JP2015083091A

JP2015083091A - 動作支援装置

Info

Publication number: JP2015083091A
Application number: JP2013222640A
Authority: JP
Inventors: 文武藤井; Fumitake Fujii
Original assignee: Yamaguchi University NUC
Current assignee: Yamaguchi University NUC
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2015-04-30

Abstract

【課題】装着性が良く、比較的少ないセンサからの検出信号に基づきながらも、運動意図の検出精度が高く、アクチュエータの駆動制御が装着者の随意感に合致しやすい動作支援装置を提供する。
【解決手段】アクチュエータ６を駆動する固定部兼演算処理部１１と、アクチュエータ６の回転角度位置を検出し、固定部兼演算処理部１１に回転角度位置信号を所定時間毎に入力する位置検出センサと、固定部兼演算処理部１１に起電力信号を所定時間毎に入力する角速度検出手段７を備え、固定部兼演算処理部１１は、時系列の回転角度位置信号及び起電力信号に基づいて関節１の回転角加速度を推定し、推定された回転角加速度に基づいてアクチュエータ６の駆動を制御する動作支援装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、人や動物等の自発的な運動を行う生体に装着して装着者の運動動作を支援するパワーアシストスーツ等の動作支援装置に関するものである。

従来、人間の肉体作業の支援や、何らかの理由で随意運動が困難になった人のリハビリテーションを支援する目的で、身体に装着して利用するタイプの動作支援装置が各種開発されている。
例えば、特許文献１（特開２００８−２００５１２号公報）には、装着者の動作に応じた物理量と装着者の筋活動に伴う生体信号（筋電位信号）を検出する検出手段とを備え、検出手段により検出された関節角度を基準パラメータの関節角度と比較することにより、装着者の動作のパターンを判定するとともに、検出された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装置であって、筋電位信号と関節の角度との情報から一連の行動を特定し、特定された行動に応じて各関節を作動させることが記載されている。
また、特許文献２（特開２０１３−１１６３１９号公報）には、利用者への装着を簡易にし、利用者の自由度を向上させると共に、前傾姿勢での屈伸作業においても安定して利用者を支えられる下肢動作支援装置であって、利用者の胴に装着される体装着部１０、大腿に沿って設けられる大腿リンク部３０、下腿に沿って設けられる下腿リンク部４０、利用者の足を載置固定する足載置部５０、体装着部１０と大腿リンク部３０を回転可能に連結する股関節部３１、大腿リンク部３０と下腿リンク部４０を回転可能に連結する膝関節部３２、下腿リンク部４０と足載置部５０を回転可能に連結する足首関節部４１、股関節駆動用アクチュエータユニット６０、膝関節駆動用アクチュエータユニット６１、足首関節駆動用アクチュエータユニット６２、股関節駆動用アクチュエータユニット６０の回転角度を検出するロータリーエンコーダ、膝関節駆動用アクチュエータユニット６１の回転角度を検出するロータリーエンコーダ、足首関節駆動用アクチュエータユニット６２の回転角度を検出するロータリーエンコーダ、制御部７０及びバッテリ等を備え、各ロータリーエンコーダで検出された回転角度に基づいて、利用者がどのような動作をしようとしているかを予測し、各アクチュエータユニット６０〜６２を駆動することが記載されている。

特開２００８−２００５１２号公報特開２０１３−１１６３１９号公報

しかし、特許文献１記載の技術は、筋電位信号が微弱、信号レベルに個人差がある、筋電位が必ずしも利用者の四肢の動作と連動していない場合がある等の問題により、万人が装着してすぐに安定したアシストを期待できる安定性・安全性を実現するに至っていない。
また、筋電位に加え各関節の角度や利用者の動作に応じた物理量を測定するセンサが多いため、利用者への装着に時間がかかる上に、各種制御が煩雑になるという問題もある。

特許文献２記載の技術は、センサの数を減らすことには成功しているが、運動意図の検出精度が低く、動作予測に基づく各アクチュエータユニットの駆動制御が装着者の随意感に必ずしも合致しないという問題があった。

