歩行訓練システム
【課題】堅実なフェイルセーフを備えており、ユーザがバランスを崩したときにすばやく停止する歩行訓練システムを提供する。
【解決手段】歩行訓練システム１００は、ユーザの脚に装着され、脚の関節にトルクを加えるアクチュエータを有している脚装具１２と、手摺５０を備える。手摺５０には、ユーザから受ける荷重を検出する荷重センサ５２が配置されている。歩行訓練システム１００は、荷重センサ５２が検出した荷重が閾値を超えた場合に、歩行動作に応じた脚装具の制御を停止する。
【解決手段】歩行訓練システム１００は、ユーザの脚に装着され、脚の関節にトルクを加えるアクチュエータを有している脚装具１２と、手摺５０を備える。手摺５０には、ユーザから受ける荷重を検出する荷重センサ５２が配置されている。歩行訓練システム１００は、荷重センサ５２が検出した荷重が閾値を超えた場合に、歩行動作に応じた脚装具の制御を停止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの脚にトルクを与えて歩行動作を補助する歩行訓練システムに関する。特に、ユーザがバランスを崩したときに、すみやかにアクチュエータの制御を停止することのできる歩行訓練システムに関する。本明細書では、ユーザが自由に動かすことのできる脚を健常脚（ｓｏｕｎｄ ｌｅｇ）と称し、自由に動かすことできない脚を患脚（ａｆｆｅｃｔｅｄ ｌｅｇ）と称する。
【背景技術】
【０００２】
患脚の関節にトルクを与えることによってユーザの歩行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には、健常脚の動きと同じになるように患脚の関節にトルクを与える歩行補助装置が開示されている。ユーザの筋力を補助する装置であってユーザが装着する装置には特にフェイルセーフ機能が重要であり、例えば特許文献２に、使用者が転びそうになる等の危険な姿勢状態であると判断したときにはアクチュエータの制御を停止する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１１６８９３号公報
【特許文献２】特開２００１−２７６１００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２の技術は、ユーザの姿勢から、ユーザが転びそうか否かを判断するが、姿勢からは的確に判断することが難しい。また、ユーザの体に直接に力（トルク）を加える歩行補助装置は、ユーザが転びそうか否かではなく、ユーザが、予定された歩行動作の補助を受けるのに適した状態か否かで判断すべきである。「歩行補助を受けるのに適していないユーザの状態」は、典型的には、ユーザがバランスを崩した状態である。本願発明は、上記課題に鑑みて創作された。本発明の目的は、ユーザがバランスを崩した状態を的確に検知して歩行動作に応じた制御を迅速に停止する歩行訓練システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ユーザは、バランスを崩した場合には何かに捕まろうとする。生活の場でなく、歩行訓練のための環境では、手摺などの補助具が配置される。ユーザは、バランスを崩したときには近傍に配置された補助具（例えば手摺）に自重を預けることが多い。別言すると、補助具に加わるユーザの荷重が大きい場合、ユーザはバランスを崩している可能性が高い。本発明は、上記の知見に基づいて創作された。本発明は、歩行訓練の場では、ユーザが装着する歩行補助装置のほかに補助具を備え得ることに着目する。ユーザが装着する歩行補助装置と協働する補助具を利用することによって、ユーザがバランスを崩したことを的確に検知する。
【０００６】
本発明は、脚装具と補助具を備える歩行訓練システムに具現化することができる。脚装具は、ユーザの脚の関節にトルクを加えるアクチュエータと、アクチュエータを制御するコントローラを有しており、ユーザの脚に装着される。コントローラは、ユーザの歩行動作に応じてアクチュエータを制御する。補助具は、ユーザの近傍に配置され、ユーザが体を預けて自重を支えることができる。補助具は、例えば、手摺、杖、上方から吊り下げられてユーザが掴むことのできる吊具、或いは、上方からユーザを吊り支える懸架具でよい。
【０００７】
補助具には、荷重センサが取り付けられている。荷重センサは、補助具がユーザから受ける荷重を検出する。この歩行訓練システムは、コントローラが、荷重センサが検出した荷重が閾値を超えた場合に、歩行動作に応じた制御を停止することを特徴とする。この歩行訓練システムは、ユーザが体を預けて自重を支えることができる補助具に荷重センサを備え、その荷重センサが検出した荷重が過度のときに歩行動作に応じたアクチュエータの制御を停止する。この歩行訓練システムは、ユーザがバランスを崩したことを補助具の力センサによって検知し、歩行動作に応じた制御を迅速に停止する。
【０００８】
例えば安心感を得るなど、ユーザはバランスを崩していなくとも手摺などに手を掛けることがある。従って、補助具に荷重が加わった場合には常にユーザがバランスを崩している可能性が高いというわけではない。補助具が杖の場合、歩行中にもユーザは杖を突くので杖は荷重を受ける。上記の歩行訓練システムのコントローラは、補助具に加わる荷重が閾値を超えた場合に、歩行動作に応じた制御を停止する。
【０００９】
別言すれば、上記の歩行訓練システムは、いわゆる緊急停止スイッチとして補助具を利用する。なお、補助具は、緊急停止スイッチであるとともに、歩行訓練システムをユーザが意図的に操作するためのヒューマン・マシン・インタフェイスを兼ねてもよい。具体的には、ユーザが補助具に軽く触れた場合、コントローラは、ユーザが直立姿勢で静止できるように歩行訓練システムを制御してもよい。
【００１０】
ユーザがバランスを崩した状態にも様々なレベルが考えられる。そこで歩行補助システムのコントローラは、歩行動作に応じた制御を停止するとともに、ユーザの姿勢から定まる特徴量に応じて異なる停止制御モードを実行することが好ましい。ユーザの姿勢から定まる特徴量には、例えば、鉛直方向に対するユーザの体幹の姿勢角、足の接地状態（接地しているか否かの相違）、或いは、両足間の距離などが挙げられる。
【００１１】
脚装具は例えば、ユーザの上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ジョイントによって揺動可能に連結されている多リンク構造を有している。ジョイントは、脚装具がユーザに装着されたときに膝と同軸に位置する。即ちそのような装具は、ユーザの膝に適切にトルクを加えることによって歩行を補助する。脚装具は、ジョイントの回転を禁止する禁止手段を備えている。禁止手段は、典型的にはブレーキでよい。
【００１２】
脚装具が上記構成を備えている場合の停止制御モードは、例えば次の通りである。脚装具は、ユーザの姿勢を検出するセンサを備えている。「ユーザの姿勢」とは、鉛直方向に対するユーザの体幹の傾斜角や、脚の曲がり具合、足の位置などである。本明細書では、鉛直方向に対する傾斜角を絶対傾斜角と称する場合がある。歩行訓練システムのコントローラは、歩行動作に応じた制御を停止するとともに、ユーザの姿勢から定まる第１特徴量が予め定められた第１範囲内である場合に禁止手段を作動させる第１停止制御モードを実行し、第１特徴量が第１範囲外の場合には禁止手段を解放して下部リンクを揺動自在とする第２停止制御モードを実行する。第１特徴量は、例えばユーザの体幹の傾斜角でよい。ユーザの傾斜角が第１範囲内の場合は、バランスを少し崩した場合に相当する。そのような場合には、禁止手段を作動させてジョイントをロックし、脚によるバランスの立て直しを図り易くする。他方、ユーザの傾斜角が第１範囲外の場合は、バランスを大きく崩している場合に相当する。そのような場合には、禁止手段を解放してジョイント揺動自在とし、ユーザの下肢の自由な揺動を妨げないようにする。一例を示すと、コントローラは、ユーザの体幹の姿勢角が鉛直方向に対して閾値角度以内（第１範囲内）の場合にブレーキを作動させる第１停止制御モードを実行し、体幹の姿勢角が閾値角度を超える場合（第１範囲外）の場合にブレーキを解放する第２停止制御モードを実行する。閾値角度は例えば３０度に規定される。
