(57)【要約】【課題】本明細書は、患脚を有するユーザの歩行動作を補助する装置であって、患脚が遊脚の間に予定よりも早く着地した場合にユーザを適切に補助する装置を提供する。【解決手段】本明細書の歩行補助装置は、ユーザの大腿と下腿に取り付けるリンクと、リンクを連結する回転ジョイントと、リンクを相互に揺動させるアクチュエータと、脚の着地を検知する接地センサと、コントローラを備える。コントローラは、膝角度に対応するジョイント角度が目標軌道に追従するようにアクチュエータを制御する。コントローラは、さらに、正常歩行時の膝角度の経時的変化を記述した歩行角度パターンを記憶しており、その歩行角度パターンを目標軌道とする制御の実行中、予定の着地タイミングに到達する前に脚の着地を検知した場合、その後の目標軌道を、歩行最大角度よりも小さい角度まで単調増加する低減角度パターンに切り換えてアクチュエータの制御を継続する。【選択図】図１
2014226373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの大腿に取り付けられる大腿リンクと、
大腿リンクと揺動可能に連結されており、ユーザの下腿に取り付けられる下腿リンクと、
大腿リンクに対して下腿リンクを揺動させるアクチュエータと、
下腿リンクを取り付けた脚の着地を検知する接地センサと、
大腿リンクと下腿リンクの間の角度であって膝裏側の膝角度に対応するジョイント角度が、ジョイント角度の目標値の経時的変化を記述した目標軌道に追従するようにアクチュエータを制御するコントローラと、
を備えており、コントローラは、
正常歩行時の膝角度の経時的変化を記述した角度パターンであって、脚の離地の後に単調減少して歩行最小角度に到達し、その後単調増加して歩行最大角度に到達して着地に至る歩行角度パターンを記憶しており、
前記歩行角度パターンを目標軌道として設定したアクチュエータ制御の実行中、前記歩行最小角度から前記歩行最大角度に至る単調増加期間内に予め設定された正常着地限界角度に実際のジョイント角度が到達する前に接地センサが脚の着地を検知した場合、その後の目標軌道を、前記歩行角度パターンから、前記歩行最大角度よりも小さい低減角度まで単調増加するとともにその低減角度に到達した後は低減角度を保持する低減角度パターンに切り換えてアクチュエータの制御を継続する、
ことを特徴とする歩行補助装置。
【請求項２】
コントローラは、目標軌道を前記低減角度パターンに切り換えた後、前記低減角度パターンに沿って変化する実際のジョイント角度が当初の歩行角度パターン上のジョイント角度と一致した時点で再び歩行角度パターンに切り換えることを特徴とする請求項１に記載の歩行補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置に関する。特に、膝関節を自由に動かすことができないユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
膝関節を自由に動かせないユーザの歩行動作を補助する装置が研究されている。そのような装置の一つのタイプは、ユーザの大腿と下腿に取り付けるリンク（大腿リンクと下腿リンク）が膝横に位置する回転ジョイントで連結されたリンク機構の装具を備える。回転ジョイントにはアクチュエータが連結されており、歩行動作に合わせて下腿リンクを揺動させる。自由に動かせない脚は一般的に患脚と呼ばれる。歩行補助装置は患脚に沿って装着した装具が動力で揺動し、患脚の動きをガイドする。
【０００３】
少なくとも一方の脚が不自由な非健常者の歩行動作の補助においては、ユーザがバランスを失い、立脚の膝が曲がって崩れ落ちる可能性がある。特許文献２に開示された装置では、ユーザが崩れ落ちないように、ユーザの膝が深く曲がった場合には、大きいアシストトルク（膝を伸ばす方向に大腿リンクと下腿リンクを揺動させるトルク）を発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１４８６３７号公報
【特許文献２】特開２０１３−００５８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２の技術は、装具が補助している患脚が立脚の場合に患脚が自重を支えられるようにアシストトルクを増加させるものである。発明者らの観察によると、片脚を自由に動かせないユーザが歩行訓練を行う場合、健脚（健康な脚）による片脚立脚であってもバランスを崩すことがある。これは、遊脚が自由に動かせないことが健脚へも影響するためであると考えられる。
