JP5987742B2 - 歩行補助装置及び歩行補助方法 - Google Patents

Description

本発明は、歩行補助装置及び歩行補助方法に関する。

この種の技術として、特許文献１は、動力付き人工膝関節を開示している。特許文献１では、水平な地面上を歩行しているときの下肢の生体力学的特性として、立脚期及び前遊脚期、遊脚期について述べている。立脚期と前遊脚期、遊脚期は、水平な地面上を歩行しているとき、この順番で繰り返される。立脚期は、踵接地により開始する。遊脚期は、足指離地により開始する。前遊脚期とは、立脚期から遊脚期への遷移に先立って上腿の振り出しと膝の曲げが行われる期間である。そして、特許文献１において、立脚期から前遊脚期への遷移判定は、踵離地の有無と膝関節角度に基づいて行われる。

特開２０１２−５１６７１７号公報

上記の前遊脚期は、バイオメカニクスや臨床歩行分析の分野においても、正常な歩行にとって欠かすことができないものと認められている。しかしながら、特許文献１に開示されている立脚期から前遊脚期への遷移判定については、遷移判定の判定精度の面で、改善の余地が残されていた。

そこで、本願発明の目的は、患脚の立脚期から前遊脚期への遷移判定の判定精度を改善することにある。

ユーザーの患脚に取り付けられ、前記患脚の膝関節の関節角度を制御することで、前記ユーザーの歩行を補助する歩行補助装置であって、前記患脚の前記膝関節の前記関節角度を増減させる膝関節駆動手段と、前記患脚の床反力の中心としての床反力中心を検出する床反力中心検出手段と、前記患脚の上腿の角度を検出する上腿角度検出手段と、前記患脚の前記上腿の角速度を検出する上腿角速度検出手段と、前記膝関節駆動手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記床反力中心と前記角度、前記角速度に基づいて、前記患脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定する、歩行補助装置が提供される。以上の構成によれば、前記患脚の前記立脚期から前記前遊脚期への遷移判定の判定精度が改善する。
前記制御手段は、前記床反力中心が足指寄りでなければ、前記患脚が前記立脚期から前記前遊脚期へ遷移したと判定しない。
前記制御手段は、前記患脚の前記立脚期の終期における前記上腿の前記角速度の減速を検出するまでは、前記患脚が前記立脚期から前記前遊脚期へ遷移したと判定しない。
前記制御手段は、前記床反力中心が足指寄りであり、かつ、前記患脚の前記立脚期の終期における前記上腿の前記角速度の減速を検出したら、前記患脚が前記立脚期から前記前遊脚期へ遷移したと判定する。
ユーザーの患脚に取り付けられ、前記患脚の膝関節の関節角度を制御することで、前記ユーザーの歩行を補助する歩行補助装置を用いた歩行補助方法であって、前記患脚の床反力の中心としての床反力中心と、前記患脚の上腿の角度と、前記患脚の前記上腿の角速度と、に基づいて、前記患脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定する、歩行補助方法が提供される。以上の方法によれば、前記患脚の前記立脚期から前記前遊脚期への遷移判定の判定精度が改善する。
前記床反力中心が足指寄りでなければ、前記患脚が前記立脚期から前記前遊脚期へ遷移したと判定しない。
前記患脚の前記立脚期の終期における前記上腿の前記角速度の減速を検出するまでは、前記患脚が前記立脚期から前記前遊脚期へ遷移したと判定しない。
前記床反力中心が足指寄りであり、かつ、前記患脚の前記立脚期の終期における前記上腿の前記角速度の減速を検出したら、前記患脚が前記立脚期から前記前遊脚期へ遷移したと判定する。

本願発明によれば、患脚の立脚期から前遊脚期への遷移判定の判定精度が改善される。

図1は、歩行補助装置を右脚に取り付けたユーザーの正面図である。 図2は、歩行補助装置を右脚に取り付けたユーザーの側面図である。 図3は、床反力センサの斜視図である。 図4は、制御装置の機能ブロック図である。 図5は、床反力センサの底面図である。 図6は、膝関節角度の目標軌道を示す図である。 図7は、上腿角度と上腿角速度との位相平面図である。 図8は、床反力等の実測値である。 図9は、歩行補助方法のフローである。 図10は、歩行補助方法のフローである。 図11は、歩行補助方法のフローである。

