JP5405683B1 - 歩行支援機とそのシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】対象者の水平面での下肢位置情報から意図した歩行速度・方向を算出し、その動きを再現することで歩行をアシストする歩行支援システムを発展させ、各歩行周期に適切な量の重心移動を促す今までに無い3次元空間歩行支援システムを提供する。
【解決手段】座部１を適当に移動させることが出来る関節駆動アクチュエータを備えており、メインコントローラが使用者の水平面内での左右の足の動きに基づいて、使用者の理想的な臀部の骨盤のロール角、ヨー角、ピッチ角を算出すると共に、算出された理想的なロール角、ヨー角、ピッチ角からなる臀部の骨盤移動量と座部の移動量とを一致させるべく関節駆動アクチュエータの移動量を制御することで、使用者の歩行周期にわたって歩行中の重心動揺を軽減するための理想的な骨盤の動きを再現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、人間の歩行を支援する歩行支援機とそのシステムに関するものである。
近年、少子高齢化に伴い、筋力の衰えた高齢者等を対象とした福祉・介護機器が様々開発されている。これからさらに進むと予想される高齢化社会において、高齢者が自立して豊かな生活を維持できることが重要な課題となる。高齢者の自立生活を支援する中で、最も重要とされているのが、自ら単独で歩行できることであり、他人の手を借りずに生活空間を広げられることは自尊心の維持やプライバシーの問題にも有効である。
現状、単独で歩行するのが難しい高齢者や下肢障害者を対象とした、歩行を補助する機器として最も多く使われるのが歩行器である。歩行器とは体重を支えるフレームと4本（又はそれ以上）の脚から構成されている。歩行器の中には移動性を重視して、すべての脚にキャスターが装着されているモデルがある。このモデルは自由に動ける半面、筋力の衰えた高齢者や下肢障害者には扱いが難しい。また別のモデルとして4脚の内、2つが固定式の車輪、２つがフリーキャスターの歩行器がある。上記のモデルに比べて直進移動における安定性は向上するが、旋回移動に制限があるといった問題がある。
これらの問題に対して、特許文献１および特許文献２で提案されているような、モータ等を代表とする駆動力をもつアクチュエータを用いて車輪の移動量を制御することで、歩行器の安定性を保ちつつ、全方位移動可能なシステムをもつ歩行器が開発されている。
ここで歩行器を使用する対象者は、主に高齢者であることを前提とする必要があり、彼らは機械や電子デバイスに疎く、操作に対して振る舞いがゆっくりしていることを考慮しなければならない。しかしながらこれらのアクチュエータを有している歩行器は、操作する為に複雑な操縦装置が必要となる。その代表的な例として、ボタン、スイッチまたはジョイスティックなどにより移動量を操作するインターフェースが挙げられる。これらのインターフェースでは瞬時の判断の遅れ、筋力の衰えに起因して誤動作を起こす危険性がある。
これらの問題を解決する為に、本願発明者は、使用者の足位置の動きを近接測距センサで読み取って、その情報を基に歩行器の移動量や方向を決定することで、操縦装置を用いずに全方位に歩行支援することができる歩行器を開発した（非特許文献1~9）。
特開2012-081220号公報 特許第4003082号公報
T.Ohnuma, G.Lee, and N.Y.Chong."Particle filter based feedback control of JAIST active robotic walker", Proc.20th IEEE Int. Symp. Robot and Human Interactive Communication, pp.264-269,2011. 大沼孝徳, 李 根浩, 丁 洛榮. "ロバストPID制御を用いた歩行支援機JARoW の制御", 第12回計測自動制御学会 システムインテグレーション部門講演会, pp.2222-2224, 2011. G.Lee, E-J.Jung, T.Ohnuma,N.Y.Chong, and B-J.Yi. "JAIST robotic walker control based on a two-layeredKalman filter", Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, pp.3682-3687,2011. 大沼 孝徳，鄭 意程, 李根浩, 丁 洛榮. "カルマンフィルタを用いた歩行支援機JARoW の制御", 第28回日本ロボット学会学術講演会, 2010. 大沼 孝徳，李 根浩, 丁洛榮. "建設現場における作業員付随ロボットの開発", 第１２回建設ロボットシンポジウム, pp.129-134, 2010. G.Lee, T.Ohnuma, and N.Y.Chong."Design and control of JAIST active robotic walker", Journal of IntelligentService Robotics, vol.3, no.3, pp.125-135, 2010. 大沼 孝徳，李 根浩, 丁洛榮. "操縦装置を持たないアクティブ型歩行支援機JARoWの開発",ロボティクス・メカトロニクス講演会, 2010. T.Ootubo, G.Lee, T.Ohnuma,and N.Y.Chong. "A particle filter based lower- limb tracking for active walkercontrol", Proc. Int. Symp. Robotics and Intelligent Sensors, pp.168-173, 2010. T.Ohnuma, G.Lee, and N.Y.Chong."Development of an active walker with easy maneuverability", Proc. 6th Int.Conf. Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence, pp.406-410, 2009.
