JP2016106954A

JP2016106954A - 中腰姿勢補助装置、中腰姿勢補助方法及び中腰姿勢補助用プログラム

Info

Publication number: JP2016106954A
Application number: JP2014249361A
Authority: JP
Inventors: 星野　優; Masaru Hoshino; 優星野
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2016-06-20

Abstract

【課題】中腰状態におけるユーザの身体にかかる負荷を軽減可能な中腰姿勢補助装置等を提供する。
【解決手段】トルクの付与によってユーザの膝の屈曲及び伸展を補助する駆動機構部を動作させる駆動手段Ｍと、駆動手段Ｍを駆動制御する制御手段６２と、ユーザの膝関節の角度を検出する検出手段６５と、を具備し、制御手段６２は、検出手段６５により検出される屈曲動作中の膝関節の角度が所定の角度に達した場合に、自重により駆動機構部に加わる基準トルクと同じ値のトルクがユーザの膝の伸展を補助する方向に付与されるように駆動手段Ｍを駆動制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ユーザの姿勢を補助する中腰姿勢補助装置等に関する。

生活の中で、中腰の姿勢を維持しつつ作業を行う場合があるが、腰やひざを痛める要因となるとともに、疲労感も増え、作業効率が低下する。特に、高齢者であれば、中腰の姿勢が身体に与える負担は非常に大きい。

一方、本件出願の発明者は、リハビリ患者等の歩行動作を補助する補助装置の開発を行っている（例えば、特許文献１参照）。

この歩行補助装置は、特許文献１に示すように、ユーザの下腿部を股関節及び膝関節アクチュエータで股関節及び膝関節回りに前後方向に揺動させることで歩行を補助するものである。

特許第４０９２３２２号公報

上記特許文献１に示す歩行補助装置は、ユーザの動きに対しては補助可能であるものの、一定の状態を保持する機能をもっていないため、中腰姿勢を維持する際に、ユーザの身体的負担を補助することができなかった。

そこで、このような課題の一例を解消するために、本願は、中腰状態におけるユーザの身体にかかる負荷を軽減可能な中腰姿勢補助装置等を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、請求項１に記載の中腰姿勢補助装置（Ｓ）は、トルクの付与によってユーザの膝の屈曲及び伸展を補助する駆動機構部を動作させる駆動手段（Ｍ）と、前記駆動手段を駆動制御する制御手段（６２）と、前記ユーザの膝関節の角度を検出する検出手段（６５）と、を具備し、前記制御手段は、前記検出手段により検出される屈曲動作中の膝関節の角度が所定の角度に達した場合に、自重により前記駆動機構部に加わる基準トルクと同じ値のトルクがユーザの膝の伸展を補助する方向に付与されるように駆動手段を駆動制御することを特徴とする。

また、請求項２に記載の中腰姿勢補助装置は、請求項１に記載の中腰姿勢補助装置において、前記制御手段は、前記膝関節の角度が所定の角度に至る前には、前記基準トルクよりも小さい値のトルクが膝の伸展を補助する方向に付与されるように駆動手段を駆動制御することを特徴とする。

また、請求項３に記載の中腰姿勢補助方法は、トルクの付与によってユーザの膝の屈曲及び伸展を補助する駆動機構部を動作させる駆動手段を備える装置における中腰姿勢補助方法であって、前記ユーザの膝関節の角度を検出する角度検出工程と、前記検出される屈曲動作中の膝関節の角度が所定の角度に達した場合に、自重により前記駆動機構部に加わる基準トルクと同じ値のトルクがユーザの膝の伸展を補助する方向に付与されるように駆動手段を駆動制御する駆動制御工程と、を備えていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の中腰姿勢補助用プログラムは、トルクの付与によってユーザの膝の屈曲及び伸展を補助する駆動機構部を動作させる駆動手段を具備する中腰姿勢補助装置において中腰姿勢補助処理を行うコンピュータを、前記ユーザの膝関節の角度を検出する検出手段、及び前記検出手段により検出される屈曲動作中の膝関節の角度が所定の角度に達した場合に、自重により前記駆動機構部に加わる基準トルクと同じ値のトルクがユーザの膝の伸展を補助する方向に付与されるように駆動手段を駆動制御する駆動制御手段として機能させることを特徴とする。

