JP2010042069A - 歩行補助装置の制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】歩行姿勢、作業姿勢や重量物運搬等によって装置使用者の重心位置が前後左右に偏って場合に、装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを回復する制御を直接的に行い、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復すること。
【解決手段】装置使用者の左右の足に作用する床反力を左右個別に計測し、床反力の計測値を用いて装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力を演算し、演算されたアシスト力に応じて左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒに出力する制御指令値を演算する。
【選択図】図４

Description

本発明は、歩行補助装置の制御装置および制御方法に関し、特に、動力発生装置が発生する力を左右の脚部にアシスト力として個別に与える歩行補助装置の制御装置および制御方法に関する。

動力発生装置が発生する力を左右の脚部にアシスト力として個別に与える歩行補助装置は、種々提案されている（例えば、特許文献１、２）。

歩行補助装置の制御装置として、歩行補助装置によって装置利用者に作用させる上向きの持ち上げ力の目標値として、装置利用者の左脚の踏力と右脚の踏力との比率に応じて左脚の目標負担分と右脚の目標負担分とを分配決定し、この目標負担分に応じたアシスト力を左右の脚部に付与する歩行補助制御を行うものがある（例えば、特許文献３、４）。
特開平７−１１２０３５号公報 特開２００４−３４４３０５号公報 特開２００７−５４６１６号公報 特開２００７−３３０２９９号公報

従来の歩行補助制御では、歩行姿勢、作業姿勢や重量物運搬等によって装置使用者の重心位置が前後左右に偏り、左脚と右脚とで荷重負担のバランスが崩れた場合、装置使用者の重心位置を適正位置に戻す補償制御が直接的に行われない。このため、従来の歩行補助制御では、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復する動作を期待できない。

本発明が解決しようとする課題は、歩行姿勢、作業姿勢や重量物運搬等によって装置使用者の重心位置が前後左右に偏って場合に、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復することである。

本発明による歩行補助装置の制御装置は、動力発生装置が発生する力を左右の脚部にアシスト力として個別に与える歩行補助装置の制御装置であって、装置使用者の左右の足に作用する床反力を左右個別に計測する床反力計測手段と、前記床反力計測手段によって計測された床反力を用いて装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力を演算するアシスト力演算手段と、前記アシスト力演算手段により演算されたアシスト力に応じて前記動力発生装置に出力する左右個別の制御指令値を演算する制御指令演算手段とを有する。

この発明による歩行補助装置の制御装置によれば、装置使用者の左右の足に作用する床反力の計測値を用いてバランスを補償するアシスト力を演算し、当該アシスト力に応じて動力発生装置に出力する制御指令値を演算することが行われるので、歩行姿勢、作業姿勢や重量物運搬等によって装置使用者の重心位置が前後左右に偏って場合に、装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを回復する制御が直接的に行われ、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復することができる。

本発明による歩行補助装置の制御装置は、好ましくは、前記床反力計測手段によって計測された床反力を用いて装置使用者の左右の足の推定位置と重心位置との位置関係を演算する足位置推定・重心位置演算部と、前記足位置推定・重心位置演算部によって演算された重心位置に基づいて装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力を演算するバランス補償アシスト力演算部とを含む。

この発明による歩行補助装置の制御装置によれば、装置使用者の左右の足に作用する床反力の計測値を用いて装置使用者の左右の足の推定位置と重心位置との位置関係を演算することが行われ、足の推定位置に対する重心位置に基づいて装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力が演算されるので、歩行姿勢、作業姿勢や重量物運搬等によって装置使用者の重心位置が前後左右に偏った場合に、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復することができる。

本発明による歩行補助装置の制御装置は、好ましくは、前記アシスト力演算手段は、前記床反力計測手段によって計測された床反力の単位時間当たりの変化が所定値以上の場合に、バランス補償の前記アシスト力を演算し、当該アシスト力に基づく制御指令を前記制御指令演算手段が前記動力発生装置に出力する。

この発明による歩行補助装置の制御装置によれば、床反力の単位時間当たりの変化が所定値以上、つまり、装置使用者の重心位置が急激に変化した場合にバランス補償制御が行われ、必要以上にバランス補償制御が行われることがない。

