JP2014184082A - 歩行支援装置、及び歩行支援プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】少ないセンサで座面反力を正確に計測する。
【解決手段】荷重センサ６７ａ〜６７ｅは、着座上部７０の前後方向の各２カ所と、中心部に設置されている。装着者が着座上部７０に跨って着座すると、着座上部７０が荷重センサ６７ａ〜６７ｅを圧迫する。この荷重の中心は、図３（ａ）に示すように、荷重センサ６７ｃと、隣接する２個の荷重センサ６７を結ぶ三角形領域の何れかに存在する。そこで、歩行支援装置は、これら３個の荷重センサ６７（検出値の大きい３個の荷重センサ６７）をそれぞれの検出値で重み付けして重心を求めることにより荷重中心点８２を求め、これら検出値を合計して荷重の大きさとする。
【選択図】図３

Description

本発明は、歩行支援装置、及び歩行支援プログラムに関し、例えば、体重の一部を支持することで歩行をアシストするものに関する。

近年、歩行者に装着させ、歩行者の歩行動作をアクチュエータなどで支援（アシスト）する装着型の歩行支援装置（ウェアラブルモビリティ）が盛んに研究され、例えば、特許文献１の体重支持型の歩行補助装置が提案されている。
この特許文献１記載の歩行補助装置では、アシスト用のアクチュエータで上腿フレームと下腿フレーム間の角度を変え、着座部を上方に持ち上げることで、体重の一部を支えるようになっている。

人体の動きをアシストする歩行支援装置では、アシスト力を推定することが重要になるが、そのためには、着座部における座面反力を正確に知ることが重要である。
着座部における座面反力を正確に知るには、着座部の荷重分布を計測することが必要であるが、このように着座部の荷重分布を計測する技術として特許文献２の着座センサ付きシートがある。
この技術は、自動車シートに多数の荷重センサを格子状に配置し、荷重分布を計測するものである。

しかし、歩行支援装置には、重量軽減が求められており、多数の着座センサを配置することは困難であるため、着座部に設置する荷重センサをなるべく少なくしつつ、座面反力を正確に計測したいとの要望があった。

特開２００７−６１６号公報 特開平１０−２４４８６１号公報

本発明は、少ないセンサで座面反力を正確に計測することを目的とする。

（１）本発明は、前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、歩行支援対象者が着座する着座部と、前記着座部に配置され、前記歩行支援対象者から受ける荷重を検出する多角形領域の各頂点に配設された荷重センサと、前記配設された荷重センサのそれぞれの出力値から、前記着座部における荷重の中心点と大きさを取得する荷重取得手段と、左右１対の足装着部と、前記着座部と前記足装着部間に配設され、前記着座部を上方に付勢する左右１対の上付勢手段と、前記取得した荷重の中心点と大きさを用いて、前記上付勢手段の出力を制御する出力制御手段と、を具備する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、前記多角形領域の内部に更に荷重センサが配設され、前記荷重取得手段は、前記内部に配設された荷重センサと、前記多角形領域の隣接する頂点に配設された２個の荷重センサの検出値を用いて荷重の中心点と大きさを取得す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、前記多角形領域は四角形であり、前記内部に配設された荷重センサは、前記四角形の中心領域に配設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。
（４）請求項４に記載の発明では、前記着座部は、前記上付勢手段に連接する着座基部と、当該着座基部の上に所定の間隙を隔てて支持された着座上部を用いて構成されており、前記荷重センサは、前記着座基部と前記着座上部の間に生じる荷重を検出することを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３に記載の歩行支援装置を提供する。
（５）請求項５に記載の発明では、前記着座上部の前記着座基部に面する部分は、剛性を有する部材によって構成されていることを特徴とする請求項４に記載の歩行支援装置を提供する。
（６）請求項６に記載の発明では、歩行支援対象者が着座する着座部と、前記着座部に配置され、前記歩行支援対象者から受ける荷重を検出する多角形領域の各頂点に配設された荷重センサと、左右１対の足装着部と、前記着座部と前記足装着部間に配設され、前記着座部を上方に付勢する左右１対の上付勢手段と、を備えた歩行支援装置用の歩行支援プログラムであって、前記配設された荷重センサのそれぞれの出力値から、前記着座部における荷重の中心点と大きさを取得する荷重取得機能と、前記取得した荷重の中心点と大きさを用いて、前記上付勢手段の出力を制御する出力制御機能と、をコンピュータで実現する歩行支援プログラムを提供する。

