JP5640991B2 - 歩行補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置に関する。

ユーザの脚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が研究されている。例えば、特許文献１には、一方の脚が不自由なユーザの歩行を補助する歩行補助装置が開示されている。以下、本明細書では、ユーザが自在に動かすことができる脚を「健常脚」（Ｓｏｕｎｄ Ｌｅｇ）と称し、少なくとも１つの関節を自由に動かすことができない脚を「患脚」（Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｌｅｇ）と称する。また、本明細書では、膝と足首の間の部分を「下肢」と称する。特許文献１に開示された歩行補助装置は、センサによって健常脚の動作パターンを計測し、患脚の動作パターンが健常脚の動作パターンに一致するように患脚の関節にトルクを加える。

特開２００６−３１４６７０号公報

ユーザが望む脚の動きと、歩行補助装置が関節に加えるトルクによって誘導される動きが一致していないとユーザに違和感を与える。発明者らの検討によると、立脚から遊脚への移行期において下肢が後方に揺動し始めるタイミングとトルクを加え始めるタイミングがマッチしていないとユーザに顕著な違和感を与えることが判明した。

特許文献１の技術のように、健常脚にセンサを取り付ければ健常脚の動作パターンを計測することができる。健常脚と同じ動作パターンとなるように患脚の膝関節にトルクを加えることによって、ユーザに顕著な違和感を与えることなく歩行動作を補助することは可能である。しかしながら、両方の脚にセンサを装着するのではユーザに煩わしさを与えてしまう。本発明は、一方の脚に取り付けたセンサの出力に基づいて、その一方の脚の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を提供する。この歩行補助装置は、他方の脚の情報を用いることなく、一方の脚の立脚期間から遊脚期間への移行期において適切なタイミングで一方の脚の膝関節にトルクを加えることができる。即ち、この歩行補助装置は、ユーザに顕著な違和感を与えることなく、歩行動作を補助することができる。本明細書が開示する技術は、一つの患脚を有するユーザのための歩行補助装置に適している。その歩行補助装置は、健常脚にセンサを取り付けることを必要とせずに、患脚の動きを適切に補助することができる。

本明細書が開示する新規な技術の一つは、ユーザの一方の脚に関節角を検出する角度センサと床反力を検出する反力センサを取り付け、それらのセンサの検出データに基づいて、その一方の脚の下肢（ｌｏｗｅｒ ｌｅｇ）を後方に揺動させる向きのトルクを膝関節に加え始めるタイミングを決定する。角度センサは、少なくとも股関節のピッチ軸回りの角度を検出する。以下では、股関節のピッチ軸回りの角度を「股関節角」と称する。本明細書が開示する新規な歩行補助装置は、検出された股関節角によって、その一方の脚の足が他方の脚の足よりも後方に位置していること、即ち、その一方の脚が立脚から遊脚への移行期にあることを検知する。同時にこの歩行補助装置は、検出された床反力の大きさによって、その移行期において下肢が後方に揺動し始めるタイミングを決定する。この歩行補助装置は、他方の脚にセンサを装着することを要せずに、適切なタイミングで膝関節にトルクを加え始めることができる。本明細書が開示する新規な技術は、患脚に装着したデバイスだけでユーザの歩行を補助する歩行補助装置を実現することができる。

ユーザの膝関節にトルクを加える機構は、典型的には、大腿（ｕｐｐｅｒ ｌｅｇ）に固定される上リンクと下肢に固定される下リンクとそれら２つのリンクを連結するメカニカルジョイントを有する装着型デバイスでよい。本明細書では、脚に装着するデバイスを脚装具（或いは脚アタッチメント）と称する場合がある。メカニカルジョイントはモータを備えており、下リンクを揺動させる。この脚装具は、ユーザに装着されるとメカニカルジョイントがユーザの膝関節と略同軸に位置する。

