JP7156389B2 - 負荷軽減装置、負荷軽減方法、及びプログラム - Google Patents
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Description
図1は本実施形態によるパワードスーツの構成を示す図である。
パワードスーツ100は負荷軽減装置の一態様である。パワードスーツ100は、骨格部11、ベルト12、股アクチュエータ13、膝アクチュエータ14、足首アクチュエータ15、靴裏プレート16、足装着具17、靴裏荷重センサ18(第一計測部)、足裏荷重センサ19(第二計測部)、荷台20、制御装置21、バッテリ22、股関節センサ23、膝関節センサ24、足関節センサ25等により構成される。骨格部11は、一例としては、第一骨格部111、第二骨格部112、及び第三骨格部113に大別される。
図3は靴裏荷重センサと足裏荷重センサとの配置関係を示す第二の図である。
図2では図1の右足の足装着具17と各センサを踵方向から視認した場合の図を示している。図3では図2の右足の足装着具17と各センサを内股方向から視認した場合の図を示している。これら図2、図3に示すように、靴裏荷重センサ18は、ユーザが装着する靴に相当する足装着具17の底(靴底)に設けられる。靴裏荷重センサ18は、パワードスーツ100や荷物の重量Fを接地面に伝える靴裏プレート16やユーザの体重を接地面に伝える足装着具17の接地面側に、靴裏プレート16や足装着具17の裏面の全体を覆うように設けられている。足裏荷重センサ19は、足装着具17の中にユーザの足裏から係る重量を計測できるように足裏面全体を覆うように設けられている。足裏荷重センサ19は足装着具17のインソールと靴裏プレート16の間に設けられてもよい。
図4は足装着具17と靴裏荷重センサ18,足裏荷重センサ19を上方から視認した場合の図である。この図が示すように、靴裏荷重センサ18は足装着具17や靴裏プレート16の接地面(裏面)全体を覆うような面積を有する。また足裏荷重センサ19は足装着具17の内部に足裏面全体を覆うように設けられる。靴裏プレート16は一例としては図4に示すように、靴裏荷重センサ18の幅方向に、足装着具17と靴裏荷重センサ18とにより挟まれるように設けられている。
靴裏荷重センサ18や足裏荷重センサ19には、一例として図5で示すように、薄いシート状の絶縁体の表裏に行列状に電極が配置される。靴裏荷重センサ18や足裏荷重センサ19は、電極の格子点の電気抵抗を計測し、その計測値を制御装置21に出力する。制御装置21は各格子点の電気抵抗値に基づいて、各格子点に加わった圧力、及びセンサシートの面全体での荷重を算出する。図5は足裏荷重センサ19を示している。
この図が示すように制御装置21はCPU(Central Processing Unit)101、ROM(Read Only Memory)102、RAM(Random Access Memory)103、信号入出力装置104、無線通信装置105等の各ハードウェアを備えたコンピュータである。
信号入出力装置104は、靴裏荷重センサ18や足裏荷重センサ19や股関節センサ23や膝関節センサ24や足関節センサ25から出力された信号を入力とする。信号入出力装置104は、股アクチュエータ13、膝アクチュエータ14、足首アクチュエータ15を制御する制御信号を出力する。制御装置21はバッテリ22からの電源供給により動作する。
無線通信装置105は他の装置と通信接続する。
制御装置21は電源ボタンがONされることによりバッテリ22から供給された電力に基づいて起動する。制御装置21は起動後に制御プログラムを実行する。これにより制御装置21には、情報取得部211、総合制御部212、アクチュエータ制御部213、電源部214、記憶部215が少なくとも備わる。
情報取得部211は靴裏荷重センサ18、足裏荷重センサ19、股関節センサ23、膝関節センサ24及び足関節センサ25からセンシング情報を取得する。靴裏荷重センサ18のセンシング情報は、図5を用いて説明した各格子点の圧力(荷重)に対応する電気抵抗値を示す靴裏荷重情報である。足裏荷重センサ19のセンシング情報は各格子点の圧力(荷重)に対応する電気抵抗値を示す足裏荷重情報である。股関節センサ23、膝関節センサ24及び足関節センサ25のセンシング情報は検出した関節角度を示す関節角度情報である。
アクチュエータ制御部213は股アクチュエータ13、膝アクチュエータ14及び足首アクチュエータ15を制御する。
電源部214は電源ボタンがONされるとバッテリ22から制御装置21の各部に電力を供給する。
記憶部215は、脚の各関節における角度基準を記憶する。
床反力荷重差算出部2121は、第一計測値と、第二計測値とを取得する。第一計測値は、パワードスーツ100(負荷軽減装置)の重量とユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる値を示す。パワードスーツ100は、ユーザに掛かる負荷を軽減し、少なくとも当該ユーザが装着する。第二計測値は、ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる値を示す。
床反力荷重差算出部2121は、それら第一計測値と第二計測値とに基づいて負荷のユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出する。第一計測値は靴裏荷重センサ18が検出する靴裏荷重情報に基づく靴裏床反力荷重である。第二計測値は足裏荷重センサ19が検出する足裏荷重情報に基づく足裏床反力荷重である。また床反力荷重差算出部2121は、歩行一歩の開始から終了までの足取サイクルにおける片足の着地後の当該片足による立脚期間における床反力荷重差を算出する。
