(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの足底に装着されて、ユーザの足底の接地荷重を検出する荷重検出ユニットであって、
上側プレートと、
上側プレートに対して対向配置されている下側プレートと、
上面が上側プレートに固着しており下面が下側プレートに固着しているとともに、枠状に形成された弾性体と、
弾性体が形成する枠の内側に配置されている荷重センサと、
を備えており、
弾性体は、第１弾性体と、第１弾生体よりも弾性率が高い第２弾生体とが上下方向に積層されて構成されていることを特徴とする荷重検出ユニット。
【請求項２】
上側プレートと下側プレートの間に加わる荷重が基準値未満であるときには、上側プレートと下側プレートの少なくとも一方が荷重センサから離間し、
上側プレートと下側プレートの間に加わる荷重が基準値以上であるときには、弾性体が圧縮されて上側プレートと下側プレートの双方が荷重センサに接触することを特徴とする請求項１に記載の荷重検出ユニット。
【請求項３】
請求項１又は請求項２の荷重検出ユニットを有する歩行補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの足底に装着されて、ユーザの足底の接地荷重を検出する荷重検出ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
装着型の歩行補助装置が例えば特許文献１に開示されている。このような歩行補助装置には、ユーザの足底の接地荷重を検出する荷重検出ユニットが組み込まれることが多い。ユーザの足底の接地荷重を検出することによって、補助する脚が接地しているか否かが分かる。したがって、接地荷重に応じて歩行補助装具の動作を変更することで、適切に歩行を補助することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３０７２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者らが以前に開発した荷重検出ユニットは、上側プレートと下側プレートの間に弾性体と荷重センサを挟んだ構造を有している。弾性体は枠状に形成されており、荷重センサは弾性体が形成する枠の内側に配置されている。この荷重検出ユニットは、ユーザの足底に装着される。ユーザの足が接地すると、上側プレートに対して下側に向けて荷重が加わる。これにより、弾性体が圧縮されて、荷重センサに荷重が加わる。このため、荷重センサで荷重が検出される。
【０００５】
上述した構造の荷重検出ユニットでは、弾性体の弾性率が荷重の検出精度に影響する。弾性体の弾性率が高いと（すなわち、弾性体が硬いと）、荷重が加わったときに弾性体が圧縮され難いため、荷重センサに荷重が加わり難い。このため、荷重の検出精度が低くなる。弾性体が硬すぎると、ユーザの足が接地した初期の段階（荷重が低い段階）等において正確に荷重を検出することができない。荷重の検出精度を考慮すると、弾性体の弾性率が低い（すなわち、弾性体が柔らかい）方がよい。一方、弾性体の弾性率は、荷重検出ユニットの強度に影響する。ユーザが荷重検出ユニットを装着して歩行すると、上側プレートと下側プレートの相対位置を横方向にずらす向きの力（以下では、せん断方向の力という）が荷重検出ユニットに対して加わる。弾性体の弾性率が低いと、せん断方向の力が加わったときに上側プレートと下側プレートの横方向の相対位置がずれ易くなり、荷重検出ユニットの強度が低くなる。せん断方向の力に対する強度を考慮すると、弾性体の弾性率が高い方がよい。
【０００６】
以上に説明したように、上記の荷重検出ユニットでは、荷重の検出精度とせん断方向の力に対する強度との両立を図ることが困難であった。本明細書では、荷重の検出精度が高いとともに、せん断方向の力に対する強度が高い荷重検出ユニットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する荷重検出ユニットは、ユーザの足底に装着されて、ユーザの足底の接地荷重を検出する。この荷重検出ユニットは、上側プレートと、上側プレートに対して対向配置されている下側プレートと、弾性体と、荷重センサを備えている。弾性体は、上面が上側プレートに固着しており下面が下側プレートに固着している。また弾性体は、枠状に形成されている。荷重センサは、弾性体が形成する枠の内側に配置されている。弾性体は、第１弾性体と、第１弾生体よりも弾性率が高い第２弾生体とが上下方向に積層されて構成されている。
