JP6483419B2 - 荷重判定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、荷重判定方法に関し、特に使用者の脚部に作用する荷重に基づいて、脚部が接地状態である荷重状態か、又は脚部が遊脚状態である抜重状態か、を判定する荷重判定方法に関する。
荷重判定方法は、例えば、使用者の歩行をアシストする装着型ロボットなどに採用されており、当該アシストを実現するために、脚部が接地状態である荷重状態か、又は脚部が遊脚状態である抜重状態か、を判定する。
一般的な荷重判定方法は、図１０に示すように、前回の判定結果が荷重状態であるか否かを判定し（Ｓ１０１）、荷重状態であると判定している場合（Ｓ１０１のＹＥＳ）、使用者の脚部（例えば、足裏）に作用する荷重が荷重状態から抜重状態に切り替わったと判定する閾値（抜重判定閾値）より小さいか否かを判定する（Ｓ１０２）。そして、使用者の脚部に作用する荷重が抜重判定閾値より小さい場合（Ｓ１０２のＹＥＳ）、抜重状態であると判定する（Ｓ１０３）。一方、使用者の脚部に作用する荷重が抜重判定閾値以上である場合（Ｓ１０２のＮＯ）、引き続き、荷重状態であると判定する（Ｓ１０４）。
前回の判定結果が抜重状態の場合（Ｓ１０１のＮＯ）、使用者の脚部に作用する荷重が抜重状態から荷重状態に切り替わったと判定する閾値（荷重判定閾値）より大きいか否かを判定する（Ｓ１０５）。そして、使用者の脚部に作用する荷重が荷重判定閾値より大きい場合（Ｓ１０５のＹＥＳ）、荷重状態であると判定する（Ｓ１０４）。一方、使用者の脚部に作用する荷重が荷重判定閾値以下の場合（Ｓ１０５のＮＯ）、引き続き、抜重状態であると判定する（Ｓ１０３）。
ちなみに、特許文献１の歩行支援装置は、使用者における左右の足裏に作用する荷重に基づいて、左右の膝関節に対するアシスト力を決定している。
特開２０１４−１８４０８６号公報
一般的な荷重判定方法は、使用者が歩行する際の踵の着き方などによって、使用者の脚部に作用する荷重の検出精度が低下して、図１１に示すように、一瞬でも検出した荷重が抜重判定閾値より小さくなると、荷重状態であっても、抜重状態であると誤判定してしまう。
本発明の目的は、このような問題点を解決するためになされたものであり、使用者の脚部が荷重状態か否かを判定する際の誤判定を抑制することができる荷重判定方法を提供する。
本発明の一形態に係る荷重判定方法は、検出した使用者の脚部に作用する荷重に基づいて、前記脚部が接地状態である荷重状態か、又は前記脚部が遊脚状態である抜重状態か、を判定する荷重判定方法であって、
前記抜重状態から前記荷重状態に切り替わったと判定してから予め設定された期間内は、前記検出した使用者の脚部に作用する荷重が前記荷重状態から前記抜重状態に切り替わったと判定される閾値より小さくなっても、前記抜重状態と判定することなく、前記荷重状態であると判定する。
上記荷重判定方法において、前記使用者の脚部に作用する荷重は、一軸荷重センサによって検出することが好ましい。
以上、説明したように、使用者の脚部が荷重状態か否かを判定する際の誤判定を抑制することができる荷重判定方法を提供することができる。
実施の形態１の装着型ロボットを使用者の膝関節に装着した様子を模式的に示す図である。 実施の形態１の装着型ロボットの制御系を示すブロック図である。 荷重検出部の荷重センサの配置を示す図である。 実施の形態１の荷重判定プログラムの処理フローを示す図である。 足裏に作用する総荷重と時間との関係及び判定結果を示す図である。 実施の形態２の荷重判定プログラムの処理フローを示す図である。 実施の形態３の荷重判定プログラムの処理フローを示す図である。 実施の形態４の荷重判定方法で用いられるトレッドミルを模式的に示す図である。 実施の形態４の荷重判定方法を実施するための制御系を示すブロック図である。 従来の荷重判定方法を示すフローチャート図である。 従来の足裏に作用する総荷重と時間との関係及び判定結果を示す図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
＜実施の形態１＞
先ず、本実施の形態の荷重判定方法が実行される装着型ロボットの基本構成を説明する。図１は、本実施の形態の装着型ロボットを使用者の膝関節に装着した様子を模式的に示す図である。図２は、本実施の形態の装着型ロボットの制御系を示すブロック図である。図３は、荷重検出部の荷重センサの配置を示す図である。
