歩行補助装置
【課題】膝関節に加えるトルクの反転タイミングをユーザの歩行動作に適応させ、ユーザに違和感を与えることなく歩行動作を補助する歩行補助装置を提供する。
【解決手段】歩行補助装置は、ユーザの脚に沿って装着され、ユーザの膝関節にトルクを加える脚装具と、膝関節角が目標角軌道に追従するように脚装具を制御するコントローラを備える。コントローラは、一方の足が離床してから接地脚の足に対する相対的な遊脚膝位置が予め定められた位置に到達するまでは膝を曲げる方向に漸増する第１目標角軌道に追従するように遊脚の脚装具を制御し、遊脚の膝位置が前記予め定められた位置に到達してから遊脚着床までは膝を伸ばす方向に漸増する第２目標角軌道に追従するように遊脚の脚装具を制御する。この歩行補助装置は、遊脚膝関節が決められた位置に到達したときに膝関節に加えるトルクを反転するので、ユーザに違和感を与えることがない。
【解決手段】歩行補助装置は、ユーザの脚に沿って装着され、ユーザの膝関節にトルクを加える脚装具と、膝関節角が目標角軌道に追従するように脚装具を制御するコントローラを備える。コントローラは、一方の足が離床してから接地脚の足に対する相対的な遊脚膝位置が予め定められた位置に到達するまでは膝を曲げる方向に漸増する第１目標角軌道に追従するように遊脚の脚装具を制御し、遊脚の膝位置が前記予め定められた位置に到達してから遊脚着床までは膝を伸ばす方向に漸増する第２目標角軌道に追従するように遊脚の脚装具を制御する。この歩行補助装置は、遊脚膝関節が決められた位置に到達したときに膝関節に加えるトルクを反転するので、ユーザに違和感を与えることがない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの膝関節にトルクを加えて歩行動作を補助する歩行補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザの脚に装着し、脚の関節にトルクを加えることによってユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置が研究されている。例えば、特許文献１に、そのような歩行補助装置の一例が開示されている。特許文献１の歩行補助装置は、一方の脚を自由に動かすことができないユーザの歩行を補助する。なお、本明細書では、ユーザが自由に動かすことできない脚を患脚（ａｆｆｅｃｔｅｄ ｌｅｇ）と称し、自由に動かすことのできる脚を健常脚（ｓｏｕｎｄ ｌｅｇ）と称する。
【０００３】
特許文献１の歩行補助装置は、健常脚の動作を検出する脚センサを備えており、患脚の動きが健脚の動きに応じるように患脚の関節にトルクを加える。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３１４６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
歩行動作とは、左右の脚の周期的な動きである。例えば、歩行動作に合わせてユーザの膝関節にトルクを加える歩行補助装置は、膝関節角が周期的な目標角軌道に追従するようにトルクを加えればよい。予め定められた目標角軌道に沿って膝が動くように補助することによって、ユーザは円滑に歩行することができる。
【０００６】
しかしながら、ユーザの脚の動きを目標角軌道に強制的に追従させると、ユーザに違和感を与えることが判明した。違和感の一つは、遊脚の膝関節に加えるトルクの向きが反転するタイミングがユーザの歩行感覚と一致していないことに起因する。
【０００７】
歩行の際、遊脚の膝は、足の離床時から徐々に屈曲し、その位置が接地脚の足よりも前方に出たタイミングで伸展し始める。即ち、遊脚の膝関節角は、まず、膝を曲げる方向に漸増し、接地脚の足よりも前方に出たタイミング以降は膝を伸ばす方向に漸増する。膝関節角の目標角軌道が屈曲から伸展に変化するタイミングがトルクの反転タイミングに相当する。
【０００８】
トルクが反転するタイミングはもうひとつある。前述したように、遊脚期間の後半に、膝関節角は膝を伸ばす方向に漸増する。そして、足が着床した後に膝関節は、膝を曲げる方向に変化する。すなわち、着床タイミングがもう一つのトルク反転タイミングに相当する。
【０００９】
例えば、ユーザが膝を伸ばし続けているときに歩行補助装置が膝を曲げる方向にトルクを反転する、或いはユーザが膝を曲げ始めているにも関わらずに歩行補助装置が膝を伸ばす方向にトルクを加え続けると、ユーザに違和感を与えてしまう。このように、膝関節角の目標角軌道を予め決定してしまうと、目標角軌道におけるトルク反転タイミングがユーザの歩行動作と一致しないときにユーザが違和感を受ける。本発明は、上記課題に鑑みて創作された。本発明は、違和感を与えることなく、ユーザの膝関節の動きを補助する歩行補助装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書が開示するひとつの技術は、遊脚期間の途中で膝が屈曲から伸展に変化するタイミングと歩行補助装置が加えるトルクの反転タイミングのずれを低減する歩行補助装置に具現化することができる。ここで、「屈曲」とは、膝を曲げる方向に膝関節が回転することを意味する。また、「伸展」とは、曲がった膝を真っ直ぐに伸ばす方向に膝関節が回転することを意味する。その歩行補助装置は、ユーザの脚に沿って装着され、ユーザの膝関節にトルクを加える脚装具と、膝関節角が目標角軌道に追従するように脚装具を制御するコントローラを備える。この歩行補助装置は、離床してから着床するまでの遊脚膝関節の目標角軌道を２つに分割する。第１目標角軌道は、膝を曲げる方向に漸増する目標角の軌道を定める。第２目標角軌道は、膝を伸ばす方向に漸増する目標角の軌道を定める。なお、本明細書における「漸増する目標角」には、時間の経過とともに増加し、一定の目標角に収束する軌道を含む。従って、第１目標角軌道の一例は、膝を曲げる方向に一方的に変化し、所定の第１角度に近づく軌道である。また第２目標角軌道の一例は、膝を伸ばす方向に一方的に変化し、所定の第２角度に近づく軌道である。
【００１１】
本発明の歩行補助装置のコントローラは、一方の足が離床してから接地脚の足に対する相対的な遊脚膝位置が予め定められた位置に到達するまでは第１目標角軌道に追従するように遊脚の脚装具を制御し、遊脚膝位置が予め定められた位置に到達してから遊脚着床までは第２目標角軌道に追従するように遊脚の脚装具を制御する。ここで、目標角軌道とは、目標角の時系列データである。また、本明細書における「足」という用語は、足首よりも先の部位を意味し、「脚」と区別して用いる。従って、「足の位置」とは、足に予め定められた点の位置を意味する。「足に予め定められた点」は、足先でもよいし、踵でもよい。また、本明細書では、遊脚膝位置が予め定められた位置に到達したタイミングを到達タイミングと称する場合がある。
【００１２】
遊脚の膝が屈曲から伸展に変化するタイミングは、概ね、遊脚の膝位置が接地脚の足より前方の位置へ移動したタイミングであることが知られている。従ってコントローラは、遊脚の膝位置が接地脚の足より前方へ移動したタイミングで第１目標軌道から第２目標軌道へ切り替えることが好ましい。
【００１３】
上記の歩行補助装置は、予め定められた目標角軌道に基づいて遊脚の膝関節にトルクを加えるものでありながら、トルク反転のタイミングを、遊脚の膝が屈曲から伸展に変化するタイミングに調整する。この歩行補助装置は、遊脚膝関節の目標角軌道を２つに分割するとともに、２つの軌道の切り替えタイミングを、ユーザが膝を屈曲から伸展に変化させるタイミングに相当する膝位置に設定することによって、トルク反転タイミングのずれを低減する。
【００１４】
ユーザの足位置は、脚装具に備えられたセンサで検出すればよい。例えば、脚装具は、ユーザの股関節角と膝関節角を検出する脚センサを備える。股関節角と膝関節角から足と膝の相対的位置関係は、幾何学的に求まることが知られている。
【００１５】
