JP2014090799A

JP2014090799A - 歩行運動補助装置

Info

Publication number: JP2014090799A
Application number: JP2012241939A
Authority: JP
Inventors: Ken Yasuhara; 謙安原; Yosuke Endo; 洋介遠藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2014-05-19
Anticipated expiration: 2032-11-01
Also published as: JP6017267B2

Abstract

【課題】
装着者の歩行運動を補助する際、この装着者の一方の脚体の運動状態に鑑みて他方の脚体の運動の円滑化を図ることができる装置を提供する。
【解決手段】
本発明の歩行運動補助装置は、装着者Ｐの脚体に装着されるように構成されている装具１１２と、装具１１１に動力を伝達するように構成されているアクチュエータ１２と、アクチュエータ１２の動作を制御するように構成されている制御装置１４とを備え、制御装置１４が、脚体の立脚期間における補助力または仕事が、第１指定期間において最大値または極大値を示すようにアクチュエータ１２の動力の時間変化態様を制御するように構成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、装着者の歩行運動を補助する装置に関する。

動物（装着者）に作用させる補助力により当該動物（装着者）の円滑な歩行運動を促すため、歩行運動周期における当該補助力の強弱を制御する技術的手法が提案されている（特許文献１参照）。

具体的には、脚体の着床状態かつ伸展運動状態において当該脚体の伸展運動が比較的強い力で補助され、その結果としてこの脚体が比較的強い床反力を受ける。この床反力が着床状態の脚体を介して胴体に伝わることにより、胴体の前方への並進が促される。さらに、脚体が補助力によって着床状態において伸張されたことによる反射（伸張反射）により、この着床状態に続く離床状態において当該脚体の屈曲運動（前方運動）が促される。したがって、動物(装着者)の着床状態の脚体の伸展運動（後方運動）のみならず、離床状態の脚体の円滑な屈曲運動（前方運動）を促すようにこの動物(装着者)の周期的な歩行運動が補助される。

特許第４２７１７１３号公報

しかし、装着者の左右対をなす脚体のそれぞれの運動の連関性の観点からは歩行運動補助の態様になおも改良の余地が残されている。

そこで、本発明は、装着者の歩行運動を補助する際、この装着者の一方の脚体の運動状態に鑑みて他方の脚体の運動の円滑化を図ることができる装置を提供することを解決課題とする。

本発明は、装着者の脚体に装着されるように構成されている装具と、前記装具に動力を伝達するように構成されているアクチュエータと、前記アクチュエータの動作を制御するように構成されている制御装置とを備え、前記装具を介して前記アクチュエータの動力を前記装着者に作用させることにより前記装着者の歩行運動を補助する装置に関する。

本発明の歩行運動補助装置は、前記制御装置が、前記脚体の立脚期間における補助力または仕事が、当該脚体が伸展運動を開始してからその姿勢が基本前額面の姿勢に一致するまでの期間である第１指定期間において最大値または極大値を示すように前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成されていることを特徴とする。

本発明の歩行運動補助装置によれば、装着者の左右対をなす脚体のうち一方の脚体の第１指定期間（立脚期間の初期または前期）において、当該一方の脚体に作用する床反力に由来する胴体の並進が立脚期間の他の期間と比較して大きく促される。一方の脚体の第１指定期間は、他方の脚体が立脚状態から遊脚状態に遷移する時点の直前および直後の少なくとも一方の期間に重複しているので、この胴体の並進に追従するように当該他方の脚体の円滑な離床および屈曲運動の開始が促される。その結果、一方の脚体の運動状態に鑑みて、他方の脚体の運動の円滑化が図られる。

なお、アクチュエータの動力の時間変化態様を制御することで、装着者の姿勢を変更することができ、ひいては装着者の着地位置と重心位置の関係を変更することができる。

装着者の脚体の屈曲や伸展といった動作のタイミングに合わせて重心と着地位置の相対位置関係を変えることによって床反力が作用する方向を変更し推進力が自然に発生する位置関係へ導くことができる。これにより、装着者自身に大きな踏力を必要としなくとも推進力を発生し歩行の円滑化が図られる。

本発明の歩行運動補助装置は、左右対をなす両方の脚体に補助力を作用させるように構成されていてもよく、一方の脚体には補助力を作用させるのに対して、他方の脚体には装置由来の力を作用させないように構成されていてもよい。装置由来の力には、補助力のほか、アクチュエータを構成する動力伝達機構の部材間の摩擦に由来する力も含まれる。

前記制御装置が、前記脚体の立脚期間における補助力または仕事が、前記第１指定期間において最大値または極大値を示した後、当該立脚期間が終了するまでに所定値に漸近または収束してから前記所定値に維持されるように前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成されていることが好ましい。

当該構成の歩行運動補助装置によれば、一方の脚体の立脚期間の後期、すなわち、他方の脚体の立脚期間または第１指定期間の開始直前または直後に、当該一方の脚体はアクチュエータの動作に束縛されずに運動可能な状態となる。このため、歩行運動補助装置が両方の脚体に補助力を作用させるように構成されている場合、他方の脚体の第１指定期間において、前記のように胴体の並進が比較的大きく促進されたことに追従して、当該一方の脚体の円滑な離床および屈曲運動の開始が促される。その結果、一方の脚体の運動状態に鑑みて、他方の脚体の運動の円滑化が図られる。

前記制御装置が、前記装着者の左右対をなす脚体のそれぞれの立脚期間の重複期間がゼロに近づくように、前記第１指定期間における補助力または仕事の最大値または極大値を調節するように構成されていることが好ましい。

当該構成の歩行運動補助装置によれば、胴体の並進に伴う脚体の離床動作の追従性が左右非対称または装着者の個体差等に由来して異なっていても、両方の脚体が立脚状態である両脚支持期間の一律的な短縮が図られる。このため、一方の脚体の第１指定期間において、他方の脚体の離床が遅れたために、当該他方の脚体がひきずられるような事態が回避される。その結果、一方の脚体の運動状態に鑑みて、他方の脚体の運動の円滑化が図られる。

前記制御装置が、前記脚体の遊脚期間における補助力または仕事が、当該脚体が屈曲運動状態から伸展運動状態に遷移してから立脚状態になるまでの期間である第２指定期間において最大値または極大値を示すように前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成されていることが好ましい。

当該構成の歩行運動補助装置によれば、一方の脚体の第２指定期間において、当該一方の脚体に作用する床反力に由来する胴体の並進が遊脚期間の他の期間と比較して大きく促される。これにより、一方の脚体の第２指定期間に連続する第１指定期間の開始直後において当該一方の脚体に作用する床反力の増大が図られ、当該第１指定期間における前記のような胴体の並進がさらに大きく促進され、他方の脚体の円滑な離床および屈曲運動の開始がさらに促進される。その結果、一方の脚体の運動状態に鑑みて、他方の脚体の運動の円滑化が図られる。

本発明の一施形態としての歩行運動補助装置の構成説明図。制御装置の構成説明図。歩行運動状態の遷移に関する説明図。補助力の時間変化態様に関する説明図。実験結果１（実施例１）に関する説明図。実験結果２（実施例２）に関する説明図。実験結果３（実施例３）に関する説明図。実験結果４（比較例）に関する説明図。

（構成）
本発明の一実施形態としての図１に示されている歩行運動補助装置１０は、装着者としての人間Ｐの胴体に装着される第１装具１１１と、人間Ｐの各脚体に装着される第２装具１１２と、アクチュエータ１２と、アクチュエータ１２の動作を制御するように構成されている制御装置１４と、股関節角度センサ１４２と、バッテリ１６と、を備えている。

歩行運動補助装置１０は、制御装置１４の構成を除き、前記特許文献１に記載されている装置とほぼ同様の構成を有するので、当該同様の構成に関する説明を省略する。歩行運動補助装置１０は、第１装具１１１および第２装具１１２を介して、バッテリ１６を電源とするアクチュエータ１２の動力を人間Ｐに作用させることにより、当該人間Ｐの歩行運動を補助するように構成されている。

図２に示されている制御装置１４はコンピュータにより構成され、アクチュエータ１２の動作、ひいては人間Ｐに作用させる補助力の制御処理を実行するように構成されている。制御装置１４が所定の演算処理を実行するように構成されているとは、制御装置１４を構成する演算処理装置（ＣＰＵ）が、記憶装置（メモリ）から必要なデータおよびアプリケーションソフトウェアを読み取り、当該ソフトウェアにしたがって当該所定の演算処理を実行するようにプログラムされていることを意味する。

脚体等の左右を区別するために符号「Ｌ」および「Ｒ」を用いるが、左右を区別する必要がない場合や左右成分を有するベクトルを表現する場合には当該符号を省略する。また、脚体（具体的には大腿部）の屈曲運動（前方運動）および伸展運動（後方運動）を区別するために符号「＋」および「−」を用いる。

装着者が四足動物である場合、左右の前脚および左右の後脚のうち一方または両方についても、人間Ｐの左右の脚体の運動補助方法が適用されうる。

（機能）
歩行運動補助装置１０を装着した状態で人間Ｐが歩行運動することにより、図３に示されているように各歩行運動周期における当該人間Ｐの歩行運動状態が遷移する。

具体的には、ｔ＝ｔ０において、右脚体（黒）が遊脚状態から立脚状態に遷移する。ｔ＝ｔ１において、右脚体が立脚状態において伸展運動することによりその姿勢が基準前額面（破線）に一致する。ｔ＝ｔ２において、右脚体が立脚状態においてさらに伸展運動することによりその姿勢が基準前額面より後側に変化する。ｔ＝ｔ３において、左脚体（白）が遊脚状態において屈曲運動を終える。ｔ＝ｔ４において、左脚体が遊脚状態において伸展運動しながら立脚状態に遷移する。ｔ＝ｔ５において、左脚体が立脚状態において伸展運動することによりその姿勢が基準前額面（破線）に一致する。ｔ＝ｔ６において、左脚体が立脚状態においてさらに伸展運動することによりその姿勢が基準前額面より後側に変化する。そして、ｔ＝ｔ７において、右脚体が遊脚状態において屈曲運動を終える。その後、ｔ＝ｔ８においてｔ＝ｔ０と同様の状態が再現される。

期間ｔ＝ｔ０〜ｔ４が「立脚期間」に相当し、その他の期間が「遊脚期間」に相当する。立脚期間の前期ｔ＝ｔ０〜ｔ１が「第１指定期間」に相当し、遊脚期間の後期ｔ＝ｔ７〜ｔ８が「第２指定期間」に相当する。

股関節角度センサ１４２から、対応する股関節角度φを表わす信号が出力され、制御装置１４に入力される。股関節角度φは、人間Ｐを矢状面の法線方向から見た場合に、基本前額面を表わす直線線分と、大腿部を表す直線線分とがなす角度として定義される。股関節角度φは、大腿部が基本前額面より前側にある場合は正（＋）である一方、大腿部が基本前額面より後側にある場合は負（−）であると定義される。右股関節角度φ_R（ｔ）は、たとえば図４に実線で示されているように時間変化する。

横軸における複数の時点ｔ０〜ｔ８のそれぞれは、図３に示されている歩行運動状態のそれぞれに対応している。各時点ｔ＝ｔ０〜ｔ８の相互の時間間隔は、図示した縮尺と相違していてもよい。

制御装置１４は、股関節角度φ（ｔ）に基づき、所定のアルゴリズムｆにしたがって補助力Ｔ（ｔ）＝ｆ（φ（ｔ））を設定し、かつ、当該補助力Ｔ（ｔ）に応じて、バッテリ１６からアクチュエータ１２に対する供給電力Ｅ（ｔ）＝ｇ（Ｔ（ｔ））を制御する。所定のアルゴリズムは、股関節角度φ_kに基づいて補助力Ｔ_k＝ｆ（φ_k）が一義的に定められるような計算式またはテーブルなどにより定義され、制御装置１４を構成する記憶装置に保存されている。補助力Ｔは、たとえば図４に一点鎖線または二点鎖線で示されているように流動的に設定される。アルゴリズムｆは、たとえば前記特許文献１に記載されているように、振動子を補助力Ｔの生成基礎とするアルゴリズムが採用されてもよい。

制御装置１４は、股関節角度φ（ｔ）の時間変化態様に基づき、各脚体の屈曲運動状態および伸展運動状態の別、ならびに、立脚状態および遊脚状態の別が判定される。各足底に接触センサが設けられ、当該接触センサから出力される、当該足底と床との接触の有無に応じた信号に基づいて各脚体の立脚状態および遊脚状態の別が判定されてもよい。第１装具１１１に加速度センサが設けられ、当該加速度センサから出力される、人間Ｐの鉛直方向の加速度に応じた信号の時間変化態様に基づいて各脚体の立脚状態および遊脚状態の別が判定されてもよい。

具体的には、右脚体の立脚期間ｔ＝ｔ０〜ｔ４における補助力Ｔ_Rが、当該右脚体が伸展運動を開始してからその姿勢が基本前額面の姿勢に一致するまでの期間である第１指定期間ｔ＝ｔ０〜ｔ１において最大値または極大値を示すように制御される（一点鎖線および二点鎖線参照）。たとえば、人間の歩行運動の円滑化または高速化の観点から、補助力Ｔ_Rが、第１指定期間のうち初期または前期ｔ＝ｔ０＋０．２（ｔ１−ｔ０）〜ｔ０＋０．５（ｔ１−ｔ０）において最大値または極大値を示すように制御されてもよい。

右脚体の立脚期間ｔ＝ｔ０〜ｔ４における補助力Ｔ_Rが、第１指定期間ｔ＝ｔ０〜ｔ１において最大値または極大値を示した後、当該立脚期間が終了するまでの期間ｔ＝ｔ３〜ｔ４において所定値（例えばゼロ）に漸近または収束してから当該所定値（例えばゼロ）に維持される（一点鎖線および二点鎖線参照）。

右脚体の遊脚期間ｔ＝ｔ４〜ｔ８における補助力Ｔ_Rが、当該右脚体が屈曲運動状態から伸展運動状態に遷移してから立脚状態になるまでの期間である第２指定期間ｔ＝ｔ７〜ｔ８において最大値または極大値を示すように制御される（一点鎖線参照）。その他の実施形態として、右脚体の遊脚期間ｔ＝ｔ４〜ｔ８における補助力Ｔ_Rが、第２指定期間ｔ＝ｔ７〜ｔ８において徐々に増大するように制御される（二点鎖線参照）。

左脚体の補助力Ｔ_L（ｔ）も、右脚体の補助力Ｔ_R（ｔ）と同様に制御される。ここで、左右脚体のそれぞれの立脚期間の重複期間がゼロに近づくように、第１指定期間における補助力Ｔ_L（ｔ）およびＴ_R（ｔ）のうち一方または両方の最大値または極大値が調節される。

補助力Ｔに代えて、仕事（補助力（トルク）と股関節角度の変化量との積）が、前記の態様にしたがって時間変化するように制御されてもよい。

（効果）
脚体の立脚期間における補助力Ｔが「第１指定期間」において最大値または極大値を示すように制御される（図４のｔ＝ｔ０〜ｔ１における一点鎖線および二点鎖線参照）。これにより、一方の脚体の第１指定期間（立脚期間の初期または前期）において、当該一方の脚体に作用する床反力に由来する胴体の並進が立脚期間の他の期間と比較して大きく促される。一方の脚体の第１指定期間は、他方の脚体が立脚状態から遊脚状態に遷移する時点の直前および直後の少なくとも一方の期間に重複しているので、この胴体の並進に追従するように当該他方の脚体の円滑な離床および屈曲運動の開始が促される。

脚体の立脚期間における補助力Ｔが「第１指定期間」において最大値または極大値を示した後、当該立脚期間が終了するまでゼロに維持される（図４のｔ＝ｔ３〜ｔ４における一点鎖線および二点鎖線参照）。これにより、一方の脚体の立脚期間の後期、すなわち、他方の脚体の立脚期間の開始直前または直後に、当該一方の脚体はアクチュエータ１２の動作に束縛されずに運動可能な状態となる。このため、他方の脚体の第１指定期間において、前記のように胴体の並進が比較的大きく促進されたことに追従して、当該一方の脚体の円滑な離床および屈曲運動の開始が促される。

脚体の遊脚期間における補助力が「第２指定期間」において最大値または極大値を示すよう制御される（図４のｔ＝ｔ７〜ｔ８における一点鎖線参照）。これにより、一方の脚体の第２指定期間において、当該一方の脚体に作用する床反力に由来する胴体の並進が遊脚期間の他の期間と比較して大きく促される。これにより、一方の脚体の第２指定期間に連続する第１指定期間の開始直後において当該一方の脚体に作用する床反力の増大が図られ、当該第１指定期間における前記のような胴体の並進がさらに大きく促進され、他方の脚体の円滑な離床および屈曲運動の開始がさらに促進される。

脚体のそれぞれの立脚期間の重複期間がゼロに近づくように、第１指定期間における補助力の最大値または極大値が調節される。これにより、胴体の並進に伴う脚体の離床動作の追従性が左右非対称または装着者の個体差等に由来して異なっていても、両方の脚体が立脚状態である両脚支持期間の一律的な短縮が図られる。このため、一方の脚体の第１指定期間において、他方の脚体の離床が遅れたために、当該他方の脚体がひきずられるような事態が回避される。

（実験結果）
図５〜図８のそれぞれには、股関節角度φ（ｔ）と補助力Ｔ（ｔ）との時間変化態様に関する実験結果１〜４のそれぞれが示されている。実験結果１〜４のそれぞれは、（１）左脚体の補助力Ｔ_Lと左股関節角度φ_Lとの目標位相差δ_L、（２）右脚体の補助力Ｔ_Rと右股関節角度φ_Rとの目標位相差δ_Rおよび（３）伸展側補助力Ｔの最大値Ｔmax-およびのそれぞれが、表１に示されているように制御されている条件下で得られた。

補助力Ｔと股関節角度φとの位相差δは、たとえば、補助力Ｔが伸展側（または屈曲側）に最大値を示す時点と、股関節角度φが伸展側（または屈曲側）に最大値を示す時点との差または当該差の平均値が、人間Ｐの歩行運動周期Ｓにわたる位相変化量２π［ｒａｄ］を基準として換算された結果として定義される。当該位相差δは、補助力Ｔが股関節角度φより位相が進んでいる場合には負値（−）に定義される一方、補助力Ｔが股関節角度φより位相が遅れている場合には正値（＋）に定義される。表１には、人間Ｐの歩行運動周期Ｓの測定結果も示されている。

実験１（実施例１）に際して、左脚体の第１指定期間Ｔ１（Ｌ）の後期（または終期）において左脚体に対する補助力（伸展補助力）Ｔ_L（ｔ）が最大値を示し、かつ、右脚体の第１指定期間Ｔ１（Ｒ）の後期において右脚体に対する補助力（伸展補助力）Ｔ_R（ｔ）が最大値を示すように補助力Ｔが制御された（図５参照）。この場合の歩行運動周期Ｓは３９．６９［ｓ］であり、被験者（人間Ｐ）が、歩行運動補助装置１０による運動補助を受けながら通常と同様の感覚で歩行することができる（表１参照）。

実験２（実施例２）に際して、左脚体の第１指定期間Ｔ１（Ｌ）の中期において左脚体に対する補助力Ｔ_L（ｔ）が最大値を示し、かつ、右脚体の第１指定期間Ｔ１（Ｒ）の中期において右脚体に対する補助力Ｔ_R（ｔ）が最大値を示すように補助力Ｔが制御された（図６参照）。この場合の歩行運動周期Ｓは３８．４６［ｓ］であり、被験者が歩行運動補助装置１０による運動補助を受けることにより移動速度が通常よりも高いことを実感しながら歩行することができる（表１参照）。

実験３（実施例３）に際して、左脚体の第１指定期間Ｔ１（Ｌ）の前期（または初期）において左脚体に対する補助力Ｔ_L（ｔ）が最大値を示し、かつ、右脚体の第１指定期間Ｔ１（Ｒ）の前期において右脚体に対する補助力Ｔ_R（ｔ）が最大値を示すように補助力Ｔが制御された（図７参照）。この場合の歩行運動周期Ｓは３７．１０［ｓ］であり、被験者が歩行運動補助装置１０による運動補助を受けることにより移動速度がさらに高いことを実感しながら歩行することができる（表１参照）。

実験４（比較例）に際して、左脚体の第１指定期間Ｔ１（Ｌ）の経過後において左脚体に対する補助力Ｔ_L（ｔ）が最大値を示し、かつ、右脚体の第１指定期間Ｔ１（Ｒ）の経過後において右脚体に対する補助力Ｔ_R（ｔ）が最大値を示すように補助力Ｔが制御された（図８参照）。この場合の歩行運動周期Ｓは５１．１８［ｓ］であり、被験者が歩行運動補助装置１０による運動補助を受けながらも、移動速度が通常よりも低いことを実感しながら歩行する（表１参照）。

１０‥歩行運動補助装置、１１１‥第１装具、１１２‥第２装具、１２‥アクチュエータ、１４‥制御装置。

Claims

装着者の脚体に装着されるように構成されている装具と、前記装具に動力を伝達するように構成されているアクチュエータと、前記アクチュエータの動作を制御するように構成されている制御装置とを備え、前記装具を介して前記アクチュエータの動力を前記装着者に作用させることにより前記装着者の歩行運動を補助する装置であって、
前記制御装置が、前記脚体の立脚期間における補助力または仕事が、当該脚体が伸展運動を開始してからその姿勢が基本前額面の姿勢に一致するまでの期間である第１指定期間において最大値または極大値を示すように前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成されていることを特徴とする歩行運動補助装置。
請求項１記載の歩行運動補助装置において、
前記制御装置が、前記脚体の立脚期間における補助力または仕事が、前記第１指定期間において最大値または極大値を示した後、当該立脚期間が終了するまでに所定値に漸近または収束してから前記所定値に維持される前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成されていることを特徴とする歩行運動補助装置。
請求項１または２記載の歩行運動補助装置において、
前記制御装置が、前記装着者の左右対をなす脚体のそれぞれの立脚期間の重複期間がゼロに近づくように、前記第１指定期間における補助力または仕事の最大値または極大値を調節するように構成されていることを特徴とする歩行運動補助装置。
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の歩行運動補助装置において、
前記制御装置が、前記脚体の遊脚期間における補助力または仕事が、当該脚体が屈曲運動状態から伸展運動状態に遷移してから立脚状態になるまでの期間である第２指定期間において最大値または極大値を示すように前記アクチュエータの動力の時間変化態様を制御するように構成されていることを特徴とする歩行運動補助装置。