本発明による歩行補助装置の制御装置は、好ましくは、更に、装置使用者の生体状態値を計測する生体計測手段を有し、前記アシスト力演算手段は、前記床反力計測手段によって計測された床反力の単位時間当たりの変化が所定値以上で、且つ前記生体計測手段によって計測される生体状態値が所定値以上の場合に、バランス補償の前記アシスト力を演算し、当該アシスト力に基づく制御指令を前記制御指令演算手段が前記動力発生装置に出力する。

この発明による歩行補助装置の制御装置によれば、装置使用者の姿勢がアンバランスになったことに起因して生体状態値が所定値以上になり、しかも、装置使用者の重心位置が急激に変化した場合にバランス補償制御が行われ、必要以上にバランス補償制御が行われることがない。

本発明による歩行補助装置の制御装置は、好ましくは、前記アシスト力演算手段は、前記足位置推定・重心位置演算部によって演算された重心位置が、前記足位置推定・重心位置演算部によって演算された左右の足の推定位置の離間距離を直径とする規定円領域外に逸脱した場合に、バランス補償の前記アシスト力を演算し、当該アシスト力に基づく制御指令を前記制御指令演算手段が前記動力発生装置に出力する。
この発明による歩行補助装置の制御装置によれば、装置使用者の重心位置が平常時の領域より逸脱した場合にバランス補償制御が行われ、必要以上にバランス補償制御が行われることがない。

バランス補償のための前記アシスト力は、時間的に徐々にあるいは段階的に増加してよい。また、バランス補償のための前記アシスト力は、重心位置の前記規定円領域より逸脱量に応じて徐々にあるいは段階的に増加してもよい。

この発明による歩行補助装置の制御方法は、動力発生装置が発生する力を左右の脚部にアシスト力として個別に与える歩行補助装置の制御方法であって、装置使用者の左右の足に作用する床反力を左右個別に計測し、床反力の計測値を用いて装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力を演算し、演算されたアシスト力に応じて前記動力発生装置に出力する制御指令値を演算する。

この発明による歩行補助装置の制御方法によれば、床反力の計測値を用いて装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力を演算し、演算されたアシスト力に応じて前記動力発生装置に出力するので、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復することができる。

この発明による歩行補助装置の制御装置によれば、装置使用者の左右の足に作用する床反力の計測値を用いてバランスを補償するアシスト力を演算し、当該アシスト力に応じて動力発生装置に出力する制御指令値を演算することが行われるので、歩行姿勢、作業姿勢や重量物運搬等によって装置使用者の重心位置が前後左右に偏って場合に、装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを回復する制御が直接的に行われ、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復することができる。

以下に、本発明による歩行補助装置の制御装置の実施形態を、図１〜図６を参照して説明する。

図１〜図３は、本発明による歩行補助用制御装置が適用される歩行補助装置の一つの実施形態を示している。

歩行補助装置１０は、装置使用者が跨ぐようにして着座するサドル部１２と、左右の大腿リンク部材１４Ｌ、１４Ｒと、左右の大腿リンク部材１４Ｌ、１４Ｒと、左右の下腿リンク部材１６Ｌ、１６Ｒと、装置使用者によって履靴される靴部１８Ｌ、１８Ｒとを有する。

サドル部１２の下底部中央には前後方向に延在するヒンジ軸２０が取り付けられている。ヒンジ軸２０には各々ブラケット２２Ｌ、２２Ｒによって前後方向に延在する左右の円弧ガイドバー２４Ｌ、２４Ｒがヒンジ軸２０を中心として左右方向に回動可能（開脚可能）に取り付けられている。

左右の円弧ガイドバー２４Ｌ、２４Ｒにはガイドローラ２８Ｌ、２８Ｒによってスライダ２６Ｌ、２６Ｒが当該ガイドバーに沿って移動可能に設けられている。スライダ２６Ｌ、２６Ｒには左右のベースプレート３０Ｌ、３０Ｒが取り付けられている。これにより、左右のベースプレート３０Ｌ、３０Ｒは、円弧ガイドバー２４Ｌ、２４Ｒに案内されて前後方向にスイング移動可能である。

ベースプレート３０Ｌ、３０Ｒはスライダ２６Ｌ、２６Ｒとの固定部より後方へ突出延在している。ベースプレート３０Ｌ、３０Ｒには左右の大腿リンク部材１４Ｌ、１４Ｒの上端部が固定連結されている。

