(57)【要約】【課題】使用者の足底が地面に接地しているかどうかを判断し、歩行周期の位相に応じ自動的に足関節を底背屈させる足関節電動装具を提供する。【解決手段】使用者の下肢に装着する下肢装着部と、前記使用者の足関節角度を計測する関節角度計測部と、前記下肢装着部の足底に設けられた圧センサと、前記下肢装着部の足関節部に設けられたアクチュエータと、前記アクチュエータを作動させる制御部とからなる足関節電動装具であって、前記制御部は、前記関節角度計測部により使用者の足関節角度の計測と、前記圧センサにより足底が地面に接地しているかどうかの計測を実施して前記使用者の歩行周期の位相を判断し、位相に応じて前記アクチュエータにより前記下肢装着部の足関節を底背屈させることで、使用者の足関節を底背屈させる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の下肢に装着する下肢装着部と、前記使用者の足関節角度を計測する関節角度計測部と、前記下肢装着部の足底に設けられた圧センサと、前記下肢装着部の足関節部に設けられたアクチュエータと、前記アクチュエータを作動させる制御部とからなる足関節電動装具であって、
前記制御部は、前記関節角度計測部により使用者の足関節角度の計測と、前記圧センサにより足底が地面に接地しているかどうかの計測を実施して前記使用者の歩行周期の位相を判断し、位相に応じて前記アクチュエータにより前記下肢装着部の足関節を底背屈させることで、使用者の足関節を底背屈させることを特徴とする足関節電動装具。
【請求項２】
前記アクチュエータは回転機構であり、前記回転機構により前記下肢装着部の足関節を正転・逆転させることで、使用者の足関節を底背屈させることを特徴とする請求項１記載の足関節電動装具。
【請求項３】
前記アクチュエータはスライダー機構であり、前記スライダー機構により前記下肢装着部の足関節を底背屈させることで、使用者の足関節を底背屈させることを特徴とする請求項１記載の足関節電動装具。
【請求項４】
前記アクチュエータはワイヤ駆動機構であり、前記ワイヤ駆動機構により前記下肢装着部の足関節を底背屈させることで、使用者の足関節を底背屈させることを特徴とする請求項１記載の足関節電動装具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運動神経麻痺等により通常の歩行ができない歩行障害者および健常高齢者に対し、歩行周期の位相を判断して、歩行周期の位相に応じ足関節を自動的に底背屈させることで、足先のつまずきを防止する足関節電動装具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
第１の従来例である特許文献１では、使用者の大腿部および下腿部に装着し、膝関節角度の調節機構を設けることで棒足歩行を改善することを目的とした次のような膝関節角度調節機構付き長下肢装具が記載されている。
以下、簡単に図を用いて説明する。図７は、従来の長下肢装具の構成を示す図である。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。図８は、従来の長下肢装具を用いたときの歩行補助を概念的に示す図である。歩行周期は立脚相（踵接地〜つま先離床前）、遊脚相（つま先離床〜踵接地直前）から構成される。１０１は大腿支持部材、１０２は膝関節部材、１０３は下腿支持部材、１０４は足支持部材、１０５は屈曲角度検知センサ、１０６ａは離床検知センサ、１０６ｂは着地検知センサ、１０７は足関節角度検知センサ、１０８は屈曲角度固定・解除機構、１０９は制御部、１１０は大腿包接部材、１１１、１１４は締付部材、１１２は下腿抱接部材である。
この長下肢装具は、膝関節障害者の大腿・下腿の少なくとも外側部から足の少なくとも外側部にかけて添装される歩行補助用の膝関節角度調節機構を備えている。また、大腿支持部材１０１と、１８０度よりも小さい角度の範囲で屈曲角度変更可能な膝関節部材１０２と、下腿支持部材１０３と、足支持部材１０４とが連結され、
（１）膝関節部の屈曲角度を検知する角度検知処理、
（２）足底爪先側に設けた着地検知センサ１０６ｂおよび／または足首関節の屈曲角度によって足底部が床から離れたことを検知する離床検知処理、
（３）前記角度検知処理からの信号によって膝関節部材１０２の屈曲角度を固定し、また前記離床検知処理からの信号によって該膝関節部材１０２の屈曲角度固定を解除する、屈曲角度固定・解除機構１０８、
