(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被介助者の身体に装着して前記被介助者の歩行を訓練する駆動部と、
前記被介助者の体幹の運動を計測するセンサ、下肢の運動を計測するセンサ、および腕の振りを計測するセンサを備えた歩行状態計測部と、
前記各センサの計測結果から前記被介助者が転倒するか否かを判定し、「転倒」と判断した場合にはこれを防ぐ指令を生成し、また「転倒でない」と判断した場合には通常訓練としての指令を生成し、生成した前記指令を前記駆動部のサーボ系に与えてこれを制御するコントローラと、
を有する歩行介助ロボットであって、
前記駆動部が、前記被介助者の前後・左右旋回への身体全体の移動を介助または抑制し、かつ前記被介助者の腰の横移動を含む揺動に関して介助または抑制する独立二輪駆動の駆動輪を備えた移動部と、
前記被介助者の腰の旋回を含む揺動に関して介助または拘束し、かつ前記被介助者の腕の振りを入力する腕振り入力部による入力を介助または抑制する体幹支持部と、
前記被介助者の股・膝・足の関節まわりの下肢の運動を介助または抑制する下肢駆動部を有することを特徴とする歩行介助ロボット。
【請求項２】
前記移動部が、独立２輪の駆動輪を有しており、電源と制御部分を内蔵する車体から成り、
前記体幹支持部が、前記車体に連結されて、前記被介助者の体幹の腰部を支持して腰誘導のための水平軸方向の回転駆動軸を有し、
前記腕の振り入力部が、前記体幹支持部に連結されて、前記被介助者の腕の振りを入力し、
前記下肢駆動部が、前記体幹支持部に連結されて、前記被介助者の下肢を駆動し、さらに、
前記体幹支持部に連結されて、前記被介助者の股を下から支持する股下支持部を有することを特徴とする請求項１記載の歩行介助ロボット。
【請求項３】
前記体幹支持部が、前記移動部に水平軸方向の回転駆動するギアとモータを介して連結し、前記被介助者の腰を左右から支持し体幹を後方から支持する二股部材を前記水平軸の先端に有し、
前記下肢駆動部が、前記体幹支持部の前記二股部材に前記被介助者の左右の下肢をそれぞれ独立に駆動する一対のギアとモータを介して連結されて、かつ前記歩行状態計測部のセンサとアンプを搭載することを特徴とする請求項１記載の歩行介助ロボット。
【請求項４】
前記股下支持部が、前記体幹支持部に結合されて、その先端が前記被介助者の股下に配置し前記被介助者の股が沈下した際にこれを支持する支持部材と、
前記支持部材に前記被介助者の腰の動作を計測するセンサと下肢の大腿の前後左右上下の動作を計測するセンサを備え、
前記体幹支持部の前記被介助者の腰の動きを計測するセンサを備えた腰揺動計測部を備え、
前記被介助者の上肢の動きを計測するセンサを備えた腕振り入力部を備えた
ことを特徴とする請求項２記載の歩行介助ロボット。
【請求項５】
前記コントローラが、以下のステップ（１）および（２）を実行することを特徴とする請求項１記載の歩行介助ロボット。
（１）予め定めておいた各計測値の閾値ａと、前記歩行状態計測部において取得された各計測値ｘを基に、それに対応する閾値ａの８０％（０．８＊ａ）と閾値ａとを各計測値ｘと比較して、次の（イ）〜（ハ）のいずれかの判定をするステップと、
（イ）いずれのセンサ値ｘも｜ｘ｜＜０．８ａを満たすなら、「前記介助動作を継続」と判定する。
（ロ）いずれかのセンサ値ｘが、ａ＞｜ｘ｜＞＝０．８ａなら、「前記介助動作を抑制」と判定する。
（ハ）さらに、いずれかのセンサ値ｘが｜ｘ｜＞＝ａなら、「前記駆動部の動作を一時停止」と判定する。
（２）上記判定結果を前記駆動部へ指令するステップ。
【請求項６】
前記コントローラが、以下のステップ（１）〜（４）を実行することを特徴とする請求項１記載の歩行介助ロボット。
（１）一時停止の判断の閾値として誤判別確率の目標値から対応する判別スコアを求め、これを閾値ａと予め定めるステップと、
（２）前記歩行状態計測部において取得された各計測値ｘを基に、該計測値の判別スコアｃを求めるステップと、
（３）各計測値ｘに対応する閾値ａの８０％（０．８＊ａ）と前記閾値ａとを前記各計測値ｘに対応する判別スコアｃと比較して次の（イ）〜（ハ）のいずれかの判定をするステップと、
（イ） ｜ｃ｜＜０．８ａを満たすなら、「前記介助動作を継続」と判定する。
（ロ） ａ＞｜ｃ｜＞＝０．８ａなら、「前記介助動作を抑制」と判定する。
（ハ） ｜ｃ｜＞＝ａなら、「前記駆動部の動作を一時停止」と判定する。
（４）上記判定結果を前記駆動部へ指令するステップ。
【請求項７】
前記コントローラが、以下のステップ（１）〜（３）を実行することを特徴とする請求項１記載の歩行介助ロボット。
（１）注目する特徴に関する計測値を予め選定し、それら計測値の各閾値aを設定するステップ、
（２）前記歩行状態計測部において取得された計測値を基に、前記計測値に対応する閾値ａを前記各計測値ｘと比較して、次の（イ）〜（ハ）のいずれかの判定をするステップと、
（イ） 今回の計測値ｘがすべてその閾値ａに応じて｜ｘ｜＞ａを満たすなら、「前記駆動部の動作を一時停止」と判定する。
（ロ） （イ）でなければ、今回の計測値のうち少なくとも１個が｜ｘ｜＞０．８ａを満たすなら、「前記介助動作を抑制」と判定する。
（ハ） （ロ）でなければ、「前記介助動作を継続」と判定する。
（３）上記判定結果を前記駆動部へ指令するステップ。
【請求項８】
前記コントローラが、以下のステップ（１）〜（３）を実行することを特徴とする請求項１記載の歩行介助ロボット。
（１）前記歩行状態計測部において取得された現在および過去のセンサ情報を基に、各計測値の移動平均σと標準偏差ｓｄを求めるステップ、
（２）少なくとも１つの計測値において、今回の当該計測値ｘと前記移動平均σとの差の絶対値｜ｘ−σ｜と前記標準偏差ｓｄとを比較して、次の（イ）〜（ハ）のいずれかの判定をするステップと、
（イ）｜ｘ−σ｜＜ｓｄなら、「前記介助動作を継続」と判定する。
（ロ） ２ｓｄ＞｜ｘ−σ｜＞＝ｓｄなら、「前記介助動作を抑制」と判定する。
（ハ）｜ｘ−σ｜＞＝２ｓｄなら、「前記駆動部の動作を一時停止」と判定する。
（３）上記判定結果を前記駆動部へ指令するステップ。
【請求項９】
前記コントローラが、
（１）動作を抑制と判定した場合、次の（イ）〜（ホ）の１つ以上を行わせ、
（イ）前記移動部の移動速度を低下させ、
（ロ）前記移動部と体幹支持部による腰揺動の速度を低下させ、
（ハ）前記股下支持部の回転軸の粘性を上げ、
（ニ）前記腕振り入力部において被介助者の手腕で把持する部材の動作の粘性を上げ、
（ホ）前記下肢駆動部の下肢運動の速度を低下させ、
（２）動作を一時停止と判定した場合、次の（へ）〜（ヌ）の１つ以上を行わせ、
（ヘ）前記移動部の移動を停止させ、
（ト）前記移動部と体幹支持部による腰揺動を停止させ、
（チ）前記股下支持部の回転を固定し、
（リ）前記腕振り入力部において被介助者の手腕で把持する部材の動作を固定し、
（ヌ）前記下肢駆動部の下肢運動を停止させ、
（３）動作を継続と判定した場合、次の（ル）を行わせる
（ル）前記被介助者の腰の前額面内旋回・横方向移動の２次元の揺動を介助するよう、前記腕振り入力部への入力を基に前記被介助者の歩行周期を推定しこれに同期して、前記駆動部の移動部と前記体幹支持部と前記下肢駆動部とを協調して動作させる。
ことを特徴とする請求項５〜８のいずれか１つの請求項記載の歩行介助ロボット。
【請求項１０】
前記腕振り入力部が、前記被介助者の手で把持するための腕の振り入力バーと、該腕の振り入力バーを前記体幹支持部に結合する回転軸と、該回転軸に角度センサとブレーキとを有し、該ブレーキにより前記腕の振り入力バーの動きを制限することで前記腕の振りを抑制することを特徴とする請求項４記載の歩行介助ロボット。
【請求項１１】
前記股下支持部が、トーションバーを介して前記体幹支持部に結合され、角度センサとブレーキとを同軸上に備え、前記角度センサにより前記腰を支持する部材の姿勢を計測し、圧力・加速度・接触圧のいずれかを計測するセンサを前記腰を支持する部材の前記回転軸付近の複数箇所に備え、腰の前額面内旋回・横方向移動の２次元の揺動と負荷を計測し、前記ブレーキにより前記腰を支持する部材の姿勢変化を拘束することを特徴とする請求項４記載の歩行介助ロボット。
【請求項１２】
前記腰揺動計測部が、
被介助者の体幹の前方に備えた腰ベルトと、
前記腰ベルトおよび前記体幹支持部材に備えた各エアバッグと、
前記コントローラからの指令により前記各エアバッグの圧を調整する圧力制御器と、
前記エアバッグの各表面に配置された圧センサとを備えて成ることを特徴とする請求項４記載の歩行介助ロボット。
【請求項１３】
前記コントローラが、
前記動作を継続と判定した場合、前記エアバッグの圧力を減らしかつ前記腰揺動計測部にて計測した前記圧センサの計測値にしたがって柔軟制御を実施するよう前記下肢駆動部への指令を生成し、
前記動作を抑制と判定した場合、前記エアバッグの圧力を増やしかつ柔軟制御を抑制するよう前記下肢駆動部への指令を生成し、
前記動作を一時停止と判定した場合、前記エアバッグの圧力をさらに増やしかつ柔軟制御を停止するよう前記下肢駆動部への指令を生成することを特徴とする請求項５〜８、１２のいずれか１項記載の歩行介助ロボット。
【請求項１４】
前記移動部が、前記駆動輪によるその場での旋回機能を有し、かつ、前記圧センサで計測した圧情報を基にばね・ダンパ系で構成される柔軟モデルを実現する柔軟制御で表現される機構を有するかのごとく前記旋回機能が左右への旋回を行うことを特徴とする請求項１２又は１３記載の歩行介助ロボット。
【請求項１５】
前記移動部が、前記圧センサで左にかかる圧ｐ１と右にかかる圧ｐ２の各検出を行い、左右の圧力差ｐ１−ｐ２を基に前記移動部の旋回中心に対するトルクＴを求め、前記トルクと前記柔軟モデルから旋回角度θを求め、前記移動部旋回指令値θを基に前記移動部の各駆動輪を駆動することを特徴とする請求項１４記載の歩行介助ロボット。
【請求項１６】
前記体幹支持部が、
前記移動部に支持されて、いずれも水平平面内で動作する第１平行リンクと第２平行リンクを備え、かついずれのリンクも各１個の駆動モータで独立に駆動され、
前記被介助者の体幹を前記第１平行リンクで横方向の直進移動を、前記第２平行リンクで水平面内の旋回を介助し、
前記第１平行リンクの動作と同期して前後方向に移動しかつ前記第１平行リンクの動きで生じる前後方向の動きを打ち消すように移動する移動部の動きにより横方向の直進移動を実現することを特徴とする請求項１記載の歩行介助ロボット。
【請求項１７】
前記コントローラが、
前記駆動部内の前記移動部と前記体幹支持部と前記下肢駆動部とを協調して動作させる際、被介助者の腰の動きが足の接地状態に応じて変化することに着目して被介助者の足の接地状態に応じて、
（１）立脚中期（右脚接地）には、腰の水平面での左旋回と前額面での左旋回と右側方へ揺動に対する介助動作を同時に実行し、
（２）立脚中期（左脚接地）には、腰の水平面での右旋回と前額面での右旋回と左側方へ揺動に対する介助動作を同時に実行し、
（３）両脚支持期においては、
（イ）直前の立脚中期が左脚接地であれば水平面での左旋回と前額面での左旋回と側方揺動が無いことに対する介助動作を実行し、
