(57)【要約】【課題】軽量な機構で複数の関節の運動を支援する。【解決手段】装着型ロボット１は、単一の駆動部７５と、駆動部７５から駆動力を伝達されて動作する股関節可動部６８と膝関節可動部２１を有している。そして、装着型ロボット１は、当該駆動力の伝達先をクラッチ機構によって切り替え、股関節可動部６８と膝関節可動部２１を選択的に駆動することができる。また、装着型ロボット１は、各種センサによって装着者の歩行周期を解析する。歩行周期は、複数種類の姿勢状態の繰り返しによって構成されており、装着型ロボット１は、姿勢動作に応じて、即ち、歩行周期に同期して股関節可動部６８と膝関節可動部２１を選択的に駆動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動力を発揮する駆動手段と、
前記発揮した駆動力を用いて股関節の動作を支援する股関節支援手段と、
前記発揮した駆動力を用いて膝関節の動作を支援する膝関節支援手段と、
前記股関節支援手段と前記膝関節支援手段のうちの何れか一方を選択して前記発揮した駆動力を伝達する伝達手段と、
を具備したことを特徴とする歩行支援装置。
【請求項２】
前記伝達手段は、前記股関節支援手段と前記膝関節支援手段の何れにも駆動力を伝達しない選択肢を有することを特徴とする請求項１に記載の歩行支援装置。
【請求項３】
前記股関節支援手段と、前記膝関節支援手段は、前記伝達手段によって選択されない場合は、支援対象となる関節の運動に従って自由に運動することを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の歩行支援装置。
【請求項４】
歩行支援対象者の歩行に対して歩行周期の判断を行う歩行周期判断手段を具備し、
前記伝達手段は、前記判断した歩行周期に同期して前記選択を行うことを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３に記載の歩行支援装置。
【請求項５】
駆動手段に駆動力を発揮させる駆動機能と、
前記発揮した駆動力を用いて股関節の動作を支援する股関節支援手段と、前記発揮した駆動力を用いて膝関節の動作を支援する膝関節支援手段と、のうちの何れか一方を選択して前記発揮した駆動力を伝達する伝達機能と、
をコンピュータに発揮させる歩行支援プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行支援装置、及び歩行支援プログラムに関し、例えば、歩行をアシストするものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、歩行者に装着させ、歩行者の歩行動作をアクチュエータなどで支援（アシスト）する装着型の歩行支援装置（ウェアラブルモビリティ）が盛んに研究されている。
例えば、特許文献１の技術では、歩行者が跨るように装着し、歩行者の股間部において体重を支えるとともに、装着者の膝関節の運動を支援する技術が提案されている。
この技術は、装着者の臀部後方領域にモータを有し、当該モータの駆動力をワイヤで膝に伝達することにより膝関節に対するアシスト力を発揮している。
【０００３】
ところで、歩行に際しては、股関節にも負担がかかり、股関節の運動も支援したいとの要望があった。
しかし、そのためには、股関節用のモータを装備しなければならず、歩行支援装置の重量が重くなるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、軽量な機構で複数の関節の運動を支援することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
(１)請求項１に記載の発明では、駆動力を発揮する駆動手段と、前記発揮した駆動力を用いて股関節の動作を支援する股関節支援手段と、前記発揮した駆動力を用いて膝関節の動作を支援する膝関節支援手段と、前記股関節支援手段と前記膝関節支援手段のうちの何れか一方を選択して前記発揮した駆動力を伝達する伝達手段と、を具備したことを特徴とする歩行支援装置を提供する。
（２）請求項２に記載の発明では、前記伝達手段は、前記股関節支援手段と前記膝関節支援手段の何れにも駆動力を伝達しない選択肢を有することを特徴とする請求項１に記載の歩行支援装置を提供する。
（３）請求項３に記載の発明では、前記股関節支援手段と、前記膝関節支援手段は、前記伝達手段によって選択されない場合は、支援対象となる関節の運動に従って自由に運動することを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の歩行支援装置を提供する。