第１目標角軌道と第２目標角軌道は夫々、予め定められていてよいし、歩行中にコントローラがリアルタイムに生成してもよい。後者の場合、コントローラは、一歩前の脚の動作に基づいて第１目標角軌道を生成するとよい。第２目標角軌道は、上記到達タイミングにおける膝実測角を始点とし、着床時の膝目標角を終点とする滑らかな軌道を、到達タイミングを検知した時点で生成するとよい。そのような手法で第１目標角軌道と第２目標角軌道を生成する歩行補助装置は、ユーザの歩行動作の変化によく適応する。
【００１６】
本明細書が開示する他のひとつの技術は、着床タイミングで膝が屈曲から伸展に変化するタイミングと歩行補助装置が加えるトルクの反転タイミングのずれを低減する歩行補助装置に具現化することができる。その歩行補助装置は、ユーザの脚に沿って装着され、ユーザの膝関節にトルクを加える脚装具と、膝関節角が目標角軌道に追従するように脚装具を制御するコントローラを備える。コントローラは、予測された予定着床タイミングで膝目標角の回転方向が反転する膝関節の目標角軌道と、遊脚期間中の予め定められた判断タイミングにおける遊脚股関節の予想角速度を記憶している。このコントローラは、判断タイミングにおける遊脚股関節の実測角速度に対する予想角速度の比率で判断タイミングから予定着床タイミングまでの目標角軌道を時間軸に沿って伸縮する。ここで、「時間軸に沿って伸縮する」とは、遊脚股関節の実測角速度に対する予想角速度の比率が「値Ａ」の場合、判断タイミングから予定着床タイミングまでの目標角軌道を時間軸方向に「値Ａ」倍に引き伸ばすことを意味する。また、判断タイミングは、遊脚の膝位置が接地脚の足より前方へ移動するタイミングであるとよい。
【００１７】
前述したように通常の方向動作において、遊脚の膝関節角は着床タイミングで回転方向が反転する。従って、目標角軌道は、予定着床タイミングで膝目標角の回転方向が反転する。目標角軌道における予定着床タイミングと実際の着床タイミングがずれることがユーザに違和感を与える。ここで、着床タイミングは、歩行速度で定まる。そして歩行速度は遊脚股関節のピッチ軸回りの角速度が支配的である。上記の歩行補助装置は、遊脚期間中の股関節のピッチ軸回りの実測角速度がその直後の着床タイミングを推定するのに好適であることを着目する。上記の歩行補助装置は、遊脚股関節の実測角速度が予想角速度よりも速い場合、予定着床タイミングが速まるように目標角軌道を修正する。遊脚股関節の実測角速度が予想角速度よりも遅い場合、予定着床タイミングが遅くなるように目標角軌道を修正する。そのように着床直前に目標角軌道を修正することにとって、上記の歩行補助装置は、目標角軌道における予定着床タイミングを実際の着床タイミングに近づけ、実際の着床タイミングと、加えるトルクの反転タイミングのずれを低減する。
【００１８】
脚装具は、例えば、大腿に装着される上部リンクと下腿に装着される下部リンクがユーザの膝に相当する位置で揺動可能に連結されている構造であり、その連結部に下部リンクを揺動させるアクチュエータを備えていればよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の歩行補助装置は、膝関節に加えるトルクの反転タイミングをユーザの歩行動作に適応させ、ユーザの膝関節の動きを補助する際に違和感を与えることがない。
【実施例１】
【００２０】
図面を参照して第１実施例の歩行補助装置を説明する。図１に、歩行補助装置１０の概要図を示す。図１（Ａ）は正面図を示し、図１（Ｂ）は側面図を示す。本実施例では、ユーザは左膝関節を自由に動かすことができないとする。歩行補助装置１０は、ユーザの左膝関節に適切なトルクを加えてユーザの歩行動作を補助する。
【００２１】
歩行補助装置１０は、ユーザの右脚に沿って装着される右脚装具１２Ｒと左脚に沿って装着される左脚装具１２Ｌを有する。脚装具１２Ｒ、１２Ｌは、支持リンク３０によって連結されている。
【００２２】
左脚装具１２Ｌを詳しく説明する。左脚装具１２Ｌは、ユーザの大腿部から下腿部に沿って左脚の外側に装着される。左脚装具１２Ｌは、上部リンク１４Ｌ、下部リンク１６Ｌ、及び足底リンク１８Ｌを有する多リンク機構である。上部リンク１４Ｌの上端が腰ジョイント２０ａＬを介して支持リンク３０に連結されている。下部リンク１６Ｌは、膝の外側に位置する膝ジョイント２０ｂＬによって、上部リンク１４Ｌに連結されている。足底リンク１８Ｌは、ユーザの踝の外側に位置する足首ジョイント２０ｃＬによって、下部リンク１６Ｌに揺動可能に連結されている。上部リンク１４Ｌは、ベルトでユーザの大腿部に固定される。下部リンク１６Ｌは、ベルトでユーザの下腿部に固定される。足底リンク１８Ｌは、ベルトでユーザの足底に固定される。足底リンク１８Ｌを固定するベルトは、図示を省略している。支持リンク３０は、ユーザの体幹（腰）に固定される。
【００２３】
ユーザが左脚装具１２Ｌを装着すると、腰ジョイント２０ａＬ、膝ジョイント２０ｂＬ、及び、足首ジョイント２０ｃＬは夫々、ユーザの股関節のピッチ軸、膝関節のピッチ軸、及び、足首関節のピッチ軸と同軸に位置する。即ち、左脚装具１２Ｌは、ユーザの左脚の動きに応じて揺動することができる。各ジョイントには、リンク間の角度を検出するためのエンコーダ２１が取り付けられている。以下では、リンク間の角度をジョイントの角度と言い換える。また、ジョイントに取り付けられているエンコーダ群２１を脚センサ２１と総称する。また、各足底リンク１８Ｒ、１８Ｌには、歩行面との接地を検知する接地センサ（不図示）が取り付けられている。
【００２４】
膝ジョイント２０ｂＬには、モータ３２（アクチュエータ）が取り付けられている。モータ３２は、ユーザの膝関節の外側に位置する。モータ３２は、上部リンク１４Ｌに対して下部リンク１６Ｌを回転させることができる。即ちモータ３２は、ユーザの左膝関節にトルクを加えることができる。
【００２５】
右脚装具１２Ｒは、モータ３２を除いて、左脚装具１２Ｌと同じ構造を有している。
【００２６】
コントローラ４０は、脚センサ２１（エンコーダ２１）、及び接地センサ（不図示）の出力に基づいて、モータ３２を制御する。コントローラ４０が実行する制御フローチャートを図２に示す。図２のフローチャートのステップＳ２は、左脚が接地している間に実行され、ステップＳ４からＳ１８は、左脚が遊脚期間に実行される。なお接地している脚の制御は説明を省略する。また、足の離床タイミングと着床タイミングは足底リンクに取り付けられた接地センサによって検知される。
【００２７】
コントローラ４０は、左脚が接地している間に、次の左脚遊脚期間前半の目標角軌道（第１目標角軌道）を生成する（Ｓ２）。第１目標角軌道は、脚センサによって計測された右脚の動きをコピーしたものである。図３と図４を用いて第１目標角軌道を説明する。
【００２８】
図３は、本実施例における目標角Ａの定義を説明する図である。膝関節の目標角Ａは、左上部リンク１４Ｌと左下部リンク１６Ｌのなす角度に相当する。別言すれば、膝目標角Ａは、左膝ジョイント２０ｂＬの角度である。目標角Ａ＝１８０［ｄｅｇ］が、膝を真直ぐに伸ばした状態に対応する。目標角Ａが小さくなるほど膝が曲がることを意味する。
【００２９】
図４は、第１目標角軌道を模式的に示したグラフである。図４の横軸は時間を示しており、縦軸は膝関節の目標角Ａを示している。破線のグラフ５２は、１周期前の右膝関節角の軌道を示している。破線のグラフ５２をまず説明する。破線のグラフ５２を説明する場合は、図４の縦軸は右膝関節の実測角に相当する。Ｔ０は、右足の離床タイミングに相当する。Ｔ２は、右足の着床タイミングに相当する。右足が着床するとき、右膝実測角＝１８０［ｄｅｇ］となり、右膝が最も伸びる。Ｔ０からＴ２までの期間が、右脚が浮いている期間（遊脚期間）に相当する。Ｔ１は、右膝が最も屈曲したタイミングに相当する。通常の歩行動作では、このタイミングＴ１で、右膝が左足よりも前に移動する。Ｔ３は左脚の離床タイミングに相当し、Ｔ４は左脚の着床タイミングに相当する。Ｔ５は右脚の離床タイミングに相当する。すなわち、Ｔ０からＴ５までのパターンが周期的に続く。なお、図４のタイミングＴ２（右脚着床タイミング）より右側は参考までに示したものであり、図２のステップＳ２が実行されるのは、タイミングＴ２からＴ３の間である。ステップＳ２が実行されるとき、コントローラ４０はタイミングＴ０からＴ２までの右膝関節角の軌道を取得している。タイミングＴ０からＴ１までの期間を遊脚前半の期間と称する。