【００１３】
脚装具はさらに、下部リンクの回転に減衰を付与するダンパを備えていることが好ましい。このとき、上記した第２停止制御モードはさらに２つのサブモード（第３停止制御モードと第４停止制御モード）に分けられる。即ちコントローラは、第１特徴量が第１範囲外の場合、ユーザの姿勢から定まる第２特徴量が第２範囲内の場合には禁止手段を解放するとともにダンパを作動させる第３停止制御モードを実行し、第２特徴量が第２範囲外の場合には禁止手段を解放するとともにダンパを解放する第４停止制御モードを実行することが好ましい。第２特徴量とは、例えばユーザの両足間の距離でよい。前述したように、脚の姿勢（即ち、脚の各関節の角度）からそれぞれの足の位置が求まるので、両足間の距離も、ユーザの姿勢から定まる。ダンパを作動させることでユーザの下肢を緩やかに曲げることができる。他方、ダンパを解放すると、ユーザの下肢を速やかに曲げることができる。具体的な一例を示すと、コントローラは、ユーザの体幹の姿勢角が鉛直方向に対して閾値角度を超える場合（第１範囲外の場合）、さらに両足間の距離（第２特徴量）が閾値距離以上の場合、即ち、第２特徴量が第２範囲内の場合、ブレーキを解放するとともにダンパを作動させる第３停止制御モードを実行する。他方、両足間の距離が閾値距離を下回る場合、即ち、第２特徴量が第２範囲外の場合、コントローラは、ブレーキを解放するとともにダンパも解放する第４停止制御モードを実行する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の歩行訓練システムは、堅実なフェイルセーフを備えており、ユーザがバランスを崩したことを検知して歩行動作に応じた制御を迅速に停止する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施例の歩行訓練システムの概要図である。
【図２】脚装具の概要図である。
【図３】第１実施例のコントローラが実行する停止制御モードの一覧を示す。
【図４】第２実施例の歩行訓練システムの概要図である。
【図５】第２実施例のコントローラが実行する停止制御モードの一覧を示す。
【図６】第３実施例の歩行訓練システムの概要図である。
【図７】第４実施例の歩行訓練システムの概要図である。
【図８】第５実施例の歩行訓練システムの概要図である。
【実施例】
【００１６】
（第１実施例）図面を参照して第１実施例の歩行訓練システム１００を説明する。歩行訓練システム１００は、ユーザの歩行動作を補助する。図１は、歩行訓練システム１００の概略図である。歩行訓練システム１００は、ユーザが装着する脚装具１２と、手摺５０を備える。手摺５０は、バランスを崩したときにユーザが体を預けて自重を支えることができる補助具の一種である。なお、後述するように、手摺５０は、歩行訓練システム１００のヒューマン・マシンインタフェイスとしても機能する。例えば、ユーザが手摺５０に軽く触れると、歩行訓練システム１００は、ユーザが直立姿勢を保てる状態に脚装具１２を制御して停止する。図１は、脚装具１２の概略のみを示している。図２に、脚装具１２の構造を示す。図２（Ａ）は正面図を示し、図２（Ｂ）は側面図を示す。本実施例では、脚装具１２は、ユーザの左膝関節に適切なトルクを加えることができる。
【００１７】
まず、図２を参照して、脚装具１２を説明する。脚装具１２は、右脚装具１２Ｒと左脚装具１２Ｌが支持リンク３０によって連結されている構造を有する。左脚装具１２Ｌは、ユーザの大腿部から下腿部に沿って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。右脚装具１２Ｒも、左脚装具１２Ｌと同様に、上部リンク１４Ｒ、下部リンク１６Ｒ、及び足底リンク１８Ｒを有する多リンク機構である。左右の脚装具１２Ｒ、１２Ｌは、支持リンク３０によって連結されている。支持リンク３０は、ユーザの背中側に配置され、右脚装具１２Ｒの上端と左脚装具１２Ｌの上端を連結している。
【００１８】
左脚装具１２Ｌについて詳しく説明する。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。
【００１９】
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、左膝装具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。
【００２０】
足底リンク１８Ｌの足底面には、複数の接地センサ２２ａ、２２ｂが取り付けられている。図２（Ｂ）に示すように、複数の接地センサは、足底リンク１８Ｌの前方と後方に離間して取り付けられている。接地センサ２２ａは、足底リンク１８Ｌの前方に取り付けられており、接地センサ２２ｂは、足底リンク１８Ｌの後方に取り付けられている。前方の接地センサ２２ａは、ユーザの拇指球に相当する位置に取り付けられており、後方の接地センサ２２ｂはユーザの踵に相当する位置に取り付けられている。夫々の接地センサは、足底リンク１８Ｌと歩行面との接地を検知する。
【００２１】
膝ジョイント２０ｂＬには、モータ３２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。モータ３２は、ブレーキ３３とダンパ３４を内蔵している。ブレーキ３３を作動させると、上部リンク１２Ｌと下部リンク１６Ｌは、それらの相対位置が固定される。即ち、膝ジョイント２０ｂＬがロックされる。ダンパ３４は、下部リンク１６Ｌの回転に減衰を付与する。ダンパ３４は、常に作動しているのではなく、コントローラ４０からの指令によって作動する。
【００２２】
右脚リンク１２Ｒは、モータ３２（ブレーキ３３、ダンパ３４）を除いて、左脚リンク１２Ｌと同じ構造を有している。
【００２３】
支持リンク３０にはコントローラ４０が取り付けられている。コントローラ４０の内部には、傾斜センサ２７が備えられている。傾斜センサ２７は、鉛直方向に対する支持リンク３０の傾斜角（絶対傾斜角）を検出する。なお、支持リンク３０の絶対傾斜角は、ユーザ体幹の絶対傾斜角に相当する。
【００２４】
コントローラ４０は、傾斜角センサ２７、エンコーダ２１、及び接地センサ２２の出力に基づいて、モータ３２を制御する。具体的には、コントローラ４０は、予め記憶している歩行パターンを、ユーザの歩幅、歩行速度、及び、歩行面のスロープ角に応じて修正し、ユーザの左脚が修正された歩行パターンに追従するようにユーザの膝関節にトルクを加える。歩行訓練システムが有する歩行パターンとその修正については、既に出願されている特許出願（特願２００８−２３５４６３、２００８年９月１２日出願）に詳しく開示されているのでここでは説明を省略する。歩行訓練システム１００は、歩行パターンを用いてユーザの歩行動作に応じて膝関節にトルクを加えるようにモータ３２を制御する。
【００２５】
図１に戻って、手摺５０を説明する。手摺５０の表面に、シート状のタッチセンサ５４が貼られている。手摺５０の支柱には、力センサ５２が取り付けられている。タッチセンサ５４と力センサ５２の信号は、脚装具１２が備えるコントローラ４０に送られる。図示を省略しているが、手摺５０には、タッチセンサ５４等の信号をコントローラ４０へ送る無線装置が備えられている。
【００２６】
