JP6407539B2 - 膝関節動作支援装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、人の脚の膝関節の動作を支援する膝関節動作支援装置に関する。

従来、膝関節の動作を支援する装置として、例えば、膝関節の角度変化を測定して、その変化パターンに基づいて、動作をアシストする装置が知られている。この装置は、本来アシストが必要な方向の人による動作をトリガーにしてアシスト動作を開始する。

特開２０１１−１２０７８６号公報

このため、例えば、床にある重い荷物を持ち上げるような場合、装置によるアシスト動作を開始させる際に、当該装置を装着した人は、非常に大きな力で膝関節を動かす必要があり、その分、装着者の体に負担がかかっていた。

よって、装着者に負担がかからない膝関節動作支援装置の開発が望まれている。

実施形態に係る膝関節動作支援装置は、腰に装着する上装具と、大腿部の外側に配置される上フレームと、この上フレームの上端を上装具に対して回動可能に連結する上連結部と、下腿部の外側に配置される下フレームと、この下フレームの下端近くで足に装着する下装具と、下フレームの下端を下装具に対して回動可能に連結する下連結部と、膝関節の外側に配置され、下フレームの上端を上フレームの下端に対して膝関節が動く方向に回動可能に支持する回動支持部と、を有する。また、この装置は、回動支持部の回動角度を検出する角度センサと、装着者の屈伸動作をアシストする方向の駆動力を回動支持部に与える駆動部と、装着者の動きに伴う加速度を検出する加速度センサと、この加速度センサを介して装着者の動きを検出したことをトリガーとして、角度センサおよび加速度センサによる検出結果に基づいて、回動支持部に駆動力を与えてアシスト動作を開始するように駆動部を制御する制御部と、装着者がアシスト動作を受けずに屈伸動作をしたときの角度センサおよび加速度センサの出力の統計をとった統計データを記憶した記憶部と、を有する。制御部は、アシスト動作中に、統計データに基づく通常の動作範囲から外れて装着者が動作したことを検出した場合、駆動部に与える駆動力を一定時間保持する。
実施形態に係る膝関節動作支援装置は、腰に装着する上装具と、大腿部の外側に沿って配置される上フレームと、この上フレームの上端を上装具に対して回動可能に連結する上連結部と、下腿部の外側に沿って配置される下フレームと、この下フレームの下端近くで足に装着する下装具と、下フレームの下端を下装具に対して回動可能に連結する下連結部と、膝関節の外側に配置され、下フレームの上端を上フレームの下端に対して膝関節が動く方向に回動可能に支持する回動支持部と、回動支持部の回動角度を検出する角度センサと、装着者の屈伸動作をアシストする方向の駆動力を上記回動支持部に与える駆動部と、装着者の動きに伴う加速度を検出する加速度センサと、この加速度センサを介して装着者の動きを検出したことをトリガーとして、角度センサおよび加速度センサによる検出結果に基づいて、回動支持部に駆動力を与えてアシスト動作を開始するように駆動部を制御する制御部と、を有する。制御部は、加速度センサを介して装着者の膝を外側へ開く動作を検出したとき、装着者が立ち上がる方向に動作をアシストし、加速度センサを介して装着者の膝を内側へ閉じる動作を検出したとき、装着者がしゃがむ方向に動作をアシストする。

図１は、実施形態に係る膝関節動作支援装置の正面図である。 図２は、図１の装置の側面図である。 図３は、図１の装置の動作を制御する制御系のブロック図である。 図４は、図１の装置の加速度センサを介して検出する加速度成分について説明するための図である。 図５は、図１の装置の記憶部に予め記憶した統計データの一例を示す図である。 図６は、図１の装置の記憶部に予め記憶した立ち上がるときのアシストパターンを示す図である。 図７は、図１の装置の記憶部に予め記憶したしゃがむときのアシストパターンを示す図である。 図８は、図１の装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図９は、図１の装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図１０は、図１の装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図１１は、図１の装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図１２は、図１の装置の変形例を示す側面図である。 図１３は、図１の装置の変形例を示す側面図である。 図１４は、図１の装置の変形例を示す側面図である。 図１５は、図１の装置の変形例を示す側面図である。

以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。
図１は、膝関節動作支援装置１００（以下、単に、装置１００と称する）の正面図である。また、図２は、この装置１００を装着者Ｐの左側から見た側面図である。さらに、図３は、装置１００の動作を制御する制御系のブロック図である。

図１では、装置１００の左側の構成だけ図示してあり、右側の構成の図示を省略してある。装置１００は、左右対称の構成を有するため、以下の説明でも、左側の構成のみ代表して説明し、右側の構成の説明を省略する。また、以下の説明では、真っ直ぐに立った状態の装着者Ｐから見て、左右方向をＸ軸方向、前後方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向とする。

装置１００は、上装具２、上フレーム４、下フレーム６、および下装具８を有する。上装具２は、装着者Ｐの腰に巻き付けて固定されるベルトなどを含む。上フレーム４は、装着者Ｐの大腿部の外側に沿ってＺ軸方向に延設される。下フレーム６は、装着者Ｐの下腿部の外側に沿ってＺ方向に延設される。下装具８は、下フレーム６の下端近くで足に装着されて固定される。本実施形態の下装具８は、例えば、板金を形状加工して折り曲げて形成され、足の裏を乗せる部分を有する。

