JP5505205B2 - 脚動作支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの脚に装着し、脚の動き、例えば歩行動作を補助する装置に関する。

ユーザの脚に装着し、歩行動作など脚の動きを補助する装置が開発されている。そのような装置には、パワードスーツ、ロボットスーツ、或いは、歩行支援装置など、様々な呼び名がある。本明細書では、そのような装置を脚動作支援装置（或いは単に支援装置）と呼ぶことにする。

典型的な支援装置、例えば、特許文献１に記載された支援装置は、ユーザの脚に沿って装着される多関節リンク機構の脚装具を有している。脚装具は、ユーザのいずれかの脚関節と同軸に位置する回転ジョイントを有しており、回転ジョイントを駆動するアクチュエータによって脚の関節にトルクが加えられる。例えば、膝関節の負荷を軽減する支援装置は、大腿に装着する大腿リンクと下腿に装着する下腿リンクがユーザの膝関節と同軸に位置する回転ジョイントによって連結されている構造を有しており、回転ジョイントのアクチュエータが膝関節にトルクを加える。

特開２０１０−１７３９０号公報

支援装置の用途の一つとして、脚関節を自由に動かすことができない非健常者のための支援装置が挙げられる。非健常者がユーザである場合、ユーザが急に体勢を崩す虞がある。アクチュエータの動作中にユーザが支援を受けるのに不適切な姿勢となる場合に備えて、支援装置は、簡単・確実な操作でアクチュエータの制御を停止することのできるスイッチを備えることが好ましい。なお、本明細書では、そのようなスイッチを便宜上「緊急停止スイッチ」と称することがある。緊急停止スイッチは、ロボットや製造機械など、可動部分を有する機械一般の多くが備えているが、支援装置は、ユーザの脚に装着された状態でアクチュエータが駆動するため、緊急停止スイッチの扱い易さが特に重要である。本発明は、簡単・確実な操作でアクチュエータの制御を停止することのできるスイッチを備える支援装置（脚動作支援装置）を提供する。

発明者はまず、緊急停止スイッチの配置場所として、インタフェイスデバイス（ユーザインタフェイス）に着目した。インタフェイスデバイスは、脚装具のアクチュエータを制御するためのコントローラへの指令を入力するための装置である。インタフェイスデバイスは定常的に使うデバイスであるから、その位置はユーザ（或いは支援装置を扱う作業者）が良く把握しているはずである。従ってインタフェイスデバイスに緊急停止スイッチを配置すれば、ユーザ（或いは作業者）は咄嗟の場合でも緊急停止スイッチの場所を探して戸惑うことはないと考えられる。

さらに、発明者は、ユーザが姿勢を崩す虞があるという状況を考慮し、そのような状況下でできるだけ円滑かつ確実に操作でき得る緊急停止スイッチの形態を模索した。その結果、発明者は、タッチパネルを通常の指令入力のためのインタフェイスデバイスとして採用し、そのタッチパネル全体へ加わる力が大きい場合に緊急停止機能を作動させるという着想を得た。姿勢を崩したとき、ユーザは咄嗟に体重を支えようと近くのものに自然に手を出す。タッチパネル全体を緊急停止スイッチとして利用することによって、姿勢を崩したときの一連の動作の中でアクチュエータの制御を停止させることができる。

本明細書が開示する一実施形態の支援装置は、脚装具、コントローラ、及び、インタフェイスデバイスを備える。脚装具は、前述したように、ユーザの脚に装着可能に構成されており、脚の関節にトルクを加えるアクチュエータを有する。コントローラは、脚装具のアクチュエータを制御する。インタフェイスデバイスは、コントローラへの指令を入力するためのタッチパネルを有する。さらに、インタフェイスデバイスは、予め定められた力閾値以上の力がタッチパネルに加わったことを検知する力検知器を有している。そして、コントローラは、タッチパネルに前記力閾値以上の力が加わったことが力検知器によって検知されたときにアクチュエータの制御を停止する。

