JP2012200319A - 歩行支援装置、及び歩行支援プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】歩行アシストにおいて、より段差の高い階段をも上ることができるようにする。
【解決手段】通常階段を上る場合、太ももを持ち上げるとともに膝を曲げることで、膝から下の脛の部分を鉛直方向に垂らした状態で足を階段の上に乗せながら上っている（膝曲げ上り）。このため、足を最大上げた場合の高さｈ１が階段の段差Ｈよりも高く上がらないと階段を上ることができない。そこで股関節を限界角度θ１まで上げた状態でも足を階段の高さよりも高く上げられない場合には、膝を伸ばすことで足をより高く（ｈ２）上げながら階段を上るようにする（膝伸ばし上り）。
【選択図】図４

Description

本発明は、歩行支援装置、及び歩行支援プログラムに関し、例えば、装着者の歩行運動、特に階段や坂道を上る場合の歩行運動のアシストに関する。

近年、装着者の動作をアシストする装着型ロボットが注目を集めている。
装着型ロボットには、センサなどで体の動きを検知して装着者の身体動作を支援するものがあり、装着者の歩行運動等を補助することができる。
例えば、特許文献１の「装着式動作補助装置、装着式動作補助装置の制御方法および制御用プログラム」は、筋電センサにより装着者の動作意図を読み取って、装着者の運動を支援している。

しかし、従来の装着型ロボットで歩行を支援する場合、階段の上りにおいて、段差以上に足を持ち上げることが可能であることを前提として設計されている。そして、歩行支援をする場合に、装着者の筋力のアシスト（支援）をすることができるが、体の柔軟性（特に、膝を限界まで上げた場合の股関節の限界角度θ１）を支援することはできない。
このため高齢者などに代表される柔軟性、特に股関節の稼働領域が衰えた装着者が使用すると、足を階段高さよりも高く上げることができず、結果的に階段を上ることができない場合が生じてしまう。

特開２００５−９５５６１号公報

本発明は、歩行アシストにおいて、より段差の高い階段も上ることができるように歩行支援することを目的とする。

（１）請求項１に記載の発明では、歩行支援対象者の少なくとも大腿部と脛部を含む脚部を保持する保持手段と、前記保持手段が保持する各部を駆動する駆動手段と、前記駆動手段が発揮する力を制御して前記脚部の移動をアシストする制御手段と、上り階段を検出する上り階段検出手段と、を具備し、前記制御手段は、前記検出した上り階段を上る際に、膝を伸ばした状態となるように、前記大腿部と脛部の移動をアシストする、ことを特徴とする歩行支援装置を提供する。
（２）請求項２記載の発明では、前記階段の段差Ｈを取得する段差取得手段と、階段に対して正面を向いた正対状態で、所定の基準位置から次に上る階段のステップ部分の手前側端部までの前方距離を取得する前方距離取得手段と、前記大腿部を上げた状態での足の高さが、前記取得した段差Ｈより高くなる股関節の必要最小角度を算出する必要最小角度算出手段と、前記股関節の必要最小角度まで前記大腿部を上げた状態での前記基準位置から足先までの足先距離を算出する距離算出手段と、を備え、前記制御手段は、前記算出した足先距離が前記前方距離より小さい場合、階段に対して斜め方向に上るように前記脚部の移動をアシストする、ことを特徴とする請求項１に記載の歩行支援装置を提供する。
（３）請求項３記載の発明では、前記必要最小角度算出手段は、膝を伸ばして前記大腿部を上げた状態での足の高さが、前記段差Ｈより高くなる股関節の必要最小角度θ２を算出し、前記距離算出手段は、前記股関節の必要最小角度θ２まで前記大腿部を上げ、膝を伸ばした状態での前記基準位置から足先までの足先距離ｍ２を算出する、ことを特徴とする請求項２に記載の歩行支援装置を提供する。
（４）請求項４記載の発明では、前記歩行支援対象者における股関節の限界角度θ１まで前記大腿部を上げ、膝を曲げて前記脛部を鉛直にした状態での足の最大高さｈ１を取得する膝曲げ足高さ取得手段と、前記制御手段は、前記取得した足の最大高さｈ１が段差Ｈ以下の場合、前記検出した上り階段を上る際に、膝を伸ばした状態となるように、前記大腿部と脛部の移動をアシストする、ことを特徴とする請求項２、又は請求項３に記載の歩行支援装置を提供する。
（５）請求項５記載の発明では、歩行支援対象者の少なくとも大腿部と脛部を含む脚部を保持する保持手段と、前記保持手段が保持する各部を駆動する駆動手段とを備えた歩行支援装置が有するコンピュータで用いられる歩行支援プログラムであって、前記駆動手段が発揮する力を制御して前記脚部の移動をアシストする制御機能と、上り階段を検出する上り階段検出機能と、を前記コンピュータに実現させ、前記制御機能は、前記検出した上り階段を上る際に、膝を伸ばした状態となるように、前記大腿部と脛部の移動をアシストする、ことを特徴とする歩行支援プログラムを提供する。