操縦装置を用いずに歩行支援を受けられる非特許文献1~9記載の装置（JARoW）は、高齢者にとっては使い勝手が良く安定性の高い歩行器である。具体的には2次元平面上における足の動きを読み取って、そのデータを基に使用者を追従する歩行器の2次元方向の動きを再現するシステムである。しかしながら人間の歩行は足の運動をはじめ、全身の動きに伴う重心移動による3次元空間での移動モデルと想定できる。現状の非特許文献1~9記載の装置（JARoW）は、操作に関して効果的な手法が用いられているが、歩行支援の効果は体重を支えるだけの従来の歩行器と変わらない。
本発明で対象となる下肢障害者や筋力低下による歩行能力の低い高齢者の歩行動作には、手足の動きに伴う体の重心移動に起因して、ストライド長(歩幅)が短く、歩隔が増大し、また歩行率(1分あたりの歩数)が減少傾向になり、それらから２次的に起こる立脚期の増大などの特徴がある。さらに片麻痺による下肢障害者においては、左右の歩幅が不均等、重心の左右振幅が大きく麻痺側によっている等の特徴を示す。これら歩行能力の低下は筋力低下や障害による重心動揺の増加によるものであるとされる。従って重心移動を適切に促すことで消費エネルギーの少ない自然な歩行が可能になると考えられる。
本発明は、非特許文献1~9記載の装置(JARoW)で用いられる、対象者の水平面での下肢位置情報から意図した歩行速度・方向を算出し、その動きを再現することで歩行をアシストする歩行支援システムを発展させ、各歩行周期に適切な量の重心移動を促す今までに無い3次元空間歩行支援システムの提案である。
使用者の体重を支える本体部と、本体部を少なくとも水平面内で移動させるドライブトレインと、使用者の水平面内での左右の足の動きを測定する測距センサと、測距センサで得られた足位置データに基づいてドライブトレインの駆動を制御するメインコントローラを備えており、使用者が特定の操縦装置を用いることなく、左右の足の動きのみに基づいて使用者の移動方向と速度を認識し、その移動方向と速度を遅延なく再現することで使用者の歩行を支援する歩行支援機において、前記本体部の一部に使用者の臀部を保持するための座部と、当該座部を適当に移動させることが出来る関節駆動アクチュエータを備えており、前記メインコントローラが使用者の水平面内での左右の足の動きに基づいて、使用者の理想的な臀部の骨盤のロール角、ヨー角、ピッチ角を算出すると共に、算出された理想的なロール角、ヨー角、ピッチ角からなる臀部の骨盤移動量と座部の移動量とを一致させるべく前記関節駆動アクチュエータの移動量を制御することで、使用者の歩行周期にわたって歩行中の重心動揺を軽減するための理想的な骨盤の動きを再現することを特徴とする歩行支援機。
使用者の体重を支える本体部と、本体部を少なくとも水平面内で移動させるドライブトレインと、使用者の水平面内での左右の足の動きを測定する測距センサと、測距センサで得られた足位置データに基づいてドライブトレインの駆動を制御するメインコントローラを備えており、使用者が特定の操縦装置を用いることなく、左右の足の動きのみに基づいて使用者の移動方向と速度を認識し、その移動方向と速度を遅延なく再現することで使用者の歩行を支援する歩行支援システムにおいて、前記本体部の一部に使用者の臀部を保持するための座部と、当該座部を適当に移動させることが出来る関節駆動アクチュエータを備えており、前記メインコントローラが使用者の水平面内での左右の足の動きに基づいて、使用者の理想的な臀部の骨盤のロール角、ヨー角、ピッチ角を算出すると共に、算出された理想的なロール角、ヨー角、ピッチ角からなる臀部の骨盤移動量と座部の移動量とを一致させるべく前記関節駆動アクチュエータの移動量を制御することで、使用者の歩行周期にわたって歩行中の重心動揺を軽減するための理想的な骨盤の動きを再現することを特徴とする歩行支援システム。
