JP6407539B2 - Knee joint motion support device - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、人の脚の膝関節の動作を支援する膝関節動作支援装置に関する。   Embodiments described herein relate generally to a knee joint motion support device that supports the motion of a knee joint of a human leg.

従来、膝関節の動作を支援する装置として、例えば、膝関節の角度変化を測定して、その変化パターンに基づいて、動作をアシストする装置が知られている。この装置は、本来アシストが必要な方向の人による動作をトリガーにしてアシスト動作を開始する。   2. Description of the Related Art Conventionally, as an apparatus that assists the movement of a knee joint, for example, an apparatus that measures an angle change of a knee joint and assists the movement based on the change pattern is known. This device starts an assist operation triggered by an operation by a person who originally needs assistance.

特開2011−120786号公報JP 2011-120786 A

このため、例えば、床にある重い荷物を持ち上げるような場合、装置によるアシスト動作を開始させる際に、当該装置を装着した人は、非常に大きな力で膝関節を動かす必要があり、その分、装着者の体に負担がかかっていた。   For this reason, for example, when lifting a heavy load on the floor, when starting the assist operation by the device, the person wearing the device needs to move the knee joint with a very large force, There was a burden on the wearer's body.

よって、装着者に負担がかからない膝関節動作支援装置の開発が望まれている。   Therefore, development of a knee joint motion support device that does not burden the wearer is desired.

実施形態に係る膝関節動作支援装置は、腰に装着する上装具と、大腿部の外側に配置される上フレームと、この上フレームの上端を上装具に対して回動可能に連結する上連結部と、下腿部の外側に配置される下フレームと、この下フレームの下端近くで足に装着する下装具と、下フレームの下端を下装具に対して回動可能に連結する下連結部と、膝関節の外側に配置され、下フレームの上端を上フレームの下端に対して膝関節が動く方向に回動可能に支持する回動支持部と、を有する。また、この装置は、回動支持部の回動角度を検出する角度センサと、装着者の屈伸動作をアシストする方向の駆動力を回動支持部に与える駆動部と、装着者の動きに伴う加速度を検出する加速度センサと、この加速度センサを介して装着者の動きを検出したことをトリガーとして、角度センサおよび加速度センサによる検出結果に基づいて、回動支持部に駆動力を与えてアシスト動作を開始するように駆動部を制御する制御部と、装着者がアシスト動作を受けずに屈伸動作をしたときの角度センサおよび加速度センサの出力の統計をとった統計データを記憶した記憶部と、を有する。制御部は、アシスト動作中に、統計データに基づく通常の動作範囲から外れて装着者が動作したことを検出した場合、駆動部に与える駆動力を一定時間保持する
実施形態に係る膝関節動作支援装置は、腰に装着する上装具と、大腿部の外側に沿って配置される上フレームと、この上フレームの上端を上装具に対して回動可能に連結する上連結部と、下腿部の外側に沿って配置される下フレームと、この下フレームの下端近くで足に装着する下装具と、下フレームの下端を下装具に対して回動可能に連結する下連結部と、膝関節の外側に配置され、下フレームの上端を上フレームの下端に対して膝関節が動く方向に回動可能に支持する回動支持部と、回動支持部の回動角度を検出する角度センサと、装着者の屈伸動作をアシストする方向の駆動力を上記回動支持部に与える駆動部と、装着者の動きに伴う加速度を検出する加速度センサと、この加速度センサを介して装着者の動きを検出したことをトリガーとして、角度センサおよび加速度センサによる検出結果に基づいて、回動支持部に駆動力を与えてアシスト動作を開始するように駆動部を制御する制御部と、を有する。制御部は、加速度センサを介して装着者の膝を外側へ開く動作を検出したとき、装着者が立ち上がる方向に動作をアシストし、加速度センサを介して装着者の膝を内側へ閉じる動作を検出したとき、装着者がしゃがむ方向に動作をアシストする。
Knee operation support apparatus according to the embodiment includes a brace on mounting the waist, the upper frame is positioned outside of the thigh, on which linked to rotation with respect to the upper brace the upper end of the upper frame a connecting portion, and the lower frame disposed on the outside of the lower leg portion, a lower brace which is attached to the foot near the lower end of the lower frame, connected below to linked to rotation with respect to the lower brace the lower end of the lower frame And a rotation support portion that is disposed outside the knee joint and supports the upper end of the lower frame so as to be rotatable in the direction in which the knee joint moves relative to the lower end of the upper frame. The apparatus also includes an angle sensor for detecting the rotation angle of the rotation support portion, and a given el driver to the rotation supporting portion of the driving force in a direction to assist the bending and stretching operation of the wearer, the movement of the wearer Assists by applying a driving force to the rotation support unit based on the detection results of the angle sensor and the acceleration sensor , using the acceleration sensor that detects the accompanying acceleration and the detection of the wearer's movement through the acceleration sensor as a trigger A control unit that controls the drive unit to start the operation, and a storage unit that stores statistical data obtained by statistics of the output of the angle sensor and the acceleration sensor when the wearer performs the bending and stretching operation without receiving the assist operation; It has a. When the control unit detects that the wearer has moved out of the normal operation range based on the statistical data during the assist operation , the control unit holds the driving force applied to the driving unit for a certain period of time .
The knee joint motion support device according to the embodiment includes an upper brace to be worn on the waist, an upper frame disposed along the outer side of the thigh, and an upper end of the upper frame that is pivotally connected to the upper brace. An upper connecting part, a lower frame arranged along the outer side of the lower leg, a lower brace attached to the foot near the lower end of the lower frame, and a lower end of the lower frame being rotatable with respect to the lower brace A lower connecting portion to be connected, a rotating support portion that is disposed outside the knee joint and supports the upper end of the lower frame so as to be rotatable in the direction in which the knee joint moves relative to the lower end of the upper frame; An angle sensor that detects a rotation angle, a drive unit that applies a driving force in a direction to assist a wearer's bending and stretching operations to the rotation support unit, an acceleration sensor that detects an acceleration accompanying the movement of the wearer, and the acceleration Triggers detection of wearer movement via sensor As, based on the detection result of the angle sensor and the acceleration sensor, and a control unit for controlling the driving unit so as to start the assist operation by applying a driving force to the rotation support portion. When detecting the movement of the wearer's knee outward through the acceleration sensor, the control unit assists the movement of the wearer in the direction of rising and detects the movement of closing the wearer's knee inward through the acceleration sensor. Assist the operation in the direction that the wearer squats.

図1は、実施形態に係る膝関節動作支援装置の正面図である。FIG. 1 is a front view of a knee joint motion support device according to an embodiment. 図2は、図1の装置の側面図である。FIG. 2 is a side view of the apparatus of FIG. 図3は、図1の装置の動作を制御する制御系のブロック図である。FIG. 3 is a block diagram of a control system for controlling the operation of the apparatus of FIG. 図4は、図1の装置の加速度センサを介して検出する加速度成分について説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining acceleration components detected via the acceleration sensor of the apparatus of FIG. 図5は、図1の装置の記憶部に予め記憶した統計データの一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an example of statistical data stored in advance in the storage unit of the apparatus in FIG. 1. 図6は、図1の装置の記憶部に予め記憶した立ち上がるときのアシストパターンを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an assist pattern at the time of startup stored in advance in the storage unit of the apparatus of FIG. 図7は、図1の装置の記憶部に予め記憶したしゃがむときのアシストパターンを示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an assist pattern when squatting stored in advance in the storage unit of the apparatus of FIG. 図8は、図1の装置の動作を説明するためのフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart for explaining the operation of the apparatus shown in FIG. 図9は、図1の装置の動作を説明するためのフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart for explaining the operation of the apparatus shown in FIG. 図10は、図1の装置の動作を説明するためのフローチャートである。FIG. 10 is a flowchart for explaining the operation of the apparatus shown in FIG. 図11は、図1の装置の動作を説明するためのフローチャートである。FIG. 11 is a flowchart for explaining the operation of the apparatus shown in FIG. 図12は、図1の装置の変形例を示す側面図である。FIG. 12 is a side view showing a modification of the apparatus of FIG. 図13は、図1の装置の変形例を示す側面図である。FIG. 13 is a side view showing a modification of the apparatus of FIG. 図14は、図1の装置の変形例を示す側面図である。FIG. 14 is a side view showing a modification of the apparatus of FIG. 図15は、図1の装置の変形例を示す側面図である。FIG. 15 is a side view showing a modification of the apparatus of FIG.

以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。
図1は、膝関節動作支援装置100(以下、単に、装置100と称する)の正面図である。また、図2は、この装置100を装着者Pの左側から見た側面図である。さらに、図3は、装置100の動作を制御する制御系のブロック図である。
Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a front view of a knee joint motion support device 100 (hereinafter simply referred to as device 100). FIG. 2 is a side view of the device 100 as viewed from the left side of the wearer P. FIG. 3 is a block diagram of a control system that controls the operation of the apparatus 100.

