(57)【要約】【課題】歩行において、適切なタイミングで荷重移動を支援することが可能な歩行支援機器を提供する。【解決手段】歩行支援機器１は、ノック機構２００を有する。ノック機構２００は、筒状部材２１０と、踵によって押圧され又は踵を押圧するノック棒２２０と、ノック棒２２０の動作に伴って回転する回転子２３０と、弾性部材２４０とを有する。筒状部材２１０の内面には、回転子２３０を回転させるための固定カム２１２が設けられている。固定カム２１２の下面２１２ａは、回転子２３０の回転方向に対して上方に傾斜し、下に凸の曲線で規定されるような曲面で形成されている。回転子２３０は、固定カム２１２の下面２１２ａを摺動可能な回転カム２３２を有する。【選択図】図１４
2019098062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの足に装着され前記ユーザの歩行を支援する歩行支援機器であって、
前記ユーザの足裏を支持する靴底部材と、
前記靴底部材において前記ユーザの踵に押圧される位置に設けられたノック機構と、
を有し、
前記ノック機構は、
筒状部材と、
前記筒状部材の内部を上下に摺動可能に構成され、前記踵によって押圧され又は前記踵を押圧するノック棒と、
前記筒状部材の内部において、前記ノック棒の下方に位置し、前記ノック棒の動作に伴って回転する回転子と、
前記回転子を前記ノック棒の方に付勢する弾性部材と、
を有し、
前記筒状部材の内面には、前記回転子を回転させるための複数の固定カムと、前記複数の固定カムの間に設けられた複数のカム溝と、が設けられ、
前記固定カムの下面は、前記回転子の回転方向に対して上方に傾斜し、下に凸の曲線で規定されるような曲面で形成されており、
前記回転子は、前記複数の固定カムのそれぞれの下面に突き当たり前記複数の固定カムのそれぞれの下面を摺動可能な複数の回転カムを有し、
前記ノック棒の下端には、前記回転カムに突き当たって前記回転カムを前記弾性部材による付勢に抗して押圧する押圧部と、前記固定カムの下面における前記回転カムの摺動を抑制可能な抑制部と、がそれぞれ複数設けられ、
前記押圧部は、前記回転子の回転方向に対して上方に傾斜するように形成されており、前記抑制部は、前記回転子の回転方向に対して下方に傾斜するように形成されており、
前記回転カムが前記カム溝に沿って上又は下に摺動しているとき前記回転子の回転は抑制されており、
前記ノック棒が前記踵に押圧されることに伴って前記ノック棒の前記押圧部が前記回転カムを押圧することで、前記回転カムが前記カム溝の前記固定カムの下端に対応する位置に達すると、前記回転子が回転して前記回転カムは前記固定カムの下面に移動して前記固定カムの下面に突き当たり、
前記抑制部は、前記ノック棒が前記踵に押圧されることによって、前記回転カムが前記固定カムの下面に突き当たっているときに前記回転カムの前記固定カムの下面における摺動を抑制し、
前記踵によって前記ノック棒が押圧される力が減少して前記ノック棒の前記抑制部が上昇することに伴って、前記回転子に対する前記弾性部材の付勢により前記回転カムの先端が前記固定カムの下面に沿って摺動して前記回転子が回転し、前記回転カムの動作に伴って、前記ノック棒が前記踵を押圧する、
歩行支援機器。
【請求項２】
前記固定カムの下面は、前記固定カムの下面の、前記筒状部材の周方向に沿った長さをａとし、前記固定カムの下面の高低差をｂとしたときに、１より大きなｍについて、
【数１２】
2019098062.tif 000014
で規定される曲面で形成されている、
請求項１に記載の歩行支援機器。
【請求項３】
前記ｍは、１＜ｍ＜６を満たし、このとき、前記固定カムの数ｎは、３≦ｎ≦８を満たす、
請求項２に記載の歩行支援機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は歩行支援機器に関し、特にユーザの足に装着されユーザの歩行を支援する歩行支援機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
足の筋力の低下等により歩行が困難となった人は、すり足歩行を行うことがある。正常歩行では、まず、（１）踏み出した足が踵から接地する。そして、（２）足裏の重心が足の外側を通って小指の付け根付近まで前方に移動する。そして、（３）足裏の重心が小指の付け根付近から内側に向かって親指の付け根付近まで移動し、親指の付け根で地面を蹴り出して、（４）体重が親指から抜けてゆく。このとき、足裏における荷重移動は、（１）から（４）に至るまでに、踵から爪先へと滑らかに遷移する。これに対し、すり足歩行では、足裏全体が略同時に接地して、荷重移動が、上記のように滑らかに遷移しない。このような歩行では、歩行の推進力、歩幅、歩行速度が減少するので、躓き、転倒といった問題が生じるおそれがある。したがって、正常歩行ができるように歩行を改善することが望まれる。
【０００３】
歩行を改善する方法として、歩行を支援する機器を足に装着する方法がある。ここで、歩行の支援にモータ等の動力を用いると、機器の重量が増加するため、歩行改善の効果が低下するおそれがある。さらに、バッテリー等の動力源が必要となる。したがって、モータ等の動力を用いない、無動力の歩行支援機器が望まれる。
【０００４】
この技術に関連し、特許文献１は、足に装着されるスポーツ用具を開示している。特許文献１にかかるスポーツ用具は、足裏に駆動プレートを装着した状態で踵を上げると、ホイールの回転が加速するように構成されている。そして、特許文献１にかかるスポーツ用具は、踵を下げることによって弾性体に力を蓄え、踵を上げるときにこの弾性体に蓄えられた力が駆動プレートを本体フレームから上げる補助力として働く駆動の補助機構を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９９７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
正常歩行を行うためには、上述したような荷重移動が滑らかに遷移するような歩行を行う必要がある。このとき、歩行における荷重移動を支援するために、足裏の重心（荷重中心）が爪先側へ移動し踵への荷重が減少すべき立脚終期において、踵を上方に押圧して踵の持ち上げを支援することが考えられる。一方、特許文献１にかかる技術では、前方への推進力を支援するのみであって、足裏における荷重移動を支援するわけではない。さらに、特許文献１にかかる技術は、足に装着されるスポーツ用具に関するものであるので、歩行困難者の歩行の改善に寄与することは困難である。このように、特許文献１にかかる技術では、歩行において、適切なタイミングで荷重移動を支援することができないおそれがある。