(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動可能な基体と、
前記基体の移動を制御する運動制御機構と、
前記基体に設けられて利用者を支持する支持部と、
前記利用者からの前記支持部に作用する作用力を検出する力センサと、
前記力センサにより検出された力検出値に従って前記運動制御機構を制御する運動制御演算装置とを備えており、
前記運動制御演算装置は、
歩行補助装置の移動抵抗である運動特性パラメータを記憶する運動特性記憶部と、
前記力センサにより検出された力検出値に基づいて前記運動特性記憶部の運動特性パラメータを調整する運動特性調整部と、
前記力センサにより検出された力検出値と前記運動特性記憶部に記憶された運動特性パラメータとに従って前記運動制御機構を制御する運動制御部とを備え、
前記運動特性調整部は、前記力センサにより検出された力検出値から変化の早い成分を検出する変動成分検出部と、前記力センサにより検出された力検出値から変化の遅い定常的な成分を検出する定常成分検出部と、前記変動成分検出部と前記定常成分検出部の出力から前記運動特性パラメータの修正の必要性を判定し必要に応じて前記運動特性記憶部の運動特性パラメータを修正する判定部とを備える
ことを特徴とする歩行補助装置。
【請求項２】
請求項１に記載の歩行補助装置において、前記運動制御機構は動力源を備える制御可能な駆動機構であることを特徴とする歩行補助装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用者の歩行を支援する歩行補助装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
歩行が困難な人の歩行を補助する歩行補助装置として、特許２８９８９６９号公報には、前進、後退、旋回動作での抵抗を任意に設定できる歩行補助装置が開示されている。この歩行補助装置は、抵抗を設定するために、ダイヤル等の設定器を備えている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
歩行補助装置を用いて歩行する時の歩きやすさは、移動抵抗などの歩行補助装置の運動特性によって変化する。歩行補助装置の効果を高めるには、使用者の脚の状態に合わせて運動特性を調整することが望ましい。この望ましい設定値は、使用者により異なり、さらに、同じ人でも使用環境や時間の経過によって変化する。
【０００４】
従来の技術では、運動特性を調整するには、ダイヤル等の設定器を用いて、本人、介護者、訓練指導者等が、手動で設定する必要があっため、設定に手間がかかるという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、使用者が調節しなくても、使用者の歩行状態に合せて運動特性が自動調節され、装置の扱いが容易な歩行補助装置を提供することにある。
【０００６】
なお、本発明のその他の目的と有利点は以下の記述から明らかにされる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の歩行補助装置は、移動可能な基体と、前記基体の移動を制御する運動制御機構と、前記基体に設けられて利用者を支持する支持部と、前記利用者からの前記支持部に作用する作用力を検出する力センサと、前記力センサにより検出された力検出値に従って前記運動制御機構を制御する運動制御演算装置とを備えており、前記運動制御演算装置は、歩行補助装置の移動抵抗である運動特性パラメータを記憶する運動特性記憶部と、前記力センサにより検出された力検出値に基づいて前記運動特性記憶部の運動特性パラメータを調整する運動特性調整部と、前記力センサにより検出された力検出値と前記運動特性記憶部に記憶された運動特性パラメータとに従って前記運動制御機構を制御する運動制御部とを備え、前記運動特性調整部は、前記力センサにより検出された力検出値から変化の早い成分を検出する変動成分検出部と、前記力センサにより検出された力検出値から変化の遅い定常的な成分を検出する定常成分検出部と、前記変動成分検出部と前記定常成分検出部の出力から前記運動特性パラメータの修正の必要性を判定し必要に応じて前記運動特性記憶部の運動特性パラメータを修正する判定部とを備えている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図を用いて説明する。