【０００６】
ところで、大腿と下腿に装着したリンク機構で患脚の歩行動作を補助する場合、通常の歩行動作を再現するようにリンクを揺動させる。リンクを揺動させるためのジョイント角度の経時的変化は予め定められている場合が多い。患脚が遊脚の間、即ち、補助装置が遊脚の動きを再現している間に立脚が崩れて患脚が予定されたタイミングよりも前に着地すると、ユーザの動きと補助装置の動きが合致しなくなる。本明細書は、そのような場合、即ち、動きを補助している患脚が遊脚の間にユーザがバランスを崩して遊脚を予定よりも早く着地した場合に対処することのできる歩行補助装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
リンクに予め定められた動きをさせるには、リンク角度の目標値の経時的変化を予め定めておき、実際のリンクが目標値の経時的変化に追従するようにアクチュエータを制御する方法が一般的である。歩行補助の場合、装置のコントローラは、歩行時の膝角度の経時的変化を模擬した角度パターンを記憶し、実際のリンク角度がその角度パターンに追従するように制御する。角度制御で歩行補助装置を駆動すると、装置を装着した脚が予定よりも早く着地しても、そのまま当初の角度パターンに沿ってリンクを駆動してしまう。予定よりも早く着地したときは腰位置が正常な歩行時よりも低い位置にあることが多く、そのような場合に当初の正常な遊脚動作を再現する角度パターンでリンクを駆動させると装置が腰位置を不自然に押し上げる結果となる。
【０００８】
そこで、本明細書が開示する歩行補助装置では、正常な歩行動作を再現する角度パターンでリンクを駆動するが、患脚が予定よりも早く着地してしまった場合には、それまでの角度パターンから、腰位置が高くならないように修正した臨時の角度パターンに切り換える。腰位置を正常歩行時より低く抑える角度パターンとは、着地後の膝角度の最大値が、正常時の角度パターンに既定されている膝最大角度よりも小さい値に制限された角度パターンである。予定よりも早く着地した脚の膝を正常時ほどには伸ばすことなく、通常の歩行時よりも小さい膝角度に保てば、腰の位置が低くなる。なお、本明細書では、膝裏側の角度を膝角度と称する。従って「膝角度が小さい」とは、膝が曲がっていることを意味する。
【０００９】
本明細書が開示する歩行補助装置は、上記の制御により、患脚が予定よりも早く着地してしまった場合にはその後の腰位置を低く抑え、歩行動作が継続するようにユーザを補助する。
【００１０】
本明細書が開示する歩行補助装置の構成を概説する。歩行補助装置は、脚の動きを物理的に補助するアクチュエータ付き装具とそのアクチュエータを制御するコントローラで構成される。装具は、大腿リンク、下腿リンク、着地センサ、及び、アクチュエータを有する。大腿リンクはユーザの大腿に取り付けられ、下腿リンクはユーザの下腿に取り付けられる。大腿リンクと下腿リンクは、回転ジョイントによって相互に揺動する。回転ジョイントは、リンクをユーザに取り付けたときにユーザの膝横に位置する。アクチュエータは、その回転ジョイントの回りに下腿リンクを回転させる。接地センサは、下腿リンクを取り付けた脚の離地と着地を検知する。
【００１１】
コントローラは、大腿リンクと下腿リンクがなす角度（ジョイント角度）が、ジョイント角度の目標値の経時的変化を記述した目標軌道に追従するようにアクチュエータを制御する。本明細書では、ジョイント角度は、大腿リンクと下腿リンクの間の角度であって膝裏側の角度に対応するように定められる。ユーザの「膝角度」は、ユーザの脚を線画で表したときの大腿と下腿の間の膝裏側における角度で定義される。従ってジョイント角度とユーザの膝角度は基本的に等価である。コントローラは、正常な歩行時の膝角度（ジョイント角度）の経時的変化を記述した歩行角度パターンを記憶している。別言すれば、歩行角度パターンは、正常な歩行時の膝角度の経時的変化を想定して予め作成されたものである。歩行角度パターンは、膝角度（ジョイント角度）が、下腿リンクを装着した脚の離地時から単調減少して最小角度（歩行最小角度）に到達し、その後単調増加して最大角度（歩行最大角度）に到達して着地に至る、という経時的変化を辿る。
