JPWO2009084387A1 - 重心位置検出装置及び重心位置検出装置を備えた装着式動作補助装置 - Google Patents

重心位置検出装置及び重心位置検出装置を備えた装着式動作補助装置 Download PDF

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Abstract

荷重測定部５０，５２は、装着者１２の左右足の裏面のつま先と踵の２箇所の荷重を測定するように反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂが設けられている。また、反力センサ５０ａは、右足前側（右つま先）の荷重に対する反力を検出し、反力センサ５０ｂは、右足後側（右踵）の荷重に対する反力を検出する。反力センサ５２ａは、左足前側（左つま先）の荷重に対する反力を検出し、反力センサ５２ｂは、左足後側（左踵）の荷重に対する反力を検出する。各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂは、装着者１２の歩行動作によって右足、左足の夫々に作用する荷重を静電容量の変化によって検出する構成であり、体重移動に伴う荷重変化、及び装着者１２の足と地面との接地の有無を夫々検出することができる。

Description

本発明は、足の裏面に作用する荷重を測定し、測定された荷重変化により、重心位置の移動を検出する重心位置検出装置及び重心位置検出装置を備えた装着式動作補助装置に関する。
例えば、関節の病気により腕や足が動作しにくかったり、あるいは筋力の低下により関節が動作しにくい場合、動作補助具を腕や足に装着して関節の動作を補助する装着式動作補助装置が開発されつつある（特許文献１参照）。
この装着式動作補助装置は、装着者の意思に基づいて発生する生体電位を検出し、この生体電位信号からモータを制御する制御信号を生成する構成であるので、動作補助具の駆動力を自分の筋力と同じように腕や足に伝達することが可能になる。
また、装着者が歩行動作する際には、上記のように検出された生体電位に基づいてモータのトルク（アシスト力）を制御すると共に、装着者の足の裏面に作用する荷重（体重）を測定することにより、歩行動作による重心位置を検出している。そして、装着者の歩行動作速度及び右足と左足との前後動作のタイミングに合わせて各モータトルクの出力タイミングを調整している。これにより、装着者は、自分自身の力のみで歩行するときと同じような感覚でモータのトルクのアシストを受けながらスムーズに歩行することが可能になる。
従来の重心位置検出装置としては、装着者の足の裏面に重心を検出する重心センサ（反力センサ）を取り付け、歩行動作に伴う左右両足の裏面に作用する荷重を検出し、この左右両足の荷重の変化から重心位置を求めている。また、重心センサとしては、例えば、特許文献２に記載されたような両足に作用する体重の圧力を検出する感圧センサなどがある。
特開２００５−９５５６１号公報 特開２００６−２０４７３０号公報
しかしながら、従来の重心位置検出装置では、重心センサが歩行動作による体重の圧力（反力）を検出する方式の感圧センサを用いているため、歩行動作による体重が繰り返し感圧センサに作用しながら、足の裏面の動作によって撓みが生じることになり、フィルム状に形成された感圧センサの導電層が撓み動作によって破断しやすく、耐久性に劣るという問題があった。
そこで、本発明は上記事情に鑑み、上記課題を解決した重心位置検出装置及び動作補助装着具を提供することを課題としている。
上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。
（１）本発明は、足の裏面の荷重を測定する荷重測定部を有し、該荷重測定部により測定された各荷重の変化により、重心位置を検出する重心位置検出装置であって、
前記荷重測定部は、前記足の裏面に密着するように保持され、体重移動によって変化する静電容量を検出することにより、上記課題を解決するものである。
（２）本発明は、（１）に記載の重心位置検出装置であって、
前記荷重測定部は、前記足の裏面のつま先と踵の２箇所の荷重を測定することにより、上記課題を解決するものである。
（３）本発明は、（１）に記載の重心位置検出装置であって、
前記荷重測定部は、靴の中敷きに設けられたことにより、上記課題を解決するものである。
（４）本発明は、（１）に記載の重心位置検出装置であって、
前記荷重測定部は、
弾性を有する板状の弾性板と、
該弾性板の上面に固着された上面側電極と、
前記弾性板の下面に固着された下面側電極と、
を有し、
前記上面側電極と前記下面側電極との間の静電容量を検出することにより、上記課題を解決するものである。
（５）本発明は、（４）に記載の重心位置検出装置であって、
前記上側電極または前記下側電極の何れか一方をＧＮＤに接続し、前記上側電極または前記下側電極の何れか他方を定電圧電源に接続し、
前記上面側電極と前記下面側電極との間の電圧値が所定値に達するまでの時間から静電容量を演算することにより、上記課題を解決するものである。
（６）本発明は、（１）に記載の重心位置検出装置であって、
前記荷重測定部は、
下側ＧＮＤ電極と、
該下側ＧＮＤ電極の上面に積層された下側弾性板と、
該下側弾性板の上面に積層された電圧検出電極と、
該電圧検出電極の上面に積層された上側弾性板と、
該上側弾性板の上面に積層された上側ＧＮＤ電極と、
を有し、
前記電圧検出電極から検出された電圧が所定電圧に達するまでの間の時間から静電容量を検出することにより、上記課題を解決するものである。
（７）本発明は、（６）に記載の重心位置検出装置であって、
前記荷重測定部は、前記下側ＧＮＤ電極、前記下側弾性板、前記電圧検出電極、前記上側弾性板、前記上側ＧＮＤ電極を積層した状態で一体的に接合することにより、上記課題を解決するものである。
（８）本発明は、（１）に記載の重心位置検出装置であって、
前記荷重測定部は、
一方向に所定間隔で平行に配された複数の電極線を有する第１電極シートと、
該第１電極シートの上面に積層された弾性シートと、
該弾性シートの上面に積層され、前記第１電極シートの電極線と交差する他方向に所定間隔で平行に配された複数の電極線を有する第２電極シートと、
を有し、
前記第１電極シートの電極線と前記第２電極シートの電極線とが交差するマトリックス状の各点の静電容量を順次検出することにより、上記課題を解決するものである。
（９）本発明は、（８）に記載の重心位置検出装置であって、
前記第１電極シート及び前記第２電極シートは、フィルム状のフレキシブル基板により形成され、
前記第１電極シートと前記第２電極シートとの間に前記弾性シートを介在させた積層状態で前記第１電極シート、前記第２電極シート、前記弾性シートを一体的に接合することにより、上記課題を解決するものである。
（１０）本発明は、（１）に記載の重心位置検出装置と、
動作補助力を発生する駆動部と、
該駆動部の駆動力を装着者の足に伝達するフレームと、
前記装着者の歩行動作に伴う生体信号を検出する生体信号検出部と、
該生体信号検出部から得られた生体信号を及び前記重心位置検出装置により検出された重心位置に基づいて前記駆動部の駆動力を制御する制御部と、
を備えたことにより、上記課題を解決するものである。
（１１）本発明は、（１０）に記載の装着式動作補助装置であって、
前記重心位置検出装置は、
前記装着者の右足の裏面に作用する荷重を検出する第１荷重測定部と、
前記装着者の左足の裏面に作用する荷重を検出する第２荷重測定部と、
前記第１荷重測定部により測定された右足荷重と前記第２荷重測定部により測定された左足荷重との割合に基づいて前記装着者の重心位置を検出する検出部と、
を有することにより、上記課題を解決するものである。
本発明によれば、体重移動によって変化する静電容量を検出することにより、重心位置の移動を検出するため、電極の一部が破損しても足の裏面に作用する荷重に応じた静電容量を検出することができ、動作による撓みが繰り返し作用しても重心位置を検出することが可能になり、耐久性を大幅に向上させることが可能になるという効果が得られる。
