JP5343708B2 - 着地タイミング特定装置及び歩行補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの一方の脚に装着してその一方の脚の物理的状態を検出し、ユーザの歩行中にその物理的状態から他方の脚の着地タイミングを特定する着地タイミング特定装置と、着地タイミング特定の技術を応用した歩行補助装置に関する。その歩行補助装置は、ユーザの一方の脚の大腿から下腿に沿って装着し、膝にトルクを加えることによって歩行動作を補助する。なお、本明細書では、ユーザの夫々の脚を区別するために、一方の脚を第１脚と称し、他方の脚を第２脚と称する場合がある。

ユーザの脚や腕に沿って装着し、ユーザの筋力を増強するいわゆるパワードスーツが開発されている。パワードスーツの応用として、ユーザの脚に装着して歩行動作を補助する歩行補助装置がある。歩行補助装置の一形態では、アクチュエータ付き多リンク機構を有する脚装具をユーザの大腿部から下腿部にかけて装着して歩行動作を補助する。例えば特許文献１に、ユーザの夫々の脚にアクチュエータ付き脚装具を装着し、両脚の動作を補助する歩行補助装置が開示されている。また、特許文献２に、ユーザの一方の脚にのみアクチュエータ付き脚装具を装着してその一方の脚の動作を補助する歩行補助装置が開示されている。

特開２００３−１３５５４３号公報 特開２００６−３１４６７０号公報

歩行動作は両脚の協調した動作であるため、一方の脚の動きに応じて他方の脚の動作を補助する必要がある。従って、第１脚の動作を補助するには第２脚の物理的状態を検出することが望ましい。特許文献１の歩行補助装置はユーザの両脚に装具を取り付けるため、夫々の装具に脚の物理的状態を検知するセンサを取り付ければよい。特許文献２の歩行補助装置では、第１脚にアクチュエータ付き脚装具を装着するとともに、第２脚に脚動作検出用の装具を装着することを要する。

片脚のみ不自由なユーザのための歩行補助装置は、不自由な脚にのみアクチュエータ付き装具を装着すればよい。特許文献２の歩行補助装置のごとく、他方の脚に脚動作検出用の装具を取り付けるのはユーザによってわずらわしい。第２脚にセンサ等を取り付けることなく、第１脚に取り付けた装具のセンサから他方の脚の状態を特定できる技術が望まれている。さらには、第２脚にセンサ等を装着することなしに、特定した第２脚の状態に基づいて第１脚の歩行動作を補助する歩行補助装置が望まれている。なお、片脚のみ不自由なユーザの場合、第１脚が、不自由な方の脚（患脚）に相当し、第２脚が健康な脚（健脚）に相当する。

一方の脚の歩行動作を補助する脚装具の制御に際しては他方の脚の着地タイミングが重要な要因である。なぜならば、脚の着地タイミングで片脚立脚から両脚立脚へ状態が大きく変化するからである。本発明は、第１脚に装着する装具に備えられたセンサのみで、第２脚の着地タイミングを特定する技術を提供する。本発明はさらに、着地タイミングを特定する技術を応用した歩行補助装置を提供する。本発明の歩行補助装置は、第２脚にセンサ等を装着することなく第１脚に装着するアクチュエータ付き装具のみで第２脚の着地タイミングを特定し、第２脚の動作に協調して第１脚の歩行動作を補助することができる。

本発明の一つは、ユーザの歩行中に第１脚の物理的状態から第２脚の着地タイミングを特定する着地タイミング特定装置に具現化することができる。このタイミング特定装置は、反力センサと加速度センサとタイミング特定部を備える。この着地タイミング特定装置は、典型的にはユーザの第１脚に装着される脚装具として具現化されてよい。反力センサは、脚装具を装着する第１脚の足裏に加わる接地反力を検出する。加速度センサは、第１脚の大腿部の鉛直方向加速度を検出する。より厳密には、加速度センサは、大腿部に固定される脚装具部位の鉛直方向加速度成分を検出する。また、加速度センサは、大腿部に発生する加速度のうち、鉛直方向成分の概ねの大きさが検出できればよい。タイミング特定部は、検出された接地反力が予め定められた反力閾値を下回る反力タイミングと検出された加速度が予め定められた加速度閾値を超える加速度タイミングを特定するとともに、それらのタイミングに基づいて第２脚の着地タイミングを特定する。

上記着地タイミング特定装置の作用を説明する。着地タイミング特定装置は、第１脚の物理的状態から第２脚の着地タイミングを特定する。ここでいう第１脚の物理的状態とは、接地反力と大腿部の鉛直方向加速度成分である。この着地タイミング特定装置は、第１脚の反力タイミングと加速度タイミングに基づいて第２脚の着地タイミングを特定する。

