JP2014195509A - Walking assist device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ユーザが歩行などを行う際、アシスト力を付与することでユーザの負荷軽減を図る歩行補助装置に関するものである。 The present invention relates to a walking assist device that reduces a user's load by applying an assist force when a user walks.
近年、ユーザの体に装着して、ユーザの脚部の可動部に対してアシスト力を付与する歩行補助装置が開発されている。このような歩行補助装置では、高齢者や身障者の歩行を補助する装置として利用されることが期待されている。また高齢者などに限らず、宅配業者など重い荷物を運ぶユーザに対する補助装置としても利用することで、作業における身体的負担を軽減することが期待されている。 2. Description of the Related Art In recent years, walking assist devices have been developed that are attached to a user's body and apply assist force to a movable part of the user's leg. Such a walking assistance device is expected to be used as a device for assisting elderly people and the disabled. In addition, it is expected to reduce physical burden in work by using it as an auxiliary device for a user who carries a heavy load such as a courier as well as an elderly person.
このような歩行補助装置として特許文献１には、生態信号検出手段が検出した筋電位信号に基づいて、モータなどのアクチュエーターを駆動することで、装着者の意志によってアシスト力を付与する動作補助装置が開示されている。
As such a walking assist device,
また、特許文献２には、膝関節に加えるトルクの反転タイミングをユーザの歩行に歩行動作に適応させることで、歩行アシストに対する違和感を抑える歩行補助装置が開示されている。 Further, Patent Document 2 discloses a walking assist device that suppresses a sense of discomfort with walking assist by adapting the timing of reversal of torque applied to the knee joint to walking motion of the user.
特許文献１、特許文献２に開示される歩行補助装置は、ユーザの脚部外側に装着された部材に対してアシスト力を加えることで歩行を補助するものである。一方、特許文献３には、ユーザが跨ぐ形態で利用する歩行補助装置が開示されている。この歩行補助装置は、ユーザが跨いで着座する着座部材を押し上げることで、装着を容易にする装着アシスト制御が行われている。
The walking assistance device disclosed in
このようにユーザの脚部に装着して歩行を補助する歩行補助装置では、適切なアシスト力を加えることが求められる。そのため、歩行補助装置に設けられた各種センサでは、歩行補助装置の状態を正確に検出することが必要となる。 Thus, in the walking assistance device which is attached to the user's leg and assists walking, it is required to apply an appropriate assisting force. Therefore, various sensors provided in the walking assistance device need to accurately detect the state of the walking assistance device.
本発明は、このような歩行補助装置の状態、特に、姿勢角度の検出精度の向上を図ることを目的とするものである。また、姿勢角度の検出精度向上を図ることで、姿勢角度に基づいて算出されるアシスト力を適切な値で制御することを目的としている。 An object of the present invention is to improve the detection accuracy of the state of such a walking assistance device, in particular, the posture angle. Another object of the present invention is to control the assist force calculated based on the posture angle with an appropriate value by improving the detection accuracy of the posture angle.
そのため本発明に係る歩行補助装置は、
ユーザの脚部に装着されアシスト力を加えることでユーザの歩行を補助する歩行補助装置において、
可動可能な関節で互いに接続された複数のリンクを有する左右の脚パーツと、
左右の前記脚パーツを接続する接続リンクと、
前記接続リンクに配置された加速度センサと、
前記接続リンクに配置されたジャイロセンサと、
足裏の接地状態を判定可能な足裏状態検出部と、
前記歩行補助装置が静止状態である場合、前記加速度センサの出力値に基づいて姿勢角度を算出し、
前記歩行補助装置が静止状態でなく前記足裏状態検出部がアンクルロッカー状態を判定している場合、アンクルロッカー状態である脚パーツの関節角度に基づいて姿勢角度を算出し、
前記歩行補助装置が静止状態でなく前記足裏状態検出部がアンクルロッカー状態でないと判定している場合、前回算出した姿勢角度に前記ジャイロセンサの出力値を積算することで姿勢角度を算出する姿勢角度算出処理と、
前記姿勢角度算出処理で算出された姿勢角度に基づいて、前記脚パーツの関節に加えるアシスト力を算出し、前記脚パーツの関節に設けられたアクチュエータにアシスト力を加えるアシスト処理と、を実行する制御部と、を備えたことを特徴とする。
Therefore, the walking assist device according to the present invention is
In a walking assistance device that is attached to a user's leg and assists the user's walking by applying assist force,
Left and right leg parts having a plurality of links connected to each other by movable joints;
A connection link connecting the left and right leg parts;
An acceleration sensor disposed on the connection link;
A gyro sensor arranged in the connection link;
A sole state detector that can determine the ground contact state of the sole,
When the walking assist device is stationary, calculate a posture angle based on the output value of the acceleration sensor,
When the walking assist device is not stationary and the sole state detection unit determines the ankle rocker state, the posture angle is calculated based on the joint angle of the leg parts in the ankle rocker state,
A posture for calculating a posture angle by adding the output value of the gyro sensor to the posture angle calculated last time when the walking assist device is not in a stationary state and the sole state detection unit determines that it is not in an ankle rocker state. Angle calculation processing;
Based on the posture angle calculated in the posture angle calculation process, the assist force applied to the joint of the leg part is calculated, and the assist process of applying the assist force to the actuator provided in the joint of the leg part is executed And a control unit.
