(57)【要約】  一実施形態による補助装置は、下肢の関節の動作を補助し、駆動部と、弾性部と、クランク機構とを備える。前記駆動部は、モータと、該モータの速度を変化させる変速機構とを含み、前記モータの回転運動を直線運動に変換する。前記弾性部は、変速機構とクランク機構との間で直列に設けられた直列ばねと、駆動部と足関節部との間に設けられる第１並列ばねと、足関節部と足部との間に設けられる第２並列ばねを少なくとも含み、圧縮により、足部を介した対象物からの衝撃を緩和するとともにその衝撃力または自重力を蓄積し、蓄積したエネルギーを伸長により解放して動作補助のための付勢を与える。前記クランク機構は、前記駆動部と足部との間に設けられ、足関節角度に応じて減速係数を変化させながら前記直線運動を回転運動に変換して足部に伝える。
2019177022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下肢の関節の動作を補助する補助装置であって、
モータと、該モータの速度を変化させる変速機構とを含み、前記モータの回転運動を直線運動に変換する駆動部と、
圧縮により、足部を介した対象物からの衝撃を緩和するとともに、その衝撃力または自重力を蓄積し、蓄積したエネルギーを伸長により解放して動作補助のための付勢を与える弾性部と、
前記駆動部と足部との間に設けられ、足関節角度に応じて減速係数を変化させながら前記直線運動を回転運動に変換して足部に伝えるクランク機構と、
を備える補助装置。
【請求項２】
歩行周期内での使用者の移動状況を推定し、推定した移動状況に応じて前記駆動部を制御することにより、前記モータのトルクを調整する制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の補助装置。
【請求項３】
当該補助装置と対象物との関係を検知して信号を出力するセンサをさらに備え、
前記制御部は、前記センサからの信号を分析して前記移動状況を推定する、
ことを特徴とする請求項２に記載の補助装置。
【請求項４】
前記回転運動を足部に伝えて底屈または背屈をもたらす可動部と、
前記駆動部の運動を制動する制動部と、をさらに備え、
前記センサは、
角速度と加速度とを検出する第１センサと、
前記可動部の回転角度を検出する第２センサと、
前記対象物からの反発力を検出する第３センサと、
を含み、
前記制御部は、前記第１乃至第３センサからの信号に基づいて前記制動部を制御する、
ことを特徴とする請求項３に記載の補助装置。
【請求項５】
当該補助装置と前記対象物との関係は位置関係を含み、
前記制御部は、前記第３センサの信号から前記可動部が前記対象物に接している第１相にあるか、前記可動部が前記対象物から離隔した第２相にあるかを推定し、前記可動部が前記第２相にあると推定した場合であって、前記第２センサからの信号により前記回転角度が０°になると前記制動部の制動をオンとし、前記可動部が前記第１相にあると推定した場合であって、前記第１乃至第３センサからの信号を処理して得られた第１乃至第３の値が所定の基準値を上回る場合に前記制動部の制動をオフとする、
ことを特徴とする請求項４に記載の補助装置。
【請求項６】
前記制動部は、前記モータの回転軸の両端の少なくとも一端に取り付けられたブレーキを含む
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の補助装置。
【請求項７】
前記制動部は、前記モータヘの電流供給と前記モータの短絡とを切り替える切替部を含み、前記モータの短絡により回転エネルギーを電気エネルギーに変換することにより前記モータの回転速度を低下させる
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の補助装置。
【請求項８】
前記弾性部は、
前記変速機構と前記クランク機構との間に設けられた第１の弾性部材と、
前記駆動部と足部との間で前記クランク機構と並行に設けられた第２の弾性部材と、
の少なくともいずれかを含む
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の補助装置。
【請求項９】
前記クランク機構に接続されて前記クランク機構による回転運動を足部に伝達する足関節部をさらに備え、
前記第２の弾性部材は、前記駆動部と前記足関節部との間に設けられる第１並列ばねと、前記足関節部と前記足部との間に設けられる第２並列ばねとの少なくともいずれかを含む
ことを特徴とする請求項８に記載の補助装置。
【請求項１０】
能動式と受動式の２つのモードを有する義足であって、前記制動部を備えることによって、使用途中でバッテリが切れた場合に、能動式から受動式へのモード切替により、常時での使用を可能にする、極めて実用性に優れたハイブリッド義足を含む請求項４乃至９のいずれか一項に記載の補助装置。
【請求項１１】
下肢の関節動作を補助する補助装置の制御方法であって、
前記補助装置は、
モータと、該モータの速度を変化させる変速機構とを含み、前記モータの回転運動を直線運動に変換する駆動部と、
圧縮により、足部を介した対象物からの衝撃を緩和するとともに、その衝撃力を蓄積し、蓄積したエネルギーを伸長により解放して動作補助のための付勢を与える弾性部と、
前記駆動部と足部との間に設けられ、足関節角度に応じて減速係数を変化させながら前記直線運動を回転運動に変換して足部に伝えるクランク機構と、
を備え、
歩行周期内での使用者の移動状況を推定し、推定した移動状況に応じて前記駆動部を制御することにより、前記モータのトルクを調整する他、前記弾性部による、エネルギーの蓄積と放出により歩行をアシストできる
ことを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、補助装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
四肢の関節動作を補助する補助装置には、従来から、主として受動式と、電子制御式と、能動式の３タイプの駆動方式が採用されている。このうち、能動式は、モータ等の駆動手段を用いて肘、膝、足首関節の伸展屈曲角度を制御し、これにより、把持や歩行などの動作における関節の動きを補助するものである。【０００３】
