(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装着者の下腿に装着される下腿装具と、
前記装着者の足に装着され、前記下腿装具に底屈及び背屈方向に揺動可能に連結される足装具と、
前記下腿装具に対して前記足装具を揺動するアクチュエータと、を備えた歩行支援装置であって、
前記下腿装具の足関節部に設けられ、前記足装具を揺動可能に軸支する支持軸と、
前記装着者の足底前部の下方に配置され、立脚終期における前記装着者の体重移動の際に前記足底前部に踏まれることで、圧縮空気を生成するとともに圧送するポンプ手段と、を備え、
前記アクチュエータは、
前記足装具に一体的に固定されるケース体と、
前記ケース体内に設けられ、前記ポンプ手段に対して気密に連通され、前記ポンプ手段から圧縮空気が供給されて膨張するとともに前記ポンプ手段に圧縮空気が排出されて収縮することで容積が可変な容積可変手段と、
前記支持軸に取り付けられるとともに前記容積可変手段の一側に配置され、前記容積可変手段の膨張時の圧力を受けて、前記下腿装具に対して前記足装具を底屈方向に揺動する板状の受圧部材と、
前記容積可変手段を前記受圧部材を介して収縮させるように付勢する付勢部材と、を備え、
前記装着者の爪先が離地する際に、前記付勢部材の反力により前記容積可変手段から前記ポンプ手段に圧縮空気が排出されることで、前記下腿装具に対して前記足装具を背屈方向に揺動することを特徴とする歩行支援装置。
【請求項２】
前記受圧部材は、前記支持軸に一体的に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の歩行支援装置。
【請求項３】
前記受圧部材は、前記支持軸に所定の範囲で揺動可能に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の歩行支援装置。
【請求項４】
前記容積可変手段は、膨縮可能な袋体と、当該袋体を前記受圧部材との間で保持し、前記受圧部材に対する位置が可変である袋体保持部を備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の歩行支援装置。
【請求項５】
前記容積可変手段は、チューブ体により前記ポンプ手段と気密に連通することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の歩行支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、装着者の体重を利用して、装着者の歩行動作を支援する歩行支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高齢者の事故要因の上位に歩行時の転倒があげられ、高齢者は一度転倒すると骨折しやすく寝たきりになるケースさえある。これは、高齢者が足関節背屈群筋の筋力低下のため歩行が摺足状となり、わずかな段差でもつまづきやすいためであると考えられる。また、高齢者のみならず、疾病やケガ等により下肢に障害を持つため、歩行が困難になる場合もある。自立した日常生活において歩行は不可欠であり、歩行を支援する装置の開発が進められている。
【０００３】
これまで幾つかの歩行支援装置が開発されており、歩行支援装置としてはバネ等の受動要素を用いたものと、アクチュエータを用いて能動的に歩行動作を支援するものに別けられる。前者における従来技術としては、踵に設置したバネの反力を利用して踵を持ち上げ易くするもの（特許文献１参照）や、足が上がる際のふくらはぎの筋肉の隆起を利用して爪先を持ち上げるように機構的な工夫をしたもの（特許文献２参照）、内圧の変化で剛性が調整できる空気圧受動要素を用いたもの（非特許文献１参照）などが報告されている。
【０００４】
一方、後者における従来技術としては、磁場で粘性が変化するＭＲ流体を用いて足関節のモーメントを調整するもの（非特許文献２参照）、空気圧シリンダを用いて下肢全体の動作を支援するもの（非特許文献３）などがある。
【０００５】
また、非特許文献４に記載された技術は、本願発明者が従来実施していたもので、装着者の体重を利用するという観点では本願発明と原理は同じであるが、アクチュエータや駆動方法の観点で全く異なるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２６２７０６号公報
