JP5494011B2 - 動作支援システム - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの関節にトルクを与えてユーザの動作を補助する装着型動作支援装置に関する。

ユーザの関節にトルクを与えてユーザの動作を補助する動作支援装置は、パワードスーツ、或いはアシスト装置などと呼ばれることがある。例えば特許文献１にアシスト装置の一例が開示されている。また、歩行動作の支援に特化した動作支援装置は、歩行補助装置或いは歩行支援装置と呼ばれることがある。

特開２００４−１１４２９２号公報

パワードスーツは、主に、筋力よりも大きな力を出すための動作支援装置の呼称である。パワードスーツのユーザは、例えば軍人や工場作業員など、パワードスーツを使いこなす訓練を受けた者が対象である。その一方で、動作支援装置は、腕或いは脚を動かすことに難がある非健常者や高齢者などの補助具、或いはリハビリ用装置として用いられることが期待されている。訓練を受けることができる軍人や工場作業員などと異なり、非健常者や高齢者などは、そのような装置に慣れていない。特に、人体に装着されるタイプの動作支援装置（装着型動作支援装置）の場合、人体に力を加える（関節にトルクを加える）機械が人体に密着するため、そのユーザは装置の動きを事前に理解していないと不安を感じるおそれがある。装着型動作支援装置に対するユーザの不安感を軽減する技術が望まれている。

本明細書が開示する技術の一実施形態は、動作支援システムに具現化することができる。そのシステムは、ユーザの関節にトルクを与えてユーザの動作を補助する装着型動作支援装置と、装着型動作支援装置の動作を規定するパラメータを指定するための入力デバイスと、入力されたパラメータに基づく装着型動作支援装置の動作を表すシミュレーション画像を表示する表示デバイスを備える。この動作支援システムは、装着型動作支援装置を実際に動作させるのに先立って、その動作のシミュレーション画像をユーザに提供することができる。ユーザは、装着型動作支援装置を実際に動かす前に、その動きを画像によって知ることができる。

ここで、「装着型動作支援装置の動作を規定するパラメータ」には、例えば、装置の動きの速度や、動作範囲を指定する数値が挙げられる。具体的には、装着型動作支援装置がユーザの腕や脚に沿って装着される多リンク機構の場合、「パラメータ」はリンクの揺動速度や揺動範囲を指定する数値であってよい。或いは、装着型動作支援装置が歩行動作を支援する装置である場合、「パラメータ」は、歩行速度や歩幅を指定する数値であってよい。また、「表示デバイス」とは、単なるモニタやディスプレイではなく、モニタやディスプレイに表示するための画像を生成するコンピュータ或いはコントローラを意味することに留意されたい。キーボードとディスプレイを備えるコンピュータであり、入力されたパラメータに基づく動作支援装置の動きをシミュレーションして表示するとともに、入力されたパラメータを装着型動作支援装置のコントローラへ送信するコンピュータが、表示デバイスと入力デバイスの双方を兼ねてよい。

表示デバイスの一実施形態は、装着型動作支援装置の画像だけでなく、その装置を装着している人体を模した画像を含むシミュレーション画像を表示することが好ましい。例えば、装着型動作支援装置がユーザの脚に装着する装置であっても、表示デバイスは、ユーザの頭部、腕、体幹を含む身体全体を模した画像を含むシミュレーション画像を表示する。そのような動作支援システムは、装着型動作支援装置の動きだけでなく、ユーザの体が装着型動作支援装置によってどのように動かされるのかを分かり易く提示することができる。

表示デバイスのさらに別の一実施形態は、入力された新規パラメータに基づく動作を表す第１シミュレーション画像と、既に設定されている既設定パラメータに基づく動作を表す第２シミュレーション画像の両方を同時に表示することが好ましい。リハビリ用装置などは、ユーザの身体能力のレベルに応じて、その装置の動きを変更することが想定される。上記の動作支援システムは、パラメータの変更によって装着型動作支援装置の動きがどのように変化するのか、第１と第２のシミュレーション画像の同時表示によって分かり易く提示することができる。

表示デバイスが表示するシミュレーション画像は、装置の動きを動画表示することが好ましい。表示デバイスは、簡便には、例えば人体を線分の組み合わせで模したいわゆるスティック図で描くものであってもよい。表示デバイスによる表示は動画であることが好ましいが、例えば、歩行動作を補助する装着型動作支援装置の場合は、その装置によって実現される歩行足跡を表示するものであってもよい。例えば、表示デバイスは、現在のパラメータで装着型動作支援装置を動かした場合の足跡の予想図と、入力されたパラメータで装着型動作支援装置を動かした場合の足跡の予想図を同時に表示することが好ましい。歩行足跡の画像は、間接的ではあるが、装着型動作支援装置の動きを表す画像に相当する。