タッチパネルには適宜に複数のスイッチ画像が表示され、ユーザ（或いは支援装置を扱う作業者）のスイッチ画像へのタッチに応答して適宜の入力信号がコントローラに送られる。通常の操作においては、ユーザは、表示されたスイッチ画像をタッチすればインタフェイスデバイスが反応するので、タッチパネルを押す必要はない。不測の事態には、タッチパネルに表示されたスイッチ画像に関わらずに、タッチパネル全体を（或いは局所的に）強く押すことによって、力検知器が作動し、緊急停止スイッチとしての信号がコントローラへ送られ、アクチュエータの制御が停止される。即ち、タッチパネル全体が緊急停止スイッチとして機能する。そのように構成された支援装置は、姿勢を崩すような状況においてもユーザが操作し易いスイッチ（緊急停止スイッチ）を提供する。上記の構成は、支援装置のユーザだけでなく、ユーザとは別に支援装置を操作する作業者（例えばユーザのリハビリを補助する療法士など）にとっても扱い易いことに留意されたい。

本明細書が開示する他の実施形態の支援装置は、さらに次の構成を有することが好適である。即ち、インタフェイスデバイスのタッチパネルは、その前面に力が加わると沈み込むようにパネルフレームに対して付勢されている。即ち、コントローラは、タッチパネルの沈み込み量が予め定められた沈み込み閾値を超えたときに、アクチュエータの制御を停止する。タッチパネル本来の動作は、ユーザがタッチするだけで反応し、物理的な動きを伴わない。しかし、本支援装置では、前面に力を加えるとパネルが沈み込むように構成することで、スイッチを操作しているという物理的な感覚をユーザに与えることができる。さらに、加えた力に応じてタッチパネルが沈み込むので、タッチパネルとしての通常の操作において力の入れすぎをユーザに知覚させることができ、緊急停止スイッチの誤操作を防止できる。

発明者はまた、インタフェイスデバイスとしてタッチパネルを使った場合に、次の操作も緊急停止スイッチとして好適であることを見出した。即ち、コントローラは、タッチパネルへのスライド入力のスライド量が予め定められた長さ閾値を超えたときにアクチュエータの制御を停止するように構成されることも好適である。上述したように、通常の入力操作としては、タッチパネルの画面上に表示されている複数のスイッチ画像のうち、いずれかの画像にタッチすればよい。他方、ユーザは、緊急時には、表示されているスイッチ画像に関わらずに、タッチパネル上を人体の一部（典型的には指）を長さ閾値以上移動させるという簡単・単純な操作でアクチュエータを停止することができる。

本明細書が開示する技術は、簡単・確実な操作でアクチュエータの制御を停止することのできるスイッチを備える脚動作支援装置を提供する。

実施例の支援装置の概略構成図を示す。 実施例のタッチパネルの画面を示す。 タッチパネルの模式的断面図を示す。 スライド操作を説明する図である。

図１に示すように、本実施例の支援装置１００は、脚装具１０、コントローラ１２、インタフェイスデバイス５０を備えている。本実施例の支援装置１００は、一例ではあるが、リハビリテーション施設において、非健常者（以下、ユーザとする）２００の脚動作の機能回復訓練に利用される。ここで、ユーザ２００は、一方の脚（左脚）が機能低下を起こしており、その膝関節を自由に動かすことができない。機能低下を起こしている脚を患脚と称する。脚装具１０は、ユーザ２００の患脚２０２に装着され、その患脚２０２にアシストトルクを付与することによって、ユーザ２００の歩行訓練（リハビリテーション）を支援する。

脚装具１０の概要について説明する。図１に示すように、脚装具１０は、主に、大腿リンク１４と、膝部回転ジョイント１６と、下腿リンク１８と、足首回転ジョイント２０と、足リンク２２を備えている。大腿リンク１４は、患脚２０２の大腿２０２ａに装着され、下腿リンク１８は、患脚２０２の下腿２０２ｂに装着され、足リンク２２は、患脚２０２の足２０２ｃに装着される。大腿リンク１４と下腿リンク１８は、膝部回転ジョイント１６を介して連結されており、互いに揺動可能に構成されている。膝部回転ジョイント１６は、その回転軸が患脚２０２の膝のピッチ軸と同軸に位置する。従って、下腿リンク１８は、ユーザ２００の下腿２０２ｂの動きに同調して揺動することができる。また、下腿リンク１８と足リンク２２は、足首回転ジョイント２０を介して連結されており、互いに揺動可能に構成されている。足首回転ジョイント２０は、その回転軸が患脚２０２の足首のピッチ軸と同軸に位置する。従って、足リンク２２は、ユーザ２００の足２０２ｃの動きに同調して揺動することができる。

