JP2013072729A

JP2013072729A - Load sensor and walking support device

Info

Publication number: JP2013072729A
Application number: JP2011211490A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Fujii; 一彰藤井
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-04-22

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a load sensor using a load cell for uniaxial detection, capable of accurately performing measurement regardless of a load applying direction.SOLUTION: A load sensor 11 is disposed to a sole plate 50 of a walking support device. The load sensor 11 includes a triangular grounding surface component 64 to be grounded on a ground surface, three slide pins 63 for moving a distance from the sole plate 50 within a prescribed distance, and a load cell 60 disposed to the sole plate 50. The load cell 60 is disposed to the sole plate 50 such that a load button 61 for making a load receive action faces the grounding surface component 64. In the meantime, at a position facing the load button 61, a recess 641 is formed on the grounding surface component 64, and a spherical body 642 is arranged at the recess 641. Since the load acting on the grounding surface component 64 is transmitted through the spherical body 642 to the load button 61, force in an axial direction is applied to the load button 61 at all times.

Description

本発明は、荷重センサ及び歩行支援装置に係り、例えば、１軸のロードセルを使用した荷重センサ及び、歩行支援装置に関する。 The present invention relates to a load sensor and a walking support device, for example, a load sensor using a uniaxial load cell and a walking support device.

近年、介護ビジネスなどを中心に、人の動作（歩行や持ち上げなど）に使われる筋力を補助する装着型ロボット（パワーアシストスーツ）などが開発されている。
装着型ロボットには、アシスト箇所として、上半身の筋力を補助するもの、下半身の筋力を補助するもの、あるいは、全身の筋力を補助するものなど各種のものがある。
また、装着型ロボットの用途も、健常者用から高齢者・障害者の補助用などがある。 In recent years, wearable robots (power assist suits) that assist muscle strength used for human movement (walking, lifting, etc.) have been developed mainly in the nursing care business.
There are various types of wearable robots such as those that assist the muscle strength of the upper body, those that assist the muscle strength of the lower body, and those that assist the muscle strength of the whole body.
In addition, the use of the wearable robot ranges from a healthy person to an elderly person / person with a disability.

装着型ロボットは、例えば、装着者の筋電から筋肉の動きを解析したり、関節各部に配置した姿勢センサで検出される装着者の動きを解析することで、当該動きに必要な関節モーメントを算出し、これに応じた必要なアシスト力を発生させている。これによって、装着者は、重量物の持ち上げや歩行を楽に行うことができる。 The wearable robot, for example, analyzes the movement of the muscle from the electromyogram of the wearer or analyzes the movement of the wearer detected by the posture sensor arranged in each part of the joint, thereby obtaining the joint moment necessary for the movement. The necessary assist force corresponding to this is generated. Thus, the wearer can easily lift and walk heavy objects.

このような技術として動作補助装着具（特許文献１）が提案されている。
この動作補助装着具は、上部アーム、中間アーム、下部アーム間を回転自在に接合するジョイントが設けられ、当該ジョイントがアクチュエータにより駆動されることで、必要なパワーをアシストするようになっている。
そして、動作補助装置は、中間アームと下部アームに取り付けられた面ファスナー等の固定具により、装着者の太腿（上腿）やふくらはぎ（下腿）に固定されるようになっている。 As such a technique, a motion assisting wearing tool (Patent Document 1) has been proposed.
This motion assisting mounting device is provided with a joint that rotatably joins an upper arm, an intermediate arm, and a lower arm, and assists necessary power by driving the joint by an actuator.
The motion assisting device is fixed to the wearer's thigh (upper thigh) and calf (lower thigh) by a fastener such as a hook-and-loop fastener attached to the intermediate arm and the lower arm.

特開２００５−９５５６１号公報JP 2005-95561 A

このような歩行支援装置では、足裏に荷重センサが配置される場合が多い。この荷重センサは、装着者（被歩行支援者）の姿勢や動作を推定するにあたり、足の接地を検出するだけでなく、床反力を算出したり、重心位置の算出に用いるため、荷重センサの精度の高さが要求される。
このような荷重センサとして、装置専用の荷重センサではなく、例えば、ロードセル等の汎用の荷重センサを用いた場合がある。この汎用のロードセルは垂直荷重を正しく計測する１軸（Ｚ軸）用であり、斜め荷重が掛った際には正しく荷重を検出することができない。
しかし、歩行や走行など動的なシーンでは足裏には非常に複雑な斜め荷重がかかり、ロードセルを正常に機能させるには、接地面がロードセルに対し垂直に動くように、高精密で高剛性な摺動機構やパンタグラフを設けることが行われている。 In such walking support devices, load sensors are often arranged on the soles. This load sensor is used not only to detect the contact of the foot, but also to calculate the ground reaction force and the center of gravity position when estimating the posture and motion of the wearer (walking support person). High accuracy is required.
As such a load sensor, a general-purpose load sensor such as a load cell may be used instead of a load sensor dedicated to the apparatus. This general-purpose load cell is for one axis (Z axis) that correctly measures the vertical load, and cannot detect the load correctly when an oblique load is applied.
However, in dynamic scenes such as walking and running, very complicated diagonal loads are applied to the sole of the foot, and in order for the load cell to function properly, the ground contact surface moves vertically with respect to the load cell with high precision and high rigidity. Such a sliding mechanism and pantograph are provided.

図９は、このようなロードセルを使用した従来の荷重センサの構成と状態を表したものである。
図９（ａ）に示すように、荷重センサは、足を載せる足裏板５００の裏側にロードセル６００が配置され、その両側に、足裏板５００と接地面部品６４０を連結するスライドピン６３０が配置される。
そして、接地面部品６４０に対しどの方向の荷重がかかった場合にも、両側のスライドピン６３０が均等にスライドすることで、接地面部品６４０が足裏板５００に対して平行な状態を維持しながら移動するように構成されている。
これにより、ロードセル６００の荷重を受けるロードボタン６１０に対して、荷重入力方向が垂直に作用させることができる。 FIG. 9 shows the configuration and state of a conventional load sensor using such a load cell.
As shown in FIG. 9A, in the load sensor, a load cell 600 is disposed on the back side of the sole plate 500 on which the foot is placed, and slide pins 630 for connecting the sole plate 500 and the ground plane component 640 are provided on both sides thereof. Be placed.
When any load is applied to the ground plane component 640, the slide pins 630 on both sides slide evenly, so that the ground plane component 640 is maintained parallel to the sole plate 500. It is configured to move while.
As a result, the load input direction can be made to act vertically on the load button 610 that receives the load of the load cell 600.

しかし、このような荷重センサでは、大きな荷重に対しても左右均等にスライドするためには剛性の高いスライドピン６３０が必要になる。
荷重に対してスライドピン６３０の剛性が低い場合、図９（ｂ）に示すように、ロードセル６００の着力点（ロードボタン６１０の先端）に対して、接地面部品６４０が垂直に当たらず、着力点に対して、こじる力Ｂが入力されてしまう。
これによりロードセル６００のダイヤフラム部が想定外の変形を生じたり、ロードセル６００内部のひずみゲージに想定外の方向への力の入力が起きたりし、その結果ロードセル６００は荷重を正確に計測できないという問題があった。
また、ロードセル６００と接地面部品６４０とが平行でない場合、着力点と接地面部品６４０とが点接点となり、接地面部品６４０へ着力点が食いつき横方向の入力に対してもロードセル６００に伝達してしまうという問題があった。 However, in such a load sensor, a highly rigid slide pin 630 is required to slide evenly to the left and right even with a large load.
When the rigidity of the slide pin 630 is low with respect to the load, as shown in FIG. 9B, the grounding surface component 640 does not hit the contact point of the load cell 600 (the tip of the load button 610) vertically, and the contact force A force B to be applied to the point is input.
As a result, the diaphragm portion of the load cell 600 is deformed unexpectedly, or force is input to the strain gauge in the load cell 600 in an unexpected direction. As a result, the load cell 600 cannot accurately measure the load. was there.
Further, when the load cell 600 and the ground plane component 640 are not parallel, the applied point and the ground plane component 640 become a point contact, and the applied point bites into the ground plane component 640 and is transmitted to the load cell 600 even in the lateral direction. There was a problem that.

