(57)【要約】【課題】  簡単かつ安価な構成で、個々人の歩行内容に応じた補助が行える歩行補助装置を提供すること。【解決手段】  歩行補助装置１０を、大腿部に取り付けられる大腿部支持部材１１と、下腿部に取り付けられ、大腿部支持部材１１に対して回動可能に設けられる下腿部支持部材１２と、下腿部支持部材１２を大腿部支持部材１１に対して回動させるアクチュエータ１３と、下腿部支持部材１２の大腿部支持部材１１に対する回動角度を検出する回動角度検出手段１４と、足に取り付けられ、足の接地を検出する接地検出手段１６と、回動角度検出手段１４により検出された下腿部支持部材１２の大腿部支持部材１１に対する回動角度および接地検出手段１６により検出された足の接地に基づいてアクチュエータ１３を制御する制御部１７とを備えて構成する。【選択図】  図１
2011143002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大腿部に取り付けられる大腿部支持部材と、
下腿部に取り付けられ、前記大腿部支持部材に対して回動可能に設けられる下腿部支持部材と、
前記下腿部支持部材を前記大腿部支持部材に対して回動させるアクチュエータと、
前記下腿部支持部材の前記大腿部支持部材に対する回動角度を検出する回動角度検出手段と、
足に取り付けられ、前記足の接地を検出する接地検出手段と、
前記回動角度検出手段により検出された前記回動角度および前記接地検出手段により検出された前記足の接地に基づいて前記アクチュエータを制御する制御部と、を備えることを特徴とする歩行補助装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記接地検出手段により前記足の接地が検出されたときを基準に前記アクチュエータを動作させ、前記回動角度検出手段により検出された前記下腿部支持部材の前記大腿部支持部材に対する回動角度がピークとなるときを基準に前記アクチュエータを停止させ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、簡単で安価な構成で、個々人の歩行内容に応じた補助が行える歩行補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
関節の角度センサおよびジャイロセンサの出力に基づいて、平地歩行、階段越えなどの各運動モードにて必要とする股関節および膝関節の必要トルクを算出し、この必要トルクから使用者の状態に応じて予め設定された閾値を差し引いたトルクを、使用者の股関節を伸展・屈曲させる第一電気アクチュエータおよび使用者の膝関節を伸展・屈曲させる第二電気アクチュエータに発生させる歩行補助装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、歩行者の腰部等に取り付けられたジャイロセンサ、Ｇセンサや、股関節および膝関節に取り付けられた角度センサにより測定された身体重心座標、左右の足関節座標、身体重心座標の加速度に基づいて、膝関節回りおよび股関節回りの角速度およびトルクを求め、アクチュエータにより膝関節回りおよび股関節に付与されている外的トルクを求め、膝関節回りおよび股関節回りのトルクから外的トルクを引いて膝関節回りおよび股関節回りの内的トルクを求め、歩行一周期分測定された外的トルクと角速度との積を積分して外的仕事量を求め、歩行一周期分測定された内的トルクと角速度との積を積分して内的仕事量を求め、内的仕事量と外的仕事量との和である合計仕事量とあらかじめ測定された平地歩行での内的仕事量との変動分を以後の歩行で補償するように外的トルクを付与するトルク付与システムが開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３０１１２４号公報
【特許文献２】特開２００３−０７９６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の歩行補助装置では、各運動モードにおける必要トルクがあらかじめ設定されており、必ずしも個人の歩行内容に合ったものとならないため、付与されるトルクが使用者にとって適切でなく歩きにくくなるおそれがある。また、角度センサ、ジャイロセンサなど高価なセンサが多数必要であるため、コスト高となる問題がある。
