CN111315544B - 步行移动辅助装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种结构简单的可以辅助使用者的步行移动而不引起使用者不适的非常通用的步行移动辅助装置。步行移动辅助装置(1、101)包括：辅助驱动单元(2、3、4；104、114、115)，其被使用者U穿戴在步行移动所需的预定关节上，并且被配置为能够驱动以辅助伴随着步行移动的预定关节运动；上身移动检测单元(6、107)，其设置在所述使用者U的躯干上，并且检测指示所述用户U的上身移动的重心C的位移(Gy、Gx)；以及控制装置5、105，其控制所述辅助驱动单元的操作。所述控制装置5、105基于所述上身移动检测单元的检测结果来估计所述使用者U的步行移动的相位(Φ)，并且以预定相位驱动所述辅助驱动单元。

Description

步行移动辅助装置
技术领域
本公开涉及被配置为由使用者穿戴以辅助使用者的行进运动的行进运动辅助装置。
背景技术
近年来，已经在用于福利和医疗应用的可穿戴运动辅助装置方面进行了积极的研究。已知协调控制是针对这种运动辅助装置的这种控制方法之一。协调控制旨在实现人与装置之间的协调移动(例如，参见专利文献1和2)。在专利文献1中描述的协调控制中，相位获取单元由相互作用力检测传感器、关节角度传感器和相位估计单元形成：相互作用力检测传感器检测使用者的关节运动与运动辅助装置的对应关节运动之间的相互作用力；关节角度传感器检测运动辅助装置的关节的关节角度；相位估计单元基于检测到的相互作用力和关节角度来估计使用者关节的运动的相位，并且基于使用使用者关节的运动的相位作为输入振荡的相位振荡器模型来执行运动辅助装置的关节的协调控制。根据专利文献2，通过基于髋关节和髋关节致动器之间产生的相互作用力使用髋关节神经振荡器来执行协调控制。
另外已知的是一种可穿戴运动辅助装置，该可穿戴运动辅助装置设置有负载测量单元，该负载测量单元包括至少两个反作用力传感器，该反作用力传感器紧密地附接到使用者脚掌上的不同点，以经由静电电容的变化来检测使用者的体重移动，使得可以用负载测量单元检测到的负载来估计使用者的重心位置。驱动电机的驱动定时随使用者向前踏步的移动而定时。参见专利文献3。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：WO2013/0097747
专利文献2：JP2017-46977A
专利文献3：WO2009/084387
发明内容
本发明要实现的任务
然而，在专利文献1和2中描述的运动辅助装置中，根据待辅助的使用者的关节与辅助装置的关节之间的相互作用力来控制辅助装置的关节(致动器)，使得相互作用力由于辅助装置的关节产生的辅助力而变化。换句话说，运动辅助装置的传感器检测到的物理量是运动辅助装置与使用者之间相互作用的结果，而不是单单由于使用者的移动引起的。因此，辅助力越强并且运动辅助装置上的质量、摩擦和惯性矩相对于使用者的质量、摩擦和惯性矩越大，使用者的运动变得越小，并且使用者运动对相互作用的效果变得越小。因此，当基于根据运动辅助装置的关节的移动而变化的相互作用力来执行控制时，使用者感觉到移动就好像是被运动辅助装置迫使一样，会有某种不适的体验。
此外，根据专利文献3中公开的运动辅助装置，在左脚和右脚中的每一个上需要设置两个或更多个反作用力传感器，或者总共需要四个或更多个反作用力传感器。通过在使用者的脚的脚趾和脚后跟上设置反作用力传感器，可以检测使用者的体重的施加点，但是不能根据反作用力传感器的检测数据来准确地估计使用者的重心。例如，如果使用者不能够像健康人一样移动踝关节，则所估计的重心与实际的重心之间的偏差会很大。如果基于错误识别的重心施加辅助力，则使用者在保持步态和平衡时会有某种不适的体验。因此，尽管专利文献3中公开的运动辅助装置可以检测到使用者脚的着地和抬起的定时，并且可以基于检测到的定时来驱动驱动电机，但是不能以与检测定时不同的更准确定时来驱动驱动电机。因此，在可以应用控制的辅助模式的范围上存在很大的限制，使得运动辅助装置的通用性受到限制。
鉴于现有技术的这种问题，本发明的主要目的是提供一种结构简单、能够在不引起任何不适的情况下辅助使用者的行进运动并具有高度通用性的行进运动辅助装置。
实现任务的手段
为了实现这种目的，本发明提供了一种被配置为由使用者穿戴以辅助所述使用者(U)的行进运动的行进运动辅助装置(1、101)，该行进运动辅助装置包括：辅助驱动单元(2、3、4；104、114、115)，其被配置为被穿戴在所述使用者的行进运动所需的所述使用者的预定关节上，并且被驱动以辅助与所述行进运动关联的预定关节移动；躯干运动检测单元(6、107)，其被配置为被穿戴在所述使用者的躯干(上身)上，并且检测所述使用者的躯干(上身)的运动(重心C的移位)；以及控制单元(5、105)，其被配置为控制所述辅助驱动单元的操作；其中，所述控制单元根据所述躯干运动检测单元的检测结果来估计所述使用者的所述行进运动的相位(Φ)，并且以预定相位驱动所述辅助驱动单元。
这里，术语“行进运动”包括行走运动以及跑动运动。另外，术语“辅助关节移动”包括对使用者的身体施加辅助力或辅助扭矩的任何动作以及刺激肌肉以鼓励使用者关节移动的动作。“躯干移动”包括使用者的重心或躯干的重心的移位，并且重心的移位可以意指重心位置的变化量以及重心的速度和加速度。
由于人的行进动作是使人体的重心移动的人体各部位的移动的组合，因此优选的是，基于重心的移位来控制辅助关节运动的辅助驱动单元。根据本配置，控制单元基于使用者重心的移位来估计使用者的行进运动的相位，并且以暗示或表示预定重心位置的预定相位来驱动辅助驱动单元。因此，可以在所期望的重心位置处辅助关节移动，并且行进运动辅助装置的通用性高。另外，因为基于其处(通过反馈)出现支持动作的重心来辅助使用者的运动，所以可以通过支持关节运动来辅助行进运动，而没有造成在运动的使用者U不适。另外，安装在使用者躯干中的躯干运动检测单元可以检测使用者重心的移位，使得结构可以得以简化。
优选地，所述控制单元(5、105)被配置为根据所述躯干运动检测单元(6、107)的检测结果来估计所述使用者(U)的腿的着地定时(0[rad])，并且以相对于所估计的所述着地定时的预定相位差(β)来驱动所述辅助驱动单元(2、3、4；104、114、115)。
由于可以在着地定时基于重心的位置来操作辅助驱动单元，所以可以以多种模式执行运动辅助，使得通用性可以增强。
优选地，所述躯干运动检测单元包括检测所述使用者的躯干的加速度(Gx、Gy)的加速度传感器(6、107)。
可以通过使用价格低的加速度传感器来检测使用者重心的移位。
优选地，所述加速度传感器包括检测所述使用者(U)的躯干的横向加速度(Gy)的横向加速度传感器(6)。
在人的行进运动中，当左右腿交替地着地时，重心在横向方向上移动。通过检测以与使用者的右腿和左腿对应的方式产生的使用者的横向加速度，可以估计使用者的行进运动的相位，包括区分左右。