装着型ロボット１は、図１及び図２に示すように、第１のリンク２、第２のリンク３、足部４、アクチュエータ５、角度検出部６、荷重検出部７及び制御装置８を備えている。第１のリンク２は、固定バンド２ａを介して使用者の上腿部に固定される。第２のリンク３は、固定バンド３ａを介して使用者の下腿部に固定される。これらの第１のリンク２の下端部と第２のリンク３の上端部とが装着型ロボット１の左右方向に延在する軸９を介して連結されており、第１のリンク２と第２のリンク３とは当該軸９を中心に相対的に回転可能である。
足部４は、使用者の足裏が載置される足裏載置部４ａを備えている。この足裏載置部４ａから突出する突出部４ｂと第２のリンク３の下端部とが装着型ロボット１の左右方向に延在する軸１０を介して連結されており、足部４と第２のリンク３とは当該軸１０を介して相対的に回転可能である。
アクチュエータ５は、例えば、モータや減速機などを備えており、モータの駆動力が減速機を介して軸９に伝達され、第１のリンク２と第３のリンク３とを相対的に回転駆動させる。
角度検出部６は、例えば、アクチュエータ５に設けられており、第２のリンク３に対する第１のリンク２の回転角度を検出し、検出信号を制御装置８に出力する。角度検出部６としては、一般的な角度検出装置を用いることができ、例えばエンコーダを用いることができる。
荷重検出部７は、足部４の足裏載置部４ａの上面に設けられた複数個の荷重センサ７ａを備えており、使用者の足裏に作用する総荷重を検出し、検出信号を制御装置８に出力する。本実施の形態では、荷重センサ７ａとして一軸荷重センサを用いており、図３に示すように、足裏載置部４ａにおける使用者の足裏の指球部分が接触する領域に左右に間隔を開けて配置し、さらに足裏載置部４ａにおける使用者の足裏の踵部分が接触する領域に左右に間隔を開けて配置している。
制御装置８は、荷重判定プログラム１１や制御プログラム１２を実行し、角度検出部６及び荷重検出部７から入力される検出信号に基づいて、アクチュエータ５を制御する。
荷重判定プログラム１１は、総荷重計算部１３及び荷重判定部１４を備えている。総荷重計算部１３は、荷重検出部７から入力される検出信号に基づいて使用者の足裏に作用する総荷重を計算する処理を制御装置８に実行させる。
荷重判定部１４は、詳細は後述するが、荷重検出部７で検出した使用者の足裏に作用する総荷重に基づいて、使用者の脚部が接地状態である荷重状態か、又は使用者の脚部が遊脚状態である抜重状態か、を判定する処理を制御装置８に実行させる。そして、荷重判定部１４は、抜重状態から荷重状態に切り替わったと判定してから（即ち、荷重状態と判定後の経過時間が）予め設定された期間（抜重判定棄却時間）内は、足裏に作用する総荷重が荷重状態から抜重状態に切り替わったと判定される閾値（抜重判定閾値）より小さくなっても、抜重状態と判定することなく、荷重状態であると判定する処理を制御装置８に実行させる。
制御プログラム１２は、通常のアシスト動作を実行させるためのプログラムであり、角度検出部６から入力される検出信号に基づいて、第２のリンク３に対する第１のリンク２の回転角度が所定の角度になるようにアクチュエータ５を制御する処理を制御装置８に実行させる。
次に、本実施の形態の荷重判定プログラム１１の処理フローを説明する。図４は、本実施の形態の荷重判定プログラムの処理フローを示す図である。図５は、足裏に作用する総荷重と時間との関係及び判定結果を示す図である。
先ず、制御装置８は、図４に示すように、前回の判定結果が荷重状態か否かを判定する（Ｓ１）。制御装置８は、前回の判定結果が荷重状態の場合（Ｓ１のＹＥＳ）、荷重状態と判定後の経過時間が抜重判定棄却時間を超えているか否かを判定する（Ｓ２）。ここで、抜重判定棄却時間は、例えば、使用者の踵が接地してから足裏が完全に接地するまでの期間をサンプリングし、サンプリング結果に基づいて適宜設定することができる。また、抜重判定棄却時間は、例えば、通常の歩行において使用者の踵が接地してから次に離地するまでの期間をサンプリングし、サンプリング結果に基づいて適宜設定することもできる。
制御装置８は、荷重状態と判定後の経過時間が抜重判定棄却時間を超えている場合（Ｓ２のＹＥＳ）、荷重検出部７の検出信号に基づいて使用者の足裏に作用する総荷重を計算し、計算した総荷重が抜重判定閾値より小さいか否かを判定する（Ｓ３）。
