WO2011052032A1

WO2011052032A1 - 歩行補助装置

Info

Publication number: WO2011052032A1
Application number: PCT/JP2009/068380
Authority: WO
Inventors: 英祐青木
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2011-05-05

Abstract

歩行補助装置（１０）は、ユーザの大腿に装着される上部リンク（１４）と、下腿に装着される下部リンク（１６）と、上部リンク（１４）と下部リンク（１６）を連結する駆動ジョイント（２０ｂ）と、ラチェット機構（４０）を備える。ラチェット機構（４０）は、駆動ジョイント（２０ｂ）への係合と解放とに切り替えが可能である。ラチェット機構（４０）は、係合すると下部リンク（１６）の前方への揺動を許容するとともに下部リンク（１６）の後方への揺動を制限する。歩行補助装置（１０）は、駆動ジョイント（２０ｂ）から下部リンク（１６）への駆動力の供給を停止するとともに、ラチェット機構（４０）を係合する。

Description

歩行補助装置

　本発明は、ユーザの脚関節、特に膝関節にトルクを加えて歩行動作を補助する歩行補助装置に関する。

　ユーザの脚関節にトルクを加えて歩行動作を補助する歩行補助装置が開発されている。典型的には、歩行補助装置は、ユーザの脚に装着される。歩行補助装置は、ユーザの大腿に装着される上部リンクと下腿に装着される下部リンクを備えている。下部リンクは、アクチュエータを備えた駆動ジョイントによって上部リンクに連結されている。歩行補助装置は、ユーザの歩行動作に合わせて駆動ジョイントによってユーザの膝関節にトルクを加える。例えば、特許文献１に歩行補助装置の一例が開示されている。

　そのような歩行補助装置は、制御系に異常が発生した場合に備えた安全機構を備えることが好ましい。特許文献１の歩行補助装置は、異常が検知されると駆動ジョイントのクラッチを解放する。クラッチを解放することによって、駆動ジョイントからユーザの膝へのトルク伝達経路を遮断する。トルク伝達経路を遮断することによって、制御系に異常が発生した場合、歩行補助装置がユーザの動作に影響を与えることがない。

特開２００６－６１４６０号公報

　歩行動作の補助中に突然クラッチが解放されると、ユーザは独力で自重を支えることができず、ユーザはバランスを失う虞がある。そのような状況を回避するために、制御系の異常が検知された場合に駆動ジョイントをロックすることが考えられる。しかしながら、歩行動作中に突然駆動ジョイントをロックすると、ユーザは脚を自由に動かすことができなくなり、やはりバランスを失う虞がある。歩行から停止までの過渡期においてもトルクの供給が突然遮断されると、同様にバランスを崩しやすい。本発明は上記課題に鑑みて創作された。本発明は、異常が検知された場合、或いは歩行を停止する際にユーザがバランスを失うことを回避することのできる歩行補助装置を提供する。

　本明細書が開示する新規な歩行補助装置は、駆動ジョイントへの係合と解放とを切り替え可能な一方向回転制限機構を備える。一方向回転制限機構は、駆動ジョイントに係合すると下部リンクの前方への揺動を許容し、下部リンクの後方への揺動を制限する。「下部リンクの前方への揺動」は、膝を伸ばす方向の下部リンクの揺動に相当する。「下部リンクの後方への揺動」は、膝を屈曲する方向の下部リンクの揺動に相当する。この一方向回転制限機構は、典型的には、ラチェット機構、或いはワンウエイクラッチで実現される。以下、簡単のため、「一方向回転制限機構」を「ラチェット機構」と称することにする。ただし、前述したように、一方向回転制限機構は、ラチェット歯車とラチェットロックピンで構成される機構だけでなく、ワンウエイクラッチ、或いは他の機構で実現されてもよいことに留意されたい。

