JP5147595B2 - Control device and control method for walking assist device - Google Patents
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Description
本発明は、歩行補助装置の制御装置および制御方法に関し、特に、動力発生装置が発生する力を左右の脚部にアシスト力として個別に与える歩行補助装置の制御装置および制御方法に関する。 The present invention relates to a control device and a control method for a walking assist device, and more particularly, to a control device and a control method for a walking assist device that individually apply a force generated by a power generation device to left and right legs as an assist force.
動力発生装置が発生する力を左右の脚部にアシスト力として個別に与える歩行補助装置は、種々提案されている(例えば、特許文献1、2)。 Various walking assistance devices that individually apply the force generated by the power generation device to the left and right legs as assist forces have been proposed (for example, Patent Documents 1 and 2).
歩行補助装置の制御装置として、歩行補助装置によって装置利用者に作用させる上向きの持ち上げ力の目標値として、装置利用者の左脚の踏力と右脚の踏力との比率に応じて左脚の目標負担分と右脚の目標負担分とを分配決定し、この目標負担分に応じたアシスト力を左右の脚部に付与する歩行補助制御を行うものがある(例えば、特許文献3、4)。
従来の歩行補助制御では、歩行姿勢、作業姿勢や重量物運搬等によって装置使用者の重心位置が前後左右に偏り、左脚と右脚とで荷重負担のバランスが崩れた場合、装置使用者の重心位置を適正位置に戻す補償制御が直接的に行われない。このため、従来の歩行補助制御では、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復する動作を期待できない。 In conventional walking assist control, if the device user's center of gravity is biased back and forth and left and right due to walking posture, working posture, heavy material transportation, etc., and the load balance between the left and right legs is lost, Compensation control for returning the position of the center of gravity to an appropriate position is not directly performed. For this reason, in the conventional walking assist control, it is not possible to expect an operation for quickly recovering that the load balance between the left and right legs is lost.
本発明が解決しようとする課題は、歩行姿勢、作業姿勢や重量物運搬等によって装置使用者の重心位置が前後左右に偏って場合に、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復することである。 The problem to be solved by the present invention is to promptly confirm that the load balance between the left and right legs is lost when the center of gravity of the device user is biased back and forth and left and right due to walking posture, working posture, heavy material transportation, etc. To recover.
本発明による歩行補助装置の制御装置は、動力発生装置が発生する力を左右の脚部にアシスト力として個別に与える歩行補助装置の制御装置であって、装置使用者の左右の足に作用する床反力を左右個別に計測する床反力計測手段と、前記床反力計測手段によって計測された床反力を用いて装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力を演算するアシスト力演算手段と、前記アシスト力演算手段により演算されたアシスト力に応じて前記動力発生装置に出力する左右個別の制御指令値を演算する制御指令演算手段とを有する。 The control device for the walking assist device according to the present invention is a control device for the walking assist device that individually applies the force generated by the power generation device as the assist force to the left and right legs, and acts on the left and right feet of the user of the device. The floor reaction force measuring means for measuring the floor reaction force on the left and right separately, and the assist force for compensating the balance of the load burden on the left and right legs of the device user using the floor reaction force measured by the floor reaction force measurement means. Assist force calculating means for calculating, and control command calculating means for calculating left and right individual control command values to be output to the power generation device in accordance with the assist force calculated by the assist force calculating means.
この発明による歩行補助装置の制御装置によれば、装置使用者の左右の足に作用する床反力の計測値を用いてバランスを補償するアシスト力を演算し、当該アシスト力に応じて動力発生装置に出力する制御指令値を演算することが行われるので、歩行姿勢、作業姿勢や重量物運搬等によって装置使用者の重心位置が前後左右に偏って場合に、装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを回復する制御が直接的に行われ、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復することができる。 According to the control device of the walking assist device according to the present invention, the assist force for compensating the balance is calculated using the measured value of the floor reaction force acting on the left and right feet of the device user, and the power is generated according to the assist force. Since the control command value to be output to the device is calculated, when the center of gravity of the device user is biased back and forth and left and right due to walking posture, work posture, heavy material transportation, etc., the left and right legs of the device user Control to restore the load balance is performed directly, and it is possible to quickly recover that the load balance of the left and right legs is lost.
本発明による歩行補助装置の制御装置は、好ましくは、前記床反力計測手段によって計測された床反力を用いて装置使用者の左右の足の推定位置と重心位置との位置関係を演算する足位置推定・重心位置演算部と、前記足位置推定・重心位置演算部によって演算された重心位置に基づいて装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力を演算するバランス補償アシスト力演算部とを含む。 The control device for the walking assist device according to the present invention preferably calculates the positional relationship between the estimated position of the left and right feet of the device user and the position of the center of gravity using the floor reaction force measured by the floor reaction force measuring means. Balance compensation that calculates an assist force that compensates the load balance of the left and right legs of the device user based on the foot position estimation / gravity position calculation unit and the barycentric position calculated by the foot position estimation / gravity position calculation unit An assist force calculation unit.
この発明による歩行補助装置の制御装置によれば、装置使用者の左右の足に作用する床反力の計測値を用いて装置使用者の左右の足の推定位置と重心位置との位置関係を演算することが行われ、足の推定位置に対する重心位置に基づいて装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力が演算されるので、歩行姿勢、作業姿勢や重量物運搬等によって装置使用者の重心位置が前後左右に偏った場合に、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復することができる。 According to the control device of the walking assist device according to the present invention, the positional relationship between the estimated position of the left and right feet of the device user and the position of the center of gravity is obtained using the measured value of the floor reaction force acting on the left and right feet of the device user. Since the calculation is performed and the assist force that compensates the balance of the load burden on the left and right legs of the device user is calculated based on the position of the center of gravity with respect to the estimated position of the foot, the walking posture, work posture, heavy object transportation, etc. Thus, when the position of the center of gravity of the user of the apparatus is deviated from front to back and from side to side, it is possible to quickly recover from the fact that the load balance between the left and right legs is lost.