タッチセンサ５４と力センサ５２の信号に基づくコントローラ４０の処理を説明する。脚装具１２は、歩行時に膝関節角が描く軌道にユーザの膝関節が追従するように、モータ３２を駆動する。このときの制御が歩行動作に応じた制御に相当する。以下では、説明を解り易くするために「歩行動作に応じた制御」を「歩行補助制御」と換言することがある。ユーザが手摺５０に触れると、タッチセンサ５４が作動するとともに、力センサ５２が手摺５０に加わる荷重を検出する。コントローラ４０は、力センサ５２が検出する荷重が荷重閾値を超えない場合は、力センサ５２の出力を無視する。ここで荷重閾値は、例えばユーザの自重の半分に設定される。
【００２７】
タッチセンサは、歩行訓練システム１００のヒューマン・マシンインタフェイスとして機能する。即ち、ユーザは静止したい場合に手摺５０に軽く触れる。歩行補助制御中にタッチセンサ５４が作動すると、コントローラ４０は、歩行補助制御を停止する。このときは、コントローラ４０は、上部リンク１４Ｌと下部リンク１６Ｌが一直線となる角度にモータ３２を制御する。そのような制御によって、ユーザは直立姿勢を保持できる。力センサ５２が検出する荷重が荷重閾値以下であり、かつ、タッチセンサ５４が作動したときは、ユーザはバランスを崩していない可能性が高いので、そのような場合には、コントローラ４０は、ユーザが直立姿勢を保持できる膝角度にモータ３２を制御した後にブレーキ３３を作動させて歩行補助制御を停止する。
【００２８】
他方、力センサ５２は、歩行訓練システム１００の緊急停止スイッチとして機能する。力センサ５２が検出する荷重が荷重閾値を超えた場合、ユーザはバランスを崩して手摺にもたれている可能性が高い。コントローラ４０は、力センサ５２が検出する荷重が荷重閾値を超えたタイミングを、ユーザがバランスを崩しているタイミングとして検知する。このタイミングを検知するとコントローラ４０は、歩行補助制御を停止するとともに、荷重閾値を超えたときのユーザの姿勢に応じて異なる停止制御モードを実行する。ここで、コントローラ４０が考慮する「ユーザの姿勢」は、ユーザ体幹の絶対傾斜角と両足間の距離である。ユーザ体幹の絶対傾斜角は、「ユーザの姿勢」を表す特徴量の一つである。両足間の距離は、ユーザの脚の姿勢によって定まるので、本明細書では、両足間の距離も「ユーザの姿勢」を表す特徴量の一つとして捉える。具体的には、コントローラ４０は、荷重閾値を超えたときのユーザ体幹の絶対傾斜角と両足間の距離に応じて異なる停止制御モードを実行する。コントローラ４０は、傾斜センサ２７からユーザ体幹の絶対傾斜角を得る。またコントローラ４０は、エンコーダ２０によって計測される角関節角から、両足間の距離を得る。多リンク機構の各関節角から先端（足）の位置への変換は、ロボットの運動学として良く知られているので説明は省略する。また以下では簡単のため、絶対傾斜角を単に傾斜角と称する場合がある。
【００２９】
図３に、ユーザの姿勢に応じた停止制御モードの一覧を示す。図３に示した停止制御モードについて説明する。「フリー（ダンパなし）」とは、コントローラ４０が、ブレーキ３３を解除するとともに、ダンパ３４を停止（解放）する制御を意味する。この場合、下部リンク１６Ｌは自在に揺動することができる。「フリー（ダンパあり）」とは、コントローラ４０が、ブレーキ３３を解除するとともに、ダンパ３４を作動させる制御を意味する。この場合、下部リンク１６Ｌは、外力が加わると回転することができるとともに、その回転に減衰が付与される。「ロック」とは、コントローラ４０がブレーキ３３を作動させる制御を意味する。この場合、膝ジョイント２０ｂＬがロックされ、下部リンク１６Ｌの揺動が禁止される。なお、コントローラ４０は、いずれかの停止制御モードを開始するとともに、モータ３２を停止する。上記のいくつかの「停止制御モード」は総じて言えば、脚装具のジョイントを能動的に駆動することなく、ジョイントに付加したブレーキとダンパを作動或いは解除（停止）する制御と表現できる。以下では、「ロック」に相当する制御モードを「第１停止制御モード」と称し、「フリー（ダンパあり）」に相当する制御モードを「第３停止制御モード」と称し、「フリー（ダンパなし）」に相当する制御モードを「第４停止制御モード」と称する場合がある。また、第３停止制御モードと第４停止制御モードは共に、ブレーキ３３を解放する制御であることから、これらを「第２停止制御モード」と総称することがある。
【００３０】
図３に示すように、コントローラ４０は、ユーザの体幹の傾斜角Ａが３０度を超える場合は、歩行補助制御を停止するとともに第４停止制御モードを実行する。傾斜角Ａが３０度を超えている場合は、ユーザが大きくバランスを崩している場合に相当する。この場合は、ユーザが姿勢を回復できる可能性が小さいので、ブレーキ３３を解放するとともにダンパ３４を解放して下部リンク１６Ｌを揺動可能にする。そのように制御することによって、ユーザの左膝に過度のトルクが加わることを防止する。
【００３１】
傾斜角Ａが３０度以下の場合は、ユーザが僅かにバランスを崩している状態に相当する。この場合、コントローラ４０は、接地脚の種類と足間距離Ｗに応じて異なる停止制御モードを選択する。両脚が接地しており、足間距離Ｗが３０ｃｍ以下の場合、コントローラ４０は、第３停止制御モードを実行する。即ち、コントローラ４０は、ブレーキ３３を解除するとともにダンパ３４を作動させる。両脚が接地しており、足間距離Ｗが３０ｃｍを超えている場合、コントローラ４０は、第１停止制御モードを実行する。即ち、コントローラ４０は、ブレーキ３３を作動させる。患脚が遊脚状態であり、足間距離Ｗが３０ｃｍ以下の場合、コントローラ４０は、第４停止制御モードを実行する。即ち、コントローラ４０は、ブレーキ３３を解除するとともに、ダンパ３４を解放（停止）する。患脚が遊脚状態であり、足間距離Ｗが３０ｃｍを超えている場合、コントローラ４０は、第３停止制御モードを実行する。即ち、コントローラ４０は、ブレーキ３３を解除するとともに、ダンパ３４を作動させる。健常脚が遊脚状態であり、足間距離Ｗが３０ｃｍ以下の場合、コントローラ４０は、第１停止制御モードを実行する。健常脚が遊脚状態であり、足間距離Ｗが３０ｃｍを超えている場合、コントローラ４０は、第３停止制御モードを実行する。
【００３２】
上記の停止制御モード選択ルールには、次の利点がある。傾斜角Ａが大きい場合は、ユーザがバランスを大きく崩している可能性が非常に高い。そのような場合は、ユーザが自力でバランスを回復するのは困難であるから、下部リンクを揺動自在にすることによって、ユーザの膝関節に負荷を与えないようにする。傾斜角Ａが小さく、患脚のみで接地している場合（即ち、健常脚が遊脚の場合）は、両足間距離Ｗに応じて停止制御モードを選択する。両足間距離Ｗが小さい場合は、ブレーキ３３を作動させる。患脚のみで接地しており、両足間距離Ｗが小さい場合は、ブレーキ３３を作動させることによって、手摺等で自重を支えるために腕に衝撃が加わることを防止する。
【００３３】
以上のように、コントローラ４０は、歩行補助制御を停止するとともに、ユーザの姿勢を表す特徴量に応じて異なる停止制御モードを実行する。この歩行訓練システムは、補助具の力センサによってユーザがバランスを崩したことを検知するとともに、そのときのユーザの姿勢に応じて適切に歩行補助制御を停止する。
【００３４】
上記実施例のコントローラ４０は、ユーザの姿勢から定まる特徴量に応じて異なる停止制御モードを実行する。より具体的に表現すると、コントローラ４０は、ユーザの姿勢から定まる傾斜角、夫々の足が浮いているか否かの区別、及び、両足間の距離、に応じて、ブレーキ３３とダンパ３４の作動／解放の組み合わせで規定される複数の停止制御モードの中から適切な停止制御モードを選択して実行する。
【００３５】
歩行訓練システムが備えるべき補助具には、第１実施例の手摺５０以外にも様々な態様が考えられる。以下、補助具の好ましい形態について説明する。以下の実施例では、脚装具は第１実施例と同じでよいので、補助具についてのみ説明する。なお、第２実施例では、停止制御モードの他の選択ルールも例示する。
【００３６】
