JP5157888B2 - 歩行補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置に関する。本明細書では、ユーザが自由に動かすことのできる脚を健常脚（ｓｏｕｎｄ ｌｅｇ）と称し、自由に動かすことできない脚を患脚（ａｆｆｅｃｔｅｄ ｌｅｇ）と称する。

患脚の関節にトルクを与えることによってユーザの歩行を補助する歩行補助装置が研究されている。例えば、特許文献１には、健常脚の動きと同じになるように患脚の関節にトルクを与える歩行補助装置が開示されている。

特開２００３−１１６８９３号公報

一つのタイプの歩行補助装置は、歩行中の脚の動きを記述した歩行パターンデータを有しており、ユーザの脚の動きが歩行パターンに追従するように脚の関節にトルクを加える。歩行パターンを採用する歩行補助装置は次の利点を有する。即ち、歩行パターンは、脚の円滑な動きを記述しており、ユーザの脚が歩行パターンに追従するように動けば円滑な歩行が実現する。歩行パターンを採用する場合、歩行補助装置は、歩行面のスロープ角に応じて歩行パターンデータを変更する必要がある。或いは、歩行補助装置は、歩行面のスロープ角に応じて歩行パターンデータを切り換える必要がある。従ってそのようなタイプの歩行補助装置は、ユーザの歩行中に歩行面のスロープ角を検出する必要がある。本発明は、上記の課題に鑑みて創作された。本発明の目的は、ユーザの歩行中に歩行面のスロープ角を検出することのできる歩行補助装置を実現することにある。

本発明の歩行補助装置は、多リンク機構と、複数の接地センサと、傾斜角センサと、角度センサを備えている。多リンク機構は、ユーザの脚に沿って取り付けられ、ジョイントによって複数のリンクが連結されている構造を有している。多リンク機構の下端リンクはユーザの足裏に固定される。本明細書では、多リンク機構の下端リンクを足底リンクと称する。複数の接地センサは、足底リンクに前後方向に離間して取り付けられている。傾斜角センサは、多リンク機構の上端リンクに取り付けられており、鉛直に対する上端リンクの傾斜角を計測する。角度センサは、多リンク機構の各ジョイントの角度を検出する。この歩行補助装置は、複数の接地センサがいずれも接地を検知している間に、傾斜角センサと角度センサの出力から鉛直に対する足底面の角度を接地面のスロープ角度として計測することを特徴とする。以下では、鉛直に対する角度を絶対傾斜角と称する。

この歩行補助装置は、前後方向に離間して設けられている複数の接地センサがいずれも接地を検知していることを条件として、足底リンクの足底面の絶対傾斜角を歩行面のスロープ角として計測する。上記の条件を満足することで、歩行面と足底リンクの平行が保証される。従ってこの歩行補助装置は、歩行面のスロープ角を正確に計測することができる。

またこの歩行補助装置は、絶対傾斜角を計測する傾斜センサを多リンク機構の上端リンクに備えることも特徴の一つである。多リンク機構はユーザの脚に沿って取り付けられ、脚の動きに伴って揺動する。他方、絶対傾斜角を計測する傾斜角センサは、揺れに対して敏感である。多リンク機構の途中のリンクや足底リンクに傾斜角センサを取り付けると、センサデータの計測値の精度が低下する。本発明の歩行補助装置は、最も揺れの少ない上端リンクに傾斜角センサを搭載することによって、傾斜角センサの計測精度の低下を防止する。上端リンクは、ユーザの体幹に固定されることが好ましい。

本発明の歩行補助装置は、次の技術的特徴を備えることも好適である。即ち、歩行補助装置は、ユーザのそれぞれの脚に沿って装着される一対の多リンク機構を有しており、両方の足底リンクが共に水平であるとともに両方の足底リンクの鉛直方向の距離がゼロ以外であるときに段差を歩行中と判断する。そのような技術的特徴を備えることによって、歩行補助装置は、スロープ角だけでなく、段差を検知することができる。この歩行補助装置は、段差に応じて歩行パターンを修正することによって、段差歩行に適した歩行補助を行うことができる。或いはこの歩行補助装置は、段差に応じて歩行パターンを切り替えることによって、段差歩行に適した歩行補助を行うことができる。