【０００６】
また、特許文献２のトルク付与システムでは、歩行一周期分測定された外的トルクおよび内的トルクから求められた外的仕事量および内的仕事量に基づいて外的トルクが付与されているが、歩行一周期中のどのタイミングで、どのような大きさの外的トルクが付与されるかについては記載されていない。したがって、外的トルク付与のタイミングや大きさが使用者にとって適切でなく歩きにくくなるおそれがある。また、ジャイロセンサ、Ｇセンサ、角度センサなど高価なセンサが多数必要であり、演算が複雑であるため、コスト高となる問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、簡単かつ安価な構成で、個々人の歩行内容に応じた補助が行える歩行補助装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の課題解決手段は、歩行補助装置は、大腿部に取り付けられる大腿部支持部材と、下腿部に取り付けられ、前記大腿部支持部材に対して回動可能に設けられる下腿部支持部材と、前記下腿部支持部材を前記大腿部支持部材に対して回動させるアクチュエータと、前記下腿部支持部材の前記大腿部支持部材に対する回動角度を検出する回動角度検出手段と、足に取り付けられ、前記足の接地を検出する接地検出手段と、前記回動角度検出手段により検出された前記回動角度および前記接地検出手段により検出された前記足の接地に基づいて前記アクチュエータを制御する制御部と、を備えることである。
【０００９】
本発明の第２の課題解決手段は、前記制御部は、前記接地検出手段により前記足の接地が検出されたときを基準に前記アクチュエータを動作させ、前記回動角度検出手段により検出された前記下腿部支持部材の前記大腿部支持部材に対する回動角度がピークとなるときを基準に前記アクチュエータを停止させることである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、制御部は、回動角度検出手段が検出する下腿部支持部材の大腿部支持部材に対する回動角度および接地検出手段が検出する足の接地に基づいてアクチュエータを制御するため、アクチュエータを動作させるタイミングを正確に決定することができるとともに簡単かつ安価な構成で個々人の歩行内容に応じた補助が行える歩行補助装置を提供できる。
【００１１】
また、制御部は、接地検出手段により足の接地が検出されたときを基準にアクチュエータを動作させ、回動角度検出手段により検出された下腿部支持部材の大腿部支持部材に対する角度が最大となるときを基準にアクチュエータを停止させるため、歩行動作において大きな膝関節モーメントが必要となるところに合わせてアクチュエータを動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例に係る歩行補助装置を示す説明図である。
【図２】歩行一周期における右膝関節角度および右膝関節モーメントを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１４】
図１は、実施例に係る歩行補助装置１０を示す説明図である。図１は歩行者の足に取り付けられた歩行補助装置１０を後方から見た図であり、一部についてはブロック図で示されている。歩行補助装置１０は、大腿部に取り付けられる大腿部支持部材１１と、下腿部に取り付けられ、大腿部支持部材１１に対して回動可能に設けられる下腿部支持部材１２と、下腿部支持部材１２を大腿部支持部材１１に対して回動させるアクチュエータ１３と、下腿部支持部材１２の大腿部支持部材１１に対する角度を検出する回動角度検出手段１４と、歩行者の足に装着され足の接地を検出する接地検出手段１６と、回動角度検出手段１４により検出された下腿部支持部材１２の大腿部支持部材１１に対する角度および接地検出手段１６により検出された足の接地に基づいてアクチュエータ１３を制御する制御部１７と、を備える。
【００１５】
実施例の歩行補助装置１０は、右足用と左足用で共通の構成をしているため、右足用について説明を行う。
【００１６】
大腿部支持部材１１は、大腿部の長手方向に沿った長尺形状の樹脂製の大腿部フレーム１９と、大腿部フレーム１９を大腿部に装着するための大腿部ガイド部１８を備える。