（４）上記処理（１）〜（３）による検知と作動を集中制御する制御機構を備えている。
【０００３】
以上の構成において、制御部１０９に使用者の歩行補助に最も適した膝関節屈曲角度を予め設定しておき、制御部１０９が、膝角度検知センサ１０５で膝関節角度を検知して屈曲角度固定・解除機構１０８を作動させる。具体的には、制御部１０９が以下の処理を実施する。
・立脚相の踵離床・遊脚相には、膝関節部材１０２の屈曲角度固定・解除機構１０８を解除し下腿を前方に振り出す。
・立脚相の踵接地には、膝関節部材の屈曲角度固定・解除機構１０８を固定し体重を支持する。
上記のような膝関節角度調節機構付き長下肢装具において、制御部が歩行周期に応じ膝関節部材の固定・解除を実施し、使用者の肉体的負担を可及的に軽減しつつ自然な歩行を実現できるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】実登３００２３２０号公報
【０００５】
第２の従来例である特許文献２では、運動神経麻痺等により通常の歩行が出来ない歩行障害者に対し、膝関節部分を回動自在として左右ぶれのない健常者に近い歩行を実施させることを目的とした次のような歩行補助装具が記載されている。
以下、簡単に図を用いて説明する。図９（ａ）は、従来の歩行補助装具の構成を示す図（側面図）である。図９（ｂ）は、従来の歩行補助装具の膝部分を折り曲げた状態を示す側面図である。２０１は歩行補助装具で、該歩行補助装具２０１は、膝関節部の上部、即ち上腿部に装着する上腿取付部材２０２と、膝関節の下部、即ち下腿部に装着する下腿取付部材２０３と、上腿取付部材２０２と下腿取付部材２０３とを回動自在に連結する継手２０５とから構成される。伸縮機構（アクチュエータ）２０４は上腿取付部材２０２と下腿取付部材２０３との回動を規制制御するものであり、一方の部材（図では上腿取付部材２０２）に遊びをもって取付けられたモータ２０６と、他方の部材（図では下腿取付部材２０３）に取付けられたソケット２０８の螺旋孔に螺合するボールネジ２０７とからなり、該ボールネジ２０７と前記モータ２０６の軸とはフレキシブル継手２０９で連結されている。なお、図中２１４は下腿取付部部材２０３に設けた靴である。
また、上下の両取付部２０２、２０３をボールネジ２０７で連結している。ボールネジ２０７は立位時（膝を伸ばしたとき）に歩行者の全体重が負荷されても折れ曲がることのない丈夫な部材、例えば鋼材等の棒材の表面にネジを該設してなり、上下の取付部材２０２、２０３を繋ぐ継手２０５の回動自在の動きを規制するもので、障害者が該上下の取付部材２０２、２０３に全体重を掛けても上下の取付部材２０２、２０３が折れ曲がることがない。
図９（ｃ）は、従来の歩行補助装具における杖に設けたコントローラとモータの制御との関係を示す図である。杖２２０にはリモートコントローラ２２２が設けられ、リモートコントローラ２２２の操作スイッチ２２３は杖２２０を握る把持部２２１に取付けられている。リモートコントローラ２２２は前記伸縮機構２０４のモータ２０６の駆動装置（センサ）２２５に赤外線を照射しモータ２０６の回転を遠隔操作し得るよう構成されており、杖２２０に設けた操作スイッチ２２３を、歩行者が杖２２０を操作するのに合わせて指で操作できるように構成されている。
【０００６】
以上の構成において、右足を一歩先に進める場合について説明する。杖２２０を前について上体を傾斜させる。次に杖２２０の把持部２２１に設けたリモートコントローラ２２２の操作スイッチ２２３を操作（例えば押し込む）し、モータ２０６を駆動させる。モータ２０６を駆動させると、モータ２０６にフレキシブル継手２０９を介して連結されているボールネジ２０７が回転し、ボールネジ２０７と螺合するソケット２０８をモータ２０６方向に引き寄せる。ソケット２０８は図では下腿取付部材２０２方向に引き寄せられることとなり、下腿取付部材２０３は回動自在の継手２０５で上腿取付部材２０２に連結されているため、膝を突き出す形で膝部分を回動し、「く」の字状に折り曲げられ、靴２１４が歩行面２２７からかなりの高さまで浮き上がる。