図1では、装置100の左側の構成だけ図示してあり、右側の構成の図示を省略してある。装置100は、左右対称の構成を有するため、以下の説明でも、左側の構成のみ代表して説明し、右側の構成の説明を省略する。また、以下の説明では、真っ直ぐに立った状態の装着者Pから見て、左右方向をX軸方向、前後方向をY軸方向、上下方向をZ軸方向とする。   In FIG. 1, only the configuration on the left side of the apparatus 100 is shown, and the configuration on the right side is omitted. Since the apparatus 100 has a left-right symmetric configuration, only the left side configuration will be representatively described in the following description, and the description of the right side configuration will be omitted. In the following description, when viewed from the wearer P standing upright, the left-right direction is the X-axis direction, the front-rear direction is the Y-axis direction, and the up-down direction is the Z-axis direction.

装置100は、上装具2、上フレーム4、下フレーム6、および下装具8を有する。上装具2は、装着者Pの腰に巻き付けて固定されるベルトなどを含む。上フレーム4は、装着者Pの大腿部の外側に沿ってZ軸方向に延設される。下フレーム6は、装着者Pの下腿部の外側に沿ってZ方向に延設される。下装具8は、下フレーム6の下端近くで足に装着されて固定される。本実施形態の下装具8は、例えば、板金を形状加工して折り曲げて形成され、足の裏を乗せる部分を有する。   The apparatus 100 has an upper brace 2, an upper frame 4, a lower frame 6, and a lower brace 8. The upper brace 2 includes a belt that is wound around the waist of the wearer P and fixed. The upper frame 4 extends in the Z-axis direction along the outer side of the thigh of the wearer P. The lower frame 6 extends in the Z direction along the outer side of the lower leg of the wearer P. The lower brace 8 is attached to a foot and fixed near the lower end of the lower frame 6. The lower brace 8 of this embodiment is formed by, for example, forming and bending a sheet metal, and has a portion on which the sole of the foot is placed.

上フレーム4および下フレーム6は、樹脂や軽金属などの軽量で十分な強度を有する材料で形成された棒状または板状の部材である。樹脂であれば、例えば、CFRPやGFRPを用いることができる。また、軽金属であれば、例えば、Al合金やMg合金、Ti合金などを用いることができる。本実施形態では、上フレーム4を1本の棒材により形成したが、その長さを伸縮自在にするスライド機構を設けても良い。   The upper frame 4 and the lower frame 6 are rod-like or plate-like members formed of a light and sufficient material such as resin or light metal. If it is resin, for example, CFRP or GFRP can be used. Moreover, if it is a light metal, Al alloy, Mg alloy, Ti alloy etc. can be used, for example. In the present embodiment, the upper frame 4 is formed of a single bar, but a slide mechanism that can extend and contract its length may be provided.

また、装置100は、上フレーム4の上端を上装具2に対して回動可能に連結する上連結部3、下フレーム6の下端を下装具8に対して回動可能に連結する下連結部7、および膝関節の外側で下フレーム6の上端を上フレーム4の下端に対して回動可能に支持する回動支持部5を有する。   In addition, the apparatus 100 includes an upper connecting portion 3 that rotatably connects the upper end of the upper frame 4 to the upper brace 2, and a lower connecting portion that rotatably connects the lower end of the lower frame 6 to the lower brace 8. 7 and a rotation support portion 5 that rotatably supports the upper end of the lower frame 6 with respect to the lower end of the upper frame 4 outside the knee joint.

上連結部3は、上フレーム4の上端を上装具2に対して3自由度の回動が可能な状態で連結する。ここで言う3自由度の回動とは、例えば、X軸を中心とした回動、Y軸を中心とした回動、およびZ軸を中心とした回動を含み、全ての方向に回動可能であることを指す。具体的には、この上連結部3は、例えば、ボールジョイントや自在継手などのフリージョイントである。下連結部7も、上連結部3と同様の構成を有する。   The upper connecting portion 3 connects the upper end of the upper frame 4 to the upper brace 2 in a state where the upper connecting portion 3 can be rotated by three degrees of freedom. The rotation with three degrees of freedom referred to here includes, for example, rotation about the X axis, rotation about the Y axis, and rotation about the Z axis, and rotation in all directions. Indicates that it is possible. Specifically, the upper connecting portion 3 is a free joint such as a ball joint or a universal joint. The lower connecting portion 7 has the same configuration as the upper connecting portion 3.

回動支持部5は、膝関節が動く方向、すなわちX軸を中心とした1自由度の回動を許容する。言い換えると、回動支持部5は、膝関節が回動する方向以外(Y軸を中心とした回動やZ軸を中心とした回動)への下フレーム6の上フレーム4に対する回動を許容しない。つまり、装置100は、全体として、7自由度の回動を許容する。   The rotation support unit 5 allows rotation in one degree of freedom around the direction in which the knee joint moves, that is, the X axis. In other words, the rotation support part 5 rotates the upper frame 4 with respect to the lower frame 6 in directions other than the direction in which the knee joint rotates (rotation about the Y axis or rotation about the Z axis). Not allowed. That is, the device 100 as a whole allows rotation with seven degrees of freedom.

装着者Pが膝関節を屈伸させる場合、回動支持部5が膝関節の動作に合わせて回動するとともに、上連結部3および下連結部7も僅かに回動する。つまり、屈伸動作時には、膝関節が僅かに外側に開くとともに、膝関節が単純な1軸を中心とした回動にはならないため、上連結部3および下連結部7がそれぞれ3自由度の回動を許容することで、膝関節の複雑な動きを可能にしている。このような装置100の回動の自由度については後で詳細に説明する。   When the wearer P bends and extends the knee joint, the rotation support portion 5 rotates in accordance with the operation of the knee joint, and the upper connection portion 3 and the lower connection portion 7 also slightly rotate. That is, at the time of bending / extending operation, the knee joint opens slightly outward and the knee joint does not rotate around a simple axis, so that the upper connecting portion 3 and the lower connecting portion 7 are each rotated by 3 degrees of freedom. By allowing movement, complex movement of the knee joint is enabled. The degree of freedom of rotation of the device 100 will be described in detail later.

回動支持部5には、駆動部10が同軸に取り付けられている。駆動部10は、サーボモータ12、電磁クラッチ14、および減速機を有する。サーボモータ12は、当該装置100を装着した装着者Pの屈伸動作をアシストする方向の駆動力を回動支持部5に与える。電磁クラッチ14は、サーボモータ12の回動力を回動支持部5に選択的に伝える。減速機は、サーボモータ12の回転を減速させて回動支持部5に伝える。   A drive unit 10 is coaxially attached to the rotation support unit 5. The drive unit 10 includes a servo motor 12, an electromagnetic clutch 14, and a speed reducer. The servo motor 12 applies a driving force in a direction that assists the bending / extending operation of the wearer P wearing the apparatus 100 to the rotation support unit 5. The electromagnetic clutch 14 selectively transmits the turning force of the servo motor 12 to the rotation support unit 5. The reducer decelerates the rotation of the servo motor 12 and transmits it to the rotation support unit 5.

電磁クラッチ14を切った状態では、サーボモータ12の回動力は回動支持部5に伝えられない。本実施形態では、サーボモータ12および電磁クラッチ14を回動支持部5と同軸に配置したが、例えば、かさ歯車やタイミングベルト、チェーンを介して回動力を回動支持部5に伝える構成を採用しても良い。   When the electromagnetic clutch 14 is disengaged, the turning power of the servo motor 12 is not transmitted to the rotation support portion 5. In this embodiment, the servo motor 12 and the electromagnetic clutch 14 are arranged coaxially with the rotation support unit 5. However, for example, a configuration in which the rotational power is transmitted to the rotation support unit 5 via a bevel gear, a timing belt, or a chain is adopted. You may do it.

サーボモータ12には、回動支持部5の回動角度を検出するためのロータリーエンコーダ16(角度センサ)が設けられている。また、下フレーム6の下端近くには、装置100が装着者Pの体側から外側へ離れないように下腿部に保持せしめるための保持具18が設けられている。さらに、回動支持部5に近接した上フレーム4の外側には、装着者Pの動きに伴う加速度を検出するための加速度センサ22Lが取り付けられている。   The servo motor 12 is provided with a rotary encoder 16 (angle sensor) for detecting the rotation angle of the rotation support portion 5. Further, near the lower end of the lower frame 6, a holding tool 18 is provided for holding the device 100 on the crus so that the apparatus 100 does not move outward from the body side of the wearer P. Further, an acceleration sensor 22 </ b> L for detecting an acceleration accompanying the movement of the wearer P is attached to the outside of the upper frame 4 close to the rotation support portion 5.

より具体的には、ロータリーエンコーダ16は、サーボモータ12の回転角度を測定して、上フレーム4と下フレーム6がなす角度αを検出する。つまり、ロータリーエンコーダ16は、装着者Pの膝関節の回動角度を検出する。   More specifically, the rotary encoder 16 measures the rotation angle of the servo motor 12 and detects the angle α formed by the upper frame 4 and the lower frame 6. That is, the rotary encoder 16 detects the rotation angle of the knee joint of the wearer P.

保持具18は、屈伸動作時に装置100が装着者Pから離れないように装置100の一部を装着者P(下腿部)に拘束する。特に装着者Pの足首近傍を拘束することで、屈伸動作にともなう脚筋肉の収縮を極力妨げないようにすることができる。   The holder 18 restrains a part of the device 100 to the wearer P (crus) so that the device 100 does not leave the wearer P during the bending / extending operation. In particular, by restraining the vicinity of the ankle of the wearer P, it is possible to prevent the leg muscles from contracting as much as possible from bending and stretching.

