JP2015016075A - 移動支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】移動支援装置を提供する。【解決手段】下肢に接続される下肢接続部と、弾性部材と、移動面に接地する接地板、および前記弾性部材から生じる力を伝達する伝達部を含む接地ユニットと、前記下肢接続部および前記接地ユニットの間に設けられた関節部と、を備え、前記接地ユニットは、前記伝達部が前記関節部と接する位置、および前記伝達部が前記関節部と離隔する位置との間で変位可能に設けられる、移動支援装置。【選択図】図５

Description

本開示は、移動支援装置に関する。

近年、生物の構造および運動機能を力学的に解析するバイオメカニクス（生体力学）が盛んに研究されている。また、このようなバイオメカニクスを用いて、人体への負担を軽減した製品や生物の構造および運動を応用した製品の開発も進展している。

特に、人間の基本動作である直立二足歩行については多くの研究がなされており、バイオメカニクスを用いて解析した直立二足歩行の機構に基づいて、人間の歩行および走行をより効率良く支援する技術が検討されている。

例えば、特許文献１には、弾性部材およびモーターを用いて足首関節にトルクを印加することにより、人間の歩行を支援する義足および下肢装具等が開示されている。

特表２０１２−５０１７３９号公報

ここで、特許文献１に記載された技術では、足首関節において下肢と足部との角度が特定の範囲である場合に弾性部材から足首関節に対してトルクが印加されていた。したがって、特許文献１に記載された技術では、歩行以外の場合であっても下肢と足部との角度が上述の範囲である場合にはトルクが印加されてしまうことがあった。

そこで、本開示では、下肢に接続される下肢接続部や関節部の角度に依らずに、弾性部材から関節部への力の伝達を切り換えることが可能な、新規かつ改良された移動支援装置を提案する。

本開示によれば、下肢に接続される下肢接続部と、弾性部材と、移動面に接地する接地板および前記弾性部材から生じる力を伝達する伝達部を含む接地ユニットと、前記下肢接続部および前記接地ユニットの間に設けられた関節部と、を備え、前記接地ユニットは、前記伝達部が前記関節部と接する位置、および前記伝達部が前記関節部と離隔する位置との間で変位可能に設けられる、移動支援装置が提供される。

以上説明したように本開示によれば、下肢に接続される下肢接続部や関節部の角度に依らずに、弾性部材から関節部への力の伝達を切り換えることが可能である。

本開示の実施形態に係る移動支援装置の適用例の一例を示す説明図である。 人間の歩行時における下肢の動作を説明する説明図である。 移動速度１．２５ｍ／ｓの歩行時における足首関節が出力するパワー（左図）、および足首関節の角度（右図）を示すグラフ図である。 本開示の実施形態に係る移動支援装置の歩行時の動作概略を説明する説明図である。 同実施形態に係る移動支援装置の断面構造を示した説明図である。 同実施形態に係る移動支援装置の機能構成を示したブロック図である。 同実施形態に係る移動支援装置の段階「Ａ」における動作例を示した説明図である。 同実施形態に係る移動支援装置の段階「Ｂ」における動作例を示した説明図である。 同実施形態に係る移動支援装置の段階「Ｃ」における動作例を示した説明図である。 同実施形態に係る移動支援装置の段階「Ｄ」における動作例を示した説明図である。 同実施形態に係る移動支援装置の段階「Ｅ」における動作例を示した説明図である。 同実施形態に係る移動支援装置の段階「Ｆ」における動作例を示した説明図である。 同実施形態に係る移動支援装置の関節部が移動速度１．２５ｍ／ｓにおいて出力するパワー（左図）、弾性部材およびモーターが印加するトルク（右図）を示すグラフ図である。 同実施形態に係る移動支援装置の関節部が移動速度１．５０ｍ／ｓにおいて出力するパワー（左図）、弾性部材およびモーターが印加するトルク（右図）を示すグラフ図である。 同実施形態に係る移動支援装置の関節部が移動速度１．７５ｍ／ｓにおいて出力するパワー（左図）、弾性部材およびモーターが印加するトルク（右図）を示すグラフ図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．移動支援装置の概要
１．１．移動支援装置の適用例
１．２．移動支援装置の動作概要
２．移動支援装置の具体的構成
２．１．移動支援装置の具体的構造
２．２．移動支援装置の機能構成
３．移動支援装置の動作例
４．移動支援装置の効果例
５．まとめ

＜１．移動支援装置の概要＞
［１．１．移動支援装置の適用例］
まず、図１を参照して、本開示の実施形態に係る概要について説明する。図１は、本開示の実施形態に係る移動支援装置１の適用例の一例を示す説明図である。

図１に示すように、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、例えば、下肢を切断された利用者３が装着する義足である。

移動支援装置１は、利用者３の移動を支援する。具体的には、移動支援装置１は、利用者３の下肢に装着されることにより、利用者３の切断された下肢を代替し、歩行および走行機能を再現する。また、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、弾性部材等によって足首関節にトルクを印加することが可能なため、足首関節を含む領域が切断された利用者３に対して、特に好適に用いることができる。

なお、本明細書中では、本開示の実施形態に係る移動支援装置１について、義足を例示して説明を行うが、本開示はかかる例示に限定されない。例えば、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、加齢または筋力低下等で歩行能力が低下した利用者が装着する移動支援用の装具として用いることも可能である。また、例えば、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、二足歩行を行うロボット等の下肢を構成する移動装置として用いることも可能である。