本明細書において、「下肢」は、上腿と下腿によって構成されている。「上腿角度」とは、上腿のピッチ軸回りの角度を意味する。「上腿角速度」とは、上腿のピッチ軸回りの角速度を意味する。「膝関節角度」とは、膝関節のピッチ軸回りの関節角度を意味する。「膝関節角速度」とは、膝関節のピッチ軸回りの関節角度の角速度を意味する。「足首関節角度」とは、足首関節のピッチ軸回りの関節角度を意味する。「健常脚」とは、ユーザーが膝関節角度を自由に増減できる脚を意味する。「患脚」とは、ユーザーが膝関節角度を自由に増減できない脚を意味する。「立脚期」とは、踵接地により開始する期間である。「遊脚期」とは、足指離地により開始する期間である。「前遊脚期」とは、立脚期から遊脚期に遷移するに先立って上腿の振り出しと膝の曲げが行われる期間である。

図１及び図２には、下肢の一方である右脚が患脚であるユーザーUが示されている。ユーザーUの右脚には、歩行補助装置１が取り付けられている。歩行補助装置１は、右脚の膝関節の関節角度を制御することで、ユーザーUの歩行を補助する。

歩行補助装置１は、上腿リンク２、下腿リンク３、足リンク４、床反力センサ５、支持リンク６、制御装置７、膝関節機構８、膝関節角度センサ９、アクチュエータ１０（膝関節駆動手段）、足首関節機構１１、足首関節角度センサ１２、股関節機構１３、股関節角度センサ１４（上腿角度検出手段）、によって構成されている。

上腿リンク２は、ユーザーUの右脚の上腿U1の長手方向に沿って設けられ、上腿U1にベルト等で固定されている。

下腿リンク３は、ユーザーUの右脚の下腿U2の長手方向に沿って設けられ、下腿U2にベルト等で固定されている。

床反力センサ５は、ユーザーUの右脚の足U3の足裏に設けられ、足U3にベルト等で固定されている。床反力センサ５は、ユーザーUの右脚の床反力を検出するためのものである。図３に示すように、床反力センサ５は、長方形状のセンサ保持体１５と、４つの荷重センサ１６A〜１６Dと、によって構成されている。荷重センサ１６A及び荷重センサ１６Bは、センサ保持体１５の足指側の２つの隅に夫々配置されている。荷重センサ１６C及び荷重センサ１６Dは、センサ保持体１５の踵側の２つの隅に夫々配置されている。荷重センサ１６Aは、検出した床反力に相当する床反力データｆ１を出力する。荷重センサ１６Bは、検出した床反力に相当する床反力データｆ２を出力する。荷重センサ１６Cは、検出した床反力に相当する床反力データｆ３を出力する。荷重センサ１６Dは、検出した床反力に相当する床反力データｆ４を出力する。床反力センサ５は、床反力データｆ１〜ｆ４を制御装置７に出力する。

制御装置７は、ユーザーUの腰部U4に設けられ、腰部U4にベルト等で固定されている。

上腿リンク２と下腿リンク３は、膝関節機構８によって連結されている。膝関節機構８において、上腿リンク２と下腿リンク３は相対的に回転可能である。膝関節機構８における上腿リンク２と下腿リンク３の相対的な回転の回転軸は、ピッチ軸と一致している。膝関節機構８には、膝関節角度センサ９が取り付けられている。膝関節角度センサ９は、膝関節機構８における上腿リンク２と下腿リンク３の相対的な角度、即ち膝関節角度を検出するためのものである。膝関節角度センサ９は、膝関節角度データを出力する。また、膝関節機構８には、アクチュエータ１０が取り付けられている。アクチュエータ１０は、上腿リンク２に対して下腿リンク３を相対的に回転させるためのものである。即ち、アクチュエータ１０は、ユーザーUの右脚の膝関節にトルクを付与することで、膝関節角度を増減させるものである。