【特許文献２】特開２００７−１９５９００号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】小澤他：空気圧受動要素を利用した短下肢装具の開発、ロボティックスメカトロニクス講演会２００７講演論文集、１Ａ２−Ｋ０２、２００７
【非特許文献２】赤澤他：メカトロニクスを導入した短下肢装具の研究開発、平成１５年度兵庫県福祉のまちづくり工学研究所報告書
【非特許文献３】Ｔｋａｓｙｏｓｈｉ  Ｆｕｊｉｔａ  ｅｔ  ａｌ．  ，Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｎｅｕｍａｔｉｃａｌｌｙ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｗａｌｋｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ，Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ｔｈｅ  ６ｔｈ  ＪＦＰＳ  Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．Ｏｎ  Ｆｌｕｉｄ  Ｐｏｗｅｒ，ｐｐ．７３４−７３９，２００５
【非特許文献４】Ｍａｓａｈｉｒｏ  Ｔａｋａｉｗａ  ｅｔ  ａｌ．  ”Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ  Ｔｙｐｅ  Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ  Ｗａｌｋｉｎｇ  Ｓｕｐｐｏｒｔ  Ｓｈｏｅｓ”,Ｊ．ｏｆ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍｅｃｈａｔｏｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．３，ｐｐ．３５３−３５８，２００９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のような従来技術の中で、ばねの復元力を利用するものはエネルギーの観点からは優位であるが、その機構上大きな支援効果を達成するのは容易でない。一方、アクチュエータを用いて能動的に支援する装置は高い支援効果が得られる反面、装置が大掛かりとなるなどの問題が生じる。さらに、アクチュエータを用いて能動的に支援する装置は、機構的に複雑で高価なものであったり、アクチュエータ等を駆動する際に電気エネルギーを必要としたりするものであった。
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電気エネルギーを一切使用せず、簡便で安価な歩行支援装置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】
【０００９】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１０】
即ち、請求項１においては、
装着者の下腿に装着される下腿装具と、
前記装着者の足に装着され、前記下腿装具に底屈及び背屈方向に揺動可能に連結される足装具と、
前記下腿装具に対して前記足装具を揺動するアクチュエータと、を備えた歩行支援装置であって、
前記下腿装具の足関節部に設けられ、前記足装具を揺動可能に軸支する支持軸と、
前記装着者の足底前部の下方に配置され、立脚終期における前記装着者の体重移動の際に前記足底前部に踏まれることで、圧縮空気を生成するとともに圧送するポンプ手段と、を備え、
前記アクチュエータは、
前記足装具に一体的に固定されるケース体と、
前記ケース体内に設けられ、前記ポンプ手段に対して気密に連通され、前記ポンプ手段から圧縮空気が供給されて膨張するとともに前記ポンプ手段に圧縮空気が排出されて収縮することで容積が可変な容積可変手段と、
前記支持軸に取り付けられるとともに前記容積可変手段の一側に配置され、前記容積可変手段の膨張時の圧力を受けて、前記下腿装具に対して前記足装具を底屈方向に揺動する板状の受圧部材と、
前記容積可変手段を前記受圧部材を介して収縮させるように付勢する付勢部材と、を備え、
前記装着者の爪先が離地する際に、前記付勢部材の反力により前記容積可変手段から前記ポンプ手段に圧縮空気が排出されることで、前記下腿装具に対して前記足装具を背屈方向に揺動するものである。
【００１１】
請求項２においては、
前記受圧部材は、前記支持軸に一体的に取り付けられるものである。
【００１２】
請求項３においては、
前記受圧部材は、前記支持軸に所定の範囲で揺動可能に取り付けられるものである。
