JP6238223B2

JP6238223B2 - 歩行支援装置

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Publication number: JP6238223B2
Application number: JP2013104286A
Authority: JP
Inventors: 行生武田; 隆平舟渡; 松浦　大輔; 大輔松浦
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: JP2014223195A

Description

本発明は、ヒトの歩行支援装置に関する。

疾病、怪我の後遺症や、高齢等の原因から歩行が不自由ではあるものの、未だ自力歩行が可能である者の歩行を補助、支援する歩行支援装置は従来から開発されている。例えば、特許文献１には、ユーザーの大腿から下腿に沿って外側に装着される脚装具が開示されている。この脚装具は、ユーザーの大腿に副わせて取り付けられる上リンクと、ユーザーの下腿に副わせて取り付けられる下リンクとを有し、ユーザーの膝関節に位置する上下リンクの間のジョイント部にモータが取り付けられている。

特許文献２には、人体の体幹部を保持する体幹部保持手段と、該体幹保持手段に取り付けられ人体の下肢に沿って延設される棒状部材と第２棒状部材とを有し、体幹保持手段と第１棒状部材との間の第１回動部および第１棒状部材と第２棒状部材との間の第２回動部にアクチュエータを設けた歩行補助装置が開示されている。

更に、非特許文献１には、ユーザーの下半身の全ての関節を拘束して歩行運動を支援する、シリアル機構を用いた装置が記載されている。非特許文献２の装置ではパラレル機構を用いて外骨格を形成する歩行支援装置が記載されており、これのみでユーザーの下半身の運動を決定するために多くのアクチュエータを必要としている。

特開２０１１−１７７３２９号公報特開２００７−１５９９７１号公報

山崎嘉之、「筋電位を用いた歩行支援のための外骨格パワーアシストシステムHAL-1に関する研究」、日本機械学会茨城講演会講演論文集、(2000), pp.269-270 田中栄一郎他、「足裏から下肢全体を支援する歩行補助機の開発」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、Vol.72, No.724, (2006), pp.3871-3877

特許文献１の発明では、上リンクはユーザーの大腿の上端および下端の近傍、つまり股関節の下側と膝関節の上側で上リンクが大腿の側面に固定され、下リンクはユーザーの下腿の上端および下端の近傍、つまり膝関節の下側と足首関節の上側で下腿の側面に固定されている。然しながら、人体の関節は多くの要素から成る複雑な器官であり、その運動は単純な回転対偶とは異なるので、特許文献１の発明のように、脚装具によって下肢を拘束してしまうと、関節、特に膝関節に本来不要な負担を生じる問題がある。

また、特許文献２の発明では複数のアクチュエータを用いているため、制御が難しくなるのみならず、重量およびコストが増加してしまう問題がある。更に、特許文献２の発明は、装着脚の随意運動の支援を意図した装置であり、左右何れかの脚が麻痺を生じ、随意運動ができない場合を想定していない。

非特許文献１の歩行支援装置では、ユーザーの下半身の全ての関節を拘束しているため、特許文献１と同様にユーザーの下肢の関節に不要な負担を生じ、更に、非特許文献１、２の装置では多数のアクチュエータが用いられているために、特許文献２の発明と同様に、制御が難しくなるのみならず、重量およびコストが増加してしまう問題がある。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、簡単な構成で良好にヒトの歩行を補助、支援可能な歩行支援装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の本発明は、装着時にヒトの上腿に副わせて延設される上腿リンクと、装着時にヒトの下腿に副わせて延設される下腿リンクと、装着時にヒトの足に副わせて延設される足リンクと、前記上腿リンクと足リンクとの間に延設された直動アクチュエータと、前記上腿リンクと前記直動アクチュエータとを連結する上回転対偶と、前記直動アクチュエータと前記足リンクとを連結する下回転対偶と、前記上腿リンクと下腿リンクとを連結する膝回転対偶と、前記下腿リンクと足リンクとを連結する足首回転対偶とを具備し、前記膝回転対偶と前記足首回転対偶がブレーキを備え、前記膝回転対偶のブレーキが固定されているとき、前記足首回転対偶のブレーキが解放され、前記膝回転対偶のブレーキが解放されているとき、前記足首回転対偶のブレーキが固定されるように、前記膝回転対偶のブレーキと前記足首回転対偶のブレーキを逆位相で作動させることを特徴とする。

