JP6601194B2

JP6601194B2 - 歩行補助装置

Info

Publication number: JP6601194B2
Application number: JP2015237369A
Authority: JP
Inventors: 光留菅田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2019-11-06
Anticipated expiration: 2035-12-04
Also published as: JP2017099797A

Description

本発明は、ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置に関する。

ユーザの膝関節角度のグラフ情報に従って、歩行動作を補助する歩行補助装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。グラフ情報には、ユーザの歩容動作中の遊脚期間において、膝関節角度が遊脚開始から遊脚最大屈曲までの遊脚屈曲時間において単調増加し、該遊脚屈曲時間に続く膝関節角度が遊脚最大屈曲から遊脚終了までの遊脚伸展時間において単調減少する、ように設定された膝関節角度のグラフが設定されている。

特開２０１２−２１３５５４号公報

ここで、グラフ情報の遊脚開始の膝関節角度は、例えば０°に近い値が設定されている。このため、このグラフ情報の遊脚開始の膝関節角度を、ユーザの実際の遊脚開始の膝関節角度に対して滑らかに接続されるように、遊脚期間が来る毎に、適宜設定し直す必要がある。
この場合、遊脚屈曲時間及び遊脚伸展時間が設定され固定されたままの場合、特定の歩容タイミングにおいて、ユーザの実際の遊脚開始の膝関節角度が大き過ぎるときは、不自然な遊脚軌道となり、ユーザの歩容動作が不自然となる虞がある（図７）。これに対し、例えば、単に遊脚屈曲時間を短く設定した場合、その遊脚屈曲時間が短くなり過ぎる、あるいは無くなってしまう可能性もあり、自然な歩容動作から離れてしまう虞がある。

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、特定の歩容タイミングにおいて、ユーザの実際の遊脚開始の膝関節角度が大き過ぎる場合でも、遊脚屈曲時間が短く設定され、さらに、その遊脚屈曲時間が短くなり過ぎる、あるいは無くなってしまうことがなく、自然な歩容動作に近づけることができる歩行補助装置を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
ユーザの上腿に装着される上腿フレームと、
前記上腿フレームに膝関節を介して連結され、ユーザの下腿に装着される下腿フレームと、
前記上腿フレームに対し前記下腿フレームが屈曲する膝関節角度を検出する角度検出手段と、
前記膝関節を駆動する駆動手段と、
ユーザの歩容動作中の遊脚期間において、前記膝関節角度が遊脚開始から遊脚最大屈曲までの遊脚屈曲時間において単調増加し、該遊脚屈曲時間に続く前記膝関節角度が前記遊脚最大屈曲から遊脚終了までの遊脚伸展時間において単調減少する、ように設定された前記膝関節角度のグラフ情報を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記膝関節角度のグラフ情報に従って、前記角度検出手段により検出された膝関節角度に基づいて、前記駆動手段を制御する制御手段と、
を備え、ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であって、
前記制御手段は、
前記角度検出手段により検出された前記遊脚開始の膝関節角度が増加するに従がって、前記記憶手段の遊脚屈曲時間を短く設定し、かつ、該遊脚屈曲時間を所定の最小値以上に設定する、ことを特徴とする歩行補助装置である。
この一態様によれば、遊脚開始の膝関節角度が増加するに従がって遊脚屈曲時間を短く設定される。これにより、特定の歩容タイミングにおいて、ユーザの実際の遊脚開始の膝関節角度が大き過ぎる場合でも遊脚屈曲時間が短く設定される。さらに、遊脚屈曲時間は所定の最小値以上に設定される。これにより、遊脚屈曲時間が短くなり過ぎる、あるいは無くなってしまうことがない。すなわち、特定の歩容タイミングにおいて、ユーザの実際の遊脚開始の膝関節角度が大き過ぎる場合でも、遊脚屈曲時間が短く設定され、さらに、その遊脚屈曲時間が短くなり過ぎる、あるいは無くなってしまうことがなく、自然な歩容動作に近づけることができる。

本発明によれば、特定の歩容タイミングにおいて、ユーザの実際の膝関節角度が大き過ぎる場合でも、遊脚屈曲時間が短く設定され、さらに、その遊脚屈曲時間が短くなり過ぎる、あるいは無くなってしまうことがなく、自然な歩容動作に近づけることができる歩行補助装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る歩行補助装置の概略的な構成を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る歩行補助装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。ユーザの歩容動作を決めるグラフ情報の一例を示す図である。操作部の操作画面の一例を示す図である。遊脚屈曲角度と遊脚開始角度の偏差の単調増加関数の一例を示す図である。補正後遊脚屈曲時間に基づいて変更したグラフ情報の一例を示す図である。遊脚開始時の膝関節角度が大きく遊脚屈曲時間が不自然に長くなった状態の一例を示す図である。遊脚屈曲時間が短くなり過ぎた状態の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る歩行補助装置の概略的な構成を示す斜視図である。図２は、本発明の一実施形態に係る歩行補助装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。