さらに本発明に係る歩行補助装置は、
姿勢角度算出処理において、前記歩行補助装置の静止状態は、左右の前記脚パーツの関節の回動量に基づいて判定されることを特徴とする。
Furthermore, the walking assistance device according to the present invention is:
In the posture angle calculation process, the stationary state of the walking assistance device is determined based on the rotation amount of the joint of the left and right leg parts.
さらに本発明に係る歩行補助装置において、
前記足裏状態検出部は、ユーザの荷重に基づく床反力を検出する床反力検出部であることを特徴とする。
Furthermore, in the walking assistance device according to the present invention,
The sole state detection unit is a floor reaction force detection unit that detects a floor reaction force based on a user's load.
さらに本発明に係る歩行補助装置において、
前記接続リンクは、ユーザによる装着時、ユーザの股下に位置するサドルリンクであり、
左右の前記脚パーツは、ユーザによる装着時、ユーザの脚部内側に位置することを特徴とする。
Furthermore, in the walking assistance device according to the present invention,
The connection link is a saddle link located at the user's inseam when worn by the user,
The left and right leg parts are positioned inside the user's legs when worn by the user.
本発明に係る歩行補助装置は、加速度センサ、ジャイロセンサを併用することで姿勢角度を算出するものであり、静止状態である場合、加速度センサの出力値に基づいて姿勢角度を算出し、静止状態でない場合、前回算出した姿勢角度にジャイロセンサの出力値を積算することで姿勢角度を算出する姿勢角度算出処理を実行する。このような姿勢角度算出処理により、ジャイロセンサによる積分誤差を解消し、姿勢角度の検出精度向上が図られることとなる。さらに、姿勢角度に基づいてアシスト力を加えるアシスト処理におけるアシスト力を適切な値で制御することが可能となる。 The walking assistance device according to the present invention calculates the posture angle by using the acceleration sensor and the gyro sensor together. When the walking assistance device is in a stationary state, the posture angle is calculated based on the output value of the acceleration sensor. If not, a posture angle calculation process is performed to calculate the posture angle by adding the output value of the gyro sensor to the posture angle calculated last time. By such an attitude angle calculation process, the integration error due to the gyro sensor is eliminated, and the attitude angle detection accuracy is improved. Furthermore, it is possible to control the assist force in an assist process for applying the assist force based on the posture angle with an appropriate value.
図１は、本発明の実施形態に係る歩行補助装置１の構成を示す図である。図１（Ａ）は歩行補助装置１の左側面図であり、図１（Ｂ）は歩行補助装置１の正面図であり、両図ともユーザが装着していない状態が示されている。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a
この実施形態の歩行補助装置１は、左右の脚パーツ１９Ｒ、１９Ｌ、左右脚パーツ１９Ｒ、１９Ｌを接続するサドルリンク１１（本発明の「接続リンク」に相当）、制御部３０を備えて構成される。サドルリンク１１には、左右の脚パーツ１９Ｒ、Ｌを摺動可能に接続する摺動レール１１１Ｒ、１１１Ｌ、ユーザが着座するためのサドルシート１１２が設けられている。ユーザは、この歩行補助装置１を跨ぐようにサドルシート１１２に着座して歩行補助装置１を装着する。以下、脚パーツ１９Ｒ、Ｌなど各種構成について説明を行うが、左右の構成は略同じであるため、添え字のＲ、Ｌを省略して説明を行う。
The
なお、本発明に係る歩行補助装置１の形態は、このようにユーザが跨いだ状態で装着する形態の他、ユーザの両脚部外側に脚パーツ１９が位置する形態とすることとしてもよい。その場合、両脚パーツ１９は、ユーザの腰部に固定される腰リンク（本発明の「接続リンク」に相当）を介して接続されることとなる。
In addition, the form of the
脚パーツ１９は、図の上から順に、摺動部１２、上腿リンク１３、膝関節１４、下腿リンク１５、足関節１６、足リンク１７を備えて構成されている。なお、本明細書中、「足」は足首よりも先の部分を意味する用語として、また「脚」は上腿部、下腿部、足部などを含む用語として使い分けている。 The leg part 19 includes a sliding portion 12, an upper thigh link 13, a knee joint 14, a lower thigh link 15, an ankle joint 16, and a foot link 17 in order from the top of the figure. In the present specification, “foot” is used as a term that means a part ahead of the ankle, and “leg” is used as a term that includes the upper leg, lower leg, foot, and the like.