以下では、説明を簡単にするために、ユーザのいずれか一方の脚を第１脚と称し、他方の脚を第２脚と称する。

本明細書が開示する技術の好適な実施形態では、歩行補助装置は、検出された股関節角に基づいて腰位置に対する第１脚の足の水平方向の相対位置を推定する。そして歩行補助装置は、第１脚の足が予め定められた距離以上に腰より後方に位置している間に検出された床反力が予め定められた反力を下回るタイミングで、下肢を後方に回転させる向きのトルクを膝関節に加え始めることが好ましい。なお、以下では、「予め定められた距離」を「既定距離」と称する場合があり、「予め定められた反力」を「既定反力」と称する場合がある。「検出された床反力が既定反力を下回るタイミング」とは、検出された床反力が既定反力を超える値から既定反力以下の値に変化したタイミングに相当する。既定距離は個々のユーザの体格や歩幅などに依存し、既定反力はユーザの体重や歩行速度などに依存する。従って既定距離と既定反力は実験やテストによって事前に決定される。但し、「既定距離」はゼロよりも大きい値である。トルクを加え始めるタイミングを上記のように決定することによって、この歩行補助装置は、ユーザの一連の歩行動作に適したタイミングでトルクを加え始めることができる。この歩行補助装置の一例は、一方の脚の膝関節角の時系列データであって、下肢を後方に揺動させる向きに膝関節角が増大し、その後に下肢を前方に揺動させる向きに変化する膝関節角の目標軌道を記憶している。そして、歩行補助装置は、一方の脚の膝関節角が目標軌道に追従するようにアクチュエータを制御するとともに、上記のタイミングでアクチュエータが下肢を後方へ揺動させる向きのトルクを出力し始めるように目標軌道を修正する。

なお、検出された床反力が既定反力を下回るタイミングにわずかなオフセット時間を加えたタイミングを、トルクを加え始めるタイミングとして決定することも、実質的に本発明の技術的思想の範囲であることに留意されたい。本明細書が開示する歩行補助装置は、少なくとも、ユーザが下肢を後方へ揺動させようと意図したタイミングと、歩行補助装置がトルクを加え始めるタイミングが大きく相違してしまうことを防止する。このタイミングの大きな相違がユーザに顕著な違和感を与える。本明細書が開示する歩行補助装置は、そのような違和感を低減する。従って、本明細書が開示する技術的思想には、上記したわずかなオフセットを加える装置も含まれる。

腰位置に対する足の相対位置は、大腿と下肢が一直線になると仮定して、或いは大腿と下肢が一定の角度をなすと仮定して股関節角から推定される。なお、検出する股関節角は、鉛直線に対する絶対角度が検出できることが好ましいが、体幹を基準とした相対角度であってもよい。体幹は常に概ね鉛直だからである。膝関節角を検出できる場合は、股関節角と膝関節角から、正確な相対位置が推定される。

既定反力の大きさはゼロより大きい値が好ましい。立脚から遊脚への移行期においては、足が完全に離地する前に下肢が後方に揺動し始めることが知られている。この動きは「プレスイング」と呼ばれている。プレスイング期において踵が浮き上がるとともに下肢が後方に揺動し始める。同時にその足の床反力が減少し始める。検出された床反力が既定反力を下回るタイミングが、下肢が後方へ揺動し始めるタイミングにほぼ一致する。従って、検出された床反力が既定反力を下回るタイミングでトルクを加え始めることによって、本明細書に開示される歩行補助装置は、ユーザに与える違和感を低減しながら歩行動作を補助することができる。

前述したようにタイミングを決定するための既定反力は、ゼロよりも大きいことが好ましい。既定反力の大きさにゼロが設定されていても本明細書によって開示される歩行補助装置は次善の効果を達成することができる。既定反力の大きさをゼロに設定することによって、反力センサに代えて接地センサを採用することができる。即ち、本明細書が開示する技術の好適な一実施形態は、第１脚の足が離地するタイミングを検知する接地センサと、第１脚の股関節角（ピッチ軸回りの角度）を検出する角度センサを備えている。その一実施形態ではさらに、検出された股関節角に基づいて腰に対する第１脚の足の水平方向の相対位置を推定する。一実施形態はさらに、第１脚の足が既定距離以上に腰より後方に位置している間に一方の脚の足が離地したタイミングで下肢を後方に回転させる向きのトルクを膝関節に加え始める。そのような構成によっても、本明細書によって開示される歩行補助装置は、適切なタイミングで膝関節にトルクを与えることができ、その結果、ユーザに与える違和感を低減しながら歩行動作を補助することができる。

歩行中の脚の動きを説明する図である。 図１で用いられるパラメータを説明する図である。 実施例の歩行補助装置の模式的正面図である。 実施例の歩行補助装置の模式的側面図である。 実施例の歩行補助装置が実行する処理のフローチャート図である。 目標軌道修正の一例を説明する図である。 歩行動作の状態遷移図である。 実施例の歩行補助装置における状態遷移判断の条件を示す図である。 第２実施例の歩行補助装置における状態遷移判断の条件を示す図である。

