JP4129862B2 - 義足の関節装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、義足の関節装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の義足の関節装置として、例えば特開平11−345号公報に記載されたものが知られている。この関節装置は、義足の足部材と膝下部材との間を連結する足首関節として用いられるものであり、足部材の上端部には、左右方向に貫通する孔が形成されている。また、膝下部材の下端部は、二股に分岐したアーム部を有するブラケットになっており、各アーム部に孔が形成されている。また、足部材の上端部は膝下部材のブラケットに挿入され、両者の孔には軸が通されている。これにより、足部材と膝下部材は、軸を中心として水平軸線回りに互いに回動自在に連結され、義足の着地時などに作用する反力に応じて、相対的に前後方向に回動することが可能である。
【0003】
また、義足の関節装置として、膝上部材と膝下部材の間を連結する膝関節として用いられるものも、従来から種々提案されている。その中には、膝上部材と膝下部材が水平軸線回りに互いに回動自在に連結され、膝関節が伸びた状態で両部材間がロックされるように構成されるとともに、その状態で義足の使用者が膝の曲げのきっかけ動作を行うことにより、ロックが外れ、膝下部材を遠心力で前方に振り出すという機能を有するものがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の足首用の関節装置は、足部材および膝下部材を能動的に動かすようには構成されておらず、着地などの際の反力に応じて、足部材と膝下部材が受動的に相対回動するにすぎないため、健常者と異なり、足を前に出すときの「つま先上げ動作」(図27(c)参照)や、地面を蹴るときの「蹴り出し動作」(同図(b)参照)を自由に行えないという問題がある。つま先上げ動作を行えないと、路面の凹凸などにつま先を取られやすく、最悪の場合、転倒に至ってしまう。また、蹴り出し動作については、それが行えなくても、転倒などのおそれはないものの、未舗装路の歩行時に土ぼこりが立たないため、義足であることが他の者に分かってしまう。このことは、健常者には理解しにくいものであるが、義足の使用者にとっては大きな悩みの1つである。また、他の関節装置として、電動モータによって能動的に動作可能なものも知られているが、その場合には、電源の持続時間が短く、重量が大きくなるなどの別の問題を有する。
【0005】
さらに、前述した従来の膝用の関節装置は、膝下部材を遠心力で前方に振り出す機能を有するものの、そのきっかけ動作が面倒であるため、「膝の曲げ伸ばし動作」(図27(b)〜(d)参照)を容易には行えず、図28に示すように、実際には、その機能を用いずに義足を伸ばしたまま外回しで前に出す「外回し動作」を行うことが多い。このような外回し動作は、それにより義足であることが他の者に一見して分かってしまうため、義足の使用者の最大の悩みになっている。このように、義足の外回し動作を解消し、膝の曲げ伸ばし動作を容易に行えるようにすることは、義足の使用者にとって切実な要望である。
【0006】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、電源の飛躍的な軽量化および持続時間の長期化を達成できるとともに、膝の曲げ伸ばし動作、つま先上げ動作および蹴り出し動作を容易に行うことができる義足の関節装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項1に係る義足の関節装置は、互いに間隔を隔てた上部材(実施形態における(以下、本項において同じ)膝上部材4)および下部材(膝下部材5)と、上部材と下部材の間に連結され、義足1に作用する体重によるエネルギーを蓄積するとともに、蓄積したエネルギーを放出することにより動作し、下部材を駆動することによって関節動作を行わせるアクチュエータ(リンクA〜C)と、を備えることを特徴とする。
【0008】
この義足の関節装置によれば、アクチュエータは、義足に作用する体重によるエネルギーを蓄積するとともに、蓄積したエネルギーを放出することにより動作する。そして、動作したアクチュエータで下部材を駆動することによって、関節動作が行われる。このように、義足に作用する体重を動力源として関節動作を行うので、関節を直接的に動作させるための電源が不要になり、その結果、義足を駆動するための電源の飛躍的な軽量化および持続時間の長期化を達成することができる。
【0009】
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の義足の関節装置において、蓄積されたエネルギーの放出を制御することにより、アクチュエータの動作を制御する制御手段(切換弁A〜C、コントローラ25)をさらに備え、制御手段は、アクチュエータの動作速度および動作タイミング(切換弁開放開始時間tmopa1〜tmopc1、切換弁開放開始時間tmopa2〜tmopc2)の少なくとも一方を制御することを特徴とする。
【0010】
この構成によれば、アクチュエータの動作速度および/または動作タイミングを制御手段で制御するので、義足を適切な速度とタイミングで自在に動作させることができる。
【0011】
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の義足の関節装置において、アクチュエータが、体重の作用方向と異なる方向に配置された複数のアクチュエータ(リンクA〜C)で構成され、制御手段は、体重の作用方向と異なる方向の関節動作を生じさせるために、複数のアクチュエータの動作速度および動作タイミングの少なくとも一方を互いに異なるように制御することを特徴とする。
【0012】
この構成によれば、体重の作用方向と異なる方向に配置された複数のアクチュエータの動作速度および/または動作タイミングを互いに異ならせることによって、体重の作用方向と異なる方向の関節動作を生じさせることができる。これにより、関節を動作させたい方向が体重の作用方向と異なる場合にも、関節を所望の方向に動作させることができる。