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、歩行において、適切なタイミングで荷重移動を支援することが可能な歩行支援機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ユーザの足に装着され前記ユーザの歩行を支援する歩行支援機器であって、前記ユーザの足裏を支持する靴底部材と、前記靴底部材において前記ユーザの踵に押圧される位置に設けられたノック機構と、を有し、前記ノック機構は、筒状部材と、前記筒状部材の内部を上下に摺動可能に構成され、前記踵によって押圧され又は前記踵を押圧するノック棒と、前記筒状部材の内部において、前記ノック棒の下方に位置し、前記ノック棒の動作に伴って回転する回転子と、前記回転子を前記ノック棒の方に付勢する弾性部材と、を有し、前記筒状部材の内面には、前記回転子を回転させるための複数の固定カムと、前記複数の固定カムの間に設けられた複数のカム溝と、が設けられ、前記固定カムの下面は、前記回転子の回転方向に対して上方に傾斜し、下に凸の曲線で規定されるような曲面で形成されており、前記回転子は、前記複数の固定カムのそれぞれの下面に突き当たり前記複数の固定カムのそれぞれの下面を摺動可能な複数の回転カムを有し、前記ノック棒の下端には、前記回転カムに突き当たって前記回転カムを前記弾性部材による付勢に抗して押圧する押圧部と、前記固定カムの下面における前記回転カムの摺動を抑制可能な抑制部と、がそれぞれ複数設けられ、前記押圧部は、前記回転子の回転方向に対して上方に傾斜するように形成されており、前記抑制部は、前記回転子の回転方向に対して下方に傾斜するように形成されており、前記回転カムが前記カム溝に沿って上又は下に摺動しているとき前記回転子の回転は抑制されており、前記ノック棒が前記踵に押圧されることに伴って前記ノック棒の前記押圧部が前記回転カムを押圧することで、前記回転カムが前記カム溝の前記固定カムの下端に対応する位置に達すると、前記回転子が回転して前記回転カムは前記固定カムの下面に移動して前記固定カムの下面に突き当たり、前記抑制部は、前記ノック棒が前記踵に押圧されることによって、前記回転カムが前記固定カムの下面に突き当たっているときに前記回転カムの前記固定カムの下面における摺動を抑制し、前記踵によって前記ノック棒が押圧される力が減少して前記ノック棒の前記抑制部が上昇することに伴って、前記回転子に対する前記弾性部材の付勢により前記回転カムの先端が前記固定カムの下面に沿って摺動して前記回転子が回転し、前記回転カムの動作に伴って、前記ノック棒が前記踵を押圧する。
【０００９】
好ましくは、前記固定カムの下面は、前記固定カムの下面の、前記筒状部材の周方向に沿った長さをａとし、前記固定カムの下面の高低差をｂとしたときに、１より大きなｍについて、
【数１】
2019098062.tif 000003
で規定される曲面で形成されている。
【００１０】
好ましくは、前記ｍは、１＜ｍ＜６を満たし、このとき、前記固定カムの数ｎは、３≦ｎ≦８を満たす。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、歩行において、適切なタイミングで荷重移動を支援することが可能な歩行支援機器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１にかかる歩行支援機器を示す図である。
【図２】実施の形態１にかかるノック機構の外観を示す斜視図である。
【図３】実施の形態１にかかるノック機構の分解図である。
【図４】実施の形態１にかかるノック機構の組立断面図である。
【図５】実施の形態１にかかる筒状部材を示す斜視図である。
【図６】実施の形態１にかかるノック機構の動作を説明するための図である。
【図７】実施の形態１にかかる歩行支援機器を用いてユーザが歩行を行った状態を示す図である。
【図８】実施の形態１にかかる歩行支援機器を用いてユーザが歩行を行ったときの歩行支援機器の挙動を示す図である。
【図９】歩行をモデリングした実験条件で踵に対応する位置に加わる力を測定した結果を示すグラフである。
【図１０】歩行をモデリングした実験条件で、踵に対応する位置に加わる力と、ばね変位との関係を示すグラフである。
【図１１】足関節モーメント及びアシストモーメントを説明する図である。
【図１２】歩行時における足関節の周りのモーメントを示す図である。
【図１３】実施の形態２にかかるノック機構の分解図である。
【図１４】実施の形態２にかかるノック機構の組立断面図である。
【図１５】実施の形態２にかかる筒状部材を示す斜視図である。
【図１６】実施の形態２にかかる固定カムを示す図である。
【図１７】歩行をモデリングした実験条件で、踵に対応する位置に加わる力と、ばね変位との関係を示すグラフである。
【図１８】歩行をモデリングした実験条件で、踵に対応する位置に加わる力と、ばね変位との関係を示すグラフである。
【図１９】歩行時における足関節の周りのモーメントを示す図である。
【図２０】実施の形態２にかかるカム曲線に関する寸法及び座標系を示す図である。
【図２１】実施の形態２にかかるノック機構の、ロック状態における、回転カム１個当たりの力のつり合いを示す図である。
【図２２】実施の形態２にかかるカム曲線が式１で示される場合のアシストモーメントＭａを表すグラフである。
【図２３】実施の形態２にかかるカム曲線が式１で示される場合のアシストモーメントＭａを表すグラフである。
【図２４】実施の形態２にかかるカム曲線が式１で示される場合のアシストモーメントＭａを表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１にかかる歩行支援機器１を示す図である。歩行支援機器１は、歩行困難者等のユーザの足に装着され、ユーザの歩行を支援する。歩行支援機器１は、ユーザの足裏を支持する靴底部材２と、ユーザの足裏が接するソール４と、歩行支援機器１をユーザの足に固定するバンド６と、ノック機構１００とを有する。ノック機構１００は、靴底部材２においてユーザの踵に押圧される位置である踵部２ａに設けられる。また、後述するように、ノック機構１００は、内蔵された弾性部材によって、ユーザの踵を押圧するように構成されている。
【００１４】
また、靴底部材２とソール４との間には踏板８が設けられている。踏板８は、ユーザの足指近傍に設けられたヒンジ１０に回転可能に支持されている。また、バンド６は踏板８に固定されている。したがって、歩行支援機器１を装着したユーザ（以下単に「ユーザ」と称する）の足裏の動きに伴って、踏板８は、ヒンジ１０を中心に回転するように構成されている。歩行支援機器１を装着したユーザが踵に体重を掛けると、ノック機構１００は、踏板８を介して踵に押圧されることとなる。このとき、ノック機構１００に内蔵された弾性部材が圧縮される。そして、重心が踵から爪先側に移動して踵が持ち上がり、弾性部材の圧縮が解放されることで、ノック機構１００は、ユーザの踵を押圧する。このようにして、実施の形態１にかかる歩行支援機器１は、無動力でユーザの歩行を支援する。
【００１５】
図２は、実施の形態１にかかるノック機構１００の外観を示す斜視図である。また、図３は、実施の形態１にかかるノック機構１００の分解図である。また、図４は、実施の形態１にかかるノック機構１００の組立断面図である。図４において、ノック棒１２０を細線で示している。ノック機構１００は、筒状部材１１０と、ノック棒１２０と、回転子１３０と、弾性部材１４０と、底部１５０とを有する。弾性部材１４０は、例えば、つるまきばね等のばねである。
【００１６】
ノック棒１２０、回転子１３０及び弾性部材１４０は、筒状部材１１０の内部に収容される。回転子１３０は、筒状部材１１０の内部において、ノック棒１２０の下方に位置する。弾性部材１４０は、回転子１３０をノック棒１２０の方に付勢する。また、回転子１３０は、図３及び図４に示した矢印Ａの方向に回転する。底部１５０は、筒状部材１１０の下部に固定される。また、底部１５０は、弾性部材１４０を支持する。ここで、ノック機構１００は、後述するように、弾性部材１４０が圧縮しているときにノック棒１２０に対する弾性部材１４０の付勢力を低減させる、ロック機能を有する。
【００１７】
ノック棒１２０は、略円筒形状（円柱形状）に形成されている。ノック棒１２０の側面には突起状の案内部材１２２が設けられている。案内部材１２２が筒状部材１１０の内部に形成されたガイド溝１１１に案内されるとき、ノック棒１２０の周方向の回転が抑制される。また、案内部材１２２がガイド溝１１１に案内されることで、ノック棒１２０は、筒状部材１１０の内部を上下に摺動可能に構成されている。ユーザの踵に体重が掛かると、踏板８がノック棒１２０の上面１２０ａに接する。これにより、ノック棒１２０は、踵によって押圧され、下方に移動する。また、後述するように、ノック棒１２０は、弾性部材１４０による付勢力によって、踏板８を介して踵を押圧する。