図１及び図２に戻り、床反力センサ５には足リンク４が取り付けられている。下腿リンク３と足リンク４は、足首関節機構１１によって連結されている。足首関節機構１１において、下腿リンク３と足リンク４は相対的に回転可能である。足首関節機構１１における下腿リンク３と足リンク４の相対的な回転の回転軸は、ピッチ軸と一致している。足首関節機構１１には、足首関節角度センサ１２が取り付けられている。足首関節角度センサ１２は、足首関節機構１１における下腿リンク３と足リンク４の相対的な角度、即ち足首関節角度を検出するためのものである。足首関節角度センサ１２は、足首関節角度データを出力する。

制御装置７には支持リンク６が取り付けられている。支持リンク６と上腿リンク２は、股関節機構１３によって連結されている。股関節機構１３において、支持リンク６と上腿リンク２は相対的に回転可能である。股関節機構１３における支持リンク６と上腿リンク２の相対的な回転の回転軸は、ピッチ軸と一致している。股関節機構１３には、股関節角度センサ１４が取り付けられている。股関節角度センサ１４は、股関節機構１３における支持リンク６と上腿リンク２の相対的な角度を検出するためのものである。換言すれば、股関節角度センサ１４は、上腿角度を検出するためのものである。股関節角度センサ１４は、上腿角度データθを出力する。

図４に示すように、床反力センサ５、膝関節角度センサ９、足首関節角度センサ１２、股関節角度センサ１４から出力された各データは、制御装置７に入力される。また、制御装置７は、アクチュエータ１０と電気的に接続されている。

制御装置７は、CPU５０（Central Processing Unit）、RAM５１（Random Access Memory）、ROM５２（Read Only Memory）、を備えて構成されている。ROM５２には、歩行補助プログラムが記憶されている。この歩行補助プログラムは、CPU５０に読み出され、CPU５０上で実行されることで、CPU５０等のハードウェアを、床反力中心演算部５３、上腿角速度演算部５４、接地離地判定部５５、膝関節角度軌道生成部５６、アクチュエータ制御部５７（制御手段）、として機能させる。

本実施形態において、床反力中心検出手段は、床反力センサ５と、床反力中心演算部５３と、によって実現される。上腿角速度検出手段は、股関節角度センサ１４と、上腿角速度演算部５４と、によって実現される。

（床反力中心演算部５３）
床反力中心演算部５３は、床反力センサ５から出力された床反力データｆ１〜ｆ４に基づいて、ユーザーUの右脚の床反力の中心としての床反力中心を検出する。本実施形態において、床反力中心検出手段は、床反力センサ５と床反力中心演算部５３によって実現される。図５には、床側から見た床反力センサ５が示されている。図５において、足指に向かう方向をX軸の正とし、踵に向かう方向をX軸の負とする。小指に向かう方向をY軸の正とし、親指に向かう方向をY軸の負とする。図５に示すように、荷重センサ１６A〜１６Dの位置座標は既知である。従って、床反力中心演算部５３は、下記式（１）を用いて、床反力中心のX座標データｘｃを演算する。

（上腿角速度演算部５４）
上腿角速度演算部５４は、股関節角度センサ１４から出力された上腿角度データθを時間微分することで、上腿角速度データθドットを演算する。

（接地離地判定部５５）
接地離地判定部５５は、床反力センサ５から出力された床反力データｆ１〜ｆ４に基づいて、下記式（２）及び（３）により、ユーザーUの右脚の接地及び離地を判定する。具体的には、接地離地判定部５５は、下記式（２）のように、床反力データｆ１〜ｆ４の合計が閾値F0よりも大きかったら、ユーザーUの右脚が接地していると判定する。一方、下記式（３）のように、床反力データｆ１〜ｆ４の合計が閾値F1よりも小さかったら、ユーザーUの右脚が離地していると判定する。

