歩行支援装置、及び歩行支援プログラム
【課題】歩行面の種類に応じた歩行支援を行う。
【解決手段】装着型ロボット１は、装着者が歩行のために関節モーメントを発生させる際に、各アシストアクチュエータを駆動して装着者が発生させる関節モーメントを軽減する。装着型ロボット１は、各関節の角度を計算することができ、これら関節の角度とつま先や踵の接地の有無から、装着者が歩行する歩行面の種類を判定する。装着型ロボット１は、判定した歩行面の種類に応じて各アシストアクチュエータの力を調節することにより、平地を歩行しているのと同程度の力加減で階段や坂道を上り下りできるようにする。このように、装着型ロボット１は、各歩行シーンを判定し、歩行シーンに応じたアシスト力を与えることで歩行シーンの違いで人が出力する力を意識することなく歩けるようにする。
【解決手段】装着型ロボット１は、装着者が歩行のために関節モーメントを発生させる際に、各アシストアクチュエータを駆動して装着者が発生させる関節モーメントを軽減する。装着型ロボット１は、各関節の角度を計算することができ、これら関節の角度とつま先や踵の接地の有無から、装着者が歩行する歩行面の種類を判定する。装着型ロボット１は、判定した歩行面の種類に応じて各アシストアクチュエータの力を調節することにより、平地を歩行しているのと同程度の力加減で階段や坂道を上り下りできるようにする。このように、装着型ロボット１は、各歩行シーンを判定し、歩行シーンに応じたアシスト力を与えることで歩行シーンの違いで人が出力する力を意識することなく歩けるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行支援装置、及び歩行支援プログラムに関し、例えば、歩行をアシストするものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、介護ビジネスなどを中心に、人の動作（歩行や持ち上げなど）に使われる筋力を補助する装着型ロボット（パワーアシストスーツ）などが開発されている。
装着型ロボットには、上半身の筋力を補助するもの、下半身の筋力を補助するもの、あるいは、全身の筋力を補助するものなど各種のものがある。
【０００３】
装着型ロボットは、例えば、装着者の筋電から筋肉の動きを解析して関節モーメントを算出し、これに応じたアシスト力を発生させる。これによって、装着者は、重量物の持ち上げや歩行を楽に行うことができる。
【０００４】
このような技術に、特許文献１の「装着式動作補助装置、装着式動作補助装置の制御方法および制御用プログラム」がある。
この技術は、装着者に設置したセンサによって生体信号を検出し、これを用いて装着者の意思に従った動力をアクチュエータに発生させるものである。
【０００５】
しかし、従来の装着型ロボットは、装着者の関節に発生する関節モーメントに対してアシスト力を一様に発生させるものであり、平地、階段、坂道といった歩行面の種類（歩行シーン）の違いに応じて歩行を支援している訳ではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−９５５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、歩行面の種類に応じた歩行支援を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明では、歩行支援対象者が歩行する歩行面の情報を取得する歩行面情報取得手段と、前記取得した歩行面の情報に基づいて前記歩行面の種類を特定する歩行面種類特定手段と、前記特定した歩行面の種類に応じた力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援手段と、を具備したことを特徴とする歩行支援装置を提供する。
請求項２に記載の発明では、前記歩行支援手段は、歩行面の種類が平地の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させる前記軽減後のモーメントを基準として、他の種類の歩行面の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントが所定範囲となるように、前記脚部に作用させる力を決定することを特徴とする請求項１に記載の歩行支援装置を提供する。
請求項３に記載の発明では、前記歩行面の種類と、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントの軽減率と、の対応を記憶する軽減率対応記憶手段を具備し、前記歩行支援手段は、前記特定した歩行面の種類に前記軽減率対応記憶手段で対応する軽減率となるように歩行を支援することを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の歩行支援装置を提供する。
請求項４に記載の発明では、前記歩行支援手段は、前記脚部の関節に発生させるモーメントが、歩行面の種類が平地の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントの最大値以内となるように歩行を支援することを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の歩行支援装置を提供する。
請求項５に記載の発明では、前記歩行支援対象者の脚部の姿勢を検出する足姿勢検出手段と、前記歩行支援対象者のつま先の接地を検出するつま先接地検出手段と、前記歩行支援対象者の踵の接地を検出する踵接地検出手段と、を具備し、前記歩行面種類特定手段は、前記検出した脚部の姿勢、つま先の接地の有無、及び踵の接地の有無の組合せによって歩行面の種類を特定することを特徴とする請求項１から請求項４までのうちの何れか１の請求項に記載の歩行支援装置を提供する。
請求項６に記載の発明では、歩行支援対象者が歩行する歩行面の情報を取得する歩行面情報取得機能と、前記取得した歩行面の情報に基づいて前記歩行面の種類を特定する歩行面種類特定機能と、前記特定した歩行面の種類に応じた力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援機能と、をコンピュータに実現させる歩行支援プログラムを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、歩行面の種類を特定することにより、歩行面の種類に応じた歩行支援を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】装着型ロボットの装着状態を示した図である。
【図２】装着型ロボットのシステム構成を示した図である。
【図３】制御部が歩行支援を行う手順を説明するためのフローチャートである。
【図４】後方移動処理を説明するためのフローチャートである。
【図５】アシスト力の決定方法を説明するための図である。
【図６】制御部が歩行支援を行う手順の変形例を説明するためのフローチャートである。
【図７】つま先高さ判定処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図８】踵高さ判定処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図９】後方移動処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図１０】踵接地判定処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（１）実施形態の概要
装着型ロボット１（図１）は、股関節アシストアクチュエータ１７で股関節の動作を支援し、膝関節アシストアクチュエータ１８で膝関節の動作を支援し、足首関節アシストアクチュエータ１９で足首関節の動作を支援する。
即ち装着型ロボット１は、装着者が歩行のために関節モーメントを発生させる際に、各アシストアクチュエータを駆動して装着者が発生させる関節モーメントを軽減する。
【００１２】
装着型ロボット１は、腰姿勢センサ１４、上腿姿勢センサ１５、下腿姿勢センサ１６、つま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値から各関節の角度を計算することができ、これら関節の角度と、つま先接地センサ１０、踵接地センサ１２によるつま先や踵の接地の有無から、装着者が、平地を歩行するのか、階段を歩行するのか、あるいは坂道を歩行するのか、などの装着者が歩行する歩行面の種類を判定する。
【００１３】
装着型ロボット１は、判定した歩行面の種類に応じて各アシストアクチュエータの力を軽減することにより、平地を歩行しているのと同程度の力加減で階段や坂道を上り下りできるようにする。
このように、装着型ロボット１は、各歩行シーンを判定し、歩行シーンに応じたアシスト力を与えることで歩行シーンの違いで人が出力する力（筋力）を意識することなく歩けるようにする。
このため、装着型ロボット１は、健常者の歩行支援のほか、老人や障害者など通常の歩行が困難な人々の歩行動作を助けるのに用いることができる。
【００１４】
（２）実施形態の詳細
図１は、装着型ロボット１の装着状態を示した図である。
装着型ロボット１は、装着者の腰部及び下肢に装着し、装着者の歩行を支援（アシスト）するものである。
装着型ロボット１は、腰部装着部２１、上腿装着部２２、下腿装着部２３、足装着部２４、上腿連結部材２６、下腿連結部材２７、制御装置２、つま先接地センサ１０、つま先姿勢センサ１１、踵接地センサ１２、踵姿勢センサ１３、腰姿勢センサ１４、上腿姿勢センサ１５、下腿姿勢センサ１６、股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９などを備えている。なお、腰部装着部２１、制御装置２、腰姿勢センサ１４以外は、両足に設けられている。
【００１５】
腰部装着部２１は、装着者の腰部の周囲に取り付けられ装着型ロボット１を固定する。
腰姿勢センサ１４は、腰部装着部２１に取り付けられ、ジャイロなどによって腰部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、腰部の角速度や角加速度を求めることもできる。
【００１６】
制御装置２は、腰部装着部２１に取り付けられ、装着型ロボット１の動作を制御する。
股関節アシストアクチュエータ１７は、装着者の股関節と同じ高さに設けられており、腰部装着部２１に対して上腿連結部材２６を前後方向に駆動する。なお、股関節アシストアクチュエータ１７を３軸アクチュエータとして横方向にも駆動するように構成することもできる。
【００１７】
上腿連結部材２６は、装着者の上腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、股関節アシストアクチュエータ１７と膝関節アシストアクチュエータ１８を連結する。
上腿装着部２２は、外側が上腿連結部材２６の内側に固定されており、内側が装着者の上腿に固定される。
上腿姿勢センサ１５は、上腿部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、上腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。
【００１８】
膝関節アシストアクチュエータ１８は、装着者の膝関節と同じ高さに設けられており、上腿連結部材２６に対して下腿連結部材２７を前後方向に駆動する。
下腿連結部材２７は、装着者の下腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、膝関節アシストアクチュエータ１８と足首関節アシストアクチュエータ１９を連結する。
【００１９】
下腿装着部２３は、外側が下腿連結部材２７の内側に固定されており、内側が装着者の下腿に固定される。
下腿姿勢センサ１６は、下腿部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、下腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。
