JP2013150714A - 歩行支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザへの負担を軽減させることができる歩行支援装置を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる歩行支援装置１は、大腿リンク１１と、下腿リンク１２と、第１の補助リンク３１と、第２の補助リンク３２と、を備えている。第１連結部２１は、複数のリンクを有するリンク機構を有している。そして、大腿リンク１１及び下腿リンク１２に対する第１連結部２１の瞬間回転中心の相対的な位置が、大腿リンク１１と下腿リンク１２とがなす角に応じて変化する。
【選択図】図１

Description

本発明は歩行支援装置に関し、特にユーザの歩行動作を補助する歩行支援装置に関する。

近年、リンク機構及び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歩行支援装置が研究されている。このような歩行支援装置においては、ユーザの大腿に装着される大腿リンクと下腿に装着される下腿リンクとが、揺動可能に連結されている。アクチュエータが下腿リンクを揺動させることにより、歩行支援装置はユーザの歩行を補助する。例えば、特許文献１には、４リンク機構を備える歩行支援装置が開示されている。

特開２００８−２３２３４号公報

図８に人間の膝関節の模式図を示す。図８（ａ）は、膝が伸びた状態を示す図である。図８（ｂ）は、膝が４５度曲がった状態を示す図である。図８（ｃ）は、膝が９０度曲がった状態を示す図である。図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、人間の大腿骨９１と脛骨９２とは、十字靭帯９３、９４によって連結されている。このとき、大腿骨９１、脛骨９２、十字靭帯９３、９４の構成は、４節リンク機構に似た構造となっている（図８の破線及び実線参照）。そのため、十字靭帯９３、９４の交点９５が、膝関節の瞬間回転中心となる。膝の屈伸に応じて、交点９５の位置が移動する。つまり、膝関節の瞬間回転中心は、大腿骨９１（又は脛骨９２）に対して相対的に移動する。なお、以下の説明においては、回転可能に連結された２つのリンクにおいて、回転動作中にリンクに対する回転中心の相対的な位置が変化し得る場合、当該回転中心を瞬間回転中心と示す。また、回転動作中にリンクに対する回転中心の相対的な位置が変化しない場合は、単に回転中心と示す。

しかしながら、特許文献１に記載の歩行支援装置においては、膝関節に位置するピポット軸は、２つのリンク（大腿リンク及び下腿リンク）を連結しているが、２つのリンクとの相対的な位置は変化しない。つまり、ピポット軸は、人間の膝関節とは異なる機構である。そのため、特許文献１に記載の歩行支援装置が、ユーザの歩行を補助するためにピポット軸を回転駆動させると、不自然な歩行動作となってしまう。その結果、ユーザに対して不快感を与えたり、ユーザの膝周辺の筋肉や靭帯等に通常の歩行動作時とは異なる負荷を与えたりして、ユーザに負担をかけてしまうという問題があった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、ユーザへの負担を軽減させることができる歩行支援装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる歩行支援装置は、ユーザの大腿に装着される大腿リンクと、第１連結部を介して前記大腿リンクに対してピッチ軸回りに回転可能に連結され、前記ユーザの下腿に装着される下腿リンクと、一端が第２連結部を介して前記大腿リンクに対してピッチ軸回りに回転可能に連結された第１の補助リンクと、一端が第３連結部を介して前記下腿リンクに対してピッチ軸回りに回転可能に連結されると共に、他端が第４連結部を介して前記第１の補助リンクの他端に対してピッチ軸回りに回転可能に連結された第２の補助リンクと、を備え、前記第１連結部は、複数のリンクを有するリンク機構を有し、前記大腿リンク及び前記下腿リンクに対する前記第１連結部の瞬間回転中心の相対的な位置が、前記大腿リンクと前記下腿リンクとがなす角に応じて変化するものである。これにより、歩行支援装置の大腿リンク及び下腿リンクの動作が、人間の膝関節の動作に近い動作となる。その結果、歩行支援装置を装着したユーザに与える負担を軽減することができる。