そこで本発明は、接地面部品を支える伸縮連結手段が高剛性でなくても、正確に測定することが可能な、１軸検出用のロードセルを使用した荷重センサを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a load sensor using a load cell for detecting a single axis, which can be measured accurately even if the expansion and contraction connecting means for supporting the ground plane component is not highly rigid.

（１）請求項１に記載の発明では、先端が着力点となるロードボタンを備えた１軸のロードセルと、前記ロードセルが固定される基板と、前記基板の前記ロードセル側に対向配置され、外部からの荷重を受ける荷重板と、一端が前記基板に固定され、他端が前記荷重板に固定され、前記基板と前記荷重板間の距離を伸縮可能に連結する、複数の伸縮連結手段と、を備え、前記荷重板は、外部からの荷重を前記ロードボタンの着力点に作用させる、少なくとも着力点との接触面が球面状に形成された球面接触手段を有している、ことを特徴とする荷重センサを提供する。
（２）請求項２に記載の発明では、前記荷重板は、前記着力点に対応する位置に形成された凹部と、当該凹部内に一部が収容される球体とにより前記球面接触手段が構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の荷重センサを提供する。
（３）請求項３に記載の発明では、前記荷重板は三角形状に形成され、前記伸縮連結手段は、前記荷重板の三角形状に対応して、各頂点近傍に１つずつ配置されていることを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の荷重センサを提供する。
（４）請求項４に記載の発明では、歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援装置であって、前記歩行支援対象者に対して装置を固定する固定手段と、前記歩行支援対象者の足が載置される足裏板と、前記足裏板を前記基板とし、前記足の載置面と逆の面に配置された請求項１、請求項２、又は請求項３に記載の荷重センサと、前記固定手段で固定した各部の姿勢を検出する姿勢センサと、前記荷重センサの出力値と、姿勢センサの出力値から、前記歩行支援対象者の各脚に対する歩行アシスト力を決定する歩行アシスト力決定手段と、前記決定した歩行アシスト力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させて歩行をアシストする歩行アシスト手段と、を具備することを特徴とする歩行支援装置を提供する。 (1) In the first aspect of the present invention, a uniaxial load cell having a load button whose tip is a force point, a substrate to which the load cell is fixed, a load cell facing the load cell side, and an external A load plate that receives a load from a plurality of expansion and contraction connecting means that one end is fixed to the substrate, the other end is fixed to the load plate, and a distance between the substrate and the load plate is connected to be extendable; The load plate includes spherical contact means that causes an external load to act on the force application point of the load button, and at least a contact surface with the force application point is formed in a spherical shape. A load sensor is provided.
(2) In the invention described in claim 2, the spherical contact means is constituted by a concave portion formed at a position corresponding to the force applying point and a spherical body partially accommodated in the concave portion. The load sensor according to claim 1 is provided.
(3) In the invention according to claim 3, the load plate is formed in a triangular shape, and the expansion and contraction connecting means is arranged in the vicinity of each apex corresponding to the triangular shape of the load plate. A load sensor according to claim 1 or claim 2 is provided.
(4) In the invention according to claim 4, the walking support device supports the walking of the walking support target person, the fixing unit fixing the device to the walking support target person, and the walking support target person's The load according to claim 1, 2, or 3, wherein a foot plate on which a foot is placed and the foot plate is used as the substrate, and the foot is placed on a surface opposite to the surface on which the foot is placed. Walking that determines walking assist force for each leg of the walking support target from the sensor, the posture sensor that detects the posture of each part fixed by the fixing means, the output value of the load sensor, and the output value of the posture sensor There is provided a walking assistance device comprising: an assisting force determining unit; and a walking assisting unit that assists walking by applying the determined walking assisting force to a leg portion of the walking support target person.

本発明によれば、外部からの荷重が球面形状に形成された球面接触手段を介してロードボタンの着力点に対して軸方向に作用するので、基板と荷重板を連結する伸縮連結手段の高剛が高くなくても、正確に測定することができる。 According to the present invention, since the load from the outside acts in the axial direction on the load point of the load button via the spherical contact means formed in a spherical shape, the height of the expansion / contraction connection means for connecting the substrate and the load plate is high. Even if the stiffness is not high, it can be measured accurately.

歩行支援装置の装着状態を示した図である。It is the figure which showed the mounting state of the walking assistance apparatus. 各装着部により歩行支援装置を固定した状態を表した説明図である。It is explanatory drawing showing the state which fixed the walk assistance apparatus by each mounting part. 足裏板の正面図である。It is a front view of a foot sole board. 足裏板と荷重センサの配置についての説明図である。It is explanatory drawing about arrangement | positioning of a sole plate and a load sensor. 足裏板と荷重センサの断面を表した説明図である。It is explanatory drawing showing the cross section of a foot sole board and a load sensor. 荷重センサに斜めの荷重が作用した場合の説明図である。It is explanatory drawing when a diagonal load acts on a load sensor. 歩行支援装置のシステム構成を示した図である。It is the figure which showed the system configuration | structure of the walking assistance apparatus. 歩行アシスト処理の動作を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the operation | movement of the walk assistance process. 従来の荷重センサの構成を表した説明図である。It is explanatory drawing showing the structure of the conventional load sensor.

（１）実施形態の概要
本実施形態の荷重センサは、１軸（Ｚ軸）検出用のロードセルから構成され、装着者の歩行を支援する歩行支援装置に使用される。
歩行支援装置は、装着者（歩行支援対象者）の筋電から筋肉の動きを解析したり、関節各部に配置した姿勢センサで検出される装着者の動きを解析することで、当該動きに必要な関節モーメントを算出し、これに応じた必要なアシスト力を発生させることで各関節の動作を支援する。例えば、股関節アシストアクチュエータ１７で股関節の動作を支援し、膝関節アシストアクチュエータ１８で膝関節の動作を支援し、足首関節アシストアクチュエータ１９で足首関節の動作を支援する。 (1) Outline of Embodiment The load sensor of the present embodiment is composed of a load cell for detecting a single axis (Z axis) and is used in a walking support device that supports walking of a wearer.
The walking support device is necessary for the movement by analyzing the movement of the muscle from the electromyogram of the wearer (walking support target person) or analyzing the movement of the wearer detected by the posture sensor placed in each part of the joint. The operation of each joint is supported by calculating a necessary joint moment and generating a necessary assist force according to the calculated moment. For example, the hip joint assist actuator 17 supports the hip joint operation, the knee joint assist actuator 18 supports the knee joint operation, and the ankle joint assist actuator 19 supports the ankle joint operation.

