行走用摆动腿摆运动辅助器具和助力的控制方法
【专利摘要】提供如下一种基于着眼于摆动腿的新技术思想的行走用的运动辅助器具，即，由行走能力低下者等使用，通过以较小的力支持行走运动，来促进行走能力低下者依靠自身的肌肉进行行走运动，不仅能够通过提高行走速度来有效地抑制肌力下降，还能够在保持固定的行走速度的情况下，通过更少的能量辅助更长时间、更远距离的行走。行走用摆动腿摆运动辅助器具(10)具备一对用于左右腿部的设置有对辅助力传递部(12)施加拉伸力的驱动源(40)的辅助构件，另一方面，具有：关节角度传感器(32)，其检测使用者的髋关节的关节角度；以及控制单元(50)，其与关节角度的变化相对应地对各辅助构件中的各驱动源(40)进行驱动控制，对蹬离地面的摆动腿施加向前方摆动的方向的助力，由此对摆动腿的摆运动进行辅助。
【专利说明】行走用摆动腿摆运动辅助器具和助力的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种由行走能力低下者等使用的行走用的摆动腿摆运动辅助器具和助力的控制方法，即，通过以较小的力支持行走运动而促进行走能力低下者依靠自身的肌力进行行走运动，从而例如通过提高行走速度能够有效地抑制肌力下降，并且例如在保持固定的行走速度的情况下，用更少的能量帮助进行长时间的行走，从而能够辅助进行更远距离的行走。
【背景技术】
[0002]以往，为了支持肌力低的残疾人、老年人进行行走，而提出了如日本特许第4200492号公报(专利文献I)、日本特开2010-110464号公报(专利文献2)所示那样的安装式的辅助装置。
[0003]另外，这些专利文献1、2所记载的以往结构的辅助装置是外骨骼型的辅助装置，由沿着使用者的身体安装的硬质的臂、框架构成的外骨骼通过马达驱动关节部，来使使用者的腿与外骨骼臂一起进行动作。
[0004]然而，利用这种硬质的外骨骼的以往的辅助装置均是在相对于地面交替重复触地和抬起的双足行走中补偿对体重进行支撑等需要大的肌力的触地侧的腿的肌力。因此，存在需要大的输出功率而难以避免装置的大型化、重量化的问题。
[0005]并且，在通过大的输出辅助来补偿触地侧的腿的肌力的以往的辅助装置中，还存在如下问题:由于以大的力 来辅助使用者自身的肌力，因此可以使使用者自身的肌力负担变小，其结果难以期待锻炼使用者自身的肌力来抑制肌力下降的效果。因此，尤其是由于年龄增长等原因产生行走障碍但还未达到不能行走的被称为运动器官机能下降综合症等的行走能力低下者，即使采用通过以往的刚骨骼结构来对触地腿进行肌力辅助的辅助装置，也难以期望维持、提高行走能力，未必能够有效地抑制其转变成为不能独立行走的严重程度的行走障碍。
[0006]另外，在以往的硬质的外骨骼结构的辅助装置中，还存在如下的危险:如果不与使用者的体格准确匹配或安装不合适，则由于外骨骼的刚性而导致在运动时对使用者的关节等施加了过度的力。
[0007]除此之外，还有可能由于硬质的外骨骼约束使用者的关节的动作，因此例如当存在对使用者的横方向的外力等的干扰作用时，会妨碍使用者通过反射反应而进行的防止跌倒的动作，从而导致跌倒。
[0008]专利文献1:日本特许第4200492号公报
[0009]专利文献2:日本特开2010-110464号公报
【发明内容】
[0010]发明要解决的问题
[0011]本发明是以上述情况为背景完成的，其解决课题在于提供如下一种基于着眼于摆动腿的新的技术思想的行走用的运动辅助器具，即，由行走能力低下者等使用，通过以较小的力支持行走运动，来促进行走能力低下者依靠自身的肌力进行行走运动，从而能够有效地抑制肌力下降。
