(57)【要約】【課題】脚関節部の屈曲動作を自然に誘発させ、歩行失敗に気づき易くすること。【解決手段】歩行補助装置は、複数のフレームと、各フレームを相対回動可能に連結する少なくとも１つの脚関節部と、脚関節部を駆動する駆動手段と、歩行動作の補助を行うように、駆動手段に第１駆動力を発生させる制御を行う制御手段と、歩行動作を補助する際の駆動手段の補助力の大きさを決める補助レベルを取得する取得手段と、を備える。制御手段は、取得手段に取得された補助レベルに応じて、駆動手段の第１駆動力を制御する。制御手段は、取得手段により取得された補助レベルが所定レベル以下であるとき、脚関節部に生じる摩擦力に対応する第２駆動力だけ第１駆動力を低減した駆動力を駆動手段に発生させる制御を行う。【選択図】図３
2018050950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの脚部に装着され、該脚部の立脚及び遊脚を繰り返す歩行動作を補助し、
複数のフレームと、
該各フレームを相対回動可能に連結する少なくとも１つの脚関節部と、
前記脚関節部を駆動する駆動手段と、
前記歩行動作の補助を行うように、前記駆動手段に第１駆動力を発生させる制御を行う制御手段と、
前記歩行動作を補助する際の前記駆動手段の補助力の大きさを決める補助レベルを取得する取得手段と、を備え、
前記制御手段は、前記取得手段に取得された補助レベルに応じて、前記駆動手段の第１駆動力を制御する、
歩行補助装置であって、
前記制御手段は、前記取得手段により取得された補助レベルが所定レベル以下であるとき、前記脚関節部に生じる摩擦力に対応する第２駆動力だけ前記第１駆動力を低減した駆動力を前記駆動手段に発生させる制御を行う、
歩行補助装置。
【請求項２】
請求項１記載の歩行補助装置であって、
前記制御手段は、前記取得手段により取得された補助レベルが所定レベル以下であり、かつ、前記歩行動作の立脚期間内の、前記脚関節部の角速度が０となるタイミングを含む所定期間において、前記脚関節部に生じる静摩擦力に対応する第２駆動力だけ前記第１駆動力を低減した駆動力を前記駆動手段に発生させる制御を行う、
歩行補助装置。
【請求項３】
請求項２記載の歩行補助装置であって、
前記制御手段は、
前記歩行動作の遊脚期間内の前記所定期間において、前記第１駆動力を前記駆動手段に発生させる制御を行い、
前記立脚及び遊脚期間における前記所定期間以外の期間において、前記脚関節部に生じる粘性摩擦及び動摩擦に対応する第３駆動力を前記第１駆動力に加算した駆動力を前記駆動手段に発生させる制御を行う、
歩行補助装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の歩行補助装置であって、
前記脚関節部は、膝関節部及び足首関節部のうちの少なくとも一方である、
歩行補助装置。
【請求項５】
ユーザの脚部に装着され、該脚部の立脚及び遊脚を繰り返す歩行動作を補助し、
複数のフレームと、
該各フレームを相対回動可能に連結する少なくとも１つの脚関節部と、
前記脚関節部を駆動する駆動手段と、
前記歩行動作の補助を行うように、前記駆動手段に第１駆動力を発生させる制御を行う制御手段と、
前記歩行動作を補助する際の前記駆動手段の補助力の大きさを段階的に決める補助レベルを取得する取得手段と、を備え、
前記制御手段は、前記取得手段に取得された補助レベルに応じて、前記駆動手段の第１駆動力を制御する、
歩行補助装置の制御方法であって、
前記取得手段により取得された補助レベルが所定レベル以下であるとき、前記脚関節部に生じる摩擦力に対応する第２駆動力だけ前記第１駆動力を低減した駆動力を前記駆動手段に発生させる制御を行う、
歩行補助装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの歩行を補助する歩行補助装置、及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザの脚部に装着され、該脚部の立脚及び遊脚を繰り返す歩行動作を補助し、複数のフレームと、該各フレームを回動可能に連結する少なくとも１つの脚関節部と、脚関節部を駆動する駆動手段と、歩行動作の補助を行うように、駆動手段の制御を行う制御手段と、を備える、歩行補助装置が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２２３２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えば、ユーザの回復度に応じて、上記歩行動作を補助する際の駆動手段の補助力の大きさを決める補助レベルを適切に低減させることで、ユーザの自立歩行を促すのが好ましい。この場合、歩行動作中にユーザの脚部が自身の体重を支えきれないとき、その体重に打ち負けて膝関節部や足首関節部などの脚関節部が屈曲することで、ユーザは、その歩行失敗に気づくこととなる。
