JP6604235B2 - 歩行補助装置 - Google Patents

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。

ユーザの脚部の立脚及び遊脚を繰り返す歩行を補助し、ユーザの脚部の上腿に装着される上腿フレームと、上腿フレームに膝関節を介して回動可能に連結され脚部の下腿に装着される下腿リンクと、膝関節角度を検出する検出手段と、下腿フレームを上腿フレームに対して回動させる駆動手段と、検出手段により検出された膝関節角度に基づいて駆動手段を制御する制御手段と、を備える歩行補助装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５７８２７８８号公報

上記歩行補助装置において、制御手段は、例えば、遊脚開始時において膝関節角度及び角速度が連続となり、遊脚における膝関節屈曲が最大となる最大膝屈曲角度となる時の膝関節角速度が０となるような膝関節の目標屈曲軌道を算出し、算出した目標屈曲軌道に従って、駆動手段の制御を行うとする。この場合、遊脚開始時において検出手段により検出された膝関節角速度が大きい場合に、制御手段は、最大膝屈曲角度を超えるオーバーシュートした目標屈曲軌道を算出する（図６）。このような、オーバーシュートした目標屈曲軌道に従って歩行補助動作を行うのは、膝関節角度が最大膝屈曲角度を超えるためユーザの脚部に負担がかかり望ましくない。

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、オーバーシュートしない目標屈曲軌道を生成することで、望ましい歩行補助動作を行う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、
ユーザの脚部の立脚及び遊脚を繰り返す歩行動作を補助し、
前記ユーザの脚部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回動可能に連結され前記脚部の下腿に装着される下腿フレームと、
前記上腿フレームと下腿フレームとが成す前記膝関節の角度及び角速度を検出する検出手段と、
前記下腿フレームを前記上腿フレームに対して回動させる駆動手段と、
前記遊脚開始時において前記検出手段により検出された前記膝関節の角度及び角速度と、前記遊脚における前記膝関節の屈曲にかかる遊脚屈曲時間と、前記遊脚における膝関節の屈曲が最大となる最大膝屈曲角度と、に基づいて、前記遊脚開始時において前記膝関節の角度及び角速度が連続となり、前記最大膝屈曲角度となる時の前記膝関節の角速度が０となるような前記膝関節の目標屈曲軌道を算出し、該算出した目標屈曲軌道に従って、前記駆動手段を制御する制御手段と、
を備える歩行補助装置であって、
前記遊脚開始時において前記検出手段により検出された前記膝関節の角速度と、前記遊脚屈曲時間と、前記最大膝屈曲角度と、に基づいて算出した前記膝関節の目標屈曲軌道が、前記最大膝屈曲角度を超えるオーバーシュート軌道であるか否かを判定する判定手段を備え、
前記制御手段は、前記判定手段により前記算出した膝関節の目標屈曲軌道が前記オーバーシュート軌道であると判定されたとき、前記遊脚開始時における前記膝関節の角速度を減少させて、前記膝関節の目標屈曲軌道を算出し、該算出した目標屈曲軌道に従って、前記駆動手段を制御する、
ことを特徴とする歩行補助装置
である。

本発明によれば、オーバーシュートしない目標屈曲軌道を生成することで、望ましい歩行補助動作を行う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。 膝関節の目標関節軌道の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る制御装置の概略的システム構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る制御装置の制御方法を示すフローチャートである。 オーバーシュートした目標屈曲軌道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５を介して連結された足平フレーム６と、膝関節３を回転駆動するモータユニット７と、足首関節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を制御する制御装置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に装着されている。

足平フレーム６には、ユーザの足平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装置１０に接続されており、検出した荷重値を制御装置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装置１０に接続されている。モータユニット７は、制御装置１０からの制御信号に応じて膝関節３に補助トルクを発生させ、ユーザの歩行を補助する。

角度センサ９は、検出手段の一具体例である。角度センサ９は、膝関節３に設けらている。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と下腿フレーム４とが成す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装置１０に接続されており、検出した膝関節角度を制御装置１０に出力する。制御装置１０は、例えば、角度センサ９からの膝関節角度を１階微分することで、膝関節角速度を算出する。