本発明による歩行支援装置は、１つの直動アクチュエータと２つのブレーキによって、ヒトの歩行動作を創成可能であり、従来技術と比較して制御が容易で、重量および製造コストが低減される。

第１の実施形態による歩行支援装置の斜視図である。図１の歩行支援装置の側面図である。下腿リンクの斜視図である。足リンクの斜視図である。上回転対偶を形成する第１の連結機構の斜視図である。直動アクチュエータの斜視図である。直動アクチュエータの機関部の側面図である。ヒトの一方の下肢に装着した図１の歩行支援装置の略図である。図１の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。図１の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。図１の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。図１の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。ヒトの歩行運動モデルの一例を示す略図である。図１１に示した歩行運動モデルに沿った図１の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。図１の歩行支援装置の直動アクチュエータの変位を、膝回転対偶および足首回転対偶を形成する第１と第２のブレーキの固定と解放のタイミングと共に示したチャートである。歩行支援装置の計装システムの一例を示す図である。歩行支援装置の制御方法を説明するフローチャートである。第２の実施形態による歩行支援装置の図１と同様の斜視図である。図１６の歩行支援装置の側面図である。図１６の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。図１６の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。図１６の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。図１６の歩行支援装置の動作を説明するための略図である。図１６の歩行支援装置の直動アクチュエータの変位を、膝回転対偶および足首回転対偶を形成する第１と第２のブレーキの固定と解放のタイミングと共に示したチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
先ず、図１、２において、第１の実施形態による歩行支援装置１００は、上腿リンク１２、下腿リンク１４、足リンク２０、上腿リンク１２と足リンク２０との間に延設された直動アクチュエータ４０、上腿リンク１２と直動アクチュエータ４０とを連結する上回転対偶を形成する第１の連結機構３０、直動アクチュエータ４０と足リンク２０とを連結する下回転対偶を形成する第２の連結機構３０′、上腿リンク１２と下腿リンク１４とを連結する膝回転対偶を形成する第１のブレーキ１８、下腿リンク１４と足リンク２０とを連結する足首回転対偶を形成する第２のブレーキ１８′を主要な構成要素として具備している。

第１と第２のブレーキ１８、１８′は実質的に同一の構造を有しており、ハウジング内に回転自在に支持された回転軸と、該回転軸の回転を許容、禁止可能な機械要素、例えば、クラッチや、磁性粉体（パウダーブレーキ）等を含んでいる。第１と第２のブレーキ１８、１８′は固定トルクの増大などのために遊星歯車などの減速機構を含んでいてもよい。歩行支援装置１００の動作を円滑にするためには、第１と第２のブレーキ１８、１８′の固定、解放動作に際してトルク変動の緩やかなものが好ましい。

図３を参照すると、下腿リンク１４は、互いに平行に延設された複数の、本実施形態では２本の棒状部材１４ａと、該棒状部材１４ａの両端に取り付けられた対偶ブロック１６とを具備している。対偶ブロック１６は、棒状部材１４ａに対して垂直方向に延びる回転軸１６ａを回転自在に支持しており、該回転軸１６ａは第１と第２のブレーキ１８、１８′の回転軸に連結されるようになっている。棒状部材１４ａは、断面が円形、矩形その他の多角形状の中実または中空の金属製またはプラスチック製の長尺部材である。

上回転対偶と下回転対偶を形成する第１と第２の連結機構３０、３０′は実質的に同一の構成を有しているので、以下、第１の連結機構３０についてのみ説明する。図１、２に加えて図５を参照すると、第１の連結機構３０は、軸線Ｏに沿って互いに離間配置された軸受ブロック３２、３４と該軸受ブロック３２、３４を連結する連結プレート３６とを有して略コの字形に形成されたブロック本体を具備している。軸受ブロック３２、３４は、軸線Ｏを中心とした貫通穴３２ａ、３４ａを有している。一方の軸受ブロック３４は、一方の側面において軸線Ｏ上にポテンショメータやロータリーエンコーダ等の回転角度センサー３８が取り付けられている。