【００１０】
本発明の歩行補助装置の構造を図２に示す。歩行補助装置１は、基体２と、基体２の上に設けられて使用者を支持する支持部５とを備えている。また、歩行補助装置１は、基体２の移動を制御する運動制御機構として、基体２を床面上に移動可能に支持する左右一対の駆動車輪３ａ、３ｂと、方向が自在に回転可能な従動車輪４ａ、４ｂと、駆動車輪３ａ、３ｂを駆動する駆動手段である左右１対のモータ６ａ、６ｂと、減速機７ａ、７ｂと、駆動ベルト８ａ、８ｂとを備えている。また、歩行補助装置１は、使用者から支持部５を介して歩行補助装置１に作用する少なくとも前後方向の力を検出する力センサ９を備えている。
【００１１】
そして、歩行補助装置１の速度を検出する速度センサとして、モータ６ａ、６ｂの回転数を検出する回転数センサ１１ａ、１１ｂを備えている。歩行補助装置１の速度は、回転数センサ１１ａ、１１ｂの出力から求められる。また、力センサ９、速度センサ１１ａ、１１ｂの検出値に従ってモータ６ａ、６ｂを制御する運動制御演算装置１３とを備えている。
【００１２】
歩行補助装置１は、支持部５により使用者を支持し、力センサ９、回転数センサ１１ａ、１１ｂの検出値に従って、運動制御演算装置１３により、左右のモータ６ａ、６ｂの速度あるいはトルクを制御して駆動車輪３ａ、３ｂを駆動し、基体２の前進、後退、左右旋回の移動を制御する。これにより、使用者の歩行を補助し、使用者が容易かつ安全に歩行できるようにする。なお、回転数センサ１１ａ、１１ｂの代わりにトルクセンサを用いても同様に制御可能である。
【００１３】
ここで、左右のモータ６ａ、６ｂを同方向に制御、すなわち歩行補助装置１を左右いずれかの側面から見て車輪が同じ方向に回転する方向に制御すると、基体２の前後方向の移動を制御できる。また、左右のモータ６ａ、６ｂを逆方向または異なる速度に制御すると、基体２の左右方向の回転移動すなわち旋回動作を制御できる。
【００１４】
運動制御演算装置１３のハードウェア構成を図３に示す。力センサ９の検出値４１と、回転数センサ１１ａ、１１ｂの速度検出値４２ａ、４２ｂとが、入力部２２を通じて計算機２３に入力される。計算機２３は内蔵されたプログラムに従って、左右のモータ６ａ、６ｂに発生させる回転速度あるいはトルクを算出し、出力部２４を通じてモータ制御器２５ａ、２５ｂに速度あるいはトルクの指令値２６ａ、２６ｂを出力する。モータ制御器２５ａ、２５ｂは、指令値２６ａ、２６ｂに従って、左右のモータ６ａ、６ｂの回転速度あるいはトルクを制御する。
【００１５】
図１は本発明の歩行補助装置の制御システムの構成を示すブロック図である。なお、以下に説明する制御システムは、図２に示す運動制御演算装置１３のハードウェアおよび計算機２３の内部で実行されるソフトウェアによって実現される。ここでは、前後方向の直進運動に関する制御システムについて述べる。このため、力センサ９は、前後方向の力を検出し、トルク指令値２６ａ、２６ｂに同じ値を出力することにより左右のモータ６ａ、６ｂは、同方向に制御するものとする。
【００１６】
この制御システムは、力センサ９から得られた力検出値４１に従って、指令値２６ａ、２６ｂを生成し、モータ６ａ、６ｂに与える運動制御部３１と、運動特性パラメータ３３を記憶し、運動制御部３１に与える運動特性記憶部３２と、力センサ９の検出値４１に基づいて、運動特性記憶部３２に記憶された運動特性パラメータ３３を修正する運動特性調整部３４とを備えている。
【００１７】
