JP5083463B2

JP5083463B2 - 歩行補助装置

Info

Publication number: JP5083463B2
Application number: JP2011511925A
Authority: JP
Inventors: 将弘土井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: JPWO2011117999A1; WO2011117999A1; US8652074B2; US20120016276A1

Description

本発明は、ユーザ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関する。

ユーザの脚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が開発されている。歩行補助装置の一例が日本国特許公開公報２００９−２０７８４０号に開示されている。歩行補助装置は、典型的には、ユーザの脚に沿って装着される多リンク型の機械的構造を有している。多リンク機構の一つのリンクはユーザの大腿に装着される。他の一つのリンクはユーザの下腿に装着される。大腿リンクと下腿リンクは、回転ジョイントによって連結されている。歩行補助装置をユーザが装着すると、回転ジョイントは、膝関節と同軸に位置する。そのような構造によって、下腿リンクはユーザの下腿に対して平行を保ちながら揺動することができる。この歩行補助装置は下腿リンクを揺動させるアクチュエータを備えている。アクチュエータによって、歩行時の理想的な脚の動きを複数のリンクが再現し、歩行補助装置はユーザの脚の動作をガイドする。アクチュエータを備えた多リンク型の歩行補助装置は、「ロボットスーツ」と俗称されることもある。

歩行時の脚の動きは、主に、股関節ピッチ軸周りの大腿の揺動、及び、膝関節ピッチ軸周りの下腿の揺動で定まる。即ち、歩行時の脚の動きは、（ピッチ軸周りの）股関節角の経時的変化と（ピッチ軸周りの）膝関節角の経時的変化で定まる。歩行補助装置は、歩行時の股関節角と膝関節角の経時的変化を模した目標回転角時系列データ（目標軌道）を有しており、ユーザの股関節に相当する回転ジョイントと膝関節に相当する回転ジョイントをその目標軌道に追従するように駆動する。なお、歩行補助装置は、予め定められた目標軌道を記憶している場合もあるし、例えば歩行速度や歩幅など、ユーザの歩行時の特性に応じてリアルタイムに目標軌道を生成することもあり得る。なお、以下では、説明を簡単化するため、ユーザの関節の「角度」と歩行補助装置の回転ジョイントの「角度」を区別しない。即ち、股関節に相当する回転ジョイントの目標角（目標軌道）を股関節の目標角（目標軌道）と称し、膝関節に相当する回転ジョイントの目標角（目標軌道）を膝関節の目標角（目標軌道）或いは、目標膝関節角と称する。また、股関節の角度は大腿の揺動角に相当し、膝関節の角度は下腿の揺動角に相当する。そのため、目標膝関節角を下腿リンクの目標揺動角と称することがある。

歩行時の通常の脚の動きにおいては、大腿と下腿が協調して揺動する。膝関節に相当する回転ジョイントとアクチュエータに加え、ユーザの股関節に相当する回転ジョイントとその回転ジョイントを駆動するアクチュエータを有する歩行補助装置は、脚全体の揺動をガイドする。そのような歩行補助装置は、股関節角と膝関節角の双方の目標軌道を有しているので、大腿の揺動と下腿の揺動を協調させることは容易である。

他方、股関節は自由に動作させることができるが膝関節は自由に動かすことができないユーザの場合、股関節の動きは補助せず、即ち拘束せず、膝関節にトルクを加える歩行補助装置が好都合である。そのような歩行補助装置は、膝関節の目標軌道を有していても、股関節の動きはユーザ次第であるので、遊脚期間における大腿の揺動に下腿の揺動を協調させることが難しい。

股関節の動きは補助せず、膝関節にトルクを加える歩行補助装置の場合、大腿の揺動に協調して膝関節を補助する一つの方法は、膝関節の目標角を、大腿のピッチ軸周りの傾斜角に応じて定めることである。しかしながら、傾斜角センサは、コストが嵩む。その上、大腿の傾斜角に応じて目標膝関節角を定める方法では、傾斜角と目標関節角の関係が静的である。そのため、傾斜角に応じて目標膝関節角を決める方法は、例えば歩き始めや立ち止まるときなど、大腿の揺動が過渡的に変化する場合には適切とは言いがたい。低コストであり、しかも、遊脚期間における大腿の動きによく協調して膝関節を補助する技術が望まれている。

遊脚の大腿と下腿の揺動は、自由２重振り子の挙動に似ていることが知られている。これは、脚の揺動に要するエネルギを最小とする歩行動作が実現されるためである。本明細書が開示する技術は、この事実を利用して創作された。本発明の歩行補助装置は、大腿の揺動に応答して下腿の動きを物理的に模擬する振り子を備え、その振り子の動きに応じて下腿リンクを制御する。