（４）請求項４に記載の発明では、歩行支援対象者の歩行に対して歩行周期の判断を行う歩行周期判断手段を具備し、前記伝達手段は、前記判断した歩行周期に同期して前記選択を行うことを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３に記載の歩行支援装置を提供する。
（５）請求項５に記載の発明では、駆動手段に駆動力を発揮させる駆動機能と、前記発揮した駆動力を用いて股関節の動作を支援する股関節支援手段と、前記発揮した駆動力を用いて膝関節の動作を支援する膝関節支援手段と、のうちの何れか一方を選択して前記発揮した駆動力を伝達する伝達機能と、をコンピュータに発揮させる歩行支援プログラムを提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、駆動力の伝達先を選択することにより、軽量な機構で複数の関節の運動を支援することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】装着型ロボットを示した図である。
【図２】上腿連結部材の動きを補足説明をするための図である。
【図３】駆動部の構成を説明するための図である。
【図４】装着型ロボットのシステム構成を示した図である。
【図５】歩行支援動作の手順を説明するための図である。
【図６】歩行支援動作の手順を説明するための図である。
【図７】歩行支援動作の手順を説明するためのフローチャートである。
【図８】変形例１を説明するための図である。
【図９】変形例２を説明するための図である。
【図１０】変形例３に係る歩行支援動作の手順を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（１）実施形態の概要
装着型ロボット１(図１)は、単一の駆動部７５と、駆動部７５から駆動力を伝達されて動作する股関節可動部６８と膝関節可動部２１を有している。そして、装着型ロボット１は、当該駆動力の伝達先をクラッチ機構によって切り替え、股関節可動部６８と膝関節可動部２１を選択的に駆動することができる。
また、装着型ロボット１は、各種センサによって装着者の歩行周期を解析する。歩行周期は、複数種類の姿勢状態の繰り返しによって構成されており、装着型ロボット１は、姿勢動作に応じて、即ち、歩行周期に同期して股関節可動部６８と膝関節可動部２１を選択的に駆動する。
これによって、装着型ロボット１は、股関節を支援する姿勢状態では、股関節可動部６８を駆動して支援し、膝関節を支援する姿勢状態では、膝関節可動部２１を駆動して支援することができる。
このように、装着型ロボット１は、単一の駆動部７５で複数の関節の動作を支援できるため、装置の軽量化を図ることができる。
【００１０】
（２）実施形態の詳細
以下本発明の歩行支援装置として機能する装着型ロボット１を例に説明する。
図１(ａ)は、本実施の形態に係る装着型ロボット１の構成を側面(進行方向に対して横方向)から見たところを示した図である。装着型ロボット１は、装着者の下肢に装着し、装着者の歩行を支援（アシスト）するものである。
図１(ｂ)は、図１（ａ）で示した状態の装着型ロボット１を正面(進行方向)から見た状態を表している。この図に示したように、装着型ロボット１は、装着者１００が跨って乗ることにより、装着者１００の体重の一部を支持（負担）し、装着者１００の負荷を軽減することができる。体重の一部の負担は、後述するモータ７６を駆動することで、着座部６１に上方の力を発生させることで行われている。
また、装着型ロボット１では、装着者１００は、腰部、上腿部、下腿部を固定する必要がないので、着脱も容易であり、更に、装着型ロボット１に拘束されずに比較的自由(自然)に下肢を動かすことができる。
【００１１】
なお、図１（ａ）（ｂ）に示すように、装着者１００(点線で示してある)が足を伸ばした状態（直立状態）において、装着型ロボット１が膝関節部分で屈曲している。これにより、直立状態においても、着座部６１に上方の力を発生させて、体重の一部を負担することができるようになっている。
【００１２】
図１(ａ)に戻り、装着型ロボット１は、制御装置２、着座部６１、連結部材６３、プレート６２、ガイドレール６４、６５、荷重センサ６７、股関節センサ１４、膝関節センサ１５、足首関節センサ１６、股関節プーリ１７、膝関節プーリ１８、足首関節可動部１９、膝関節可動部２１、上腿連結部材２６、下腿連結部材２７、足連結部材２８、足装着部２４、股関節駆動ベルト５１、膝関節駆動ベルト５２、股関節可動部６８、駆動部７５、回転軸７７、股関節プーリ８１、膝関節プーリ８２などから構成されている。