【００２０】
足首関節アシストアクチュエータ１９は、装着者の足首関節と同じ高さに設けられており、下腿連結部材２７に対して足装着部２４のつま先を上下する方向に駆動する。
足装着部２４は、装着者の足部（足の甲、及び足裏）に固定される。一般に、足指の付け根の関節は歩行の際に屈曲するが、足装着部２４も足指の付け根の部分が足指に従って屈曲するようになっている。
【００２１】
つま先姿勢センサ１１と踵姿勢センサ１３は、それぞれ、足装着部２４の先端と後端に設置され、それぞれ、つま先と踵の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、つま先や踵の角速度や角加速度を求めることもできる。
【００２２】
つま先接地センサ１０は、足装着部２４の足裏部前方に設置され、つま先の接地を検出する。
踵接地センサ１２は、足装着部２４の足裏部後方に設置され、踵の接地を検出する。
以上のように構成された装着型ロボット１は、股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９を駆動することにより、装着者の歩行を支援する。
【００２３】
図２は、装着型ロボット１のシステム構成を示した図である。
制御装置２は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、記憶装置、各種インターフェースなどを備えた電子制御ユニットであり、装着型ロボット１の各部を電子制御する。
【００２４】
ＣＰＵで記憶媒体に記憶された歩行支援プログラムを実行することにより、センサ情報取得部３、歩行面種類判定部４、歩行アシスト力決定部５が構成される。
センサ情報取得部３は、つま先接地センサ１０〜下腿姿勢センサ１６の各センサから検出値を取得する。
歩行面種類判定部４は、センサ情報取得部３が取得した検出値を解析することにより歩行面の種類（歩行シーン）を判定する。
【００２５】
歩行アシスト力決定部５は、歩行面種類判定部４が判定した歩行面の種類に応じて、股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９に出力させるアシスト力を決定し、これに従ってこれらアシストアクチュエータを駆動する。なお、アシスト力とは、装着型ロボット１がアシストアクチュエータを駆動して脚部に作用させるモーメント（トルク）である。
【００２６】
図３は、装着者が歩行周期を開始した場合に、制御装置２が歩行支援を行う手順を説明するためのフローチャートである。
以下の処理は、制御装置２のＣＰＵが歩行支援プログラムに従って行うものであり、各センサからの信号の検出は、センサ情報取得部３が行い、歩行面の判定に伴う各判断は、歩行面種類判定部４が行い、アシスト力の決定は、歩行アシスト力決定部５が行う。
【００２７】
まず、装着者が歩行周期を開始すると、ＣＰＵは、つま先接地センサ１０、踵接地センサ１２から検出値によって、足装着部２４が歩行面から離れたことを検出し、片足が浮上したと判断する（ステップ５）。
【００２８】
次に、ＣＰＵは、腰姿勢センサ１４、浮上した足の上腿姿勢センサ１５、下腿姿勢センサ１６、つま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３（以下、腰姿勢センサ１４、上腿姿勢センサ１５、下腿姿勢センサ１６、つま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３を姿勢センサと略記する）の検出値から各関節の角度を計算し、浮上した足の移動方向を検出する（ステップ１０）。
次に、ＣＰＵは、浮上した足が前方方向に移動しているか否かを判断する（ステップ１５）。
浮上した足が前方方向に移動していると判断した場合（ステップ１５；Ｙ）、ＣＰＵは、装着者が前方移動すると判断する（ステップ２０）。
一方、前方方向に移動していないと判断した場合（ステップ１５；Ｎ）、ＣＰＵは、後述の後方移動処理を行う（ステップ１１０）。
【００２９】
ＣＰＵは、前方移動と判断した場合（ステップ２０）、前方の足のつま先接地センサ１０、踵接地センサ１２からの検出値により、前方の足が歩行面に接地したか否かを判断する（ステップ２５）。
前方の足が歩行面に接地していないと判断した場合（ステップ２５；Ｎ）、ＣＰＵは、ステップ２５にて前方の足が歩行面に接地したか否かの監視を継続し、前方の足が歩行面に接地したと判断した場合（ステップ２５；Ｙ）、ＣＰＵは、両足の姿勢センサの出力から両足の各関節の角度を算出し、これによって前後の足の高さを測定する（ステップ３０）。
なお、足の高さは、例えば、踵（踵姿勢センサ１３）の高さや、足首関節（足首関節アシストアクチュエータ１９）の高さなど、適当な部位の高さを用いることができる。
【００３０】
次に、ＣＰＵは、前後の足の高さに違いがあるか否かを判断し（ステップ３５）、違いがない場合（ステップ３５；Ｎ）、ＣＰＵは、歩行面の種類を平地であると判定し（ステップ４０）、平地歩行で前進する場合のアシスト力を決定する（ステップ４５）。
前後の足の高さに違いがある場合（ステップ３５；Ｙ）、ＣＰＵは、つま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値により、前に出した足の足装着部２４の前後傾斜を測定する（ステップ５０）。
【００３１】
次に、ＣＰＵは、前後傾斜があるか否かを判断し（ステップ５５）、前後傾斜がない場合（ステップ５５；Ｎ）、ＣＰＵは、姿勢センサの検出値から前方の足が後方の足より高いか否かを判断する（ステップ６０）。
前方の足が高くない場合、即ち、前方の足が低い場合（ステップ６０；Ｎ）、ＣＰＵは、歩行面を下り階段であると判断し（ステップ６５）、下り階段を前進する場合のアシスト力を決定する（ステップ７０）。
【００３２】
前方の足が後方の足よりも高い場合（ステップ６０；Ｙ）、ＣＰＵは、歩行面を上り階段であると判断し（ステップ７５）、上り階段を前進する場合のアシスト力を決定する（ステップ８０）。
また、前に出した足の足装着部２４に前後傾斜がある場合（ステップ５５；Ｙ）、ＣＰＵは、前方の足のつま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値からつま先が踵よりも低いか否かを判断する（ステップ８５）。
【００３３】
つま先が踵よりも低い場合（ステップ８５；Ｙ）、ＣＰＵは、歩行面を下り坂道であると判断し（ステップ９０）、下り坂道を前進する場合のアシスト力を決定する（ステップ９５）。
つま先が踵よりも低くない場合、即ち、踵がつま先よりも低い場合（ステップ８５；Ｎ）、ＣＰＵは、歩行面を上り坂道であると判断し（ステップ１００）、上り坂道を前進する場合のアシスト力を決定する（ステップ１０５）。
【００３４】
以上のようにして、装着型ロボット１は、つま先、踵の接地の有無、及び、下肢の姿勢から装着者が平地、下り階段、上り階段、下り坂道、上り坂道の何れを前進歩行するのか、その歩行面の種類を判定することができる。
【００３５】
図４は、ステップ１１０（図３）の後方移動処理を説明するためのフローチャートである。
ＣＰＵは、浮上した足が後方に移動する場合、後方移動であると判断する（ステップ１２０）。
次に、ＣＰＵは、つま先接地センサ１０、踵接地センサ１２の検出値により、後方の足が歩行面に接地したか否かを判断する（ステップ１２５）。
後方の足が歩行面に接地していない場合（ステップ１２５；Ｎ）、ＣＰＵは、ステップ１２５にて接地したか否かを監視する。
【００３６】
後方の足が歩行面に接地した場合（ステップ１２５；Ｙ）、ＣＰＵは、両足の姿勢センサの検出値により、両足の各関節の角度を計算し、これによって前後の足の高さを測定する（ステップ１３０）。
前後の足の高さに違いがない場合（ステップ１３５；Ｎ）、ＣＰＵは、歩行面を平地であると判断し（ステップ１４０）、平地歩行で後進する場合のアシスト力を決定する（ステップ１４５）。
【００３７】
前後の足の高さに違いがある場合（ステップ１３５；Ｙ）、ＣＰＵは、つま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値により、後方の足の足装着部２４の前後傾斜を測定する（ステップ１５０）。
次に、ＣＰＵは、前後傾斜があるか否かを判断し（ステップ１５５）、前後傾斜がない場合（ステップ１５５；Ｎ）、ＣＰＵは、姿勢センサの検出値から前方の足が後方の足より高いか否かを判断する（ステップ１６０）。
前方の足が高い場合（ステップ１６０；Ｙ）、ＣＰＵは、歩行面を下り階段であると判断し（ステップ１６５）、下り階段を後進する場合のアシスト力を決定する（ステップ１７０）。
【００３８】
前方の足が高くない場合、即ち、前方の足が低い場合（ステップ１６０；Ｎ）、ＣＰＵは、歩行面を上り階段であると判断し（ステップ１７５）、上り階段を後進する場合のアシスト力を決定する（ステップ１８０）。
また、後方の足の足装着部２４に前後傾斜がある場合（ステップ１５５；Ｙ）、ＣＰＵは、後方の足のつま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値からつま先が踵よりも高いか否かを判断する（ステップ１８５）。
【００３９】
つま先が踵よりも高い場合（ステップ１８５；Ｙ）、ＣＰＵは、歩行面を下り坂道であると判断し（ステップ１９０）、下り坂道を後進する場合のアシスト力を決定する（ステップ１９５）。
つま先が踵よりも低い場合（ステップ１８５；Ｎ）、ＣＰＵは、歩行面を上り坂道であると判断し（ステップ２００）、上り坂道を後進する場合のアシスト力を決定する（ステップ２０５）。
【００４０】
以上のようにして、装着型ロボット１は、つま先、踵の接地の有無、及び、下肢の姿勢から装着者が平地、下り階段、上り階段、下り坂道、上り坂道の何れを後進歩行するのか、その歩行面の種類を判定することができる。
【００４１】
図５の各図は、アシスト力の決定方法を説明するための図である。
図５（ａ）は、ある身長、体重の装着者が装着型ロボット１を装着せずに平地を前進歩行した場合に装着者が膝関節に発生させる関節モーメントの変化を１歩行周期に渡って記録したものである。なお、縦軸は関節モーメントであり、横軸は時間である。
平地歩行の場合に１歩行周期に渡る関節モーメントの力積、即ち、関節モーメントを時間で積分した値は、図の斜線部で示されている。
【００４２】
図５（ｂ）は、当該装着者が装着型ロボット１を装着せずに上り階段を前進歩行した場合に装着者が膝関節に発生させる関節モーメントの変化を１歩行周期に渡って記録したものである。同様に、１歩行周期に渡る関節モーメントの力積は、図の斜線で示されている。
【００４３】
本実施の形態では、平地を前進歩行する場合の力積に対する上り階段を前進歩行する場合の力積の比が１．５倍であった場合、装着型ロボット１は、装着者が上り階段を前進歩行する場合に、アシスト力を１．５倍する。他の関節に対しても同様とする。
このように、本実施の形態では、装着型ロボット１を装着しない状態で、平地を歩行する場合に関節に発生させる関節モーメントの力積を基準とした他の歩行面での関節モーメントの力積の比率だけ、アシスト力を増大させる。
即ち、装着型ロボット１は、歩行面が平地の場合の力積に対する他の歩行面の場合の力積の比率を係数として、平地歩行の場合のアシスト力に乗じた値を、当該他の歩行面の場合のアシスト力とする。
【００４４】
このように、平地歩行を基準として力積比に応じてアシスト力を増大させると、装着型ロボット１の装着者は、階段や坂道を平地歩行程度の力によって歩行することができる。
即ち、装着者は、装着型ロボット１の歩行支援により、歩行面の種類によらずに平地歩行程度の力加減で各種の歩行面を歩行することができる。
以上のように、装着型ロボット１は、装着者が平地歩行している程度の力で歩行できるように歩行面の種類に応じてアシスト力を調節する。