本発明による歩行補助装置の制御装置は、好ましくは、前記アシスト力演算手段は、前記床反力計測手段によって計測された床反力の単位時間当たりの変化が所定値以上の場合に、バランス補償の前記アシスト力を演算し、当該アシスト力に基づく制御指令を前記制御指令演算手段が前記動力発生装置に出力する。 The control device for the walking assist device according to the present invention is preferably configured such that the assist force calculating means performs balance compensation when a change per unit time in the floor reaction force measured by the floor reaction force measuring means is a predetermined value or more. The assist command is calculated, and the control command calculation means outputs a control command based on the assist force to the power generation device.
この発明による歩行補助装置の制御装置によれば、床反力の単位時間当たりの変化が所定値以上、つまり、装置使用者の重心位置が急激に変化した場合にバランス補償制御が行われ、必要以上にバランス補償制御が行われることがない。 According to the control device of the walking assist device according to the present invention, the balance compensation control is performed when the change in the floor reaction force per unit time is not less than a predetermined value, that is, when the position of the center of gravity of the device user changes abruptly. Thus, the balance compensation control is not performed.
本発明による歩行補助装置の制御装置は、好ましくは、更に、装置使用者の生体状態値を計測する生体計測手段を有し、前記アシスト力演算手段は、前記床反力計測手段によって計測された床反力の単位時間当たりの変化が所定値以上で、且つ前記生体計測手段によって計測される生体状態値が所定値以上の場合に、バランス補償の前記アシスト力を演算し、当該アシスト力に基づく制御指令を前記制御指令演算手段が前記動力発生装置に出力する。 The control device of the walking assist device according to the present invention preferably further includes a biological measurement unit that measures a biological state value of the device user, and the assist force calculation unit is measured by the floor reaction force measurement unit. When the change per unit time of the floor reaction force is greater than or equal to a predetermined value and the biological state value measured by the biological measurement means is greater than or equal to the predetermined value, the assist force for balance compensation is calculated and based on the assist force The control command calculation means outputs a control command to the power generator.
この発明による歩行補助装置の制御装置によれば、装置使用者の姿勢がアンバランスになったことに起因して生体状態値が所定値以上になり、しかも、装置使用者の重心位置が急激に変化した場合にバランス補償制御が行われ、必要以上にバランス補償制御が行われることがない。 According to the control device of the walking assist device according to the present invention, the biological state value becomes equal to or greater than the predetermined value due to the posture of the device user becoming unbalanced, and the gravity center position of the device user is abruptly increased. When it changes, balance compensation control is performed, and balance compensation control is not performed more than necessary.
本発明による歩行補助装置の制御装置は、好ましくは、前記アシスト力演算手段は、前記足位置推定・重心位置演算部によって演算された重心位置が、前記足位置推定・重心位置演算部によって演算された左右の足の推定位置の離間距離を直径とする規定円領域外に逸脱した場合に、バランス補償の前記アシスト力を演算し、当該アシスト力に基づく制御指令を前記制御指令演算手段が前記動力発生装置に出力する。
この発明による歩行補助装置の制御装置によれば、装置使用者の重心位置が平常時の領域より逸脱した場合にバランス補償制御が行われ、必要以上にバランス補償制御が行われることがない。
In the walking assist device control device according to the present invention, preferably, the assist force calculating means calculates the position of the center of gravity calculated by the foot position estimating / center of gravity position calculating unit by the foot position estimating / center of gravity position calculating unit. When the distance between the estimated positions of the left and right feet deviates outside the specified circular region having a diameter, the assist force for balance compensation is calculated, and the control command calculating means outputs the control command based on the assist force to the power Output to the generator.
According to the control device for a walking assist device according to the present invention, balance compensation control is performed when the position of the center of gravity of the device user deviates from the normal region, and balance compensation control is not performed more than necessary.
バランス補償のための前記アシスト力は、時間的に徐々にあるいは段階的に増加してよい。また、バランス補償のための前記アシスト力は、重心位置の前記規定円領域より逸脱量に応じて徐々にあるいは段階的に増加してもよい。 The assist force for balance compensation may increase gradually or stepwise over time. Further, the assist force for balance compensation may be gradually or stepwise increased in accordance with the amount of deviation from the prescribed circle region of the center of gravity position.
この発明による歩行補助装置の制御方法は、動力発生装置が発生する力を左右の脚部にアシスト力として個別に与える歩行補助装置の制御方法であって、装置使用者の左右の足に作用する床反力を左右個別に計測し、床反力の計測値を用いて装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力を演算し、演算されたアシスト力に応じて前記動力発生装置に出力する制御指令値を演算する。 A method for controlling a walking assistance device according to the present invention is a method for controlling a walking assistance device that individually applies a force generated by a power generation device as an assisting force to left and right legs, and acts on the left and right feet of the device user. The floor reaction force is measured separately on the left and right sides, and the assist force that compensates the load balance of the left and right legs of the device user is calculated using the measured value of the floor reaction force, and the power is calculated according to the calculated assist force. The control command value output to the generator is calculated.
