JP6148766B1 - アクチュエータ付き長下肢装具 - Google Patents

Abstract

【課題】下腿の正常な歩行動作が困難なユーザーに対しても、歩行状態に応じた適切な下腿への歩行補助力を付与し得るアクチュエータ付き長下肢装具を提供する。【解決手段】本発明に係る長下肢装具においては、制御装置は、一のサンプリングポイントにて状態姿勢検出手段から入力される角度関連信号に基づいて大腿位相角を算出し、当該制御装置に予め記憶されている、大腿位相角と下腿側装具に付与すべき補助力との関係を示す補助力制御データに前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を適用して、前記一のサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具に付与すべき補助力を算出し、前記補助力が出力されるように前記アクチュエータの作動制御を実行する。【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータ付き長下肢装具に関する。

脚の不自由な人や脳卒中等の為に麻痺を有する人の歩行補助用又はリハビリテーション用の器具として、膝関節をサポートする長下肢装具が利用されており、脚の動きを補助する電動モータ等の駆動体を含むアクチュエータユニットが付設されたアクチュエータ付き長下肢装具も提案されている（下記特許文献１〜３参照）。

詳しくは、従来のアクチュエータ付き長下肢装具は、ユーザーの大腿に装着される大腿側装具と、ユーザーの下腿に装着され且つ前記大腿側装具に対してユーザーの膝関節回り回動可能に連結された下腿側装具と、前記大腿側装具に装着され、前記下腿側装具に対して膝関節回りの補助力を付与可能なアクチュエータと、大腿に対する下腿の膝関節回りの回動角度を検出する下腿角度センサと、前記アクチュエータの作動制御を司る制御装置とを備え、前記制御装置が、前記下腿角度センサからの検出信号に基づいて前記アクチュエータの作動制御を実行するように構成されている。

即ち、前記従来のアクチュエータ付き長下肢装具は、前記アクチュエータによって補助力が付与される制御対象部位である下腿の動き（大腿に対する下腿の膝関節回りの角度）を前記下腿角度センサによって検出し、下腿の動きに基づいて算出される大きさ及び方向の補助力が下腿に付与されるように前記アクチュエータの作動制御を行うものである。

しかしながら、脳卒中等の為に麻痺を有する場合には、大腿の歩行動作（股関節回りの大腿の前後揺動動作）は比較的正常に行えるものの、下腿の歩行動作（膝関節回りの下腿の前後揺動動作）は正常に行えないことが多い。

このような場合、前記従来のアクチュエータ付き長下肢装具では、正常な歩行動作を行えない下腿の動きに基づいて前記アクチュエータの作動制御を行うことになり、的確な歩行補助力を提供することができないおそれがあった。

なお、補助力を付与する付与部と、前記付与部の作動制御を行う制御部と、股関節角度及び股関節角速度の少なくとも一方を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて大腿の位相角を算出する算出部とを備え、前記制御部が、前記位相角に基づいて前記付与部の作動制御を行うように構成された歩行補助装置が提案されている（下記特許文献４参照）。

しかしながら、前記特許文献４に記載の歩行補助装置も、補助力を付与すべき制御対象部位の動きを検出し、その検出結果に基づき制御対象部位である大腿に対して補助力を付与する前記付与部の作動制御を行うものであり、前記特許文献１〜３に記載のアクチュエータ付き長下肢装具と共通の技術的思想に基づくものである。

特許第５７２４３１２号公報 特許第５７９９６０８号公報 特許第５３８６２５３号公報 特開２０１６−００２４０８号公報

本発明は、斯かる従来技術に鑑みなされたものであり、下腿に対して膝関節回りの歩行補助力を付与可能なアクチュエータを備えた長下肢装具であって、下腿を正常に歩行動作させることが困難なユーザーに対しても、歩行周期中の歩行状態に応じた適切な下腿への歩行補助力を付与し得るアクチュエータ付き長下肢装具の提供を、目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、ユーザーの大腿に装着される大腿側装具と、ユーザーの下腿に装着され且つ前記大腿側装具に対してユーザーの膝関節回り回動可能に連結された下腿側装具と、前記大腿側装具に装着され、前記下腿側装具に対して膝関節回りの補助力を付与可能なアクチュエータと、ユーザーの大腿の前後揺動角度である股関節角度に関連する角度関連信号を検出可能な大腿姿勢検出手段と、前記アクチュエータの作動制御を司る制御装置とを備え、前記制御装置は、一のサンプリングポイントでの前記角度関連信号に基づいて前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を算出し、当該制御装置に予め記憶されている、大腿位相角と前記下腿側装具に付与すべき補助力との関係を示す補助力制御データに前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を適用して、前記一のサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具に付与すべき補助力を算出し、前記補助力が出力されるように前記アクチュエータの作動制御を実行し、前記補助力制御データは、ユーザーの体軸より前方側で踵を接地させるヒールコンタクト時点を含むヒールコンタクト期において、前記下腿側装具を膝関節回り膝伸展方向へ回動させて膝折れを防止する為の第１トルクパターンと、ヒールコンタクト後に当該ヒールコンタクトした脚が接地状態で後方側へ相対移動する立脚期において、前記下腿側装具を膝関節回り膝伸展方向へ回動させて膝折れを防止する為の第２トルクパターンと、立脚期の終了時点から立脚していた脚を引き上げて前方側へ相対移動させる遊脚期の初期段階において、前記下腿側装具を膝関節回り膝屈曲方向へ回動させて脚の引き上げを補助する為の第３トルクパターンと、前記遊脚期の後期段階において、前記下腿側装具を膝関節回り膝伸展方向へ回動させる第４トルクパターンとを含むように構成されているアクチュエータ付き長下肢装具を提供する。

例えば、大腿をユーザーの体軸を基準として前方側及び後方側へ揺動させている際の股関節角速度をそれぞれ正及び負とした場合に、前記制御装置は、算出される股関節角速度が正値からゼロへ移行したタイミングから所定位相角だけ進行した時点をヒールコンタクト時点として認識するように構成される。

これに代えて、本発明に係るアクチュエータ付き長下肢装具にヒールコンタクトを検出するヒールコンタクト検出手段が備えられる場合には、前記制御装置は、前記ヒールコンタクト検出手段によって検出されたタイミングをヒールコンタクト時点として認識するように構成される。

一形態においては、前記大腿姿勢検出手段は、大腿の角速度を検出する３軸角速度センサを有するものとされる。
この場合、前記制御装置は、前記角速度センサからの角速度情報に基づき股関節角度を算出し、前記股関節角度とこれを微分して得られる股関節角速度とに基づいて大腿位相角を算出し得る。

他形態においては、前記大腿姿勢検出手段は、大腿の角速度を検出する３軸角速度センサ及び大腿の加速度を検出する３軸加速度センサを有するものとされる。
この場合、前記制御装置は、前記３軸角速度センサからの角速度データに基づき算出される第１オイラー角の高周波成分と前記３軸加速度センサからの加速度データに基づき算出される第２オイラー角の低周波成分とを合算して合算オイラー角を算出し、前記合算オイラー角から算出される股関節角度と前記股関節角度から算出される股関節角速度とに基づいて大腿位相角を算出し得る。

好ましくは、前記制御装置は、大腿位相角を算出する際に用いた股関節角度及び股関節角速度をプロットして歩行周期毎の大腿の周期的動作を表すトラジェクトリ線図を作成するように構成される。

好ましくは、前記制御装置は、大腿位相角を算出する際に用いた股関節角度及び股関節角速度によって画されるベクトル長が所定閾値より小さい場合には、前記アクチュエータの作動を禁止するように構成される。

好ましくは、本発明に係るアクチュエータ付き長下肢装具は、前記股関節角度の高周波成分を抽出するハイパスフィルターを備え得る。
この場合、前記制御装置は、前記ハイパスフィルターによって抽出された前記股関節角度の高周波成分を微分して前記股関節角速度を得るように構成される。

