JP5741375B2

JP5741375B2 - 歩行補助装置及びその制御方法

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Publication number: JP5741375B2
Application number: JP2011235275A
Authority: JP
Inventors: 一誠中島; 今井田　昌幸; 昌幸今井田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: JP2013090843A

Description

本発明は、利用者の歩行を補助する歩行補助装置及びその制御方法に関する。

身体障害者や高齢者の動作を補助するため目的で、様々なパワーアシスト装置が開発されている。そのパワーアシスト装置の一つとして、利用者の脚に取り付けて利用者の歩行を補助する歩行補助装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１に開示された歩行補助装置では、圧力センサまたは６軸力センサから持ち上げ力を計算し、着座制御を行っている。

特開２００８−１７９８１号公報

特許文献１に開示された歩行補助装置では、圧力センサや６軸力センサの検出精度や、駆動モータの応答性を考慮すると、安定した着座動作を実現することは難しい。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、転倒を防止し、かつ負担を感じることなく、利用者が着座することができる歩行補助装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態にかかる歩行補助装置は、利用者の脚に装着され、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置であって、利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、前記第１のリンクとピッチ軸周りに伸展状態から屈曲状態まで回転可能に連結され、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部と、前記駆動部を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記利用者の着座動作を検出した後は、前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの角度が予め定めた所定角度よりも大きい間は位置制御を実行し、前記ピッチ軸周りの角度が前記所定角度以下の間はダンパ制御を実行する。

また、本発明の他の形態にかかる歩行補助装置は、利用者の脚に装着され、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置であって、利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、前記第１のリンクとピッチ軸周りに伸展状態から屈曲状態まで回転可能に連結され、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部と、前記駆動部を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記利用者による着座動作を検出した後は、前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの実角度が前記位置制御によって決定される指令角度以上の間は当該位置制御を実行し、当該実角度が前記指令角度を下回っている間はダンパ制御を実行する。

ここで、前記制御部は、前記利用者による着座動作の開始の検出に応じて、前記第１のリンクと前記第２のリンクをロック状態から解除し、かつ、前記位置制御を開始するようにしてもよい。

本発明の他の形態にかかる歩行補助装置は、利用者の脚に装着され、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置であって、利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、前記第１のリンクとピッチ軸周りに伸展状態から屈曲状態まで回転可能に連結され、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部と、前記駆動部を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記利用者による立ち上がり動作の検出後、着座動作を検出した場合には、ダンパ制御を実行する。

ここで、前記制御部は、前記利用者による立ち上がり動作の検出後、前記屈曲状態を基準とする、前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの角度が予め定められた所定値未満の間は、前記ダンパ制御を実行し、前記ピッチ軸周りの角度が前記所定値以上の間は位置制御を実行するようにしてもよい。

また、前記制御部は、前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの相対的な回転角速度が屈曲方向の回転を示す場合に、当該回転角速度の絶対値が、予め設定された所定値以下のときは前記駆動部のトルクは実質的にゼロとし、前記所定値よりも大きいときは前記ダンパ制御を実行することにより不感制御を実行するようにしてもよい。

本発明の一形態にかかる制御方法は、利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、に装着され、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部とを有し、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置の制御方法であって、前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの角度が予め定めた所定角度よりも大きい間は位置制御を実行し、前記ピッチ軸周りの角度が前記所定角度以下の間はダンパ制御を実行する。

また、本発明の他の形態にかかる制御方法は、利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、に装着され、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部とを有し、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置の制御方法であって、前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの実角度が前記位置制御によって決定される指令角度以上の間は当該位置制御を実行し、当該実角度が前記指令角度を下回っている間はダンパ制御を実行する。

ここで、前記利用者による着座動作の開始の検出に応じて、前記第１のリンクと前記第２のリンクをロック状態から解除し、かつ、前記位置制御を開始するようにしてもよい。

本発明の他の形態にかかる制御方法は、利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、に装着され、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部とを有し、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置の制御方法であって、前記利用者による立ち上がり動作の検出した後に着座動作を検出した場合には、ダンパ制御を実行する。