本発明によれば、膝を伸ばした状態で階段を上るように支援するので、より段差の高い階段も上ることができる。

階段を上る場合の歩行支援についての説明図である。 装着型ロボットの装着状態や装着ロボットシステムについての説明図である。 上り階段アシスト処理において、使用される階段情報の値を定義した説明図である。 上り階段アシスト処理において、使用される装着者Ｍと階段の関係を定義した説明図である。 歩行アシスト装置が行う上り階段アシスト処理の内容を表したフローチャートである。 股関節の角度と足の高さとの関係を模式的に表したものである。 膝曲げ上り処理の処理内容を表したサブルーチンである。 膝伸ばし上り処理の処理内容を表したサブルーチンである。 同一高さまで足を上げる場合の、股関節角度の関係を表した説明図である。

（１）実施形態の概要
図１は、階段を上る場合の歩行支援について表したものである。
通常階段を上る場合、図１（ａ）に示すように、大腿部（太もも）を持ち上げるとともに膝を曲げることで、膝から下の脛の部分を鉛直方向に垂らした状態で足を階段の上に乗せながら上っている（以下、膝曲げ上りという）。
このため、大腿部最大上げた場合の足の高さｈ１が階段の段差Ｈよりも高く上がらないと階段を上ることができないことになる。この場合、大腿部の高さを上げることでより高く足を上げることができるが、装着者Ｍの股関節を痛めるため、柔軟性の限界を超えて上げることはできない。
そこで本実施形態では、股関節（大腿部）を最大の角度（股関節の限界角度θ１）まで上げたとしても足が階段よりも高く上がられない場合に、図１（ｂ）に示すように、膝を伸ばすことで足をより高く上げながら階段を上るようにする（以下、膝伸ばし上りという）。

一方、階段を上る場合には、通常は正対上り、すなわち図１（ａ）、（ｃ）に示すように、階段の幅方向に対して直角な方向を向きながら上るのが通常である。
しかし、正対上りにおいて、本実施形態の膝伸ばし上りをしようとすると、足が段差にぶつかり膝を伸ばすことができず、従って、足を階段より上に上げることができない場合がある。
そこで、階段のステップ幅（階段１段の奥行き）が、膝伸ばし上りをするのに十分でない場合には、装着者の体の向きを制御することで、階段を斜め上りする。すなわち図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、階段に対して体を斜め方向にオフセットすることで、軸足から段差までの十分な距離を確保しながら、斜めに階段を上っていくように制御、支援する。
このように、膝伸ばし上りと斜め上りとを組み合わせることで、股関節の角度が十分にとれない装着者でも段差の大きい階段を上れるように歩行支援することができる。

なお、段差の高さは、通信によるデータやセンサなどで取得する。
また、装着者の柔軟性（股関節を上げられる限界角度θ１）を過去のアーカイブや入力値などから取得する。

（２）実施形態の詳細
図２（ａ）は、歩行アシスト装置１の装着状態を示した図である。
歩行アシスト装置１は、装着者Ｍの腰部及び下肢に装着し、装着者Ｍの歩行を支援（アシスト）する歩行支援装置である。なお、例えば、上半身、下半身に装着して全身の動作をアシストするものであってもよい。

歩行アシスト装置１は、腰部装着部７、歩行アシスト部２、連結部８、３軸センサ３、３軸アクチュエータ６、撮像カメラ５、光源装置４、撮像カメラ５と光源装置４を保持する撮像ユニット９、無線通信装置１０、ナビゲーション装置１２などを備えている。
腰部装着部７は、歩行アシスト装置１を装着者Ｍの腰部に固定する固定装置である。腰部装着部７は、装着者Ｍの腰部と一体となって移動する。
また、腰部装着部７は、歩行アクチュエータ１７（図２（ｂ））を備えており、装着者Ｍの歩行動作に従って連結部８を前後方向などに駆動する。

連結部８は、腰部装着部７と歩行アシスト部２を連結している。
歩行アシスト部２は、装着者Ｍの下肢に装着され、歩行アクチュエータ１７により前後方向などに駆動されて装着者Ｍの歩行運動を支援する。
なお、図２で、歩行アクチュエータ１７が連結部８を介して歩行アシスト部２を駆動する構成としたが、これは、図と説明を簡略化するためであり、歩行アシスト部２は、装着者Ｍの股関節、膝関節、足首関節に対応した多関節構造を有しており、各関節は、それぞれの関節に設置されたエンコーダによって回転角度が検出され、それぞれの関節に設置された歩行アクチュエータ１７の動力によって駆動されるようになっている。

