JP2009011845A - 装着式動作補助装置のキャリブレーション装置、及びキャリブレーション用プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 動作補助装置10のキャリブレーション制御手段162は、装着者12が動作補助装着具を装着したときに、負荷発生手段164により電力増幅手段158に対して駆動源140からの駆動力を負荷(入力トルク)として装着者12に付与させる。そして、駆動源140からの駆動力を付与された装着者12は、予め決められた所定キャリブレーション動作を行って骨格筋から力を発生させる。これにより、上記キャリブレーション動作に伴って物理現象検出手段142が関節角度を検出し、生体信号検出手段144が筋電位信号を検出する。パラメータ補正手段156では、フェーズ特定手段152によって特定されたフェーズにおける差分導出手段154によって算出された負荷(入力トルク)と駆動力(筋力)との差に基づいてパラメータKを補正する。
【選択図】 図1
Description
Takao Nakai, Suwoong Lee, Hiroaki Kawamoto and Yoshiyuki Sankai, "Development of Power Assistive Leg for Walking Aid using EMG and Linux," Second Asian Symposium on Industrial Automation and Robotics, BITECH, Bangkok, Thailand, May 17-18, 2001
(1)請求項1の本発明は、装着者の動作に伴って発生する生体信号としての電位を検出する検出手段と、
前記装着者に対して補助動力を付与する駆動源を有した動作補助装着具と、
前記検出手段により検出された検出信号に応じた補助動力を発生するように演算処理を行なって前記駆動源を制御する制御手段とを有する装着式動作補助装置のキャリブレーション装置であって、
前記駆動源から段階的に付与された負荷としての駆動力に対抗して筋力を発生させる際の生体信号としての電位を前記検出手段によって検出し、この検出信号に対応して前記装着者が発生する仮想トルクを推定し、該仮想トルクと前記検出信号との関係に基づいて前記演算処理により前記補助動力の補正を行うためのパラメータを更新するキャリブレーション手段を備えたことを特徴とする。
(2)請求項2の本発明は、前記キャリブレーション手段は、
前記動作補助装着具を装着した装着者が静止状態で、前記駆動源から入力された負荷としての入力トルクに対抗する筋力に応じて前記検出手段により検出された検出信号と筋力による仮想トルクとの対応関係を初期設定データとして格納する第1の格納手段と、
前記駆動源から入力された負荷としての入力トルクと、前記装着者が負荷に対抗するように所定の動作を行う過程で前記検出手段により検出された検出信号に対応する筋力による推定トルクとを比較し、両者の差分による対応関係を再設定データとして格納する第2の格納手段と、
前記動作補助装着具が前記装着者に装着される都度、前記第1の格納手段に格納された検出信号と仮想トルクの対応関係に基づき前記検出信号に対応する仮想トルクと入力トルクとが一致するようにパラメータを設定する第1のパラメータ設定手段と、
前記第2の格納手段に格納された入力トルクと推定トルクとの差に基づき前記検出信号に対応する推定トルクと入力トルクとが一致するようにパラメータを設定する第2のパラメータ設定手段と、
を備えたことを特徴とする。
(3)請求項3の本発明は、前記装着者が行なう所定の動作に含まれる一部動作を構成するフェーズを特定するフェーズ特定手段を有し、
前記第2のパラメータ設定手段は、前記フェーズ特定手段により特定されたフェーズにおける推定トルクと入力トルクとの対応関係に基づき前記検出信号に対応する推定トルクと入力トルクとが一致するようにパラメータを設定することを特徴とする。
(4)請求項4の本発明は、前記第1の格納手段に格納された対応関係は、前記検出信号に対して前記補助動力が正の相関を有し、
前記第2の格納手段に格納された対応関係は、前記所定の動作における前記検出信号の変化と前記補助動力の変化との関係であることを特徴とする。
(5)請求項5の本発明は、装着者の動作に伴って発生する生体信号としての電位を検出する検出手段から得られた検出信号に応じた補助動力を発生する駆動源を有した動作補助装着具が前記装着者に装着される都度、前記生体信号および前記補助動力を所要の関係に対応付けるキャリブレーションを、コンピュータに実行させる装着式動作補助装置のキャリブレーション用プログラムであって、
前記コンピュータに、
前記動作補助装着具を装着した装着者が静止状態で、前記駆動源から入力された負荷としての入力トルクに対抗する筋力に応じて前記検出手段により検出された検出信号と筋力による仮想トルクとの対応関係を初期設定データとして格納する第1の手順と、