优选地，所述加速度传感器包括检测所述使用者(U)的躯干的竖直加速度(Gx)的竖直加速度传感器(107)。
在人的行进运动中，腿的着地和抬高是行进运动中的主要瞬时事件，其出现与躯干的竖直加速度的相关性强。根据该布置，通过检测与行进运动中的事件具有强相关性的竖直加速度，可以以高精度估计使用者的行进运动的相位。
优选地，所述辅助驱动单元(2、3、4)被配置为向所述使用者的股骨部分施加辅助力(τ)，以辅助所述使用者(U)的髋关节进行屈曲运动和伸展运动。
由此，可以辅助作为主要因素并且在行进运动中需要大的力的髋关节的屈曲运动和伸展运动。
优选地，所述辅助驱动单元(104、114、115)被配置为向所述使用者的脚施加辅助力，以辅助所述使用者的踝关节进行跖屈运动和背屈运动。
由此，可以辅助踝关节的跖屈和背屈，踝关节的跖屈和背屈是行进运动的主要因素，并且对重力移位的影响强。
优选地，所述控制单元被配置为与所述使用者(U)的躯干的移动协调地驱动所述辅助驱动单元(2、3、4；104、114、115)。
由此，可以与使用者的躯干的移动协调地辅助与行进动作关联的预定关节动作，使得防止了使用者有不适的体验。
优选地，所述控制单元(5、105)被配置为基于所述使用者的躯干的至少旋转速度或倾斜角度与所述使用者(U)的躯干的移动协调地驱动所述辅助驱动单元(2、3、4；104、114、115)。
由此，即使在使用者正在按难波(Namba)行走(双轴行走)行进的情况下，也可以与使用者的躯干的扭转移动(横摆移动)协调地辅助与行进动作关联的预定关节动作。
本发明的效果
因此，本发明提供了一种结构简单，能够在不引起任何不适的情况下辅助使用者的行进运动并具有高度通用性的行进运动辅助装置。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施方式的行走运动辅助装置的立体图；
图2是示出了重心位置的在行走运动的人的侧视图；
图3是以恒定速度行走的人的重心位置的时间图；
图4是示出了图1中示出的控制单元的结构的框图；
图5是示出了图4中示出的横向位移相位计算单元的结构的框图；
图6是图5中示出的第一低通滤波器的伯德图(Bode diagram)；
图7是例示了重心的横向位移相位的示图；
图8是示出了图4中示出的横向位移相位校正单元的结构的框图；
图9是示出了重心的横向位移相位和腿的相位的时间图；
图10是示出了图4中示出的振荡器相位计算单元的结构的框图；
图11是示出了图4中示出的辅助力确定单元的结构的框图；
图12是示出了由图4中示出的控制单元执行的控制处理的流程图；
图13是示出了图12中示出的计算重心的横向位移相位的处理的流程图；
图14是根据本发明的第二实施方式的行走运动辅助装置的侧视图；
图15是示出了图14中示出的控制单元的结构的框图；以及
图16是示出了人在行走运动期间踝关节的移动的时间图。
具体实施方式
随后，参照附图详细地描述本发明的实施方式。在附图标记上附加字母“L”和“R”，以区分腿和其他对象的左右，但是当区分左右无关时或者当使用不需要区分左右的向量表达时，可以省略这样的字母。符号“+”和“-”用于区分腿(尤其是股骨部分)的屈曲运动(向前运动)和腿的伸展运动(向后运动)。
首先，随后参照图1至图13来描述本发明的第一实施方式。图1是根据第一实施方式的行走运动辅助装置1的立体图。如图1中所示，行走运动辅助装置1设置有：主框架2，其被配置为被装配在使用者U或人P的躯干上；一对子框架3L、3R，其附接到使用者U的相应腿并连接到主框架2，以便能围绕使用者U的髋关节移动；一对驱动源4L、4R，其用于将左子框架3L和右子框架3R分别相对于主框架2移动；控制单元5(参见图4)，其被配置为控制左驱动源4L和右驱动源4R的移动；横向加速度传感器6，其被布置在主框架2上，以检测使用者U的躯干的横向加速度Gy；以及电池(未示出)，其用于向左驱动源4L和右驱动源4R供应电力；以及控制单元5。
主框架2由诸如硬质树脂或金属这样的刚性材料和诸如纤维这样的柔性材料的组合构成，并且被形成为弯曲形状，以从后方紧紧包裹在使用者的腰上，并且通过连接到主框架2的皮带11附接到腰。由柔性材料形成的腰支撑件12附接到主框架2的前部(在其与使用者U的腰部分的后部相对的部分)。
每个子框架3L、3R均设置有腿支撑件13L、13R和臂部分14L、14R。腿支撑件13包含刚性材料和柔性材料的组合，并且在对应侧附接到使用者的股骨部分。臂部分14由硬质树脂或金属形成并且沿着股骨部分向下延伸，以将驱动源4的输出轴与对应的腿支撑件13连接。换句话说，子框架3L、3R经由驱动源4连接到主框架2。
每个驱动源4均设置有电机，并且按需要设置有减速机构和柔顺机构中的一者或二者。驱动源4通过从电池接收受控制的电力来向臂部分14施加动力，从而在控制单元5的控制下提供所需的辅助力τ(辅助扭矩)。施加到臂部分14的动力经由腿支撑件13被传递到使用者U的股骨部分。
横向加速度传感器6检测主框架2的靠近使用者U的重心C的部分中的横向加速度Gy，并且输出与横向加速度Gy对应的信号。由横向加速度传感器6提供的表示横向加速度Gy的信号被转发到控制单元5。
图2是示出行走期间人P的重心C的位置的侧视图。人P通过屈曲和伸展左腿和右腿(下肢)来行走。人P的行走运动是左右腿、左右臂和躯干围绕人P的重心C进行的移动的组合。在基部额面上，人P的重心C略高于髋关节。换句话说，可以通过使用横向加速度传感器6(图1)检测主框架2的靠近人P的重心C的部分来以模拟的方式检测使用者U的重心C的横向加速度Gy。
当人P行走时，人P的重心C在竖直、水平和前后方向上移动。当人P以恒定的步幅行走而人P的重心C相对于竖直方向的位置在整个行走周期中求平均时是恒定的时，人P的重心C相对于竖直方向的位置在每个行走周期期间有变化。人P的重心C相对于初始值(诸如，在使用者处于直立姿势时接通行走辅助装置的电源时的值)的竖直位移被称为重心C的竖直位置Px。类似地，当人P笔直行走而人P的重心C相对于横向方向的位置在整个行走周期中求平均时是恒定的时，人P的重心C相对于横向方向的位置在每个行走周期期间有变化。人P的重心C相对于初始值的横向位移被称为重心C的横向位置Py。当人P正在以恒定速度行走而人P的重心C相对于前后方向的速度在整个行走周期中求平均时是恒定的时，人P的重心C相对于前后方向的速度在每个行走周期期间有变化。换句话说，人P的重心C的前后位置相对于在每个行走周期期间以平均速度行进的人的假想重心而变化。重心C相对于假想重心的前后位移被称为重心C的前后位置。
