JP4617755B2 - 運動補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、臀部を支持する支柱体を傾動させることにより膝関節の屈伸を伴わずに下肢の他動運動を行うことを可能にした運動補助装置に関するものである。

一般に、生活習慣病の改善には有酸素運動によって体脂肪を減少させることが有効であり、また糖代謝を促進することが生活習慣病の改善に有効であることが知られている。すなわち、筋肉のエネルギ源であるブドウ糖を筋肉に取り込んで燃焼させれば、余剰のブドウ糖が消費され、高血糖、高インスリン血症の改善の結果、生活習慣病（糖尿病、肥満、高脂血症など）の改善に寄与することになる。ここに、筋肉にブドウ糖を取り込む作用には、インスリンの作用と筋収縮による作用とがあり、両者は加算的であるから、筋収縮によって筋肉へのブドウ糖の取り込み量を増加させれば、糖代謝を促進することが可能になる。とくに、糖尿病患者においては、筋肉での糖代謝が健常者よりも低下しており、筋肉へのブドウ糖の取り込みが少なくなっているから、積極的に筋収縮を生じさせて糖代謝を高めることで余剰のブドウ糖を消費させ、ひいては糖尿病の改善に寄与すると考えられる。

筋収縮による糖代謝を効率的に行うには、体積の大きい筋肉（とくに有酸素運動に寄与する赤筋（遅筋））に筋収縮を生じさせることが望ましく、大腿部や背部の筋肉を筋収縮させることが有効と考えられる。一方、糖尿病患者などでは膝痛を伴っていることが多く、大腿部の筋収縮のためにスクワット運動などを行うのはもちろんのこと、散歩のようなきわめて一般的な運動でさえも、膝の痛みが強くなったり症状が悪化したりするという問題が生じるなど、運動したくてもできない人にとって運動に対する強い要望がある。

この種の要望に応えるべく、先に、臀部を載せる支柱体を設け、膝関節の屈伸を伴わずに大腿部や臀部の筋肉を筋収縮させることを可能とした運動補助装置を提案した（特願２００３−２３４１９３）。この運動補助装置では、膝痛を伴うことなく運動させるものであるから、膝関節への負担の程度を評価することが望ましい。

一方、力計測装置と位置計測装置とを用い、装置に装着した肢体の関節への負荷を装置の動作中に監視する訓練装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。すなわち、肢体を動かす装置の先端位置・姿勢から肢体の関節角度を求め、さらに装置の先端の力センサで計測された力から肢体の関節負荷を求め、関節角度と関節負荷とを用いて関節ごとのインピーダンス制御を行っている。
特開平１０−２５８０９９号公報

上述した特許文献１に記載の訓練装置では、関節ごとのインピーダンス制御を行うから負荷をかけたい関節に対しては目標インピーダンスを大きく設定し、負荷をかけたくない関節に対しては目標インピーダンスを小さく設定することが可能になっているが、装置の先端に力センサを設けるほかに、装置の先端位置および姿勢を計測するための位置計測装置が必要であるから、装置の大型化につながるという問題がある。また、力センサと位置計測装置との両方の情報を用いて関節ごとのインピーダンス制御を行うものであるから、比較的複雑な演算を要し、高い演算処理能力が要求されるから高コストにつながるという問題もある。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、動作中に変化する情報としては荷重のみの１種類の情報を検出するだけで膝関節に作用する剪断力の評価を可能とし、小型化かつ低コスト化が容易な運動補助装置を提供することにある。

請求項１の発明は、上端部において使用者の臀部を支持する支柱体と、使用者の足を載せる足置台と、使用者のつま先と大転子との相対位置を変化させることにより使用者の自重で脚部に作用する負荷が変化するように支柱体を傾動させかつ足置台の高さ位置を変化させる駆動機構部と、使用者の脚長に応じて支柱体の長さと足置台の高さとの少なくとも一方が調節された状態において、つま先と大転子との相対位置の変化の方向が使用者の膝関節の屈伸方向に制限されかつ膝関節が一定角度に保たれるように、駆動機構部による支柱体の時刻毎の傾斜角度と足置台の時刻毎の高さ位置とを決定して駆動機構部を制御する演算制御部と、使用者の少なくとも身長と質量とに基づいて下肢長を推算するモデル演算部と、足置台に作用する使用者の荷重を検出する荷重センサと、使用者の下肢のリンクモデルにモデル演算部で推算した使用者の下肢長と荷重センサにより検出された荷重とを適用し膝関節の角度を既知として膝関節に作用する力を求める力演算部とを有することを特徴とする。

