JP5165535B2 - 歩行補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、利用者（人）の歩行を補助する歩行補助装置に関する。

従来、この種の歩行補助装置としては、例えば特許文献１に見られるものが本願出願人により提案されている。この歩行補助装置は、利用者が跨ぐように着座する荷重伝達部と、利用者の足平に装着される足平装着部と、この足平装着部を荷重伝達部に連結する脚リンクとを備える。この場合、脚リンクは、前記荷重伝達部から第１関節を介して延設された上側リンク部材と、前記足平装着部から第２関節を介して延設された下側リンク部材と、該上側リンク部材と下側リンク部材とを屈伸自在に連結する第３関節とから構成される。そして、第３関節が、上側リンク部材に搭載された駆動源（アクチュエータ）によって駆動されるようになっている。この第３関節の駆動によって、利用者の体重の一部を支える荷重（上向きの並進力）を荷重伝達部を介して利用者の体幹部に作用させる。これにより、利用者の脚の負担を軽減するようにしている。
特開２００７−２９６３３号公報

前記特許文献１に見られる歩行補助装置では、第３関節を駆動する駆動源は、上側リンク部材の上部に搭載された電動モータを有する。そして、この電動モータの回転駆動力を、ワイヤとプーリとを介して下側リンク部材に伝達することで、下側リンク部材に第３関節の関節軸周りのトルクを付与するようにしている。この場合、下側リンク部材に付与されるトルクは、電動モータの出力トルクに比例する。また、第３関節の回転速度（上側リンク部材に対する下側リンク部材の相対回転速度）は、電動モータの回転速度に比例する。

一方、特許文献１に見られる如き歩行補助装置において、利用者の歩行時等に荷重伝達部から利用者に作用させる荷重を目標とする荷重に保つためには、第３関節での脚リンクの屈曲度合いが大きくなるに伴い（脚リンクが第３関節で折り曲がるに伴い）、下側リンク部材に付与するトルクを大きくする必要がある。これは、脚リンクの屈曲度合いが大きいほど、荷重伝達部から利用者の体幹部への荷重の作用線と、第３関節との間隔が長くなり、ひいては、目標とする荷重を発生させるために要求される第３関節の必要トルクが大きくなるからである。

従って、特許文献１に見られる如き従来の歩行補助装置では、荷重伝達部から利用者に作用させる荷重を目標とする荷重に保つためには、脚リンクの屈曲度合いが大きくなるに伴い、電動モータの出力トルクを大きくする必要があった。

このため、従来の歩行補助装置では、電動モータの要求される出力トルクの最大値や要求される出力トルクの変化幅（要求される出力トルクの最大値と最小値との差）が大きなものとなっていた。

また、特に第３関節での脚リンクの屈曲度合いが小さい状態（脚リンクの伸展状態またはそれに近い状態）では、該屈曲度合いが比較的大きい場合に比して、該屈曲度合いの変化に対する荷重伝達部の高さの変化の感度が微小なものとなる。換言すれば、荷重伝達部の高さを所定の微小量だけ変化させるのに必要な脚リンクの屈曲度合いの変化量は、脚リンクの屈曲度合いが小さい状態では大きくなる。従って、特に第３関節での脚リンクの屈曲度合いが小さい状態で利用者が体幹部を上下に動かそうとした場合に、これに迅速に追従させて荷重伝達部を上下に動かすためには、脚リンクの屈曲度合いを比較的急速に変化させる必要がある。すなわち、荷重伝達部を利用者の体幹部の上下動に迅速に追従させるために要求される第３関節の回転速度（上側リンク部材に対する下側リンク部材の回転速度）は、第３関節での脚リンクの屈曲度合いが小さくなるほど（脚リンクが伸展状態に近づくほど）、より高速なものとなる。

このため、従来の歩行補助装置では、電動モータの要求される回転速度の最大値や、要求される回転速度の変化幅（要求される回転速度の最大値と最小値との差）が大きなものとなっていた。

そして、上記のように、電動モータの要求される出力トルクの最大値や変化幅、並びに、要求される回転速度の最大値や変化幅が大きいために、電動モータを含めた駆動機構の小型化や軽量化、あるいは低コスト化を実現することが困難であった。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、脚リンクを駆動するために要求されるアクチュエータの出力や該アクチュエータの動作速度の最大値や変化幅を小さくすることができ、ひいては、該アクチュエータの小型化、軽量化、あるいは、低コスト化を容易に実現することができる歩行補助装置を提供することを目的とする。

本発明の歩行補助装置は、かかる目的を達成するために、利用者の体幹部に該利用者の体重の一部を支える荷重を伝達する荷重伝達部と、利用者の足平に装着される足平装着部と、該足平装着部を荷重伝達部に連結する脚リンクとを備え、該脚リンクが前記荷重伝達部から第１関節を介して延設された上側リンク部材と、前記足平装着部から第２関節を介して延設された下側リンク部材と、該上側リンク部材と下側リンク部材とを屈伸自在に連結する第３関節とから構成され、さらに前記第３関節を駆動するための駆動機構を備えた歩行補助装置において、前記駆動機構は、前記第３関節の関節軸と同心に前記下側リンク部材に固定されたクランクアームと、前記クランクアームに一端部が連結された直動出力軸を有すると共に前記第３関節の関節軸と平行な揺動軸の軸心周りに揺動可能に上側リンク部材に搭載された直動アクチュエータとを備え、該直動アクチュエータの直動出力軸から出力される並進力を前記クランクアームを介して前記第３関節の回転駆動力に変換するように構成され、前記第３関節の関節軸の軸心方向で見た場合における該関節軸と前記クランクアームに対する直動出力軸の連結部とを結ぶ直線と、該連結部を通って前記直動出力軸の軸心に平行な方向の直線とのなす角度である第１角度が、前記第３関節での脚リンクの屈曲度合いを利用者の直立姿勢状態に対応する屈曲度合いから増加させるに伴い、平角側の角度から直角側の角度に向かって変化するように、前記第１角度と前記第３関節での脚リンクの屈曲度合いとの間の関係が設定されていることを基本構成とする。

なお、本発明において、「利用者の直立姿勢状態」は、利用者が両脚を真っ直ぐに伸ばして起立した状態を意味する。

かかる基本構成の歩行補助装置では、前記駆動機構は、直動アクチュエータの直動出力軸から出力される並進力（直動出力軸の軸心方向の並進力）を前記クランクアームを介して前記第３関節の回転駆動力に変換し、その回転駆動力により第３関節を駆動する（下側リンク部材を上側リンク部材に対して第３関節の関節軸周りに回転駆動する）。この場合、直動出力軸から出力される並進力が一定であっても、第３関節の回転駆動力は、前記第１角度に応じて変化する。すなわち、第３関節の回転駆動力は、前記第１角度が直角であるときに最大となり、この状態から第１角度が増加側または減少側に変化するに伴い、第３関節の回転駆動力が減少する。なお、第１角度の「平角」は、前記第３関節の関節軸の軸心方向で見た場合における該関節軸と前記クランクアームに対する直動出力軸の連結部とを結ぶ直線と、該連結部を通って前記直動出力軸の軸心に平行な方向の直線とが１直線になる状態での角度を意味する。

また、直動出力軸の軸心方向の変位に対する前記第１角度の変化の感度は、該第１角度が直角であるときに最小となり、この状態から第１角度が増加側または減少側に変化するに伴い、当該感度が増加する。なお、該感度が増加するということは、直動出力軸が軸心方向に所定の微小量だけ変位したときの第１角度の変化量、ひいては、上側リンク部材に対する下側リンク部材の回転量が増加するということを意味する。

一方、前記荷重伝達部から利用者に作用させる荷重（上向きの並進力）を一定に保つ上で要求される第３関節の回転駆動力は、第３関節での脚リンクの屈曲度合いが増加するに伴い（脚リンクが第３関節で折れ曲がっていくに伴い）、大きくなる。また、利用者の体幹部の上下動に対して荷重伝達部を迅速に追従させるために要求される第３関節の回転速度（上側リンク部材に対する下側リンク部材の回転速度）は、脚リンクの屈曲度合いが減少するに伴い（脚リンクが伸展するに伴い）、高くなる。

