JP6447489B2

JP6447489B2 - 歩行補助装置の評価方法

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Publication number: JP6447489B2
Application number: JP2015252213A
Authority: JP
Inventors: 伯文酒井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: JP2017113311A

Description

本発明は歩行補助装置の評価方法に関し、特に歩行補助装置に荷重をかけて行う歩行補助装置の評価方法に関する。

近年、急性期の脳卒中麻痺患者用などにその歩行を補助するための様々の歩行補助装置が開発されている。例えば、歩行補助装置は、ユーザの体重入力と姿勢により、ユーザの脚部が立脚及び遊脚のいずれかを判定する。歩行補助装置は、立脚時には膝関節角度を維持するために膝伸展方向にトルクを発生させる。一方、歩行補助装置は、立脚後期〜遊脚時に膝関節を屈曲させ、歩行時の患脚のつまずきを防止すると共に、患脚の振出しにより歩行を補助する。歩行補助装置は、このような動作をユーザの急性期、リハビリ初期などに行うことで正しい歩行の習得を手助けするため、特に、その強度、耐久性などが求められる。一方で、上述したような歩行補助装置における強度、耐久性を評価するための様々な評価装置が知られている。

特許文献１では、歩行補助装置に対し、オフセット部材を介して荷重をかけ、歩行補助装置の強度及び耐久性を評価する評価方法について開示している。

特開２０１４−１４７６３６号公報

歩行補助装置の評価方法としては、実際の人の歩容動作を再現した評価が行われることが望ましい。このため、歩行補助装置への荷重のかけ方として多様なかけ方が求められる。特許文献１では、オフセット部材を介した荷重により、歩行補助装置にかかるモーメントを再現しているが、歩行補助装置への荷重のかけ方によっては、歩行補助装置が傾倒してしまう可能性がある。これは、荷重のかけ方が適切に調整されていないために起こると考えられる。このため、歩行補助装置の評価にあたって、実際の人の歩容動作の再現性が制限されてしまう。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、実際の人の歩容動作の再現性を向上させて歩行補助装置を評価することができる、歩行補助装置の評価方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る歩行補助装置の評価方法は、歩行補助装置に荷重を伝える荷重受け部材と、前記荷重受け部材を介して前記歩行補助装置に荷重をかける荷重負荷手段と用いて前記歩行補助装置を評価する評価方法であって、前記荷重受け部材を変位させることにより、前記荷重負荷手段によりかけられる荷重の荷重力線の方向を調整し、前記歩行補助装置に荷重をかけるものである。
このような評価方法によれば、荷重力線を任意の方向に調整することができるため、実際の人の歩容動作の再現性を向上させて歩行補助装置を評価することができる。

本発明によれば、実際の人の歩容動作の再現性を向上させて歩行補助装置を評価することができる、歩行補助装置の評価方法を提供することができる。

実施の形態１に係る評価装置の概略的なシステム構成を示す構成図である。体荷重受け板が傾斜していない状態にある場合の荷重力線を歩行補助装置の側面図とともに図示した模式図である。体荷重受け板が歩行補助装置の前後方向に傾斜した状態にある場合の荷重力線を歩行補助装置の側面図とともに図示した模式図である。体荷重受け板が歩行補助装置の左右方向に傾斜した状態にある場合の荷重力線を歩行補助装置の正面図とともに図示した模式図である。体荷重受け板が歩行補助装置の前後方向に傾斜した状態にある場合の荷重力線を歩行補助装置の側面図とともに図示した模式図である。実施の形態２にかかる評価装置の構成の一部を示す図であり、評価装置の模式的な側面図である。実施の形態２にかかる評価装置の構成の一部を示す図であり、評価装置の模式的な正面図である。実施の形態３にかかる評価装置の構成の一部を示す図であり、評価装置の模式的な側面図である。実施の形態３にかかる評価装置の構成の一部を示す図であり、評価装置の模式的な正面図である。実施の形態４にかかる評価装置の概略的なシステム構成を示す構成図である。