【００１２】
コントローラは、歩行角度パターンをジョイント角度の目標軌道として設定したアクチュエータ制御の実行中、実際のジョイント角度が、歩行最小角度から歩行最大角度に至る単調増加期間内に予め設定された正常着地限界角度に到達する前に接地センサがその遊脚の着地を検知した場合、その後の目標軌道を、当初の歩行角度パターンから、最大角度が、歩行角度パターン上の歩行最大角度よりも小さい低減角度に制限されている角度パターン（低減角度パターン）に切り換えてアクチュエータの制御を継続する。低減角度パターンは、歩行最大角度よりも小さい低減角度まで単調増加するとともにその低減角度に到達した後は、低減角度を保持するように規定されている。
【００１３】
本明細書が開示する歩行補助装置は、リンクを装着した脚（患脚）が実際に着地したタイミングが歩行角度パターン上で想定されている許容範囲よりも早かった場合、別言すれば、脚が実際に着地したときの実際のジョイント角度が、歩行角度パターン上で予め定められている正常着地限界角度に到達する前だった場合に、通常の歩行動作ほどには膝を伸ばさず（ジョイント角度を大きくせず）、腰位置を通常歩行時よりも低く抑える。脚が予定よりも早く着地した場合に不自然に腰位置を高めることをせず、その歩行周期は腰位置を低いままに保つことで、次の歩行周期でスムーズにもとの正常な方向動作に戻れるようにユーザをガイドする。
【００１４】
前述したように、本明細書が開示する歩行補助装置は、患脚が予定よりも早く着地してしまったらその歩行周期では腰位置を低く保ったまま患脚を立脚として健脚を前へ進めることができる。好ましくは、その次の歩行周期で正常な歩行動作に戻れるのがよい。次の歩行周期で正常の歩行動作に戻すには、低減角度パターンに切り換えた後に、元の歩行角度パターンに戻す必要がある。それゆえ、コントローラは、目標軌道を低減角度パターンに切り換えた後、その低減角度パターンに沿って変化する実際のジョイント角度が、当初の歩行角度パターン上の膝角度と一致した時点で再び歩行角度パターンに切り換えるようにプログラムされていることが好ましい。このアルゴリズムは、低減角度パターンから歩行角度パターンに切り換えたときの患脚を補助するリンクの動きがスムーズである。
【００１５】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例の歩行補助装置の模式的斜視図である。
【図２】正常な歩行時の膝角度と脚姿勢の経時的変化を表す図である。
【図３】目標軌道の切り換え処理を説明するグラフである。
【図４】目標軌道の再度の切り換え処理を説明するグラフである。
【図５】コントローラが実行する処理のフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図面を参照して実施例の歩行補助装置１０を説明する。図１に、歩行補助装置１０の模式図を示す。図１は、ユーザ９０が歩行補助装置１０を装着した状態を示している。本実施例では、ユーザ９０は、一方の脚（右脚）は自由に動かせるが、他方の脚（左脚）の膝を自由に動かせない非健常者であると仮定する。歩行補助装置１０は、歩行における患脚（左脚）の動きを補助するデバイスである。なお、以下、説明を簡単にするために、歩行補助装置１０を、単に補助装置１０と称する。
【００１８】
まず、補助装置１０を概説する。補助装置１０は、特に患脚のリハビリを目的とし、歩行時の患脚の膝の動き（即ち膝関節の動き）を補助する。補助装置１０は、連結された２つのリンク（大腿リンク２と下腿リンク３）を有しており、夫々がユーザの患脚９６の大腿と下腿に沿って装着される。このリンク機構は、正常な歩行時の動きを再現するように揺動し患脚の動きを誘導する。補助装置１０は、さらに、健脚片脚で立っている間に、ユーザが崩れ落ちそうになり患脚が予定よりも早く着地してしまった場合に、正常時の脚動作の再現を中断し、ユーザが姿勢を保持し易くなるように動作する。そして、次の歩行周期で元の正常歩行に戻れるようにする。
【００１９】