このように靴２１４を高く浮き上がらせた状態になるにしたがって脚（歩行補助装具２０１）は自然に振り子のように前に向かって振られることになる。そして、右足が最大に前に振れた時点でリモートコントローラ２２２の操作スイッチ２２３を再度制御する（上記例では操作スイッチ２２３を放す）と、モータ２０６は逆回転し、ボールネジ２０７はソケット２０８がモータ２０６から離れる方向に回転し、それに伴って下腿取付部材２０３と上腿取付部材２０２とは直線状態になるように回動し、直線状態になったところでモータ２０６は停止し、下腿取付部材２０３と上腿取付部材２０２とは直線状態に戻る。下腿取付部材２０３と上腿取付部材２０２とが直線上腿に戻った状態で歩行面２２７に靴２１４を着地させ一歩進んだことになる。
上記のような歩行補助装具において、膝部に設けた継手２０５を伸縮機構２０４により回動し上腿取付部材２０２と下腿取付部材２０３とを折り曲げ可能として靴２１４と歩行面２２７との距離を可変にすることができ、歩行時に確実な立脚相と遊脚相の形成ができ、安定した歩容が得られるとともに、従来のごとく上体の傾斜や転倒などを生ずることが回避できる。
【０００７】
【特許文献２】特開２００２−１９１６５４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１の従来例の膝関節角度調節機構付き長下肢装具においては、制御部が、膝角度検知センサで膝関節角度を検知して屈曲角度固定・解除機構を作動させることで膝関節を固定・解除するが、歩行周期の位相に応じ膝関節を屈曲・伸展させることができなかった。また上記第２の従来例の歩行補助装具においては、モータによりフレキシブル継手を介して連結されているボールネジを回転させることで、膝関節を「く」の字状に屈曲させるが、歩行周期の位相に応じ膝関節を屈曲・伸展させることができなかった。また、歩行者が歩行周期に応じ操作スイッチを操作することで膝関節を屈曲させるが、足底が地面に接地しているかどうかを判断し自動的に膝関節を屈曲させることができなかった。
したがって、本発明の目的は、使用者の足底が地面に接地しているかどうかを判断し、歩行周期の位相に応じ自動的に足関節を底背屈させる足関節電動装具を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、使用者の下肢に装着する下肢装着部と、前記使用者の足関節角度を計測する関節角度計測部と、前記下肢装着部の足底に設けられた圧センサと、前記下肢装着部の足関節部に設けられたアクチュエータと、前記アクチュエータを作動させる制御部とからなる足関節電動装具であって、
前記制御部は、前記関節角度計測部により使用者の足関節角度の計測と、前記圧センサにより足底が地面に接地しているかどうかの計測を実施して前記使用者の歩行周期の位相を判断し、位相に応じて前記アクチュエータにより前記下肢装着部の足関節を底背屈させることで、使用者の足関節を底背屈させることを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の足関節電動装具において、前記アクチュエータは回転機構であり、前記回転機構により前記下肢装着部の足関節を正転・逆転させることで、使用者の足関節を底背屈させることを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の足関節電動装具において、前記アクチュエータはスライダー機構であり、前記スライダー機構により前記下肢装着部の足関節を底背屈させることで、使用者の足関節を底背屈させることを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の足関節電動装具において、前記アクチュエータはワイヤ駆動機構であり、前記ワイヤ駆動機構により前記下肢装着部の足関節を底背屈させることで、使用者の足関節を底背屈させることを特徴とするものである。
請求項１乃至４記載の足関節電動装具によれば、歩行周期の位相に応じ足関節を自動的に底背屈させることができ、足先のつまずきを防止することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明の第１の実施の形態の足関節電動装具について図１乃至図３に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の足関節電動装具のシステム構成を示す図である。１は足関節電動装具、２は使用者７の下肢に装着する下肢装着部、３は足関節の角度を計測する関節角度計測部、４は踵と爪先が地面に接地しているかどうかを計測する圧センサ、５は足関節電動装具の足関節を駆動するアクチュエータ、６は前記関節角度計測部３により計測された使用者７の関節角度情報と、前記圧センサ４により計測された足底の地面への接地情報とを基に、歩行周期の位相を判断し、使用者７の歩行周期の位相に応じアクチュエータ５に駆動指令を出力する制御部、７は使用者である。
