JP5309743B2

JP5309743B2 - 歩行補助装置

Info

Publication number: JP5309743B2
Application number: JP2008182758A
Authority: JP
Inventors: 優星野
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2028-07-14
Also published as: JP2010017465A

Description

本発明は、ユーザの歩行を補助する歩行補助装置の技術分野に関する。

近年、筋力の衰えた老人や傷病者の、歩行動作、階段の昇降動作、着座姿勢からの起立動作、起立姿勢からの着座動作などを補助することで、筋力低下の抑制を図る歩行補助装置が存在する（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の補助装置は、ユーザの腹部に巻きつけられる腹帯の側面に固定される第一リンクと、ユーザの大腿部に巻きつけられる脚当ての側面に固定される第二リンクとを、電気アクチュエータにより連結し、当該電気アクチュエータで第一リンクに対して第二リンクを前後方向に揺動させることで、ユーザの大腿部の動きを補助するものである。

この種の歩行補助装置は、予め制御プログラムにより電動アクチュエータの動作が制御される。

特開２００２−３０１１２４号公報

しかしながら、従来の歩行補助装置は、比較的、健常者に近いユーザに対して用いられ、階段の昇降動作など人体に負荷がかかる際に不足する筋力を補うものであるため、例えば、障害のあるユーザに適応させると様々な不備が生じる。例えば、普通の道を歩行するような場合には歩行補助機能は動作しない。よって、障害のあるユーザが当該従来の歩行補助装置を用いた場合には、歩行障害が生じても、歩行補助機能が動作しない。

そこで、このような課題の一例を解消するために、本願は、足に障害のあるユーザの歩行を正常歩行に近づけることが可能な歩行補助装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、請求項１に記載の歩行補助装置は、ユーザの膝関節を屈曲及び伸展させるためのリンク機構部と、前記リンク機構部を動作させるための駆動モータと、歩行における膝関節の動作を駆動モータの回転信号に関連付けた歩行パターンを記憶する記憶手段と、前記歩行パターンに基づいて前記駆動モータを回転制御する回転制御手段と、を備え、前記歩行パターンは、少なくとも膝関節の角度、又は１歩の動作にかかる時間のいずれか一方を変化させた複数の歩行パターンを有し、前記複数の歩行パターンの中から１の歩行パターンを選択する歩行パターン選択手段を更に備えていることを特徴とする。

このような構成によれば、リンク機構部が強制的にユーザの足を適正な歩行パターンで動かすため、ユーザに適正な歩行パターンを意識させつつ、障害のある足の歩行状態を正常な歩行状態へ近づけることができる。
また、ユーザの障害の度合いに適応した歩行パターンで歩行トレーニングを行うことができる。

また、請求項２に記載の歩行補助装置は、請求項１に記載の歩行補助装置において、前記歩行パターン選択手段は、複数の歩行パターンを選択可能であって、前記回転制御手段は、前記複数の歩行パターンが選択された場合には、当該複数の歩行パターンを組み合わせて、各々の前記歩行パターンに基づいて前記駆動モータを回転制御することを特徴とする。この構成によれば、様々な歩行パターンが連続して発生するため、歩行練習を効率よく行うことが可能である。

また、請求項３に記載の歩行補助装置は、請求項１、又は請求項２に記載の歩行補助装置において、ユーザの操作により前記駆動モータを起動する起動要求を受け付ける起動要求受付手段を更に備えていることを特徴とする。この構成によれば、ユーザのタイミングで歩行補助装置を起動することができる。

以下、本願を実施するための最良の形態について、図面を用いて説明する。図１はユーザに歩行補助装置を装着した際の状態図、図２はユーザの両足に駆動ユニットを装着した際の状態図、図３は歩行補助装置の構成図、図４は歩行パターンを説明するための図を示し、図４（ａ）は歩行者が所定の速さで歩行する際の膝関節の曲げ角度と１歩分の経過時間の関係を示す図、図４（ｂ）は図４（ａ）に基づいて膝関節の角速度を求めた波形を示す図、図４（ｃ）は図４（ｂ）の波形に基づく駆動モータの信号例を示す図、図５は両足の歩行パターンを示す図、図６は複数の歩行パターンの一例を示す図である。なお、以下に説明する実施形態は、歩行におけるユーザの膝関節を補助する歩行補助装置Ｓとして本願を適用した場合の実施の形態である。