サドルリンク１１は、歩行補助装置１の装着時、ユーザの股下に位置する。アシスト時には、アクチュエータを利用し、少なくとも膝関節１４を回動させることで、このサドルリンク１１に対して、ユーザを持ち上げる方向にアシスト力を加え、ユーザの体重を軽減し、ユーザの歩行時あるいは立っている時の負担を軽減する。
The
摺動部１２は、サドルリンク１１と上腿リンク１３を摺動可能に接続する。本実施形態の摺動部１２は、サドルリンク１１側に設けられている摺動レール１１１上を摺動することで、上腿リンク１３をユーザの動きに追従させることが可能となっている。この摺動レール１１１は、下方に円弧を描くように形成されている。このような形状により、摺動中心位置をユーザの腰部付近、すなわち、歩行補助装置１を装着したユーザの上腿の回動中心に略一致させることとしている。これは、歩行補助装置１がユーザの股下で装着されるため、上腿リンク１３の回動中心をユーザの腰部付近に位置させることが出来ないことを１つの理由としている。
The sliding part 12 connects the
また、本実施形態では、摺動部１２を摺動レール１１１上で移動させるためのアクチュエータ（第２アクチュエータ）が設けられている。ユーザの歩行などをアシストするアシスト処理時、摺動部１２は、摺動レール１１１上を自由に摺動可能となるが、この第２アクチュエータを使用して、上腿リンク１３に対してアシスト力を付与することでユーザの歩行補助を行う。なお、摺動部１２は、歩行を行う時の摺動（図１（Ａ）の紙面上での回動）に加え、左右の回動（図２の紙面上での回動）を加えることとしてもよい。ユーザが股を開く動作に対応することが可能となる。 In the present embodiment, an actuator (second actuator) for moving the sliding portion 12 on the sliding rail 111 is provided. At the time of assist processing for assisting the user's walking or the like, the sliding portion 12 can freely slide on the slide rail 111, but the assist force is applied to the upper leg link 13 by using the second actuator. To assist the user in walking. In addition, the sliding part 12 adds left and right rotation (rotation on the paper surface in FIG. 2) in addition to sliding (rotation on the paper surface in FIG. 1A) when walking. It is good. It becomes possible to cope with the operation of the user opening the crotch.
膝関節１４は、上腿リンク１３と下腿リンク１５を回動可能に接続する。膝関節１４は、歩行を行う時の前後方向に回動可能としている。本実施形態では、膝関節１４にアクチュエータ（第１アクチュエータ）が設けられ、歩行時に第１アクチュエータにアシスト力を加えることで歩行補助が行われる。また、ユーザの装着時、第１アクチュエータを回動させることで、サドルシート１１２を昇降させることでユーザの負担を軽減させることも
可能である。足関節１６は、下腿リンク１５と足リンク１７を回動可能に接続する。この足関節１６も、歩行を行う時の前後方向に回動可能としている。足リンク１７は、ユーザの足部を固定可能な部材であって、例えば、靴のような構造を有し、ユーザが履くことでユーザの足部と固定される。
The knee joint 14 rotatably connects the upper leg link 13 and the lower leg link 15. The knee joint 14 is rotatable in the front-rear direction when walking. In the present embodiment, an actuator (first actuator) is provided in the knee joint 14, and walking assistance is performed by applying an assist force to the first actuator during walking. In addition, it is possible to reduce the burden on the user by raising and lowering the
図２には、本発明の実施形態に係る歩行補助装置の制御構成が示されている。本実施形態の歩行補助装置１は、ユーザが跨ぐとともに、ユーザの足部と足リンク１７を固定することで装着される形態となっている。このような装着形態において、左右の膝関節１４に設けられた第１アクチュエータ５１に対し、上腿リンク１３と下腿リンク１５を伸張する方向にアシスト力を加えることで、ユーザの歩行時、あるいは、及びユーザが直立しているときの体重の一部を補助する。
FIG. 2 shows a control configuration of the walking assist device according to the embodiment of the present invention. The
また、本実施形態では、摺動部１２に第２アクチュエータ５２が設けられており、アシスト処理時には、この第２アクチュエータ５２を使用してアシスト力を加えるユーザの負担軽減を行っている。また、本実施形態では、足関節１６にはアクチュエータを設けることなく自由に回動可能としているが、足関節１６に第３アクチュエータを設けることも可能である。足関節１６に第３アクチュエータを設けることでアシスト処理時、足関節１６に対してアシスト力を加えることが可能となる。 In the present embodiment, the second actuator 52 is provided on the sliding portion 12, and the burden on the user who applies assist force is reduced using the second actuator 52 during the assist process. In the present embodiment, the ankle joint 16 can be freely rotated without providing an actuator, but a third actuator can be provided at the ankle joint 16. Providing the third actuator to the ankle joint 16 makes it possible to apply an assist force to the ankle joint 16 during the assist process.