【０００５】
しかしながら、補助レベルを低く設定し駆動手段の補助力の大きさを小さくしたとき、脚関節部に生じる摩擦力によって、その屈曲動作が抑制され得る。このため、ユーザは、その歩行失敗に気づき難くなる。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、脚関節部の屈曲動作を自然に誘発させ、ユーザが、その歩行失敗に気づき易くする歩行補助装置、及びその制御方法を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の一態様は、ユーザの脚部に装着され、該脚部の立脚及び遊脚を繰り返す歩行動作を補助し、複数のフレームと、該各フレームを相対回動可能に連結する少なくとも１つの脚関節部と、前記脚関節部を駆動する駆動手段と、前記歩行動作の補助を行うように、前記駆動手段に第１駆動力を発生させる制御を行う制御手段と、前記歩行動作を補助する際の前記駆動手段の補助力の大きさを決める補助レベルを取得する取得手段と、を備え、前記制御手段は、前記取得手段に取得された補助レベルに応じて、前記駆動手段の第１駆動力を制御する、歩行補助装置であって、前記制御手段は、前記取得手段により取得された補助レベルが所定レベル以下であるとき、前記脚関節部に生じる摩擦力に対応する第２駆動力だけ前記第１駆動力を低減した駆動力を前記駆動手段に発生させる制御を行う、歩行補助装置である。
この一態様において、前記制御手段は、前記取得手段により取得された補助レベルが所定レベル以下であり、かつ、前記歩行動作の立脚期間内の、前記脚関節部の角速度が０となるタイミングを含む所定期間において、前記脚関節部に生じる静摩擦力に対応する第２駆動力だけ前記第１駆動力を低減した駆動力を前記駆動手段に発生させる制御を行ってもよい。
この一態様において、前記制御手段は、前記歩行動作の遊脚期間内の前記所定期間において、前記第１駆動力を前記駆動手段に発生させる制御を行い、前記立脚及び遊脚期間における前記所定期間以外の期間において、前記脚関節部に生じる粘性摩擦及び動摩擦に対応する第３駆動力を前記第１駆動力に加算した駆動力を前記駆動手段に発生させる制御を行ってもよい。
この一態様において、前記脚関節部は、膝関節部及び足首関節部のうちの少なくとも一方であってもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、ユーザの脚部に装着され、該脚部の立脚及び遊脚を繰り返す歩行動作を補助し、複数のフレームと、該各フレームを相対回動可能に連結する少なくとも１つの脚関節部と、前記脚関節部を駆動する駆動手段と、前記歩行動作の補助を行うように、前記駆動手段に第１駆動力を発生させる制御を行う制御手段と、前記歩行動作を補助する際の前記駆動手段の補助力の大きさを段階的に決める補助レベルを取得する取得手段と、を備え、前記制御手段は、前記取得手段に取得された補助レベルに応じて、前記駆動手段の第１駆動力を制御する、歩行補助装置の制御方法であって、前記取得手段により取得された補助レベルが所定レベル以下であるとき、前記脚関節部に生じる摩擦力に対応する第２駆動力だけ前記第１駆動力を低減した駆動力を前記駆動手段に発生させる制御を行う、歩行補助装置の制御方法であってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、脚関節部の屈曲動作を自然に誘発させ、ユーザが、その歩行失敗に気づき易くする歩行補助装置、及びその制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態１に係る歩行補助装置の概略的な構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る歩行補助装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る制御装置の概略的構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る歩行補助装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態２に係る制御装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。
