CN111246830B - 步行动作辅助装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的步行动作辅助装置构成为，用棒状刚体的摆动动作来近似使用者的包含大腿及小腿的腿部的绕髋关节的动作，通过将从大腿姿势检测单元输入的角度关联信号用作观测值的状态推定器来推定基于摆动动作的运动方程式而算出的大腿的髋关节角度及髋关节角速度，使用推定髋关节角度及推定髋关节角速度来算出大腿相位角，输出基于大腿相位角而算出的辅助转矩值。

Description

步行动作辅助装置
技术领域
本发明涉及步行动作辅助装置。
背景技术
作为腿不便利的人或由于中风等而有***人的步行辅助用或康复用的器具，提出了对腿的动作进行辅助的设置有电动马达等致动器的步行动作辅助装置(参照下述专利文献1～3)。
详细而言，所述专利文献1～3所记载的以往的步行动作辅助装置具备：大腿侧支具，所述大腿侧支具穿戴于使用者的大腿；小腿侧支具，所述小腿侧支具穿戴于使用者的小腿且以能够绕使用者的膝关节转动的方式与所述大腿侧支具连结；致动器，所述致动器安装于所述大腿侧支具并能够对所述小腿侧支具施加绕膝关节的辅助力；小腿角度传感器，所述小腿角度传感器检测小腿相对于大腿的绕膝关节的转动角度；以及控制装置，所述控制装置掌管所述致动器的工作控制，所述控制装置构成为基于来自所述小腿角度传感器的检测信号来执行所述致动器的工作控制。
即，所述以往的步行动作辅助装置构成为，基于由所述小腿角度传感器检测的小腿绕膝关节的转动角度来识别步行动作状态，以输出与该步行动作状态相应的大小以及方向的辅助力的方式进行所述致动器的工作控制。
然而，在步行动作时，一边小腿绕膝关节进行转动动作，一边大腿绕髋关节进行转动动作。
即，在所述以往构成中，检测相对于绕髋关节转动的大腿的、小腿绕膝关节的转动角度，因此，难以准确地识别步行动作状态。
而且，在使用者由于中风等而有***情况下，虽然能够比较正常地进行大腿的步行动作(绕髋关节的大腿的前后摆动动作)，但大多无法正常地进行小腿的步行动作(绕膝关节的小腿的前后摆动动作)。
在这样的情况下，在所述以往的构成中，基于无法进行正常的步行动作的小腿的动作来进行所述致动器的工作控制，在这一点上，也有可能无法提供准确的步行辅助力。
另外，在下述专利文献4中公开了如下的步行辅助装置，该步行辅助装置基于由髋关节的周期性的动作规定的大腿相位角来识别步行动作状态，以对大腿输出与识别出的步行动作状态相应的步行辅助力的方式进行致动器的工作控制。
详细而言，所述专利文献4所记载的步行辅助装置具备对大腿赋予步行辅助力的赋予部、进行所述赋予部的工作控制的控制部、检测髋关节角度及髋关节角速度中的至少一方的检测部、以及基于所述检测部的检测结果来算出大腿的相位角的算出部，所述控制部构成为基于所述相位角来进行所述赋予部的工作控制。
在此，在所述专利文献4中，大腿的相位角基于由所述检测部检测出的髋关节角度及对该髋关节角度进行微分而得到的髋关节角速度来算出。
在这样的构成中，由微分处理导致强调杂音成分，难以得到准确的大腿相位角。
关于这一点，也能够通过对由所述检测部检测出的信号进行低通处理来去除杂音成分，但在该情况下，会产生时间延迟，难以在适当的定时进行所述赋予部的工作控制。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5724312号公报
专利文献2：日本专利第5799608号公报
专利文献3：日本专利第5386253号公报
专利文献4：日本特开2016-002408号公报
发明内容
本发明是鉴于这样的现有技术而完成的，其目的在于提供一种能够在尽可能地防止或减少了时间延迟的状态下赋予与步行周期中的步行状态相应的适当的步行辅助力的步行动作辅助装置。
本发明为了实现所述目的而提供一种如下的步行动作辅助装置，所述步行动作辅助装置具备：致动器，所述致动器对使用者的步行动作赋予辅助力；大腿姿势检测单元，所述大腿姿势检测单元按照每个采样定时检测与作为使用者的大腿的前后摆动角度的髋关节角度相关联的髋关节角度关联信号；大腿相位角算出单元，所述大腿相位角算出单元算出一个采样定时k下的大腿相位角；辅助转矩算出单元，所述辅助转矩算出单元具有直接或间接地规定大腿相位角与所述致动器应输出的转矩值之间的关系的输出模式数据(英文：pattern data)，将由所述大腿相位角算出单元算出的大腿相位角应用于所述输出模式数据来算出在所述一个采样定时k下应输出的转矩值；以及工作控制单元，所述工作控制单元以输出由所述辅助转矩算出单元算出的转矩值的辅助力的方式掌管所述致动器的工作控制，所述大腿相位角算出单元用在顶端部安装有预定质量m的质点的预定长度l的棒状刚体以基端部为摆动中心进行摆动动作(日文：振り子動作)的动作来近似步行时的使用者的包含大腿及小腿的腿部的绕髋关节的动作，通过将在采样定时k下从所述大腿姿势检测单元输入的角度关联信号用作观测值的状态推定器来推定基于沿着所述质点的摆动轨迹的圆的切线方向上的运动方程式而近似算出的所述大腿的髋关节角度及髋关节角速度，使用该推定髋关节角度及推定髋关节角速度来算出采样定时k下的大腿相位角。
根据本发明的步行动作辅助装置，用棒状刚体的摆动动作来近似使用者的包含大腿及小腿的腿部的绕髋关节的动作，通过将从大腿姿势检测单元输入的角度关联信号用作观测值的状态推定器来推定基于摆动动作的运动方程式而算出的大腿的髋关节角度及髋关节角速度，使用推定髋关节角度及推定髋关节角速度来算出大腿相位角，以输出基于大腿相位角而算出的辅助转矩值的方式进行致动器的工作控制，因此，能够在尽可能地防止或减少了时间延迟的状态下赋予与步行周期中的步行状态相应的适当的步行辅助力。
在一个方案中，所述状态推定器为卡尔曼滤波器(英文：Kalman filter)。
在该情况下，所述大腿相位角算出单元使用基于所述运动方程式的式(1a)及将从所述大腿姿势角检测单元输入的角度关联信号用作观测值的式(1b)和所述卡尔曼滤波器的式(2a)～式(2e)，来算出所述推定摆动角度及所述推定摆动角速度。
[数学式1]
x[k+1]＝Fx[k]+Gdγ[k]···(1a)
y[k]＝Cx[k]+v[k]···(1b)
[数学式2]
Figure GDA0003902607490000041
Figure GDA0003902607490000042
K[k]＝P[k|k-1]CT(CP[k|k-1]CT+R)-1···(2c)
Figure GDA0003902607490000043
P[k|k]＝(I-K[k]C)P[k|k-1]···(2e)
其中，式(1a)、式(1b)以及式(2a)～式(2e)中的符号如下所述，式中的右肩符号T表示矩阵的转置操作。
[数学式3]
Figure GDA0003902607490000044
[数学式4]
F＝eAΔt···(4)
[数学式5]
Gd＝∫0 ΔteAτGdτ···(5)
[数学式6]
Figure GDA0003902607490000051
[数学式7]
Figure GDA0003902607490000052
θ：髋关节角度
Figure GDA0003902607490000053
髋关节角速度
g：重力加速度
μ：由粘性摩擦引起的棒状刚体的绕摆动中心的摩擦力所引起的粘性摩擦系数
γ：未知干扰
v：观测杂音
Figure GDA0003902607490000054
采样定时k下的事后推定值
Figure GDA0003902607490000055
采样定时k下的事前推定值
K[k]：采样定时k下的卡尔曼增益
P[k|k]：采样定时k下的事后误差协方差矩阵(日文：共分散行列)
P[k|k-1]：采样定时k下的事前误差协方差矩阵
y[k]：采样定时k下的大腿姿势检测单元的观测值(计测值)
C：观测矩阵
Q：未知干扰γ的协方差矩阵
R：观测杂音v的协方差矩阵
优选的是，所述大腿相位角算出单元构成为，算出已完成的过去的步行周期中的推定髋关节角度的摆动中心点与髋关节角度零点的偏差，对在当前时间点的步行周期中从所述大腿姿势检测单元输入的角度关联信号进行与所述偏差相应的修正，将修正后的角度关联信号用作所述状态推定器的观测值。
可以是，本发明的步行动作辅助装置具备穿戴于使用者的大腿的大腿侧支具、和穿戴于使用者的小腿且以能够绕使用者的膝关节转动的方式与所述大腿侧支具连结的小腿侧支具，所述致动器安装于所述大腿侧支具并能够对所述小腿侧支具赋予绕膝关节的辅助力。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的步行动作辅助装置的立体图。
图2是所述步行动作辅助装置的局部主视图。
图3是所述步行动作辅助装置的局部分解立体图，示出从使用者宽度方向外侧观察到的状态。
图4是所述步行动作辅助装置的局部分解立体图，示出从使用者宽度方向内侧观察到的状态。
图5是所述步行动作辅助装置中的大腿框架及小腿框架的分解立体图。
图6是所述步行动作辅助装置中的致动器单元的局部纵剖视图。
图7是沿着图2中的VII-VII线的端面图。
图8是所述步行动作辅助装置的控制框图。