本発明の実施の形態について説明する前に、まず、発明者による事前の検討事項について説明する。

歩行補助装置の強度又は耐久性を確認するための評価試験においては、歩行補助装置に与えられる荷重の大きさ及び方向、歩行補助装置に与えられるモーメントの大きさ及び方向、歩行補助装置のモータートルクの大きさ及び方向、歩行補助装置の関節角度などが、実際の使用状態の波形と同じとなるよう再現されることが望ましい。

ここで、特許文献１に記載された評価装置では、ダミー脚部にかける垂直荷重の位置を所定のオフセット長だけ、水平方向にずらすことにより歩行補助装置にかかるモーメントを再現しているが、垂直荷重の位置が、ダミー脚部の足裏範囲から外れた場合には荷重力線が足裏を通らないため、モーメントのつり合いが取れず、モーメントの影響で歩行補助装置が傾倒する可能性がある。

これに対し、垂直荷重の位置がダミー脚部の足裏範囲に収まるようにすれば、歩行補助装置の傾倒は抑制することができるが、立脚から遊脚を繰り返す実際の歩容動作中に発生する様々な足の着き方を再現することができない。

また、ダミー脚部の傾倒を防止するための機構を追加することによっても歩行補助装置の傾倒は抑制することができるが、ダミー脚部の足裏が一点で接地していない限り、荷重条件が安定しない。すなわち、ダミー脚部の足裏を一点で接地させる場合には、当該一点の位置が荷重に対する支点であるため支点の位置を任意に設定できる。これに対し、ダミー脚部の足裏が線又は面で接地している場合には、支点の位置は当該線内のいずれかの位置又は面内のいずれかの位置であり、評価に際し支点の位置を任意に設定することが困難である。このため、足の裏全体で体重を支えた状態等の評価を十分に行うことができない。

このような問題の発生が、ダミー脚部に対し荷重をかける際に、前後又は左右の並進力を調整することができないために、荷重力線の方向を調整できないことに起因していることを発明者は発見した。

実施の形態１
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
本発明の一実施の形態に係る評価装置は、ユーザの脚部に装着されその歩行を補助する歩行補助装置の性能、強度、耐久性などを評価するものである。図１は、本発明の一実施の形態に係る評価装置の概略的なシステム構成を示す構成図である。

本実施の形態に係る評価装置１は、人の脚部を模したダミー脚部２と、ダミー脚部２に対して荷重を負荷する体重荷重用のアクチュエータ３と、ダミー脚部２に装着される歩行補助装置４と、アクチュエータ３を制御する制御装置５と、を備えている。

ダミー脚部２は、例えば回動可能な関節部を有し、人の脚部をモデル化したものである。ダミー脚部２は、具体的には、例えば、足平部２１と、足平部２１に足首関節部２２を介して回動可能に連結された下腿部２３と、下腿部２３に膝関節部２４を介して回動可能に連結された上腿部２５と、を有している。なお、図１に示すダミー脚部２の構成は一例であり、これに限らず、任意の構成が適用可能である。

アクチュエータ３は、荷重負荷手段の一具体例であり、荷重受け部材３０を介して歩行補助装置４に荷重をかける。具体的には、アクチュエータ３は、荷重受け部材３０を構成する体荷重受け板３１を垂直方向に押下することにより、オフセット部材３２を介してダミー脚部２に対して任意の荷重を負荷する。このようにして、アクチュエータ３は、ダミー脚部２に対して、歩行時の体重入力を与える。そして、ダミー脚部２は、アクチュエータ３から受けた体重入力を、歩行補助装置４の装着部分を介して歩行補助装置４に伝える。この体重入力は、装着部分を介して歩行補助装置４に支えられる。アクチュエータ３は、例えば、油圧機構、あるいはモータ機構などより構成されている。アクチュエータ３は、例えば、制御装置５から送信される駆動指令信号に応じて、体荷重受け板３１に対して垂直方向の荷重を負荷する。アクチュエータ３は、例えば、センサを内蔵しており、荷重を負荷した際に、そのときの荷重値及び変位値などを検出し、その検出した検出値を制御装置５に対して送信する。