補助装置１０の機構を説明する。補助装置１０は、ユーザの患脚９６に装着する大腿リンク２、下腿リンク３、足リンク４、及び、コントローラ１２で構成される。大腿リンク２は、患脚９６の大腿９２に取り付けられ、下腿リンク３は下腿９４に取り付けられ、足リンク４は足９５に取り付けられる。大腿リンク２と下腿リンク３は、回転ジョイント５によって相互に揺動可能に連結されている。下腿リンク３と足リンク４は、回転ジョイント７によって相互に揺動可能に連結される。回転ジョイント５は、補助装置１０をユーザ９０に装着したときに、患脚９６の膝関節９３の横に位置する。もう一方の回転ジョイント７は、患脚の足首関節の横に位置する。
【００２０】
患脚の膝関節の隣に位置する回転ジョイント５にはモータ６（アクチュエータ）が内蔵されている。モータ６によって、大腿リンク２に対して下腿リンク３が揺動する。モータ６は、コントローラ１２が制御する。モータ６には不図示の回転角センサが取り付けられており、コントローラ１２は、その回転角センサのセンサデータでモータ６の回転角、即ち、大腿リンク２と下腿リンク３の間の角度を検知する。なお、本明細書では、大腿リンク２と下腿リンク３が膝裏側でなす角度をジョイント角度と称する。ジョイント角度は、患脚の大腿と下腿を線画で描いたときの膝裏側の角度（膝角度）と等価である。膝が伸びきった状態がジョイント角度＝１８０度であり、膝を直角に曲げた状態がジョイント角度＝９０度である。
【００２１】
足リンク４の裏側には、接地センサ８が備えられている。接地センサ８は、患脚の足が床面に接地しているか否かを判定するために設けられている。別言すれば、接地センサ８は、歩行時の患脚の離地と着地を検知する。接地センサは、例えば、ロードセルでよい。接地センサ８のセンサデータはコントローラ１２に送られ、コントローラ１２が、患脚が接地しているか否かを判定する。コントローラ１２は、例えば、ロードセルの計測値が所定の閾値を超えたときに着地と判定する。このときの「所定の閾値」は、誤判定を防止するためのマージンである。
【００２２】
コントローラ１２は、ベルト１４でユーザ９０の腰に取り付けられている。コントローラ１２とモータ６、及び、接地センサ８はケーブル１６で電気的に接続されている。図示を省略しているが、コントローラ１２とモータ６に電力を供給するバッテリは、例えばユーザ９０が背負うバックパックに収納される。
【００２３】
大腿リンク２、下腿リンク３、足リンク４、及び回転ジョイント５、７で構成されるリンク構造は、脚式ロボットの脚の構造と基本的に同じであり、補助装置１０は、ユーザの患脚にロボットの脚を沿わせるように固定され、ロボットの脚で歩行時の脚の動きを再現し、その動きで患脚をガイドする。そのようにして、補助装置１０は、歩行時の患脚９６の膝関節の動きを補助する。大腿リンク２、下腿リンク３、足リンク４、及び、回転ジョイント５、７で構成される装着型デバイスは「装具」と呼ばれる場合がある。
【００２４】
補助装置１０による歩行補助の機能を説明する。歩行運動には膝の動き（膝角度の変化）が重要であるが、ユーザ９０は患脚９６の膝関節を自由に動かせないため、歩行動作がスムーズにできない。補助装置１０のコントローラ１２は、正常な歩行時の膝の動き、即ち、膝角度の経時的変化のデータを記憶しており、膝角度の経時的変化を回転ジョイント５で再現することにより、リンク機構が歩行時の脚の動きを再現する。リンク機構の動きが患脚をガイドし、歩行動作を補助する。次に、正常な歩行における膝角度の経時的変化を説明する。
【００２５】
図２に、一歩行周期における膝角度の経時的変化を示す。グラフの上方の絵は、各膝角度における脚の姿勢を示している。線画で表した人の絵の実線の脚は左脚を表し、破線の脚は右脚を表す。また、符号Ａｎが示す角度が膝角度に相当する。以下、左脚を中心に歩行時の膝角度の経時的変化を説明する。なお、図２は、歩行動作の傾向を示しているのであって、厳密な膝角度を記述しているのではないことに留意されたい。歩行動作には個人差があり、図２はその一例であって全ての歩行動作の膝角度が図２のグラフに厳密に一致するのではないことに留意されたい。
【００２６】