本実施形態の歩行補助装置Ｓは、図１及び図２に示すように、ユーザの両足にマジックテープ（登録商標）やバンドなどの固定具６によってそれぞれ取り付けられる一対の駆動ユニット１０を備えている。駆動ユニット１０には、図１に示すように、ユーザの膝部５の関節部分に取り付けられ、膝関節を屈曲及び伸展させるリンク機構部３が取り付けられている。

リンク機構部３は、図１に示すように、例えば、ユーザの大腿部に巻きつけられる上部脚当て４の側面に取り付けられる第一リンク３ａと、ユーザの下腿部に巻きつけられる下部脚当て７の側面に取り付けられる第二リンク３ｂと、駆動ユニット１０から動力を得て前記第一リンク３ａに対して第二リンク３ｂを前後方向に揺動させる第三リンク３ｃと、を含んで構成される。

第一リンク３ａは、ユーザの腰部側から膝部５側に延びるように取り付けられ、第二リンク３ｂはユーザの膝部５側から足の先端（地面）側に延びるように取り付けられており、前記第一リンク３ａと第二リンク３ｂはユーザの膝部５近傍で回動可能に連結されている。また、第三リンク３ｃの端部が、前記第二リンク３ｂの中央近傍に連結されている。

前記上部脚当て４及び下部脚当て７は、図示しないが、夫々が一対の脚当て部材を含んで構成されており、当該脚当て部材は、ユーザの大腿部及び下腿部の周囲を覆うように配置され、固定具６によって着脱可能に取り付けられる。

また、前記上部及び下部脚当て４、７は、例えば、ＰＰ樹脂などを成形して形成されており、ユーザの大腿部と接する部分には、伸縮自在のスポンジ部材などが取り付けられている。

また、図２に示すように、両足にそれぞれ取り付けられる左足用の駆動ユニット１１及び右足用の駆動ユニット１２には、当該駆動ユニット１１、１２間でデータ通信するための通信ユニット２０が着脱可能に取り付けられる。当該通信ユニット２０は、ケーブル２１と、そのケーブル２１の途中に配置される通信用の基板や電池などが収容された中継ボックス２２と、を備え、ベルト２３などの固定具によってユーザの腰に取り付けられる。

また、通信ユニット２０は、ケーブル２１の両端に非接触でデータを通信可能な通信端子を備えた通信ヘッド２５を備えている。一方、駆動ユニット１０の筐体１０ａには、当該通信ヘッド２５を挿入可能な孔部１０ｂを有しており、孔部１０ｂに対して当該通信ヘッド２５を着脱可能になっている。

一方、駆動ユニット１０は、図３に示すように、電力を受電又は所定のデータを通信可能な通信ヘッド１４を筐体１０ａの内部に備えている。そして、駆動ユニット１０の筐体１０ａに有する孔部１０ｂには、通信ヘッド２５が挿入されて、非接触で電気的に接続され、データ通信可能となっている。

また、駆動ユニット１０は、図３に示すように、リンク機構部３を駆動する駆動部１７と、前記駆動部１７に電気を供給する蓄電池１８と、を備え、両足に取り付けられる左右足用駆動ユニット１１、１２のどちらか一方には、複数の歩行パターンが予め記憶された記憶部１５と、ユーザが操作する操作部１６と、電気的に制御が必要な各部を統括的に制御する制御部１９を備えている。

操作部１６は、ユーザによって操作されるものであって、スタートボタンや複数の歩行パターンの中から１、又は複数の歩行パターンを選択する選択ボタンなどを備えている。なお、本実施形態の操作部１６は、本願の歩行パターン選択手段として機能する。