３軸センサ３は、腰部装着部７に設置され、腰部装着部７の姿勢などを検知する。３軸センサ３は、例えば、３次元ジャイロによる３軸角速度検出機能や３軸角加速度検出機能などを備えており、前進方向、鉛直方向、体側方向の軸の周りの回転角度、角速度、角加速度などを検知することができる。
なお、前進方向の軸の周りの角度をロール角、鉛直方向の軸の周りの角度をヨー角、体側方向の軸の周りの角度をピッチ角とする。

３軸アクチュエータ６は、例えば、球体モータで構成されており、撮像カメラ５と光源装置４が設置された撮像ユニット９のロール角、ヨー角、ピッチ角を変化させる。
撮像ユニット９には、光源装置４と撮像カメラ５が固定されており、３軸アクチュエータ６を駆動すると、光源装置４の照射方向（光源装置４の光軸の方向）と撮像カメラ５の撮像方向（撮像カメラ５の光軸の方向）は、相対角度を保ったまま、腰部装着部７に対するロール角、ヨー角、ピッチ角を変化させる。

撮像ユニット９で適切な画像を撮像するためには、撮像ユニット９を所定の角度で歩行基準面（歩行面）に向ける必要があるが、装着者Ｍが歩行アシスト装置１を装着した場合に、装着状態によって撮像ユニット９が傾くため、３軸アクチュエータ６によってこれを補正する。

光源装置４は、例えば、レーザ、赤外光、可視光などの光を所定の形状パターンで照射する。本実施の形態では、光源装置４は、照射方向に垂直な面に対して円形となる形状パターンで光を照射するものとするが、矩形形状、十字、点など各種の形状が可能である。

撮像カメラ５は、被写体を結像するための光学系と、結像した被写体を電気信号に変換するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を備えた、赤外光カメラ、可視光カメラなどで構成され、光源装置４が歩行基準面に照射した投影像を撮像（撮影）する。
光源装置４が所定の形状パターンで照射した光による投影像は、照射方向と歩行面の成す角度や、歩行面に存在する障害物（段差など）により円形から変形した（歪んだ）形状となるが、この形状を解析することにより前方の状態（例えば、下り坂の存在、平地の存在など）を検知することができる。

無線通信装置１０は、階段に関する各種情報や、エスカレータに関する踏板情報などの各種情報、その他歩行環境に関する各種を検出する。
無線通信装置１０は、これら歩行環境に関する情報を、階段やエスカレータ等の各種設備周辺に配置されている照明１００が発光する光や、図示しない情報送信装置から送信される情報から取得する。
歩行環境情報に階段や下り坂の始点や終点、平地の始点や終点を示す情報が含まれている場合、これによって、歩行アシスト装置１は、階段や下り坂の始点や終点、平地の始点や終点を認識することができる。

本実施形態では、歩行環境情報として階段に関する各種情報（階段情報）を使用するが、この各種情報については、取得可能な場合には無線通信装置１０で取得する。
また、無線通信装置１０で取得できない場合には、撮像カメラ５で撮像した階段や、光学装置４で照射した光の画像を解析、認識することで取得することになる。
本実施形態で使用する階段情報としては、例えば、階段全体の幅（横方向の長さ）Ｌ０、ステップ幅Ｐ０、段差の高さＨ、装着者Ｍの位置に対する情報（階段左側の幅Ｌ１、右側の幅Ｌ２、軸足から次のステップまでの距離Ｐ１）等がある。
なお、装着者Ｍの位置に対する情報については、装着者Ｍの位置によって異なる情報なので、無線通信装置１０ではなく撮像カメラ５の撮像画像により判断する。但し、階段の左右から装着者Ｍを認識して階段の両側から装着者Ｍまでの距離Ｌ１、Ｌ２が無線により提供される場合には、当該情報を使用することになる。

ナビゲーション装置１２は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星からのＧＰＳ信号を受信したり、所定のサーバと通信したりして装着者Ｍの現在位置を特定したり、現在位置から目的地までの経路を探索したりなどのナビゲーション機能を有している。
探索した経路には、下り坂の区間、平地の区間などの歩行面の状態に関する情報も含まれている。

図２（ｂ）は、歩行アシスト装置１に設置された装着ロボットシステム１５を説明するための図である。
装着ロボットシステム１５は、歩行支援機能を発揮するように歩行アシスト装置１を制御する電子制御システムである。

ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１６は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、記憶装置、各種インターフェースなどを備えた電子制御ユニットであり、歩行アシスト装置１の各部を電子制御する。

ＣＰＵは、記憶媒体に記憶された各種コンピュータプログラムを実行し、歩行アクチュエータ１７を駆動し、階段を上る場合の上り階段支援を含む各種歩行支援を行う。
ＣＰＵは、光源装置４、撮像カメラ５、３軸アクチュエータ６、３軸センサ３、無線通信装置１０、及びナビゲーション装置１２とインターフェースを介して接続しており、光源装置４からの照射をオンオフしたり、撮像カメラ５から撮像データを取得したり、３軸アクチュエータ６を駆動したり、３軸センサ３から検出値を取得したり、無線通信装置１０から階段情報を含む歩行環境情報を取得したり、ナビゲーション装置１２から装着者Ｍの現在位置を取得したりする。

ＲＯＭは、読み取り専用のメモリであって、ＣＰＵが使用する基本的なプログラムやパラメータなどを記憶している。
ＲＡＭは、読み書きが可能なメモリであって、ＣＰＵが演算処理などを行う際のワーキングメモリを提供する。

記憶装置は、例えば、ハードディスクやＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）などで構成された大容量の記憶媒体を備えており、歩行支援を行うためのプログラムなどの各種プログラムや、歩行アシスト装置１の歩行情報をサンプリングにより検出して記憶するためのアーカイブなどを記憶している。
また記憶装置は、装着者Ｍに関する各種情報、例えば、股関節の上がる限界角度θ１、地面から股関節までの長さｎ０、大腿部（股関節から膝まで）の長さｎ１、脛部分（膝から足裏までの）長さｎ２、脛部から足先までの長さｓ等を記憶している。なお、これら装着者Ｍに関する情報は、図示しない入力装置からの入力や、外部からの通信により取得して記憶するが、上記情報ｎ０、ｎ１、ｎ２については、歩行アシスト部２を装着した際の、股関節、膝関節、足首関節に設置されたエンコーダの各位置から取得して記憶するようにしてもよい。

歩行アクチュエータ１７は、ＥＣＵ１６からの指令に基づいて歩行アシスト部２を駆動する。
ＥＣＵ１６は、股関節、膝関節、足首関節の各関節に備えた歩行アクチュエータ１７を個別に制御することにより、歩行アシスト装置１に一体として歩行支援動作を行わせる。
バッテリ１８は、例えば、リチウムイオン電池などで構成された蓄電装置である。バッテリ１８の供給する電力により歩行アクチュエータ１７を駆動したり、ＥＣＵ１６を動作させることができる。

次に以上のように構成された歩行アシスト装置１による上り階段アシスト処理について説明する。
図３、図４は、上り階段アシスト処理において、取得、算出により使用される階段情報の値と装着者Ｍの情報を定義したものである。
階段情報は、図３（ａ）に示すように、階段に向かって左右方向の幅（階段幅）をＬ０、階段の段差（高さ）をＨ、階段ステップＱ１の奥行きをＰ０とする。
また、図３（ｂ）に示すように、装着者Ｍの軸足から段壁Ｑ２までの距離（前方距離）をＰ１とする。ただし、各階段ステップＱ１の面が段壁Ｑ２よりも手前に出ている場合には、装着者Ｍの軸足から次の階段ステップ（次に上る階段ステップ）Ｑ１の手前側端面までの距離をＰ１とする。

また、図４（ａ）に示すように、装着者Ｍの地面（足裏）から股関節までの長さをｎ０、股関節から膝までの長さをｎ１、膝から足裏までの長さをｎ２とする。
さらに、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、装着者Ｍにおける、股関節の上がる限界角度（膝を最大まで上げた場合の軸足に対する角度）をθ１とする。
そして、図４（ｂ）に示すように、限界角度θ１まで股関節を上げ、脛部分が鉛直方向になるように膝を曲げた状態（膝曲げ上りの状態）での足の高さ、すなわち、地面から足裏までの高さをｈ１とする。
また、図４（ｃ）に示すように、限界角度θ１まで股関節を上げ、膝を伸ばした状態（膝伸ばし上りの状態）での足の高さをｈ２とする。

図５は、歩行アシスト装置１が行う上り階段アシスト処理の内容を表したフローチャートである。
以下の処理は、ＥＣＵ１６のＣＰＵがＲＯＭに格納された歩行支援プログラムのうち、上り階段アシストプログラムに従って行うものである。