時刻Ｔ１の姿勢（姿勢（ａ））をスタートとする。時刻Ｔ２は、左脚が離地するタイミングである（姿勢（ｂ））。時刻Ｔ１からＴ２までの期間（Ａ）は、左脚が後脚となる両脚立脚期間である。時刻Ｔ１では膝が伸びきっており、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２まで、膝関節は徐々に小さくなる。時刻Ｔ２からＴ４までが左脚の遊脚期間である。この期間の前半（時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間（Ｂ））では、膝角度は、単調減少して最小角度まで小さくなる。歩行動作において最も小さい膝角度を歩行最小角度と称する。姿勢（ｃ）は膝角度が歩行最小角度のときの脚の姿勢を表しており、このとき、左脚は立脚である右脚の横を通過する。遊脚期間の後半（時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの期間（Ｃ））では、膝角度は歩行最小角度から最大角度（膝が伸びきった状態）まで単調増加する。この最大角度を以下では、歩行最大角度と称する。膝角度が歩行最大角度に到達する前後で脚は着地する（姿勢（ｄ））。図２では、図を単純化するために、時刻Ｔ４で最大角度に到達し、同時に着地に至るケースをモデルにしている。前述したように歩行動作には個人差があるため、時刻Ｔ４よりも前に着地するケースもあれば、時刻Ｔ４よりも後に着地するケースもある。また、歩行最大角度は１８０度に近いが、これにも個人差がある。歩行最小角度は、概ね１２０度である。
【００２７】
時刻Ｔ４から左脚は立脚期間に移る。右脚のかかとが浮いて右脚が離地するのが時刻Ｔ５である。時刻Ｔ４から時刻Ｔ５までの期間（Ｄ）は左脚が前となる両脚立脚期間であり、この期間、左脚の膝角度はわずかに単調減少する（姿勢（ｅ））。時刻Ｔ５で右脚が離地し、左脚は片脚立脚期間（期間（Ｅ））に移行する。この期間、左脚の膝角度は、前半の期間で歩行最大角度に到達し、後半の期間では歩行最大角度が維持される。この期間、脚の姿勢は、姿勢（ｆ）、姿勢（ｇ）と変化する。姿勢（ｇ）は、姿勢（ａ）と同じであり、時刻Ｔ７移行は、これまで説明した膝角度の経時的変化が繰り返される。即ち、時刻Ｔ１からＴ７までが一歩行周期に相当する。
【００２８】
このように、遊脚期間、即ち、脚が離地した後、膝角度は歩行最小角度まで単調減少し、その後、単調増加して歩行最大角度に至り、そして着地する。
【００２９】
前述したように、膝角度は回転ジョイント５のジョイント角度と等価であり、膝角度の経時的変化はジョイント角度の経時的変化で表すことができる。コントローラ１２は、図２に表した正常歩行時の膝角度の経時的変化を記憶している。この、正常歩行時の膝角度の経時的変化を以下では歩行角度パターンと称する。コントローラ１２は、この歩行角度パターンをジョイント角度の目標軌道として与え、ジョイント角度が目標軌道に追従するようにモータ６を制御する。
【００３０】
なお、コントローラ１２は、ユーザの患脚が離地したことを接地センサ８のセンサデータで検知する。図２のグラフに示す歩行角度パターン上での離地タイミングはＴ２であり、コントローラ１２は、患脚の離地を検知すると、その検知タイミングを歩行角度パターン上の離地時刻Ｔ２に合わせてモータ制御を開始する。補助装置１０は、回転ジョイント５の動きが歩行角度パターンに追従するようにモータ６を駆動することでリンク（大腿リンク２と下腿リンク３）で正常時の脚の動きを再現し、リンクを装着したユーザの患脚を誘導する。こうして歩行動作が補助される。
【００３１】
ユーザが疲れたり、何かにつまずいたりして、動作が正常な歩行動作から外れることがある。その典型的なケースに、片脚立脚時にバランスを失って遊脚を予定よりも早く着地させる、という場合がある。立脚が健常脚であってもバランスを失うことはよくある。これは、やはり、患脚を適切に動かすことができないことに起因すると思われる。
【００３２】
患脚が遊脚のときにバランスを失うと、ユーザは、患脚を早めに着地させてバランスを保とうとする。このとき、立脚は崩れかけて膝が曲がっているため、ユーザの腰位置は通常の歩行時よりも低くなっている。補助装置が歩行角度パターンに沿って動作中であると、膝が伸びきっていない状態で着地した脚の膝を歩行最大角度まで伸ばそうとするため、補助装置は、腰位置を不自然に引き上げるように作用する。補助装置１０は、そのような状況において腰位置を不自然に高く引き上げることなく、正常な歩行時よりも低く保ち、ユーザがバランスを回復させやすくする。そして、次の歩行周期で元の正常な歩行動作に戻れるようにユーザの脚動作をガイドする。補助装置１０のそのような機能について説明する。
