JP2014184084A - 支援装置、及び支援プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】動作反転時に発生する機械的遊びによる撃力を緩和する。
【解決手段】歩行支援装置１は、膝関節アクチュエータ１８のトルクの動きを監視し、トルクが伸展側から屈曲側に転じた際、あるいは、屈曲側から伸展側に転じた際に、膝関節アクチュエータ１８の動作をブレーキユニット７５で制動して押さえ込むことにより、バックラッシュなどの機械的な遊びによって生じる撃力を緩和、あるいは防止する。これによって、トルクの反転時に装着者が感じる不快感・不安感を低減、あるいは防止することが可能となる。トルクの動きの監視は、膝関節アクチュエータ１８に入力される動作信号を入力前に確認することにより行い、これによって、反転の瞬間に制動を加えることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、支援装置、及び支援プログラムに関し、例えば、脚部の関節の運動を支援するものである。

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制御して着座部を上方に持ち上げることにより体重の一部を支える構造となっている。

一般に、これらアクチュエータには、モータと、当該モータに取り付けたギアヘッドを用いて構成されており、アクチュエータの発生する動力は、更に機械的機構を経由して伝達される。
このように、ギアやチェーンなどを含む動的機構では、反転動作を行う際に必ず機械的遊び（バックラッシュやその他の機械的遊び）が存在する。そして、機械的機構が介在するほど遊びが重なり反転の際の空走期間が増える。

作業用ロボットなどでは、予め反転するタイミングが分かることから、反転時の機械的遊びを減少させるために必要な力を計算し、その計算値に適応した動作信号（指示電圧）をアクチュエータに出力することが行われている。

しかし、人体に装着し、歩行支援を行う歩行支援装置の場合、反転動作の指令は人体の動作に依存するため、反転のタイミングを予め判断することはできない。
そのため、人体の動作に従って、アクチュエータを伸展から屈曲、あるいは、屈曲から伸展へ動作反転させた場合、機械的遊びを考慮することができず、その結果、反転したトルクが作用した時には、いきなり大きなトルクとなって装着者に撃力として伝わり、装着者に不快感・不安感を与えるという問題があった。

特開２００７−６１６号公報

本発明は、動作反転時に発生する機械的遊びによる撃力を緩和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、支援対象者の関節の運動を支援するアクチュエータと、前記アクチュエータの動作の反転を検出する反転検出手段と、前記動作の反転を検出した場合に、前記アクチュエータの動作を制動する制動手段と、を具備したことを特徴とする支援装置を提供する。
（２）請求項２に記載の発明では、前記制動手段は、前記アクチュエータの反転の検出と同時に開始する、ことを特徴とする請求項１に記載の支援装置を提供する。
（３）請求項３に記載の発明では、前記制動手段は、制動を開始した後、前記アクチュエータの動作の反転による機械的遊びが解消した後に前記制動を解除する、ことを特徴とする請求項２に記載の支援装置を提供する。
（４）請求項４に記載の発明では、前記制動手段は、前記機械的遊びが解消した後、時間の経過と共に制動力を弱めながら当該制動を解除する、ことを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３に記載の支援装置を提供する。
（５）請求項５に記載の発明では、前記反転検出手段は、アクチュエータに入力される前の動作信号から前記反転を検出する、ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１の請求項に記載の支援装置を提供する。
（６）請求項６に記載の発明では、前記制動手段は、前記アクチュエータを構成するモータのスピンドルを制動する、ことを特徴とする請求項１から請求項５までのうちのいずれか１の請求項に記載の支援装置を提供する。
（７）請求項７に記載の発明では、支援対象者の関節の運動を支援するアクチュエータを備えた支援装置用の支援プログラムであって、前記アクチュエータの動作の反転を検出する反転検出機能と、前記動作の反転を検出した場合に、前記アクチュエータの動作を制動する制動機能と、をコンピュータで実現する支援プログラムを提供する。