（ロ）直前の立脚中期が右脚接地であれば水平面での右旋回と前額面での右旋回と側方揺動が無いことに対する介助動作を実行すること
を特徴とする請求項１６記載の歩行介助ロボット。
【請求項１８】
前記コントローラが、
前記腕振り入力部への入力値である前記被介助者が手で把持する前記腕の振り入力バーの回転角度において、一方の腕と同側の下肢とにおいて互いの前後の振り動作の位相が１８０度ずれるように、前記駆動部への指令を生成することを特徴とする請求項５〜８、１０のいずれか１項記載の歩行介助ロボット。
【請求項１９】
被介助者の身体に装着して前記被介助者の歩行を訓練する駆動部と、
前記被介助者の体幹の運動を計測するセンサ、下肢の運動を計測するセンサ、および腕の振りを計測するセンサを備えた歩行状態計測部と、
前記各センサの計測結果から前記被介助者が転倒するか否かを判定し、「転倒」と判断した場合にはこれを防ぐ指令を生成し、また「転倒でない」と判断した場合には通常訓練としての指令を生成し、生成した前記指令を前記駆動部のサーボ系に与えてこれを制御するコントローラと、を有する歩行介助ロボットであって、
前記駆動部が、前記被介助者の前後・左右旋回への身体全体の移動を介助または抑制し、かつ前記被介助者の腰の揺動の一部を介助または抑制する独立二輪駆動の駆動輪を備えた車両から成る移動部と、
前記被介助者の腰の揺動の他の一部を介助または拘束し、かつ前記被介助者の腕の振りを入力する腕振り入力部による入力を介助または抑制する体幹支持部と、
前記被介助者の股・膝・足の関節まわりの下肢の運動を介助または抑制する下肢駆動部と、
前記体幹支持部に連結されて前記被介助者の股を下から支持する股下支持部を有し、
前記駆動輪は前記車両の両側に設けられて、倒立制御が実施され、
前記体幹支持部は回転軸とその先端が二股に分かれた形状をし、当該二股の間に前記被介助者の腰が固定され、前記回転軸の反対側が前記車両に取り付けられ、
前記腕振り入力部が前記二股部分にそれぞれ設けられ、
前記下肢駆動部は、前記被介助者の大腿を囲う枠体と、前記枠体内に取り付けられ大腿の前後を押さえるエアバッグと、前記枠体を前記被介助者の股関節を中心にして揺動させる揺動部材と、前記揺動部材を揺動させるモータとを備え、前記モータを前記体幹支持部に取り付け、
前記股下支持部は、腰ベルトと大腿ベルトと前記両ベルト間を繋ぐ連結ベルトで前記被介助者の腰部を支持し、前記腰ベルトを、角度センサ付き水平面内回転軸と角度センサ・ブレーキ付き垂直面内回転軸とを介して前記体幹支持部に取り付けることを特徴とする請求項１記載の歩行介助ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脊髄損傷の患者などの下肢に麻痺がある被介助者の胴部を後方から支えて歩行を補助し転倒の恐れがあるときは歩行を抑制して支えるようにする歩行介助ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の歩行介助器具や機器は、静的な歩行の実現および体重の免荷による歩行の実現を目的とするもので、概ね次のように４つの例に分類される。
【０００３】
（１）第１の例
〈被介助者が自ら器具を動かして歩行の助けとするもの：歩行器・杖・平行棒〉
第１の例は、従来の歩行補助器具、すなわち歩行器、杖、平行棒などである。
被介助者がこれらの器具を自ら動かすことで歩行の助けとするものである。
これらはモータ駆動による積極的な介助は得られないため、被介助者の残存機能を活用することになる。
また、転倒防止のリスクが高いこと、正しい歩行パターンの獲得を被介助者まかせではできないことから、常に療法士による監視と介助・指導が必要である。この器具では主に静的な歩行を訓練する。静的な歩行とは、体の重心が常に足底の接地範囲内にあるように歩く方法である。
【０００４】
〈第１の例の問題点〉
第１の例の問題点は上記第１の例では転倒の危険があることで、被介助者が自らバランスを取る必要があり、療法士の監視が常に必要である。
また、前かがみの姿勢になりがちで正しい姿勢・運動パターンを獲得しにくいため、療法士の適切な介助と指導が必要である。
また、疲労が大きく長時間の訓練が難しいことがある。静的な歩行に対する動的な歩行を訓練することはできない。なお、ここで動的な歩行とは、健常者による通常の歩行で、体重心が足底接地範囲内になくともよくゼロモーメントポイントが足底接地範囲内にあるように歩く方法である。静的歩行よりも運動性に優れる。健常者による通常の歩行は動的な歩行である。
【０００５】
（２）第２の例
〈体幹を吊り上げて姿勢を保持また体重を免荷し両下肢に把持した機構により下肢の動作を機械側から介助するもの：据え置き型の装置〉
第２の例は、据え置き型の装置であり、体幹を吊り上げて姿勢を保持また体重を免荷し両下肢に把持した機構により下肢の動作を機械側から介助できるものである。
ドイツのHesseらが開発したGait Trainerやスイスで製品化されたLokomat、また、特表２００７−５２０３１０号公報がある。被介助者はその場で歩行動作の訓練を行う。
また、別の構成例として、Staufferらの開発したWalk Trainerがある。(Y.Stauffer, Y.Allemand, M.Bouri, J.Fournier, R.Clavel, “Pelvic Motion Measurement During Over Ground Walking, Analysis and Implementation on the WalkTrainer Reeducation Device", in Proc. IEEE Int. Conf. Intel. Rob. Syst. (IROS), pp.2362-2367, 2008)
【０００６】
〈第２の例の構成〉
第２の例の構成を図２３に示す。
図２３において、第２の例は、歩行状態を計測する歩行状態計測部２１０１と、訓練中の介助動作の指令を生成しサーボ系でトレッドミルと駆動部を制御するコントローラ２１０２と、トレッドミルと体幹支持部と下肢駆動部とから成る駆動部２１０３から構成される。
駆動部は、体の移動の代替としてベルト上での運動をさせるトレッドミル２１０４と、体重免荷のためのハーネス等吊下げ機構を有する体幹支持部２１０５と、下肢に装着して下肢運動の介助を出力する下肢駆動部２１０６から成る。
例えば、Gait Trainerでは足部に固定し前後に動かす板を左右２個有する下肢駆動機構を備え、トレッドミルの機能を兼ねるためこれを有しないが基本構造として第２の例に属する。
Lokomatでは大腿・下腿・足部ふくむ下肢全体を支持・駆動する下肢駆動機構を備える。この駆動軸は左右計６軸である。トレッドミルも備える。
【０００７】
〈第２の例の処理〉
第２の例の処理は、体幹にハーネスを取り付けハーネスを上方へ牽引し免荷された状態とする。次に下肢駆動機構により下肢の動作を介助する。Gait Trainerでは足部に固定した板を交互に前後に動かし、歩行様のパターンを生じさせる。Lokomatでは、下肢駆動機構が股・膝・足の３回転軸を同期させ左右交互の動作で歩行様のパターンを生成する。特表２００７−５２０３１０号公報では足先のみを駆動する。トレッドミルの速度は下肢の歩行パターンに同期するよう調整される。なお、体幹の上方への牽引には別途駆動機構を有するものもある。また、WalkTrainerでは６自由度の揺動を計測でき、それに基づき、腰および下肢の運動を介助できる。
【０００８】
〈第２の例の作用／効果〉
第２の例の作用／効果としては、体幹をハーネス等で支持するため高い安全性、特に転倒防止効果がある。
また、体幹の姿勢保持と下肢の動作は同機構で支持・駆動することが可能なため、機能回復レベルに応じた訓練ができ、疲労が少なく長時間の訓練ができる。
【０００９】
〈第２の例の問題点〉
第２の例では、第１に正しい姿勢・運動パターンを獲得しにくい問題がある。
これは免荷により足底反力が十分でないこと、体幹または下肢が常に強く拘束されていること、下肢の訓練が主で上体・腕・腰をふくむ全身を統合した訓練ができないことによる。
第２に下肢への介助動作のタイミングが適切でないという問題がある。
これは上体・腕の随意動作に対し下肢への介助動作が同期していないことによる。該タイミングは被介助者が自ら合わせる必要がある。なお、WalkTrainerでは腰の随意的運動を計測し、それを基に下肢を駆動できるとしているが、腰の随意的運動が困難な患者へは適用できない。また、機構も複雑で大掛かりである。実用化するには、自然な歩行を介助するための必要最低限の運動に絞って機構を簡素化する必要がある。
【００１０】
（３）第３の例
〈下肢に駆動機構を装着し下肢の運動と一体となりこれを介助するもの：可搬型の装置〉
第３の例は、可搬型の装置であり下肢に駆動機構を装着し下肢の運動と一体となりこれを介助するものである。被介助者は歩行動作をしながら移動することができる。
本田技研工業（特開２００９−０００１９５号公報、特開２００８−０７３５０６号公報、特開２００８−０１７９８１号公報、特開２００７−３３０２９９号公報、特開２００７−０５４６１６号公報、特開２００７−０２９６３３号公報、特開２００７−０２０９０９号公報、特開２００７−０２０６７２号公報、特開２００７−０００６１６号公報、特開２００６−０６１４６０号公報、特開２００４−３４４３０５号公報、特開２００４−３４４３０４号公報、特開２００３−１３５５４３号公報、特開２００２−３０１１２４号公報）、芝浦工大（特開２００８−２２０６３５号公報）、東京理科大（特開２００８−２７８９２１号公報、特開２００７−０１４６９８号公報）、電通大（特開２００７−１５９９７１号公報）などの公開公報がある。
【００１１】
〈第３の例の構成〉
第３の例の構成は、図２４に示すように、歩行状態を計測する歩行状態計測部２２０１と、訓練中の介助動作の指令を生成しサーボ系で駆動部を制御するコントローラ２２０２と、下肢駆動部のみとから成る駆動部２２０３から構成される。本発明における車輪などを備えた移動部や体幹を支持する部分は備えていない。
下肢を駆動する下肢駆動部２２０６を装着し、股・膝・足の全部または一部を駆動する。上体と腕を駆動する機構も備えるものもある。筋電図センサや圧センサなど運動を計測するセンサを下肢に装着し、下肢への介助動作を対応する筋活動と同期させる。センサの代わりにモータ負荷から予測する方法もある。体幹を支持して吊り上げる機構は備えていない。
【００１２】
〈第３の例の処理〉
第３の例の処理は、下肢に配置した筋電図等のセンサ情報から下肢の筋活動または運動を計測もしくは推定する。これを基に下肢を介助するタイミングと介助量を計算し下肢駆動機構を動かす。また、下肢に直接センサを配置せず、下肢の運動を外乱とみた場合の下肢駆動機構のモータへの負荷変動から下肢の運動周期を推定し、これにもとづき下肢駆動機構を動かす方法もある。下肢駆動機構は、股・膝・足の全部または股周辺など一部の筋力をモータにより介助する。
【００１３】
〈第３の例の作用／効果〉
