JP5259553B2 - 歩行補助装置 - Google Patents

Description

この発明は歩行補助装置に関し、より詳しくは利用者の下半身に装着させてその歩行を補助する歩行補助装置における各部位の剛性の決定に関する。

近年、利用者の歩行を補助する歩行補助装置としては、例えば下記の特許文献１記載の技術が知られている。

特許文献１記載の歩行補助装置にあっては、利用者を支持可能な支持部材と、利用者の足部を収容自在な靴部と、第１関節部を介して支持部材に連結されると共に、第２関節部を介して靴部に連結さ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支持するアシスト力を生じて利用者の歩行を補助するように構成される。

特開２００７−２０９０９号公報

特許文献１記載の歩行補助装置にあっては上記のように構成することで利用者の歩行を補助することができるが、装置の各部の剛性をどのように決定すべきかが明確でなかったため、利用者の受けるアシスト感において改善の余地があった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、脚リンクを介して利用者の体重の少なくとも一部を支持するアシスト力を生じて歩行を補助すると共に、各部の剛性の決定を明確にして利用者の受けるアシスト感を向上させるようにした歩行補助装置を提供することにある。

上記した課題を解決するために、請求項１にあっては、着座した利用者を支持可能な支持部材と、利用者の足部を収容自在な靴部と、第１関節部を介して前記支持部材に連結される第１リンクと、第２関節部を介して前記靴部に連結される第２リンクと、前記第１リンクと第２リンクとを連結する第３関節部と、前記第１リンクと第２リンクを前記第３関節部を中心として相対変位させる駆動機構とを備え、利用者の体重の少なくとも一部を支持するアシスト力を生じて利用者の歩行を補助する歩行補助装置において、利用者が前記支持部材に支持されると共に、前記駆動機構によって前記第１リンクと第２リンクを前記第３関節部を中心として相対変位させる場合、利用者の尻部から前記第１関節部までの部位の剛性をＫ１[Ｎ／ｍ]、前記第１関節部から前記第３関節部を介して連結される前記第２関節部までの部位の剛性をＫ２[Ｎ／ｍ]、前記第２関節部から利用者の足までの部位の剛性をＫ３１[Ｎ／ｍ]とするとき、（Ｋ１＋Ｋ３１）＜Ｋ２とする如く構成した。

請求項２にあっては、利用者が前記支持部材に支持される場合、前記第２関節部から床面までの部位の剛性をＫ３２[Ｎ／ｍ]とするとき、Ｋ１＜Ｋ３２とする如く構成した。

請求項１にあっては、着座した利用者を支持可能な支持部材と、利用者の足部を収容自在な靴部と、第１関節部を介して支持部材に連結される第１リンクと、第２関節部を介して靴部に連結される第２リンクと、第１リンクと第２リンクとを連結する第３関節部と、第１リンクと第２リンクを第３関節部を中心として相対変位させる駆動機構とを備え、利用者の体重の少なくとも一部を支持するアシスト力を生じて利用者の歩行を補助する歩行補助装置において、利用者が支持部材に支持されると共に、駆動機構によって第１リンクと第２リンクを第３関節部を中心として相対変位させる場合、利用者の尻部から第１関節部までの部位の剛性をＫ１[Ｎ／ｍ]、第１関節部から第３関節部を介して連結される第２関節部までの部位の剛性をＫ２[Ｎ／ｍ]、第２関節部から利用者の足までの部位の剛性をＫ３１[Ｎ／ｍ]とするとき、（Ｋ１＋Ｋ３１）＜Ｋ２とする如く構成したので、第１関節部から第３関節部を介して連結される第２関節部までの部位以外の部位、即ち、装置の本体部以外の部位の重力方向における上下の変位に対してアシスト力が影響を受け難くなってアシスト力の制御精度が向上し、よって利用者の受けるアシスト感を向上させることができる。

