JPWO2011161750A1

JPWO2011161750A1 - 脚支援装置

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Publication number: JPWO2011161750A1
Application number: JP2011510208A
Authority: JP
Inventors: 一誠中島; 周平真鍋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2013-08-19
Anticipated expiration: 2030-06-21
Also published as: US8690801B2; US20130006159A1; CN102596142B; JP5083461B2; EP2583657A1; CN102596142A; EP2583657A4; EP2583657B1; WO2011161750A1

Abstract

立ち上がり動作の補助に好適な制御ルールを備えた脚支援装置を提供する。脚支援装置は、大腿リンク、下腿リンク、回転ジョイント、コントローラを備えている。大腿リンクはユーザの大腿に装着され、下腿リンクはユーザの下腿に装着される。回転ジョイントは、下腿リンクを大腿リンクに回転可能に連結する。また回転ジョイントは、下腿リンクを回転させるアクチュエータを備えている。コントローラは、下腿リンクの回転角を目標角に一致させるようにアクチュエータを制御する。コントローラは、アクチュエータに出力する指令トルクの大きさを制限するトルクリミッタを備えている。コントローラは、目標角をユーザの立位姿勢に対応する立位角に設定するとともに、ユーザの腰高さが高くなるにつれてトルクリミッタの上限値を増加させる。

Description

本発明は、ユーザの立ち上がり動作を補助する脚支援装置に関する。特に、膝関節にトルクを加えることによってユーザの立ち上がり動作を補助する脚支援装置に関する。

関節にトルクを加えてユーザの動作を補助する支援装置が開発されている。そのような支援装置のうち、健常者の筋力を強化する装置はパワードスーツと俗称されることがある。筋力が衰えたユーザ、或いは、関節を自由に動かすことができないユーザの筋力を補助する装置は動作支援装置と俗称されることがある。動作支援装置については、特に歩行動作など、脚の筋力を補助する装置に関する研究が盛んである。本明細書では、脚の筋力を補助する装置を「脚支援装置」と称する。

脚支援装置は、主として膝関節を動かす筋力を補助する。そのような装置は、典型的には、ユーザの大腿に装着する大腿リンクと下腿に装着する下腿リンクが連結された機械的構造を有している。大腿リンクと下腿リンクはアクチュエータを備えた回転ジョイントで連結されている。下腿リンクを駆動することによって、ユーザの下腿の揺動、即ち膝関節の動きをガイドする。上記の機械的構造を有する脚支援装置の一例が日本国特許公開公報２００８−００６０７６号公報に開示されている。

上記の機械的構造を有する脚支援装置は、アクチュエータの制御ルールを変更することによって、歩行動作、立ち上がり動作、あるいは着座動作を補助することができる。本明細書が開示する技術は、立ち上がり動作を補助するための制御ルールを備えた脚支援装置を提供する。立ち上がり動作を補助する脚支援装置の一例が日本国特許公開公報２００９−０６０９４６号に開示されている。

一般に、ロボットのリンクを動かすアクチュエータの制御には角度制御（位置制御）とトルク制御（力制御）の２種類がある。角度制御は、リンクの角度が目標値として与えられる。トルク制御は、リンクが出力すべきトルクが目標値として与えられる。コントローラは、リンクの角度、或いは出力トルクが与えられた目標値に一致するようにアクチュエータを制御する。角度制御の場合、リンクの角度は目標角に一致する。このとき、アクチュエータの出力トルクは、リンク（関節）に加わる負荷に依存して変化する。トルク制御の場合、関節（アクチュエータ）の出力トルクは目標トルクに一致する。このとき、リンクの角度は、目標トルク（出力トルク）と負荷のバランスによって定まる。即ち、リンクの角度は負荷に依存して変化する。このように、角度制御はリンクの角度を定めることはできるが出力トルクは不定となる。逆に、トルク制御はリンクの出力トルクは定めることができるがリンクの角度が不定となる。なお、ロボットの技術分野では、リンクの角度とともに剛性を目標値として与えるコンプライアンス制御が知られている。コンプライアンス制御の場合、「剛性」は、実現されるリンク角度とリンク出力トルクの間の関係を規定するパラメータに相当する。コンプライアンス制御を採用した場合、リンクに加わる負荷に応じて目標角からのずれとリンクが出力するトルクが定まる。即ち、コンプライアンス制御を採用したコントローラは、偏差と出力トルクの関係が既定の「剛性」で定められる関係を満たすようにリンクの角度を調整する。

