(57)【要約】【課題】重量物によって膝関節にかかる負荷を低減する。【解決手段】図１(ａ)は、装着型ロボット１が直立しているところを示している。直立時には、股関節４１を駆動する股関節用モータ４２は、上腿連結部材２６の上部後方に位置しており、モーメントアームの長さはＬ１である。図１(ｂ)は、装着型ロボット１が屈伸しているところを示している。屈伸時には、股関節用モータ４２は、スライド機構により膝関節アシストアクチュエータ１８の側に移動する。移動量は一例として屈伸角度に比例するようになっている。これにより屈伸時のモーメントアームは、従来例よりも短いＬ３となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも股関節から膝関節までの間で大腿部に沿って移動する重量物と、
前記重量物を、前記膝関節の屈曲時には前記膝関節の側に、前記膝関節の伸張時には前記股関節の側に移動する移動手段と、
を具備したことを特徴とする歩行支援装置。
【請求項２】
前記重量物は、前記股関節で発生する関節モーメントを補助するモータ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】
前記移動手段は、前記モータの回転量に連動して当該モータを移動することを特徴とする請求項２に記載の歩行支援装置。
【請求項４】
前記移動手段は、前記モータの出力によって当該モータを移動する移動機構を具備したことを特徴とする請求項２、又は請求項３に記載の歩行支援装置。
【請求項５】
少なくとも股関節から膝関節までの間で大腿部に沿って移動する重量物を、前記膝関節の屈曲時には前記膝関節の側に、前記膝関節の伸張時には前記股関節の側に移動する移動機能をコンピュータで実現する歩行支援プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行支援装置及び歩行支援プログラムに関し、例えば、装着者の歩行をアシストするものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ユーザの歩行を補助するウェアラブルな歩行支援装置が開発されている。
歩行支援装置は、装着者の股関節、膝関節、足首関節などで歩行に要する関節モーメントをアクチュエータによって軽減することにより装着者の歩行を補助する。
【０００３】
ところで、特許文献１の「歩行補助装置」に記載されているように、膝関節アシストアクチュエータには、立脚期では、高トルクで低回転速度、遊脚期では、低トルクで高回転速度、といったように高い能力が要求される。そのため、重量物による膝関節アシストアクチュエータの負荷をできるだけ軽減するために、腰下重量をなるべく小さくするのが望ましい。
歩行支援装置を構成する重量物には、例えば、股関節アシストアクチュエータを駆動する股関節用モータがあり、腰下重量を少なくするために腰部に配置したり、腰部をスマートにするために、上腿上部に配置することがある。
【０００４】
図５は、上腿上部に股関節用モータ４２を配置した場合を示した図である。
図５(ａ)は、装着型ロボット１が直立しているところを示しており、上腿連結部材２６の上部後方に股関節４１を駆動する股関節アシストアクチュエータ１７の股関節用モータ４２が配置されている。
膝関節アシストアクチュエータ１８から股関節用モータ４２の重心までのモーメントアームは、Ｌ１である。
なお、膝関節アシストアクチュエータ１８は、下腿連結部材２７に連結しており、下腿連結部材２７の他端には足首関節アシストアクチュエータ１９が形成されている。
図５(ｂ)は、装着型ロボット１が屈伸のために脚部を屈曲したところを示している。膝関節アシストアクチュエータ１８から股関節用モータ４２の重心までのモーメントアームは、Ｌ２となる。
【０００５】
このように、上腿上部に股関節用モータ４２を配置すると、屈曲時には膝関節アシストアクチュエータ１８にとってモーメントアームＬ２が長くなってしまい、膝関節アシストアクチュエータ１８の容量を大きいものにする必要があるという問題があった。
腰部に股関節用モータ４２を配置した場合は、上体を傾ければ膝関節における重心全体のモーメントアームを多少短くできるが(上腿上部の場合は短くできない)、それでも膝関節アシストアクチュエータ１８にかかる負荷が大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１４２９５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、重量物によって膝関節にかかる負荷を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