そこで、前記基本構成では、前記第３関節での脚リンクの屈曲度合いが利用者の直立姿勢状態に対応する屈曲度合いから増加するに伴い、第１角度が平角側の角度から直角側の角度に向かって変化するように、該第１角度と脚リンクの屈曲度合いとの間の関係を設定している。このようにすることによって、脚リンクの屈曲度合いの増加に伴い、直動出力軸から出力される並進力を一定とした場合の第３関節の回転駆動力を増加させることが可能となる。従って、直動出力軸から出力される並進力を脚リンクの屈曲度合いに応じて大きく変化させずとも、荷重伝達部から利用者に作用する荷重を一定に保つことが可能となる。また、脚リンクの屈曲度合いの減少に伴い、直動出力軸の軸心方向の変位に対する前記第１角度の変化の感度（ひいては第３関節の角度変位の感度）を増加させることが可能となる。従って、直動出力軸の軸心方向の変位速度を脚リンクの屈曲度合いに応じて大きく変化させずとも、荷重伝達部を利用者の体幹部の上下動に迅速に追従させることが可能となる。

この結果、前記基本構成によれば、直動アクチュエータに要求される動力（直動出力軸から出力される並進力）の最大値や変化幅、並びに、要求される直動出力軸の変位速度の最大値や変化幅を小さくすることができる。ひいては、該直動アクチュエータの小型化、軽量化、あるいは低コスト化を容易に実現することができることとなる。

本発明では、かかる基本構成において、前記第１角度と第３関節での脚リンクの屈曲度合いとの間の関係は、該脚リンクの屈曲度合いが利用者の直立姿勢状態に対応する屈曲度合いである場合における前記第１角度の値（以下、直立姿勢時第１角度値ということがある）が、直角よりも平角により近い角度値になるように設定されていることが好適である（第２発明）。換言すれば、上記直立姿勢時第１角度値と平角との角度差が、該直立姿勢姿勢時第１角度値と直角との角度差に比して微小となるように、第１角度と第３関節での脚リンクの屈曲度合いとの間の関係が設定されている（第１発明）。

この第１発明によれば、利用者の歩行時等の脚の運動時に実現される脚リンクの屈曲度合いの範囲の全体、又は該範囲のうちの大部分において、脚リンクの屈曲度合いの増加に伴い、第３関節の回転駆動力（直動出力軸から出力される並進力を一定とした場合の回転駆動力）を増加させることができる。また、当該範囲の全体、又は、当該範囲のうちの大部分において、脚リンクの屈曲度合いの減少に伴い、直動出力軸の軸心方向の変位に対する第３関節の角度変位の感度（上側リンク部材に対する下側リンク部材の回転角度の変化の感度）を増加させることが可能となる。

この結果、第１発明によれば、直動アクチュエータに要求される動力（直動出力軸から出力される並進力）の最大値や変化幅、並びに、直動出力軸の変位速度の最大値や変化幅を極力小さくすることができる。ひいては、該直動アクチュエータの小型化、軽量化、あるいは低コスト化をより好適に実現することができる。

前記基本構成、又は第１発明では、前記直動アクチュエータは、例えばボールネジ機構を使用して構成される。すなわち、該直動アクチュエータは、ネジ溝が外周面に形成されたネジ軸としての前記直動出力軸と、該直動出力軸のネジ溝に係合する複数のボールを内周部に保持し、該複数のボールを介して該直動出力軸に同心に螺合されたナット部材と、該ナット部材を内部に回転自在に収容し、該ナット部材及び直動出力軸と共に前記揺動軸の軸心周りに揺動可能に前記上側リンク部材に支持された筐体と、前記ナット部材に回転駆動力を付与する回転出力軸を有し、前記筐体と共に前記揺動軸の軸心周りに揺動可能に該筐体に取り付けられた回転アクチュエータとを備える。この場合、前記揺動軸は、その軸心が前記ナット部材の内部で該ナット部材の軸心と直交するように設けられていることが好ましい（第２発明）。

かかる第２発明によれば、直動アクチュエータは、回転アクチュエータの回転駆動力を、前記ナット部材及び直動出力軸（ネジ軸）を有するボールネジ機構を介して該直動出力軸の軸心方向の動力（並進力）に変換するので、効率よく且つ安定に必要な動力を発生させることができる。この場合、前記揺動軸は、その軸心が前記ナット部材の内部で該ナット部材の軸心と直交するように設けられているので、脚リンクの屈伸に伴って直動アクチュエータの全体が前記揺動軸の軸心周りに揺動するときに、ナット部材の内側で直動出力軸に曲げ力が作用するのを極力抑制することができる。この結果、直動出力軸の軸方向の移動を案内するガイド部材など、当該曲げ力を抑制するための専用的な部品などを必要とすることなく、ナット部材の回転駆動に応じた直動出力軸の軸心方向の移動を安定且つ円滑に行うことができる。

この第２発明を前記第１発明と組合せ、あるいは、前記基本構成と組み合わせた場合においては、前記ナット部材は、該ナット部材の軸心方向に間隔を存して該ナット部材の外周に挿着された一対のアンギュラベアリングを介して前記筐体に回転自在に支承されており、前記筐体の側壁には、前記一対のアンギュラベアリングの間の間隔内の箇所に開口が穿設されており、前記一対のアンギュラベアリングの間で該開口内に収まるようにして前記筐体に装着された軸受け部材に前記揺動軸が嵌挿されていることが好ましい（第３発明）。

この第３発明によれば、前記揺動軸が嵌挿される軸受け部材が、前記一対のアンギュラベアリングの間で前記開口内に収まるようにして（換言すれば、軸受け部材が筐体の外方に突出しないようにして）前記筐体に装着されているので、直動アクチュエータの前記揺動軸の軸心方向での幅を極力小さくすることができる。ひいては、歩行補助装置の脚リンクや直動アクチュエータが、利用者の左右方向で太くなるのを防止することができる。

本発明の歩行補助装置の一実施形態を図１〜図９を参照して説明する。

図１は本実施形態の歩行補助装置Ａの概略構成を示す側面図である。同図に示す如く、本実施形態の歩行補助装置Ａは、荷重伝達部としての着座部１と、利用者（図示省略）の各脚の足平に装着される左右一対の足平装着部２，２と、各足平装着部２，２を着座部１にそれぞれ連結する左右一対の脚リンク３，３とを備えている。左右の足平装着部２，２は互いに左右対称の同一構造である。左右の脚リンク３，３も互いに左右対称の同一構造である。なお、本実施形態の説明では、歩行補助装置Ａの左右方向は、足平装着部２，２を足平を装着した利用者の左右方向（図１では、その紙面にほぼ垂直な方向）を意味する。

各脚リンク３は、着座部１から第１関節４を介して下方に延設された上側リンク部材５と、足平装着部２から第２関節６を介して上方に延設された下側リンク部材７と、上側リンク部材５と下側リンク部材７とを、第１関節４と第２関節６との中間で屈伸自在に連結する第３関節８とから構成される。

そして、歩行補助装置Ａは、各脚リンク３毎に、第３関節８を駆動するための駆動機構９を備えている。左側脚リンク３の駆動機構９と、右側脚リンク３の駆動機構９とは、左右対称の同一構造である。なお、図１では右側脚リンク３の駆動機構９については、図を判りやすくするために、該駆動機構９の一部の記載を省略している。

着座部１は、利用者が跨ぐようにして（利用者の両脚の付け根の間に配置するようにして）着座するサドル状のシート部１ａと、シート部１ａの下面に装着された基体フレーム１ｂと、基体フレーム１ｂの後端部（シート部１ａの後側で上方に立ち上がる立ち上がり部分）に取り付けた腰当て部１ｃとから構成されている。