前記駆動源から入力された負荷としての入力トルクと、前記装着者が負荷に対抗するように所定の動作を行う過程で前記検出手段により検出された検出信号に対応する筋力による推定トルクとを比較し、両者の差分による対応関係を再設定データとして格納する第2の手順と、
前記動作補助装着具が前記装着者に装着される都度、前記第1の手順で格納された検出信号と仮想トルクの対応関係に基づき前記検出信号に対応する仮想トルクと入力トルクとが一致するようにパラメータを設定する第3の手順と、
前記第2の手順で格納された入力トルクと推定トルクとの差に基づき前記検出信号に対応する推定トルクと入力トルクとが一致するようにパラメータを設定する第4の手順と、
を実行させることを特徴とする。
τhip =K1e1−K2e2 … (1)
τknee=K4e4−K3e3 … (2)
式(1)(2)において、τhipは股関節の仮想トルク、τkneeは膝関節の仮想トルク、e1〜e4は、筋肉により発生する表面筋電位であり、K1〜K4は、パラメータである。装着者12の股関節及び膝関節は、屈筋と伸筋との収縮のバランスにより動作する。図10(A)(B)及び図11(A)(B)に示されるように、e1は大腿直筋の表面筋電位、e2は大殿筋の表面筋電位、e3は内側広筋の表面筋電位、e4は大腿二頭筋の表面筋電位である。
τ=Ke … (3)
すなわち、本実施例のキャリブレーションでは、対象となる筋が1Nmの力を出したときの表面筋電位の値が1になるように式(3)のパラメータKの値を求め、この値を更新する。
τm(t)=τh(t) … (4)
装着者12が発生させた筋力は、上記式(3)より、
τh=Ke … (5)
と表せるため、式(4)は、
τm=Ke … (6)
と書き直すことができる。
(手順1)駆動モータ20,22,24,26の駆動力(トルクτm)に対抗する筋力を装着者12が出しているときの表面筋電位eを計測する。
(手順2)計測された表面筋電位とそのときに入力されたトルクτmから最小二乗法を用いることにより式(6)が成り立つパラメータKを求める。
K=Στm(t)e(t)/Σe2(t) …(7)
以上のことから、例えば、装着者12が図12に示すように、膝関節をほぼ90度の角度で曲げた着席状態で静止したまま1Nmの力を出したときの表面筋電位の値が1になるようにパラメータKを求めることが可能になる。この静止状態では、駆動モータ20,22,24,26の駆動力(トルクτm)を負荷(入力トルク)として装着者12に段階的に付与させるのに対して、装着者12はこの駆動力と拮抗するように筋力を発生させることで静止状態を保つことになる。
(手順1)装着者12が膝の角度を90度から180度になるように膝関節を回動させ、その後、膝の角度を180度から90度になるように膝関節を元に戻す。
(手順2)角度センサ74,76により検出された膝関節の角度に応じた駆動モータ20,22,24,26の駆動力(トルクτm)を付与する。
(手順3)装着者12が膝の伸縮動作をときの表面筋電位eを計測する。
(手順4)計測された表面筋電位とそのときに入力されたトルクτmから最小二乗法を用いることにより式(6)が成り立つパラメータKを求める。
τi(t)=Ke'(t) … (8)
表面筋電位のキャリブレーションを行うときには、図15に示されるように、装着者12が基準の所定動作と同じ動作を行ったときの表面筋電位(図15中、実線で示すグラフ(a))を計測し、仮想トルク(図15中、破線で示すグラフ(b))が入力トルクと同じになるようにパラメータK'を決定する(第1のパラメータ設定手段)。
K'=Στm(t)e'(t)/Σe'2(t) …(9)
仮想トルクτiは、装着式動作補助装置10を用いたキャリブレーションにより求めたものであるため、以上より得られたパラメータK'は、装着式動作補助装置10を用いたキャリブレーションと同様のものと言える。よって、装着者12が所定動作を行うキャリブレーション手法により装着者12が出した筋力1Nmに対して、1Nmのアシスト力として装着者12に付与することができる。
12 装着者
20 右腿駆動モータ
22 左腿駆動モータ
24 右膝駆動モータ
26 左膝駆動モータ
30 腰ベルト
32,34 バッテリ
36 制御バック
38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b 筋電位センサ
50a,50b,52a,52b 反力センサ
54 右脚補助部
55 左脚補助部
56 第1フレーム
58 第2フレーム
60 第3フレーム
62 第4フレーム
64 第1関節
66 第2関節
70,72,74,76 角度センサ
78 第1締結ベルト
80 第2締結ベルト
84 踵受け部
86 電源回路
88 入出力インターフェイス
100 制御装置
101〜108 差動増幅器
111〜114 角度検出部