图9(a)是示意性地示出步行时的使用者的包含大腿及小腿的腿部的绕髋关节的动作的示意侧视图，图9(b)是示出近似使用者的腿部的绕髋关节的动作的棒状刚体的摆动动作的示意侧视图。
图10是通过将由所述步行动作辅助装置中的控制装置算出的推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000062
及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000061
遍及一个步行周期进行标绘而得到的轨迹线图。
图11是按照每个步行周期标绘由所述控制装置算出的大腿相位角φ而得到的图表。
图12是示出一个步行周期中的步行状态的推移的示意图。
图13(a)及(b)分别是示出预先存储于所述控制装置的、表示一个步行周期中的步行状态与致动器单元应输出的辅助力之间的关系的辅助力控制数据的一例及另一例的图表。
图14是由所述控制装置执行的致动器工作控制模式的流程图。
图15是图14的流程图中的相位模式函数(日文：位相パターン関数)生成处理的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的步行动作辅助装置的一个实施方式进行说明。
图1及图2分别示出本实施方式的步行动作辅助装置1的立体图及局部主视图。
另外，图3及图4分别示出从所述步行动作辅助装置1的宽度方向外侧及内侧观察到的局部分解立体图。
所述步行动作辅助装置1是腿不自由的人或由于中风等而有偏瘫的使用者为了辅助步行或者为了康复而穿戴的器具，构成为能够由附设的致动器单元100赋予步行辅助力。
本实施方式的步行动作辅助装置1构成为能够由所述致动器单元100对小腿赋予步行辅助力。
详细而言，如图1～图4所示，所述步行动作辅助装置1具备穿戴于使用者的大腿的大腿侧支具10、穿戴于使用者的小腿的小腿侧支具30、以及安装于所述大腿侧支具10并能够对所述小腿侧支具30赋予绕膝关节的辅助力的致动器单元100。
在本实施方式中，所述大腿侧支具10具有穿戴于使用者的大腿的大腿穿戴体15、和与所述大腿穿戴体15连结的大腿框架20。
所述大腿穿戴体15只要能够穿戴于使用者的大腿则能够采取各种形态。
在本实施方式中，如图1所示，所述大腿穿戴体15形成为具有能够供使用者的大腿***且对于大腿来说合身那样的大小的穿戴孔的筒状。
如图1～图4所示，所述大腿框架20具有在使用者的宽度方向外侧沿着使用者的大腿上下延伸的第1大腿框架20(1)。
在本实施方式中，如图1～图4所示，所述大腿框架20还具有以夹着***到所述大腿穿戴体10的使用者的大腿而与所述第1大腿框架20(1)相对的方式在使用者的宽度方向内侧沿着使用者的大腿上下延伸的第2大腿框架20(2)。
在本实施方式中，所述小腿侧支具30具有穿戴于使用者的小腿的小腿穿戴体35、和与所述小腿穿戴体35连结的小腿框架40。
所述小腿穿戴体35只要能够穿戴于使用者的小腿则能够采取各种形态。
在本实施方式中，如图1所示，所述小腿穿戴体35形成为具有能够供使用者的小腿***且对于小腿来说合身那样的大小的穿戴孔的筒状。
如图1～图4所示，所述小腿框架40具有在使用者的宽度方向外侧沿着使用者的小腿上下延伸的第1小腿框架40(1)。
在本实施方式中，如图1～图4所示，所述小腿框架40还具有以夹着***到所述小腿穿戴体30的使用者的小腿而与所述第1小腿框架40(1)相对的方式在使用者的宽度方向内侧沿着使用者的小腿上下延伸的第2小腿框架40(2)。
在本实施方式中，所述小腿侧支具30还具有供使用者载置脚的脚穿戴体65、和支承所述脚穿戴体65且与所述小腿框架40连结的脚框架60。
所述小腿侧支具30以能够绕使用者的膝关节转动的方式与所述大腿侧支具10连结。
即，所述小腿框架40以能够绕使用者的膝关节的摆动轴线X转动的方式与所述大腿框架20连结。
如前所述，在本实施方式中，所述大腿框架20具有所述第1及第2大腿框架20(1)、20(2)，所述小腿框架40具有第1及第2小腿框架40(1)、40(2)。
因此，所述第1小腿框架40(1)以能够绕摆动轴线X转动的方式与所述第1大腿框架20(1)连结，所述第2小腿框架40(2)以能够绕摆动轴线X转动的方式与所述第2大腿框架20(2)连结。
图5示出所述大腿框架20及所述小腿框架40的分解立体图。
如图5所示，所述大腿框架20具有沿上下方向延伸的大腿框架主体21、和以夹着所述大腿框架主体21的下端部的方式通过销连结或焊接等固定安装于该大腿框架主体21的一对连结片22a、22b。
所述一对连结片22a、22b具有位于比所述大腿框架主体21远离使用者的腿的一侧的外侧连结片22a、和位于比所述大腿框架主体21靠近使用者的腿的一侧的内侧连结片22b。
所述小腿框架40以***所述一对连结片22a、22b之间的状态能够绕所述摆动轴线X转动地与所述一对连结片22a、22b连结。
详细而言，在所述一对连结片22a、22b及所述小腿框架40的上部形成有在与所述摆动轴线X同轴上沿着使用者宽度方向的安装孔23、43。
位于安装有所述致动器单元100侧(比使用者的对应的腿靠使用者宽度方向外侧)的、所述第1大腿框架20(1)及所述第1小腿框架40(1)经由第1转动连结件50(1)而以能够绕所述摆动轴线X转动的方式连结。
所述第1转动连结件50(1)具有在所述安装孔23、43内以能够互相分离的方式连结的第1内螺纹构件51(1)及第1外螺纹构件55(1)。
所述第1内螺纹构件51(1)具有从所述内侧连结片22b侧***所述安装孔23中的筒部52、和在比所述安装孔23靠使用者的腿的位置处从所述筒部52向径向外侧延伸的凸缘部53，在所述筒部52形成有向自由端侧开放的螺纹孔。
所述第1外螺纹构件55(1)具有从所述外侧连结片22a侧***所述安装孔23内的筒部56、和在比所述安装孔23远离使用者的腿的位置处从所述筒部56延伸的卡合凸部57。
在所述第1外螺纹构件55(1)的筒部56，形成有在所述安装孔23、43内向所述第1内螺纹构件51(1)的所述螺纹孔拧入的外螺纹。
通过使形成于所述第1外螺纹构件55(1)的外螺纹及所述第1内螺纹构件51(1)的内螺纹在所述安装孔23、43内拧入，从而所述第1小腿框架40(1)以能够相对于所述第1大腿框架20(1)摆动的方式与所述第1大腿框架20(1)连结。
位于比使用者的对应的腿靠使用者宽度方向内侧的位置的、所述第2大腿框架20(2)及所述第2小腿框架40(2)经由第2转动连结件50(2)而以能够绕所述摆动轴线X转动的方式连结。
所述第2转动连结件50(2)具有在所述安装孔23、43内以能够互相分离的方式连结的第2内螺纹构件51(2)及第2外螺纹构件55(2)。
所述第2内螺纹构件51(2)具有与所述第1内螺纹构件51(1)相同的构成。
所述第2外螺纹构件55(2)具有从所述外侧连结片22a侧***所述安装孔23内的筒部56、和在比所述安装孔23靠使用者宽度方向内侧处从所述筒部56向径向外侧延伸的凸缘部58。
在所述第2外螺纹构件55(2)的筒部56形成有在所述安装孔23、43内向所述第2内螺纹构件51(2)的所述螺纹孔拧入的外螺纹。
通过使形成于所述第2外螺纹构件55(2)的外螺纹及所述第2内螺纹构件51(2)的内螺纹在所述安装孔23、43内拧入，从而所述第2小腿框架40(2)以能够相对于所述第2大腿框架20(2)摆动的方式与所述第2大腿框架20(2)连结。
此外，图5的附图标记53a是设置于所述凸缘部53的径向外侧突起，通过与形成于所述内侧连结片22b的凹部卡合，从而所述内螺纹构件51以不能绕轴线相对旋转的方式保持于所述内侧连结片22b(即，所述大腿框架20)。
在本实施方式中，如图1～图4所示，所述步行动作辅助装置1还具有用于禁止所述小腿框架40相对于所述大腿框架20的绕摆动轴线X的转动的锁定构件70。
所述锁定构件70构成为，能够取得围绕所述大腿框架20及所述小腿框架40并将两框架20、40连结来防止所述小腿框架40相对于所述大腿框架20绕所述摆动轴线X相对旋转的锁定状态所示的状态(图1～图4所示的状态)、和解除所述大腿框架20及所述小腿框架40的连结来容许所述小腿框架40相对于所述大腿框架20绕所述摆动轴线X相对旋转的解除状态。
此外，在本实施方式中，所述锁定构件70具有作用于所述第1大腿框架20(1)及所述第1小腿框架40(1)的位于使用者宽度方向外侧的第1锁定构件70(1)、和作用于所述第2大腿框架20(2)及所述第2小腿框架40(2)的位于使用者宽度方向内侧的第2锁定构件70(2)。
另外，在本实施方式中，如图5所示，所述小腿框架40的上端面45(与所述大腿框架20相对的端面)形成为随着绕所述摆动轴线X从一侧去向另一侧而距所述摆动轴线X的径向距离增大那样的倾斜面，所述大腿框架20的下端面25(与所述小腿框架40相对的端面)形成为与所述小腿框架40的上端面45对应的倾斜面。
通过这样的构成，所述小腿框架40仅容许相对于所述大腿框架20绕所述摆动轴线X向一侧(使用者的小腿相对于大腿弯折的方向)的转动，向另一侧容许小腿相对于大腿伸展但不会进一步转动。