【図６】第１摩擦補償制御における膝関節角速度と機械摩擦力との関係を示す図である。
【図７】第２摩擦補償制御における膝関節角速度と機械摩擦力との関係を示す図である。
【図８】本発明の実施形態２に係る歩行補助装置の制御方法のフローを示すフローチャートである。
【図９】脚部の立脚期間及び遊脚期間を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態３に係る歩行補助装置の概略的システム構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態１に係る歩行補助装置の概略的な構成を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態１に係る歩行補助装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。
【００１１】
本実施形態１に係る歩行補助装置１は、例えば、歩行を行うユーザの脚部（患脚部など）に装着され、該脚部の立脚及び遊脚を繰り返す歩行動作を補助する。歩行補助装置１は、上腿フレーム２と、上腿フレーム２に膝関節部３を介して連結された下腿フレーム４と、下腿フレーム４に足首関節部５を介して連結された足部フレーム６と、膝関節部３を回転駆動する第１モータユニット７と、足首関節部５の可動範囲を調整する調整機構８と、膝関節角度を検出する第１角度センサ９と、第１モータユニット７を制御する制御装置１０と、を有している。なお、上記歩行補助装置１の構成は一例であり、これに限られない。上腿フレーム２、下腿フレーム４、及び足部フレーム６は、フレームの一具体例である。
【００１２】
上腿フレーム２は、ユーザの脚部の上腿に装着されている。下腿フレーム４は、ユーザの脚部の下腿に装着されている。足部フレーム６は、ユーザの脚部の足部に装着されている。
【００１３】
足部フレーム６には、ユーザの足部の足裏に掛かる荷重を検出する荷重センサユニット１１が設けられている。荷重センサユニット１１は、ユーザの足部の足裏に掛かる垂直荷重を検出する複数の垂直荷重センサを有している。荷重センサユニット１１は、有線又は無線を介して制御装置１０に接続されており、検出した荷重値を制御装置１０に出力する。
【００１４】
第１モータユニット７は、駆動手段の一具体例である。第１モータユニット７は、例えば、モータ、減速機構などで構成されている。第１モータユニット７は、有線又は無線を介して制御装置１０に接続されている。第１モータユニット７は、制御装置１０からの制御信号に応じて膝関節部３に補助力を発生させ、ユーザの歩行を補助する。
【００１５】
第１角度センサ９は、膝関節部３に設けられている。第１角度センサ９は、例えば、ポテンショメータやロータリーエンコーダである。第１角度センサ９は、上腿フレーム２と下腿フレーム４とが成す膝関節部３の角度（以下、膝関節角度）を検出する。第１角度センサ９は、有線又は無線を介して制御装置１０に接続されており、検出した膝関節角度を制御装置１０に出力する。制御装置１０は、例えば、第１角度センサ９からの膝関節角度を１階微分することで、膝関節部３の角速度（以下、膝関節角速度）を算出する。
【００１６】
制御装置１０は、例えば、演算処理、制御処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）１０ａ、ＣＰＵ１０ａによって実行される演算プログラム、各種のデータを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ１０ｂ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）１０ｃ、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ１０ａ、メモリ１０ｂ及びインターフェイス部１０ｃは、データバスなどを介して相互に接続されている。
なお、制御装置１０と第１モータユニット７とは独立して構成されているが、制御装置１０と第１モータユニット７は一体的に構成されていてもよい。
【００１７】
図３は、本実施形態１に係る制御装置の概略的構成を示すブロック図である。本実施形態１に係る制御装置１０は、ユーザの歩行動作を補助する際の第１モータユニット７の補助力の大きさを決める補助レベルを取得するレベル取得部１０１と、補助レベルに応じて第１モータユニット７の駆動を制御するモータ制御部１０２と、を有している。