主な制御構成としては、歩行補助装置全体を統括制御する制御ＥＣＵ１０１、左右の膝関節１４に設けられた第１アクチュエータ５１、第１角度検出センサ６１、左右の摺動部１２に設けられた第２アクチュエータ５２、摺動位置検出センサ６２、左右の足関節１６に設けられた第３角度検出センサ６３、歩行の際の外界の情報などを取得するための各種センサ、動作状態など指示可能とする入力手段を備えて構成されている。
The main control configuration includes a
脚パーツ１９には、ユーザの脚部の状態を検出するための各種センサが設けられている。本実施形態では、膝関節１４に設けられ、上腿リンク１３と下腿リンク１５が形成する角度を検出する第１角度検出センサ６１と、摺動部１２に設けられ、サドルリンク１１に対する摺動部１２の位置（股関節の角度に対応）を検出可能な摺動位置検出センサ６２、そして、足関節１６に設けられ、下腿リンク１５と足リンク１７が形成する角度を検出する第３角度検出センサ６３が設けられている。
The leg part 19 is provided with various sensors for detecting the state of the user's leg. In the present embodiment, a first angle detection sensor 61 that is provided at the knee joint 14 and detects an angle formed by the upper leg link 13 and the lower leg link 15, and a sliding part that is provided at the sliding part 12 and that is against the
さらに、足リンク１７には、装着時、ユーザの足裏に位置する床反力検出部６４が設けられている。床反力検出部６４は、ユーザの足裏と床面の間に位置する荷重センサなどが使用される。この床反力検出部６４の出力に基づいて、床面から受ける床反力が検出される。また、この床反力検出部６４の出力に基づいて、ユーザの足裏が地面についた立脚状態であるか地面から浮いた遊脚状態であるか、さらには、足リンク１７の装着状態を検知することも可能である。床反力検出部６４は、荷重分布を判別可能なように複数の荷重センサで構成することとしてもよい。例えば、２つの荷重センサを使用する場合、各荷重センサの荷重割合に基づいて、足裏における床反力ベクトルの発生位置（ＣＯＰ：Center Of Pressure）を算出することも可能となる。 Further, the foot link 17 is provided with a floor reaction force detection unit 64 located on the sole of the user when worn. As the floor reaction force detection unit 64, a load sensor or the like positioned between the user's sole and the floor surface is used. Based on the output of the floor reaction force detector 64, the floor reaction force received from the floor surface is detected. Further, based on the output of the floor reaction force detection unit 64, it is detected whether the user's sole is in a standing state on the ground or in a free leg state floating on the ground, and further, the mounting state of the foot link 17 is detected. It is also possible to do. The floor reaction force detection unit 64 may be configured by a plurality of load sensors so that the load distribution can be determined. For example, when two load sensors are used, it is possible to calculate the floor reaction force vector generation position (COP: Center Of Pressure) on the sole based on the load ratio of each load sensor.
これら各種センサ６１〜６４によって検出された情報は、制御ＥＣＵ１０１に送信される。制御ＥＣＵ１０１は、受信した検出情報に基づいて体躯の動きを予測し、少なくとも第１アクチュエータ５１に対してアシスト力を加える。アシスト力の制御には、このような各種センサ６１〜６４以外に、ユーザの筋電位を計測するセンサを使用することとしてもよい。
Information detected by these various sensors 61 to 64 is transmitted to the
また、サドルリンク１１上に設置された制御部３０には、歩行補助装置１自体、あるいは、周囲を検出する各種センサが設けられている。各種センサとしては、ユーザの前方、
後方の様子をそれぞれ撮影する前方カメラ６５、後方カメラ６６、衛星からのＧＰＳ信号を受信し、歩行位置を検出するとともに、地図情報を参照することでユーザを目的地に導くナビモジュール６７、インターネットなどの通信網に接続し、各種情報を取得する無線通信モジュール６８等である。この他、ユーザから障害物までの距離を計測する測距センサを設けることとしてもよい。このような測距センサは、２つのカメラを使用して外界を立体的に撮像することで実現することも可能であり、前方カメラ６５、後方カメラ６６と兼用することも可能である。
The
A front camera 65, a rear camera 66, and a GPS signal from a satellite that respectively captures the state of the rear are received to detect a walking position, and by referring to map information, a
また、本実施形態では、サドルリンク１１が重力に対して向く方向を検出する加速度センサ６９とジャイロセンサ７０が設けられている。本実施形態の歩行補助装置１は、この２つのセンサを利用して重力方向を判定し、歩行補助装置１に対して適切なアシスト力を付与することとしている。
In the present embodiment, an
また、本実施形態の制御部３０には、歩行補助装置に対して各種指示や設定を行うための入力部８１が設けられている。
Further, the
以上、本実施形態では、歩行補助装置に対して、このような各種センサーを設けたことで、安全な歩行補助を行うことのみならず、目的地までのルート案内や、各種情報をユーザに提供することが可能となる。なお、各種情報の確認は、制御ＥＣＵ１０１に接続されるスピーカ、ディスプレイなどの告知手段を用いて音声、画像出力することとしてもよい。 As described above, in the present embodiment, by providing such various sensors to the walking assistance device, not only safe walking assistance but also route guidance to the destination and various information are provided to the user. It becomes possible to do. In addition, confirmation of various information is good also as outputting sound and an image using notification means, such as a speaker and a display connected to control ECU101.