【0013】
請求項4に係る発明は、請求項3に記載の義足の関節装置において、上部材が膝上部材4であり、下部材が膝下部材5であることを特徴とする。
【0014】
この構成によれば、関節装置が膝関節装置として構成されるとともに、体重の作用方向と異なる方向に膝関節を動作させる。したがって、歩行中に義足に作用する体重を、膝関節の曲げ動作と伸ばし動作に変換することができ、それにより、従来の義足の課題であった外回し動作を解消し、膝の曲げ伸ばし動作を容易に行うことができる。
【0015】
請求項5に係る発明は、請求項3に記載の義足の関節装置において、上部材が膝下部材5であり、下部材が足部材6であることを特徴とする。
【0016】
この構成によれば、関節装置が足首関節装置として構成されるとともに、体重の作用方向と異なる方向に足関節を動作させる。したがって、歩行中に義足に作用する体重を、足首関節の蹴り出し動作とつま先上げ動作に変換することができ、それにより、歩行中の転倒のおそれや土ぼこりが立たないなどの従来の義足の課題を解消することができる。
【0017】
請求項6に係る発明は、請求項2に記載の義足の関節装置において、アクチュエータが、体重の作用方向と異なる方向に配置された複数のアクチュエータ(リンクA〜C)で構成され、下部材(膝下部材5)は、複数のアクチュエータに回転自在に連結され、制御手段は、関節動作としてひねり動作を伴う回転動作を生じさせるために、複数のアクチュエータの動作速度および動作タイミングの少なくとも一方を互いに異なるように制御することを特徴とする。
【0018】
この構成によれば、複数のアクチュエータの動作速度および/または動作タイミングを互いに異ならせることにより、関節動作として、ひねり動作を伴う回転動作を生じさせることができる。これにより、人体の関節に特有の、若干のひねりを伴う回転動作を再現することができる。
【0019】
請求項7に係る発明は、請求項6に記載の義足の関節装置において、上部材が膝上部材4であり、下部材が膝下部材5であることを特徴とする。
【0020】
この構成によれば、関節装置が膝関節装置として構成されるとともに、膝関節にひねり動作を伴う回転動作を生じさせるので、残された脚がX脚やO脚の場合にも、義足の動作をそれに近似させることができる。それによって、左右のバランスの良いより自然な歩行を実現できるとともに、残された脚の負担も軽減できる。
【0021】
請求項8に係る発明は、請求項2に記載の義足の関節装置において、義足の歩行速度(接地時間差tmdsl2fix)を検出する歩行速度検出手段(かかと接地センサ19、つま先接地センサ20、コントローラ25)をさらに備え、制御手段は、アクチュエータの動作速度および動作タイミングの少なくとも一方を、検出された歩行速度に応じて制御することを特徴とする。
【0022】
この構成によれば、アクチュエータの動作速度および/または動作タイミングを、検出された歩行速度に応じて制御するので、実際の歩行速度に応じた適切な速度および/またはタイミングで義足を動作させることができる。その結果、円滑な歩行を実現できるとともに、歩行速度の向上を図ることができる。
【0023】
請求項9に係る発明は、請求項8に記載の義足の関節装置において、歩行速度検出手段は、義足1の足の裏側の互いに異なる部位に配置され、足の接地状態を検出する複数の接地センサ(かかと接地センサ19、つま先接地センサ20)を有し、複数の接地センサの出力時間差(接地時間差tmdsl2fix)に基づいて歩行速度を検出することを特徴とする。
【0024】
この構成によれば、義足の足の裏側に配置した複数のセンサで歩行速度を検出するので、そのための筋電位検出装置のような大掛かりな検出装置は不要になるため、義足の軽量化を図ることができる。
【0025】
請求項10に係る発明は、請求項2に記載の義足の関節装置において、制御手段は、アクチュエータの動作を、応答指定型制御アルゴリズムに基づいて制御することを特徴とする。
【0026】
この構成によれば、アクチュエータの動作を応答指定型制御アルゴリズムに基づいて制御するので、アクチュエータの動作が振動的なオーバーシュート特性になるのを防止でき、それにより、義足の不自然な振動的動作を防止することができる。また、アクチュエータの動特性に経年変化やばらつきが生じても、義足の動作を安定化させることができる。
【0027】
請求項11に係る発明は、請求項2に記載の義足の関節装置において、制御手段は、アクチュエータの動作を、2自由度PID制御アルゴリズムに基づいて制御することを特徴とする。
【0028】
この構成によれば、アクチュエータの動作を2自由度PID制御アルゴリズムに基づいて制御するので、アクチュエータの動作が振動的なオーバーシュート特性になるのを防止でき、それにより、義足の不自然な振動的動作を防止することができる。また、アクチュエータの応答速度を速めることができるため、義足の不自然な振動的動作を防止しつつ、その動作を速めることができる。
【0029】
請求項12に係る発明は、請求項2ないし11のいずれかに記載の義足の関節装置において、制御手段によりアクチュエータの動作を制御するための電源(バッテリ17)と、義足1が歩行状態にあるか否かを検出する歩行状態検出手段(かかと接地センサ19、つま先接地センサ20、コントローラ25、図19のステップ41)と、をさらに備え、制御手段は、歩行状態検出手段により義足が歩行状態にないと検出されたときに、アクチュエータを電源の消費電力が低下する方向に動作させることを特徴とする。
【0030】