左腿和右腿的屈伸移动造成左髋关节角度θL和右髋关节角度θR对应地变化。髋关节角度θL、θR被定义为当从矢状面的法线方向观察人P时代表基部额面的直线段和代表股骨部分的直线段之间的角度。当股骨部分从基部额面(向前)屈曲时，髋关节角度θL、θR为正(+)，并且当股骨部分从基部额面(向后)伸展时，髋关节角度θL、θR为负(-)。臂的屈伸移动造成肩关节角度对应地变化，并且通过产生与腿的屈伸移动关联的反作用力，减少了躯干的扭转移动。
如图1所示，电池被固定到主框架2，以便被容纳在例如主框架2内，并且向控制单元5和驱动源4L、4R供应电力。控制单元5和电池可以附接到或接纳在子框架3中，但是也可以与行走运动辅助装置1分开地设置。
控制单元5由包括全部被接纳在主框架2中的CPU、RAM、ROM等的电子电路单元构成，并且被配置为执行用于操作驱动源4L、4R因此用于控制作用在使用者U身上的辅助力τ的控制处理。控制单元5被配置为执行预定的算术处理意味着，包括控制单元5的中央处理单元(CPU)被编程，以从存储装置(存储器)读取必要的数据和应用软件，并且根据该软件执行预定的算术处理。
因此配置的行走运动辅助装置1经由主框架2以及子框架3L和3R向使用者U施加由电池供电的驱动源4的动力(辅助力τ)作为行走辅助来辅助穿戴该装置的使用者U的行走运动。
接下来，参照图3，描述行走运动期间人P的重心C的位置的变化。图3是示出以恒定速度行走时人P的重心C的位置的时间图。该曲线图的水平轴表示时间，并且该曲线图的竖直轴表示重心C的位置。重心C的位置分解为分别沿着三个轴延伸的三个分量，因此被用竖直位置Px、横向位置Py和前后位置Pz来表示。沿着竖直轴的正方向对应于向上方向、向左方向和向前方向，并且沿着竖直轴的负方向对应于向下方向、向右方向和向后方向。图3还示出了左右脚传感器的输出。每个脚传感器均被配置为检测脚后跟和脚趾上的压力，并且当脚后跟着地时，生成“1”，当脚趾着地时，生成“2”，并且当脚掌完全着地或者脚没有着地时，生成“0”。在曲线图的右侧示出了脚传感器的输出比例。左腿先着地，之后右腿抬离地面，并且在右腿着地之后，将左腿抬离地面。
重心C的竖直位置Px的周期时段是行走周期的1/2，并且按当左腿和右腿中的每个着地或离地时出现低峰并且在随后的低峰之间出现高峰这样的方式移位。重心C的横向位置Py的周期时段等于行走周期，并且通常在右脚着地时(在约4.4秒至5秒的时段期间)向右移动而在右脚没有着地时(通常在左脚着地时)向左移动。重心C的前后位置Pz的周期时段是行走周期的1/2，并且按在左腿和右腿中的每个着地之后就出现后峰并且恰在左腿和右腿中的每个离地之前出现前峰这样的方式移位。
因此，重心C的竖直位置Px、横向位置Py以及前后位置Pz以一定方式与行走周期相关。因此，可以通过检测这些位置中的至少一个来估计行走周期的相位。在本实施方式中，通过横向加速度传感器6检测重心C的横向加速度Gy，并且控制单元5用检测到的横向加速度Gy来计算重心C的横向位置Py以估计行走运动的相位，并且控制单元5控制驱动源4使得以预定相位生成辅助力τ。
下面，描述控制单元5。图4是示出了图1中示出的控制单元5的配置的框图。如图4中所示，控制单元5设置有横向位移相位计算单元21，横向位移相位计算单元21通过基于横向加速度传感器6检测到的重心C的横向加速度Gy执行下述计算处理来计算诸如横向位移相位Φ(使用者U的行走运动中的重心C的相位)和行走频率freq这样的各种值。另外，控制单元5设置有：横向位移相位校正单元22，其对由横向位移相位计算单元21计算出的横向位移相位Φ进行校正；以及辅助力计算单元23，其通过基于由横向位移相位校正单元22校正的横向位移相位Φ执行计算处理(随后描述)来计算左腿和右腿的辅助力τ(τL、τR)。
辅助力计算单元23包括：振荡器相位计算单元24，其通过基于由横向位移相位校正单元22校正的横向位移相位Φ和行走频率freq使用与穿戴行走运动辅助装置1的使用者U的行走频率freq对应的相位振荡器执行计算处理来计算与横向位移相位Φ协调振荡的相位振荡器的振荡器相位Φc；以及辅助力确定单元25，其通过基于由振荡器相位计算单元24计算的振荡器相位Φc执行(下文中将描述的)计算处理来确定将施加到右腿和左腿的辅助力τ。
另外，控制单元5具有用于存储目标相位差β的目标值存储单元26，目标相位差β供辅助力计算单元23计算辅助力τ时参考。目标相位差β是通过诸如平板装置这样的输入接口27的操作来输入的。输入接口27可以或可以不被装入控制单元5中。
当接通电源并对其通电时，控制单元5驱动所述驱动源4L和4R，以施加用横向加速度传感器6的输出确定的辅助力τL和τR。
接下来，下面描述本实施方式的图4中示出的横向位移相位计算单元21。如图5的框图中所示，横向位移相位计算单元21具有执行各种计算或者执行随后将描述的处理的各种功能单元(31至38)。横向位移相位计算单元21以控制单元5的预定计算周期来执行这些功能单元中的每一个的处理。下面，独立地描述每个功能单元。
横向位移相位计算单元21首先在控制单元5的每个处理周期中执行第一低通滤波器31的处理。第一低通滤波器31截止与由横向加速度传感器6输出的重心C的横向加速度Gy对应的信号中的高频分量，并且执行低通(高截)处理以允许低频分量通过。图6示出了第一低通滤波器31的伯德图。如(A)中的增益图所示出的，优选的是，第一低通滤波器31的截止频率被设置为比与使用者U的行走移动关联的常规行走频率高的频率(2Hz至3Hz)。另外，如(B)中的相位图中所示，经第一低通滤波器31处理的重心C的横向加速度Gyf具有被表示为频率的算术函数的相位特性Φ1f(freq)。
在第一低通滤波器31的处理之后，横向位移相位计算单元21执行如图5中所示的横向速度计算单元32的处理。横向速度计算单元32通过对经第一低通滤波器31处理的重心C的横向加速度Gyf进行积分来计算重心C的横向速度Vy，如下面给出的式(1)中所示。
Py＝ΣGyf……(1)
在横向速度计算单元32的处理之后，横向位移相位计算单元21执行如图5中所示的横向位置计算单元33的处理。横向位置计算单元33通过对由横向速度计算单元32计算出的重心C的横向速度Vy进行积分来计算重心C的横向位置Py，如下面给出的式(2)中所示。
Py＝ΣVy……(2)
在横向位置计算单元33的处理之后，横向位移相位计算单元21执行如图5中所示的横向位置归一化单元34的处理。横向位置归一化单元34使用前一行走周期中的横向位置Py的最大值和最小值根据预定规则对由横向位置计算单元33计算出的当前横向位置Py进行归一化，并且输出归一化的横向位置Pyn。更具体地，横向位置归一化单元34通过执行下面给出的式(3)的计算(根据算术规则)对重心C的横向位置Py进行归一化。
Pyn＝(Py-(PyMAX+PyMIN)/2)/{(PyMAX-PyMIN)/2}……(3)
其中，PyMAX是在前一行走周期中的最大横向位置，并且PyMIN是前一行走周期中的最小横向位置。
