JP6604177B2

JP6604177B2 - 歩行補助装置

Info

Publication number: JP6604177B2
Application number: JP2015237370A
Authority: JP
Inventors: 光留菅田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2019-11-13
Anticipated expiration: 2035-12-04
Also published as: JP2017099798A

Description

本発明は、ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置に関する。

ユーザの膝関節角度のグラフ情報に従って、歩行動作を補助する歩行補助装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。グラフ情報には、ユーザの歩容動作中の遊脚期間において、膝関節角度が遊脚開始から遊脚最大屈曲までの遊脚屈曲時間において単調増加し、該遊脚屈曲時間に続く膝関節角度が遊脚最大屈曲から遊脚終了までの遊脚伸展時間において単調減少する、ように設定された膝関節角度のグラフが設定されている。

特開２０１２−２１３５５４号公報

ところで、グラフ情報の遊脚開始の膝関節角度は、例えば０°に近い値が設定されている。このため、このグラフ情報の遊脚開始の膝関節角度と、ユーザの実際の遊脚開始の膝関節角度と、の乖離度合が遊脚期間毎にばらついてしまうような状況を改善し、より自然な歩行動作に近づけたいという要望がある。さらに、遊脚開始における補助トルクの大きさと、その直前の立脚終了における補助トルクの大きさと、の乖離を抑制し、立脚から遊脚へ滑らかに移行する、自然な歩行動作に近づけたいという要望もある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、遊脚開始における補助トルクの大きさと、その直前の立脚終了における補助トルクの大きさと、の乖離を抑制し、立脚から遊脚へ滑らかに移行する、より自然な歩行動作に近づけることができる歩行補助装置を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
ユーザの上腿に装着される上腿フレームと、
前記上腿フレームに膝関節を介して連結され、ユーザの下腿に装着される下腿フレームと、
前記上腿フレームに対し前記下腿フレームが屈曲する膝関節角度を検出する角度検出手段と、
前記膝関節を駆動する駆動手段と、
ユーザの歩容動作中の遊脚期間において、前記膝関節角度が遊脚開始から遊脚最大屈曲までの遊脚屈曲時間において単調増加し、該遊脚屈曲時間に続く前記膝関節角度が前記遊脚最大屈曲から遊脚終了までの遊脚伸展時間において単調減少する、ように設定された前記膝関節角度のグラフ情報を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記膝関節角度のグラフ情報に従って、前記角度検出手段により検出された膝関節角度に基づいて、前記駆動手段を制御する制御手段と、
を備え、ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であって、
前記制御手段は、
前記遊脚開始における前記駆動手段のトルクの大きさと、該遊脚開始の直前の立脚終了における前記駆動手段のトルクの大きさと、が一致するように、前記角度検出手段の遊脚開始の膝関節角度と、前記グラフ情報の遊脚開始の膝関節角度と、の角度偏差を算出し、
前記角度検出手段により検出された遊脚開始の膝関節角度から、前記算出した角度偏差だけずらした角度を前記グラフ情報の遊脚開始の膝関節角度に設定する、
ことを特徴とする歩行補助装置である。
この一態様によれば、遊脚開始における補助トルクの大きさと、その直前の立脚終了における補助トルクの大きさと、の乖離を抑制し、立脚から遊脚へ滑らかに移行する、より自然な歩行動作に近づけることができる。

本発明によれば、遊脚開始における補助トルクの大きさと、その直前の立脚終了における補助トルクの大きさと、の乖離を抑制し、立脚から遊脚へ滑らかに移行する、より自然な歩行動作に近づけることができる歩行補助装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る歩行補助装置の概略的な構成を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る歩行補助装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。ユーザの歩容動作を決めるグラフ情報の一例を示す図である。操作部の操作画面の一例を示す図である。遊脚開始角度θ_ｓに基づいて変更したグラフ情報の一例を示す図である。遊脚開始における補助トルクとその直前の立脚終了における補助トルクとを示す図である。本発明の一実施形態に係る制御方法の処理フローの一例を示すフローチャートである。実際の遊脚開始の膝関節角度を目標のグラフ情報の遊脚開始の膝関節角度に設定したグラフ情報の一例を示す図である。立脚から遊脚への移行時における補助トルクの不連続変化の一例を示す図ある。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る歩行補助装置の概略的な構成を示す斜視図である。図２は、本発明の一実施形態に係る歩行補助装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。