上腿リンク１２は、概ね下腿リンク１４と同様に構成されており、互いに平行に延設された複数の、本実施形態では、４本の棒状部材１２ａを具備している。該棒状部材１２ａにおいて装着時にユーザーの腰部に隣接した一端は、第１の連結機構３０と同様に形成された第３の連結機構３０″を介して装着部１０に連結される。棒状部材１２ａの他端は、膝回転対偶としての第１のブレーキ１８のハウジングに固定されている。棒状部材１２ａは、断面が円形、矩形その他の多角形状の中実または中空の金属製またはプラスチック製の長尺部材である。

図４を参照すると、足リンク２０は、ユーザーの足裏を支持する平板状のベース部２２、該ベース部２２の一方の側縁に沿ってベース部２２の上面から突出する一対のブラケット２４、２６、および、該ブラケット２４、２６に取り付けられた複数の、本実施形態では、４本の棒状部材２８を具備している。棒状部材２８は、ブラケット２４、２６から水平に後方へ、つまり、装着時にユーザーの爪先とは反対側へ踵の後方に位置する足リンク２０の延長部を形成する。該足リンク２０の延長部としての棒状部材２８には、下回転対偶を形成する第２の連結機構３０′を介して直動アクチュエータ４０が連結される。なお、足リンク２０は、ベース部２２の上にユーザーがその一方の足を載せ、ベルト（図示せず）等の拘束手段によってベース部２２に足を固定するようになっている。棒状部材２８は、断面が円形、矩形その他の多角形状の中実または中空の金属製またはプラスチック製の長尺部材である。

図６、７を参照すると、本実施形態では、直動アクチュエータ４０は、機関部５０と、該機関部５０に固定された第１静止リンク４２と、クランク６３と、連接棒６４を介して第２静止リンク４４に対して長手方向に直線的に往復自在に連結された可動リンク６６とを主要な構成要素として具備して、スライダクランク機構を形成している。第１静止リンク４２は、平行に延設された複数の、本実施形態では、２本の棒状部材より成り、その一端が機関部５０のベース部５２に固定され、他端に既述した対偶ブロック１６と同様の対偶ブロック４６が固定されている。第２静止リンク４４は、平行に延設された複数の、本実施形態では、２本の棒状部材より成り、その一端がベース部５２に固定され、他端に既述した対偶ブロック１６と同様の対偶ブロック４８が固定される。また、第１静止リンク４２と第２静止リンク４４は、直動アクチュエータ４０の長手方向に互いに平行に延設されている。本実施形態において、第１静止リンク４２および第２静止リンク４４を形成する棒状部材は、断面が円形、矩形その他の多角形状の中実または中空の金属製またはプラスチック製の長尺部材である。

機関部５０は、上述したベース部５２に固定された変速機５４および該変速機５４に取り付けられたモータ５６を具備している。モータ５６の出力軸５６ａには出力プーリー５８が取り付けられている。変速機５４の入力軸５４ａには入力プーリー６０が取り付けられており、出力プーリー５８と入力プーリー６０とはベルト６２によって連結されている。変速機５４の出力軸５４ｂは、クランク６３と連接棒６４を介して可動ブロック６６に連結されている。また、機関部５０のベース部５２には、第１静止リンク４２および第２静止リンク４４に平行に延設されたガイドロッド６８が取り付けられており、可動ブロック６６はガイドロッド６８に沿ってベース部５２に対して延設方向に接近、離反可能となっている。

以下、本実施形態の作用を説明する。
図８はヒトに装着した歩行支援装置１００の模式図を示している。図８において、白丸は受動回転対偶を示し、黒丸はブレーキ付き回転対偶を示している。より詳細には、Ｐは、第３の連結機構３０″によって形成される装着部１０と上腿リンク１２との間の回転対偶であり、Ｕは、第１の連結機構３０によって形成される上回転対偶であり、Ｌは、第２の連結機構３０′によって形成される下回転対偶であり、Ｋは、第１のブレーキ１８によって形成される膝回転対偶であり、Ａは、第２のブレーキ１８′によって形成される足首回転対偶であり、Ｍは直動アクチュエータ４０である。装着時に第１のブレーキ１８はユーザーの膝に隣接するように配置され、第２のブレーキ１８′はユーザーの足首または踝に隣接するように配置される。上腿リンク１２および下腿リンク１４は、ユーザーの体格に応じて、第１と第２のブレーキ１８、１８′のそのような配置を可能とする長さに設定される。

