JP2010051416A - 足関節の動作補助装置および足関節の動作補助装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装着者の心理的、肉体的負担を軽減するため柔軟性があり、かつ小型で、軽量な足関節の動作補助装置および自然な歩容の歩行を実現する足関節の動作補助装置の制御方法を提供することである。
【解決手段】足関節の動作補助装置１００においては、高分子アクチュエータ５００，５０１が、上側部材２００および下側部材３００に亘って設けられる。また、つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０からの検出に応じて制御ボックス７００の制御部７１０が、電源部７２０からの電源を用いて高分子アクチュエータ５００，５０１を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、身体の動作、特に足の動きを補助する足関節の動作補助装置および足関節の動作補助装置の制御方法に関する。

人は、事故または病気等、様々な理由で、身体の一部の動作が不自由となる場合がある。従来から、これらの身体の動作を補助するものとして動作補助装置が研究および開発されている。

特許文献１には、麻痺した身体部位の動作を補助し、且つその動作に対して真に必要とされる力を適宜設定可能な動作補助用装具について開示されている。
特許文献１記載の動作補助用装具では、身体の一部の動作を補助する動作補助用装具であって、身体の第１部分に装着される第１装着部と、身体の第１部分に対して、関節を介して、回動運動を行う第２部分に装着されるとともに第１装着部に対して回動可能に接続する第２装着部と、第１装着部と第２装着部を連結するリンク機構を備え、該リンク機構は、第１装着部に対して、一端部が回動可能に取付けられる第１リンク部と、該第１リンク部の他端部と第２装着部とを接続するとともに、第１リンク部の他端部と第２装着部に対して回動可能に取付けられる第２リンク部と、第１リンク部の一端部の回転により、回転動作を行う回生素子と、該回生素子と電気的に接続するとともに、該回生素子の回転動作により生じた電気エネルギを蓄積するバッテリと、回生素子のバッテリへの充電電流及び回生素子の角速度に応じて、回生素子の制動力を制御するコントローラからなることを特徴とするものである。
特開２００７−５４０８６号公報

しかしながら、特許文献１記載の動作補助用装具においては、モータ５を用いるため、動作補助用装具のサイズが大きく、モータ５の重量も重く、硬いイメージがあるため、筋力が衰えた者にとって肉体的にも心理的にも負担が高い。特に、動作補助用装具を装着する際に、多大な負担が係る。さらに、動作補助用装具においては、単純な制御を行っているため、歩容が不自然になる可能性が高い。

本発明の目的は、柔軟性があり、小型で、かつ軽量な足関節の動作補助装置を提供することにより、装着者の心理的、肉体的負担を軽減することである。

本発明の他の目的は、自然な歩容の歩行を実現することができ、かつ柔軟性があり、小型で、軽量な足関節の動作補助装置の制御方法を提供することである。

（１）
本発明に係る足関節の動作補助装置は、身体の足関節の上方に装着される上側部材と、身体の足関節の下方に装着される柔軟性のある下側部材と、上側部材と下側部材とに接続され、下側部材を上側部材に対して足関節を中心に回動させるように配設された高分子アクチュエータと、下側部材が接地しているか否かを検知する接地センサと、接地センサの検知状況に応じて高分子アクチュエータを制御する制御部と、高分子アクチュエータに電力を供給する電源部と、を含むものである。

本発明に係る足関節の動作補助装置においては、高分子アクチュエータが、上側部材および下側部材に亘って設けられる。また、接地センサからの検出に応じて制御部が、電源部からの電源を用いて高分子アクチュエータを制御する。

この場合、高分子アクチュエータは柔軟性があるため、足関節の動作補助装置全体の柔軟性を確保するとともに、当該装置の小型化、軽量化を実現することができ、使用者の肉体的、心理的負担の軽減を図ることができる。高分子アクチュエータは、電圧を与えることにより力を発生するので、足関節の動作を補助することができる。

（２）
高分子アクチュエータは、身体に対して向こう脛側またはふくらはぎ側の少なくとも一方の側に配設されることが好ましい。

この場合、高分子アクチュエータは、上側部材の向こう脛側またはふくらはぎ側に配設されるので、脚の内側や外側に配設されない。その結果、上側部材の身体の幅方向に凸部を設けないため、足関節の動作補助装置を装着して歩行した場合でも、他方の脚と接触することを防止することができる。
さらに、高分子アクチュエータを向こう脛側およびふくらはぎ側の両方に設けた場合、向こう脛側の高分子アクチュエータと、ふくらはぎ側の高分子アクチュエータとの印加電圧を逆位相にすることにより、大きな力で足関節の動作を補助することができる。また、各アクチュエータを小型化することで配置の自由度を高め、装置全体として小型化を図ることもできる。