本発明の着地タイミング特定装置は、第２脚の着地時の衝撃によって第１脚の大腿部の鉛直方向加速度が変化するという事象と、第２脚の着地時に第１脚の足裏に加わる接地反力が変化するという事象を利用する。具体的には、第２脚が着地する際の衝撃が第１脚に伝わるため、第１脚に生じる鉛直方向の加速度も着地タイミングで急変する。また、第２脚の着地タイミングで片脚立脚から両脚立脚に変化するので、第２脚の着地タイミングで第１脚の接地反力は急減する。第１脚の大腿部の加速度或いは接地反力のみでも第２脚の着地タイミングを特定することは可能であるが、加速度や接地反力は歩行中に常に変化するため、それら単独の検出値のみでは着地タイミングを誤って特定してしまう虞がある。そこで本発明の着地タイミング特定装置は、加速度タイミングと反力タイミングを特定し、それら２つの異なる物理量の組み合わせによって着地タイミングを特定する。そうすることによって、本発明の着地タイミング特定装置は、着地タイミングを確実に特定することができる。

着地に起因する加速度タイミングと反力タイミングの発生状況を子細に解析すると、加速度の急変に続いて接地反力が大きく変化する。そこでタイミング特定部は、加速度タイミングに続く反力タイミングを着地タイミングとして特定することが好ましい。厳密には加速度タイミングで第２脚が着地しているのであるが、加速度タイミングに続く反力タイミングを着地タイミングとして特定することで、加速度のみによる着地タイミングの誤特定を避けることができる。発明者らの検討によると、加速度タイミングと反力タイミングのタイミングずれはわずかであるので、加速度タイミングに続いて発生する反力タイミングを着地タイミングとして扱っても脚装具の制御に支障がないことが判明している。

さらには、タイミング特定部は、加速度タイミングから予め定められたリミット時間内に検知した反力タイミングを着地タイミングとして特定することが好ましい。そのような着地タイミング特定装置は、リミット時間の経過後に検知した反力タイミングは着地タイミングと判定しない。リミット時間を設定することによって、着地タイミングの誤特定を一層確実に防止することができる。なお、反力閾値、加速度閾値、及び、リミット時間は、予め実験やシミュレーションによって定めておけばよい。

前述したように、第２脚の着地タイミングは第１脚の動作補助に利用される。他方、第２脚の着地タイミングでユーザが歩行を停止しようとしていることを判定できれば、第１脚の動作補助を周期的な歩行動作の補助に代えて停止に至る過渡的な動作補助に切り替えることに役立つ。本発明の着地タイミング特定装置は、次の技術的特徴を備えることによって、着地タイミングにおいて、ユーザが歩行を停止しようとしている意図を判定する停止判定信号を出力することが可能となる。即ち、着地タイミング特定装置は、第１脚の関節角度と関節角速度の少なくとも一方を検出する関節センサを備える。そして、タイミング特定部は、特定された着地タイミングにおける関節センサの値が予め定められた範囲から外れている場合に、歩行停止を判定する停止判定信号を出力する。この技術的特徴は、第１脚の関節角度によって定まる姿勢、或いは関節角速度によって定まる動作速度が、歩行継続中における着地タイミングと歩行を停止しようとしている場合の着地タイミングで大きく異なるという知見に基づいている。停止意図の判定に用いる関節角度或いは関節角速度は、たとえば第１脚の股関節のピッチ軸回りの角度或いは角速度でよい。

本発明の他の一つは、第２脚の着地タイミングを特定する技術を応用した歩行補助装置に具現化することができる。本発明の歩行補助装置は、アクチュエータ付きの脚装具、反力センサ、加速度センサ、及び、脚装具を制御するコントローラを備える。脚装具は、大腿リンクと下腿リンクが駆動ジョイントによって揺動可能に連結されている多リンク機構を有している。駆動ジョイントがアクチュエータに相当する。駆動ジョイントは、大腿リンクと下腿リンクをユーザの第１脚の大腿部と下腿部に夫々固定したときにユーザの膝関節に隣接して位置するように構成されている。反力センサは、第１脚の足裏に加わる接地反力を検出する。加速度センサは、脚装具の大腿リンクの鉛直方向の加速度を検出する。コントローラは、予め定められたジョイント角軌道パターンに追従するように駆動ジョイントを制御する。本発明の歩行補助装置は、コントローラが、検出された接地反力が予め定められた反力閾値を横切る反力タイミングと検出された加速度が予め定められた加速度閾値を横切る加速度タイミングに基づいて、ジョイント角軌道パターンを立脚用ジョイント角軌道パターンから遊脚用ジョイント角軌道パターンに切り替えることを特徴とする。ジョイント角軌道パターンを切り替えるタイミングが、前述した着地タイミング特定装置における特定された着地タイミングに相当する。即ちこの歩行補助装置は、特定された着地タイミングで駆動ジョイントの目標角軌道パターンを立脚用ジョイント角軌道パターンから遊脚用ジョイント角軌道パターンに切り替える。歩行補助装置のコントローラは、好適には、加速度タイミングに続いて検知された反力タイミングで立脚用ジョイント角軌道パターンから遊脚用ジョイント角軌道パターンに切り替えるとよい。