本発明によれば、反転時にアクチュエータの動作を制動することにより、機械的遊びによる撃力を緩和することができる。

体重支持型の歩行支援装置の構成を表した図である。 膝関節アクチュエータの制動機構を説明するための図である。 トルク曲線を示した図である。 歩行支援装置のシステム構成を示した図である。 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。

（１）実施形態の概要
本実施形態の支援装置では、歩行支援を行う歩行支援装置１を例に説明する。
歩行支援装置１は、膝関節アクチュエータ１８のトルクの動きを監視し、トルクが伸展側から屈曲側に転じた際、あるいは、屈曲側から伸展側に転じた際に、膝関節アクチュエータ１８の動作をブレーキユニット７５で制動して押さえ込む。
これにより、歩行支援装置１は、バックラッシュなどの機械的な遊びによって生じる撃力を緩和、あるいは防止する。
これによって、トルクの反転時に装着者が感じる不快感・不安感を低減、あるいは防止することが可能となる。
トルクの動きの監視は、膝関節アクチュエータ１８に入力される動作信号を入力前に確認することにより行う。これによって、反転の瞬間に制動を加えることが可能となる。

（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、本実施の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が脚を伸ばした状態（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。

図１（ａ）に戻り、歩行支援装置１は、着座部６１、連結部材６３、プレート６２、ガイドレール６４、６５、荷重センサ６７、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、エンコーダ２０、ブレーキユニット７５、膝関節ピッチ軸８６などから構成されている。

なお、股関節ピッチ軸機構１７、膝関節アクチュエータ１８、エンコーダ２０、膝関節ピッチ軸８６、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、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の上面には、装着者１００から着座部６１が受ける圧力を検出する荷重センサ６７が配設されている。本実施形態では、この荷重センサ６７の検出値が所定の目標値（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。

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、着座部６１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に対する着座部６１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。

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、ガイドレール６４、６５での位置を検出する位置センサが設置されている。この位置センサの値は、装着者１００の股関節角度を計算するのに用いることができるため、この位置センサは、股関節に関する関節角度センサとして機能している。

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。
即ち、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。即ち、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。
上腿連結部材２６の他端側は、膝関節ピッチ軸８６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８６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。
即ち、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。
膝関節アクチュエータ１８は、歩行支援対象者の脚部の関節の運動を支援するアクチュエータとして機能している。

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８６（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。

また、図示しないが、膝関節ピッチ軸８６と同軸となるようにエンコーダ２０が設置されており、膝関節ピッチ軸８６の回転角度を検出する。エンコーダ２０は、膝関節に関する関節角度センサとして機能している。
更に、膝関節アクチュエータ１８には、膝関節アクチュエータ１８の動作を制動するブレーキユニット７５が設置されている。

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。
図示しないが、足首関節ピッチ軸機構１９にも足首関節の角度を検出するエンコーダが設置されており、足首関節の角度を検出する関節角度センサとして機能している。

足装着部２４は、対向する一対の足連結部材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。
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箇所）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はゆっくりと下方にさがる。

なお、本実施の形態では、歩行支援用アクチュエータとして膝関節アクチュエータ１８を用いたが、この他に足首関節ピッチ軸機構１９に対して足首関節アクチュエータを備えたり、股関節ピッチ軸機構１７をガイドレール６４、６５に沿って駆動する股関節アクチュエータを備えたりしてもよい。
以下では、動作反転時の制動機構について、膝関節アクチュエータ１８を例に説明するが、足首関節アクチュエータや股関節アクチュエータを備える場合も、同様の制動機構によって動作反転時にアクチュエータの動作を制動することができる。

本実施の形態では、両脚の内側に装着し座面（着座部６１）で体重を支えるタイプの歩行支援装置１について説明するが、例えば、両脚の外側に装着し、腰部、大腿部、下腿部などを保持、固定して駆動するタイプの歩行支援装置に対して適用することも可能である。

