(57)【要約】【課題】効率よく歩行運動を支援することのできる動力レスの歩行支援装置を提供する。【解決手段】歩行支援装置１００は、腰リンク１０、大腿リンク２０、下腿リンク３０、及び、足リンク４０を備える。大腿リンクまたは下腿リンクにはプーリ２４が支持されている。プーリ２４は、膝関節の回転軸よりも前方に位置する。紐状弾性部材（スプリング５０とワイヤ５４）が、その一端が腰リンクに対する大腿リンクの回転軸線よりも前方で腰リンクに連結しており、途中でプーリに掛けられ、他端が下腿リンクに対する足リンクの回転軸線よりも後方で足リンクに連結している。【選択図】図１
2012100983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの歩行動作を補助する歩行支援装置であり、
ユーザの腰に装着する腰リンクと、
腰リンクと回転可能に連結しており、大腿に沿って配置される大腿リンクと、
大腿リンクと回転可能に連結しており、下腿に沿って配置される下腿リンクと、
下腿リンクと回転可能に連結しており、ユーザの足に装着する足リンクと、
大腿リンクまたは下腿リンクから伸びている支柱に支持されており、膝関節の回転軸よりも前方に位置するプーリと、
一端が腰リンクに対する大腿リンクの回転軸線よりも前方で腰リンクに連結しており、途中でプーリに掛けられ、他端が下腿リンクに対する足リンクの回転軸線よりも後方で足リンクに連結している紐状弾性部材と、
を備えていることを特徴とする歩行支援装置。
【請求項２】
前記紐状弾性部材は、ワイヤとスプリングが直列に連結されたものであ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】
腰リンクと紐状弾性部材の連結位置、足リンクと紐状弾性部材の連結位置、及び、プーリの位置の少なくとも一つが、ユーザの前後方向に調整可能であることを特徴とする請求項１又は２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、ユーザの脚に装着し、脚の動きをアシストする歩行支援装置（Ｗａｌｋｉｎｇ  Ａｓｓｉｓｔ  Ｄｅｖｉｃｅ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
装着型の歩行支援装置は、典型的には、脚に沿って装着する多リンク多関節型の構造を有している。リンク機構がユーザの外側に配置される骨格に例えられることから、この種の支援装置はエクゾスケルトンタイプと呼ばれることがある。この種の支援装置は、ユーザの歩行動作に同調してリンクが揺動することによってユーザの筋力を補助し、歩行動作を支援する。歩行支援装置は、リンクを揺動させるためのアクチュエータと電源を備えるタイプがあれば、スプリングなどの弾性体の弾性エネルギを利用してリンクを揺動させるタイプもある。弾性エネルギを利用するタイプは、強力な補助力は見込めないが、電源を必要としない利点がある。特許文献１は、アクチュエータを有する歩行支援装置の一例を開示しており、非特許文献１は、弾性エネルギを利用する歩行支援装置の一例を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７１９０１４１号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】"Exotendons for assistance of human locomotion", van den Bogert, A. J., BioMedical Engineering OnLine, 2003.2(1), p. 17.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本明細書が開示する技術は、弾性体を用いた電源レスのエクゾスケルトンタイプの歩行支援装置に関する。従って以下では、弾性体を用いた電源レスの歩行支援装置を「歩行支援装置」、あるいは、単に支援装置と称することにする。
【０００６】
