JP2012245211A - Walking state estimating device and walking assist device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、人間の歩行状態を推定する装置と、当該推定結果を用いて当該人間の歩行運動を補助する装置とに関する。 The present invention relates to a device for estimating a human walking state and a device for assisting the human walking motion using the estimation result.
人間の上下方向等の加速度を検知するために、当該人間の身体に取り付けられている加速度センサの出力波形を得て、この出力波形のパワースペクトルに基づき、当該人間の歩行周期を検出する技術的手法が提案されている(特許文献1参照)。 In order to detect acceleration in the human vertical direction, etc., an output waveform of an acceleration sensor attached to the human body is obtained, and the human walking cycle is detected based on the power spectrum of the output waveform. A technique has been proposed (see Patent Document 1).
しかし、人間の左右の脚の動作が非対称になっている場合、パワースペクトルに出現する複数のピーク位置を示す周波数に基づき、当該ピークの数に応じた複数の基準にしたがって人間の歩行周期が算定される。このため、人間の脚動作の非対称度によっては、当該複数の基準のうち当該人間の歩行周期を推定するために最適な基準が選択されず、その結果として歩行周期の推定精度が低下する可能性がある。 However, when the movements of the left and right legs of the human are asymmetrical, the human walking cycle is calculated based on the frequencies indicating the multiple peak positions that appear in the power spectrum according to multiple criteria according to the number of peaks. Is done. For this reason, depending on the degree of asymmetry of the human leg motion, an optimal criterion for estimating the human walking cycle may not be selected from the plurality of criteria, and as a result, the estimation accuracy of the walking cycle may be reduced. There is.
そこで、本発明は、人間の左右の身体動作の非対称性の程度によらず、当該人間の歩行状態を高精度で推定しうる装置等を提供することを解決課題とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a device and the like that can estimate the walking state of a human with high accuracy regardless of the degree of asymmetry between the left and right body movements of the human.
本発明の歩行状態推定装置は、歩行中の人間の左右の股関節角度又は肩関節角度の差分の指定期間にわたるサンプリングにより得られる波形信号である差分振動子に窓を掛ける窓処理を実行するように構成されている窓処理要素と、前記窓が掛けられた前記差分振動子を周波数解析することによりパワースペクトルを取得するように構成されている周波数解析処理要素と、前記パワースペクトルにおいて閾値以上の高さを有するとともに、最低の周波数帯域に位置するピークを示す基本周波数を決定するように構成されているスペクトル解析処理要素とを備え、前記窓処理要素は、前記スペクトル解析処理要素により決定された前回基本周波数に基づき、当該基本周波数を変数とする減少関数にしたがって、今回の前記窓の幅を設定するように構成されていることを特徴とする。 The walking state estimation device according to the present invention performs window processing for applying a window to a differential transducer, which is a waveform signal obtained by sampling over a specified period of a difference between left and right hip joint angles or shoulder joint angles of a human being walking. A configured window processing element, a frequency analysis processing element configured to acquire a power spectrum by performing frequency analysis on the differential transducer to which the window is multiplied, and a high value equal to or higher than a threshold in the power spectrum. And a spectral analysis processing element configured to determine a fundamental frequency indicating a peak located in the lowest frequency band, wherein the window processing element is determined by the previous spectral analysis processing element. Based on the fundamental frequency, the current window width is set according to the decreasing function with the fundamental frequency as a variable. Characterized in that it is configured.
本発明の歩行状態推定装置によれば、人間の左右の股関節角度又は肩関節角度の「差分」がサンプリングされることにより波形信号としての差分振動子が得られ、この差分振動子からパワースペクトルが得られる。このため、人間の左右の身体動作の非対称度の高低によらず、パワースペクトルにおける閾値以上の高さを有する、最低周波数帯域に位置する単一のピークの位置を表わす「基本周波数」を参照するという一定の基準にしたがって、当該人間の歩行状態が高精度で推定されうる。 According to the walking state estimation apparatus of the present invention, a difference transducer as a waveform signal is obtained by sampling a “difference” between the human hip joint angle or shoulder joint angle, and a power spectrum is obtained from the difference transducer. can get. For this reason, the “fundamental frequency” representing the position of a single peak located in the lowest frequency band having a height equal to or higher than a threshold value in the power spectrum is referred to regardless of the level of asymmetry between the left and right body movements of the human. According to a certain standard, the human walking state can be estimated with high accuracy.
前回の基本周波数が高いほど今回の指定期間における差分振動子に掛けられる今回窓の幅が狭く設定される一方、前回の基本周波数が低いほど今回窓の幅が広く設定される。このため、今回の基本周波数を推定する観点から、周波数解析の対象として過不足のない適当な幅の差分振動子が抽出されうる。 As the previous fundamental frequency is higher, the width of the current window to be applied to the differential transducer in the current specified period is set narrower, while as the previous fundamental frequency is lower, the width of the current window is set wider. For this reason, from the viewpoint of estimating the fundamental frequency this time, a differential transducer having an appropriate width can be extracted as a frequency analysis target.
前記窓処理要素が、前記差分振動子をダウンサンプリングすることによって、前記差分振動子から第1指定周波数を超える高周波数成分を除去した上で、前記窓処理を実行するように構成されていることが好ましい。 The window processing element is configured to perform the window processing after removing a high frequency component exceeding a first designated frequency from the differential transducer by down-sampling the differential transducer. Is preferred.
