(57)【要約】  軽量でかつ様々なシーンでのアシストが可能な装着型パワーアシストシステムを提供することを開示発明の課題とする。  行動に応じて，アシストする関節を選択し，その関節をアシストするようにアクチュエータで発生させた力をアシスト外骨格に伝達することを開示発明の解決手段とする。
2014002200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのアクチュエータにより動力を発生する作動装置，
上記作動装置の動作を制御する動作制御部，
使用者の複数の関節の脇に装着し関節構造有する一対の外骨格と使用者に固定するための固定具からなる複数のアシスト外骨格，
上記作動装置より上記アシスト外骨格に駆動力を伝達する動作伝達部を有し，
上記アシスト外骨格を上記作動装置で動作させることで，使用者の動きをアシストする装着型パワーアシストシステムであって、
一つのアクチュエータにより発生した力で，複数のアシスト外骨格を駆動することを特徴とする装着型パワーアシストシステム。
【請求項２】
上記作動装置により発生した力を，選択した上記アシスト外骨格に切り替えて伝達することを特徴とする請求項1の装着型パワーアシストシステム。
【請求項３】
上記作動装置により発生した力を，上記動作伝達部を選択した上記アシスト外骨格に付替えて伝達することを特徴とする請求項２の装着型パワーアシストシステム。
【請求項４】
上記作動装置により発生した力を，使用者の動作状態に合わせて必要な上記アシスト外骨格を選択し，自動的に切り替えて伝達することを特徴とする請求項２の装着型パワーアシストシステム。
【請求項５】
使用者の動作を使用者の関節角度から推定し，あらかじめ設定した動作の中から推定した使用者の動作に対応するアシスト動作をアシスト外骨格に行わせること特徴とする請求項２の装着型パワーアシストシステム。
【請求項６】
使用者の動作を使用者の足裏にかかる圧力分布から推定し，あらかじめ設定した動作の中から推定した使用者の動作に対応するアシスト動作をアシスト外骨格に行わせること特徴とする請求項５の装着型パワーアシストシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，装着型パワーアシストシステムに関し、例えば、その構成および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高齢化が世界的に進行している。それに伴い，高齢者の福祉政策や，介護問題，労働問題など様々な問題が顕在化しつつある。このような問題を解決するため、人の機能をアシストするロボットが注目されている。そのなかでも，装着することで下肢機能や上肢機能をアシストする装着型パワーアシストシステムは，リハビリや要介護者の自立支援，介護者支援及び，介護予防のための歩行アシストなどに有用と考えられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
介護や歩行など人間の行動は，一度に複数の関節を動かして行うことが多い。それらすべての関節を別々にアシストしようとすると，関節と同数のアクチュエータが必要となる。アクチュエータが多くなると合計したアクチュエー自身の重量が重くなるだけでなく，それを動かすための電源も大型化し，システムが大きく重くなる。システムが大きくなると，
歩行アシストなどの外出時での使用や，装着したまま日常生活を送るといった用途での使用は難しい。【０００４】
また，一部のリハビリは特定の関節のみのアシストで対応できるため軽量のシステムとなるが，用途は限られてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような課題を解決するため，本発明の装着型パワーアシストシステムでは，行動に応じて，アシストする関節を選択し，その関節をアシストするようにアクチュエータで発生させた力をアシスト外骨格に伝達する。すなわち，一つの作動装置で発生した力を必要なアシスト外骨格に付替えて使用する。このようにすることで，少ないアクチュエータ数でも様々な行動のアシストが可能となる。【０００６】