ここで、前記利用者による立ち上がり動作の検出後、前記屈曲状態を基準とする、前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの角度が予め定められた所定値未満の間は、前記ダンパ制御を実行し、前記ピッチ軸周りの角度が前記所定値以上の間は位置制御を実行するようにしてもよい。

また、前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの相対的な回転角速度が屈曲方向の回転を示す場合に、当該回転角速度の絶対値が、予め設定された所定値以下のときは前記駆動部のトルクは実質的にゼロとし、前記所定値よりも大きいときは前記ダンパ制御を実行することにより不感制御を実行するようにしてもよい。

本発明によれば、転倒を防止し、かつ負担を感じることなく、利用者が着座することができる歩行補助装置及びその制御方法を提供することができる。

発明の実施の形態にかかる歩行補助装置の使用形態を概略的に示す斜視図である。発明の実施の形態にかかる歩行補助装置の使用形態を概略的に示す正面図である。発明の実施の形態にかかる歩行補助装置の使用形態を概略的に示す側面図である。発明の実施の形態にかかる歩行補助装置における、制御系の構成ブロック図である。歩容判定部の構成ブロック図である。発明の実施の形態１にかかる歩行補助装置の制御方法を示すフローチャートである。発明の実施の形態１にかかる歩行補助装置の制御方法を説明するための説明図である。発明の実施の形態１にかかる歩行補助装置の制御方法を説明するためのグラフである。発明の実施の形態２にかかる歩行補助装置の制御方法を示すフローチャートである。発明の実施の形態２にかかる歩行補助装置の制御方法を説明するための説明図である。発明の実施の形態３にかかる歩行補助装置の制御方法を示すフローチャートである。発明の実施の形態３にかかる歩行補助装置の制御方法を説明するための説明図である。

発明の実施の形態１
本実施の形態の歩行補助装置は、図１乃至図３に示すように、例えば使用者の腿部に装着され、使用者の歩行を補助するために好適に用いられる。この歩行補助装置１は、図１乃至図４に示すように、第１のリンク２、第２のリンク３、足裏載置部４、膝装着部５、駆動部６、検出部７、腰装着部８、処理部９、注意喚起部１０を備えている。

第１のリンク２は、使用者の上腿部の側部に配置される。本実施の形態の第１のリンク２は、使用者の上腿部の左右両側部にそれぞれ配置される。第１のリンク２の上端部は、上腿保持部１１の側部に連結されている。第１のリンク２の下端部は、第２のリンク３に回転可能に連結されている。

ここで、上腿保持部１１は、板状部材であって、使用者の上腿部の外周形状に倣うように湾曲した形状とされている。当該湾曲した面の内側面を使用者の上腿部に接触させる。ここで、当該内側面にはスポンジ等の緩衝部材が設けられていることが好ましい。

第２のリンク３は、使用者の下腿部における脛部分の側部に配置される。本実施の形態の第２のリンク３は、使用者の脛部分の左右両側部にそれぞれ配置される。第２のリンク３の上端部は、第１のリンク２の下端部にピッチ軸周りに回転可能に連結されている。なお、ピッチ軸は、利用者の左右方向、ここでは膝の左右方向に延びた軸をいう。第２のリンク３の下端部は、足裏載置部４に回転可能に連結されている。

足裏載置部４は、使用者の足を支持する。本実施の形態の足裏載置部４は、載置部４ａ、アーム４ｂを備えている。載置部４ａは板状部材であって、使用者の足裏が載置される。アーム４ｂは、載置部４ａを第２のリンク３に連結する。つまり、アーム４ｂは使用者の下腿部における足首部分の左右両側部にそれぞれ配置される。

アーム４ｂの上端部は、第２のリンク３の下端部に回転可能に連結されている。アーム４ｂの下端部は、載置部４ａの側部に連結されている。これにより、使用者の体重を歩行補助装置１に支持させることができる。

膝装着部５は、アーチ５ａ、図示を省略したビンディングを備えている。アーチ５ａは、左右の第１のリンク２と第２のリンク３との連結部相互を連結する。ビンディングは、アーチ５ａに設けられている。ビンディングは、アーチ５ａを使用者の膝に固定する。ビンディングは、アーチ５ａを使用者の膝に固定できる構成であれば特に限定しないが、例えば使用者の膝に着脱可能なバンドを含む。