使用者の随意性を考慮した介助ができる。また、介助を適切に与えることで疲労が少なく長時間の運動ができる。
【００１４】
〈第３の例の問題点〉
第３の例の問題点は適用できるのがある程度随意性の高い人に限られることである。すなわち、第１に、健常者以外の身体に麻痺のある患者に適用した場合、転倒の危険がある。これは体幹を上に吊り上げる機構を持たないことから、自分でバランスを取る必要があるためである。このため、下肢に麻痺があるなどにより転倒の危険がある場合は、療法士の監視が常に必要となる。
第２に正しい姿勢・運動パターンを獲得しにくい。これは体幹または下肢が常に強く拘束されており随意的に自由に動かせる範囲が小さいこと、上体・腕・腰をふくむ全身を統合した訓練を実施することを想定していないことによる。特に腕や下肢の動きと協調した腰の動作を介助する機構は備えていない。
【００１５】
（４）第４の例
〈可搬型で自律的に動く台車が被介助者を誘導するもの：可搬型の装置〉
第４の例は、可搬型であり自律的に動く台車が被介助者を誘導するものである。
日立グループ（特開２００１−３２７５６３号公報、特開２０００−０２４０６１号公報、特開平０７−１８４９６６号公報、特開平０５−３２９１８６号公報、特開平０９−２９９４２０号公報）、ソニー（特開平１０−２１６１８号公報）、熊谷組（特開２００７−２２９４３０号公報、特開平０７−１８４９６６号公報）などの公開公報がある。
【００１６】
〈第４の例の構成〉
第４の例の構成を図２５に示す。
第４の例は、歩行状態を計測する歩行状態計測部２３０１と、訓練中の介助動作の指令を生成しサーボ系で移動部を制御するコントローラ２３０２と、移動部２３０３とから構成される。
ここで移動部は歩行器に車輪を駆動する台車のような機構を備えたものである。コントローラには地図などを内蔵し自律走行が可能である。
【００１７】
〈第４の例の処理〉
第４の例の処理は、被介助者が手で歩行器のバーを握るかまたはバーに肘を置く。腰をベルトで保持するものもある。歩行器は内蔵した地図等により自律的にまたは被介助者の指示により移動し、それに誘導されて歩行を訓練する。
【００１８】
〈第４の例の作用／効果〉
第４の例の作用／効果は、手で歩行器のバーを握るかバーに肘を置くことでまたは腰を保持することで、疲労が少なく長時間の訓練ができる。
また、台車の移動で歩行する速度や方向を誘導でき、間接的に下肢の筋活動を調整できる。すなわち速度を落とせば下肢筋活動は少なくなる。
【００１９】
〈第４の例の問題点〉
第４の例では、第１に腰にベルトを備えない場合転倒の危険がある。被介助者が自分でバランスを取る必要があり、療法士の監視が常に必要となる。
第２に正しい姿勢・運動パターンを獲得しにくい。被介助者の運動は健常者の運動と異なるパターンになる傾向があり、上体・腕・腰・下肢が協調的に動く動的な歩行パターンを訓練することは難しい。さらに腕固定・肘付で前かがみの姿勢になりがちでこの意味からも健常者の運動とは異なってしまい、上体・腕・腰をふくむ全身を統合した訓練を実現することが難しい。
第３に随意性を生かした訓練になっていない。これは上体・腕の随意動作に対し下肢への介助動作が同期していないこと、腕など介助不要な部位も拘束し随意的な運動ができないことによる。
【００２０】
このように、第１の例では、転倒の危険があることで、被介助者が自らバランスを取る必要があり、療法士の監視が常に必要である。また、前かがみの姿勢になりがちで正しい姿勢・運動パターンを獲得しにくいため、療法士の適切な介助と指導が必要である。また、疲労が大きく長時間の訓練が難しいことがある。静的な歩行に対する動的な歩行を訓練することはできない。
また、第２の例では、第１に正しい姿勢・運動パターンを獲得しにくい問題がある。これは免荷により足底反力が十分でないこと、体幹または下肢が常に強く拘束されていること、下肢の訓練が主で上体・腕・腰をふくむ全身を統合した訓練ができないことによる。
第２に下肢への介助動作のタイミングが適切でないという問題がある。これは上体・腕の随意動作に対し下肢への介助動作が同期していないことによる。該タイミングは被介助者が自ら合わせる必要がある。なお、WalkTrainerでは腰の随意的運動を計測し、それを基に下肢を駆動できるとしているが、腰の随意的運動が困難な患者へは適用できない。また、機構も複雑で大掛かりである。実用化するには、自然な歩行を介助するための必要最低限の運動に絞って機構を簡素化する必要がある。
第３に装置が据え置き型で大掛かりである問題がある。
また、第３の例では、適用できるのがある程度随意性の高い人に限られるのが問題である。
すなわち、第１に、健常者以外の身体に麻痺のある患者に適用した場合、転倒の危険がある。これは体幹を上に吊り上げる機構を持たないことから、自分でバランスを取る必要があるためである。このため、下肢に麻痺があるなどにより転倒の危険がある場合は、療法士の監視が常に必要となる。
第２に正しい姿勢・運動パターンを獲得しにくい。これは体幹または下肢が常に強く拘束されており随意的に自由に動かせる範囲が小さいこと、上体・腕・腰をふくむ全身を統合した訓練を実施することを想定していないことによる。特に腕や下肢の動きと協調した腰の動作を介助する機構は備えていない。
また、第４の例では、第１に腰にベルトを備えない場合転倒の危険がある。被介助者が自分でバランスを取る必要があり、療法士の監視が常に必要となる。
第２に正しい姿勢・運動パターンを獲得しにくい。被介助者の運動は健常者の運動と異なるパターンになる傾向があり、上体・腕・腰・下肢が協調的に動く動的な歩行パターンを訓練することは難しい。さらに腕固定・肘付で前かがみの姿勢になりがちでこの意味からも健常者の運動とは異なってしまい、上体・腕・腰をふくむ全身を統合した訓練を実現することが難しい。
第３に随意性を生かした訓練になっていない。これは上体・腕の随意動作に対し下肢への介助動作が同期していないこと、腕など介助不要な部位も拘束し随意的な運動ができないことによる。
【００２１】
〈従来技術の問題点〉
以上より、従来技術には下記のような（イ）〜（ホ）の問題があった。
（イ）  転倒の危険がある。
自分でバランスを取る必要があるが、バランス機能が衰えている被介助者には適用できない。また療法士の監視が常に必要となる。
（ロ）  正しい姿勢・運動パターンを獲得しにくい。
これは体幹または下肢が常に強く拘束されていること、免荷により足底反力が十分でないこと、歩行パターンが静的であり健常者が通常の歩行で行う動的な歩行パターンを訓練することが難しいこと、腕固定・肘付で前かがみの姿勢になりがちであること、上体・腕・腰をふくむ全身を統合した訓練が実現できないことのいずれかによる。
（ハ）  随意性を生かした訓練になっていない。
これは上体と腕の随意動作と下肢への介助動作が同期していないこと、介助が不要な部位も拘束しているため随意的な運動ができないことによる。
（ニ）  疲労が大きく長時間の訓練ができない。
（ホ）  装置が据え置き型で大掛かり。
【００２２】
〈本発明の目的〉
したがって、本発明の目的は上記の（イ）〜（ホ）の問題点をすべて解決するためになされたもので、次の（ヘ）〜（ヌ）ができる介助ロボットを提供することにある。
（ヘ）  高い安全性。特に転倒を防止する。
すなわち、バランスが崩れるなど転倒時には機械が被介助者の運動を拘束できることである。
（ト）  静的歩行パターンから動的歩行パターンまでを介助する。
すなわち、体幹・下肢は転倒時以外拘束されないこと、足底反力が十分であること、健常者による通常の歩行パターンである動的な歩行パターンが訓練できること、前かがみでない正しい姿勢を保てること、上体・腕・腰の全身の動きを統合した訓練できることである。
（チ）  残存する随意性を生かす。
すなわち、上体・腕の随意動作と下肢への介助動作が同期すること、介助不要な部位は拘束せず随意的に運動できることである。
（リ）  疲労が少なく長時間の訓練ができること。
（ヌ）  大掛かりでなく移動式の歩行訓練が可能であること。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開２００８−０７３５０６号公報
【特許文献２】特開２００９−０００１９５号公報
【特許文献３】特開２００１−３２７５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明は、以上の点に鑑み、上記従来例を改良して被介助者が自力で容易に装着して歩行訓練できる歩行介助装置を提供することをその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するために、本願第１発明は歩行介助ロボットに係り、被介助者の身体に装着して前記被介助者の歩行を訓練する駆動部と、
前記被介助者の体幹の運動を計測するセンサ、下肢の運動を計測するセンサ、および腕の振りを計測するセンサを備えた歩行状態計測部と、
前記各センサの計測結果から前記被介助者が転倒するか否かを判定し、「転倒」と判断した場合にはこれを防ぐ指令を生成し、また「転倒でない」と判断した場合には通常訓練としての指令を生成し、生成した前記指令を前記駆動部のサーボ系に与えてこれを制御するコントローラと、
を有する歩行介助ロボットであって、
前記駆動部が、前記被介助者の前後・左右旋回への身体全体の移動を介助または抑制し、かつ前記被介助者の腰の横移動を含む揺動に関して介助または抑制する独立二輪駆動の駆動輪を備えた移動部と、
前記被介助者の腰の旋回を含む揺動に関して介助または拘束し、かつ前記被介助者の腕の振りを入力する腕振り入力部による入力を介助または抑制する体幹支持部と、
前記被介助者の股・膝・足の関節まわりの下肢の運動を介助または抑制する下肢駆動部を有することを特徴としている。
【００２６】
本願第２発明は、第１発明の歩行介助ロボットにおいて、前記移動部が、独立２輪の駆動輪を有しており、電源と制御部分を内蔵する車体から成り、前記体幹支持部が、前記車体に連結されて、前記被介助者の体幹の腰部を支持して腰誘導のための水平軸方向の回転駆動軸を有し、前記腕の振り入力部が、前記体幹支持部に連結されて、前記被介助者の腕の振りを入力し、前記下肢駆動部が、前記体幹支持部に連結されて、前記被介助者の下肢を駆動し、さらに、前記体幹支持部に連結されて、前記被介助者の股を下から支持する股下支持部を有することを特徴としている。
【００２７】
本願第３発明は、第１発明の歩行介助ロボットにおいて、前記体幹支持部が、前記移動部に水平軸方向の回転駆動するギアとモータを介して連結し、前記被介助者の腰を左右から支持し体幹を後方から支持する二股部材を前記水平軸の先端に有し、
前記下肢駆動部が、前記体幹支持部の前記二股部材に前記被介助者の左右の下肢をそれぞれ独立に駆動する一対のギアとモータを介して連結されて、かつ前記歩行状態計測部のセンサとアンプを搭載することを特徴としている。
【００２８】
