歩行支援装置
【課題】ユーザに違和感を与えることなく歩行動作を歩行支援装置を提供する。
【解決手段】歩行支援装置１００は、ユーザの下肢に装着される下肢リンク１２、足に装着される足リンク２０を備える。足リンク２０はジョイント１４によって下肢リンク１２に揺動可能に連結されている。足リンク２０は、モータ１６によって揺動する。モータ１６はコントローラ１０によって制御される。足リンク２０には、足が接地しているか否かを検知する接地センサ２２が備えられている。コントローラ１０は、接地センサ２２の出力に基づいて脚が遊脚期間にあるか立脚期間にあるかを判定する。そして、コントローラ１０は、立脚期間には出力トルクが目標トルクに一致するようにモータ１６をトルク制御する。他方コントローラ１０は、遊脚期間には足リンク２０の揺動角度が目標角度に一致するようにモータ１６を角度制御する。
【解決手段】歩行支援装置１００は、ユーザの下肢に装着される下肢リンク１２、足に装着される足リンク２０を備える。足リンク２０はジョイント１４によって下肢リンク１２に揺動可能に連結されている。足リンク２０は、モータ１６によって揺動する。モータ１６はコントローラ１０によって制御される。足リンク２０には、足が接地しているか否かを検知する接地センサ２２が備えられている。コントローラ１０は、接地センサ２２の出力に基づいて脚が遊脚期間にあるか立脚期間にあるかを判定する。そして、コントローラ１０は、立脚期間には出力トルクが目標トルクに一致するようにモータ１６をトルク制御する。他方コントローラ１０は、遊脚期間には足リンク２０の揺動角度が目標角度に一致するようにモータ１６を角度制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの歩行動作を支援する歩行支援装置に関する。特に、足首関節の動きを支援する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
脚の関節にトルクを加えて歩行動作を支援する装置が開発されている。そのような歩行支援装置の一つに、足首関節にトルクを加える装置がある（特許文献１参照）。特許文献１の装置は、ユーザの下肢と足にそれぞれ装着される下肢リンクと足リンクを備えている。足リンクは、アクチュエータによって底背屈する。この装置はさらに、足底に圧センサを備えている。この装置は、圧センサによって足が接地しているか否かを検知し、その結果によってユーザの歩行周期の位相を判断する。そして、位相に応じてアクチュエータを制御し、足首関節を底背屈させる。特許文献１において「位相」とは、踵接地、足底接地、立脚中期、踵離地、足尖離地、遊脚初期、及び、遊脚後期のいずれかの状態を意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の装置は、位相に応じて足リンクの揺動角度が所定の目標角度に一致するようにアクチュエータを制御する。即ち、特許文献１の装置は、アクチュエータを角度制御する。発明者らの検討によると、遊脚期間においては角度制御でよいが、立脚期間においては角度制御ではユーザに違和感を与える可能性があることが判明した。ユーザが意図する足首関節の動きと、アクチュエータの動きとの間にずれが生じるとユーザに違和感を与える。本発明は、上記課題に鑑みて創作された。本発明は、ユーザに違和感を与えることなく歩行動作、特に足首関節の動きを支援する装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する新規な歩行支援装置は、ユーザの下肢（下腿）に装着される下肢リンクとユーザの足に装着される足リンクを備える。足リンクはジョイントによって下肢リンクに揺動可能に連結されている。ジョイントは、ユーザが下肢リンクと足リンクを装着すると足首ピッチ軸と同軸に位置する。足リンクは、アクチュエータによって揺動（底背屈）する。アクチュエータはコントローラによって制御される。足リンクには、足が接地しているか否かを検知する接地センサが備えられている。コントローラは、接地センサの出力に基づいて脚が遊脚期間にあるか立脚期間にあるかを判定する。そして、コントローラは、立脚期間にはアクチュエータの出力トルクが目標トルクに一致するようにアクチュエータをトルク制御する。コントローラは例えば、立脚期間には足リンクの揺動の向きとは反対の向きに一定のトルクを発生するようにアクチュエータをトルク制御する。他方コントローラは、遊脚期間には下肢リンクに対する足リンクの揺動角度が目標角度に一致するようにアクチュエータを角度制御する。
【０００６】
上記の歩行支援装置のコントローラは、遊脚期間は足リンクを角度制御する。望ましくは、コントローラは、遊脚期間は下肢リンクと足リンクのなす角度が略直角となるように足リンクを角度制御する。そのような制御により、遊脚期間において足先が下方へ垂れ下がることが防止される。遊脚の足先と歩行面との間のクリアランスを確保でき、ユーザが躓かないようにする。
【０００７】
他方、コントローラは、立脚期間は足リンクをトルク制御する。アクチュエータが発生するトルクの向きは、足リンクの揺動の向きとは反対方向である。そのような制御により、脚を倒れ難くすることができる。即ちそのような制御は、ユーザを転倒に難くさせ、安定感を与えることができる。立脚期間はトルク制御であるので、アクチュエータが発生するトルクは揺動角度に依存しない。そのため、ユーザが意図する足首関節の動き（即ち、ユーザが合わせようとする揺動角度）と、アクチュエータの動き（アクチュエータの制御目標角度）との間にずれが生じることがなく、ユーザにさほど違和感を与えない。トルク制御の具体例の詳細については後述する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ユーザに違和感を与えることなく歩行動作を支援する装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】歩行支援装置の模式図を示す。