［１．２．移動支援装置の動作概要］
次に、図２〜４を参照して、本開示の実施形態に係る移動支援装置１の動作の概要について説明を行う。図２は、人間の歩行時における下肢の動作を説明する説明図である。また、図３は、移動速度１．２５ｍ／ｓにおける足首関節が出力するパワー（左図）、および足首関節の角度（右図）を示すグラフ図である。さらに、図４は、本開示の実施形態に係る移動支援装置１の歩行時の動作概略を説明する説明図である。

まず、人間の歩行は、足部が地面に接地していない段階と、足部が地面に接地している段階とに分けられる。足部が地面に接地している段階は、さらに図２に示すように、「Ａ」〜「Ｆ」の６つの段階に分かれる。

具体的には、足部が地面に接地している段階は、踵が地面に接地した段階「Ａ」と、つま先を含めた足部の底面全体が地面に接地した段階「Ｂ」と、下肢と足部が足首関節に対して正立時と同じ位置関係となる段階「Ｃ」と、踵が地面から離れる段階「Ｄ」と、足部が地面を蹴り出している段階「Ｅ」と、つま先が地面から離れる直前の段階「Ｆ」と、に分けられる。また、地面から離れた足部が再度、踵から地面に接地することによって段階「Ａ」に戻る。

ここで、上述の歩行の段階と対応させて、歩行時に足首関節が出力するパワー（左図）、および歩行時の足首関節の角度（右図）について、図３を参照して説明する。図３において、図２の各段階「Ａ」〜「Ｆ」が、グラフのどの位置に当たるのかについては、符号を付して明示した。

図３の左図は、歩行時において足首関節が出力するパワーを示しており、下肢をつま先と反対側に屈曲する方向（以下、底屈方向という）を正、足部に対してつま先側に屈曲する方向（以下、背屈方向という）を負として表記した。また、図３の右図は、歩行時における足首関節の角度の変化を示しており、正立時の下肢と足部の位置関係を角度０°、下肢を足部に対してつま先側に屈曲する方向（背屈方向）を正、つま先と反対側に屈曲する方向（底屈方向）を負として表記した。

図３の左図に示すように、段階「Ａ」から段階「Ｃ」までの間、歩行時に足首関節が出力するパワーの絶対値は、最大で５０Ｗである。一方、足首関節は、足部が地面を蹴り出す動作を行う段階「Ｄ」〜「Ｅ」にかけて、絶対値で２５０Ｗ以上のパワーを出力する必要がある。

したがって、例えば、モーターを用いて上述の足首関節が出力するパワーを代替する場合、段階「Ｄ」〜「Ｅ」で必要なパワーを出力可能なモーターを使用する必要があった。しかし、出力パワーが大きいモーターは、サイズが大きくなり、かつ重くなってしまう。そのため、かかる大出力モーターを備えた移動支援装置を装着することは、利用者３にとって負担が大きかった。

また、図３の右図に示すように、足首関節の角度は、段階「Ａ」では０°であり、段階「Ｂ」から段階「Ｃ」までは、足首関節の角度は負（底屈側）である。さらに、段階「Ｃ」から段階「Ｄ」までは、足首関節は体重移動に伴い背屈方向に回転するため、足首関節の角度は正（背屈側）になる。その後、段階「Ｄ」から段階「Ｆ」までは、足首関節は地面の蹴り出しに伴い底屈方向に回転するため、足首関節の角度は正（背屈側）から負（底屈側）へ変化する。このように、足首関節が最大のパワーを出力する必要がある段階「Ｄ」〜段階「Ｅ」において、一部の間、足首関節の角度が負（底屈側）になる。

ここで、特許文献１に開示された技術では、足首関節の角度が正（背屈側）である場合に、弾性部材から足首関節へトルクを印加する。したがって、特許文献１に開示された技術は、足首関節が最大のパワーを出力する際に、弾性部材から足首関節に対してトルクを印加することが難しく、利用者３の移動支援を適切に行えないことがあった。また、特許文献１に開示された技術では、段階「Ｄ」〜「Ｅ」において足首関節が必要とする最大パワーを出力可能なモーターを使用する必要があるため、サイズおよび重量が大きなモーターを使用する必要があった。

そこで、本開示の発明者は、移動支援装置等について鋭意検討を重ねた結果、上記の問題等を解決する本開示の実施形態に係る移動支援装置１を想到するに至った。本開示の実施形態に係る移動支援装置１によれば、足首関節の角度に依らず、足首関節が最大のパワーを出力する際に弾性部材からの力を足首関節に伝達することが可能である。

以下、図４を参照して、本開示の実施形態に係る移動支援装置１の動作概略を模式的に説明する。図４は、本開示の実施形態に係る移動支援装置１の動作概略を模式的に説明する説明図である。なお、図４の段階「Ａ」〜「Ｆ」は、図２にて説明した段階「Ａ」〜「Ｆ」とそれぞれ対応している。

図４に示すように、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、例えば、下肢接続部１００と、関節部１１０と、接地ユニット１２０と、弾性部材１３０と、モーター１５０を備える。また、歩行の段階の進行に伴い、弾性部材１３０と関節部１１０との接続が切り替えられる。