[0012]另外，本发明除了结构简单且轻量以外，目的还在于提供如下一种新的行走用的运动辅助器具:不会过度地约束使用者自身针对干扰等的瞬间且突发的危险回避反应的动作，通过有效地支持使用者的行走，能够安全地发挥肌力的训练效果。
[0013]用于解决问题的方案
[0014]本发明的第一方式是一种行走用摆动腿摆运动辅助器具，其特征在于，具备一对用于左右腿部的辅助构件，在该辅助构件中，针对具有挠性的辅助力传递部的两端部分，设置有夹持使用者的髋关节的安装于腿部侧的的第一安装部和安装于腰部侧的第二安装部，并且设置有针对该辅助力传递部施加拉伸力的驱动源，另一方面，具有:关节角度传感器，其检测该使用者的髋关节的前后方向的关节角度；以及控制单元，其根据该关节角度传感器的检测值来检测该使用者行走时在后方伸着的腿蹬离地面而变为单腿站立的状态，对该驱动源进行驱动控制来针对该蹬离地面的摆动腿的该辅助力传递部施加拉伸力，由此施加向前方摆动的方向的助力来对该摆动腿的摆运动进行辅助。
[0015]设为依照第一方式的结构的运动辅助器具着眼于在人双足行走时的摆动腿的摆运动的行走能量的效能作用等，使助力作用于摆动腿。由此，通过在行走时积极地增大摆动腿的摆运动，来达到摆动腿的摆运动的动能的增大所产生的行走运动的力学辅助效果。除此之外，还在适当的定时对摆动腿施加支持力，来实现行走运动时的摆动腿本来的动作，由此能够改善行走能力低下者行走时的人体各部分的协调运动的紊乱、相位的偏移，并恢复行走的效能和节奏感。
[0016]由此，在本方式的运动辅助器具中，不同于以针对触地腿的肌力辅助大的力为目的的以往结构的辅助装置，通过小的输出来准确且有效地支持行走，从而能够恢复行走能力低下者等本来的行走顺序所形成的人体各部分的联动运动，并且能够使使用者的触地腿的肌力进行动作来发挥对肌力下降的抑制效果并促进行走的反射。其结果，能够针对行走运动功能的降低有效地达到抑制效果，还能够期待行走功能的改善，并能够针对由于运动器官障碍引起的运动器官综合症(locomotive syndrome)的初期阶段等发挥优秀的训练效果。
[0017]并且， 本方式的运动辅助器具通过向摆动腿施加助力，来辅助实现摆动腿行走的效能和节奏感，来减轻独立行走的负担，因此与将为了负担体重而向触地腿作用大的助力作为目的的以往结构的辅助装置相比，可以减少输出，并能够实现装置的小型化、轻量化，也容易使用。
[0018]除此之外，本方式的运动辅助器具由于辅助力传递部具有挠性而被允许变形，由此与具有硬质的外骨骼的行走运动辅助器具相比，使用者能够容易地进行穿脱。并且，基于柔软的辅助力传递部的变形，能够在安装的状态下坐在椅子上或侧身行走等进行多种多样的日常生活动作，从而不像以往结构的外骨骼式的行走运动辅助器具那样过度约束使用者的动作或对关节等施加过度的负担，因此能够通过日常生活的自然的动作来维持、提高肌力、神经系统的功能。另外，由于运动辅助器具的安装而对使用者造成的肉体的和精神的负担得到减轻，从而还能够实现连续的安装。并且，在横方向的外力等对行走中的使用者产生干扰作用时也能够允许使用者通过反射反应而防止跌倒的动作来实现安全性的提高。
[0019]本发明的第二方式是在上述第一方式所涉及的运动辅助器具中，上述辅助构件中的上述第一安装部被安装于大腿骨的远端至胫骨的近端的范围内。
[0020]在本方式的运动辅助器具中，通过将第二安装部设定在距髋关节较远的位置处，能够通过辅助构件更有效地向腿部施加驱动源的助力。因此，还能够使驱动源降低需要的输出，由此实现运动辅助器具的进一步的轻量化、小型化。
[0021]本发明的第三方式在上述第二方式所涉及的运动辅助器具中，通过将上述辅助构件中的上述第一安装部安装于胫骨的近端，来将该辅助构件的上述助力施加于上述摆动腿的膝下部分。