图6示出所述致动器单元100的局部纵剖视图。
如图1～图4及图6所示，所述致动器单元100具备上部框架120、以能够绕枢支轴线Y转动的方式与所述上部框架120连结的下部框架340、产生用于使所述下部框架340绕枢支轴线Y转动的驱动力的电动马达等驱动体110、使所述上部框架340与所述大腿框架20连结的上部连结体360、使所述枢支轴线Y位于与所述摆动轴线X同轴上的转动中心连结体180、以及下部连结体370。
在所述上部框架120及所述下部框架340分别设置有与所述枢支轴线Y配置在同轴上的上部框架安装孔120a及下部框架安装孔140a。
在所述下部框架安装孔140a固定安装有转动连结轴151，所述转动连结轴151经由轴承构件155而以能够绕轴线转动的方式被支承于所述上部框架安装孔120a，由此，所述下部框架340以能够绕所述枢支轴线Y转动的方式与所述上部框架120连结。
所述驱动体110具有电动马达等驱动源111、和将由所述驱动源111产生的驱动力向所述下部框架340传递的传动机构115。
所述驱动源111固定安装于所述上部框架120的外侧面。
在本实施方式中，如图6所示，所述驱动源111以输出轴111a向下方延伸的状态固定安装于所述上部框架120的外侧面。
在本实施方式中，如图6所示，所述传动机构115具备以不能相对旋转的方式被支承于所述输出轴111a的驱动侧锥齿轮116、和在以绕所述枢支轴线Y与所述下部框架340一体地旋转的方式与所述下部框架340连结的状态下与所述驱动侧锥齿轮116啮合的从动侧锥齿轮117。
此外，所述致动器单元100能够具有检测绕所述转动连结轴151的轴线的旋转角度的传感器(未图示)，能够由所述传感器检测所述转动连结轴151的绕轴线的旋转角度，能够识别所述下部框架340绕所述枢支轴线Y的摆动角度。
如图3及图4所示，所述上部连结体360具有以与枢支轴线Y平行且向使用者宽度方向外侧(所述上部框架120的方向)开放的方式设置于所述第1大腿框架20(1)的卡合孔361、和以能够与所述卡合孔361卡合的方式设置于所述上部框架120的卡合销362。
在本实施方式中，在所述上部连结体360具备锁定机构。
如图4所示，所述锁定机构具有：凸部366，所述凸部366从所述卡合销362的外表面沿着径向进退自如并能够取得从所述卡合销的外表面向径向外侧突出的卡合位置及退避到所述卡合销内的解除位置；施力构件(未图示)，所述施力构件对所述凸部366朝向卡合位置施力；凹部(未图示)，所述凹部以在所述卡合销362卡入到所述卡合孔361的状态下与所述凸部366卡合的方式设置于所述卡合孔；以及解除操作部367，所述解除操作部367与来自外部的人为操作相应地克服所述施力构件的作用力而向解除位置推动所述凸部366。
如图4及图6所示，所述转动中心连结体180具有以与所述摆动轴线X位于同轴上的方式设置于所述第1大腿框架20(1)或所述第1小腿框架40(1)的支具侧转动中心连构成件、和以与所述枢支轴线Y位于同轴上的方式设置于所述上部框架120或所述下部框架340的致动器侧转动中心连构成件185。
在本实施方式中，所述第1转动连结件50(1)中的所述卡合凸部27作为所述支具侧转动中心连构成件发挥作用。
所述致动器侧转动中心连构成件185具有能够装卸地凹凸卡合于所述支具侧转动中心连构成件(在本实施方式中为所述卡合凸部57)的致动器侧凹凸卡合部185a。
在本实施方式中，如图6所示，在所述上部框架120形成有供所述支具侧转动中心连构成件(在本实施方式中为所述卡合凸部57)以能够装卸且能够绕轴线转动的方式卡入的卡合凹部，所述卡合凹部作为所述致动器侧凹凸卡合部185a发挥作用。
如图3、图4及图6所示，所述下部连结体370以与所述下部框架340相对于所述上部框架120绕枢支轴线Y转动的动作相应地使所述第1小腿框架40(1)相对于所述第1大腿框架20(1)绕摆动轴线X转动的方式，使所述下部框架340与所述第1小腿框架40(1)连结。
详细而言，如图6所示，所述下部框架340具有经由所述转动连结轴151而以能够绕枢支轴线Y转动的方式与所述上部框架120连结的基端部341、和从所述基端部341向接近所述第1小腿框架40(1)侧延伸的顶端部345。
如图6等所示，在本实施方式中，所述基端部341以绕枢支轴线Y一体旋转的方式支承所述从动侧锥齿轮117，由此，所述从动侧锥齿轮117及所述基端部341通过来自所述驱动体110的旋转动力而绕枢支轴线Y一体转动。
在本实施方式中，所述基端部341形成为沿着大致垂直方向的平板状。
如图4及图6所示，所述顶端部345的顶端面346形成与所述第1小腿框架40(1)中的朝向使用者宽度方向外侧的外侧面相对的相对面。
所述顶端面346在与所述第1小腿框架40(1)的宽度方向(即，使用者前后方向)对应的宽度方向D上具有预定长度。
在本实施方式中，所述顶端部345形成为沿着大致水平方向的平板状，顶端面346形成为大致矩形。
如图4及图6所示，所述下部连结体370具有形成于所述顶端部345的支承孔371、进退自如地收容于所述支承孔371的卡合销372、对所述卡合销372施力的施力弹簧373、以及设置于所述顶端部345的卡合臂375。
所述支承孔371在所述相对面的宽度方向中间区域中向所述相对面开放且在与所述第1小腿框架40(1)的外侧面大致正交的方向上延伸。
所述卡合销372以能够在轴线方向上移动的方式收容于所述支承孔371，以取得顶端从所述相对面突出的突出位置及以比所述突出位置远离所述第1小腿框架40(1)的方式进入到所述支承孔371的退避位置。
所述施力弹簧373对所述卡合销371朝向突出位置施力。
在本实施方式中，所述施力弹簧373被***所述卡合销371的基端部与所述支承孔371的底面之间。
详细而言，在本实施方式中，所述支承孔371以一端侧向所述相对面开放且另一端侧向与所述相对面相反侧的背面开放的方式形成于所述顶端部345，所述支承孔371的另一端侧由固定安装于所述顶端部345的背面的封闭板348关闭。在该情况下，所述封闭板348形成所述支承孔371的底面。
所述卡合臂375具有从所述相对面向接近所述第1小腿框架40(1)侧沿着枢支轴线Y延伸的轴向延伸部376。
所述轴向延伸部376以所述第1小腿框架40(1)能够在所述下部框架340的宽度方向上配置于所述轴向延伸部376与所述卡合销372之间的方式设定了与所述卡合销372之间的宽度方向分离距离。
即，使所述卡合销372与所述轴向延伸部376之间的宽度方向分离距离比所述第1小腿框架40(1)的宽度大，以使得所述第1小腿框架40(1)能够在使用者前后方向上位于所述卡合销372与所述轴向延伸部376之间。
在此，对由所述下部连结体370实现的所述下部框架340向所述第1小腿框架40(1)的安装动作进行说明。
图7示出沿着图2中的VII-VII线的端面图。
在通过所述下部连结体370使所述下部框架340与所述第1小腿框架40(1)连结时，首先，一边使所述卡合销372克服所述施力弹簧373的作用力而位于退避位置，一边使所述致动器单元100在枢支轴线Y方向上相对移动至所述第1小腿框架40(1)在沿着枢支轴线Y的方向上与所述轴向延伸部376重合的位置。
此时，优选的是，能够经由所述第1小腿框架40(1)的外侧面进行所述卡合销372向退避位置的移动。
即，能够以在使所述第1小腿框架40(1)的外侧面与所述卡合销372抵接的状态下使所述卡合销372从突出位置向退避位置移动的方式，使所述致动器单元100相对于所述第1小腿框架40(1)向接近方向相对移动。
在图7中用虚线示出该状态。
若使所述下部框架340从在图7中虚线所示的状态起绕枢支轴线Y向连结方向(在图7中为顺时针方向)转动，则所述卡合销372与所述第1小腿框架40(1)的抵接被解除，所述卡合销372通过所述施力弹簧373的作用力而从退避位置位于突出位置。
由此，所述第1小腿框架40(1)在所述下部框架340的宽度方向(使用者前后方向)上由所述卡合销372及所述轴向延伸部376夹着(参照图7的实线)，在所述下部框架340能够相对于所述第1小腿框架40(1)沿框架长度方向相对移动的状态下，与所述下部框架340相对于所述上部框架120的绕所述枢支轴线Y的转动动作联动地使所述第1小腿框架40(1)相对于所述大腿框架20绕所述摆动轴线X转动的联动状态出现。
此外，通过进行与安装时相反的操作，能够通过所述下部连结体370取下与所述第1小腿框架40(1)连结着的所述下部框架340。
即，在通过所述下部连结体370将所述下部框架340连结于所述第1小腿框架40(1)时，所述卡合销372通过所述施力弹簧373的作用力而位于突出位置。
一边通过人为操作力克服所述施力弹簧373的作用力而将该突出位置的所述卡合销372推动至退避位置，一边使所述下部框架340绕枢支轴线Y向解除方向(在图7中为逆时针方向)转动，而使所述卡合销372的顶端部与所述第1小腿框架40(1)的外侧面抵接的状态(图7的虚线的状态)出现。
然后，通过使所述第1小腿框架40(1)及所述下部框架340向互相分离的方向相对移动，能够将所述下部框架340从所述第1小腿框架40(1)取下。