（膝関節角度軌道生成部５６）
膝関節角度軌道生成部５６は、前遊脚期及び遊脚期における膝関節角度の目標軌道を生成する。

膝関節角度軌道生成部５６は、前遊脚期における膝関節角度の目標軌道を、下記式（４）及び（５）により生成する。下記式（４）において、ｑｄ（ｔ）は、膝関節角度の目標軌道である。ｑ０は、前遊脚期開始時における膝関節角度である。ｑ０ドットは、前遊脚期開始時における膝関節角速度である。ｔは、時間である。ｔ０は、前遊脚期開始時の時刻である。下記式（４）は、ある一定の角加速度で膝関節角度を加速し続けている。昨今のバイオメカニクス分野における研究により、前遊脚期における膝関節角度の角加速度は、歩行速度の増加に応じて同様に増加することが判明している。そこで、本願発明者らは、この知見を取り入れるべく、下記式（５）に示すように、前遊脚期における膝関節角度の角加速度ａを歩行速度Vに比例定数ｋを乗じたものとする。これにより、歩行速度Vの増加に比例して、前遊脚期における膝関節角度の角加速度ａが増加するようになる。なお、歩行速度Vは、上腿角度及び膝関節角度、上腿リンク２の長さ、下腿リンク３の長さを用いて幾何学的に算出することができる。また、歩行速度Vは、特開２０１２０−２１３５５４号に開示されているように先ず歩幅を推定し、これを一歩に要する時間で除することで算出してもよい。或いは、歩行速度Vは、上腿角速度データθドットに基づいて概算するようにしてもよい。

膝関節角度軌道生成部５６は、遊脚期における膝関節角度の目標軌道を、下記式（６）〜（９）により生成する。下記式（６）及び（７）において、ｑ１は、遊脚期開始時における膝関節角度である。ｑ１ドットは、遊脚期開始時における膝関節角速度である。ｔ１は、遊脚期開始時の時刻である。Tは、遊脚期の時間長さである。

膝関節角度軌道生成部５６が生成した前遊脚期及び遊脚期における膝関節角度の目標軌道を図６に示す。図６において、横軸は時刻であり、縦軸は膝関節角度である。図６に示すように、膝関節角度の目標軌道は、前遊脚期では歩行速度Vに応じて膝関節角度を曲げ方向に加速させ、遊脚期では次に接地するまでの間に曲げ速度を減速させると共に膝関節を伸ばす、というものである。比例定数ｋは、数度の試行により適宜最適化すればよい。

（アクチュエータ制御部５７）
アクチュエータ制御部５７は、アクチュエータ１０を制御する。アクチュエータ制御部５７は、ユーザーUの右脚が立脚期であるときの制御モードとしての立脚期制御モードと、ユーザーUの右脚が前遊脚期であるときの制御モードとしての前遊脚期制御モードと、ユーザーUの右脚が遊脚期であるときの制御モードとしての遊脚期制御モードと、を有する。アクチュエータ制御部５７は、立脚期制御モード及び前遊脚期制御モード、遊脚期制御モードをこの順に繰り返す。アクチュエータ制御部５７は、床反力中心と、上腿角度と、上腿角速度と、に基づいて、ユーザーUの右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定すると共に、この判定と同時にアクチュエータ制御部５７の制御モードを立脚期制御モードから前遊脚期制御モードへと切り替る。詳しくは、ユーザーUの右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したとアクチュエータ制御部５７が判定するには、以下に示す、床反力中心に関する第１の条件、及び、上腿角度と上腿角速度に関する第２の条件が同時に満足されることを要件とする。

＜第１の条件＞
アクチュエータ制御部５７は、ユーザーUの右脚の床反力中心が足指寄りでなければ、ユーザーUの右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定しない。アクチュエータ制御部５７は、ユーザーUの右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定するに際し、ユーザーUの右脚の床反力中心が足指寄りであることを要求する。