本実施形態に係る歩行補助装置１は、例えば、歩行を行うユーザの脚部（患脚部など）に装着され、ユーザの歩行動作を補助する。歩行補助装置１は、上腿フレーム２と、上腿フレーム２に膝関節部３を介して連結された下腿フレーム４と、下腿フレーム４に足首関節部５を介して連結された足平フレーム６と、膝関節部３を回転駆動するモータユニット７と、足首関節部５の可動範囲を調整する調整機構８と、膝関節角度を検出する角度センサ９と、モータユニット７を制御する制御部１０と、を有している。なお、上記歩行補助装置１の構成は一例であり、これに限られない。例えば、歩行補助装置１は、足首関節部５を回転駆動するモータユニットを備えていてもよい。

上腿フレーム２は、ユーザの脚部の上腿部に装着されている。下腿フレーム４はユーザの脚部の下腿部に装着されている。足平フレーム６は、ユーザの脚部の足平部に装着されている。

足平フレーム６には、ユーザの足平部の足裏に掛かる荷重を検出する足裏荷重センサユニット１１が設けられている。足裏荷重センサユニット１１は、ユーザの足平部の足裏に掛かる垂直荷重を検出する複数の垂直荷重センサを有している。足裏荷重センサユニット１１は、有線又は無線を介して制御部１０に接続されており、検出した荷重値を制御部１０に出力する。

モータユニット７は、駆動手段の一具体例である。モータユニット７は、例えば、モータ、減速機構などで構成されている。モータユニット７は、有線又は無線を介して制御部１０に接続されており、制御部１０からの制御信号に応じて駆動する。

角度センサ９は、角度検出手段の一具体例である。角度センサ９は、膝関節部３に設けられている。角度センサ９は、例えば、ポテンショメータやロータリーエンコーダである。角度センサ９は、上腿フレーム２に対し下腿フレーム４が屈曲する膝関節角度を検出する。角度センサ９は、有線又は無線を介して制御部１０に接続されており、検出した膝関節角度を制御部１０に出力する。

制御部１０は、制御手段の一具体例である。制御部１０は、角度センサ９からの膝関節角度に基づいて、モータユニット７の駆動を制御し、ユーザの歩行動作を補助する。
制御部１０は、例えば、演算処理、制御処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）１０ａ、ＣＰＵ１０ａによって実行される演算プログラム、各種のデータを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ１０ｂ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）１０ｃ、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。ＣＰＵ１０ａ、メモリ１０ｂ及びインターフェイス部１０ｃは、データバスなどを介して相互に接続されている。
制御部１０は、モータユニット７と分離しているが、モータユニット７に設けられる構成であってもよい。

メモリ１０ｂは記憶手段の一具体例である。メモリ１０ｂは、例えば、図３に示すような、ユーザの歩容動作を決めるグラフ情報を記憶する。

ユーザの歩容動作は、立脚期間と遊脚期間とを交互に繰り返す。グラフ情報には、ユーザの歩容動作中の遊脚期間において、膝関節角度が遊脚開始から遊脚最大屈曲までの遊脚屈曲時間において単調増加し、該遊脚屈曲時間に続く膝関節角度が遊脚最大屈曲から遊脚終了（立脚時目標角度）までの遊脚伸展時間において単調減少する、ように設定されている。制御部１０は、角度センサ９により検出された膝関節角度が、メモリ１０ｂに設定されたグラフ情報の膝関節角度（遊脚膝関節軌道）に従うように、モータユニット７の駆動を制御する。

制御部１０は、例えば、歩行補助装置１の足平フレーム６の足裏荷重センサユニット１１の各垂直荷重センサにより検出された荷重値を加算した足裏総荷重量が閾値以下となるとき、ユーザの足平部の抜重を検出する。なお、閾値は、例えば、足平部が抜重状態となるときの値が予め実験的に求められ、上記メモリ１０ｂなどに設定されている。制御部１０は、例えば、ユーザの足平部の抜重を検出したときに、遊脚開始のタイミングであると判定する。制御部１０は、その遊脚開始のタイミングと判定したときに角度センサ９により検出された膝関節角度を、遊脚開始角度とする。

