JP7086328B2

JP7086328B2 - 下肢装具

Info

Publication number: JP7086328B2
Application number: JP2017092051A
Authority: JP
Inventors: 五郎大日方; 英一元田; グロガーマイケル
Original assignee: 五郎大日方; 長井力
Priority date: 2017-05-04
Filing date: 2017-05-04
Publication date: 2022-06-20
Anticipated expiration: 2037-05-04
Also published as: JP2018187083A

Description

本発明は、下肢麻痺者の歩行を補助するための下肢装具のパワーアシスト装置及び下肢装具に関する。

下肢麻痺者の歩行を補助するための下肢装具として、歩行時に膝関節を固定し、股関節を屈伸させて左右の長下肢を交互に前後させ交互歩行を行うものが提案されている。（例えば、特許文献１）

しかし、従来の長下肢装具は足関節が固定されており、両下肢を平行に保とうとすると骨盤が回旋する。また、下肢の振り出しを補助する機構がないため、骨盤の回旋を振り出しに利用する。これにより、歩行時の消費エネルギーが大きくなるという問題があった。

そこで、足継手と股継手を連動させ、下肢を振り出したときにも足底が地面に対して平行となるようにし、足継手の背屈モーメントを反対側の股継手の屈曲モーメントに利用する長下肢装具が提案された（特許文献２）。

元田英一他，対麻痺用新歩行装具ＨＡＬＯ（ＨｉｐａｎｄＡｎｋｌｅＬｉｎｋｅｄＯｒｔｈｏｓｉｓ）の歩行効率，日本義肢装具学会誌，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．１，ｐｐ．６５－７０，２００７．

特開平１１－４２２５９号特許第３７３６８４１号公報特開２０１６－４２９２７号公報

特許文献２に記載の技術によれば、骨盤の回旋運動は健常者の歩行と同程度に小さくなったが、歩行時の消費エネルギーは健常者の歩行エネルギーの約５倍と、未だに大きなものであった（非特許文献１）。
また、アクチュエータを備え大腿部に動力を伝達しパワーアシストを行う歩行アシスト装置も提案されている(特許文献３)が、左右に１つずつ計２つのアクチュエータを備えた構成であり、装置が重くなるとともに、それぞれのアクチュエータを制御する必要であった。

そこで、本発明では、モータを１つだけ用いて下肢装具の使用者の歩行時の消費エネルギーを低減することができる下肢装具のパワーアシスト装置及び下肢装具を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、少なくとも大腿部を支持し、股関節により回動可能に接続された左右の下肢支持体を備えたパワーアシスト装置を備えた下肢装具であって、前記パワーアシスト装置は、使用者の股下に配置され、一方の下肢支持体に対して固定されるモータと、前記モータの回転を、前記下肢支持体を前方に付勢する方向へ変換して伝達する伝達手段と、前記モータの駆動方向の切り換えを行う制御手段と、を備え、前記下肢装具は、股関節により回動可能に接続された左右の下肢支持体と、前記下肢支持体それぞれに対して揺動可能に接続された左右の足部と、を備え、前記下肢支持体それぞれに接続された足部と、歩行時に足底が歩行面に対して平行となるように連動するように、前記下肢支持体と足部とを連結する連結手段を備えた長下肢装具であり、前記股関節は、同一回転軸上を回転可能な左右に配置された２つのプーリーを組み合わせて形成されており、前記プーリーにはそれぞれ左右反対側の足関節と連結されたワイヤが巻回され、当該ワイヤの先端は、一端が前記プーリーに対応する足部の踵部に、他端が当該足部の足先部に、それぞれ連結されており、右側のプーリーは左下肢支持体と、左側のプーリーは右下肢支持体と、それぞれ連動して回動する構造を備えた、という技術的手段を用いる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の下肢装具において、使用者の歩行状態を検知する状態検知手段を備えた、という技術的手段を用いる。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の下肢装具において、前記状態検知手段は、左右の足底に設けられた荷重センサである、という技術的手段を用いる。

請求項４に記載の発明では、請求項２または請求項３に記載の下肢装具において、前記パワーアシスト装置の制御手段は、前記状態検知手段から送出される信号に基づいて、使用者の歩行状態を判断し、モータの駆動方向を切り換える、という技術的手段を用いる。

