JP4784768B2

JP4784768B2 - 歩行補助装置

Info

Publication number: JP4784768B2
Application number: JP2007173953A
Authority: JP
Inventors: 藤浩工; 藤洋介遠; 内康池
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2027-07-02
Also published as: WO2009004754A1; JP2009011429A; US20100145239A1; US8435195B2

Description

本発明は、利用者の脚に作用する荷重を軽減して歩行を補助する歩行補助装置に関する。

従来、この種の歩行補助装置として、荷重伝達部と、利用者の足平に装着される足平装着部と、荷重伝達部と足平装着部との間に設けられる脚リンクとを備え、利用者の体重の少なくとも一部を荷重伝達部を介して脚リンクで支えることにより、利用者の脚に作用する荷重を軽減して歩行を補助するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記従来例のものにおいて、足平装着部は、利用者の足平を載せる接地部材たる靴底を有する靴と、脚リンクの下端に設けた関節部に靴を連結する連結部材とを備えている。この連結部材は、利用者の足先部分を挿通自在な鐙状に形成され、靴に組みつけられている。

また、上記従来例のものでは、靴底上に、利用者の足平の踵部側の１箇所と足先側の１箇所（親指の付け根部）とに位置させて、利用者の踏力を検出する踏力センサを設けている。そして、脚リンクによる支持力を踏力センサで検出される利用者の脚の踏力に応じて可変制御するようにしている。

ところで、上記従来例の如き鐙状の連結部材では、利用者の足平が連結部材に挿入される関係で、足平の動きの自由度が制約され、利用者に拘束感を与えてしまう。そのため、足平の動きの自由度を確保して、足平装着部の装着感を向上させることが望まれる。

然し、足平の動きの自由度を確保するだけでは、以下の不具合を生ずる。即ち、利用者個々の歩き方のくせの影響が顕著に現われて、足平の横方向外側に多くの荷重がかかったり、横方向内側に多くの荷重がかかったりすることがある。そして、上記従来例のような足平の踵部側の１箇所と足先側の１箇所の計２箇所の踏力センサだけでは利用者の踏力を正確に検出できなくなる。
特開２００７−２０９０９号公報

本発明は、以上の点に鑑み、足平装着部の装着感を向上させて、且つ、利用者の踏力も正確に検出できるようにした歩行補助装置を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、荷重伝達部と、利用者の足平に装着される足平装着部と、荷重伝達部と足平装着部との間に設けられる脚リンクとを備え、利用者の体重の少なくとも一部を荷重伝達部を介して脚リンクで支えるようにした歩行補助装置であって、足平装着部は、利用者の足平を載せる接地部材と、脚リンクの下端に設けられた関節部に接地部材を連結する連結部材とを備え、接地部材に利用者の踏力を検出する踏力センサが設けられているものにおいて、連結部材は、接地部材の横方向片側から片持ち状態で立ち上がるように形成され、踏力センサは、利用者の足平の踵部側の少なくとも１箇所と足先側の横方向に離れた少なくとも２箇所とに設置され、踏力センサは、ベース板部と、ベース板部上に設けられ荷重を検出する荷重検出部と、荷重検出部を覆う弾性体と、弾性体上に載せられた剛性板から成る上板部とで構成されることを特徴とする。

本発明によれば、連結部材が接地部材の横方向片側から片持ち状態で立ち上がるため、利用者の足平が連結部材で拘束されない。その結果、足平の動きの自由度が確保され、足平装着部の装着感が向上する。

また、足平の動きの自由度が確保されることで、足平の横方向外側に多くの荷重がかかったり、横方向内側に多くの荷重がかかったりすることがあっても、利用者の踏力を正確に検出できる。即ち、本発明では足先側の横方向に離れた少なくとも２箇所に踏力センサが設置されているため、足平の横方向外側に多くの荷重がかかった場合には、足先側の横方向外寄りに位置する踏力センサと踵部側の踏力センサとにより利用者の踏力を精度良く検出でき、また、足平の横方向内側に多くの荷重がかかった場合には、足先側の横方向内寄りに位置する踏力センサと踵部側の踏力センサとにより利用者の踏力を精度良く検出できる。

