JP5880504B2 - 動作補助装置 - Google Patents

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Description

開示の実施形態は、動作補助装置に関する。
特許文献1には、関節として設けられた2つの油圧アクチュエータを連結する連結部材の長さを調節可能に構成し、かつ、その連結部材の内部に、油圧アクチュエータを作動させるための油路を設けた義足等の動力装具が記載されている。
特開昭61−228854号公報
上記従来技術の動力装具を身体機能に支障のある障害者等のアシストに使用する場合、使用者の身体機能に応じてアクチュエータの動作タイミング等を変更する必要がある。しかし、上記従来技術ではこのような点について特に考慮されておらず、装着者の身体機能に応じたアシストを行うことができなかった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、装着者の身体機能に応じたアシストをすることができる動作補助装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、装着者の身体動作を補助する動作補助装置であって、固定子及び回転子を備えたモータと、前記固定子及び前記回転子の各々に連結され、装着者の身体の所定の部位に連結されるように構成された2つのアーム部材と、前記モータの駆動の契機となるトリガー信号を受け付けるように構成された信号受付部と、前記信号受付部が第1の前記トリガー信号を受け付けたことを契機に、前記2つのアーム部材が伸展する方向に前記モータを駆動するとともに、前記信号受付部が第2の前記トリガー信号を受け付けたことを契機に、前記2つのアーム部材が屈曲する方向に前記モータを駆動するように構成された駆動制御部と、前記装着者の左足裏に加わる力を検出し、検出結果に応じて、左足の接地状態に対応した前記第1のトリガー信号及び左足の浮揚状態に対応した前記第2のトリガー信号を出力するように構成された左足用センサと、前記装着者の右足裏に加わる力を検出し、検出結果に応じて、右足の接地状態に対応した前記第1のトリガー信号及び右足の浮揚状態に対応した前記第2のトリガー信号を出力するように構成された右足用センサと、前記信号受付部が前記左足用センサ及び前記右足用センサの両方から前記第1のトリガー信号をそれぞれ受け付けたことを契機に、前記モータの駆動を停止するように構成された駆動停止部と、を有する動作補助装置が適用される。
本発明の動作補助装置によれば、装着者の身体機能に応じたアシストをすることができる。
一実施の形態の動作補助装置を股関節装具の装着者に取り付けた状態の一例を表す斜視図である。 動作補助装置のモータ及び2つのアーム部材の一例を表す斜視図である。 モータ及び2つのアーム部材の股関節装具への取り付け構造の一例を表す斜視図である。 2つのアーム部材と股関節装具との連結部分の断面構造の一例をそれぞれ表す断面図である。 動作補助装置の手動スイッチの一例を表す説明図である。 動作補助装置のセンサユニットの一例を表す説明図である。 動作補助装置の機能構成の一例を表す機能ブロック図である。 両足に感圧センサを設置する場合における動作補助装置のセンサユニットの一例を表す説明図である。 両足に感圧センサを設置する場合における動作補助装置の機能構成の一例を表す機能ブロック図である。 動作補助装置を膝関節装具に適用した状態の一例を表す斜視図である。 動作補助装置を足関節装具に適用した状態の一例を表す斜視図である。 動作補助装置を肩関節装具に適用した状態の一例を表す斜視図である。 動作補助装置を肘関節装具に適用した状態の一例を表す斜視図である。 動作補助装置を手関節装具に適用した状態の一例を表す斜視図である。
以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態は、動作補助装置を股関節の動作の補助に適用した例である。
<動作補助装置の全体構成>
図1に示すように、本実施形態の動作補助装置1は、この例では右足F1に股関節装具80,80′を装着した装着者Mの股関節の動作を補助するものである。図1には、2つの股関節装具80,80′が図示されているが、いずれに対しても動作補助装置1を適用可能である。なお、後述する第1の連結具7及び第2の連結具8については、図1では図示を省略している。
動作補助装置1は、モータ4と、モータ4の固定子2及び回転子3にそれぞれ連結された第1及び第2のアーム部材5,6と、センサユニット30(後述の図6参照)及び手動スイッチ20と、制御モジュール50(後述の図7参照)と、コントローラ60(後述の図7参照)と、図示しないマイクロフォンとを有する。
<股関節装具>
図1(a)に示す股関節装具80は、例えば膝関節の固定が必要な場合の股関節装具である。この股関節装具80は、腰部フレーム80aと、大腿部フレーム80bと、下腿部フレーム80cとを備えている。腰部フレーム80aは、装着者Mの腰部の周りに装着した腰部バンドB1を介して腰部の右側に取り付けられている。大腿部フレーム80bは、その上端部が腰部フレーム80aの下端部に連結部80d(後述の図3参照)によって回動可能に連結される。この大腿部フレーム80bは、右足F1の大腿部の上下2か所に装着された足部バンドB2を介して右足F1の大腿部の長手方向に沿わせて取り付けられる。大腿部フレーム80bは、装着者Mの歩行動作に伴って、腰部フレーム80aに対し回動することで、腰部フレーム80aとの間で伸展及び屈曲が可能である。なお、ここでいう「伸展」は腰部フレーム80aと大腿部フレーム80bの間の角度(身体前方側の角度)が大きくなる方向の回動をいい、「屈曲」は反対に当該角度が小さくなる方向の回動をいう。
下腿部フレーム80cは、その上端部が大腿部フレーム80bの下端部に連結部80eによって連結され、大腿部フレーム80bに対し固定又は回動可能である。下腿部フレーム80cは、装着者Mの右足F1の下腿部の上下2か所に装着された足部バンドB3を介して右足F1の下腿部の長手方向に沿うように取り付けられる。
なお、図示は省略するが、股関節装具80の後方には大腿部と下腿部の後ろ半分を部分的に覆う金属又はプラスティック等からなる湾曲フレームが設けられており、当該湾曲フレームが下肢を支え、前面が上記バンドB2,B3等により固定される。
