JP5747784B2 - 歩行補助装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、利用者の歩行を補助する歩行補助装置及びその制御方法に関する。

身体障害者や高齢者の動作を補助するため目的で、様々なパワーアシスト装置が開発されている。そのパワーアシスト装置の一つとして、利用者の脚に取り付けて利用者の歩行を補助する歩行補助装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１に開示された歩行補助装置では、圧力センサまたは６軸力センサから持ち上げ力を計算し、立ち上がり制御を行っている。

特開２００８−１７９８１号公報

特許文献１に開示された歩行補助装置では、圧力センサや６軸力センサの検出精度や、駆動モータの応答性を考慮すると、安定した立ち上がり動作を実現することは難しい。
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、転倒を防止し、かつ負担を感じることなく、利用者が立ち上がることができる歩行補助装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態にかかる歩行補助装置は、利用者の脚に装着され、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置であって、利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、前記第１のリンクとピッチ軸周りに伸展状態から屈曲状態まで回転可能に連結され、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部と、前記駆動部を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記利用者による立ち上がり動作の検出後は、前記第１のリンクと第２のリンク間に生じる機械摩擦力による抗力をキャンセルするトルクを付与する摩擦補償制御を実行する。

ここで、前記摩擦補償制御におけるトルクは、前記機械摩擦力による抗力以下の値であることが好ましい。

また、前記制御部は、前記利用者による立ち上がり動作の検出後、前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの角度が予め定められた所定値未満の間は、前記摩擦補償制御を実行し、前記ピッチ軸周りの角度が前記所定値以上の間は位置制御を実行することが望ましい。

本発明の他の形態にかかる歩行補助装置の制御方法は、利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、に装着され、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部とを有し、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置の制御方法であって、前記利用者による立ち上がり動作の検出後は、前記第１のリンクと第２のリンク間に生じる機械摩擦力による抗力をキャンセルするトルクを付与する摩擦補償制御を実行する。

ここで、前記摩擦補償制御におけるトルクは、前記機械摩擦力による抗力以下の値であることが好ましい。

また、前記利用者による立ち上がり動作の検出後、前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの角度が予め定められた所定値未満の間は、前記摩擦補償制御を実行し、前記ピッチ軸周りの角度が前記所定値以上の間は位置制御を実行することが望ましい。

本発明によれば、転倒を防止し、かつ負担を感じることなく、利用者が立ち上がることができる歩行補助装置及びその制御方法を提供することができる。

発明の実施の形態にかかる歩行補助装置の使用形態を概略的に示す斜視図である。 発明の実施の形態にかかる歩行補助装置の使用形態を概略的に示す正面図である。 発明の実施の形態にかかる歩行補助装置の使用形態を概略的に示す側面図である。 発明の実施の形態にかかる歩行補助装置における、制御系の構成ブロック図である。 歩容判定部の構成ブロック図である。 発明の実施の形態にかかる歩行補助装置の制御方法を示すフローチャートである。 発明の実施の形態にかかる歩行補助装置の制御方法を説明するための説明図である。 発明の実施の形態にかかる歩行補助装置の制御方法を説明するためのグラフである。

本実施の形態の歩行補助装置は、図１乃至図３に示すように、例えば使用者の腿部に装着され、使用者の歩行を補助するために好適に用いられる。この歩行補助装置１は、図１乃至図４に示すように、第１のリンク２、第２のリンク３、足裏載置部４、膝装着部５、駆動部６、検出部７、腰装着部８、処理部９、注意喚起部１０を備えている。

第１のリンク２は、使用者の上腿部の側部に配置される。本実施の形態の第１のリンク２は、使用者の上腿部の左右両側部にそれぞれ配置される。第１のリンク２の上端部は、上腿保持部１１の側部に連結されている。第１のリンク２の下端部は、第２のリンク３に回転可能に連結されている。

