JP2013158346A - 歩行支援装置の初期設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】膝関節が伸展状態になったことを検出する検出センサを省略可能な歩行支援装置の初期設定方法を提供する。
【解決手段】歩行支援装置の初期設定方法は、セルフロック可能な４節リンク機構を備える歩行支援装置の初期設定方法であって、使用者の足裏荷重を検出する工程Ｓ１と、使用者の脚の姿勢を検出する工程Ｓ２と、膝関節における駆動手段（駆動モータ）の負荷トルクを検出する工程Ｓ５と、検出した使用者の足裏荷重と脚の姿勢、及び駆動手段の負荷トルクに基づいて、使用者の膝が伸展状態か否かを判定する工程Ｓ６と、判定の結果に基づいて、膝関節に設けられる膝軸角度検出手段（角度検出センサ）を初期化する工程Ｓ９と、を備える。
【選択図】図１１

Description

本発明は、歩行支援装置の初期設定方法に関し、例えばセルフロック可能な４節リンク機構を備える歩行支援装置の初期設定方法に関する。

近年、特許文献１に開示されているように、使用者の腿部に装着され、当該使用者の歩行を支援する歩行支援装置が種々開発されている。
このような歩行支援装置は、膝関節の角度を検出するために、角度検出センサを備えているものがある。角度検出センサは、膝関節が伸展した状態で初期化（即ち、原点の再設定）が行われるが、その際、膝関節が伸展状態になったことを検出する検出センサが用いられる。

特開２００７−３０７２１６号公報

従来の歩行支援装置は、検出センサを用いて角度検出センサの初期化を行っているため、検出センサを配置するスペースが必要である。また、検出センサを搭載しているため、その分、重量が増す。

本発明の目的は、このような問題を解決するためになされたものであり、膝関節が伸展状態になったことを検出する検出センサを省略可能な歩行支援装置の初期設定方法を提供することである。

本発明の一形態に係る歩行支援装置の初期設定方法は、セルフロック可能な４節リンク機構を備える歩行支援装置の初期設定方法であって、使用者の足裏荷重を検出する工程と、使用者の脚の姿勢を検出する工程と、膝関節における駆動手段の負荷トルクを検出する工程と、検出した前記使用者の足裏荷重と脚の姿勢、及び前記駆動手段の負荷トルクに基づいて、前記使用者の膝が伸展状態か否かを判定する工程と、前記判定の結果に基づいて、前記膝関節に設けられる膝軸角度検出手段を初期化する工程と、を備える。

以上、説明したように、本発明によると、膝関節が伸展状態になったことを検出する検出センサを省略可能な歩行支援装置の初期設定方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る歩行支援装置の使用形態を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る歩行支援装置の使用形態を概略的に示す正面図である。 本発明の実施の形態に係る歩行支援装置の使用形態を概略的に示す側面図である。 本発明の実施の形態１に係る歩行支援装置における、制御系の構成ブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る歩行支援装置を示す側面図である。 ４節リンク機構を説明するための図である。 ４節リンク機構における、使用者が歩行支援装置を装着した直後の状態を示す図である。 ４節リンク機構における、起立アシストにより起立状態に移行中の状態を示す図である。 膝軸角度と負荷トルクとの関係を示す図である。 ４節リンク機構における、セルフロック状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る歩行支援装置の初期設定方法を示すフローチャート図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、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。

＜実施の形態１＞
先ず、本実施の形態の歩行支援装置の基本的な構成を説明する。歩行支援装置は、図１乃至図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。この歩行支援装置１は、図１乃至図４に示すように、上側のリンク２、下側のリンク３、足裏載置部４、膝装着部５、駆動部６、腰装着部７、荷重検出センサ８、角度検出センサ９、姿勢検出センサ１０、判定部１１、制御部１２を備えている。

上側のリンク２は、使用者の上腿部の側部に配置される。本実施の形態の上側のリンク２は、使用者の上腿部の左右両側部にそれぞれ配置されており、使用者の前方に向かって延在している。上側のリンク２の上端部は、上腿保持部１３の側部に連結されている。上側のリンク２の下端部は、下側のリンク３に回転可能に連結されている。ちなみに、上側のリンク２と下側のリンク３との連結部は、使用者の膝の高さ位置近傍に配置されるように設定されることが好ましい。