歩行支援装置は、装着者が足を載せる足裏板５０を備え、この足裏板５０に荷重センサ１１が配設される。
荷重センサ１１は、地面に接地する三角形状の接地面部品６４（荷重板として機能）と、接地面部品６４の各頂点近傍に配設されて足裏板５０との距離を所定距離内で移動させる３つのスライドピン（伸縮連結手段として機能）６３と、３つのスライドピン６３の中央において足裏板５０に配設されたロードセル６０を備えている。
ロードセル６０は、荷重が作用を受けるロードボタン６１が接地面部品６４に対向するように足裏板５０に配設される。
一方、ロードボタン６１に対向する位置には、接地面部品６４に凹部６４１が形成され、この凹部６４１に球体６４２が配置される。この凹部６４１と球体６４２は球面接触手段として機能する。
接地面部品６４に作用した荷重は、球体６４２を介して、ロードボタン６１に伝達されるため、ロードボタン６１に常に軸方向の力が加わることになる。 The walking support device includes a sole plate 50 on which a wearer places his / her foot, and the load sensor 11 is disposed on the sole plate 50.
The load sensor 11 is disposed in the vicinity of each apex of the triangular grounding surface component 64 (functioning as a load plate) that contacts the ground and the ground surface component 64, and moves within a predetermined distance from the sole plate 50. Three slide pins (functioning as expansion and contraction connecting means) 63 to be operated, and a load cell 60 disposed on the sole plate 50 at the center of the three slide pins 63 are provided.
The load cell 60 is disposed on the sole plate 50 so that a load button 61 to which a load acts is opposed to the ground plane component 64.
On the other hand, at the position facing the load button 61, a concave portion 641 is formed in the ground plane component 64, and a sphere 642 is disposed in the concave portion 641. The recess 641 and the sphere 642 function as spherical contact means.
Since the load acting on the ground surface component 64 is transmitted to the load button 61 via the sphere 642, an axial force is always applied to the load button 61.

（２）実施形態の詳細
以下本実施形態における荷重センサについて、歩行支援を行う歩行支援装置に使用する場合を例に説明する。
図１は、本実施形態の荷重センサを使用した歩行支援装置１の装着状態を示した図である。
歩行支援装置１は、装着者の腰部及び下肢に装着し、装着者の歩行を支援（アシスト）するものである。
歩行支援装置１は、腰部装着部２１、上腿装着部２２、下腿装着部２３、足装着部２４、上腿連結部材２６、下腿連結部材２７、制御装置２、つま先荷重センサ１０（１０ａ、１０ｂ）、踵荷重センサ１１、つま先姿勢センサ１２、踵姿勢センサ１３、腰姿勢センサ１４、上腿姿勢センサ１５、下腿姿勢センサ１６、股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９などを備えている。
なお、腰部装着部２１、制御装置２、腰姿勢センサ１４以外は、左右の両脚用に各部が設けられており、それぞれの検出値が出力されるようになっている。 (2) Details of Embodiments The load sensor according to this embodiment will be described below by taking as an example a case where the load sensor is used in a walking support device that performs walking support.
FIG. 1 is a diagram illustrating a wearing state of the walking assist device 1 using the load sensor of the present embodiment.
The walking support device 1 is worn on the waist and lower limbs of a wearer to assist (assist) the wearer's walk.
The walking support device 1 includes a waist attachment part 21, an upper leg attachment part 22, a lower leg attachment part 23, a foot attachment part 24, an upper leg connection member 26, a lower leg connection member 27, a control device 2, and a toe load sensor 10 (10a, 10b). ), Heel load sensor 11, toe posture sensor 12, heel posture sensor 13, waist posture sensor 14, upper leg posture sensor 15, lower leg posture sensor 16, hip joint assist actuator 17, knee joint assist actuator 18, ankle joint assist actuator 19 and the like. It has.
Except for the waist mounting part 21, the control device 2, and the waist posture sensor 14, each part is provided for both the left and right legs, and the respective detected values are output.

腰部装着部２１は、装着者の腰部の周囲に取り付けられ歩行支援装置１を固定する。
腰姿勢センサ１４は、腰部装着部２１に取り付けられ、ジャイロなどによって腰部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、腰部の角速度や角加速度を求めることもできる。
制御装置２は、腰部装着部２１に取り付けられ、歩行支援装置１の動作を制御する。
股関節アシストアクチュエータ１７は、装着者の股関節と同じ高さに設けられており、腰部装着部２１に対して上腿連結部材２６を前後方向に駆動する。なお、股関節アシストアクチュエータ１７を３軸アクチュエータとして横方向にも駆動するように構成することもできる。 The waist mounting part 21 is attached around the waist of the wearer and fixes the walking support device 1.
The waist posture sensor 14 is attached to the waist attachment portion 21 and detects the posture of the waist (roll angle, yaw angle, pitch angle) with a gyroscope or the like. Also, by differentiating these angles, the angular velocity and angular acceleration of the waist can be obtained.
The control device 2 is attached to the waist mounting portion 21 and controls the operation of the walking support device 1.
The hip joint assist actuator 17 is provided at the same height as the hip joint of the wearer, and drives the upper thigh coupling member 26 in the front-rear direction with respect to the waist mounting portion 21. Note that the hip joint assist actuator 17 may be configured to be driven in the lateral direction as a three-axis actuator.

上腿連結部材２６は、装着者の上腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、股関節アシストアクチュエータ１７と膝関節アシストアクチュエータ１８を連結する。
上腿装着部２２は、外側が上腿連結部材２６の内側に固定されており、内側が装着者の上腿に固定される。本実施形態の上腿装着部２２は、後述するが、上腿固定具アクチュエータ２２１を備えており、上腿を動作を支援（アシスト）する股関節アシストアクチュエータ１７の出力値（歩行アシスト力）に応じて、上腿の締付力が制御されるようになっている。
上腿姿勢センサ１５は、上腿部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、上腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。 The upper thigh connecting member 26 is a rigid columnar member provided outside the upper thigh of the wearer, and connects the hip joint assist actuator 17 and the knee joint assist actuator 18.
The outer side of the upper thigh mounting part 22 is fixed to the inner side of the upper thigh coupling member 26, and the inner side is fixed to the upper leg of the wearer. As will be described later, the upper thigh mounting portion 22 of the present embodiment includes an upper thigh fastener actuator 221, and corresponds to an output value (walking assist force) of the hip joint assist actuator 17 that assists (assists) the operation of the upper thigh. Thus, the tightening force of the upper leg is controlled.
The upper leg posture sensor 15 detects the upper leg posture (roll angle, yaw angle, pitch angle). In addition, by differentiating these angles, the angular velocity and acceleration of the upper thigh can be obtained.

膝関節アシストアクチュエータ１８は、装着者の膝関節と同じ高さに設けられており、上腿連結部材２６に対して下腿連結部材２７を前後方向に駆動する。
下腿連結部材２７は、装着者の下腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、膝関節アシストアクチュエータ１８と足首関節アシストアクチュエータ１９を連結する。 The knee joint assist actuator 18 is provided at the same height as the knee joint of the wearer, and drives the lower leg connecting member 27 in the front-rear direction with respect to the upper leg connecting member 26.
The lower leg connecting member 27 is a columnar member having rigidity provided outside the lower leg part of the wearer, and connects the knee joint assist actuator 18 and the ankle joint assist actuator 19.