この発明による歩行補助装置の制御方法によれば、床反力の計測値を用いて装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力を演算し、演算されたアシスト力に応じて前記動力発生装置に出力するので、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復することができる。 According to the control method of the walking assist device according to the present invention, the assist force that compensates the balance of the load burden on the left and right legs of the device user is calculated using the measured value of the floor reaction force, and according to the calculated assist force. Since the power is output to the power generation device, it is possible to quickly recover that the load balance between the left and right legs has been lost.
この発明による歩行補助装置の制御装置によれば、装置使用者の左右の足に作用する床反力の計測値を用いてバランスを補償するアシスト力を演算し、当該アシスト力に応じて動力発生装置に出力する制御指令値を演算することが行われるので、歩行姿勢、作業姿勢や重量物運搬等によって装置使用者の重心位置が前後左右に偏って場合に、装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを回復する制御が直接的に行われ、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復することができる。 According to the control device of the walking assist device according to the present invention, the assist force for compensating the balance is calculated using the measured value of the floor reaction force acting on the left and right feet of the device user, and the power is generated according to the assist force. Since the control command value to be output to the device is calculated, when the center of gravity of the device user is biased back and forth and left and right due to walking posture, work posture, heavy material transportation, etc., the left and right legs of the device user Control to restore the load balance is performed directly, and it is possible to quickly recover that the load balance of the left and right legs is lost.
以下に、本発明による歩行補助装置の制御装置の実施形態を、図1〜図6を参照して説明する。 Below, embodiment of the control apparatus of the walking assistance apparatus by this invention is described with reference to FIGS.
図1〜図3は、本発明による歩行補助用制御装置が適用される歩行補助装置の一つの実施形態を示している。 1 to 3 show an embodiment of a walking assistance device to which a walking assistance control device according to the present invention is applied.
歩行補助装置10は、装置使用者が跨ぐようにして着座するサドル部12と、左右の大腿リンク部材14L、14Rと、左右の大腿リンク部材14L、14Rと、左右の下腿リンク部材16L、16Rと、装置使用者によって履靴される靴部18L、18Rとを有する。
The walking assist device 10 includes a
サドル部12の下底部中央には前後方向に延在するヒンジ軸20が取り付けられている。ヒンジ軸20には各々ブラケット22L、22Rによって前後方向に延在する左右の円弧ガイドバー24L、24Rがヒンジ軸20を中心として左右方向に回動可能(開脚可能)に取り付けられている。
A
左右の円弧ガイドバー24L、24Rにはガイドローラ28L、28Rによってスライダ26L、26Rが当該ガイドバーに沿って移動可能に設けられている。スライダ26L、26Rには左右のベースプレート30L、30Rが取り付けられている。これにより、左右のベースプレート30L、30Rは、円弧ガイドバー24L、24Rに案内されて前後方向にスイング移動可能である。
ベースプレート30L、30Rはスライダ26L、26Rとの固定部より後方へ突出延在している。ベースプレート30L、30Rには左右の大腿リンク部材14L、14Rの上端部が固定連結されている。
The
上述したヒンジ軸20、左右の円弧ガイドバー24L、24R、左右のスライダ26L、26R、左右のベースプレート30L、30Rは、装置使用者の左右の股関節に対応する位置にあり、これらの組み合わせによって、ヒトの股関節と等価の動きが可能な左右の第1関節機構部L1、R1が構成される。
The
左右の大腿リンク部材14L、14Rは、ベースプレート30L、30Rの後部側から斜め下方前方に延在している。左右の大腿リンク部材14L、14Rの先端部(下端部)には略水平な枢軸32L、32Rによって左右の下腿リンク部材16L、16Rの上端部が略上下方向に回動可能に連結されている。左右の下腿リンク部材16L、16Rの下端部には略水平な枢軸34L、34Rに靴部18L、18Rが略上下方向に回動可能に連結されている。
The left and right
枢軸32L、32Rは、装置使用者の左右の膝関節に対応する位置にあって、ヒトの膝関節と等価の動きが可能な左右の第2関節機構部L2、R2をなす。枢軸34L、34Rは、装置使用者の左右の足首関節に対応する位置にあって、ヒトの足首関節と等価の動きが可能な左右の第3関節機構部L3、R3をなす。
The