請求項２にあっては、利用者が支持部材に支持される場合、第２関節部から床面までの部位の剛性をＫ３２[Ｎ／ｍ]とするとき、Ｋ１＜Ｋ３２とする如く構成したので、利用者の受けるアシスト感を向上させることができる。即ち、足側（靴部側）に作用する荷重は支持部材に作用する荷重に比して変動が大きいが、Ｋ１＜Ｋ３２とすることで、装置の重力方向における上下の振動量を小さく抑えることができ、よって利用者の受けるアシスト感を向上させることができる。また装置の重力方向における上下の振動量を小さく抑えることができることで、足踏みなどの動作において装置が重力方向において上下に振れるのを防止することができる。

この発明の実施例に係る歩行補助装置の斜視図である。 図１に示す歩行補助装置の側面図である。 図１に示す歩行補助装置の正面図である。 図１などに示す駆動機構と第１リンクなどの側面断面図である。 図１などに示す装置を簡略化して示す説明図、図５（ｂ）はそれをさらに簡略化して示す説明図である。 図１などに示す装置のアシスト制御を示すブロック図である。 図１などに示す装置の剛性を図５のようにするとき、足部などの変位のステップ入力に対するアシスト力の応答を示すシミューレーションデータである。

以下、添付図面に即してこの発明に係る歩行補助装置を実施するための形態について説明する。

図１はこの発明の実施例に係る歩行補助装置の斜視図、図２はその側面図、図３はその正面図である。

図１から図３を参照して説明すると、歩行補助装置Ｄは、利用者（人）Ｐに装着され、利用者Ｐが跨ぐように着座（跨座）することで利用者Ｐを支持可能な支持部材１０と、利用者の左右の足部に装着される左右一対の靴部１２と、支持部材１０と左右一対の靴部１２との間に設けられる、左右一対の脚リンク１４と、駆動機構１６を備え、支持部材１０に設けられたベルト（図示せず）を介して利用者Ｐの下半身に装着されてその歩行を補助する。

左右の脚リンク１４はアルミ材からなり、それぞれ支持部材１０に（人でいえば股関節に相当する）第１関節部２０を介して連結される第１リンク（大腿リンク）２２と、靴部１２に（人でいえば足首関節に相当する）第２関節部２４を介して連結される第２リンク（下腿リンク）２６と、第１リンク２２と第２リンク２６とを連結する（人でいえば膝関節に相当する）第３関節部３０とを備える。

脚リンク１４の第１リンク２２と第２リンク２６は駆動機構１６に連結され、第１リンク２２と第２リンク２６は駆動機構１６により、第３関節部３０を中心として（第３関節部３０回りに）相対変位（駆動）させられる。

支持部材１０は、利用者Ｐが跨座自在なサドル状のシート部１０ａと、シート部１０ａに隣接して配置されてシート部１０ａを支持する支持フレーム１０ｂと、支持フレーム１０ｂにおいてシート部１０ａの後端（利用者Ｐにとって）を超えて立ち上がり、利用者Ｐの腰が当接される腰当て部１０ｃとを備える。腰当て部１０ｃには利用者Ｐの把持可能に把持部（グリップ）１０ｄが取り付けられる。

図２に良く示す如く、支持部材１０の支持フレーム１０ｂは、全体として前方（利用者Ｐに装着されたとき、その進行方向において）に傾斜するように構成される。シート部１０ａはクッション材から製作されると共に、支持フレーム１０ｂと腰当て部１０ｃは、シート部１０ａに比して剛性の高い素材から製作される。

各脚リンク１４と支持部材１０を連結する第１関節部２０は、支持部材１０に固定される円弧状のガイドレール３２と、ガイドレール３２に係合されると共に、各脚リンク１４の一端に固定されるスライダ３４とからなる。ガイドレール３２とスライダ３４もアルミ材からなる。

スライダ３４には複数個のローラ３６が取り付けられる。ローラ３６はガイドレール３２に形成された溝内に転動自在に収容され、よってスライダ３４は図２に示す如く移動自在にガイドレール３２に係合される。

