特許 6872847 動作補助装置及び動作補助装置の作動方法並びに動作補助制御用プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6872847

(24)【登録日】2021年4月22日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】動作補助装置及び動作補助装置の作動方法並びに動作補助制御用プログラム

(51)【国際特許分類】

   A61H 1/02 20060101AFI20210510BHJP

   B25J 11/00 20060101ALI20210510BHJP

【ＦＩ】

   A61H1/02 N

   A61H1/02 R

   B25J11/00 Z

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-171722(P2015-171722)

(22)【出願日】2015年9月1日

(65)【公開番号】特開2017-46873(P2017-46873A)

(43)【公開日】2017年3月9日

【審査請求日】2018年6月7日

【審判番号】不服2019-16724(P2019-16724/J1)

【審判請求日】2019年12月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】304023994

【氏名又は名称】国立大学法人山梨大学

(73)【特許権者】

【識別番号】503247056

【氏名又は名称】甲府市

(73)【特許権者】

【識別番号】000002897

【氏名又は名称】大日本印刷株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】302042689

【氏名又は名称】サンコールエンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000958

【氏名又は名称】特許業務法人 インテクト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】寺田 英嗣

(72)【発明者】

【氏名】牧野 浩二

(72)【発明者】

【氏名】青木 今日子

(72)【発明者】

【氏名】中村 祐敬

(72)【発明者】

【氏名】大森 英功

(72)【発明者】

【氏名】星野 優

(72)【発明者】

【氏名】牧原 幸伸

(72)【発明者】

【氏名】高橋 玲

【合議体】

【審判長】 高木 彰

【審判官】 芦原 康裕

【審判官】 栗山 卓也

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０３０６５４８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−２００１９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

A61H 1/02

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

座位の被補助者の膝関節の動作を補助する動作補助装置において、
前記膝関節の伸展動作を補助する補助手段と、
前記膝関節の屈曲角度を検出する膝関節角度検出手段と、
前記検出された屈曲角度が予め設定された第１閾値角度となった以降、前記補助手段により前記伸展動作を補助させる第１駆動制御手段と、
前記伸展動作の補助中に前記検出された屈曲角度が、前記第１閾値角度からみて前記膝関節の伸展方向に進んだ第２閾値角度であって予め一意に設定された第２閾値角度となった場合に、当該屈曲角度が当該第２閾値角度である伸展状態を維持するように前記補助手段により補助させる第２駆動制御手段と、
前記検出された屈曲角度が前記第２閾値角度である前記伸展状態が維持された後、前記補助手段による補助を停止し、前記膝関節を開放する第３駆動制御手段と、
を備えることを特徴とする動作補助装置。

【請求項2】

請求項１に記載の動作補助装置において、
前記第２駆動制御手段は、前記検出される屈曲角度が前記第２閾値角度である前記膝関節の伸展状態を予め設定された閾値時間だけ維持するように前記補助手段に補助させることを特徴とする動作補助装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の動作補助装置において、
前記第２閾値角度が、水平に対応する角度として予め一意に設定された角度であることを特徴とする動作補助装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の動作補助装置において、
前記検出された屈曲角度が前記第２閾値角度に維持されるべき時間として予め設定された閾値時間、前記第１閾値角度又は前記第２閾値角度の全部又は一部を変更するための操作を受け付ける変更操作手段を更に備えることを特徴とする動作補助装置。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の動作補助装置において、
前記補助手段による補助中に当該補助を停止して前記膝関節を開放する停止手段を更に備えることを特徴とする動作補助装置。

【請求項6】

座位の被補助者の膝関節の動作を補助する動作補助装置であって、前記膝関節の伸展動作を補助する補助手段と、膝関節角度検出手段と、第１駆動制御手段と、第２駆動制御手段と、第３駆動制御手段と、を備える動作補助装置において実行される動作補助装置の作動方法において、
前記膝関節角度検出手段が、前記膝関節の屈曲角度を検出する膝関節角度検出工程と、
前記第１駆動制御手段及び前記補助手段が、前記検出された屈曲角度が予め設定された第１閾値角度となった以降、前記伸展動作を補助させる第１駆動制御工程と、
前記第２駆動制御手段が、前記伸展動作の補助中に前記検出された屈曲角度が、前記第１閾値角度からみて前記膝関節の伸展方向に進んだ第２閾値角度であって予め一意に設定された第２閾値角度となった場合に、当該屈曲角度が当該第２閾値角度である伸展状態を維持するように前記補助手段により補助させる第２駆動制御工程と、
第３駆動制御手段が、前記検出された屈曲角度が前記第２閾値角度である前記伸展状態が維持された後、前記補助手段による補助を停止し、前記膝関節を開放する第３駆動制御工程と、
を含むことを特徴とする動作補助装置の作動方法。

【請求項7】

請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の動作補助装置に前記第１駆動制御手段及び前記第２駆動制御手段並びに前記第３駆動制御手段として備えられたコンピュータを、当該第１駆動制御手段及び当該第２駆動制御手段並びに当該第３駆動制御手段としてそれぞれ機能させることを特徴とする動作補助制御用プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、動作補助装置及び動作補助装置の作動方法並びに動作補助制御用プログラムの技術分野に属する。より詳細には、いわゆる膝関節伸展不全の患者の回復訓練等に用いられる動作補助装置及び動作補助装置の作動方法並びに当該動作補助装置において用いられる動作補助制御用プログラムの技術分野に属する。