しかしながら、従来の能動式補助装置では、末端の関節に高い駆動トルクを得るために大きなモータを常時動作させる必要があり、エネルギー効率に劣るため、容量の大きなバッテリを必要とし、この点からも装置自体が大きく重くなる傾向にあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１６／０１５８０２９号明細書
【特許文献２】韓国特許出願公開第１０−２００８−００７５４６５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、エネルギー効率に優れた補助装置およびその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る一実施形態に従った補助装置は、下肢の関節の動作を補助する補助装置であって、モータと、該モータの速度を変化させる変速機構とを含み、前記モータの回転運動を直線運動に変換する駆動部と、圧縮により、足部を介した対象物からの衝撃を緩和するとともに、その衝撃力または自重力を蓄積し、蓄積したエネルギーを伸長により解放して動作補助のための付勢を与える弾性部と、前記駆動部と足部との間に設けられ、足関節角度に応じて減速係数を変化させながら前記直線運動を回転運動に変換して足部に伝えるクランク機構と、を備える。【０００７】
本発明に係る一実施形態に従った補助装置によれば、駆動部と足部との間に設けられ、足関節角度に応じて減速係数を変化させながら前記直線運動を回転運動に変換して足部に伝えるクランク機構を備えるので、人の足部関節の角度とトルク関係特性を機械的に実現でき、電気的にエネルギー消費を抑制することで、装置の小型化と軽量化を通じてエネルギー効率に優れた補助装置を提供することができる。【０００８】
また、本発明に係る他の実施形態に従った補助装置の制御方法は、下肢の関節動作を補助する補助装置の制御方法であって、前記補助装置は、モータと、該モータの速度を変化させる変速機構とを含み、前記モータの回転運動を直線運動に変換する駆動部と、圧縮により、足部を介した対象物からの衝撃を緩和するとともに、その衝撃力を蓄積し、蓄積した衝撃力を伸長により解放して動作補助のための付勢を与える弾性部と、前記駆動部と足部との間に設けられ、足関節角度に応じて減速係数を変化させながら前記直線運動を回転運動に変換して足部に伝えるクランク機構と、を備え、歩行周期内での使用者の移動状況を推定し、推定した移動状況に応じて前記駆動部を制御することにより、前記モータのトルクを調整する。【０００９】
本発明に係る一実施形態に従った補助装置の制御方法によれば、歩行周期内での使用者の移動状況を推定し、推定した移動状況関係に応じて前記駆動部を制御することにより、前記モータのトルクを調整するので、優れたエネルギー効率で補助装置を制御する他、前記弾性部による、エネルギーの蓄積と放出により歩行をアシストすることができる。【００１０】
なお、本明細書において、「補助」は代替を含む概念であり、義手や義足のように欠損した四肢の一部を代替するためとして装置のみならず、パワースーツなどのように関節の動きを補助する装置にも適用される。また、「足関節」の用語は、足首関節のみならず、膝関節や股関節などをも含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】人の歩行周期を示す概略図である。
【図２】足関節角度と底屈・背屈との関係を示す図である。
【図３】歩行動作における足関節角度と足関節のトルクとの関係を示すグラフの一例である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態による補助装置の主要構成を示すブロック図の一例である。
【図５Ａ】本発明に係る第１の実施の形態による補助装置の具体的構成を示す斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示す補助装置からフレームを取り外した状態の具体的構成を示す斜視図の一例である。
【図６Ａ】図５ＡのＡ―Ａ切断線による断面図である。
【図６Ｂ】図５Ａに示す補助装置からフレームを取り外した状態の具体的構成を示す正面図の一例である。
【図７Ａ】図５ＡのＢ―Ｂ切断線による断面図である。
【図７Ｂ】図７Ａの構成からフレームを取り外した状態の構成を示す断面図である。
【図８Ａ】図５Ａに示す補助装置からフレームを取り外した状態の具体的構成を示す左側面図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示す補助装置から一部の構成を取り外した状態の左側面図である。
【図９】本発明に係る第１の実施の形態による補助装置の動作の説明図である。
【図１０】図９の説明を補充するためのブロック図である。
【図１１】本発明に係る第１の実施の形態による直動運動を回転運動に変換するクランク機構とその力の関係の説明図である
【図１２】減速係数の影響によるスライダクランクにおける減速比のグラフの一例を示す図である。
【図１３】足関節角度とモータによる足関節部へのトルクとの関係を示すグラフの一例である。
【図１４】第１の実施の形態による補助装置の試作品を装着して歩行した第１の被験者の様子を示す写真である。
【図１５】第１の実施の形態による補助装置の試作品を装着して歩行した第２の被験者の様子を示す写真である。
【図１６】図１４の被験者の実験において足関節角度が４．５°近辺の底屈を行った結果とモータ電流を示すグラフの一例である。
【図１７】図１５の被験者の実験において足関節角度が５．５°近辺の底屈を行った結果とモータ電流を示すグラフの一例である。
【図１８】立脚相におけるモータ角度の、図１４の被験者の実験における変化を示す図である。
【図１９】立脚相におけるモータ角度の、図１５の被験者の実験における変化を示す図である。
【図２０】図１４の被験者の実験においてモータおよびばねが寄与する足関節部トルクを示すグラフの一例である。
【図２１】図１５の被験者の実験においてモータおよびばねが寄与する足関節部トルクを示すグラフの一例である。
【図２２】図１４の被験者の最初の実験において変速係数Ｋがある場合とない場合との相違における、モータが寄与する足関節部トルクを示すグラフの一例である。
