JP5686035B2 - 脚装具 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの脚の動きを補助する脚装具に関する。

従来から知られている長下肢装具に加えて、近年ではアクチュエータによって下腿を積極的に動かす脚装具が研究されている。アクチュエータを有する脚装具は、「パワードスーツ」、「歩行補助（支援）装置」など様々な呼称がある。本明細書では、そのような装置を「脚装具」と総称することにする。

アクチュエータを備えた脚装具の一例が特許文献１に開示されている。その装置は、モータが脚の関節にトルクを加え、脚の動きをサポートする。モータは、脚装具をユーザが装着したときにユーザの股関節と膝関節の側方（ユーザの横方向であり膝関節については横方向外側）に位置する。

ここで、本明細書で用いる座標軸に関する用語を説明しておく。ピッチ軸は、ユーザの体側方向（横方向）を向く軸を意味する。ロール軸は、ユーザが直立姿勢をとったときに前後方向を向く軸を意味する。ヨー軸は、ユーザが直立姿勢をとったときにユーザの体幹の長手方向を向く軸を意味する。別言すればヨー軸は鉛直方向を向く軸を意味する。なお、「ピッチ軸」、「ロール軸」、及び、「ヨー軸」は、ユーザに固定された座標系を基準として定義される。例えば、下腿のヨー軸は、下腿の長手方向に伸びる中心線に相当する。足のヨー軸は、足裏面と直交し、足首関節の回転軸を通る直線に相当する。本明細書では、脚装具を装着したユーザを基準にしたロール軸、ピッチ軸、及び、ヨー軸を、脚装具のロール軸、ピッチ軸、及び、ヨー軸と呼称する。本明細書で用いる「ピッチ軸」、「ロール軸」、及び、「ヨー軸」という用語は、ロボット工学で一般的に用いられる用語と同じ意味で用いられる。

特開２００２−３０１１２４号公報

脚の側方に重量が嵩むモータが配置されていると、ロール方向（ユーザの前方）から見たときの脚装具の重量バランスが悪い。特に、脚の横方向外側にアクチュエータ等の重量物が配されていると、足を持ち上げたとき、アクチュエータ等の重量により足の先端が内側に寄ってしまう。歩行中の遊脚の足先が内側に寄ってしまうと他方の脚に引っかかる虞がある。本明細書は、ロール方向（ユーザの前方）から見たときの重量バランスがよく、足を持ち上げたときに足が内側に寄ることのない脚装具を提供する。

本明細書が開示する脚装具は、大腿リンク、下腿リンク、アクチュエータを備える。大腿リンクはユーザの大腿に装着される。下腿リンクは大腿リンクに揺動可能に連結されており、ユーザの下腿に装着される。アクチュエータは脚の横方向外側に配置されている。アクチュエータは下腿リンクを揺動させる。この脚装具はさらに、アクチュエータの重量に起因して脚の付け根でロール軸周りに生じるモーメントを相殺するバランス手段を備える。

バランス手段の一態様は、ユーザの脚の横方向内側で大腿リンク又は下腿リンクに取り付けられるカウンタウエイトである。カウンタウエイトは、ただの錘でもよいが、アクチュエータを制御するコントローラ及び／又はアクチュエータに電力を供給するバッテリをカウンタウエイトとして用いることが好適である。

バランス手段はカウンタウエイトという部品で実現されてもよいが、大腿リンク又は下腿リンクの構造そのものを工夫することによっても実現できる。即ち、大腿リンクと下腿リンクの一方が、脚の横方向の内側と外側で脚に沿って伸びるフレームを有しており、内側のフレームの重さを外側のフレームよりも重くすることによってバランス手段を実現することもできる。内側のフレームの重さを外側のフレームの重さよりも重くするには、内側のフレームを外側のフレームよりも大きく（太く）することで実現してもよいし、内側のフレームの材料として、外側のフレームの密度よりも高い密度の材料を用いることによって実現してもよい。例えば、外側のフレームには密度の低いチタン合金を使い、内側のフレームにはチタン合金よりも密度の高いステンレス又は鉄を使えばよい。あるいは、密度の低い材料としてＣＦＲＰ（カーボンファイバ強化プラスティック）を用いることも好適である。