なお、上の例では、装着型ロボット１を装着しない場合の関節モーメントとしたが、例えば、歩行面の種類によらず一定割合（例えば、一律６０％）アシストする装着型ロボット１を装着した場合の関節モーメントとしてもよい。
【００４５】
図５（ｃ）は、アシスト力テーブル３５の論理的な構成の一例を示した図である。
アシスト力テーブル３５は、制御装置２に備えた記憶媒体に記憶されており、ＣＰＵがアシスト力を決定する際に参照する。
アシスト力テーブル３５は、身長、体重ごとに作成されており、図では、前進歩行の場合が示されている。同様に後退歩行の場合もある。
【００４６】
アシスト力テーブル３５は、「平地」、「坂道」、「階段」の各項目について、「股関節」、「膝関節」、「足首関節」に作用させるアシスト力の比率を記憶している。
これらの比率は、図５（ａ）、図５（ｂ）のように、平地を基準とした１歩行周期の関節モーメントの力積比である。
【００４７】
例えば、図の例では、坂道を前進する場合、装着型ロボット１のＣＰＵは、アシスト力テーブル３５を参照して、股関節（股関節アシストアクチュエータ１７）のアシスト力は、平地の場合のアシスト力を１．１倍したものに決定し、膝関節（膝関節アシストアクチュエータ１８）のアシスト力は、平地の場合のアシスト力を１．３倍したものに決定し、足首関節（足首関節アシストアクチュエータ１９）のアシスト力は、平地の場合のアシスト力を１．２倍したものに決定する。
なお、平地の歩行で装着者の関節モーメントをどの程度アシストによって軽減するかは（例えば、関節モーメントの３０％を支援するなど）、ユーザが設定できるようになっている。
【００４８】
以上、本実施の形態では、１歩行周期における関節モーメントの力積比を用いて、各歩行面の種類でのアシスト力を決定したが、これは一例であって、各種の決定方法が考えられる。
例えば、１歩行周期における力積の代わりに、半歩行周期における力積比を用いることもできる。
１歩行周期の力積を用いた場合は、１歩行周期の間、アシスト力を増減する比率を一定としたが、半周期の力積を用いる場合、装着者の歩行の半周期ごとに比率を変化させる。
更に、周期を短くすることが可能であり、周期を短くすると、より細やかにアシスト力を変化させることができ、装着者により自然な装着間を与えることができる。
【００４９】
なお、関節モーメントの力積を用いたのは、力積をとる期間でアシスト力の増減比率を一定としてシステム構成を容易にするためであり、リアルタイムでアシスト力の増減比率を変化させることも可能である。
このように、装着型ロボット１は、各関節アシストアクチュエータで装着者が関節モーメントを発生させる方向に力を作用させることにより、装着者が脚部の各関節の周りに発生させる関節モーメントを軽減することができ、その軽減程度は、アシスト力テーブル３５によって各歩行面の種類ごとに規定されている。
【００５０】
図５（ｄ）は、アシスト力の決定方法の変形例を説明するための図である。
図５（ｄ）の実線は、装着型ロボット１を装着して平地を歩行している場合の膝の関節モーメントの時間的変化を１歩行周期に渡って記録したものである。
一方、破線は、平地歩行と同じアシストをして階段を上った場合の膝の関節モーメントの時間的変化である。
本変形例では、装着型ロボット１は、平地歩行の場合の関節モーメントの最大値３６を越える領域３７を歩行面の種類ごとに制御装置２に記憶しており、領域３７で最大値３６を越えた分をアシストの増大で補う。装着型ロボット１は、他の関節に対しても同様にアシスト力を増大する。
また、領域３７は、アシスト力テーブル３５と同様に身長、体重ごとに記憶されている。
【００５１】
図６は、装着者が歩行周期を開始した場合に、制御装置２が歩行支援を行う手順の変形例を説明するためのフローチャートである。本変形例では、歩行面の状態に加え、装着者の歩行形態も判断する。
ステップ２３０〜ステップ２５０は、図３のステップ５〜ステップ２５と同様であるので説明を省略する。
【００５２】
前方の足が歩行面に接地した場合（ステップ２５０；Ｙ）、ＣＰＵは、つま先接地センサ１０の検出値によって前足のつま先が接地したか否かを判断する（ステップ２５５）。
つま先が接地していない場合（ステップ２５５；Ｎ）、ＣＰＵは、つま先接地センサ１０、踵接地センサ１２の検出値により後ろ足が離地したか否かを判断する（ステップ２６０）。
【００５３】
後ろ足が離地していない場合（ステップ２６０；Ｎ）、ＣＰＵは、ステップ２６０で引き続き後ろ足の離地を監視し、後ろ足が離地した場合（ステップ２６０；Ｙ）、ＣＰＵは、つま先接地センサ１０の検出値により前方の足のつま先が接地したか否かを判断する（ステップ２６５）。
【００５４】
前方の足のつま先が接地していない場合（ステップ２６５；Ｎ）、ＣＰＵは、踵高さ判定処理に移行する（ステップ３５７）。
一方、つま先が接地した場合（ステップ２５５；Ｙ、ステップ２６５；Ｙ）、ＣＰＵは、踵接地センサ１２の検出値によって、前方の足の踵が接地したか否かを判断する（ステップ２７０）。
【００５５】
前方の足の踵が接地していない場合（ステップ２７０；Ｎ）、ＣＰＵは、つま先高さ判定処理に移行する（ステップ３６０）。
一方、前方の足の踵が接地している場合（ステップ２７０；Ｙ）、ＣＰＵは、姿勢センサの検出値から両足の各関節の角度を計算し、これによって左右のつま先の高さを測定する（ステップ２７５）。
つま先の高さに違いがない場合（ステップ２８０；Ｎ）、ＣＰＵは、平地を歩行すると判定し（ステップ２８５）、平地を歩行する場合のアシスト力を決定する（ステップ２９０）。
【００５６】
一方、左右のつま先の高さに違いがある場合（ステップ２８０；Ｙ）、ＣＰＵは、前方の足の足装着部２４の前後傾斜をつま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値によって測定する（ステップ２９５）。
前後傾斜がない場合（ステップ３００；Ｎ）、ＣＰＵは、各姿勢センサの検出値から前方の足が後方の足よりも高いか否かを判断する（ステップ３０５）。
【００５７】
前方の足が後方の足よりも高くない場合（ステップ３００；Ｎ）、ＣＰＵは、踵つき下り階段（下り階段を踵で下りている）と判定し（ステップ３１０）、この場合のアシスト力を決定する（ステップ３１５）。
一方、前方の足が後方の足よりも高い場合（ステップ３０５；Ｙ）、ＣＰＵは、踵つき上り階段（上り階段を踵で上がる）と判定し（ステップ３２０）、この場合のアシスト力を決定する（ステップ３２５）。
【００５８】
また、前方の足の前後傾斜がある場合（ステップ３００；Ｙ）、ＣＰＵは、つま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値から、前方の足のつま先が踵よりも低いか否かを判断する（ステップ３４０）。
つま先が踵よりも低い場合（ステップ３４０；Ｙ）、ＣＰＵは、下り坂道と判定し（ステップ３３０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ３３５）。
一方、つま先が踵よりも高い場合（ステップ３４０；Ｎ）、ＣＰＵは、上り坂道と判定し（ステップ３４５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ３５０）。
【００５９】
図７は、ステップ３６０（図６）のつま先高さ判定処理の手順を説明するためのフローチャートである。
ＣＰＵは、両足の各姿勢センサの検出値から各関節の角度を計算し、左右のつま先の高さを測定する（ステップ３６５）。
次に、ＣＰＵは、左右のつま先の高さに違いがあるか否かを判断する（ステップ３６７）。
左右のつま先の高さに違いがない場合（ステップ３６７；Ｎ）、ＣＰＵは、つま先立ちと判定し（ステップ３７０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ３７５）。
【００６０】
一方、左右のつま先の高さに違いがある場合（ステップ３６７；Ｙ）、ＣＰＵは、両足の各姿勢センサの検出値によって、前方の足が後方の足よりも高いか否かを判断する（ステップ３７８）。
前方の足が後方の足よりも高い場合（ステップ３７８；Ｙ）、ＣＰＵは、踵浮き上り階段と判定し（ステップ３８０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ３８３）。
前方の足が後方の足よりも高くない場合（ステップ３７８；Ｎ）、ＣＰＵは、踵浮き下り階段と判定し（ステップ３８５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ３８８）。
【００６１】
図８は、ステップ３５７（図６）の踵高さ判定処理の手順を説明するためのフローチャートである。
ＣＰＵは、両足の各姿勢センサの検出値から、左右の踵の高さを測定する（ステップ４３０）。
次に、ＣＰＵは、測定した踵の高さに違いがあるか否かを判断する（ステップ４３５）。
【００６２】
踵の高さに違いがない場合（ステップ４３５；Ｎ）、ＣＰＵは、踵立ちと判定し（ステップ４５０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ４５５）。
一方、踵の高さに違いがある場合（ステップ４３５；Ｙ）、ＣＰＵは、両足の各姿勢センサの検出値から各関節の角度を計算し、前方の足が後方の足よりも高いか否かを判断する（ステップ４６０）。
【００６３】
前方の足が後方の足よりも高くない場合（ステップ４６０；Ｎ）、ＣＰＵは、踵つき下り階段（下り階段を踵で下りる）と判定し（ステップ４６５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ４７０）。
前方の足が後方の足よりも高い場合（ステップ４６０；Ｙ）、ＣＰＵは、踵つき上り階段（上り階段を踵で上がる）と判定し（ステップ４７５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ４８０）。
【００６４】
図９は、ステップ３５５（図６）の後方移動処理の手順を説明するためのフローチャートである。
ＣＰＵは、後方の足のつま先接地センサ１０の検出値により、後方の足のつま先が接地したか否かを判断する（ステップ５０５）。
後方の足のつま先が接地していない場合（ステップ５０５；Ｎ）、ＣＰＵは、踵接地判定処理に移行する（ステップ５９０）。
【００６５】
後方の足のつま先が接地している場合（ステップ５０５；Ｙ）、ＣＰＵは、両足の姿勢センサの検出値から各関節の角度を計算し、これによって左右のつま先の高さを測定する（ステップ５１０）。
次に、ＣＰＵは、左右のつま先の高さに違いがあるか否か判断する（ステップ５１５）。
【００６６】
左右のつま先の高さに違いがない場合（ステップ５１５；Ｎ）、ＣＰＵは、平地通常後退歩行（平地を通常の歩行で後退する）と判定し（ステップ５２０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ５２５）。
【００６７】
左右のつま先の高さに違いがある場合（ステップ５１５；Ｙ）、ＣＰＵは、後方の足のつま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値により、後ろに出したつま先の前後傾斜を測定する（ステップ５３０）。
傾斜がない場合（ステップ５３５；Ｎ）、ＣＰＵは、両足の各姿勢センサの検出値から各関節の角度を計算し、後方の足が前方の足よりも高いか否かを判断する（ステップ５４０）。
【００６８】
後方の足が低い場合（ステップ５４０；Ｎ）、ＣＰＵは、下り階段通常後退歩行（下り階段を通常の歩行で後退する）と判定し（ステップ５４５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ５５０）。
後方の足が高い場合（ステップ５４０；Ｙ）、ＣＰＵは、上り階段通常後退歩行（上り階段を通常の歩行で後退する）と判定し（ステップ５５５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ５６０）。
【００６９】