本実施形態では、歩行支援装置１００は、膝回転対偶Ｋを形成する第１のブレーキ１８を固定すると共に足首回転対偶Ａを形成する第２のブレーキ１８′を解放して、直動アクチュエータ４０を伸展させると、図９Ａに示すように、足首回転対偶Ａが反時計回りの方向に回転し、直動アクチュエータ４０が収縮すると、図９Ｂに示すように、足首回転対偶Ａが時計回りの方向に回転する。反対に、第２のブレーキ１８′を固定すると共に第１のブレーキ１８を解放して、直動アクチュエータ４０を伸展させると、図１０Ａに示すように、膝回転対偶Ｋが図１０において反時計回りの方向に回転し、直動アクチュエータ４０が収縮すると、図１０Ｂに示すように、膝回転対偶Ｋが時計回りの方向に回転する。

図１１は、ヒトの歩行過程を示した１つの歩行動作モデルを示している。図１１において、状態Ｉは左足を前に右足を後にしてヒトが立っている状態である。状態Ｉから、後側の足（図１１では右足）を後方に蹴り出して体重を前側の足（図１１では左足）に移しつつ重心を前方へ移動させる（状態II）。次いで、状態IIから、蹴り出した後側の脚の膝を曲げて下腿を上方に回転させて後側の足が床面または地面から離反せつつ、股関節を回転させて上腿を前方へ振り出すことによって、接地している側の足（図１１では左足）に体重が完全に移る（状態III）。次いで、状態IIIから、股関節を更に回転させることによって、蹴り出した側の脚、特にその膝が接地している側の脚の膝の前方へ移動する（状態IV）。このとき、蹴り出した側の脚では、次の接地へ向けて爪先が上方へ移動するように足首が回転する。状態IVから、股関節が更に回転することによって、振り出した側の足は接地している側の足よりも歩幅分だけ前方へ移動する（状態Ｖ）。このとき膝関節は下腿を伸ばすように回転する。そして、振り出した足を接地させ、足の裏面全体が床面または地面に接触すると状態Ｉとなる。但し、このとき、最初の状態Ｉとは左右の足が入れ替わっていることは理解されよう。

図１２、１３を参照して、上記歩行動作モデルに適合した本実施形態の歩行支援装置１００の操作を説明する。ここでは、歩行支援装置１００は右足に装着しているものとする。図１３は、直動アクチュエータ４０としてのスライダクランク機構の変位および第１と第２のブレーキ１８、１８′の固定と解放のタイミングを示したチャートである。

状態Ｉから状態IIへの移行に際して、第１のブレーキ１８を固定すると共に第２のブレーキ１８′を解放して、直動アクチュエータ４０を収縮させる。これによって、足首回転対偶Ａが図１２の矢印Ｒ₁で示すように時計回りの方向に回転して、後方への蹴り出し動作が補助される。

直動アクチュエータ４０は、状態IIから状態IIIへの移行期においても収縮を継続しているが、この間、第１のブレーキ１８が解放されると共に第２のブレーキ１８′が固定される。これによって、膝回転対偶Ｋが図１２の矢印Ｒ₂で示すように時計回りの方向に回転し、蹴り出した足の床面または地面から上方への離反動作が補助される。このとき、例えば、爪先が床面または地面から上方へ５cm程度離れるように直動アクチュエータ４０の収縮量を調節する。状態IIIから状態IVへの移行期の途中で、直動アクチュエータ４０は最も収縮した状態となる。この後、歩行支援装置１００を装着したユーザーの股関節を中心とした脚の回転動作による爪先の高さの低下を補償するために、第１のブレーキ１８を固定しつつ第２のブレーキ１８′を解放し、直動アクチュエータ４０の伸展運動を開始する。これにより、足首回転対偶Ａが矢印Ｒ₃で示すように反時計回りの方向に回転され、爪先が上方へ上がる運動が補助される。状態IVにおいて、足底が股関節の鉛直下方向にある最下点を通過する。