また、前記リンク機構は、一端が前記大腿リンクに対してピッチ軸回りに回転可能に連結されると共に、他端が前記下腿リンクに対してピッチ軸回りに回転可能に連結された第３の補助リンクと、一端が前記大腿リンクに対してピッチ軸回りに回転可能に連結されると共に、他端が前記下腿リンクに対してピッチ軸回りに回転可能に連結された第４の補助リンクと、を備え、前記第３のリンクと前記第４のリンクとは交差していてもよい。これにより、歩行支援装置の大腿リンク及び下腿リンクの連結部の構成が、人間の膝関節の十字靭帯と同様の構成となる。その結果、ユーザに与える負担をより軽減させることができる。

また、前記ユーザの膝が伸展状態から屈曲状態へ変化する場合、前記第３の補助リンクと前記第４の補助リンクとの交差点の位置が、前記伸展状態における前記交差点の位置から上後方へ変化してもよい。

また、前記第２連結部から前記交差点までの距離と、前記交差点から前記第３連結部までの距離と、の和が、前記第２連結部から前記第４連結部までの距離と、前記第３連結部から前記第４連結部までの距離と、の和よりも大きく、前記交差点から前記第３連結部までの距離は、前記第２連結部から前記第４連結部までの距離より大きくてもよい。

また、前記ユーザの膝が伸びている状態で、ピッチ軸方向視における前記第１及び第２の補助リンクが略直線となってもよい。これにより、ユーザの膝が伸びている状態において、大腿リンクに対する下腿リンクの回転が規制される。その結果、膝折れを防止することができる。

また、前記大腿リンクに対して前記第１の補助リンクをピッチ軸回りに回転させるアクチュエータをさらに備えてもよい。

本発明により、ユーザへの負担を軽減させることができる歩行支援装置を提供することができる。

実施の形態にかかる歩行支援装置の外観斜視図である。 実施の形態にかかる歩行支援装置の正面図である。 実施の形態にかかる歩行支援装置の側面図である。 実施の形態に関連するリンク機構の構成を示す図である。（ａ）は、膝関節の伸展状態を示す図である。（ｂ）は、膝関節の屈曲状態を示す図である。 実施の形態に関連するリンク機構の模式図である。（ａ）は、膝関節の伸展状態を示す図である。（ｂ）は、膝関節の屈曲状態を示す図である。 実施の形態にかかるリンク機構の構成を示す図である。（ａ）は、膝関節の伸展状態を示す図である。（ｂ）は、膝関節の屈曲状態を示す図である。 実施の形態にかかる膝連結部の４節リンク機構の構成を示す図である。 人間の膝関節の構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

本実施の形態の歩行支援装置は、図１〜図３に示すように、例えば使用者の腿部に装着され、使用者の歩行を支援するために好適に用いられる。図１は、歩行支援装置１の外観斜視図である。図２は、歩行支援装置１の正面図である。図３は、歩行支援装置１の側面図である。この歩行支援装置１は、図１〜図３に示すように、大腿リンク１１と、下腿リンク１２と、足裏載置部１３と、膝装着部１４と、アクチュエータ１５と、を備えている。

大腿リンク１１は、ユーザの大腿部の側部に配置される。本実施の形態の大腿リンク１１は、ユーザの大腿部の左右両側部にそれぞれ配置される。大腿リンク１１の上端部は、大腿保持部１１１の側部に連結されている。大腿リンク１１の下端部は、下腿リンク１２に回転可能に連結されている。

ここで、大腿保持部１１１は、板状部材であって、ユーザの大腿部の外周形状に倣うように湾曲した形状とされている。当該湾曲した面の内側面をユーザの大腿部に接触させる。ここで、当該内側面にはスポンジ等の緩衝部材が設けられていることが好ましい。

下腿リンク１２は、ユーザの下腿部における脛部分の側部に配置される。本実施の形態の下腿リンク１２は、ユーザの脛部分の左右両側部にそれぞれ配置される。下腿リンク１２の上端部は、大腿リンク１１の下端部にピッチ軸回りに回転可能に連結されている。なお、ピッチ軸とは、ユーザの下腿部が大腿部に対して回動する際の回転軸のことを意味する。下腿リンク１２の下端部は、足裏載置部１３にピッチ軸回りに回転可能に連結されている。