この構成によれば、使用者の身長および質量を与えておくだけで、足置台に作用する荷重に基づいて膝関節に作用する力を装置の動作中に求めることができるから、荷重の検出や位置の検出のための複雑な装置を必要とせず、簡単な構成で装置に組み込むことが可能になる。つまり、足置台に作用する荷重を検出する荷重センサを設けるだけで膝関節に作用する力を評価できるから、装置を大型化することなく膝関節に作用する力を評価する機能を組み込むことができる。しかも、運動中には足置台に設けた荷重センサで検出される荷重の１種類の情報を用いるだけで膝関節に作用する力の評価が可能であるから、荷重センサで検出した荷重から膝関節に作用する力を求める演算は簡単であって演算処理能力の比較的低い装置で処理可能になり、結果的に比較的低コストでの提供が可能になる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記駆動機構部は、前記演算制御部からの指示により前記足置台の傾斜角度を変更可能であって、前記演算制御部は、前記力を足置台の傾斜角度の変更により調節することを特徴とする。

この構成によれば、足置台の傾斜角度を使用者の膝痛が軽減されるように調節することができ、使用者に運動を継続して行わせることが可能になる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記演算制御部は、膝関節の前記角度を前記支柱体の傾斜角度の変化および前記足置台の位置の変化の速度が変化するように決定することを特徴とする。

この構成によれば、支柱体の傾斜角度および足置台の位置変化の速度によって膝関節に作用する負荷を調節することができ、使用者に膝痛の苦痛を与えないように運動による負荷を与えることが可能になる。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記力演算部により求められる力の大きさを通知する通知手段を備えることを特徴とする。

この構成によれば、膝関節に作用する力の大きさを通知することによって、使用者の膝痛の程度と力との関係を知ることができ、適切な負荷になるように装置の動作を調節するための情報を得ることができる。

なお、以下に説明する実施形態では、膝関節に作用する力として剪断力に着目し、力演算部として剪断力を求める剪断力演算部を設けているが、膝関節に作用する力としてトルクを求めることも可能であり、また剪断力とトルクとの両方を求めるようにしてもよい。

本発明の構成によれば、使用者の身長および質量を与えておくだけで、足置台に作用する荷重に基づいて膝関節に作用する力を装置の動作中に求めることができるから、荷重の検出や位置の検出のための複雑な装置を必要とせず、簡単な構成で装置に組み込むことが可能になるという利点がある。

本実施形態で用いる運動補助装置は、図２に示すように、床のような設置面の定位置に設置される架台１を有し、架台１には使用者Ｍの臀部を支持する支柱体２と使用者Ｍが足を載せる足置台３とが設けられる。図示例では支柱体２は架台１に対して傾動可能に配置され、足置台３は架台１に対して上下方向に移動可能かつ傾斜可能に配置される。足置台３の傾斜はつま先と踵とを結ぶ方向の架台１に対する傾斜を意味する。ただし、足裏の左右方向の架台１に対する傾斜角度が調節可能となるように足置台３を架台１に取り付けたり、架台１の上面に直交する一つの軸回りで架台１に対して回転可能となるように足置台３を架台１に取り付けたりしてもよい。

架台１には支柱体２と足置台３とを駆動する駆動源としてのモータ４ａ〜４ｃ（図１参照）を備えた駆動機構部４（図１参照）が配置される。図示例では駆動源として支柱体２と２個の足置台３とを個別に動作させる３個のモータ４ａ〜４ｃを用いているが、モータの個数は駆動機構部４の構成によって変更可能である。ただし、本実施形態では、後述するように、左右の足置台３の架台１に対する傾斜角度をリアルタイムで調節する必要があるから、左右の足置台３の架台１に対する傾き角度を調節するモータ４ｂ，４ｃは他のモータとは独立して設ける。支柱体２を傾動させるモータと足置台３を上下方向に移動させるモータとは適宜組合せで兼用することが可能であり、本実施形態では支柱体２を傾動させるモータと足置台３を上下方向に移動させるモータとを１個のモータ４ａで兼用するように駆動機構部４を構成している。