【図２３】図１４の被験者の実験において、１歩行サイクルにおけるトルクと角度との関係を示す。
【図２４】図１５の被験者の実験において、１歩行サイクルにおけるトルクと角度との関係を示す。
【図２５】第１の実施の形態の一変形例による補助装置の主要構成を示すブロック図の一例である。
【図２６】本発明に係る第２の実施の形態による補助装置の主要構成を示す正面図の一例である。
【図２７】図２６に示す補助装置が備える経路切替部のより具体的な構成を示す回路図である。
【図２８】図２６に示す補助装置が備える経路切替部のより具体的な構成を示す回路図である。
【図２９】本発明に係る第３の実施の形態による補助装置の主要構成を示すブロック図の一例である。
【図３０】本発明に係る第３の実施の形態による補助装置の一変形例を示すブロック図の一例である。
【図３１Ａ】弾性部の有無による特性の相違を比較するために行った一実験例の結果を示すグラフの一例である。
【図３１Ｂ】弾性部の有無による特性の相違を比較するために行った一実験例の結果を示すグラフの他の一例である。
【図３２Ａ】ブレーキの有無による特性の相違を比較するために行った一実験例の結果を示すグラフの一例である。
【図３２Ｂ】ブレーキの有無による特性の相違を比較するために行った一実験例の結果を示すグラフの他の一例である。
【図３２Ｃ】ブレーキの有無による特性の相違を比較するために行った一実験例の結果を示すグラフの他の一例である。
【図３３Ａ】本発明に係る補助装置の実施形態を利用したパワースーツの一例を示す略示側面図の一例である。
【図３３Ｂ】本発明に係る補助装置の実施形態を利用したパワースーツの一例を示す略示背面図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。添付の図面は、それぞれ発明の説明とその理解を促すためのものであり、各図における形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所がある点に留意されたい。
【００１３】
また、説明中の上下等の方向を示す用語は、後述するソケットが足部よりも上方に位置するように配置した場合の相対的な方向を指し示す。そのため、重力加速度方向を基準とした現実の方向と異なる場合がある。
【００１４】
以下では、本発明に係る補助装置を義足に適用した場合を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限ることなく、義足以外の膝継手、足以外の四肢、例えば、上肢に装着する義手、その他パワースーツ等に適用することも可能である。
【００１５】
（１）第１実施形態
図１は、人の歩行周期を示す概略図である。同図に示すように、人の歩行周期は、立脚相と遊脚相で構成される。立脚相とは歩行中に足裏の少なくとも一部が地面または床面に着いて体重の少なくとも一部が印加されている期間をいう。また、遊脚相とは、歩行中に足のつま先が地面または床面を離れてから踵が次に接地するまでの期間、すなわち、足が地面または床面から離れて振られている期間をいう。なお、床面は水平なものに限らず、高さが変化する、例えば階段のステップなどを含む。本明細書において、地面または床面は、例えば「対象物」に対応する。
【００１６】
図１の立脚相に示すように、人の歩行動作において、まず、踵を地面または床面に接地した（１）後に、体重が踵から足先へと前方へ移動し（２）、次いでつま先から地面または床面を蹴り出し（３）、ついには足全体が地面または床面から離れる（４）。
【００１７】
図２は、足関節角度と背屈・底屈との関係を示す図である。垂直方向、すなわち、平坦な地面または床面から９０°の方向を基準に取り、この基準の方向よりも足先を足底（足の裏）の方へ曲げることを底屈といい、足背（足の甲）の方へ曲げることを背屈という。底屈においては足の方向が地面または床面との間でなす角度が９０°未満となり、背屈においては足の方向が地面または床面との間でなす角度は９０°を上回る（図１参照）。
【００１８】
図３は、歩行動作における足関節角度と足関節のトルクとの関係を示すグラフの一例である。ここでは、歩行する地面または床面と垂直（すなわち地面または床面との間で９０°の角度をなす）場合に足関節角度を０°（ニュートラル）と定義する。したがって、足関節角度が正の値をとる場合は背屈、負の値をとる場合は底屈となる。図３に示すように、踵接地（１）から足裏平坦（２）までは足関節トルクがほぼ０であるが、背屈による体重の前方移動に伴って（（２）〜（３））足関節トルクの値（絶対値）が増大し、地面または床面を蹴り出した（３）後は底屈により足関節角度が増大し、足関節トルクの値（絶対値）は減少する。
【００１９】
人は、足のつま先が地面または床面から離れる直前に足部で地面を蹴ることによって前進する。この動作はプッシュオフ（ｐｕｓｈ  ｏｆｆ）と呼ばれ、図３に示すように、プッシュオフの際には大きなエネルギーが要求される。
【００２０】
図４は、本発明に係る第１の実施の形態による補助装置の主要構成を示すブロック図の一例である。本実施形態による補助装置１は、モータ１０と、変速機構１６と、弾性部１８と、スライダクランク２０と、足関節部２４とを備える。スライダクランク２０は、ロッド２２とクランク２１とを含む。ロッド２２の一端は、駆動部のシリンダ９０（図７Ａ参照）の先端に連結され、ロッド２２の他端はクランク２１の一端に連結される。シリンダ９０は、ボールナット７２、底屈ばね１８１および背屈ばね１８２を収容する（図７Ａ参照）。シリンダ９０は、その蓋９２とともに直動運動ユニットを構成する。クランク２１の他端は足関節部２４の回転軸（不図示）に連結される。直動運動ユニットの直線（摺動）運動によりロッド２２の直動運動ユニット側とは反対側の他端がクランク２１との連結により周回運動を行う。これにより、足関節部２４の回転軸（不図示）を中心にしてクランク２１が回転し、その結果、足部３００の背屈・底屈動作が行われる。補助装置１の両端部のうち、モータ１０側の端部は図示しないソケットまたは膝義足に結合される。
【００２１】