　この歩行補助装置は、例えば制御系の異常が検知された場合、駆動ジョイントから下部リンクへの駆動力の供給を停止するとともに、一方向回転制限機構を駆動ジョイントに係合する。或いは、この歩行補助装置は、歩行動作の補助を停止する場合に、駆動ジョイントから下部リンクへの駆動力の供給を停止するとともに、一方向回転制限機構を係合してもよい。

　この歩行補助装置は、次の利点を提供する。歩行補助装置を装着した脚が接地している場合に、膝関節へのトルク供給を遮断すると、ユーザは自らの筋力だけでは自重を支えきれない虞がある。この歩行補助装置は、ラチェット機構の係合によって、下部リンクが後方に揺動することを禁止する。下部リンクはユーザの下腿に取り付けられている。すなわち、この歩行補助装置は、ラチェット機構の係合によって、ユーザの下腿が後方に揺動することを禁止する。そのため、ユーザは歩行補助装置の助けを借りて自重を支えることができる。ユーザはバランスを失うことがない。他方、歩行補助装置を装着した脚が遊脚期間にある場合、ラチェット機構は下肢の前方への揺動は制限しないので、ユーザは自らの筋力で下肢を前方へ伸ばすことができる。遊脚が接地した後は、前述したようにラチェット機構によって歩行補助装置がユーザの体重を支える。この歩行補助装置は、下肢の前方への揺動は許容し、下肢の後方への揺動は禁止することによって、ユーザがバランスを失うことを回避することができる。

　異常検知時には電力の供給を停止することによって制御系を停止することが好ましい。そこで、本明細書が開示する新規な歩行補助装置のラチェット機構は、電力が供給されると解放され、電力が遮断されると係合するように構成されることが好ましい。

　また、この歩行補助装置は、駆動ジョイント制御が正常に動作している間はラチェット機構を解放し、駆動ジョイント制御の異常が検知されたときに駆動ジョイントから下部リンクへの駆動力の供給を停止するとともに、ラチェット機構を係合することが好ましい。そのような歩行補助装置は、制御が正常に動作している間は、ラチェット機構を無力化するとともに駆動ジョイントが発生する駆動力によって歩行動作を補助する。他方、異常が検知された場合には、歩行補助装置は、駆動ジョイントから下部リンクへの駆動力（トルク）供給を停止するとともにラチェット機構を係合して、ユーザがバランスを失うことを回避する。

実施例の歩行補助装置の模式的正面図を示す。実施例の歩行補助装置の模式的側面図を示す。ラチェット機構の模式図を示す。制御系の模式的なブロック図を示す。

　図面を参照して実施例の歩行補助装置を説明する。図１Ａは、歩行補助装置１０の模式的正面図を示し、図１Ｂは歩行補助装置１０の模式的側面図を示している。歩行補助装置１０は、ユーザの左脚に沿って装着される脚装具１２と、コントローラ５０を備えている。脚装具１２は、支持リンク３０によってユーザの腰に固定されている。

　脚装具１２の機械的構造を説明する。脚装具１２は、ユーザの大腿部から下腿部に沿って左脚の外側に装着される。脚装具１２は、上部リンク１４、下部リンク１６、及び足底リンク１８を有する多リンク機構である。上部リンク１４の上端が第１ジョイント２０ａを介して支持リンク３０に揺動可能に連結されている。下部リンク１６の上端が、第２ジョイント２０ｂによって、上部リンク１４の下端に揺動可能に連結されている。足底リンク１８は、第３ジョイント２０ｃによって、下部リンク１６の下端に揺動可能に連結されている。上部リンク１４は、ベルトでユーザの大腿ＵＡに固定される。下部リンク１６は、ベルトでユーザの下腿ＵＢに固定される。足底リンク１８は、ベルトでユーザの足裏に固定される。足底リンク１８を固定するベルトは、図示を省略している。支持リンク３０は、ユーザの体幹（腰）に固定される。