駆動部６は、第１のリンク２と第２のリンク３との連結部分に駆動力を伝達する。駆動部６は、駆動モータ６ａ、減速機６ｂを備えている。駆動モータ６ａは、処理部９の制御部９２の制御信号に基づいて駆動する。駆動モータ６ａの駆動力は、減速機６ｂに入力される。

減速機６ｂは、駆動モータ６ａから入力される駆動力を増幅して第１のリンク２と第２のリンク３との連結部分のピッチ軸周りの回転軸に伝達する。これにより、第２のリンク３が第１のリンク２に対して使用者の前後方向に回転駆動する。

検出部７は、一般的な歩行補助装置で備えられているセンサ類であり、使用者の歩行状態を検出する。本実施の形態の検出部７は、少なくとも角度検出センサ７ａ、荷重センサ７ｂ、姿勢検出センサ７ｃを備えている。

角度検出センサ７ａは、第１のリンク２と第２のリンク３との連結部分に設けられている。角度検出センサ７ａは、第１のリンク２に対する第２のリンク３のピッチ軸周りの回転角度を検出し、検出信号を処理部９に出力する。ここで、第１のリンク２に対する第２のリンク３の回転角度は、使用者の歩行状態である当該使用者の膝の屈曲角度として扱うことができる。

荷重センサ７ｂは、足裏載置部４の載置部４ａに設けられている。荷重センサ７ｂは、載置部４ａに作用する荷重を検出し、検出信号を処理部９に出力する。ここで、載置部４ａに作用する荷重は、使用者の歩行状態である当該使用者の足裏に作用する荷重として扱うことができる。

姿勢検出センサ７ｃは、腰装着部８の収納ボックス８ｂ内に収納されている。姿勢検出センサ７ｃは、地面に対する第１のリンク２の角度を検出し、検出信号を処理部９に出力する。ここで、地面に対する第１のリンク２の回転角度は、地面に対する使用者の上腿部の角度として扱うことができる。

腰装着部８は、ベルト８ａ、収納ボックス８ｂを備えている。ベルト８ａは、使用者の腰に着脱可能な構成とされている。収納ボックス８ｂは、ベルト８ａに設けられている。収納ボックス８ｂには、駆動モータ６ａ等の電源であるバッテリ、姿勢検出センサ７ｃ、及び処理部９等が搭載されている制御基板が格納されている。収納ボックス８ｂに収納されているバッテリ及び制御基板は、角度検出センサ７ａ及び荷重センサ７ｂに配線１２を介して接続されている。

処理部９は、歩行モード判定部９１、制御部９２、歩容判定部９３を備えている。歩行モード判定部９１は、荷重センサ７ｂ、姿勢検出センサ７ｃから入力される検出信号に基づいて、歩行補助装置１が装着されている側の腿部が立脚状態か遊脚状態かを判定し、歩行モードを指示する指示信号を制御部９２に出力する。

つまり、歩行モード判定部９１は、荷重センサ７ｂから入力される検出信号に基づいて、使用者の足裏に作用する荷重を算出し、算出結果に基づいて使用者の足裏が着地しているか否かを判定する。

また、歩行モード判定部９１は、姿勢検出センサ７ｃから入力される検出信号に基づいて、地面に対する使用者の上腿部の角度を算出し、算出結果に基づいて使用者の腿部が前方に向いているか、又は後方に向いているかを判定する。

先ず、歩行モード判定部９１は、使用者の足裏が着地しているか否かの判定結果、及び使用者の腿部が前方に向いているか、後方に向いているかの判定結果に基づいて、歩行補助装置１が装着されている側の腿部が立脚状態か遊脚状態か否かを判定する。

例えば、歩行モード判定部９１は、使用者の足裏に作用する荷重が予め設定された第１の閾値以上であって、且つ使用者の腿部が後方に向いていると、歩行補助装置１が装着されている側の腿部が立脚状態であると判定する。一方、歩行モード判定部９１は、使用者の足裏に作用する荷重が予め設定された第１の閾値より小さいと、歩行補助装置１が装着されている側の腿部が遊脚状態であると判定する。

