WO2006022057A1 - 歩行補助装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

　　【課題】躓くなどの不測の事態に遭遇した際の使用者の反射的な行動に対する処理を的確化し得る歩行補助装置の制御装置を提供する。 　　【解決手段】股関節或いは膝関節に対応する位置に設けられたアクチュエータ（ＴＡ１・ＴＡ２）と、対応する関節を屈伸するために要する労力を軽減するように、同関節に対する補助力を計算し、それに基づいて前記アクチュエータを制御するコントローラとを有する歩行補助装置の制御装置であって、歩行状態を検出するためのセンサ（３１）と、センサからの出力に基づき異常な歩行状態を検出するための判定ユニット（３６）と、判定ユニットが異常な歩行状態を検出したときに、正常モード（３９）に於いてコントローラがアクチュエータを制御するのとは異なる要領で制御するような異常モード（４０，４１）に切り替えるための切り替えユニットとを有し、異常検知時は、異常時動作モードに切り換わるようにした。

Description

明 細 書

歩行補助装置の制御装置

技術分野

[0001] 本発明は、使用者の股関節並びに膝関節の少なくともいずれか一方に対応する位 置にパワーァクチユエータを配置し、脚部の運動に対する補助力を付加するための 歩行補助装置の制御装置に関する。

背景技術

[0002] 寝たきり患者の介護作業などで自らの脚力以上の力を出せるように、あるいは加齢 による筋力低下で自力歩行が困難となった人のために、電動モータなどのトルクァク チユエータを股関節や膝関節の側方に装着し、トルクァクチユエータが発生する回転 力で下肢の運動を補助するようにした筋力補助装置が種々提案されて ヽる (特許文 献 1を参照されたい)。

[0003] 下記文献 1に記載のパワーアシスト装置においては、外骨格型のビームを大腿部 に固定するベルト等の固定具と大腿部の前面との間に設けたセンサと、足裏の爪先 および踵に設けたセンサとで使用者自身の脚部の動きを検出し、これらのセンサの 電気信号によってトルクァクチユエータの駆動力を制御して脚部の屈伸運動を補助 するようにしている。

特許文献 1：特開 2003— 250844号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] しかるに、フィードバック制御によって使用者の脚部の運動補助カをァクチユエータ に発生させる従来の歩行補助装置によると、例えば、躓いて倒れそうになった時など の反射的な転倒回避運動に対応するには、通常よりも素早く足を踏み出すなどしな ければならな 、が、この応答速度を考慮して電動モータや電源回路の容量を設定す ると、電動モータや電源回路が大型化し、装置の重量増大や製造コストの増大を招く 。また、使用者の反射動作に衰えがあり、使用者が発する力をフィードバックしてそれ を倍力する駆動指令をァクチユエータに与えるだけでは、転倒回避運動を十分に補 えないこともあり得た。

[0005] 本発明は、このような従来技術の欠点を解消すべく案出されたものであり、その主 な目的は、躓くなどの不測の事態に遭遇した際の使用者の反射的な行動に対する 処理をより一層的確ィ匕し得る歩行補助装置の制御装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0006] このような目的を達成するために本発明は、使用者の股関節並びに膝関節の少な くともいずれか一方に対応する位置に設けられたァクチユエータ (ΤΑ1 ·ΤΑ2)と、対 応する関節を屈伸するために要する労力を軽減するように、対応する関節に対する 補助力を計算し、それに基づいて前記ァクチユエータを制御するコントローラとを有 する歩行補助装置の制御装置であって、歩行状態を検出するためのセンサ（31)と、 前記センサ力 の出力に基づき異常な歩行状態を検出するための判定ユニット（36) と、前記判定ユニットが異常な歩行状態を検出したときに、正常モード (39)に於いて 前記コントローラが前記ァクチユエータを制御するのとは異なる要領で制御するような 異常モード (40, 41)に切り替えるための切り替えユニットとを有することを特徴とする 歩行補助装置の制御装置を提供することとした。

このような本発明の特徴によれば、躓くなどして歩行姿勢が不安定となった際の最 も合理的な姿勢立て直し運動を記憶させた異常時動作モードを予め設定しておき、 姿勢が異常変化を起こすであろうと予測した際には異常時動作モードに切り換えるこ とにより、最低限の動力で転倒回避運動を行わせることができる。

[0007] 特に、異常時動作モードにおいては、使用者を直立姿勢に向けて付勢したり、ァク チュエータカもの動力の発生又は伝達を遮断したりすると良 、。そのようにすることに より、前者の場合、異常な歩行姿勢を立て直す運動が自動制御されるので、反射機 能が衰えた人の負担を小さくすることができ、或いは、後者の場合、姿勢を立て直そ うとして無理な力を加えないので、定格出力を必要最低限に設定することができ、装 置を大型化せずに済む。