以上给出的式(3)中的横向位置Pyn的分子表示偏移量的去除，使得在前一行走周期中的行走运动中的横向位置Py的正峰和负峰的绝对值彼此相等，并且分母表示前一行走周期中的行走运动中的横向位置Py的幅度。因此，当使用者U执行行走运动时，通过执行式(3)的运算，由横向位置归一化单元34对横向位置Py进行归一化。
在横向速度计算单元32的处理之后，横向位移相位计算单元21执行如图5中所示的横向速度归一化单元35的处理。横向速度归一化单元35使用前一行走周期中的重心C的横向速度Vy的最大值和最小值根据预定规则对由横向速度计算单元32计算出的重心C的当前横向速度Vy进行归一化，并且输出重心C的归一化的横向速度Vyn。更具体地，横向速度归一化单元35通过(根据算术定律)执行以下给出的式(4)的运算对重心C的横向速度Vy进行归一化。
Vyn＝(Vy-(VyMAX+VyMIN)/2)/{(VyMAX-VyMIN)/2}……(4)
其中，VyMAX是在前一行走周期中的最大横向速度，并且VyMIN是前一行走周期中的最小横向速度。
以上给出的式(4)中的重心C的横向速度Vyn的分子表示偏移量的去除，使得在前一行走周期中的行走运动中的重心C的横向速度Vy的正峰和负峰的绝对值彼此相等，而分母表示前一行走周期中的行走运动中的重心C的横向速度Vy的幅度。因此，当使用者U执行行走运动时，横向速度归一化单元35通过执行式(4)的计算对重心C的横向速度Vyf进行归一化。
在横向速度归一化单元35的处理以及横向位置归一化单元34的处理之后，横向位移相位计算单元21执行相位提取单元36的处理。相位提取单元36通过例如基于由横向速度归一化单元35归一化的重心C的横向速度Vyn和由横向位置归一化单元34归一化的横向位置Pyn执行反正切运算来计算横向位移相位Φr。更具体地，相位提取单元36通过执行以下给出的式(5)来计算如图7中所示的重心C的横向位置Pyn和横向速度Vyn的相位平面中的横向位移相位Φr。
Φr＝arctan[(-Vy/VyMAX)/[Py-[{(PyMAX-PyMIN)/2}/(PyMAX-PyMIN)]]....(5)
用式(5)计算出的横向位移相位Φr表示行走运动的每个周期中的运动的进程，该行走运动包括两步或左腿一步右腿一步，如图7的相位平面中示意性示出的。
另外，在相位提取单元36的处理之后，横向位移相位计算单元21执行第二低通滤波器37的处理。第二低通滤波器37执行低通(高截)处理，以阻断与由相位提取单元36计算出的横向位移相位Φr对应的信号中的高频分量，同时允许低频分量通过。与第一低通滤波器31的截止频率形成对照，第二低通滤波器37的截止频率优选地被设置为等于或高于与使用者U的行走移动关联的常规行走频率的频率(0.5Hz至1Hz)。经第二低通滤波器37处理的横向位移相位Φf具有被表示为频率的数学函数的相位特性Φ2f(freq)。
另外，横向位移相位计算单元21在控制单元5的每个处理周期中与一行处理并行地执行行走频率估计单元38的处理。行走频率估计单元38基于重心C的横向加速度Gy来估计行走频率freq。例如，行走频率估计单元38可以使用快速傅立叶变换或小波变换来计算行走频率freq。当行走频率估计单元38计算行走频率freq时，应用窗函数。选择窗函数的间隔，以便覆盖多个行走步幅内重心C的横向加速度Gy。
在横向位移相位计算单元21的处理之后，控制单元5执行图8中示出的横向位移相位校正单元35的处理。如图8的框图中所示，横向位移相位校正单元22具有执行随后将描述的算术运算或处理的各种功能单元(39-42)。横向位移相位校正单元22以控制单元5的预定算术处理周期来执行这些功能单元中的每一个的处理。下面，独立地描述每个功能单元。
在行走频率估计单元38的处理以及第二低通滤波器37的处理之后，横向位移相位校正单元22执行相位延迟估计单元39的处理。相位延迟估计单元39基于通过第二低通滤波器37的横向位移相位Φf的相位特性Φ2f(freq)、通过第一低通滤波器31的重心C的横向加速度Gy的相位特性Φ1f(freq)以及由行走频率估计单元38计算出的行走频率freq来估计相位延迟dp。根据下面给出的式(6)来计算相位延迟dp。
dp＝Φ1f(freq)+Φ2f(freq)……(6)
该相位延迟dp是由于信号通过滤波器导致的结果。另选地，相位延迟dp可以是相对于脚传感器的信号输出定时的重心位移的延迟，而不是相对于通过滤波器之前的信号的延迟。
然后，横向位移相位校正单元22执行相位延迟校正单元40的处理。相位延迟校正单元40基于由相位延迟估计单元39计算出的相位延迟dp来校正通过第二低通滤波器37的横向位移相位Φf，并且输出校正后的横向位移相位Φ。更具体地，横向位移相位校正单元22通过执行算术运算以从横向位移相位Φf中减去相位延迟dp来计算横向位移相位Φ，如下面给出的式(7)中表示的。
Φ＝Φf-dp……(7)
在执行相位延迟校正单元40的处理之后，横向位移相位校正单元22执行相位限制单元41的处理。当由相位延迟校正单元40计算出的横向位移相位Φ超过2π(rad)时，相位限制单元41执行校正，从而将横向位移相位Φ的值限制为2π。
横向位移相位校正单元22执行相位限制单元41的处理，然后执行相位保持单元42的处理。相位保持单元42执行校正，从而通过保持经相位限制单元41校正的横向位移相位Φ来防止横向位移相位Φ恢复为较小的值。因此，经横向位移相位校正单元22校正的横向位移相位Φ和由(图5中示出的)行走频率估计单元38计算出的行走频率freq被提供到(图4中示出的)辅助力计算单元23。
计算经横向位移相位校正单元22校正的横向位移相位Φ，从而在正侧(左侧)的横向位置Py的峰处(或者当横向速度Vy从正变为零时)为0(rad)。图9是示出了腿的相位连同横向位移相位Φ的时间图。为了获得腿的相位，测量图2中示出的左髋关节角度θL和右髋关节角度θR，以计算左腿和右腿的髋关节角度相位，并且计算作为差角θ的相位的差角相位，差角θ作为左髋关节角度θL与右髋关节角度θR之间的差值给出。
如图2中所示，差角θ是左腿相对于右腿的屈曲角度，并且当右腿比左腿更多地处于(向前)屈曲侧时，计算出的差角θ为正值，而当左腿比右腿更多地处于(向后)伸展侧时，计算出的差角θ为负值。当使用者U直立且两条腿彼此对准时，左髋关节角度θL与右髋关节角度θR相同，使得差角θ为0。
如图9中所示，左右髋关节角度相位表现为大体相似的形状，其定时差为行走周期的1/2，并且稍早于对应腿的着地定时变为0(rad)。差角相位表现为与左右髋关节角度相位略有不同，因为对于腿的屈伸移动，髋关节角度θL和θR的变化有些不同，但是与右髋关节角度相位协调，使得在与右髋关节角相位基本上相同的时间，差角相位变为零(rad)。从该比较可以看出的，横向位移相位Φ表现为具有接近于差角相位但相对于差角相位有一定相位差的形状。在健康人的情况下，该相位差几乎是恒定的，并且当横向位移相位Φ为0(rad)时，该相位差从左腿着地定时提前预定相位差。因此，可以用横向位移相位Φ来估计左腿和右腿的着地定时。至于差角相位的细节，应该参照本申请人的JPB59388124。
