JP5095583B2 - 歩行補助装置の足首関節構造 - Google Patents
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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の足首関節構造に関する。
従来、荷重伝達部と、接地部と、荷重伝達部と接地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が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の歩行補助装置の接地部と脚リンクとは足首関節部で連結され、足首関節部は、上から順に、接地部を脚リンクに対し横方向に回動自在な横回動軸部材と、接地部を脚リンクに対し旋回自在とする旋回軸部材と、接地部を脚リンクに対し前後方向に回動自在とする前後回動軸部材とを備え、３自由度を有するように構成されている。
又、接地部と脚リンクとを球面ジョイントで連結して３自由度を有するようにした足首関節部も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００８−７３５０６号公報
特開２００７−５４６１６号公報（段落［００４８］、図３）
上記特許文献１の足首関節部では、利用者が足平を旋回させると、前後回動軸部材の前後回動軸線と横回動軸部材の横回動軸線とが次第に平行状態に近づいていく。このため、利用者が足平を旋回させた状態において、例えば、足平を前後方向に回動させようとした場合、利用者の足平の動きと接地部の動きに微小なずれが生じる場合があり、利用者が違和感を感じる虞がある。
又、上記特許文献２ものでは、球面ジョイントの構成上、作動角が小さく、利用者の足平の動きに適切に対応できずに、利用者が違和感を感じる虞がある。
以上の点に鑑み、本発明は、利用者の足平の動きに適切に追従し利用者に違和感を与えることを防止できる歩行補助装置の足首関節構造を提供することを目的とする。
本発明は、荷重伝達部と、接地部と、該荷重伝達部と該接地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該荷重伝達部を介して該脚リンクで支えるようにした歩行補助装置に用いられ、該接地部と該脚リンクとを球面ジョイントを介して連結する足首関節構造であって、前記接地部を前記脚リンクに対し旋回自在とする旋回軸部材を備え、該旋回軸部材の一端部が、前記接地部と前記脚リンクの何れか一方に連結され、該旋回軸部材の他端部が、前記球面ジョイントの球体を揺動自在に保持し、該球体に設けられたジョイント軸部材が、前記接地部と前記脚リンクの何れか他方に連結されることを特徴とする。
本発明によれば、旋回軸部材を設けているため、前後回動軸部材及び横回動軸部材と比較して回動角の大きい旋回方向の作動角を大きくとることができ、旋回軸部材と比較して回動角の小さい前後方向及び横方向の回動を球面ジョイントで担保することにより、脚リンクに対する接地部の動きを、利用者の足平の動きに適切に追従させることができる。
尚、本発明においては、歩行補助装置が両接地部を地面や床面等に接触させて起立した直立姿勢状態における利用者の足平を外旋及び内旋できるように足首を回動する軸を旋回軸、前記直立姿勢状態における利用者の足平の爪先を上げたり下げたりするように足首を回動させる軸を前後回動軸、前記直立姿勢状態における利用者の足平を足首を支点にして横方向に回動させる軸を横回動軸としている。
以下、図１〜図３を参照して、本発明の足首関節構造を適用した第１実施形態の歩行補助装置について説明する。第１実施形態の歩行補助装置は、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、着座部材１に連結される左右一対の脚リンク２，２とを備えている。
各脚リンク２は、着座部材１に設けた股関節部３に連結される第１リンク部材４と、第１リンク部材４の下端に回転式の膝関節部５を介して連結される第２リンク部材６とを備える屈伸自在なリンクで構成される。また、第２リンク部材６の下端には、足首関節部７を介して、利用者Ｐの左右の各足平に装着される接地部材８が連結されている。
