CN105640735A - 负荷确定方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种负荷确定方法。该负荷确定方法基于检测到的作用于使用者的腿部的负荷来确定腿部处于负荷状态还是无负荷状态，其中，负荷状态为触地状态，无负荷状态为腿空闲状态，其中，在确定腿部的状态已从无负荷状态切换成负荷状态之后的预定时间段内，即使当检测到的作用于使用者的腿部的负荷变得小于阈值时，负荷确定方法确定腿部处于负荷状态，而不是确定腿部处于无负荷状态，在该阈值处确定腿部的状态已从负荷状态切换成无负荷状态。

Description

负荷确定方法

援引并入

本申请基于在2014年12月1日提交的日本专利申请第2014-242789号，并要求该日本专利申请第2014-242789号的优先权的权益，其公开内容通过引用被整体地合并到本文中。

发明背景

1.技术领域

本发明涉及负荷确定方法，并且更具体地涉及基于作用于使用者的腿部的负荷来确定腿部处于负荷状态还是无负荷状态的负荷确定方法，其中，负荷状态为触地状态，无负荷状态为腿空闲(idlingleg)状态。

2.背景技术

负荷确定方法被应用在例如辅助使用者的步态的可穿戴式机器人中，并且为了提供这种辅助，负荷确定方法确定腿部处于负荷状态还是无负荷状态，其中，负荷状态为触地状态，无负荷状态为腿空闲状态。

如图10中所示，典型的负荷确定方法确定先前的确定结果是否为负荷状态(S101)。当确定先前的确定结果为负荷状态时(S101中的是)，确定作用于使用者的腿部(例如，脚底)的负荷是否小于以下阈值(无负荷确定阈值)：在该阈值处确定腿部的状态已从负荷状态切换成无负荷状态(S102)。当作用于使用者的腿部的负荷小于无负荷确定阈值时(S102中的是)，确定腿部处于无负荷状态(S103)。另一方面，当作用于使用者的腿部的负荷等于或大于无负荷确定阈值时(S102中的否)，确定保持负荷状态(S104)。

当先前的确定结果为无负荷状态时(S101中的否)，确定作用于使用者的腿部的负荷是否大于以下阈值(负荷确定阈值)：在该阈值处确定腿部的状态已从无负荷状态切换成负荷状态(S105)。当作用于使用者的腿部的负荷大于负荷确定阈值时(S105中的是)，确定腿部处于负荷状态(S104)。另一方面，当作用于使用者的腿部的负荷等于或小于负荷确定阈值时(S105中的否)，确定保持无负荷状态(S103)。

日本未审查专利申请公开第2014-184086号公开了一种行走辅助装置，该行走辅助装置基于作用于使用者的右脚底和左脚底的负荷来确定施加于右膝关节和左膝关节的辅助力。

根据典型的负荷确定方法，当作用于使用者的腿部的负荷的检测准确度根据使用者在行走期间在地面上放置其脚跟的方式而下降并且甚至在如图11中所示的片刻内检测到的负荷变得小于无负荷确定阈值时，负荷状态被错误地确定为无负荷状态。

发明内容

为了解决以上问题做出了本发明，并且本发明的目的在于提供能够在确定使用者的腿部是否处于负荷状态时抑制错误确定的负荷确定方法。

根据本发明的一个实施例的负荷确定方法基于检测到的作用于使用者的腿部的负荷来确定腿部处于负荷状态还是无负荷状态，其中，负荷状态为触地状态，无负荷状态为腿空闲状态，其中，在确定腿部的状态已从无负荷状态切换成负荷状态之后的预定时间段内，即使当检测到的作用于使用者的腿部的负荷变得小于阈值时，负荷确定方法确定腿部处于负荷状态，而不是确定腿部处于无负荷状态，在该阈值处确定腿部的状态已从负荷状态切换成无负荷状态。