なお、図４では、弾性部材１３０と関節部１１０との接続の有無を弾性部材１３０の図示の有無によって表現している。具体的には、弾性部材１３０が図示されていない段階「Ａ」および段階「Ｆ」では、弾性部材１３０と関節部１１０とは接続されていない。また、弾性部材１３０が図示されている段階「Ｂ」〜「Ｅ」では、弾性部材１３０と関節部１１０とは接続されており、力の伝達が可能である。

ここで、下肢接続部１００は、利用者３の下肢に接続する部位であり、関節部１１０は、人間において足首関節に相当する部位である。また、接地ユニット１２０は、人間において足部に相当する部位である。さらに、弾性部材１３０およびモーター１５０は、関節部１１０にトルクを印加する。

図４に示すように、踵が接地した段階「Ａ」では、弾性部材１３０は、関節部１１０と接続されていない。次に、段階「Ｂ」において、つま先側を含む接地ユニット１２０全体が接地したことによって、弾性部材１３０は、関節部１１０と接続される。

続いて、段階「Ｂ」から段階「Ｄ」にかけて、弾性部材１３０は、関節部１１０の角度が背屈方向に回転することに伴い、弾性エネルギーを蓄積する。さらに、段階「Ｄ」から段階「Ｅ」にかけて、弾性部材１３０は、蓄積した弾性エネルギーをトルクとして関節部１１０に印加し、モーター１５０の負荷を軽減する。さらに、段階「Ｆ」において、つま先が地面から離れた場合、弾性部材１３０は、関節部１１０との接続を解除する。

上述したように、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、接地ユニット１２０全体の接地に基づいて、弾性部材１３０と関節部１１０との接続を切り替える。よって、本開示の実施形態に係る移動支援装置１によれば、関節部１１０にて最大のパワーが必要となる段階「Ｄ」〜「Ｅ」において、弾性部材１３０から関節部１１０へトルクを印加することが可能である。

また、かかる構成によれば、モーター１５０を用いる場合においても、モーター１５０の最大出力を低減することができ、モーター１５０のサイズおよび重量を小さくすることができる。したがって、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、利用者３の負荷を軽減することが可能である。また、移動支援装置１が小さくなることにより、切断された部位が少ない利用者３に対しても移動支援装置１の適用範囲を広げることができる。

＜２．移動支援装置の具体的構成＞
［２．１．移動支援装置の具体的構造］
次に、図５を参照して本開示の実施形態に係る移動支援装置１の具体的構造について説明を行う。図５は、本開示の実施形態に係る移動支援装置１の断面構造を示した説明図である。

図５に示すように、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、下肢接続部１０１と、関節部１１１と、接地ユニット１２１と、弾性部材１３１と、結合板１４１と、踵側接地板１４３と、を備える。また、接地ユニット１２１は、接地板１２２と、スライダ板１２３と、関節側伝達部１２４および弾性部材側伝達部１２５からなる伝達部１２６と、当接部１２７と、接地ユニット連結板１２９と、を含む。

下肢接続部１０１は、一方が利用者３の下肢と接続され、また、他方が関節部１１１に接続される。したがって、下肢接続部１０１は、他の義足パーツまたはアダプタ等を介して接続された利用者３の下肢と、関節部１１１および接地ユニット１２１とを接続することができる。

関節部１１１は、下肢接続部１０１と接地ユニット１２１との間に設けられる。また、関節部１１１は、地面に垂直で利用者３の移動方向を含む平面において円形形状を有し、該平面に垂直な軸を中心として回転可能な回転機構を有する。関節部１１１は、接続された下肢接続部１０１を該回転機構によって回転させることができる。

また、関節部１１１は、図示しないが、上述した下肢接続部１０１が接続された回転機構にトルクを印加するモーターを内蔵する。関節部１１１は、内蔵モーターによって下肢接続部１０１の回転に際してトルクを印加することができる。さらに、関節部１１１は、波動歯車装置であるハーモニックドライブ(登録商標)を内蔵し、印加するトルクを増幅してもよい。なお、モーターの出力制御方法については、後述する。

ここで、関節部１１１は、外縁の一部が関節側伝達部１２４と噛み合う形状に形成される。具体的には、関節部１１１の外縁の一部は、関節側伝達部１２４が有するラックギヤと噛み合うピニオンギヤ形状に形成される。したがって、関節部１１１は、伝達部１２６と接触した際に、伝達部１２６のラックギヤ形状と噛み合うことで、伝達部１２６から力を伝達されることが可能になる。また、関節部１１１および関節側伝達部１２４は、力の伝達にラック・アンド・ピニオン機構を用いることによって、弾性部材１３１からの直線方向の力を回転方向に変換して関節部１１１に印加することができる。

接地板１２２は、利用者３の移動方向を長手方向として延伸した板形状であって、つま先側の一端が厚さ方向に緩やかにカーブした形状で設けられる。また、接地板１２２は、厚さ方向にカーブしたつま先側で地面と接地し、該接地側およびスライダ板１２３が設けられた位置と反対側において、連結点Ｐを有する接地ユニット連結板１２９を介して結合板１４１に連結される。なお、接地板１２２は、利用者３の体重を支え、地面と接する部材であるため、例えば、炭素繊維強化プラスチック等の強度が高く、腐食等を起こしにくい材料で形成されることが望ましい。

スライダ板１２３は、スライダ溝を有するリニアスライダであり、接地板１２２上に形成される。また、スライダ板１２３上部には、関節側伝達部１２４が設けられ、関節側伝達部１２４は、スライダ溝に沿ってスライダ板１２３上を摺動する。