ユーザーUが正常に歩行しているならば、立脚期の終期において、床反力中心は、足指寄りになっているはずである。従って、上記式（１）で演算した床反力中心のX座標データｘｃを監視することで、ユーザーUが正常に歩行しており、ユーザーUの右脚が立脚期の終期を迎えていることを検出することが可能となる。即ち、X座標データｘｃが所定値を越えた場合、アクチュエータ制御部５７は、第１の条件が満たされたと判定する。X座標データｘｃが所定値以下の場合、アクチュエータ制御部５７は、第１の条件が満たされていないと判定する。

＜第２の条件＞
アクチュエータ制御部５７は、ユーザーUの右脚の立脚期の終期における上腿の角速度の減速を検出するまでは、ユーザーUの右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定しない。アクチュエータ制御部５７は、ユーザーUの右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定するに際し、ユーザーUの右脚の立脚期の終期における上腿の角速度の減速を検出することを要求する。

図７には、健常脚における、上腿角度データθと上腿角速度データθドットの位相平面図を示している。位相平面図において、横軸は上腿角度データθであり、縦軸は上腿角速度データθドットである。位相平面図には、上腿角度データθと上腿角速度データθドットの対応関係が所定のサンプリング周期で大量にプロットされている。上腿角度データθと上腿角速度データθドットの対応関係を以下、単に位相と称する。上腿を歩行方向に振り出すとき、上腿角速度データθドットは負とする。上腿を歩行方向と反対の方向に動かすとき、上腿角速度データθドットは正とする。上腿を歩行方向へ振り出すと、上腿角度データθは減少する。上腿を歩行方向と反対の方向に動かすと、上腿角度データθは増加する。上腿が鉛直に対して平行であるとき、上腿角度データθをゼロとする。位相平面図において、上腿角速度データθドットが正である領域（上半分）は概ね立脚期に相当しており、上腿角速度データθドットが負である領域（下半分）は概ね遊脚期に相当している。そして、位相は、時計回りの軌跡となる。

図７によれば、右上の領域で急激に位相が変化している。これは、歩行者が上腿を前に振り出すために、股関節にトルクを発生し始めたことに起因すると考えられる。換言すれば、上腿が実際に前方に動き始める前に、歩行者が上腿を前方に振り出し始めようとしていると読み取ることができる。そこで、アクチュエータ制御部５７は、上腿が実際に前方に動き始める前に、歩行者が上腿を前方に振り出し始めようとしていることを読み取るタイミングとして、図７の位相平面図上で判定ラインRを設け、位相が判定ラインRを時計回りに跨ぐことをもって、ユーザーUの立脚期の終期における上腿角速度の減速を検出することとする。

上記判定ラインRは、下記式（１０）で表される。下記式（１０）においてθ０は定数である。

上記式（１０）を踏まえ、アクチュエータ制御部５７は、下記式（１１）が真となったら、第２の条件が満たされたと判定する。一方、下記式（１１）が偽となったら、第２の条件が満たされていないと判定する。

ここで、University of Wisconsin-LaCrosseが発行したGait Report（http://www.innsport.com/related-products/data-sets/uw-l-gait-data-set.aspx）を図８に示す。図８では、注目脚の床反力と上腿角度、膝関節角度を同時に示している。図８によれば、(a)前遊脚期の始端では、床反力はまだ殆ど減少していない、(b)前遊脚期の開始付近で膝が曲がり始めている、(c)前遊脚期の始端では上腿の振り出しはまだ始まっていない、の(a)〜(c)の知見が得られる。(a)によれば、床反力では、立脚期から前遊脚期への遷移判定が不可能であることがわかる。(b)によれば、床反力がなくなる前に膝が曲がり始めており、前遊脚期の存在がはっきりと認められる。(c)によれば、上腿角速度が反転した瞬間で、立脚期から前遊脚期への遷移判定を行うと、遷移判定のタイミングとしては遅すぎることがわかる。これに対し、アクチュエータ制御部５７は、上腿角速度が反転する前の適切なタイミングで、立脚期から前遊脚期への遷移判定を行なっているので、健常脚の前遊脚期を患脚で巧妙に再現することが可能となっている。