状態IVから状態Vへの移行期では、直動アクチュエータ４０は伸展動作を継続する。この期間の前半では、上の状態から引き続いて第１のブレーキ１８が固定され、かつ、第２のブレーキ１８′が解放される。該移行期の後半では、第１のブレーキ１８が解放され、かつ、第２のブレーキ１８′が固定される。これによって、該移行期の前半では前の期間に引き続き足首回転対偶Ａが反時計回りの方向に爪先が上方へ上がるように回転し、後半では膝回転対偶Ｋが矢印Ｒ₄で示すように反時計回りの方向に回転する。

歩行支援装置１００は、該装置を装着する脚（装着脚）が麻痺している場合でも、歩行運動の創成や体幹の支持を可能とする。装着脚が麻痺している場合を含め、装置の使用中に使用者の転倒を防止し、安全な歩行支援を達成するため、使用者の身体と歩行支援機械から成る運動系の重心位置や足裏反力を力覚センサー、姿勢センサー、接触センサー等を用いて測定し、歩行支援装置１００の適切な運動軌道を創成することが望ましい。以下、このような使用者の転倒を防止しながら適切な歩行支援を行うための歩行支援装置１００の制御について説明する。

歩行支援装置１００を制御するために用いられる計装システムの一例を図１４に示す。図１４において、計装システムは、歩行支援装置１００を使用者の胴体に装着するための装着部１０に取り付けられた制御器７０、計装システムに電力を供給するためのバッテリー７２、および、使用者の胴体の３次元空間内での姿勢を測定する姿勢角センサー７４、第１の連結機構３０に設けられ上腿リンク１２と直動アクチュエータ４０との間の角度αを測定するための第１の角度センサー７８、第２の連結機構３０′に設けられ直動アクチュエータ４０と足リンク２０との間の角度βを測定する第２の角度センサー８２、第３の連結機構３０″に設けられ装着部１０に対する上腿リンク１２の角度γを測定する第３の角度センサー７６、直動アクチュエータ４０の変位量または長さを測定する変位センサーまたは測長センサー８０、足リンク２０の底面に取り付けられた力覚センサー８６および接触センサー８８を備えている。また、制御器７０には、使用者が手に持って歩行支援装置１００を操作するための操作部としての握りスイッチ９０が接続されている。

制御器７０は、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ、一連のセンサー７４、７８、８２、７６、８０、８６、８８および握りスイッチ９０のための入力インターフェースとしてのＡ／Ｄコンバーター、バッテリー７２からの電力を受け入れる受電素子、直動アクチュエータ４０のモーター５６、第１と第２のブレーキ１８、１８′へ電力を出力する出力素子、および、これらの要素を相互接続するバスを含むマイクロコンピュータとすることができる。また、制御器７０は、歩行支援装置１００を起動、停止させるためのスイッチや、歩行支援装置１００の作動状態を示す、例えばＬＥＤや液晶パネルのような表示部を備えていてもよい。

更に、図１４において、力覚センサー８６および接触センサー８８は、足リンク２０の底面において、踵側および爪先側に配置されているように図示されているが、これは、単に力覚センサー８６および接触センサー８８が足リンク２０の底面に取り付けられていることを示すものであって、本発明において力覚センサー８６および接触センサー８８の配置がこれに限定される趣旨ではない。力覚センサー８６および接触センサー８８の個数、配置は、必要に応じて適宜決定することができる。

次に、図１５に示すフローチャートを参照して、歩行支援装置１００の制御方法を説明する。
使用者が、ベルト等を用いて装着部１０を胴体に固定することによって、歩行支援装置１００をその身体に装着した後、握りスイッチ９０または制御器７０上に設けられたメインスイッチ（図示せず）によって歩行支援装置１００を起動する（ステップS１０）と、ステップＳ１２において、歩行運動を開始するに際して使用者が安定した直立姿勢にあり、かつ足裏が安定して地面と接触していることが確認される。その際、(1)姿勢センサー７４からの信号の変化が所定範囲内にあり使用者の身体がふらついていないこと、(2)力覚センサー８６からの信号の変化が所定範囲内にあり足リンク２０の裏面にしっかりと反力が作用していること、(3)接触センサー８８からの信号から足リンク２０が床面に接触していることが確認される。(1)〜(3)の条件が満たされていない、つまりステップＳ１２においてＮｏの場合、ステップＳ１２における判定が繰り返される。