ユーザが中腰状態において身体的負担の軽減化を図れるとともに、ユーザは中腰状態を容易に維持することができる。

歩行補助装置の装着状態を示す図であり、図１（ａ）は使用者が起立した状態の歩行補助装置の装着図、図１（ｂ）は使用者が屈曲動作を行った状態の歩行補助装置の動作状態を示す図である。歩行補助装置の構成図であり、図２（ａ）は歩行補助装置の平面図、図２（ｂ）は歩行補助装置の内部を示す断面図である。立位から座位又は中腰に姿勢を変化させるときの膝関節の回転角度と経過時間の関係を示す一例である。歩行動作ユニットの動作例を説明するための概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。また、本発明は、ユーザが中腰状態において、特に、膝にかかる負担を軽減可能な姿勢補助機能を歩行補助装置に設けた一例を説明する。本実施形態において、歩行補助装置とは、左右の脚に装着された駆動機構部を夫々動作させ、ユーザが歩行する際に行う膝の屈曲及び伸展動作を補助する歩行補助機能を備えているものをいう。また、「屈曲動作」とは、膝関節を曲げる動作をいい、「伸展動作」とは、膝関節が伸びる動作をいう。

図１及び図２に示すように、本実施形態の歩行補助装置Ｓは、使用者の腰部３に装着される腰部装着具１１と、この腰部装着具１１に揺動自在に取り付けられ、使用者の左右両足（図１上では片足（右足）のみ表示）にそれぞれ装着可能な歩行補助ユニット１０を備える。当該歩行補助ユニット１０は、使用者の股関節の左右外側において、使用者の大腿部５の外側面に沿うように装着される大腿部装着具１２と、大腿部装着具１２の下端に前後方向に揺動自在に枢支され、使用者の下腿部７の外側面に沿うように装着される下腿部装着具１３と、を備えている。

この歩行補助装置Ｓは、駆動モータＭ（図２）の駆動により、大腿部装着具１２に対して下腿部装着具１３を前後方向に揺動させることで、股関節及び膝関節周りを揺動させ、使用者に対して、図１（ａ）に示す伸展動作と、図１（ｂ）に示す屈曲動作とを適正に行わせることで、歩行補助を行う。

図２に示すように、腰部装着具１１は、使用者の腰部３の左右両側を覆い断面が略半円形状に形成された左右一対の腰部装着体５０と、この腰部装着体５０の左右両側に固定して取り付けられ、それぞれが大腿部５の外側面に沿うように固定して設けられる腰部用プレート２１と、を備えている。

左右の腰部装着体５０には、ベルトが取り付けられており、このベルトを用いて当該腰部装着体５０は使用者の体格に応じて位置決めされて腰部３に装着される。

腰部用プレート２１は、ボールジョイント部１５を介して、大腿部装着具１２と連結される。図２に示すように、このボールジョイント部１５は、球体１６と、その球体１６を表面上で擦動可能に受けるための窪み部１７ａを有する円柱状の受体１７と、を備え、当該受体１７は、球体１６の動作に応じて、表面上でこの球体１６を摺動可能に受ける。また、この球体１６と受体１７とは、磁力によって吸着しており、球体１６が下方から受体１７により支持される結果、球体１６が受体１７から脱落することなく支持される。

この腰部用プレート２１は、腰部装着体５０の左右両側に大腿部５の外側に沿うように取り付けられる板状の基体フレーム２３と、その基体フレーム２３に対して鉛直方向に摺動自在に取り付けられた板状の補助フレーム２４と、を備えており、使用者の体格に応じて適切に腰部用プレート２１の長さＳ１を調整可能である（図２（ｂ）参照）。この腰部用プレート２１の長さＳ１は、ユーザの股関節側方にボールジョイント部１５の球体１６の中心が位置するように使用者の体格に応じて調整される。

また、補助フレーム２４は、下端部２４ａが前記ユーザの大腿部側方から外側に向かって曲折して平坦状に形成されおりその全体は略Ｌ字状に形成されている。平坦状に形成されたこの下端部２４ａには、窪み部１７ａを上側として上方に突出するように上記球体１６を支持するための受体１７が固定して取り付けられる。

一方、大腿部装着具１２は、図２に示すように、大腿部５の外側面に沿うように設けられる大腿部用プレート３１を備えており、この大腿部用プレート３１は略環状に形成されたベルト９によって大腿部５の左右両側部に固定される。

この大腿部用プレート３１は、板状の基体フレーム３３と、この基体フレーム３３の上端部内側に上下に摺動自在に取り付けられた板状の上部延長フレーム３４と、を備えており、使用者の体格に応じて適切に大腿部用プレート３１の長さＳ２を調整することができる。