上記の手法は、脚の付け根におけるロール軸周りのモーメントのバランスを調整するというものである。そのような手法のほか、バランス手段は、ユーザの腰からアクチュエータを吊るす支持部材で実現されることも好適である。この手法は、バランスを取るための特別な重量増加を伴わない利点がある。

第１実施例の脚装具の斜視図である。 第１実施例の脚装具の正面図である。 第２実施例の脚装具の正面図である。 第３実施例の脚装具の正面図である。

図を参照して第１実施例の脚装具１００を説明する。図１に、ユーザＨが装着した脚装具１００の模式的斜視図を示す。図２に、ユーザＨが装着した脚装具１００の正面図を示す。本実施例では、脚装具１００はユーザＨの右脚に装着される。脚装具１００は、ユーザの右膝関節にトルクを加えて歩行動作を補助する。脚装具１００は、大腿リンク２、下腿リンク１２、足リンク２２によって構成される多リンク構造を有している。

図に示す座標系について説明する。図に示すＸＹＺ座標系において、Ｘ軸がロール軸に相当し、Ｙ軸がピッチ軸に相当し、Ｚ軸がヨー軸に相当する。ロール軸（Ｘ軸）は、ユーザＨが直立姿勢をとったときの前後方向に相当し、ピッチ軸（Ｙ軸）は、ユーザの横方向（側方）に相当し、ヨー軸（Ｚ軸）は、ユーザＨが直立姿勢をとったときの上下方向（鉛直方向）に相当する。この座標系のとり方は以後の全ての図において共通である。

大腿リンク２は、ユーザＨの大腿に装着される。大腿リンク２には、モータ３が取り付けられている。なお、モータ３のカバー内には、モータ３を制御するためのコントローラユニット４や、下腿リンクの回転角を計測するセンサも配置されている。モータ３は、脚の横方向外側に位置するように大腿リンク２に固定されている。

下腿リンク１２は、ユーザＨの下腿に沿って配置される。下腿リンク１２は、ユーザＨの下腿の側方両側に位置するメインフレーム１３ａ、１３ｂと、左右のメインフレームを連結する連結バー１１を有している。脚の内側に位置するメインフレーム１３ａには、カウンタウエイト３０がボルト３１で取り付けられている。カウンタウエイト３０は、モータ３の重量に起因して脚の付け根でロール軸周りに生じるモーメントを相殺するために取り付けられている。カウンタウエイト３０については後で詳しく説明する。

下腿リンク１２は、膝ジョイント５ａ、５ｂによって大腿リンク２に対して揺動可能に連結されている。膝ジョイント５ａ、５ｂは、ユーザＨの膝関節のピッチ軸（図のＹ軸）方向を向く回転軸と同軸に位置する。

モータ３は、ユーザの右膝側方外側に位置する膝ジョイント５ｂに連結している。モータ３を駆動することによって、大腿リンク２に対して下腿リンク１２がピッチ軸回りに揺動する。脚装具１００は、歩行動作に合わせて下腿リンク１２をピッチ軸回りに揺動させ、ユーザＨの右膝関節にトルクを加え、歩行動作を補助する。モータ３はそのケース内に配置されたコントローラユニット４によって制御される。コントローラユニット４は、ユーザの歩行動作に同調するように下腿リンク１２の揺動を制御する。歩行支援のための制御アルゴリズムについての説明は省略する。

足リンク２２は、ユーザＨの足に固定される。足リンク２２は、ユーザの足裏に固定されるソール２６と、ソール２６の側方両側から伸びているフレーム２４ａ、２４ｂを有している。図示を省略しているが、ソール２６の上には靴が取り付けられ、その靴によって足リンク２２がユーザの足に固定される。