本発明による装着式動作補助装置の一実施例が装着した状態を前側からみた斜視図である。 本発明による装着式動作補助装置の一実施例を装着した状態を後側からみた斜視図である。 荷重測定部５０，５２を裏側（下側）からみた図である。 動作補助装着フレーム１８の装着前の状態を示す斜視図である。 荷重測定部５０，５２の製造工程１を示す図である。 荷重測定部５０，５２の製造工程２を示す図である。 荷重測定部５０，５２の製造工程３を示す図である。 荷重測定部５０，５２の製造工程４を示す図である。 荷重測定部５０，５２の製造工程５を示す図である。 荷重測定部５０，５２の製造工程６を示す図である。 荷重測定部５０，５２の製造工程７を示す図である。 荷重測定部５０，５２の等価回路を示す図である。 コンデンサＣ（反力センサ）の電圧の変化を示すグラフである。 装着者１２の踵が床面に接地したときの荷重測定部５０，５２の動きを示す図である。 装着者１２の足の裏面全体が床面に接地したときの荷重測定部５０，５２の動きを示す図である。 装着者１２のつま先のみが床面に接地したときの荷重測定部５０，５２の動きを示す図である。 装着者１２の足が床面から離間したときの荷重測定部５０，５２の動きを示す図である。 装着者の歩行動作に伴う重心移動の軌跡を真上から見た図である。 反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂから出力された検出信号の推移を示すグラフである。 動作補助装着フレーム１８と制御装置４００との関係を模式的に示す制御システムの概念図である。 制御装置４００が実行する反力センサのキャリブレーション処理を説明するためのフローチャートである。 歩行動作に伴う制御装置４００が実行する重心位置検出処理１を説明するためのフローチャートである。 歩行動作に伴う制御装置４００が実行する重心位置検出処理２を説明するためのフローチャートである。 荷重測定部５０，５２の変形例１を下からみた図である。 荷重測定部５０，５２の変形例２を下からみた図である。 荷重測定部５０，５２の変形例３を示す分解斜視図である。 荷重測定部５０，５２の変形例４を示す分解斜視図である。
符号の説明
１０ 装着式動作補助装置
１２ 装着者
１８ 動作補助装着フレーム
２０，２２，２４，２６ 駆動モータ
３６ 制御ユニット
３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ 生体信号検出センサ
５０，５２，５０Ａ，５２Ａ，５０Ｂ，５２Ｂ，５０Ｃ，５２Ｃ，５０Ｄ，５２Ｄ 荷重測定部
５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂ 反力センサ
５８ 第１フレーム
６４ 第１関節
６６ 第２関節
６０ 第２フレーム
６２ 第３フレーム
８４ 靴
１００ 下側ＧＮＤ電極
１０２ 電極接続端子
１０４ 接続ケーブル
１０６，１７４ ＧＮＤ線
１１０ 下側弾性板
１２０ 保護用ゴム板
１３０ つま先検出電極
１３２，１４２ 端子
１４０ 踵検出電極
１５２，１５４ 芯線
１６０ 上側弾性板
１７０ 上側ＧＮＤ電極
１８０ 保護用ゴム板
２００ 等価回路
３００ 足
３１０ 踵
３２０ つま先
３３０ 床面
３４０ 移動軌跡
４００ 制御装置
４１０ 生体信号処理手段
４２０ 随意的制御手段
４３０ 駆動信号生成手段
４４０ 重心位置検出手段
４６０ メモリ
６１０ 下側ＧＮＤ電極
６２０ 下側弾性層
６３０ 電極層
６４０ 上側弾性層
６５０ 上側ＧＮＤ電極
６１２，６３２，６５２ フレキシブル配線板
７１０ 下側電極シート
７１２，７３２ 電極線
７２０ 弾性層
７３０ 上側電極シート
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は本発明による装着式動作補助装置の一実施例が装着した状態を前側からみた斜視図である。図２は本発明による装着式動作補助装置の一実施例を装着した状態を後側からみた斜視図である。
図１及び図２に示されるように、装着式動作補助装置（以下「動作補助装置」と称する）１０は、例えば、骨格筋の筋力低下により歩行が不自由な下肢運動機能障害者、あるいは、歩行運動のリハビリを行う患者などのように自力歩行が困難な人の歩行動作を補助（アシスト）する装置である。また、動作補助装置１０は、脳からの信号により筋力を発生させる際に生じる生体信号（表面筋電位）を検出し、この検出信号に基づいてアクチュエータからの駆動力を付与するように作動する。
動作補助装置１０を装着した装着者１２は、自らの意思で歩行動作を行うと、歩行動作によって発生した生体信号に応じた駆動トルクがアシスト力として動作補助装置１０から付与される。従って、装着者１２は、自身の筋力とアクチュエータ（本実施例では、電動式の駆動モータを用いる）からの駆動トルクとの合力によって全体重を支えながら歩行することができる。そのため、装着者１２は、例えば、通常歩行で必要とされる筋力の半分の力で歩行することが可能になる。
また、動作補助装置１０は、後述するように歩行動作に伴う重心の移動に応じて付与されるアシスト力（モータトルク）が装着者１２の意思を反映するように制御している。そのため、動作補助装置１０のアクチュエータは、装着者１２の意思に反するような負荷を与え無いように制御されており、装着者１２の動作を妨げないように制御される。
また、動作補助装置１０は、歩行動作以外にも、例えば、装着者１２が椅子に座った状態から立ち上がる際の動作、あるいは立った状態から椅子に腰掛ける際の動作も補助することができる。さらには、装着者１２が階段を上がったり、階段を下りる場合にもパワーアシストすることができる。特に筋力が弱っている場合には、階段の上り動作や、椅子から立ち上がる動作を行うことが難しいが、動作補助装置１０を装着した装着者１２は、自らの意思に応じて駆動トルクを付与されて筋力の低下を気にせずに動作することが可能になる。
ここで、動作補助装置１０の構成の一例について説明する。動作補助装置１０は、図１及び図２に示されるように、装着者１２に装着される動作補助装着フレーム１８に駆動部を設けたものである。駆動部としては、装着者１２の右側股関節に位置する右腿駆動モータ２０と、装着者１２の左側股関節に位置する左腿駆動モータ２２と、装着者１２の右膝関節に位置する右膝駆動モータ２４と、装着者１２の左膝関節に位置する左膝駆動モータ２６とを有する。これらの駆動モータ２０，２２，２４，２６は、制御装置からの制御信号により駆動トルクを制御されるＤＣモータまたはＡＣモータなどの電動モータからなる。また、駆動モータ２０，２２，２４，２６は、モータ回転を所定の減速比で減速する減速機構（駆動部に内蔵）を有しており、小型ではあるが十分な駆動力を付与することができる。また、駆動モータとしては、設置スペースが小さく済むように薄型化された超音波モータを用いても良いのは勿論である。
また、装着者１２の腰に装着されるベルト状の腰締結部材３０には、駆動モータ２０，２２，２４，２６を駆動させるための電源として機能するバッテリ３２，３４が取り付けられている。バッテリ３２、３４は、充電式バッテリであり、装着者１２の歩行動作を妨げないように左右に分散配置されている。
また、装着者１２の背面側となる腰締結部材３０の後側には、後述する制御装置４００が収納された制御ユニット３６が取り付けられている。
そして、動作補助装置１０は、装着者１２の右腿の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂと、装着者１２の左腿の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ４０ａ，４０ｂと、右膝の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ４２ａ，４２ｂと、左膝の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ４４ａ，４４ｂとを有する。
これらの各生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂは、筋電位信号や神経伝達信号などの生体電位信号を皮膚を介して検出する生体信号検出手段であり、微弱電位を検出するための電極（図示せず）を有する。尚、本実施例では、各生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂは、電極の周囲を覆う粘着シールにより装着者１２の皮膚表面に貼着するように取り付けられる。
人体においては、脳からの指令によって骨格筋を形成する筋肉の表面にシナプス伝達物質のアセチルコリンが放出される結果、筋線維膜のイオン透過性が変化して活動電位が発生する。そして、活動電位によって筋線維の収縮が発生し、筋力を発生させる。そのため、骨格筋の電位を検出することにより、歩行動作の際に生じる筋力を推測することが可能になり、この推測された筋力に基づく仮想トルクから歩行動作に必要なアシスト力を求めることが可能になる。
従って、動作補助装置１０では、これらの生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂによって検出された生体信号に基づいて４個の駆動モータ２０，２２，２４，２６に供給する駆動電流を求め、この駆動電流で駆動モータ２０，２２，２４，２６を駆動することで、アシスト力が付与されて装着者１２の歩行動作を補助するように構成されている。
また、歩行動作による重心移動をスムーズに行うため、足の裏面にかかる荷重を検出し、重心位置を検出する必要がある。そのため、装着者１２の左右足の裏面には、足の裏面の少なくとも２点以上で荷重を測定する荷重測定部５０，５２（図１及び図２中、破線で示す）を有する。
この荷重測定部５０，５２は、足の裏面に密着するように保持され、歩行動作に伴う体重移動によって変化する反力を検出するように構成されている。
