JP2016200400A - 荷重センサの測定値の校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザの足裏部が地面から受ける荷重を測定する荷重センサの測定値を容易に校正することを可能にする、荷重センサの測定値の校正方法を提供すること。【解決手段】ユーザの歩行を補助する歩行補助装置１が実行する、歩行中にユーザの足裏部Ｓが地面から受ける荷重を測定する荷重センサ２２の測定値の校正方法は、荷重センサ２２の測定値が所定値以下であるか否かに基づいて、足裏部Ｓが地面から離れているか否かを判定し、足裏部Ｓが地面から離れているときの測定値の時間平均値を算出することでオフセット値を算出し、測定値からオフセット値を減算することで測定値を校正するものである。【選択図】図１

Description

本発明は、ユーザの歩行を補助する歩行補助装置が実行する、ユーザの足裏部が地面から受ける荷重を測定する荷重センサの測定値の校正方法に関する。

ユーザの歩行を補助するためのロボット（歩行補助装置）についての技術が開示されている。

例えば、特許文献１に係る歩行補助装置は、ユーザの左右の足裏部に取付けられた荷重センサの測定値（ユーザの荷重の反作用として地面から受ける上方の力である、接地反力の測定値）に基づいて、左右の膝に対するアシスト力を決定している。ここで、歩行補助装置の着座部がユーザを上方に押し上げることにより、接地反力が減少し、正しいアシスト力の決定ができなくなる可能性がある。特許文献１に係る歩行補助装置は、これを防止するため、着座部がユーザに与える座面反力を、左右の足荷重センサの測定値に分配している。これにより、歩行補助装置は、検出された接地反力を補正して、アシスト力をより正確にしようとする制御を行っている。

特開２０１４−１８４０８６号公報

歩行補助装置において、ユーザの足裏部に取付けられた荷重センサの測定値には、接地反力による荷重値に、所定のオフセット値が加わる。このオフセット値は、上述の座面反力だけでなく、荷重センサを取付けるメカのたわみ等や、荷重センサの電気的特性の変化等が原因となっても生じる。上述の特許文献１に係る歩行補助装置では、着座部がユーザに与える座面反力に基づいて接地反力を補正しているものの、上述の通り、オフセット値の要因は座面反力以外にも考えられる。従って、特許文献１に係る歩行補助装置では、荷重センサの測定値を正確に校正できない可能性がある。

本発明に係る荷重センサの測定値の校正方法は、ユーザの足裏部が地面から受ける荷重を測定する荷重センサの測定値を正確に校正することを可能にするものである。

本発明にかかる、ユーザの歩行を補助する歩行補助装置が実行する、歩行中にユーザの足裏部が地面から受ける荷重を測定する荷重センサの測定値の校正方法は、
前記荷重センサの測定値が所定値以下であるか否かに基づいて、前記足裏部が地面から離れているか否かを判定し、
前記足裏部が地面から離れているときの前記測定値の時間平均値を算出することでオフセット値を算出し、
前記測定値から前記オフセット値を減算することで前記測定値を校正するものである。

この方法で、歩行補助装置は、足裏部が地面から離れているときの測定値に基づいてオフセット値を算出することで、測定値を校正している。従って、歩行中における正確なオフセット値を算出でき、そのオフセット値で測定値を校正するため、荷重センサの測定値を正確に校正することができる。

本発明により、ユーザの足裏部が地面から受ける荷重を測定する荷重センサの測定値を正確に校正することができる。

実施の形態にかかる歩行補助装置の概略図である。 荷重センサユニットの概略図である。 荷重センサユニット及び制御ＥＣＵのブロック図である。 校正部のオフセット値の計算方法を示すフローチャートである。 校正部の測定値の校正方法を示すフローチャートである。 制御部の制御処理を示すフローチャートである。 理想測定値と実際の測定値との関係の一例を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に示すように、実施の形態に係る歩行補助装置１は、荷重センサユニット１１と、足首ジョイント１２ａ、１２ｂと、下リンク１３ａ、１３ｂと、下連結バー１４と、上リンク１５ａ、１５ｂと、上連結バー１６と、モータ・エンコーダユニット１７と、制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１８とを備える。歩行補助装置１は、ユーザの右脚部Ｆに装着されており、ユーザの膝関節にトルクを与えることによって、ユーザの歩行動作を補助する。以下、歩行補助装置１の各部について説明する。