図1(b)に示す股関節装具80′は、例えば膝関節の固定が不要な場合の股関節装具である。この股関節装具80′は、図1(a)に示す股関節装具80の下腿部フレーム80cがなく、腰部フレーム80aに短尺の大腿部フレーム80b′が連結されている点を除き、上記股関節装具80と同様の構成である。大腿部フレーム80b′は、装着者Mの右足F1の大腿部に装着されたサポータバンドB4を介して右足F1の大腿部の長手方向に沿わせて取り付けられる。
動作補助装置1のモータ4及び第1アーム部材5、第2アーム部材6は、股関節装具80(80′)に取り付けられる動作機構部を構成する。第1アーム部材5は、股関節装具80(80′)の腰部フレーム80aを介して装着者Mの腰部に連結される。第2アーム部材6は、大腿部フレーム80b(80b′)を介して装着者Mの右足F1の大腿部に連結される。また、センサユニット30は、右足F1側の履物S1に設置され、手動スイッチ20は、腰部バンドB1(この例では装着者Mの腰部の右側)に設置される。また、制御モジュール50及びコントローラ60は、腰部バンドB1(この例では装着者Mの腰部の前側)に取り付けられたコントロールボックス15に収容される。マイクロフォン(図示せず)は、例えば腰部バンドB1を介して装着者Mの腰部に設置される。なお、制御モジュール50やコントローラ60は、装着者Mの腰部以外の位置(例えば胸部等)に固定されてもよい。
<アーム部材と股関節装具との連結>
図2に示すように、第1アーム部材5は、長手方向中間部に一体に設けられた平板状の連結板7aを備えている。連結板7aは第1の連結具7(後述の図3参照)の一方を構成する。連結板7aには、複数個所(この例では四隅寄りの4個所)に厚さ方向に貫通するねじ穴9aが設けられている。第1アーム部材5は、一端(図2中下側)を固定子2に固定され、モータ4の上方に延出する。固定子2に固定された第1アーム部材5は、モータ4の回転軸心AX1に略垂直な面内で回動される。
第2アーム部材6は、取り付け用のスライダ8aを備える。スライダ8aは第2の連結具8(後述の図3参照)の一方を構成する。第2アーム部材6は、一端(図2中上側)を回転子3に固定され、第1アーム部5とは反対側に延出する。スライダ8aは平板状に形成され、第2アーム部材6の長手方向に移動自在に装着されている。スライダ8aには、厚さ方向に貫通するねじ穴9aが複数個所(この例では四隅寄りの4個所)に設けられている。回転子3に固定された第2アーム部材6は、モータ4の回転軸心AX1に略垂直な面内で回動される。
図3に示すように、第1の連結具7の他方を構成する連結板7bは、上記一方の連結板7aと同様な平板状に形成されている。他方の連結板7bの一方の連結板7aとの対向側の面には、腰部フレーム80aを収容する凹溝10aが設けられる。また、連結板7bの複数個所(この例では四隅寄りの4か所)には、一方の連結板7aのねじ穴9aに対応するねじ穴9bが設けられている。
第2の連結具8の他方を構成する連結板8bは、上記スライダ8aと同様な平板状に形成されている。連結板8bの上記スライダ8aとの対向側の面には、大腿部フレーム80bを収容する凹溝11aが設けられる。同様に、一方のスライダ8aの連結板8bとの対向側の面には、大腿部フレーム80bを収容する凹溝11aが設けられる(図4参照)。また、連結板8bの複数個所(四隅寄りの4か所)にはスライダ8aのねじ穴9aに対応するねじ穴9bが設けられている。なお、第2の連結具8は、第2アーム部材6の側を連結板とし、大腿部フレーム80bの側をスライダとしてもよい。
図4(a)に示すように、一方の連結板7aと、凹溝10aに腰部フレーム80aを収容した他方の連結板7bとは、ねじ12を一方の連結板7aのねじ穴9aから他方の連結板7bのねじ穴9bにねじ込むことにより結合される。これにより、第1アーム部材5が腰部フレーム80aに固定される。
一方、図4(b)に示すように、凹溝11aに第2アーム部材6を収容したスライダ8aと、凹溝11aに大腿部フレーム80bを収容した連結板8bとは、ねじ12をスライダ8aのねじ穴9aから連結板8bのねじ穴9bにねじ込むことにより結合される。このとき、大腿部フレーム80bと連結板8bとは固定される一方、スライダ8aと第2アーム部材6とはスライド可能となる。つまり、第2アーム部材6と大腿部フレーム80bもスライド可能である。これにより、第2アーム部材6が大腿部フレーム80bに長手方向にスライド可能な状態で連結される。
上記連結構造により、動作補助装置1のモータ4と第1及び第2アーム部材5,6とは、股関節装具80,80′に着脱可能である。このようにして、図1(a)に示す例では、第1アーム部材5が腰部フレーム80aを介して装着者Mの腰部に連結され、第2アーム部材6が大腿部フレーム80bを介して装着者Mの右足F1の大腿部に連結される。また図1(b)に示す例では、第1アーム部材5が腰部フレーム80aを介して装着者Mの腰部に連結され、第2アーム部材6が大腿部フレーム80b′を介して装着者Mの右足F1の大腿部に連結される。
<手動スイッチ>
手動スイッチ20は、図1に示すように、腰部バンドB1を介して装着者Mの腰部に取り付けられる。
手動スイッチ20は、装着者Mが歩行動作をする際、装着者Mを介助する者(例えば理学療法士等の医療従事者)が手動操作することによって、動作補助装置1による装着者Mの歩行動作の補助を行わせるためのものである。
具体的には、手動スイッチ20は、図5に示すように、第1スイッチ20a、第2スイッチ20b及び第3スイッチ20cを備える。第1スイッチ20a及び第2スイッチ20bは、手動操作されることによって、モータ4の駆動の契機となるトリガー信号を出力するように構成されている。このうち第1スイッチ20aは、装着者Mの右足F1の蹴り出し動作を補助する蹴り出しスイッチとして機能するものであり、2つのアーム部材5,6が伸展する方向にモータ4を駆動させるための第1トリガー信号(第1のトリガー信号)を出力する。第2スイッチ20bは、装着者Mの右足F1の振り出し動作を補助する振り出しスイッチとして機能するものであり、2つのアーム部材5,6が屈曲する方向にモータ4を駆動させるための第2トリガー信号(第2のトリガー信号)を出力する。第3スイッチ20cは、停止スイッチとして機能するものであり、例えば装着者Mが右足F1、左足F2の両足を止める際に、手動操作されることによって、モータ4の駆動停止のためのトリガー信号を出力する。