上述したヒンジ軸２０、左右の円弧ガイドバー２４Ｌ、２４Ｒ、左右のスライダ２６Ｌ、２６Ｒ、左右のベースプレート３０Ｌ、３０Ｒは、装置使用者の左右の股関節に対応する位置にあり、これらの組み合わせによって、ヒトの股関節と等価の動きが可能な左右の第１関節機構部Ｌ１、Ｒ１が構成される。

左右の大腿リンク部材１４Ｌ、１４Ｒは、ベースプレート３０Ｌ、３０Ｒの後部側から斜め下方前方に延在している。左右の大腿リンク部材１４Ｌ、１４Ｒの先端部（下端部）には略水平な枢軸３２Ｌ、３２Ｒによって左右の下腿リンク部材１６Ｌ、１６Ｒの上端部が略上下方向に回動可能に連結されている。左右の下腿リンク部材１６Ｌ、１６Ｒの下端部には略水平な枢軸３４Ｌ、３４Ｒに靴部１８Ｌ、１８Ｒが略上下方向に回動可能に連結されている。

枢軸３２Ｌ、３２Ｒは、装置使用者の左右の膝関節に対応する位置にあって、ヒトの膝関節と等価の動きが可能な左右の第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２をなす。枢軸３４Ｌ、３４Ｒは、装置使用者の左右の足首関節に対応する位置にあって、ヒトの足首関節と等価の動きが可能な左右の第３関節機構部Ｌ３、Ｒ３をなす。

左右のベースプレート３０Ｌ、３０Ｒには、動力発生装置として、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒが取り付けられている。左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒは、アシスト力発生源であり、出力軸３８Ｌ、３８Ｒに出力プーリ４０Ｌ、４０Ｒを取り付けられている。

枢軸３２Ｌ、３２Ｒには従動プーリ４２Ｌ、４２Ｒが取り付けられている。出力プーリ４０Ｌ、４０Ｒと従動プーリ４２Ｌ、４２Ｒには各々無端ベルト４４Ｌ、４４Ｒが掛け渡されている。この伝動機構により、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの回転出力が左右の第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２をなす左右の枢軸３２Ｌ、３２Ｒに各々個別に伝達される。つまり、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒが発生する力が左右の脚部（膝関節部分）にアシスト力（関節モーメントＭＬ、ＭＲ）として個別に与えられる。

歩行補助装置１０は、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒに電力を供給するバッテリ電源（図示省略）と、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの動作を制御する制御装置１００（図４参照）を搭載している。歩行補助装置１０には、各種物理量を検出するセンサとして、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの回転角を検出するロータリエンコーダ５０Ｌ、５０Ｒと、左脚、右脚の床反力計測を行うＭＰセンサ５２Ｌ、５２Ｒ及び踵センサ５４Ｌ、５４Ｒと、股間開き角度計測を行う股間開き角度センサ５６と、左脚、右脚の支持力計測を行う支持力センサ６０Ｌ、６０Ｒと、ベースプレート３０Ｌ、３０Ｒのスイング移動位置を計測するベースプレート位置センサ６２Ｌ、６２Ｒが取り付けられている。

左右のＭＰセンサ５２Ｌ、５２Ｒは、多軸（少なくとも鉛直方向、水平方向の２軸)の力センサであり、左右の靴部１８Ｌ、１８Ｒを着用した装置使用者のＭＰ関節（中趾節関節）部分にほぼ対応した位置の靴内に配置されて床反力を計測する。

左右の踵センサ５４Ｌ、５４Ｒは、多軸（少なくとも鉛直方向、水平方向の２軸)の力センサであり、左右の靴部１８Ｌ、１８Ｒを着用した装置使用者の踵部分にほぼ対応した位置の靴内に配置されて床反力を計測する。

股間開き角度センサ５６は、ヒンジ軸２０部分にあって左右のブラケット２２Ｌ、２２Ｒの開き角を装置使用者の股間開き角度として検出する。

左脚、右脚の支持力センサ６０Ｌ、６０Ｒは、多軸（少なくとも鉛直方向、水平方向の２軸)の力センサであり、下腿リンク部材１６Ｌ、１６Ｒの下端部に取り付けられ、下腿リンク部材１６Ｌ、１６Ｒに作用する支持力を計測する。支持力センサ５６Ｌ、５６Ｒによって計測される支持力は、床反力と相関する物理量である