立ち上がり動作を補助する支援装置の場合、下腿リンクを回転させるアクチュエータの制御としては、角度制御、トルク制御、及び、コンプライアンス制御のいずれの制御でも不都合がある。角度制御の場合、コントローラは予め定められた目標軌道に従って下腿リンクを回転させる。そのため、角度制御を採用した場合、脚支援装置は、ユーザの状態に関わらずに下腿リンクを回転させ始めてしまう。なお、「目標軌道」は、目標角（或いは目標トルク）の時系列データを意味する。トルク制御、及び、コンプライアンス制御の場合、上述したように、下腿リンクの角度が定まらない。本明細書は、立ち上がり動作の補助に好適な制御ルールを備えた脚支援装置を提供する。

本明細書が開示する技術は、ユーザが立ち上がるときの脚の筋力を補強する脚支援装置を提供する。脚支援装置の機械的構造は、上述したように、大腿リンク、下腿リンク、回転ジョイント、コントローラを備えている。大腿リンクはユーザの大腿に装着され、下腿リンクはユーザの下腿に装着される。回転ジョイントは、下腿リンクを大腿リンクに回転可能に連結する。また回転ジョイントは、下腿リンクを回転させるアクチュエータを備えている。コントローラは、下腿リンクの回転角と目標角の偏差に基づいてアクチュエータへの指令トルクを算出するフィードバック制御モジュールを有しており、下腿リンクの回転角を目標角に一致させるようにアクチュエータを制御する。本明細書が開示する新規な脚支援装置の一形態では、コントローラは、さらに、指令トルクの大きさを制限するトルクリミッタを備えている。トルクリミッタは、入力された指令トルクを上限トルク以下に制限する。コントローラは、目標角をユーザの立位姿勢に対応する立位角に設定するとともに、ユーザの腰高さが高くなるにつれてトルクリミッタの上限値（上限トルク）を増加させる。

上記の脚支援装置は、下腿リンクの回転角と目標角の偏差を小さくするようにアクチュエータを制御するフィードバック制御モジュールを備えており、基本的には角度制御で下腿リンクの角度を制御する。目標角は、立位姿勢に相当する下腿リンクの回転角（立位角）に設定される。立位角は、本質的には、大腿リンクと下腿リンクが直線上に並ぶときの下腿リンクの角度に相当する。なお、以下では、下腿リンクの実際の回転角を計測角と称することがある。

上記の脚支援装置は、基本的には角度制御を採用しているが、アクチュエータが出力するトルクはトルクリミッタにより制限される。コントローラは、腰高さが高くなるにつれて上限トルクを増加させる。腰高さが低い間は、目標角と計測角との偏差が大きくても、上限トルクによって出力トルクが制限される。腰高さが低いときの上限トルクは、ユーザの体重を支えるのには不十分な大きさに設定される。従って、腰高さが低い間は、ユーザが筋力を出さないと腰が上がらない。このため、腰高さが低い間は、脚支援装置が勝手に動き出すことはない。即ち、立ち上がり動作の開始、及び、開始からしばらくの間は、ユーザが立ち上がり動作を主導できる。

腰高さが高くなるにつれて上限トルクが増大する。そのため、脚支援装置の出力トルクが偏差に比例するようになる。即ち、腰高さが高くなると、角度制御が立ち上がり動作を主導する。従って、脚支援装置は、確実にユーザを立位まで誘導する。このように、本明細書が開示する脚支援装置は、開始時においては立ち上がり動作のイニシアチブをユーザに与える。そしてこの脚支援装置は、腰高さが高くなると動作のイニシアチブをとり、立位まで確実にユーザをガイドする。

腰高さに応じて上限トルクを変化させることによって、コントローラは、腰高さが低いときは実質的にはトルク制御として機能し、腰高さが高くなると角度制御にスムースに切り換わる。この脚支援装置は、腰高さに応じてトルク制御から角度制御にスムースに切り換わる制御ルールを実現している。そのような制御ルールによって、この脚支援装置は、立ち上がり始めるタイミングをユーザが決めることを許容するとともに、立位姿勢まで確実にガイドすることができる。

腰の高さは、膝関節角に対応している。従って、脚支援装置は、腰の高さを計測するセンサとして、実際には、膝関節角（下腿リンクの回転角）を計測する角度センサを採用することができる。ここでは、膝関節角は、膝裏側における大腿と下腿のなす角度として定義される。そのような定義によると、立ち上がるにつれて膝関節角は大きくなる。そのような定義によると、「ユーザの腰高さが高くなるにつれてトルクリミッタの上限値を増加させる」ことは、「膝関節角が大きくなるにつれてトルクリミッタの上限値を増加させる」ことに相当する。

また、腰の高さは、鉛直方向に対するユーザの大腿のピッチ軸回りの傾斜角にも対応している。従って、脚支援装置は、腰の高さを計測するセンサとして、実際には、鉛直方向に対する大腿のピッチ軸回りの傾斜角を計測するセンサを採用することができる。従って別言すれば、「ユーザの腰高さが高くなるにつれてトルクリミッタの上限値を増加させる」ことは、「鉛直に対する大腿のピッチ軸回りの傾斜角が小さくなるにつれてトルクリミッタの上限値を増加させる」ことに相当する。