また、加速度センサ22Lは、例えば、3軸加速度センサであり、あらゆる方向の加速度を検出可能である。特に、本実施形態では、膝関節が外側に開かれたり内側に閉じられたりする動作を検出しやすくするため、膝関節の近くに加速度センサ22Lを設けた。このように、膝関節の近傍に加速度センサ22Lを配置することで、膝関節の動きに加速度センサ22Lを正確に追従させることができる。   The acceleration sensor 22L is, for example, a triaxial acceleration sensor, and can detect acceleration in any direction. In particular, in the present embodiment, the acceleration sensor 22L is provided near the knee joint in order to easily detect the movement of the knee joint being opened outward or closed inward. Thus, by arranging the acceleration sensor 22L near the knee joint, the acceleration sensor 22L can accurately follow the movement of the knee joint.

なお、本実施形態の装置100は、この加速度センサ22Lの他に、図3に示すように、合計6つの加速度センサ21R、21L、22R、(22L)、23R、23Lを有する。つまり、加速度センサ21R、21Lは腰の高さで上装具2に取り付けられ、加速度センサ22R、22Lは回動支持部5の近傍で上フレーム4の外面側に取り付けられ、加速度センサ23R、23Lは足首の近くで下フレーム6の下端の外面側に取り付けられている。ここで、符号のRは右側、Lは左側を指す。   In addition to the acceleration sensor 22L, the device 100 of this embodiment includes a total of six acceleration sensors 21R, 21L, 22R, (22L), 23R, and 23L, as shown in FIG. That is, the acceleration sensors 21R and 21L are attached to the upper brace 2 at the waist height, the acceleration sensors 22R and 22L are attached to the outer surface side of the upper frame 4 in the vicinity of the rotation support portion 5, and the acceleration sensors 23R and 23L are It is attached to the outer surface side of the lower end of the lower frame 6 near the ankle. Here, the symbol R indicates the right side and L indicates the left side.

図1および図2では、特に、膝関節に近い加速度センサ22L(左側のみ図示)だけを図示してある。本実施形態の装置100は、主に、膝関節の近くに設けた加速度センサ22R、22L(以下、総称して加速度センサ22と称する)を用いて制御可能である。   1 and 2, in particular, only the acceleration sensor 22L (only the left side is shown) close to the knee joint is shown. The apparatus 100 of this embodiment can be controlled mainly using acceleration sensors 22R and 22L (hereinafter collectively referred to as the acceleration sensor 22) provided near the knee joint.

なお、加速度センサ22は、上フレーム4の下端近くに取り付けられているため、屈伸動作によって膝関節の角度αが図4のように変化すると、その位置や角度が変化する。特に、膝関節の回動に伴って加速度センサ22もX軸を中心に回動する。これにより、加速度センサ22を介して検出する加速度の方向成分、すなわちY軸方向の加速度成分およびZ軸方向の加速度成分も図示矢印で示すように変化する。このため、以下の説明では、加速度センサ22による検出値は、全て加速度センサ22を基準としたものとする。   Since the acceleration sensor 22 is attached near the lower end of the upper frame 4, when the knee joint angle α changes as shown in FIG. In particular, the acceleration sensor 22 rotates about the X axis as the knee joint rotates. Thereby, the direction component of the acceleration detected through the acceleration sensor 22, that is, the acceleration component in the Y-axis direction and the acceleration component in the Z-axis direction also change as indicated by the arrows in the figure. For this reason, in the following description, all the detection values by the acceleration sensor 22 are based on the acceleration sensor 22.

図3に示すように、装置100の動作を制御する制御部20には、加速度センサ21R、22R、23R、21L、22L、23L、およびロータリーエンコーダ16が接続されている。また、制御部20には、駆動部10のサーボモータ12、および電磁クラッチ14が接続されている。さらに、制御部20には、記憶部25が接続されている。制御部20は、例えば、PCや制御基板である。   As shown in FIG. 3, acceleration sensors 21 </ b> R, 22 </ b> R, 23 </ b> R, 21 </ b> L, 22 </ b> L, 23 </ b> L and a rotary encoder 16 are connected to the control unit 20 that controls the operation of the apparatus 100. Further, the servo motor 12 of the drive unit 10 and the electromagnetic clutch 14 are connected to the control unit 20. Further, a storage unit 25 is connected to the control unit 20. The control unit 20 is, for example, a PC or a control board.

記憶部25には、装置100を装着した装着者Pが当該装置100による動作アシストが無い状態で自ら屈伸運動をしたとき、ロータリーエンコーダ16を介して検出した角度αと加速度センサ22を介して検出した加速度a1、a2、a3が関連付けて記憶されている。具体的には、装置100を装着した装着者Pが、予め、屈伸運動を複数回行ない、各角度αにおける加速度センサ22の出力の統計を取って、図5に例示した統計データを基準動作データとして記憶部25に予め記憶してある。   The storage unit 25 detects the angle α detected via the rotary encoder 16 and the acceleration sensor 22 when the wearer P who wears the device 100 makes a bending / extending motion without the operation assistance of the device 100. The accelerations a1, a2, and a3 are stored in association with each other. Specifically, the wearer P who wears the device 100 performs bending and stretching motions a plurality of times in advance, takes statistics of the output of the acceleration sensor 22 at each angle α, and uses the statistical data illustrated in FIG. 5 as the reference motion data. As stored in the storage unit 25 in advance.

図5には、角度αと加速度a1との関係を示す統計データを例示してある。例えば、加速度a1はX軸方向に沿った加速度を表わし、加速度a2はY軸方向に沿った加速度を表わし、加速度a3はZ軸方向に沿った加速度を表わす。つまり、図5の統計データは、屈伸運動をしたときの各角度αにおけるX軸方向の加速度a1の変化を示すものであり、屈伸動作中に膝関節が内側或いは外側へ動く動作を示すものである。この他に、1つの加速度センサ22に対して、Y軸方向の加速度a2に関する統計データ、およびZ軸方向の加速度a3に関する統計データがある。   FIG. 5 illustrates statistical data indicating the relationship between the angle α and the acceleration a1. For example, the acceleration a1 represents the acceleration along the X-axis direction, the acceleration a2 represents the acceleration along the Y-axis direction, and the acceleration a3 represents the acceleration along the Z-axis direction. That is, the statistical data in FIG. 5 shows changes in the acceleration a1 in the X-axis direction at each angle α when bending and stretching, and shows the movement of the knee joint inward or outward during the bending and stretching movement. is there. In addition, for one acceleration sensor 22, there is statistical data related to the acceleration a2 in the Y-axis direction and statistical data related to the acceleration a3 in the Z-axis direction.

図5では、統計データのある角度αにおける正規分布曲線をいくつか例示し、加速度a1の統計データの平均値を角度αに関連付けて示してある。また、図5には、通常の動作範囲を意味する、統計データの95%を含む区間(95%信頼区間)を破線で図示してある。   FIG. 5 illustrates some normal distribution curves at an angle α with statistical data, and shows the average value of statistical data of acceleration a1 in association with the angle α. Further, in FIG. 5, an interval (95% confidence interval) including 95% of statistical data, which means a normal operation range, is illustrated by a broken line.

記憶部25には、この他に、上述した統計データに基づいて予め設定した駆動部10による好適なアシストパターンが記憶されている。図6には、しゃがんだ状態(角度α=0°)から真っ直ぐ立った状態(角度α=180°)まで膝関節を伸ばす際に駆動部10が回動支持部5に付与するトルクTのパターンの一例を示してある。また、図7には、真っ直ぐに立った状態からしゃがんだ状態まで膝関節を折り曲げる際のトルクパターンの一例を示してある。   In addition to this, a suitable assist pattern by the drive unit 10 set in advance based on the above-described statistical data is stored in the storage unit 25. FIG. 6 shows a pattern of torque T applied by the drive unit 10 to the rotation support unit 5 when the knee joint is extended from a squatting state (angle α = 0 °) to a straight standing state (angle α = 180 °). An example is shown. FIG. 7 shows an example of a torque pattern when the knee joint is bent from a straight standing state to a squatting state.

しゃがんだ状態から真っ直ぐに立つときのトルクパターン(図6)は、しゃがんだ状態から立ち上がり始めるときが最大トルクを示し、真っ直ぐに立つ直前の角度αが約160°のときにトルクがゼロにされる。角度αが180°に近づくと、装着者P自身の力だけで十分な状態となり、この時点でトルクをゼロにすることで、むしろ立ち上がる動作を自然にできる。   The torque pattern when standing straight from the squatting state (FIG. 6) shows the maximum torque when starting standing from the squatting state, and the torque is zero when the angle α immediately before standing straight is about 160 °. . When the angle α approaches 180 °, the wearer P's own force alone is sufficient, and by making the torque zero at this point, it is possible to naturally start up.

また、真っ直ぐに立った状態からしゃがむときのトルクパターン(図7)は、真っ直ぐに立った状態のときのトルクがゼロで、しゃがむに連れて徐々にトルクが大きくされ、角度αが60°に達した時点でトルクが一定に保持される。   In addition, the torque pattern when squatting from a straight standing state (FIG. 7) is zero when standing straight, and the torque gradually increases as squatting, and the angle α reaches 60 °. At that time, the torque is kept constant.