本発明の歩行補助装置は、ユーザの歩行中に歩行面のスロープ角を検出することができる。

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、ユーザが装着した歩行補助装置１０の模式図を示す。図１（Ａ）は正面図を示し、図１（Ｂ）は側面図を示す。本実施例では、ユーザは、左脚の膝関節を自由に動かすことができないとする。歩行補助装置１０は、ユーザの左膝関節に適切なトルクを加え、ユーザの歩行動作を補助する。

歩行補助装置１０は、右脚装具１２Ｒと左脚装具１２Ｌからなる。右脚装具１２Ｒ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。右脚装具１２Ｒは、上部リンク１４Ｒ、下部リンク１６Ｒ、及び足底リンク２６Ｒを有する多リンク機構である。左右の脚装具１２Ｒ、１２Ｌは、支持リンク３０によって連結されている。支持リンク３０は、ユーザの背中側に配置され、右脚装具１２Ｒの上端と左脚装具１２Ｌの上端を連結している。即ち、支持リンク３０は，多リンク機構の上端リンクに相当する。

上部リンク１４Ｒの上端が腰ジョイントを介して支持リンク３０に連結されている。上部リンク１４Ｒの角度を検出する腰エンコーダ２２Ｒが、腰ジョイントに取り付けられている。下部リンク１６Ｒは、膝の外側に位置する膝ジョイントによって、上部リンク１４Ｒに連結されている。下部リンク１６Ｒの角度を検出する膝エンコーダ２０Ｒが、膝ジョイントに取り付けられている。足底リンク２６Ｒは、ユーザ踝の外側に位置する足首ジョイントによって、下部リンク１６Ｒに揺動可能に連結されている。足底リンク２６Ｒの角度を検出する足首エンコーダ２４Ｒが、足首ジョイントに取り付けられている。

上部リンク１４Ｒは、ベルトでユーザの大腿部に固定される。下部リンク１６Ｒは、ベルトでユーザの下腿部に固定される。足底リンク２６は、ベルトでユーザの足底に固定される。足底リンク２６を固定するベルトは、図示を省略している。支持リンク３０は、ユーザの体幹（腰）に固定される。

足底リンク２６Ｒの足底面には、複数の接地センサ２８Ｒが取り付けられている。なお、左脚の足底リンク２６Ｌの足底面に取り付けられている接地センサは符号２８Ｌで示される。図１（Ｂ）に示すように、複数の接地センサは、足底リンクの前方と後方に離間して取り付けられている。図１（Ｂ）の符号２８Ｌaは、前方の接地センサを示しており、符号２８Ｌｂは、後方の接地センサを示している。前方の接地センサ２８Ｌａは、ユーザの拇指球に相当する位置に取り付けられており、後方の接地センサ２８Ｌｂはユーザの踵に相当する位置に取り付けられている。夫々の接地センサは、足底リンク２６Ｒと歩行面との接地を検知する。

左脚装具１２Ｌの構造は、右脚装具１２Ｒの構造と同じであるので説明を省略する。ただし、左脚装具１２Ｌは、モータ３２を備える。モータ３２は、左脚装具１２Ｌの膝ジョイントに備えられており、ユーザの膝関節の外側に位置する。モータ３２は、上部リンク１４Ｌに対して下部リンク１６Ｌを回転させることができる。即ちモータ３２は、ユーザの左膝関節にトルクを加えることができる。

支持リンク３０にはコントローラ４０が取り付けられている。コントローラ４０の内部には、傾斜センサ２７が備えられている。傾斜センサ２７は、支持リンク３０の絶対的な傾斜角を検出する。即ち、傾斜センサ２７は、支持リンク３０の鉛直方向に対する傾斜角（絶対傾斜角）を検出する。なお、支持リンク３０の絶対傾斜角は、ユーザ体幹の絶対傾斜角に相当する。

以下では、左右の脚装具に取り付けられているエンコーダ群を、「角度センサ２０」と総称し、左右の足底リンクに取り付けられている接地センサ群を「接地センサ２８」と総称する。