ここで、上腿保持部１１は、板状部材であって、使用者の上腿部の外周形状に倣うように湾曲した形状とされている。当該湾曲した面の内側面を使用者の上腿部に接触させる。ここで、当該内側面にはスポンジ等の緩衝部材が設けられていることが好ましい。

第２のリンク３は、使用者の下腿部における脛部分の側部に配置される。本実施の形態の第２のリンク３は、使用者の脛部分の左右両側部にそれぞれ配置される。第２のリンク３の上端部は、第１のリンク２の下端部にピッチ軸周りに回転可能に連結されている。なお、ピッチ軸は、利用者の左右方向、ここでは膝の左右方向に延びた軸をいう。第２のリンク３の下端部は、足裏載置部４に回転可能に連結されている。

足裏載置部４は、使用者の足を支持する。本実施の形態の足裏載置部４は、載置部４ａ、アーム４ｂを備えている。載置部４ａは板状部材であって、使用者の足裏が載置される。アーム４ｂは、載置部４ａを第２のリンク３に連結する。つまり、アーム４ｂは使用者の下腿部における足首部分の左右両側部にそれぞれ配置される。

アーム４ｂの上端部は、第２のリンク３の下端部に回転可能に連結されている。アーム４ｂの下端部は、載置部４ａの側部に連結されている。これにより、使用者の体重を歩行補助装置１に支持させることができる。

膝装着部５は、アーチ５ａ、図示を省略したビンディングを備えている。アーチ５ａは、左右の第１のリンク２と第２のリンク３との連結部相互を連結する。ビンディングは、アーチ５ａに設けられている。ビンディングは、アーチ５ａを使用者の膝に固定する。ビンディングは、アーチ５ａを使用者の膝に固定できる構成であれば特に限定しないが、例えば使用者の膝に着脱可能なバンドを含む。

駆動部６は、第１のリンク２と第２のリンク３との連結部分に駆動力を伝達する。駆動部６は、駆動モータ６ａ、減速機６ｂを備えている。駆動モータ６ａは、処理部９の制御部９２の制御信号に基づいて駆動する。駆動モータ６ａの駆動力は、減速機６ｂに入力される。

減速機６ｂは、駆動モータ６ａから入力される駆動力を増幅して第１のリンク２と第２のリンク３との連結部分のピッチ軸周りの回転軸に伝達する。これにより、第２のリンク３が第１のリンク２に対して使用者の前後方向に回転駆動する。

検出部７は、一般的な歩行補助装置で備えられているセンサ類であり、使用者の歩行状態を検出する。本実施の形態の検出部７は、少なくとも角度検出センサ７ａ、荷重センサ７ｂ、姿勢検出センサ７ｃを備えている。

角度検出センサ７ａは、第１のリンク２と第２のリンク３との連結部分に設けられている。角度検出センサ７ａは、第１のリンク２に対する第２のリンク３のピッチ軸周りの回転角度を検出し、検出信号を処理部９に出力する。ここで、第１のリンク２に対する第２のリンク３の回転角度は、使用者の歩行状態である当該使用者の膝の屈曲角度として扱うことができる。

荷重センサ７ｂは、足裏載置部４の載置部４ａに設けられている。荷重センサ７ｂは、載置部４ａに作用する荷重を検出し、検出信号を処理部９に出力する。ここで、載置部４ａに作用する荷重は、使用者の歩行状態である当該使用者の足裏に作用する荷重として扱うことができる。

姿勢検出センサ７ｃは、腰装着部８の収納ボックス８ｂ内に収納されている。姿勢検出センサ７ｃは、地面に対する第１のリンク２の角度を検出し、検出信号を処理部９に出力する。ここで、地面に対する第１のリンク２の回転角度は、地面に対する使用者の上腿部の角度として扱うことができる。

