JP2013048702A - Walking assistance device, and walking assistance program - Google Patents

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Akira Kotabe
顕 小田部
Kanako Taniyama
谷山かな子
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Equos Research Co Ltd
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Equos Research Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To perform walking assistance with a constant load sense even when a walking manner varies.SOLUTION: This walking assistance device performs an assist of each joint such that an angular impulse (the time integration value of a joint moment) in one walking period of a wearer becomes constant regardless of a walking condition by paying attention to the angular impulse as a load amount of the wearer during the one walking period. Specifically, the walking assistance device sets an angular impulse obtained by subtracting an angular impulse assisted by the walking assistance device from the angular impulse in the one walking period in the walking condition that is a reference as a reference angular impulse z, and sets an assist rate β such that the angular impulse to be imposed on the wearer becomes equal to the reference angular impulse z even if the angular impulse increases by the change of the value of a walking parameter (the change of the walking manner). Thus, when the value of the walking parameter changes, walking with the constant load sense of the reference angular impulse z becomes possible.

Description

本発明は、歩行支援装置、及び歩行支援プログラムに関し、例えば、歩行をアシストするものに関する。   The present invention relates to a walking support device and a walking support program, for example, a device that assists walking.

近年、介護ビジネスなどを中心に、人の動作(歩行や持ち上げなど)に使われる筋力を補助する装着型ロボット(パワーアシストスーツ)などが開発されている。
装着型ロボットには、アシスト箇所として、上半身の筋力を補助するもの、下半身の筋力を補助するもの、あるいは、全身の筋力を補助するものなど各種のものがある。
また、装着型ロボットの用途も、健常者用から高齢者・障害者の補助用などがある。
In recent years, wearable robots (power assist suits) that assist muscle strength used for human movement (walking, lifting, etc.) have been developed mainly in the nursing care business.
There are various types of wearable robots such as those that assist the muscle strength of the upper body, those that assist the muscle strength of the lower body, and those that assist the muscle strength of the whole body.
In addition, the use of the wearable robot ranges from a healthy person to an elderly person / person with a disability.

装着型ロボットは、例えば、装着者の筋電から筋肉の動きを解析したり、関節各部に配置した姿勢センサで検出される装着者の動きを解析することで、当該動きに必要な関節モーメントを算出し、これに応じた必要なアシスト力を発生させている。これによって、装着者は、重量物の持ち上げや歩行を楽に行うことができる。   The wearable robot, for example, analyzes the movement of the muscle from the electromyogram of the wearer or analyzes the movement of the wearer detected by the posture sensor arranged in each part of the joint, thereby obtaining the joint moment necessary for the movement. The necessary assist force corresponding to this is generated. Thus, the wearer can easily lift and walk heavy objects.

このような技術に、特許文献1の「装着式動作補助装置、装着式動作補助装置の制御方法および制御用プログラム」がある。
この技術は、装着者に設置したセンサによって生体信号を検出し、これを用いて装着者の意思に従った動力をアクチュエータに発生させるものである。
As such a technique, there is “a wearable movement assist device, a control method of a wearable movement assist device, and a control program” in Patent Document 1.
In this technique, a biological signal is detected by a sensor installed on the wearer, and the actuator is used to generate power according to the wearer's intention.

しかし、従来の装着型ロボットは、装着者の関節に発生する関節モーメントに対して一定の割合でアシスト力を発生させるものであり、各歩行シーン(平地、階段、坂道等)や各歩行パラメータ値(歩幅、歩調等)の違いに応じたアシストを行っている訳ではない。
このため、同一割合でのアシストをしたとしても、装着者にとってみると、歩行シーンや歩き方の違い(歩行パラメータ値の違い)によっては、アシスト力不足と感じる場合がある。
However, conventional wearable robots generate assist force at a fixed rate with respect to the joint moment generated at the joint of the wearer, and each walking scene (flat ground, stairs, slope, etc.) and each walking parameter value Assistance is not performed according to the difference (step length, pace, etc.).
For this reason, even if the assist is performed at the same rate, the wearer may feel that the assist power is insufficient depending on the walking scene and the walking method (difference in walking parameter value).

特開2005−95561号公報JP 2005-95561 A

本発明は、歩き方が異なる場合であっても、一定の負担感での歩行支援を行うことを目的とする。   An object of the present invention is to provide walking support with a constant sense of burden even when walking is different.

(1)請求項1に記載の発明では、1歩行周期の歩行に対して必要な角力積のうち、歩行支援対象者の負担分である基準角力積zを記憶する基準角力積記憶手段と、歩行中の前記歩行支援対象者における、歩行状態を規定する1歩行周期に対する歩行パラメータの値を取得する歩行パラメータ値取得手段と、前記取得した歩行パラメータの値から、当該歩行パラメータの値で歩行した場合に必要な1歩行周期の角力積M1を算出する角力積算出手段と、前記算出した角力積M1に対して、前記歩行支援対象者が負担する1歩行周期の角力積が前記基準角力積zとなるように、アシスト力を決定するアシスト力決定手段と、前記決定したアシスト力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させる関節モーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援手段と、を具備することを特徴とする歩行支援装置を提供する。
(2)請求項2記載の発明では、1歩行周期に対する重複歩距離と、重複歩調を前記歩行パラメータとし、前記歩行パラメータ値取得手段は、1歩行周期に対する重複歩距離と重複歩調の値を歩行パラメータの値として取得する、ことを特徴とする請求項1に記載の歩行支援装置を提供する。
(3)請求項3記載の発明では、歩行パラメータを変数とし1歩行周期の角力積を解とする回帰式を記憶する回帰式記憶手段を備え、前記回帰式における最適解を導く歩行パラメータの値による歩行を基準歩行として、当該基準歩行において前記歩行支援対象者が負担すべき1歩行周期の角力積を基準角力積とし、前記角力積M1は、前記取得した歩行パラメータの値を前記回帰式に代入することで算出する、ことを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の歩行支援装置を提供する。
(4)請求項4記載の発明では、前記回帰式記憶手段は、種々の各歩行状態で歩行することで計測される1歩行周期に対する各歩行パラメータの値と角力積とを歩行データとし、当該歩行データから応答曲面法又は重回帰分析により導出した回帰式を記憶する、ことを特徴とする請求項3に記載の歩行支援装置を提供する。
(5)請求項5記載の発明では、前記歩行パラメータ値取得手段は、左右の脚のいずれか一方を対象脚とした場合に、当該対象脚の1歩行周期毎の歩行パラメータを取得し、前記角力積算出手段は、前記取得した各1歩行周期の歩行パラメータ毎に前記対象脚の角力積M1を算出し、前記アシスト力決定手段は、1つ前の1歩行周期に対して算出された前記対象脚の角力積M1から、前記対象脚に対する次の1歩行周期のアシスト力を決定する、ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1の請求項に記載の歩行支援装置を提供する。
(6)請求項6記載の発明では、歩行支援対象者が歩行する歩行面の種類を判定する歩行面判定手段を備え、前記基準角力積記憶手段は、各歩行面の種類毎に基準角力積zを記憶し、前記角力積算出手段は、前記取得した歩行パラメータの値と前記判定した歩行面の種類から、当該歩行パラメータの値で歩行した場合に必要な1歩行周期の角力積M1を算出し、前記アシスト力決定手段は、前記算出した角力積M1に対して、前記歩行支援対象者が負担する1歩行周期の角力積が、前記判定した歩行面の種類に対応して記憶した前記基準角力積zとなるように、アシスト力を決定する、ことを特徴とする請求項1から請求項5に記載の歩行支援装置を提供する。
(7)請求項7記載の発明では、歩行中の歩行支援対象者における、歩行状態を規定する1歩行周期に対する歩行パラメータの値を取得する歩行パラメータ値取得機能と、前記取得した歩行パラメータの値から、当該歩行パラメータの値で歩行した場合に必要な1歩行周期の角力積M1を算出する角力積算出機能と、前記算出した角力積M1に対して、前記歩行支援対象者が負担する1歩行周期の角力積が、1歩行周期の歩行に対して必要な角力積のうち前記歩行支援対象者の負担分である基準角力積zとなるように、アシスト力を決定するアシスト力決定機能と、前記決定したアシスト力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させる関節モーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援機能と、をコンピュータに実現させる歩行支援プログラムを提供する。
(1) In the invention described in claim 1, reference angular impulse product storage means for storing a reference angular impulse product z that is a share of the walking support subject among angular impulse products necessary for walking in one walking cycle; A walking parameter value acquisition means for acquiring a value of a walking parameter for one walking cycle that defines a walking state in the walking support target person who is walking, and walking with the value of the walking parameter from the acquired walking parameter value An angular impulse product calculating means for calculating an angular impulse product M1 of one walking cycle necessary for the case, and an angular impulse product of one walking cycle borne by the walking support target with respect to the calculated angular impulse product M1 is the reference angular impulse product z The assisting force determining means for determining the assisting force and the determined assisting force are applied to the leg of the walking support target so that the walking support target can be applied to the joint of the leg. Providing a walking assistance device, characterized by comprising: a walking support means joint moment to reduce the assist walking of the walking support subject to produce a.
(2) In the invention described in claim 2, the overlapped walking distance and overlapping pace for one walking cycle are used as the walking parameter, and the walking parameter value acquisition means walks the overlapping walking distance and overlapping pace value for one walking cycle. The walking assist device according to claim 1, wherein the walking assist device is obtained as a parameter value.
(3) In the invention according to claim 3, there is provided regression equation storage means for storing a regression equation having a walking parameter as a variable and an angular impulse of one walking cycle as a solution, and the value of the walking parameter for deriving an optimal solution in the regression equation As a reference walk, the angular impulse product of one walking cycle that should be borne by the walking support target in the reference walk is defined as a reference angular impulse product, and the angular impulse product M1 uses the obtained walking parameter value as the regression equation. The walking support device according to claim 1, wherein the walking support device is calculated by substitution.
(4) In the invention according to claim 4, the regression equation storage means uses the value of each walking parameter and the angular impulse for one walking cycle measured by walking in various walking states as walking data, The walking support device according to claim 3, wherein a regression equation derived from a response surface method or multiple regression analysis is stored from walking data.
(5) In the invention according to claim 5, the walking parameter value acquisition means acquires a walking parameter for each walking cycle of the target leg when any one of the left and right legs is set as the target leg. The angular force product calculating means calculates the angular force product M1 of the target leg for each of the acquired walking parameters of each walking cycle, and the assist force determining means is calculated for the previous walking cycle. The walking support according to any one of claims 1 to 4, wherein the assist force of the next one walking cycle with respect to the target leg is determined from the angular force product M1 of the target leg. Providing equipment.
(6) The invention according to claim 6 further includes a walking surface determination unit that determines the type of walking surface on which the walking support target person walks, and the reference angular impulse storage unit stores the reference angular impulse product for each type of walking surface. z is stored, and the angular impulse product calculating means calculates an angular impulse product M1 of one walking cycle necessary when walking with the value of the walking parameter from the value of the acquired walking parameter and the determined type of walking surface. Then, the assist force determining means stores, for the calculated angular impulse product M1, the angular impulse product of one walking cycle borne by the walking support target person in correspondence with the determined type of walking surface. The walking assist device according to any one of claims 1 to 5, wherein the assist force is determined so as to be an angular force product z.
(7) In the invention according to claim 7, a walking parameter value acquisition function for acquiring a walking parameter value for one walking cycle that defines a walking state in a walking support target person during walking, and the acquired walking parameter value From the above, the angular impulse product calculation function for calculating the angular impulse product M1 of one walking cycle required when walking with the value of the walking parameter, and one walking that the walking support target person bears for the calculated angular impulse product M1 An assist force determining function for determining the assist force so that the angular impulse of the cycle becomes a reference angular impulse z that is a share of the walking support target among the angular impulses necessary for walking in one walking cycle; By applying the determined assist force to the legs of the walking support target person, the walking moment is reduced by reducing the joint moment generated by the walking support target person at the joint of the leg part. Providing walking support program for realizing a walking support function of supporting walking, to the computer.