歩行モード判定部９１は、歩行補助装置１が装着されている側の腿部が今回の歩行動作では遊脚状態であると判定すると、次回の歩行動作では駆動部６の駆動モータ６ａを立脚モードで制御するように制御部９２に指示信号を出力する。一方、歩行モード判定部９１は、歩行補助装置１が装着されている側の腿部が今回の歩行動作では立脚状態であると判定すると、次回の歩行動作では駆動部６の駆動モータ６ａを遊脚モードで制御するように制御部９２に指示信号を出力する。

制御部９２は、角度検出センサ７ａや荷重センサ７ｂからの検出信号、歩行モード判定部９１からの指示信号、及び後述するように歩容判定部９３から入力される遊脚動作が完了した旨の信号に基づいて、駆動部６の駆動モータ６ａを制御する。

つまり、制御部９２は、歩行モード判定部９１から駆動モータ６ａを立脚モードで制御する旨の指示信号が入力されると、歩容判定部９３から遊脚動作が完了した旨の信号が入力されているかを判定し、入力されていると、歩行補助装置１が装着されている側の腿部と逆側の腿部が遊脚状態となった際に、歩行補助装置１で使用者の体重を支持することができるように、駆動モータ６ａを制御する。

一方、制御部９２は、歩行モード判定部９１から駆動モータ６ａを遊脚モードで制御する旨の指示信号が入力されると、少なくとも前回に歩行補助装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、角度検出センサ７ａ、荷重センサ７ｂ及び姿勢検出センサ７ｃから取得した検出信号に基づいて、次回の歩行動作で歩行補助装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時の使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌道等を予測的に算出する。

つまり、制御部９２は、少なくとも前回に歩行補助装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、角度検出センサ７ａから入力された検出信号に基づいて、使用者の膝の屈折角度を算出する。

また、制御部９２は、少なくとも前回に歩行補助装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、荷重センサ７ｂから入力された検出信号に基づいて、使用者の足裏が着地した時間を算出する。

さらに制御部９２は、少なくとも前回に歩行補助装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、姿勢検出センサ７ｃから入力された検出信号に基づいて、地面に対する使用者の大腿部の角度を算出する。

制御部９２は、これらの情報に基づいて、先ず順運動学から使用者の歩幅を算出し、当該歩幅と使用者の足裏が着地した時間に基づいて使用者の歩行速度を算出する。さらに制御部９２は、算出した歩行速度を実現するための、時間と使用者の膝角度との関係（歩行軌跡）を算出する。制御部９２は、算出した使用者の歩行軌跡等に基づいて、次回の歩行動作で歩行補助装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時の使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌道等を予測的に算出する。つまり、制御部９２は、前回の歩行動作に基づいて算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等に倣うように、次回の歩行動作を実現する。

制御部９２は、予測的に算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等が実現されるように、駆動部６の駆動モータ６ａの制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて駆動モータ６ａを制御する。その一方で、制御部９２は、予測的に算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等を歩容判定部９３に出力する。

ここで、制御部９２は、歩容判定部９３の判定結果に基づいても、駆動部６の駆動モータ６ａを制御する。歩容判定部９３は、図５に示すように、予測時間算出部９３ａ、動作時間算出部９３ｂ、状態判定部９３ｃを備えている。

予測時間算出部９３ａは、制御部９２から入力された、予測的に算出された使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等に基づいて、遊脚状態である、歩行補助装置１が装着されている側の腿部の足裏が着地する遊脚完了予想時間を算出する。予測時間算出部９３ａは、算出した遊脚完了予測時間を示す出力信号を状態判定部９３ｃに出力する。

動作時間算出部９３ｂは、遊脚動作時間を算出する。つまり、動作時間算出部９３ｂは、荷重センサ７ｂ及び姿勢検出センサ７ｃの検出信号に基づいて、遊脚状態となる、歩行補助装置１が装着されている側の腿部の足裏が地面から離れ、再び地面に接地するまで、断続的に時間を算出（測定）する。動作時間算出部９３ｂは、算出した遊脚動作時間を示す出力信号を状態判定部９３ｃに出力する。