上フレーム４および下フレーム６は、樹脂や軽金属などの軽量で十分な強度を有する材料で形成された棒状または板状の部材である。樹脂であれば、例えば、ＣＦＲＰやＧＦＲＰを用いることができる。また、軽金属であれば、例えば、Ａｌ合金やＭｇ合金、Ｔｉ合金などを用いることができる。本実施形態では、上フレーム４を１本の棒材により形成したが、その長さを伸縮自在にするスライド機構を設けても良い。

また、装置１００は、上フレーム４の上端を上装具２に対して回動可能に連結する上連結部３、下フレーム６の下端を下装具８に対して回動可能に連結する下連結部７、および膝関節の外側で下フレーム６の上端を上フレーム４の下端に対して回動可能に支持する回動支持部５を有する。

上連結部３は、上フレーム４の上端を上装具２に対して３自由度の回動が可能な状態で連結する。ここで言う３自由度の回動とは、例えば、Ｘ軸を中心とした回動、Ｙ軸を中心とした回動、およびＺ軸を中心とした回動を含み、全ての方向に回動可能であることを指す。具体的には、この上連結部３は、例えば、ボールジョイントや自在継手などのフリージョイントである。下連結部７も、上連結部３と同様の構成を有する。

回動支持部５は、膝関節が動く方向、すなわちＸ軸を中心とした１自由度の回動を許容する。言い換えると、回動支持部５は、膝関節が回動する方向以外（Ｙ軸を中心とした回動やＺ軸を中心とした回動）への下フレーム６の上フレーム４に対する回動を許容しない。つまり、装置１００は、全体として、７自由度の回動を許容する。

装着者Ｐが膝関節を屈伸させる場合、回動支持部５が膝関節の動作に合わせて回動するとともに、上連結部３および下連結部７も僅かに回動する。つまり、屈伸動作時には、膝関節が僅かに外側に開くとともに、膝関節が単純な１軸を中心とした回動にはならないため、上連結部３および下連結部７がそれぞれ３自由度の回動を許容することで、膝関節の複雑な動きを可能にしている。このような装置１００の回動の自由度については後で詳細に説明する。

回動支持部５には、駆動部１０が同軸に取り付けられている。駆動部１０は、サーボモータ１２、電磁クラッチ１４、および減速機を有する。サーボモータ１２は、当該装置１００を装着した装着者Ｐの屈伸動作をアシストする方向の駆動力を回動支持部５に与える。電磁クラッチ１４は、サーボモータ１２の回動力を回動支持部５に選択的に伝える。減速機は、サーボモータ１２の回転を減速させて回動支持部５に伝える。

電磁クラッチ１４を切った状態では、サーボモータ１２の回動力は回動支持部５に伝えられない。本実施形態では、サーボモータ１２および電磁クラッチ１４を回動支持部５と同軸に配置したが、例えば、かさ歯車やタイミングベルト、チェーンを介して回動力を回動支持部５に伝える構成を採用しても良い。

サーボモータ１２には、回動支持部５の回動角度を検出するためのロータリーエンコーダ１６（角度センサ）が設けられている。また、下フレーム６の下端近くには、装置１００が装着者Ｐの体側から外側へ離れないように下腿部に保持せしめるための保持具１８が設けられている。さらに、回動支持部５に近接した上フレーム４の外側には、装着者Ｐの動きに伴う加速度を検出するための加速度センサ２２Ｌが取り付けられている。

より具体的には、ロータリーエンコーダ１６は、サーボモータ１２の回転角度を測定して、上フレーム４と下フレーム６がなす角度αを検出する。つまり、ロータリーエンコーダ１６は、装着者Ｐの膝関節の回動角度を検出する。

保持具１８は、屈伸動作時に装置１００が装着者Ｐから離れないように装置１００の一部を装着者Ｐ（下腿部）に拘束する。特に装着者Ｐの足首近傍を拘束することで、屈伸動作にともなう脚筋肉の収縮を極力妨げないようにすることができる。

また、加速度センサ２２Ｌは、例えば、３軸加速度センサであり、あらゆる方向の加速度を検出可能である。特に、本実施形態では、膝関節が外側に開かれたり内側に閉じられたりする動作を検出しやすくするため、膝関節の近くに加速度センサ２２Ｌを設けた。このように、膝関節の近傍に加速度センサ２２Ｌを配置することで、膝関節の動きに加速度センサ２２Ｌを正確に追従させることができる。

なお、本実施形態の装置１００は、この加速度センサ２２Ｌの他に、図３に示すように、合計６つの加速度センサ２１Ｒ、２１Ｌ、２２Ｒ、（２２Ｌ）、２３Ｒ、２３Ｌを有する。つまり、加速度センサ２１Ｒ、２１Ｌは腰の高さで上装具２に取り付けられ、加速度センサ２２Ｒ、２２Ｌは回動支持部５の近傍で上フレーム４の外面側に取り付けられ、加速度センサ２３Ｒ、２３Ｌは足首の近くで下フレーム６の下端の外面側に取り付けられている。ここで、符号のＲは右側、Ｌは左側を指す。