本発明によれば、歩き方が異なる場合であっても必要なアシスト力で歩行支援を行うことで、歩行支援対象者は一定の角力積負担感で歩行することができる。   According to the present invention, even if the walking is different, the walking support target person can walk with a constant angular impulse load feeling by performing the walking support with the necessary assist force.

平地を2種類の歩行状態で歩行した場合の、1歩行周期における時間と関節モーメントとの関係を表した説明図である。It is explanatory drawing showing the relationship between the time in 1 walk cycle, and a joint moment at the time of walking on a flat ground in two types of walking states. 装着型ロボットの装着状態を示した図である。It is the figure which showed the mounting state of the mounting type robot. 装着型ロボットのシステム構成を示した図である。It is the figure which showed the system configuration | structure of the mounting | wearing type robot. 歩行支援装置における事前処理の動作を表したフローチャートである。It is a flowchart showing the operation | movement of the pre-processing in a walk assistance apparatus. 事前処理において使用する歩行データの説明図である。It is explanatory drawing of the walk data used in a prior process. 歩行データから求めた回帰式を3次元で表したグラフである。It is the graph which represented the regression type calculated | required from the walking data in three dimensions. 歩行動作判定処理について表したフローチャートである。It is a flowchart showing a walking movement determination process. 制御部が歩行支援を行う手順を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the procedure in which a control part performs walking assistance. 後方移動処理を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating a back movement process. 歩行アシスト処理の動作を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the operation | movement of the walk assistance process.

(1)実施形態の概要
装着型ロボット1(図2)は、装着者(歩行支援対象者)の筋電から筋肉の動きを解析したり、関節各部に配置した姿勢センサで検出される装着者の動きを解析することで、当該動きに必要な関節モーメントを算出し、これに応じた必要なアシスト力を発生させることで各関節の動作を支援する。例えば、股関節アシストアクチュエータ17で股関節の動作を支援し、膝関節アシストアクチュエータ18で膝関節の動作を支援し、足首関節アシストアクチュエータ19で足首関節の動作を支援する。
即ち装着型ロボット1は、装着者が歩行のために関節モーメントを発生させる際に、各アシストアクチュエータを駆動して装着者が発生させる関節モーメントを軽減する。
(1) Outline of Embodiment The wearable robot 1 (FIG. 2) is a wearer that analyzes the movement of muscles from the electromyogram of the wearer (walking support target) or is detected by posture sensors arranged in each part of the joint. The movement of each joint is calculated, the joint moment required for the movement is calculated, and the necessary assist force corresponding to this is generated to support the movement of each joint. For example, the hip joint assist actuator 17 supports the hip joint operation, the knee joint assist actuator 18 supports the knee joint operation, and the ankle joint assist actuator 19 supports the ankle joint operation.
That is, when the wearer generates a joint moment for walking, the wearable robot 1 drives each assist actuator to reduce the joint moment generated by the wearer.

一般に人が歩行する場合、歩幅や歩調などの歩行状態によって各関節に必要とされる関節モーメントは異なっている。例えば、一番楽な歩き方を基準とした場合の各関節モーメントに比べて、歩幅を広くしたり、早足で歩いたりした場合の各関節モーメントの方が大きくなる。
従って、この各関節モーメントに対して一律50%のアシストをしたとしても、装着者が負担すべき関節モーメントや力が変化してしまうことになる。
In general, when a person walks, the joint moments required for each joint differ depending on the walking state such as the stride and pace. For example, each joint moment when the stride is widened or when walking with a fast foot is larger than each joint moment when the easiest way of walking is used as a reference.
Therefore, even when 50% of the joint moments are uniformly assisted, the joint moment and force that the wearer should bear will change.

そこで、本実施形態では、1歩行周期の間における装着者の負担量として角力積(関節モーメントの時間積分値)に着目し、歩行状態によらずに装着者の1歩行周期における角力積が一定となるように各関節のアシストを行う。
すなわち、基準となる歩行状態の1歩行周期における角力積から、歩行支援装置がアシストした角力積を除いた角力積(=基準歩行で装着者が負担する角力積)を基準角力積zとし、歩行パラメータの値が変化する(歩き方が変わる)ことで角力積が増加したとしても、装着者が負担すべき角力積(負担角力積)が基準角力積zと均しくなるようにアシスト率βを設定する。
これにより歩行パラメータの値が変わったとしても、人が出力する力(負担角力積)を意識することなく一定の基準角力積zによる負担感で歩くことが可能になる。
なお、アシスト率とは歩行に必要な力に対するアシスト力の割合(単位:%)をいう。
Therefore, in the present embodiment, attention is paid to the angular impulse product (time integrated value of joint moment) as a burden amount of the wearer during one walking cycle, and the angular impulse product in the one walking cycle of the wearer is constant regardless of the walking state. Assist each joint so that
That is, the angular impulse product obtained by removing the angular impulse product assisted by the walking support device from the angular impulse product in one walking cycle of the reference walking state (= an angular impulse product borne by the wearer in the reference walking) is set as the reference angular impulse product z, and walking Even if the angular impulse is increased by changing the parameter value (the way of walking is changed), the assist rate β is set so that the angular impulse (bearing angular impulse) to be borne by the wearer becomes equal to the reference angular impulse z. Set.
As a result, even if the value of the walking parameter changes, it is possible to walk with a sense of burden due to a constant reference angular impulse z without being conscious of the force output by the person (burden angular impulse).
The assist rate refers to the ratio (unit:%) of the assist force to the force required for walking.

図1は、平地を2種類の歩行状態で歩行した場合の、1歩行周期における時間と関節モーメントとの関係を表したものである。
図1において、実線は1歩行周期における特定の関節の関節モーメントを表している。一方、点線はアシストにより装着者が負担する関節モーメントであり、その絶対値を1歩行周期に渡って時間積分したものが角力積であり、図中の斜線で表した部分の合計面積がこれに相当する。
FIG. 1 shows the relationship between time and joint moment in one walking cycle when walking on a flat ground in two types of walking states.
In FIG. 1, the solid line represents the joint moment of a specific joint in one walking cycle. On the other hand, the dotted line is the joint moment borne by the wearer by assist, and the angular value product is obtained by time-integrating the absolute value over one walking cycle, and the total area of the hatched portion in the figure is Equivalent to.

なお、1歩行周期は、左右どちらかの足が接地してから、同じ側の足が次に着地するまでの動作(これを「重複歩」という)に要する時間であり、足が接地している立脚相(前半約60%)と離地している遊脚相(後半約40%)とに分けられ、両相に応じてモーメントの方向が逆になっている。   Note that one walking cycle is the time required for the movement from the left or right foot to ground until the next foot on the next landing (this is called “overlap walking”). The stance phase is about 60% in the first half and the swing phase is about 40% in the second half, and the direction of the moment is reversed according to both phases.

そして、1歩行周期における角力積が最小値になる歩き方(歩行状態)を基準歩行と定義する。そして、基準歩行における関節モーメントの変化が図1(a)の実線で示され、この実線部分の面積が無アシストによる角力積の最小値であり、この値が20(Nms)であったものとする。
この基準歩行に対して、アシスト率α=50%のアシストを行う場合、装着者は図1(a)の斜線で示す合計10Nmsの角力積(=基準角力積z)を負担すればよいことになる。
And the way of walking (walking state) in which the angular impulse product in one walking cycle becomes the minimum value is defined as the reference walking. The change of the joint moment in the standard walking is shown by the solid line in FIG. 1A, and the area of the solid line part is the minimum value of the angular impulse product without assistance, and this value is 20 (Nms). To do.
When assisting with the assist rate α = 50% with respect to the reference walking, the wearer only has to bear an angular impulse product (= reference angular impulse product z) of a total of 10 Nms shown by the oblique lines in FIG. Become.

一方、図1(b)の実線は、基準歩行と異なる歩き方(歩行状態)で実際に行われた1歩行周期の歩行に対する、関節モーメントの変化を表したものである。
本実施形態では、基準歩行以外の歩行に対しても、図1(b)の斜線で示すように、装着者が負担する角力積(負担角力積)が、基準角力積z=10Nmsと同じに成るように、アシスト率βを決定し、当該アシスト率βで該当する関節のアシストを行う。
On the other hand, the solid line in FIG. 1B represents a change in joint moment with respect to walking in one walking cycle actually performed in a walking method (walking state) different from the reference walking.
In the present embodiment, the angular impulse (bearing angular impulse) borne by the wearer is the same as the reference angular impulse z = 10 Nms, as indicated by the oblique lines in FIG. Thus, the assist rate β is determined, and the corresponding joint is assisted at the assist rate β.

本実施形態では、歩き方(歩行状態)を特定するためのパラメータを歩行パラメータとし、重複歩調と重複歩距離を使用する。そして、種々の各歩行状態で歩いた場合の、歩行パラメータ値に対する角力積(関節モーメントから算出)を歩行データとして予め計測する。
この歩行データに対して応答曲面法や重回帰分析等を用いて、歩行パラメータを変数とし1歩行周期の角力積を解とする回帰式を導出しておく。この回帰式は、各歩行シーン(歩行面種類(平地、上り坂道、下り坂道、上り階段、下り階段)5種類×進行方向(前方、後方)2種類=10シーン)に対して、右脚用、左脚用の各関節(股関節、膝関節、足首関節)分だけ、すなわち、10×2×3=60導出する。
導出した各回帰式において、最適解(最小の角力積)を導く歩行パラメータの値を持つ歩行状態を基準歩行とする。
In the present embodiment, a parameter for specifying how to walk (walking state) is set as a walking parameter, and an overlapping pace and an overlapping distance are used. Then, the angular impulse product (calculated from the joint moment) with respect to the walking parameter value when walking in various walking states is measured in advance as walking data.
A response surface method, multiple regression analysis, or the like is used for the walking data to derive a regression equation using the walking parameters as variables and the angular impulse of one walking cycle as a solution. This regression formula is for the right leg for each walking scene (walking surface types (flat, uphill, downhill, upstairs, downstairs) 5 x traveling direction (front, back) 2 types = 10 scenes). , For each left leg joint (hip joint, knee joint, ankle joint), that is, 10 × 2 × 3 = 60.
In each derived regression equation, the walking state having the value of the walking parameter that leads to the optimum solution (minimum angular impulse) is set as the reference walking.