制御装置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。
制御装置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。
なお、制御装置１０とモータユニット７とは独立して構成されているが、制御装置１０とモータユニット７は一体的に構成されていてもよい。

メモリ１０ｂは、ユーザの歩容動作を決める膝関節３の目標関節軌道を記憶する（図３）。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。膝関節３の目標関節軌道は、ユーザの歩容動作中の遊脚期間において、例えば、膝関節角度が遊脚開始角度（遊脚を開始する膝関節角度）から最大膝屈曲角度（遊脚における膝関節３の屈曲が最大となる角度）までの遊脚屈曲時間（遊脚における前記膝関節３の屈曲にかかる時間）において単調増加し、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）までの該遊脚屈曲時間後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。制御装置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に設定された膝関節３の目標関節軌道に従うように、モータユニット７の補助トルクを制御する。

制御装置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、ユーザの足平の抜重を検出する。なお、閾値は、例えば、足平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。制御装置１０は、例えば、ユーザの足平の抜重を検出したときに、遊脚開始のタイミング（遊脚開始時）であると判定する。制御装置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。

制御装置１０には、制御装置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。ユーザは、操作部１２を介して、メモリ１０ｂの目標関節軌道における最大膝屈曲角度、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、上記遊脚の最大膝屈曲角度、遊脚屈曲時間などをメモリ１０ｂに設定することができる。

制御装置１０は、遊脚開始時において角度センサ９により検出された膝関節角度及び膝関節角速度と、メモリ１０ｂに設定された遊脚屈曲時間と、メモリ１０ｂに設定された最大膝屈曲角度と、に基づいて、遊脚開始時において膝関節角度及び膝関節角速度が連続となり、最大膝屈曲角度となる時の膝関節角速度が０となるような滑らかな３次関数の膝関節３の目標屈曲軌道を算出する（図３）。制御装置１０は、算出した膝関節３の目標屈曲軌道にメモリ１０ｂに記憶させる。

ところで、遊脚開始時の膝関節角度が、通常より大きくなることがある。この場合、制御装置は、遊脚開始時において角度センサにより検出された膝関節角度及び膝関節角速度と、メモリの遊脚屈曲時間と、メモリの最大膝屈曲角度と、に基づいて、膝関節の目標屈曲軌道を算出する。このとき、算出した膝関節の目標屈曲軌道が最大膝屈曲角度を超えるオーバーシュート軌道となることがある（図６）。このようなオーバーシュート軌道に従ってモータユニットの補助トルクを制御して歩行補助動作を行うのは、膝関節角度が予め設定した最大膝屈曲角度を超えるためユーザの脚部に負担がかかり望ましくない。

これに対し、本実施形態においては、制御装置１０は、算出した膝関節３の目標屈曲軌道がオーバーシュート軌道であると判定されたとき、遊脚開始時における膝関節角速度を減少させて、膝関節３の目標屈曲軌道を算出し、該算出した目標屈曲軌道に従って、モータユニット７を制御する。

これにより、遊脚開始時における膝関節角速度を減少させることでオーバーシュート軌道を修正し、オーバーシュートしない目標屈曲軌道を生成できる。したがって、膝関節角度が予め設定した最大膝屈曲角度を超えることなく、望ましい歩行補助動作を行うことができる。

図４は、本実施形態に係る制御装置の概略的システム構成を示すブロック図である。本実施形態に係る制御装置１０は、算出した膝関節３の目標屈曲軌道がオーバーシュート軌道であるか否かを判定する判定部１０１と、モータユニット７の制御を行う制御部１０２と、を有している。

判定部１０１は、判定手段の一具体例である。判定部１０１は、遊脚開始時において角度センサ９により検出された膝関節角度θ_ｓ及び膝関節角速度ｖ_ｓと、メモリ１０ｂの遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄと、メモリ１０ｂの最大膝屈曲角度θ_ｂｎｄと、に基づいて算出した膝関節３の目標屈曲軌道がオーバーシュート軌道であるか否かを判定する。

