JP2010017390A - 装着式動作補助装置、基準パラメータデータベース構築装置、装着式動作補助装置における駆動制御方法、基準パラメータデータベース構築方法、及びそのプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】動作補助装着具により装着者の動作を補助或いは代行する装着式動作補助装置において、前記装着者の動作に応じた関節角度を検出する第1の検出手段と、前記装着者の筋活動に伴う生体信号を検出する第2の検出手段と、前記装着者の関節角度と生体信号とを関連付けて設定したフェーズデータが、フェーズの種類毎に分類されたフェーズグループからなる基準パラメータを格納した格納手段と、前記第1の検出手段により検出された関節角度を前記基準パラメータの関節角度と比較することにより、前記装着者の動作のフェーズを判定するフェーズ判定手段と、前記フェーズの属するフェーズグループの中から所定のフェーズデータを選出するフェーズデータ選出手段と、選出されたフェーズデータに応じた動力を駆動源に発生させるための指令信号を生成する制御手段とを有する。
【選択図】図4
Description
Takao Nakai,Suwoong Lee,Hiroaki Kawamoto and Yoshiyuki Sankai,"Development of Power Assistive Leg for Walking Aid using EMG and Linux," Second Asian Symposium on Industrial Automation and Robotics,BITECH,Bangkok,Thailand,May 17−18,2001.
図1は、本実施形態における下半身用の装着式動作補助装置の一実施例が装着された状態を前側からみた斜視図である。また、図2は、本実施形態における下半身用の装着式動作補助装置の一実施例が装着された状態を後側からみた斜視図である。
次に、上半身(上体側)用の装着式動作補助装置について図を用いて説明する。図3は、本実施形態における上半身用の装着式動作補助装置の一実施例を示す図である。図3に示す装着式動作補助装置10bは、装着者1の右腕回りに対応する装着式動作補助装置1の右上半部について説明するものである。
次に、本実施形態における装着式動作補助装置10の制御系システム例について図を用いて説明する。図4は、本実施形態における装着式動作補助装置の一実施例に適用された制御系システムを示すブロック図である。
次に、上述した装着者の動作補助を行うための各動作(フェーズ)について、具体的な例を挙げて説明する。図5は、基準パラメータデータベースに格納される各タスク及びフェーズの一例を示す図である。
次に、上述した表示出力手段58による表示内容の具体例について説明する。なお、以下に示す具体例では、例えばフェーズ間の動作指示信号の連結について図を用いて説明する。図7は、フェーズ間の動作指示信号の連結を説明するための一例を示す図である。なお、図7(A)は、装着者が椅子に座った状態から立ち上がる動作について、自律的制御及び随意的制御の組合せにより動力付与する場合を示し、図7(B)は、装着者が椅子に座った状態から立ち上がり動作を途中まで行った後に、座り込んだ際に、自律的制御及び随意的制御の組合せにより動力付与する場合を示している。また、図7(A),(B)ともに、フェーズ1〜4(Phase1〜4)まで存在する。また、図7に示すグラフは、例えば、表示出力手段58により表示されるが、本発明において表示出力手段58に表示される画面はこれに限定されない。
一方、立ち上がりかけた後、直ぐに座り込んだ場合には、図7(B)−(e)のグラフから明らかなように、椅子からの立ち上がりに対応するフェーズ2の先端で、トルクが急激に増大したため、膝アクチュエータは装着者の意思に遅れなく回動を開始し、装着者は十分にパワーアシスト感を持つ共に、立ち上がり動作をすることができる。また、フェーズ3の途中においては、生体電位信号の生成が抑制されるため、随意的制御によるトルクが減少し、自律的制御による立ち上がる方向のトルクが付加されても、その影響は相殺され、全体のトルクは椅子に座る動作の際に違和感となる程には大きくなかった。この結果、動作(タスク)を急に変更しても、装着者は十分なパワーアシスト感を持って動作を行うことができた。