ベースプレート位置センサ６２Ｌ、６２Ｒは、スライダ２６Ｌ、２６Ｒに取り付けられてガイドローラ２８Ｌ、２８Ｒの回転量よりベースプレート３０Ｌ、３０Ｒのスイング移動位置を計測する。

図４に示されているように、制御装置１００は、上述した各センサの信号と、装置使用者（歩行補助装置装着者)に装着された筋電計、心拍センサ、呼吸量センサ、発汗量センサ等の生体センサ５８（図４参照）より筋電位、心拍数、呼吸量、発汗量等を示す信号を、腰部・胸部ジャイロセンサ６４より腰部、胸部の鉛直方向に対する角速度を示す信号を、腰部・胸部加速度センサ６６より腰部、胸部の鉛直方向、水平方向の加速度を示す信号を各々入力し、更に、作業者・作業内容特定情報を入力し、後述する制御則に従って、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの動作を個別に制御する。

制御装置１００は、マイクロコンピュータを含む電子制御式のものであり、コンピュータプログラムを実行して、床反力演算部１０２、アシスト力演算部１０４、制御指令演算部１０６を具現化する。

床反力演算部１０２は、ＭＰセンサ５２Ｌ、５２Ｒ、踵センサ５４Ｌ、５４Ｒの各々よりセンサ信号を入力し、あるいは支持力センサ６０Ｌ、６０Ｒのセンサ信号を入力し、装置使用者の左右の足に作用する床反力ＦＬ、ＦＲを左右個別に演算する。この実施形態では、ＭＰセンサ５２Ｌ、５２Ｒ、踵センサ５４Ｌ、５４Ｒ、支持力センサ６０Ｌ、６０Ｒ等の力センサと床反力演算部１０２によって床反力計測手段が構成される。

アシスト力演算部１０４は、足位置推定・重心位置部１１０と、バランス補償アシスト力演算部１１２と、通常歩行アシスト力演算部１１４とを含む。

足位置推定・重心位置部１１０は、ＭＰセンサ５２Ｌ、５２Ｒ、踵センサ５４Ｌ、５４Ｒの計測値に基づいて床反力演算部１０２により演算された左右の床反力ＦＬ、ＦＲ、あるいは支持力センサ６０Ｌ、６０Ｒによって計測された下腿リンク部材１６Ｌ、１６Ｒに作用する支持力を用いて装置使用者の重心位置Ｃを演算する。

足位置推定・重心位置演算部１１０は、ロータリエンコーダ５０Ｌ、５０Ｒに検出される左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの回転角より左右の第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２の曲げ角度を演算し、当該曲げ角度とベースプレート位置センサ６２Ｌ、６２Ｒにより計測されるベースプレート３０Ｌ、３０Ｒのスイング移動位置より前後歩幅Ｓｙ（図６参照）を算出し、股間開き角度センサ５６により検出される装置使用者の股間開き角度より左右足間隔Ｓｘ（図６参照）を算出する。そして、左右の床反力計測値ＦＬ、ＦＲと、前後歩幅Ｓｙと、左右足間隔Ｓｘとから、右足位置の推定位置（Ｒｘ，Ｒｙ）と重心位置Ｃとの座標位置関係を下式に従って演算する。

Ｒｘ＝｛ＦＬ／（ＦＬ＋ＦＲ）｝Ｓｘ
Ｒｙ＝−｛ＦＲ／（ＦＬ＋ＦＲ）｝Ｓｙ

左足位置の推定位置（Ｌｘ，Ｌｙ）と重心位置Ｃとの座標位置関係は下式により算出できる。
Ｌｘ＝−（Ｓｘ−Ｒｘ）
Ｌｙ＝Ｓｙ−Ｒｙ
ここで、ｘ・ｙは、重心位置Ｃを座標原点とする直交２軸座標で、ｘは左右方向の座標値、ｙは前後方向の座標値である。

バランス補償アシスト力演算部１１２は、足位置推定・位置演算部１１０によって求められた足位置の推定位置（Ｒｘ，Ｒｙ）と重心位置Ｃとの座標位置関係に基づいて、左右の脚の荷重負担のバランスを補償する左右のアシスト力を演算する。