支柱体２は、支柱となるポスト部２１を有し、ポスト部２１の上端部には使用者Ｍの臀部を載せるシート部２２が結合される。駆動機構部４は、ポスト部２１が架台１に垂直に立つ位置と傾く位置との間で反復して移動するようにモータ４ａの出力でポスト部２１を傾動させる。支柱体２は、使用者Ｍが図２のように脚を開いてシート部２２に着座した状態において、使用者の大腿部とポスト部２１とを含む平面内で傾動させる。つまり、支柱体２が架台１に対して傾いたときに膝関節に横方向の力が作用せず膝関節に対して屈伸方向にのみ力が作用するように傾動させる。なお、ポスト部２１は使用者Ｍの脚長に応じて長さを調節できるように構成する。ポスト部２１の長さを調節可能とする場合に、駆動機構部４によりポスト部２１を伸縮させる構成を採用することが可能である。

一方、足置台３を上下方向に移動させるモータ４ａは支柱体２を傾動させるモータ４ａと兼用されており、支柱体２が架台１に対して傾動しても使用者Ｍの膝関節の角度が変化しないように、支柱体２が架台１に対して傾く角度に応じて足置台３の架台１に対する高さ位置が調節される。つまり、支柱体２の架台１に対する傾斜角度が大きくなるほど足置台３の架台１に対する高さ位置は低くなる。また、足置台３は、つま先と踵とを結ぶ方向における足裏の傾斜角度を変化させることができるように、モータ４ｂ，４ｃにより架台１に対する傾斜角度が調節可能になっている。後述するように、足裏の傾斜角度が変化すれば膝関節に作用する剪断力を変化させることができる。

上述した運動補助装置の一般的な使用形態では、一対の足置台３に片脚ずつ載せ、シート部２２に着座した形で動作させる。シート部２２に着座せずに各足置台３に片脚ずつ載せた状態での運動も可能であるが、本実施形態ではこの形態での使用については述べない。シート部２２に着座した状態においては足置台３に足裏を接触させることが必要であって、足置台３の高さ位置とポスト部２１の伸縮長との少なくとも一方を調節することによって、足置台３とシート部２２との位置関係を使用者の脚長に応じて調節する。

使用者がシート部２２に着座した状態で支柱体２を揺動させると、使用者の足位置に対して使用者の重心位置が変位する。ここで、支柱体２を架台１の上面に対して垂直に位置させた状態から支柱体２を前方に倒すと、使用者の重心位置が前方に移動することによって大腿部を含む脚部に対して使用者の自重で作用する負荷が増加することになる。また、使用者の片脚側に支柱体２を倒すと、使用者の自重による負荷は主として支柱体２を倒した側の片脚に作用することになる。このように、使用者の自重の一部はシート部２２で受けることによって、使用者の脚部に作用する負荷を軽減しながらも、支柱体２を起伏させることによって脚部（とくに、大腿部）に作用する負荷を変化させることが可能になる。換言すれば、負荷を与えることにより大腿部の筋収縮を促し、結果的に筋代謝を促してインシュリン抵抗性の向上が期待できる。しかも、他の部位に比較して体積の大きい筋肉を備えた大腿部に負荷を作用させるから、他の部位に負荷を与える場合に比較して筋代謝が効率的に実現できる。