図１および図２では、特に、膝関節に近い加速度センサ２２Ｌ（左側のみ図示）だけを図示してある。本実施形態の装置１００は、主に、膝関節の近くに設けた加速度センサ２２Ｒ、２２Ｌ（以下、総称して加速度センサ２２と称する）を用いて制御可能である。

なお、加速度センサ２２は、上フレーム４の下端近くに取り付けられているため、屈伸動作によって膝関節の角度αが図４のように変化すると、その位置や角度が変化する。特に、膝関節の回動に伴って加速度センサ２２もＸ軸を中心に回動する。これにより、加速度センサ２２を介して検出する加速度の方向成分、すなわちＹ軸方向の加速度成分およびＺ軸方向の加速度成分も図示矢印で示すように変化する。このため、以下の説明では、加速度センサ２２による検出値は、全て加速度センサ２２を基準としたものとする。

図３に示すように、装置１００の動作を制御する制御部２０には、加速度センサ２１Ｒ、２２Ｒ、２３Ｒ、２１Ｌ、２２Ｌ、２３Ｌ、およびロータリーエンコーダ１６が接続されている。また、制御部２０には、駆動部１０のサーボモータ１２、および電磁クラッチ１４が接続されている。さらに、制御部２０には、記憶部２５が接続されている。制御部２０は、例えば、ＰＣや制御基板である。

記憶部２５には、装置１００を装着した装着者Ｐが当該装置１００による動作アシストが無い状態で自ら屈伸運動をしたとき、ロータリーエンコーダ１６を介して検出した角度αと加速度センサ２２を介して検出した加速度ａ１、ａ２、ａ３が関連付けて記憶されている。具体的には、装置１００を装着した装着者Ｐが、予め、屈伸運動を複数回行ない、各角度αにおける加速度センサ２２の出力の統計を取って、図５に例示した統計データを基準動作データとして記憶部２５に予め記憶してある。

図５には、角度αと加速度ａ１との関係を示す統計データを例示してある。例えば、加速度ａ１はＸ軸方向に沿った加速度を表わし、加速度ａ２はＹ軸方向に沿った加速度を表わし、加速度ａ３はＺ軸方向に沿った加速度を表わす。つまり、図５の統計データは、屈伸運動をしたときの各角度αにおけるＸ軸方向の加速度ａ１の変化を示すものであり、屈伸動作中に膝関節が内側或いは外側へ動く動作を示すものである。この他に、１つの加速度センサ２２に対して、Ｙ軸方向の加速度ａ２に関する統計データ、およびＺ軸方向の加速度ａ３に関する統計データがある。

図５では、統計データのある角度αにおける正規分布曲線をいくつか例示し、加速度ａ１の統計データの平均値を角度αに関連付けて示してある。また、図５には、通常の動作範囲を意味する、統計データの９５％を含む区間（９５％信頼区間）を破線で図示してある。

記憶部２５には、この他に、上述した統計データに基づいて予め設定した駆動部１０による好適なアシストパターンが記憶されている。図６には、しゃがんだ状態（角度α＝０°）から真っ直ぐ立った状態（角度α＝１８０°）まで膝関節を伸ばす際に駆動部１０が回動支持部５に付与するトルクＴのパターンの一例を示してある。また、図７には、真っ直ぐに立った状態からしゃがんだ状態まで膝関節を折り曲げる際のトルクパターンの一例を示してある。

しゃがんだ状態から真っ直ぐに立つときのトルクパターン（図６）は、しゃがんだ状態から立ち上がり始めるときが最大トルクを示し、真っ直ぐに立つ直前の角度αが約１６０°のときにトルクがゼロにされる。角度αが１８０°に近づくと、装着者Ｐ自身の力だけで十分な状態となり、この時点でトルクをゼロにすることで、むしろ立ち上がる動作を自然にできる。

また、真っ直ぐに立った状態からしゃがむときのトルクパターン（図７）は、真っ直ぐに立った状態のときのトルクがゼロで、しゃがむに連れて徐々にトルクが大きくされ、角度αが６０°に達した時点でトルクが一定に保持される。

ここで、上述した装置１００の回動の自由度について説明する。
上述したように、上連結部３および下連結部７は、それぞれ、３自由度の回動を許容する。このため、例えば、上装具２と上フレーム４との間の角度は、（θ_Ａ１、θ_Ａ２、θ_Ａ３）で表わすことができる。また、下フレーム６と下装具８との間の角度は、（θ_Ｂ１、θ_Ｂ２、θ_Ｂ３）で表わすことができる。