ここで、上述した装置100の回動の自由度について説明する。
上述したように、上連結部3および下連結部7は、それぞれ、3自由度の回動を許容する。このため、例えば、上装具2と上フレーム4との間の角度は、(θA1、θA2、θA3)で表わすことができる。また、下フレーム6と下装具8との間の角度は、(θB1、θB2、θB3)で表わすことができる。
Here, the freedom degree of rotation of the apparatus 100 mentioned above is demonstrated.
As described above, the upper connecting portion 3 and the lower connecting portion 7 each allow rotation with three degrees of freedom. For this reason, for example, the angle between the upper brace 2 and the upper frame 4 can be expressed by (θ A1 , θ A2 , θ A3 ). In addition, the angle between the lower frame 6 and the lower brace 8 can be represented by (θ B1 , θ B2 , θ B3 ).

一方、上連結部3の回動の中心を原点A(0、0、0)として下装具8の接地面、かつ下連結部7との接続部リンクの延長線上を作用点Bとすると、点Bに作用するアシスト力の位置および向きは、(x、y、z、φ、θ、ψ)の6自由度で表わすことができる。つまり、屈伸動作中の点Bは、幾何学的関係から適当な行列J(角度αを含む)を用いると、下式のように表わすことができる。
On the other hand, assuming that the center of rotation of the upper connecting portion 3 is the origin A (0, 0, 0), and the action point B is the grounding surface of the lower brace 8 and the extended line of the connecting portion link with the lower connecting portion 7. The position and direction of the assist force acting on B can be expressed by six degrees of freedom (x, y, z, φ, θ, ψ). That is, the point B during the bending / extending operation can be expressed by the following expression using an appropriate matrix J (including the angle α) from the geometrical relationship.

この式から、原点Aに対する作用点Bの位置(x、y、z)が決まった場合、上連結部3の角度(θA1、θA2、θA3)および下連結部7の角度(θB1、θB2、θB3)の組み合わせは無数に存在することが分かる。つまり、本実施形態の装置100を装着した装着者Pは、腰と足先の位置関係(つまり、膝関節の角度α)を変えずに膝を自由に動かせることになる。具体的には、角度αを固定した状態でも、膝を外側に開く動作、および膝を内側に閉じる動作が可能となる。 From this equation, when the position (x, y, z) of the action point B with respect to the origin A is determined, the angle of the upper connecting portion 3 (θ A1 , θ A2 , θ A3 ) and the angle of the lower connecting portion 7 (θ B1 , Θ B2 , θ B3 ) can be seen innumerable combinations. That is, the wearer P wearing the apparatus 100 of the present embodiment can freely move the knee without changing the positional relationship between the waist and the toes (that is, the angle α of the knee joint). Specifically, even when the angle α is fixed, an operation of opening the knee outward and an operation of closing the knee inward are possible.

これに対し、仮に、上連結部3に駆動部を設けてX軸を中心とした回動のみ許容する構成を採用した場合、上連結部3における回動の自由度は1となり、装置全体としての回動の自由度は5となる。この場合、大腿部の付け根の角度と膝関節の角度が決まると、装置の姿勢が固定されてしまい、装着者が自由に動くことができなくなる。また、仮に、下連結部7に駆動部を設けても同じことが言える。   On the other hand, if the upper connecting portion 3 is provided with a driving portion and only allows rotation about the X axis, the degree of freedom of rotation in the upper connecting portion 3 is 1, and the entire apparatus is as a whole. The degree of freedom of rotation is 5. In this case, when the angle of the base of the thigh and the angle of the knee joint are determined, the posture of the device is fixed and the wearer cannot move freely. The same can be said even if a drive portion is provided in the lower connecting portion 7.

本実施形態によると、上連結部3および下連結部7において、それぞれ3自由度の回動が可能であるため、装置100の回動の自由度は7となり、膝を開いたり閉じたりする動作が可能となる。   According to the present embodiment, since the upper connecting portion 3 and the lower connecting portion 7 can be rotated with three degrees of freedom, the degree of freedom of rotation of the device 100 is 7, and the operation of opening and closing the knee is performed. Is possible.

以下、図8〜図11のフローチャートを参照して、上記構成の装置100によるアシスト動作について説明する。
制御部20は、図示しないスイッチがONになった際に動作を開始し、最初にステップ1〜3にて装着者Pの姿勢を判定する。まず、ロータリーエンコーダ16を介して膝関節の角度αを検出し、加速度センサ22を介して加速度(a1、a2、a3)を検出する(ステップ1)。次に、ロータリーエンコーダ16を介して検出した角度α(以下、単に角度αと記述)が、しゃがんだ状態を判断するため予め用意したしきい値αfl(本実施形態では60°)より小さい場合、制御部20は、しゃがんだ状態であることを判断し、後述のステップ4に移行する(ステップ2;YES)。一方、制御部20は、角度αが、真っ直ぐに立った状態を判断するため予め用意したしきい値αex(本実施形態では160°)より大きい場合、立った状態であることを判断し、後述のステップ9に移行する(ステップ2;NO、ステップ3;YES)。さらに、いずれの条件も満たさない場合、中腰状態であると判断し、後述のステップ22に移行する(ステップ2;NO、ステップ3;NO)。
Hereinafter, with reference to the flowcharts of FIGS. 8 to 11, an assist operation by the apparatus 100 having the above-described configuration will be described.
The control unit 20 starts an operation when a switch (not shown) is turned on, and first determines the posture of the wearer P in steps 1 to 3. First, the angle α of the knee joint is detected via the rotary encoder 16, and the accelerations (a1, a2, a3) are detected via the acceleration sensor 22 (step 1). Next, when the angle α detected through the rotary encoder 16 (hereinafter simply referred to as the angle α) is smaller than a threshold value α fl (60 ° in the present embodiment) prepared in advance for judging the squatting state. Then, the control unit 20 determines that it is in a squatting state, and proceeds to step 4 described later (step 2; YES). On the other hand, when the angle α is larger than a threshold value α ex (160 ° in the present embodiment) prepared in advance to determine the state of standing straight, the control unit 20 determines that the device is standing. The process proceeds to Step 9 described later (Step 2; NO, Step 3; YES). Furthermore, when neither condition is satisfied, it is determined that the body is in the middle waist state, and the process proceeds to Step 22 described later (Step 2; NO, Step 3; NO).

ステップ4〜7ではしゃがんだ状態からの立ち上がり意図検出処理を行う。制御部20は、まず装着者Pがしゃがんだ姿勢を保持するために姿勢保持トルクを出力するようサーボモータ12に指令を出す(ステップ4)。次に、角度α、および加速度(a1、a2、a3)を再度検出し(ステップ5)、加速度(a1、a2、a3)が図5の統計データにおいて95%信頼区間として示す通常の動作範囲を超えたかを判定する(ステップ6)。このとき、加速度(a1、a2、a3)が統計データにおける95%信頼区間を超えた場合には装着者Pの立ち上がり意図として検出し、立ち上がり動作アシストを開始するため後述するステップ14に移行する(ステップ6;YES)。一方、加速度(a1、a2、a3)が統計データにおける95%信頼区間内の値を示した場合、装着者がその姿勢を保持したいものと判定する(ステップ6;NO)。その場合、スイッチの状態を読取り(ステップ7)、スイッチがOFFになっていた場合には動作を終了し(ステップ8;YES)、スイッチがONの場合には再びステップ4に戻る(ステップ8;NO)。言い換えると、制御部20は、スイッチがONである限りサーボモータ12に姿勢保持トルクを出力させながら、統計データにおける95%信頼区間を超える加速度(a1、a2、a3)が入力されるのを待ち続ける(ステップ6;NO、ステップ8;NO)。   In steps 4 to 7, a rising intention detection process from the squatting state is performed. First, the control unit 20 issues a command to the servo motor 12 to output a posture holding torque in order to hold the posture of the wearer P squatting (step 4). Next, the angle α and the acceleration (a1, a2, a3) are detected again (step 5), and the acceleration (a1, a2, a3) indicates the normal operating range indicated as the 95% confidence interval in the statistical data of FIG. It is determined whether it has been exceeded (step 6). At this time, if the acceleration (a1, a2, a3) exceeds the 95% confidence interval in the statistical data, it is detected as a rising intention of the wearer P, and the process proceeds to step 14 to be described later in order to start the rising movement assist ( Step 6; YES). On the other hand, when the acceleration (a1, a2, a3) indicates a value within the 95% confidence interval in the statistical data, it is determined that the wearer wants to maintain the posture (step 6; NO). In that case, the state of the switch is read (step 7). If the switch is OFF, the operation is terminated (step 8; YES), and if the switch is ON, the process returns to step 4 (step 8; NO). In other words, the control unit 20 waits for input of accelerations (a1, a2, a3) exceeding the 95% confidence interval in the statistical data while outputting the attitude holding torque to the servo motor 12 as long as the switch is ON. Continue (step 6; NO, step 8; NO).