左右のベースプレート30L、30Rには、動力発生装置として、左右の電動モータ36L、36Rが取り付けられている。左右の電動モータ36L、36Rは、アシスト力発生源であり、出力軸38L、38Rに出力プーリ40L、40Rを取り付けられている。
Left and right
枢軸32L、32Rには従動プーリ42L、42Rが取り付けられている。出力プーリ40L、40Rと従動プーリ42L、42Rには各々無端ベルト44L、44Rが掛け渡されている。この伝動機構により、左右の電動モータ36L、36Rの回転出力が左右の第2関節機構部L2、R2をなす左右の枢軸32L、32Rに各々個別に伝達される。つまり、左右の電動モータ36L、36Rが発生する力が左右の脚部(膝関節部分)にアシスト力(関節モーメントML、MR)として個別に与えられる。
歩行補助装置10は、左右の電動モータ36L、36Rに電力を供給するバッテリ電源(図示省略)と、左右の電動モータ36L、36Rの動作を制御する制御装置100(図4参照)を搭載している。歩行補助装置10には、各種物理量を検出するセンサとして、左右の電動モータ36L、36Rの回転角を検出するロータリエンコーダ50L、50Rと、左脚、右脚の床反力計測を行うMPセンサ52L、52R及び踵センサ54L、54Rと、股間開き角度計測を行う股間開き角度センサ56と、左脚、右脚の支持力計測を行う支持力センサ60L、60Rと、ベースプレート30L、30Rのスイング移動位置を計測するベースプレート位置センサ62L、62Rが取り付けられている。
The walking assist device 10 includes a battery power source (not shown) that supplies power to the left and right
左右のMPセンサ52L、52Rは、多軸(少なくとも鉛直方向、水平方向の2軸)の力センサであり、左右の靴部18L、18Rを着用した装置使用者のMP関節(中趾節関節)部分にほぼ対応した位置の靴内に配置されて床反力を計測する。
The left and
左右の踵センサ54L、54Rは、多軸(少なくとも鉛直方向、水平方向の2軸)の力センサであり、左右の靴部18L、18Rを着用した装置使用者の踵部分にほぼ対応した位置の靴内に配置されて床反力を計測する。
The left and
股間開き角度センサ56は、ヒンジ軸20部分にあって左右のブラケット22L、22Rの開き角を装置使用者の股間開き角度として検出する。
The crotch
左脚、右脚の支持力センサ60L、60Rは、多軸(少なくとも鉛直方向、水平方向の2軸)の力センサであり、下腿リンク部材16L、16Rの下端部に取り付けられ、下腿リンク部材16L、16Rに作用する支持力を計測する。支持力センサ56L、56Rによって計測される支持力は、床反力と相関する物理量である
The left leg and right leg
ベースプレート位置センサ62L、62Rは、スライダ26L、26Rに取り付けられてガイドローラ28L、28Rの回転量よりベースプレート30L、30Rのスイング移動位置を計測する。
The base
図4に示されているように、制御装置100は、上述した各センサの信号と、装置使用者(歩行補助装置装着者)に装着された筋電計、心拍センサ、呼吸量センサ、発汗量センサ等の生体センサ58(図4参照)より筋電位、心拍数、呼吸量、発汗量等を示す信号を、腰部・胸部ジャイロセンサ64より腰部、胸部の鉛直方向に対する角速度を示す信号を、腰部・胸部加速度センサ66より腰部、胸部の鉛直方向、水平方向の加速度を示す信号を各々入力し、更に、作業者・作業内容特定情報を入力し、後述する制御則に従って、左右の電動モータ36L、36Rの動作を個別に制御する。
As shown in FIG. 4, the
制御装置100は、マイクロコンピュータを含む電子制御式のものであり、コンピュータプログラムを実行して、床反力演算部102、アシスト力演算部104、制御指令演算部106を具現化する。
The
床反力演算部102は、MPセンサ52L、52R、踵センサ54L、54Rの各々よりセンサ信号を入力し、あるいは支持力センサ60L、60Rのセンサ信号を入力し、装置使用者の左右の足に作用する床反力FL、FRを左右個別に演算する。この実施形態では、MPセンサ52L、52R、踵センサ54L、54R、支持力センサ60L、60R等の力センサと床反力演算部102によって床反力計測手段が構成される。
The floor reaction
アシスト力演算部104は、足位置推定・重心位置演算部110と、バランス補償アシスト力演算部112と、通常歩行アシスト力演算部114とを含む。
The assist
足位置推定・重心位置演算部110は、MPセンサ52L、52R、踵センサ54L、54Rの計測値に基づいて床反力演算部102により演算された左右の床反力FL、FR、あるいは支持力センサ60L、60Rによって計測された下腿リンク部材16L、16Rに作用する支持力を用いて装置使用者の重心位置Cを演算する。
The foot position estimation / gravity center
足位置推定・重心位置演算部110は、ロータリエンコーダ50L、50Rに検出される左右の電動モータ36L、36Rの回転角より左右の第2関節機構部L2、R2の曲げ角度を演算し、当該曲げ角度とベースプレート位置センサ62L、62Rにより計測されるベースプレート30L、30Rのスイング移動位置より前後歩幅Sy(図6参照)を算出し、股間開き角度センサ56により検出される装置使用者の股間開き角度より左右足間隔Sx(図6参照)を算出する。そして、左右の床反力計測値FL、FRと、前後歩幅Syと、左右足間隔Sxとから、右足位置の推定位置(Rx,Ry)と重心位置Cとの座標位置関係を下式に従って演算する。
The foot position estimation / gravity center
Rx={FL/(FL+FR)}Sx
Ry=−{FR/(FL+FR)}Sy
Rx = {FL / (FL + FR)} Sx
Ry =-{FR / (FL + FR)} Sy
左足位置の推定位置(Lx,Ly)と重心位置Cとの座標位置関係は下式により算出できる。
Lx=−(Sx−Rx)
Ly=Sy−Ry
ここで、x・yは、重心位置Cを座標原点とする直交2軸座標で、xは左右方向の座標値、yは前後方向の座標値である。
The coordinate position relationship between the estimated position (Lx, Ly) of the left foot position and the gravity center position C can be calculated by the following equation.
Lx =-(Sx-Rx)
Ly = Sy-Ry
Here, x · y is an orthogonal biaxial coordinate having the center of gravity C as the coordinate origin, x is a coordinate value in the left-right direction, and y is a coordinate value in the front-rear direction.