この構成によれば、義足が歩行状態にないときに、アクチュエータを制御するための電源の消費電力が低下する方向にアクチュエータを動作させるので、省電力化と電源の軽量化を図ることができる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は、本発明の第1実施形態による義足の全体構成を示している。この義足1は、膝関節装置2と足首関節装置3を組み合わせたものである。膝関節装置2は、股関節(図示せず)に取り付けられる、上部材としての膝上部材4と、膝上部材4の下側に連結された、アクチュエータとしての3本の伸縮リンクA、B、Cと、それらの下側に連結された、下部材としての膝下部材5で構成されている。また、足首関節装置3は、上記膝下部材5と、膝下部材5の下側に連結された2本の伸縮リンクD、Eと、それらの下側に連結された足部材6で構成されている。
【0032】
図2に示すように、膝関節装置2の伸縮リンク(以下、単に「リンク」という)A〜Cは、上下方向に互いに平行に延びており、リンクA、Cは、義足1の使用者から見て右側および左側にそれぞれ配置され、リンクBは、両リンクA、C間の中央かつ前側に配置されている。また、リンクA、Cは、膝上部材4および膝下部材5に、ボールジョイント7、8をそれぞれ介して、任意の方向に回転自在に連結されている。これに対し、リンクBは、膝上部材4に剛結され、膝下部材5に、ボールジョイント8を介して、任意の方向に回転自在に連結されている。
【0033】
これらのリンクA〜Cは、互いに同じ構成を有しており、上下方向に延びるリンク本体9を備えている。リンク本体9は、膝上部材4に上述のように取り付けられた連結部9aと、連結部9aから下方に延びるロッド状のばね取付部9bと、ばね取付部9bの下側に順に配置された上シリンダ9c、連結管9dおよび下シリンダ部9eと、連結部9aおよび下シリンダ9eの間を剛結する剛結部9fとから、一体に形成されている。
【0034】
上シリンダ9c、連結管9dおよび下シリンダ9eは互いに連通し、これらにより油路9gが構成されており、この油路9g内に作動油が充填されている。上シリンダ9cには、上方に突出する圧力蓄積ピストン10が、上下方向に摺動自在に設けられている。この圧力蓄積ピストン10と連結部9aとの間には、圧力蓄積ばね11が、ばね取付部9bに巻回されるように設けられており、圧力蓄積ピストン10を常時、下方に付勢している。一方、下シリンダ9eは、上シリンダ9cよりも大きな所定の断面積を有し、その内部には、下方に突出する体重印加ピストン12が、上下方向に摺動自在に設けられていて、この体重印加ピストン12が、膝下部材5にボールジョイント8を介して連結されている。以上の構成により、圧力蓄積ピストン10および体重印加ピストン12は、それらの間に充填された作動油によって、リンク本体9に対し、互いに連動して上下動する。
【0035】
また、図3に示すように、リンクA〜Cの連結管9dにはそれぞれ、連結管9d(油路9g)を開閉する切換弁13A〜13C(以下、総称するときには「切換弁13」という)が設けられている。各切換弁13は、電動ロータリー式のものであり、連結管9dを開閉する弁体14と、弁体14を回転駆動するモータ15と、弁体14を復帰回転させるリターンばね16で構成されている。図4に示すように、弁体14は、中央にくびれ部14aを有する円柱状のものであり、くびれ部14aには連通孔14bが形成されている。弁体14は、連結管9dに設けた弁取付部9hに回動自在に嵌合し、両側に突出するように設けられており、その一端部にモータ15が接続され、他端部にリターンばね16が接続されている。また、モータ15には、その電源であるバッテリ17と、電力回生用のキャパシタ18が接続されており、リターンばね16に蓄積されたエネルギーは、切換弁13の復帰復帰時にモータ15により電力として回生され、キャパシタ18に充電される。さらに、切換弁13には、その開度θactを検出する切換弁開度センサ26が取り付けられている。
【0036】
以上の構成により、モータ15の回転角度を制御することによって、図5に示すように、切換弁13の開度を、
(a)弁体14が連結管9dを塞ぎ、油路9gを完全に閉鎖する全閉位置
(b)弁体14の連通孔14bが連結管9dと完全に合致し、油路9gを完全に開放する全開位置
(c)弁体14の連通孔14bが連結管9dと部分的に連通し、油路9gを部分的に開放する中間開放状態
に制御できるとともに、中間開放状態ではその開度を任意に制御することが可能である。切換弁13の開閉制御は、後述するコントローラ25により、モータ15への印加電流をデューティ制御することによって行われる。なお、後述するように、義足1の非動作状態では、切換弁13が全閉位置に制御されるとともに、切換弁13は、モータ15への印加電流がゼロのときに全閉位置に制御されるように設定されており、それにより、バッテリ17の電力消費を最小限に抑制することができる。
【0037】
次に、上記構成の膝関節装置2の基本動作を、図6を参照して説明する。
(a)通常時
切換弁13A〜13C全閉
→ 各油路9gの全閉により、各体重印加ピストン12および圧力蓄積ピストン10の移動が阻止され、膝上部材4および膝下部材5が互いにまっすぐな状態に保持される。
(b)体重印加時
切換弁13A〜13C全開
→ 各油路9gの全開と膝下部材5からの体重反力とによって、各体重印加ピストン12がリンク本体9に対して上昇し、それに伴い、各圧力蓄積ピストン10が圧力蓄積ばね11を圧縮させながら上昇することで、圧力が次第に蓄積される。
(c)圧力保持時
切換弁13A〜13C全閉
→ 圧力蓄積ピストン10の上昇終了後、各油路9gが全閉されることによって、蓄積した圧力が保持される。
【0038】
(d)膝下部材後方回転時(膝曲げ動作)
切換弁13A、13C全閉、切換弁13B:中間開放→全開
→ リンクBの油路9gの開放により、蓄積・保持した圧力が解放され、圧力蓄積ピストン10および体重印加ピストン12が下降することで、前側のリンクBが伸長し、後ろ側のリンクA、Cとの長さの差によって、膝下部材5が後方に回転し、膝関節装置2が後方に曲がった状態になる。これにより、義足1を前に出すときの膝曲げ動作が実現される。
(e)膝下部材前方回転時(膝伸ばし動作)
切換弁13A、13C:中間開放→全開、切換弁13B全閉