121〜124 反力検出部
130 メモリ
140 駆動源
142 物理現象検出手段
144 生体信号検出手段
146 データ格納手段
148 キャリブレーションデータベース
150 指令信号データベース
152 フェーズ特定手段
154 差分導出手段
156 パラメータ補正手段
158 電力増幅手段
160 制御手段
162 キャリブレーション制御手段
164 負荷発生手段
Claims (5)
- 装着者の動作に伴って発生する生体信号としての電位を検出する検出手段と、
前記装着者に対して補助動力を付与する駆動源を有した動作補助装着具と、
前記検出手段により検出された検出信号に応じた補助動力を発生するように演算処理を行なって前記駆動源を制御する制御手段とを有する装着式動作補助装置のキャリブレーション装置であって、
前記駆動源から段階的に付与された負荷としての駆動力に対抗して筋力を発生させる際の生体信号としての電位を前記検出手段によって検出し、この検出信号に対応して前記装着者が発生する仮想トルクを推定し、該仮想トルクと前記検出信号との関係に基づいて前記演算処理により前記補助動力の補正を行うためのパラメータを更新するキャリブレーション手段を備えたことを特徴とする装着式動作補助装置のキャリブレーション装置。 - 前記キャリブレーション手段は、
前記動作補助装着具を装着した装着者が静止状態で、前記駆動源から入力された負荷としての入力トルクに対抗する筋力に応じて前記検出手段により検出された検出信号と筋力による仮想トルクとの対応関係を初期設定データとして格納する第1の格納手段と、
前記駆動源から入力された負荷としての入力トルクと、前記装着者が負荷に対抗するように所定の動作を行う過程で前記検出手段により検出された検出信号に対応する筋力による推定トルクとを比較し、両者の差分による対応関係を再設定データとして格納する第2の格納手段と、
前記動作補助装着具が前記装着者に装着される都度、前記第1の格納手段に格納された検出信号と仮想トルクの対応関係に基づき前記検出信号に対応する仮想トルクと入力トルクとが一致するようにパラメータを設定する第1のパラメータ設定手段と、
前記第2の格納手段に格納された入力トルクと推定トルクとの差に基づき前記検出信号に対応する推定トルクと入力トルクとが一致するようにパラメータを設定する第2のパラメータ設定手段と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の装着式動作補助装置のキャリブレーション装置。 - 前記装着者が行なう所定の動作に含まれる一部動作を構成するフェーズを特定するフェーズ特定手段を有し、
前記第2のパラメータ設定手段は、前記フェーズ特定手段により特定されたフェーズにおける推定トルクと入力トルクとの対応関係に基づき前記検出信号に対応する推定トルクと入力トルクとが一致するようにパラメータを設定することを特徴とする請求項2に記載の装着式動作補助装置のキャリブレーション装置。 - 前記第1の格納手段に格納された対応関係は、前記検出信号に対して前記補助動力が正の相関を有し、
前記第2の格納手段に格納された対応関係は、前記所定の動作における前記検出信号の変化と前記補助動力の変化との関係であることを特徴とする請求項2に記載の装着式動作補助装置のキャリブレーション装置。 - 装着者の動作に伴って発生する生体信号としての電位を検出する検出手段から得られた検出信号に応じた補助動力を発生する駆動源を有した動作補助装着具が前記装着者に装着される都度、前記生体信号および前記補助動力を所要の関係に対応付けるキャリブレーションを、コンピュータに実行させる装着式動作補助装置のキャリブレーション用プログラムであって、
前記コンピュータに、
前記動作補助装着具を装着した装着者が静止状態で、前記駆動源から入力された負荷としての入力トルクに対抗する筋力に応じて前記検出手段により検出された検出信号と筋力による仮想トルクとの対応関係を初期設定データとして格納する第1の手順と、
前記駆動源から入力された負荷としての入力トルクと、前記装着者が負荷に対抗するように所定の動作を行う過程で前記検出手段により検出された検出信号に対応する筋力による推定トルクとを比較し、両者の差分による対応関係を再設定データとして格納する第2の手順と、
前記動作補助装着具が前記装着者に装着される都度、前記第1の手順で格納された検出信号と仮想トルクの対応関係に基づき前記検出信号に対応する仮想トルクと入力トルクとが一致するようにパラメータを設定する第3の手順と、
前記第2の手順で格納された入力トルクと推定トルクとの差に基づき前記検出信号に対応する推定トルクと入力トルクとが一致するようにパラメータを設定する第4の手順と、
を実行させることを特徴とする装着式動作補助装置のキャリブレーション用プログラム。
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