また、スライダ板１２３は、関節側伝達部１２４および弾性部材側伝達部１２５を合わせた長さよりも長く形成され、弾性部材側伝達部１２５と反対側の一端に余剰領域が設けられる。かかる構成により、スライダ板１２３は、移動支援装置１が地面を蹴り出した際に、関節側伝達部１２４を弾性部材側伝達部１２５と反対側に摺動させることができるため、より地面の蹴り出しを円滑に行うことを可能にする。

伝達部１２６は、スライダ板１２３上に形成された関節側伝達部１２４、および弾性部材１３１と接触する弾性部材側伝達部１２５で構成される。また、関節側伝達部１２４および弾性部材側伝達部１２５は、互いに、分離されて形成されており、弾性を有する連結パーツによって連結されている。かかる構成により、関節側伝達部１２４および弾性部材側伝達部１２５は、外力が加わった場合に互いに離隔することができ、また、外力が加わらない場合は、接触状態に戻ることができる。

関節側伝達部１２４は、関節部１１１の外縁の一部に形成されたピニオンギヤと噛み合うラックギヤ形状に形成される。かかる構成により、関節側伝達部１２４は、関節部１１１と接触した際に、関節部１１１と形状を噛み合わせることができるため、弾性部材１３１からの力を関節部１１１に伝達することが可能となる。

弾性部材側伝達部１２５は、関節側伝達部１２４と弾性部材１３１との間に両者と接触して設けられる。かかる構成により、弾性部材側伝達部１２５は、弾性部材１３１からの力を関節側伝達部１２４に伝達することができる。また、弾性部材側伝達部１２５は、スライダ板１２３上を弾性部材１３１側に摺動し、弾性部材１３１を弾性変形させることができる。

当接部１２７は、弾性部材１３１に対して弾性部材側伝達部１２５と反対側に、結合板１４１に固定されて設けられる。したがって、当接部１２７は、弾性部材側伝達部１２５が当接部１２７側に摺動した際に、当接部１２７および弾性部材側伝達部１２５間で弾性部材１３１を圧縮し、弾性変形させることができる。

接地ユニット連結板１２９は、接地板１２２の両側に、連結点Ｐを備えて設けられる。また、接地ユニット連結板１２９は、接地板１２２、スライダ板１２３、伝達部１２６および当接部１２７を含む接地ユニット１２１を結合板１４１と連結点Ｐで連結する。かかる構成により、接地ユニット連結板１２９は、接地ユニット１２１を、連結点Ｐを中心として伝達部１２６が関節部１１１と接触する位置と、伝達部１２６と関節部１１１が離隔する位置との間で変位可能にする。

ここで、連結点Ｐは、接地板１２２の接地側と伝達部１２６が連結点Ｐに対して同一側に存在するように設けられる。かかる構成により、接地ユニット１２１が連結点Ｐを中心として変位する場合、接地板１２２の接地側の変位方向と伝達部１２６の変位方向が一致する。したがって、接地板１２２が接地した場合、地面からの反力によって接地板１２２は上方に変位し、伝達部１２６もまた、上方に変位する。このとき、上方に変位した伝達部１２６は関節部１１１と接触するため、弾性部材１３１から関節部１１１へ力の伝達が可能になる。したがって、移動支援装置１は、下肢接続部１０１および関節部１１１の角度に依らずに、弾性部材１３１と関節部１１１との接続を切り替えることができる。

弾性部材１３１は、弾性部材側伝達部１２５と当接部１２７との間に設けられる。弾性部材１３１は、伝達部１２６と関節部１１１とが接触した場合、関節部１１１の回転に伴い摺動する弾性部材側伝達部１２５と、固定された当接部１２７に圧縮され弾性変形する。かかる構成により、弾性部材１３１は、弾性変形時の反発力を伝達部１２６によって関節部１１１に印加する。ここで、弾性部材１３１は、例えば、コイルばねであってもよいし、板ばね、引張ばね、および空気ばねなどであってもよい。

結合板１４１は、おおよそ「Ｌ」字型の板形状で形成され、関節部１１１、接地ユニット連結板１２９、および踵側接地板１４３の両側に設けられる。結合板１４１は、同形状の２枚の結合板１４１で関節部１１１、接地ユニット１２１の接地ユニット連結板１２９、および踵側接地板１４３を挟み込むことにより、これらを連結する。なお、図４においては、構造の明確化のために、手前に存在する結合板１４１は省略して記載した。

踵側接地板１４３は、利用者３の移動方向において後側である踵側に形成される。踵側接地板１４３は、地面と接地し、利用者３の体重を支える。また、踵側接地板１４３は、自重により連結点Ｐを中心に下方に変位した接地ユニット１２１と接触し、該接地ユニット１２１を支えている。ここで、踵側接地板１４３は、接地板１２２と同様に、利用者３の体重を支え、地面と接する部材であるため、例えば、炭素繊維強化プラスチック等の強度が高く、腐食等を起こしにくい材料で形成されることが望ましい。

なお、上記実施形態において、弾性部材１３１は、関節部１１１の下方の踵側に設けられるとして説明したが、本開示は、図５で図示した弾性部材１３１の位置に限定されるものではない。例えば、弾性部材１３１は、関節部１１１に対してつま先側に設けられた引張ばねであってもよい。また、弾性部材１３１は、踵側において伸縮方向を縦にして設けられてもよく、本開示は、弾性部材の種類、設置位置、および設置向きによって限定されない。

