JP5083458B2 - 歩行補助装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置に関する。
ユーザの脚関節にトルクを加えて歩行動作を補助する歩行補助装置が研究されている。例えば、特許文献1には、一方の脚が不自由なユーザの歩行を補助する歩行補助装置が開示されている。以下、本明細書では、ユーザが自在に動かすことができる脚を「健常脚」(Sound Leg)と称し、少なくとも1つの関節を自由に動かすことができない脚を「患脚」(Affected Leg)と称する。また、本明細書では、膝と足首の間の部分を「下肢」と称し、股関節と膝関節の間の部分を大腿と称する。特許文献1の歩行補助装置は、センサによって健常脚の動作パターンを計測し、患脚の動作パターンが健常脚の動作パターンに一致するように患脚の関節にトルクを加える。
特開2006−314670号公報
ユーザが望む脚の動作パターンと、歩行補助装置が関節に加えるトルクによって誘導される動作パターンが一致していないとユーザに違和感を与える。特許文献1の技術のように、健常脚にセンサを取り付ければ健常脚の動作パターンを計測することができる。健常脚と同じ動作パターンとなるように患脚の膝関節にトルクを加えることによって、ユーザに顕著な違和感を与えることなく歩行動作を補助することは可能である。しかしながら、両方の脚にセンサを装着するのではユーザに煩わしさを与えてしまう。本発明は、一方の脚に取り付けたセンサの出力に基づいて、その一方の脚にトルクを加えて歩行動作を補助する歩行補助装置を提供する。この歩行補助装置は、ユーザに顕著な違和感を与えることなく、ユーザの脚関節にトルクを加えることができる。本明細書が開示する技術は、特に、一つの患脚を有するユーザのための歩行補助装置に適している。その歩行補助装置は、健常脚にセンサを取り付けることを要せずに、患脚の動きを適切に補助することができる。
歩行補助装置が加えるトルクの時間的変化のパターンがユーザの望む動作パターンに合致していないとユーザに違和感を与える。発明者らの検討によると、特に違和感を与えるポイントが、立脚期間後半において下肢が後方へ揺動し始めるタイミング、遊脚期間中盤において下肢の揺動方向が前方から後方へ反転するタイミング、及び、遊脚の着地タイミングであることが判明した。歩行補助装置が加えるトルクがこれらのタイミングで大きく変化するからである。これらのタイミングのうち1つでも、ユーザの予期するタイミングにできるだけ近いタイミングでトルクを加えることができれば、ユーザに与える違和感を少なくすることができる。なお、以下では、立脚期間後半において下肢が後方へ揺動し始めるタイミングをプレスイングタイミングと称し、遊脚期間中盤において下肢の揺動方向が前方から後方へ反転するタイミングを膝最大角タイミングと称する。
本明細書が開示する技術によって提供される歩行補助装置の好適な一実施形態は、アクチュエータと角度センサとコントローラを備える。アクチュエータは、一方の脚の膝関節にトルクを加えることができる。角度センサは、一方の脚の膝関節角と、一方の脚の股関節のピッチ軸回りの関節角を検出する。以下、一方の脚の股関節のピッチ軸回りの関節角を単に「股関節角」と称する。コントローラは、一方の脚の膝関節角の目標軌道と、一方の脚の股関節角の目標軌道を記憶している。それらの目標軌道は、歩行動作における股関節角と膝関節角の経時的変化を表している。コントローラは、検出された膝関節角が記憶された膝関節角の目標軌道に追従するようにアクチュエータを制御する。さらにコントローラは、一方の脚が立脚期間にあるときに、検出された股関節角の時系列データを記憶された股関節角の目標軌道と比較する。そしてコントローラは、股関節角の時系列データと記憶された股関節角の目標軌道の間の時間差を算出し、算出された時間差に基づいて膝関節角の目標軌道を修正する。
以下、説明を簡単にするために、ユーザのいずれか一方の脚を第1脚と称し、他方の脚を第2脚と称する。