（第２実施例） 図４は、第２実施例の歩行訓練システム２００の概要図である。この歩行訓練システム２００は、ユーザの自重を支える補助具として、杖６０を備える。杖６０には、ユーザが掴む把持部にスイッチ６４が配置されている。また、杖の支柱に力センサ６２が配置されている。ユーザは、スイッチ６４を介して、歩行訓練システムを操作することができる。この歩行訓練装置２００は、杖６０に内蔵された力センサ６２が検出する荷重がユーザの自重の半分を超えると、この歩行訓練システム２００は、歩行補助制御を停止するとともに、荷重閾値を超えたときのユーザ体幹の絶対傾斜角と両足間の距離に応じて異なる停止制御モードを実行する。
【００３７】
図５に、第２実施例の歩行補助システム２００が実行する停止制御モードの一覧を示す。歩行補助システム２００のコントローラ４０は、ユーザの体幹の傾斜角Ａが３０度以下の場合は第１停止制御モードを実行する。即ち、コントローラ４０は、ブレーキ３３を作動させる。他方、ユーザの体幹の傾斜角Ａが３０度を超える場合、コントローラ４０は、第２停止制御モードを実行する。即ち、コントローラ４０は、ブレーキ３３を解放する。
「３０度以下」を第１範囲と別言すると、コントローラ４０は、傾斜角Ａが第１範囲以内の場合は第１停止制御モードを実行し、傾斜角Ａが第１範囲外の場合は第２停止制御モードを実行する。
【００３８】
第１実施例と同様に、ブレーキ３３を解放する第２停止制御モードは、ダンパを作動させる第３停止制御モードとダンパを解放する第４停止制御モードに分かれる。コントローラ４０は、両足間の距離Ｗが３０ｃｍ以上の場合は第３停止制御モードを実行し、距離Ｗが３０ｃｍ未満の場合は第４停止制御モードを実行する。「３０ｃｍ以上」を第２範囲と別言すると、コントローラ４０は、両足間距離Ｗが第２範囲内の場合は第３停止制御モードを実行し、両足間距離Ｗが第２範囲外の場合は第４停止制御モードを実行する。
【００３９】
（第３実施例） 図６は、第３実施例の歩行訓練システム３００の概要図である。この歩行訓練システム３００は、ユーザの自重を支える補助具として、クレーン７０を備える。クレーン７０は、クレーンレール７６と、クレーンレール７６に沿って移動する吊具７４を備える。吊具７４は、ユーザがバランスを崩したときに自重を支えるための道具である。吊具７４には力センサ７２が配置されている。この歩行訓練装置３００は、力センサ７２が検出する荷重がユーザの自重の半分を超えると、第１実施例或いは第２実施例の歩行訓練システムと同様のルールで、歩行補助制御を停止するとともにユーザの姿勢に対応した停止制御モードを実行する。
【００４０】
（第４実施例） 図７は、第４実施例の歩行訓練システム４００の概要図である。この歩行訓練システム４００は、ユーザの自重を支える補助具として、クレーン８０を備える。クレーン８０は、クレーンレール８６と、クレーンレール８６に沿って移動する懸架具８４を備える。懸架具８４の下端には、ハーネス８８が取り付けてある。ユーザは、脚装具１２を装着するとともに、背中にハーネス８８を装着する。ユーザがバランスを崩したとき、ハーネス８８と懸架具８４がユーザを支える。ユーザは、バランスを崩したときでも、クレーン８０によって転倒を免れる。懸架具８４には力センサ８２が配置されている。この歩行訓練装置４００は、力センサ８２が検出する荷重がユーザの自重の半分を超えると、第１実施例或いは第２実施例の歩行訓練システムと同様のルールで歩行補助制御を停止するとともにユーザの姿勢に対応した停止制御モードを実行する。
【００４１】
（第５実施例） 図８は、第５実施例の歩行訓練システム５００の概要図である。この歩行訓練システム５００は、自走式クレーン９０を備える。自走式クレーン９０は、ユーザとともに移動する。自走式クレーン９０の先端に、吊具９４が取り付けられている。吊具９４は、ユーザがバランスを崩したときに自重を支えるための道具である。吊具９４には力センサ９２が配置されている。この歩行訓練装置５００は、力センサ９２が検出する荷重がユーザの自重の半分を超えると、第１実施例或いは第２実施例の歩行訓練システムと同様のルールで、歩行補助制御を停止するとともにユーザの姿勢に対応した停止制御モードを実行する。
【００４２】
実施例の歩行訓練システムの変形例を説明する。実施例の脚装具１２は、ユーザの片膝にトルクを加えるモータを備える。脚装具は、膝以外の脚関節にトルクを加えるアクチュエータを備えていてもよい。また、脚装具は、ユーザの両脚の関節にトルクを加えて歩行動作を補助するものであってもよい。
【００４３】
脚装具１２は、ダンパ３４を備える代わりに、ダンパモードにおいて、モータの角度ゲインを低下させるものであってもよい。角度ゲインを下げることによっても、ダンパと同様の効果を得ることができる。
【００４４】
歩行訓練システムは、手摺等の補助具に加わる荷重を検出するためのセンサとして、力センサに代えて歪みゲージを採用してもよい。
【００４５】
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】
【００４６】
１２、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
２２：接地センサ
２７：傾斜センサ
３０：支持リンク
３２：モータ
３３：ブレーキ
３４：ダンパ
４０：コントローラ
５０：手摺（補助具）
５２：力センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの脚にトルクを与えて歩行動作を補助する歩行訓練システムに関する。特に、ユーザがバランスを崩したときに、すみやかにアクチュエータの制御を停止することのできる歩行訓練システムに関する。本明細書では、ユーザが自由に動かすことのできる脚を健常脚（ｓｏｕｎｄ ｌｅｇ）と称し、自由に動かすことできない脚を患脚（ａｆｆｅｃｔｅｄ ｌｅｇ）と称する。
【背景技術】
【０００２】
患脚の関節にトルクを与えることによってユーザの歩行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には、健常脚の動きと同じになるように患脚の関節にトルクを与える歩行補助装置が開示されている。ユーザの筋力を補助する装置であってユーザが装着する装置には特にフェイルセーフ機能が重要であり、例えば特許文献２に、使用者が転びそうになる等の危険な姿勢状態であると判断したときにはアクチュエータの制御を停止する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１１６８９３号公報
【特許文献２】特開２００１−２７６１００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２の技術は、ユーザの姿勢から、ユーザが転びそうか否かを判断するが、姿勢からは的確に判断することが難しい。また、ユーザの体に直接に力（トルク）を加える歩行補助装置は、ユーザが転びそうか否かではなく、ユーザが、予定された歩行動作の補助を受けるのに適した状態か否かで判断すべきである。「歩行補助を受けるのに適していないユーザの状態」は、典型的には、ユーザがバランスを崩した状態である。本願発明は、上記課題に鑑みて創作された。本発明の目的は、ユーザがバランスを崩した状態を的確に検知して歩行動作に応じた制御を迅速に停止する歩行訓練システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ユーザは、バランスを崩した場合には何かに捕まろうとする。生活の場でなく、歩行訓練のための環境では、手摺などの補助具が配置される。ユーザは、バランスを崩したときには近傍に配置された補助具（例えば手摺）に自重を預けることが多い。別言すると、補助具に加わるユーザの荷重が大きい場合、ユーザはバランスを崩している可能性が高い。本発明は、上記の知見に基づいて創作された。本発明は、歩行訓練の場では、ユーザが装着する歩行補助装置のほかに補助具を備え得ることに着目する。ユーザが装着する歩行補助装置と協働する補助具を利用することによって、ユーザがバランスを崩したことを的確に検知する。