前記窓処理要素が、前記差分振動子をハイパスフィルタに通すことにより、前記差分振動子から第2指定周波数以下の低周波成分を除去した上で、前記窓処理を実行するように構成されていることが好ましい。 The window processing element is configured to execute the window processing after removing the low frequency component equal to or lower than a second specified frequency from the differential transducer by passing the differential transducer through a high-pass filter. It is preferable.
本発明は、人間の上体に取り付けられる第1装具と、前記人間の左右の大腿のそれぞれに対して取り付けられる一対の第2装具と、一対のアクチュエータと、前記人間の左右の股関節角度のそれぞれに応じた信号を出力するように構成されている左股関節角度センサ及び右股関節角度センサと、少なくとも前記左股関節角度センサ及び前記右股関節角度センサの出力信号に基づいて前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作を制御するように構成されている制御装置とを備え、前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作によって前記第1装具に対して前記一対の第2装具のそれぞれを動かすことにより、前記上体に対する前記左右の大腿の相対的な周期的運動を伴う前記人間の歩行運動を補助する装置に関する。 The present invention includes a first orthosis attached to the upper body of a human, a pair of second orthosis attached to each of the left and right thighs of the human, a pair of actuators, and the hip joint angles of the human left and right A left hip joint angle sensor and a right hip joint angle sensor configured to output a signal corresponding to each of the signals, and an operation of each of the pair of actuators based on at least output signals of the left hip joint angle sensor and the right hip joint angle sensor And a control device configured to control the left and right of the upper body by moving each of the pair of second devices relative to the first device by movement of each of the pair of actuators. The present invention relates to a device for assisting the human walking movement with relative periodic movement of the thigh.
本発明の歩行補助装置は、前記左関節角度センサ及び前記右股関節角度センサを通じた前記人間の左右の股関節角度又は肩関節角度の差分の指定期間にわたるサンプリングにより得られる波形信号である前記差分振動子を用いて、前記基本周波数を決定する前記歩行状態推定装置をさらに備え、前記制御装置が、前記歩行状態推定装置により決定された前記基本周波数に応じて定まる周期にしたがって前記アクチュエータの周期的な動作を制御するように構成されていることを特徴とする。 The walking assist device according to the present invention is the differential oscillator, which is a waveform signal obtained by sampling over a specified period of a difference between the left and right hip joint angles or shoulder joint angles of the human through the left joint angle sensor and the right hip joint angle sensor. The walking state estimation device for determining the fundamental frequency using the control device, wherein the control device performs a periodic operation of the actuator according to a cycle determined according to the fundamental frequency determined by the walking state estimation device. It is comprised so that it may control.
本発明の歩行補助装置によれば、アクチュエータの周期的な動作により、人間の各脚の周期的動作が補助される。この際、本発明の歩行状態推定装置による、人間の推定歩行状態を表わす基本周波数に基づき、アクチュエータの動作周期が定められる。このため、前記のように基本周波数に基づいて高精度で推定される人間の歩行状態に鑑みて適当な周期で当該人間の歩行運動が補助されうる。 According to the walking assist device of the present invention, the periodic motion of each human leg is assisted by the periodic motion of the actuator. At this time, the operation cycle of the actuator is determined based on the fundamental frequency representing the estimated human walking state by the walking state estimating device of the present invention. For this reason, in consideration of the human walking state estimated with high accuracy based on the fundamental frequency as described above, the human walking motion can be assisted at an appropriate period.
(歩行補助装置の構成)
以下、脚体等の左右を区別するために符号「L」及び「R」を用いるが、左右を区別する必要がない場合や左右成分を有するベクトルを表現する場合には当該符号を省略する。また、上体に対する各大腿の屈曲運動(前方運動)及び伸展運動(後方運動)を区別するために符号「+」及び「−」を用いる。
(Configuration of walking assist device)
Hereinafter, the symbols “L” and “R” are used to distinguish the left and right of the leg and the like, but the symbols are omitted when it is not necessary to distinguish the left and right or when the vector having the left and right components is expressed. In addition, symbols “+” and “−” are used to distinguish the flexion motion (forward motion) and the extension motion (backward motion) of each thigh with respect to the upper body.
図1に示されている歩行補助装置10は、第1装具11と、左右一対の第2装具12と、左右一対のアクチュエータ14と、バッテリ16と、制御装置20と、股関節角度センサ202とを備えている。
A
第1装具11は、人間又は利用者の上体又は腰部(第1身体部分)に巻き付けられるように装着される。第1装具11のうち少なくとも人間の背中に当接する背後部は、軽量合金、硬質樹脂又はカーボンファイバ等の剛性素材により構成され、その他の部分は繊維等の柔軟性素材により構成されている。 The first brace 11 is mounted so as to be wrapped around the upper body or waist (first body part) of a human or a user. The back part which contacts at least a human back among the 1st braces 11 is comprised by rigid materials, such as a lightweight alloy, hard resin, or carbon fiber, and the other part is comprised by flexible materials, such as a fiber.