【背景技術】

【0002】

膝疾患の患者が行う回復訓練等（いわゆるリハビリテーション。以下、単に「リハビリ」と称する。）において、従来は、例えば理学療法士等の補助を受けつつ、その患者が自力で必要なリハビリを行っていた。一方近年では、モータ等の駆動源を使用した他動動作によるリハビリ（外力を用いて行うリハビリ）も行われ始めている。このような他動動作によるリハビリには、その患者の身体に装着されて膝関節の動きを補助する、いわゆる装着型のアシストロボットが用いられる。このアシストロボットは、患者の膝関節を含む大腿及び下腿にハーネス等を用いて装着され、膝関節の動きを補助する（換言すれば強制的に動かす）ように動作する。即ち、例えば歩行訓練の場合は、適切な歩行パターンにおける膝関節としての動きが実現されるようにアシストロボットが動作して、当該膝関節を動かす。これにより患者は、アシストロボットによる動きに追随するように自立歩行することで、必要なリハビリを行える。このようなリハビリに用いることが可能なアシストロボットとしては、例えば下記特許文献１に記載されている歩行訓練装具がある。

【0003】

他方、このような状態で近年では、上記膝疾患の治療法の一つとして、病気のある膝関節の一部又は全部を人工の膝関節に置換する人工膝関節置換術が行われることがある。ところが、人工膝関節置換術後の患者において、いわゆる膝関節伸展不全の症状が生じる場合があることも判っている。ここで膝関節伸展不全とは、人工膝関節置換術後の膝関節を人（補助者）又は装置の補助を得て動かす他動動作時には膝関節の完全伸展（大腿からみて下腿を真っ直ぐに伸ばし切ること）が可能であるものの、自力による動作（自動動作）時には上記完全伸展に到達できない状態をいう。このような膝関節伸展不全をそのまま放置すると、歩行訓練時における予期せぬ転倒等の事故を招来することにもなるため、効果的な治療が望まれている。しかしながら、膝関節伸展不全については、現状では明確な原因及びそれに対応した治療方法が見出されておらず、当該術後における効果的なリハビリが望まれるところである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９−１８３６５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、上記したような膝関節伸展不全に対する従来のリハビリでは、これまで理学療法士等が介在し、直接的に膝関節の伸展動作を補助することが行われていた。このため、理学療法士等が全面的に関与せずに、このようなリハビリが可能で且つ上記駆動源を有する装置等の活用が望まれる。

【0006】

なお、人工膝関節置換術後の患者のリハビリ用のアシストロボットは存在するが、その前提としては、基本的に膝関節の屈曲及び伸展が可能で、ある程度歩行が可能な患者用に限られており、上記膝関節伸展不全の患者について考慮されたアシストロボットは存在しない。また上記特許文献１にも、膝関節伸展不全の患者のリハビリについては、開示も示唆も見当たらない。

【0007】

そこで本発明は、上記の要請及び各問題点等に鑑みて為されたもので、その課題の一例は、上述したような膝関節伸展不全の患者の回復のためのリハビリにおける補助を効率的に行うことが可能な動作補助装置及び動作補助装置の作動方法並びに当該動作補助装置において用いられる動作補助制御用プログラムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、座位の被補助者の膝関節の動作を補助する動作補助装置において、前記膝関節の伸展動作を補助する補助手段と、前記膝関節の屈曲角度を検出する膝関節角度検出手段と、前記検出された屈曲角度が予め設定された第１閾値角度となった以降、前記補助手段により前記伸展動作を補助させる第１駆動制御手段と、前記伸展動作の補助中に前記検出された屈曲角度が、前記第１閾値角度からみて前記膝関節の伸展方向に進んだ第２閾値角度であって予め一意に設定された第２閾値角度となった場合に、当該屈曲角度が当該第２閾値角度である伸展状態を維持するように前記補助手段により補助させる第２駆動制御手段と、前記検出された屈曲角度が前記第２閾値角度である前記伸展状態が維持された後、前記補助手段による補助を停止し、前記膝関節を開放する第３駆動制御手段と、を備える。

【0009】

上記の課題を解決するために、請求項６に記載の発明は、座位の被補助者の膝関節の動作を補助する動作補助装置であって、前記膝関節の伸展動作を補助する補助手段と、膝関節角度検出手段と、第１駆動制御手段と、第２駆動制御手段と、第３駆動制御手段と、を備える動作補助装置において実行される動作補助装置の作動方法において、前記膝関節角度検出手段が、前記膝関節の屈曲角度を検出する膝関節角度検出工程と、前記第１駆動制御手段及び前記補助手段が、前記検出された屈曲角度が予め設定された第１閾値角度となった以降、前記伸展動作を補助させる第１駆動制御工程と、前記第２駆動制御手段が、前記伸展動作の補助中に前記検出された屈曲角度が、前記第１閾値角度からみて前記膝関節の伸展方向に進んだ第２閾値角度であって予め一意に設定された第２閾値角度となった場合に、当該屈曲角度が当該第２閾値角度である伸展状態を維持するように前記補助手段により補助させる第２駆動制御工程と、第３駆動制御手段が、前記検出された屈曲角度が前記第２閾値角度である前記伸展状態が維持された後、前記補助手段による補助を停止し、前記膝関節を開放する第３駆動制御工程と、を含む。