【００１８】
図５は、実施の形態１にかかる筒状部材１１０を示す斜視図である。筒状部材１１０の内面には、回転子１３０を回転させるための複数の固定カム１１２と、複数の固定カム１１２の間に設けられた複数のカム溝１１４とが形成されている。ここで、実施の形態１においては、カム溝１１４は、ガイド溝１１１と一体となっている。つまり、案内部材１２２は、カム溝１１４を摺動する。
【００１９】
また、図４に示すように、固定カム１１２の下面１１２ａは、回転子１３０の回転方向（矢印Ａで示す方向）に対して上方に傾斜するように形成されている。なお、実施の形態１において、固定カム１１２の下面１１２ａの断面は、略直線形状で規定される。言い換えると、実施の形態１にかかる固定カム１１２の下面１１２ａの断面は、筒状部材１１０の側面を展開した平面において直線となるように形成されている。
【００２０】
回転子１３０は、後述するように、ノック棒１２０の動作に伴って矢印Ａで示す方向に回転する。回転子１３０は、略円柱形状に形成されている。回転子１３０は、その周囲に、羽根形状の複数の回転カム１３２を有する。回転カム１３２は、回転子１３０の側面に設けられている。望ましくは、回転カム１３２は、固定カム１１２と同じ数設けられている。図３に示した例では、回転カム１３２及び固定カム１１２は、それぞれ６個設けられている。
【００２１】
回転カム１３２のそれぞれの先端１３２ａは、固定カム１１２のそれぞれの下面１１２ａに突き当たり、下面１１２ａを摺動可能である。また、回転カム１３２は、カム溝１１４を摺動可能である。つまり、回転カム１３２は、カム溝１１４を摺動することもあるし、固定カム１１２の下面１１２ａに突き当たって下面１１２ａを摺動することもある。詳しくは後述する。なお、図４は、回転カム１３２が固定カム１１２の下面１１２ａに突き当たっている状態を示している。また、回転カム１３２がカム溝１１４に沿って摺動しているとき、回転子１３０の回転は抑制されているが、回転子１３０は、全く回転しないわけではない。つまり、回転子１３０は、回転を抑制されつつ回転し得る。
【００２２】
ノック棒１２０の下端１２０ｂの外縁は凹凸形状に形成されている。そして、この凹凸形状により、ノック棒１２０の下端１２０ｂには、回転カム１３２の先端１３２ａを押圧する押圧部１２４と、固定カム１１２の下面１１２ａにおける回転カム１３２の摺動を抑制する抑制部１２６とが、交互に設けられている。押圧部１２４は、回転子１３０の回転方向（矢印Ａで示す方向）に対して上方に傾斜するように形成されている。一方、抑制部１２６は、回転子１３０の回転方向（矢印Ａで示す方向）に対して下方に傾斜するように形成されている。また、押圧部１２４は、カム溝１１４に対向する位置にあり、抑制部１２６は、固定カム１１２に対向する位置にある。
【００２３】
押圧部１２４は、回転カム１３２がカム溝１１４を摺動するときに、回転カム１３２の先端１３２ａに突き当たる。これにより、押圧部１２４は、回転カム１３２を弾性部材１４０による付勢力に抗して下方に押圧する。一方、抑制部１２６は、回転カム１３２が固定カム１１２の下面１１２ａに突き当たっているときに、回転カム１３２の先端１３２ａに突き当たる。これにより、固定カム１１２の下面１１２ａにおける回転カム１３２の摺動を抑制可能である。
【００２４】
図６は、実施の形態１にかかるノック機構１００の動作を説明するための図である。説明の明確化のため、図６においては、ノック棒１２０、固定カム１１２及び回転子１３０を、簡略化して描いている。また、図６において、ノック棒１２０及び回転子１３０を太い実線で示し、固定カム１１２を細い実線で示す。また、図６において、回転子１３０は、矢印Ａの方向に、右から左に回転するとする。
【００２５】
図６（ａ）に示すように、回転カム１３２が固定カム１１２Ａの右側（回転方向Ａと反対側）のカム溝１１４Ａにある状態で、矢印Ｂで示すように踵によってノック棒１２０の上面１２０ａが押圧されると、ノック棒１２０が下方に移動する。そして、ノック棒１２０の押圧部１２４Ａが、回転カム１３２Ａに突き当たり、矢印Ｃで示すように回転カム１３２Ａを下方に押圧する。これにより、弾性部材１４０が圧縮され、弾性部材１４０に、上向きの弾性力が蓄積される。
【００２６】
押圧部１２４Ａが回転カム１３２を押圧して、回転カム１３２の先端１３２ａが固定カム１１２Ａの下面１１２ａの下端１１２ｂに対応する位置まで達すると、カム溝１１４Ａ（固定カム１１２Ａ）による回転カム１３２Ａの回転方向に対する規制がなくなる。したがって、回転カム１３２の先端１３２ａが、押圧部１２４の傾斜に沿って摺動する。これにより、図６（ｂ）に示すように、回転子１３０が矢印Ｄで示すように回転する。
【００２７】
このとき、ノック棒１２０が踵に押圧されることによって、抑制部１２６Ａは、回転カム１３２Ａが固定カム１１２Ａの下面１１２ａに突き当たっているときに、回転カム１３２Ａの固定カム１１２Ａの下面１１２ａにおける摺動を抑制する。これにより、回転子１３０のこれ以上の回転が抑制される。なお、回転カム１３２Ａが固定カム１１２Ａの下面１１２ａに突き当たる（回転カム１３２Ａが固定カム１１２Ａに噛み合う）ので、弾性部材１４０によるノック棒１２０に対する付勢力は減少する。したがって、ノック棒１２０が踵を押圧する力は、図６（ｂ）に示す状態では減少する。このように、回転カム１３２が固定カム１１２Ａに突き当たり弾性部材１４０によるノック棒１２０に対する付勢力が減少した状態を、「ロック状態」という。
【００２８】
この状態で、ユーザの重心が踵から爪先側に移動して踵が上がると、矢印Ｅで示すように、ノック棒１２０が少し上昇する。これにより抑制部１２６Ａも上昇するので、回転カム１３２Ａの先端１３２ａは、固定カム１１２Ａの下面１１２ａの傾斜に沿って摺動する。したがって、回転子１３０は、矢印Ｄで示すように回転する。一方、この時点では、ノック棒１２０は少ししか上昇しないので、弾性部材１４０に蓄積された弾性力は解放されない。
【００２９】
そして、ノック棒１２０が一定距離上昇することに伴って回転カム１３２Ａの先端１３２ａが固定カム１１２Ａの下面１１２ａの上端１１２ｃに達すると、図６（ｃ）に示すように、回転カム１３２Ａが固定カム１１２Ａの下面１１２ａと突き当たらなくなる。このとき、回転カム１３２Ａは、固定カム１１２Ａと、固定カム１１２Ａの左側（回転方向Ａの側）の固定カム１１２Ｂとの間のカム溝１１４Ｂに入り込み、回転カム１３２Ａの先端１３２ａは、抑制部１２６Ａの左側の押圧部１２４Ｂに突き当たる。これにより、弾性部材１４０の圧縮が瞬間的に解放されるので、ノック棒１２０に対する弾性部材１４０による付勢力が、瞬間的に増加する。そして、踵の上昇に伴ってノック棒１２０が矢印Ｅで示すように上昇することに伴って、回転子１３０が矢印Ｆで示すように上昇し、弾性部材１４０が伸長する。
【００３０】
図７は、実施の形態１にかかる歩行支援機器１を用いてユーザが歩行を行った状態を示す図である。また、図８は、実施の形態１にかかる歩行支援機器１を用いてユーザが歩行を行ったときの歩行支援機器１の挙動を示す図である。
【００３１】
図７に示すように、荷重応答期（立脚初期）で、ユーザ９０の立脚９２の踵９４が接地する（実際には靴底部材２の踵部２ａが接地する）。このとき、図８（ａ）に示すように、ユーザの自重により、矢印Ｂで示すように、踵９４が踏板８を押圧してノック機構１００のノック棒１２０が押圧されるので、弾性部材１４０が圧縮する。これにより、弾性部材１４０に弾性力が蓄積される。なお、この時点ではノック機構１００はロック状態ではないので、踵９４には、弾性部材１４０の付勢力により、弾性力に対応する力Ｆａが加わる。