アクチュエータ３の脇には、アクチュエータ傾倒防止ガイド３３が設けられている。アクチュエータ傾倒防止ガイド３３は、アクチュエータ３自体の水平方向の移動を規制する。なお、アクチュエータ３の動作の際、アクチュエータ３の本体自体が垂直方向に移動してしまうことを防ぐ必要がある。このため、アクチュエータ傾倒防止ガイド３３が、アクチュエータ３の本体の垂直方向の移動を規制してもよい。

荷重受け部材３０は、歩行補助装置４にアクチュエータ３からの荷重を伝える部材であり、体荷重受け板３１及びオフセット部材３２により構成されている。

体荷重受け板３１は、オフセット部材３２に連結されており、アクチュエータ３からの荷重を受ける面（以下、荷重受け面という）を有する板である。ここで、体荷重受け板３１の荷重受け面は、水平に対し、前後方向及び左右方向に傾けることができる。すなわち、体荷重受け板３１の荷重受け面は、ロール方向及びピッチ方向に傾斜することが可能に設けられている。なお、体荷重受け板３１の荷重受け面は、ロール方向又はピッチ方向のいずれかのみに傾斜することが可能に設けられてもよい。ただし、体荷重受け板３１の傾斜角度は、固定することが可能であり、アクチュエータ３による負荷が荷重受け面にかかる際、荷重受け面の角度は変動しない。このように、体荷重受け板３１は水平位置からの傾斜が可能であるため、体荷重受け板３１が傾斜状態にある場合には、アクチュエータ３から垂直方向の荷重が荷重受け面にかかると、前後方向又は左右方向の並進力が発生する。なお、この並進力の反力により引き起こされるアクチュエータ３の水平方向の移動は、上述の通り、アクチュエータ傾倒防止ガイド３３によって規制される。

オフセット部材３２は、ダミー脚部２にかける荷重の水平方向の位置を、ダミー脚部２に対し所定のオフセット長だけずらすための部材である。オフセット部材３２は、例えば、一端がダミー脚部２の上腿部２５の上端に固定され、他端が体荷重受け板３１に連結された、略棒状の治具である。オフセット部材３２の長さ（オフセット長）を変更することで容易にオフセット量を変更でき、より多彩な患者の歩行モードに対応した歩行補助装置４の評価が可能となる。なお、オフセット部材３２は、例えば水平に設けられており、体荷重受け板３１が傾斜しても、オフセット部材３２は、傾斜しない。つまり、体荷重受け板３１は、オフセット部材３２に対して傾斜可能に設けられているといえる。

歩行補助装置４は、ユーザの患脚に装着され、患脚の動作を調整することにより、その歩行の補助を行うためのものである。歩行補助装置４は、ダミー脚部２に装着されダミー脚部２を支持し複数の関節部を有するフレーム部４１と、フレーム部４１の各関節部を回転駆動する第１及び第２モータユニット４２、４３と、を有している。

フレーム部４１は、足平フレーム４１１と、足平フレーム４１１に足首関節部４１２を介して回動可能に連結された下腿フレーム４１３と、下腿フレーム４１３に膝関節部４１４を介して回動可能に連結された上腿フレーム４１５と、から構成されている。足平フレーム４１１は、ダミー脚部２の足平部２１に装着される。下腿フレーム４１３はダミー脚部２の下腿部２３に装着される。上腿フレーム４１５はダミー脚部２の上腿部２５に装着される。下腿フレーム４１３及び上腿フレーム４１５には、ユーザの下腿部及び上腿部との接触を緩和するためのパッド４１６が夫々設けられている

第１及び第２モータユニット４２、４３は、駆動手段の一具体例であり、例えば、モータ、減速機構、センサなどから構成されている。第１及び第２モータユニット４２、４３は、フレーム部４１の足首関節部４１２及び膝関節部４１４に夫々設けられている。

第１モータユニット４２は、フレーム部４１の足首関節部４１２を回転駆動することで、下腿フレーム４１３に対して足平フレーム４１１を相対回動させる。第２モータユニット４３は、フレーム部４１の膝関節部４１４を回転駆動することで、上腿フレーム４１５に対して下腿フレーム４１３を相対回動させる。