上記の歩行補助装置は、第1脚が立脚期間にある間に、第1脚の股関節角からユーザが予期するタイミングを推定し、推定したタイミングに基づいて第1脚の膝関節角の目標軌道を修正する。即ち、上記の歩行補助装置は、第2脚の情報を用いずに、第1脚の膝関節角の目標軌道を修正する。従って上記の歩行補助装置は第2脚にセンサを付けることを要しない。
また、立脚期間における股関節角を利用することによって、ユーザの予期するタイミングを比較的正確に推定することが可能となる。なぜならば、立脚期間後半において、下肢が後方に揺動し始めるときに股関節角が顕著に変化するからである。そのため、検出された股関節角の時系列データを記憶された股関節角の目標軌道との比較が正確になる。なお、股関節角の時系列データと記憶された股関節角の目標軌道の間の時間差が、ユーザが予期するタイミングと目標軌道におけるタイミングとの差に相当する。その時間差分だけ目標軌道をシフトすることによって、修正後の目標軌道は、ユーザが予期する動作パターンに近くなる。歩行補助装置は、検出された膝関節角が修正後の目標軌道に追従するようにアクチュエータを制御する。このときアクチュエータが加えるトルクの時間変化パターンはユーザの予期に近いものとなり、歩行補助装置がユーザに与える違和感が少なくなる。
ユーザの膝関節にトルクを加える機構は、典型的には、大腿(upper leg)に固定される上リンクと下肢に固定される下リンクとそれら2つのリンクを連結するメカニカルジョイントを有する装着型デバイスでよい。本明細書では、脚に装着するデバイスを脚装具(或いは脚アタッチメント)と称する場合がある。メカニカルジョイントはモータを備えており、下リンクを揺動させる。この脚装具は、ユーザに装着されるとメカニカルジョイントがユーザの膝関節と略同軸に位置する。
本明細書が開示する好適な実施形態では、前記した時間差は、検出された股関節角の時系列データにおける大腿の揺動の方向が後方から前方へ反転する反転タイミングと、記憶された股関節角の目標軌道における反転タイミングの差であることが好ましい。揺動方向が反転するタイミングは経時的変化の大きいポイントであり、2つの反転タイミングの比較に最も適しているからである。さらに、このタイミングは、立脚において下肢が後方へ揺動し始めるタイミング、即ちプレスイングタイミングに相当する。従って、このタイミングで目標軌道を修正すると、歩行補助装置は、このタイミングで下肢を後方へ揺動させる方向のトルクを加え始める。即ち、歩行補助装置は、ユーザが予期するプレスイングタイミングに近いタイミングでトルクを加え始めることができる。
本明細書が開示する技術の他の好適な実施形態では、目標軌道修正は、膝関節角の目標軌道における予定着地タイミングを算出された時間差だけシフトすることが好ましい。或いは他の好適な実施形態では、目標軌道の修正は、膝関節角の目標軌道における遊脚期間後半の時間スパンを算出された時間差だけ圧縮することが好ましい。いずれのケースも、修正後の目標軌道における予定着地タイミングが、ユーザが予期する着地タイミングに近くなる。従って修正後の目標軌道に基づいて加えられるトルクの時間変化はユーザの予期する動作パターンを誘導するものになり、ユーザに与える違和感が少ない。なお、「遊脚期間後半」は、遊脚期間において膝関節が最も大きく屈曲するタイミングから着地タイミングまでの間と定義するのが最も好ましい。
歩行中の脚の動きを説明する図である。 図1で用いられるパラメータを説明する図である。 実施例の歩行補助装置の模式的正面図である。 実施例の歩行補助装置の模式的側面図である。 実施例の歩行補助装置が実行する処理のフローチャート図である。 目標軌道修正の一例を説明する図である。 目標軌道修正の他の例を説明する図である。