<マイクロフォン>
図示しないマイクロフォンは、例えば腰部バンドB1を介して装着者Mの腰部に取り付けられている。なお、マイクロフォンは、装着者Mの腰部以外の位置(例えば胸部等)に固定されてもよい。
マイクロフォンは、装着者Mが歩行動作をする際、装着者Mを介助する者の音声を入力する。入力される音声としては、例えば「蹴り出し」や「振り出し」等の動作を表す音声や、「イチニ、イチニ」というかけ声、拍手音等が挙げられる。
<センサユニット>
センサユニット30は、図6に示すように、右足F1側の履物S1(図1参照)の中敷I1に設置されている。なお、センサユニット30は、敷物S1の中敷I1以外の位置(例えば靴底等)に設置されてもよい。このセンサユニット30は、第1感圧センサ31aと、固定抵抗器32と、第2感圧センサ31bと、固定抵抗器33とを備える。
第1感圧センサ31aは、中敷I1における右足F1の足裏の母指球に対応する位置に設置されている。なお、第1感圧センサ31aは、中敷I1における右足F1の足裏の母指球以外の部位に対応する位置に設置されてもよい。そして、第1感圧センサ31aは、右足F1の足裏の母指球に対応する位置に加わる力(圧力)に応じて抵抗値が変化することで、当該母指球に加わる力を検出可能である。この例では、第1感圧センサ31aとして、右足F1の足裏の母指球に対応する位置に加わる力が増加するにつれて抵抗値が増加する感圧センサが使用されている。なお、第1感圧センサ31aとして、右足F1の母指球に対応する位置に加わる力が増加するにつれて抵抗値が減少する感圧センサが使用されてもよい。固定抵抗器32は、抵抗値が一定であり、第1感圧センサ31aと直列に接続されている。すなわち、一定の電圧が印加されると、第1感圧センサ31aに加わる力に応じて、第1感圧センサ31aの抵抗値と固定抵抗器32の抵抗値との比率が変化し、第1感圧センサ31aと固定抵抗器32との接続点の電圧が変化する。この電圧は、第1感圧センサ31aの検出結果を表す出力電圧Vout1として、センサモジュール35のマイコン36(後述)へ入力される。センサモジュール35は、例えば右足F1の履物S1における甲部の位置に設置される。
第2感圧センサ31bは、中敷I1における右足F1の足裏の踵に対応する位置に設置されている。なお、第2感圧センサ31bは、中敷I1における右足F1の足裏の踵以外の部位に対応する位置に設置されてもよい。そして、第2感圧センサ31bは、右足F1の足裏の踵に対応する位置に加わる力(圧力)に応じて抵抗値が変化することで、当該踵に加わる力を検出可能である。この例では、第2感圧センサ31bとして、右足F1の足裏の踵に対応する位置に加わる力が増加するにつれて抵抗値が増加する感圧センサが使用されている。なお、第2感圧センサ31bとして、右足F1の踵に対応する位置に加わる力が増加するにつれて抵抗値が減少する感圧センサが使用されてもよい。固定抵抗器33は、抵抗値が一定であり、第2感圧センサ31bと直列に接続されている。すなわち、一定の電圧が印加されると、第2感圧センサ31bに加わる力に応じて、第2感圧センサ31bの抵抗値と固定抵抗器33の抵抗値との比率が変化し、第2感圧センサ31bと固定抵抗器33との接続点の電圧が変化する。この電圧は、第2感圧センサ31bの検出結果を表す出力電圧Vout2として、センサモジュール35のマイコン36(後述)へ入力される。
なお、これら第1及び第2感圧センサ31a,31bを総称して、以下適宜、感圧センサ31という。
<センサモジュール及び制御モジュールの機能構成>
次に、図7を参照しつつ、センサモジュール35及び制御モジュール50の概念的な機能構成について説明する。
図7に示すように、センサモジュール35は、マイクロコントローラ(図7中ではマイコンと略記している。以下適宜「マイコン」という)36と、上記制御モジュール50と無線通信する(制御モジュール50に対し情報を送信する)ためのアンテナ37と、駆動電源用のバッテリ(図示省略)を有する。
マイコン36は、上記第1感圧センサ31aの検出結果を表す出力電圧Vout1及び上記第2感圧センサ31bの検出結果を表す出力電圧Vout2をそれぞれ入力する。
ここで、印加電圧をVin、第1感圧センサ31aの抵抗値をR1、固定抵抗値32の抵抗値をR2とすると、出力電圧Vout1は、下記の式(1)で表される。
Vout1=Vin・R2/(R1+R2) ・・・(1)
上述したように、第1感圧センサ31aとしては、右足F1の母指球に対応する位置に加わる力が増加するにつれて抵抗値が増加する感圧センサが使用されている。したがって、上記母指球に対応する位置に加わる力が増加するにつれて、第1感圧センサ31aの抵抗値R1は増加するので、出力電圧out1は減少する。
また、印加電圧をVin、第2感圧センサ31bの抵抗値をR3、固定抵抗値33の抵抗値をR4とすると、出力電圧Vout2は、下記の式(2)で表される。
Vout2=Vin・R4/(R3+R4) ・・・(2)
上述したように、第2感圧センサ31bとしては、左足F1の踵に対応する位置に加わる力が増加するにつれて抵抗値が増加する感圧センサが使用されている。したがって、上記踵に対応する位置に加わる力が増加するにつれて、第2感圧センサ31bの抵抗値R3は増加するので、出力電圧out2は減少する。
そして、マイコン36は、出力電圧Vout1の値が閾値以下、且つ、出力電圧Vout2の値が閾値以下の場合には、右足F1(の母指球及び踵)に加わる力が所望の値以上となっている、つまり、履物S1の靴底部分が適切な力で接地したものとみなす。したがって、出力電圧Vout1の値が閾値以下(すなわち第1感圧センサ31aがON)且つ出力電圧Vout2の値が閾値以下(すなわち第2感圧センサ31bがON)の場合には、マイコン36は第1トリガー信号を出力する。
一方、マイコン36は、出力電圧Vout1の値が閾値以上、且つ、出力電圧Vout2の値が閾値以上の場合には、右足F1(の母指球及び踵)に加わる力が所望の値以下となっている、つまり、履物S1の靴底部分が浮揚したものとみなす。したがって、出力電圧Vout1の値が閾値以上(すなわち第1感圧センサ31aがOFF)且つ出力電圧Vout2の値が閾値以上(すなわち第2感圧センサ31bがOFF)の場合には、マイコン36は第2トリガー信号を出力する。