本明細書が開示する一つの技術は、次の歩行補助装置を提供する。その歩行補助装置は、大腿リンク、下腿リンク、回転ジョイント、アクチュエータ、及び、コントローラを備える。大腿リンクは、ユーザの大腿に装着される。下腿リンクは、ユーザの下腿に装着される。回転ジョイントは、下腿リンクを大腿リンクに揺動可能に連結している。回転ジョイントは、歩行補助装置をユーザが装着するとユーザの膝関節と同軸に位置する。アクチュエータは、大腿リンクに対して下腿リンクを揺動させる。コントローラは、下腿リンクがユーザの歩行動作をガイドするようにアクチュエータを制御する。

さらに歩行補助装置は、振り子と振り子センサを備えている。振り子は、回転ジョイントの回転軸（下腿リンクの揺動軸）に設けられている。この振り子は、ユーザの遊脚の大腿の揺動に誘起されて、揺動軸の回りに揺動する。振り子センサは、振り子の揺動角を検知する。コントローラは、振り子の揺動角に基づいてアクチュエータ（下腿リンクの揺動）を制御する。好ましくはコントローラは、下腿リンクの揺動が振り子の揺動角に追従するようにアクチュエータを制御する。

振り子は、例えば、回転軸に回転可能に取り付けられたロッドとその先端に取り付けられる錘で構成される単純なものでよい。ロッドの長さは、例えば数ｃｍでよい。上記の歩行補助装置は、高価な傾斜センサを備える代わりに、単純な振り子を備えるので低コストで実現され得る。また、振り子の揺動は、遊脚の下腿の自然な動きを模擬する。従って、歩行補助装置は、振り子の揺動に応じて下腿リンクを制御することによって、大腿の揺動と協調した自然な揺動となるように下腿の動きをガイドすることができる。

振り子と下腿リンクの相対角度を予め定められた限界値に制限するストッパが大腿リンクに設けられているとよい。また、振り子と下腿リンクの相対角度が所定の閾値を超えた場合に、コントローラは制御を停止することも好適である。相対角度が所定の閾値を超えた場合は異常が発生している可能性が高いからである。

本発明によれば、低コストであり、しかも、遊脚時の大腿の動きによく協調して歩行動作を補助する歩行補助装置を提供することができる。

歩行補助装置の模式的正面図を示す。歩行補助装置の模式的側面図を示す。回転ジョイントに取り付けられた振り子を説明する図である。歩行補助装置のブロック図を示す。遊脚時の振り子の揺動を示す（１）。遊脚時の振り子の揺動を示す（２）。制御フローチャートを示す。振り子の揺動角を制限するストッパを説明する図である。

図１に歩行補助装置１０の模式的正面図を示し、図２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、ユーザの一方の脚に装着される。図１と２は、ユーザの右脚に装着されている歩行補助装置１０を示している。この歩行補助装置１０は、ユーザの歩行動作に応じて、右脚が円滑に揺動するように、ユーザの右膝関節にトルクを加える。

図１と図２に示す座標軸を説明する。Ｘ軸はユーザの前後方向に伸びる軸を示している。Ｙ軸はユーザの左右方向に伸びる軸を示している。Ｚ軸はユーザの上下方向に伸びる軸を示している。ロボットの技術分野では一般に、ユーザの前後方向に伸びる軸（Ｘ軸）はロール軸と呼ばれ、左右方向に伸びる軸（Ｙ軸）はピッチ軸と呼ばれ、上下方向に伸びる軸（Ｚ軸）はヨー軸と呼ばれる。

歩行補助装置１０の構造を説明する。歩行補助装置１０は、ユーザの大腿に装着される大腿リンク１４、下腿に装着される下腿リンク１６、ユーザの足に装着される足リンク１８を備えている。大腿リンク１４と下腿リンク１６は、第１回転ジョイント２０によって連結されており、下腿リンク１６と足リンク１８は第２回転ジョイント２２によって連結されている。ユーザが歩行補助装置１０を装着すると、第１回転ジョイント２０は膝関節と同軸に位置し、第２回転ジョイント２２は足首関節のピッチ軸と同軸に位置する。第１回転ジョイント２０にはモータ３２が取り付けられている。モータ３２はコントローラ４０によって制御される。モータ３２は大腿リンク１４に対して下腿リンク１６を揺動させる。コントローラ４０は大腿リンク１４に取り付けられている。