通常歩行アシスト力演算部１１４は、ロータリエンコーダ５０Ｌ、５０Ｒに検出される左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの回転角に基づいて通常歩行に適した左右のアシスト力を演算する。

図７は、装置使用者が、図示の姿勢で、荷物Ｗを持つ前と持った後の左右の床反力と重心位置の変化を解図的に示している。図７において、符号ＦＬ、ＦＲは荷物Ｗを持つ前の左右の床反力計測値を、符号ＦＬｗ、ＦＲｗは荷物Ｗを持った後の前左右の床反力計測値を、符号Ｃは荷物Ｗを持つ前の重心位置を、符号Ｃｗは荷物Ｗを持った後の重心位置を各々示している。

荷物Ｗを持つことにより、重心位置がＣ→Ｃｗに変化することは、荷物Ｗを持つことにより左右の床反力計測値がＦＬ→ＦＬｗ、ＦＲ→ＦＲｗに変化することにより捉えることができるから、左右の床反力計測値ＦＬｗ、ＦＲｗによって荷物Ｗを持った後の重心位置Ｃｗを算出することができる。

通常歩行アシスト力演算部１１４は、例えば、計測値腰部・胸部ジャイロセンサ６４より計測された装置使用者の腰部、胸部の鉛直方向に対する角速度、腰部・胸部加速度センサ６６より計測された装置使用者の腰部、胸部の鉛直方向、水平方向の加速度を用いて逆運動力学モデルにより、左右の床反力計測値ＦＬ、ＦＲから装置使用者の膝関節に働く関節モーメントＭＬ、ＭＲを推定し、この関節モーメントＭＬ、ＭＲが予めパラメータ設定されている目標モーメントになるように歩行の左右脚の鉛直成分の規定比率を決定し、当該規定比率に基づいて通常歩行に適した左右のアシスト力を演算する。

逆運動力学モデルによる関節モーメントＭＬ、ＭＲの推定演算は、二足歩行移動体の関節モーメントの演算と同様に、装置使用者の下肢部の並進運動に関する方程式と回転運動に関する運動方程式とを用いて、床反力作用点に近い関節から順番に該当関節に作用するモーメントを求めるものである。この逆運動力学モデルについての詳細な説明が必要ならば、特開２００３−８９０８３号公報を参照されたい。

アシスト力演算部１０４は、左右の床反力計測値ＦＬ、ＦＲの単位時間当たりの変化が所定値以上、つまり、装置使用者の重心位置が急激に変化した場合に限って、バランス補償アシスト力演算部１１２によって左右の脚の荷重負担のバランス補償のためのアシスト力を演算し、それ以外の時には、通常歩行アシスト力演算部１１４によって左右のアシスト力を演算する。バランス補償のためのアシスト力（制御目標値）は、図７に示されている例の場合、ＦＬｗ−ＦＬ＝ΔＦＬに相関する値であってよい。

制御指令演算部１０６は、アシスト力演算部１０４により演算された左右のアシスト力に応じて左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの駆動回路４８Ｌ、４８Ｒに出力する左右の制御指令値を互いに個別に演算する。

これにより、左右の床反力計測値ＦＬ、ＦＲの単位時間当たりの変化が所定値以上になると、足の推定位置に対する重心位置Ｗに基づいて左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力（免荷力）が演算され、当該アシスト力に応じて左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒに出力する制御指令値が演算されるので、作業姿勢や重量物運搬等によって装置使用者の重心位置が前後左右に偏ったアンバランスな状態になった場合に、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復することができる。

この制御により、作業中に重量物をもった作業者の身体的負荷を軽減でき、作業効率、生産効率の向上を図ることができる。

バランスが取れた通常歩行時には、通常歩行アシスト力演算部１１４によって通常歩行に適した左右のアシスト力が演算設定されるので、通常歩行時の適正な歩行補助が行われる。

上述したように、左右の床反力計測値ＦＬ、ＦＲの単位時間当たりの変化が所定値以上、つまり、装置使用者の重心位置が急激に変化し、装置使用者の重心位置を適正位置に戻すべき状態になった時に限って、装置使用者の重心位置を擬似的に適正位置に戻す制御が行われ、必要以上に装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償する制御が行われることがない。これにより、左右の脚の荷重負担のバランスを補償する制御と、通常歩行を乱さない制御とが両立する。