そして、実際に歩行が開始されると、1歩行周期前の歩行パラメータ値に対する角力積M1を回帰式から求め、次の1歩行周期も直前の歩行周期と同じ歩行パラメータ値であると仮定し、次の重複歩に対する負担角力積が基準角力積zと均しくなるようにアシスト率βを決定し、次の重複歩に対してアシスト率βのアシストを行う。
図1(a)(b)に示した例で説明すると、歩行パラメータ値と回帰式から求めた角力積M1が30Nmsで、基準角力積zが10Nmsなので、20Nms(=30−10)を歩行支援装置でアシストすることで、負担角力積=基準角力積zとなる。
従って、アシスト率β={(M1−z)/M1}×100=66%(=(20/30)×100)が求まるので、次の重複歩行に対して、関節モーメントの66%をアシストすることで、装着者は常時一定の角力積負担感で歩行することができる。
And when walking is actually started, the angular impulse product M1 for the walking parameter value before one walking cycle is obtained from the regression equation, and it is assumed that the next one walking cycle is the same walking parameter value as the previous walking cycle, The assist rate β is determined so that the burden angular impulse product for the next overlapping step becomes equal to the reference angular impulse product z, and the assist rate β is assisted for the next overlapping step.
In the example shown in FIGS. 1A and 1B, the angular impulse product M1 obtained from the walking parameter value and the regression equation is 30 Nms, and the reference angular impulse product z is 10 Nms, so 20 Nms (= 30-10) is supported for walking. By assisting with the apparatus, burden angular impulse product = reference angular impulse product z.
Therefore, since the assist rate β = {(M1-z) / M1} × 100 = 66% (= (20/30) × 100) is obtained, 66% of the joint moment is assisted with respect to the next overlapping walking. Thus, the wearer can always walk with a constant angular impulse feeling.

(2)実施形態の詳細
図2は装着型ロボット1の装着状態を示した図である。
装着型ロボット1は、装着者の腰部及び下肢に装着し、装着者の歩行を支援(アシスト)するものである。
装着型ロボット1は、腰部装着部21、上腿装着部22、下腿装着部23、足装着部24、上腿連結部材26、下腿連結部材27、制御装置2、つま先反力センサ10、踵反力センサ11、つま先姿勢センサ12、踵姿勢センサ13、腰姿勢センサ14、上腿姿勢センサ15、下腿姿勢センサ16、股関節アシストアクチュエータ17、膝関節アシストアクチュエータ18、足首関節アシストアクチュエータ19などを備えている。なお、腰部装着部21、制御装置2、腰姿勢センサ14以外は、左右の両足に設けられており、それぞれの検出値が出力されるようになっている。
但し、つま先反力センサ10、踵反力センサ11については、反力の検出が不要である実施例の場合には、両センサに変えてつま先接地センサ、踵接地センサを備えるようにしてもよい。
(2) Details of Embodiment FIG. 2 is a diagram showing a wearing state of the wearing robot 1.
The wearable robot 1 is worn on the waist and lower limbs of the wearer to assist (assist) the wearer's walking.
The wearable robot 1 includes a waist attachment part 21, an upper leg attachment part 22, a lower leg attachment part 23, a foot attachment part 24, an upper leg connection member 26, a lower leg connection member 27, a control device 2, a toe reaction force sensor 10, Force sensor 11, toe posture sensor 12, heel posture sensor 13, waist posture sensor 14, upper leg posture sensor 15, lower leg posture sensor 16, hip joint assist actuator 17, knee joint assist actuator 18, ankle joint assist actuator 19 and the like are provided. Yes. In addition, except for the waist mounting part 21, the control device 2, and the waist posture sensor 14, they are provided on both the left and right feet, and the respective detected values are output.
However, the toe reaction force sensor 10 and the heel reaction force sensor 11 may be provided with a toe grounding sensor and a heel grounding sensor instead of both sensors in the embodiment in which the detection of the reaction force is unnecessary. .

腰部装着部21は、装着者の腰部の周囲に取り付けられ装着型ロボット1を固定する。
腰姿勢センサ14は、腰部装着部21に取り付けられ、ジャイロなどによって腰部の姿勢(ロール角、ヨー角、ピッチ角)を検出する。また、これらの角度を微分することにより、腰部の角速度や角加速度を求めることもできる。
The waist mounting portion 21 is attached around the waist of the wearer and fixes the wearable robot 1.
The waist posture sensor 14 is attached to the waist attachment portion 21 and detects the posture of the waist (roll angle, yaw angle, pitch angle) with a gyroscope or the like. Also, by differentiating these angles, the angular velocity and angular acceleration of the waist can be obtained.

制御装置2は、腰部装着部21に取り付けられ、装着型ロボット1の動作を制御する。
股関節アシストアクチュエータ17は、装着者の股関節と同じ高さに設けられており、腰部装着部21に対して上腿連結部材26を前後方向に駆動する。なお、股関節アシストアクチュエータ17を3軸アクチュエータとして横方向にも駆動するように構成することもできる。
The control device 2 is attached to the waist mounting portion 21 and controls the operation of the wearable robot 1.
The hip joint assist actuator 17 is provided at the same height as the hip joint of the wearer, and drives the upper thigh coupling member 26 in the front-rear direction with respect to the waist mounting portion 21. Note that the hip joint assist actuator 17 may be configured to be driven in the lateral direction as a three-axis actuator.

上腿連結部材26は、装着者の上腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、股関節アシストアクチュエータ17と膝関節アシストアクチュエータ18を連結する。
上腿装着部22は、外側が上腿連結部材26の内側に固定されており、内側が装着者の上腿に固定される。
上腿姿勢センサ15は、上腿部の姿勢(ロール角、ヨー角、ピッチ角)を検出する。また、これらの角度を微分することにより、上腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。
The upper thigh connecting member 26 is a rigid columnar member provided outside the upper thigh of the wearer, and connects the hip joint assist actuator 17 and the knee joint assist actuator 18.
The outer side of the upper thigh mounting part 22 is fixed to the inner side of the upper thigh coupling member 26, and the inner side is fixed to the upper leg of the wearer.
The upper leg posture sensor 15 detects the upper leg posture (roll angle, yaw angle, pitch angle). In addition, by differentiating these angles, the angular velocity and acceleration of the upper thigh can be obtained.

膝関節アシストアクチュエータ18は、装着者の膝関節と同じ高さに設けられており、上腿連結部材26に対して下腿連結部材27を前後方向に駆動する。
下腿連結部材27は、装着者の下腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、膝関節アシストアクチュエータ18と足首関節アシストアクチュエータ19を連結する。
The knee joint assist actuator 18 is provided at the same height as the knee joint of the wearer, and drives the lower leg connecting member 27 in the front-rear direction with respect to the upper leg connecting member 26.
The lower leg connecting member 27 is a columnar member having rigidity provided outside the lower leg part of the wearer, and connects the knee joint assist actuator 18 and the ankle joint assist actuator 19.

下腿装着部23は、外側が下腿連結部材27の内側に固定されており、内側が装着者の下腿に固定される。
下腿姿勢センサ16は、下腿部の姿勢(ロール角、ヨー角、ピッチ角)を検出する。また、これらの角度を微分することにより、下腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。
The outer side of the lower leg mounting portion 23 is fixed to the inner side of the lower leg connecting member 27, and the inner side is fixed to the lower leg of the wearer.
The lower leg posture sensor 16 detects the lower leg posture (roll angle, yaw angle, pitch angle). Also, by differentiating these angles, the angular velocity and angular acceleration of the lower leg can be obtained.

足首関節アシストアクチュエータ19は、装着者の足首関節と同じ高さに設けられており、下腿連結部材27に対して足装着部24のつま先を上下する方向に駆動する。
足装着部24は、装着者の足部(足の甲、及び足裏)に固定される。一般に、足指の付け根の関節は歩行の際に屈曲するが、足装着部24も足指の付け根の部分が足指に従って屈曲するようになっている。
The ankle joint assist actuator 19 is provided at the same height as the wearer's ankle joint, and drives the toe of the foot mounting portion 24 in the direction of moving up and down with respect to the crus coupling member 27.
The foot mounting portion 24 is fixed to the foot portion (instep and sole) of the wearer. Generally, the joint at the base of the toe is bent during walking, but the foot mounting portion 24 is also configured so that the base of the toe is bent according to the toes.

つま先姿勢センサ12と踵姿勢センサ13は、それぞれ、足装着部24の先端と後端に設置され、それぞれ、つま先と踵の姿勢(ロール角、ヨー角、ピッチ角)を検出する。また、これらの角度を微分することにより、つま先や踵の角速度や角加速度を求めることもできる。   The toe posture sensor 12 and the heel posture sensor 13 are respectively installed at the front end and the rear end of the foot mounting portion 24 and detect the toe and heel postures (roll angle, yaw angle, pitch angle), respectively. Further, by differentiating these angles, the angular velocity and angular acceleration of the toes and the heel can be obtained.

つま先反力センサ10は、足装着部24の足裏部前方に設置され、つま先の接地を検出すると共に、歩行面からの反力を検出する。
踵反力センサ11は、足装着部24の足裏部後方に設置され、踵の接地を検出すると共に、歩行面からの反力を検出する。
以上のように構成された装着型ロボット1は、股関節アシストアクチュエータ17、膝関節アシストアクチュエータ18、足首関節アシストアクチュエータ19を駆動することにより、装着者の歩行を支援する。
The toe reaction force sensor 10 is installed in front of the sole portion of the foot mounting portion 24 and detects the ground contact of the toe and the reaction force from the walking surface.
The heel reaction force sensor 11 is installed on the rear side of the sole of the foot mounting portion 24 and detects the ground contact of the heel and also detects the reaction force from the walking surface.
The wearable robot 1 configured as described above supports the walking of the wearer by driving the hip joint assist actuator 17, the knee joint assist actuator 18, and the ankle joint assist actuator 19.

図3は、装着型ロボット1のシステム構成を示した図である。
制御装置2は、図示しないCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、時間を計測する手段としての時計、記憶部7、各種インターフェースなどを備えた電子制御ユニットであり、装着型ロボット1の各部を電子制御する。
FIG. 3 is a diagram showing a system configuration of the wearable robot 1.
The control device 2 includes an electronic control unit including a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a clock as means for measuring time, a storage unit 7, various interfaces, and the like. And each part of the wearable robot 1 is electronically controlled.