上記の歩行補助装置の作用効果を説明する。人の歩行動作を子細に解析すると、立脚の動作と遊脚の動作は大きく異なっている。立脚は、体重を支える必要があるため膝関節に大きな負担が加わる。他方、遊脚は、体重を支える必要はないが円滑な動きが求められる。このように、立脚と遊脚では動作が大きく異なるため、歩行補助装置は、立脚用と遊脚用で異なるジョイント角軌道パターンを有し、第２脚の着地タイミングでそれらの軌道パターンを切り替えることが好ましい。そのような歩行補助装置は、軌道パターンを切り替えるタイミングが実際の着地タイミングと相違するとユーザに違和感を与える。本発明の歩行補助装置は、加速度タイミングと反力タイミングで第２脚の着地タイミングを特定し、特定した着地タイミングで軌道パターンを切り替えるので、ユーザに違和感を与えることなく第１脚の歩行動作を補助することができる。

典型的な立脚用ジョイント角軌道パターンは、その終端期間でジョイント角がほぼ一定であり、典型的な遊脚用ジョイント角軌道パターンは、その初期期間において駆動ジョイントを膝関節の屈曲方向に回転させる軌道を有している。これは次の知見に基づいている。第１脚のみで体重を支える片脚立脚期間の終端期間には、第１脚の膝関節は第２脚が着地するまでほぼ一定の角度を保つ。第２脚が着地すると、第１脚は立脚状態から遊脚状態に移行する。遊脚状態に移行すると、第１脚の膝関節が屈曲方向に回転し始めるとともに、第１脚全体が前方へ振り出される。即ち、第２脚が着地する直前では第１脚の膝関節はほぼ一定に保たれ、第２脚が着地するとほぼ同時に第１脚の膝関節は屈曲方向に回転し始める。上記の立脚用ジョイント角軌道パターンと遊脚用ジョイント角軌道パターンは、このようなユーザの歩行パターンに合致している。ここで、遊脚用ジョイント角軌道パターンに切り替えるタイミングがユーザの歩行動作とずれていると、立脚から遊脚への移行時の膝関節の揺動タイミングと、脚装具が駆動ジョイントを屈曲方向に回転させ始めるタイミングがずれてしまい、ユーザに違和感を与えてしまう。本発明の歩行補助装置は、特定した第２脚の着地タイミングで軌道パターンを切り替えて、膝関節にトルクを与える駆動ジョイントを膝の屈曲方向へ回転させ始める。このように本発明の歩行補助装置は、第２脚にセンサ等を配置することなく、ユーザの歩行動作に応じて第１脚の動作を円滑に補助することができる。別言すれば、本発明の歩行補助装置は、第２脚の着地タイミングで第１脚の膝関節に屈曲方向のトルクを加えることができ、ユーザに違和感を与えることなく歩行動作を補助することができる。

ユーザが歩行停止を意図している場合、歩行補助装置も歩行補助のための周期的な軌道パターンに代えて停止に至る過渡的な軌道パターンに追従するように駆動ジョイントを制御することが好ましい。そのような機能を実現するために、本発明の歩行補助装置は、次の技術的特徴を有していることが好ましい。脚装具は、第１脚の関節角度と関節角速度の少なくとも一方を検出する関節センサを備えている。そして、コントローラは、加速度タイミングに続いて検知された反力タイミングにおける関節センサの出力が予め定められた範囲から外れている場合に、立脚用ジョイント角軌道パターン及び遊脚用ジョイント角軌道パターンとは異なる第３のジョイント角軌道パターンに切り替えて駆動ジョイントを制御する。「第３のジョイント角軌道パターン」とは、周期的な歩行パターンではなく、非周期的であるとともに、歩行停止に至る膝関節の目標角軌道を示す軌道パターンである。

本発明によれば、第２脚にセンサ等を装着することなく第２脚の着地タイミングを特定する着地タイミング特定装置を実現することができる。さらに本発明によれば、着地タイミングを特定する技術を応用し、第２脚にセンサ等を装着することなく第１脚に装着するアクチュエータ付き装具のみで第２脚の動作に協調して第１脚の動作を補助する歩行補助装置を実現することができる。

図１は、歩行補助装置の模式図である。 図２は、歩行補助装置のコントローラの模式的ブロック図である。 図３は、着地タイミングを特定するアルゴリズムを説明する図である。 図４は、着地タイミングを特定する処理のフローチャートである。 図５は、着地タイミングに応じた軌道パターン切り替え処理のフローチャートである。

実施例の歩行補助装置が有する技術的特徴のいくつかを列挙する。
（１）歩行補助装置のコントローラは、加速度タイミングに続く反力タイミングで駆動ジョイントを膝関節の屈曲方向に回転させ始める。なお、駆動ジョイントを回転させ始めるタイミングは、反力タイミングに厳密に一致している必要はなく、加速度タイミングに続く反力タイミングをトリガとして駆動ジョイントを屈曲方向に回転させ始めればよい。
（２）歩行補助装置のコントローラは、立脚用ジョイント角軌道パターンから遊脚用ジョイント角軌道パターンへの切り替えに先立って、ユーザに軌道パターンの切り替えを通知する。あるいは、歩行補助装置は、着地タイミングを特定した後に駆動ジョイントを膝屈曲方向に回転させ始めるのに先立って、回転開始をユーザに通知する。コントローラは、音を出力することによって、或いは、駆動ジョイントを振動させることによってユーザに通知する。