（作動）
次に、図９〜図１１を参照して、歩行補助装置１の作動を説明する。

先ず、制御装置７は、異常判定及び安全系処理を行う（S300）。具体的には、制御装置７は、前遊脚期の時間が長くなりすぎてないか、遊脚期の途中で着地してしまってないか、センサ系の異常が発生してないか、等を監視する。例えば、ユーザーUの右脚の離地がうまくできず、前遊脚期が長くなりすぎた場合には、体勢を崩している可能性が高く、膝関節の曲げ動作が加速しすぎてしまうので、制御装置７は、一旦、膝を伸展方向に駆動して待機状態へと移行する。

次に、制御装置７は、アクチュエータ制御部５７の現在の制御モードが立脚期制御モードであるか判定する（S310）。アクチュエータ制御部５７の現在の制御モードが立脚期制御モードであると判定したら（S310:YES）、制御装置７は、処理を図１０のS400に移す。一方、アクチュエータ制御部５７の現在の制御モードが立脚期制御モードでないと判定したら（S310:NO）、制御装置７は、処理をS320に進める。S320で、制御装置７は、アクチュエータ制御部５７の現在の制御モードが遊脚期制御モードであるか判定する（S320）。アクチュエータ制御部５７の現在の制御モードが遊脚期制御モードであると判定したら（S320:YES）、制御装置７は、処理をS330に進める。一方、アクチュエータ制御部５７の現在の制御モードが遊脚期制御モードでないと判定したら（S320:NO）、制御装置７は、処理を図１１のS500に移す。

S330で、膝関節角度軌道生成部５６は、図６に示すような、膝を遊脚期終端までに伸展させる目標軌道を生成する（S330）。次に、接地離地判定部５５は、ユーザーUの右脚が接地したか判定する（S340）。ユーザーUの右脚が接地していないと接地離地判定部５５が判定したら（S340:NO）、アクチュエータ制御部５７は、膝関節角度軌道生成部５６が生成した目標軌道に従って、アクチュエータ１０を駆動する（S350）。一方、ユーザーUの右脚が接地したと接地離地判定部５５が判定したら（S340:YES）、制御装置７は、アクチュエータ制御部５７の現在の制御モードを遊脚期制御モードから立脚期制御モードへと遷移させ（S360）、処理を終了する。S330〜S360の処理は、遊脚期制御モード特有の処理である。

図１０のS400で、制御装置７は、ユーザーUの右脚の膝関節が十分に伸びているか判定する（S400）。ユーザーUの右脚の膝関節が十分に伸びていないと判定した場合は（S400:NO）、制御装置７は、設定時定数で膝が伸びるように膝目標角度を更新し（S410）、処理をS420に進める。一方、ユーザーUの右脚の膝関節が十分に伸びていると判定した場合は（S400:YES）、制御装置７は、処理をS420に進める。S420で、アクチュエータ制御部５７は、床反力中心が足指寄りであるか判定する（S420）。床反力中心が足指寄りでないと判定した場合は（S420:NO）、アクチュエータ制御部５７は、アクチュエータ１０を必要に応じて駆動する（S430）。床反力中心が足指寄りであると判定した場合は（S420:YES）、アクチュエータ制御部５７は、位相が判定ラインRを跨いだか判定する（S440）。位相が判定ラインRを跨いでいないと判定した場合は（S440:NO）、アクチュエータ制御部５７は、アクチュエータ１０を必要に応じて駆動する（S430）。一方、位相が判定ラインRを跨いだと判定した場合は（S440:YES）、アクチュエータ制御部５７は、アクチュエータ制御部５７の現在の制御モードを前遊脚期制御モードに遷移させ（S450）、上記式（４）の各初期値等を設定し（S460）、遊脚時間Tを計算し（S470）、角加速度ａを計算し（S480）、アクチュエータ１０を必要に応じて駆動する（S430）。S400〜S480は、立脚期制御モード特有の処理である。