本発明の好適な一実施例を説明する前に、歩行中の脚の動きを説明する。図１は、歩行中の第１脚の動きを説明する図である。符号Ａｋが示すグラフは、第１脚の膝関節角（膝角度）Ａｋの時間変化を示している。符号Ｆｒが示すグラフは、第１脚の足が受ける床反力Ｆｒの時間変化を示している。符号Ｐｒは、腰に対する第１脚の足の相対位置の時間変化を示している。符号Ｄｒは、第１脚の足と腰の間の水平方向の距離を示している。符号Ｘｐは、第１脚の状態を判断するための基準（既定相対位置）を示している。既定相対位置Ｘｐについて後述する。以下の説明では、ユーザの右脚が第１脚に相当し、左脚が第２脚に相当する。第１図のグラフは、各パラメータの時間変化の概略（傾向）を表しているのであって精密に表してはいないことに留意されたい。また、図１では立脚期間の一部の図示が省略されていることに留意されたい。

図２は、膝角度Ａｋと相対位置Ｐｒを説明する図である。図２では、実線が第１脚（右脚）を表しており、破線が第２脚（左脚）を表している。図１でも同様である。直線Ｌ１は、股関節と膝関節を結ぶ直線を示している。直線Ｌ１は大腿の長手方向に沿った直線に相当する。膝角度Ａｋは、直線Ｌ１から下肢へ向かう角度として表される。膝が伸びきったときが膝角度Ａｋ＝０である。膝が直角に曲がったときが膝関節角Ａｋ＝＋９０度である。

相対位置Ｐｒは、腰位置を原点とし、ユーザの前方を正値とするＸ軸上における足の位置で表される。従って、足が腰よりも後ろに位置するとき、相対位置Ｐｒは負値となる。また、別言すれば、相対位置Ｐｒは、腰に対する足の水平方向の相対位置である。より正確には、相対位置Ｐｒは、足の水平前後方向の相対位置である。本実施例では、相対位置は足首の位置で表される。また、足（足首）の水平前後方向の速度を記号Ｖｒで表す。速度Ｖｒは、足の相対位置の時間微分（時間差分）から得られる。

図１に戻って歩行動作を説明する。タイミングＴａは、第１脚の足の踵が浮き始めるタイミングである。（ａ）に、タイミングＴａにおける脚の形態を示す。タイミングＴａで膝角度Ａｋが変化し始める。即ち、（ａ）において実線（第１脚）が示すように、タイミングＴａにおいて、足先が接地したまま下肢が後方に揺動し始める。タイミングＴａの少し前から床反力（第１脚の足が床から受ける反力）Ｆｒが減少し始める。符号Ｆｐは、タイミングＴａを検知するための基準（既定反力）を示している。既定反力Ｆｐについて後述する。

タイミングＴｂは、離地するタイミングである。（ｂ）は、タイミングＴｂにおける脚の形態を示す。タイミングＴｂで床反力Ｆｒがゼロとなる。また、タイミングＴｂから相対位置Ｐｒが増加し始める。即ち、第１脚の足が前方へ振り出され始める。タイミングＴｂ以前では、相対位置は時間とともに減少する。

タイミングＴｃは、膝角度Ａｋが最大となるタイミングを示す。（ｃ）は、タイミングＴｃにおける脚の形態を示す。タイミングＴｄは、第１脚の着地タイミングを示す。（ｄ）は、タイミングＴｄにおける脚の形態を示す。タイミングＴｄから床反力Ｆｒは急激に増大する。

タイミングＴｂからＴｄまでの期間が第１脚の遊脚期間に相当する。タイミングＴｂより前とタイミングＴｄ以降の期間が第１脚の立脚期間に相当する。なお、図１では立脚期間の一部の図示が省略されている。タイミングＴａからＴｂまでの期間は、第１脚の足が接地したまま膝角度が変化する期間であり、プレスイング期と呼ばれている。図１から明らかな通り、タイミングＴａから下肢が後方に揺動し始める。別言すれば、立脚期間において下肢が後方へ揺動し始めるタイミングが、プレスイング期の開始に相当する。以下では、下肢が後方に揺動し始めるタイミングをプレスイングタイミングと称する。図１のタイミングＴａがプレスイングタイミングに相当する。

第１脚の膝関節にトルクを加える歩行補助装置は、このプレスイングタイミングＴａを推定し、このプレスイングタイミングで下肢を後方へ揺動させる向きのトルクを加え始めることが好ましい。以下、そのような歩行補助装置の好適な実施形態を説明する。

図３Ａに、本実施例の歩行補助装置１０の模式的正面図を示し、図３Ｂに、歩行補助装置１０の模式的側面図を示す。歩行補助装置１０は、ユーザの右脚（第１脚）に沿って装着される脚装具１２と、コントローラ４０を備えている。本実施例の歩行補助装置は、右脚の膝関節を自由に動かすことができないユーザのための装置である。

