JP2020005749A

JP2020005749A - 歩行支援装置および歩行支援方法

Info

Publication number: JP2020005749A
Application number: JP2018127544A
Authority: JP
Inventors: 三宅　美博; Yoshihiro Miyake; 美博三宅; 雅俊関; Masatoshi Seki; 正之中山; Masayuki Nakayama
Original assignee: Walk Mate Lab
Current assignee: Walk Mate Lab
Priority date: 2018-07-04
Filing date: 2018-07-04
Publication date: 2020-01-16

Abstract

【課題】装着型の歩行支援装置において、装着者の皮膚感覚または体性感覚を刺激する方法を採用することにより、すくみ足等の歩行障害の改善を図ること。【解決手段】歩行支援装置１は、装着者Ｕの身体部位に作用する駆動部１１、１２と、駆動部１１、１２を駆動制御する制御部２０とを備える。装着者Ｕがすくみ足により足が止まっている状態でも、制御部２０が駆動部１１、１２を周期的かつ交互に駆動することにより、装着者Ｕの腕を前後に振らせるような上肢運動が促される。その上肢運動が装着者に体性感覚として取り込まれ、それとともに運動中枢神経系にそれに同調した下肢の協調動作が引き起こされる。その結果、装着者Ｕは、止まっていた何れか一方の足を前に踏み出す動作ができるようになり、すくみ足の状態から脱却することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、人間の歩行運動を支援し、または改善するための技術に関する。

人間の歩行運動において、方向を変えるときや歩き始めのときに、有効な脚の振り出しが突然できなくなる状況を「すくみ足」という。このようなすくみ足は、パーキンソン病やそれに類似した純粋無動症などの患者でしばしばみられ、足が床に張り付いたように感じるなどの自覚症状が出る。このすくみ足の状態を克服するための一手段として外部刺激（トリガー）が有効であると考えられている。例えば、前方の床にレーザ発光器で線状の標しを投影し、それを目標に一歩目の踏み出しを促す技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。他に同様の病気を患う方々にしばしばみられる症状として、歩幅が著しく小さくなる小刻み歩行や、徐々に小走りになってしまう加速歩行がある。これらの症状に対しても、メトロノーム等の音による外部刺激（トリガー）が有効と考えられている。

また、装着型の歩行支援装置においては、脚運動ではなく、脳に関連する腕運動に介在することにより、歩行運動を内面から改善することができる発明がある（例えば特許文献２参照）。この特許文献２に記載の歩行支援装置は、装着者の歩行状態を測定しながら腕に作用するものであるが、歩き出す前からトリガーを装着者に与えるという使用方法は想定されていない。

特開２００５−３１２７３６号公報特開２０１４−１２８４６４号公報

すくみ足、小刻み歩行、加速歩行といった症状を改善する歩行のトリガーの与え方として、床に描いた線のような視覚的な情報提示、メトロノームの音のような聴覚の刺激を用いると、例えば屋外など人の往来がある環境では、注意力や危険認知に重要な役割を持つ情報を奪いかねない等の問題がある。

本発明は、上記の問題を解決するため、装着型の機械を用い、利用者の皮膚感覚または体性感覚等を刺激することにより、すくみ足等の歩行障害の改善を図ることができる技術を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するため、本発明は、利用者の身体に装着される歩行支援装置であって、装着された当該利用者の身体部位に作用する駆動部と、前記駆動部を駆動制御する制御部とを備え、前記駆動部から受ける体性感覚の刺激を利用して当該利用者の歩行動作を生成するように構成された歩行支援装置である。

前記歩行支援装置において、前記体性感覚が、前記駆動部が装着された身体部位の関節の動きにより生じる感覚を含むことが好ましい。

また、本発明は、利用者の身体に装着される歩行支援装置であって、装着された当該利用者の身体部位に作用する駆動部と、前記駆動部を駆動制御する制御部とを備え、前記駆動部から受ける皮膚感覚の刺激を利用して当該利用者の歩行動作を生成するように構成された歩行支援装置であってもよい。

前記歩行支援装置において、前記歩行動作が、すくみ足の状態から一方の足を前に踏み出す動作を含むことが好ましい。

また、前記歩行支援装置において、前記駆動部が利用者の左右の両上肢に刺激を与えるように装着されることが好ましい。

また、前記歩行支援装置において、前記駆動部が利用者の左右の両肩関節の角度を変化させる方向に刺激を与えるように装着されることが好ましい。

また、前記歩行支援装置において、前記駆動部が利用者の左右の両肘関節の角度を変化させる方向に刺激を与えるように装着されるものでもよい。

また、前記歩行支援装置において、前記制御部が、利用者の左右の身体部位に対し周期的かつ交互に刺激を与えるように前記各駆動部を駆動制御することが好ましい。

また、本発明は、利用者の身体部位に駆動部を装着するステップと、前記駆動部を周期的に駆動する初期値を与えるステップと、前記駆動部が、前記初期値に従い、装着された当該利用者の身体部位に作用するステップとを含む歩行支援方法である。