一方、制御装置８は、荷重状態と判定後の経過時間が抜重判定棄却時間以下の場合（Ｓ２のＮＯ）、荷重状態であると判定する（Ｓ４）。制御装置８は、荷重状態であると判定すると、使用者の脚部が立脚状態での通常のアシスト制御を実行する。
制御装置８は、計算した総荷重が抜重判定閾値より小さい場合（Ｓ３のＹＥＳ）、抜重状態であると判定する（Ｓ５）。制御装置８は、抜重状態であると判定すると、使用者の脚部が遊脚状態での通常のアシスト制御を実行する。
一方、制御装置８は、計算した総荷重が抜重判定閾値以上の場合（Ｓ３のＮＯ）、荷重状態であると判定する（Ｓ４）。制御装置８は、荷重状態であると判定すると、使用者の脚部が立脚状態での通常のアシスト制御を実行する。
制御装置８は、前回の判定結果が抜重状態の場合（Ｓ１のＮＯ）、荷重検出部７の検出信号に基づいて使用者の足裏に作用する総荷重を計算し、計算した総荷重が抜重状態から荷重状態に切り替わったと判定される閾値（荷重判定閾値）より大きいか否かを判定する（Ｓ６）。
制御装置８は、計算した総荷重が荷重判定閾値より大きい場合（Ｓ６のＹＥＳ）、荷重状態であると判定する（Ｓ４）。制御装置８は、荷重状態であると判定すると、使用者の脚部が立脚状態での通常のアシスト制御を実行する。
一方、制御装置８は、計算した総荷重が荷重判定閾値以下の場合（Ｓ６のＮＯ）、抜重状態であると判定する（Ｓ５）。制御装置８は、抜重状態であると判定すると、使用者の脚部が遊脚状態での通常のアシスト制御を実行する。
このように荷重状態と判定後の経過時間が抜重判定棄却時間を超えるまでは、図５に示すように、一瞬、荷重検出部７で検出した使用者の足裏に作用する総荷重が抜重判定閾値より小さくなっても、荷重状態であると判定する。そのため、使用者の歩き方などに起因して、一瞬、荷重検出部７の検出精度が低下し、検出した総荷重が抜重判定閾値より小さくなっても、抜重状態に切り替わったと誤判定することを抑制することができる。
ここで、上述のように、荷重センサとして一軸荷重センサを用いた場合、使用者の歩き方などに起因して、荷重検出部７の検出精度が低下する場合があるが、荷重センサとして多軸荷重センサを用いると荷重検出部７の検出精度の低下を抑制することができる。しかし、多軸荷重センサは、一軸荷重センサに比べて高価で大型である。本実施の形態の荷重判定方法は、荷重センサとして一軸荷重センサを用いても、抜重状態に切り替わったと誤判定することを抑制できるので、装着型ロボット１を安価に製造でき、しかも装着型ロボット１を小型化することができる。
＜実施の形態２＞
図６は、本実施の形態の荷重判定プログラムの処理フローを示す図である。図６に示すように、実施の形態１の荷重判定プログラムの処理フローに対して、荷重状態と判定後の経過時間が抜重判定棄却時間を超えているか否かを判定する工程と、計算した総荷重が抜重判定閾値より小さいか否かを判定する工程と、を入れ替えてもよい。
つまり、本実施の形態では、計算した総荷重が抜重判定閾値より小さいか否かを判定する工程（Ｓ２１）を行った後に、荷重状態と判定後の経過時間が抜重判定棄却時間を超えているか否かを判定する工程（Ｓ２２）を行っている。
＜実施の形態３＞
図７は、本実施の形態の荷重判定プログラムの処理フローを示す図である。図７に示すように、実施の形態１の荷重判定プログラムの処理フローに対して、荷重状態と判定後の経過時間が抜重判定棄却時間を超えているか否かを判定する工程と、計算した総荷重が抜重判定閾値より小さいか否かを判定する工程と、を一つの工程で処理してもよい。
つまり、本実施の形態では、計算した総荷重が抜重判定閾値より小さく、且つ荷重状態と判定後の経過時間が抜重判定棄却時間を超えているかを判定し（Ｓ３１）、両条件を満たしている場合（Ｓ３１のＹＥＳ）、抜重状態であると判定し（Ｓ５）、両条件を満たしていない場合（Ｓ３１のＮＯ）、荷重状態であると判定する（Ｓ４）。
＜実施の形態４＞
上記実施の形態では、装着型ロボットに搭載した荷重検出部７で検出した荷重に基づいて使用者の脚部が荷重状態か抜重状態かを判定したが、使用者が装着型ロボットを装着した状態でトレッドミルを用いて、例えばリハビリを実施する場合は、トレッドミルに搭載した荷重検出部で検出した荷重に基づいて使用者の脚部が荷重状態か抜重状態かを判定してもよい。