図２の各図は、膝関節アクチュエータ１８の制動機構を説明するための図である。
膝関節アクチュエータ１８は、駆動力を発生するモータ８１と、当該モータの先端に形成されたギアヘッド８２を用いて構成されている。
モータ８１は、制御装置２からの動作信号により図示しないモータ出力軸（主軸、スピンドル）を回転し、これによってギアヘッド８２を駆動する。
ギアヘッド８２の先端からは、ギア出力軸８３が伸びている。
ギアヘッド８２の内部には、歯車機構が設けられており、ギアヘッド８２は、モータ出力軸の回転数や回転トルクを当該歯車機構により変換してギア出力軸８３から出力する。

ギア８５は、ギア出力軸８３の先端にギア出力軸８３と同軸に取り付けられており、ギア出力軸８３が回転すると、これにともなってギア８５も回転する。
ギア８７は、ギア出力軸８３と平行な膝関節ピッチ軸８６に取り付けられており、ギア８５とかみ合っている。

そのため、ギア出力軸８３が回転すると、膝関節ピッチ軸８６は、これと逆方向に回転する。
これらギアによる伝達機構により、膝関節アクチュエータ１８は、膝関節ピッチ軸８６にトルクを発生させ、上腿連結部材２６に対して下腿連結部材２７を回転させることができる。
エンコーダ２０は、膝関節ピッチ軸８６の端部に設けられており、膝関節ピッチ軸８６の角度を検出する。

一方、モータ８１の後端には、ブレーキユニット７５が設けられている。
ブレーキユニット７５は、モータ出力軸の回転を制動する（即ち、ブレーキをかける）。
本実施の形態では、モータ８１の回転が反転する際に生じる機械的遊びによる衝撃を緩和するためにモータ出力軸の回転を制動するが、他の軸、例えば、ギア出力軸８３や膝関節ピッチ軸８６を制動しても緩和効果を得ることができる。
ただし、モータ出力軸の回転を制動した場合が最も効果的である。何故なら、制動箇所がギア出力軸８３よりも先である場合、制動箇所よりもモータ８１側の区間で遊び解消にともなう撃力が発生するからである。

図２（ｂ）は、モータ出力軸８４に垂直な平面によるブレーキユニット７５の断面を示した図である。
ブレーキユニット７５は、一対のブレーキシュー７６とブレーキドラム７７を用いて構成された所謂ドラムブレーキで構成されている。
ブレーキドラム７７は、円筒形状を有する金属などで構成された部材であって、モータ出力軸８４に同軸に固定されている。
そのため、ブレーキドラム７７は、モータ出力軸８４と共に回転し、ブレーキドラム７７を制動すればモータ出力軸８４も制動される。
以上のように、ブレーキユニット７５は、アクチュエータを構成するモータのスピンドルを制動している。

ブレーキシュー７６は、円弧状の部材であり、ブレーキドラム７７の内側に２個のブレーキシュー７６が対称的に設置されている。ブレーキシュー７６は、矢線で示したように半径方向には移動するが、回転方向に対しては固定されている。
ブレーキシュー７６のブレーキドラム７７に面する表面には、図示しないライニングが配設されており、ライニングの表面の半径は、ブレーキドラム７７の内周の半径と等しくなっている。

そのため、ブレーキシュー７６がブレーキドラム７７の方に押し出されると、ライニングの表面がブレーキドラム７７の内周面と全面に渡って接触し、その摩擦によってブレーキドラム７７、及びモータ出力軸８４が制動される。
ブレーキユニット７５の制動力は、調節可能であり、ブレーキシュー７６がブレーキドラム７７の内周面を押圧する圧力が大きいほど大きくなる。
本実施の形態では、ブレーキユニット７５をドラムブレーキで構成したが、これは一例であって、他の種類のブレーキ機構を用いてもよい。例えば、ブレーキシューがモータ軸８４に直接作用して制動を行うブレーキ、モータ軸に固定配置されたディスクをブレーキパッドで押さえつけるディスクブレーキ等でもよい。