では、本実施形態の歩行補助装置の装着について図を用いて説明する。図３は、歩行補助装置の装着の一形態を示した図である。歩行補助装置１は、装着前、図に示されるように折り畳まれた状態となっている。本実施形態では、ユーザはサドルシート１１２の前方を掴み、入力部８１に対して装着指示を出すことで、第１アクチュエータ５１に駆動力を付加し、脚パーツ１９を伸張させ、サドルシート１１２を適切な位置に調整することとしている。
Then, mounting | wearing of the walking assistance apparatus of this embodiment is demonstrated using figures. FIG. 3 is a diagram showing one form of wearing the walking assistance device. The
図４には、本発明の実施形態に係る歩行補助装置１を装着した際の様子について、左側面図（図４（Ａ））、正面図（図４（Ｂ））が示されている。ユーザが歩行する、あるいは、立ち上がっているときに、図４（Ａ）に示されるように膝関節１４の第１アクチュエータ５１にて、脚パーツ１９を伸張する方向にアシスト力を加えることで、サドルシート１１２にてユーザを持ち上げ、ユーザの脚部にかかる負担を軽減することが可能となっている。また、歩行の際は、この第１アクチュエータ５１と、股関節部分の動きを補助する第２アクチュエータ５２にアシスト力を加えることで歩行補助が行われる。
FIG. 4 shows a left side view (FIG. 4A) and a front view (FIG. 4B) of the state when the walking assist
では、図５を用いて、本実施形態の歩行補助装置１のアシスト力を算出するための基礎となる関節モーメントの演算方法について説明しておく。各関節にかかる関節モーメントは（Ａ）床反力項と（Ｂ）重力項の２つの項の差分、すなわち、（１）式にて求められる。
関節モーメント＝床反力項 − 重力項 ・・・（１）
Then, the calculation method of the joint moment used as the foundation for calculating the assist force of the walking
Joint moment = floor reaction force term-gravity term (1)
図５（Ａ）は、床何力項を説明するための図である。ユーザの足が床面に接地している場合、足の裏面には床面から受ける床反力Ｆが作用する。脚部の各関節（股関節、膝関節、足関節）には、この床反力Ｆによるモーメントが作用することとなり、例えば、同じ関節状態を維持するためには、この床反力Ｆによるモーメントと拮抗するモーメントを付与する必要がある。図５では、膝関節１４に作用する関節モーメントを例にとって説明する。股関節、足関節も同様の手法によって算出することが可能である。 FIG. 5A is a diagram for explaining the floor force term. When the user's foot is in contact with the floor surface, a floor reaction force F received from the floor surface acts on the back surface of the foot. The moment caused by the floor reaction force F acts on each joint of the leg (hip joint, knee joint, and ankle joint). For example, in order to maintain the same joint state, It is necessary to give a moment to antagonize. In FIG. 5, a description will be given taking the joint moment acting on the knee joint 14 as an example. The hip joint and the ankle joint can be calculated by the same method.
図５（Ａ）に示されるように床反力Ｆは、足リンク１７の裏面に設定された床反力ベクトルの発生位置（以下、「ＣＯＰ」という）からユーザ全体（ユーザと歩行補助装置１を含む）の重心方向に向かう方向を有する。この床反力Ｆは、足リンク１６に設けられた床反力検出部６４によってその大きさが測定される。このような床反力ベクトルが特定できた場合、膝関節１４に作用する床反力項は、床反力Ｆの大きさと、膝関節１４の回動中心から、床反力Ｆの方向を示す線分に下ろした距離Ｌ１（第１モーメントアーム）の積、すなわち（２）式にて表される。
床反力項＝床反力Ｆ＊第１モーメントアームＬ１ ・・・（２）
As shown in FIG. 5A, the floor reaction force F is determined from the floor reaction force vector generation position (hereinafter referred to as “COP”) set on the back surface of the foot link 17 to the entire user (the user and the walking assistance device 1). In the direction of the center of gravity. The magnitude of the floor reaction force F is measured by a floor reaction force detector 64 provided on the foot link 16. When such a floor reaction force vector can be specified, the floor reaction force term acting on the knee joint 14 indicates the magnitude of the floor reaction force F and the direction of the floor reaction force F from the rotation center of the knee joint 14. The product of the distance L1 (first moment arm) lowered to the line segment, that is, the expression (2).
Floor reaction force term = floor reaction force F * first moment arm L1 (2)
この床反力項は、立脚時、すなわち、足リンク１７が接地している状態では、関節を伸展させるのに必要なモーメントとなる。また、遊脚時、すなわち、足リンク１７が床面から離れている場合には、床反力Ｆが０であるため、床反力項も０となる。 This floor reaction force term is a moment necessary for extending the joint when standing, that is, when the foot link 17 is in contact with the ground. Further, at the time of a swing leg, that is, when the foot link 17 is away from the floor surface, the floor reaction force F is 0, so the floor reaction force term is also 0.