駆動部１７は、図示しないが、回転機構を有する駆動モータ（ＤＣモータ）と、当該駆動モータを所定の回転方向及び速度で駆動制御する駆動制御部と、を含んで構成されている。

また、図示しないが、駆動モータは、回転軸が所定の歯車群を含んで構成されるギアボックスを介して第三リンク３ｃと接続されている。そして、駆動モータの回転軸が回転することによって得られる回転駆動力が前記歯車群を介して直線運動に変換されて第三リンク３ｃに伝達され、その駆動力が第二リンク３ｂに伝達されるようになっている。そして、第二リンク３ｂが、ＤＣモータの回転方向によって第一リンク３ａに対して前後方向に揺動され、ユーザの膝部５における関節の動きを補助し、ユーザの歩行を補助する。

制御部１９は、主として演算機能を有するＣＰＵ（Central Processing Unit）、作業用ＲＡＭ、及び各種データやプログラムを記憶するＲＯＭを備えて構成されている。当該ＣＰＵが、例えばＲＯＭに記憶された各種プログラムを実行することにより、複数の駆動ユニットの双方、及び各部を制御するとともに歩行補助装置Ｓ全体を統括制御する。なお、本実施形態の制御部１９は、本願の回転制御手段、及び起動要求受付手段として機能する。

具体的には、制御部１９は、ユーザによる操作部１６の操作によって歩行補助装置Ｓを起動する起動要求を受け付け、記憶部１５に予め記憶されている歩行パターンに基づいて駆動モータを駆動（回転）制御するための駆動信号Ｓｈを生成する。さらに具体的には、制御部１９は、図３に示すように、例えば、ユーザの操作部１６の操作（スタートボタン及び選択ボタンの押下）によって、駆動モータの起動要求を受け付け、記憶部１５からユーザによって選択された所定の歩行パターンを読み出し、当該歩行パターンに基づいて駆動モータの回転方向、回転速度など当該駆動モータを駆動制御するための駆動信号Ｓｈを生成して、当該駆動信号Ｓｈを駆動部１７に送信する。

ここで、歩行パターンについて図４を用いて説明する。図４（ａ）は歩行者が所定の速さで歩行する際の膝関節の曲げ角度と１歩分の経過時間の関係を示す一例である。

図４（ａ）に示すように、歩行者が所定の速さで前進する場合の歩行周期の位相は、遊脚期と立脚期に大別される。遊脚期では、足が地面から離れて前に進むような（足を前方に振り出す）動作を行い、膝関節が０°〜最大７５°程度まで屈曲し、伸展する。一方、立脚期では、足が地面に設置し地面を蹴るような（足を後方に振り出す）動作を行い、膝関節が０°〜最大２５°程度まで屈曲し、伸展する。

また、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す経過時間に対する膝関節の曲げ角度に基づいて時間当たりの膝関節の回転速度（角速度）を求めた波形であり、図４（ｃ）は、図４（ｂ）に示す波形を駆動モータの回転信号に近似させた波形である。当該図４（ｃ）は、駆動モータを制御するための信号例を示し、本実施形態の歩行パターンを表わすものである。このように図４（ｃ）に示す波形は、図４（ａ）に示す歩行における膝関節の動作を駆動モータの回転信号に関連付けた波形である。そして、この波形に基づいて駆動モータのデューティ比を連続的に変化させて駆動モータの回転速度を制御し、リンク機構部３を動作させる。

歩行は、図５に示すように、前記当該遊脚期と立脚期が繰り返されて行われるものであって、一方の足が遊脚期の場合には、他方の足がほぼ立脚期となる。よって、一方の足（左足）の歩行パターンに対して他方の足（右足）の歩行パターンの位相が所定の周期（ほぼ遊脚期分）ずれる。

すなわち、左右両足に取り付けられるリンク機構３を動作させるための駆動モータの回転は、制御部１９によって、一方の駆動モータに対して他方の駆動モータが、歩行パターンの所定の周期分ずれた位相で制御される。