本発明に係るアクチュエータ付き長下肢装具によれば、制御装置が、状態姿勢検出手段によって検出される、ユーザーの大腿の前後揺動角度である股関節角度に関連する角度関連信号に基づいて大腿位相角を算出し、当該制御装置に予め記憶されている、大腿位相角と下腿側装具に付与すべき補助力との関係を示す補助力制御データに前記大腿位相角を適用して、このサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具に付与すべき補助力を算出し、前記補助力が出力されるようにアクチュエータの作動制御を実行し、前記補助力制御データは、ユーザーの体軸より前方側で踵を接地させるヒールコンタクト時点を含むヒールコンタクト期において、前記下腿側装具を膝関節回り膝伸展方向へ回動させて膝折れを防止する為の第１トルクパターンと、ヒールコンタクト後に当該ヒールコンタクトした脚が接地状態で後方側へ相対移動する立脚期において、前記下腿側装具を膝関節回り膝伸展方向へ回動させて膝折れを防止する為の第２トルクパターンと、立脚期の終了時点から立脚していた脚を引き上げて前方側へ相対移動させる遊脚期の初期段階において、前記下腿側装具を膝関節回り膝屈曲方向へ回動させて脚の引き上げを補助する為の第３トルクパターンと、前記遊脚期の後期段階において、前記下腿側装具を膝関節回り膝伸展方向へ回動させる第４トルクパターンとを含むように構成されているので、下腿を正常に歩行動作させることが困難なユーザーに対しても、歩行周期中の歩行状態に応じた適切な下腿への歩行補助力を付与することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係るアクチュエータ付き長下肢装具の斜視図である。 図２は、前記長下肢装具の部分正面図である。 図３は、前記長下肢装具の部分分解斜視図であって、ユーザー幅方向外方から見た状態を示している。 図４は、前記長下肢装具の部分分解斜視図であって、ユーザー幅方向内方から見た状態を示している。 図５は、前記長下肢装具における大腿フレーム及び下腿フレームの分解斜視図である。 図６は、前記長下肢装具におけるアクチュエータユニットの部分縦断面図である。 図７は、図２におけるVII-VII線に沿った端面図である。 図８は、前記長下肢装具における股関節角度算出のブロック図である。 図９は、前記長下肢装具における制御装置によって算出される股関節角度θ及び股関節角速度ωを一歩行周期に亘ってプロットすることによって得られるトラジェクトリ線図である。 図１０は、前記制御装置によって算出された大腿位相角φを歩行周期毎にプロットしたグラフである。 図１１は、一歩行周期中における歩行状態の推移を示す模式図である。 図１２は、前記制御装置に予め記憶される、一歩行周期中における歩行状態とアクチュエータユニットが出力すべき補助力との関係を示す補助力制御データの一例を示すグラフである。 図１３は、前記制御装置によって実行されるアクチュエータ作動制御モードのフローチャートである。

以下、本発明に係るアクチュエータ付き長下肢装具の一実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１及び図２に、それぞれ、本実施の形態に係る長下肢装具１の斜視図及び部分正面図を示す。
また、図３及び図４に、それぞれ、前記長下肢装具ユーザー１の幅方向外方側及び内方側から視た部分分解斜視図を示す。

前記長下肢装具１は、脚の不自由な人や脳卒中等の為に片麻痺を有するユーザーが歩行補助の為、又は、リハビリテーションの為に装着する器具であり、付設されるアクチュエータユニット１００によってユーザーの下腿に対して歩行補助力を付与し得るように構成されている。

詳しくは、図１〜図４に示すように、前記長下肢装具１は、ユーザーの大腿に装着される大腿側装具１０と、ユーザーの下腿に装着された下腿側装具３０と、前記大腿側装具１０に装着され、前記下腿側装具３０に対して膝関節回りの補助力を付与可能なアクチュエータユニット１００とを備えている。

本実施の形態においては、前記大腿側装具１０は、ユーザーの大腿に装着される大腿装着体１５と、前記大腿装着体１５に連結された大腿フレーム２０とを有している。

前記大腿装着体１５は、ユーザーの大腿に装着可能とされる限り種々の形態を取り得る。
本実施の形態においては、図１に示すように、前記大腿装着体１５は、ユーザーの大腿が挿入可能で且つ大腿にフィットするような大きさの装着孔を有する筒状とされている。

図１〜図４に示すように、前記大腿フレーム２０は、ユーザーの幅方向外方側においてユーザーの大腿に沿って上下に延びる第１大腿フレーム２０（１）を有している。

本実施の形態においては、図１〜図４に示すように、前記大腿フレーム２０は、さらに、前記大腿装着体１０に挿入されたユーザーの大腿を挟んで前記第１大腿フレーム２０（１）と対向するようにユーザーの幅方向内方側においてユーザーの大腿に沿って上下に延びる第２大腿フレーム２０（２）を有している。

本実施の形態においては、前記下腿側装具３０は、ユーザーの下腿に装着される下腿装着体３５と、前記下腿装着体３５に連結された下腿フレーム４０とを有している。

前記下腿装着体３５は、ユーザーの下腿に装着可能とされる限り種々の形態を取り得る。
本実施の形態においては、図１に示すように、前記下腿装着体３５は、ユーザーの下腿が挿入可能で且つ下腿にフィットするような大きさの装着孔を有する筒状とされている。

図１〜図４に示すように、前記下腿フレーム４０は、ユーザーの幅方向外方側においてユーザーの下腿に沿って上下に延びる第１下腿フレーム４０（１）を有している。

本実施の形態においては、図１〜図４に示すように、前記下腿フレーム４０は、さらに、前記下腿装着体３０に挿入されたユーザーの下腿を挟んで前記第１下腿フレーム４０（１）と対向するようにユーザーの幅方向内方側においてユーザーの下腿に沿って上下に延びる第２下腿フレーム４０（２）を有している。

本実施の形態においては、前記下腿側装具３０は、さらに、ユーザーが足を載置する足装着体６５と、前記足装着体６５を支持し且つ前記下腿フレーム４０に連結される足フレーム６０とを有している。

前記下腿側装具３０は、前記大腿側装具１０に対してユーザーの膝関節回り回動可能に連結されている。
即ち、前記下腿フレーム４０が前記大腿フレーム２０に対してユーザーの膝関節の揺動軸線Ｘ回り回動可能に連結されている。

前述の通り、本実施の形態においては、前記大腿フレーム２０は前記第１及び第２大腿フレーム２０（１）、２０（２）を有し、前記下腿フレーム４０は第１及び第２下腿フレーム４０（１）、４０（２）を有している。

従って、前記第１下腿フレーム４０（１）が前記第１大腿フレーム２０（１）に揺動軸線Ｘ回り回動可能に連結され、前記第２下腿フレーム４０（２）が前記第２大腿フレーム２０（２）に揺動軸線Ｘ回り回動可能に連結されている。

図５に、前記大腿フレーム２０及び前記下腿フレーム４０の分解斜視図を示す。
図５に示すように、前記大腿フレーム２０は、上下方向に延びる大腿フレーム本体２１と、前記大腿フレーム本体２１の下端部を挟むように当該大腿フレーム本体２１にピン連結又は溶接等によって固着された一対の連結片２２ａ、２２ｂとを有している。

前記一対の連結片２２ａ、２２ｂは、前記大腿フレーム本体２１よりユーザーの脚から離間する側に位置する外側連結片２２ａと、前記大腿フレーム本体２１よりユーザーの脚に近接する側に位置する内側連結片２２ｂとを有している。

前記下腿フレーム４０は、前記一対の連結片２２ａ、２２ｂの間に介挿された状態で前記揺動軸線Ｘ回り回動可能に前記一対の連結片２２ａ、２２ｂに連結されている。

詳しくは、前記一対の連結片２２ａ、２２ｂ及び前記下腿フレーム４０の上部には前記揺動軸線Ｘと同軸上においてユーザー幅方向に沿った取付孔２３、４３が形成されている。

前記アクチュエータユニット１００が装着される側（ユーザーの対応する脚よりユーザー幅方向外方側）に位置する、前記第１大腿フレーム２０（１）及び前記第１下腿フレーム４０（１）は、第１回動連結具５０（１）を介して前記揺動軸線Ｘ回り回動可能に連結されている。

前記第１回動連結具５０（１）は、前記取付孔２３、４３内において互いに対して分離可能に連結される第１雌ネジ部材５１（１）及び第１雄ネジ部材５５（１）を有している。

前記第１雌ネジ部材５１（１）は、前記内側連結片２２ｂの側から前記取付孔２３に挿入される筒部５２と、前記取付孔２３よりユーザーの脚に近接する位置において前記筒部５２から径方向外方へ延在されるフランジ部５３とを有しており、前記筒部５２には自由端側に開くネジ穴が形成されている。

前記第１雄ネジ部材５５（１）は、前記外側連結片２２ａの側から前記取付孔２３内に挿入される筒部５６と、前記取付孔２３よりユーザーの脚から離間する位置において前記筒部５６から延在された係合凸部５７とを有している。

前記第１雄ネジ部材５５（１）の筒部５６には、前記取付孔２３、４３内において前記第１雌ネジ部材５１（１）の前記ネジ穴に螺入される雄ネジが形成されている。

前記第１雄ネジ部材５５（１）に形成された雄ネジ及び前記第１雌ネジ部材５１（１）の雌ネジを、前記取付孔２３、４３内で螺入させることによって、前記第１下腿フレーム４０（１）が前記第１大腿フレーム２０（１）に対して揺動可能に連結される。

ユーザーの対応する脚よりユーザー幅方向内方側に位置する、前記第２大腿フレーム２０（２）及び前記第２下腿フレーム４０（２）は、第２回動連結具５０（２）を介して前記揺動軸線Ｘ回り回動可能に連結されている。