一方、重力項は、ユーザ、歩行補助装置１の重量にて作用するモーメントである。図５（Ｂ）に示されるように、膝関節１４に作用する重力項は、膝関節１４より下に位置する部分に関係した項である。重力項は、膝関節１４より下に位置する部分について、その重心位置Ｈにおける重力Ｇに基づいて発生する。膝関節１４に作用する重力項は、この膝関節１４より下に位置する部分についての重力Ｇの大きさと、膝関節１４の回動中心から、重力方向を示す線分に下ろした距離Ｌ２の距離Ｌ２（第２モーメントアーム）の積、すなわち（３）式にて表される。
重力項＝重力Ｇ＊第２モーメントアームＬ２ ・・・（３）
On the other hand, the gravity term is a moment acting on the weight of the user and the
Gravity term = gravity G * second moment arm L2 (3)
以上、（２）式で求めた床反力項と、（３）式で求めた重力項を（１）式に代入することで膝関節１４に作用する関節モーメントが求められる。歩行補助装置１では、各種センサにて求めた関節モーメントを求め、関節モーメントにて適切なアシスト力が決定される。
As described above, the joint moment acting on the knee joint 14 is obtained by substituting the floor reaction force term obtained by the equation (2) and the gravity term obtained by the equation (3) into the equation (1). In the walking assist
このように関節モーメントを算出するには、床反力項、重力項の算出が必要となるが、床反力項では、ユーザの重心位置を的確に判断すること、また、重力項では、重力方向を的確に検出することが重要である。重心位置の判断、並びに、重力方向の検出は、歩行補助装置１のサドルリンク１１上に配置される加速度センサ６９と、ジャイロセンサ７０にて検出することとしている。ジャイロセンサ７０は、静的状態、動的状態のどちらでもサドルリンク１１の方向を検出することが可能である。しかしながら、ジャイロセンサ７０は、積分誤差によって、使用時間の経過に伴い正確な値を示さなくなる。本実施形態では、重力方向に基づいて静的状態におけるサドルリンク１１の方向を検出する加速度センサ６９を使用することで、サドルリンク１１の方向を正確に検出することとしている。さらに、脚パーツ１９の関節角度を使用することで、サドルリンク１１の方向、すなわち、姿勢角度を正確に検出することとしている。
In order to calculate the joint moment in this way, it is necessary to calculate the floor reaction force term and the gravity term. In the floor reaction force term, it is necessary to accurately determine the position of the user's center of gravity. It is important to detect the direction accurately. The determination of the position of the center of gravity and the detection of the direction of gravity are detected by the
図６には、加速度センサ６９とジャイロセンサ７０、並びに、脚パーツ１９の関節角度を使用した姿勢角度、すなわち、床面に対するサドルリンク１１の角度（姿勢角度）を算出する姿勢角度算出処理を示すフロー図が示されている。
FIG. 6 shows a posture angle calculation process for calculating the posture angle using the joint angle of the
この姿勢角度算出処理は、歩行補助装置１が起動している期間継続して繰り返し行われ、各時点での姿勢角度を算出する。算出された姿勢角度は、床反力項、重力項など関節モーメントの算出に使用される。まず、加速度センサ６９並びにジャイロセンサ７０の出力値がそれぞれ取得される（Ｓ１０１、Ｓ１０２）。次に、歩行補助装置１が静止状態にあるか否かが判定される（Ｓ１０３）。
This posture angle calculation process is repeatedly performed continuously while the walking assist
この静止状態とは、完全に静止した状態をいうものではなく、ある程度の許容範囲内で
ユーザが静止している状態のことをいう。本実施形態ではこの静止状態の判定に脚パーツ１９の各関節に設けられた角度検出センサ６１〜６３の回動状態に基づいて判定することとしている。全ての関節の回動量が許容量未満である場合には、静止状態である（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）と判定され、それ以外の場合には動的状態にある（Ｓ１０４：Ｎｏ）と判定する。静止状態の判定には、このように脚パーツ１９の関節回動状態の他、各種形態を採用することが考えられる。例えば、床反力検出部６４の出力値が一定範囲内で変化しない場合、あるいは、制御部３０に設けられたカメラ６５、６６の撮影範囲が一定範囲内で変化しない場合など、何れか１つ、あるいは、複数を組み合わせて判定することとしてもよい。
The stationary state does not mean a completely stationary state but a state where the user is stationary within a certain allowable range. In the present embodiment, this stationary state is determined based on the rotation states of the angle detection sensors 61 to 63 provided at the joints of the leg part 19. When the rotation amounts of all the joints are less than the allowable amount, it is determined that the joint is stationary (S104: Yes), and otherwise, it is determined that the joint is in a dynamic state (S104: No). In order to determine the stationary state, it is conceivable to employ various forms in addition to the joint rotation state of the leg part 19 as described above. For example, when the output value of the floor reaction force detection unit 64 does not change within a certain range, or when the shooting range of the cameras 65 and 66 provided in the
判定の結果、静止状態にある場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）には、加速度センサ６９の出力値に基づいて、サドルリンク１１の姿勢角度（ユーザの腰部の姿勢角度と等価）として算出し（Ｓ１０５）、求めた姿勢角度が採用される（Ｓ１０６）。 If the result of the determination is that the vehicle is in a stationary state (S104: Yes), the posture angle of the saddle link 11 (equivalent to the posture angle of the user's waist) is calculated based on the output value of the acceleration sensor 69 (S105). The obtained posture angle is adopted (S106).