(１)請求項１に記載の発明では、少なくとも股関節から膝関節までの間で大腿部に沿って移動する重量物と、前記重量物を、前記膝関節の屈曲時には前記膝関節の側に、前記膝関節の伸張時には前記股関節の側に移動する移動手段と、を具備したことを特徴とする歩行支援装置を提供する。
(２)請求項２に記載の発明では、前記重量物は、前記股関節で発生する関節モーメントを補助するモータ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を提供する。
(３)請求項３に記載の発明では、前記移動手段は、前記モータの回転量に連動して当該モータを移動することを特徴とする請求項２に記載の歩行支援装置を提供する。
(４)請求項４に記載の発明では、前記移動手段は、前記モータの出力によって当該モータを移動する移動機構を具備したことを特徴とする請求項２、又は請求項３に記載の歩行支援装置を提供する。
(５)請求項５に記載の発明では、少なくとも股関節から膝関節までの間で大腿部に沿って移動する重量物を、前記膝関節の屈曲時には前記膝関節の側に、前記膝関節の伸張時には前記股関節の側に移動する移動機能をコンピュータで実現する歩行支援プログラムを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、重量物の位置を動的に変化させることにより、重量物によって膝関節にかかる負荷を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態の概要を説明するための図である。
【図２】装着型ロボットの装着状態を示した図である。
【図３】装着型ロボットのシステム構成を示した図である。
【図４】股関節用モータを移動する機構を説明するための図である。
【図５】従来例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（１）実施形態の概要
図１は、本実施の形態の概要を説明するための図である。
図１(ａ)は、装着型ロボット１が直立しているところを示している。
直立時には、股関節４１を駆動する股関節アシストアクチュエータ１７を構成する股関節用モータ４２は、上腿連結部材２６の上部後方に位置しており、モーメントアームの長さはＬ１である。
【００１２】
図１(ｂ)は、装着型ロボット１が屈伸のために脚部を屈曲しているところを示している。
屈曲時には、股関節用モータ４２は、スライド機構により膝関節アシストアクチュエータ１８の側に移動する。なお、移動量は屈曲角度に比例するようになっている。これにより屈曲時のモーメントアームは、従来例のＬ２よりも短いＬ３となる。
【００１３】
このようにモーメントアームが短くなるため、屈曲時、及び屈曲からの立ち上がり時に膝関節アシストアクチュエータ１８にかかる負荷が小さくなり、膝関節アシストアクチュエータ１８に要求される能力が従来例よりも軽減される。そのため、膝関節アシストアクチュエータ１８の小型化、軽量化、低コスト化を図ることができる。
【００１４】
（２）実施形態の詳細
図２は装着型ロボット１の装着状態を示した図である。
装着型ロボット１は、装着者の腰部及び下肢に装着し、装着者の歩行を支援（アシスト）するものである。
装着型ロボット１は、腰部装着部２１、上腿装着部２２、下腿装着部２３、足装着部２４、上腿連結部材２６、下腿連結部材２７、制御装置２、つま先反力センサ１０、踵反力センサ１１、つま先姿勢センサ１２、踵姿勢センサ１３、腰姿勢センサ１４、上腿姿勢センサ１５、下腿姿勢センサ１６、股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９などを備えている。なお、腰部装着部２１、制御装置２、腰姿勢センサ１４以外は、左右の両足に設けられており、それぞれの検出値が出力されるようになっている。
但し、つま先反力センサ１０、踵反力センサ１１については、反力の検出が不要である実施例の場合には、両センサに変えてつま先接地センサ、踵接地センサを備えるようにしてもよい。
【００１５】
腰部装着部２１は、装着者の腰部の周囲に取り付けられ装着型ロボット１を固定する。