上記手段は，様々な歩行状態で関節にかかる力は異なるが，それぞれの歩行状態で重要な働きとなる関節１つをアシストしただけでもアシスト効果はあるという知見に基づいたものである。【０００７】
例えば，典型的な階段昇行とは，以下のような動作である。最初に片方の脚（ここでは右脚とする）に体重をかけ，もう片方の脚（左脚）を振り上げて一つ上の段に左脚をのせる。このときは，左脚の股関節と膝関節は屈曲している。次に，右足首関節で床をけることと連動させ，体重を左足に移しながら，左脚の股関節と膝関節を伸長することで，身体を1段上の段に移動する。すなわち，階段昇行時は，足首関節，股関節，膝関節のいずれにも力がかかる。しかし，実験の結果，膝関節を伸長するタイミングを合わせて，膝関節を伸長するアシストだけでも，多くの健常者にはアシスト効果を感じることが分かった。同様に別の歩行状態でも，複数の関節に力はかかっているが，重要な働きをする関節１対をアシストしただけでもアシスト効果はあるという結果が得られている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により，軽量でかつ様々なシーンでのアシストが可能な装着型パワーアシストシステムを提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】下肢をアシストする場合の本発明の構成を説明するための模式図。
【図２】本発明の装着型パワーアシストシステムの概略を説明するための模式図。図2(a)は階段昇行時での使用，図2(b)は平地歩行時での使用の模式図。
【図３】作動装置の概略図。
【図４】駆動力伝達部を取り付けていない状態でのアシスト外骨格の構造概略図。図4(a)は正面から，図4(b)は側面から，図4(c)は斜め上からみた概略図。
【図５】駆動力伝達部を取り付けた状態でのアシスト外骨格の構造概略図。図5(a)は正面から，図5(b)は側面からみた概略図。
【図６】アシスト外骨格の動きを表す模式図。図6(aはワイヤを緩めた状態，図6(bはワイヤを引き強制的に伸長させた状態。
【図７】回転軸付近に中央ワイヤガイドをつけたアシスト外骨格の動きを表す模式図。図7(a)はワイヤを緩めた状態，図7(b)はワイヤを引き強制的に伸長させた状態。
【図８】アシスト外骨格の動きを表す模式図。図8(a)は伸長状態，図8(b)は屈曲状態。
【図９】作動装置の模式図。
【図１０】測定中敷の構造模式図。
【図１１】装着型パワーアシストシステムの基本制御フロー。
【図１２】階段昇行時の右脚の膝関節角，膝関節速度，足親指にかかる圧力の経時変化の典型例。
【図１３】すれにくい膝関節アシスト外骨格の模式図。
【図１４】装着型パワーアシストシステムの構成を説明するための模式図
【図１５】選択作動装置のアクチュエータと切り替え装置を説明するための模式図。図15(a)は上方から見た模式図，図15(b)は選択テンションプーリが押されていないときの横から見た模式図，図15(c)は選択テンションプーリが押されたときの横から見た模式図。
【図１６】平地歩行と階段昇行，階段降行の各関節角度の経時変化の典型例
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１０】
実施例１では，本発明の装着型パワーアシストシステムの一形態の構成および動作について説明する。
図１は下肢をアシストする場合の本発明の構成を説明するための模式図である。使用者10は作動・制御装置収納部11を背中に，アシスト外骨格12（右股関節アシスト外骨格12a，左股関節アシスト外骨格12b，右膝関節アシスト外骨格12c，左膝関節アシスト外骨格12d，右足関節アシスト外骨格12e，左足関節アシスト外骨格12f，）を各関節に，足裏圧力分布を測定する測定中敷13（右足用測定中敷13a，左足用測定中敷13b）を足に装着する。作動・制御装置収納部11には電源14，動作制御部15，作動装置16が格納されており，動作制御部15，作動装置16は電源14より電気が供給される。