図３は荷重測定部５０，５２を裏側（下側）からみた図である。図３に示されるように、荷重測定部５０，５２は、装着者１２の左右足の裏面のつま先と踵の２箇所の荷重を測定するように反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂが設けられている。
また、反力センサ５０ａは、右足前側（右つま先）の荷重に対する反力Ｒａを検出し、反力センサ５０ｂは、右足後側（右踵）の荷重に対する反力Ｒｂを検出する。反力センサ５２ａは、左足前側（左つま先）の荷重に対する反力Ｌａを検出し、反力センサ５２ｂは、左足後側（左踵）の荷重に対する反力Ｌｂを検出する。各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂは、装着者１２の歩行動作によって右足、左足の夫々に作用する荷重を静電容量の変化によって検出する構成であり、体重移動に伴う荷重変化、及び装着者１２の足と地面との接地の有無を夫々検出することができる。
図４は動作補助装着フレーム１８の装着前の状態を示す斜視図である。図４に示されるように、動作補助装着フレーム１８は、装着者１２の腰に装着される腰締結部材３０と、腰締結部材３０の右側部から下方に設けられた右足補助部５４と、腰締結部材３０の左側部から下方に設けられた左足補助部５５とを有する。腰締結部材３０の背面側には、装着者１２の腰背面側との隙間をなくして密着するフィッティング部３１が取り付けられている。
右足補助部５４と左足補助部５５とは、左右対称に配置されており、腰締結部材３０に固定されたブラケット５６と、ブラケット５６より下方に延在し装着者１２の腿外側に沿うように形成された第１フレーム５８と、第１フレーム５８より下方に延在し装着者１２の脛外側に沿うように形成された第２フレーム６０と、装着者１２の足の裏（靴を履く場合には、靴底）が載置される第３フレーム６２とを有する。
ブラケット５６の下端と第１フレーム５８の上端との間には、軸受構造とされた第１関節６４が介在しており、ブラケット５６と第１フレーム５８とを回動可能に連結している。この第１関節６４は、装着者１２の股関節と一致する高さ位置に設けられており、ブラケット５６が第１関節６４の支持側に締結され、第１フレーム５８が第１関節６４の回動側に締結されている。また、第１関節６４には、駆動モータ２０，２２が内蔵されており、第１関節６４と駆動モータ２０，２２とは外観上一体化されている。
また、第１フレーム５８の下端と第２フレーム６０の上端との間には、軸受構造とされた第２関節６６が介在しており、第２フレーム５８と第３フレーム６２とを回動可能に連結している。この第２関節６６は、装着者１２の膝関節と一致する高さ位置に設けられており、第２フレーム５８が第２関節６６の支持側に締結され、第３フレーム６２が第２関節６６の回動側に締結されている。また、第２関節６６には、駆動モータ２４，２６が内蔵されており、第２関節６６と駆動モータ２４，２６とは外観上一体化されている。
また、第２フレーム６０の下端と第３フレーム６２の上端との間には、軸受構造とされた第３関節６８が介在しており、第２フレーム６０と第３フレーム６２とを回動可能に連結している。そして、第３フレーム６２の内側には、装着者１２の足を装着する靴８４が固定されている。
さらに、本実施例では、前述した荷重測定部５０，５２が靴８４の中敷きとして靴８４の内部に挿入されている。そのため、装着者１２が靴８４を履くことにより、装着者１２の足の裏面が靴８４の内部に挿入された荷重測定部５０，５２に密着された状態に保持される。また、荷重測定部５０，５２が故障した場合、新しいものと容易に交換することができる。
尚、荷重測定部５０，５２の形態としては、靴８４の中敷き以外のものでも良い。例えば、靴下や足袋の裏面に一体に設ける構成のもの、あるいはサンダルやスリッパや室内用靴等の履き物と一体に設けるものでも良い。
第１フレーム５８は、腰締結部材３０に固定されたブラケット５６に対して第１関節６４を回動支点とする歩行動作を行えるように取り付けられている。また、第２フレーム６０は、第２関節６６を回動支点とする歩行動作を行えるように取り付けられている。すなわち、第１フレーム５８及び第２フレーム６０は、装着者１２の足と同じ動作を行えるように構成されている。また、第３関節６８は、装着者１２の足首の側方に位置するように設けられている。そのため、靴８４は、第３関節６８の回動動作により歩行動作に応じて装着者１２の足首と同じように床面（または地面）に対する角度が変化する。
また、第１関節６４及び第２関節６６は、駆動モータ２０，２２，２４，２６の回転軸が、ギヤを介して被駆動側となる第１フレーム５８、第２フレーム６０に駆動トルクを伝達するように構成されている。
さらに、駆動モータ２０，２２，２４，２６は、関節角度を検出する角度センサを有する。この角度センサは、例えば、第１関節６４及び第２関節６６の関節角度に比例したパルス数をカウントするロータリエンコーダなどからなり、関節角度に応じたパルス数に対応した電気信号をセンサ出力として出力する。
第１関節６４の角度センサは、装着者１２の股関節の関節角度に相当するブラケット５６と第１フレーム５６との間の回動角度を検出する。また、第２関節６６の角度センサは、装着者１２の膝関節の関節角度に相当する第１フレーム５８の下端と第２フレーム６０との間の回動角度を検出する。
また、第１フレーム５８の長手方向の中間位置には、装着者１２の腿に締結されるベルト状の腿締結部材７８が取り付けられている。腿締結部材７８の内面側には、装着者１２の腿との隙間をなくして密着するフィッティング部７９が取り付けられている。
また、第２フレーム６０の長手方向の中間位置には、装着者１２の膝下の脛に締結されるベルト状の脛締結部材８０が取り付けられている。脛締結部材８０の内面側には、装着者１２の脛との隙間をなくして密着するフィッティング部８１が取り付けられている。
従って、駆動モータ２０，２２，２４，２６で発生された駆動トルクは、ギヤを介して第１フレーム５８、第２フレーム６０に伝達され、さらに腿締結部材７８、脛締結部材８０を介して装着者１２の足にアシスト力として伝達される。
尚、第１フレーム５８及び第２フレーム６０は、装着者１２の足の長さに応じた長さに調整されている。
各フレーム５８，６０，６２は、夫々ジュラルミン等の軽量化された金属材の周囲を弾性を有する樹脂材で覆うように構成されており、腰締結部材３０に取り付けられたバッテリ３２，３４、制御ユニット３６等の動作補助装着フレーム１８の重量を支えることができる。すなわち、動作補助装置１０は、動作補助装着フレーム１８などの重量が装着者１２に作用しないように構成されており、装着者１２に余計な荷重を与えないように取り付けられる。
腰締結部材３０は、ヒンジ９０を介して連結されたベルト９１，９２と、一方のベルト９１の端部に取り付けられたバックル９４と、他方のベルト９２の端部に取り付けられた係止用金具９５とを有する。
ここで、荷重測定部５０，５２の製造工程について図５Ａ〜図５Ｇを参照して説明する。尚、荷重測定部５０，５２は、夫々同じ構成であるので、以下では右足の荷重測定部５０について説明する。
図５Ａに示されるように、まず工程１では、下側ＧＮＤ電極(下側接地用電極)１００を作成する。この下側ＧＮＤ電極１００は、例えば、線状の導電性金属材（例えば、耐食性を有するステンレス材）を編み込んだメッシュ状に形成されており、歩行動作に伴う足の裏面の動きに応じて各導電性金属材が伸縮動作して荷重を受けた部分が断線せずに撓むように構成されている。また、下側ＧＮＤ電極１００の上下面には、樹脂材からなる絶縁性皮膜が被覆されている。
下側ＧＮＤ電極１００の中央部分には、電極接続端子１０２が設けられている。この電極接続端子１０２は、接続ケーブル１０４から引き出されたＧＮＤ線（接地用線）１０６の一端が半田付けされている。この接続ケーブル１０４は、２本の芯線が編組線で覆われてなる２芯のシールドケーブルであって、ＧＮＤ線１０６の他端は、接続ケーブル１０４の編組線に接続される。
図５Ｂに示されるように、工程２では、下側ＧＮＤ電極１００の上面に下側弾性板１１０を接着剤により貼り合わせる。この下側弾性板１１０は、発泡ゴム等からなる弾性を有するスポンジ材を板状に成形した絶縁材であり、歩行動作に伴う体重移動に応じて圧縮荷重を受ける。本実施例においては、下側弾性板１１０は、厚さを３ｍｍ程度に形成されており、荷重の大きさによって１ｍｍ〜３ｍｍの範囲で伸縮するように設定されている。また、下側弾性板１１０の中央部分には、下側ＧＮＤ電極１００の電極接続端子１０２に対向する矩形状の切り欠き１１２が設けられている。
尚、下側弾性板１１０の硬度は、装着者１２の体重によって選択されており、例えば、体重が５１Ｋｇ〜６０Ｋｇ用のゴム硬度３０、６１Ｋｇ〜７０Ｋｇ用のゴム硬度３５、７１Ｋｇ〜８０Ｋｇ用のゴム硬度４０と言った具合にそれぞれ硬度の異なる下側弾性板１１０を予め用意する。従って、荷重測定部５０，５２は、装着者１２の足のサイズ（大きさ）と装着者１２の体重に応じたものを選択することになる。