図３は、膝関節アクチュエータ１８が膝関節ピッチ軸８６に作用させるトルク曲線を示した図である。
縦軸はトルクを表し、横軸は時間を示している。
縦軸の正の方向を膝関節を伸ばす伸展方向の伸展トルクとし、負の方向を膝関節を曲げる屈曲方向の屈曲トルクとする。
膝関節を屈曲から伸展に反転する場合、曲線４１で示すように、膝関節アクチュエータ１８の発生するトルクが負の値から０に近づき、反転するタイミング４７で０になる。
膝関節アクチュエータ１８は、タイミング４７で出力するトルクの方向を逆転する。

トルクの方向を逆転すると、本来は、曲線４２で示したように、トルクが滑らかに立ち上がって曲線４３に連なるのが理想である。
しかし従来は、バックラッシュなどの遊びがあるために、ΔＴの期間の間（タイミング４７からタイミング４８までの期間）、ギアなどの伝達機構が空走し、遊びが解消したタイミング４８で、曲線４４で示したように急激にトルクが立ち上がって装着者１００に伝達される。これにより膝関節ピッチ軸８６に撃力が発生する。

これに対し、本実施形態の歩行支援装置１は、膝関節アクチュエータ１８の動作が反転するタイミング４７と同時時にブレーキユニット７５を作動させ、膝関節アクチュエータ１８が反転方向に発生するトルクを制動する。
この制動の強さは、モータ出力軸８４の回転が止まらない程度の強さであり、予め実測により求めておく。
ブレーキユニット７５の制動により、モータ出力軸８４は、減速した状態で空走期間を回転する。または、モータ出力軸８４の回転を瞬間的に止め、その後、徐々に制動力を弱めて低速で回転させる。

その後、タイミング４９で遊びが解消すると伸展方向のトルクが膝関節ピッチ軸８６に作用し始める。
すると、歩行支援装置１は、ブレーキユニット７５の制動を徐々に解除し、タイミング５０で完全に解除する。
このように、制動手段は、機械的遊びが解消した後、時間の経過と共に制動力を弱めながら当該制動を解除する。

以上の制動によるトルク曲線は曲線４５で示したようになり、歩行支援装置１は、トルク０の状態から曲線４３に滑らかに移行するようにブレーキユニット７５の制動力を制御する。
なお、モータ出力軸８４は、制動により低速で回転するため、制動しない場合のタイミング４８からタイミング４９まで空走期間が拡大する。

このように、歩行支援装置１は、ブレーキユニット７５を作動させることにより、曲線４４のような急激なトルクの立ち上がりを防止し、屈曲方向のトルクと伸展方向のトルクを滑らかに接続するため、装着者１００に不快感を与える撃力の発生を防ぐことができる。
なお、ここでは、屈曲側から伸展側に膝関節アクチュエータ１８のトルクが反転する場合について説明したが、伸展側から屈曲側にトルクが反転する場合も同様である。

なお、本実施の形態では、膝関節アクチュエータ１８のトルクが反転する瞬間に制動を開始したのは、このタイミングで制動を開始するのが最も効果的・効率的だからである。
撃力を緩和するためには、少なくともタイミング４８の前に制動を開始すればよい。
更に、制動を行う期間は、少なくとも遊びが解消する時点まで行う。遊びが解消する前に制動を解除すると、残りの遊びの区間で膝関節アクチュエータ１８が空走し、遊び解消の時点で撃力が発生するからである。実際に制動を行う強さや期間は、例えば、実験や実測などにより最適な値を求めて予め設定しておく。

図４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、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構成され、センサ情報取得部３、関節モーメント演算部４、アクチュエータ動作信号取得部８、遊び除去制御部７、デバイスパラメータ記憶部５、人体パラメータ記憶部６などを備えている。

センサ情報取得部３は、関節角度センサ９（エンコーダ２０など）から各関節の角度を取得し、床反力センサ２４１から床反力を取得し、荷重センサ６７から荷重を取得する。
関節モーメント演算部４は、各関節角度や、床反力センサ２４１の検出値や、デバイスパラメータ記憶部５や人体パラメータ記憶部６が記憶した各パラメータを用いて装着者１００の膝関節の関節モーメントを演算する。

