JP6540489B2

JP6540489B2 - 歩行支援装置

Info

Publication number: JP6540489B2
Application number: JP2015242595A
Authority: JP
Inventors: 光留菅田; 今井田　昌幸; 昌幸今井田; 宏史嶋田; 裕昌太場; 顕羽多野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2019-07-10
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: JP2017104439A

Description

本発明は、歩行支援装置に関し、例えば、使用者の脚に装着され、当該脚の膝関節の屈伸動作を支援する歩行支援装置に関する。

近年、リハビリ現場などで使用者の歩行を支援するための歩行支援装置が実用化に向けて開発されている。このような歩行支援装置は、特許文献１に開示されているように、使用者における脚の上腿に固定される上腿リンク、上腿リンクに連結され、使用者における脚の下腿に固定される下腿リンク、及び上腿リンクに対して下腿リンクを回転駆動する駆動部、駆動部を制御する制御部を備えている。

特開２０１２−２１３５５４号公報

図６（ａ）に示すように、歩行支援装置１００は、使用者の脚が伸展状態において、上腿リンク１０１に対して下腿リンク１０２の回転角度が０°で、且つ、使用者の脚の膝軸と、上腿リンク１０１と下腿リンク１０２との回転軸と、が略等しい位置に配置された状態で、使用者の脚に装着されることが望ましい。

ここで、歩行支援装置１００は、使用者の脚に例えば介護者などの人手によって装着される。そのため、図６（ｂ）に示すように、使用者における伸展状態の脚に歩行支援装置１００が装着された際に、上腿リンク１０１に対して下腿リンク１０２が回転していたり、使用者の脚の膝軸と、上腿リンク１０１と下腿リンク１０２との回転軸と、が略等しい位置に配置されていなかったり、する場合がある。

ところが、特許文献１に開示された歩行支援装置は、使用者の脚に正しく装着されているか否かを判定することができる構成とされていない。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、使用者の脚に正しく装着されているか否かを判定可能な歩行支援装置を実現する。

本発明の一態様に係る歩行支援装置は、使用者の脚に装着され、前記脚の膝関節の屈伸動作を支援する歩行支援装置であって、
前記脚の上腿に固定される上腿リンクと、
前記上腿リンクに連結され、前記脚の下腿に固定される下腿リンクと、
前記上腿リンクに対して前記下腿リンクを回転駆動する駆動部と、
前記上腿リンクに対する前記下腿リンクの回転角度を検出する第１の検出部と、
前記脚が立脚状態であることを検出する第２の検出部と、
前記第１の検出部及び前記第２の検出部の検出信号に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記第２の検出部の検出信号に基づいて前記脚が遊脚状態か否かを判定し、前記脚が遊脚状態であり、且つ、前記駆動部に出力する指令信号が示す前記上腿リンクに対する前記下腿リンクの目標回転角度と、前記第１の検出部の検出信号が示す前記上腿リンクに対する前記下腿リンクの回転角度と、の偏差の絶対値が予め設定された閾値以上である期間が予め設定された期間以上である場合、前記歩行支援装置が前記脚に正しく装着されていないと判定する。

本発明によれば、使用者の脚に正しく装着されているか否かを判定可能な歩行支援装置を実現することができる。

実施の形態１の歩行支援装置を使用者の脚に装着した状態を模式的に示す図である。実施の形態１の歩行支援装置の制御系のブロック図である。実施の形態１の歩行支援装置における第２の検出部の荷重センサの配置を示す図である。実施の形態１の歩行支援装置が使用者の脚に正しく装着されているか否かを判定する流れを示すフローチャート図である。実施の形態２の歩行支援装置が使用者の脚に正しく装着されているか否かを判定する流れを示すフローチャート図である。（ａ）は、歩行支援装置が使用者の脚に正しく装着された状態を示す図である。（ｂ）は、歩行支援装置が使用者の脚に正しく装着されていない状態を示す図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
本実施の形態の歩行支援装置を説明する。図１は、本実施の形態の歩行支援装置を使用者の脚に装着した状態を模式的に示す図である。図２は、本実施の形態の歩行支援装置の制御系のブロック図である。図３は、本実施の形態の歩行支援装置における第２の検出部の荷重センサの配置を示す図である。