在以上负荷确定方法中，优选地由单轴负荷传感器检测作用于使用者的腿部的负荷。

如上所述，可以提供能够在确定使用者的腿部是否处于负荷状态时抑制错误确定的负荷确定方法。

根据在下文中给出的详细描述以及仅通过图示方式给出的以及由此不应视为限制本发明的附图将全面地理解本发明的以上及其它目的、特征和优势。

附图说明

图1是示意性示出根据第一实施例的可穿戴式机器人被附接至使用者的膝关节的状态的图；

图2是示出根据第一实施例的可穿戴式机器人的控制系统的框图；

图3是示出负荷检测单元的负荷传感器的布置的图；

图4是示出根据第一实施例的负荷确定程序的过程流的图；

图5是示出作用于脚底的总负荷与时间之间的关系以及确定结果的图；

图6是示出根据第二实施例的负荷确定程序的过程流的图；

图7是示出根据第三实施例的负荷确定程序的过程流的图；

图8是示意性示出在根据第四实施例的负荷确定方法中使用的踏车的图；

图9是示出执行根据第四实施例的负荷确定方法的控制系统的框图；

图10是示出根据相关技术的负荷确定方法的流程图；以及

图11是示出根据相关技术的作用于脚底的总负荷与时间之间的关系以及确定结果的图。

具体实施方式

在下文中，参考附图，将描述实现本发明的最佳模式。应当注意的是，本发明不限于以下实施例。此外，为了描述清楚，适当地简化了以下描述和附图。

<第一实施例>

首先，将描述执行根据本实施例的负荷确定方法的可穿戴式机器人的基本结构。图1是示意性示出根据本实施例的可穿戴式机器人被附接至使用者的膝关节的状态的图。图2是示出根据本实施例的可穿戴式机器人的控制系统的框图。图3是示出负荷检测单元的负荷传感器的布置的图。

如图1和图2中所示，可穿戴式机器人1包括第一连杆(link)2、第二连杆3、脚部4、致动器5、角检测单元6、负荷检测单元7以及控制装置8。第一连杆2通过固定带2a被固定至使用者的大腿部。第二连杆3通过固定带3a被固定至使用者的小腿部。第一连杆2的下端部和第二连杆3的上端部通过沿可穿戴式机器人1的水平方向延伸的轴9彼此耦接，并且第一连杆2和第二连杆3可以绕轴9相对旋转。

脚部4包括脚底支撑部4a，使用者的脚底放置在脚底支撑部4a上。从脚底支撑部4a突出的突出部4b与第二连杆3的下端部通过沿可穿戴式机器人1的水平方向延伸的轴10彼此耦接，并且脚部4和第二连杆3可以绕轴10相对彼此旋转。

致动器5包括例如电动机、减速齿轮等，并且经由减速齿轮将电动机的驱动力传输至轴9，使得第一连杆2和第二连杆3相对彼此旋转。

角检测单元6被设置在例如致动器5中，并且检测第一连杆2相对于第二连杆3的旋转角，以将检测信号输出至控制装置8。典型的角检测装置可以被用作角检测单元6。角检测单元6可以是例如编码器。

负荷检测单元7包括设置在脚部4的脚底支撑部4a的上表面上的多个负荷传感器7a。负荷检测单元7检测作用于使用者的脚底的总负荷，并且将检测信号输出至控制装置8。在本实施例中，单轴负荷传感器被用作负荷传感器7a。如图3中所示，右和左负荷传感器7a被彼此间隔地设置在使用者的脚底的指球(ball)部分接触的脚底支撑部4a的区域以及使用者的脚底的脚跟部分接触的脚底支撑部4a的区域中的每个区域中。

控制装置8执行负荷确定程序11或控制程序12，并且基于从角检测单元6和负荷检测单元7输入的检测信号来控制致动器5。

负荷确定程序11包括总负荷计算单元13和负荷确定单元14。总负荷计算单元13使控制装置8执行用于基于从负荷检测单元7输入的检测信号计算作用于使用者的脚底的总负荷的处理。

虽然稍后将描述负荷确定单元14的操作的细节，但是负荷确定单元14使控制装置8执行用于基于负荷检测单元7检测到的作用于使用者的脚底的总负荷来确定使用者的腿部处于负荷状态还是无负荷状态的处理，其中，负荷状态为触地状态，无负荷状态为腿空闲状态。在确定腿部的状态已从无负荷状态切换成负荷状态之后的预定时间段(无负荷确定取消时间)内(即，确定腿部处于负荷状态之后经过的时间)，即使在作用于脚底的总负荷小于阈值(无负荷确定阈值)时，负荷确定单元14使控制装置8执行用于确定腿部处于负荷状态而不是确定腿部处于无负荷状态的处理，在该阈值处确定腿部的状态已从负荷状态切换成无负荷状态。

控制程序12是用于执行正常辅助操作的程序，并且使控制装置8执行用于基于从角检测单元6输入的检测信号来控制致动器5的处理，使得第一连杆2相对于第二连杆3的旋转角变成预定角。

接下来，将描述根据本实施例的负荷确定程序11的过程流。图4是示出根据本实施例的负荷确定程序的过程流的图。图5是示出作用于脚底的总负荷与时间之间的关系以及确定结果的图。