もちろん、脚支援装置は、腰高さを計測するセンサとして、腰と床（又は椅子の座面）との間の距離を計測する距離センサを採用してもよい。

本明細書の脚支援装置が備える制御ルールは、腰高さが低い場合にはトルク制御に実質的に等価であり、腰高さが高い場合には角度制御に本質的に等価である。この脚支援装置の制御ルールは、腰が上がるにつれてトルク制御から角度制御にスムースに切り換わる。そのような制御ルールを採用した脚支援装置は、ユーザの立ち上がり動作を円滑に補助することができる。

脚支援装置の模式的斜視図を示す。脚支援装置の制御系のブロック図を示す。座位姿勢を示す図である。立ち上がり途中の姿勢を示す図である。立位姿勢を示す図である。トルクリミッタの特定を示すグラフである。制御系のフローチャート図である。制御系のフローチャート図である（続き）。他のトルクリミッタの特性を示すグラフである。さらに他のトルクリミッタの特性を示すグラフである。

実施例の脚支援装置１０が有する技術的特徴のいくつかを列挙する。
（特徴１）コントローラ３０は、立ち上がり補助制御を開始してから既定時間内に腰高さが予め定められた閾値高さに達しない場合に、目標角をユーザの座位姿勢に対応する座位角に変更する。或いは、コントローラ３０は、立ち上がり補助制御を開始してから既定時間内に腰高さが予め定められた閾値高さに達しない場合に、トルクリミッタの上限値を増加させる。前者の「既定時間」と後者の「既定時間」は同じでよいし、異なっていてもよい。同様に、前者の「予め定められた閾値高さ」と後者の「予め定められた閾値高さ」は同じであってよいし、異なっていてもよい。

前者の処理は、既定時間内に既定高さまで腰が上がらない場合にスムーズに立ち上がり動作を中止する処理に相当する。後者の処理は、既定時間内に既定高さまで腰が上がらない場合に、出力トルクを徐々に増加する処理に相当する。

前者の処理と後者の処理を併用することも好適である。その場合、コントローラ３０は、立ち上がり補助制御を開始してから第１既定時間内に腰高さが予め定められた第１閾値高さに達しない場合に、トルクリミッタの上限値を増加させ、第１既定時間よりも長い第２既定時間内に腰高さが予め定められた第２閾値高さに達しない場合に、目標角をユーザの座位姿勢に対応する座位角に変更するように構成されていることが好ましい。第１閾値高さは第２閾値高さと同じであってよいし、異なっていてもよい。第１閾値高さと第２閾値高さは、立位に対応する腰高さであってよい。

（特徴２）コントローラ３０は、目標角を座位角に変更するのに先立って下腿リンク５０を振動させる。下腿リンク５０の振動は、目標角が変更されることをユーザに伝える合図の役割を果す。

本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は、実施例の脚支援装置１０の外観図である。図１に示すように、脚支援装置１０は、ユーザ１００の脚に装着される。この実施例では、脚支援装置１０は、ユーザ１００の左脚に取り付けられる。この脚支援装置１０は、後述するようにユーザの左膝関節にトルクを加えるモータ４２を備えている。モータの制御ルールを変更することによって、この脚支援装置１０は、歩行動作を補助したり、立ち上がり動作を補助したり、着座動作を補助することができる。脚支援装置１０は、例えば、一方の脚の膝関節を自由に動かすことができないユーザ１００のリハビリテーションに用いられる。脚支援装置１０を用いることで、ユーザ１００の機能回復を促進するとともに、ユーザ１００を介助する介助者の労力を低減することも可能となる。本実施例の説明は、立ち上がり動作の補助に焦点を当てる。しかしながら、脚支援装置１０は、制御ルールを変更することによって、歩行動作の補助にも利用することができることに留意されたい。

本実施例の説明で用いる座標系について説明する。脚支援装置１０を装着したユーザ１００の前後方向にＸ軸を定め、ユーザ１００の左右方向にＹ軸を定め、ユーザ１００の上下方向にＺ軸を定める。なお、Ｘ軸の正方向はユーザ１００の前方とし、Ｙ軸の正方向はユーザ１００の左方とし、Ｚ軸の正方向はユーザ１００の上方とする。なお、ロボット工学の分野では、ロボット（本実施例では人体）に固定された座標系における上記Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸は、夫々、ロール軸、ピッチ軸、及び、ヨー軸と呼ばれる。