【図２】歩行支援装置の制御フローチャートを示す。
【図３】揺動角度とトルクの変化を示すグラフである。
【実施例】
【００１０】
図面を参照して実施例の歩行支援装置を説明する。図１は、本実施例の歩行支援装置１００の模式的側面図である。以下、「歩行支援装置１００」を単に「支援装置１００」と略称する。支援装置１００は、主な構成部品として、下肢リンク１２、足リンク２０、及び、ジョイント１４を備えている。下肢リンク１２と足リンク２０はジョイント１４によって連結されている。下肢リンク１２はユーザの下肢に装着され、足リンク２０はユーザの足に装着される。なお、本明細書における「下肢」は、膝と足首の間の部分を意味する。
【００１１】
ユーザが支援装置１００を装着すると、ジョイント１４は足首関節のピッチ軸と同軸に位置する。ピッチ軸とは、ユーザの体側方向（ラテラル方向）に伸びる軸を意味する。ジョイント１４にはモータ１６(アクチュエータ）とエンコーダ１８が内蔵されている。支援装置１００は、モータ１６の駆動力によって足リンク２０に背屈方向或いは底屈方向のトルクを加えることができる。モータ１６の出力トルクが外力に抗する程に大きければ、足リンク２０は揺動する。エンコーダ１８は、足リンク２０の揺動角度を計測する。コントローラ１０が、エンコーダ１８及び、後述する接地センサ２２のセンサデータに基づいてモータ１６を制御する。
【００１２】
足リンク２０の底面には３個の接地センサ２２（２２ａ、２２ｂ、及び、２２ｃ）が取り付けられている。接地センサ２２ａは、つま先に相当する部分に配置されている。接地センサ２２ｂは、拇指球に相当する部分に配置されている。接地センサ２２ｃは、踵に相当する部分に配置されている。接地センサ２２ａ、２２ｂ、及び、２２ｃは、それぞれの位置が接地しているか否かを検知する。各接地センサは、接地を検知しているときにはＯＮ信号を出力し、接地を検知していない場合にはＯＦＦ信号を出力する。「接地を検知していない場合」とは、別言すれば「非接地を検知している」ということである。接地センサ２２のセンサデータはコントローラ１０に送られる。
【００１３】
図１の他の符号について説明する。符号Ａｓは、足リンク２０の揺動角度を示す。揺動角度Ａｓは、下肢の長手方向に沿って伸びる直線から足底面までの角度で表される。揺動角度Ａｓ符号は、下肢から下肢前方へ向かう向きを正とする。別言すれば、底屈方向を正とし、背屈方向を負とする。図１の状態は揺動角度Ａｓがほぼ直角の状態を示している。揺動角度Ａｓは、エンコーダ１８によって計測される。符号Ｔｓは、モータ１６の出力トルクを示す。トルクＴｓの向きも、揺動角度Ａｓと同様に、下肢から下肢前方へ向かう向き（底屈方向）を正とする。
【００１４】
この支援装置１００は、モータ１６の動力によって足のピッチ軸周りの揺動を補助する。別言すれば、支援装置１００は、ユーザの足首関節にトルクを加えてユーザの足の動きを補助する。詳しくは後述するが、支援装置１００は、支援装置１００を装着している脚が遊脚期間にある場合には足リンク２０の揺動角度を所定の目標角度に追従させる角度制御を実行し、立脚期間にある場合にはジョイント１４が足首関節に加えるトルクを目標トルクに追従させるトルク制御を実行する。なお、足の動きを補助する装置は、短下肢装具（ＡＦＯ：Ａｎｋｌｅ Ｆｏｏｔ Ｏｒｔｈｏｓｉｓ）と呼ばれることがある。
【００１５】
コントローラ１０の制御ルールについて説明する。図２にコントローラ１０が実行する処理のフローチャートを示す。図２のフローチャートの処理は制御周期毎に実行される。コントローラ１０はまず、エンコーダ１８と接地センサ２２からセンサデータを取得する（Ｓ２）。コントローラ１０は、接地センサ２２のセンサデータから脚が遊脚期間にあるか立脚期間にあるかを判断する（Ｓ４）。ここでコントローラ１０は、３個の接地センサ２２ａ、２２ｂ、及び２２ｃのいずれか１個でも接地を検知していれば脚が立脚期間にあると判断する。逆にコントローラ１０は、３個全ての接地センサ２２が接地を検知していない場合（非接地を検知している場合）、脚が遊脚期間にあると判断する。
【００１６】
コントローラ１０は、脚が遊脚期間にある場合には、モータ１６を角度制御する（Ｓ６）。他方コントローラ１０は、脚が立脚期間にある場合には、モータ１６をトルク制御する（Ｓ８）。
【００１７】
コントローラ１０が実行する制御ルールについて詳しく説明する。コントローラ１０は、遊脚期間と立脚期間で異なる制御を実行するが、遊脚期間の制御ルールと立脚期間の制御ルールは次の（数１）で統一的に表される。
【００１８】
【数１】
【００１９】
（数１）において、Ｔｒはモータ１６に与える指令トルク（目標トルク）を表す。Ａｒは、目標角度（目標揺動角度）を表し、ｄＡｒは目標角速度を表す。Ａｓは前述したようにエンコーダ１８によって計測される足リンク２０の実際の揺動角度（計測揺動角度）を表す。ｄＡｓは、足リンク２０の実際の揺動角速度（計測揺動角速度）を表す。計測揺動角速度ｄＡｓは、例えば計測揺動角度Ａｓの時間差分によって求められてよい。Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄは夫々比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインを表す。即ち、（数１）の右辺第１項はフィードバック制御における比例項を表し、第２項は積分項を表し、第３項は微分項を表す。（数１）の右辺第１項から第３項まででいわゆるＰＩＤフィードバック制御ルールが構成される。
【００２０】
（数１）の右辺第４項は、トルク制御の際に用いる項である。「ｓｇｎ（ｄＡｓ）」は、ｄＡｓが正値のときに「＋１」を返し、ｄＡｓが負値のときには「−１」を返すいわゆる符号関数（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である。符号Ｔｃは、目標トルクの大きさを表す定数であり、ここでは「目標トルク値」と称する。右辺第４項は、足リンク２０の揺動方向とは逆を向く指令トルクを生成する。
