JP5326391B2

JP5326391B2 - 歩行補助装置

Info

Publication number: JP5326391B2
Application number: JP2008182757A
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: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2028-07-14
Also published as: JP2010017464A

Description

本発明は、利用者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、利用者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、利用者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、利用者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、健常者に対して用いられ、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、障害のある利用者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、障害のある利用者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、足に障害のある利用者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、利用者の膝関節を屈曲及び伸展させるリンク機構部と、前記リンク機構部を動作させるための駆動モータと、予め記憶された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、を備えた歩行補助装置であって、前記利用者の歩行におけるどちらか一方の足の歩行パターンを取得する歩行パターン取得手段を更に備え、前記回転制御手段は、取得した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し、前記駆動モータの回転速度を調整する回転速度調整手段を更に具備し、前記歩行パターン取得手段により取得される歩行パターンは、前記利用者によって調整された駆動モータの回転状態に基づいて算出されることを特徴とする

このような構成によれば、利用者に応じた歩行パターンで逐次リンク機構部が動作するため、利用者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、請求項２に記載の歩行補助装置は、利用者の膝関節を屈曲及び伸展させるリンク機構部と、前記リンク機構部を動作させるための駆動モータと、予め記憶された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、を備えた歩行補助装置であって、前記利用者の歩行におけるどちらか一方の足の歩行パターンを取得する歩行パターン取得手段を更に備え、前記回転制御手段は、取得した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し、前記歩行補助装置は、片方の足に障害のある利用者に用いられるものであって、障害のある前記足の歩行パターンを取得する第１の歩行パターン取得手段と、健常な足の歩行パターンを取得する第２の歩行パターン取得手段と、を更に具備し、前記回転制御手段は、第１の歩行パターンから前記第２の歩行パターンに近づくように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、利用者は徐々に正常な足の歩行パターンで歩行可能となるためリハビリの効果を顕著に感じることが可能となる。

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、前記歩行パターンは、足を前方へ振り出す際に膝部の関節の角度が０〜７５度の範囲で屈曲と伸展を行う遊脚期と、足を後方へ振り出す際に当該関節の角度が０〜２５度の範囲で屈曲と伸展を行う立脚期と、を含んで構成されることを特徴とする。この構成によれば、歩行パターンを容易に規定することができる。

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は利用者に歩行補助装置を装着した際の状態図、図２は利用者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である。なお、以下に説明する実施形態は、歩行における利用者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、利用者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、利用者の膝部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、利用者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、利用者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、利用者の腰部側から膝部５側に延びるように取り付けられ、第二リンク３ｂは利用者の膝部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は利用者の膝部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、利用者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、利用者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利用者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、予め規定された基準となる歩行パターンが記憶された記憶部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、スタートボタンやリンク機構部の動作速度を調整するための回転数調整トグルなどを備えている。なお、本実施形態の操作部１６の回転数調整トグルは、本願の回転速度調整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、利用者の膝部５における関節の動きを補助し、利用者の歩行を補助する。

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、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、本願の歩行パターン取得手段、回転制御手段、第１の歩行パターン取得手段、及び第２の歩行パターン取得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から基準となる歩行パターンを取得し、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。

なお、操作部１６の回転数調整トグルを用いてユーザによりリンク機構部３の動作速度が調整された場合には、その調整度合いによって、制御部１９は、駆動モータの回転速度を制御する。このような場合、制御部１９は、利用者によって調整された駆動モータの回転状態に基づいて歩行パターンを算出し、その歩行パターンを記憶部に記憶し、当該調整された歩行パターンに基づいて駆動モータの回転速度を制御する。

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。

このように構成された歩行補助装置Ｓによれば、特に、片方の足に障害をもつ利用者に対し、当該足のリハビリを行うことに役立つ。すなわち、片足の足に障害がある場合、利用者は、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、利用者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、利用者は、歩行者の障害の重度に応じて歩行パターンの周期（駆動モータの回転数）を調整可能であり、利用者によって歩行パターンの周期が調整されると、その調整された歩行パターンで駆動モータが制御されるため、利用者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。

