(57)【要約】  下肢支援装具（１０）は、地面と対向する裏面側が曲面であって、表面側に使用者の両足のそれぞれを個別に載せる左右の足部（１１）と、両足のそれぞれの足部と接続され、使用者の両脚のそれぞれの近傍に沿って延びる左右の脚部（１３）と、使用者の腰の近傍に設けられ、左右の脚部をそれぞれ個別に回転可能に支持すると共に、左右の脚部をそれぞれ正転又は逆転させる左右のモータ（１５）を有する腰部（１４）と、一方の足部の裏面の曲面に沿って地面を捉えながら、一方の足部と接続された一方の脚部とは反対側の他方の脚部を蹴り出し時には正転させ、振り出し時には逆転させるように腰部（１４）のモータ（１５）の正転又は逆転を制御する制御部（１６）と、を備え、左右の足部（１１）の裏面（１２）の曲面に沿って地面を左右の足部（１１）の裏面で地面を交互に捉える受動歩行機構による歩行を実現する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地面と対向する裏面側が曲面であって、表面側に使用者の両足のそれぞれを個別に載せる左右の足部と、  前記両足のそれぞれの足部と接続され、使用者の両脚のそれぞれの近傍に沿って延びる左右の脚部と、  使用者の腰の近傍に設けられ、前記左右の脚部をそれぞれ個別に回転可能に支持すると共に、前記左右の脚部をそれぞれ正転又は逆転させる左右のモータを有する腰部と、  一方の前記足部の裏面の曲面に沿って地面を捉えながら、前記一方の足部と接続された一方の脚部とは反対側の他方の前記脚部を蹴り出し時には正転させ、振り出し時には逆転させるように前記腰部の前記左右のモータの正転又は逆転を制御する制御部と、を備え、  前記左右の足部の裏面の曲面に沿って地面を前記左右の足部の裏面で地面を交互に捉える受動歩行機構による歩行を実現する下肢支援装具。
【請求項２】
前記足部の裏面の前記曲面の曲率半径は、使用者の足首から前記足部の前記裏面までの距離以上であって、使用時の重心から前記足部の前記裏面までの距離以下である、請求項１に記載の下肢支援装具。
【請求項３】
前記制御部は、使用者の歩行イメージに応じて前記左右のモータの正転又は逆転を制御する、請求項１又は２に記載の下肢支援装具。
【請求項４】
前記脚部は、前記足部側の下部脚部と、前記腰部側の上部脚部と、前記下部脚部と前記上部脚部とを屈曲可能に接続する膝部と、を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の下肢支援装具。
【請求項５】
前記脚部の前記膝部は、前記下部脚部が前記膝部を中心として前方に向かう回転を抑止する逆転防止機構を備える、請求項４に記載の下肢支援装具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本開示は、受動的動歩行機構（受動機構）を応用した下肢支援装具に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、歩行補助を目的とした装置は数多く存在する。例えば、アクチュエータによって歩行動作を補助するもの（例えば、特許文献１乃至３参照。）や、膝や足首を補助する歩行補助装置（例えば、特許文献４参照。）がある。【０００３】  さらに、下肢麻痺等の歩行障害者に自力歩行手段を与えるように、体重を支持する左右の支柱の長さを交互に一方が他方より長くなるように伸縮させる歩行補助装置（例えば、特許文献５参照。）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３４４３０４号公報
【特許文献２】特開２００４−３４４３０５号公報
【特許文献３】特開２００４−３４４３０６号公報
【特許文献４】特開２０１１−１４２９５８号公報
【特許文献５】特開平４−３５２９６１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】中谷和弘、杉本靖博、大須賀公一、「四脚受動的動歩行の存在証明と歩容解析(Demonstration and Analysis of Quadrupedal Passive Dynamic Walking)」、日本ロボット学会(The Rototics Society of Japan)、アドバンストロボティクス(Advanced Robotics)、2009年、23巻(Volume23)、第5号(Issue 5)、p-483-501