モータ１０は、バッテリ６０（図８Ａ参照）に接続されて回転運動を行う。モータ１０は変速機構１６を介してボールねじ７０（図６参照）に接続され、これにより、モータ１０の回転運動が直進運動に変換される。ボールねじ７０のボールナット７２を収容するシリンダ９０はスライダクランク２０に接続され、その直進運動が回転運動に変換される。
【００２２】
足関節部２４は、スライダクランク２０のクランク２１に接続され、これにより、スライダクランク２０の回転運動が足関節部２４に伝達されて足部３００による装着者の前進が実現される。足関節部２４は、本実施形態において例えば「可動部」に対応する。
【００２３】
弾性部１８は、ソケット（不図示）とスライダクランク２０との間に配設され、足部３００が地面または床面に着地する際の衝撃を緩和するとともに、その衝撃力を蓄積し、足部３００が地面または床面を蹴り出す時に、蓄積した衝撃力を解放して足部３００に付勢を与える。
【００２４】
センサＳＲ１〜ＳＲ３は、慣性計測センサＳＲ１、角度センサＳＲ２、および力センサＳＲ３を含む。慣性計測センサＳＲ１は、補助装置１の角速度および加速度を検出することにより補助装置１の進行速度を検出する。角度センサＳＲ２は、足部３００の足関節角度を検出する。力センサＳＲ３は、装着者が足部３００へ印加する体重による地面または床面からの力（反発力）の大きさを検出するほか、足部３００のＹ軸モーメントを検出することにより、足部３００の裏面の回転（ねじれ）を検出する。センサＳＲ１〜ＳＲ３は、コントローラ５０に接続され、各々の検出信号をコントローラ５０へ送る。
【００２５】
コントローラ５０は、モータ１０、変速機構１６およびブレーキ３０に接続され、センサＳＲ１〜ＳＲ３から送られた検出信号を処理して足部３００が歩行周期、すなわち、立脚相および遊脚相中のいずれの位置にあるかを推定する。
【００２６】
ブレーキ３０は、コントローラ５０から送られる制御信号に従い、摩擦力によりモータ１０の回転の制動を行う。本実施形態において、コントローラ５０は例えば「制御部」に対応し、ブレーキ３０は例えば「制動部」に対応する。
【００２７】
さらに、モータ１０は、コントローラ５０から送られる制御信号に従い、作動、停止または回転速度の変更などを行い、従って、モータから伝達された減速機構の回転速度の調整を行う。
【００２８】
（具体的構成）
次に、本実施形態の補助装置１のより具体的な構成について図５Ａ乃至図８Ｂを参照しながら説明する。
【００２９】
図５Ａは補助装置１の斜視図の一例、図５Ｂは、図５Ａに示す補助装置からフレームを取り外した状態の具体的構成を示す斜視図の一例、図６Ａは図５ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図、図６Ｂは図５Ａに示す補助装置からフレームを取り外した状態の具体的構成を示す正面図の一例、図７Ａは図５ＡのＢ−Ｂ線に沿った断面図、図７Ｂは図７Ａの構成からフレームを取り外した状態の構成を示す断面図である。また、図８Ａは、図５Ａに示す補助装置からフレームを取り外した状態の具体的構成を示す左側面図、図８Ｂは、図８Ａに示す補助装置から一部の構成を取り外した状態の左側面図である。なお、図８Ａにおいては、制御基板が視認できるよう、仮想的に開口が設けられている。
【００３０】
図５Ａ乃至図８Ｂに示すように、補助装置１は、その頂部に設けられたピラミッドコネクタにより図示しないソケットに連結可能で、また、その底部に設けられた足関節部２４により足部３００に連結可能に構成されて、これにより義足を構成できるようになっている。フレーム２１０は、ピラミッドコネクタの一部からボールねじ支持プレート２７０（図８Ａ，８Ｂ参照）の一部までを覆うように配設され、これにより、補助装置１の要部を外部との接触・衝突から保護している。
【００３１】
補助装置１の具体的構成は以下の通りである。
【００３２】
すなわち、補助装置１は、モータ１０と、変速機構１６と、ボールねじ７０と、スライダクランク２０と、足関節部２４と、ブレーキ３０と、コントローラ５０と、ＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｕｎｉｔ）センサ５０１と、アブソリュートエンコーダ５０２と、力センサＳＲ３とを備える。
【００３３】
ＩＭＵセンサ５０１は、慣性計測センサＳＲ１の一具体例であり、本実施形態においては、コントローラ５０において制御基板ＣＳ上に内蔵され、補助装置１の角速度および加速度を検出することにより補助装置１の進行速度を検出する。
【００３４】
アブソリュートエンコーダ５０２は、角度センサＳＲ２の一具体例であり、足関節部２４に取り付けられて足部３００の足関節角度を検出する。
【００３５】
力センサＳＲ３は、補助装置１の上部に取り付けられ、義足の装着者が足部３００へ印加する体重による地面または床面からの反発力の大きさを検出する。力センサＳＲ３はまた、足部３００のＹ軸モーメントを検出することにより、足部３００の裏面の回転（ねじれ）を検出する。
【００３６】
モータ１０は、バッテリ６０からの給電により駆動され、変速機構１６を介してボールねじ７０を正逆方向に回転させる。なお、補助装置自体にバッテリを内蔵する必要はなく、例えば商用電源を用いて外部からの給電によりモータ１０を駆動することも可能である。ボールねじ７０は、図７に示すように、ボールねじ固定プレート２７４とボールねじ支持プレート２７０により上下から固定される。本実施形態において、モータ１０、変速機構１６、およびボールねじ７０は、例えば「駆動部」に対応する。
【００３７】
ブレーキ３０は、本実施形態においては図７に示すように、モータ１０の回転軸の上端（ソケット側）に取り付けられ、コントローラ５０からの指令信号を受けてオンとなることにより機械的摩擦力でモータ１０の動作を遅くする。ブレーキ３０は、本実施形態において例えば「制動部」に対応する。
【００３８】
ボールナット７２は、ボールねじ７０の回転に応じて直線方向、図7において上下方向に往復運動する構成となっている。
【００３９】
弾性部１８は、ボールナット７２に対応する位置を介して上下に配設された２本のばね、すなわち、底屈ばね１８１および背屈ばね１８２で構成される。
【００４０】
リニアガイドＬＧは、図８Ａ，８Ｂに示すように、直動部７３と固定部７４を含み、弾性部１８は、固定部７４を介して直動部７３に連結され一体として移動するように構成される。