【００２１】
角度制御について説明する。コントローラ１０は、脚が遊脚期間にある場合は、（数１）において目標トルク値Ｔｃにゼロを代入する。そうすると、（数１）は、足リンク２０の計測揺動角度Ａｓを目標角度Ａｒに一致させるＰＩＤ角度制御ルールに相当する。目標角度Ａｒは、９０度に設定される。この角度制御は、遊脚期間において足先が下方へ垂れ下がることを防止する。これによって足先と歩行面との間のクリアランスを確保でき、ユーザが躓かないようにすることができる。
【００２２】
トルク制御について説明する。コントローラ１０は、脚が立脚期間にある場合は、（数１）においてゲインＫｐ、Ｋｉ、Ｋｄにゼロを代入する。そうすると、（数１）は、足リンク２０の揺動の向きとは反対の向きに一定の目標トルクＴｃを発生させるトルク制御ルールに相当する。支援装置１００は、立脚期間においてはモータ１６をトルク制御するから、立脚期間においては、モータ１６の出力トルクは揺動角度に依存しない。即ち、力制御においては目標角度が存在しない。従って、ユーザが意図する足首関節の動き（ユーザが合わせようとする揺動角度）と、モータ１６の動作の動き（目標角度）との間にずれが生じることがなく、ユーザにさほど違和感を与えない。なお、コントローラ１０は、３個の接地センサ２２ａ、２２ｂ、及び２２ｃの出力信号の組み合わせによって目標トルク値Ｔｃを異なる値に切り換える。
【００２３】
図３を用いて、目標トルク値Ｔｃの切り換え制御について説明する。図３の上側のグラフは、揺動角度の経時変化を示すグラフであり、下側のグラフは、トルクの経時変化を示すグラフである。なお、Ｔｓはジョイント１４が実際に出力するトルク（出力トルク）を示している。いずれのグラフも横軸は時間軸に相当する。
【００２４】
トルク制御の説明の前に、歩行時の足接地の経時変化について説明する。歩行動作を詳しく観察すると、次のとおりである。立脚期間の中期には、足裏全体が接地している。立脚期間から遊脚期間に切り換わるときには、まず拇指球とつま先が接地したまま、踵のみが離地する。次に拇指球が離地し、最後につま先が離地する。遊脚期間から立脚期間に切り換わるときには、まず踵だけが接地し、次に拇指球が接地し、最後につま先が接地する。足裏に配置した３個の接地センサ２２は、以上の接地／離地シーケンスを検知するために備えられている。
【００２５】
図３において、時刻ｔ０は、脚の離床タイミングを示す。時刻ｔ０は、拇指球下と踵下に配置した接地センサ２２ｂ、２２ｃの信号がＯＦＦ（非接地）を示しており、つま先下に配置した接地センサ２２ａの信号がＯＮからＯＦＦに変化するタイミングに相当する。時刻ｔ１は、脚の着地タイミングを示す。時刻ｔ１は、踵下に配置した接地センサ２２ｃの信号がＯＦＦからＯＮに切り換わるタイミングに相当する。なお、このとき、つま先下と拇指球下に配置した接地センサ２２ａ、２２ｂはＯＦＦ信号を出力している。時刻ｔ２は、踵の接地に続き、拇指球下の接地センサ２２ｂの信号がＯＦＦからＯＮに切り換わるタイミングに相当する。なお、時刻ｔ２に続いてつま先下の接地センサ２２ａの信号がＯＦＦからＯＮに切り換わる。時刻ｔ３は、拇指球下とつま先下に配置した接地センサ２２ｂ、２２ａの信号がＯＮを維持したまま、踵下の接地センサ２２ｃの信号がＯＮからＯＦＦに切り換わるタイミングに相当する。時刻ｔ４は、脚が再び遊脚に切り換わるタイミングに相当し、時刻ｔ０の場合と同じである。各タイミングはコントローラ１０が接地センサのセンサデータに基づいて判断する。
【００２６】
コントローラ１０は、踵下の接地センサ２２ｃが接地を検知（時刻ｔ１）してから拇指球下の接地センサ２２ｂが接地を検知（時刻ｔ２）するまでの踵接地期間Ｉと、踵接地期間Ｉに続き、拇指球下と踵下の接地センサ２２ｂ、２２ｃが接地を検知している主接地期間IIを判別する。コントローラ１０は、踵接地期間Ｉでは目標トルク値Ｔｃ１を設定し、主接地期間IIでは目標トルク値Ｔｃ２を設定する。主接地期間IIにおける目標トルク値の大きさ｜Ｔｃ２｜は、踵接地期間Ｉにおける目標トルク値の大きさ｜Ｔｃ１｜よりも大きい値に定められている。
【００２７】
また、コントローラ１０は、主接地期間IIに続き、踵下の接地センサ２２ｃが非接地を検知（時刻ｔ３）してからつま先下の接地センサ２２ａが非接地を検知（時刻ｔ４）するまでのつま先接地期間IIIを判別する。コントローラ１０は、つま先接地期間IIIでは目標トルクを再びＴｃ１に変更する。即ち、主接地期間IIにおける目標トルクの大きさ｜Ｔｃ２｜は、つま先接地期間IIIにおける目標トルクの大きさ｜Ｔｃ１｜よりも大きい値に定められている。
【００２８】
出力トルクＴｓの正負について説明する。踵接地期間Ｉ（踵が接地してから拇指球が接地するまでの期間）は、足が底屈方向に揺動する。図１を用いて前述したように、本実施例では底屈方向を正方向に定めている。従って、図３下側のグラフが示すように、踵接地期間Ｉでは出力トルクは負値となる。主接地期間II（踵接地期間Ｉに続き、拇指球と踵が接地している期間）は、足全体が接地したまま、踵を中心に下肢が前方へ揺動する。即ち、主接地期間IIでは、足は背屈方向に揺動する。従って、図３下側のグラフが示すように、主接地期間IIでは出力トルクは正値となる。つま先接地期間III（主接地期間IIに続き、踵が離地してからつま先が離地するまでの期間）は、再び足は底屈方向に揺動する。従って、図３下側のグラフが示すように、つま先接地期間IIIでは出力トルクは再び負値となる。いずれの期間にしても、出力トルクは、足の揺動方向とは逆の方向を向く。このことは、（数１）の第４項からも明らかである。なお、上記から明らかであるが、時刻ｔ２で揺動角度Ａｓは最も大きくなる。（足リンク２０が最も底屈する）。また、時刻ｔ３で揺動角度Ａｓは最も小さくなる。（足リンク２０が最も背屈する）。