判定部１０１は、遊脚開始時において角度センサ９により検出された膝関節角度θ_ｓ及び膝関節角速度ｖ_ｓと、メモリ１０ｂの遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄと、メモリ１０ｂの最大膝屈曲角度θ_ｂｎｄと、に基づいて、例えば、下記オーバーシュート判定式を満足（下記式が真）したとき、算出した膝関節３の目標屈曲軌道がオーバーシュート軌道であると判定する。
ｖ_ｓＴ_ｂｎｄ−３（θ_ｂｎｄ−θ_ｓ）＞０

制御部１０２は、制御手段の一具体例である。制御部１０２は、判定部１０１により、算出した膝関節３の目標屈曲軌道がオーバーシュート軌道であると判定されたとき、遊脚開始時における膝関節角速度を減少させて、膝関節３の目標屈曲軌道を再度算出する。
制御部１０２は、例えば、下記式を用いて、遊脚開始時における膝関節角速度ｖ_ｓを減少させた膝関節角速度ｖ_{ｓ（ｎｅｗ）}を算出する。
ｖ_{ｓ（ｎｅｗ）}＝３（θ_ｂｎｄ−θ_ｓ）／Ｔ_ｂｎｄ

上記膝関節角速度ｖ_{ｓ（ｎｅｗ）}は、上記オーバーシュート判定式ｖ_ｓＴ_ｂｎｄ−３（θ_ｂｎｄ−θ_ｓ）＝０として、その判定式の境界値を求めたものである。したがって、上記式により、膝関節角速度ｖ_ｓをオーバーシュート判定式の境界値まで減少させている。なお、上記膝関節角速度ｖ_ｓの減少方法は一例であり、オーバーシュート判定式の境界値よりもさらに減少させてもよい。

制御部１０２は、上記算出した膝関節角速度ｖ_{ｓ（ｎｅｗ）}と、遊脚開始時において角度センサ９により検出された膝関節角度θ_ｓと、メモリ１０ｂの遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄと、メモリ１０ｂの最大膝屈曲角度θ_ｂｎｄと、に基づいて、例えば、下記式を用いて、膝関節３の目標屈曲軌道θ_１（ｔ）を算出する。
θ_１（ｔ）＝ａ_３ｔ^３＋ａ_２ｔ^２＋ａ_１ｔ＋ａ_０
ａ_３＝（２θ_ｓ−２θ_ｂｎｄ＋Ｔ_ｂｎｄｖ_{ｓ（ｎｅｗ）}）／Ｔ_ｂｎｄ ^３
ａ_２＝−（３θ_ｂｎｄθ_ｓ−３Ｔ_ｂｎｄθ_ｂｎｄ＋２Ｔ_ｂｎｄ ^２ｖ_{ｓ（ｎｅｗ）}）／Ｔ_ｂｎｄ ^３
ａ_１＝ｖ_{ｓ（ｎｅｗ）}
ａ_０＝θ_ｓ
制御部１０２は、上記算出した目標屈曲軌道θ_１（ｔ）に従って、モータユニット７を制御する。

図５は、本実施形態に係る制御装置の制御方法を示すフローチャートである。なお、図５に示す制御処理は、例えば、所定時間毎に繰返し実行される。
制御装置１０は、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に基づいて、遊脚開始のタイミングであるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。

制御装置１０は、遊脚開始のタイミングであると判定すると（ステップＳ１０１のＹＥＳ）、制御装置１０の判定部１０１は、遊脚開始時において角度センサ９により検出された膝関節角度θ_ｓ及び膝関節角速度ｖ_ｓと、メモリ１０ｂの遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄと、メモリ１０ｂの最大膝屈曲角度θ_ｂｎｄと、に基づいて膝関節３の目標屈曲軌道θ（ｔ）を算出し、メモリ１０ｂに記憶する（ステップＳ１０２）。そして、判定部１０１は、算出した膝関節３の目標屈曲軌道θ（ｔ）がオーバーシュート軌道であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。