首先，如图4中所示，控制装置8确定先前的确定结果是否为负荷状态(S1)。当先前的确定结果为负荷状态时(S1中的是)，控制装置8确定在确定腿部处于负荷状态之后经过的时间是否超过无负荷确定取消时间(S2)。例如，可以对从使用者的脚跟撞击地面的时间到脚底完全接触地面的时间的时间段进行采样，并且可以基于采样的结果来适当地设定无负荷确定取消时间。可替选地，例如，在正常步态中，可以对从使用者的脚跟撞击地面的时间到使用者的脚跟离开地面的时间的时间段进行采样，并且可以基于采样的结果来适当地设定无负荷确定取消时间。

当确定腿部处于负荷状态之后经过的时间超过无负荷确定取消时间时(S2中的是)，控制装置8基于来自负荷检测单元7的检测信号来计算作用于使用者的脚底的总负荷，以确定计算出的总负荷是否小于无负荷确定阈值(S3)。

另一方面，当确定腿部处于负荷状态之后经过的时间等于或低于无负荷确定取消时间时(S2中的否)，控制装置8确定腿部处于负荷状态(S4)。当确定腿部处于负荷状态时，控制装置8在使用者的腿部处于腿站立状态的情况下执行正常辅助控制。

当计算出的总负荷小于无负荷确定阈值时(S3中的是)，控制装置8确定腿部处于无负荷状态(S5)。当确定腿部处于无负荷状态时，控制装置8在使用者的腿部处于腿空闲状态的情况下执行正常辅助控制。

另一方面，当计算出的总负荷等于或大于无负荷确定阈值时(S3中的否)，控制装置8确定腿部处于负荷状态(S4)。当确定腿部处于负荷状态时，控制装置8在使用者的腿部处于腿站立状态的情况下执行正常辅助控制。

当先前的确定结果为无负荷状态时(S1中的否)，控制装置8基于来自负荷检测单元7的检测信号来计算作用于使用者的脚底的总负荷，以确定计算出的总负荷是否大于以下阈值(负荷确定阈值)：在该阈值处确定腿部的状态已从无负荷状态切换成负荷状态(S6)。

当计算出的总负荷大于负荷确定阈值时(S6中的是)，控制装置8确定腿部处于负荷状态(S4)。当确定腿部处于负荷状态时，控制装置8在使用者的腿部处于腿站立状态的情况下执行正常辅助控制。

另一方面，当计算出的总负荷等于或小于负荷确定阈值时(S6中的否)，控制装置8确定腿部处于无负荷状态(S5)。当确定腿部处于无负荷状态时，控制装置8在使用者的腿部处于腿空闲状态的情况下执行正常辅助控制。

如上所述，并且如图5中所示，直到确定腿部处于负荷状态之后经过的时间超过无负荷确定取消时间，甚至在片刻内负荷检测单元7检测到的作用于使用者的脚底的总负荷变得小于无负荷确定阈值时，腿部的状态也被确定为负荷状态。因此，甚至在片刻内负荷检测单元7的检测准确度例如由于使用者的步态而降低并且已检测的总负荷小于无负荷确定阈值时，也能够抑制腿部的状态已被切换成无负荷状态的错误确定。

如上所述，当单轴负荷传感器被用作负荷传感器时，负荷检测单元7的检测准确度可能例如由于使用者的步态而降低。当多轴负荷传感器被用作负荷传感器时，能够抑制负荷检测单元7的检测准确度的降低。然而，多轴负荷传感器比单轴负荷传感器贵并且比单轴负荷传感器尺寸大。依照根据本实施例的负荷确定方法，即使在单轴负荷传感器被用作负荷传感器时也能够防止腿部的状态已被切换成无负荷状态的错误确定，从而能够廉价地制造可穿戴式机器人1并且减小可穿戴式机器人1的尺寸。

<第二实施例>

图6是示出根据本实施例的负荷确定程序的过程流的图。如图6中所示，与根据第一实施例的负荷确定程序的过程流相比，在根据第二实施例的负荷确定程序的过程流中，确定在确定腿部处于负荷状态之后经过的时间是否超过无负荷确定取消时间的过程以及确定计算出的总负荷是否小于无负荷确定阈值的过程可以彼此相互替换。

也就是说，在本实施例中，在执行确定计算出的总负荷是否小于无负荷确定阈值的过程(S21)之后，执行确定在确定腿部处于负荷状态之后经过的时间是否超过无负荷确定取消时间的过程(S22)。