なお、本実施形態では出力電圧Vout1及び出力電圧Vout2の両方の値が閾値以下の場合に第1トリガー信号を出力し、両方の値が閾値以上の場合に第2トリガー信号を出力するようにしたが、出力電圧Vout1又は出力電圧Vout2のどちらか一方(例えば踵側の出力電圧Vout2のみ)の値が閾値以下の場合に第1トリガー信号を出力し、一方の値が閾値以上の場合に第2トリガー信号を出力してもよい。
また、マイコン36は、上記アンテナ36を介した無線通信により、第1トリガー信号及び第2トリガー信号を、上記制御モジュール50へ送信する。
制御モジュール50は、上記センサモジュール35と無線通信可能に接続されると共に、コントローラ60とケーブルを介して通信可能に接続されている。なお、制御モジュール50は、センサモジュール35とケーブルを介して通信可能に接続されてもよいし、またコントローラ60と無線通信可能に接続されてもよい。この制御モジュール50は、センサモジュール35から無線により受信された上記センサ31の検出結果に基づき、コントローラ60を制御する(詳細は後述)。
また、コントローラ60は、モータ4と図示しないケーブルを介して通信可能に接続されている。なお、コントローラ60は、モータ4と無線通信可能に接続されてもよい。このコントローラ60は、制御モジュール50から入力された制御信号に基づき、モータ4の駆動制御を行う。
図7に示すように、制御モジュール50は、センサモジュール35と無線通信する(センサモジュール35から情報を受信する)ためのアンテナ51と、マイコン52と、駆動電源用のバッテリ(図示省略)を有する。マイコン52は、信号受付部53と、音声入力部54と、モード選択部55とを備える。
音声入力部54は、前述のマイクロフォンへ入力した音声に対応した第1トリガー信号及び第2トリガー信号を出力するように構成されている。例えば、「蹴り出し」の声に対応して第1トリガー信号を出力し、「振り出し」の声に対応して第2トリガー信号を出力する。また例えば、「イチニ、イチニ」というかけ声の「イチ」で第1トリガー信号を、「ニ」で第2トリガー信号を出力する。また例えば、拍手音の奇数拍目で第1トリガー信号を、偶数拍目で第2トリガー信号を出力する。
信号受付部53は、上記センサモジュール35から送信されたトリガー信号を、アンテナ51を介した無線通信により受信して受け付ける。また、信号受付部53は、介助者による手動操作でスイッチ20から出力されるトリガー信号を受け付ける。また、音声入力部54で入力した音声に対応して出力されたトリガー信号を受け付ける。この信号受付部53が、トリガー信号を受け付ける手段の一例に相当する。
モード選択部55は、図示しない選択スイッチ等の操作に応じて、信号受付部53でどのトリガー信号を受け付けるかを選択する。つまり、モード選択部55は、手動スイッチ20によるトリガー信号を使用する「スイッチモード」、音声によるトリガー信号を使用する「音声モード」、センサ31によるトリガー信号を使用する「センサモード」のいずれかを選択するように構成されている。モード選択部55により「スイッチモード」が選択された場合には、信号受付部53は手動スイッチ22からのトリガー信号を受け付け、音声入力部54及びセンサモジュール35からのトリガー信号については受け付けない。他のモードが選択された場合も同様である。
信号受付部53は、センサモジュール35、手動スイッチ20、又は音声入力部54のトリガー信号を受け付けると、受け付けたトリガー信号をコントローラ60に出力する。
コントローラ60は、駆動制御部61と、駆動電源用のバッテリ(図示省略)を備える。駆動制御部61は、信号受付部53からのトリガー信号を入力し、入力されたトリガー信号に基づいてモータ4を駆動制御する。つまり、駆動制御部61は、第1トリガー信号が入力された場合には、第1アーム部材5及び第2アーム部材6が伸展する方向にモータ4を駆動する。また駆動制御部61は、第2トリガー信号が入力された場合には、第1アーム部材5及び第2アーム部材6が屈曲する方向にモータ4を駆動する。駆動制御部61が、モータを駆動する手段の一例に相当する。
<動作補助装置の動作>
モード選択部52により「スイッチモード」が選択された場合、介助者は手動スイッチ20を操作して装着者Mの歩行動作をアシストする。第1スイッチ20aが操作されると、手動スイッチ20から信号受付部53に第1トリガー信号が出力され、駆動制御部61は2つのアーム部材5,6が伸展する方向にモータ4を駆動する。その結果、動作補助装置1は装着者Mの右足F1の蹴り出し動作を補助する。一方、第2スイッチ20bが操作されると、手動スイッチ20から信号受付部53に第2トリガー信号が出力され、駆動制御部61は2つのアーム部材5,6が屈曲する方向にモータ4を駆動する。その結果、動作補助装置1は装着者Mの右足F1の振り出し動作を補助する。したがって、介助者が手動スイッチ20の第1スイッチ20a及び第2スイッチ20bを適宜のタイミングで交互に操作することにより、動作補助装置1が装着者Mの右足F1の蹴り出し、振り出し動作を交互に補助し、装着者Mの歩行動作をアシストする。なお、アシストを停止する場合には、介助者が第3スイッチ20cを操作することにより、モータ4が駆動停止される。
モード選択部52により「音声モード」が選択された場合、介助者は音声により装着者Mの歩行動作をアシストする。蹴り出し動作に対応する音声(「蹴り出し」や「イチ」の声、奇数拍目の拍手音等)がマイクロフォンより入力されると、音声入力部54から信号受付部53に第1トリガー信号が出力され、駆動制御部61は2つのアーム部材5,6が伸展する方向にモータ4を駆動する。その結果、動作補助装置1は装着者Mの右足F1の蹴り出し動作を補助する。一方、振り出し動作に対応する音声(「振り出し」や「ニ」の声、偶数拍目の拍手音等)がマイクロフォンより入力されると、音声入力部54から信号受付部53に第2トリガー信号が出力され、駆動制御部61は2つのアーム部材5,6が屈曲する方向にモータ4を駆動する。その結果、動作補助装置1は装着者Mの右足F1の振り出し動作を補助する。したがって、介助者が適宜のタイミングで上記蹴り出しと振り出しに対応する音声を交互に入力することにより、動作補助装置1が装着者Mの右足F1の蹴り出し、振り出し動作を交互に補助し、装着者Mの歩行動作をアシストする。