本実施形態に係る歩行補助装置１は、例えば、歩行を行うユーザの脚部（患脚部など）に装着され、ユーザの歩行動作を補助する。歩行補助装置１は、上腿フレーム２と、上腿フレーム２に膝関節部３を介して連結された下腿フレーム４と、下腿フレーム４に足首関節部５を介して連結された足平フレーム６と、膝関節部３を回転駆動するモータユニット７と、足首関節部５の可動範囲を調整する調整機構８と、膝関節角度を検出する角度センサ９と、モータユニット７を制御する制御部１０と、を有している。なお、上記歩行補助装置１の構成は一例であり、これに限られない。例えば、歩行補助装置１は、足首関節部５を回転駆動するモータユニットを備えていてもよい。

上腿フレーム２は、ユーザの脚部の上腿部に装着されている。下腿フレーム４は、ユーザの脚部の下腿部に装着されている。足平フレーム６は、ユーザの脚部の足平部に装着されている。

足平フレーム６には、ユーザの足平部の足裏に掛かる荷重を検出する足裏荷重センサユニット１１が設けられている。足裏荷重センサユニット１１は、ユーザの足平部の足裏に掛かる垂直荷重を検出する複数の垂直荷重センサを有している。足裏荷重センサユニット１１は、有線又は無線を介して制御部１０に接続されており、検出した荷重値を制御部１０に出力する。

モータユニット７は、駆動手段の一具体例である。モータユニット７は、例えば、モータ、減速機構などで構成されている。モータユニット７は、有線又は無線を介して制御部１０に接続されている。モータユニット７は、制御部１０からの制御信号に応じて膝関節部に補助トルクを発生させ、ユーザの歩行を補助する。

角度センサ９は、角度検出手段の一具体例である。角度センサ９は、膝関節部３に設けられている。角度センサ９は、例えば、ポテンショメータやロータリーエンコーダである。角度センサ９は、上腿フレーム２に対し下腿フレーム４が屈曲する膝関節角度を検出する。角度センサ９は、有線又は無線を介して制御部１０に接続されており、検出した膝関節角度を制御部１０に出力する。

制御部１０は、制御手段の一具体例である。制御部１０は、角度センサ９からの膝関節角度に基づいて、モータユニット７の駆動を制御し、ユーザの歩行動作を補助する。
制御部１０は、例えば、演算処理、制御処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）１０ａ、ＣＰＵ１０ａによって実行される演算プログラム、各種のデータを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ１０ｂ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）１０ｃ、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ１０ａ、メモリ１０ｂ及びインターフェイス部１０ｃは、データバスなどを介して相互に接続されている。
なお、制御部１０とモータユニット７とは独立して構成されているが、制御部１０とモータユニット７は一体的に構成されていてもよい。

メモリ１０ｂは記憶手段の一具体例である。メモリ１０ｂは、例えば、図３に示すような、ユーザの歩容動作を決めるグラフ情報を記憶する。

ユーザの歩容動作は、立脚期間と遊脚期間とを交互に繰り返す。グラフ情報には、ユーザの歩容動作中の遊脚期間において、膝関節角度が遊脚開始から遊脚最大屈曲までの遊脚屈曲時間において単調増加し、膝関節角度が遊脚最大屈曲から遊脚終了（立脚時目標角度）までの該遊脚屈曲時間後の遊脚伸展時間において単調減少する、ように設定されている。制御部１０は、角度センサ９により検出された膝関節角度が、メモリ１０ｂに設定されたグラフ情報の膝関節角度（遊脚膝関節軌道）に従うように、モータユニット７の補助トルクを制御する。