各脚リンク３の第１関節４は、前後方向および左右方向の２つの関節軸周りの回転自由度（２自由度）を有する関節である。さらに詳細には、各第１関節４は、着座部１の基体フレーム１ｂに組み付けられた円弧状のガイドレール１１を備えている。そして、このガイドレール１１には、各脚リンク３の上側リンク部材５の上端部に固定されたスライダ１２が、該スライダ１２に軸着した複数のローラ１３を介して移動自在に係合されている。このため、各脚リンク３は、ガイドレール１１の曲率中心４ａを通る左右方向の軸（より詳しくはガイドレール１１の円弧を含む平面に垂直な方向の軸）を第１関節４の第１の関節軸として、該第１の関節軸の周りに前後方向の揺動運動（前後の振り出し運動）を行うことが可能となっている。

また、ガイドレール１１は、着座部１の支持フレーム１ｂの後上端部に、軸心を前後方向に向けた支軸４ｂを介して軸支され、該支軸４ｂの軸心周りに揺動可能とされている。これにより、各脚リンク３は、支軸４ｂの軸心を第１関節４の第２の関節軸として、該第２の関節軸の周りに左右方向の揺動運動（内転・外転運動）を行うことが可能となっている。なお、本実施形態では、第１関節４の第２の関節軸は、右側の第１関節４と右側の第１関節４とで共通の関節軸となっている。

上記のように第１関節４は、各脚リンク３が、前後方向および左右方向の２つの関節軸周りの揺動運動を行うことが可能となるように構成されている。

なお、第１関節の回転自由度は２つに限られるものではない。例えば３つの関節軸周りの回転自由度（３自由度）を有するように第１関節を構成してもよい。あるいは、例えば左右方向の１つの関節軸周りの回転自由度（１自由度）だけを有するように第１関節を構成してもよい。

各足平装着部２は、利用者の各足平に履かせる靴２ａと、靴２ａ内から上方に突出する連結部材２ｂとを備え、利用者の各脚が立脚（支持脚）となる状態で、靴２ａを介して接地する。そして、連結部材２ｂに各脚リンク３の下側リンク部材７の下端部が第２関節６を介して連結されている。この場合、連結部材２ｂは、靴２ａ内の中敷２ｃの下側（靴２ａの底部と中敷２ｃとの間）に配置される平板状部分２bxを一体に備えている。そして、連結部材２ｂは、足平装着部２を接地させた時に、該足平装着部２に床から作用する床反力の一部（少なくとも歩行補助装置Ａと利用者の体重の一部とを合わせた重量を支えるのに充分な程度の大きさの並進力）を連結部材２ｂおよび第２関節６を介して脚リンク３に作用させることができるように、平板状部分２bxを含めて比較的高剛性の部材により形成されている。

なお、足平装着部２は、靴２ａの代わりに、例えばスリッパ状のものを備えるようにしてもよい。

第２関節６は、本実施形態では、ボールジョイントなどのフリージョイントにより構成され、３軸周りの回転自由度を有する関節となっている。ただし、第２関節は、例えば前後および左右方向の２軸周り、あるいは、上下および左右方向の２軸周りの回転自由度を有する関節であってもよい。

第３関節８は、左右方向の１軸周りの回転自由度を有する関節であり、上側リンク部材５の下端部に下側リンク部材７の上端部を軸支する支軸８ａを有する。該支軸８ａの軸心は、第１関節４の第１の関節軸（ガイドレール１１の円弧を含む平面に垂直な方向の軸）とほぼ平行である。そして、この支軸８ａの軸心が第３関節８の関節軸となっており、その関節軸の周りに、下側リンク部材７が上側リンク部材５に対して相対回転可能とされている。これにより、該第３関節８での脚リンク３の屈伸運動が可能となっている。

各駆動機構９は、着座部１に着座した利用者の体重の一部を支える荷重（上向きの並進力）を着座部１から利用者に作用させるために、足平装着部２が接地している脚リンク３の第３関節８に対して、該脚リンク３の伸展方向の回転駆動力（トルク）を付与するものである。この駆動機構９は、脚リンク３の上側リンク部材５に搭載されており、直動出力軸１４ａを有する直動アクチュエータ１４と、その直動出力軸１４ａから出力される動力（直動出力軸１４ａの軸心方向の並進力）を回転駆動力に変換して第３関節８に伝達する動力伝達機構１５とから構成される。

以下に、駆動機構９の詳細を図２〜図５を参照して説明する。図２は歩行補助装置Ａの上側リンク部材５を破断して示す図、図３は図２のIII−III線断面図、図４は図３のIV−IV線断面図、図５は図２のＶ−Ｖ線断面図である。

駆動機構９が搭載された上側リンク部材５は、図２に示すように、その第１関節４側の端部（以降、股側端部という）と第３関節８側の端部（以降、膝側端部という）とが開口した中空構造のものである。そして、駆動機構９の直動アクチュエータ１４は、上側リンク部材５の股側端部寄りの箇所に配置され、動力伝達機構１５は、上側リンク部材５の股側端部寄りの箇所から膝側端部寄りの箇所にかけて上側リンク部材５の内部に収容されている。

直動アクチュエータ１４は、回転アクチュエータとしての電動モータ１６と、この電動モータ１６が出力する回転駆動力（トルク）を直動出力軸１４ａの軸心方向の並進力に変換するためのボールネジ機構等を収容した筐体１７とを備える。この場合、筐体１７は、概略四角筒状の主筐体１７ａと、該主筐体１７ａの一端部に固定された中空の副筐体１７ｂとから構成され、これらの主筐体１７ａ及び副筐体１７ｂの内部を直動出力軸１４ａが貫通している。そして、筐体１７は、その主筐体１７ａ及び副筐体１７ｂがそれぞれ上側リンク部材５の内部側、外部側に位置し、且つ、直動出力軸１４ａの軸心が概ね上側リンク部材５の長手方向に向くようにして上側リンク部材５の股側端部寄りの箇所に配置されている。

直動出力軸１４ａの軸心と直交する方向（図２の紙面にほぼ垂直な方向）での主筐体１７ａの両側部には、図３に示すように、ベアリング１８ａがそれぞれ組み込まれた一対の軸受け部材１８，１８が装着されている。これらの軸受け部材１８，１８は、それぞれのベアリング１８ａが同軸心に対向するようにして、主筐体１７ａに固定されている。

各軸受け部材１８のベアリング１８ａの内輪には、上側リンク部材５の内壁から、第３関節８の関節軸と平行な軸心を有するようにして突設された支軸１９が嵌挿されている。これにより、筐体１７は、支軸１９の軸心周りに揺動し得るように、上側リンク部材５に支持されている。以降、支軸１９を揺動軸１９という。

主筐体１７ａの内部には、ボールネジ機構の主要部が収容されている。本実施形態では、前記直動出力軸１４ａがボールネジ機構のネジ軸となっており、その外周面に螺旋状のネジ溝１４ａａが形成されている。また、該ボールネジ機構は、直動出力軸１４ａに同軸心に外挿された筒状のナット部材２０と、このナット部材２０の内周部に保持されると共にネジ溝１４ａａに係合された複数のボール２１とを備え、これらのナット部材２０及びボール２１が主筐体１７ａの内部に収容されている。そして、ナット部材２０を直動出力軸１４ａに対してその軸心周りに回転させることによって、ボール２１がネジ溝１４ａａに沿って転動しつつ、直動出力軸１４ａが、ナット部材２０に対して軸心方向に移動するようになっている。

ナット部材２０は、その軸心方向の中央部が前記揺動軸１９，１９の間に位置するようにして主筐体１７ａの内部に配置されている。より詳しくは、ナット部材２０は、その内部のほぼ中心部で、該ナット部材２０の軸心と揺動軸１９，１９の軸心とが直交するように設けられている。

このナット部材２０の軸心方向の一端部（副筐体１７ｂ側の端部）には、該ナット部材２０と同軸心に直動出力軸１４ａに外挿された筒状部材２２が固定されている。該筒状部材２２は、直動出力軸１４ａとの間にクリアランスを有し、主筐体１７ａの内部から副筐体１７ｂの内部まで延在している。そして、ナット部材２０の他端部（副筐体１７ｂと反対側の端部）の外周面と主筐体１７ａの内周面との間、並びに、筒状部材２２のナット部材２０寄りの外周面と主筐体１７ａの内周面との間には、それぞれ、ナット部材２０と同軸心のベアリング２３ａ，２３ｂが介装されている。さらに、筒状部材２２のナット部材２０と反対側の端部の外周面と副筐体１７ｂの内周面との間には、ナット部材２０と同軸心のベアリング２３ｃが介装されている。これにより、ナット部材２０及び筒状部材２２がそれらの軸心周り（直動出力軸１４ａの軸心周り）に一体に回転し得るように、ベアリング２３ａ，２３ｂ，２３ｃを介して筐体１７に支承されている。