図面を参照して実施例の歩行補助装置を説明する。図１に、歩行補助装置１０の模式図を示す。図１（Ａ）は、ユーザが装着した状態における歩行補助装置１０の正面図を示し、図１（Ｂ）はユーザが装着した状態における歩行補助装置１０の側面図を示す。本実施例では、左脚を自由に動かすことができないユーザのための歩行補助装置を想定する。歩行補助装置１０は、ユーザの左膝関節に適切なトルクを加えてユーザの歩行動作を補助する。なお、左脚が第１脚に相当し、右脚が第２脚に相当する。

歩行補助装置１０は、ユーザの左脚に装着する脚装具１２とユーザの腰に装着するコントローラ４０を有している。コントローラ４０は、ユーザの腰に固定される支持リンク３０に固定されている。支持リンク３０は、脚装具１２の上端に連結されている。

脚装具１２の構造を詳しく説明する。脚装具１２は、ユーザの大腿部から下腿部に沿って左脚の外側に装着される。脚装具１２は、大腿リンク１４、下腿リンク１６、及び足底リンク１８を有する多リンク機構である。大腿リンク１４の上端が股ジョイント２０ａを介して支持リンク３０に連結されている。下腿リンク１６は、膝の外側に位置する膝ジョイント２０ｂによって、大腿リンク１４に連結されている。足底リンク１８は、ユーザの踝の外側に位置する足首ジョイント２０ｃによって、下腿リンク１６に連結されている。大腿リンク１４は、ベルトでユーザの大腿部に固定される。下腿リンク１６は、ベルトでユーザの下腿部に固定される。足底リンク１８は、ベルトでユーザの足底に固定される。なお足底リンク１８を固定するベルトは、図示を省略している。

ユーザが脚装具１２を装着すると、股ジョイント２０ａ、膝ジョイント２０ｂ、及び、足首ジョイント２０ｃは夫々、ユーザの股関節、膝関節、及び、足首関節に夫々隣接して位置する。より具体的には、ユーザが脚装具１２を装着すると、股ジョイント２０ａ、膝ジョイント２０ｂ、及び、足首ジョイント２０ｃは夫々、ユーザの股関節のピッチ軸、膝関節のピッチ軸、及び、足首関節のピッチ軸と同軸に位置する。脚装具１２は、ユーザの左脚の動きに応じて揺動することができる。各ジョイントには、リンク間の角度を検出するためのエンコーダ２１が取り付けられている。以下では、リンク間の角度をジョイントの角度と別言する。また、エンコーダが検出するジョイント角度を微分することによってジョイントの角速度を得ることができる。エンコーダ２１は、関節の角度或いは角速度を検出する関節センサに相当する。

膝ジョイント２０ｂには、モータ３２（アクチュエータ）が取り付けられている。即ち、膝ジョイント２０ｂは、駆動ジョイントに相当する。以下では、「膝ジョイント２０ｂ」を「駆動ジョイント２０ｂ」と別称する場合がある。モータ３２は、ユーザの膝関節の外側に位置する。モータ３２は、大腿リンク１４に対して下腿リンク１６を回転させることができる。即ちモータ３２は、ユーザの左膝関節にトルクを加えることができる。後述するように歩行補助装置１０は、駆動ジョイントの目標角度の経時的変化を記述したいくつかの軌道パターンを記憶している。歩行補助装置１０は、それらの軌道パターンの中から一つの軌道パターンを選択し、選択した軌道パターンに追従するように駆動ジョイント２０ｂを制御する。

大腿リンク１４には、加速度センサ３４が固定されている。加速度センサ３４は、大腿リンク１４のサジタル（Ｓａｇｉｔｔａｌ）面内の加速度を検出する。なお、「サジタル面」とは、ピッチ軸に直交する面を意味する。また、後述するように、本実施例では、加速度センサ３４が検出する加速度のうち、鉛直方向成分のみに注目する。鉛直方向成分は、エンコーダ２１によって検知した大腿リンク１４の傾きから求めることができる。

足底リンク１８の足底面には、複数の圧力センサ２２ａ、２２ｂが取り付けられている。図１（Ｂ）に示すように、複数の圧力センサは、足底リンク１８の前方と後方に離間して取り付けられている。圧力センサ２２ａは、足底リンク１８の前方に取り付けられており、圧力センサ２２ｂは、足底リンク１８の後方に取り付けられている。前方の圧力センサ２２ａは、ユーザの拇指球に相当する位置に取り付けられており、後方の圧力センサ２２ｂはユーザの踵に相当する位置に取り付けられている。以下では、２つの圧力センサ２２ａと２２ｂを、圧力センサ２２と総称する。圧力センサ２２は、左脚の足裏に加わる接地反力を検出する。従って以下では、「圧力センサ２２」を「反力センサ２２」と別称することがある。なお、図１では圧力センサ２２が足底リンク１８から下方に突出しているように描いているが、これは図面の理解を助けるためであり、圧力センサ２２は足底リンク１８に埋設されている。また左脚の足底リンク１８は、ユーザが右脚に履く靴の靴底と同じ厚みであり、左右の脚でバランスが取れるように配慮されている。