制御装置５は、制御手段の一具体例であり、アクチュエータ３を制御するものである。制御装置５は、アクチュエータ３に対して駆動指令信号を送信することでアクチュエータ３を制御し、歩行補助装置４に対して荷重を負荷する。なお、制御装置５は、アクチュエータ３に対して負荷する荷重値を示す駆動指令信号を送信しているが、これに限らず、例えば、アクチュエータ３に対して荷重受け部材３０の変位量を示す駆動指令信号を送信してもよい。

制御装置５は、例えば、演算処理、制御処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）５１、ＣＰＵ５１によって実行される演算プログラム、制御プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）５２、各種のデータなどを記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）５３、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）５４、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ５１、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３及びインターフェイス部５４は、データバスなどを介して相互に接続されている。

上述の通り、評価装置１では、体荷重受け板３１の傾斜角度を任意に調整することができる。そして、アクチュエータ３によって垂直方向にかけられた荷重に対して、体荷重受け板３１の傾斜に応じて、並進力が発生する。このため、荷重力線の向きを調整できる（図２〜図５）。なお、図２〜図５において、矢印により荷重力線が示されている。図２は、体荷重受け板３１が傾斜していない状態、すなわち水平状態にある場合の荷重力線を歩行補助装置４の側面図とともに図示した模式図である。また、図３及び図５は、体荷重受け板３１が歩行補助装置４の前後方向に傾斜した状態にある場合の荷重力線を歩行補助装置４の側面図とともに図示した模式図である。また、図４は、体荷重受け板３１が歩行補助装置４の左右方向に傾斜した状態にある場合の荷重力線を歩行補助装置４の正面図とともに図示した模式図である。ここで、図３に示した荷重受け部材３０のオフセット長と、図５に示した荷重受け部材３０のオフセット長は、異なる。このように、種々のオフセット長により、評価装置１は歩行補助装置４の評価を行うことが可能である。

このように、評価装置１によれば、荷重受け部材３０を変位させることにより、アクチュエータ３によりかけられる荷重の荷重力線の方向を調整し、調整された荷重力線により歩行補助装置４に荷重をかける評価方法を提供することができる。

したがって、荷重力線が足平部２１の足裏に収まるように荷重のかかり方を調整することができ、歩行補助装置４が傾倒することを抑制することができる。また、足裏の接地範囲が一点でない状態であっても、荷重力線の方向を調整することにより、この荷重力線に対する足裏における支点の位置を任意に設定することができる。つまり、評価装置１によれば、歩行補助装置４の傾倒を抑制しつつ、立脚から遊脚を繰り返す実際の歩容動作中に発生する様々な足の着き方を再現して評価することが可能となる。したがって、この評価方法によれば、実際の人の歩容動作の再現性を向上させて歩行補助装置を評価することができる。

実施の形態２
次に、実施の形態２について説明する。本実施の形態では、アクチュエータ３による荷重位置を変更するための荷重位置移動装置が設けられる点で、上記実施の形態と異なる。図６及び図７は、実施の形態２にかかる評価装置１の構成の一部を示す図であり、図６は、実施の形態２にかかる評価装置１の模式的な側面図であり、図７は、実施の形態２にかかる評価装置１の模式的な正面図である。図６及び図７に示されるように、本実施の形態にかかる評価装置１は、実施の形態１にかかる構成に加え、荷重位置移動装置として、アクチュエータ６１、６２をさらに有している。アクチュエータ６１は、アクチュエータ３による荷重位置を、歩行補助装置４の前後方向で時間と共に変化させる。また、アクチュエータ６２は、アクチュエータ３による荷重位置を、歩行補助装置４の左右方向で時間と共に変化させる。アクチュエータ６１及びアクチュエータ６２は、例えば、制御装置５から送信される駆動指令信号に応じて、荷重位置を変更する。なお、制御装置５は、アクチュエータ６１及びアクチュエータ６２を所定の歩行軌跡を再現するよう同期制御してもよい。