同様に、ステップ9〜13では立った状態からのしゃがみ意図検出処理を行う。装着者Pが立ち上がった状態では、装着者Pの膝関節にはほとんど負荷がかからず、装置100によるアシストトルクは必要ない。そのため、制御部20は、まずサーボモータの出力トルクが0になるように指令を出す(ステップ9)。次に、角度α、および加速度(a1、a2、a3)を再度検出し(ステップ10)、加速度(a1、a2、a3)が図5の統計データにおいて95%信頼区間として示す通常の動作範囲を超えたかを判定する(ステップ11)。このとき、加速度(a1、a2、a3)が統計データにおける95%信頼区間を超えた場合には装着者Pのしゃがみ意図として検出し、しゃがみ動作アシストを開始するため後述するステップ18に移行する(ステップ11;YES)。一方、加速度(a1、a2、a3)が統計データにおける95%信頼区間内の値を示した場合、装着者がその姿勢を保持したいものと判定する(ステップ11;NO)。その場合、スイッチの状態を読取り(ステップ12)、スイッチがOFFになっていた場合には動作を終了し(ステップ13;YES)、スイッチがONの場合には再びステップ9に戻る(ステップ13;NO)。言い換えると、制御部20は、スイッチがONである限りサーボモータ12の出力トルクを0としながら、統計データにおける95%信頼区間を超える加速度(a1、a2、a3)が入力されるのを待ち続ける(ステップ11;NO、ステップ13;NO)。 Similarly, in steps 9 to 13, a crouching intention detection process from a standing state is performed. When the wearer P stands up, the knee joint of the wearer P is hardly loaded, and the assist torque by the device 100 is not necessary. Therefore, the control unit 20 first issues a command so that the output torque of the servo motor becomes zero (step 9). Next, the angle α and the acceleration (a1, a2, a3) are detected again (step 10), and the acceleration (a1, a2, a3) shows the normal operating range indicated as the 95% confidence interval in the statistical data of FIG. It is determined whether it has been exceeded (step 11). At this time, if the acceleration (a1, a2, a3) exceeds the 95% confidence interval in the statistical data, it is detected as a crouching intention of the wearer P, and the process proceeds to step 18 described later in order to start crouching operation assist ( Step 11: YES). On the other hand, when the acceleration (a1, a2, a3) shows a value within the 95% confidence interval in the statistical data, it is determined that the wearer wants to maintain the posture (step 11; NO). In that case, the state of the switch is read (step 12). If the switch is OFF, the operation is terminated (step 13; YES), and if the switch is ON, the process returns to step 9 (step 13; NO). In other words, the control unit 20 keeps waiting for the acceleration (a1, a2, a3) exceeding the 95% confidence interval in the statistical data to be input while keeping the output torque of the servo motor 12 as long as the switch is ON. (Step 11; NO, Step 13; NO).

また、ステップ14〜17では図9に示す立ち上がり動作アシスト処理を行う。制御部20は、まず膝関節の角度αによって決まる立ち上がり動作アシストトルクを出力する(ステップ14)。次に、角度α、および加速度(a1、a2、a3)を再度検出し(ステップ15)、角度αが真っ直ぐに立った状態を判断するため予め用意したしきい値αex(本実施形態では160°)より大きい場合、立ち上がった状態であることを判断し、立ち上がり動作アシスト完了として再びステップ9、すなわちしゃがみ意図検出処理に移行する(ステップ16;YES)。一方、角度αがαex以下の場合、まだ立ち上がり動作アシストが完了していないものとして(ステップ16;NO)、非定常加速度検出処理を行う(ステップ17)。非定常加速度検出処理とは、ステップ15で検出された加速度(a1、a2、a3)のいずれかが、同時に検出された角度αと対応する統計データにおける95%信頼区間を超えた場合には、非定常動作として検出し、後述するステップ22に移行してサーボモータ12に姿勢保持トルクを出力させる(ステップ17;YES)。それに対し、ステップ15で検出された加速度(a1、a2、a3)のいずれもが、同時に検出された角度αと対応する統計データにおける95%信頼区間内の場合、更新された角度αの値に基づいて新たな立ち上がり動作アシストトルクをサーボモータ12が出力する(ステップ17;NO)。すなわち、ステップ15で検出された加速度(a1、a2、a3)が、同時に検出された角度αにおける通常の動作範囲内である限り、装着者が真っ直ぐに立ち上がるまで、図6に示すように角度αの変化に応じた動作アシストトルクをサーボモータ12が出力し続ける。 Further, in steps 14 to 17, the rising motion assist process shown in FIG. 9 is performed. First, the control unit 20 outputs a rising motion assist torque determined by the angle α of the knee joint (step 14). Next, the angle α and the accelerations (a1, a2, a3) are detected again (step 15), and a threshold value α ex (160 in the present embodiment) prepared in advance to determine whether the angle α is standing straight. If greater than (°), it is determined that the vehicle is in a standing state, and the process proceeds to step 9, that is, the squatting intention detection process again as the completion of the rising motion assist (step 16; YES). On the other hand, when the angle α is equal to or less than α ex , it is determined that the rising motion assist has not been completed (step 16; NO), and unsteady acceleration detection processing is performed (step 17). The unsteady acceleration detection process means that if any of the accelerations (a1, a2, a3) detected in step 15 exceeds the 95% confidence interval in the statistical data corresponding to the simultaneously detected angle α, The operation is detected as an unsteady operation, and the process proceeds to step 22 to be described later to cause the servo motor 12 to output a posture holding torque (step 17; YES). On the other hand, if any of the accelerations (a1, a2, a3) detected in step 15 is within the 95% confidence interval in the statistical data corresponding to the simultaneously detected angle α, the updated value of the angle α is obtained. Based on this, the servo motor 12 outputs a new rising motion assist torque (step 17; NO). That is, as long as the acceleration (a1, a2, a3) detected in step 15 is within the normal operating range at the angle α detected at the same time, the angle α as shown in FIG. 6 is maintained until the wearer stands up straight. The servo motor 12 continues to output the operation assist torque according to the change in the.

同様に、ステップ18〜21では図10に示すしゃがみ動作アシスト処理を行う。制御部20は、まず膝関節の角度αによって決まるしゃがみ動作アシストトルクを出力する(ステップ18)。次に、角度α、および加速度(a1、a2、a3)を再度検出し(ステップ19)、角度αがしゃがんだ態を判断するため予め用意したしきい値αfl(本実施形態では60°)より小さい場合、しゃがんだ状態であることを判断し、しゃがみ動作アシスト完了として再びステップ4、すなわち立ち上がり意図検出処理に移行する(ステップ20;YES)。一方、角度αがαfl以上の場合、まだしゃがみ動作アシストが完了していないものとして(ステップ20;NO)、ステップ17と同様に非定常加速度検出処理を行う(ステップ21)。ステップ19で検出された加速度(a1、a2、a3)のいずれかが、同時に検出された角度αと対応する統計データにおける95%信頼区間を超えた場合には、非定常動作として検出し、後述するステップ22に移行してサーボモータ12に姿勢保持トルクを出力させる(ステップ21;YES)。それに対し、ステップ19で検出された加速度(a1、a2、a3)のいずれもが、同時に検出された角度αと対応する統計データにおける95%信頼区間内の場合、更新された角度αの値に基づいて新たなしゃがみ動作アシストトルクをサーボモータ12が出力する(ステップ21;NO)。すなわち、ステップ19で検出された加速度(a1、a2、a3)が、同時に検出された角度αにおける通常の動作範囲内である限り、装着者が完全にしゃがむまで、図7に示すように角度αの変化に応じた動作アシストトルクをサーボモータ12が出力し続ける。 Similarly, in steps 18 to 21, a squatting operation assist process shown in FIG. 10 is performed. The control unit 20 first outputs a squatting motion assist torque determined by the angle α of the knee joint (step 18). Next, the angle α and the accelerations (a1, a2, a3) are detected again (step 19), and a threshold value α fl (60 ° in the present embodiment) prepared in advance to determine whether the angle α is crouched. If it is smaller, it is determined that it is in a squatting state, and the process proceeds to step 4, ie, the rising intention detection process again, as the squatting operation assist is completed (step 20; YES). On the other hand, when the angle α is equal to or greater than α fl , it is assumed that the squatting operation assistance has not been completed yet (step 20; NO), and unsteady acceleration detection processing is performed as in step 17 (step 21). If any of the accelerations (a1, a2, a3) detected in step 19 exceeds the 95% confidence interval in the statistical data corresponding to the simultaneously detected angle α, it is detected as an unsteady motion, which will be described later. Then, the process proceeds to step 22 where the servo motor 12 is caused to output the attitude holding torque (step 21; YES). On the other hand, if any of the accelerations (a1, a2, a3) detected in step 19 is within the 95% confidence interval in the statistical data corresponding to the angle α detected at the same time, the updated value of the angle α is obtained. Based on this, the servo motor 12 outputs a new squatting operation assist torque (step 21; NO). That is, as long as the acceleration (a1, a2, a3) detected in step 19 is within the normal operating range at the simultaneously detected angle α, the angle α as shown in FIG. The servo motor 12 continues to output the operation assist torque according to the change in the.