【００３３】
図３は、図２における期間（Ｂ）と（Ｃ）、即ち、左脚（患脚）の遊脚期間を、時間軸を引き延ばして表した図である。また、図３では、患脚が予定よりも早く着地してしまった場合のジョイント角度の軌道変更の様子も表している。
【００３４】
時刻Ｔ４が歩行角度角度パターン上での着地タイミングであるが、今、時刻Ｔｘで患脚が着地したとする。図３の姿勢（ｊ）が、そのときの脚の姿勢を模式的に表している。姿勢（ｊ）は、立脚であった右脚（破線）が崩れてしまい、体重を支えようとして患脚である左脚（実線）を着地した状態である。姿勢（ｊ）がよく表しているように、このとき、立脚の膝が曲がったまま遊脚が着地するので、腰位置が低くなる。
【００３５】
上記の状況において、コントローラ１２は、その後の目標軌道を、これまで設定されていた歩行角度パターンから低減角度パターンに切り換える。ここで、低減角度パターンとは、最大角度まで単調増加するとともに、経時的変化におけるジョイント角度の最大角度が、歩行角度パターンにおける最大角度（歩行最大角度）よりも小さい角度（低減角度）に抑えられているパターンである。さらに低減角度パターンでは、そのパターン上での最大角度である低減角度に到達した後は、その低減角度が維持される。
【００３６】
図３において時刻Ｔｘよりも右側の破線Ｇ２が、低減角度パターンを示す。なお、実線Ｇ１は、当初の歩行角度パターンを示す。コントローラ１２は、着地を検知した後は、ジョイント角度の目標軌道をこの低減角度パターンに切り換える。別言すれば、コントローラ１２は、ジョイント角度がこの低減角度パターンに追従するようにモータ６を制御する。その結果、図３の姿勢（ｋ）によく示されているように、立脚となった左脚（患脚）の膝を少し曲げたまま、右脚を振り出す動作が実現される。図２と図３の時刻Ｔ４における姿勢（図２の姿勢（ｄ）と図３の姿勢（ｋ））を対比すると理解されるように、正常歩行時では、時刻Ｔ４は着地タイミングであり、左脚の膝は伸び切っている。他方、図３の場合、左脚は膝をやや曲げて立脚となっているとともに、右脚は遊脚となって前方へ振り出されるところである。これは、図３のケースでは左脚が予定よりも早く着地したためにその後の動作が前倒しで実現されるからである。また、予定よりも早いタイミングでの着地の結果、体幹は前屈みとなるとともに、腰位置が低くなっている。
【００３７】
補助装置１０は、図３によく示されているとおり、目標軌道におけるジョイント角度の最大角度を正常歩行のときの最大角度（歩行最大角度）よりも小さくすることで、バランスを立て直そうとするユーザの動きに合致したリンクの動きを実現する。具体的には、補助装置１０は、予定よりも早い着地を検知すると、歩行角度パターンに既定されているジョイント角度の最大角度（歩行最大角度）よりも小さい角度（低減角度）までジョイント角度を増加させ、その後、ジョイント角度を低減角度に維持するようにモータ６を制御する。
【００３８】
なお、コントローラ１２は、患脚が遊脚である間、膝角度（ジョイント角度）が特定の範囲にある間に着地を検知すると、上記したように目標軌道を低減角度パターンに切り換える。その特定の範囲を説明する。図３に示すように、正常な歩行動作を示す歩行角度パターン（グラフＧ１）には、正常着地限界角度と、回復限界角度が設定さている。いずれも、遊脚においてジョイント角度が歩行最小角度から歩行最大角度に単調増加する間に設定されており、正常着地限界角度は、正常時の最大角度（歩行最大角度）に近い箇所に設定されており、回復限界角度は正常時の最小角度（歩行最小角度）に近い箇所に設定されている。
【００３９】
正常着地限界角度は、ジョイント角度がこの角度よりも大きくなっていれば、遊脚着地後もそのまま歩行が継続できると予想される角度に設定されている。コントローラ１２は、ジョイント角度が正常着地限界角度を超えて大きくなっていれば、着地を検知してもそのまま歩行角度パターンを目標軌道としてモータ６を制御する。
【００４０】
回復限界角度は、ジョイント角度がその角度に達していなければ、歩行動作を継続することができない、という角度に設定されている。コントローラ１２は、ジョイント角度が回復限界角度に到達する前に着地が検知された場合には、これまでの歩行角度パターンへの追従制御を停止し、別の処理（異常時緊急停止処理）を実行する。異常時緊急停止処理については本発明の対象外であるので説明は割愛する。