本発明は、これらの課題を解消することを目的としてなされたもので、装着性を良くするとともに、必ずしも生体の力の発揮意図と呼応することなく観測値が変化し、かつ非常に大きなノイズが観測値に重畳する可能性のあるジャイロセンサや加速度センサなどのレートセンサ（微分センサ）を用いることなく、かつ、比較的少ないセンサからの検出信号に基づきながらも、運動意図の検出精度が高く、アクチュエータの駆動制御が装着者の随意感に合致しやすい動作支援装置を提供するものである。

請求項１に係る発明の動作支援装置は、回転関節を介して相対運動可能な生体の一方の部位及び他方の部位の各々に固定して装着される第１端子及び第２端子と、前記生体のいずれかの部位に固定して装着される回転駆動又は直線駆動可能なアクチュエータと、該アクチュエータに直接的又は間接的に連結したロッド又はワイヤと、前記アクチュエータを駆動する駆動制御部と、前記アクチュエータの回転角度位置又は直線位置を検出し、前記駆動制御部に前記回転角度位置に応じた回転角度位置信号又は前記直線位置に応じた直線位置信号を所定時間毎に入力する位置検出センサを備え、前記アクチュエータの駆動力で前記ロッド又はワイヤを回動又は移動させることにより、前記一方の部位と前記他方の部位の相対的な位置が変更可能であるとともに、前記駆動制御部は、時系列の前記回転角度位置信号又は前記直線位置信号に基づいて前記アクチュエータの回転角速度又は直線速度を算出し、算出された回転角速度又は直線速度に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の動作支援装置において、前記算出された回転角速度又は前記算出された直線速度に基づいて、前記動作支援装置を装着した生体の前記回転関節の回転角加速度を推定し、その推定値に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の動作支援装置において、前記算出された回転角速度と前記回転角度位置信号又は前記算出された直線速度と前記直線位置信号に基づいて、前記動作支援装置を装着した生体の前記回転関節の回転角加速度を推定し、その推定値に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする。

請求項４に係る発明の動作支援装置は、回転関節を介して相対運動可能な生体の一方の部位及び他方の部位の各々に固定して装着される第１端子及び第２端子と、前記生体のいずれかの部位に固定して装着される回転駆動又は直線駆動可能なアクチュエータと、該アクチュエータに直接的又は間接的に連結したロッド又はワイヤと、前記アクチュエータを駆動する駆動制御部と、前記ロッド又はワイヤに直接的又は間接的に連結した角速度検出手段若しくは直線速度検出手段と、前記角速度検出手段若しくは直線速度検出手段に誘導される起電力を検出し、前記駆動制御部に前記起電力に対応する起電力信号を所定時間毎に入力する起電力検出部を備え、前記アクチュエータの駆動力で前記ロッド又はワイヤを回動又は移動させることにより、前記一方の部位と前記他方の部位の相対的な位置が変更可能であるとともに、前記駆動制御部は、時系列の前記起電力信号に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の動作支援装置において、前記起電力信号に基づいて、前記動作支援装置を装着した生体の前記回転関節の回転角加速度を推定し、その推定値に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項４に記載の動作支援装置において、前記アクチュエータの回転角度位置又は直線位置を検出し、前記駆動制御部に前記回転角度位置に応じた回転角度位置信号又は前記直線位置に応じた直線位置信号を所定時間毎に入力する位置検出センサをさらに備え、前記駆動制御部は、前記起電力信号と前記回転角度位置信号又は前記直線位置信号に基づいて、前記動作支援装置を装着した生体の前記回転関節の回転角加速度を推定し、その推定値に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする。

請求項１に係る発明の動作支援装置によれば、アクチュエータの回転角度位置又は直線位置を検出し、駆動制御部に回転角度位置に応じた回転角度位置信号又は直線位置に応じた直線位置信号を所定時間毎に入力する位置検出センサを備え、駆動制御部は、時系列の回転角度位置信号又は直線位置信号に基づいてアクチュエータの回転角速度又は直線速度を算出し、算出された回転角速度又は直線速度に基づいてアクチュエータの駆動を制御する。
そのため、生体信号を検出することなく少ない数のセンサによって、生体の運動意図を精度良く検出でき、アクチュエータの駆動制御を生体の随意感に合致させることができる。
また、センサの数が少なく簡易な構成であるため軽量化が可能で、生体への装着が楽にできるという効果もある。