トルク制御部2122は、股アクチュエータ13,膝アクチュエータ14,足首アクチュエータ15が出力する出力トルクを制御する。トルク制御部2122は、床反力荷重差算出部2121が算出した床反力荷重差及び股関節センサ23,膝関節センサ24,足関節センサ25が検出する各脚の各関節角度に基づいて、ユーザの脚の関節においてユーザに掛かる負荷を軽減するために、出力トルクを制御する。またトルク制御部2122は、第一計測値または第二計測値に基づいて出力トルクを制御してもよい。
図8は制御装置の動作を示す動作ブロック図である。
まず、床反力荷重差算出部2121が、靴裏荷重センサ18が検出する靴裏荷重情報に基づく第一計測値(靴裏床反力荷重)と、足裏荷重センサ19が検出する足裏荷重情報に基づく第二計測値(足裏床反力荷重)とに基づいて床反力荷重差を算出する。
床反力荷重差算出部2121は、パワードスーツ100の靴裏プレート16や足装着具17の接地面側に設けられた靴裏荷重センサ18に加わる第一計測値(靴裏床反力荷重)を、靴裏荷重情報に基づいて算出する。具体的には床反力荷重差算出部2121は靴裏荷重情報に含まれる各格子点の電気抵抗値に基づいて、各格子点に加わった圧力、及び面全体での荷重を算出し、靴裏荷重センサ18に加わる第一計測値(靴裏床反力荷重)を求める。第一計測値が示す重量は、ユーザの体重、パワードスーツ100の重量、荷物の重量Fなどの歩行時の合成重量F’が靴裏荷重センサ18に加わる重量である。より具体的には第一計測値は、「負荷(荷物の重量F)+スーツ重量+体重+加速度に起因した力など」を合成した値となる。
この図において破線91はユーザの片足の歩行一歩の開始から終了までを一単位とする足取サイクルにおいて、靴裏床反力荷重を示す第一計測値の遷移を示すグラフである。実線92は足取サイクルにおいて足裏床反力荷重を示す第二計測値の遷移を示すグラフである。当該グラフにおいて横軸が、足取サイクルは歩行一歩の開始から終了まで時間経過の割合(%)を示している。
この足取サイクルにおいて0%から70%までの期間は足が接地面に設置している(脚が立脚している)立脚期間を示す。またこの足取りサイクルにおいて70%から100%までの期間は、足が接地面(地面)から離れていることにより靴裏荷重センサ18,足裏荷重センサ19に荷重がかかっていない(脚が遊脚している)遊脚期間を示す。また当該グラフにおいて縦軸は荷重を示す。床反力荷重差算出部2121は立脚期間にあるいずれかの時点Tにおける第一計測値から、時点Tにおける第二計測値を減じて床反力荷重差Nを算出する。
例えばトルク制御部2122は、床反力荷重差をパワードスーツ100により負荷軽減されている状態としてトルクの目標値を算出する。またトルク制御部2122は、第一計測値又は第二計測値を用いて各脚が遊脚状態、立脚状態のいずれであるかを判定してもよい。そしてトルク制御部2122は、遊脚時の動作推定モデルまたは立脚時の動作推定モデルに基づき、各関節角度を用いて各脚の各関節における出力トルクを算出してもよい。トルク制御部2122は、算出した各脚の股アクチュエータ13,膝アクチュエータ14,足首アクチュエータ15のトルクの目標値をアクチュエータ制御部213に出力する。
これにより、時系列k番目(現在値)におけるユーザの印加する負荷抗力Fkとユーザの印加トルクlkと出力トルクτとが各アクチュエータのダイナミクスP(s)となる。股関節センサ23,膝関節センサ24,足関節センサ25は、股アクチュエータ13,膝アクチュエータ14,足首アクチュエータ15のダイナミクスP(s)に基づくパワードスーツ100のダイナミクスG(s)に応じた時系列k番目における各関節角度θkを検出する。そして制御装置21は上述した処理を繰り返す。
・・・(1)
まずユーザはパワードスーツ100を装着する。この時ユーザは足装着具17の内部に足裏荷重センサ19を挿入する。足裏荷重センサ19は予め足装着具17の内部に備えられてよい。足裏荷重センサ19の面積はユーザの足の大きさに適した大きさものが利用されてよい。またユーザは靴裏荷重センサ18をパワードスーツ100の足装着具17や靴裏プレート16の接地面側に装着する。靴裏荷重センサ18も予め足装着具17や靴裏プレート16の接地面側に備えられてよい。靴裏荷重センサ18の面積はユーザの足の大きさに対応する足装着具17に適した大きさものが利用されてよい。
アクチュエータ制御部213は、トルク制御部2122が算出したトルクの目標値の各トルクを、各脚の股アクチュエータ13,膝アクチュエータ14,足首アクチュエータ15から出力させるための信号(τ)を、各アクチュエータへ出力する(ステップS106)。その後、ステップS101の処理に戻り、制御装置21は処理を終了するまでステップS101からS106までの処理を繰り返す。
また足裏荷重センサ19も複数の圧力センサによって構成されてもよい。足裏の足装着具17の荷重位置が時間の経過に従って移動した場合でも、それら複数の圧力センサが順次荷重を計測し、その荷重に対応する電気抵抗値を含む足裏荷重情報を出力する。
床反力荷重差算出部2121はそれら複数のセンサから得られた靴裏荷重情報や足裏荷重情報に基づいて、第一計測値、第二計測値、及び床反力荷重差を算出してよい。
図11及び図12は靴裏荷重センサと足裏荷重センサの他の配置例を示す図である。
図11は右足の足装着具17と各センサを踵方向から視認した場合の図を示している。
図12は図11の右足の足装着具17と各センサを内股方向から視認した場合の図を示している。