脚装具１２の機械的構造を説明する。脚装具１２は、ユーザの大腿から下肢に沿って第１脚の外側に装着される。脚装具１２は、上リンク１４、下リンク１６、及び足リンク１８を有する多リンク機構で構成されている。上リンク１４の上端が第１ジョイント２０ａを介して腰リンク３０に揺動可能に連結されている。下リンク１６の上端が、第２ジョイント２０ｂによって、上リンク１４の下端に揺動可能に連結されている。足リンク１８は、第３ジョイント２０ｃによって、下リンク１６の下端に揺動可能に連結されている。上リンク１４は、ベルトでユーザの大腿に固定される。下リンク１６は、ベルトでユーザの下肢に固定される。足リンク１８は、ベルトでユーザの足に固定される。足リンク１８を固定するベルトは、図示を省略している。腰リンク３０は、ユーザの体幹（腰）に固定される。

ユーザが脚装具１２を装着すると、第１ジョイント２０ａ、第２ジョイント２０ｂ、及び第３ジョイント２０ｃは夫々、ユーザの右股関節のピッチ軸、膝のピッチ軸、及び、足首のピッチ軸と略同軸に位置する。脚装具１２の各リンクは、ユーザの第１脚の動きに応じて揺動することができる。各ジョイントは、そのジョイントに連結している隣接する２つのリンクの間の角度を検出するエンコーダ２１を有している、２つのリンクの間の角度が関節角に相当する。即ち、エンコーダ２１は、各関節の角度を検出する。第１ジョイント２０ａのエンコーダ２１は、ユーザの右股関節のピッチ軸周りの関節角を検出する。第２ジョイント２０ｂのエンコーダ２１は、ユーザの右膝ピッチ軸周りの関節角を検出する。第３ジョイント２０ｃのエンコーダ２１は、ユーザの右足首ピッチ軸周りの関節角を検出する。以下では、各ジョイントに取り付けられているエンコーダ群２１を角度センサ２１と総称することがある。

足リンク１８には、反力センサ１９が取り付けられている。反力センサ１９は、足底の前と後ろの２箇所に取り付けられている。反力センサ１９の本体はロードセルであり、足底に加わる荷重を検出する。この荷重が、足が床から受ける床反力に相当する。

第２ジョイント２０ｂには、モータ（アクチュエータ）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、ユーザの膝関節に略同軸に位置する。モータ３２は、上リンク１４に対して下リンク１６を相対的に揺動させることができる。即ちモータ３２は、ユーザの右膝関節にトルクを加えることができる。

この歩行補助装置は、ユーザの歩行動作に合わせて、モータ３２によってユーザの右膝関節（第１脚膝関節）にトルクを加え、歩行動作を補助する。

歩行補助装置１０が実行する制御処理を説明する。制御処理は、コントローラ４０が実行する。コントローラ４０には、歩行動作のための膝関節角の目標軌道が予め記憶されている。目標軌道は、図１の膝関節角Ａｋの時系列データに相当する。コントローラ４０は、基本的には、センサによって検出された膝関節角が目標軌道に追従するようにモータ３２を制御する。コントローラ４０は、以下で説明するように、プレスイングタイミングをセンサデータから推定し、そのタイミングでモータ３２が下肢を後方へ揺動させる向きのトルクを加え始めるように目標軌道を修正する。

コントローラ４０は、歩行動作のための目標軌道のほかに、歩行から停止に移行するための目標軌道も記憶している。歩行から停止に移行するための目標軌道については説明を省略する。

図４にコントローラ４０が実行する処理のフローチャートを示す。図４の処理は制御周期毎に繰り返される。コントローラ４０は、角度センサ２１と反力センサ１９のセンサデータを取得する（Ｓ２）。次にコントローラ４０は、角度センサ２１のセンサデータから、腰に対する右足の水平前後方向の相対位置Ｐｒを推定する（Ｓ４）。相対位置Ｐｒは、ピッチ軸回りの股関節角と膝関節角から、ロボット工学におけるいわゆる運動学変換（キネマティック変換）によって求められる。

次にコントローラ４０は、第１脚が立脚であるか否かを判断する（Ｓ６）。この判断は、検出された床反力Ｆｒが既定の閾値（既定反力Ｆｄ）より大きいか否かによって決定される。既定反力Ｆｄは、ゼロに等しいかゼロより僅かに大きい値に設定されている。検出された床反力Ｆｒが既定反力Ｆｄよりも大きい場合に立脚と判断され、そうでなければ遊脚と判断される。