ところで、使用者が膝関節に痛みを持つような場合に、上面視で膝の中心と足の第２指とを結ぶ方向には膝関節をある程度屈伸させることが可能であるが、他の方向に屈伸させると強い痛みを生じたり、症状が悪化することがある。そこで、本実施形態では、支柱体２が起伏する方向（つまり、足置台３に載せた足の位置と使用者の重心位置との相対位置の変位方向）が、膝関節の屈伸方向に制限されるように駆動機構部４を構成している。膝関節の屈伸範囲が伸展位置から４５度までの範囲になるように支柱体２の可動範囲を制限している。このように、膝関節の捻れを伴わずに膝関節を屈伸させる方向を制限し、しかも膝関節の屈伸範囲（角度範囲）を制限しているから、変形性膝関節症のように関節に痛みがある使用者であっても、痛みの増加や症状の悪化のような悪影響を与えることなく使用することが可能になる。しかも、架台１に対する支柱体２の傾斜角度が大きくなるほど足置台３を下方に移動させるから、膝関節の屈曲角度をほとんど変化させることなく使用者の自重によって脚に作用する負荷を変化させることが可能になる。言い換えると、脚の筋肉を等尺性伸縮に近い状態で収縮させることが可能になり、膝への負担を小さくしながらも筋収縮を行わせることが可能になる。しかも、支柱体２と足置台３とはモータ４ａにより駆動されるから、他動的な運動によって使用者は積極的に身体を動かすことなく運動することができる。

上述の動作を可能とするために、図１に示すように、駆動機構部４に設けたモータ４ａ〜４ｃはマイクロコンピュータを主構成とする演算制御部１０で制御される。演算制御部１０には、適正な運動負荷を得るための各モータ４ａ〜４ｃの回転角度に関する時系列データが設定された記憶部１１が付設されている。また、足置台３には使用者Ｍの足裏から足置台３に作用する荷重を検出する荷重センサ５が設けられており、荷重センサ５により検出された荷重が演算制御部１０に入力される。さらに、演算制御部１０には、使用者Ｍの身長および質量（体重）を入力する個人情報入力部１２が付設されるとともに、使用者Ｍに示す情報を表示する情報表示部１３が付設される。個人情報入力部１２では身長および質量だけではなく使用者Ｍの性別や年齢も併せて入力するようにしてもよい。個人情報入力部１２から入力された使用者Ｍの情報は記憶部１１に格納される。

本実施形態では、足置台３に設けた荷重センサ５で検出される荷重と個人情報入力部１２から入力された使用者Ｍに関する情報とを用いて膝関節に作用する剪断力を求め、求めた剪断力に基づいてモータ４ａ〜４ｃを制御する。ここでは荷重から剪断力を求めるために、使用者Ｍの下肢を図３に示すようなリンクモデルでモデル化し、このリンクモデルを用いることによりモデル演算部１４および剪断力演算部１５で荷重から膝関節に作用する剪断力を求めるのである。

図３に示すリンクモデルは、使用者Ｍの下肢を、足部と下腿部と大腿部との３本のリンクＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３と、足関節と膝関節との２個のピンＰ_２，Ｐ_３とを用いてモデル化したものであり、各リンクＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３を剛体とみなしている。リンクＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３の長さｒ_１，ｒ_２，ｒ_３および質量ｍ_１，ｍ_２，ｍ_３は使用者Ｍの身長および質量に基づいてモデル演算部１４において推算する。モデル演算部１４が使用者Ｍの身長および質量に基づいて推算するリンクＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３の長さｒ_１，ｒ_２，ｒ_３および質量ｍ_１，ｍ_２，ｍ_３は人体解剖学的情報に基づいており、多少のばらつきはあるが標準値として求めることができる。また、身長および質量のほか性別や年齢も併せて情報として与えることにより、推算される値の精度を高めることができる。ただし、身長は下肢長を求めるために与えるから、下肢長を直接測定する場合には下肢長を与える。要するに、モデル演算部１４では身長から下肢長を求めており、身長は下肢長の代用として与えられる。モデル演算部１４では、使用者Ｍの質量は必ずしも与えられていなくてもよく、荷重センサ５で検出した荷重と、支柱体２の架台１に対する角度と、支柱体２の傾動の動作周期とによって体重を推定することが可能である。また、本実施形態では、下肢を３本のリンクＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３と２本のピンＰ_２，Ｐ_３とで表現したリンクモデルを用いているが、膝関節の屈曲角度はほぼ一定であるから、リンクＬ_２，Ｌ_３をく字状の一体物として扱い、ピンＰ_３を省略したリンクモデルを用いてもよく、あるいはまた、足部をさらに複数のリンクに分割するなどリンクの本数を増やすようにしてもよい。ただし、リンクモデルが異なる場合には膝関節に作用する力を求める演算式として後述するものとは異なる演算式を用いることが必要である。