【００１８】
レベル取得部１０１は、取得手段の一具体例である。レベル取得部１０１は、入力装置１０１１などを介して補助レベルを取得する。入力装置１０１１は、例えば、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、携帯端末（スマートフォンなど）、キーボード、マウス、などである。補助レベルは、例えば、ユーザの回復度が高くなるに従って、その数値（レベル１〜１０など）が段階的に低くなるように設定される。なお、レベル取得部１０１は、予めメモリ１０ｂなどに設定された各ユーザに対する補助レベルを取得してもよい。
【００１９】
モータ制御部１０２は、制御手段の一具体例である。モータ制御部１０２は、第１角度センサ９からの膝関節角度に基づいて、第１モータユニット７の駆動を制御し、ユーザの歩行動作を補助する。モータ制御部１０２は、ユーザの歩行動作の補助を行うように、第１モータユニット７に第１駆動力を発生させる制御を行う。モータ制御部１０２は、例えば、第１角度センサ９により検出された膝関節角度が予めメモリ１０ｂなどに設定されたグラフ情報の膝関節角度に従うように、第１駆動力を第１モータユニット７に発生させる。グラフ情報には、例えば、ユーザの歩容動作中の遊脚期間において、膝関節角度が遊脚開始から遊脚最大屈曲まで単調増加し、膝関節角度が遊脚最大屈曲から遊脚終了まで単調減少する、ように設定されている。グラフ情報において、膝関節角度は、立脚期間でも遊脚期間と同様に変化し、立脚期間と遊脚期間とが交互に繰り返される。
【００２０】
さらに、モータ制御部１０２は、レベル取得部１０１により取得された補助レベルに応じて、第１モータユニット７の第１駆動力を制御する。例えば、モータ制御部１０２は、レベル取得部１０１により取得された補助レベルが低くなるに従って、第１モータユニット７の第１駆動力を小さくするように制御する。これにより、ユーザの回復度が高くなるに従って補助レベルを低くすると、第１モータユニット７の第１駆動力が小さくなる。したがって、歩行動作を補助する際の第１モータユニット７の補助力を小さくなり、ユーザの自立歩行を促すことができる。
【００２１】
ところで、上述の如く、ユーザの回復度に応じて補助レベルを適切に低減させた場合に、例えば、ユーザの脚部が自身の体重を支えきれないとき、その体重に打ち負けて膝関節部が屈曲することで、ユーザは、その歩行失敗に気づくこととなる。
【００２２】
しかしながら、補助レベルを低く設定し第１モータユニットの補助力の大きさを小さくしたとき、膝関節部に生じる摩擦力によって、その屈曲動作が抑制され得る。このため、ユーザは、その歩行失敗に気づき難くなる。
【００２３】
これに対し、本実施形態１に係る歩行補助装置１において、モータ制御部１０２は、レベル取得部１０１により取得された補助レベルが所定レベル以下で小さいとき、膝関節部３に生じる摩擦力に対応する第２駆動力だけ第１駆動力を低減した駆動力を第１モータユニット７に発生させる制御を行う。
【００２４】
これにより、補助レベルが小さいとき、膝関節部３に生じる摩擦力によって、その屈曲動作が抑制されても、膝関節部３に生じる摩擦力に対応する第２駆動力だけ第１駆動力を低減した駆動力を第１モータユニット７に発生させることで、膝関節部３の屈曲動作を自然に誘発させることができる。したがって、ユーザが、その歩行失敗に気づき易くなる。
【００２５】
モータ制御部１０２は、レベル取得部１０１により取得された補助レベルが所定レベル以下であるとき、第１モータユニット７に対して、膝関節部３に生じる摩擦力を補償する摩擦補償制御を行う。モータ制御部１０２は、膝関節部３の機械摩擦による第２駆動力だけ第１駆動力を低減した駆動力を、第１モータユニット７に発生させる制御を行う。ここで、上記機械摩擦とは、例えば、膝関節部３の回動の際に生じる膝関節部３の粘性摩擦、動摩擦、静摩擦などである。所定レベルは、例えば、膝関節部の摩擦力によって、その屈曲動作が抑制されるレベルが予め実験的に求められ、メモリ１０ｂなどに設定されている。
【００２６】
図４は、本実施形態１に係る歩行補助装置の制御方法を示すフローチャートである。
レベル取得部１０１は、入力装置などを介して補助レベルを取得し、モータ制御部１０２に出力する（ステップＳ１０１）。
【００２７】