本発明によれば、荷重を検出する多角形領域の頂点に着座センサを配置することにより、少ないセンサで座面反力を正確に計測することができる。

体重支持型の歩行支援装置の構成を表した図である。 着座部の構成を説明するための図である。 着座部に作用する荷重中心点を説明するための図である。 着座部に作用する荷重の大きさを説明するための図である。 歩行支援装置のシステム構成を示した図である。 制御装置が行う歩行支援動作の手順を説明するためのフローチャートである。 合成荷重を用いた制御例を説明するための図である。

（１）実施形態の概要
図２（ａ）の側面図に示すように、着座部６１は、着座基部６９の上に間隙を隔てて着座上部７０が設置されており、着座基部６９と着座上部７０の間には、荷重センサ６７ａ〜６７ｅが配置されている（荷重センサ６７ｂ、６７ｅは図示せず）。
着座上部７０は、ステンレスなど剛性を有する部材で形成されており、その上面は装着者が着座する着座面となっている。

着座基部６９と着座上部７０は、前方部分と後方部分がせり上がっており、鞍状に形成されている。
このように、前方部分と後方部分は、それぞれ前上がり、後上がりの傾斜面が形成されているため、装着者が歩行運動により前後方向に傾いたとしても、装着者による荷重を適切に受け止めることができる。

図２（ｂ）の平面図に示すように、荷重センサ６７ａ〜６７ｅは、着座上部７０の前後方向の各２カ所と、中心部に設置されている。
装着者が着座上部７０に跨って着座すると、着座上部７０が荷重センサ６７ａ〜６７ｅを圧迫する。

この荷重の中心は、図３（ａ）に示すように、荷重センサ６７ｃと、隣接する２個の荷重センサ６７を結ぶ三角形領域の何れかに存在する。
そこで、歩行支援装置１（図１）は、これら３個の荷重センサ６７（検出値の大きい３個の荷重センサ６７）をそれぞれの検出値で重み付けして重心を求めることにより荷重中心点８２を求め、これら検出値を合計して合成荷重の大きさとする。
座面反力ベクトルは、荷重中心点を起点として上方を向き、合成荷重の大きさと同じ大きさを有するベクトルである。そのため、荷重中心点と合成荷重の大きさにより、座面反力ベクトルを得ることができる。

（２）実施形態の詳細
図１は、体重支持型の歩行支援装置１の構成を表したものである。
図１（ａ）は、本実施形態に係る歩行支援装置１の構成を側面（進行方向に対して横方向）から見たところを示した図である。
図１（ｂ）は、図１（ａ）で示した状態の歩行支援装置１を正面（進行方向）から見た状態と、装着者１００の下半身部分を点線で表した図である。
図１に示したように、歩行支援装置１は、装着者１００が跨って乗ることにより、装着者１００の体重の一部を支持（負担）し、装着者１００の負荷を軽減するものである。体重の一部の負担は、後述する各アクチュエータを駆動することで、着座部６１に上方の力を発生させることで行われている。
また、歩行支援装置１では、装着者１００は、腰部、上腿部、下腿部を固定する必要がないので、着脱も容易になる。

なお、図１（ａ）（ｂ）に示すように、点線で示した装着者１００が足を伸ばした状態（直立状態）において、歩行支援装置１が膝関節部分で屈曲している。これにより、直立状態においても、着座部６１に上方の力を発生させて、体重の一部を負担することができるようになっている。

図１（ａ）に戻り、歩行支援装置１は、着座部６１、着座基部６９、着座上部７０、連結部材６３、プレート６２、ガイドレール６４、６５、荷重センサ６７ａ〜６７ｅ（荷重センサ６７ｂ、６７ｅは図示せず）、股関節ピッチ軸機構１７、膝関節アクチュエータ１８、足首関節ピッチ軸機構１９、上腿連結部材２６、下腿連結部材２７、足連結部材２８、足装着部２４、床反力センサ２４１などから構成されている。
なお、荷重センサ６７ａ〜６７ｅを特に区別しない場合は、単に荷重センサ６７と記す。

なお、股関節ピッチ軸機構１７、膝関節アクチュエータ１８、足首関節ピッチ軸機構１９、上腿連結部材２６、下腿連結部材２７、足連結部材２８、足装着部２４、床反力センサ２４１については、図１（ｂ）に示すように、右脚用と左脚用の各部材が存在するが、一方の脚用を指定して説明する場合には、部材名の頭に左右を付け、符号の後にＬＲを付けて区別して説明する。
また、図示しないが、本実施形態では、制御装置２やバッテリが着座部６１内、又は着座部６１の下側等に配設されるが、他の位置例えば、上腿連結部材２６等に配設するようにしてもよい。
なお、図１（ａ）は、図面に向かって右側（足装着部２４のつま先側）が前方である。