制御装置2は、また、CPUで記憶部7に記憶された歩行支援プログラム等の各種プログラムを実行することにより構成される、センサ情報取得部3、各種パラメータ算出部4、歩行動作判定部5、歩行シーン判定部6、歩行アシスト力決定部8を備えている。
センサ情報取得部3は、つま先反力センサ10〜下腿姿勢センサ16の各センサから検出値を取得する。センサ情報取得部3で取得した各センサの検出値は、歩行動作の判定(図7)や、歩行シーンの判定(図8、図9)や、歩行パラメータの算出(図10)等に使用される。
The control device 2 is also configured by executing various programs such as a walking support program stored in the storage unit 7 by the CPU, and includes a sensor information acquisition unit 3, various parameter calculation units 4, a walking motion determination unit 5, A walking scene determination unit 6 and a walking assist force determination unit 8 are provided.
The sensor information acquisition unit 3 acquires a detection value from each of the toe reaction force sensor 10 to the crus posture sensor 16. The detection values of each sensor acquired by the sensor information acquisition unit 3 are used for determination of walking motion (FIG. 7), determination of walking scene (FIGS. 8 and 9), calculation of walking parameters (FIG. 10), and the like. The

各種パラメータ算出部4は、センサ情報取得部3で取得した検出値から、各関節の角度や位置を求めることで歩行パラメータ値(重複歩調と重複歩距離)を算出する。
ここで、1側の踵が接地してから次に同側の踵が接地するまでの動作を重複歩といい、この重複歩における一連の動作を歩行周期という。そして、重複歩における踵の両接地点間の距離を重複歩距離といい、1分間当たりの重複歩数(重複歩数/分)を重複歩調という。
The various parameter calculation unit 4 calculates walking parameter values (overlapping pace and overlapping walking distance) by obtaining the angles and positions of the joints from the detection values acquired by the sensor information acquisition unit 3.
Here, an operation from the contact of one side of the heel to the contact of the next side of the heel is referred to as an overlapping step, and a series of operations in the overlapping step is referred to as a walking cycle. The distance between the two ground contact points in the overlapping step is referred to as the overlapping step distance, and the number of overlapping steps per minute (the number of overlapping steps / minute) is referred to as the overlapping step.

歩行動作判定部5は、装着者の動作が屈伸運動や足踏み動作などの歩行以外の動作なのか、それとも実際に歩行している動作なのかを判定する。
歩行シーン判定部6は、センサ情報取得部3で取得した検出値から、装着者の歩行している歩行シーンを判定する。判定対象となる歩行シーンとしては、歩行面種類(平地、上り階段、下り階段、上り坂道、下り坂道)の5種類のそれぞれに対して、前進歩行と後進歩行の歩行方向2種類があり、合計10の歩行シーンがある。
The walking motion determination unit 5 determines whether the wearer's motion is a motion other than walking such as a bending / stretching motion or a stepping motion, or an actual walking motion.
The walking scene determination unit 6 determines a walking scene in which the wearer is walking from the detection value acquired by the sensor information acquisition unit 3. There are two types of walking scenes that can be judged: walking direction (flat, upstairs, downstairs, uphill, downhill) for each of the five walking directions of forward walking and backward progress. There are 10 walking scenes.

歩行アシスト力決定部8は、左右両足のそれぞれに配置されている股関節アシストアクチュエータ17、膝関節アシストアクチュエータ18、足首関節アシストアクチュエータ19に出力させるアシスト力を決定し、これに従ってこれらアシストアクチュエータを駆動する。なお、アシスト力とは、装着型ロボット1がアシストアクチュエータを駆動して脚部に作用させるモーメント(トルク)である。   The walking assist force determining unit 8 determines the assist force to be output to the hip joint assist actuator 17, the knee joint assist actuator 18, and the ankle joint assist actuator 19 disposed on the left and right feet, and drives these assist actuators accordingly. . The assist force is a moment (torque) that the wearable robot 1 drives the assist actuator to act on the legs.

次に、以上のように構成された歩行支援装置における各種処理、動作について説明する。
図4は、歩行支援装置における事前処理の動作を表したものである。
この処理は、上述した10種類の各歩行シーンにおける、左右両足の各関節に対する基準角力積zと回帰式を求める処理である。この事前処理は、歩行支援装置毎に行われるものではなく、各装着者に共通する処理であるため、歩行データに併せて適宜行う処理である。この状態では歩行支援装置の制御装置2で行うものとして説明するが、他の制御装置で事前処理を行うことで得られた基準角力積zと回帰式を、個々の歩行支援装置に記憶及び使用するようにしてもよい。
Next, various processes and operations in the walking support device configured as described above will be described.
FIG. 4 shows a pre-processing operation in the walking support device.
This process is a process for obtaining a reference angular impulse product z and a regression equation for each joint of the left and right feet in each of the 10 types of walking scenes described above. Since this pre-processing is not performed for each walking support device but is common to each wearer, it is processing that is appropriately performed along with walking data. In this state, the description will be made on the assumption that the control device 2 of the walking assistance device performs, but the reference angular impulse product z and the regression equation obtained by performing the pre-processing with another control device are stored and used in each walking assistance device. You may make it do.

まず、事前処理において制御装置2は、事前に計測した各歩行パラメータ値毎の歩行データを取得する(ステップ301)。
図5は、取得する歩行データについて表したものである。
この図5に示すように、歩行データは、種々の歩行パラメータ値(重複歩調、重複歩距離)で歩行した場合の、膝関節に対する角力積の値である。図5の例では、1分間の重複歩数30の重複歩調(歩行テンポ)で、重複歩距離1.0mで歩いた場合における1歩行周期の角力積が18.3275(Nms)と計測されている。
First, in the pre-processing, the control device 2 acquires walking data for each walking parameter value measured in advance (step 301).
FIG. 5 shows the walking data to be acquired.
As shown in FIG. 5, the walking data is a value of an angular impulse with respect to the knee joint when walking with various walking parameter values (overlapping pace, overlapping walking distance). In the example of FIG. 5, the angular impulse of one walking cycle is measured as 18.3275 (Nms) when walking at an overlapping step distance of 1.0 m at an overlapping pace (walking tempo) with 30 overlapping steps per minute. .

各歩行パラメータ値に対する角力積の値は次のようにして測定及び算出する。
すなわち、各関節やつま先、踵などの所定箇所にマーカーを付けた被験者に、各歩行パラメータ値に対応した歩行、例えば、重複歩調30(重複歩数/min)、重複歩距離1.0mでの歩行をしてもらい、これを複数台のカメラで撮影する。
この画像から、そして、マーカーの動きを解析することで、図1に示すように、各関節に対する関節モーメントの変化を求め、そして、1歩行周期の関節モーメントを時間積分することで1歩行周期の角力積が求まる。
なお、各歩行パラメータ値に従った歩行を被験者にしてもらうのではなく、被験者に色々なパターンの歩行を自由に行ってもらい、その時のマーカーの動きから歩行パラメータ値と、関節モーメントの変化を求めることで、各歩行パラメータ値に対応した1歩行周期の角力積(歩行データ)を求めるようにしてもよい。
The angular impulse value for each walking parameter value is measured and calculated as follows.
That is, to a subject with markers at predetermined positions such as joints, toes, and heels, walking corresponding to each walking parameter value, for example, walking with overlapping steps 30 (number of overlapping steps / min) and overlapping walking distance 1.0 m. And take pictures with multiple cameras.
From this image and by analyzing the movement of the marker, as shown in FIG. 1, the change of the joint moment for each joint is obtained, and the joint moment of one walk cycle is time-integrated to obtain one walk cycle. The angular impulse is obtained.
Instead of having the subject walk according to each walking parameter value, ask the subject to freely walk in various patterns, and find the walking parameter value and the change in joint moment from the movement of the marker at that time Thus, the angular impulse product (walking data) of one walking cycle corresponding to each walking parameter value may be obtained.

図4に戻り、制御装置2は、取得した歩行データと応答曲面法を用いて、歩行パラメータ値を変数として1歩行周期の角力積を解とする回帰式Zを導出する(ステップ302)。
歩行データから回帰式を求めることで、あらゆる歩行パラメータの値における角力積の測定を詳細に測定することなく、後述する基準歩行や基準角力積z(後述)を求めたり、歩行支援において検出された歩行パラメータ値に対する角力積を求めることができる。
一例として、応答曲面法を用いて、図5に例示した膝関節に対する歩行データから求めた回帰式Z(膝)は、次数式のようになる。
なお、数式において、パラメータXは重複歩調を、Yは重複歩距離を表す。また数式において@2は、その前の数式/数値の平方を表すものとする。
Returning to FIG. 4, the control device 2 uses the acquired walking data and the response surface method to derive a regression equation Z having the walking parameter value as a variable and the angular impulse of one walking cycle as a solution (step 302).
By obtaining a regression equation from the walking data, it is possible to obtain a reference walking and a reference angular impulse z (to be described later), which will be described later, or to be detected in walking support without measuring in detail the angular impulse product for all walking parameter values. An angular impulse product with respect to the walking parameter value can be obtained.
As an example, the regression equation Z (knee) obtained from the walking data for the knee joint illustrated in FIG.
In the expression, the parameter X represents the overlapping pace, and Y represents the overlapping distance. In the formula, @ 2 represents the square of the previous formula / numerical value.

Z(膝)=−0.149×X
+7.771×Y
+0.825×(X−42.7594)×(Y−1.1174)
+0.015×(X−42.7594)@2
+20.218×(Y−1.1174)@2
+11.070
Z (knee) = − 0.149 × X
+ 7.771 × Y
+ 0.825 × (X−42.7594) × (Y−1.1174)
+0.015×(X−42.7594)@2
+20.218×(Y−1.1174)@2
+11.070

図6は、図5の歩行データから求めた膝関節に対する上記回帰式Z(膝)を3次元のグラフで可視化したものである。
この図6に示すように、回帰式Zにより、歩行支援において検出した歩行パラメータ値の重複歩調の値をX軸に、重複歩距離の値をY軸に当てはめることで、Z軸の値から当該方向パラメータ値で歩行した場合に必要な角力積(アシスト無し)が求まる。
FIG. 6 visualizes the regression equation Z (knee) for the knee joint obtained from the walking data of FIG. 5 with a three-dimensional graph.
As shown in FIG. 6, the regression equation Z is used to apply the overlapping gait value of the walking parameter value detected in the walking support to the X axis and the overlapping walking distance value to the Y axis. The angular impulse (without assist) required when walking with the direction parameter value is obtained.

次に制御装置2は、算出した回帰式Zから、基準歩行と、その1歩行周期の角力積を算出する(ステップ303)。
すなわち、算出した回帰式Zにおいて、最適解(最小の角力積)を導く歩行パラメータ値を持つ歩行を基準歩行とし、この基準歩行における1歩行周期の角力積を算出する。
上記した図5の歩行データから導いた回帰式Z(膝)の場合、歩行パラメータ値が重複歩調51(重複歩数/分)、重複歩調 1.0(m) のときが基準歩行で、その時の角力積(最小値)は11.7411(Nms)である。
Next, the control device 2 calculates the reference walking and the angular impulse of one walking cycle from the calculated regression equation Z (step 303).
That is, in the calculated regression equation Z, a walk having a walking parameter value for deriving an optimal solution (minimum angular impulse product) is set as a reference walking, and an angular impulse product of one walking cycle in the reference walking is calculated.
In the case of the regression equation Z (knee) derived from the above-mentioned walking data of FIG. 5, the reference walking is performed when the walking parameter value is the overlapping pace 51 (overlapping steps / minute) and the overlapping pace is 1.0 (m). The angular impulse (minimum value) is 11.7411 (Nms).

そして制御装置2は、基準歩行でのアシスト率αを決定する(ステップ304)。
なお、このアシスト率はデフォルトの値であり、歩行支援装置の装着者が各自調節(増減)することができるようにしてもよい。
Then, the control device 2 determines the assist rate α in the reference walking (step 304).
Note that this assist rate is a default value, and the wearer of the walking assistance device may be able to adjust (increase / decrease) each one.

