JP4112543B2 - 歩行補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、歩行補助装置に関し、より詳しく言うと、主に下肢機能が低下した人に筋力補助動力を加えるための歩行補助装置に関するものである。

主として外傷や疾病、あるいは加齢による筋力低下で自力歩行が困難となった人のために、股関節や膝関節にトルクアクチュエータを装着し、トルクアクチュエータが発生する回転力で下肢の運動を補助するようにした歩行補助装置が種々提案されている。

このような歩行補助装置として、腰、膝、足首の各関節の側方にモーメント発生装置を配置し、腰部モーメント発生装置と膝部モーメント発生装置とを大腿部の側方に延在させた大腿支持ビームで連結し、膝部モーメント発生装置と踵部モーメント発生装置とを下腿部の側方に延在させた脛支持ビームで連結し、腰部モーメント発生装置を腰支持ベルトで腰回りに固定し、大腿支持ビーム並びに脛支持ビームをそれぞれ上下２箇所の装着ベルトで大腿部並びに下腿部に固定し、踵部モーメント発生装置を足首装着ベルト及び足先装着ベルトで足部に固定するようにしたものが特許文献１に提案されている。
特開２００３−２５０８４４号公報

しかるに、上記文献１に開示されたような、ベルトで締め付けてモーメント発生装置を下肢に固定する従来の構成によると、大腿部には太い筋肉があるので、かなり強く締め付けないとモーメント発生装置が位置ずれを起こし易い。そのため、ベルトの強い締め付けがむしろ筋肉の運動を阻害して強い違和感を使用者に感じさせる上、モーメント発生装置と関節との回転中心のずれに起因してモーメント発生装置の発生するモーメントの身体への伝達効率が低くなりがちであった。

また、文献１に記載の構成によると、装置の重量は、人体の足裏を支持する足支持部から床面に逃げるようになっているが、実際の歩行動作においは、腰や膝の屈伸運動を伴って重心が移動するため、装置の重量が身体に加わることは避けられず、特に筋力が低下した使用者にとっての装置重量の負担は少なくはなかった。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、装置を装着することによる使用者の負担を低減することのできる歩行補助装置を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明による歩行補助装置は、使用者の股関節および膝関節の少なくとも一箇所の位置に装備されるトルク発生手段（ＴＡ１、ＴＡ２）と、前記トルク発生手段の動力を与えられる大腿部支持具（２)あるいは下腿部支持具（３)の少なくとも何れか一方と、前記大腿部支持具に取り付けられ使用者の大腿部に装着される大腿部結合クリップ（９)あるいは前記下腿部支持具に取り付けられ使用者の下腿部に装着される下腿部結合クリップ（１０)の少なくとも何れか一方を有する歩行補助装置であって、前記大腿部結合クリップの前記大腿部支持具に対する連結部あるいは前記下腿部結合クリップの前記下腿部支持具に対する連結部の少なくとも何れか一方に設けられた力検出手段（軸力センサ２１）を有し、前記力検出手段は、前記連結部において前記大腿部支持具と前記大腿部結合クリップとの間あるいは前記下腿部支持具と前記下腿部結合クリップとの間の少なくとも何れか一方に作用する上下、左右、前後方向の力を検出する。

本発明による歩行補助装置は、好ましくは、前記力検出手段は、枠部（２１ｂ）と変位測定センサを貼り付けた十字形の可撓腕部（２１ａ）とを有し、前記可撓腕部の中心に前記大腿部結合クリップあるいは前記下腿部結合クリップが結合され、前記枠部が前記大腿部支持具あるいは前記下腿部支持具に固定されるものである。

また、本発明による歩行補助装置は、使用者の腰部に装着され第１のトルク発生手段（ＴＡ１を取り付けられた腰部支持具（１)と、上端を前記第１のトルク発生手段と駆動連結され下端に第２のトルク発生手段（ＴＡ１、ＴＡ２）を取り付けられた大腿部支持具（２)と、前記大腿部支持具の中間部に取り付けられ、使用者の大腿部に装着される大腿部結合クリップ（９)と、前記大腿部結合クリップの前記大腿部支持具に対する連結部に設けられ、当該連結部において前記大腿部支持具と前記大腿部結合クリップとの間に作用する上下、左右、前後方向の力を検出する力検出手段（軸力センサ２１)と、上端を前記第２のトルク発生手段と駆動連結された下腿部支持具と、前記下腿部支持具の中間部に取り付けられ、使用者の下腿部に装着される下腿部結合クリップ（１０)と、前記下腿部結合クリップの前記下腿部支持具に対する連結部に設けられ、当該連結部において前記下腿部支持具と前記下腿部結合クリップとの間に作用する上下、左右、前後に作用する力を検出する力検出手段（軸力センサ２１)と、前記下腿部支持具の下端に連結され使用者が履いた靴に装着される足部支持具（４)と、前記下腿部支持具と前記足部支持具との連結部（１１)に設けられ当該連結部において前記下腿部支持具と前記足部支持具との間に作用する上下、左右、前後方向の力を検出する力検出手段（３軸センサ２１)とを有する。