【００３０】
コントローラ４０は、取得した右膝関節角の軌道の一部をそのまま左膝関節角の目標軌道として用いる。コントローラ４０は、タイミングＴ０（離床タイミング）からＴ１（遊脚の膝が接地脚の足の横を通過するタイミング）までの実測した右膝関節角軌道を、左膝関節角の目標角軌道として使う。
【００３１】
符号５０が示す実線のグラフが、コントローラ４０が生成した第１目標角軌道を示す。コントローラ４０は、遊脚前半の期間の右膝関節の実測角の軌道をそのまま左膝関節の目標角軌道として採用する。さらにコントローラ４０は、タイミングＴ１以後は、目標角を一定値に維持するように軌道を時間軸に沿って延長する。得られる第１目標角軌道は、左足の離床タイミングから膝を曲げる方向に第１所定角に漸増する軌道を示す。この実施例の場合、第１所定角は１２０［ｄｅｇ］である。
【００３２】
図２に戻って制御フローチャートの説明を続ける。左足の離床タイミングからステップＳ４がスタートする。コントローラ４０は、脚センサ２１のデータを取得する（Ｓ４）。コントローラ４０は、左足の離床タイミングからの時間に応じて、生成した第１目標角軌道上の目標角に左膝関節角が追従するようにモータ３２を制御する（Ｓ６）。コントローラ４０は、両脚の股関節角と膝関節角から、右足を基準とする左膝位置を算出する。関節角から足や膝の位置への変換は、ロボットの技術分野では良く知られているので説明は省略する。コントローラ４０は、左膝が右足より距離閾値以上前方に移動したか否かを確認する（Ｓ１０）。なお、距離閾値はゼロでよい。すなわち、左足が離床してから左膝の位置が右足より前方へ移動するまでは、コントローラ４０は第１目標角軌道に基づいて左膝関節角の追従制御を継続する（Ｓ１０：ＮＯ）。すなわち、コントローラ４０は、左足が離床してから右足（接地脚の足）に対する相対的な膝位置が右足よりも予め定められた距離閾値の前方に到達するまでは、膝を曲げる方向に漸増する第１目標角軌道に追従するようにモータを制御する。前述したように、距離閾値はゼロでよい。従って本実施例の場合、コントローラ４０は、左足が離床してから左膝位置が右足（接地脚の足）よりも前方に移動するまでは、膝を曲げる方向に漸増する第１目標角軌道に追従するようにモータを制御する。
【００３３】
左膝の位置が右足より前方へ移動したとき（Ｓ１０：ＹＥＳ）、コントローラ４０は次のステップＳ１２を実行する。以下、左膝の位置が右足より前方へ移動したタイミングを到達タイミングＴｘと称する。通常の歩行動作においては、この到達タイミングが、遊脚膝関節が最も屈曲するタイミングに相当する。ステップＳ１２において、コントローラ４０は、遊脚期間後半の目標角軌道（第２目標角軌道）を生成する。図５を参照して第２目標角軌道を説明する。図５の破線のグラフ５２と実線のグラフ５０は、図４のグラフと同じである。図５には、到達タイミングＴｘも示してある。図５は、左膝の到達タイミング（膝が最も屈曲するタイミング）Ｔｘが、１周期前の右膝の到達タイミングよりも早まっていることを例示している。
【００３４】
コントローラ４０は、到達タイミングＴｘを検知すると、その到達タイミングにおける目標角Ｐ１を始点とし、着床予定タイミングにおける目標角Ｐ２まで膝を伸ばす方向に漸増する軌道５４を新たに生成する。この新たな軌道５４が、第２目標角軌道に相当する。その後、コントローラ４０は、センサデータを取得し（Ｓ１４）、左膝関節角が第２目標角軌道に追従するようにモータを制御する（Ｓ１６）。第２目標軌道に基づくモータ制御は左足が接地するまで継続される（Ｓ１８：ＮＯ）。即ち、コントローラ４０は、遊脚の膝位置が右足よりも前に移動してから遊脚着床までは膝を伸ばす方向に漸増する第２目標角軌道に追従するようにモータを制御する。左足の接地を検知すると、コントローラ４０は、接地脚用の制御モードに切り換わる（Ｓ１８：ＹＥＳ、Ｙ２０）。着床後の制御の説明は省略する。
【００３５】
図５に示すように、目標角軌道は、到達タイミングＴｘで極値となる。即ち、歩行補助装置１０は、離床から到達タイミングＴｘまでは膝関節を曲げる方向のトルクを膝関節に加え、到達タイミングでトルクの方向を反転し、遊脚着床まで膝関節を伸ばす方向のトルクを膝関節に加える。
【００３６】
歩行補助装置１０は、足が離床すると同時に、膝を曲げる方向に遊脚の動きを補助する。ここで、「補助する」とは、膝関節にトルクを加えることを意味する。歩行補助装置１０は、遊脚の膝位置が接地脚の足よりも前へ移動するまでは、膝を曲げる方向の補助を継続する。歩行補助装置１０は、遊脚の膝位置が接地脚の足よりも前へ移動したタイミングで膝を伸ばす方向に補助を逆転する。即ち、歩行補助装置１０は、遊脚の膝位置が接地脚の足よりも前へ移動したタイミングで膝を補助するためのトルクの向きを反転する。このトルク反転のタイミングは、歩行動作における遊脚膝関節の屈曲から伸展への変化のタイミングによく合致する。
【００３７】
従来、足の離床から着床までの期間でひとつの目標角軌道に追従するように遊脚膝関節にトルクを加えると、ユーザが膝を屈曲から伸展に反転するタイミングと、装置が加えるトルクが反転するタイミングがずれる虞があり、そのずれがユーザに違和感を与える。例えば、図５においてタイミングT０からＴ２までの区間でグラフ５２を目標角軌道とすると、ユーザがタイミングＴｘで膝を伸ばし始めようとするにも関わらず、歩行補助装置はタイミングＴ１までは膝を曲げる方向にトルクを加え続ける。歩行補助装置が加えるトルクがユーザの意図に沿っていないのでそのような歩行補助装置はユーザに違和感を与える。
【００３８】
これに対して本実施例の歩行補助装置は、定められた目標角軌道に追従するように遊脚膝関節の動作を補助することができるとともに、トルク反転のタイミングはユーザの歩行動作からリアルタイムに決定する。そのような制御フローを備えることによって、本実施例の歩行補助装置１０は、違和感を与えることなくユーザの歩行動作を補助することができる。
【００３９】
第１実施例のコントローラの処理は次のとおり表現してよい。コントローラは、一方の足が離床してから接地脚の足に対する相対的な遊脚膝位置が予め定められた位置に到達するまでは膝を曲げる方向のトルクをユーザの遊脚膝関節に加え、予め定められた位置に到達したタイミングから着床までは膝を伸ばす方向のトルクを遊脚膝関節に加えるように脚装具のモータ（アクチュエータ）を制御する。「予め決められた位置に到達したタイミング」は、「遊脚膝関節が接地脚の足より前方へ移動したタイミング」であることが好ましい。
【実施例２】
【００４０】
次に、第２実施例の歩行補助装置を説明する。第２実施例の歩行補助装置は、遊脚が着地するタイミングにおける補助トルクの反転タイミングと、ユーザが意図する膝関節の回転方向の反転タイミングとのずれを低減する。「補助トルク」は、歩行補助装置がユーザの膝関節に加えるトルクを意味する。第２実施例の歩行補助装置の構成は第１実施例と同じであるので説明は省略する。
【００４１】
第２実施例の歩行補助装置が実行する制御のフローチャートを図６に示す。以下、本実施例の歩行補助装置のコントローラが実行する処理を説明する。コントローラは、一歩前の歩行周期における右膝の軌道をコピーして左膝関節の目標角軌道を生成する（Ｓ４０）。図７に目標角軌道６０のグラフを示す。目標角軌道６０は、第１実施例の図４に示したグラフ５２と同じである。従って、図７における符号Ｔ０〜Ｔ５は図４の符号と同じ意味ある。タイミングＴ２は、１周期前の歩行周期において右足が着床したタイミングであると同時に、左脚の予定着床タイミングに相当する。目標角軌道６０は、タイミングＴ２において膝目標角の回転方向が反転する。左足がタイミングＴ２で着床する場合、着床とともに補助トルクの向きが反転する。そのような動作はユーザの自然な歩行動作に合致する。
【００４２】