（３）
高分子アクチュエータは、複数の高分子アクチュエータを配設させてもよい。

この場合、高分子アクチュエータを小さくしても同じ力を発生させることができる。また、複数の高分子アクチュエータを設けることにより、力を増大させることもできる。

（４）
高分子アクチュエータは、上側部材の身体からみて前方であって、一方の側面から、他方の側面に少なくとも２つ交差して配設されてもよい。

この場合、高分子アクチュエータが、交差して配置されているので、足関節の動作補助を安定して行うことができる。

（５）
制御部は、高分子アクチュエータが発生する力の最大値を予め設定できるように構成されていることが好ましい。

この場合、高分子アクチュエータにおいて生じる力の最大値を設定することができるので、足関節の動作補助装置を使用する場合、装着者の安全を確保しつつ、装着者に応じた補助力を個別設定することができる。

（６）
接地センサまたは高分子アクチュエータの少なくとも一方は、歪に応じた電圧を発生させる高分子からなり、制御部は、発生した電圧を電源部に供給可能に構成されてもよい。

この場合、接地センサは、応力が与えられることにより電力を発生させるので、その電力は、制御部によって電源部に蓄積することができる。なお、高分子アクチュエータにおいては、力を発揮させていないときに発生した電力を電源部に蓄積するように制御部は構成されている、従って、電源部の小型化が可能となる。また、電源部が同じ容量なら、電力消費を抑制することができるので、長期に亘って足関節の動作補助装置を使用することができる。

（７）
接地センサは、身体のつま先側および踵側に位置する下側部材の接地を検知するものであって、制御部は、接地センサからの検知信号により踵側に位置する下側部材の接地を検知した場合、つま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように高分子アクチュエータを制御してもよい。

この足関節の動作補助装置を装着した場合、踵が接地した後、つま先が徐々に接地する。その結果、足首や膝の動揺を抑え、安定して、歩行することができる。さらに、しゃがみ込み動作等もし易くなる。

（８）
接地センサは、身体のつま先側および踵側に位置する下側部材の接地を検知するものであって、制御部は、接地センサからの検知信号により踵側に位置する下側部材の接地を検知した後、つま先側に位置する下側部材の接地を検知した場合、つま先側の下側部材における、つま先が下がる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように高分子アクチュエータを制御してもよい。

この足関節の動作補助装置を装着した場合、踵が接地して、つま先が接地し、つま先の保持が徐々に解除される。その結果、踵からつま先への体重移動がスムーズに行われ、安定して、自然な歩容で歩行することができる。

（９）
接地センサは、身体のつま先側および踵側に位置する下側部材の接地を検知するものであって、制御部は、接地センサからの検知信号によりつま先側および踵側に位置する下側部材の接地を検知した後、踵側に位置する下側部材の接地が非検知となった場合、つま先側の下側部材における、つま先が上がる方向に保持するトルクを、増加させるように高分子アクチュエータを制御してもよい。

この足関節の動作補助装置を装着した場合、踵およびつま先が接地し、踵が地面から離れた場合に、つま先が鉛直上方向に保持される。その結果、遊脚期の躓きを防止できるとともに、自然な歩容で歩行することができる。

（１０）
本発明に係る足関節の動作補助装置の制御方法は、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置を制御する制御方法であって、接地センサからの検知信号により踵側に位置する下側部材の接地を検知する第１工程と、第１工程の後、つま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように高分子アクチュエータを制御する第２工程と、を含むものである。

本発明に係る足関節の動作補助装置の制御方法においては、第１工程により接地センサからの検知信号により踵側に位置する下側部材の接地が検知され、第１工程の後、第２工程によりつま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように高分子アクチュエータが制御される。

この場合、踵が接地した後、つま先が徐々に接地する。その結果、足首や膝の動揺を抑え、安定して、自然な歩容で歩行することができる。さらに、しゃがみ込み動作等もし易くなる。

（１１）
本発明に係る足関節の動作補助装置の制御方法は、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置を制御する制御方法であって、接地センサからの検知信号により踵側に位置する下側部材の接地を検知する第１工程と、つま先側に位置する下側部材の接地を検知する第２工程と、第１工程および第２工程の後に、つま先側の下側部材における、つま先を下げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように高分子アクチュエータを制御する第３工程と、を含むものである。

本発明に係る足関節の動作補助装置の制御方法においては、第１工程により接地センサからの検知信号により踵側に位置する下側部材の接地が検知され、第２工程によりつま先側に位置する下側部材の接地が検知され、第１工程および第２工程の後に、第３工程によりつま先側の下側部材における、つま先を下げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように高分子アクチュエータが制御される。

この場合、踵が接地して、つま先が接地し、つま先の保持が徐々に解除される。その結果、踵からつま先への体重移動がスムーズに行われ、安定して、自然な歩容で歩行することができる。