使用者の体重を支える本体部と、本体部を少なくとも水平面内で移動させるドライブトレインと、使用者の水平面内での左右の足の動きを測定する測距センサと、測距センサで得られた足位置データに基づいてドライブトレインの駆動を制御するメインコントローラを備えており、使用者が特定の操縦装置を用いることなく、左右の足の動きのみに基づいて使用者の移動方向と速度を認識し、その移動方向と速度を遅延なく再現することで使用者の歩行を支援する歩行支援機において、前記本体部の一部に使用者の臀部を保持するための座部と、当該座部を適当に移動させることが出来る関節駆動アクチュエータを備えており、前記メインコントローラが使用者の水平面内での左右の足の動きに基づいて、使用者の重心位置の水平方向及び鉛直方向の移動量を算出すると共に、当該重心位置の移動量と座部の移動量とを一致させるべく前記関節駆動アクチュエータの駆動を制御することで、使用者の歩行周期にわたって重心位置を適切に動揺させ、重心動揺を軽減した理想的な歩行を再現することを特徴とする歩行支援機。
使用者の体重を支える本体部と、本体部を少なくとも水平面内で移動させるドライブトレインと、使用者の水平面内での左右の足の動きを測定する測距センサと、測距センサで得られた足位置データに基づいてドライブトレインの駆動を制御するメインコントローラを備えており、使用者が特定の操縦装置を用いることなく、左右の足の動きのみに基づいて使用者の移動方向と速度を認識し、その移動方向と速度を遅延なく再現することで使用者の歩行を支援する歩行支援システムにおいて、前記本体部の一部に使用者の臀部を保持するための座部と、当該座部を適当に移動させることが出来る関節駆動アクチュエータを備えており、前記メインコントローラが使用者の水平面内での左右の足の動きに基づいて、使用者の重心位置の水平方向及び鉛直方向の移動量を算出すると共に、当該重心位置の移動量と座部の移動量とを一致させるべく前記関節駆動アクチュエータの駆動を制御することで、使用者の歩行周期にわたって重心位置を適切に動揺させ、重心動揺を軽減した理想的な歩行を再現することを特徴とする歩行支援システム。
本発明で提案する歩行支援機（歩行支援システム）は、操縦装置を使わず、誰でも簡単に使えるというこれまでの研究成果（非特許文献1~9記載の装置JARoW）の特色を生かしつつ、使用者の歩行周期にわたって歩行中の重心動揺を軽減するための理想的な臀部（骨盤）の動きを再現する今までにない歩行支援機（歩行支援システム）である。
本歩行支援機（歩行支援システム）の対象者となる高齢者や下肢障害者の歩行能力低下は、筋力低下や障害に伴う歩行中の重心動揺の増加に起因する。重心動揺増加の要因の一部には不適切な臀部（骨盤）の動きとの関連性があり、増加した重心動揺を減少させるには適切な臀部（骨盤）の運動が重要になる。
そこで、提案する歩行支援機に設置されたメインコントローラが、使用者の水平面内での左右の足の動きに基づいて、使用者の理想的な臀部（骨盤）の移動量を算出すると共に、該当臀部（骨盤）移動量と設置された座部の移動量とを一致させるべく関節駆動アクチュエータの駆動を制御することで、使用者の歩行周期にわたって歩行中の重心動揺を軽減するための理想的な臀部（骨盤）の動きを再現する。それによって重心位置を適切に促し、使用者が歩行中における適切な重心動揺を再現することが出来る。筋力低下や身体障害に起因した不適切な歩行中の重心動揺を、この歩行支援機を用いることによる歩行に適切な重心動揺の再現により、健常者の歩行に近い消費エネルギーでの歩行が可能になると考えられる。
また高齢者にとって歩行という行為は単純な肉体的動作に留まらず、健康の維持や促進等の効果、気分転換等の精神的効果、または地域コミュニティの活性化などに効果が有るとされている。この操縦装置を用いず重心動揺を補助する歩行支援システムを「歩行を行うことで健康を維持できる新しいタイプのモビリティ」として活用することで高齢者・障害者が誰でも簡単に自立した生活を送る環境の構築と同時に、彼らのQoLの向上が期待できる。その他の効果として、自ら歩行は行えるが、歩行動作に伴い監視が必要だった高齢者・障害者に対して使用することが出来るため、彼らのプライバシーや自尊心の保護を行うことができ、同時に本発明による歩行支援システムによる効果的な歩行補助を行うことによる健康維持や筋力回復などのリハビリテーションとしての役割も担うことが出来る。