実施の形態３
次に、実施の形態３について説明する。本実施の形態では、体荷重受け板３１の傾斜角度を変更するための傾斜角度変更装置が設けられる点で、上記実施の形態と異なる。図８及び図９は、実施の形態３にかかる評価装置１の構成の一部を示す図であり、図８は、実施の形態３にかかる評価装置１の模式的な側面図であり、図９は、実施の形態３にかかる評価装置１の模式的な正面図である。図８及び図９に示されるように、本実施の形態にかかる評価装置１は、実施の形態１にかかる構成に加え、荷重位置移動装置として、アクチュエータ７１、７２をさらに有している。アクチュエータ７１は、体荷重受け板３１の前後方向の傾斜角度を時間と共に変化させる。また、アクチュエータ７２は、体荷重受け板３１の左右方向の傾斜角度を時間と共に変化させる。アクチュエータ７１及びアクチュエータ７２は、例えば、制御装置５から送信される駆動指令信号に応じて、傾斜角度を変更する。なお、制御装置５は、アクチュエータ７１及びアクチュエータ７２を所定の歩行軌跡を再現するよう同期制御してもよい。

また、実施の形態３にかかる構成と実施の形態２にかかる構成とが組み合わされてもよいし、傾斜角度変更装置による傾斜角度の変化は、体重荷重用のアクチュエータ３の荷重変化と同期させてもよい。もちろん、荷重位置移動装置による荷重位置の変化と、体重荷重用のアクチュエータ３の荷重変化とを同期させてもよいし、荷重位置の変化及び傾斜角度の変化と荷重変化とを同期させてもよい。

実施の形態４
次に、実施の形態４について説明する。実施の形態１〜３では、体荷重受け板３１の傾斜角度を変更することにより並進力を発生させたが、ダミー脚部２に対し、直接３方向の荷重をかけてもよい。図１０は、本実施の形態にかかる評価装置１００の概略的なシステム構成を示す構成図である。図１０に示されるように、評価装置１００は、図１に示される評価装置１におけるアクチュエータ３及び荷重受け部材３０に代えて、アクチュエータ１０１、アクチュエータ１０２、及びアクチュエータ１０３を有する。アクチュエータ１０１は、ダミー脚部２に対し、上下方向の負荷をかける。アクチュエータ１０２は、ダミー脚部２に対し、前後方向の負荷をかける。アクチュエータ１０３は、ダミー脚部２に対し、左右方向の負荷をかける。アクチュエータ１０１、アクチュエータ１０２及びアクチュエータ１０３は、例えば、制御装置５から送信される駆動指令信号に応じて、荷重を負荷する。制御装置５は、アクチュエータ１０１、アクチュエータ１０２及びアクチュエータ１０３のそれぞれの負荷を時間的に変化させてもよい。なお、本実施の形態においても、実施の形態２に示されるように、荷重位置移動装置によりアクチュエータ１０１、アクチュエータ１０２及びアクチュエータ１０３のそれぞれの荷重位置が変化されてもよい。

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、上記の実施の形態では、アクチュエータ３によりダミー脚部２に荷重をかけているが、アクチュエータ３に代えて、単なる重りにより荷重がかけられてもよい。また、制御装置５により歩行補助装置４を動作させつつ荷重をかけて、評価を行ってもよい。

１、１００評価装置
２ダミー脚部
３、６１、６２、７１、７２、１０１、１０２、１０３アクチュエータ
４歩行補助装置
５制御装置
３０荷重受け部材
３１体荷重受け板
３２オフセット部材
３３アクチュエータ傾倒防止ガイド

Claims

歩行補助装置に荷重を伝える荷重受け部材と、前記荷重受け部材を介して前記歩行補助装置に荷重をかける荷重負荷手段と用いて前記歩行補助装置を評価する評価方法であって、
前記荷重受け部材を変位させることにより、前記荷重負荷手段によりかけられる荷重の荷重力線の方向を調整し、
前記歩行補助装置に荷重をかける
歩行補助装置の評価方法。