（１２）
本発明に係る足関節の動作補助装置の制御方法は、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置を制御する制御方法であって、接地センサからの検知信号によりつま先側および踵側に位置する下側部材の接地を検知する第４工程と、第４工程の後、踵側に位置する下側部材の接地が非検知となった場合、つま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、増加させるように高分子アクチュエータを制御する第５工程と、を含むものである。

本発明に係る足関節の動作補助装置の制御方法においては、第４工程により接地センサからの検知信号によりつま先側および踵側に位置する下側部材の接地が検知され、第４工程の後、第５工程により、踵側に位置する下側部材の接地が非検知となった場合、つま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、増加させるように高分子アクチュエータが制御される。

この場合、踵およびつま先が接地し、踵が地面から離れた場合に、つま先が鉛直上方向に保持される。その結果、遊脚期の躓きを防止できるとともに、自然な歩容で歩行することができる。

以下、本発明に係る実施の形態である足関節の動作補助装置について説明する。また、以下の第１の実施の形態から第４の実施の形態においては、足首に足関節の動作補助装置を適用した状態を説明する。なお、足関節の動作補助装置は、足首に限定されるものではなく、膝関節、股関節にも適用させることができる。以下、足首に足関節の動作補助装置を適用した状態について図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る足関節の動作補助装置を足首に適用した状態の一例を示す模式的側面図であり、図２は図１の模式的正面図であり、図３は図１の模式的背面図である。

まず、図１から図３に示すように、足関節の動作補助装置１００は、主に上側部材２００、下側部材３００、中間部材４００、高分子アクチュエータ５００，５０１および制御ボックス７００を含む。
また、下側部材３００は、一端側下面につま先側接地センサ６１０を有し、中央部に足裏中央部材４１０を有し、他端側下面に踵側接地センサ６２０を有する。

制御ボックス７００は、主に制御部７１０、電源部７２０、液晶ディスプレイ（Liquid Crystal Display（以下、ＬＣＤと略記する））７３０、操作ボタン７４０，７４１、調整スイッチ７４３および固定ベルト７５０を含む。

上側部材２００および下側部材３００は、装着者の身体に密着する程度の柔軟性のある部材等から構成され、少なくとも、高分子アクチュエータ５００，５０１が取付けられる部分においては、高分子アクチュエータ５００，５０１の力を装着者の身体に負荷することが可能な部材から構成される。一方、中間部材４００は、伸縮性のある布部材等から構成されることが好ましい。また、足裏中央部材４１０は、中間部材４００と同様に伸縮性のある布部材から構成される。

また、図３に示すように、高分子アクチュエータ５００，５０１は、並列に配置され、高分子アクチュエータ５００，５０１の一端側が、下側部材３００に取付けられ、高分子アクチュエータ５００，５０１の他端側が、上側部材２００に取付けられる。なお、中間部材４００には、高分子アクチュエータ５００，５０１は取付けられていないが、必要に応じて取付けてもかまわない。

高分子アクチュエータ５００，５０１は、シリコンゴムおよび粉末カーボン電極を有する誘電エラストマーからなる。なお、高分子アクチュエータ５００，５０１は、誘電エラストマーに限定されず、イオン導電性高分子、貴金属接合体(Ionic Polymer-Metal Composite:IPMC)、導電性高分子などからなってもよい。つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０は、外部応力が与えられることにより、電圧を発生するもの、例えば誘電エラストマーからなり、所定電圧以上が発生することにより、接地したことを検知するものである。この電圧は、電源部７２０に蓄積されるように後述する制御部７１０が制御を行ってもよい。

また、図１に示すように、足関節の動作補助装置１００を身体の足首に装着させた場合、上側部材２００が足首に装着され、下側部材３００が足先（足の甲および足の裏）に装着され、中間部材４００が踝近傍に装着される。さらに、下側部材３００の一端側に設けられた開口部から、身体の足の指が露出される。

さらに、足を接地させている場合には、下側部材３００の一端側下面に設けられたつま先側接地センサ６１０が接地され、下側部材３００の他端側下面に設けられた踵側接地センサ６２０が接地される。

また、図２および図３に示すように、制御ボックス７００は、足の外側に装着させることにより、歩行時に自分の他の足と衝突することを防止することができる。

次に、図４は、図１から図３に示した足関節の動作補助装置１００の構成の一例を示す模式的構成図である。

図４に示すように、足関節の動作補助装置１００において、制御ボックス７００の制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０からの接地したか否かの信号を判定し、さらに、踵側接地センサ６２０からの接地したか否かの信号を判定する。