足リンク２２は、一対の足首ジョイント２８ａ、２８ｂを介して下腿リンク１２に連結している。詳しくは、足リンク２２のフレーム２４ａが、ユーザの足首の内側で足首ジョイント２８ａを介して下腿リンク１２のメインフレーム１３ａと連結している。足リンク２２のフレーム２４ｂが、足首の外側で足首ジョイント２８ｂを介して下腿リンク１２のメインフレーム１３ｂと連結している。足首ジョイント２８ａ、２８ｂによって、足リンク２２は、下腿リンク１２に対してピッチ軸回りに回転することができる。足首の外側に位置する足首ジョイント２８ｂには、下腿リンク１２に対する足リンク２２の角度を計測する角度センサが内蔵されている。

図２は、ユーザＨの右脚ＨＲに装着された脚装具１００をロール軸方向（ユーザの前方）から見た図である。符号ＣＬが示す直線は、ロール軸方向から見たときの右脚の中心線である。符号ＭＰは、脚の付け根における脚のロール軸回りの回転中心である。符号ＭＴ１、ＭＴ２は脚装具１００が脚に及ぼす回転中心ＭＰ周りのモーメントの成分を表す。ＭＴ１はモータ３に起因するモーメント成分を示しており、ＭＴ２はカウンタウエイト３０に起因するモーメント成分を示している。

図２に示すように、モータ３は、脚の横方向外側に張り出している。モータ３は重量が嵩む。モータ３の重量に起因して、脚の付け根ＭＰには、ロール軸反時計周りのモーメントＭＴ１が生じる。他方、カウンタウエイト３０は、脚の横方向の内側に配置されている。カウンタウエイト３０の重量に起因する脚の付け根ＭＰのロール軸周りのモーメントＭＴ２の方向は、時計周りとなる。カウンタウエイト３０の重量は、モーメントＭＴ２がモーメントＭＴ１を相殺する大きさに選ばれる。従って、脚装具１００は、脚の付け根ＭＰロール軸周りにほとんどモーメントを生じない。それゆえ、ユーザが右脚を上げたときにも足先が左右のいずれにも寄ることがない。この脚装具１００は、ロール軸方向からみたときのバランスがよく、ユーザが足を上げたとき脚装具１００が足先を左あるいは右に振らすことがない。そのためユーザは脚装具１００を装着したままスムースに歩行することができる。

カウンタウエイト３０は、金属の塊でよいが、モータ３やセンサ類を制御するコントローラ、及び／又は、モータ３に電力を供給するバッテリを含むものであってもよい

図３に、第２実施例の脚装具２００の正面図を示す。第２実施例の脚装具２００は、第１実施例の脚装具１００と異なり、カウンタウエイトを備えない。その代わり脚装具２００では、下腿リンク２１２の内側のメインフレーム２１３ａが外側のメインフレーム２１３ｂと異なる材質で作られている。外側のメインフレーム２１３ｂはＣＦＲＰ（カーボン繊維強化プラスチック）で作られており、内側のメインフレーム２１３ａはステンレスで作られている。なお、図３において内側のメインフレーム２１３ａに付したグレーのハッチングは、外側のメインフレーム２１３ｂとの材質の違いを表している。ＣＦＲＰの密度は概ね１．５〜１．７ｇ／ｃｍ^３である。他方、ステンレスの密度は概ね７．７〜７．９ｇ／ｃｍ^３である。密度が大きく異なるため、大きさがほぼ同じであっても内側のメインフレーム２１３ａの方が外側のメインフレーム２１３ｂよりもはるかに重い。この重さの差が、脚の付け根ＭＰのロール軸時計周りのモーメントＭＴ２を生じる。このモーメントＭＴ２が、モータ３の重量に起因して生じるモーメントＭＴ１を相殺する。その結果、第２実施例の脚装具２００も第１実施例の脚装具１００と同様に、ロール軸方向からみたときのバランスがよく、ユーザが足を上げたとき脚装具２００が足先を左あるいは右に振らすことがない。

