JP5152757B2 - 歩行補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、利用者の歩行を補助する歩行補助装置に関する。

従来、この種の歩行補助装置として、荷重伝達部と、利用者の足平に装着される足平装着部と、荷重伝達部と足平装着部との間の脚リンクとを備え、脚リンクにより発生する力を荷重伝達部を介して利用者の体幹に伝達するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このものでは、脚リンクが、荷重伝達部に第１関節部を介して連結される上方の第１リンク部と、足平装着部に第２関節部を介して連結される下方の第２リンク部と、第１リンク部と第２リンク部とを屈伸自在に連結する中間の第３関節部と、第３関節部を駆動する駆動機構とで構成されている。そして、駆動機構により第３関節部の屈曲角度を減少する方向(脚リンクを伸展する方向)の力を発生させることにより、利用者の脚に作用する荷重を軽減できるようにしている。

また、特許文献１に記載のものでは、荷重伝達部を、利用者が跨ぐようにして着座する着座部材で構成すると共に、第１関節部を、着座部材に連結される、着座部材の上方に曲率中心を持つ前後方向に長手の円弧状のガイドレールと、第１リンク部の上端部に固定される、ガイドレールに移動自在に係合するスライダとで構成している。これによれば、ガイドレールの曲率中心が第１関節部における脚リンクの前後方向の揺動支点となる。そして、揺動支点が着座部材の上方に位置するため、利用者の体重移動で着座部材が上下に大きく傾動することが防止される。

特許文献１に記載のものでは、更に、ガイドレールの曲率中心と第３関節部の関節軸とを結ぶ線よりも後方のガイドレールの部分にスライダが係合するようにしている。これによれば、利用者の遊脚(足平が離床している脚)の前方への振り出しに追従する脚リンクの前方への揺動ストロークをガイドレールの長さを前方に然程長くせずに確保することができ、第１関節部の小型化を図れる。

また、特許文献１に実施形態として記載されている駆動機構は、第１リンク部に搭載した回転アクチュエータと、回転アクチュエータからの動力をワイヤを介して第３関節部に伝達するワイヤ式動力伝達部とで構成されているが、駆動機構はこれに限られない。具体的には、第１リンク部に搭載した回転アクチュエータと、回転アクチュエータの出力軸上の駆動クランクアームと、第２リンク部に第３関節部の関節軸と同心に固定した従動クランクアームと、一端と他端とを駆動クランクアームと従動クランクアームとに枢着した連結リンクとで駆動機構を構成してもよい。

この場合、一般的に考えられるのは、駆動クランクアームに対する連結リンクの枢着部と従動クランクアームに対する連結リンクの枢着部とを結ぶ線が回転アクチュエータの出力軸と第３関節部の関節軸とを結ぶ線に平行になるように連結リンクを配置して、一種の平行リンク機構を構成することである。

ところで、第１関節部回りの脚リンクの慣性モーメントが大きくなると、利用者が遊脚を前方に振り出す際に、脚リンクの慣性モーメントに起因して遊脚に作用する負荷が大きくなる。そのため、脚リンクの慣性モーメントを軽減することが望まれる。ここで、第１リンク部に搭載する回転アクチュエータを軽量化すれば、脚リンクの慣性モーメントを軽減できる。然し、脚リンクで所要のアシスト力を発生させるには、回転アクチュエータをある程度以上のトルクを出力できるものにする必要があり、回転アクチュエータの軽量化にも限度がある。

この場合、従動クランクアームの長さを駆動クランクアームの長さより長くして、従動クランクアームの回転角速度を駆動クランクアームの回転角速度より遅くし、従動クランクアームに伝達されるトルク、即ち、第３関節部の駆動トルクを回転アクチュエータの出力トルクより大きくすることが考えられる。然し、これでは以下の不具合を生ずる。即ち、第１リンク部と第２リンク部とを第３関節部で屈伸自在に連結して成る脚リンクでは、脚リンクの長さ（上端の第１関節部と下端の第２関節部とを結ぶ線分の長さ）を第３関節部の屈曲角度で微分した脚リンクの伸縮速度が第３関節部の屈曲角度の減少に伴い遅くなる。ここで、第３関節部の屈曲角度が小さな領域での制御性を向上させるには、屈曲角度を速く変化させることが必要になる。従って、従動クランクアームの回転角速度を駆動クランクアームの回転角速度より遅くしたのでは、回転アクチュエータの要求回転速度が高くなり、結果として回転アクチュエータの軽量化を図ることが困難になる。
特開２００７−２０９０９号公報