腰装着部８は、ベルト８ａ、収納ボックス８ｂを備えている。ベルト８ａは、使用者の腰に着脱可能な構成とされている。収納ボックス８ｂは、ベルト８ａに設けられている。収納ボックス８ｂには、駆動モータ６ａ等の電源であるバッテリ、姿勢検出センサ７ｃ、及び処理部９等が搭載されている制御基板が格納されている。収納ボックス８ｂに収納されているバッテリ及び制御基板は、角度検出センサ７ａ及び荷重センサ７ｂに配線１２を介して接続されている。

処理部９は、歩行モード判定部９１、制御部９２、歩容判定部９３を備えている。歩行モード判定部９１は、荷重センサ７ｂ、姿勢検出センサ７ｃから入力される検出信号に基づいて、歩行補助装置１が装着されている側の腿部が立脚状態か遊脚状態かを判定し、歩行モードを指示する指示信号を制御部９２に出力する。

つまり、歩行モード判定部９１は、荷重センサ７ｂから入力される検出信号に基づいて、使用者の足裏に作用する荷重を算出し、算出結果に基づいて使用者の足裏が着地しているか否かを判定する。

また、歩行モード判定部９１は、姿勢検出センサ７ｃから入力される検出信号に基づいて、地面に対する使用者の上腿部の角度を算出し、算出結果に基づいて使用者の腿部が前方に向いているか、又は後方に向いているかを判定する。

先ず、歩行モード判定部９１は、使用者の足裏が着地しているか否かの判定結果、及び使用者の腿部が前方に向いているか、後方に向いているかの判定結果に基づいて、歩行補助装置１が装着されている側の腿部が立脚状態か遊脚状態か否かを判定する。

例えば、歩行モード判定部９１は、使用者の足裏に作用する荷重が予め設定された第１の閾値以上であって、且つ使用者の腿部が後方に向いていると、歩行補助装置１が装着されている側の腿部が立脚状態であると判定する。一方、歩行モード判定部９１は、使用者の足裏に作用する荷重が予め設定された第１の閾値より小さいと、歩行補助装置１が装着されている側の腿部が遊脚状態であると判定する。

歩行モード判定部９１は、歩行補助装置１が装着されている側の腿部が今回の歩行動作では遊脚状態であると判定すると、次回の歩行動作では駆動部６の駆動モータ６ａを立脚モードで制御するように制御部９２に指示信号を出力する。一方、歩行モード判定部９１は、歩行補助装置１が装着されている側の腿部が今回の歩行動作では立脚状態であると判定すると、次回の歩行動作では駆動部６の駆動モータ６ａを遊脚モードで制御するように制御部９２に指示信号を出力する。

制御部９２は、角度検出センサ７ａや荷重センサ７ｂからの検出信号、歩行モード判定部９１からの指示信号、及び後述するように歩容判定部９３から入力される遊脚動作が完了した旨の信号に基づいて、駆動部６の駆動モータ６ａを制御する。

つまり、制御部９２は、歩行モード判定部９１から駆動モータ６ａを立脚モードで制御する旨の指示信号が入力されると、歩容判定部９３から遊脚動作が完了した旨の信号が入力されているかを判定し、入力されていると、歩行補助装置１が装着されている側の腿部と逆側の腿部が遊脚状態となった際に、歩行補助装置１で使用者の体重を支持することができるように、駆動モータ６ａを制御する。

一方、制御部９２は、歩行モード判定部９１から駆動モータ６ａを遊脚モードで制御する旨の指示信号が入力されると、少なくとも前回に歩行補助装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、角度検出センサ７ａ、荷重センサ７ｂ及び姿勢検出センサ７ｃから取得した検出信号に基づいて、次回の歩行動作で歩行補助装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時の使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌道等を予測的に算出する。

つまり、制御部９２は、少なくとも前回に歩行補助装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、角度検出センサ７ａから入力された検出信号に基づいて、使用者の膝の屈折角度を算出する。

また、制御部９２は、少なくとも前回に歩行補助装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、荷重センサ７ｂから入力された検出信号に基づいて、使用者の足裏が着地した時間を算出する。