次に制御装置2は、基準歩行に対する基準角力積zと回帰式を記憶部7に記憶し(ステップ305)、処理を終了する。
ここで基準角力積zは、基準歩行における1歩行周期の角力積M2に(1−アシスト率α×0.01)を乗じた値であり、基準歩行における1歩行周期の角力積M2から、歩行支援装置でアシストする角力積(M2×α×0.01)を除いた角力積(=基準歩行で装着者が負担する角力積)である。すなわち、z=M2×(1−α×0.01)である。
なお、ステップ305で記憶する基準角力積zと回帰式は、上記した10の歩行シーン毎、左右の脚毎、更に、各関節(股関節、膝関節、足首関節)毎に、算出され記憶される。すなわち、合計で10×2×3=60の基準角力積zと回帰式が記憶部7に記憶される。
Next, the control device 2 stores the reference angular impulse product z and the regression equation for the reference walk in the storage unit 7 (step 305), and ends the process.
Here, the reference angular impulse product z is a value obtained by multiplying the angular impulse product M2 of one walking cycle in the reference walking by (1−assist rate α × 0.01), and the walking from the angular impulse product M2 of one walking cycle in the reference walking. It is an angular impulse product (= an angular impulse product which a wearer bears in a standard walk) excluding the angular impulse product (M2 × α × 0.01) assisted by the support device. That is, z = M2 × (1−α × 0.01).
The reference angular impulse product z and the regression equation stored in step 305 are calculated and stored for each of the ten walking scenes, the left and right legs, and each joint (hip joint, knee joint, ankle joint). . That is, the reference angular impulse product z and the regression equation of 10 × 2 × 3 = 60 in total are stored in the storage unit 7.

次に、実際の歩行支援装置を装着した後の歩行支援処理について説明する。
この歩行支援処理は、右脚と左脚のそれぞれに対して別々に処理及び制御が行われる。以下の説明では、処理及び制御の対象となっている側の脚を対象脚として説明する。
この歩行支援処理においては、サブルーチンとして歩行動作判定処理、及び歩行シーン判定処理が行われるので、先に両処理について説明する。
この歩行動作判定処理は、歩行動作判定部5の処理として制御装置2が実行するものであり、装着者の動作が屈伸運動や足踏み動作などの歩行以外の動作なのか、それとも実際に歩行している動作なのかを判定する処理である。
Next, walking support processing after mounting an actual walking support device will be described.
This walking support process is separately processed and controlled for each of the right leg and the left leg. In the following description, the leg on the side that is the target of processing and control will be described as the target leg.
In this walking support process, a walking motion determination process and a walking scene determination process are performed as subroutines, so both processes will be described first.
This walking motion determination process is executed by the control device 2 as the processing of the walking motion determination unit 5, and whether the wearer's motion is a motion other than walking such as a bending motion or a stepping motion, or actually walking This is a process for determining whether the operation is in progress.

図7は、歩行動作判定処理について表したフローチャートである。
制御装置2は、センサ情報取得部3から歩行動作判定用のパラメータ値を取得する(ステップ311)。なお、歩行動作判定処理は、歩行支援装置を装着し電源をオンした時点から継続的に行われており、取得するパラメータ値も継続的に取得している。
FIG. 7 is a flowchart illustrating the walking motion determination process.
The control device 2 acquires a parameter value for determining walking motion from the sensor information acquisition unit 3 (step 311). Note that the walking motion determination process is continuously performed from the time when the walking support device is mounted and the power is turned on, and the parameter value to be acquired is continuously acquired.

そして、制御装置2は、取得するパラメータ値から歩行動作判定を行う(ステップ312)。
この歩行動作判定では、各センサの出力値(パラメータ値)から、装着者が動いていない場合や、動いた場合でも例えば屈伸運動をしただけの場合、片側の足を上げ下げしただけの場合、その場での足踏みをした場合などの歩行以外の動きと、実際の歩行動作とを区別して判定するものである。
具体的には、つま先姿勢センサ12、踵姿勢センサ13、腰姿勢センサ14、浮上した足の上腿姿勢センサ15、下腿姿勢センサ16、(以下、姿勢センサ12〜16と略記する)の検出値から各関節の角度を計算して足の浮上を検出し、その後、つま先反力センサ10、踵反力センサ11(以下、反力センサ10、11と略記する)の出力値から同側の足が前方又は後方に接地したと判断した場合に歩行動作と判断する。
And the control apparatus 2 performs walking movement determination from the parameter value to acquire (step 312).
In this walking movement determination, from the output value (parameter value) of each sensor, if the wearer is not moving, or if it is moving, for example, if it just bends and stretches, if only one leg is raised or lowered, The determination is made by distinguishing movements other than walking, such as when stepping on the field, and actual walking movements.
Specifically, the detected values of the toe posture sensor 12, the heel posture sensor 13, the waist posture sensor 14, the upper leg posture sensor 15 and the lower leg posture sensor 16 (hereinafter, abbreviated as posture sensors 12 to 16). From the output values of the toe reaction force sensor 10 and the heel reaction force sensor 11 (hereinafter abbreviated as reaction force sensors 10, 11), the foot on the same side is calculated by calculating the angle of each joint from Is determined to be a walking motion when it is determined that has touched the front or back.

なお、歩行動作か否かの判定については、反力センサ10、11と姿勢センサ12〜16の検出値から計算される足の動きから、立脚相と遊脚相が判定された場合に歩行動作と判定するようにしてもよい。   In addition, about determination of whether it is a walking motion, it is a walking motion when a standing phase and a swing phase are determined from the motion of the foot calculated from the detection values of the reaction force sensors 10 and 11 and the posture sensors 12 to 16. May be determined.

歩行動作判定(ステップ312)の結果、歩行動作ではないと判定した場合(ステップ313;N)、制御装置2は、現在設定されているアシスト率がデフォルトのアシスト率か否かを判断する(ステップ314)。
デフォルトのアシスト率であれば(ステップ314;Y)、制御装置2は、アシスト率を変更することなくステップ311に戻って、歩行動作の監視、判定を継続する。
一方、デフォルトのアシスト率ではない場合(ステップ314;N)、制御装置2は、現在設定されているアシスト率をデフォルトのアシスト率に変更し(ステップ315)、その後ステップ311に戻って歩行動作の監視、判定を継続する。
ステップ312で行った歩行動作判定において歩行動作と判定された場合(ステップ313;Y)、制御装置2はメインルーチン(図10)にリターンする。
As a result of the walking motion determination (step 312), when it is determined that it is not a walking motion (step 313; N), the control device 2 determines whether or not the currently set assist rate is the default assist rate (step 312). 314).
If it is the default assist rate (step 314; Y), the control device 2 returns to step 311 without changing the assist rate, and continues monitoring and determination of walking motion.
On the other hand, when it is not the default assist rate (step 314; N), the control device 2 changes the currently set assist rate to the default assist rate (step 315), and then returns to step 311 to perform the walking motion. Continue monitoring and judgment.
When it is determined that the walking motion is determined in the walking motion determination performed in step 312 (step 313; Y), the control device 2 returns to the main routine (FIG. 10).

次に、歩行シーン判定処理について図8、9を参照して説明する。
この歩行シーン判定処理では、歩行面種類(平地、上り階段、下り階段、上り坂道、下り坂道)5種類に対して進行方向(前方、後方)2種類、合計10種類の歩行シーンのうちの何れの歩行シーンであるのかを判定する。
図8は、装着者が歩行周期を開始した場合に、制御装置2が歩行支援を行う手順を説明するためのフローチャートである。
まず、装着者が歩行周期を開始すると、制御装置2は、つま先反力センサ10、踵反力センサ11からの検出値によって、足装着部24が歩行面から離れたことを検出し、片足が浮上したと判断する(ステップ5)。
Next, the walking scene determination process will be described with reference to FIGS.
In this walking scene determination processing, any one of a total of 10 types of walking scenes, that is, two types of traveling directions (forward and backward) with respect to five types of walking surfaces (flat ground, up stairs, down stairs, uphill road, downhill road). It is determined whether it is a walking scene.
FIG. 8 is a flowchart for explaining a procedure in which the control device 2 performs walking support when the wearer starts a walking cycle.
First, when the wearer starts the walking cycle, the control device 2 detects that the foot mounting portion 24 has moved away from the walking surface based on the detection values from the toe reaction force sensor 10 and the heel reaction force sensor 11, and one foot is It is determined that it has surfaced (step 5).

次に、制御装置2は、つま先姿勢センサ12、踵姿勢センサ13、腰姿勢センサ14、浮上した足の上腿姿勢センサ15、下腿姿勢センサ16、(以下、つま先姿勢センサ12、踵姿勢センサ13、腰姿勢センサ14、上腿姿勢センサ15、下腿姿勢センサ16を姿勢センサと略記する)の検出値から各関節の角度を計算し、浮上した足の移動方向を検出する(ステップ10)。
次に、制御装置2は、浮上した足が前方方向に移動しているか否かを判断する(ステップ15)。
浮上した足が前方方向に移動していると判断した場合(ステップ15;Y)、制御装置2は、装着者が前方移動すると判断する(ステップ20)。
一方、前方方向に移動していないと判断した場合(ステップ15;N)、制御装置2は、後述の後方移動処理を行う(ステップ110)。
Next, the control device 2 includes a toe posture sensor 12, a heel posture sensor 13, a waist posture sensor 14, an upper leg posture sensor 15 and a lower leg posture sensor 16 (hereinafter referred to as a toe posture sensor 12 and a heel posture sensor 13). The angle of each joint is calculated from the detected values of the waist posture sensor 14, the upper leg posture sensor 15, and the lower leg posture sensor 16 (abbreviated as posture sensors), and the moving direction of the lifted foot is detected (step 10).
Next, the control device 2 determines whether or not the lifted foot is moving in the forward direction (step 15).
When it is determined that the lifted leg is moving in the forward direction (step 15; Y), the control device 2 determines that the wearer moves forward (step 20).
On the other hand, when determining that it has not moved in the forward direction (step 15; N), the control device 2 performs a backward movement process described later (step 110).

制御装置2は、前方移動と判断した場合(ステップ20)、前方の足のつま先反力センサ10、踵反力センサ11からの検出値により、前方の足が歩行面に接地したか否かを判断する(ステップ25)。
前方の足が歩行面に接地していないと判断した場合(ステップ25;N)、制御装置2は、ステップ25にて前方の足が歩行面に接地したか否かの監視を継続し、前方の足が歩行面に接地したと判断した場合(ステップ25;Y)、制御装置2は、両足の姿勢センサの出力から両足の各関節の角度を算出し、これによって前後の足の高さを測定する(ステップ30)。
なお、足の高さは、例えば、踵(踵姿勢センサ13)の高さや、足首関節(足首関節アシストアクチュエータ19)の高さなど、適当な部位の高さを用いることができる。
When the control device 2 determines to move forward (step 20), the control device 2 determines whether the front foot is in contact with the walking surface based on the detection values from the front toe reaction force sensor 10 and the heel reaction force sensor 11. Judgment is made (step 25).
When it is determined that the front foot is not in contact with the walking surface (step 25; N), the control device 2 continues monitoring whether the front foot is in contact with the walking surface in step 25, and forward When the control device 2 determines that the foot of the foot touches the walking surface (step 25; Y), the control device 2 calculates the angle of each joint of both feet from the output of the posture sensor of both feet, thereby calculating the height of the front and rear feet. Measure (step 30).
As the height of the foot, for example, the height of an appropriate part such as the height of the heel (heel posture sensor 13) or the height of the ankle joint (ankle joint assist actuator 19) can be used.