制御部１０は、例えば、歩行補助装置１の足平フレーム６の足裏荷重センサユニット１１の各垂直荷重センサにより検出された荷重値を加算した足裏総荷重量が閾値以下となるとき、ユーザの足平部の抜重を検出する。なお、閾値は、例えば、足平部が抜重状態となるときの値が予め実験的に求められ、上記メモリ１０ｂなどに設定されている。制御部１０は、例えば、ユーザの足平部の抜重を検出したときに、遊脚開始のタイミングであると判定する。制御部１０は、その遊脚開始のタイミングと判定したときに角度センサ９により検出された膝関節角度を、遊脚開始角度とする。

制御部１０には、制御部１０に操作情報を入力するための操作部１２が有線又は無線を介して接続されている。操作部１２は、例えば、操作画面、キーボード、タッチパネルなどのユーザインターフェースを有している。図４は、操作部の操作画面の一例である。ユーザは、操作部１２を介して、メモリ１０ｂのグラフ情報における遊脚最大屈曲の膝関節角度（遊脚最大屈曲角度）、遊脚屈曲時間、遊脚終了の膝関節角度（遊脚終了角度）、及び遊脚伸展時間を設定、変更（増減）することができる。例えば、理学療法士が、リハビリ患者（ユーザ）の歩行速度や歩幅等を見ながら、操作部１２を介して、上記遊脚の遊脚屈曲時間、遊脚伸展時間などを設定することができる。

ところで、グラフ情報の遊脚開始の膝関節角度は、例えば０°に近い値が設定されている。このため、このグラフ情報の遊脚開始の膝関節角度と、ユーザの実際の遊脚開始の膝関節角度と、の乖離度合が遊脚期間毎にばらついてしまうような状況を改善し、より自然な歩行動作に近づけたいという要望がある。さらに、遊脚開始におけるモータユニットの補助トルクの大きさと、その直前の立脚終了におけるモータユニットの補助トルクの大きさと、の乖離を抑制し、立脚から遊脚へ滑らかに移行する、より自然な歩行動作に近づけたいという要望もある。

例えば、図８に示す如く、角度センサにより検出された実際の遊脚開始の膝関節角度を目標のグラフ情報の遊脚開始の膝関節角度に設定することで、立脚から遊脚への移行時における補助トルクの変化を抑制している。これにより、グラフ情報の遊脚開始の膝関節角度と、ユーザの実際の遊脚開始の膝関節角度と、の乖離度合が遊脚期間毎にばらついてしまうような状況を改善できる。

しかし、この場合でも、図９に示す如く、立脚から遊脚への移行時における補助トルクの変化は不連続となり、ユーザは多少の違和感を感じることとなる。
例えば、歩行の難易度調整機能として、立脚時の脚部の伸展保持のためのモータユニットの補助トルクの上限値は調整可能となっている。ここで、歩行難易度を上げて、立脚時のモータユニットの補助トルクの上限値を下げた場合、立脚時の脚部の伸展保持のためのモータユニットの補助トルクは小さく抑えられる。一方で、ユーザの足平部の抜重が検出され、遊脚軌道の再生が開始された場合、その遊脚軌道追従のために非常に高い補助トルクが発生可能となっている。したがって、立脚から遊脚への移行時における補助トルクの大幅な変化を抑制することが求められている。

これに対し、本実施形態に係る制御部１０は、遊脚開始におけるモータユニット７の補助トルクの大きさと、該遊脚開始直前の立脚終了におけるモータユニット７の補助トルクの大きさと、が一致するように、角度センサ９の遊脚開始の膝関節角度と、グラフ情報の遊脚開始の膝関節角度と、の角度偏差を算出する。制御部１０は、角度センサ９により検出された遊脚開始の膝関節角度から、算出した角度偏差だけずらした角度をグラフ情報の遊脚開始の膝関節角度に設定する。

