JP4119149B2 - 歩行補助装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用者の歩行を支援する歩行補助装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
歩行が困難な人の歩行を補助する歩行補助装置として、特許2898969号公報には、前進、後退、旋回動作での抵抗を任意に設定できる歩行補助装置が開示されている。この歩行補助装置は、抵抗を設定するために、ダイヤル等の設定器を備えている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
歩行補助装置を用いて歩行する時の歩きやすさは、移動抵抗などの歩行補助装置の運動特性によって変化する。歩行補助装置の効果を高めるには、使用者の脚の状態に合わせて運動特性を調整することが望ましい。この望ましい設定値は、使用者により異なり、さらに、同じ人でも使用環境や時間の経過によって変化する。
【0004】
従来の技術では、運動特性を調整するには、ダイヤル等の設定器を用いて、本人、介護者、訓練指導者等が、手動で設定する必要があっため、設定に手間がかかるという問題があった。
【0005】
本発明の目的は、使用者が調節しなくても、使用者の歩行状態に合せて運動特性が自動調節され、装置の扱いが容易な歩行補助装置を提供することにある。
【0006】
なお、本発明のその他の目的と有利点は以下の記述から明らかにされる。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の歩行補助装置は、移動可能な基体と、前記基体の移動を制御する運動制御機構と、前記基体に設けられて利用者を支持する支持部と、前記利用者からの前記支持部に作用する作用力を検出する力センサと、前記力センサにより検出された力検出値に従って前記運動制御機構を制御する運動制御演算装置とを備えており、前記運動制御演算装置は、歩行補助装置の移動抵抗である運動特性パラメータを記憶する運動特性記憶部と、前記力センサにより検出された力検出値に基づいて前記運動特性記憶部の運動特性パラメータを調整する運動特性調整部と、前記力センサにより検出された力検出値と前記運動特性記憶部に記憶された運動特性パラメータとに従って前記運動制御機構を制御する運動制御部とを備え、前記運動特性調整部は、前記力センサにより検出された力検出値から変化の早い成分を検出する変動成分検出部と、前記力センサにより検出された力検出値から変化の遅い定常的な成分を検出する定常成分検出部と、前記変動成分検出部と前記定常成分検出部の出力から前記運動特性パラメータの修正の必要性を判定し必要に応じて前記運動特性記憶部の運動特性パラメータを修正する判定部とを備えている。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図を用いて説明する。
【0010】
本発明の歩行補助装置の構造を図2に示す。歩行補助装置1は、基体2と、基体2の上に設けられて使用者を支持する支持部5とを備えている。また、歩行補助装置1は、基体2の移動を制御する運動制御機構として、基体2を床面上に移動可能に支持する左右一対の駆動車輪3a、3bと、方向が自在に回転可能な従動車輪4a、4bと、駆動車輪3a、3bを駆動する駆動手段である左右1対のモータ6a、6bと、減速機7a、7bと、駆動ベルト8a、8bとを備えている。また、歩行補助装置1は、使用者から支持部5を介して歩行補助装置1に作用する少なくとも前後方向の力を検出する力センサ9を備えている。
【0011】
そして、歩行補助装置1の速度を検出する速度センサとして、モータ6a、6bの回転数を検出する回転数センサ11a、11bを備えている。歩行補助装置1の速度は、回転数センサ11a、11bの出力から求められる。また、力センサ9、速度センサ11a、11bの検出値に従ってモータ6a、6bを制御する運動制御演算装置13とを備えている。
【0012】
歩行補助装置1は、支持部5により使用者を支持し、力センサ9、回転数センサ11a、11bの検出値に従って、運動制御演算装置13により、左右のモータ6a、6bの速度あるいはトルクを制御して駆動車輪3a、3bを駆動し、基体2の前進、後退、左右旋回の移動を制御する。これにより、使用者の歩行を補助し、使用者が容易かつ安全に歩行できるようにする。なお、回転数センサ11a、11bの代わりにトルクセンサを用いても同様に制御可能である。
【0013】
ここで、左右のモータ6a、6bを同方向に制御、すなわち歩行補助装置1を左右いずれかの側面から見て車輪が同じ方向に回転する方向に制御すると、基体2の前後方向の移動を制御できる。また、左右のモータ6a、6bを逆方向または異なる速度に制御すると、基体2の左右方向の回転移動すなわち旋回動作を制御できる。
【0014】
運動制御演算装置13のハードウェア構成を図3に示す。力センサ9の検出値41と、回転数センサ11a、11bの速度検出値42a、42bとが、入力部22を通じて計算機23に入力される。計算機23は内蔵されたプログラムに従って、左右のモータ6a、6bに発生させる回転速度あるいはトルクを算出し、出力部24を通じてモータ制御器25a、25bに速度あるいはトルクの指令値26a、26bを出力する。モータ制御器25a、25bは、指令値26a、26bに従って、左右のモータ6a、6bの回転速度あるいはトルクを制御する。