【００１３】
請求項４においては、
前記容積可変手段は、膨縮可能な袋体と、当該袋体を前記受圧部材との間で保持し、前記受圧部材に対する位置が可変である袋体保持部を備えるものである。
【００１４】
請求項５においては、
前記容積可変手段は、チューブ体により前記ポンプ手段と気密に連通するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電気エネルギーを一切使用しないため、簡便で安価な装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る歩行支援装置の構成を模式的に示す側面図。
【図２】第１実施形態に係るアクチュエータの構成を示す正面図。
【図３】歩行支援装置の実施例を示す図。
【図４】歩行支援装置による歩行支援動作を示す説明図であり、（ａ）は足接地状態を示す図、（ｂ）は立脚終期を示す図、（ｃ）は遊脚初期を示す図。
【図５】歩行時の足関節角度を示す図。
【図６】歩行支援装置の発生モーメントを示す図。
【図７】歩行支援装置単体の動作を示す図。
【図８】歩行支援装置装着時の動作を示す図。
【図９】本発明の第２実施形態に係る歩行支援装置の構成を模式的に示す側面図。
【図１０】第２実施形態に係るアクチュエータの構成を示す正面図。
【図１１】支持軸に取り付けられた受動部材（装着者の前傾姿勢時）を示す一部断面側面図。
【図１２】支持軸に取り付けられた受動部材（バルーン膨張時）を示す一部断面側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、発明の実施の形態を説明する。
先ず、本発明の第１の実施形態に係る歩行支援装置２０について図１、図２を用いて説明する。
【００１８】
歩行支援装置２０は、図１に示すように、短下肢装具１と、ポンプ手段２と、アクチュエータ３と、を備える。
なお、図１においては、歩行支援装置２０を靴に搭載する状態を考慮して、靴の踵部１５も模式的に記載している。
【００１９】
短下肢装具１は、側面視略Ｌ字状の短下肢用の装具である。短下肢装具１は、短下肢装具１の上部装具であり、装着者の下腿（ひざから足首までの部分）に装着される下腿装具４と、短下肢装具１の下部装具であり、装着者の足に装着され、下腿装具４の足関節部４ａ（図２参照）にて底屈及び背屈方向に揺動可能に連結される足装具５から構成される。
なお、図１においては、上向き矢印方向（時計回り方向）が底屈方向を示し、下向き矢印方向（反時計回り方向）が背屈方向を示す。
【００２０】
下腿装具４は、歩行時に装着者の下腿を保持する装具であり、足装具５上に立設して配置され、下腿背面を覆う装具である。下腿装具４は、装着者の下腿背面に当接した状態で、下腿装具４の上端部に配設される着脱可能な装着ベルト６により装着者の下腿前面を止めることで、装着者の下腿を一体的に保持するものである。下腿装具４は、例えば、プラスチック等の合成樹脂や弾性素材を用いて形成可能である。また、下腿装具４は、当該下腿装具４の下端部に位置するとともに装着者の足関節に対応する足関節部４ａ（図２参照）を有し、当該足関節部４ａには支持軸７が一体的に設けられている。
【００２１】
支持軸７は、下腿装具４の足関節部４ａに設けられ、足装具５を揺動可能に軸支する軸部材である。支持軸７は、その表面に雄ネジ部７ａを形成している。支持軸７は、足関節部４ａ外側面から所定長外側に突出して配置され、下腿装具４の足関節部４ａに一体的に固定されている。また、支持軸７は、アクチュエータ３の揺動軸になる。
【００２２】
足装具５は、歩行時に装着者の足底後部を保持する装具であり、下腿装具４の足関節部４ａに揺動可能に連結され、装着者の足底後部を載置する装具である。ここで、装着者の足の部位名称について説明すると、「足底部」とは、装着者が立地したときに地面に対向する足裏部分をいい、より具体的には、装着者が靴やスリッパ等の履物を履いたときには、当該履物の底に対応する足裏部分をいう。また、上記「足底後部」とは、足底部のうち踵及び土踏まずの部分をいい、後述する「足底前部」とは、足底部のうち踵及び土踏まずの部分を除いた爪先部分をいうものである。足装具５は、装着者の足底後部を載置した状態で、足装具５の側壁部に配設される着脱可能な装着ベルト８により装着者の甲部を止めることで、装着者の足を一体的に保持するものである。足装具５は、例えば、プラスチック等の合成樹脂や弾性素材を用いて形成可能である。また、足装具５は、当該足装具５の上端部に位置するとともに装着者の足関節に対応する足関節部５ａを有し、当該足関節部５ａには挿通連結部材９（図２参照）が一体的に設けられている。