脚支援装置１０の機械的構造を説明する。図１に示すように、脚支援装置１０は、コントローラ３０と、大腿リンク２０と、下腿リンク５０と、足リンク９０を備えている。コントローラ３０は、モータ４２（後述）を制御するためのＣＰＵとともにバッテリを内蔵している。コントローラ３０は、脚支援装置１０の各部へ電力を供給するとともに、脚支援装置１０の各部の動作を制御する。コントローラ３０は、例えば、ユーザ１００の体幹（腰）に取り付けられる。コントローラ３０には、ユーザ１００の体幹に固定するための装着ベルト１４が備えられている。なお、コントローラ３０を装着する位置は特に限定されず、例えばユーザ１００の背に装着されてもよい。

大腿リンク２０と下腿リンク５０と足リンク９０は、補助を必要とするユーザ１００の患脚１１０（ここでは左脚）に装着される。詳しくは、大腿リンク２０が大腿１１２に装着され、下腿リンク５０が下腿１１６に装着され、足リンク９０が足１１８に装着される。なお、本明細書では、単に患脚１１０と表現した場合、大腿１１２、膝１１４、下腿１１６のみでなく、足１１８（足首よりも先の部分）も含むものとする。

大腿リンク２０は、大腿支持プレート２２と大腿ベルト２６とフレーム２８を有している。大腿支持プレート２２は、一対のフレーム２８に固定されている。大腿支持プレート２２は、ユーザ１００の大腿１１２の前面に当接する。大腿支持プレート２２は、例えば、繊維強化樹脂で形成されている。大腿支持プレート２２は、金属材料で形成されてもよい。大腿支持プレート２２は、ユーザを支持するのに十分な強度を有する限りにおいて、その材料は特に限定されない。

下腿リンク５０は、下腿支持プレート５２とフレーム５８を有している。下腿支持プレート５２は、一対のフレーム５８に固定されている。下腿支持プレート５２は、ユーザ１００の下腿１１６の前面（膝の下）に当接する。下腿支持プレート５２は、例えば、繊維強化樹脂で形成されている。なお、下腿支持プレート５２は、大腿支持プレート２２と同様に、必要な剛性を有する他の材料で形成されてもよい。

次に、足リンク９０について説明する。図１に示すように、足リンク９０は、フレーム９８と足支持プレート９２と靴９４を有している。足支持プレート９２は、一対のフレーム９８に固定されている。足支持プレート９２は、ユーザ１００の足１１８の下方（足底）に配置される。足支持プレート９２は、例えば、繊維強化樹脂で形成されており、比較的に高い剛性を有している。なお、足支持プレート９２は、大腿支持プレート２２及び下腿支持プレート５２と同様に、必要な剛性を有する他の材料で形成されてもよい。

靴９４は、足支持プレート９２の上面（足１１８に対向する面）に設けられている。靴９４は、一般的な靴と同じ形態のものである。靴９４は、ユーザ１００の足１１８のサイズや形状に応じて変更できるように、足支持プレート９２に対して着脱可能に取り付けられている。靴９４は、例えば面ファスナによって足支持プレート９２に固定される。足支持プレート９２には、患脚の足底に加わる荷重を検知する荷重センサ９６が埋め込まれている。荷重センサ９６が計測する荷重データは、コントローラ３０へ送られる。

大腿リンク２０と下腿リンク５０は、一対の回転ジョイント４０を介して接続されている。一対の回転ジョイント４０の夫々は、ピッチ軸（Ｙ軸）の一軸回りの回転ジョイントであり、大腿リンク２０のフレーム２８と、下腿リンク５０のフレーム５８を、回転可能に接続している。即ち回転ジョイント４０は下腿リンク５０を大腿リンク２０に回転可能に連結している。なお、大腿リンク２０のフレーム２８の固定位置、及び、下腿リンク５０のフレーム５８の固定位置は、ユーザ１００の体型に応じて調整可能となっている。

患脚１１０の外側に位置する回転ジョイント４０は、モータ４２、角度センサ（エンコーダ）４３、減速機を内蔵している。この回転ジョイントは、下腿リンク５０を大腿リンク２０に対して相対的に回転させる駆動ユニットに相当する。回転ジョイント４０は、電気ケーブル１６を介してコントローラ３０に接続されており、コントローラ３０から供給される電力によって駆動されるとともに、その動作はコントローラ３０によって制御される。下腿リンク５０の制御については後述する。

角度センサ４３は、下腿リンク５０の回転角を計測する。下腿リンク５０の回転角は、ユーザ１００の膝関節角に相当する。後述するように、本実施例では、下腿リンク５０の回転角（膝関節角）は、膝裏側における大腿と下腿の間の角度として定義される。

下腿リンク５０と足リンク９０は、一対の足首回転ジョイント７０を介して接続されている。一対の足首回転ジョイント７０の夫々はピッチ軸一軸回りの回転機構であり、足リンク９０のフレーム９８を、下腿リンク５０のフレーム５８に対して相対的に回転可能に接続している。足首回転ジョイント７０への足リンク９０の固定位置は、ユーザ１００の体型に応じて調整可能となっている。