各アシスト外骨格12a-12fには，それぞれ関節角を測定するための角度センサ18a-18fが内蔵され，角度センサ18a-18fは動作制御部15に接続されている。各測定中敷13には足圧測定センサ19a，19bが内蔵され，足圧測定センサ19a，19bは動作制御部15に接続されている。作動装置16は右脚，左脚用の計2個のアクチュエータで構成され，作動装置16により発生させた力をアシスト外骨格12に伝達するよう駆動力伝達部17が接合されている。図１では駆動力伝達部17が左右の膝関節アシスト外骨格に接合した例を表しているが，駆動力伝達部17は，アシストの必要に応じて任意のアシスト外骨格12a-12fに付け替えることができる。【００１１】
図2は本発明の装着型パワーアシストシステムの概略を説明するための模式図である。図2aは階段昇行時での使用，図2bは平地歩行時での使用を表している。階段昇行時では身体を上のステップに持ち上げる行為をアシストする。ここでは，階段を昇る際の膝関節の伸長運動を左右の膝関節アシスト外骨格12c,12dでアシストする。すなわち，膝関節アシスト外骨格12c,12dに駆動力伝達部17を接合して，身体を持ち上げるために膝関節を伸長させるタイミングにあわせて，膝関節アシスト外骨格が伸長するように動作させる。一方，平地歩行時は地面を蹴るという行為を左右の足関節アシスト外骨格12e，12fでアシストする。具体的には，足関節アシスト外骨格12e，12fに駆動力伝達部17を接合して，足首で地面を蹴るタイミングにあわせて，足関節アシスト外骨格が足の甲の部分が伸長するようにアシストする。このように，歩行状態に応じてアシストが必要な関節のアシスト外骨格に駆動力伝達部を付け替えることで，一組のアクチュエータでも様々な歩行状態をアシストすることができる。【００１２】
我々の実験では，平地歩行，坂道や階段の下りには足関節，坂道や階段の上りには膝関節のアシストが効果的な人が多かった。しかし，人により歩行動作，アシストしてほしい動作対象が異なる。そのため，平地歩行に股関節，坂道や階段下りに膝関節など効果的と感じる人もいる。あらかじめ，その人にあったアシスト方法を設定し，それに基づき歩行状態に応じたアシストとなるよう駆動力伝達部を各関節のアシスト外骨格に付け替えると効果的である。【００１３】
図3に作動装置の概略図を示す。作動装置16には左右の脚用にアクチュエータとして２つのモータ30a，30bが固定され，その回転軸は左右のプーリ31a，31bに固定されている。左右のプーリ31a，31bは駆動力伝達部17のワイヤ34に接合されている。駆動伝達部は自転車のブレーキワイヤのように，柔軟に曲げることができる外被パイプ33の内部にワイヤ34が挿入された構造であり，ワイヤ34は外被パイプ33内を動くことができる。外被パイプ33はワイヤ固定部32a，32bで作動装置16に固定されている。作動装置16はモータ30a，30bを回転させることで，駆動力伝達部17のワイヤ34を引いたり，緩めたりすることができる。図５ではアクチュエータに回転運動を発生するモータを使用した形態を記述したが，空圧シリンダー，油圧シリンダー，リニアモータなど直動型のアクチュエータで直接ワイヤ34を動かすこともできる。【００１４】
図4は駆動力伝達部17を取り付けていない状態でのアシスト外骨格の構造概略図である。ここでは膝アシスト外骨格を例にとり詳細に説明するが，股，足の場合も基本構成は同じである。図4aは正面から，図4bは側面から，図4cは斜め上からみた概略図である。固定ステイ40，膝パッド41，パワーステイ42，角度センサ43，関節角測定用ステイ44，太腿固定ベルト45，膝固定ベルト46，脹脛固定ベルト47，パワーベルト48で構成される。関節角測定用ステイ44とパワーステイ42は，固定ステイ40と回転中心軸49で接合されリンク構造を形成している。固定ステイ40は太腿固定ベルト45で，膝パッド41は膝固定ベルト46で，関節角測定用ステイ44は脹脛固定ベルト47でそれぞれ使用者の太腿，膝，脹脛に固定される。【００１５】