後方の足のつま先に前後傾斜がある場合（ステップ５３５；Ｙ）、ＣＰＵは、後方の足のつま先姿勢センサ１１の検出値により、後方の足のつま先が前傾か否かを判断する（ステップ５６５）。
つま先が前傾の場合（ステップ５６５；Ｙ）、ＣＰＵは、上り坂道通常後退歩行（上り坂道を通常の歩行で後退する）と判定し（ステップ５７０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ５７５）。
つま先が前傾でない場合（ステップ５６５；Ｎ）、ＣＰＵは、下り坂道通常後退歩行（下り坂道を通常の歩行で後退する）と判定し（ステップ５８０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ５８５）。
【００７０】
図１０は、ステップ５９０（図９）の踵接地判定処理の手順を説明するためのフローチャートである。
まず、ＣＰＵは、後方の足の踵が接地したと判定する（ステップ６０５）。
次に、ＣＰＵは、両足の姿勢センサの検出値から各関節の角度を計算し、両足の踵の高さに違いがあるか否かを判断する（ステップ６１０）。
踵の高さに違いがない場合（ステップ６１０；Ｎ）、ＣＰＵは、不整地後退歩行（不整地を後退歩行する）と判定し（ステップ６１５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ６２０）。
【００７１】
一方、踵の高さに違いがある場合（ステップ６１０；Ｙ）、ＣＰＵは、後方の足のつま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値により後ろに出した足の踵の前後傾斜を測定する（ステップ６２５）。
次に、ＣＰＵは、計測により後ろ足の踵に前後傾斜があるか否かを判断する（ステップ６３０）。
前後傾斜がない場合（ステップ６３０；Ｎ）、ＣＰＵは、両足の姿勢センサの検出値から各関節の角度を計算し、これによって後方の足が前方の足よりも高いか否かを判断する（ステップ６３５）。
【００７２】
前方の足の方が高い場合（ステップ６３５；Ｎ）、ＣＰＵは、下り階段不整地後退歩行と判定し（ステップ６４０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ６４５）。
後方の足の方が高い場合（ステップ６３５；Ｙ）、ＣＰＵは、上り階段つま先浮き後退歩行と判定し（ステップ６５０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ６５５）。
【００７３】
また、後ろ足の踵に前後傾斜がある場合（ステップ６３０；Ｙ）、ＣＰＵは、踵姿勢センサ１３により後ろ足の踵が前傾であるか否かを判断する（ステップ６６０）。
踵が前傾である場合（ステップ６６０；Ｙ）、ＣＰＵは、上り坂道不整地後退歩行であると判断し（ステップ６６５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ６７０）。
踵が前傾でない場合（ステップ６６０；Ｎ）、ＣＰＵは、下り坂道不整地後退歩行であると判定し（ステップ６７５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ６８０）。
【００７４】
以上に説明した実施の形態、及び変形例により、次のような効果を得ることができる。
（１）装着型ロボット１の装着者は、平地、階段、坂道などの歩行面の種類によらず、平地を歩行するのと同様の筋力でこれら各歩行面を歩行することができる。
（２）装着型ロボット１は、脚の姿勢やつま先・踵の接地の有無によって歩行面の種類を特定することができる。
（３）装着型ロボット１は、特定した歩行面の種類に応じたアシスト力を発揮し、装着者の歩行を歩行面の種類に応じて支援することができる。
【００７５】
なお、本実施の形態では、各姿勢センサや接地センサからの検出値によって歩行面の種類を特定したが、この他に、例えば、ナビゲーションシステム、画像認識、ビーコンなどによって歩行面を特定するように構成することも可能である。
ナビゲーションを用いる場合、装着型ロボット１は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ）などを用いて装着者の歩行している地点を特定し、その地点に対応づけられた歩行面情報により歩行面の種類を特定する。
画像認識を行う場合、装着型ロボット１は、カメラで歩行面を撮影し、画像解析によって歩行面の種類を特定する。
ビーコンを用いる場合、装着型ロボット１は、ビーコンから送信される歩行面情報を受信して歩行面の種類を特定する。
【００７６】
以上に説明した、実施の形態、及び変形例によって、次の構成を得ることができる。
装着型ロボット１は、各姿勢センサや各接地センサによって歩行面の種類を特定するための情報（各センサの検出値）を取得するため、歩行支援対象者（装着者）が歩行する歩行面の情報を取得する歩行面情報取得手段を備えている。
また、装着型ロボット１は、これらセンサの検出値から歩行面の種類を特定するため、前記取得した歩行面の情報に基づいて前記歩行面の種類を特定する歩行面種類特定手段を備えている。
また、装着型ロボット１は、各アシストアクチュエータを駆動して歩行面の種類に応じた力を出力させ、装着者が歩行に際して関節の周りに発生させる関節モーメントを軽減するため、前記特定した歩行面の種類に応じた力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部（腰部から下の部分）の関節に発生させるモーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援手段を備えている。
【００７７】
装着型ロボット１は、平地歩行の場合に装着者の脚部に作用させるアシスト力を増減して他の種類の歩行面の場合のアシスト力を決定するため、前記歩行支援手段は、歩行面の種類が平地の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させる前記軽減後のモーメントを基準としている。
そして、装着型ロボット１は、例えば、１歩行周期における関節モーメントの力積比を平地でのアシスト力に掛けた値を他の歩行面でのアシスト力とするなどすることにより、装着者が平地で発生させる関節モーメントを基準とする所定範囲内の関節モーメントで他の歩行面を歩行できるようにするため、前記歩行支援手段は、他の種類の歩行面の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントが所定範囲となるように、前記脚部に作用させる力を決定している。
【００７８】
また、装着型ロボット１が記憶するアシスト力テーブル３５は、平地歩行の場合に各アシストアクチュエータが発揮する力を基準として、他の歩行面で発揮する力の割合を規定しており、装着者が平地歩行程度の力で他の歩行面を歩けるようにするために装着者が関節に発生させる関節モーメントを軽減する割合を示している。このため、アシスト力テーブル３５は、前記歩行面の種類と、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントの軽減率と、の対応を記憶する軽減率対応記憶手段として機能している。
そして、装着型ロボット１は、アシスト力テーブル３５に従って各アシストアクチュエータの発揮するトルクを軽減して歩行を支援するため、前記歩行支援手段は、前記特定した歩行面の種類に前記軽減率対応記憶手段で対応する軽減率となるように歩行を支援している。
【００７９】
また、アシスト力の決定方法として、平地歩行の場合に装着者が発生させる関節モーメントの最大値を超える領域でアシスト力を増大して超過分を補う方式も可能であり、この場合、前記歩行支援手段は、前記脚部の関節に発生させるモーメントが、歩行面の種類が平地の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントの最大値以内となるように歩行を支援している。
【００８０】
各姿勢センサは、前記歩行支援対象者の脚部の姿勢を検出する足姿勢検出手段として機能し、つま先接地センサ１０は、前記歩行支援対象者のつま先の接地を検出するつま先接地検出手段として機能し、踵接地センサ１２は、前記歩行支援対象者の踵の接地を検出する踵接地検出手段として機能している。
装着型ロボット１は、各姿勢センサによる脚部の姿勢（各関節の角度）、つま先と踵の接地の有無の組合せによって、歩行面の種類を特定するため、前記歩行面種類特定手段は、前記検出した脚部の姿勢、つま先の接地の有無、及び踵の接地の有無の組合せによって歩行面の種類を特定している。
【００８１】
また、装着型ロボット１は、制御装置２の記憶媒体に記憶した歩行支援プログラムをＣＰＵで実行して各機能を発揮するため、歩行支援対象者が歩行する歩行面の情報を取得する歩行面情報取得機能と、前記取得した歩行面の情報に基づいて前記歩行面の種類を特定する歩行面種類特定機能と、前記特定した歩行面の種類に応じた力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援機能と、をコンピュータに実現させる歩行支援プログラムを記憶している。
【符号の説明】
【００８２】
１ 装着型ロボット
２ 制御装置
３ センサ情報取得部
４ 歩行面種類判定部
５ 歩行アシスト力決定部
１０ つま先接地センサ
１１ つま先姿勢センサ
１２ 踵接地センサ
１３ 踵姿勢センサ
１４ 腰姿勢センサ
１５ 上腿姿勢センサ
１６ 下腿姿勢センサ
１７ 股関節アシストアクチュエータ
１８ 膝関節アシストアクチュエータ
１９ 足首関節アシストアクチュエータ
２１ 腰部装着部
２２ 上腿装着部
２３ 下腿装着部
２４ 足装着部
２６ 上腿連結部材
２７ 下腿連結部材
３５ アシスト力テーブル
３６ 最大値
３７ 領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行支援装置、及び歩行支援プログラムに関し、例えば、歩行をアシストするものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、介護ビジネスなどを中心に、人の動作（歩行や持ち上げなど）に使われる筋力を補助する装着型ロボット（パワーアシストスーツ）などが開発されている。
装着型ロボットには、上半身の筋力を補助するもの、下半身の筋力を補助するもの、あるいは、全身の筋力を補助するものなど各種のものがある。
【０００３】
装着型ロボットは、例えば、装着者の筋電から筋肉の動きを解析して関節モーメントを算出し、これに応じたアシスト力を発生させる。これによって、装着者は、重量物の持ち上げや歩行を楽に行うことができる。
【０００４】
このような技術に、特許文献１の「装着式動作補助装置、装着式動作補助装置の制御方法および制御用プログラム」がある。
この技術は、装着者に設置したセンサによって生体信号を検出し、これを用いて装着者の意思に従った動力をアクチュエータに発生させるものである。
【０００５】
しかし、従来の装着型ロボットは、装着者の関節に発生する関節モーメントに対してアシスト力を一様に発生させるものであり、平地、階段、坂道といった歩行面の種類（歩行シーン）の違いに応じて歩行を支援している訳ではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−９５５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、歩行面の種類に応じた歩行支援を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明では、歩行支援対象者が歩行する歩行面の情報を取得する歩行面情報取得手段と、前記取得した歩行面の情報に基づいて前記歩行面の種類を特定する歩行面種類特定手段と、前記特定した歩行面の種類に応じた力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援手段と、を具備したことを特徴とする歩行支援装置を提供する。