歩行運動中、重心は上下運動する。歩行支援装置は、脚に沿って配置される多リンク構造を有し、重心が下がるときの勢いで弾性エネルギが蓄えられるように弾性体が配置される。歩行支援装置は、歩行運動中にユーザの重心が過度に低下するのを抑制すると同時に弾性体にエネルギを貯蓄え、蓄えられた弾性エネルギを、重心を上昇させる際の補助力として活用する。本明細書が開示する歩行支援装置は、リンク構造と弾性体の配置を工夫し、より効率よく歩行運動を支援することのできる歩行支援装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する新規な歩行支援装置は、一つの弾性部材で、股関節ピッチ軸回りの大腿の揺動、膝関節回転軸（ピッチ軸）回りの下腿の揺動、および、足首ピッチ軸回りの足の揺動を同時に補助する。なお、「ピッチ軸」とは、ロボットの技術分野では良く知られており、人体の側方に伸びる軸を意味する。
【０００８】
本明細書が開示する歩行支援装置の一実施形態は、腰リンクと大腿リンクと下腿リンクと足リンクを備える。腰リンクは、ユーザの腰に装着される。大腿リンクは、ユーザの大腿に沿って配置される。下腿リンクはユーザの下腿に沿って配置される。足リンクは、ユーザの足に装着される。大腿リンクは、腰リンクと回転可能に連結しており、下腿リンクは、大腿リンクと回転可能に連結している。足リンクは、下腿リンクと回転可能に連結している。
【０００９】
支援装置はさらに、プーリと紐状弾性部材（ｅｌａｓｔｉｃ  ｓｔｒｉｎｇ）を備えている。プーリは、大腿リンクまたは下腿リンクから伸びている支柱に支持されており、膝関節の回転軸よりも前方に位置する。紐状弾性部材は、一端が腰リンクに対する大腿リンクの回転軸線よりも前方で腰リンクに連結しており、途中でプーリに掛けられ、他端が下腿リンクに対する足リンクの回転軸線よりも後方で足リンクに連結している。なお、ここで、「前方」とは、支援装置を装着したユーザが直立姿勢をとったときのユーザの前方を意味する。「後方」とは、支援装置を装着したユーザが直立姿勢をとったときのユーザの後方を意味する。また、記紐状弾性部材は、典型的にはワイヤとスプリングが直列に連結されたものでよい。
【００１０】
一般的な歩行動作では、脚がほぼ伸びきった状態で足が着地し、次いで、膝が曲がり（腰位置が下がり）、次いで膝が伸び（腰位置が上昇し）、そして足が離地する。上記の支援装置は、足の着地後にユーザの膝が曲がると（腰位置が下がると）、プーリと紐状弾性体の幾何学的な配置によって、紐状弾性体が伸び、弾性エネルギが蓄えられる。蓄えられた弾性エネルギは、足の離地前に腰を上昇させる力（補助力）に変換される。詳しくは後述するが、その補助力は、足先を下げる向きのモーメントと、膝を伸ばす力と、背中を前方へ押す力の３つの分力で構成される。いずれの分力（モーメント）も、離地前の歩行動作にとって必要な力である。この支援装置は、１本の紐状弾性体で上記の３分力を発揮する。
【００１１】
本明細書が開示する支援装置のさらなる一態様では、腰リンクと紐状弾性部材の連結位置、足リンクと紐状弾性部材の連結位置、及び、プーリの位置の少なくとも一つが、ユーザの前後方向に調整可能であることが好ましい。それら調整機能を備えることによって、支援装置を個々のユーザに適合させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本明細書が開示する技術は、効率よく歩行運動を支援することのできる動力レスの歩行支援装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】支援装置の側面図である。
【図２】腰リンクの平面図である。
【図３】支援装置が発揮する補助力を説明する図である。
【図４】支援装置の調整機能を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を参照して実施例の歩行支援装置１００（支援装置１００）を説明する。なお、図３、図４には、図を見やすくするために、図１で示した符号のうちいくつかの図示を省略している。支援装置１００は、ユーザの腰に装着する腰リンク１０と、ユーザの足に固定される足リンク４０と、腰リンク１０と足リンク４０の間を連結する大腿リンク２０及び下腿リンク３０で構成される多リンク多関節構造を有している。図では右脚に配置されている大腿リンク２０、下腿リンク３０、及び、足リンク４０のみが示されているが、それらのリンクは左脚にも配置されている。なお、以下では、右脚のリンク群についてのみ説明するが、左脚のリンク群についても同様である。