下腿装着部２３は、外側が下腿連結部材２７の内側に固定されており、内側が装着者の下腿に固定される。本実施形態の下腿装着部２３は、後述するが、下腿固定アクチュエータ２３１を備えており、下腿を動作を支援（アシスト）する膝関節アシストアクチュエータ１７の出力値（歩行アシスト力）に応じて、下腿の締付力が制御されるようになっている。
下腿姿勢センサ１６は、下腿部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、下腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。 The outer side of the lower leg mounting portion 23 is fixed to the inner side of the lower leg connecting member 27, and the inner side is fixed to the lower leg of the wearer. As will be described later, the lower leg mounting portion 23 of the present embodiment includes a lower leg fixing actuator 231, and the lower leg according to the output value (walking assist force) of the knee joint assist actuator 17 that assists (assists) the movement of the lower leg. The tightening force is controlled.
The lower leg posture sensor 16 detects the lower leg posture (roll angle, yaw angle, pitch angle). Also, by differentiating these angles, the angular velocity and angular acceleration of the lower leg can be obtained.

足首関節アシストアクチュエータ１９は、装着者の足首関節と同じ高さに設けられており、下腿連結部材２７に対して足装着部２４のつま先を上下する方向に駆動する。
足装着部２４は、装着者の足部（足の甲、及び足裏）に固定される。一般に、足指の付け根の関節は歩行の際に屈曲するが、足装着部２４も足指の付け根の部分が足指に従って屈曲するようになっている。 The ankle joint assist actuator 19 is provided at the same height as the wearer's ankle joint, and drives the toe of the foot mounting portion 24 in the direction of moving up and down with respect to the crus coupling member 27.
The foot mounting portion 24 is fixed to the foot portion (instep and sole) of the wearer. Generally, the joint at the base of the toe is bent during walking, but the foot mounting portion 24 is also configured so that the base of the toe is bent according to the toes.

つま先姿勢センサ１２と踵姿勢センサ１３は、それぞれ、足装着部２４の先端と後端に設置され、それぞれ、つま先と踵の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、つま先や踵の角速度や角加速度を求めることもできる。 The toe posture sensor 12 and the heel posture sensor 13 are respectively installed at the front end and the rear end of the foot mounting portion 24 and detect the toe and heel postures (roll angle, yaw angle, pitch angle), respectively. Further, by differentiating these angles, the angular velocity and angular acceleration of the toes and the heel can be obtained.

つま先荷重センサ１０は、足装着部２４の足裏部前方に設置され、その検出値から、つま先の接地が検出され、また、つま先にかかる荷重や、歩行面からの反力が検出される。
踵荷重センサ１１は、足装着部２４の足裏部後方に設置され、その検出値から、踵の接地が検出され、また、踵にかかる荷重や、歩行面からの反力が検出される。
つま先荷重センサ１０はつま先部分に２つ（１０ａ、１０ｂ）配置され、踵荷重センサ１１は踵部分に１つ配設される。
これらの荷重センサの詳細については後述する。 The toe load sensor 10 is installed in front of the sole of the foot mounting portion 24, detects the toe grounding from the detected value, and detects the load applied to the toe and the reaction force from the walking surface.
The heel load sensor 11 is installed on the rear side of the sole of the foot mounting portion 24, detects the ground contact of the heel from the detected value, and detects the load applied to the heel and the reaction force from the walking surface.
Two toe load sensors 10 (10a, 10b) are disposed on the toe portion, and one heel load sensor 11 is disposed on the heel portion.
Details of these load sensors will be described later.

以上のように構成された歩行支援装置１は、つま先荷重センサ１０、踵荷重センサ１１の出力値、及び、各姿勢センサ１２〜１６の出力値に基づいて、股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９を駆動することにより、装着者の歩行を支援する。 The walking assist device 1 configured as described above includes a hip joint assist actuator 17 and a knee joint assist actuator based on the output values of the toe load sensor 10 and the heel load sensor 11 and the output values of the posture sensors 12 to 16. 18. The ankle joint assist actuator 19 is driven to assist the wearer in walking.

図２は、各装着部２１〜２４による歩行支援装置１を固定した状態を表したものであり、図２（ａ）は正面の状態を、図２（ｂ）は右側面の状態を表している。
なお、図２（ａ）では、図を簡略化するため右脚のみ装着した状態を表している。但し、歩行支援装置１は、図１に示すように、腰部装着部２１に左脚用の各部が配置されており、両脚に装着するのが一般的であるが、片方の脚だけに支援が必要な装着者に対しては、図２に示すように右脚又は左脚だけの装置を装着する場合もある。 FIG. 2 shows a state in which the walking support device 1 is fixed by the mounting parts 21 to 24, FIG. 2 (a) shows a front state, and FIG. 2 (b) shows a right side state. Yes.
FIG. 2A shows a state in which only the right leg is attached to simplify the drawing. However, as shown in FIG. 1, the walking support device 1 is generally provided with each part for the left leg on the waist attachment part 21 and is attached to both legs, but only one leg is supported. For the wearer who needs it, there is a case where a device having only the right leg or the left leg is worn as shown in FIG.

上腿装着部２２は、上腿固定具２２０と上腿固定具アクチュエータ２２１を備えている。上腿固定具２２０は、幅広のベルトを上腿に巻き付けることで上腿連結部材２６を上腿に固定する。上腿固定具アクチュエータ２２１は、上腿を動作を支援する股関節アシストアクチュエータ１７の歩行アシスト力に応じて、上腿固定具２２０による上腿の締付力を制御する。
下腿装着部２２は、下腿固定具２３０と下腿固定具アクチュエータ２３１を備えている。下腿固定具は、幅広のベルトを下腿に巻き付けることで下腿連結部２７を下腿に固定する。下腿固定具アクチュエータ２３１は、下腿を動作を支援する膝関節アシストアクチュエータ１８の歩行アシスト力に応じて、下腿固定具２３０による上腿の締付力を制御する。
また、上腿固定具アクチュエータ２２１と下腿固定具アクチュエータ２３１は、足裏装着部２４に配設した各荷重センサ１０、１１で検出される床反力に応じて、締付力を変更することも可能である。この場合、床反力が大きい場合には締付力を大きくする。 The upper thigh mounting portion 22 includes an upper thigh fixture 220 and an upper thigh fixture actuator 221. The upper thigh fixture 220 fixes the upper thigh coupling member 26 to the upper thigh by winding a wide belt around the upper thigh. The upper thigh fastener actuator 221 controls the tightening force of the upper thigh by the upper thigh fastener 220 according to the walking assist force of the hip joint assist actuator 17 that supports the operation of the upper thigh.
The crus mounting part 22 includes a crus fixing device 230 and a crus fixing device actuator 231. The lower leg fixing device fixes the lower leg connecting portion 27 to the lower leg by winding a wide belt around the lower leg. The lower leg fixing actuator 231 controls the tightening force of the upper leg by the lower leg fixing tool 230 in accordance with the walking assist force of the knee joint assist actuator 18 that assists the movement of the lower leg.
In addition, the upper thigh fixture actuator 221 and the lower thigh fixture actuator 231 may change the tightening force according to the floor reaction force detected by the load sensors 10 and 11 disposed in the sole mounting portion 24. Is possible. In this case, when the floor reaction force is large, the tightening force is increased.