さらに制御部９２は、少なくとも前回に歩行補助装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、姿勢検出センサ７ｃから入力された検出信号に基づいて、地面に対する使用者の大腿部の角度を算出する。

制御部９２は、これらの情報に基づいて、先ず順運動学から使用者の歩幅を算出し、当該歩幅と使用者の足裏が着地した時間に基づいて使用者の歩行速度を算出する。さらに制御部９２は、算出した歩行速度を実現するための、時間と使用者の膝角度との関係（歩行軌跡）を算出する。制御部９２は、算出した使用者の歩行軌跡等に基づいて、次回の歩行動作で歩行補助装置１が装着された側の腿部が遊脚状態となった時の使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌道等を予測的に算出する。つまり、制御部９２は、前回の歩行動作に基づいて算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等に倣うように、次回の歩行動作を実現する。

制御部９２は、予測的に算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等が実現されるように、駆動部６の駆動モータ６ａの制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて駆動モータ６ａを制御する。その一方で、制御部９２は、予測的に算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等を歩容判定部９３に出力する。

ここで、制御部９２は、歩容判定部９３の判定結果に基づいても、駆動部６の駆動モータ６ａを制御する。歩容判定部９３は、図５に示すように、予測時間算出部９３ａ、動作時間算出部９３ｂ、状態判定部９３ｃを備えている。

予測時間算出部９３ａは、制御部９２から入力された、予測的に算出された使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等に基づいて、遊脚状態である、歩行補助装置１が装着されている側の腿部の足裏が着地する遊脚完了予想時間を算出する。予測時間算出部９３ａは、算出した遊脚完了予測時間を示す出力信号を状態判定部９３ｃに出力する。

動作時間算出部９３ｂは、遊脚動作時間を算出する。つまり、動作時間算出部９３ｂは、荷重センサ７ｂ及び姿勢検出センサ７ｃの検出信号に基づいて、遊脚状態となる、歩行補助装置１が装着されている側の腿部の足裏が地面から離れ、再び地面に接地するまで、断続的に時間を算出（測定）する。動作時間算出部９３ｂは、算出した遊脚動作時間を示す出力信号を状態判定部９３ｃに出力する。

状態判定部９３ｃは、角度検出センサ７ａ又は荷重センサ７ｂから入力される検出信号に基づいて、歩行動作が完了したか否かを判定したり、予測時間算出部９３ａ及び動作時間算出部９３ｂから入力される信号に基づいて、遊脚完了予測時間と、遊脚動作時間と、を比較し、比較結果に基づいて制御部９２に指示信号を出力したりする。

本実施の形態にかかる歩行補助装置１は、利用者の立ち上がり動作をアシストする機能を有する。以下、この処理について、図６〜図８を用いて説明する。

制御部９２は、利用者の立ち上がり動作を検出すると、図６のフローチャートに示される処理を実行する。ここで、利用者の立ち上がり動作は、モータ軸角速度が正であることを検出することにより、検出できる。
図６に示されるように、制御部９２は、角度検出センサ７ａから第１のリンク２に対する第２のリンク３の、ピッチ軸周りの回転角度であるモータ軸角度を取得し、さらに、モータ軸角速度を演算により算出する（ステップＳ１０１）。

次に、制御部９２は、取得したモータ軸角度が伸展アシスト領域の中か否かを判定する（ステップＳ１０２）。ここで、伸展アシスト領域は、第１のリンク２と第２のリンク３が伸展した状態、即ち両者が一直線上の位置する状態から第１のリンク２を後方に所定角度だけ傾斜させた状態に至るまでの領域をいい、当該所定角度は、例えば、１０度〜６０度（第１のリンク２と第２のリンク３の角度でいえば、１２０度〜１７０度）である。さらに好ましい当該所定角度は、２０度〜４０度（第１のリンク２と第２のリンク３の角度でいえば、１４０度〜１６０度）である。
図７では、利用者が着座する椅子２０に対する第１のリンク２及び第２のリンク３の位置を模式的に示しており、ＥＣが伸展アシスト領域、ＦＣが摩擦補償領域である。