歩行補助装置１０は、圧力センサ１９と角度センサ３０を備えている。圧力センサ１９は、足リンク１８の足底に取り付けられている。圧力センサ１９は、足リンク１８が路面から受ける圧力を計測する。圧力が閾値よりも大きければ足が接地していることを示し、圧力が閾値よりも小さければ足が接地していないこと、即ち脚が遊脚であることを示す。圧力センサ１９は、コントローラ４０が、歩行補助装置１０を装着した脚が接地しているか浮いているかを判別するために用いられる。別言すれば、圧力センサ１９は、接地センサの一例に相当する。角度センサ３０は、第１回転ジョイント２０と第２回転ジョイント２２の夫々に取り付けられている。角度センサ３０は、回転ジョイントの回転角（リンクの揺動角）を計測する。角度センサ３０は、典型的にはエンコーダでよい。なお、前述したように、下腿リンク１６の揺動角は、膝関節角に相当する。また、足リンク１８の揺動角は、足首関節角に相当する。

図示を省略しているが、下腿リンク１６と足リンク１８の間にバネが取り付けられている。このバネによって、足リンク１８を中立位置に戻すように弾性力が足リンク１８に作用する。

第１回転ジョイント２０の回転軸に振り子５０が取り付けられている。図３に、振り子５０の拡大図を示す。図４に振り子５０の構造と制御ブロック図を示す。振り子５０は、ロッド５１と錘５２で構成されている。ロッド５１の上端は第１回転ジョイント２０の回転軸Ｃに回転可能に連結されている。ロッド５１の下端に錘５２が取り付けられている。ロッド５１と回転軸Ｃの間には、回転角センサ５４が備えられている。回転角センサ５４は振り子の揺動角Ａｐを計測する。図３に示すように、振り子の揺動角Ａｐは、大腿リンク１４の中心線Ｌ１と振り子５０（ロッド５１）の中心線Ｌ３との間の角度で定義される。なお、図３において符号Ａｗは、下腿リンク１６の揺動角（即ち第１回転ジョイントの回転角）を示している。下腿リンク１６の揺動角Ａｗは、大腿リンク１４の中心線Ｌ１と下腿リンク１６の中心線Ｌ２との間の角度で定義される。

ロッド５１と大腿リンク１４の間には、ダンパ５６が備えられている。ダンパ５６は、振り子５０の過度の揺動を抑えるために設けられている。なお、図３ではダンパの図示を省略している。

図４を参照して、歩行補助装置１０の制御系を説明する。コントローラ４０は、回転角センサ５４から振り子５０の揺動角Ａｐを取得する。コントローラ４０は、揺動角Ａｐに基づいて、下腿リンク１６の目標揺動角Ａｗｄを決定し、サーボアンプ４２へ出力する。サーボアンプ４２は、モータ３２を制御するコントローラの一部である。なお、下腿リンク１６の目標揺動角Ａｗｄは、第１回転ジョイント２０の目標角Ａｗｄに相当する。典型的には、下腿リンク１６の目標揺動角Ａｗｄは、振り子５０の揺動角Ａｐに等しくてよい。サーボアンプ４２は、角度センサ３０から下腿リンク１６の揺動角Ａｗ（計測揺動角Ａｗを取得し、計測揺動角Ａｗと目標揺動角Ａｗｄとの偏差がゼロとなるようにモータ３２へ電流指令を出力する。即ち、コントローラ４０（サーボアンプ４２を含む）は、振り子５０の揺動角Ａｐに追従するように下腿リンク１６の揺動を制御する。

振り子５０は自由に揺動することができる。従って、振り子５０は、大腿の動きに応答して揺動する。ここで、大腿リンク１４（ユーザの大腿）の揺動に応答した振り子５０の運動について、図５Ａと図５Ｂを参照して説明する。一般的な歩行動作において、脚が離地した直後、大腿は前方へ揺動し始める。大腿は、股関節ピッチ軸を中心として前方へ振り出される。図５Ａの矢印Ａ１がこのときの大腿（大腿リンク１４）の揺動方向を示している。大腿リンク１４が前方へ振り出されると、振り子５０は、慣性力によって相対的に後方へ向かって揺動する。図５Ａの矢印Ａ２が振り子５０の揺動を示している。このとき、自然な歩行動作においては、ユーザの下腿は、振り子の５０の揺動と同じように揺動するのがよい。歩行補助装置１０は、下腿リンク１６の揺動角Ａｗが振り子５０の揺動角Ａｐに追従するようにモータ３２を制御する。そうすることによって、歩行補助装置１０は、自然な歩行動作となるようにユーザの下腿をガイドする。