优选的是，所述卡合臂375包括宽度方向延伸部377，所述宽度方向延伸部377从所述轴向延伸部376在所述相对面的宽度方向W上向接近所述卡合销372的方向延伸，并在所述下部框架340与所述第1小腿框架40(1)的连结了状态下与所述第1小腿框架40(1)的内侧面(在使用者宽度方向上朝向内侧的侧面)相对。
所述宽度方向延伸部377构成为，以所述第1小腿框架40(1)能够配置在由所述卡合销372、形成所述相对面的所述顶端面346、所述轴向延伸部376以及所述宽度方向延伸部377包围的保持空间370S(参照图4)内的方式，使与所述顶端面346之间的轴向分离距离比所述第1小腿框架40(1)的厚度大。
通过在所述卡合臂375具备所述宽度方向延伸部377，能够在所述下部框架340通过所述下部连结体370与所述第1小腿框架40(1)连结了的状态下，有效地防止所述下部框架340及所述第1小腿框架40(1)向沿着枢支轴线Y方向分离的方向相对移动，由此，能够有效地防止所述下部框架340违背意愿地从所述第1小腿框架40(1)脱离。
在本实施方式中，所述卡合臂375具有分别设置于所述相对面的宽度方向一侧及另一侧的第1及第2卡合臂375(1)、375(2)，即使从图7的虚线所示的状态起使所述下部框架340绕枢支轴线Y向任意方向转动，也能够使所述下部框架340与所述第1小腿框架40(1)连结。
另外，在本实施方式中，如图7所示，摆动轴线X相对于所述第1小腿框架40(1)的宽度方向(使用者前后方向)的中心向所述第1小腿框架40(1)的宽度方向(使用者前后方向)一侧偏移。在图7中，摆动轴线X相对于所述第1小腿框架40(1)的宽度方向中心在使用者前后方向上向后方偏移。
在这样的情况下，通过使所述卡合销372配置于所述下部框架40的宽度方向(使用者前后方向)的中央，并且所述卡合臂375构成为具有夹着所述卡合销372位于所述下部框架40的宽度方向一侧及另一侧(在使用者前后方向上为前方侧及后方侧)的所述第1及第2卡合臂375(1)、375(2)，从而使所述致动器单元100在步行动作辅助装置1的左脚侧及右脚侧均能够安装。
即，能够在使所述致动器单元100安装于所述步行动作辅助装置1的左脚侧的情况下，由所述卡合销372和所述第1卡合臂375(1)夹着所述第1小腿框架40(1)，另一方面，能够在使所述致动器单元100安装于所述步行动作辅助装置1的右脚侧的情况下，由所述卡合销372和所述第2卡合臂375(2)夹着所述第1小腿框架40(1)。
此外，在本实施方式中，如图7所示，所述致动器单元100以由所述卡合销372和在使用者前后方向上位于前方的所述第1卡合臂375(1)夹着所述第1小腿框架40(1)的方式安装，但在想要扩大所述第1小腿框架40(1)相对于所述第1大腿框架20(1)转动的转动角度的情况下，能够使所述致动器单元100以由所述卡合销372和在使用者前后方向上位于后方的所述第2卡合臂375(2)夹着所述第1小腿框架40(1)的方式进行安装。
即，当由所述卡合销372和在使用者前后方向上位于前方的所述第1卡合臂375(1)夹着所述第1小腿框架40(1)时，在从使用者宽度方向内侧观察时，所述下部框架340的初期姿势(在安装有所述致动器单元100的状态下使用者采取大致直立姿势时的所述下部框架340的姿势，图7的实线所示的姿势)采取从水平姿势(图7的虚线所示的姿势)起绕枢支轴线Y向顺时针方向旋转了预定角度α后的姿势。
在此，若考虑使用者将带所述致动器单元100的步行动作辅助装置1穿戴于左腿而步行时的左腿的动作，则在进行小腿相对于大腿弯折的动作时，所述第1小腿框架40(1)在从使用者宽度方向内侧观察的状态下相对于所述第1大腿框架20(1)向顺时针方向转动。
因此，若在使所述致动器单元100安装于所述步行动作辅助装置1的状态的初期姿势下，在从使用者宽度方向内侧观察时，所述下部框架340从水平姿势(图7的虚线所示的姿势)起绕枢支轴线Y向顺时针方向旋转了预定角度α，则为了辅助使用者弯曲膝的动作而能够将小腿相对于大腿向弯折方向推动的范围、也就是在从使用者宽度方向内侧观察时能够使所述下部框架340绕枢支轴线Y向顺时针方向转动的转动范围，以水平姿势为基准缩小所述预定角度α的量。
与此相对，如果以由所述卡合销372和在使用者前后方向上位于后方的所述第2卡合臂375(2)夹着所述第1小腿框架40(1)的方式安装所述致动器单元100，则所述下部框架340在初期姿势(使用者成为大致直立状态的姿势)下，在从使用者宽度方向内侧观察时，采取从水平姿势(图7的虚线所示的姿势)起绕枢支轴线Y向逆时针方向旋转了预定角度α后的姿势。
因此，能够使为了辅助使用者的步行动作而能够向弯曲膝的方向施加推动力的范围、也就是在从使用者宽度方向内侧观察时能够使所述下部框架340绕枢支轴线Y向顺时针方向转动的转动范围以水平姿势为基准扩大所述预定角度α的量。
在此，对本实施方式的步行动作辅助装置1的控制构造进行说明。
本实施方式的步行动作辅助装置1基于大腿相位角来识别步行周期中的步行状态，以赋予适合于该步行状态的步行辅助力的方式进行所述致动器单元100的工作控制。
如前所述，在本实施方式中，所述致动器单元100对小腿赋予步行辅助力。
即，本实施方式的步行动作辅助装置1构成为，检测与作为控制对象部位的小腿不同的大腿的动作，基于该大腿的动作进行对作为控制对象部位的小腿赋予步行辅助力的所述致动器单元100的工作控制。
图8示出所述步行动作辅助装置1的控制框图。
如图8所示，所述步行动作辅助装置1具备：大腿姿势检测单元510，所述大腿姿势检测单元510能够检测与作为使用者的大腿的前后摆动角度的髋关节角度相关联的角度关联信号；大腿相位角算出单元550，所述大腿相位角算出单元550基于所述角度关联信号来算出大腿相位角φ；步行动作定时算出单元560，所述步行动作定时算出单元560将所述大腿相位角φ变换为步行周期中的步行状态(步行动作定时)；辅助转矩算出单元570，所述辅助转矩算出单元570算出在所述步行动作定时下应输出的转矩值；以及工作控制单元580，所述工作控制单元580掌管所述致动器单元100(所述驱动体110)的工作控制。
如图1所示，本实施方式的所述步行动作辅助装置1具备控制装置500。
在本实施方式中，如图8所示，所述控制装置500作为所述大腿相位角算出单元550、所述步行动作定时算出单元560、所述辅助转矩算出单元570以及所述工作控制单元580发挥作用。
所述控制装置500具有：运算部，所述运算部包括基于从所述大腿姿势检测单元510、人为操作构件等输入的信号来执行运算处理的控制运算单元；和存储部，所述存储部包括存储控制程序、控制数据等的ROM、将设定值等以即使切断电源也不丢失的状态进行保存且能够改写所述设定值等的非易失性存储单元以及暂时保持所述运算部的运算中生成的数据的RAM等。
所述大腿姿势检测单元510在一个步行周期中按照每个预先设定的预定采样定时检测所述角度关联信号。
所述大腿姿势检测单元510只要能够直接或间接地检测大腿的前后摆动角度(髋关节角度)，则可以具有陀螺仪传感器、加速度传感器、旋转编码器等各种形态。
在本实施方式的所述步行动作辅助装置1中，所述大腿姿势检测单元510具有能够检测大腿的前后摆动角速度的3轴角速度传感器(陀螺仪传感器)511。
此外，本实施方式的步行动作辅助装置1具有3轴加速度传感器515，所述大腿相位角算出单元550构成为将在静止时由所述3轴加速度传感器515检测的铅垂轴Z用作髋关节角度(大腿的前后摆动角度)的基准轴。
在图9(a)中示出示意性地表示步行时的使用者的包含大腿及小腿的腿部的绕髋关节的动作的示意侧视图。
在本实施方式中，所述大腿相位角算出单元550构成为，用图9(b)所示那样的、在顶端部安装有预定质量m的质点M的预定长度l的棒状刚体600以基端部为摆动中心610进行摆动动作的动作来近似步行时的使用者的包含大腿及小腿的腿部的绕髋关节的动作，使用针对该摆动动作的运动方程式而设计的状态推定器得到一个采样定时k下的推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000201
及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000202
此外，m及l通过实验等按照每个使用者而设定，棒状刚体600的质量设为0。
详细而言，沿着所述质点M的摆动轨迹的圆Q的切线方向上的带有所述质点M的棒状刚体600的运动方程式为式(8)。
[数学式8]
Figure GDA0003902607490000203
在式(8)中，θ(t)是由棒状刚体600相对于通过摆动中心的铅垂轴的摆动角表示的、作为使用者的大腿的前后摆动角度的髋关节角度。
另外，g是重力加速度，μ是由粘性摩擦引起的棒状刚体的绕摆动中心的摩擦力所引起的粘性摩擦系数，γ是也包含使用者的髋关节转矩的未知干扰。
在此，在θ(t)收敛于比较小的摆动范围时，sinθ(t)θ(t)的近似成立，应用该近似，并且，将用所述质点M的摆动角及摆动角速度近似的使用者的髋关节角θ及髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000211