アクチュエータ動作信号取得部８は、関節モーメント演算部４の算出した関節モーメントに対して所定のアシスト力を発揮するような膝関節アクチュエータ１８の動作信号を取得する。
遊び除去制御部７は、アクチュエータ動作信号取得部８が取得した動作信号を膝関節アクチュエータ１８に出力しながら、当該動作信号により、膝関節アクチュエータ１８の動作が反転するか否かを監視する。そして、膝関節アクチュエータ１８の動作が反転する場合、遊び除去制御部７は、ブレーキユニット７５を作動させる。

遊び除去制御部７は、前記アクチュエータの動作の反転を検出する反転検出手段として機能している。
また、遊び除去制御部７は、反転を検出してから、反転による機械的遊びが解消する前までの間に、前記アクチュエータの動作の制動を開始し、反転による機械的遊びが解消した後に前記制動を解除する制動手段としても機能している。

デバイスパラメータ記憶部５は、歩行支援装置１の各関節間の長さ、各部の重量や重心位置などを記憶している。
人体パラメータ記憶部６は、装着者の身長、体重などの身体的特徴を表すデータを記憶している。
このように、デバイスパラメータ記憶部５と人体パラメータ記憶部６には、関節モーメントなどを計算するのに必要な各種パラメータを記憶している。

図５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。
まず、センサ情報取得部３が、関節角度センサ９、床反力センサ２４１、荷重センサ６７などの各センサから検出値を取得する（ステップ５）。

次に、関節モーメント演算部４が、膝関節の関節モーメントを所定の演算により算出する（ステップ１０）。
次に、アクチュエータ動作信号取得部８が、この関節モーメントの値を用いて膝関節アクチュエータ１８を駆動する動作信号を取得する（ステップ１５）。

次に、遊び除去制御部７が、アクチュエータ動作信号取得部８から動作信号を取得し、膝関節アクチュエータ１８が出力するトルクが屈曲側から伸展側に反転するか否かを判断する（ステップ２０）。
このように、制御装置２は、動作信号が膝関節アクチュエータ１８に入力される前に、これによって動作反転を検出するため、膝関節アクチュエータ１８が反転動作する瞬間に制動を行うことができる。
更に、制御装置２（検出手段）は、アクチュエータに入力される前の動作信号から反転を検出している。

屈曲から伸展に反転する場合（ステップ２０；Ｙ）、遊び除去制御部７は、伸展への動作信号になった瞬間にブレーキユニット７５を所定時間の間作動させる（ステップ２５）。
この間、遊び除去制御部７は、ブレーキユニット７５を作動させつつ、動作信号を膝関節アクチュエータ１８に出力しつづけ、膝関節アクチュエータ１８は、動作信号に従った動作を行う。
所定時間の後、遊び除去制御部７は、ブレーキユニット７５の制動を解除することにより通常動作に復帰する（ステップ３０）。
ブレーキユニット７５による制動が解除されたため、膝関節アクチュエータ１８は、アクチュエータ動作信号取得部８の動作信号により駆動される（ステップ３５）。

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４０）、継続する場合は（ステップ４０；Ｙ）、ステップ５に戻り、継続しない場合は（ステップ４０；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。

なお、この動作の開始、終了の操作スイッチは、上述した電源オン、オフの操作と共通にしても、別にしてもよい。
共通にする場合には、動作終了スイッチ（＝電源スイッチ）オフにより、膝関節アクチュエータ１８は、脱着時荷重に対応する出力トルクを出力することで、着座部６１はゆっくりと下方にさがる。
一方、電源スイッチとは別にする場合、膝関節アクチュエータ１８は支援荷重に対応する出力トルクの出力を継続する。