一方、上連結部３の回動の中心を原点Ａ（０、０、０）として下装具８の接地面、かつ下連結部７との接続部リンクの延長線上を作用点Ｂとすると、点Ｂに作用するアシスト力の位置および向きは、（ｘ、ｙ、ｚ、φ、θ、ψ）の６自由度で表わすことができる。つまり、屈伸動作中の点Ｂは、幾何学的関係から適当な行列Ｊ（角度αを含む）を用いると、下式のように表わすことができる。

この式から、原点Ａに対する作用点Ｂの位置（ｘ、ｙ、ｚ）が決まった場合、上連結部３の角度（θ_Ａ１、θ_Ａ２、θ_Ａ３）および下連結部７の角度（θ_Ｂ１、θ_Ｂ２、θ_Ｂ３）の組み合わせは無数に存在することが分かる。つまり、本実施形態の装置１００を装着した装着者Ｐは、腰と足先の位置関係（つまり、膝関節の角度α）を変えずに膝を自由に動かせることになる。具体的には、角度αを固定した状態でも、膝を外側に開く動作、および膝を内側に閉じる動作が可能となる。

これに対し、仮に、上連結部３に駆動部を設けてＸ軸を中心とした回動のみ許容する構成を採用した場合、上連結部３における回動の自由度は１となり、装置全体としての回動の自由度は５となる。この場合、大腿部の付け根の角度と膝関節の角度が決まると、装置の姿勢が固定されてしまい、装着者が自由に動くことができなくなる。また、仮に、下連結部７に駆動部を設けても同じことが言える。

本実施形態によると、上連結部３および下連結部７において、それぞれ３自由度の回動が可能であるため、装置１００の回動の自由度は７となり、膝を開いたり閉じたりする動作が可能となる。

以下、図８〜図１１のフローチャートを参照して、上記構成の装置１００によるアシスト動作について説明する。
制御部２０は、図示しないスイッチがＯＮになった際に動作を開始し、最初にステップ１〜３にて装着者Ｐの姿勢を判定する。まず、ロータリーエンコーダ１６を介して膝関節の角度αを検出し、加速度センサ２２を介して加速度（ａ１、ａ２、ａ３）を検出する（ステップ１）。次に、ロータリーエンコーダ１６を介して検出した角度α（以下、単に角度αと記述）が、しゃがんだ状態を判断するため予め用意したしきい値α_ｆｌ（本実施形態では６０°）より小さい場合、制御部２０は、しゃがんだ状態であることを判断し、後述のステップ４に移行する（ステップ２；ＹＥＳ）。一方、制御部２０は、角度αが、真っ直ぐに立った状態を判断するため予め用意したしきい値α_ｅｘ（本実施形態では１６０°）より大きい場合、立った状態であることを判断し、後述のステップ９に移行する（ステップ２；ＮＯ、ステップ３；ＹＥＳ）。さらに、いずれの条件も満たさない場合、中腰状態であると判断し、後述のステップ２２に移行する（ステップ２；ＮＯ、ステップ３；ＮＯ）。

ステップ４〜７ではしゃがんだ状態からの立ち上がり意図検出処理を行う。制御部２０は、まず装着者Ｐがしゃがんだ姿勢を保持するために姿勢保持トルクを出力するようサーボモータ１２に指令を出す（ステップ４）。次に、角度α、および加速度（ａ１、ａ２、ａ３）を再度検出し（ステップ５）、加速度（ａ１、ａ２、ａ３）が図５の統計データにおいて９５％信頼区間として示す通常の動作範囲を超えたかを判定する（ステップ６）。このとき、加速度（ａ１、ａ２、ａ３）が統計データにおける９５％信頼区間を超えた場合には装着者Ｐの立ち上がり意図として検出し、立ち上がり動作アシストを開始するため後述するステップ１４に移行する（ステップ６；ＹＥＳ）。一方、加速度（ａ１、ａ２、ａ３）が統計データにおける９５％信頼区間内の値を示した場合、装着者がその姿勢を保持したいものと判定する（ステップ６；ＮＯ）。その場合、スイッチの状態を読取り（ステップ７）、スイッチがＯＦＦになっていた場合には動作を終了し（ステップ８；ＹＥＳ）、スイッチがＯＮの場合には再びステップ４に戻る（ステップ８；ＮＯ）。言い換えると、制御部２０は、スイッチがＯＮである限りサーボモータ１２に姿勢保持トルクを出力させながら、統計データにおける９５％信頼区間を超える加速度（ａ１、ａ２、ａ３）が入力されるのを待ち続ける（ステップ６；ＮＯ、ステップ８；ＮＯ）。