モータ制御部１０２は、レベル取得部１０１からの補助レベルが所定レベル以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。モータ制御部１０２は、レベル取得部１０１からの補助レベルが所定レベル以下であると判定すると（ステップＳ１０２のＹＥＳ）、膝関節部３に生じる摩擦力に対応する第２駆動力だけ第１駆動力を低減した駆動力を第１モータユニット７に発生させる制御を行う（ステップＳ１０３）。一方で、モータ制御部１０２は、レベル取得部１０１からの補助レベルが所定レベル以下であると判定すると（ステップＳ１０２のＮＯ）、第１駆動力を第１モータユニット７に発生させる制御を行う（ステップＳ１０４）。
【００２８】
以上、本実施形態１に係る歩行補助装置１において、モータ制御部１０２は、レベル取得部１０１により取得された補助レベルが所定レベル以下で小さいとき、膝関節部３に生じる摩擦力に対応する第２駆動力だけ第１駆動力を低減した駆動力を第１モータユニット７に発生させる制御を行う。これにより、補助レベルが小さいときでも、脚関節部３の屈曲動作を自然に誘発させ、ユーザが、その歩行失敗に気づき易くすることができる。
【００２９】
実施形態２
歩行動作の立脚期間内の、膝関節角速度が０となるタイミングにおいて、膝関節部３には大きな静摩擦力（最大静止摩擦力）が発生する。特に、補助レベルが所定レベル以下で小さいときに、この静摩擦力は、ユーザの歩行動作に大きく影響する。この静摩擦力によって、その屈曲動作が抑制され、ユーザは、その歩行失敗に気づき難くなる。
【００３０】
これに対し、本発明の実施形態２に係る歩行補助装置１において、モータ制御部１０２は、レベル取得部１０１により取得された補助レベルが所定レベル以下で小さく、かつ、歩行動作の立脚期間内の、膝関節部３の角速度が０となるタイミングを含む所定期間において、膝関節部３に生じる静摩擦力に対応する第２駆動力だけ第１駆動力を低減した駆動力を第１モータユニット７に発生させる制御を行う。
【００３１】
これにより、歩行動作の立脚期間内の、膝関節角速度が０となるタイミングを含む所定期間において、膝関節部３に生じる静摩擦力などによって、その屈曲動作が抑制されても、膝関節部３に生じる静摩擦力に対応する第２駆動力だけ第１駆動力を低減した駆動力を第１モータユニット７に発生させることで、膝関節部３の屈曲動作を自然に誘発させることができる。したがって、ユーザが、その歩行失敗に気づき易くなる。
【００３２】
図５は、本実施形態２に係る制御装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態２に係る制御装置２０は、上記実施形態１に係る制御装置１０の構成に加えて、更に、遊脚期間及び立脚期間を判定する動作判定部１０３を有している。
【００３３】
動作判定部１０３は、例えば、荷重センサユニット１１から出力される足裏の荷重値に基づいて、脚部が立脚期間又は遊脚期間であるかを判定する。ここで、例えば、遊脚期間とは、遊脚の屈曲伸展動作中の期間を指し、立脚期間とは、遊脚の伸展完了から立脚中の期間を指す。
【００３４】
動作判定部１０３は、荷重センサユニット１１から出力された荷重値が荷重閾値以上の場合、脚部が立脚期間であると判定する。一方、動作判定部１０３は、荷重センサユニット１１から出力された荷重値が荷重閾値未満の場合、脚部が遊脚期間であると判定する。これにより、歩行補助装置に設けられた荷重センサユニット１１を用いて、容易に、脚部の立脚期間及び遊脚期間を判定できる。
【００３５】
なお、上記荷重閾値は、例えば、歩行訓練開始前に、立脚期間及び遊脚期間となるときの荷重値が予め計測され、上記メモリ１０ｂなどに設定される。
【００３６】
動作判定部１０３は、荷重センサユニット１１から出力された荷重値に基づいて、訓練者の足裏に掛かる荷重中心位置を算出し、該算出した荷重中心位置に基づいて、脚部が立脚期間又は遊脚期間であるかを判定してもよい。例えば、脚部が立脚期間及び遊脚期間になるときの荷重中心位置の領域を予め求める。そして、動作判定部１０３は、荷重センサユニット１１から出力された荷重値に基づき算出した訓練者の荷重中心位置が、上記求めたどの領域に入るかを判定することで、立脚期間又は遊脚期間であるかを判定する。
【００３７】
動作判定部１０３は、第１角度センサ９で検出した膝関節角度の時間変化に基づいて、脚部が立脚期間又は遊脚期間であるかを判定してもよい。より具体的には、動作判定部１０３は、第１角度センサ９で検出した膝関節角度の時間変化に基づいて、検出した膝関節角度が立脚期間又は遊脚期間に対応する変化領域に入ったと判断したとき、立脚期間又は遊脚期間であると判定する。なお、上述した動作判定部１０３による立脚期間及び遊脚期間の判定方法は一例であり、これらに限定されない。
【００３８】