以上説明したように、脚支援装置１０は、ユーザの脚に装着され、膝関節にトルクを加えることによって下腿１１６の動きを支援する。以下、脚支援装置１０がユーザの立ち上がり動作を補助するときの制御について説明する。

図２に脚支援装置１０の制御系（コントローラ３０）のブロック図を示す。コントローラ３０は、フィードバック制御モジュール３２、トルクリミッタ３４、及び、トルク調整モジュール３６を備えている。コントローラ３０は、下腿リンク５０の回転角Ａｓを目標角Ａｒに一致させるようにモータ４２を制御する。詳しくは、コントローラ３０のフィードバック制御モジュール３２が、下腿リンク５０の目標角Ａｒと下腿リンク５０の回転角Ａｓの偏差にゲインを乗じて目標トルクＴｒを算出する。なお、回転角Ａｓは、角度センサ４３によって計測される。フィードバック制御モジュール３２にはＰＩＤ制御ルールが実装されており、偏差（Ａｒ−Ａｓ）に応じた目標トルクＴｒを出力する。ＰＩＤ制御ルールは良く知られているので具体的な構成の説明は省略する。フィードバック制御モジュール３２は、ＰＩＤ以外の制御ルール、たとえばＨ無限大制御ルールを採用してもよい。

目標トルクＴｒはトルクリミッタ３４に入力される。トルクリミッタ３４は、目標トルクＴｒを与えられた上限トルクＴｍａｘ以下に制限する。トルクリミッタ３４の出力がモータ４２への指令トルクＴｃに相当する。モータ４２は指令トルクＴｃに相当する大きさのトルクを出力する。

「目標トルク」も、モータ４２（アクチュエータ）へ出力する指令トルクに相当する。後述するように、コントローラ３０は、トルクリミッタによって制限された指令トルクをモータ４２へ出力する。トルクリミッタによって制限された「指令トルク」と区別するために、トルクリミッタに入力される前の指令トルクを「目標トルク」と称する。

上限トルクＴｍａｘは、トルク調整モジュール３６によって下腿リンク５０の回転角Ａｓに応じて変更される。なお、回転角Ａｓは、ユーザの腰高さＨに対応する。このことを図３Ａ−図３Ｃを用いて説明する。図３Ａは座位姿勢を模式的に示している。図３Ｃは立位姿勢を模式的に示している。図３Ｂは、立ち上がる途中の姿勢を模式的に示している。図３Ａ−３Ｃにおいて、直線Ｌ１は大腿の中心線を示しており、直線Ｌ２は下腿の中心線を示している。大腿の中心線Ｌ１は大腿の長手方向に沿って伸びる直線であり、下腿の中心線Ｌ２は下腿の長手方向に沿って伸びる直線である。下腿リンク５０の回転角Ａｓは、ユーザの膝関節角に相当する。ユーザの膝関節角、即ち下腿リンク５０の回転角Ａｓは、膝の裏側における大腿リンクと下腿リンクの間の角度で定義される。より詳しくは、回転角Ａｓは、膝裏側にて大腿の中心線Ｌ１と下腿の中心線Ｌ２の間の角度として定義される。図３Ａに示すように、座位姿勢における回転角Ａｓ１はほぼ９０度である。図３Ｃに示すように、立位姿勢における回転角Ａｓ３はほぼ１８０度である。立ち上がり途中における回転角Ａｓ２は９０度（Ａｓ１）と１８０度（Ａｓ３）の間にある。座位姿勢に対応する回転角Ａｓ１を座位角と称し、立位姿勢に対応する回転角Ａｓ３を立位角と称する。

図３Ａ−３Ｃにおいて、符号Ｈは腰の高さを示している。立ち上がり動作においては、腰高さＨの増加とともに膝関節角（即ち下腿リンク５０の回転角Ａｓ）は単調増加する。従って、立ち上がり動作においては、腰の高さＨは回転角Ａｓに一意に対応する。即ち、座位のときの腰高さＨ１には座位角Ａｓ１が対応し、立位のときの腰高さＨ３には立位角Ａｓ３が対応する。また、立ち上がる途中の腰高さＨ２には回転角Ａｓ２が対応する。このように、立ち上がり動作補助の際、下腿リンク５０の回転角は腰の高さを表わす。