【００２９】
主接地期間IIは、一本の立脚だけで体を支える期間であり、この期間において立脚はふらつく虞が高い。支援装置１００は、この主接地期間IIにおいて絶対値の大きな目標トルク値Ｔｃ２を採用する。支援装置１００は、主接地期間IIにおいて、下肢の揺動（この期間では足全体が接地しているので相対的に下肢が揺動する）を妨げる向きに大きなトルクを出力し、立脚を安定させる。
【００３０】
他方、踵接地期間Ｉとつま先接地期間IIIは、遊脚期間と立脚期間との間の過渡期である。これらの期間では、足首関節が滑らかに動くことが円滑な歩行動作につながる。支援装置１００は、これらの期間では比較的小さい目標トルク値Ｔｃ１を採用する。比較的小さい目標トルク値Ｔｃ１の採用によって、支援装置１００は、足リンク２０の揺動角度が急激に変化することを防止しつつ、足リンク２０の円滑な動きを許容する。立脚期間において上記の通りに目標トルク値Ｔｃの大きさを適宜に切り換えることによって、支援装置１００は、歩行動作を効果的に補助する。具体的には支援装置１００は、立脚期間と遊脚期間との間の過渡期には足リンク２０の急激な揺動角度変化を防止しつつ、足リンク２０の円滑な動きを許容する。他方、支援装置１００は、踵と拇指球が接地している間は、下肢の揺動を妨げる向きに大きなトルクを出力して立脚を安定させる。
【００３１】
図３についてさらに説明を補足する。遊脚期間では、コントローラ１０はモータ１６を角度制御する。従って出力トルクＴｓはコントローラ１０にとって不定となる。逆に、立脚期間では、コントローラ１０はモータ１６をトルク制御するので、足リンク２０の揺動角度Ａｓはコントローラ１０にとって不定となる。ここで、「出力トルクＴｓがコントローラ１０にとって不定となる」とは、出力トルクの大きさがどの位となるかはコントローラが定めることではなく、ユーザの動作に起因して従属的に定まることを意味する。同様に、「足リンク２０の揺動角度Ａｓがコントローラ１０にとって不定となる」とは、足リンク２０の揺動角度がどの位となるかはコントローラが定めることではなく、ユーザの動作に起因して従属的に定まることを意味する。即ち、遊脚期間においては足首関節に加わるトルクの大きさはユーザが決める事項となり、立脚期間においては、揺動角度はユーザが決める事項となる。遊脚期間においては、トルクの大きさはユーザが決められるが、揺動角度は一定に保たれるので足が下方に垂れ下がることがない。これによって躓くことが防止される。立脚期間においては、ユーザは、下肢が揺らぐのを防止するトルクを受けながらも、揺動角度は自らの意思で決めることができる。これによって、支援装置１００が勝手に動作するという感覚をユーザに与えることがない。即ち、ユーザに違和感を与えることがない。
【００３２】
また、コントローラ１０は、立脚期間において新たな目標トルクを設定する際、目標トルクＴｃの大きさをゼロから定められた目標トルクの大きさ（Ｔｃ１又はＴｃ２）まで漸増させる。そのため、図３に示すように、時刻ｔ１直後、時刻ｔ２直後、及び、時刻ｔ３直後の出力トルクＴｓの応答がやや緩やかとなっている。このように目標トルクを漸増させる処理によって、出力トルクＴｓが急激に変化することを防止している。
【００３３】
支援装置１００についての留意点を述べる。支援装置１００は両方の足夫々に装着される一対の装具を備えていてもよいし、いずれか一方の足に装着される一つの装具だけから構成されていてもよい。下肢リンク１２と足リンク２０を連結するジョイント１４は足リンク２０のピッチ軸周りの回転を許容するが、足首関節のロール軸周りの揺動は拘束している。「ロール軸」とは、ユーザの前後方向に伸びる軸に相当する。そのようなロール軸周りの拘束によって、支援装置１００は、足を挫き難くしている。
【００３４】
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。
【符号の説明】
【００３５】
１０：コントローラ
１２：下肢リンク
１４：ジョイント
１６：モータ（アクチュエータ）
１８：エンコーダ
２０：足リンク
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ：接地センサ
１００：歩行支援装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの歩行動作を支援する歩行支援装置に関する。特に、足首関節の動きを支援する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
脚の関節にトルクを加えて歩行動作を支援する装置が開発されている。そのような歩行支援装置の一つに、足首関節にトルクを加える装置がある（特許文献１参照）。特許文献１の装置は、ユーザの下肢と足にそれぞれ装着される下肢リンクと足リンクを備えている。足リンクは、アクチュエータによって底背屈する。この装置はさらに、足底に圧センサを備えている。この装置は、圧センサによって足が接地しているか否かを検知し、その結果によってユーザの歩行周期の位相を判断する。そして、位相に応じてアクチュエータを制御し、足首関節を底背屈させる。特許文献１において「位相」とは、踵接地、足底接地、立脚中期、踵離地、足尖離地、遊脚初期、及び、遊脚後期のいずれかの状態を意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の装置は、位相に応じて足リンクの揺動角度が所定の目標角度に一致するようにアクチュエータを制御する。即ち、特許文献１の装置は、アクチュエータを角度制御する。発明者らの検討によると、遊脚期間においては角度制御でよいが、立脚期間においては角度制御ではユーザに違和感を与える可能性があることが判明した。ユーザが意図する足首関節の動きと、アクチュエータの動きとの間にずれが生じるとユーザに違和感を与える。本発明は、上記課題に鑑みて創作された。