【００１１】
図２は、本発明の第１の実施の形態の足関節の背屈方法（方法１）を示す図である。歩行周期の位相における代表的な関節角度変化も示している。
まず、歩行周期の位相について説明する。歩行周期の位相は、▲１▼踵接地、▲２▼足底接地、▲３▼立脚中期、▲４▼踵離地、▲５▼足尖離地、▲６▼遊脚初期、および▲７▼遊脚後期から構成され、各位相に応じて股関節、膝関節、足関節の屈曲・伸展運動が繰り返される。
▲１▼踵接地
・股関節  最大屈曲位となり以後伸展していく
・膝関節  ほぼ完全に伸展し以後屈曲していく
・足関節  背屈位から底屈していく
▲２▼足底接地
・股関節  伸展していく
・膝関節  屈曲していく
・足関節  底屈位（約１０°）となる
▲３▼立脚中期
・股関節  伸展していく
・膝関節  立脚期での最大屈曲位（約２０°）となる
・足関節  背屈していく
▲４▼踵離地
・股関節  最大伸展位（約１０°）となる
・膝関節  伸展から屈曲していく
・足関節  最大底屈位（約１０°）となり以後は底屈していく
▲５▼足尖離地
・股関節  屈曲していく
・膝関節  屈曲していく
・足関節  最大底屈位（約２０°）となる
▲６▼遊脚初期
・股関節  加速しながら屈曲していく
・膝関節  最大約６０°まで屈曲していく
・足関節  背屈していく
▲７▼遊脚後期
・股関節  減速しながら屈曲していく
・膝関節  伸展していく
・足関節  背屈位を保つ
【００１２】
次に、足関節の背屈方法（方法１）について説明する。
以下の手順で制御部６が足関節を背屈させる。
（１）関節角度計測部３により足関節角度を計測する。
（２）圧センサ４により踵と爪先が地面に接地しているかどうかを計測する。
（３）踵と爪先が地面から離れている期間（足尖離地、遊脚初期、および遊脚後期）において、アクチュエータ５を駆動することで、使用者７の足関節を歩行周期に応じ背屈させる。
（４）（１）〜（３）を繰り返す。
ここで、足尖離地、遊脚初期、および遊脚後期の時間は、以下のいずれかを採用する。
・前回の歩行周期における踵と爪先が地面から離れている時間とする。
・関節角度計測部により、股・膝関節角度も計測することで、歩行周期の位相を判断する。
【００１３】
図３は、本発明の第１の実施の形態の足関節の底背屈方法（方法２）を示す図である。以下の手順で制御部６が足関節を底背屈させる。
（１）関節角度計測部３により股・膝・足関節角度を計測する。
（２）圧センサ４により踵と爪先が地面に接地しているかどうかを計測する。
（３）アクチュエータ５を駆動することで、踵接地、足底接地、および踵離地において、使用者の足関節を歩行周期に応じ底屈、立脚中期、足尖離地、遊脚初期、および遊脚後期において、使用者７の足関節を歩行周期に応じ背屈させる。
（４）（１）〜（３）を繰り返す。
【００１４】
なお、足関節電動装具に足関節トルク計測部を備え、前記足関節トルク計測部により使用者７の足関節トルクを計測し、制御部６が前記トルクに応じ足関節を底背屈させてもよい。具体的には、足関節トルクのしきい値を予め設定しておき、足関節トルクがしきい値以上になるとそれ以上背屈させない方法をとってもよい。
また、足関節電動装具に提示部（視覚・聴覚・振動等）を備え、制御部６が歩行周期に応じ歩行のリズムを提示部により使用者に通知してもよい。
さらに、足関節電動装具に生体情報計測部を備え、前記生体情報計測部により使用者の生体情報（心拍数等）を計測し、心拍数が予め設定したしきい値以上になると歩行を止めるようにしてもよい。
【００１５】
（第２実施例）
本発明の第２の実施の形態の足関節電動装具について図４に基づいて説明する。
図４は、本発明の第２の実施の形態の足関節電動装具のシステム構成を示す図である。図４において図１と同じ符号のものは同一のものを示しているので説明は省略する。８は足関節電動装具の足関節を駆動する回転機構である。