本願第４発明は、第２発明の歩行介助ロボットにおいて、前記股下支持部が、前記体幹支持部に結合されて、その先端が前記被介助者の股下に配置し前記被介助者の股が沈下した際にこれを支持する支持部材と、前記支持部材に前記被介助者の腰の動作を計測するセンサと下肢の大腿の前後左右上下の動作を計測するセンサを備え、前記体幹支持部の前記被介助者の腰の動きを計測するセンサを備えた腰揺動計測部を備え、前記被介助者の上肢の動きを計測するセンサを備えた入力部を備えたことを特徴としている。
【００２９】
本願第５発明は、第１発明の歩行介助ロボットにおいて、前記コントローラが、以下のステップ（１）および（２）を実行することを特徴としている。
（１）予め定めておいた各計測値の閾値ａと、前記歩行状態計測部において取得された各計測値ｘを基に、それに対応する閾値ａの８０％（０．８＊ａ）と閾値ａとを各計測値ｘと比較して、次の（イ）〜（ハ）のいずれかの判定をするステップと、
（イ）いずれのセンサ値ｘも｜ｘ｜＜０．８ａを満たすなら、「前記介助動作を継続」と判定する。
（ロ）いずれかのセンサ値ｘが、ａ＞｜ｘ｜＞＝０．８ａなら、「前記介助動作を抑制」と判定する。
（ハ）さらに、いずれかのセンサ値ｘが｜ｘ｜＞＝ａなら、「前記駆動部の動作を一時停止」と判定する。
（２）上記判定結果を前記駆動部へ指令するステップ。
【００３０】
本願第６発明は、第１発明の歩行介助ロボットにおいて、前記コントローラが、以下のステップ（１）〜（４）を実行することを特徴としている。
（１）一時停止の判断の閾値として誤判別確率の目標値から対応する判別スコアを求め、これを閾値ａと予め定めるステップと、
（２）前記歩行状態計測部において取得された各計測値ｘを基に、該計測値の判別スコアｃを求めるステップと、
（３）各計測値ｘに対応する閾値ａの８０％（０．８＊ａ）と前記閾値ａとを前記各計測値ｘに対応する判別スコアｃと比較して次の（イ）〜（ハ）のいずれかの判定をするステップと、
（イ） ｜ｃ｜＜０．８ａを満たすなら、「前記介助動作を継続」と判定する。
（ロ） ａ＞｜ｃ｜＞＝０．８ａなら、「前記介助動作を抑制」と判定する。
（ハ） ｜ｃ｜＞＝ａなら、「前記駆動部の動作を一時停止」と判定する。
（４）上記判定結果を前記駆動部へ指令するステップ。
【００３１】
本願第７発明は、第１発明の歩行介助ロボットにおいて、前記コントローラが、以下のステップ（１）〜（３）を実行することを特徴としている。
（１）注目する特徴に関する計測値を予め選定し、それら計測値の各閾値aを設定するステップ、
（２）前記歩行状態計測部において取得された計測値を基に、前記計測値に対応する閾値ａを前記各計測値ｘと比較して、次の（イ）〜（ハ）のいずれかの判定をするステップと、
（イ） 今回の計測値ｘがすべてその閾値ａに応じて｜ｘ｜＞ａを満たすなら、「前記駆動部の動作を一時停止」と判定する。
（ロ） （イ）でなければ、今回の計測値のうち少なくとも１個が｜ｘ｜＞０．８ａを満たすなら、「前記介助動作を抑制」と判定する。
（ハ） （ロ）でなければ、「前記介助動作を継続」と判定する。
（３）上記判定結果を前記駆動部へ指令するステップ。
【００３２】
本願第８発明は、第１発明の歩行介助ロボットにおいて、前記コントローラが、以下のステップ（１）〜（３）を実行することを特徴としている。
（１）前記歩行状態計測部において取得された現在および過去のセンサ情報を基に、各計測値の移動平均σと標準偏差ｓｄを求めるステップ、
（２）少なくとも１つの計測値において、今回の当該計測値ｘと前記移動平均σとの差の絶対値｜ｘ−σ｜と前記標準偏差ｓｄとを比較して、次の（イ）〜（ハ）のいずれかの判定をするステップと、
（イ）｜ｘ−σ｜＜ｓｄなら、「前記介助動作を継続」と判定する。
（ロ） ２ｓｄ＞｜ｘ−σ｜＞＝ｓｄなら、「前記介助動作を抑制」と判定する。
（ハ）｜ｘ−σ｜＞＝２ｓｄなら、「前記駆動部の動作を一時停止」と判定する。
（３）上記判定結果を前記駆動部へ指令するステップ。
【００３３】
本願第９発明は、第５〜第８発明のいずれか１つの歩行介助ロボットにおいて、前記コントローラが、
（１）動作を抑制と判定した場合、次の（イ）〜（ホ）の１つ以上を行わせ、
（イ）前記移動部の移動速度を低下させ、
（ロ）前記移動部と体幹支持部による腰揺動の速度を低下させ、
（ハ）前記股下支持部の回転軸の粘性を上げ、
（ニ）前記腕振り入力部において被介助者の手腕で把持する部材の動作の粘性を上げ、
（ホ）前記下肢駆動部の下肢運動の速度を低下させ、
（２）動作を一時停止と判定した場合、次の（へ）〜（ヌ）の１つ以上を行わせ、
（ヘ）前記移動部の移動を停止させ、
（ト）前記移動部と体幹支持部による腰揺動を停止させ、
（チ）前記股下支持部の回転を固定し、
（リ）前記腕振り入力部において被介助者の手腕で把持する部材の動作を固定し、
（ヌ）前記下肢駆動部の下肢運動を停止させ、
（３）動作を継続と判定した場合、次の（ル）を行わせる
（ル）前記被介助者の腰の前額面内旋回・横方向移動の２次元の揺動を介助するよう、前記腕振り入力部への入力を基に前記被介助者の歩行周期を推定しこれに同期して、前記駆動部の移動部と前記体幹支持部と前記下肢駆動部とを協調して動作させる。
ことを特徴としている。
【００３４】
本願第１０発明は、第４発明の歩行介助ロボットにおいて、
前記腕振り入力部が、前記被介助者の手で把持するための腕の振り入力バーと、該腕の振り入力バーを前記体幹支持部に結合する回転軸と、該回転軸に角度センサとブレーキとを有し、該ブレーキにより前記腕の振り入力バーの動きを制限することで前記腕の振りを抑制することを特徴としている。
【００３５】
本願第１１発明は、第４発明の歩行介助ロボットにおいて、
前記股下支持部が、トーションバーを介して前記体幹支持部に結合され、角度センサとブレーキとを同軸上に備え、前記角度センサにより前記腰を支持する部材の姿勢を計測し、圧力・加速度・接触圧のいずれかを計測するセンサを前記腰を支持する部材の前記回転軸付近の複数箇所に備え、腰の前額面内旋回・横方向移動の２次元の揺動と負荷を計測し、前記ブレーキにより前記腰を支持する部材の姿勢変化を拘束することを特徴としている。
【００３６】
本願第１２発明は、第４発明の歩行介助ロボットにおいて、
前記腰揺動計測部が、
被介助者の体幹の前方に備えた腰ベルトと、
前記腰ベルトおよび前記体幹支持部材に備えた各エアバッグと、
前記コントローラからの指令により前記各エアバッグの圧を調整する圧力制御器と、
前記エアバッグの各表面に配置された圧センサとを備えて成ることを特徴としている。
【００３７】
本願第１３発明は、第５〜第８発明、第１２発明のいずれか１つの歩行介助ロボットにおいて、前記コントローラが、
前記動作を継続と判定した場合、前記エアバッグの圧力を減らしかつ前記腰揺動計測部にて計測した前記圧センサの計測値にしたがって柔軟制御を実施するよう前記下肢駆動部への指令を生成し、
前記動作を抑制と判定した場合、前記エアバッグの圧力を増やしかつ柔軟制御を抑制するよう前記下肢駆動部への指令を生成し、
前記動作を一時停止と判定した場合、前記エアバッグの圧力をさらに増やしかつ柔軟制御を停止するよう前記下肢駆動部への指令を生成することを特徴としている。
【００３８】
本願第１４発明は、第１２又は第１３発明の歩行介助ロボットにおいて、
前記移動部が、前記駆動輪によるその場での旋回機能を有し、かつ、前記圧センサで計測した圧情報を基にばね・ダンパ系で構成される柔軟モデルを実現する柔軟制御で表現される機構を有するかのごとく前記旋回機能が左右への旋回を行うことを特徴としている。
【００３９】
本願第１５発明は、第１４発明の歩行介助ロボットにおいて、
前記移動部が、前記圧センサで左にかかる圧ｐ１と右にかかる圧ｐ２の各検出を行い、左右の圧力差ｐ１−ｐ２を基に前記移動部の旋回中心に対するトルクＴを求め、前記トルクと前記柔軟モデルから旋回角度θを求め、前記移動部旋回指令値θを基に前記移動部の各駆動輪を駆動することを特徴としている。
【００４０】
本願第１６発明は、第１発明の歩行介助ロボットにおいて、
前記体幹支持部が、
前記移動部に支持されて、いずれも水平平面内で動作する第１平行リンクと第２平行リンクを備え、かついずれのリンクも各１個の駆動モータで独立に駆動され、
前記被介助者の体幹を前記第１平行リンクで横方向の直進移動を、前記第２平行リンクで水平面内の旋回を介助し、
前記第１平行リンクの動作と同期して前後方向に移動しかつ前記第１平行リンクの動きで生じる前後方向の動きを打ち消すように移動する移動部の動きにより横方向の直進移動を実現することを特徴としている。
【００４１】
本願第１７発明は、第１６発明の歩行介助ロボットにおいて、
前記コントローラが、前記駆動部内の前記移動部と前記体幹支持部と前記下肢駆動部とを協調して動作させる際、被介助者の腰の動きが足の接地状態に応じて変化することに着目して被介助者の足の接地状態に応じて、
（１）立脚中期（右脚接地）には、腰の水平面での左旋回と前額面での左旋回と右側方へ揺動に対する介助動作を同時に実行し、
（２）立脚中期（左脚接地）には、腰の水平面での右旋回と前額面での右旋回と左側方へ揺動に対する介助動作を同時に実行し、
（３）両脚支持期においては、
（イ）直前の立脚中期が左脚接地であれば水平面での左旋回と前額面での左旋回と側方揺動が無いことに対する介助動作を実行し、
（ロ）直前の立脚中期が右脚接地であれば水平面での右旋回と前額面での右旋回と側方揺動が無いことに対する介助動作を実行すること
を特徴としている。
【００４２】
本願第１８発明は、第５〜第８発明、第１２発明のいずれか１つの歩行介助ロボットにおいて、
前記コントローラが、
前記腕振り入力部への入力値である前記被介助者が手で把持する前記腕の振り入力バーの回転角度において、一方の腕と同側の下肢とにおいて互いの前後の振り動作の位相が１８０度ずれるように、前記駆動部への指令を生成することを特徴としている。
【００４３】
本願第１９発明は、第１発明の歩行介助ロボットにおいて、
被介助者の身体に装着して前記被介助者の歩行を訓練する駆動部と、
前記被介助者の体幹の運動を計測するセンサ、下肢の運動を計測するセンサ、および腕の振りを計測するセンサを備えた歩行状態計測部と、
前記各センサの計測結果から前記被介助者が転倒するか否かを判定し、「転倒」と判断した場合にはこれを防ぐ指令を生成し、また「転倒でない」と判断した場合には通常訓練としての指令を生成し、生成した前記指令を前記駆動部のサーボ系に与えてこれを制御するコントローラと、を有する歩行介助ロボットであって、
前記駆動部が、前記被介助者の前後・左右旋回への身体全体の移動を介助または抑制し、かつ前記被介助者の腰の揺動の一部を介助または抑制する独立二輪駆動の駆動輪を備えた車両から成る移動部と、
前記被介助者の腰の揺動の他の一部を介助または拘束し、かつ前記被介助者の腕の振りを入力する腕振り入力部による入力を介助または抑制する体幹支持部と、
前記被介助者の股・膝・足の関節まわりの下肢の運動を介助または抑制する下肢駆動部と、
前記体幹支持部に連結されて前記被介助者の股を下から支持する股下支持部を有を有し、
前記駆動輪は前記車両の両側に設けられて、倒立制御が実施され、
前記体幹支持部は回転軸とその先端が二股に分かれた形状をし、当該二股の間に前記被介助者の腰が固定され、前記回転軸の反対側が前記車両に取り付けられ、