腰姿勢センサ１４は、腰部装着部２１に取り付けられ、ジャイロなどによって腰部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、腰部の角速度や角加速度を求めることもできる。
【００１６】
制御装置２は、腰部装着部２１に取り付けられ、装着型ロボット１の動作を制御する。
股関節アシストアクチュエータ１７は、股関節用モータ４２と、股関節用モータ４２の駆動力を股関節４１の回転力に変換する機構(後述)から構成されている。
股関節用モータ４２は、上腿連結部材２６の上部後方に設けられており、腰部装着部２１に対して股関節４１で連結された上腿連結部材２６を前後方向に駆動する。なお、後に詳細に説明するように、股関節用モータ４２は、上腿連結部材２６の前後方向の運動に連動して上腿連結部材２６に沿って上下運動する。
【００１７】
上腿連結部材２６は、装着者の上腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、上腿装着部２２によって装着者の上腿部に固定される。そして、上腿連結部材２６は、股関節アシストアクチュエータ１７によって駆動し、上腿部の運動を支援する。
上腿装着部２２は、外側が上腿連結部材２６の内側に固定されており、内側が装着者の上腿に固定される。
上腿姿勢センサ１５は、上腿部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、上腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。
【００１８】
膝関節アシストアクチュエータ１８は、装着者の膝関節と同じ高さに設けられており、上腿連結部材２６に対して下腿連結部材２７を前後方向に運動させて装着者の下腿部の運動を支援する。
下腿連結部材２７は、装着者の下腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、下腿装着部２３によって装着者の下腿部に固定される。そして、下腿連結部材２７は、膝関節アシストアクチュエータ１８によって駆動し、下腿部の運動を支援する。
【００１９】
下腿装着部２３は、外側が下腿連結部材２７の内側に固定されており、内側が装着者の下腿に固定される。
下腿姿勢センサ１６は、下腿部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、下腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。
【００２０】
足首関節アシストアクチュエータ１９は、装着者の足首関節と同じ高さに設けられており、下腿連結部材２７に対して足装着部２４のつま先を上下する方向に駆動する。
足装着部２４は、装着者の足部（足の甲、及び足裏）に固定される。一般に、足指の付け根の関節は歩行の際に屈曲するが、足装着部２４も足指の付け根の部分が足指に従って屈曲するようになっている。
【００２１】
つま先姿勢センサ１２と踵姿勢センサ１３は、それぞれ、足装着部２４の先端と後端に設置され、それぞれ、つま先と踵の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、つま先や踵の角速度や角加速度を求めることもできる。
【００２２】
つま先反力センサ１０は、足装着部２４の足裏部前方に設置され、つま先の接地を検出すると共に、歩行面からの反力を検出する。
踵反力センサ１１は、足装着部２４の足裏部後方に設置され、踵の接地を検出すると共に、歩行面からの反力を検出する。
以上のように構成された装着型ロボット１は、股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９を駆動することにより、装着者の歩行を支援する。
【００２３】
図３は、装着型ロボット１のシステム構成を示した図である。
制御装置２は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、時間を計測する手段としての時計、記憶部７、各種インターフェースなどを備えた電子制御ユニットであり、装着型ロボット１の各部を電子制御する。
【００２４】
制御装置２は、また、ＣＰＵで記憶部７に記憶された歩行支援プログラム等の各種プログラムを実行することにより構成される、センサ情報取得部３、各種パラメータ算出部４、歩行動作判定部５、歩行アシスト力決定部８を備えている。
センサ情報取得部３は、つま先反力センサ１０〜下腿姿勢センサ１６の各センサから検出値を取得する。センサ情報取得部３で取得した各センサの検出値は、歩行動作の判定や、歩行シーンの判定や、歩行パラメータの算出等に使用される。