　ユーザが脚装具１２を装着すると、第１ジョイント２０ａ、第２ジョイント２０ｂ、及び第３ジョイント２０ｃは夫々、ユーザの左股関節のピッチ軸、膝のピッチ軸、及び、足首のピッチ軸と略同軸に配置される。脚装具１２の各リンクは、ユーザの左脚の動きに応じて揺動することができる。各ジョイントは、関節角を計測するためのエンコーダ２１を有している。関節角は、関節によって連結されている２つのリンク間の角度を意味する。第１ジョイント２０ａのエンコーダ２１は、ユーザの左股関節のピッチ軸周りの関節角を計測する。第２ジョイント２０ｂのエンコーダ２１は、ユーザの左膝ピッチ軸周りの関節角を計測する。第３ジョイント２０ｃのエンコーダ２１は、ユーザの左足首ピッチ軸周りの関節角を計測する。以下では、各ジョイントに取り付けられているエンコーダ群２１を脚関節角センサ２１と総称することがある。

　第２ジョイント２０ｂには、モータ（アクチュエータ）３２が取り付けられている。モータ３２は、ユーザの膝関節の外側に位置する。モータ３２は、上部リンク１４に対して下部リンク１６を相対的に揺動させることができる。即ちモータ３２は、ユーザの左膝関節にトルクを加えることができる。モータ３２を内蔵した第２ジョイント２０ｂが、駆動ジョイントに相当する。

　この歩行補助装置は、ユーザの歩行動作に合わせて、脚装具１２の第２ジョイント（駆動ジョイント）２０ｂによってユーザの膝関節にトルクを加え、歩行動作を補助する。歩行動作補助のための制御については詳細な説明を省略する。

　第２ジョイント２０ｂは、ラチェット機構４０を備えている。ラチェット機構４０は、第２ジョイント２０ｂへの係合と解放が切り替え可能である。ラチェット機構４０が係合すると、下部リンク１６の前方への揺動は許容されるが、下部リンク１６の後方への揺動は制限する。ここで、「前方」とは、ユーザの膝が伸びる向きを表し、「後方」とはユーザの膝が曲がる向きを表す。コントローラ５０が、ラチェット機構４０の係合と解放を切り替える。

　図２にラチェット機構４０の模式的構造図を示す。なお、図２では、第２ジョイント２０ｂに取り付けられているモータ３２の図示を省略してある。ラチェット機構４０は、ラチェット歯車４１と、ロックピン４２とばね４３で構成されている。ラチェット歯車４１は、上部リンク１４に固定されている。ラチェット歯車４１は、第２ジョイント２０ｂと同軸に配置されている。ロックピン４２とばね４３は下部リンク１６に取り付けられている。図２に示すように、ロックピン４２はばね４３の先端に取り付けられている。ばね４３の後端は下部リンク１６に係止されている。

　ばね４３は、形状記憶合金で作られており、電気を通すと長さが短くなり、電気が遮断されると長くなるように構成されている。電気が遮断されるとばね４３が伸び、ロックピン４２の先端がラチェット歯車４１に係合する。電気を通すとばね４３が短くなり、ロックピン４２の先端がラチェット歯車４１から完全に離れる。

　ロックピン４２の先端がラチェット歯車４１に係合すると、図２において下部リンク１６の時計回り（矢印ＤＡが示す向き）の揺動は許容されるが反時計回り（矢印ＤＢが示す向き）の揺動は禁止される。この動作は次のメカニズムによって実現される。下部リンク１６が時計回りに揺動するとき、ロックピン４２の先端はラチェット歯車４１の歯の先端の緩やかな傾斜面に沿って移動する。ロックピン４２は、緩やかな傾斜面に沿って移動しながら押し戻される。こうして、ロックピン４２の先端は隣接する歯に移動する。下部リンク１６が反時計回りに揺動するとき、ロックピン４２の側面がラチェット歯車４１の歯の側面に当接し、ロックピン４２の移動が禁止される。こうして、下部リンク１６の反時計周りの揺動が禁止される。