ＥＣＵ１６は、無線通信装置１０で受信する情報及び／又は撮像カメラ５による撮像画像から、上り階段前に到着したか否かを常時監視している（ステップ１１）。
上り階段前に到着した場合（ステップ１１；Ｙ）、ＥＣＵ１６は、階段の段差Ｈを検出する（ステップ１２）。
さらにＥＣＵ１６は、階段ステップの奥行きＰ０を検出する（ステップ１３）。
次いで、ＥＣＵ１６は、階段ステップの幅について、装着者Ｍの立ち位置から左側の幅Ｌ１と右側の幅Ｌ２を検出することで、幅Ｌ０を検出する（ステップ１４）。

そしてＥＣＵ１６は、撮像カメラ５による撮像画像から、装着者Ｍの立ち位置の軸足から段差までの距離（次のステップまでの距離）Ｐ１を取得する（ステップ１５）。
本実施形態では撮像画像からＰ１を取得するが、膝関節と足首関節に装着した両歩行アシスト部を連結する連結部８に、距離センサを配設し、この距離センサの検出値から距離Ｐ１を検出するようにしてもよい。
なお、本実施形態の説明では、段差までの距離Ｐ１については、軸足の軸を所定の基準位置として説明するが、上げる側の足のつま先位置（上げる前）を所定の基準位置としてもよい。

またＥＣＵ１６は、アーカイブなどから股関節の上がる限界角度θ１を取得する（ステップ１６）。
そして、ＥＣＵ１６は、取得した股関節の上がる限界角度θ１から、膝を曲げた状態で足の上がる最大高さｈ１を取得する（ステップ１７）。

図６は、股関節の角度と足の高さとの関係を模式的に表したものである。
この図６（ａ）に示されるように、限界角度θ１で膝を曲げた状態の足の最大高さｈ１は次のように算出される。
ｈ１＝ｈ０−ｎ２＝ｎ０−ｎ１ｃｏｓθ１−ｎ２
ここで、ｈ０は、限界角度θ１における膝の高さである。

ＥＣＵ１６は、膝を曲げた状態で足の上がる最大高さｈ１が段差Ｈよりも小さいか否かを判断する（ステップ１８）。この判断は、膝曲げ上りで階段を上ることができるか否かについての判断である。
最大高さｈ１が段差Ｈ以上であれば（ステップ１８；Ｎ）、ＥＣＵ１６は、サブルーチンである膝曲げ上り処理を実行する（ステップ１９）。

一方、最大高さｈ１が段差Ｈより低い場合（ステップ１８；Ｙ）、膝曲げ上りで階段を上ることはできないので、ＥＣＵ１６は、股関節の上がる限界角度θ１で膝を伸ばしたときの最大高さｈ２を算出する（ステップ２０）。
この最大高さｈ２は、図６（ａ）に示されるように、ｈ２＝ｎ０（１−ｃｏｓθ１）により算出される。

ついでＥＣＵ１６は、算出した最大高さｈ２が段差Ｈよりも小さいか否かを判断する（ステップ２１）。この判断は、膝伸ばし上りで階段を上ることができるか否かの判断である。
最大高さｈ２が段差Ｈ以上である場合（ステップ２１；Ｎ）、ＥＣＵ１６はサブルーチンである膝伸ばし上り処理を実行する（ステップ２２）。
一方、最大高さｈ２が段差Ｈよりも低い場合（ステップ２１；Ｙ）、ＥＣＵ１６は、階段を上ることはできないと判断し（ステップ２３）、メインルーチンにリターンする。
この場合ＥＣＵ１６は、階段を上ることができないので、図示しないスピーカから階段を上ることができない高さであることを音声や警告音、警告表示などにより装着者Ｍに報知する。

図７は、膝曲げ上り処理（ステップ１９）の処理内容を表したサブルーチンである。
この膝曲げ上り処理において、ＥＣＵ１６は、軸足から膝までの距離ｍ１を算出する（ステップ３１）。
この距離ｍ１は、図６（ａ）に示されるように、ｍ１＝ｎ１ｓｉｎθ１である。

ついでＥＣＵ１６は、膝までの距離ｍ１が、ステップ１５で取得した階段のステップまでの距離Ｐ１より小さいか否かを判断する（ステップ３２）。
膝までの距離ｍ１がステップまでの距離Ｐ１よりも小さい場合（ステップ３２；Ｙ）、普通に膝を上げた状態でステップに足先が当たることがないので、ＥＣＵ１６は、通常の正対による階段上り処理を行い（ステップ３３）、メインルーチンにリターンする。
なお、この正対による階段上り処理（ステップ３３）では、装着者Ｍが足を上げる力をアシスト（支援）するだけでなく、膝を曲げた状態での足の高さｈ１が階段の高さＨよりも高くなる位置まで股関節角度を調節するように制御する。