図２に示すように、荷重センサユニット１１は、足裏ユニット２１と、垂直荷重センサ２２とを備える。足裏ユニット２１は、ユーザの右脚部Ｆの足裏部Ｓに取付けられ、ユーザの足裏部Ｓが直接接触する靴底としての役割を有すると共に、ユーザの足裏部Ｓの形状に応じた形状を有する。垂直荷重センサ２２は、足裏ユニット２１内に設けられたセンサであり、足裏ユニット２１と垂直方向にかかる荷重の大きさを測定値として検出することで、歩行中に足裏部Ｓが地面から受ける荷重を測定する。なお、図２において、垂直荷重センサ２２は、足裏ユニット２１に４つ設けられている。２つの垂直荷重センサ２２Ａは、足裏部Ｓの前部に設けられ、２つの垂直荷重センサ２２Ｂは、足裏部Ｓの後部に設けられる。これにより、垂直荷重センサ２２Ａは、足裏部Ｓの前部が地面から受ける荷重を測定し、垂直荷重センサ２２Ｂは、足裏部Ｓの後部が地面から受ける荷重を測定することができる。

図１に戻り、歩行補助装置１の説明を続ける。足首ジョイント１２ａ、１２ｂは、右脚部Ｆの足首を両側から挟む位置にあり、足首のピッチ軸（右脚部Ｆの左右方向の軸）と同軸に位置している。足首ジョイント１２ａは、荷重センサユニット１１と下リンク１３ａとを接続し、足首ジョイント１２ｂは、荷重センサユニット１１と下リンク１３ｂとを接続する。また、足首ジョイント１２ａ、１２ｂは、荷重センサユニット１１を、下リンク１３ａ、１３ｂに対して揺動可能に連結している。

下リンク１３ａ、１３ｂは、右脚部Ｆにおける下腿のピッチ軸方向両側に位置している。下リンク１３ａは、足首ジョイント１２ａと、下連結バー１４、上リンク１５ａとを接続し、下リンク１３ｂは、足首ジョイント１２ｂと、下連結バー１４、上リンク１５ｂとを接続する。

下連結バー１４は、右脚部Ｆの膝Ｋの近傍にあり、下リンク１３ａ、１３ｂを連結すると共に、上リンク１５ａ、１５ｂを連結する。上リンク１５ａ、１５ｂは、右脚部Ｆにおける上腿のピッチ軸方向両側に位置しており、それらの上部で上連結バー１６により連結される。

モータ・エンコーダユニット１７は、上リンク１５ａに取付けられており、右脚部Ｆの外側に位置する。モータ・エンコーダユニット１７は、図示しないモータ及びエンコーダを備える。モータは、後述する制御ＥＣＵ１８の制御によって駆動し、下リンク１３ａ、１３ｂをピッチ軸周りに揺動させる。これにより、歩行補助装置１は、ユーザの膝関節にトルクを加え、歩行動作を補助することができる。例えば、歩行補助装置１は、右脚部Ｆが遊脚状態にある場合、ユーザが膝を屈曲させる動作をアシストするよう（屈曲アシストの動作を行うよう）、モータを駆動させる。また、右脚部Ｆが立脚状態にある場合、立脚状態を保持するよう、モータを駆動させる。なお、モータ・エンコーダユニット１７のエンコーダは、モータの回転角度や回転角速度を検出できる。

図３に示すように、制御ＥＣＵ１８は、校正部３１と制御部３２とを備える。校正部３１、制御部３２は、ハードウェア的には、メモリやその他のＩＣ（Integrated Circuit）等の回路で構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。例えば、コンピュータ内のＣＰＵ（Central Processing Unit）が、コンピュータ内のメモリにロードされたプログラムを読み込むことにより、以下に示す処理を実現する。

校正部３１は、全垂直荷重センサ２２の測定値を取得する。例えば、図３では、垂直荷重センサ２２Ａの測定値Ａと、垂直荷重センサ２２Ｂの測定値Ｂとが、校正部３１で取得される。校正部３１は、足裏部Ｓに地面からの荷重がかかっていないと判定した場合、取得した測定データにおけるオフセット値を計算する。この計算方法について、図４のフローチャートを参照して説明する。

まず、校正部３１は、全垂直荷重センサ２２の測定データを取得し、取得した全ての測定値が所定値以下であるか否かを判定することで、足裏部Ｓに地面からの荷重がかかっていないか否か（即ち、足裏部Ｓが接地していないか否か）を判定する（ステップＳ１１）。全ての垂直荷重センサ２２に地面からの荷重がかからない場合、それらの測定値は全て特定の所定値以下になるためである。

足裏部Ｓに地面からの荷重がかかっている場合（ステップＳ１１のＮｏ）、少なくとも一部の垂直荷重センサ２２は、オフセット値を測定していない。従って、校正部３１はオフセット値の計算処理を実行しない（終了する）。

足裏部Ｓに地面からの荷重がかかっていない場合（ステップＳ１１のＹｅｓ）、校正部３１は、各垂直荷重センサ２２の測定値を記憶する（ステップＳ１２）。そして、校正部３１は、オフセット値の計算処理に必要な所定時間、各垂直荷重センサ２２について、測定値を記憶できたか否かを判定する（ステップＳ１３）。この所定時間は、測定値の時間平均を算出した場合に、その時間平均がオフセット値として信頼できる値となるような時間である。