なお、本実施形態では、ナット部材２０と筒状部材２２とは別体構造であるが、ナット部材２０と筒状部材を２２とを一体に構成してもよい。

ここで、ナット部材２０の回転時には、直動出力軸１４ａがその軸心方向に動くことで、ナット部材２０にその軸心方向の力（スラスト力）が作用する。このため、本実施形態では、ベアリング２３ａ，２３ｂ，２３ｃのうち、ナット部材２０の軸心方向の各端部寄りの位置に存するベアリング２３ａ，２３ｂはアンギュラベアリングにより構成されている。この場合、ベアリング２３ａの内輪の軸心方向の両端面のうちのベアリング２３ｂ側の端面には、ナット部材２０の外周面に形成された顎部２０ａが当接されている。さらに、ベアリング２３ａの外輪の軸心方向の両端面のうちのベアリング２３ｂと反対側の端面には、主筐体１７ａの副筐体１７ｂと反対側の端部に装着された環状キャップ部材２４が当接されている。また、ベアリング２３ｂの内輪の軸心方向の両端面のうちのベアリング２３ａ側の端面には、筒状部材２２の外周面に形成された顎部２２ａが当接されている。さらに、ベアリング２３ｂの外輪の軸心方向の両端面のうちのベアリング２３ａと反対側の端面には、主筐体１７ａの副筐体１７ｂ側の端部の内周面に形成された顎部１７ａａが当接されている。これにより、ナット部材２０の回転時に該ナット部材２０に作用するスラスト力を、ベアリング（アンギュラベアリング）２３ａ，２３ｂを介して主筐体１７ａで受けるようにしている。この場合、ナット部材２０及び筒状部材２２は、それらを併せて、ベアリング２３ａ，２３ｂの間に介在するインナーカラーとして機能する。

なお、ベアリング２３ａの外輪とベアリング２３ｂの外輪との間には、ナット部材２０に外挿された筒状のアウターカラー２５が介装されている。そして、ベアリング２３ａの外輪は、このアウターカラー２５と前記環状キャップ部材２４との間に挟まれ、ベアリング２３ｂの外輪は、アウターカラー２５と主筐体１７ａの顎部１７ａａとの間に挟まれている。

ところで、筐体１７を揺動軸１９，１９に揺動自在に支持するための軸受け部材１８，１８を筐体１７の外側に配置することも可能である。しかるに、これでは、揺動軸１９，１９の軸心方向での筐体１７の幅、すなわち、左右方向の幅が大きくなって、上側リンク部材５や直動アクチュエータ１４の左右方向の幅も大きくなる。

そこで、本実施形態では、前記各軸受け部材１８の装着箇所（前記ベアリング２３ａ，２３ｂの間隔内の箇所）において、主筐体１７ａと、その内側のアウターカラー２５とに、図３に示すように、それぞれ開口１７ａｂ，２５ｂが穿設されている。そして、各軸受け部材１８がこれらの開口１７ａｂ，２５ｂ内に収まると共にナット部材２０の外周面に近接するようにして、各軸受け部材１８が主筐体１７ａに装着されている。さらに詳細には、円筒状のアウターカラー２５には、その側壁の一部を切り欠いて開口２５ｂを穿設している。また、四角筒状の主筐体１７ａの側壁には、軸受け部材１８の外形と略同形状にの同形状を切り欠くようにして開口１７ａｂが穿設されている。そして、軸受け部材１８は、開口１７ａｂ，２５ｂ内に配置され、主筐体１７ａにボルト止めされる。これにより、各軸受け部材１８を主筐体１７ａの外表面から突出させないようにして、各軸受け部材１８の装着箇所における主筐体１７ａの幅（揺動軸１９の軸心方向での幅）ができるだけ小さくなるようにしている。

図４に示すように、副筐体１７ｂの外面から横方向（直動出力軸１４ａの軸心及び揺動軸１９の軸心とほぼ直交する方向）に、該副筐体１７ｂと一体のブラケット２６が突設されている。なお、本実施形態では、ブラケット２６は、副筐体１７ｂから前記ガイドレール１１側に向かって突設されている（図２参照）。このブラケット２６には、電動モータ１６のハウジング１６ｂが固定されている。この場合、電動モータ１６の出力軸（回転出力軸）１６ａは、直動出力軸１４ａの軸心と平行な方向に向けられ、ブラケット２６に穿設された穴２６ａを貫通している。そして、電動モータ１６の出力軸１６ａには、これと一体に回転自在な駆動プーリ２７ａが固定されている。なお、副筐体１７ｂの側壁のうち、直動出力軸１４ａの軸心と直交する方向で駆動プーリ２７ａに対向する箇所には、穴１７ｂａが開設されており、この穴１７ｂａを介して駆動プーリ２７ａが、副筐体１７ｂの内部の筒状部材２２に対向している。

副筐体１７ｂの内部には、ベアリング２３ｂ，２３ｃの間の箇所で、筒状部材２２と同軸心の被動プーリ２７ｂが収容されている。この被動プーリ２７ｂは、筒状部材２２及びナット部材２０と一体に回転し得るように、筒状部材２２の外周面に挿着され、前記穴１７ｂａを介して駆動プーリ２７ａに対向している。なお、被動プーリ２７ｂのベアリング２３ｃ側の端面は、ベアリング２３ｃの内輪の端面に当接され、被動プーリ２７ｂのベアリング２３ｂ側の端面とベアリング２３ｂの内輪との間には、筒状部材２２に外挿された筒状のカラー２８が介装されている。

そして、前記駆動プーリ２７ａと被動プーリ２７ｂとにベルト２７ｃが巻き掛けられており、このベルト２７ｃによって、両プーリ２７ａ，２７ｂが互いに連動して回転するようになっている。これにより、電動モータ１６がその出力軸１６ａから出力する回転駆動力が駆動プーリ２７ａ、ベルト２７ｃ及び被動プーリ２７ｂから成る回転伝達機構（プーリ・ベルト式回転伝達機構）を介して筒状部材２２に伝達されるようになっている。この場合、筒状部材２２と一体にナット部材２０が回転駆動され、それに伴い、直動出力軸１４ａがその軸心方向に移動するように駆動されることとなる。換言すれば、電動モータ１６の回転駆動力が、上記のプーリ・ベルト式回転伝達機構とボールネジ機構とを介して直動出力軸１４ａの軸心方向の並進力に変換されることとなる。

なお、本実施形態では、電動モータ１６は、図示を省略する減速機を内蔵しており、電動モータ１６のロータに発生する回転駆動力は、該減速機を介して出力軸１６ａから出力される。

図３及び図４に示すように、筐体１７の内部から副筐体１７ｂ側に突出した直動出力軸１４ａの端部（以下、直動出力軸１４ａの後端部という）には、直動出力軸１４ａの移動量を制限するストッパ部材２９が装着されている。このストッパ部材２９は、直動出力軸１４ａの後端部の端面から突設された雄ネジ部１４ａｂに螺合されたナット２９ａと、雄ネジ部１４ａｂに外挿され、直動出力軸１４ａの後端部の端面とナット２９ａとの間に挟み込まれたワッシャ２９ｂ及び環状緩衝部材２９ｃとから構成される。なお、環状緩衝部材２９ｃは、ウレタンゴム等の弾性材から成り、ワッシャ２９ｂとナット２９ａとの間に介在する。