コントローラは、右膝関節角の軌道を取得するとともに、右股関節角速度の軌道も取得する。図７の下のグラフ６６が、右股関節のピッチ軸回り角速度の実測軌道を示す。図７の下側のグラフは、脚を前方へ振り出す方向を角速度の正方向として規定している。即、図７において股関節の角速度が増大するほど、脚を前方へ振り出す速度が増大する。
【００４３】
コントローラは、グラフ６６を、左膝関節の目標角軌道６０に対応する左股関節の予定角速度として記憶する。図７の符号ｗ１は、予め定められたタイミングＴ１における遊脚股関節角速度を示している。コントローラは、ステップＳ４０において、左膝関節の目標角軌道を生成するとともに、目標角軌道における予め定められたタイミングＴ１における左股関節の予定角速度ｗ１を特定する。ここで、タイミングＴ１は、目標角軌道上で左膝位置が右足よりも前方へ移動するタイミングである。本実施例では、このタイミングＴ１を判断タイミングと言い換える。
【００４４】
コントローラ４０は左足の離床タイミングＴ０から計時を開始して判断タイミングＴ１が到来するまで、ユーザの左膝関節角が生成された目標角軌道６０に追従するようにモータを制御する（Ｓ４２、Ｓ４４、Ｓ４６：ＮＯ）。判断タイミングＴ１に到達したとき、コントローラは脚センサから左股関節の角速度を取得する（Ｓ４８）。そしてコントローラは、左股関節の実測角速度に基づいて目標角軌道を修正する（Ｓ５０）。修正の方法を次に説明する。
【００４５】
図７に示すグラフ６４が左股関節の実測角速度を示す。符号ｗ２は、判断タイミングＴ１における左股関節のピッチ軸回り角速度の実測値を示す。判断タイミングＴ１における実測角速度ｗ２に対する予定角速度ｗ１の比を「ｗ１／ｗ２」で表す。コントローラは、タイミングＴ１における目標角Ｐ３から予定着床タイミングＴ２までの目標角軌道６０を時間軸に沿って角速度比「ｗ１／ｗ２」で伸縮する。なおコントローラは、予定着床タイミングＴ２以降の目標角軌道も、同様に伸縮する。目標角Ｐ３以降のグラフ６２が、伸縮後の新たな目標角軌道を示す。この伸縮によって、元の目標角軌道６０のタイムスパンＴｓ１は、タイムスパンＴｓ２に変更される。ここで、ｗ１／ｗ２＝Ｔｓ２／Ｔｓ１の関係が成立する。また、元の目標角軌道６０における予定着床タイミングＴ２は、タイミングＴｙに変更される。
【００４６】
図６に戻って制御フローの説明を続ける。コントローラは、センサデータを取得し、左膝関節角が伸縮された目標角軌道に追従するようにモータを制御する（Ｓ５２、Ｓ５４）。コントローラは、歩行の一周期が終了するまで伸縮された目標角軌道に基づいて制御を継続する（Ｓ５６：ＮＯ）。歩行の一周期が終了すると、上記の処理が終了する（Ｓ５６：ＹＥＳ）。コントローラは、歩行周期毎に、図６の処理を繰り返す。
【００４７】
第２実施例の歩行補助装置は次の効果を奏する。即ち、判断タイミングＴ１における股関節のピッチ軸回りの実測角速度が予定角速度よりも大きい場合、予定着床タイミングＴ２が早まるように、判断タイミングＴ１から予定着床タイミングＴ２までの目標角軌道が時間軸に沿って圧縮される。逆に判断タイミングＴ１における股関節のピッチ軸回りの実測角速度が予定角速度よりも小さい場合、予定着床タイミングＴ２が遅くなるように、判断タイミングＴ１から予定着床タイミングＴ２までの目標角軌道が伸張される。予定着床タイミングにおいて目標角軌道は極値をとるので、そのタイミングで補助トルクが反転する。また、ユーザの遊脚膝関節の回転方向は、着床タイミングで伸展方向（膝を伸ばす方向から屈曲方向（膝を曲げる方向）へ反転する。
直前の股関節ピッチ軸回りの角速度に基づいて目標角軌道を時間軸に沿って伸縮することによって、伸縮後の予定着床タイミング（図７のタイミングＴｙ）は、実際に着床するタイミングに近くなる。歩行補助装置は予定着床タイミングでトルクを反転する。本実施例の歩行補助装置は、直前の股関節ピッチ軸回りの角速度に基づいて目標角軌道を時間軸に沿って伸縮することによって、膝関節の回転方向が反転する着床タイミングと補助トルクの反転タイミングとのずれを抑制する。
【００４８】
第２実施例のコントローラの処理は次のとおり表現してよい。コントローラは、遊脚の足が着床するタイミングで、着床する脚の膝に加えるトルクを、膝を伸ばす方向から膝を曲げる方向に反転するように脚装具のモータ（アクチュエータ）を制御する。
【００４９】
第２実施例の歩行補助装置は、ユーザの脚に沿って装着され、ユーザの膝関節にトルクを加える脚装具と、コントローラを備える、コントローラは、予定着床タイミングで膝目標角の回転方向が反転する目標角軌道を記憶しているとともに、膝関節角が目標角軌道に追従するように脚装具を制御する。さらにコントローラは、遊脚期間中の予め定められた判断タイミングにおける遊脚股関節の予想角速度を記憶しており、判断タイミングにおける遊脚股関節の実測角速度に対する予想角速度の比率で判断タイミングから予定着床タイミングまでの目標角軌道を時間軸に沿って伸縮する。コントローラは、判断タイミング直後にリアルタイムで目標角軌道を伸縮する。コントローラは、伸縮した目標角軌道に膝関節角が追従するように脚装具の制御を継続する。この歩行補助装置は、実際に着床するタイミングに近いタイミングで膝関節に加えるトルクを反転するので、ユーザに違和感を与えることがない。
【００５０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】歩行補助装置の概略図である。
【図２】第１実施例の制御フローチャート図である。
【図３】膝目標角の定義を説明する図である。
【図４】第１目標角軌道を説明する図である。
【図５】第２目標角軌道を説明する図である。
【図６】第２実施例の制御フローチャート図である。
【図７】目標角軌道の修正を説明する図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０：歩行補助装置
１２Ｒ、１２Ｌ：脚装具
１４Ｒ、１４Ｌ：上部リンク
１６Ｒ、１６Ｌ：下部リンク
１８Ｒ、１８Ｌ：足底リンク
２０：ジョイント
２１：エンコーダ
３０：支持リンク
３２：モータ
４０：コントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの膝関節にトルクを加えて歩行動作を補助する歩行補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザの脚に装着し、脚の関節にトルクを加えることによってユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置が研究されている。例えば、特許文献１に、そのような歩行補助装置の一例が開示されている。特許文献１の歩行補助装置は、一方の脚を自由に動かすことができないユーザの歩行を補助する。なお、本明細書では、ユーザが自由に動かすことできない脚を患脚（ａｆｆｅｃｔｅｄ ｌｅｇ）と称し、自由に動かすことのできる脚を健常脚（ｓｏｕｎｄ ｌｅｇ）と称する。
【０００３】
特許文献１の歩行補助装置は、健常脚の動作を検出する脚センサを備えており、患脚の動きが健脚の動きに応じるように患脚の関節にトルクを加える。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３１４６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
歩行動作とは、左右の脚の周期的な動きである。例えば、歩行動作に合わせてユーザの膝関節にトルクを加える歩行補助装置は、膝関節角が周期的な目標角軌道に追従するようにトルクを加えればよい。予め定められた目標角軌道に沿って膝が動くように補助することによって、ユーザは円滑に歩行することができる。
【０００６】
しかしながら、ユーザの脚の動きを目標角軌道に強制的に追従させると、ユーザに違和感を与えることが判明した。違和感の一つは、遊脚の膝関節に加えるトルクの向きが反転するタイミングがユーザの歩行感覚と一致していないことに起因する。
【０００７】