上腿固定具アクチュエータ２２１と下腿固定具アクチュエータ２３１としては、例えば、上腿や下腿に巻き付け、面ファスナー等で固定したベルトの長さを調節することで締付力を変更する構成として、例えば、ベルトを軸に巻き取るモータで構成することができる。
また、人工筋肉の１種として知られているマッキベン型のアクチュエータを使用してもよい。マッキベン型のアクチュエータは、シリコーンゴム等のゴム部材からなる筒状体の外側に合成繊維を網状に編んだ筒状のスリーブで覆ったものである。そして、筒状体の一端側にベルトを固定し、筒状体内に空気を供給すると、筒状体の径が大きくなる一方、長さが短くなりベルトを引っ張ることで締付力が強くなる。
更に、上腿や下腿に巻いて固定したベルトの長さは変更せず、上腿や下腿の外周と接しているベルト内周面の断面積を変更することで締付力を変更するアクチュエータとして、ベルト内側に配設したエアバッグを使用することも可能である。 As the upper thigh fixture actuator 221 and the lower thigh fixture actuator 231, for example, a configuration in which the tightening force is changed by adjusting the length of a belt wound around the upper thigh or the lower thigh and fixed with a hook-and-loop fastener or the like, for example, A motor that winds the belt around the shaft can be used.
A Macchiben type actuator known as a kind of artificial muscle may be used. The McKibben type actuator is a cylindrical body made of a rubber member such as silicone rubber and covered with a cylindrical sleeve knitted with a synthetic fiber in a net shape. When the belt is fixed to one end of the cylindrical body and air is supplied to the cylindrical body, the diameter of the cylindrical body is increased, while the length is shortened and the tightening force is increased by pulling the belt.
Furthermore, as an actuator that changes the tightening force by changing the cross-sectional area of the inner surface of the belt that is in contact with the outer circumference of the upper or lower leg without changing the length of the belt that is wound around the upper or lower leg. It is also possible to use an airbag disposed inside the belt.

腰部装着部２１は、腰固定具２１０を備えており、腰固定具２１０を腰に締め付けることで、歩行支援装置１全体を支えるようになっている。
足装着部２４は、足固定具２４０と足裏部品２４１を備えている。足裏部品２４１は、金属で形成された足を載せる足裏部品２４１と、この足裏部品２４１に取り付けられた足固定具２４０とを備えている。
腰固定具２１０と足固定具２４０は、面ファスナーなどにより腰や足を固定するが、一度固定した締付力は一定で可変ではない。
但し、腰固定具２１０と足固定具２４０に足固定具アクチュエータを設け、他の固定具アクチュエータと同様にして、足首関節アシストアクチュエータ１９によるアシスト力や、荷重センサ１０、１１で検出される床反力の大きさ等に応じて（所定閾値以上になるか否かに応じて）締付力を変更するようにしてもよい。 The waist mounting portion 21 includes a waist fixing tool 210, and supports the entire walking support device 1 by fastening the waist fixing tool 210 to the waist.
The foot mounting portion 24 includes a foot fixing tool 240 and a foot part 241. The sole component 241 includes a sole component 241 on which a foot formed of metal is placed, and a foot fixing tool 240 attached to the sole component 241.
The waist fixing tool 210 and the foot fixing tool 240 fix the waist and legs by hook-and-loop fasteners or the like, but the fastening force once fixed is constant and not variable.
However, a foot fixing actuator is provided on the waist fixing device 210 and the foot fixing device 240, and in the same manner as the other fixing device actuators, the assist force by the ankle joint assist actuator 19 and the floor reaction detected by the load sensors 10, 11 are used. The tightening force may be changed according to the magnitude of the force or the like (depending on whether or not the predetermined threshold value is exceeded).

次に、足装着部２４の足裏部品２４１について詳細に説明する。
足裏部品２４１は、装着者の足が載置される足裏板５０と、足裏板５０の裏側に配置される荷重センサ１０ａ、１０ｂ、１１から構成されている。
図３は、足裏部品２４１の形状を表したものである。
図３では、右足用の足裏部品２４１の、足を載せる面が表示されている。
足裏部品２４１は、つま先部分を載せる足先板５１と、踵部分を載せる踵板５２と、土踏まず部分を載せると共に足先板５１と踵板５２を連結する連結板５３とから構成されている。
足先板５１と踵板５２は金属材料や硬質樹脂等の硬度と剛性を備えた材料で構成されてる。一方、連結板５３は、載置した足の形状変化に応じて、足先板５１と踵板５２との角度が変化するように、可撓性材料で形成されている。
足先板５１と踵板５２は、ロードセル６０が固定される伸縮連結手段として機能する。 Next, the sole part 241 of the foot mounting part 24 will be described in detail.
The sole component 241 includes a sole plate 50 on which the wearer's foot is placed, and load sensors 10 a, 10 b, 11 arranged on the back side of the sole plate 50.
FIG. 3 shows the shape of the sole component 241.
In FIG. 3, the surface on which the foot is placed of the sole component 241 for the right foot is displayed.
The sole component 241 includes a foot plate 51 on which the toe portion is placed, a heel plate 52 on which the heel portion is placed, and a connecting plate 53 that places the arch portion and connects the foot plate 51 and the heel plate 52. .
The foot plate 51 and the heel plate 52 are made of a material having hardness and rigidity such as a metal material or a hard resin. On the other hand, the connecting plate 53 is formed of a flexible material so that the angle between the foot tip plate 51 and the heel plate 52 changes according to the shape change of the placed foot.
The toe plate 51 and the heel plate 52 function as expansion and contraction connecting means to which the load cell 60 is fixed.

図４は、足裏板５１と、荷重センサ１０、１１の配置について表したものである。
図４（ａ）は、図３に示した足裏板５０を反対側からみたところを表している。
この図４（ａ）に示すように、足裏板５０には、足先板５１に２つのつま先荷重センサ１０ａ、１０ｂが配設され、踵板５２に１つの踵荷重センサ１１が配設されている。
これら各荷重センサ１０ａ、１０ｂ、１１は、正面からみて正三角形状の接地面部品６４を備えている。接地面部品６４の三角形状は、後述するように各頂点近傍の３点により、足裏板５０に安定的に支持されるための形状である。
接地面部品６４は、金属材料や硬質樹脂等の硬度と剛性を備えた材料で形成される。 FIG. 4 shows the arrangement of the sole plate 51 and the load sensors 10 and 11.
FIG. 4A shows the sole plate 50 shown in FIG. 3 as viewed from the opposite side.
As shown in FIG. 4 (a), in the sole plate 50, two toe load sensors 10 a and 10 b are arranged on the toe plate 51, and one heel load sensor 11 is arranged on the heel plate 52. ing.
Each of the load sensors 10a, 10b, and 11 includes a ground plane component 64 having a regular triangle shape when viewed from the front. The triangular shape of the ground plane component 64 is a shape for stably supporting the foot plate 50 by three points in the vicinity of each vertex as will be described later.
The ground plane component 64 is formed of a material having hardness and rigidity such as a metal material or a hard resin.

足先板５１に配設されたつま先荷重センサ１０ａ、１０ｂは、双方の１辺が互いに平行な状態で対向するように配置されることで、足先部分の形状に合わせた平行四辺形を構成する。
一方、踵板５２に配設された踵荷重センサ１１は、足裏板５０の端部側に１つの頂点がくるように配置されている。 The toe load sensors 10a and 10b disposed on the foot plate 51 are arranged so that one side of each of the toe load sensors 10a and 10b is parallel to each other, thereby forming a parallelogram that matches the shape of the foot portion. To do.
On the other hand, the heel load sensor 11 disposed on the heel plate 52 is disposed so that one apex comes to the end side of the sole plate 50.