【００１３】
なお、着座部６１、制御装置２、荷重センサ６７、連結部材６３以外は、左右の両足に設けられており、それぞれの検出値が出力されるようになっている。
また、図示しないが、本実施形態では、バッテリが着座部６１内、又は着座部６１の下側等に配設されるが、他の位置例えば、上腿連結部材２６等に配設するようにしてもよい。
更に、以下では、足首よりも先端側の部分を足と呼び、足首の関節を足首関節と呼ぶことにする。
なお、図１(ａ)は、図面に向かって右側(足装着部２４のつま先側)が前方である。
【００１４】
着座部６１は、装着者が跨いで腰掛ける部材である。着座部６１は、駆動部７５のモータ７６(図２)が発揮する駆動力により装着者１００の股間から臀部(即ち、着座部６１が装着者１００に接している部分)にかけて付勢され、これによって、装着型ロボット１は、装着者１００の股間領域(腰部)に固定されるとともに、装着者１００の体重の少なくとも一部を下方から支えて負担する。
【００１５】
荷重センサ６７は、着座部６１の上面に配設されており、着座部６１が装着者から受けている荷重、即ち、着座部６１と装着者１００との間に作用している圧力を検出する。
そして、制御装置２は、例えば、荷重センサ６７の検出値が常に一定になるように制御したり、装着者の膝の屈伸状態に応じて体重の負担分を変化させるように制御することができる。
より詳細には、例えば、直立状態に比べると、膝を曲げた状態の方が装着者の各関節における負荷が大きくなるため、膝関節センサ１５で検出される角度が大きいほど、すなわち、膝の曲がりが大きいほど荷重センサ６７の検出値が大きくなるように、駆動を制御することができる。
【００１６】
連結部材６３は、着座部６１の後方に延設されており、この延設部分には左右用２枚のプレート６２が固定されている。連結部材６３は、プレート６２に対する着座部６１の位置を固定している。
２枚のプレート６２は、連結部材６３の軸心を中心に回転自由(回転自在)に配設されることで、連結部材６３が２枚のプレート６２に対する開閉軸として機能している。これにより、装着者１００の脚の開閉に伴い、２枚のプレート６２も連結部材６３の軸心を中心に開閉することになる。
【００１７】
プレート６２は、着座部６１の後端側から着座部６１の前端側の下部まで形成され、下肢側に凸となった扇形の部材である。プレート６２は、下肢の運動に対して着座部６１を保持する部材であり、それに耐えうる剛性を有している。
プレート６２の表面にはガイドレール６４、６５が股関節ピッチ軸中心点Ｋを中心とする同心円状に形成されている。股関節ピッチ軸中心点Ｋは、例えば、装着者１００の股関節、あるいは、装着者１００の重心に対応して設定される点である。
ガイドレール６４、６５は、上腿連結部材２６が装着者１００の歩行運動に伴って前後方向に移動する軌道を規定している。
【００１８】
股関節可動部６８は、股関節プーリ１７の回転によって駆動するラックやピニオンなどで構成された駆動機構を内蔵しており、股関節プーリ１７の回転に伴ってガイドレール６４、６５の上をスライドし、これによってガイドレール６４、６５に沿って移動する。股関節可動部６８の動きは、装着者１００の股関節の動きに対応する。
【００１９】
上腿連結部材２６は、装着者１００の上腿部の内側に設けられた剛性を有する部材であって、上端は、股関節可動部６８に固定され、下端は、膝関節可動部２１を介して下腿連結部材２７に軸支されている。
上腿連結部材２６は、股関節可動部６８に固定されているため、上腿連結部材２６は、股関節可動部６８の移動にともなって、股関節ピッチ軸中心点Ｋを中心とする円弧２０１に沿って円運動を行う。
【００２０】
股関節センサ１４は、股関節可動部６８のガイドレール６４、６５上での位置を検出する。制御装置２は、この検出値により、上腿連結部材２６のプレート６２に対する位置、及び角度を算出する。制御装置２が、当該角度を時間で微分することにより、上腿連結部材２６の角速度、及び角加速度を検出するのに用いることもできる。
【００２１】
駆動部７５は、上腿連結部材２６に設置され、歩行支援に係る駆動力を発揮する駆動手段として機能している。
駆動部７５は、モータ７６(図３)によって回転する回転軸７７を有しており、回転軸７７は、上腿連結部材２６の板面に対して垂直に突出している。