歩行の際、遊脚の膝は、足の離床時から徐々に屈曲し、その位置が接地脚の足よりも前方に出たタイミングで伸展し始める。即ち、遊脚の膝関節角は、まず、膝を曲げる方向に漸増し、接地脚の足よりも前方に出たタイミング以降は膝を伸ばす方向に漸増する。膝関節角の目標角軌道が屈曲から伸展に変化するタイミングがトルクの反転タイミングに相当する。
【０００８】
トルクが反転するタイミングはもうひとつある。前述したように、遊脚期間の後半に、膝関節角は膝を伸ばす方向に漸増する。そして、足が着床した後に膝関節は、膝を曲げる方向に変化する。すなわち、着床タイミングがもう一つのトルク反転タイミングに相当する。
【０００９】
例えば、ユーザが膝を伸ばし続けているときに歩行補助装置が膝を曲げる方向にトルクを反転する、或いはユーザが膝を曲げ始めているにも関わらずに歩行補助装置が膝を伸ばす方向にトルクを加え続けると、ユーザに違和感を与えてしまう。このように、膝関節角の目標角軌道を予め決定してしまうと、目標角軌道におけるトルク反転タイミングがユーザの歩行動作と一致しないときにユーザが違和感を受ける。本発明は、上記課題に鑑みて創作された。本発明は、違和感を与えることなく、ユーザの膝関節の動きを補助する歩行補助装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書が開示するひとつの技術は、遊脚期間の途中で膝が屈曲から伸展に変化するタイミングと歩行補助装置が加えるトルクの反転タイミングのずれを低減する歩行補助装置に具現化することができる。ここで、「屈曲」とは、膝を曲げる方向に膝関節が回転することを意味する。また、「伸展」とは、曲がった膝を真っ直ぐに伸ばす方向に膝関節が回転することを意味する。その歩行補助装置は、ユーザの脚に沿って装着され、ユーザの膝関節にトルクを加える脚装具と、膝関節角が目標角軌道に追従するように脚装具を制御するコントローラを備える。この歩行補助装置は、離床してから着床するまでの遊脚膝関節の目標角軌道を２つに分割する。第１目標角軌道は、膝を曲げる方向に漸増する目標角の軌道を定める。第２目標角軌道は、膝を伸ばす方向に漸増する目標角の軌道を定める。なお、本明細書における「漸増する目標角」には、時間の経過とともに増加し、一定の目標角に収束する軌道を含む。従って、第１目標角軌道の一例は、膝を曲げる方向に一方的に変化し、所定の第１角度に近づく軌道である。また第２目標角軌道の一例は、膝を伸ばす方向に一方的に変化し、所定の第２角度に近づく軌道である。
【００１１】
本発明の歩行補助装置のコントローラは、一方の足が離床してから接地脚の足に対する相対的な遊脚膝位置が予め定められた位置に到達するまでは第１目標角軌道に追従するように遊脚の脚装具を制御し、遊脚膝位置が予め定められた位置に到達してから遊脚着床までは第２目標角軌道に追従するように遊脚の脚装具を制御する。ここで、目標角軌道とは、目標角の時系列データである。また、本明細書における「足」という用語は、足首よりも先の部位を意味し、「脚」と区別して用いる。従って、「足の位置」とは、足に予め定められた点の位置を意味する。「足に予め定められた点」は、足先でもよいし、踵でもよい。また、本明細書では、遊脚膝位置が予め定められた位置に到達したタイミングを到達タイミングと称する場合がある。
【００１２】
遊脚の膝が屈曲から伸展に変化するタイミングは、概ね、遊脚の膝位置が接地脚の足より前方の位置へ移動したタイミングであることが知られている。従ってコントローラは、遊脚の膝位置が接地脚の足より前方へ移動したタイミングで第１目標軌道から第２目標軌道へ切り替えることが好ましい。
【００１３】
上記の歩行補助装置は、予め定められた目標角軌道に基づいて遊脚の膝関節にトルクを加えるものでありながら、トルク反転のタイミングを、遊脚の膝が屈曲から伸展に変化するタイミングに調整する。この歩行補助装置は、遊脚膝関節の目標角軌道を２つに分割するとともに、２つの軌道の切り替えタイミングを、ユーザが膝を屈曲から伸展に変化させるタイミングに相当する膝位置に設定することによって、トルク反転タイミングのずれを低減する。
【００１４】
ユーザの足位置は、脚装具に備えられたセンサで検出すればよい。例えば、脚装具は、ユーザの股関節角と膝関節角を検出する脚センサを備える。股関節角と膝関節角から足と膝の相対的位置関係は、幾何学的に求まることが知られている。
【００１５】
第１目標角軌道と第２目標角軌道は夫々、予め定められていてよいし、歩行中にコントローラがリアルタイムに生成してもよい。後者の場合、コントローラは、一歩前の脚の動作に基づいて第１目標角軌道を生成するとよい。第２目標角軌道は、上記到達タイミングにおける膝実測角を始点とし、着床時の膝目標角を終点とする滑らかな軌道を、到達タイミングを検知した時点で生成するとよい。そのような手法で第１目標角軌道と第２目標角軌道を生成する歩行補助装置は、ユーザの歩行動作の変化によく適応する。
【００１６】
本明細書が開示する他のひとつの技術は、着床タイミングで膝が屈曲から伸展に変化するタイミングと歩行補助装置が加えるトルクの反転タイミングのずれを低減する歩行補助装置に具現化することができる。その歩行補助装置は、ユーザの脚に沿って装着され、ユーザの膝関節にトルクを加える脚装具と、膝関節角が目標角軌道に追従するように脚装具を制御するコントローラを備える。コントローラは、予測された予定着床タイミングで膝目標角の回転方向が反転する膝関節の目標角軌道と、遊脚期間中の予め定められた判断タイミングにおける遊脚股関節の予想角速度を記憶している。このコントローラは、判断タイミングにおける遊脚股関節の実測角速度に対する予想角速度の比率で判断タイミングから予定着床タイミングまでの目標角軌道を時間軸に沿って伸縮する。ここで、「時間軸に沿って伸縮する」とは、遊脚股関節の実測角速度に対する予想角速度の比率が「値Ａ」の場合、判断タイミングから予定着床タイミングまでの目標角軌道を時間軸方向に「値Ａ」倍に引き伸ばすことを意味する。また、判断タイミングは、遊脚の膝位置が接地脚の足より前方へ移動するタイミングであるとよい。
【００１７】
前述したように通常の方向動作において、遊脚の膝関節角は着床タイミングで回転方向が反転する。従って、目標角軌道は、予定着床タイミングで膝目標角の回転方向が反転する。目標角軌道における予定着床タイミングと実際の着床タイミングがずれることがユーザに違和感を与える。ここで、着床タイミングは、歩行速度で定まる。そして歩行速度は遊脚股関節のピッチ軸回りの角速度が支配的である。上記の歩行補助装置は、遊脚期間中の股関節のピッチ軸回りの実測角速度がその直後の着床タイミングを推定するのに好適であることを着目する。上記の歩行補助装置は、遊脚股関節の実測角速度が予想角速度よりも速い場合、予定着床タイミングが速まるように目標角軌道を修正する。遊脚股関節の実測角速度が予想角速度よりも遅い場合、予定着床タイミングが遅くなるように目標角軌道を修正する。そのように着床直前に目標角軌道を修正することにとって、上記の歩行補助装置は、目標角軌道における予定着床タイミングを実際の着床タイミングに近づけ、実際の着床タイミングと、加えるトルクの反転タイミングのずれを低減する。
【００１８】
脚装具は、例えば、大腿に装着される上部リンクと下腿に装着される下部リンクがユーザの膝に相当する位置で揺動可能に連結されている構造であり、その連結部に下部リンクを揺動させるアクチュエータを備えていればよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の歩行補助装置は、膝関節に加えるトルクの反転タイミングをユーザの歩行動作に適応させ、ユーザの膝関節の動きを補助する際に違和感を与えることがない。
【実施例１】
【００２０】
図面を参照して第１実施例の歩行補助装置を説明する。図１に、歩行補助装置１０の概要図を示す。図１（Ａ）は正面図を示し、図１（Ｂ）は側面図を示す。本実施例では、ユーザは左膝関節を自由に動かすことができないとする。歩行補助装置１０は、ユーザの左膝関節に適切なトルクを加えてユーザの歩行動作を補助する。
【００２１】