バランス補償アシスト力演算部112は、足位置推定・位置演算部110によって求められた足位置の推定位置(Rx,Ry)と重心位置Cとの座標位置関係に基づいて、左右の脚の荷重負担のバランスを補償する左右のアシスト力を演算する。
The balance compensation assist
通常歩行アシスト力演算部114は、ロータリエンコーダ50L、50Rに検出される左右の電動モータ36L、36Rの回転角に基づいて通常歩行に適した左右のアシスト力を演算する。
The normal walking assist
図7は、装置使用者が、図示の姿勢で、荷物Wを持つ前と持った後の左右の床反力と重心位置の変化を解図的に示している。図7において、符号FL、FRは荷物Wを持つ前の左右の床反力計測値を、符号FLw、FRwは荷物Wを持った後の前左右の床反力計測値を、符号Cは荷物Wを持つ前の重心位置を、符号Cwは荷物Wを持った後の重心位置を各々示している。 FIG. 7 schematically shows changes in the left and right floor reaction forces and the position of the center of gravity before and after the device user holds the luggage W in the illustrated posture. In FIG. 7, symbols FL and FR indicate the left and right floor reaction force measurement values before holding the load W, symbols FLw and FRw indicate the front and left floor reaction force measurement values after holding the load W, and symbol C indicates the load. The center-of-gravity position before having W, and the symbol Cw indicates the position of the center of gravity after holding the load W.
荷物Wを持つことにより、重心位置がC→Cwに変化することは、荷物Wを持つことにより左右の床反力計測値がFL→FLw、FR→FRwに変化することにより捉えることができるから、左右の床反力計測値FLw、FRwによって荷物Wを持った後の重心位置Cwを算出することができる。 The fact that the position of the center of gravity changes from C to Cw by having the luggage W can be grasped by the fact that the left and right floor reaction force measurement values change from FL to FLw and FR to FRw by having the luggage W. The center-of-gravity position Cw after holding the load W can be calculated from the left and right floor reaction force measurement values FLw and FRw.
通常歩行アシスト力演算部114は、例えば、腰部・胸部ジャイロセンサ64より計測された装置使用者の腰部、胸部の鉛直方向に対する角速度、腰部・胸部加速度センサ66より計測された装置使用者の腰部、胸部の鉛直方向、水平方向の加速度を用いて逆運動力学モデルにより、左右の床反力計測値FL、FRから装置使用者の膝関節に働く関節モーメントML、MRを推定し、この関節モーメントML、MRが予めパラメータ設定されている目標モーメントになるように歩行の左右脚の鉛直成分の規定比率を決定し、当該規定比率に基づいて通常歩行に適した左右のアシスト力を演算する。
Usually walking assist
逆運動力学モデルによる関節モーメントML、MRの推定演算は、二足歩行移動体の関節モーメントの演算と同様に、装置使用者の下肢部の並進運動に関する方程式と回転運動に関する運動方程式とを用いて、床反力作用点に近い関節から順番に該当関節に作用するモーメントを求めるものである。この逆運動力学モデルについての詳細な説明が必要ならば、特開2003−89083号公報を参照されたい。 The joint moment ML and MR estimation calculations based on the inverse kinematics model are based on the equations related to translational motion of the lower limbs of the device user and the motion equations related to rotational motion, similar to the calculation of the joint moment of the bipedal mobile body. The moment acting on the corresponding joint in order from the joint closest to the floor reaction force acting point is obtained. If a detailed explanation of this inverse kinematic model is necessary, refer to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-89083.
アシスト力演算部104は、左右の床反力計測値FL、FRの単位時間当たりの変化が所定値以上、つまり、装置使用者の重心位置が急激に変化した場合に限って、バランス補償アシスト力演算部112によって左右の脚の荷重負担のバランス補償のためのアシスト力を演算し、それ以外の時には、通常歩行アシスト力演算部114によって左右のアシスト力を演算する。バランス補償のためのアシスト力(制御目標値)は、図7に示されている例の場合、FLw−FL=ΔFLに相関する値であってよい。
The assist
制御指令演算部106は、アシスト力演算部104により演算された左右のアシスト力に応じて左右の電動モータ36L、36Rの駆動回路48L、48Rに出力する左右の制御指令値を互いに個別に演算する。
The control
これにより、左右の床反力計測値FL、FRの単位時間当たりの変化が所定値以上になると、足の推定位置に対する重心位置Cに基づいて左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力(免荷力)が演算され、当該アシスト力に応じて左右の電動モータ36L、36Rに出力する制御指令値が演算されるので、作業姿勢や重量物運搬等によって装置使用者の重心位置が前後左右に偏ったアンバランスな状態になった場合に、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復することができる。
Thereby, when the change per unit time of the left and right floor reaction force measurement values FL and FR becomes a predetermined value or more, the assist force that compensates the balance of the load burden of the left and right legs based on the center of gravity position C with respect to the estimated position of the foot. (Unloading force) is calculated, and control command values to be output to the left and right
この制御により、作業中に重量物をもった作業者の身体的負荷を軽減でき、作業効率、生産効率の向上を図ることができる。 By this control, it is possible to reduce the physical load on an operator who has a heavy object during work, and to improve work efficiency and production efficiency.
バランスが取れた通常歩行時には、通常歩行アシスト力演算部114によって通常歩行に適した左右のアシスト力が演算設定されるので、通常歩行時の適正な歩行補助が行われる。
At the time of balanced normal walking, the normal walking assist
上述したように、左右の床反力計測値FL、FRの単位時間当たりの変化が所定値以上、つまり、装置使用者の重心位置が急激に変化し、装置使用者の重心位置を適正位置に戻すべき状態になった時に限って、装置使用者の重心位置を擬似的に適正位置に戻す制御が行われ、必要以上に装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償する制御が行われることがない。これにより、左右の脚の荷重負担のバランスを補償する制御と、通常歩行を乱さない制御とが両立する。 As described above, the changes per unit time of the left and right floor reaction force measurement values FL and FR are greater than or equal to a predetermined value, that is, the center of gravity of the device user changes abruptly, and the center of gravity of the device user changes to the proper position. Only when it is in a state to be returned, control is performed to return the device user's center of gravity to an appropriate position in a pseudo manner, and control is performed to compensate for the balance of the load load on the left and right legs of the device user more than necessary. It will never be. Thereby, the control which compensates the balance of the load burden of the left and right legs and the control which does not disturb normal walking are compatible.