同様に、ステップ９〜１３では立った状態からのしゃがみ意図検出処理を行う。装着者Ｐが立ち上がった状態では、装着者Ｐの膝関節にはほとんど負荷がかからず、装置１００によるアシストトルクは必要ない。そのため、制御部２０は、まずサーボモータの出力トルクが０になるように指令を出す（ステップ９）。次に、角度α、および加速度（ａ１、ａ２、ａ３）を再度検出し（ステップ１０）、加速度（ａ１、ａ２、ａ３）が図５の統計データにおいて９５％信頼区間として示す通常の動作範囲を超えたかを判定する（ステップ１１）。このとき、加速度（ａ１、ａ２、ａ３）が統計データにおける９５％信頼区間を超えた場合には装着者Ｐのしゃがみ意図として検出し、しゃがみ動作アシストを開始するため後述するステップ１８に移行する（ステップ１１；ＹＥＳ）。一方、加速度（ａ１、ａ２、ａ３）が統計データにおける９５％信頼区間内の値を示した場合、装着者がその姿勢を保持したいものと判定する（ステップ１１；ＮＯ）。その場合、スイッチの状態を読取り（ステップ１２）、スイッチがＯＦＦになっていた場合には動作を終了し（ステップ１３；ＹＥＳ）、スイッチがＯＮの場合には再びステップ９に戻る（ステップ１３；ＮＯ）。言い換えると、制御部２０は、スイッチがＯＮである限りサーボモータ１２の出力トルクを０としながら、統計データにおける９５％信頼区間を超える加速度（ａ１、ａ２、ａ３）が入力されるのを待ち続ける（ステップ１１；ＮＯ、ステップ１３；ＮＯ）。

また、ステップ１４〜１７では図９に示す立ち上がり動作アシスト処理を行う。制御部２０は、まず膝関節の角度αによって決まる立ち上がり動作アシストトルクを出力する（ステップ１４）。次に、角度α、および加速度（ａ１、ａ２、ａ３）を再度検出し（ステップ１５）、角度αが真っ直ぐに立った状態を判断するため予め用意したしきい値α_ｅｘ（本実施形態では１６０°）より大きい場合、立ち上がった状態であることを判断し、立ち上がり動作アシスト完了として再びステップ９、すなわちしゃがみ意図検出処理に移行する（ステップ１６；ＹＥＳ）。一方、角度αがα_ｅｘ以下の場合、まだ立ち上がり動作アシストが完了していないものとして（ステップ１６；ＮＯ）、非定常加速度検出処理を行う（ステップ１７）。非定常加速度検出処理とは、ステップ１５で検出された加速度（ａ１、ａ２、ａ３）のいずれかが、同時に検出された角度αと対応する統計データにおける９５％信頼区間を超えた場合には、非定常動作として検出し、後述するステップ２２に移行してサーボモータ１２に姿勢保持トルクを出力させる（ステップ１７；ＹＥＳ）。それに対し、ステップ１５で検出された加速度（ａ１、ａ２、ａ３）のいずれもが、同時に検出された角度αと対応する統計データにおける９５％信頼区間内の場合、更新された角度αの値に基づいて新たな立ち上がり動作アシストトルクをサーボモータ１２が出力する（ステップ１７；ＮＯ）。すなわち、ステップ１５で検出された加速度（ａ１、ａ２、ａ３）が、同時に検出された角度αにおける通常の動作範囲内である限り、装着者が真っ直ぐに立ち上がるまで、図６に示すように角度αの変化に応じた動作アシストトルクをサーボモータ１２が出力し続ける。

同様に、ステップ１８〜２１では図１０に示すしゃがみ動作アシスト処理を行う。制御部２０は、まず膝関節の角度αによって決まるしゃがみ動作アシストトルクを出力する（ステップ１８）。次に、角度α、および加速度（ａ１、ａ２、ａ３）を再度検出し（ステップ１９）、角度αがしゃがんだ態を判断するため予め用意したしきい値α_ｆｌ（本実施形態では６０°）より小さい場合、しゃがんだ状態であることを判断し、しゃがみ動作アシスト完了として再びステップ４、すなわち立ち上がり意図検出処理に移行する（ステップ２０；ＹＥＳ）。一方、角度αがα_ｆｌ以上の場合、まだしゃがみ動作アシストが完了していないものとして（ステップ２０；ＮＯ）、ステップ１７と同様に非定常加速度検出処理を行う（ステップ２１）。ステップ１９で検出された加速度（ａ１、ａ２、ａ３）のいずれかが、同時に検出された角度αと対応する統計データにおける９５％信頼区間を超えた場合には、非定常動作として検出し、後述するステップ２２に移行してサーボモータ１２に姿勢保持トルクを出力させる（ステップ２１；ＹＥＳ）。それに対し、ステップ１９で検出された加速度（ａ１、ａ２、ａ３）のいずれもが、同時に検出された角度αと対応する統計データにおける９５％信頼区間内の場合、更新された角度αの値に基づいて新たなしゃがみ動作アシストトルクをサーボモータ１２が出力する（ステップ２１；ＮＯ）。すなわち、ステップ１９で検出された加速度（ａ１、ａ２、ａ３）が、同時に検出された角度αにおける通常の動作範囲内である限り、装着者が完全にしゃがむまで、図７に示すように角度αの変化に応じた動作アシストトルクをサーボモータ１２が出力し続ける。