制御部１０には、制御部１０に操作情報を入力するための操作部１２が有線又は無線を介して接続されている。操作部１２は、例えば、操作画面、キーボード、タッチパネルなどのユーザインターフェースを有している。図４は、操作部の操作画面の一例である。ユーザは、操作部１２を介して、メモリ１０ｂのグラフ情報における遊脚最大屈曲の膝関節角度（遊脚最大屈曲角度）、遊脚屈曲時間、遊脚終了の膝関節角度（遊脚終了角度）、及び遊脚伸展時間を設定、変更（増減）することができる。例えば、理学療法士が、リハビリ患者（ユーザ）の歩行速度や歩幅等を見ながら、操作部１２を介して、上記遊脚の遊脚屈曲時間、及び遊脚伸展時間を設定することができる。

ここで、グラフ情報の遊脚開始の膝関節角度は、例えば０°に近い値が設定されている。このため、このグラフ情報の遊脚開始の膝関節角度を、ユーザの実際の遊脚開始の膝関節角度に対して滑らかに接続されるように（立脚から遊脚への遷移時に滑らかな膝関節軌道をとるように）、遊脚期間が来る度に、適宜設定し直す必要がある。
この場合、従来のように、一旦、遊脚屈曲時間及び遊脚伸展時間が設定され固定されたままの場合、特定の歩容タイミングにおいて、ユーザの実際の遊脚開始の膝関節角度が大き過ぎるときは、不自然な遊脚軌道となり、ユーザの歩容動作が不自然となる。

例えば、ユーザの歩容は一歩踏み出す毎に変化する可能があり、図７に示す如く、遊脚開始時の膝関節角度が大き過ぎる場合、明らかに不自然な遊脚軌道となる。

これに対し、本実施形態に係る制御部１０は、角度センサ９により検出された遊脚開始の膝関節角度が増加するに従がって、メモリ１０ｂの遊脚屈曲時間を短く設定する。これにより、特定の歩容タイミングにおいて、ユーザの実際の遊脚開始の膝関節角度が大き過ぎる場合でも遊脚屈曲時間が短く設定され自然な歩容動作に近づけることができる。
ここで、上述のように、遊脚開始の膝関節角度が増加するに従がって、遊脚屈曲時間を短く設定した場合に、例えば、図８に示すように、その遊脚屈曲時間が短くなり過ぎる、あるいは無くなってしまう可能性もあり、自然な歩容動作から離れてしまう虞がある。
これに対し、本実施形態に係る制御部１０は、角度センサ９により検出された遊脚開始の膝関節角度が増加するに従がって、メモリ１０ｂの遊脚屈曲時間を短く設定し、かつ、該遊脚屈曲時間を所定の最小値以上に設定する。これにより、特定の歩容タイミングにおいて、ユーザの実際の遊脚開始の膝関節角度が大き過ぎる場合でも、遊脚屈曲時間が短く設定され、さらに、その遊脚屈曲時間が短くなり過ぎる、あるいは無くなってしまうことがなく、自然な歩容動作に近づけることができる。

制御部１０は、例えば、下記式を用いて、角度センサ９により検出された遊脚開始の膝関節角度（遊脚開始角度）が増加するに従がって遊脚屈曲時間を短くし、かつ所定の最小値以上となる補正後の遊脚屈曲時間（以下、補正後遊脚屈曲時間）Ｔ_ｂｎｄを算出する。
補正後遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄ＝ａ×（遊脚屈曲角度−遊脚開始角度）／遊脚屈曲角度×遊脚屈曲時間＋（１−ａ）×遊脚屈曲時間
上記式において、遊脚屈曲角度＝遊脚最大屈曲角度−遊脚終了角度、とする。ａは、補正をかける時間割合であり、１以下の正値とする。例えば、ａ＝０．９とすると、補正後遊脚屈曲時間は設定された遊脚屈曲時間の１０％以上の値となる。このようにａを０〜１の間で設定変更することで、上記所定の最小値を変更することができる。

なお、制御部１０は、正値の切片を有する遊脚屈曲角度と遊脚開始角度の偏差の単調増加関数（図５）を用いて、補正後遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄを算出してもよい。正値の切片の値を設定変更することで、上記所定の最小値を変更することができる。
制御部１０は、上記算出した補正後遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄに基づいてメモリ１０ｂのグラフ情報を変更する。

制御部１０は、上記算出した補正後遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄに基づいて、下記式を用いて遊脚屈曲軌道θ（ｔ）を算出する。

上記式において、遊脚開始角度をθ_ｓ[ｒａｄ]、遊脚の膝関節角度をθ_ｂｎｄ[ｒａｄ]、補正後遊脚屈曲時間をＴ_ｂｎｄ［ｓ］、遊脚開始時の膝関節角速度をｖ［ｒａｄ／ｓ］、遊脚屈曲の経過時間をｔ［ｓ］とする。