【0015】
図1は本発明の歩行補助装置の制御システムの構成を示すブロック図である。なお、以下に説明する制御システムは、図2に示す運動制御演算装置13のハードウェアおよび計算機23の内部で実行されるソフトウェアによって実現される。ここでは、前後方向の直進運動に関する制御システムについて述べる。このため、力センサ9は、前後方向の力を検出し、トルク指令値26a、26bに同じ値を出力することにより左右のモータ6a、6bは、同方向に制御するものとする。
【0016】
この制御システムは、力センサ9から得られた力検出値41に従って、指令値26a、26bを生成し、モータ6a、6bに与える運動制御部31と、運動特性パラメータ33を記憶し、運動制御部31に与える運動特性記憶部32と、力センサ9の検出値41に基づいて、運動特性記憶部32に記憶された運動特性パラメータ33を修正する運動特性調整部34とを備えている。
【0017】
運動特性パラメータ33として、ここでは、歩行補助装置1の移動抵抗Dを用いる。移動抵抗Dとは、利用者に感じられる歩行補助装置1の見かけ上の移動抵抗の大きさを表すものであり、使用者が歩行補助装置1に加える力と、歩行補助装置1の移動速度の比に対応する。運動制御部31は、力センサ9の検出値41に抵抗Dの逆数を乗じ、その結果を目標速度とし、指令値26a、26bとして出力する。
【0018】
運動特性調整部34は、定常成分検出部51と、変動成分検出部52と、判定部53とを備えている。
【0019】
変動成分検出部52は、力検出値41から、変化の早い成分の大きさを検出することにより、利用者のふらつきの大きさを求めるものである。歩行者のふらつきの周波数は、主に1Hzないし数Hzの範囲に存在するので、遮断周波数は1Hz程度のハイパスフィルタにより、変動成分検出部52を実現できる。
【0020】
定常成分検出部51は、力検出値41から変化の遅い定常的な成分の大きさを取り出すことにより、利用者が歩行補助装置を押す力の平均的な大きさを検出するものである。定常成分検出部51の機能を実現するには、力検出値41からふらつきの成分を除けばよいので、遮断周波数1Hz程度のハイパスフィルタを使用すればよい。
【0021】
判定部53は、変動成分検出部52と定常成分検出部51の出力から、運動特性パラメータ33の修正の必要性を判定し、必要に応じて運動特性記憶部32に記憶された運動特性パラメータ33を修正する。
【0022】
この判定は、定常成分54と変動成分55の比により行なう。変動成分55を定常成分54で割って得た値を変動率Qとし、変動率Qを判定値Cと比較し、Qが大きい場合には、移動抵抗Dを増やし、Qが小さい場合には、Dを減らす。ここで判定値Cは、変動率Qの最適値であり、予め実験評価により定めておく。移動抵抗Dを変化させる時には、急激な変化を起こさないように、十分に長い時定数、例えば1分以上の時定数でゆっくりと変化させる。
【0023】
次に、この制御システムの動作を図4を参照しながら説明する。
【0024】
最初に、運動特性記憶部32に運動特性パラメータの初期値を記憶させておく(ステップ60)。この記憶は、計算機23の製作時に行なわれるが、利用者がカードなどを装置に挿入することにより行なわれるようにしてもよい。
【0025】
利用者が支持部5につかまり、支持部5を介して歩行補助装置1に力を加えると、力センサ9がその力を検出し、力検出値41を出力する。運動制御演算装置13は、入力部22を通じて力検出値を入力する(ステップ61)。運動制御部31は、この力検出値41に移動抵抗Dの逆数を掛けて、速度指令値である指令値26a、26bを算出し、モータ制御器25a、25bに与える(ステップ62)。モータ制御器25a、25bは、指令値26a、26bに従って、モータ6a、6bを制御し、指令値26a、26bと同じ速度で歩行補助装置1を移動させる。これにより、利用者には、歩行補助装置1があたかも移動抵抗Dの大きさの移動抵抗を持っているかのように感じられる。
【0026】
この時、移動抵抗Dが小さすぎると、歩行がふらつく可能性がある。一方、移動抵抗Dが大きすぎると、歩行に対する負荷が大きくなり、疲労が大きくなる可能性がある。歩行のふらつきは、力検出値41の変動成分に、歩行負荷は、力検出値41の定常成分に対応する。従って、歩きやすくするためには、変動成分と定常成分の比率を適度に保ち、また、両者を小さくすることが望まれる。
【0027】
運動特性調整部34は、このための自動調整機能を有する。移動抵抗Dが小さすぎる場合、力検出値41から変動性分検出部で検出した変動成分55が大きくなり、変動率Qが大きくなる。変動率Qが判定値Cを越えると、判定部53は、移動抵抗Dを増やす。これにより、歩行のふらつきが抑制される。
【0028】