請求項２に係る発明の動作支援装置によれば、請求項１に係る発明による効果に加え、算出された回転角速度又は算出された直線速度に基づいて、動作支援装置を装着した生体の回転関節の回転角加速度を推定し、その推定値に基づいてアクチュエータの駆動を制御しており、回転角加速度は関節トルク又は力と同位相の信号であり、動作支援用の信号として好適であるため、生体の運動意図をより精度良く推定でき、アクチュエータの駆動制御を生体の随意感により良く合致させることができる。

請求項３に係る発明の動作支援装置によれば、請求項２に係る発明の効果と同様に、請求項１に係る発明による効果に加え、算出された回転角速度と回転角度位置信号又は算出された直線速度と直線位置信号に基づいて、動作支援装置を装着した生体の回転関節の回転角加速度を推定し、その推定値に基づいてアクチュエータの駆動を制御しており、回転角加速度は関節トルク又は力と同位相の信号であり、動作支援用の信号として好適であるため、生体の運動意図をより精度良く推定でき、アクチュエータの駆動制御を生体の随意感により良く合致させることができる。

請求項４に係る発明の動作支援装置によれば、ロッド又はワイヤに直接的又は間接的に連結した角速度検出手段若しくは直線速度検出手段を備え、駆動制御部に角速度検出手段若しくは直線速度検出手段に誘導される起電力に対応する起電力信号を所定時間毎に入力しているので、駆動制御部は、回転角速度又は直線速度を算出することなく、回転関節の回転角速度に応じて変化する大きさの起電力信号に基づいてアクチュエータの駆動を制御できる。
そのため、生体信号を検出することなく少ない数のセンサによって、生体の運動意図を精度良く検出でき、アクチュエータの駆動制御を生体の随意感に合致させることができる。
また、センサの数が少なく簡易な構成であるため軽量化が可能で、生体への装着が楽にできるという効果や、回転角速度又は直線速度を算出する必要がないため駆動制御部における制御負荷を軽くすることができ、生体の運動意図を遅延なく検出して、その後のアクチュエータの駆動制御を迅速に行うことができるという効果もある。

請求項５に係る発明の動作支援装置によれば、請求項４に係る発明による効果に加え、起電力信号に基づいて、動作支援装置を装着した生体の回転関節の回転角加速度を推定し、その推定値に基づいてアクチュエータの駆動を制御しており、回転角加速度は関節トルク又は力と同位相の信号であり、動作支援用の信号として好適であるため、生体の運動意図をより精度良く推定でき、アクチュエータの駆動制御を生体の随意感により良く合致させることができる。

請求項６に係る発明の動作支援装置によれば、請求項５に係る発明の効果と同様に、請求項４に係る発明による効果に加え、起電力信号と回転角度位置信号又は直線位置信号に基づいて、動作支援装置を装着した生体の回転関節の回転角加速度を推定し、その推定値に基づいてアクチュエータの駆動を制御しており、回転角加速度は関節トルク又は力と同位相の信号であり、動作支援用の信号として好適であるため、生体の運動意図をより精度良く推定でき、アクチュエータの駆動制御を生体の随意感により良く合致させることができる。

実施例１に係る動作支援装置の概略を示す図。実施例１に係る動作支援装置の駆動制御に関するブロック図。実施例１の角加速度推定値を用いて関節１の角度を推定した値のグラフ（破線）と、装置に装着された回転角度センサを利用して観測された角度のグラフ（実線）を重ね合わせた図。実施例２に係る動作支援装置の概略を示す図。