さらに、上記実施形態において、弾性部材１３１と、接地ユニット１２１とは、個別の構成であるとして説明を行ったが、本開示は、かかる例示に限定されない。弾性部材１３１は、接地ユニット１２１に含まれていてもよい。

［２．２．移動支援装置の機能構成］
続いて、図６を参照して本開示の実施形態に係る移動支援装置１の機能構成について説明を行う。図６は、本開示の実施形態に係る移動支援装置１の機能構成を示したブロック図である。

図６に示すように、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、角度センサ１６１と、トルクセンサ１６３と、姿勢センサ１６５と、モーター制御部１５３と、モーター１５１と、波動歯車装置１５５と、関節部１１１と、接地ユニット１２１と、を含む。ここで、接地ユニット１２１および関節部１１１は、図５にて説明したものと同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。

角度センサ１６１は、足首関節の角度を計測する。具体的には、角度センサ１６１は、例えば、下肢接続部１０１に対する接地ユニット１２１の角度、または関節部１１１の回転角度等を計測することにより、足首関節の角度を計測する。例えば、角度センサ１６１は、リゾルバ、ロータリーエンコーダ、ポテンショメータなどを含むセンサであってもよい。

トルクセンサ１６３は、関節部１１１に印加されるトルクを計測する。具体的には、トルクセンサ１６３は、モーター１５１および弾性部材１３１から関節部１１１に印加されるトルクの合計値を計測する。例えば、トルクセンサ１６３は、歪みゲージ、圧電素子などを含むセンサであってもよい。

姿勢センサ１６５は、空間における関節部１１１の傾きを計測する。具体的には、姿勢センサ１６５は、空間内における鉛直方向および水平方向に対する関節部１１１の傾きを計測する。例えば、姿勢センサ１６５は、ジャイロスコープなどを含むセンサであってもよい。

モーター制御部１５３は、各種センサからの情報に基づいて、モーター１５１の出力を制御する。具体的には、モーター制御部１５３は、角度センサ１６１、トルクセンサ１６３、および姿勢センサ１６５が計測した情報に基づいてモーター１５１の出力を制御し、関節部１１１に印加されるトルクを制御する。また、モーター制御部１５３は、角度センサ１６１およびトルクセンサ１６３が計測した情報に基づいて、移動速度を算出し、該移動速度に基づいてモーター１５１の出力を制御してもよい。

なお、モーター制御部１５３は、例えば、演算処理装置であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＣＰＵが使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＰＵの実行において使用するプログラムや、その実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などで構成されてもよい。

モーター１５１は、トルクを発生させ、関節部１１１に印加する。また、波動歯車装置１５５は、例えば、ハーモニックドライブ（登録商標）と呼ばれる減速機であり、モーター１５１が出力したトルクを増幅する。具体的には、モーター１５１が出力したトルクを波動歯車装置１５５で増幅し、関節部１１１に印加する。

さらに、例えば、モーター１５１の回転をボールネジ等により直線方向に変換し、コイルばね等の弾性力に変換して関節部１１１に印加してもよい。しかしながら、波動歯車装置１５５を用いた場合、モーター１５１等から関節部１１１にトルクを印加するための機構のサイズおよび重さを減少させることができる。したがって、利用者３への負担を減らすためには、波動歯車装置１５５を用いることがより好ましい。また、かかる構成によれば、移動支援装置１を小さくすることができるため、切断された部位が少ない利用者３にも本開示の実施形態に係る移動支援装置１の適用範囲を広げることができる。

関節部１１１には、モーター１５１および接地ユニット１２１によってトルクが印加される。ここで、接地ユニット１２１は、弾性部材１３１を含んでもよく、伝達部１２６が関節部１１１と接触しているか否かに基づいて、弾性部材１３１からのトルクを関節部１１１に印加するか否かを切り替える。

＜３．移動支援装置の動作例＞
引き続き、図７Ａ〜図７Ｆを参照して、本開示の実施形態に係る移動支援装置１の動作例について説明を行う。図７Ａ〜図７Ｆは、本開示の実施形態に係る移動支援装置１の歩行の各段階（段階「Ａ」〜段階「Ｆ」）における動作例を示した説明図である。ここで、図７Ａ〜図７Ｆの移動支援装置１および各構成に付した符号は、図５を参照して説明した各構成と同じであり、説明についても同様であるので、ここでの説明は省略する。

なお、図２または図４にて説明した歩行の段階「Ａ」と図７Ａが対応しており、同様に段階「Ｂ」と図７Ｂ、段階「Ｃ」と図７Ｃ、段階「Ｄ」と図７Ｄ、段階「Ｅ」と図７Ｅ、段階「Ｆ」と図７Ｆが対応している。

図７Ａに示すように、まず、段階「Ａ」において、踵側接地板１４３が接地する。このとき、関節側伝達部１２４と、関節部１１１は接触しておらず、間隙が空いている。また、接地板１２２は、自重により連結点Ｐを中心にして下方に変位しており、踵側接地板１４３と接触している。なお、初期状態において、弾性部材１３１は自然長である。

次に、図７Ｂに示すように、段階「Ｂ」において、接地板１２２が接地する。接地板１２２が接地した場合、地面からの反力により接地板１２２は、連結点Ｐを中心して上方に変位する。したがって、接地板１２２上に設けられたスライダ板１２３および関節側伝達部１２４についても同様に上方へ変位し、関節側伝達部１２４は、関節部１１１と接触する。