なお、アシスト力演算部１０４は、左右の床反力計測値ＦＬ、ＦＲの単位時間当たりの変化が所定値以上で、且つ生体センサ５８により計測される電筋、心拍等の生体状態値が所定値以上の場合に限って、バランス補償アシスト力演算部１１２によってバランス補償のアシスト力を演算し、それ以外の時には、通常歩行アシスト力演算部１１４によって左右のアシスト力を演算してもよい。

この場合には、左右の床反力計測値ＦＬ、ＦＲの単位時間当たりの変化が所定値以上になったことに加えて、装置使用者の姿勢がアンバランスになったことに起因して装置使用者の生体状態値が所定値以上になった時に限って、装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償する制御が行われ、必要以上にバランスを補償する制御が行われることがない。これにより、左右の脚の荷重負担のバランスを補償する制御と、通常歩行を乱さない制御とが、より厳格に両立する。

なお、装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償する制御を行う床反力計測値ＦＬ、ＦＲの単位時間当たり変化の閾値、生体状態値の計測値の閾値は、作業者・作業内容特定情報を入力して、作業者に応じて、また、作業内容等に応じて適正値に設定されればよい。

つぎに、本実施形態による歩行補助装置の制御装置の制御ルーチンを、図５に示されているフローチャートを参照して説明する。

まず、作業者特定処理として、作業者の体格・体力情報、作業工程、作業内容、作業履歴等を含むＩＤ情報を入力する（ステップＳ１０１）。つぎに、作業・工程特定処理として、作業場所、台車等の使用具等の作業・工程情報を入力する（ステップＳ１０２）。

つぎに、ロータリエンコーダ５０Ｌ、５０Ｒ、ＭＰセンサ５２Ｌ、５２Ｒ、踵センサ５４Ｌ、５４Ｒ、股間開き角度センサ５６、生体センサ５８の各々よりセンサ信号を入力する（ステップＳ１０３）。

つぎに、生体センサ５８の計測値が閾値以上であるか否かを判別する（ステップＳ１０４）。この閾値は、ＩＤ情報、作業・工程情報に基づいて適正値に可変設定されてよい。

生体センサ５８の計測値が閾値以上でなければ、通常歩行アシスト力演算部１１４によってアシスト力を演算する（ステップＳ１０５）。

生体センサ５８の計測値が閾値以上であれば、床反力演算手段１０２によって床反力（計測値）ＦＬ、ＦＲを演算する（ステップＳ１０６）。

つぎに、足位置推定・重心位置演算部１１０によって足の推定位置と重心位置との座標位置関係を演算する（ステップＳ１０７）。

つぎに、床反力計測値ＦＬ、ＦＲの少なくともいずれか一方の単位時間当たりの変化量が所定値（閾値）Ｆｃ以上であるか否かを判別する（ステップＳ１０９）。所定値Ｆｃも、ＩＤ情報、作業・工程情報に基づいて適正値に可変設定されてよい。

床反力計測値ＦＬ、ＦＲの何れもの単位時間当たりの変化量が所定値Ｆｃ以上でない場合には、通常歩行アシスト力演算部１１４によってアシスト力を演算する（ステップＳ１０５）。

床反力計測値ＦＬ、ＦＲの少なくともいずれか一方の単位時間当たりの変化量が所定値Ｆｃ以上であれば、つぎに、左足の床反力計測値ＦＬが右足の床反力計測値ＦＲより大きいか否かを判別する（ステップＳ１０９）。ＦＬ＞ＦＲであれば、左右の脚の荷重負担のバランスを補償するための左足のアシスト力を増加させる演算を行う（ステップＳ１１０）。

これに対し、ＦＬ＞ＦＲでなければ、右足の床反力計測値ＦＲが左足の床反力計測値ＦＬより大きいか否かを判別する（ステップＳ１１１）。ＦＲ＞ＦＬであれば、左右の脚の荷重負担のバランスを補償するための右足のアシスト力を増加させる演算を行う（ステップＳ１１２）。

ＦＲ＞ＦＬでなければ、すなわちＦＲ＝ＦＬであれば、現状のアシスト力を維持する（ステップＳ１１３）。なお、ＦＲ＝ＦＬのおいて、ＦＲ、ＦＬが前回値より増加した場合には、アシスト力を一定比率で増加してもよい。