【０００８】
このような構成によれば、上側プレートと下側プレートの間に荷重が加わったときには、弾性率が低い第１弾生体が主に圧縮される。第１弾生体が圧縮される範囲内においては、荷重センサが高い精度で荷重を検出することができる。また、弾性率が高く変形し難い第２弾生体を採用することによって、弾性率が低い第１弾生体の厚みを薄くすることができる。そのため、せん断方向の力が加わったときに、上側プレートと下側プレートの横方向の相対位置のずれを抑えることができる。即ち、せん断方向の力に対する荷重検出ユニットの強度を確保することができる。
【０００９】
また、以前に開発した荷重検出ユニットは、ユーザの足が接地していないときにまで荷重が検出される場合があった。例えば、足を振るときに上側プレートと下側プレートに慣性力が働き、挟まれている荷重センサに荷重が加わる。慣性力によって発生する荷重は、接地によって発生する荷重ではなく、外乱（ノイズ）となる。
【００１０】
したがって、上述した本明細書が提供する荷重検出ユニットは、上側プレートと下側プレートの間に加わる荷重が基準値未満であるときには、上側プレートと下側プレートの少なくとも一方が荷重センサから離間し、上側プレートと下側プレートの間に加わる荷重が基準値以上であるときには、弾性体が圧縮されて上側プレートと下側プレートの双方が荷重センサに接触することが好ましい。
【００１１】
この荷重検出ユニットでは、上側プレートと下側プレートの間に加わる荷重が基準値未満であるときには、上側プレートと下側プレートの少なくとも一方が荷重センサから離間する。したがって、荷重が基準値未満であるときには、上側プレートや下側プレートに慣性力が作用したとしても、その慣性力は荷重センサに伝わらない。即ち、荷重センサに荷重が加わらない。このため、荷重が基準値未満であるときには、荷重センサの出力にノイズが生じ難い。基準値をユーザの足が接地したときに生じる荷重としておくことで、ユーザの足が接地していない場合に荷重センサの出力にノイズが生じることが防止される。また、上側プレートと下側プレートの間に加わる荷重が基準値以上であるときには、弾性体が圧縮されて上側プレートと下側プレートの間隔が狭くなり、上側プレートと下側プレートの双方が荷重センサに接触する。このため、荷重センサで荷重を正確に検出することができる。基準値を、ユーザの足が接地したときに生じる最小限の荷重としておくことで、ユーザの足が接地している場合に高い精度で荷重を検出することができる。このように、この技術によれば、ユーザの足が接地していない場合にノイズが生じ難く、かつ、ユーザの足が接地している場合に荷重の検出精度が高い荷重検出ユニットが提供される。
【００１２】
なお、荷重検出ユニットを装着した足が接地していないときにノイズが発生しないようにすればよいので、この荷重検出ユニットは、接地していないときには弾性体が伸びて上側プレートと下側プレートの少なくとも一方が荷重センサから離間し、接地しているときには弾性体が圧縮されて上側プレートと下側プレートの双方が荷重センサに接触するように構成されていればよい。
【００１３】
また、上述した何れかの荷重検出ユニットを有する歩行補助装置によれば、ユーザの足底の荷重を適切に検出して、適切に歩行を補助することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】歩行補助装置全体の模式的斜視図である。
【図２】荷重検出ユニットの模式的斜視図である。
【図３】荷重検出ユニットの分解図である。
【図４】荷重検出ユニットに基準値以上の荷重が加わっていない状態における荷重センサ近傍の荷重検出ユニットの縦断面図である。
【図５】荷重検出ユニットに基準値以上の荷重が加わっている状態における荷重センサ近傍の荷重検出ユニットの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に説明する実施例に係る荷重検出ユニット及び歩行補助装置の特徴について説明する。
（特徴１）弾性率が低い第１弾生体が、一方のプレートに固定されており、弾性率が高い第２弾生体が、他方のプレートに固定されている。第１弾生体と第２弾生体は互いに固定されている。第２弾生体の厚さは第１弾生体の厚さより厚い。
（特徴２）上側プレートと下側プレートの一方に、弾性体の側面に接触する支持枠が固定されている。支持枠は、弾性体の側面に固定されていない。