また、制御部７１０は、操作ボタン７４０，７４１、調整スイッチ７４３の押下操作を判定し、ＬＣＤ７３０に所定の表示を行う。例えば、制御部７１０は、判定結果に応じて“早足設定”、“ゆっくり設定”、“階段のぼる設定”、“階段おりる設定”等を表示させる。
また、制御部７１０は、調整スイッチ７４３の押下操作にしたがって、高分子アクチュエータ５００，５０１で発生させる力の最大値を設定することができる。すなわち、制御部７１０においては、高分子アクチュエータ５００，５０１に印加する最大電圧を設定させることができる。このように高分子アクチュエータ５００，５０１で発生させる力が装着者に過度にかからないようにすることで、安全を確保しつつ、装着者に応じた補助力を個別に設定することができる。

制御部７１０は、上記の押下操作による判定の結果に基づき、さらにつま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０からの信号に応じて、電源部７２０からの電力を高分子アクチュエータ５００，５０１のいずれか一方または両方に与える。それにより、高分子アクチュエータ５００，５０１に力（またはトルク）が生じて、上側部材２００および下側部材３００の距離および相対位置（装着者の踝における角度）が変化する。その結果、装着者の歩行を補助することができる。

続いて、図５は、制御部７１０の動作の一例を示すフローチャートである。

まず、図５に示すように、制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０が検知状態か否かを判定する（ステップＳ１）。
すなわち、制御部７１０は、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面に接地したか否かを判定する。ここで、制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０が検知状態であると判定した場合、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面に接地しているため、ステップＳ１に戻り処理を繰り返す。

一方、制御部７１０がつま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０が検知状態でないと判定した場合、すなわち、制御部７１０が足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面に接地していないと判定した場合、次に、制御部７１０は、踵側接地センサ６２０が検知状態か否かを判定する（ステップＳ２）。
すなわち、制御部７１０は、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面に接地し始めたか否かを判定している。

制御部７１０が、踵側接地センサ６２０が検知状態でないと判定した場合、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面に接地し始めていないため、制御部７１０は、ステップＳ２に戻り処理を繰り返す。

一方、制御部７１０が、踵側接地センサ６２０が検知状態であると判定した場合、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面に接地し始めているため、制御部７１０は、つま先側が上がる方向のトルクを徐々に減少させるように高分子アクチュエータ５００，５０１を制御する（ステップＳ３）。それにより、足関節の動作補助装置１００を装着した者が自然に歩くことができる。また、足首や膝の動揺を抑え、安定して、自然な歩容で歩行することができる。さらに、しゃがみ込み動作等もし易くなる。

ここで、制御部７１０は、電源部７２０からの電圧を変化させることにより、高分子アクチュエータ５００，５０１において生じる力を制御する。なお、電圧による制御のみならず、デューティ比またはパルス幅を変化させることにより、高分子アクチュエータ５００，５０１において生じる力を制御させてもよい。また、制御部７１０により判定される“早足設定”、“ゆっくり設定”、“階段のぼる設定”、“階段おりる設定”等の歩行の状態に応じて制御させてもよい。

続いて、制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０が検知状態か否かを判定する（ステップＳ４）。ここで、制御部７１０は、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏の全面が地面に接地したか否かを判定している。

ここで、制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０が検知状態でないと判定した場合、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏の全面が地面に接地していないため、ステップＳ３に戻り処理を繰り返す。

一方、制御部７１０が、つま先側接地センサ６１０が検知状態であると判定した場合、
足関節の動作補助装置１００の装着された足裏の全面が地面に接地したため、つま先側が下がる方向のトルクを徐々に減少させるように高分子アクチュエータ５００，５０１を制御する（ステップＳ５）。それにより、足関節の動作補助装置１００を装着した者が自然に歩くことができる。また、踵が接地して、つま先が接地し、つま先の保持が徐々に解除される。その結果、踵からつま先への体重移動がスムーズに行われ、安定して、簡易に歩行することができる。

ここで、制御部７１０は、電源部７２０からの電圧をステップＳ３とは、逆となるよう電圧を変化させることにより、高分子アクチュエータ５００，５０１において生じる力を制御する。なお、ステップＳ５の処理においても、電圧による制御のみならず、デューティ比またはパルス幅を変化させることにより、高分子アクチュエータ５００，５０１において生じる力を制御させてもよい。また、制御部７１０により判定される“早足設定”、“ゆっくり設定”、“階段のぼる設定”、“階段おりる設定”等の歩容の状態に応じて制御させてもよい。

続いて、制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０が非検知状態か否かを判定する（ステップＳ６）。ここで、制御部７１０は、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面から離れたか否かを判定している。

制御部７１０が、つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０が非検知状態でないと判定した場合、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面から離れていないため、制御部７１０は、ステップＳ５に戻り処理を繰り返す。