この場合、ストッパ部材２９の外径は、直動出力軸１４ａの外径（より詳しくは、副筐体１７ｂから突出している部分の最大外径）よりも若干大きなものとされ、該ストッパ部材２９が副筐体１７ｂに近づく向き（図３及び図４の左向き）に直動出力軸１４ａが移動したとき、ストッパ部材２９のワッシャ２９ｂが最終的に筒状部材２２に端面（ナット部材２０と反対側の端面）に当接するようになっている。そして、この当接により、直動出力軸１４ａのさらなる移動が制限されるようになっている。また、環状緩衝部材２９ｃの弾性変形により、当接時の衝撃を緩和している。さらに、環状緩衝部材２９ｃの当接側にワッシャ２９ｂを配置することにより、環状緩衝部材２９ｃが筒状部材２２等に噛み込んで動作不能となることを防止している。なお、以降の説明では、ストッパ部材２９が副筐体１７ｂに近づく向きへの直動出力軸１４ａの移動を直動出力軸１４ａの前進、これと逆向きへの直動出力軸１４ａの移動を直動出力軸１４ａの後退という。

ここで、電動モータ１６から筒状部材２２に回転駆動力（直動出力軸１４ａを前進させる向きの回転駆動力）を作用させた状態で、ストッパ部材２９が筒状部材２２の端面に当接すると、筒状部材２２からストッパ部材２９に回転駆動力が作用する。この場合、仮に、この回転駆動力が、雄ネジ部１４ａｂに対するストッパ部材２９のナット２９ａのネジ締めを緩める向きの回転駆動力である場合には、ナット２９ａのネジ締めが緩んでしまう恐れがある。このため、本実施形態では、直動出力軸１４ａの前進によってストッパ部材２９が筒状部材２２の端面に当接した時に筒状部材２２からストッパ部材２９に作用する回転駆動力の向きが、ストッパ部材２９のナット２９ａをネジ締めする向きとなるように、ナット２９ａのネジ締めの回転方向と、直動出力軸１４ａの前進時のナット部材２０の回転方向とが設定されている。例えば、雄ネジ部１４ａｂに対するナット２９ａのネジ締めが、ナット２９ａを時計周り方向に回転することでなされるように雄ネジ部１４ａｂ及びナット２９ａのネジ切方向が設定されている場合には、ボールネジ機構のナット部材２０を時計周り方向に回転することで、直動出力軸１４ａが前進する（直動出力軸１４ａに対してナット部材２０が後退する）ように、該直動出力軸１４ａ及びナット部材２０のネジ切方向が設定されている。これにより、直動出力軸１４ａの前進によってストッパ部材２９が筒状部材２２の端面に当接した時に、ナット２９ａのネジ締めを緩める向きの回転駆動力がストッパ部材２９に作用することが無いようになっている。

なお、ワッシャ２９ｂ及び環状緩衝部材２９ｃを直動出力軸１４ａの後端部に設ける代わりに、筒状部材２２の端面（ナット部材２０と反対側の端面）に固定するようにしてもよい。

以上が、直動アクチュエータ１４の詳細構造である。

各駆動機構９の動力伝達機構１５を図２及び図５を参照して説明する。

動力伝達機構１５は、第３関節８の関節軸（支軸８ａの軸心）と同軸心に下側リンク部材７に設けられたクランクアーム３０と、このクランクアーム３０と直動出力軸１４ａとの間で直動出力軸１４ａと同軸心に延在する連結ロッド３１とを備える。連結ロッド３１の長手方向の両端のうち、直動出力軸１４ａ側の一端は、該連結ロッド３１の端面から突設された雄ネジ部３１ａ（図３及び図４に示す）を直動出力軸１４ａに螺着することにより該直動出力軸１４ａに固定されている（図３及び図４を参照）。また、連結ロッド３１の他端はクランクアーム３０に連結されている。

なお、連結ロッド３１を直動出力軸１４ａと一体に構成してもよい。

連結ロッド３１とクランクアーム３０との連結構造を図５を参照してさらに詳説する。本実施形態では、クランクアーム３０は、下側リンク部材７の上端部（支軸８ａに軸支されている部分）の外周から、支軸８ａの軸心方向に間隔を存して対向するようにして二股状に突設された一対の突起部３２，３２と、これらの突起部３２，３２の間の空間をその間隔方向に横断するようにして設けられた枢支ピン３３とから構成されている。この枢支ピン３３の軸心は、第３関節８の関節軸（支軸８ａの軸心）と平行であり、該関節軸と所定の間隔を有する。この枢支ピン３３は、その一端部に大径の頭部３３ａが形成され、他端部に雄ネジ部３３ｂが形成されたボルト状のものである。そして、雄ネジ部３３ｂには、頭部３３ａとの間に突起部３２，３２を挟み込むようにしてナット３４が螺着されている。これにより、枢支ピン３３の両端部が、突起部３２，３２に固定されている。

枢支ピン３３の中間部（突起部３２，３２の間に存する部分）には、球面状の外面を有する球体部材３５が挿着されている。この球体部材３５は、枢支ピン３３の頭部３３ａとナット３４との間に挟み込まれるようにして枢支ピン３３に固定されている。また、球体部材３５の球面中心は、枢支ピン３３の軸心上に位置している。

そして、連結ロッド３１の第３関節８側の端部には、球体部材３５の直径よりも大きな径を有する貫通穴３１ｂが穿設されており、この貫通穴３１ｂの軸心が枢支ピン３３と同軸心になるようにして連結ロッド３１の第３関節８側の端部が球体部材３５に外挿されている。この場合、連結ロッド３１の貫通穴３１ｂの内周面と球体部材３５の外面（球面）との間には、連結ロッド３１に固定されたブッシュ３６が介装されている。そして、該ブッシュ３６が、球体部材３５の外面に摺接することで、連結ロッド３１が、枢支ピン３３の軸心周りに揺動可能に該枢支ピン３３に連結（枢着）されている。このように、連結ロッド３１のクランクアーム３０に対する連結構造（枢着構造）は所謂、球面ジョイント構造となっている。

ここで、このような球面ジョイント構造は、軽量、小型な構造とすることができるものの、連結ロッド３１と突起部３２，３２との間にある程度のクリアランスを有するために、連結ロッド３１の、枢支ピン３３の軸心周りの揺動以外の微小な動き（枢支ピン３３の軸心と直交する軸周りの微小な動き）も生じやすい。すなわち、連結ロッド３１の枢支ピン３３に対する動きには、枢支ピン３３の軸心周りの揺動以外のガタが含まれやすい。そこで、本実施形態では、突起部３２，３２のそれぞれと連結ロッド３１との間に、弾性を有する樹脂性のバネワッシャ３７，３７を介装している。これらのバネワッシャ３７，３７は、ブッシュ３６と突起部３２，３２のそれぞれとの間で枢支ピン３３の軸心方向に押圧されるように、枢支ピン３３に外挿されている。このため、バネワッシャ３７，３７は、枢支ピン３３の軸心方向における連結ロッド３１と突起部３２，３２のそれぞれとの間のクリアランスを概ね一定に保つように機能する。これにより、連結ロッド３１の動きのガタが抑制されるようになっている。

補足すると、本実施形態では、連結ロッド３１は、直動出力軸１４ａに固定されているので、枢支ピン３３がクランクアーム３０に対する直動出力軸１４ａの連結部に相当するものとなる。

以上が動力伝達機構１５の詳細構造である。

かかる動力伝達機構１５では、電動モータ１６を作動させることによって、直動アクチュエータ１４の直動出力軸１４ａに、その軸心方向の並進力を発生させると、その並進力が、連結ロッド３１を介してクランクアーム３０の枢支ピン３３に作用する。例えば図２に矢印Ｆで示す如く並進力Ｆが作用する。このとき、枢支ピン３３は、第３関節８の関節軸に対して偏心しているので、枢支ピン３３に作用する並進力Ｆによって（より詳しくは、並進力Ｆのうち、第３関節８の関節軸（支軸８ａの軸心）と枢支ピン３３とを結ぶ直線と直交する方向の成分によって）、第３関節８の関節軸周りのモーメント（トルク）が下側リンク部材７に作用する。そして、このトルクによって、下側リンク部材７が上側リンク部材５に対して回転駆動され、第３関節８での脚リンク３の屈伸動作が行われる。この場合、本実施形態では、枢支ピン３３は、第３関節８の関節軸の軸心方向で見た場合に、該第３関節８の関節軸（支軸８ａの軸心）と、前記揺動軸１９とを結ぶ直線よりも、上側に配置されている。このため、直動アクチュエータ１４の直動出力軸１４ａに、その後退方向の並進力（クランクアーム３０の枢支ピン３３とナット部材２０との間で引張り力となる並進力）を発生させることで、第３関節８が脚リンク３の伸展方向に駆動されることとなる。また、この場合、脚リンク３の屈伸動作に伴い筐体１７を揺動させるための揺動軸１９，１９の軸心が、ボールネジ機構のナット部材２０の内部において、該ナット部材２０の軸心と直交しているので、ナット部材２０の内側で直動出力軸１４ａに曲げ力が作用するのを極力抑制することができる。このため、ナット部材２０の回転駆動に応じた直動出力軸１４ａの軸心方向の移動を安定且つ円滑に行うことができる。