制御部９２は、取得したモータ軸角度が伸展アシスト領域の中にあると判定した場合には、位置制御を実行する（ステップＳ１０３）。ここで、位置制御は、第１のリンク２と第２のリンク３との間の角度変化が、着座動作を行うために予め設定又は予測された角度変化になるように、駆動部６の駆動モータ６ａの制御信号を生成する制御である。このように、伸展アシスト領域にある場合には、位置制御を行うようにしたため、位置に応じた伸展方向へのトルクを付与することができ、これによって立位状態を維持できるという効果を奏する。

制御部９２は、取得したモータ軸角度が伸展アシスト領域の外にあると判定した場合には、さらに、演算により算出したモータ軸角速度が０よりも大きいかどうかを判定する（ステップＳ１０４）。ここで、第１のリンク２と第２のリンク３のなす角度が大きくなる方向への回転、即ち、利用者が膝を折り曲げた状態から伸ばした状態（例えば、着座した状態から立ち上がった状態）に移行する方向への回転を正としている。従って、モータ軸角速度が０よりも大きいということは、利用者が立ち上がり動作を行っていることを示す。

制御部９２は、モータ軸角速度が０よりも大きいと判定した場合には、摩擦補償制御を実行する（ステップＳ１０５）。
ここで、図８を用いて、摩擦補償制御について説明する。第１のリンク２と第２のリンク３の間には、第２のリンク３に対して第１のリンク２を伸展方向（即ち、立ち上がり時の回転方向）に回転させると、駆動モータ６ａからのトルク付与が行われていない状態でも、第１のリンク２と第２のリンク３の連結部における機械摩擦力（動摩擦力）に起因する抗力が発生する。本発明の実施の形態にかかる摩擦補償制御は、この機械摩擦力に起因する抗力をキャンセルするためのトルクを付与する制御である。

具体的には、摩擦補償制御では、図８に示されるように、予め測定により求められた機械摩擦力Ｆ（グラフ上の点線で示す）以下のトルクＴを与える。図８に示される例では、モータ軸角速度が所定位置θｄ２に至るまでは、トルクＴは、モータ軸角速度が増加するにつれて略正比例して増加させている。その後は、機械摩擦力Ｆが増加しているが、トルクＴは、略一定の値としている。このようなトルクＴの設定は、図８に示されるものに限らず、第１のリンク２と第２のリンク３の連結部の構造に依存して大きく変化する機械摩擦力によって、変わってくる。本実施の形態にかかる摩擦補償制御は、基本的に、当該機械摩擦力をキャンセルする程度のトルクを付与すればよい。より好ましくは、トルクは、当該機械摩擦力に沿って変化し、当該機械摩擦力を上回らない範囲で設定される。例えば、当該機械摩擦力に対して５０％以上１００％以下のトルクが付与される。

このように、摩擦補償制御では、機械摩擦力による抗力をキャンセルする程度のアシスト力であるため、利用者を不安定にさせにくい。

制御部９２は、モータ軸角速度が０以下と判定した場合には、トルクゼロ制御を実行する（ステップＳ１０６）。モータ軸角速度が０以下であるから、立ち上がり動作を中断して、利用者が着座動作を行っていることを示す。トルクゼロ制御では、第１のリンク２と第２のリンク３間に、駆動部６からのトルクが付加されない。なお、このとき、ダンパ制御を行うようにしてもよい。これにより、利用者が自重をあずけなら着座姿勢に戻ることができるため、利用者は、負担を感じることなく、立ち上がり動作を中止し、安全に着座姿勢に戻ることができる。