本発明の好適な一実施例を説明する前に、歩行中の脚の動きを説明する。図1は、歩行中の第1脚の動きを説明する図である。符号Akが示すグラフは、第1脚の膝関節角(膝角度)Akの時間変化を示している。符号Ahが示すグラフは、第1脚の股関節角Ahの時間変化を示している。ここで用いる「股関節角」は、ピッチ軸回りの角度を意味する。本明細書に説明では、ユーザの右脚が第1脚に相当し、左脚が第2脚に相当する。第1図のグラフは、各パラメータの時間変化の概略(傾向)を表しているのであって精密に表してはいないことに留意されたい。また、図1では立脚期間の一部の図示が省略されていることに留意されたい。
図2は、膝角度Akと股関節角Ahを説明する図である。図2では、実線が第1脚(右脚)を表しており、破線が第2脚(左脚)を表している。股関節より上の実線は体幹を表している。図1でも同様である。直線L1は、股関節と膝関節を結ぶ直線を示している。直線L1は大腿の長手方向に沿った直線に相当する。膝角度Akは、直線L1から下肢へ向かう角度として表される。膝が伸びきったときが膝角度Ak=0である。膝が直角に曲がったときが膝関節角Ak=+90度である。直線L2は、股関節の回転軸線を通り、体幹に沿って伸びる直線を表している。股関節角Ahは、大腿が直線L2と一直線となったときをゼロとし、大腿が後方へ揺動したときを正値として表される。股関節角Akは、大腿が前方へ揺動したときに負値となる。
図1に戻って歩行動作を説明する。タイミングTaは、立脚期間の最後の部分において、第1脚の足の踵が浮き始めるとともに下肢が後方に揺動し始めるタイミングに相当する。図1の(a)に、タイミングTaにおける脚の形態を示す。(a)において実線(第1脚)が示すように、タイミングTaにおいて、足先が接地したまま下肢が後方に揺動し始める。即ち、タイミングTaで膝角度が増加し始める。また、タイミングTaで股関節角が増加から減少に反転する。即ち、タイミングTaで大腿の揺動方向が後方から前方へ反転する。別言すれば、タイミングTaは、第1脚が最も後方に位置するタイミングに相当し、このタイミング以降、第1脚は前方へ振り出される。
タイミングTbは、第1脚が離地するタイミングである。(b)は、タイミングTbにおける脚の形態を示す。タイミングTaからTbまでの期間は、第1脚の足が接地したまま膝角度が変化する期間であり、プレスイング期と呼ばれている。図1から明らかな通り、タイミングTaから下肢が後方に揺動し始める。別言すれば、立脚期間において下肢が後方へ揺動し始めるタイミングが、プレスイング期の開始に相当する。下肢が後方に揺動し始めるタイミングTaを、以下ではプレスイングタイミングTaと称する。
タイミングTcは、膝角度Akが最大となるタイミングを示す。タイミングTcを膝最大角タイミングと称する場合がある。(c)は、タイミングTcにおける脚の形態を示す。タイミングTdは、第1脚の着地タイミングを示す。(d)は、タイミングTdにおける脚の形態を示す。
タイミングTbからTdまでの期間が第1脚の遊脚期間に相当する。タイミングTbより前とタイミングTd以降の期間が第1脚の立脚期間に相当する。なお、図1では立脚期間の一部の図示が省略されている。タイミングTaからTbまでの期間は、前述したようにプレスイング期に相当する。
第1脚の股関節角Ahは、プレスイングタイミングTaで極大値となる。プレスイングタイミングTaは、大腿が最も後方に揺動している形態に相当する。即ち、プレスイングタイミングTaより前は大腿が後方へ揺動しており、プレスイングタイミングTaより後は大腿は前方へ揺動する。即ち、プレスイングタイミングTaで大腿の揺動方向が後方から前方へ反転する。プレスイングタイミングTaを反転タイミングと別言することがある。
股関節角Ahは、離地タイミングTbの付近でゼロとなり、着地タイミングTdで極小値となる。なお、負値の股関節角Ahは、大腿が体幹より前方へ揺動していることを表す。着地タイミングTdは、大腿が最も前方に揺動している形態に相当する。