[0022]在本方式的运动辅助器具中，不仅对摆动腿的大腿部施加助力还对小腿部施加助力，由此能够针对整条腿的摆运动发挥更有效的辅助效果。即，双足行走能够表示为依据髋关节的运动的圆规模型，但是更准确地说表示为考虑到髋关节与膝关节的联动运动的模型。而且，通过在将围绕髋关节的大腿部的摆运动与围绕膝关节的小腿部的摆运动合并在一起的联动运动中进行对小腿部的支持，由此能够通过能量更有效地使腿进行摆运动来进行行走辅助。
[0023]本发明的第四方式是上述第一~第三方式中的任一个方式所涉及的运动辅助器具，具备存储单元，该存储单元存储与用于与上述使用者的髋关节的关节角度的变化相对应地驱动上述左右一对上述辅助构件中的各上述各驱动源的驱动定时信息和驱动输出信息有关的控制信息，并且上述控制单元根据该存储单元中的该控制信息，对该左右一对该辅助构件中的该各该驱动源进行驱动控制，由上述关节角度传感器检测该使用者行走时在后方伸着的腿蹬离地面而变为单腿站立的状态，针对该蹬离地面的摆动腿施加向前方摆动的方向的助力，由此对该摆动腿的摆运动进行辅助。
`[0024]在本方式的运动辅助器具中，为了对各使用者的摆动腿的摆运动进行辅助，而根据各使用者来以最佳的定时和输出对驱动源进行驱动。即，通过调节成在髋关节为规定的角度的时刻对驱动源进行驱动，能够针对各使用者任意地设定驱动源的驱动定时。另外，通过调节驱动源的输出的大小，还能够针对各使用者任意地设定向摆动腿施加的助力的大小。此外，在人进行行走运动时，由关节角度传感器时常检测髋关节的角度，可以设定成在规定的角度对驱动源进行驱动，也可以设定成从规定的角度开始以固定的周期对驱动源进行驱动。
[0025]本发明的第五方式是上述第四方式所涉及的运动辅助器具，上述存储单元存储用于与上述使用者的髋关节的关节角度的变化相对应地追踪追随上述辅助构件中的上述辅助力传递部的有效长度的挠曲防止控制信息，上述控制单元根据存储在该存储单元中的该挠曲防止控制信息，对左右一对上述辅助构件中的各上述驱动源分别进行驱动控制以与该关节角度的变化相对应地将该辅助力传递部保持为固定的张力作用状态。
[0026]在本方式的运动辅助器具中，减轻或避免随着髋关节的变化而产生辅助力传递部的挠曲，因此从辅助力传递部作用于腿部的行走的支持力能够有效地且没有大幅的时间延迟地适当地施加于使用者，从而能够更准确地控制支持力对摆动腿的作用定时。
[0027]本发明的第六方式是一种上述第一~第五方式中的任一个方式所涉及的运动辅助器具，在上述控制单元中，以在上述使用者行走时在后方伸着的腿蹬离地面而成为摆动腿的位置为基准点，并以在从该基准点起的行走周期的-15%~+15%的范围内设定开始点的方式来设定基于上述关节角度传感器的检测值的设定上述助力的开始时刻。
[0028]在本方式的运动辅助器具中，能够适当地获取行走时的节奏并更有效地对摆动腿施加支持力。另外，还应该考虑到因各使用者的个人差别而产生的行走方式的差异，从而还优选在基准点以前的15%的范围内设定开始点、或在基准点以后的15%的范围内设定开始点。
[0029]此外，期望在摆动腿在使用者的前方触地以后解除对摆动腿施加的助力，由此解除对触地腿的影响。更优选的是，在触地点前的行走周期的10%的范围内设定支持力的解除点。另外，对摆动腿施加的助力也有可能断续地分开多次施加于摆动腿，也有可能持续地施加于摆动腿。期望断续地或连续地施加助力的辅助期间设为从开始点起的行走周期的10%以上，更优选的是设为从开始点起的行走周期的20%以上，更优选的是设定为30%以上，由此能够向摆动腿施加更有效的助力。