本発明によれば、駆動部が利用者の皮膚感覚または体性感覚を刺激することにより、すくみ足等の歩行障害の改善を図ることができる。

利用者に装着された歩行支援装置の外観図である。歩行支援装置の機能ブロック図である。歩行支援装置に備えられる駆動部を説明するための側面図である。歩行支援の対象として想定される利用者の歩行パターンを説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態による歩行支援装置１を説明する。ここで、図１は、利用者（以下「装着者」という。）Ｕに装着された歩行支援装置１の外観図、図２は歩行支援装置１の機能構成図である。例えば図１および２に示すように、本実施形態による歩行支援装置１は装着型であり、利用者Ｕの例えば両肩に背負われて装着される。歩行支援装置１は、左右一対の駆動部１１、１２と、駆動部１１、１２を駆動制御するための制御部２０とを備えている。駆動部１１、１２は、何らかの物理的な作用（例えば歩行リズムの提示等）により、装着者（「利用者」のこと。）Ｕの身体部位（例えば上腕）に皮膚感覚や体性感覚に刺激を与えることができる手段である。

人間が歩行動作をする際には、腕振りおよび足振りの動作に身体運動学上の協調関係があることが知られている（これを「四肢の協調関係」という。）。すなわち上肢の動きと下肢の動きとは密接に関連しており、上肢の動きに何らかの力が作用すると、その作用した上肢のみならず歩行動作全体に影響が及ぶ。本歩行支援装置１によれば、駆動部１１、１２を用いた上肢へのリズム提示をトリガーにして、人間の運動中枢神経系に四肢の協調関係を惹起させ、これにより上肢の動き（腕振り）を下肢の動き（足の踏み出し）に同調させる歩行動作のアシストが可能になる。

ここで、本明細書において「体性感覚」とは、人間の身体の関節角度やその動きに関する感覚をいう。また、駆動部が装着された部位周辺に与える物理的な「作用」とは、その装着部位に直接的に押圧力を付与して関節の角度を強制的に変化させることの他、例えば振動または電気的な刺激を皮膚表面に与えることで、人間の反射または反応作用により筋肉を動かすことも含む。また、「上肢」とは、肩から指先までの部位を意味し、「上腕」とは肩から肘までの部位を意味する。

図３に駆動部１１の一実施例を示す。なお、右用の駆動部１１と左用の駆動部１２とは、左右対称の関係にあるが、構成自体においては共通する。そのため、ここでは、右用の駆動部１１のみ構成を説明し、左用の駆動部１２については説明を省略する。

具体的に駆動部１１は、モータユニット１１１と、作用部１１２と、装着部１１３とを含む。モータユニット１１１は、作用部１１２にトルクを伝達して回動するよう構成された電動モータを備えている。モータユニット１１１は、歩行状態を測定するための測定部を備えてもよい。測定部は、例えば作用部１１２の回動角θ_１を検出する角度センサである。また、測定部は、腕の振り動作の加速度や角速度を測定可能なモーションセンサであってもよい。そのような測定部による測定値の情報が制御部２０に出力される。

作用部１１２は、硬質または若干の弾性を有する例えば帯状体または棒状体からなり、その長手方向の何れかの位置で装着部１１３に連結している。装着者Ｕの上腕に巻き付けた装着部１１３を作用部１１２の任意の位置に固定できるようにすれば、上腕に作用する力点の半径位置を任意に調整することも可能となる。

制御部２０は、駆動部１１（モータユニット１１１）に対し、駆動タイミング（リズム周期等）や駆動力（出力トルク等）を情報として含む駆動信号を出力する。例えばモータユニット１１１を電流制御して作用部１１２を回動することで、装着部１１３を介して、装着者Ｕにその電流に応じた力を上腕に作用させることができる。

なお、例えば図３の実施形態において、作用部１１２の回動角θ_１は、実質的に肩の関節の角度とみなすことができる。そのため、制御部２０は、モータユニット１１１で測定される回動角θ_１をフィードバックすることで、関節の角度（腕の振れ幅）や角速度（腕振りの周期）を、ある程度強制的に制御することができる。ただし、発明者等によるこれまでの検討の積み上げにおいて、四肢の協調動作を引き起こすことに際しては、上肢に歩行動作に同調したリズム感覚を与えられれば十分効果が得られることが分かっている。したがって、駆動部１１の作用としては、周期的な駆動力を腕に付与するのみでもよい。その場合において、装着者Ｕが腕を後ろに下ろす際の駆動力（図２に示すＴ_Ｒ）は、実質的にゼロ（フリー）にすることが好ましい。そうすれば、装着者Ｕは自分の意思で腕振り等の運動を行うことができ、腕の動きの拘束感を軽減することができる。

