JP2009254741A - アシスト装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装着者の利便性が向上するアシスト装置及びその制御方法を提供すること。
【解決手段】アシスト装置は、人体の関節に直接連結された第１身体部位１０と、当該関節に直接連結され、第１身体部位１０より先端側にある第２身体部位２０とに装着されるものである。アシスト装置は、第１身体部位１０に装着され、姿勢に応じたアシスト力が生じる第１装着部１０と、第２身体部位２０に装着され、第１装着部１０と非連結であり、第１装着部１０に生じるアシスト力とは独立して、姿勢に応じたアシスト力が生じる第２装着部２０とを有するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、アシスト装置及びその制御方法に関し、特に複数の装着部を有するアシスト装置及びその制御方法に関する。

高齢者のように足腰が弱っている人のために、歩行をサポートする装着型システムが開発されている。装着型システムは、複数の装着部を有し、装着者の関節軸を挟んで、上部及び下部にそれぞれ装着される。例えば、膝をアシストする装着型システムの場合、使用者は、大腿部及び脛部に装着部をそれぞれ装着する。可動関節軸が明確になっている場合、装着型システムは、装着部が互いに連結しており、この連結部にトルクを発生する機構を有する。これにより、装着者にアシスト力を作用させる。

一方、可動関節軸が明確になっていない場合、装着部は、伸縮性のアクチュエータによって接続されている。すなわち、装着部は、間接的に連結されている。このように、装着部をアクチュエータによって接続する技術は、例えば特許文献１〜４に開示されている。そして、アクチュエータの伸縮力によって、装着者にアシスト力を作用させ、その拮抗力で装着者の関節軸周りのアシストトルクを実現している。
実登３０９０９２１号公報 特開２００７−１６７４８４号公報 特開２００１−２８６５１９号公報 特開２００６−２９４号公報

しかし、上記のように、装着部を直接的又は間接的に連結する場合、装着型システムは、装着者の体格（主に四肢の長さ）に合わせて製作、調整が必要であった。また、装着の手順が煩雑であった。これは、装着部が互いに機構部品で連結されるためである。また、人体の関節の動きを厳密に再現するためには、複雑な機構が必要であった。これは、人体の関節は、角度によって微妙に回転中心がずれるためである。これにより、単純な回転軸では、このずれを補正することが困難となり、複雑な機構が必要となる。また、動力が切れた際に、自由に動かなかった。これは、アシスト力を増すために、高い減速比を採用している装着型システムでは、モータの電力が切れた場合、装着者が減速機の出力側から力を加える形で止まったモータを回すことで運動を行わなくてはならないためである。

本発明は、上記の問題を鑑みるためになされたものであり、装着者の利便性が向上するアシスト装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明にかかるアシスト装置は、人体の関節に直接連結された第１身体部位と、当該関節に直接連結され、前記第１身体部位より先端側にある第２身体部位とに装着されるアシスト装置であって、前記第１身体部位に装着され、姿勢に応じたアシスト力が生じる第１装着部と、前記第２身体部位に装着され、前記第１装着部と非連結であり、前記第１装着部に生じるアシスト力とは独立して、姿勢に応じたアシスト力が生じる第２装着部とを有するものである。これにより、装着者の利便性が向上する。

また、上記のアシスト装置であって、回転することにより、前記第１装着部にアシスト力として反モーメントを生じさせる第１回転部と、回転することにより、前記第２装着部にアシスト力として反モーメントを生じさせる第２回転部とをさらに有してもよい。
なお、前記第１回転部及び前記第２回転部は、フライホイールであることが望ましい。これにより、効果的に反モーメントを発生することができる。

本発明にかかるアシスト装置の制御方法は、人体の関節に直接連結された第１身体部位と、当該関節に直接連結され、前記第１身体部位より先端側にある第２身体部位とに装着されるアシスト装置の制御方法であって、前記第１身体部位に装着された第１装着部の姿勢を検出し、前記第２身体部位に装着された第２装着部の姿勢を検出する工程と、前記第１装着部の姿勢に応じたアシスト力を前記第１装着部に生じさせ、前記第２装着部の姿勢に応じたアシスト力を前記第２装着部に生じさせる工程とを有する方法である。これにより、装着者の利便性が向上する。

また、上記のアシスト装置の制御方法であって、前記アシスト力を生じさせる工程では、前記第１装着部に設けられた第１回転部を、前記第１装着部の姿勢に応じて回転させることにより、前記第１装着部にアシスト力として反モーメントを生じさせ、前記第２装着部に設けられた第２回転部を、前記第２装着部の姿勢に応じて回転させることにより、前記第２装着部にアシスト力として反モーメントを生じさせてもよい。
なお、前記第１回転部及び前記第２回転部は、フライホイールであることが望ましい。これにより、効果的に反モーメントを発生することができる。