そして、回転軸７７には、回転軸７７を中心軸として回転する股関節プーリ８１、膝関節プーリ８２が同軸に設けられている。
更に、駆動部７５は、股関節プーリ８１や膝関節プーリ８２と結合可能なクラッチ７８(図３)を有している。駆動部７５は、制御装置２からの指令に基づいてクラッチ７８を股関節プーリ８１と膝関節プーリ８２の何れかに選択的に結合し、当該結合したプーリを回転させる。
【００２２】
股関節プーリ８１の回転は、股関節駆動ベルト５１を介して股関節プーリ１７に伝達される。
膝関節プーリ８２の回転は、膝関節駆動ベルト５２を介して膝関節プーリ１８に伝達される。
本実施の形態では、駆動部７５による駆動力をベルトによって股関節駆動部(股関節プーリ１７、股関節可動部６８、ガイドレール６４、６５による機構：股関節支援手段として機能する)や膝関節駆動部(膝関節可動部２１と膝関節プーリ１８による機構：膝関節支援手段として機能する)に伝達するが、チェーン、ワイヤ、ドライブシャフトなどの他の伝達機構を用いてもよい。
【００２３】
膝関節可動部２１は、図示しない回転軸によって上腿連結部材２６の下端部と下腿連結部材２７の上端部を膝関節の屈曲方向に回転自由に軸支する。膝関節可動部２１の回転は、装着者１００の膝関節の動作に対応する。
膝関節センサ１５は、上腿連結部材２６と下腿連結部材２７が膝関節可動部２１においてなす屈曲角度を検出し、例えば、膝関節可動部２１の回転軸と同軸に設置されたロータリーエンコーダによって構成されている。
膝関節センサ１５は、当該角度を検出するほか、制御装置２が当該角度を時間で微分することにより、上腿連結部材２６に対する下腿連結部材２７の角速度、及び角加速度を検出するのに用いることもできる。
【００２４】
下腿連結部材２７は、装着者の下腿部の内側に設けられた剛性を有する部材（例えば、柱状部材）で構成され、上端部は、膝関節可動部２１によって軸支されており、下端部は、足首関節可動部１９によって軸支されている。
下腿連結部材２７は、膝関節可動部２１において膝関節可動部２１と同軸の膝関節プーリ１８に固定されており、膝関節プーリ１８が回転すると、これにともなって、膝関節可動部２１を中心とする円弧運動を行う。なお、膝関節プーリ１８は、上腿連結部材２６に対しては自由に回転する。
【００２５】
足首関節可動部１９は、図示しない回転軸によって下腿連結部材２７の下端部と足連結部材２８の上端部を足の屈曲方向に軸支する。足首関節可動部１９の回転は、装着者１００の足首関節の動作に対応する。
足首関節センサ１６は、下腿連結部材２７と足連結部材２８が足首関節可動部１９においてなす屈曲角度を検出し、例えば、足首関節可動部１９と膝関節可動部２１の回転軸と同軸に設置されたロータリーエンコーダによって構成されている。
足首関節センサ１６は、当該角度を検出するほか、制御装置２が当該角度を時間で微分することにより、下腿連結部材２７に対する足連結部材２８の角速度、及び角加速度を検出するのに用いることもできる。
【００２６】
足連結部材２８は、装着者１００の足の内側に設けられた剛性を有する部材（例えば、柱状部材）で構成されており、上端部は、足首関節可動部１９によって回転自由に下腿連結部材２７に軸支され、上端部から下側は、装着者１００の足を収納する足装着部２４を、その内側から固定している。
【００２７】
足装着部２４は、装着者の足を出し入れする開口部と足を収納する空洞が形成された靴状の部材である。
足装着部２４は、一般の靴と同様に、外皮は、例えば、獣皮、合成皮革、布などの柔軟性を有する各種部材によって形成され、底部は、合成ゴムなどのある程度の剛性を有し、路面に対して対摩耗性を有する各種素材によって形成されている。そして、足装着部２４は、足指の付け根の指関節の屈曲に従って屈曲するようになっている。
また、足装着部２４は、足に十分に固定されるように、靴ひもや面ファスナーなどの装着機構を備えてもよい。
【００２８】
つま先反力センサ１０は、足装着部２４の底面の前方に設置され、つま先の接地を検出すると共に、歩行面（床面）からの反力を検出する。
踵反力センサ１１は、足装着部２４の底面の後方に設置され、踵の接地を検出すると共に、歩行面からの反力を検出する。
但し、つま先反力センサ１０、踵反力センサ１１については、反力の検出が不要である実施例の場合には、両センサに変えてつま先接地センサ、踵接地センサを備えるようにしてもよい。また、更に多くの反力センサからなる床反力センサアレイを足装着部２４の裏に設けてもよい。
【００２９】