立脚でないと判断された場合（Ｓ６：ＮＯ）、次にコントローラ４０は、歩行動作が継続しているか否かを判断する（Ｓ１８）。この判断の具体的な一例については後述する。コントローラ４０は、歩行動作が継続していると判断した場合、目標軌道を使ったモータ制御を継続する（Ｓ１８：ＹＥＳ、Ｓ１４）。他方、コントローラ４０は、歩行動作が継続していないと判断した場合、即ち、歩行動作から停止へ移行すると判断した場合、それまでの目標軌道を遊脚用の停止軌道に変更し、その停止軌道に基づいてモータを制御する（Ｓ１８：ＮＯ、Ｓ２０、Ｓ１４）。

ステップＳ６において、第１脚は立脚であると判断された場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、次にコントローラ４０は、歩行動作が継続しているか否かを判断する（Ｓ８）。この判断の具体的な一例については後述する。コントローラ４０は、歩行動作が継続していないと判断した場合、即ち、歩行動作から停止へ移行すると判断した場合、それまでの目標軌道を立脚用の停止軌道に変更し、その停止軌道に基づいてモータを制御する（Ｓ８：ＮＯ、Ｓ１６、Ｓ１４）。

ステップＳ８において歩行動作が継続していると判断された場合（Ｓ８：ＹＥＳ）は、次の状況に相当する。即ち、第１脚が現在は立脚期間に属しており、いずれ遊脚期間に移行する。このとき、コントローラ４０は、プレスイングタイミングを推定する（Ｓ１０）。具体的にはコントローラ４０は、次の２つの条件が成立したタイミングをプレスイングタイミングとして特定する。一つの条件は、推定された相対位置Ｐｒが既定距離Ｄｒ以上に腰より後方に位置しているという条件である。図４においてこの条件は、「Ｐｒ＜Ｘｐ」で表されている。Ｘｐを既定相対位置と称する。既定相対位置Ｘｐは、腰よりも後方の位置に設定されている。即ち、既定距離は、腰位置と既定相対位置Ｘｐとの間の距離に相当する。

もう一つの条件は、検出された床反力Ｆｒが既定反力Ｆｐより小さいという条件である。図４においてこの条件は、「Ｆｒ＜Ｆｐ」で表されている。なお、前回の制御周期においては「Ｆｒ＞Ｆｐ」であったはずであるから、もう一つの条件は、検出された床反力が既定反力Ｆｐ以上の値から以下への値へと変化したタイミングを特定するための条件に相当する。さらに別言すれば、もう一つ条件は、検出された床反力が既定反力を下回るタイミングを特定するための条件に相当する。ここで、既定反力Ｆｐは、図１で説明した通り、立脚期間の終端付近で膝関節角が変化し始めるタイミングＴａにおける床反力に相当する。既定相対位置Ｘｐと既定反力Ｆｐの値は、ユーザの体格や歩く姿勢に依存するので、実験や解析によって予め定められる。

図１に示した例に基づいてプレスイングタイミングの検知の一例を説明する。タイミングＴａの少し前から「Ｐｒ＜Ｘｐ」が成立する。タイミングＴａにて「Ｆｒ＜Ｆｐ」が成立し、その瞬間、即ちタイミングＴａが、プレスイングタイミングとして検知される。

ステップＳ１０の処理により、下肢が後方に揺動し始めるタイミング（プレスイングタイミング）が推定される。ステップＳ１０の処理は、コントローラ４０が反力センサ１９と角度センサ２１のセンサデータに基づいて下肢を後方に揺動させる向きのトルクを膝関節に加え始めるタイミングを決定する処理に相当する。ステップＳ１０の処理に続き、コントローラ４０は、このプレスイングタイミングで下肢を後方に揺動させる向きのトルクが出力されるように、目標軌道を修正する（Ｓ１２）。そして、コントローラ４０は、修正された目標軌道に基づいてモータを制御する（Ｓ１４）。ステップＳ１２とこれに続くステップＳ１４の処理は、コントローラ４０が、第１脚の足が既定距離以上に腰より後方に位置している間に検出された床反力が既定反力Ｆｐを下回るタイミングで下肢を後方に回転させる向きのトルクを膝関節に加え始める処理に相当する。

ステップＳ１２における目標軌道修正の一例を説明する。図５に目標軌道修正処理の一例を示す。図５の破線Ａｋ１は、修正前の膝関節角目標軌道を示している。破線Ｆｒ１は、修正前の目標軌道Ａｋ１に対応する床反力を示している。破線Ｐｒ１は、修正前の目標軌道Ａｋ１に対応する相対位置を示している。コントローラ４０は、目標軌道Ａｋ１とともに、目標軌道Ａｋ１基づいて予定される床反力Ｆｒ１と相対位置Ｐｒ１も記憶している。即ち、コントローラ４０は、目標軌道Ａｋ１に基づいて予定されるプレスイングタイミングＴａを記憶している。