状態判定部９３ｃは、角度検出センサ７ａ又は荷重センサ７ｂから入力される検出信号に基づいて、歩行動作が完了したか否かを判定したり、予測時間算出部９３ａ及び動作時間算出部９３ｂから入力される信号に基づいて、遊脚完了予測時間と、遊脚動作時間と、を比較し、比較結果に基づいて制御部９２に指示信号を出力したりする。

本実施の形態にかかる歩行補助装置１は、さらに着座スイッチ１０が備えている。利用者は、着座動作を実行する場合に、この着座スイッチ１０を操作し、オン入力する。着座スイッチ１０が操作され、オン入力されると、着座信号が制御部９２に入力される。制御部９２は、このようにして、利用者の着座動作を検出すると、後に詳述する着座処理を実行する。

続いて、着座処理について、図６のフローチャートを用いて説明する。
このとき、利用者は、立ち上がった状態にあるため、歩行補助装置１の第１のリンク２と第２のリンク３は伸展した状態で互いロックされ、固定されている。

まず、制御部９２は、角度検出センサ７ａから第１のリンク２に対する第２のリンク３の、ピッチ軸周りの回転角度であるモータ軸角度を取得し、さらに、モータ軸角速度を演算により算出する（ステップＳ１０１）。

次に、制御部９２は、取得したモータ軸角度がロック解除領域の中か外かを判定する（ステップＳ１０２）。具体的には、制御部９２は、モータ軸角度が、ロック解除領域を定める角度範囲にあるかどうかを比較処理する。ここで、ロック解除領域は、第１のリンク２と第２のリンク３が伸展した状態、即ち両者が一直線上の位置する状態から第１のリンク２を後方に所定角度だけ傾斜させた状態に至るまでの領域をいい、当該所定角度は、例えば、１０度〜６０度（第１のリンク２と第２のリンク３の角度でいえば、１２０度〜１７０度）である。さらに好ましい当該所定角度は、２０度〜４０度（第１のリンク２と第２のリンク３の角度でいえば、１４０度〜１６０度）である。
図７では、利用者が着座する椅子２０に対する第１のリンク２及び第２のリンク３の位置を模式的に示しており、ＰＣがロック解除領域、ＤＣがダンパ制御領域である。

制御部９２は、取得したモータ軸角度がロック解除領域の中にあると判定した場合には、第１のリンク２と第２のリンク３のロックを解除し、位置制御を実行する（ステップＳ１０３）。ここで、位置制御は、第１のリンク２と第２のリンク３との間の角度変化が、着座動作を行うために予め設定又は予測された角度変化になるように、駆動部６の駆動モータ６ａの制御信号を生成する制御である。

制御部９２は、取得したモータ軸角度がロック解除領域の外にあると判定した場合には、さらに、演算により算出したモータ軸角速度が０よりも大きいかどうかを判定する（ステップＳ１０４）。ここで、第１のリンク２と第２のリンク３のなす角度が大きくなる方向への回転、即ち、利用者が膝を折り曲げた状態から伸ばした状態（例えば、着座した状態から立ち上がった状態）に移行する方向への回転を正としている。従って、モータ軸角速度が０よりも大きいということは、利用者が立ち上がり動作を行っていることを示す。

制御部９２は、モータ軸角速度が０よりも大きいと判定した場合には、図８のグラフでもわかるように、トルクゼロ制御を実行する（ステップＳ１０５）。トルクゼロ制御では、第１のリンク２と第２のリンク間に、駆動部６からのトルクが付加されない。

制御部９２は、モータ軸角速度が０以下と判定した場合には、不感帯付きダンパ制御を実行する（ステップＳ１０６）。モータ軸角速度が０以下であるから、利用者が着座動作を行っていることを示す。不感帯付きダンパ制御は、具体的には、図８のグラフで示されている。即ち、モータ軸角速度が屈曲方向の回転を示す場合に、モータ軸角速度の絶対値が、予め設定された所定値θｄ１以下のときは駆動部６のトルクは実質的にゼロとし、所定値θｄ１よりも大きいときはダンパ制御を実行することにより不感制御を実行している。ダンパ制御では、伸展状態から着座状態への回転角速度（即ち、膝を折り曲げる方向の回転角速度）が大きくなればなるほど、指令トルクの値を大きくしている。図８に示す例では、回転角速度の絶対値と指令トルクの値は、正比例しているが、これに限られない。