本発明によれば、装着型動作支援装置に対するユーザの不安感を軽減する動作支援システムを提供できる。

動作支援システムの模式的正面図を示す。 動作支援システムの模式的側面図を示す。 動作支援システムの表示例を示す。 動作支援システムの他の表示例を示す。 ユーザが動作支援システムを使うときの手順を示す（システムの使用例）。

図面を参照して実施例の動作支援システムを説明する。図１に動作支援システム１００の模式的正面図を示し、図２に動作支援システム１００の模式的側面図を示す。この動作支援システム１００は、ユーザの脚の関節にトルクを付与し、歩行動作や立ち上がり／着座動作を補助する。この動作支援システム１００は、脚を故障した人のためのリハビリテーションに用いることもできる。

動作支援システム１００は、ユーザの一方の脚に装着する脚装具１２（装着型動作支援装置）と、端末５０を備える。脚装具１２の機械的構造を説明する。脚装具１２は、ユーザの大腿から下腿に沿って右脚の外側に装着される。脚装具１２は、腰リンク３０、上リンク１４、下リンク１６、及び足リンク１８を有する多リンク機構で構成されている。上リンク１４の上端が第１ジョイント２０ａを介して腰リンク３０に揺動可能に連結されている。下リンク１６の上端が、第２ジョイント２０ｂによって、上リンク１４の下端に揺動可能に連結されている。足リンク１８は、第３ジョイント２０ｃによって、下リンク１６の下端に揺動可能に連結されている。腰リンク３０はユーザの腰に固定される。上リンク１４はベルトでユーザの大腿に固定される。下リンク１６はベルトでユーザの下腿に固定される。足リンク１８はベルトでユーザの足に固定される。足リンク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、第１ジョイント２０ａ、第２ジョイント２０ｂ、及び第３ジョイント２０ｃは夫々、ユーザの右股関節のピッチ軸、膝のピッチ軸、及び、足首のピッチ軸と略同軸に位置する。腰リンク３０を除く各リンクは、ユーザの右脚の動きに応じて揺動することができる。各ジョイントは、そのジョイントに連結している２つのリンクの間の角度を検出するエンコーダ２１を有している、２つのリンクの間の角度が関節角に相当する。即ち、エンコーダ２１は、各関節の角度を検出する。第１ジョイント２０ａのエンコーダ２１は、ユーザの右股関節のピッチ軸周りの関節角を検出する。第２ジョイント２０ｂのエンコーダ２１は、ユーザの右膝ピッチ軸周りの関節角を検出する。第３ジョイント２０ｃのエンコーダ２１は、ユーザの右足首ピッチ軸周りの関節角を検出する。以下では、各ジョイントに取り付けられているエンコーダ群２１を角度センサ２１と総称することがある。

足リンク１８には、接地センサ１９が取り付けられている。接地センサ１９は、足底の前と後ろの２箇所に取り付けられている。接地センサ１９は、右脚が接地しているか否かを検知する。

第２ジョイント２０ｂには、モータ（アクチュエータ）３２が取り付けられている。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、ユーザの膝関節に略同軸に位置する。モータ３２は、上リンク１４に対して下リンク１６を相対的に揺動させることができる。即ちモータ３２は、ユーザの右膝関節にトルクを加えることができる。別言すれば、脚装具１２（装着型動作支援装置）は、ユーザの関節にトルクを加えるアクチュエータを有している。

この脚装具１２は、ユーザの歩行動作に合わせて、脚装具１２のモータ３２によってユーザの右膝関節にトルクを加え、歩行動作や立ち上がり動作、或いは着座動作を支援する。それらの動作の補助は、故障者のリハビリテーションとして行われることもある。脚装具１２の動きは、コントローラ４０が制御する。コントローラ４０には、幾つかの動作パターンが予め記憶されている。動作パターンとは、下リンク１６の揺動角の時系列データである。動作パターンには、歩行動作に対応するパターン、着座動作に対応するパターン、立ち上がり動作に対応するパターンなどがある。いずれのパターンで動作させるかはユーザが選択する。コントローラ４０は、下リンク１６の揺動角が、選択された動作パターンに追従するようにモータ３２を制御する。なお、コントローラ４０は、選択された動作パターン（即ち、下リンク１６の揺動角の時系列データ）を接地センサ１９や角度センサ２１のセンサデータによってリアルタイムに適宜修正する。そうすることによって、予め記憶された動作パターンをユーザの状態に合わせてリアルタイムに調整する。動作パターンの生成や修正に関する説明は省略する。コントローラ４０は、夫々の動作パターンにおいて下リンク１６の揺動角や揺動速度を既定するパラメータ、即ち、脚装具１２の動作を規定するパラメータを修正することができる。なお別言すれば、現在設定されているパラメータや入力されたパラメータは、アクチュエータの駆動力によって実現される脚装具１２の動作を規定するものである。それらのパラメータは、端末５０から送られる。コントローラ４０は、端末５０の指示に基づき、現在設定されているパラメータを送られたパラメータで更新し、次回の動作から新たなパラメータでモータの制御（下リンク１６の制御）を実行する。