情報表示部１３は、図４に示すように、演算制御部１０によるモータ４ａ〜４ｃの制御量を支柱体２や足置台３の模式図の動きで示したり、演算制御部１０において求めた膝関節に作用する剪断力の大きさを膝部分の模式図やグラフで示したり、荷重センサ５で得られる荷重の時間変化をグラフで示したりする。つまり、情報表示部１３は剪断力を通知する通知手段として機能する。また、荷重センサ５で検出される荷重や膝関節に作用する剪断力に応じた使用者Ｍへの指示内容を記憶部１１に格納してあり、荷重や剪断力に応じた指示内容を情報表示部１３に表示する。指示内容としては、たとえば支柱体２や足置台３の動作速度を変更する指示や、支柱体２や足置台３の位置を変更する指示や、運動補助装置を停止させる指示などとする。要するに、剪断力を記憶部１１に照合することにより、使用者Ｍがとるべき対処行動を通知手段である情報表示部１３に表示するのである。情報表示部１３を用いてこれらの指示を使用者Ｍに与えることにより、使用者Ｍが運動に関する専門知識を持っていなくても適切な運動が可能になる。この種の指示を与える代わりに、後述するように、モータ４ａ〜４ｃの動作を剪断力に応じて変化させるように自動制御することも可能である。

次に、荷重センサ５で検出される荷重とリンクＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３の長さｒ_１，ｒ_２，ｒ_３および質量ｍ_１，ｍ_２，ｍ_３とを用いて膝関節に作用する剪断力を求める方法について説明する。いま、図３において、使用者Ｍの膝関節を屈伸する平面（つまり、リンクＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３をこの平面内でのみ変位するものとする）をＸＹ平面とし、架台１の上面に直交する方向（図３の上下方向）をＹ方向とする。したがって、図３における左右方向がＸ方向になる。この座標系において、つま先、足関節、膝関節、大転子の座標位置をそれぞれ（Ｘ_１，Ｙ_１）、（Ｘ_２，Ｙ_２）、（Ｘ_３，Ｙ_３）、（Ｘ_４，Ｙ_４）とする。図３において力Ｆ_１は荷重センサ５により検出された荷重である。また、力Ｆ_３は膝関節に作用する力である。つま先は足置台３に載っており、大転子は支柱体２により支持された臀部の位置で決まるから、つま先と大転子との三次元位置は装置の動作によって決定される。また、つま先に対する足関節の位置は足置台３の位置とリンクＬ_１の長さとで決定され、さらに、膝関節の角度を変化させないように支柱体２と足置台３とを動作させるから、足関節の位置および膝関節の位置も装置の動作によって決定される。図３に示す角度θは架台１の上面（水平面と仮定する）に対するリンクＬ_３の傾斜角度であって、本実施形態では膝関節の角度は略一定に保たれるから、支柱体２の架台１に対する傾斜角度および足置台３の架台１に対する傾斜角度と膝関節の角度とを用いて決定される。