また、靴８４の靴底は、下側弾性板１１０が床面からの反力によって圧縮されるため、反力を吸収しないように硬いものが望ましい。しかしながら、靴８４の靴底が運動靴のようにゴム材である場合には、下側弾性板１１０の硬度を靴底よりも軟らかいものにすることで荷重測定が安定的に行える。
図５Ｃに示されるように、工程３では、下側ＧＮＤ電極１００の下面に絶縁性を有する保護用ゴム板１２０を接着剤により貼り合わせる。保護用ゴム板１２０は、下側ＧＮＤ電極１００を靴８４の内壁との摩擦から保護するためのものであり、下側ＧＮＤ電極１００の下面全体を覆うように貼着される。また、保護用ゴム板１２０は、床面からの反力を吸収しないように下側弾性板１１０よりも薄くて硬い材質ものが使用される。
図５Ｄに示されるように、工程４では、下側弾性板１１０の上面につま先検出電極１３０と踵検出電極１４０とを接着剤により貼り合わせる。このつま先検出電極１３０、踵検出電極１４０は、前述した反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂを構成しており、下側ＧＮＤ電極１００と同様、線状の導電性金属材（例えば、耐食性を有するステンレス材）を編み込んだメッシュ状に形成されている。そのため、つま先検出電極１３０、踵検出電極１４０は、歩行動作に伴う足の裏面の動きに応じて各導電性金属材が撓むことで、荷重を受けた部分が断線しないように構成されている。また、つま先検出電極１３０、踵検出電極１４０の上下面には、樹脂材からなる絶縁性皮膜が被覆されている。
尚、つま先検出電極１３０及び踵検出電極１４０の端子１３２，１４２には、印加された荷重に応じた静電容量の変化を検出するための接続ケーブル１０４の芯線１５２，１５４の一端が半田付けにより接続されている。また、芯線１５２，１５４の他端は、後述するコンデンサＣ（図６参照）に電圧を印加する電圧源に接続される。
つま先検出電極１３０及び踵検出電極１４０は、弾性板１１０の周縁部より内側に位置するように貼着され、外側に下側弾性板１１０の周縁部が露出するように接着される。
図５Ｅに示されるように、工程５では、つま先検出電極１３０及び踵検出電極１４０の上面及び下側弾性板１１０の露出部分に上側弾性板１６０を接着剤により貼り合わせる。この上側弾性板１６０は、前述した下側弾性板１１０と同様、発泡ゴム等からなる弾性を有するスポンジ材を板状に成形した絶縁材であり、歩行動作に伴う体重移動に応じて圧縮荷重を受ける。本実施例においては、上側弾性板１６０は、厚さを３ｍｍ程度に形成されており、荷重の大きさによって１ｍｍ〜３ｍｍの範囲で伸縮するように設定されている。また、上側弾性板１６０の中央部分には、下側ＧＮＤ電極１００の電極接続端子１０２に対向する矩形状の切り欠き１６２が設けられている。
尚、上側弾性板１６０の硬度は、前述した下側弾性板１１０と同様、装着者１２の体重によって選択されており、例えば、体重が５１Ｋｇ〜６０Ｋｇ用のゴム硬度３０、６１Ｋｇ〜７０Ｋｇ用のゴム硬度３５、７１Ｋｇ〜８０Ｋｇ用のゴム硬度４０と言った具合にそれぞれ硬度の異なる上側弾性板１６０を予め用意する。
また、靴８４の靴底は、上側弾性板１６０が床面からの反力によって圧縮されるため、反力を吸収しないように硬いものが望ましい。しかしながら、靴８４の靴底が運動靴のようにゴム材である場合には、上側弾性板１６０の硬度を靴底よりも軟らかいものにすることで荷重測定が安定的に行える。
図５Ｆに示されるように、工程６では、前述した下側ＧＮＤ電極１００と同様、線状の導電性金属材（例えば、耐食性を有するステンレス材）を編み込んだメッシュ状に形成された上側ＧＮＤ電極(上側接地用電極)１７０の端子１７２に接続ケーブル１０４のＧＮＤ線１７４の一端を半田付けする。また、ＧＮＤ線（接地用線）１７４の他端は、接続ケーブル１０４の編組線に接続される。そして、上側ＧＮＤ電極１７０を上側弾性板１６０の上面に接着する。
上側ＧＮＤ電極１７０は、線状の導電性金属材をメッシュ状に編み込んだため、例えば、歩行動作に伴う足の裏面の動きに応じて各導電性金属材が伸縮動作して荷重を受けた部分が撓むことで断線しないように構成されている。また、上側ＧＮＤ電極１７０の上下面には、樹脂材からなる絶縁性皮膜が被覆されている。
図５Ｇに示されるように、工程７では、上側ＧＮＤ電極１７０の上面に絶縁性を有する保護用ゴム板１８０を接着剤により貼り合わせる。保護用ゴム板１８０は、前述した保護用ゴム板１２０と同様、上側ＧＮＤ電極１７０を装着者１２の足の裏面との摩擦から保護するためのものであり、上側ＧＮＤ電極１７０の上面全体を覆うように貼着される。また、保護用ゴム板１８０は、床面からの反力を吸収しないように下側弾性板１１０及び上側弾性板１６０よりも薄くて硬い材質ものが使用される。
このように、本実施例の荷重測定部５０，５２は、下側から保護用ゴム板１２０、下側ＧＮＤ電極１００、下側弾性板１１０、つま先検出電極１３０及び踵検出電極１４０、上側弾性板１６０、上側ＧＮＤ電極１７０、保護用ゴム板１８０の順に重ね合わせた積層状態で一体的に接合されている。
また、本実施例では、下側ＧＮＤ電極１００と上側ＧＮＤ電極１７０との間につま先検出電極１３０及び踵検出電極１４０が介在する構成であるので、つま先検出電極１３０及び踵検出電極１４０が下側ＧＮＤ電極１００及び上側ＧＮＤ電極１７０によって電磁波をシールドされている。このため、つま先検出電極１３０及び踵検出電極１４０から検出された信号は、外部ノイズの影響を受けず、つま先検出電極１３０及び踵検出電極１４０による検出精度が高められている。
図６は荷重測定部５０，５２の等価回路を示す図である。図６に示されるように、この等価回路２００は、つま先検出電極１３０と下側ＧＮＤ電極１００、上側ＧＮＤ電極１７０との上下方向距離、及び踵検出電極１４０と下側ＧＮＤ電極１００、上側ＧＮＤ電極１７０との上下方向距離に応じた静電容量を検出するように構成されている。
等価回路２００において、スイッチＳＷをオフからオンに切り替えると、コンデンサＣに電荷が蓄積され始めコンデンサＣの両端の電位差Ｖｃは、ゼロの状態からコンデンサＣの電極間距離に応じた充電時間で上昇する。従って、この等価回路２００によれば、コンデンサＣの容量によって充電時間が変わるので、放電してからコンデンサＣの電位差Ｖｃが所定値Ｖｘに達するまでの時間を測定することで静電容量を測定できる。
図７はコンデンサＣ（反力センサ）の電圧の変化を示すグラフである。図７に示されるように、コンデンサＣの電圧は、次式（１）で示す関数（ＲＣ）によって電荷速度が変化する。
Ｖ（ｔ）＝Ｖｓ（１−ｅ−ｔ／ＲＣ）・・・（１）
例えば、図７において、グラフａ〜ｄのように抵抗Ｒ（一定）とコンデンサＣの容量によってコンデンサＣの電位差Ｖｃが所定値Ｖｘに達するまでの時間がｔ１〜ｔ４のように変化する。すなわち、抵抗Ｒが一定であるので、コンデンサＣの電極間距離が小さくほど静電容量が減少し、コンデンサＣの電極間距離が大きいほど静電容量が増大することになり、コンデンサＣの充電時間からコンデンサＣの電極間距離を求めることが可能になる。
本実施例では、つま先検出電極１３０及び踵検出電極１４０と下側ＧＮＤ電極１００、上側ＧＮＤ電極１７０とがコンデンサＣを構成するため、つま先検出電極１３０及び踵検出電極１４０と下側ＧＮＤ電極１００、上側ＧＮＤ電極１７０との上下方向距離によって静電容量が変化する。そのため、上記荷重測定部５０，５２は、この静電容量を検出することにより足の裏面に作用する体重（荷重）の割合を求めることができる。
図８Ａ〜図８Ｄは装着者１２の足の裏面の動きに関連する荷重測定部５０，５２の動きを示す図である。尚、装着者１２の左右の足の動きは、左右対称であるが、交互に連続して行なわれるため、ここでは、装着者１２が前進する際の一方の足の動きについてのみ説明する。
図８Ａに示されるように、装着者１２の足３００の踵３１０が床面３３０に当接した状態（他方の足のつま先が床面に当接している）では、荷重測定部５０（５２）の反力センサ５０ｂ（５２ｂ）に荷重Ｗｂが作用する。すなわち、踵検出電極１４０に対向する下側弾性板１１０、上側弾性板１６０の部分が荷重Ｗｂによって圧縮される。これにより、踵検出電極１４０に対向する下側ＧＮＤ電極１００、上側ＧＮＤ電極１７０との上下方向距離が狭くなり、静電容量が減少する。この動作状態は、図７のグラフｃに示す検出状態に相当する。
図８Ｂに示されるように、さらに、装着者１２の足３００の動きが進み、踵３１０及びつま先３２０が床面３３０に当接した状態（他方の足の裏面が床面から離間している）では、荷重測定部５０（５２）の反力センサ５０ｂ（５２ｂ）に荷重Ｗｂが作用すると共に、荷重測定部５０（５２）の反力センサ５０ａ（５２ａ）に荷重Ｗａが作用する。そのため、つま先検出電極１３０及び踵検出電極１４０に対向する下側弾性板１１０、上側弾性板１６０の部分が荷重Ｗａ，Ｗｂによって圧縮される。これにより、つま先検出電極１３０及び踵検出電極１４０に対向する下側ＧＮＤ電極１００、上側ＧＮＤ電極１７０との上下方向距離が狭くなり、つま先及び踵の静電容量が減少する。この動作状態は、図７のグラフａに示す検出状態に相当する。