これにより、遊脚開始におけるモータユニット７の補助トルクの大きさと、その直前の立脚終了におけるモータユニット７の補助トルクの大きさと、の乖離を抑制し、立脚から遊脚へ滑らかに移行する、より自然な歩行動作に近づけることができる。

制御部１０は、膝関節部３のＰＤ（比例微分）制御を行う。制御部１０は、例えば、下記式を用いて、グラフ情報の遊脚開始の膝関節角度θ_ｓを算出する。
θ_ｅ＝（Ｆ−Ｋ_ｄｖ）／Ｋ_ｐ
θ_ｓ＝θ＋θ_ｅ

上記式において、Ｆ［Ｎｍ］は遊脚開始直前の立脚終了におけるモータユニット７の補助トルクであり、ｖ［ｒａｄ／ｓ］は遊脚開始直前の膝関節角速度である。Ｋ_ｐ［Ｎｍ／ｒａｄ］は比例ゲインであり、Ｋ_ｄ［Ｎｍｓ／ｒａｄ］は微分ゲインである。θ_ｓはグラフ情報に設定する遊脚開始角度、θは角度センサ９により検出された遊脚開始角度、θ_ｅは、角度偏差である。

制御部１０は、上記算出した遊脚開始角度θ_ｓに基づいてメモリ１０ｂのグラフ情報を変更する。
制御部１０は、上記算出した遊脚開始角度θ_ｓに基づいて、下記式を用いて遊脚屈曲軌道θ（ｔ）を算出する。

上記式において、遊脚の膝関節角度をθ_ｂｎｄ[ｒａｄ]、遊脚屈曲時間をＴ_ｂｎｄ［ｓ］、遊脚開始時の膝関節角速度をｖ［ｒａｄ／ｓ］、遊脚屈曲の経過時間をｔ［ｓ］とする。

制御部１０は、下記式を用いて遊脚伸展軌道θ（ｔ）を算出する。

上記式において、遊脚終了角度をθ_ｆｉｎ［ｒａｄ］、遊脚伸展時間をＴ_ｅｘｔ［ｓ］、遊脚伸展の経過時間をｔ［ｓ］とする。

制御部１０は、上記算出した遊脚屈曲軌道及び遊脚伸展軌道を基づいてメモリ１０ｂのグラフ情報を変更する。図５は遊脚開始角度θ_ｓに基づいて変更したグラフ情報の一例を示す図である。図６は、遊脚開始における補助トルクと、その直前の立脚終了における補助トルクとを示す図である。

図５に示すように、角度センサ９により検出された遊脚開始角度（点線）から、算出した角度偏差だけずらした角度がグラフ情報の遊脚開始角度（実線）に設定されている。これにより、図６に示すように、遊脚開始におけるモータユニット７の補助トルクの大きさと、その直前の立脚終了におけるモータユニット７の補助トルクの大きさと、の乖離（トルク変動）が無くなり、立脚から遊脚へ滑らかに移行する。したがって、自然な歩容動作に近づけることができる。

図７は、本実施形態に係る制御方法の処理フローの一例を示すフローチャートである。
制御部１０は、ユーザの足平部の抜重に基づいて、遊脚開始のタイミングであるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。

制御部１０は、遊脚開始のタイミングであると判定すると（ステップＳ１０１のＹＥＳ）、角度センサ９の遊脚開始の膝関節角度と、グラフ情報の遊脚開始の膝関節角度と、の角度偏差θ_ｅを上記式を用いて算出する（ステップＳ１０２）一方、制御部１０は、遊脚開始のタイミングでないと判定すると（ステップＳ１０１のＮＯ）、下記処理（ステップＳ１０３）に移行する。