【0010】

上記の課題を解決するために、請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の動作補助装置に前記第１駆動制御手段及び前記第２駆動制御手段並びに前記第３駆動制御手段として備えられたコンピュータを、当該第１駆動制御手段及び当該第２駆動制御手段並びに当該第３駆動制御手段としてそれぞれ機能させる。

【0011】

請求項１、請求項６又は請求項７のいずれか一項に記載の発明によれば、膝関節の屈曲角度が第１閾値角度となった以降の当該伸展動作を補助させ、更に屈曲角度が伸展方向に進んだ第２閾値角度であって予め一意に設定された第２閾値角度となったとき当該第２閾値角度の伸展状態を維持するように補助させる。よって、膝関節伸展不全の患者の回復のためのリハビリにおける補助を効率的に行うことができる。
また、膝関節の屈曲角度が第２閾値角度である伸展状態が維持された後、補助手段による補助を停止して膝関節を開放するので、当該伸展不全の自力による回復を促進することができる。なお本発明において膝関節の「開放」とは、本発明に係る動作補助装置の駆動手段による膝関節に対する補助（アシスト）を停止して、被補助者（例えば下記実施形態における患者）による膝関節の自動動作を妨げない状態とすることをいう。

【0012】

上記の課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の動作補助装置において、前記第２駆動制御手段は、前記検出される屈曲角度が前記第２閾値角度である前記膝関節の伸展状態を予め設定された閾値時間だけ維持するように前記補助手段に補助させるように構成される。

【0013】

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の作用に加えて、膝関節の屈曲角度が第２閾値角度である膝関節の伸展状態を既定の閾値時間だけ維持するように補助させるので、より効果的に伸展不全の回復を図ることができる。

【0014】

上記の課題を解決するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の動作補助装置において、前記第２閾値角度が、水平に対応する角度として予め一意に設定された角度であるように構成される。

【0015】

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は請求項２に記載の発明の作用に加えて、第２閾値角度が、水平に対応する角度として予め一意に設定された角度であるので、より効果的に伸展不全の回復を図ることができる。

【0018】

上記の課題を解決するために、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の動作補助装置において、前記第１閾値角度、前記第２閾値角度又は前記閾値時間の全部又は一部を変更するための操作を受け付ける変更操作手段を更に備える。

【0019】

請求項４に記載の発明によれば、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、第１閾値角度、第２閾値角度又は閾値時間の全部又は一部を変更するための操作が受け付けられるので、被補助者又は監督者等の任意で第１閾値角度等を設定することで、より効果的に伸展不全の回復を図ることができる。

【0020】

上記の課題を解決するために、請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の動作補助装置において、前記補助手段による補助中に当該補助を停止して前記膝関節を開放する停止手段を更に備える。

【0021】

請求項５に記載の発明によれば、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、補助中にそれを停止して膝関節を開放することが任意に可能となるので、緊急時であっても膝関節を保護することができる。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、膝関節の伸展動作を自力で開始した後に膝関節の屈曲角度が第１閾値角度となった以降の当該伸展動作を補助させ、更に屈曲角度が伸展方向に進んだ第２閾値角度であって予め一意に設定された第２閾値角度となったとき当該第２閾値角度の伸展状態を維持するように補助させる。

【0023】

従って、膝関節伸展不全の患者の回復のためのリハビリにおける補助を効率的に行うことができる。
また、膝関節の屈曲角度が第２閾値角度である伸展状態が維持された後、補助手段による補助を停止して膝関節を開放するので、当該伸展不全の自力による回復を促進することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】実施形態に係るアシスト装置を患者に装着した際の状態図である。

【図2】実施形態に係るアシスト装置の構成を示すブロック図である。

【図3】実施形態に係るアシスト装置による補助動作時の患者の状態を例示する側視概念図であり、（ａ）は初期姿勢状態を例示する側視概念図であり、（ｂ）はアシスト開始時の状態を例示する側視概念図であり、（ｃ）はアシスト中の状態を例示する側視概念図であり、（ｄ）は伸展状態維持中の側視概念図であり、（ｅ）はアシスト終了後の状態を例示する側視概念図であり、（ｆ）は初期姿勢状態に戻ったときを例示する側視概念図である。

【図4】実施形態に係るアシスト装置による補助動作を示すフローチャートである。

【図5】実施形態に係るアシスト装置における補助動作時の各信号等の状態を例示するタイミングチャートである。

【図6】実施形態に係るアシスト装置における補助動作の効果を例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

次に、本発明を実施するための形態について、図１乃至図６を用いて説明する。なお、以下に説明する実施形態は、上記膝関節伸展不全の患者のリハビリを補助するアシスト装置に対して本発明を適用した場合の実施形態である。このとき、上記患者が本発明に係る「被補助者」の一例に相当する。