前記第２回動連結具５０（２）は、前記取付孔内２３、４３において互いに対して分離可能に連結される第２雌ネジ部材５１（２）及び第２雄ネジ部材５５（２）を有している。

前記第２雌ネジ部材５１（２）は、前記第１雌ネジ部材５１（１）と同一構成を有している。

前記第２雄ネジ部材５５（２）は、前記外側連結片２２ａの側から前記取付孔２３内に挿入される筒部５６と、前記取付孔２３よりユーザー幅方向内方側において前記筒部５６から径方向外方へ延在されたフランジ部５８とを有している。

前記第２雄ネジ部材５５（２）の筒部５６には、前記取付孔２３、４３内において前記第２雌ネジ部材５１（２）の前記ネジ穴に螺入される雄ネジが形成されている。

前記第２雄ネジ部材５５（２）に形成された雄ネジ及び前記第２雌ネジ部材５１（２）の雌ネジを、前記取付孔２３、４３内で螺入させることによって、前記第２下腿フレーム４０（２）が前記第２大腿フレーム２０（２）に対して揺動可能に連結される。

なお、図５の符号５３ａは、前記フランジ部５３に設けられた径方向外方突起であり、前記内側連結片２２ｂに形成された凹部に係合することで、前記雌ねじ部材５１が前記内側連結片２２ｂ（即ち、前記大腿フレーム２０）に対して軸線回り相対回転不能に保持されるようになっている。

本実施の形態においては、前記長下肢装具１は、図１〜図４に示すように、さらに、前記下腿フレーム４０の前記大腿フレーム２０に対する揺動軸線Ｘ回りの回動を禁止する為のロック部材７０を有している。

前記ロック部材７０は、前記大腿フレーム２０及び前記下腿フレーム４０を囲繞して両フレーム２０、４０を連結し、前記下腿フレーム４０が前記大腿フレーム２０に対して前記揺動軸線Ｘ回りに相対回転することを防止するロック状態示す状態（図１〜図４に示す状態）と、前記大腿フレーム２０及び前記下腿フレーム４０の連結を解除し、前記下腿フレーム４０が前記大腿フレーム２０に対して前記揺動軸線Ｘ回りに相対回転することを許容する解除状態とを取り得るように構成されている。

なお、本実施の形態においては、前記ロック部材７０は、前記第１大腿フレーム２０（１）及び前記第１下腿フレーム４０（１）に作用するユーザー幅方向外側に位置する第１ロック部材７０（１）と、前記第２大腿フレーム２０（２）及び前記第２下腿フレーム４０（２）に作用するユーザー幅方向内側に位置する第２ロック部材７０（２）とを有している。

また、本実施の形態においては、図５に示すように、前記下腿フレーム４０の上端面４５（前記大腿フレーム２０に対向する端面）は前記揺動軸線Ｘ回り一方側から他方側へ行くに従って前記揺動軸線Ｘからの径方向距離が増大するような傾斜面とされており、前記大腿フレーム２０の下端面２５（前記下腿フレーム４０に対向する端面）は前記下腿フレーム４０の上端面４５に対応した傾斜面とされている。

斯かる構成により、前記下腿フレーム４０は、前記大腿フレーム２０に対して前記揺動軸線Ｘ回り一方側（ユーザーの下腿が大腿に対して屈曲する方向）へのみ回動が許容され、他方側へは、下腿が大腿に対して伸展することを許容しつつそれ以上は回動しないようになっている。

図６に、前記アクチュエータユニット１００の部分縦断面図を示す。
図１〜図４及び図６に示すように、前記アクチュエータユニット１００は、上部フレーム１２０と、前記上部フレーム１２０に枢支軸線Ｙ回り回動可能に連結された下部フレーム３４０と、前記下部フレーム３４０を枢支軸線Ｙ回りに回動させる為の駆動力を発生する電動モータ等の駆動体１１０と、前記上部フレーム３４０を前記大腿フレーム２０に連結させる上部連結体３６０と、前記枢支軸線Ｙを前記揺動軸線Ｘと同軸上に位置させる回動中心連結体１８０と、下部連結体３７０とを備えている。

前記上部フレーム１２０及び前記下部フレーム３４０には、それぞれ、前記枢支軸線Ｙと同軸上に配置された上部フレーム取付孔１２０ａ及び下部フレーム取付孔１４０ａが設けられている。

前記下部フレーム取付孔１４０ａには回動連結軸１５１が固着されており、前記回動連結軸１５１が軸受部材１５５を介して前記上部フレーム取付孔１２０ａに軸線回り回動可能に支持されており、これにより、前記下部フレーム３４０が前記上部フレーム１２０に前記枢支軸線Ｙ回り回動可能に連結されている。

前記駆動体１１０は、電動モータ等の駆動源１１１と、前記駆動源１１１によって発生された駆動力を前記下部フレーム３４０に伝達する伝動機構１１５とを有している。

前記駆動源１１１は前記上部フレーム１２０の外側面に固着されている。
本実施の形態においては、図６に示すように、前記駆動源１１１は、出力軸１１１ａが下方へ延在された状態で前記上部フレーム１２０の外側面に固着されている。

本実施の形態においては、図６に示すように、前記伝動機構１１５は、前記出力軸１１１ａに相対回転不能に支持された駆動側ベベルギヤ１１６と、前記枢支軸線Ｙ回りに前記下部フレーム３４０と一体的に回転するように前記下部フレーム３４０に連結された状態で前記駆動側ベベルギヤ１１６に噛合された従動側ベベルギヤ１１７とを備えている。

なお、前記アクチュエータユニット１００は、前記回動連結軸１５１の軸線回りの回転角度を検出するセンサ（図示せず）を有することができ、前記センサによって前記回動連結軸１５１の軸線回りの回転角度を検出して、前記下部フレーム３４０の前記枢支軸線Ｙ回りの揺動角度を認識することができる。

図３及び図４に示すように、前記上部連結体３６０は、枢支軸線Ｙに平行で且つユーザー幅方向外方（前記上部フレーム１２０の方向）に開くように前記第１大腿フレーム２０（１）に設けられた係合孔３６１と、前記係合孔３６１に係合可能なように前記上部フレーム１２０に設けられた係合ピン３６２とを有している。

本実施の形態においては、前記上部連結体３６０には、ロック機構が備えられている。
前記ロック機構は、図４に示すように、前記係合ピン３６２の外表面から径方向に沿って進退自在とされ、前記係合ピンの外表面から径方向外方へ突出された係合位置及び前記係合ピン内に退避された解除位置を取り得る凸部３６６と、前記凸部３６６を係合位置へ向けて付勢する付勢部材（図示せず）と、前記係合ピン３６２が前記係合孔３６１に係入された状態において前記凸部３６６と係合するように前記係合孔に設けられた凹部（図示せず）と、外部からの人為操作に応じて前記付勢部材の付勢力に抗して前記凸部３６６を解除位置へ押動する解除操作部３６７とを有している。

図４及び図６に示すように、前記回動中心連結体１８０は、前記揺動軸線Ｘと同軸上に位置するように前記第１大腿フレーム２０（１）又は前記第１下腿フレーム４０（１）に設けられた装具側回動中心連結部材と、前記枢支軸線Ｙと同軸上に位置するように前記上部フレーム１２０又は前記下部フレーム３４０に設けられたアクチュエータ側回動中心連結部材１８５とを有している。

本実施の形態においては、前記第１回動連結具５０（１）における前記係合凸部２７が前記装具側回動中心連結部材として作用する。

前記アクチュエータ側回動中心連結部材１８５は、前記装具側回動中心連結部材（本実施の形態においては前記係合凸部５７）に着脱可能に凹凸係合するアクチュエータ側凹凸係合部１８５ａを有している。

本実施の形態においては、図６に示すように、前記上部フレーム１２０に、前記装具側回動中心連結部材（本実施の形態においては前記係合凸部５７）が着脱可能且つ軸線回り回動可能に係入される係合凹部が形成されており、前記係合凹部が前記アクチュエータ側凹凸係合部１８５ａとして作用する。

図３、図４及び図６に示すように、前記下部連結体３７０は、前記下部フレーム３４０が前記上部フレーム１２０に対して枢支軸線Ｙ回りに回動する動きに応じて前記第１下腿フレーム４０（１）が前記第１大腿フレーム２０（１）に対して揺動軸線Ｘ回りに回動するように、前記下部フレーム３４０を前記第１下腿フレーム４０（１）に連結させる。

詳しくは、図６に示すように、前記下部フレーム３４０は、前記回動連結軸１５１を介して前記上部フレーム１２０に枢支軸線Ｙ回り回動可能に連結される基端部３４１と、前記基端部３４１から前記第１下腿フレーム４０（１）に近接する側へ延びる先端部３４５とを有している。

図６等に示すように、本実施の形態においては、前記基端部３４１は、前記従動側ベベルギヤ１１７を枢支軸線Ｙ回りに一体回転するように支持しており、これにより、前記駆動体１１０からの回転動力によって前記従動側ベベルギヤ１１７及び前記基端部３４１が枢支軸線Ｙ回りに一体回動する。
本実施の形態においては、前記基端部３４１は略垂直に沿った平板状とされている。