コントローラ４０は、傾斜角センサ２７、角度センサ２０、及び接地センサ２８の出力に基づいて、モータ３２を制御する。具体的には、コントローラ４０は、予め記憶している歩行パターンを、ユーザの歩幅、歩行速度、及び、歩行面のスロープ角に応じて修正し、ユーザの左脚が修正された歩行パターンに追従するようにユーザの膝関節にトルクを加える。歩行補助装置が有する歩行パターンとその修正については、発明者らが既に出願した特許出願（特願２００８−２３５４６３、２００８年９月１２日出願）に詳しく開示されているのでここでは説明を省略する。

歩行補助装置１０が実行する処理を説明する。図２に、歩行補助装置１０が制御周期毎に実行するメイン処理のフローチャートを示す。まず歩行補助装置１０は、各種センサ（傾斜角センサ２７、角度センサ２０、及び、接地センサ２８）のデータを取得する（Ｓ１０）。次に歩行補助装置１０は、取得したセンサデータをローパスフィルタに通してノイズを除去する（Ｓ１２）。歩行補助装置１０は、角度センサによる各ジョイントの角度から、それぞれの足の位置と速度を求める（Ｓ１４）。ジョイントの角度から足の位置への変換は、良く知られたロボットの順運動学の計算を利用して求められる。また、ジョイントの角速度から足先の速度への変換は、良く知られたヤコビアン行列を使って求めることができる。ジョイントの角速度は、角度センサ２０から得られたジョイントの角度の経時的変化から求められる。次に歩行補助装置１０は、歩行面のスロープ各を同定する（Ｓ１６）。スロープ角の同定処理については後述する。

次に歩行補助装置１０は、各足の位置と速度から、ユーザが一歩に要する時間、歩幅、及び、歩行速度を求める（Ｓ１８）。本明細書ではこれらの変数、及び歩行面のスロープ角を「歩行状態変数」と総称する。歩行面のスロープ角は、ステップＳ１６で求められている。歩行補助装置１０は、基準となる歩行データ（基準歩行データ）を記憶しており、その基準歩行データを、求められた歩行状態変数で修正し、ユーザの歩行動作に適した歩行データを得る（Ｓ２０）。なお、歩行データは、足と腰の位置の経時的データ列で表される。歩行データは、「脚位置を基準とする足の軌道」と別言することもできる。

次に歩行補助装置１０は、修正された歩行データから、足の目標位置を決定する（Ｓ２２）。足の目標位置は、修正された歩行データに記述されている足の軌道において、現在の制御タイミングにおける足の位置に相当する。そして歩行補助装置１０は、ロボットの逆運動学に基づいて足の目標位置を目標膝角度に変換する（Ｓ２４）。こうして得られた目標膝角度にユーザの膝角度が一致するようにモータへ指令値を出力する（Ｓ２６）。以上の処理が、制御サイクル毎に繰り返される。

図３に、スロープ角の同定処理のフローチャートを示す。歩行補助装置１０は、足底リンクの前後に設けられた２個の接地センサがいずれも接地を検知しているときに、歩行面のスロープ角を同定する（Ｓ４０：ＹＥＳ）。接地センサのいずれか一方でも接地を検知していない場合は、スロープ角を同定することなく、処理を終了する（Ｓ４０：ＮＯ）。２個の接地センサが接地を検出している場合、歩行補助装置１０は、傾斜角センサ２７と角度センサ２０の値に基づいて、足底リンクの足底面の絶対傾斜角を算出する（Ｓ４２）。ここで算出された足底リンクの絶対傾斜角が、スロープ角の同定値に相当する。