【0026】

また、図１は実施形態に係るアシスト装置を患者に装着した際の状態図であり、図２は当該アシスト装置の構成を示すブロック図であり、図３は当該アシスト装置における補助動作時の患者の状態を例示する側視概念図である。更に、図４は当該アシスト装置における補助動作例を示すフローチャートであり、図５は当該アシスト装置における補助動作時の各信号等の状態を例示するタイミングチャートであり、図６は当該アシスト装置における補助動作の効果を例示する図である。

【0027】

図１に示すように、実施形態に係るアシスト装置Ｓは、当該アシスト装置Ｓによる補助動作の対象となる患者の片方の下肢部（即ち、膝関節伸展不全にとなっている膝関節を含む下肢部）に対して着脱自在のテープ状固定具やバンド等の固定具６によってそれぞれ取り付けられる駆動ユニット１０を備えている。そして図１に示すように駆動ユニット１０には、患者の膝部５の関節部分に取り付けられ、膝関節を屈曲及び伸展させるリンク機構部３と、患者の股部９の関節部分に取り付けられ、股関節を屈曲及び伸展させるリンク機構部８と、が取り付けられている。なお、実施形態に係るアシスト装置Ｓを用いて膝関節伸展不全のリハビリを行う場合、基本的には足裏が床面に付かない状態で患者が椅子Ｃに座った座位の状態（図１参照）で行うため、上記リンク機構部８は、実施形態に係るリハビリ（及びそのための補助動作）には不要である。

【0028】

このうちリンク機構部３は、図１に示すように、例えば患者の大腿部に巻きつけられる上部脚当て４の側面に取り付けられる第一リンク３ａと、患者の下腿部に巻きつけられる下部脚当て７の側面に取り付けられる第二リンク３ｂと、駆動ユニット１０から動力を得て第一リンク３ａに対して第二リンク３ｂを歩行の前後方向に揺動させる第三リンク３ｃと、を含んで構成される。第一リンク３ａは、患者の腰部側から膝部５側に延びるように取り付けられ、第二リンク３ｂは患者の膝部５側から脚の先端（地面）側に延びるように取り付けられている。そして第一リンク３ａと第二リンク３ｂとは、患者の膝部５近傍で回動可能に連結されている。

【0029】

この連結部には、第一リンク３ａと第二リンク３ｂとの成す角度を示す膝関節角度データを出力する膝関節角度センサが内蔵されている。この膝関節角度センサは、例えばいわゆるポテンショメータ等により実現される。また、第三リンク３ｃの端部が、第二リンク３ｂの中央近傍に連結されている。上部脚当て４及び下部脚当て７は、それぞれが図示しない一対の脚当て部材を含んで構成されており、当該脚当て部材は患者の大腿部及び下腿部の周囲を覆うように配置され、固定具６によって着脱可能に取り付けられる。また、上部脚当て４及び下部脚当て７は、例えばポリプロピレン樹脂等を成形して形成されており、ユーザの大腿部と接する部分には、伸縮自在の図示しないスポンジ部材等が取り付けられている。

【0030】

ここで、実施形態に係るアシスト装置Ｓは、上述したように椅子Ｃに患者が座った状態で、膝関節伸展不全のリハビリのための補助動作を行う。そして、当該リハビリにおいては、座った状態のまま、膝関節の屈曲と伸展を繰り返す。このとき、当該膝関節の例えば屈曲時には、下腿部の腓骨の回転中心が、大腿骨において屈曲に対応して後方（膝裏方向）且つ下方に連続的に移動していく、いわゆるロールバックが発生することが知られている。そこで上記連結部では、当該回転中心の移動の形状に対応した弓形形状の仮想回転中心運動生成溝カム及びロールバック運動生成溝カムを有する非円形歯車を用いることにより、上記ロールバックと同様の回転中心の移動を含む膝関節の屈曲及び伸展を実現している。なおこのような連結部の構造によれば、特に膝関節が９０°に曲げられるときスムーズな屈曲が実現できることが、本願の発明者等により確認されている。

【0031】

これに対してリンク機構部８は、図１に示すように、上記した上部脚当て４の側面に取り付けられる第一リンク８ａと、患者の腰部に巻きつけられるベルト２３の側部に取り付けられる第二リンク８ｂと、を含んで構成される。第一リンク８ａは、患者の臀部側から膝部５側に延びるように取り付けられ、第二リンク８ｂは患者の腰部側から臀部側に延びるように取り付けられている。そして第一リンク８ａと第二リンク８ｂとは、患者の股部９近傍で回動可能に連結されている。この連結部にも、第一リンク８ａと第二リンク８ｂとの成す角度を示す股関節角度データを出力する股関節角度センサが内蔵されている。この股関節角度センサも、例えばいわゆるポテンショメータ等により実現される。なお上述したようにリンク機構部８は、実施形態に係るリハビリには不要となる。