図２にコントローラ４０のブロック図を示す。コントローラ４０は、タイミング特定部４２、モータ制御部４４、及び記憶装置４６を備えている。以下では簡単のため、「タイミング特定部４２」を単純に「特定部４２」と称する。

コントローラ４０の機能を概説する。特定部４２は、反力センサ２２が検出する接地反力のデータと、加速度センサ３４が検出する大腿リンク１４に発生する鉛直方向加速度から、ユーザの右脚の着地タイミングを特定する。また、特定部４２にはエンコーダ２１によって検出される股関節の角度と角速度に基づいて、ユーザが歩行を停止しようとしているか否かを判定する。この停止判定は、特定した着地タイミングにおける股関節の角度と角速度に基づいて行われる。特定した着地タイミングと停止判定信号はモータ制御部４４に送られる。モータ制御部４４は、着地タイミング、及び停止判定信号に基づいて、駆動ジョイント２０ｂを制御する。モータ制御部４４は、記憶装置４６に記憶されている「立脚用ジョイント角軌道パターン」、「遊脚用ジョイント角軌道パターン」及び、「停止用ジョイント角軌道パターン」からいずれかを選択し、選択した軌道パターンに追従するように駆動ジョイント２０ｂを制御する。図では、簡単のため、「立脚用ジョイント角軌道パターン」、「遊脚用ジョイント角軌道パターン」及び、「停止用ジョイント角軌道パターン」を夫々、「立脚用パターン」、「遊脚用パターン」、及び「停止用パターン」と表現している。以下の説明でも、この略称を用いる。また、これらのパターンを「軌道パターン」と総称する。軌道パターンの具体例については後述する。

図３を参照して、右脚の着地タイミングの特定アルゴリズムと、特定結果に基づく軌道パターンの切り替えアルゴリズムについて説明する。図３の上段のグラフは、加速度センサ３４が検出する大腿リンク１４の鉛直方向加速度の経時的変化を示すグラフである。グラフの縦軸は、鉛直上方を正として加速度を示している。中段のグラフは、反力センサ２２が検出する接地反力の経時的変化を示すグラフである。グラフの縦軸は、接地反力の大きさを示している。接地反力はゼロ以下にはならないので、グラフは正の値のみをとる。接地反力＝ゼロは、左脚が浮いていることを示している。下段のグラフは、駆動ジョイント２０ｂの目標角度の経時的変化を示すグラフである。駆動ジョイント２０ｂの目標角度の時系列が軌道パターンに相当する。縦軸は、駆動ジョイント２０ｂの目標角度を示している。ここで、目標角度は、大腿リンク１４と下腿リンク１６が一直線となるときをゼロとし、膝を屈曲する方向を正値と定めている。即ち、グラフの値が大きいほど、駆動ジョイント２０ｂが膝の屈曲方向に大きく回転していることを示す。これらのグラフは説明のため模式的に表したものであることに留意されたい。ただし、経時的変化の傾向は図３に表されている。

加速度は、大腿リンク１４の動きに応じて緩やかに変化するが、右脚が着地するときの衝撃が大腿リンク１４に伝わる時点で急激に変化する。図３の矢印ａが示す加速度の変化が、右脚の着地衝撃の影響を示している。右脚の着地衝撃によって左脚が鉛直上方の加速度を得るため、右脚接地タイミングでグラフが上方に急変している。特定部４２は、検出した加速度が予め定められた加速度閾値Ｇｔｈを横切るタイミングＴｇを特定する。このＴｇが加速度タイミングに相当する。特定部４２は、加速度タイミングＴｇの検知時からリミット時間ＴＬの間で接地反力が反力閾値Ｆｔｈを横切るタイミングＴｆを特定する。このタイミングＴｆが、反力タイミングに相当する。図２の矢印ｂが、反力タイミングＴｆを示している。加速度タイミングＴｇに続いて検知した反力タイミングＴｆが着地タイミングに相当する。特定部４２は、加速度タイミングＴｇに続いて検知した反力タイミングＴｆを着地タイミングとして特定し、特定した着地タイミングをモータ制御部４４へ出力する。なお、特定部４２は、加速度タイミングＴｇからリミット時間ＴＬが経過した後に検知した反力タイミングは無視する。即ち特定部４２は、加速度タイミングＴｇからリミット時間ＴＬ内に検知した反力タイミングＴｆを着地タイミングとして特定・出力し、リミット時間ＴＬ経過後に検知した反力タイミングＴｆは無視する。