図５の一点鎖線ｓＦｒは、検出された床反力を示しており、一点鎖線ｓＰｒは、推定された相対位置を示している。タイミングＴｚで、ステップＳ１０の判断結果が「ＹＥＳ」となった場合を仮定する。ステップＳ１２において、コントローラ４０は、ステップＳ１０で推定されたプレスイングタイミングＴｚと、予定されたプレスイングタイミングＴａとの時間差ｄＴを算出する。図５の（ａ）が、この算出処理を示している。次にコントローラ４０は、算出された時間差ｄＴだけ、目標軌道Ａｋ１をシフトする。図５の（ｂ）がこのシフト処理を示している。図５の符号Ａｋ２が、修正後の目標軌道を示している。なお、図５では、タイミングＴｚ以前の相対位置ｓＰｒがフラットな直線で描かれている。しかし実際には、ｓＰｒのグラフは、図１に示したように、相対位置が時間の経過とともに腰位置から徐々に後方に離れていくことを示す曲線を描くことに留意されたい。

ステップＳ１４において、コントローラ４０は、修正後の目標軌道Ａｋ２に基づいてモータを制御する。目標軌道を修正後、タイミングＴｚから膝関節角の目標軌道Ａｋ２が増加し始める。即ち、コントローラ４０は、推定されたプレスイングタイミングＴｚで下肢を後方へ揺動させる向きのトルクを加え始める。

コントローラ４０が修正後の目標軌道Ａｋ２に基づいてモータを制御することによって、予定されていた床反力Ｆｒ１が実際にはＦｒ２となる（図５の符号（ｃ）参照）。同時に、予定されていた相対位置Ｐｒ１が実際にはＰｒ２となる（図５の符号（ｄ）参照）。こうして、推定されたプレスイングタイミングに適応するように目標軌道が修正され、下肢を後方へ揺動させる向きのトルクを加えるタイミングがユーザの意図に略合致する。本実施例の歩行補助装置が良好に機能する場合、下肢を後方へ揺動させる向きのトルクを加えたときにユーザに違和感をほとんど与えない。すなわち、歩行補助装置１０は、プレスイング期においてユーザに与える違和感を顕著に低減しながら歩行動作を補助することができる。

コントローラ４０が、第１脚（右脚）の状態が属する期間（フェーズ）を判断する処理を説明する。図６は、第１脚が属し得るフェーズの種類を示す。図７に、コントローラ４０がフェーズ間の遷移を判断する基準を示す。第１脚は、「立脚」、「遊脚」、及び、「停止」の３種類のフェーズに属し得る。なお、以下の判断は第２脚（左脚）にも適応できることに留意されたい。

コントローラ４０は、停止フェーズに属している第１脚の相対位置Ｐｒが既定の相対位置Ｘａよりも後方に位置したときに第１脚が立脚フェーズに遷移したと判断する（遷移Ａ）。既定の相対位置Ｘａは、腰位置よりも後方であり、かつ、プレスイングタイミングを推定するために用いた既定相対位置Ｘｐよりも前方に設定される。

コントローラ４０は、停止フェーズに属している第１脚の相対位置Ｐｒが既定の相対位置Ｘｂよりも前方であり、かつ、床反力Ｆｒが既定反力Ｆｂよりも小さく、さらに第１脚の足の速度Ｖｒが既定速度Ｖｂよりも大きくなったときに、第１脚が遊脚フェーズに遷移したと判断する（遷移Ｂ）。既定相対位置Ｘｂは、腰位置よりも前方に設定される。

コントローラ４０は、立脚フェーズに属している第１脚の相対位置Ｐｒが既定の相対位置Ｘｐよりも後方であり、かつ、第１脚の床反力Ｆｒが既定反力Ｆｐよりも小さくなったときに、第１脚が遊脚フェーズに遷移したと判断する（遷移Ｃ）。なお、この処理が前述のステップＳ１０の判断に相当する。遷移Ｃは、立脚フェーズに属する第１脚がプレスイングフェーズ（プレスイング期）を経て遊脚フェーズに遷移することに留意されたい。プレスイングフェーズは、立脚フェーズの終端期間に相当する。