膝部回転ジョイント１６にはモータ（アクチュエータ）、ブレーキ、及び、角度センサが内蔵されている。モータ、ブレーキ、及び角度センサは図示を省略している。コントローラ１２は、角度センサを用いた角度フィードバック制御により、モータを駆動する。コントローラ１２には、歩行時の膝関節角の経時的パターン（目標膝角度パターン）が記憶されている。コントローラ１２は、下腿リンク１８の揺動角度が目標膝角度パターンに追従するようにモータを制御する。アクチュエータによって下腿リンク１８を目標膝角度パターンに従って揺動させることによって、歩行動作を補助するようにユーザの膝関節にアシストトルクが加えられる。ブレーキは、電力が供給されると膝部回転ジョイント１６の回転を許可し、電力供給が遮断されると回転を禁止するいわゆる無励磁作動型の電磁ブレーキである。なお、本実施例で説明する脚装具１０の構造は一例であり、脚装具１０の構造は本実施例で説明する形態に限定されない。

コントローラ１２は、通信ケーブル７２を介してインタフェイスデバイス５０に接続されている。インタフェイスデバイス５０は、ユーザ或いはユーザのリハビリテーションを指導する療法士が操作する端末であり、コントローラ１２に指令を入力するために用いられる。インタフェイスデバイス５０は、タッチパネル５２を備えている。図２に示すように、タッチパネル５２には複数のスイッチ画像５３が表示されている。タッチパネル５２は、静電容量型であり、人体の一部（典型的には指）が触れた場所の静電容量の変化を検知する。インタフェイスデバイス５０は、指がスイッチ画像群のいずれかに触れると、インタフェイスデバイス５０はそのスイッチ画像に応じた信号をコントローラ１２に送る。即ち、ユーザは、タッチパネル５２を介して指令をコントローラ１２に伝えることができる。

図３は、図２のII−II線に沿った断面を示す。図３に示すように、タッチパネル５２は、バネ５６によって、その裏側から付勢されており、パネルフレーム５４に押し付けられている。従って、タッチパネル５２は、ユーザがタッチパネル５２を押さえつけると沈み込むようになっている。タッチパネル５２は、バネ５６によって付勢されているので、タッチパネル５２の前面に加えられる力の大きさに応じた深さだけ沈み込む。

インタフェイスデバイス５０の内部には、タッチパネル５２の裏面に対向する位置に接触センサ５８が配置されている。タッチパネル５２が距離Ｄだけ沈み込んで接触センサ５８に触れると接触センサ５８がＯＮする。バネ５６と接触センサ５８は、タッチパネル５２に予め定められた力閾値Ｆｔｈ以上の力が加わったことを検知する力検知器を構成する。即ち、インタフェイスデバイス５０は、予め定められた力閾値Ｆｔｈ以上の力がタッチパネル５２に加わったことを検知する力検知器を有する。インタフェイスデバイス５０は、接触センサ５８の作動に応じて予め定められた信号（緊急停止信号）をコントローラ１２に送信する。

コントローラ１２は、インタフェイスデバイス５０から緊急停止信号を受信すると、モータ及びブレーキへの電力を遮断する。モータへの電力が遮断されることは、モータの制御を停止することを意味する。また、ブレーキは無励磁作動型であるので、電力が遮断されると膝部回転ジョイント１６をロック（回転禁止）する。即ち、コントローラ１２は、タッチパネル５２の前面に力閾値Ｆｔｈ以上の力が加わったことが力検知器（バネ５６と接触センサ５８）によって検知されたときにモータの制御を停止する。同時にコントローラ１２は、脚装具１０のリンクを揺動可能に連結しているジョイント（膝部回転ジョイント１６）をロック（回転禁止）する。