一方、制御部７１０が、つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０が非検知状態であると判定した場合、足関節の動作補助装置１００の装着された足裏が地面から離れたため、制御部７１０は、つま先側が上がる方向の所定のトルクを瞬間的に発生させるように高分子アクチュエータ５００，５０１を制御する（ステップＳ７）。この場合、踵およびつま先が接地し、踵が地面から離れた場合に、つま先が鉛直上方向に保持される。その結果、遊脚期の躓きを防止できるとともに、自然な歩容にすることができる。

この場合、制御部７１０は、電源部７２０からの電圧をステップＳ３と同じようとなるよう電圧を変化させることにより、高分子アクチュエータ５００，５０１において生じる力を制御する。なお、ステップＳ７の処理においても、電圧による制御のみならず、デューティ比またはパルス幅を急激に変化させることにより、高分子アクチュエータ５００，５０１において生じる力を瞬間的に制御させてもよい。また、制御部７１０により判定される“早足設定”、“ゆっくり設定”、“階段のぼる設定”、“階段おりる設定”等の歩容の状態に応じて瞬間的な時間を考慮し、制御させてもよい。なお、制御部７１０では、高分子アクチュエータ５００，５０１に与える電圧の最大値を設定しているので、瞬間的に生じるトルク（または力）を最大値以下にすることができる。

続いて、制御部７１０は、操作ボタン７４０，７４１で、ＳＴＯＰが押下操作されたか否かを判定する（ステップＳ８）。すなわち、制御部７１０は、操作ボタン７４０，７４１の押下操作がされていないと判定した場合、ステップＳ１に戻りステップＳ１からステップＳ８の処理を繰り返す。

一方、制御部７１０は、操作ボタン７４０，７４１の押下操作がされたと判定した場合、処理を終了する。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明を行う。以下、第１の実施の形態における足関節の動作補助装置１００と相違する点を重点的に説明を行う。
図６は本発明の第２の実施の形態に係る足関節の動作補助装置を足首に適用した状態の他の例を示す模式的側面図であり、図７は図６の模式的正面図であり、図８は図６の模式的背面図である。

まず、図６から図８に示すように、足関節の動作補助装置１００ａは、主に上側部材２００、下側部材３００、中間部材４００、高分子アクチュエータ５０２，５０３および制御ボックス７００を含む。

また、図６および図７に示すように、高分子アクチュエータ５０２，５０３は、並列に配置され、高分子アクチュエータ５０２，５０３の一端側が、下側部材３００に取付けられ、高分子アクチュエータ５０２，５０３の他端側が、上側部材２００に取付けられる。なお、高分子アクチュエータ５０２，５０３は、中間部材４００には取付けられていないが、必要に応じて取付けてもかまわない。
また、図８に示すように、足関節の動作補助装置１００ａにおいては、足関節の動作補助装置１００の足の踵側には、高分子アクチュエータを設けない。

次に、図９は、図６から図８に示した足関節の動作補助装置１００ａの構成の一例を示す模式的構成図である。

図９に示すように、足関節の動作補助装置１００ａにおいて、制御ボックス７００の制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０からの接地したか否かの信号を判定し、さらに、踵側接地センサ６２０からの接地したか否かの信号を判定する。

また、制御部７１０は、操作ボタン７４０，７４１、調整スイッチ７４３の押下操作を判定し、ＬＣＤ７３０に所定の表示を行う。例えば、制御部７１０は、判定結果に応じて“早足設定”、“ゆっくり設定”、“階段のぼる設定”、“階段おりる設定”等を表示させる。

制御部７１０は、上記の押下操作による判定の結果に基づき、さらにつま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０からの信号に応じて、電源部７２０からの電力を高分子アクチュエータ５０２，５０３のいずれか一方または両方に与える。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態について説明を行う。以下、第１および第２の実施の形態における足関節の動作補助装置１００，１００ａと相違する点を重点的に説明を行う。
図１０、図１１は本発明の第３の実施の形態に係る足関節の動作補助装置を足首に適用した状態の他の例を示す模式的側面図であり、図１２は図１０、図１１の模式的正面図であり、図１３は図１０、図１１の模式的背面図である。

まず、図１０から図１３に示すように、足関節の動作補助装置１００ｂは、主に上側部材２００、下側部材３００、中間部材４００、高分子アクチュエータ５０４，５０５，５０６，５０７および制御ボックス７００を含む。

また、図１０から図１３に示すように、高分子アクチュエータ５０４は、足の甲に相当する部位に設けられ、高分子アクチュエータ５０５は、足の踵に相当する部位に設けられ、高分子アクチュエータ５０６は、足の内踝側に設けられ、高分子アクチュエータ５０７は、足の外踝側に設けられる。高分子アクチュエータ５０４，〜，５０７の一端側が、下側部材３００に取付けられ、高分子アクチュエータ５０４，〜，５０７の他端側が、上側部材２００に取付けられる。なお、高分子アクチュエータ５０４，〜，５０７は、中間部材４００には取付けられていないが、必要に応じて取付けてもかまわない。