以上が本実施形態の歩行補助装置Ａの機構的な主要構成である。なお、図示は省略するが、直動アクチュエータ１４の電動モータ１６の運転制御を行うために、歩行補助装置Ａの適所に、マイクロコンピュータ等を含む制御装置や、電源電池が搭載される。例えば制御装置は、着座部１の基体フレーム１ｂの内部に搭載され、電源電池は、上側リンク部材５に搭載される。さらに、歩行補助装置Ａには、利用者の踏力を検出するためのセンサや、各脚リンク３の屈曲角度を検出するセンサも搭載され、これらのセンサの出力が、電動モータ１６の運転制御に利用される。

かかる歩行補助装置Ａでは、利用者の歩行時に、利用者の体重の一部を支える荷重（上向きの並進力）を定常的に着座部１から利用者に作用させるように、接地状態の各脚リンク３の第３関節８が駆動される。より詳しくは、所定値の並進力（例えば利用者の体重の所定割合（例えば２０％等）を支える並進力）を着座部１から利用者に作用させるべき目標荷重とし、この目標荷重を発生させるために要求される第３関節８の必要トルク（脚リンク３の伸展方向の必要トルク）が図示しない制御装置の演算処理により決定される。そして、この必要トルクを第３関節８に作用させるように、電動モータ１６の出力トルクが制御される。これにより、着座部１から利用者に目標とする荷重が作用し、利用者の脚の負担が軽減される。

次に、前記駆動機構９の特性について図６〜図９を参照して説明する。図６は歩行補助装置Ａの１つの脚リンク３に係わる要部構成を模式化して示す図、図７〜図９は、駆動機構９の特性を説明するためのグラフである。

図６を参照して、以降の説明では、各脚リンク３を第３関節８の関節軸の軸心方向（支軸８ａの軸心方向）で見た場合において（換言すれば、各脚リンク３を第３関節８の関節軸の軸心方向に直交する面に投影して見た場合において）、第３関節８の支軸８ａと前記ガイドレール１１の曲率中心４ａとを結ぶ直線Ｌ１と、第３関節８の支軸８ａと第２関節６とを結ぶ直線Ｌ２とのなす角度θ１を脚リンク３の膝曲げ角度θ１という。なお、図示の膝曲げ角度θ１は、第３関節８での脚リンク３の屈曲度合いが増加するに伴い（折れ曲がるに伴い）、１８０°寄りの角度から、０°寄りの角度に単調に減少する角度とされている。

また、各脚リンク３を第３関節８の関節軸の軸心方向で見た場合において、第３関節８の支軸８ａとクランクアーム３０に対する直動出力軸１４ａの枢着部としての枢支ピン３３とを結ぶ直線Ｌ３と、該枢支ピン３３を通って直動出力軸１４ａの軸心に平行な直線Ｌ４（これは本実施形態では直動出力軸１４ａの軸心に一致する）とのなす角度θ２を枢支ピン位相角θ２という。この枢支ピン位相角θ２は、本発明における第１角度に相当する。なお、図示の枢支ピン位相角θ２は、直線Ｌ３とＬ４とが一直線となる状態（直動出力軸１４ａの軸心上に第３関節８の関節軸が位置する状態）でのθ２の値が１８０°であるとし、この状態から枢支ピン３３が第３関節８の関節軸の周りに反時計回りに回転するに伴い（膝曲げ角度θ１が減少するに伴い）、０°に向かって単調に減少する角度とされている。

本実施形態では、歩行補助装置Ａの利用者の直立姿勢状態（両脚を真っ直ぐに伸ばして起立した状態）において、膝曲げ角度θ１が１８０°よりも若干小さな角度（例えば１７０°程度）となるように、第３関節８の支軸８ａと前記ガイドレール１１の曲率中心４ａとの間の間隔、並びに、第３関節８の支軸８ａと第２関節６との間の間隔が設定されている。この場合、本実施形態では、各脚リンク３の膝曲げ角度θ１は、前記ストッパ部材２９などによる機構的な制約によって、例えば、概略７０°〜１７０°の範囲内で変化させることが可能となっている。以降、この範囲を膝曲げ角度θ１の可変域という。なお、利用者の平地での通常的な歩行時に実現される膝曲げ角度θ１の範囲は、概略、１３０°〜１７０°である。

ここで、利用者の歩行時や起立時などに着座部１から利用者に作用させるべき目標荷重が一定であっても、その目標荷重を発生させるための脚リンク３の第３関節８の必要トルク（以下、必要膝関節トルクという）は、脚リンク３の膝曲げ角度θ１に応じて変化する。例えば、本実施形態の歩行補助装置Ａでは、目標荷重を一定とした場合の第３関節８の必要膝関節トルクは、図７のグラフａ１で示すように膝曲げ角度θ１に応じて変化する。すなわち、θ１が増加するに伴い（脚リンク３の屈曲度合いが小さくなるに伴い）、必要膝関節トルクが減少していく。これは、着座部１から利用者への荷重（上向きの並進力）の作用線と、第３関節８との距離が膝曲げ角度θ１の増加に伴い小さくなるからである。

また、膝曲げ角度θ１の変化に対する着座部１の高さ（足平装着部２の接地面からの高さ）の変化の感度（θ１の微小変化量に対する着座部１の高さの変化量の割合い）も膝曲げ角度θ１に応じて変化する。従って、利用者が歩行時や起立時などに体幹部を、ある一定の速度で上方または下方に動かそうとした場合に、これに着座部１を追従させるために必要な第３関節８の回転速度（上側リンク部材５に対する下側リンク部材７の回転速度。以降、必要膝回転速度という）が膝曲げ角度θ１に応じて変化することとなる。本実施形態の歩行補助装置Ａでは、必要膝回転速度は、例えば図７のグラフｂ１で示すように膝曲げ角度θ１に応じて変化する。すなわち、θ１が増加するに伴い（脚リンク３の屈曲度合いが小さくなるに伴い）、必要膝回転速度が増加する。この場合、θ１が１８０°に近づくほど、必要膝回転速度が急激に大きくなる。

以上のように、歩行補助装置Ａにおける必要膝関節トルク及び必要膝回転速度は、膝曲げ角度θ１に応じて変化する。このため、仮に、直動アクチュエータ１４の電動モータ１６と、第３関節８との間の減速比を一定にした場合、換言すれば、第３関節８のトルクと電動モータ１６の出力トルクとの間の関係、並びに、第３関節８の回転速度と電動モータ１６の回転速度との間の関係をそれぞれ比例関係にした場合には、電動モータ１６に要求される出力トルクの変化幅（要求される出力トルクの最大値と最小値との差）や回転速度の変化幅（要求される回転速度の最大値と最小値との差）が比較的大きなものとなる。

一方、前記動力伝達機構１５にあっては、直動アクチュエータ１４の直動出力軸１４ａから出力する動力（並進力）を一定とした場合（換言すれば電動モータ１６の出力トルクを一定とした場合）に、クランクアーム３０を介して第３関節８に付与されるトルク（以下、膝関節駆動トルクという）は、前記枢支ピン位相角θ２に対して図８のグラフａ２で示すように変化する。すなわち、枢支ピン位相角θ２が９０°である場合に、膝関節駆動トルクが最大となり、枢支ピン位相角θ２が９０°から０°側に減少し、または１８０°側に増加するに伴い、膝関節駆動トルクが減少する。