足裏載置部１３は、ユーザの足を支持する。本実施の形態の足裏載置部１３は、載置部１３ａ、アーム１３ｂを備えている。載置部１３ａは板状部材であって、ユーザの足裏が載置される。アーム１３ｂは、載置部１３ａを下腿リンク１２に連結する。つまり、アーム１３ｂはユーザの下腿部における足首部分の左右両側部にそれぞれ配置される。

アーム１３ｂの上端部は、下腿リンク１２の下端部にピッチ軸回りに回転可能に連結されている。アーム１３ｂの下端部は、載置部１３ａの側部に連結されている。これにより、ユーザの体重を歩行支援装置１に支持させることができる。

膝装着部１４は、アーチ１４ａ、図示を省略したビンディングを備えている。アーチ１４ａは、左右の大腿リンク１１と下腿リンク１２との連結部を連結する。ビンディングは、アーチ１４ａに設けられている。ビンディングは、アーチ１４ａをユーザの膝に固定する。ビンディングは、アーチ１４ａをユーザの膝に固定できる構成であれば特に限定しないが、例えばユーザの膝に着脱可能なバンド等である。

アクチュエータ１５は、大腿リンク１１と下腿リンク１２との連結部分に駆動力を伝達する。アクチュエータ１５は、ユーザの膝の角度や足裏の荷重位置等に基づいて、下腿リンク１２を揺動させる。これにより、ユーザの歩行動作を補助することができる。

次に、大腿リンク１１と下腿リンク１２との連結部の構成について図４の側面図を参照して詳細に説明する。図４は、本実施の形態に関連する４節リンクの構成を示す図である。図４（ａ）は、ユーザの膝が伸展している状態を示す図である。図４（ｂ）は、ユーザの膝が屈曲している状態を示す図である。大腿リンク１１の一端と、下腿リンク１２の一端とは、膝連結部２１（第１連結部）でピッチ軸回りに回転可能に連結されている。大腿リンク１１の他端と、下腿リンク１２の他端とは、第１の補助リンク３１及び第２の補助リンク３２を介して連結されている。なお、膝連結部２１は、ユーザが歩行支援装置１を装着した際に、膝の両側に位置する。

大腿リンク１１と第１の補助リンク３１とは、連結部２２（第２連結部）でピッチ軸回りに回転可能に連結されている。アクチュエータ１５は、連結部２２を駆動させることにより、第１の補助リンク３１を大腿リンク１１に対して揺動させる（図４（ｂ）参照）。下腿リンク１２と第２の補助リンク３２とは、連結部２３（第３連結部）でピッチ軸回りに回転可能に連結されている。第１の補助リンク３１と第２の補助リンク３２とは、連結部２４（第４連結部）でピッチ軸回りに回転可能に連結されている。つまり、大腿リンク１１、下腿リンク１２、第１の補助リンク３１、及び第２の補助リンク３２は、閉リンク機構を構成している。

ここで、図５に示す各リンクを線画で示した模式図を用いて、膝ロックの原理について説明する。図５は、本実施の形態に関連する４節リンク（図４参照）の模式図である。歩行支援装置１は、側方から観察した場合（ピッチ軸方向視）、ユーザの膝が伸展している状態において、連結部２２、２３、２４の回転中心が略一直線に並ぶように構成されている（図５（ａ）参照）。言い換えると、ユーザが直立姿勢をとった場合に、連結部２２と連結部２４とを結ぶ直線（第１の補助リンク３１）と、連結部２３と連結部２４とを結ぶ直線（第２の補助リンク３２）と、がなす角が略１８０度となる。つまり、幾何学的に３節リンクと同等の構成となる。この状態において、膝連結部２１に外力トルクが作用しても、第１の補助リンク３１及び第２の補助リンク３２の長手方向に沿う力のみが作用する。つまり、第１の補助リンク３１及び第２の補助リンク３２に対して軸力は作用するが、モーメントは作用しない。その結果、第１の補助リンク３１及び第２の補助リンクは回転しないため、下腿リンク１２も回転しない。これにより、膝関節がロックされるため、膝折れを防止することができる。