本発明は、以上の点に鑑み、歩行補助機能を損なうことなく回転アクチュエータを軽量化して、脚リンクの慣性モーメントを軽減できるようにした歩行補助装置を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、荷重伝達部と、利用者の足平に装着される左右一対の足平装着部と、前記荷重伝達部と前記足平装着部との間の左右一対の脚リンクとを備え、前記脚リンクにより発生する力を前記荷重伝達部を介して利用者の体幹に伝達するようにした歩行補助装置であって、
前記左右の脚リンクは夫々、前記荷重伝達部に第１関節部を介して連結される上方の第１リンク部と、前記足平装着部に第２関節部を介して連結される下方の第２リンク部と、前記第１リンク部と前記第２リンク部とを屈伸自在に連結する中間の第３関節部と、前記第３関節部を駆動する駆動機構とで構成され、
前記駆動機構は、前記第１リンク部に搭載した回転アクチュエータと、前記回転アクチュエータの出力軸上の駆動クランクアームと、前記第２リンク部に前記第３関節部の関節軸と同心に固定した従動クランクアームと、一端と他端とを前記駆動クランクアームと前記従動クランクアームとに枢着した連結リンクとで構成され、
前記連結リンクは、前記駆動クランクアームに対する前記連結リンクの枢着部と前記従動クランクアームに対する前記連結リンクの枢着部とを結ぶ線が、前記回転アクチュエータの出力軸と前記第３関節部の関節軸とを結ぶ線に斜交するように配置されることを特徴とする。

本発明によれば、左右の脚リンクに夫々備えられる駆動機構において、駆動クランクアームに対する連結リンクの枢着部と従動クランクアームに対する連結リンクの枢着部とを結ぶ線が、回転アクチュエータの出力軸と第３関節部の関節軸とを結ぶ線に斜交する関係で、従動クランクアームの回転角速度と駆動クランクアームの回転角速度との比が、駆動クランクアームの回転角度位置によって変化する。
そして、利用者の通常歩行（平地歩行）時の第３関節部の屈曲角度範囲においては、従動クランクアームの回転角速度を駆動クランクアームの回転角速度より遅くして、従動クランクアームに伝達されるトルク（第３関節部の駆動トルク）を回転アクチュエータの出力トルクより大きくするトルク増幅作用が得られるようにすると共に、第３関節部の屈曲角度が小さい領域では、従動クランクアームの回転角速度を駆動クランクアームの回転角速度より増速することができる。
これによれば、通常歩行時に所要のアシスト力を発生させる上で必要な回転アクチュエータの出力トルクがトルク増幅分だけ少なくて済むと共に、第３関節部の屈曲角度の小さな領域での制御性を確保する上で必要な回転アクチュエータの要求回転速度を増速分だけ低く抑えることができる。
従って、歩行補助機能を損なうことなく回転アクチュエータの小型軽量化を図ることができる。その結果、脚リンクの第１関節部回りの慣性モーメントを軽減して、利用者が遊脚を前方に振り出す際に遊脚に作用する負荷を低減できる。