図８は、本実施の形態の荷重判定方法で用いられるトレッドミルを模式的に示す図である。図９は、本実施の形態の荷重判定方法を実施するための制御系を示すブロック図である。なお、本実施の形態の荷重判定方法は、実施の形態１などの荷重判定方法と同様であるので、詳細な説明は省略する。
本実施の形態のトレッドミル４１は、図８に示すように、フレーム４２の前後に形成された切り欠き部にローラ４３、４４が夫々配置されており、左右に並行に配置された無端ベルト４５、４６の内部にフレーム４２が収容されるように当該無端ベルト４５、４６がローラ４３、４４に渡されている。そして、図示を省略した駆動装置からローラ４３及びローラ４４の少なくとも一方に回転駆動力が伝達され、無端ベルト４５、４６が周回する。
このようなトレッドミル４１のフレーム４２の上面には、無端ベルト４５、４６夫々の内周面と対向するように、荷重検出部４７として複数個の荷重センサ４７ａが設けられている。そして、図９に示すように、各々の荷重センサ４７ａの検出信号は、装着型ロボットの制御装置８に有線又は無線で出力される。
これにより、無端ベルト４５に使用者が左脚をのせ、無端ベルト４６に使用者が右脚をのせると、無端ベルト４５、４６に夫々作用する荷重を荷重センサ４７ａで検出することができる。制御装置８は、荷重センサ４７ａから入力される検出信号に基づいて、使用者の左脚の足裏に作用する総荷重、及び使用者の右脚の足裏に作用する総荷重を計算する。そして、制御装置８は、計算した使用者の左脚の足裏に作用する総荷重、又は使用者の右側の足裏に作用する総荷重に基づいて、少なくとも使用者における装着型ロボットが装着された側の脚部が荷重状態か抜重状態かを判定する。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。
上記実施の形態では、荷重状態と判定後の経過時間が抜重判定棄却時間を超えているか否かに基づいて、使用者の脚部が荷重状態か抜重状態かを判定しているが、この限りでない。例えば、荷重状態と判定後の経過時間での荷重の積分値が荷重状態から抜重状態に切り替わったと判定する閾値を超えているか否かに基づいて、使用者の脚部が荷重状態か抜重状態かを判定してもよい。
上記実施の形態では、複数の荷重センサを用いて脚部の荷重判定を行っているが、一個の荷重センサを用いて脚部の荷重判定を行ってもよい。
上記実施の形態では、ソフトウェア資源を用いて制御方法を実現しているが、ハードウェア資源を用いて実現してもよい。
１ 装着型ロボット
２ 第１のリンク、２ａ 固定バンド
３ 第２のリンク、３ａ 固定バンド
４ 足部、４ａ 足裏載置部、４ｂ 突出部
５ アクチュエータ
６ 角度検出部
７ 荷重検出部、７ａ 荷重センサ
８ 制御装置
９、１０ 軸
１１ 荷重判定プログラム
１２ 制御プログラム
１３ 総荷重計算部
１４ 荷重判定部
４１ トレッドミル
４２ フレーム
４３、４４ ローラ
４５、４６ 無端ベルト
４７ 荷重検出部、４７ａ 荷重センサ

Claims (2)

  1. 使用者の上腿部に固定される第１のリンクと、前記使用者の下腿部に固定される第２のリンクと、前記使用者の足裏が載置される足裏載置部と、前記第１のリンクと前記第２のリンクとを相対的に回転駆動させるアクチュエータと、前記足裏載置部の上面における前記使用者の足裏が接触する領域に設けられた荷重検出部と、を備える装着型ロボットを前記使用者の脚部に装着して前記使用者が歩行する際に、前記荷重検出部で検出した前記使用者の脚部に作用する荷重に基づいて、前記脚部が接地状態である荷重状態か、又は前記脚部が遊脚状態である抜重状態か、を判定する荷重判定方法であって、
    前記検出した使用者の脚部に作用する荷重が前記荷重状態から前記抜重状態に切り替わったと判定される閾値より小さく、且つ前記抜重状態から前記荷重状態に切り替わったと判定してから予め設定された期間を超えているかを判定し、両条件を満たしていない場合、前記検出した使用者の脚部に作用する荷重が前記閾値より小さくなっても、前記抜重状態と判定することなく、前記荷重状態であると判定する荷重判定方法。
  2. 前記使用者の脚部に作用する荷重は、一軸荷重センサによって検出する請求項１に記載の荷重判定方法。
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