図5は駆動力伝達部17を取り付けた状態でのアシスト外骨格の構造概略図である。図5aは正面から，図5bは側面からみた概略図である。外被パイプ33の先端は上部ワイヤガイド53に接合されている。ワイヤ34は下部ワイヤガイド54にある穴に貫通している。ワイヤ34の先端にはストッパー52があり，ワイヤ34が下部ワイヤガイド54の穴から抜けないようになっている。上部ワイヤガイド53は固定ステイ40に，下部ワイヤガイド34はパワーステイ42に取り外しが容易なねじなどの方法で接合されている。図5では膝の外側と内側の両方に駆動伝達部17を取り付けた例を示したが，必要に応じて外側に，あるいは内側にだけ取り付けてもよい。【００１６】
図6はアシスト外骨格12の動きを表す模式図である。図6aのようにワイヤ34を緩めた状態ではアシスト外骨格12は伸長，屈曲の両方の状態をとることができるが，図6bのようにワイヤ34を引くことにより強制的に伸長状態にすることができる。使用者が装着した状態でアシスト外骨格12を屈曲状態から伸長状態にすると，使用者の脚は太腿固定ベルト，膝固定ベルト，パワーベルトの3点で支持され，膝が屈曲状態から伸長状態になるよう力を感じる。【００１７】
アシスト外骨格の回転トルクはワイヤ34の張力および，ワイヤガイドの長さで決まる。そのため，図7のように，回転軸付近に中央ワイヤガイド70をつけ，屈曲したときのワイヤ34と回転軸と距離を大きくすると，小さな張力で大きな回転トルクを得ることができる。【００１８】
膝関節のアシストは屈曲状態から伸長状態にするアシストが多いため，図5で説明した構造で多くは対応できる。さらに，伸長状態から強制的に屈曲状態にすることも対応させる場合は，図8に示すような回転軸をはさんで両側にワイヤを取り付ける構造にする。この場合，図9に示すように作動装置16のプーリの両側にワイヤをつけ，ワイヤ固定部32a，32b，32c，32dで作動装置16に固定し，ワイヤ固定部32aに接続された外被パイプ33aを図7に示すように回転軸の前方に，33cを後方に接合することでアクチュエータの数を増やすことなく，伸長・屈曲のいずれのアシストにも対応することができる。【００１９】
図10に足裏圧力分布を測定する測定中敷の構造を示す。中敷13の表面に感圧センサを取り付けた構造で，靴やサンダルの中敷として足に敷いて使用する。図18のように親指付近と踵付近の計2箇所に感圧センサを設置すると，足裏圧力分布が測定でき，適切なアシストタイミングを決定できるが，システムを簡略化するために，親指付近のみの1箇所にすることも可能である。また，システムは大きくなるが，感圧センサマトリクスにすれば，アシストタイミングをさらに正確に決定することも可能である。【００２０】
図11に本実施例の装着型パワーアシストシステムの基本制御フローを示す。各アシスト外骨格12に内蔵された角度センサ18及び，各測定中敷13に内蔵された足圧測定センサ19の信号を動作制御部15で，各関節の角度，角速度，足圧，足圧の計時変化値に変換する。次に，動作制御部15であらかじめ設定した歩行状態に対応するアシスト基準よりアシスト量（アシスト角AA，トルク量ATなど）を決定する。次に実際にアシスト外骨格を動作させる時間でのアシストする関節の角度EAを予測し，アシスト外骨格をトルク量ATで関節角がアシスト角AAと予測した関節角EAの和となるように，作動装置16の出力量（ワイヤ34を引く力，量）を決定し，出力することでアシスト外骨格12を動作させる。このようなフローを繰り返す。【００２１】
歩行状態に対応するアシスト基準とは，どのような歩行状態にはどのようなアシストを行うか決めた基準である。これは使用者の歩行の癖，要求するアシストにより異なるため，使用者に合わせ，あらかじめ設定する必要がある。【００２２】
設定方法の一例として，階段を昇行時の疲労低減に対する膝アシストの設定方法について説明する。ここでは，膝角速度と足親指にかかる圧力情報に基づいた設定方法を説明する。【００２３】