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  しかし、上記各特許文献に記載の歩行補助装置によれば、歩行動作を積極的に補助するものであって、膝、腰等にアクチュエータを設けるため、重量が重くなり、大電力が必要となっていた。【０００７】  そこで、本開示の目的は、軽量化を図ると共に、省電力を実現できる歩行補助用の下肢支援装具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本開示に係る下肢支援装具は、地面と対向する裏面側が曲面であって、表面側に使用者の両足のそれぞれを個別に載せる左右の足部と、  前記両足のそれぞれの足部と接続され、使用者の両脚のそれぞれの近傍に沿って延びる左右の脚部と、  使用者の腰の近傍に設けられ、前記左右の脚部をそれぞれ個別に回転可能に支持すると共に、前記左右の脚部をそれぞれ正転又は逆転させる左右のモータを有する腰部と、  一方の前記足部の裏面の曲面に沿って地面を捉えながら、前記一方の足部と接続された一方の脚部とは反対側の他方の前記脚部を蹴り出し時には正転させ、振り出し時には逆転させるように前記腰部の前記モータの正転又は逆転を制御する制御部と、を備え、  前記左右の足部の裏面の曲面に沿って地面を前記左右の足部の裏面で地面を交互に捉える受動歩行機構による歩行を実現する。
【発明の効果】
【０００９】  本開示に係る下肢支援装具によれば、一方の足部の裏面の曲面に沿って地面を捉えながら、その一方の足部と接続された一方の脚部とは反対側の他方の脚部を蹴り出し時には正転、あるいは振り出し時には逆転させるように腰部のモータの正転及び逆転を制御する。これによって、使用者の負担を軽減しながら、左右の足部の裏面の曲面に沿って地面を左右の足部の裏面で地面を交互に捉える受動歩行機構による歩行を実現することができる。【００１０】  また、この下肢支援装具によれば、膝部にアクチュエータを設けないので、膝部、腰部のそれぞれにアクチュエータを設ける場合に比べて全体として軽量化でき、さらに、使用電力を抑制でき、バッテリの使用可能時間を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る下肢支援装具の概略を示す概略図である。
【図２】実施の形態１に係る下肢支援装具の構成を示すブロック図である。
【図３】実施の形態１に係る下肢支援装具の制御部の構成の一例を示すブロック図である。
【図４】図１の足部の裏面の曲面の曲率半径Ｒの様々な例を示す概略図である。
【図５】（ａ）は、実施の形態１に係る下肢支援装具を装着した使用者の歩行イメージであり、（ｂ）は、（ａ）の歩行イメージに対応する右足のモータ１５ａの正転及び逆転の状態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】  本開示の第１の態様に係る受動機構を応用した下肢支援装具は、地面と対向する裏面側が曲面であって、表面側に使用者の両足のそれぞれを個別に載せる左右の足部と、  前記両足のそれぞれの足部と接続され、使用者の両脚のそれぞれの近傍に沿って延びる左右の脚部と、  使用者の腰の近傍に設けられ、前記左右の脚部をそれぞれ個別に回転可能に支持すると共に、前記左右の脚部をそれぞれ正転又は逆転させる左右のモータを有する腰部と、  一方の前記足部の裏面の曲面に沿って地面を捉えながら、前記一方の足部と接続された一方の脚部とは反対側の他方の前記脚部を蹴り出し時には正転させ、振り出し時には逆転させるように前記腰部の前記モータの正転又は逆転を制御する制御部と、を備え、  前記左右の足部の裏面の曲面に沿って地面を前記左右の足部の裏面で地面を交互に捉える受動歩行機構による歩行を実現する。
【００１３】  第２の態様に係る受動機構を応用した下肢支援装具は、上記第１の態様において、前記足部の裏面の前記曲面の曲率半径は、使用者の足首から前記足部の前記裏面までの距離以上であって、使用時の重心から前記足部の前記裏面までの距離以下であってもよい。
【００１４】  第３の態様に係る受動機構を応用した下肢支援装具は、上記第１又は第２の態様において、前記制御部は、使用者の歩行イメージに応じて前記左右のモータの正転又は逆転を制御してもよい。