次に、図１４は、図１０から図１３に示した足関節の動作補助装置１００ｂの構成の一例を示す模式的構成図である。

図１４に示すように、足関節の動作補助装置１００ｂにおいて、制御ボックス７００の制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０からの接地したか否かの信号を判定し、さらに、踵側接地センサ６２０からの接地したか否かの信号を判定する。

また、制御部７１０は、操作ボタン７４０，７４１、調整スイッチ７４３の押下操作を判定し、ＬＣＤ７３０に所定の表示を行う。例えば、制御部７１０は、判定結果に応じて“早足設定”、“ゆっくり設定”、“階段のぼる設定”、“階段おりる設定”等を表示させる。

制御部７１０は、上記の押下操作による判定の結果に基づき、さらにつま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０からの信号に応じて、電源部７２０からの電力を高分子アクチュエータ５０４，〜，５０７のいずれか一つ、または任意の高分子アクチュエータに与える。

なお、本実施の形態における高分子アクチュエータ５０４，〜，５０７においては、制御部７１０による制御を高分子アクチュエータ５０４と、高分子アクチュエータ５０５とを逆位相にし、高分子アクチュエータ５０６と、高分子アクチュエータ５０７とを同位相にすることで、足に与える力を大きくすることができる。

（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態について説明を行う。以下、第１〜第４の実施の形態における足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂと相違する点を重点的に説明を行う。
図１５、図１６は本発明の第４の実施の形態に係る足関節の動作補助装置を足首に適用した状態の他の例を示す模式的側面図であり、図１７は図１５、図１６の模式的正面図であり、図１８は図１５、図１６の模式的背面図である。

まず、図１５から図１８に示すように、足関節の動作補助装置１００ｃは、主に上側部材２００、下側部材３００、中間部材４００、高分子アクチュエータ５０８，５０９および制御ボックス７００を含む。

また、図１５から図１８に示すように、高分子アクチュエータ５０８は、足の甲の一側部から足の足首の上の他側部へ延在する部位に設けられ、高分子アクチュエータ５０９は、足の甲の他側部から足の足首の上の一側部へ延在する部位に設けられ、高分子アクチュエータ５０８，５０９の中央部で互いに交差するように設けられる。高分子アクチュエータ５０８，５０９の一端側が、下側部材３００に取付けられ、高分子アクチュエータ５０８，５０９の他端側が、上側部材２００に取付けられる。なお、高分子アクチュエータ５０８，５０９は、中間部材４００には取付けられていないが、必要に応じて取付けてもかまわない。

次に、図１９は、図１５から図１８に示した足関節の動作補助装置１００ｃの構成の一例を示す模式的構成図である。

図１９に示すように、足関節の動作補助装置１００ｃにおいて、制御ボックス７００の制御部７１０は、つま先側接地センサ６１０からの接地したか否かの信号を判定し、さらに、踵側接地センサ６２０からの接地したか否かの信号を判定する。

また、制御部７１０は、操作ボタン７４０，７４１、調整スイッチ７４３の押下操作を判定し、ＬＣＤ７３０に所定の表示を行う。例えば、制御部７１０は、判定結果に応じて“早足設定”、“ゆっくり設定”、“階段のぼる設定”、“階段おりる設定”等を表示させる。

制御部７１０は、上記の押下操作による判定の結果に基づき、さらにつま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０からの信号に応じて、電源部７２０からの電力を高分子アクチュエータ５０８，５０９のいずれか一つ、または両方の高分子アクチュエータに与える。

なお、本実施の形態における高分子アクチュエータ５０８，５０９においては、制御部７１０による制御を高分子アクチュエータ５０８と、高分子アクチュエータ５０９とを同位相にすることで、足に与える力を大きくすることができる。
また、本実施の形態においては、高分子アクチュエータを２個用いることとしたが、之に限定されず、任意の数を交差させるように配設させてもよい。さらに、交差させた状態の高分子アクチュエータを適用してもよい。

以上のように、第１の実施の形態から第４の実施の形態に係る足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃによれば、柔軟性のある高分子アクチュエータ５００，〜，５０９、上側部材２００および下側部材３００を用いるため、足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ全体の柔軟性を確保するとともに、当該装置の小型化、軽量化を実現することができ、使用者の肉体的、心理的負担の軽減を図ることができる。高分子アクチュエータ５００，〜，５０９は、電圧を与えることにより、力（トルク）を発生し、足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃを装着した者の動作を補助することができる。