前記腕振り入力部が前記二股部分にそれぞれ設けられ、
前記下肢駆動部は、前記被介助者の大腿を囲う枠体と、前記枠体内に取り付けられ大腿の前後を押さえるエアバッグと、前記枠体を前記被介助者の股関節を中心にして揺動させる揺動部材と、前記揺動部材を揺動させるモータとを備え、前記モータを前記体幹支持部に取り付け、
前記股下支持部は、腰ベルトと大腿ベルトと前記両ベルト間を繋ぐ連結ベルトで前記被介助者の腰部を支持し、前記腰ベルトを、角度センサ付き水平面内回転軸と角度センサ・ブレーキ付き垂直面内回転軸とを介して前記体幹支持部に取り付けることを特徴としている。
【発明の効果】
【００４４】
上記発明によれば、高い安全性、特に転倒を防止でき、静的歩行パターンから動的歩行パターンまでを介助し、残存する随意性を生かすことのでき、疲労が少なく長時間の訓練ができ、大掛かりでなく移動式の歩行訓練が可能となる歩行介助ロボットを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は本発明に係る歩行介助ロボットの全体システム構成を示す図である。
【図２】図２は駆動部の機能と歩行状態計測部とコントローラの機能について説明する図である。
【図３】図３は図１に示した歩行介助ロボットを被介助者Ｐが使用している状態を示す概念側面図である。
【図４】図４は移動部の構成を説明する概念図である。
【図５】図５は体幹支持部の形状を説明する図で、（Ａ）は体幹支持部１３０の正面図、（Ｂ）はその平面図である。
【図６】図６は下肢駆動部の形状を説明する図で、（Ａ）は下肢駆動部の平面図、（Ｂ）はその正面図である。
【図７】図７は下肢駆動部の動作原理を説明する図で、（Ａ）は下肢駆動部の分解斜視図、（Ｂ）は下肢駆動部の先端に取り付けられる大腿支持部の平面図、（Ｃ）は被介助者の股・膝を屈曲促進させる仕組みを説明する図で、（イ）は直立時、（ロ）は歩行時を表している。
【図８】図８は歩行状態計測部の全体構成を説明する図である。
【図９】図９は図８の股下支持部を説明する図で、（Ａ）は股下支持部の構成を説明する概念図、（Ｂ）は股下支持部の回転軸配置の説明図、（Ｃ）は股下支持部の本体を成す腰支持部材のセンサ取り付け位置の説明図で、（イ）は正面図、（ロ）は側面図である。
【図１０】図１０は腰揺動計測部の詳細を示す平面図である。
【図１１】図１１は腕振り計測部の詳細を示す図である。
【図１２】図１２は転倒判定方法の第１の例を示す図である。
【図１３】図１３は転倒判定方法の第２の例を示す図である。
【図１４】図１４は転倒判定方法の第３の例を示す図である。
【図１５】図１５は転倒判定方法の第４の例を示す図である。
【図１６】図１６は転倒への対処の第１の例を示す図である。
【図１７】図１７は転倒への対処の第２の例を示す図である。
【図１８】図１８は通常訓練時の介助方法の第１の例の構成例を説明する図である。
【図１９】図１９は通常訓練時の介助方法の第１の例の動作例で説明する図である。
【図２０】図２０は通常訓練時の介助方法の第２の例で腰左右・回旋揺動のための体幹支持部の機構例を説明する図である。
【図２１】図２１は通常訓練時の介助方法の第３の例を説明する図で、（Ａ）は足の接地状態と腰揺動との関係を示す図、（Ｂ）は腰揺動を後方から見た図である。
【図２２】通常訓練時の介助方法の第４の例を図２２で説明する。
【図２３】図２３は従来の歩行介助器具の第２の例の構成を示す図である。
【図２４】図２４は従来の歩行介助器具の第３の例の構成を示す図である。
【図２５】図２５は従来の歩行介助器具の第４の例の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
この発明の実施形態の歩行介助ロボットについて、全体のシステム構成を図１で説明する。
〈本発明に係る歩行介助ロボットの全体システム構成〉
図１は本発明に係る歩行介助ロボットの全体システム構成を示す図である。
図１において、本発明に係る歩行介助ロボットは、歩行訓練を必要とする患者である被介助者を転倒しないように後側から腰部を支えながら歩行訓練をさせるもので、転倒の虞がないときは両方の下肢を交互に駆動して前進・後退・左右旋回を介助し、転倒の虞があるときは介助動作を抑制し、転倒させない動作を行うものである。
全体のシステムとしては、歩行介助ロボット１０と、歩行介助ロボット１０を使用するため被介助者が身体に装着するもの、とで構成される。
以下、これらについて説明する。
【００４７】
〈歩行介助ロボット１０の体幹支持部１３０の構成〉
歩行介助ロボット１０の駆動部は、左右に駆動輪１２Ｗのある移動部である車体１２０（後述）と、この車体１２０の頂部に設けられたモータ１３Ｍによって回転可能に取り付けられている体幹支持部１３０と、下肢駆動部１４０（後述）とで構成される。体幹支持部１３０はモータ１２Ｍの反対側先端の連結アーム１３Ｂで左右の二股に分かれ、二股の両端にアーム（左アーム１３Ｌと右アーム１３Ｒ）が形成され、左アーム１３Ｌと右アーム１３Ｒの先端にそれぞれ面ファスナー付きの腹ベルト１８Ｂが取り付けられている。
【００４８】
《被介助者Ｐの体幹の固定》
この腹ベルト１８Ｂと二股アーム１３Ｒ、１３Ｌと連結アーム１３Ｂのそれぞれの内側には圧センサ１８Ｐ付きエアバッグ１８Ａが設けられており、被介助者Ｐの体幹（主として腰）を腹ベルト１８Ｂと二股アーム１３Ｒ、１３Ｌの内側に納めて、面ファスナー付きの腹ベルト１８Ｂで腹部を押さえ、エアバッグ１８Ａを膨らませると、被介助者Ｐの体幹を二股アームの内側に固定することができ、各圧センサ１８Ｐがその部位の圧力を計測する。
【００４９】
《被介助者Ｐの大腿の固定》
一方、二股アーム１３Ｒ、１３Ｌの外側にはそれぞれギア付きモータ１４Ｍ／Ｇが取り付けられ、モータシャフトに固定されたＬ型リンク１４Ｌが下方に延びかつそこから互いに内側に向かって延び、その先端で被介助者Ｐの大腿が位置する部位に大腿支持部１７０が取り付けられている。
大腿支持部１７０は大腿を取り囲む断面コ字状をしたプラスチック製コ字状枠とコ字状両端枠にそれぞれ面ファスナー付きの大腿ベルト１７Ｂが取り付けられている。また、プラスチック製コ字状枠の内側の前後にエアバッグ１７Ａが取り付けられている。そこで、被介助者Ｐが自分の大腿をプラスチック製コ字状枠の内側に入れて、両方の大腿ベルト１７Ｂの面ファスナーを互いに重ねて大腿を大腿支持部１７０に軽く固定した後、エアバッグ１７Ａを膨らませることで大腿を大腿支持部１７０の内側にしっかりと固定することができる。
このようにして大腿支持部１７０に固定された大腿は、ギア付きモータ１４Ｍを前後に旋回駆動することで強制的に前後に動かされるようになる。
このようにギア付きモータ１４Ｍ／Ｇから大腿支持部１７０までで下肢駆動部１４０を構成する。
【００５０】
《身体の名称の定義》
ここで、本発明の説明に用いる身体の名称についての定義を記載しておく。
「下肢」とは、股〜膝〜足に至る身体の部分である。
「股下」とは、左右の大腿に共通する付け根の部分である。
「大腿」とは下肢の一部で股〜膝に至る部分である。
「上肢」とは肩〜腕〜手指に至る身体の部分である。
【００５１】
《被介助者Ｐの股下の支持》
股下支持部１６０は、布製の腰ベルト１６Ｂと大腿ベルト１６Ｄとこの両者を連結する連結ベルト１６Ｒから成る被着部１６３と、この被着部１６３の背中側に設けられた腰支持部材１８０（図９）を介して、垂直面内に回転し角度センサおよびブレーキとを有する回転軸１６２（以下、垂直面回転軸１６２という。）１６２とこの垂直面回転軸１６２に連結される水平面内にフリーに回転し角度センサを有する回転軸１６１（以下、水平面回転軸１６１という。）とを経て最終的に体幹支持部１３０の下側に取り付けられて成る。この股下支持部１６０によって被介助者Ｐの腰部を自由に水平及び垂直方向に動かせるようになる。
また、被着ベルトの両腰側に係止部１６Ｆを設け、歩行介助ロボット１０の二股アーム１３Ｒ、１３Ｌの上部に設けられた係止孔１３Ｆに係合させて被介助者Ｐの腰部を固定している。
【００５２】
《被介助者Ｐの腕の運動》
二股アーム１３Ｒ、１３Ｌの上には被介助者Ｐの腕の振り入力部１９０がそれぞれ設けられている。腕の振り入力部１９０はレバー状をしていてその根元側に回転軸があり、角度センサとブレーキを介して二股アーム１３Ｒ、１３Ｌに固定されている。被介助者Ｐがこのレバーを握って、歩行時に左右に前後させることで被介助者Ｐの腕の振りを入力することができる。
以上が、本発明に係る歩行介助ロボットの全体システム構成である。
【００５３】
次ぎに、全体のシステムを構成する各部の機能について説明をする。図２は駆動部１００の機能と、歩行状態計測部２００と、コントローラ３００の機能について説明する図である。
（１）駆動部１００は、移動部１２０と体幹支持部１３０と下肢駆動部１４０とを備え、コントローラ３００の判定結果を基に、それぞれ移動部１２０と体幹支持部１３０と下肢駆動部１４０とを最適に駆動するものである。
（２）歩行状態計測部２００は、被介助者Ｐの歩行状態を各センサから測定して計測結果を求めるものである。
（３）コントローラ３００は、歩行状態計測部２００の計測結果を受信して、「被介助者が転倒するか否か」を判定し、「転倒」と判断した場合には転倒を防ぐ指令を生成し、駆動部１００に送る。「転倒でない」（非転倒）と判断した場合には通常訓練としての指令を生成し、駆動部１００に送るものである。
これらの駆動部１００と歩行状態計測部２００とコントローラ３００の機能について、さらに詳しく説明する。
【００５４】
〈駆動部１００の機能〉
駆動部１００は、図２に示すように、（１）移動部１２０と、（２）体幹支持部１３０と、（３）下肢駆動部１４０と、を備えて成る。各構成部分においてはサーボ系を構成している。
【００５５】
（１）《移動部１２０の機能》
移動部１２０は独立２駆動輪１２Ｗ（図４）を２個備え、
（イ）被介助者Ｐの前後・左右旋回の移動を介助（非転倒時）および抑制（転倒と判断時）し、
さらに（ロ）被介助者Ｐの腰の揺動（上下・左右）を介助（非転倒時）および抑制（転倒と判断時）する。
【００５６】
《移動部１２０は２輪による「倒立制御」》
移動部１２０は２輪によるいわゆる「倒立制御」を実施している。
「倒立制御」の技術は、たとえば、「独創的ロボットの研究開発」（山藤ほか著、養賢堂、Ｐ１３〜１５）に記載されている技術で、直立姿勢制御を実装すれば容易に実現可能である。ただし、本実施例で実現する場合には、被介助者Ｐ、体幹支持部１３０や下肢駆動部１４０等のメカや被介助者を含めた形で倒立し、平衡を維持する必要がある。このため被介助者Ｐの身体が直立静止した状態で倒立の平衡点となるように設定する。また、身体が動くことによる負荷の変動は倒立に対する外乱となる。この外乱を打ち消すようフィードバック制御をかけるべく２輪の推進力を発生させる。
【００５７】
（２）《体幹支持部１３０の機能》
体幹支持部１３０は、（ハ）被介助者の腰の揺動（左右・旋回）を介助（非転倒時）および拘束（転倒と判断時）する。
さらに、（ニ）被介助者の腕の振りによる入力を介助（非転倒時）および抑制（転倒と判断時）する。
【００５８】
（３）《下肢駆動部１４０の機能》