本発明によれば、装着者の利便性が向上するアシスト装置及びその制御方法を提供することができる。

実施の形態．
図１、２を参照して、本実施の形態にかかるアシスト装置の構成について説明する。アシスト装置とは、人体に装着されて、装着者の関節の動きをアシストする装置である。具体的には、アシスト装置は、人体の関節に直接連結された第１身体部位と、当該関節に直接連結され、第１身体部位より先端側にある第２身体部位とにそれぞれ装着される。ここでは、アシスト装置の一例として、膝の動きをアシストする下肢アシスト装置を説明する。下肢アシスト装置は、高齢者のように自力で歩行が可能であるが、足腰が弱っている人の歩行を補助するために用いられる。図１は、下肢アシスト装置の構成を示す図である。図２は、下肢アシスト装置の構成を示すブロック図である。

下肢アシスト装置は、第１装着部１０及び第２装着部２０を有する。装着部１０、２０は、例えば上部と下部に円形の開口を有する円筒状となっている。そして、装着部１０、２０は、上部から下部まで延びた切り込みを有する。この切り込みを開閉することにより、装着部１０、２０を身体部位に装着可能となっている。また、円筒状の装着部１０、２０は、開閉の程度を調整することにより直径が変化する。これにより、装着部１０、２０は、それぞれの身体部位に接触し、それぞれの身体部位の形状にフィットさせることができる。また、装着部１０、２０は、ずれにくい固定手段を備える。

第１装着部１０は、装着者の第１身体部位に装着される。本実施の形態では、第１装着部１０は、装着者の第１身体部位としての大腿部に装着される。第１装着部１０には、第１装着部１０の姿勢に応じたアシスト力としてのアシストトルクが発生する。第２装着部２０は、関節を挟んで第１身体部位とは反対側の第２身体部位に装着される。本実施の形態では、第２装着部２０は、装着者の第２身体部位としての脛部に装着される。第２装着部２０には、第２装着部２０の姿勢に応じたアシスト力としてのアシストトルクが発生する。また、第２装着部２０に発生するアシスト力は、第１装着部１０のアシスト力とは独立して発生する。

第２装着部２０は、第１装着部１０とは非接触である。すなわち、第２装着部２０は、第１装着部１０に固定されない。第２装着部２０は、第１装着部１０とは非連結である。具体的には、第１装着部１０及び第２装着部２０を装着した際、膝の近傍を跨ぐようにこれらを結合するジョイントやリンク機構を有さない。すなわち、第１装着部１０と第２装着部２０との間隔、位置関係を関連付けるようなジョイントやリンク機構を有さない。このため、第２装着部２０は、第１装着部１０とは連動して動作せず、独立して動作することができる。

第１装着部１０の姿勢は、第１センサ１２によって検出される。具体的には、第１センサ１２によって、第１装着部１０の姿勢角を検出する。すなわち、第１センサ１２によって、第１装着部１０の地面に対する傾きや向きを検出できる。そして、検出されたセンサ情報、すなわち姿勢角情報は、第１計測部１５によって取得される。第１センサ１２は、第１装着部１０に設けられる。具体的には、第１装着部１０を装着した際、第１センサ１２は、関節軸を中心とした第１身体部位の回動方向とは垂直な部分に設けられる。これにより、第１装着部１０の姿勢角を検出しやすくなる。また、第１センサ１２は、第１装着部１０を装着して膝を曲げた際に、第１装着部１０の外側になる部分に設けられる。すなわち、第１センサ１２は、第１装着部１０の外面において、大腿部の前面に対応する部分に設けられる。これにより、膝を屈伸させても、センサが身体部位やアシスト装置の構成部材に接触しにくくなる。すなわち、センサの故障や誤作動が生じにくくなる。

第２装着部２０の姿勢は、第２センサ２２によって検出される。具体的には、第２センサ２２によって、第２装着部２０の姿勢角を検出する。すなわち、第２装着部２０の地面に対する傾きや向きを検出できる。そして、検出されたセンサ情報、すなわち姿勢角情報は、第２計測部２５によって取得される。第２センサ２２は、第２装着部２０に設けられる。具体的には、第２装着部２０を装着した際、第２センサ２２は、関節軸を中心とした第２身体部位の回動方向とは垂直な部分に設けられる。また、第２センサ２２は、アシスト装置を装着して膝を曲げた際に、第２装着部２０の外側になる部分に設けられる。すなわち、上記と同様の理由により、第１センサ１２と同様の部分に設けられる。第２センサ２２は、第２装着部２０の外面において、脛部の前面に対応する部分に設けられる。