各脚リンク２には、更に、膝関節部５用の駆動源９が搭載されている。そして、駆動源９による膝関節部５の回転駆動で各脚リンク２を伸び方向、即ち、着座部材１を押し上げる方向に駆動し、着座部材１の押し上げ力(以下、免荷力という)を発生させるようにしている。各脚リンク２で発生された免荷力は着座部材１を介して利用者Ｐの体幹に伝達される。即ち、免荷力により利用者Ｐの体重の一部が着座部材１を介して脚リンク２，２で支えられ、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、シート部１ａの後側で立上る支持フレーム１ｂの後端の立上り部に取り付けた腰当て部１ｃとで構成されている。又、腰当て部１ｃには、利用者Ｐが把持可能なアーチ状の把持部１ｄが設けられている。
また、着座部材１は、各脚リンク２用の第１関節部３を構成する円弧状のガイドレール３ａを備えている。そして、このガイドレール３ａに、各脚リンク２を第１リンク部材４の上端部に固定されるスライダー４ａに軸着した複数のローラ４ｂ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２はガイドレール３ａ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２の前後方向の揺動支点はガイドレール３ａの曲率中心になる。
また、ガイドレール３ａは、着座部材１の支持フレーム１ｂの後端の立上り部に前後方向の支軸３ｂを介して軸支されている。従って、ガイドレール３ａ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２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３ａの曲率中心及び支軸３ｂ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。
駆動源９は、各脚リンク２の第１リンク部材４の上端部外側面に取付けた減速機９ａ付きの電動モータで構成されている。そして、減速機９ａの出力軸上の駆動クランクアーム９ｂと、第２リンク部材６に膝関節部５の関節軸５ａと同心に固定した従動クランクアーム６ａとを連結リンク９ｃを介して連結している。これによれば、駆動源９から減速機９ａを介して出力される動力が連結リンク９ｃを介して第２リンク部材６に伝達される。そして、第２リンク部材６が第１リンク部材４に対し関節軸５ａを中心にして揺動して、脚リンク２が屈伸される。
各接地部材８は、靴８ａと、靴８ａに固定した上方にのびる連結部材８ｂとを備えている。そして、この連結部材８ｂに各脚リンク２の第２リンク部材６が３軸構造の第３関節部７を介して連結されている。また、図１に示すように、靴８ａ内に設けられる中敷８ｃの下面に、利用者Ｐの足平の中趾節関節(ＭＰ関節)部分と踵部分とに作用する荷重を検出する前後一対の圧力センサ１０，１０が取付けられている。更に、足首関節部７には２軸の力センサ（図示省略）が組み込まれている。また、着座部材１の支持フレーム１ｂには、制御手段たるコントローラ１２が内蔵され、第１リンク部材４には、バッテリ１３が内蔵されている。
上記圧力センサ１０と前記力センサの検出信号はコントローラ１２に入力される。そして、コントローラ１２は、これら圧力センサ１０及び前記力センサからの信号に基づいて駆動源９を制御して膝関節部５を駆動し、上記免荷力を発生させる歩行アシスト制御を実行する。
ここで、免荷力は、横方向から見て、股関節部３における脚リンク２の前後方向の揺動支点と、足首関節部７における脚リンク２の前後方向の揺動支点とを結ぶ線(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
免荷力(正確には免荷力と着座部材１及び各脚リンク２の重量による力との合力)を前記力センサで検出される２軸方向の力の検出値に基づいて算出する。また、各接地部材８の圧力センサ１０の検出圧力に基づいて、利用者Ｐの両足平に作用する全荷重に対する各足平の作用荷重の割合を算出する。次に、予め設定される免荷力の設定値に各足平の荷重割合を乗算した値を各脚リンク５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、前記力センサの検出値に基づいて算出される実際の免荷力が制御目標値になるように駆動源９を制御する。