勿論、膝ロック状態において、連結部２２、２３、２４の回転中心が厳密に一直線に並ばなくてもよいことは言うまでもない。例えば、連結部２２と連結部２４とを結ぶ直線と、連結部２３と連結部２４とを結ぶ直線とが、なす角が１８０±５度程度以内であればよい。なお、上記の膝関節のロックを実現するためには、図５に示した閉リンクが以下の条件を満たす必要がある。大腿リンク１１のリンク長をＬ１、下腿リンクのリンク長をＬ２、第１の補助リンクのリンク長をＬ３、第２の補助リンクのリンク長をＬ４とすると、Ｌ１＋Ｌ２＞Ｌ３＋Ｌ４、Ｌ２＞Ｌ３となる。

また、側方から観察した場合、連結部２２の回転中心と連結部２３の回転中心の少なくとも一方が、脚長手方向中心線よりも後方に位置している。これにより、下腿リンク１２が、膝屈曲方向に回転することができる（図５（ｂ）参照）。脚長手方向中心線とは、側方から観察した場合に、大腿については、股関節回転中心と膝関節回転中心と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とを結ぶ直線を意味する。

上記のように、膝関節が伸展状態において、膝連結部２１回りに外力トルクが作用しても下腿リンク１２は回転しない。一方、連結部２２において、アクチュエータ１５により第１の補助リンク３１にトルクが作用すると、第１の補助リンク３１は連結部２２回りに回転する。これにより、膝関節のロック状態は解除され、歩行動作を実現できる。

続いて、膝連結部２１の具体的な構成について図６（ａ）（ｂ）を参照して説明する。図６（ａ）は、膝関節が伸展状態における歩行支援装置１のリンク機構を示す図である。図６（ｂ）は、膝関節が屈曲状態における歩行支援装置１のリンク機構を示す図である。歩行支援装置１は、図６（ａ）（ｂ）に示すように、６節リンク機構を備えている。より詳細には、大腿リンク１１と下腿リンク１２とが、第１及び第２の補助リンク３１、３２に加えて、２本の補助リンク（第３の補助リンク３３及び第４の補助リンク３４）を介して連結されている。

第３の補助リンク３３の一端は、連結部２５で大腿リンク１１に対してピッチ軸回りに回転可能に連結されている。第３の補助リンク３３の他端は、連結部２８で下腿リンク１２に対してピッチ軸回りに回転可能に連結されている。第４の補助リンク３４の一端は、連結部２６で大腿リンク１１に対してピッチ軸回りに回転可能に連結されている。第４の補助リンク３４の他端は、連結部２７で下腿リンク１２に対してピッチ軸回りに回転可能に連結されている。

第３の補助リンク３３の一端と第４の補助リンク３４一端とは、大腿リンク１１上の異なる部分に連結されている。つまり、連結部２５と連結部２６の位置は異なっている。同様に、下腿リンク１２上の連結部２７と連結部２８との位置も異なっている。

第３の補助リンク３３と第４の補助リンク３４とは交差点４０において交差している。つまり、大腿リンク１１、下腿リンク１２、第３の補助リンク３３、及び第４の補助リンク３４とは、４節リンク機構を構成する。

図６（ａ）に示すように、第１の補助リンク３１と第２の補助リンク３２とがなす角が略１８０度の場合（つまり、膝関節が伸展状態の場合）、上述したように膝関節がロック状態となる。そのため、連結部２５〜２８（膝連結部２１）に外力トルクが作用しても、連結部２５〜２８は回転しない。

なお、図６（ａ）（ｂ）に示した６節リンク構成の場合、膝ロックが実現するための条件は、連結部２２から交差点４０までの距離と、交差点４０から連結部２３までの距離と、の和が、連結部２２から連結部２４までの距離と、連結部２３から連結部２４までの距離と、の和よりも大きく、交差点４０から連結部２３までの距離が、連結部２２から連結部２４までの距離より大きいことである。