このように、本実施の形態にかかる歩行補助装置は、利用者の立ち上がり動作を検知して、上述したアシストを開始するため、利用者は、自身の意思による、任意のタイミングで、このアシスト処理を開始することができる。

特に、当該歩行補助装置では、機械摩擦力によって発生する抗力をキャンセルする程度のトルクを付与し、利用者を積極的にアシストしないため、転倒の危険性を大幅に減らすことが可能である。また、摩擦補償制御では、機械摩擦力程度のトルクは付加するため、利用者は、負担を感じることなく、立ち上がり動作を行うことができる。

つまり、この制御技術によれば、デバイス構成の変更が殆どないにもかかわらず、着座動作中の安全性を高め、かつ座り心地を飛躍的に改善させることができるという大きな効果を奏することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、立ち上がり動作は、第１のリンクと第２のリンクのモータ軸角度の変化に基づいて検出するのみならず、利用者が立ち上がり動作を行うことを立ち上がりスイッチを操作することによって入力できるようにしてもよい。

１ 歩行支援装置
２ 第１のりンク
３ 第２のリンク
４ 足裏載置部、４ａ 載置部、４ｂ アーム
５ 膝装着部、５ａ アーチ
６ 駆動部、６ａ 駆動モータ、６ｂ 減速機
７ 検出部、７ａ 角度検出センサ、７ｂ 荷重センサ、７ｃ 姿勢検出センサ
８ 腰装着部、８ａ ベルト、８ｂ 収納ボックス
９ 処理部
９１ 歩行モード判定部
９２ 制御部
９３ 歩容判定部、９３ａ 予測時間算出部、９３ｂ 動作時間算出部、９３ｃ 状態判定部
２０ 椅子

Claims (6)

1. 利用者の脚に装着され、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置であって、
   利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、
   前記第１のリンクとピッチ軸周りに伸展状態から屈曲状態まで回転可能に連結され、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、
   前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部と、
   前記駆動部を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、
   前記第１のリンクと前記第２のリンクとの間の角度変化が、予め設定又は予測された角度変化になるように前記駆動部を制御する位置制御を可能とし、
   前記利用者による立ち上がり動作の検出後、前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの角度が予め定められた所定値未満の間は、前記位置制御を禁止するとともに、前記第１のリンクと第２のリンク間に生じる機械摩擦力による抗力をキャンセルするトルクを付与する摩擦補償制御を実行する、歩行補助装置。
2. 前記摩擦補償制御におけるトルクは、前記機械摩擦力による抗力以下の値であることを特徴とする請求項１記載の歩行補助装置。
3. 前記制御部は、
   前記ピッチ軸周りの角度が前記所定値以上の間は前記位置制御を実行する、請求項１又は２記載の歩行補助装置。
4. 利用者の一方の脚の大腿に装着される第１のリンクと、前記一方の脚の下肢に装着される第２のリンクと、に装着され、前記第１のリンクに対して前記第２のリンクをピッチ軸周りに相対的に回転駆動する駆動部とを有し、当該利用者の歩行を補助する歩行補助装置の制御方法であって、
   前記第１のリンクと前記第２のリンクとの間の角度変化が、予め設定又は予測された角度変化になるように前記駆動部を制御する位置制御が可能であり、
   前記利用者による立ち上がり動作の検出後、前記第２のリンクに対する前記第１のリンクの前記ピッチ軸周りの角度が予め定められた所定値未満の間は、前記位置制御を禁止するとともに、前記第１のリンクと第２のリンク間に生じる機械摩擦力による抗力をキャンセルするトルクを付与する摩擦補償制御を実行する、歩行補助装置の制御方法。
5. 前記摩擦補償制御におけるトルクは、前記機械摩擦力による抗力以下の値であることを特徴とする請求項４記載の歩行補助装置の制御方法。
6. 前記ピッチ軸周りの角度が前記所定値以上の間は前記位置制御を実行する、請求項４又は５記載の歩行補助装置の制御方法。

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