モード選択部52により「センサモード」が選択された場合、介助者不在によるアシストが可能となる。なお、介助者が装着者Mの履物S1の接地をコントロールしながら歩行動作をアシストしてもよい。前述のように、履物S1の靴底部分が適切な力で接地した場合(第1感圧センサ31aがON、且つ、第2感圧センサ31bがONの場合)には、マイコン36から信号受付部53に第1トリガー信号が出力され、駆動制御部61は2つのアーム部材5,6が伸展する方向にモータ4を駆動する。その結果、動作補助装置1は装着者Mの右足F1の蹴り出し動作を補助する。一方、履物S1の靴底部分が浮揚した場合(第1感圧センサ31aがOFF、且つ、第2感圧センサ31bがOFFの場合)には、マイコン36から信号受付部53に第2トリガー信号が出力され、駆動制御部61は2つのアーム部材5,6が屈曲する方向にモータ4を駆動する。その結果、動作補助装置1は装着者Mの右足F1の振り出し動作を補助する。装着者Mが歩行すると、右足F1の接地、右足F1の蹴り出し(左足F2の浮揚、振り出し、接地、蹴り出し)、右足F1の浮揚、右足F1の振り出し、右足F1の接地という動作が繰り返されるので、上記動作制御により、動作補助装置1が装着者Mの右足F1の蹴り出し、振り出し動作を交互に補助し、装着者Mの歩行動作をアシストする。
<実施形態の効果>
以上説明したように、本実施形態の動作補助装置1は、モータ4と、2つのアーム部材5,6と、信号受付部53と、駆動制御部61とを有する。駆動制御部61は、信号受付部53が第1のトリガー信号を受け付けたことを契機に、2つのアーム部材5,6が伸展する方向にモータ4を駆動する。
これにより、第1のトリガー信号を適宜のタイミングで信号受付部53に出力することにより、装着者Mの身体機能に応じてモータ4の動作タイミングを調節することが可能となる。したがって、装着者の身体機能に応じたアシストをすることができる。
また、2つのアーム部材5,6が伸展する動作は、本実施形態のように動作補助装置1を股関節に適用する場合には蹴り出し動作に該当する。蹴り出しは、歩行動作において体重移動を伴うより重要な動作であることから、当該蹴り出し動作のタイミングを調節可能とすることで、装着者に対しより効果的にアシストを行うことができる。
また、本実施形態では特に、駆動制御部61が、信号受付部53が第2のトリガー信号を受け付けたことを契機に、2つのアーム部材5,6が屈曲する方向にモータを駆動する。これにより、2つのアーム部材5,6の伸展及び屈曲の両動作についてモータ4の動作タイミングを調節することが可能となるので、装着者の身体機能への適応性をより高めることができる。
また、本実施形態では特に、モータ4及び2つのアーム部材5,6が、装着者Mが使用する股関節装具80,80′に着脱可能である。これにより、次のような効果を得ることができる。すなわち、一般に、モータ等のアクチュエータが付属された装具は一体型として構成される。この場合、装着者Mに個別に対応することができないためフィッティング能力が不十分、装具の不適合のために機能が十分に発揮できない可能性がある、既存の装具以外に購入が必要となりコストが高い、使用する際に装具の取り外しと取り付けが必要となる、補修やメンテナンスに時間及びコストがかかる、といった問題がある。これに対し、本実施形態では上述の構成により装着者Mが日常使用している既存の装具を用いることができるので、フィッティング性が高く、装着者の体型にあった装具でモータ駆動によるアシストを十分に得ることができる。また、既存の装具を活用できるので汎用性が高く、コストも低減できる。また、使用に際してはモータ4及びアーム部材5,6の着脱のみで足り、装具の取り外し及び取り付けは不要となるので、装着者の利便性を向上できる。さらに、補修やメンテナンスを簡略化できる。
また、本実施形態で特に、動作補助装置1は、手動操作に応じて第1トリガー信号及び第2トリガー信号を出力するように構成されたスイッチ20a,20bを有する。これにより、装着者Mを介助する介助者、例えば理学療法士等の医療従事者がスイッチ20a,20bを用いて手動操作でモータ4の動作タイミングを調節することが可能となるので、装着者の身体機能により適応させたアシストをすることができる。
また、本実施形態では特に、動作補助装置1は、入力された音声に応じて第1トリガー信号及び第2トリガー信号を出力するように構成された音声入力部54を有する。これにより、介助者が発声や拍手音等によりモータの動作タイミングを調節することが可能となるので、装着者Mの身体機能により適応させたアシストをすることができる。
また、本実施形態では特に、動作補助装置1は、装着者Mの足裏に加わる力を検出し、検出結果に応じて第1トリガー信号及び第2トリガー信号を出力するように構成されたセンサ31を有する。そして、センサ31が右足F1の接地を検出した場合には第1トリガー信号を出力し、2つのアーム部材5,6を伸展動作させることにより蹴り出し動作を補助する。一方、センサ31が右足F1の浮揚を検出した場合には第2トリガー信号を出力して2つのアーム部材5,6を屈曲動作させることにより振り出し動作を補助する。これにより、装着者Mの右足F1の動作状態に応じてモータ4の動作タイミングを調節することが可能となるので、装着者Mの身体機能により適応させた歩行アシストをすることができる。
また、本実施形態では特に、第1の連結具7(7a,7b)と第2の連結具8(8a,8b)を用いて、2つのアーム部材5,6を装着者Mの股関節装具80の対応する部位に連結する。このとき、第2の連結具8は、アーム部材6と大腿部フレーム80bとを、当該アーム部材6又は大腿部フレーム80bのいずれか一方と長手方向にスライド可能な状態で連結する。これにより、モータ4の回転軸心AX1と大腿部フレーム80bの連結部80dの関節軸心AX2(図3)とが多少ずれていた場合でも、その軸ずれによる回動動作中のアーム部材6と装具80dとの位置ずれを第2の連結具8のスライドにより吸収し、モータ4によるアシストを実行することができる。