→ リンクA、Cの油路9gの開放により、上記と同様にしてリンクA、Cが伸長し、リンクBとの長さの差がなくなることによって、膝下部材5が前方に回転し、膝関節装置2がまっすぐに伸びた状態になる。これにより、義足1の膝曲げ動作に続く膝伸ばし動作が実現される。
以上のように、本実施形態の膝関節装置2によれば、歩行時に義足1に作用する体重を利用して、義足1を前に出すときの膝曲げ動作、およびそれに続く膝伸ばし動作を、容易に実現することができる。
【0039】
また、図1に示すように、足部材6の裏には、かかとおよびつま先の付近に、かかと接地センサ19およびつま先接地センサ20(歩行速度検出手段、歩行状態検出手段)が、それぞれ設けられている。これらの接地センサ19、20は、圧力センサや接触スイッチなどで構成されており、それぞれの部位における接地状態/非接地状態を検出し、それに応じたON/OFF信号をコントローラ25に出力する。膝関節装置2の歩行時の動作は、両接地センサ19、20の検出結果に応じて制御される。
【0040】
図7は、その制御の一例を示している。この例では、かかと接地センサ19のON(かかとの接地)状態では、切換弁13A〜13Cを全開に制御することで、体重反力による圧力を各リンクに蓄積し、その後、つま先接地センサ20のON(つま先の接地)後に第1所定時間d1が経過したときに、切換弁13A〜13Cを全閉に制御することで、蓄積した圧力を保持する。次いで、つま先接地センサ20のOFF後、第2所定時間d2が経過したときに、切換弁13Bの開弁を開始することで、膝曲げ動作を行わせる(同図(d))。さらに、切換弁13Bが全開状態になった後、第3所定時間d3が経過したときに、切換弁13A、13Cの開弁を開始することで、膝伸ばし動作を行わせる(同図(e))。以上のような制御により、膝の曲げ伸ばし動作を、実際の歩行状態に応じた適切なタイミングで円滑に行うことができる。
【0041】
また、図8は、膝関節装置2の別の制御例を示している。上述した図7の制御例では、膝伸ばし動作時における切換弁13A、13Cの開弁タイミングを互いに同期させているのに対し、この制御例は、切換弁13A、13Cの開弁タイミングを異ならせたものである。具体的には、切換弁13Bが全開状態になった後、切換弁13C用の第3所定時間d3Cが経過したときに、切換弁13Cの開弁を開始し、切換弁13A用の第3所定時間d3Aが経過したときに、切換弁13Aの開弁を遅れて開始する。
【0042】
このように、リンクCの伸びるタイミングをリンクAよりも早めることにより、膝伸ばし動作時に、膝下部材5をリンクA側へひねる(曲げる)ことができ、それにより、X脚歩行またはO脚歩行を実現できる。例えば、本実施形態では、前述したように、リンクA、Cが義足1の使用者側から見てそれぞれ右側および左側リンクに相当するので、図9に示すように義足1が右足用の場合には、同図(b)に示すように、膝下部材5がリンクA側すなわち外側にひねられることによって、X脚歩行を実現できる。また、切換弁13A、13Cの開弁タイミングを上記と逆の関係に設定することによって、同図(c)に示すように、O脚歩行を実現できる。
【0043】
したがって、残された脚がX脚およびO脚のいずれの場合でも、義足1の膝関節の動きを残された脚に近似させることができ、それにより、左右のバランスの良いより自然な歩行を実現できるとともに、残された脚の負担も軽減できる。なお、残された脚が、X脚およびO脚のいずれでもない通常脚の場合(図9(a))には、切換弁13A、13Cの開弁タイミングが同期制御されることはもちろんである。また、図8の制御例は、切換弁13A、13Cの開弁タイミングを異ならせたものであるが、これに代えて、またはこれととともに、切換弁13A、13Cの開弁速度を変えてもよく、それによって、よりきめ細かい制御が可能になる。
【0044】
次に、図10〜図12を参照しながら、足首関節装置3の構成および動作について説明する。前述したように、この足首関節装置3は、上部材としての前記膝下部材5と、膝下部材5の下側に連結された、アクチュエータとしての2本の伸縮リンクD、Eと、それらの下側に連結された、下部材としての足部材6で構成されている。
【0045】
図10に示すように、伸縮リンク(以下、単に「リンク」という)D、Eは、前後に配置され、上下方向に互いに平行に延びており、前述した膝関節装置2のリンクA〜Cと同じ構成を有している。前側のリンクDは、膝下部材5および足部材6に、ボールジョイント21、22を介して、それぞれ回転自在に連結されている。一方、後ろ側のリンクEは、膝下部材5に剛結され、足部材6にはボールジョイント22を介して回転自在に連結されている。足部材6は、靴の形状をかたどったものである。なお、同図(b)に示すように、下側のボールジョイント22とのリンクD、Eの連結位置には、初期状態で足部材6が若干つま先上がりになるよう、段差が設けられている。これは、足首関節装置3の故障時における歩行のしやすさを考慮したものである。
【0046】
上記構成の足首関節装置3の基本動作は、前述した膝関節装置2と基本的に同じであり、以下、図11を参照して説明する。
(a)通常時
切換弁13D、13E全閉
→ 各油路9gの全閉により、膝下部材5および足部材6が初期状態に保持される。
(b)体重印加時
切換弁13D、13E全開
→ 各油路9gの全開と足部材6からの体重反力とによって、各体重印加ピストン12および圧力蓄積ピストン10が上昇し、圧力蓄積ばね11が圧縮さされることで、圧力が蓄積されると同時に、足部材6は、つま先側が下方に回転することで、ほぼ水平になる。
(c)圧力保持時
切換弁13D、13E全閉
→ 各油路9gの全閉により、蓄積した圧力が保持される。
【0047】
(d)足部材下方回転時(蹴り出し動作)
切換弁13D:中間開放→全開、切換弁13E全閉
→ リンクDの油路9gの開放により、蓄積された圧力が解放され、圧力蓄積ピストン10および体重印加ピストン12が下降することで、前側のリンクDが伸長し、後ろ側のリンクEとの長さの差によって、足部材6のつま先側が下方に回転する。これにより、義足1の蹴り出し動作が実現される。