ここで、上腿保持部１３は、板状部材であって、使用者の上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使用者の上腿部に接触させる。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。

下側のリンク３は、使用者の下腿部における脛部分の側部に配置される。本実施の形態の下側のリンク３は、使用者の脛部分の左右両側部にそれぞれ配置される。下側のリンク３の上端部は、上側のリンク２の下端部に回転可能に連結されている。下側のリンク３の下端部は、足裏載置部４に回転可能に連結されている。

足裏載置部４は、使用者の足を支持する。本実施の形態の足裏載置部４は、載置部４ａ、アーム４ｂを備えている。載置部４ａは板状部材であって、使用者の足裏が載置される。載置部４ａには、荷重検出センサ８が設けられている。アーム４ｂは、載置部４ａを下側のリンク３に連結する。つまり、アーム４ｂは使用者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４ｂの上端部は、下側のリンク３の下端部に回転可能に連結されている。アーム４ｂの下端部は、載置部４ａの側部に連結されている。これにより、使用者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５は、アーチ５ａ、図示を省略したビンディングを備えている。アーチ５ａは、左右の上側のリンク２と下側のリンク３との連結部相互を連結する。ビンディングは、アーチ５ａに設けられている。ビンディングは、アーチ５ａを使用者の膝に固定する。ビンディングは、アーチ５ａを使用者の膝に固定できる構成であれば特に限定しないが、例えば使用者の膝に着脱可能なバンドを含む。

駆動部６は、上側のリンク２と下側のリンク３との連結部に駆動力を伝達する。つまり、駆動部６は、膝関節を駆動する。駆動部６は、駆動モータ６ａ、減速機６ｂを備えている。駆動モータ６ａは、制御部１２の制御信号に基づいて駆動する。駆動モータ６ａの駆動力は、減速機６ｂに入力される。ここで、駆動モータ６ａは、例えば当該駆動モータ６ａに供給されている電流値を示す信号を判定部１１に出力する。

減速機６ｂは、駆動モータ６ａから入力される駆動力を増幅して上側のリンク２と下側のリンク３との連結部の回転軸に伝達する。これにより、下側のリンク３が上側のリンク２に対して使用者の前後方向に回転駆動する。

腰装着部７は、ベルト７ａ、収納ボックス７ｂを備えている。ベルト７ａは、使用者の腰に着脱可能な構成とされている。収納ボックス７ｂは、ベルト７ａに設けられている。収納ボックス７ｂには、駆動部６等の電源であるバッテリ（図示を省略）、姿勢検出センサ１０、判定部１１及び制御部１２等が搭載されている制御基板が収納されている。収納ボックス７ｂに収納されているバッテリ及び制御基板は、駆動モータ６ａ、及び荷重検出センサ８、角度検出センサ９、姿勢検出センサ１０に配線１４を介して接続されている。

荷重検出センサ８は、使用者の足裏に作用する荷重を検出する。荷重検出センサ８としては、一般的な荷重検出センサを用いることができる。使用者の歩行に伴って、使用者の足裏から足裏載置部４の載置部４ａに伝達される荷重は増加したり、減少したりするが、荷重検出センサ８は当該荷重を検出して、この検出値を示す信号を判定部１１及び制御部１２に出力する。ここで、載置部４ａに作用する荷重は、使用者の足裏に作用する荷重として扱うことができる。

角度検出センサ９は、上側のリンク２と下側のリンク３との連結部に設けられており、上側のリンク２に対する下側のリンク３の回転角度を検出する。角度検出センサ９は、検出信号を制御部１２に出力する。ここで、上側のリンク２に対する第２のリンク３の回転角度は、使用者の膝の屈曲角度として扱うことができる。