測定値が所定時間記憶できていない場合（ステップＳ１３のＮｏ）、校正部３１は、ステップＳ１１に戻り処理を続ける。測定値が所定時間記憶できた場合（ステップＳ１３のＹｅｓ）、校正部３１は、各垂直荷重センサ２２の所定時間における測定値の時間平均を算出することで、各垂直荷重センサ２２のオフセット値を算出する。

なお、校正部３１は、オフセット値として、所定時間における連続的な測定値の平均を算出してもよい。又は、所定時間内において断続的に測定値のサンプリングデータをとり、そのサンプリングデータの平均値をオフセット値として算出してもよい。

次に、校正部３１の測定値の校正方法について、図５のフローチャートを参照して説明する。まず、校正部３１は、図４に示したオフセット計算が完了したか否かを判定する（ステップＳ１５）。オフセット計算が完了していない場合（ステップＳ１５のＮｏ）、校正部３１は測定値の校正を実行しない。

オフセット計算が完了している場合（ステップＳ１５のＹｅｓ）、校正部３１は、各垂直荷重センサ２２の元の測定値から、各垂直荷重センサ２２に対応するオフセット値を減算する処理を実行する（ステップＳ１６）。各垂直荷重センサ２２に対応するオフセット値は、図４のステップＳ１４で取得したものである。

校正部３１は、以上のように校正が終了した各垂直荷重センサ２２の測定データを、制御部３２に出力する。制御部３２は、その測定値に基づいて、歩行補助装置１の歩行制御を実行する。以下、図６のフローチャートを参照して、歩行制御の処理例について説明する。

まず、制御部３２は、右脚部Ｆが遊脚状態であり、屈曲アシストの動作がなされているか否かを判定する（ステップＳ２１）。この判定は、例えば、モータ・エンコーダユニット１７のエンコーダの検出結果に基づいて実行されてもよい。

右脚部Ｆが遊脚状態であり、屈曲アシストの動作がなされている場合（ステップＳ２１のＮｏ）、制御部３２は、モータを制御して、屈曲アシストの動作を継続させる（ステップＳ２２）。

右脚部Ｆが遊脚状態ではない、即ち立脚状態である場合（ステップＳ２１のＹｅｓ）、垂直荷重センサ２２の状態として、荷重がかかっている状態（即ち、荷重センサユニット１１が接地している状態）と、荷重がかかっていない状態（即ち、荷重センサユニット１１が接地していない状態）の２通りが考えられる。以下の説明では、前者を荷重状態とし、後者を抜重状態と定義する。以下のフローで、制御部３２は、その状態を判定する処理を行う。

まず、制御部３２は、前回の状態判定結果が荷重状態であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。

前回の状態判定結果が荷重状態であるときには（ステップＳ２３のＹｅｓ）、制御部３２は、現在の垂直荷重センサ２２の全測定値の合計（総荷重量）が、所定の抜重判定閾値Ｘよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２４）。

総荷重量が抜重判定閾値Ｘよりも小さい場合には（ステップＳ２４のＹｅｓ）、制御部３２は、現在の状態が抜重状態であると判定する（ステップＳ２５）。逆に、総荷重量が抜重判定閾値Ｘ以上である場合には（ステップＳ２４のＮｏ）、制御部３２は、現在の状態が荷重状態であると判定する（ステップＳ２６）。

ステップＳ２３において、前回の状態判定結果が抜重状態であるときには（ステップＳ２３のＮｏ）、制御部３２は、総荷重量が、所定の荷重判定閾値Ｙよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２７）。ＸとＹの大小関係は、一例として、Ｘ≦Ｙである。

総荷重量が荷重判定閾値Ｙよりも大きい場合には（ステップＳ２７のＹｅｓ）、制御部３２は、現在の状態が荷重状態であると判定する（ステップＳ２６）。逆に、総荷重量が荷重判定閾値Ｙ以下である場合には（ステップＳ２７のＮｏ）、制御部３２は、現在の状態が抜重状態であると判定する（ステップＳ２５）。以上に示した状態判定結果は、制御ＥＣＵ１８内のメモリに格納され、後述のステップＳ２８の判定及び、次回のステップＳ２３の判定で用いられる。

制御部３２は、現在の状態判定結果と、前回の状態判定結果とを比較し、現在、荷重状態から抜重状態に遷移した状態であるか否かを判定する（ステップＳ２８）。

荷重状態から抜重状態に遷移した状態である場合（ステップＳ２８のＹｅｓ）、制御部３２は、ユーザの歩行に伴い、右脚部Ｆが接地した状態から離れている状態に移行していると判定する。この場合、制御部３２は、モータを制御して、屈曲アシストの動作を開始する（ステップＳ２９）。