ところで、本発明において、上記特許文献１に記載のものと同様に、荷重伝達部は、利用者が跨ぐようにして着座する着座部材で構成され、第１関節部は、着座部材に連結され且つ着座部材の上方に曲率中心を持つ前後方向に長手の円弧状のガイドレールと、第１リンク部の上端部に固定され且つガイドレールに移動自在に係合するスライダとで構成され、ガイドレールの曲率中心と第３関節部の関節軸とを結ぶ線よりも後方または前方のガイドレールの部分にスライダが係合する場合、駆動クランクアームに対する連結リンクの枢着部は、回転アクチュエータの出力軸と第３関節部の関節軸とを結ぶ線に対し、ガイドレールとは反対側に位置することが望ましい。
これによれば、回転アクチュエータの出力軸とガイドレールとの間に駆動クランクアーム及び連結リンクの運動スペースを確保する必要がなく、回転アクチュエータの回転軸の位置、即ち、回転アクチュエータの重心位置をガイドレールに近付けることができる。更に、利用者の体重を支持する力、即ち、第３関節部の屈曲角度を減少する方向の力が連結リンクの引張りで伝達されることになる。そのため、この力を押しで伝達する場合と異なり、連結リンクの断面を大きくして座屈を防止する必要がなく、連結リンク自体の軽量化も図ることができる。その結果、第１関節部回り（ガイドレールの曲率中心回り）の脚リンクの慣性モーメントを一層軽減できる。

また、第１リンク部にバッテリー等の付属品を搭載することがある。この場合、上記の如く回転アクチュエータの出力軸と第３関節部の関節軸とを結ぶ線に対しガイドレールとは反対側に駆動クランクアームに対する連結リンクの枢着部を位置させることで、回転アクチュエータの出力軸と第３関節部の関節軸とを結ぶ線よりもガイドレール側に位置する第１リンク部の部分に、連結リンクとの干渉を生ずることなく付属品を搭載できる。これによれば、付属品とガイドレールとの間の距離が短くなり、第１関節部回りの脚リンクの慣性モーメントが付属品の質量で増加することを可及的に抑制できる。

以下、本発明の実施形態の歩行補助装置について説明する。歩行補助装置は、図１乃至図３に示す如く、利用者Ｐが跨ぐようにして着座する荷重伝達部たる着座部材１と、利用者の左右の足平に装着される左右一対の足平装着部２，２と、着座部材１と左右の足平装着部２，２との間に設けられる左右一対の脚リンク３，３とを備えている。

各脚リンク３は、着座部材１に第１関節部４を介して連結される上方の第１リンク部５と、各足平装着部２に第２関節部６を介して連結される下方の第２リンク部７と、第１リンク部５と第２リンク部７とを屈伸自在に連結する中間の第３関節部８と、第３関節部８を駆動する駆動機構９とで構成されている。そして、駆動機構９による第３関節部８の駆動で各脚リンク５に伸展方向の力を加え、利用者の体重の少なくとも一部を支持する支持力（以下、アシスト力という）を発生させる。各脚リンク３で発生されたアシスト力は着座部材１を介して利用者Ｐの体幹に伝達され、利用者Ｐの脚に作用する荷重が軽減される。

着座部材１は、利用者Ｐが着座するサドル状のシート部１ａと、シート部１ａを支持する下面の支持フレーム１ｂと、シート部１ａの後側で立上る支持フレーム１ｂの後端の立上り部に取り付けた腰当て部１ｃとで構成されている。また、腰当て部１ｃには、利用者Ｐが把持可能なアーチ状の把持部１ｄが設けられている。

各脚リンク３の第１関節部４は、着座部材１に連結された円弧状のガイドレール４１を備えている。そして、このガイドレール４１に、各脚リンク４を第１リンク部５の上端部に固定されるスライダ４２に軸着した複数のローラ４３を介して移動自在に係合させている。かくして、各脚リンク３はガイドレール４１の曲率中心４ａを中心にして前後方向に揺動することになり、第１関節部４における各脚リンク３の前後方向の揺動支点はガイドレール４１の曲率中心４ａになる。

また、ガイドレール４１は、着座部材１の支持フレーム１ｂの後端の立上り部に前後方向に長手の支軸４ｂを介して軸支されている。従って、ガイドレール４１は、着座部材１に横方向に揺動自在に連結される。これにより、各脚リンク３の横方向への揺動が許容されて、利用者Ｐの脚を外転できるようになる。また、各脚リンク３の前後方向の揺動支点（ガイドレール４１の曲率中心）４ａ及び横方向の揺動支点（支軸）４ｂはシート部１ａより上方に位置する。そのため、利用者Ｐの体重移動で着座部材１が上下左右に大きく傾動することを防止できる。