また、本実施形態では、予め規定された歩行パターンと利用者によって調整された歩行パターンの２段階で駆動モータの回転が制御されるようになっているが、初期から予め規定された歩行パターンでリンク機構を動作しても利用者が適応できない場合も想定されるため、初めに利用者が回転数調整トグルを用いて、現状の障害のある足の歩行パターンで駆動モータを制御するとともに正常な足の歩行パターンで駆動モータを制御し、制御部１９にそれら２つの動作における歩行パターンを取得させ、初めは現状の障害のある足の歩行パターンに基づいて駆動モータの回転を制御し、徐々に正常な足の歩行パターンに近づけるように値を変えて駆動モータの回転を制御するようにしても構わない。

このようにすれば、利用者は徐々に正常な足の歩行パターンで歩行可能となるためリハビリの効果を顕著に感じることが可能となる。

次に、歩行補助装置Ｓの動作例について説明する。

まず、利用者がスタートスイッチ（図示なし）を用いて歩行補助装置Ｓを起動させる。制御部１９は、記憶部に予め記憶された歩行パターンに基づいて、駆動モータを駆動させるための駆動信号Ｓｈを生成し、当該駆動信号Ｓｈを駆動ユニット１１、１２の駆動部１７に送信する。そして、当該駆動信号Ｓｈに基づいて駆動モータの回転が制御され、リンク機構部３が動作することによって、利用者の歩行が補助される。

また、利用者が回転速度調整トグルを用いてリンク機構部３の動作速度が調整された場合には、その調整度合いにしたがって、制御部１９は駆動モータの回転速度を制御する。

その際、制御部１９は、調整された駆動モータの回転状態に基づく歩行パターンを算出し、当該駆動信号Ｓｈを生成するための歩行パターンを、予め記憶されている歩行パターンから当該算出された歩行パターンに切り替える。

そして、当該算出された歩行パターンに基づいて生成された駆動信号Ｓｈで駆動モータの回転が制御される。

このように構成された歩行補助装置Ｓは、利用者に応じた歩行パターンで逐次リンク機構部３が動作するため、利用者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１９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。

利用者に歩行補助装置を装着した際の状態図である。利用者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。

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

利用者の膝関節を屈曲及び伸展させるリンク機構部と、前記リンク機構部を動作させるための駆動モータと、予め記憶された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、を備えた歩行補助装置であって、
前記利用者の歩行におけるどちらか一方の足の歩行パターンを取得する歩行パターン取得手段を更に備え、
前記回転制御手段は、
取得した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し、
前記駆動モータの回転速度を調整する回転速度調整手段を更に具備し、
前記歩行パターン取得手段により取得される歩行パターンは、前記利用者によって調整された駆動モータの回転状態に基づいて算出されることを特徴とする歩行補助装置。
利用者の膝関節を屈曲及び伸展させるリンク機構部と、前記リンク機構部を動作させるための駆動モータと、予め記憶された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、を備えた歩行補助装置であって、
前記利用者の歩行におけるどちらか一方の足の歩行パターンを取得する歩行パターン取得手段を更に備え、
前記回転制御手段は、
取得した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し、
前記歩行補助装置は、片方の足に障害のある利用者に用いられるものであって、
障害のある前記足の歩行パターンを取得する第１の歩行パターン取得手段と、
健常な足の歩行パターンを取得する第２の歩行パターン取得手段と、を更に具備し、
前記回転制御手段は、第１の歩行パターンから前記第２の歩行パターンに近づくように前記駆動モータを回転制御することを特徴とする歩行補助装置。
前記歩行パターンは、
足を前方へ振り出す際に膝部の関節の角度が０〜７５度の範囲で屈曲と伸展を行う遊脚期と、足を後方へ振り出す際に当該関節の角度が０〜２５度の範囲で屈曲と伸展を行う立脚期と、を含んで構成され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。