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免荷力(正確には免荷力と着座部材１及び各脚リンク２の重量による力との合力)を前記力センサで検出される２軸方向の力の検出値に基づいて算出する。また、各接地部材８の圧力センサ１０の検出圧力に基づいて、利用者Ｐの両足平に作用する全荷重に対する各足平の作用荷重の割合を算出する。次に、予め設定される免荷力の設定値に各足平の荷重割合を乗算した値を各脚リンク５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、前記力センサの検出値に基づいて算出される実際の免荷力が制御目標値になるように駆動源９を制御する。
ところで、歩行補助装置が両接地部を地面や床面等に接触させて起立した直立姿勢状態における利用者の足平を外旋及び内旋できるように足首を回動する軸を旋回軸、前記直立姿勢状態における利用者の足平の爪先を上げたり下げたりするように足首を回動させる軸を前後回動軸、前記直立姿勢状態における利用者の足平を足首を支点にして横方向に回動させる軸を横回動軸として、足首関節部７を、接地部材８を脚リンク２に対して旋回自在とする旋回軸部材と、前後方向へ回動自在とする前後回動軸部材と、横方向への回動を自在とする横回動軸部材とで構成する場合、上から順に横回動軸部材、旋回軸部材、前後回動軸部材と配置すると、旋回軸部材が回転すると、横回動軸部材の横回動軸線と前後回動軸部材の横回動軸線とが次第に平行状態に近づいていき、利用者の足平の動きに適切に追従できなくなり、利用者が違和感を感じる虞がある。
又、旋回軸部材の回転により、横回動軸部材と前後回動軸部材とが平行な状態になると、最も上に位置する横回動軸部材が駆動源により制御されない第４の関節となってしまい、横回動軸部材と前後回動軸部材との間に配置された旋回軸部材がぐらつき易くなり不安定な状態となって、適切な免荷力を発生させることができなくなる虞もある。
そこで、第１実施形態の歩行補助装置の足首関節部７は、図３及び図４に示すように、上から順に、旋回軸部材７１、横回動軸部材７２、前後回動軸部材７３と配置している。尚、図３では、右側の足首関節部７のみ示しているが、左側の足首関節部７も左右対称に同様に構成されている。又、図４では、左右の足首関節部７，７が同一に示されるため、片方のみ示している。
旋回軸部材７１の上端部は、第２リンク部材の下端に穿設された上下方向に貫通する貫通孔６ｂに回転自在に支持されている。旋回軸部材７１の下端部には前後方向に貫通する貫通孔７１ａを穿設され、この貫通孔７１ａに横回動軸部材７２が回転自在に挿通されている。横回動軸部材７２と前後回動軸部材７３とは連結部材７４により連結されている。連結部材７４の上端部は二股形状となっており、この二股形状の上端部が旋回軸部材７１の下端部を前後方向から挟みこむように配置されている。連結部材７４の二股形状部分には、旋回軸部材７１の貫通孔７１ａに対応させて前後方向に貫通する貫通孔７４ａが穿設されており、この貫通孔７４ａに横回動軸部材７２が回転自在に支持されている。連結部材７４の下端部には、横方向に貫通する貫通孔７４ｂが穿設されており、この貫通孔７４ｂに前後回動軸部材７３が回転自在に支持されている。
以上の構成によれば、足首関節部７は、旋回軸部材７１の回動に関わらず、横回動軸部材７２と、前後回動軸部材７３とが常に直交する状態を維持し、利用者の足平の動きに適切に追従することができ、利用者が違和感を感じることを防止することができる。又、横回動軸部材７２の横回動軸線と前後回動軸部材７３の前後回動軸線とが平行状態とならないため、旋回軸部材を横回動軸部材と前後回動軸部材との間に配置した場合のように、駆動源により制御されない第４の関節部が発生する状態となることを回避でき、常に適切な免荷力を発生させることができる。
尚、旋回軸部材７１は一番下に配置して接地部材８に連結させてもよい。又、横回動軸部材７２と前後回動軸部材７３とは、上下を入れ替えて、横回動軸部材７２を接地部材８に連結させてもよい。
