JP2016106955A

JP2016106955A - 屈曲動作補助装置、屈曲動作補助方法及び屈曲動作補助用プログラム

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Publication number: JP2016106955A
Application number: JP2014249362A
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
Anticipated expiration: 2034-12-09
Also published as: JP6547285B2

Abstract

【課題】膝の屈曲状態においてユーザの身体にかかる負担を軽減可能な屈曲動作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、制御手段は、検出手段６５により検出される膝関節の角度に基づいて、単位時間当たりの膝関節の角度の変位量が変化し始める変曲点Ｘを求め、この算出結果に基づいて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、立位から座位に至る際の膝の屈曲動作を補助する屈曲動作補助装置等に関する。

生活の中で、立位から座位に姿勢を変化させる際には、膝を屈曲させるため、重力や自重により、膝に非常に大きな負荷がかかる。

特に、高齢者や脚に障害をもつリハビリ患者等が、立位から座位に姿勢を変化させる場合には、自重を支えるだけの力がない場合が多く、所定の膝の屈曲角度に達した際に、一気に膝が屈曲してしまい危険であるため、介助者の助けや手すり等が必要である。

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、ユーザの下腿部を膝関節アクチュエータで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、ユーザの歩行動作に対応して動作するものである。よって、ユーザが立位から座位に姿勢を変化させる際には、歩行補助装置の電源を停止し、介助者の助けを借りて座るか、若しくは手すり等を用いて自力で座っていたため、身体への負担が非常に大きかった。

そこで、このような課題の一例を解消するために、本願は、膝の屈曲状態においてユーザの身体にかかる負担を軽減可能な屈曲動作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に記載の屈曲動作補助装置（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膝関節の角度に基づいて、単位時間当たりの前記膝関節の角度の変位量が変化し始める変曲点（Ｘ）を検出し、この検出結果に基づいて前記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に記載の屈曲動作補助装置は、請求項１に記載の屈曲動作補助装置において、前記駆動手段は、ユーザの歩行動作を補助する場合において、正回転させるモータであって、前記制御手段は、前記変曲点を検出した後に、前記モータを逆回転させることを特徴とする。

また、請求項３に記載の屈曲動作補助装置は、請求項２に記載の屈曲動作補助装置において、前記変曲点に至る前は、モータに対して電源電力を停止することを特徴とする。

また、請求項４に記載の屈曲動作補助方法は、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屈曲動作補助方法であって、前記ユーザの膝関節の角度を検出する角度検出工程と、前記検出される膝関節の角度に基づいて、単位時間当たりの前記膝関節の角度の変位量が変化し始める変曲点を検出する変曲点検出工程と、この検出結果に基づいて前記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５に記載の屈曲動作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屈曲動作補助装置において屈曲動作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、前記検出手段により検出される膝関節の角度に基づいて、単位時間当たりの前記膝関節の角度の変位量が変化し始める変曲点を検出する変曲点検出手段、及びこの検出結果に基づいて前記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。

また、請求項６に記載の屈曲動作補助装置は、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、前記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。

立位から座位に姿勢を変化する際の膝の屈曲動作において、膝にかかる負担の軽減化を図れるとともに、高齢者等が安全に座ることができる。

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。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。屈曲と伸展の状態を説明するための図である。ユーザが立位から座位に姿勢を変化させた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。

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、ユーザが立位から座位に姿勢を変化させる際の膝の屈曲動作において、膝にかかる負担を軽減可能な屈曲動作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３）。

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、ポテンショメータによって検出する膝関節の回転角度の情報に基づいて、単位時間当たりの前記膝関節の回転角度の変位量が変化し始める変曲点を求め(算出し）、この算出結果に基づいて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。

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、歩行補助機能と屈曲動作補助機能とを有し、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屈曲動作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。

一方、屈曲動作補助機能とは、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、立位から座位に姿勢を変化させる際のユーザの膝の屈曲動作に負荷を与えるように、モータ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、ユーザの膝の屈曲動作を補助するものである。