姿勢検出センサ１０は、地面に対する上側のリンク２の角度を検出し、検出信号を判定部１１及び制御部１２に出力する。ここで、地面に対する上側のリンク２の回転角度は、地面に対する使用者の上腿部の角度、即ち使用者の脚の姿勢として扱うことができる。

判定部１１は、詳細は後述するが、荷重検出センサ８、姿勢検出センサ１０から入力される検出信号、及び駆動モータ６ａから入力される当該駆動モータ６ａに供給されている電流値を示す信号に基づいて、使用者の膝が伸展状態か否かを判定し、判定結果に基づいて角度検出センサ９の初期化を制御部１２に促す。

制御部１２は、荷重検出センサ８、角度検出センサ９及び姿勢検出センサ１０から入力される検出信号に基づいて、駆動部６の駆動モータ６ａを制御する制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて使用者の歩行を支援するように駆動モータ６ａを制御する。また、制御部１２は、判定部１１から入力される初期化信号に基づいて、角度検出センサ９の原点を再設定する。なお、本実施の形態においては、制御部１２の駆動モータ６ａの制御は本質的部分ではないので、説明を省略するが、一般的な歩行支援装置と同様に実施することができる。

上記した構成を基本として、本実施の形態の歩行支援装置１の膝関節は、図５等に示すように、４節リンク機構１５を備えている。但し、図５に示す歩行支援装置１は、図１等に示した構成と異なり、腰装着部７等を省略している。

４節リンク機構１５は、上側のリンク２と下側のリンク３との連結部（膝関節）に配置されている。４節リンク機構１５は、図６に示すように、第１のリンク１５１、第２のリンク１５２、第３のリンク１５３、第４のリンク１５４、ストッパー１５５を備えている。

第１のリンク１５１は、上側のリンク２と連結されている。本実施の形態の第１のリンク１５１は、上側のリンク２の下端部が連結される突出片１５１ａを備えており、突出片１５１ａに上側のリンク２の下端部が連結される。

第１のリンク１５１の一方の端部は、第２のリンク１５２の一方の端部に回転可能に連結されている。本実施の形態では、当該連結部の回転軸１５６が歩行支援装置１の膝軸とされる。ここで、膝軸と駆動モータ６ａの回転角度とは比例関係となる。

第１のリンク１５１の他方の端部は、第３のリンク１５３の一方の端部に回転可能に連結されている。本実施の形態では、第３のリンク１５３の一方の端部に駆動部６からの駆動力が伝達される。

第２のリンク１５２は、下側のリンク３と連結されている。本実施の形態の第２のリンク１５２は、図６に示すように、下側のリンク３の上端部が連結される突出片１５２ａを備えており、突出片１５２ａに下側のリンク３の上端部が連結される。

また、第２のリンク１５２は、膝装着部５のアーチ５ａに連結されている。本実施の形態の第２のリンク１５２は、アーチ５ａの側部が連結される突出片１５２ｂを備えており、突出片１５２ｂにアーチ５ａの側部が連結される。

第２のリンク１５２の他方の端部は、第４のリンク１５４の一方の端部に回転可能に連結されている。
第３のリンク１５３の他方の端部は、第４のリンク１５４の他方の端部に回転可能に連結されている。

つまり、第１のリンク１５１及び第２のリンク１５２で膝関節を構成し、第３のリンク１５３及び第４のリンク１５４で補助リンクを構成している。

ここで、各リンクは、以下の関係を満たしている。第１のリンク１５１の長さＬ１と第２のリンク１５２の長さＬ２との和が、第３のリンク１５３の長さＬ３と第４のリンク１５４の長さＬ４との和より長く、且つ第２のリンク１５２の長さＬ２が第３のリンク１５３の長さＬ３より長い。

このような関係を満たすことにより、使用者の膝が伸展状態で、補助リンクを成す第３のリンク１５３と第４のリンク１５４とが一直線上、即ち第３のリンク１５３と第４のリンク１５４とが折り返し点に配置されるように設定すると、使用者の膝が伸展した状態で４節リンク機構１５はセルフロック状態となる。