次に、制御装置2は、前後の足の高さに違いがあるか否かを判断し(ステップ35)、違いがない場合(ステップ35;N)、制御装置2は、歩行シーンが平地の前進であると判定し(ステップ40)、メインルーチン(図10)にリターンする。
前後の足の高さに違いがある場合(ステップ35;Y)、制御装置2は、つま先姿勢センサ12、踵姿勢センサ13の検出値により、前に出した足の足装着部24の前後傾斜を測定する(ステップ50)。
Next, the control device 2 determines whether or not there is a difference between the heights of the front and rear legs (step 35). If there is no difference (step 35; N), the control device 2 determines that the walking scene is flat. It is determined that the vehicle is moving forward (step 40), and the process returns to the main routine (FIG. 10).
When there is a difference in the height of the front and rear feet (step 35; Y), the control device 2 tilts the front and rear of the foot mounting portion 24 of the foot that has been put forward based on the detection values of the toe posture sensor 12 and the heel posture sensor 13. Is measured (step 50).

次に、制御装置2は、前後傾斜があるか否かを判断し(ステップ55)、前後傾斜がない場合(ステップ55;N)、制御装置2は、姿勢センサの検出値から前方の足が後方の足より高いか否かを判断する(ステップ60)。
前方の足が高くない場合、即ち、前方の足が低い場合(ステップ60;N)、制御装置2は、歩行シーンが下り階段の前進であると判定し(ステップ65)、メインルーチンにリターンする。
Next, the control device 2 determines whether or not there is a forward / backward inclination (step 55). If there is no forward / backward inclination (step 55; N), the control device 2 determines that the front foot is based on the detection value of the posture sensor. It is determined whether or not it is higher than the rear foot (step 60).
When the front foot is not high, that is, when the front foot is low (step 60; N), the control device 2 determines that the walking scene is forward descent (step 65), and returns to the main routine. .

前方の足が後方の足よりも高い場合(ステップ60;Y)、制御装置2は、歩行シーンが上り階段の前進であると判定し(ステップ75)、メインルーチンにリターンする。
また、前に出した足の足装着部24に前後傾斜がある場合(ステップ55;Y)、制御装置2は、前方の足のつま先姿勢センサ12、踵姿勢センサ13の検出値からつま先が踵よりも低いか否かを判断する(ステップ85)。
When the front foot is higher than the rear foot (step 60; Y), the control device 2 determines that the walking scene is an ascending stairs advance (step 75), and returns to the main routine.
In addition, when the front foot mounting portion 24 has a front / rear inclination (step 55; Y), the control device 2 determines that the toes are heels based on the detection values of the front foot toe posture sensor 12 and the heel posture sensor 13. It is judged whether it is lower than (step 85).

つま先が踵よりも低い場合(ステップ85;Y)、制御装置2は、歩行シーンが下り坂道の前進であると判定し(ステップ90)、メインルーチンにリターンする。
つま先が踵よりも低くない場合、即ち、踵がつま先よりも低い場合(ステップ85;N)、制御装置2は、歩行シーンが上り坂道の前進であると判定し(ステップ100)、メインルーチンにリターンする。
When the toe is lower than the heel (step 85; Y), the control device 2 determines that the walking scene is a forward movement on a downhill (step 90), and returns to the main routine.
If the toe is not lower than the toe, that is, if the toe is lower than the toe (step 85; N), the control device 2 determines that the walking scene is an advance on an uphill road (step 100), and enters the main routine. Return.

以上のようにして、装着型ロボット1は、つま先、踵の接地の有無、及び、下肢の姿勢から装着者が平地、下り階段、上り階段、下り坂道、上り坂道の何れを前進歩行するのか、その歩行面の種類を判定することができる。   As described above, the wearable robot 1 determines whether the wearer walks forward on a flat ground, descending stairs, ascending stairs, descending hill, or ascending hill from the toe, the presence or absence of ground contact, and the posture of the lower limbs. The type of the walking surface can be determined.

図9は、ステップ110(図8)の後方移動処理を説明するためのフローチャートである。
制御装置2は、浮上した足が後方に移動する場合、後方移動であると判断する(ステップ120)。
次に、制御装置2は、つま先反力センサ10、踵反力センサ11の検出値により、後方の足が歩行面に接地したか否かを判断する(ステップ125)。
後方の足が歩行面に接地していない場合(ステップ125;N)、制御装置2は、ステップ125にて接地したか否かを監視する。
FIG. 9 is a flowchart for explaining the backward movement process in step 110 (FIG. 8).
The control apparatus 2 judges that it is a back movement, when the leg which floated moves back (step 120).
Next, the control device 2 determines whether or not the rear foot is in contact with the walking surface based on the detection values of the toe reaction force sensor 10 and the heel reaction force sensor 11 (step 125).
When the back foot is not in contact with the walking surface (step 125; N), the control device 2 monitors whether or not the back is grounded in step 125.

後方の足が歩行面に接地した場合(ステップ125;Y)、制御装置2は、両足の姿勢センサの検出値により、両足の各関節の角度を計算し、これによって前後の足の高さを測定する(ステップ130)。
前後の足の高さに違いがない場合(ステップ135;N)、制御装置2は、歩行シーンが平地の後進であると判定し(ステップ140)、メインルーチン(図10)にリターンする。
When the rear foot is in contact with the walking surface (step 125; Y), the control device 2 calculates the angle of each joint of both feet based on the detection value of the posture sensor of both feet, thereby calculating the height of the front and rear feet. Measure (Step 130).
When there is no difference in the height of the front and rear legs (step 135; N), the control device 2 determines that the walking scene is backward on the flat ground (step 140), and returns to the main routine (FIG. 10).

前後の足の高さに違いがある場合(ステップ135;Y)、制御装置2は、つま先姿勢センサ12、踵姿勢センサ13の検出値により、後方の足の足装着部24の前後傾斜を測定する(ステップ150)。
次に、制御装置2は、前後傾斜があるか否かを判定し(ステップ155)、前後傾斜がない場合(ステップ155;N)、制御装置2は、姿勢センサの検出値から前方の足が後方の足より高いか否かを判断する(ステップ160)。
前方の足が高い場合(ステップ160;Y)、制御装置2は、歩行シーンが下り階段の後進であると判定し(ステップ165)、メインルーチンにリターンする。
When there is a difference in the height of the front and rear feet (step 135; Y), the control device 2 measures the front and rear inclination of the foot mounting portion 24 of the rear foot based on the detection values of the toe posture sensor 12 and the heel posture sensor 13. (Step 150).
Next, the control device 2 determines whether or not there is a forward / backward inclination (step 155). If there is no forward / backward inclination (step 155; N), the control device 2 determines that the front foot is based on the detection value of the posture sensor. It is determined whether it is higher than the rear foot (step 160).
When the front foot is high (step 160; Y), the control device 2 determines that the walking scene is backward going down the stairs (step 165), and returns to the main routine.

前方の足が高くない場合、即ち、前方の足が低い場合(ステップ160;N)、制御装置2は、歩行シーンが上り階段の後進であると判定し(ステップ175)、メインルーチンにリターンする。
また、後方の足の足装着部24に前後傾斜がある場合(ステップ155;Y)、制御装置2は、後方の足のつま先姿勢センサ12、踵姿勢センサ13の検出値からつま先が踵よりも高いか否かを判断する(ステップ185)。
When the front foot is not high, that is, when the front foot is low (step 160; N), the control device 2 determines that the walking scene is the backward movement of the upstairs (step 175) and returns to the main routine. .
Further, when the foot mounting portion 24 of the rear foot has a front-back inclination (step 155; Y), the control device 2 determines that the toe is more than the heel from the detection values of the rear foot toe posture sensor 12 and the heel posture sensor 13. It is determined whether it is high (step 185).

つま先が踵よりも高い場合(ステップ185;Y)、制御装置2は、歩行シーンが下り坂道の後進であると判定し(ステップ190)、メインルーチンにリターンする。
つま先が踵よりも低い場合(ステップ185;N)、制御装置2は、歩行シーンが上り坂道の後進であると判定し(ステップ200)、メインルーチンにリターンする。
When the toe is higher than the heel (step 185; Y), the control device 2 determines that the walking scene is a backward movement on the downhill (step 190), and returns to the main routine.
When the toe is lower than the heel (step 185; N), the control device 2 determines that the walking scene is backward on the uphill road (step 200), and returns to the main routine.

以上のようにして、装着型ロボット1は、つま先、踵の接地の有無、及び、下肢の姿勢から装着者が平地、下り階段、上り階段、下り坂道、上り坂道の何れを後進歩行するのか、その歩行シーンを判定することができる。   As described above, the wearable robot 1 determines whether the wearer goes back on a flat ground, descending stairs, ascending stairs, descending hill, or ascending hill according to the presence or absence of toes, heel contact, and lower limb posture. The walking scene can be determined.

次に、以上説明した歩行動作判定処理と、歩行シーン判定処理をサブルーチンとする、歩行アシスト処理について説明する。
図10は、歩行アシスト処理の動作を示したフローチャートである。
制御装置2は、歩行支援装置の装着後に電源がオンされることで動作開始する(ステップ321)。
そして、図7で説明した歩行動作判定処理を行い(ステップ322)、歩行動作であると判定されると(ステップ313;Y)、制御装置2は、図8、9で説明した歩行シーン判定処理を行い(ステップ323)、装着者の歩行に対応する歩行シーン判定し、これを取得する。
Next, a walking assist process using the above-described walking motion determination process and walking scene determination process as a subroutine will be described.
FIG. 10 is a flowchart showing the operation of the walking assist process.
The control device 2 starts to operate when the power is turned on after the walking support device is mounted (step 321).
Then, the walking motion determination process described with reference to FIG. 7 is performed (step 322), and when it is determined that the motion is a walking motion (step 313; Y), the control device 2 performs the walking scene determination processing described with reference to FIGS. (Step 323), the walking scene corresponding to the wearer's walking is determined and acquired.

歩行シーン判定処理の間又は後において、制御装置2は、反力センサ10、11と姿勢センサ12〜16の検出値から、装着者が、対象脚による歩行周期を終了(ステップ324)し、更に、次の動作を開始(ステップ325)したことを検出する。
すると、制御装置2は、次に開始した動作(ステップ325)が、歩行動作可否かを再度判定する(ステップ326)。
なお、歩行アシスト処理は、左右の脚各々に対して個別に行われるため、ステップ324で右脚の歩行周期が終了した場合、ステップ325における次の動作に対する歩行判定処理も右脚に対して行われる。以後の処理も同じである。
During or after the walking scene determination process, the control device 2 causes the wearer to end the walking cycle by the target leg from the detection values of the reaction force sensors 10 and 11 and the posture sensors 12 to 16 (step 324). Then, it is detected that the next operation is started (step 325).
Then, the control device 2 determines again whether or not the next started operation (step 325) is a walking operation (step 326).
Since the walking assist process is performed separately for each of the left and right legs, when the right leg walking cycle is completed in step 324, the walking determination process for the next action in step 325 is also performed for the right leg. Is called. The subsequent processing is the same.