また、本実施形態では特に、動作補助装置1は、手動スイッチ20、音声入力部54及びセンサ31を有しており、モード選択部55が、手動スイッチ20によるトリガー信号を使用する「スイッチモード」と、音声によるトリガー信号を使用する「音声モード」と、センサ31によるトリガー信号を使用する「センサモード」のいずれかを選択する。これにより、装着者Mの身体機能や動作補助装置1の使用環境等に応じて適切な「モード」を選択することが可能となり、装着者Mへの適応性をさらに高めると共に、利便性を向上することができる。
なお、上記実施形態では、動作補助装置1を、片足(上記の例では右足F1)に股関節装具80を装着した装着者Mの歩行補助に適用していたが、これに限定されるものではない。例えば、動作補助装置1を、両足に装具を装着した装着者に適用してもよい。また、センサは第1感圧センサ31a及び第2感圧センサ31bの一方だけ設置してもよい。
<変形例>
なお、実施の形態は、上記内容に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を説明する。
(1)両足に感圧センサを設置する場合
上記実施形態では、装着者Mの右足F1にのみセンサ31を設置したが、装着者Mの両足にセンサを設置してもよい。この場合、2つのセンサの両方から第1のトリガー信号を受け付けたことを契機に、モータの駆動を停止するように制御してもよい。
本変形例における両足のセンサユニットの構成例を図8に示す。図8に示すように、装着者Mの左足F2には、センサユニット30が設けられた右足F1と同様、センサユニット40が設けられている。センサユニット40は、左足F2の履物の中敷I2に設置される。センサユニット40は、センサユニット30と同様に構成されており、第1感圧センサ41aと、固定抵抗器42と、第2感圧センサ41bと、固定抵抗器43とを備える。
第1感圧センサ41aが出力した出力電圧Vout3及び第2感圧センサ41bが出力した出力電圧Vout4は、センサモジュール45のマイコン46へ入力される。
マイコン46は、入力された出力電圧Vout3及びVout3の値が閾値以下の場合には、左足F2の靴底部分が適切な力で接地したものとみなして、第1トリガー信号を出力する。一方、マイコン46は、出力電圧Vout3及びVout4の値が閾値以上の場合には、左足F2の靴底部分が浮揚したものとみなして、第2トリガー信号を出力する。
本変形例における動作補助装置の機能的構成を図9に示す。図9に示す機能ブロック図は、感圧センサ41及びセンサモジュール45が付加され、制御モジュール50に条件設定部56が付加され、コントローラ60に駆動停止部62が付加された点を除き、図7に示す機能ブロック図と同様である。
駆動停止部62は、信号受付部53が感圧センサ31及び感圧センサ41の両方からの第1トリガー信号を受け付けたのを契機に、モータ4の駆動を停止するように構成されている。つまり、モード選択部55による「センサモード」の選択下において、信号受付部53が第1センサ31、第2センサ41の両方からの第1トリガー信号を受け付けると、信号受付部53は第1トリガー信号及び第2トリガー信号をコントローラ60に出力し、駆動停止部62がモータ4の駆動を停止する。
これにより、装着者Mが歩行を停止して両足F1,F2を接地させた際に、動作補助装置1が誤って歩行アシストを継続するのを防止できる。したがって、装着者Mの意図に応じた適切な歩行アシストを実施できる。
また、条件設定部56は、駆動停止部62がモータ4の駆動を停止する条件を設定するように構成されている。つまり、装着者Mが歩行を停止して両足F1,F2を接地させる場合でも、当該装着者Mの習慣や癖などにより、足裏の荷重の分布が異なる可能性がある。例えば、つま先立ちに近い状態で立ち止まる人の場合には踵に荷重が作用せず、反対に、踵のみに体重をかけつま先をほぼ浮かせた状態で立ち止まる人の場合にはつま先に荷重が作用しない、といった場合が考えられる。このような場合に対応するために、条件設定部56が駆動停止部62がモータ4の駆動を停止する条件を設定する。
例えば、上述のつま先立ちに近い状態で立ち止まる人の場合には、第1感圧センサ31a,41aの両方のON信号を受け付けたのを契機に、モータ4の駆動を停止するように条件を設定すればよい。また、上述の踵のみに体重をかけつま先をほぼ浮かせた状態で立ち止まる人の場合には、第2感圧センサ31b,41bの両方のON信号を受け付けたのを契機に、モータ4の駆動を停止するように条件を設定すればよい。これにより、上記のような場合にも条件を変更して歩行アシストを行うことが可能となり、装着者Mへの適応性をさらに高めることができる。
(2)動作補助装置を膝関節装具に適用した場合
本変形例は、動作補助装置1を膝関節装具に適用した場合の例である。本変形例の一例を図10に示す。
図10に示すように、膝関節装具82は、装着者Mの右足F1の右側において、膝から太ももに沿って延びる大腿部フレーム82aと、膝から下腿部に沿って延びる下腿部フレーム82bとを備える。大腿部フレーム82aは、装着者Mの大腿部に装着した2つの大腿部バンドB5を介して大腿部の右側に沿って取り付けられている。下腿部フレーム82bは、その上端部が大腿部フレーム82aの下端部に連結され、大腿部フレーム82aに対し回動可能である。下腿部フレーム82bは、下腿部の膝下に装着したサポートバンドB6を介して下腿部の長手方向に沿わせて取り付けられる。
なお、本変形例において「伸展」は大腿部フレーム82aと下腿部フレーム82bの間の角度(身体後方側の角度)が大きくなる方向の回動をいい、「屈曲」は反対に当該角度が小さくなる方向の回動をいう。
動作補助装置1の第1アーム部材5は、膝関節装具82の大腿部フレーム82aを介して装着者Mの右足F1の大腿部に連結され、第2アーム部材6は、下腿部フレーム82bを介して右足F1の下腿部に連結される。本変形例においても、上記実施形態と同様の連結構造により、動作補助装置1のモータ4と第1及び第2アーム部材5,6は、既存の膝関節装具82に着脱可能に構成される。
本変形例のその他の構成は上記実施形態と基本的に同様で、信号受付部53が第1のトリガー信号を受け付けたことを契機に、駆動制御部61は、2つのアーム部材5,6が伸展する方向にモータ4を駆動し、信号受付部53が第2のトリガー信号を受け付けたことを契機に、2つのアーム部材5,6が屈曲する方向にモータを駆動する。なお、「センサモード」においてマイコン36が第1トリガー信号及び第2トリガー信号を出力する条件は、本変形例の構成に合わせて適宜変更される。