また、第１リンク部５は後傾姿勢で配置されている。そして、ガイドレール４１の曲率中心４ａと第３関節部８の関節軸８ａとを結ぶ線よりも後方のガイドレール４１の部分にスライダ４２が係合するようにしている。これにより、利用者Ｐの遊脚の前方への振り出しに追従する脚リンク３の前方への揺動ストロークをガイドレール４１の長さを前方に然程長くせずに確保することができる。

各足平装着部２は、靴２ａと、靴２ａ内から上方に突出する連結部材２ｂとを備えている。そして、この連結部材２ｂに各脚リンク３の第２リンク部７が３軸構造の第２関節部６を介して連結されている。また、図２に示すように、靴２ａ内に設けられる中敷２ｃの下面に、利用者Ｐの足平の中趾節関節(ＭＰ関節)部分と踵部分とに作用する荷重を検出する前後一対の圧力センサ１０，１０が取付けられている。更に、第２関節部６には２軸の力センサ１１が組み込まれている。これら圧力センサ１０及び力センサ１１の検出信号は着座部材１の支持フレーム１ｂに収納したコントローラ１２に入力される。コントローラ１２は、圧力センサ１０及び力センサ１１からの信号に基づき、駆動機構９を制御して脚リンク３の第３関節部８を駆動し、上記アシスト力を発生させる歩行アシスト制御を実行する。

ここで、アシスト力は、横方向から見て、第１関節部４における脚リンク３の前後方向の揺動支点４ａと、第２関節部６における脚リンク３の前後方向の揺動支点とを結ぶ線(以下、基準線という)上に作用する。そこで、歩行アシスト制御では、基準線上に作用する実際のアシスト力(正確にはアシスト力と着座部材１及び各脚リンク３の重量による力との合力)を力センサ１１で検出される２軸方向の力の検出値に基づいて算出する。また、各足平装着部２の圧力センサ１０の検出圧力に基づいて、利用者Ｐの両足平に作用する全荷重に対する各足平の作用荷重の割合を算出する。次に、予め設定されるアシスト力の設定値に各足平の荷重割合を乗算した値を各脚リンク３で発生すべきアシスト力の制御目標値として算出する。そして、力センサ１１の検出値に基づいて算出される実際のアシスト力が制御目標値になるように駆動機構９を制御する。

駆動機構９は、第１リンク部５の上端部外面に搭載した減速機９１ａ付きの電動モータから成る回転アクチュエータ９１と、回転アクチュエータ９１の出力軸９１ｂ上の駆動クランクアーム９２と、第２リンク部７に第３関節部８の関節軸８ａと同心に固定した従動クランクアーム９３と、一端と他端とを駆動クランクアーム９２と従動クランクアーム９３とに枢着した連結リンク９４とで構成されている。連結リンク９４は、図４に明示する如く、駆動クランクアーム９２に対する連結リンク９４の枢着部９４ａと従動クランクアーム９３に対する連結リンク９４の枢着部９４ｂとを結ぶ線（以下、可動リンク線という）Ｌ２が回転アクチュエータ９１の出力軸９１ｂと第３関節部８の関節軸８ａとを結ぶ線（以下、固定リンク線という）Ｌ１に斜交するように配置されている。

このように固定リンク線Ｌ１に対し可動リンク線Ｌ２を斜交させると、従動クランクアーム９３の回転角速度と駆動クランクアーム９２の回転角速度との比が駆動クランクアーム９２の回転角度位置によって変化する。そして、本実施形態では、第３関節部８の屈曲角度（第３関節部８及びガイドレール４１の曲率中心４ａを通る線と第３関節部８及び第２関節部６を通る線との成す角度）θが約２０°〜７０°の範囲に存するときは、従動クランクアーム９３と駆動クランクアーム９２の角速度比（従動クランクアーム９３の回転角速度／駆動クランクアーム９２の回転角速度）が１以下になる。角速度比が１以下であれば、従動クランクアーム９３に伝達されるトルク、即ち、第３関節部８の駆動トルクが回転アクチュエータ９１の出力トルク以上になる。