(e)足部材上方回転時(つま先上げ動作)
切換弁13D全閉、切換弁13E:中間開放→全開
→ リンクEの油路9gの開放により、上記と同様にしてリンクEが伸長し、リンクDとの長さの差がなくなることによって、足部材6のつま先側が上方に回転する。これにより、義足1の蹴り出し動作に続くつま先上げ動作が実現される。
以上のように、本実施形態の足首関節装置3によれば、歩行時に義足1に作用する体重を利用して、義足1の蹴り出し動作、およびそれに続くつま先上げ動作を、容易に実現することができる。
【0048】
また、足首関節装置3の歩行時の動作は、膝関節装置2の場合と同様、かかと接地センサ19およびつま先接地センサ20の検出結果に応じて制御される。図12はその一例を示している。この例では、かかと接地センサ19のON状態では、切換弁13D、Eを全開に制御することで、圧力を各リンクに蓄積し、その後、つま先接地センサ20のON後に第4所定時間d4が経過したときに、切換弁13D、Eを全閉に制御することで、蓄積した圧力を保持する。次いで、つま先接地センサ20のOFF後、第5所定時間d5が経過したときに、切換弁13Dの開弁を開始することで、蹴り出し動作を行う(同図(d))。さらに、切換弁13Dの全開になった後、第6所定時間d6が経過したときに、切換弁13Eの開弁を開始することで、つま先上げ動作を行う(同図(e))。以上のような制御により、蹴り出し動作と、それに続くつま先上げ動作を、実際の歩行状態に応じた適切なタイミングで円滑に行うことができる。
【0049】
次に、上記のように構成された義足1の制御について詳細に説明する。図13は、その制御ブロックを示している。コントローラ25(制御手段、歩行速度検出手段、歩行状態検出手段)は、マイクロコンピュータで構成されており、切換弁開度算出部27と、各切換弁13に対応する切換弁制御部28(28A〜28E)を備えている。切換弁開度算出部27は、かかと接地センサ19およびつま先接地センサ20からの検出信号に応じて、切換弁13A〜13Eの目標開度θT(θAT〜θET)を算出する。
【0050】
また、各切換弁制御部28は、算出された目標開度θTと、切換弁開度センサ26で検出された各切換弁13の開度(以下「切換弁実開度」という)θact(θAact〜θEact)から、各切換弁13のモータ15への印加電流のデューティ値DUT(DUTA〜DUTE)を算出し、それに基づく駆動信号をモータ15に出力することによって、各切換弁13の開度を制御する。この場合、切換弁制御部28は、デューティ値DUTを、図14に示す、応答指定型制御アルゴリズムの一種であるスライディングモード制御アルゴリズムによって算出する。
【0051】
ここで、同図の式中のσは切換関数、eは追従誤差、Sは切換関数設定パラメータ(0<S<1)であり、Kech、Kadp、Keqおよびkeqrは、フィードバックゲインである。また、記号kは、サンプリングサイクルの順番を表す。このようなスライディングモード制御によれば、追従誤差eが値0に迅速に収束するように(すなわち切換弁実開度θactが目標開度θTに迅速に収束するように)制御されることで、切換弁13の動作が振動的なオーバーシュート特性になるのを防止でき、それにより、義足1の不自然な振動的動作を防止することができる。また、切換弁13の動特性に経年変化やばらつきが生じても、義足1の動作を安定化させることができる。
【0052】
あるいは、上記のスライディングモード制御アルゴリズムに代えて、デューティ値DUTを、図15に示す2自由度PID制御アルゴリズムによって算出してもよい。ここで、同図の式中のeは追従誤差、Kp、Kpr、Kd、Kdrおよびkiは、フィードバックゲインである。このような2自由度PID制御によれば、スライディングモード制御の場合と同様、追従誤差eが値0に収束するように制御されることで、切換弁13の動作が振動的なオーバーシュート特性になるのを防止でき、義足1の不自然な振動的動作を防止することができる。また、切換弁13の応答速度を速めることができるため、義足1の不自然な振動的動作を防止しつつ、その動作を速めることができる。
【0053】
次に、コントローラ25で実行される義足1の制御処理について説明する。この処理は所定時間ごとに実行される。図14は、そのメイン処理を示している。まず、そのステップ1(「S1」と図示。以下同じ)では、かかと接地センサ19がON状態であるか否かを判別する。この答がNOで、足部材6のかかとが接地状態でないときには、時間差タイマtmdsls2を値0にリセットする(ステップ2)。この時間差タイマtmdsls2および後述する各種のタイマは、処理の実行ごと(所定時間ごと)に値1が加算されるインクリメントタイマである。次いで、接地時間差tmdsls2fixおよび圧力保持タイマtmkppをそれぞれ値0にリセットした(ステップ3、4)後、後述するステップ12以降に進む。
【0054】
前記ステップ1の答がYESで、かかとが接地状態にあるときには、つま先接地センサ20がON状態であるか否かを判別する(ステップ5)。この答がNOで、足部材6のつま先が接地状態でないときには、切換弁制御タイマtmconを値0にリセットした(ステップ6)後、前記ステップ3以降に進む。以上の実行内容から明らかなように、時間差タイマtmdsls2は、かかとが接地した後の経過時間を表し、切換弁制御タイマtmconは、つま先が接地した後の経過時間を表し、圧力保持タイマtmkppは、かかと及びつま先がともに接地状態になった後の経過時間を表す(図20参照)。
【0055】