制御部１０は、ユーザの歩行フェーズ（立脚期間、遊脚屈曲時間（遊脚前期）、遊脚伸展時間（遊脚後期））を判定する（ステップＳ１０３）。
制御部１０は、立脚期間において、メモリ１０ｂのグラフ情報に基づいて、立脚期間の膝関節角度に応じた角度指令値を生成し、モータユニット７に対して出力する（ステップＳ１０４）。

制御部１０は、遊脚屈曲時間において、メモリ１０ｂのグラフ情報の遊脚屈曲軌道θ（ｔ）に応じた角度指令値を生成し、モータユニット７に対して出力する（ステップＳ１０５）。

制御部１０は、遊脚伸展時間において、メモリ１０ｂのグラフ情報の遊脚伸展軌道θ（ｔ）に応じた角度指令値を生成し、モータユニット７に対して出力する（ステップＳ１０６）。

以上、本実施形態において、制御部１０は、遊脚開始におけるモータユニット７の補助トルクの大きさと、該遊脚開始直前の立脚終了におけるモータユニット７の補助トルクの大きさと、が一致するように、角度センサ９の遊脚開始の膝関節角度と、グラフ情報の遊脚開始の膝関節角度と、の角度偏差を算出する。制御部１０は、角度センサ９により検出された遊脚開始の膝関節角度から、算出した角度偏差だけずらした角度をグラフ情報の遊脚開始の膝関節角度に設定する。
これにより、遊脚開始におけるモータユニット７の補助トルクの大きさと、その直前の立脚終了におけるモータユニット７の補助トルクの大きさと、の乖離を抑制し、立脚から遊脚へ滑らかに移行する、より自然な歩行動作に近づけることができる。

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。

なお、上述の実施形態では、本発明をハードウェアの構成として説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明は、制御部１０の処理を、ＣＰＵ（Central Processing Unit）にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。この場合、コンピュータプログラムは、記録媒体に記録して提供することも可能であり、また、インターネットその他の通信媒体を介して伝送することにより提供することも可能である。また、記憶媒体には、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、ＲＯＭカートリッジ、バッテリバックアップ付きＲＡＭメモリカートリッジ、フラッシュメモリカートリッジ、不揮発性ＲＡＭカートリッジ等が含まれる。また、通信媒体には、電話回線等の有線通信媒体、マイクロ波回線等の無線通信媒体等が含まれる。

１歩行補助装置、２上腿フレーム、３膝関節部、４下腿フレーム、５足首関節部、６足平フレーム、７モータユニット、８調整機構、９角度センサ、１０制御部、１１足裏荷重センサユニット、１２操作部

Claims

ユーザの上腿に装着される上腿フレームと、
前記上腿フレームに膝関節を介して連結され、ユーザの下腿に装着される下腿フレームと、
前記上腿フレームに対し前記下腿フレームが屈曲する膝関節角度を検出する角度検出手段と、
前記膝関節を駆動する駆動手段と、
ユーザの歩容動作中の遊脚期間において、前記膝関節角度が遊脚開始から遊脚最大屈曲までの遊脚屈曲時間において単調増加し、該遊脚屈曲時間に続く前記膝関節角度が前記遊脚最大屈曲から遊脚終了までの遊脚伸展時間において単調減少する、ように設定された前記膝関節角度のグラフ情報を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記膝関節角度のグラフ情報に従って、前記角度検出手段により検出された膝関節角度に基づいて、前記駆動手段を制御する制御手段と、
を備え、ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であって、
前記制御手段は、
前記遊脚開始における前記駆動手段のトルクの大きさと、該遊脚開始の直前の立脚終了における前記駆動手段のトルクの大きさと、が一致するように、前記角度検出手段の遊脚開始の膝関節角度と、前記グラフ情報の遊脚開始の膝関節角度と、の角度偏差を算出し、
前記角度検出手段により検出された遊脚開始の膝関節角度から、前記算出した角度偏差だけずらした角度を前記グラフ情報の遊脚開始の膝関節角度に設定する、
ことを特徴とする歩行補助装置。