本発明の歩行支援システムを適用した歩行支援機のイメージ図である。 歩行支援機の内部構造の図解である。 メインコントローラの構成図である。 搭載されたレーザレンジファインダにより使用者の両足脛位置側面を測定し、脛直径を算出した時のイメージ図である。 測定された脛側面位置からその平均値を算出した時のイメージ図である。 両足脛側面位置平均値から両足中心位置を算出した時のイメージ図である。 両足中心位置から体中心位置を算出した時のイメージ図である。 移動モード決定におけるアルゴリズムである。 歩行中における足位置に関する各種パラメータの図解である。 移動速度決定に関する体中心位置と歩行支援機中心位置の図解である。 歩行中における片足の遊脚期に関する各種パラメータの図解である。 使用者の歩様と重心移動量の関係図である。 理想的な臀部（骨盤）の移動量、および方向を示したイメージ図である。
[第一の実施の形態]
本発明の第一の実施の形態について説明する。
図１及び２に示すように、本発明の歩行支援機100は、使用者の臀部をサポートする座部1が設置されている本体部2と、三つの脚部3(3a、3b、3c)と、本体部2と各脚部3を繋げる三つの駆動関節部4(4a、4b、4c)より構成されている。脚部3にはドライブトレインとしての(株)相愛製モータ内蔵型オムニホイール5（5a、5b、5c）と、使用者の脛部を測定する近接測距センサ6(6a、6b)が設置される。駆動関節部4の両端には、座部1を定められた範囲で自由に可動することが出来る関節駆動アクチュエータ７(7a、7b、7c、7d、7e、7f)が設置されている。本体部2には、脚部3に設置された近接測距センサ6から得られた使用者の足位置データを入力として、歩行支援機100の水平面方向の速度と、使用者の重心の動き(臀部・臀部の動き)を決定し、各脚部3のドライブトレイン5への出力と、各関節駆動アクチュエータ7への出力を行うメインコントローラ8が内蔵されている。
図3に示すように、メインコントローラ8内部の制御手法は大きく二つの手法によって構成される。一つは、近接測距センサ6からのデータを基に使用者の現在の動きを観測・推定する歩行動作観測手法9。もう１つは、観測・推定された使用者の動きから歩行支援機の動きを生成する歩行支援機行動決定手法10である。さらに詳しく見ると、歩行動作観測手法9は、両足・体中心位置算出部11と歩行パターン観測部12の二つで構成される。さらに歩行支援機行動決定手法10は、
歩行支援機運動制御部13と臀部(骨盤)運動制御部14の二つで構成される。
各部の詳細について順次説明する。まず両足・体中心位置算出部11では、近接測距センサ6から得られた両足側面位置情報から使用者の現在における運動状況の観測と推定を行う。例えば図4の点15a~lで示したように、近接測距センサ6として(株)北陽電機のレーザレンジファインダ(LRF)を用いて両足脛位置を測定したデータを取得する。その情報から脛の直径dを計算する。次に図5の×印で示すように、測定した脛位置情報15a~lからその平均中心点16a、16bを計算する。さらに図6の○印に示すように、脛の中心位置17a、17bを算出する為に、平均中心点16a、16bから脛の中心方向にdmc=k*dだけオフセットする（kは一定係数）。そして最後に図7に示すように両足の中心位置17a、17bを結んだ直線上の中点を推定された体中心位置18として定める。これら両足脛中心位置17a、17bと体中心位置18をそれぞれPl、Pr、Pbcとする。これらの数値はすべて歩行支援機の中心点を原点とする水平面内のローカル座標系上で計算される。
歩行パターン観測部12では決定されたPl、Pr、Pbcの情報から、現在使用者がどのような動きを行っているかを判断し歩行支援機の移動モードを決定する。まず使用者の動作を前進移動19、後退移動20、左平行移動21、右平行移動22、左旋回移動23、右旋回移動24の６つの移動モードに分け、これらの組み合わせにより使用者の移動が成立していると設定する。
ここで現在の移動モードを判別する為の具体的なアルゴリズムのフローチャートを図８に示す。入力として左足脛中心位置Pl =(Pl,x、 Pl,y ) 、右足脛中心位置Pr =(Pr,x、 Pr,y )、体中心位置Pbc =(Pbc,x、 Pbc,y )が与えられたとするS1。まず図９に示すように、PlとPr間のx軸方向の距離25、PlとPr間のy軸方向の距離26をそれぞれdx、dyとして算出するS2。 前進移動19または後退移動20時、dxの値は常にサンプリングされ、平均値27をdx,m、標準偏差28を