請求項５に記載の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の下肢装具において、下肢装具のパワーアシストの開始及び動作の切り換えを行うための作動スイッチを備えた、という技術的手段を用いる。

請求項１に記載の発明によれば、伝達手段により一方の下肢支持体に対して固定されるモータの回転を、下肢支持体を前方に付勢する方向へ変換して伝達し、制御手段によりモータの駆動方向の切り換えを行って歩行を補助することができる。これにより、モータを１つだけ用いて下肢装具の使用者の歩行時の消費エネルギーを低減することができる。

請求項２に記載の発明によれば、状態検知手段により使用者の歩行状態を検知して、歩行状態に応じた制御を行うことができる。

請求項３に記載の発明のように、状態検知手段として、左右の足底に設けられた荷重センサを用いることができる。

請求項４に記載の発明によれば、制御手段は、状態検知手段から送出される信号に基づいて、使用者の歩行状態を判断し、モータの駆動方向を切り換えることにより、遊脚と支持脚とを切り換えて、歩行を進めることができる。

請求項５に記載の発明によれば、使用者は作動スイッチを操作することにより、下肢装具のパワーアシストの開始及び動作の切り換えを行うことができる。

パワーアシスト装置を装着する下肢装具の側面図である。下肢装具及びパワーアシスト装置の装着状態を示す正面図である。パワーアシスト装置の構造を示す斜視図である。内部構造を説明するために、一部内部を示す。伝達機構を示す説明図である。制御装置の構成を示す説明図である。実施例における体重心の移動についてモータ駆動有とモータ駆動なしとでの比較を行った結果を示す説明図である。実施例における使用者の足及び杖の床反力を測定についてモータ駆動有とモータ駆動なしとでの比較を行った結果を示す説明図である。

本発明の下肢装具のパワーアシスト装置について、図１ないし図４を参照して説明する。なお、以下の説明において、「左」は使用者の左足方向、「右」は使用者の右足方向を示す。正面図は使用者と正対する方向から見た図であり、図中の左右と説明における左右の表現とは異なる場合がある。

本発明のパワーアシスト装置１を使用する下肢装具として、例えば、以下に示すような非特許文献１や特許文献２などに開示された方式の長下肢装具を用いることができる。

図１に示すように、長下肢装具２は、左下肢支持体２０、右下肢支持体３０、股関節４０、左ボーデンケーブル５１、右ボーデンケーブル５２を備えている。

左下肢支持体２０は、使用者の大腿部を支持する大腿部材２１（図２）、脛部を支持する脛部材２２、左足関節２３及び左足部２４を備えている。

大腿部材２１と脛部材２２とは、歩行の際は固定されている。左足部２４は、左足関節２３により左足部２４が脛部材２２に対して回転可能に連結されている。

右下肢支持体３０は、左下肢支持体２０と同様の構成の、大腿部材３１、脛部材３２、右足関節３３及び右足部３４を備えている。

ここで、本発明のパワーアシスト装置１を用いるときには、左足部２４の足底及び右足部３４の足底に後述する状態検知手段を配置する。

股関節４０は、左下肢支持体２０の大腿部２１と右下肢支持体３０の大腿部３１とを相対的に回転可能に支持する。

股関節４０は、左下肢支持体２０に接続されるコネクタ４１、右下肢支持体３０に接続されるコネクタ４２、コネクタ４１と一体的に回転する左プーリー４３及びコネクタ４２と一体的に回転する右プーリー４４を備えている。

左プーリー４３は、コネクタ４１と一体的に形成されているクランク部４５に固定されている。

右プーリー４４は、コネクタ４２に接続された回転軸４６に固定されている。回転軸４６先端は、コネクタ４１に回転可能に支持されている。回転軸４６は左プーリー４３に挿通されており、左プーリー４３の回転中心となる。

左プーリー４３及び右プーリー４４は、同軸であり、左下肢支持体２０及び右下肢支持体３０から見るとそれぞれ左右が交差して配置されている。

左プーリー４３及び右プーリー４４は、上述のように構成されているので、左プーリー４３は左下肢支持体２０の大腿部２１と、右プーリー４４は右下肢支持体３０の大腿部３１と、それぞれ一体として回転する。