着座部６１は、装着者１００が跨いで腰掛ける部材である。
着座部６１は、着座基部６９、着座上部７０、及び、着座基部６９と着座上部７０の間の間隙に配設された荷重センサ６７ａ〜６７ｅを用いて構成されている。
着座基部６９は、連結部材６３によって、これ以下の部材に連接しており、着座上部７０の上面には、装着者１００が着座する着座面が形成されている。
荷重センサ６７ａ〜６７ｅは、装着者１００から着座上部７０が受ける圧力を検出する座面ロードセル（座面反力センサ）である。

本実施形態では、この荷重センサ６７の検出値が常に一定の所定値（支援荷重という）となるように、膝関節アクチュエータ１８の出力が制御される。これにより、装着者１００は、着座部６１から常に上方の付勢力を受けることで体重の一部が負担されることになる。

なお、本実施形態における支援荷重は、装着者１００の体重を支援するための荷重ｇ１と、歩行支援装置１の荷重ｇ２との合計である。
但し、装置の動作説明の混乱をさけるため、以下の説明では、装着者１００の体重を支援するための荷重ｇ１を支援荷重として説明するが、実際の制御では荷重センサの検出値がｇ１＋ｇ２なるように膝関節アクチュエータ１８の出力が制御される。

本実施形態において、支援荷重ｇ１は一定値（例えば、１０ｋｇ）であるが、装着者１００の操作により変更することができるようにしてもよい。
これにより、例えば登山途中などの歩行途中で疲れたと感じた場合に、装着者１００は支援荷重を大きくするように操作することで、より大きな支援を受けることで最後まで楽に歩行することができる。

着座部６１は、装着者１００の体重の少なくとも一部を下方から支える。着座部６１は、下方から装着者１００の股間部に押圧されるため、これにより、歩行支援装置１の上部が装着者１００の腰部に対して固定される。

連結部材６３は、着座基部６９の後方に延設されており、この延設部分には左右用２枚のプレート６２が固定されている。連結部材６３は、プレート６２に対する着座基部６９の位置を固定している。
２枚のプレート６２は、連結部材６３の軸心を中心に回転自在に配設されることで、連結部材６３が２枚のプレート６２に対する開閉軸として機能している。これにより、装着者１００の脚の開閉に伴い、２枚のプレート６２も連結部材６３の軸心を中心に開閉することになる。

プレート６２は、着座部６１の後端側から着座部６１の前端側の下部まで形成され、下肢側に凸となった扇形の部材である。プレート６２は、下肢の運動に対して着座部６１を保持する部材であり、それに耐えうる剛性を有している。
プレート６２の表面にはガイドレール６４、６５（以下代表してガイドレール６５という）が、着座部６１の上方に位置する股関節ピッチ軸中心（股関節の位置）Ｋを中心とする同心円状に形成されている。
ガイドレール６５は、股関節ピッチ軸機構１７が装着者１００の歩行運動に伴って前後方向に移動する軌道を規定している。

股関節ピッチ軸機構１７は、ガイドレール６５による軌道上を自由移動するように構成されており、装着者１００の歩行運動に伴って股関節ピッチ軸機構１７がガイドレール６４、６５による軌道上を自由移動する。
例えば、装着者１００が右脚を前に出すことで重心が前方に移動した状態では、右股関節ピッチ軸機構１７Ｒは脚の動きに連動して軌道上を前方に自由移動し、立脚側の左脚は重心よりも後方への移動に連動して左股関節ピッチ軸機構１７Ｌは軌道上を後方に自由移動する。
このように、股関節ピッチ軸機構１７は、装着者１００が脚を前後方向に移動する力（動き）によって軌道上を前後方向に自由移動するものであり、特にアクチュエータによる前後方向の駆動はされていない。

股関節ピッチ軸機構１７には、剛性を有する部材（例えば、柱状部材）で構成された上腿連結部材２６の一端が固定され、上腿連結部材２６の他端には膝関節アクチュエータ１８が接続されている。
上腿連結部材２６の一端は股関節ピッチ軸機構１７に対して固定されているため、股関節ピッチ軸機構１７に対する角度は変わらないが、股関節ピッチ軸機構１７が円弧上のガイドレール６５上を移動することにより、上腿連結部材２６は、ガイドレール６５の接線との角度θを一定に保ちながら、水平面に対する角度が変化する。