（特徴３）支持枠は、第１弾生体が固定されている方のプレートに固定されており、第２弾生体と接触する位置まで延出されている。
（特徴４）歩行補助装置は、荷重検出ユニットの検出値に基づいて、少なくともユーザの膝関節にトルクを加えるモータを制御する。
【実施例】
【００１６】
図面を参照して実施例に係る荷重検出ユニットについて説明する。図１は、実施例に係る荷重検出ユニット１００を備えた歩行補助装置１０を示している。図１では、ユーザＨが装着した歩行補助装置１０の模式的斜視図を示している。この歩行補助装置１０は、ユーザＨの膝関節にトルクを与えて歩行動作を補助することができる。歩行補助装置１０は、上腿装具１２、下腿装具１６、足装具２０、膝ジョイント１３、及び、足首ジョイント１７を備える。
【００１７】
図面に示す座標系について説明する。図面に示すＸＹＺ座標系においてＸ軸がロール軸に相当し、Ｙ軸がピッチ軸に相当し、Ｚ軸がヨー軸に相当する。ロール軸は、荷重検出ユニット１００の長手方向に伸びており、ピッチ軸は荷重検出ユニット１００の幅方向に伸びており、ヨー軸は荷重検出ユニット１００の足裏面に略直交する。
【００１８】
上腿装具１２は、ユーザＨの上腿に固定される。なお、上腿装具１２にはコントローラ１１が取り付けられている。下腿装具１６は、ユーザＨの下腿に固定される。下腿装具１６は、ユーザＨの下腿のピッチ軸方向両側に位置するリンク１５ａ、１５ｂと、リンク１５ａ、１５ｂを連結するとともに下腿装具１６を下腿に固定するための連結バー１４を有している。
【００１９】
下腿装具１６は、膝ジョイント１３によって上腿装具１２に対して揺動可能に連結されている。膝ジョイント１３は、ユーザの膝の外側に位置するモータ付ジョイント１３ａと、ユーザの膝の内側に位置するサブジョイント１３ｂで構成されている。モータ付ジョイント１３ａとサブジョイント１３ｂはユーザの膝関節のピッチ軸と同軸に位置する。ジョイント１３ａのモータを駆動することによって、ユーザの膝関節にトルクを加え、歩行動作を補助する。
【００２０】
足装具２０は、ユーザＨの足に固定される。足装具２０は、靴５１と、荷重検出ユニット１００と、一対のステー１８を有している。ステー１８の夫々は、足首ジョイント１７に接続されている。荷重検出ユニット１００は、一対のステー１８を連結している。靴５１は、荷重検出ユニット１００上に固定されている。靴５１は、例えば面ファスナによって荷重検出ユニット１００上に固定される。ユーザＨが靴５１を装着すると、荷重検出ユニット１００はユーザＨの足底に固定される。荷重検出ユニット１００は、ユーザＨの足底に加わる荷重を検出する。足装具２０は、足首ジョイント１７を中心にして下腿装具１６に対して揺動することができる。足首ジョイント１７は、ユーザの足首の外側に位置するモータ付ジョイント１７ａと、ユーザの足首の内側に位置するサブジョイント１７ｂで構成されている。モータ付ジョイント１７ａとサブジョイント１７ｂはユーザの足首のピッチ軸と同軸に位置する。ジョイント１７ａのモータを駆動することによって、ユーザの足首関節にトルクを加え、歩行動作を補助する。
【００２１】
歩行補助装置１０は、モータ付ジョイント１３ａによって下腿装具１６をピッチ軸周りに揺動させることができ、モータ付ジョイント１７ａによって足装具２０をピッチ軸周りに揺動させることができる。各モータはコントローラ１１によって制御される。コントローラ１１は、膝ジョイント１３及び足首ジョイント１７に取り付けられたエンコーダ（不図示）と荷重検出ユニット１００の検出値に基づいて、ユーザＨの歩行動作を補助するように各モータを駆動する。
【００２２】
荷重検出ユニット１００の構造を詳しく説明する。図２は、荷重検出ユニット１００の模式的斜視図である。荷重検出ユニット１００は、ユーザの足底に固定される足底ユニット４０と、足底ユニット４０をステー１８に連結する連結機構４２を備えている。
【００２３】
図３は足底ユニット４０の分解図を示している。足底ユニット４０は、ラバープレート２１、上ソールプレート２３、ラバー枠３２、下ソールプレート３３、支持枠３４及びソール２７を有する。上ソールプレート２３と下ソールプレート３３は硬質素材で形成されている。上ソールプレート２３と下ソールプレート３３の間に、荷重センサ３１ａ、３１ｂ、３１ｃと２つのラバー枠３２が配置されている。荷重センサ３１ａと３１ｂはつま先側に配置されており、荷重センサ３１ｃは踵側に配置されている。一方のラバー枠３２は、荷重センサ３１ａ、３１ｂを囲むように配置されている。他方のラバー枠３２は、荷重センサ３１ｃを囲むように配置されている。荷重センサ３１ａ〜３１ｃは、その上面に荷重検出面２９を有している。荷重センサ３１ａ〜３１ｃは、荷重検出面２９に加わる荷重を検出する。上ソールプレート２３の側面には、硬質な支持枠３４が固定されている。支持枠３４は、上ソールプレート２３の周囲を取り囲んでいる。なお、図２、３では、図の見易さを考慮して支持枠３４の一部の図示を省略している。ラバープレート２１は、上ソールプレート２３上に固定されている。ラバープレート２１上に、靴５１が固定されている。ソール２７は、下ソールプレート３３の下側に固定されている。