図１及び図２に示すように、本実施の形態の歩行支援装置１は、上腿リンク２、下腿リンク３、足部４、駆動部５、第１の検出部６、第２の検出部７及び制御部８を備えており、使用者の脚に装着され、当該脚の膝関節の屈伸動作を支援する。

上腿リンク２は、固定バンド２ａを介して使用者の上腿に固定される。下腿リンク３は、固定バンド３ａを介して使用者の下腿に固定される。これらの上腿リンク２の下端部と下腿リンク３の上端部とが歩行支援装置１の左右方向に延在する回転軸９を介して連結されており、上腿リンク２と下腿リンク３とは当該回転軸９を中心に相対的に回転可能である。

足部４は、使用者の足裏が載置される足裏載置部４ａを備えている。この足裏載置部４ａから突出する突出部４ｂと下腿リンク３の下端部とが歩行支援装置１の左右方向に延在する回転軸１０を介して連結されており、足部４と下腿リンク３とは当該回転軸１０を介して相対的に回転可能である。

駆動部５は、例えば、モータ５ａや減速機（不図示）などを備えており、モータ５ａの駆動力が減速機を介して回転軸９に伝達され、上腿リンク２と下腿リンク３とを相対的に回転駆動させる。

第１の検出部６は、例えば、駆動部５に設けられており、上腿リンク２に対する下腿リンク３の回転角度を検出し、検出信号を制御部８に出力する。第１の検出部６としては、一般的な角度検出装置を用いることができ、例えば、エンコーダを用いることができる。

第２の検出部７は、足部４の足裏載置部４ａの上面に設けられた複数個の荷重センサ７ａを備えており、使用者の足裏に作用する総荷重を検出し、検出信号を制御部８に出力する。

例えば、荷重センサ７ａとして一軸荷重センサを用いており、図３に示すように、足裏載置部４ａにおける使用者の足裏の指球部分が接触する領域に左右に間隔を開けて配置し、さらに足裏載置部４ａにおける使用者の足裏の踵部分が接触する領域に左右に間隔を開けて配置している。

制御部８は、歩行支援装置１に所謂アシスト動作を実施させるために、第１の検出部６及び第２の検出部７から入力される検出信号に基づいて、駆動部５のモータ５ａを制御する。

詳細には、制御部８は、第２の検出部７から入力される検出信号が示す使用者の足裏に作用する総荷重に基づいて、歩行支援装置１が装着された側の脚が遊脚状態及び支持脚状態の何れかを判定する。例えば、制御部８は、当該総荷重が予め設定された第１の閾値以上の場合、支持脚状態であると判定し、当該総荷重が第１の閾値未満の場合、遊脚状態であると判定する。

そして、制御部８は、歩行支援装置１が装着された側の脚が支持脚状態の場合、支持脚状態での通常のアシスト制御（即ち、立脚保持制御）を実施するために、駆動部５のモータ５ａに指令信号を出力する。

一方、制御部８は、歩行支援装置１が装着された側の脚が遊脚状態の場合、遊脚状態での通常のアシスト制御（即ち、遊脚動作補助制御）を実施するために、駆動部５のモータ５ａに指令信号を出力する。

このとき、制御部８は、歩行支援装置１が装着された側の脚が支持脚状態及び遊脚状態の何れの場合も、駆動部５のモータ５ａに出力する指令信号が示す目標回転角度と、第１の検出部６から入力される検出信号が示す実際の回転角度と、の偏差が収束するように角度追従制御を実施する。