図２に示すように、上部延長フレーム３４は、その上部に、前記上部延長フレーム３４を内側側面として用いた筐体３５を有している。この筐体３５の略中央部には、使用者の大腿部側に向かって円柱状の軸３６を有する前記球体１６が取り付けられている。軸３６と球体１６は固定して取り付けられ、当該軸１６は筐体３５に対して回転自在に取り付けられる。

また、この筐体３５の内部には、前記軸３６の回転角度を検出するポテンショメータ６０（以下、「股関節用のポテンショメータ」と称する。）が設けられており、このポテンショメータ６０により股関節部の回転動作（回転角度）が検出される。

また、基体フレーム３３には、当該基体フレーム３３を内側側面として用いた筐体３８を有している。この筐体３８の内部には、大腿部装着具１２及び下腿部装着具１３の膝関節側端部間を回転可能に連結する連結部７０と、この連結部７０を中心にして大腿部装着具１２及び下腿部装着具１３とを相対的に回転させながら上記膝関節側端部間を前後方向に相対的にスライド運動させるための駆動機構部（図示なし）と、が設けられており、更に、当該駆動機構部の動力源としてのモータＭ（本願の駆動手段）や当該モータＭを所定の回転方向及びトルクで駆動制御する制御基板６２等からなる制御部、又は当該モータＭに電源を供給するバッテリ（図示なし）等が必要に応じて適宜選択されて収容される。

なお、駆動機構部は、例えば、複数の歯車群を含んで構成されるギアボックスを介して下腿部装着具１３と接続され、本実施形態のモータは制御部から出力されるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動信号Sｈに基づいて駆動されるものである。

また、この筐体３８の内部には、カム軸の回転角度を検出するポテンショメータ６５（以下、「膝関節用のポテンショメータ」と称する。）が設けられており、このポテンショメータ６５により膝関節の回転角度が適宜検出される。なお、このポテンショメータ６５は本願の検出手段として機能する。

また、制御基板６２には、上述した股関節用のポテンショメータ６０や膝関節用のポテンショメータ６５と電気的に接続されており、検出された回転角度を示す出力信号が入力される。本実施形態では、この出力信号は使用者の膝の屈曲又は伸展状態を判断するための指標として機能するものであり、記憶部９０に記憶される（図４）。

また、図２に示すように、大腿部装着具１２の下方には下腿部装着具１３が配置される。下腿部装着具１３は、下腿部プレート４３を備え、大腿部プレート３１と連結部７０によって回転可能に連結される。

また、図示しないが、下腿部プレート４３は、下腿部用フレームと、この下腿部用フレームの下端部内側に上下に摺動自在に取り付けられた下部延長フレームと、を備えており、使用者の体格に応じて適切に下腿部装着プレートの長さＳ３を調整することができる。

なお、本実施形態の歩行補助装置Ｓは、ボールジョイント部１５で腰部装着具１１と、大腿部装着具１２と下腿部装着具１３とが一体化された歩行補助ユニット１０とが分離可能となっており、使用者の腰部３に腰部装着具１１を装着した後、大腿部５及び下腿部７に歩行補助ユニット１０を装着して使用される。

制御部は、主として演算機能を有するＣＰＵ（Central Processing Unit）、作業用ＲＡＭ、及び各種データやプログラムを記憶するＲＯＭを備えて構成されている。そして、ＣＰＵが、例えばＲＯＭに記憶された各種プログラムを実行することにより、モータＭを駆動制御し、所定のトルクで駆動機構部を動作させる。

具体的には、制御部は、例えば、ユーザによる操作部の操作によって姿勢補助機能を動作させるの動作要求を受け付け、モータを駆動制御するための駆動信号Shを生成し、その駆動信号ShをモータＭに送信する。

特に、本実施形態において、モータＭは、ユーザの膝関節の回転角度が所定の回転角度に到達するまでは、駆動機構部にダンパー的な動作をさせるためにトルクがユーザの膝の伸展を補助する方向に付与されるように制御され、ユーザの膝関節の回転角度が所定の回転角度に到達した後は、この回転角度が維持されるように駆動機構部に加わるトルクが制御される。

ここで、本実施形態の歩行補助装置の機能について説明する。

本実施形態の歩行補助装置は、歩行補助機能と姿勢補助機能とを有し、各機能は、ユーザによる操作部の操作によって選択される。操作部は、図示しないが、上述する歩行動作機能と姿勢補助機能とを切り替える複数の選択ボタン等を備えており、ユーザによって操作される。