[0008] さらに、好適実施例によれば、センサが、筋肉の緊張度を計測すべく人体に配置さ れ、判定ユニットが、センサの出力値を微分する微分回路と、該微分回路の出力を予 め設定したしきい値と比較する比較回路とを有するものとすると良い。 そのようにすることにより、例えば躓いた人が姿勢を安定させようとして力を入れた 時の筋肉の緊張度合いに応じた量として躓きの程度を検出し得るので、人間の感覚 に一致した検出が可能である上、筋肉の反応を直接検出するので、姿勢が大きく変 化する以前に動揺の兆候を判別することができ、加速度センサやジャイロセンサを用 いる場合に比してタイムラグが少なくて済む。し力も腹部などに筋電位センサなどを 配するのみで検出し得るので、複雑な力学的演算が不要なことと相俟って、異常検 知手段の小型軽量化を推進し得る。

発明を実施するための最良の形態

[0009] 以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。

[0010] 図 1は、本発明が適用される外骨格型歩行補助装置の全体を示す斜視図であり、 図 2は、使用者への装着状態を示す側面図である。図 1に示すように、歩行補助装置 は、使用者の腰部に装着される腰部支持具 1と、使用者の左右の上腿部に装着され る上下に長い棒状をなす上腿部支持具 2と、使用者の左右の下腿部に装着される上 下に長い棒状をなす下腿部支持具 3と、使用者が履いた靴に装着される足部支持具 4とからなっている。ここで言う「上腿部」とは、下肢の股関節から膝関節までの部分を 指し、ここで言う「下腿部」とは、下肢の膝関節力も踝 (くるぶし)関節までの部分を指 すものとする。

[0011] 腰部支持具 1は、図 3に示すように、比較的剛性の高い部材で上面視略 U字形 (コ の字形）に形成された基部 laと、基部 laの開かれた前端部に結合した弾性に富む 薄板材で形成された一対の開閉部 lbとからなり、全体として前方中央部が開放され た C字形をなしている。また基部 laの中央部は左右方向に伸縮可能にされ、左右の 開閉部 lbは前後方向に摺動可能にされており、これらは、使用者の体格に応じた適 正寸法に設定した上でボルトなどの適宜な固定手段をもって固定されるようになって いる。

[0012] 腰部支持具 1の各側部前端には、対応する側の股関節にトルクを付与する第 1のト ルクァクチユエータ TA1 (図 2)を取り付けるための腰部ァクチユエータベース 5が設 けられている。第 1のトルクァクチユエータ TA1の出力端は上腿部支持具 2の上端に 結合されている。また上腿部支持具 2の下端には、対応する側の膝関節にトルクを付 与する第 2のトルクァクチユエータ TA2 (図 2)を取り付けるための膝部ァクチユエータ ベース 6が設けられている。第 2のトルクァクチユエータ TA2の出力端は下腿部支持 具 3の上端に結合されて 、る。

[0013] 上腿部支持具 2は、第 1のトルクァクチユエータ TA1の出力端及び膝部ァクチユエ ータベース 6に対して、回動軸が前後方向に延在するヒンジ 7a ' 7bを介して屈曲自 在に連結されている。また、下腿部支持具 3の、第 2のトルクァクチユエータ TA2の出 力端及び足部支持具 4に対する連結部も、回動軸が前後方向に延在するヒンジ 8a' 8bを介して屈曲自在に連結されている。そして上腿部支持具 2及び下腿部支持具 3 は、上下に伸縮可能にされると共に、使用者の体格に応じた適正寸法に設定した上 でボルトなどの適宜な固定手段をもってその長さが固定されるようになっている。

[0014] トルクァクチユエータ ΤΑ1 ·ΤΑ2は、クラッチ及び減速機付き電動モータからなり、 そのモータハウジングが、腰部支持具 1及び上腿部支持具 2の下端のそれぞれに設 けられたァクチユエータベース 5 · 6にそれぞれ取り付けられ、その出力端即ちロータ が上腿部支持具 2及び下腿部支持具 3の上端にそれぞれ固定されて 、る。これによ り、股関節 (腰部支持具 1と上腿部支持具 2との間の連結部)並びに膝関節 (上腿部 支持具 2と下腿部支持具 3との間の連結部)の意図された運動に対応した補助的なト ルクが与えられる。なお、両トルクァクチユエータ ΤΑ1 ·ΤΑ2は、それぞれ対応する各 ァクチユエータベース 5 · 6に対して反復着脱可能なねじ手段などを介して取り付けら れており、保守'整備の簡略ィ匕が図られている。