これにより、装着者の身体機能に応じたアシストをすることが可能であり、上記実施形態と同様の効果を得る。
(3)動作補助装置を足関節装具に適用した場合
本変形例は、動作補助装置1を足関節装具に適用した場合の一例である。本変形例の一例を図11に示す。
図11に示すように、足関節装具84は、装着者Mの右足F1の右側において、足首から下腿部に沿って延びる下腿部フレーム84aと、足首から足の甲部の横部に沿って延びる甲部フレーム84bとを備える。下腿部フレーム84aは、下腿部に装着した下腿部バンドB7を介して足首から下腿部の右側に沿って取り付けられている。甲部フレーム84bは、その一端部が下腿部フレーム84aの下端部に連結され、下腿部フレーム84aに対し回動可能である。甲部フレーム84bは、この例では履物S1の内側に配置されているが、履物S1の外側に配置されてもよい。
なお、本変形例において「伸展」は下腿部フレーム84aと甲部フレーム84bの間の角度(身体前方側の角度)が大きくなる方向の回動をいい、「屈曲」は反対に当該角度が小さくなる方向の回動をいう。
動作補助装置1の第1アーム部材5は、足関節装具84の下腿部フレーム84aを介して装着者Mの右足F1の下腿部に連結され、第2アーム部材6は、甲部フレーム84bを介して右足F1の甲部に連結される。本変形例においても、上記実施形態と同様の連結構造により、動作補助装置1のモータ4と第1及び第2アーム部材5,6は、既存の足関節装具84に着脱可能に構成される。
本変形例のその他の構成は上記実施形態と基本的に同様で、信号受付部53が第1のトリガー信号を受け付けたことを契機に、駆動制御部61は、2つのアーム部材5,6が伸展する方向にモータ4を駆動し、信号受付部53が第2のトリガー信号を受け付けたことを契機に、2つのアーム部材5,6が屈曲する方向にモータを駆動する。なお、「センサモード」においてマイコン36が第1トリガー信号及び第2トリガー信号を出力する条件は、本変形例の構成に合わせて適宜変更される。
これにより、装着者の身体機能に応じたアシストをすることが可能であり、上記実施形態と同様の効果を得る。
(4)動作補助装置を肩関節装具に適用した場合
本変形例は、動作補助装置1を肩関節装具に適用した場合の例である。本変形例の一例を図12に示す。
図12に示すように、肩関節装具86は、装着者Mの右肩の角部から肩上部に沿って湾曲して延びる肩上部フレーム86aと、角部から上腕部に沿って延びる上腕部フレーム86bとを備える。肩上部フレーム86aは、装着者Mの上半身に装着したサポートシャツTに図示しない取付具を介して固定されている。上腕部フレーム86bは、その上端部が肩上部フレーム86aの下端部に連結され、肩上部フレーム86aに対し回動可能である。上腕部フレーム86bは、上腕部の上下2か所に装着した上腕部バンドB8を介して肩の角部から上腕部に沿って取り付けられている。
なお、本変形例において「伸展」は肩上部フレーム86aと上腕部フレーム86bの間の角度(身体前方側の角度)が大きくなる方向の回動をいい、「屈曲」は反対に当該角度が小さくなる方向の回動をいう。
動作補助装置1の第1アーム部材5は、肩上部フレーム86aに倣った湾曲部を有する形状に形成されている。動作補助装置1の第1アーム部材5は、肩関節装具86の肩上部フレーム86aを介して装着者Mの右肩に連結され、第2アーム部材6は、上腕部フレーム86bを介して上腕部に連結される。本変形例においても、上記実施形態と同様の連結構造により、動作補助装置1のモータ4と第1及び第2アーム部材5,6は、既存の肩関節装具86に着脱可能に構成される。
本変形例のその他の構成は上記実施形態と基本的に同様で、信号受付部53が第1のトリガー信号を受け付けたことを契機に、駆動制御部61は、2つのアーム部材5,6が伸展する方向にモータ4を駆動し、信号受付部53が第2のトリガー信号を受け付けたことを契機に、2つのアーム部材5,6が屈曲する方向にモータを駆動する。なお、本変形例では「スイッチモード」又は「音声モード」のみが選択され、「センサモード」は選択されない。
これにより、装着者の身体機能に応じたアシストをすることが可能であり、上記実施形態と同様の効果を得る。
(5)動作補助装置を肘関節装具に適用した場合
本変形例は、動作補助装置を肘関節装具に適用した例である。本変形例の一例を図13に示す。
図13に示すように、肘関節装具88は、装着者Mの右腕A1の肘部から上腕部に沿って延びる上腕部フレーム88aと、肘部から前腕部に沿って延びる前腕部フレーム88bとを備える。上腕部フレーム88aは、右腕A1の上腕部の上下2か所に装着した上腕部バンドB9を介して上腕部に沿って取り付けられている。前腕部フレーム88bは、その上端部が上腕部フレーム88aの下端部に連結され、上腕部フレーム88aに対し回動可能である。前腕部フレーム88bは、前腕部の上下2か所に装着した前腕部バンドB10を介して前腕部に沿って取り付けられている。
なお、本変形例において「伸展」は上腕部フレーム88aと前腕部フレーム88bの間の角度(身体前方側の角度)が大きくなる方向の回動をいい、「屈曲」は反対に当該角度が小さくなる方向の回動をいう。
動作補助装置1の第1アーム部材5は、肘関節装具88の上腕部フレーム88aを介して装着者Mの右腕A1の上腕部に連結され、第2アーム部材6は、前腕部フレーム88bを介して右腕A1の前腕部に連結される。本変形例においても、上記実施形態と同様の連結構造により、動作補助装置1のモータ4と第1及び第2アーム部材5,6は、既存の肘関節装具88に着脱可能に構成される。
本変形例のその他の構成は上記実施形態と基本的に同様で、信号受付部53が第1のトリガー信号を受け付けたことを契機に、駆動制御部61は、2つのアーム部材5,6が伸展する方向にモータ4を駆動し、信号受付部53が第2のトリガー信号を受け付けたことを契機に、2つのアーム部材5,6が屈曲する方向にモータを駆動する。なお、本変形例では「スイッチモード」又は「音声モード」のみが選択され、「センサモード」は選択されない。
これにより、装着者の身体機能に応じたアシストをすることが可能であり、上記実施形態と同様の効果を得る。
(6)動作補助装置を手関節装具に適用した場合
本変形例は、動作補助装置を手関節装具に適用した例である。本変形例の一例を図14に示す。