図１１のS500で、膝関節角度軌道生成部５６は、設定された角加速度ａに基づいて膝を曲げ方向に加速する目標軌道を生成する（S500）。次に、接地離地判定部５５は、ユーザーUの右脚が離地したか判定する（S510）。ユーザーUの右脚が離地していないと接地離地判定部５５が判定したら（S510:NO）、アクチュエータ制御部５７は、膝関節角度軌道生成部５６が生成した目標軌道に基づいて、アクチュエータ１０を駆動する（S515）。一方、ユーザーUの右脚が離地したと接地離地判定部５５が判定したら（S510:YES）、アクチュエータ制御部５７は、アクチュエータ制御部５７の現在の制御モードを前遊脚期制御モードから遊脚期制御モードへ遷移させ（S520）、上記式（６）の各初期値等を設定し（S530）、アクチュエータ１０を必要に応じて駆動する（S515）。S500〜S530は、前遊脚期制御モード特有の処理である。

以上、本願発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態は、以下の特長を有している。

（１）歩行補助装置１は、ユーザーUの右脚（患脚）に取り付けられ、右脚の膝関節角度を制御することで、ユーザーUの歩行を補助する。歩行補助装置１は、右脚の膝関節角度を増減させるアクチュエータ１０（膝関節駆動手段）と、右脚の床反力の中心としての床反力中心を検出する床反力中心検出手段（床反力センサ５及び床反力中心演算部５３）と、右脚の上腿の角度を検出する股関節角度センサ１４（上腿角度検出手段）と、右脚の上腿の角速度を検出する上腿角速度検出手段（股関節角度センサ１４及び上腿角速度演算部５４）と、アクチュエータ１０を制御するアクチュエータ制御部５７（制御手段）と、を備える。アクチュエータ制御部５７は、床反力中心と角度、角速度に基づいて、右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定する。以上の構成によれば、右脚の立脚期から前遊脚期への遷移判定の判定精度が改善する。

（２）アクチュエータ制御部５７は、床反力中心が足指寄りでなければ、右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定しない。

（３）アクチュエータ制御部５７は、右脚の立脚期の終期における上腿の角速度の減速を検出するまでは、右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定しない。

（４）アクチュエータ制御部５７は、床反力中心が足指寄りであり、かつ、右脚の立脚期の終期における上腿の角速度の減速を検出したら、右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定する。

（５）ユーザーUの右脚に取り付けられ、右脚の膝関節角度を制御することで、ユーザーUの歩行を補助する歩行補助装置１を用いた歩行補助方法では、右脚の床反力の中心としての床反力中心と、右脚の上腿の角度と、右脚の上腿の角速度と、に基づいて、右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定する。以上の方法によれば、右脚の立脚期から前遊脚期への遷移判定の判定精度が改善する。

なお、上記実施形態において上腿角度は、股関節角度センサ１４により検出するものとしたが、これに代えて、上腿にジャイロセンサを取り付けることで上腿角度を検出するようにしてもよい。

１ 歩行補助装置
２ 上腿リンク
３ 下腿リンク
４ 足リンク
５ 床反力センサ
６ 支持リンク
７ 制御装置
８ 膝関節機構
９ 膝関節角度センサ
１０ アクチュエータ
１１ 足首関節機構
１２ 足首関節角度センサ
１３ 股関節機構
１４ 股関節角度センサ
１５ センサ保持体
１６A 荷重センサ
１６B 荷重センサ
１６C 荷重センサ
１６D 荷重センサ
５３ 床反力中心演算部
５４ 上腿角速度演算部
５５ 接地離地判定部
５６ 膝関節角度軌道生成部
５７ アクチュエータ制御部
ｆ１ 床反力データ
ｆ２ 床反力データ
ｆ３ 床反力データ
ｆ４ 床反力データ
U ユーザー
U1 上腿
U2 下腿
U4 腰部
R 判定ライン

Claims (4)