最後に、図11のステップ22〜25は姿勢保持処理を表しており、ステップ2〜3にて中腰姿勢であると判定された場合、およびステップ17かステップ21で非定常動作を検出した場合の動作である。まず、制御部20はその直前に測定された角度αに応じた姿勢保持トルクを出力する(ステップ22)。次に、角度α、および加速度(a1、a2、a3)を再度検出し(ステップ23)、上昇指示用加速度の検出を行う(ステップ24)。上昇指示用加速度の検出とは、例えば、ステップ23にて検出された加速度a1が通常の動作範囲、すなわち予め記憶部25に記憶された姿勢保持状態における加速度a1の統計データにおける95%信頼区間よりも大きい、すなわち膝を開く方向の加速度が検出された場合、上昇指示用加速度と判定してステップ14の立ち上がり動作アシスト処理へと移行する(ステップ24;YES)。一方で、ステップ23にて検出された加速度a1が、予め記憶部25に記憶された姿勢保持状態における加速度a1の統計データにおける95%信頼区間よりも小さな値(絶対値の大きな負の値)、すなわち膝を閉じる方向の加速度が検出された場合、下降指示用加速度と判定してステップ18のしゃがみ動作アシスト処理へと移行する(ステップ24;NO、ステップ25;YES)。また、ステップ23で検出された加速度a1が統計データにおける95%信頼区間内にある場合、ステップ22に移行して姿勢保持トルクを出力する(ステップ24;NO、ステップ25;NO)。すなわち装着者Pが中腰状態のまま動いていない場合、そのままの姿勢を保持するよう一定のトルクが出力され続ける。   Finally, steps 22 to 25 in FIG. 11 represent the posture maintaining process, and when it is determined that the posture is the middle waist posture in steps 2 to 3 and when the unsteady motion is detected in step 17 or step 21. Is the action. First, the control unit 20 outputs a posture holding torque corresponding to the angle α measured immediately before (step 22). Next, the angle α and the accelerations (a1, a2, a3) are detected again (step 23), and the upward instruction acceleration is detected (step 24). The detection of the acceleration for raising instruction is, for example, from the 95% confidence interval in the statistical data of the acceleration a1 in the normal operation range in which the acceleration a1 detected in step 23 is stored in the storage unit 25 in advance. If the acceleration in the direction of opening the knee is detected, it is determined that the acceleration is for ascending instruction, and the process proceeds to the rising motion assist process in step 14 (step 24; YES). On the other hand, the acceleration a1 detected in step 23 is smaller than the 95% confidence interval in the statistical data of the acceleration a1 in the posture holding state stored in advance in the storage unit 25 (a negative value having a large absolute value). That is, when acceleration in the direction of closing the knee is detected, it is determined that the acceleration is for descent instruction, and the process proceeds to the squatting operation assist process in step 18 (step 24; NO, step 25; YES). If the acceleration a1 detected in step 23 is within the 95% confidence interval in the statistical data, the process proceeds to step 22 to output the posture holding torque (step 24; NO, step 25; NO). That is, when the wearer P is not moving in the middle waist state, a constant torque is continuously output so as to maintain the posture as it is.

以上述べた実施形態の膝関節動作支援装置によれば、加速度センサを介して装着者の動きを検出したことをトリガーとしてアシスト動作を開始するようにしたため、装着者の体に負担がかからない。   According to the knee joint motion support device of the embodiment described above, since the assist operation is started using the detection of the motion of the wearer via the acceleration sensor as a trigger, there is no burden on the wearer's body.

また、本実施形態によると、アシスト動作中に通常の動作範囲から外れる動作を検出した場合、トルクを保持して、装置100を一時的に停止させるようにしたため、障害物などによって動作の途中で異常な動きをした場合に、装置100を緊急停止させることができる。この場合、装着者Pは、X軸を中心とした膝関節の動きを装置100によって拘束されることになるが、股関節や足首を自由に回動させることで少なくとも転倒を防止することができ、装着者Pの安全を確保できる。   Further, according to the present embodiment, when an operation out of the normal operation range is detected during the assist operation, the torque is maintained and the device 100 is temporarily stopped. The apparatus 100 can be urgently stopped when an abnormal movement occurs. In this case, the wearer P is restrained by the apparatus 100 in the movement of the knee joint around the X axis, but can prevent at least a fall by freely rotating the hip joint and ankle, The safety of the wearer P can be ensured.

また、本実施形態によると、ステップ17、21における非定常動作検出処理において加速度(a1、a2、a3)のいずれかが通常動作範囲から外れることを非定常動作と判定しているが、それらの組み合わせを判定条件としてもよいし、いずれかの加速度を判定に使用しなくてもよい。例えば、a1とa2がともに通常動作から外れていることを非定常状態の判定条件とし、a3の値を判定条件として使用しないような処理も可能である。   Further, according to the present embodiment, in the unsteady motion detection process in steps 17 and 21, it is determined that any of the accelerations (a1, a2, a3) is out of the normal motion range as the unsteady motion. A combination may be used as a determination condition, and any acceleration may not be used for determination. For example, it is also possible to perform processing in which both a1 and a2 are out of normal operation as the determination condition for the unsteady state and the value of a3 is not used as the determination condition.

また、ステップ22〜25に示す姿勢保持処理において、予め膝を開く動作と閉じる動作を行う際の加速度(a1、a2、a3)の統計データをそれぞれ準備しておき、検出された加速度(a1、a2、a3)がそれぞれの統計データの95%信頼区間内にあることを、上昇指示用加速度検出、下降指示用加速度検出として判定してもよい。   Further, in the posture holding process shown in steps 22 to 25, statistical data of accelerations (a1, a2, a3) for performing a knee opening operation and a closing operation are prepared in advance, and the detected acceleration (a1, The fact that a2 and a3) are within the 95% confidence interval of the respective statistical data may be determined as detection of acceleration for upward instruction and detection of acceleration for downward instruction.

また、本実施形態によると、ステップ22〜25に示す姿勢保持処理において、上昇指示用加速度の例として膝を開く動作に対応する加速度a1を使用し、下降指示用加速度として膝を閉じる動作に対応する加速度a1を使用しているが、これに限定せずに、例えば逆に膝を閉じる動作に対応する加速度a1を下降動作指示として判定してもよいし、a2やa3の値を判定条件として使用してもよい。   Further, according to the present embodiment, in the posture holding processing shown in steps 22 to 25, the acceleration a1 corresponding to the operation of opening the knee is used as an example of the acceleration for raising instruction, and the action of closing the knee is used as the acceleration for lowering instruction. However, the present invention is not limited to this. For example, the acceleration a1 corresponding to the motion of closing the knee may be determined as a descending motion instruction, and the values of a2 and a3 are used as the determination conditions. May be used.

また、上記のように通常の動作範囲から外れる動作を検出して装置100が緊急停止した状態で、さらに装着者Pが通常の動作範囲から外れる動作をしたことを検出した場合、制御部20は、緊急停止する前の動作方向と逆方向のアシスト動作に切り替えるようにしても良い。例えば、しゃがんだ状態から立ち上がる途中に通常の動作範囲を超える動作をした場合、装置100は緊急停止するが、この後、さらに通常の動作範囲を超える動作を検出した場合には、しゃがむ方向に動作アシストするようにしても良い。或いは、立った状態からしゃがむ途中に通常の動作範囲を超える動作をした場合、装置100は緊急停止するが、この後、さらに通常の動作範囲を超える動作を検出した場合には、立ち上がる方向に動作アシストするようにしても良い。   Further, when it is detected that the wearer P has moved out of the normal operation range in a state where the apparatus 100 has been urgently stopped by detecting an operation out of the normal operation range as described above, the control unit 20 Alternatively, the assist operation may be switched to the direction opposite to the operation direction before the emergency stop. For example, when an operation exceeding the normal operation range is performed while standing up from the squatting state, the apparatus 100 is stopped urgently. Thereafter, when an operation exceeding the normal operation range is detected, the device 100 operates in a squatting direction. You may make it assist. Alternatively, when the operation exceeds the normal operation range while crouching from the standing state, the apparatus 100 is stopped urgently. Thereafter, when an operation exceeding the normal operation range is detected, the device 100 operates in the direction of rising. You may make it assist.

また、本実施形態によると、動作を停止した状態から膝を外側へ動作させた場合に予め決められた方向(本実施形態では立ち上がる方向)にアシスト動作を開始でき、膝を内側へ動作させた場合に逆方向(本実施形態ではしゃがむ方向)にアシスト動作を開始できるようにしたため、装着者Pは、自身が意図する方向に膝を動作させるだけで装置100をコントロールでき、利便性を向上させることができる。   In addition, according to the present embodiment, when the knee is moved outward from the state where the movement is stopped, the assist operation can be started in a predetermined direction (in the direction of rising in the present embodiment), and the knee is moved inward. In this case, the assisting operation can be started in the reverse direction (in the present embodiment, the squatting direction), so that the wearer P can control the device 100 simply by moving the knee in the direction intended by the wearer P, thereby improving convenience. be able to.

さらに、本実施形態によると、装着者Pが意図しない場合であっても、結果的に、装置100を所望する方向に自動的に動作させることができる。例えば、装置100を装着した装着者Pがしゃがんだ状態から重い荷物を持ち上げる場合、装着者Pは、膝関節を伸ばすことをイメージする。しかし、膝関節は、荷物を持ち上げる方向に回動するのが困難なため、装着者Pが力を入れると、移動し易い方向、すなわち膝を開く方向に動作する。本実施形態では、この動作をトリガーとして装置100のアシスト動作を開始するため、装着者Pが意図しなくてもアシスト動作を開始できることになる。   Furthermore, according to this embodiment, even if the wearer P does not intend, as a result, the apparatus 100 can be automatically operated in a desired direction. For example, when the wearer P wearing the apparatus 100 lifts a heavy load from a squatting state, the wearer P imagines extending the knee joint. However, since it is difficult for the knee joint to rotate in the direction of lifting the load, when the wearer P applies force, the knee joint moves in a direction in which it easily moves, that is, a direction in which the knee is opened. In the present embodiment, since the assist operation of the apparatus 100 is started with this operation as a trigger, the assist operation can be started even if the wearer P does not intend.