次に、上述したフェーズ間調整手段69におけるフェーズ間の調整処理において図を用いて説明する。図8は、フェーズ間の連結時のフェーズ調整の様子を示す図である。図8(A)に示すように、2つのフェーズ(図8では、Phase1,Phase2)を連結する場合、例えば回転角θ1やθ2で繋ぎ目部分の時間tにおいて、ある程度の誤差が生じる場合がある。これにより、装着者1は、フェーズの連結時に若干の違和感を得ることになる。そこで、本実施形態では、各フェーズの連結部分について、その繋ぎ目における信号の調整処理を行う。
次に、上述の補間を行う補間例について説明する。補間例1では、フェーズ2という目標値に対して、所定のフェーズ1の所定の時点(例えばt1若しくはt)から徐々に目標値の状態となるようにフィードバック制御を行う。
任意の2点を滑らかに連結できるように予め曲線を設定しておき、その曲線にしたがって軌道追尾による制御を行う。具体的には、図8(B)に示すように、時間t1,t,t2の3点を滑らかに連結するために所定の曲線の関数を使用して曲線間を連結する。
ここで、上述した装着式動作補助装置10は、CPU、RAM等の揮発性の記憶媒体、ROM等の不揮発性の記憶媒体、マウスやキーボード、ポインティングデバイス等の入力装置、画像やデータを表示する表示部、並びに外部と通信するためのインタフェイスを備えたコンピュータによって構成することができる。
次に、装着式動作補助装置における駆動制御手順について図を用いて説明する。図9は、本実施形態における駆動制御手順の一例を示すフローチャートである。
ここで、本発明におけるその他の実施形態について説明する。図10は、装着式動作補助装置の管理システムを説明するための図である。
ここで、本実施形態における装着式動作補助装置を用いた具体例について説明する。
本発明を適用することにより、例えばリハビリテーション用の関節の屈伸動作について一連の動作におけるフェーズの組み合わせ、及び各フェーズのパターンを共有する装着式動作補助装置を装着することで、同一のリハビリテーションを複数の装着式動作補助装置で行うことができる。
例えば、ゴルフのスイングの場合、フェーズとしては、振りかぶるとき、振り下ろすとき、振り抜くときの3つ程度に分けることができる。また、1スイングにおいても、ドライバ、アイアン、パター等を用いた打ち方の違い等によりフェーズを分けることができる。また、フェーズにより何ヤード飛ばしたい等、飛距離による選択も可能となる。
ここで、上述した図4に示す実施形態では、基準パラメータデータベース62の構築手法を装着式動作補助装置10の内部に設けた例を示しているが、本発明においてはこの限りではなく、例えば上述した基準パラメータデータベース62を構築する装置を別体として設けておいてもよい。これにより、基準パラメータデータベースを他の装置又は他の装着者等の動作補助が必要でない人でも構築することができる。また、装着者毎の動作に対応した基準パラメータデータベースを構築することができる。したがって、ある1つのフェーズに対して多数のパラメータ/パターンを格納することができ、それらの中から最適なパラメータ/パターンを選び出すことができる。
10 装着式動作補助装置
11 動作補助装着具
12a 右脚補助部
12b 左脚補助部
13−1a,13−1b 第1フレーム
13−2a,13−2b 第2フレーム
13−3a,13−3b 第3フレーム
13−4a,13−4b 第4フレーム
14a 右腿駆動モータ
14b 左腿駆動モータ
15a 右膝駆動モータ
15b 左膝駆動モータ
16 腰ベルト
17,18 バッテリ
19 制御バック
20,21,22,23 生体電位センサ
24,25 反力センサ
31 体幹部材
32 上腕部材
33 前腕部材
34 肩関節機構
35 肘関節機構
36 屈曲側生体電位センサ
37 伸展側生体電位センサ
38 駆動ユニット
39 第1の連結部材
40 第2の連結部材
50 駆動源
51 物理現象検出手段
52 生体信号検出手段
53 基準パラメータデータベース構築手段
54 随意混在型自律的制御系
55 電力増幅手段
56 フェーズ更新手段