dx,σとして算出する。同様に左平行移動21または右平行移動22時、dyの値は常にサンプリングされ、平均値29をdy,m、標準偏差30をdy,σとして算出する。これらの値は図９に示すような帯状の境界線（左足前後進に関する境界線A1、右足前後進に関する境界線A2、左足平行移動に関する境界線A3、右足平行移動に関する境界線A4）として、歩行支援機の中心点を原点とする水平面内のローカル座標系上に表すことが出来る。
次に、dyに比べ2*dy,σが大きい時（S3でyes）、Pbc,xが正（S4でyes）ならば右平行移動22、Pbc,xが負（S4でno）ならば左平行移動21をそれぞれ出力する。次に、dyに比べ2*dy,σが小さい（S3でno）、且つdx,m−dx,σ＜dx＜dx,m＋dx,σが成り立つ時（S5でyes）、Pbc,yが正(S6でyes)なら前進移動19、Pbc,yが負(S6でno)ならば後退移動20をそれぞれ出力する。最後に、dx,m−dx,σ≧dx又はdx,m＋dx,σ≦dxが成り立つ時（S5でno）、Pbc,xが正（S7でyes）ならば右旋回移動24、Pbc,xが負（S7でno）ならば左旋回移動23をそれぞれ出力する。
歩行支援機運動制御部13では歩行支援機の速度を算出する。具体的には両足・体中心位置算出部11で推定された使用者の体中心位置Pbcと、歩行支援機の中心位置31(以下Pjcとする)を常に一致させるように歩行支援機の速度を決定する。図10に示すように、PbcとPjcのx方向距離32とy方向距離33をそれぞれex、eyとする。また図11に示すように、使用者の前進歩行中における片足が、立脚期から遊脚期に移り変わる時の位置34(以下Paとする)から遊脚期から立脚期に移り変わる時の位置35(以下Pbとする)に移動したときの距離36をdsl 、移動に要した時間37をtslとすると、使用者の平均移動速度vbveは、
Figure 0005405683
 と推定することが出来る。使用者の推定移動速度を考慮した歩行支援機の移動速度は、PID制御法を用いると、x軸方向、y軸方向の速度はそれぞれ
Figure 0005405683
Figure 0005405683
 として出力する。ここでKp,x、Ki,x、Kd,xはx軸方向の速度に関するPID制御に用いる各種ゲイン、Kp,y、Ki,y、Kd,yはy軸方向の速度に関するPID制御に用いる各種ゲインである。これら出力された速度は前進移動19、後退移動20、平行移動21、22時の速度として適用される。なお旋回移動23、24時の速度は一定（使用者に合わせて設定した値）として出力する。
臀部(骨盤)運動制御部14では、図12に示すような使用者の歩行中の重心動揺38、39を使用者の現在の足位置から算出し、高齢者に顕著にみられる不適切な重心動揺を適切な動きに補正することで歩行補助を行う。そもそも不適切な重心動揺とは、加齢による筋力低下や身体障害に起因する重心の移動量が増加した状態であり、適切な重心動揺とはその増加した重心動揺を減少することで歩行に関するエネルギー消費量が低減された状態とする。使用者の重心動揺軽減を実現し消費エネルギーの少ない歩行を実現する手法として、本歩行支援機では使用者の骨盤（臀部）の動きに着目する。3次元空間における重心動揺は骨盤（臀部）の運動に関連して減少することが知られている。
図13に示すように、骨盤（臀部）の動きとして[1]支持脚と反対側の骨盤（臀部）の側面方向への傾斜40、[2]水平面における骨盤（臀部）の旋回41、[3]骨盤（臀部）の前傾方向への傾斜42、これら三つの動きが適切な重心動揺、すなわち重心動揺の減少に関連する。まず[1]については、単脚支持期に伸展した支持脚によって重心位置の上昇が起こるが、同時に支持脚の反対側の骨盤（臀部）が側面方向へ傾斜することにより重心位置が下降する。立脚期が始まり荷重が立脚肢へ移ると、冠状面で骨盤（臀部）は遊脚側へ傾くことで重心位置の上昇を抑える。それと同時に骨盤（臀部）が側面方向へ移動することで、荷重を支持する立脚の膝関節は、股関節から床に伸びる鉛直線に近づくことになる。これにより歩隔を減少させると同時に、大腿骨の骨盤（臀部）に対する角度変化が生じ、それによって左右方向への重心動揺を軽減することになる。次に[2]については、水平面において重心位置から支持脚に向かって後方へ、遊脚に向かって前方へ旋回する。