コントローラ３０のトルク調整モジュール３６は、腰高さＨ（即ち下腿リンク５０の回転角Ａｓ）に応じてトルクリミッタ３４内の上限トルクＴｍａｘを変更する。具体的にはトルク調整モジュール３６は、腰高さＨが高くなるにつれて（下腿リンク５０の回転角Ａｓが大きくなるにつれて）、上限トルクＴｍａｘを増加させる。図４に、上限トルクＴｍａｘの変化の一例を示す。座位に相当する腰高さＨ１（座位角Ａｓ１に相当する）では上限トルクＴｍａｘはＴ１であり、立位に相当する腰高さＨ３（立位角Ａｓ３に相当する）では上限トルクＴｍａｘはＴ２である。上限トルクＴｍａｘは、腰高さＨが増加するにつれてＴ１からＴ２まで単調増加する。ここで、上限トルクＴ１は、ユーザの体重を支持するには足りない大きさに設定される。トルク調整モジュール３６は、図４のグラフの関係に基づいてトルクリミッタ３４内の上限トルクＴｍａｘを変更する。トルクリミッタ３４は、目標トルクＴｒを上限トルクＴｍａｘで制限する。即ち、図４は、トルクリミッタ３４の動作特性を規定している。制限された後のトルクがモータ４２へ出力される指令トルクＴｃに相当する。

トルクリミッタ３４（及びトルク調整モジュール３６）の利点を説明する。腰高さＨが低い間は、目標角Ａｒと回転角Ａｓとの偏差が大きくとも、上限トルクＴｍａｘ（＝Ｔ１）によってモータ４２の出力トルクが制限される。腰高さが低い間は偏差（Ａｒ−Ａｓ）に関わらずに一定のトルクが出力されるので、その期間ではコントローラ３０は実質的にはトルク制御ルールに基づいてモータ４２を制御する。

腰高さが低いときの上限トルクＴ１は、ユーザの体重を支えるのには不十分なほど小さい値に設定される。従って、腰高さが低い間は、ユーザが筋力を出さないと腰が上がり始めない。即ち、立ち上がり動作の開始、及び、開始からしばらくの間は、ユーザが立ち上がり動作を主導できる。立ち上がり動作の開始は脚支援装置１０が勝手に決めるのではなく、ユーザが決めることができる。

腰高さが高くなるにつれて上限トルクＴｍａｘが増大する。そのため、脚支援装置１０の出力トルクが偏差（Ａｒ−Ａｓ）に比例するようになる。即ち、腰高さが高くなると、角度制御が優勢となる。腰高さが高くなると、角度制御が立ち上がり動作を主導する。従って、脚支援装置１０は、確実にユーザを立位まで誘導する。このように、脚支援装置１０は、開始時においては実質的にトルク制御に基づいてユーザの下腿を補助し、立ち上がり動作のイニシアチブをユーザに与える。そして脚支援装置１０は、腰高さが高くなると角度制御が支配的になって立ち上がり動作のイニシアチブをとり、立位姿勢に至るまで確実にユーザをガイドする。

コントローラ３０が実行する処理を図５と図６のフローチャートに沿って詳しく説明する。コントローラ３０は、制御が起動されるとまずタイマをスタートする（Ｓ２）。タイマが計測する経過時間を符号Ｔｍで表す。Ｔｍは、立ち上がり補助制御を開始してからの経過時間を表す。次にコントローラ３０は、立位姿勢に相当する下腿リンク５０の回転角（立位角Ａｓ３）を目標角Ａｒに設定する（Ｓ４）。図３Ｃに示すように、立位角とは、ユーザが立位姿勢をとったときの下腿リンク５０の回転角に相当し、概ね１８０度である。

次にコントローラ３０は、角度センサ４３によって下腿リンク５０の回転角Ａｓを取得する（Ｓ６）。コントローラ３０は、図４に示したグラフの関係に基づいて、回転角Ａｓに応じて上限トルクＴｍａｘを調整する（Ｓ８）。コントローラ３０は、目標角Ａｒと回転角Ａｓの偏差にＰＩＤ制御則を適用し、目標トルクＴｒを算出する（Ｓ９）。ここで、コントローラ３０（トルクリミッタ３４）は、目標トルクＴｒを上限トルクＴｍａｘで制限する。制限された目標トルクが指令トルクＴｃに相当する。コントローラ３０は、上限トルクＴｍａｘで制限された指令トルクＴｃをアクチュエータ４２へ出力する（Ｓ１０）。モータ４２は指令トルクＴｃに相当するトルクを出力する。出力トルクが膝関節に加えられ、ユーザの立ち上がる動作が補助される。

コントローラ３０は、回転角Ａｓが目標角Ａｒに一致するまでステップＳ６からＳ１０までの処理を繰り返す。回転角Ａｓが目標角Ａｒ（立位角Ａｓ３）に一致すると制御を終了する（Ｓ１２：ＹＥＳ）。なお、前述したように、回転角Ａｓが大きくなるにつれて（腰高さが高くなるにつれて）、上限トルクＴｍａｘが増加することに留意されたい。