すなわち、変動成分検出部52に力検出値41を入力し、変動成分検出部52で力検出値41から変化の早い成分の大きさを検出することにより、変動成分55として出力する(ステップ63)。そして、定常成分検出部51に力検出値41を入力し、定常成分検出部51で力検出値41から定常的成分の大きさを検出することにより、定常成分54として出力する(ステップ64)。さらに、判定部53に変動成分55および定常成分54を入力し、変動成分55を定常成分54で割って変動率Qを算出し、この変動率Qと判定値Cとを比較して移動抵抗Dの制御値35を記憶部32へ出力する(ステップ65)。移動抵抗Dが大き過ぎる場合、力検出値41から検出した定常成分54が大きくなり、変動率Qが小さくなるように修正値35を出力する。また、変動率Qが判定値Cより小さくなると、判定部53は移動抵抗Dを減らすように修正値35を出力する。これにより、歩行負荷が減る。
【0029】
上記により、移動抵抗Dが利用者の歩行の状態により変化し、利用者が歩きやすい状態に常に自動的に調整される。そして、利用者が運転終了のスイッチを押すなどの運転終了状態を判定する(ステップ67)。
【0030】
なお、上記では、定常成分54と変動成分55の比である変動率Qに基づいて、移動抵抗Dを変化させたが、他の指標を用いてもよい。例えば、定常成分54と変動成分55は、どちらも歩行のストレスに関係するので、両者の線形和や2乗和などを歩行ストレスの指標として用い、それの値を最小化するように移動抵抗Dを変化させてもよい。
【0031】
また、運動特性パラメータ33として、移動抵抗Dを用いたが、慣性などの他の特性値を用いてもよい。その場合も同様の方法で調整することができる。
【0032】
また、ここでは、前後方向の直進運動に関する制御システムについて述べたが、同様の方法により、左右旋回方向に対する制御を行なうこともできる。この場合、力センサ9により左右旋回方向の力、すなわちトルクを検出し、トルク指令値26a、26bに逆符号あるいは異なる値を出力することにより左右のモータに6a、6bを逆向きにあるいは異なる速度で制御して旋回を制御する。また、前後方向の制御と旋回の制御を組み合わせることもできる。
【0033】
また、上記では、力検出値41の定常成分54と変動成分55を用いて、運動特性パラメータ33の調整を行なう例を示したが、力検出値41の代わりに、回転数センサ11a、11bを用いて歩行補助装置1の移動速度を求め、移動速度の定常成分と変動成分から運動特性パラメータ33を調整するようにしてもよい。
【0034】
また、上記では、運動制御機構として、モータ6a、6bを用いたが、その代わりに、パウダーブレーキ、電気粘性流体などの、制御信号により制動力を変化させられる制動機構を用いることもできる。その場合は、速度を減らす向きのトルクしか発生できないので、制御範囲は限られるが、安価にシステムを構成することができる。
【0035】
【発明の効果】
本発明によれば、使用者が調節しなくても、使用者の歩行状態に合せて運動特性が自動調節され、装置の扱いが容易になる歩行補助装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態の歩行補助装置の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の歩行補助装置の構造を示す側面図および正面図である。
【図3】本発明の歩行補助装置の制御システムのハードウェア構成を示すブロック図である。
【図4】本発明の歩行補助装置の制御システムの制御のフローチャート図である。
【符号の説明】
1…歩行補助装置、2…基体、5…支持部、6a、6b…モータ、9…力センサ、11a、11b…回転数センサ、13…運動制御演算装置、25a、25b…モータ制御器、26a、26b…指令値、31…運動制御部、32…運動特性記憶部、33…運動特性パラメータ、34…運動特性調整部、41…力検出値、42a、42b…速度検出値、51…定常成分検出部、52…変動成分検出部、53…判定部、54…定常成分、55…変動成分。
Claims (2)
- 移動可能な基体と、
前記基体の移動を制御する運動制御機構と、
前記基体に設けられて利用者を支持する支持部と、
前記利用者からの前記支持部に作用する作用力を検出する力センサと、
前記力センサにより検出された力検出値に従って前記運動制御機構を制御する運動制御演算装置とを備えており、
前記運動制御演算装置は、
歩行補助装置の移動抵抗である運動特性パラメータを記憶する運動特性記憶部と、
前記力センサにより検出された力検出値に基づいて前記運動特性記憶部の運動特性パラメータを調整する運動特性調整部と、
前記力センサにより検出された力検出値と前記運動特性記憶部に記憶された運動特性パラメータとに従って前記運動制御機構を制御する運動制御部とを備え、
前記運動特性調整部は、前記力センサにより検出された力検出値から変化の早い成分を検出する変動成分検出部と、前記力センサにより検出された力検出値から変化の遅い定常的な成分を検出する定常成分検出部と、前記変動成分検出部と前記定常成分検出部の出力から前記運動特性パラメータの修正の必要性を判定し必要に応じて前記運動特性記憶部の運動特性パラメータを修正する判定部とを備える
ことを特徴とする歩行補助装置。 - 請求項1に記載の歩行補助装置において、前記運動制御機構は動力源を備える制御可能な駆動機構であることを特徴とする歩行補助装置。
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