ステップＳ１０５、１１０、１１２、１１３の何れかで、アシスト力が設定されると、それに応じてモータ指令値を演算し、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの駆動回路４８Ｌ、４８Ｒへモータ指令を出力する（ステップＳ１１４）。

上述の制御により、作業中や重量物の運搬等で、歩行補助装置１０を装備している作業者の前後左右のバランスが崩れた場合、重心位置が偏った側の足のアシスト力が増加され、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復する。

このアシスト力の増加は、バランスが崩れたことを速やかに回復することと、急激なアシスト力増加によって使用者に違和感を与えないこととを両立する度合いをもつて行われることが好ましい。

このことを満たすために、バランス補償のためのアシスト力は、たとえば、図９の特性線Ａで示されているように、ある時定数をもって直線的に徐々に増加、図９の特性線Ｂで示されているように、２次曲線を描いて増加、図９の特性線Ｃで示されているように、段階的に増加すればよい。この場合、アシスト力がゼロから制御目標値に到達するまでに要する時間Ｔは、床反力計測値ＦＬ、ＦＲの単位時間当たりの変化量に応じて可変設定されてよい。

他の実施形態として、アシスト力演算部１０４は、足位置推定・重心位置演算部１１０によって演算された重心位置が、図６に符号Ｃｗで示されているように、足位置推定・重心位置演算部１１０によって演算された左右の足の推定位置の離間距離Ｄを直径とする規定円領域Ｅ外に逸脱した場合に限って、バランス補償のアシスト力を演算し、当該アシスト力に基づく制御指令を制御指令演算部１０９が左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの駆動回路４８Ｌ、４８Ｒへ出力してもよい。

図８は、この実施形態の制御ルーチンのフローチャートである。前述した図５のフローチャートとの相違点は、ステップＳ１０８において、重心位置が左右の足の推定位置の離間距離を直径とする規定円領域内にあるか否かを判別することである。重心位置が規定円領域Ｅ内にあれば、通常歩行アシスト力演算部１１４によってアシスト力を演算する（ステップＳ１０５）。これに対し、重心位置が規定円領域内になければ、ステップＳ１０９〜Ｓ１１３を実行し、左右の脚の荷重負担のバランスを補償するためのアシスト力を演算する。

したがって、この実施形態でも、作業中や重量物の運搬等で、歩行補助装置１０を装備している作業者の前後左右のバランスが崩れた場合、重心位置が偏った側の足のアシスト力が増加され、左右の脚の荷重負担のバランスが崩れたことを速やかに回復することができる。

この実施形態でも、アシスト力の増加は、バランスが崩れたことを速やかに回復することと、急激なアシスト力増加によって使用者に違和感を与えないこととを両立する度合いをもつて行われることが好ましい。

このことを満たすために、たとえば、重心位置が規定円領域Ｅを越えた時点、あるいは重心位置が規定円領域Ｅの外郭に近づき始めた時点で、バランス補償のためのアシスト力の付与を開始し、図９の特性線Ａ〜Ｃにより示されているような特性をもって徐々にあるいは段階的に増加すればよい。

また、図１０に示されているように、バランス補償のためのアシスト力を、重心位置の規定円領域Ｅより逸脱量に応じて、特性線Ｆで示されているように、直線的に徐々に増加、図１０の特性線Ｇで示されているように、２次曲線を描いて増加、図１０の特性線Ｈで示されているように、段階的に増加してもよい。

本発明による制御装置が適用される歩行補助装置の一つの実施形態の概要を示す斜視図である。 本発明による制御装置が適用される歩行補助装置の一つの実施形態を示す側面図である。 本発明による制御装置が適用される歩行補助装置の一つの実施形態の要部を示す正面図である。 本発明による歩行補助装置の制御装置の一つの実施形態を示すブロック図である。 本発明による歩行補助装置の制御装置が行う制御ルーチンの一つの実施形態を示すフローチャートである。 本発明による歩行補助装置の制御装置における足位置推定と重心位置との関係を示すグラフである。 装置使用者が荷物を持つ前と持った後の左右の床反力の変化と重心位置の変化を解図的に示す説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ)は正面図である。している。 本発明による歩行補助装置の制御装置が行う制御ルーチンの他の実施形態を示すフローチャートである。 本発明による歩行補助装置の制御装置におけるバランス補償のためのアシスト力制御特性の一例を示すグラフである。 本発明による歩行補助装置の制御装置におけるバランス補償のためのアシスト力制御特性の他の例を示すグラフである。