【０００６】
本発明は、脚装具と補助具を備える歩行訓練システムに具現化することができる。脚装具は、ユーザの脚の関節にトルクを加えるアクチュエータと、アクチュエータを制御するコントローラを有しており、ユーザの脚に装着される。コントローラは、ユーザの歩行動作に応じてアクチュエータを制御する。補助具は、ユーザの近傍に配置され、ユーザが体を預けて自重を支えることができる。補助具は、例えば、手摺、杖、上方から吊り下げられてユーザが掴むことのできる吊具、或いは、上方からユーザを吊り支える懸架具でよい。
【０００７】
補助具には、荷重センサが取り付けられている。荷重センサは、補助具がユーザから受ける荷重を検出する。この歩行訓練システムは、コントローラが、荷重センサが検出した荷重が閾値を超えた場合に、歩行動作に応じた制御を停止することを特徴とする。この歩行訓練システムは、ユーザが体を預けて自重を支えることができる補助具に荷重センサを備え、その荷重センサが検出した荷重が過度のときに歩行動作に応じたアクチュエータの制御を停止する。この歩行訓練システムは、ユーザがバランスを崩したことを補助具の力センサによって検知し、歩行動作に応じた制御を迅速に停止する。
【０００８】
例えば安心感を得るなど、ユーザはバランスを崩していなくとも手摺などに手を掛けることがある。従って、補助具に荷重が加わった場合には常にユーザがバランスを崩している可能性が高いというわけではない。補助具が杖の場合、歩行中にもユーザは杖を突くので杖は荷重を受ける。上記の歩行訓練システムのコントローラは、補助具に加わる荷重が閾値を超えた場合に、歩行動作に応じた制御を停止する。
【０００９】
別言すれば、上記の歩行訓練システムは、いわゆる緊急停止スイッチとして補助具を利用する。なお、補助具は、緊急停止スイッチであるとともに、歩行訓練システムをユーザが意図的に操作するためのヒューマン・マシン・インタフェイスを兼ねてもよい。具体的には、ユーザが補助具に軽く触れた場合、コントローラは、ユーザが直立姿勢で静止できるように歩行訓練システムを制御してもよい。
【００１０】
ユーザがバランスを崩した状態にも様々なレベルが考えられる。そこで歩行補助システムのコントローラは、歩行動作に応じた制御を停止するとともに、ユーザの姿勢から定まる特徴量に応じて異なる停止制御モードを実行することが好ましい。ユーザの姿勢から定まる特徴量には、例えば、鉛直方向に対するユーザの体幹の姿勢角、足の接地状態（接地しているか否かの相違）、或いは、両足間の距離などが挙げられる。
【００１１】
脚装具は例えば、ユーザの上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ジョイントによって揺動可能に連結されている多リンク構造を有している。ジョイントは、脚装具がユーザに装着されたときに膝と同軸に位置する。即ちそのような装具は、ユーザの膝に適切にトルクを加えることによって歩行を補助する。脚装具は、ジョイントの回転を禁止する禁止手段を備えている。禁止手段は、典型的にはブレーキでよい。
【００１２】
脚装具が上記構成を備えている場合の停止制御モードは、例えば次の通りである。脚装具は、ユーザの姿勢を検出するセンサを備えている。「ユーザの姿勢」とは、鉛直方向に対するユーザの体幹の傾斜角や、脚の曲がり具合、足の位置などである。本明細書では、鉛直方向に対する傾斜角を絶対傾斜角と称する場合がある。歩行訓練システムのコントローラは、歩行動作に応じた制御を停止するとともに、ユーザの姿勢から定まる第１特徴量が予め定められた第１範囲内である場合に禁止手段を作動させる第１停止制御モードを実行し、第１特徴量が第１範囲外の場合には禁止手段を解放して下部リンクを揺動自在とする第２停止制御モードを実行する。第１特徴量は、例えばユーザの体幹の傾斜角でよい。ユーザの傾斜角が第１範囲内の場合は、バランスを少し崩した場合に相当する。そのような場合には、禁止手段を作動させてジョイントをロックし、脚によるバランスの立て直しを図り易くする。他方、ユーザの傾斜角が第１範囲外の場合は、バランスを大きく崩している場合に相当する。そのような場合には、禁止手段を解放してジョイント揺動自在とし、ユーザの下肢の自由な揺動を妨げないようにする。一例を示すと、コントローラは、ユーザの体幹の姿勢角が鉛直方向に対して閾値角度以内（第１範囲内）の場合にブレーキを作動させる第１停止制御モードを実行し、体幹の姿勢角が閾値角度を超える場合（第１範囲外）の場合にブレーキを解放する第２停止制御モードを実行する。閾値角度は例えば３０度に規定される。
【００１３】
脚装具はさらに、下部リンクの回転に減衰を付与するダンパを備えていることが好ましい。このとき、上記した第２停止制御モードはさらに２つのサブモード（第３停止制御モードと第４停止制御モード）に分けられる。即ちコントローラは、第１特徴量が第１範囲外の場合、ユーザの姿勢から定まる第２特徴量が第２範囲内の場合には禁止手段を解放するとともにダンパを作動させる第３停止制御モードを実行し、第２特徴量が第２範囲外の場合には禁止手段を解放するとともにダンパを解放する第４停止制御モードを実行することが好ましい。第２特徴量とは、例えばユーザの両足間の距離でよい。前述したように、脚の姿勢（即ち、脚の各関節の角度）からそれぞれの足の位置が求まるので、両足間の距離も、ユーザの姿勢から定まる。ダンパを作動させることでユーザの下肢を緩やかに曲げることができる。他方、ダンパを解放すると、ユーザの下肢を速やかに曲げることができる。具体的な一例を示すと、コントローラは、ユーザの体幹の姿勢角が鉛直方向に対して閾値角度を超える場合（第１範囲外の場合）、さらに両足間の距離（第２特徴量）が閾値距離以上の場合、即ち、第２特徴量が第２範囲内の場合、ブレーキを解放するとともにダンパを作動させる第３停止制御モードを実行する。他方、両足間の距離が閾値距離を下回る場合、即ち、第２特徴量が第２範囲外の場合、コントローラは、ブレーキを解放するとともにダンパも解放する第４停止制御モードを実行する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の歩行訓練システムは、堅実なフェイルセーフを備えており、ユーザがバランスを崩したことを検知して歩行動作に応じた制御を迅速に停止する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施例の歩行訓練システムの概要図である。
【図２】脚装具の概要図である。
【図３】第１実施例のコントローラが実行する停止制御モードの一覧を示す。
【図４】第２実施例の歩行訓練システムの概要図である。
【図５】第２実施例のコントローラが実行する停止制御モードの一覧を示す。
【図６】第３実施例の歩行訓練システムの概要図である。
【図７】第４実施例の歩行訓練システムの概要図である。
【図８】第５実施例の歩行訓練システムの概要図である。
【実施例】
【００１６】
（第１実施例）図面を参照して第１実施例の歩行訓練システム１００を説明する。歩行訓練システム１００は、ユーザの歩行動作を補助する。図１は、歩行訓練システム１００の概略図である。歩行訓練システム１００は、ユーザが装着する脚装具１２と、手摺５０を備える。手摺５０は、バランスを崩したときにユーザが体を預けて自重を支えることができる補助具の一種である。なお、後述するように、手摺５０は、歩行訓練システム１００のヒューマン・マシンインタフェイスとしても機能する。例えば、ユーザが手摺５０に軽く触れると、歩行訓練システム１００は、ユーザが直立姿勢を保てる状態に脚装具１２を制御して停止する。図１は、脚装具１２の概略のみを示している。図２に、脚装具１２の構造を示す。図２（Ａ）は正面図を示し、図２（Ｂ）は側面図を示す。本実施例では、脚装具１２は、ユーザの左膝関節に適切なトルクを加えることができる。