【００１５】
図２に示すように、腰リンク１０は、略Ｕ字型をなしており、ユーザの背中を回ってユーザの側方前方へ伸びている。腰リンク１０には背当１０ａが付いており、腰リンク１０をユーザの腰と背中にしっかり固定する。足リンク４０は靴のようにユーザの足に固定される。
【００１６】
大腿リンク２０の一端は、股関節のピッチ軸方向に伸びる回転軸と同軸の位置の位置で腰リンク１０に回転可能に連結されている。符号１２が連結ジョイントを表す。本実施例では、符号１２は、腰リンク１０に対する大腿リンク２０の回転軸線も意味する。大腿リンクの他端は、膝関節の回転軸線と同軸の位置で下腿リンク３０の一端と回転可能に連結されている。符号２２が大腿リンク２０と下腿リンク３０の回転ジョイントを表すとともに、回転軸線も表している。下腿リンク３０の他端は、足首関節のピッチ軸方向に伸びる回転軸と同軸の位置の位置で足リンク４０に回転可能に連結されている。符号３２が連結ジョイントを表す。本実施例では、符号３２は、下腿リンク３０に対する足リンク４０の回転軸線も意味する。腰リンク１０と足リンク４０がユーザに固定されているので、大腿リンク２０と下腿リンク３０はユーザに固定せずともそれらの位置は一意に規制される。ただし、さらなる安定のため、大腿リンク２０と下腿リンク３０は、ベルトを用いて夫々ユーザの大腿と下腿に固定してもよい。なお、ピッチ軸とは、図に示すＹ軸に相当する。図に示すＸ軸とＺ軸は夫々ロール軸とヨー軸に相当する。また、Ｘ軸はユーザの前後方向にも相当する。
【００１７】
大腿リンク２０の下端は、ジョイント２２の前方へ伸びており、その先端にプーリ２４が配置されている。別言すれば、プーリ２４は、大腿リンク２０の下端から伸びる支柱に支持されており、膝関節の回転軸２２よりも前方に位置する。このプーリ２４には、後述するワイヤ５４が巻き掛けられる。図１の回転ジョイント２２とプーリ２４の間の部分が「支柱」に相当する。
【００１８】
腰リンク１０の先端、回転ジョイント１２（回転軸線１２）よりも前方に、スライド端子１４が取り付けられている。スライド端子１４は、ユーザの前後方向に移動可能に構成されている。スライド端子１４にスプリング５０の一端が取り付けられている。スプリング５０の他端にはワイヤ５４が取り付けられている。ワイヤ５４は脚に沿って伸びており、途中でプーリ２４に掛けられ、ワイヤ５４の他端は、スライド端子４２を介して足リンク４０に連結している。スライド端子４２は、回転ジョイント３２（足リンク４０の回転軸線）よりも後方で足リンク４０に取り付けられている。スライド端子４２も、ユーザの前後方向に移動することができる。スプリング５０とワイヤ５４が、紐状弾性部材の一例に相当する。紐状弾性部材は、その一端が回転軸線１２よりも前方で腰リンク１０に連結しており、途中でプーリ２４に掛けられ、他端が回転軸線３２よりも後方で足リンク４０に連結している。スプリング５０、ワイヤ５４は、左脚のリンク群にも配置されている。
【００１９】
支援装置１００の機能を説明する。支援装置１００は上記した多リンク多関節構造を有しているので、常にユーザの脚に沿って揺動する。より具体的には、大腿リンク２０はユーザの大腿の動きに応じて揺動し、下腿リンク３０はユーザの下腿の動きに応じて揺動する。スプリング５０は常にワイヤ５４に張力Ｔを与える。歩行動作において、足が着地した後、ユーザの腰が下がり、膝が前方へ移動すると、スプリング５０が伸び、張力Ｔが増加する。そうすると、図３に示すように、回転ジョイント１２の回りに時計回りのモーメントＭ１が腰リンク１０に作用する。プーリ２４には、回転ジョイント２２を後方に押し戻す力Ｆが作用する。足リンク４０には、回転ジョイント３２の回りに時計回りのモーメントＭ２が作用する。モーメントＭ１は、腰リンク１０を介してユーザの背中を前方に押す。力Ｆは、膝を伸ばす方向に作用する。モーメントＭ２は、つま先を下方に下げる方向に作用する。これらの力は、歩行中の離地前に、膝を伸ばすとともに体を前方へ押し出すように作用する。支援装置のリンク群は左右の脚に配置されており、一歩毎にユーザの歩行動作を支援する。