接下来，随后参照图10的框图来描述图4中示出的本实施方式的振荡器相位计算单元24。振荡器相位计算单元24包括作为各种功能单元的部分的振荡器固有频率计算单元43和相位振荡器积分计算单元44，以执行下面描述的计算或处理。振荡器相位计算单元24以控制单元5的预定算术处理周期执行这些功能单元43、44的处理。
振荡器固有频率计算单元43基于由图5中示出的行走频率估计单元38估计的行走频率freq来计算作为振荡器的固有角频率的振荡器固有频率ωo。更具体地，振荡器固有频率计算单元43通过执行下面给出的式(8)示出的算术运算来计算振荡器固有频率ωo。
ωo＝2π×freq……(8)
用式(8)计算出的振荡器固有频率ωo是基于穿戴行走运动辅助装置1的使用者U的行走频率freq的变量。然而，振荡器固有频率计算单元43可以保留预定常数作为目标行走频率，或者可以在计算振荡器固有频率ωo时将低通滤波器应用于行走频率freq。
振荡器相位计算单元24执行振荡器固有频率计算单元43的处理，然后执行相位振荡器积分计算单元44的处理。相位振荡器积分计算单元44使用经图8中示出的横向位移相位校正单元22校正的横向位移相位Φ作为输入，基于以上提到的振荡器的固有角频率ωo，来输出与横向位移相位Φ协调振荡的相位振荡器的振荡器相位Φc。更具体地，相位振荡器积分计算单元44通过求解下面给出的式(9)中示出的微分方程，或者通过考虑横向位移相位Φ与相位振荡器之间的相位差，并且通过执行与固有角频率ωo对应的相位振荡器的相位变化的积分运算，来计算协调振荡的相位振荡器的相位Φc。
dΦc/dt＝ωo+f(Φ-Φc+α)……(9)
其中，f(x)表示数学函数，并且α是用于调节振荡器相位Φc的辅助目标相位差。对于辅助目标相位差α，使用指示由于滤波器导致的延迟以及脚传感器值的延迟或超前的相位延迟dp的值(即，α＝dp)。f(x)优选地是数学函数，使得x在0附近(例如，在-π/4至π/4的范围内)单调增加。f(x)可以是例如下面给出的式(10)。
f(x)＝Ksin(x)……(10)
其中，K是常数。
接下来，下面描述图4中示出的该实施方式的辅助力确定单元25。如图11的框图中所示，辅助力确定单元25设置有执行随后描述的算术运算或处理的各种功能单元(45、46)。辅助力确定单元25在控制单元5的每个预定算术处理周期中执行这些功能单元中的每个的处理。
辅助相位计算单元45调节由振荡器相位计算单元24计算出的振荡器相位Φc，使得在需要这种辅助力的时刻施加辅助力τ。更具体地，辅助相位计算单元45通过执行下面给出的式(11)的算术运算来计算辅助力相位Φas。
Φas＝Φc-β……(11)
其中，β是目标相位差。换句话说，辅助相位计算单元45通过从计算出的振荡器相位Φc中减去目标相位差β来计算被调节以在预定时刻施加辅助力的辅助力相位Φas，从而在所需相位实际辅助力τ。可以在图4中示出的输入接口27处独立设置用于屈曲运动的辅助力和用于伸展运动的辅助力的目标相位差β的值，并且可以将该值存储在目标值存储单元26中。
目标相位差β被设置为在控制使用者U成为倒立摆的同时可以辅助行走运动的值。换句话说，目标相位差β是通过以下步骤辅助行走运动的倒立摆控制中的行走步距和步幅长度参数：通过将使用者U的重心C定位为相对于处于站位(TSt)的腿的着地点向前或朝向空闲腿，引起重心进行适当移动(重心C在向前方向上或者在横向方向上的移动)，并且通过将腿的步距与预定步幅长度或预定行走步距下的重心C的移动协调使空闲腿着地来防止使用者倾翻。目标相位差β被设置为此相位差的基值。
在辅助相位计算单元45的处理之后，左右辅助力确定单元25执行左右辅助力计算单元46的处理。左右辅助力计算单元46基于重心C的横向位置Py的辅助力相位Φas来计算左辅助力τL和右辅助力τR。更具体地，左右辅助力计算单元46执行下面给出的式(12)和(13)的计算。
τL＝G×sinΦas……(12)
τR＝-τL……(13)
其中，G是增益。增益G是用于设置辅助力τ的强度的系数，并且可以根据穿戴行走运动辅助装置1的使用者U的使用目的以及使用者U在使用时的身体状况而变化。
另选地，左右辅助力计算单元46可以通过按照下面给出的式(14)或者说依赖于辅助力相位Φas参照其中预先确定了辅助力τ的图(或表格)来计算左辅助力τL。
τL＝LUT(Φas)……(14)
穿戴行走运动辅助装置1的使用者U通过以预定的算术处理周期执行以上处理的控制单元5而得到行走运动的辅助，并且向左驱动源4L和右驱动源4R供应电力，使得可以产生计算出的左辅助力τL和右辅助力τR。
控制单元5被如上所述地配置。图12是示出了由图4中示出的控制单元5执行的控制处理的流程图。当电源接通时，控制单元5以预定的算术处理周期执行图12中示出的处理。
控制单元5首先访问目标值存储单元26并且读取设定的目标相位差β(步骤ST1)。在横向位移相位计算单元21(图4)中，控制单元5基于由横向加速度传感器6检测到的重心C的横向加速度Gy来执行重心C的横向位移相位Φ的计算处理。
图13是示出了图12中示出的计算重心C的横向位移相位Φ的处理的流程图。控制单元5首先获取重心C的横向加速度Gy(步骤ST11)，并且通过在横向速度计算单元32(图5)中对所获取的重心C的横向加速度Gy进行积分来计算重心C的横向速度Vy(步骤ST12)。然后，控制单元5通过在横向位置计算单元33(图5)中对计算出的重心C的横向速度Vy进行积分来计算重心C的横向位置Py(步骤ST13)。
随后，控制单元5基于重心C的横向位置Py通过执行以上给出的式(5)来在相位提取单元36(图5)中计算横向位移相位Φ(Φr)(步骤ST14)。此后，控制单元5通过在相位延迟估计单元39(图8)和相位延迟校正单元40(图8)中执行上式(6)和(7)来执行校正处理以相对于横向位移相位Φ补偿相位延迟dp(步骤ST15)。此后，控制单元5在相位限制单元41(图8)中执行校正处理，以在横向位移相位Φ超过2π(rad)时将横向位移相位Φ的值限制为2π(步骤ST16)，并且通过执行防相位恢复计算来执行校正处理，以在相位保持单元42(图8)中保持横向位移相位Φ，使得横向位移相位Φ没有恢复到较小值(步骤ST17)。
现在回到图12，在步骤ST2中的重心C的横向位移相位Φ的计算处理之后，控制单元5通过基于行走频率freq执行以上给出的式(8)在振荡器相位计算单元24的振荡器固有频率计算单元43(图10)中计算振荡器固有频率ωo(步骤ST3)。此后，控制单元5通过在相位振荡器积分计算单元44(图10)中执行以上给出的式(9)基于以上提到的振荡器的固有角频率ωo来计算与横向位移相位Φ协调振荡的相位振荡器的振荡器相位Φc(步骤ST4)。