また、第１の補助リンク３１と第２の補助リンク３２とがなす角（閉リンクの内角）が、１８０度を超えないような機構を備えてもよい。例えば、連結部２４において、第１の補助リンク３１と第２の補助リンク３２とのなす角が１８０度で係止される機構を設けてもよい。または、下腿リンク１２の一部を第１の補助リンク３１及び第２の補助リンク３２の少なくとも一方に当接させることにより、補助リンク３１と第２の補助リンク３２とのなす角が１８０度以上を超えないようにしてもよい。さらに、第１及び第２の補助リンク３１、３２を鉄等の磁性体により形成し、大腿リンク１１または下腿リンク１２に磁石を配置してもよい。これにより、磁石が第１の補助リンク３１または第２の補助リンク３２を引きつけるため、リンク機構の伸展状態への移行を補助することができる。

一方、図６（ｂ）に示すように、連結部２２が回転駆動した場合（つまり、膝関節が屈曲状態の場合）、第１の補助リンク３１の回転に伴って、第３の補助リンク３３及び第４の補助リンク３４も回転する。

ここで、膝連結部２１の４節リンクについて、図７を参照して詳細に説明する。図７は、膝連結部２１の各リンクを線画で示した模式図である。膝連結部２１において、第３の補助リンク３３と第４の補助リンク３４との交差点４０が、膝連結部２１の瞬間回転中心となる。そのため、側方から観察した際に、交差点４０がユーザの膝関節の瞬間回転中心と一致する位置に配置されることが好ましい。また、十字靭帯の長さは、ユーザの大腿骨や脛骨の形状等に応じて様々である。そのため、さらに好ましくは、第３の補助リンク３３及び第４の補助リンク３４の長さが、ユーザの十字靭帯の長さに応じた長さであるとよい。これにより、よりユーザの膝関節の構成に近いリンク機構となるため、歩行支援装置１を装着して歩行する際の違和感を低減することができる。

このとき、第１の補助リンク３１と第２の補助リンク３２とがなす角が略１８０度の状態（図６（ａ）参照）から、第１の補助リンク３１が回転した状態（図６（ｂ）参照）へ移行すると、大腿リンク１１及び下腿リンク１２に対する交差点４０の相対的な位置が変化する。より詳細には、膝関節が伸展状態から屈曲状態へ移行する場合、交差点４０の位置が、伸展状態における交差点４０の位置から上後方へ変化する（図７の破線矢印参照）。一方、膝関節が屈曲状態から伸展状態へ移行する場合、交差点４０の位置が、屈曲状態における交差点４０の位置から下前方へ変化するつまり、膝関節が伸展状態から屈曲状態へ（または屈曲状態から伸展状態へ）移行する際に、大腿リンク１１及び下腿リンク１２に対する瞬間回転中心の相対的な位置が移動する。

以上のように、本実施の形態にかかる歩行支援装置１は、大腿リンク１１、下腿リンク１２、及び第１〜第４の補助リンク３１〜３４を含む６節リンク機構を備える。大腿リンク１１と下腿リンク１２とは、第３及び第４の補助リンク３３、３４を介して回転可能に連結されている。第３の補助リンク３３と第４の補助リンク３４とは、交差している。そして、大腿リンク１１と下腿リンク１２とのなす角に応じて、大腿リンク１１及び下腿リンク１２に対する交差点の相対的な位置が変化する。つまり、大腿リンク１１及び下腿リンク１２の膝連結部２１の瞬間回転中心の相対的な位置が移動する。そのため、図に示した人間の膝関節と似たような機構となる。したがって、補助する大腿リンク１１及び下腿リンクの動作が、人間の歩行時のユーザの大腿及び下腿の動作に近い動作となる。その結果、歩行支援装置１を装着したユーザにかかる負担を軽減することができる。