以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。

図１は、関節１でつながっている上腕２と下腕３に装着される実施例１の動作支援装置の概略図である。
第１端子４は上腕２に装着固定され、第２端子５は下腕３に装着固定されている。
そして、第１端子４は、下腕３の上腕に対する回転運動により誘起された関節１の回転運動を増速するためのギヤトレイン９・８を通じて角速度検出手段７の検出軸に伝える構造を有している。下腕３の運動は、下腕３に固定された第２端子５とロッド１０を通じて９の回転運動に変換される。この９の回転運動が関節１の回転運動と同一のものであるため、本装置を利用して関節１の回転速度に比例した起電力を角速度検出手段７から取り出すことが可能となる。第１端子４は固定部兼演算処理部１１により上腕２に固定されており、腕部の運動により脱落することがないよう支承されている。
また、アクチュエータ６は第１端子４に固定されるとともに、角速度検出手段７の検出軸と共に回動するギヤと噛合しているので、アクチュエータ６の回転駆動力を制御することで、上腕２に対する下腕３の関節１を中心とした回動を動作支援することができる。
さらに、第１端子４には、図２に示すように、関節１およびギヤ９と連動して回動するロータリーエンコーダ等の位置検出センサ１２が備えられており、上腕２又は下腕３における筋肉の運動やアクチュエータ６の駆動によって、上腕２と下腕３の相対的な角度が変わると、位置検出センサ１２からの回転角度位置信号を利用して、上腕２と下腕３の相対的な角度やアクチュエータ６の回転角度位置を計測できるようになっている。

角速度検出手段７としては、例えば、DCタコジェネレータの利用が考えられる。また、タコジェネレータに変えて直流永久磁石型の小型モータ等を用いることもできる。
ただし、小型モータを用いる場合、それが駆動制御されることはなく、上腕２と下腕３の相対的な角度の変化、すなわち関節１およびギヤ９の回転角度位置の変化に連れてギヤ９・８により増速された上で回転子が回動する。
そして、それらの角度の変化に連れて回転子が回動すると、その回転速度に応じた起電力がリード線間に誘導される。
固定部兼演算処理部１１には、１０ミリ秒毎に位置検出センサ１２からの回転角度位置信号と角速度検出手段７に誘導された起電力に対応する起電力信号が入力されるようになっている。起電力信号としては、リード線間に接続された起電力検出部１３（電流計又は電圧計）で計測した電流値や電圧値を用いることができる。
角速度検出手段７に誘導される起電力は、関節１およびギヤ９の回転速度に比例した大きさとなるので、固定部兼演算処理部１１は、図２に示すように、回転角度位置信号と起電力信号に基づき、カルマンフィルタや粒子フィルタ等の加速度推定器によって関節１の回転角加速度を推定することができ、推定された回転角加速度及び回転角度位置信号に基づき、制御器によってアクチュエータ６の駆動を制御することができる。

図３は、実施例１の加速度推定器によって推定された回転角加速度を用いて関節１の角度を推定した値のグラフ（破線）と、図２の位置検出センサ１２により観測された角度のグラフ（実線）を重ね合わせたものであるが、非常に一致度が高いことが分かる。

図４は、関節１でつながっている上腕２と下腕３に装着される実施例２の動作支援装置の概略図である。
第１端子１４は上腕２に装着固定され、第２端子１５は下腕３に装着固定されている。
そして、第１端子１４は、バッテリ等からの電力によって直線駆動するソレノイド等のアクチュエータ１６と、アクチュエータ１６の駆動力によって直線的に移動するロッド１７と、アクチュエータ１６の直線駆動を制御する固定部兼演算処理部１８を有しており、ロッド１７の他端部は第２端子１５に対して回動可能に固定されている。
また、アクチュエータ１６は、その一端部が上腕２に固定されている固定部兼演算処理部１８のケース体に回動可能に固定されている。
上記のような構成を有しているので、アクチュエータ１６の直線駆動力を制御することで、上腕２に対する下腕３の関節１を中心とした回動を動作支援することができる。
さらに、第１端子１４には、アクチュエータ１６の直線移動に連動して移動するエンコーダやアクチュエータ１６の可動部位置検出器等の位置検出センサが備えられており、上腕２又は下腕３における筋肉の運動やアクチュエータ１６の駆動によって、上腕２と下腕３の相対的な角度が変わると、位置検出センサからの直線位置信号を利用して、上腕２と下腕３の相対的な角度やアクチュエータ１６の直線位置を計測できるようになっている。