【００２４】
上ソールプレート２３が上側プレートの一例に相当する。下ソールプレート３３が下側プレートの一例に相当する。ラバー枠３２が弾性体の一例に相当する。ラバー枠３２は、上面が上ソールプレート２３に固着しており下面が下ソールプレート３３に固着している。また、ラバー枠３２は、枠状に形成されており、その内側に荷重センサ３１ａ、３１ｂ、３１ｃが配置されている。
【００２５】
図４は、荷重センサ３１ａの近傍における足底ユニット４０のＹ方向に沿った縦断面図を示している。なお、図４は、足底ユニット４０に荷重が加わっていない状態を示している。なお、荷重センサ３１ｂ、３１ｃも図４と同様の構成を有しているので、以下では荷重センサ３１ａを中心に説明する。図４に示すように、ラバー枠３２は、軟質ラバー層３２ａと硬質ラバー層３２ｂにより構成されている。硬質ラバー層３２ｂは、下ソールプレート３３に固定されている。軟質ラバー層３２ａは、硬質ラバー層３２ｂと上ソールプレート２３の双方に固定されている。軟質ラバー層３２ａと硬質ラバー層３２ｂは共に、応力が加わると弾性変形する弾性体により構成されている。より詳細には、スポンジ状のゴムにより構成されている。軟質ラバー層３２ａは、硬質ラバー層３２ｂよりも弾性率が低い（すなわち、柔らかい）。荷重検出ユニット１００に高い荷重が加わっていない状態では、ラバー枠３２に支持されることによって、上ソールプレート２３と下ソールプレート３３の間に空間が形成されている。荷重センサ３１ａは、上ソールプレート２３と下ソールプレート３３の間の空間内において下ソールプレート３３に固定されている。荷重センサ３１ａの上方に位置する上ソールプレート２３の下面には、ゴム板５２と金属板５４が固定されている。ゴム板５２は、上ソールプレート２３に固定されている。金属板５４は、ゴム板５２に固定されている。荷重検出ユニット１００に高い荷重が加わっていない状態では、金属板５４の下面から下ソールプレート３３の上面までの間の空間の厚さは、荷重センサ３１ａの厚さより厚い。したがって、この状態では荷重センサ３１ａの荷重検出面２９と金属板５４の間に隙間が形成されている。ラバー枠３２は、荷重検出ユニット１００に加わる荷重に応じて厚さ方向に弾性変形（すなわち、収縮または膨張）する。荷重検出ユニット１００に基準値以上の荷重（歩行補助装置１０を装着しているユーザの脚が接地したときに荷重検出ユニット１００に加わることが想定される最小限の荷重）が加わると、ラバー枠３２が厚さ方向に圧縮されて、図５に示すように金属板５４が荷重センサ３１ａの荷重検出面２９に接触する。これによって、荷重センサ３１ａで荷重が検出される。支持枠３４は、上述したように上ソールプレート２３に固定されている。支持枠３４は、上ソールプレート２３から下方に延出されており、軟質ラバー層３２ａ及び硬質ラバー層３２ｂの側面と接触している。但し、支持枠３４は、軟質ラバー層３２ａ及び硬質ラバー層３２ｂに対して固定されていない。したがって、支持枠３４によって軟質ラバー層３２ａ及び硬質ラバー層３２ｂの縦方向における収縮または膨張が阻害されることはない。
【００２６】
次に、荷重検出ユニット１００の動作について説明する。歩行補助装置１０を装着したユーザＨが歩行動作を行うことにより、歩行補助装置１０を装着した脚（すなわち、荷重検出ユニット１００）が接地と離地を繰り返す。歩行補助装置１０を装着した脚が接地すると、上ソールプレート２３に対して下方向に荷重が加わり、ラバー枠３２が厚さ方向に圧縮される。なお、軟質ラバー層３２ａは硬質ラバー層３２ｂより柔らかいので、軟質ラバー層３２ａの圧縮量はより大きくなる。ラバー枠３２が圧縮されることで、上ソールプレート２３が下ソールプレート３３側に変位し、図５に示すように、金属板５４が荷重センサ３１ａ〜３１ｃの荷重検出面２９に接触する。したがって、荷重センサ３１ａ〜３１ｃが荷重を検出する。金属板５４が荷重センサ３１ａ〜３１ｃに接触している状態では、上ソールプレート２３に加わる荷重が僅かに変化してもその変化が荷重センサ３１ａ〜３１ｃで検出される。したがって、接地状態における荷重センサ３１ａ〜３１ｃの検出精度は高い。また、金属板５４が荷重センサ３１ａ〜３１ｃに接触した場合には、ゴム板５２によって荷重センサ３１ａ〜３１ｃと上ソールプレート２３が導通することが防止される。これによって、荷重センサ３１ａ〜３１ｃの出力値にノイズが生じることが抑制されている。