左ボーデンケーブル５１は、股関節４０側のボーデンケーブルホルダ１６及び足関節側のボーデンケーブルホルダ２５に支持されており、ワイヤ５１ａは、一端が左足部２４の踵部２４ａに、他端が左足部２４の足先部２４ｂに固定され、右プーリー４４に巻回されている。

右ボーデンケーブル５２は、股関節４０側のボーデンケーブルホルダ１７及び足関節側のボーデンケーブルホルダ３５に支持されており、ワイヤ５２ａは、一端が右足部３４の踵部３４ａに、他端が右足部３４の足先部３４ｂに固定され、左プーリー４３に巻回されている。

上述の構成の長下肢装具２によれば、例えば、支持脚として作用している左下肢支持体２０で体重を前に移動し、その左足関節２３を底屈から背屈に向かわせることにより、体重の移動のみで遊脚として作用している右下肢支持体３０を前方に振り出すことができる。また、左足部２４及び右足部３４の足底が歩行中も地面と平行に制御されることから、腰の回旋等の動作が不要となり、使用者の消費エネルギーを低減することができる。

パワーアシスト装置１は、図２に示すように、左下肢支持体２０の大腿部２１と右下肢支持体３０の大腿部３１とに取り付けられて、使用者の股下に配置される。

図３、４に示すように、パワーアシスト装置１は、モータユニット１０、モータ１１の回転力をプーリーに伝達する伝達手段と、モータ１１を駆動するための図示しない電源及び制御装置（図５）を備えている。

モータユニット１０は、モータ１１、ギアボックス１２、カップリング機構１３、ベゼルピニオン１４を備えている。ここで、ギアボックス１２、カップリング機構１３、ベゼルピニオン１４及びベゼルギア１５がモータ１１の回転を右プーリー４４に伝達する伝達手段を構成する。モータユニット１０は、左下肢支持体２０の大腿部２１に接続されるコネクタ４１に固定される。ここで、伝達手段としては、ウォームギアなど公知の各種構成を採用することもできる。

ベゼルピニオン１４は右プーリー４４と左プーリー４３との間に設けられ、モータ１１に接続されている。ベゼルギア１５は右下肢支持体３０の回転軸４６に固定されている。ベゼルピニオン１４及びベゼルギア１５は、モータ１０の水平方向の回転をプーリーの回転方向に変換して、右プーリー４４に伝達する。例えば、ベゼルピニオン１４が図中のＡ方向に回転すると、ベゼルギア１５がＢ方向に回転し、それに伴い、回転軸４６及び右プーリー４４もＢ方向に回転する。

カップリング機構１３はモータ１１とベゼルピニオン１４との間に介装されており、モータ１１の回転軸からのずれを吸収する公知の構成からなる。

図５に示すように、制御装置は、上位コントローラとモータコントローラとを備え、使用者の状態を検知し、左下肢支持体２０及び右下肢支持体３０のモータ１１による駆動を制御する。制御装置には、パワーアシスト装置１の作動スイッチ７１と、使用者の状態を検知する状態検知手段と、がそれぞれ接続されている。

パワーアシスト装置１の作動スイッチ７１は、歩行に使用するロフストランド杖６０の把持部に設けられている。作動スイッチ７１の操作により下肢装具のパワーアシストの開始及び動作の切り換えを行うことができる。

状態検知手段として、本実施形態では、左右それぞれの足底に設けられた荷重センサ７０、７０を採用する。各荷重センサの出力により、左右どちらの足関節に体重が乗っているかを検出することができ、左右どちらが遊脚かを検知することができる。

次に、パワーアシスト装置１による下肢装具のパワーアシスト方法について、図５を参照して説明する。立位では左右の下肢が並んでおり、使用者の体重は両足にほぼ均等にかかっている。ここでは、立位から、左下肢支持体２０を支持脚、右下肢支持体３０を遊脚として歩き出す動作について説明する。

使用者が、左手で保持するロフストランド杖６０を用いて右足を振り出しながら左手で保持するロフストランド杖６０の作動スイッチ７１を操作すると、上位コントローラに起動信号が送信される。