一方、膝までの距離ｍ１がステップまでの距離Ｐ１以上である場合（ステップ３２；Ｎ）、正対上りだと足がステップに当たるので、ＥＣＵ１６は、階段を斜め方向に上る斜め上り処理を行う（ステップ３４〜ステップ３９）。
ＥＣＵ１６は、ステップ１４で取得した、装着者Ｍの立ち位置からのステップ右幅Ｌ２とステップ左幅Ｌ１との大きさを比較する（ステップ３４）。
ステップ左幅Ｌ１が、ステップ右幅Ｌ２よりも大きい場合（ステップ３４；Ｙ）、ＥＣＵ１６は、装着者Ｍを左へα度旋回させる（ステップ３５）。
一方、ステップ右幅Ｌ２がステップ左幅Ｌ１以上の場合（ステップ３４；Ｎ）、ＥＣＵ１６は装着者Ｍを右へα度旋回させる。

なお、このα度の左右旋回は、例えば、ＥＣＵ１６が、装着者Ｍがその場でα度旋回するように足踏みさせるように歩行アクチュエータ１７を制御することで実現する。
また、ＥＣＵ１６は、図示しないスピーカから「少し右方向に旋回して下さい」等の音声により案内したり、旋回とその方向を指示する表示と警告音とにより、装着者Ｍに旋回を促すようにしてもよい。

α度だけ旋回した後、ＥＣＵ１６は、軸足からステップまでの距離Ｐ１を、撮像カメラ５の撮像画像から新たに算出する（ステップ３７）。
そして、ステップ３１で算出した膝までの距離ｍ１が、新たに算出したステップまでの距離Ｐ１より小さいか否かを判断する（ステップ３８）。
膝までの距離ｍ１が新たな距離Ｐ１以上である場合（ステップ３８；Ｎ）、まだ旋回角度が十分でないので、ＥＣＵ１６はステップ３４に戻り、更なる左右方向（前回と同じ方向）への旋回（ステップ３５、３６）と、旋回後の新たな距離Ｐ１の算出（ステップ３７）、比較（ステップ３８）を行う。

旋回によって膝までの距離ｍ１が新たな距離Ｐ１よりも小さくなると（ステップ３８；Ｎ）、ＥＣＵ１６は、旋回した角度だけ装着者Ｍが斜めになった状態において、膝を曲げた状態での通常階段上り処理を実行し（ステップ３９）、メインルーチンにリターンする。

次に、サブルーチンである膝伸ばし上り処理（ステップ２２）について図８を参照しながら説明する。
ＥＣＵ１６は、膝を伸ばした状態で、ステップ１２で検出した階段の段差Ｈよりも高く足を上げるための股関節の必要最小角度θ２を算出する（ステップ５１）。
股関節の必要最小角度θ２は、図６（ｂ）に示されるように、次の式から算出される。
ｈ２＝ｎ０（１-ｃｏｓθ２）＞Ｈ

次にＥＣＵ１６は、軸足から足先までの距離（足先距離）ｍ２を算出する（ステップ５２）。
この距離ｍ２は、図６（ｂ）に示されるように、ｍ２＝ｎ０ｓｉｎθ２＋ｓである。
なお、ｓは脛からつま先までの長さであり、図６（ｂ）では省略されている。

ＥＣＵ１６は、足までの距離ｍ２がステップ１５で取得した階段のステップまでの距離Ｐ１よりも小さいか否かを判断する（ステップ５３）。
足までの距離ｍ２がステップまでの距離Ｐ１よりも小さい場合（ステップ５３；Ｙ）、装着者Ｍが階段方向を向いて膝を伸ばしてもステップに足先が当たることがないので、ＥＣＵ１６は、膝を伸ばしながら、通常の正対による階段上り処理を行い（ステップ５４）、メインルーチンにリターンする。

一方、足までの距離ｍ２がステップまでの距離Ｐ１以上である場合（ステップ５３；Ｎ）、正対上りを膝を伸ばし上りで行うと足がステップに当たるので、ＥＣＵ１６は、階段を斜め方向に上る斜め上り処理を行う（ステップ５５〜ステップ６０）。
ＥＣＵ１６は、ステップ１４で取得した、装着者Ｍの立ち位置からのステップ右幅Ｌ２とステップ左幅Ｌ１との大きさを比較する（ステップ５５）。
ステップ左幅Ｌ１が、ステップ右幅Ｌ２よりも大きい場合（ステップ５５；Ｙ）、ＥＣＵ１６は、装着者Ｍを左へα度旋回させる（ステップ５６）。
一方、ステップ右幅Ｌ２がステップ左幅Ｌ１以上の場合（ステップ５５；Ｎ）、ＥＣＵ１６は装着者Ｍを右へα度旋回させる（ステップ５７）。