即ち、脚リンク１４は、ガイドレール３２の曲率中心３２ａを中心として（揺動支点として）支持部材１０の長手方向に揺動自在に構成される。またガイドレール３２は支持部材１０の腰当て部１０ｃに、支持部材１０の長手方向に配置された支軸３２ｂに軸支され、支軸３２ｂを中心として支持部材１０の横方向に揺動自在に構成される。

このように脚リンク１４はガイドレール３２の曲率中心３２ａを揺動支点として前後方向（利用者Ｐの進行方向において）に揺動自在に構成されることから、支持部材１０に対して利用者Ｐの上半身の体重の作用点が揺動支点３２ａの前方にずれて支持部材１０が前下がりに傾斜した場合、揺動支点３２ａが支持部材１０の重力方向において上方に位置するため、体重の作用点は揺動支点３２ａの下方で後方に変位し、揺動支点３２ａと体重の作用点との前後方向距離が減少して支持部材１０に対する回転モーメントも減少する。

次いで、体重作用点が揺動支点３２ａの真下まで変位したところで支持部材１０に作用する回転モーメントは零になり、支持部材１０は安定する。このように支持部材１０が自動的に安定状態に収束するため、支持部材１０が利用者Ｐの股下位置で前後方向にずれることがない。

また、ガイドレール３２は揺動支点（支軸）３２ｂを介して横方向（利用者Ｐの進行方向において）に揺動自在に構成されることから、脚リンク１４を横方向に揺動させることができ、利用者Ｐは脚を自由に外転させることができる。

靴部１２は、利用者Ｐの足部が収容自在な靴１２ａと、靴１２ａの内部に配置されて利用者Ｐの足が戴置可能なＬ字状（利用者Ｐの進行方向において前方から見たとき）のカーボン材からなる連結部材１２ｂと、連結部材１２ｂの底面上に配置されるウレタンゴムなどのゴム状弾性材からなる中敷１２ｃとを備える。連結部材１２ｂには各脚リンク１４の第２リンク２６が３軸構造の第２関節部２４を介して連結される。

図４は駆動機構１６と第１リンク２２などの側面断面図である。

駆動機構１６は、第１リンク２２の先端の付近に配置されるアクチュエータ（電動モータ）４２と、アクチュエータ４２の回転を減速機４２ａで減速して出力する出力軸４２ｂと、出力軸４２ｂに固定される駆動クランクアーム４４と、第２リンク２６に第３関節部３０の関節軸３０ａと同心に固定された従動クランクアーム４６とで構成される。

駆動クランクアーム４４と従動クランクアーム４６とは前記した第１リンク２２で連結される。即ち、第１リンク２２は、一端が駆動クランクアーム４４に枢着部２２ｂで、他端が従動クランクアーム４６に枢着部２２ｃで枢着される連結ロッド２２ａで回転自在に連結される。このように、第１リンク２２は具体的には、リンク２２と、駆動クランクアーム４４と、連結ロッド２２ａと、従動クランクアーム４６からなる４節機構から構成される。

図４に示す如く、第１リンク２２は、その駆動クランクアーム４４への枢着部２２ｂと従動クランクアーム４６への枢着部２２ｃとを結ぶ線が、アクチュエータ４２の出力軸４２ｂと第３関節部３０の関節軸３０ａとを結ぶ線に斜交するように配置される。第１リンク２２のカバー２２ｄの内部にはバッテリ５０が収容され、アクチュエータ４２などに動作用の電力を供給する。

次いで、利用者Ｐの歩行を補助する歩行アシスト制御について説明する。尚、利用者Ｐは、遊脚期（脚の一方が接地し、他方が遊脚となる片脚支持期）と立脚期（両脚が接地する両脚支持期）を繰り返しつつ、歩行する。