【００４１】
スライダクランク２０は、直線運動ユニットの直線運動を回転運動に変換して足関節部２４を回転させる。
【００４２】
（動作）
次いで、本実施形態の補助装置１の動作について図９乃至図１３を参照しながら説明する。
【００４３】
図９は、本発明に係る第１の実施の形態による補助装置の動作の説明図である。紙面下側のグラフは、足関節角度と歩行周期との関係を示し、横軸は、立脚相Ａと遊脚相Ｂから構成され、足部３００の着地準備からの経過時間を表し、縦軸は足関節部２４の足関節角度を表す。図３に関連して既述したように、足関節角度の０°は、駆動部によるボールねじ７０の直進運動の方向が地面または床面と９０°をなす場合を示し、この状態がニュートラル状態と定義される。本実施形態において立脚相Ａは例えば「第１相」に対応し、遊脚相Ｂは例えば「第２相」に対応する。
【００４４】
立脚相Ａは、歩行段階に応じて立脚相Ａ１から立脚相Ａ４に区分される。立脚相Ａ１は、着地準備から着地までの、ニュートラル状態から底屈に至る段階を示し、立脚相Ａ２は、着地後に足部３００の後端（踵部分）から先端（つま先部分）へ向けて装着者が体重移動を始めて足部３００の裏面全体が地面Ｇに接触するまでの、底屈からほぼニュートラルの状態に至るまでの段階を示す。また、立脚相Ａ３は、ほぼニュートラルの状態から背屈に移行して足関節角度が増加していく段階を示し、立脚相Ａ４は、足関節角度が最大となって足部３００が地面Ｇを蹴り出し（ｐｕｓｈ  ｏｆｆ）た後に足関節角度が急激に減少してついには足部３００の全体が地面Ｇから離隔するまでの段階を示す。
【００４５】
図１０は、水平歩行の制御フローの概略図の一例である。Ｐ４〜Ｐ１が立脚相Ａ１に対応し、Ｐ１〜Ｐ２が立脚相Ａ２に対応し、Ｐ２〜Ｐ３が立脚相Ａ３に対応し、Ｐ３〜Ｐ４が立脚相Ａ４に対応している。
【００４６】
コントローラ５０は、アブソリュートエンコーダ５０２、ＩＭＵセンサ５０１および力センサＳＲ３から送られる検出信号を処理することにより足部３００がどの歩行段階にあるかを推定し、ブレーキ３０のオン・オフを行う。
【００４７】
まず、力センサＳＲ３からの検出信号を処理することにより足部３００が立脚相Ａにあるか遊脚相Ｂにあるかを推定する。この推定は本実施形態において例えば「第１段階」に対応する。足部３００が遊脚相Ｂにある（図１０のＰ４参照）と推定できる場合、アブソリュートエンコーダ５０２からの検出信号により足関節角度が０°になると、コントローラ５０は、装着者が着地準備に入ったものと推定してブレーキ３０に指令信号を送りブレーキ３０をオンにする。これにより、ブレーキ３０の保持力でモータ１０は動作しない。足部３００の踵部分が接地してからはブレーキの保持力により、ボールねじ７０のボールナット７２は動かず、装着者の体重印加により底屈ばね１８１が圧縮して重力のエネルギーがばねに蓄積される。これにより、立脚相Ａ１の底屈角度が実現される（図１０のＰ１参照）。立脚相Ａ２に入ると底屈ばね１８１が解放されて伸長し、足関節角度はニュートラル状態（０°）に戻る。立脚相Ａ３においても、ブレーキの保持力によりボールナット７２は動かないが前方への体重移動に伴って背屈ばね１８２が圧縮して重力のエネルギーがばね１８２に蓄積される。これにより、立脚相Ａ３の背屈角度が実現される（図１０のＰ２参照）。
【００４８】
コントローラ５０は、アブソリュートエンコーダ５０２、ＩＭＵセンサ５０１および力センサＳＲ３から送られる検出信号の処理により足部３００が立脚相Ａ３のどの段階にあるかを推定する。より具体的には、力センサＳＲ３からのＦｚ（Ｆの垂直方向成分）の値と、Ｍｙ（Ｙ軸方向のモーメント）の値と、アブソリュートエンコーダ５０２からの足関節角度の値とを、それぞれの第１基準値と比較し、３つの値の全てが第１基準値を超えた場合に足部３００が立脚相Ａ３の後半にあるものと推定する。引き続いて、コントローラ５０は、ＩＭＵセンサ５０１からの加速度の値を監視することにより足部３００が前進していることを判定した上で、力センサSR３のＦｚの値から装着者が大きく体重を印加しているか、アブソリュートエンコーダ５０２の足関節角度の値から背屈角度が最大になっているかどうかを監視し、それぞれが第２基準値を超えた時点で足部３００が立脚相Ａ４に入ったものと推定し、ブレーキ３０に指令信号を送りブレーキ３０をオフにする。これにより、モータ１０が本来の回転力を回復し、変速機構１６、ボールねじ７０、およびスライダクランク２０を介して足関節部２４により大きな反発力が発生し、底屈ばね１８１の解放（リリース）による伸長力と相俟って大きな付勢を受けて補助装置１が前進する（図１０のＰ３参照）。
【００４９】
このように足部３００と地面Ｇとの関係を検知してブレーキ３０のオン・オフを制御する動作は本実施形態において例えば「第２段階」に対応する。
【００５０】
その後は、最大の底屈角度を経て足部３００は遊脚相Ｂ（（図１０のＰ４参照）に入り、ニュートラル状態になった後、コントローラ５０からの指令信号により再びブレーキオンとなる。本実施形態によれば、小さなモータでも蹴り出しの際大きなパワーを出力することが可能となり、エネルギー効率が向上する。
【００５１】
本実施形態による補助装置１の減速比について言及すると、スライダクランク２０による減速比は下記式のとおりになっている。
2019177022.tif 000003
【００５２】
ここで、Ｎｍは変速機構１６におけるモータ１０側のプーリの歯数、Ｎｂは変速機構１６におけるボールねじ７０側のプーリの歯数、Ｌｂはボールねじ７０のリード長、Ｒは足関節部２４のアーム長、Ｋはスライダクランク２０による減速係数である。
【００５３】
スライダクランクの減速係数Ｋは、下記のように表される。
2019177022.tif 000004
【００５４】
ここで、図１１に示すように、αは足関節部２４のアームと垂直方向との角度、βは垂直方向とロッド２２との角度である。なお、図１１において、“ＦＳＥＡ”は駆動部からの直線運動の力、“Ｌ”はスライダクランク２０のロッド２２の長さ、“Ｒ”は足関節部２４のアームの長さ、“Ｄ”は足関節部２４の中心からのオフセットである。減速係数Ｋの影響によるスライダクランクにおける減速比の変化は図１２のグラフのようになる。スライダクランクの減速係数Ｋがあるため、減速比は足関節角度に応じて増加するが、Kがない場合、減速比は、足関節角度と関係なく一定である。モータのトルクに減速比をかけると、モータによる関節部トルクを計算できる。