最後に、図１１のステップ２２〜２５は姿勢保持処理を表しており、ステップ２〜３にて中腰姿勢であると判定された場合、およびステップ１７かステップ２１で非定常動作を検出した場合の動作である。まず、制御部２０はその直前に測定された角度αに応じた姿勢保持トルクを出力する（ステップ２２）。次に、角度α、および加速度（ａ１、ａ２、ａ３）を再度検出し（ステップ２３）、上昇指示用加速度の検出を行う（ステップ２４）。上昇指示用加速度の検出とは、例えば、ステップ２３にて検出された加速度ａ１が通常の動作範囲、すなわち予め記憶部２５に記憶された姿勢保持状態における加速度ａ１の統計データにおける９５％信頼区間よりも大きい、すなわち膝を開く方向の加速度が検出された場合、上昇指示用加速度と判定してステップ１４の立ち上がり動作アシスト処理へと移行する（ステップ２４；ＹＥＳ）。一方で、ステップ２３にて検出された加速度ａ１が、予め記憶部２５に記憶された姿勢保持状態における加速度ａ１の統計データにおける９５％信頼区間よりも小さな値（絶対値の大きな負の値）、すなわち膝を閉じる方向の加速度が検出された場合、下降指示用加速度と判定してステップ１８のしゃがみ動作アシスト処理へと移行する（ステップ２４；ＮＯ、ステップ２５；ＹＥＳ）。また、ステップ２３で検出された加速度ａ１が統計データにおける９５％信頼区間内にある場合、ステップ２２に移行して姿勢保持トルクを出力する（ステップ２４；ＮＯ、ステップ２５；ＮＯ）。すなわち装着者Ｐが中腰状態のまま動いていない場合、そのままの姿勢を保持するよう一定のトルクが出力され続ける。

以上述べた実施形態の膝関節動作支援装置によれば、加速度センサを介して装着者の動きを検出したことをトリガーとしてアシスト動作を開始するようにしたため、装着者の体に負担がかからない。

また、本実施形態によると、アシスト動作中に通常の動作範囲から外れる動作を検出した場合、トルクを保持して、装置１００を一時的に停止させるようにしたため、障害物などによって動作の途中で異常な動きをした場合に、装置１００を緊急停止させることができる。この場合、装着者Ｐは、Ｘ軸を中心とした膝関節の動きを装置１００によって拘束されることになるが、股関節や足首を自由に回動させることで少なくとも転倒を防止することができ、装着者Ｐの安全を確保できる。

また、本実施形態によると、ステップ１７、２１における非定常動作検出処理において加速度（ａ１、ａ２、ａ３）のいずれかが通常動作範囲から外れることを非定常動作と判定しているが、それらの組み合わせを判定条件としてもよいし、いずれかの加速度を判定に使用しなくてもよい。例えば、ａ１とａ２がともに通常動作から外れていることを非定常状態の判定条件とし、ａ３の値を判定条件として使用しないような処理も可能である。

また、ステップ２２〜２５に示す姿勢保持処理において、予め膝を開く動作と閉じる動作を行う際の加速度（ａ１、ａ２、ａ３）の統計データをそれぞれ準備しておき、検出された加速度（ａ１、ａ２、ａ３）がそれぞれの統計データの９５％信頼区間内にあることを、上昇指示用加速度検出、下降指示用加速度検出として判定してもよい。

また、本実施形態によると、ステップ２２〜２５に示す姿勢保持処理において、上昇指示用加速度の例として膝を開く動作に対応する加速度ａ１を使用し、下降指示用加速度として膝を閉じる動作に対応する加速度ａ１を使用しているが、これに限定せずに、例えば逆に膝を閉じる動作に対応する加速度ａ１を下降動作指示として判定してもよいし、ａ２やａ３の値を判定条件として使用してもよい。

また、上記のように通常の動作範囲から外れる動作を検出して装置１００が緊急停止した状態で、さらに装着者Ｐが通常の動作範囲から外れる動作をしたことを検出した場合、制御部２０は、緊急停止する前の動作方向と逆方向のアシスト動作に切り替えるようにしても良い。例えば、しゃがんだ状態から立ち上がる途中に通常の動作範囲を超える動作をした場合、装置１００は緊急停止するが、この後、さらに通常の動作範囲を超える動作を検出した場合には、しゃがむ方向に動作アシストするようにしても良い。或いは、立った状態からしゃがむ途中に通常の動作範囲を超える動作をした場合、装置１００は緊急停止するが、この後、さらに通常の動作範囲を超える動作を検出した場合には、立ち上がる方向に動作アシストするようにしても良い。

また、本実施形態によると、動作を停止した状態から膝を外側へ動作させた場合に予め決められた方向（本実施形態では立ち上がる方向）にアシスト動作を開始でき、膝を内側へ動作させた場合に逆方向（本実施形態ではしゃがむ方向）にアシスト動作を開始できるようにしたため、装着者Ｐは、自身が意図する方向に膝を動作させるだけで装置１００をコントロールでき、利便性を向上させることができる。

さらに、本実施形態によると、装着者Ｐが意図しない場合であっても、結果的に、装置１００を所望する方向に自動的に動作させることができる。例えば、装置１００を装着した装着者Ｐがしゃがんだ状態から重い荷物を持ち上げる場合、装着者Ｐは、膝関節を伸ばすことをイメージする。しかし、膝関節は、荷物を持ち上げる方向に回動するのが困難なため、装着者Ｐが力を入れると、移動し易い方向、すなわち膝を開く方向に動作する。本実施形態では、この動作をトリガーとして装置１００のアシスト動作を開始するため、装着者Ｐが意図しなくてもアシスト動作を開始できることになる。