第1脚の膝関節にトルクを加えてユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置について説明する。この歩行補助装置は、図1の膝角度Akの時間変化パターンを目標軌道として採用し、ユーザの膝関節角が目標軌道に追従するようにトルクを加える。膝関節角の目標軌道から理解されるように、プレスイングタイミングTaでトルクが加え始められ、膝最大角タイミングTcでトルクの方向が反転し、着地タイミングTdで、下肢を前方へ回転させる向きのトルクが終了する。即ち、上記3つのタイミングにおいて、加えられるトルクが顕著に変化する。歩行補助装置は、上記3のタイミングの1つでも、ユーザが予期するタイミングに近いタイミングでトルクを加えられることが好ましい。以下、そのような歩行補助装置の好適な実施形態を説明する。
図3Aに、本実施例の歩行補助装置10の模式的正面図を示し、図3Bに、歩行補助装置10の模式的側面図を示す。歩行補助装置10は、ユーザの右脚(第1脚)に沿って装着される脚装具12と、コントローラ40を備えている。本実施例の歩行補助装置は、右脚の膝関節を自由に動かすことができないユーザのための装置である。
脚装具12の機械的構造を説明する。脚装具12は、ユーザの大腿から下肢に沿って右脚の外側に装着される。脚装具12は、上リンク14、下リンク16、及び足リンク18を有する多リンク機構で構成されている。上リンク14の上端が第1ジョイント20aを介して腰リンク30に揺動可能に連結されている。下リンク16の上端が、第2ジョイント20bによって、上リンク14の下端に揺動可能に連結されている。足リンク18は、第3ジョイント20cによって、下リンク16の下端に揺動可能に連結されている。上リンク14は、ベルトでユーザの大腿に固定される。下リンク16は、ベルトでユーザの下肢に固定される。足リンク18は、ベルトでユーザの足裏に固定される。足リンク18を固定するベルトは、図示を省略している。腰リンク30は、ユーザの体幹(腰)に固定される。
ユーザが脚装具12を装着すると、第1ジョイント20a、第2ジョイント20b、及び第3ジョイント20cは夫々、ユーザの右股関節のピッチ軸、膝のピッチ軸、及び、足首のピッチ軸と略同軸に位置する。脚装具12の各リンクは、ユーザの第1脚の動きに応じて揺動することができる。各ジョイントは、そのジョイントに連結している隣接する2つのリンクの間の角度を検出するエンコーダ21を有している、2つのリンクの間の角度が関節角に相当する。即ち、エンコーダ21は、各関節の角度を検出する。第1ジョイント20aのエンコーダ21は、ユーザの右股関節のピッチ軸周りの関節角を検出する。第2ジョイント20bのエンコーダ21は、ユーザの右膝ピッチ軸周りの関節角を検出する。第3ジョイント20cのエンコーダ21は、ユーザの右足首ピッチ軸周りの関節角を検出する。以下では、各ジョイントに取り付けられているエンコーダ群21を角度センサ21と総称することがある。
足リンク18には、接地センサが取り付けられている。接地センサ19は、足底の前と後ろの2箇所に取り付けられている。接地センサ19は、第1脚が接地しているか否かを検知する。
第2ジョイント20bには、モータ(アクチュエータ)32が取り付けられている。モータ32は、ユーザの膝関節の外側に位置する。モータ32は、ユーザの膝関節に略同軸に位置する。モータ32は、上リンク14に対して下リンク16を相対的に揺動させることができる。即ちモータ32は、ユーザの右膝関節にトルクを加えることができる。
この歩行補助装置は、ユーザの歩行動作に合わせて、脚装具12のモータ32によってユーザの右膝関節(第1脚膝関節)にトルクを加え、歩行動作を補助する。
歩行補助装置10が実行する制御処理を説明する。制御処理は、コントローラ40が実行する。コントローラ40には、歩行動作のための膝関節角(膝角度)の目標軌道、股関節角の目標軌道が予め記憶されている。膝角度の目標軌道は、図1の膝角度Akの時系列データに相当する。股関節角の目標軌道は、図1の股関節角Ahの時系列データに相当する。なお、股関節の目標軌道は、膝角度の目標軌道を修正するための参照(リファレンス)であり、本実施例の歩行補助装置10は、ユーザの股関節にはトルクを加えないことに留意されたい。