[0030]本发明的第七方式为，在上述第一~第六方式中的任一个方式所涉及的运动辅助器具中，上述关节角度传感器是针对左右腿分别检测上述使用者的大腿骨相对于胯骨在前后方向的倾斜角度的传感器。
[0031]在本方式的运动辅助器具中，在人进行行走运动时，将左右各腿中与行走周期相关联地发生变化的髋关节的角度变化作为参照信号，从而能够独立地控制左右一对辅助构件对左右一对腿部的支持力。因此，能够对左右腿分别施加与髋关节的角度相应的支持力，还能够在例如行走开始时立即将支持力施加于迈出的腿。另外，即使在由于干扰而仅一条腿突然需要较大的支持力的情况等下，也能够更迅速地发挥支持力。
[0032]本发明的第八方式是在使用者行走时对该使用者的腿部施加助力来辅助行走运动的行走用运动辅助器具中的该助力的控制方法，其特征在于，在后方伸着的腿蹬离地面而变为单腿站立时，针对该蹬离地面的摆动腿施加向前方摆动的方向的助力来对该摆动腿的摆运动进行辅助。
[0033]依照本方式的控制方法，通过在行走时对摆动腿的摆运动施加助力来辅助实现本来的双腿行走的身体动作，由此通过小的力来支持行走运动，从而能够促进行走能力低下者依靠自身的运动和肌力进行的行走运动，因此能够有效地抑制肌力下降。此外，在本方式中，对摆动腿施加的助力可以在所述腿离开地面以前预先施加于该腿，也可以在腿离开地面而成为摆动腿以后施加。
[0034]发明的效果
[0035]根据本发明，基于着眼于摆动腿的新的技术思想，能够实现在行走时的各部位的联动运动的定时的正常化来实现有效的行走。其结果，例如能够使行走能力低下者恢复人本来的行走动作、行走感觉，从而还能够充分期待促进行走和随其产生的肌力保持、增强等独立行走的持续效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1是表示作为人的行走机构的倒立摆模型的说明图。
[0037]图2是以模型的形式表示在人行走时的触地腿和摆动腿的运动的说明图。
[0038]图3是表示作为本发明的实施方式的行走运动辅助器具的主视图。[0039]图4是图3所示的行走运动辅助器具的后视图。
[0040]图5是图3所示的行走运动辅助器具的侧视图。
[0041]图6是构成图3所示的行走运动辅助器具的静电电容型传感器的立体图。
[0042]图7是在图4所示的行走运动辅助器具的后视图中去掉外壳后示出驱动装置的内部结构的图。
[0043]图8是表示图3所示的行走运动辅助器具中的控制系统的功能框图。
[0044]图9是表示图3所示的行走运动辅助器具中的辅助力传递带的伴随行走运动产生的有效自由长度的变化的说明图。
[0045]图10是包含用于说明图9所示的辅助力传递带的有效自由长度与髋关节角度的关系的关系式的说明图。
[0046]图11是用于说明图3所示的行走运动辅助器具中的支持(辅助)力控制与辅助力传递带的有效自由长度变化对应控制的关系的说明图。
[0047]图12是用于说明本发明的行走运动辅助器具的支持力的作用时间与髋关节角度的关系的说明图。
[0048]图13是用于说明本发明的行走运动辅助器具的支持力的作用定时的说明图。
[0049]图14是以模型的形式表示图3所示的行走运动辅助器具对摆动腿作用支持力的说明图，(a)是表示对大腿部作用支持力的说明图，(b)是表示对小腿部作用支持力的说明图。
`[0050]图15是表示对图3所示的行走运动辅助器具的肌力支持(辅助)的效果进行确认的实验结果的曲线图。
[0051]图16是表示图3所示的行走运动辅助器具中的关节角度传感器的另一形态例的主视图。
[0052]图17是表示图3所示的行走运动辅助器具中的关节角度传感器的其它另一形态例的主视图。
【具体实施方式】