【0032】

次に駆動ユニット１０内には、実施形態に係るアシスト装置Ｓによる補助動作を統括制御する制御用基板、及び上記第一リンク３ａ乃至第三リンク３ｃを駆動する後述のＤＣ（Direct Current）モータのための電池等が収容されている。このとき上記制御用基板には、実施形態に係るアシスト装置Ｓによる補助動作を制御する後述のＣＰＵ等が装着されている。なお以下の説明において、実施形態に係るアシスト装置による補助動作を、単に「実施形態に係るアシスト動作」と称する。

【0033】

次に、実施形態に係るアシスト装置Ｓの構成について、より具体的に図２を用いて説明する。

【0034】

実施形態に係るアシスト装置Ｓは図２に示すように、上記制御用基板に備えられたＣＰＵ（Central Processing Unit）４２と、患者又は理学療法士等が操作可能な位置に備えられ且つＣＰＵ４２に対する指令操作を行うための操作ボタン等を備える操作部４１と、ＣＰＵ４２に接続され且つ患者又は理学療法士等が視認可能な位置に備えられた液晶ディスプレイ等からなる表示部４０と、を備えており、これらは上述したように駆動ユニット１０内に組み込まれている。なおＣＰＵ４２は、オペレーティングシステムやアシスト装置Ｓを制御する制御プログラムや、検出したデータや等を記憶する記憶部（図示せず）を有している。この記憶部は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ハードディスク又はシリコンディスク等により構成されている。

【0035】

そしてアシスト装置Ｓの駆動系全体としては、上記駆動ユニット１０と、上記固定具６並びに上部脚当て４及び下部脚当て７と、膝関節角度センサ１６を含むリンク機構部３と、図示しない股関節角度センサを含むリンク機構部８と、が含まれている。更に駆動ユニット１０には、ＤＣモータ５０と、各リンクに接続されているギア部５２と、ギア部５２を介してＤＣモータ５０からの駆動力を各リンクに伝達するクラッチ部５１と、が含まれている。

【0036】

以上の構成において、ＤＣモータ５０の回転方向及び回転速度の制御及びクラッチ部５１における開放／接続の制御は、それぞれＣＰＵ４２により行われる。更に膝関節角度センサ１６は上記膝関節角度データを生成してＣＰＵ４２に出力する。

【0037】

このとき、上記ＤＣモータ５０が本発明に係る「補助手段」の一例に相当し、上記膝関節角度センサ１６が本発明に係る「膝関節角度検出手段」の一例に相当し、上記ＣＰＵ４２が本発明に係る「第１駆動制御手段」の一例、本発明に係る「第２駆動制御手段」の一例及び本発明に係る「第３駆動制御手段」の一例及び本発明に係る「停止手段」の一例にそれぞれ相当する。また、上記操作部４１及びＣＰＵ４２が本発明に係る「変更操作手段」の一例に相当する。

【0038】

次に、実施形態に係るアシスト動作について、図３乃至図６を用いて説明する。

【0039】

先ず実施形態に係るアシスト動作の概要を説明する。当該アシスト動作では、上記膝関節伸展不全のリハビリを効果的に実施すべく、先ず図３（ａ）に示すようにアシスト装置Ｓを装着した患者Ｐ（即ち、膝関節伸展不全の患者Ｐ）を椅子Ｃに座らせ、足裏が床に付かない状態で下腿を自由に動かせる初期姿勢状態から当該アシスト動作を開始する。なお図３では、説明の簡略化のため実施形態に係るアシスト装置Ｓ自体の図示は省略している。その後、図３（ｂ）に示すように患者Ｐに自力での膝関節の伸展を開始させ、更に下腿の中心軸と水平との間の角αが予め設定された第１閾値角度となったタイミングからアシスト装置Ｓによる補助を開始し、図３（ｃ）に示すように自力と当該補助により膝関節を予め設定された伸展目標角度（例えば水平、又は水平に対応して予め設定された伸展目標角度）まで伸展させる。なおこの伸展目標角度が、本発明に係る「第２閾値角度」の一例に相当する。そして下腿が上記伸展目標角度になるまで膝関節が伸展されたら、次に図３（ｄ）に示すように上記伸展目標角度の状態を閾値時間だけ維持させ、その後図３（ｅ）に示すようにアシスト装置Ｓによる補助を終了して膝関節を開放する。その後患者Ｐは、図３（ｆ）に示すように自力で元の初期姿勢状態に戻ることになる。以上の一連のアシスト動作により、初期姿勢状態→自力による膝関節の伸展→これにアシスト装置Ｓによる補助を加えた伸展目標角度までの伸展→自力及びアシスト装置Ｓによる補助による伸展目標角度の状態の維持→アシスト装置Ｓによる補助の終了と膝関節の開放→初期姿勢状態への自力による復帰、という、一回の実施形態に係るアシスト動作が完結する。