このような本発明の請求項１の構成によれば、大腿部、下腿部に装着される大腿部結合クリップ、下腿部結合クリップが力検出手段を介して大腿部支持具、下腿部支持具に結合されるので、直立時には、各装着具の姿勢に応じて使用者の身体に加わる装着具の重量をキャンセルするトルクをトルク発生手段の動力で発生させると共に、腰部から下腿部へと連結される連続的な棒状構造によって装着具の自重を靴の足裏から地面へ逃がすことができる。また、運動時には、力検出手段の検出値に応じてトルク発生手段に発生させるトルクを制御することにより、使用者の歩行運動を補助する動力を的確に与えて使用者の負担を低減する上に多大な効果を奏することができる。また、力検出手段によって、装着具と使用者の脚部との間に作用するあらゆる方向の力を１点で正確に検出することができるので、構造の複雑化を招かずに制御精度を高める上に効果的である。

以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。

図１は、本発明が適用された外骨格型歩行補助装置の全体を示す斜視図であり、図２は、使用者への装着状態を示す側面図である。図１に示すように、この歩行補助装置は、使用者の腰部に装着される腰部支持具１と、使用者の左右の大腿部に装着される上下に長い棒状をなす大腿部支持具２と、使用者の左右の下腿部に装着される上下に長い棒状をなす下腿部支持具３と、使用者が履いた靴に装着される足部支持具４とからなっている。

腰部支持具１は、図３に示すように、比較的剛性の高い部材で上面視略Ｕ字形（コの字形）に形成された基部１ａと、基部１ａの前端部に結合した弾性に富む薄板材で形成された一対の開閉部１ｂとからなり、全体として前方中央部が開放されたＣ字形をなしている。また基部１ａの中央部は左右方向に伸縮可能にされ、左右の開閉部１ｂは前後方向に摺動可能にされており、これらは、使用者の体格に応じた適正寸法に設定した上でボルトなどの適宜な固定手段をもって固定されるようになっている。

腰部支持具１の側部前端および大腿部支持具２の上端には、左右の股関節にトルクを付与するトルクアクチュエータＴＡ１（図２）を取り付けるための左右一対の股関節アクチュエータベース５が設けられている。また大腿部支持具２の下端および下腿部支持具３の上端には、左右の膝関節にトルクを付与するトルクアクチュエータＴＡ２（図２）を取り付けるための左右一対の膝関節アクチュエータベース６が設けられている。

大腿部支持具２の股関節アクチュエータベース５並びに膝関節アクチュエータベース６との連結部は、回動軸が前後方向に延在するヒンジ７ａ・７ｂを介して屈曲自在に連結されている。また下腿部支持具３の膝関節アクチュエータベース６並びに足部支持具４との連結部も、回動軸が前後方向に延在するヒンジ８ａ・８ｂを介して屈曲自在に連結されている。そして大腿部支持具２及び下腿部支持具３は、上下に伸縮可能にされると共に、使用者の体格に応じた適正寸法に設定した上でボルトなどの適宜な固定手段をもってその長さが固定されるようになっている。

各アクチュエータベース５・６に個々に取り付けられるトルクアクチュエータＴＡ１・ＴＡ２は、クラッチ及び減速機付き電動モータからなり、腰部支持具１並びに大腿部支持具２の下端のそれぞれにモータハウジングが固定され、大腿部支持具２並びに下腿部支持具３の各上端のそれぞれにロータが固定される。これにより、股関節並びに膝関節の運動に対応した補助的なトルクが、腰部支持具１の側部前端と大腿部支持具２の上端との連結部および大腿部支持具２の下端と下腿部支持具３の上端との連結部に与えられる。なお、両トルクアクチュエータＴＡ１・ＴＡ２は、それぞれ対応する各アクチュエータベース５・６に対して反復着脱可能なねじ手段などを介して取り付けられており、保守・整備の簡略化が図られている。