つま先反力センサ１０と踵反力センサ１１（又はつま先接地センサと踵接地センサ）により、つま先と踵の何れか一方の接地が検出された場合に足装着部２４が歩行面に接地し、当該検出側の脚が立脚となったと判断される。一方、つま先と踵の両方の接地が検出されなくなった場合に、足装着部２４が歩行面から離れたことを検出し、当該検出側の足が浮上して遊脚となったと判断される。
【００３０】
以上のように構成された装着型ロボット１は、股関節の動作を支援する場合は股関節プーリ１７を選択的に駆動し、膝関節の動作を支援する場合は、膝関節プーリ１８を選択的に駆動する。
また、制御装置２は、股関節センサ１４、膝関節センサ１５、足首関節センサ１６の検出値、及び踵反力センサ１１、つま先反力センサ１０の検出値を用いて、装着者１００が歩行周期のうちの何れの姿勢状態にあるかを判断することができる。そして、制御装置２は、姿勢状態に応じて、支援する関節を選択する。
このように、装着型ロボット１は、単一の駆動部７５で股関節と膝関節の両方を支援するため、装着型ロボット１の重量の削減、コストの低減などを図ることができる。
【００３１】
図２は、上腿連結部材２６の動きを補足説明するための図である。
先に説明したように、上腿連結部材２６は、股関節ピッチ軸中心点Ｋを中心とする円弧２０１に沿って移動する。円弧２０１の前端、後端は、それぞれ上腿連結部材２６の前後の移動限界を示している。
【００３２】
股関節可動部６８と膝関節可動部２１を結んだ波線２０３と、股関節可動部６８におけるガイドレール６５の接線である波線２０２のなす角度をθとする。
股関節可動部６８がガイドレール６４、６５を移動すると、上腿連結部材２６は、θは変化せずに、水平面に対する波線２０３の角度が変化するように移動する。
その結果、膝関節可動部２１は、股関節ピッチ軸中心点Ｋを中心とする円弧２０１上を移動する。
【００３３】
図３の各図は駆動部７５の構成を説明するための図である。
図３(ａ)の左図は、駆動部７５の正面図(進行方向から見た図)であり、右図は、駆動部７５の駆動力伝達系の構成を示した側面図である。
駆動部７５は、回転軸７７を主軸とするモータ７６を備えている。回転軸７７には、股関節プーリ８１と、膝関節プーリ８２が回転自由に取り付けられており、股関節プーリ８１と膝関節プーリ８２の間にはクラッチ７８が回転軸７７に固定されている。
即ち、股関節プーリ８１と膝関節プーリ８２は、回転軸７７を中心軸として自由に回転できるのに対し、クラッチ７８は、回転軸７７と共に回転する。
【００３４】
クラッチ７８は、回転軸７７の回転を股関節プーリ８１や膝関節プーリ８２に伝達したり遮断したりする断続器として機能する。
クラッチ７８は、制御装置２の指令により、股関節プーリ８１と膝関節プーリ８２の一方と結合したり(他方とは分離状態となる)、何れとも分離したりする。そして、クラッチ７８は、結合した側のプーリに回転軸７７の回転力を伝達する。分離状態となった他方のプーリは、回転軸７７の周りに回転自由となる。
このように、クラッチ７８、股関節プーリ８１、膝関節プーリ８２よりなる機構は、股関節支援手段と膝関節支援手段のうちの何れか一方を選択して発揮した駆動力を伝達する伝達手段として機能している。
【００３５】
また、クラッチ７８が何れのプーリとも分離した場合は、双方のプーリが回転自由となる(図の状態)。このモードは、装着型ロボット１は、股関節、膝関節の何れもアシストしないため、両関節自由モードと呼ぶことにする。
このように、伝達手段は、股関節支援手段と膝関節支援手段の何れにも駆動力を伝達しない選択肢(両関節自由モード)を有している。
更に、図１では図示しなかったが、股関節プーリ１７は、回転軸９１に軸支されており、膝関節プーリ１８は、回転軸９２に軸支されている。
【００３６】
図３(ｂ)は、クラッチ７８が回転軸７７上を股関節プーリ８１側(矢線の方向)に移動して股関節プーリ８１と結合したところを示している。
この場合、股関節プーリ８１は、クラッチ７８と一体となって回転軸７７の周りを回転し、モータ７６の駆動力が股関節駆動ベルト５１を介して股関節プーリ１７に伝達される。
一方、膝関節プーリ８２は、クラッチ７８と分離し、回転軸７７の周りに自由に回転できる状態となる。そのため、ユーザの自由な動きによって膝関節プーリ１８に生じた回転が膝関節駆動ベルト５２を介して膝関節プーリ８２に伝達され、膝関節プーリ８２は、膝関節プーリ１８の動きに従って回転軸７７の周りを回転する。