【0040】

次に、上記アシスト動作に供されるために上記記憶部に予め記憶されている、実施形態に係る閾値角度データ及び閾値時間データについてそれぞれ説明する。

【0041】

実施形態に係る閾値角度データとしては、第１に、実施形態に係るアシスト装置Ｓを装着した患者Ｐが上記初期姿勢状態であることを、上記膝関節角度データを用いてＣＰＵ４２が認識するための初期姿勢閾値角度データが、記憶部に不揮発性に記憶されている。ここで上記初期姿勢状態では図３（ａ）に示すように、ＤＣモータ５０からの駆動力をリンク機構部３に伝達しないようにすることで、アシスト装置Ｓを図１に示す状態で装着した上記患者Ｐは、椅子Ｃに座って下腿を開放した状態となる。即ち初期姿勢状態において患者Ｐは、膝関節を自力で自由に動かすことができる。そして、図３（ａ）に示す状態で患者Ｐが下腿に力を入れない場合、上記角αは通常は直角に近い角度となる。よって、当該角αの角度としての初期姿勢角度閾値は９０°とされ、それを示す初期姿勢閾値角度データが上記記憶部に予め記憶されている。そしてＣＰＵ４２は、膝関節角度センサ１６からの上記膝関節角度データにより角αが９０°又はその近辺の角度であることを検出することで、患者Ｐ自身が上記初期姿勢状態であることを認識する。なおこの初期姿勢閾値角度データは、リハビリの進捗等に合わせて、例えば表示部４０に値を表示させつつ操作部４１において操作することで、例えば患者Ｐ又は当該リハビリを補助する理学療法士等（以下、単に「患者Ｐ等」と称する）により任意に変更できる。

【0042】

次に上記閾値角度データとして第２に、図３（ａ）に示す初期姿勢状態から、患者Ｐが膝関節を自力で伸展させ始めた後、実施形態に係るアシスト動作を開始すべき角α（図３（ｂ）参照）の角度となったか否かをＣＰＵ４２が認識するための上記膝関節角度データである第１閾値角度データが、記憶部に不揮発性に記憶されている。この第１閾値角度データも、上記初期姿勢閾値角度データと同様に患者Ｐ等により任意に変更できるが、具体的な値としては、例えば１０°乃至３０°が好適である。

【0043】

次に上記閾値角度データとして第３に、実施形態に係るアシスト動作の開始後、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示す伸展目標角度（具体例としては水平に対応する角度）まで膝関節が伸展されたか否かをＣＰＵ４２が認識するための上記膝関節角度データである伸展目標角度データ（換言すれば、角αが伸展目標角度となったか否かを示す閾値角度データ）が、記憶部に不揮発性に記憶されている。なお上記伸展目標角度が水平である場合、上記伸展目標角度データは０°である。また、この伸展目標角度データとしての閾値角度データも、上記初期姿勢閾値角度データ等と同様に患者Ｐ等により任意に変更できるが、具体的な値としては上記したように０°が好適である。

【0044】

最後に上記閾値時間データとして、患者Ｐの膝関節が図３（ｄ）に示す伸展状態となった後、その状態を維持するための上記閾値時間が経過したか否かをＣＰＵ４２が認識するための閾値時間データが、記憶部に不揮発性に記憶されている。この閾値時間データも、上記初期姿勢閾値角度データ等と同様に患者Ｐ等により任意に変更できるが、具体的な値としては、例えば０秒（即ち伸展維持なし）乃至０．５秒程度が好適である。

【0045】

次に、ＣＰＵ４２を中心として実行される、実施形態に係るアシスト動作について具体的に説明する。

【0046】

当該アシスト動作においてＣＰＵ４２は、アシスト装置Ｓの初期化処理として、それまで実行されていた他のモード（例えば、上記リンク機構部８をも用いた歩行補助モード等）を停止すると共に、実施形態に係るアシスト動作を行うモードに駆動ユニット１０を切り換える（ステップＳ１）。その後、アシスト装置Ｓによる補助を受けるために当該アシスト装置Ｓを図１に例示する態様で装着した患者を椅子Ｃに座らせたとき、ＣＰＵ４２は駆動ユニット１０を停止状態に移行させる（ステップＳ２）。次にＣＰＵ４２は駆動ユニット１０を起動し（ステップＳ３）、更に、図３（ａ）に示す初期姿勢状態に駆動ユニット１０を移行させる（ステップＳ４）。

【0047】

このとき当該初期姿勢状態では、ＣＰＵ４２は、ＤＣモータ５０からの駆動力をリンク機構部３に伝達しないように制御することで、患者Ｐによる下腿を含む膝関節の自動動作を妨げない状態とする。これにより、足が付かない状態で椅子Ｃに患者Ｐが座っていることから、患者Ｐの下腿が自由に動かすことが可能な開放された状態となる。そして、上記初期姿勢角度閾値データが９０°とされていることから、ＣＰＵ４２は、膝関節角度センサ１６からの膝関節角度データにより角αが９０°であることを検出することで患者Ｐが初期姿勢状態であることを認識する。