図８Ｃに示されるように、さらに、装着者１２の足３００の動きが進み、踵３１０が床面３３０から離間し、且つつま先３２０が床面３３０に当接した状態（他方の足の踵が床面に当接している）では、荷重測定部５０（５２）の反力センサ５０ａ（５２ａ）のみに荷重Ｗａが作用する。そのため、つま先検出電極１３０に対向する下側弾性板１１０、上側弾性板１６０の部分が荷重Ｗａによって圧縮される。これにより、つま先検出電極１３０に対向する下側ＧＮＤ電極１００、上側ＧＮＤ電極１７０との上下方向距離が狭くなり、つま先の静電容量が減少する。この動作状態は、図７のグラフｂに示す検出状態に相当する。
図８Ｄに示されるように、さらに、装着者１２の足３００の動きが進み、つま先３２０も床面３３０から離間した状態（他方の足の踵及びつま先が床面に当接している）では、荷重測定部５０（５２）の反力センサ５０ａ（５２ａ）に荷重が作用しない。そのため、下側弾性板１１０、上側弾性板１６０が圧縮されず、荷重の無い状態に復帰する。これにより、つま先検出電極１３０及び踵検出電極１４０に対向する下側ＧＮＤ電極１００、上側ＧＮＤ電極１７０との上下方向距離が広くなり、つま先及び踵の静電容量が増大する。この動作状態は、図７のグラフｄに示す検出状態に相当する。
このように、つま先検出電極１３０及び踵検出電極１４０から検出された静電容量の検出信号の値（所定電圧に達するまでの時間）によって装着者１２の歩行動作状態（つま先と踵の荷重変化）を識別することが可能なる。
図９は装着者の歩行動作に伴う重心移動の軌跡を真上から見た図である。図９に示されるように、装着者１２が右足３００Ｒと左足３００Ｌとを交互に前に出すように歩行する場合、装着者１２の重心は、Ｇ１〜Ｇ８で示すように移動する。例えば、装着者１２が右足３００Ｒを前に出すと、右足３００Ｒの踵（Ｇ１）に体重が乗って重心が装着者１２の前側に移動する。さらに、装着者１２の左足３００Ｌが床面から離れて体を前方に傾けると、右足３００Ｒの踵（Ｇ１）及びつま先に（Ｇ２）に体重が乗って重心が装着者１２の前側に移動する。
次に、装着者１２の左足３００Ｌが右足３００Ｒより前に進むと、右足３００Ｒの踵（Ｇ１）が床面から離間した状態になり、右足３００Ｒのつま先（Ｇ２）と左足３００Ｌの踵（Ｇ３）に体重が乗って重心が装着者１２の前側に移動する。
このように、装着者１２の右足３００Ｒと左足３００Ｌとを交互に前に進めることで、装着者１２の体重の作用点がＧ１〜Ｇ８で示すように移動する。従って、装着者１２の体重の作用点Ｇ１〜Ｇ８を結ぶ線が重心の移動軌跡３４０となり、図９に示すように右足３００Ｒ及び左足３００Ｌの着地点（床面から反力を受ける）に沿うように移動することになる。
本実施例において、装着者１２の重心は、つま先検出電極１３０及び踵検出電極１４０により検出される静電容量に応じた検出信号から求まる。すなわち、後述するよう制御装置により荷重測定部５０，５２の反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂによって検出された検出信号に基づいて各荷重の変化を演算し、さらに各検出荷重の割合から装着者１２の足の裏面の重心位置を演算することで、歩行動作に伴う重心位置が得られる。
動作補助装置１０では、この重心位置の検出データに基づいて各駆動モータ２０，２２，２４，２６の駆動トルク発生タイミングを制御している。すなわち、装着者１２が右足３００Ｒを前に出すタイミングと右側の駆動モータ２０，２４を駆動させるタイミングとを一致させることが可能になる。また、これと同様に、装着者１２が左足３００Ｌを前に出すタイミングと左側の駆動モータ２２，２６を駆動させるタイミングとを一致させることが可能になる。
図１０は反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂから出力された検出信号の推移を示すグラフである。図１０に示されるように、反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂの検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂは、装着者１２の歩行動作に応じて増減を繰り返す。
例えば、右足３００Ｒの反力センサ５０ｂの検出信号Ｒｂは、右足３００Ｒの踵３１０が床面に当接したとき（図８Ａ参照）がピーク値になり、右足３００Ｒの反力センサ５０ａの検出信号Ｒａは、右足３００Ｒのつま先３２０のみが床面に当接したとき（図８Ｃ参照）がピーク値になる。
また、左足３００Ｌの反力センサ５２ｂの検出信号Ｌｂは、右足３００Ｒの反力センサ５０ｂの位相差Ｔ１で検出され、左足３００Ｒの踵３１０が床面に当接したとき（図８Ａ参照）がピーク値になり、左足３００Ｌの反力センサ５２ａの検出信号Ｌａは、右足３００Ｒの反力センサ５０ａの位相差Ｔ２で検出され、右足３００Ｒのつま先３２０のみが床面に当接したとき（図８Ｃ参照）がピーク値になる。
このように、装着者１２が一定のリズムで歩行する場合、反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂから出力された検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂは、所定の位相差で増減を繰り返す。そのため、反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂから出力された各検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂの相対的な割合を時間の経過と共に比較することにより重心の移動を推定することが可能になる。
図１１は動作補助装着フレーム１８と制御装置４００との関係を模式的に示す制御システムの概念図である。図１１に示されるように、制御ユニット３６に搭載された制御装置４００は、演算処理を行なうコンピュータであり、予め複数の制御プログラムが格納されたメモリ４６０を有する。そして、制御装置４００は、メモリ４６０から制御プログラムを読み込むことにより後述する各制御処理を実行する。本実施例において、制御装置４００は、生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂにより検出された生体信号から指令信号を取得する生体信号処理手段４１０と、神経伝達信号および筋電位信号に基づいて各モータ２０，２２，２４，２６の駆動を制御する随意的制御手段４２０と、随意的制御手段４２０から出力された制御信号に応じた駆動信号を各モータに印加する駆動信号生成手段４３０と、反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂの検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂに基づいて装着者１２の重心位置を検出する重心位置検出手段４４０とを有する。尚、本実施例においては、モータ制御方式として駆動信号としてモータに供給される電流を制御する方式を例に挙げて説明する。
随意的制御手段４２０は、装着者１２の意思により右足を動作させる際に生じる生体電位から神経伝達信号および筋電位信号を生成する生体電位処理手段４１０からの指令信号に基づいて制御信号を駆動信号生成手段４３０に出力する。駆動信号生成手段４３０は、随意的制御手段４２０からの制御信号に応じた駆動電流を生成して各モータ２０，２２，２４，２６に出力する。
また、装着者１２が歩行動作すると、反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂは歩行動作に応じた検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂ（静電容量に応じた信号）を出力する。この検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂは、Ａ／Ｄ変換器４５０によりデジタル信号に変換されてメモリ４６０に格納され、さらにメモリ４６０から重心位置検出手段４４０に入力される。
ここで、図１２を参照して制御装置４００が実行する反力センサのキャリブレーション処理について説明する。尚、図１２に示す制御処理は、装着者１２に動作補助装着フレーム１８を装着し、装着者１２の両足が靴８４を履いた状態で実行される。