【００２０】
この支援装置１００は、１本の紐状弾性体（スプリング５０とワイヤ５４）が、プーリ２４を介して腰から足へ伸びている。紐状弾性体の上記したレイアウトによって、支援装置１００は、体を前方への押し出すモーメントＭ１、膝の伸ばす力Ｆ、つま先を押し下げるモーメントＭ２を同時に発生し、歩行動作を効率よく補助する。
【００２１】
支援装置１００の他の機能を説明する。スプリング５０とワイヤ５４の間に荷重センサ５２が取り付けられている。荷重センサ５２は、張力Ｔを計測する。張力Ｔを計測することによって、支援装置１００がユーザに加えるアシスト力を計測することができる。
【００２２】
図４の矢印ａが示すように、スライド端子１４は前後方向に移動可能であり、任意の位置で固定される。図４の符号ｃが示すように、スライド端子４２も前後方向に移動可能であり、任意の位置で固定される。プーリ２４も、矢印ｂが示すように前後方向に移動可能であり、任意の位置で固定される。スライド端子１４、４２、及び、プーリ２４の位置を調整することによって、ユーザの特徴に応じてアシスト力の大きさを調整することができる。
【００２３】
図４の符号Ｌは、回転軸線３２とワイヤ５４との距離を示している。膝が曲がるにつれて、張力Ｔが変化するとともに、距離Ｌも変化する。従って、足リンク４０に作用するモーメントＭ２の大きさは、張力Ｔと距離Ｌの関数となる。また、モーメントＭ２は、ピッチ軸回りの股関節角度、膝角度、及び、足首関節角度の関数としても表すことができる。モーメントＭ１、力Ｆについても同様である。それらの関数を用いて、ユーザに加えるアシスト力が最適となるように、スプリング５０の強さや、スライド端子１４等の位置を定めることができる。
【００２４】
実施例の支援装置１００では、プーリ２４は大腿リンク２０に支持されていた。プーリ２４は、大腿リンク２０と下腿リンク３０の間の回転軸線２２よりも前方に位置していればよく、下腿リンク３０に支持されていてもよい。
【００２５】
上記の説明において、「前方」と「後方」は、ユーザが直立姿勢をとったときの「前方」と「後方」を意味していることに留意されたい。
【００２６】
支援装置のリンク構造は、腰リンクと大腿リンクの間の回転軸がユーザの股関節のピッチ軸と概ね略一致し、大腿リンクと下腿リンクの間の回転軸がユーザの膝関節ピッチ軸と概ね一致し、下腿リンクと足リンクの間の回転軸がユーザの足首関節のピッチ軸と概ね一致するように構成されていればよい。別言すれば、大腿リンクは、股関節のピッチ軸と略一致する回転軸線を有するように腰リンクと回転可能に連結しており、下腿リンクは膝関節のピッチ軸と略一致する回転軸線を有するように大腿リンクと回転可能に連結しており、足リンクは、足首関節のピッチ軸と略一致する回転軸線を有するように下腿リンクに連結していればよい。なお、腰リンクと大腿リンクの物理的な連結位置は、股関節のピッチ軸と同軸の位置に限られない。腰リンクに対する大腿リンクの回転軸線が股関節のピッチ軸と概ね一致していればよいことに留意されたい。例えば、大腿リンクの上端が側方（ピッチ軸方向）からみて円弧状のリブを有しており、そのリブが、円弧に沿って腰リンクに対してスライドするような機構で大腿リンクが腰リンクに連結していてもよい。そのような構造の場合、大腿リンクの回転軸は、円弧の中心に一致するが、大腿リンクは物理的には円弧状のリブで腰リンクに連結されており、円弧の中心には物理的な連結部が存在しない。大腿リンクと下腿リンクの連結構造、及び、下腿リンクと足リンクの連結構造についても同様である。
【００２７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２８】
１０：腰リンク
１０ａ：背当
１２、２２、３２：回転ジョイント（回転軸線）
１４、４２：スライド端子
２０：大腿リンク
２４：プーリ
３０：下腿リンク
４０：足リンク
５０：スプリング
５２：荷重センサ
５４：ワイヤ
１００：歩行支援装置
【図１】
2012100983.tif 000003
【図２】
2012100983.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012100983.tif 000006