また、本発明において、踏力センサは、ベース板部と、ベース板部上に設けられ荷重を検出する荷重検出部と、荷重検出部を覆う弾性体と、弾性体上に載せられた剛性板から成る上板部とで構成される。ここで、踏力の作用方向は歩行中様々に変化する。そして、踏力センサが上記の如く構成されていれば、荷重検出部の垂直方向に対し傾いた方向から上板部に踏力が入力されても、弾性体の内部応力により荷重検出部にその垂直方向から効率良く踏力が伝達される。従って、垂直方向以外の踏力に対しての感度を向上させて、踏力の検出漏れを減少できる。

ところで、接地部材上に、連結部材の下端に結合され利用者の足平により踏まれる踏み板部材が敷設されていれば、連結部材が脚リンクから伝達される力でぐらつくことを防止できる。この場合、踏力センサは、上記上板部が踏み板部材に干渉しないように設置されることが望ましい。これによれば、脚リンクから連結部材を介して踏み板部材に伝達される力は踏力センサに入力されず、利用者の踏力を脚リンクで発生させる力の影響を受けることなく正確に検出できる。

以下、本発明の実施形態の歩行補助装置について説明する。歩行補助装置は、図１及び図２に示す如く、利用者Ｐが跨ぐようにして着座する荷重伝達部たる着座部材１と、利用者の左右の足平に装着される左右一対の足平装着部２，２と、着座部材１と左右の足平装着部２，２との間に設けられる左右一対の脚リンク３，３とを備えている。

各脚リンク３は、着座部材１に上端の第１関節部３１を介して前後方向に揺動自在に連結される第１リンク部材３２と、第１リンク部材３２の下端に回転式の第２関節部３３を介して連結される第２リンク部材３４とで構成される屈伸自在なリンクで構成される。第２リンク部材３４の下端には、第３関節部３５を介して足平装着部２が連結されている。

また、第１リンク部材３２には第２関節部３３用の駆動ユニット４が搭載されている。そして、駆動ユニット４による第２関節部３３の回転駆動で各脚リンク３を伸び方向、即ち、着座部材１を押し上げる方向に動作させ、利用者の体重の少なくとも一部を支持する支持力(以下、体重免荷アシスト力という)を発生させるようにしている。各脚リンク３で発生された体重免荷アシスト力は着座部材１を介して利用者Ｐの体幹に伝達され、利用者Ｐの脚に作用する荷重が軽減される。

着座部材１は、利用者Ｐが着座するサドル状のシート部１ａと、シート部１ａを支持する下面の支持フレーム１ｂとで構成されている。

各脚リンク３の上端の第１関節部３１は、着座部材１の下側に設けられた円弧状のガイドレール３１ａを備えている。そして、このガイドレール３１ａに、各脚リンク３を第１リンク部材３２の上端部に固定されるスライダー３２ａに軸着した複数のローラ３２ｂを介して移動自在に係合させている。かくして、各脚リンク３２はガイドレール３１ａの曲率中心を中心にして前後方向に揺動することになり、各脚リンク３の前後方向の揺動支点はガイドレール３１ａの曲率中心になる。

また、ガイドレール３１ａは、着座部材１の支持フレーム１ｂの前端の立上り部に前後方向に長手の支軸３１ｂを介して軸支されている。従って、ガイドレール３１ａは、着座部材１に横方向に揺動自在に連結される。これにより、各脚リンク３の横方向への揺動が許容されて、利用者Ｐの脚を外転できるようになる。尚、ガイドレール３１ａの曲率中心及び支軸３１ｂの軸線はシート部１ａより上方に位置する。そのため、利用者Ｐの体重移動で着座部材１が上下左右に大きく傾動することを防止できる。

駆動ユニット４は、電動モータ４１と、これに連結される減速機４２と、減速機４２の出力部材たるクランクアーム４２ａと第２関節部３３の関節軸３３ａより上方に伸びる第２リンク部材３４の上端部とを連結する伝動リンク４３とで構成される。そして、電動モータ４１から減速機４２を介して出力される動力が伝動リンク４３を介して第２リンク部材３４に伝達され、第２リンク部材３４が第１リンク部材３２に対し関節軸３３ａを中心にして揺動して、脚リンク３が屈伸されるようにしている。

各足平装着部２は、接地部材たる靴底２１ａを有する靴２１と、靴２１に組み込んだ連結部材２２とを備えている。そして、各脚リンク３の下端の第３関節部３５に利用者Ｐの足首より前方位置で連結部材２２を連結している。第３関節部３５は、正面視左右方向の第１軸３５ａと、上下方向の第２軸３５ｂと、前後方向の第３軸３５ｃとを有する３軸構造に構成されている。また、第３関節部３５の位置は、その第３軸３５ｃと第１関節部３１の支軸３１ｂとの結線の下方への延長線が靴底２１ａの横幅内を通るように設定されている。そのため、上記結線上に作用する体重免荷アシスト力により靴２１にこれを横転させるモーメントが作用することが防止される。