すなわち、装着者１００の膝を上げる動作に伴い股関節ピッチ軸機構１７がガイドレール６５上を前方に移動するため、上腿連結部材２６は水平面との角度が小さくなる（水平に近づく）。
そして、上腿連結部材２６の他端側に位置する膝関節アクチュエータ１８は、ガイドレール６５の中心軸である股関節ピッチ軸中心Ｋを中心とする円弧上を前後に移動することになる。すなわち、膝関節アクチュエータ１８は、股関節ピッチ軸機構１７の自由移動に伴い、股関節ピッチ軸中心Ｋから一定距離を保ちながら円弧運動をすることになる。

上腿連結部材２６の他端側は、膝関節ピッチ軸を介して下腿連結部材２７が接続されている。
膝関節アクチュエータ１８は、その出力により、膝関節ピッチ軸を軸心として、上腿連結部材２６と下腿連結部材２７との膝関節角度を変えるように構成されている。すなわち、膝関節アクチュエータ１８は、膝関節角度を大きくする（直線に近づける）ことで、上腿連結部材２６にプレート６２等を介して接続されている着座部６１に対する上方の付勢力を発生させるようになっており、この上付勢力により装着者１００の体重の一部が支持されることになる。

なお、本実施形態の膝関節アクチュエータ１８は、膝関節ピッチ軸（上腿連結部材２６と下腿連結部材２７の接続点）の位置に配設される場合について説明するが、例えば、連結部材６３や着座部６１内、着座部６１下、股関節ピッチ軸機構１７の後方等の他の位置に配置するようにしてもよい。
この場合、膝関節アクチュエータ１８の出力は、プーリを必要箇所に配置しワイヤーやベルトによる伝達機構、その他の力伝達機構により、上腿連結部材２６と下腿連結部材２７に作用させるようにしてもよい。

下腿連結部材２７は、剛性を有する部材（例えば、柱状部材）で構成され、膝関節アクチュエータ１８と反対の他端側には、足首関節ピッチ軸機構１９が取り付けられている。
足首関節ピッチ軸機構１９には、剛性を有する部材（例えば、柱状部材）で構成された足連結部材２８が取り付けられている。
足連結部材２８には、足首関節ピッチ軸機構１９の位置が装着者１００の足首関節と略同じ高さとなるように、装着者１００の足が挿入される足装着部２４が固定されている。
足首関節ピッチ軸機構１９は、下腿連結部材２７に対して、足連結部材２８と足装着部２４が自由にピッチ運動するようになっている。
足装着部２４は、対向する１対の足連結部材２８の外側に配置されることで、図１（ｂ）に示されるように、足装着部２４以外の各部材は両脚の間に収まることになる。
このように、上腿連結部材２６、下腿連結部材２７などは、着座部と足装着部間に配設され、前記着座部を上方に付勢する左右１対の上付勢手段として機能している。

足装着部２４の底面には、各脚が支えている体重の負担割合を求めるために、歩行面からの反力を検出する床反力センサ２４１Ｒ、２４１Ｌが配置されている。
本実施形態では、各足装着部２４の底面略中央部に１つずつの床反力センサ２４１が配置されているが、立脚、遊脚の状態をより正確に判定するために、前後方向の複数箇所（例えば、つま先と踵の２カ所）に床反力センサを配置するようにしてもよい。

歩行支援装置１の装着手順は、次の通りである。
まず、歩行支援装置１の電源を切っておくと共に上腿連結部材２６と下腿連結部材２７を畳んでおく。
そして、装着者１００は、座った姿勢で左右の足に足装着部２４を装着する。
次に、装着者１００は立ち上がり、上腿連結部材２６、下腿連結部材２７を伸ばして着座部６１を股間に当てる。

次に、電源をオンすると、歩行支援装置１は、荷重センサ６７の検出値が支援荷重と一致するように、膝関節アクチュエータ１８を駆動し、着座部６１により装着者１００の体重を支持する。歩行支援装置１を脱ぐ場合は、逆の手順を行う。
このように、歩行支援装置１は、着脱が容易である。

なお、電源をオンした際には、着座部６１の荷重センサ６７が荷重を検出するまでの間、膝関節アクチュエータ１８からは支援荷重に対応する出力トルクよりも小さい装着時荷重（例えば、歩行支援装置１の荷重＋α分の荷重）に対応するトルクを出力することで、着座部６１はゆっくりと装着者１００の腰下まで上昇する。
電源オフの際には、膝関節アクチュエータ１８からは、装着時荷重よりも小さい脱着時荷重（歩行支援装置１の荷重−β分の荷重）に対応する出力トルクとすることで、着座部６１はゆっくりと下方にさがる。