なお、本実施形態では、単に、膝を外側へ動かしたことをトリガーとして立ち上がる方向のアシストを開始し、膝を内側へ動かしたことをトリガーとしてしゃがむ方向のアシストを開始するようにしたが、膝を動かしたときの加速度が通常の動作範囲を超えた場合にのみアシストを開始するようにしても良い。   In this embodiment, the assist in the direction of standing up is started simply by moving the knee outward, and the assist in the squatting direction is started by moving the knee inward. The assist may be started only when the acceleration when the is moved exceeds the normal operation range.

また、本実施形態では、中腰で停止した状態で膝の動きを検出した場合にアシストを開始するようにしたが、アシスト動作中に膝の動きをトリガーとしてアシスト方向を変えるようにしても良い。または、しゃがんだ状態から膝を内側に動作させた場合にさらにしゃがむ方向に動作をアシストするようにしても良く、立った状態から膝を外側に動作させた場合にさらに立ち上がる方向に動作をアシストするようにしても良い。   Further, in this embodiment, the assist is started when the movement of the knee is detected in a state of being stopped at the middle waist, but the assist direction may be changed using the movement of the knee as a trigger during the assist operation. Or, if you move your knee inward from a crouched state, you may assist in the direction of further squatting, and if you move your knee outward from a standing state, assist your movement in the direction of further rising. You may do it.

また、本実施形態では、検出精度を高めるため、加速度センサ22を上フレーム4の下端、すなわち回動保持部5の近くに配置した場合について説明したが、これに限らず、レイアウトの制約があるのであれば加速度センサ22の配置位置は任意に変更可能であり、例えば、図15に示すように、下フレーム6に配置してもよい。   In the present embodiment, the case where the acceleration sensor 22 is arranged near the lower end of the upper frame 4, that is, near the rotation holding unit 5, has been described in order to improve the detection accuracy. In this case, the arrangement position of the acceleration sensor 22 can be arbitrarily changed. For example, it may be arranged on the lower frame 6 as shown in FIG.

また、保持具18は、例えば、図12に示すように、上フレーム4を大腿部に保持せしめる位置に設けても良い。この場合、大腿部の動きに上フレーム4を確実に追従させることができるため、加速度センサ22によって装着者Pの膝の動きをより精度良く測定することができる。   Further, the holder 18 may be provided at a position where the upper frame 4 is held on the thigh as shown in FIG. 12, for example. In this case, since the upper frame 4 can be made to follow the movement of the thigh reliably, the movement of the knee of the wearer P can be measured with higher accuracy by the acceleration sensor 22.

また、下装具8は、例えば、図13に示すように、装着者Pの足首に設けても良い。この場合、より簡単に装置100を装着することができ、利便性を向上させることができる。   Moreover, you may provide the lower brace 8 in the ankle of the wearer P, for example, as shown in FIG. In this case, the apparatus 100 can be mounted more easily, and convenience can be improved.

また、例えば図14に示すように、下腿部の2ヶ所以上を保持具18、19によって拘束することで、屈伸時に装置100が装着者Pからずれにくくすることも可能である。   Further, for example, as shown in FIG. 14, it is possible to prevent the device 100 from being displaced from the wearer P at the time of bending and stretching by restraining two or more portions of the lower leg by the holders 18 and 19.

また、複数の加速度センサ21、22、23やロータリーエンコーダ16に加えて、足の裏側に圧力センサを設けても良い。これにより、装着者Pの重心の移動などを検出でき、より精度の高い動作制御が可能となる。   In addition to the plurality of acceleration sensors 21, 22, 23 and the rotary encoder 16, a pressure sensor may be provided on the back side of the foot. Thereby, the movement of the center of gravity of the wearer P can be detected, and more accurate operation control can be performed.

また、しゃがんだ状態を検出するための膝角度のしきい値αfl、および立った状態を検出するための膝角度のしきい値αexは、自由に設定可能としても良い。これにより、装着者Pに合わせてしきい値を設定でき、より利便性を向上させることができる。 The knee angle threshold value α fl for detecting the squatting state and the knee angle threshold value α ex for detecting the standing state may be freely settable. Thereby, a threshold value can be set according to the wearer P, and convenience can be further improved.

また、上述した実施形態では、主に、加速度センサ22で検出するX軸方向の加速度a1に基づいて装置100を動作制御したが、角度αに応じた重みづけを踏まえて、加速度a1、a2、a3のいずれかまたは組み合わせの関数に基づいて装置100を制御するようにしても良い。   In the above-described embodiment, the operation of the apparatus 100 is controlled mainly based on the acceleration a1 in the X-axis direction detected by the acceleration sensor 22, but based on the weighting according to the angle α, the accelerations a1, a2, The apparatus 100 may be controlled based on any one or combination of functions a3.

また、上述した実施形態では、角度αに応じた加速度a1の統計データに基づいて設定した95%信頼区間から外れたか否かを判断基準とした場合について説明したが、これに限らず、例えば、99%信頼区間を設けても良く、或いは加速度a1の平均値に一定の係数をかけた値を判断基準としても良い。   In the above-described embodiment, the case where the determination criterion is whether or not the 95% confidence interval set based on the statistical data of the acceleration a1 according to the angle α is used is not limited thereto. A 99% confidence interval may be provided, or a value obtained by multiplying the average value of the acceleration a1 by a certain coefficient may be used as the determination criterion.

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]
腰に装着する上装具と、
大腿部の外側に沿って配置される上フレームと、
この上フレームの上端を上記上装具に対して回動可能に連結する上連結部と、
下腿部の外側に沿って配置される下フレームと、
この下フレームの下端近くで足に装着する下装具と、
上記下フレームの下端を上記下装具に対して回動可能に連結する下連結部と、
膝関節の外側に配置され、上記下フレームの上端を上記上フレームの下端に対して膝関節が動く方向に回動可能に支持する回動支持部と、
当該装置を装着した装着者の屈伸動作をアシストする方向の駆動力を上記回動支持部に与える駆動部と、
装着者の動きに伴う加速度を検出する加速度センサと、
この加速度センサを介して装着者の動きを検出したことをトリガーとして上記回転支持部に駆動力を与えてアシスト動作を開始するように上記駆動部を制御する制御部と、
を有する膝関節動作支援装置。
[2]
上記回動支持部の回動角度を検出する角度センサをさらに有し、
上記制御部は、上記角度センサおよび上記加速度センサによる検出結果に基づいて上記駆動部を制御する、
[1]の膝関節動作支援装置。
[3]
当該装置が装着者の体側から外側へ離れないように上記下フレームの上記下端側を下腿部に保持せしめる保持具をさらに有する、
[2]の膝関節動作支援装置。
[4]
上記上連結部および上記下連結部は、それぞれ、3自由度の回動を可能にする、
[2]の膝関節動作支援装置。
[5]
上記駆動部は、
モータと、
このモータの回転を減速させて上記回動支持部に伝える減速機と、
を有する[2]の膝関節動作支援装置。
[6]
上記制御部は、上記角度センサを介して装着者がしゃがんでいることを検出した状態で、上記加速度センサを介して装着者の動きを検出した場合、装着者が立ち上がる方向にアシスト動作を開始する、
[2]の膝関節動作支援装置。
[7]
上記制御部は、上記角度センサを介して装着者が立っていることを検出した状態で、上記加速度センサを介して装着者の動きを検出した場合、装着者がしゃがむ方向にアシスト動作を開始する、
[2]の膝関節動作支援装置。
[8]
当該装置を装着した装着者が当該装置のアシスト動作を受けずに屈伸動作をしたときの上記角度センサおよび上記加速度センサの出力の統計をとった統計データを記憶した記憶部をさらに有し、
上記制御部は、当該装置によるアシスト動作中に、上記統計データに基づく通常の動作範囲から外れて装着者が動作したことを検出した場合、上記駆動部に与える駆動力を一定時間保持する、
[2]の膝関節動作支援装置。
[9]
上記制御部は、当該装置によるアシスト動作中に、上記統計データに基づく通常の動作範囲から外れて装着者が動作したことを検出して、上記駆動部に与える駆動力を保持した状態で、さらに装着者が上記通常の動作範囲を外れて動作したことを検出した場合、当該アシスト動作と逆方向のアシスト動作に切り替える、
[8]の膝関節動作支援装置。
[10]
上記制御部は、上記加速度センサを介して装着者の膝を外側へ開く動作を検出したとき、装着者が立ち上がる方向に動作をアシストし、上記加速度センサを介して装着者の膝を内側へ開く動作を検出したとき、装着者がしゃがむ方向に動作をアシストする、
[2]の膝関節動作支援装置。
Although several embodiments have been described, these embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
Hereinafter, the invention described in the scope of claims at the beginning of the application of the present application will be added.
[1]
Upper brace to be worn on the waist,
An upper frame arranged along the outside of the thigh;
An upper connecting portion that rotatably connects the upper end of the upper frame to the upper brace,
A lower frame arranged along the outside of the lower leg,
Underwear to attach to the foot near the lower end of this lower frame,
A lower connecting portion that rotatably connects the lower end of the lower frame to the lower brace,
A rotation support portion disposed outside the knee joint, and rotatably supporting the upper end of the lower frame with respect to the lower end of the upper frame in a direction in which the knee joint moves;
A driving unit that applies a driving force to the rotation support unit in a direction that assists the bending and stretching operation of the wearer wearing the device;
An acceleration sensor for detecting the acceleration accompanying the movement of the wearer;
A control unit that controls the drive unit so as to start the assist operation by applying a driving force to the rotation support unit triggered by detecting the movement of the wearer via the acceleration sensor;
A knee joint movement support device.
[2]
An angle sensor for detecting a rotation angle of the rotation support portion;
The control unit controls the driving unit based on detection results by the angle sensor and the acceleration sensor.
[1] The knee joint movement support device.
[3]
A holding tool that holds the lower end side of the lower frame on the lower leg so that the device does not move outward from the body side of the wearer;
[2] Knee joint motion support device.
[4]
The upper connecting portion and the lower connecting portion each enable rotation with three degrees of freedom.
[2] Knee joint motion support device.
[5]
The drive unit is
A motor,
A speed reducer that decelerates the rotation of the motor and transmits it to the rotation support section;
[2] The knee joint motion support device according to [2].
[6]
When the motion of the wearer is detected via the acceleration sensor in a state where the wearer is crouching via the angle sensor, the control unit starts an assist operation in a direction in which the wearer stands up. ,
[2] Knee joint motion support device.
[7]
The controller starts an assist operation in a direction in which the wearer squats when detecting the wearer's movement through the acceleration sensor in a state where the wearer is standing through the angle sensor. ,
[2] Knee joint motion support device.
[8]
A storage unit that stores statistical data obtained by statistics of the output of the angle sensor and the acceleration sensor when the wearer wearing the device performs a bending and stretching operation without receiving the assist operation of the device;
When the control unit detects that the wearer has moved out of the normal operation range based on the statistical data during the assist operation by the device, the control unit holds the driving force applied to the driving unit for a certain period of time.
[2] Knee joint motion support device.
[9]
The control unit detects that the wearer has moved out of the normal operation range based on the statistical data during the assist operation by the device, and further holds the driving force applied to the driving unit. When it is detected that the wearer operates out of the normal operation range, the assist operation is switched to the assist operation in the opposite direction to the assist operation.
[8] The knee joint movement support device.
[10]
When the control unit detects an operation of opening the wearer's knee outward through the acceleration sensor, the control unit assists the operation in the direction in which the wearer stands up, and opens the wearer's knee inward through the acceleration sensor. Assists the wearer in the direction of squatting when motion is detected,
[2] Knee joint motion support device.