ステップ326の歩行動作判定処理で歩行動作と判定(ステップ313)されると、制御装置2は、直前で終了した歩行周期(ステップ324)は、歩行動作開始後1回目の歩行周期か否かを判定する(ステップ327)。
これは、本実施形態における歩行アシスト処理は、重複歩における1歩行周期前の歩行パラメータ値から、次の重複歩に対するアシスト力を決定するものであるが、1回目の歩行周期からは正確な歩行パラメータを取得できないためである。例えば、起立状態から右脚を出して歩きはじめた場合、1回目の歩行周期で得られる歩行パラメータ値は通常の1/2程度になり、この値についても1回目の歩行周期に歩行を開始するための動きが入るため正確な値とならいこと、などによる。
なお、最初の1歩行周期における動作や、2回目の歩行周における歩行動作に対して、制御装置2は、デフォルトのアシスト率αを使用して各関節に対するアシスト力を決定する。
When it is determined that the walking motion is determined in the walking motion determination process in step 326 (step 313), the control device 2 determines whether the walking cycle (step 324) ended immediately before is the first walking cycle after the start of the walking motion. Determination is made (step 327).
In this embodiment, the walking assist process determines the assisting power for the next overlapping step from the walking parameter value of the previous walking cycle in the overlapping step, but the walking is accurate from the first walking cycle. This is because the parameter cannot be acquired. For example, if you start walking with your right leg out of a standing state, the walking parameter value obtained in the first walking cycle will be about ½ of the normal, and this value will also start walking in the first walking cycle. This is because the movement is for the purpose of entering the correct value.
Note that the controller 2 determines the assist force for each joint using the default assist rate α with respect to the motion in the first one walking cycle and the walking motion in the second walking cycle.

そこで、歩行動作開始後1回目の歩行周期であると判断した場合(ステップ327;Y)、制御装置2は、ステップ323に戻り次の1歩行周期について処理する。
一方、1回目の歩行周期でないと判断した場合(ステップ327;N)、すなわち、2回目以降の1歩行周期である場合、制御装置2は、直前に終了した対象脚の1歩行周期の歩行パラメータ値を算出する(ステップ328)。
すなわち制御装置2は、ステップ324で終了した1歩行周期の間に取得した各反力センサ10、11、姿勢センサ12〜16の検出値から、当該1歩行周期における歩行パラメータ値として重複歩距離yと重複歩調xを算出する。
例えば、制御装置2は、踵の接地から次の接地までの時間を測定し、1歩行周期が2秒と測定された場合、重複歩調xはx=60/2=30(重複歩数/分)と算出される。
Therefore, when it is determined that it is the first walking cycle after the start of the walking motion (step 327; Y), the control device 2 returns to step 323 and processes the next one walking cycle.
On the other hand, when it is determined that it is not the first walking cycle (step 327; N), that is, when it is one walking cycle after the second time, the control device 2 determines the walking parameters of one walking cycle of the target leg that has just ended. A value is calculated (step 328).
That is, the control device 2 uses the detected values of the reaction force sensors 10 and 11 and the posture sensors 12 to 16 acquired during one walking cycle ended in step 324 as the walking parameter value in the one walking cycle as the overlapping walking distance y. And the overlapping pace x is calculated.
For example, the control device 2 measures the time from the contact of the heel to the next contact, and when one walking cycle is measured as 2 seconds, the overlapping pace x is x = 60/2 = 30 (number of overlapping steps / minute) Is calculated.

また、制御装置2は、例えば対象となっている脚を右脚とすると、1歩行周期における左脚1歩の距離(歩幅)と、次の右脚1歩の距離を、左右の各1歩において、両足が接地している状態での姿勢センサ12〜16の検出値から各関節の角度を算出する。そして、制御装置2は、算出した左右各1歩における各関節の角度と、各関節間の距離、足首関節と足裏間の距離、及び足の長さ(反力センサ10、11間の距離)とから、当該1歩行周期における重複歩距離yを算出する。
具体的には、左脚を前に出した図2の状態における、右脚のつま先反力センサ10から左脚のつま先反力センサ10までの距離(左脚1歩の幅)と、次に右脚を出した状態における左右のつま先センサが接地を検出している状態での距離(右脚1歩の幅)の合計を、両状態における各関節の角度と、各関節間の距離等から算出し、重複歩距離yとする。
なお、左右同時に接地する状態を確実に把握できるつま先反力センサ10の接地を使用しているが、足の長さ(つま先反力センサ10と踵反力センサ11間の距離)は一定であるので、重複歩距離yを算出できる。
For example, if the target leg is a right leg, the control device 2 determines the distance (step length) of one step of the left leg in one walking cycle and the distance of the next step of the right leg for each step on the left and right. The angle of each joint is calculated from the detection values of the posture sensors 12 to 16 when both feet are in contact with the ground. Then, the control device 2 calculates the angle of each joint at each calculated left and right step, the distance between each joint, the distance between the ankle joint and the sole, and the length of the foot (distance between the reaction force sensors 10 and 11). ) To calculate the overlapping walking distance y in the one walking cycle.
Specifically, the distance from the toe reaction force sensor 10 on the right leg to the toe reaction force sensor 10 on the left leg (the width of one step on the left leg) in the state shown in FIG. The total distance (width of one step of the right leg) in the state where the right and left toe sensors detect the ground contact in the state where the right leg is extended is calculated from the angle of each joint and the distance between each joint in both states. The overlapped distance y is calculated.
In addition, although the grounding of the toe reaction force sensor 10 which can grasp | ascertain the state grounded simultaneously right and left is used, the length of the foot (distance between the toe reaction force sensor 10 and the heel reaction force sensor 11) is constant. Therefore, the overlapping walking distance y can be calculated.

次に制御装置2は、ステップ323で判定した歩行シーンに対して、予め記憶部7に記憶しておいた股関節、膝関節、及び足首関節に対する3つの回帰式を読み出し、その変数X、Yに、ステップ328で算出した歩行パラメータ値(重複歩距離y、重複歩調x)を代入することで、対象となっている対象脚1歩行周期の角力積M1を各関節毎に算出する(ステップ329)。
この算出した各関節の角力積は、ステップ325、326で判定された次の重複歩に対して必要な全角力積(アシストしない場合の角力積)である。
Next, the control device 2 reads the three regression equations for the hip joint, knee joint, and ankle joint stored in the storage unit 7 in advance for the walking scene determined in step 323, and sets the variables X and Y as variables. By substituting the walking parameter values (overlapping distance y, overlapping pacing x) calculated in step 328, the angular impulse product M1 of the target leg 1 walking cycle is calculated for each joint (step 329). .
The calculated angular impulse product of each joint is a total angular impulse required for the next overlapping step determined in steps 325 and 326 (angular impulse product when not assisting).

次に制御装置2は、記憶部7に記憶してある1歩行周期の基準角力積z、及び、ステップ329で算出した角力積M1から、対象となっている対象脚における各関節毎のアシスト率βを算出する(ステップ330)。
ここでアシスト率βは、ある歩行1歩行周期の角力積をM1、基準歩行1歩行周期の角力積をM2、基準歩行のアシスト率をαとした場合、次の式で算出される。
Next, the control device 2 uses the reference angular impulse product z of one walking cycle stored in the storage unit 7 and the angular impulse product M1 calculated in Step 329, so that the assist rate for each joint in the target leg as a target. β is calculated (step 330).
Here, the assist rate β is calculated by the following equation, where M1 is an angular impulse product of one walking cycle, M2 is an angular impulse product of one walking cycle, and α is an assisting rate of the reference walking cycle.

アシスト率β={{M1−M2×(1−α×0.01)}/M1}×100(%)   Assist rate β = {{M1-M2 × (1-α × 0.01)} / M1} × 100 (%)

そして、基準歩行のアシスト時に装着者が負担する角力積が基準角力積zであり、基準角力積z=M2×(1−α×0.01)であるから、ある1歩行周期に対するアシスト率βは次の通りになる。   Since the angular impulse product borne by the wearer at the time of assisting the reference walking is the reference angular impulse product z and the reference angular impulse product z = M2 × (1−α × 0.01), the assist rate β for a certain walking cycle Is as follows.

アシスト率β={(M1−z)/M1}×100(%)   Assist rate β = {(M1-z) / M1} × 100 (%)

次に制御装置2は、算出した各関節毎のアシスト率βから、対象脚の各関節毎のアシスト力(=関節モーメント×アシスト率β)を決定し、決定したアシスト力に従って、対象となっている対象
脚の股関節アシストアクチュエータ17、膝関節アシストアクチュエータ18、足首関節アシストアクチュエータ19を駆動する(ステップ331)。
Next, the control device 2 determines an assist force (= joint moment × assist rate β) for each joint of the target leg from the calculated assist rate β for each joint, and becomes an object according to the determined assist force. The hip joint assist actuator 17, the knee joint assist actuator 18, and the ankle joint assist actuator 19 of the target leg are driven (step 331).

制御装置2は、歩行支援装置の電源がオフされたか判断し(ステップ332)、オフでないと判断した場合(ステップ332;N)ステップ323に戻って歩行支援を継続し、オフと判断した場合(ステップ332;Y)、歩行支援処理を終了する。   The control device 2 determines whether or not the power of the walking support device is turned off (step 332), and when it is determined that the walking support device is not turned off (step 332; N), returns to step 323 to continue walking support and determines that it is turned off (step 332). Step 332; Y), the walking support process is terminated.

以上説明したように本実施形態の歩行支援装置によれば、1歩行周期の間における装着者の負担量として角力積に着目し、歩行状態(歩行パラメータの値)が変化したとしても、装着者の1歩行周期における角力積が一定の値(基準角力積)となるように各関節のアシストを行う構成としたので、装着者は歩行状態が変化したとしても同じ角力積の負担感で歩行することができる。   As described above, according to the walking support device of the present embodiment, even if the angular state product is focused on as the amount of burden on the wearer during one walking cycle and the walking state (the value of the walking parameter) changes, the wearer Since the configuration is such that each joint is assisted so that the angular impulse product in one walking cycle becomes a constant value (reference angular impulse product), the wearer walks with the same angular impulse burden even when the walking state changes. be able to.