【００３２】
ここで、立脚中期（図７）では、ノック機構１００（弾性部材１４０）により踵９４に加わる力（弾性力）が大きいと、歩行が困難となり得る。そこで、本実施の形態では、立脚中期においては、ノック機構１００が図８（ｂ）で示すようにロック状態となる。このとき、ノック機構１００は、図６（ｂ）で示した状態となっている。このとき、踵９４に加わる力Ｆｂは、力Ｆａよりも小さくなる。
【００３３】
そして、立脚終期（図７）となり踵９４が持ち上がると、図８（ｃ）に示すように、ロックが解除された状態（ロック解除）となる。つまり、ノック機構１００は、図６（ｃ）で示した状態となる。したがって、弾性部材１４０の圧縮が解放されるので、弾性部材１４０に蓄積された弾性力が解放される。したがって、立脚終期において、踵９４に力Ｆｂよりも大きな力Ｆｃが加わる。この力Ｆｃが踵９４に加わることで、矢印Ｅ’で示すように踵９４の持ち上げがアシストされるので、歩行が改善され得る。
【００３４】
（実施の形態１にかかる実験結果）
次に、実施の形態１にかかる歩行支援機器１を用いた実験結果について説明する。
図９は、歩行をモデリングした実験条件で踵に対応する位置に加わる力を測定した結果を示すグラフである。実線は、実施の形態１にかかるノック機構１００を用いた測定結果を示す。また、一点鎖線は、比較例にかかるノック機構を用いた測定結果を示す。ここで、比較例にかかるノック機構は、固定カム１１２及び回転子１３０を有さず、ノック棒１２０と弾性部材１４０とが、直接、接続されて構成されている。
【００３５】
実験は、ノック機構を万力で圧縮することで行った。実際の歩行をモデリングするため、歩行時における踵への負荷に合わせて、ノック機構に加える負荷を増減した。このとき、立脚終期に達するタイミングで、負荷を除荷した。また、ノック機構のノック棒１２０の上面１２０ａにロードセルを取り付けてノック棒１２０に加わる力（つまり踵に加わる力）を測定した。また、サンプリング周期を１ｍｓとした。弾性部材１４０としてつるまきばねを用いた。弾性部材１４０のばね定数をｋ＝３．９Ｎ／ｍｍとし、弾性部材１４０の初期変位をｘ０＝１４．５ｍｍとし、弾性部材１４０の最大変位をｘｍａｘ＝２９．５ｍｍとし、ロック解除変位をｘｒｅ＝２１．５ｍｍとした。
【００３６】
比較例にかかる測定結果（一点鎖線）では、ばね（弾性部材１４０）の伸縮に応じてフックの法則に従って踵に加わる力が増減するのみである。これに対し、実施の形態１にかかる測定結果（実線）において、矢印Ｐａで示す位置では、歩行支援機器１は、図８（ａ）の状態となっている。矢印Ｐｂ１及びＰｂ２で示す位置では、歩行支援機器１は、図８（ｂ）の状態となっている。矢印Ｐｃで示す位置では、歩行支援機器１は、図８（ｃ）の状態となっている。
【００３７】
図９に示すように、実施の形態１にかかる測定結果（実線）では、位置Ｐｂ１に達すると、ノック機構１００がロック状態となる。このとき、踵に加わる力が、１／５程度に減少し、位置Ｐｂ２に達する。そして、位置Ｐｃに達すると、ロックが解除されるので、上述したように、ばねの圧縮が解放される。したがって、踵に加わる力が瞬間的に増大する。
【００３８】
図１０は、歩行をモデリングした実験条件で、踵に対応する位置に加わる力と、ばね変位との関係を示すグラフである。（ａ）は比較例の実験結果を示し、（ｂ）は実施の形態１の実験結果を示す。また、一点鎖線は実験値を示し、実線は実験値を、摩擦を考慮せずにモデル化したもの（理論値）を示す。なお、ばね変位は、レーザ変位計で万力の間隔を測定することにより測定された。
【００３９】
図１０（ａ）に示すように、比較例にかかる測定結果では、ばね（弾性部材１４０）の伸縮に応じてフックの法則に従って踵に加わる力が増減するのみである。一方、図１０（ｂ）に示すように、実施の形態１にかかる測定結果では、まず、矢印Ｐ１で示す段階（図９のＰａ及び図８（ａ）に対応）で、ばねが圧縮され、踵に加わる力が増大していく。
【００４０】
そして、矢印Ｐ２で示す段階（図９のＰｂ１及び図８（ｂ）に対応）で、ノック機構１００がロック状態となるので、踵に加わる力が急激に減少し、矢印Ｐ３で示す段階（図９のＰｂ２に対応）に達する。そして、踵が上がってばね変位が減少すると、ノック機構１００のロック状態が解除されるまで、踵に加わる力が減少する。そして、矢印Ｐ４で示す段階（図９のＰｃ及び図８（ｃ）に対応）に達すると、ノック機構１００のロック状態が解除されるので、踵に加わる力が急激に増大する。
【００４１】
次に、歩行時における足関節モーメントに対するノック機構１００によるアシスト（アシストモーメント）について検証した。
図１１は、足関節モーメント及びアシストモーメントを説明する図である。足関節モーメントＭは、矢印Ｍ１で示すように足関節９６周りのモーメントである。なお、底屈を正とする。一方、アシストモーメントＭａは、ヒンジ１０からノック機構１００までの距離ｒと踵に加わる力Ｆｈとの積で表される。つまり、Ｍａ＝Ｆｈ×ｒである。そして、歩行の際に、ノック機構１００により、足関節９６の周りにアシストモーメントＭａが加わるとする。なお、実験では、ｒ＝１３ｍｍとした。
【００４２】
図１２は、歩行時における足関節９６の周りのモーメントをモデル化したものを示す図である。図１２において、太い実線は、正常歩行時における足関節モーメントＭを示す。一点鎖線は、実施の形態１にかかる歩行支援機器１を用いたときのアシストモーメントＭａを示す。破線は、比較例にかかるノック機構が組み込まれた機器を用いたときのアシストモーメントＭａを示す。
【００４３】
図１２は、立脚９２の踵９４が接地してから、立脚９２の爪先９８が離地するまでの挙動を示している。正常歩行時において、足関節モーメントＭは、踵９４が接地してから一旦減少したあと、踵９４が離地し爪先９８が離地するまで、徐々に増加する。
【００４４】
比較例にかかるアシストモーメントＭａは、踵９４が接地してから踵９４が離地するまで略一定（約３０Ｎｍ）であり、その後、減少する。一方、実施の形態１にかかるアシストモーメントＭａは、踵９４が接地してから踵９４が離地してノック機構１００のロック状態が解除されるまで略一定（約７Ｎｍ）である。そして、実施の形態１にかかるアシストモーメントＭａは、立脚終期でノック機構１００のロック状態が解除されると、Ｇで示すように、瞬間的に増加（約２０Ｎｍまで増加）し、すぐに減少する。
【００４５】
歩行時に踵９４の持ち上げをアシストするためには、足関節モーメントＭの挙動にできるだけアシストモーメントＭａの挙動を合わせることが好ましい。比較例では、足関節モーメントＭが増加しているにも関わらずアシストモーメントＭａは減少しているので、比較例にかかる機器は、歩行を適切にアシストできていない。一方、実施の形態１にかかるアシストモーメントＭａは、足関節モーメントＭが増加しているときに、瞬間的ではあるが、増加している。したがって、実施の形態１にかかる歩行支援機器１は、比較例にかかる機器と比較して、適切なタイミングでユーザの歩行を支援している。
【００４６】
ここで、実施の形態１にかかる歩行支援機器１のノック機構１００によるアシストモーメントＭａは、Ｇで示すように、瞬間的である。したがって、実施の形態１にかかるノック機構１００によるアシストモーメントＭａは、不連続である。一方、正常歩行時の足関節モーメントＭは、連続的に増加する。したがって、アシストモーメントＭａが連続的に増加するような構成であれば、より適切なタイミングでユーザの歩行を支援することができると考えられる。以下に説明する実施の形態２では、このような問題を解決し得る。