第2装具12は、繊維等の柔軟性素材により構成され、人間の大腿(第2身体部分)に巻き付けられるように装着される。第2装具12は左右両側ではなく左右片側のみに設けられてもよい。
The
アクチュエータ14は電動モータにより構成され、必要に応じてモータに加え減速機及びコンプライアンス機構のうち一方又は両方により構成される。アクチュエータ14は第1装具11が上体に取り付けられたとき、上体の左右両側に配置されるように第1装具11に連結されている。アクチュエータ14は、軽量の軽量合金、硬質樹脂又はカーボンファイバ等の剛性素材により形成されている連結部材15を介して大腿に装着される第2装具12に連結される。
The
これにより、アクチュエータ14が動作することで、上体及び各大腿の相対運動が補助されるように上体及び各大腿に力が作用する。上体及び各大腿の相対運動には、離床している脚体の大腿の上体に対する前後運動が含まれ、着床している脚体に対する上体の前後運動が含まれる。
Thereby, when the
バッテリ16は制御装置20とともに第1装具11の背後部に取り付けられるケース13に収納されており、アクチュエータ14及び制御装置20等に対して電力を供給する。なお、バッテリ16及び制御装置20のそれぞれ又はこれらを収納するケース13の配置箇所は適宜変更されてもよい。
The
股関節角度センサ202は人間の腰部左右両側に配置されるロータリーエンコーダにより構成され、股関節角度に応じた信号を出力する。股関節角度は、大腿が基本前額面の前方にある場合には正値になり、大腿が基本前額面の後方にある場合には負値になるように定義される。
The hip
制御装置20はコンピュータ(CPU、ROM、RAM、信号入力回路、信号出力回路等により構成される。)と、このコンピュータのメモリ又は記憶装置に格納されているソフトウェアとにより構成されている。制御装置20は、バッテリ16からアクチュエータ14に対する供給電力を調節するほか、アクチュエータ14の動作を制御する。
The
図2に示されているように、制御装置20は、後述の演算処理を実行する又は機能を発揮する運動振動子出力要素21と、基本周波数推定要素23と、状態振動子生成要素24と、制御振動子生成要素25とを備えている。基本周波数推定要素23は、本発明の「歩行状態推定装置」を構成し、差分振動子出力要素231と、窓処理要素232と、周波数解析処理要素233と、スペクトル解析処理要素234とを備えている。
As shown in FIG. 2, the
制御装置20の各構成要素は、記憶装置に格納されているプログラムを読み取り、当該プログラムにしたがって担当する演算処理を実行する演算処理装置により構成されている。各構成要素は、共通の演算処理装置により構成されていてもよく、物理的に別個の演算処理装置により構成されていてもよい。たとえば、基本周波数推定要素23が、その他の構成要素とは別個の演算処理装置により構成されていてもよい。
Each component of the
運転スイッチ(図示略)が操作され、バッテリ16から制御装置20に対して電力が供給されることにより、制御装置20は諸機能を発揮しうる。
When the operation switch (not shown) is operated and power is supplied from the
(歩行補助装置及び歩行状態推定装置の機能)
運動振動子出力要素21が、股関節角度センサ202の出力に基づき、人間の左右の股関節角度の時間変化を表わす波形信号を運動振動子φ=(φL,φR)として生成する(図3/STEP1)。「φL」は左運動振動子を表わし、「φR」は右運動振動子を表わしている。
(Function of walking assist device and walking state estimation device)
Based on the output of the hip
また、基本周波数推定要素23が後述する演算処理を実行することにより、人間の歩行周期の逆数に相当する基本周波数f0を推定する(図3/STEP3)。
Further, the fundamental
続いて、状態振動子生成要素24が、連立微分方程式(010)により定義される状態振動子モデルに対して、入力波形信号として運動振動子出力要素21から出力される運動振動子を入力することにより、出力波形信号として状態振動子ξを生成する(図3/STEP5)。状態振動子ξには、左屈曲振動子ξL+、左伸展振動子ξL-、右屈曲振動子ξR+及び右伸展振動子ξR-が含まれる。
Subsequently, the state
「状態振動子モデル」は、各大腿の屈曲運動状態及び伸展運動状態のそれぞれを表わす複数の状態変数ui(i=L+,L−,R+,R−)及び各大腿の屈曲運動状態及び伸展運動状態のそれぞれの順応性を表現するための自己抑制因子viの連立微分方程式(010)により定義されている。 The “state oscillator model” includes a plurality of state variables u i (i = L +, L−, R +, R−) representing the bending motion state and the stretching motion state of each thigh, and the bending motion state and stretching of each thigh. It is defined by simultaneous differential equations (010) of self-inhibiting factors v i for expressing the adaptability of each motion state.