ここで、関節部１１１の外縁、および関節側伝達部１２４は、互いに噛み合う形状を有するラック・アンド・ピニオン機構であるため、形状が噛み合うことによって力を伝達できるようになる。また、接地板１２２が連結点Ｐを中心に上方に変位したため、接地板１２２と踵側接地板１４３との間には間隙が空いている。

続いて、図７Ｃに示すように、段階「Ｃ」において、下肢接続部１０１および関節部１１１は、段階「Ｂ」の位置よりも背屈方向に回転する。関節部１１１と形状が噛み合っているため、関節側伝達部１２４は、該関節部１１１の回転に伴ってスライダ板１２３上をスライドし、弾性部材側伝達部１２５を当接部１２７側へ移動させる。したがって、弾性部材１３１は、弾性部材側伝達部１２５と当接部１２７との間で圧縮され、弾性変形によって関節部１１１に反発力を印加するとともに弾性エネルギーを蓄積する。

次に、図７Ｄに示すように、段階「Ｄ」において、踵側接地板１４３が地面から離れる。このとき、下肢接続部１０１および関節部１１１はさらに背屈方向に回転するため、弾性部材１３１は、関節側伝達部１２４および弾性部材側伝達部１２５によってさらに弾性変形し、関節部１１１に反発力を印加する。なお、かかる段階において、踵側接地板１４３は地面から離れたものの、接地板１２２のつま先側は接地しており、地面からの反力を受けているため、関節部１１１と関節側伝達部１２４の接触は解除されていない。

続いて、図７Ｅに示すように、段階「Ｅ」において、接地板１２２によって地面の蹴り出しが行われる。このとき、関節部１１１は、段階「Ｄ」以降、底屈方向に回転方向が変わる。したがって、段階「Ｂ」〜「Ｄ」の間に弾性部材１３１に蓄積した弾性エネルギーは、段階「Ｄ」以降において、弾性部材１３１の反発力として関節部１１１に印加される。かかる構成によれば、図３の右図を参照して説明したように、関節部１１１が最もパワーを必要とする段階「Ｄ」〜「Ｅ」にかけて、弾性部材１３１は、関節部１１１に反発力を印加することが可能である。また、モーター１５１が使用される場合には、モーター出力の最大値を低下させることができる。

さらに、図７Ｆに示すように、段階「Ｆ」において、接地板１２２による地面の蹴り出しが完了する。このとき、関節部１１１は、段階「Ｅ」よりも底屈方向に回転し、該関節部１１１の回転に伴い、関節側伝達部１２４は、弾性部材側伝達部１２５と分離する。

ここで、弾性部材側伝達部１２５および関節側伝達部１２４が一体に構成されている場合に、図７Ｅ等において弾性部材１３１が自然長に戻ってしまうと、関節側伝達部１２４はそれ以上つま先側へ移動できなくなる。かかる場合、関節部１１１は、関節側伝達部１２４と噛み合っているため、さらに底屈方向に回転することができなくなり、利用者３の自然な蹴り出しを妨げてしまう。

本開示の実施形態に係る移動支援装置１では、関節側伝達部１２４および弾性部材側伝達部１２５が分離構成されている。したがって、例えば、図７Ｅ等において、弾性部材１３１が自然長に戻ったとしても、関節側伝達部１２４は、弾性部材側伝達部１２５と分離して移動することができる。よって、関節側伝達部１２４は、関節部１１１の回転を妨げず、利用者３に自然な蹴り出しを行わせることを可能にする。

なお、段階「Ｆ」において、図示していないが、接地板１２２が地面から離れると、接地板１２２が地面から受けていた反力がなくなるため、接地ユニット１２１は連結点Ｐを中心にして下方に変位する。そのため、関節部１１１および関節側伝達部１２４の接触が解除される。ここで、関節側伝達部１２４および弾性部材側伝達部１２５は、弾性を有する連結パーツで連結されているため、該接触の解除に伴い、連結パーツの弾性力により関節側伝達部１２４は、弾性部材側伝達部１２５と接触する位置に戻る。かかる構成により、移動支援装置１は、再び接地した際には、段階「Ａ」に戻って同様の動作を繰り返すことができるようになる。

以上の動作により、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、接地板１２２が接地した場合に、伝達部１２６を関節部１１１と接触させ、弾性部材１３１からの力を関節部１１１に伝達する。また、移動支援装置１は、接地板１２２が地面から離れた場合に、伝達部１２６と関節部１１１との接触を解除することにより、弾性部材１３１から関節部１１１への力の伝達を解除する。したがって、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、関節部１１１が最もパワーを必要とする段階「Ｄ」〜「Ｅ」において、弾性部材１３１からの力を関節部１１１に印加することが可能である。

＜４．移動支援装置の効果例＞
さらに、図８Ａ〜Ｃを参照して、本開示の実施形態に係る移動支援装置１の効果例について、説明を行う。図８Ａは、移動支援装置１の関節部１１１が移動速度１．２５ｍ／ｓにおいて出力するパワー（左図）、および弾性部材１３１、モーター１５１が印加するトルク（右図）を示すグラフ図である。また、図８Ｂは、移動速度１．５０ｍ／ｓにおける図８Ａと同様のパラメータのグラフ図であり、図８Ｃは、移動速度１．７５ｍ／ｓにおける図８Ａと同様のパラメータのグラフ図である。