端末５０は、ＣＰＵが格納された本体５２、ディスプレイ５４、及びキーボード５６を備える。端末５０は、上記したパラメータの入力デバイスであるとともに、脚装具１２の動きを計算し、その結果のシミュレーション画像を表示する表示デバイスでもある。端末５０は、脚装具１２のコントローラ４０と無線によって通信することができ、ユーザが入力したパラメータをコントローラ４０に転送する。また、端末５０は、コントローラ４０が送信するデータ（例えば、脚装具１２の状態を示すステータスデータやバッテリの残量を示すデータなど）を受信し表示する。また、端末５０の本体５２には脚装具１２の機構データや制御特定に関するデータが記憶されており、現在設定されているパラメータや入力された新規パラメータによって脚装具１２がどのように動作するかを計算することができる。

脚装具１２と端末５０を合わせた動作支援システム１００の機能について説明する。ユーザはキーボード５６を介して希望するパラメータ値を指定することができる。端末５０は、ユーザが入力した（指定した）パラメータと、コントローラ４０に現在設定されているパラメータの夫々について、脚装具１２の動作を計算し、その動きを動画表示（シミュレーション表示）することができる。図３に端末５０の表示例を示す。ディスプレイ５４の画面５４ａは左右に２分割される。その左側に現在設定されているパラメータによって脚装具１２がどのように動くかを示すシミュレーション画像が表示され、右側には入力された新規パラメータによって脚装具１２がどのように動くかを示すシミュレーション画像が表示される。図３に示すように、端末は脚装具１２だけでなく、脚装具１２を装着した人体を模した画像を含めたシミュレーション画像を表示する。なお、図３では一方の脚を破線で描いているが、これは、破線の脚が動画表示されていることを図３の静止画で示すためである。また、端末５０は、図３に示すように、人体を線分の組み合わせで模したいわゆるスティック画でシミュレーションを表示する。ユーザは、図３に示す画面によって、現在設定されているパラメータによる動作と入力されたパラメータによる動作を同時に観察することができる。図３に示すように、両方のシミュレーション画像を同時に表示することによって、両者の相違を分かり易く提示している。ユーザは、脚装具１２の動きを画面で確認したのち、入力したパラメータをコントローラ４０へ転送してよいことを、キーボード５６を介して端末５０に指示する。端末５０はユーザの指示に基づいて入力されたパラメータをコントローラ４０へ転送する。コントローラ４０は、既設定のパラメータを転送されたパラメータで更新する。

端末５０は、人体を模した画像を含むシミュレーション画像だけでなく、他の態様で脚装具１２の動きを表示することもできる。図４に、他の表示例を示す。図４の画面５４ｂは、歩行パターンを足跡Ａで表した画像を表示している。図中の矢印は進行方向を示している。画面の左側には現在のパラメータで脚装具１２を動かした場合の足跡の予想図が示され、画面の右側には入力されたパラメータで脚装具１２を動かした場合の足跡の予想図が示される。

動作支援システム１００の利点を述べる。この動作支援システム１００は、ユーザが入力した（指定した）パラメータによる脚装具１２の動きと現在設定されているパラメータによる脚装具１２の動きを計算し、同時に表示することができる。夫々の動きは、シミュレーション画像（動画）で表示される。この表示によって、動作支援システム１００は、新たに入力されたパラメータによって脚装具１２の動きが現在の動きからどのように変化するかを分かり易く提示することができる。その表示を観察したユーザは、脚装具１２が新しいパラメータでどのように動作するのかを、脚装具１２を実際に使う前に確認することができる。ユーザは、脚装具１２によって自分の体がどのように動かされるのかを前もって知ることができるので安心する。

このシミュレーション表示は、ユーザを安心させる（不安感を払拭する）だけでなく、入力されたパラメータがユーザの意図したものか否かを確認できるという利点もある。表示されたシミュレーション画像がユーザの予想しているものと異なる場合は、脚装具１２を実際に動かす前にパラメータを再度変更することができる。