図12は階段昇行時の右脚の膝関節角，膝関節速度，足親指にかかる圧力の経時変化の典型例を示している。この図で，膝角度は完全に伸長した時を0度，曲げる方向を負の方向としている。階段昇行時の疲労の多くの部分は，身体を重力に逆らい一段上の段に持ち上げるという行為からくる。そのため，ここでは，足に体重がかかり，膝関節を屈曲状態から伸長状態にするときにアシスト外骨格で膝関節のアシストを行う。すなわち，膝角速度が正の値であるv1以上でかつ，親指にかかる圧力がp1以上であるときアシストを行う。v1,p1の絶対値は，使用者により快適なアシストタイミングが異なるため，快適だと感じる量を実測して設定する。
この時のアシスト動作は，膝関節を伸長することである。しかし，アシスト外骨格を膝関節と同じ速度で同じ角度になるよう動作させても，アシスト感はない。アシスト感を得るには，アシスト外骨格で使用者の膝を伸ばすように力をかけ続ける必要がある。これは，アシストするタイミングで実際の膝関節角よりもdAだけ小さく（少し伸長した状態）なるよう制御することで実現できる。dAとアシストする際のトルクATは使用者により快適な量が異なるため，快適だと感じる量を実測して設定する。このようなアシスト動作はアシスト外骨格にかかるトルクを制御することで行うこともできる。【００２４】
使用者が必要とする階段昇行以外の歩行状態も同様に，使用者の関節角情報と足裏圧分布情報より必要なアシスト動作，アシストタイミングの条件，アシスト量を求め，アシスト基準として設定する。【００２５】
膝関節アシスト外骨格は，他の関節のアシスト外骨格と比べると使用中に位置がずれやすい。そのため，図13のように他の関節アシスト外骨格と接合した構造とすると，安定して使用することができる。【００２６】
以上述べたように，本実施例の方法を用いれば，軽量かつ，様々なシーンで対応できる装着型歩行アシストシステムを提供することができる。本実施例では歩行アシストを中心に記載したが，重量物の持ち上げや，移動といった歩行以外の動作にもアシストする関節を替えることで歩行アシストと同様に対応することができる。
【実施例２】
【００２７】
実施例２では，本発明の装着型パワーアシストシステムの一形態の構成および動作について説明する。
図14は本実施例の装着型パワーアシストシステムの構成を説明するための模式図である。本実施例のシステムと，実施例１のシステムとの違いは，実施例１のシステムでは駆動力伝達部17を必要なアシスト外骨格に付け替えて使用したが，本実施例のシステムでは，駆動力伝達部17はすべてのアシスト外骨格に接合され，選択作動装置200で必要なアシスト外骨格に駆動力が伝達する様に切り替えて使用する。【００２８】
選択作動装置200の一例を図15を用いて説明する。図15は選択作動装置200のアクチュエータと切り替え装置を説明するための模式図である。実際には，選択作動装置200には左右で2組のアクチュエータと切り替え装置が必要になるが，ここでは説明のため1組だけを図示した。図15(a)は上方から見た模式図，図15(b)は選択テンションプーリが押されていないときの横から見た模式図，図15(c)は選択テンションプーリが押されたときの横から見た模式図である。３つのモータプーリ201a，201b，201cと動作プーリ202a，202b，202cにベルト203a，203b，203cがかけられている。モータプーリ201a，201b，201cはモータ50の回転軸に固定されモータが回転するとすべて同時に回転する。動作プーリ202a，202b，202cはそれぞれ独立して回転する。さらに動作プーリ202a，202b，202cは駆動力伝達部204a，204b，204cのワイヤ205a，205b，205cが接続されている。図示はしていないが駆動力伝達部204a，205b，205cはそれぞれ股関節アシスト外骨格，膝関節アシスト外骨格，足関節アシスト外骨格に連結されている。ベルト203a，203b，203cの近傍には選択テンションプーリ206a，206b，206cがあり，どれかを選択して押しこむことで，選択テンションプーリが押し込まれたベルトがつながる動作プーリにモータの回転力が伝わり，連結されたアシスト外骨格を動作させることができる。選択作動装置の動力切り替え機構は図15で説明した機構の他，自転車の変速器と同様の切り替え機構にすることもできる。【００２９】