α度だけ旋回した後、ＥＣＵ１６は、軸足からステップまでの距離Ｐ１を、撮像カメラ５の撮像画像から新たに算出する（ステップ５８）。
そして、ステップ５２で算出した足までの距離ｍ２が、新たに算出したステップまでの距離Ｐ１より小さいか否かを判断する（ステップ５９）。
足までの距離ｍ２が新たな距離Ｐ１以上である場合（ステップ５９；Ｎ）、まだ旋回角度が十分でないので、ＥＣＵ１６はステップ５５に戻り、更なる左右方向（前回と同じ方向）への旋回（ステップ５６、５７）と、旋回後の新たな距離Ｐ１の算出（ステップ５８）、比較（ステップ５９）を行う。

旋回によって足までの距離ｍ２よりも新たな距離Ｐ１が大きくなると（ステップ５９；Ｙ）、ＥＣＵ１６は、旋回した角度だけ装着者Ｍが斜めになった状態において、膝を曲げた状態での通常階段上り処理を実行し（ステップ６０）、メインルーチンにリターンする。

以上説明した、上り階段アシスト処理では、膝を曲げた状態、伸ばした状態、及び階段に対して正対方向、斜め方向の何れの場合においても（ステップ２３以外の場合）、階段を上る際には、装着者Ｍが足を上げる力をアシスト（支援）するだけでなく、足の高さｈが階段の高さＨよりも高くなる位置まで股関節角度を調節（股関節の歩行アクチュエータ１７を制御）することで確実に階段を上るようにアシストする。

以上最適な実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく各種変形が可能である。
例えば、膝伸ばし上り処理を行う場合（ステップ５４、６０）、通常の膝曲げ状態による階段の上りと異なる姿勢となるので、ＥＣＵ１６は、装着者Ｍに対してその旨の報知を行うようにしてもよい。この場合、各段毎に毎回報知しても良く、また、階段を上り始める最初に１回、又は数階毎に報知するようにしてもよい。

また、斜め上りをする場合（ステップ３４〜３９、ステップ５５〜６０）、本実施形態では、装着者Ｍの立ち位置から階段の端までの左右の幅が大きい方に向くように体を旋回させるようにしたが、この場合には、階段の中央付近で１段上る毎に左右の向きを変更することになるので次の何れかの方法で階段を上るようにしてもよい。
第１の方法としては、階段の幅全体を使ってジグザグに上る方法である。この場合、例えば、左端から右方向に階段を斜めに上っていき、進行方向の端にたどり着いた場合に反対方向へ旋回する。進行方向の端にたどり着いたか否かについては、階段１段を上がることで左右に移動する距離Ｌ３よりも、現在の立ち位置から階段の端までの距離Ｌ４の方が小さい場合に、ＥＣＵ１６は階段の端にたどり着いたと判断する。

なお、階段を上り始める場合に左右のどちらの方向を向いて上り始めるかについては、左右方向のステップ幅Ｌ１、Ｌ２の大きい方向を向き始めるようにしてもよく、その逆向きでもよい。但しステップ幅の小さい方向に向かって上り始める場合には、１歩の移動距離Ｌ３よりも、端までの距離Ｌ４の方が大きいことを条件とする。

第２の方法としては、現在いる状態から左右交互に向きを変えて階段を上る方法である。この場合は、階段全体の幅Ｌ０を使用しないので、狭い範囲で階段を上ることができる。

説明した実施形態では、階段に対して斜め上り（ステップ３９、６０）をする場合に、体の幅を考慮していない。従って、体の中央を基準とした値（例えば、軸足からステップまでの距離Ｐ１）を検出（取得）し、実際の体の幅による距離の誤差分を考慮した値に補正するようにしている。
これに対して、左右の足のうち、上げる側の足からの距離を測定するようにしてもよい。

どちら側の足を上げるかについては、斜めに向いた装着者Ｍの体で外側の足（階段に向かった右方向斜めの場合には右足、左方向斜めの場合には左足）の方がステップまでの距離Ｐ１が長くなるので、常に外側の足を上げるようにしてもよい。
この場合、同一方向を向いたまま階段を上り続けると同じ足を連続して上げる事になるため、一段毎に向きをかえることで、左右の足を交互に上げるように制御してもよい。
逆に、同一方向を向いたまま階段を上り続ける場合（上記変形例の場合を含む）、には、次に上げる足が外側の足か、内側（階段側）の足か否かを判断し、当該上げる側の足について、ステップまでの距離Ｐ１を測定するようにしてもよい。