歩行補助装置１０は、ユーザの右脚に沿って装着される右脚装具１２Ｒと左脚に沿って装着される左脚装具１２Ｌを有する。脚装具１２Ｒ、１２Ｌは、支持リンク３０によって連結されている。
【００２２】
左脚装具１２Ｌを詳しく説明する。左脚装具１２Ｌは、ユーザの大腿部から下腿部に沿って左脚の外側に装着される。左脚装具１２Ｌは、上部リンク１４Ｌ、下部リンク１６Ｌ、及び足底リンク１８Ｌを有する多リンク機構である。上部リンク１４Ｌの上端が腰ジョイント２０ａＬを介して支持リンク３０に連結されている。下部リンク１６Ｌは、膝の外側に位置する膝ジョイント２０ｂＬによって、上部リンク１４Ｌに連結されている。足底リンク１８Ｌは、ユーザの踝の外側に位置する足首ジョイント２０ｃＬによって、下部リンク１６Ｌに揺動可能に連結されている。上部リンク１４Ｌは、ベルトでユーザの大腿部に固定される。下部リンク１６Ｌは、ベルトでユーザの下腿部に固定される。足底リンク１８Ｌは、ベルトでユーザの足底に固定される。足底リンク１８Ｌを固定するベルトは、図示を省略している。支持リンク３０は、ユーザの体幹（腰）に固定される。
【００２３】
ユーザが左脚装具１２Ｌを装着すると、腰ジョイント２０ａＬ、膝ジョイント２０ｂＬ、及び、足首ジョイント２０ｃＬは夫々、ユーザの股関節のピッチ軸、膝関節のピッチ軸、及び、足首関節のピッチ軸と同軸に位置する。即ち、左脚装具１２Ｌは、ユーザの左脚の動きに応じて揺動することができる。各ジョイントには、リンク間の角度を検出するためのエンコーダ２１が取り付けられている。以下では、リンク間の角度をジョイントの角度と言い換える。また、ジョイントに取り付けられているエンコーダ群２１を脚センサ２１と総称する。また、各足底リンク１８Ｒ、１８Ｌには、歩行面との接地を検知する接地センサ（不図示）が取り付けられている。
【００２４】
膝ジョイント２０ｂＬには、モータ３２（アクチュエータ）が取り付けられている。モータ３２は、ユーザの膝関節の外側に位置する。モータ３２は、上部リンク１４Ｌに対して下部リンク１６Ｌを回転させることができる。即ちモータ３２は、ユーザの左膝関節にトルクを加えることができる。
【００２５】
右脚装具１２Ｒは、モータ３２を除いて、左脚装具１２Ｌと同じ構造を有している。
【００２６】
コントローラ４０は、脚センサ２１（エンコーダ２１）、及び接地センサ（不図示）の出力に基づいて、モータ３２を制御する。コントローラ４０が実行する制御フローチャートを図２に示す。図２のフローチャートのステップＳ２は、左脚が接地している間に実行され、ステップＳ４からＳ１８は、左脚が遊脚期間に実行される。なお接地している脚の制御は説明を省略する。また、足の離床タイミングと着床タイミングは足底リンクに取り付けられた接地センサによって検知される。
【００２７】
コントローラ４０は、左脚が接地している間に、次の左脚遊脚期間前半の目標角軌道（第１目標角軌道）を生成する（Ｓ２）。第１目標角軌道は、脚センサによって計測された右脚の動きをコピーしたものである。図３と図４を用いて第１目標角軌道を説明する。
【００２８】
図３は、本実施例における目標角Ａの定義を説明する図である。膝関節の目標角Ａは、左上部リンク１４Ｌと左下部リンク１６Ｌのなす角度に相当する。別言すれば、膝目標角Ａは、左膝ジョイント２０ｂＬの角度である。目標角Ａ＝１８０［ｄｅｇ］が、膝を真直ぐに伸ばした状態に対応する。目標角Ａが小さくなるほど膝が曲がることを意味する。
【００２９】
図４は、第１目標角軌道を模式的に示したグラフである。図４の横軸は時間を示しており、縦軸は膝関節の目標角Ａを示している。破線のグラフ５２は、１周期前の右膝関節角の軌道を示している。破線のグラフ５２をまず説明する。破線のグラフ５２を説明する場合は、図４の縦軸は右膝関節の実測角に相当する。Ｔ０は、右足の離床タイミングに相当する。Ｔ２は、右足の着床タイミングに相当する。右足が着床するとき、右膝実測角＝１８０［ｄｅｇ］となり、右膝が最も伸びる。Ｔ０からＴ２までの期間が、右脚が浮いている期間（遊脚期間）に相当する。Ｔ１は、右膝が最も屈曲したタイミングに相当する。通常の歩行動作では、このタイミングＴ１で、右膝が左足よりも前に移動する。Ｔ３は左脚の離床タイミングに相当し、Ｔ４は左脚の着床タイミングに相当する。Ｔ５は右脚の離床タイミングに相当する。すなわち、Ｔ０からＴ５までのパターンが周期的に続く。なお、図４のタイミングＴ２（右脚着床タイミング）より右側は参考までに示したものであり、図２のステップＳ２が実行されるのは、タイミングＴ２からＴ３の間である。ステップＳ２が実行されるとき、コントローラ４０はタイミングＴ０からＴ２までの右膝関節角の軌道を取得している。タイミングＴ０からＴ１までの期間を遊脚前半の期間と称する。
【００３０】
コントローラ４０は、取得した右膝関節角の軌道の一部をそのまま左膝関節角の目標軌道として用いる。コントローラ４０は、タイミングＴ０（離床タイミング）からＴ１（遊脚の膝が接地脚の足の横を通過するタイミング）までの実測した右膝関節角軌道を、左膝関節角の目標角軌道として使う。
【００３１】
符号５０が示す実線のグラフが、コントローラ４０が生成した第１目標角軌道を示す。コントローラ４０は、遊脚前半の期間の右膝関節の実測角の軌道をそのまま左膝関節の目標角軌道として採用する。さらにコントローラ４０は、タイミングＴ１以後は、目標角を一定値に維持するように軌道を時間軸に沿って延長する。得られる第１目標角軌道は、左足の離床タイミングから膝を曲げる方向に第１所定角に漸増する軌道を示す。この実施例の場合、第１所定角は１２０［ｄｅｇ］である。
【００３２】
図２に戻って制御フローチャートの説明を続ける。左足の離床タイミングからステップＳ４がスタートする。コントローラ４０は、脚センサ２１のデータを取得する（Ｓ４）。コントローラ４０は、左足の離床タイミングからの時間に応じて、生成した第１目標角軌道上の目標角に左膝関節角が追従するようにモータ３２を制御する（Ｓ６）。コントローラ４０は、両脚の股関節角と膝関節角から、右足を基準とする左膝位置を算出する。関節角から足や膝の位置への変換は、ロボットの技術分野では良く知られているので説明は省略する。コントローラ４０は、左膝が右足より距離閾値以上前方に移動したか否かを確認する（Ｓ１０）。なお、距離閾値はゼロでよい。すなわち、左足が離床してから左膝の位置が右足より前方へ移動するまでは、コントローラ４０は第１目標角軌道に基づいて左膝関節角の追従制御を継続する（Ｓ１０：ＮＯ）。すなわち、コントローラ４０は、左足が離床してから右足（接地脚の足）に対する相対的な膝位置が右足よりも予め定められた距離閾値の前方に到達するまでは、膝を曲げる方向に漸増する第１目標角軌道に追従するようにモータを制御する。前述したように、距離閾値はゼロでよい。従って本実施例の場合、コントローラ４０は、左足が離床してから左膝位置が右足（接地脚の足）よりも前方に移動するまでは、膝を曲げる方向に漸増する第１目標角軌道に追従するようにモータを制御する。
【００３３】
左膝の位置が右足より前方へ移動したとき（Ｓ１０：ＹＥＳ）、コントローラ４０は次のステップＳ１２を実行する。以下、左膝の位置が右足より前方へ移動したタイミングを到達タイミングＴｘと称する。通常の歩行動作においては、この到達タイミングが、遊脚膝関節が最も屈曲するタイミングに相当する。ステップＳ１２において、コントローラ４０は、遊脚期間後半の目標角軌道（第２目標角軌道）を生成する。図５を参照して第２目標角軌道を説明する。図５の破線のグラフ５２と実線のグラフ５０は、図４のグラフと同じである。図５には、到達タイミングＴｘも示してある。図５は、左膝の到達タイミング（膝が最も屈曲するタイミング）Ｔｘが、１周期前の右膝の到達タイミングよりも早まっていることを例示している。
【００３４】