汇总为下述式(9a)的矢量，若使用该矢量改写式(8)则成为下述式(9b)。
[数学式9]
Figure GDA0003902607490000212
Figure GDA0003902607490000213
若使用矢量x(t)(参照式(9a))改写式(9b)，则成为式(10a)及式(10b)。
[数学式10]
Figure GDA0003902607490000214
y(t)＝Cx(t)+v(t)···(10b)
其中，式(10a)中的系数A及G如以下所述。
[数学式6]
Figure GDA0003902607490000215
[数学式7]
Figure GDA0003902607490000216
若用离散时间表现(采样定时k)来表示式(10a)及式(10b)，则成为式(1a)及式(1b)。
[数学式1]
x[k+1]＝Fx[k]+Gdγ[k]···(1a)
y[k]＝Cx[k]+v[k]···(1b)
式(1a)及式(1b)中的[]内表示采样定时。
即，x[k+1]意味着采样定时k+1下的x的值，x[k]意味着采样定时k下的x的值，γ[k]意味着采样定时k下的未知干扰的值，v[k]意味着采样定时k下的观测杂音的值。
另外，式(1a)中的F及Gd分别如以下所述。
此外，在式(1a)中，作用于髋关节的使用者的肌力转矩作为未知量包含于未知干扰γ。
[数学式4]
F＝eAΔt···(4)
其中，上式右边表示矩阵指数函数。
[数学式5]
Gd＝∫0 ΔteAτGdτ···(5)
在本实施方式中，所述大腿相位角算出单元550使用卡尔曼滤波器作为状态推定器。
基于卡尔曼滤波器的推定式由式(2a)～式(2e)表示。
[数学式2]
Figure GDA0003902607490000221
Figure GDA0003902607490000222
K[k]＝P[k|k-1]CT(CP[k|k-1]CT+R)-1···(2c)
Figure GDA0003902607490000223
P[k|k]＝(I-K[k]C)P[k|k-1]···(2e)
此外，式(2a)～式(2e)的符号如以下所述。另外，式中的右肩符号T表示矩阵的转置操作。
Figure GDA0003902607490000224
采样定时k下的事后推定值
Figure GDA0003902607490000225
采样定时k下的事前推定值
K[k]：采样定时k下的卡尔曼增益
P[k|k]：采样定时k下的事后误差协方差矩阵
P[k|k-1]：采样定时k下的事前误差协方差矩阵
y[k]：采样定时k下的大腿姿势检测单元的观测值(计测值)
C：观测矩阵
Q：未知干扰γ的协方差矩阵
R：观测杂音v的协方差矩阵
在此，所述大腿相位角算出单元550按照每个采样定时，根据推定误差及观测误差的大小而算出卡尔曼增益。
即，所述大腿相位角算出单元550按照每个采样定时，通过式(2c)、式(2d)以及式(2e)来算出推定误差及观测误差的协方差为最小的值，将该值用作该采样定时下的卡尔曼增益K[k]。
此外，所述卡尔曼滤波器通过式(2a)～式(2e)来算出推定髋关节角度和推定髋关节角速度，此时，采样定时k下的卡尔曼增益K[k]在每个采样定时下通过式(2c)～式(2e)来计算，但也可以通过由下述式(11a)以及式(11b)简易地事前计算出的值K来代替按照每个采样定时算出卡尔曼增益K[k]。即，用作K[k]＝K。
[数学式11]
K＝PCT(CPCT+R)-1···(11a)
Figure GDA0003902607490000231
K：稳定卡尔曼增益
P：稳定误差协方差矩阵
所述大腿相位角算出单元550使用式(1a)，预测以一个采样定时k下的矢量值x[k]为基础的前一个采样定时k+1下的矢量值x[k+1](以下，称为预测值)。
所述大腿相位角算出单元550在得到在采样定时k下算出的最佳的卡尔曼增益K[k]、或者稳定卡尔曼增益K的基础上，将在前一个采样定时k-1的时间点下通过式(2a)算出的前一个采样定时的预测值用作采样定时k下的事前推定值
Figure GDA0003902607490000232
通过式(2b)算出该采样定时k下的事后推定值
Figure GDA0003902607490000233
所述大腿相位角算出单元550使用事后推定值
Figure GDA0003902607490000234
中包含的推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000241
及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000242
来算出采样定时k下的大腿相位角φ(k)
Figure GDA0003902607490000243
根据这样的构成，能够得到下述效果。
即，通过对由陀螺仪传感器等检测出的髋关节角度执行微分处理及低通处理，也能够得到一个采样定时下的髋关节角度及髋关节角速度，并基于该髋关节角度及髋关节角速度来算出大腿相位角(以下，称为比较构成)。
然而，在所述比较构成中，由微分处理导致强调杂音成分，并且也产生因进行低通处理而引起的时间延迟。
与此相对，在本实施方式中，如前所述，用棒状刚体600的摆动动作来近似步行时的使用者的腿部的动作，使用针对该摆动动作的运动方程式而设计的状态推定器来得到采样定时k下的推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000244
及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000245
因此，能够有效地防止或减少由微分处理引起的杂音成分的强调、以及由低通处理引起的时间延迟，并且能够得到推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000246
及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000247
此外，在本实施方式中，使用卡尔曼滤波器作为状态推定器，但也可以取而代之而使用观测器等其他的状态推定器。
如图8所示，在本实施方式中，所述大腿相位角算出单元550构成为，对来自所述大腿姿势检测单元510的髋关节角度关联信号进行旋转中心修正，使用修正后的髋关节角度关联信号来算出推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000248
及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000249
具体而言，所述大腿相位角算出单元550算出已完成的过去的步行周期中的推定髋关节角度
Figure GDA00039026074900002410
的摆动中心点，并算出所述摆动中心点相对于髋关节角度零点的偏差。
在此基础上，所述大腿相位角算出单元550对在当前时间点的步行周期中从所述大腿姿势检测单元510输入的角度关联信号进行与所述偏差相应的修正e，将修正后的角度关联信号用作所述状态推定器的观测值。
根据这样的构成，能够提高由所述大腿相位角算出单元550算出的相位角φ的精度。
此外，在算出所述摆动中心点时作为对象的步行周期可以是在该时间点下已完成的全部步行周期，或者，也可以是在该时间点下已完成的步行周期中的最近的预定次数(例如，5次或10次等)的步行周期。
另外，算出所述摆动中心点时作为对象的相位角可以是作为算出对象的一个步行周期中的全部采样点，或者，也可以是作为算出对象的一个步行周期中的“正”的最大相位角及“负”的最大相位角。
在本实施方式中，所述大腿相位角算出单元550构成为，将由推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000251
及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000252
划出的大腿动作状态在相位角平面上进行标绘而生成轨迹线图。
在图10中示出通过将由推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000253
及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000254
划出的大腿动作状态(步行状态)遍及一个步行周期进行标绘而得到的轨迹线图。
如图10所示，由推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000255
及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000256
确定的大腿相位角φ以在一个步行周期中在0～2π之间变化的方式被定义。
详细而言，将大腿位于比铅垂轴靠前方及靠后方的状态的髋关节角度分别设为“正”及“负”，将大腿朝向前方及后方摆动的状态的髋关节角速度分别设为“正”及“负”。