【００２３】
挿通連結部材９は、足装具５の足関節部５ａに設けられ、支持軸７を挿通するとともに後述するケース体１０と連結するための部材である。挿通連結部材９は、段付き円柱状の部材であり、足装具５の幅方向に支持軸７を挿通するとともに、支持軸７のすべり軸受けとなる挿通孔９ａ、ケース体１０を当接支持するための円柱状突出部９ｂ、及びネジ締結によりケース体１０を一体的に固定するための３つの取付突出部９ｃを有する。
【００２４】
ポンプ手段２は、装着者の足底前部の下方に配置され、立脚終期における前記装着者の体重移動の際に前記足底前部に踏まれることで、圧縮空気を生成するとともに圧送するものである。ポンプ手段２としては、例えば、プラスチック製で蛇腹状の足踏み式のフットポンプ等を用いることが可能である。また、図３に示す歩行支援装置２０の実施例では、ポンプ手段２として、平面視長方形状で空気を封入可能な食品包装用部材（スパウト付パウチ）を利用したものである。この食品包装用部材をポンプ手段２として用いた場合には、足踏み式のフットポンプに比べて、薄型形状であるため足底前部の下方に配置し易く、コンパクトなフットポンプとなり得る。また、ポンプ手段２は、生成した圧縮空気を外部に圧送するとともに後述する容積可変手段１３から圧送されてくる圧縮空気を内部に導入するためのポート２ａ（図３参照）を備える。また、図３に示すように、ポート２ａには、屈曲自在なチューブ体であるエアチューブ１４を介してアクチュエータ３内に配設されるバルーン１３ａに接続されている。エアチューブ１４は、ポンプ手段２とバルーン１３ａとの間において、空気を気密に連通可能な連通手段となる。
【００２５】
アクチュエータ３は、下腿装具４に対して足装具５を揺動するためのものであり、足装具５の足関節部５ａに取り付けられるベーン型アクチュエータである。アクチュエータ３は、ケース体１０、ケース体１０の中心部に挿通連結部材９を介して挿通される支持軸７、受圧部材であるベーン１１、付勢部材であるねじりコイルばね１２、及び容積可変手段１３、を備える。
【００２６】
ケース体１０は、有底円筒状のケース部材であり、足装具５に一体的に固定されるものである。ケース体１０は、その中央部に支持軸７を挿入して、当該支持軸７を突出して配置するための挿入孔１０ａが開口されている。ケース体１０は、３つの取付突出部９ｃを介して足装具５に一体的に固定されている。また、ケース体１０には、図示しない蓋部材によりケース体１０の開口部を閉じることが可能である。
【００２７】
容積可変手段１３は、ケース体１０内に設けられ、前記ポンプ手段２に対して気密に連通され、前記ポンプ手段２から圧縮空気が供給されて膨張するとともに前記ポンプ手段２に圧縮空気が排出されて収縮することで、容積が可変な手段である。本実施形態における容積可変手段１３は、前記支持軸７に対して略対称に配置される二つの膨縮可能な袋体（本実施形態においては、袋状弾性体）であるバルーン１３ａ・１３ａと、当該バルーン１３ａ・１３ａを後述する受圧部材であるベーン１１との間で保持し、当該ベーン１１に対する位置が可変である袋体保持部１３ｂ・１３ｂとを備える。袋体保持部１３ｂ・１３ｂは、各バルーン１３ａ・１３ａの一端を保持するためにケース体１０内に一体的に設けられた二つの平板状の壁部材である。袋体保持部１３ｂ・１３ｂは、ケース体１０内において後述する受圧部材であるベーン１１と対向する位置に配置され、各バルーン１３ａ・１３ａは各袋体保持部１３ｂ・１３ｂとベーン１１における各袋体保持部１３ｂ・１３ｂとの各対向面との間に配置される。各袋体保持部１３ｂ・１３ｂは、各バルーン１３ａ・１３ａの膨張時に発生する底屈方向（図１においては、上向き矢印で示す時計回り方向）の押圧に対して受圧可能に配置される。すなわち、各袋体保持部１３ｂ・１３ｂは、各バルーン１３ａ・１３ａの底屈方向の押圧に抗する位置に配置されている。また、袋体保持部１３ｂ・１３ｂは、図１に示すように、装着者が直立している状態の場合（バルーン１３ａ・１３ａ収縮時）、ベーン１１と所定間隔を維持するように保持される。袋体保持部１３ｂ・１３ｂは、袋体保持部１３ｂ・１３ｂとベーン１１との間隔を、当該間隔の調整機構（図示せず）により、袋体保持部１３ｂ・１３ｂを移動させて、ベーン１１に対して近接したり、もしくは離間したりしてその間隔を調整することができる。各バルーン１３ａ・１３ａの一端には、前述したエアチューブ１４が連結されており、各バルーン１３ａ・１３ａとポンプ手段２とを気密に連通している。こうして、前述したポンプ手段２と、各バルーン１３ａ・１３ａとは、エアチューブ１４で連通されるとともに、所定量のエアが予め封入され、気密に保持される。