前記ステップ5の答がYESで、かかと及びつま先がともに接地状態にあるときには、接地時間差tmdsls2fixが値0であるか否かを判別する(ステップ7)。この答がYES、すなわち今回がかかと及びつま先がともに接地状態になった直後のループであるときには、そのときの時間差タイマtmdsls2の値を、かかと及びつま先の接地時間差tmdsls2fixとしてセットした(ステップ8)後、ステップ9に進む。また、前記ステップ7の答がNOのときには、ステップ8をスキップしてステップ9に進み、状態不定タイマtmunknownを値0にリセットする。したがって、この状態不定タイマtmunknownは、かかと又はつま先のいずれかが接地状態にない状態の継続時間を表す。
【0056】
次に、ステップ10において、シーケンス制御時間の決定処理を実行する。この決定処理は、前記ステップ8でセットされた接地時間差tmdsls2fixに応じて、各切換弁13の圧力保持開始時間、切換弁開放開始時間および切換弁全開開始時間を決定するものであり、図17に示すサブルーチンに従って実行される。そのステップ21では、接地時間差tmdsls2fixに応じ、それぞれのテーブルを検索することによって、切換弁13A〜13Cならびに切換弁13Dおよび13Eによる圧力保持開始時間tmkpabc、tmkpdeを決定する。これらのテーブルでは、圧力保持開始時間tmkpabc、tmkpdeはいずれも、接地時間差tmdsls2fixが小さいほど、すなわち歩行速度が速いほど、より小さな値に設定されている。このような設定により、歩行速度が速いほど、義足1の接地に対する圧力保持の開始タイミングが早められるので、各切換弁13による圧力保持を、実際の歩行速度に応じた適切なタイミングで行うことができる。
【0057】
次に、ステップ22において、接地時間差tmdsls2fixに応じ、それぞれのテーブルを検索することによって、切換弁13A〜13Eの切換弁開放開始時間tmopa1、tmopb1、tmopc1、tmopd1およびtmope1を決定する。これらのテーブルにおいてもまた、切換弁開放開始時間tmopa1〜tmope1はいずれも、接地時間差tmdsls2fixが小さいほど、より小さな値に設定されている。これにより、各切換弁13の開放を、実際の歩行速度に応じた適切なタイミングで行うことができる。
【0058】
また、前述したように、膝関節装置2による膝曲げ動作およびそれに続く膝伸ばし動作を実現するために、切換弁13Bを切換弁13A、13Cに先行して開放する必要があることから、前者のtmopb1値は、後者のtmopa1値、tmopc1値よりも小さな値に設定されている。同様に、足首関節装置3による蹴り出し動作およびそれに続くつま先上げ動作を実現するために、切換弁13Dを切換弁13Eに先行して開放する必要があることから、前者のtmopd1値は、後者のtmope1値よりも小さな値に設定されている。
【0059】
次に、ステップ23において、接地時間差tmdsls2fixに応じ、それぞれのテーブルを検索することによって、切換弁13A〜13Eの切換弁全開開始時間tmopa2、tmopb2、tmopc2、tmopd2およびtmope2を決定する。これらのテーブルでは、切換弁全開開始時間tmopa2〜tmope2は、切換弁13を開放した後に全開制御するという時間的関係から、上記の切換弁開放開始時間tmopa1〜tmope1よりも大きな値に設定されている。また、切換弁全開開始時間tmopa2〜tmope2はいずれも、接地時間差tmdsls2fixが小さいほど、より小さな値に設定されている。これにより、各切換弁13の全開を、実際の歩行速度に応じた適切なタイミングで行うことができる。さらに、上述した切換弁開放開始時間tmopa1〜tmope1の場合と同じ理由から、切換弁13Bのtmopb2値は、切換弁13A、13Cのtmopa2値、tmopc2値よりも小さな値に設定され、切換弁13Dのtmopd2値は、切換弁13Eのtmope2値よりも小さな値に設定されている。
【0060】
図16に戻り、前記ステップ10に続くステップ11では、各切換弁13の目標開度の決定処理を実行する。この決定処理は、接地時間差tmdsls2fixに応じて、各切換弁13の中間開放状態での目標開度を決定するものであり、図18に示すサブルーチンに従って実行される。そのステップ31では、接地時間差tmdsls2fixに応じ、それぞれのテーブルを検索することによって、切換弁13A〜13Eの目標開度θAT、θBT、θCT、θDT、θETを決定する。これらのテーブルにおいてもまた、目標開度θAT〜θETはいずれも、接地時間差tmdsls2fixが小さいほど、より小さな値に設定されている。
【0061】
図16に戻り、前記ステップ11に続くステップ12〜16では、切換弁13A〜13Eの制御処理をそれぞれ実行する。図19は、切換弁13Aの制御処理のサブルーチンを示しており、以下、図20を参照しながら、その内容を説明する。まず、ステップ41では、状態不定タイマtmunknownの値が、所定値TMUKMAX(例えば3秒相当)よりも大きいか否かを判別する。この答がYES、すなわち、かかと又はつま先のいずれかが接地状態にない状態が所定時間以上、継続したときには、義足1の状態が不定であり、義足1が歩行状態にないとして、切換弁13Aの目標開度θATを値0(全閉)に設定する(ステップ42)。これに応じて、モータ15への印加電流がゼロに設定されることにより、切換弁13Aは全閉状態に制御される。このように、義足1が歩行状態にないときに、モータ15への印加電流をゼロに設定することによって、バッテリ17の消費電力を最小限に抑制できるとともに、バッテリ17の軽量化を図ることができる。
【0062】
前記ステップ41の答がNOのときには、切換弁制御タイマtmconの値が0であるか否かを判別する(ステップ43)。この答がYESのとき、すなわちかかとが接地状態であり且つつま先が接地状態にないときには(図20の時刻t1〜t2区間)、切換弁13Aの目標開度θATを90度(全開)に設定する(ステップ44)。これにより、かかとが接地した直後(時刻t1)から、切換弁13Aが全開状態に制御され、リンクAに圧力が蓄積される。
【0063】