即ち、クラッチ７８が股関節プーリ８１と結合するモード(股関節駆動モードと呼ぶことにする)では、装着型ロボット１は、装着者の股関節の運動を支援し、膝関節に関しては、装着者が自力で自由に動かすことになる。
【００３７】
図３(ｃ)は、クラッチ７８が回転軸７７上を膝関節プーリ８２側(矢線の方向)に移動して膝関節プーリ８２と結合したところを示している。
この場合、膝関節プーリ８２は、クラッチ７８と一体となって回転軸７７の周りを回転し、モータ７６の駆動力が膝関節駆動ベルト５２を介して膝関節プーリ１８に伝達される。
一方、股関節プーリ８１は、クラッチ７８と分離し、回転軸７７の周りに自由に回転できる状態となる。そのため、ユーザの自由な動きによって股関節プーリ１７に生じた回転が股関節駆動ベルト５１を介して股関節プーリ８１に伝達され、股関節プーリ８１は、股関節プーリ１７の動きに従って回転軸７７の周りを回転する。
即ち、クラッチ７８が膝関節プーリ８２と結合するモード(膝関節駆動モードと呼ぶことにする)では、装着型ロボット１は、装着者の膝関節の運動を支援し、股関節に関しては、装着者が自力で自由に動かすことになる。
なお、本実施の形態では、断続器としてクラッチ７８を用いたが、ノックピンを用いたものなど、他の機構を用いてもよい。
【００３８】
図４は、装着型ロボット１のシステム構成を示した図である。
制御装置２は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、記憶部、各種インターフェースなどを備えた電子制御ユニットであり、装着型ロボット１の各部を電子制御する。
【００３９】
制御装置２は、また、ＣＰＵで記憶部に記憶された歩行支援プログラム等の各種プログラムを実行することにより構成される、センサ情報取得部３、各種パラメータ算出部４、姿勢状態判断部５、アシスト制御部７、及び、人体パラメータ記憶部６を備えている。
人体パラメータ記憶部６は、装着者の身長、体重などの身体的特徴を表すデータや、装着型ロボット１の各パーツの重量、長さなど、各関節の関節モーメントや出力すべきアシスト力などを計算するのに必要な各種パラメータを人体パラメータとして記憶している。
センサ情報取得部３は、荷重センサ６７、股関節センサ１４、膝関節センサ１５、足首関節センサ１６、つま先反力センサ１０、踵反力センサ１１の各センサから検出値を取得する。また、腰部の加速度を検出する加速度センサなど、他のセンサを備えてもよい。
【００４０】
各種パラメータ算出部４は、センサ情報取得部３で取得した検出値から、股関節、膝関節、足首関節の角度や床反力などを計算したりする。
歩行周期判断手段として機能する姿勢状態判断部５は、各種パラメータ算出部４が算出した角度や床反力などから、装着者の姿勢状態、即ち、歩行周期のうちの何れの状態にあるのかを判断する。
【００４１】
アシスト制御部７は、姿勢状態判断部５が判断した姿勢状態に従ってクラッチドライバ９６を制御してクラッチ７８を駆動する。
更に、アシスト制御部７は、各種パラメータ算出部４が算出したパラメータに基づいて各脚の股関節と膝関節の関節モーメントを計算し、必要なアシスト力を算出する。
そして、アシスト制御部７は、必要なアシスト力を出力するようにモータドライバ９５を制御してモータ７６を駆動する。
【００４２】
次に、図５、６を用いて、装着型ロボット１が歩行周期に対して行うアシスト手順について説明する。
歩行周期は、大きく分けて、足が歩行面から離れている遊脚期と、歩行面に接地している立脚期がある。
装着者は、左右の脚で遊脚期と立脚期を交互に繰り返しながら歩行する。
【００４３】
図５は、遊脚期に対して装着型ロボット１が行う歩行支援動作の手順を説明するための図である。
遊脚期は、時系列的に、前遊脚期、遊脚初期、遊脚中期、遊脚終期の各姿勢状態から構成されている。
図では、それぞれの姿勢状態を模式図で表している。図中の楕円で囲った領域は、装着型ロボット１で支援する筋肉を示している。
【００４４】
図に示したように、前遊脚期は、歩行面に接地していた脚が歩行面から離れる場面であり、筋肉の負荷は、大腿部から腰部に移動し始める。その後、遊脚中期まで腰部の筋肉に負荷がかかる。即ち、前遊脚期で膝関節の負荷が股関節に移動し始め、その後、遊脚中期まで股関節に負荷がかかる。
これら、前遊脚期〜遊脚中期に対して、制御装置２は、図の下側に示したように、駆動部７５を股関節駆動モードとする。
これにより、股関節の運動が支援され、膝関節の運動は自由となる。
【００４５】
そして、制御装置２は、遊脚中期から遊脚終期に移行する際に、駆動部７５を両関節自由モードとする。これにより、股関節、膝関節の運動が自由となる。