運動特性パラメータ３３として、ここでは、歩行補助装置１の移動抵抗Ｄを用いる。移動抵抗Ｄとは、利用者に感じられる歩行補助装置１の見かけ上の移動抵抗の大きさを表すものであり、使用者が歩行補助装置１に加える力と、歩行補助装置１の移動速度の比に対応する。運動制御部３１は、力センサ９の検出値４１に抵抗Ｄの逆数を乗じ、その結果を目標速度とし、指令値２６ａ、２６ｂとして出力する。
【００１８】
運動特性調整部３４は、定常成分検出部５１と、変動成分検出部５２と、判定部５３とを備えている。
【００１９】
変動成分検出部５２は、力検出値４１から、変化の早い成分の大きさを検出することにより、利用者のふらつきの大きさを求めるものである。歩行者のふらつきの周波数は、主に１Ｈｚないし数Ｈｚの範囲に存在するので、遮断周波数は１Ｈｚ程度のハイパスフィルタにより、変動成分検出部５２を実現できる。
【００２０】
定常成分検出部５１は、力検出値４１から変化の遅い定常的な成分の大きさを取り出すことにより、利用者が歩行補助装置を押す力の平均的な大きさを検出するものである。定常成分検出部５１の機能を実現するには、力検出値４１からふらつきの成分を除けばよいので、遮断周波数１Ｈｚ程度のハイパスフィルタを使用すればよい。
【００２１】
判定部５３は、変動成分検出部５２と定常成分検出部５１の出力から、運動特性パラメータ３３の修正の必要性を判定し、必要に応じて運動特性記憶部３２に記憶された運動特性パラメータ３３を修正する。
【００２２】
この判定は、定常成分５４と変動成分５５の比により行なう。変動成分５５を定常成分５４で割って得た値を変動率Ｑとし、変動率Ｑを判定値Ｃと比較し、Ｑが大きい場合には、移動抵抗Ｄを増やし、Ｑが小さい場合には、Ｄを減らす。ここで判定値Ｃは、変動率Ｑの最適値であり、予め実験評価により定めておく。移動抵抗Ｄを変化させる時には、急激な変化を起こさないように、十分に長い時定数、例えば１分以上の時定数でゆっくりと変化させる。
【００２３】
次に、この制御システムの動作を図４を参照しながら説明する。
【００２４】
最初に、運動特性記憶部３２に運動特性パラメータの初期値を記憶させておく（ステップ６０）。この記憶は、計算機２３の製作時に行なわれるが、利用者がカードなどを装置に挿入することにより行なわれるようにしてもよい。
【００２５】
利用者が支持部５につかまり、支持部５を介して歩行補助装置１に力を加えると、力センサ９がその力を検出し、力検出値４１を出力する。運動制御演算装置１３は、入力部２２を通じて力検出値を入力する（ステップ６１）。運動制御部３１は、この力検出値４１に移動抵抗Ｄの逆数を掛けて、速度指令値である指令値２６ａ、２６ｂを算出し、モータ制御器２５ａ、２５ｂに与える（ステップ６２）。モータ制御器２５ａ、２５ｂは、指令値２６ａ、２６ｂに従って、モータ６ａ、６ｂを制御し、指令値２６ａ、２６ｂと同じ速度で歩行補助装置１を移動させる。これにより、利用者には、歩行補助装置１があたかも移動抵抗Ｄの大きさの移動抵抗を持っているかのように感じられる。
【００２６】
この時、移動抵抗Ｄが小さすぎると、歩行がふらつく可能性がある。一方、移動抵抗Ｄが大きすぎると、歩行に対する負荷が大きくなり、疲労が大きくなる可能性がある。歩行のふらつきは、力検出値４１の変動成分に、歩行負荷は、力検出値４１の定常成分に対応する。従って、歩きやすくするためには、変動成分と定常成分の比率を適度に保ち、また、両者を小さくすることが望まれる。
【００２７】
運動特性調整部３４は、このための自動調整機能を有する。移動抵抗Ｄが小さすぎる場合、力検出値４１から変動性分検出部で検出した変動成分５５が大きくなり、変動率Ｑが大きくなる。変動率Ｑが判定値Ｃを越えると、判定部５３は、移動抵抗Ｄを増やす。これにより、歩行のふらつきが抑制される。
【００２８】