【0048】

その後ＣＰＵ４２は、図３（ｂ）に示すように患者Ｐが自力で膝関節の伸展を開始することにより、図３（ｃ）に示すように角αが上記第１閾値角度データにより示される角度となったか否か（換言すれば、実施形態に係るアシスト動作を開始するタイミングとなったか否か）を監視する（ステップＳ５）。ステップＳ５の監視において、未だ実施形態に係るアシスト動作を開始するタイミングとなっていない場合（ステップＳ５；ＮＯ）、ＣＰＵ４２は当該タイミングが到来するまで、下腿を開放したまま待機する。一方ステップＳ５の監視において実施形態に係るアシスト動作を開始するタイミングが到来した場合（ステップＳ５；ＹＥＳ）、ＣＰＵ４２は駆動ユニット１０を介してＤＣモータ５０を駆動させ、徐々に実施形態に係るアシスト動作を行い（ステップＳ６）、更に膝関節が定速（換言すれば、定角速度）で伸展することを補助する（ステップＳ７）。

【0049】

このステップＳ６及びステップＳ７において、例えばＤＣモータ５０がＰＷＭ（Pulse width Modulation）方式である場合にＣＰＵ４２は、ステップＳ６の段階で徐々にＰＷＭ値を増加させ、ステップＳ７でＰＷＭ値を例えば１００％とするようにＤＣモータ５０を制御する。より具体的なＰＷＭ値としては、本願の発明者等による調査では、６０歳以上の高齢者の男女においては、座位からの膝関節の伸展のトルクが、５．１Ｎｍ乃至１１．５Ｎｍとされており、この伸展トルクの１／３乃至１／２をアシスト装置Ｓにより補助するようにＤＣモータ５０のＰＷＭ値を設定することが好ましい。

【0050】

ステップＳ７により膝関節が定速で伸展するようになったら、次にＣＰＵ４２は、記憶部に記憶されている上記伸展目標角度データを用いて、図３（ｄ）に示すように膝関節が伸展目標角度まで伸展されたか否か、即ち膝関節角度データにより角αが伸展目標角度（例えば０°）となったか否かを監視する（ステップＳ８）。ステップＳ８の監視において膝関節が未だ伸展目標角度まで伸展されていない場合（ステップＳ８；ＮＯ）、ＣＰＵ４２は引き続き膝関節の伸展を補助するようにＤＣモータ５０を制御する。一方ステップＳ８の監視において膝関節が伸展目標角度まで伸展されたら（ステップＳ８；ＹＥＳ）、次にＣＰＵ４２は、当該伸展目標角度の伸展状態を維持するようにＤＣモータ５０を制御しつつ（ステップＳ９。図３（ｄ）参照。）、膝関節が伸展目標角度まで伸展されてから上記閾値時間データにより示される時間が経過したか否か（換言すれば、実施形態に係るアシスト動作を終了するか否か）の監視を行う（ステップＳ１０）。ステップＳ１０の監視において、上記閾値時間データにより示される時間が経過していない場合（ステップＳ１０；ＮＯ）、ＣＰＵ４２は、上記伸展目標角度の伸展状態を維持するためのＤＣモータ５０の制御を継続する。一方ステップＳ１０の監視において、上記閾値時間データにより示される時間が経過した場合（ステップＳ１０；ＹＥＳ）、ＣＰＵ４２は、徐々に実施形態に係るアシスト動作を停止させ（ステップＳ１１）、最終的にＤＣモータ５０からの駆動力をリンク機構部３に伝達しないようにして患者Ｐの下腿及び膝関節を開放し、膝関節が自力で屈曲されるのを待機する（ステップＳ１２。図３（ｅ）及び図３（ｆ）参照。）。

【0051】

その後ＣＰＵ４２は、例えば操作部４１における患者Ｐ等による操作により、実施形態に係るアシスト動作を終了させることが指示されたか否かを判定し（ステップＳ１３）、当該終了指示がされていない場合は（ステップＳ１３；ＮＯ）上記ステップＳ４に戻って上記した一連のアシスト動作を繰り返す。一方ステップＳ１３の判定において当該終了指示がされた場合（ステップＳ１３；ＹＥＳ）、ＣＰＵ４２は実施形態に係るアシスト動作を終了する。このときＣＰＵ４２は、例えばアシスト装置Ｓ自体の患者Ｐからの取り外しに備えて、駆動ユニット１０の動作を全て停止させて膝関節を開放する。

【0052】

なお、上述してきた一連の実施形態に係るアシスト動作においてＤＣモータ５０を駆動させているとき、例えば操作部４１において緊急停止の操作が行われた場合にＣＰＵ４２は、直ちにＤＣモータ５０からの駆動力をリンク機構部３に伝達しないよう制御し、膝関節を開放する。

【0053】

次に、実施形態に係るアシスト動作における、膝関節角度データに基づいたＣＰＵ４２による制御について、図５のタイミングチャートを用いて纏めて説明する。

【0054】

先ず、実施形態に係る一回のアシスト動作期間中に上記膝関節角度データは、患者Ｐによる一連の膝関節の伸展及び屈曲（図３参照）により、９０°（初期姿勢状態）から伸展目標角度（下腿を伸展目標角度（例えば０°）まで伸ばし切った状態）の範囲で、図５最上段に示すように変化する。そしてこの変化に対応して、初期姿勢閾値角度データに基づく判定（図４ステップＳ４、ステップＳ５；ＮＯ参照）はＣＰＵ４２により図５上から二段目に例示するように行われ、更に伸展目標角度データに基づく判定（図４ステップＳ８乃至ステップＳ１０参照）はＣＰＵ４２により図５上から三段目に例示するように行われる。このとき、図５に示す閾値時間に膝関節の伸展目標角度の伸展状態での維持が行われる（図４ステップＳ９参照）。

