JP2010264019A - 歩行補助装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】歩行速度を変更しようとするユーザの意図を推定して脚装具の揺動速度を自動的に調整することのできる歩行補助装置を提供する。
【解決手段】歩行補助装置10は、ユーザの脚をピッチ軸回りに揺動させるアクチュエータ付脚装具12と、脚装具12を制御するコントローラ32と、ユーザの足裏に取り付ける靴底部19と、反力センサ22を備える。コントローラ32は、定められた揺動周期と振幅でユーザの脚が周期的に揺動するように脚装具12を制御する。反力センサ22は、靴底部19が歩行面から受ける床反力の靴底面内方向成分を検出する。コントローラ32は、検出される靴底面内方向成分の前後方向の大きさに応じて、脚装具12の揺動周期と振幅で規定される歩行速度を調整する。
【選択図】図1
【解決手段】歩行補助装置10は、ユーザの脚をピッチ軸回りに揺動させるアクチュエータ付脚装具12と、脚装具12を制御するコントローラ32と、ユーザの足裏に取り付ける靴底部19と、反力センサ22を備える。コントローラ32は、定められた揺動周期と振幅でユーザの脚が周期的に揺動するように脚装具12を制御する。反力センサ22は、靴底部19が歩行面から受ける床反力の靴底面内方向成分を検出する。コントローラ32は、検出される靴底面内方向成分の前後方向の大きさに応じて、脚装具12の揺動周期と振幅で規定される歩行速度を調整する。
【選択図】図1
Description
本発明は、ユーザの脚に沿って取り付けてユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置に関する。
ユーザの脚に沿って取り付けてユーザの歩行を補助する歩行補助装置が知られている。歩行動作は主として両脚のピッチ軸回りの揺動である。そのため、歩行補助装置は、ユーザの股関節や膝関節をピッチ軸回りに揺動させるアクチュエータ付脚装具を備える。そのような歩行補助装置の一例が特許文献1に開示されている。
ユーザは歩行速度を変更する場合がある。そのため、歩行速度を変更しようとするユーザの意図を何らかの手段で推定して脚装具の揺動速度を自動的に調整することのできる歩行補助装置が望まれる。
歩行中にユーザが加速/減速する際、靴底が歩行面から受ける床反力の靴底面内方向成分の前後方向の大きさが変化する。発明者らはこの事象に着目し、床反力靴底面内方向成分の前後方向の大きさに応じてユーザの加速/減速の意図を推定して脚装具の揺動を調整するという着想を得た。なお以下では簡単のため、「床反力の靴底面内方向成分」を「床反力面内成分」と略称する場合がある。
本発明の歩行補助装置は、ユーザの脚をピッチ軸回りに揺動させるアクチュエータ付脚装具と、脚装具を制御するコントローラと、ユーザの足裏に取り付ける靴底部と、反力センサを備える。コントローラは、定められた揺動周期と振幅でユーザの脚が周期的に揺動するように脚装具を制御する。反力センサは、靴底部が歩行面から受ける床反力の靴底面内方向成分(床反力面内成分)を検出する。この歩行補助装置は、コントローラが、検出される床反力面内成分の前後方向の大きさに応じて、脚装具の揺動周期と振幅で規定される歩行速度を調整することを特徴とする。
歩行中にユーザが加速する場合には、前方を向く床反力面内成分が靴底に発生し、減速する場合には後方を向く床反力面内成分が発生する。床反力面内成分は加速度と等価な物理量である一方、速度は加速度の積分量である。即ち、ユーザによる加速/減速の動きは、歩行速度の変化よりも床反力面内成分の変化に顕著に現れる。本発明の歩行補助装置は、靴底に発生する床反力面内成分の大きさに応じて脚装具の揺動運動を調整するので、関節角や角速度に基づいて調整する場合に比較して、歩行速度を変更したいというユーザの意図を迅速に脚装具の動作に反映することができる。
歩行動作とは脚のピッチ軸回りの周期的揺動であるので、歩行速度は脚の揺動周期と振幅で規定される。脚装具は脚に装着されて脚とともに揺動するので、脚装具の揺動周期と振幅が歩行速度を規定する。床反力面内成分の前後方向の大きさに応じて脚装具の歩行速度を調整することは、脚装具の揺動周期と振幅のいずれか一方、或いは両方を変更することによって実現される。