【００２７】
歩行補助装置１０を装着した脚が離地すると、ラバー枠３２が厚さ方向に膨張し、上ソールプレート２３が下ソールプレート３３とは反対側に変位する。これによって、図４に示すように金属板５４が荷重センサ３１ａ〜３１ｃの荷重検出面２９から離間する。このため、荷重センサ３１ａ〜３１ｃが検出する荷重は略ゼロとなる。金属板５４が荷重センサ３１ａ〜３１ｃに接触していないので、この状態で上ソールプレート２３や下ソールプレート３３に僅かな荷重が加わって変形しても、荷重センサ３１ａ〜３１ｃはその荷重を検出しない。したがって、ユーザの足が接地していない場合に荷重センサ３１ａ〜３１ｃの出力値にノイズが生じることが抑制される。
【００２８】
また、ユーザが歩行する際には、荷重検出ユニット１００の上ソールプレート２３と下ソールプレート３３の間にせん断方向に力が加わる場合がある。すなわち、上ソールプレート２３と下ソールプレート３３の横方向（ＸＹ方向）における相対位置をずらす力が加わる場合がある。例えば、上ソールプレート２３にＹ方向プラス側に力が加わり、下ソールプレート３３にＹ方向マイナス側に力が加わる場合等である。この荷重検出ユニット１００では、上ソールプレート２３と下ソールプレート３３を接続するラバー枠３２の厚さのうち、半分以上の厚さが硬質ラバー層３２ｂにより構成されている。硬質ラバー層３２ｂは弾性率が高いため、せん断方向の力が加わっても変形し難い。また、軟質ラバー層３２ａは柔らかいが、軟質ラバー層３２ａの厚さがラバー枠３２の厚さの半分以下であるため、軟質ラバー層３２ａも変形し難い。このため、この荷重検出ユニット１００は、せん断方向の力に対する強度が高い。特に、荷重検出ユニット１００は、上ソールプレート２３に接続されている支持枠３４を有しており、支持枠３４が硬質ラバー層３２ｂの側面に接触している。このため、せん断方向の力により荷重検出ユニット１００に歪みが生じたときに、支持枠３４が硬質ラバー層３２ｂの側面を支持する。これによって、軟質ラバー層３２ａに高い応力が加わることが防止される。これにより、荷重検出ユニット１００のせん断方向の力に対する強度がより向上する。
【００２９】
実施例の荷重検知ユニット１００についての留意点を述べる。荷重検知ユニット１００は、足が接地していないときのノイズ発生を抑制する。そのため、荷重検知ユニット１００は次のように構成されていてもよい。即ち、接地していないときにはラバー枠３２（弾性体）が伸びて上ソールプレート２３と下ソールプレート３３の少なくとも一方が荷重センサ３１ａ（３１ｂ、３１ｃ）から離間し、接地しているときにはラバー枠３２が圧縮されて上ソールプレート２３と下ソールプレート３３の双方が荷重センサ３１ａ（３１ｂ、３１ｃ）に接触するように構成されていればよい。
【００３０】
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。
【符号の説明】
【００３１】
１０：歩行補助装置
１１：コントローラ
１２：上腿装具
１３：膝ジョイント
１３ａ：モータ付ジョイント
１３ｂ：サブジョイント
１４：連結バー
１５ａ、１５ｂ：リンク
１６：下腿装具
１７：足首ジョイント
１７ａ：モータ付ジョイント
１７ｂ：サブジョイント
１８：ステー
２０：足装具
２１：ラバープレート
２２：クランププレート
２３：上ソールプレート
２４：第２プレート
２５：第１プレート
２７：ソール
２８：ボルト
２９：荷重検出面
３１ａ：荷重センサ
３２：ラバー枠
３２ａ：軟質ラバー層
３２ｂ：硬質ラバー層
３３：下ソールプレート
３４：支持枠
４０：足底ユニット
４２：連結機構
５１：靴
５２：ゴム板
５４：金属板
１００：荷重検出ユニット
【図１】
0005516039.tif 000002
【図２】
0005516039.tif 000003
【図３】
0005516039.tif 000004
【図４】
0005516039.tif 000005
【図５】
0005516039.tif 000006