【００１７】
まず、図２を参照して、脚装具１２を説明する。脚装具１２は、右脚装具１２Ｒと左脚装具１２Ｌが支持リンク３０によって連結されている構造を有する。左脚装具１２Ｌは、ユーザの大腿部から下腿部に沿って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。右脚装具１２Ｒも、左脚装具１２Ｌと同様に、上部リンク１４Ｒ、下部リンク１６Ｒ、及び足底リンク１８Ｒを有する多リンク機構である。左右の脚装具１２Ｒ、１２Ｌは、支持リンク３０によって連結されている。支持リンク３０は、ユーザの背中側に配置され、右脚装具１２Ｒの上端と左脚装具１２Ｌの上端を連結している。
【００１８】
左脚装具１２Ｌについて詳しく説明する。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。
【００１９】
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、左膝装具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。
【００２０】
足底リンク１８Ｌの足底面には、複数の接地センサ２２ａ、２２ｂが取り付けられている。図２（Ｂ）に示すように、複数の接地センサは、足底リンク１８Ｌの前方と後方に離間して取り付けられている。接地センサ２２ａは、足底リンク１８Ｌの前方に取り付けられており、接地センサ２２ｂは、足底リンク１８Ｌの後方に取り付けられている。前方の接地センサ２２ａは、ユーザの拇指球に相当する位置に取り付けられており、後方の接地センサ２２ｂはユーザの踵に相当する位置に取り付けられている。夫々の接地センサは、足底リンク１８Ｌと歩行面との接地を検知する。
【００２１】
膝ジョイント２０ｂＬには、モータ３２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。モータ３２は、ブレーキ３３とダンパ３４を内蔵している。ブレーキ３３を作動させると、上部リンク１２Ｌと下部リンク１６Ｌは、それらの相対位置が固定される。即ち、膝ジョイント２０ｂＬがロックされる。ダンパ３４は、下部リンク１６Ｌの回転に減衰を付与する。ダンパ３４は、常に作動しているのではなく、コントローラ４０からの指令によって作動する。
【００２２】
右脚リンク１２Ｒは、モータ３２（ブレーキ３３、ダンパ３４）を除いて、左脚リンク１２Ｌと同じ構造を有している。
【００２３】
支持リンク３０にはコントローラ４０が取り付けられている。コントローラ４０の内部には、傾斜センサ２７が備えられている。傾斜センサ２７は、鉛直方向に対する支持リンク３０の傾斜角（絶対傾斜角）を検出する。なお、支持リンク３０の絶対傾斜角は、ユーザ体幹の絶対傾斜角に相当する。
【００２４】
コントローラ４０は、傾斜角センサ２７、エンコーダ２１、及び接地センサ２２の出力に基づいて、モータ３２を制御する。具体的には、コントローラ４０は、予め記憶している歩行パターンを、ユーザの歩幅、歩行速度、及び、歩行面のスロープ角に応じて修正し、ユーザの左脚が修正された歩行パターンに追従するようにユーザの膝関節にトルクを加える。歩行訓練システムが有する歩行パターンとその修正については、既に出願されている特許出願（特願２００８−２３５４６３、２００８年９月１２日出願）に詳しく開示されているのでここでは説明を省略する。歩行訓練システム１００は、歩行パターンを用いてユーザの歩行動作に応じて膝関節にトルクを加えるようにモータ３２を制御する。
【００２５】
図１に戻って、手摺５０を説明する。手摺５０の表面に、シート状のタッチセンサ５４が貼られている。手摺５０の支柱には、力センサ５２が取り付けられている。タッチセンサ５４と力センサ５２の信号は、脚装具１２が備えるコントローラ４０に送られる。図示を省略しているが、手摺５０には、タッチセンサ５４等の信号をコントローラ４０へ送る無線装置が備えられている。
【００２６】
タッチセンサ５４と力センサ５２の信号に基づくコントローラ４０の処理を説明する。脚装具１２は、歩行時に膝関節角が描く軌道にユーザの膝関節が追従するように、モータ３２を駆動する。このときの制御が歩行動作に応じた制御に相当する。以下では、説明を解り易くするために「歩行動作に応じた制御」を「歩行補助制御」と換言することがある。ユーザが手摺５０に触れると、タッチセンサ５４が作動するとともに、力センサ５２が手摺５０に加わる荷重を検出する。コントローラ４０は、力センサ５２が検出する荷重が荷重閾値を超えない場合は、力センサ５２の出力を無視する。ここで荷重閾値は、例えばユーザの自重の半分に設定される。
【００２７】
タッチセンサは、歩行訓練システム１００のヒューマン・マシンインタフェイスとして機能する。即ち、ユーザは静止したい場合に手摺５０に軽く触れる。歩行補助制御中にタッチセンサ５４が作動すると、コントローラ４０は、歩行補助制御を停止する。このときは、コントローラ４０は、上部リンク１４Ｌと下部リンク１６Ｌが一直線となる角度にモータ３２を制御する。そのような制御によって、ユーザは直立姿勢を保持できる。力センサ５２が検出する荷重が荷重閾値以下であり、かつ、タッチセンサ５４が作動したときは、ユーザはバランスを崩していない可能性が高いので、そのような場合には、コントローラ４０は、ユーザが直立姿勢を保持できる膝角度にモータ３２を制御した後にブレーキ３３を作動させて歩行補助制御を停止する。
【００２８】
他方、力センサ５２は、歩行訓練システム１００の緊急停止スイッチとして機能する。力センサ５２が検出する荷重が荷重閾値を超えた場合、ユーザはバランスを崩して手摺にもたれている可能性が高い。コントローラ４０は、力センサ５２が検出する荷重が荷重閾値を超えたタイミングを、ユーザがバランスを崩しているタイミングとして検知する。このタイミングを検知するとコントローラ４０は、歩行補助制御を停止するとともに、荷重閾値を超えたときのユーザの姿勢に応じて異なる停止制御モードを実行する。ここで、コントローラ４０が考慮する「ユーザの姿勢」は、ユーザ体幹の絶対傾斜角と両足間の距離である。ユーザ体幹の絶対傾斜角は、「ユーザの姿勢」を表す特徴量の一つである。両足間の距離は、ユーザの脚の姿勢によって定まるので、本明細書では、両足間の距離も「ユーザの姿勢」を表す特徴量の一つとして捉える。具体的には、コントローラ４０は、荷重閾値を超えたときのユーザ体幹の絶対傾斜角と両足間の距離に応じて異なる停止制御モードを実行する。コントローラ４０は、傾斜センサ２７からユーザ体幹の絶対傾斜角を得る。またコントローラ４０は、エンコーダ２０によって計測される角関節角から、両足間の距離を得る。多リンク機構の各関節角から先端（足）の位置への変換は、ロボットの運動学として良く知られているので説明は省略する。また以下では簡単のため、絶対傾斜角を単に傾斜角と称する場合がある。
【００２９】