図14に示すように、手関節装具90は、装着者Mの左腕A2の内側を手首から前腕部に沿って延びる前腕部フレーム90aと、手首から親指の横に向けて延びる手部フレーム90bとを備える。前腕部フレーム90aは、前腕部の上下2か所に装着した前腕部バンドB11を介して前腕部に沿って取り付けられている。手部フレーム90bは、その一端部が前腕部フレーム90aの一端部に連結され、前腕部フレーム90aに対し回動可能である。手部フレーム90bは、手首から手の甲部分に装着した手甲サポータB12を介して手首から親指の横に沿って取り付けられている。
なお、本変形例において「伸展」は前腕部フレーム90aと手部フレーム90bの間の角度(身体の内側側の角度)が大きくなる方向の回動をいい、「屈曲」は反対に当該角度が小さくなる方向の回動をいう。
動作補助装置1の第1アーム部材5は、手関節装具90の前腕部フレーム90aを介して装着者Mの左腕A2の前腕部に連結され、第2アーム部材6は、手部フレーム90bを介して左腕A2の手に連結される。本変形例においても、上記実施形態と同様の連結構造により、動作補助装置1のモータ4と第1及び第2アーム部材5,6は、既存の手関節装具90に着脱可能に構成される。
本変形例のその他の構成は上記実施形態と基本的に同様で、信号受付部53が第1のトリガー信号を受け付けたことを契機に、駆動制御部61は、2つのアーム部材5,6が伸展する方向にモータ4を駆動し、信号受付部53が第2のトリガー信号を受け付けたことを契機に、2つのアーム部材5,6が屈曲する方向にモータを駆動する。なお、本変形例では「スイッチモード」又は「音声モード」のみが選択され、「センサモード」は選択されない。
これにより、装着者の身体機能に応じたアシストをすることが可能であり、上記実施形態と同様の効果を得る。
また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。
その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
1 動作補助装置
2 固定子
3 回転子
4 モータ
5 第1アーム部材(アーム部材)
6 第2アーム部材(アーム部材)
7 第1の連結具
8 第2の連結具
20a 第1スイッチ(スイッチ)
20b 第2スイッチ(スイッチ)
31a 第1感圧センサ(センサ)
31b 第2感圧センサ(センサ)
52 モード選択部
53 信号受付部(トリガー信号を受け付ける手段)
54 音声入力部
56 条件設定部
61 駆動制御部(モータを駆動する手段)
62 駆動停止部
80 股関節装具
82 膝関節装具
84 足関節装具
86 肩関節装具
88 肘関節装具
90 手関節装具

Claims (7)

  1. 装着者の身体動作を補助する動作補助装置であって、
    固定子及び回転子を備えたモータと、
    前記固定子及び前記回転子の各々に連結され、装着者の身体の所定の部位に連結されるように構成された2つのアーム部材と、
    前記モータの駆動の契機となるトリガー信号を受け付けるように構成された信号受付部と、
    前記信号受付部が第1の前記トリガー信号を受け付けたことを契機に、前記2つのアーム部材が伸展する方向に前記モータを駆動するとともに、前記信号受付部が第2の前記トリガー信号を受け付けたことを契機に、前記2つのアーム部材が屈曲する方向に前記モータを駆動するように構成された駆動制御部と、
    前記装着者の左足裏に加わる力を検出し、検出結果に応じて、左足の接地状態に対応した前記第1のトリガー信号及び左足の浮揚状態に対応した前記第2のトリガー信号を出力するように構成された左足用センサと、
    前記装着者の右足裏に加わる力を検出し、検出結果に応じて、右足の接地状態に対応した前記第1のトリガー信号及び右足の浮揚状態に対応した前記第2のトリガー信号を出力するように構成された右足用センサと、
    前記信号受付部が前記左足用センサ及び前記右足用センサの両方から前記第1のトリガー信号をそれぞれ受け付けたことを契機に、前記モータの駆動を停止するように構成された駆動停止部と、
    を有する
    ことを特徴とする動作補助装置。
  2. 前記モータ及び前記2つのアーム部材は、
    前記装着者が使用する装具に着脱可能に構成される
    ことを特徴とする請求項1に記載の動作補助装置。
  3. 手動操作に応じて前記第1のトリガー信号及び前記第2のトリガー信号を出力するように構成されたスイッチを有する
    ことを特徴とする請求項2に記載の動作補助装置。
  4. 入力された音声に応じて前記第1のトリガー信号及び前記第2のトリガー信号を出力するように構成された音声入力部を有する
    ことを特徴とする請求項2又は3に記載の動作補助装置。
  5. 前記駆動停止部が前記モータの駆動を停止する条件を設定するように構成された条件設定部を有する
    ことを特徴とする請求項1に記載の動作補助装置。
  6. 前記2つのアーム部材の一方を前記装具の対応する部位に固定するように構成された第1の連結具と、
    前記2つのアーム部材の他方と前記装具の対応する部位とを、前記アーム部材又は前記装具のいずれか一方と長手方向にスライド可能な状態で連結するように構成された第2の連結具と、を有する
    ことを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載の動作補助装置。
  7. 手動操作に応じて前記第1のトリガー信号及び前記第2のトリガー信号を出力するように構成されたスイッチと、
    入力された音声に応じて前記第1のトリガー信号及び前記第2のトリガー信号を出力するように構成された音声入力部と、
    前記装着者の足裏に加わる力を検出し、検出結果に応じて前記第1のトリガー信号及び前記第2のトリガー信号を出力するように構成されたセンサと、
    前記スイッチによる前記トリガー信号を使用するスイッチモード、前記音声による前記トリガー信号を使用する音声モード、前記センサによる前記トリガー信号を使用するセンサモードのいずれかを選択するように構成されたモード選択部と、を有する
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の動作補助装置。
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