τ1L(duL+/dt)=cL+−uL++wL+/L-ξL-+wL+/R+ξR+−λLvL++f1(ωL)+f2(ωL)KφL,
τ1L(duL-/dt)=cL-−uL-+wL-/L+ξL++wL-/R-ξR-−λLvL-+f1(ωL)+f2(ωL)KφL,
- τ1R(duR+/dt)=cR+−uR++wR+/L+ξL++wR+/R-ξR+−λRvR++f1(ωR)+f2(ωR)KφR,
τ1R(duR-/dt)=cR-−uR-+wR-/L-ξL-+wR-/R+ξR+−λRvR-+f1(ωR)+f2(ωR)KφR,
τ2i(dvi/dt)=−vi+ξi (i=L+,L-,R+,R-),
ξi=H(ui−uth)=0(ui<uth) ..(010)。
τ 1L (du L + / dt) = c L + −u L + + w L + / L- ξ L- + w L + / R + ξ R + −λ L v L + + f 1 (ω L ) + f 2 (ω L ) Kφ L ,
τ 1L (du L- / dt) = c L- -u L- + w L- / L + ξ L + + w L- / R- ξ R- -λ L v L- + f 1 (ω L ) + f 2 (ω L ) Kφ L ,
-τ 1R (du R + / dt) = c R + −u R + + w R + / L + ξ L + + w R + / R- ξ R + −λ R v R + + f 1 (ω R ) + f 2 (ω R ) Kφ R ,
τ 1R (du R- / dt) = c R- -u R- + w R- / L- ξ L- + w R- / R + ξ R + -λ R v R- + f 1 (ω R ) + f 2 (ω R ) Kφ R ,
τ 2i (dv i / dt) = − v i + ξ i (i = L +, L-, R +, R-),
ξ i = H (u i −u th ) = 0 (u i <u th ) .. (010).
「cL+」は、左大腿の屈曲運転状態を表わす状態変数uL+の振幅の大小を定める「左屈曲係数」である。「cL-」は、左大腿の伸展運転状態を表わす状態変数uL-の振幅の大小を定める「左伸展係数」である。「cR+」は、右大腿の屈曲運転状態を表わす状態変数uR+の振幅の大小を定める「右屈曲係数」である。「cR-」は、右大腿の伸展運転状態を表わす状態変数uR-の振幅の大小を定める「右伸展係数」である。 “C L + ” is a “left bending coefficient” that determines the magnitude of the amplitude of the state variable u L + representing the bending operation state of the left thigh. “C L− ” is a “left extension coefficient” that determines the magnitude of the amplitude of the state variable u L− representing the extension operation state of the left thigh. “C R + ” is a “right bending coefficient” that determines the magnitude of the amplitude of the state variable u R + representing the bending operation state of the right thigh. “C R− ” is a “right extension coefficient” that determines the magnitude of the amplitude of the state variable u R− representing the extension operation state of the right thigh.
「τ1L」は状態変数uL+及びuL-の周波数の高低を定める第1左時定数である。「τ1R」は状態変数uR+及びuR-の周波数の高低を定める第1右時定数である。第1左時定数τ1L及び第1右時定数τ1Rは同値であってもことなる値であってもよい。「τ2i」は抑制因子viの周波数の高低を定める第2時定数である。第2時定数τ2iは同値であってもよく、異なる値であってもよい。たとえば、第2左屈曲時定数τ2L+と第2左伸展時定数τ2L-とが同値であり、第2右屈曲時定数τ2R+と第2右伸展時定数τ2R-とが同値である一方、第2左屈曲時定数τ2L+と第2右屈曲時定数τ2R+とが異なる値であってもよい。 “Τ 1L ” is a first left time constant that determines the level of the frequency of the state variables u L + and u L− . “Τ 1R ” is a first right time constant that determines the frequency level of the state variables u R + and u R− . The first left time constant τ 1L and the first right time constant τ 1R may be the same value or different values. “Τ 2i ” is a second time constant that determines the frequency of the suppression factor v i . The second time constant τ 2i may be the same value or a different value. For example, the second left bending time constant τ 2L + and the second left extension time constant τ 2L− are equivalent, and the second right bending time constant τ 2R + and the second right extension time constant τ 2R− are equivalent. The second left bending time constant τ 2L + and the second right bending time constant τ 2R + may be different values.
「wi/j」は状態変数ui及びujの相関関係を表わす負値の相関係数である。「λL」および「λR」は慣れ係数である。「K」は運動振動子φに応じたフィードバック係数である。 “W i / j ” is a negative correlation coefficient representing the correlation between the state variables u i and u j . “Λ L ” and “λ R ” are habituation coefficients. “K” is a feedback coefficient corresponding to the motion oscillator φ.
「ω」は人間の歩行周期の長短に応じて定まる固有角速度である。固有角速度ωは、たとえば基本周波数f0(又は補正後基本周波数f0_d)に2πを乗じた値に設定される。固有角速度ωには左成分ωL及び右成分ωRが含まれるが、基本周波数f0には左右の別がないので、ωL及びωRは同値である。 “Ω” is a natural angular velocity determined according to the length of the human walking cycle. For example, the natural angular velocity ω is set to a value obtained by multiplying the fundamental frequency f 0 (or the corrected fundamental frequency f 0 — d ) by 2π. The natural angular velocity ω includes a left component ω L and a right component ω R, but ω L and ω R have the same value because the fundamental frequency f 0 has no difference between left and right.
「f1」は正係数cを用いて式(011)により定義される固有角速度ωの1次関数である。 “F 1 ” is a linear function of the intrinsic angular velocity ω defined by the equation (011) using the positive coefficient c.
f1(ω)=cω ..(011)。 f 1 (ω) = cω.. (011).