57 通信手段
58 表示出力手段
60 データ格納手段
61 制御手段
62 基準パラメータデータベース
63 指令信号データベース
64 差分導出手段
65 ゲイン変更手段
66 自律的制御手段
67 フェーズ判定手段
68 フェーズデータ選出手段
69 フェーズ間調整手段
70 通信ネットワーク
71 情報管理装置
80 保守管理システム
81 無線端末
90 基準パラメータデータベース構築装置
91 動作検出装着具
Claims (21)
- 装着者に対して動力を付与する駆動源を有する動作補助装着具により装着者の動作を補助或いは代行する装着式動作補助装置において、
前記装着者の動作に応じた関節角度を検出する第1の検出手段と、
前記装着者の筋活動に伴う生体信号を検出する第2の検出手段と、
前記装着者の動作を構成する一連のフェーズの個々に対応するように、装着者の関節角度と生体信号とを関連付けて設定したフェーズデータが、フェーズの種類毎に分類されたフェーズグループからなる基準パラメータを格納した格納手段と、
前記第1の検出手段により検出された関節角度を前記基準パラメータの関節角度と比較することにより、前記装着者の動作のフェーズを判定するフェーズ判定手段と、
前記フェーズ判定手段により得られたフェーズの属するフェーズグループの中から所定のフェーズデータを選出するフェーズデータ選出手段と、
前記フェーズデータ選出手段により選出されたフェーズデータに応じた動力を前記駆動源に発生させるための指令信号を生成する制御手段とを有することを特徴とする装着式動作補助装置。 - 前記第2の検出手段により検出される前記生体信号と、前記第1の検出手段により検出される前記関節の角度とを関連付けてフェーズグループに対応させて前記格納手段に格納し、基準パラメータデータベースを構築する基準パラメータデータベース構築手段を有することを特徴とする請求項1に記載の装着式動作補助装置。
- 前記フェーズデータ選出手段は、
前記装着者若しくは管理者からの指示情報に基づいて、前記格納手段に格納された複数のフェーズデータの中からフェーズ毎にフェーズデータを選出することを特徴とする請求項1又は2に記載の装着式動作補助装置。 - 前記フェーズデータ選出手段により選出された各フェーズ間の連結部分を調整するフェーズ間調整手段を有することを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の装着式動作補助装置。
- 前記フェーズ間調整手段は、
連結する前後のフェーズにおいて、前のフェーズの終点が後のフェーズの始点となるように、前のフェーズの指令信号をフィードバック制御することを特徴とする請求項4に記載の装着式動作補助装置。 - 前記フェーズ間調整手段は、
予め設定される曲線を表す関数を用いてフェーズ同士を連結することを特徴とする請求項4に記載の装着式動作補助装置。 - 通信ネットワークに接続される外部管理端末から前記フェーズを取得する通信手段と、前記通信手段により取得したフェーズを用いて前記格納手段に格納される対応するフェーズを更新するフェーズ更新手段とを有することを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の装着式動作補助装置。
- 前記フェーズ判定手段により得られるフェーズに対して複数のフェーズデータを表示し、表示された前記フェーズデータから1つを選択させるための表示出力手段を有することを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の装着式動作補助装置。
- 前記表示出力手段は、
表示されるフェーズに対するフェーズデータを定義するための情報を入力する定義情報入力手段を有することを特徴とする請求項8に記載の装着式動作補助装置。 - 装着者の骨格に沿うように形成されたフレームが、装着者の関節に対応する位置で回動自在に互いに連結されてなる動作検出装着具と、
前記装着者の動作に応じた関節角度を検出する第1の検出手段と、
前記装着者の筋活動に伴う生体信号を検出する第2の検出手段と、