コントローラ４０は、遊脚フェーズに属する第１脚の相対位置Ｐｒが既定相対位置Ｘｄよりも前方であり、かつ、床反力Ｆｒが既定反力Ｆｄよりも大きく、さらに足の速度Ｖｒが既定速度Ｖｄよりも小さくなったときに第１脚が立脚フェーズに遷移したと判断する（遷移Ｄ）。既定相対位置Ｘｄは、腰位置よりも前方に設定される。

コントローラ４０は、第１脚が立脚フェーズに既定時間Ｔｄ１以上長く属し続けているときに、第１脚が停止フェーズに遷移したと判断する（遷移Ｅ）。また、コントローラ４０は、第１脚が遊脚フェーズに既定時間Ｔｄ２以上長く属し続けているときに、第１脚が停止フェーズに遷移したと判断する（遷移Ｆ）。遷移Ｅの判断が、ステップＳ８における「ＮＯ」の判断に相当する。遷移Ｆの判断が、ステップＳ１８における「ＮＯ」の判断に相当する。

次に、第２実施例の歩行補助装置について説明する。第２実施例の歩行補助装置は、第１実施例の歩行補助装置１０において、反力センサ１９に代えて接地センサを採用する。接地センサは、足の接地が検知されているときにはＯＮ（接地）を出力し、足の接地が検知されていないときにはＯＦＦ（非接地）を出力する。従って、第２実施例の歩行補助装置は、接地センサの出力がＯＦＦからＯＮに切り換わるタイミングを着地タイミングとして検知する。また、歩行補助装置は、接地センサの出力がＯＮからＯＦＦに切り換わるタイミングを離地タイミングとして検知する。以下では、「反力センサ１９」を「接地センサ１９」と言い換える。第２実施例の歩行補助装置は、ステップＳ１０の処理が第１実施例の場合と異なる。第２実施例の歩行補助装置は、第１実施例のステップＳ１０の処理に代えて次の処理を実行する。

歩行補助装置は、第１脚の足の相対位置Ｐｒが既定相対位置Ｘｐよりも後方であり、かつ、離地タイミングを検知したときに、目標軌道を修正する。歩行補助装置は、下肢を後方へ揺動させるトルクを加え始めるように目標軌道を修正する。目標軌道の修正の具体例は、第１実施例の場合とほぼ同じである。第２実施例の歩行補助装置は、次の技術的特徴を備える。歩行補助装置は、第１脚の膝関節にトルクを加えるアクチュエータ（モータ３２）と、第１脚の足が離地するタイミングを検知する接地センサ（１９）と、第１脚のピッチ軸回りの股関節角を検出する角度センサ（２１）を備えている。歩行補助装置は、次の処理を実行する。歩行補助装置は、検出された股関節角に基づいて、腰に対する第１脚の足の水平方向の相対位置Ｐｒを推定する。続いて歩行補助装置は、第１脚の足が既定距離Ｄｒ以上に腰より後方に位置しており、かつ、第１脚の足が離地したタイミングで、下肢を後方に回転させる向きのトルクを膝関節に加え始める。

第２実施例の歩行補助装置は、離地タイミングで下肢を後方に揺動するトルクを加え始める。第２実施例の歩行補助装置は、第１実施例の歩行補助装置にはやや劣るが、ユーザに与える違和感を低減しながら、歩行動作を補助することができる。

第２実施例の歩行補助装置のコントローラが、第１脚の状態が属する期間（フェーズ、図６参照）を判断する処理を説明しておく。図８に、第２実施例の歩行補助装置のコントローラがフェーズ間の遷移を判断する基準を示す。第１脚は、「立脚」、「遊脚」、及び、「停止」の３種類のフェーズに属し得る。なお、以下の判断は第２脚（左脚）にも適応できることに留意されたい。なお、遷移Ａ、遷移Ｅ、及び、遷移Ｆの判断は第１実施例の場合と同様であるので説明は省略する。

コントローラは、停止フェーズに属している第１脚の相対位置Ｐｒが既定の相対位置Ｘｂよりも前方であり、かつ、第１脚の着地タイミングが検知され（接地センサの出力：ＯＮからＯＦＦへ）、さらに第１脚の足の速度Ｖｒが既定速度Ｖｂよりも大きくなったときに、第１脚が遊脚フェーズに遷移したと判断する（遷移Ｂ）。

コントローラは、立脚フェーズに属している第１脚の相対位置Ｐｒが既定の相対位置Ｘｐよりも後方であり、かつ、第１脚の離地タイミングが検知されたときに（接地センサの出力：ＯＮからＯＦＦへ）、第１脚が遊脚フェーズに遷移したと判断する（遷移Ｃ）。なお、この処理が第２実施例におけるステップＳ１０の判断に相当する。第２実施例における遷移Ｃは、プレスイングフェーズを含む立脚フェーズから遊脚フェーズへの遷移であることに留意されたい。