コントローラ４０は、到達タイミングＴｘを検知すると、その到達タイミングにおける目標角Ｐ１を始点とし、着床予定タイミングにおける目標角Ｐ２まで膝を伸ばす方向に漸増する軌道５４を新たに生成する。この新たな軌道５４が、第２目標角軌道に相当する。その後、コントローラ４０は、センサデータを取得し（Ｓ１４）、左膝関節角が第２目標角軌道に追従するようにモータを制御する（Ｓ１６）。第２目標軌道に基づくモータ制御は左足が接地するまで継続される（Ｓ１８：ＮＯ）。即ち、コントローラ４０は、遊脚の膝位置が右足よりも前に移動してから遊脚着床までは膝を伸ばす方向に漸増する第２目標角軌道に追従するようにモータを制御する。左足の接地を検知すると、コントローラ４０は、接地脚用の制御モードに切り換わる（Ｓ１８：ＹＥＳ、Ｙ２０）。着床後の制御の説明は省略する。
【００３５】
図５に示すように、目標角軌道は、到達タイミングＴｘで極値となる。即ち、歩行補助装置１０は、離床から到達タイミングＴｘまでは膝関節を曲げる方向のトルクを膝関節に加え、到達タイミングでトルクの方向を反転し、遊脚着床まで膝関節を伸ばす方向のトルクを膝関節に加える。
【００３６】
歩行補助装置１０は、足が離床すると同時に、膝を曲げる方向に遊脚の動きを補助する。ここで、「補助する」とは、膝関節にトルクを加えることを意味する。歩行補助装置１０は、遊脚の膝位置が接地脚の足よりも前へ移動するまでは、膝を曲げる方向の補助を継続する。歩行補助装置１０は、遊脚の膝位置が接地脚の足よりも前へ移動したタイミングで膝を伸ばす方向に補助を逆転する。即ち、歩行補助装置１０は、遊脚の膝位置が接地脚の足よりも前へ移動したタイミングで膝を補助するためのトルクの向きを反転する。このトルク反転のタイミングは、歩行動作における遊脚膝関節の屈曲から伸展への変化のタイミングによく合致する。
【００３７】
従来、足の離床から着床までの期間でひとつの目標角軌道に追従するように遊脚膝関節にトルクを加えると、ユーザが膝を屈曲から伸展に反転するタイミングと、装置が加えるトルクが反転するタイミングがずれる虞があり、そのずれがユーザに違和感を与える。例えば、図５においてタイミングT０からＴ２までの区間でグラフ５２を目標角軌道とすると、ユーザがタイミングＴｘで膝を伸ばし始めようとするにも関わらず、歩行補助装置はタイミングＴ１までは膝を曲げる方向にトルクを加え続ける。歩行補助装置が加えるトルクがユーザの意図に沿っていないのでそのような歩行補助装置はユーザに違和感を与える。
【００３８】
これに対して本実施例の歩行補助装置は、定められた目標角軌道に追従するように遊脚膝関節の動作を補助することができるとともに、トルク反転のタイミングはユーザの歩行動作からリアルタイムに決定する。そのような制御フローを備えることによって、本実施例の歩行補助装置１０は、違和感を与えることなくユーザの歩行動作を補助することができる。
【００３９】
第１実施例のコントローラの処理は次のとおり表現してよい。コントローラは、一方の足が離床してから接地脚の足に対する相対的な遊脚膝位置が予め定められた位置に到達するまでは膝を曲げる方向のトルクをユーザの遊脚膝関節に加え、予め定められた位置に到達したタイミングから着床までは膝を伸ばす方向のトルクを遊脚膝関節に加えるように脚装具のモータ（アクチュエータ）を制御する。「予め決められた位置に到達したタイミング」は、「遊脚膝関節が接地脚の足より前方へ移動したタイミング」であることが好ましい。
【実施例２】
【００４０】
次に、第２実施例の歩行補助装置を説明する。第２実施例の歩行補助装置は、遊脚が着地するタイミングにおける補助トルクの反転タイミングと、ユーザが意図する膝関節の回転方向の反転タイミングとのずれを低減する。「補助トルク」は、歩行補助装置がユーザの膝関節に加えるトルクを意味する。第２実施例の歩行補助装置の構成は第１実施例と同じであるので説明は省略する。
【００４１】
第２実施例の歩行補助装置が実行する制御のフローチャートを図６に示す。以下、本実施例の歩行補助装置のコントローラが実行する処理を説明する。コントローラは、一歩前の歩行周期における右膝の軌道をコピーして左膝関節の目標角軌道を生成する（Ｓ４０）。図７に目標角軌道６０のグラフを示す。目標角軌道６０は、第１実施例の図４に示したグラフ５２と同じである。従って、図７における符号Ｔ０〜Ｔ５は図４の符号と同じ意味ある。タイミングＴ２は、１周期前の歩行周期において右足が着床したタイミングであると同時に、左脚の予定着床タイミングに相当する。目標角軌道６０は、タイミングＴ２において膝目標角の回転方向が反転する。左足がタイミングＴ２で着床する場合、着床とともに補助トルクの向きが反転する。そのような動作はユーザの自然な歩行動作に合致する。
【００４２】
コントローラは、右膝関節角の軌道を取得するとともに、右股関節角速度の軌道も取得する。図７の下のグラフ６６が、右股関節のピッチ軸回り角速度の実測軌道を示す。図７の下側のグラフは、脚を前方へ振り出す方向を角速度の正方向として規定している。即、図７において股関節の角速度が増大するほど、脚を前方へ振り出す速度が増大する。
【００４３】
コントローラは、グラフ６６を、左膝関節の目標角軌道６０に対応する左股関節の予定角速度として記憶する。図７の符号ｗ１は、予め定められたタイミングＴ１における遊脚股関節角速度を示している。コントローラは、ステップＳ４０において、左膝関節の目標角軌道を生成するとともに、目標角軌道における予め定められたタイミングＴ１における左股関節の予定角速度ｗ１を特定する。ここで、タイミングＴ１は、目標角軌道上で左膝位置が右足よりも前方へ移動するタイミングである。本実施例では、このタイミングＴ１を判断タイミングと言い換える。
【００４４】
コントローラ４０は左足の離床タイミングＴ０から計時を開始して判断タイミングＴ１が到来するまで、ユーザの左膝関節角が生成された目標角軌道６０に追従するようにモータを制御する（Ｓ４２、Ｓ４４、Ｓ４６：ＮＯ）。判断タイミングＴ１に到達したとき、コントローラは脚センサから左股関節の角速度を取得する（Ｓ４８）。そしてコントローラは、左股関節の実測角速度に基づいて目標角軌道を修正する（Ｓ５０）。修正の方法を次に説明する。
【００４５】
図７に示すグラフ６４が左股関節の実測角速度を示す。符号ｗ２は、判断タイミングＴ１における左股関節のピッチ軸回り角速度の実測値を示す。判断タイミングＴ１における実測角速度ｗ２に対する予定角速度ｗ１の比を「ｗ１／ｗ２」で表す。コントローラは、タイミングＴ１における目標角Ｐ３から予定着床タイミングＴ２までの目標角軌道６０を時間軸に沿って角速度比「ｗ１／ｗ２」で伸縮する。なおコントローラは、予定着床タイミングＴ２以降の目標角軌道も、同様に伸縮する。目標角Ｐ３以降のグラフ６２が、伸縮後の新たな目標角軌道を示す。この伸縮によって、元の目標角軌道６０のタイムスパンＴｓ１は、タイムスパンＴｓ２に変更される。ここで、ｗ１／ｗ２＝Ｔｓ２／Ｔｓ１の関係が成立する。また、元の目標角軌道６０における予定着床タイミングＴ２は、タイミングＴｙに変更される。
【００４６】
図６に戻って制御フローの説明を続ける。コントローラは、センサデータを取得し、左膝関節角が伸縮された目標角軌道に追従するようにモータを制御する（Ｓ５２、Ｓ５４）。コントローラは、歩行の一周期が終了するまで伸縮された目標角軌道に基づいて制御を継続する（Ｓ５６：ＮＯ）。歩行の一周期が終了すると、上記の処理が終了する（Ｓ５６：ＹＥＳ）。コントローラは、歩行周期毎に、図６の処理を繰り返す。
【００４７】
第２実施例の歩行補助装置は次の効果を奏する。即ち、判断タイミングＴ１における股関節のピッチ軸回りの実測角速度が予定角速度よりも大きい場合、予定着床タイミングＴ２が早まるように、判断タイミングＴ１から予定着床タイミングＴ２までの目標角軌道が時間軸に沿って圧縮される。逆に判断タイミングＴ１における股関節のピッチ軸回りの実測角速度が予定角速度よりも小さい場合、予定着床タイミングＴ２が遅くなるように、判断タイミングＴ１から予定着床タイミングＴ２までの目標角軌道が伸張される。予定着床タイミングにおいて目標角軌道は極値をとるので、そのタイミングで補助トルクが反転する。また、ユーザの遊脚膝関節の回転方向は、着床タイミングで伸展方向（膝を伸ばす方向から屈曲方向（膝を曲げる方向）へ反転する。