請求項２に記載の発明では、前記歩行支援手段は、歩行面の種類が平地の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させる前記軽減後のモーメントを基準として、他の種類の歩行面の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントが所定範囲となるように、前記脚部に作用させる力を決定することを特徴とする請求項１に記載の歩行支援装置を提供する。
請求項３に記載の発明では、前記歩行面の種類と、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントの軽減率と、の対応を記憶する軽減率対応記憶手段を具備し、前記歩行支援手段は、前記特定した歩行面の種類に前記軽減率対応記憶手段で対応する軽減率となるように歩行を支援することを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の歩行支援装置を提供する。
請求項４に記載の発明では、前記歩行支援手段は、前記脚部の関節に発生させるモーメントが、歩行面の種類が平地の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントの最大値以内となるように歩行を支援することを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の歩行支援装置を提供する。
請求項５に記載の発明では、前記歩行支援対象者の脚部の姿勢を検出する足姿勢検出手段と、前記歩行支援対象者のつま先の接地を検出するつま先接地検出手段と、前記歩行支援対象者の踵の接地を検出する踵接地検出手段と、を具備し、前記歩行面種類特定手段は、前記検出した脚部の姿勢、つま先の接地の有無、及び踵の接地の有無の組合せによって歩行面の種類を特定することを特徴とする請求項１から請求項４までのうちの何れか１の請求項に記載の歩行支援装置を提供する。
請求項６に記載の発明では、歩行支援対象者が歩行する歩行面の情報を取得する歩行面情報取得機能と、前記取得した歩行面の情報に基づいて前記歩行面の種類を特定する歩行面種類特定機能と、前記特定した歩行面の種類に応じた力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援機能と、をコンピュータに実現させる歩行支援プログラムを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、歩行面の種類を特定することにより、歩行面の種類に応じた歩行支援を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】装着型ロボットの装着状態を示した図である。
【図２】装着型ロボットのシステム構成を示した図である。
【図３】制御部が歩行支援を行う手順を説明するためのフローチャートである。
【図４】後方移動処理を説明するためのフローチャートである。
【図５】アシスト力の決定方法を説明するための図である。
【図６】制御部が歩行支援を行う手順の変形例を説明するためのフローチャートである。
【図７】つま先高さ判定処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図８】踵高さ判定処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図９】後方移動処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【図１０】踵接地判定処理の手順を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（１）実施形態の概要
装着型ロボット１（図１）は、股関節アシストアクチュエータ１７で股関節の動作を支援し、膝関節アシストアクチュエータ１８で膝関節の動作を支援し、足首関節アシストアクチュエータ１９で足首関節の動作を支援する。
即ち装着型ロボット１は、装着者が歩行のために関節モーメントを発生させる際に、各アシストアクチュエータを駆動して装着者が発生させる関節モーメントを軽減する。
【００１２】
装着型ロボット１は、腰姿勢センサ１４、上腿姿勢センサ１５、下腿姿勢センサ１６、つま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値から各関節の角度を計算することができ、これら関節の角度と、つま先接地センサ１０、踵接地センサ１２によるつま先や踵の接地の有無から、装着者が、平地を歩行するのか、階段を歩行するのか、あるいは坂道を歩行するのか、などの装着者が歩行する歩行面の種類を判定する。
【００１３】
装着型ロボット１は、判定した歩行面の種類に応じて各アシストアクチュエータの力を軽減することにより、平地を歩行しているのと同程度の力加減で階段や坂道を上り下りできるようにする。
このように、装着型ロボット１は、各歩行シーンを判定し、歩行シーンに応じたアシスト力を与えることで歩行シーンの違いで人が出力する力（筋力）を意識することなく歩けるようにする。
このため、装着型ロボット１は、健常者の歩行支援のほか、老人や障害者など通常の歩行が困難な人々の歩行動作を助けるのに用いることができる。
【００１４】
（２）実施形態の詳細
図１は、装着型ロボット１の装着状態を示した図である。
装着型ロボット１は、装着者の腰部及び下肢に装着し、装着者の歩行を支援（アシスト）するものである。
装着型ロボット１は、腰部装着部２１、上腿装着部２２、下腿装着部２３、足装着部２４、上腿連結部材２６、下腿連結部材２７、制御装置２、つま先接地センサ１０、つま先姿勢センサ１１、踵接地センサ１２、踵姿勢センサ１３、腰姿勢センサ１４、上腿姿勢センサ１５、下腿姿勢センサ１６、股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９などを備えている。なお、腰部装着部２１、制御装置２、腰姿勢センサ１４以外は、両足に設けられている。
【００１５】
腰部装着部２１は、装着者の腰部の周囲に取り付けられ装着型ロボット１を固定する。
腰姿勢センサ１４は、腰部装着部２１に取り付けられ、ジャイロなどによって腰部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、腰部の角速度や角加速度を求めることもできる。
【００１６】
制御装置２は、腰部装着部２１に取り付けられ、装着型ロボット１の動作を制御する。
股関節アシストアクチュエータ１７は、装着者の股関節と同じ高さに設けられており、腰部装着部２１に対して上腿連結部材２６を前後方向に駆動する。なお、股関節アシストアクチュエータ１７を３軸アクチュエータとして横方向にも駆動するように構成することもできる。
【００１７】
上腿連結部材２６は、装着者の上腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、股関節アシストアクチュエータ１７と膝関節アシストアクチュエータ１８を連結する。
上腿装着部２２は、外側が上腿連結部材２６の内側に固定されており、内側が装着者の上腿に固定される。
上腿姿勢センサ１５は、上腿部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、上腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。
【００１８】
膝関節アシストアクチュエータ１８は、装着者の膝関節と同じ高さに設けられており、上腿連結部材２６に対して下腿連結部材２７を前後方向に駆動する。
下腿連結部材２７は、装着者の下腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、膝関節アシストアクチュエータ１８と足首関節アシストアクチュエータ１９を連結する。
【００１９】
下腿装着部２３は、外側が下腿連結部材２７の内側に固定されており、内側が装着者の下腿に固定される。
下腿姿勢センサ１６は、下腿部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、下腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。
【００２０】
足首関節アシストアクチュエータ１９は、装着者の足首関節と同じ高さに設けられており、下腿連結部材２７に対して足装着部２４のつま先を上下する方向に駆動する。
足装着部２４は、装着者の足部（足の甲、及び足裏）に固定される。一般に、足指の付け根の関節は歩行の際に屈曲するが、足装着部２４も足指の付け根の部分が足指に従って屈曲するようになっている。
【００２１】
つま先姿勢センサ１１と踵姿勢センサ１３は、それぞれ、足装着部２４の先端と後端に設置され、それぞれ、つま先と踵の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、つま先や踵の角速度や角加速度を求めることもできる。
【００２２】
つま先接地センサ１０は、足装着部２４の足裏部前方に設置され、つま先の接地を検出する。
踵接地センサ１２は、足装着部２４の足裏部後方に設置され、踵の接地を検出する。
以上のように構成された装着型ロボット１は、股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９を駆動することにより、装着者の歩行を支援する。
【００２３】
図２は、装着型ロボット１のシステム構成を示した図である。
制御装置２は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、記憶装置、各種インターフェースなどを備えた電子制御ユニットであり、装着型ロボット１の各部を電子制御する。
【００２４】
ＣＰＵで記憶媒体に記憶された歩行支援プログラムを実行することにより、センサ情報取得部３、歩行面種類判定部４、歩行アシスト力決定部５が構成される。
センサ情報取得部３は、つま先接地センサ１０〜下腿姿勢センサ１６の各センサから検出値を取得する。
歩行面種類判定部４は、センサ情報取得部３が取得した検出値を解析することにより歩行面の種類（歩行シーン）を判定する。
【００２５】
歩行アシスト力決定部５は、歩行面種類判定部４が判定した歩行面の種類に応じて、股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９に出力させるアシスト力を決定し、これに従ってこれらアシストアクチュエータを駆動する。なお、アシスト力とは、装着型ロボット１がアシストアクチュエータを駆動して脚部に作用させるモーメント（トルク）である。
【００２６】
図３は、装着者が歩行周期を開始した場合に、制御装置２が歩行支援を行う手順を説明するためのフローチャートである。
以下の処理は、制御装置２のＣＰＵが歩行支援プログラムに従って行うものであり、各センサからの信号の検出は、センサ情報取得部３が行い、歩行面の判定に伴う各判断は、歩行面種類判定部４が行い、アシスト力の決定は、歩行アシスト力決定部５が行う。
【００２７】
まず、装着者が歩行周期を開始すると、ＣＰＵは、つま先接地センサ１０、踵接地センサ１２から検出値によって、足装着部２４が歩行面から離れたことを検出し、片足が浮上したと判断する（ステップ５）。
【００２８】
次に、ＣＰＵは、腰姿勢センサ１４、浮上した足の上腿姿勢センサ１５、下腿姿勢センサ１６、つま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３（以下、腰姿勢センサ１４、上腿姿勢センサ１５、下腿姿勢センサ１６、つま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３を姿勢センサと略記する）の検出値から各関節の角度を計算し、浮上した足の移動方向を検出する（ステップ１０）。
次に、ＣＰＵは、浮上した足が前方方向に移動しているか否かを判断する（ステップ１５）。
浮上した足が前方方向に移動していると判断した場合（ステップ１５；Ｙ）、ＣＰＵは、装着者が前方移動すると判断する（ステップ２０）。