図４及び図６に示すように、前記先端部３４５は、先端面３４６が前記第１下腿フレーム４０（１）におけるユーザー幅方向外方を向く外側面と対向する対向面を形成している。
前記先端面３４６は、前記第１下腿フレーム４０（１）の幅方向（即ち、ユーザー前後方向）に対応した幅方向Ｄに関し所定長さを有している。
本実施の形態においては、前記先端部３４５は略水平に沿った平板状とされており、先端面３４６は略矩形とされている。

図４及び図６に示すように、前記下部連結体３７０は、前記先端部３４５に形成された支持孔３７１と、前記支持孔３７１に進退自在に収容された係合ピン３７２と、前記係合ピン３７２を付勢する付勢ばね３７３と、前記先端部３４５に設けられた係合アーム３７５とを有している。

前記支持孔３７１は、前記対向面の幅方向中間領域において前記対向面に開き且つ前記第１下腿フレーム４０（１）の外側面に対して略直交する方向に延びている。

前記係合ピン３７２は、先端が前記対向面から突出された突出位置及び前記突出位置より前記第１下腿フレーム４０（１）から離間するように前記支持孔３７１に入り込んだ退避位置を取り得るように、前記支持孔３７１に軸線方向移動可能に収容されている。

前記付勢ばね３７３は、前記係合ピン３７１を突出位置へ向けて付勢する。
本実施の形態においては、前記付勢ばね３７３は、前記係合ピン３７１の基端部と前記支持孔３７１の底面との間に介挿されている。

詳しくは、本実施の形態においては、前記支持孔３７１は、一端側が前記対向面に開き且つ他端側が前記対向面とは反対側の裏面に開くように前記先端部３４５に形成されており、前記支持孔３７１の他端側は前記先端部３４５の裏面に固着される閉塞プレート３４８によって閉じられている。この場合、前記閉塞プレート３４８が前記支持孔３７１の底面を形成する。

前記係合アーム３７５は、前記対向面から前記第１下腿フレーム４０（１）に近接する側へ枢支軸線Ｙに沿って延びる軸方向延在部３７６を有している。
前記軸方向延在部３７６は、前記第１下腿フレーム４０（１）が前記下部フレーム３４０の幅方向に関し前記軸方向延在部３７６及び前記係合ピン３７２の間に配置可能なように、前記係合ピン３７２との間の幅方向離間距離が設定されている。

即ち、前記第１下腿フレーム４０（１）がユーザー前後方向に関し前記係合ピン３７２及び前記軸方向延在部３７６の間に位置し得るように、前記係合ピン３７２及び前記軸方向延在部３７６の間の幅方向離間距離が前記第１下腿フレーム４０（１）の幅よりも大とされている。

ここで、前記下部連結体３７０による前記下部フレーム３４０の前記第１下腿フレーム４０（１）への装着動作について説明する。
図７に、図２におけるVII-VII線に沿った端面図を示す。

前記下部フレーム３４０を前記第１下腿フレーム４０（１）に前記下部連結体３７０によって連結させる際には、まず、前記係合ピン３７２を前記付勢ばね３７３の付勢力に抗して退避位置に位置させつつ、前記第１下腿フレーム４０（１）が枢支軸線Ｙに沿った方向に関し前記軸方向延在部３７６と重合する位置まで前記アクチュエータユニット１００を長下肢装具本体に対して枢支軸線Ｙ方向に相対移動させる。

この際、好ましくは、前記係合ピン３７２の退避位置への移動を前記第１下腿フレーム４０（１）の外側面を介して行うことができる。
即ち、前記第１下腿フレーム４０（１）の外側面を前記係合ピン３７２に当接させた状態で前記係合ピン３７２が突出位置から退避位置へ移動するように、前記アクチュエータユニット１００を前記第１下腿フレーム４０（１）に対して近接方向へ相対移動させることができる。
この状態を図７に破線で示す。

図７において破線で示された状態から、前記下部フレーム３４０を枢支軸線Ｙ回り連結方向（図７においては時計回り方向）に回動させると、前記係合ピン３７２と前記第１下腿フレーム４０（１）との当接が解除されて、前記係合ピン３７２が前記付勢ばね３７３の付勢力によって退避位置から突出位置に位置される。

これにより、前記第１下腿フレーム４０（１）は、前記下部フレーム３４０の幅方向（ユーザー前後方向）に関し前記係合ピン３７２及び前記軸方向延在部３７６によって挟まれることになり（図７の実線参照）、前記下部フレーム３４０が前記第１下腿フレーム４０（１）に対してフレーム長手方向へは相対移動可能な状態で、前記下部フレーム３４０の前記上部フレーム１２０に対する前記枢支軸線Ｙ回りの回動動作に連動して前記第１下腿フレーム４０（１）を前記大腿フレーム２０に対して前記揺動軸線Ｘ回りに回動させる連動状態が現出される。

なお、装着時とは逆の操作を行うことによって、前記下部連結体３７０によって前記第１下腿フレーム４０（１）に連結されている前記下部フレーム３４０を取り外すことができる。
即ち、前記下部連結体３７０によって前記下部フレーム３４０が前記第１下腿フレーム４０（１）に連結されている際には、前記係合ピン３７２は前記付勢ばね３７３の付勢力によって突出位置に位置されている。

この突出位置の前記係合ピン３７２を人為操作力によって前記付勢ばね３７３の付勢力に抗して退避位置まで押動しつつ、前記下部フレーム３４０を枢支軸線Ｙ回り解除方向（図７においては反時計回り方向）に回動させて、前記係合ピン３７２の先端部が前記第１下腿フレーム４０（１）の外側面に当接する状態（図７の破線の状態）を現出させる。

その後に、前記第１下腿フレーム４０（１）及び前記下部フレーム３４０を互いに対して離間する方向へ相対移動させることによって、前記下部フレーム３４０を前記第１下腿フレーム４０（１）から取り外すことができる。

好ましくは、前記係合アーム３７５は、前記軸方向延在部３７６から前記対向面の幅方向Ｗに関し前記係合ピン３７２に近接する方向へ延び、前記下部フレーム３４０が前記第１下腿フレーム４０（１）に連結された状態において前記第１下腿フレーム４０（１）の内側面（ユーザー幅方向に関し内側を向く側面）と対向する幅方向延在部３７７を含むものとされる。

前記幅方向延在部３７７は、前記第１下腿フレーム４０（１）が前記係合ピン３７２、前記対向面を形成する前記先端面３４６、前記軸方向延在部３７６及び前記幅方向延在部３７７によって囲まれる保持空間３７０Ｓ（図４参照）内に配置可能なように、前記先端面３４６との間の軸方向離間距離が前記第１下腿フレーム４０（１）の厚みよりも大となるように構成される。

前記係合アーム３７５に前記幅方向延在部３７７を備えることによって、前記下部フレーム３４０が前記下部連結体３７０によって前記第１下腿フレーム４０（１）に連結されている状態において、前記下部フレーム３４０及び前記第１下腿フレーム４０（１）が枢支軸線Ｙ方向に沿って離間する方向へ相対移動することを有効に防止することができ、これにより、前記下部フレーム３４０が意に反して前記第１下腿フレーム４０（１）から脱離することを有効に防止することができる。

本実施の形態においては、前記係合アーム３７５は、前記対向面の幅方向一方側及び他方側にそれぞれ設けられた第１及び第２係合アーム３７５（１）、３７５（２）を有しており、図７の破線で示す状態から前記下部フレーム３４０を枢支軸線Ｙ回りに何れの方向に回動させても、前記下部フレーム３４０を前記第１下腿フレーム４０（１）に連結させ得るようになっている。

また、本実施の形態においては、図７に示すように、揺動軸線Ｘが前記第１下腿フレーム４０（１）の幅方向（ユーザー前後方向）の中心に対して、前記第１下腿フレーム４０（１）の幅方向（ユーザー前後方向）一方側に偏位されている。図７においては、揺動軸線Ｘは前記第１下腿フレーム４０（１）の幅方向中心に対して、ユーザー前後方向に関し後方へ偏位されている。

このような場合には、前記係合ピン３７２を前記下部フレーム４０の幅方向（ユーザー前後方向）の中央に配置させると共に、前記係合アーム３７５が、前記係合ピン３７２を挟んで前記下部フレーム４０の幅方向一方側及び他方側（ユーザー前後方向に関し前方側及び後方側）に位置する前記第１及び第２係合アーム３７５（１）、３７５（２）を有するように構成することで、前記アクチュエータユニット１００を長下肢装具１の左足側及び右足側の何れにも装着させることができる。