そのため、第３のリンク１５３と第４のリンク１５４とが一直線上に配置されると、使用者の膝が伸展状態であると判定し、この状態で角度検出センサ９の初期設定を行うと、４節リンク機構１５はセルフロック状態であるので、使用者の膝が不安定になることがなく、使用者が安定した状態で角度検出センサ９の初期設定を行うことができる。

ストッパー１５５は、図６に示すように、第３のリンク１５３と第４のリンク１５４との折り返し動作後の第３のリンク１５３と第４のリンク１５４との回転を拘束する。本実施の形態のストッパー１５５は、第３のリンク１５３と第４のリンク１５４とが一直線上に配置された後、さらに第３のリンク１５３と第４のリンク１５４とが成す角度θ１が大きくなる方向側に、第３のリンク１５３と第４のリンク１５４とが所定の角度以上回転すると、以後の回転を拘束するように配置されている。

つまり、第３のリンク１５３と第４のリンク１５４とが一直線上となる配置状態を超え、第３のリンク１５３と第４のリンク１５４とが成す角度θ１が１８０°を超えた配置状態で、膝の屈曲方向側に外力が生じると、第３のリンク１５３と第４のリンク１５４とが成す角度θ１が大きくなる方向側に、第３のリンク１５３と第４のリンク１５４とが回転する。そこで、このような第３のリンク１５３と第４のリンク１５４との回転領域側にストッパー１５５を配置している。

ここで、上述した各リンクの関係を満たすことにより、４節リンク機構１５は、第３のリンク１５３と第４のリンク１５４との折り返し点近傍において、駆動モータ６ａを駆動させても殆ど膝軸が回転しない状態を作り出すことができる。

例えば、使用者が歩行支援装置１を装着した直後の状態である図７の状態から、起立アシストにより起立状態に移行中の状態である図８の状態においては、図９のＡ部分に示すように、駆動モータ６ａの負荷トルクが変動する。そして、図８の状態から、４節リンク機構１５がセルフロック状態となった図１０の状態では、図９のＢ部分に示すように、駆動モータ６ａを駆動させても負荷トルクは殆ど０である。

そのため、本実施の形態では、上述のように４節リンク機構１５がセルフロック状態となると、駆動モータ６ａの負荷トルクが殆ど０となる特性を用いて、角度検出センサ９の再設定を行う。以下に、角度検出センサ９の初期設定方法を図１１に基づいて説明する。なお、本実施の形態の初期設定方法は、使用者が起立動作を開始することを前提とする。

先ず、使用者が電源スイッチをＯＮし、自ら起立動作を開始する。このとき、荷重検出センサ８は、使用者の足裏に作用する荷重を検出し、検出信号を判定部１１に出力する（Ｓ１）。それと共に、姿勢検出センサ１０は、地面に対する上側のリンク２の角度を検出し、検出信号を判定部１１に出力する（Ｓ２）。

判定部１１は、入力される検出信号に基づいて、使用者の足裏に作用する荷重を算出し、当該荷重が着地判定荷重閾値より大きいか否かを判定する（Ｓ３）。また、判定部１１は、入力される検出信号に基づいて、地面に対する上側のリンク２の角度を算出し、当該角度が起立判定閾値より大きいか否かを判定する。判定部１１は、Ｓ３において２つの条件を共に満たしていると判定すると、制御部１２に起立アシストの指示信号を出力する（Ｓ３のＹＥＳ）。

一方、判定部１１は、Ｓ３において２つの条件を共に満たしていないと判定すると、Ｓ１の工程に戻る（Ｓ３のＮＯ）。

制御部１２は、判定部１１から起立アシストの指示信号が入力されると、駆動モータ６ａを制御するための制御信号を生成し、駆動モータ６ａに出力する（Ｓ４）。駆動モータ６ａは、当該制御信号に基づいて、歩行支援装置１の膝関節が伸展するように動作する。