なお、アシスト力演算部104は、左右の床反力計測値FL、FRの単位時間当たりの変化が所定値以上で、且つ生体センサ58により計測される電筋、心拍等の生体状態値が所定値以上の場合に限って、バランス補償アシスト力演算部112によってバランス補償のアシスト力を演算し、それ以外の時には、通常歩行アシスト力演算部114によって左右のアシスト力を演算してもよい。
Note that the assist
この場合には、左右の床反力計測値FL、FRの単位時間当たりの変化が所定値以上になったことに加えて、装置使用者の姿勢がアンバランスになったことに起因して装置使用者の生体状態値が所定値以上になった時に限って、装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償する制御が行われ、必要以上にバランスを補償する制御が行われることがない。これにより、左右の脚の荷重負担のバランスを補償する制御と、通常歩行を乱さない制御とが、より厳格に両立する。 In this case, in addition to the fact that the changes per unit time of the left and right floor reaction force measurement values FL and FR have become equal to or greater than a predetermined value, the apparatus user's posture is unbalanced. Only when the biological state value of the user becomes equal to or greater than a predetermined value, control for compensating the load balance of the left and right legs of the device user is performed, and control for compensating the balance more than necessary may be performed. Absent. Thereby, the control which compensates the balance of the load burden of the left and right legs and the control which does not disturb the normal walking are more strictly compatible.
なお、装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償する制御を行う床反力計測値FL、FRの単位時間当たり変化の閾値、生体状態値の計測値の閾値は、作業者・作業内容特定情報を入力して、作業者に応じて、また、作業内容等に応じて適正値に設定されればよい。 It should be noted that the floor reaction force measurement value FL, which controls the balance of the load burden on the left and right legs of the device user, the threshold value of the change in FR per unit time, and the threshold value of the measurement value of the biological state value are determined by the operator / work What is necessary is just to input content specific information and to set to an appropriate value according to a worker, according to the work content, etc.
つぎに、本実施形態による歩行補助装置の制御装置の制御ルーチンを、図5に示されているフローチャートを参照して説明する。 Next, the control routine of the control device for the walking assist device according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
まず、作業者特定処理として、作業者の体格・体力情報、作業工程、作業内容、作業履歴等を含むID情報を入力する(ステップS101)。つぎに、作業・工程特定処理として、作業場所、台車等の使用具等の作業・工程情報を入力する(ステップS102)。 First, as worker identification processing, ID information including worker physique / physical strength information, work process, work content, work history, etc. is input (step S101). Next, as work / process identification processing, work / process information such as a work place and a tool such as a carriage is input (step S102).
つぎに、ロータリエンコーダ50L、50R、MPセンサ52L、52R、踵センサ54L、54R、股間開き角度センサ56、生体センサ58の各々よりセンサ信号を入力する(ステップS103)。
Next, sensor signals are input from the
つぎに、生体センサ58の計測値が閾値以上であるか否かを判別する(ステップS104)。この閾値は、ID情報、作業・工程情報に基づいて適正値に可変設定されてよい。 Next, it is determined whether or not the measurement value of the biological sensor 58 is equal to or greater than a threshold value (step S104). This threshold value may be variably set to an appropriate value based on ID information and work / process information.
生体センサ58の計測値が閾値以上でなければ、通常歩行アシスト力演算部114によってアシスト力を演算する(ステップS105)。 If the measured value of the biological sensor 58 is not equal to or greater than the threshold value, the assist force is calculated by the normal walking assist force calculation unit 114 (step S105).
生体センサ58の計測値が閾値以上であれば、床反力演算部102によって床反力(計測値)FL、FRを演算する(ステップS106)。
If the measured value of the biosensor 58 is equal to or greater than the threshold value, the floor reaction
つぎに、足位置推定・重心位置演算部110によって足の推定位置と重心位置との座標位置関係を演算する(ステップS107)。 Next, the coordinate position relationship between the estimated foot position and the gravity center position is calculated by the foot position estimation / gravity position calculation unit 110 (step S107).
つぎに、床反力計測値FL、FRの少なくともいずれか一方の単位時間当たりの変化量が所定値(閾値)Fc以上であるか否かを判別する(ステップS109)。所定値Fcも、ID情報、作業・工程情報に基づいて適正値に可変設定されてよい。 Next, it is determined whether or not the amount of change per unit time of at least one of the floor reaction force measurement values FL and FR is equal to or greater than a predetermined value (threshold value) Fc (step S109). The predetermined value Fc may also be variably set to an appropriate value based on the ID information and work / process information.
床反力計測値FL、FRの何れもの単位時間当たりの変化量が所定値Fc以上でない場合には、通常歩行アシスト力演算部114によってアシスト力を演算する(ステップS105)。 When the amount of change per unit time of the floor reaction force measurement values FL and FR is not equal to or greater than the predetermined value Fc, the assist force is calculated by the normal walking assist force calculation unit 114 (step S105).
床反力計測値FL、FRの少なくともいずれか一方の単位時間当たりの変化量が所定値Fc以上であれば、つぎに、左足の床反力計測値FLが右足の床反力計測値FRより大きいか否かを判別する(ステップS109)。FL>FRであれば、左右の脚の荷重負担のバランスを補償するための左足のアシスト力を増加させる演算を行う(ステップS110)。 If the amount of change per unit time of at least one of the floor reaction force measurement values FL and FR is equal to or greater than the predetermined value Fc, then the floor reaction force measurement value FL of the left foot is calculated from the floor reaction force measurement value FR of the right foot. It is determined whether or not it is larger (step S109). If FL> FR, a calculation is performed to increase the assist force of the left foot to compensate for the load balance of the left and right legs (step S110).