加速度タイミングＴｇと反力タイミングＴｆの物理的意味を説明する。加速度タイミングＴｇに先立つ期間では、右脚が遊脚状態であり、左脚のみが接地している。従って加速度タイミングＴｇ以前では、左脚の接地反力の大きさはユーザの自重にほぼ等しい。右脚が着地すると、その衝撃が大腿リンク１４に伝わり、加速度が大きく変化する。矢印ａの箇所がその様子を示している。右脚の着地後、着地した右脚も自重を支え始めるので、左脚の接地反力は急激に減少する。このように、右脚の着地と同時に左脚の加速度が急変し、その直後に左脚の接地反力が急激に低下する。特定部４２は、加速度タイミングＴｇの検知に続く反力タイミングＴｆを着地タイミングとして特定する。特定部４２は、加速度と接地反力という異なる物理量の組合せで右脚の着地タイミングを特定する。そのようなアルゴリズムにより、誤判定することなく、右脚の着地タイミングを確実に特定することができる。なお、加速度タイミングＴｇから反力タイミングＴｆまでの期間はわずかであるから、反力タイミングＴｆを着地タイミングとみなすことに実質的に不都合はない。また、図３の中段の反力のグラフにおいて、左脚の接地反力がゼロとなるタイミングは、左脚が離床するタイミングを示している。

モータ制御部４４の機能を説明する。着地タイミング（反力タイミングＴｆ）が特定されるまでは、モータ制御部４４は立脚用パターン（立脚用ジョイント角軌道パターン）に追従するように駆動ジョイント２０ｂを制御する。図３の下段の符号Ｐａが立脚用パターンを示している。立脚用パターンＰａは、図３において「立脚期間」と記述した期間における目標角度パターンである。立脚の間は、駆動ジョイント２０ｂの目標角度変化が小さく、終端期間においては目標角度が一定である。符号Ｐａｅが示す破線で囲った期間が、終端期間を示している。モータ制御部４４は、着地タイミングの特定に応答して、軌道パターンを立脚用パターンから遊脚用パターン（遊脚用ジョイント角軌道パターン）に切り替える。図３の符号Ｐｂが、遊脚用パターンを示している。遊脚用パターンＰｂは、図３において「遊脚期間」と記述した期間における目標角度パターンに相当する。遊脚用パターンでは、その初期期間Ｐｂｓにおいて目標角度が膝の屈曲側に増大する。別言すれば、遊脚用パターンは、その初期期間Ｐｂｓに駆動ジョイント２０ｂを膝屈曲側へ回転させる軌道を有している。さらに別言すれば、モータ制御部４４は、特定した着地タイミングＴｆで、駆動ジョイント２０ｂを膝屈曲側に回転させ始める。

着地タイミングＴｆをトリガとして立脚用パターンから遊脚用パターンへ切り替えることは次の利点を有する。右脚の着地タイミングは、ユーザの歩行速度、或いは着地予定面の高さに依存して変化する。例えば、着地予定面が一歩前の着地面よりも高い場合には着地タイミング早まる。逆に、着地予定面が一歩前の着地面よりも低い場合には着地タイミングが遅れる。いずれの場合であっても、右脚の着地タイミングでユーザは左脚の膝関節を屈曲側に曲げ始める。実施例の歩行補助装置１０では、立脚用パターンの終端期間で駆動ジョイント２０ｂの目標角度が一定に保たれており、特定した着地タイミングで駆動ジョイント２０ｂを屈曲側に回転させ始める。そのような軌道パターンの切り替えアルゴリズムは、歩行動作におけるユーザの左脚の膝関節の曲げ動作によく合致する。この歩行補助装置１０は、右脚にセンサなどを取り付けることなく、ユーザの歩行動作に応じて違和感なく左脚の膝関節にトルクを加えることができる。

上記のコントローラ４０の動作は次のように表現することもできる。すなわち、コントローラ４０は、加速度タイミング続く反力タイミングで駆動ジョイント２０ｂを膝関節の屈曲方向に回転させ始める。なお、駆動ジョイント２０ｂを回転させ始めるタイミングは、反力タイミングに厳密に一致している必要はなく、加速度タイミングに続く反力タイミングの検知をトリガとして駆動ジョイント２０ｂを屈曲方向に回転させ始めればよい。

特定部４２が実行する着地タイミング特定処理のフローチャートを図４に示す。なお、図４に示す「Ｇフラグ」は検出した加速度が加速度閾値Ｇｔｈを横切るタイミングを特定するためのフラグである。「Ｇフラグ」は、検出した加速度が加速度閾値Ｇｔｈを横切るタイミングでＯＮが設定される。なお「Ｇフラグ」は、後述するように、着地タイミングが検知された後に、次回に備えてＯＦＦにリセットされる。「着地フラグ」は、右脚の着地タイミングを特定部４２が特定したときにＯＮが設定されるフラグである。「着地フラグ」は、左脚の接地反力がゼロの間にＯＦＦが設定される。「停止判定フラグ」は、ユーザが歩行停止を意図していることの判定結果を示すフラグである。「停止判定フラグ」は、歩行補助装置の起動時にＯＦＦが設定され、歩行停止の意図が判定されたときにＯＮが設定される。