「f2」は係数c0,c1およびc2を用いて式(012)により定義される固有角速度ωの2次関数である。 “F 2 ” is a quadratic function of the intrinsic angular velocity ω defined by the equation (012) using the coefficients c 0 , c 1 and c 2 .
f2(ω)=c0+c1ω+c2ω2 ..(012)。 f 2 (ω) = c 0 + c 1 ω + c 2 ω 2 .. (012).
状態振動子生成要素24は、補正後基本周波数f0_dと、係数α0(>0)及びβ0(>0)とに基づき、関係式(023)にしたがって第1時定数τ1の値を調節又は設定する。
Based on the corrected fundamental frequency f 0 — d and the coefficients α 0 (> 0) and β 0 (> 0), the state
τ1=α0/f0_d+β0 ..(023)。 τ 1 = α 0 / f 0_d + β 0 .. (023).
状態振動子生成要素24は、第1時定数τ1と、係数γ0(>0。たとえば「2」)とに基づき、関係式(024)にしたがって第2時定数τ2の値を調節又は設定する。
The state
τ2=γ0τ1 ..(024)。 τ 2 = γ 0 τ 1 .. (024).
関係式(023)により定義される関数は、図4に示されているような変化特性を示す。このため、補正後基本周波数f0_dが高くなる(歩行周期が短くなる)につれて、第1時定数τ1及び第2時定数τ2の値が減少するように調節される。また、補正後基本周波数f0_dが低くなる(歩行周期が長くなる)につれて、第1時定数τ1及び第2時定数τ2の値が増加するように調節される。
The function defined by the relational expression (023) exhibits a change characteristic as shown in FIG. For this reason, the value of the first time constant τ 1 and the second time constant τ 2 is adjusted to decrease as the corrected
歩行補助装置10の動作開始から、非対称度sの評価に必要な運動振動子が得られるまでの期間において、各係数ci(i=L+,L−,R+,R−)は予め定められている初期値に設定される。同様に、歩行補助装置10の動作開始から、基本周波数f0の推定に必要な差分振動子(後述)が得られるまでの期間において、固有角速度ωは予め定められている初期値に設定される。
Each coefficient c i (i = L +, L−, R +, R−) is determined in advance during the period from the start of the operation of the walking assist
状態振動子モデルに入力される運動振動子φとして、人間の左右の股関節角度の時間変化態様を表わす波形信号に代えて、左右の股関節角速度、左右の肩関節角度又は左右の肩関節角速度等、人間の歩行周期と緊密に関連した周期で変化する左右一対の変数の時間変化態様を表わす波形信号が採用されてもよい。肩関節角度は、股関節角度と同様に、ロータリーエンコーダにより構成されている一対の肩関節角度センサが人間の左右の肩の外側に配置され、当該肩関節角度センサの出力に基づいて測定されうる。 As the motion oscillator φ input to the state oscillator model, instead of the waveform signal representing the temporal change mode of the human left and right hip joint angles, the left and right hip joint angular velocities, the left and right shoulder joint angles, the left and right shoulder joint angular velocities, etc. A waveform signal representing a time change mode of a pair of left and right variables that change in a cycle closely related to the human walking cycle may be employed. Similarly to the hip joint angle, the shoulder joint angle can be measured based on the output of the shoulder joint angle sensor, in which a pair of shoulder joint angle sensors configured by a rotary encoder is arranged outside the left and right shoulders of a human.
状態振動子ξiは、状態変数uiの値が閾値uth未満である場合は0、状態変数uiの値が閾値uth以上である場合はこのuiの値をとる(連立微分方程式(010)参照)。これにより、左大腿の屈曲運動状態を表わす状態変数uL+が大きくなると左屈曲振動子ξL+の振幅が左伸展振動子ξL-よりも大きくなる。また、右大腿の屈曲運動状態を表わす状態変数uR+が大きくなると右屈曲振動子ξR+の振幅が右伸展振動子ξR-の振幅よりも大きくなる。
State oscillator xi] i, if the value of the state variable u i is smaller than the
さらに、左大腿の伸展運動状態を表わす状態変数uL-が大きくなると左伸展振動子ξL-の振幅が左屈曲振動子ξL+よりも大きくなる。また、右大腿の伸展運動状態を表わす状態変数uR-が大きくなると右伸展振動子ξR-の振幅が右屈曲振動子ξR+の振幅よりも大きくなる。 Further, when the state variable u L− representing the extension motion state of the left thigh increases, the amplitude of the left extension oscillator ξ L− becomes larger than that of the left bending oscillator ξ L + . Further, when the state variable u R− representing the extension motion state of the right thigh increases, the amplitude of the right extension oscillator ξ R− becomes larger than the amplitude of the right bending oscillator ξ R + .
結果として、連立微分方程式(010)に含まれる左屈曲係数cL+及び左伸展係数cL-のそれぞれの値に応じた振幅と、第1左時定数τ1Lの値に応じた周波数とにしたがって変化する左屈曲振動子ξL+及び左伸展振動子ξL-が生成される。また、連立微分方程式(010)に含まれる右屈曲係数cR+及び右伸展係数cR-のそれぞれの値に応じた振幅と、第1右時定数τ1Rの値に応じた周波数とにしたがって変化する右屈曲振動子ξR+及び右伸展振動子ξR-が生成される。 As a result, according to the amplitude according to each value of the left bending coefficient c L + and the left extension coefficient c L− included in the simultaneous differential equation (010) and the frequency according to the value of the first left time constant τ 1L. A changing left bending oscillator ξ L + and left extending oscillator ξ L- are generated. Moreover, it changes according to the amplitude according to each value of the right bending coefficient c R + and the right extension coefficient c R− included in the simultaneous differential equation (010) and the frequency according to the value of the first right time constant τ 1R. The right bending oscillator ξ R + and the right extension oscillator ξ R- are generated.