また、一般的な歩行動作において、遊脚が着地した後、大腿は後方へ揺動し始める。大腿は、股関節ピッチ軸を中心として後方へ振り出される。図５Ｂの矢印Ａ３がこのときの大腿（大腿リンク１４）の揺動方向を示している。大腿リンク１４が後方へ振り戻るとき、振り子５０は、慣性力によって相対的に前方へ向かって揺動する。図５Ｂの矢印Ａ４がこのときの振り子５０の揺動を示している。このときも、自然な歩行動作においては、ユーザの下腿は振り子の５０の揺動と同じように揺動するのがよい。歩行補助装置１０は、下腿リンク１６の揺動角Ａｗが振り子５０の揺動角Ａｐに追従するようにモータ３２を制御する。そうすることによって、歩行補助装置１０は、自然な歩行動作となるようにユーザの下腿をガイドする。

振り子５０の効果を説明する。振り子５０は、膝関節と同軸に配置されており、大腿リンクの揺動に応答して揺動する。この振り子５０は、大腿リンク１４と合わせて２重振り子を構成している。一般に人の歩行動作における大腿と下腿の揺動運動は２重振り子の運動に似ていることが知られている。従って振り子５０の揺動運動は理想的な下腿の揺動運動の規範となる。歩行補助装置１０は、振り子５０の揺動運動に追従するように下腿リンク１６を制御することによって、ユーザの歩行動作が理想的な動きとなるように補助する。また、上記したように振り子５０の構造はきわめてシンプルであり、低コストで実現できる。低コストの振り子を採用することによって、歩行補助装置を低コストで提供することができるようになる。

図６を参照してコントローラ４０の制御フローチャートを説明する。図６のフローチャートの処理は、サーボ制御周期毎（例えば２ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。コントローラ４０は、まず、圧力センサ１９のセンサデータを取得し、足リンク１８の足底に加わっている圧力を閾値と比較する（Ｓ２）。圧力が閾値より高い場合は、コントローラ４０は歩行補助装置１０を装着した脚が接地していると判断する（Ｓ２：ＹＥＳ）。即ちコントローラ４０は、歩行補助装置１０を装着した脚が立脚期間にあると判断する。他方、圧力が閾値より低い場合は、コントローラ４０は歩行補助装置１０を装着した脚が遊脚期間にあると判断する（Ｓ２：ＮＯ）。

脚が立脚期間にある場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、次にコントローラ４０は、膝が伸びきっているか否かを判断する（Ｓ６）。「膝が伸びきっている」とは、大腿リンク１４と下腿リンク１６が一直線に揃っている状態を意味する。図３における定義に従えば、「膝が伸びきっている」とは、下腿リンク１６の揺動角Ａｗがゼロの状態に相当する。膝が伸びきっていない場合（Ｓ６：ＮＯ）、コントローラ４０は、下腿リンク１６の目標揺動角Ａｗｄが時間期間Ｔｗ後にゼロとなるように、即ち、時間期間Ｔｗ後に膝が伸びきるように、目標揺動角Ａｗｄを漸減する（Ｓ８）。その後、コントローラ４０は、下腿リンク１６の計測揺動角Ａｗが目標揺動角Ａｗｄに一致するようにモータ３２を駆動する（Ｓ１６）。

ステップＳ６にて膝が伸びきっていると判断された場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、コントローラ４０は、目標揺動角Ａｗｄにゼロを設定し（Ｓ１４）、下腿リンク１６の計測揺動角Ａｗが目標揺動角Ａｗｄに一致するようにモータ３２を駆動する（Ｓ１６）。ステップＳ１４、Ｓ１６の処理は、膝が伸びきった状態を維持することに相当する。

他方、脚が遊脚期間にある場合（Ｓ２：ＮＯ）、次にコントローラ４０は、下腿リンク１６の計測揺動角Ａｗと振り子５０の揺動角Ａｐとの偏差を角度閾値と比較する（Ｓ４）。角度閾値は予めコントローラ４０に記憶されている。偏差が角度閾値よりも大きい場合（Ｓ４：ＮＯ）、コントローラ４０は、異常が発生していると判断し、ステップＳ６、Ｓ８を経て、膝が伸びきるようにモータ３２を制御する。