説明した実施形態では、最大高さｈ１が段差Ｈ以上である場合には（ステップ１８；Ｎ）、常に膝曲げ上り処理を実行する（ステップ１９）場合について説明した。
しかし、図９に示すように、同じ高さＨ１まで足を上げる場合、膝を曲げた場合の股関節角度β１よりも、膝を伸ばした場合の股関節β２の方が小さくすることができる。
このため、使用者の好みによっては、常に膝伸ばしによる階段上り処理を行うようにしてもよい。
また、股関節角度に対する閾値β３（＜θ１）を設け、この角度β以下で膝を曲げた足の高さが階段の高さＨ以上になる場合には膝曲げ上りを行い、閾値β３以上では常に膝伸ばしにより階段を上るようにしてもよい。閾値β３は、装着者Ｍが設定する場合の他、股関節の限界角度θ１に対する所定割合とすることも可能である。また所定割合を装着者Ｍが設定できるようにしてもよい。
なお、常に膝伸ばしによる階段上り処理をするか場合や、閾値βにより判断する場合については、好みによるため装着者Ｍが何れかのモードを選択することができるようにしてもよい。

実施形態では、股関節の限界角度θ１における、膝曲げによる最大の高さｈ１と、膝伸ばしによる最大高さｈ２について毎回算出するようにしたが、限界角度θ１、股関節までの長さｎ０、股関節から膝までの長さｎ１、膝から下部分の長さｎ２は既知なので、これらの値を取得した際に予め算出して記憶手段に記憶しておくようにし、使用する際には記憶手段から読み出すようにしてもよい。

１ 装着型ロボット
２ 歩行アシスト部
３ ３軸センサ
４ 光源装置
５ 撮像カメラ
６ ３軸アクチュエータ
７ 腰部装着部
８ 連結部
９ 撮像ユニット
１０ 無線通信装置
１２ ナビゲーション装置
１５ 装着ロボットシステム
１６ ＥＣＵ
１７ 歩行アクチュエータ
１８ バッテリ
１００ 照明

Claims (5)

1. 歩行支援対象者の少なくとも大腿部と脛部を含む脚部を保持する保持手段と、
   前記保持手段が保持する各部を駆動する駆動手段と、
   前記駆動手段が発揮する力を制御して前記脚部の移動をアシストする制御手段と、
   上り階段を検出する上り階段検出手段と、
   を具備し、
   前記制御手段は、前記検出した上り階段を上る際に、膝を伸ばした状態となるように、前記大腿部と脛部の移動をアシストする、ことを特徴とする歩行支援装置。
   
2. 前記階段の段差Ｈを取得する段差取得手段と、
   階段に対して正面を向いた正対状態で、所定の基準位置から次に上る階段のステップ部分の手前側端部までの前方距離を取得する前方距離取得手段と、
   前記大腿部を上げた状態での足の高さが、前記取得した段差Ｈより高くなる股関節の必要最小角度を算出する必要最小角度算出手段と、
   前記股関節の必要最小角度まで前記大腿部を上げた状態での前記基準位置から足先までの足先距離を算出する距離算出手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記算出した足先距離が前記前方距離より小さい場合、階段に対して斜め方向に上るように前記脚部の移動をアシストする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の歩行支援装置。
   
3. 前記必要最小角度算出手段は、膝を伸ばして前記大腿部を上げた状態での足の高さが、前記段差Ｈより高くなる股関節の必要最小角度θ２を算出し、
   前記距離算出手段は、前記股関節の必要最小角度θ２まで前記大腿部を上げ、膝を伸ばした状態での前記基準位置から足先までの足先距離ｍ２を算出する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の歩行支援装置。
   
4. 前記歩行支援対象者における股関節の限界角度θ１まで前記大腿部を上げ、膝を曲げて前記脛部を鉛直にした状態での足の最大高さｈ１を取得する膝曲げ足高さ取得手段と、
   前記制御手段は、前記取得した足の最大高さｈ１が段差Ｈ以下の場合、前記検出した上り階段を上る際に、膝を伸ばした状態となるように、前記大腿部と脛部の移動をアシストする、
   ことを特徴とする請求項２、又は請求項３に記載の歩行支援装置。
   
5. 歩行支援対象者の少なくとも大腿部と脛部を含む脚部を保持する保持手段と、前記保持手段が保持する各部を駆動する駆動手段とを備えた歩行支援装置が有するコンピュータで用いられる歩行支援プログラムであって、
   前記駆動手段が発揮する力を制御して前記脚部の移動をアシストする制御機能と、
   上り階段を検出する上り階段検出機能と、を前記コンピュータに実現させ、
   前記制御機能は、前記検出した上り階段を上る際に、膝を伸ばした状態となるように、前記大腿部と脛部の移動をアシストする、
   ことを特徴とする歩行支援プログラム。
   

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