【００２５】
各種パラメータ算出部４は、センサ情報取得部３で取得した検出値から、各関節の角度、角速度、位置などを求める。
歩行動作判定部５は、装着者の動作が屈伸運動や足踏み動作などの歩行以外の動作なのか、それとも実際に歩行している動作なのかを判定する。
【００２６】
歩行アシスト力決定部８は、左右両足のそれぞれに配置されている股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９に出力させるアシスト力を決定し、これに従ってこれらアシストアクチュエータを駆動する。なお、アシスト力とは、装着型ロボット１がアシストアクチュエータを駆動して脚部に作用させるモーメント（トルク）である。
【００２７】
図４の各図は、股関節用モータ４２を移動する機構を説明するための図である。
図４(ａ)は、装着型ロボット１が直立している場合の上腿連結部材２６、及び股関節アシストアクチュエータ１７を示した図である。
これらのうち、ベベルギア３３、回転軸３２、ベベルギア３１、股関節用モータ４２は、股関節アシストアクチュエータ１７を構成し、ウォームギア３４、回転軸３２、ラック３５は、股関節用モータ４２の移動機構を構成している。このように、回転軸３２は、股関節アシストアクチュエータ１７と移動機構の両方を動作させる。
【００２８】
股関節４１の周囲には、上腿連結部材２６に対して固定された(即ち、上腿連結部材２６と共に回転する)ベベルギア(かさ歯車)３３が形成されている。
股関節用モータ４２は、図示しないガイド(案内機構)で規定される軌道に沿って上腿連結部材２６の後方を長手方向にスライドして移動することができる。
【００２９】
股関節用モータ４２は、例えば、ＤＣモータで構成されており、上腿連結部材２６の長手方向と回転軸３２が平行となるように配置されている。回転軸３２は、股関節用モータ４２に対して回転自由度を有しており、軸方向の自由度は有していない。そのため、股関節用モータ４２と回転軸３２は、共に上腿連結部材２６の長手方向に移動する。
【００３０】
回転軸３２の上側(上腿連結部材２６の長手方向の股関節４１側)には、ベベルギア３３と噛み合うベベルギア３１が設置されている。
回転軸３２は、ベベルギア３１の中心軸において軸方向には移動できるが回転方向には固定されている。即ち、回転軸３２が回転するとこれに伴ってベベルギア３１も回転すると共に回転軸３２に対して上下スライドする。
【００３１】
また、図示しない固定機構により、股関節４１に対するベベルギア３１の位置は、ベベルギア３３とベベルギア３１が噛み合う位置に固定されている。
ベベルギア３１とベベルギア３３により、股関節用モータ４２の回転力が股関節４１に伝達され、アシスト力が発揮される。
一方、回転軸３２の他端側にはウォームギア３４が固定されている。
【００３２】
上腿連結部材２６の下部後方には、ウォームギア３４と噛み合うラック３５が上腿連結部材２６の長手方向に固定されている。
このように、ウォームギア３４とラック３５が噛み合うため、回転軸３２が回転すると、ウォームギア３４により股関節用モータ４２を上腿連結部材２６の長手方向に移動する力が発生する。
【００３３】
本実施の形態では、回転軸３２の回転方向が、上腿連結部材２６を前方に回転させる場合に(装着者が脚部を屈曲する場合に)、股関節用モータ４２が膝関節アシストアクチュエータ１８の方向に移動するようにウォームギア３４のねじ山が形成されている。
このため、装着者が屈伸するためにかがむと、その動作に比例して股関節用モータ４２が膝関節アシストアクチュエータ１８方向に移動し、装着者が立ち上がると、その動作に比例して股関節用モータ４２が股関節４１方向に移動する。
【００３４】
図４(ｂ)は、装着者が屈伸のため脚部を屈曲したところを示している。なお、波線は、直立していたとき、即ち、屈曲前の状態を示している。
図の矢線５１で示したように、上腿連結部材２６を移動して脚部を屈すると、矢線５２で示したように、股関節用モータ４２が膝関節アシストアクチュエータ１８の方向に移動する。
【００３５】
これにより、膝関節アシストアクチュエータ１８に対する股関節用モータ４２のモーメントアームを短くすることができる。
このように、股関節用モータ４２は、脚部を屈するときは膝関節アシストアクチュエータ１８の方向に移動し、脚部を伸ばすときは股関節４１の方向に移動する。
【００３６】