2…上装具、3…上連結部、4…上フレーム、5…回動支持部、6…下フレーム、7…下連結部、8…下装具、10…駆動部、12…サーボモータ、14…電磁クラッチ、16…ロータリーエンコーダ、18…保持具、20…制御部、21、22、23…加速度センサ、25…記憶部、A…原点、B…作用点、P…装着者、T…トルク。   2 ... Upper brace, 3 ... Upper coupling part, 4 ... Upper frame, 5 ... Rotation support part, 6 ... Lower frame, 7 ... Lower coupling part, 8 ... Lower brace, 10 ... Drive part, 12 ... Servo motor, 14 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Electromagnetic clutch, 16 ... Rotary encoder, 18 ... Holder, 20 ... Control part, 21, 22, 23 ... Acceleration sensor, 25 ... Memory | storage part, A ... Origin, B ... Action point, P ... Wearer, T ... Torque .

Claims (3)

腰に装着する上装具と、
大腿部の外側に沿って配置される上フレームと、
この上フレームの上端を上記上装具に対して回動可能に連結する上連結部と、
下腿部の外側に沿って配置される下フレームと、
この下フレームの下端近くで足に装着する下装具と、
上記下フレームの下端を上記下装具に対して回動可能に連結する下連結部と、
膝関節の外側に配置され、上記下フレームの上端を上記上フレームの下端に対して膝関節が動く方向に回動可能に支持する回動支持部と、
上記回動支持部の回動角度を検出する角度センサと、
装着者の屈伸動作をアシストする方向の駆動力を上記回動支持部に与える駆動部と、
装着者の動きに伴う加速度を検出する加速度センサと、
この加速度センサを介して装着者の動きを検出したことをトリガーとして、上記角度センサおよび上記加速度センサによる検出結果に基づいて、上記回動支持部に駆動力を与えてアシスト動作を開始するように上記駆動部を制御する制御部と、
装着者がアシスト動作を受けずに屈伸動作をしたときの上記角度センサおよび上記加速度センサの出力の統計をとった統計データを記憶した記憶部と、を有し、
上記制御部は、アシスト動作中に、上記統計データに基づく通常の動作範囲から外れて装着者が動作したことを検出した場合、上記駆動部に与える駆動力を一定時間保持する、
膝関節動作支援装置。
Upper brace to be worn on the waist,
An upper frame arranged along the outside of the thigh;
An upper connecting portion that rotatably connects the upper end of the upper frame to the upper brace,
A lower frame arranged along the outside of the lower leg,
Underwear to attach to the foot near the lower end of this lower frame,
A lower connecting portion that rotatably connects the lower end of the lower frame to the lower brace,
A rotation support portion disposed outside the knee joint, and rotatably supporting the upper end of the lower frame with respect to the lower end of the upper frame in a direction in which the knee joint moves;
An angle sensor for detecting a rotation angle of the rotation support unit;
A drive unit that applies a driving force in a direction that assists the bending and stretching operation of the wearer to the rotation support unit;
An acceleration sensor for detecting the acceleration accompanying the movement of the wearer;
Using the detection of the wearer's movement through the acceleration sensor as a trigger, based on the detection results of the angle sensor and the acceleration sensor, a driving force is applied to the rotation support unit to start an assist operation. A control unit for controlling the driving unit;
A storage unit storing statistical data obtained by statistics of the output of the angle sensor and the acceleration sensor when the wearer bends and stretches without receiving an assist operation;
When the control unit detects that the wearer has moved out of the normal operation range based on the statistical data during the assist operation, the control unit holds the driving force applied to the driving unit for a certain period of time.
Knee joint movement support device.
上記制御部は、アシスト動作中に、上記統計データに基づく通常の動作範囲から外れて装着者が動作したことを検出して、上記駆動部に与える駆動力を保持した状態で、さらに装着者が上記通常の動作範囲を外れて動作したことを検出した場合、当該アシスト動作と逆方向のアシスト動作に切り替える、
請求項1の膝関節動作支援装置。
The control unit detects that the wearer has moved out of the normal operation range based on the statistical data during the assist operation, and further holds the driving force applied to the drive unit, When it is detected that the operation is out of the normal operation range, the assist operation is switched to the assist operation in the opposite direction to the assist operation.
The knee joint movement support apparatus according to claim 1 .
腰に装着する上装具と、
大腿部の外側に沿って配置される上フレームと、
この上フレームの上端を上記上装具に対して回動可能に連結する上連結部と、
下腿部の外側に沿って配置される下フレームと、
この下フレームの下端近くで足に装着する下装具と、
上記下フレームの下端を上記下装具に対して回動可能に連結する下連結部と、
膝関節の外側に配置され、上記下フレームの上端を上記上フレームの下端に対して膝関節が動く方向に回動可能に支持する回動支持部と、
上記回動支持部の回動角度を検出する角度センサと、
装着者の屈伸動作をアシストする方向の駆動力を上記回動支持部に与える駆動部と、
装着者の動きに伴う加速度を検出する加速度センサと、
この加速度センサを介して装着者の動きを検出したことをトリガーとして、上記角度センサおよび上記加速度センサによる検出結果に基づいて、上記回動支持部に駆動力を与えてアシスト動作を開始するように上記駆動部を制御する制御部と、を有し、
上記制御部は、上記加速度センサを介して装着者の膝を外側へ開く動作を検出したとき、装着者が立ち上がる方向に動作をアシストし、上記加速度センサを介して装着者の膝を内側へ閉じる動作を検出したとき、装着者がしゃがむ方向に動作をアシストする、
膝関節動作支援装置。
Upper brace to be worn on the waist,
An upper frame arranged along the outside of the thigh;
An upper connecting portion that rotatably connects the upper end of the upper frame to the upper brace,
A lower frame arranged along the outside of the lower leg,
Underwear to attach to the foot near the lower end of this lower frame,
A lower connecting portion that rotatably connects the lower end of the lower frame to the lower brace,
A rotation support portion disposed outside the knee joint, and rotatably supporting the upper end of the lower frame with respect to the lower end of the upper frame in a direction in which the knee joint moves;
An angle sensor for detecting a rotation angle of the rotation support unit;
A drive unit that applies a driving force in a direction that assists the bending and stretching operation of the wearer to the rotation support unit;
An acceleration sensor for detecting the acceleration accompanying the movement of the wearer;
Using the detection of the wearer's movement through the acceleration sensor as a trigger, based on the detection results of the angle sensor and the acceleration sensor, a driving force is applied to the rotation support unit to start an assist operation. A control unit for controlling the drive unit,
The control unit assists the operation in the direction in which the wearer stands up when detecting an operation of opening the wearer's knee outward through the acceleration sensor, and closes the wearer's knee inward through the acceleration sensor. Assists the wearer in the direction of squatting when motion is detected,
Knee joint movement support device.
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