在该条件下，在将推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000257
在“正”的方向上为最大且推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000258
为“零”的状态(图10的点P)下的相位角设为0时，图10的步行区域A1(从推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000259
在“正”的方向上为最大且推定髋关节角速度
Figure GDA00039026074900002510
为“零”的状态到推定髋关节角度
Figure GDA00039026074900002511
为“零”且推定髋关节角速度
Figure GDA00039026074900002512
在“负”的方向上为最大的状态为止的步行区域)相当于相位角0～π/2。
另外，图10中的步行区域A2(从推定髋关节角度
Figure GDA00039026074900002513
为“零”且推定髋关节角速度
Figure GDA00039026074900002514
在“负”的方向上为最大的状态到推定髋关节角度
Figure GDA00039026074900002515
在“负”的方向上为最大且推定髋关节角速度
Figure GDA00039026074900002516
为“零”的状态为止的步行区域)相当于相位角π/2～π。
而且，图10中的步行区域A3(从推定髋关节角度
Figure GDA00039026074900002517
在“负”的方向上为最大且推定髋关节角速度
Figure GDA00039026074900002518
为“零”的状态到推定髋关节角度
Figure GDA00039026074900002519
为“零”且推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000261
在“正”的方向上为最大的状态为止的步行区域)相当于相位角π～3π/2。
另外，图10中的步行区域A4(从推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000262
为“零”且推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000263
在“正”的方向上为最大的状态到推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000264
在“正”的方向上为最大且推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000265
为“零”的状态为止的步行区域)相当于相位角3π/2～2π。
以每一个步行周期中包含多个采样点的方式设定所述大腿姿势检测单元510的采样定时，所述大腿相位角算出单元550按照每个采样定时算出大腿相位角φ。
在本实施方式中，所述大腿相位角算出单元550判断由推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000266
k及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000267
k划出的轨迹线图上的标绘点Sk的矢量长度(轨迹线图的原点(即，推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000268
k及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000269
k为零的点)与标绘点Sk之间的距离)是否超过预定的阈值，当所述矢量长度超过预定的阈值时，算出基于推定髋关节角度
Figure GDA00039026074900002610
k及推定髋关节角速度
Figure GDA00039026074900002611
k的大腿相位角φk，将大腿相位角φk向所述步行动作定时算出单元560发送。
与此相对，在所述矢量长度为预定的阈值以下的情况下，所述大腿相位角算出单元550输出致动器工作禁止信号。
通过具备这样的构成，尽管未开始步行动作，也能够有效地防止所述步行动作辅助装置1使所述致动器单元100工作的情形。
即，在穿戴了所述步行动作辅助装置1的使用者开始步行动作之前，存在违背意愿地在微小的范围内发生姿势变动的情况。特别是，在使用者有偏瘫等的情况下，容易发生这样的情况。
如果所述大腿相位角算出单元550具备所述构成，则这样的微小的姿势变动作为矢量长度短的矢量被检测。
因此，通过仅在由推定髋关节角度
Figure GDA00039026074900002612
k及推定髋关节角速度
Figure GDA00039026074900002613
k划出的矢量Vk(参照图10)的矢量长度超过预定的阈值的情况下判断为正在进行步行动作，从而尽管未开始步行动作，也能够有效地防止违背意愿而所述致动器单元100工作的情况。
所述步行动作定时算出单元560具有规定大腿相位角φ与步行周期中的步行动作定时之间的关系的相位模式函数，将从所述大腿相位角算出单元550发送来的一个采样定时下的大腿相位角φ应用于所述相位模式函数来算出所述一个采样定时相当于步行周期中的哪个步行动作定时。
而且，所述步行动作定时算出单元560每当步行周期完成时，针对包含将该完成的步行周期中的大腿相位角φ和与所述大腿相位角对应的步行动作定时建立了关联的最新相位角数据、和在该时间点下已存储的过去相位角数据的有效相位角数据，通过最小二乘法来算出最新的相位模式函数，覆盖保存所算出的最新的相位模式函数。
详细而言，如图11所示，在所述步行动作定时算出单元560中，在初期状态下，保存有初期相位模式函数φ(α)(C0)作为所述相位模式函数。
该初期相位模式函数φ(α)(C0)按照每个使用者而生成，并预先存储于所述步行动作定时算出单元560。
例如，在第1次的步行周期C1中，所述大腿相位角算出单元550算出φk作为一个采样定时Sk下的大腿相位角，并发送到所述步行动作定时算出单元560。
在该时间点下第1次的步行周期C1未完成，因此，所述步行动作定时算出单元560具有所述初期相位模式函数φ(α)(C0)作为所述相位模式函数。
因此，如图11所示，所述步行动作定时算出单元560将从所述大腿相位角算出单元550发送来的大腿相位角φk应用于所述初期相位模式函数φ(α)(C0)，来算出与所述一个采样定时k对应的保存周期步行动作定时tk，并向所述辅助转矩算出单元570发送。
所述步行动作定时算出单元560重复该处理直到第1次的步行周期C1完成为止。
此外，一个步行周期的完成例如能够根据由推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000271
及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000281
划出的大腿相位角φ是否返回到预先设定的步行周期基准角来进行判断。
所述步行动作定时算出单元560在第1次的步行周期C1完成时，将在该完成的第1次的步行周期C1中从所述大腿相位角算出单元550接收到的大腿相位角和与所述大腿相位角对应的步行动作定时建立了关联的状态的最新相位角数据加到在该时间点下已存储的过去相位角数据(在该例中为由初期相位模式函数φ(α)(C0)生成的相位角数据)上，生成在该时间点下有效的有效相位角数据，针对所述有效相位角数据使用最小二乘法算出最新相位角模式函数(在该例中为第1步行周期完成时相位模式函数φ(α)(C1))，覆盖保存所述最新相位角模式函数。
具体而言，当第1步行周期C1完成时，所述步行动作定时算出单元560针对在该时间点下有效的所述有效相位角数据通过最小二乘法来算出
φ(α)(C1)＝a0(1)+a1(1)α+a2(1)α2+…+am(1)αm
的系数参数，并将所述φ(α)(C1)作为大腿相位角的相位模式函数进行保存。在上式中，m为正整数。
然后，所述步行动作定时算出单元560在第2步行周期C2中，使用在该时间点下已存储的第1步行周期完成时相位模式函数φ(α)(C1)来算出保存周期步行动作定时tk。
当第2步行周期C2完成时，所述步行动作定时算出单元560针对在该时间点下有效的所述有效相位角数据通过最小二乘法来算出
φ(α)(C2)＝a0(2)+a1(2)α+a2(2)α2+…+am(2)αm
的系数参数，将所述φ(α)(C2)作为大腿相位角的相位模式函数进行覆盖保存。
然后，所述步行动作定时算出单元560在第3步行周期C3中，使用在该时间点下已存储的第2步行周期完成时相位模式函数φ(α)(C2)来算出保存周期步行动作定时。
所述步行动作定时算出单元560重复该处理。
此外，所述有效相位角数据也可以包含在该时间点下已完成的全部的步行周期中的相位角数据，也可以取而代之，而根据所述步行动作定时算出单元560中的存储容量，仅限制为最近的预定次数(例如，100次)的步行周期中的相位角数据。