このように、本実施の形態１にかかる歩行補助装置では、利用者が着座開始スイッチを操作することにより出力された着座開始信号を検知して、上述した着座処理によるアシストを開始するため、利用者は、自身の意思による、任意のタイミングで、安全に着座することができる。

特に、当該歩行補助装置では、第２のリンク３に対する第１のリンク２のピッチ軸周りの角度が予め定めた所定角度よりも大きいロック解除領域では位置制御を実行しているが、ピッチ軸周りの角度が前記所定角度以下の間はダンパ制御を実行することにし、利用者を積極的にアシストしないため、転倒の危険性を大幅に減らすことが可能である。

特に、ダンパ制御では、利用者が自重をあずけることができるため、利用者は、負担を感じることなく、着座することができる。
つまり、この制御技術によれば、デバイス構成の変更が殆どないにもかかわらず、着座動作中の安全性を高め、かつ座り心地を飛躍的に改善させることができるという大きな効果を奏することができる。

発明の実施の形態２．
本実施の形態２にかかる歩行補助装置は、発明の実施の形態１にかかる歩行補助装置と同一の構成を有し、着座処理の制御方法のみが異なる。以下、図８、図９及び図１０を用いてその制御方法について説明する。

図９に示されるように、制御部９２は、角度検出センサ７ａから第１のリンク２に対する第２のリンク３の、ピッチ軸周りの回転角度であるモータ軸角度を取得し、さらに、モータ軸角速度を演算により算出する（ステップＳ２０１）。

次に、制御部９２は、取得したモータ軸角度（即ち、実角度）が、制御部９２が駆動部６に対して出力した指令角度以上かを判定する（ステップＳ２０２）。

制御部９２は、取得したモータ軸角度が、指令角度以上であると判定した場合には、位置制御を実行する（ステップＳ２０３）。

他方、制御部９２は、取得したモータ軸角度が、指令角度未満であると判定した場合には、不感帯付きダンパ制御を実行する（ステップＳ２０４）。実角度が指令角度未満の状態は、指令角度を超えて屈曲が進んでいる状態を示し、これにより利用者が早く座ろうとしている状態を検知することができる。

図７では、利用者が着座する椅子２０に対する第１のリンク２及び第２のリンク３の位置を模式的に示しており、伸展状態から着座状態までの範囲ＲＥで、位置制御又はダンパ制御が実行される。不感帯付きダンパ制御は、具体的には、図８のグラフにおいて示される制御であり、前述した通りである。

このように、本実施の形態２にかかる歩行補助装置では、利用者が着座開始スイッチを操作することにより出力された着座開始信号を検知して、上述した着座処理によるアシストを開始するため、利用者は、自身の意思による、任意のタイミングで、安全に着座することができる。

特に、当該歩行補助装置では、利用者が早く着座しようとすると位置制御からダンパ制御の切り替わり、利用者を積極的にアシストしないため、転倒の危険性を大幅に減らすことが可能である。

発明の実施の形態３．
本実施の形態３にかかる歩行補助装置は、発明の実施の形態１にかかる歩行補助装置と同一の構成を有する。また、本実施の形態３では、立ち上がり動作時の制御方法である。以下、図８、図１１及び図１２を用いて、その制御方法について説明する。

制御部９２は、利用者の立ち上がり動作を検出すると、図１１のフローチャートに示される処理を実行する。ここで、利用者の立ち上がり動作は、モータ軸角速度が正であることを検出することにより、検出できる。
図１１に示されるように、制御部９２は、角度検出センサ７ａから第１のリンク２に対する第２のリンク３の、ピッチ軸周りの回転角度であるモータ軸角度を取得し、さらに、モータ軸角速度を演算により算出する（ステップＳ３０１）。