本実施形態の記憶部１５には、図６に示すように、基準となる波形と、当該波形の周期（１歩の動作にかかる時間）及び振幅（膝関節の角度）を適宜変更した波形の複数種類の歩行パターンが予め記憶されている。そして、歩行補助装置Ｓの制御部１９は、ユーザの障害の重度、又は習熟状態に応じて複数の歩行パターンから１、又は複数の歩行パターンを選定し、当該歩行パターンに基づいて駆動モータを制御する。

当該歩行パターンは、基準となる正規歩行パターン（図６（ａ））、当該正規歩行パターンに対して周期のみを変更した歩行パターン（図６（ｂ）、図６（ｃ））、当該正規歩行パターンに対して振幅のみを変更した歩行パターン（図６（ｄ）、図６（ｅ））、正規歩行パターンに対して周期及び振幅を変更した歩行パターン（図６（ｆ）〜図６（ｉ））が記憶されている。歩行パターンの振幅のみを小さく変化させることにより、リンク機構部３の動作において膝関節の角度が浅く制御され、周期のみを長く変化させることにより、リンク機構部３の動作が遅く制御される。

この歩行パターンは、操作部１６を用いてユーザによって選択されるが、例えば、障害の度合いを選択することによって自動的に制御部が選択するようにしても構わない。

以下に、当該歩行パターンを用いた動作例について図７乃至図９を用いて説明する。図７は歩行パターンを１周期動作させる一例を示す図、図８は同一の歩行パターンを連続して動作させる一例を示す図、図９は異なる歩行パターンを連続して動作させる一例を示す図である。

例えば、障害の程度が重度のユーザは、歩行自体が困難であるため、足を踏み出す動作を繰り返すトレーニングを行う必要があると推測される。よって、図７に示すように、所定の歩行パターンを１周期だけ駆動モータの回転を制御して処理を終了するようになっている。

具体的には、ユーザによる操作部１６の操作（スタートボタン及び選択ボタンの押下）により、歩行補助装置Ｓの制御部１９は、ユーザによって選択される１の歩行パターンを１周期だけ動作させるように、駆動モータの回転を制御する。このように構成された歩行補助装置Ｓによれば、ユーザの操作によって所定の歩行パターンが１周期発生するようにリンク機構部３が動作する。よってユーザは、１歩ずつ足の状態を把握しつつ、リハビリを行うことが可能である。

また、ユーザは、足の習熟状態に応じて、徐々に図７（ｂ）に示すように、正規の歩行パターンが発生するようにリンク機構部３を動作させることにより、正常な歩行パターンを体に覚えこますことが可能となる。

なお、図７（ａ）の例では、正規の歩行パターンに対して振幅が小さく（膝関節の角度を浅く）、周期が長く（１歩をゆっくり）なるような歩行パターンが選択されているが、足の状態に応じて、正規の歩行パターンに対して振幅又は周期のどちらか一方のみが変化する歩行パターンが選択されることが好ましい。

また、障害の程度が軽度又は中度のユーザは、歩行練習を繰り返すトレーニングを行う必要があると推測される。よって、図８に示すように、所定の歩行パターンを所定の回数連続して繰り返すように駆動モータの回転を制御して処理を終了するようになっている。

具体的には、ユーザによる操作部１６の操作（スタートボタン及び選択ボタンの押下）により、歩行補助装置Ｓの制御部１９は、ユーザによって選択される１の歩行パターンを所定の回数連続して繰り返し動作させるように、駆動モータの回転を制御する。このように構成された歩行補助装置Ｓによれば、ユーザの操作によって所定の歩行パターンが繰り返し連続して発生するようにリンク機構部３が動作する。よってユーザは、歩行による足の状態を把握しつつ、リハビリを行うことが可能である。

また、ユーザは、足の習熟状態に応じて、徐々に図８（ｂ）に示すように、正規の歩行パターンが発生するようにリンク機構部３を動作させることにより、正常な歩行パターンを体に覚えさせることが可能となる。