コントローラ40は、基本的には、センサによって検出された膝角度が記憶された膝角度の目標軌道に追従するようにモータ32を制御する。コントローラ40は、以下で説明するように、検出された股関節角Ahの時系列データと、記憶された股関節角Ahの目標軌道の時間的なずれから膝関節角の目標軌道を修正し、修正された目標軌道に基づいてモータ32を制御する。以下では、検出された股関節角を符号sAhで表し、検出された膝角度を符号sAkで表す。
図4に、コントローラ40が実行する処理のフローチャートを示す。図4の処理は制御周期毎に繰り返される。コントローラ40は、角度センサ21と接地センサ19のセンサデータを取得する(S2)。次にコントローラ40は、接地センサ19のセンサデータから、第1脚が立脚期間に属しているか否かを判断する(S4)。立脚期間に属していない場合は、第1脚が遊脚期間に属していることを意味する。コントローラ40は、第1脚が遊脚期間に属していると判断した場合(S4:NO)、目標軌道を使った追従制御を継続する(S12)。即ち、コントローラ40は、検出された膝角度sAkが目標軌道の膝角度Akに追従するようにモータ32を制御する。
第1脚が立脚期間に属していると判断された場合(S4:YES)、コントローラ40は、検出された股関節角sAhから、反転タイミングを検知する(S6)。前述したように、反転タイミングは、股関節角が増加から減少に転じるタイミングである。コントローラ40は、検出された股関節角sAhが、前の制御周期における検出値よりも小さくなったときのタイミングを、反転タイミングとして検知する。
今回の制御周期における股関節角sAhが反転タイミングでなかった場合、コントローラ40は、目標軌道を使った追従制御を継続する(S6:NO、S12)。他方、今回の股関節角が反転タイミングに相当する場合(S6:YES)、コントローラ40は、検出された股関節角の時系列データsAhと記憶された股関節角Ahの目標軌道を比較し、それらの間の時間差dTを特定する(S8)。具体的には、コントローラ40は、目標軌道における反転タイミングを記憶しており、その反転タイミングと、ステップS6で検知された反転タイミングとの時間差dTを求める。次にコントローラ40は、記憶されている膝角度の目標軌道を時間差dTに基づいて修正する。具体的にはコントローラ40は、記憶されている目標軌道を、特定した時間差dTだけシフトする。コントローラ40は、膝角度が修正された目標軌道に追従するようにモータを制御する(S12)。
ステップS10における目標軌道修正の一例を説明する。図5に目標軌道修正処理の一例を示す。図5の破線Ak1は、修正前の膝角度目標軌道を示している。破線Ahは、修正前の目標軌道Ak1に対応する股関節角(股関節目標軌道)を示している。コントローラ40は、膝角度目標軌道Ak1と股関節角目標軌道Ahを記憶している。また、コントローラ40は、目標軌道Ak1に基づいて予定される反転タイミングTa(プレスイングタイミングTa)を記憶している。
図5の一点鎖線sAhは、検出された股関節角を示している。今、ステップS6で検知された反転タイミングが図5のタイミングTzに相当する場合を仮定する。従って、現在時刻はタイミングTzより少し後である。即ち、一点鎖線sAhの終端が、現在時刻に相当する。ステップS8において、コントローラ40は、ステップS6で検知した反転タイミングTzと、予定された反転タイミングTaとの時間差dTを算出する。図5の(a)が、この算出処理を示している。次にコントローラ40は、算出された時間差dTだけ、目標軌道Ak1をシフトする。図5の(b)がこのシフト処理を示している。その結果、図5の符号Ak2が、修正後の目標軌道を示している。