これに対し、FL>FRでなければ、右足の床反力計測値FRが左足の床反力計測値FLより大きいか否かを判別する(ステップS111)。FR>FLであれば、左右の脚の荷重負担のバランスを補償するための右足のアシスト力を増加させる演算を行う(ステップS112)。 On the other hand, if FL> FR is not satisfied, it is determined whether or not the floor reaction force measurement value FR of the right foot is larger than the floor reaction force measurement value FL of the left foot (step S111). If FR> FL, a calculation is performed to increase the assist force of the right foot to compensate for the load balance of the left and right legs (step S112).
FR>FLでなければ、すなわちFR=FLであれば、現状のアシスト力を維持する(ステップS113)。なお、FR=FLのおいて、FR、FLが前回値より増加した場合には、アシスト力を一定比率で増加してもよい。 If FR> FL is not satisfied, that is, if FR = FL, the current assist force is maintained (step S113). When FR = FL and FR and FL increase from the previous values, the assist force may be increased at a constant ratio.
ステップS105、110、112、113の何れかで、アシスト力が設定されると、それに応じてモータ指令値を演算し、左右の電動モータ36L、36Rの駆動回路48L、48Rへモータ指令を出力する(ステップS114)。
When the assist force is set in any one of steps S105, 110, 112, and 113, the motor command value is calculated accordingly and the motor command is output to the
上述の制御により、作業中や重量物の運搬等で、歩行補助装置10を装備している作業者の前後左右のバランスが崩れた場合、重心位置が偏った側の足のアシスト力が増加され、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復する。 With the above control, when the front / rear / right / left balance of the worker who is equipped with the walking assist device 10 is lost during work or transportation of heavy objects, the assist force of the foot on the side where the center of gravity is biased is increased. Immediately recovers from the loss of the load balance between the left and right legs.
このアシスト力の増加は、バランスが崩れたことを速やかに回復することと、急激なアシスト力増加によって使用者に違和感を与えないこととを両立する度合いをもつて行われることが好ましい。 It is preferable that the increase in the assist force is performed with such a degree that both the quick recovery from the loss of balance and the user's uncomfortable feeling due to the sudden increase in the assist force are achieved.
このことを満たすために、バランス補償のためのアシスト力は、たとえば、図9の特性線Aで示されているように、ある時定数をもって直線的に徐々に増加、図9の特性線Bで示されているように、2次曲線を描いて増加、図9の特性線Jで示されているように、段階的に増加すればよい。この場合、アシスト力がゼロから制御目標値に到達するまでに要する時間Tは、床反力計測値FL、FRの単位時間当たりの変化量に応じて可変設定されてよい。 In order to satisfy this, the assist force for balance compensation gradually increases linearly with a certain time constant, for example, as shown by the characteristic line A in FIG. As shown, it increases by drawing a quadratic curve, and may increase stepwise as shown by the characteristic line J in FIG. In this case, the time T required for the assist force to reach the control target value from zero may be variably set according to the amount of change per unit time of the floor reaction force measurement values FL and FR.
他の実施形態として、アシスト力演算部104は、足位置推定・重心位置演算部110によって演算された重心位置が、図6に符号Cwで示されているように、足位置推定・重心位置演算部110によって演算された左右の足の推定位置の離間距離Dを直径とする規定円領域E外に逸脱した場合に限って、バランス補償のアシスト力を演算し、当該アシスト力に基づく制御指令を制御指令演算部109が左右の電動モータ36L、36Rの駆動回路48L、48Rへ出力してもよい。
As another embodiment, the assist
図8は、この実施形態の制御ルーチンのフローチャートである。前述した図5のフローチャートとの相違点は、ステップS108において、重心位置が左右の足の推定位置の離間距離を直径とする規定円領域内にあるか否かを判別することである。重心位置が規定円領域E内にあれば、通常歩行アシスト力演算部114によってアシスト力を演算する(ステップS105)。これに対し、重心位置が規定円領域内になければ、ステップS109〜S113を実行し、左右の脚の荷重負担のバランスを補償するためのアシスト力を演算する。 FIG. 8 is a flowchart of the control routine of this embodiment. The difference from the flowchart of FIG. 5 described above is that, in step S108, it is determined whether or not the position of the center of gravity is within a prescribed circular area having a diameter that is the distance between the estimated positions of the left and right feet. If the position of the center of gravity is within the prescribed circle region E, the assist force is calculated by the normal walking assist force calculation unit 114 (step S105). On the other hand, if the position of the center of gravity is not within the prescribed circle region, steps S109 to S113 are executed to calculate an assist force for compensating the load balance between the left and right legs.
したがって、この実施形態でも、作業中や重量物の運搬等で、歩行補助装置10を装備している作業者の前後左右のバランスが崩れた場合、重心位置が偏った側の足のアシスト力が増加され、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復することができる。 Therefore, even in this embodiment, when the front / rear / left / right balance of the worker who is equipped with the walking assist device 10 is lost during work or transportation of heavy objects, the assist force of the foot on the side where the center of gravity is biased is reduced. Increased, it is possible to quickly recover that the load balance between the left and right legs is lost.