符号の説明

１０ 歩行補助装置
１２ サドル部
１４Ｌ、１４Ｒ 大腿リンク部材
１６Ｌ、１６Ｒ 下腿リンク部材
１８Ｌ、１８Ｒ 靴部
Ｌ１、Ｒ１ 第１関節機構部
Ｌ２、Ｒ２ 第２関節機構部
Ｌ３、Ｒ３ 第３関節機構部
３６Ｌ、３６Ｒ 電動モータ
５０Ｌ、５０Ｒ ロータリエンコーダ
５２Ｌ、５２Ｒ ＭＰセンサ
５４Ｌ、５４Ｒ 踵センサ
５６ 股間開き角度センサ
５８ 生体センサ
１００ 制御装置
１０２ 床反力演算部
１０４ アシスト力演算部
１０６ 制御指令演算部
１１０ 足位置推定・重心位置演算部
１１２ バランス補償アシスト力演算部
１１４ 通常歩行アシスト力演算部

Claims (8)

1. 動力発生装置が発生する力を左右の脚部にアシスト力として個別に与える歩行補助装置の制御装置であって、
   装置使用者の左右の足に作用する床反力を左右個別に計測する床反力計測手段と、
   前記床反力計測手段によって計測された床反力を用いて装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力を演算するアシスト力演算手段と、
   前記アシスト力演算手段により演算されたアシスト力に応じて前記動力発生装置に出力する左右個別の制御指令値を演算する制御指令演算手段と、
   を有する歩行補助装置の制御装置。
2. 前記アシスト力演算手段は、前記床反力計測手段によって計測された床反力を用いて装置使用者の左右の足の推定位置と装置使用者の重心位置との位置関係を演算する足位置推定・重心位置演算部と、前記足位置推定・重心位置演算部によって演算された重心位置に基づいて装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力を演算するバランス補償アシスト力演算部とを含む請求項１に記載の歩行補助装置の制御装置。
3. 前記アシスト力演算手段は、前記床反力計測手段によって計測された床反力の単位時間当たりの変化量が所定値以上の場合に、バランス補償の前記アシスト力を演算する請求項１または２に記載の歩行補助装置の制御装置。
4. 装置使用者の生体状態値を計測する生体計測手段を有し、
   前記アシスト力演算手段は、前記床反力計測手段によって計測された床反力の単位時間当たりの変化が所定値以上で、且つ前記生体計測手段によって計測される生体状態値が所定値以上の場合に限って、バランス補償の前記アシスト力を演算し、当該アシスト力に基づく制御指令を前記制御指令演算手段が前記動力発生装置に出力する請求項１から３の何れか一項に記載の歩行補助装置の制御装置。
5. 前記アシスト力演算手段は、前記足位置推定・重心位置演算部によって演算された重心位置が、前記足位置推定・重心位置演算部によって演算された左右の足の推定位置の離間距離を直径とする円形領域外に逸脱した場合に、バランス補償の前記アシスト力を演算し、当該アシスト力に基づく制御指令を前記制御指令演算手段が前記動力発生装置に出力する請求項１から３の何れか一項に記載の歩行補助装置の制御装置。
6. バランス補償のための前記アシスト力を徐々にあるいは段階的に増加する請求項１から５の何れか一項に記載の歩行補助装置の制御装置。
7. バランス補償のための前記アシスト力を重心位置の前記規定円領域より逸脱量に応じて徐々にあるいは段階的に増加する請求項５に記載の歩行補助装置の制御装置。
8. 動力発生装置が発生する力を左右の脚部にアシスト力として個別に与える歩行補助装置の制御方法であって、
   装置使用者の左右の足に作用する床反力を左右個別に計測し、床反力の計測値を用いて装置使用者の左右の脚の荷重負担のバランスを補償するアシスト力を演算し、演算されたアシスト力に応じて前記動力発生装置に出力する制御指令値を演算する歩行補助装置の制御方法。

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