ステップＳ１２においてＹｅｓとなると、ステップＳ１４において、握りスイッチ９０がＯｎになっているか否かが判定される。その際、握りスイッチ９０が使用者の意図に反してＯｎされている場合を除外し歩行支援装置１００の誤操作を防止するため、握りスイッチ９０がＯｎされている時間τが所定の時間τ₀以上継続しているか否かが判定される。握りスイッチ９０がＯｎされている時間τが所定の時間τ₀継続していない場合（ステップＳ１４でＮｏの場合）、制御フローはステップＳ１２へ帰還する。

握りスイッチ９０がＯｎされている時間τが所定の時間τ₀以上となると（ステップＳ１４でＹｅｓの場合）、直動アクチュエータ４０および第１と第２のブレーキ１８、１８′への指令値が更新され、第１〜第３の角度センサー７８、８２、７６および変位センサー８０からの信号に基づくフィードバック制御によって、図１１〜図１３を参照して説明したように歩行支援装置１００を駆動して歩行動作が生成される（ステップＳ１６）。この操作は歩行運動の１周期が完了するまで継続する（ステップＳ２４）。その間、歩行状態が不安定になったり握りスイッチが離されたりした場合（ステップＳ１８、Ｓ２０の何れか一方でＮｏの場合）には強制的に直立静止状態に移行させる。すなわち、ステップＳ１８において、(4)姿勢センサー７４からの信号から使用者の身体が極端に傾いていないこと、(5)姿勢センサー７４からの信号に急激な変化がないこと、(6)力覚センサー８６からの信号に急激な変化がないこと（足リンク２０が床面から離れる瞬間は除く）が確認され、ステップＳ２０において握りスイッチ９０がＯｎされていることが確認される。その際、誤動作や瞬間的な外乱による暴走を防止するため、歩行支援を中断する前には異常状態が一定時間継続したことを確認する（ステップＳ２２）。つまり、ステップＳ２２では、異常状態の時間ｔが所定時間ｔ₀以上となっているか否かが判定される。

その後、使用者が安定した直立姿勢を取っていること、すなわち、(7)姿勢センサー７４からの信号に急激な変化がないこと、(8)力覚センサー８６からの信号の変化が所定範囲内にあること、(9)接触センサー８８と力覚センサー８６からの信号から足リンク２０が床面に接触していることが確認され（ステップＳ２６）、条件が満たされていなければ（ステップＳ２６でＮｏの場合）、一連のセンサー７４、７８、８２、７６、８０、８６、８８からの情報を元に安定した直立状態となるよう歩行支援装置１００の姿勢を調整する（ステップＳ２８）。

条件(7)〜(9)が満たされている場合（ステップＳ２６でＹｅｓの場合）またはステップＳ２８における歩行支援装置１００の姿勢調整の後、直動アクチュエータ４０と第１と第２のブレーキ１８、１８′を固定して待機状態に移行し（ステップＳ３０）、制御フローは終了する（ステップＳ３０）。この制御フローを繰り返すことによって、使用者の継続的な歩行動作が支援される。

次に、図１６、１７を参照すると、本発明の第２の実施形態による歩行支援装置２００が図示されている。第１の実施形態による歩行支援装置１００では、上回転対偶Ｕは、上腿リンク１２において、装着部１０が連結される端部である第３の連結機構３０″と、膝回転対偶Ｋを形成する第１のブレーキ１８との間に設けられている。これに対して歩行支援装置２００では、上回転対偶を形成する第１の連結機構３０は、上腿リンク１２において膝回転対偶Ｋの外側、つまり、上腿リンク１２において第１のブレーキ１８よりも下方に突出した延長部分１５に設けられている。第２の実施形態による歩行支援装置２００のその余の構成は、第１の実施形態による歩行支援装置１００と概ね同様となっている。従って、図１６、１７において、第１の実施形態と同様の構成要素には図１、２と同じ参照番号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態では、歩行支援装置２００は、膝回転対偶Ｋを形成する第１のブレーキ１８を固定すると共に足首回転対偶Ａを形成する第２のブレーキ１８′を解放して、直動アクチュエータ４０を伸展させると、図１８Ａに示すように、足首回転対偶Ａが反時計回りの方向に回転し、直動アクチュエータ４０が収縮すると、図１８Ｂに示すように、足首回転対偶Ａが時計回りの方向に回転する。反対に、第２のブレーキ１８′を固定すると共に第１のブレーキ１８を解放して、直動アクチュエータ４０を収縮させると、図１９Ａに示すように、膝回転対偶Ｋが反時計回りの方向に回転し、直動アクチュエータ４０が伸展すると、図１９Ｂに示すように、膝回転対偶Ｋが時計回りの方向に回転する。