一方、静止状態でない場合（Ｓ１０４：Ｎｏ）には、左右の床反力検出部６４の出力値が検出される（Ｓ１０７）。本実施形態では、床反力検出部６４を足裏状態検出部として利用している。ここで、足裏状態検出部としての床反力検出部６４について説明しておく。図７には、床反力検出部６４の区政を示す模式図が示されている。床反力検出部６４は、足リンク１７に設けられ、ユーザの足裏にかかる床反力の大きさを検出し、図５（Ａ）で説明したように、その出力値は、関節モーメントの算出に必要となる床反力項の算出に使用される。本実施形態の床反力検出部６４は、床反力前センサ６４１と床反力後センサ６４２の２つの荷重センサにて構成されている。
On the other hand, when not in a stationary state (S104: No), the output values of the left and right floor reaction force detectors 64 are detected (S107). In the present embodiment, the floor reaction force detection unit 64 is used as a sole state detection unit. Here, the floor reaction force detection unit 64 as the sole state detection unit will be described. FIG. 7 is a schematic diagram showing the ward administration of the floor reaction force detection unit 64. The floor reaction force detector 64 is provided on the foot link 17 and detects the magnitude of the floor reaction force applied to the sole of the user. As described with reference to FIG. It is used to calculate the floor reaction force term necessary for calculation. The floor reaction force detection unit 64 of the present embodiment is composed of two load sensors, a floor reaction force
図７は模式的に示したものであるが、これら２つの床反力前センサ６４１と床反力後センサ６４２には、少なくともユーザによる荷重（ユーザのみの荷重、もしくは、ユーザと歩行補助装置１両方による荷重）が全てかかるように配置されている。したがって、床反力前センサ６４１と床反力後センサ６４２の合計値が床面垂直方向の床反力として計測される。また、このように床反力前センサ６４１と床反力後センサ６４２、両者の荷重分配に基づいて、床反力ベクトルの発生位置（ＣＯＰ）を算出することも可能である。床反力検出部６４に使用するセンサは、このように２つのみに限らず、さらにその数を増設することとしてもよい。
FIG. 7 schematically shows that these two sensors before the
本実施形態では、この床反力検出部６４を足裏状態検出部として使用している。この足裏状態検出部は、直立時あるいは歩行時においてユーザの足裏の略全面が床面に当接している状態（アンクルロッカー状態）を検出する。図８には、歩行補助装置１の足リンク１７部分における各種状態が示されてる。図８（Ａ）は踵部分が接地しているヒールロッカー状態であり、図８（Ｂ）は足裏の略全面が接地しているアンクルロッカー状態であり、図８（Ｃ）は足裏のつま先側が接地しているフォアフットロッカー状態である。ここで各状態における「ロッカー」とは揺動の意味であり、図８（Ａ）のヒールロッカー状態は、踵部分を中心として下腿リンク１５が揺動することを意味する。そして、図８（Ｂ）のアンクルロッカー状態は、足関節１６を中心として下腿リンク１５が揺動することを、図８（Ｃ）のフォアフットロッカー状態は、爪先部分を中心として下腿リンク１５が揺動することを意味している。
In the present embodiment, the floor reaction force detection unit 64 is used as a sole state detection unit. The sole state detection unit detects a state (ankle rocker state) in which the substantially entire surface of the user's sole is in contact with the floor surface when standing or walking. FIG. 8 shows various states in the foot link 17 portion of the walking assist
本実施形態では、足関節１６を中心として下腿リンク１５が揺動するアンクルロッカー状態を足裏状態検出部としての床反力検出部６４を使用して検出することとしている。このアンクルロッカー状態では、床面に対して足関節１６が位置決めされるため、足関節１６の角度に基づいて、床面に対するサドルリンクの姿勢角度が算出可能である。足裏状態検出部は、このように床反力検出部６４と兼用する以外に、別途、足裏状態検出用のセンサを用意することとしてもよい。 In the present embodiment, an ankle rocker state in which the lower leg link 15 swings around the ankle joint 16 is detected using the floor reaction force detection unit 64 as a sole state detection unit. In this ankle rocker state, since the ankle joint 16 is positioned with respect to the floor surface, the posture angle of the saddle link relative to the floor surface can be calculated based on the angle of the ankle joint 16. In addition to using the floor reaction force detection unit 64 as described above, the sole state detection unit may separately prepare a sensor for detecting the sole state.
図９には、アンクルロッカー状態における脚パーツ１９の様子が示されている。前述したようにアンクルロッカー状態では、足関節１６の角度は床面となす角度θ３として第３角度検出センサ６３で計測可能である。また、上腿リンク１３と下腿リンク１５がなす角度は、膝関節１４に設けられた第１角度検出センサ６１にて角度θ２として計測可能である。そして、サドルリンク１１と上腿リンク１３がなす角度θ１は、摺動部１２に設けられた第２角度検出センサ６２にて検出可能である。以上のことから、アンクルロッカー状態では、角度θ１〜θ３を計測することで、床面に対するサドルリンク１１がなす姿勢角度θを算出することが可能である。
FIG. 9 shows the state of the leg part 19 in the ankle rocker state. As described above, in the ankle rocker state, the angle of the ankle joint 16 can be measured by the third angle detection sensor 63 as the angle θ3 formed with the floor surface. The angle formed by the upper thigh link 13 and the lower thigh link 15 can be measured as the angle θ2 by the first angle detection sensor 61 provided in the knee joint 14. The angle θ1 formed by the
図６の姿勢角度算出処理のフロー図に戻り、床反力検出部６４の検出結果に基づき、左右の足裏の状態がアンクルロッカー状態か否かが判定される（Ｓ１０８）。左右の足裏の何れか一方がアンクルロッカー状態である場合（Ｓ１０９：Ｙｅｓ）には、アンクルロッカー状態の足を使用し、図９で説明したように床面を基準とするサドルリンク１１の姿勢角度θ（ユーザの腰部の姿勢角度と等価）を算出し（Ｓ１１０）、算出した角度を姿勢角度として採用する。一方、左右何れもアンクルロッカー状態でない場合（Ｓ１０９：Ｎｏ）には、１ループ前、すなわち、前回、算出した姿勢角度にジャイロセンサ６９で算出した角速度を積算し、姿勢角度として採用する（Ｓ１１２）。
Returning to the flowchart of the posture angle calculation process of FIG. 6, based on the detection result of the floor reaction force detector 64, it is determined whether the left and right soles are in the ankle rocker state (S108). When one of the left and right soles is in the ankle rocker state (S109: Yes), the foot of the ankle rocker state is used and the posture of the
このような姿勢角度算出処理を繰り返し行うことで、静止状態かつアンクルロッカー状態の場合、各関節角度に基づいて算出された姿勢角度を利用することで、ジャイロセンサ６９の積分誤差がリセットされることとなる。そして、静止状態の場合には、加速度センサ７０の出力値を利用することで、ジャイロセンサ７０の積分誤差がリセットされることとなり、姿勢角度の算出精度向上が図られることとなる。
By repeatedly performing such posture angle calculation processing, the integration error of the
算出された姿勢角度を使用して、前述する床反力項、重力項などが算出され、歩行補助装置１の各種アクチュエータで加えるアシスト力が決定される。このように姿勢角度は、アシスト力を正確に求めるための重要な要素である。本実施形態では、この姿勢角度の検出精度の向上を図ることで歩行補助装置１で制御するアシスト力を適切なものとするとが可能となる。
Using the calculated posture angle, the floor reaction force term, the gravity term and the like described above are calculated, and the assist force applied by the various actuators of the walking assist
なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。 Note that the present invention is not limited to these embodiments, and embodiments configured by appropriately combining the configurations of the respective embodiments also fall within the scope of the present invention.