コントローラ４０はまず、反力センサ２２、加速度センサ３４、及びエンコーダ２１の値を取得する（Ｓ２）。なお、加速度センサ３４で取得したサジタル面内の加速度から鉛直方向の加速度成分を抽出するためにカルマンフィルタを採用する。ＧフラグがＯＮでない場合、コントローラ４０は検出した加速度を加速度閾値Ｇｔｈと比較する（Ｓ４：ＮＯ、Ｓ６）。前述したように着地タイミング以前は加速度の値は加速度閾値Ｔｈを下回っている。コントローラ４０は、検出した加速度が加速度閾値Ｇｔｈを超えたとき、別言すれば、検出した加速度が加速度閾値Ｇｔｈを横切ったとき、ＧフラグにＯＮをセットする（Ｓ６：ＹＥＳ、Ｓ８）。またこのとき、コントローラ４０はタイマをスタートする（Ｓ８）。図４の処理は制御周期毎に実行され、コントローラ４０は、検出した加速度が加速度閾値Ｇｔｈを横切るまで上記の処理を繰り返す（Ｓ６：ＮＯ）。

ＧフラグにＯＮが設定されると、コントローラ４０はタイマの時間がリミット時間を超えるまで、検出した接地反力を反力閾値Ｆｔｈと比較する（Ｓ４：ＹＥＳ、Ｓ１０：ＮＯ、Ｓ１２）。リミット時間内に検出した接地反力が反力閾値Ｆｔｈを下回ったとき、別言すれば検出した接地反力がリミット時間内に反力閾値Ｆｔｈを横切ったときに、コントローラ４０は着地フラグにＯＮをセットする（Ｓ１２：ＹＥＳ、Ｓ１４）。着地フラグにＯＮがセットされるタイミングが、着地タイミングに相当する。

着地フラグにＯＮが設定された後、コントローラ４０は、第１脚のピッチ軸回りの股関節角度と関節角速度が規定の範囲内か否かを判断する（Ｓ１６）。ここで、「規定の範囲」は、実験等によって予め求められており、歩行継続中の右脚着地タイミングにおいて股関節角度と角速度が取り得る範囲に定められている。すなわち、第１脚のピッチ軸回りの股関節角度と関節角速度が規定の範囲から外れている場合には、ユーザが歩行を停止しようとしている可能性が極めて高い。コントローラ４０は、着地タイミングにおける股関節角度と角速度が規定の範囲から外れている場合に、ユーザが歩行を停止しようとしていると判定する。すなわちコントローラ４０は、着地タイミングにおける第１脚のピッチ軸回りの股関節角度と関節角速度が規定の範囲を超えている場合、停止判定フラグにＯＮをセットする（Ｓ１６：ＮＯ、Ｓ１８）

なお、ステップＳ１４で着地フラグにＯＮが設定された後、或いは、ステップＳ１０の分岐でタイマ時間がリミット時間を超えた後に、コントローラ４０は次の着地タイミングの検知に備えてＧフラグをＯＦＦにリセットする（Ｓ２０）。また、コントローラ４０は、Ｇフラグのリセットと同時にタイマも停止する（Ｓ２０）。

図４のフローチャートは、制御サンプリング毎に実行される。特定部４２は、着地フラグと停止判定フラグをモータ制御部４４へ出力する。また、図４の処理は、後述するモータ制御部４４が実行する処理と並列して実行される。すなわち、特定部４２が特定した着地タイミングは、リアルタイムにモータ制御部４４で利用される。別言すれば、後述するように、モータ制御部４４は特定された着地タイミングで軌道パターンを切り替える。

図５を参照して、モータ制御部４４が実行する処理のフローチャートを示す。モータ制御部４４は、特定部４２から着地フラグと停止判定フラグを受け取る。停止判定フラグにＯＮが設定されている場合、モータ制御部４４は、記憶装置４６から停止用パターンを選択してモータ３２を制御する（Ｓ３０：ＹＥＳ、Ｓ３２）。他方、停止判定フラグがＯＮでなく、かつ、着地フラグにＯＮが設定されている場合には、モータ制御部４４は、記憶装置４６から遊脚用パターンを選択し、選択したパターンに追従するようにモータ３２を制御する（Ｓ３４：ＹＥＳ、Ｓ３６）。最後に、停止判定フラグがＯＮでなく、かつ、着地フラグにもＯＮが設定されていない場合、コントローラ４０は、記憶装置４６から立脚用パターンを選択し、選択した軌道パターンに追従するようにモータ３２を制御する（Ｓ３８）。以上のとおり、コントローラは、右脚の特定した着地タイミングで軌道パターンを切り替える。なお、停止用パターンは、立脚用パターン及び遊脚用パターンと異なる軌道パターンである。具体的には停止用パターンは、駆動ジョイント２０ｂの目標角速度が徐々にゼロに近づき、最終的に駆動ジョイント２０ｂを角度ゼロで停止する軌道パターンである。