　図２では、下部リンク１６の時計回りの揺動は前方への揺動に相当し、反時計回りの揺動は後方への揺動に相当する。「前方への揺動」は、膝を伸ばす向きの揺動に相当し、「後方への揺動」は膝を曲げる向きの揺動に相当する。ロックピン４２のラチェット歯車４１への係合は、ラチェット機構４０の第２ジョイント２０ｂへの係合に相当する。ロックピン４２のラチェット歯車４１からの解放は、ラチェット機構４０の第２ジョイント２０ｂからの解放に相当する。

　前述したように、ばね４３は、形状記憶合金で作られている。ばね４３は、電気を通すと長さが短くなり、電気が遮断されると長くなるように構成されている。ばね４３に電気が流れると、ロックピン４２がラチェット歯車４１から解放され、ラチェット機構４０が第２ジョイント２０ｂから解放される。ばね４３への電気の供給が遮断されると、ロックピン４２がラチェット歯車４１に係合し、ラチェット機構４０が第２ジョイント２０ｂに係合する。即ち、ラチェット機構４０は、電力が供給されると第２ジョイントから解放される。ラチェット機構４０は、電力の供給が遮断すると第２ジョイント２０ｂに係合し、その結果、下部リンク１６の前方への揺動は許容するが後方への揺動は禁止する。別言すると、ラチェット機構４０は、形状記憶合金で作られた部材４３（ばね４３）を備える。部材４３は、電力供給によって伸び、電力遮断によって縮む。部材４３は、電力が供給されるとロックピン４２を押し出してロックピン４２をラチェット歯車４１に係合させる。部材４３は、電力の供給が途絶すると、ロックピン４２を後退させてロックピン４２をラチェット歯車から解放する。

　図３に制御系のブロック図を示す。モータ３２は、駆動制御モジュール５４によって制御される。駆動制御モジュール５４は、ユーザの歩行動作に合わせて下部リンク１６を揺動させるようにモータ３２を制御する。モータ３２の電力供給ラインにラチェット機構４０のばね４３が直列に接続されている。前述したようにばね４３は形状記憶合金で作られており、電力が供給されるとロックピン４２を後退させ、電力供給が途絶するとロックピン４２を押し出す。モータ３２とばね４３の電力供給ラインには、スイッチ５６が接続されている。スイッチ５６は、ノーマリオープンタイプであり、電力が供給されている間は２つの端子間を接続し、電力の供給が途絶えると２つの端子の間を解放する。スイッチ５６は異常検知モジュール５２によって制御される。異常検知モジュール５２は、モータの制御異常やセンサの異常などを検知すると、スイッチ５６への電力供給を遮断する。即ち、異常検知モジュール５２は、異常を検知するとスイッチ５６を切断する。スイッチ５６が切断されると、モータ３２とばね４３への電力供給が同時に遮断される。その結果、第２ジョイント２０ｂ（モータ３２）から下部リンク１６への駆動力の供給が遮断されると同時に、ラチェット機構が第２ジョイント２０ｂに係合する。