【００２８】
ベーン１１は、支持軸７に一体的に取り付けられるとともに容積可変手段１３が有する各バルーン１３ａ・１３ａの一側に配置され、容積可変手段１３の膨張時の圧力を受けて、下腿装具４に対して足装具５を底屈方向に揺動するための板状の受圧部材である。ベーン１１の長さ方向中央に形成される略円柱状の基部にはベーン１１の短手方向を貫通するとともにその内部に雌ネジ部を形成したネジ孔１１ａが設けられている。
【００２９】
ねじりコイルばね１２は、容積可変手段１３が有するバルーン１３ａ・１３ａを受圧部材であるベーン１１を介して収縮させるように付勢する付勢部材である。ねじりコイルばね１２は、その中央の環状部に支持軸７を挿入した状態でケース体１０の内部奥側に配置される。ねじりコイルばね１２は、一方のねじりコイルばね１２端部をバルーン１３ａが当接する面の反対側の面となるベーン１１の一側に当接するともに、他方のねじりコイルばね１２端部をケース体１０内に一体的に突出して設けられたコイル係止部１０ｂに係止されている。
【００３０】
こうして、図２に示すように、足装具５が有する挿通連結部材９の挿通孔９ａに、下腿装具４が有する支持軸７が挿入される。そして、足装具５の足関節部５ａには、３つの取付突出部９ｃを介してケース体１０が取り付けられる。また、ねじりコイルばね１２は、その中央の環状部に支持軸７を挿入した状態でケース体１０の内部奥側の所定の位置に配置される。ベーン１１は、その基部に有する雌ネジ部を支持軸７に形成された雄ネジ部７ａに螺合して取り付けられ、ナットにより支持軸７の中途部に一体的に固定される。下腿装具４の足関節部４ａ外側と足装具５の足関節部５ａ内側とは、互いに摺動自在に配置される。ケース体１０が一体的に固定された足装具５は、ベーン１１と下腿装具４との間に連結された支持軸７上に軸支されるとともに、下腿装具４に対して揺動可能に配置される。そして、ケース体１０内の袋体保持部１３ｂ・１３ｂとベーン１１との間にバルーン１３ａ・１３ａが介装される。こうして、アクチュエータ３は、足装具５の足関節部５ａの外側に配置される。
【００３１】
以上のように、歩行支援装置２０には、短下肢装具１の足装具５の足関節部５ａにベーン型のアクチュエータ３が取り付けられている。下腿装具４（上部装具）側には、支持軸７を介してベーン１１が固定され、足装具５（下部装具）側には、ケース体１０が固定されている。アクチュエータ３には、付勢手段としてねじりコイルばね１２が内蔵されており、足が尖足（爪先が下に向く動作）する回転（揺動）方向に対してねじりコイルばね１２によるばね反力を生じる。また、ベーン１１をばね反力に抗して駆動するためにケース体１０の袋体保持部１３ｂ・１３ｂとベーン１１との間ににバルーン１３ａ・１３ａを挿入している。バルーン１３ａ・１３ａ内の圧力は足底部の前方部に設置したポンプ手段２を踏むことで生成される。具体的な歩行支援装置２０を用いた歩行支援動作を以下に述べる。
【００３２】
次に、以上のように構成された歩行支援装置２０による歩行支援動作について図４を用いて具体的に説明する。
【００３３】
図４に歩行支援動作を示す。図４（ａ）で足が接地した後、図４（ｂ）に示すように重心が前方に移動し、踵が離地する立脚終期となる。この時、足底前部の下方に配置しているポンプ手段２（フットポンプ）を装着者の体重により踏むことで、ポンプ手段２内の空気が圧縮されて、この圧縮空気がポンプ手段２と連通された２個のバルーン１３ａ・１３ａへ移動する。そして、ねじりコイルばね１２によるばね反力に抗してベーン１１を駆動することで歩行支援装置２０は装着者の足と同様に尖足状態となる。続いて、図４（ｃ）に示すように、爪先が離地することで、バルーン１３ａ・１３ａ内の空気はねじりコイルばね１２の復元力を利用してポンプ手段２内へ戻るとともに、足装具５の足関節部５ａに背屈モーメントを生じる。すなわち、アクチュエータ３は、装着者の爪先が離地する際に、ねじりコイルばね１２の反力により容積可変手段１３のバルーン１３ａ・１３ａからポンプ手段２に圧縮空気が排出することで、下腿装具４に対して足装具５を背屈方向に揺動することができる。歩行支援装置２０ではポンプ手段２（フットポンプ）が足底部の前方部に設置されているため踵が離地する立脚終期でしっかりと体重によりポンプ手段２（フットポンプ）を圧縮できるとともに、躓きやすい階段の昇降時にも動作可能である。