ここで、利用者Ｐの通常歩行（平地歩行）時には第３関節部８の屈曲角度θの範囲は約４０°〜７０°になる。従って、利用者Ｐの通常歩行時の第３関節部８の屈曲角度範囲において、従動クランクアーム９３の回転角速度は駆動クランクアーム９２の回転角速度より遅くなる。そのため、通常歩行時には、第３関節部８の駆動トルクを回転アクチュエータ９１の出力トルクより大きくするトルク増幅作用が得られ、所要のアシスト力を発生させる上で必要な回転アクチュエータ９１の出力トルクがこのトルク増幅分だけ少なくて済む。

また、第１関節部４における脚リンク３の揺動支点４ａと第２関節部６とを結ぶ線分の長さ（脚リンク長）を第３関節部８の屈曲角度θで微分した脚リンク３の伸縮速度は、屈曲角度θの減少に伴い遅くなる。そして、屈曲角度θの小さな領域での制御性を向上させるには、屈曲角度θを速く変化させることが必要になる。そのため、回転アクチュエータ９１の要求回転速度が高くなり、回転アクチュエータ９１の軽量化を図る上で障害になる。これに対し、本実施形態では、屈曲角度θが約２０°以下の領域において、従動クランクアーム９３の回転角速度が駆動クランクアーム９２の回転角速度よりも速くなり、増速作用が得られる。従って、屈曲角度θの小さな領域での制御性を確保する上で必要な回転アクチュエータ９１の要求回転速度を増速分だけ低く抑えることができる。

かくして、本実施形態では、通常歩行時のトルク増幅作用と屈曲角度θが小さな領域での増速作用とにより、歩行補助機能を損なうことなく回転アクチュエータ９１の小型軽量化を図ることができる。その結果、脚リンク３の第１関節部４回りの慣性モーメントを軽減して、利用者Ｐが遊脚を前方に振り出す際に遊脚に作用する負荷を低減できる。

また、本実施形態では、駆動クランクアーム９２に対する連結リンク９４の枢着部９４ａが固定リンク線Ｌ１に対し第１関節部４のガイドレール４１とは反対側に位置する。これによれば、回転アクチュエータ９１の出力軸９１ｂとガイドレール４１との間に駆動クランクアーム９２及び連結リンク９４の運動スペースを確保する必要がない。そのため、回転アクチュエータ９１の回転軸９１ｂの位置、即ち、回転アクチュエータ９１の重心位置をガイドレール４１に近付けることができる。

更に、回転アクチュエータ９１から第３関節部８に、利用者Ｐの体重を支持するアシスト力、即ち、第３関節部８の屈曲角度を減少する方向の力が連結リンク９４の引張りで伝達されることになる。そのため、この力を押しで伝達する場合と異なり、連結リンク９４の断面を大きくして座屈を防止する必要がなく、連結リンク９４自体の軽量化も図ることができる。その結果、回転アクチュエータ９１の重心位置をガイドレール４１に近付けられることと相俟って、第１関節部４回り（ガイドレール４１の曲率中心４ａ回り）の脚リンク３の慣性モーメントを一層軽減できる。

また、このように駆動クランクアーム９２に対する連結リンク９４の枢着部９４ａを固定リンク線Ｌ１に対し第１関節部４のガイドレール４１とは反対側に位置させると、固定リンク線Ｌ１よりもガイドレール４１側の第１リンク部５の部分に、連結リンク９４との干渉を生じないスペースが確保される。そこで、本実施形態では、この部分にバッテリ等から成る付属品１３を搭載している。これによれば、付属品１３とガイドレール４１との間の距離が短くなり、第１関節部４回りの脚リンク３の慣性モーメントが付属品１３の質量で増加することを可及的に抑制できる。尚、第１リンク部５には、付属品１３を覆うカバー５１が取り付けられている。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態では、ガイドレール４１の曲率中心４ａと第３関節部８の関節軸８ａとを結ぶ線よりも後方のガイドレール４１の部分にスライダ４２が係合しているが、脚リンク３を上記実施形態のものとは前後逆に屈曲させて、ガイドレール４１の曲率中心４ａと第３関節部８の関節軸８ａとを結ぶ線よりも前方のガイドレール４１の部分にスライダ４２を係合させても良い。この場合も、駆動クランクアーム９２に対する連結リンク９４の枢着部を、回転アクチュエータ９１の出力軸９１ｂと第３関節部８の関節軸８ａとを結ぶ線に対しガイドレール４１とは反対側に位置させることで、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、第１関節部４を円弧状のガイドレール４１を有するものに構成して、第１関節部４における各脚リンク３の前後方向の揺動支点４ａが着座部材１の上方に位置するようにしているが、各脚リンク３の上端部を前後方向に揺動自在に軸支する横方向の軸を有する単純な構造の関節部で第１関節部４を構成することも可能である。更に、荷重伝達部を利用者の腰回りに装着するハーネスで構成することも可能である。また、片方の脚が骨折等で不自由な利用者の歩行を補助するため、上記実施形態の左右の脚リンク３，３のうち利用者の不自由な脚側の脚リンクのみを残して他方の脚リンクを省略することも可能である。