膝関節における前後方向の剪断力Ｆ_ｓｘは、図３における未知情報である力Ｆ_３（Ｆ_３ｘ，Ｆ_３ｙ）を用いて（１）式により求めることができる。ここに、Ｆ_３ｘ、Ｆ_３ｙはそれぞれ力Ｆ_３のＸ方向成分、Ｙ方向成分を意味する。
Ｆ_ｓｘ＝Ｆ_３ｘ・ｃｏｓθ＋Ｆ_３ｙ・ｓｉｎθ …（１）
ここに、Ｆ_３（Ｆ_３ｘ，Ｆ_３ｙ）は、足関節に作用する力Ｆ_２（Ｆ_２ｘ，Ｆ_２ｙ）を用いると次式で表すことができる。
Ｆ_３ｘ＝Ｆ_２ｘ＋ｍ_２・（ｄ^２ｘ_２／ｄｔ^２）
Ｆ_３ｙ＝Ｆ_２ｙ−ｍ_２ｇ＋ｍ_２・（ｄ^２ｙ_２／ｄｔ^２）
さらに、力Ｆ_２（Ｆ_２ｘ，Ｆ_２ｙ）は、つま先に作用する力Ｆ_１（Ｆ_１ｘ，Ｆ_１ｙ）を用いると次式で表すことができる。
Ｆ_２ｘ＝Ｆ_１ｘ＋ｍ_１・（ｄ^２ｘ_１／ｄｔ^２）
Ｆ_２ｙ＝Ｆ_１ｙ−ｍ_１ｇ＋ｍ_１・（ｄ^２ｙ_１／ｄｔ^２）
ここにおいて、つま先に作用する力Ｆ_１（Ｆ_１ｘ，Ｆ_１ｙ）は荷重センサ５が検出する荷重であり、足置台３の架台１に対する傾斜角度によってＸ方向成分Ｆ_１ｘとＹ方向成分Ｆ_１ｙとを求めることができる。さらに、上式の加速度成分ｄ^２ｘ_１／ｄｔ^２、ｄ^２ｙ_１／ｄｔ^２、ｄ^２ｘ_２／ｄｔ^２、ｄ^２ｙ_２／ｄｔ^２は、つま先および足関節の位置の時間変化から求められる。なお、膝関節の前後方向に直交する方向（前額面方向）における剪断力も同様の手順で求めることができる。上述した演算は剪断力演算部１５により行われる。

演算制御部１０において求めた膝関節の剪断力は、上述のように、情報表示部１３に表示するほか、駆動機構部４の自動制御に用いることができる。すなわち、剪断力が過剰にならないように駆動機構部４の動作を制御することができる。以下では、剪断力に応じて駆動機構部４を制御する例について説明する。

ここでは、演算制御部１０において剪断力に大小２段階の閾値を設定し、大きいほうの閾値を限界値とし、小さいほうの閾値を警戒値とする。剪断力演算部１５で求めた剪断力が限界値に達したときには停止モードに移行させる。停止モードでは、駆動機構部４の動作をただちに停止させるか、あるいは駆動機構部４による支持体２および足置台３の動作速度を低減させて初期位置に復帰させた後に停止させる。このような動作によって、膝関節に作用する剪断力が大きくなったとき（上限値に達したときには）、膝関節に過度な負担がかかるのを未然に防止することができる。

また、警戒値は、支持体２および足置台３をただちに停止させる必要はないが、使用者Ｍが膝関節に痛みを感じる可能性のある値であって、演算制御部１０では剪断力が警戒値に達したときには剪断力を低下させるように駆動機構部４を動作させる。ここに、警戒値と限界値とを設定しているのは、警戒値によって膝関節に作用する剪断力が大きくならないように制限できるものの、瞬間的に限界値に達することがあるからであり、限界値に達したときには装置の動作を停止させることによって使用者Ｍに過度な痛みが生じるのを防止しているのである。

剪断力が警戒値に達したときには、剪断力を軽減するために、架台１に対する足置台３の傾斜角度を変化させる。足置台３の前後方向（つま先と踵とを結ぶ方向）の架台１に対する傾斜角度を変化させ、つま先に対する踵の高さ位置を変化させると、大腿四頭筋とハムストリングスとの拮抗によって膝関節の前後方向の剪断力を変化させることができる。たとえば、剪断力演算部１５により求めた剪断力が警戒値に達すると、つま先よりも踵の位置を高くし、かつ足置台３の架台１に対する傾斜角度を大きくするようにモータ４ｂ，４ｃを制御する。このように足置台３の傾斜角度を大きくすると、膝関節に作用するハムストリングスによる引張力を大腿四頭筋による引張力に対して相対的に大きくすることができ、膝関節の前後方向に作用する剪断力を低減させることができる。足置台３の傾斜角度を変化させることは、大腿四頭筋とハムストリングスとの拮抗によるだけではなく、足裏に作用する荷重の重心位置および荷重の作用方向が変化することにもなり、このことによっても膝関節に作用する剪断力が変化する。なお、膝関節の左右方向の剪断力を変化させる場合には足置台３を左右方向に傾斜可能とする構成を採用すればよい。