なお、股関節アシストアクチュエータ１７では、屈伸ではなく、腿上げ時にも股関節用モータ４２が膝側に移動し、この場合、股関節アシストアクチュエータ１７の負荷が増えるが、股関節アシストアクチュエータ１７の大容量化は膝関節アシストアクチュエータ１８よりも容易である。
【００３７】
図４(ｃ)は、変形例を説明するための図である。
ベベルギア３３とベベルギア３１の組み合わせの他に、ピニオンギア３７とクラウンギア３６の組み合わせを用いることも可能である。また、他の機構を用いてもよい。
【００３８】
以上に説明した本実施の形態では、機械的な機構により股関節用モータ４２を移動したが、股関節用モータ４２を移動するアクチュエータを設置し、これを制御することにより股関節用モータ４２を移動するように構成することもできる。
この場合は、例えば、屈伸による屈曲時には股関節用モータ４２を移動し、腿上げなどの屈曲時には、股関節用モータ４２を移動しないなど(股関節用モータ４２の負荷を低減できる)、装着者の動作を判定して制御することが可能である。
【００３９】
また、本実施の形態では、股関節用モータ４２を上腿連結部材２６の後方に配置したが、側面や前方に配置してもよい。
更に、本実施の形態では、重量物として股関節用モータ４２を移動したが、バッテリなどの他の重量物を移動するように構成してもよい。
【００４０】
以上に説明した実施の形態により、次のような効果を得ることができる。
(１)股関節屈曲状態時に重量物である股関節用モータ４２を膝関節アシストアクチュエータ１８へ近づける構造を持つことで、股関節用モータ４２の膝関節におけるモーメントを低減させることができ、膝関節アシストアクチュエータ１８を駆動するモータの負荷を減らすことができる。
(２)股関節用モータ４２をスライドさせるにあたり、単一のアクチュエータを用いる構造をとることで(股関節用モータ４２は、股関節４１の回転と股関節用モータ４２のスライドの両方を単一の動作により行うことで)省スペース、重量の軽量化、消費エネルギーの節約を図ることができる。
【００４１】
以上に説明した実施の形態により、次の構成を得ることができる。
(１)股関節用モータ４２は、重量物に相当し、上腿連結部材２６に沿って移動するため、装着型ロボット１(歩行支援装置)は、股関節から膝関節までの間で大腿部に沿って移動する重量物を備えている。
また、股関節用モータ４２は、ウォームギア３４やラック３５による移動機構により膝関節の屈曲時には膝関節側に、膝関節の伸張時には、股関節側に移動するため、装着型ロボット１は、前記重量物を、前記膝関節の屈曲時には前記膝関節の側に、前記膝関節の伸張時には前記股関節の側に移動する移動手段を備えている。
(２)股関節用モータ４２は、股関節アシストアクチュエータ１７によるアシスト力を発揮する電動機であるため、前記重量物は、前記股関節で発生する関節モーメントを補助するモータである。
(３)股関節用モータ４２は、移動機構により回転軸３２の回転量に伴って移動するため、前記移動手段は、前記モータの回転量に連動して当該モータを移動する。
(４)股関節用モータ４２は、自身の回転力によって移動するため、前記移動手段は、前記モータの出力によって当該モータを移動する移動機構を具備している。
【符号の説明】
【００４２】
１  装着型ロボット
２  制御装置
３  センサ情報取得部
４  各種パラメータ算出部
５  歩行動作判定部
７  記憶部
８  歩行アシスト力決定部
１０  つま先反力センサ
１１  踵反力センサ
１２  つま先姿勢センサ
１３  踵姿勢センサ
１４  腰姿勢センサ
１５  上腿姿勢センサ
１６  下腿姿勢センサ
１７  股関節アシストアクチュエータ
１８  膝関節アシストアクチュエータ
１９  足首関節アシストアクチュエータ
２１  腰部装着部
２２  上腿装着部
２３  下腿装着部
２４  足装着部
２６  上腿連結部材
２７  下腿連結部材
３１  ベベルギア
３２  回転軸
３３  ベベルギア
３４  ウォームギア
３５  ラック
３６  クラウンギア
３７  ピニオンギア
４１  股関節
４２  股関節用モータ
５１、５２  矢線
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013208290.tif 000005
【図４】
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【図５】
2013208290.tif 000007