また、直動出力軸１４ａの軸心方向での変位に対する枢支ピン位相角θ２の変化の感度（直動出力軸１４ａの軸心方向での微小変位量に対するθ２の変化量の割合い。以降、クランクアーム回転感度という）は、枢支ピン位相角θ２に対して図８のグラフｂ２で示すように変化する。すなわち、枢支ピン位相角θ２が９０°である場合に、クランクアーム回転感度は最小となり、枢支ピン位相角θ２が９０°から０°側に減少し、または１８０°側に増加するに伴い、クランクアーム回転感度が増加する。なお、図８におけるクランクアーム回転感度は相対値であり、θ２＝９０°である場合の感度を“１”としている。

補足すると、枢支ピン位相角θ２の変化量と、膝曲げ角度θ１の変化量とは、互いに同一となる。また、直動出力軸１４ａの軸心方向での変位量は、電動モータ１６の出力軸１６ａの回転角度変化量に比例する。従って、クランクアーム回転感度は、別の言い方をすれば、電動モータ１６の出力軸１６ａの回転角度変化に対する枢支ピン位相角θ２または膝曲げ角度θ１の変化の感度を示すものとなる。

ここで、枢支ピン位相角θ２が９０°以上の角度である場合におけるθ２に対する膝関節駆動トルクの特性に着目すると、θ２の増加に伴い、膝関節駆動トルクが減少する。この特性は、膝曲げ角度θ１に対する前記の必要膝関節トルクの特性と同様である。また、枢支ピン位相角θ２が９０°以上の角度である場合におけるθ２に対するクランクアーム回転感度の特性に着目すると、θ２の増加に伴い、クランクアーム回転感度が増加する。この特性は、膝曲げ角度θ１に対する必要膝回転速度の特性と同様である。

このことに着目し、本実施形態では、膝曲げ角度θ１が、利用者の直立姿勢状態での角度値（本実施形態では１７０°）から小さくなっていくに伴い（第３関節８での脚リンク３の屈曲度合いが、利用者の直立姿勢状態での屈曲度合いから増加するに伴い）、枢支ピン位相角θ２が、１８０°側の角度（平角側の角度）から９０°側の角度（直角側の角度）に向かって変化するように、脚リンク３の屈曲度合いを表す膝曲げ角度θ１と、第１角度としての枢支ピン位相角θ２との間の関係が設定されている。

さらに、この場合、θ１とθ２との間の関係は、θ１が利用者の直立姿勢状態での角度値である場合におけるθ２の値（以下、直立姿勢時枢支ピン位相角という）が、直角（９０°）よりも平角（１８０°）に十分に近い値となるように設定されている。換言すれば、直立姿勢時枢支ピン位相角と直角との角度差に比して、直立姿勢時枢支ピン位相角と平角との角度差が微小なもの（０近傍の値）となるように、θ１とθ２との間の関係が設定されている。

例えば、膝曲げ角度θ１の任意の値に対して、そのθ１の値と、θ２の値とがほぼ一致するか、もしくは、θ２がθ１の値よりも若干大きな値となるように、θ１とθ２との間の関係が設定されている。なお、θ１の変化量とθ２の変化量とは同一になるので、上記のようにθ１とθ２との間の関係を設定するためには、θ１が、ある１つの特定値である場合に（例えばθ１が利用者の直立姿勢状態での角度である場合に）、そのθ１の値とθ２の値とがほぼ一致するか、もしくは、θ２の値がθ１の値よりも若干大きな値となるように、枢支ピン３３の位相を設定しておけばよい。なお、本実施形態では、平地での利用者の歩行時に実現される膝曲げ角度θ１の範囲は、前記したように概略１３０°〜１７０°の範囲であり、この範囲に対応するθ２の範囲は、０°〜９０°の範囲内に収まる。

このようにθ１とθ２との間の関係を設定した本実施形態の歩行補助装置Ａでは、第３関節８に付与する駆動トルクを前記必要膝関節トルクに一致させるために必要な電動モータ１６の出力トルク（以下、必要モータトルクという）は、図９のグラフａ３で示すように、膝曲げ角度θ１に応じて変化するものとなる。また、第３関節８の実際の回転速度を、前記必要膝回転速度に一致させるために必要な電動モータ１６の回転速度（以下、必要モータ回転速度という）は、図９のグラフａ３で示すように、膝曲げ角度θ１に応じて変化するものとなる。

この場合、上記のようにθ１とθ２との間の関係が設定されているので、膝曲げ角度θ１の可変域のうちの大部分の範囲（θ１がほぼ９０°を超える範囲）において、θ１の減少に伴い、膝関節駆動トルクが増加していくこととなる。また、当該大部分の範囲においては、θ１の増加に伴い、クランクアーム回転感度が増加することととなる。従って、当該大部分の範囲（平地での利用者の歩行時に実現されるθ１の範囲を含む）においては、θ１の変化に対する、膝関節駆動トルクの変化の傾向とクランクアーム回転感度の変化の傾向とは、それぞれ、前記必要膝関節トルクの変化の傾向、前記必要膝回転速度の変化の傾向と同様になる。さらに、膝曲げ角度θ１の可変域のうちの、上記大部分の範囲を除く範囲では、θ１の減少に伴い、膝関節駆動トルクが減少するものの、その減少幅は、上記大部分の範囲での膝関節駆動トルクの変化幅に比して十分に小さなものに収まる。また、上記大部分の範囲を除く範囲では、θ１の減少に伴い、クランクアーム回転感度が増加するものの、その増加幅は、上記大部分の範囲でのクランクアーム回転感度の変化幅に比して十分に小さなものに収まる。

このため、必要モータトルクや必要モータ回転速度は、図９のグラフａ３，ｂ３で示した如く、膝曲げ角度θ１の可変域での変化に対して、さほど大きな変化を生じないものとなると共に、必要モータトルクの最大値や必要モータ回転速度の最大値も比較的小さなもので済む。すなわち、膝曲げ角度θ１の可変域での必要膝関節トルクの最大値や変化幅、並びに、必要膝回転速度の最大値や変化幅が比較的大きなものとなるのに対して、膝曲げ角度θ１の可変域での必要モータトルクの最大値や変化幅、並びに、必要モータ回転速度の最大値や変化幅は、比較的小さなものに納まる。このため、電動モータ１６が、その出力トルクの最大値や変化幅、並びに、回転速度の最大値や変化幅が比較的小さなものであっても、着座部１から利用者に目標とする荷重を作用させる上で要求される必要膝関節トルクや、着座部１を迅速に利用者の体幹部の上下動に追従させる上で要求される必要膝回転速度を実現できることとなる。この結果、電動モータ１６の小型化や、軽量化、低コスト化を容易に図ることができる。ひいては、直動アクチュエータ１４の小型化、軽量化、低コスト化を容易に図ることができる。

なお、以上説明した実施形態では、荷重伝達部をサドル状のシート部１ａを有する着座部１により構成したが、利用者の腰周りに装着するハーネス状の可撓性部材により荷重伝達部を構成してもよい。荷重伝達部は、利用者の体幹部に上向きの並進力を作用させるために、両脚の付け根の間で利用者に接する部分を備えることが好ましい。

また、前記実施形態では、第１関節４を円弧状のガイドレール１１を有するものに構成して、各脚リンク３の前後方向の揺動支点としてのガイドレール１１の曲率中心４ａが着座部１の上方に位置するようにしたが、例えば脚リンク３の上端部を着座部１の側部や下部で横方向（左右方向）の軸で軸支する単純な関節構造で第１関節４を構成してもよい。

また、片方の脚が骨折等で不自由な利用者の歩行を補助するため、前記実施形態の左右の脚リンク３，３のうち、利用者の不自由な脚側の脚リンクのみを残して、他方の脚リンクを省略するようにしてもよい。