ステップS12において、コントローラ40は、修正後の目標軌道Ak2に基づいてモータを制御する。目標軌道の修正によって、現在時刻における膝角度の目標角度が増加する。膝角度が下肢の後方への揺動角に相当する。即ち、目標軌道の修正によって膝の目標角が増加し、その結果、下肢を後方へ移動させる向きのトルクが印加される。実際には制御サンプリングタイムは数ミリ秒であるから、ほぼタイミングTzの時刻にそのタイミングが反転タイミングであることが検知される。それゆえ、コントローラ40は、検知された反転タイミングTz、即ち、検知されたプレスイングタイミングTzで下肢を後方へ揺動させる向きのトルクを加え始める。
また、修正後の目標軌道Ak2では、修正前の膝最大角タイミングTcと予定着地タイミングTdがそれぞれdTだけシフトする。修正後の膝最大角タイミングと予定着地タイミングは、検知された反転タイミングTzに対応している。即ち、修正後の目標軌道Ak2は、検知された反転タイミングTzに対応しているので、修正後の目標軌道Ak2は、ユーザが予期する膝の動作パターンとよく合致する。従って、歩行補助装置10が修正後の目標軌道Ak2に基づいて加えるトルクのパターンは、ユーザに顕著な違和感を与えない。
実施例の歩行補助装置10は、第1脚のセンサデータに基づいて、ユーザの第1脚の膝関節にトルクを加えて歩行動作を補助することができる。しかも歩行補助装置10は、加えるトルクのパターンがユーザに顕著な違和感を与えない。
ステップS10における目標軌道修正の他の例を説明する。図6は、目標軌道の他の例を示す図である。コントローラ40は、ステップS8で時間差dTを特定した後、予定されていた目標軌道Ak1における膝最大角タイミングTcから予定着地タイミングTdまでの時間スパンTwを、時間差dTだけ時間方向に縮める。修正後の目標軌道Ak2は、予定された膝最大角タイミングTcから滑らかにずれていき、修正後の着地タイミングTeが当初の予定着地タイミングTdよりも時間差dTだけ早まる。このような修正により、当初の目標軌道から徐々にずれていく修正目標軌道が生成される。そのような修正処理は、目標軌道の修正されたことをユーザに気づかせない。なお、膝最大角タイミングTcから予定着地タイミングTd(Te)までの期間が、立脚期間の後半に相当する。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
10:歩行補助装置
12:脚装具
14:上リンク
16:下リンク
18:足リンク
19:接地センサ
20a、20b、20c:ジョイント
21:エンコーダ(角度センサ)
32:モータ
40:コントローラ

Claims (3)

  1. ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であり、
    一方の脚の膝関節にトルクを加えるアクチュエータと、
    一方の脚の膝関節角と、一方の脚の股関節のピッチ軸回りの関節角を検出する角度センサと、
    一方の脚の膝関節角の目標軌道と、一方の脚の股関節のピッチ軸回りの関節角の目標軌道を記憶しているとともに、検出された膝関節角が膝関節角の目標軌道に追従するようにアクチュエータを制御するコントローラと、を備えており、コントローラは、
    一方の脚が立脚期間にあるときに、検出された股関節角の時系列データを股関節角の目標軌道と比較し、股関節角の時系列データと股関節角の目標軌道の間の時間差を算出し、算出された時間差に基づいて膝関節角の目標軌道を修正するものであり、
    前記時間差は、検出された股関節角の時系列データにおける大腿の揺動の方向が後方から前方へ反転する反転タイミングと、股関節角の目標軌道における反転タイミングの差であることを特徴とする歩行補助装置。
  2. 目標軌道の前記修正は、膝関節角の目標軌道における予定着地タイミングを算出された時間差だけシフトすることを特徴とする請求項1に記載の歩行補助装置。
  3. 目標軌道の前記修正は、膝関節角の目標軌道における遊脚期間後半の時間スパンを算出された時間差だけ圧縮することを特徴とする請求項に記載の歩行補助装置。
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