在本实施方式中，所述步行动作定时算出单元560通过具备下述构成，防止了异常的相位角数据包含于算出相位角模式函数时的有效相位角数据。
即，所述步行动作定时算出单元560算出基于从所述大腿相位角算出单元550接收到的一个采样定时k下的大腿相位角φk而算出的当前周期步行动作定时Tk、与将所述大腿相位角φn应用于在该时间点下已存储的所述相位模式函数φ(α)而算出的保存周期步行动作定时tk之间的差异ΔT。
在此，所述当前周期步行动作定时Tk通过
Tk＝(φk/2π)×100(％)
来算出。
在所述差异ΔT的绝对值为预定阈值以下的情况下，所述步行动作定时算出单元560存储所述当前周期步行动作定时Tk作为在步行周期完成时算出新的相位模式函数φ(α)时所使用的有效相位角数据。
即，在所述差异ΔT的绝对值为预定阈值以下的情况下，所述步行动作定时算出单元560在一个步行周期完成时算出最新相位模式函数时，存储所述当前周期步行动作定时Tk作为在该一个步行周期中与从所述大腿相位角算出单元550接收到的大腿相位角φ建立关联的步行动作定时。
与此相对，在所述差异ΔT的绝对值超过预定阈值的情况下，所述步行动作定时算出单元560存储所述保存周期步行动作定时tk作为在步行周期完成时算出最新相位模式函数时所使用的有效相位角数据。
即，在所述差异ΔT的绝对值超过预定阈值的情况下，所述步行动作定时算出单元560在一个步行周期完成时算出最新相位模式函数时，存储所述保存周期步行动作定时tk作为在该一个步行周期中与从所述大腿相位角算出单元550接收到的大腿相位角φ建立关联的步行动作定时。
通过具备这样的构成，能够有效地防止因某些理由而成为了异常值的当前周期步行动作定时Tk包含于相位模式函数算出时的对象数据(有效相位角数据)。
所述辅助转矩算出单元570具有规定步行动作定时与应输出的转矩值之间的关系的输出转矩模式，将从所述步行动作定时算出单元560发送来的步行动作定时应用于所述输出转矩模式来算出在该采样定时Sn下应输出的转矩值。
所述输出转矩模式针对每个使用者而生成，并预先存储于所述辅助转矩算出单元570。
所述工作控制单元580以输出由所述辅助转矩算出单元570算出的转矩值的辅助力的方式，执行所述致动器单元100的工作控制。
这样，本实施方式的步行动作辅助装置1构成为，基于大腿相位角φ来掌握步行周期中的步行状态(步行动作定时)，并输出与所述步行状态相应的辅助力。
因此，能够准确地识别步行状态(步行动作定时)，输出适合于步行状态的辅助力。
另外，本实施方式的步行动作辅助装置1构成为将大腿相位角φ应用于在该时间点下已存储的相位模式函数来算出步行状态(步行动作定时)。
因此，即使在步行周期中发生了不规则的步行动作，也能够输出修正后的状态的辅助力。
另外，在本实施方式的步行动作辅助装置1中，所述大腿相位角算出单元550仅在由推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000301
及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000302
划出的轨迹线图上的标绘点的矢量长度超过预定的阈值的情况下，算出基于推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000303
及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000304
的大腿相位角φ，将大腿相位角φ向所述步行动作定时算出单元发送，另一方面，在所述矢量长度为预定的阈值以下的情况下，输出致动器工作禁止信号。
因此，在穿戴了所述步行动作辅助装置1的使用者违背意愿地发生姿势变动的情况下，尽管未开始步行动作，也能够有效地防止所述致动器单元100输出步行辅助力。
而且，如前所述，本实施方式的步行动作辅助装置1构成为，在基于大腿相位角φ来识别一个步行周期中的步行状态后，由所述致动器单元100对小腿赋予步行辅助力。
因此，对于由于中风等而有偏瘫的使用者也能够提供准确的步行辅助力。
即，构成为由致动器单元赋予步行辅助力的以往的步行辅助装置构成为，检测由所述致动器单元赋予辅助力的控制对象部位的动作，并基于其检测结果进行所述致动器单元的工作控制。
例如，在对大腿供给步行辅助力的以往的步行辅助装置中，基于大腿的动作的检测结果，进行对大腿赋予步行辅助力的致动器的工作控制。
另外，在对小腿供给步行辅助力的以往的步行辅助装置中，基于小腿的动作的检测结果，进行对小腿赋予步行辅助力的致动器的工作控制。
然而，在由于中风等而有偏瘫的患者的情况下，虽然能够比较正常地进行大腿的步行动作(绕髋关节的前后摆动动作)，但大多无法正常地进行小腿的步行动作(绕膝关节的前后摆动动作)。
若欲对这样的患者赋予对小腿的步行辅助力，则在所述以往的步行辅助装置中，基于无法进行正常的步行动作的小腿的动作，进行对小腿提供步行辅助力的致动器的工作控制，有可能无法提供准确的步行辅助力。
与此相对，如前所述，本实施方式的所述步行动作辅助装置1构成为基于大腿相位角φ来进行对小腿赋予步行辅助力的所述致动器单元100的工作控制。
因此，即使在使用者由于中风等而有偏瘫的情况下，也能够对小腿提供准确的步行辅助力。
在此，对步行动作所需的步行辅助力进行说明。
图12示出在一个步行周期中变化的步行状态的示意图。
如图12所示，一个步行周期包括在包含使脚后跟在比铅垂轴靠前方侧处接地的脚后跟接地时间点的脚后跟接地期(踏出的脚接地前后的期间)X1、在脚后跟接地后使该脚后跟接地的腿在接地的状态下向后方侧相对移动的立腿期(接地的下肢相对于身体相对地向后方移动的期间)X2、以及从立腿期X2的结束时间点起使站立的腿提起并向前方侧相对移动的抬腿(自由腿)期X3。
图13(a)示出由所述输出转矩模式划出的辅助力的变化模式的一例。
在图13(a)所示的一例中，所述输出转矩模式包括：第1转矩模式Y1，所述第1转矩模式Y1用于在所述脚后跟接地期X1中使所述小腿侧支具30绕膝关节向膝伸展方向转动而防止膝弯折；第2转矩模式Y2，所述第2转矩模式Y2在所述立腿期X2中使所述小腿侧支具30绕膝关节向膝伸展方向转动而防止膝弯折；第3转矩模式Y3，所述第3转矩模式Y3用于在从立腿期X2的结束时间点起使站立的腿提起并向前方侧相对移动的抬腿期X2的初期阶段X3a中，使所述小腿侧支具30绕膝关节向膝弯折方向转动来辅助腿的提起；以及第4转矩模式Y4，所述第4转矩模式Y4在所述抬腿期X3的后期阶段X3b中，使所述小腿侧支具30绕膝关节向膝伸展方向转动。
图13(b)示出由所述输出转矩模式划出的辅助力的变化模式的另一例。
在图13(b)所示的例子中，所述输出转矩模式仅包括所述第3转矩模式Y3及所述第4转矩模式Y4。
这样，通过使用表示步行周期中的步行状态(步行动作定时)与步行辅助力之间的关系的所述输出转矩模式来进行所述致动器单元100的工作控制，能够进行符合使用者的适当的步行辅助。
在图13(a)及(b)所示的例子中，将脚后跟接地设定为步行周期基准定时。
这样，通过将脚后跟接地设为步行周期基准定时，能够准确地掌握步行周期中的需要步行辅助力的定时。
脚后跟接地的定时能够通过各种方法来识别。
例如，在使以铅垂轴为基准而大腿朝向前方侧及后方侧摆动时的髋关节角速度分别为正及负的情况下，所述控制装置500能够构成为将从算出的髋关节角速度从正值转变成零的定时(图10中的P)起前进了预定相位角Δα的时间点识别为脚后跟接地时间点。
也可以取而代之，而在所述步行动作辅助装置1具备检测脚后跟接地的脚后跟接地检测单元，所述大腿相位角检测单元将由所述脚后跟接地检测单元检测出的定时识别为脚后跟接地时间点，将该定时下的大腿相位角φ识别为脚后跟接地相位角。
如本实施方式的步行动作辅助装置1那样，在具备所述加速度传感器515的情况下，能够将所述加速度传感器515兼用作所述脚后跟接地检测单元。
也可以取而代之，而另外设置能够检测脚后跟的接地的压力传感器，并使所述压力传感器作为所述脚后跟接地检测单元发挥作用。
图14示出所述步行动作辅助装置1中的致动器工作控制模式的流程。
与起动信号输入相应地，所述控制装置500起动所述致动器工作控制模式。
起动信号例如根据使用者对开始按钮等人为操作构件的人为操作而被输入。
当所述致动器工作控制模式被起动时，所述大腿相位角检测单元550基于来自所述大腿姿势检测单元510的一个采样定时k下的角度关联信号，来识别该一个采样定时k下的测定髋关节角度θk(步骤S11)。
所述大腿相位角检测单元550对髋关节角度θk进行旋转中心修正处理，算出修正髋关节角度θk(步骤S12)。
此外，在过去摆动中心未被识别的阶段中，在步骤12中，设为零修正(***)。
所述大腿相位角检测单元550使用针对近似使用者的腿部的动作的棒状刚体600的摆动动作的运动方程式而设计的状态推定器(在本实施方式中为卡尔曼滤波器)来算出采样定时k下的推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000331
k及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000332