歩行動作機能とは、歩行動作時における膝の回転と同一方向に駆動機構部を動作させるように、モータＭに所定の回転方向及びトルクを付与することによって駆動機構部を動作させ、歩行動作時のユーザの膝の屈曲及び伸展を補助するものである。

一般的に歩行動作は、膝関節を一定のリズムで屈曲し、伸展させることによって行われるため、モータＭは、左右両脚に取り付けられる駆動機構部が、夫々、所定の周期分ずれた位相で駆動するように制御される。

一方、姿勢補助機能とは、膝を曲げた状態（中腰状態）の姿勢を補助するものであって、歩行動作時における膝の回転方向と逆方向に駆動機構部を動作させるとともに所定のトルクによって、自重により膝が曲折することを抑止してユーザの姿勢を補助するものである。

立位から座位（椅子などに座る行為）に至る動作は、図３（ａ）に示すように、膝関節を伸展している状態（膝関節の角度が０度）から直角に屈曲（膝関節の角度が９０度）することによって行われる。一般的に立位から座位に至る動作において、ユーザは、自重に抗するようにして膝部に膝関節の角度が高くなるにつれて力を徐々に加えることで急激に膝関節が屈曲することなくゆっくりと座ることが可能である。

一方、図３（ｂ）に示すように、立位から座位に至る間（中腰）において姿勢を維持する場合、屈曲に用いられる大腿二頭筋に対して、内側広筋により膝部を伸展させることでバランスを保つ必要があるが、特に、高齢者等は、筋肉が弱いため、中腰姿勢を維持することが困難である。

そこでモータＭを歩行動作時の回転方向と逆方向に動作（反転動作）させるように制御させることで、自重による屈曲に対して膝部を伸展させてバランスを保ち、ユーザは中腰姿勢を維持することが可能となる。

しかしながら、膝関節が所定の中腰姿勢の角度θに到達した際に、モータを反転動作させた場合、使用者は、急激に屈曲動作が停止させられるため意図しない動作となり違和感を感じる。

そこで本実施形態では、設定する中腰姿勢の角度θに対応する膝関節の角度に達する前までは、自重による屈曲力よりも少し小さな伸展力が膝関節に加えられるように、膝関節の角度が高くなるにつれてモータＭの反転動作の出力を徐々に上げ、所定の膝関節の角度に到達した後は、モータの出力を上昇させて、膝関節における自重による屈曲動作とモータによる伸展動作をバランスさせることで姿勢を維持させるよう制御する。

このようにモータＭを制御させることで、ユーザは立位から設定された中腰姿勢に至るまでは膝関節をゆっくりと屈曲させることができ、中腰姿勢に至った後は、自重による屈曲力に対してモータＭによる伸展力がバランスすることで中腰姿勢を容易に維持することができる。

次に、ユーザを立位から所定の中腰姿勢に変化させる際の、具体的なモータMの駆動制御方法について説明する。

立位から中腰に姿勢を変化させる動作においては、膝関節を所定の角度まで徐々に屈曲させた後、その状態を維持する必要がある。

そこで、本実施形態では、立位から所定の中腰姿勢に至るまでは、自重により駆動機構部に加わるトルク（以下、「基準トルク」と称する。）よりも若干小さいトルクが伸展方向に与えられるように、伸展方向にモータＭを駆動制御することによって駆動機構部を動作させ、所定の中腰姿勢に至った後は、当該基準トルクと同じ値のトルクが駆動機構部に加えられるようにモータＭを駆動制御する。

このようにモータＭを制御することにより、ユーザは膝の屈曲動作をスムーズに行えるとともに、中腰姿勢を容易に維持することが可能となる。

さらに具体的には、予め中腰姿勢に相当する膝の回転角度Ｘが設定されている場合において、制御部は、膝関節用のポテンショメータ６５により検出される出力信号（回転角度）に基いて使用者の膝の屈曲状態を判断し、モータＭに対して、当該出力信号が当該膝の回転角度Ｘに至る前までは、膝関節が伸展する方向（歩行動作時に回転する方向と逆方向）であって、基準トルクよりも小さいトルクが与えられるように駆動信号Shを生成してその駆動信号ShをモータＭに送信し、出力信号が膝の回転角度Ｘに至った後は、膝関節が伸展する方向（歩行動作時に回転する方向と逆方向）に基準トルクが付与されるように駆動信号Shを生成してその駆動信号Shをモータに送信する。なお、トルクの値は、ユーザの体重などによって適宜変更され、その制御は、ＰＷＭ信号の値の変更によって適宜設定される。なお、ＰＷＭ信号の値は、増加するほどトルクが得られる。

