(57)【要約】【課題】歩行動作中の異常発生時における安全性を向上させる。【解決手段】制御装置２は、使用者の脚部に装着され使用者の歩行動作を補助する歩行補助装置１に備えられる。制御装置２は、歩行動作の異常を検出する異常検出部１１と、異常時における膝関節部３の角速度を検出する膝角速度検出部１２と、異常時において、膝角速度検出部１２により検出された角速度に比例するトルクであって膝関節部３が屈曲方向へ動作する際の角速度を低減させる保全トルクを発生させるトルク制御部１３とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の脚部に装着され前記使用者の歩行動作を補助する歩行補助装置の制御装置であって、
前記歩行動作の異常を検出する異常検出手段と、
前記異常時における膝関節部の角速度を検出する膝角速度検出手段と、
前記異常時において、前記膝角速度検出手段により検出された角速度に比例するトルクであって、前記膝関節部が屈曲方向へ動作する際の角速度を低減させる保全トルクを発生させるトルク制御手段と、
を備える歩行補助装置の制御装置。
【請求項２】
前記膝角速度検出手段により検出された角速度と前記保全トルクとの関係における比例定数は、前記使用者の体重、下腿の長さ、及び上腿の長さの少なくとも１つに比例して設定される、
請求項１に記載の歩行補助装置の制御装置。
【請求項３】
前記膝角速度検出手段により検出された角速度と前記保全トルクとの関係における比例定数は、前記使用者の歩行速度の二乗に反比例して設定される、
請求項１又は２に記載の歩行補助装置の制御装置。
【請求項４】
前記トルク制御手段は、ダイナミックブレーキ機構を利用して前記保全トルクを発生させる、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の歩行補助装置の制御装置。
【請求項５】
前記ダイナミックブレーキ機構のブレーキ効果は、前記膝関節部の屈曲方向にのみ働く、
請求項４に記載の歩行補助装置の制御装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御装置を備える歩行補助装置。
【請求項７】
使用者の脚部に装着され前記使用者の歩行動作を補助する歩行補助装置の制御方法であって、
前記歩行動作の異常を検出する異常検出ステップと、
前記異常時における膝関節部の角速度を検出する膝角速度検出ステップと、
前記異常時において、前記膝角速度検出ステップにより検出された角速度に比例するトルクであって、前記膝関節部が屈曲方向へ動作する際の角速度を低減させる保全トルクを発生させるトルク制御ステップと、
を備える歩行補助装置の制御方法。
【請求項８】
前記膝角速度検出ステップにより検出された角速度と前記保全トルクとの関係における比例定数は、前記使用者の体重、下腿の長さ、及び上腿の長さの少なくとも１つに比例して設定される、
請求項７に記載の歩行補助装置の制御方法。
【請求項９】
前記膝角速度検出ステップにより検出された角速度と前記保全トルクとの関係における比例定数は、前記使用者の歩行速度の二乗に反比例して設定される、
請求項７又は８に記載の歩行補助装置の制御方法。
【請求項１０】
前記トルク制御ステップは、ダイナミックブレーキ機構を利用して前記保全トルクを発生させる、
請求項７〜９のいずれか１項に記載の歩行補助装置の制御方法。
【請求項１１】
前記ダイナミックブレーキ機構のブレーキ効果は、前記膝関節部の屈曲方向にのみ働く、
請求項１０に記載の歩行補助装置の制御方法。
【請求項１２】
コンピュータに、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の制御方法を実行させるための歩行補助装置の制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェアラブル型の歩行補助装置に関し、特に異常発生時における安全制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、人の脚部に装着してその歩行動作を補助する歩行補助装置の開発が進んでいる。このような歩行補助装置においては、歩行動作中に躓き等の異常が発生した場合に安全性を確保できるようにする技術が必要とされる。