立ち上がり補助のための制御開始からの経過時間Ｔｍが第１既定時間Ｔｍ１に達しない間はステップＳ６からＳ１２の処理が繰り返される（Ｓ１４：ＮＯ）。経過時間Ｔｍが第１既定時間Ｔｍ１を超えても回転角Ａｓが目標角Ａｒに到達しない場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、ステップＳ１６に処理が移行する（図６参照）。

ステップＳ１６においてコントローラ３０は、経過時間Ｔｍが第２既定時間Ｔｍ２を超えているか否かをチェックする。第２既定時間Ｔｍ２を超えていない場合、上限トルクに乗じる係数に１．５を代入する（Ｓ１８）。そしてステップＳ６に戻る。「上限トルクに乗じる係数」は、ステップＳ８で調整された上限トルクＴｍａｘにさらに乗じる係数である。ステップＳ１６が実行されると、ステップＳ８で算出される上限トルクＴｍａｘが１．５倍される。即ち、コントローラ３０は、立ち上がり補助制御を開始してから予め既定時間Ｔｍ１内に腰高さが予め定められた閾値高さに達しない場合に、トルクリミッタの上限値を増加させる。一定時間経過しても腰が上がらない場合、コントローラ３０はこの処理によってユーザに加えるトルクを増加する。ユーザに加えるトルクが増大するので立ち上がり補助が助長される。

第２既定時間Ｔｍ２は第１既定時間Ｔｍ１よりも長い時間に設定される。経過時間Ｔｍが第２既定時間Ｔｍ２を超えている場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、コントローラ３０は、モータ４２を制御し、下腿リンク５０を僅かの時間の間、振動させる（Ｓ２０）。次にコントローラ３０は、座位姿勢に対応する回転角Ａｓ（座位角Ａｓ１）まで目標角Ａｒを漸減させる（Ｓ２２、Ｓ２８）。即ちコントローラ３０は、立ち上がり補助制御を開始してから第２既定時間Ｔｍ２内に腰高さが予め定められた閾値高さに達しない場合に、目標角Ａｒを座位角Ａｓ１に変更する。コントローラ３０は、目標角Ａｒを漸減している間、回転角Ａｓを取得し（Ｓ２４）、取得した回転角Ａｓと目標角Ａｒとの偏差に基づき指定トルクＴｃを出力する（Ｓ２６）。即ちコントローラ３０は、変化する目標角Ａｒに応じた指令トルクＴｃを出力する（Ｓ２６）。

ステップＳ２２からＳ２８の処理は、第２既定時間Ｔｍ２を超えても立ち上がり始めなかった場合に、立ち上がり動作をスムースに終了する処理に相当する。目標角Ａｒを立位角Ａｓ３から座位角Ａｓ１に漸減させることによって、モータ４２が出力するトルクも漸減する。最終的には座位姿勢で出力トルクがゼロとなる。

コントローラ３０は、目標角Ａｒを座位角Ａｓ１に変更するのに先立って下腿リンク５０を振動させる（Ｓ２０）。この処理は、目標角Ａｒの変更をユーザに知らせる利点を与える。

以上、本発明の好適な実施形態を説明した。実施例の脚支援装置１０の好適な変形例を説明する。コントローラ３０は、図４に示したグラフ以外の態様で上限トルクを変更してもよい。図７と図８に、上限トルクＴｍａｘの別のグラフを示す。コントローラ３０は、図７のグラフ、或いは図８のグラフに従って上限トルクを変更してもよい。図７のグラフは、腰高さが高くなるにつれて上限トルクＴｍａｘをステップ状に増加させる例を示している。図８のグラフは、座位姿勢における腰高さＨ１と立位姿勢における腰高さＨ３の間に位置する中間腰高さＨ２より低い場合は上限トルクＴｍａｘにＴ１を設定し、中間腰高さＨ２よりも高い場合は上限トルクＴｍａｘにＴ２を設定することを示している。図８のグラフの場合、コントローラ３０は、座位姿勢における腰高さＨ１と立位姿勢における腰高さＨ３の間に位置する中間腰高さＨ２より低い場合は上限トルクＴｍａｘにＴ１を設定し、中間腰高さＨ２よりも高い場合は上限トルクＴｍａｘにＴ２を設定する。別言すれば、コントローラ３０は、下腿リンク５０の回転角Ａｓが、座位姿勢に相当する座位角Ａｓ１と立位姿勢に相当する立位角Ａｓ３の間に位置する中間角Ａｓ２より低い場合は上限トルクＴｍａｘにＴ１を設定し、中間腰高さＨ２よりも高い場合は上限トルクＴｍａｘにＴ２を設定する。トルクＴ２はＴ１よりも大きい。