接下来，控制单元5通过基于目标相位差β执行以上给出的式(11)，在辅助力确定单元25的辅助相位计算单元45(图11)中计算辅助力相位Φas(步骤ST5)。然后，控制单元5通过在辅助力确定单元25的左右辅助力计算单元46(图11)中执行以上给出的式(12)至(14)中的任一个来计算左辅助力τL和右辅助力τR(步骤ST6)，并且输出计算出的左辅助力τL和右辅助力τR(步骤ST7)。控制单元5通过重复以上步骤来辅助穿戴行走运动辅助装置1的使用者U的行走运动。换句话说，控制单元5驱动联合地形成辅助驱动单元的主框架2、子框架3和驱动源4，辅助驱动单元被配置为与使用者U的重心C的移位(移动)相协调地支持髋关节移动。
下面，描述如上讨论地配置的行走运动辅助装置1的效果。行走运动辅助装置1设置有横向加速度传感器6，横向加速度传感器6被放置在使用者U的躯干上，以检测使用者U的重心C的横向位移。控制单元5基于横向加速度传感器6的检测结果来估计使用者U的行走运动的横向位移相位Φ，并且以指示预定重心C的横向位置Py的预定辅助力相位Φas来驱动左驱动源4L和右驱动源4R。因此，行走运动辅助装置1有高度通用性，因为它可以辅助在重心C的所期望横向位置Py处的髋关节移动。此外，由于如行走运动辅助装置1辅助地(通过反馈重心C的左右位移)基于重心C来支持行走运动，因此可以经由髋关节移动的辅助来辅助使用者U的行走运动，而没有造成在行走运动的使用者U有不适感。另外，因为可以通过放置在使用者U的躯干上的横向加速度传感器6来检测使用者U的重心C的位移，所以结构得以简化。
基于横向加速度传感器6的检测结果，控制单元5通过在横向位移相位计算单元21和横向位移相位校正单元22(图4、图6和图8中)执行诸如式(6)和(7)所表示的计算这样的计算来估计使用者U的腿的着地定时，并且在辅助力计算单元23(图4、图10和图11)中执行诸如(9)和(11)所表示的计算这样的计算来相对于所估计的着地定时以预定的目标相位差β驱动左驱动源4L和右驱动源4R。因此，由于控制单元5可以通过以着地定时作为参考使用重心C的横向位置Py来驱动左驱动源4L和右驱动源4R，因此行走运动辅助装置1可以以高度通用性执行各种类型的运动辅助。
由于横向加速度传感器6检测使用者U的躯干的横向加速度Gy，因此可以通过使用价格低的加速度传感器来检测使用者U的重心C的横向位移。
另外，由于横向加速度传感器6检测到作为使用者U的躯干的横向加速度的横向加速度Gy，因此在估计使用者U的行走运动的相位时可以区分左右。
左驱动源4L和右驱动源4R向使用者U的股骨部分提供辅助力τ，以辅助髋关节的屈伸移动，使得可以通过需要较大力的髋关节屈伸来辅助使用者的行走运动。
控制单元5与使用者U的重心C的移位(移动)协调地驱动由主框架2、子框架3和驱动源4组成的辅助驱动单元，使得可以与使用者U的重心C的移位(重心移动)相协调地辅助与行走运动关联的髋关节的移动，从而可以尽量减轻使用者U所经历的不适感。
(第二实施方式)
下面，参照图14和图16来描述本发明的第二实施方式。在下面的描述中，用类似的附图标记表示在配置或功能方面与第一实施方式中的部件对应的部件，而没有重复描述这些部件。
图14是第二实施方式的行走运动辅助装置101的侧视图。如图14中所示，行走运动辅助装置101设置有附接到使用者U的躯干的主框架102。主框架102连接到沿着使用者U的相应股骨部分定位的左右股骨框架113，使得股骨框架113可以围绕使用者U的相应髋关节移位。每个股骨框架113的下端连接到沿着使用者U的对应小腿的外侧布置的腿框架114，使得腿框架114可以围绕使用者U的膝关节移位。每个小腿框架114的下端连接到脚支撑件115，脚支撑件115经由驱动源104附接到使用者U的对应脚，使得脚支撑件115可以围绕使用者U的踝关节移位。
主框架102设置有分别位于与股骨框架113的连接部分上方的左右铰链102a。控制单元105和电池设置在主框架102上。主框架设置有检测使用者U的躯干的横向加速度Gy的横向加速度传感器106以及检测使用者U的躯干的竖直加速度Gx的竖直加速度传感器107。横向加速度传感器106和竖直加速度传感器107定位在主框架102的大体横向中间点并且略高于驱动源104，从而尽可能地靠近使用者C的重心C。在所例示的实施方式中，横向加速度传感器106和竖直加速度传感器107处于重心C的后面。代表由横向加速度传感器106提供的横向加速度Gy的信号和代表由竖直加速度传感器107提供的竖直加速度Gx的信号被转发到控制单元105。
每个股骨框架113在其顶端和底端处分别设置有上铰链113a和下铰链113b，并且通过股骨支撑构件113c附接到使用者U的股骨部分。每个小腿框架114在其顶端和底端处也分别设置有上铰链114a和下铰链114b，并且通过小腿支撑构件114c附接到小腿。每个脚支撑件115均呈鞋子的形状，并且直接附接到使用者U的对应脚。
每个驱动源104均包括电动机，并且在控制单元105的控制下，通过接收由电池(图中未示出)供应的电力抵消反作用力的同时，向脚支撑件115施加踝关节辅助扭矩，从而产生所需的以踝关节为中心的脚角度关节辅助扭矩。结果，脚支撑件115在跖屈方向和背屈方向上被驱动。
如此配置的行走运动辅助装置101通过用由电池供电的驱动源104的动力作为脚的跖屈和背屈的行走辅助的小腿框架114和脚支撑件115作用在使用者U身上，来辅助穿戴行走运动辅助装置101的使用者U的行走运动。
图15是示出了图14中示出的控制单元105的结构的框图。如图15中所示，控制单元105类似于图4中示出的第一实施方式的控制单元5。作为图4的横向位移相位计算单元21的替代，该实施方式的控制单元105设置有：竖直位移相位计算单元121，其基于竖直加速度传感器107检测到的竖直加速度Gx来计算诸如竖直位移相位Φ(使用者U的行走运动中的重心C的相位)和行走频率freq这样的各种值；以及左右运动确定单元123，其基于横向加速度传感器6检测到的重心C的横向加速度Gy来区分使用者U的行走运动中的左右。另外，作为图4的横向位移相位校正单元22的替代，本实施方式的控制单元105设置有竖直位移相位校正单元122，竖直位移相位校正单元122校正由竖直位移相位计算单元121计算出的竖直位移相位Φ。此外，在本实施方式中，竖直位移相位校正单元122设置有检测腿的脚后跟着地相位的脚后跟着地相位检测单元124，并且控制单元105还设置有离地相位检测单元125和偏移计算单元126，离地相位检测单元125基于由竖直位移相位计算单元121计算出的竖直位移相位Φ和由脚后跟着地相位检测单元124检测到的脚后跟着地相位来检测脱离相位即离开地面的腿的脚趾的相位，偏移计算单元126基于由离地相位检测单元125检测到的腿的离地相位来计算相位偏移(下文中将对此进行讨论)。第二实施方式在其他方面类似于第一实施方式。