図１２に示すＳ１１において、制御装置４００は、装着者１２に動作補助装着フレーム１８を装着した後、動作補助装置１０の電源スイッチがオンに操作されると、Ｓ１２に進み、各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂの検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂ（静電容量に応じた信号）を読み込み、各信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂによる静電容量をメモリ４６０に記憶する。次のＳ１３では、予め設定された所定時間（例えば、５秒〜１０秒）が経過したか否かをチェックする。この所定時間が経過する間に各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂの検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂが変動した場合には、メモリ４６０に記憶された検出データが最新の検出データに更新される。
Ｓ１３で所定時間が経過すると、Ｓ１４に進み、各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂの検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂの最終値を基準値（初期値）として設定する。次のＳ１５では、装着者１２が歩行を開始したか否かをチェックする。例えば、装着者１２が椅子に座った状態から立上がる際の動作に伴って生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂから生体信号が出力されたことにより、歩行動作が開始されたものと判断する。また、装着者１２が椅子に座った状態から立上がる際の動作による重心位置の検出は、各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂ以外のセンサ（例えば、装着者１２のお尻の部分にも静電容量式の反力センサを設ける）を合わせて用いることで立上がり動作が開始されたことを検出することが可能になる。
次のＳ１６では、反力センサ５０ａにより右足つま先の荷重変化が検出されたか否かをチェックする。Ｓ１６において、反力センサ５０ａの検出信号Ｒａが変動したときは（ＹＥＳの場合）、Ｓ１７に進み、反力センサ５０ｂにより右足かかとの荷重変化が検出されたか否かをチェックする。
Ｓ１７において、反力センサ５０ｂの検出信号Ｒｂが変動したときは（ＹＥＳの場合）、Ｓ１８に進み、反力センサ５２ａにより右足つま先の荷重変化が検出されたか否かをチェックする。次のＳ１８において、反力センサ５２ａの検出信号Ｌａが変動したときは（ＹＥＳの場合）、Ｓ１９に進み、反力センサ５２ｂにより左足かかとの荷重変化が検出されたか否かをチェックする。
Ｓ１９において、反力センサ５２ｂにより左足かかとの荷重変化が検出されたときは（ＹＥＳの場合）、Ｓ２０に進み、装着者１２が立ったまま静止した状態（起立状態）のときの各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂの検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂを読み込む。
次のＳ２１では、各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂの基準値（初期値）のキャリブレーション処理を行なう。すなわち、歩行状態から起立状態に移行したときに検出された各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂの検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂを読み込み、これを基準値として更新する。従って、装着直後に検出された基準値は、装着者１２の歩行動作によって変化した最新の基準値に更新される。これにより、例えば、装着者１２の足と靴８４とのフィッティングが修正されたり、装着者１２の体の動きがその日の体調によって変動することを考慮した基準値に修正される。
Ｓ２２において、各反力センサの基準値のキャリブレーション処理が終了すると、今回の制御処理を終了する。
また、上記Ｓ１６において、反力センサ５０ａの検出信号Ｒａが変動しないときは（ＮＯの場合）、Ｓ２３に進み、反力センサ５０ａで何らかの異常が発生したものと判断し、Ｓ２７に進み、反力センサ５０ａの基準値をリセットする。
また、上記Ｓ１７において、反力センサ５０ｂの検出信号Ｒｂが変動しないときは（ＮＯの場合）、Ｓ２４に進み、反力センサ５０ｂで何らかの異常が発生したものと判断し、Ｓ２７に進み、反力センサ５０ｂの基準値をリセットする。
また、上記Ｓ１８において、反力センサ５２ａの検出信号Ｌａが変動しないときは（ＮＯの場合）、Ｓ２５では反力センサ５２ａで何らかの異常が発生したものと判断し、Ｓ２７に進み、反力センサ５２ａの基準値をリセットする。
また、上記Ｓ１９において、反力センサ５２ｂの検出信号Ｌｂが変動しないときは（ＮＯの場合）、Ｓ２６では反力センサ５２ｂで何らかの異常が発生したものと判断し、Ｓ２７に進み、反力センサ５２ｂの基準値をリセットする。
Ｓ２７の後は、Ｓ１２の処理に戻り、Ｓ１２以降の処理を繰り返す。尚、異常が発生した反力センサを別のものと交換する場合には、今回の制御処理を中止し、荷重測定部５０，５２を新しいものと交換すれば良いので、反力センサの修復作業を短時間で行える。
上記キャリブレーション処理が終了すると、装着者１２は歩行動作を開始する。続いて、図１３を参照して歩行動作に伴う制御装置４００が実行する重心位置検出処理１について説明する。図１３に示されるように、制御装置４００は、Ｓ３１で歩行中の各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂの検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂ（静電容量に応じた信号）を読み込み、メモリ４６０に記憶する。
次のＳ３２では、各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂの検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂを比較する。続いて、Ｓ３３に進み、各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂから出力された検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂの最大値の反力センサを識別する。
上記Ｓ３３で各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂの中から選択された一の反力センサの位置から装着者１２の重心がどの足に乗っているかを判断する。次のＳ３４において、右足に重心がある場合には（ＹＥＳの場合）、Ｓ３５に進み、右足の反力センサ５０ａと５０ｂによって測定されたつま先荷重ＷＲＡと踵荷重ＷＲｂとの割合（比率）から右足の重心位置を演算する。そして、Ｓ３６で右足の重心位置のデータ（装着者１２の中心からの距離）を出力する。
また、上記Ｓ３４において、重心が右足にないときは（ＮＯの場合）、Ｓ３７に進み、重心が左足にあるか否かをチェックする。Ｓ３７において、重心が左足にあるときは（ＹＥＳの場合）、Ｓ３８に進み、左足の反力センサ５２ａと５２ｂによって測定されたつま先荷重ＷＬＡと踵荷重ＷＬｂとの割合（比率）から左足の重心位置を演算する。そして、Ｓ３６で左足の重心位置のデータ（装着者１２の中心からの距離）を出力する。
また、上記Ｓ３７において、重心が左足にないときは（ＮＯの場合）、Ｓ３１に戻り、Ｓ３１以降の処理を再度行なう。
また、重心位置のデータとしては、Ｘ−Ｙ座標系において、装着者１２の中心位置の座標をＸ＝０，Ｙ＝０とし、この基準位置に対するＸ方向位置とＹ方向位置によって重心位置を規定する方法を用いても良い。
続いて、図１４を参照して歩行動作に伴う制御装置４００が実行する重心位置検出処理２について説明する。この重心位置検出処理２では、重心位置を正確に演算するのではなく、各反力センサで検出された荷重の大きさに基づいておおよその重心位置を推測することにより、演算処理を簡略化する方法が採られている。
図１４に示されるように、制御装置４００は、Ｓ４１で各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂの検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂ（静電容量に応じた信号）を読み込み、各信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂによる静電容量をメモリ４６０に記憶する。次のＳ４２では、各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂの検出信号Ｒａ，Ｒｂ,Ｌａ,Ｌｂを比較する。