前記第1の検出手段により検出される前記生体信号と、前記第2の検出手段により検出される前記関節の角度とを関連付けてフェーズグループに対応させて前記格納手段に格納し、基準パラメータデータベースを構築する基準パラメータデータベース構築手段とを有することを特徴とする基準パラメータデータベース構築装置。 - 装着者に対して動力を付与する駆動源を有した動作補助装着具により装着者の動作を補助或いは代行する装着式動作補助装置における駆動制御方法において、
物理現象検出手段により前記装着者の動作に応じた関節角度を検出する第1の検出工程と、
生体信号検出手段により前記装着者の筋活動に伴う生体信号を検出する第2の検出工程と、
前記第1の検出工程により検出された関節角度を、予め設定される前記装着者の動作を構成する一連のフェーズの個々に対応するように前記装着者の関節角度と生体信号とを関連付けて設定したフェーズデータがフェーズの種類毎に分類されたフェーズグループからなる基準パラメータの関節角度と比較することにより、前記装着者の動作のフェーズを判定するフェーズ判定工程と、
前記フェーズ判定工程により得られたフェーズの属するフェーズグループの中から所定のフェーズデータを選出するフェーズデータ選出工程と、
前記フェーズデータ選出工程により選出されたフェーズデータに応じた動力を前記駆動源に発生させるための指令信号を生成する制御工程とを有することを特徴とする駆動制御方法。 - 前記第2の検出手段により検出される前記生体信号と、前記第1の検出手段により検出される前記関節の角度とを関連付けてフェーズグループに対応させて格納し、基準パラメータデータベースを構築する基準パラメータデータベース構築工程を有することを特徴とする請求項11に記載の駆動制御方法。
- 前記フェーズデータ選出工程は、
前記装着者若しくは管理者からの指示情報に基づいて、予め格納された複数のフェーズデータの中からフェーズ毎にフェーズデータを選出することを特徴とする請求項11又は12に記載の駆動制御方法。 - 前記フェーズデータ選出工程により選出された各フェーズ間の連結部分を調整するフェーズ間調整工程を有することを特徴とする請求項11乃至13の何れか1項に記載の駆動制御方法。
- 前記フェーズ間調整工程は、
連結する前後のフェーズにおいて、前のフェーズの終点が後のフェーズの始点となるように、前のフェーズの指令信号をフィードバック制御することを特徴とする請求項14に記載の駆動制御方法。 - 前記フェーズ間調整工程は、
予め設定される曲線を表す関数を用いてフェーズ同士を連結することを特徴とする請求項14に記載の駆動制御方法。 - 通信手段により通信ネットワークに接続される外部管理端末から前記フェーズを取得する外部フェーズ取得工程と、
前記外部フェーズ取得工程により得られるフェーズを用いて予め格納されている対応するフェーズを更新するフェーズ更新工程とを有することを特徴とする請求項11乃至16の何れか1項に記載の駆動制御方法。 - 前記フェーズ判定工程により得られるフェーズに対して複数のフェーズデータを表示し、表示された前記フェーズデータから1つを選択させる表示出力工程を有することを特徴とする請求項11乃至17の何れか1項に記載の駆動制御方法。
- 前記表示出力工程は、
表示されるフェーズに対するフェーズデータを定義するための情報を入力する定義情報入力工程を有することを特徴とする請求項18に記載の駆動制御方法。 - 装着者の骨格に沿うように形成されたフレームが、装着者の関節に対応する位置で回動自在に互いに連結されてなる動作検出装着具に対して、物理現象検出手段により前記装着者の動作に応じた関節角度を検出する第1の検出工程と、
生体信号検出手段により前記装着者の筋活動に伴う生体信号を検出する第2の検出工程と、
前記第2の検出工程により検出される前記生体信号と、前記第1の検出工程により検出される前記関節の角度とを関連付けてフェーズグループに対応させて格納し、基準パラメータデータベースを構築する基準パラメータデータベース構築工程とを有することを特徴とする基準パラメータデータベース構築方法。 - 前記請求項11乃至20の何れか1項に記載の駆動制御方法における各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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