これら図11、図12は、靴裏荷重センサ18の裏面の全体を覆うように、保護シート140が設けられている点で図2、図3と異なる。また靴裏プレート16は、足装着具17のソール141に埋め込まれる。また足装着具17の接地部分はよりフラットな形状になっている。靴裏荷重センサ18の裏面には保護シート140が設けられる。保護シート140は靴裏荷重センサ18を上下で挟むように設けてもよい。保護シート140が靴裏荷重センサを保護することで、靴裏荷重センサ18の耐性を向上でき、計測時の破損等の不具合から防止できるという効果がある。
負荷軽減装置の最小構成は制御装置21である。制御装置21は少なくとも上述の床反力荷重差算出部2121及びトルク制御部2122の機能を備えればよい。
床反力荷重差算出部2121は、負荷軽減装置の重量とユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、負荷のユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出する。負荷軽減装置は、ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有する。
トルク制御部2122は、床反力荷重差算出部2121が算出した床反力荷重差に基づいて、ユーザの脚の関節においてユーザに掛かる負荷を軽減するために股アクチュエータ13,膝アクチュエータ14,足首アクチュエータ15が出力する出力トルクを制御する。
さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。
11・・・骨格部
12・・・ベルト
13・・・股アクチュエータ
14・・・膝アクチュエータ
15・・・足首アクチュエータ
16・・・靴裏プレート
17・・・足装着具
18・・・靴裏荷重センサ
19・・・足裏荷重センサ
20・・・荷台
21・・・制御装置
22・・・バッテリ
23・・・股関節センサ
24・・・膝関節センサ
25・・・足関節センサ
211・・・情報取得部
212・・・総合制御部
2121・・・床反力荷重差算出部
2122・・・トルク制御部
213・・・アクチュエータ制御部
214・・・電源部
215・・・記憶部
Claims (7)
- ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有し、
負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、前記ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、前記負荷の前記ユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出する床反力荷重差算出部と、
前記床反力荷重差に基づいて、前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するために前記負荷軽減装置の駆動機構が出力するトルクを制御するトルク制御部と、
を備えた負荷軽減装置。 - 前記床反力荷重差算出部は、前記ユーザが装着する靴の靴底に設けられた第一計測部であって、前記負荷軽減装置の重量を前記接地面に伝える靴裏プレートの接地面側に設けられた前記第一計測部から前記第一計測値を取得し、前記ユーザが装着する靴の内部の底に設けられた第二計測部から前記第二計測値を取得する
請求項1に記載の負荷軽減装置。 - 前記床反力荷重差算出部は、前記脚が立脚しているときの前記床反力荷重差を算出する
請求項1または請求項2に記載の負荷軽減装置。 - 前記トルク制御部は、前記脚の各関節の角度に基づいて前記トルクを制御する
請求項1から請求項3の何れか一項に記載の負荷軽減装置。 - 前記トルク制御部は、前記第一計測値又は前記第二計測値に基づいて前記トルクを制御する
請求項1から請求項4の何れか一項に記載の負荷軽減装置。 - 負荷軽減装置が、ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有し、
前記負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、前記ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、前記負荷の前記ユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出し、
前記床反力荷重差に基づいて、前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するために前記負荷軽減装置の駆動機構が出力するトルクを制御する
負荷軽減方法。 - ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有する負荷軽減装置のコンピュータに、
負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、前記ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、前記負荷の前記ユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出し、
前記床反力荷重差に基づいて、前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するために前記負荷軽減装置の駆動機構が出力するトルクを制御する、
処理を実行させるプログラム。
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