図２は、着座部６１の構成を説明するための図である。
図２（ａ）は、着座部６１を側面から見た側面図を示している。図面に向かって右側が前方で、左側が後方である。
着座基部６９は、例えば、剛性を有する軽量の金属や樹脂などを用いて構成されている。
装着者１００が着座部６１に着座した場合（跨った場合）、右脚が紙面に対して手前側、左脚が紙面に対して向こう側、腰部前部が前方側、腰部後部が後方側に位置する。

着座基部６９は、側面から見て略凹状の鞍形状を有しており、前方、及び後方が上方に持ち上がっている。
着座基部６９の底部は、略平坦に形成されており、装着者１００が着座部６１に着座した場合、装着者１００の股間部に対応する。

着座上部７０は、例えば、ステンレスなどの剛性を有する金属や樹脂によって形成されている。これは、着座上部７０がたわんで荷重の計測が不正確になることを防ぐためである。このように、着座上部７０の着座基部６９に面する部分は、剛性を有する部材によって構成されている。
着座上部７０は、着座基部６９と同様に側面から見て略凹状の鞍形状を有しており、前方、及び後方が上方に持ち上がっている。
着座上部７０の凹形状は、着座基部６９の凹形状に対応しており、着座上部７０と着座基部６９の対向する面が平行となるようになっている。

装着者１００が着座した場合、着座上部７０の前方部分は、装着者１００の腰部の前方斜め下方向の面に対面し、後方部分は、腰部の後方（臀部）斜め下方向の面に対面する。
そして、装着者１００の腰部前方、及び後方が、着座上部７０の前方、及び後方に当接するか否かは、装着者１００の運動状態に応じて変化する。すなわち、装着者１００の腰部は、着座部６１の中で歩行に伴って動く。着座上部７０の底部は、通常は、歩行中も装着者１００の股間部に当接している。

このように、着座部６１の前後部分がせり上がった構造としたのは、装着者１００の身体が前方、あるいは後方に傾いた場合でも漏れなく荷重を測るためである。
なお、装着者１００の身体に与える当接感を緩和するために、着座上部７０の着座面（表面）にクッションを設置してもよい。

着座上部７０と着座基部６９の間には、間隙が設けられ、当該間隙に荷重センサ６７ａ〜６７ｅが設置されている。
なお、荷重センサ６７ｂ、６７ｅは、それぞれ荷重センサ６７ａ、６７ｄの陰になるため図示していない。
荷重センサ６７ａ、６７ｂは、着座基部６９の後方に設置され、荷重センサ６７ｄ、６７ｅは、着座基部６９の前方に設置され、荷重センサ６７は、着座基部６９の底部中心付近に設置されている。

荷重センサ６７ａ〜６７ｅの一端は、着座基部６９の上面に設置され、他端は、着座上部７０の下面に設置されている。
そして、荷重センサ６７ａ〜６７ｅは、着座上部７０の下面が着座基部６９の上面に及ぼす押圧を検出する。
なお、本実施の形態では、荷重センサ６７ａ〜６７ｅは、着座上部７０の下面から着座基部６９の上面に向かう押圧を検知するが、剪断方向の力を検出するようにしてもよい。
このように、着座部は、上付勢手段に連接する着座基部と、当該着座基部の上に所定の間隙を隔てて支持された着座上部を用いて構成されており、前記荷重センサは、前記着座基部と前記着座上部の間に生じる荷重を検出している。

図２（ｂ）は、着座部６１を上方から見た平面図を示している。
上から見ると、着座上部７０は、前後方向に伸びる矩形形状（四角形状）を有している。そして、荷重センサ６７ａ、６７ｂは、それぞれ、着座上部７０の後方の頂点付近、荷重センサ６７ｄ、６７ｅは、それぞれ、着座上部７０の前方の頂点付近、荷重センサ６７ｃは、着座上部７０の中心付近に設置されている。
このように、荷重センサ６７ａ〜６７ｅの中心を結ぶ線は、四角形を構成し、その対角線の交点付近に荷重センサ６７ｃの中心が位置している。