図４（ｂ）は、足裏板５０と荷重センサの構成部品の配置について表したものである。
図４（ｂ）に示されるように、三角形状の接地面部品６４（点線で示す）と足裏板５０との間には、ロードセル６０と３つのスライドピン６３ａ、６３ｂ、６３ｃ（以下、スライドピン全体を指す場合には符号６３とする）が配設されている。
ロードセル６０は、接地面部品６４のほぼ中央位置において、足先板５１、踵板５２に固定されている。このロードセル６０の周囲には、接地面部品６４の各頂点より僅かに中央側には３つのスライドピン６３が配設されている。
スライドピン６３は、長さ方向に伸縮する伸縮連結手段として機能する。なお、本実施形態では伸縮連結手段としてスライドピン６３を使用するが、他の摺動機構やパンタグラフ構造を採用するようにしてもよい。 FIG. 4B shows the arrangement of the components of the sole plate 50 and the load sensor.
As shown in FIG. 4B, a load cell 60 and three slide pins 63a, 63b, and 63c (hereinafter referred to as slides) are disposed between the triangular grounding surface component 64 (shown by dotted lines) and the sole plate 50. When the whole pin is indicated, the reference numeral 63 is provided).
The load cell 60 is fixed to the toe plate 51 and the heel plate 52 at a substantially central position of the ground plane component 64. Around the load cell 60, three slide pins 63 are arranged slightly on the center side from the respective apexes of the ground plane parts 64.
The slide pin 63 functions as an expansion / contraction connection means that expands and contracts in the length direction. In the present embodiment, the slide pin 63 is used as the expansion and contraction connecting means, but other sliding mechanisms and pantograph structures may be employed.

図５は、図４（ｂ）において、踵荷重センサ１１のスライドピン６３ａ、ロードセル６０、スライドピン６３ｃの各中心を通るＸ−Ｘ断面を表したものである。なお、図５では、踵荷重センサ１１について表示するが、他の荷重センサ１１ａ、１１ｂも構成、作用は同じである。
図５に示されるように、スライドピン６３は、長手方向にスライドすることにより１ｍｍ弱の範囲で伸縮するように構成され、一方の端部が足先板５１、踵板５２に固定され、他方の端部が接地面部品６４に固定されている。 FIG. 5 illustrates an XX cross section passing through the centers of the slide pin 63a, the load cell 60, and the slide pin 63c of the heel load sensor 11 in FIG. 4B. In FIG. 5, the saddle load sensor 11 is displayed, but the other load sensors 11a and 11b have the same configuration and operation.
As shown in FIG. 5, the slide pin 63 is configured to expand and contract within a range of less than 1 mm by sliding in the longitudinal direction, and one end is fixed to the toe plate 51 and the heel plate 52, and the other Is fixed to the ground plane component 64.

ロードセル６０は、パンタグラフや歪みセンサを内部に備えた本体と、荷重の作用を受けるロードボタン６１とを備え、本体は踵板５２に固定されている。ロードボタン６１の先端は、接地面部品６４からの荷重が作用する測定点（着力点）となっている。
接地面部品６４がロードボタン６１の先端と対向している位置には、接地面部品６４に凹部６４１が形成され、凹部６４１内には球体６４２が配設されている。球体６４２は、鋼球やセラミックスなどの非常に硬い材料で形成されている。
凹部６４１は円形でありその径は、球体６４２の直径よりも僅かに大きく形成されている。一方、凹部６４１の深さは、球体６４２の直径よりも小さく形成されている。その結果、球体６４２は、接地面部品６４のロードセル６０に対応する面から僅かに突出した状態で、ロードボタン６１と対向している。
接地面部品６４に荷重が作用していない場合にはスライドピン６３が伸びた状態であり、この状態においてロードボタン６１の先端と球体６４２とは僅かに離れている。
そして、スライドピン６３の剛性は、踵板５２と接地面部品６４とをつなぎ、荷重時にロードセル６０の着力点であるロードボタン６１の先端に球体６４２が接触することを保証する程度でよい。 The load cell 60 includes a main body provided with a pantograph and a strain sensor therein, and a load button 61 that receives an action of a load. The main body is fixed to the plate 52. The tip of the load button 61 is a measurement point (force point) at which a load from the ground plane component 64 acts.
A concave portion 641 is formed in the ground plane component 64 at a position where the ground plane component 64 faces the tip of the load button 61, and a spherical body 642 is disposed in the concave portion 641. The sphere 642 is made of a very hard material such as a steel ball or ceramic.
The recess 641 is circular and has a diameter that is slightly larger than the diameter of the sphere 642. On the other hand, the depth of the recess 641 is smaller than the diameter of the sphere 642. As a result, the sphere 642 faces the load button 61 in a state of slightly protruding from the surface corresponding to the load cell 60 of the ground plane component 64.
When no load is applied to the ground plane part 64, the slide pin 63 is in an extended state. In this state, the tip of the load button 61 and the sphere 642 are slightly separated.
The rigidity of the slide pin 63 is sufficient to ensure that the spherical body 642 comes into contact with the tip of the load button 61, which is the point of application of the load cell 60, when the flange 52 and the ground plane component 64 are connected.

図６は、踵荷重センサ１１に斜めの荷重が作用した場合を表したものである。
この図６に示されるように、本実施形態では、ロードセル６０の着力点であるロードボタン６１の先端が、接地面部品６４の凹部６４１に配置した球体６４２と接している。
このため、足からの荷重が斜めにかかり、踵板５２（ロードセル６０）と接地面部品６４とが傾くことで、ロードボタン６１の軸に対して傾いた方向の荷重Ａが発生したとしても、球体６４１により軸方向（ロードセル６０の１軸方向）の荷重Ａ’がロードボタン６１に入力される。 FIG. 6 shows a case where an oblique load is applied to the heel load sensor 11.
As shown in FIG. 6, in this embodiment, the tip of the load button 61, which is the force applied point of the load cell 60, is in contact with the sphere 642 disposed in the concave portion 641 of the ground plane component 64.
For this reason, even if a load A in a direction tilted with respect to the axis of the load button 61 is generated due to the load from the foot being applied obliquely and the saddle plate 52 (load cell 60) and the ground plane component 64 tilting, A load A ′ in the axial direction (one axial direction of the load cell 60) is input to the load button 61 by the sphere 641.

このように、本実施形態によれば、ロードセル６０の測定点（着力点）に対し、鋼球など非常に硬い球体６４２を介在して接地面部品を設置することにより、ロードセル６０が設定された足先板５１や踵板５２に対して、接地面部品６４が傾いた状態で荷重が作用したとしても、ロードセル６０には軸方向の荷重が作用する。このため、ロードセル６０に対して不要な方向への入力が無くなり、想定外の変形を防ぎ、正確な計測が可能になる。
このように高い精度で足先板５１、踵板５２と接地面部品６４との平行を維持した移動（スライド）を維持する必要がない。このため、ライドピン６３としては、足先板５１、踵板５２と接地面部品６４を連結すること、荷重時にロードセル６０の着力点であるロードボタン６１の先端に球体６４２が接触することを保証するピン程度の剛性で良い。
また、足先板５１、踵板５２と接地面部品６４とを連結する伸縮連結手段として、精度の低いスライドピン６３等の摺動機構やダイヤフラムなどを用いることができ、足裏部品の少部品化、軽量化、柔軟化などが可能になる。
さらに、接地面部品６４へ着力点が食いつきを起こすことがなく、横方向の入力に対してはロードセル６０に伝達されない、という効果もある。 As described above, according to the present embodiment, the load cell 60 is set by installing the ground plane parts with respect to the measurement point (adhesion point) of the load cell 60 via the extremely hard sphere 642 such as a steel ball. Even if a load is applied to the toe plate 51 and the heel plate 52 in a state where the ground contact surface component 64 is inclined, an axial load is applied to the load cell 60. For this reason, there is no input to the load cell 60 in an unnecessary direction, and unexpected deformation can be prevented and accurate measurement can be performed.
Thus, it is not necessary to maintain the movement (slide) that maintains the parallelism between the foot plate 51, the heel plate 52, and the ground contact surface component 64 with high accuracy. For this reason, as the ride pin 63, it is ensured that the foot plate 51, the heel plate 52 and the ground plane part 64 are connected, and that the sphere 642 comes into contact with the tip of the load button 61, which is the force point of the load cell 60, when loaded. It can be as rigid as a pin.
Further, as an expansion / contraction connecting means for connecting the foot plate 51, the heel plate 52 and the ground surface component 64, a sliding mechanism such as a slide pin 63 having a low accuracy, a diaphragm, or the like can be used. , Weight reduction, and flexibility.
Furthermore, there is an effect that the point of application does not bite the ground plane component 64 and that the input in the horizontal direction is not transmitted to the load cell 60.