なお、図８（ａ）の例では、正規の歩行パターンに対して振幅が小さく（膝関節の角度を浅く）、周期が長く（１歩をゆっくり）なるような歩行パターンが選択されているが、足の状態に応じて、正規の歩行パターンに対して振幅又は周期のどちらか一方のみが変化する歩行パターンが選択されることが好ましい。

また、図９に示すように、ユーザの歩行状態を正規の歩行パターンに近づけるため、初めはリンク機構部３の動作がゆっくりで且つ膝関節の角度が浅く動作する歩行パターンが発生し、徐々にリンク機構部３の動作が速く且つ膝関節の角度が深く動作する歩行パターンが発生するように、駆動モータの回転が制御されるようにしても良い。

また、ユーザは、足の状態に応じて、所定の歩行パターンにおいて速さのみを変える（周期を徐々に短くする）（図９（ｂ）参照）、膝関節の曲げ角度のみを変える（振幅を徐々に大きくする）歩行パターンを選択するようにしても構わない。

このように構成された歩行補助装置Ｓによれば、特に、足に障害をもつユーザに対し、当該足のリハビリを行うことに役立つ。すなわち、足に障害がある場合、ユーザは、特に、踏み出しタイミングがわからなくなるものの、本実施形態の歩行補助装置Ｓによれば、リンク機構部３が強制的に動作するので、ユーザは自然に足を動かすこととなり当該踏み出しタイミングが自然と体に身に付くからである。また、ユーザの障害の重度に応じて歩行パターンを選択し、その歩行パターンで駆動モータが制御されるため、ユーザの障害の重度に応じてリンク機構部３を動作可能である。このようにして、ユーザに適正な歩行パターンを意識させつつ、障害のある足の歩行状態を正常な歩行状態へ近づけることができる。

なお、本実施形態は一形態であって、この形態に限定されるものではない。例えば、蓄電池は駆動ユニット毎に設けられているがどちらか一方に設けるようにしても構わない。また、双方の駆動ユニット１１、１２を同期させて動作させる必要があるものの、制御部を双方の駆動ユニット１１、１２にそれぞれ設けるようにしても構わない。

ユーザに歩行補助装置を装着した際の状態図である。ユーザの両足に駆動ユニットを装着した際の状態図である。歩行補助装置の構成図である。歩行パターンを説明するための図を示し、図４（ａ）は歩行者が所定の速さで歩行する際の膝関節の曲げ角度と１歩分の経過時間の関係を示す図、図４（ｂ）は図４（ａ）に基づいて膝関節の角速度を求めた波形を示す図、図４（ｃ）は図４（ｂ）の波形に基づく駆動モータの信号例を示す図である。両足の歩行パターンを示す図である。複数の歩行パターンの一例を示す図である。歩行パターンを１周期動作させる一例を示す図である。同一の歩行パターンを連続して動作させる一例を示す図である。異なる歩行パターンを連続して動作させる一例を示す図である。

符号の説明

Ｓ歩行補助装置
３リンク機構部
１０駆動ユニット
１９制御部

Claims

ユーザの膝関節を屈曲及び伸展させるためのリンク機構部と、
前記リンク機構部を動作させるための駆動モータと、
歩行における膝関節の動作を駆動モータの回転信号に関連付けた歩行パターンを記憶する記憶手段と、
前記歩行パターンに基づいて前記駆動モータを回転制御する回転制御手段と、
を備え、
前記歩行パターンは、少なくとも膝関節の角度、又は１歩の動作にかかる時間のいずれか一方を変化させた複数の歩行パターンを有し、
前記複数の歩行パターンの中から１の歩行パターンを選択する歩行パターン選択手段を更に備えていることを特徴とする歩行補助装置。
前記歩行パターン選択手段は、複数の歩行パターンを選択可能であって、
前記回転制御手段は、
前記複数の歩行パターンが選択された場合には、当該複数の歩行パターンを組み合わせて、各々の前記歩行パターンに基づいて前記駆動モータを回転制御することを特徴とする請求項１に記載の歩行補助装置。
ユーザの操作により前記駆動モータを起動する起動要求を受け付ける起動要求受付手段を更に備えていることを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の歩行補助装置。