[0015] 各上腿部支持具 2は、適宜な上下間隔をおいて連結してなる一対の弾性 C字形部 材 9を有する。 C字形部材 9は、上腿部支持具 2の上下方向中間位置に一体的に摺 動可能に結合され、上腿部支持具 2を上腿部に保持するべく適合されている。各下 腿部支持具 3は、同様に、適宜な上下間隔をおいて連結してなる一対の弾性 C字形 部材 10を有する。 C字形部材 10は、下腿部支持具 3の上下方向中間位置に一体的 に摺動可能に結合し、下腿部支持具 3を下腿部に保持するべく適合されている。

[0016] 下腿部支持具 3と足部支持具 4との連結部 11は、左右方向に延在する軸上で回動 可能になっており、足首の通常の運動に追従可能になっている。

[0017] 腰部支持具 1の中央部には、図示されない補機類との結合部が設けられる背当て 板 12が取り付けられている。例えば、制御回路やバッテリーは、背当て板 12に取り付 けられる。

[0018] 上腿部支持具 2に対する C字形部材 9の連結部並びに、下腿部支持具 3に対する C字形部材 10の連結部には、図 4に併せて示すように、軸力センサ 21が介設されて いる。この軸力センサ 21は、図 5に示したように、板材の 4ケ所を L字形に切除するこ とで十文字をなす 4つの可撓腕部 21aとその周囲の枠部 21bとを形成してなるもので あり、例えば、機械構造用炭素鋼等の板材から機械加工によって形成されており、 4 つの可撓腕部 21aのそれぞれに、例えば抵抗線歪みゲージなどの変位センサ（図示 せず）が貼り付けられている。そして、各 C字形部材 9、 10が 4つの可撓腕部 21aが交 差する中心部に固定され、上腿部支持具 2並びに下腿部支持具 3に設けられたガイ ドレール 13に摺合した摺動部材 14に枠部 21bが固定されている。

[0019] この軸力センサ 21により、上下、左右、前後に複合的に作用する力が検出可能で あり、上腿部支持具 2と C字形部材 9の基部との間、並びに下腿部支持具 3と C字形 部材 10の基部との間に作用する略全方向についての力を検出することができる。

[0020] 例えば、股関節を中心に上腿部を前方へ振り出すと、上腿部支持具 2の C字形部 材 9に前方へ押す力が加わり、これを軸力センサ 21が検知する。そこでこの力がゼロ になるように股関節の側方に配置されたトルクァクチユエータ TA1にトルクを発生さ せることにより、使用者の上腿部の動きに上腿部支持具 2を追従させることができる。 また静止時に軸力センサ 21が何らかの力を検出していると言うことは、使用者の脚部 に歩行補助装置の重量が加わって 、ることを意味して 、るので、軸力センサ 21に検 出される力が可能な限り小さくなるように両トルクァクチユエータ ΤΑ1 ·ΤΑ2の出力を フィードバック制御すれば、歩行補助装置の自重による荷重の殆どを靴底力も床面 に逃がして、床面力 の反力によりキャンセルすることが可能となり、使用者の負担を 著しく低減することができる。

[0021] ところで、人は、通常脊柱の周囲の筋肉を緊張させて直立姿勢を維持しょうとして いる。そして直立姿勢が不安定になりそうなときは、瞬時に左右の外腹斜筋の緊張力 を拮抗させて上体を安定させようとすることが知られている。この人が本来備えている 姿勢保持反応に着目し、腹部周囲の筋肉の緊張状態を観察し、その反応を検出す ることにより、歩行姿勢が異常状態となりそうなことを早期に検出することができる。

[0022] 筋肉の緊張状態の観察手段としては、皮膚の表面に電極を張り付けることによって 筋肉の活動電位を検出する表面誘導法が知られている。具体的に言うと、直径約 10 mmの複数の表面電極を、外腹斜筋の筋繊維に沿って電極間の距離を 15mmとし て体表面に貼り付け、外腹斜筋の活動電位を検出する。ここで表面電極の数は、適 宜に決定される。

[0023] 図 6に示したように、上記のような筋電センサ 31が捉えた筋電信号を信号入力回路 32に入力したならば、これを整流回路 33で全波整流し、平滑化回路 34にて移動平 均をとるなどして平滑ィ匕する。そして平滑ィ匕した値を微分回路 35に入力して微分し、 この微分値を比較回路 36に入力して所定のしきい値 37と比較する。その結果、しき い値よりも低ければ、軸力センサ 31の出力のフィードバック制御による通常モード 39 での補助動力付加制御の継続を判定回路 38が判断し、しきい値 37よりも高ければ、 例えば躓き兆候大など、歩行状態が異常であることを判定回路 38が判断し、軸カセ ンサ 31の出力に基づくフィードバック制御を停止し、使用者の障害の程度に応じて 強制転倒回避モード 40あるいは動力遮断モード 41に切り換える。