【０００３】
特許文献１において、異常検出時に通常時動作モードから異常時動作モードに切り替わる歩行補助装置が開示されている。当該異常時動作モードにおいては、異常な歩行姿勢を立て直す動作を強制的に行うか、関節機構をフリーにして使用者の倒れる動作に任せる制御が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−６１４６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１２及び図１３は、上記特許文献１に係る歩行補助装置における問題点を示している。図１２は、異常発生時に姿勢を強制的に立て直す制御が行われた場合の問題点を示している。本例では、躓きにより膝が屈曲するように力が加わっている。このような場合には、膝関節部１０１は膝を伸張させる方向に瞬間的に大きなトルクを発生させる。そのため、使用者の足が棒状になり、使用者が前方に転倒する可能性が高くなる。
【０００６】
図１３は、異常発生時に関節機構をフリーにする制御が行われた場合の問題点を示している。この時、膝関節部１０１は膝を伸張させる方向へのトルクを全く発生させない。そのため、使用者の膝は大きく屈曲し、使用者が後方に転倒する可能性が高くなる。
【０００７】
そこで、本発明は、歩行動作中の異常発生時における安全性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様は、使用者の脚部に装着され前記使用者の歩行動作を補助する歩行補助装置の制御装置であって、前記歩行動作の異常を検出する異常検出部と、前記異常時における膝関節部の角速度を検出する膝角速度検出部と、前記異常時において、前記膝角速度検出部により検出された角速度に比例するトルクであって、前記膝関節部が屈曲方向へ動作する際の角速度を低減させる保全トルクを発生させるトルク制御部とを備えるものである。
【０００９】
上記態様によれば、歩行動作中に躓き等の異常が発生すると、膝関節部は、保全トルクにより屈曲方向へ動作する際の角速度が低減するように制御される。即ち、本態様によれば、崩れた体勢を立て直そうと伸張方向に大きなトルクを発生させることも、トルクを完全にゼロにすることもなく、膝関節部がゆっくりと屈曲するように制御される。これにより、異常発生時における膝関節部の動作が使用者の体勢を更に崩すといった問題を招くことなく、使用者にかかる衝撃を吸収し、使用者の安全を確保することができる。
【００１０】
また、前記膝角速度検出部により検出された角速度と前記保全トルクとの関係における比例定数は、前記使用者の体重、下腿の長さ、及び上腿の長さの少なくとも１つに比例するように設定されるか、前記使用者の歩行速度の二乗に反比例して設定されることが好ましい。
【００１１】
また、前記トルク制御部は、ダイナミックブレーキ機構を利用して前記保全トルクを発生させることが好ましく、当該ダイナミックブレーキ機構のブレーキ効果は、前記膝関節部の屈曲方向にのみ働くことが好ましい。
【００１２】
本発明の第２の態様は、上記第１の態様に係る制御装置を備える歩行補助装置である。
【００１３】
本発明の第３の態様は、上記第１の態様に係る制御装置と同様の技術的思想に基づく制御方法である。
【００１４】
本発明の第４の態様は、上記第３の態様に係る制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、歩行動作中の異常発生時における安全性を大きく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる歩行補助装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る歩行補助装置の外観を例示する図である。
【図３】実施の形態１に係る歩行補助装置において異常発生時に安全制御が機能した状態を例示する図である。
【図４】実施の形態１に係る保全トルクと膝関節部の角速度との関係を示すグラフである。