このとき、右足の荷重センサ７０の荷重信号が低下する。これにより、上位コントローラが、右足が遊脚となり、右足から歩行が開始されることを判断する。

続いて、上位コントローラからモータコントローラへ股関節の角速度の目標値が送出される。モータコントローラは、フィードバック制御を行い、目標値に従うようにモータ１１を駆動する。ここで、上位コントローラからモータコントローラへは、股関節角度の目標値を送出するように制御することもできる。

モータ１１が駆動すると、ベゼルピニオン１４が回転し、ベゼルギア１５により回転を垂直方向の回転に変換して、右下肢支持体３０の右プーリー４４を回転させる。これにより、右下肢支持体３０と左下肢支持体２０との相対角度を変化させることができる。ここで、ベゼルピニオン１４の回転方向は、右下肢支持体３０を前方に振り出す方向（以下、右正方向、という。）である。モータ１１（モータユニット１０）は、左下肢支持体２０に固定されているので、支持脚である左足に対して右足を駆動することになる。右下肢支持体３０は、右プーリー４４の回転力により付勢され、前方に振り出される。このとき、右足の底部は股関節角度によらずに歩行面に対して平行である。

モータコントローラは、例えば、滑らかな歩行を行うために、股関節の角速度が時間に対してサインカーブを描くように制御する。また、角速度、股関節角度は、使用者の歩幅、歩行スピードなどあわせて適宜設定することができる。

続いて、振り出された遊脚である右足が接地して、上位コントローラにおいて右足の荷重センサ７０の荷重信号により右足が接地したと判断されると、上位コントローラは、モータを右正方向から反転（左正方向）する。ここで、右足が接地したという判断は、閾値として使用者の体重を用い、例えば、右足の荷重センサ７０の荷重信号が使用者の体重の少なくとも５０％、好ましくは８０％を超えたか否かで行うことができる。

支持脚が右足のときにモータが左正方向に駆動すると、右下肢支持体３０を基準に左下肢支持体２０が前方に振り出されることになる。そして、上述の制御を繰り返し、使用者の歩行を補助することができる。

そして、作動スイッチ７１をもう一度操作することにより歩行を停止することができる。

ここで、作動スイッチ７１を１回操作すると、右足を振り出して１歩進んで停止し、再度作動スイッチ７１を操作するとモータ１１の駆動方向が切り替わり左足を振り出して１歩進んで停止する、という構成を採用することもできる。また、左足、右足にそれぞれ対応する作動スイッチを左右に設けて、左右の作動スイッチを交互に操作する構成を採用することもできる。

本発明のパワーアシスト装置１は、短下肢装具と組み合わせて、大腿部のみを支持する下肢装具に適用することもできる。ここで、下肢装具では、大腿部と足関節とがリンクしていないので、ワイヤ及びプーリーが不要である。また、状態検知手段として荷重センサ７０を用いない構成を採用することができる。このとき、モータ１１が備えたエンコーダ１１ａにより使用者の歩行状態を検知してもよい。

（実施形態の効果）
本発明のパワーアシスト装置１及びパワーアシスト装置１を備えた下肢装具によれば、モータ１１の回転を、ベゼルピニオン１４、ベゼルギア１５などから構成される伝達手段により左下肢支持体２０または右下肢支持体３０の大腿部を前方に付勢する方向へ変換して伝達し、制御手段によりモータ１１の駆動方向の切り換えを行って歩行を補助することができる。これにより、モータを１つだけ用いて下肢装具の使用者の歩行時の消費エネルギーを低減することができる。

パワーアシスト装置の効果を確認するために、図２のようにパワーアシスト装置を装着し、モータを駆動した場合と、モータを駆動しない場合の消費エネルギーを比較した。使用者は、両腕に杖を持ち、姿勢の安定を図り、転倒を防止する。また、足の振り出しの際に、体重心が前方に移動するように杖を後方に押すことにも利用する。本実験では、健常者２名（２１歳：１７２ｃｍ、６３ｋｇ、２９歳：１７９ｃｍ、６９ｋｇ）を被験者とした。

モータ駆動のための股関節角速度は、サインカーブによる制御とした。下肢装具駆動時のモータ駆動トルクと股関節角度は、目標値に対して良好な追従を示した。

体重心の移動について、モータ駆動有とモータ駆動なしとでの比較を行った。図６の左列の３つの図がモータ駆動有の場合であり、右列のモータ駆動なしの場合である。矢状面進行方向、水平面横方向、鉛直方向ともにモータ駆動をした方が体重心の動揺が少なくなっている。特に、鉛直方向の体重心動揺の減少は、歩行についてのエネルギー効率向上に直結する。