すなわち、変動成分検出部５２に力検出値４１を入力し、変動成分検出部５２で力検出値４１から変化の早い成分の大きさを検出することにより、変動成分５５として出力する（ステップ６３）。そして、定常成分検出部５１に力検出値４１を入力し、定常成分検出部５１で力検出値４１から定常的成分の大きさを検出することにより、定常成分５４として出力する（ステップ６４）。さらに、判定部５３に変動成分５５および定常成分５４を入力し、変動成分５５を定常成分５４で割って変動率Ｑを算出し、この変動率Ｑと判定値Ｃとを比較して移動抵抗Ｄの制御値３５を記憶部３２へ出力する（ステップ６５）。移動抵抗Ｄが大き過ぎる場合、力検出値４１から検出した定常成分５４が大きくなり、変動率Ｑが小さくなるように修正値３５を出力する。また、変動率Ｑが判定値Ｃより小さくなると、判定部５３は移動抵抗Ｄを減らすように修正値３５を出力する。これにより、歩行負荷が減る。
【００２９】
上記により、移動抵抗Ｄが利用者の歩行の状態により変化し、利用者が歩きやすい状態に常に自動的に調整される。そして、利用者が運転終了のスイッチを押すなどの運転終了状態を判定する（ステップ６７）。
【００３０】
なお、上記では、定常成分５４と変動成分５５の比である変動率Ｑに基づいて、移動抵抗Ｄを変化させたが、他の指標を用いてもよい。例えば、定常成分５４と変動成分５５は、どちらも歩行のストレスに関係するので、両者の線形和や２乗和などを歩行ストレスの指標として用い、それの値を最小化するように移動抵抗Ｄを変化させてもよい。
【００３１】
また、運動特性パラメータ３３として、移動抵抗Ｄを用いたが、慣性などの他の特性値を用いてもよい。その場合も同様の方法で調整することができる。
【００３２】
また、ここでは、前後方向の直進運動に関する制御システムについて述べたが、同様の方法により、左右旋回方向に対する制御を行なうこともできる。この場合、力センサ９により左右旋回方向の力、すなわちトルクを検出し、トルク指令値２６ａ、２６ｂに逆符号あるいは異なる値を出力することにより左右のモータに６ａ、６ｂを逆向きにあるいは異なる速度で制御して旋回を制御する。また、前後方向の制御と旋回の制御を組み合わせることもできる。
【００３３】
また、上記では、力検出値４１の定常成分５４と変動成分５５を用いて、運動特性パラメータ３３の調整を行なう例を示したが、力検出値４１の代わりに、回転数センサ１１ａ、１１ｂを用いて歩行補助装置１の移動速度を求め、移動速度の定常成分と変動成分から運動特性パラメータ３３を調整するようにしてもよい。
【００３４】
また、上記では、運動制御機構として、モータ６ａ、６ｂを用いたが、その代わりに、パウダーブレーキ、電気粘性流体などの、制御信号により制動力を変化させられる制動機構を用いることもできる。その場合は、速度を減らす向きのトルクしか発生できないので、制御範囲は限られるが、安価にシステムを構成することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、使用者が調節しなくても、使用者の歩行状態に合せて運動特性が自動調節され、装置の扱いが容易になる歩行補助装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の歩行補助装置の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の歩行補助装置の構造を示す側面図および正面図である。
【図３】本発明の歩行補助装置の制御システムのハードウェア構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の歩行補助装置の制御システムの制御のフローチャート図である。
【符号の説明】
１…歩行補助装置、２…基体、５…支持部、６ａ、６ｂ…モータ、９…力センサ、１１ａ、１１ｂ…回転数センサ、１３…運動制御演算装置、２５ａ、２５ｂ…モータ制御器、２６ａ、２６ｂ…指令値、３１…運動制御部、３２…運動特性記憶部、３３…運動特性パラメータ、３４…運動特性調整部、４１…力検出値、４２ａ、４２ｂ…速度検出値、５１…定常成分検出部、５２…変動成分検出部、５３…判定部、５４…定常成分、５５…変動成分。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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