本発明は、ユーザに違和感を与えることなく歩行動作、特に足首関節の動きを支援する装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する新規な歩行支援装置は、ユーザの下肢（下腿）に装着される下肢リンクとユーザの足に装着される足リンクを備える。足リンクはジョイントによって下肢リンクに揺動可能に連結されている。ジョイントは、ユーザが下肢リンクと足リンクを装着すると足首ピッチ軸と同軸に位置する。足リンクは、アクチュエータによって揺動（底背屈）する。アクチュエータはコントローラによって制御される。足リンクには、足が接地しているか否かを検知する接地センサが備えられている。コントローラは、接地センサの出力に基づいて脚が遊脚期間にあるか立脚期間にあるかを判定する。そして、コントローラは、立脚期間にはアクチュエータの出力トルクが目標トルクに一致するようにアクチュエータをトルク制御する。コントローラは例えば、立脚期間には足リンクの揺動の向きとは反対の向きに一定のトルクを発生するようにアクチュエータをトルク制御する。他方コントローラは、遊脚期間には下肢リンクに対する足リンクの揺動角度が目標角度に一致するようにアクチュエータを角度制御する。
【０００６】
上記の歩行支援装置のコントローラは、遊脚期間は足リンクを角度制御する。望ましくは、コントローラは、遊脚期間は下肢リンクと足リンクのなす角度が略直角となるように足リンクを角度制御する。そのような制御により、遊脚期間において足先が下方へ垂れ下がることが防止される。遊脚の足先と歩行面との間のクリアランスを確保でき、ユーザが躓かないようにする。
【０００７】
他方、コントローラは、立脚期間は足リンクをトルク制御する。アクチュエータが発生するトルクの向きは、足リンクの揺動の向きとは反対方向である。そのような制御により、脚を倒れ難くすることができる。即ちそのような制御は、ユーザを転倒に難くさせ、安定感を与えることができる。立脚期間はトルク制御であるので、アクチュエータが発生するトルクは揺動角度に依存しない。そのため、ユーザが意図する足首関節の動き（即ち、ユーザが合わせようとする揺動角度）と、アクチュエータの動き（アクチュエータの制御目標角度）との間にずれが生じることがなく、ユーザにさほど違和感を与えない。トルク制御の具体例の詳細については後述する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ユーザに違和感を与えることなく歩行動作を支援する装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】歩行支援装置の模式図を示す。
【図２】歩行支援装置の制御フローチャートを示す。
【図３】揺動角度とトルクの変化を示すグラフである。
【実施例】
【００１０】
図面を参照して実施例の歩行支援装置を説明する。図１は、本実施例の歩行支援装置１００の模式的側面図である。以下、「歩行支援装置１００」を単に「支援装置１００」と略称する。支援装置１００は、主な構成部品として、下肢リンク１２、足リンク２０、及び、ジョイント１４を備えている。下肢リンク１２と足リンク２０はジョイント１４によって連結されている。下肢リンク１２はユーザの下肢に装着され、足リンク２０はユーザの足に装着される。なお、本明細書における「下肢」は、膝と足首の間の部分を意味する。
【００１１】
ユーザが支援装置１００を装着すると、ジョイント１４は足首関節のピッチ軸と同軸に位置する。ピッチ軸とは、ユーザの体側方向（ラテラル方向）に伸びる軸を意味する。ジョイント１４にはモータ１６(アクチュエータ）とエンコーダ１８が内蔵されている。支援装置１００は、モータ１６の駆動力によって足リンク２０に背屈方向或いは底屈方向のトルクを加えることができる。モータ１６の出力トルクが外力に抗する程に大きければ、足リンク２０は揺動する。エンコーダ１８は、足リンク２０の揺動角度を計測する。コントローラ１０が、エンコーダ１８及び、後述する接地センサ２２のセンサデータに基づいてモータ１６を制御する。
【００１２】
足リンク２０の底面には３個の接地センサ２２（２２ａ、２２ｂ、及び、２２ｃ）が取り付けられている。接地センサ２２ａは、つま先に相当する部分に配置されている。接地センサ２２ｂは、拇指球に相当する部分に配置されている。接地センサ２２ｃは、踵に相当する部分に配置されている。接地センサ２２ａ、２２ｂ、及び、２２ｃは、それぞれの位置が接地しているか否かを検知する。各接地センサは、接地を検知しているときにはＯＮ信号を出力し、接地を検知していない場合にはＯＦＦ信号を出力する。「接地を検知していない場合」とは、別言すれば「非接地を検知している」ということである。接地センサ２２のセンサデータはコントローラ１０に送られる。
【００１３】
図１の他の符号について説明する。符号Ａｓは、足リンク２０の揺動角度を示す。揺動角度Ａｓは、下肢の長手方向に沿って伸びる直線から足底面までの角度で表される。揺動角度Ａｓ符号は、下肢から下肢前方へ向かう向きを正とする。別言すれば、底屈方向を正とし、背屈方向を負とする。図１の状態は揺動角度Ａｓがほぼ直角の状態を示している。揺動角度Ａｓは、エンコーダ１８によって計測される。符号Ｔｓは、モータ１６の出力トルクを示す。トルクＴｓの向きも、揺動角度Ａｓと同様に、下肢から下肢前方へ向かう向き（底屈方向）を正とする。
【００１４】
この支援装置１００は、モータ１６の動力によって足のピッチ軸周りの揺動を補助する。別言すれば、支援装置１００は、ユーザの足首関節にトルクを加えてユーザの足の動きを補助する。詳しくは後述するが、支援装置１００は、支援装置１００を装着している脚が遊脚期間にある場合には足リンク２０の揺動角度を所定の目標角度に追従させる角度制御を実行し、立脚期間にある場合にはジョイント１４が足首関節に加えるトルクを目標トルクに追従させるトルク制御を実行する。なお、足の動きを補助する装置は、短下肢装具（ＡＦＯ：Ａｎｋｌｅ Ｆｏｏｔ Ｏｒｔｈｏｓｉｓ）と呼ばれることがある。