図３は、着座部６１に作用する荷重中心点を説明するための図である。
図３（ａ）は、装着者１００の身体が右側に傾き、荷重センサ６７ａ、６７ｃ、６７ｄで荷重が検出された場合を示している。
この場合、荷重中心点８２は、荷重センサ６７ａ、６７ｃ、６７ｄを結んだ三角形の領域８１に存在する。
荷重中心点８２の位置は、荷重センサ６７ａ、６７ｃ、６７ｄの設置位置を、それぞれの検出値で重み付けして平均した位置（重心）となる。
そして、合成荷重の大きさは、荷重センサ６７ａ、６７ｃ、６７ｄの検出値の合計値となる。

なお、荷重中心点とは、装着者１００が着座面の各位置に及ぼす荷重を１つの荷重に合成した場合の荷重の位置である。
荷重中心点と合成荷重の大きさは、座面反力ベクトルを規定し、歩行支援装置１を制御する際のパラメータとして利用される。

図３（ｂ）は、装着者１００の身体が後方に傾き、荷重センサ６７ａ、６７ｂ、６７ｃで荷重が検出された場合を示している。
この場合、荷重中心点８４は、荷重センサ６７ａ、６７ｂ、６７ｃを結んだ三角形の領域８３に存在する。
荷重中心点８４の位置は、荷重センサ６７ａ、６７ｂ、６７ｃの設置位置を、それぞれの検出値で重み付けして平均した位置となる。
そして、合成荷重の大きさは、荷重センサ６７ａ、６７ｂ、６７ｃの検出値の合計値となる。

以上のように、装着者１００による着座部６１の着座面に対する荷重中心点は、通常は、荷重センサ６７ａ、６７ｂ、６７ｄ、６７ｅを頂点とする四角形領域の内側に存在する。
この４個の荷重センサ６７によっても検出値を重み付けして計算することにより荷重中心点と荷重の大きさを得ることは可能であるが、本実施の形態では、この四角形領域の中心付近に荷重センサ６７ｃを設置することにより、荷重センサ６７ｃを頂点とするより小さい三角形領域において荷重中心点を特定することができる。そのため、より精度よく荷重中心点の位置を求めることができる。
本実施の形態では、荷重中心点を検出する領域を四角形としたが、三角形や五角形など他の形状の多角形でもよい。

このように、着座部６１は、着座部に配置され、歩行支援対象者から受ける荷重を検出する多角形領域の各頂点に配設された荷重センサを備えており、歩行支援装置１は、前記配設された荷重センサのそれぞれの出力値から、着座部における荷重の中心点と大きさを取得する荷重取得手段を備えている。
更に、多角形領域の内部に荷重センサ（荷重センサ６７ｃ）が配設され、荷重取得手段は、前記内部に配設された荷重センサと、前記多角形領域の隣接する頂点（例えば、荷重センサ６７ａ、６７ｂ）に配設された２個の荷重センサの検出値を用いて荷重の中心点と大きさを取得している。
歩行支援装置１の場合、前記多角形領域は四角形であり、前記内部に配設された荷重センサは、前記四角形の中心領域に配設されている。

歩行支援装置１は、基本的に、荷重センサ６７で検出された検出値のうち、大きい順に上位３個の値を用いて荷重中心点と合成荷重の大きさを計算するが、４番目や５番目の検出値が、所定の閾値以上である場合は、これらも含めて計算してもよい。
このように、本実施の形態では、常に３個以上の荷重センサ６７を使用することで荷重中心点が移動しても安定して荷重を計測することができる。

図４は、着座部６１に作用する荷重の大きさを説明するための図である。
図４（ａ）は、着座部６１が平行状態にある場合に、着座部６１を側面から見たところを示している。
この図では、装着者１００の腰部９０が着座上部７０に着座しており、荷重センサ６７ａ、６７ｃ、６７ｄが、それぞれ矢線で示した荷重９１、９２、９３を検出している。これらの荷重を合成したものが矢線で示した合成荷重９４となる。合成荷重９４の矢線の延長線と着座上部７０の交点が荷重中心点となる。
荷重中心点を基点とし、合成荷重９４を反対向きの矢線にしたものが、座面反力ベクトルに該当するものであり、歩行支援装置１の高度な制御に必要とされる量である。

図４（ｂ）は、着座部６１が後方に傾斜している場合に、着座部６１を側面から見たところを示している。
この図では、装着者１００の腰部９０が着座上部７０の後方に傾いて着座しており、荷重センサ６７ａ、６７ｃが、それぞれ矢線で示した荷重９５、９６を検出している。これらの荷重を合成したものが矢線で示した合成荷重９７となる。
合成荷重９７の矢線の延長線と着座上部７０の交点が荷重中心点となる。
図に示したように、着座上部７０は、前方部分、及び後方部分が腰部９０の方に曲げられて形成されているため、腰部９０が傾いて位置したとしても、着座上部７０に与える荷重を漏れなく計測することができる。