本発明の実施形態の歩行補助装置の斜視図。 実施形態の歩行補助装置の側面図。 実施形態の歩行補助装置の正面図。 実施形態の歩行補助装置の第１リンク部の切断側面図。

符号の説明

１…着座部材(荷重伝達部)、２…足平装着部、３…脚リンク、４…第１関節部、４１…ガイドレール、４２…スライダ、４ａ…ガイドレールの曲率中心、５…第１リンク部、６…第２関節部、７…第２リンク部、８…第３関節部、８ａ…関節軸、９…駆動機構、９１…回転アクチュエータ、９１ｂ…回転軸、９２…駆動クランクアーム、９３…従動クランクアーム、９４…連結リンク、９４ａ…駆動クランクアームに対する連結リンクの枢着部、９４ｂ…従動クランクアームに対する連結リンクの枢着部、１３…付属品。

Claims (3)

1. 荷重伝達部と、利用者の足平に装着される左右一対の足平装着部と、前記荷重伝達部と前記足平装着部との間の左右一対の脚リンクとを備え、前記脚リンクにより発生する力を前記荷重伝達部を介して利用者の体幹に伝達するようにした歩行補助装置であって、
   前記左右の脚リンクは夫々、前記荷重伝達部に第１関節部を介して連結される上方の第１リンク部と、前記足平装着部に第２関節部を介して連結される下方の第２リンク部と、前記第１リンク部と前記第２リンク部とを屈伸自在に連結する中間の第３関節部と、前記第３関節部を駆動する駆動機構とで構成され、
   前記駆動機構は、前記第１リンク部に搭載した回転アクチュエータと、前記回転アクチュエータの出力軸上の駆動クランクアームと、前記第２リンク部に前記第３関節部の関節軸と同心に固定した従動クランクアームと、一端と他端とを前記駆動クランクアームと前記従動クランクアームとに枢着した連結リンクとで構成され、
   前記連結リンクは、前記駆動クランクアームに対する前記連結リンクの枢着部と前記従動クランクアームに対する前記連結リンクの枢着部とを結ぶ線が、前記回転アクチュエータの出力軸と前記第３関節部の関節軸とを結ぶ線に斜交するように配置されることを特徴とする歩行補助装置。
2. 請求項１記載の歩行補助装置であって、
   前記荷重伝達部は、利用者が跨ぐようにして着座する着座部材で構成され、
   前記第１関節部は、着座部材に連結され且つ着座部材の上方に曲率中心を持つ前後方向に長手の円弧状のガイドレールと、前記第１リンク部の上端部に固定され且つガイドレールに移動自在に係合するスライダとで構成され、前記ガイドレールの曲率中心と前記第３関節部の関節軸とを結ぶ線よりも後方または前方のガイドレールの部分にスライダが係合しており、
   前記駆動クランクアームに対する前記連結リンクの枢着部は、前記回転アクチュエータの出力軸と前記第３関節部の関節軸とを結ぶ線に対しガイドレールとは反対側に位置することを特徴とする歩行補助装置。
3. 請求項２記載の歩行補助装置であって、
   前記回転アクチュエータの出力軸と前記第３関節部の関節軸とを結ぶ線よりも前記ガイドレール側に位置する前記第１リンク部の部分に付属品が搭載されることを特徴とする歩行補助装置。

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