また、前記実施形態では、直動アクチュエータ１４は、電動モータ１６とボールネジ機構とを有する構成にしたが、シリンダ構造の直動アクチュエータを使用してもよい。

また、前記実施形態では、膝曲げ角度θ１の可変域は、９０°よりも広い角度範囲であるが、９０°よりも小さい角度範囲となるように脚リンク３の上側リンク部材５や下側リンク部材７の長さを設定することも可能である。この場合、膝曲げ角度θ１の可変域内の全ての角度値に対応する枢支ピン位相角θ２の値が０°〜９０°の範囲内に収まるように、θ１とθ２との間の関係を設定してもよい。このようにすることにより、膝曲げ角度θ１の可変域の全体において、θ１の増加に伴い、前記膝関節駆動トルクを増加させることができると共に、θ１の減少に伴い、前記クランクアーム回転感度を増加させることができる。ひいては、必要モータトルクの最大値や変化幅、並びに必要モータ回転速度の最大値や変化幅を最小限に留めることができる。

本発明の一実施形態の歩行補助装置の概略構成を示す側面図。 図１の歩行補助装置の上側リンク部材を破断して示す図。 図２のIII−III線断面図。 図３のIV−IV線断面図。 図２のＶ−Ｖ線断面図。 図１の歩行補助装置の１つの脚リンクに係わる要部構成を模式化して示す図。 図１の歩行補助装置の駆動機構の特性を説明するためのグラフ。 図１の歩行補助装置の駆動機構の特性を説明するためのグラフ。 図１の歩行補助装置の駆動機構の特性を説明するためのグラフ。

符号の説明

Ａ…歩行補助装置、１…着座部（荷重伝達部）、２…足平装着部、３…脚リンク、４…第１関節、５…上側リンク部材、６…第２関節、７…下側リンク部材、８…第３関節、９…駆動機構、１４…直動アクチュエータ、１４ａ…直動出力軸、１６…電動モータ（回転アクチュエータ）、１７…筐体、１７ａｂ…開口、１８…軸受け部材、１９…揺動軸、２０…ナット部材、２１…ボール、２３ａ，２３ｂ…アンギュラベアリング、３０…クランクアーム、３３…枢支ピン（連結部）。

Claims (4)

1. 利用者の体幹部に該利用者の体重の一部を支える荷重を伝達する荷重伝達部と、利用者の足平に装着される足平装着部と、該足平装着部を荷重伝達部に連結する脚リンクとを備え、該脚リンクが前記荷重伝達部から第１関節を介して延設された上側リンク部材と、前記足平装着部から第２関節を介して延設された下側リンク部材と、該上側リンク部材と下側リンク部材とを屈伸自在に連結する第３関節とから構成され、さらに前記第３関節を駆動するための駆動機構を備えた歩行補助装置において、
   前記駆動機構は、前記第３関節の関節軸と同心に前記下側リンク部材に固定されたクランクアームと、前記クランクアームに一端部が連結された直動出力軸を有すると共に前記第３関節の関節軸と平行な揺動軸の軸心周りに揺動可能に上側リンク部材に搭載された直動アクチュエータとを備え、該直動アクチュエータの直動出力軸から出力される並進力を前記クランクアームを介して前記第３関節の回転駆動力に変換するように構成され、
   前記第３関節の関節軸の軸心方向で見た場合における該関節軸と前記クランクアームに対する直動出力軸の連結部とを結ぶ直線と、該連結部を通って前記直動出力軸の軸心に平行な方向の直線とのなす角度である第１角度が、前記第３関節での脚リンクの屈曲度合いを利用者の直立姿勢状態に対応する屈曲度合いから増加させるに伴い、平角側の角度から直角側の角度に向かって変化するように、前記第１角度と前記第３関節での脚リンクの屈曲度合いとの間の関係が設定されており、
   前記第１角度と第３関節での脚リンクの屈曲度合いとの間の関係は、さらに、該脚リンクの屈曲度合いが利用者の直立姿勢状態に対応する屈曲度合いである場合における前記第１角度の値が、直角よりも平角により近い角度値になるように設定されていることを特徴とする歩行補助装置。
2. 請求項１記載の歩行補助装置において、前記直動アクチュエータは、ネジ溝が外周面に形成されたネジ軸としての前記直動出力軸と、該直動出力軸のネジ溝に係合する複数のボールを内周部に保持し、該複数のボールを介して該直動出力軸に同心に螺合されたナット部材と、該ナット部材を内部に回転自在に収容し、該ナット部材及び直動出力軸と共に前記揺動軸の軸心周りに揺動可能に前記上側リンク部材に支持された筐体と、前記ナット部材に回転駆動力を付与する回転出力軸を有し、前記筐体と共に前記揺動軸の軸心周りに揺動可能に該筐体に取り付けられた回転アクチュエータとを備え、前記揺動軸は、その軸心が前記ナット部材の内部で該ナット部材の軸心と直交するように設けられていることを特徴とする歩行補助装置。
3. 請求項２記載の歩行補助装置において、前記ナット部材は、該ナット部材の軸心方向に間隔を存して該ナット部材の外周に挿着された一対のアンギュラベアリングを介して前記筐体に回転自在に支承されており、前記筐体の側壁には、前記一対のアンギュラベアリングの間の間隔内の箇所に開口が穿設されており、前記一対のアンギュラベアリングの間で該開口内に収まるようにして前記筐体に装着された軸受け部材に前記揺動軸が嵌挿されていることを特徴とする歩行補助装置。
4. 利用者の体幹部に該利用者の体重の一部を支える荷重を伝達する荷重伝達部と、利用者の足平に装着される足平装着部と、該足平装着部を荷重伝達部に連結する脚リンクとを備え、該脚リンクが前記荷重伝達部から第１関節を介して延設された上側リンク部材と、前記足平装着部から第２関節を介して延設された下側リンク部材と、該上側リンク部材と下側リンク部材とを屈伸自在に連結する第３関節とから構成され、さらに前記第３関節を駆動するための駆動機構を備えた歩行補助装置において、
   前記駆動機構は、前記第３関節の関節軸と同心に前記下側リンク部材に固定されたクランクアームと、前記クランクアームに一端部が連結された直動出力軸を有すると共に前記第３関節の関節軸と平行な揺動軸の軸心周りに揺動可能に上側リンク部材に搭載された直動アクチュエータとを備え、該直動アクチュエータの直動出力軸から出力される並進力を前記クランクアームを介して前記第３関節の回転駆動力に変換するように構成され、
   前記第３関節の関節軸の軸心方向で見た場合における該関節軸と前記クランクアームに対する直動出力軸の連結部とを結ぶ直線と、該連結部を通って前記直動出力軸の軸心に平行な方向の直線とのなす角度である第１角度が、前記第３関節での脚リンクの屈曲度合いを利用者の直立姿勢状態に対応する屈曲度合いから増加させるに伴い、平角側の角度から直角側の角度に向かって変化するように、前記第１角度と前記第３関節での脚リンクの屈曲度合いとの間の関係が設定されており、
   前記直動アクチュエータは、ネジ溝が外周面に形成されたネジ軸としての前記直動出力軸と、該直動出力軸のネジ溝に係合する複数のボールを内周部に保持し、該複数のボールを介して該直動出力軸に同心に螺合されたナット部材と、該ナット部材を内部に回転自在に収容し、該ナット部材及び直動出力軸と共に前記揺動軸の軸心周りに揺動可能に前記上側リンク部材に支持された筐体と、前記ナット部材に回転駆動力を付与する回転出力軸を有し、前記筐体と共に前記揺動軸の軸心周りに揺動可能に該筐体に取り付けられた回転アクチュエータとを備え、前記揺動軸は、その軸心が前記ナット部材の内部で該ナット部材の軸心と直交するように設けられており、前記ナット部材は、該ナット部材の軸心方向に間隔を存して該ナット部材の外周に挿着された一対のアンギュラベアリングを介して前記筐体に回転自在に支承されており、前記筐体の側壁には、前記一対のアンギュラベアリングの間の間隔内の箇所に開口が穿設されており、前記一対のアンギュラベアリングの間で該開口内に収まるようにして前記筐体に装着された軸受け部材に前記揺動軸が嵌挿されていることを特徴とする歩行補助装置。

Images