また、歩行支援装置２０においては、ポンプ手段２、バルーン１３ａ・１３ａ、及びエアチューブ１４によって空気圧回路が構成されており、当該空気圧回路は完全密封しているので雨天や水たまり等での歩行支援装置２０の使用にも耐えられる。また、袋体保持部１３ｂ・１３ｂは、ベーン１１に対する位置を変更することが可能であるため、例えば、体重の軽い人の場合は、ベーン１１と袋体保持部１３ｂ・１３ｂとの間隔を、標準間隔（図１に示す袋体保持部１３ｂ・１３ｂとベーン１１との間隔）よりも近接させたり、体重の重い人の場合は、標準間隔よりも離間させたりすることで、ベーン１１と袋体保持部１３ｂ・１３ｂとが、各バルーン１３ａ・１３ａにより受ける受圧量を調整することができる。すなわち、ベーン１１と袋体保持部１３ｂ・１３ｂとが、各バルーン１３ａ・１３ａから受ける受圧量を可変とすることで、下腿装具４に対する足装具５の揺動量の調節が可能となり、装着者の体重の軽重への対応が可能となる。
【００３４】
次に、歩行動作時における支援効果について実験により検証した結果を示す。
【００３５】
（歩行支援装置による歩行支援目標について）
図５に歩行時の足関節角度の変化を示す。足関節角度は直立した状態を基準（０［ｄｅｇ．］）とし、背屈（爪先を上に持ち上げる動作）方向を正とする。踵が地面から離れ（図中ＨＯ：Ｈｅｅｌ  Ｏｆｆ）てから急速に尖足し、爪先が離地（図中ＴＯ：Ｔｏｅ  Ｏｆｆ）した後約２０［ｄｅｇ．］背屈している。また、本願発明者が行った先行研究で足を尖足した状態から２０［ｄｅｇ．］背屈させるのに必要な足関節モーメントは約２［Ｎｍ］である。これより、背屈モーメント２［Ｎｍ］、背屈角度２０［ｄｅｇ．］を支援率１００％時の目標値とする。
【００３６】
次に、図３に示す歩行支援装置２０を用いて歩行時の支援効果を調べた実験結果を示す。
【００３７】
図６に、直立状態（０［ｄｅｇ．］）から尖足状態（約２４［ｄｅｇ．］）までの、足関節角度とばね反力による背屈モーメントの関係を示す。最大尖足角度で０．９［Ｎｍ］のモーメントが得られ、上述した支援目標の約５０％となる。図７は装着していない状態の歩行支援装置２０に対してフットポンプを踏む動作を繰り返した結果である。図７の上側の波形はポンプ内圧力、図７の下側の波形は足関節角度を示す。繰り返しポンプを踏む動作に応じて約２０［ｄｅｇ．］の尖足と初期状態（０［ｄｅｇ．］）までの復帰を連続して実行できることが確認できた。
【００３８】
図８は歩行支援装置２０を装着し、足を上げて脱力した状態で、図７で示した実験と同様の実験を行った結果である。図８の上側の波形はポンプ内圧力、図８の下側の波形は足関節角度を示す。なお、フットポンプは他の被験者が踏んでいる。装置側から見ると足が負荷となり尖足角度は−１５［ｄｅｇ．］程度と図７に比べて小さいが、フットポンプから足を離した遊脚期に相当する状態では約−５［ｄｅｇ．］まで戻っていることから、装置自体が足を約１０［ｄｅｇ．］背屈させていることがわかる。これは要求される背屈角度の約半分であるが、図６からも本装置は約５０％の支援率を有するため、ほぼ妥当な結果である。結果として、歩行支援装置２０による十分な支援効果が確認できた。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施形態に係る歩行支援装置４０について図９から図１２を用いて説明する。
なお、第２の実施形態に係る歩行支援装置４０については、前述した歩行支援装置２０と同様の部材及び同様の機能を有する部分については、その説明を省略し、歩行支援装置２０と異なる部分について、その説明を行うものとする。
【００４０】
歩行支援装置４０は、図９に示すように、短下肢装具１と、ポンプ手段２と、アクチュエータ３と、を備える。
【００４１】
短下肢装具１は、側面視略Ｌ字状の短下肢用の装具である。短下肢装具１は、短下肢装具１の上部装具であり、装着者の下腿（ひざから足首までの部分）に装着される下腿装具２４と、短下肢装具１の下部装具であり、装着者の足に装着され、下腿装具２４の足関節部２４ａ（図１０参照）にて底屈及び背屈方向に揺動可能に連結される足装具５から構成される。
なお、図９においては、上向き矢印方向（時計回り方向）が底屈方向を示し、下向き矢印方向（反時計回り方向）が背屈方向を示す。
【００４２】