固定部兼演算処理部１８には、１０ミリ秒毎に位置検出センサからの直線位置信号が入力されるようになっている。
固定部兼演算処理部１８は、時系列の直線位置信号を用いてアクチュエータ１６の直線速度を算出し、実施例１と同様に、直線位置信号と算出した直線速度に基づき、加速度推定器によって関節１の回転角加速度を推定することができ、推定された回転角加速度及び直線位置信号に基づき、制御器によってアクチュエータ１６の駆動を制御することができる。

実施例１、２の動作支援装置に関する変形例を列記する。
（１）実施例１、２においては、１０ミリ秒毎に回転角度位置信号又は直線位置信号と起電力信号が固定部兼演算処理部１１へ入力されるようになっているが、サンプリングレートは、制御上問題の起きない範囲で適宜変更しても良い。
また、動きがない時と動きがある時で、サンプリングレートを変化させても良い。
（２）実施例１においては、角速度検出手段７及び起電力検出部１３を設けているが、実施例２と同様に角速度検出手段７及び起電力検出部１３を省略し、時系列の回転角度位置信号からアクチュエータ６の回転角速度を算出して関節１の回転角加速度を推定しても良い。
（３）実施例１においては、回転角度位置信号と起電力信号に基づき、関節１の回転角加速度を推定しており、実施例２においては、直線位置信号と算出した直線速度に基づき、関節１の回転角加速度を推定しているが、起電力信号のみ又は算出した直線速度のみに基づき、関節１の回転角加速度を推定することも可能である。
（４）実施例１、２においては、加速度推定器によって関節１の回転角加速度を推定し、推定された回転角加速度及び回転角度位置信号若しくは直線位置信号に基づいてアクチュエータ６、１６の駆動を制御しているが、速度推定器によってアクチュエータ６の回転又はアクチュエータ１６の直線運動によって引き起こされる関節１の回転角速度を推定し、推定された回転角速度及び回転角度位置信号若しくは直線位置信号に基づいてアクチュエータ６、１６の駆動を制御するようにしても良い。
（５）実施例１、２においては、アクチュエータ６、１６を第１端子４、１４に設けてあるが、第２端子５、１５に設けても良い。
また、アクチュエータ６、１６を上腕２及び下腕３を有する生体のいずれかの部位に固定して装着しても良い。アクチュエータ６、１６を装着固定する位置としては、上腕２における第１端子４、１４装着位置以外の部位、下腕３における第２端子５、１５装着位置以外の部位、上腕２と肩関節を介してつながっている上半身の適宜の部位（肩、背中、胸、腹、胴、腰等）等が挙げられる。
ただし、関節１以外の関節を介してつながっている部位に装着固定する場合には、関節１とアクチュエータ６、１６の相対的な位置が変化するので、その相対的な位置が変化してもアクチュエータ６、１６とロッド１０、１７の駆動経路に影響が及ばないようにする工夫（例えば、上腕側にあるロッドの一端と上半身側にあるアクチュエータの作動部を、肩関節経由で間接的に連結し、肩関節が回動してもその連結部分が動かないようにする）や、その相対的な位置の変化を検知してアクチュエータの回転角度位置又は直線位置の検出結果や回転角速度又は直線速度の検出結果又は算出結果を補正する工夫を施す必要がある。
（６）実施例１においては、アクチュエータ６及び角速度検出手段７はともに回転運動するものであったが、少なくともいずれか一方をソレノイド等の直線運動するものとしても良い。
そして、生体のいずれかの部位に固定して装着されたアクチュエータをソレノイドにした場合、直線運動を回転運動に変換するクランク機構やラックピニオン機構等を設けて、ロッド１０を回転駆動できるようにする必要がある。
（７）実施例２のロッド１７はワイヤにしても良い。その場合、ワイヤは下腕３の自重によって伸ばされることとなるので、アクチュエータ１６はワイヤを伸ばす方向に駆動する必要はなく、ワイヤが縮む方向又はワイヤの伸びを抑えるための駆動のみを行えば良い。
（８）実施例２においては、時系列の直線位置信号からアクチュエータ１６の直線速度を算出して関節１の回転角加速度を推定しているが、実施例１と同様に直線速度検出手段及び起電力検出部を設けて、直接アクチュエータ１６の直線速度を検出するようにしても良い。