センサ１２、２２としては、例えば加速度センサを用いることができる。加速度センサとは、ばねに取り付けた重りが変位する量を測り、重りにかかる加速度を測定する。変位の計測には、静電容量の変化やひずみゲージやピエゾ抵抗効果による電気抵抗の変化などを使う。

計測部１５、２５によって取得された姿勢角情報は、それぞれ制御部３０に送られる。制御部３０は、第１計測部１５からの姿勢角情報に応じて、第１駆動部１６に適切な指令トルクを送る。同様に、制御部３０は、第２計測部２５からの姿勢角情報に応じて、第２駆動部２６に適切な指令トルクを送る。制御部３０は、制御アルゴリズムを備える。制御アルゴリズムとは、計測部１５、２５からの姿勢角情報に基づいて、それぞれの駆動部１６、２６に送る適切な指令トルクを計算するものである。

第１駆動部１６は、制御部３０からの指令トルクに応じて、第１回転部としての第１フライホイール１１を回転させる。フライホイールとは、回転軸に慣性モーメントの大きい円盤状の回転体を取り付けた装置である。これにより、回転数の変化によって反モーメントを発生しやすくする。第１フライホイール１１を回転させることにより、第１フライホイール１１には慣性力が発生する。そして、第１装着部１０には、第１フライホイール１１には慣性力とは反対方向に反モーメントが発生する。すなわち、第１フライホイール１１の回転方向とは、反対方向にアシストトルクが発生する。図１では、第１フライホイール１１の慣性力を１３で示し、第１装着部１０に働く反モーメントを１４で示す。

第１フライホイール１１は、第１装着部１０に設けられる。具体的には、第１装着部１０を装着した際、第１フライホイール１１は、関節軸とは垂直の部分に設けられる。すなわち、第１フライホイール１１は、関節軸を中心とした身体部位の回動方向と同じ方向に回転するように設けられる。換言すると、第１フライホイール１１の回転軸と関節軸とは略平行になっている。これにより、第１フライホイール１１の回転により生じる反モーメントを身体部位のアシストトルクとして利用できる。また、歩行、屈伸等の妨げにならないよう、第１フライホイール１１は、装着時に第１身体部位の外側に配置されるように設けられる。第１フライホイール１１は、大腿部の外側側面に設けられる。

第２駆動部２６は、制御部３０からの指令トルクに応じて、第２回転部としての第２フライホイール２１を回転させる。第２フライホイール２１を回転させることにより、第２フライホイール２１には慣性力が発生する。そして、第２装着部２０には、第２フライホイール２１には慣性力とは反対方向に反モーメントを発生させる。すなわち、第２フライホイール２１の回転方向とは、反対方向にアシストトルクが発生する。図１では、第２フライホイール２１の慣性力を２３で示し、第２装着部２０に働く反モーメントを２４で示す。

第２フライホイール２１は、第２装着部２０に設けられる。具体的には、第２装着部２０を装着した際、第２フライホイール２１は、関節軸とは垂直の部分に設けられる。また、第２フライホイール２１は、装着時に第２身体部位の外側に配置されるように設けられる。すなわち、上記と同様の理由により、第２フライホイール２１は、第１フライホイール１１と同様の部分に設けられる。第２フライホイール２１は、脛部の外側側面に設けられる。装着部１０、２０、計測部１５、２５、駆動部１６、２６、及び制御部３０には、動力源から電力が供給される。これにより、下肢アシスト装置は、動作可能となっている。以上のように、下肢アシスト装置は、フライホイール１１、２１の回転による慣性力の変化を装着者の歩行をサポートする際に必要なアシストトルクとして取り出すことができる。

上記のように、第１装着部１０及び第２装着部２０は、直接的又は間接的に結合されていない。すなわち、第１装着部１０と第２装着部２０とのリンク機構が不要なため、リンク長によるサイズの制限がほとんどない。このため、第１装着部１０と第２装着部２０との装着した際の間隔は、自由に設定することができる。すなわち、第１装着部１０と第２装着部２０とは、互いの装着位置に関係なく、任意の位置に装着することができる。従って、装着者の体格に合わせて作製・調整する必要がほとんどない。すなわち、装着者の身体部位の長さの違いによる調整がほとんどない。