実施例の脚支援装置１０では、腰高さを計測（推定）するために下腿リンク５０の回転角を計測する角度センサを採用した。腰高さは、鉛直方向に対する大腿のピッチ軸回りの傾斜角とも一意に対応している。即ち腰高さが高くなるにつれて傾斜角は単調減少する。従って腰高さを計測（推定）するセンサとして、鉛直方向に対する大腿のピッチ軸回りの傾斜角を計測する傾斜センサを採用することもできる。その場合コントローラ３０は、目標角をユーザの立位姿勢に対応する立位角に設定するとともに、大腿の傾斜角が小さくなるにつれてトルクリミッタの上限値を増加させる。なお前述したように、「大腿の傾斜角」とは、詳しく表現すると、鉛直方向に対する大腿のピッチ軸回りの傾斜角に相当する。

実施例の脚支援装置はアクチュエータとして電動モータを備えている。脚支援装置は、油圧モータ、空気圧モータなどを採用してもよい。実施例の脚支援装置は、膝関節の動きを補助する。脚支援装置は、股関節、及び／又は、足首関節にトルクを加えるアクチュエータを備えていてもよい。

脚支援装置のコントローラ３０は、要約すると次のステップ群を含む立ち上がり補助方法を実現する。
（１）下腿リンクの回転角を計測するステップ。このステップは、図５のＳ６に相当する。
（２）下腿リンクの回転角と目標角の偏差に基づいてアクチュエータへの指令トルクを算出するステップ。このステップは、図５のＳ９に相当する。
（３）算出された指令トルクが上限トルクより大きい場合は指令トルクを上限トルクに変更するステップ。この処理は、図５のＳ９に含まれる。
（４）変更後の指令トルクをアクチュエータへ出力するステップ。この処理は、図５のＳ１０に相当する。
なお、コントローラ３０は、目標角をユーザの立位姿勢に対応する立位角に設定する（Ｓ４）。またコントローラ３０は、ユーザの腰高さが高くなるにつれてトルクリミッタの上限値を増加させる（Ｓ８）。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：脚支援装置、１２：コントローラ、２０：大腿リンク、３０：コントローラ、３２：フィードバック制御モジュール、３４：トルクリミッタ、３６：トルク調整モジュール、４０：膝関節機構、４２：モータ（アクチュエータ）、４３：角度センサ、５０：下腿リンク、９６：荷重センサ、１００：ユーザ、１１０：患脚、１１２：大腿、１１４：膝、１１６：下腿

Claims

ユーザの立ち上がり動作を補助する脚支援装置であり、
ユーザの大腿に装着される大腿リンクと、
ユーザの下腿に装着される下腿リンクと、
下腿リンクを大腿リンクに回転可能に連結しており、下腿リンクを回転させるアクチュエータを備えている回転ジョイントと、
下腿リンクの回転角と目標角の偏差に基づいてアクチュエータへの指令トルクを算出するフィードバック制御モジュールを有しており、下腿リンクの回転角を目標角に一致させるようにアクチュエータを制御するコントローラと、を備えており、
コントローラは、
フィードバック制御モジュールが算出した指令トルクの大きさを制限するトルクリミッタを備えており、
目標角をユーザの立位姿勢に対応する立位角に設定するとともに、ユーザの腰高さが高くなるにつれてトルクリミッタの上限値を増加させることを特徴とする脚支援装置。
コントローラは、立ち上がり補助制御を開始してから既定時間内に腰高さが予め定められた閾値高さに達しない場合に、目標角をユーザの座位姿勢に対応する座位角に変更することを特徴とする請求項１に記載の脚支援装置。
コントローラは、立ち上がり補助制御を開始してから既定時間内に腰高さが予め定められた閾値高さに達しない場合に、トルクリミッタの上限値を増加させることを特徴とする請求項１又は２に記載の脚支援装置。
目標角を座位角に変更するのに先立って下腿リンクを振動させることを特徴とする請求項２に記載の立ち上がり脚支援装置。
脚支援装置を使った立ち上がり動作の補助方法であり、脚支援装置は、ユーザの大腿と下腿に夫々装着される大腿リンク及び下腿リンクと、下腿リンクを大腿リンクに回転可能に連結しており、下腿リンクを回転させるアクチュエータを備えており、前記補助方法は、
下腿リンクの回転角を計測するステップと、
下腿リンクの回転角と目標角の偏差に基づいてアクチュエータへの指令トルクを算出するステップと、
算出された指令トルクが上限トルクより大きい場合は指令トルクを上限トルクに変更するステップと、
変更後の指令トルクをアクチュエータへ出力するステップと、を備えており、
目標角をユーザの立位姿勢に対応する立位角に設定するとともに、ユーザの腰高さが高くなるにつれてトルクリミッタの上限値を増加させることを特徴とする立ち上がり動作支援方法。