膝関節に作用する剪断力を軽減する方法としては、支柱体２と足置台３との時刻毎の角度の変化率を小さくするように時刻毎の角度を設定する構成を採用することもできる。要するに、支柱体２と足置台３との速度を落とすのである。このように、支柱体２および足置台３の角度変化の速度を低減させることによって膝関節に作用する剪断力を低減させることができる。

また、図５に示すように、体幹に対する大腿部の角度φ１や股関節の開き角度φ２を変化させることによっても膝関節に作用する剪断力を変化させることが可能である。角度φ１，φ２を調節すれば膝関節への荷重のかかり方が変化するから、膝関節に作用する剪断力を変化させることができる。角度φ１，φ２を変化させるには、支柱体２の長さを変化させるか、足置台３の架台１に対する高さ位置を変化させるか、足置台３の水平面内での間隔を変化させる。支柱体２を短くすれば、膝関節の角度が小さくなることで剪断力が小さくなり、しかも支柱体２が傾動する際において、支柱体２が長い場合よりも使用者Ｍの臀部の移動距離が小さくなるから、膝関節に作用する剪断力をさらに軽減できることになる。足置台３を架台１に対して上昇させた場合や足置台３の間隔を小さくした場合も同様であって、支柱体２を短くした場合と同様の効果が期待できる。このように角度φ１，φ２を変化させる場合には、支柱対２の長さと、架台１に対する足置台３の高さと、足置台３の間隔との少なくとも１要素を調節するモータを駆動機構部４に設けておき、膝関節に作用する剪断力に応じて演算制御部１０から駆動機構部４に対して制御量を指示する。

膝関節に作用する剪断力を軽減するために、図６に示すように、下肢を支持ないし牽引する補助支持体６を用いてもよい。補助支持体６は支持体２に一体であって、使用者Ｍの下肢の足部と下腿部と大腿部との少なくとも１箇所を支持ないし牽引することができるように設ける。この種の補助支持体６は、内部の空気圧を調節するなどの方法で硬さを変えることができるものが望ましく、支持ないし牽引が不要であるときには柔らかくし、支持ないし牽引が必要になるときには硬くすればよい。

膝関節に作用する剪断力を調節する際の演算制御部１０の動作をまとめると図７のようになる。演算制御部１０では、個人情報入力部１２から使用者Ｍの身長および質量が入力され駆動機構部４の動作が開始されると、あらかじめ設定されている基準値で駆動機構部４の動作を開始させる。その後、加重センサ５により検出した荷重を読み込み、上述したように膝関節に作用する剪断力を算出し、算出した剪断力を用いて図７の処理を行う。そして、駆動機構部４を停止させるまでは、荷重の読み込みから図７の処理までをループで繰り返す。

すなわち、図７は剪断力を算出した後の動作であり、まず膝関節に作用する剪断力と荷重センサ５により求めた荷重とをそれぞれ閾値（限界値）と比較する（Ｓ１）。限界値は剪断力と荷重とについてそれぞれ設定される。剪断力と荷重との一方が限界値を超えていると、モータ４ａの動作速度を落とし支柱体２および足置台３を初期位置に戻し（Ｓ２）、モータ４ａを停止させる（Ｓ３）。ステップＳ２，Ｓ３が停止モードの動作である。

一方、ステップＳ１において、剪断力と荷重とがともに限界値以下であるときには、前後方向の剪断力と左右方向の剪断力とをそれぞれ警戒値と比較する（Ｓ４，Ｓ５）。ここに、前後方向と左右方向との剪断力に対する警戒値は異なる値とする。また、膝関節に左右方向の力が作用しないように駆動する場合には、ステップＳ５は省略することができる。ステップＳ４，Ｓ５の一方において剪断力が警戒値を越えているときには、足置台３の角度変更が可能な範囲内であれば（Ｓ６，Ｓ７）、架台１に対する足置台３の角度を変更する（Ｓ８，Ｓ９）。足置台３の角度変更は、前後方向の剪断力に対しては前後方向の傾斜角度であり、左右方向の剪断力に対しては左右方向の傾斜角度である。なお、使用者Ｍの膝痛を生じやすい足置台３の傾斜方向が前後方向か左右方向かに応じて、ステップＳ４，Ｓ５の順序を入れ換え可能に構成してもよい。