一方、前方方向に移動していないと判断した場合（ステップ１５；Ｎ）、ＣＰＵは、後述の後方移動処理を行う（ステップ１１０）。
【００２９】
ＣＰＵは、前方移動と判断した場合（ステップ２０）、前方の足のつま先接地センサ１０、踵接地センサ１２からの検出値により、前方の足が歩行面に接地したか否かを判断する（ステップ２５）。
前方の足が歩行面に接地していないと判断した場合（ステップ２５；Ｎ）、ＣＰＵは、ステップ２５にて前方の足が歩行面に接地したか否かの監視を継続し、前方の足が歩行面に接地したと判断した場合（ステップ２５；Ｙ）、ＣＰＵは、両足の姿勢センサの出力から両足の各関節の角度を算出し、これによって前後の足の高さを測定する（ステップ３０）。
なお、足の高さは、例えば、踵（踵姿勢センサ１３）の高さや、足首関節（足首関節アシストアクチュエータ１９）の高さなど、適当な部位の高さを用いることができる。
【００３０】
次に、ＣＰＵは、前後の足の高さに違いがあるか否かを判断し（ステップ３５）、違いがない場合（ステップ３５；Ｎ）、ＣＰＵは、歩行面の種類を平地であると判定し（ステップ４０）、平地歩行で前進する場合のアシスト力を決定する（ステップ４５）。
前後の足の高さに違いがある場合（ステップ３５；Ｙ）、ＣＰＵは、つま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値により、前に出した足の足装着部２４の前後傾斜を測定する（ステップ５０）。
【００３１】
次に、ＣＰＵは、前後傾斜があるか否かを判断し（ステップ５５）、前後傾斜がない場合（ステップ５５；Ｎ）、ＣＰＵは、姿勢センサの検出値から前方の足が後方の足より高いか否かを判断する（ステップ６０）。
前方の足が高くない場合、即ち、前方の足が低い場合（ステップ６０；Ｎ）、ＣＰＵは、歩行面を下り階段であると判断し（ステップ６５）、下り階段を前進する場合のアシスト力を決定する（ステップ７０）。
【００３２】
前方の足が後方の足よりも高い場合（ステップ６０；Ｙ）、ＣＰＵは、歩行面を上り階段であると判断し（ステップ７５）、上り階段を前進する場合のアシスト力を決定する（ステップ８０）。
また、前に出した足の足装着部２４に前後傾斜がある場合（ステップ５５；Ｙ）、ＣＰＵは、前方の足のつま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値からつま先が踵よりも低いか否かを判断する（ステップ８５）。
【００３３】
つま先が踵よりも低い場合（ステップ８５；Ｙ）、ＣＰＵは、歩行面を下り坂道であると判断し（ステップ９０）、下り坂道を前進する場合のアシスト力を決定する（ステップ９５）。
つま先が踵よりも低くない場合、即ち、踵がつま先よりも低い場合（ステップ８５；Ｎ）、ＣＰＵは、歩行面を上り坂道であると判断し（ステップ１００）、上り坂道を前進する場合のアシスト力を決定する（ステップ１０５）。
【００３４】
以上のようにして、装着型ロボット１は、つま先、踵の接地の有無、及び、下肢の姿勢から装着者が平地、下り階段、上り階段、下り坂道、上り坂道の何れを前進歩行するのか、その歩行面の種類を判定することができる。
【００３５】
図４は、ステップ１１０（図３）の後方移動処理を説明するためのフローチャートである。
ＣＰＵは、浮上した足が後方に移動する場合、後方移動であると判断する（ステップ１２０）。
次に、ＣＰＵは、つま先接地センサ１０、踵接地センサ１２の検出値により、後方の足が歩行面に接地したか否かを判断する（ステップ１２５）。
後方の足が歩行面に接地していない場合（ステップ１２５；Ｎ）、ＣＰＵは、ステップ１２５にて接地したか否かを監視する。
【００３６】
後方の足が歩行面に接地した場合（ステップ１２５；Ｙ）、ＣＰＵは、両足の姿勢センサの検出値により、両足の各関節の角度を計算し、これによって前後の足の高さを測定する（ステップ１３０）。
前後の足の高さに違いがない場合（ステップ１３５；Ｎ）、ＣＰＵは、歩行面を平地であると判断し（ステップ１４０）、平地歩行で後進する場合のアシスト力を決定する（ステップ１４５）。
【００３７】
前後の足の高さに違いがある場合（ステップ１３５；Ｙ）、ＣＰＵは、つま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値により、後方の足の足装着部２４の前後傾斜を測定する（ステップ１５０）。
次に、ＣＰＵは、前後傾斜があるか否かを判断し（ステップ１５５）、前後傾斜がない場合（ステップ１５５；Ｎ）、ＣＰＵは、姿勢センサの検出値から前方の足が後方の足より高いか否かを判断する（ステップ１６０）。
前方の足が高い場合（ステップ１６０；Ｙ）、ＣＰＵは、歩行面を下り階段であると判断し（ステップ１６５）、下り階段を後進する場合のアシスト力を決定する（ステップ１７０）。
【００３８】
前方の足が高くない場合、即ち、前方の足が低い場合（ステップ１６０；Ｎ）、ＣＰＵは、歩行面を上り階段であると判断し（ステップ１７５）、上り階段を後進する場合のアシスト力を決定する（ステップ１８０）。
また、後方の足の足装着部２４に前後傾斜がある場合（ステップ１５５；Ｙ）、ＣＰＵは、後方の足のつま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値からつま先が踵よりも高いか否かを判断する（ステップ１８５）。
【００３９】
つま先が踵よりも高い場合（ステップ１８５；Ｙ）、ＣＰＵは、歩行面を下り坂道であると判断し（ステップ１９０）、下り坂道を後進する場合のアシスト力を決定する（ステップ１９５）。
つま先が踵よりも低い場合（ステップ１８５；Ｎ）、ＣＰＵは、歩行面を上り坂道であると判断し（ステップ２００）、上り坂道を後進する場合のアシスト力を決定する（ステップ２０５）。
【００４０】
以上のようにして、装着型ロボット１は、つま先、踵の接地の有無、及び、下肢の姿勢から装着者が平地、下り階段、上り階段、下り坂道、上り坂道の何れを後進歩行するのか、その歩行面の種類を判定することができる。
【００４１】
図５の各図は、アシスト力の決定方法を説明するための図である。
図５（ａ）は、ある身長、体重の装着者が装着型ロボット１を装着せずに平地を前進歩行した場合に装着者が膝関節に発生させる関節モーメントの変化を１歩行周期に渡って記録したものである。なお、縦軸は関節モーメントであり、横軸は時間である。
平地歩行の場合に１歩行周期に渡る関節モーメントの力積、即ち、関節モーメントを時間で積分した値は、図の斜線部で示されている。
【００４２】
図５（ｂ）は、当該装着者が装着型ロボット１を装着せずに上り階段を前進歩行した場合に装着者が膝関節に発生させる関節モーメントの変化を１歩行周期に渡って記録したものである。同様に、１歩行周期に渡る関節モーメントの力積は、図の斜線で示されている。
【００４３】
本実施の形態では、平地を前進歩行する場合の力積に対する上り階段を前進歩行する場合の力積の比が１．５倍であった場合、装着型ロボット１は、装着者が上り階段を前進歩行する場合に、アシスト力を１．５倍する。他の関節に対しても同様とする。
このように、本実施の形態では、装着型ロボット１を装着しない状態で、平地を歩行する場合に関節に発生させる関節モーメントの力積を基準とした他の歩行面での関節モーメントの力積の比率だけ、アシスト力を増大させる。
即ち、装着型ロボット１は、歩行面が平地の場合の力積に対する他の歩行面の場合の力積の比率を係数として、平地歩行の場合のアシスト力に乗じた値を、当該他の歩行面の場合のアシスト力とする。
【００４４】
このように、平地歩行を基準として力積比に応じてアシスト力を増大させると、装着型ロボット１の装着者は、階段や坂道を平地歩行程度の力によって歩行することができる。
即ち、装着者は、装着型ロボット１の歩行支援により、歩行面の種類によらずに平地歩行程度の力加減で各種の歩行面を歩行することができる。
以上のように、装着型ロボット１は、装着者が平地歩行している程度の力で歩行できるように歩行面の種類に応じてアシスト力を調節する。
なお、上の例では、装着型ロボット１を装着しない場合の関節モーメントとしたが、例えば、歩行面の種類によらず一定割合（例えば、一律６０％）アシストする装着型ロボット１を装着した場合の関節モーメントとしてもよい。
【００４５】
図５（ｃ）は、アシスト力テーブル３５の論理的な構成の一例を示した図である。
アシスト力テーブル３５は、制御装置２に備えた記憶媒体に記憶されており、ＣＰＵがアシスト力を決定する際に参照する。
アシスト力テーブル３５は、身長、体重ごとに作成されており、図では、前進歩行の場合が示されている。同様に後退歩行の場合もある。
【００４６】
アシスト力テーブル３５は、「平地」、「坂道」、「階段」の各項目について、「股関節」、「膝関節」、「足首関節」に作用させるアシスト力の比率を記憶している。
これらの比率は、図５（ａ）、図５（ｂ）のように、平地を基準とした１歩行周期の関節モーメントの力積比である。
【００４７】
例えば、図の例では、坂道を前進する場合、装着型ロボット１のＣＰＵは、アシスト力テーブル３５を参照して、股関節（股関節アシストアクチュエータ１７）のアシスト力は、平地の場合のアシスト力を１．１倍したものに決定し、膝関節（膝関節アシストアクチュエータ１８）のアシスト力は、平地の場合のアシスト力を１．３倍したものに決定し、足首関節（足首関節アシストアクチュエータ１９）のアシスト力は、平地の場合のアシスト力を１．２倍したものに決定する。
なお、平地の歩行で装着者の関節モーメントをどの程度アシストによって軽減するかは（例えば、関節モーメントの３０％を支援するなど）、ユーザが設定できるようになっている。
【００４８】
以上、本実施の形態では、１歩行周期における関節モーメントの力積比を用いて、各歩行面の種類でのアシスト力を決定したが、これは一例であって、各種の決定方法が考えられる。
例えば、１歩行周期における力積の代わりに、半歩行周期における力積比を用いることもできる。
１歩行周期の力積を用いた場合は、１歩行周期の間、アシスト力を増減する比率を一定としたが、半周期の力積を用いる場合、装着者の歩行の半周期ごとに比率を変化させる。
更に、周期を短くすることが可能であり、周期を短くすると、より細やかにアシスト力を変化させることができ、装着者により自然な装着間を与えることができる。
【００４９】
なお、関節モーメントの力積を用いたのは、力積をとる期間でアシスト力の増減比率を一定としてシステム構成を容易にするためであり、リアルタイムでアシスト力の増減比率を変化させることも可能である。
このように、装着型ロボット１は、各関節アシストアクチュエータで装着者が関節モーメントを発生させる方向に力を作用させることにより、装着者が脚部の各関節の周りに発生させる関節モーメントを軽減することができ、その軽減程度は、アシスト力テーブル３５によって各歩行面の種類ごとに規定されている。
【００５０】
図５（ｄ）は、アシスト力の決定方法の変形例を説明するための図である。
図５（ｄ）の実線は、装着型ロボット１を装着して平地を歩行している場合の膝の関節モーメントの時間的変化を１歩行周期に渡って記録したものである。
一方、破線は、平地歩行と同じアシストをして階段を上った場合の膝の関節モーメントの時間的変化である。
本変形例では、装着型ロボット１は、平地歩行の場合の関節モーメントの最大値３６を越える領域３７を歩行面の種類ごとに制御装置２に記憶しており、領域３７で最大値３６を越えた分をアシストの増大で補う。装着型ロボット１は、他の関節に対しても同様にアシスト力を増大する。
また、領域３７は、アシスト力テーブル３５と同様に身長、体重ごとに記憶されている。
【００５１】
図６は、装着者が歩行周期を開始した場合に、制御装置２が歩行支援を行う手順の変形例を説明するためのフローチャートである。本変形例では、歩行面の状態に加え、装着者の歩行形態も判断する。
ステップ２３０〜ステップ２５０は、図３のステップ５〜ステップ２５と同様であるので説明を省略する。
【００５２】