荷重状態から抜重状態に遷移していない場合（ステップＳ２８のＮｏ）、制御部３２は、右脚部Ｆが地面に着いた状態から離れている状態に移行していないと判定する。この場合、制御部３２は、屈曲アシストの動作を行わず、立脚状態を保持する制御を実施して、モータを駆動させる（ステップＳ３０）。

以上のように、制御ＥＣＵ１８は、荷重センサユニット１１に取り付けられた垂直荷重センサ２２の全測定値に基づいて、ユーザの歩行動作を補助するように、モータ・エンコーダユニット１７中に内蔵されたモータを駆動する。なお、制御ＥＣＵ１８は、モータ・エンコーダユニット１７中のエンコーダの検出結果に基づいて、モータ・エンコーダユニット１７中のモータの駆動を制御することもできる。

歩行補助装置において、ユーザの足裏に取付けられる荷重センサの測定値は、地面からの反力による荷重値に、所定のオフセット値が加わった値となる。図７は、理想測定値（地面からの反力による荷重値）と、実際の測定値（地面からの反力による荷重値に所定のオフセット値が加わった値）との関係の一例を示すグラフである。図７に示すように、荷重センサの測定対象となる脚が抜重状態となっても、荷重センサの測定値は０にならず、所定のオフセット値となる。

このオフセット値を補正しないまま、荷重センサの測定値に基づいて歩行補助装置の制御を実行すると、荷重センサの測定対象となる脚が遊脚であっても、歩行補助装置は接地反力がその脚に掛かっていると誤認識する可能性がある。このため、歩行補助装置は、自身の正確な制御ができなくなる可能性がある。従って、上述のオフセット値をキャンセルするように、測定データを校正する必要がある。

ここで、歩行補助装置の使用前に、荷重センサのオフセット値をキャンセルするような校正を実行するのは、ユーザにとって手間がかかってしまうことがある。例えば、校正に際し、荷重センサに荷重がかからないようにするために、ユーザが歩行補助装置を治具等に固定して、荷重センサを接地しない状態にする作業の必要があるといったことが考えられる。

また、オフセット値は、荷重センサを取付けるメカのたわみ等の変化や、荷重センサの電気的特性の変化等により変化する。従って、ユーザが歩行補助装置を使用している最中でも、歩行の経過又は歩行補助装置の継時変化によってオフセット値が変化する場合がある。このため、歩行補助装置の使用前にオフセット値の校正を実行しても、ユーザの歩行中にオフセット値が校正時の値からずれる可能性がある。この場合には、荷重センサの測定対象となる脚が遊脚である場合でも、荷重センサの測定値が正確に校正されなくなってしまい、歩行補助装置は、自身の正確な制御ができなくなる可能性がある。

しかしながら、実施の形態において、歩行補助装置１は、ユーザの足裏部Ｓが地面から離れているときの測定値に基づいてオフセット値を算出することで、測定値を校正している。従って、ユーザがオフセット値の校正を行う必要がなく、歩行補助装置１が自動的にオフセット値の校正を行うため、歩行補助装置１の使用におけるユーザの手間が減少する。

また、歩行中における正確なオフセット値を算出でき、そのオフセット値で測定値を校正するため、荷重センサの測定値を正確に校正することができる。さらに、図４〜図５に示したフローをユーザの歩行中に繰り返すことにより、荷重センサのオフセット値が変化しても、測定値を正確に校正することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、荷重センサユニット１１に設けられる垂直荷重センサ２２の数は、４つ以外の数であってもよい。換言すれば、垂直荷重センサ２２の数は、１つ又は複数の数であれば、いかなる数でもよい。また、ユーザの右脚部ではなく、左脚部（又は左右両方の脚部）の足裏に荷重センサユニット１１が取り付けられてもよい。

本発明は、歩行補助装置に設けられた荷重センサユニット１１だけではなく、自立して二足歩行を行うロボットの脚部に設けられた荷重センサについても、同様に適用可能である。ここで、ロボットは、荷重センサの測定値に基づいて、歩行動作を行う。

１ 歩行補助装置
１１ 荷重センサユニット
１７ モータ・エンコーダユニット
１８ 制御ＥＣＵ
２１ 足裏ユニット
２２ 垂直荷重センサ
３１ 校正部
３２ 制御部

Claims (1)

1. ユーザの歩行を補助する歩行補助装置が実行する、歩行中にユーザの足裏部が地面から受ける荷重を測定する荷重センサの測定値の校正方法であって、
   前記荷重センサの測定値が所定値以下であるか否かに基づいて、前記足裏部が地面から離れているか否かを判定し、
   前記足裏部が地面から離れているときの前記測定値の時間平均値を算出することでオフセット値を算出し、
   前記測定値から前記オフセット値を減算することで前記測定値を校正する、
   荷重センサの測定値の校正方法。

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