モータ制御部１０２は、動作判定部１０３の判定結果に応じて、第１モータユニット７の摩擦補償制御を行う。モータ制御部１０２は、動作判定部１０３により遊脚期間であると判定されると、第１モータユニット７に対して、（Ｉ）第１摩擦補償制御を行う。また、モータ制御部１０２は、動作判定部１０３により立脚期間であると判定されると、第１モータユニット７に対して、（ＩＩ）第２摩擦補償制御を行う。
【００３９】
（Ｉ）第１摩擦補償制御
遊脚期間において、モータ制御部１０２は、膝関節部３の動摩擦力及び粘性摩擦力を考慮した下記（１）式に基づいて、膝関節部３の機械摩擦力Ｔｆを算出する。そして、モータ制御部１０２は、算出した機械摩擦力Ｔｆに対して所定係数を乗算することで、機械摩擦力Ｔｆに対応する第３駆動力を算出する。この膝関節部３の動摩擦力及び粘性摩擦力を考慮した第３駆動力によって、膝関節部３の動摩擦力及び粘性摩擦力による第１駆動力の損失分を補償することができる。
【００４０】
なお、機械摩擦力Ｔｆに対応する第２駆動力とは、機械摩擦力Ｔｆに等しい第３駆動力だけなく、第１モータユニット７の駆動力の損失を低減するような、それより小さい或いは大きい第３駆動力を含むものとする。
Ｔｆ＝Ｔdynamic＋ＫｆθＶ  （θＶ＞０）        （１）
Ｔｆ＝−Ｔdynamic＋ＫｆθＶ  （θＶ＜０）
【００４１】
Ｔdynamicは膝関節部３の動摩擦力であり、ＫｆθＶは膝関節部３の粘性摩擦力である。Ｋｆは粘性摩擦係数であり、θＶは膝関節角速度である。膝関節部３の伸展方向を正とし、屈曲方向を負とする。
【００４２】
ここで、膝関節角速度θＶが略０になるタイミングでは、膝関節部３のトルク制御が大きく切替わる。図６は、第１摩擦補償制御における膝関節角速度と機械摩擦力との関係を示す図である。図６の点線が示すように、θＶ＝０の前後で、機械摩擦力Ｔｆの正負符号が切替わる。このため、膝関節角速度θＶが略０になるタイミングの前後の所定期間において、第１モータユニット７に駆動力を発生させるとハンチングが発生し易い。
【００４３】
本実施形態２において、上記ハンチングを抑制するために、モータ制御部１０２は、膝関節角速度θＶが略０となるタイミングを含む所定期間（例えば、−ωｆ≦θＶ≦ωｆ）において、第３駆動力を第１駆動力に対して加算する制御を停止する。したがって、この所定期間は、不感帯となる。所定期間（−ωｆ≦θＶ≦ωｆ）は、予め実験的に求めた値がメモリ１０ｂなどに記憶されている。
【００４４】
例えば、膝関節角速度θＶが０となるタイミングを含む所定期間（−ωｆ≦θＶ≦ωｆ）において、その機械摩擦力Ｔｆは０に設定される。このため、モータ制御部１０２は、その機械摩擦力Ｔｆに対応する第３駆動力を０として算出する。
【００４５】
以上をまとめると、第１摩擦補償制御において、モータ制御部１０２は、下記（２）式に基づいて、膝関節部３の機械摩擦力Ｔｆを算出する。モータ制御部１０２は、算出した機械摩擦力Ｔｆに対して所定係数を乗算することで、機械摩擦力Ｔｆに対応する第３駆動力を算出する。モータ制御部１０２は、第３駆動力を第１駆動力に対して加算した駆動力を、第１モータユニット７に発生させる制御を行う。
Ｔｆ＝Ｔdynamic＋ＫｆθＶ  （θＶ＞ωｆ）
Ｔｆ＝−Ｔdynamic＋ＫｆθＶ  （θＶ＜−ωｆ）        （２）
Ｔｆ＝０              （−ωｆ≦θＶ≦ωｆ）
【００４６】
（ＩＩ）第２摩擦補償制御
立脚期間において、モータ制御部１０２は、上記遊脚期間と同様に、上記（１）式に基づいて、膝関節部３の機械摩擦力Ｔｆを算出する。
【００４７】
ここで、上述の如く、膝関節角速度θＶが略０になるタイミングでは、膝関節部に大きな静摩擦力が生じる。この静摩擦力によって、立脚期間において、膝関節部の屈曲動作が抑制される。特に、補助レベルが所定レベル以下で小さいときに、この静止摩擦力は、ユーザの歩行動作に大きく影響する。
【００４８】
これに対し、本実施形態２において、モータ制御部１０２は、レベル取得部１０１により取得された補助レベルが所定レベル以下であり、かつ、膝関節角速度θＶが０となるタイミングを含む所定期間（−ωｆ≦θＶ≦ωｆ）において、機械摩擦力Ｔｆを−Ｆstaticに設定し、この機械摩擦力Ｔｆに対応する第２駆動力を算出する。この第２駆動力により、膝関節部３の屈曲動作を自然に誘発させることができる。
【００４９】
図７は、第２摩擦補償制御における膝関節角速度と機械摩擦力との関係を示す図である。補助レベルが所定レベル以下となるとき、図７に示す如く、膝関節角速度θＶ＝０となるタイミングを含む所定期間（−ωｆ≦θＶ≦ωｆ）において、機械摩擦力Ｔｆ＝−Ｆstaticに設定される。