下腿装具２４は、歩行時に装着者の下腿を保持する装具であり、足装具５上に立設して配置され、下腿前面を覆う装具である。下腿装具２４は、装着者の下腿前面に当接した状態で、下腿装具２４の上端部に配設される着脱可能な装着ベルト２６により装着者の下腿背面を止めることで、装着者の下腿を一体的に保持するものである。下腿装具２４は、例えば、プラスチック等の合成樹脂や弾性素材を用いて形成可能である。また、下腿装具２４は、当該下腿装具２４の下端部に位置するとともに装着者の足関節に対応する足関節部２４ａを有し、当該足関節部２４ａには支持軸２７が一体的に設けられている。
【００４３】
支持軸２７は、下腿装具２４の足関節部２４ａに設けられ、足装具５を揺動可能に軸支する軸部材である。支持軸２７は、その表面に摺動部２７ａを形成しており、後述する受圧部材であるベーン３１の摺動孔３１ａに挿入可能である。摺動部２７ａ外周面には、その半周に亘って、所定幅の案内溝２７ｂが形成されている。当該案内溝２７ｂは、後述するベーン３１の基部に取り付けられた位置決めネジ２８をベーン３１の揺動方向に沿って案内するものである。支持軸２７は、足関節部２４ａ外側面から所定長外側に突出して配置され、下腿装具２４の足関節部２４ａに一体的に固定されている。また、支持軸２７は、アクチュエータ３の揺動軸になる。
【００４４】
アクチュエータ３は、下腿装具２４に対して足装具５を揺動するためのものであり、足装具５の足関節部５ａに取り付けられるベーン型アクチュエータである。アクチュエータ３は、ケース体１０、ケース体１０の中心部に挿通連結部材９を介して挿通される支持軸２７、受圧部材であるベーン３１、付勢部材であるねじりコイルばね１２、及び容積可変手段１３、を備える。
【００４５】
ケース体１０は、有底円筒状のケース部材であり、足装具５に一体的に固定されるものである。ケース体１０は、その中央部に支持軸２７を挿入して、当該支持軸２７を突出して配置するための挿入孔１０ａが開口されている。ケース体１０は、３つの取付突出部９ｃを介して足装具５に一体的に固定されている。また、ケース体１０には、図示しない蓋部材によりケース体１０の開口部を閉じることが可能である。
【００４６】
ベーン３１は、支持軸２７に所定の範囲で揺動可能に取り付けられるとともに容積可変手段１３が有する各バルーン１３ａ・１３ａの一側に配置され、容積可変手段１３の膨張時の圧力を受けて、下腿装具２４に対して足装具５を底屈方向に揺動するための板状の受圧部材である。ベーン３１の長さ方向中央に形成される略円柱状の基部にはベーン３１の短手方向を貫通するとともにその内部に支持軸２７を挿入するための摺動孔３１ａが設けられている。また、ベーン３１の基部には、前記案内溝２７ｂと対応する位置にベーン３１の軸方向に垂直にネジ孔が形成され、当該ネジ孔に六角穴付き位置決めネジ２８を螺合可能となっている。当該ネジ孔に位置決めネジ２８を螺合することで、位置決めネジ２８先端は摺動孔３１ａ内に所定長突出するとともに（図１１参照）、摺動孔３１ａに挿入される支持軸２７の案内溝２７ｂにより案内され、案内溝２７ｂの一端により係止可能になる。
【００４７】
こうして、図１０に示すように、足装具５が有する挿通連結部材９の挿通孔９ａに、下腿装具２４が有する支持軸２７が挿入される。そして、足装具５の足関節部５ａには、３つの取付突出部９ｃを介してケース体１０が取り付けられる。また、ねじりコイルばね１２は、その中央の環状部に支持軸２７を挿入した状態でケース体１０の内部奥側の所定の位置に配置される。ベーン３１は、その基部に有する摺動孔３１ａ内に支持軸２７を挿入して取り付けられ、ナットにより支持軸２７の中途部に取り付けられる。また、位置決めネジ２８は、支持軸２７の基部に設けられたネジ孔へ螺合され、位置決めネジ２８の先端が案内溝２７ｂ内に突出して設けられる。下腿装具２４の足関節部２４ａ外側と足装具５の足関節部５ａ内側とは、互いに摺動自在に配置される。ケース体１０が一体的に固定された足装具５は、ベーン３１と下腿装具２４との間に連結された支持軸２７上に軸支されるとともに、下腿装具２４に対して揺動可能に配置される。そして、ケース体１０内の袋体保持部１３ｂ・１３ｂとベーン３１との間にバルーン１３ａ・１３ａが介装される。こうして、アクチュエータ３は、足装具５の足関節部５ａの外側に配置される。
【００４８】
次に、以上のように構成された歩行支援装置４０による歩行支援動作について図４、図１１及び図１２を用いて具体的に説明する。
【００４９】