制御装置１０の判定部１０１は、算出した膝関節３の目標屈曲軌道θ（ｔ）がオーバーシュート軌道であると判定すると（ステップＳ１０３のＹＥＳ）、制御部１０２は、遊脚開始時における膝関節角速度ｖ_ｓを減少させた膝関節角速度ｖ_{ｓ（ｎｅｗ）}を算出する（ステップＳ１０４）。

制御部１０２は、上記算出した膝関節角速度ｖ_{ｓ（ｎｅｗ）}と、遊脚開始時において角度センサ９により検出された膝関節角度θ_ｓと、メモリ１０ｂの遊脚屈曲時間Ｔ_ｂｎｄと、メモリ１０ｂの最大膝屈曲角度θ_ｂｎｄと、に基づいて、膝関節３の目標屈曲軌道θ_１（ｔ）を算出する（ステップＳ１０５）。制御部１０２は、算出した膝関節３の目標屈曲軌道θ_１（ｔ）に従って、モータユニット７を制御する（ステップＳ１０６）。

制御装置１０の判定部１０１は、算出した膝関節３の目標屈曲軌道がオーバーシュート軌道でないと判定すると（ステップＳ１０３のＮＯ）、制御部１０２は、メモリ１０ｂに記憶された膝関節３の目標屈曲軌道θ（ｔ）に従って、モータユニット７を制御する（ステップＳ１０７）。

以上、本実施形態において、算出した膝関節３の目標屈曲軌道がオーバーシュート軌道であると判定したとき、遊脚開始時における膝関節角速度を減少させて、膝関節３の目標屈曲軌道を算出し、該算出した目標屈曲軌道に従って、モータユニット７を制御する。
これにより、遊脚開始時における膝関節角速度を減少させることでオーバーシュート軌道を修正し、オーバーシュートしない目標屈曲軌道を生成できる。したがって、膝関節角度が予め設定した最大膝屈曲角度を超えることなく、望ましい歩行補助動作を行うことができる。

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。

１ 歩行補助装置、２ 上腿フレーム、３ 膝関節、４ 下腿フレーム、５ 足首関節、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 制御装置、１１ 足裏荷重センサユニット、１２ 操作部、１０１ 判定部、１０２ 制御部

Claims (1)

1. ユーザの脚部の立脚及び遊脚を繰り返す歩行動作を補助し、
   前記ユーザの脚部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回動可能に連結され前記脚部の下腿に装着される下腿フレームと、
   前記上腿フレームと下腿フレームとが成す前記膝関節の角度及び角速度を検出する検出手段と、
   前記下腿フレームを前記上腿フレームに対して回動させる駆動手段と、
   前記遊脚開始時において前記検出手段により検出された前記膝関節の角度及び角速度と、前記遊脚における前記膝関節の屈曲にかかる遊脚屈曲時間と、前記遊脚屈曲時間経過時における膝関節の角度である最大膝屈曲角度と、に基づいて、前記遊脚開始時において前記膝関節の角度及び角速度が連続となり、前記最大膝屈曲角度となる時の前記膝関節の角速度が０となるような前記膝関節の目標屈曲軌道を算出し、該算出した目標屈曲軌道に従って、前記駆動手段を制御する制御手段と、
   を備える歩行補助装置であって、
   前記遊脚開始時において前記検出手段により検出された前記膝関節の角度及び角速度と、前記遊脚屈曲時間と、前記最大膝屈曲角度と、に基づいて算出した前記膝関節の目標屈曲軌道が、前記最大膝屈曲角度を超えるオーバーシュート軌道であるか否かを判定する判定手段を備え、
   前記制御手段は、前記判定手段により前記算出した膝関節の目標屈曲軌道が前記オーバーシュート軌道であると判定されたとき、前記遊脚開始時における前記膝関節の角速度を減少させて、前記膝関節の目標屈曲軌道を算出し、該算出した目標屈曲軌道に従って、前記駆動手段を制御する、
   ことを特徴とする歩行補助装置。

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