尽管未在图中示出，但是在第一低通滤波器31的处理之后，竖直位移相位计算单元121通过对经第一低通滤波器31处理的重心C的竖直加速度Gxf进行积分来计算重心C的竖直速度Vx。在竖直速度Vx的计算之后，竖直位移相位计算单元121通过对计算出的重心C的竖直速度Vx进行积分来计算重心C的竖直位置Px。在竖直位置Px的计算之后，竖直位移相位计算单元121根据预定规则来归一化重心C的竖直位置Px，并且也根据预定规则来归一化重心C的竖直速度Vx。基于归一化的竖直速度Vxn和归一化的竖直位置Pxn，竖直位移相位计算单元121通过执行反正切运算来计算竖直位移相位Φr。此时，通过反转竖直速度Vxn和竖直位置Pxn的正负号并且执行反正切运算，计算当重心C的竖直加速度Gx处于最小峰时变为0[rad]的竖直位移相位Φr。如图3中所示，重心C的竖直加速度Gx的最小峰出现得稍晚于腿的着地定时，并且与腿的离地定时基本上协调。
此外，计算出的竖直位移相位Φr表示由行走运动中左腿或右腿的单个踏步组成的每个行走周期的行走运动的进程，并且竖直位移相位Φr的两个连续周期表示总共两个踏步--大腿和小腿(右腿和左腿)各有一个踏步的行走运动的进程。如先前参照图3讨论的，重心C的竖直位置Px的周期时段为行走周期时段的1/2，并且不能够确定最小侧的竖直加速度Gx的峰是否是由于左腿或右腿的脚后跟着地而导致的。因此，竖直位移相位计算单元121基于左右运动确定单元123的确定结果来确定竖直位移相位Φr的两个周期时段中的一个是左腿的一个踏步而另一个是右腿的一个踏步。
由于以这种方式计算出的竖直位移相位Φr的周期时段为行走周期的1/2，因此可以由竖直位移相位校正单元122计算出竖直位移相位Φr，该竖直位移相位Φr是比第一实施方式中的横向位移相位Φ更准确的竖直位移相位Φ。另外，如结合图3说明的，由于竖直位移相位Φr变为0(rad)并且相对于右腿或左腿的脚后跟的着地稍有延迟，并且竖直位移相位校正单元122中进行相位延迟校正时使用的相位延迟dp(参见以上给出的式(7))的值较小，因此可以更准确地估计左腿或右腿的脚后跟着地定时(当振荡器相位Φc为0(rad)时)。脚后跟着地相位检测单元124提供的脚后跟着地相位用竖直位移相位校正单元122中计算出的相位延迟dp(参见以上给出的式(7))补偿了该延迟。
离地相位检测单元125基于补偿了延迟的脚跟着地相位来检测相对于竖直位移相位Φ的离地相位(即脚趾离开地面的相位)。偏移计算单元126基于由离地相位检测单元125检测到的离地相位来计算相位偏移，并且将该相位偏移提供给辅助力确定单元25。辅助力确定单元25通过将相位偏移的值设置为作为用于调节振荡器相位Φc的值的辅助目标相位差α来使振荡器相位Φc延迟达相位偏移量(使整个波形偏移)。下面讨论相位偏移。
图16是示出了人P在行走运动中踝关节的移动的时间图。如图16中所示，行走运动中右脚的运动按IC(初始接触)、LR(负载响应)、MSt(中间姿态)、TSt(终端姿态)、PSw(预摆动)、ISw(初始摆动)、MSw(中间摆动)和TSw(终端摆动)的顺序进展。关于右脚，脚后跟在IC中大致以0度的踝关节角度着地，踝关节角度在LR中被设置为跖屈侧，然后在将踝关节角度设置为大致0度的同时接收负载。此后，从MSt到TSt，踝关节角度向背屈侧增大。然后，关于右脚，在PSw中，当踝关节角度从背屈侧变化为跖屈侧时，负载被释放并且脚趾被抬离地面。在ISw中，踝关节角度返回到基本为零的角度。然后，在MSw和TSw中，右腿返回到IC，同时将踝关节角度基本上保持为零度。
从MSt到PSw，人P对踝关节施加大的跖屈力(力矩)，从ISw到LR，人P对踝关节施加小的背屈力(力矩)。从ISw到TSw，背屈力非常小，基本上为零。假定一个周期的时间或相位为100％，则施加到踝关节的力在跖屈和背屈中各自为大致50％。另一方面，从IC到PSw，人P保持右脚着地，并且从ISw到TSw，人P将右脚抬离地面。右脚的着地时间(相位)约为62％，而右脚的离地时间(相位)约为38％。换句话说，人P在右脚的LR期间将右脚着地，并且在右脚的PSw期间将双脚都着地。
在IC中，在脚后跟着地之后，人P开始向右脚短时间(周期时间的大致12％)施加跖屈力。从IC开始到跖屈开始的阶段被称为相位偏移。在右脚的PSw期间，左脚发生相位偏移。通过从PSw结束时脚趾离开地面的时间点中减去50％来计算该相位偏移。
为了通过将此辅助力τ施加到踝关节来辅助行走运动，辅助力计算单元23(图15)将辅助目标相位差α设置成与以上提到的相位偏移对应的值，目标相位差α是用于调节振荡器相位Φc使得在将得到辅助的定时(从IC起延迟了相位偏移的定时)施加辅助力τ的值。结果，振荡器相位Φc变为0(rad)的时刻(触底的辅助力τ开始的时刻)被设置为跖屈开始的时刻。
如上所述，目标相位差β也是用于辅助行走运动的倒立摆控制中的行走步距和步幅长度的参数，并且目标相位差β被调节成使得使用者U的行走运动可以在执行倒立摆控制时得到辅助。例如，辅助力确定单元25可以将目标相位差β的绝对值选择为大于以上相位偏移的值，以延迟跖屈的辅助力。
因此，该实施方式的行走运动辅助装置101用竖直加速度传感器107检测与行走运动中脚的着地和抬起密切相关的使用者U的躯干的竖直加速度Gx，并且基于竖直加速度Gx来估计使用者U的行走运动中的竖直位移相位Φ。因此，可以高精度地估计使用者U的行走运动的相位。
另外，左右驱动源104向使用者U的脚施加辅助力τ(τL、τR)，以辅助踝关节的跖屈和背屈，使得可以经由对重心C的移位有重要影响的踝关节的跖屈和背屈来辅助行走运动。
已经依据特定实施方式描述了本发明，但是本发明不受这些实施方式限制，而是可以在不脱离本发明的范围的情况下以各种方式进行修改。例如，在以上实施方式中，将行走运动辅助装置1、101作为行进运动辅助装置的示例进行了描述，但是也可以被布置为，使得辅助驱动单元利用向使用者的肌肉施加刺激的刺激施加装置来辅助与行进运动关联的关节移动，并且可以通过刺激施加装置来辅助诸如行走运动这样的行进运动。根据这种配置，可以容易且轻便地配置辅助驱动单元，并且可以使行进运动辅助装置紧凑。
辅助与行进运动关联的预定关节移动的辅助驱动单元可以被配置为向使用者U的小腿提供辅助力τ，以辅助膝关节的屈伸移动，或者向使用者U的臂提供辅助力τ，以辅助肩关节的屈伸移动。通过辅助膝关节的屈伸移动，可以辅助作为行进运动中的主要移动之一并且是平稳步态所必需的膝关节的屈伸。通过辅助肩关节的屈伸，可以在行进动作中辅助用左腿和右腿执行或早于左腿和右腿执行的肩关节的屈伸。
另外，行进运动辅助装置还可以设置有用于检测使用者U的躯干的旋转速度和倾斜角度的陀螺仪传感器，使得控制单元5可以基于陀螺仪传感器检测到的旋转速度和倾斜角度来估计使用者U的行进运动的相位。由于使用者U的重心C在躯干的稍微位于骨盆前方的部分中，因此不能直接测量重心C的加速度。然而，在使用者U的行进运动中，躯干的倾斜运动可以随着重心C的移位或早于重心C的移位出现。根据这种配置，可以更准确地估计伴随着躯干倾斜运动的使用者U的行进运动中的相位。