即ち、前記長下肢装具１の左足側に前記アクチュエータユニット１００を装着させる場合には、前記係合ピン３７２と前記第１係合アーム３７５（１）とによって前記第１下腿フレーム４０（１）を挟む一方、前記長下肢装具１の右足側に前記アクチュエータユニット１００を装着させる場合には、前記係合ピン３７２と前記第２係合アーム３７５（２）とによって前記第１下腿フレーム４０（１）を挟むことができる。

なお、本実施の形態においては、図７に示すように、前記アクチュエータユニット１００は、前記係合ピン３７２とユーザー前後方向に関し前方に位置する前記第１係合アーム３７５（１）とによって前記第１下腿フレーム４０（１）を挟むように装着されているが、前記第１下腿フレーム４０（１）を前記第１大腿フレーム２０（１）に対して回動させる回動角度を広げたい場合には、前記アクチュエータユニット１００を、前記係合ピン３７２とユーザー前後方向に関し後方に位置する前記第２係合アーム３７５（２）とによって前記第１下腿フレーム４０（１）を挟むように装着させることができる。

即ち、前記係合ピン３７２とユーザー前後方向に関し前方に位置する前記第１係合アーム３７５（１）とによって前記第１下腿フレーム４０（１）を挟むと、前記下部フレーム３４０の初期姿勢（前記アクチュエータユニット１００を装着した状態でユーザーが略直立姿勢と取る際の前記下部フレーム３４０の姿勢であり、図７の実線で示す姿勢）が、ユーザー幅方向内方から視た際に、水平姿勢（図７の破線で示す姿勢）から枢支軸線Ｙ回りに時計回り方向へ所定角度αだけ回転された姿勢をとることになる。

ここで、前記アクチュエータユニット１００付きの長下肢装具１をユーザーが左脚に装着して歩行する際の左脚の動きを考えると、下腿が大腿に対して屈曲される動きを行う際には前記第１下腿フレーム４０（１）はユーザー幅方向内方から視た状態において前記第１大腿フレーム２０（１）に対して時計回り方向へ回動することになる。

従って、前記アクチュエータユニット１００を前記長下肢装具１に装着させた状態の初期姿勢において、ユーザー幅方向内方から視た際に、前記下部フレーム３４０が水平姿勢（図７の破線で示す姿勢）から枢支軸線Ｙ回りに時計回り方向へ所定角度αだけ回転されているとすると、ユーザーが膝を曲げる動作をアシストすべく下腿を大腿に対して屈曲方向へ押動できる範囲、つまり、前記下部フレーム３４０を、ユーザー幅方向内方から視た際に枢支軸線Ｙ回り時計回り方向へ回動できる回動範囲が、水平姿勢を基準にして前記所定角度α分だけ狭まることになる。

これに対し、前記係合ピン３７２とユーザー前後方向に関し後方に位置する前記第２係合アーム３７５（２）とによって前記第１下腿フレーム４０（１）を挟むように、前記アクチュエータユニット１００を装着させれば、前記下部フレーム３４０は、初期姿勢（ユーザーが略直立状態となる姿勢）において、ユーザー幅方向内方から視た際に、水平姿勢（図７の破線で示す姿勢）から枢支軸線Ｙ回りに反時計回り方向へ所定角度αだけ回転された姿勢をとることになる。

従って、ユーザーの歩行動作をアシストすべく膝を曲げる方向へ押動力を付加できる範囲、つまり、前記下部フレーム３４０をユーザー幅方向内方から視た際に枢支軸線Ｙ回り時計回り方向へ回動できる回動範囲を、水平姿勢を基準にして前記所定角度α分だけ広げることができる。

ここで、本実施の形態に係る長下肢装具１の制御構造について説明する。
本実施の形態に係る長下肢装具１は、ユーザーの大腿姿勢に基づいて、下腿に対して歩行補助力を付与する前記アクチュエータユニット１００の作動制御を行うように構成されている。
即ち、前記長下肢装具１は、制御対象部位である下腿とは異なる大腿の動きを検出し、大腿の動きに基づいて制御対象部位である下腿に対して歩行補助力を付与する前記アクチュエータユニット１００の作動制御を行うように構成されている。

具体的には、図１及び図３に示すように、前記長下肢装具１は、ユーザーの大腿揺動角度に関連する角度関連信号を検出可能な大腿姿勢検出手段５１０と、前記アクチュエータユニット１００の作動制御を司る制御装置５００とを備えている。

前記大腿姿勢検出手段５１０は、一歩行周期中に、予め定められた所定タイミング毎の複数のサンプリングポイントにおいて、前記角度関連信号を検出し、前記制御装置５００に送信するように構成されている。

前記制御装置５００は、前記大腿姿勢検出手段５１０や人為操作部材等から入力される信号に基づいて演算処理を実行する制御演算手段を含む演算部と、制御プログラムや制御データ等を記憶するＲＯＭ，設定値等を電源を切っても失われない状態で保存し且つ前記設定値等が書き換え可能とされた不揮発性記憶手段及び前記演算部による演算中に生成されるデータを一時的に保持するＲＡＭ等を含む記憶部とを備えている。

前記制御装置５００は、一のサンプリングポイントでの前記角度関連信号に基づいて前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を算出し、当該制御装置５００に予め記憶されている、大腿位相角と前記下腿側装具に付与すべき補助力の大きさとの関係を示す補助力制御データに前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を適用して前記一のサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具３０に付与すべき補助力の大きさを算出し、前記大きさの補助力が出力されるように前記アクチュエータユニット１００の作動制御を実行するように構成されている。
即ち、前記制御装置５００は、一のサンプリングポイントでの前記角度関連信号に基づいて前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を算出する大腿位相角算出手段、大腿位相角及び前記下腿側装具に付与すべき補助力の大きさの関係を示す補助力制御データに前記大腿位相角算出手段によって算出された大腿位相角を適用して前記一のサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具３０に付与すべき補助力の大きさを算出する補助力算出手段、並びに、前記補助力算出手段によって算出された大きさの補助力が出力されるように前記アクチュエータユニット１００の作動制御を実行するアクチュエータ作動制御手段として作用するように構成されている。

このように、大腿の位相角に基づいて、下腿に対して歩行補助力を付与する前記アクチュエータユニット１００の作動制御を実行することにより、脳卒中等によって片麻痺を有するユーザーに対しても的確な歩行補助力を供給することができる。

即ち、アクチュエータユニットによって歩行補助力を付与するように構成された従来の歩行補助装置は、前記アクチュエータユニットによって補助力が付与される制御対象部位の動きを検出し、その検出結果に基づき前記アクチュエータユニットの作動制御を行うように構成されている。

例えば、大腿に対して歩行補助力を供給する従来の歩行補助装置においては、大腿の動きの検出結果に基づき、大腿に対して歩行補助力を付与するアクチュエータの作動制御を行うものとされている。
また、下腿に対して歩行補助力を供給する従来の歩行補助装置においては、下腿の動きの検出結果に基づき、下腿に対して歩行補助力を付与するアクチュエータの作動制御を行うものとされている。

しかしながら、脳卒中等の為に片麻痺を有する患者の場合、大腿の歩行動作（股関節回りの前後揺動動作）は比較的正常に行えるものの、下腿の歩行動作（膝関節回りの前後揺動動作）は正常に行えないことが多い。

このような患者に対して下腿への歩行補助力を付与しようとすると、前記従来の歩行補助装置においては、正常な歩行動作を行えない下腿の動きに基づいて、下腿に対して歩行補助力を提供するアクチュエータの作動制御を行うことになり、的確な歩行補助力を提供することができないおそれがある。

これに対し、本実施の形態に係る前記長下肢装具１は、前述の通り、大腿位相角に基づいて、下腿に対して歩行補助力を付与する前記アクチュエータユニット１００の作動制御を行うように構成されている。
従って、ユーザーが脳卒中等によって片麻痺を有する場合であっても、下腿に対して的確な歩行補助力を供給することができる。

前記大腿姿勢検出手段５１０は、大腿の揺動角度（股関節角度）を直接又は間接的に検出し得る限り、ジャイロセンサ、加速度センサ、ロータリーエンコーダ等の種々の形態を有し得る。
例えば、前記大腿姿勢検出手段５１０が加速度センサのみを有するように構成することも可能であり、この場合には、股関節角度を算出することなく、前記加速度センサの加速度（もしくは位置）と速度から歩行中の位相角を算出することができる。
なお、本実施の形態に係る前記長下肢装具１においては、前記大腿姿勢検出手段５１０は、大腿の角速度を検出可能な３軸角速度センサ（ジャイロセンサ）５１１（下記図８参照）を有するものとされており、前記制御装置５００が、前記３軸角速度センサ５１１によって検出される大腿の角速度を積分することで股関節角度を算出するように構成されている。

このように、前記３軸角速度センサ５１１によって検出される角速度に基づいて股関節角度を算出することにより、ロータリーエンコーダによって股関節角度を検出する構成に比して、前記長下肢装具１の設計自由度を向上させることができる。