前方の足が歩行面に接地した場合（ステップ２５０；Ｙ）、ＣＰＵは、つま先接地センサ１０の検出値によって前足のつま先が接地したか否かを判断する（ステップ２５５）。
つま先が接地していない場合（ステップ２５５；Ｎ）、ＣＰＵは、つま先接地センサ１０、踵接地センサ１２の検出値により後ろ足が離地したか否かを判断する（ステップ２６０）。
【００５３】
後ろ足が離地していない場合（ステップ２６０；Ｎ）、ＣＰＵは、ステップ２６０で引き続き後ろ足の離地を監視し、後ろ足が離地した場合（ステップ２６０；Ｙ）、ＣＰＵは、つま先接地センサ１０の検出値により前方の足のつま先が接地したか否かを判断する（ステップ２６５）。
【００５４】
前方の足のつま先が接地していない場合（ステップ２６５；Ｎ）、ＣＰＵは、踵高さ判定処理に移行する（ステップ３５７）。
一方、つま先が接地した場合（ステップ２５５；Ｙ、ステップ２６５；Ｙ）、ＣＰＵは、踵接地センサ１２の検出値によって、前方の足の踵が接地したか否かを判断する（ステップ２７０）。
【００５５】
前方の足の踵が接地していない場合（ステップ２７０；Ｎ）、ＣＰＵは、つま先高さ判定処理に移行する（ステップ３６０）。
一方、前方の足の踵が接地している場合（ステップ２７０；Ｙ）、ＣＰＵは、姿勢センサの検出値から両足の各関節の角度を計算し、これによって左右のつま先の高さを測定する（ステップ２７５）。
つま先の高さに違いがない場合（ステップ２８０；Ｎ）、ＣＰＵは、平地を歩行すると判定し（ステップ２８５）、平地を歩行する場合のアシスト力を決定する（ステップ２９０）。
【００５６】
一方、左右のつま先の高さに違いがある場合（ステップ２８０；Ｙ）、ＣＰＵは、前方の足の足装着部２４の前後傾斜をつま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値によって測定する（ステップ２９５）。
前後傾斜がない場合（ステップ３００；Ｎ）、ＣＰＵは、各姿勢センサの検出値から前方の足が後方の足よりも高いか否かを判断する（ステップ３０５）。
【００５７】
前方の足が後方の足よりも高くない場合（ステップ３００；Ｎ）、ＣＰＵは、踵つき下り階段（下り階段を踵で下りている）と判定し（ステップ３１０）、この場合のアシスト力を決定する（ステップ３１５）。
一方、前方の足が後方の足よりも高い場合（ステップ３０５；Ｙ）、ＣＰＵは、踵つき上り階段（上り階段を踵で上がる）と判定し（ステップ３２０）、この場合のアシスト力を決定する（ステップ３２５）。
【００５８】
また、前方の足の前後傾斜がある場合（ステップ３００；Ｙ）、ＣＰＵは、つま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値から、前方の足のつま先が踵よりも低いか否かを判断する（ステップ３４０）。
つま先が踵よりも低い場合（ステップ３４０；Ｙ）、ＣＰＵは、下り坂道と判定し（ステップ３３０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ３３５）。
一方、つま先が踵よりも高い場合（ステップ３４０；Ｎ）、ＣＰＵは、上り坂道と判定し（ステップ３４５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ３５０）。
【００５９】
図７は、ステップ３６０（図６）のつま先高さ判定処理の手順を説明するためのフローチャートである。
ＣＰＵは、両足の各姿勢センサの検出値から各関節の角度を計算し、左右のつま先の高さを測定する（ステップ３６５）。
次に、ＣＰＵは、左右のつま先の高さに違いがあるか否かを判断する（ステップ３６７）。
左右のつま先の高さに違いがない場合（ステップ３６７；Ｎ）、ＣＰＵは、つま先立ちと判定し（ステップ３７０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ３７５）。
【００６０】
一方、左右のつま先の高さに違いがある場合（ステップ３６７；Ｙ）、ＣＰＵは、両足の各姿勢センサの検出値によって、前方の足が後方の足よりも高いか否かを判断する（ステップ３７８）。
前方の足が後方の足よりも高い場合（ステップ３７８；Ｙ）、ＣＰＵは、踵浮き上り階段と判定し（ステップ３８０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ３８３）。
前方の足が後方の足よりも高くない場合（ステップ３７８；Ｎ）、ＣＰＵは、踵浮き下り階段と判定し（ステップ３８５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ３８８）。
【００６１】
図８は、ステップ３５７（図６）の踵高さ判定処理の手順を説明するためのフローチャートである。
ＣＰＵは、両足の各姿勢センサの検出値から、左右の踵の高さを測定する（ステップ４３０）。
次に、ＣＰＵは、測定した踵の高さに違いがあるか否かを判断する（ステップ４３５）。
【００６２】
踵の高さに違いがない場合（ステップ４３５；Ｎ）、ＣＰＵは、踵立ちと判定し（ステップ４５０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ４５５）。
一方、踵の高さに違いがある場合（ステップ４３５；Ｙ）、ＣＰＵは、両足の各姿勢センサの検出値から各関節の角度を計算し、前方の足が後方の足よりも高いか否かを判断する（ステップ４６０）。
【００６３】
前方の足が後方の足よりも高くない場合（ステップ４６０；Ｎ）、ＣＰＵは、踵つき下り階段（下り階段を踵で下りる）と判定し（ステップ４６５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ４７０）。
前方の足が後方の足よりも高い場合（ステップ４６０；Ｙ）、ＣＰＵは、踵つき上り階段（上り階段を踵で上がる）と判定し（ステップ４７５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ４８０）。
【００６４】
図９は、ステップ３５５（図６）の後方移動処理の手順を説明するためのフローチャートである。
ＣＰＵは、後方の足のつま先接地センサ１０の検出値により、後方の足のつま先が接地したか否かを判断する（ステップ５０５）。
後方の足のつま先が接地していない場合（ステップ５０５；Ｎ）、ＣＰＵは、踵接地判定処理に移行する（ステップ５９０）。
【００６５】
後方の足のつま先が接地している場合（ステップ５０５；Ｙ）、ＣＰＵは、両足の姿勢センサの検出値から各関節の角度を計算し、これによって左右のつま先の高さを測定する（ステップ５１０）。
次に、ＣＰＵは、左右のつま先の高さに違いがあるか否か判断する（ステップ５１５）。
【００６６】
左右のつま先の高さに違いがない場合（ステップ５１５；Ｎ）、ＣＰＵは、平地通常後退歩行（平地を通常の歩行で後退する）と判定し（ステップ５２０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ５２５）。
【００６７】
左右のつま先の高さに違いがある場合（ステップ５１５；Ｙ）、ＣＰＵは、後方の足のつま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値により、後ろに出したつま先の前後傾斜を測定する（ステップ５３０）。
傾斜がない場合（ステップ５３５；Ｎ）、ＣＰＵは、両足の各姿勢センサの検出値から各関節の角度を計算し、後方の足が前方の足よりも高いか否かを判断する（ステップ５４０）。
【００６８】
後方の足が低い場合（ステップ５４０；Ｎ）、ＣＰＵは、下り階段通常後退歩行（下り階段を通常の歩行で後退する）と判定し（ステップ５４５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ５５０）。
後方の足が高い場合（ステップ５４０；Ｙ）、ＣＰＵは、上り階段通常後退歩行（上り階段を通常の歩行で後退する）と判定し（ステップ５５５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ５６０）。
【００６９】
後方の足のつま先に前後傾斜がある場合（ステップ５３５；Ｙ）、ＣＰＵは、後方の足のつま先姿勢センサ１１の検出値により、後方の足のつま先が前傾か否かを判断する（ステップ５６５）。
つま先が前傾の場合（ステップ５６５；Ｙ）、ＣＰＵは、上り坂道通常後退歩行（上り坂道を通常の歩行で後退する）と判定し（ステップ５７０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ５７５）。
つま先が前傾でない場合（ステップ５６５；Ｎ）、ＣＰＵは、下り坂道通常後退歩行（下り坂道を通常の歩行で後退する）と判定し（ステップ５８０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ５８５）。
【００７０】
図１０は、ステップ５９０（図９）の踵接地判定処理の手順を説明するためのフローチャートである。
まず、ＣＰＵは、後方の足の踵が接地したと判定する（ステップ６０５）。
次に、ＣＰＵは、両足の姿勢センサの検出値から各関節の角度を計算し、両足の踵の高さに違いがあるか否かを判断する（ステップ６１０）。
踵の高さに違いがない場合（ステップ６１０；Ｎ）、ＣＰＵは、不整地後退歩行（不整地を後退歩行する）と判定し（ステップ６１５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ６２０）。
【００７１】
一方、踵の高さに違いがある場合（ステップ６１０；Ｙ）、ＣＰＵは、後方の足のつま先姿勢センサ１１、踵姿勢センサ１３の検出値により後ろに出した足の踵の前後傾斜を測定する（ステップ６２５）。
次に、ＣＰＵは、計測により後ろ足の踵に前後傾斜があるか否かを判断する（ステップ６３０）。
前後傾斜がない場合（ステップ６３０；Ｎ）、ＣＰＵは、両足の姿勢センサの検出値から各関節の角度を計算し、これによって後方の足が前方の足よりも高いか否かを判断する（ステップ６３５）。
【００７２】
前方の足の方が高い場合（ステップ６３５；Ｎ）、ＣＰＵは、下り階段不整地後退歩行と判定し（ステップ６４０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ６４５）。
後方の足の方が高い場合（ステップ６３５；Ｙ）、ＣＰＵは、上り階段つま先浮き後退歩行と判定し（ステップ６５０）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ６５５）。
【００７３】
また、後ろ足の踵に前後傾斜がある場合（ステップ６３０；Ｙ）、ＣＰＵは、踵姿勢センサ１３により後ろ足の踵が前傾であるか否かを判断する（ステップ６６０）。
踵が前傾である場合（ステップ６６０；Ｙ）、ＣＰＵは、上り坂道不整地後退歩行であると判断し（ステップ６６５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ６７０）。
踵が前傾でない場合（ステップ６６０；Ｎ）、ＣＰＵは、下り坂道不整地後退歩行であると判定し（ステップ６７５）、その場合のアシスト力を決定する（ステップ６８０）。
【００７４】
以上に説明した実施の形態、及び変形例により、次のような効果を得ることができる。
（１）装着型ロボット１の装着者は、平地、階段、坂道などの歩行面の種類によらず、平地を歩行するのと同様の筋力でこれら各歩行面を歩行することができる。
（２）装着型ロボット１は、脚の姿勢やつま先・踵の接地の有無によって歩行面の種類を特定することができる。
（３）装着型ロボット１は、特定した歩行面の種類に応じたアシスト力を発揮し、装着者の歩行を歩行面の種類に応じて支援することができる。
【００７５】
なお、本実施の形態では、各姿勢センサや接地センサからの検出値によって歩行面の種類を特定したが、この他に、例えば、ナビゲーションシステム、画像認識、ビーコンなどによって歩行面を特定するように構成することも可能である。