これは、遊脚終期では、脚が慣性によって前に移動する、股関節、膝関節の負荷が小さく、アシストの必要性が少ないからである。このようにアシストの必要性が少ない場合に両関節自由モードとすることにより消費電力を低減することができる。
【００４６】
図６は、立脚期に対して装着型ロボット１が行う歩行支援動作の手順を説明するための図である。
立脚期は、時系列的に、初期接地、加重応答期、立脚中期、立脚終期の各姿勢状態から構成されている。
図では、それぞれの姿勢状態を模式図で表している。図中の楕円で囲った領域は、装着型ロボット１で支援する筋肉を示している。
【００４７】
図に示したように、初期接地は、遊脚が接地したときであり、この時点から立脚中期の前半まで上腿部の筋肉に負荷がかかる。即ち、膝関節に負荷がかかる。
これら、初期接地〜立脚中期の前半に対して、制御装置２は、図の下側に示したように、駆動部７５を膝関節駆動モードとする。
これにより、膝関節の運動が支援され、股関節の運動は自由となる。
【００４８】
そして、制御装置２は、立脚中期の後半から立脚終期に至るまで駆動部７５を両関節自由モードとする。これにより、股関節、膝関節の運動が自由となる。
これは、立脚中期の後半から負荷が足首関節に移動し始めるため、股関節、膝関節の負荷が小さくなり、アシストの必要性が少ないからである。
【００４９】
図７は、制御装置２が行う歩行支援動作の手順を説明するためのフローチャートである。
以下の処理は、制御装置２が備えるＣＰＵが歩行支援プログラムに従って行うものである。
また、以下の処理は、装着者の片脚について行うものであり、制御装置２は、他方の脚についても同様の制御を行う。
制御装置２は、人体パラメータ記憶部６から人体パラメータを読み出してＲＡＭに格納する(ステップ５)。
次に、制御装置２は、センサ情報取得部３によって、荷重センサ６７、股関節センサ１４、膝関節センサ１５、足首関節センサ１６、つま先反力センサ１０、踵反力センサ１１の各センサから検出値を取得してＲＡＭに格納する(ステップ１０)。
【００５０】
次に、制御装置２は、各種パラメータ算出部４によって、歩行周期の判断に必要な各パラメータを算出する。そして、制御装置２は、算出したパラメータを姿勢状態判断部５に渡し、姿勢状態判断部５によって、現在歩行周期のうちの何れの姿勢状態であるかを判断する(ステップ１５)。
【００５１】
次に、制御装置２は、姿勢状態判断部５の判断結果から姿勢状態が前遊脚期〜遊脚中期の何れであるかを判断する(ステップ２０)。
姿勢状態が前遊脚期〜遊脚中期の何れかであった場合(ステップ２０；Ｙ)、制御装置２は、アシスト制御部７によって、クラッチドライバ９６にクラッチ７８を股関節駆動モードで駆動させるとともに、モータドライバ９５にモータ７６を駆動させる(ステップ３０)。
【００５２】
なお、モータ７６の駆動に関しては、歩行中継続的に駆動していてもよいし、また、クラッチ７８を股関節モード又は膝関節モードで駆動する場合だけ駆動してもよい。以下では、後者とする。
【００５３】
一方、姿勢状態が前遊脚期〜遊脚中期の何れでもなかった場合(ステップ２０；Ｎ)、制御装置２は、姿勢状態が初期接地〜立脚中期の前半の何れであるかを判断する(ステップ２５)。
姿勢状態が初期接地〜立脚中期の前半の何れかであった場合(ステップ２５；Ｙ)、制御装置２は、アシスト制御部７によって、クラッチドライバ９６にクラッチ７８を膝関節駆動モードで駆動させるとともに、モータドライバ９５にモータ７６を駆動させる(ステップ３５)。
姿勢状態が初期接地〜立脚中期の前半の何れでもなかった場合(ステップ２５；Ｎ)、制御装置２は、アシスト制御部７によって、クラッチドライバ９６にクラッチ７８を両関節自由モードとさせるとともに、モータドライバ９５にモータ７６の駆動を停止させる(ステップ４０)。
【００５４】
次に、制御装置２は、アシスト動作を継続するか否かを判断し(ステップ４５)、継続する場合は(ステップ４５；Ｙ)、ステップ１０に戻り、継続しない場合は(ステップ４５；Ｎ)、処理を終了する。
例えば、装着型ロボット１は、アシスト支援の動作開始、及び終了を装着者がスイッチを押すなどして選択できるようになっており、制御装置２は、当該スイッチがオンの場合に歩行支援動作を継続すると判断し、当該スイッチがオフの場合に歩行支援動作を終了すると判断する。
以上のようにして、装着型ロボット１は、単一のモータ７６によって複数の関節動作を支援することができる。
【００５５】
(変形例１)