ステップＳ６，Ｓ７において足置台３の角度変更ができない場合には上述した他の方法を用いて膝関節に作用する剪断力を軽減するように装置を動作させる（Ｓ１０）。つまり、モータ４ａの動作速度を落とすか、支柱体２を短くするか、補助支持体６によって下肢を支持する。前後方向および左右方向の剪断力が警戒値以下になれば（Ｓ４，Ｓ５）、荷重センサ５により検出される荷重を規定の閾値と比較する（Ｓ１１）。この閾値は、糖尿病などの改善に効果が得られる程度の負荷が筋に作用しているか否かを判断するために設定されている。負荷が不足している場合には、負荷を増加させるように装置動作を変更する（Ｓ１２）。負荷を増加させる装置動作は、剪断力を減少させる動作とは逆の動作を行えばよく、モータ４ａの動作速度を大きくするか、足置台３の傾斜角度を変更するか、支柱体２を長くするか、補助支持体６で下肢を支持している場合には補助支持体６を外すかすればよい。

上述の処理によって、膝関節に作用する剪断力が警戒値以下であり、しかも荷重センサ５で検出される荷重が閾値以上であるときには、そのままの状態で駆動機構部４の動作を継続させる（Ｓ１３）。

なお、上述した例では足置台３にのみ荷重センサ５を設けているが、使用者Ｍの臀部から支持体２に作用する荷重を検出すれば情報量の増加によってリンクモデルによる剪断力の推定値の精度が高くなる。

本発明の実施形態のブロック図である。 同上の外観を示す概略斜視図である。 同上に用いるリンクモデルを示す図である。 同上に用いる情報表示部の外観を示す図である。 （ａ）は同上の側面図、（ｂ）は同上の平面図である。 同上に用いる補助支持体を示す概略構成図である。 同上の動作説明図である。

符号の説明

１ 架台
２ 支柱体
３ 足置台
４ 駆動機構部
５ 荷重センサ
１０ 演算制御部
１１ 記憶部
１２ 個人情報入力部
１３ 情報表示部
１４ モデル演算部
１５ 剪断力演算部
Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３ リンク
Ｐ_１，Ｐ_２ ピン

Claims (4)

1. 上端部において使用者の臀部を支持する支柱体と、使用者の足を載せる足置台と、使用者のつま先と大転子との相対位置を変化させることにより使用者の自重で脚部に作用する負荷が変化するように支柱体を傾動させかつ足置台の高さ位置を変化させる駆動機構部と、使用者の脚長に応じて支柱体の長さと足置台の高さとの少なくとも一方が調節された状態において、つま先と大転子との相対位置の変化の方向が使用者の膝関節の屈伸方向に制限されかつ膝関節が一定角度に保たれるように、駆動機構部による支柱体の時刻毎の傾斜角度と足置台の時刻毎の高さ位置とを決定して駆動機構部を制御する演算制御部と、使用者の少なくとも身長と質量とに基づいて下肢長を推算するモデル演算部と、足置台に作用する使用者の荷重を検出する荷重センサと、使用者の下肢のリンクモデルにモデル演算部で推算した使用者の下肢長と荷重センサにより検出された荷重とを適用し膝関節の角度を既知として膝関節に作用する力を求める力演算部とを有することを特徴とする運動補助装置。
2. 前記駆動機構部は、前記演算制御部からの指示により前記足置台の傾斜角度を変更可能であって、前記演算制御部は、前記力を足置台の傾斜角度の変更により調節することを特徴とする請求項１記載の運動補助装置。
3. 前記演算制御部は、膝関節の前記角度を前記支柱体の傾斜角度の変化および前記足置台の高さ位置の変化の速度が変化するように決定することを特徴とする請求項１記載の運動補助装置。
4. 前記力演算部により求められる力の大きさを通知する通知手段を備えることを特徴とする請求項１記載の運動補助装置。

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