【００１７】
下腿部支持部材１２は、下腿部の長手方向に沿った長尺形状の樹脂製の下腿部フレーム２１と、下腿部フレーム２１を下腿部に装着するための下腿部ガイド部２０を備える。下腿部フレーム２１は、ヒンジ２２により大腿部フレーム１９に対して回動可能に接続されている。ヒンジ２２は大腿部と下腿部の間の関節に位置する。
【００１８】
歩行者に装着されている際、大腿部支持部材１１は大腿部、下腿部支持部材１２は下腿部と一体で動作する。よって、歩行者が歩行する際の足の膝関節角度（大腿部と下腿部とがなす角度）と同じ角度になるように、下腿部支持部材１２は大腿部支持部材１１に対してヒンジ２２を介して回動する。
【００１９】
回動角度検出手段１４は、ポテンショメータや、オニゴメータなどにより構成される。ポテンショメータは、下腿部フレーム２１の大腿部フレーム１９に対する回動角度を測定する。オニゴメータは、下腿部フレーム２１が大腿部フレーム１９に対して回動する際に曲げられて生じる弾性力に基づいて、下腿部フレーム２１の大腿部フレーム１９に対する回動角度を測定する。
【００２０】
接地検出手段１６は、スイッチや、荷重センサなどにより構成され、歩行者の足に装着される。接地検出手段１６は、例えば、歩行者に装着される靴の足裏の踵等に取り付けられる。スイッチは、靴の足裏の踵（足）が接地すると通電し、地面から離れると通電が切れる。荷重センサは、靴の足裏の踵（足）が接地するときに歩行者の足裏と地面の間に挟まれる荷重を測定する。
【００２１】
アクチュエータ１３は、例えば電気モータにより構成され、下腿部フレーム２１を大腿部フレーム１９に対して、下腿部フレーム１９と大腿部フレーム２１との間の角度が大きくなる方向に回動させる。但し、アクチュエータ１３は電気的に付勢力を制御できるダンパー機構でも良い。
【００２２】
制御部１７は、電子回路、マイクロプロセッサなどにより構成され、後述の動作を行うプログラムを備えている。制御部１７は、回動角度検出手段１４、アクチュエータ１３および接地検出手段１６と、電気的にまたは無線で接続されており、回動角度検出手段１４により検出された下腿部フレーム２１の大腿部フレーム１９に対する回動角度および接地検出手段１６による接地の検出に基づいて、アクチュエータ１３を制御する。
【００２３】
実施例に係る歩行補助装置１０の動作を説明する前に、人の歩行動作について説明を行う。
【００２４】
図２は、歩行一周期の右膝関節角度および右膝関節モーメントを示すグラフである（参考：「スポーツバイオメカニクス入門」杏林書院）。横軸は歩行一周期に相当する時間で、一周期の開始を０、終了を１００として示している。縦軸は度の単位で表された右膝関節角度および任意単位で表された右膝関節モーメントである。右膝関節角度は、関節が伸びた状態を基準の０度とし、屈曲する方向をプラスとした角度で示されている。右膝関節モーメントとは、歩行姿勢を維持するために膝の筋肉や靭帯が生じる力のモーメントである。
【００２５】
歩行の際、左足が接地している間に右足が上がる第一動作、左足が接地している間に右足が接地する第二動作、右足が接地している間に左足が上がる第三動作、右足が接地している間に左足が接地する第四動作、の一連の動作が繰り返される。第一動作と第二動作の間を第一期（左片足支持期）、第二動作と第三動作の間を第二期（二重支持期）、第三動作と第四動作の間を第三期（右片足支持期）、第四動作と第一動作の間を第四期（二重支持期）とする。
【００２６】
第一動作の前（第四期）には、左足が歩行者の胴体に対して前方、右足が胴体に対して後方に接地している。第一動作では、この状態から、胴体に対して後方に位置している右足が上がる。第一期には、胴体に対して後方から前方へ右足が移動し、胴体が前方に移動し、左足が相対的に胴体の後方に位置するようになる。第二動作では、胴体の前方で右足が接地する。第二期には、右足は胴体の前方、左足は胴体の後方に接地した状態で、胴体が前方へ移動する。第三動作では、この状態から、胴体に対して後方に位置している左足が上がる。第三期には、胴体に対して後方から前方へ左足が移動し、胴体が前方に移動し、右足が相対的に胴体の後方に位置するようになる。第四動作では、胴体の前方で左足が接地する。この後、歩行動作は第四期となり、上記の過程を繰り返す。
【００２７】