ナビゲーションを用いる場合、装着型ロボット１は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ）などを用いて装着者の歩行している地点を特定し、その地点に対応づけられた歩行面情報により歩行面の種類を特定する。
画像認識を行う場合、装着型ロボット１は、カメラで歩行面を撮影し、画像解析によって歩行面の種類を特定する。
ビーコンを用いる場合、装着型ロボット１は、ビーコンから送信される歩行面情報を受信して歩行面の種類を特定する。
【００７６】
以上に説明した、実施の形態、及び変形例によって、次の構成を得ることができる。
装着型ロボット１は、各姿勢センサや各接地センサによって歩行面の種類を特定するための情報（各センサの検出値）を取得するため、歩行支援対象者（装着者）が歩行する歩行面の情報を取得する歩行面情報取得手段を備えている。
また、装着型ロボット１は、これらセンサの検出値から歩行面の種類を特定するため、前記取得した歩行面の情報に基づいて前記歩行面の種類を特定する歩行面種類特定手段を備えている。
また、装着型ロボット１は、各アシストアクチュエータを駆動して歩行面の種類に応じた力を出力させ、装着者が歩行に際して関節の周りに発生させる関節モーメントを軽減するため、前記特定した歩行面の種類に応じた力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部（腰部から下の部分）の関節に発生させるモーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援手段を備えている。
【００７７】
装着型ロボット１は、平地歩行の場合に装着者の脚部に作用させるアシスト力を増減して他の種類の歩行面の場合のアシスト力を決定するため、前記歩行支援手段は、歩行面の種類が平地の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させる前記軽減後のモーメントを基準としている。
そして、装着型ロボット１は、例えば、１歩行周期における関節モーメントの力積比を平地でのアシスト力に掛けた値を他の歩行面でのアシスト力とするなどすることにより、装着者が平地で発生させる関節モーメントを基準とする所定範囲内の関節モーメントで他の歩行面を歩行できるようにするため、前記歩行支援手段は、他の種類の歩行面の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントが所定範囲となるように、前記脚部に作用させる力を決定している。
【００７８】
また、装着型ロボット１が記憶するアシスト力テーブル３５は、平地歩行の場合に各アシストアクチュエータが発揮する力を基準として、他の歩行面で発揮する力の割合を規定しており、装着者が平地歩行程度の力で他の歩行面を歩けるようにするために装着者が関節に発生させる関節モーメントを軽減する割合を示している。このため、アシスト力テーブル３５は、前記歩行面の種類と、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントの軽減率と、の対応を記憶する軽減率対応記憶手段として機能している。
そして、装着型ロボット１は、アシスト力テーブル３５に従って各アシストアクチュエータの発揮するトルクを軽減して歩行を支援するため、前記歩行支援手段は、前記特定した歩行面の種類に前記軽減率対応記憶手段で対応する軽減率となるように歩行を支援している。
【００７９】
また、アシスト力の決定方法として、平地歩行の場合に装着者が発生させる関節モーメントの最大値を超える領域でアシスト力を増大して超過分を補う方式も可能であり、この場合、前記歩行支援手段は、前記脚部の関節に発生させるモーメントが、歩行面の種類が平地の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントの最大値以内となるように歩行を支援している。
【００８０】
各姿勢センサは、前記歩行支援対象者の脚部の姿勢を検出する足姿勢検出手段として機能し、つま先接地センサ１０は、前記歩行支援対象者のつま先の接地を検出するつま先接地検出手段として機能し、踵接地センサ１２は、前記歩行支援対象者の踵の接地を検出する踵接地検出手段として機能している。
装着型ロボット１は、各姿勢センサによる脚部の姿勢（各関節の角度）、つま先と踵の接地の有無の組合せによって、歩行面の種類を特定するため、前記歩行面種類特定手段は、前記検出した脚部の姿勢、つま先の接地の有無、及び踵の接地の有無の組合せによって歩行面の種類を特定している。
【００８１】
また、装着型ロボット１は、制御装置２の記憶媒体に記憶した歩行支援プログラムをＣＰＵで実行して各機能を発揮するため、歩行支援対象者が歩行する歩行面の情報を取得する歩行面情報取得機能と、前記取得した歩行面の情報に基づいて前記歩行面の種類を特定する歩行面種類特定機能と、前記特定した歩行面の種類に応じた力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援機能と、をコンピュータに実現させる歩行支援プログラムを記憶している。
【符号の説明】
【００８２】
１ 装着型ロボット
２ 制御装置
３ センサ情報取得部
４ 歩行面種類判定部
５ 歩行アシスト力決定部
１０ つま先接地センサ
１１ つま先姿勢センサ
１２ 踵接地センサ
１３ 踵姿勢センサ
１４ 腰姿勢センサ
１５ 上腿姿勢センサ
１６ 下腿姿勢センサ
１７ 股関節アシストアクチュエータ
１８ 膝関節アシストアクチュエータ
１９ 足首関節アシストアクチュエータ
２１ 腰部装着部
２２ 上腿装着部
２３ 下腿装着部
２４ 足装着部
２６ 上腿連結部材
２７ 下腿連結部材
３５ アシスト力テーブル
３６ 最大値
３７ 領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩行支援対象者が歩行する歩行面の情報を取得する歩行面情報取得手段と、
前記取得した歩行面の情報に基づいて前記歩行面の種類を特定する歩行面種類特定手段と、
前記特定した歩行面の種類に応じた力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援手段と、
を具備したことを特徴とする歩行支援装置。
【請求項２】
前記歩行支援手段は、歩行面の種類が平地の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させる前記軽減後のモーメントを基準として、他の種類の歩行面の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントが所定範囲となるように、前記脚部に作用させる力を決定することを特徴とする請求項１に記載の歩行支援装置。
【請求項３】
前記歩行面の種類と、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントの軽減率と、の対応を記憶する軽減率対応記憶手段を具備し、
前記歩行支援手段は、前記特定した歩行面の種類に前記軽減率対応記憶手段で対応する軽減率となるように歩行を支援することを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の歩行支援装置。
【請求項４】
前記歩行支援手段は、前記脚部の関節に発生させるモーメントが、歩行面の種類が平地の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントの最大値以内となるように歩行を支援することを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の歩行支援装置。
【請求項５】
前記歩行支援対象者の脚部の姿勢を検出する足姿勢検出手段と、
前記歩行支援対象者のつま先の接地を検出するつま先接地検出手段と、
前記歩行支援対象者の踵の接地を検出する踵接地検出手段と、
を具備し、
前記歩行面種類特定手段は、前記検出した脚部の姿勢、つま先の接地の有無、及び踵の接地の有無の組合せによって歩行面の種類を特定することを特徴とする請求項１から請求項４までのうちの何れか１の請求項に記載の歩行支援装置。
【請求項６】
歩行支援対象者が歩行する歩行面の情報を取得する歩行面情報取得機能と、
前記取得した歩行面の情報に基づいて前記歩行面の種類を特定する歩行面種類特定機能と、
前記特定した歩行面の種類に応じた力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援機能と、
をコンピュータに実現させる歩行支援プログラム。
【請求項１】
歩行支援対象者が歩行する歩行面の情報を取得する歩行面情報取得手段と、
前記取得した歩行面の情報に基づいて前記歩行面の種類を特定する歩行面種類特定手段と、
前記特定した歩行面の種類に応じた力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援手段と、
を具備したことを特徴とする歩行支援装置。
【請求項２】
前記歩行支援手段は、歩行面の種類が平地の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させる前記軽減後のモーメントを基準として、他の種類の歩行面の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントが所定範囲となるように、前記脚部に作用させる力を決定することを特徴とする請求項１に記載の歩行支援装置。
【請求項３】
前記歩行面の種類と、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントの軽減率と、の対応を記憶する軽減率対応記憶手段を具備し、
前記歩行支援手段は、前記特定した歩行面の種類に前記軽減率対応記憶手段で対応する軽減率となるように歩行を支援することを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の歩行支援装置。
【請求項４】
前記歩行支援手段は、前記脚部の関節に発生させるモーメントが、歩行面の種類が平地の場合に前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントの最大値以内となるように歩行を支援することを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の歩行支援装置。
【請求項５】
前記歩行支援対象者の脚部の姿勢を検出する足姿勢検出手段と、
前記歩行支援対象者のつま先の接地を検出するつま先接地検出手段と、
前記歩行支援対象者の踵の接地を検出する踵接地検出手段と、
を具備し、
前記歩行面種類特定手段は、前記検出した脚部の姿勢、つま先の接地の有無、及び踵の接地の有無の組合せによって歩行面の種類を特定することを特徴とする請求項１から請求項４までのうちの何れか１の請求項に記載の歩行支援装置。
【請求項６】
歩行支援対象者が歩行する歩行面の情報を取得する歩行面情報取得機能と、
前記取得した歩行面の情報に基づいて前記歩行面の種類を特定する歩行面種類特定機能と、
前記特定した歩行面の種類に応じた力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させるモーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援機能と、
をコンピュータに実現させる歩行支援プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１４３４４８（Ｐ２０１２−１４３４４８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５０３７（Ｐ２０１１−５０３７）
【出願日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
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