1. ユーザーの患脚に取り付けられ、前記患脚の上腿と下腿との間の膝関節のピッチ軸回りの角度である膝関節角度を制御することで、前記ユーザーの歩行を補助する歩行補助装置であって、
   前記患脚の前記膝関節角度を増減させる膝関節駆動手段と、
   前記患脚の腰部と、前記患脚の前記上腿と、の間のピッチ軸回りの角度である上腿角度を検出する上腿角度検出手段と、
   前記患脚の腰部と、前記患脚の前記上腿と、の間のピッチ軸回りの角速度である上腿角速度を検出する上腿角速度検出手段と、
   前記膝関節駆動手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記患脚の踵接地から始まり前記患脚の足指離地で終わる期間を前記患脚の立脚期とし、前記患脚の足指離地から始まり前記患脚の踵接地で終わる期間を前記患脚の遊脚期とし、前記立脚期の一部であって、前記患脚の踵離地から前記患脚の足指離地で終わる期間内であり、前記患脚の前記上腿の歩行方向への振り出しと前記患脚の前記膝関節の曲げが行われる期間を前遊脚期とすると、
   前記制御手段は、前記上腿角度と前記上腿角速度の位相平面図において前記上腿角度と前記上腿角速度との対応関係である位相が所定の判定ラインを跨いだら、前記立脚期内において前記患脚が前記前遊脚期へ遷移したと判定し、
   前記所定の判定ラインは、前記患脚の前記立脚期の終期において前記上腿の前記上腿角速度が減速するときに前記位相が跨ぐラインである、
   歩行補助装置。
2. 請求項１に記載の歩行補助装置であって、
   前記上腿角度をθとし、前記上腿角度を微分したものである前記上腿角速度をθドットとした場合、前記制御手段は、下記式が真となったら、前記位相が前記所定の判定ラインを跨いだと判定する、
   歩行補助装置。
   

   

   ただし、前記上腿を歩行方向に振り出すとき、前記上腿角速度は負となり、前記上腿角度は減少するものとし、θ _０ は、定数であり、ｂは、正の数である。
3. ユーザーの患脚に取り付けられ、前記患脚の上腿と下腿との間の膝関節のピッチ軸回りの角度である膝関節角度を制御することで、前記ユーザーの歩行を補助する歩行補助方法であって、
   前記患脚の踵接地から始まり前記患脚の足指離地で終わる期間を前記患脚の立脚期とし、前記患脚の足指離地から始まり前記患脚の踵接地で終わる期間を前記患脚の遊脚期とし、前記立脚期の一部であって、前記患脚の踵離地から前記患脚の足指離地で終わる期間内であり、前記患脚の前記上腿の歩行方向への振り出しと前記患脚の前記膝関節の曲げが行われる期間を前遊脚期とすると、
   前記歩行補助方法は、
   前記患脚の腰部と、前記患脚の前記上腿と、の間のピッチ軸回りの角度である上腿角度を検出する上腿角度検出ステップと、
   前記患脚の腰部と、前記患脚の前記上腿と、の間のピッチ軸回りの角速度である上腿角速度を検出する上腿角速度検出ステップと、
   前記上腿角度と前記上腿角速度の位相平面図において前記上腿角度と前記上腿角速度との対応関係である位相が所定の判定ラインを跨いだら、前記立脚期内において前記患脚が前記前遊脚期へ遷移したと判定するステップと、
   を含み、
   前記所定の判定ラインは、前記患脚の前記立脚期の終期において前記上腿の前記上腿角速度が減速するときに前記位相が跨ぐラインである、
   歩行補助方法。
4. 請求項３に記載の歩行補助方法であって、
   前記上腿角度をθとし、前記上腿角度を微分したものである前記上腿角速度をθドットとした場合、下記式が真となったら、前記位相が前記所定の判定ラインを跨いだと判定する、
   歩行補助方法。
   

   

   ただし、前記上腿を歩行方向に振り出すとき、前記上腿角速度を負となり、前記上腿角度は減少するものとし、θ０は、定数であり、ｂは、正の数である。

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