この実施形態でも、アシスト力の増加は、バランスが崩れたことを速やかに回復することと、急激なアシスト力増加によって使用者に違和感を与えないこととを両立する度合いをもつて行われることが好ましい。 Also in this embodiment, the increase in assist force may be performed with a degree of achieving both a quick recovery from the loss of balance and a sense of incongruity to the user due to a sudden increase in assist force. preferable.
このことを満たすために、たとえば、重心位置が規定円領域Eを越えた時点、あるいは重心位置が規定円領域Eの外郭に近づき始めた時点で、バランス補償のためのアシスト力の付与を開始し、図9の特性線A〜Cにより示されているような特性をもって徐々にあるいは段階的に増加すればよい。 In order to satisfy this, for example, the application of assist force for balance compensation is started when the position of the center of gravity exceeds the prescribed circle area E or when the position of the center of gravity starts to approach the outline of the prescribed circle area E. 9 may be increased gradually or stepwise with the characteristics shown by the characteristic lines A to C in FIG.
また、図10に示されているように、バランス補償のためのアシスト力を、重心位置の規定円領域Eより逸脱量に応じて、特性線Fで示されているように、直線的に徐々に増加、図10の特性線Gで示されているように、2次曲線を描いて増加、図10の特性線Hで示されているように、段階的に増加してもよい。 Further, as shown in FIG. 10, the assist force for balance compensation is gradually increased linearly as shown by the characteristic line F in accordance with the deviation amount from the prescribed circle region E at the center of gravity. As shown by the characteristic line G in FIG. 10, it may be increased by drawing a quadratic curve, and may be increased stepwise as shown by the characteristic line H in FIG.
10 歩行補助装置
12 サドル部
14L、14R 大腿リンク部材
16L、16R 下腿リンク部材
18L、18R 靴部
L1、R1 第1関節機構部
L2、R2 第2関節機構部
L3、R3 第3関節機構部
36L、36R 電動モータ
50L、50R ロータリエンコーダ
52L、52R MPセンサ
54L、54R 踵センサ
56 股間開き角度センサ
58 生体センサ
100 制御装置
102 床反力演算部
104 アシスト力演算部
106 制御指令演算部
110 足位置推定・重心位置演算部
112 バランス補償アシスト力演算部
114 通常歩行アシスト力演算部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10
Claims (7)
装置使用者の左右の足に作用する床反力を左右個別に計測する床反力計測部と、
前記床反力計測部によって計測された床反力を用いて装置使用者の左右の足の推定位置と装置使用者の重心位置との位置関係を演算する足位置推定・重心位置演算部と、
前記足位置推定・重心位置演算部によって演算された装置使用者の左右の足の推定位置と装置使用者の重心位置との位置関係に基づいて左右の脚の荷重負担のバランスの崩れを補償する左右の脚部のアシスト力を演算するバランス補償アシスト力演算部と、
前記バランス補償アシスト力演算部により演算されたアシスト力に応じて前記動力発生装置に出力する左右個別の制御指令値を演算する制御指令演算部と、
を有する歩行補助装置の制御装置。 A control device for a walking assistance device that individually gives the power generated by the power generation device as an assist force to the left and right legs,
A floor reaction force measurement unit that individually measures the floor reaction force acting on the left and right feet of the device user;
A foot position estimation / gravity position calculation unit that calculates the positional relationship between the estimated position of the left and right feet of the device user and the gravity center position of the device user using the floor reaction force measured by the floor reaction force measurement unit;
Compensate for an imbalance in the load burden on the left and right legs based on the positional relationship between the estimated position of the left and right feet of the device user and the position of the center of gravity of the device user calculated by the foot position estimation / gravity position calculation unit. A balance compensation assist force calculator that calculates the assist force of the left and right legs,
A control command calculation unit that calculates left and right individual control command values to be output to the power generation device according to the assist force calculated by the balance compensation assist force calculation unit ;
A control device for a walking assist device.
前記バランス補償アシスト力演算部は、前記床反力計測部によって計測された床反力の単位時間当たりの変化が所定値以上で、且つ前記生体計測部によって計測される生体状態値が所定値以上の場合に限って、バランス補償の前記アシスト力を演算し、当該アシスト力に基づく制御指令を前記制御指令演算部が前記動力発生装置に出力する請求項1から5の何れか一項に記載の歩行補助装置の制御装置。 It has a biological measurement unit that measures the biological state value of the device user,
It said balance compensation assist force calculation unit, the change per unit time of the floor reaction force measured by the floor reaction force measuring unit is above a predetermined value, and the biological condition value measured by the biometric unit is greater than a predetermined value of only if, calculates the assist force balance compensation, the control command based on the assist force the control command calculation unit according to any one of claims 1 to 5 to be output to the power generating device Control device for walking assist device.
装置使用者の左右の足に作用する床反力を左右個別に計測し、
計測された床反力を用いて装置使用者の左右の足の推定位置と装置使用者の重心位置との位置関係を演算し、
当該位置関係に基づいて左右の脚の荷重負担のバランスの崩れを補償する左右の脚部のアシスト力を演算し、演算されたアシスト力に応じて前記動力発生装置に出力する制御指令値を演算する歩行補助装置の制御方法。 A control method for a walking assist device that individually gives the power generated by the power generation device as an assist force to the left and right legs,
Measure the floor reaction force acting on the left and right feet of the device user separately,
Calculate the positional relationship between the estimated position of the left and right feet of the device user and the center of gravity of the device user using the measured floor reaction force,
Based on the positional relationship, the left and right leg assist force is compensated to compensate for the imbalance in load balance between the left and right legs, and the control command value output to the power generator is calculated according to the calculated assist force. To control the walking assist device.
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