下肢駆動部１４０は、（ホ）被介助者の股・膝・足の各関節まわりの下肢の運動を介助（非転倒時）および抑制（転倒と判断時）する。
【００５９】
〈歩行状態計測部２００の機能〉
歩行状態計測部２００では、被介助者の（ａ）体幹（主として腰）の運動と、（ｂ）下肢（左右の大腿）の運動、および（ｃ）腕の振りからそれぞれのセンサで歩行状態を計測し、これらの歩行状態の計測結果をコントローラ３００に出力する。
【００６０】
〈コントローラ３００の機能〉
コントローラ３００では、歩行状態計測部２００の計測結果から、「被介助者が転倒するか否か」を判定する。
（イ）「転倒」と判断した場合には、これを防ぐ指令を生成する。
（ロ）「転倒でない」と判断した場合には、通常訓練としての指令を生成する。
そして生成されたこの指令を基に駆動部１００の各構成部分（１）〜（３）が協調動作する動作指令を生成し、駆動部１００へ入力する。
【００６１】
〈駆動部１００の構成〉
次に、駆動部１００の構成について図３〜図６に基づいて説明する。
図３は図１に示した歩行介助ロボットを被介助者Ｐが使用している状態を示す概念側面図である。
図３において、被介助者Ｐに対し、独立２輪の駆動輪を有し電源と制御部分を内蔵する車体を持つ移動部１２０による駆動と、移動部１２０に連結し被介助者Ｐの体幹、特に腰を支持し、腰誘導のため水平軸方向の回転駆動軸を有する体幹支持部１３０による駆動と、この体幹支持部１３０に連結し被介助者Ｐの下肢すなわち左右の大腿をそれぞれ独立に駆動する一対の駆動軸を有する下肢駆動部１４０による駆動によって、被介助者Ｐの体幹と下肢は運動を介助（非転倒時）または抑制（転倒と判断時）される。
股下支持部１６０は体幹支持部１３０に連結し被介助者Ｐの股を下から支持する。ここでの股下支持部１６０はトーションバー１６Ｔを介して体幹支持部１３０に結合されているのが特徴（実施例２）である。
また、腕の振り入力部１９０は体幹支持部１３０に連結し被介助者Ｐの腕の振りを入力する。
【００６２】
《移動部１２０の構成》
図４は移動部１２０の構成を説明する概念図である。
図４の移動部１２０は図３の移動部１２０を図の左側から見た図で表し、図４のその他の部分（体幹支持部１３０，下肢駆動部１４０）は図３と同じ方向から見た図で表して、それぞれ判り易くしている。
移動部である車体１２０は、左右の駆動輪１２Ｗにギア１２Ｇとモータ１２Ｍを連結し、そのモータ１２Ｍを駆動するアンプ１２Ａと、アンプ１２Ａに制御信号を送るとコントローラ３００と電源（図示省略）を自身に内蔵して成る。
歩行状態計測部２００の各センサから送られてくる検出信号がコントローラ３００に入ると、コントローラ３００は後述する諸判定を行って、被介助者の背後にある移動部（車体）１２０の左右の駆動輪１２Ｗをその諸判定の結果に基づいてそれぞれ別々に、左右のアンプ１２Ａを介してモータ１２Ｍ、ギア１２Ｇ、シャフト１２Ｓを経て左右のタイヤ１２Ｗを駆動する。
これにより、車体１２０の速度を速めたり、遅めたり、右旋回したり、左旋回することができる。
なお、図４において、コントローラ３００が諸判定を行って、体幹支持部１３０の制御が必要となったときは、アンプ１３Ａを介してモータ１３Ｍ、ギア１３Ｇを介して体幹支持部１３０を制御する。
また、図４において、コントローラ３００が諸判定を行って、下肢駆動部１４０の制御が必要となったときは、アンプ１４Ａを介してモータ１４Ｍ、ギア１４Ｇを介して下肢駆動部１４０を制御する。
【００６３】
《体幹支持部１３０の形状と機能》
図５は体幹支持部１３０の形状を説明する図で、（Ａ）は体幹支持部１３０の正面図、（Ｂ）はその平面図である。体幹支持部１３０は、そのシャフト部１３Ｓが移動部１２０（図１、図３、および図４）である車両の頂部において水平軸方向に回転駆動するモータ１３Ｍとギア１３Ｇに連結している。
体幹支持部１３０は平面図（Ｂ）で見てシャフト部１３Ｓの先端で連結アーム１３Ｂとなって左右に二股に分かれ、その両端からそれぞれ二股アーム１３Ｒ、１３Ｌが形成されている。二股アーム１３Ｒ、１３Ｌは互いに平行となっており、この二股アーム１３Ｒと１３Ｌの間に体幹（腰）を支持（開放側を腹側、連結アーム１３Ｂ側を背側に）している。開放側には腹ベルト１８Ｂ（後述、図１０）が設けられる。
そこで、歩行状態計測部２００（図２および図４）の各センサからの検出信号がコントローラ３００（図２および図３）に入ると、コントローラ３００は後述する諸判定を行って、体幹支持部１３０の制御が必要となったときは、移動部１２０（図２および図３）内のアンプ１３Ａ（図３）を経てモータ１３Ｍにモータ駆動信号を送る。
モータ１３Ｍは車体（移動部）１２０の上部に固定されており（図１および図４）、モータ１３Ｍが旋回すると、ギア１３Ｇを介してシャフト１３Ｓを所定角度旋回させ、これによりシャフト１３Ｓに固定の体幹支持部１３０も旋回し、これに固定されている被介助者Ｐ（図１および図３）の体幹に軸方向の回転を与えることができる。
【００６４】
《下肢駆動部１４０の形状と機能》
図６は下肢駆動部１４０の形状を説明する図で、（Ａ）は下肢駆動部１４０の平面図と、（Ｂ）はその正面図である。
下肢駆動部１４０（図１、図２および図４）は、大腿支持部１７０（図１、図４および図６）を左右の下肢を独立に駆動する一対のギア１４Ｇとモータ１４Ｍを介してそれぞれ体幹支持部１３０の二股アーム１３Ｒと１３Ｌに連結している。
そこで、歩行状態計測部２００（図２および図４）の各センサからの検出信号がコントローラ３００（図２および図４）に入ると、コントローラ３００は後述する諸判定を行って、大腿支持部１７０（図１）の制御が必要となったときは、移動部１２０（図４）内のアンプ１４Ａ（図４）を経てモータ１４Ｍにモータ駆動信号を送る。モータ１４Ｍが旋回すると、ギア１４Ｇを介してＬ型リンク１４Ｌを所定角度旋回させ、これによりＬ型リンク１４Ｌに固定の大腿支持部１７０（図１）も旋回し、これに固定されている被介助者Ｐ（図１および図３）の大腿に前後運動を与えることができる。
【００６５】
《下肢駆動部１４０の動作原理》
図７は下肢駆動部１４０（図１〜図４、図６）の動作原理を説明する図で、（Ａ）は下肢駆動部１４０の分解斜視図、（Ｂ）は下肢駆動部１４０の先端に取り付けられる大腿支持部１７０の平面図、（Ｃ）は下肢駆動部１４０の第２の例で被介助者の股・膝を屈曲促進させる仕組みを説明する図で、（イ）は直立時、（ロ）は歩行時を表している。
図７（Ａ）において、下肢駆動部１４０は、図１で説明したように、二股アーム１３Ｒ、１３Ｌ（図１）の外側に取り付けられたギア付きモータ１４Ｍ／Ｇと、このギア１４Ｍ／Ｇに連結したシャフト１４Ｓと、さらにシャフト１４Ｓに連結したＬ型リンク１４Ｌと、Ｌ型リンク１４Ｌの下方かつ互いに内側に向かって延びた先端に取り付けられた大腿支持部１７０とで構成される。
大腿支持部１７０は図７（Ｂ）のように大腿を取り囲む断面「コ」字状のプラスチック枠１７Ｈと、コ字状プラスチック枠１７Ｈの開放側両端に設けられた面ファスナー１７Ｆ１と１７Ｆ２と、コ字状プラスチック枠１７Ｈの内側両端（被介助者Ｐの大腿Ｐｄの表側と裏側に当接するよう）に設けられたエアバッグ１７Ａ１と１７Ａ２から構成されている。
Ｌ型リンク１４Ｌの長さはモータシャフト１４Ｓが被介助者Ｐの大腿Ｐｄの股関節Ｐｃに一致した場合のエアバッグ１７Ａ１、１７Ａ２が大腿Ｐｄに当接するときの長さに一致している。
Ｌ型リンク１４Ｌは図７（Ｃ）のように２本のＬ型リンク１４Ｌでリンクを構成し、平行四辺形状に変形できるようにし、それの変形に伴ってコ字状プラスチック枠１７Ｈの枠も変形できるように角部をヒンジ構成している。
もちろん、１本のＬ型リンク１４Ｌでその先端のコ字状プラスチック枠１７Ｈを平行四辺形状に変形できるようにし、角部をヒンジ構成してもよい。
【００６６】
《下肢駆動部１４０の動作原理》
以上の構成から成る大腿支持部１７０に被介助者Ｐの大腿Ｐｄを入れてエアバッグ１７Ａ１、１７Ａ２を膨らませると、図７（Ｃ）の（イ）のように大腿Ｐｄを大腿支持部１７０の内側に拘束することができる。被介助者の足が床（地面）について起立している（イ）状態では、ギア付きモータ１４Ｍ／Ｇはエアバッグ１７Ａ１・１７Ａ２を取り付けたリンク１７Ｌを図の状態にしている。
股・膝を屈曲促進させたいときは、モータ１４Ｍを前に旋回駆動させることで、図７（Ｃ）の（ロ）のようにシャフト１４Ｓ（すなわち、股関節Ｐｃを中心に）リンク１４Ｌの下辺を前進させて、大腿支持部１７０に固定された大腿Ｐｄを強制的に前に持ち上げ、被介助者Ｐの股・膝の屈曲を促進させて、足を上げ前に進めさせる。
その際、前後のエアバッグ１７Ａ２、Ａ１の大きさを変化させて、大腿Ｐｄの持ち上げ時に前のエアバッグ１７Ａ２を膨らませ、後のエアバッグ１７Ａ１を縮めるようにすると、エアバッグ１７がクッション性を発揮して、大腿Ｐｄに優しくなる。
【００６７】
《股下支持部１６０と大腿ベルト１６Ｄと大腿支持部１７０の違い》
以上のように、大腿支持部１７０は下肢を前後に駆動するためのもので、プラスチック等や固い素材からなり、モータ／ギア１４Ｍ／Ｇ（図１）などに連結されている。
一方、大腿ベルト１６Ｄは股下支持部１６０を構成する１部で、転倒と判断した時に身体を支えるためのもので、布など柔らかい素材でできている。腰ベルト１６Ｂ（図１）に連結ベルト１６Ｒで連結している。腰ベルト１６Ｂには係止部１６Ｆがあり、これが体幹支持部１３０の左・右アーム１３Ｌ・１３Ｒにある係止孔１３Ｆと係合して体幹支持部１３０と連結している。コントローラ３００（図２）が転倒と判断した時には、股下支持部１６０を構成するモータ１３Ｍが旋回し、左・右アーム１３Ｌ・１３Ｒのうち転倒側のアームを上に上げ、これにより所望のアームが上に動き、そのアームが腰ベルト１６Ｂを引き上げ、それに伴い腰ベルト１６Ｂも引き上げられ、転倒を防止する。
使用イメージとしては、まず、訓練開始前に腰ベルト１３Ｋと大腿ベルト１６Ｄを装着し、そのまま装置に近づき大腿支持部１７０を装着して、訓練開始となる。
【００６８】
〈歩行状態計測部２００の全体構成〉
図８は歩行状態計測部２００（図２）の全体構成を説明する図である。
歩行状態計測部２００は、股下支持部１６０（図１および図２）に設けられた股下計測部２１０と、腰揺動計測部２２０と腕振り計測部２３０とから成る。
股下支持部１６０は体幹支持部１３０に水平面回転軸１６１（図９）と垂直面回転軸１６２（図９）を介して連結されており、体幹支持部１３０に結合され、被介助者Ｐの股下に配置し、躓（つまず）くなどで被介助者Ｐの腰Ｐｈが沈下した際にこれを支持する部材である。
体幹支持部１３０に被介助者Ｐの腰Ｐｈと大腿Ｐｄの前後・左右・上下の動作を計測するセンサを備えることで股下計測部２１０を構成している。
腰揺動計測部２２０は、体幹支持部１３０の被介助者Ｐの腰Ｐｈを支持する部分において被介助者Ｐの腰Ｐｈの動きを計測するセンサを備えている。
腕振り計測部２３０は、被介助者Ｐの上肢Ｐａの動きを計測するセンサを備える。
【００６９】
《前後・左右・下への転倒状態の検出》
前後・左右・下への転倒状態は腰Ｐｈの動きで検出する。