大腿部支持具２の上下方向中間位置には、一対の弾性Ｃ字形部材を適宜な上下間隔をおいて連結してなる大腿部結合クリップ９が、所定範囲を上下に摺動可能に結合している。また下腿部支持具３の上下方向中間位置にも、一対の弾性Ｃ字形部材を適宜な上下間隔をおいて連結してなる下腿部結合クリップ１０が、所定範囲を上下に摺動可能に結合している。

下腿部支持具３と足部支持具４との連結部１１は、左右方向に延在する軸上で回動可能になっており、足首の運動に追従可能になっている。

腰部支持具１の中央部には、図示されない補機類との結合部が設けられる背当て板１２が取り付けられている。なお、制御回路やバッテリーは、背当て板１２に取り付けられる。

このような構成の歩行補助装置を使用者の下肢に装着するには、先ず、腰部支持具１の開閉部１ｂを弾性変形させてその遊端間を拡開し、使用者の腰部に装着する。使用者の後背面に背当て板１２が当接したところで両開閉部１ｂを放せば、両開閉部１ｂは材料自体の弾性でその遊端間を閉じ、使用者の腰骨のところに弾発力を伴って当接して腰部支持具１を位置決めする。

次に、大腿部結合クリップ９並びに下腿部結合クリップ１０の開放端側を拡開し、使用者の大腿部並びに下腿部の外側方から使用者の大腿部並びに下腿部に各クリップ９・１０を抱着させることにより、大腿部支持具２並びに下腿部支持具３が使用者の脚部に装着される。この時、クラッチを切って両トルクアクチュエータＴＡ１・ＴＡ２をフリーにしておけば、大腿部支持具２並びに下腿部支持具３の上下各端部がヒンジ７ａ・７ｂ・８ａ・８ｂから側方へ折れ曲がるので、椅子に腰掛ける等した体勢で歩行補助装置を脚部に容易に装着することができる。

各クリップ９・１０は、対応する各支持具２・３に対して上下方向に摺動可能に結合しているので、使用者の大腿部並びに下腿部と、これらに対応する各支持具２・３との間に運動時にずれが生じても、太もも並びにふくらはぎに対して各クリップ９・１０は位置ずれを起こさないので、装着時の違和感を低減することができる。

大腿部支持具２に対する大腿部結合クリップ９の連結部並びに、下腿部支持具３に対する下腿部結合クリップ１０の連結部には、図４に示すように、軸力センサ２１が介設されている。この軸力センサ２１は、図５に示したように、板材の４ヶ所をＬ字形に切除することで十文字をなす４つの可撓腕部２１ａとその周囲の枠部２１ｂとを形成してなるものであり、例えば、機械構造用炭素鋼等の板材から機械加工によって形成されており、４つの可撓腕部２１ａのそれぞれに、例えば抵抗線歪みゲージなどの変位検出センサ（図示せず）が貼り付けられている。そして、大腿部結合クリップ９並びに下腿部結合クリップ１０が４つの可撓腕部２１ａが交差する中心部に固定され、大腿部支持具２並びに下腿部支持具３に設けられたガイドレール１３に摺合した摺動部材１４に枠部２１ｂが固定されている。

この軸力センサ２１により、上下、左右、前後に複合的に作用する力を検出可能であり、大腿部支持具２と大腿部結合クリップ９との間、並びに下腿部支持具３と下腿部結合クリップ１０との間に作用する略全方向についての力を検出することができる。

また、下腿部支持具３と足部支持具４との間には、図１に示すように、下腿部支持具３の長手方向に概ね沿い且つ上向きの力Ｆｚと、Ｆｚに直交し且つ前向きの力Ｆｘと、Ｆｚに直交し且つ外向きの力Ｆｙを検出するための３軸センサ２２が設けられている。この３軸センサ２２により、下肢に装着した歩行補助装置の自重における地面に逃げる分の大きさと方向とを検知することが可能である。

例えば、股関節を中心に大腿部を前方へ振り出すと、大腿部結合クリップ９に前方へ押す力が加わり、これを軸力センサ２１が検知する。そこでこの力がゼロになるように股関節の側方に配置されたトルクアクチュエータＴＡ１にトルクを発生させることにより、使用者の大腿部の動きに大腿部支持具２を追従させることができる。また静止時に軸力センサ２１が何らかの力を検出していると言うことは、使用者の脚部に歩行補助装置の重量が加わっていることを意味しているので、軸力センサ２１に検出される力が可能な限り小さくなるように両トルクアクチュエータＴＡ１・ＴＡ２の出力を制御すれば、歩行補助装置の自重による荷重の殆ど全てを靴底から床面に逃がしてキャンセルすることが可能となり、使用者の負担を著しく低減することができる。