また図示はしないが、駆動部１１において装着部１１３を無くし、作用部１１２で上腕の後部を支持して前方への駆動力でその上腕を後ろから押し出すことで、腕の振り上げ運動を促すようにしてもよい。

以上の実施形態は、駆動部１１、１２が装着者（利用者）の左右の両肩関節の角度を変化させる例で説明した。ただし、本発明による歩行支援装置は、駆動部を装着者（利用者）の左右の両肘に装着し、その肘関節の角度を変化させて、腕振り運動を促すものでもよい。

次に、本実施形態の歩行支援装置１による歩行支援方法の一例として、すくみ足の改善について説明する。「すくみ足」とは、人間の歩行運動において、方向を変えるときや歩き始めのときに、有効な脚の振り出しが自分の意思ではできない状況をいう。図４に例示するように、すくみ足は、パーキンソン病やそれに類似した純粋無動症などの患者でしばしばみられる症状である。

「すくみ足」の状態では、両足が同時に歩行面に接地し、足が動いていないことから、この段階では四肢の協調関係は生じていない。ただし、本実施形態では、装着者の足が止まっている状態でも、制御部２０が駆動部１１、１２の作動に初期値を与える。駆動部１１、１２が、この初期値に従い駆動することで、すくみ足状態の装着者の腕にリズムを提示することができる。より具体的に、制御部２０は、左右の駆動部１１、１２を、互いに位相差π（ラジアン）で周期的に駆動することで、装着者の両肩の関節の角度を交互に変化させる方向に刺激が与えられる。このとき、装着者には、腕を前後に振らせる運動が促され、その上肢運動が装着者に体性感覚として取り込まれる。それとともに装着者の運動中枢神経系には、その上肢運動に同調した下肢の協調動作が引き起こされる。その結果として、歩行支援装置１の装着者Ｕは、止まっていた何れか一方の足を前に踏み出す動作ができるようになり、すくみ足の状態から脱却することができる。

なお、すくみ足の状態において、駆動部１１、１２に与えられる初期の作動条件パラメータとしては、駆動部１１の駆動力（トルクＴ_１）、その駆動タイミング（周期または角速度ω_１）、駆動部１２の駆動力（トルクＴ_２）、その駆動タイミング（周期または角速度ω_２）を含むことができる。また、駆動部１１、１２のタイミング周期（ω_１、ω_２）は、歩行運動における足の動作と同程度の周期であることが好ましく、その値は、患者の年齢、体重、筋力等を考慮した歩行能力に応じて適宜調整可能であることが更に好ましい。

このように、本実施形態の装着型の歩行支援装置１によれば、駆動部１１、１２により、装着者Ｕの皮膚感覚または体性感覚等を刺激することにより、パーキンソン病等の患者にみられる「すくみ足」の改善を図ることができる。なお、歩行運動における足の動作と同程度のリズムを提示することにより、図４に示すような、「小刻み歩行」や「加速歩行」といった歩行障害の改善が期待でき、または正常な歩行動作に近付けるような歩行支援を行うことができる。

１歩行支援装置
１１、１２駆動部
２０制御部
１１１モータユニット
１１２作用部
１１３装着部
Ｕ装着者（利用者）

Claims

利用者の身体に装着される歩行支援装置であって、
装着された当該利用者の身体部位に作用する駆動部と、
前記駆動部を駆動制御する制御部とを備え、
前記駆動部から受ける体性感覚の刺激を利用して当該利用者の歩行動作を生成するように構成された歩行支援装置。
前記体性感覚が、前記駆動部が装着された身体部位の関節の動きにより生じる感覚を含む、請求項１に記載の歩行支援装置。
利用者の身体に装着される歩行支援装置であって、
装着された当該利用者の身体部位に作用する駆動部と、
前記駆動部を駆動制御する制御部とを備え、
前記駆動部から受ける皮膚感覚の刺激を利用して当該利用者の歩行動作を生成するように構成された歩行支援装置。
前記歩行動作が、すくみ足の状態から一方の足を前に踏み出す動作を含む、請求項１〜３の何れか１項に記載の歩行支援装置。
前記駆動部が利用者の左右の両上肢に刺激を与えるように装着される、請求項１〜４の何れか１項に記載の歩行支援装置。
前記駆動部が利用者の左右の両肩関節の角度を変化させる方向に刺激を与えるように装着される、請求項１〜４の何れか１項に記載の歩行支援装置。
前記駆動部が利用者の左右の両肘関節の角度を変化させる方向に刺激を与えるように装着される、請求項１〜４の何れか１項に記載の歩行支援装置。
前記制御部が、利用者の左右の身体部位に対し周期的かつ交互に刺激を与えるように前記各駆動部を駆動制御する、請求項５〜７の何れか１項に記載の歩行支援装置。
利用者の身体部位に駆動部を装着するステップと、
前記駆動部を周期的に駆動する初期値を与えるステップと、
前記駆動部が、前記初期値に従い、装着された当該利用者の身体部位に作用するステップと
を含む歩行支援方法。