【図５】実施の形態１に係る保全トルクと角速度との関係における比例定数の設定に関わる使用者の体重、下腿の長さ、上腿の長さ、及び歩行者の歩行速度を模式的に示す図である。
【図６】膝関節部のモータをショートさせることで得られる制動トルクと膝関節部の角速度との関係を例示するグラフである。
【図７】実施の形態１に係るダイナミックブレーキ機構の構成を示す図である。
【図８】図７に示すダイナミックブレーキ機構に内蔵される制動制限部の構成を示す図である。
【図９】第１の構成例に係る歩行補助装置の制動制限部の配置位置を示す図である。
【図１０】第２の構成例に係る歩行補助装置の制動制限部の配置位置を示す図である。
【図１１】第２の構成例に係る膝関節部の角速度とダイナミックブレーキ機構の制動トルクを含む保全トルクとの関係を示すグラフである。
【図１２】従来装置において異常発生時に姿勢を強制的に立て直す制御が行われた場合の問題点を示す図である。
【図１３】従来装置において異常発生時に関節機構をフリーにする制御が行われた場合の問題点を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る歩行補助装置１の機能的な構成を示している。歩行補助装置１は、使用者の脚部に装着され、その歩行動作を補助するものである。歩行補助装置１は、制御装置２及び膝関節部３を有する。
【００１８】
膝関節部３は、使用者の膝に相当する部分であり、電動モータ、リンク部材等から構成される。膝関節部３は、制御装置２から供給される電源及び制御信号に応じて特定の方向に特定のトルクを出力し、人体における膝の屈曲及び伸張と同様の動作を行う。
【００１９】
制御装置２は、電源、コンピュータ、当該コンピュータを制御するプログラム等により構成される。制御装置２は、異常検出部１１、膝角速度検出部１２、及びトルク制御部１３を有する。
【００２０】
異常検出部１１は、歩行補助装置１を装着した使用者の歩行動作の異常を検出する。当該異常とは、例えば躓き、スリップ等である。このような異常に該当する動作は、外部から供給される様々な異常検出用情報に基づいて検出される。異常検出用情報としては、例えば加速度センサ、ジャイロセンサ等の検出信号、膝関節部３を含む各種動作機構の目標値と実測値との偏差等が挙げられる。異常検出部１１は、これらの情報に基づいて異常の発生を検出した場合には、異常発生通知を膝角速度検出部１２に出力する。
【００２１】
膝角速度検出部１２は、上記異常発生通知を入力すると、当該異常発生時における膝関節部３の角速度を検出する。当該角速度とは、互いに揺動可能に軸支される２つのリンク部材、即ち上腿に相当するリンク部材と下腿に相当するリンク部材との成す角度の単位時間当たりの変位量である。膝角速度検出部１２は、異常発生時における角速度（異常時角速度）を示す情報をトルク制御部１３に出力する。
【００２２】
トルク制御部１３は、上記異常時角速度及び所定の情報（保全トルク決定用情報）に基づいて、保全トルク指令を生成し、膝関節部３に出力する。
【００２３】
保全トルクは、異常発生時における使用者の安全を確保するために算出されるものである。保全トルクは、異常時角速度に比例する値であって、膝関節部３が屈曲方向へ動作する際の角速度を低減させるように作用する力である。また、異常時角速度と保全トルクとの関係における比例定数は、保全トルク決定用情報に基づいて設定される。保全トルク決定用情報としては、使用者の体重、下腿の長さ、上腿の長さ、歩行速度等が挙げられる。当該比例定数の設定については、後に詳述する。
【００２４】
上記構成により、躓き等の異常が発生すると、膝関節部３は、保全トルクにより屈曲方向へ動作する際の角速度が低減するように制御される。即ち、本実施の形態に係る歩行補助装置１においては、崩れた体勢を立て直そうと伸張方向に大きなトルクを発生させることも、トルクを完全にゼロにすることもなく、膝関節部３がゆっくりと屈曲するように制御される。これにより、躓き等が発生した場合であっても、伸張方向への大きなトルクの発生により体勢が更に大きく崩れてしまうことも、トルクが完全になくなることにより膝関節が使用者の体重により大きく屈曲してしまうこともない。