図１２、２０を参照して、上記歩行動作モデルに適合した本実施形態の歩行支援装置２００の操作を説明する。図２０は、直動アクチュエータ４０としてのスライダクランク機構の変位および第１と第２のブレーキ１８、１８′の固定と解放のタイミングを示した図１３と同様のチャートである。

状態IIから状態IIIへの移行期においては、第１のブレーキ１８を解放すると共に第２のブレーキ１８′を固定して、直動アクチュエータ４０を伸展させる。これによって、膝回転対偶Ｋが図１２の矢印Ｒ₂で示すように時計回りの方向に回転し、蹴り出した足の床面または地面から上方への離反動作が補助される。このとき、例えば、爪先が床面または地面から上方へ５cm程度離れるように直動アクチュエータ４０の伸展量を調節する。この後、歩行支援装置２００を装着したユーザーの股関節を中心とした脚の回転動作による爪先の高さの低下を補償するために、直動アクチュエータ４０の伸展は継続しながら第１のブレーキ１８を固定しつつ第２のブレーキ１８′を解放する。これにより、足首回転対偶Ａが矢印Ｒ₃で示すように反時計回りの方向に回転され、爪先が上方へ上がる運動が補助される。状態IVにおいて、足底が股関節の鉛直下方向にある最下点を通過する。

状態IVから状態Vへの移行期の直前から、直動アクチュエータ４０は収縮動作を開始し、第１のブレーキ１８が解放され、かつ、第２のブレーキ１８′が固定される。これによって、膝回転対偶Ｋが矢印Ｒ₄で示すように反時計回りの方向に回転する。

上述した第１と第２の実施形態では、直動アクチュエータ４０としてスライダクランク機構を用いたので、モータ５６の回転方向を変更することなく、モータ５６の回転速度の制御と第１と第２のブレーキ１８、１８′のオン・オフ（固定、解放）制御のみで、状態Ｉから状態Ｖへ至る全てのプロセスを実行することができる。従って、従来技術のように、モータの回転方向の変更に伴う消費電力の増大が防止される。モータの回転方向の反転がある場合、モータの消費動力のピーク値は歩行運動全体で算出した平均値の２倍程度にまで達するが、歩行支援装置１００、２００ではそうした消費電力の大きなピークはなくなり、モータ自体も小型化される。更に、モータ５６が反転しないので、慣性力に伴う駆動トルクの急激な変化が防止され歩行支援装置１００、２００の動作が円滑になる。

また、既述の説明から理解されるように、本実施形態では、ヒトの歩行運動は１自由度である、つまり腰部と足部との間の距離の時間的変化として表現が可能であるので、歩行支援装置１００、２００は、腰部と足部の２箇所のみで、ユーザーの身体に取り付けられる。また、歩行支援装置１００、２００は、ヒトの歩行運動は１自由度であることに着目して、１つの直動アクチュエータによってヒトの歩行運動を創成している。そして、実際の歩行運動の蹴り出し時および着地時の下腿および足部の姿勢を２つのブレーキ１８、１８′によって創成するようにしている。

また、ヒトの歩行運動の状態IIIから状態IVを経て状態Ｖへ至る過程では、ヒトは股関節を回転させることによって下肢全体を前方へ振り出しているが、歩行支援装置１００、２００は、この動作の補助、支援は行なっていない。