コントローラは、遊脚フェーズに属する第１脚の相対位置Ｐｒが既定相対位置Ｘｄよりも前方であり、かつ、着地タイミングが検知され（接地センサの出力：ＯＦＦからＯＮへ）、さらに足の速度Ｖｒが既定速度Ｖｄよりも小さくなったときに第１脚が立脚フェーズに遷移したと判断する（遷移Ｄ）。既定相対位置Ｘｄは、腰位置よりも前方に設定される。

以上、本発明の好適な実施例を説明した。本明細書が開示する技術に関する留意点を述べる。第１実施例の歩行補助装置１０は、反力センサ１９と角度センサ２１の検出データに基づいてプレスイングタイミングを推定し、トルクを加えるときにユーザに与える違和感を低減するように目標軌道を修正する。そのような歩行補助装置の特徴は次のとおり表すことができる。歩行補助装置のコントローラは、第１脚（一方の脚）の膝関節角の目標軌道を記憶している。コントローラは、検出された膝関節角が目標軌道に追従するようにアクチュエータを制御する。目標軌道は、立脚から遊脚へ移行するときの膝関節角の経時変化を記述している。コントローラはさらに、目標軌道に対応する予定床反力の経時変化データを記憶している。コントローラは、検出された股関節角に基づいて、腰に対する第１脚の足の水平方向の相対位置Ｐｒを推定する。コントローラは、第１脚の立脚期（好ましくは立脚期後半）において、推定された相対位置Ｐｒが既定距離以上に腰よりも後方であるとともに（Ｐｒ＜Ｘｐ）、検出された床反力Ｆｒが既定反力Ｆｐを下回ったタイミングを特定する。コントローラは、予定床反力が既定反力Ｆｐを下回ったタイミングとの時間差ｄＴだけ目標軌道をシフトさせる。

また、股関節角を検出するエンコーダ２１に変えて、鉛直方向に対する絶対的な股関節角を検出することができる傾斜角センサを用いることも好適である。そのような傾斜角センサを用いることによって、足の相対位置を正確に推定することができる。

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、請求の範囲を限定するものではない。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。

Claims (5)

1. ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であり、
   一方の脚の膝関節にトルクを加えるアクチュエータと、
   一方の脚の足が床から受ける床反力を検出する反力センサと、
   一方の脚のピッチ軸回りの股関節角と膝関節角を検出する角度センサと、を備えており、
   検出された股関節角と膝関節角に基づいて腰に対する一方の脚の足の水平方向の相対位置を推定し、
   一方の脚の足が予め定められた距離以上に腰より後方に位置している間に、検出された床反力が予め定められた反力を下回るタイミングで、下肢を後方に揺動させる向きのトルクを膝関節に加え始めることを特徴とする歩行補助装置。
2. 前記一方の脚の膝関節角の時系列データであって、下肢を後方に揺動させる向きに膝関節角が増大し、その後に下肢を前方に揺動させる向きに変化する膝関節角の目標軌道を記憶しており、
   前記一方の脚の膝関節角が前記目標軌道に追従するようにアクチュエータを制御するとともに、前記タイミングで、下肢を後方へ揺動させる向きのトルクをアクチュエータが出力し始めるように前記目標軌道を修正することを特徴とする請求項１に記載の歩行補助装置。
3. 前記予め定められた反力はゼロより大きい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。
4. ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であり、
   一方の脚の膝関節にトルクを加えるアクチュエータと、
   一方の脚の足が離地するタイミングを検知する接地センサと、
   一方の脚のピッチ軸回りの股関節角と膝関節角を検出する角度センサと、を備えており、
   検出された股関節角と膝関節角に基づいて腰に対する一方の脚の足の水平方向の相対位置を推定し、
   一方の脚の足が予め定められた距離以上に腰より後方に位置している間に、一方の脚の足が離地したタイミングで、下肢を後方に揺動させる向きのトルクを膝関節に加え始めることを特徴とする歩行補助装置。
5. 前記一方の脚の膝関節角の時系列データであって、下肢を後方に揺動させる向きに膝関節角が増大し、その後に下肢を前方に揺動させる向きに変化する膝関節角の目標軌道を記憶しており、
   前記一方の脚の膝関節角が前記目標軌道に追従するようにアクチュエータを制御するとともに、前記タイミングで、下肢を後方へ揺動させる向きのトルクをアクチュエータが出力し始めるように前記目標軌道を修正することを特徴とする請求項４に記載の歩行補助装置。

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