k(步骤S13)。
所述大腿相位角检测单元550基于推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000341
k及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000342
k生成轨迹线图(步骤S14)，并判断轨迹线图上的标绘点的矢量长度(标绘点与原点的距离)是否超过阈值(步骤S15)。
在所述步骤S15为“否”的情况下，所述大腿相位角检测单元550判断为未开始步行动作，输出致动器工作禁止信号(步骤30)。
在该情况下，所述致动器工作控制模式返回到步骤S11。
在所述步骤S15为“是”的情况下，所述大腿相位角检测单元550判断为正在进行步行动作，基于推定髋关节角度
Figure GDA0003902607490000343
k及推定髋关节角速度
Figure GDA0003902607490000344
k来算出大腿相位角φk，并向所述步行动作定时算出单元560发送(步骤S16)。
所述步行动作定时算出单元560将来自所述大腿相位角检测单元550的大腿相位角φk应用于在该时间点下有效的相位模式函数φ(α)，来算出保存周期步行动作定时tk，并向所述辅助转矩算出单元570发送(步骤S17)。
同时，所述步行动作定时算出单元560执行相位模式函数生成处理。在后面叙述相位模式函数生成处理。
所述辅助转矩算出单元570将来自所述步行动作定时算出单元560的保存周期步行动作定时tk应用于存储的输出转矩模式，取得在该定时(采样定时k)下所述致动器单元100应输出的步行辅助力的大小及方向，并向所述工作控制单元580发送(步骤S18)。
所述工作控制单元580以输出由所述辅助转矩算出单元570算出的大小及方向的步行辅助力的方式进行所述致动器单元100的工作控制(步骤S19)。
在此，参照图15对所述相位模式函数生成处理进行说明。
所述相位模式函数生成处理构成为，判断采样定时k下的步行动作是否正常，挑选在算出在以后的步行周期中使用的相位模式函数时应使用的有效相位角数据，在步行周期完成时使用所述有效相位角数据生成新的相位模式函数。
具体而言，在步骤S40中，所述步行动作定时算出单元560判断通过(φk/2π)×100(％)而算出的当前周期步行动作定时Tk与在所述步骤S17中算出的保存周期步行动作定时tk之间的差异ΔT是否为预定阈值以下。
在所述步骤S40为“是”的情况下，即，在所述差异ΔT为预定阈值以下的情况下，所述步行动作定时算出单元560判断为采样定时k下的步行动作正常，存储大腿相位角φk及当前周期步行动作定时Tk作为相位角数据(步骤S41)。
另一方面，在所述步骤S40为“否”的情况下，即，在所述差异ΔT超过预定阈值的情况下，所述步行动作定时算出单元560判断为采样定时k下的步行动作异常，存储大腿相位角φk及保存周期步行动作定时tk作为相位角数据(步骤S42)。
然后，所述步行动作定时算出单元560判断一个步行周期是否结束(步骤S43)，在一个步行周期结束了的时间点下，基于包含该步行周期中的相位角数据和在该时间点下已存储的过去的保存步行周期中的相位角数据的有效相位角数据，使用最小二乘法来算出并覆盖保存新的相位模式函数(步骤S44)。
在一个步行周期未结束的情况下，跳过步骤S44。
通过具备所述相位模式函数处理，能够有效地防止异常步行动作的数据包含于相位模式函数。
在步骤S20中，所述控制装置500判断是否输入了所述致动器工作控制模式的结束信号，在没有结束信号的输入的情况下返回到步骤S11，在输入了结束信号的情况下结束该控制模式。
此外，结束信号例如根据使用者对结束按钮等人为操作构件的人为操作而被输入。
此外，本实施方式的步行动作辅助装置1构成为基于大腿相位角φ来掌握步行动作状态(步行动作定时)，并对小腿赋予适合于该步行动作状态的步行辅助力，但本发明并不限定于该方式，也可以构成为对大腿赋予适合于基于大腿相位角φ而掌握的步行动作状态的步行辅助力。
附图标记说明
1 步行动作辅助装置
10 大腿侧支具
30 小腿侧支具
100 致动器单元
500 控制装置
510 大腿姿势检测单元
550 大腿相位角算出单元
560 步行动作定时算出单元
570 辅助转矩算出单元
580 工作控制单元。

Claims (5)

1.一种步行动作辅助装置，其特征在于，具备：
致动器，所述致动器对使用者的步行动作赋予辅助力；
大腿姿势检测单元，所述大腿姿势检测单元按照每个采样定时检测与作为使用者的大腿的前后摆动角度的髋关节角度相关联的髋关节角度关联信号；
大腿相位角算出单元，所述大腿相位角算出单元算出一个采样定时k下的大腿相位角；
辅助转矩算出单元，所述辅助转矩算出单元具有直接或间接地规定大腿相位角与所述致动器应输出的转矩值之间的关系的输出模式数据，将由所述大腿相位角算出单元算出的大腿相位角应用于所述输出模式数据来算出在所述一个采样定时k下应输出的转矩值；以及
工作控制单元，所述工作控制单元以输出由所述辅助转矩算出单元算出的转矩值的辅助力的方式进行所述致动器的工作控制，
所述大腿相位角算出单元用在顶端部安装有预定质量m的质点的预定长度l的棒状刚体以基端部为摆动中心进行摆动动作的动作来近似步行时的使用者的包含大腿及小腿的腿部的绕髋关节的动作，通过将在采样定时k下从所述大腿姿势检测单元输入的角度关联信号用作观测值的状态推定器来推定基于沿着所述质点的摆动轨迹的圆的切线方向上的运动方程式而近似算出的所述大腿的髋关节角度及髋关节角速度，使用该推定髋关节角度及推定髋关节角速度来算出采样定时k下的大腿相位角。
2.根据权利要求1所述的步行动作辅助装置，其特征在于，
所述状态推定器为卡尔曼滤波器，
所述大腿相位角算出单元使用基于所述运动方程式的式(1a)及将从所述大腿姿势检测单元输入的角度关联信号用作观测值的式(1b)和所述卡尔曼滤波器的式(2a)～式(2e)，来算出所述推定髋关节角度及所述推定髋关节角速度，
x[k+1]＝Fx[k]+Gdγ[k]…(1a)
y[k]＝Cx[k]+υ[k]…(1b)
Figure FDA0003902607480000021
Figure FDA0003902607480000022
K[k]＝P[k|k-1]CT(CP[k|k-1]CT+R)-1…(2c)
Figure FDA0003902607480000023
P[k|k]＝(I-K[k]C)P[k|k-1]…(2e)
其中，式(1a)、式(1b)以及式(2a)～式(2e)中的符号如下所述，式中的右肩符号T表示矩阵的转置操作，
Figure FDA0003902607480000024
F＝eAΔt…(4)
Figure FDA0003902607480000025
Figure FDA0003902607480000026
Figure FDA0003902607480000027
θ：髋关节角度
Figure FDA0003902607480000028
髋关节角速度
g：重力加速度
μ：由粘性摩擦引起的棒状刚体的绕摆动中心的摩擦力所引起的粘性摩擦系数
γ：未知干扰
v：观测杂音
Figure FDA0003902607480000029
采样定时k下的事后推定值
Figure FDA0003902607480000031
采样定时k下的事前推定值
K[k]：采样定时k下的卡尔曼增益
P[k|k]：采样定时k下的事后误差协方差矩阵
P[k|k-1]：采样定时k下的事前误差协方差矩阵
y[k]：采样定时k下的大腿姿势检测单元的观测值
C：观测矩阵
Q：未知干扰γ的协方差矩阵
R：观测杂音v的协方差矩阵
将用所述质点M的摆动角及摆动角速度近似的使用者的所述髋关节角度θ及所述髋关节角速度
Figure FDA0003902607480000032
汇总为上述式(3)的矢量，x[k]为采样定时k下的矢量值，x[k+1]意味着以所述矢量值x[k]为基础的前一个采样定时k+1下的矢量值。
3.根据权利要求1或2所述的步行动作辅助装置，其特征在于，
所述大腿相位角算出单元构成为，算出已完成的过去的步行周期中的推定髋关节角度的摆动中心点与髋关节角度零点的偏差，对在当前时间点的步行周期中从所述大腿姿势检测单元输入的角度关联信号进行与所述偏差相应的修正，将修正后的角度关联信号用作所述状态推定器的观测值。
4.根据权利要求1或2所述的步行动作辅助装置，其特征在于，
具备穿戴于使用者的大腿的大腿侧支具、和穿戴于使用者的小腿且以能够绕使用者的膝关节转动的方式与所述大腿侧支具连结的小腿侧支具，
所述致动器安装于所述大腿侧支具并能够对所述小腿侧支具赋予绕膝关节的辅助力。
5.根据权利要求3所述的步行动作辅助装置，其特征在于，
具备穿戴于使用者的大腿的大腿侧支具、和穿戴于使用者的小腿且以能够绕使用者的膝关节转动的方式与所述大腿侧支具连结的小腿侧支具，
所述致动器安装于所述大腿侧支具并能够对所述小腿侧支具赋予绕膝关节的辅助力。
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