また、第１装着部１０と第２装着部２０とのリンク機構が不要となるため、機構の大幅な単純化が図れる。そして、装着者の関節駆動に伴う回転軸のずれを補償する必要がほとんどないため、機構のさらなる単純化が図れる。装着部１０、２０ごとに装着することができるため、着脱が容易である。また、動力が切れた場合でも、関節抵抗が増えることがほとんどない。以上のように、本実施の形態にかかる下肢アシスト装置によれば、装着者の利便性が向上する。

次に、上記の下肢アシスト装置の動作について説明する。ここでは、第１装着部１０の動作について説明する。第１装着部１０は、大腿部に装着される。このため、第１装着部１０は、大腿部の動きに合わせて動く。第１センサ１２は、第１装着部１０の姿勢角を検出し、第１計測部１５に送る。第１計測部１５に送られた姿勢角情報は、制御部３０に送られる。制御部３０の制御アルゴリズムは、姿勢角情報に基づき、適切な指令トルクを計算する。指令トルクは、制御部３０から第１駆動部１６に送られる。第１駆動部１６は、指令トルクに基づいて、第１フライホイール１１を回転させる。これにより、第１フライホイール１１が設けられた第１装着部１０に、第１フライホイール１１の回転方向と反対方向に反モーメントが発生する。そして、第１装着部１０を介して、第１身体部位にアシストトルクを発生させる。また、脛部に装着される第２装着部２０も、第１装着部１０と同様に動作する。このように、下肢アシスト装置は動作する。

次に、装着者が歩行する際、生じさせる反モーメントの一例について説明する。すなわち、歩行時の脚の状態と各装着部１０、２０に発生すべき反モーメントの関係の一例について説明する。図３に、反モーメントの作用方向を示す。図３に示されるように、右回りの反モーメントをＣＷ、左回りの反モーメントをＣＣＷとする。すなわち、ＣＷの場合、フライホイール１１、２１を左回りに回転させる。ＣＣＷの場合、フライホイール１１、２１を右回りに回転させる。第１装着部１０には、ＣＷが作用することで、大腿部を前に振り出す。反対に、第１装着部１０には、ＣＣＷが作用することで、大腿部を後ろへ振る。また、第２装着部２０には、ＣＷが作用することで、膝が伸びる。反対に、第２装着部２０には、ＣＣＷが作用することで、膝が曲がる。

上記のように、大腿部には第１装着部１０、脛部には第２装着部２０が装着される。支持期の後半から離床の直前では、脚を後方へ蹴り出す。この動きを補助するため、第１装着部１０及び第２装着部２０には、ＣＣＷの反モーメントを発生させる。

そして、離床から遊脚期（前半）では、膝を曲げながら脚を前方へ振り出す。この動きを補助するため、第１装着部１０には、ＣＷの反モーメントを発生させる。第２装着部２０には、ＣＣＷの反モーメントを発生させる。遊脚期（前半）から遊脚期（後半）では、大腿部を前に振りつつ、膝を伸ばし始める。この動きを補助するため、第１装着部１０には、ＣＷの反モーメントを発生させる。第２装着部２０には、ＣＣＷからＣＷへ変化する反モーメントを発生させる。

遊脚期（後半）から接地では、膝を伸ばしながら脚を下げる。すなわち、前に振り出していた大腿部を減速させ、後ろに振り始める。この動きを補助するため、第１装着部１０には、ＣＣＷの反モーメントを発生させる。第２装着部２０には、ＣＷの反モーメントを発生させる。接地から支持期（前半）では、膝を伸ばすように脚を支持する。このとき、脛部には反モーメントを発生させない。これは、支持状態を安定させるためである。そして、大腿部のみに反モーメントを発生させる。すなわち、第１装着部１０には、ＣＣＷの反モーメントを発生させる。そして、第２装着部２０には、反モーメントを発生させない。支持期（前半）から支持期（後半）でも、同様に、第１装着部１０には、ＣＣＷの反モーメントを発生させる。そして第２装着部２０には、反モーメントを発生させない。

以上のような歩行のフェイズと各部位が発生すべき反モーメントを表１に示す。表１中において、"−"は反モーメントを発生しない期間を表す。

このように、第１装着部１０には、大腿部を後ろに振るときにＣＣＷの反モーメントを発生させる。また、支持状態のときにも、ＣＣＷの反モーメントを発生させる。そして、大腿部を前に振るときには、ＣＷの反モーメントを発生させる。第２装着部２０には、膝を曲げるときにＣＣＷの反モーメントを発生させる。そして、膝を伸ばすときには、ＣＷの反モーメントを発生させる。また、支持状態のときには、反モーメントを発生させない。