１０装着部
１２上腿リンク
１２′ 延長部分
１２ａ棒状部材
１４下腿リンク
１６対偶ブロック
１８第１のブレーキ
１８′ 第２のブレーキ
２０足リンク
２２ベース部
３０第１の連結機構
３０′ 第２の連結機構
３０″ 第３の連結機構
３２軸受ブロック
３４軸受ブロック
３２ａ貫通穴
３４ａ貫通穴
３６連結プレート
３８回転角度センサー
４０直動アクチュエータ
４２第１静止リンク
４４第２静止リンク
４６対偶ブロック
５０機関部
５２ベース部
５４変速機
５４ａ入力軸
５４ｂ出力軸
５６モータ
５６ａ出力軸
５８出力プーリー
６０入力プーリー
６２ベルト
６３クランク
６４連接棒
６６可動ブロック
６８ガイドロッド
７０制御器
７２バッテリー
７４姿勢角センサー
７６第３の角度センサー
７８第１の角度センサー
８０変位センサーまたは測距センサー
８２第２の角度センサー
８６力覚センサー
８８接触センサー
９０握りスイッチ
１００歩行支援装置
２００歩行支援装置
Ａ足首回転対偶
Ｋ膝回転対偶
Ｌ下回転対偶
Ｕ上回転対偶

Claims

装着時にヒトの上腿に副わせて延設される上腿リンクと、
装着時にヒトの下腿に副わせて延設される下腿リンクと、
装着時にヒトの足に副わせて延設される足リンクと、
前記上腿リンクと足リンクとの間に延設された直動アクチュエータと、
前記上腿リンクと前記直動アクチュエータとを連結する上回転対偶と、
前記直動アクチュエータと前記足リンクとを連結する下回転対偶と、
前記上腿リンクと下腿リンクとを連結する膝回転対偶と、
前記下腿リンクと足リンクとを連結する足首回転対偶とを具備し、
前記膝回転対偶と前記足首回転対偶がブレーキを備え、
前記膝回転対偶のブレーキが固定されているとき、前記足首回転対偶のブレーキが解放され、前記膝回転対偶のブレーキが解放されているとき、前記足首回転対偶のブレーキが固定されるように、前記膝回転対偶のブレーキと前記足首回転対偶のブレーキを逆位相で作動させることを特徴とした歩行支援装置。
後側の足を後方に蹴り出して体重を前側の足に移すとき、第１のブレーキを固定すると共に第２のブレーキを解放し、直動アクチュエータを収縮させ、
蹴り出した後側の脚の足を床面または地面から離反せつつ、股関節を回転させて上腿を前方へ振り出すとき、第１のブレーキを解放すると共に第２のブレーキを固定し、直動アクチュエータを収縮させ、
蹴り出した側の脚を接地している側の脚の膝の前方へ移動させるとき、直動アクチュエータは最も収縮した状態から伸展運動を開始し、第１のブレーキを固定しつつ第２のブレーキを解放し、
足底が股関節の鉛直下方向にある最下点を通過し、振り出した側の足が接地している側の足よりも歩幅分だけ前方へ移動するとき、直動アクチュエータの伸展動作を継続し、第１のブレーキを固定すると共に第２のブレーキを解放し、該移行期の後半では、第１のブレーキを解放すると共に第２のブレーキを固定するようにした請求項１に記載の歩行支援装置。
前記上回転対偶は、上腿リンクにおいて前記膝回転対偶の上方に設けられている請求項１または２に記載の歩行支援装置。
後側の足を後方に蹴り出して体重を前側の足に移すとき、第１のブレーキを固定すると共に第２のブレーキを解放して、直動アクチュエータを収縮させ、
蹴り出した後側の脚の足を床面または地面から離反せつつ、股関節を回転させて上腿を前方へ振り出すとき、第１のブレーキを解放すると共に第２のブレーキを固定して、直動アクチュエータを伸展させ、
蹴り出した側の脚を接地している側の脚の膝の前方へ移動させるとき、直動アクチュエータの伸展は継続しながら第１のブレーキを固定しつつ第２のブレーキを解放し、
足底が股関節の鉛直下方向にある最下点を通過し、振り出した側の足が接地している側の足よりも歩幅分だけ前方へ移動するとき、直動アクチュエータは収縮動作を開始し、第１のブレーキを解放すると共に第２のブレーキを固定するようにした請求項１に記載の歩行支援装置。
前記上腿リンクは、前記膝回転対偶から下方に延びる延長部分を有しており、前記上回転対偶は該上腿リンクの延長部分に設けられている請求項１または４に記載の歩行支援装置設。
前記足リンクは、ユーザーの足裏を支持する平板状のベース部と、該ベース部に取り付けられ、装着時にユーザーの踵の後方に位置するように設けられた延長部とを有しており、前記下回転対偶が前記延長部に設けられている請求項１〜５の何れか１項に記載の歩行支援装置。