[0053]下面，参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。
[0054]首先，人的行走机理通过图1所示的倒立摆模型S来表现。该倒立摆模型S是将触地点作为支点来以重心的摆状的位移使行走模型化，通过[式I]给出运动方程式。
[0055][式I]
【权利要求】
1.一种行走用摆动腿摆运动辅助器具，其特征在于， 具备一对用于左右腿部的辅助构件，在该辅助构件中，针对具有挠性的辅助力传递部的两端部分，设置有夹持使用者的髋关节的安装于腿部侧的第一安装部和安装于腰部侧的第二安装部，并且设置有对该辅助力传递部施加拉伸力的驱动源，另一方面，具有: 关节角度传感器，其检测该使用者的髋关节的前后方向的关节角度；以及控制单元，其根据该关节角度传感器的检测值来检测该使用者行走时在后方伸着的腿蹬离地面而变为单腿站立的状态，对该驱动源进行驱动控制来对该蹬离地面的摆动腿的该辅助力传递部施加拉伸力，由此施加向前方摆动的方向的助力来对该摆动腿的摆运动进行辅助。
2.根据权利要求1所述的行走用摆动腿摆运动辅助器具，其特征在于， 上述辅助构件中的上述第一安装部被安装于大腿骨的远端至胫骨的近端的范围内。
3.根据权利要求2所述的行走用摆动腿摆运动辅助器具，其特征在于， 通过将上述辅助构件中的上述第一安装部安装于胫骨的近端，来将该辅助构件的上述助力施加于上述摆动腿的膝下部分。
4.根据权利要求1~3中的任一项所述的行走用摆动腿摆运动辅助器具，其特征在于， 具备存储单元，该存储单元存储与用于与上述使用者的髋关节的关节角度的变化相对应地驱动左右一对上述辅助构件的各上述驱动源的驱动定时信息和驱动输出信息有关的控制信息，并且 上述控制单元根据该存储单元中的该控制信息，对左右一对该辅助构件的各该驱动源进行驱动控制，由上述 关节角度传感器检测该使用者行走时在后方伸着的腿蹬离地面而变为单腿站立的状态，对该蹬离地面的摆动腿施加向前方摆动的方向的助力，由此对该摆动腿的摆运动进行辅助。
5.根据权利要求4所述的行走用摆动腿摆运动辅助器具，其特征在于， 上述存储单元存储用于与上述使用者的髋关节的关节角度的变化相对应地追随上述辅助构件的上述辅助力传递部的有效长度的挠曲防止控制信息， 上述控制单元根据存储在该存储单元中的该挠曲防止控制信息，对左右一对上述辅助构件的各上述驱动源分别进行驱动控制以与该关节角度的变化相对应地将该辅助力传递部保持为固定的张力作用状态。
6.根据权利要求1~5中的任一项所述的行走用摆动腿摆运动辅助器具，其特征在于， 在上述控制单元中，以在上述使用者行走时在后方伸着的腿蹬离地面而成为摆动腿的位置为基准点，并以在从该基准点起的行走周期的-15%~+15%的范围内设定开始点的方式来设定基于上述关节角度传感器的检测值的上述助力的开始时刻。
7.根据权利要求1~6中的任一项所述的行走用摆动腿摆运动辅助器具，其特征在于， 上述关节角度传感器是对左右腿分别检测上述使用者的大腿骨相对于胯骨在前后方向的倾斜角度的传感器。
8.一种在使用者行走时对该使用者的腿部施加助力来辅助行走运动的行走用运动辅助器具中的该助力的控制方法，其特征在于， 在后方伸着的腿蹬离地面而变为单腿站立时，对该蹬离地面的摆动腿施加向前方摆动的方向的助力来对该摆动腿的摆 运动进行辅助。
【文档编号】A61H3/00GK103813772SQ201380002742
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年5月28日 优先权日:2012年7月20日
【发明者】山本元司, 高杉绅一郎, 佐藤雅纪, 小松孝弘, 桥本和信 申请人:国立大学法人九州大学, 东海橡塑工业株式会社