<第三实施例>

图7是示出根据本实施例的负荷确定程序的过程流的图。如图7中所示，与根据第一实施例的负荷确定程序的过程流相比，在根据第三实施例的负荷确定程序的过程流中，确定在确定腿部处于负荷状态之后经过的时间是否超过无负荷确定取消时间的过程以及确定计算出的总负荷是否小于无负荷确定阈值的过程可以在一个过程中执行。

也就是说，在本实施例中，确定计算出的总负荷是否小于无负荷确定阈值以及确定腿部处于负荷状态之后经过的时间是否超过无负荷确定取消时间(S31)。当满足两个条件时(S31中的是)，确定腿部处于无负荷状态(S5)。当不满足条件中的至少一个时(S31中的否)，确定腿部处于负荷状态(S4)。

<第四实施例>

在以上实施例中基于安装在可穿戴式机器人中的负荷检测单元7检测的负荷来确定使用者的腿部处于负荷状态还是无负荷状态。当使用者在穿戴该可穿戴式机器人的情况下例如使用踏车进行复健时，可以基于在安装在踏车上的负荷检测单元中检测的负荷来确定使用者的腿部处于负荷状态还是无负荷状态。

图8是示意性示出在根据本实施例的负荷确定方法中使用的踏车的图。图9是示出执行根据本实施例的负荷确定方法的控制系统的框图。因为根据本实施例的负荷确定方法类似于第一实施例中的负荷确定方法，所以将省略详细描述。

如图8中所示，根据本实施例的踏车41包括：布置在相应切开部分中的辊43和44，其中相应切开部分被形成在框42的前部和后部中；以及平行地布置在踏车41的右部和左部中的环带45和46，环带45和46按照使得框42被包含在环带45和46内的方式被传到辊43和44。旋转驱动力从驱动设备(未示出)被传输至辊43和44中的至少一个，这转动环带45和46。

多个负荷传感器47a被设置在踏车41的框42的上表面上以作为负荷检测单元47，使得多个负荷传感器47a与环带45和46的内周表面相对。如图9中所示，用有线或无线的方式将来自相应负荷传感器47a的检测信号输出至可穿戴式机器人的控制装置8。

因此，当使用者将其左腿放在环带45上并且将其右腿放在环带46上时，可以由负荷传感器47a来检测作用于环带45和46中的每个的负荷。控制装置8基于从负荷传感器47a输入的检测信号来计算作用于使用者的左脚底的总负荷以及作用于使用者的右脚底的总负荷。然后控制装置8基于计算出的作用于使用者的左脚底的总负荷或计算出的作用于使用者的右脚底的总负荷，确定使用者的至少在附接有可穿戴式机器人的侧上的腿部处于负荷状态还是无负荷状态。

根据如此描述的发明，明显的是，本发明的实施例可以以许多方式改变。这些变化不应被视为脱离本发明的精神和范围，并且如对于本领域的技术人员是明显的所有这样的修改意在包括在所附权利要求的范围内。

虽然在以上实施例中基于确定腿部处于负荷状态之后经过的时间是否超过无负荷确定取消时间来确定使用者的腿部处于负荷状态还是无负荷状态，但是本发明不限于这种情况。例如，可以基于在确定腿部处于负荷状态之后经过的时间内负荷的积分值是否超过以下阈值来确定使用者的腿部处于负荷状态还是无负荷状态：在该阈值处确定腿部的状态已从负荷状态切换成无负荷状态。

虽然在以上实施例中使用多个负荷传感器执行对腿部的负荷的确定，但是可以使用一个负荷传感器执行对腿部的负荷的确定。

虽然在以上实施例中使用软件资源实现控制方法，但是也可以使用硬件资源实现控制方法。

Claims (2)

1.一种负荷确定方法，该方法基于检测到的作用于使用者的腿部的负荷来确定所述腿部处于负荷状态还是无负荷状态，其中，所述负荷状态为触地状态，所述无负荷状态为腿空闲状态，

其中，在确定所述腿部的状态已从所述无负荷状态切换成所述负荷状态之后的预定时间段内，即使当检测到的作用于所述使用者的所述腿部的所述负荷变得小于阈值时，所述负荷确定方法确定所述腿部处于所述负荷状态，而不是确定所述腿部处于所述无负荷状态，在所述阈值处确定所述腿部的状态已从所述负荷状态切换成所述无负荷状态。

2.根据权利要求1所述的负荷确定方法，其中，由单轴负荷传感器检测所述作用于使用者的腿部的负荷。