上記動作と、図２のグラフとを対応させると、右膝関節角度は、第一期に右足が胴体に対して後方から前方へ移動する際に、大きく屈曲し、第二期に右足が胴体の前方に接地し第三期に左足が胴体の後方から前方へ移動する際に、軽く屈曲（いわゆるダブルニーアクション）することがわかる。一方、右膝関節モーメントは、第二期に右足が胴体の前方に接地し第三期に左足が胴体の後方から前方へ移動する際に大きくなることがわかる。これは、第三期には胴体の移動を右足の膝の筋肉や靭帯で支える必要があることによる。
【００２８】
実施例に係る歩行補助装置１０の動作を次に説明する。
【００２９】
右足用の歩行補助装置１０の回動角度検出手段１４は、所定時間ごとに下腿部フレーム２１の大腿部フレーム１９に対する角度を検出する。このとき、膝関節の伸びた状態を基準の０度とし、関節が折れ曲がる方向をプラスとして角度を検出し、上記歩行動作についての記述中の右膝関節角度に対応させる。
【００３０】
右足用の歩行補助装置１０の接地検出手段１６は、右足の踵の接地を検出する。上記歩行動作の記述中、右足は第二動作において人体の胴体の前方で接地するので、接地検出手段１６は第二動作を検出するものである。
【００３１】
制御部１７は、接地検出手段１６により右足の踵の接地が検出されたら、アクチュエータ１３を駆動して、下腿部フレーム２１を大腿部フレーム１９に対して、下腿部フレーム２１と大腿部フレーム１９との間の角度が大きくなる方向（上記歩行動作についての記述中の右膝関節角度では、基準の０度への方向）、すなわち右膝関節が伸びる方向に回動させる。なお、アクチュエータ１３の駆動開始のタイミングは、接地検出手段１６による踵接地の検出のときを基準に決められていればよく、必ずしも同時であることを要しない。
【００３２】
制御部１７は、アクチュエータ１３を駆動中に、回動角度検出手段１４が所定時間ごとに検出した下腿部フレーム２１の大腿部フレーム１９に対する角度（歩行動作についての記述中の右膝関節角度）がピークとなってから所定時間ｔα後に、アクチュエータ１３の駆動を停止する。具体的には、制御部１７は、回動角度検出手段１４が検出した所定時間ごとの角度の変化率を求め、変化率が正から負に変化したところを角度がピークとなるところと判定し、ピークから所定時間ｔα後にアクチュエータ１３の駆動を停止する。所定時間ｔαは、標準的な値が予め設定されてもよく、また、歩行者により適宜設定可能であってもよい。なお、上記のように、アクチュエータ１３の駆動開始と同様、駆動停止のタイミングも回動角度がピークとなるときを基準に決定されている。
【００３３】
以上により、実施例に係る歩行補助装置１０によれば、制御部１７が接地検出手段１６による足の接地の検出に基づいてアクチュエータ１３を駆動することにより、大きな右膝関節モーメントが必要となるところで補助を行うことができるため、歩行者の右膝への負担を低減することができる。また、制御部１７がアクチュエータ１３の駆動後に回動角度検出手段１４により検出される角度のピークを検出し、角度のピークから所定時間ｔα後にアクチュエータ１３の駆動を停止するため、必要な右膝関節モーメントが小さくなるところで補助を終了することができる。
【００３４】
なお、左足用の歩行補助装置１０は、右足用の歩行補助装置１０と同様に動作する。右足用の歩行補助装置１０は右足の動作（膝関節角度、踵接地）を検出して動作し、左足用の歩行補助装置１０は左足の動作（膝関節角度、踵接地）を検出して動作するため、右足用と左足用とは互いに独立して構成することができる。
【００３５】
また、制御部は右足用、左足用にそれぞれ設けても、右足用、左足用の両方を一つの制御部で制御してもよい。
【００３６】
また、接地検出手段として、スイッチや荷重センサを設けることなく、下腿部フレームの大腿部フレームに対する角度を測定する回動角度検出手段を用いてもよい。その場合、回動角度検出手段により検出される角度が最小となるところで、足が接地しているとする。
【符号の説明】
【００３７】
１０  歩行補助装置
１１  大腿部支持部材
１２  下腿部支持部材
１３  アクチュエータ
１４  回動角度検出手段
１６  接地検出手段
１７  制御部
【図１】
2011143002.tif 000003
【図２】
2011143002.tif 000004