次に、変形例１について説明する。本変形例では、立脚中期まで膝関節のアシストを行う。遊脚に関しては、図５で説明した実施の形態と同様である。
図８は、立脚期に対して装着型ロボット１が行う歩行支援動作（変形例１）の手順を説明するための図であり、図６に対応するものである。
制御装置２は、図の下側に示したように、初期接地〜立脚中期に対して、駆動部７５を膝関節駆動モードとする。そして、立脚終期では、両関節自由モードとする。
立脚終期では、他方の脚で初期接地となり、体重が他方の脚に移動する。そして、他方の脚では、膝関節駆動モードによるアシストが行われるため、装着型ロボット１は、連続的に着座部６１を装着者の股間領域に押圧し、体重の支持を継続することができる。
【００５６】
(変形例２)
次に、変形例２について説明する。本変形例では、立脚期の全期間に渡って膝関節のアシストを行う。遊脚に関しては、図５で説明した実施の形態と同様である。
図９は、立脚期に対して装着型ロボット１が行う歩行支援動作の手順を説明するための図であり、図６に対応するものである。
制御装置２は、図の下側に示したように、立脚期と判断する間は駆動部７５を膝関節駆動モードとする。
立脚終期では、他方の脚で初期接地となり、体重が他方の脚に移動する。そして、他方の脚では、膝関節駆動モードによるアシストが行われるため、装着型ロボット１は、連続的に着座部６１を装着者の股間領域に押圧し、体重の支持を継続することができる。
【００５７】
（変形例３）
次に、変形例３について説明する。この変形例３は、例えば膝の弱い装着者に対して、膝関節の支援に重きをおいた、遊脚期に関するアシストを行う。この変形例３（遊脚期間）に対応する立脚期に関しては、図６、図８、図９で説明した動作の何れを対応させることも可能であるが、膝の弱い装着者を想定すると図９で説明した変形例２の動作を適用することが好ましい。
【００５８】
図１０は、遊脚期に対して装着型ロボット１が行う歩行支援動作の手順の変形例を説明するための図であり、図５に対応する。図１０に示した、人体模式図で中の楕円で囲った領域は、装着型ロボット１で支援する筋肉を示している。
図１０に示したように、装着型ロボット１は、前遊脚期では、股関節駆動モードとなり、装着者の股関節の運動を支援する。
そして、装着型ロボット１は、遊脚初期では、膝関節駆動モードとなり、装着者の膝関節の運動を支援する。
このように本変形例では、遊脚初期で装着者が膝を上げる動作を支援することにより膝の負荷を軽減している。
【００５９】
以上に説明した実施の形態により次のような効果を得ることができる。
(１)単一のモータ７６で複数の関節(股関節、膝関節)をアシストすることができる。
(２)モータ７６を２台使用するより、１台のモータ７６とモータ７６より軽いクラッチ７８を用いることにより装着型ロボット１を軽量化することができる。また、低コスト化することができる。
(３)アシストしない関節の運動が自由なので、装着者は、自然な歩きをすることができる。
(４)装着型ロボット１は、着座部６１と足装着部２４で身体に固定するため、身体の他の部位に固定する必要がなく、着脱が容易となるとともに、装着者に与えるストレスを低減することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１  装着型ロボット
２  制御装置
３  センサ情報取得部
４  各種パラメータ算出部
５  姿勢状態判断部
６  人体パラメータ記憶部
７  アシスト制御部
１０  つま先反力センサ
１１  踵反力センサ
１４  股関節センサ
１５  膝関節センサ
１６  足首関節センサ
１７  股関節プーリ
１８  膝関節プーリ
１９  足首関節可動部
２１  膝関節可動部
２４  足装着部
２６  上腿連結部材
２７  下腿連結部材
２８  足連結部材
５１  股関節駆動ベルト
５２  膝関節駆動ベルト
６１  着座部
６２  プレート
６３  連結部材
６４  ガイドレール
６５  ガイドレール
６７  荷重センサ
６８  股関節可動部
７５  駆動部
７６  モータ
７７  回転軸
７８  クラッチ
８１  股関節プーリ
８２  膝関節プーリ
９１  回転軸
９２  回転軸
９５  モータドライバ
９６  クラッチドライバ
１００  装着者
【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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