前記ステップ43の答がNOのときには、圧力保持タイマtmkppの値が、図17のステップ21で設定した圧力保持開始時間tmkpabcよりも小さいか否かを判別する(ステップ45)。この答がYESのとき、すなわち、つま先の接地後の経過時間が圧力保持開始時間tmkpabcに達していないときには(時刻t2〜t3区間)、前記ステップ44を実行することによって、切換弁13Aの全開制御状態を保持し、リンクAへの圧力の蓄積動作を継続する。
【0064】
前記ステップ45の答がNOで、つま先の接地後の経過時間が圧力保持開始時間tmkpabcに達したときには(時刻t3)、切換弁制御タイマtmconの値が、図17のステップ22で設定した切換弁開放開始時間tmopa1よりも大きいか否かを判別する(ステップ46)。このステップ45の実行当初は、この答がNOになるので、その場合には前記ステップ42を実行し、切換弁13Aを全閉制御する。これにより、リンクAに蓄積された圧力が保持される(時刻t3〜t5区間)。
【0065】
前記ステップ46の答がYESで、つま先の接地後の経過時間が切換弁開放開始時間tmopa1に達したときには(時刻t5)、切換弁制御タイマtmconの値が、図17のステップ23で設定した切換弁全開開始時間tmopa2よりも大きいか否かを判別する(ステップ47)。このステップ47の実行当初は、この答がNOになるので、その場合にはステップ48に進み、切換弁13Aの目標開度θATを、図18で設定した目標開度θATに設定する。これにより、切換弁13Aの中間開放制御が開始され(時刻t5)、膝曲げ動作が開始される。また、前述したように、この場合の切換弁13Aの開度制御は、応答指定型制御アルゴリズムや2自由度PID制御アルゴリズムに基づいて行われる。
【0066】
前記ステップ47の答がYESで、つま先の接地後の経過時間が切換弁全開開始時間tmopa2に達したときには(時刻t6)、前記ステップ44を実行する。これにより、切換弁13Aの全開制御が開始される。その後は、義足1が不定状態にならない限り、切換弁13Aは全開状態に維持され、義足1の歩行状態に応じた切換弁13Aの制御が、上述したようにして繰り返し実行される。
【0067】
図21〜図24は、他の切換弁13B〜13Eの制御処理のサブルーチンを示している。これらの図に示すように、切換弁13B〜13Eの制御処理の内容は、切換弁Aの場合と基本的に同じであり、各切換弁用に設定された圧力保持開始時間tmkpabcまたはtmkpde、切換弁開放開始時間tmopb1〜tmope1、および切換弁全開開始時間tmopb2〜tmope2を、それぞれ適用することによって、同様に行われる。
【0068】
図25は、義足1へのバッテリ17、キャパシタ18およびコントローラ25のレイアウトの一例を示している。これらの構成要素は、雨天時の浸水や水はねなどに起因するショートや故障を避けるために、できるだけ上側に配置することが好ましい。また、同図のキャパシタ18のように、膝下部材5に配置する場合には、膝関節部(リンクA〜C)を中心とした慣性モーメントが小さい方が、膝下部材5の回転速度、したがって歩行速度を速くすることができるので、できるだけリンクA〜Cに近い上側に配置するのがよい。一方、同図のバッテリ17およびコントローラ25のように、リンクA〜Cまたは膝上部材4に配置する場合には、その上側の股関節部を中心とした慣性モーメントが小さい方が、義足1をより小さな力で動かせるので、できるだけ膝下部材5から遠い上側に配置するのがよい。
【0069】
図26は、本発明の第2実施形態による義足の膝関節装置を示している。この膝関節装置32は、膝上部材4と膝下部材5の間に、アクチュエータとして2本の伸縮リンク(以下、単に「リンク」という)F、Gを用いた簡易型のものである。両リンクF、Gの構成は、前述したリンクA〜Eと同じである。リンクFは、右前側に配置されており、膝上部材4に剛結されるとともに、膝下部材5に回転ジョイント38を介して回転自在に連結されている。リンクGは、リンクFに対して左側および後ろ側にオフセットして配置されており、膝上部材4および膝下部材5に、それぞれ回転ジョイント37、38を介して回転自在に連結されている。他の構成は、第1実施形態の膝関節装置と同じである。
【0070】
したがって、この膝関節装置32によれば、X脚/O脚に対応した関節動作は行えないものの、膝の曲げ動作および伸ばし動作を、第1実施形態よりも簡便な構成で実現することができる。
【0071】
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、リンクBとリンクA、Cの間、およびリンクDとリンクEの間で、切換弁開放開始時間tmopa1〜tmope1や切換弁全開開始時間tmopa2〜tmope2を異なる設定とすることで、主としてそれらの動作タイミングを異なるように制御しているが、これに代えて、またはこれとともに、例えば中間開放状態での目標開度θTを大きく異ならせることによって、動作速度を異なるように制御してもよい。
【0072】
また、切換弁13の開度を制御する際の応答指定型制御アルゴリズムとして、スライディングモード制御を用いているが、これに代えて、バックステッピング制御を採用してもよい。さらに、実施形態の義足1は、膝関節装置2と足首関節装置3を組み合わせたものであるが、膝下切断の場合には、義足が足首関節装置3のみで構成されることはもちろんである。
【0073】
【発明の効果】
以上のように、本発明の義足の関節装置によれば、電源の飛躍的な軽量化および持続時間の長期化を達成できるとともに、膝の曲げ伸ばし動作、つま先上げ動作および蹴り出し動作を容易に行うことができるなどの効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による義足の全体構成を示す(a)正面図および(b)側面図である。
【図2】義足の膝関節装置を拡大して示す(a)正面図および(b)側面図である。
【図3】切換弁の構成および取付状況を示す斜視図である。
【図4】図3の切換弁の弁体の(a)平面図、(b)正面図および(c)側面図である。
【図5】切換弁の開閉動作を示す図である。