そして、制御振動子生成要素25が状態振動子ξに基づき、関係式(040)にしたがって制御振動子η=(ηL,ηR)を設定する(図3/STEP6)。
Then, the control
ηL=χL+ξL+−χL-ξL-,ηR=χR+ξR+−χR-ξR- ..(040)。 η L = χ L + ξ L + −χ L- ξ L- , η R = χ R + ξ R + −χ R- ξ R- .. (040).
左制御振動子ηLは、左屈曲振動子ξL+及び係数χL+の積と、左伸展振動子ξL-及び係数χL-の積との差として算定される。右制御振動子ηRは、右屈曲振動子ξR+及び係数χR+の積と、右伸展振動子ξR-及び係数χR-の積との差として算定される。当該4つの係数χiは同じ値に設定されてもよい。 The left control oscillator η L is calculated as a difference between the product of the left bending oscillator ξ L + and the coefficient χ L + and the product of the left extension oscillator ξ L− and the coefficient χ L− . The right control oscillator η R is calculated as the difference between the product of the right bending oscillator ξ R + and the coefficient χ R + and the product of the right extension oscillator ξ R- and the coefficient χ R- . The four coefficients χ i may be set to the same value.
そして、制御装置20により制御振動子ηに基づいてバッテリ16から左右のアクチュエータ14L,14Rにそれぞれ供給される電流I=(IL,IR)が調節される。これにより、第1装具11及び第2装具12を介して上体に対する左右の大腿の屈曲運動及び伸展運動を補助する力又は股関節回りの回転力F=(FL,FR)が調節される。補助力Fは電流Iに基づき、たとえばF(t)=G・I(t)(G:比例係数)と表現される。エージェントの歩行運動はトレッドミルの上で実施されてもよい。
Then, the current I = (I L , I R ) supplied from the
その後、運転スイッチがONからOFFに切り替えられたこと、又は、動作異常が検知されたこと等の動作終了条件が満たされたか否かが判定される(図3/STEP7)。そして、当該判定結果が否定的である場合(図3/STEP7‥NO)、前記一連の処理が繰り返される一方、当該判定結果が肯定的である場合(図3/STEP7‥YES)、前記一連の処理が終了する。 Thereafter, it is determined whether or not an operation end condition such as the operation switch being switched from ON to OFF or an operation abnormality is detected is satisfied (FIG. 3 / STEP 7). If the determination result is negative (FIG. 3 / STEP7... NO), the series of processes is repeated. On the other hand, if the determination result is positive (FIG. 3 / STEP7. The process ends.
(基本周波数の推定)
基本周波数推定要素23による基本周波数f0の推定処理(図3/STEP3参照)について説明する。
(Estimation of fundamental frequency)
The fundamental frequency f 0 estimation process (see FIG. 3 / STEP 3) by the fundamental
まず、差分振動子出力要素231が、左右の股関節角度センサ202R,202Lの出力に基づき、股関節角度の差分の時間変化を表わす波形信号を差分振動子として出力する(図5/STEP31)。これにより、図6(a)に示されているような波形信号が差分振動子として得られる。なお、股関節角度の差分に代えて肩関節角度の差分の時間変化を表わす波形信号が差分振動子として出力されてもよい。
First, the differential
続いて、窓処理要素232が、指定期間にわたる差分振動子に窓を掛ける(図5/STEP32)。窓関数としてはハン窓が用いられ、これにより図6(b)に破線で示されている指定期間にわたる差分振動子が、実線で示されているように変形される。窓関数としては、ハン窓のほか、矩形窓、ガウス窓、ハミング窓、ブラックマン窓、カイザー窓、バートレット窓又は指数窓などのさまざまな窓関数が用いられうる。
Subsequently, the
窓処理要素232は、スペクトル解析処理要素234により決定された前回基本周波数f0(k-1)に基づき、当該基本周波数f0を変数とする減少関数にしたがって、今回の窓の幅w(k)を設定する。この減少関数はたとえば関係式(050)により定義される。係数w01及びw02は歩行周期が少なくとも2周期だけ含まれるように設定されている。なお、窓処理要素232は、初回の窓幅w(0)として、歩行周期が少なくとも2周期含まれるような定数を採用する。
The
w(k)=w01/f0(k-1)+w02 ..(050)。 w (k) = w 01 / f 0 (k-1) + w 02 .. (050).