選択作動装置の動力切り替えは手動で行う以外に，あらかじめ設定した歩行状態判断基準から歩行状態を推定しアシストが必要な関節を判断し，自動で切り替えることもできる。  歩行状態判断基準とは，現在の歩行状態を推測するための使用者の歩行状態と関節角と足裏圧情報を関連付けたものである。これは使用者の歩行の癖により異なるため，使用者に合わせ，あらかじめ設定する必要がある。【００３０】
例えば，平地歩行，階段昇行，階段降行を判断するには股関節角度，膝関節角度，足関節角度の経時変化情報を使用することができる。図16に平地歩行と階段昇行，階段降行の各関節の経時変化の典型例を示す。この図で，関節を伸長した時を0度，股関節は前に振り上げる方向を正方向，膝関節は屈曲方向を負方向，足関節は爪先立ちをする方向を正方向としている。明らかに３つの歩行パターンで股関節角度，膝関節角度，足関節角度の経時変化情報が異なることがわかる。あらかじめ，使用者にアシストが必要な歩行状態に関する各関節経時変化情報を測定し記録する。そして，本実施例のアシストシステムを使用時に股関節角度，膝関節角度，足関節角度の経時変化情報を測定し，あらかじめ記録した各関節経時変化情報と比較し，もっとも近い状態をその時における歩行状態と推定する。【００３１】
以上述べたように，本実施例の方法を用いれば，軽量かつ，様々なシーンで対応できる装着型歩行アシストシステムを提供することができる。本実施例では歩行アシストを中心に記載したが，重量物の持ち上げや，移動といった歩行以外の動作にもアシストする関節を替えることで歩行アシストと同様に対応することができる。
【符号の説明】
【００３２】
10…使用者，11…作動・制御装置収納部，12…アシスト外骨格，12a…右股関節アシスト外骨格，12b…左股関節アシスト外骨格，12c…右膝関節アシスト外骨格，12d…左膝関節アシスト外骨格，12e…右足関節アシスト外骨格，12f…左足関節アシスト外骨格，13…測定中敷，13a…右足用測定中敷，13b…左足用測定中敷，14…電源，15…動作制御部，16…作動装置，17…駆動力伝達部，18…関節角度センサ，18a…右股関節角度センサ，18b…左股関節角度センサ，18c…右膝関節角度センサ，18d…左膝関節角度センサ，18e…右足角度センサ，18f…左足関節角度センサ, 19…足圧測定センサ，19a…右足圧測定センサ，19b…左足圧測定センサ，30…モータ，30a…右モータ，30b…左モータ，31a…右プーリ，31b…左プーリ，32a…ワイヤ固定部，32b…ワイヤ固定部，32c…ワイヤ固定部，32d…ワイヤ固定部，33…外被パイプ，34…ワイヤ，40…固定ステイ，41…膝パッド，42…パワーステイ，43…角度センサ，44…関節角測定用ステイ，45…太腿固定ベルト，46…膝固定ベルト，47…脹脛固定ベルト，48…パワーベルト，52…ストッパー，53…上部ワイヤガイド，54…下部ワイヤガイド，70…中央ワイヤガイド，200…選択作動装置，201a…モータプーリ，201b…モータプーリ，201c…モータプーリ， 202a…動作プーリ，202b…動作プーリ，202c…動作プーリ， 203a…ベルト，203b…ベルト，203c…ベルト，204a…駆動力伝達部，204b…駆動力伝達部，204c…駆動力伝達部, 205a…ワイヤ，205b…ワイヤ，205c…ワイヤ，206a…選択テンションプーリ，206b…選択テンションプーリ，206c…選択テンションプーリ
【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】
2014002200.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2014002200.tif 000015
【図１４】
2014002200.tif 000016
【図１５】
2014002200.tif 000017
【図１６】
2014002200.tif 000018
【国際調査報告】
2014002200.tif 000019
2014002200.tif 000020