直前の股関節ピッチ軸回りの角速度に基づいて目標角軌道を時間軸に沿って伸縮することによって、伸縮後の予定着床タイミング（図７のタイミングＴｙ）は、実際に着床するタイミングに近くなる。歩行補助装置は予定着床タイミングでトルクを反転する。本実施例の歩行補助装置は、直前の股関節ピッチ軸回りの角速度に基づいて目標角軌道を時間軸に沿って伸縮することによって、膝関節の回転方向が反転する着床タイミングと補助トルクの反転タイミングとのずれを抑制する。
【００４８】
第２実施例のコントローラの処理は次のとおり表現してよい。コントローラは、遊脚の足が着床するタイミングで、着床する脚の膝に加えるトルクを、膝を伸ばす方向から膝を曲げる方向に反転するように脚装具のモータ（アクチュエータ）を制御する。
【００４９】
第２実施例の歩行補助装置は、ユーザの脚に沿って装着され、ユーザの膝関節にトルクを加える脚装具と、コントローラを備える、コントローラは、予定着床タイミングで膝目標角の回転方向が反転する目標角軌道を記憶しているとともに、膝関節角が目標角軌道に追従するように脚装具を制御する。さらにコントローラは、遊脚期間中の予め定められた判断タイミングにおける遊脚股関節の予想角速度を記憶しており、判断タイミングにおける遊脚股関節の実測角速度に対する予想角速度の比率で判断タイミングから予定着床タイミングまでの目標角軌道を時間軸に沿って伸縮する。コントローラは、判断タイミング直後にリアルタイムで目標角軌道を伸縮する。コントローラは、伸縮した目標角軌道に膝関節角が追従するように脚装具の制御を継続する。この歩行補助装置は、実際に着床するタイミングに近いタイミングで膝関節に加えるトルクを反転するので、ユーザに違和感を与えることがない。
【００５０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】歩行補助装置の概略図である。
【図２】第１実施例の制御フローチャート図である。
【図３】膝目標角の定義を説明する図である。
【図４】第１目標角軌道を説明する図である。
【図５】第２目標角軌道を説明する図である。
【図６】第２実施例の制御フローチャート図である。
【図７】目標角軌道の修正を説明する図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０：歩行補助装置
１２Ｒ、１２Ｌ：脚装具
１４Ｒ、１４Ｌ：上部リンク
１６Ｒ、１６Ｌ：下部リンク
１８Ｒ、１８Ｌ：足底リンク
２０：ジョイント
２１：エンコーダ
３０：支持リンク
３２：モータ
４０：コントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの膝関節にトルクを加えてユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であり、
ユーザの脚に沿って装着され、ユーザの膝関節にトルクを加える脚装具と、
膝関節角が目標角軌道に追従するように脚装具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、一方の足が離床してから接地脚の足に対する相対的な遊脚膝位置が予め定められた位置に到達するまでは膝を曲げる方向に漸増する第１目標角軌道に追従するように遊脚の脚装具を制御し、遊脚の膝位置が前記予め定められた位置に到達してから遊脚着床までは膝を伸ばす方向に漸増する第２目標角軌道に追従するように遊脚の脚装具を制御することを特徴とする歩行補助装置。
【請求項２】
コントローラは、遊脚の膝位置が接地脚の足より前方の位置へ移動したタイミングで第１目標軌道から第２目標軌道へ切り替えることを特徴とする請求項１に記載の歩行補助装置。
【請求項３】
コントローラは、一歩前の脚の動作に基づいて第１目標角軌道を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の歩行補助装置。
【請求項４】
ユーザの膝関節にトルクを加えてユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であり、
ユーザの脚に沿って装着され、ユーザの膝関節にトルクを加える脚装具と、
予定着床タイミングで膝目標角の回転方向が反転する目標角軌道を記憶しているとともに、膝関節角が目標角軌道に追従するように脚装具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、遊脚期間中の予め定められた判断タイミングにおける遊脚股関節の予想角速度を記憶しており、前記判断タイミングにおける遊脚股関節の実測角速度に対する予想角速度の比率で前記判断タイミングから予定着床タイミングまでの目標角軌道を時間軸に沿って伸縮することを特徴とする歩行補助装置。
【請求項５】
前記判断タイミングは、遊脚の膝位置が接地脚の足より前方の位置へ移動するタイミングであることを特徴とする請求項４に記載の歩行補助装置。
【請求項１】
ユーザの膝関節にトルクを加えてユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であり、
ユーザの脚に沿って装着され、ユーザの膝関節にトルクを加える脚装具と、
膝関節角が目標角軌道に追従するように脚装具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、一方の足が離床してから接地脚の足に対する相対的な遊脚膝位置が予め定められた位置に到達するまでは膝を曲げる方向に漸増する第１目標角軌道に追従するように遊脚の脚装具を制御し、遊脚の膝位置が前記予め定められた位置に到達してから遊脚着床までは膝を伸ばす方向に漸増する第２目標角軌道に追従するように遊脚の脚装具を制御することを特徴とする歩行補助装置。
【請求項２】
コントローラは、遊脚の膝位置が接地脚の足より前方の位置へ移動したタイミングで第１目標軌道から第２目標軌道へ切り替えることを特徴とする請求項１に記載の歩行補助装置。
【請求項３】
コントローラは、一歩前の脚の動作に基づいて第１目標角軌道を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の歩行補助装置。
【請求項４】
ユーザの膝関節にトルクを加えてユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であり、
ユーザの脚に沿って装着され、ユーザの膝関節にトルクを加える脚装具と、
予定着床タイミングで膝目標角の回転方向が反転する目標角軌道を記憶しているとともに、膝関節角が目標角軌道に追従するように脚装具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、遊脚期間中の予め定められた判断タイミングにおける遊脚股関節の予想角速度を記憶しており、前記判断タイミングにおける遊脚股関節の実測角速度に対する予想角速度の比率で前記判断タイミングから予定着床タイミングまでの目標角軌道を時間軸に沿って伸縮することを特徴とする歩行補助装置。
【請求項５】
前記判断タイミングは、遊脚の膝位置が接地脚の足より前方の位置へ移動するタイミングであることを特徴とする請求項４に記載の歩行補助装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１４８６３８（Ｐ２０１０−１４８６３８Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２９４０４（Ｐ２００８−３２９４０４）
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【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２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【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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