制御部１０は、下記式を用いて遊脚伸展軌道θ（ｔ）を算出する。

上記式において、遊脚終了角度をθ_ｆｉｎ［ｒａｄ］、遊脚伸展時間をＴ_ｅｘｔ［ｓ］、遊脚伸展の経過時間をｔ［ｓ］とする。

制御部１０は、上記算出した遊脚屈曲軌道及び遊脚伸展軌道を基づいてメモリ１０ｂのグラフ情報を変更する。図６は補正後遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄに基づいて変更したグラフ情報の一例を示す図である。図６に示すように、遊脚開始角度が大きいため、遊脚屈曲時間（補正後遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄ）は短く設定されるが、所定の最小値によって、補正後遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄは短過ぎることなく一定時間以上確保され、より自然な膝関節軌道となっている。
制御部１０は、変更したグラフ情報に基づいてモータユニット７の駆動を制御する。したがって、自然な歩容動作に近づけることができる。

以上、本実施形態において、制御部１０は、角度センサ９により検出された遊脚開始の膝関節角度が増加するに従がって、メモリ１０ｂの遊脚屈曲時間を短く設定し、かつ、該設定する遊脚屈曲時間を所定の最小値以上に設定する。これにより、特定の歩容タイミングにおいて、ユーザの実際の遊脚開始の膝関節角度が大き過ぎる場合でも、遊脚屈曲時間が短く設定され、さらに、その遊脚屈曲時間が短くなり過ぎる、あるいは無くなってしまうことがなく、自然な歩容動作に近づけることができる。

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。

なお、上述の実施形態では、本発明をハードウェアの構成として説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明は、制御部１０の処理を、ＣＰＵ（Central Processing Unit）にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。この場合、コンピュータプログラムは、記録媒体に記録して提供することも可能であり、また、インターネットその他の通信媒体を介して伝送することにより提供することも可能である。また、記憶媒体には、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、ＲＯＭカートリッジ、バッテリバックアップ付きＲＡＭメモリカートリッジ、フラッシュメモリカートリッジ、不揮発性ＲＡＭカートリッジ等が含まれる。また、通信媒体には、電話回線等の有線通信媒体、マイクロ波回線等の無線通信媒体等が含まれる。

１歩行補助装置、２上腿フレーム、３膝関節部、４下腿フレーム、５足首関節部、６足平フレーム、７モータユニット、８調整機構、９角度センサ、１０制御部、１１足裏荷重センサユニット、１２操作部

Claims

ユーザの上腿に装着される上腿フレームと、
前記上腿フレームに膝関節を介して連結され、ユーザの下腿に装着される下腿フレームと、
前記上腿フレームに対し前記下腿フレームが屈曲する膝関節角度を検出する角度検出手段と、
前記膝関節を駆動する駆動手段と、
ユーザの歩容動作中の遊脚期間において、前記膝関節角度が遊脚開始から遊脚最大屈曲までの遊脚屈曲時間において単調増加し、該遊脚屈曲時間に続く前記膝関節角度が前記遊脚最大屈曲から遊脚終了までの遊脚伸展時間において単調減少する、ように設定された前記膝関節角度のグラフ情報を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記膝関節角度のグラフ情報に従って、前記角度検出手段により検出された膝関節角度に基づいて、前記駆動手段を制御する制御手段と、
を備え、ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であって、
前記制御手段は、
前記角度検出手段により検出されたユーザの実際の遊脚開始の膝関節角度が増加するに従がって、前記記憶手段の遊脚屈曲時間を短く設定し、かつ、該遊脚屈曲時間を所定の最小値以上となる補正後の遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄを次式を用いて算出し、
補正後の遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄ＝ａ×（遊脚屈曲角度−遊脚開始角度）／遊脚屈曲角度×遊脚屈曲時間＋（１−ａ）×遊脚屈曲時間
但し、上記式において、遊脚屈曲角度＝遊脚最大屈曲角度−遊脚終了角度、とし、ａは補正をかける時間割合であり１以下の正値とし、前記補正後の遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄが短過ぎることなく一定時間以上確保されるように、ａを０〜１の間で設定変更することで、前記所定の最小値を変更し、
又は、
正値の切片を有する遊脚屈曲角度と遊脚開始角度の偏差の単調増加関数を用いて前記補正後の遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄを算出し、前記補正後の遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄが短過ぎることなく一定時間以上確保されるように前記正値の切片の値を設定変更することで、前記所定の最小値を変更し、
前記算出した補正後の遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄに基づいて前記記憶手段に記憶された前記膝関節角度のグラフ情報を変更する
ことを特徴とする歩行補助装置。