図３に、ユーザの姿勢に応じた停止制御モードの一覧を示す。図３に示した停止制御モードについて説明する。「フリー（ダンパなし）」とは、コントローラ４０が、ブレーキ３３を解除するとともに、ダンパ３４を停止（解放）する制御を意味する。この場合、下部リンク１６Ｌは自在に揺動することができる。「フリー（ダンパあり）」とは、コントローラ４０が、ブレーキ３３を解除するとともに、ダンパ３４を作動させる制御を意味する。この場合、下部リンク１６Ｌは、外力が加わると回転することができるとともに、その回転に減衰が付与される。「ロック」とは、コントローラ４０がブレーキ３３を作動させる制御を意味する。この場合、膝ジョイント２０ｂＬがロックされ、下部リンク１６Ｌの揺動が禁止される。なお、コントローラ４０は、いずれかの停止制御モードを開始するとともに、モータ３２を停止する。上記のいくつかの「停止制御モード」は総じて言えば、脚装具のジョイントを能動的に駆動することなく、ジョイントに付加したブレーキとダンパを作動或いは解除（停止）する制御と表現できる。以下では、「ロック」に相当する制御モードを「第１停止制御モード」と称し、「フリー（ダンパあり）」に相当する制御モードを「第３停止制御モード」と称し、「フリー（ダンパなし）」に相当する制御モードを「第４停止制御モード」と称する場合がある。また、第３停止制御モードと第４停止制御モードは共に、ブレーキ３３を解放する制御であることから、これらを「第２停止制御モード」と総称することがある。
【００３０】
図３に示すように、コントローラ４０は、ユーザの体幹の傾斜角Ａが３０度を超える場合は、歩行補助制御を停止するとともに第４停止制御モードを実行する。傾斜角Ａが３０度を超えている場合は、ユーザが大きくバランスを崩している場合に相当する。この場合は、ユーザが姿勢を回復できる可能性が小さいので、ブレーキ３３を解放するとともにダンパ３４を解放して下部リンク１６Ｌを揺動可能にする。そのように制御することによって、ユーザの左膝に過度のトルクが加わることを防止する。
【００３１】
傾斜角Ａが３０度以下の場合は、ユーザが僅かにバランスを崩している状態に相当する。この場合、コントローラ４０は、接地脚の種類と足間距離Ｗに応じて異なる停止制御モードを選択する。両脚が接地しており、足間距離Ｗが３０ｃｍ以下の場合、コントローラ４０は、第３停止制御モードを実行する。即ち、コントローラ４０は、ブレーキ３３を解除するとともにダンパ３４を作動させる。両脚が接地しており、足間距離Ｗが３０ｃｍを超えている場合、コントローラ４０は、第１停止制御モードを実行する。即ち、コントローラ４０は、ブレーキ３３を作動させる。患脚が遊脚状態であり、足間距離Ｗが３０ｃｍ以下の場合、コントローラ４０は、第４停止制御モードを実行する。即ち、コントローラ４０は、ブレーキ３３を解除するとともに、ダンパ３４を解放（停止）する。患脚が遊脚状態であり、足間距離Ｗが３０ｃｍを超えている場合、コントローラ４０は、第３停止制御モードを実行する。即ち、コントローラ４０は、ブレーキ３３を解除するとともに、ダンパ３４を作動させる。健常脚が遊脚状態であり、足間距離Ｗが３０ｃｍ以下の場合、コントローラ４０は、第１停止制御モードを実行する。健常脚が遊脚状態であり、足間距離Ｗが３０ｃｍを超えている場合、コントローラ４０は、第３停止制御モードを実行する。
【００３２】
上記の停止制御モード選択ルールには、次の利点がある。傾斜角Ａが大きい場合は、ユーザがバランスを大きく崩している可能性が非常に高い。そのような場合は、ユーザが自力でバランスを回復するのは困難であるから、下部リンクを揺動自在にすることによって、ユーザの膝関節に負荷を与えないようにする。傾斜角Ａが小さく、患脚のみで接地している場合（即ち、健常脚が遊脚の場合）は、両足間距離Ｗに応じて停止制御モードを選択する。両足間距離Ｗが小さい場合は、ブレーキ３３を作動させる。患脚のみで接地しており、両足間距離Ｗが小さい場合は、ブレーキ３３を作動させることによって、手摺等で自重を支えるために腕に衝撃が加わることを防止する。
【００３３】
以上のように、コントローラ４０は、歩行補助制御を停止するとともに、ユーザの姿勢を表す特徴量に応じて異なる停止制御モードを実行する。この歩行訓練システムは、補助具の力センサによってユーザがバランスを崩したことを検知するとともに、そのときのユーザの姿勢に応じて適切に歩行補助制御を停止する。
【００３４】
上記実施例のコントローラ４０は、ユーザの姿勢から定まる特徴量に応じて異なる停止制御モードを実行する。より具体的に表現すると、コントローラ４０は、ユーザの姿勢から定まる傾斜角、夫々の足が浮いているか否かの区別、及び、両足間の距離、に応じて、ブレーキ３３とダンパ３４の作動／解放の組み合わせで規定される複数の停止制御モードの中から適切な停止制御モードを選択して実行する。
【００３５】
歩行訓練システムが備えるべき補助具には、第１実施例の手摺５０以外にも様々な態様が考えられる。以下、補助具の好ましい形態について説明する。以下の実施例では、脚装具は第１実施例と同じでよいので、補助具についてのみ説明する。なお、第２実施例では、停止制御モードの他の選択ルールも例示する。
【００３６】
（第２実施例） 図４は、第２実施例の歩行訓練システム２００の概要図である。この歩行訓練システム２００は、ユーザの自重を支える補助具として、杖６０を備える。杖６０には、ユーザが掴む把持部にスイッチ６４が配置されている。また、杖の支柱に力センサ６２が配置されている。ユーザは、スイッチ６４を介して、歩行訓練システムを操作することができる。この歩行訓練装置２００は、杖６０に内蔵された力センサ６２が検出する荷重がユーザの自重の半分を超えると、この歩行訓練システム２００は、歩行補助制御を停止するとともに、荷重閾値を超えたときのユーザ体幹の絶対傾斜角と両足間の距離に応じて異なる停止制御モードを実行する。
【００３７】
図５に、第２実施例の歩行補助システム２００が実行する停止制御モードの一覧を示す。歩行補助システム２００のコントローラ４０は、ユーザの体幹の傾斜角Ａが３０度以下の場合は第１停止制御モードを実行する。即ち、コントローラ４０は、ブレーキ３３を作動させる。他方、ユーザの体幹の傾斜角Ａが３０度を超える場合、コントローラ４０は、第２停止制御モードを実行する。即ち、コントローラ４０は、ブレーキ３３を解放する。
「３０度以下」を第１範囲と別言すると、コントローラ４０は、傾斜角Ａが第１範囲以内の場合は第１停止制御モードを実行し、傾斜角Ａが第１範囲外の場合は第２停止制御モードを実行する。
【００３８】
第１実施例と同様に、ブレーキ３３を解放する第２停止制御モードは、ダンパを作動させる第３停止制御モードとダンパを解放する第４停止制御モードに分かれる。コントローラ４０は、両足間の距離Ｗが３０ｃｍ以上の場合は第３停止制御モードを実行し、距離Ｗが３０ｃｍ未満の場合は第４停止制御モードを実行する。「３０ｃｍ以上」を第２範囲と別言すると、コントローラ４０は、両足間距離Ｗが第２範囲内の場合は第３停止制御モードを実行し、両足間距離Ｗが第２範囲外の場合は第４停止制御モードを実行する。
【００３９】
（第３実施例） 図６は、第３実施例の歩行訓練システム３００の概要図である。この歩行訓練システム３００は、ユーザの自重を支える補助具として、クレーン７０を備える。クレーン７０は、クレーンレール７６と、クレーンレール７６に沿って移動する吊具７４を備える。吊具７４は、ユーザがバランスを崩したときに自重を支えるための道具である。吊具７４には力センサ７２が配置されている。この歩行訓練装置３００は、力センサ７２が検出する荷重がユーザの自重の半分を超えると、第１実施例或いは第２実施例の歩行訓練システムと同様のルールで、歩行補助制御を停止するとともにユーザの姿勢に対応した停止制御モードを実行する。
【００４０】
（第４実施例） 図７は、第４実施例の歩行訓練システム４００の概要図である。この歩行訓練システム４００は、ユーザの自重を支える補助具として、クレーン８０を備える。クレーン８０は、クレーンレール８６と、クレーンレール８６に沿って移動する懸架具８４を備える。懸架具８４の下端には、ハーネス８８が取り付けてある。ユーザは、脚装具１２を装着するとともに、背中にハーネス８８を装着する。ユーザがバランスを崩したとき、ハーネス８８と懸架具８４がユーザを支える。ユーザは、バランスを崩したときでも、クレーン８０によって転倒を免れる。懸架具８４には力センサ８２が配置されている。この歩行訓練装置４００は、力センサ８２が検出する荷重がユーザの自重の半分を超えると、第１実施例或いは第２実施例の歩行訓練システムと同様のルールで歩行補助制御を停止するとともにユーザの姿勢に対応した停止制御モードを実行する。