【0055】

一方、第１閾値角度データを用いた実施形態に係るアシスト動作の実行の有無に関する判定（図４ステップＳ５及びステップＳ１０参照）は、上記閾値時間を挟むタイミングで、ＣＰＵ４２により図５下から二段目に例示するように行われる。このとき、当該ステップＳ５及びステップＳ１０の判定に対応して、ＤＣモータ５０におけるＰＷＭ値は、図５最下段に例示するように、膝関節の伸展の加速→定速→減速の変化（図４ステップＳ５乃至ステップＳ１１）に対応して変化する。また、図５最下段に例示されるＰＷＭ値の変化において、加速時間及び減速時間は共に約０．１秒とされており、更に加速の開始から上記閾値時間の開始までの時間が、膝関節の回動を実施形態に係るアシスト動作により補助している時間である。

【0056】

最後に、実施形態に係るアシスト動作により患者Ｐにかかる負荷がどの程度軽減されるかについて、図６を用いて説明する。なお図６は、図６に示す各アシスト区間において実施形態に係るアシスト動作が二回行われた場合における、膝関節角度の変化（実曲線グラフ）、ＤＣモータ５０における上記ＰＷＭ値の変化（実線パルス形グラフ）及び筋電位（より具体的には、大腿直筋及び内側広筋における積分筋電位）の変化をそれぞれ示す図である。このとき図６において、実施形態に係るアシスト動作が行われた場合の筋電位の変化は△の連続により示されており、実施形態に係るアシスト動作が行われない場合の筋電位の変化は●の連続により示されている。図６から明らかなように、実施形態に係るアシスト動作が行われた場合の方が、それが行われない場合に比して筋活動が約２５％乃至４５％減少していることが判り、よって患者Ｐにかかる負荷も同程度に減少していると判断することができる。

【0057】

以上説明したように、実施形態に係るアシスト動作によれば、膝関節の伸展動作を自力で開始した後に膝関節角度が第１閾値角度データに対応した角度となった以降の当該伸展動作を補助し、更に膝関節角度が水平となったときそれを維持するように補助する。よって、膝関節伸展不全の患者の回復のためのリハビリにおける補助を効率的に行うことができる。また、実施形態に係るアシスト動作を開始後は、例えば理学療法士等が患者Ｐに付き添う必要がないことから、当該理学療法士等の負荷を軽減することもできる。

【0058】

更に、膝関節角度が伸展目標角度（具体的には水平）である伸展状態を既定の閾値時間だけ維持するように補助するので、より効果的に伸展不全の回復を図ることができる。

【0059】

更にまた、膝関節角度が伸展目標角度である伸展状態が閾値時間だけ維持された後、実施形態に係るアシスト動作を停止して膝関節を開放するので、当該伸展不全の自力による回復を促進することができる。

【0060】

また、上記第１閾値角度データ等の全部又は一部が患者Ｐ等により変更可能とされているので、患者Ｐ等の任意でこれらの値を設定することで、より効果的に伸展不全の回復を図ることができる。なおリハビリを効果的に行う観点からは、上記第１閾値角度データ等の設定を自動化するのではなく、任意に設定するように構成しておく方が望ましい。

【0061】

更に、実施形態に係るアシスト動作中にそれを停止して膝関節を開放することが任意に可能であるので、緊急時であっても膝関節を保護することができる。

【0062】

更にまた、実施形態に係るアシスト動作は基本的には片脚ずつ独立して実行されるべきものであるが、両膝関節に膝関節伸展不全を抱える患者の場合、リハビリの進捗によっては両脚について並行して実施形態に係るアシスト動作を行うことも可能である。この場合には、実施形態に係るアシスト装置Ｓが片脚ずつそれぞれに装着されることになる。

【0063】

また、図４に示すフローチャートに対応するプログラムを光ディスク等の記録媒体に記録しておき、又はインターネット等のネットワークを介して取得して記憶しておき、それらを汎用のマイクロコンピュータで読み出して実行することにより、当該マイクロコンピュータを実施形態に係るＣＰＵ４２として動作させることも可能である。

【産業上の利用可能性】

【0064】

以上それぞれ説明したように、本発明は動作補助装置の分野に利用することが可能であり、特に膝関節伸展不全の患者Ｐのリハビリを補助する動作補助装置の分野に適用すれば特に顕著な効果が得られる。

【符号の説明】

【0065】

３、８ リンク機構部
３ａ、８ａ 第一リンク
３ｂ、８ｂ 第二リンク
３ｃ 第三リンク
４ 上部脚当て
５ 膝部
６ 固定具
７ 下部脚当て
９ 股部
１０ 駆動ユニット
１６ 膝関節角度センサ
２３ ベルト
４０ 表示部
４１ 操作部
４２ ＣＰＵ
５０ ＤＣモータ
５１ クラッチ部
５２ ギア部
Ｓ アシスト装置
Ｃ 椅子
Ｐ 患者

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】