【図6】膝関節装置の基本動作を説明するための図である。
【図7】歩行時における膝関節装置の制御例を示すタイミングチャートである。
【図8】図7とは別の制御例を示すタイミングチャートである。
【図9】(a)通常脚、(b)X脚および(c)O脚に対応した義足の動作を模式的に示す図である。
【図10】義足の足首関節装置を拡大して示す(a)正面図および(b)側面図である。
【図11】足首関節装置の基本動作を説明するための図である。
【図12】歩行時における足首関節装置の制御例を示すタイミングチャートである。
【図13】義足の制御装置を示すブロック図である。
【図14】義足の制御に適用される応答指定型制御アルゴリズムを示す図である。
【図15】義足の制御に適用される2自由度PID制御アルゴリズムを示す図である。
【図16】義足の制御処理のメイン処理を示すフローチャートである。
【図17】図16の制御処理のうちのシーケンス制御時間決定処理のサブルーチンである。
【図18】切換弁目標開度決定処理のサブルーチンである。
【図19】切換弁13Aの制御処理のサブルーチンである。
【図20】図19の制御処理による動作例を示すタイミングチャートである。
【図21】切換弁13Bの制御処理のサブルーチンである。
【図22】切換弁13Cの制御処理のサブルーチンである。
【図23】切換弁13Dの制御処理のサブルーチンである。
【図24】切換弁13Eの制御処理のサブルーチンである。
【図25】義足へのバッテリなどの配置例を示す(a)正面図および(b)側面図である。
【図26】本発明の第2実施形態による義足の膝関節装置を拡大して示す(a)正面図および(b)側面図である。
【図27】人間の歩行時の関節動作を模式的に示す図である。
【図28】従来の義足の動作を模式的に示す図である。
【符号の説明】
1 義足
2 膝関節装置
3 足首関節装置
4 膝上部材(上部材)
5 膝下部材(下部材、上部材)
6 足部材(下部材)
A〜G 伸縮リンク(アクチュエータ)
9 リンク本体
10 圧力蓄積ピストン
11 圧力蓄積ばね
12 体重印加ピストン
13 切換弁(制御手段)
17 バッテリ(電源)
19 かかと接地センサ(歩行速度検出手段、歩行状態検出手段)
20 つま先接地センサ(歩行速度検出手段、歩行状態検出手段)
25 コントローラ(制御手段、歩行速度検出手段、歩行状態検出手段)
32 膝関節装置
tmopa1〜tmope1
切換弁開放開始時間(アクチュエータの動作タイミング)
tmopa2〜tmope2
切換弁全開開始時間(アクチュエータの動作タイミング)
tmdsls2fix 接地時間差(歩行速度)
Claims (12)
- 互いに間隔を隔てた上部材および下部材と、
前記上部材と前記下部材の間に連結され、義足に作用する体重によるエネルギーを蓄積するとともに、当該蓄積したエネルギーを放出することにより動作し、前記下部材を駆動することによって関節動作を行わせるアクチュエータと、
を備えることを特徴とする義足の関節装置。 - 前記蓄積されたエネルギーの放出を制御することにより、前記アクチュエータの動作を制御する制御手段をさらに備え、
当該制御手段は、前記アクチュエータの動作速度および動作タイミングの少なくとも一方を制御することを特徴とする、請求項1に記載の義足の関節装置。 - 前記アクチュエータが、前記体重の作用方向と異なる方向に配置された複数のアクチュエータで構成され、
前記制御手段は、前記体重の作用方向と異なる方向の前記関節動作を生じさせるために、当該複数のアクチュエータの動作速度および動作タイミングの少なくとも一方を互いに異なるように制御することを特徴とする、請求項2に記載の義足の関節装置。 - 前記上部材が膝上部材であり、前記下部材が膝下部材であることを特徴とする、請求項3に記載の義足の関節装置。
- 前記上部材が膝下部材であり、前記下部材が足部材であることを特徴とする、請求項3に記載の義足の関節装置。
- 前記アクチュエータが、前記体重の作用方向と異なる方向に配置された複数のアクチュエータで構成され、
前記下部材は、前記複数のアクチュエータに回転自在に連結され、
前記制御手段は、前記関節動作としてひねり動作を伴う回転動作を生じさせるために、前記複数のアクチュエータの動作速度および動作タイミングの少なくとも一方を互いに異なるように制御することを特徴とする、請求項2に記載の義足の関節装置。 - 前記上部材が膝上部材であり、前記下部材が膝下部材であることを特徴とする、請求項6に記載の義足の関節装置。
- 前記義足の歩行速度を検出する歩行速度検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記アクチュエータの動作速度および動作タイミングの少なくとも一方を、前記検出された歩行速度に応じて制御することを特徴とする、請求項2に記載の義足の関節装置。 - 前記歩行速度検出手段は、
義足の足の裏側の互いに異なる部位に配置され、当該足の接地状態を検出する複数の接地センサを有し、当該複数の接地センサの出力時間差に基づいて前記歩行速度を検出することを特徴とする、請求項8に記載の義足の関節装置。 - 前記制御手段は、前記アクチュエータの動作を、応答指定型制御アルゴリズムに基づいて制御することを特徴とする、請求項2に記載の義足の関節装置。
- 前記制御手段は、前記アクチュエータの動作を、2自由度PID制御アルゴリズムに基づいて制御することを特徴とする、請求項2に記載の義足の関節装置。
- 前記制御手段により前記アクチュエータの動作を制御するための電源と、
前記義足が歩行状態にあるか否かを検出する歩行状態検出手段と、
をさらに備え、
前記制御手段は、前記歩行状態検出手段により前記義足が歩行状態にないと検出されたときに、前記アクチュエータを前記電源の消費電力が低下する方向に動作させることを特徴とする、請求項2ないし11のいずれかに記載の義足の関節装置。
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