続いて、Ｓ４３に進み、反力センサ５０ａで検出された荷重ＷＲａと反力センサ５２ａで検出された荷重ＷＬａとを比較する。Ｓ４３において、ＷＲａ＞ＷＬａの場合は（ＹＥＳの場合）、Ｓ４４に進み、反力センサ５０ａで検出された荷重ＷＲａと反力センサ５２ｂで検出された荷重ＷＲｂとを比較する。Ｓ４４において、ＷＲａ＞ＷＲｂの場合は（ＹＥＳの場合）、Ｓ４５に進み、右足つま先に重心があると判定する。そして、Ｓ５５に進み、重心位置の判定結果を出力する。
また、Ｓ４３において、ＷＲａ＞ＷＬａでない場合は（ＮＯの場合）、Ｓ４６に進み、反力センサ５０ａで検出された荷重ＷＲａと反力センサ５２ａで検出された荷重ＷＬａとを比較する。Ｓ４６において、ＷＲａ＜ＷＬａの場合は（ＹＥＳの場合）、Ｓ４７に進み、反力センサ５２ａで検出された荷重ＷＬａと反力センサ５２ｂで検出された荷重ＷＬｂとを比較する。Ｓ４７において、ＷＬａ＞ＷＬｂの場合は（ＹＥＳの場合）、Ｓ４８に進み、左足つま先に重心があると判定する。そして、Ｓ５５に進み、重心位置の判定結果を出力する。
また、Ｓ４６において、ＷＲａ＜ＷＬａでない場合は（ＮＯの場合）、Ｓ４９に進み、反力センサ５０ｂで検出された荷重ＷＲｂと反力センサ５２ｂで検出された荷重ＷＬｂとを比較する。Ｓ４９において、ＷＲｂ＞ＷＬｂの場合は（ＹＥＳの場合）、Ｓ５０に進み、反力センサ５０ｂで検出された荷重ＷＲａと反力センサ５２ａで検出された荷重ＷＲｂとを比較する。Ｓ５０において、ＷＲｂ＞ＷＲａの場合は（ＹＥＳの場合）、Ｓ５１に進み、右足踵に重心があると判定する。そして、Ｓ５５に進み、重心位置の判定結果を出力する。
また、Ｓ４９において、ＷＲｂ＞ＷＬｂでない場合は（ＮＯの場合）、Ｓ５２に進み、反力センサ５０ｂで検出された荷重ＷＲｂと反力センサ５２ｂで検出された荷重ＷＬｂとを比較する。Ｓ５２において、ＷＲｂ＜ＷＬｂの場合は（ＹＥＳの場合）、Ｓ５３に進み、反力センサ５２ｂで検出された荷重ＷＬｂと反力センサ５２ａで検出された荷重ＷＬａとを比較する。Ｓ５３において、ＷＬｂ＞ＷＬａの場合は（ＹＥＳの場合）、Ｓ５４に進み、左足踵に重心があると判定する。そして、Ｓ５５に進み、重心位置の判定結果を出力する。
尚、上記実施例では、各反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂにより検出された体重移動に伴う歩行動作の重心移動を検出する場合を例に挙げて説明したが、この歩行動作以外の動作による重心位置の検出（例えば、椅子から立ち上がる動作や立ったままの姿勢での重心位置の検出や階段の昇り降り動作に伴う重心位置の検出）も行なうことができる。
以下、荷重測定部５０，５２の変形例について説明する。
図１５は、荷重測定部５０，５２の変形例１を下からみた図である。尚、図１５では左足の裏面のみを示しているが、右足の裏面も同様に構成されているので、図示を省略する。
図１５に示されるように、変形例１の荷重測定部５０Ａ，５２Ａは、第１つま先電極１３２、第２つま先電極１３４、中央部電極１３６、踵電極１４０を有する。従って、荷重測定部５０Ａ，５２Ａは、装着者１２の両足の裏面の長手方向を４分割して各部分の荷重に応じた静電容量を検出する。
従って、変形例１の荷重測定部５０Ａ，５２Ａは、第１つま先電極１３２、第２つま先電極１３４、中央部電極１３６、踵電極１４０によって形成される４個の反力センサを有する。そのため、前述した反力センサがつま先と踵の２箇所に配したものよりも装着者１２の両足の裏面の重心位置をより正確に検出することが可能になる。
図１６は、荷重測定部５０，５２の変形例２を下(裏面)からみた図である。尚、図１６では左足の裏面のみを示しているが、右足の裏面も同様に構成されているので、図示を省略する。
図１６に示されるように、変形例２の荷重測定部５０Ｂ，５２Ｂは、足の裏面を１２箇所に分割して荷重を測定することができるように第１〜第１２電極５０１〜５１２が配されている。この変形例２では、上記変形例１よりもさらに電極数を増やして反力センサ数を１２個としたため、変形例１のものよりも装着者１２の両足の裏面の重心位置をより正確に検出することが可能になる。
図１７は荷重測定部５０，５２の変形例３を示す分解斜視図である。図１７に示されるように、変形例３の荷重測定部５０Ｃ，５２Ｃは、フレキシブル配線板構造により構成されており、樹脂製のフレキシブル基板に電極層及び絶縁層、弾性層が５層に積層された構成のものである。
すなわち、荷重測定部５０Ｃ，５２Ｃは、下から下側ＧＮＤ電極(下側接地用電極)６１０と、下側弾性層６２０と、つま先電極１３０と踵電極１４０が形成された電極層６３０と、上側弾性層６４０と、上側ＧＮＤ電極(上側接地用電極)６５０とが積層され、接着により一体化されている。
下側ＧＮＤ電極６１０は、樹脂製のフレキシブル配線板６１２の上面に電極パターン６１４（実施例１のものよりも細い線状パターン）がネット状にめっきされている。また、フレキシブル配線板６１２の中央部分の側方に延在するコネクタ端子用ランド６１６が設けられている。
下側弾性層６２０は、例えば、絶縁性を有するスポンジ状の弾性材により形成されており、前述した実施例１のものよりも大幅に薄く（例えば、厚さが１ｍｍ程度）形成されている。
電極層６３０は、フレキシブル配線板６３２の上面につま先電極１３０と踵電極１４０としての電極パターン（実施例１のものよりも細い線状パターン）がネット状にめっきされている。また、フレキシブル配線板６３２の中央部分には、側方に延在するコネクタ端子用ランド６３４が設けられている。
上側弾性層６４０は、下側弾性層６２０と同様、例えば、絶縁性を有するスポンジ状の弾性材により形成されており、前述した実施例１のものよりも大幅に薄く（例えば、厚さが１ｍｍ程度）形成されている。
上側ＧＮＤ電極６５０は、下側ＧＮＤ電極６１０と同様、樹脂製のフレキシブル配線板６５２の下面に電極パターン６５４（実施例１のものよりも細い線状パターン）がネット状にめっきされている。また、フレキシブル配線板６５２の中央部分の側方に延在するコネクタ端子用ランド６５６が設けられている。
このように、荷重測定部５０Ｃ，５２Ｃは、上記フレキシブル配線板６１２，６３２，６５２を積層する構成であるので、実施例１のものよりも薄型化されている。さらに、荷重測定部５０Ｃ，５２Ｃは、弾性変形に強いフレキシブル配線板６１２，６３２，６５２に各電極パターンを形成して弾性層６２０、６４０を上下方向から挟む構成であるので、長期間の使用にも断線が生じないように構成されている。
尚、下側弾性層６２０及び上側弾性層６４０の厚さや材質は、上記のものに限らず、例えば、装着者１２の体重や使用頻度などの使用条件に応じて任意の寸法や材質を選択することにより当該装着者１２に適合した荷重測定部５０Ｃ，５２Ｃに仕上げることが可能になる。
また、変形例３の荷重測定部５０Ｃ，５２Ｃにおいても、前述した実施例１と同様に、つま先電極１３０及び踵電極１４０と上側ＧＮＤ電極６５０、下側ＧＮＤ電極６１０とによってコンデンサＣを構成して荷重に応じた静電容量を検出することができるように構成されている。そのため、装着者１２の歩行動作に伴って荷重が作用すると、下側弾性層６２０及び上側弾性層６４０が圧縮されて電極間距離が変化し、検出される静電容量も変化する。これにより、変形例３の荷重測定部５０Ｃ，５２Ｃにおいても、装着者１２の歩行動作による重心位置を正確に検出することが可能になる。
また、荷重測定部５０Ｃ，５２Ｃは、上面及び下面がフレキシブル配線板６５２，６１２により形成されるため、積層した後に絶縁材により被覆作業を不要にでき、製造工程数を削減することが可能になる。
図１８は荷重測定部５０，５２の変形例４を示す分解斜視図である。図１８に示されるように、変形例４の荷重測定部５０Ｄ，５２Ｄは、下側電極シート（第１電極シート）７１０と、弾性シート（弾性板）７２０と、上側電極シート（第２電極シート）７３０とが上下方向に積層され、接着により一体化される。
下側電極シート７１０は、Ｘ方向に延在する複数の電極線７１２（７１２１〜７１２ｎ）が所定間隔で同じＸ方向に平行に配されている。また、下側電極シート７１０は、可撓性を有する絶縁材により形成されたフィルム状(シート状)のフレキシブル基板からなり、例えば、厚さが０．５ｍｍ程度に形成されている。
尚、電極線７１２の固定方法としては、下側電極シート７１０の表面あるいは内部に埋め込むように成型しても良いし、あるいは下側電極シート７１０の表面に細い電極パターンをめっき法や蒸着法やスパッタ法等の薄膜形成法を用いて形成するようにしても良い。
弾性シート７２０は、例えば、絶縁性を有するスポンジ状の弾性板により形成されており、前述した実施例１のものよりも大幅に薄く（例えば、厚さが１ｍｍ程度）形成されている。
上側電極シート７３０は、上記下側電極シート７１０の電極線７１２の延在方向と直交するＹ方向に延在する複数の電極線７３２（７３２１〜７３２ｎ）が所定間隔で同じＹ方向に平行に配されている。また、上側電極シート７３０は、前述した下側電極シート７１０と同様に、可撓性を有する絶縁材により形成されたフィルム状(シート状)のフレキシブル基板からなり、例えば、厚さが０．５ｍｍ程度に形成されている。上記電極線７３２も前述した電極線７１２と同じ方法により形成される。