反力センサは遊脚動作中の慣性力によっても何らかの値を出力してしまう虞がある。そのため、歩行補助装置は、靴底部の接地を検出する接地センサを備えており、靴底部の接地を条件にコントローラが歩行速度を変更することが好ましい。靴底部の接地を条件とすることによって、慣性力に起因して発生する反力センサ出力によって誤って脚装具の歩行速度が変更されてしまうことを防止することができる。
具体的には、コントローラは、足が着地している間の床反力面内成分が進行方向を向いている場合に歩行速度を増加速し、進行方向と逆方向を向いている場合に歩行速度を減じる。歩行速度を変更するトリガとなる床反力面内成分の大きさには閾値を設けることも好適である。即ち、コントローラは、足が着地したときの床反力面内成分の大きさが閾値以上であり、その方向が進行方向を向いている場合に歩行速度を増加するように構成されているとよい。同様に、コントローラは、足が着地したときの床反力面内成分の大きさが閾値以上であり、その方向が進行方向と逆方向を向いている場合に歩行速度を減じるように構成されているとよい。
脚装具は、典型的には、ユーザの脚に沿って取り付けられる多リンク機構であり、ユーザの股関節の横に位置するジョイント及び/又は膝関節の横に位置するジョイントによって各リンクがピッチ軸回りに揺動する構成を有している。脚装具の先端リンクが靴底部の典型例に相当する。
床反力面内成分は、靴底部に発生する歪み、或いは靴底部の上下面の間に発生するせん断力と等価である。従って、床反力面内成分を検出するための反力センサは、典型的にはロードセルで実現することができる。或いは反力センサは、靴底部の靴底面内方向の歪みを検出するように靴底部に埋設されたPSD(Position Sensitive Detector)と、PSDに光を照射する光源で実現することも可能である。具体的には、靴底面に対して垂直に光を投射する指向性LEDと、そのLEDの光を受けるPSDを靴底部内部に配置すれば、PSDの出力が床反力面内成分と等価な検出値として利用できる。
本発明の技術的思想をさらに発展させると、旋回しようとするユーザの意図を推定し、旋回動作に適応するように脚装具の動作を調整する歩行補助装置に具現化することもできる。ユーザが旋回しようする場合、靴底面には横方向の床反力面内成分が発生する。ここで、「横方向」とは「ユーザの体側方向」と別言することができる。横方向の床反力面内成分によって、ユーザによる旋回の意図を推定することができる。具体的には、歩行補助装置は、ユーザの夫々の脚に装着する一対の脚装具を備えており、コントローラが、床反力面内成分の横方向の大きさに応じて揺動周期と振幅の少なくとも一方を左右の脚装具で異ならせるとよい。
本発明の歩行補助装置は、ユーザが加速/減速しようする意図を推定し、ユーザの意図に応じて脚の動作を補助するためのアクチュエータ付脚装具の揺動速度を調整する。
実施例の歩行補助装置10が有する技術的特徴のいくつかを列挙する。歩行補助装置10は、次の(1)の条件が成立した場合、又は(2)の条件が成立した場合に、脚装具の歩行補助動作を停止することが好ましい。
(1)足が接地している間の床反力面内成分の時間変化量が第1閾値を超える条件(スリップ条件)。
(2)接地判定の間欠的発生と床反力面内成分の間欠的変化を同時に検知する条件(躓き条件)。
上記(1)のスリップ条件の成立は、靴底と床面でスリップが発生している可能性が高いことを示しており、上記(2)の躓き条件の成立は、ユーザが躓いた可能性が高いことを示している。そのような場合に脚装具の歩行補助動作を停止することによって、ユーザの安全性を確保することができる。
(1)足が接地している間の床反力面内成分の時間変化量が第1閾値を超える条件(スリップ条件)。
(2)接地判定の間欠的発生と床反力面内成分の間欠的変化を同時に検知する条件(躓き条件)。
上記(1)のスリップ条件の成立は、靴底と床面でスリップが発生している可能性が高いことを示しており、上記(2)の躓き条件の成立は、ユーザが躓いた可能性が高いことを示している。そのような場合に脚装具の歩行補助動作を停止することによって、ユーザの安全性を確保することができる。
図面を参照して実施例の歩行補助装置を説明する。図1に、歩行補助装置10の模式図を示す。図1(A)にユーザが装着した状態における歩行補助装置10の正面図を示し、図1(B)にユーザが装着した状態における歩行補助装置10の側面図を示す。歩行補助装置10は、ユーザの夫々の脚に装着する一対の脚装具12とコントローラ32を備える。右脚装具と左脚装具は同じ構造を有しているので、図1では右脚装具の各部の符号を省略している。脚装具12は、モータ(アクチュエータ)によってリンクが揺動する多リンク機構を有する。この歩行補助装置10は、アクチュエータ付きの脚装具12が揺動してユーザの歩行動作を補助する。
脚装具12の構造を詳しく説明する。脚装具12は、ユーザの大腿部から下腿部に沿って脚の外側に装着される。脚装具12は、大腿リンク14、下腿リンク16、及び足リンク18を有する多リンク機構である。左右の脚装具は、支持リンク30で連結されている。より詳しくは、大腿リンク14の上端が股ジョイント20aを介して支持リンク30に連結されている。支持リンクはユーザの腰に装着される。下腿リンク16は、膝の外側に位置する膝ジョイント20bによって、大腿リンク14に連結している。足リンク18は、ユーザの踝の外側に位置する足首ジョイント20cによって、下腿リンク16に連結している。大腿リンク14は、ベルトでユーザの大腿部に固定される。下腿リンク16は、ベルトでユーザの下腿部に固定される。足リンク18はユーザが履く靴の形状に形成されている。即ち、足リンク18の靴底部19はユーザの足裏に固定される。
ユーザが脚装具12を装着すると、股ジョイント20a、膝ジョイント20b、及び、足首ジョイント20cは夫々、ユーザの股関節、膝関節、及び、足首関節に夫々隣接して位置する。より具体的には、ユーザが脚装具12を装着すると、股ジョイント20a、膝ジョイント20b、及び、足首ジョイント20cは夫々、ユーザの股関節のピッチ軸、膝関節のピッチ軸、及び、足首関節のピッチ軸と略同軸に位置する。各ジョイント20a、20b、20cには、モータ21が取り付けられており、そのモータ21によって各リンクがピッチ軸回りに揺動する。
脚装具12はコントローラ32によって制御される。コントローラ32は、ユーザの歩行動作に合わせた各ジョイントの角度の経時的変化を記述した揺動パターン(歩行パターン)を記憶しておりその揺動パターンに追従するように脚装具12を制御する。歩行動作とは、脚のピッチ軸回りの周期的な揺動動作であるので、揺動パターンには、歩行動作1周期分に相当する各ジョイント角の経時的変化が記述されている。1周期分の揺動パターンへの追従制御を繰り返すことによって脚装具12が周期的に揺動し、脚の歩行動作を補助する。
揺動パターンには各ジョイントの揺動周期と振幅が規定されている。各ジョイントの揺動周期と振幅によって、歩行速度が規定される。揺動周期と振幅の一方或いは両方を増加すると歩行速度が増加し、減少させると歩行速度が低下する。基本的な揺動パターン、及びその揺動周期と振幅は予め実験等によって求められてコントローラ32に記憶されているが、後述するようにコントローラ32がユーザの歩行動作に合わせて揺動周期及び/又は振幅を変更する。
靴底部19には接地センサ26と反力センサ22、24が埋設されている。図2に靴底部19の側面図と底面図を示し、図3に靴底部の部分拡大断面図を示す。図2(A)は靴底部19の側面図を示しており図2(B)は底面図を示している。図3は、図2において破線IIIで囲った領域の拡大断面図である。接地センサ26は、靴底部19の前方と後方に1つずつ埋設されている。接地センサ26は靴底部19の接地を検出する。反力センサ22は、靴底部19が歩行面から受ける床反力面内成分のうち、前後方向の成分を検出する。反力センサ22も、靴底部19の前方と後方に1つずつ埋設されている。反力センサ24は、靴底部19が歩行面から受ける床反力面内成分のうち横方向の成分を検出する。反力センサ24も、靴底部19の前方と後方に1つずつ埋設されている。
図3に示されているように、反力センサ22は、指向性LED40とPSD(Position Sensitive Detector)42で構成されている。LED40が靴底部19の内部で上方に固定されており、PSD42が靴底部19の内部で下方に固定されている。LED40は絞られた細いビームをPSD42に照射している。PSD42は、LED40の照射位置を出力する。靴底部19は柔らかいラバーで形成されており、床反力面内成分の前後方向成分がせん断力として作用し、下面に対して上面が靴底面内で変位する。せん断力によって靴底部19が前後方向に変形すると、PSD42に対してLED40が前後方向にシフトする。PSD42はそのシフト量を検出する。PSD42が出力するシフト量が、靴底部19が歩行面から受ける床反力面内成分の前後方向成分に相当する。反力センサ24も反力センサ22と同様の構造を有している。ただし、反力センサ24のPSD42は靴底部19の横方向に伸びており、靴底部19が歩行面から受ける床反力面内成分の横方向成分を検出する。
歩行時の加減速と床反力面内成分の関係を説明する。ユーザが加速する場合、足を前方に強く蹴りだす。そのとき、靴底部は歩行面から前向きの反力を受ける。ユーザが減速する場合には、靴底部は歩行面から後ろ向きの反力を受ける。従って、床反力面内成分(床反力の靴底面内方向成分)の前後方向成分の向きによって、ユーザの加速/減速の意図を推定することができる。また、ユーザが右に旋回する場合には床反力面内成分は靴底部19の進行方向の右向き作用し、左に旋回する場合には左向きに作用する。従って、床反力面内成分の横方向成分によって、ユーザの旋回の意図を推定することができる。
コントローラ32は、床反力面内成分の向きと大きさに応じて脚装具12を駆動するための揺動パターンにおける揺動周期と振幅を調整する。その制御フローチャートを図4に示す。なお、以下の説明では、床反力面内成分の前後方向については前方を向いている場合を正としている。
コントローラ32は、接地センサ26の出力に基づいて、足が接地しているか否かを判断する(S2)。接地が検知されている場合、コントローラ32は、床反力面内成分の前後方向成分が上限閾値より大きいか否かを判断する。すなわち、コントローラ32は、床反力面内成分が前方を向いておりその大きさが閾値以上であるか否かを判断する。床反力面内成分の前後方向成分が上限閾値より大きい場合、コントローラ32は、脚装具12の揺動周期を増加する(S4:YES、S6)。他方、床反力面内成分の前後方向成分が下限値より小さい場合、すなわち、床反力面内成分が後方を向いておりその大きさが閾値以上である場合、コントローラ32は、脚装具12の揺動周期を減じる(S8:YES、S10)。
さらにコントローラ32は、床反力面内成分が右方向を向いておりその大きさが閾値よりも大きい場合には右脚の脚装具12の振幅を増加する(S12:YES、S14)。ステップS14において左脚の脚装具12の振幅は変化させない。そのため、ステップS14を実行した後は、右脚の脚装具12の振幅が左脚の脚装具12の振幅よりも大きくなる。他方、コントローラ32は、床反力面内成分が左方向を向いておりその大きさが閾値よりも大きい場合には左脚の脚装具12の振幅を増加する(S16:YES、S18)。ステップS18を実行した後は、左脚の脚装具12の振幅が右脚の脚装具12の振幅よりも大きくなる。ステップS14、或いはS18が実行されると、左右の脚装具12の振幅が異なることになる。コントローラ32は、上記の処理を所定の制御周期で繰り返す。
上記の処理の作用効果を説明する。コントローラ32は、床反力面内成分が前方を向いている場合には脚装具12の揺動周期を早め、後方を向いている場合には揺動周期を遅くする。歩行速度は脚装具12の揺動振幅を揺動周期で除した値に等価なので、揺動周期を早めることは歩行速度を増加することに等しく、揺動周期を遅くすることは歩行速度を減じることに等しい。従って、歩行補助装置10は、歩行中にユーザが加速を意図していることが推定された場合に脚装具12の歩行速度を増加し、減速を意図していることが推定された場合に脚装具12の歩行速度を減じる。
また、ステップS12の処理を実行すると、右脚装具の歩幅が左脚装具の歩幅よりも大きくなる。これによって、歩行補助装置10は、ユーザが右旋回しようとする意図を推定し、右旋回しやすいように歩行動作を補助することができる。同様に、ステップS18の処理を実行すると、左脚装具の歩幅が右脚装具の歩幅よりも大きくなる。これによって、歩行補助装置10は、ユーザが左旋回しようとする意図を推定し、左旋回しやすいように歩行動作を補助することができる。
歩行動作は脚の周期的な揺動であるので、脚装具12の動作も周期的なパターンで規定することができる。従って上記の歩行補助装置10の特徴は、次のとおり表現することもできる。コントローラ32は、脚装具12の各ジョイントの揺動周期と振幅が定められている揺動パターンに追従するように脚装具12を制御し、床反力面内成分の前後方向の大きさに応じて揺動パターンの揺動周期と振幅のいずれか一方を変更する。ここで、「揺動周期と振幅」とは、次の物理量を意味する。コントローラ32が記憶している揺動パターンは、前述したように、1周期分の歩行動作に合わせた各ジョイントの角度の経時的変化である。「揺動周期と振幅」は揺動パターンに記述されている股ジョイント20aと膝ジョイント20bの揺動周期と振幅に相当する。
上記実施例の好適な変形例を挙げる。ステップS6及びS10の処理において、コントローラ32は揺動周期を早める代わりに揺動振幅を増大してもよい。そのような処理によっても同様の効果を得ることができる。また、ステップS14及びS18の処理において、コントローラ32は揺動振幅を増加する代わりに揺動周期を早めてもよい。そのような処理によっても同様の効果を得ることができる。また、コントローラ32は、股ジョイント20aと膝ジョイント20bの双方の揺動周期及び/又は振幅を変更してもよいし、股ジョイント20aと膝ジョイント20bのいずれか一方の揺動周期及び/又は振幅を変更してもよい。
また、接地センサの代わりに、靴底面に垂直な方向の床反力成分を検出する反力センサを用いることも好適である。
検出した床反力面内成分は次のような用途に用いることもできる。第1に、歩行補助装置10は、足が接地している間の床反力面内成分の時間変化量が第1閾値を超えた場合、足のスリップの発生を推定することができる。第2に、歩行補助装置10は、接地判定の間欠的発生と床反力面内成分の間欠的変化を同時に検知した場合、足の躓きの発生を推定することができる。いずれの場合も、ユーザの歩行動作が不安定となる状況であるので、そのような推定がなされたときには歩行補助動作を停止することが好ましい。即ち、歩行補助装置10は、次の(1)の条件が成立した場合、或いは(2)の条件が成立した場合に、脚装具の歩行補助動作を停止することが好ましい。
(1)足が接地している間の床反力面内成分の時間変化量が第1閾値を超える条件(スリップ条件)。
(2)接地判定の間欠的発生と床反力面内成分の間欠的変化を同時に検知する条件(躓き条件)。
(1)足が接地している間の床反力面内成分の時間変化量が第1閾値を超える条件(スリップ条件)。
(2)接地判定の間欠的発生と床反力面内成分の間欠的変化を同時に検知する条件(躓き条件)。
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。
10:歩行補助装置
12:脚装具
14:大腿リンク
16:下腿リンク
18:足リンク
19:靴底部
20a、20b、20c:ジョイント
21:モータ
22、24:反力センサ
26:接地センサ
30:支持リンク
32:コントローラ
40:指向性LED
42:PSD
12:脚装具
14:大腿リンク
16:下腿リンク
18:足リンク
19:靴底部
20a、20b、20c:ジョイント
21:モータ
22、24:反力センサ
26:接地センサ
30:支持リンク
32:コントローラ
40:指向性LED
42:PSD
Claims (3)
- ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であり、
ユーザの脚をピッチ軸回りに揺動させるアクチュエータ付脚装具と、
定められた揺動周期と振幅でユーザの脚が周期的に揺動するように脚装具を制御するコントローラと、
ユーザの足裏に取り付けられる靴底部と、
靴底部が歩行面から受ける床反力の靴底面内方向成分を検出する反力センサと、
を備えており、
コントローラが、検出される床反力靴底面内方向成分の前後方向の大きさに応じて、脚装具の揺動周期と振幅で規定される歩行速度を調整することを特徴とする歩行補助装置。 - 靴底部の接地を検出する接地センサを備えており、
コントローラが、靴底部の接地を条件に、歩行速度を変更することを特徴とする請求項1に記載の歩行補助装置。 - ユーザの夫々の脚に装着する一対の脚装具を備えており、
コントローラが、床反力靴底面内方向成分の横方向の大きさに応じて、揺動周期と振幅の少なくとも一方を左右の脚装具で異ならせることを特徴とする請求項1に記載の歩行補助装置。
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