床反力計を用いて、使用者の足及び杖の床反力を測定した。図７に示すように、杖の床反力（ＬＣ，ＲＣ）は、モータ駆動有の方が、進行方向、鉛直方向ともに減少している。これは、モータ駆動により杖への依存度が下がったことを示す。横方向の足の床反力（ＬＦ，ＲＦ）が減少しているのは、体幹の左右への動揺が減少したことを示す。

本発明のパワーアシスト装置を用いると、従来のものに比べ、歩幅が２４％増加し、歩行速度が１０％速くなった。また、重心動揺は水平方向に４０％、鉛直方向に５０％小さくなりよりスムースな歩行になっている。床反力にも装置の効果が表れ、進行方向や鉛直方向に杖で押す力が、３０％から５０％減少する結果となった。

上記の結果を歩行の消費エネルギーで比較すると、従来の下肢装具では、単位移動距離当たりの筋消費エネルギーが健常者のそれに対し約５倍に増加するのに対し、パワーアシスト装置を用いると約３倍まで低減でき、約４０％の効率改善が確認された。

１…パワーアシスト装置
２…長下肢装具
１０…モータユニット
１１…モータ
１１ａ…エンコーダ
１２…ギアボックス
１３…カップリング機構
１４…ベゼルピニオン
１５…ベゼルギア
１６、１７…ボーデンケーブルホルダ
２０…左下肢支持体
２１…大腿部材
２２…脛部材
２３…左足関節
２４…左足部
２４ａ…踵部
２４ｂ…足先部
２５…ボーデンケーブルホルダ
３０…右下肢支持体
３１…大腿部材、
３２…脛部材、
３３…右足関節
３４…右足部
３４ａ…踵部
３４ｂ…足先部
３５…ボーデンケーブルホルダ、
４０…股関節
４１、４２…コネクタ
４３…左プーリー
４４…右プーリー
４５…クランク部
４６…回転軸
５１…左ボーデンケーブル
５１ａ…ワイヤ
５２…右ボーデンケーブル
５２ａ…ワイヤ
６０…ロフストランド杖
７０…荷重センサ
７１…作動スイッチ

Claims

少なくとも大腿部を支持し、股関節により回動可能に接続された左右の下肢支持体を備えたパワーアシスト装置を備えた下肢装具であって、
前記パワーアシスト装置は、使用者の股下に配置され、
一方の下肢支持体に対して固定されるモータと、
前記モータの回転を、前記下肢支持体を前方に付勢する方向へ変換して伝達する伝達手段と、
前記モータの駆動方向の切り換えを行う制御手段と、を備え、
前記下肢装具は、
股関節により回動可能に接続された左右の下肢支持体と、
前記下肢支持体それぞれに対して揺動可能に接続された左右の足部と、
を備え、
前記下肢支持体それぞれに接続された足部と、
歩行時に足底が歩行面に対して平行となるように連動するように、前記下肢支持体と足部とを連結する連結手段を備えた長下肢装具であり、
前記股関節は、同一回転軸上を回転可能な左右に配置された２つのプーリーを組み合わせて形成されており、
前記プーリーにはそれぞれ左右反対側の足関節と連結されたワイヤが巻回され、
当該ワイヤの先端は、一端が前記プーリーに対応する足部の踵部に、他端が当該足部の足先部に、それぞれ連結されており、
右側のプーリーは左下肢支持体と、左側のプーリーは右下肢支持体と、それぞれ連動して回動する構造を備えたことを特徴とする下肢装具。
使用者の歩行状態を検知する状態検知手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の下肢装具。
前記状態検知手段は、左右の足底に設けられた荷重センサであることを特徴とする請求項２に記載の下肢装具。
前記パワーアシスト装置の制御手段は、前記状態検知手段から送出される信号に基づいて、使用者の歩行状態を判断し、モータの駆動方向を切り換えることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の下肢装具。
下肢装具のパワーアシストの開始及び動作の切り換えを行うための作動スイッチを備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の下肢装具。