【００１５】
コントローラ１０の制御ルールについて説明する。図２にコントローラ１０が実行する処理のフローチャートを示す。図２のフローチャートの処理は制御周期毎に実行される。コントローラ１０はまず、エンコーダ１８と接地センサ２２からセンサデータを取得する（Ｓ２）。コントローラ１０は、接地センサ２２のセンサデータから脚が遊脚期間にあるか立脚期間にあるかを判断する（Ｓ４）。ここでコントローラ１０は、３個の接地センサ２２ａ、２２ｂ、及び２２ｃのいずれか１個でも接地を検知していれば脚が立脚期間にあると判断する。逆にコントローラ１０は、３個全ての接地センサ２２が接地を検知していない場合（非接地を検知している場合）、脚が遊脚期間にあると判断する。
【００１６】
コントローラ１０は、脚が遊脚期間にある場合には、モータ１６を角度制御する（Ｓ６）。他方コントローラ１０は、脚が立脚期間にある場合には、モータ１６をトルク制御する（Ｓ８）。
【００１７】
コントローラ１０が実行する制御ルールについて詳しく説明する。コントローラ１０は、遊脚期間と立脚期間で異なる制御を実行するが、遊脚期間の制御ルールと立脚期間の制御ルールは次の（数１）で統一的に表される。
【００１８】
【数１】
【００１９】
（数１）において、Ｔｒはモータ１６に与える指令トルク（目標トルク）を表す。Ａｒは、目標角度（目標揺動角度）を表し、ｄＡｒは目標角速度を表す。Ａｓは前述したようにエンコーダ１８によって計測される足リンク２０の実際の揺動角度（計測揺動角度）を表す。ｄＡｓは、足リンク２０の実際の揺動角速度（計測揺動角速度）を表す。計測揺動角速度ｄＡｓは、例えば計測揺動角度Ａｓの時間差分によって求められてよい。Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄは夫々比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインを表す。即ち、（数１）の右辺第１項はフィードバック制御における比例項を表し、第２項は積分項を表し、第３項は微分項を表す。（数１）の右辺第１項から第３項まででいわゆるＰＩＤフィードバック制御ルールが構成される。
【００２０】
（数１）の右辺第４項は、トルク制御の際に用いる項である。「ｓｇｎ（ｄＡｓ）」は、ｄＡｓが正値のときに「＋１」を返し、ｄＡｓが負値のときには「−１」を返すいわゆる符号関数（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である。符号Ｔｃは、目標トルクの大きさを表す定数であり、ここでは「目標トルク値」と称する。右辺第４項は、足リンク２０の揺動方向とは逆を向く指令トルクを生成する。
【００２１】
角度制御について説明する。コントローラ１０は、脚が遊脚期間にある場合は、（数１）において目標トルク値Ｔｃにゼロを代入する。そうすると、（数１）は、足リンク２０の計測揺動角度Ａｓを目標角度Ａｒに一致させるＰＩＤ角度制御ルールに相当する。目標角度Ａｒは、９０度に設定される。この角度制御は、遊脚期間において足先が下方へ垂れ下がることを防止する。これによって足先と歩行面との間のクリアランスを確保でき、ユーザが躓かないようにすることができる。
【００２２】
トルク制御について説明する。コントローラ１０は、脚が立脚期間にある場合は、（数１）においてゲインＫｐ、Ｋｉ、Ｋｄにゼロを代入する。そうすると、（数１）は、足リンク２０の揺動の向きとは反対の向きに一定の目標トルクＴｃを発生させるトルク制御ルールに相当する。支援装置１００は、立脚期間においてはモータ１６をトルク制御するから、立脚期間においては、モータ１６の出力トルクは揺動角度に依存しない。即ち、力制御においては目標角度が存在しない。従って、ユーザが意図する足首関節の動き（ユーザが合わせようとする揺動角度）と、モータ１６の動作の動き（目標角度）との間にずれが生じることがなく、ユーザにさほど違和感を与えない。なお、コントローラ１０は、３個の接地センサ２２ａ、２２ｂ、及び２２ｃの出力信号の組み合わせによって目標トルク値Ｔｃを異なる値に切り換える。
【００２３】
図３を用いて、目標トルク値Ｔｃの切り換え制御について説明する。図３の上側のグラフは、揺動角度の経時変化を示すグラフであり、下側のグラフは、トルクの経時変化を示すグラフである。なお、Ｔｓはジョイント１４が実際に出力するトルク（出力トルク）を示している。いずれのグラフも横軸は時間軸に相当する。
【００２４】
トルク制御の説明の前に、歩行時の足接地の経時変化について説明する。歩行動作を詳しく観察すると、次のとおりである。立脚期間の中期には、足裏全体が接地している。立脚期間から遊脚期間に切り換わるときには、まず拇指球とつま先が接地したまま、踵のみが離地する。次に拇指球が離地し、最後につま先が離地する。遊脚期間から立脚期間に切り換わるときには、まず踵だけが接地し、次に拇指球が接地し、最後につま先が接地する。足裏に配置した３個の接地センサ２２は、以上の接地／離地シーケンスを検知するために備えられている。
【００２５】
図３において、時刻ｔ０は、脚の離床タイミングを示す。時刻ｔ０は、拇指球下と踵下に配置した接地センサ２２ｂ、２２ｃの信号がＯＦＦ（非接地）を示しており、つま先下に配置した接地センサ２２ａの信号がＯＮからＯＦＦに変化するタイミングに相当する。時刻ｔ１は、脚の着地タイミングを示す。時刻ｔ１は、踵下に配置した接地センサ２２ｃの信号がＯＦＦからＯＮに切り換わるタイミングに相当する。なお、このとき、つま先下と拇指球下に配置した接地センサ２２ａ、２２ｂはＯＦＦ信号を出力している。時刻ｔ２は、踵の接地に続き、拇指球下の接地センサ２２ｂの信号がＯＦＦからＯＮに切り換わるタイミングに相当する。なお、時刻ｔ２に続いてつま先下の接地センサ２２ａの信号がＯＦＦからＯＮに切り換わる。時刻ｔ３は、拇指球下とつま先下に配置した接地センサ２２ｂ、２２ａの信号がＯＮを維持したまま、踵下の接地センサ２２ｃの信号がＯＮからＯＦＦに切り換わるタイミングに相当する。時刻ｔ４は、脚が再び遊脚に切り換わるタイミングに相当し、時刻ｔ０の場合と同じである。各タイミングはコントローラ１０が接地センサのセンサデータに基づいて判断する。