以上、筋力低下などで自力歩行が困難となった人のために、トルクアクチュエータＴＡ１・ＴＡ２が発生する回転力で下肢の運動を補助するようにした歩行補助装置について本発明を詳細に説明したが、本発明は、トルクアクチュエータを負荷発生装置に替えて、筋力トレーニング装置として構成することもできる。また上記実施例は、トルクアクチュエータを両脚に装着する形態を示したが、いずれか一方の脚が機能不全となった人のために、対象となる脚のみに本装置を適用することもできるし、障害の程度に応じて股関節と膝関節とのいずれか一方のみにトルクアクチュエータを設け、他方は単に回動自在に連結するだけとした構成も可能である。

本発明が適用された歩行補助装置の装着具の全体斜視図である。 歩行補助装置の装着状態を示す側面図である。 腰部装着具の上面図である。 装着具の要部背面図である。 軸力センサの斜視図である。

符号の説明

１ 腰部支持具
２ 大腿部支持具（第２の部材）
３ 下腿部支持具
４ 足部支持具
９ 大腿部結合クリップ（第１の部材）
２１ 軸力センサ（力検出手段）
２１ａ 可撓腕部
２１ｂ 枠部
２２ ３軸センサ
ＴＡ１・ＴＡ２ トルクアクチュエータ（トルク発生手段）

Claims (4)

1. 使用者の股関節および膝関節の少なくとも一箇所の位置に装備されるトルク発生手段と、前記トルク発生手段の動力を与えられる大腿部支持具あるいは下腿部支持具の少なくとも何れか一方と、前記大腿部支持具に取り付けられ使用者の大腿部に装着される大腿部結合クリップあるいは前記下腿部支持具に取り付けられ使用者の下腿部に装着される下腿部結合クリップの少なくとも何れか一方を有する歩行補助装置であって、
   前記大腿部結合クリップの前記大腿部支持具に対する連結部あるいは前記下腿部結合クリップの前記下腿部支持具に対する連結部の少なくとも何れか一方に設けられた力検出手段を有し、
   前記力検出手段は、前記連結部において前記大腿部支持具と前記大腿部結合クリップとの間あるいは前記下腿部支持具と前記下腿部結合クリップとの間の少なくとも何れか一方に作用する上下、左右、前後方向の力を検出することを特徴とする歩行補助装置。
2. 前記力検出手段は、枠部と変位測定センサを貼り付けた十字形の可撓腕部とを有し、前記可撓腕部の中心に前記大腿部結合クリップあるいは前記下腿部結合クリップが結合され、前記枠部が前記大腿部支持具あるいは前記下腿部支持具に固定されるものであることを特徴とする請求項１に記載の歩行補助装置用装着具。
3. 前記大腿部結合クリップあるいは前記下腿部結合クリップは、前記大腿部支持具あるいは前記下腿部支持具に対して上下方向に摺動可能に連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載の歩行補助装置用装着具
4. 使用者の腰部に装着され第１のトルク発生手段を取り付けられた腰部支持具と、
   上端を前記第１のトルク発生手段と駆動連結され下端に第２のトルク発生手段を取り付けられた大腿部支持具と、
   前記大腿部支持具の中間部に取り付けられ、使用者の大腿部に装着される大腿部結合クリップと、
   前記大腿部結合クリップの前記大腿部支持具に対する連結部に設けられ、当該連結部において前記大腿部支持具と前記大腿部結合クリップとの間に作用する上下、左右、前後に作用する力を検出する第１の力検出手段と、
   上端を前記第２のトルク発生手段と駆動連結された下腿部支持具と、
   前記下腿部支持具の中間部に取り付けられ、使用者の下腿部に装着される下腿部結合クリップと、
   前記下腿部結合クリップの前記下腿部支持具に対する連結部に設けられ、当該連結部において前記下腿部支持具と前記下腿部結合クリップとの間に作用する上下、左右、前後に作用する力を検出する第２の力検出手段と、
   前記下腿部支持具の下端に連結され使用者が履いた靴に装着される足部支持具と、
   前記下腿部支持具と前記足部支持具との連結部に設けられ当該連結部において前記下腿部支持具と前記足部支持具との間に作用する上下、左右、前後方向の力を検出する第３の力検出手段と、
   を有する歩行補助装置。

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