そして、前方の２個、中心の１個、後方の２個の荷重センサ６７のうち前方の２個を前上がりの傾斜面、中心の１個を座面水平面、後方の２個を後ろ上がりの傾斜面に配置することで合成荷重のベクトルの正確な向きを計測することが可能となる。すなわち、これにより座面反力ベクトルが正確に計測できる。

自動車のシートの場合、ユーザの身体がシートベルトで固定されているため、ユーザの臀部が当接する位置に荷重センサを設置すればよい。しかし、歩行支援装置の場合、ユーザの腰や上半身の前後方向の動きが激しく、着座部６１において動いて身体が部分的に離れることがあるため、着座部６１では、荷重センサ６７を立体的に配置し、動きが激しくても腰部９０が荷重センサ６７に接するようにした。

図５は、歩行支援装置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）、記憶部、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、歩行支援装置１の各部を電子制御する。

制御装置２は、また、ＣＰＵで記憶部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、センサ情報取得部３、アクチュエータ出力決定部４として機能する。
センサ情報取得部３は、荷重センサ６７（荷重センサ６７ａ〜荷重センサ６７ｅ）、右床反力センサ２４１Ｒ、左床反力センサ２４１Ｌの各センサから検出値を取得する。

アクチュエータ出力決定部４は、荷重センサ６７の検出値から荷重中心点と合成荷重の大きさを求め、これから座面反力ベクトルを計算する。
そして、アクチュエータ出力決定部４は、座面反力ベクトルと右床反力センサ２４１Ｒ、左床反力センサ２４１Ｌの検出値から右膝関節アクチュエータ１８Ｒ、左膝関節アクチュエータ１８Ｌの出力を決定する。
このように、制御装置２は、前記取得した荷重の中心点と大きさを用いて、前記上付勢手段の出力を制御する出力制御手段として機能している。

図６は、制御装置２が行う歩行支援動作の手順を説明するためのフローチャートである。
以下の処理は、制御装置２が備えるＣＰＵが歩行支援プログラムに従って行う処理である。
制御装置２は、着座部６１の座面に配置された各荷重センサ６７からの出力値を取得する（ステップ５）。
次に、制御装置２は、各荷重センサ６７の取り付けパラメータを取得する（ステップ１０）。ここで、取り付けパラメータとは、各荷重センサ６７の出力値から荷重中心点と合成荷重の大きさを求めるための値であり、各荷重センサ６７の取り付け座標値などである。このパラメータは、ＲＯＭや記憶部に予め記憶されており、制御装置２は、これを読み出すようになっている。

次に、制御装置２は、各荷重センサ６７の出力値を用いて合成荷重を計算する（ステップ１５）。
また制御装置２は、左右の足装着部２４の底面に配置された、右床反力センサ２４１Ｒと左床反力センサ２４１Ｌからの出力値を取得する（ステップ２０）。
次に、制御装置２は、合成荷重と床反力を用いて左右膝関節アクチュエータを駆動する（ステップ２５）。
次に、制御装置２は、歩行支援動作を継続するか否か判断し（ステップ３０）、継続する場合は（ステップ３０；Ｙ）、ステップ５に戻り、継続しない場合は（ステップ３０；Ｎ）処理を終了する。
例えば、歩行支援装置１は、歩行支援の動作開始、及び終了を装着者１００がスイッチを押すなどして選択できるようになっており、制御装置２は、当該スイッチがオンの場合に歩行支援動作を継続すると判断し、当該スイッチがオフの場合に歩行支援動作を終了すると判断する。

図７は、合成荷重を用いた制御例を説明するための図である。
床反力を計測する床反力センサには、インソール型と呼ばれる足装着部２４の内部の底部に設置するものがある。
床反力センサ１０５は、インソール型であり、装着者１００に及ぶ床反力１０２を装着者１００の足裏で計測している。
しかし、床反力１０２は、歩行支援装置１が装着者１００の腰部９０を上方の力１０１を及ぼしているため、本来の床反力よりも力１０１に相当する力１０３だけ小さいものとなる。
そのため、制御装置２は、力１０１を考慮して床反力１０２を補正し、制御に用いる。

また、図４（ｂ）に示したように、荷重中心点が着座部６１の後方に位置することにより、装着者１００の上体が後方に傾いていることがわかる。
そこで、このような場合、制御装置２は、装着者１００の上体を起こすトルクを装着者１００に加えるように動作する。
以上の例は、一例であって、荷重中心点と合成荷重の大きさがわかると、各種の制御に利用することができる。