ここで、図８Ａ〜Ｃの各左図では、モーター１５１が出力するパワーを実線で表記し、関節部１１１全体が出力するパワーを破線で表記した。また、図８Ａ〜Ｃの各右図では、モーター１５１が印加するトルクを実線で表記し、弾性部材１３１が印加するトルクを点線で表記し、モーター１５１および弾性部材１３１が印加するトルクの和である関節部１１１全体にかかるトルクを破線で表記した。なお、図８Ａ〜Ｃの各左図では、図３の左図と同様に、底屈方向を正、背屈方向を負として表した。また。図８Ａ〜Ｃの各右図では、背屈方向を正、底屈方向を負として表した。

図８Ａ〜Ｃの各左図に示すように、関節部１１１全体が出力するパワーの絶対値における最大値は、移動速度が速くなるほど増加する。具体的には、段階「Ｄ」〜「Ｅ」において、関節部１１１全体が出力するパワーの絶対値は、図８Ａで示す移動速度１．２５ｍ／ｓでは２５０Ｗであり、図８Ｂで示す移動速度１．５０ｍ／ｓでは３５０Ｗであり、図８Ｃで示す移動速度１．７５ｍ／ｓでは、５００Ｗである。しかしながら、モーター１５１が出力するパワーは、関節部１１１全体が出力するパワーとは異なり、いずれの移動速度でも絶対値で１５０Ｗ程度に収まっている。これは、本開示の実施形態に係る移動支援装置１が、段階「Ｄ」〜「Ｅ」においても、モーター１５１が関節部１１１に対して出力するパワーが大きくならないよう弾性部材１３１によって関節部１１１にトルクを印加しているためである。

ここで、図８Ａ〜Ｃに示す効果例では、図８Ａ〜Ｃの各右図に示すように、弾性部材１３１が印加するトルクを関節部１１１全体にかかるトルクよりも大きくなるように、弾性部材１３１の弾性力（例えば、バネ定数）を決定している。そのため、モーター１５１が関節部１１１に印加するトルクは、弾性部材１３１により印加されるトルクと力の向き（すなわち、グラフの符号）が反対方向になっている。また、特に移動速度が遅い図８Ａ、Ｂの左図の段階「Ｄ」〜「Ｅ」においては、モーター１５１よりも弾性部材１３１が関節部１１１に印加するトルクが大きいため、モーター１５１が出力するパワーの符号は関節部１１１全体が出力するパワーに対して反対になっている。

なお、弾性部材１３１の弾性力（例えば、バネ定数）は、上記例示に限定されるものではない。弾性部材１３１の弾性力は、移動支援装置１が使用される移動速度の範囲において、モーター１５１に必要とされるパワーが最小となるように、適宜選択することが可能である。

ここで、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、接地板１２２が接地し、関節部１１１と伝達部１２６が噛み合った時点からの関節部１１１の回転角度によって、弾性部材１３１の弾性変形量が変わる。一方、移動速度が速くなった場合、人間の歩幅は自然と大きくなるため、接地時の足首関節の角度は自然と大きくなり、歩行時における関節部１１１の回転角度も増加する。

したがって、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、移動速度が速くなり、関節部１１１の回転角度が大きくなるほど、弾性部材１３１の弾性変形量を大きくし、関節部１１１へ印加するトルクを大きくすることができる。図８Ａ〜Ｃで示すように、移動速度が速いほど、関節部１１１において必要なパワーは大きくなるため、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、移動速度の速さに応じて、自動的に弾性部材１３１から関節部１１１に印加するトルクを大きくすることが可能である。

また、階段を昇降する場合、人間の下肢の動作は、図２で説明した場合と異なり、つま先側から接地する。本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、つま先側の接地板１２２が接地した際に、関節部１１１と伝達部１２６を接触させるため、つま先側から接地した場合でも、同様に、関節部１１１へ力を伝達することができる。したがって、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、階段を昇降する場合においても、好適に用いることが可能である。

＜５．まとめ＞
以上説明したように、本開示の実施形態に係る移動支援装置１によれば、接地ユニット１２１が接地した場合に、弾性部材１３１と関節部１１１とを接触させ、弾性部材１３１からの力を関節部１１１に伝達する。また、移動支援装置１は、接地板１２２が地面から離れた場合、伝達部１２６と関節部１１１との接触を解除することにより、弾性部材１３１から関節部１１１への力の伝達を解除する。したがって、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、関節部１１１が最もパワーを必要とする際に、弾性部材１３１からの力を関節部１１１に印加することが可能である。

また、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、関節部１１１が最もパワーを必要とする際に、弾性部材１３１からの力を関節部１１１に印加することによって、モーター１５１の最大出力を削減することが可能である。したがって、本開示の実施形態に係る移動支援装置１によれば、モーター１５１のサイズおよび重量を小さくすることが可能であり、利用者３の負荷を軽減することが可能である。

さらに、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、モーター１５１のサイズを小さくすることによって、移動支援装置１の全体のサイズも小さくすることも可能である。よって、本開示の実施形態に係る移動支援装置１は、より切断された部位が少ない利用者３に対しても適用可能である。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