１関節２上腕３下腕
４、１４第１端子５、１５第２端子
６、１６アクチュエータ７角速度検出手段
８、９ギヤ１０ロッド１１、１８固定部兼演算処理部
１２位置検出センサ１３起電力検出部１７ロッド

Claims

回転関節を介して相対運動可能な生体の一方の部位及び他方の部位の各々に固定して装着される第１端子及び第２端子と、
前記生体のいずれかの部位に固定して装着される回転駆動又は直線駆動可能なアクチュエータと、
該アクチュエータに直接的又は間接的に連結したロッド又はワイヤと、
前記アクチュエータを駆動する駆動制御部と、
前記アクチュエータの回転角度位置又は直線位置を検出し、前記駆動制御部に前記回転角度位置に応じた回転角度位置信号又は前記直線位置に応じた直線位置信号を所定時間毎に入力する位置検出センサを備え、
前記アクチュエータの駆動力で前記ロッド又はワイヤを回動又は移動させることにより、前記一方の部位と前記他方の部位の相対的な位置が変更可能であるとともに、
前記駆動制御部は、時系列の前記回転角度位置信号又は前記直線位置信号に基づいて前記アクチュエータの回転角速度又は直線速度を算出し、算出された回転角速度又は直線速度に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御する
動作支援装置。
前記算出された回転角速度又は前記算出された直線速度に基づいて、前記動作支援装置を装着した生体の前記回転関節の回転角加速度を推定し、その推定値に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御する
請求項１に記載の動作支援装置。
前記算出された回転角速度と前記回転角度位置信号又は前記算出された直線速度と前記直線位置信号に基づいて、前記動作支援装置を装着した生体の前記回転関節の回転角加速度を推定し、その推定値に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御する
請求項１に記載の動作支援装置。
回転関節を介して相対運動可能な生体の一方の部位及び他方の部位の各々に固定して装着される第１端子及び第２端子と、
前記生体のいずれかの部位に固定して装着される回転駆動又は直線駆動可能なアクチュエータと、
該アクチュエータに直接的又は間接的に連結したロッド又はワイヤと、
前記アクチュエータを駆動する駆動制御部と、
前記ロッド又はワイヤに直接的又は間接的に連結した角速度検出手段若しくは直線速度検出手段と、
前記角速度検出手段若しくは直線速度検出手段に誘導される起電力を検出し、前記駆動制御部に前記起電力に対応する起電力信号を所定時間毎に入力する起電力検出部を備え、
前記アクチュエータの駆動力で前記ロッド又はワイヤを回動又は移動させることにより、前記一方の部位と前記他方の部位の相対的な位置が変更可能であるとともに、
前記駆動制御部は、時系列の前記起電力信号に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御する
動作支援装置。
前記起電力信号に基づいて、前記動作支援装置を装着した生体の前記回転関節の回転角加速度を推定し、その推定値に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御する
請求項４に記載の動作支援装置。
前記アクチュエータの回転角度位置又は直線位置を検出し、前記駆動制御部に前記回転角度位置に応じた回転角度位置信号又は前記直線位置に応じた直線位置信号を所定時間毎に入力する位置検出センサをさらに備え、
前記駆動制御部は、前記起電力信号と前記回転角度位置信号又は前記直線位置信号に基づいて、前記動作支援装置を装着した生体の前記回転関節の回転角加速度を推定し、その推定値に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御する
請求項４に記載の動作支援装置。