【００４７】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。実施の形態２にかかる歩行支援機器１は、ノック機構の構造が異なる点で、実施の形態１にかかる歩行支援機器１と異なる。なお、それ以外の実施の形態２にかかる歩行支援機器１の構成は、実施の形態１にかかる歩行支援機器１と実質的に同様であるので、説明を省略する。
【００４８】
実施の形態２にかかる歩行支援機器１は、ノック機構１００の代わりに、ノック機構２００を有する。ノック機構２００の外観は、ノック機構１００の外観と実質的に同様であるので、図示を省略する。
【００４９】
図１３は、実施の形態２にかかるノック機構２００の分解図である。また、図１４は、実施の形態２にかかるノック機構２００の組立断面図である。ノック機構２００は、蓋２０２と、筒状部材２１０と、ノック棒２２０と、回転子２３０と、弾性部材２４０と、底部２５０とを有する。弾性部材２４０は、例えばバネである。
【００５０】
ノック棒２２０、回転子２３０及び弾性部材２４０は、筒状部材２１０の内部に収容される。回転子２３０は、筒状部材２１０の内部において、ノック棒２２０の下方に位置する。弾性部材２４０は、回転子２３０をノック棒２２０の方に付勢する。また、回転子２３０は、図１３及び図１４に示した矢印Ａの方向に回転する。底部２５０は、筒状部材２１０の下部において、弾性部材２４０を支持する。ここで、実施の形態１にかかるノック機構１００と同様に、ノック機構２００は、弾性部材２４０が圧縮しているときにノック棒２２０に対する弾性部材２４０の付勢力を低減させる、ロック機能を有する。
【００５１】
ノック棒２２０は、略円筒形状（円柱形状）に形成されている。ノック棒２２０の側面には突起状の案内部材２２２が設けられている。案内部材２２２が筒状部材２１０の内部に形成されたガイド溝２１１に案内されるとき、ノック棒２２０の周方向の回転が抑制される。また、案内部材２２２がガイド溝２１１に案内されることで、ノック棒２２０は、筒状部材２１０の内部を上下に摺動可能に構成されている。ユーザの踵に体重が掛かると、踏板８がノック棒２２０の上面２２０ａに接する。これにより、ノック棒２２０は、踵によって押圧され、下方に移動する。また、ノック棒２２０は、弾性部材２４０による付勢力によって、踏板８を介して踵を押圧する。
【００５２】
図１５は、実施の形態２にかかる筒状部材２１０を示す斜視図である。筒状部材２１０の内面には、回転子２３０を回転させるための複数の固定カム２１２と、複数の固定カム２１２の間に設けられた複数のカム溝２１４とが形成されている。ここで、実施の形態２においては、実施の形態１とは異なり、カム溝２１４は、ガイド溝２１１と異なっている。また、図１４に示すように、固定カム２１２の下面２１２ａは、回転子２３０の回転方向（矢印Ａで示す方向）に対して上方に傾斜するように形成されている。なお、実施の形態２において、固定カム２１２の下面２１２ａの断面は、下に凸の曲線で規定される。つまり、実施の形態２にかかる固定カム２１２の下面２１２ａは、下に凸の曲線で規定されるような曲面で形成されている。言い換えると、実施の形態２にかかる固定カム２１２の下面２１２ａの断面は、筒状部材２１０の側面を展開した平面において下に凸の曲線となるように形成されている。また、実施の形態２にかかる固定カム２１２の下面２１２ａは、実施の形態１にかかる固定カム１１２の下面１１２ａよりも傾斜の長さが長くなるように形成されている。
【００５３】
蓋２０２は、ノック棒２２０が筒状部材２１０の上側から脱出しないようにするためのものである。実施の形態２にかかるノック機構２００では、図１５に示すように、ガイド溝２１１は、カム溝２１４と異なっている。そして、ガイド溝２１１は、固定カム２１２に形成されており、上側のみが貫通（開放）されている。したがって、ノック機構２００を組み立てるとき、ノック棒２２０は筒状部材２１０の上から挿入される。したがって、蓋２０２が必要となる。なお、実施の形態１にかかるノック機構１００では、ガイド溝１１１とカム溝１１４とが共通しているので、カム溝１１４の上端を塞ぐ形状とし、ノック棒１２０を筒状部材１１０の下から挿入すれば、ノック棒１２０は上から脱出しない。したがって、実施の形態１にかかるノック機構１００では、蓋は不要である。
【００５４】
回転子２３０は、ノック棒２２０の動作に伴って矢印Ａの方向に回転する。回転子２３０は、略円柱形状に形成されている。回転子２３０は、その周囲に複数の回転カム２３２を有する。回転カム２３２は、回転子２３０の側面に設けられている。望ましくは、回転カム２３２は、固定カム２１２と同じ数設けられている。図１３に示した例では、回転カム２３２及び固定カム２１２は、それぞれ５個設けられている。
【００５５】
回転カム２３２のそれぞれの先端２３２ａは、固定カム２１２のそれぞれの下面２１２ａに突き当たり、下面２１２ａを摺動可能である。また、回転カム２３２は、カム溝２１４を摺動可能である。つまり、回転カム２３２は、カム溝２１４を摺動することもあるし、固定カム２１２の下面２１２ａに突き当たって下面２１２ａを摺動することもある。なお、図１４は、回転カム２３２が固定カム２１２の下面２１２ａに突き当たっている状態を示している。また、回転カム２３２がカム溝２１４に沿って摺動しているとき、回転子２３０の回転は抑制されているが、回転子２３０は、全く回転しないわけではない。つまり、回転子２３０は、回転を抑制されつつ回転し得る。
【００５６】
ノック棒２２０の下端２２０ｂの外縁は凹凸形状に形成されている。そして、この凹凸形状により、ノック棒２２０の下端２２０ｂには、回転カム２３２の先端２３２ａを押圧する押圧部２２４と、固定カム２１２の下面２１２ａにおける回転カム２３２の摺動を抑制する抑制部２２６とが、交互に設けられている。押圧部２２４は、回転子２３０の回転方向（矢印Ａで示す方向）に対して上方に傾斜するように形成されている。一方、抑制部２２６は、回転子２３０の回転方向（矢印Ａで示す方向）に対して下方に傾斜するように形成されている。また、押圧部２２４は、カム溝２１４に対向する位置にあり、抑制部２２６は、固定カム２１２に対向する位置にある。なお、実施の形態２にかかるノック機構２００においては、押圧部２２４の抑制部２２６の側の端部と、抑制部２２６の押圧部２２４の側の端部との間には高低差が設けられている。
【００５７】
押圧部２２４は、回転カム２３２がカム溝２１４を摺動するときに、回転カム２３２の先端２３２ａに突き当たる。これにより、押圧部２２４は、回転カム２３２を弾性部材２４０による付勢力に抗して下方に押圧する。一方、抑制部２２６は、回転カム２３２が固定カム２１２の下面２１２ａに突き当たっているときに、回転カム２３２の先端２３２ａに突き当たる。これにより、固定カム２１２の下面２１２ａにおける回転カム２３２の摺動を抑制可能である。
【００５８】
実施の形態２にかかるノック機構２００の動作については、実施の形態１にかかるノック機構１００の動作（図６）と略同様である。つまり、回転カム２３２がカム溝２１４にある状態で、踵によってノック棒２２０の上面２２０ａが押圧されると、ノック棒２２０が下方に移動する。そして、ノック棒２２０の押圧部２２４が、回転カム２３２を下方に押圧する。これにより、弾性部材２４０が圧縮され、弾性部材２４０に、上向きの弾性力が蓄積される（図６（ａ）に対応）。
【００５９】