第２実施例では、下腿リンク内側メインフレーム２１３ａの材料として、外側メインフレーム２１３ｂの材料よりも密度が高い材料を選定した。密度を変えることなく、内側メインフレームの重さを外側メインフレームよりも重くしてもよい。例えば、内側メインフレームの太さを外側メインフレームよりも太くすることによって、内側メインフレームを外側メインフレームよりも重くすることができる。

図４に、第３実施例の脚装具３００の正面図を示す。第３実施例の脚装具３００は、第１実施例の脚装具１００のカウンタウエイト３０を備えない。その他は、第１実施例の脚装具１００の全ての部品を備えている。第３実施例の脚装具３００はさらに、ユーザの腰に装着する腰ベルト４０と、腰ベルト４０から伸びる吊りベルト４２を備えている。吊りベルト４２の下端はモータ３に結ばれている。吊りベルト４２は、コントローラユニット４を含むモータ３を腰から吊り支えている。重量が嵩むモータ３は吊りベルト４２によって支えられているため、脚の付け根ＭＰ周りにはモーメントを生じさせない。第３実施例の脚装具３００は、第１、第２実施例の脚装具とは異なる手段（吊りベルト４２）によって、脚付け根ＭＰのロール軸周りのモーメントのバランスを取っている。第３実施例の脚装具３００も、第１、第２実施例の脚装具と同様に、ロール軸方向からみたときのバランスがよく、ユーザが足を上げたとき脚装具１００が足先を左あるいは右に振らすことがない。

なお、モータ３は、膝関節の外側に位置しているため、右脚をスイングさせたときモータ３は吊りベルト４２の上端を中心としてピッチ軸周りに円弧を描く。従って吊りベルト４２は、脚のスイングの間であっても緩むことがなく、常にモータ３を支持し続ける。

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。

２：大腿リンク
３：モータ
４：コントローラ
５ａ、５ｂ：膝ジョイント
１１：連結バー
１２：下腿リンク
１３ａ、１２ｂ：メインフレーム
２２：足リンク
２４ａ、２４ｂ：フレーム
２６：ソール
２８ａ、２８ｂ：足首ジョイント
３０：カウンタウエイト
４０：腰ベルト
４２：吊りベルト
１００、２００、３００：脚装具
２１２：下腿リンク
２１３ａ、２１２ｂ：メインフレーム

Claims (6)

1. ユーザの脚を揺動する脚装具であり、
   ユーザの大腿に装着される大腿リンクと、
   大腿リンクに揺動可能に連結されており、ユーザの下腿に装着される下腿リンクと、
   脚の横方向外側に配置されており、下腿リンクを揺動させるアクチュエータと、
   アクチュエータの重量に起因して脚の付け根でロール軸周りに生じるモーメントを相殺するバランス手段と、
   を備えることを特徴とする脚装具。
2. 前記バランス手段は、ユーザの脚の横方向内側で大腿リンク又は下腿リンクに取り付けられるカウンタウエイトであることを特徴とする請求項１に記載の脚装具。
3. カウンタウエイトは、アクチュエータを制御するコントローラ及び／又はアクチュエータに電力を供給するバッテリを含むことを特徴とする請求項２に記載の脚装具。
4. 大腿リンクと下腿リンクの一方は、脚の横方向の内側と外側で脚に沿って伸びるフレームを有しており、内側のフレームの重さが外側のフレームの重さよりも重いことを特徴とする請求項１に記載の脚装具。
5. 内側のフレームの材料の密度が外側のフレームの密度よりも高いことを特徴とする請求項４に記載の脚装具。
6. バランス手段は、ユーザの腰からアクチュエータを吊るす支持部材であることを特徴とする請求項１に記載の脚装具。

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