偏差が角度閾値よりも小さい場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、コントローラ４０は、膝が伸びきっているか否かをチェックする（Ｓ１０）。膝が伸びきっていない場合（Ｓ１０：ＮＯ）、コントローラ４０は、振り子５０の揺動角Ａｐを下腿リンク１６の目標揺動角Ａｗｄに設定する（Ｓ１２）。そしてコントローラ４０は、下腿リンク１６の計測揺動角Ａｗが目標揺動角Ａｗｄに追従するようにモータ３２を駆動する（Ｓ１６）。ステップＳ１２、Ｓ１６の処理が、振り子の揺動角に追従するように下腿リンクの揺動を制御する処理に相当する。

ステップＳ１０にて膝が伸びきっていると判断された場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、コントローラ４０は、目標揺動角Ａｗｄにゼロを設定し（Ｓ１４）、下腿リンク１６の計測揺動角Ａｗが目標揺動角Ａｗｄに一致するようにモータ３２を駆動する（Ｓ１６）。すなわちコントローラ４０は、膝が伸びきった状態を維持するようにモータ３２を制御する。

上記処理の利点を説明する。コントローラ４０は、歩行補助装置１０を装着した脚が立脚期間にあるとき、膝が伸びるように脚の動きを補助する。立脚はユーザの体重を支える必要がある。歩行補助装置１０は立脚の膝を伸ばすことによって、体重を支え易くするする。また、コントローラ４０は、下腿リンク１６の揺動角Ａｗと振り子５０の揺動角Ａｐとの偏差が閾値よりも大きい場合も（Ｓ４：ＮＯ）、膝が伸びるように下腿リンク１６を制御する。偏差が閾値よりも大きい場合は異常が発生している可能性が高く、そのような場合、歩行補助装置１０はユーザの膝を伸ばすように下腿をガイドする。

歩行補助装置１０の変形例を説明する。歩行補助装置１０は、振り子５０と下腿リンク１６の間の相対角度を予め定められた限界値に制限するストッパを備えることが好適である。図７にストッパの例を示す。図７の歩行補助装置は、大腿リンク１４に固定された第１ストッパ６０と第２ストッパ６２を備えている。第１ストッパ６０は、大腿リンク１４の中心線Ｌ１に沿って伸びている。第１ストッパ６０は、振り子５０の揺動角Ａｐがゼロよりも小さくならないように、即ち、振り子５０が大腿中心線Ｌ１よりも前方へ揺動しないように、振り子５０の揺動範囲を規制する。人間の下腿は大腿の中心線Ｌ１より前方へは揺動できない。第１ストッパ６０は、振り子５０の前方への揺動限界を、人間の膝関節の物理的な揺動範囲に限定する。図７は、振り子５０が第１ストッパ６０に当接している状態を描いている。

また、第２ストッパ６２は、大腿リンク１４の中心線Ｌ１に直交する直線Ｌ４に沿って伸びている。第２ストッパ６２は、振り子５０の揺動角が９０度よりも大きくならないように、振り子５０の揺動範囲を規制する。第２ストッパ６２は、下腿リンク１６の揺動範囲を歩行動作おいて予想される下腿の揺動範囲に限定する。

振り子５０と大腿リンク１４の間にバネが備えられていてもよい。バネは、振り子５０の揺動角に応じて、振り子５０を中立位置に戻そうとする復元力を発生する。バネ定数Ｋ、前述したダンパ５６の減衰係数Ｄ、及び、ロッド５１の長さと錘５２の重さを適宜に選定することによって、振り子５０の動特性を決めることができる。振り子５０の動特性がユーザの下腿の動特性に一致するように、それらのパラメータ（バネ定数Ｋ、ダンパ５６の減衰係数Ｄ、ロッド５１の長さ、及び、錘５２の重さ）を選定することも好適である。

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、１４：大腿リンク、１６：下腿リンク、１８：足リンク、１９：圧力センサ、２０、２２：回転ジョイント、３０：角度センサ、３２：モータ、４０：コントローラ、４２：サーボアンプ、５０：振り子、５１：ロッド、５２：錘、６０、６２：ストッパ。

Claims

ユーザの大腿に装着される大腿リンクと、
ユーザの下腿に装着される下腿リンクと、
下腿リンクを大腿リンクに揺動可能に連結する回転ジョイントと、
下腿リンクを揺動させるアクチュエータと、
回転ジョイントの回転軸に設けられており、ユーザの大腿の揺動に応答して揺動する振り子と、
振り子の揺動角を検知する振り子センサと、
振り子の揺動角に基づいて、下腿リンクの揺動が振り子の揺動運動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、
を備えることを特徴とする歩行補助装置。
振り子と下腿リンクの相対角度を予め定められた限界値に制限するストッパが大腿リンクに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の歩行補助装置。