【００５５】
図１３は、足関節角度とモータによる足関節部へのトルクとの関係を示すグラフの一例である。同図において、横軸は足関節部２４の足関節角度を表し、縦軸は、１アンペアのモータ電流あたりの足関節部トルクを表す。図１３に示すように、グラフはなだらかなカーブを描いており、理想的な角度トルクに近いものが得られる。このことからも本実施形態の補助装置１によれば、図３における最大背屈に至るトルクも小さな電流で出力できることがわかる。
【００５６】
このように、本実施形態に従った補助装置によれば、ばねによる自重エネルギーを蓄積して、必要な際、モータの出力と共に、そのエネルギーをリリースするので、小さな駆動部でも大きなパワーを出力することが可能となり、エネルギー効率が向上する。また、人間に近い関節部の角度とトルクとの関係を機械的に実現でき、モータから必要なトルクを減少することができるため、補助装置自体の小型化と軽量化が可能となる。
【００５７】
（実験結果）
本実施形態１に係る補助装置１の試作品を使用して得られた実験結果について以下に説明する。
【００５８】
図１４および１５は、切断部位が異なる二人の下肢切断者Ｓ１，Ｓ２が補助装置１の試作品を装着してトレッドミルで歩行した際の様子を示す写真である。下肢切断者Ｓ１，Ｓ２は、それぞれ年齢２５歳，３０歳、身長１８０ｃｍ，１７０ｃｍ、体重６０ｋｇ，６３ｋｇの男性で、時速４．５Ｋｍおよび４Ｋｍでトレッドミルを歩き、センサにて測定した。図１６および図１７は、着地後に足と地面との接触面積を増やすために足関節角度それぞれ４．５°および５．５°近辺の底屈を行った結果を示すグラフの例である。モータはニュートラルの位置を確保するためモータの角度はほぼ０°で、４．５°と５．５°近辺の底屈が底屈ばねの自重による屈曲で制御され、踵接地の際の衝撃吸収に役立った。最初の底屈の後にばねが解放されて足関節角度がニュートラルになるまで背屈を始める。足部は、８°および１２°の最大背屈まで底屈ばねの自重による屈曲で背屈される。最大背屈の後、底屈ばねが解放されてニュートラル位置へ戻る。このプロセスにおいてモータの角度は依然としてほぼ０°である。ニュートラル位置まで足部が２回目の底屈を行うと、モータは足部のプッシュオフのために使用され、足関節角度は最大の底屈となり、モータの角度も最大になる。最大の底屈の後の位置制御により足関節角度はニュートラル位置に戻る。
【００５９】
図１８および図１９は、立脚相Ａ１乃至Ａ３の間でモータ電流が非常に小さく、立脚相Ａ４での最大底屈においてモータ電流がピークになることを示す。
【００６０】
図２０および図２１は、モータ、ばねが寄与する足関節トルクと合計の足関節部トルクとを被験者Ｓ１，Ｓ２のそれぞれについて示す例である。各被験者Ｓ１，Ｓ２の体重に大きな違いが無いにも関わらず、ばねのトルクが異なるために足関節部の最大トルクは全く異なる。各実験において最大背屈はそれぞれ約８°および約１２°であるため、ばねのトルクは全く異なる。モータが与える足関節部トルクは、図２２に示す減速係数Ｋのために異なる。付勢された底屈においてより大きなトルクが得られ、このことは、従来の機構と比較して、必要なモータトルクを低減するためこの機構による可変減速比が優れていることを指し示している。図２３および図２４は、それぞれ、被験者Ｓ１，Ｓ２の実験において１歩行サイクルにおけるトルクと角度との関係を示す。立脚相Ａ３で底屈ばねが被験者の体重で圧縮してエネルギーがばねに蓄積され、最大背屈の後に解放（リリース）されて最大背屈での底屈ばねにより足関節部のトルクが与えられる点に留意されたい。このことは、背屈ばねにより解放されたエネルギーは、付勢された背屈においてモータから要求されるパワーを弱め、この相においけるシステムのエネルギーを蓄積することがあることを示す。試作品の反発力からプッシュオフは、被験者がより簡単に前進するための助けになり得るとの臨床的なフィードバックが得られた。
【００６１】
（変形例）
上述した実施形態では、モータ１０の回転軸の両端のうち上端（ソケット側）にブレーキ３０が取り付けられた例について説明したが、ブレーキ３０の位置はこれに限ることなく、例えば図２５に示す補助装置２のように、モータ１０の回転軸の下端（足部側）に取り付けることも可能である。補助装置２のその他の構成は上述した補助装置１と実質的に同一であり、その制御方法および動作・効果も実質的に同一であるので、反復説明は省略する。
【００６２】
（２）第２実施形態
上述した実施形態では、モータ１０の制動部としてブレーキ３０を用いて機械的摩擦力でモータ１０の回転速度を減少させたが、モータ１０の制動手段としてはこれに限ることなく、例えばモータ１０のショートによりモータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換し、これにより、モータの回転にブレーキをかける方法もある。以下、このような構成を有する補助装置の実施の一形態を取り上げて説明する。
【００６３】
図２６は、本発明に係る第２の実施の形態による補助装置３の主要な構成を示すブロック図の一例である。図４との対比により明らかなように、本実施形態の補助装置３は、第１実施形態による補助装置１の構成中、ブレーキ３０に代えて経路切替部５４を備える。経路切替部５４は、抵抗Ｒを含み、モータ１０とバッテリ６０の間に設けられるとともに、コントローラ５０に接続され、コントローラ５０から制御信号を送られてモータ１０とバッテリ６０との間で接続／非接続を切り替える。
【００６４】