即ち、ロータリーエンコーダによって股関節角度を検出する場合には、胴体に固定された胴体側検出子と、大腿と一体的に揺動するように大腿に固定された大腿側検出子との相対移動角度を検出する必要があり、従って、前記固体側検出子及び前記大腿側検出子がそれぞれ胴体及び大腿に対して位置ズレしないように、前記両検出子を装着する必要がある。

これに対し、前記３軸角速度センサ５１１によって検出される角速度に基づいて股関節角度を算出する方法によれば、前述のような制限を受けることが無く、前記長下肢装具１の設計自由度を向上させることができる。

図８に、股関節角度の算出方法のブロック図を示す。
図８に示すように、本実施の形態に係る前記長下肢装具１においては、前記大腿姿勢検出手段５１０は、前記３軸角速度センサ５１１に加えて、３軸加速度センサ５１５を有している。

この場合、前記制御装置５００は、前記３軸角速度センサ５１１からの角速度データに基づき算出される第１オイラー角の高周波成分と前記３軸加速度センサ５１５からの加速度データに基づき算出される第２オイラー角の低周波成分とを合算して合算オイラー角を算出し、前記合算オイラー角から算出される股関節角度と前記股関節角度から算出される股関節角速度とに基づいて大腿位相角を算出するように構成される。

詳しくは、図８に示すように、前記制御装置５００は、所定サンプリングタイム毎に前記３軸角速度センサ５１１からセンサ座標軸を基準とした角速度データを入力し、前記角速度データを所定の変換式を用いてセンサ座標軸とグローバル座標軸（鉛直方向を基準とする空間座標軸）との相関を示す角速度データ（オイラー角速度）に変換する。
そして、前記制御装置５００は、前記角速度データ（オイラー角速度）を積分することで前記第１オイラー角を算出する。

好ましくは、前記制御装置５００は、静止時に前記３軸角速度センサ５１１から入力される角速度データを用いて、所定サンプリングタイム毎に前記３軸角速度センサ５１１から入力されるセンサ座標軸を基準とした角速度データのドリフト除去を行うことができる。

また、前記制御装置５００は、所定サンプリング間隔毎に前記３軸加速度センサ５１５からセンサ軸を基準とした加速度データをローパスフィルタ５２０を介して入力し、静止時に入力される加速度データと重力加速度とに基づき、前記ローパスフィルタ５２０を介して入力された前記加速度データから、センサ座標軸とグローバル座標軸（鉛直方向を基準とする空間座標軸）との相関を示す前記第２オイラー角を算出する。

そして、前記制御装置５００は、ハイパスフィルタ５３０を介して得られる前記第１オイラー角の高周波成分とローパスフィルタ５３５を介して得られる前記第２オイラー角の低周波成分とを合算して得られる前記合算オイラー角及び大腿の向きを示す単位ベクトルから、股関節角度θを算出する。

好ましくは、前記制御装置５００は、前記加速度センサ５１５からの加速度データに基づきヒールコンタクトを検出し、ヒールコンタクト検出時には前記３軸角速度センサ５１１からの角速度データから算出される補正オイラー角を前記合算オイラー角に加えることで、ドリフト除去を図ることができる。

大腿位相角φは下記方法によって算出される。
前記制御装置５００は、所定間隔毎のサンプリングポイントのうち歩行周期基準タイミングから第ｎ番目のサンプリングポイントＳｎ（ｎは１以上の整数）での股関節角度θｎを算出すると、これを微分して当該サンプリングポイントＳｎでの股関節角速度ωｎを算出する。

その後、前記制御装置５００は、前記サンプリングポイントＳｎでの股関節角度θｎ及び股関節角速度ωｎに基づき、前記サンプリングポイントＳｎでの大腿位相角φｎ（＝−Ａｒｃｔａｎ(ωｎ／θｎ））を算出する。

図９に、股関節角度θ及び股関節角速度ωによって画される歩行状態を一歩行周期に亘ってプロットすることによって得られるトラジェクトリ線図を示す。
図９に示すように、股関節角度θ及び股関節角速度ωによって定まる大腿位相角φは、一歩行周期において０〜２πの間で変化するように定義される。

詳しくは、大腿がユーザーの体軸より前方及び後方に位置されている状態の股関節角度をそれぞれ「正」及び「負」とし、大腿が前方及び後方へ向けて揺動されている状態の股関節角速度をそれぞれ「正」及び「負」とする。

この条件で、股関節角度が「正」の方向に最大で且つ股関節角速度が「ゼロ」の状態（図９の点Ｐ）の位相角を０とすると、図９の歩行領域Ａ１（股関節角度θが「正」の方向に最大で且つ股関節角速度ωが「ゼロ」の状態から股関節角度θが「ゼロ」で且つ股関節角速度ωが「負」の方向に最大となる状態までの歩行領域）は位相角０〜π／２に相当する。

また、図９中の歩行領域Ａ２（股関節角度θが「ゼロ」で且つ股関節角速度が「負」の方向に最大の状態から股関節角度が「負」の方向に最大で且つ股関節角速度が「ゼロ」となる状態までの歩行領域）は位相角π／２〜πに相当する。

さらに、図９中の歩行領域Ａ３（股関節角度θが「負」の方向に最大で且つ股関節角速度ωが「ゼロ」の状態から股関節角度θが「ゼロ」で且つ股関節角速度ωが「正」の方向に最大となる状態までの歩行領域）は位相角π〜３π／２に相当する。

また、図９中の歩行領域Ａ４（股関節角度θが「ゼロ」で且つ股関節角速度が「正」の方向に最大の状態から股関節角度が「正」の方向に最大で且つ股関節角速度が「ゼロ」となる状態までの歩行領域）は位相角３π／２〜２πに相当する。

一歩行周期当たりに複数のサンプリングポイントが含まれるように前記大腿姿勢検出手段５１０のサンプリング間隔が定められており、前記制御装置５００は、各サンプリングポイント毎に大腿位相角φを算出する。

図１０に、前記制御装置５００によって算出された大腿位相角φを歩行周期毎にプロットしたグラフを示す。
なお、図１０においては、第１歩行周期Ｃ１から第４歩行周期Ｃ４の４つの歩行周期における大腿位相角φをプロットしている。

ここで、前記制御装置５００には、大腿位相角φと下腿に対して出力すべき前記アクチュエータユニット１００による歩行補助力の大きさ（方向を含む）との関係を示す補助力制御データが、予め記憶されている。
なお、前記補助力制御データは、実験等によってユーザー毎及び各ユーザーのリハビリ程度毎に設定されるものである。

即ち、前記制御装置５００は、一のサンプリングポイントＳｎでの大腿位相角φｎを算出すると、当該大腿位相角φｎを前記補助力制御データに適用して、大腿位相角φｎによって画される歩行状態の際に前記アクチュエータユニット１００が出力すべき歩行補助力の大きさ（方向を含む）を取得し、その大きさ（方向を含む）の歩行補助力が出力されるように前記アクチュエータユニット１００の作動制御を実行する。

前述の通り、大腿位相角φに基づき一の歩行周期中における歩行状態を認識することができ、従って、大腿位相角に基づき前記アクチュエータユニット１００の作動制御を行うことによって、下腿の歩行動作を正常に行うことが困難なユーザーに対しても下腿に対して適切な歩行補助力を付与することができる。

ここで、歩行動作に必要な歩行補助力について説明する。
図１１に、一歩行周期中に変化する歩行状態の模式図を示す。
図１１に示すように、一歩行周期は、ユーザーの体軸より前方側で踵を接地させるヒールコンタクト時点を含むヒールコンタクト期（踏み出した足が接床する前後の期間）Ｘ１と、ヒールコンタクト後に当該ヒールコンタクトした脚を接地させた状態で後方側へ相対移動させる立脚期（接床した下肢が身体に対して相対的に後方に移動する期間）Ｘ２と、立脚期Ｘ２の終了時点から立脚していた脚を引き上げて前方側へ相対移動させる遊脚期Ｘ３とを含んでいる。

図１２に、前記補助力制御データによって画される補助力の変化パターンの一例を示す。
図１２に示す一例においては、前記補助力制御データは、前記ヒールコンタクト期Ｘ１において、前記下腿側装具３０を膝関節回り膝伸展方向へ回動させて膝折れを防止する為の第１トルクパターンＹ１と、前記立脚期Ｘ２において、前記下腿側装具３０を膝関節回り膝伸展方向へ回動させて膝折れを防止する為の第２トルクパターンＹ２と、立脚期Ｘ２の終了時点から立脚していた脚を引き上げて前方側へ相対移動させる遊脚期Ｘ２の初期段階Ｘ３ａにおいて、前記下腿側装具３０を膝関節回り膝屈曲方向へ回動させて脚の引き上げを補助する為の第３トルクパターンＹ３と、前記遊脚期Ｘ３の後期段階Ｘ３ｂにおいて、前記下腿側装具３０を膝関節回り膝伸展方向へ回動させる第４トルクパターンＹ４とを含んでいる。