なお、本実施形態では、単に、膝を外側へ動かしたことをトリガーとして立ち上がる方向のアシストを開始し、膝を内側へ動かしたことをトリガーとしてしゃがむ方向のアシストを開始するようにしたが、膝を動かしたときの加速度が通常の動作範囲を超えた場合にのみアシストを開始するようにしても良い。

また、本実施形態では、中腰で停止した状態で膝の動きを検出した場合にアシストを開始するようにしたが、アシスト動作中に膝の動きをトリガーとしてアシスト方向を変えるようにしても良い。または、しゃがんだ状態から膝を内側に動作させた場合にさらにしゃがむ方向に動作をアシストするようにしても良く、立った状態から膝を外側に動作させた場合にさらに立ち上がる方向に動作をアシストするようにしても良い。

また、本実施形態では、検出精度を高めるため、加速度センサ２２を上フレーム４の下端、すなわち回動保持部５の近くに配置した場合について説明したが、これに限らず、レイアウトの制約があるのであれば加速度センサ２２の配置位置は任意に変更可能であり、例えば、図１５に示すように、下フレーム６に配置してもよい。

また、保持具１８は、例えば、図１２に示すように、上フレーム４を大腿部に保持せしめる位置に設けても良い。この場合、大腿部の動きに上フレーム４を確実に追従させることができるため、加速度センサ２２によって装着者Ｐの膝の動きをより精度良く測定することができる。

また、下装具８は、例えば、図１３に示すように、装着者Ｐの足首に設けても良い。この場合、より簡単に装置１００を装着することができ、利便性を向上させることができる。

また、例えば図１４に示すように、下腿部の２ヶ所以上を保持具１８、１９によって拘束することで、屈伸時に装置１００が装着者Ｐからずれにくくすることも可能である。

また、複数の加速度センサ２１、２２、２３やロータリーエンコーダ１６に加えて、足の裏側に圧力センサを設けても良い。これにより、装着者Ｐの重心の移動などを検出でき、より精度の高い動作制御が可能となる。

また、しゃがんだ状態を検出するための膝角度のしきい値α_ｆｌ、および立った状態を検出するための膝角度のしきい値α_ｅｘは、自由に設定可能としても良い。これにより、装着者Ｐに合わせてしきい値を設定でき、より利便性を向上させることができる。

また、上述した実施形態では、主に、加速度センサ２２で検出するＸ軸方向の加速度ａ１に基づいて装置１００を動作制御したが、角度αに応じた重みづけを踏まえて、加速度ａ１、ａ２、ａ３のいずれかまたは組み合わせの関数に基づいて装置１００を制御するようにしても良い。

また、上述した実施形態では、角度αに応じた加速度ａ１の統計データに基づいて設定した９５％信頼区間から外れたか否かを判断基準とした場合について説明したが、これに限らず、例えば、９９％信頼区間を設けても良く、或いは加速度ａ１の平均値に一定の係数をかけた値を判断基準としても良い。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
腰に装着する上装具と、
大腿部の外側に沿って配置される上フレームと、
この上フレームの上端を上記上装具に対して回動可能に連結する上連結部と、
下腿部の外側に沿って配置される下フレームと、
この下フレームの下端近くで足に装着する下装具と、
上記下フレームの下端を上記下装具に対して回動可能に連結する下連結部と、
膝関節の外側に配置され、上記下フレームの上端を上記上フレームの下端に対して膝関節が動く方向に回動可能に支持する回動支持部と、
当該装置を装着した装着者の屈伸動作をアシストする方向の駆動力を上記回動支持部に与える駆動部と、
装着者の動きに伴う加速度を検出する加速度センサと、
この加速度センサを介して装着者の動きを検出したことをトリガーとして上記回転支持部に駆動力を与えてアシスト動作を開始するように上記駆動部を制御する制御部と、
を有する膝関節動作支援装置。
［２］
上記回動支持部の回動角度を検出する角度センサをさらに有し、
上記制御部は、上記角度センサおよび上記加速度センサによる検出結果に基づいて上記駆動部を制御する、
［１］の膝関節動作支援装置。
［３］
当該装置が装着者の体側から外側へ離れないように上記下フレームの上記下端側を下腿部に保持せしめる保持具をさらに有する、
［２］の膝関節動作支援装置。
［４］
上記上連結部および上記下連結部は、それぞれ、３自由度の回動を可能にする、
［２］の膝関節動作支援装置。
［５］
上記駆動部は、
モータと、
このモータの回転を減速させて上記回動支持部に伝える減速機と、
を有する［２］の膝関節動作支援装置。
［６］
上記制御部は、上記角度センサを介して装着者がしゃがんでいることを検出した状態で、上記加速度センサを介して装着者の動きを検出した場合、装着者が立ち上がる方向にアシスト動作を開始する、
［２］の膝関節動作支援装置。
［７］
上記制御部は、上記角度センサを介して装着者が立っていることを検出した状態で、上記加速度センサを介して装着者の動きを検出した場合、装着者がしゃがむ方向にアシスト動作を開始する、
［２］の膝関節動作支援装置。
［８］
当該装置を装着した装着者が当該装置のアシスト動作を受けずに屈伸動作をしたときの上記角度センサおよび上記加速度センサの出力の統計をとった統計データを記憶した記憶部をさらに有し、
上記制御部は、当該装置によるアシスト動作中に、上記統計データに基づく通常の動作範囲から外れて装着者が動作したことを検出した場合、上記駆動部に与える駆動力を一定時間保持する、
［２］の膝関節動作支援装置。
［９］
上記制御部は、当該装置によるアシスト動作中に、上記統計データに基づく通常の動作範囲から外れて装着者が動作したことを検出して、上記駆動部に与える駆動力を保持した状態で、さらに装着者が上記通常の動作範囲を外れて動作したことを検出した場合、当該アシスト動作と逆方向のアシスト動作に切り替える、
［８］の膝関節動作支援装置。
［１０］
上記制御部は、上記加速度センサを介して装着者の膝を外側へ開く動作を検出したとき、装着者が立ち上がる方向に動作をアシストし、上記加速度センサを介して装着者の膝を内側へ開く動作を検出したとき、装着者がしゃがむ方向に動作をアシストする、
［２］の膝関節動作支援装置。