複数の電極線７１２，７３２の間隔は、任意に設定することが可能である。例えば、電極線７１２，７３２の太さを０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度で形成する場合、複数の電極線７１２，７３２の間隔を１ｍｍ〜３ｍｍ程度にすることも可能である。
上記下側電極シート７１０と、弾性シート（弾性層）７２０と、上側電極シート７３０とが上下方向に積層された状態で装着者１２の足型７４０の輪郭形状に合わせて切断する。そして、下側電極シート７１０と上側電極シート７３０との間に弾性シート７２０を介在させた積層状態で接合して下側電極シート７１０、弾性シート７２０、上側電極シート７３０を一体化する。さらに、複数の電極線７１２，７３２の夫々にフレキシブルケーブルの各配線を接続し、順次通電可能にする。
荷重測定部５０Ｄ，５２Ｄは、フィルム状の樹脂材からなる下側電極シート７１０及び上側電極シート７３０を弾性シート７２０の下面、上面の夫々にラミネートするように接合されるため、歩行動作時の体重移動による荷重変化に応じて弾力的に伸縮する。そのため、装着者１２が歩行動作する際の衝撃も緩和され、電極線７１２，７３２の断線を防止できると共に、装着者１２は違和感を感じることなく歩行動作を行える。
上記荷重測定部５０Ｄ，５２Ｄの接合方法としては、例えば、下側電極シート７１０、弾性シート７２０、上側電極シート７３０の各間に接着剤を塗布し、上下方向から加圧して一体化する方法がある。また、他の接合方法として、足型７４０の輪郭形状に対応した下側電極シート７１０及び上側電極シート７３０の周縁部に高周波を印加して局部的に加熱処理を施すことで上記周縁部を溶融接合させる方法もある。
従って、下側電極シート７１０と上側電極シート７３０との間に弾性シート７２０を介在させるように積層することで、Ｘ方向に延在する複数の電極線７１２（７１２１〜７１２ｎ）が行となり、Ｙ方向に延在する複数の電極線７３２（７３２１〜７３２ｎ）が列となるマトリックスを形成し、複数の電極線７１２（７１２１〜７１２ｎ）と複数の電極線７３２（７３２１〜７３２ｎ）との交点がコンデンサを形成する。従って、複数の電極線７１２（７１２１〜７１２ｎ）と複数の電極線７３２（７３２１〜７３２ｎ）との何れか一方が定電圧電源に接続され、他方がＧＮＤ側（接地側）に接続される。そして、各交点での静電容量を順次測定することで、装着者１２の足の裏面全体の荷重分布を測定することが可能になる。
予め上記下側電極シート７１０と、弾性シート７２０と、上側電極シート７３０とを積層状態に一体化したもの多数用意しておくことにより、装着者１２の足を型取りすることで、各装着者１２の足の大きさに合った荷重測定部５０Ｄ，５２Ｄを効率良く製作することが可能になる。
尚、複数の電極線７１２，７３２の夫々の通電は、例えば、切替スイッチを介して行なうようにしても良いし、あるいはソフト上で各電極線７１２，７３２の通電タイミングを０．０５秒〜０．２秒の間隔で切替えるようにする。そして、通電された電極線７１２と対向配置された電極７３２とが交差するポイントにおける静電容量変化率（図７に示すグラフの傾斜角度から求まる）を瞬時に検出することで、複数の電極線７１２，７３２が交差する全てのポイントの静電容量を効率良く検出することが可能になる。
この荷重測定部５０Ｄ，５２Ｄは、足の裏面を例えば、５０〜１００箇所のポイント（交点）の静電容量を検出して各ポイントの荷重を測定することが可能になるので、装着者１２の歩行動作に伴う両足の裏面における荷重分布を正確に測定することができる。そのため、例えば、装着者１２が初めて装着式動作補助装置１０を使用して歩行する場合に、予め装着者１２の歩行動作の癖や重心のばらつき（前後左右の荷重変化）等のデータを各人毎に測定して蓄積するといったことも容易に行える。このような重心位置の変動を測定したデータを用いて装着者１２が装着式動作補助装置１０を使用して歩行する際の動作、傾き具合や進行方向のばらつきなどをコンピュータ上でシミュレーションすることも可能になる。
また、荷重測定部５０Ｄ，５２Ｄの変形例として、複数の電極線７１２、複数の電極線７３２を弾性シート７２０の上面、下面に直接形成し、さらに弾性シート７２０の上面、下面及び各電極線７１２，７３２の表面に絶縁性を有する樹脂フィルムをラミネートする構成としても良い。
本国際出願は、２００７年１２月２７日に出願した日本国特許出願２００７−３３７１６６号に基づく優先権を主張するものであり、２００７−３３７１６６号の全内容を本国際出願に援用する。

Claims (11)

  1. 足の裏面の荷重を測定する荷重測定部を有し、該荷重測定部により測定された各荷重の変化により、重心位置を検出する重心位置検出装置であって、
    前記荷重測定部は、前記足の裏面に密着するように保持され、体重移動によって変化する静電容量を検出することを特徴とする重心位置検出装置。
  2. 請求項１に記載の重心位置検出装置であって、
    前記荷重測定部は、前記足の裏面のつま先と踵の２箇所の荷重を測定することを特徴とする重心位置検出装置。
  3. 請求項１に記載の重心位置検出装置であって、
    前記荷重測定部は、靴の中敷きに設けられたことを特徴とする重心位置検出装置。
  4. 請求項１に記載の重心位置検出装置であって、
    前記荷重測定部は、
    弾性を有する板状の弾性板と、
    該弾性板の上面に固着された上側電極と、
    前記弾性板の下面に固着された下側電極と、
    を有し、
    前記上側電極と前記下側電極との間の静電容量を検出することを特徴とする重心位置検出装置。
  5. 請求項４に記載の重心位置検出装置であって、
    前記上側電極または前記下側電極の何れか一方をＧＮＤに接続し、前記上側電極または前記下側電極の何れか他方を定電圧電源に接続し、
    前記上側電極と前記下側電極との間の電圧値が所定値に達するまでの時間から静電容量を演算することを特徴とする重心位置検出装置。
  6. 請求項１に記載の重心位置検出装置であって、
    前記荷重測定部は、
    下側ＧＮＤ電極と、
    該下側ＧＮＤ電極の上面に積層された下側弾性板と、
    該下側弾性板の上面に積層された電圧検出電極と、
    該電圧検出電極の上面に積層された上側弾性板と、
    該上側弾性板の上面に積層された上側ＧＮＤ電極と、
    を有し、
    前記電圧検出電極から検出された電圧が所定電圧に達するまでの間の時間から静電容量を検出することを特徴とする重心位置検出装置。
  7. 請求項６に記載の重心位置検出装置であって、
    前記荷重測定部は、前記下側ＧＮＤ電極、前記下側弾性板、前記電圧検出電極、前記上側弾性板、前記上側ＧＮＤ電極を積層した状態で一体的に接合することを特徴とする重心位置検出装置。
  8. 請求項１に記載の重心位置検出装置であって、
    前記荷重測定部は、
    一方向に所定間隔で平行に配された複数の電極線を有する第１電極シートと、
    該第１電極シートの上面に積層された弾性シートと、
    該弾性シートの上面に積層され、前記第１電極シートの電極線と交差する他方向に所定間隔で平行に配された複数の電極線を有する第２電極シートと、
    を有し、
    前記第１電極シートの電極線と前記第２電極シートの電極線とが交差するマトリックス状の各点の静電容量を順次検出することを特徴とする重心位置検出装置。
  9. 請求項８に記載の重心位置検出装置であって、
    前記第１電極シート及び前記第２電極シートは、フィルム状のフレキシブル基板により形成され、
    前記第１電極シートと前記第２電極シートとの間に前記弾性シートを介在させた積層状態で前記第１電極シート、前記第２電極シート、前記弾性シートを一体的に接合することを特徴とする重心位置検出装置。
  10. 請求項１に記載の重心位置検出装置と、
    動作補助力を発生する駆動部と、
    該駆動部の駆動力を装着者の足に伝達するフレームと、
    前記装着者の歩行動作に伴う生体信号を検出する生体信号検出部と、
    該生体信号検出部から得られた生体信号を及び前記重心位置検出装置により検出された重心位置に基づいて前記駆動部の駆動力を制御する制御部と、
    を備えたことを特徴とする装着式動作補助装置。
  11. 請求項１０に記載の装着式動作補助装置であって、
    前記重心位置検出装置は、
    前記装着者の右足の裏面に作用する荷重を検出する第１荷重測定部と、
    前記装着者の左足の裏面に作用する荷重を検出する第２荷重測定部と、
    前記第１荷重測定部により測定された右足荷重と前記第２荷重測定部により測定された左足荷重との割合に基づいて前記装着者の重心位置を検出する検出部と、
    を有することを特徴とする装着式動作補助装置。
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