このとき、判定部１１は、駆動モータ６ａから入力される当該駆動モータ６ａに供給されている電流値を示す信号に基づいて、駆動モータ６ａの負荷トルクを算出する（Ｓ５）。

そして、判定部１１は、算出した駆動モータ６ａの負荷トルクが０に略等しい（例えば、予め設定された閾値より小さい）か否かを判定する（Ｓ６）。つまり、上述のように膝関節が伸展した状態では、４節リンク機構１５はセルフロック状態であり、駆動モータ６ａの負荷トルクは殆ど０となるので、この特性を利用して、膝関節が伸展した状態か否かを判定する。

判定部１１は、算出した駆動モータ６ａの負荷トルクが予め設定された閾値以上であると（Ｓ６のＮＯ）、Ｓ５の工程に戻る。

一方、判定部１１は、算出した駆動モータ６ａの負荷トルクが予め設定された閾値より小さいと（Ｓ６のＹＥＳ）、荷重検出センサ８から検出信号を取得し、当該検出信号に基づいて使用者の足裏に作用している荷重を算出する（Ｓ７）。

そして、判定部１１は、算出した使用者の足裏に作用している荷重が着地判定荷重閾値より大きいか否かを判定する（Ｓ８）。これにより、使用者の足裏が確実に着地していることを確認することができる。なお、Ｓ８の工程は省略しても良い。

判定部１１は、算出した使用者の足裏に作用している荷重が着地判定荷重閾値以下であると（Ｓ８のＮＯ）、Ｓ５の工程に戻る。

一方、判定部１１は、算出した使用者の足裏に作用している荷重が着地判定荷重閾値より大きいと（Ｓ８のＹＥＳ）、使用者の脚が地面に着地した状態で、膝関節が伸展状態であると判定し、制御部１２に初期化信号を出力する。

そして、制御部１２は、入力された初期化信号に基づいて、角度検出センサ９の原点情報を再設定する（Ｓ９）。

以上のように、本実施の形態の歩行支援装置の初期設定方法は、歩行支援装置の膝関節が伸展した状態では、４節リンク機構１５がセルフロック状態であり、駆動モータ６ａの負荷トルクは殆ど０となるので、この特性を利用して、歩行支援装置の膝関節が伸展した状態か否かを判定し、判定結果に基づいて角度検出センサ９を再設定する。このとき、駆動モータ６ａの負荷トルクは、例えば駆動モータ６ａに供給している電流値や電圧値等によって取得することができるので、歩行支援装置の膝関節が伸展状態か否かを判定するための新たなセンサを設ける必要が無い。そのため、歩行支援装置の小型化及び軽量化に寄与できる。しかも、配線等を少なくすることができ、歩行支援装置の構成を簡略化できる。

以上、本発明に係る歩行支援装置の初期設定方法の実施の形態を説明したが、上記に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

１ 歩行支援装置
２ 上側のリンク
３ 下側のリンク
４ 足裏載置部、４ａ 載置部、４ｂ アーム
５ 膝装着部、５ａ アーチ
６ 駆動部、６ａ 駆動モータ、６ｂ 減速機
７ 腰装着部、７ａ ベルト、７ｂ 収納ボックス
８ 荷重検出センサ
９ 角度検出センサ
１０ 姿勢検出センサ
１１ 判定部
１２ 制御部
１３ 上腿保持部
１４ 配線
１５ ４節リンク機構
１５１ 第１のリンク、１５１ａ 突出片
１５２ 第２のリンク、１５２ａ 突出片、１５２ｂ 突出片
１５３ 第３のリンク
１５４ 第４のリンク
１５５ ストッパー
１５６ 回転軸

Claims (1)

1. セルフロック可能な４節リンク機構を備える歩行支援装置の初期設定方法であって、
   使用者の足裏荷重を検出する工程と、
   使用者の脚の姿勢を検出する工程と、
   膝関節における駆動手段の負荷トルクを検出する工程と、
   検出した前記使用者の足裏荷重と脚の姿勢、及び前記駆動手段の負荷トルクに基づいて、前記使用者の膝が伸展状態か否かを判定する工程と、
   前記判定の結果に基づいて、前記膝関節に設けられる膝軸角度検出手段を初期化する工程と、
   を備える歩行支援装置の初期設定方法。

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