次に、図５から図７を参照して、本発明の足首関節構造の第２実施形態を適用した歩行補助装置を説明する。図５、図６に示すように、第２実施形態の歩行補助装置は、足首関節部７の構成以外は第１実施形態と全て同一である。
第２実施形態の足首関節部７は、球面ジョイント７５を備える。ここで、球面ジョイントは、単体で３自由度を有するため、コンパクト化を図れる反面、作動角が小さく、利用者の足平の動きに適切に追従できないという問題がある。
そこで、第２実施形態の足首関節部７は、図７に示すように、球面ジョイント７５に加えて、上端部が脚リンク２に旋回自在に連結された旋回軸部材７１を設け、旋回軸部材７１の下端部に横方向に貫通する保持孔７１ｂを形成して、この保持孔７１ｂで球面ジョイント７５の球体７５ａを揺動自在に保持し、球面ジョイント７５のジョイント軸部材７５ｂを接地部材８に連結している。尚、図７では、右側の足首関節部７のみ示しているが、左側の足首関節部７も左右対称に同様に構成されている。
これによれば、利用者の足平の横方向への回動及び前後方向への回動と比較して大きく旋回される足平の旋回方向への回転を旋回軸部材７１により担保し、足平の旋回方向への回転よりも比較的小さい横方向への回動及び前後方向への回動を球面ジョイント７５により担保することができ、利用者の足平の動きに適切に追従することができ、利用者に違和感を感じさせないスムーズな足首関節部７を構成することができる。
又、球面ジョイント７５のジョイント軸部材７５ｂは、接地部材８に連結される内側の端部がジョイント軸部材７５ｂの外側の端部よりも下方に位置するように構成されている。人間の足の動きは、例えば、股を開いた状態のように、脚リンク２が直立状態から正面視で内側に傾くことが多く、脚リンク２が正面視で外側に傾く角度はそれほど大きくない。従って、直立姿勢状態において、ジョイント軸部材７５ｂを内側の端部が外側の端部よりも下方に位置するように傾斜させることにより、接地部材８に対し脚リンク２が内側に傾く角度（作動角）を大きくとることができ、利用者の足平の動きにより適切に追従し易くなる。
尚、旋回軸部材７１を接地部材８に連結し、球面ジョイント７５を脚リンク２に連結してもよい。この場合、球面ジョイント７５のジョイント軸部材７５ｂは、その内側の端部が外側の端部よりも上方に位置するように構成すれば、利用者が股を大きく開くことができるようになり、利用者の足平の動きにより適切に追従させることができる。
１…着座部材（荷重伝達部）、 １ａ…シート部、 １ｂ…支持フレーム、 １ｃ…腰当て部、 １ｄ…把持部、 ２…脚リンク、 ３…股関節部、 ３ａ…ガイドレール、 ３ｂ…支軸、 ４…第１リンク部材、 ５…膝関節部、 ５ａ…関節軸、 ６…第２リンク部材、 ６ａ…従動クランクアーム、 ６ｂ…貫通孔、 ７…足首関節部、 ７１…旋回軸部材、 ７１ａ…貫通孔、 ７１ｂ…保持孔、 ７２…横回動軸部材、 ７３…前後回動軸部材、 ７４…連結部材、 ７４ａ，７４ｂ…貫通孔、 ７５…球面ジョイント、 ７５ａ…球体、 ７５ｂ…ジョイント軸部材、 ８…接地部材（接地部）、 ８ａ…靴、 ８ｂ…連結部材、 ８ｃ…中敷、 ９…駆動源、 ９ａ…減速機、 ９ｂ…駆動クランクアーム、 ９ｃ…連結リンク、 １０…圧力センサ、 １２…コントローラ、 １３…バッテリ、 Ｐ…利用者。
Claims (1)
- 荷重伝達部と、接地部と、該荷重伝達部と該接地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該荷重伝達部を介して該脚リンクで支えるようにした歩行補助装置に用いられ、該接地部と該脚リンクとを球面ジョイントを介して連結する足首関節構造であって、
前記接地部を前記脚リンクに対し旋回自在とする旋回軸部材を備え、
該旋回軸部材の一端部が、前記接地部と前記脚リンクの何れか一方に連結され、該旋回軸部材の他端部が、前記球面ジョイントの球体を揺動自在に保持し、該球体に設けられたジョイント軸部材が、前記接地部と前記脚リンクの何れか他方に連結されることを特徴とする歩行補助装置の足首関節構造。
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