図２７および２８は、経路切替部５４のより具体的な構成を示す回路図である。経路切替部５４は、切替スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、抵抗Ｒと、を含む。モータ１０の制動を行わない場合（第１実施形態におけるブレーキオフに対応）は、図２７に示すように、切替スイッチＳＷ１、ＳＷ２がモータ１０とバッテリ６０とを接続し、抵抗Ｒの両方の端子とモータ１０との接続を開放してバッテリ６０からモータ１０への給電を実現する。この一方、モータ１０の制動を行う場合（第１実施形態におけるブレーキオンに対応）は、図２８に示すように、バッテリ６０とモータ１０との接続を開放して抵抗Ｒの両方の端子とモータ１０とを接続する。これにより、モータ１０は短絡状態となり、モータ１０が発電機となって、切替時の回転エネルギーが電気エネルギーに変換され、これにより、モータ１０にブレーキがかかることになる。抵抗Ｒの値は必要な制動の度合いに応じて任意に決定することができる。経路切替部５４は、本実施形態において例えば「切替部」に対応する。本実施形態の補助装置３のその他の構成、動作および制御態様は、図４に示す補助装置１と実質的に同一であるので、重複説明は省略する。
【００６５】
上述した実施形態に従った補助装置の制御方法によれば、小さな駆動部でも大きなパワーを出力することが可能となり、エネルギー効率が向上する。また、人間に近い関節部の角度とトルクとの関係を実現でき、安全な動作が実現される。
（３）第３実施形態
図２９に、本発明に係る第３の実施の形態による補助装置の主要構成を示すブロック図の一例を示す。
上述した実施形態では、弾性部として、底屈ばね１８１および背屈ばね１８２を直列に接続するように、変速機構とクランク機構との間、例えばシリンダ９０（図７Ａ参照）内に配置し、これらのばねにより自重エネルギーを蓄積し、必要な際に、モータの出力と共に、そのエネルギーをリリースして蹴り上げを補助することとしていた。
しかしながら、このようなばねによる付勢は、より多いことが好ましい。
本実施形態に示す補助装置４は、シリンダ９０内の底屈ばね１８１および背屈ばね１８２に加え、駆動部と足部との間、例えば駆動部と足関節部との間で前記駆動部やクランク機構と並列に設けられた並列ばねをさらに備える。
より具体的には、足関節部２４を覆うように足部３００上にジョイントフレーム３１０が設けられ、このジョイントフレーム３１０の頂面と、駆動部のボールねじ７０を収容するシリンダ９０の底面との間に並列ばね２８１が装着される。本実施形態の補助装置４のその他の構成は、図４に示した補助装置１と実質的に同一である。
並列ばね２８１の材料としては、シリンダ９０内の底屈ばね１８１および背屈ばね１８２と同一でもよいし、より圧縮・反発力に優れた材料を用いてもよい。
本実施形態によれば、このような並列ばねを足部３００とシリンダ９０との間に配置することにより、歩行動作中に更なる付勢を得ることができ、より円滑かつ安全な歩行が可能になる他、並行ばねによる追加の付勢によりモータの負荷もその分減少するので、更なるエネルギー効率および装置軽量化を実現することができる。
（変形例）
図２９に示す本実施形態においては、シリンダ９０の底面とジョイントフレーム３１０の頂面との間に並列ばね２８１が装着される例を取り上げたが、並列ばねの配置位置としてはこれに限ることなく、例えばジョイントフレームと足部との間に配置してもよい。
図３０は、本実施形態の一変形例を示すブロック図の一例である。同図に示す補助装置５は、足関節部２４と足部３００との間、より具体的には、ジョイントフレーム３１２と足部３００との間に配置されスライダクランク２０と並列に装着された並列ばね２８２を備える。本変形例の補助装置５のその他の構成は、図４に示した補助装置１と実質的に同一である。
並列ばね２８２の材料についても、並列ばね２８１や底屈ばね１８１および背屈ばね１８２と同一でもよいし、より圧縮・反発力に優れた材料を用いてもよい。
このような位置に並列ばね２８２を配置することによっても、図２９に示す補助装置４と同様に、歩行動作中に更なる付勢を得ることができ、より円滑かつ安全な歩行が可能になり、並行ばねによる追加の付勢によりモータの負荷もその分減少するので、更なるエネルギー効率および装置軽量化を実現することができる。
本実形態において、並列ばね２８１，２８２は、例えば「第１並列ばね」、「第２並列ばね」にそれぞれ対応し、さらに、双方とも例えば「第２の弾性部材」に対応する。なお、シリンダ９０内の直列ばね１８１，１８２は、例えば「第１の弾性部材」に対応する。
本実施形態においては、容易な理解に資するために、第１の実施形態の構成に並列ばね２８１または２８２を追加した態様について説明したが、これに限ることなく、例えば変形例の補助装置２や実施形態２の補助装置３の構成に対しても並列ばね２８１または２８２を同様に追加することが可能である。
ここで、本発明に係る補助装置は、直列ばね１８１，１８２のみを備える場合（上述の補助装置１〜３）、並びに、直列ばね１８１，１８２および並列ばね２８１または並列ばね２８２を備える場合（本実施形態の補助装置４，５）に限ることなく、要求仕様に応じて、並列ばね２８１，２８２の一方みを備える場合でも、さらには、直列ばね１８１，１８２並びに並列ばね２８１，２８２のいずれをも有しない場合でも使用可能である点に留意されたい。
（４）比較実験
弾性部の有無、および、ブレーキの有無による特性の相違についてそれぞれ比較実験を行った。以下、図面を参照しながら説明する。
（ａ）弾性部の有無
上述した実施形態における弾性部を備える場合と、この弾性部に代えて、ばね定数が無限大であるアルミパイプを用いた場合との特性比較を、トレッドミルで３．５ｋｍ／ｈ歩行した実験により取得した。特性として、最大電流量と足関節角度を取り挙げて記録した。
図３１Ａは、ばねなどの弾性要素に代えてアルミパイプを用いた補助装置の一例による実験結果を示し、図３１Ｂは、ばね定数７６０Ｎ／ｍｍの弾性部を用いた補助装置の一例を示す。
両図の比較により明らかなように、アルミパイプからばね定数７６０Ｎ／ｍｍの弾性部へ変更することにより、弾性要素によるエネルギーの蓄積と放出の効果により、最大電流値が１３．５Ａから７Ａへと大幅に改善されたことがわかる。さらに、図３１Ｂの矢印ＡＲ１，ＡＲ２で示すように、弾性部を備える本実験例において、約５°の底屈で対象物からの衝撃が吸収され、約１１度の背屈で弾性部にエネルギーが蓄積されることがわかる。
（ｂ）ブレーキの有無本発明に係る補助装置の実施形態において、ブレーキの有無に応じた電流特性の変化を検証する一実験例の結果を図３２Ａ乃至図３２Ｃに示す。図３２Ａおよび図３２Ｂは能動モードにおけるブレーキの有無に応じた電流特性の一変化例を示し、図３２Ｃは、ブレーキがある場合の受動モードでの電流特性の一例を示す。