【００２６】
コントローラ１０は、踵下の接地センサ２２ｃが接地を検知（時刻ｔ１）してから拇指球下の接地センサ２２ｂが接地を検知（時刻ｔ２）するまでの踵接地期間Ｉと、踵接地期間Ｉに続き、拇指球下と踵下の接地センサ２２ｂ、２２ｃが接地を検知している主接地期間IIを判別する。コントローラ１０は、踵接地期間Ｉでは目標トルク値Ｔｃ１を設定し、主接地期間IIでは目標トルク値Ｔｃ２を設定する。主接地期間IIにおける目標トルク値の大きさ｜Ｔｃ２｜は、踵接地期間Ｉにおける目標トルク値の大きさ｜Ｔｃ１｜よりも大きい値に定められている。
【００２７】
また、コントローラ１０は、主接地期間IIに続き、踵下の接地センサ２２ｃが非接地を検知（時刻ｔ３）してからつま先下の接地センサ２２ａが非接地を検知（時刻ｔ４）するまでのつま先接地期間IIIを判別する。コントローラ１０は、つま先接地期間IIIでは目標トルクを再びＴｃ１に変更する。即ち、主接地期間IIにおける目標トルクの大きさ｜Ｔｃ２｜は、つま先接地期間IIIにおける目標トルクの大きさ｜Ｔｃ１｜よりも大きい値に定められている。
【００２８】
出力トルクＴｓの正負について説明する。踵接地期間Ｉ（踵が接地してから拇指球が接地するまでの期間）は、足が底屈方向に揺動する。図１を用いて前述したように、本実施例では底屈方向を正方向に定めている。従って、図３下側のグラフが示すように、踵接地期間Ｉでは出力トルクは負値となる。主接地期間II（踵接地期間Ｉに続き、拇指球と踵が接地している期間）は、足全体が接地したまま、踵を中心に下肢が前方へ揺動する。即ち、主接地期間IIでは、足は背屈方向に揺動する。従って、図３下側のグラフが示すように、主接地期間IIでは出力トルクは正値となる。つま先接地期間III（主接地期間IIに続き、踵が離地してからつま先が離地するまでの期間）は、再び足は底屈方向に揺動する。従って、図３下側のグラフが示すように、つま先接地期間IIIでは出力トルクは再び負値となる。いずれの期間にしても、出力トルクは、足の揺動方向とは逆の方向を向く。このことは、（数１）の第４項からも明らかである。なお、上記から明らかであるが、時刻ｔ２で揺動角度Ａｓは最も大きくなる。（足リンク２０が最も底屈する）。また、時刻ｔ３で揺動角度Ａｓは最も小さくなる。（足リンク２０が最も背屈する）。
【００２９】
主接地期間IIは、一本の立脚だけで体を支える期間であり、この期間において立脚はふらつく虞が高い。支援装置１００は、この主接地期間IIにおいて絶対値の大きな目標トルク値Ｔｃ２を採用する。支援装置１００は、主接地期間IIにおいて、下肢の揺動（この期間では足全体が接地しているので相対的に下肢が揺動する）を妨げる向きに大きなトルクを出力し、立脚を安定させる。
【００３０】
他方、踵接地期間Ｉとつま先接地期間IIIは、遊脚期間と立脚期間との間の過渡期である。これらの期間では、足首関節が滑らかに動くことが円滑な歩行動作につながる。支援装置１００は、これらの期間では比較的小さい目標トルク値Ｔｃ１を採用する。比較的小さい目標トルク値Ｔｃ１の採用によって、支援装置１００は、足リンク２０の揺動角度が急激に変化することを防止しつつ、足リンク２０の円滑な動きを許容する。立脚期間において上記の通りに目標トルク値Ｔｃの大きさを適宜に切り換えることによって、支援装置１００は、歩行動作を効果的に補助する。具体的には支援装置１００は、立脚期間と遊脚期間との間の過渡期には足リンク２０の急激な揺動角度変化を防止しつつ、足リンク２０の円滑な動きを許容する。他方、支援装置１００は、踵と拇指球が接地している間は、下肢の揺動を妨げる向きに大きなトルクを出力して立脚を安定させる。
【００３１】
図３についてさらに説明を補足する。遊脚期間では、コントローラ１０はモータ１６を角度制御する。従って出力トルクＴｓはコントローラ１０にとって不定となる。逆に、立脚期間では、コントローラ１０はモータ１６をトルク制御するので、足リンク２０の揺動角度Ａｓはコントローラ１０にとって不定となる。ここで、「出力トルクＴｓがコントローラ１０にとって不定となる」とは、出力トルクの大きさがどの位となるかはコントローラが定めることではなく、ユーザの動作に起因して従属的に定まることを意味する。同様に、「足リンク２０の揺動角度Ａｓがコントローラ１０にとって不定となる」とは、足リンク２０の揺動角度がどの位となるかはコントローラが定めることではなく、ユーザの動作に起因して従属的に定まることを意味する。即ち、遊脚期間においては足首関節に加わるトルクの大きさはユーザが決める事項となり、立脚期間においては、揺動角度はユーザが決める事項となる。遊脚期間においては、トルクの大きさはユーザが決められるが、揺動角度は一定に保たれるので足が下方に垂れ下がることがない。これによって躓くことが防止される。立脚期間においては、ユーザは、下肢が揺らぐのを防止するトルクを受けながらも、揺動角度は自らの意思で決めることができる。これによって、支援装置１００が勝手に動作するという感覚をユーザに与えることがない。即ち、ユーザに違和感を与えることがない。
【００３２】
また、コントローラ１０は、立脚期間において新たな目標トルクを設定する際、目標トルクＴｃの大きさをゼロから定められた目標トルクの大きさ（Ｔｃ１又はＴｃ２）まで漸増させる。そのため、図３に示すように、時刻ｔ１直後、時刻ｔ２直後、及び、時刻ｔ３直後の出力トルクＴｓの応答がやや緩やかとなっている。このように目標トルクを漸増させる処理によって、出力トルクＴｓが急激に変化することを防止している。
【００３３】