このように、大腿位相角φと歩行補助力との関係を表す前記補助力制御データを用いて前記アクチュエータユニット１００の作動制御を行うことにより、ユーザーに合わせた適切な歩行補助を行うことができる。

好ましくは、前記制御装置５００は、現在の歩行周期中の一のサンプリングポイントＳｎにて算出した大腿位相角φｎを、既に完了している過去の歩行周期における対応するサンプリングポイントＳｎでの大腿位相角を用いて補正した修正位相角φ(ave)を算出し、当該修正位相角φ(ave)を前記補助力制御データに適用して、前記アクチュエータユニット１００の作動制御を行うように構成され得る。

斯かる構成によれば、現在の歩行周期における一のサンプリングポイントＳｎにて算出された大腿位相角φｎ(current)が何らかの理由によって大きな誤差を含んでいたとしても、過去の歩行周期における同一サンプリングポイントＳｎでの大腿位相角φｎ(past)を用いて補正される（均される）ので、円滑な補助力の供給を行うことが可能となる。

具体的には、前記修正位相角φ(ave)は下記方法によって算出することができる。
前記制御装置５００は、一歩行周期中に含まれる全サンプリングポイントのそれぞれにおいて大腿位相角φを算出し記憶する。
そして、前記制御装置５００は、一歩行周期の完了を検出すると、全サンプリングポイントでの大腿位相角φに基づき、歩行周期に対する大腿位相角φの変化パターンを表す所定の位相パターン関数を最小二乗法を用いて算出する。

前記位相パターン関数は、例えば、
φ(x)＝ａ＋ｂｘ＋ｃｘ^２＋ｄｘ^３＋ｅｘ^４＋ｆｘ^５
とすることができる。
そして、前記制御装置５００は、一歩行周期が完了する毎に、全サンプリングポイントでの大腿位相角に基づいて最小二乗法を用いて、前記位相パターン関数の係数ａ〜ｆを算出するように構成される。

一歩行周期の完了は、例えば、前記制御装置５００が、股関節角度及び股関節角速度によって画される歩行状態が予め設定されている歩行周期基準タイミングに戻ったか否かによって判断することができる。

図１２に示す一例においては、ヒールコンタクトが歩行周期基準タイミングとして設定されている。
このように、ヒールコンタクトを歩行周期基準タイミングとすることによって、歩行周期中における歩行補助力が必要なタイミングを正確に把握することができる。

ヒールコンタクトのタイミングは、種々の方法によって認識することができる。
例えば、ユーザーの体軸を基準として大腿が前方側及び後方側へ向けて揺動している際の股関節角速度をそれぞれ正及び負とした場合に、前記制御装置５００が、算出される股関節角速度が正値からゼロへ移行したタイミング（図９中のＰ）から所定位相角Δαだけ進行した時点をヒールコンタクト時点として認識するように構成することができる。

これに代えて、前記長下肢装具１にヒールコンタクトを検出するヒールコンタクト検出手段を備え、前記制御装置５００は、前記ヒールコンタクト検出手段によって検出されたタイミングをヒールコンタクト時点として認識し、そのタイミングでの大腿位相角φをヒールコンタクト位相角として認識するように構成することも可能である。

本実施の形態に係る長下肢装具１におけるように、前記加速度センサ５１５が備えられている場合には、前記加速度センサ５１５を前記ヒールコンタクト検出手段として兼用することができる。
これに代えて、踵の接地を検出可能な圧力センサを別途に備え、前記圧力センサを前記ヒールコンタクト検出手段として作用させることも可能である。

このようにして一歩行周期の完了を検出すると、前記制御装置５００は、直近に完了した歩行周期を含み、既に完了している歩行周期における位相角に基づいて前記位相パターン関数を算出する。

具体的には、図１０における歩行周期Ｃ１が完了すると、前記制御装置５００は、歩行周期Ｃ１における全サンプリングポイントでの大腿位相角φに基づいて、
φ(x)(C1)＝ａ(1)＋ｂ(1)ｘ＋ｃ(1)ｘ^２＋ｄ(1)ｘ^３＋ｅ(1)ｘ^４＋ｆ(1)ｘ^５
を算出し、前記φ(x)(C1)を大腿位相角の位相パターン関数として保存する。

歩行周期Ｃ２が完了すると、前記制御装置５００は、歩行周期Ｃ２におけるサンプリングポイントでの大腿位相角と歩行周期Ｃ１におけるサンプリングポイントでの大腿位相角とに基づいて、
φ(x)(C2)＝ａ(2)＋ｂ(2)ｘ＋ｃ(2)ｘ^２＋ｄ(2)ｘ^３＋ｅ(2)ｘ^４＋ｆ(2)ｘ^５
を算出し、前記φ(x)(C2)を大腿位相角の位相パターン関数として上書き保存する。

詳しくは、前記制御装置５００は、第２回目以降の歩行周期においては、現在の歩行周期（例えば歩行周期Ｃ２)におけるサンプリングポイントＳｎでの大腿位相角φｎ(current)と、その時点で記憶されている前記位相パターン関数φ(x)(C1)によって算出される過去歩行周期におけるサンプリングポイントＳｎでの大腿位相角φｎ(past)との平均値を、サンプリングポイントＳｎでの修正大腿位相角φｎ(ave)として算出する。

前記制御装置５００は、現在の歩行周期（例えば歩行周期Ｃ２）が完了すると、全サンプリングポイントでの修正大腿位相角に基づいて前記位相パターン関数（例えば前記φ(x)(C2)）を算出し、保存する。

なお、現在の歩行周期におけるサンプリングポイントＳｎでの大腿位相角φｎ(current)と過去歩行周期における対応するサンプリングポイントＳｎでの大腿位相角φｎ(past)との平均値として、現在歩行周期及び過去歩行周期を含む全ての歩行周期における大腿位相角を均等な条件で平均計算した算出値を用いることも可能であるし、若しくは、現在の歩行周期の大腿位相角φｎ(current)に重み付けをつけて平均計算した算出値を用いることも可能であるし、若しくは、過去歩行周期における大腿位相角φｎ(past)に重み付けをつけて平均計算した算出値を用いることも可能である。
さらには、過去歩行周期のうちの所定の歩行周期におけるサンプリングポイントでの大腿位相角だけを用いて、現在歩行周期の大腿位相角を補正することも可能である。

本実施の形態においては、前記補助力制御データに適用する大腿位相角として、前記修正大腿位相角が用いられる。
例えば、現在の歩行周期が歩行周期Ｃ３であり、現在の歩行周期Ｃ３におけるサンプリングポイントＳｎでの大腿位相角がφｎ(C3)であったとすると、前記制御装置５００は、その時点で記憶されている位相パターン関数（この例ではφ(x)(C2)）を用いて、過去歩行周期におけるサンプリングポイントＳｎでの大腿位相角φｎ(C2)を算出し、大腿位相角φｎ(C3)及び大腿位相角φｎ(C2)に基づきサンプリングポイントＳｎでの修正大腿位相角を算出する。

前記制御装置５００は、このようにして算出した修正大腿位相角を前記補助力制御データに適用して、現在の歩行周期Ｃ３におけるサンプリングポイントＳｎにおいて前記アクチュエータユニット１００が出力すべき補助力の大きさ（及び方向）を取得し、前記アクチュエータユニット１００の作動制御を行う。

斯かる構成によれば、現在歩行周期（前記例においては歩行周期Ｃ３）における一のサンプリングポイントで算出された大腿位相角が、何らかの理由によって大きな誤差を含んでいたとしても、過去歩行周期における同一サンプリングポイントでの大腿位相角を用いて補正される（均される）ので、前記アクチュエータユニット１００による的確な補助力の供給を行うことができる。

図１３に、前記制御装置５００によって実行されるアクチュエータ作動制御モードのフローを示す。

前記制御装置５００は、起動信号入力に応じて前記アクチュエータ作動制御モードを起動する。
起動信号は、例えば、スタートボタン等の人為操作部材へのユーザーによる人為操作に応じて入力される。

前記アクチュエータ作動制御モードが起動されると、前記制御装置５００は、前記大腿姿勢検出手段５１０からの一のサンプリングポイントＳｎでの角度関連信号に基づき、当該一のサンプリングポイントＳｎでの股関節角度θｎを算出し（ステップＳ１１）、股関節角度θｎに基づき前記一のサンプリングポイントＳｎでの股関節角速度ωｎを算出する（ステップＳ１２）。

前記制御装置５００は、股関節角度θｎ及び股関節角速度ωｎに基づき、前記一のサンプリングポイントＳｎでの大腿位相角φｎを算出する（ステップＳ１３）。

ここで、好ましくは、前記制御装置５００は、股関節角度θｎ及び股関節角速度ωｎによって画されるベクトルＶｎ（図９参照）のベクトル長が所定の閾値を越えているか否かを判断することができる（ステップＳ１４）。