ここで、制御部８は、以下に説明するように、歩行支援装置１が使用者の脚に正しく装着されているか否かを判定可能な構成とされている。

次に、本実施の形態の歩行支援装置１が使用者の脚に正しく装着されているか否かを判定する方法を説明する。図４は、本実施の形態の歩行支援装置が使用者の脚に正しく装着されているか否かを判定する流れを示すフローチャート図である。図４に示すように、先ず、制御部８は、角度追従制御を実施しているか否かを判定する（Ｓ１）。制御部８は、角度追従制御を実施していない場合、Ｓ１の工程に戻る（Ｓ１のＮＯ）。

一方、制御部８は、角度追従制御を実施している場合（Ｓ１のＹＥＳ）、歩行支援装置１が装着された側の脚が遊脚状態か否かを判定する（Ｓ２）。制御部８は、歩行支援装置１が装着された側の脚が支持脚状態の場合、Ｓ１の工程に戻る（Ｓ２のＮＯ）。

一方、制御部８は、歩行支援装置１が装着された側の脚が遊脚状態の場合、駆動部５のモータ５ａに出力する指令信号が示す目標回転角度と、第１の検出部６から入力される検出信号が示す実際の回転角度と、の偏差の絶対値が予め設定された第２の閾値以上である期間が、予め設定された第１の期間以上であるか否かを判定する（Ｓ３）。

このとき、歩行支援装置１が装着された側の脚は遊脚状態であるので、当該脚が支持脚状態である場合に比べて、歩行支援装置１のアシスト動作に追従し易く、当該偏差は収束するように推移するはずである。

そのため、制御部８は、当該偏差が第２の閾値未満の場合、又は当該偏差が第２の閾値以上の期間が第１の期間未満の場合（Ｓ３のＮＯ）、歩行支援装置１が使用者の脚に正しく装着されていると判定し（Ｓ４）、Ｓ１の工程に戻る。

一方、制御部８は、当該偏差が第２の閾値以上である期間が第１の期間以上である場合（Ｓ３のＹＥＳ）、歩行支援装置１が使用者の脚に正しく装着されていないと判定し（Ｓ５）、Ｓ１の工程に戻る。

このように本実施の形態の歩行支援装置１は、歩行支援装置１が使用者の脚に正しく装着されているか否かを判定することができる。特に、本実施の形態の歩行支援装置１は、新たな検出部などを用意することなく、予め備えている第１の検出部６及び第２の検出部７の検出信号に基づいて、歩行支援装置１が使用者の脚に正しく装着されているか否かを判定することができる。

ここで、歩行支援装置１が使用者の脚に正しく装着されていない場合、例えば、上腿リンク２に対する下腿リンク３の目標回転角度に到達する前に、使用者の脚の屈曲角度又は伸展角度が限界に達してしまう場合がある。ところが、駆動部５のモータ５ａは、制御部８からの指令信号が示す上腿リンク２に対する下腿リンク３の目標回転角度と、上腿リンク２に対する下腿リンク３の実際の回転角度と、の偏差が無くなるように制御され続けられる。これにより、使用者が違和感を抱く場合がある。

そのため、制御部８は、Ｓ１の工程に戻らず、例えば、駆動部５のモータ５ａの制御を停止したり、駆動部５のモータ５ａの制御トルクを弱くしたり、するように駆動部５のモータ５ａを制御するとよい。これにより、使用者の違和感を軽減することができる。

または、制御部８は、スピーカ（不図示）から音声などを出力することで、歩行支援装置１が使用者の脚に正しく装着されていない旨を警告するように、スピーカを制御してもよい。これにより、例えば、歩行支援装置１を使用者の脚に装着する介護者などに、歩行支援装置１が使用者の脚に正しく装着されていない旨を知らせることができる。

さらに、歩行支援装置１を操作するための操作パネル（不図示）を有する場合、操作パネルの表示部に、歩行支援装置１が使用者の脚に正しく装着されていない旨の警告（例えば、「膝関節の動きに異常を検出しました。」、「装着が正しく行われなかった可能性があります。」、「歩行支援装置の動作を停止して下さい。」など）を表示するように、操作パネルを制御してもよい。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では、駆動部５に出力する指令信号が示す目標回転角度と、第１の検出部６から入力される検出信号が示す実際の回転角度と、の偏差を直接に用いて、歩行支援装置１が使用者の脚に正しく装着されているか否かを判定しているが、当該偏差を間接的に用いてもよい。