靴部１２において中敷１２ｃの下面には前後一対の１軸の力センサ６０が設けられ、利用者Ｐの足部の中趾節関節（ＭＰ関節）部分と踵部分とに作用する荷重に応じた出力を生じると共に、第２関節部２４には２軸の力センサ６２が組み込まれ、第２関節部２４に作用する力（支持部材１０と各脚リンク１４の重量による力との合力）に応じた出力を生じる。

上記したセンサ６０，６２の出力は、支持部材１０の支持フレーム１０ｂの内部に収納されたコントローラ６４に送られる。コントローラ６４はＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭおよび入出力Ｉ／Ｏを備えたマイクロコンピュータからなり、利用者Ｐの歩行を補助するアシスト力を発生するアシスト制御を実行する。

即ち、コントローラ６４は、予め設定されるアシスト力の設定値に、圧力センサ６０の出力から算出された利用者Ｐの両足部に作用する全荷重に対する各足部の荷重の割合を乗算し、よって得た積を各脚リンク１４で発生すべきアシスト力の目標値とする。例えば装置Ｄの荷重（重量）を６０［Ｎ］、アシスト力を３０［Ｎ］とすると、アシスト力の設定値は９０［Ｎ］となる。

アシスト力は、図２において第１関節部２０における脚リンク１４の前後方向の揺動支点３２ａと第２関節部２４における脚リンク１４の前後方向の揺動支点とを結ぶ線（以下「基準線」といい、Ｌ１で示す）の上に作用することから、コントローラ６４は、力センサ６２の出力に基づき、基準線Ｌ１上に作用する実際のアシスト力を検出し、検出された実際のアシスト力が目標値となるように、ＰＤ制御などのフィードバック制御を通じて駆動機構１６の動作、より具体的にはアクチュエータ４２の通電を制御する。

より具体的には、後で図６に示す如く、コントローラ６４は、利用者Ｐが支持部材１０のシート部１０ａに着座して支持されるとき、駆動機構１６のアクチュエータ４２を駆動して脚リンク１４の第１リンク２２と第２リンク２６を第３関節部３０の関節軸３０ａを中心として相対変位させ、利用者Ｐの体重の少なくとも一部を支持する支持力、即ち、アシスト力を生じさせて利用者Ｐの歩行を補助する。

脚リンク１４で発生されたアシスト力は支持部材１０を通じて利用者Ｐの体幹に伝達され、利用者Ｐの脚に作用する荷重を軽減して歩行を補助する。利用者Ｐとしては、工場などで立ち作業する作業者なども予定される。

この実施例に係る歩行補助装置Ｄにおいて特徴的なことは、装置Ｄの各部の剛性の決定を明確にして利用者の受けるアシスト感を向上させるように構成したことにある。

以下、それについて説明すると、図５（ａ）は図１などに示す装置Ｄを簡略化して示す説明図、図５（ｂ）はそれをさらに簡略化して示す説明図、図６は前記したアシスト制御を示すブロック図、図７は靴部１２などの変位のステップ入力に対するアシスト力の応答を示すシミューレーションデータである。

図５に示す如く、この実施例に係る歩行補助装置Ｄにおいては、利用者Ｐが支持部材１０に支持される（着座する）とき、利用者Ｐ、より正確にはその尻部から第１関節部２０までの部位の剛性をＫ１[Ｎ／ｍ]、第１関節部２０から第３関節部３０を介して連結される第２関節部２４までの部位の剛性をＫ２[Ｎ／ｍ]、第２関節部から利用者Ｐの足までの部位の剛性をＫ３１[Ｎ／ｍ]とするとき、（Ｋ１＋Ｋ３１）＜Ｋ２とする如く構成した。

図５において、上側の装置―骨盤連結部の剛性Ｋ１は具体的には支持部材１０のシート部１０ａおよび（平均的な）利用者Ｐの尻部などの剛性を、下側の装置―床面または利用者Ｐの足までの剛性Ｋ３１，Ｋ３２は具体的には連結部材１２ｂ、中敷１２ｃ、利用者の足などの剛性を意味する。