また、上記実施形態では、移動支援装置１は義足であるとして説明したが、本開示はかかる例に限定されない。例えば、移動支援装置１は、加齢または筋力低下等で歩行能力が低下した利用者の移動支援用の装具であってもよいし、二足歩行を行うロボット等の下肢を構成する移動装置であってもよい。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
下肢に接続される下肢接続部と、
弾性部材と、
移動面に接地する接地板、および前記弾性部材から生じる力を伝達する伝達部を含む接地ユニットと、
前記下肢接続部および前記接地ユニットの間に設けられた関節部と、
を備え、
前記接地ユニットは、前記伝達部が前記関節部と接する位置、および前記伝達部が前記関節部と離隔する位置との間で変位可能に設けられる、移動支援装置。
（２）
前記接地ユニットは、連結点を中心にして前記変位を行い、
前記接地板および前記伝達部は、前記連結点に対して同一側に設けられる、前記（１）に記載の移動支援装置。
（３）
前記接地板は、移動方向において前側で接地するつま先側接地板であり、
前記移動支援装置は、前記移動方向において後側で接地する踵側接地板をさらに備える、前記（１）または（２）に記載の移動支援装置。
（４）
前記伝達部はラックギヤを有し、前記関節部は前記ラックギヤと噛み合うピニオンギヤを有する、前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の移動支援装置。
（５）
前記伝達部は、前記関節部側に位置する関節側伝達部と、前記弾性部材側に位置し、前記関節側伝達部と分離構成された弾性部材側伝達部と、を有する、前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の移動支援装置。
（６）
前記関節側伝達部および前記弾性部材側伝達部は、弾性を有する連結部材を介して連結されている、前記（５）に記載の移動支援装置。
（７）
前記移動支援装置は、前記関節部に対して力を加えるモーターをさらに備える、前記（１）〜（６）のいずれか一項に記載の移動支援装置。
（８）
前記移動支援装置は、前記関節部に印加される前記モーターの力を変換する変換部をさらに備える、前記（７）に記載の移動支援装置。
（９）
前記変換部は、波動歯車装置である、前記（８）に記載の移動支援装置。
（１０）
前記移動支援装置は、前記関節部の角度を検出する角度センサ、前記関節部に印加されるトルクを検出するトルクセンサ、および前記関節部の傾きを検出する姿勢センサのうち少なくとも一つをさらに備え、
前記モーターは、前記センサの出力に基づきモーターの出力を制御する、前記（７）〜（９）のいずれか一項に記載の移動支援装置。
（１１）
前記弾性部材は、コイルばね、板ばね、引張ばね、および空気ばねのうちのいずれかである、前記（１）〜（１０）のいずれか一項に記載の移動支援装置。

１ 移動支援装置
３ 利用者
１００、１０１ 下肢接続部
１１０、１１１ 関節部
１２０、１２１ 接地ユニット
１２２ 接地板
１２３ スライダ板
１２４ 関節側伝達部
１２５ 弾性部材側伝達部
１２６ 伝達部
１２７ 圧縮部材
１２９ 接地ユニット連結板
１３０、１３１ 弾性部材
１４１ 結合板
１４３ 踵側接地板
１５０、１５１ モーター
１５３ モーター制御部
１５５ 波動歯車装置
１６１ 角度センサ
１６３ トルクセンサ
１６５ 姿勢センサ

Claims (11)

1. 下肢に接続される下肢接続部と、
   弾性部材と、
   移動面に接地する接地板、および前記弾性部材から生じる力を伝達する伝達部を含む接地ユニットと、
   前記下肢接続部および前記接地ユニットの間に設けられた関節部と、
   を備え、
   前記接地ユニットは、前記伝達部が前記関節部と接する位置、および前記伝達部が前記関節部と離隔する位置との間で変位可能に設けられる、移動支援装置。
2. 前記接地ユニットは、連結点を中心にして前記変位を行い、
   前記接地板および前記伝達部は、前記連結点に対して同一側に設けられる、請求項１に記載の移動支援装置。
3. 前記接地板は、移動方向において前側で接地するつま先側接地板であり、
   前記移動支援装置は、前記移動方向において後側で接地する踵側接地板をさらに備える、請求項２に記載の移動支援装置。
4. 前記伝達部はラックギヤを有し、前記関節部は前記ラックギヤと噛み合うピニオンギヤを有する、請求項１に記載の移動支援装置。
5. 前記伝達部は、前記関節部側に位置する関節側伝達部と、前記弾性部材側に位置し、前記関節側伝達部と分離構成された弾性部材側伝達部と、を有する、請求項１に記載の移動支援装置。
6. 前記関節側伝達部および前記弾性部材側伝達部は、弾性を有する連結部材を介して連結されている、請求項５に記載の移動支援装置。
7. 前記移動支援装置は、前記関節部に対して力を加えるモーターをさらに備える、請求項１に記載の移動支援装置。
8. 前記移動支援装置は、前記関節部に印加される前記モーターの力を変換する変換部をさらに備える、請求項７に記載の移動支援装置。
9. 前記変換部は、波動歯車装置である、請求項８に記載の移動支援装置。
10. 前記移動支援装置は、前記関節部の角度を検出する角度センサ、前記関節部に印加されるトルクを検出するトルクセンサ、および前記関節部の傾きを検出する姿勢センサのうち少なくとも一つをさらに備え、
    前記モーターは、前記センサの出力に基づきモーターの出力を制御する、請求項７に記載の移動支援装置。
11. 前記弾性部材は、コイルばね、板ばね、引張ばね、および空気ばねのうちのいずれかである、請求項１に記載の移動支援装置。
    
    
    

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