前述したように、入力するパラメータは、下リンク１６の揺動速度や揺動範囲である。パラメータの表現は、動作パターンに応じて変更されることもある。例えば歩行動作の支援の場合は、下リンク１６の揺動速度や揺動範囲のパラメータは歩幅や歩行速度に変換される。ユーザは、歩行速度や歩幅など、直感的に理解し易い単位系（表示態様）でパラメータを入力することができる。動作支援システム１００では、パラメータをさらに細かく設定できるようになっている場合もある。動作支援システム１００では、例えば後述するように歩行の動作パターンにおける下リンク１６の揺動速度は、膝関節の屈曲速度と伸展速度に分けられ、夫々について値を入力可能になっている。そのような詳細なパラメータ設定は、例えば療法士が患者のリハビリを監督する場合に好適である。

次に、この動作支援システム１００の使用例を説明する。図５に、脚が不自由な患者（ユーザ）に対して、患者を監督する療法士がリハビリテーションに動作支援システム１００を使うときの手順を示す。すなわち療法士は動作支援システム１００を使って患者に歩行訓練を行わせる。療法士は、脚装具１２を患者に装着させ、リハビリを開始する。コントローラ４０には、前回使用したパラメータがそのまま設定されている。即ち、療法士は、前回のリハビリに使用したパラメータでリハビリを開始する（Ｓ２）。療法士は端末５０を操作し、歩行動作パターンを選択して脚装具１２を起動する。コントローラ４０は、選択された動作パターン（歩行パターン）に下リンク１６の動きが追従するように、前回設定されているパラメータでモータ３２（下リンク１６）を制御する。リハビリを続けるうちに、リハビリの効果が現れるので、患者の歩行スピードが向上する（Ｓ４）。そうすると、療法士は、脚装具１２の動作スピードを上げた方がよいと判断する。ここで、例えば、歩幅は変えないで歩行スピードを変えるのが患者のリハビリにとって有効であると判断したとする（Ｓ６）。療法士は、端末５０を操作し、膝関節の屈曲スピード（下リンク１６が後方へ揺動するときの揺動速度）と伸展スピード（下リンク１６が前方へ揺動するときの揺動速度）を入力する（Ｓ８）。端末５０では、現在コントローラ４０に設定されているパラメータと入力されたパラメータの夫々について脚装具１２の動きを計算し、それらの動きをシミュレーション画像として表示する。図３で例示したように、脚装具１２だけでなくそれを装着している人体の動きがスティック図で表示される。療法士は患者とともにシミュレーション画像（現在設定されているパラメータによる動作と入力されたパラメータによる動作の双方のシミュレーション画像）を確認する（Ｓ１０）。入力されたパラメータによる脚の動きを患者が理解したら、療法士は端末５０の入力確定ボタンを押す（Ｓ１２）。そうすると端末５０は、入力されたパラメータをコントローラ４０へ転送する。コントローラ４０は転送されたパラメータを制御アルゴリズム内に設定する。療法士は、再び脚装具１２を起動する（Ｓ１４）。そうすると、脚装具１２は、新たな（入力された）パラメータで動作を開始する。患者は、新たなパラメータによって前回よりも歩行スピードが上げられた脚装具の動きに誘導されてリハビリを行う。患者は、事前にシミュレーション画像によって、新たなパラメータによる脚装具の動きが前回のパラメータによる動きとどの程度異なるのかを事前に把握しているため、スピードが上がった脚装具１２の動きに対して戸惑うことなくリハビリを続けることができる。

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。

１２：脚装具
１４：上リンク
１６：下リンク
１８：足リンク
１９：接地センサ
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ：ジョイント
２１：エンコーダ（角度センサ）
３０：腰リンク
３２：モータ
４０：コントローラ
５０：端末
５２：本体
５４：ディスプレイ
５６：キーボード
１００：動作支援システム

Claims (1)

1. ユーザの関節にトルクを与えてユーザの動作を補助する装着型動作支援装置と、
   装着型動作支援装置の動作を規定するパラメータを指定するための入力デバイスと、
   入力されたパラメータに基づく装着型動作支援装置の動作を表すシミュレーション画像を表示する表示デバイスと、
   を備えており、
   前記表示デバイスは、現在のパラメータで前記装着型動作支援装置を動かした場合の足跡の予想図と、前記入力されたパラメータで前記装着型動作支援装置を動かした場合の足跡の予想図を同時に表示することを特徴とする動作支援システム。

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