ここで、歩行面のスロープ角を如何に計測するか、図４を参照して説明する。ここでは、右足底リンク２６Ｒが接地している場合を例に説明する。図４は歩行面のスロープ角と右脚装具１２Ｒの幾何学的関係を説明する図である。図４において、符号θslope、θbody、θhip、θknee、θankleは夫々、歩行面のスロープ角、支持リンク３０の絶対傾斜角（ユーザの体幹の絶対傾斜角）、支持リンク３０と上部リンク１４Ｒの間の角度、上部リンク１４Ｒと下部リンク１６Ｒの間の角度、及び、下部リンク１６Ｒと足底リンク２６Ｒの間の角度を示している。なお、ここでは、足底リンク２６Ｒの角度θankleは、下部リンク１６Ｒの伸びる方向に対して直角に交差する線を基準として測っている。また、足底リンク２６Ｒの絶対傾斜角をスロープ角θslopeとして表現している。また、符号ＶＬは、鉛直線を示している。

歩行面のスロープ角θslopeは、次式（１）で表される。なお、数式（１）では、各角度の正負は無視しており、数式（１）は、スロープ角θslopeが、θbody、θhip、θknee、及び、θankleの合計から算出されることを意味している。

なお、数式（１）の添え字「ｉ」は、計測回数を示している。即ち、歩行補助装置１０は、前後の接地センサ２８が接地を検出している間に傾斜センサ２７と角度センサ２０の出力をｋ回取得し、スロープ角のｋ回の計測値の平均を出力する。

図３に戻ってスロープ角の同定処理について説明を続ける。前述したように、図２のステップＳ１４で、それぞれの足底リンクの位置が求まっている。スロープ角の同定処理では、先に求めたスロープ角θslopeと、後側の足リンクを基準としたときの前側の足リンクの高さｆｚを用いて、ユーザが歩行している歩行面の種類を特定する。「前側方の足リンクの高さ」とは、両足リンクの鉛直方向の距離に相当する。またここで、歩行面の種類とは、平地、スロープ、或いは段差のいずれかを意味する。高さｆｚの絶対値が高さ閾値よりも小さい場合、歩行補助装置１０は、ユーザが平地を歩行していると判断する（Ｓ４４：ＹＥＳ、Ｓ４８）。なお、高さ閾値は、予め与えられている。高さｆｚの絶対値が高さ閾値以上であり、Ｓ４２で求めたスロープ角θslopeがスロープ角閾値以上の場合、歩行補助装置１０は、ユーザが傾斜面を歩行していると判断する（Ｓ４４：ＮＯ、Ｓ４６：ＹＥＳ、及びＳ５０）。高さｆｚの絶対値が高さ閾値以上であり、Ｓ４２で求めたスロープ角θslopeがスロープ角閾値より小さい場合、歩行補助装置１０は、ユーザが段差を歩行していると判断する（Ｓ４４：ＮＯ、Ｓ４６：ＮＯ、及びＳ５２）。なお、スロープ角閾値は、ゼロに近い値であり、予め与えられている。スロープ角がゼロに近い場合とは、歩行面が水平であることを意味している。従って、Ｓ４６からＳ５２へ移行する処理は、両方の足底リンクの足裏面が共に水平であるとともに、両方の足リンクの鉛直方向の距離がゼロ以外であることを意味する。こうして、歩行補助装置１０は、歩行面の状態を判定する。

なお、ステップＳ４２で算出したスロープ角θslopeの絶対値がスロープ角閾値よりも大きい場合であっても、高さｆｚが高さ閾値よりも小さい場合には平地歩行と判定される（Ｓ４４：ＹＥＳ，Ｓ４８）。説明を省略するが、この場合、歩行補助装置１０は、いずれかのセンサが故障している可能性が高いと判断する。

図５に、歩行面がスロープの場合（図５（Ａ））と、歩行面が段差の場合(図５（Ｂ）)の、脚装具と歩行面との幾何学的関係を示す。図５（Ａ）に示すように、ユーザがスロープを歩行中は、両方の足底リンクの鉛直方向距離ｆｚが高さ閾値よりも大きく、前側の足底リンク（この場合は右足底リンク２６Ｒ）の絶対傾斜角（スロープ角）θslopeがスロープ角閾値よりも大きい。他方、図５（Ｂ）に示すように、ユーザが段差を歩行中は、両方の足底リンクの鉛直方向距離ｆｚが高さ閾値よりも大きく、両方の足底リンク２６Ｌ、２６Ｒの夫々の絶対傾斜角（スロープ角）θslopeが共にほぼ水平である。なお、図５（Ａ）、（Ｂ）で符号Ｆが示す矢印は、後側の足底リンクから前側の足底リンクへのベクトルを示している。図５（Ａ）と（Ｂ）が示すように、ベクトルＦがほぼ同じであっても、前側の足底リンクの絶対傾斜角（即ち、同定されたスロープ角θslope）の大きさによって、スロープ歩行であるか段差歩行であるかを分別することができる。