【００１５】  第４の態様に係る受動機構を応用した下肢支援装具は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記脚部は、前記足部側の下部脚部と、前記腰部側の上部脚部と、前記下部脚部と前記上部脚部とを屈曲可能に接続する膝部と、を有してもよい。
【００１６】  第５の態様に係る受動機構を応用した下肢支援装具は、上記第４の態様において、前記脚部の前記膝部は、前記下部脚部が前記膝部を中心として前方に向かう回転を抑止する逆転防止機構を備えてもよい。
【００１７】＜本開示に係る一形態を得るに至った経緯＞  本発明者は、下肢支援装具の軽量化を図るため、膝部及び腰部のそれぞれに設けるアクチュエータの一方を省略することを検討した。この場合、膝部と腰部のアクチュエータの機能を考慮すると、腰部のアクチュエータが必須と考えられる。しかし、腰部のアクチュエータのみとした場合、脚部の蹴り出しと振り出しはできても、膝部のアクチュエータを省略したために、膝から下のアクティブな制御ができず、それだけではスムーズに全身を前進又は後退させることは困難なことを見出した。
【００１８】  一方、モータを用いないで坂道を下っていく二足歩行のおもちゃが知られている。このような二足歩行のおもちゃやロボットの歩行機構を、アクチュエータを用いた能動歩行に対して受動歩行（Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｗａｌｋｉｎｇ：「受動的動歩行」ともいう。）と呼ぶ（例えば、非特許文献１参照。）。この受動歩行は、アクチュエータを用いず、坂道などでの位置エネルギーのみで動作するためエネルギー効率に優れている。さらに、歩容（歩様）が自然に見えると言われている。
【００１９】  しかし、この受動歩行のおもちゃやロボットなどは坂道を下ることはできても、位置エネルギーを利用できない平地を歩かせることはできなかった。また、受動歩行は、おもちゃやロボットに適用されているのみであって、ヒトの歩行補助に受動歩行を適用することは考慮されていなかった。さらに、アクチュエータを用いた場合においても、ヒトの歩行補助に用いるアシストスーツ等に受動歩行とアクチュエータを用いた歩行補助とを組み合わせることについて従来全く考慮されていなかった。
【００２０】  そこで、本発明者は、下肢支援装具に上記の受動歩行の機構を組み合わせられないか種々の検討を重ねて本発明に至ったものである。
【００２１】  以下、本開示の実施の形態に係る受動機構を応用した下肢支援装具について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。
【００２２】（実施の形態１）  図１は、実施の形態１に係る下肢支援装具１０の概略を示す概略図である。図２は、実施の形態１に係る下肢支援装具１０の構成を示すブロック図である。図３は、実施の形態１に係る下肢支援装具の制御部１６の構成の一例を示すブロック図である。
【００２３】  この受動機構を応用した下肢支援装具１０は、左右の足部１１ａ、１１ｂと、左右の脚部１３ａ、１３ｂと、腰部１４と、制御部１６と、を備える。左右の足部１１ａ、１１ｂは、地面と対向する裏面側が曲面であって、表面側に使用者の両足のそれぞれを個別に載せる。左右の脚部１３ａ、１３ｂは、両足のそれぞれの足部と接続され、使用者の両脚のそれぞれの近傍に沿って延びる。腰部１４は、使用者の腰の近傍に設けられ、左右の脚部１３ａ、１３ｂをそれぞれ個別に回転可能に支持すると共に、左右の脚部１３ａ、１３ｂをそれぞれ正転及び逆転させる左右のモータ１５ａ、１５ｂを有する。制御部１６は、一方の足部の裏面の曲面に沿って地面を捉えながら、その一方の足部と接続された一方の脚部とは反対側の他方の脚部を蹴り出し時には正転、あるいは振り出し時には逆転させるように腰部１４のモータ１５ａ、１５ｂの正転及び逆転を制御する。これによって、使用者の負担を軽減しながら、左右の足部１１ａ、１１ｂの裏面１２ａ、１２ｂの曲面に沿って地面を左右の足部１１ａ、１１ｂの裏面で地面を交互に捉える受動歩行機構による歩行を実現することができる。
【００２４】  なお、ここで受動歩行機構による歩行とは、腰部１４のモータ１５ａ、１５ｂの正転及び逆転の制御のみによって、脚部１３ａ、１３ｂの蹴り出し及び振り出しを制御して、自然な歩容で行う歩行をいう。この場合、左右の足部１１ａ、１１ｂの裏面１２ａ、１２ｂの曲面に沿って地面を左右の足部１１ａ、１１ｂの裏面で地面を交互に捉える。