図３を参照して、靴２１には、その靴底２１ａ上に位置させて、後記詳述する踏力センサ５が設けられている。そして、靴２１内に踏力センサ５を上方から覆うようにして中敷２１ｂが装着されている。更に、第３関節部３５には２軸の力センサ６が組み込まれている。これら踏力センサ５及び力センサ６の検出信号は着座部材１の支持フレーム１ｂに収納したコントローラ７に入力される。コントローラ７は、踏力センサ５及び力センサ６からの信号に基づき、電動モータ４１を制御して脚リンク３の第２関節部３３を駆動し、上記体重免荷アシスト力を発生させる歩行アシスト制御を実行する。

ここで、体重免荷アシスト力は、矢状面（前後方向に沿う鉛直な投影面）において、第１関節部３１における脚リンク３の前後方向の揺動支点と、第３関節部３５における脚リンク３の前後方向の揺動支点たる第１軸３５ａとを結ぶ線(以下、基準線という)上に作用する。そこで、歩行アシスト制御では、基準線上に作用する実際の体重免荷アシスト力(正確には体重免荷アシスト力と着座部材１及び各脚リンク４の重量による力との合力)を力センサ６で検出される２軸方向の力の検出値に基づいて算出する。また、各足平装着部２の踏力センサ５の検出力に基づいて、利用者Ｐの両足平にかかる全踏力に対する各足平の踏力の割合を算出する。次に、予め設定される体重免荷アシスト力の設定値に各足平の踏力割合を乗算した値を各脚リンク３で発生すべき体重免荷アシスト力の制御目標値として算出する。そして、力センサ６の検出値に基づいて算出される実際の体重免荷アシスト力が制御目標値になるように電動モータ４１を制御する。

ところで、足平装着部２の連結部材２２は脚リンク３に対し正面視左右方向の軸線回り、即ち、第３関節部３５の第１軸３５ａ回りの回転自由度を持つように連結される。そのため、脚リンク３から連結部材２２に伝達される荷重（体重免荷アシスト力）の作用方向は歩行中に前後に傾き、連結部材２２に前後方向の回転モーメントが作用する。そして、この回転モーメントで連結部材２２が前後にぐらつくと、連結部材２２に接する靴２１の部分が擦られて損耗し、靴２１の耐久性が損なわれる。

そこで、本実施形態では、図３（ａ）（ｂ）に示す如く、脚リンク３から連結部材２２に伝達される荷重の矢状面における作用範囲よりも外側で利用者の足平Ｆにより踏み付け可能な剛性板から成る踏み板部材２３を設け、この踏み板部材２３を中敷２１ｂの下側で靴底２１ａ上に敷設している。そして、連結部材２２を踏み板部材２３に該踏み板部材２３に対する正面視左右方向の軸線回りの回転が制限されるように結合している。尚、図３（ａ）では靴２１の靴底２１ａ及び中敷２１ｂ以外の部分を省略し、図３（ｂ）では中敷２１ｂも省略している。また、図３（ａ）で２２ａは、連結部材２２に形成した第３関節部３５の第１軸３５ａ用の取付孔を示している。

ここで、足平Ｆの踵部は脚リンク３から連結部材２２に伝達される荷重の矢状面における作用範囲よりも後方に位置する。そこで、本実施形態では、踵部で踏み板部材２３が踏み付けられるようにしている。また、踏み板部材２３と連結部材２２とを一体成形している。

以上の構成によれば、連結部材２２に前後方向の回転モーメントが作用しても、踏み板部材２３が荷重の作用範囲の外側で利用者の踵部により踏み付けられるため、踏み板部材２３に結合される連結部材２２は前後にぐらつかない。従って、連結部材２２のぐらつきに起因する靴２１の損耗を生じず、足平装着部２の耐久性が向上する。

また、連結部材２２を靴２１に接着等で固定しなくても、上記の如く踏み板部材２３の踏み付けにより連結部材２２の安定性が確保される。そのため、連結部材２２を結合した踏み板部材２３を靴２１内に単純に挿入するだけで済む。従って、連結部材２２を固定した専用の靴を製作する必要がなく、利便性が向上する。