このように、下肢アシスト装置は、歩行周期に同期する反モーメントを装着者に発生させる。具体的には、センサ１２、２２が検出する歩行中の姿勢の変化をもとに、適切に駆動部１６、２６がフライホイール１１、２１の回転を制御する。これにより、装着部１０、２０に歩行をアシストするトルクを与えることができる。すなわち、歩行周期に同期するアシストトルクを装着者に発生させる。なお、上記のように、このアシストトルクは、大腿部に装着される第１装着部１０と脛部に装着される第２装着部２で独立して発生する。また、脚の状態によって組み合わせを変えることで、歩行補助に適したアシストトルクが発生できる。

また、アシストトルクは、姿勢角情報のみによって発生させたがこれに限られない。これに加えて、身体部位の可動速度等によってアシストトルクを制御してもよい。例えば、上記の歩行中では、大腿部は、前に振る動作から後ろに振る動作に切り替わる。この動作の切り替え直前では、大腿部を前に振る速度が遅くなる。また、この動作の切り替え直前では、大腿部を前に振る動作をアシストする必要はほとんどない。従って、大腿部を前に振る速度が遅くなったとき、第１フライホイール１１の回転数を少なくして、アシストトルクを減少させてもよい。これにより、よりスムーズな歩行等の動作を実現することができる。

なお、本実施の形態では、アシスト装置の一例として、下肢アシスト装置を説明したがこれに限られない。例えば、手首の関節の動きをアシストするアシスト装置であってもよい。また、反モーメントを利用した関連技術には、人工衛星の姿勢制御などが挙げられるが、人間のような関節を持つ多リンク構造物の個別のリンクに反モーメントを作用させることで全体として調和の取れたトルクを発生させるシステムは例がない。

実施の形態にかかる下肢アシスト装置の構成を示す図である。 実施の形態にかかる下肢アシスト装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態にかかる反モーメントの作用方向を示す図である。

符号の説明

１０ 第１装着部、１１ 第１フライホイール、１２ 第１センサ、
１３ 第１フライホイールの慣性力、１４ 第１フライホイールの反モーメント、
１５ 第１計測部、１６ 第１駆動部、２０ 第２装着部、２１ 第２フライホイール、
２２ 第２センサ、２３ 第２フライホイールの慣性力、
２４ 第２フライホイールの反モーメント、２５ 第２計測部、２６ 第２駆動部、
３０ 制御部

Claims (6)

1. 人体の関節に直接連結された第１身体部位と、当該関節に直接連結され、前記第１身体部位より先端側にある第２身体部位とに装着されるアシスト装置であって、
   前記第１身体部位に装着され、姿勢に応じたアシスト力が生じる第１装着部と、
   前記第２身体部位に装着され、前記第１装着部と非連結であり、前記第１装着部に生じるアシスト力とは独立して、姿勢に応じたアシスト力が生じる第２装着部とを有するアシスト装置。
2. 回転することにより、前記第１装着部にアシスト力として反モーメントを生じさせる第１回転部と、
   回転することにより、前記第２装着部にアシスト力として反モーメントを生じさせる第２回転部とをさらに有する請求項１に記載のアシスト装置。
3. 前記第１回転部及び前記第２回転部は、フライホイールである請求項２に記載のアシスト装置。
4. 人体の関節に直接連結された第１身体部位と、当該関節に直接連結され、前記第１身体部位より先端側にある第２身体部位とに装着されるアシスト装置の制御方法であって、
   前記第１身体部位に装着された第１装着部の姿勢を検出し、前記第２身体部位に装着された第２装着部の姿勢を検出する工程と、
   前記第１装着部の姿勢に応じたアシスト力を前記第１装着部に生じさせ、前記第２装着部の姿勢に応じたアシスト力を前記第２装着部に生じさせる工程とを有するアシスト装置の制御方法。
5. 前記アシスト力を生じさせる工程では、前記第１装着部に設けられた第１回転部を、前記第１装着部の姿勢に応じて回転させることにより、前記第１装着部にアシスト力として反モーメントを生じさせ、前記第２装着部に設けられた第２回転部を、前記第２装着部の姿勢に応じて回転させることにより、前記第２装着部にアシスト力として反モーメントを生じさせる請求項４に記載のアシスト装置の制御方法。
6. 前記第１回転部及び前記第２回転部は、フライホイールである請求項５に記載のアシスト装置の制御方法。

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