２…上装具、３…上連結部、４…上フレーム、５…回動支持部、６…下フレーム、７…下連結部、８…下装具、１０…駆動部、１２…サーボモータ、１４…電磁クラッチ、１６…ロータリーエンコーダ、１８…保持具、２０…制御部、２１、２２、２３…加速度センサ、２５…記憶部、Ａ…原点、Ｂ…作用点、Ｐ…装着者、Ｔ…トルク。

Claims (3)

1. 腰に装着する上装具と、
   大腿部の外側に沿って配置される上フレームと、
   この上フレームの上端を上記上装具に対して回動可能に連結する上連結部と、
   下腿部の外側に沿って配置される下フレームと、
   この下フレームの下端近くで足に装着する下装具と、
   上記下フレームの下端を上記下装具に対して回動可能に連結する下連結部と、
   膝関節の外側に配置され、上記下フレームの上端を上記上フレームの下端に対して膝関節が動く方向に回動可能に支持する回動支持部と、
   上記回動支持部の回動角度を検出する角度センサと、
   装着者の屈伸動作をアシストする方向の駆動力を上記回動支持部に与える駆動部と、
   装着者の動きに伴う加速度を検出する加速度センサと、
   この加速度センサを介して装着者の動きを検出したことをトリガーとして、上記角度センサおよび上記加速度センサによる検出結果に基づいて、上記回動支持部に駆動力を与えてアシスト動作を開始するように上記駆動部を制御する制御部と、
   装着者がアシスト動作を受けずに屈伸動作をしたときの上記角度センサおよび上記加速度センサの出力の統計をとった統計データを記憶した記憶部と、を有し、
   上記制御部は、アシスト動作中に、上記統計データに基づく通常の動作範囲から外れて装着者が動作したことを検出した場合、上記駆動部に与える駆動力を一定時間保持する、
   膝関節動作支援装置。
2. 上記制御部は、アシスト動作中に、上記統計データに基づく通常の動作範囲から外れて装着者が動作したことを検出して、上記駆動部に与える駆動力を保持した状態で、さらに装着者が上記通常の動作範囲を外れて動作したことを検出した場合、当該アシスト動作と逆方向のアシスト動作に切り替える、
   請求項１の膝関節動作支援装置。
3. 腰に装着する上装具と、
   大腿部の外側に沿って配置される上フレームと、
   この上フレームの上端を上記上装具に対して回動可能に連結する上連結部と、
   下腿部の外側に沿って配置される下フレームと、
   この下フレームの下端近くで足に装着する下装具と、
   上記下フレームの下端を上記下装具に対して回動可能に連結する下連結部と、
   膝関節の外側に配置され、上記下フレームの上端を上記上フレームの下端に対して膝関節が動く方向に回動可能に支持する回動支持部と、
   上記回動支持部の回動角度を検出する角度センサと、
   装着者の屈伸動作をアシストする方向の駆動力を上記回動支持部に与える駆動部と、
   装着者の動きに伴う加速度を検出する加速度センサと、
   この加速度センサを介して装着者の動きを検出したことをトリガーとして、上記角度センサおよび上記加速度センサによる検出結果に基づいて、上記回動支持部に駆動力を与えてアシスト動作を開始するように上記駆動部を制御する制御部と、を有し、
   上記制御部は、上記加速度センサを介して装着者の膝を外側へ開く動作を検出したとき、装着者が立ち上がる方向に動作をアシストし、上記加速度センサを介して装着者の膝を内側へ閉じる動作を検出したとき、装着者がしゃがむ方向に動作をアシストする、
   膝関節動作支援装置。