【００２５】
図２は、上記歩行補助装置１の外観を例示している。本例に係る歩行補助装置１は、膝関節部３、足首関節部２２、上腿リンク２３、下腿リンク２４、足首リンク２５、足装着部２６、上腿固定部２７、下腿固定部２８、ガード部材２９、制御ユニット３０、各種センサ等を有する。
【００２６】
上腿リンク２３の下端部は、膝関節部３の上端部に固定されている。上腿リンク２３の上端部は、使用者の上腿３５の上方部に位置する上腿固定部２７に固定されている。上腿リンク２３の中間部は、上腿３５の下方部に位置する上腿固定部２７に固定されている。上腿固定部２７は、上腿３５に巻回されるベルト状の部材である。
【００２７】
下腿リンク２４の上端部は、膝関節部３の下端部に固定されている。下腿リンク２４の下端部は、足首関節部２２の上端部に固定されている。下腿リンク２４の中間部は、下腿固定部２８に固定されている。下腿固定部２８は、使用者の下腿３６に巻回されるベルト状の部材である。
【００２８】
足首リンク２５の上端部は、足首関節部２２の下端部に固定されている。足首リンク２５の下端部は、足装着部２６に固定されている。
【００２９】
制御ユニット３０は、特定のプログラムに制御されるコンピュータ、使用者により操作される操作部、電源等を内蔵するユニットであり、本例においては、上方に位置する上腿固定部２７の前方側に固定されている。制御ユニット３０は、プログラム及び使用者による操作に従って、膝関節部３及び足首関節部２２の電動モータ等の駆動部に対し、特定の方向（屈曲方向又は伸張方向）に特定のトルクを発生させる制御信号及び電源を供給する。制御ユニット３０は、通常の歩行動作を補助するための制御に加え、躓き等の異常が発生した際の安全制御を行う。
【００３０】
図３は、異常発生時に安全制御が機能した状態を例示している。同図中左側の図のように、使用者が躓いた時には、膝関節部３は、上記保全トルクにより屈曲方向への角速度が低減するように制御され、ゆっくりと屈曲するように動作する。これにより、使用者の体勢が更に崩れてしまうことも、膝関節が使用者の体重により大きく屈曲してしまうこともなく、安全に対処することが可能となる。
【００３１】
図４は、保全トルクＴｓと膝関節部３の角速度Ｖａとの関係を示している。ここでの角速度Ｖａは、上記異常発生時における角速度（異常時角速度）である。同図が示すように、保全トルクＴｓは、角速度Ｖａが所定値Ａに達するまでの間は、角速度Ｖａに対して比例関係を有する。角速度Ｖａが所定値Ａ以上である場合には、保全トルクＴｓは最大値Ｔｍａｘで一定となる。
【００３２】
保全トルクＴｓ及び角速度Ｖａの関係における比例定数Ｋは、図５に示す使用者の体重Ｗ、下腿３６の長さＬ１、上腿の長さＬ２、及び歩行者の歩行速度Ｖに依存して変化する。
【００３３】
比例定数Ｋは、体重Ｗ、長さＬ１、及び長さＬ２に比例することが好ましい。この場合、比例定数Ｋは、Ｋ∝Ｗ、Ｋ∝Ｌ１、Ｋ∝Ｌ２、又はＫ∝Ｗ＊Ｌ１＊Ｌ２の関係に基づいて設定される。当該体重Ｗ、長さＬ１、及び長さＬ２は、使用者等による入力操作、適宜の荷重センサ等により取得可能である。
【００３４】
また、比例定数Ｋは、歩行速度Ｖの二乗に反比例することが好ましい。この場合、比例定数Ｋは、Ｋ∝１／（Ｖ２）の関係に基づいて設定される。当該歩行速度Ｖは、適宜の速度センサ等により取得可能である。
【００３５】
また、上記膝関節部３の安全制御は、ダイナミックブレーキ機構を利用して実現されることが好ましい。これにより、電源供給が停止した場合であっても、上述の制動作用を実現することができる。
【００３６】
図６は、膝関節部のモータをショートさせることで得られる制動トルクＴｂと膝関節部の角速度Ｖａとの関係を例示している。同図において、制動トルクＴｂは、角速度Ｖａが１．３ｒａｄ／ｓｅｃ付近に達するまでの間、角速度Ｖａに略比例して増加することが示されている。
【００３７】
上記ダイナミックブレーキの制動トルクは、膝関節部３の屈曲方向にのみ作用することが好ましい。これにより、使用者による伸張動作が阻害されない。
【００３８】