この骨盤（臀部）の旋回は、両脚支持期で重心の降下量を減少させる。また同時に骨盤（臀部）が旋回することで、旋回しないときに比べて両足の床接触点の距離が長くなり、歩幅が増加し脚の機能的長さの増大に貢献できる。そして同様に骨盤（臀部）が旋回することで、両足の床接触点が股関節の進行方向上の中心線に接近するため、それにともなって歩隔が減少する。歩隔の減少により支持面がより重心位置の真下に近づき、それによって左右方向への重心動揺を軽減することになる。これらは骨盤（臀部）の旋回により、歩幅を一定以上に保ちつつ股関節が進路上からそれることを軽減している。同じ歩幅を保ちつつ、骨盤（臀部）を旋回させない場合、股関節を大きく屈曲伸展する必要がある。結果として骨盤（臀部）の旋回により両脚支持期での重心の下降を軽減することになる。最後に[3]について、身体の重心位置は両方の股関節の中央に位置しているため、単脚支持期に骨盤（臀部）が前傾方向へ斜頸することで、骨盤（臀部）の遊脚側の傾斜量の半分が身体の重心位置の上昇を抑えていることになる。
これら三つの骨盤（臀部）の運動が儘ならないことが原因で重心動揺の増加に繋がるため、本歩行支援機では上記の骨盤（臀部）運動を促すことで重心動揺の軽減を図る。上記の骨盤（臀部）の動きは[1]座部または本体部のロール角の制御、[2]座部または本体部のヨー角の制御、[3]座部または本体部のピッチ角の制御でそれぞれ再現することができる。
具体的には、入力として左足脛中心位置 Pl =(Pl,x、 Pl,y )、右足脛中心位置Pr =(Pr,x、 Pr,y )が与えられたとする。そこから前述の手法と同様に時刻tにおける両足間のy軸方向距離dy(t)と、時刻t時での最新の一歩分の距離データdsl(t)を算出する。これらの情報より現在の両足位置と骨盤（臀部）のロール角ωroll40、ヨー角ωyaw41、ピッチ角ωpitch42は以下の式で表すことができる。
Figure 0005405683
Figure 0005405683
Figure 0005405683
 と出力する。なお、
Figure 0005405683
 である。ここでkroll、kyaw、kpitchはそれぞれ、発生させるロール角40、ヨー角41、ピッチ角42からなる骨盤（臀部）移動量に関する係数で、個々の使用者における身体的特徴、歩容特徴などによりセッティングする。理想的にはロール角、ヨー角、ピッチ角の振幅はそれぞれ7度、5度、2度とされる。またvlyはy軸方向の左足の速度、vryはy軸方向の右足の速度とする。
これら統合された歩行支援システムにより、使用者は何も操作すること無く、自らの歩行に伴って測定された足位置データを用いて、使用者の歩行に連動した歩行支援機の運動（方向や速度）と、歩行中における使用者の骨盤（臀部）の動きを補正することで、消費エネルギーの少ない適切な重心動揺を実現する今までにない歩行支援機を実現する。
[第二の実施の形態]
本発明の第二の実施の形態について説明する。第二の実施の形態は、上記第一の実施の形態における臀部(骨盤)運動制御部14を重心動揺制御部に置き換える。
重心動揺制御部では、図12に示すような使用者の歩行中の重心動揺38、39を、使用者の現在の足位置から算出し、その動きを座部1又は本体部2が再現し、直接使用者の臀部(骨盤)の重心動揺を適切に促し歩行補助を行う。入力として左足脛中心位置 Pl =(Pl,x、 Pl,y )、右足脛中心位置Pr =(Pr,x、 Pr,y )が与えられたとする。そこから前述の手法と同様に時刻tにおける両足間のy軸方向距離dy(t)と、時刻t時での最新の一歩分の距離データdsl(t)を算出する。重心位置のx軸方向の移動量 dx,hbと、z軸方向の移動量dz,hbはそれぞれ
Figure 0005405683
Figure 0005405683
 として出力する。なお、
Figure 0005405683
 である。ここでkx、kzはx軸,z軸の移動量に関する係数、vlyはy軸方向の左足の速度、vryはy軸方向の右足の速度とする。
これら統合された歩行支援システムにより、使用者は何も操作すること無く、自らの歩行に伴って測定された足位置データを用いて、使用者の歩行に連動した歩行支援機の運動（方向や速度）と、歩行中における使用者の重心動揺を補正することで、消費エネルギーの少ない適切な歩行を行える今までにない歩行支援機を実現する。