図４に歩行支援動作を示す。図４（ａ）で足が接地した後、図４（ｂ）に示すように重心が前方に移動し、踵が離地する立脚終期となる。この時、足底前部の下方に配置しているポンプ手段２（フットポンプ）を装着者の体重により踏むことで、ポンプ手段２内の空気が圧縮されて、この圧縮空気がポンプ手段２と連通された２個のバルーン１３ａ・１３ａへ移動する。そして、ねじりコイルばね１２によるばね反力に抗してベーン３１を駆動することで歩行支援装置４０は装着者の足と同様に尖足状態となる。続いて、図４（ｃ）に示すように、爪先が離地することで、バルーン１３ａ・１３ａ内の空気はねじりコイルばね１２の復元力を利用してポンプ手段２内へ戻るとともに、足装具５の足関節部５ａに背屈モーメントを生じる。すなわち、アクチュエータ３は、装着者の爪先が離地する際に、ねじりコイルばね１２の反力により容積可変手段１３のバルーン１３ａ・１３ａからポンプ手段２に圧縮空気が排出することで、下腿装具４に対して足装具５を背屈方向に揺動することができる。歩行支援装置４０ではポンプ手段２（フットポンプ）が足底部の前方部に設置されているため踵が離地する立脚終期でしっかりと体重によりポンプ手段２（フットポンプ）を圧縮できるとともに、躓きやすい階段の昇降時にも動作可能である。また、歩行支援装置４０においては、ポンプ手段２、バルーン１３ａ・１３ａ、及びエアチューブ１４によって空気圧回路が構成されており、当該空気圧回路は完全密封しているので雨天や水たまり等での歩行支援装置４０の使用にも耐えられる。また、袋体保持部１３ｂ・１３ｂは、ベーン３１に対する位置を変更することが可能であるため、例えば、体重の軽い人の場合は、ベーン３１と袋体保持部１３ｂ・１３ｂとの間隔を、標準間隔（図１に示す袋体保持部１３ｂ・１３ｂとベーン３１との間隔）よりも近接させたり、体重の重い人の場合は、標準間隔よりも離間させたりすることで、ベーン３１と袋体保持部１３ｂ・１３ｂとが、各バルーン１３ａ・１３ａにより受ける受圧量を調整することができる。すなわち、ベーン３１と袋体保持部１３ｂ・１３ｂとが、各バルーン１３ａ・１３ａから受ける受圧量を可変とすることで、下腿装具２４に対する足装具５の揺動量の調節が可能となり、装着者の体重の軽重への対応が可能となる。
【００５０】
さらに、歩行支援装置４０では、図１１に示すように、装着者が前傾姿勢を取った際に、すなわち、装着者の下腿に一体的に装着された下腿装具２４が傾斜する際に、下腿装具２４に一体的に固定されている支持軸２７がベーン３１に対して摺動しても、案内溝２７ｂに対応する所定範囲において位置決めネジ２８が係止されることがなく、装着者が自然な前傾姿勢を取ることが可能である。一方、図１２に示すように、バルーン１３ａ・１３ａの膨張時には、ベーン３１は支持軸２７に設けられた案内溝２７ｂの一端を位置決めネジ２８により係止されるため、ベーン３１にばねの反力が蓄積させることができる。
【００５１】
本実施形態に係る歩行支援装置２０、４０は、靴やスリッパ等に組み込むことで、屋内・屋外を問わず装着者の歩行支援を行うことができる。
【００５２】
以上の如く、本実施形態に係る歩行支援装置２０、４０は、足が地面に接地時に装着者の体重（位置エネルギー）を利用して足底前部に設置したポンプ手段２であるフットポンプを踏むことで、圧縮空気を生成し、爪先離地時にベーンタイプのアクチュエータ３を駆動することで爪先を上に向けるモーメント（背屈モーメント）を足装具５の足関節部５ａに生成することで歩行を支援する機構である。
【００５３】
本発明では、背屈群筋力の低下により遊脚期に尖足状態となり易い高齢者や下肢に障害を持つ人がつまづくことなく歩けることを目指し、足関節の背屈動作を能動的に支援する歩行支援装置を開発したものである。本装置は、装着者の体重（位置エネルギー）を利用して生成した圧縮空気のエネルギーを足関節まわりの仕事に変換するもので、電気エネルギーを一切用いない特徴を有する。そのため、本発明によれば、小型・軽量化を達成でき、少ない製作コストで、簡便で安価な歩行支援装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１    短下肢装具
２    ポンプ手段
３    アクチュエータ
４    下腿装具
４ａ  足関節部
５    足装具
７    支持軸
１０  ケース体
１１、３１  ベーン（受圧部材）
１２  ねじりコイルばね（付勢部材）
１３  容積可変手段
１３ａ  バルーン
１３ｂ  袋体保持部
２０、４０  歩行支援装置
【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】
0005725553.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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