記脚リンク部を、前記利用者の支持脚に対応する支持脚リンク部として特定し、前記力センサに対する下方向の力が所定値未満となったことを前記動作信号に基づいて認識したとき、当該動作信号を出力した前記力センサに対応する前記脚リンク部を、前記利用者の遊脚に対応する遊脚リンク部として特定する、請求項９に記載の下肢動作支援装置。
11. 前記制御部は、
    前記力センサの下方向にかかる力が大きくなるのにしたがって前記下肢動作支援装置の上方向の力が大きくなるように、当該支持脚リンク部の前記第２股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを制御し、前記遊脚リンク部の前記足載置部が、当該足載置部に固定された前記利用者の足の動きに追従するように、当該遊脚リンク部の前記股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを制御する、請求項１０に記載の下肢動作支援装置。
12. 前記制御部は、
    前記支持脚リンク部の前記足載置部の底面と前記体装着部とが互いに平行になるように、前記支持脚リンク部の前記第１股関節駆動用アクチュエータユニットを制御する、請求項１１に記載の下肢動作支援装置。
13. 前記制御部は、前記第１股関節駆動用アクチュエータユニットの回転軸よりも前記支持脚リンク部の前記足載置部が前方に存在し、且つ前記遊脚リンク部の前記足載置部が前記第１股関節駆動用アクチュエータユニットの回転軸から後方に存在するとき、前記遊脚リンク部の前記足載置部の前後方向の移動量の二倍の移動量で前記支持脚リンク部の前記足載置部が移動するように当該支持脚リンク部及び当該遊脚リンク部のそれぞれの前記第２股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを制御し、前記第１股関節駆動用アクチュエータユニットの回転軸よりも前記遊脚リンク部の前記足載置部が前方に存在し、且つ前記支持脚リンク部の前記足載置部が前記第１股関節駆動用アクチュエータユニットの回転軸から後方に存在するとき、前記支持脚リンク部の前記足載置部の前後方向の移動量の二倍の移動量で前記遊脚リンク部の前記足載置部が移動するように当該支持脚リンク部及び当該遊脚リンク部のそれぞれの前記第２股関節駆動用アクチュエータユニット、前記膝関節駆動用アクチュエータユニット、及び前記足首関節駆動用アクチュエータユニットを制御する、請求項１１又は１２に記載の下肢動作支援装置。

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