支援装置１００についての留意点を述べる。支援装置１００は両方の足夫々に装着される一対の装具を備えていてもよいし、いずれか一方の足に装着される一つの装具だけから構成されていてもよい。下肢リンク１２と足リンク２０を連結するジョイント１４は足リンク２０のピッチ軸周りの回転を許容するが、足首関節のロール軸周りの揺動は拘束している。「ロール軸」とは、ユーザの前後方向に伸びる軸に相当する。そのようなロール軸周りの拘束によって、支援装置１００は、足を挫き難くしている。
【００３４】
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。
【符号の説明】
【００３５】
１０：コントローラ
１２：下肢リンク
１４：ジョイント
１６：モータ（アクチュエータ）
１８：エンコーダ
２０：足リンク
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ：接地センサ
１００：歩行支援装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの歩行動作を補助する歩行支援装置であり、
ユーザの下肢に装着される下肢リンクと、
ユーザの足に装着される足リンクと、
下肢リンクと足リンクがユーザに装着されると足首ピッチ軸と同軸に位置し、足リンクを下肢リンクに揺動可能に連結するジョイントと、
下肢リンクに対して足リンクを揺動させるアクチュエータと、
足が接地しているか否かを検知する接地センサと、
アクチュエータを制御するコントローラとを備えており、
コントローラは、
接地センサの出力に基づいて脚が遊脚期間にあるか立脚期間にあるかを判定し、
立脚期間にはアクチュエータの出力トルクが目標トルクに一致するようにアクチュエータをトルク制御し、遊脚期間には下肢リンクに対する足リンクの揺動角度が目標角度に一致するようにアクチュエータを角度制御することを特徴とする歩行支援装置。
【請求項２】
コントローラは、立脚期間には足リンクの揺動の向きとは反対の向きに一定のトルクを発生するようにアクチュエータをトルク制御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】
足リンクは、ユーザの踵と拇指球に相当するそれぞれの部分に接地センサを備えており、
コントローラは、踵の接地センサが接地を検知してから拇指球の接地センサが接地を検知するまでの踵接地期間と、踵接地期間に続き、踵と拇指球の接地センサが接地を検知している主接地期間を判別し、
主接地期間における目標トルクの大きさが踵接地期間における目標トルクの大きさよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の歩行支援装置。
【請求項４】
足リンクは、ユーザの踵とつま先に相当するそれぞれの部分に接地センサを備えており、
コントローラは、踵とつま先の接地センサが接地を検知している主接地期間と、主接地期間に続き、踵の接地センサが非接地を検知してからつま先の接地センサが非接地を検知するまでのつま先接地期間を判別し、
主接地期間における目標トルクの大きさがつま先接地期間における目標トルクの大きさよりも大きいことを特徴とする請求項２又は３に記載の歩行支援装置。
【請求項１】
ユーザの歩行動作を補助する歩行支援装置であり、
ユーザの下肢に装着される下肢リンクと、
ユーザの足に装着される足リンクと、
下肢リンクと足リンクがユーザに装着されると足首ピッチ軸と同軸に位置し、足リンクを下肢リンクに揺動可能に連結するジョイントと、
下肢リンクに対して足リンクを揺動させるアクチュエータと、
足が接地しているか否かを検知する接地センサと、
アクチュエータを制御するコントローラとを備えており、
コントローラは、
接地センサの出力に基づいて脚が遊脚期間にあるか立脚期間にあるかを判定し、
立脚期間にはアクチュエータの出力トルクが目標トルクに一致するようにアクチュエータをトルク制御し、遊脚期間には下肢リンクに対する足リンクの揺動角度が目標角度に一致するようにアクチュエータを角度制御することを特徴とする歩行支援装置。
【請求項２】
コントローラは、立脚期間には足リンクの揺動の向きとは反対の向きに一定のトルクを発生するようにアクチュエータをトルク制御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】
足リンクは、ユーザの踵と拇指球に相当するそれぞれの部分に接地センサを備えており、
コントローラは、踵の接地センサが接地を検知してから拇指球の接地センサが接地を検知するまでの踵接地期間と、踵接地期間に続き、踵と拇指球の接地センサが接地を検知している主接地期間を判別し、
主接地期間における目標トルクの大きさが踵接地期間における目標トルクの大きさよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の歩行支援装置。
【請求項４】
足リンクは、ユーザの踵とつま先に相当するそれぞれの部分に接地センサを備えており、
コントローラは、踵とつま先の接地センサが接地を検知している主接地期間と、主接地期間に続き、踵の接地センサが非接地を検知してからつま先の接地センサが非接地を検知するまでのつま先接地期間を判別し、
主接地期間における目標トルクの大きさがつま先接地期間における目標トルクの大きさよりも大きいことを特徴とする請求項２又は３に記載の歩行支援装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−２０６２８９（Ｐ２０１１−２０６２８９Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７７２７１（Ｐ２０１０−７７２７１）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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