【００２５】  また、この下肢支援装具１０によれば、膝部にアクチュエータを設けないので、膝部、腰部のそれぞれにアクチュエータを設ける場合に比べて全体として軽量化できる。さらに、膝部にアクチュエータを設けないので、使用電力を抑制でき、バッテリの使用可能時間を延ばすことができる。
【００２６】  以下に、この下肢支援装具１０を構成する構成部材について説明する。
【００２７】＜足部＞  左右の足部１１ａ、１１ｂのそれぞれの裏面には地面を捉える曲面１２ａ、１２ｂが設けられている。この裏面１２ａ、１２ｂの曲面に沿って地面を捉えることができるので、歩行イメージを自然なものとすることができる。図４は、図１の足部の裏面の曲面の曲率半径Ｒの様々な例を示す概略図である。この曲面１２ａ、１２ｂの曲率半径Ｒは、例えば、使用時の重心３０から足部１１（１１ａ、１１ｂ）の裏面１２までの距離Ｒ１以下であってもよい。さらに、曲率半径Ｒは、使用者の足首３２から足部１１（１１ａ、１１ｂ）の裏面１２までの距離Ｒ２以上であってもよい。また、曲率半径Ｒは、上記の他、例えば、膝部１８から足部１１（１１ａ、１１ｂ）の裏面１２（１２ａ、１２ｂ）までの距離Ｒ３、脚部１３（１３ａ、１３ｂ）と腰部１４との接続箇所から足部１１（１１ａ、１１ｂ）の裏面１２（１２ａ、１２ｂ）までの距離Ｒ４であってもよい。なお、図４に示すように、曲率半径Ｒの大きさに対応して、足部１１の裏面１２の厚さが変化する。  上記のように、裏面に設ける曲面の曲率半径を使用時の重心から裏面までの距離Ｒ１以下の長さを曲率半径Ｒとすることによって、エネルギー効率を向上させることができる。また、足部１１ａ、１１ｂの表面側には使用者の足を載せる。この場合、表面側は、適宜、足を載せるのに適した形状等にしてもよい。
【００２８】＜脚部＞  左右の脚部１３ａ、１３ｂは、両端を両足のそれぞれの足部１１ａ、１１ｂと腰部１４とにそれぞれ接続されている。また、脚部１３ａ、１３ｂは、使用者の両脚のそれぞれの近傍に沿って延びている。さらに、脚部１３ａ、１３ｂは、足部側の下部脚部１７ａ、１７ｂと、腰部側の上部脚部１９ａ、１９ｂと、下部脚部１７ａ、１７ｂと上部脚部１９ａ、１９ｂとを屈曲可能に接続する膝部１８ａ、１８ｂと、を有してもよい。また、膝部１８ａ、１８ｂは、下部脚部１７ａ、１７ｂが膝部１８を中心として前方に向かう回転を抑止する逆転防止機構（図示せず）を備えてもよい。これによって、この下肢支援装具１０が、使用者の膝では実現できない膝の逆転状態に陥らないようにすることができ、安全に使用できる。
【００２９】＜腰部＞  腰部１４は、使用者の腰の近傍に設けられ、左右の脚部１３ａ、１３ｂをそれぞれ個別に回転可能に支持する。また、腰部１４には、左右の脚部１３ａ、１３ｂをそれぞれ正転及び逆転させる左右のモータ１５ａ、１５ｂを有する。モータ１５ａ、１５ｂは、正転及び逆転が可能なモータであればよい。制御部１６は、一方の足部１１ａ（１１ｂ）の裏面１２ａ（１２ｂ）の曲面に沿って地面を捉えながら、その一方の足部１１ａ（１１ｂ）と接続された一方の脚部１３ａ（１３ｂ）とは反対側の他方の脚部１３ｂ（１３ａ）の蹴り出し時には正転、あるいは振り出し時には逆転させるように腰部１４のモータ１５ｂ（１５ａ）の正転及び逆転を制御する。
【００３０】  図５（ａ）は、実施の形態１に係る下肢支援装具１０を装着した使用者の歩行イメージである。また、図５（ｂ）は、（ａ）の歩行イメージに対応する右足のモータ１５ａの正転及び逆転の制御状態を示す概略図である。この歩行イメージは、使用者の通常の歩容、あるいは、使用者が求める歩容を表したイメージである。つまり、図５（ａ）の歩行イメージは、実施の形態１に係る下肢支援装具１０によって歩行補助を行って使用者の負担を軽減しながら求める歩容を得るための指標となる歩行イメージである。なお、図５（ａ）は平地の歩行イメージであるが、これに限られず、坂道を上下する場合の歩行イメージであってもよい。また、この下肢支援装具１０では、腰部１４に脚部１３ａ、１３ｂを正転又は逆転させるモータ１５ａ、１５ｂのみを備え、膝部１８にはアクチュエータを備えていない。そのため、膝から下については能動的な制御を行うことはできない。この場合、図５（ａ）の歩行イメージにおいて、膝部から下については膝部より前方に位置することはないと考えられるが、通常の歩行時におけると同様に、一連の歩行の流れに沿った慣性力によって膝部から下であっても膝部より前方又は後方に位置させることができる。これによって自然な歩行に近づけることができる。