図３２Ａおよび図３２Ｂの対比により明らかなように、ブレーキが無い場合は、モータから保持力を引き出す必要があるため、立脚相であっても、エネルギー消費が発生する（矢印ＡＲ１１参照）。
この一方、補助装置がブレーキを備える場合は、ブレーキから保持力が得られるため、立脚相においてモータは動作しない（矢印ＡＲ１２参照）。このため、立脚相においてエネルギー消費が無く、その分だけエネルギー効率が向上するというメリットがある。
さらに、図３２Ｃに示すように、受動モードにおいても、補助装置がブレーキを備える場合は、ブレーキから得られる保持力のため、自重力による弾性部の撓みで立脚相において約５°の底屈（矢印ＡＲ２１）、約１１度の背屈（矢印ＡＲ２２）が実現した。このことは、使用途中でバッテリが切れても受動式に切り替えれば支障なく使用を継続できることを意味する。このように、能動式の義足であっても、ブレーキを備えることによって、能動式から受動式へのモード切替により、常時での使用が可能になるので、極めて実用性に優れたハイブリッド義足を含む補助装置が提供される。
（５）パワースーツ
本発明に係る補助装置の実施形態を利用したパワースーツの一例を図３３Ａおよび図３３Ｂに示す。本例のパワースーツ４００は、図４に示す実施形態による補助装置１を用いて実現したものである。パワースーツ４００は、モータ１０、ブレーキ３０、変速機構１６、弾性部１８、スライダクランク２０および足関節部２４を含む補助装置１に加え、補助装置１を覆ってこれを保護するスーツカバーＳＣと、頂面で補助装置１を支えるとともに使用者の靴を載置可能なサイズを有する足サポートＦＳと、パワースーツ４００を使用者の足首に固定するためのベルトＢＴとを備える。なお、装置構成の容易な理解のため、図３３Ａの側面図ではスーツカバーＳＣの描写を省略した。
このように、本実施例によれば、上述した実施形態の補助装置を用いるので、エネルギー効率に優れた、軽量かつ実用性の高いパワースーツが提供される。
本例では、図４に示す補助装置１を用いた例を示したが、これに限ることなく、その他のいずれの実施形態による補助装置を利用してもパワースーツを構成することが可能である。
【００６６】
以上、本発明に係る補助装置および補助方法の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限ることなく、種々改良・変形して使用することができる。例えば、上記実施形態では、本発明に係る補助装置を義足に適用した場合を例に取り上げて説明したが、本発明はこれに限ることなく、補助対象の関節動作を行うものがあれば、義足以外の例えば、義手に取り付けて使用することも可能である。その場合は、例えば壁や階段などが「対象物」に対応し、それらへの当接・押し出しを管理パラメータとして制動部のオン／オフを制御することとなる。
【００６７】
また、上記実施形態においては、ブレーキ３０や経路切替部５４などの制動部を備える場合について説明したが、本発明はこれに限ることなく、例えば制動部を備えていなくても、慣性計測センサＳＲ１、角度センサＳＲ２、および力センサＳＲ３などのセンサと、これらセンサからの検出信号を処理する制御部を備えるだけでも、対象物への可動部の接触／非接触、および接触中の移動段階を推定できるので、推定した情報を装着者にフィードバックすることにより装着者の動作を容易にすることに寄与することが十分に可能である。
さらに、制動部、上記センサおよび制御部並びに弾性部は必須の構成要件ではなく、これらの構成を備えていない場合でも、モータ、駆動部および前記駆動部と足部との間に設けられたクランク機構を備えるだけで、安全歩行、高いエネルギー効率および装置軽量化を実現することが十分に可能である点に留意されたい。
【符号の説明】
【００６８】
１，２，３，４，５…補助装置、
１０，２００…モータ、
１６…変速機構、
１８…（第１の）弾性部材、
２０…スライダクランク（クランク機構）、
２４…足関節部、
３０…ブレーキ、
５０…コントローラ、
５４…経路切替部、
６０…バッテリ、
７０…ボールねじ、
９０…シリンダ、
１８１…底屈ばね、
１８２…背屈ばね、
２８１…並列ばね（第２の弾性部材、第１並列ばね）、
２８１…並列ばね（第２の弾性部材、第２並列ばね）、
３１０，３１２…ジョイントフレーム
４００…パワースーツ、
５０１…ＩＭＵセンサ（慣性計測センサ）、
５０２…アブソリュートエンコーダ（角度センサ）、
ＢＴ…ベルト、
ＦＳ…足サポート、
ＳＲ１…慣性計測センサ、
ＳＲ２…角度センサ、
ＳＲ３…力センサ、
Ｒ…抵抗、
ＳＣ…スーツカバー、
ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチ。
【図１】
2019177022.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
2019177022.tif 000011
【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
2019177022.tif 000037
【図３０】
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【図３１Ａ】
2019177022.tif 000039
【図３１Ｂ】
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【図３２Ａ】
2019177022.tif 000041
【図３２Ｂ】
2019177022.tif 000042
【図３２Ｃ】
2019177022.tif 000043
【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【国際調査報告】
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2019177022.tif 000048
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