歩行補助装置１０のその他の特徴を説明する。歩行補助装置１０は、立脚用パターンから遊脚用パターンに軌道パターンを切り替えるのに先立って、駆動ジョイント２０ｂを振動させる。この振動により、軌道パターンの切り替えをユーザに知らせる。前述したように遊脚用パターンへの切り替えによって駆動ジョイント２０ｂは膝屈曲方向に回転し始める。振動によりユーザは駆動ジョイント２０ｂの回転開始を知ることができるので、ユーザは歩行補助装置１０の動きを事前に知ることができる。なお、歩行補助装置１０は、振動の代わりに音出力を採用してもよい。

上記の実施例では、加速度タイミングに続く反力タイミングで軌道パターンを切り替える歩行補助装置１０を説明した。歩行補助装置１０のうち、図４に示した着地タイミング特定処理を実行する装置が、着地タイミング特定装置に相当する。

実施例では立脚用パターンと遊脚用パターンの一例を説明した。特定した着地タイミングで切り替える軌道パターンは実施例に限定されるものではない。また、加速度センサ３４は、大腿リンク１４よりも上方に位置する支持リンク３０に取り付けられていてもよい。また、膝ジョイント２０ｂに加え、脚装具１２の股ジョイント２０ａや足首ジョイント２０ｃにモータを取り付け、それらのジョイントを駆動ジョイントとして採用してもよい。

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
１２：脚装具
１４：大腿リンク
１６：下腿リンク
１８：足底リンク
２０ａ：股ジョイント
２０ｂ：膝ジョイント（駆動ジョイント）
２０ｃ：足首ジョイント
２１：エンコーダ
２２：圧力センサ（反力センサ）
３０：支持リンク
３２：モータ
３４：加速度センサ
４０：コントローラ
４２：タイミング特定部
４４：モータ制御部
４６：記憶装置

Claims (5)

1. 一方の脚が健脚であり他方の脚が患脚であるユーザの歩行中に患脚の動きから健脚の着地タイミングを特定する着地タイミング特定装置であり、
   患脚の足裏に加わる接地反力を検出する反力センサと、
   患脚の大腿部の鉛直方向加速度を検出する加速度センサと、
   検出された接地反力が予め定められた反力閾値を下回るタイミング（反力タイミング）と検出された加速度が予め定められた加速度閾値を超えるタイミング（加速度タイミング）を特定するとともに、加速度タイミングから予め定められたリミット時間内に検知した反力タイミングを着地タイミングとして特定するタイミング特定部と、
   を備えることを特徴とする着地タイミング特定装置。
2. 患脚の関節角度と関節角速度の少なくとも一方を検出する関節センサを備えており、
   タイミング特定部は、特定された着地タイミングにおける関節センサの出力値が予め定められた範囲から外れている場合に、歩行停止を判定する停止判定信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の着地タイミング特定装置。
3. 一方の脚が健脚であり他方の脚が患脚であるユーザの患脚に装着してユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であり、
   大腿リンクと下腿リンクが駆動ジョイントによって揺動可能に連結されており、大腿リンクと下腿リンクをユーザの患脚の大腿部と下腿部に夫々固定したときに駆動ジョイントがユーザの膝関節に隣接して位置する脚装具と、
   患脚の足裏に加わる接地反力を検出する反力センサと、
   脚装具の鉛直方向の加速度を検出する加速度センサと、
   大腿リンクと下腿リンクがなす角度であるジョイント角の経時的変化を記述したデータであって予め定められたジョイント角軌道パターンに追従するように駆動ジョイントを制御するコントローラと、を備えており、
   コントローラは、検出された接地反力が予め定められた反力閾値を下回るタイミング（反力タイミング）と検出された加速度が予め定められた加速度閾値を超えるタイミング（加速度タイミング）を特定するとともに、加速度タイミングから予め定められたリミット時間内に反力タイミングを検知した場合に、ジョイント角軌道パターンを立脚用ジョイント角軌道パターンから遊脚用ジョイント角軌道パターンに切り替えることを特徴とする歩行補助装置。
4. 立脚用ジョイント角軌道パターンの終端期間はジョイント角が一定であり、遊脚用ジョイント角軌道パターンは初期期間に駆動ジョイントを膝関節の屈曲方向に回転させる軌道を有していることを特徴とする請求項３に記載の歩行補助装置。
5. 脚装具が患脚の関節角度と関節角速度の少なくとも一方を検出する関節センサを備えており、
   コントローラは、加速度タイミングに続いて検知された反力タイミングにおける関節センサの出力が予め定められた範囲から外れている場合に、立脚用ジョイント角軌道パターンと遊脚用ジョイント角軌道パターンとは異なる第３のジョイント角軌道パターンに切り替えて駆動ジョイントを制御することを特徴とする請求項３に記載の歩行補助装置。

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