なお、本実施の形態では0.1秒間隔で連続して上記(メインコントローラ8に関連する制御)の処理が行われる。すなわち入力である両足側面位置情報から、歩行支援機の運動を0.1秒間隔で出力するが、これに限らず使用者の動きと歩行支援機の動きが一致する限りどのような間隔で入出力を行っても構わない。
なお、本実施の形態ではドライブトレインの一部としてモータ内蔵型オムニホイール5a,5b,5cを用いたが、これに限らず歩行支援機の本体部を水平面内で全方位に動かすことの出来るシステムならばどのような手段、手法を用いてもよい。
なお、本実施の形態では三つの脚部とその先端につけられた三つのモータ内蔵型オムニホイールを用いたが、三つに限らず、本体部が安定している限り、脚部とそれに伴うドライブトレインの個数に制限は設けない。
なお、本実施の形態では近接測距センサ6を用いたが、両足脛側面位置が測位できる限り、その個数や測位手段に制限は設けない。
なお、本実施の形態では駆動関節部4の両端に、関節駆動アクチュエータ７を用いたが、座部１が上記で定められた範囲内で自由に可動することが出来るシステムならばどのような手段、手法を用いてもよい。
なお、本実施の形態では水平面内における両足側面位置情報を入力として用いたが、両足の位置やそれに伴う移動量、移動方向、速度などが把握することが出来れば、どのような手法を用いてもよい。
なお、本実施の形態では歩行支援機の速度を算出する手法としてPID制御法を用いたが、これに限らず足位置情報に関連して正確に歩行支援機の速度を算出できれば、どのような手法を用いてもよい。
筋力が衰え、歩行が自然に行えない高齢者をはじめ、機械や電子デバイスの操作に疎い高齢者、または片麻痺等の歩行器の操作を行えず、且つ歩行支援が必要な障害者のための歩行支援システムとして利用できる。またリハビリテーションとしての歩行訓練にも適応することが可能である。そして健康な高齢者が筋力維持を目的として、日常生活で用いることが出来るシティモビリティとして活用することも期待できる。
１：座部
２：本体部
３：脚部
４：駆動関節部
５：モータ内蔵型オムニホイール
６：近接測距センサ
７：駆動関節アクチュエータ
８：メインコントローラ
９：歩行動作観測手法
１０：歩行支援機行動決定手法
１１：両足・体中心位置算出部
１２：歩行パターン観測部
１３：歩行支援機運動制御部
１４：臀部(骨盤)運動制御部
１５：脛部側面測定点
１６a：左脛部側面測定点平均中心位置
１６b：右脛部側面測定点平均中心位置
１７a：左足脛中心位置
１７b：右足脛中心位置
１８：体中心位置
１９：前進移動
２０：後退移動
２１：左平行移動
２２：右平行移動
２３：左旋回移動
２４：右旋回移動
２５：両足脛中心位置間x軸方向距離
２６：両足脛中心位置間y軸方向距離
２７：サンプリングされた両足脛中心位置間x軸方向距離の平均値
２８：サンプリングされた両足脛中心位置間x軸方向距離の標準偏差
２９：サンプリングされた両足脛中心位置間y軸方向距離の平均値
３０：サンプリングされた両足脛中心位置間y軸方向距離の標準偏差
３１：歩行支援機の中心位置
３２：体中心位置と歩行支援機中心位置間のx軸方向距離
３３：体中心位置と歩行支援機中心位置間のy軸方向距離
３４：歩行中の片足が立脚期から遊脚期に移り変わる時の位置
３５：歩行中の片足が遊脚期から立脚期に移り変わる時の位置
３６：歩行中の片足が遊脚期に移動した距離
３７：歩行中の片足が遊脚期に要した時間
３８：使用者の重心位置のx軸方向の移動量
３９：使用者の重心位置のz軸方向の移動量
４０：支持脚と反対側の骨盤（臀部）の側面方向への傾斜(ロール角)
４１：水平面における骨盤（臀部）の旋回(ヨー角)
４２：骨盤（臀部）の前傾方向への傾斜(ピッチ角)

Claims (4)

  1. 使用者の体重を支える本体部と、本体部を少なくとも水平面内で移動させるドライブトレインと、使用者の水平面内での左右の足の動きを測定する測距センサと、測距センサで得られた足位置データに基づいてドライブトレインの駆動を制御するメインコントローラを備えており、使用者が特定の操縦装置を用いることなく、左右の足の動きのみに基づいて使用者の移動方向と速度を認識し、その移動方向と速度を遅延なく再現することで使用者の歩行を支援する歩行支援機において、