また、本実施形態において、連結部材２２は、靴底２１ａの横方向片側から片持ち状態で立ち上がるように形成されている。より具体的に説明すると、連結部材２２は、利用者の足平ＦのＭＰ関節Ｆａと舟状骨Ｆｂとの間の部分の横方向内側で踏み板部材２３から立ち上がるように、踏み板部材２３に片持ち状態で結合されている。これによれば、上記従来例の鐙状の連結部材と異なり、足平Ｆが連結部材２２で拘束されず、足平Ｆの動きの自由度が確保されて、足平装着部２の装着感が向上する。

尚、踏み板部材２３は足平Ｆの踵部で踏み付けられる部分から前方にのびる部分を有し、この前方部分は足平ＦのＭＰ関節Ｆａより手前で終端している。このままでは、踏み板部材２３が靴２１内で前方に位置ずれする可能性がある。そこで、踏み板部材２３に、靴２１の先端部に達するように可撓性を有する延長板部２３ａを連設し、踏み板部材２３の位置ずれを防止できるようにしている。

ここで、踏み板部材２３を足平Ｆの踵部から足先に亘って延在する１枚の剛性板で構成することも考えられる。然し、これでは、利用者の足指の動きの自由度、特に、足指の背屈が阻害される。これに対し、本実施形態の如く踏み板部材２３の延長板部２３ａを可撓性を有するものにすれば、足指の動きの自由度が確保され、有利である。尚、ＭＰ関節Ｆａの直下から前後１５ｍｍ程度の範囲内に位置する延長板部２３ａの部分が可撓性を有していれば、足指の動きの自由度を確保できる。従って、この部分より前方に位置する延長板部２３ａの部分は剛性板で形成されていても良い。

ところで、連結部材２２を片持ちにして利用者の足平の動きの自由度を確保すると、利用者個々の歩き方のくせの影響が顕著に現われて、足平の横方向外側に多くの荷重がかかったり、横方向内側に多くの荷重がかかったりすることがある。そこで、図３（ｂ）に示す如く、靴底２１ａ上に、足平の踵部側の１箇所に位置する＃１の踏力センサ５と、足先側の横方向に離れた２箇所に位置する＃２と＃３の踏力センサ５，５とを設置している。より具体的に説明すると、＃２の踏力センサ５は親指のＭＰ関節近傍に位置し、＃３の踏力センサ５は薬指のＭＰ関節近傍に位置している。尚、＃２と＃３の踏力センサ５，５は、歩行時に足指の背屈が阻害されることを防止する上で、ＭＰ関節の直下から３０ｍｍ以上踵側にずれないように設置することが望まれる。

上記の如く踏力センサ５を設置すると、足平の横方向外側に多くの荷重がかかった場合には、＃３の踏力センサ５と＃１の踏力センサ５とにより踏力を精度良く検出でき、また、足平の横方向内側に多くの荷重がかかった場合には、＃２の踏力センサ５と＃１の踏力センサ５とにより踏力を精度良く検出できる。従って、利用者の足平の動きの自由度を確保することで、利用者個々の歩き方のくせの影響が顕著に現われても、踏力を正確に検出でき、各足平の踏力に応じた体重免荷アシスト力の制御を確実に行うことができる。

また、踏力の作用方向は歩行中に様々に変化する。踏力センサ５として多軸の力センサを用いれば、垂直方向以外の踏力も検出できる。然し、これでは、踏力センサ５が大型化して、靴２１内の限られた場所に設置することが困難になる。

そこで、本実施形態では、各踏力センサ５を、図４に示す如く、ベース板部５１と、ベース板部５１上に設けられた１軸のひずみセンサから成る荷重検出部５２と、荷重検出部５２を覆う樹脂等から成るドーム状の弾性体５３と、弾性体５３上に載せられた上板部５４とで構成している。ベース板部５１及び上板部５４は、利用者の体重が作用しても大きく変形しない程度の剛性を有するステンレス等の剛性板で構成される。また、上板部５４は、力の作用方向に対し直交する姿勢になる程度の動きの自由度が確保されるように弾性ゲル５５で半固定されている。尚、上板部５４をテープで半固定することも可能である。