また、第１および第２の実施の形態に係る足関節の動作補助装置１００，１００ａにおいては、高分子アクチュエータ５００，〜，５０３が、上側部材２００の向こう脛側またはふくらはぎ側に配設されるので、脚の内側および外側に配設されない。その結果、上側部材２００の身体の幅方向に凸部を設けないため、足関節の動作補助装置１００，１００ａを装着して歩行した場合でも、他方の脚と接触することを防止することができる。
また、高分子アクチュエータ５００，５０１および高分子アクチュエータ５０２，５０３をそれぞれ並列して設けているため、高分子アクチュエータを小さくしても同じ力を発生させることができ、力を増大させることもできる。

さらに、第３の実施の形態に係る足関節の動作補助装置１００ｂにおいては、高分子アクチュエータ５０４，〜，５０７を向こう脛側およびふくらはぎ側の両方に設けた場合、向こう脛側の高分子アクチュエータ５０４と、ふくらはぎ側の高分子アクチュエータ５０５との印加電圧を逆位相にすることにより、大きな力で足関節の動作を補助することができる。また、各アクチュエータを小型化することで配置の自由度を高め、装置全体として小型化を図ることもできる。

また、第４の実施の形態における足関節の動作補助装置１００ｃによれば、高分子アクチュエータ５０８，５０９が、交差して配置されているので、足間接の動作補助を安定して行うことができる。

第１の実施の形態から第４の実施の形態に係る足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃによれば、高分子アクチュエータ５００，〜，５０９において生じる力の最大値を設定することができるので、足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃを使用する場合、着者の安全を確保しつつ、装着者に応じた補助力を個別設定することができる。

また、第１の実施の形態から第４の実施の形態に係る足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃによれば、つま先側接地センサ６１０、踵側接地センサ６２０は、外部から力を与えることにより電位を発生させるので、電源部７２０に蓄積することができる。したがって、同じ電源容量であれば、長期に亘って足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃを使用することができる。なお、電源容量を小さくすることで使用時間は変えずに、装置全体を小型化することもできる。

なお、第１の実施の形態から第４の実施の形態においては、上側部材２００、下側部材３００、中間部材４００が連続的に形成されている場合について説明したが、これに限定されず、上側部材２００および中間部材４００、下側部材３００および中間部材４００のいずれか一方が接着されていてもよい。また、上側部材２００、下側部材３００、中間部材４００においては、さらなる計量化のため、強度および屈曲性が低下しすぎない状態で形状を変化させてもよい。例えば、上側部材２００の一部に大きな孔形状を設けてもよい。更に中間部材４００をなくしてもかまわない。
また、下側部材３００は、指が露出しているが、指を完全に覆うものであってもかまわない。

また、本実施の形態においては、制御ボックス７００を足首より上方の足に装着することとしたが、これに限定されず、腕に制御ボックス７００を装着することとしてもよく、また踵の下に装着するようにしてもよい。

なお、高分子アクチュエータ５００，〜，５０９は、シリコンゴムおよび粉末カーボン電極を有する誘電エラストマーからなる。なお、高分子アクチュエータ５００，〜，５０９は、誘電エラストマーに限定されず、イオン導電性高分子、貴金属接合体(Ionic Polymer-Metal Composite:IPMC)、導電性高分子からなってもよい。また、つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０は誘電エラストマーとしたが、圧電素子や、機械的なスイッチであってもかまわない。

第１から第４の実施の形態においては、上側部材２００が上側部材に相当し、下側部材３００が上側部材に相当し、高分子アクチュエータ５００，〜，５０９が高分子アクチュエータに相当し、つま先側接地センサ６１０および踵側接地センサ６２０が接地センサに相当し、制御部７１０が制御部に相当し、電源部７２０が電源部に相当し、足関節の動作補助装置１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃが足関節の動作補助装置に相当し、ステップＳ２の処理が、第１工程および第３工程に相当し、ステップＳ３の処理が、第２工程に相当し、ステップＳ４の処理が、第４工程に相当し、ステップＳ５の処理が、第５工程に相当し、ステップＳ６の処理が、第６工程に相当し、ステップＳ７の処理が、第７工程に相当する。