例えば、股下支持部１６０に３軸の圧センサまたは加速度センサ、角度センサ、接触センサのいずれかを備え腰動作を検出する。また、体幹支持部１３０に３軸加速度センサを備え腰動作を検出することもできる。
転倒状態ではない場合は、通常の訓練として介助動作を継続する。たとえば、股下支持部１６０と体幹支持部１３０に圧センサまたは加速度センサを備え、左右への腰の揺動を計測し、また、腕振り計測部２３０に角度センサまたは圧センサを備え、腕の振りを計測する。これらの情報を基に介助動作を計算する。
【００７０】
《股下支持部１６０の説明》
図９は、図８の股下支持部１６０を説明する図で、（Ａ）は股下支持部１６０の実施例２の構成を説明する概念図、（Ｂ）は股下支持部１６０の実施例１の回転軸配置の説明図、（Ｃ）は股下支持部１６０の実施例２の本体を成す腰支持部材１８０のセンサ取り付け位置の説明図で、（イ）は正面図、（ロ）は側面図である。
図９（Ａ）のように、腰支持部材１８０は腰Ｐｈを支持する部材で腰Ｐｈに配置し、被介助者Ｐが転倒したと判断された時等に腰Ｐｈが下降した場合にこれを受けるもので、回転軸上に回転を抑制するトーションバー１６Ｔ、回転角度を測る角度センサ１６Ａ、回転を停止するブレーキ１６ＢＲを備えている。
図９（Ｂ）のように、体幹支持部１３０に２つの回転軸１６１と１６２を介して連結される股下支持部１６０は、２つの回転軸を有する。すなわち水平面内にフリーに回転し角度センサを有する回転軸１６１と、垂直面内に回転し角度センサおよびブレーキとを有し腰支持部材１８０に連結する回転軸１６２とから成る。
また、図９（Ｃ）のように、腰支持部材１８０の上部左右側面に上に圧力または加速度または接触のセンサ１８Ｓ１、１８Ｓ２、１８Ｓ３（例えば圧センサ）を配置して、上下・左右方向から加わる圧を計測する。この腰支持部材１８０の動作を介して前後・左右・下への転倒状態を腰の動きで検出する。例えば、腰Ｐｈの左右への揺動、すなわち大腿の前後方向への運動状態は、股下支持部１６０が水平面内回転軸１６１（図９（Ｂ））に備える角度センサ１３１の検出値にて推定可能である。
また、垂直面内回転軸１６２（図９（Ｂ））に備える角度センサ１３２および腰支持部材１８０上に備える圧または加速度センサ１８Ｓ１〜１８Ｓ３は、腰Ｐｈの前後・上下方向の揺動を計測できる。
以上のセンサ値は、図１２から図１５にかけて後述する転倒判定に用いられる。
【００７１】
《腰揺動計測部２２０の説明》
図１０は腰揺動計測部２２０（図８）の詳細を示す平面図である。
腰揺動計測部２２０は体幹支持部１３０の連結アーム１３Ｂと左右の二股アーム１３Ｌ、１３Ｒと腰ベルト１３Ｋで、体幹の腰Ｐｈを前後左右に取り囲むように構成される。腰揺動計測部２２０と腰Ｐｈとの間にエアバッグ１３Ａ１〜１３Ａ４を備え、空気圧を高めることで腰Ｐｈを体幹支持部１３０に把持できる。また、エアバッグ１３Ａ１〜１３Ａ４と腰Ｐｈとの間にそれぞれ圧センサ１３Ｓ１〜１３Ｓ４を配置し、腰Ｐｈ周りに加わる圧を計測する。
この情報は以下に述べる転倒の判定および通常訓練時の介助の際に用いられる。
【００７２】
《腕振り計測部２３０の説明》
図１１は腕振り計測部２３０（図８）の詳細を示す図である。
腕振り計測部２３０は、被介助者Ｐの腕Ｐａおよび手Ｐｔが把持する腕の振り入力バー２３Ｂと、この入力バー２３Ｂを回転をさせるための回転軸２３Ｊ、これに連結し、入力バー２３Ｂの回転を計測する角度センサ２３Ａとブレーキ２３ＢＲとから成る。ブレーキ２３ＢＲは入力バー２３Ｂの回転を抑制する働きをする。これらは体幹支持部１３０に固定されている。
これらのセンサを用いた機構構成の働きのうち、転倒の判定方法１〜４については図１２〜図１５で、転倒への対処１、２については図１６および図１７で、通常訓練時の介助方法１〜４については図１８〜図２２で説明する。
【００７３】
〈転倒判定方法１〉
転倒判定方法の第１の例を図１２に示す。
転倒判定方法の第１の例は、各種センサから取得した情報を基にそれらの各閾値と比較し、どれか一つでも越えたら転倒と判定するものである。
簡便ですばやい対応ができることが、この第１の例の長所であるが、ノイズ（誤認識）も多いので留意を要する。
図１２において、判定開始（Ｓ１２１）後、各計測値ｘに対応する各閾値ａを一時停止判断の閾値として設定する（Ｓ１２２）。
歩行状態計測部２００（図２）において、図８に示した腰揺動計測部に備えるセンサと図９に示した股下支持部１６０に備えるセンサの各センサからの計測値ｘを取得する（Ｓ１２３）。各センサには加速度センサ、タッチセンサ、角度センサ、角速度センサ、圧センサが用いられる。
コントローラ３００（図２）は歩行状態計測部２００（図２）からそれらの情報を取得し（Ｓ１２４）、取得した各計測値ｘとその閾値ａに応じて次の対処を実施する（Ｓ１２５）。
各閾値ａの８０％（即ち０．８＊ａ）と閾値ａとを各計測値ｘと比較し、いずれのセンサ値ｘも｜ｘ｜＜０．８＊ａを満たすなら介助動作を継続する。
そうでなくて、いずれかの少なくとも一つのセンサ値ｘが
｜ｘ｜＞＝０．８ａ  かつ｜ｘ｜＜ａ
なら介助動作をやめて動作を抑制する。
このとき、この条件を満たすセンサ値がどの程度閾値に近いかにより、例えば、８０％以上を転倒危険度の程度の大きい、２０〜８０％を中程度、それ以下を小さいと評価する。
これは図１６に示す転倒への対処で用いられる。そうでなくて、いずれかの少なくとも一つのセンサ値ｘが｜ｘ｜＞＝ａなら、機器の動作を一時停止する。
次にこれらの判定結果を駆動部へ指令する（Ｓ１２６）。
さらに、停止スイッチが押されたまたは一時停止が解除されたなら終了し、そうでないなら上記処理を継続し、処理Ｓ１２４へ戻る（Ｓ１２７）。
【００７４】
〈転倒判定方法２〉
転倒判定方法の第２の例を図１３に示す。
転倒判定方法の第２の例は、各種センサから取得した情報を基に、いわゆる判別分析により複数のセンサ情報を組み合わせ、転倒か否かを判定するものである。
複数の情報を組み合わせることで誤判定を防ぐことができることが、この第２の例の長所である。
また、判定確率をあらかじめ設定できる。
図１３において、判定開始（Ｓ１３１）後、一時停止の判断の閾値として誤判別確率の目標値から対応する判別スコアを求め、これを閾値ａと設定しておく（Ｓ１３２）。
歩行状態計測部２００（図２）において各センサからの計測値ｘを取得する（Ｓ１３３）。各センサには加速度センサ、タッチセンサ、角度センサ、角速度センサ、圧センサが用いられる。
コントローラ３００（図２）は歩行状態計測部２００（図２）からそれらの情報を取得し（Ｓ１３４）、取得した各計測値ｘからその判別スコアｃを計算し（Ｓ１３５）、閾値ａに応じて次の対処を実施する（Ｓ１３６）。
判別スコアｃに対応する閾値ａの８０％（即ち０．８＊ａ）と閾値ａとを各計測値ｘと比較し、
｜ｘ｜＜０．８ａを満たすなら、介助動作を継続する。
そうでなくて、｜ｘ｜＞＝０．８ａかつ｜ｘ｜＜ａなら、介助動作をやめて動作を抑制する。このとき、この条件を満たすセンサ値の割合により、転倒危険度の程度の大きい、中程度、小さいを評価する。
そうでなくて、｜ｘ｜＞＝ａなら、機器の動作を一時停止する。
次に、これらの判定結果を駆動部へ指令する（Ｓ１３７）。
さらに、停止スイッチが押されたまたは一時停止が解除されたなら終了し、そうでないなら上記処理を継続し、処理Ｓ１３４へ戻る（Ｓ１３８）。
【００７５】
〈転倒判定方法３〉
転倒判定方法の第３の例を図１４に示す。
転倒判定方法の第３の例は、各種センサから取得した情報を基に、転倒前に足が速くなるなどの特徴に関係する条件がそろったら転倒と判定するものである。
設定する特徴に沿った確度の高い判定が可能なことが、この第３の例の長所である。
図１４において、判定開始（Ｓ１４１）後、予め注目する特徴に関する計測値を選定し、それら計測値の各閾値ａを設定しておく（Ｓ１４２）。例えば、歩行状態計測部２００（図２）において、図９に示した股下支持部１６０に備えるセンサと図１０に示した腰揺動計測部に備えるセンサの中から、腰の左右方向の揺動をとらえるセンサ、すなわち股下支持部１６０が水平面内回転軸（図９（Ｂ）の符号１６１）に備える角度センサ値に着目する。
歩行状態計測部２００において各センサからの計測値ｘを取得する（Ｓ１４３）。各センサには加速度センサ、タッチセンサ、角度センサ、角速度センサ、圧センサが用いられる。
コントローラ３００（図２）は歩行状態計測部２００（図２）からそれらの情報を取得する（Ｓ１４４）。
コントローラ３００は、取得した情報から、各計測値ｘとその閾値ａに応じて次の対処を実施する（Ｓ１４５）。
すなわち、今回の計測値ｘがすべてその閾値ａに応じて｜ｘ｜＞ａを満たすなら、一時停止する。
そうでなければ、今回の計測値のうち少なくとも１個が｜ｘ｜＞０．８ａを満たすなら、介助動作をやめて動作を抑制する。
このとき、この条件を満たすセンサ値の割合により、転倒危険度の程度の大きい、中程度、小さいを評価する。
そうでなければ、介助を継続する。
それらの判定結果を駆動部へ指令する（Ｓ１４６）。
さらに、停止スイッチが押されたか、または一時停止が解除されたなら終了し、そうでないなら上記処理を継続し、処理Ｓ１４４へ戻る（Ｓ１４８）。
【００７６】
〈転倒判定方法４〉
転倒判定方法の第４の例を図１５に示す。
転倒判定方法の第４の例は、各種センサから取得した情報を基に、移動平均を求め、同時に求める標準偏差を閾値として比較し、標準偏差を逸脱した場合に転倒と判定するものである。
状態の時間的な変化を考慮しながらセンサ値の急激な変化を転倒と判定することが、この第４の例の長所である。
図１５において、判定開始（Ｓ１５１）後、予め歩行状態計測部２００（図２）において各センサからの計測値ｘを取得する（Ｓ１５２）。各センサには加速度センサ、タッチセンサ、角度センサ、角速度センサ、圧センサが用いられる。
コントローラ３００（図２）は歩行状態計測部２００（図２）からそれらの情報を取得する（Ｓ１５３）。
コントローラ３００は、センサ情報を取得するたびに、各計測値の移動平均σとこれに対応する標準偏差ｓｄを求める（Ｓ１５４）。
今回の当該計測値ｘと移動平均σとの差の絶対値｜ｘ−σ｜とを比較する（Ｓ１５５）。
ここで、今回の計測値のうち少なくとも１個が｜ｘ−σ｜＜ｓｄなら、介助動作を継続する。
そうでなければ、今回の計測値のうち少なくとも１個が｜ｘ−σ｜＞＝ｓｄかつ｜ｘ−σ｜＜２ｓｄなら、介助動作をやめて動作を抑制する。
このとき、この条件を満たすセンサ値の割合により、転倒危険度の程度の大きい、中程度、小さいを評価する。
そうでなければ、今回のすべての計測値について、｜ｘ−σ｜＞＝２ｓｄであり、機器の動作を一時停止し、それらの判定結果を駆動部へ指令する（Ｓ１５６）。
さらに、停止スイッチが押されたか、または一時停止が解除されたなら終了し、そうでないなら上記処理を継続し、処理Ｓ１５３へ戻る（Ｓ１５７）。
【００７７】
〈転倒への対処１〉
転倒への対処の第１の例を図１６で示す。
転倒への対処の第１の例は、上記転倒の判定を受けて実施するものである。このために、歩行パターンの周期を低く抑えること、また可動範囲を制限することで歩行動作の安定性を上げるものである。例えば、移動部１２０への指令速度の低下、移動部１２０と体幹支持部１３０による腰揺動の指令速度の低下と腰揺動範囲の制限、腕振り計測部１９０の粘性向上、下肢駆動部に１４０よる下肢運動への介助の指令速度の低下、関節可動範囲の制限をする。