窓処理要素232は、差分振動子(波形信号)をダウンサンプリングすることによって、差分振動子から第1指定周波数を超える高周波数成分を除去した上で、窓処理を実行してもよい。窓処理要素232は、差分振動子(波形信号)をハイパスフィルタに通すことにより、差分振動子から第2指定周波数以下の低周波成分を除去した上で、窓処理を実行してもよい。
The
周波数解析処理要素233は、窓処理された今回指定期間における差分振動子をFFT等、周波数解析処理することにより、パワースペクトルを作成する(図5/STEP33)。これにより、図6(c)に示されているように周波数fが横軸で表わされ、周波数解析結果としてのパワーが縦軸で表わされているパワースペクトルが生成される。
The frequency
スペクトル解析処理要素234は、閾値以上の高さを有するとともに、最低の周波数帯域にあるピークの位置を表わす周波数を基本周波数f0として決定又は推定する(図5/STEP34)。閾値は、ノイズを除去する観点から、パワースペクトルにおけるピーク最高値の0.05〜0.20倍の範囲の値に設定される。これにより、図6(c)に示されているように、閾値pth以上の高さを有するピークP1及びP2のうち、最低の周波数帯域にあるピークP1の位置を表わす周波数が基本周波数f0として決定される。
The spectrum
さらに、図6(d)に示されている曲線を表わす関係式(060)にしたがって基本周波数f0が補正されることにより、補正後基本周波数f0_dが決定される。 Furthermore, the corrected fundamental frequency f 0 — d is determined by correcting the fundamental frequency f 0 according to the relational expression (060) representing the curve shown in FIG.
f0_d=f0 (if f0≦fth), fth (if f0>fth) ..(060)。 f 0_d = f 0 (if f 0 ≦ f th ), f th (if f 0 > f th ) .. (060).
(歩行補助装置及び歩行状態推定装置の作用効果)
前記機能を発揮する基本周波数推定要素23によれば、人間の左右の股関節角度又は肩関節角度の「差分」がサンプリングされることにより波形信号(差分振動子)が得られる(図5/STEP31、図6(a)参照)。また、この波形信号からパワースペクトルが得られる(図5/STEP33、図6(c)参照)。このため、人間の左右の身体動作の非対称度の高低によらず、パワースペクトルにおける閾値以上の高さを有する、最低周波数帯域に位置する単一のピークの位置を表わす基本周波数f0を参照するという一定の基準にしたがって、当該人間の歩行状態が高精度で推定されうる。歩行状態は、基本周波数f0の逆数である推定歩行周期のほか、歩幅又は歩行率など、基本周波数f0に基づいて算定されうるあらゆる状態値によって表現される。
(Operational effects of walking assist device and walking state estimation device)
According to the fundamental
また、前回の基本周波数f0(k-1)が高いほど今回の指定期間における波形信号に掛けられる今回窓の幅w(k)が狭く設定される一方、前回の基本周波数f0(k-1)が低いほど今回窓の幅w(k)が広く設定される。このため、今回の基本周波数f0(k)を推定する観点から、周波数解析の対象として過不足のない適当な幅の波形信号が抽出されうる(図5/STEP32、図6(b)参照)。 Further, as the previous fundamental frequency f 0 (k−1) is higher, the width w (k) of the current window multiplied by the waveform signal in the current designated period is set narrower, while the previous fundamental frequency f 0 (k−) is set. The lower the 1), the wider the window width w (k) is set this time. For this reason, from the viewpoint of estimating the current fundamental frequency f 0 (k), a waveform signal having an appropriate width can be extracted as a frequency analysis target (see FIG. 5 / STEP 32, FIG. 6B). .
さらに、歩行補助装置10によれば、アクチュエータ14の周期的な動作により、人間の各脚の周期的動作が補助される(図3/STEP6参照)。この際、人間の推定歩行状態を表わす基本周波数f0に基づき、アクチュエータ14の動作周期が定められる(関係式(023)及び(024)参照)。このため、前記のように基本周波数f0に基づいて高精度で推定される人間の歩行状態に鑑みて適当な周期で当該人間の歩行運動が補助されうる。
Furthermore, according to the walking assist
(本発明の他の実施形態)
制御装置20は、左屈曲係数cL+、左伸展係数cL-、右屈曲係数cR+及び右伸展係数cR-のそれぞれの値の大小に応じて、人間の左大腿の屈曲運動及び伸展運動並びに右大腿の屈曲運動及び伸展運動のそれぞれを補助するためのアクチュエータ14の動作振幅の大小を制御するように構成されていれば、その構成は前記実施形態の構成に限定されない。アクチュエータ14L,14Rの動作周期は、固有角速度ωL、ωRに応じて2π/ωL、2π/ωRに一致するように制御されてもよい。
(Other embodiments of the present invention)
The
たとえば、制御装置20は、左屈曲係数cL+、左伸展係数cL-、右屈曲係数cR+及び右伸展係数cR-のそれぞれの値を、左股関節角度の屈曲側目標値、左股関節角度の伸展側目標値、右股関節角度の屈曲側目標値及び右股関節角度の伸展側目標値のそれぞれとして、PID制御等のフィードバック制御則にしたがって、左右の股関節角度を制御するように構成されていてもよい。この場合、運動振動子出力要素21、状態振動子生成要素24及び制御振動子生成要素25は省略されてもよい。
For example, the
特許第3930399号、特許第3950149号、特許第4008464号又は特許第4271711号等の公報に記載されているように、ファン・デル・ポル方程式等により定義される第1モデルにしたがって第1振動子が生成され、かつ、当該第1振動子に基づいて固有角速度ω(連立微分方程式(010)参照)が設定された上で、当該固有角速度ωの逆数に比例するように時定数τ1が設定されてもよい。当該公報における「第2振動子」が本願発明における「状態振動子」に相当する。 As described in Japanese Patent No. 3930399, Japanese Patent No. 3950149, Japanese Patent No. 4008464, Japanese Patent No. 4271711, etc., the first vibrator according to the first model defined by Van der Pol equation etc. Is generated, and the natural angular velocity ω (see the simultaneous differential equation (010)) is set based on the first vibrator, and the time constant τ 1 is set to be proportional to the inverse of the natural angular velocity ω. May be. The “second vibrator” in this publication corresponds to the “state vibrator” in the present invention.