本発明の好ましい一実施の形態は上記の通りであるが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。

本発明の第１の実施の形態に係る足関節の動作補助装置を足首に適用した状態の一例を示す模式的側面図 図１の模式的正面図 図１の模式的背面図 図１から図３に示した足関節の動作補助装置の構成の一例を示す模式的構成図 制御部の動作の一例を示すフローチャート 本発明の第２の実施の形態に係る足関節の動作補助装置を足首に適用した状態の他の例を示す模式的側面図 図６の模式的正面図 図６の模式的背面図 図６から図８に示した足関節の動作補助装置の構成の一例を示す模式的構成図 本発明の第３の実施の形態に係る足関節の動作補助装置を足首に適用した状態の他の例を示す模式的側面図 本発明の第３の実施の形態に係る足関節の動作補助装置を足首に適用した状態の他の例を示す模式的側面図 図１０、図１１の模式的正面図 図１０、図１１の模式的背面図 図１０から図１３に示した足関節の動作補助装置の構成の一例を示す模式的構成図 本発明の第４の実施の形態に係る足関節の動作補助装置を足首に適用した状態の他の例を示す模式的側面図 本発明の第４の実施の形態に係る足関節の動作補助装置を足首に適用した状態の他の例を示す模式的側面図 図１５、図１６の模式的正面図 図１５、図１６の模式的背面図 図１５から図１８に示した足関節の動作補助装置の構成の一例を示す模式的構成図

符号の説明

１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ 足関節の動作補助装置
２００ 上側部材
３００ 下側部材
５００，〜，５０９ 高分子アクチュエータ
６１０ つま先側接地センサ
６２０ 踵側接地センサ
７１０ 制御部
７２０ 電源部

Claims (12)

1. 身体の足関節の上方に装着される上側部材と、
   身体の足関節の下方に装着される下側部材と、
   前記上側部材と前記下側部材とに接続され、前記下側部材を前記上側部材に対して前記足関節を中心に回動させるように配設された高分子アクチュエータと、
   前記下側部材が接地しているか否かを検知する接地センサと、
   前記接地センサの検知状況に応じて前記高分子アクチュエータを制御する制御部と、
   前記高分子アクチュエータに電力を供給する電源部と、を含むことを特徴とする足関節の動作補助装置。
2. 前記高分子アクチュエータは、
   前記身体に対して向こう脛側またはふくらはぎ側の少なくとも一方の側に配置されることを特徴とする請求項１記載の足関節の動作補助装置。
3. 前記高分子アクチュエータは、複数の高分子アクチュエータを配設させたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の足関節の動作補助装置。
4. 前記高分子アクチュエータは、前記上側部材の前記身体からみて前方であって、一方の側面から、他方の側面に少なくとも２つ交差して配設される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置。
5. 前記制御部は、前記高分子アクチュエータが発生する力の最大値を予め設定できるように構成されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置。
6. 前記接地センサは、歪に応じた電圧を発生させる高分子からなり、
   前記制御部は、前記発生した電圧を電源部に供給可能に構成されたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置。
7. 前記接地センサは、前記身体のつま先側および踵側に位置する前記下側部材の接地を検知するものであって、
   前記制御部は、前記接地センサからの検知信号により前記踵側に位置する下側部材の接地を検知した場合、前記つま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように前記高分子アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置。
8. 前記接地センサは、前記身体のつま先側および踵側に位置する前記下側部材の接地を検知するものであって、
   前記制御部は、前記接地センサからの検知信号により前記踵側に位置する下側部材の接地を検知した後、前記つま先側に位置する下側部材の接地を検知した場合、前記つま先側の下側部材における、つま先が下がる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように前記高分子アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置。
9. 前記接地センサは、前記身体のつま先側および踵側に位置する前記下側部材の接地を検知するものであって、
   前記制御部は、前記接地センサからの検知信号により前記つま先側および踵側に位置する下側部材の接地を検知した後、前記踵側に位置する下側部材の接地が非検知となった場合、前記つま先側の下側部材における、つま先が上がる方向に保持するトルクを、増加させるように前記高分子アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置を制御する制御方法であって、
    前記接地センサからの検知信号により前記踵側に位置する下側部材の接地を検知する第１工程と、
    前記第１工程の後、前記つま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように前記高分子アクチュエータを制御する第２工程と、を含むことを特徴とする足関節の動作補助装置の制御方法。
11. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置を制御する制御方法であって、
    前記接地センサからの検知信号により前記踵側に位置する下側部材の接地を検知する第３工程と、
    前記つま先側に位置する下側部材の接地を検知する第４工程と、
    前記第３工程および前記第４工程の後に、前記つま先側の下側部材における、つま先を下げる方向に保持するトルクを、徐々に減少させるように前記高分子アクチュエータを制御する第５工程と、を含むことを特徴とする足関節の動作補助装置の制御方法。
12. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の足関節の動作補助装置を制御する制御方法であって、
    前記接地センサからの検知信号により前記つま先側および踵側に位置する下側部材の接地を検知する第６工程と、
    前記第６工程の後、前記踵側に位置する下側部材の接地が非検知となった場合、前記つま先側の下側部材における、つま先を上げる方向に保持するトルクを、増加させるように前記高分子アクチュエータを制御する第７工程と、を含むことを特徴とする足関節の動作補助装置の制御方法。