【００４１】
コントローラ１２は、実際に計測されるジョイント角度が正常時の歩行最小角度から歩行最大角度に至る単調増加期間において、ジョイント角度が、予め設定された正常着地限界角度に達する前であって、かつ、回復限界角度を超えている間に着地が検知された場合に、上記した処理、即ち、低減角度パターンへの切り換えを行う。
【００４２】
なお、正常着地限界角度、回復限界角度の判断は、ジョイント角度が正常時の歩行最小角度から歩行最大角度に至る単調増加期間内に行われる。
【００４３】
低減角度パターンに切り換えた後の制御について説明する。コントローラ１２は、目標軌道を低減角度パターンに切り換えた後、しばらくしたら、目標軌道を元の歩行角度パターンに戻す。そのときの処理を、図４を参照して説明する。図４は、歩行角度パターンと低減角度パターンを模式的に示したグラフである。期間（Ａ）から（Ｅ）は、図２に示した各期間（Ａ）から（Ｅ）と同じである。但し、図４では、予定よりも早く着地してしまった歩行周期Ｎと、その次の歩行周期Ｎ＋１の一部を示している。歩行周期Ｎ＋１の一部とは、左脚が後脚となる両脚立脚期間（期間（Ａ））と、左脚の遊脚期間の前半（期間（Ｂ））である。また、実線のグラフＧ１は歩行角度パターンを示しており、破線のグラフＧ２は低減角度パターンを示している。
【００４４】
今、時刻Ｐ１で接地センサ８が着地を検知したとする。なお、時刻Ｐ１におけるジョイント角度は、上記した回復限界角度と正常着地限界角度の間であるとする。コントローラ１２は、時刻Ｐ１以降の目標軌道を、歩行角度パターンから低減角度パターンに切り換える。そうすると、患脚の膝角度は、当初予定された歩行最大角度よりも小さい低減角度までしか大きくならない。コントローラ１２は、その後、しばらく、ジョイント角度をこの低減角度に保持する。コントローラ１２は、目標角度を低減角度パターンに切り換えた後も、当初の歩行角度パターン上における経過時間を計測している。コントローラ１２は、現在時刻における歩行角度パターン上の膝角度が低減角度パターン上の膝角度と一致したら、その時点で目標軌道を再び歩行角度パターンに切り換える。図４のポイントＰ２がその切り換えタイミングを示している。このポイントＰ２以降は、コントローラ１２は、ジョイント角度が歩行角度パターンに一致するようにモータ６を制御する。こうして、ポイントＰ１からＰ２の期間は、膝がやや曲がり、腰位置が通常の歩行時よりも低い状態を維持して推移したのち、ポイントＰ２からもとの正常歩行に戻る。即ち、補助装置１０は、元の歩行動作へユーザを円滑に誘導することができる。
【００４５】
患脚が予定よりも早く着地して目標軌道を切り換える処理を、図５のフローチャートに沿ってもう一度説明する。図５のフローチャートは、患脚が遊脚の間、定期的に繰り返される処理である。なお、コントローラ１２のプログラム中には、患脚が遊脚であるか立脚であるかを示すフラグ変数（脚状態フラグ）が用意されており、そのフラグに「遊脚」を示すデータが設定されている間、図５のフローチャートの処理が定期的に繰り返される。
【００４６】
コントローラ１２は、接地センサ８からのセンサデータを取得し、患脚が着地したか否かをチェックする（Ｓ２）。着地が検知されていない場合（Ｓ２：ＮＯ）、遊脚状態が続いているので処理を終了する。着地が検知された場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、次にコントローラ１２は、現時点でのジョイント角が、歩行角度パターンにおける歩行最小角度に到達しているか否かをチェックする（Ｓ３）。なお、図２に示した姿勢（ｃ）が、歩行最小角度における脚の姿勢であり、正常な歩行動作においては患脚である遊脚が立脚の横を通過しているはずである。そのような歩行最小角度に到達する前に着地が検知されるということは明らかに異常な動作であるため、ステップＳ３の判断がＮＯの場合、コントローラ１２は異常時の処理モード（Ｓ５）に移行する。なお、異常時の処理モードについての説明は割愛する。
【００４７】