さらに、上述したように、歩行支援装置の膝連結部の回転中心が固定されていると、膝連結部の回転中心と実際の膝関節の瞬間回転中心とは位置が異なってしまう。そのため、歩行支援装置の膝連結部において検出された関節角度と実際の膝関節の角度とが異なってしまい、適切な歩行支援が行われないおそれがある。加えて、膝連結部の回転中心と、膝関節の瞬間回転中心とが異なっていると、歩行時において、ユーザの脚部に固定されている歩行支援装置が外れてしまい、補助リンクが略１８０度にならず、膝ロックが実現できないおそれもある。しかしながら、本実施の形態にかかる歩行支援装置１の構成によれば、大腿リンク１１と下腿リンク１２とのなす角に応じて、大腿リンク１１及び下腿リンク１２に対する交差点の相対的な位置が変化する。そのため、上記のような問題も発生しない。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更及び組み合わせをすることが可能である。例えば、歩行支援装置１が有するリンク機構は６節リンク機構に限られず、６節以上であってもよい。

また、大腿リンク１１と下腿リンク１２とのなす角度に応じて、膝連結部２１の瞬間回転中心の大腿リンク１１及び下腿リンク１２に対する相対的な位置が移動可能であれば、膝連結部２１の機構は４リンク機構に限られるものではない。

１ 歩行支援装置
１１ 大腿リンク
１２ 下腿リンク
１３ 足裏載置部
１３ａ 載置部
１３ｂ アーム部
１４ 膝装着部
１４ａ アーチ
１５ アクチュエータ
２１ 膝連結部
２２〜２８ 連結部
３１ 第１の補助リンク
３２ 第２の補助リンク
３３ 第３の補助リンク
３４ 第４の補助リンク
４０ 交差点
９１ 大腿骨
９２ 脛骨
９３、９４ 十字靭帯
９５ 交点
１１１ 大腿保持部

Claims (6)

1. ユーザの大腿に装着される大腿リンクと、
   第１連結部を介して前記大腿リンクに対してピッチ軸回りに回転可能に連結され、前記ユーザの下腿に装着される下腿リンクと、
   一端が第２連結部を介して前記大腿リンクに対してピッチ軸回りに回転可能に連結された第１の補助リンクと、
   一端が第３連結部を介して前記下腿リンクに対してピッチ軸回りに回転可能に連結されると共に、他端が第４連結部を介して前記第１の補助リンクの他端に対してピッチ軸回りに回転可能に連結された第２の補助リンクと、を備え、
   前記第１連結部は、複数のリンクを有するリンク機構を有し、
   前記大腿リンク及び前記下腿リンクに対する前記第１連結部の瞬間回転中心の相対的な位置が、前記大腿リンクと前記下腿リンクとがなす角に応じて変化する歩行支援装置。
2. 前記リンク機構は、
   一端が前記大腿リンクに対してピッチ軸回りに回転可能に連結されると共に、他端が前記下腿リンクに対してピッチ軸回りに回転可能に連結された第３の補助リンクと、
   一端が前記大腿リンクに対してピッチ軸回りに回転可能に連結されると共に、他端が前記下腿リンクに対してピッチ軸回りに回転可能に連結された第４の補助リンクと、を備え、
   前記第３のリンクと前記第４のリンクとは交差している請求項１に記載の歩行支援装置。
3. 前記ユーザの膝が伸展状態から屈曲状態へ変化する場合、前記第３の補助リンクと前記第４の補助リンクとの交差点の位置が、前記伸展状態における前記交差点の位置から上後方へ変化する請求項２に記載の歩行支援装置。
4. 前記第２連結部から前記交差点までの距離と、前記交差点から前記第３連結部までの距離と、の和が、前記第２連結部から前記第４連結部までの距離と、前記第３連結部から前記第４連結部までの距離と、の和よりも大きく、
   前記交差点から前記第３連結部までの距離は、前記第２連結部から前記第４連結部までの距離より大きい請求項３に記載の歩行支援装置。
5. 前記ユーザの膝が伸びている状態で、ピッチ軸方向視における前記第１及び第２の補助リンクが略直線となる請求項１〜４のいずれか一項に記載の歩行支援装置。
6. 前記大腿リンクに対して前記第１の補助リンクをピッチ軸回りに回転させるアクチュエータをさらに備える請求項１〜５のいずれか一項に記載の歩行支援装置。

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