　ラチェット機構４０が第２ジョイント２０ｂに係合するとともに、第２ジョイント２０ｂから下部リンク１６への駆動力の供給が停止すると、ユーザは自らの筋力で下肢を前方へ揺動させることはできるが、後方へ揺動することはできなくなる。ユーザが一旦下肢を前方へ揺動させると、下肢は後ろへは戻らない。このラチェット機構４０は、次の利点を有する。歩行補助装置１０は、自らの筋力では膝を正常に動かすことができないユーザが対象である。歩行補助装置１０は、脚装具１２がユーザの下腿へ歩行動作に合わせた駆動力を加えることによって、ユーザの歩行動作を補助する。歩行動作の補助の最中に異常検知モジュール５２が異常を検知すると、下部リンク１６への駆動力の供給が遮断されるとともに、ラチェット機構４０が第２ジョイント２０ｂに係合する。脚装具１２が装着された脚が接地している場合は、ラチェット機構４０によって膝が曲がることが禁止されるので、脚装具１２はユーザの重さを支えることができる。このため、ユーザがバランスを失うことが回避される。脚装具１２が装着された脚が遊脚期間にある場合は、ラチェット機構４０は下部リンク１６の前方への揺動を許容するので、ユーザは自らの筋力で下肢を前方へ振り出すことができる。ユーザの遊脚は前方に着地する。遊脚が着地した後は、ラチェット機構４０が、膝が曲がることを禁止するのでユーザの重さが支えられる。こうしてユーザは、脚装具１２を装着した脚が遊脚期間であっても支持脚期間であっても、モータからの駆動力供給が停止したときにバランスを崩さずにすむ。なお、「支持脚期間」とは、脚が接地している期間を意味する。

　実施例の歩行補助装置１０についての留意点を述べる。本実施例の脚装具１２はユーザの左脚に装着される。本発明によって実現される歩行補助装置は、ユーザの右足に装着される脚装具を備えていてもよい。或いは、本発明は、ユーザの夫々の脚に装着される一対の脚装具を備えていてもよい。

　歩行動作の補助中、即ち、第２ジョイント２０ｂが下部リンクの揺動を制御している間は、ラチェット機構４０は第２ジョイントから解放されている。ユーザが歩行を停止するとき、即ち、歩行補助装置が補助を停止するときに、第２ジョイント（駆動ジョイント）２０ｂから下部リンク１６への駆動力供給を停止するとともにラチェット機構４０を第２ジョイントに係合することも好適である。このとき、脚装具１２を装着した脚が遊脚期間にある間に駆動力供給を停止しても、ユーザは自らの筋力で下肢を前方へ揺動させた後に脚を着地させることができる。遊脚が着地したのちは、ラチェット機構４０によって脚装具１２がユーザの重さを支える。

　ラチェット機構４０は、一方向回転制限機構に相当する。一方向回転制限機構は、ラチェット歯車とロックピンの組み合わせに限られない。一方向回転制限機構は、ワンウエイクラッチや他の機構で構成されてもよい。

　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：歩行補助装置
１２：脚装具
１４：上部リンク
１６：下部リンク
１８：足底リンク
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ：ジョイント
２１：エンコーダ
３２：モータ
４０：ラチェット機構（一方向回転制限機構）
４１：ラチェット歯車
４２：ロックピン
４３：ばね
５０：コントローラ
５２：異常検知モジュール
５４：駆動制御モジュール
５６：スイッチ

Claims

　ユーザの大腿に装着される上部リンクと、
　ユーザの下腿に装着される下部リンクと、
　上部リンクと下部リンクを連結しており、ユーザに装着されたときに膝関節と略同軸に位置し、下部リンクを揺動させる駆動ジョイントと、
　駆動ジョイントへの係合と解放とを切り替え可能であり、係合すると下部リンクの前方への揺動を許容するとともに下部リンクの後方への揺動を制限する一方向回転制限機構と、
　を備えていることを特徴とする歩行補助装置。
　駆動ジョイントから下部リンクへの駆動力の供給を停止するとともに、一方向回転制限機構を駆動ジョイントに係合することを特徴とする請求項１に記載の歩行補助装置。
　一方向回転制限機構は、電力が供給されると解放され、電力が遮断されると係合することを特徴とする請求項２に記載の歩行補助装置。
　駆動ジョイント制御が正常に動作している間は一方向回転制限機構を解放し、
　駆動ジョイント制御の異常が検知されたときに、駆動ジョイントから下部リンクへの駆動力の供給を停止するとともに、一方向回転制限機構を係合することを特徴とする請求項２に記載の歩行補助装置。