押圧部２２４が回転カム２３２を押圧して、回転カム２３２の先端２３２ａが固定カム２１２の下面２１２ａの下端２１２ｂに対応する位置まで達すると、カム溝２１４（固定カム２１２）による回転カム２３２の回転方向に対する規制がなくなる。したがって、回転カム２３２の先端２３２ａが、押圧部２２４の傾斜に沿って摺動する。これにより、回転子２３０が回転する（図６（ｂ）に対応）。
【００６０】
このとき、ノック棒２２０が踵に押圧されることによって、抑制部２２６は、回転カム２３２が固定カム２１２の下面２１２ａに突き当たっているときに、回転カム２３２の固定カム２１２の下面２１２ａにおける摺動を抑制する。これにより、回転子２３０のこれ以上の回転が抑制される。なお、回転カム２３２が固定カム２１２の下面２１２ａに突き当たる（回転カム２３２が固定カム２１２に噛み合う）ので、弾性部材２４０によるノック棒２２０に対する付勢力は減少する。このように、弾性部材２４０によるノック棒２２０に対する付勢力が減少した状態を、「ロック状態」という。なお、押圧部２２４の抑制部２２６の側の端部と、抑制部２２６の押圧部２２４の側の端部との間には高低差が設けられている。これは、回転カム２３２の先端２３２ａが押圧部２２４から固定カム２１２の下面２１２ａに移動する間に、抑制部２２６が回転カム２３２の移動（回転）を妨げないようにするためである。
【００６１】
この状態で、ユーザの重心が爪先側に移動して踵が上がると、ノック棒２２０が上昇する。これにより抑制部２２６も上昇するので、回転カム２３２の先端２３２ａは、固定カム２１２の下面２１２ａの傾斜に沿って摺動する。したがって、回転子２３０は回転する。このとき、固定カム２１２の下面２１２ａの形状が下に凸の曲線で規定されるので、回転カム２３２は徐々に上昇し、ノック棒２２０も徐々に上昇していく。したがって、弾性部材２４０に蓄積された弾性力が徐々に解放され、ノック棒２２０が踵を押圧する力は、徐々に増大する。
【００６２】
ここで、実施の形態２にかかるノック機構２００では、回転カム２３２が固定カム２１２に突き当たっているとき、回転カム２３２の上昇を、固定カム２１２と抑制部２２６とで協働して抑制している。つまり、弾性部材２４０の弾性力に抗する力は、固定カム２１２と抑制部２２６とによって実現される。そして、ユーザの踵が上がると、ノック棒２２０が上昇し、抑制部２２６が上昇すると、回転カム２３２は、抑制部２２６に回転を抑制され、抑制部２２６及び固定カム２１２に上昇を抑制されつつ、抑制部２２６を押圧しながら固定カム２１２の下面２１２ａの傾斜に沿って上昇する。つまり、実施の形態２では、踵によってノック棒２２０が押圧される力が減少してノック棒２２０の抑制部２２６が上昇することに伴って、回転子２３０に対する弾性部材２４０の付勢により、回転カム２３２の先端が固定カム２１２の下面２１２ａに沿って摺動して、回転カム２３２が回転する。そして、回転カム２３２の動作に伴って、ノック棒２２０が踵を押圧する。
【００６３】
そして、ノック棒２２０が一定距離上昇することに伴って回転カム２３２の先端２３２ａが固定カム２１２の下面２１２ａの上端２１２ｃに達すると、回転カム２３２が固定カム２１２の下面２１２ａと突き当たらなくなる（図６（ｃ）に対応）。このとき、回転カム２３２は、突き当たっていた固定カム２１２とその固定カム２１２の左側の固定カム２１２との間のカム溝２１４に入り込む。そして、回転カム２３２の先端２３２ａは、突き当たっていた抑制部２２６の左側の押圧部２２４に突き当たる。これにより、ロック状態が解除される。なお、実施の形態２においては、踵が上がってノック棒２２０が上がると、回転カム２３２及びノック棒２２０が徐々に上昇し、弾性部材２４０に蓄積された弾性力が徐々に解放される。したがって、実施の形態２においては、実施の形態１とは異なり、ロック状態が解除されて回転カム２３２の先端２３２ａが押圧部２２４に突き当たったときに、瞬間的に弾性部材２４０の弾性力が解放されるわけではない。
【００６４】
図１６は、実施の形態２にかかる固定カム２１２を示す図である。回転子２３０が回転する方向を矢印Ａ（右から左）で示す。また、固定カム２１２の周方向の面を、筒状部材２１０の内面を展開した平面上の図形と仮定する。このとき、下面２１２ａに対応する曲線を、「カム曲線」と称する。また、カム曲線の接線の鉛直方向に対する角度を、カム角度αとする。そして、固定カム２１２の下端２１２ｂにおけるカム角度を、カム初期角度α０（０＜α０＜９０°）とする。なお、α０を大きくし過ぎると、固定カム２１２と回転カム２３２との摩擦によって回転子２３０が回転しなくなる。
【００６５】
そして、カム曲線は、カム角度αが下端２１２ｂから上端２１２ｃに至る区間において単調減少となるように、定義される。つまり、カム曲線は下に凸の曲線である。したがって、固定カム２１２の下面２１２ａは、下に凸の曲線で規定されるような曲面で形成されている。また、筒状部材２１０の周方向に沿った方向の固定カム２１２の長さを、「カム曲線の幅」とする。また、下端２１２ｂと上端２１２ｃとの高低差を、「カム曲線の高さ」とする。なお、カム曲線の具体的な定義式の例については後述する。
【００６６】
実施の形態１にかかるノック機構１００では、ロック状態が解除されたときに、ノック棒１２０に対する弾性部材１４０による付勢力が瞬間的に増加する。これに対し、実施の形態２にかかるノック機構２００では、上記のように固定カム２１２の下面２１２ａが下に凸の曲線で規定されるので、回転カム２３２が抑制部２２６に抑制されつつ固定カム２１２の下面２１２ａを摺動するのに伴って、弾性部材２４０に蓄積された弾性力が徐々に解放される。つまり、実施の形態２では、回転カム２３２が固定カム２１２の下面２１２ａに突き当たっている（ロック状態が解除されていない）状態であっても、弾性力が解放される。したがって、実施の形態２にかかるノック機構２００は、徐々に踵を押圧することができる。
【００６７】
また、好ましくは、実施の形態２にかかる固定カム２１２の幅（筒状部材２１０の周方向に沿った固定カム２１２の長さ）は、実施の形態１にかかる固定カム１１２の幅よりも長い。これにより、回転カム２３２の先端２３２ａが固定カム２１２の下面２１２ａを摺動する距離が長くなる。したがって、実施の形態２にかかるノック機構２００は、踵に加える力を、踵の上昇に伴って、徐々に大きくすることができる。なお、固定カム２１２の幅を長くするため、実施の形態２にかかる固定カム２１２（回転カム２３２）の数が、実施の形態１よりも少なくなっている。
【００６８】
（実施の形態２にかかる実験結果）
次に、実施の形態２にかかる歩行支援機器１を用いた実験結果について説明する。実験条件等は、実施の形態１にかかる実験と同じとした。
【００６９】
図１７は、歩行をモデリングした実験条件で、踵に対応する位置に加わる力と、ばね変位との関係を示すグラフである。図１７には、３回の実験結果が示されている。まず、Ｐ１で示す段階では、ばねが圧縮され、踵に加わる力が増大していく。
【００７０】
そして、Ｐ２で示す段階では、ノック機構２００がロック状態となる（回転カム２３２が固定カム２１２に突き当たる）ので、踵に加わる力が急激に減少し、Ｐ３で示す段階に達する。そして、踵が上がると、ノック棒２２０が上昇して抑制部２２６が上昇するので、回転カム２３２は、固定カム２１２の下面２１２ａを摺動する。このとき、回転カム２３２は、下面２１２ａの傾斜に沿って上昇する。
【００７１】
ここで、下面２１２ａの傾斜（勾配）は下に凸の曲線で規定されるので、回転カム２３２が上昇するにつれて、回転カム２３２と接する位置における固定カム２１２の回転方向に対する勾配は大きくなっていく。そのため、弾性部材２４０の上向きの弾性力に抗する力（固定カム２１２及び抑制部２２６による力）における固定カム２１２による力の割合は、回転カム２３２が上昇するにつれて、小さくなっていく。言い換えると、弾性部材２４０の弾性力に抗する力における抑制部２２６による力の割合は、回転カム２３２が上昇するにつれて、大きくなっていく。したがって、回転カム２３２の上昇に伴い、Ｐ３で示す段階からＰ４で示す段階までばね変位が減少するにつれて、踵に加わる力は、徐々に増大する。