実施例の歩行補助装置１０の技術的特徴をまとめる。歩行補助装置１０は、ユーザの脚に沿って装着される脚装具（多リンク機構）の上端に位置する支持リンク３０に、支持リンク３０の絶対傾斜角を計測する傾斜角センサ２７を備える。支持リンク３０は、ユーザの体幹に固定される。ユーザの体幹に固定される支持リンク３０は、他のリンク、特にユーザの足に固定される足底リンクに比較して揺れが少ない。揺れの少ない支持リンク３０に傾斜角センサ２７を搭載しているので、傾斜角センサ２７の出力に加わるノイズを抑えることができる。

歩行補助装置１０は、ひとつの足底リンクに前後に離間して設けられている接地センサが共に接地を検知している間に、傾斜角センサ２７と角度センサ２０の出力に基づいて足底リンクの絶対傾斜角を算出する。算出した足底リンクの絶対傾斜角を、歩行面のスロープ角の同定値として採用する。前後に離間して設けられて接地センサが共に接地を検知している間に限定しているので、足底リンクと接地面の平行が保障される。従って、この歩行補助装置が算出する足底リンクの絶対傾斜角は、歩行面のスロープ角を正確に反映している。歩行補助装置は、歩行面の正確なスロープ角に基づいて歩行パターンを補正し、補正された歩行パターンに追従するように脚にトルクを加える。また、歩行補助装置は、歩行面が段差の場合にも歩行パターンを補正し、補正された歩行パターンに追従するように脚にトルクを加える。従ってこの歩行補助装置は、歩行面のスロープ角や段差に応じて歩行パターンを修正し、適切にユーザの歩行動作を補助することができる。

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。

実施例の歩行補助装置の概略図を示す。 歩行補助装置が実行するメイン処理のフローチャートを示す。 スロープ角の同定処理のフローチャートを示す。 脚装具とスロープ角の幾何学的関係を説明する図である。 スロープ歩行と段差歩行の相違を説明する図である。

符号の説明

１０：歩行補助装置
１２Ｒ、１２Ｌ：装具
１４Ｒ、１４Ｌ：上部リンク
１６Ｒ、１６Ｌ：下部リンク
２０Ｒ、２０Ｌ：膝エンコーダ
２２Ｒ、２２Ｌ：腰エンコーダ
２４Ｒ、２４Ｌ：足首エンコーダ
２６Ｒ、２６Ｌ：足底リンク
２７：傾斜センサ
２８Ｒ、２８Ｌ：接地センサ
３０：支持リンク
４０：コントローラ

Claims (2)

1. ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であり、
   ユーザの脚に沿って取り付けられ、ジョイントによって複数のリンクが連結されている多リンク機構と、
   多リンク機構の下端リンクでありユーザの足に固定される足底リンクに前後方向に離間して取り付けられている複数の接地センサと、
   多リンク機構の上端リンクに取り付けられており、鉛直に対する上端リンクの傾斜角を計測する傾斜角センサと、
   多リンク機構の各ジョイントの角度を検出する角度センサと、を備えており、
   複数の接地センサがいずれも接地を検知している間に、傾斜角センサと角度センサの出力から鉛直に対する足底面の角度を接地面のスロープ角度として計測することを特徴とする歩行補助装置。
2. ユーザのそれぞれの脚に沿って装着される一対の多リンク機構を有しており、一対の多リンク機構の夫々に設けられた複数の接地センサがいずれも接地を検知している間に、両方の足底リンクの足底面が共に水平であるとともに両方の足底リンクの鉛直方向の距離がゼロ以外であるときに段差を歩行中と判断す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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