一般的な歩行動作は、大腿二頭筋等による屈曲動作と内側広筋等による伸展動作を片足毎に、交互に継続して行われる。ここで、屈曲動作とは、図４の矢印Ａに示すように、膝関節部を反時計方向に回す状態を言い、伸展動作とは、図４の矢印Ｂに示すように、膝関節部を時計方向に回す状態を言う。

このような歩行動作は、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、立位から座位（椅子などに座る行為）に至る動作は、図５（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）からほぼ直角に屈曲（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大き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。

しかしながら、通常は、膝関節が徐々に屈曲するものの、図５（ａ）に示すように、ある一定の位置（変曲点Ｘと称する。）を超えると、重力又は自重等の影響により膝関節の屈曲スピードが速くなる傾向にある。この変曲点Ｘとは、単位時間当たりの膝関節の回転角度の変位量が変化し始める点であり、この変曲点Ｘに至る前は、ユーザが自重を容易に保持可能であり、この変曲点Ｘを超えるとユーザは自重を保持すること困難な姿勢である。

そこで、本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、この変曲点Ｘを境にして、膝関節部に対して伸展力を補助することでユーザを緩やかに座らせるようにしたものである。

具体的には、自重による屈曲力よりも少し小さな伸展力が膝関節部に加えられるように、膝関節の角度が大き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、膝の関節が伸展する方向に駆動機構部を動作させるように制御する。

このようにモータＭを制御させることで、ユーザは自重による膝の屈曲動作が抑えられ、膝関節部をゆっくりと屈曲させることができ、緩やかに座ることが可能となる。

次に、ユーザが立位から座位に姿勢を変化させる際の、具体的なモータＭの駆動制御方法について説明する。

まず、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）に基いて単位時間当たりの膝関節の回転角度の変位量から変曲点Ｘを求める（算出する）。なお、この変曲点Ｘは予め設定されても構わない。また、この変曲点Ｘは個人個人の筋肉量や体型等によって変わるものである。

そして、制御部は、モータＭに対して、ポテンショメータ６５により検出される出力信号が変曲点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、出力信号が変曲点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）にトルクが付与されるように駆動制御する。なお、トルク量は、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。このＰＷＭ信号の値は、増加するほどトルクが得られる。

また、このトルクは自重により駆動機構部に加わるトルク（基準トルク）よりも若干小さいトルクが付与される。

これにより、駆動機構部は、モータＭによる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えようとする抵抗力が働き、使用者をゆっくりと座らせることができる。

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、変曲点Ｘを検出し、その変曲点Ｘを検出後の駆動モータを伸展方向にトルクが付与されるように制御しているが、特定の膝の回転角度を予め設定しておき、その回転角度に達した後、モータＭに膝関節の屈曲方向とは逆方向（伸展方向）にトルクが付与されるようにモータＭの回転方向を制御し、駆動機構部を動作させるようにしても構わない。

Ｓ歩行補助装置
Ｍモータ
Ｘ変曲点
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膝関節の角度に基づいて、単位時間当たりの前記膝関節の角度の変位量が変化し始める変曲点を求め、
この算出結果に基づいて前記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屈曲動作補助装置。
前記駆動手段は、ユーザの歩行動作を補助する場合において、正回転させるモータであって、前記制御手段は、前記変曲点を求めた後に、前記モータを逆回転させることを特徴とする請求項１に記載の屈曲動作補助装置。
前記変曲点に至る前は、モータに対して電源電力を停止することを特徴とする請求項２に記載の屈曲動作補助装置。
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屈曲動作補助方法であって、
前記ユーザの膝関節の角度を検出する角度検出工程と、
前記検出される膝関節の角度に基づいて、単位時間当たりの前記膝関節の角度の変位量が変化し始める変曲点を求める変曲点算出工程と、
この算出結果に基づいて前記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屈曲動作補助方法。
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屈曲動作補助装置の屈曲動作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、
前記検出手段により検出される膝関節の角度に基づいて、単位時間当たりの前記膝関節の角度の変位量が変化し始める変曲点を求める変曲点算出手段、及び
この算出結果に基づいて前記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屈曲動作補助用プログラム。
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、前記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屈曲動作補助装置。