【００３１】  以下に、図５（ａ）の歩行イメージについて説明する。歩行イメージＡでは、左足側が軸足となって蹴り出しを行い、遊足である右足側の足部１１ａのかかとを接地し、軸足が右足側となる。歩行イメージＢでは、軸足である右足側の足部１１ａの足裏を接地する。この場合、かかとから足裏にかけて接地している。また、遊足となった左足側の脚部１３ｂが前方に向かって振り出される。歩行イメージＣでは、軸足である右足側の脚部を後方に蹴り出していく。歩行イメージＤでは、右足側の足部１１ａのつま先が離床し、右足側が遊足となる。この直前に左足側の足部１１ｂのかかとを接地し、軸足が左足側となる。歩行イメージＥでは、遊足となった右足側の脚部１３ａが前方に向かって振り出される。歩行イメージＦ（歩行イメージＡと同じ）では、遊足である右足側の足部１１ａのかかとを接地する。
【００３２】  右足側の脚部１３ａについて着目すると、図５（ａ）に示すように、歩行イメージＡからＤにかけては、右足側の脚部１３ａが時計回りに正転し、地面を後方に蹴り出すように制御部１６によってモータ１５ａを正転に制御する。一方、歩行イメージＤからＦにかけては、右足側の脚部１３ａが反時計回りに逆転し、脚部１３ａを前方に振り出すように制御部１６によってモータ１５ａを逆転に制御する。使用者は、モータ１５ａの正転及び逆転に沿って右足を楽に動かすことができ、負担を軽減できる。上記の通り、図５（ａ）の歩行イメージに応じてモータ１５ａの正転及び逆転の制御を行えばよい。あるいは、一定のタイミングでモータ１５ａの正転及び逆転を切り替えてもよい。
【００３３】  このように、腰部１４のモータ１５ａ、１５ｂを正転及び逆転に順次制御することによって、左右の足部１１ａ、１１ｂの裏面１２ａ、１２ｂの曲面に沿って地面を左右の足部１１ａ、１１ｂの裏面で地面を交互に捉える受動歩行機構による歩行を実現することができる。左右の足部１１ａ、１１ｂの裏面１２ａ、１２ｂの曲面に沿って地面を捉えれば、歩行が円滑に行える。  また、上記の左右の足部１１ａ、１１ｂの裏面１２ａ、１２ｂで接地する際に、裏面１２ａ、１２ｂの曲面に沿って地面を連続的に捉えるようにすれば、歩行をさらに円滑に行うことができ、受動歩行の効果をより得やすくなる。  なお、左右の足部１１ａ、１１ｂの裏面１２ａ、１２ｂの曲面において、土踏まずに相当する部分のみを接地することにより、間欠接地を行うことも可能である。この場合、歩行の円滑性は劣るものの、上記説明と同様の受動歩行の効果を得ることができる。  あるいは、裏面１２ａ、１２ｂにおいて、一つの曲面ではなく、複数の曲面を設け、各曲面の凸部からなる仮想的な曲面で接地するようにしてもよい。この場合、各曲面の凸部での間欠的な接地を順に行うようにすることで、歩行を円滑に行うことができ、受動歩行の効果も得ることができる。また、各曲面の凸部で点接触によって接地するので地面からの影響を受けにくくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】  本開示に係る受動機構を応用した下肢支援装具によれば、膝部にアクチュエータを設けないので、軽量化が可能であり、省電力を実現できる歩行補助用の下肢支援装具の用途として有用である。
【符号の説明】
【００３５】１０  下肢支援装具１１、１１ａ、１１ｂ  足部１２、１２ａ、１２ｂ  裏面（曲面）１３、１３ａ、１３ｂ  脚部１４  腰部１５、１５ａ、１５ｂ  モータ１６  制御部１７、１７ａ、１７ｂ  下部脚部１８、１８ａ、１８ｂ  膝部１９、１９ａ、１９ｂ  上部脚部２０  サドル２１  ＣＰＵ２２  メモリ２３  記憶装置２４  入出力装置３０  重心３２  足首
【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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【国際調査報告】
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