このように本実施形態では、膝関節の回転角度をポテンショメータ６５により検出し、予め設定された所定の回転角度Ｘに至る前は、膝関節の屈曲方向とは逆方向（伸展方向）に基準トルクよりも小さいトルクが付与されるようにモータＭを駆動制御して駆動機構部を動作させ、予め設定された所定の回転角度に至った後は、膝関節の屈曲方向とは逆方向（伸展方向）に基準トルクと同じ値のトルクが付与されるようにモータＭを駆動制御して駆動機構部を動作させる。

これにより、所定の中腰姿勢に至る前において、駆動機構部は、モータＭにより基準トルクよりも小さいトルクが屈曲方向とは反対方向（伸展方向）に付与されるため、屈曲方向への動きを抑えようとする抵抗力が働き、使用者をゆっくりと中腰姿勢にさせることができる。

また、所定の中腰姿勢に至った後において、駆動機構部は、モータＭにより基準トルクが屈曲方向とは反対方向に付与されるため、屈曲方向への動きを抑止して、使用者を中腰姿勢に保持させることができる。

なお、本実施形態では、モータＭの回転方向によって抵抗力を働かせ、ＰＷＭの値によって、抵抗力の値を制御するようになっているが、駆動機構部をリンク機構に代え、モータの代わりに油圧又は空圧式のシリンダ装置（ダンパー）を用いた場合、減衰力を調整するようにしてもかまわない。このように駆動機構部は、本実施形態に限定されるものではなく、また、その駆動機構部を動作させる駆動手段もモータＭに限定されるものではなく、上述したように油圧又は空圧式のシリンダ装置等を用いることができる。

また、本実施形態では、予め設定された膝の回転角度に基づいて駆動機構部に所定のトルクが付与されるようにモータを制御しているが、この膝の回転角度（中腰姿勢）は使用者によって設定されるようにしても構わない。この場合、例えば、操作部に膝の回転角度を決定するためのボタン等を設けておき、このボタン等の押下等により使用者が膝の回転角度を特定することができるようにすればよい。

また、中腰姿勢に至る前までの膝の屈曲が大きな負担とならない場合には、制御部は、モータＭに対して、中腰姿勢に相当する膝関節の角度Ｘに至る前までは、電源電力を停止し（供給せず）若しくはＰＷＭ信号を０％に制御しても構わない。

Ｓ歩行補助装置
Ｍモータ
１１腰部装着具
１２大腿部装着具
１３下腿部装着具
６０、６５ポテンショメータ
６２制御基板

Claims

トルクの付与によってユーザの膝の屈曲及び伸展を補助する駆動機構部を動作させる駆動手段と、
前記駆動手段を駆動制御する制御手段と、
前記ユーザの膝関節の角度を検出する検出手段と、を具備し、
前記制御手段は、
前記検出手段により検出される屈曲動作中の膝関節の角度が所定の角度に達した場合に、自重により前記駆動機構部に加わる基準トルクと同じ値のトルクがユーザの膝の伸展を補助する方向に付与されるように駆動手段を駆動制御することを特徴とする中腰姿勢補助装置。
前記制御手段は、
前記膝関節の角度が所定の角度に至る前には、前記基準トルクよりも小さい値のトルクが膝の伸展を補助する方向に付与されるように駆動手段を駆動制御することを特徴とする請求項１に記載の中腰姿勢補助装置。
トルクの付与によってユーザの膝の屈曲及び伸展を補助する駆動機構部を動作させる駆動手段を備える装置における中腰姿勢補助方法であって、
前記ユーザの膝関節の角度を検出する角度検出工程と、
前記検出される屈曲動作中の膝関節の角度が所定の角度に達した場合に、自重により前記駆動機構部に加わる基準トルクと同じ値のトルクがユーザの膝の伸展を補助する方向に付与されるように駆動手段を駆動制御する駆動制御工程と、
を備えていることを特徴とする中腰姿勢補助方法。
トルクの付与によってユーザの膝の屈曲及び伸展を補助する駆動機構部を動作させる駆動手段を具備する中腰姿勢補助装置において中腰姿勢補助処理を行うコンピュータを、
前記ユーザの膝関節の角度を検出する検出手段、及び
前記検出手段により検出される屈曲動作中の膝関節の角度が所定の角度に達した場合に、自重により前記駆動機構部に加わる基準トルクと同じ値のトルクがユーザの膝の伸展を補助する方向に付与されるように駆動手段を駆動制御する駆動制御手段として機能させることを特徴とする中腰姿勢補助用プログラム。