第１の実施の形態と同様にして、制御部６が回転機構を駆動し足関節電動装具の足関節を正転・逆転させることで、前記方法１、方法２において足関節を底背屈させる。
【００１６】
（第３実施例）
本発明の第３の実施の形態の足関節電動装具について図５に基づいて説明する。
図５は、本発明の第３の実施の形態の足関節電動装具のシステム構成を示す図である。図５において図１と同じ符号のものは同一のものを示しているので説明は省略する。９は足関節電動装具の足関節を駆動するスライダー機構である。
第１の実施の形態と同様にして、制御部６がスライダー機構を駆動し足関節電動装具の足底を底背屈させることで、前記方法１、方法２において足関節を底背屈させる。
【００１７】
（第４実施例）
本発明の第４の実施の形態の足関節電動装具について図６に基づいて説明する。
図６は、本発明の第４の実施の形態の足関節電動装具のシステム構成を示す図である。図６において図１と同じ符号のものは同一のものを示しているので説明は省略する。１０は足関節電動装具の足関節を駆動するワイヤ駆動機構である。
第１の実施の形態と同様にして、制御部６がワイヤ駆動機構を駆動し足関節電動装具の足底を底背屈させることで、前記方法１、方法２において足関節を底背屈させる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１乃至４記載の足関節電動装具によれば、歩行周期の位相を判断して、位相に応じ足関節を自動的に底背屈させることができ、足先のつまずきを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の歩行訓練装置のシステム構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の足関節の背屈方法（方法１）を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の足関節の底背屈方法（方法２）を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の足関節電動装具のシステム構成を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態の足関節電動装具のシステム構成を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態の足関節電動装具のシステム構成を示す図である。
【図７】従来の第１の実施の形態の長下肢装具の構成を示す図である。
【図８】従来の第１の実施の形態の長下肢装具を用いたときの歩行補助を概念的に示す図である。
【図９】従来の第２の実施の形態の歩行補助装具の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  足関節電動装具
２  下肢装着部
３  関節角度計測部
４  圧センサ
５  アクチュエータ
６  制御部
７  使用者
８  回転機構
９  スライダー機構
１０  ワイヤ駆動機構
１０１  大腿支持部材
１０２  膝関節部材
１０３  下腿支持部材
１０４  足支持部材
１０５  屈曲角度検知センサ
１０６ａ    離床検知センサ
１０６ｂ    着地検知センサ
１０７  足関節角度検知センサ
１０８  屈曲角度固定・解除機構
１０９  制御部
１１０  大腿抱接部材
１１１  締付部材
１１２  下腿抱接部材
１１３  締付部材
１１４  締付部材
１１５  正・逆回転モータ
１１６  スクリューナット
１１７  ブレーキレバー
１１９  ブレーキ部材
２０１  歩行補助装具
２０２  上腿取付部材
２０３  下腿取付部材
２０４  伸縮機構
２０５  継手
２０６  モータ
２０７  ボールネジ
２０８  ソケット
２０９  フレキシブル継手
２１０  金具
２１１  テープ
２１３  リミットスイッチ
２１４  靴
２１５  結合部材
２２０  杖
２２１  把持部
２２２  リモートコントローラ
２２３  操作スイッチ
２２５  駆動装置
２２７  歩行面
【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】
2005000500.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005000500.tif 000011