【００７２】
図１８は、歩行をモデリングした実験条件で、踵に対応する位置に加わる力と、ばね変位との関係を示すグラフである。図１８において、（ａ）は実験値を示し、（ｂ）は実験値を、摩擦を考慮してモデル化したもの（理論値）を示す。また、図１８において、実線は、実施の形態２にかかる実験結果（固定カム２１２の下面２１２ａが下に凸の曲線で規定される）を示す。一点鎖線は、実施の形態１にかかる実験結果（固定カム１１２の下面１１２ａが直線で規定される）を示す。破線は、比較例にかかる実験結果（ロック機能なし）を示す。
【００７３】
図１８に示すように、実施の形態２にかかるノック機構２００を用いると、踵によってノック棒２２０が押圧されて回転子２３０がロック状態となってから、ノック棒２２０が上昇して弾性部材２４０の弾性力が解放されると、矢印Ｈ１で示すように、踵に加わる力が徐々に増大する。これに対し、実施の形態１にかかるノック機構１００を用いると、ノック機構１００のロック状態が解除されると、矢印Ｈ２で示すように、踵に加わる力が急激に増大する。
【００７４】
図１９は、歩行時における足関節９６（図１１）の周りのモーメントを示す図である。図１９において、二点鎖線は、正常歩行時における足関節モーメントＭの３０％を示す。実線は、実施の形態２にかかる歩行支援機器１を用いたときのアシストモーメントＭａをモデル化したものを示す。一点鎖線は、実施の形態１にかかる歩行支援機器１を用いたときのアシストモーメントＭａを示す。破線は、比較例にかかるノック機構が組み込まれた機器を用いたときのアシストモーメントＭａを示す。
【００７５】
上述したように、実施の形態１にかかるアシストモーメントＭａは、踵９４が接地してから踵９４が離地してノック機構１００のロック状態が解除されるまで略一定である。そして、実施の形態１にかかるアシストモーメントＭａは、ノック機構１００のロック状態が解除されると、瞬間的に増加し、すぐに減少する。これに対し、実施の形態２にかかるアシストモーメントＭａは、歩行周期約３８％から歩行周期約４６％にかけて、徐々に増加している。したがって、実施の形態２にかかるアシストモーメントＭａは、足関節モーメントＭが増加しているときに、徐々に（連続的に）増加している。よって、実施の形態２にかかるアシストモーメントＭａは、実施の形態１にかかるアシストモーメントＭａと比較して、足関節モーメントＭの挙動に合っているといえる。したがって、実施の形態２にかかる歩行支援機器１は、実施の形態１にかかる歩行支援機器１と比較して、適切なタイミングでユーザの歩行を支援しているといえる。
【００７６】
（実施の形態２にかかるカム曲線の定義）
次に、実施の形態２にかかるカム曲線の定義について説明する。
図２０は、実施の形態２にかかるカム曲線に関する寸法及び座標系を示す図である。カム曲線を、筒状部材２１０の周方向に沿った平面（筒状部材２１０の側面を展開した平面）上の曲線と仮定する。そして、筒状部材２１０の周方向に沿った平面を、直交座標系のｘｙ平面とする。
【００７７】
固定カム２１２の下面２１２ａの上端２１２ｃの位置を原点Ｏとする。原点Ｏから鉛直下向き方向を正として引かれた軸をｘ軸とする。原点Ｏから、回転子２３０の回転方向（矢印Ａで示す）とは反対方向を正として引かれた軸をｙ軸とする。また、カム曲線の幅（筒状部材２１０の周方向に沿った方向の固定カム２１２の長さ）をａとし、カム曲線の高さ（下端２１２ｂと上端２１２ｃとの高低差）をｂとする。また、カム溝２１４の幅をｅとする。
【００７８】
この条件において、カム曲線は、以下の式１で示す関数によって定義される（ｘ≧０）。
（式１）
【数２】
2019098062.tif 000004
【００７９】
ただし、ｘ＝ｂにおける接線の傾き（つまりｙ’（ｂ））がｔａｎα０であるので、以下の式２が成り立つ。
（式２）
【数３】
2019098062.tif 000005
【００８０】
ここで、カム曲線は下に凸の関数で規定されるので、式１で示す関数も、下に凸の関数である。したがって、以下の式３で示すように、式１で示す関数の二階微分は正である必要がある。
（式３）
【数４】
2019098062.tif 000006
したがって、ｍ＞１となる。すなわち、カム曲線の係数ｍは、ｍ＞１を満たすように決定される。
【００８１】
次に、カム初期角度α０の条件を示す。カム角度α（≦α０）が大きすぎると（９０°に近いと）、回転カム２３２が固定カム２１２に突き当たっているとき（ロック状態のとき）にノック棒２２０（抑制部２２６）が上昇しても、回転カム２３２と固定カム２１２との間の摩擦等によって、回転子２３０が回転しないおそれがある。そして、回転カム２３２が固定カム２１２に突き当たっているときにノック棒２２０（抑制部２２６）の上昇に伴って回転子２３０が回転するためには、回転カム２３２が固定カム２１２に突き当たっているときに踵に加わる力をＳとすると、Ｓ＞０である必要がある。そこで、Ｓを、摩擦を考慮した上で、弾性部材２４０の弾性力（ばね力）Ｆで表すことを考える。
【００８２】
図２１は、実施の形態２にかかるノック機構２００の、ロック状態における、回転カム２３２（固定カム２１２）１個当たりの力のつり合いを示す図である。ノック棒２２０の抑制部２２６の鉛直方向に対する傾斜の角度（ノック棒角度）をβ、筒状部材２１０の固定カム２１２における内径の半径（カム半径）をｒ１、弾性部材２４０の半径（ばね半径）をｒ２とする。また、回転子２３０（回転カム２３２）とノック棒２２０（抑制部２２６）との間の動摩擦係数をμ１とする。また、回転子２３０（回転カム２３２）と筒状部材２１０（固定カム２１２）との間の動摩擦係数をμ２とする。また、ノック棒２２０（案内部材２２２）と筒状部材２１０（固定カム２１２；ガイド溝２１１）との間の動摩擦係数をμ３とする。また、回転子２３０と弾性部材２４０（ばね）との間の動摩擦係数をμ４とする。
【００８３】
ノック棒２２０におけるｙ方向のモーメントのつり合いは、以下の式４で表される。
（式４）
【数５】
2019098062.tif 000007
ここで、Ｐ１はノック棒２２０（抑制部２２６）と回転子２３０（回転カム２３２）との間の垂直抗力を示し、Ｑ１はノック棒２２０（抑制部２２６）と回転子２３０（回転カム２３２）との間の摩擦力を示す。また、Ｐ３は、ノック棒２２０（案内部材２２２）と固定カム２１２との間の垂直抗力を示す。ここで、Ｑ１＝μ１Ｐ１である。
【００８４】
ノック棒２２０におけるｘ方向の力のつり合いは、以下の式５で表される。
（式５）
【数６】
2019098062.tif 000008
ここで、Ｔは、回転カム２３２（固定カム２１２）１個当たりの、踵に加わる力を示す。また、Ｑ３は、ノック棒２２０（案内部材２２２）と固定カム２１２との間の摩擦力を示す。ここで、Ｑ３＝μ３Ｐ３である。
【００８５】
回転子２３０におけるｙ方向のモーメントのつり合いは、以下の式６で表される。
（式６）
【数７】
2019098062.tif 000009
ここで、Ｐ２は固定カム２１２と回転カム２３２との間の垂直抗力を示し、Ｑ２は固定カム２１２と回転カム２３２との間の摩擦力を示す。また、Ｑ４は、回転子２３０と弾性部材２４０との間の摩擦力を示す。ここで、Ｑ２＝μ２Ｐ２である。また、ｎを回転カム２３２（固定カム２１２）の数とすると、Ｑ４＝μ４（Ｆ／ｎ）である。
【００８６】
回転子２３０におけるｘ方向の力のつり合いは、以下の式７で表される。