現在のジョイント角度が歩行最小角度を超えている場合（Ｓ３：ＹＥＳ）とは、目標軌道である歩行角度パターンにおいて膝角度が歩行最大角度に向けて単調増加する期間であることを意味する。コントローラ１２は、次に、現在のジョイント角度が回復限界角度に到達しているか否かをチェックする（Ｓ４）。ジョイント角度が回復限界角度に到達する前に遊脚が着地してしまった場合も（Ｓ４：ＮＯ）、歩行動作を継続することが極めて困難な場合であるので、コントローラ１２は、異常時の処理モードに移行する（Ｓ５）。
【００４８】
現在のジョイント角度が回復限界角度を超えている場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、コントローラ１２は、現在のジョイント角度が正常着地限界角度に到達しているか否かをチェックする（Ｓ６）。正常着地限界角度を超えて着地が検知された場合は（Ｓ６：ＹＥＳ）、正常な歩行動作の範囲内での着地であるため、現在の制御、即ち、ジョイント角度を歩行角度パターンに追従させる制御を継続する。ただし、着地が検知されたので、これ以降は、立脚の制御モードに移行すべく、「立脚」を意味するデータを脚状態フラグに代入する（Ｓ８）。そしてこの処理を終了する。
【００４９】
現在のジョイント角度が正常着地限界角度に到達してなかった場合（Ｓ６：ＮＯ）、正常な歩行動作を続けるのは好ましくなく、腰位置が低いまましばらく継続するのがよい。そこで、コントローラ１２は、目標軌道を歩行角度パターンから低減角度パターンに切り換える（Ｓ７）。低減角度パターンは前述した通りである。ステップＳ７を実行した後であっても、コントローラ１２は、ステップＳ８にて、脚状態フラグに「立脚」を意味するデータを代入する。
【００５０】
脚状態フラグに「立脚」を示すデータが挿入されると、次回の繰り返しからは、図５の処理ではなく、立脚時の制御を規定したルーチンへ移行する。そのルーチンの説明は割愛する。
【００５１】
以上の処理により、遊脚である患脚が予定よりも早く着地してしまった場合には通常の歩行時のように膝を伸ばすのではなく、膝をやや曲げて腰位置が低くなる姿勢へユーザをガイドする。そうすることで、患脚が遊脚のときにバランスを失って腰位置が低いまま予定よりも早く遊脚を着地したあと、腰位置を不自然に持ち上げることがなく、バランスを取り戻そうとするユーザを適切に補助することができる。
【００５２】
実施例で説明したアルゴリズムは、患脚が予定よりも早く着地してしまった場合、元の歩行動作にスムーズに戻ることをアシストする。患脚が予定よりもずっと早く着地してしまうような場合、元の歩行動作には戻れない場合がある。膝角度が回復限界角度に到達していない期間がそのような期間に相当する。そのような例外的な場合は、異常時処理モードに移行する（図５のステップＳ５）。そこでは、歩行補助動作は中断し、ユーザが倒れないようにリンクを制御する。
【００５３】
また、フローチャートには示していないが、図４を使って説明したように、補助装置１０は、ジョイント角度の目標軌道を低減角度パターンに切り換えた後、低減角度パターンに沿って変化する実際のジョイント角度が当初の歩行角度パターン上のジョイント角度と一致した時点で目標軌道を再び歩行角度パターンに切り換える。そのようなアルゴリズムにより、バランスを崩して腰位置が低いまま立脚を一方前へ進めた後に、スムーズに元の歩行角度パターンによる歩行動作補助に移行することができる。
【００５４】
実施例では、補助装置１０は、左脚が患脚で右脚は健常であるユーザを対象とした。本明細書が開示する補助装置１０は、両膝を自由に動かすことができないユーザに適用することができる。その場合は、両方の脚にそれぞれ補助装置１０を装着すればよい。即ち、本明細書が開示する歩行補助装置は、膝関節を自由に動かすことができない脚に取り付けて用いられるものである。
【００５５】
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】
【００５６】
２：大腿リンク
３：下腿リンク
４：足リンク
５：回転ジョイント
６：モータ
７：回転ジョイント
８：接地センサ
１０：歩行補助装置
１２：コントローラ
１４：ベルト
１６：ケーブル
９０：ユーザ
９２：大腿
９３：膝関節
９４：下腿
９５：足
９６：患脚
【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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