つぎに、このような荷重センサを使用した歩行支援装置１のシステム構成について図７を参照して説明する。
歩行支援装置１は、図１、２で説明した各種センサ１０〜１６、関節アシストアクチュエータ１７〜１９、固定具アクチュエータ２２１、２３１、及び制御装置２を備えている。
制御装置２は、図示しないＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、時間を計測する手段としての時計、記憶部、各種インターフェースなどを備えた電子制御ユニットであり、歩行支援装置１の各部を電子制御する。 Next, a system configuration of the walking support apparatus 1 using such a load sensor will be described with reference to FIG.
The walking support device 1 includes various sensors 10 to 16, joint assist actuators 17 to 19, fixture actuators 221 and 231, and a control device 2 described with reference to FIGS.
The control device 2 is an electronic control unit having a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a clock as means for measuring time, a storage unit, various interfaces, and the like (not shown). Yes, each part of the walking support device 1 is electronically controlled.

制御装置２は、また、ＣＰＵで記憶部に記憶された歩行支援プログラム等の各種プログラムを実行することにより構成される、センサ情報取得部３、歩行シーン判定部６、締付力決定部７、歩行アシスト力決定部８を備えている。
センサ情報取得部３は、つま先荷重センサ１０〜下腿姿勢センサ１６の各センサから検出値を取得する。センサ情報取得部３で取得した各センサの検出値は、歩行動作の判定や、歩行シーンの判定等に使用される。 The control device 2 is also configured by executing various programs such as a walking support program stored in the storage unit by the CPU, and includes a sensor information acquisition unit 3, a walking scene determination unit 6, a tightening force determination unit 7, A walking assist force determination unit 8 is provided.
The sensor information acquisition unit 3 acquires detection values from the toe load sensors 10 to the crus posture sensor 16. The detection value of each sensor acquired by the sensor information acquisition unit 3 is used for determination of walking motion, determination of a walking scene, and the like.

歩行シーン判定部６は、センサ情報取得部３で取得した検出値から、装着者の歩行している歩行シーンを判定する。判定対象となる歩行シーンは、歩行面の種類であり、平地、昇段、降段、上り坂、下り坂の５種類がある。
なお、上記歩行シーン５種類のそれぞれに対して、前進歩行と後進歩行の歩行方向を区別することで、合計１０の歩行シーンを検出するようにしてもよい。
歩行シーンの判定については、つま先荷重センサ１０、踵反力センサ１１の出力から、左右の足が接地している状態（出力≠０又は出力＞閾値）を検出し、その際の両足の高さを姿勢センサ１２〜１６の出力から算出し、両足の高さの差から平地か、上りか、下りかを判断する。上りか、下りかである場合には、つま先荷重センサ１０と踵反力センサ１１の両者が接地している状態で、つま先姿勢センサ１２と踵姿勢センサ１３の出力から足首が上向又は下向に傾いているか否かを判定し、傾いていれば（傾きが所定閾値以上）坂道と判断し、傾いていなければ階段と判断する。 The walking scene determination unit 6 determines a walking scene in which the wearer is walking from the detection value acquired by the sensor information acquisition unit 3. The walking scene to be determined is the type of walking surface, and there are five types: flat ground, ascending, descending, uphill, and downhill.
Note that a total of ten walking scenes may be detected for each of the five types of walking scenes by distinguishing the walking directions of forward walking and backward progressing.
Regarding the determination of the walking scene, the state where the left and right feet are in contact with the ground (output ≠ 0 or output> threshold) is detected from the outputs of the toe load sensor 10 and the heel reaction force sensor 11, and the height of both feet at that time Is calculated from the outputs of the posture sensors 12 to 16, and it is determined from the difference in height between both feet whether it is a flat ground, an uphill or a downhill. If the toe load sensor 10 and the heel reaction force sensor 11 are in contact with each other, the ankle is directed upward or downward from the outputs of the toe posture sensor 12 and the heel posture sensor 13 in the case of up or down. It is determined whether or not the vehicle is inclined, and if it is inclined (the inclination is equal to or greater than a predetermined threshold value), it is determined as a slope, and if it is not inclined, it is determined as a stairs.

締付力決定部７は、歩行アシスト力決定部８で決定した股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８に出力させる各アシスト力の大きさに応じて、上腿装着部２２の締付力、下腿装着部２３の締付力を決定し、決定した締付力となるように上腿固定具アクチュエータ２２１、下腿固定具アクチュエータ２３１を駆動する。
なお、締付力決定部７は、両荷重センサ１０、１１の出力から、足にかかる床反力を算出し、床反力の大きさに応じて、足装着部２４又は／及び下腿装着部２３の締付力を変更するようにしてもよい。
歩行アシスト力決定部８は、左右両足のそれぞれに配置されている股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９に出力させるアシスト力を決定し、これに従ってこれら関節アシストアクチュエータを駆動する。なお、アシスト力とは、歩行支援装置１がアシストアクチュエータを駆動して脚部に作用させるモーメント（トルク）である。 The tightening force determining unit 7 determines the tightening force of the upper leg mounting unit 22 according to the magnitude of each assist force to be output to the hip joint assist actuator 17 and the knee joint assist actuator 18 determined by the walking assist force determining unit 8. The tightening force of the lower leg mounting portion 23 is determined, and the upper thigh fixture actuator 221 and the lower thigh fixture actuator 231 are driven so as to obtain the determined tightening force.
The tightening force determination unit 7 calculates the floor reaction force applied to the foot from the outputs of the load sensors 10 and 11, and the foot mounting unit 24 and / or the lower leg mounting unit depending on the magnitude of the floor reaction force. The tightening force 23 may be changed.
The walking assist force determining unit 8 determines the assist force to be output to the hip joint assist actuator 17, the knee joint assist actuator 18, and the ankle joint assist actuator 19 arranged on both the left and right feet, and drives these joint assist actuators accordingly. To do. The assist force is a moment (torque) that the walking assist device 1 drives the assist actuator to act on the leg.

次に、本実施形態の歩行支援装置１による歩行アシスト処理について説明する。
図７は、歩行アシスト処理の動作について表したフローチャートである。
以下の処理は、制御装置２のＣＰＵが歩行支援プログラムに従って行うものであり、各センサからの信号の検出は、センサ情報取得部３が行い、固定具アクチュエータ２２１、２３１に対する締付力の決定は締付力決定部７が行い、各関節アシストアクチュエータ１７〜１９に対するアシスト力の決定は、歩行アシスト力決定部８が行う。 Next, the walk assist process by the walk support device 1 of the present embodiment will be described.
FIG. 7 is a flowchart showing the operation of the walking assist process.
The following processing is performed by the CPU of the control device 2 in accordance with the walking support program, the detection of signals from each sensor is performed by the sensor information acquisition unit 3, and the tightening force for the fixture actuators 221 and 231 is determined. The tightening force determining unit 7 performs the walking assist force determining unit 8 to determine the assist force for each of the joint assist actuators 17 to 19.