１…歩行補助装置
１１…サドルリンク
１１１Ｒ、Ｌ…摺動レール
１１２…サドルシート
１２Ｒ、Ｌ…摺動部
１３Ｒ、Ｌ…上腿リンク
１４Ｒ、Ｌ…膝関節
１５Ｒ、Ｌ…下腿リンク
１６Ｒ、Ｌ…足関節
１７Ｒ、Ｌ…足リンク
１９Ｒ、Ｌ…脚パーツ
５１Ｒ、Ｌ…第１アクチュエータ
５２Ｒ、Ｌ…第２アクチュエータ
６１Ｒ、Ｌ…第１角度検出センサ
６２Ｒ、Ｌ…摺動位置検出センサ
６３Ｒ、Ｌ…第３角度検出センサ
６４Ｒ、Ｌ…床反力検出部
６５…前方カメラ
６６…後方カメラ
６７…ナビモジュール
６８…無線通信モジュール
６９…加速度センサ
７０…ジャイロセンサ
８１…入力部
１０１…制御ＥＣＵ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
可動可能な関節で互いに接続された複数のリンクを有する左右の脚パーツと、
左右の前記脚パーツを接続する接続リンクと、
前記接続リンクに配置された加速度センサと、
前記接続リンクに配置されたジャイロセンサと、
足裏の接地状態を判定可能な足裏状態検出部と、
前記歩行補助装置が静止状態である場合、前記加速度センサの出力値に基づいて姿勢角度を算出し、
前記歩行補助装置が静止状態でなく前記足裏状態検出部がアンクルロッカー状態を判定している場合、アンクルロッカー状態である脚パーツの関節角度に基づいて姿勢角度を算出し、
前記歩行補助装置が静止状態でなく前記足裏状態検出部がアンクルロッカー状態でないと判定している場合、前回算出した姿勢角度に前記ジャイロセンサの出力値を積算することで姿勢角度を算出する姿勢角度算出処理と、
前記姿勢角度算出処理で算出された姿勢角度に基づいて、前記脚パーツの関節に加えるアシスト力を算出し、前記脚パーツの関節に設けられたアクチュエータにアシスト力を加えるアシスト処理と、を実行する制御部と、を備えたことを特徴とする
歩行補助装置。 In a walking assistance device that is attached to a user's leg and assists the user's walking by applying assist force,
Left and right leg parts having a plurality of links connected to each other by movable joints;
A connection link connecting the left and right leg parts;
An acceleration sensor disposed on the connection link;
A gyro sensor arranged in the connection link;
A sole state detector that can determine the ground contact state of the sole,
When the walking assist device is stationary, calculate a posture angle based on the output value of the acceleration sensor,
When the walking assist device is not stationary and the sole state detection unit determines the ankle rocker state, the posture angle is calculated based on the joint angle of the leg parts in the ankle rocker state,
A posture for calculating a posture angle by adding the output value of the gyro sensor to the posture angle calculated last time when the walking assist device is not in a stationary state and the sole state detection unit determines that it is not in an ankle rocker state. Angle calculation processing;
Based on the posture angle calculated in the posture angle calculation process, the assist force applied to the joint of the leg part is calculated, and the assist process of applying the assist force to the actuator provided in the joint of the leg part is executed A walking assist device comprising: a control unit;
請求項１に記載の歩行補助装置。 2. The walking assistance device according to claim 1, wherein in the posture angle calculation process, the stationary state of the walking assistance device is determined based on a rotation amount of a joint of the left and right leg parts.
請求項１または請求項２に記載の歩行補助装置。 The walking assist device according to claim 1, wherein the sole state detection unit is a floor reaction force detection unit that detects a floor reaction force based on a user's load.
左右の前記脚パーツは、ユーザによる装着時、ユーザの脚部内側に位置することを特徴とする
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の歩行補助装置。 The connection link is a saddle link located at the user's inseam when worn by the user,
The walking assistance device according to any one of claims 1 to 3, wherein the left and right leg parts are positioned inside the user's leg when the user wears the leg part.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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-
2013
- 2013-03-29 JP JP2013071797A patent/JP2014195509A/en active Pending
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