【００４１】
（第５実施例） 図８は、第５実施例の歩行訓練システム５００の概要図である。この歩行訓練システム５００は、自走式クレーン９０を備える。自走式クレーン９０は、ユーザとともに移動する。自走式クレーン９０の先端に、吊具９４が取り付けられている。吊具９４は、ユーザがバランスを崩したときに自重を支えるための道具である。吊具９４には力センサ９２が配置されている。この歩行訓練装置５００は、力センサ９２が検出する荷重がユーザの自重の半分を超えると、第１実施例或いは第２実施例の歩行訓練システムと同様のルールで、歩行補助制御を停止するとともにユーザの姿勢に対応した停止制御モードを実行する。
【００４２】
実施例の歩行訓練システムの変形例を説明する。実施例の脚装具１２は、ユーザの片膝にトルクを加えるモータを備える。脚装具は、膝以外の脚関節にトルクを加えるアクチュエータを備えていてもよい。また、脚装具は、ユーザの両脚の関節にトルクを加えて歩行動作を補助するものであってもよい。
【００４３】
脚装具１２は、ダンパ３４を備える代わりに、ダンパモードにおいて、モータの角度ゲインを低下させるものであってもよい。角度ゲインを下げることによっても、ダンパと同様の効果を得ることができる。
【００４４】
歩行訓練システムは、手摺等の補助具に加わる荷重を検出するためのセンサとして、力センサに代えて歪みゲージを採用してもよい。
【００４５】
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】
【００４６】
１２、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
２２：接地センサ
２７：傾斜センサ
３０：支持リンク
３２：モータ
３３：ブレーキ
３４：ダンパ
４０：コントローラ
５０：手摺（補助具）
５２：力センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの脚に装着され、脚の関節にトルクを加えるアクチュエータを有している脚装具と、
ユーザの歩行動作に応じてアクチュエータを制御するコントローラと、
ユーザが体を預けて自重を支えることができる補助具と、
補助具がユーザから受ける荷重を検出する荷重センサと、を備えており、
コントローラは、荷重センサが検出した荷重が閾値を超えた場合に、歩行動作に応じた制御を停止することを特徴とする歩行訓練システム。
【請求項２】
前記コントローラは、歩行動作に応じた制御を停止するとともに、ユーザの姿勢から定まる特徴量に応じて、異なる停止制御モードを実行することを特徴とする請求項１に記載の歩行訓練システム。
【請求項３】
前記脚装具は、
ユーザの上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ジョイントによって揺動可能に連結されている多リンク構造を有しているとともに、
ユーザの姿勢を検出するセンサと、
ジョイントの回転を禁止する禁止手段と、
を備えており、
前記コントローラは、歩行動作に応じた制御を停止するとともに、ユーザの姿勢から定まる第１特徴量が予め定められた第１範囲内である場合に前記禁止手段を作動させる第１停止制御モードを実行し、第１特徴量が第１範囲外の場合には前記禁止手段を解放して下部リンクを揺動自在とする第２停止制御モードを実行することを特徴とする請求項２に記載の歩行訓練システム。
【請求項４】
前記脚装具はさらに、下部リンクの回転に減衰を付与するダンパを備えており、
コントローラは、第１特徴量が第１範囲外の場合、ユーザの姿勢から定まる第２特徴量が第２範囲内の場合には前記禁止手段を解放するとともにダンパを作動させる第３停止制御モードを実行し、第２特徴量が第２範囲外の場合には前記禁止手段を解放するとともにダンパを解放する第４停止制御モードを実行することを特徴とする請求項３に記載の歩行訓練システム。
【請求項５】
前記第１特徴量は、ユーザの体幹の傾斜角であり、第２特徴量は、ユーザの両足間の距離であることを特徴とする請求項４に記載の歩行訓練システム。
【請求項６】
前記補助具は、手摺、杖、上方から吊り下げられてユーザが掴むことのできる吊具、及び、上方からユーザを吊り支える懸架具のいずれか一つであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の歩行訓練システム。
【請求項１】
ユーザの脚に装着され、脚の関節にトルクを加えるアクチュエータを有している脚装具と、
ユーザの歩行動作に応じてアクチュエータを制御するコントローラと、
ユーザが体を預けて自重を支えることができる補助具と、
補助具がユーザから受ける荷重を検出する荷重センサと、を備えており、
コントローラは、荷重センサが検出した荷重が閾値を超えた場合に、歩行動作に応じた制御を停止することを特徴とする歩行訓練システム。
【請求項２】
前記コントローラは、歩行動作に応じた制御を停止するとともに、ユーザの姿勢から定まる特徴量に応じて、異なる停止制御モードを実行することを特徴とする請求項１に記載の歩行訓練システム。
【請求項３】
前記脚装具は、
ユーザの上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ジョイントによって揺動可能に連結されている多リンク構造を有しているとともに、
ユーザの姿勢を検出するセンサと、
ジョイントの回転を禁止する禁止手段と、
を備えており、
前記コントローラは、歩行動作に応じた制御を停止するとともに、ユーザの姿勢から定まる第１特徴量が予め定められた第１範囲内である場合に前記禁止手段を作動させる第１停止制御モードを実行し、第１特徴量が第１範囲外の場合には前記禁止手段を解放して下部リンクを揺動自在とする第２停止制御モードを実行することを特徴とする請求項２に記載の歩行訓練システム。
【請求項４】
前記脚装具はさらに、下部リンクの回転に減衰を付与するダンパを備えており、
コントローラは、第１特徴量が第１範囲外の場合、ユーザの姿勢から定まる第２特徴量が第２範囲内の場合には前記禁止手段を解放するとともにダンパを作動させる第３停止制御モードを実行し、第２特徴量が第２範囲外の場合には前記禁止手段を解放するとともにダンパを解放する第４停止制御モードを実行することを特徴とする請求項３に記載の歩行訓練システム。
【請求項５】
前記第１特徴量は、ユーザの体幹の傾斜角であり、第２特徴量は、ユーザの両足間の距離であることを特徴とする請求項４に記載の歩行訓練システム。
【請求項６】
前記補助具は、手摺、杖、上方から吊り下げられてユーザが掴むことのできる吊具、及び、上方からユーザを吊り支える懸架具のいずれか一つであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の歩行訓練システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１６２０６４（Ｐ２０１０−１６２０６４Ａ）
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４５５８（Ｐ２００９−４５５８）
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【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２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【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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