[0024] ここで強制転倒回避モード 40は、股関節並びに膝関節に設けたトルクァクチユエ ータ ΤΑ1 ·ΤΑ2の回転角と上記した筋電信号のパターンとから姿勢変化の推移を推 定し、転倒を回避するのに最も合理的な運動を軸足に行わせるように、予め設定され たトルク目標値に従って各トルクァクチユエータ TA1 ·ΤΑ2を自動制御するものであ る。そして動力遮断モード 41は、各トルクァクチユエータ ΤΑ1 ·ΤΑ2が発生する補助 動力では転倒を回避し得ないと判断された場合は、各トルクァクチユエータ TA1 ·Τ Α2に組み込まれたクラッチを切断するなどして各トルクァクチユエータ ΤΑ1 ·ΤΑ2の 上腿部支持具 2並びに下腿部支持具 3への動力伝達を断ち、使用者を倒れるに任 せることである。

[0025] 特に、動力遮断モード 41での転倒に備え、図 3に例示したように、腰部支持具 1に おける U字形をなす基部 laの使用者の腰部 Ηにおける左右の腸骨陵部 43 (骨盤側 面端点)から仙腸関節 44 (脊柱と骨盤の接合点)の後背面に対応する部位に緩衝パ ッド 46c〜46eを介装し、また左右一対の開閉部 lbにおける左右の腸骨棘部 45 (骨 盤前面端点）に対応する部位に緩衝パッド 46a '46bを介装するものとすれば、腰部 支持具 1がプロテクターとなるので、転倒によるダメージ力も使用者の腰部 Hを保護 することができる。

[0026] なお、上記実施例に示したように、筋電位の微分値、つまり単位時間当たりの変化 量で判定するものとすれば、急峻に変化する場合にのみ反応し、電位のピーク値が 大きくても、ゆっくりと変化する場合には反応しない。つまり、姿勢の変化量自体が大 きくても、通常モードでリカノリーできるような緩慢な変化の場合には応答しない。ま た変化量の絶対値で判定するのではな 、ので、センサ出力がオフセットするなどして も誤検知しない、という副次的なメリットもある。

[0027] 筋肉の収縮反応を検出する方法としては、上述の筋電位計測法の他に、圧電セン サを用いて筋肉の硬さを計測する方法も知られて 、るが、これら各種の筋肉の緊張 度の計測法を単独で、あるいは適宜に組み合わせて用いることができる。また本発明 は、上記した外骨格型の歩行補助装置に限らず、形状記憶合金、高分子材あるいは 空気圧を用いたァクチユエータ (必要ならば、特開 2002— 48053号公報を参照され たい）にも適用可能である。

[0028] 以上、本発明を特定の実施例について説明したが、当業者であれは容易に理解で きるように、本発明の発明概念力 逸脱することなく様々な変形 ·変更が可能であつ て、本発明の発明概念は、添付の請求の範囲に記載された通りである。

図面の簡単な説明

[0029] [図 1]本発明が適用された歩行補助装置の装着具の全体斜視図である。

[図 2]歩行補助装置の人体への装着状態を示す側面図である。

[図 3]腰部支持具の上面図である。

圆 4]装着具の要部背面図である。

[図 5]軸力センサの斜視図である。

[図 6]制御モード切り換えの制御フローに係わる説明図である。

符号の説明

[0030] 31 筋電センサ

32 信号入力回路 微分回路

比較回路

しきい値

判定回路

通常モード 強制転倒回避モード 動力遮断モード

Claims

請求の範囲

[1] 使用者の股関節並びに膝関節の少なくともいずれか一方に対応する位置に設けら れたァクチユエータと、対応する関節を屈伸するために要する労力を軽減するように 、対応する関節に対する補助力を計算し、それに基づいて前記ァクチユエ一タを制 御するコントローラとを有する歩行補助装置の制御装置であって、

歩行状態を検出するためのセンサと、

前記センサ力 の出力に基づき異常な歩行状態を検出するための判定ユニットと、 前記判定ユニットが異常な歩行状態を検出したときに、正常モードに於いて前記コ ントローラが前記ァクチユエータを制御するのとは異なる要領で制御するような異常 モードに切り替えるための切り替えユニットとを有することを特徴とする歩行補助装置 の制御装置。

[2] 前記異常モードに於いては、前記コントローラが、前記ァクチユエータにより、使用 者を直立姿勢に向けて付勢することを特徴とする請求項 1に記載の歩行補助装置の 制御装置。

[3] 前記異常時動作モードに於いては、前記コントローラが、前記ァクチユエータからの 動力の発生又は伝達を遮断するものであることを特徴とする請求項 1に記載の歩行 補助装置の制御装置。

[4] 前記センサが、筋肉の緊張度を計測すべく人体に配置され、前記判定ユニットが、 前記センサの出力値を微分する微分回路と、該微分回路の出力を予め設定したしき V、値と比較する比較回路とを有するものであることを特徴とする請求項 1に記載の歩 行補助装置の制御装置。