以上に説明した実施の形態により、次のような効果を得ることができる。
（１）装着者１００が着座部６１に及ぼす荷重の荷重中心点と、荷重センサ６７による個別の荷重を合成した合成荷重の大きさを得ることができる。
（２）着座部６１の前後部分がせり上がって腰部９０の前方斜め下方向、及び後方斜め下方向で対面しているため、装着者１００の身体が前後方向に傾いたとしても滑ることなく荷重を計測することができる。
（３）荷重中心点は、荷重センサ６７ａ、６７ｂ、６７ｄ、６７ｅを結んだ四角形の領域にあり、各荷重センサ６７の個別の荷重を合成すると、荷重センサ６７ｃを頂点、及び四角形領域の隣接する頂点を結ぶ三角形領域に荷重中心点を見いだすことができる。
（４）少ない荷重センサ６７で座面反力ベクトルを検出することができ、着座部６１の軽量化と低コスト化を図ることができる。
（５）荷重センサ６７を最低限の個数とするために５個の荷重センサ６７を前２個、中１個、後２個とサイコロの５の数字のように配置する。この配置とすることで荷重のかかる位置が前後左右しても常に３個以上の荷重センサ６７で座面反力を測ることができ、荷重の抜けがない安定した計測が可能となる。

１ 歩行支援装置
２ 制御装置
３ センサ情報取得部
４ アクチュエータ出力決定部
１７ 股関節ピッチ軸機構（スライド機構）
１８Ｒ 右膝関節アクチュエータ
１８Ｌ 左膝関節アクチュエータ
１９ 足首関節ピッチ軸機構
２４ 足装着部
２４１Ｒ 右床反力センサ
２４１Ｌ 左床反力センサ
２６ 上腿連結部材
２７ 下腿連結部材
２８ 足連結部材
６１ 着座部
６２ プレート
６３ 連結部材
６４ ガイドレール
６５ ガイドレール
６７ 荷重センサ
６９ 着座基部
７０ 着座上部
９０ 腰部
９１〜９３、９５、９６ 荷重
９４、９７ 合成荷重
１００ 装着者
１０１ 力
１０２ 床反力
１０３ 力
１０５ 床反力センサ
Ｋ 股関節ピッチ軸中心

Claims (6)

1. 歩行支援対象者が着座する着座部と、
   前記着座部に配置され、前記歩行支援対象者から受ける荷重を検出する多角形領域の各頂点に配設された荷重センサと、
   前記配設された荷重センサのそれぞれの出力値から、前記着座部における荷重の中心点と大きさを取得する荷重取得手段と、
   左右１対の足装着部と、
   前記着座部と前記足装着部間に配設され、前記着座部を上方に付勢する左右１対の上付勢手段と、
   前記取得した荷重の中心点と大きさを用いて、前記上付勢手段の出力を制御する出力制御手段と、
   を具備することを特徴とする歩行支援装置。
2. 前記多角形領域の内部に更に荷重センサが配設され、
   前記荷重取得手段は、前記内部に配設された荷重センサと、前記多角形領域の隣接する頂点に配設された２個の荷重センサの検出値を用いて荷重の中心点と大きさを取得することを特徴とする請求項１に記載の歩行支援装置。
3. 前記多角形領域は四角形であり、前記内部に配設された荷重センサは、前記四角形の中心領域に配設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。
4. 前記着座部は、前記上付勢手段に連接する着座基部と、当該着座基部の上に所定の間隙を隔てて支持された着座上部を用いて構成されており、
   前記荷重センサは、前記着座基部と前記着座上部の間に生じる荷重を検出することを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３に記載の歩行支援装置。
5. 前記着座上部の前記着座基部に面する部分は、剛性を有する部材によって構成されていることを特徴とする請求項４に記載の歩行支援装置。
6. 歩行支援対象者が着座する着座部と、前記着座部に配置され、前記歩行支援対象者から受ける荷重を検出する多角形領域の各頂点に配設された荷重センサと、左右１対の足装着部と、前記着座部と前記足装着部間に配設され、前記着座部を上方に付勢する左右１対の上付勢手段と、を備えた歩行支援装置用の歩行支援プログラムであって、
   前記配設された荷重センサのそれぞれの出力値から、前記着座部における荷重の中心点と大きさを取得する荷重取得機能と、
   前記取得した荷重の中心点と大きさを用いて、前記上付勢手段の出力を制御する出力制御機能と、
   をコンピュータで実現する歩行支援プログラム。

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