次に、制御部９２は、取得したモータ軸角度が伸展アシスト領域の中かを判定する（ステップＳ３０２）。ここで、伸展アシスト領域は、第１のリンク２と第２のリンク３が伸展した状態、即ち両者が一直線上の位置する状態から第１のリンク２を後方に所定角度だけ傾斜させた状態に至るまでの領域をいい、当該所定角度は、例えば、１０度〜６０度（第１のリンク２と第２のリンク３の角度でいえば、１２０度〜１７０度）である。さらに好ましい当該所定角度は、２０度〜４０度（第１のリンク２と第２のリンク３の角度でいえば、１４０度〜１６０度）である。
図１２では、利用者が着座する椅子２０に対する第１のリンク２及び第２のリンク３の位置を模式的に示しており、ＥＣが伸展アシスト領域、ＤＣがダンパ制御領域である。

制御部９２は、取得したモータ軸角度が伸展アシスト領域の中にあると判定した場合には、位置制御を実行する（ステップＳ３０３）。ここで、位置制御は、第１のリンク２と第２のリンク３との間の角度変化が、着座動作を行うために予め設定又は予測された角度変化になるように、駆動部６の駆動モータ６ａの制御信号を生成する制御である。

制御部９２は、取得したモータ軸角度が伸展アシスト領域の外にあると判定した場合には、さらに、演算により算出したモータ軸角速度が０よりも大きいかどうかを判定する（ステップＳ３０４）。ここで、第１のリンク２と第２のリンク３のなす角度が大きくなる方向への回転、即ち、利用者が膝を折り曲げた状態から伸ばした状態（例えば、着座した状態から立ち上がった状態）に移行する方向への回転を正としている。従って、モータ軸角速度が０よりも大きいということは、利用者が立ち上がり動作を行っていることを示す。

制御部９２は、モータ軸角速度が０よりも大きいと判定した場合には、図８のグラフでもわかるように、トルクゼロ制御を実行する（ステップＳ３０５）。トルクゼロ制御では、第１のリンク２と第２のリンク間に、駆動部６からのトルクが付加されない。従って、利用者は、立ち上がり動作を自身の力で自然に行うことができる。

制御部９２は、モータ軸角速度が０以下と判定した場合には、不感帯付きダンパ制御を実行する（ステップＳ３０６）。モータ軸角速度が０以下であるから、立ち上がり動作を中断して、利用者が着座動作を行っていることを示す。不感帯付きダンパ制御は、具体的には、図８のグラフで示されている。

このように、本実施の形態３にかかる歩行補助装置は、利用者の立ち上がり動作を検知して、上述したアシストを開始するため、利用者は、自身の意思による、任意のタイミングで、このアシスト処理を開始することができる。

特に、当該歩行補助装置では、立ち上がり当初は、ダンパ制御を実行することにし、利用者を積極的にアシストしないため、転倒の危険性を大幅に減らすことが可能である。また、ダンパ制御では、利用者が自重をあずけなら着座姿勢に戻ることができるため、利用者は、負担を感じることなく、立ち上がり動作を中止し、安全に着座姿勢に戻ることができる。また、不感帯によって、速度ゼロ付近できのトルク振動を抑制できる。速度ゼロ付近、即ち着座姿勢での振動がなくなり、無駄なトルクを発生しないため、省エネルギー効果もある。

つまり、この制御技術によれば、デバイス構成の変更が殆どないにもかかわらず、着座動作中の安全性を高め、かつ座り心地を飛躍的に改善させることができるという大きな効果を奏することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、着座動作は、着座スイッチのみならず、第１のリンクと第２のリンクのモータ軸角度の変化に基づいて検出するようにしてもよい。

１歩行支援装置
２第１のりンク
３第２のリンク
４足裏載置部、４ａ載置部、４ｂアーム
５膝装着部、５ａアーチ
６駆動部、６ａ駆動モータ、６ｂ減速機
７検出部、７ａ角度検出センサ、７ｂ荷重センサ、７ｃ姿勢検出センサ
８腰装着部、８ａベルト、８ｂ収納ボックス
９処理部
９１歩行モード判定部
９２制御部
９３歩容判定部、９３ａ予測時間算出部、９３ｂ動作時間算出部、９３ｃ状態判定部
１０着座スイッチ
２０椅子