一方、屈曲から伸展に反転しない場合（ステップ２０；Ｎ）、遊び除去制御部７は、動作信号により、膝関節アクチュエータ１８が出力するトルクが伸展側から屈曲側に反転するか否かを判断する（ステップ４５）。
伸展から屈曲に反転する場合（ステップ４５；Ｙ）、遊び除去制御部７は、屈曲への動作信号になった瞬間にブレーキユニット７５を所定時間の間作動させた後（ステップ５０）、ステップ３０に移行する。この間、遊び除去制御部７は、ブレーキユニット７５を作動させつつ、動作信号を膝関節アクチュエータ１８に出力しつづけ、膝関節アクチュエータ１８は、動作信号に従った動作を行う。
一方、伸展から屈曲に反転しない場合（ステップ４５；Ｎ）、遊び除去制御部７は、ステップ３５に移行する。

歩行支援装置１は、以上の処理を左右の膝関節アクチュエータ１８に対して左右の膝関節アクチュエータ１８に対して独立に行うに行う。

以上では、制御装置２は、アクチュエータ動作信号取得部８の動作信号により反転を検出したが、エンコーダ２０の検出値から反転を検出するように構成することもできる。また、膝関節モーメントを監視し、これから反転のタイミングを取得してもよい。
更に、実施形態では、膝関節アクチュエータ１８を例に説明したが、膝以外の各種アクチュエータ、例えば股関節アクチュエータや、足関節アクチュエータ、更には、肘や肩手首等の動作を支援する支援装置における各種アクチュエータに適用することも可能である。

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）膝関節アクチュエータ１８の動作が反転した際に、遊び期間において膝関節アクチュエータ１８の動作を制動することができる。
（２）遊び期間で膝関節アクチュエータ１８の動作を制動することにより、動作反転時に発生する撃力を緩和、あるいは防ぐことができる。
（３）簡単なブレーキ機構により撃力を緩和、あるいは防ぐことができるため、複雑な制御が必要ない。
（４）膝関節アクチュエータ１８に入力される前の動作信号を用いて動作反転を判断するため、膝関節アクチュエータ１８が動作反転する間に動作反転タイミングを知ることができる。これにより、膝関節アクチュエータ１８が動作反転した瞬間に制動を行うことができる。

１ 歩行支援装置
２ 制御装置
３ センサ情報取得部
４ 関節モーメント演算部
９ 関節角度センサ
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
２０ エンコーダ
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
４１〜４５ 曲線
４７〜５０ タイミング
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
７５ ブレーキユニット
７６ ブレーキシュー
７７ ブレーキドラム
８１ モータ
８２ ギアヘッド
８３ ギア出力軸
８４ モータ出力軸
１００ 装着者
Ｋ 股関節ピッチ軸中心

Claims (7)

1. 支援対象者の関節の運動を支援するアクチュエータと、
   前記アクチュエータの動作の反転を検出する反転検出手段と、
   前記動作の反転を検出した場合に、前記アクチュエータの動作を制動する制動手段と、
   を具備したことを特徴とする支援装置。
2. 前記制動手段は、前記アクチュエータの反転の検出と同時に開始する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の支援装置。
3. 前記制動手段は、制動を開始した後、前記アクチュエータの動作の反転による機械的遊びが解消した後に前記制動を解除する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の支援装置。
4. 前記制動手段は、前記機械的遊びが解消した後、時間の経過と共に制動力を弱めながら当該制動を解除する、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３に記載の支援装置。
5. 前記反転検出手段は、アクチュエータに入力される前の動作信号から前記反転を検出する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１の請求項に記載の支援装置。
6. 前記制動手段は、前記アクチュエータを構成するモータのスピンドルを制動する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのうちのいずれか１の請求項に記載の支援装置。
7. 支援対象者の関節の運動を支援するアクチュエータを備えた支援装置用の支援プログラムであって、
   前記アクチュエータの動作の反転を検出する反転検出機能と、
   前記動作の反転を検出した場合に、前記アクチュエータの動作を制動する制動機能と、
   をコンピュータで実現する支援プログラム。

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