前記ステップＳ１４を備えることにより、歩行動作が開始されていないにも拘わらず、前記アクチュエータユニット１００が作動することを有効に防止することができる。
即ち、片麻痺等を有するユーザーは、歩行動作開始前に意に反して微少な範囲で姿勢変動を起こし易い。
このような微少な姿勢変動は、ベクトル長の短いベクトルとして検出される。

従って、股関節角度θｎ及び股関節角速度ωｎによって画されるベクトルＶｎ（図９参照）のベクトル長が所定の閾値を越えている場合にのみ、歩行動作が行われていると判断することにより、歩行動作が開始されていないにも拘わらず、意に反して前記アクチュエータユニット１００が作動することを有効に防止することができる。

前記ステップＳ１４においてＮＯの場合には、前記制御装置５００は、歩行動作が行われていないと判断し、前記アクチュエータユニット１００を作動させること無く、前記ステップＳ１１へ戻る。

前記ステップＳ１４がＹＥＳの場合には、前記制御装置５００は、前記ステップＳ１３において算出した、現在歩行周期におけるサンプリングポイントＳｎでの大腿位相角φｎ(curren)に、既に完了している過去歩行周期における対応するサンプリングポイントＳｎでの大腿位相角φｎ(past)を用いて修正を行い、修正位相角φｎ(ave)を算出する（ステップＳ１５）。
例えば、前記制御装置５００が、歩行周期終了毎に既に過去歩行周期での歩行データに基づき前記位相パターン関数を算出し上書き保存している場合には、現在歩行周期におけるサンプリングポイントＳｎでの大腿位相角φｎ(curren)と前記位相パターン関数に基づき得られる過去歩行周期におけるサンプリングポイントＳｎでの大腿位相角とに基づき、サンプリングポイントＳｎでの修正位相角φｎ(ave)を算出することができる。

前記ステップＳ１５を備えることにより、現在歩行周期における一のサンプリングポイントにて算出された大腿位相角が、何らかの理由によって大きな誤差を含んでいたとしても、過去歩行周期における同一サンプリングポイントでの大腿位相角を用いて補正される（均される）ので、その歩行段階に応じた適切な歩行補助力の供給を行うことができる。

前記制御装置５００は、ヒールコンタクトが行われたか否かを検出し（ステップＳ１６）、ステップＳ１６がＹＥＳの場合（即ち、ヒールコンタクトが行われた場合）にはステップＳ１５にて算出した修正位相角を、ヒールコンタクトに対応したヒールコンタクト位相角として記憶し（ステップＳ１７）、ステップＳ１８へ移行する。

ステップＳ１８においては、前記制御装置５００は、ステップＳ１５にて算出した修正位相角φ(ave)とステップＳ１７にて記憶したヒールコンタクト位相角との位相角偏差を算出する。
即ち、ステップ１８においては、前記制御装置５００は、ステップＳ１５にて算出した修正位相角を、ヒールコンタクトを制御基準タイミングとした位相角に変換する。
このように、ヒールコンタクトを制御基準タイミングとすることによって、歩行周期中の歩行段階（歩行状態）をより適切に把握することができる。

なお、ステップ１７を経由してステップ１８へ移行する場合には、位相角偏差はゼロとなる。
一方、ステップ１７をバイパスしてステップ１８へ移行する場合、即ち、ステップ１６がＮＯの場合には、ステップＳ１８において、ステップ１５において算出された修正位相角とその時点で記憶されているヒールコンタクト位相角との偏差が位相角偏差となる。

前記制御装置５００は、予め記憶されている「アシストトルク／位相角」データに位相角偏差を適用して、サンプリングポイントＳｎにて前記アクチュエータユニット１００が出力すべき歩行補助力の大きさ及び方向を取得し（ステップＳ１９）、その大きさ及び方向の歩行補助力が出力されるように前記アクチュエータユニットを作動させる（ステップＳ２０）。

前記制御装置５００は、一歩行周期が終了したか否かを判断し（ステップＳ２１）、一歩行周期が終了したと判断する場合には、前記修正位相角に対して最小二乗法を用いて位相パターン関数を算出し、記憶する（ステップＳ２２）。
一歩行周期が終了してない場合には、ステップＳ２２はバイパスされる。

前記制御装置５００は、前記アクチュエータ作動制御モードの終了信号が入力されているか否かを判断し（ステップＳ２３）、終了信号の入力が無い場合にはステップＳ１１へ戻り、終了信号が入力された場合には当該制御モードを終了する。
なお、終了信号は例えば、終了ボタン等の人為操作部材へのユーザーによる人為操作に応じて入力される。

１ 長下肢装具
１０ 大腿側装具
３０ 下腿側装具
１００ アクチュエータユニット
５００ 制御装置
５１０ 大腿姿勢検出手段
５１１ ３軸角速度センサ
５１５ ３軸加速度センサ

Claims (8)

1. ユーザーの大腿に装着される大腿側装具と、ユーザーの下腿に装着され且つ前記大腿側装具に対してユーザーの膝関節回り回動可能に連結された下腿側装具と、前記大腿側装具に装着され、前記下腿側装具に対して膝関節回りの補助力を付与可能なアクチュエータと、ユーザーの大腿の前後揺動角度である股関節角度に関連する角度関連信号を検出可能な大腿姿勢検出手段と、前記アクチュエータの作動制御を司る制御装置とを備え、
   前記制御装置は、一のサンプリングポイントでの前記角度関連信号に基づいて前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を算出し、当該制御装置に予め記憶されている、大腿位相角と前記下腿側装具に付与すべき補助力との関係を示す補助力制御データに前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を適用して、前記一のサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具に付与すべき補助力を算出し、前記補助力が出力されるように前記アクチュエータの作動制御を実行し、
   前記補助力制御データは、ユーザーの体軸より前方側で踵を接地させるヒールコンタクト時点を含むヒールコンタクト期において、前記下腿側装具を膝関節回り膝伸展方向へ回動させて膝折れを防止する為の第１トルクパターンと、ヒールコンタクト後に当該ヒールコンタクトした脚が接地状態で後方側へ相対移動する立脚期において、前記下腿側装具を膝関節回り膝伸展方向へ回動させて膝折れを防止する為の第２トルクパターンと、立脚期の終了時点から立脚していた脚を引き上げて前方側へ相対移動させる遊脚期の初期段階において、前記下腿側装具を膝関節回り膝屈曲方向へ回動させて脚の引き上げを補助する為の第３トルクパターンと、前記遊脚期の後期段階において、前記下腿側装具を膝関節回り膝伸展方向へ回動させる第４トルクパターンとを含むことを特徴とするアクチュエータ付き長下肢装具。
2. 大腿をユーザーの体軸を基準として前方側及び後方側へ揺動させている際の股関節角速度をそれぞれ正及び負とした場合に、前記制御装置は、算出される股関節角速度が正値からゼロへ移行したタイミングから所定位相角だけ進行した時点をヒールコンタクト時点として認識することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ付き長下肢装具。
3. ヒールコンタクトを検出するヒールコンタクト検出手段を備え、
   前記制御装置は、前記ヒールコンタクト検出手段によって検出されたタイミングをヒールコンタクト時点として認識することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ付き長下肢装具。
4. 前記大腿姿勢検出手段は、大腿の角速度を検出する３軸角速度センサを有し、
   前記制御装置は、前記角速度センサからの角速度情報に基づき股関節角度を算出し、前記股関節角度とこれを微分して得られる股関節角速度とに基づいて大腿位相角を算出することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のアクチュエータ付き長下肢装具。
5. 前記大腿姿勢検出手段は、大腿の角速度を検出する３軸角速度センサ及び大腿の加速度を検出する３軸加速度センサを有し、
   前記制御装置は、前記３軸角速度センサからの角速度データに基づき算出される第１オイラー角の高周波成分と前記３軸加速度センサからの加速度データに基づき算出される第２オイラー角の低周波成分とを合算して合算オイラー角を算出し、前記合算オイラー角から算出される股関節角度と前記股関節角度から算出される股関節角速度とに基づいて大腿位相角を算出することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のアクチュエータ付き長下肢装具。
6. 前記制御装置は、大腿位相角を算出する際に用いた股関節角度及び股関節角速度をプロットして歩行周期毎の大腿の周期的動作を表すトラジェクトリ線図を作成することを特徴とする請求項４又は５に記載のアクチュエータ付き長下肢装具。
7. 前記制御装置は、大腿位相角を算出する際に用いた股関節角度及び股関節角速度によって画されるベクトル長が所定閾値より小さい場合には、前記アクチュエータの作動を禁止することを特徴とする請求項４から６の何れかに記載のアクチュエータ付き長下肢装具。
8. 前記股関節角度の高周波成分を抽出するハイパスフィルターを備え、
   前記制御装置は、前記ハイパスフィルターによって抽出された前記股関節角度の高周波成分を微分して前記股関節角速度を得ることを特徴とする請求項４から７の何れかに記載のアクチュエータ付き長下肢装具。