【００５０】
一方、モータ制御部１０２は、レベル取得部１０１により取得された補助レベルが所定レベルより大きく、かつ、膝関節角速度θＶが０となるタイミングを含む所定期間（−ωｆ≦θＶ≦ωｆ）において、機械摩擦力Ｔｆを０に設定し、機械摩擦力Ｔｆに対応する第２駆動力を算出する。
【００５１】
以上をまとめると、第２摩擦補償制御において、モータ制御部１０２は、下記（３）式に基づいて、膝関節部３の機械摩擦力Ｔｆを算出する。モータ制御部１０２は、算出した機械摩擦力Ｔｆに対して所定係数を乗算することで、機械摩擦力Ｔｆに対応する第２又は第３駆動力を算出する。モータ制御部１０２は、第２又は第３駆動力と第１駆動力とに基づく駆動力を、第１モータユニット７に発生させる制御を行う。
Ｔｆ＝Ｔdynamic＋ＫｆθＶ  （θＶ＞ωｆ）
Ｔｆ＝−Ｔdynamic＋ＫｆθＶ  （θＶ＜−ωｆ）                            （３）
Ｔｆ＝−Ｆstatic  （−ωｆ≦θＶ≦ωｆ）かつ（補助レベル≦所定レベル）
Ｔｆ＝０        （−ωｆ≦θＶ≦ωｆ）かつ（補助レベル＞所定レベル）
【００５２】
次に、図８及び９を参照して、本実施形態２に係る歩行補助装置の制御方法について説明する。
動作判定部１０３は、例えば、第１角度センサ９で検出した膝関節角度の時間変化に基づいて、脚部が立脚期間又は遊脚期間であるかを判定する（図９）（ステップＳ２０１）。
【００５３】
動作判定部１０３は、遊脚状態であると判定すると（ステップＳ２０２）、モータ制御部１０２は、第１モータユニット７に対して、第１摩擦補償制御を行う（ステップＳ２０３）。
【００５４】
第１摩擦補償制御において、モータ制御部１０２は、上記（２）式に基づいて、膝関節部３の機械摩擦力Ｔｆを算出する。そして、モータ制御部１０２は、算出した機械摩擦力Ｔｆに対して所定係数を乗算することで、機械摩擦力Ｔｆに対応する第３駆動力を算出する。モータ制御部１０２は、第３駆動力を第１駆動力に対して加算した駆動力を、第１モータユニット７に発生させる制御を行う。
【００５５】
動作判定部１０３は、立脚状態であると判定すると（ステップＳ２０４）、モータ制御部１０２は、第１モータユニット７に対して、第２摩擦補償制御を行う（ステップＳ２０５）。
【００５６】
第２摩擦補償制御において、モータ制御部１０２は、上記（３）式に基づいて、膝関節部３の機械摩擦力Ｔｆを算出する。そして、モータ制御部１０２は、算出した機械摩擦力Ｔｆに対して所定係数を乗算することで、機械摩擦力Ｔｆに対応する第２又は第３駆動力を算出する。モータ制御部１０２は、第２又は第３駆動力と第１駆動力とに基づく駆動力ｆを、第１モータユニット７に発生させる制御を行う。
なお、本実施形態２において、上記実施形態１と同一部分に同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５７】
実施形態３
図１０は、本発明の実施形態３に係る歩行補助装置の概略的システム構成を示すブロック図である。足首関節部５には、該足首関節部５を回転駆動する第２モータユニット１２が設けられている。足首関節部５には、下腿フレーム４と足部フレームとが成す足首関節角度を検出する第２角度センサ１３が設けられている。第２モータユニット１２は、駆動手段の一具体例である。
【００５８】
モータ制御部１０２は、第２角度センサ１３からの足首関節角度に基づいて、第２モータユニット１２の駆動を制御し、ユーザの歩行動作を補助する。モータ制御部１０２は、ユーザの歩行動作の補助を行うように、第２モータユニット１２に第４駆動力を発生させる制御を行う。
【００５９】
ところで、上記実施形態２に係る膝関節部３のときと同様に、補助レベルが所定レベル以下で小さく第２モータユニット１２の補助力が小さいとき、立脚期間内の、足首関節部５の角速度が０となるタイミングにおいて、足首関節部５に生じる静摩擦力によって、その屈曲動作が抑制される。このため、ユーザは、その歩行失敗に気づき難くなる。
【００６０】
これに対し、本実施形態３に係る歩行補助装置において、モータ制御部１０２は、レベル取得部１０１により取得された補助レベルが所定レベル以下であり、かつ、歩行動作の立脚期間内の、足首関節部５の角速度（以下、足首関節角速度）が０となるタイミングを含む所定期間において、足首関節部５に生じる静摩擦力に対応する第５駆動力だけ第４駆動力を低減した駆動力を第２モータユニット１２に発生させる制御を行う。
【００６１】