制御振動子ηは特許第4271711号等の公報に記載されているように、仮想的な弾性要素による弾性力及び仮想的な減衰要素による減衰力のうち一方又は両方を表わすように生成されてもよい。 The control oscillator η may be generated so as to represent one or both of an elastic force due to a virtual elastic element and a damping force due to a virtual damping element, as described in Japanese Patent No. 4271711. Good.
10‥歩行補助装置、11‥第1装具、12‥第2装具、14‥アクチュエータ、20‥制御装置、23‥基本周波数推定要素(歩行状態推定装置)、232‥窓処理要素、233‥周波数解析処理要素、234‥スペクトル解析処理要素。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記窓が掛けられた前記差分振動子を周波数解析することによりパワースペクトルを取得するように構成されている周波数解析処理要素と、
前記パワースペクトルにおいて閾値以上の高さを有するとともに、最低の周波数帯域に位置するピークを示す基本周波数を決定するように構成されているスペクトル解析処理要素とを備え、
前記窓処理要素は、前記スペクトル解析処理要素により決定された前回基本周波数に基づき、当該基本周波数を変数とする減少関数にしたがって、今回の前記窓の幅を設定するように構成されていることを特徴とする歩行状態推定装置。 A window processing element configured to execute a window process for applying a window to a differential transducer, which is a waveform signal obtained by sampling over a specified period of a difference between the left and right hip joint angles or shoulder joint angles of a human being walking;
A frequency analysis processing element configured to obtain a power spectrum by performing frequency analysis on the differential transducer over which the window is hung, and
A spectral analysis processing element having a height equal to or higher than a threshold in the power spectrum and configured to determine a fundamental frequency indicating a peak located in a lowest frequency band,
The window processing element is configured to set the width of the current window based on the previous fundamental frequency determined by the spectrum analysis processing element according to a decreasing function having the fundamental frequency as a variable. A walking state estimation device as a feature.
前記窓処理要素が、前記差分振動子をダウンサンプリングすることによって、前記差分振動子から第1指定周波数を超える高周波数成分を除去した上で、前記窓処理を実行するように構成されていることを特徴とする歩行状態推定装置。 The walking state estimation device according to claim 1,
The window processing element is configured to perform the window processing after removing a high frequency component exceeding a first designated frequency from the differential transducer by down-sampling the differential transducer. A walking state estimation device characterized by the above.
前記窓処理要素が、前記差分振動子をハイパスフィルタに通すことにより、前記差分振動子から第2指定周波数以下の低周波成分を除去した上で、前記窓処理を実行するように構成されていることを特徴とする歩行状態推定装置。 In the walking state estimation apparatus according to claim 1 or 2,
The window processing element is configured to execute the window processing after removing the low frequency component equal to or lower than a second specified frequency from the differential transducer by passing the differential transducer through a high-pass filter. A walking state estimation device characterized by that.
前記一対のアクチュエータのそれぞれの動作によって前記第1装具に対して前記一対の第2装具のそれぞれを動かすことにより、前記上体に対する前記左右の大腿の相対的な周期的運動を伴う前記人間の歩行運動を補助する装置であって、
前記左関節角度センサ及び前記右股関節角度センサを通じた前記人間の左右の股関節角度又は肩関節角度の差分の指定期間にわたるサンプリングにより得られる波形信号である前記差分振動子を用いて、前記基本周波数を決定する請求項1〜3のうちいずれか1つに記載の歩行状態推定装置をさらに備え、
前記制御装置が、前記歩行状態推定装置により決定された前記基本周波数に応じて定まる周期にしたがって前記アクチュエータの周期的な動作を制御するように構成されていることを特徴とする歩行補助装置。 A first orthosis attached to the upper body of a human, a pair of second orthosis attached to each of the left and right thighs of the human, a pair of actuators, and signals corresponding to the left and right hip joint angles of the human The left hip joint angle sensor and the right hip joint angle sensor configured to output the left hip joint angle sensor, and the operation of each of the pair of actuators based on at least the output signals of the left hip joint angle sensor and the right hip joint angle sensor. And a control device configured in
The human walking with relative periodic movement of the left and right thighs relative to the upper body by moving each of the pair of second braces with respect to the first brace by respective movements of the pair of actuators. A device for assisting exercise,
Using the differential vibrator, which is a waveform signal obtained by sampling over a specified period of the difference between the left and right hip joint angles or shoulder joint angles of the human through the left joint angle sensor and the right hip joint angle sensor, the fundamental frequency is obtained. It further comprises the walking state estimating device according to any one of claims 1 to 3 to be determined,
The walking assist device, wherein the control device is configured to control a periodic operation of the actuator according to a cycle determined according to the fundamental frequency determined by the walking state estimation device.
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