まず、装着者が歩行周期を開始すると、ＣＰＵは、各荷重センサ１０、１１の出力値、及び各姿勢センサ１２〜１６の出力値を取得する（ステップ２０）。
そして、ＣＰＵは、検出した検出値から歩行状態各脚の状態を求め、各関節アシストアクチュエータ１７〜１９に対する歩行アシスト力を決定する（ステップ３０）。すなわち、ＣＰＵは、各姿勢センサ１２〜１６の検出値から、各関節の角度を求め、現在の脚の状態における各関節に作用している関節モーメントを算出する。
そして算出した各関節の関節モーメントの大きさに所定のアシスト率（例えば、５０％）を乗じることで、各関節アシストアクチュエータ１７〜１９から出力すべき歩行アシスト力を決定する。
なお、各関節アシストアクチュエータ１７〜１９に対する歩行アシスト力を決定する場合に、歩行シーン判定部６で歩行シーン（平地か、昇段、上り坂等）を判定し、判定した歩行シーンに応じてこうとなる歩行アシスト力を決定するようにしてもよい。例えば、平地よりも付加がかかる階段や上り坂のアシスト力を６０％にして歩行アシスト力を決定する。 First, when the wearer starts a walking cycle, the CPU acquires the output values of the load sensors 10 and 11 and the output values of the posture sensors 12 to 16 (step 20).
And CPU calculates | requires the state of each leg of a walk state from the detected detection value, and determines the walk assist force with respect to each joint assist actuator 17-19 (step 30). That is, the CPU obtains the angle of each joint from the detection values of the posture sensors 12 to 16, and calculates the joint moment acting on each joint in the current leg state.
The walking assist force to be output from each joint assist actuator 17 to 19 is determined by multiplying the calculated joint moment magnitude of each joint by a predetermined assist rate (for example, 50%).
When the walking assist force for each joint assist actuator 17-19 is determined, the walking scene determination unit 6 determines a walking scene (flat, uphill, uphill, etc.) and tries to respond to the determined walking scene. The walking assist force to be determined may be determined. For example, the walking assist force is determined by setting the assist force of a staircase or an uphill to be added more than the flat ground to 60%.

そしてＣＰＵは、各関節アシストアクチュエータ１７〜１９をそれぞれ決定した歩行アシスト力が出力されるように制御する（ステップ４０）。
そしてＣＰＵは、歩行支援装置１の電源がオフされたか判断し（ステップ５０）、オフでないと判断した場合（ステップ５０；Ｎ）ステップ１１に戻って歩行支援を継続し、オフと判断した場合（ステップ５０；Ｙ）、歩行支援処理を終了する。 Then, the CPU controls the joint assist actuators 17 to 19 so that the determined walking assist force is output (step 40).
Then, the CPU determines whether or not the power of the walking support device 1 is turned off (step 50). When it is determined that the walking support device 1 is not turned off (step 50; N), it returns to step 11 to continue walking support and determines that it is turned off (step 50). Step 50; Y), the walking support process is terminated.

以上説明した本実施形態の荷重センサでは、ロードセル６０の着力点が、接地面部品６４の凹部６４１に配設した球体６４２と接触する構成について説明したが、他の構成とすることが可能である。
例えば、接地面部品６４に設けた凹部内に、半球を球面を上にして載置するようにしてもよい。この場合凹部の深さは半球の高さよりも浅くする。
また、半球を接地面部品６４の表面に直接固定するようにしてもよい。 In the load sensor of the present embodiment described above, the configuration in which the force point of the load cell 60 is in contact with the sphere 642 disposed in the concave portion 641 of the ground plane component 64 has been described, but other configurations may be used. .
For example, the hemisphere may be placed with the spherical surface facing up in the recess provided in the ground plane component 64. In this case, the depth of the recess is shallower than the height of the hemisphere.
Further, the hemisphere may be directly fixed to the surface of the ground plane component 64.

１歩行支援装置
２制御装置
３センサ情報取得部
４各種パラメータ算出部
５歩行動作判定部
６歩行シーン判定部
７記憶部
８歩行アシスト力決定部
１０ａ、１０ｂつま先荷重センサ
１１踵荷重センサ
１２つま先姿勢センサ
１３踵姿勢センサ
１４腰姿勢センサ
１５上腿姿勢センサ
１６下腿姿勢センサ
１７股関節アシストアクチュエータ
１８膝関節アシストアクチュエータ
１９足首関節アシストアクチュエータ
２１腰部装着部
２２上腿装着部
２３下腿装着部
２４足装着部
２６上腿連結部材
２７下腿連結部材
５０足裏板
５１足先板
５２踵板
５３連結板
６０ロードセル
６１ロードボタン
６３スライドピン
６４接地面部品
６４１凹部
６４２球体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Walking assistance apparatus 2 Control apparatus 3 Sensor information acquisition part 4 Various parameter calculation part 5 Walking motion determination part 6 Walking scene determination part 7 Memory | storage part 8 Walking assist force determination part 10a, 10b Toe load sensor 11 踵 Load sensor 12 Toe posture sensor 13 Waist Posture Sensor 14 Waist Posture Sensor 15 Upper Leg Posture Sensor 16 Lower Leg Posture Sensor 17 Hip Joint Assist Actuator 18 Knee Joint Assist Actuator 19 Ankle Joint Assist Actuator 21 Lumbar Mount Part 22 Upper Thigh Mount Part 23 Lower Thigh Mount Part 24 Leg Mount Part 26 Upper Thigh connecting member 27 Lower thigh connecting member 50 Sole plate 51 Toe plate 52 Saddle plate 53 Connecting plate 60 Load cell 61 Load button 63 Slide pin 64 Grounding surface component 641 Recess 642 Sphere

Claims

A one-axis load cell with a load button whose tip is the force point;
A substrate to which the load cell is fixed;
A load plate that is disposed opposite to the load cell side of the substrate and receives a load from the outside,
One end is fixed to the substrate, the other end is fixed to the load plate, and includes a plurality of expansion and contraction connection means for connecting the distance between the substrate and the load plate so as to expand and contract,
The load plate has spherical contact means that makes an external load act on the force point of the load button, and at least a contact surface with the force point is formed in a spherical shape.
A load sensor characterized by that.

In the load plate, the spherical contact means is constituted by a recess formed at a position corresponding to the force applying point and a spherical body partially accommodated in the recess.
The load sensor according to claim 1.

The load plate is formed in a triangular shape,
3. The load sensor according to claim 1, wherein each of the expansion and contraction connecting means is arranged in the vicinity of each apex corresponding to the triangular shape of the load plate.

A walking support device that supports walking of a walking support target person,
Fixing means for fixing the device to the walking support target;
A soleplate on which the feet of the walking support target are placed;
The load sensor according to claim 1, claim 2, or claim 3, wherein the foot sole plate is the substrate, and the foot sensor is disposed on a surface opposite to the mounting surface of the foot.
An attitude sensor for detecting the attitude of each part fixed by the fixing means;
Walking assist force determining means for determining walking assist force for each leg of the walking support target person from the output value of the load sensor and the output value of the posture sensor;
Walking assist means for assisting walking by causing the determined walking assist force to act on the legs of the walking support target;
A walking support device comprising: