JP2010264019A - 歩行補助装置 - Google Patents

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

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。

特開２００２−３０１１２４号公報

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。

歩行補助装置の正面図と側面図を示す。 靴底部の側面図と底面図を示す。 靴底部の部分拡大断面図を示す。 コントローラの制御フローチャートを示す。

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。

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）。

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

Claims (3)

1. 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。
2. 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。
3. 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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