これらの対策は転倒の危険度によりさらに細かく分かれる。
転倒の危険性を中程度と判定した場合、移動部１２０の移動速度を低下させ、移動部１２０と体幹支持部１３０による腰揺動の速度を低下させ、股下支持部１６０の回転軸の粘性を上げ、腕振り計測部２３０（図８）において被介助者Ｐの手腕で把持する腕振り入力部１９０の部材の動作の粘性を上げ、下肢駆動部１４０の下肢運動の速度を低下させる。
転倒の危険性が大きいと判定した場合、移動部１２０の移動を停止させ、移動部１２０と体幹支持部１３０による腰揺動を停止させ、股下支持部１６０の回転を固定し、腕振り計測部２３０において被介助者Ｐの手腕で把持する部材の動作を固定し、下肢駆動部１４０の下肢運動を停止させる。
転倒の危険性が小さいと判定した場合、被介助者の腰の前後・左右・上下への３次元の揺動を介助するよう、腕振り計測部２３０への入力を基に被介助者Ｐの歩行周期に同期して、移動部１２０と体幹支持部１３０と下肢駆動部１４０とを協調して動作させる。
また、被介助者Ｐが手Ｐｔで把持する腕の振り入力バー２３Ｂと、腕の振り入力バー２３Ｂを体幹支持部１３０に結合する回転軸２３Ｊと、回転軸２３Ｊに設けられた角度センサ２３Ａとブレーキ２３ＢＲとにおいて、ブレーキ２３ＢＲにより腕の振り入力バー２３Ｂの動きを制限することで被介助者Ｐの腕Ｐａの振りを抑制する。これも上記転倒危険度の評価結果に応じてブレーキをかける強さや腕振り可能な角度を角度センサで監視し制限する。
【００７８】
〈転倒への対処２〉
転倒への対処の第２の例を図１７で示す。
転倒への対処の第２の例も上記転倒の判定を受けて実施するものである。このために、本発明の装置への身体固定の度合を上げることで身体の動きを抑制し安定性をあげるものである。すなわち、図１７（Ａ）の体幹支持部１３０の股下支持部１６０のブレーキ１６ＢＲを強くかけること、図１７（Ｂ）の体幹支持部１３０の腰揺動計測部２２０の内蔵エアバッグ１３Ａ１〜１３Ａ４の圧を上げること、図１７（Ｃ）の下肢駆動部１４０の内蔵エアバッグ１７Ａ１、１７Ａ２の圧をあげることである。
具体的には、図１７（Ａ）の股下支持部１６０において、トーションバー１６Ｔを介して体幹支持部１３０に結合され、角度センサ１６Ａとブレーキ１６ＢＲとを同軸上に備え、ブレーキ１６ＢＲにより腰支持部材１８０の姿勢変化を拘束する。これにより腰Ｐｈの急激な低下を防ぐことができる。
また、図１７（Ｂ）の腰揺動計測部２２０において、被介助者Ｐの腰Ｐｈの動きを左右・後方から支持する体幹支持部１３０と、体幹の前方に備えた腰ベルト１３Ｋと、腰ベルト１３Ｋと体幹支持部材１３０とに備えた複数のエアバッグ１３Ａ１〜１３Ａ４を備えている。ここで、コントローラ３００（図２）からの指令により各エアバッグ１３Ａ１〜１３Ａ４の圧を調整する。調整は図示していない圧力制御器によりエアバッグの各表面に配置された圧センサ１３Ｓ１〜１３Ｓ４の値で行われる。
転倒の危険性が小さいと判定した場合、コントローラ３００から圧力制御器への指令によりエアバッグ１３Ａ１〜１３Ａ４の圧力を減らす。また腰揺動計測部２２０（図１７（Ｂ））にて計測した圧センサ１３Ｓ１〜１３Ｓ４の計測値にしたがって、いわゆる柔軟制御を実施するよう下肢駆動部１４０への指令を生成する。
転倒の危険性が中程度以上のとき、コントローラ３００から圧力制御器への指令によりエアバッグ１３Ａ１〜１３Ａ４の圧力を増やす。また、柔軟制御を停止するよう下肢駆動部１４０への指令を生成する。
【００７９】
〈通常訓練時の介助方法１〉
ここで柔軟制御について、図１８及び図１９を用いて説明する。
通常訓練時の介助方法の第１の例を、図１８の機構構成と図１９の動作例で説明する。この第１の例は、腰に対して柔らかく拘束し、腰の左右方向への負荷を検出し、これに倣うような柔軟な動作を実現するものである。
図１８の機構構成において、移動部１２０は、独立二輪駆動の駆動輪１２Ｗ、１２Ｗと、体幹支持部１３０と、左右への旋回を行う移動部１２０で構成される。
体幹支持部１３０は、エアバッグ１３Ａ１〜１３Ａ４と腰ベルト１３Ｋを介して被介助者Ｐの体幹である腰部Ｐｈを支持する。独立二輪駆動の駆動輪１２Ｗ、１２Ｗは、駆動輪によりその場での旋回機能を有する。ここで圧センサ１３Ｓ１〜１３Ｓ４で計測した圧情報を基に、ばね・ダンパ系で構成される柔軟モデル１８００、１８００で表現される機構を有するかのごとく左右への旋回を行う。
【００８０】
ここで、柔軟モデル１８００の実現方法について図１９を用いて説明する。
図１９のステップＳ１９１で、圧センサ１３Ｓ１、１３Ｓ３（図１８）で左右にかかる各圧ｐ１、ｐ２を検出する。
左右の圧力差ｐ１−ｐ２を基に、移動部１２０の旋回中心に対するトルクＴを求める（Ｓ１９２）。
求めたトルクＴと柔軟モデルの式Ｔ＝Ｂ・ｄΘ／ｄｔ＋Ｋ・Θから移動部の旋回角度θを求める（Ｓ１９３）。
求めた移動部の旋回指令値θを基に移動部駆動輪を駆動する（Ｓ１９４）。
【００８１】
〈通常訓練時の介助方法２〉
通常訓練時の介助方法の第２の例は、体幹支持部１３０において図１８の機構構成と図１９の動作とは別の例を示すものとして、図２０で腰左右・回旋揺動のための体幹支持部１３０の機構例を説明する。
図２０において、移動部１２０に支持された平行リンク機構において、いずれも水平平面内で動作する２つの平行リンクＡ（２００Ａ）と平行リンクＢ（２００Ｂ）で構成する。これらの平行リンク機構は各１個の駆動モータ２０ＭＡ、２０ＭＢで独立に駆動される。駆動モータ２０ＭＡによりリンクＡ（２００Ａ）を変形させ、体幹の腰部Ｐｈを水平面内で左右横移動させる。
駆動モータ２０ＭＢによりリンクＢ（２００Ｂ）で変形させ、腰部Ｐｈを水平面内で回旋させる。このとき下肢駆動部１４０を体幹支持部１３０の正面の向き１３０Ｆに常に平行な姿勢に保つことができる。これら腰と下肢との動きにより自然な歩行動作を実現できる。動きの詳細は以下に述べる。
【００８２】
〈通常訓練時の介助方法３〉
通常訓練時の介助方法の第３の例は、腰が上下・左右・回転の３軸方向の動きに同期して揺動する例である。
図２１は通常訓練時の介助方法の第３の例を説明する図で、（Ａ）は足の接地状態と腰揺動との関係を示す図で、（Ｂ）は腰揺動を後方から見た図である。（Ａ）の波形の周期は歩行に同期しており、左右の振幅は腰中心が足底より出ない程度としている。横軸は時間ｔである。
図２１（Ａ）の足の接地状態と腰揺動との関係をみると、歩行に同期した周期において、腰を左右に揺動するよう体幹支持部１３０を通じて介助する。すなわち、コントローラ３００（図２）において、駆動部１００（図２）の移動部１２０（図２）の体幹支持部１３０（図２）と下肢駆動部１４０（図２）とを協調して動作させる。その際、被介助者の腰の動きにおいて、足の接地状態に応じて自然な歩行動作となるよう図２１（Ｂ）のように腰の揺動を介助する。
すなわち、図２１（Ｂ）で上から２番目の立脚中期（右脚接地）には、腰の水平面での腰の左旋回と、前額面での左旋回と、右側方へ揺動に対する介助動作を同時に実行する。
また、図２１（Ｂ）で上から４番目の立脚中期（左脚接地）には、腰の水平面での右旋回と、前額面での右旋回と、左側方へ揺動に対する介助動作を同時に実行する。
また、図２１（Ｂ）で１番上の両脚支持期においては、直前の立脚中期が左脚接地であれば水平面での左旋回と、前額面での左旋回と、側方揺動が無いことに対する介助動作を実行する。
また、図２１（Ｂ）で上から３番目の直前の立脚中期が右脚接地であれば、水平面での右旋回と、前額面での右旋回と、側方揺動が無いことに対する介助動作を実行する。
【００８３】
〈通常訓練時の介助方法４〉
通常訓練時の介助方法の第４の例を図２２で説明する。
図２２の動作と図２１の動作とは同期して実施される。
コントローラ３００（図２）において、全身の協調動作を介助するよう制御を実施する。腕振り動作に股屈伸動作と腰の揺動を同期させるものである。すなわち、腕振り計測部２３０（図８）への入力値すなわち手で把持するバーの回転角度を計測する。一方の腕と同側の下肢とにおいて互いの前後の振り動作の位相が１８０度ずれるように、駆動部１００（図２）への指令を発生する（図２２の線図参照）。図２２は右肩と右股の各前後方向の角度が同期する様子を示している。左肩・左股の角度も同様に同期する。ただし、右側と左側とは位相が半周期ずれる。
なお、腕振り計測部２３０においてモータを組み込み、反力を発生させることもできる。腕振り計測部２３０をマスタ、コントローラ３００が協調制御する移動部１２０（図２）の体幹支持部１３０（図２）と下肢駆動部１４０（図２）とをスレーブとする、いわゆるロボット工学におけるマスタ・スレーブ制御またはバイラテラル制御を実現できる。すなわち、腰や大腿が介助される際の反力の一部を感じながら、腕振り計測部２３０を動かすことができる。
この反力により腰や下肢の感覚が喪失した被介助者Ｐにおいても、腕への反力で腰や下肢の動きを感じることができる。
【００８４】
以上のように、本発明によれば、高い安全性、特に転倒を防止でき、静的歩行パターンから動的歩行パターンまでを介助し、残存する随意性を生かすことのでき、疲労が少なく長時間の訓練ができ、大掛かりでなく移動式の歩行訓練が可能となる歩行介助ロボットが得られる。
【符号の説明】
【００８５】
１０  歩行介助ロボット
１２Ａ  アンプ
１２Ｇ  ギア
１２Ｍ  モータ
１２Ｓ  シャフト
１２Ｗ  駆動輪
１３Ｂ  連結アーム
１３Ｆ  係止孔
１３Ｌ  二股アームの左アーム
１３Ｒ  二股アームの右アーム
１３Ｍ  モータ
１４Ｌ  Ｌ型リンク
１４Ｓ  シャフト
１４Ｍ／Ｇ  ギア付きモータ
１６Ａ  回転角度を測る角度センサ
１６ＢＲ  回転を停止するブレーキ
１６Ｂ  腰ベルト
１６Ｄ  大腿ベルト
１６Ｆ  係止部
１６Ｒ  連結ベルト
１６Ｔ  トーションバー
１７Ａ  エアバッグ
１７Ｂ  大腿ベルト
１７Ｆ  面ファスナー
１７Ｈ  コ字状プラスチック枠
１８Ａ  エアバッグ
１８Ｂ  腹ベルト
１８Ｐ  圧センサ
１８Ｓ  圧または加速度センサ
２３Ａ  角度センサ
２３Ｂ  入力バー
２３ＢＲ  ブレーキ
２３Ｊ  回転軸
１００  駆動部
１２０  移動部である車体
１３０  体幹支持部
１３１  角度センサ
１３２  角度センサ
１４０  下肢駆動部
１６０  股下支持部
１６１  水平面内にフリーに回転し角度センサを有する回転軸
１６２  垂直面内に回転し角度センサおよびブレーキとを有する回転軸
１６３  被着部
１７０  大腿支持部
１８０  腰支持部材
１９０  腕の振り入力部
２００  歩行状態計測部
２１０  股下計測部
２２０  腰揺動計測部
３００  コントローラ
Ｐ  被介助者
Ｐｄ  大腿
Ｐｈ  腰
Ｐｔ  手
Ｐａ  上肢
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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