Claims

利用者の脚に装着され、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置であって、
利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、
前記第１のリンクとピッチ軸周りに伸展状態から屈曲状態まで回転可能に連結され、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、
前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記利用者の着座動作を検出した後は、
前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの角度が予め定めた所定角度よりも大きい間は位置制御を実行し、
前記ピッチ軸周りの角度が前記所定角度以下の間はダンパ制御を実行する、歩行補助装置。
利用者の脚に装着され、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置であって、
利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、
前記第１のリンクとピッチ軸周りに伸展状態から屈曲状態まで回転可能に連結され、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、
前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記利用者による着座動作を検出した後は、
前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの実角度が位置制御によって決定される指令角度以上の間は当該位置制御を実行し、
当該実角度が前記指令角度を下回っている間はダンパ制御を実行する、歩行補助装置。
前記制御部は、前記利用者による着座動作の開始の検出に応じて、前記第１のリンクと前記第２のリンクをロック状態から解除し、かつ、前記位置制御を開始する請求項１又は２に記載の歩行補助装置。
利用者の脚に装着され、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置であって、
利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、
前記第１のリンクとピッチ軸周りに伸展状態から屈曲状態まで回転可能に連結され、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、
前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記利用者による立ち上がり動作の検出後、立ち上がり動作中に生じた着座動作を検出した場合には、ダンパ制御を実行する、歩行補助装置。
前記制御部は、
前記利用者による立ち上がり動作の検出後、前記屈曲状態を基準とする、前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの角度が予め定められた所定値未満の間は、前記ダンパ制御を実行し、
前記ピッチ軸周りの角度が前記所定値以上の間は位置制御を実行する、請求項４記載の歩行補助装置。
前記制御部は、前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの相対的な回転角速度が屈曲方向の回転を示す場合に、当該回転角速度の絶対値が、予め設定された所定値以下のときは前記駆動部のトルクは実質的にゼロとし、前記所定値よりも大きいときは前記ダンパ制御を実行することにより不感制御を実行する、請求項１〜５いずれかに記載の歩行補助装置。
利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、に装着され、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部とを有し、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置の制御方法であって、
前記利用者による着座動作を検出した後は、
前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの角度が予め定めた所定角度よりも大きい間は位置制御を実行し、
前記ピッチ軸周りの角度が前記所定角度以下の間はダンパ制御を実行する、歩行補助装置の制御方法。
利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、に装着され、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部とを有し、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置の制御方法であって、
前記利用者による着座動作を検出した後は、
前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの実角度が位置制御によって決定される指令角度以上の間は当該位置制御を実行し、
当該実角度が前記指令角度を下回っている間はダンパ制御を実行する、歩行補助装置の制御方法。
前記利用者による着座動作の開始の検出に応じて、前記第１のリンクと前記第２のリンクをロック状態から解除し、かつ、前記位置制御を開始する請求項７又は８に記載の歩行補助装置の制御方法。
利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、に装着され、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部とを有し、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置の制御方法であって、
前記利用者による立ち上がり動作を検出した後、立ち上がり動作中に生じた着座動作を検出した場合には、ダンパ制御を実行する、歩行補助装置の制御方法。
前記利用者による立ち上がり動作の検出後、前記第２のリンクが前記第１のリンクと前記ピッチ軸周りに屈曲状態で連結された状態を基準とする、前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの角度が予め定められた所定値未満の間は、前記ダンパ制御を実行し、
前記ピッチ軸周りの角度が前記所定値以上の間は位置制御を実行する、請求項１０記載の歩行補助装置の制御方法。
前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの相対的な回転角速度が屈曲方向の回転を示す場合に、当該回転角速度の絶対値が、予め設定された所定値以下のときは前記駆動部のトルクは実質的にゼロとし、前記所定値よりも大きいときは前記ダンパ制御を実行することにより不感制御を実行する、請求項７〜１１いずれかに記載の歩行補助装置の制御方法。