図５は、本実施の形態の歩行支援装置が使用者の脚に正しく装着されているか否かを判定する流れを示すフローチャート図である。歩行支援装置が装着された脚が遊脚状態であって、且つ、当該脚の膝軸と歩行支援装置の回転軸９とが略等しい位置に配置されている場合、本来であれば脚の動きは歩行支援装置のアシスト動作に容易に追従するために限られた制御トルクで角度追従制御が可能である。

そこで、図５に示すように、本実施の形態では、Ｓ１１の工程が実施の形態１のＳ１の工程と等しく、Ｓ１２の工程が実施の形態１のＳ２の工程と等しいが、Ｓ１３の工程で、制御トルクの絶対値が予め設定された第３の閾値以上である期間が、予め設定された第２の期間以上であるか否かを判定している。

ここで、制御トルクは、例えば、駆動部５のモータ５ａに出力する指令信号が示す目標回転角度と、第１の検出部６から入力される検出信号が示す実際の回転角度と、の偏差に比例係数を積算することで導くことができる。そのため、制御トルクに基づいて歩行支援装置が使用者の脚に正しく装着されているか否かを判定することは、当該偏差に基づいて歩行支援装置が使用者の脚に正しく装着されているか否かを判定しているのと実質的に等しい。

そして、制御部８は、制御トルクの絶対値が第３の閾値未満の場合、又は制御トルクの絶対値が第３の閾値以上の期間が第２の期間未満の場合（Ｓ１３のＮＯ）、歩行支援装置１が使用者の脚に正しく装着されていると判定し（Ｓ１４）、Ｓ１１の工程に戻る。

一方、制御部８は、制御トルクの絶対値が第３の閾値以上である期間が、第２の期間以上である場合（Ｓ１３のＹＥＳ）、歩行支援装置１が使用者の脚に正しく装着されていないと判定し（Ｓ１５）、Ｓ１１の工程に戻る。

このように本実施の形態の歩行支援装置も、歩行支援装置が使用者の脚に正しく装着されているか否かを判定することができる。

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、歩行支援装置を操作するための操作パネルを有する場合、操作パネルを操作して、第２の閾値（第３の閾値）や第１の期間（第２の期間）を設定（変更なども含む）できるとよい。

１歩行支援装置
２上腿リンク、２ａ固定バンド
３下腿リンク、３ａ固定バンド
４足部、４ａ足裏載置部、４ｂ突出部
５駆動部、５ａモータ
６第１の検出部
７第２の検出部、７ａ荷重センサ
８制御部
９、１０回転軸

Claims

使用者の脚に装着され、前記脚の膝関節の屈伸動作を支援する歩行支援装置であって、
前記脚の上腿に固定される上腿リンクと、
前記上腿リンクに連結され、前記脚の下腿に固定される下腿リンクと、
前記上腿リンクに対して前記下腿リンクを回転駆動する駆動部と、
前記上腿リンクに対する前記下腿リンクの回転角度を検出するために前記駆動部に設けられたエンコーダである第１の検出部と、
前記脚が立脚状態であることを検出する第２の検出部と、
前記第１の検出部及び前記第２の検出部の検出信号に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記第２の検出部の検出信号に基づいて前記脚が遊脚状態か否かを判定し、前記脚が遊脚中における遊脚の開始からの期間において、前記駆動部に出力する指令信号が示す前記上腿リンクに対する前記下腿リンクの目標回転角度と、前記第１の検出部の検出信号が示す前記上腿リンクに対する前記下腿リンクの回転角度と、の偏差の絶対値が予め設定された閾値以上である期間が、予め設定された、前記偏差が収束することが想定される期間以上である場合、前記歩行支援装置が前記脚に正しく装着されていないと判定する、歩行支援装置。