踏力は、利用者の足平から中敷２１ｂを介して踏力センサ５の上板部５４に入力される。そして、荷重検出部５２の垂直方向に対し傾いた方向から上板部５４に踏力が入力されても、弾性体５３の内部応力により荷重検出部５２にその垂直方向から効率良く踏力が伝達される。従って、垂直方向以外の踏力に対しての感度を向上させて、踏力の検出漏れを減少できる。更に、多軸の力センサに比し踏力センサ５を小型化でき、靴２１内の限られた場所にも踏力センサ５を無理なく設置できる。

また、本実施形態では、踏み板部材２３に、図３（ｂ）に示す如く、各踏力センサ５に対する逃げ孔２３ｂを開設している。これにより、踏力センサ５の上板部５４が踏み板部材２３に干渉しない。従って、脚リンク３から連結部材２２を介して踏み板部材２３に伝達される力は踏力センサ５に入力されず、利用者の踏力を脚リンク３で発生させる体重免荷アシスト力の影響を受けることなく正確に検出できるようになる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態では、踏力センサ５を足平の踵部側の１箇所と足先側の２箇所の計３箇所に設置したが、踵部側の２箇所以上や、足先側の横方向に離れた３箇所以上に踏力センサ５を設置することも可能である。また、足先側に横方向に長手の１個の分布圧センサを設置することも可能である。この場合、分布圧センサにより足先側の横方向複数箇所で踏力を検出できる。そして、分布圧センサの数は１個であっても、実質的に足先側の横方向複数箇所に踏力センサが設置されることになる。また、同様に、踵部側の踏力センサとして分布圧センサを用いることも可能である。

また、上記実施形態では、靴底２１ａが足平装着部２の接地部材であるとして説明したが、接地部材は、利用者からの荷重を地面に伝達する機能を持つ部分を意味し、中敷２１ｂのように地面に直接的に接しない部材も接地部材に含まれる。そして、踏力センサ５は中敷２１ｂに設置されていても良い。更に、上記実施形態では、連結部材２２が靴底２１ａの横方向内側から立上るようにしているが、靴底２１ａの横方向外側から連結部材が片持ち状態で立上るようにしても良い。

また、上記実施形態では、脚リンク３が中間に回転式の第２関節部３３を有する屈伸自在なリンクで構成されているが、直動式の第２関節部を有する伸縮自在なリンクで脚リンクを構成しても良い。また、荷重伝達部を利用者の腰回りに装着するハーネスで構成することも可能である。更に、片方の脚が骨折等で不自由な利用者の歩行を補助するため、上記実施形態の左右の脚リンク３，３のうち利用者の不自由な脚側の脚リンクのみを残して他方の脚リンクを省略することも可能である。

本発明歩行補助装置の実施形態の側面図。実施形態の正面図。（ａ）実施形態の足平装着部の一部を省略した側面図、（ｂ）実施形態の足平装着部の一部を省略した平面図。実施形態の足平装着部に設けた踏力センサの断面図。

符号の説明

１…着座部材（荷重伝達部）、２…足平装着部、２１…靴、２１ａ…靴底（接地部材）、２２…連結部材、２３…踏み板部材、３…脚リンク、３５…第３関節部（脚リンクの下端の関節部）、５…踏力センサ、５１…ベース板部、５２…荷重検出部、５３…弾性体、５４…上板部。

Claims

荷重伝達部と、利用者の足平に装着される足平装着部と、荷重伝達部と足平装着部との間に設けられる脚リンクとを備え、利用者の体重の少なくとも一部を荷重伝達部を介して脚リンクで支えるようにした歩行補助装置であって、足平装着部は、利用者の足平を載せる接地部材と、脚リンクの下端に設けられた関節部に接地部材を連結する連結部材とを備え、接地部材に利用者の踏力を検出する踏力センサが設けられているものにおいて、
連結部材は、接地部材の横方向片側から片持ち状態で立ち上がるように形成され、
踏力センサは、利用者の足平の踵部側の少なくとも１箇所と足先側の横方向に離れた少なくとも２箇所とに設置され、
踏力センサは、ベース板部と、ベース板部上に設けられ荷重を検出する荷重検出部と、荷重検出部を覆う弾性体と、弾性体上に載せられた剛性板から成る上板部とで構成されることを特徴とする歩行補助装置。
前記接地部材上に、前記連結部材の下端に結合され利用者の足平により踏まれる踏み板部材が敷設され、前記踏力センサは、前記上板部が踏み板部材に干渉しないように設置されることを特徴とする請求項１記載の歩行補助装置。