また、この実施例に係る歩行補助装置Ｄにおいては、利用者Ｐ、より正確にはその重心位置から第１関節部２０までの部位の剛性をＫ１[Ｎ／ｍ]、第２関節部２４から床面までの部位の剛性、より正確には立脚期における第２関節部２４から床面（あるいは地面）までの部位の剛性をＫ３２[Ｎ／ｍ]とするとき、Ｋ１＜Ｋ３２とする如く構成した。

尚、図５に示すように、剛性Ｋｎはバネ定数、即ち、バネに作用する荷重[Ｎ]とそれによって生じるたわみ[ｍ]を意味する。また、図５において利用者Ｐの骨盤までの硬さなどは利用者個々により異なるので、実験などを通じて得た平均的な値を使用する。

図７は、図６に示す構成において、装置Ｄの上下の剛性の合算値（Ｋ１＋Ｋ３１）と装置Ｄの本体部の剛性Ｋ２の比を１：２あるいは２：１としたとき、本体部以外の部位、即ち、利用者の足あるいは利用者の重心位置の変位のステップ入力に対するアシスト力の応答を示すシミューレーションデータである。アシスト力は、図６の構成で得られる値を示す。

同図から明らかな如く、装置Ｄの上下の剛性の合算値と本体部の剛性の比を２：１とすると、アシスト力が大きく変動するが、１：２とすると、アシスト力の変動は小さくなる。従って、両者の比を１：２あるいはその付近に設定することで、本体部以外の部位、即ち、利用者Ｐの足あるいは利用者Ｐの重心位置などを微小に変動させても、アシスト力が影響を受け難くなってアシスト力の制御精度が向上し、よって利用者Ｐの受けるアシスト感を向上させることができる。

上記した如く、この実施例にあっては、着座した利用者Ｐを支持可能な支持部材１０と、利用者Ｐの足部を収容自在な靴部１２と、第１関節部２０を介して前記支持部材１０に連結される第１リンク（大腿リンク）２２と、第２関節部２４を介して前記靴部１２に連結される第２リンク（下腿リンク）２６と、前記第１リンク２２と第２リンク２６とを連結する第３関節部３０と、前記第１リンクと第２リンクを前記第３関節部を中心として相対変位させる駆動機構（アクチュエータ４２、出力軸４２ｂ、駆動クランクアーム４４、従動クランクアーム４６）１６とを備え、利用者Ｐの体重の少なくとも一部を支持するアシスト力を生じて利用者の歩行を補助する歩行補助装置Ｄにおいて、利用者Ｐが前記支持部材１０に支持されると共に、前記駆動機構１６によって前記第１リンク２２と第２リンク２６を前記第３関節部３０を中心として相対変位させる場合、利用者Ｐの尻部、より正確には利用者Ｐの重心位置から前記第１関節部２０までの部位の剛性（換言すれば前記第１関節部２０より重力方向において上端側の剛性）をＫ１[Ｎ／ｍ]、前記第１関節部２０から前記第３関節部３０を介して連結される前記第２関節部２４までの部位の剛性をＫ２[Ｎ／ｍ]、前記第２関節部２４から利用者Ｐの足までの部位の剛性（換言すれば前記第２関節部２４より重力方向において下端側の剛性）をＫ３１[Ｎ／ｍ]とするとき、（Ｋ１＋Ｋ３１）＜Ｋ２とする如く構成、換言すれば、装置Ｄの本体部の剛性Ｋ２に対して装置Ｄの重力方向における上下端側の部位、換言すれば利用者Ｐに近い側の部位の剛性Ｋ１＋Ｋ３１を小さく、即ち、柔らかくしたので、装置Ｄの本体部以外の部位の変位に対してアシスト力が影響を受け難くなってアシスト力の制御精度が向上し、よって利用者Ｐの受けるアシスト感を向上させることができる。