以下に、ダイナミックブレーキ機構を利用した構成を例示する。図７は、ダイナミックブレーキ機構４０の構成を示している。図８は、ダイナミックブレーキ機構４０に内蔵される制動制限部４６の構成を示している。図９は、第１の構成例における歩行補助装置１の制動制限部４６の配置位置を示している。
【００３９】
ダイナミックブレーキ機構４０は、モータ４１、電源４２、ＣＰＵ４３、トランジスタ４４、抵抗４５、及び制動制限部４６を有する。ＣＰＵ４３がトランジスタ４４を制御し、モータ４１の端子間が抵抗４５を介して短絡されることにより、制動力が発生する。
【００４０】
制動制限部４６は、第１の導線５１、第２の導線５２、第１の相間抵抗（抵抗値Ｒ）５３、第２の相間抵抗（抵抗値ｒ）５４、可動導体５５、及び導体収納部５６を有する。尚、Ｒ≠ｒである。
【００４１】
第１の導線５１は第１の相間抵抗５３と接続し、第２の導線５２は第２の相間抵抗５４と接続する。両導線５１，５２は、上記抵抗４５（図７参照）と接続している。
【００４２】
可動導体５５は、導体収納部５６内に変位可能に収納されている。可動導体５５の位置に応じて、第１の相間抵抗５３が接続するか、第２の相間抵抗５４が接続するか、又はどちらも接続しないかのいずれかの状態になる。
【００４３】
第１の構成例における制動制限部４６は、図９に示すように、膝関節部３に配置される。可動導体５５は、膝関節部３が伸張方向に動く際に生ずる遠心力により、図８中矢印の方向に変位する。これにより、可動導体５５が図８中一点鎖線で示す位置に変位すると、両相間抵抗５３，５４は非接続となり、第１及び第２の導線５１，５２の抵抗値は∞となる。当該抵抗値∞により、ダイナミックブレーキ機構４０の制動トルクは発生しなくなる。これにより、膝関節部３が伸張方向に動く際には、ダイナミックブレーキが作用しないようにすることができる。
【００４４】
図１０は、第２の構成例における歩行補助装置１の制動制限部４６の配置位置を示している。第２の構成例における制動制限部４６は、上腿リンク２３に配置されている。可動導体５５は、歩行動作により生ずる遠心力に応じて、図８に示すように変位する。当該遠心力は、歩行速度及び膝関節部３の角速度に応じて（比例して）変化する。当該遠心力に応じて可動導体５５が変位することにより、相間抵抗値がＲ又はｒに変化する。これにより、歩行速度及び角速度に応じた制動トルクを発生させることができる。
【００４５】
図１１は、第２の構成例における膝関節部３の角速度Ｖａとダイナミックブレーキ機構４０の制動トルクを含む保全トルクＴｓとの関係を示している。同図において、角速度Ｖａが所定値Ａ１より小さい場合の比例定数よりも、角速度Ｖａが所定値Ａ１より大きい場合の比例定数の方が大きいことが示されている。これは、角速度Ｖａが所定値Ａ１に達した時に、上記相間抵抗値がＲからｒに切り替わるためである。これにより、転倒時等の角速度Ｖａが大きくなる状況下では、素早く当該角速度Ｖａを低下させ、衝撃を低減することができる。
【００４６】
尚、本発明は上記実施の形態に限られるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能なものである。
【符号の説明】
【００４７】
１  歩行補助装置
２  制御装置
３  膝関節部
１１  異常検出部
１２  膝角度検出部
１３  トルク制御部
２２  足首関節部
２３  上腿リンク
２４  下腿リンク
２５  足首リンク
２６  足装着部
２７  上腿固定部
２８  下腿固定部
２９  ガード部材
３０  制御ユニット
３５  上腿
３６  下腿
４０  ダイナミックブレーキ機構
４１  モータ
４２  電源
４３  ＣＰＵ
４４  トランジスタ
４５  抵抗
４６  制動制限部
５１  第１の導線
５２  第２の導線
５３  第１の相間抵抗
５４  第２の相間抵抗
５５  可動導体
５６  導体収納部
Ｌ１  下腿の長さ
Ｌ２  上腿の長さ
Ｖ  歩行速度
Ｗ  体重
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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