（式７）
【数８】
2019098062.tif 000010
【００８７】
ここで、Ｓ＝ｎＴであるから、上記式４〜式７から、以下の式８が成り立つ。つまり、カム角度α及びノック棒角度βが以下の式８を満たすようにする。
（式８）
【数９】
2019098062.tif 000011
【００８８】
次に、カム曲線の幅ａの数値範囲を示す。カム幅ａは、以下の式９で示すように、筒状部材２１０の内径ｄｉ、カム数ｎ、及び、カム溝２１４の幅ｅに依存する。
（式９）
【数１０】
2019098062.tif 000012
【００８９】
次に、カム曲線の高さｂの数値範囲を示す。カム高さｂは、アシスト高さｈ１及び筒状部材２１０の高さｈ２に依存する。ここで、アシスト高さｈ１は、ノック棒２２０の上面２２０ａの最も高い位置（案内部材２２２がガイド溝２１１の最高点にあるときの位置）と最も低い位置との高低差に対応する。回転カム２３２がカム曲線（固定カム２１２の下面２１２ａ）の全体を摺動するために、カム高さｂは、アシスト高さｈ１以下となる必要がある。また、回転カム２３２の高さは、カム高さｂよりも高い必要がある。また、弾性部材２４０が最も伸長したときにノック棒２２０が抜けないこと、及び、ばねが最も圧縮したときに回転カム２３２が固定カム２１２に突き当たる必要がある。
【００９０】
以上から、カム高さｂは、以下の式１０を満たす必要がある。
（式１０）
【数１１】
2019098062.tif 000013
【００９１】
次に、カム数ｎ及び係数ｍを決定する。カム数ｎ及び係数ｍを、アシストモーメントＭａが足関節モーメントＭにできるだけ追従するように決定する。実施の形態２にかかる例では、体重６０ｋｇのユーザの正常歩行における足関節モーメントＭの３０％の値にアシストモーメントＭａが追従するようにした。
【００９２】
式１の各パラメータ（ａ，ｂ，ｍ）の設計条件を以下に示す。
カム高さｂは、上述した式１０を満たす必要がある。ここで、高さｈ２は、靴底部材２の厚さを考慮すると、ｈ２＜６０ｍｍ程度の上限がある。したがって、実施の形態２にかかる例では、ｈ２＝５１ｍｍ、ｈ１＝１５ｍｍとした。そして、カム高さｂをｂ＝１５ｍｍとした。
【００９３】
カム幅ａは、上述した式９を満たす必要がある。ここで、内径ｄｉは、筒状部材２１０の外径ｄｏに依存する。強度を考慮して、ｄｉ＝ｄｏ−１０（ｍｍ）とした。また、ノック機構２００が靴底部材２の踵に対応する位置に搭載されることを考慮すると、ｄｏ＜４５（ｍｍ）ほどの上限がある。そこで、ｄｏ＝４１ｍｍ、ｄｉ＝３１ｍｍとした。また、ｅ＝３．５とした。なお、カム数ｎの数値範囲は、後述するように、アシストモーメントＭａの挙動から決定され得る。
【００９４】
また、カム初期角度α０は、上述した式８を満たす必要がある。ここで、弾性部材２４０の最大変位におけるカム角度αはカム初期角度α０である。弾性部材１４０のばね定数をｋ＝３．９Ｎ／ｍｍとし、弾性部材１４０の初期変位をｘ０＝１４．５ｍｍとし、弾性部材１４０の最大変位をｘｍａｘ＝２９．５ｍｍとする。これより、最大変位における弾性力はＦ＝１１５Ｎである。ここで、β＝７３°とする。また、筒状部材２１０、ノック棒２２０及び回転子２３０の素材をＡＢＳ樹脂とし、μ１＝０．１５０、μ２＝０．１５０、μ３＝０．１５０、μ４＝０．１８５とする。さらに、ｒ１＝１５ｍｍ、ｒ２＝９ｍｍとする。このとき、α０＝７３°とすると、踵に加わる力は、Ｓ＝６．４９Ｎ＞０となり、α０＝７３°は、式８を満たす。
【００９５】
以上の設計条件において、上述した式９より、カム数ｎを決定すれば、カム幅ａが求まる。また、上述した式２より、カム幅ａを決定すれば、係数ｍが求まる。そこで、カム数ｎとアシストモーメントＭａの関係について検討する。
【００９６】
図２２〜図２４は、実施の形態２にかかるカム曲線が式１で示される場合のアシストモーメントＭａを表すグラフである。図２２〜図２４において、細い実線は、正常歩行における足関節モーメントＭの３０％の値を示し、太い実線は、アシストモーメントＭａを示す。また、図２２は、カム数ｎ＝３である場合のアシストモーメントＭａを示す。図２３は、カム数ｎ＝５である場合のアシストモーメントＭａを示す。図２４は、カム数ｎ＝８である場合のアシストモーメントＭａを示す。
【００９７】
ここで、式２及び式９より、ｎ＝３のとき、ａ＝２９ｍｍであり、ｍ＝１．６０である。
また、ｎ＝５のとき、ａ＝１６ｍｍであり、ｍ＝３．０７である。また、ｎ＝８のとき、ａ＝８．７ｍｍであり、ｍ＝５．６６である。図２２〜図２４に示すように、ｎが小さいとｍが小さくなり、歩行周期４０％の近傍から、徐々に、アシストモーメントＭａが増加する。一方、ｎが大きいとｍが大きくなり、歩行周期４０％の近傍から、急激に、アシストモーメントＭａが増加する。したがって、ｎ及びｍの範囲は、３≦ｎ≦８、１．６９＜ｍ＜５．６６（つまり１＜ｍ＜６）とすることがよい。この範囲において、アシストモーメントＭａは、正常歩行の足関節モーメントＭに追従する。したがって、この条件にて設計された歩行支援機器１は、適切なタイミングで、ユーザの歩行を支援することが可能である。なお、設計では、ｎ＝５、ａ＝１６ｍｍ、ｍ＝３．０７とした。
【００９８】
（変形例）
なお、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。例えば、上述した歩行支援機器１には、ソール４及び踏板８が設けられているが、歩行支援機器１には、ソール４及び踏板８はなくてもよい。
【００９９】
また、上述した実施の形態２において、カム曲線（固定カム２１２の下面２１２ａ）は、式１で示す関数によって規定される曲面で形成されるとしたが、このような構成に限られない。カム曲線は、下に凸の任意の曲線で規定される曲面で形成され得る。
【符号の説明】
【０１００】
１  歩行支援機器
２  靴底部材
２ａ  踵部
８  踏板
１０  ヒンジ
２００  ノック機構
２１０  筒状部材
２１１  ガイド溝
２１２  固定カム
２１２ａ  下面
２１４  カム溝
２２０  ノック棒
２２２  案内部材
２２４  押圧部
２２６  抑制部
２３０  回転子
２３２  回転カム
２４０  弾性部材
【図１】
2019098062.tif 000015
【図２】
2019098062.tif 000016
【図３】
2019098062.tif 000017
【図４】
2019098062.tif 000018
【図５】
2019098062.tif 000019
【図６】
2019098062.tif 000020
【図７】
2019098062.tif 000021
【図８】
2019098062.tif 000022
【図９】
2019098062.tif 000023
【図１０】
2019098062.tif 000024
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2019098062.tif 000027
【図１４】
2019098062.tif 000028
【図１５】
2019098062.tif 000029
【図１６】
2019098062.tif 000030
【図１７】
2019098062.tif 000031
【図１８】
2019098062.tif 000032
【図１９】
2019098062.tif 000033
【図２０】
2019098062.tif 000034
【図２１】
2019098062.tif 000035
【図２２】
2019098062.tif 000036
【図２３】
2019098062.tif 000037
【図２４】
2019098062.tif 000038