在以上实施方式中，由控制单元5、105基于由横向加速度传感器6和竖直加速度传感器107检测到的使用者U的重心C的位移来控制辅助驱动单元的移动。然而，也可以由控制单元5、105基于躯干运动检测传感器的检测结果来控制辅助驱动单元的移动，躯干运动检测传感器检测使用者U的躯干(上身)的诸如躯干的竖直位移、横向位移、前后位移、旋转角度、倾斜角度等这样的移动。
以这种方式，控制单元5、105基于使用者U的躯干的旋转速度或倾斜角度，与使用者U的躯干的运动相协调地驱动辅助驱动单元，使得可以例如在使用者U正在难波行走(双轴行走)时与使用者U的躯干的扭转(横摆)运动相协调地辅助与行走运动关联的预定关节移动。
在以上的第一实施方式中，横向位移相位计算单元21通过重心C的横向位置Py的反正切运算来计算横向位移相位Φr。然而，也可以通过用重心C的横向速度Vy的符号(正或负)识别重心C的横向位置Py的最左侧时刻和重心C的横向位置Py的最右侧时刻来离散地估计横向位移相位Φr。类似地，作为第二实施方式的变形形式，作为通过重心C的竖直位置Px的反正切运算来计算竖直位移相位Φ的替代，竖直位移相位计算单元121可以通过用重心C的竖直速度Vx的符号(正或负)识别重心C的竖直位置Px的最上侧时刻和最下侧时刻来离散地估计竖直位移相位Φ。在这种情况下，通过将检测到的重心C的最下侧时刻视为脚后跟的着地，竖直位移相位Φ可以被重置为0rad。
在以上实施方式中，横向位移相位计算单元21(或竖直位移相位计算单元121)使用快速傅里叶变换或小波变换来估计步态频率freq，但是它可以简单地测量重心C的横向位置Py(或竖直位置Px)的峰-峰时间，并且计算峰-峰时间的倒数作为步态频率freq。在第二实施方式中，行走运动辅助装置101除了竖直加速度传感器107之外还配备有横向加速度传感器106，但是作为横向加速度传感器106的替代，可以在脚支撑件115中设置检测脚掌的着地和抬高的脚传感器，以基于脚传感器的检测结果来确定左腿和右腿中的哪一个着地，或者可以在股骨框架113中的至少一个中设置陀螺仪传感器，以基于腿的运动状态(弯曲或伸展)来确定左腿和右腿中的哪一个着地。此外，当设置了脚传感器时，它可以布置为使得竖直位移相位校正单元122(或横向位移相位校正单元22)通过运动捕获来校准脚传感器的输出，并且基于用校准后的输出计算出的相位来补偿重力传感器的位置的相位(竖直位移相位Φ或横向位移相位Φ)的延迟或提早。
在前述实施方式中，振荡器相位计算单元24基于步态频率freq来计算振荡器固有频率ωo，但是如下面给出的式(15)中所示，可以顺序地校正振荡器固有频率ωo，以将计算出的使用者U的位移相位(横向位移相位Φ或竖直位移相位Φ)与用作辅助动作参考的振荡器相位Φc之间的相位差收敛于辅助目标相位差α，如在下面给出的式(15)中所示。
ωo(t+1)＝ωo(t)+G((Φ-Φc)-α)……(15)
其中，G是增益。
在前述实施方式中，辅助力计算单元23通过映射图根据辅助力相位Φas来计算辅助力，但是可以通过定义用于屈曲运动的振荡器和用于伸展运动的振荡器(或用于背屈运动的振荡器和用于跖屈曲运动的振荡器)来确定辅助力，并且计算该辅助力，使得提供振荡器的振荡器相位Φc的目标相位差β。
另外，可以酌情改变每个构件或部件的具体配置、布置、数量、角度、过程等，只要不背离本发明的目的即可。此外，以上实施方式可以被组合。另一方面，以上实施方式中示出的各部件不是一定必需的，而是可以酌情进行选择。
附图标记说明
1：行走运动辅助装置
2：主框架(辅助驱动单元)
3：子框架(辅助驱动单元)
4：辅助驱动单元
5：控制单元
6：横向加速度传感器(躯干运动检测单元)
21：横向位移相位计算单元
22：横向位移相位校正单元
23：辅助力计算单元
24：振荡器相位计算单元
25：辅助力确定单元
26：目标值存储单元
27：输入接口
36：相位提取单元
44：相位振荡器积分计算单元
45：辅助相位计算单元
101：行走运动辅助装置
104：辅助驱动单元
105：控制单元
106：横向加速度传感器(躯干运动检测单元)
107：竖直加速度传感器(躯干运动检测单元)
114：小腿框架(辅助驱动单元)
115：辅助驱动单元
121：竖直位移相位计算单元
122：竖直位移相位校正单元
123：横向运动确定单元
C：重心
Gx：竖直加速度
Gy：横向加速度
P：人
U：使用者
α：辅助目标相位差
β：目标相位差
τ：辅助力

Claims (9)

1.一种行进运动辅助装置，该行进运动辅助装置被配置为由使用者穿戴以辅助所述使用者的行进运动，该行进运动辅助装置包括：
辅助驱动单元，其被配置为被穿戴在所述使用者的行进运动所需的所述使用者的预定关节上，并且被驱动以辅助与所述行进运动关联的预定关节移动；
躯干运动检测单元，其被配置为被穿戴在所述使用者的躯干上，并且检测所述使用者的躯干的运动；以及
控制单元，其被配置为控制所述辅助驱动单元的操作；
其中，所述躯干运动检测单元至少检测所述使用者的躯干的横向运动；并且
其中，所述控制单元通过根据所述躯干运动检测单元的检测结果计算所述使用者的躯干的横向位置和横向速度并基于计算出的横向位置和横向速度执行反正切运算来估计所述使用者的所述行进运动的相位，并且以预定相位驱动所述辅助驱动单元，所述行进运动的相位表示所述行进运动的每个周期中的运动的进程，所述行进运动包括所述横向位置和所述横向速度的相位平面中的两步。
2.根据权利要求1所述的行进运动辅助装置，其中，所述控制单元被配置为根据所述躯干运动检测单元的检测结果来估计所述使用者的腿的着地定时，并且以相对于所估计的所述着地定时的预定相位差来驱动所述辅助驱动单元。
3.根据权利要求1所述的行进运动辅助装置，其中，所述躯干运动检测单元包括检测所述使用者的躯干的加速度的加速度传感器。
4.根据权利要求3所述的行进运动辅助装置，其中，所述加速度传感器包括检测所述使用者的躯干的横向加速度的横向加速度传感器。
5.根据权利要求3所述的行进运动辅助装置，其中，所述加速度传感器包括检测所述使用者的躯干的竖直加速度的竖直加速度传感器。
6.根据权利要求1所述的行进运动辅助装置，其中，所述辅助驱动单元被配置为向所述使用者的股骨部分施加辅助力，以辅助所述使用者的髋关节进行屈曲运动和伸展运动。
7.根据权利要求1所述的行进运动辅助装置，其中，所述辅助驱动单元被配置为向所述使用者的脚施加辅助力，以辅助所述使用者的踝关节进行跖屈运动和背屈运动。
8.根据权利要求1所述的行进运动辅助装置，其中，所述控制单元被配置为与所述使用者的躯干的移动协调地驱动所述辅助驱动单元。
9.根据权利要求8所述的行进运动辅助装置，其中，所述控制单元被配置为至少基于所述使用者的躯干的旋转速度或倾斜角度与所述使用者的躯干的移动协调地驱动所述辅助驱动单元。
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