特に、装置Ｄの重力方向における上下の剛性Ｋ１，Ｋ３１の合算値と本体部の剛性Ｋ２の比を１：２あるいはその近傍とするとき、装置Ｄの本体部以外の部位の変位に対してアシスト力が影響を受け難いようにすることができる。

また、利用者Ｐが前記支持部材１０に支持される場合、前記第２関節部２４から床面までの部位の剛性をＫ３２[Ｎ／ｍ]とするとき、Ｋ１＜Ｋ３２とする如く構成したので、利用者Ｐの受けるアシスト感を向上させることができる。

即ち、足側（靴部１２側）に作用する荷重は支持部材１０に作用する荷重に比して変動が大きいが、Ｋ１＜Ｋ３２、換言すれば重力方向において上側より下側の接地する側の足の剛性を大きく、即ち、固くすることで、装置Ｄの重力方向における上下の振動量を小さく抑えることができ、よって利用者Ｐの受けるアシスト感を向上させることができる。また装置Ｄの重力方向における上下の振動量を小さく抑えることができることで、足踏みなどの動作において装置Ｄが重力方向において上下に振れるのを防止することができる。

他方、装置Ｄの重力方向における上側は下側より剛性を小さく、即ち、柔らかくすることで、利用者Ｐに支持部材１０を通じて柔らかいアシスト感を与えることができ、それによってもアシスト感を一層向上させることができる。

尚、この発明を実施例から説明したが、この発明は実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、支持部材１０も着座可能な構造に限定されるものではなく、例えば特開２００６−１８７３４８号公報に開示されるように、ベルトを用いる構造であっても良い。

Ｄ 歩行補助装置、１０ 支持部材、１０ａ シート部、１０ｂ 支持フレーム、１０ｃ 腰当て部、１０ｄ 把持部、１２ 靴部、１２ａ 靴、１２ｂ 連結部材、１２ｃ 中敷、１４ 脚リンク、１６ 駆動機構、２０ 第１関節部（関節部）、２２ 第１リンク、２４ 第２関節部、２６ 第２リンク、３０ 第３関節部、３２ ガイドレール、３２ａ 曲率中心（揺動支点）、３２ｂ 支軸（揺動支点）、３４ スライダ、３６ ローラ、４２ アクチュエータ、４２ａ 減速機、４２ｂ 出力軸、４４ 駆動クランクアーム、４６ 従動クランクアーム、５０ バッテリ、６０，６２ 力センサ、６４ コントローラ

Claims (2)

1. 着座した利用者を支持可能な支持部材と、利用者の足部を収容自在な靴部と、第１関節部を介して前記支持部材に連結される第１リンクと、第２関節部を介して前記靴部に連結される第２リンクと、前記第１リンクと第２リンクとを連結する第３関節部と、前記第１リンクと第２リンクを前記第３関節部を中心として相対変位させる駆動機構とを備え、利用者の体重の少なくとも一部を支持するアシスト力を生じて利用者の歩行を補助する歩行補助装置において、利用者が前記支持部材に支持されると共に、前記駆動機構によって前記第１リンクと第２リンクを前記第３関節部を中心として相対変位させる場合、利用者の尻部から前記第１関節部までの部位の剛性をＫ１[Ｎ／ｍ]、前記第１関節部から前記第３関節部を介して連結される前記第２関節部までの部位の剛性をＫ２[Ｎ／ｍ]、前記第２関節部から利用者の足までの部位の剛性をＫ３１[Ｎ／ｍ]とするとき、（Ｋ１＋Ｋ３１）＜Ｋ２とすることを特徴とする歩行補助装置。
2. 利用者が前記支持部材に支持される場合、前記第２関節部から床面までの部位の剛性をＫ３２[Ｎ／ｍ]とするとき、Ｋ１＜Ｋ３２とすることを特徴とする請求項１記載の歩行補助装置。

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