支援装置１００の利点を説明する。支援装置１００は、ユーザインタフェイスとして、タッチパネル５２を有するインタフェイスデバイス５０を備えている。通常の指令入力にはタッチパネル本来の機能を用いる。タッチパネル５２は、前面が押されると押圧力に応じた距離だけ沈み込むように構成されている。タッチパネル５２の裏側には接触センサ５８が配置されており、所定の力Ｆｔｈが加わりそれに対応する距離Ｄだけ沈み込んだときに接触センサ５８がＯＮになる。接触センサ５８がＯＮしたとき、インタフェイスデバイス５０は緊急停止信号をコントローラ１２に送信する。コントローラ１２は、緊急停止信号を受信するとモータの制御を停止する。この支援装置１００は、タッチパネル５２が押し込まれるとモータの制御を停止する。タッチパネル５２を押し込むという簡単明快な操作でモータを停止することができる。

インタフェイスデバイス５０は、タッチパネル５２を上方（斜め上方）に向けて配置している。例えばユーザ自身がインタフェイスデバイス５０を操作している最中に姿勢を崩した場合、ユーザは咄嗟にタッチパネル５２を押して体を支えようとするはずである。一般に、ヒトは、姿勢を崩すと咄嗟に付近の物で体重を支えようとする。この支援装置１００は、そのような反射的な運動を巧みに利用しており、ユーザのそのような反射的な動作によってモータが停止するように構成されている。

支援装置１００のもう一つの緊急停止機能を説明する。コントローラ１２は、タッチパネル５２へのスライド入力のスライド量が予め定められた長さ閾値Ｌを超えたときにモータの制御を停止するように構成されている。例えば、図４の矢印Ａが示すように、ユーザの手がＨ１の位置からＨ２の位置まで移動したとき、タッチパネル５２に触れている指先は、距離Ｌだけ移動する。インタフェイスデバイス５０は、このスライド入力の距離を検知し、その距離が閾値Ｌｔｈを超えたときにコントローラ１２に緊急停止信号を送信する。なお、インタフェイスデバイス５０は、タッチパネル５２に表示されているスイッチ画像の種類、大きさ、或いは数に関わりなく、スライド入力の距離が閾値Ｌｔｈを超えたときに緊急停止信号を出力する。コントローラ１２は、緊急停止信号に応答してモータの制御を停止する。この支援装置１００は、タッチパネル５２上を人体の一部（典型的には指）が長さ閾値Ｌｔｈ以上移動するという簡単・単純な操作でモータを停止することができる。支援装置１００は、このとき、モータを停止するとともに、ブレーキを作動させ、脚装具１０のリンクを揺動可能に連結しているジョイント（膝部回転ジョイント１６）をロック（回転禁止）する。

実施例の支援装置１００の留意点について述べる。コントローラ１２とインタフェイスデバイス５０の間の接続は、通信ケーブル７２による有線接続に限られず、無線で接続するものでもよい。タッチパネルは静電容量式のほか、抵抗膜式、表面弾性波式、赤外線式、電磁誘導式など、他のタイプのものであってもよい。

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：脚装具
１２：コントローラ
１４：大腿リンク
１６：膝部回転ジョイント
１８：下腿リンク
２０：足首回転ジョイント
２２：足リンク
５０：インタフェイスデバイス
５２：タッチパネル
５４：パネルフレーム
５６：バネ
５８：接触センサ
１００：脚動作支援装置

Claims (3)

1. ユーザの脚に装着可能であり、脚の関節にトルクを加えるアクチュエータを有する脚装具と、
   脚装具のアクチュエータを制御するためのコントローラと、
   タッチパネルを介してコントローラへの指令を入力するためのインタフェイスデバイスと、
   を備えており、
   前記インタフェイスデバイスは、予め定められた力閾値以上の力がタッチパネルに加わったことを検知する力検知器を有しており、
   前記コントローラは、タッチパネルに前記力閾値以上の力が加わったことが力検知器によって検知されたときにアクチュエータの制御を停止することを特徴とする脚動作支援装置。
2. インタフェイスデバイスのタッチパネルは、その前面に加えられる力に応じて沈み込むようにパネルフレームに対して付勢されていることを特徴とする請求項１に記載の脚動作支援装置。
3. コントローラは、タッチパネルへのスライド入力のスライド量が予め定められた長さ閾値を超えたときにアクチュエータの制御を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の脚動作支援装置。

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