モータ制御部１０２は、第２モータユニット１２に対して、足首関節部５に生じる摩擦力を補償する摩擦補償制御を行う。モータ制御部１０２は、足首関節部５の機械摩擦による第５駆動力だけ第４駆動力を低減した駆動力を、第２モータユニット１２に発生させる制御を行う。
【００６２】
モータ制御部１０２は、動作判定部１０３により遊脚期間であると判定されると、第２モータユニット１２に対して、第１摩擦補償制御を行う。モータ制御部１０２は、動作判定部１０３により立脚期間であると判定されると、第２モータユニット１２に対して、第２摩擦補償制御を行う。
【００６３】
（Ｉ）第１摩擦補償制御
モータ制御部１０２は、足首関節部５の動摩擦力及び粘性摩擦力を考慮した下記（４）式に基づいて、足首関節部５の機械摩擦力Ｔ′ｆを算出する。モータ制御部１０２は、算出した機械摩擦力Ｔ′ｆに対して所定係数を乗算することで、機械摩擦力Ｔ′ｆに対応する第６駆動力を算出する。モータ制御部１０２は、第６駆動力を第４駆動力に対して加算した駆動力を、第２モータユニット１２に発生させる制御を行う。
Ｔ′ｆ＝Ｔ′dynamic＋Ｋ′ｆθ′Ｖ  （θ′Ｖ＞ωｆ）
Ｔ′ｆ＝−Ｔ′dynamic＋Ｋ′ｆθ′Ｖ  （θ′Ｖ＜−ωｆ）        （４）
Ｔ′ｆ＝０              （−ωｆ≦θ′Ｖ≦ωｆ）
【００６４】
Ｔ′dynamicは足首関節部５の動摩擦力であり、Ｋ′ｆθ′Ｖは足首関節部５の粘性摩擦力である。Ｋ′ｆは粘性摩擦係数であり、θ′Ｖは足首関節角速度である。足首関節部５の底屈方向を正とし、背屈方向を負とする。
【００６５】
（ＩＩ）第２摩擦補償制御
モータ制御部１０２は、下記（５）式に基づいて、足首関節部５の機械摩擦力Ｔ′ｆを算出する。モータ制御部１０２は、算出した機械摩擦力Ｔ′ｆに対して所定係数を乗算することで、機械摩擦力Ｔ′ｆに対応する第５又は第６駆動力を算出する。モータ制御部１０２は、第５又は第６駆動力と第４駆動力とに基づく駆動力を、第２モータユニット１２に発生させる制御を行う。
Ｔ′ｆ＝Ｔ′dynamic＋Ｋ′ｆθ′Ｖ（θ′Ｖ＞ωｆ）
Ｔ′ｆ＝−Ｔ′dynamic＋Ｋ′ｆθ′Ｖ（θ′Ｖ＜−ωｆ）                          （５）
Ｔ′ｆ＝−Ｆ′static  （−ωｆ≦θ′Ｖ≦ωｆ）かつ（補助レベル≦所定レベル）
Ｔ′ｆ＝０        （−ωｆ≦θ′Ｖ≦ωｆ）かつ（補助レベル＞所定レベル）
なお、本実施形態３において、上記実施形態１及び２と同一部分に同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６６】
本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
上記実施形態において、モータ制御部１０２は、上記実施形態２に係る膝関節部３に対する第１モータユニット７の摩擦補償制御、および、上記実施形態３に係る足首関節部５に対する第２モータユニット１２の摩擦補償制御、のうちの少なくとも一方を行うようにしてもよい。
【００６７】
本発明は、例えば、図４又は図８に示す処理を、ＣＰＵにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。
【００６８】
プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。
【００６９】
プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
【符号の説明】
【００７０】
１  歩行補助装置、２  上腿フレーム、３  膝関節部、４  下腿フレーム、５  足首関節部、６  足部フレーム、７  第１モータユニット、８  調整機構、９  第１角度センサ、１０  制御装置、１１  荷重センサユニット、１２  第２モータユニット、１３  第２角度センサ、１０１  レベル取得部、１０２  モータ制御部、１０３  動作判定部
【図１】
2018050950.tif 000003
【図２】
2018050950.tif 000004
【図３】
2018050950.tif 000005
【図４】
2018050950.tif 000006
【図５】
2018050950.tif 000007
【図６】
2018050950.tif 000008
【図７】
2018050950.tif 000009
【図８】
2018050950.tif 000010
【図９】
2018050950.tif 000011
【図１０】
2018050950.tif 000012