    前記本体部の一部に使用者の臀部を保持するための座部と、
    当該座部を適当に移動させることが出来る関節駆動アクチュエータを備えており、
    前記メインコントローラが使用者の水平面内での左右の足の動きに基づいて、
    使用者の理想的な臀部の骨盤のロール角、ヨー角、ピッチ角を算出すると共に、算出された理想的なロール角、ヨー角、ピッチ角からなる臀部の骨盤移動量と座部の移動量とを一致させるべく前記関節駆動アクチュエータの移動量を制御することで、使用者の歩行周期にわたって歩行中の重心動揺を軽減するための理想的な骨盤の動きを再現することを特徴とする歩行支援機。
  2. 使用者の体重を支える本体部と、本体部を少なくとも水平面内で移動させるドライブトレインと、使用者の水平面内での左右の足の動きを測定する測距センサと、測距センサで得られた足位置データに基づいてドライブトレインの駆動を制御するメインコントローラを備えており、使用者が特定の操縦装置を用いることなく、左右の足の動きのみに基づいて使用者の移動方向と速度を認識し、その移動方向と速度を遅延なく再現することで使用者の歩行を支援する歩行支援システムにおいて、
    前記本体部の一部に使用者の臀部を保持するための座部と、
    当該座部を適当に移動させることが出来る関節駆動アクチュエータを備えており、
    前記メインコントローラが使用者の水平面内での左右の足の動きに基づいて、
    使用者の理想的な臀部の骨盤のロール角、ヨー角、ピッチ角を算出すると共に、算出された理想的なロール角、ヨー角、ピッチ角からなる臀部の骨盤移動量と座部の移動量とを一致させるべく前記関節駆動アクチュエータの移動量を制御することで、使用者の歩行周期にわたって歩行中の重心動揺を軽減するための理想的な骨盤の動きを再現することを特徴とする歩行支援システム。
  3. 使用者の体重を支える本体部と、本体部を少なくとも水平面内で移動させるドライブトレインと、使用者の水平面内での左右の足の動きを測定する測距センサと、測距センサで得られた足位置データに基づいてドライブトレインの駆動を制御するメインコントローラを備えており、使用者が特定の操縦装置を用いることなく、左右の足の動きのみに基づいて使用者の移動方向と速度を認識し、その移動方向と速度を遅延なく再現することで使用者の歩行を支援する歩行支援機において、
    前記本体部の一部に使用者の臀部を保持するための座部と、
    当該座部を適当に移動させることが出来る関節駆動アクチュエータを備えており、
    前記メインコントローラが使用者の水平面内での左右の足の動きに基づいて、
    使用者の重心位置の水平方向及び鉛直方向の移動量を算出すると共に、当該重心位置の移動量と座部の移動量とを一致させるべく
    前記関節駆動アクチュエータの駆動を制御することで、使用者の歩行周期にわたって重心位置を適切に動揺させ、重心動揺を軽減した理想的な歩行を再現することを特徴とする歩行支援機。
  4. 使用者の体重を支える本体部と、本体部を少なくとも水平面内で移動させるドライブトレインと、使用者の水平面内での左右の足の動きを測定する測距センサと、測距センサで得られた足位置データに基づいてドライブトレインの駆動を制御するメインコントローラを備えており、使用者が特定の操縦装置を用いることなく、左右の足の動きのみに基づいて使用者の移動方向と速度を認識し、その移動方向と速度を遅延なく再現することで使用者の歩行を支援する歩行支援システムにおいて、
    前記本体部の一部に使用者の臀部を保持するための座部と、
    当該座部を適当に移動させることが出来る関節駆動アクチュエータを備えており、
    前記メインコントローラが使用者の水平面内での左右の足の動きに基づいて、
    使用者の重心位置の水平方向及び鉛直方向の移動量を算出すると共に、当該重心位置の移動量と座部の移動量とを一致させるべく
    前記関節駆動アクチュエータの駆動を制御することで、使用者の歩行周期にわたって重心位置を適切に動揺させ、重心動揺を軽減した理想的な歩行を再現することを特徴とする歩行支援システム。




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