以上、本発明の歩行支援装置における1実施形態について説明したが、本発明は説明した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲において各種の変形を行うことが可能である。
例えば、説明した実施形態では、1歩行周期における角力積が最小値になる歩き方(歩行状態)、すなわち、導出した回帰式において、最適解(最小の角力積)を導く歩行パラメータ値を持つ歩行状態を基準歩行と定義したが、他の歩行状態を基準歩行と定義してもよい。
例えば、装着者の歩行において頻度が最も高い歩行パラメータ値での歩行を基準歩行としてもよい。この場合、直前の所定時間(例えば、30分)における歩行で最も多かった歩行パラメータ値を求め基準歩行としたり、前日の歩行において最も多かった歩行パラメータ値を求めて基準歩行としてもよい。
または、装着者が歩行支援装置を付けた状態で、予め各歩行シーン毎の歩行を自由にしてもらい、各歩行周期に対する歩行パラメータ値を測定し、その歩行シーンの中で一番多かった(歩行時間の長かった)歩行パラメータ値を決定し、当該歩行パラメータ値での歩行を基準歩行としてもよい。この場合、歩行支援装置では歩行支援無しの状態で測定してもよく、所定アシスト率での歩行支援をしながら測定するようにしてもよい。
As mentioned above, although one embodiment in the walking support device of the present invention was described, the present invention is not limited to the described embodiment, and various modifications can be made within the scope described in each claim. .
For example, in the embodiment described above, the walking method (walking state) in which the angular impulse product in one walking cycle is the minimum value, that is, the walking having the walking parameter value that leads to the optimum solution (minimum angular impulse product) in the derived regression equation. Although the state is defined as the reference walking, another walking state may be defined as the reference walking.
For example, walking with the walking parameter value having the highest frequency in the wearer's walking may be used as the reference walking. In this case, it is possible to obtain the walking parameter value that is the most frequent walking in a predetermined time immediately before (for example, 30 minutes) as the reference walking, or to obtain the walking parameter value that is most frequent in the walking on the previous day and use it as the reference walking.
Alternatively, with the wearer wearing the walking support device, the user walks freely for each walking scene in advance, measures the walking parameter value for each walking cycle, and has the largest number of walking scenes (walking A walking parameter value (which has been long) may be determined, and walking at the walking parameter value may be used as a reference walking. In this case, the walking assistance device may measure without walking assistance or may measure while walking assistance at a predetermined assist rate.

また説明した実施形態によれば、歩行パラメータを変数とし1歩行周期における角力積を解とする回帰式を歩行データから導出し、この回帰式を使用して、実際に歩行している際の歩行パラメータ値に対する角力積を算出する場合について説明した。
これに対して、詳細な歩行データを測定することで、歩行パラメータ−角力積対応テーブルを作成、及び記憶しておき、この対応テーブルを使用することで、実際の歩行時に算出した歩行パラメータ値に対応する角力積を取得するようにしてもよい。
この場合、実際の歩行時に算出した歩行パラメータ値がテーブルに無い場合には、対応テーブルに存在する最も近い値を使用して角力積を決定する。
また、この場合、基準歩行の角力積は別途導出した回帰式を使用して決定しても良く、回帰式自体を作成しない場合には、上記対応テーブルにおいて最も小さい値の角力積を基準歩行の角力積としてもよい。
Further, according to the embodiment described above, a regression equation having a walking parameter as a variable and an angular impulse product in one walking cycle as a solution is derived from the walking data, and using this regression equation, walking while actually walking is performed. The case where the angular impulse product with respect to the parameter value is calculated has been described.
On the other hand, by measuring detailed walking data, a walking parameter-angular impulse product correspondence table is created and stored, and by using this correspondence table, the walking parameter value calculated at the time of actual walking is obtained. A corresponding angular impulse may be acquired.
In this case, when the walking parameter value calculated at the time of actual walking is not in the table, the angular impulse is determined using the closest value existing in the correspondence table.
In this case, the angular impulse of the reference gait may be determined using a separately derived regression equation. If the regression equation itself is not created, the angular impulse of the smallest value in the above correspondence table is calculated. It may be an angular impulse.

歩行パラメータとして、重複歩距離Yと重複歩調Xを使用したが、他のパラメータを使用するようにしてもよい。
例えば、重複歩調Xに変えて1歩行周期Q(秒)を使用してもよい。
また、重複歩距離Yと重複歩調X(又は1歩調周期Q)に加え、床反力を歩行パラメータとしてもよい。
更に、両足が接地している場合の高さの差や、つま先関節の角度を歩行パラメータとして追加することで、歩行シーンの判定を不要にするようにしてもよい。
As the walking parameter, the overlapping distance Y and the overlapping pace X are used, but other parameters may be used.
For example, instead of the overlapping pace X, one walking cycle Q (seconds) may be used.
Further, in addition to the overlapping step distance Y and the overlapping step X (or one step period Q), the floor reaction force may be used as a walking parameter.
Furthermore, the determination of the walking scene may be made unnecessary by adding the difference in height when both feet are in contact with the ground and the angle of the toe joint as walking parameters.

また説明した実施形態では、角力積、基準角力積を使用してアシスト率βを決定したが、この角力積、基準角力積に変えて、角力積/体重、基準角力積/体重を使用するようにしてもよい。   In the embodiment described above, the assist rate β is determined by using the angular impulse product and the reference angular impulse product. However, instead of the angular impulse product and the reference angular impulse product, the angular impulse / weight and the reference angular impulse / weight are used. It may be.

また説明した実施形態では、歩行動作を開始してから1回目の1歩行周期からは歩行パラメータを算出せず(ステップ327;Y)、2回目以降の1歩行周期から歩行パラメータを算出する場合について説明した。すなわち、2回目以降の1歩行周期から歩行パラメータを算出し、3回目以降の1歩行周期における歩行動作に対してアシストを行うことになる。
これに対して、歩行動作開始後1回目の1歩行周期から歩行パラメータを算出するようにしてもよい。この場合ステップ327の判断処理は不要である。
そして、対象脚による1回めの1歩行周期が、歩行開始の最初の動作である場合、すなわち、対象脚側から歩行動作を開始した場合には、当該1歩行周期から算出した重複歩距離の値と重複歩調の値を2倍した値を1歩行周期の歩行パラメータとして算出する(ステップ328)。
一方、対象脚による1回目の1歩行周期が、歩行開始の最初の動作でない場合、すなわち、対象脚の反対側の脚から歩行動作を開始した場合には、当該1歩行周期から算出した重複歩距離の値と重複歩調の値を1歩行周期の歩行パラメータとして算出する(ステップ328)。
この変形例により、1回目の1歩行周期から算出される歩行パラメータを使用して、2回目の1歩行周期における重複歩に対するアシストを行うことができる。
なお、この場合においても、1回目の1歩行周期の歩行動作に対してはデフォルトのアシスト率を使用したアシストを行う。
In the embodiment described above, the walking parameters are not calculated from the first walking cycle after starting the walking motion (step 327; Y), and the walking parameters are calculated from the second and subsequent walking cycles. explained. That is, the walking parameter is calculated from one walking cycle after the second time, and assist is performed for the walking motion in one walking cycle after the third time.
On the other hand, the walking parameter may be calculated from the first walking cycle after the start of the walking motion. In this case, the determination process in step 327 is not necessary.
When the first walking cycle by the target leg is the first motion at the start of walking, that is, when the walking motion is started from the target leg side, the overlapping walking distance calculated from the one walking cycle is calculated. A value obtained by doubling the value and the value of the overlapping pace is calculated as a walking parameter for one walking cycle (step 328).
On the other hand, when the first one walking cycle by the target leg is not the first motion at the start of walking, that is, when the walking motion is started from the leg on the opposite side of the target leg, the overlapping walking calculated from the one walking cycle is performed. The distance value and the overlapping pace value are calculated as walking parameters for one walking cycle (step 328).
According to this modification, it is possible to assist the overlapping steps in the second one walking cycle using the walking parameters calculated from the first one walking cycle.
In this case as well, the assist using the default assist rate is performed for the first walking operation of one walking cycle.

1 装着型ロボット
2 制御装置
3 センサ情報取得部
4 各種パラメータ算出部
5 歩行動作判定部
6 歩行シーン判定部
7 記憶部
8 歩行アシスト力決定部
10 つま先反力センサ
11 踵反力センサ
12 つま先姿勢センサ
13 踵姿勢センサ
14 腰姿勢センサ
15 上腿姿勢センサ
16 下腿姿勢センサ
17 股関節アシストアクチュエータ
18 膝関節アシストアクチュエータ
19 足首関節アシストアクチュエータ
21 腰部装着部
22 上腿装着部
23 下腿装着部
24 足装着部
26 上腿連結部材
27 下腿連結部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wearable robot 2 Control apparatus 3 Sensor information acquisition part 4 Various parameter calculation part 5 Walking motion determination part 6 Walking scene determination part 7 Memory | storage part 8 Walking assist force determination part 10 Toe reaction force sensor 11 踵 Reaction force sensor 12 Toe posture sensor 13 Waist Posture Sensor 14 Waist Posture Sensor 15 Upper Leg Posture Sensor 16 Lower Leg Posture Sensor 17 Hip Joint Assist Actuator 18 Knee Joint Assist Actuator 19 Ankle Joint Assist Actuator 21 Lumbar Mount Part 22 Upper Thigh Mount Part 23 Lower Thigh Mount Part 24 Leg Mount Part 26 Upper Thigh connecting member 27 Lower thigh connecting member

Claims (7)

1歩行周期の歩行に対して必要な角力積のうち、歩行支援対象者の負担分である基準角力積zを記憶する基準角力積記憶手段と、
歩行中の前記歩行支援対象者における、歩行状態を規定する1歩行周期に対する歩行パラメータの値を取得する歩行パラメータ値取得手段と、
前記取得した歩行パラメータの値から、当該歩行パラメータの値で歩行した場合に必要な1歩行周期の角力積M1を算出する角力積算出手段と、
前記算出した角力積M1に対して、前記歩行支援対象者が負担する1歩行周期の角力積が前記基準角力積zとなるように、アシスト力を決定するアシスト力決定手段と、
前記決定したアシスト力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させる関節モーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援手段と、
を具備することを特徴とする歩行支援装置。
Reference angular impulse product storage means for storing a reference angular impulse product z that is a share of the walking support target among the angular impulse products necessary for walking in one walking cycle;
A walking parameter value acquisition means for acquiring a value of a walking parameter for one walking cycle that defines a walking state in the walking support target during walking;
Angular force product calculating means for calculating an angular force product M1 of one walking cycle necessary when walking with the value of the acquired walking parameter from the acquired walking parameter value;
An assist force determining means for determining an assist force so that an angular impulse product of one walking cycle borne by the walking support target person becomes the reference angular impulse product z with respect to the calculated angular impulse product M1;
By applying the determined assist force to the legs of the walking support target person, the walking moment of the walking support target person is reduced by reducing a joint moment generated at the joint of the leg part by the walking support target person. Walking support means;
A walking support device comprising:
1歩行周期に対する重複歩距離と、重複歩調を前記歩行パラメータとし、
前記歩行パラメータ値取得手段は、1歩行周期に対する重複歩距離と重複歩調の値を歩行パラメータの値として取得する、
ことを特徴とする請求項1に記載の歩行支援装置。
The walking distance for one walking cycle and the overlapping pace as the walking parameters,
The walking parameter value acquisition means acquires the value of the overlapping walking distance and the overlapping pace for one walking cycle as the value of the walking parameter,
The walking support apparatus according to claim 1.
歩行パラメータを変数とし1歩行周期の角力積を解とする回帰式を記憶する回帰式記憶手段を備え、
前記回帰式における最適解を導く歩行パラメータの値による歩行を基準歩行として、当該基準歩行において前記歩行支援対象者が負担すべき1歩行周期の角力積を基準角力積とし、
前記角力積M1は、前記取得した歩行パラメータの値を前記回帰式に代入することで算出する、
ことを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の歩行支援装置。
A regression equation storage means for storing a regression equation having a walking parameter as a variable and an angular impulse of one walking cycle as a solution;
As the standard walking is the walking by the value of the walking parameter that leads to the optimal solution in the regression equation, the angular impulse of one walking cycle that the walking support target person should bear in the standard walking is the standard angular impulse,
The angular impulse product M1 is calculated by substituting the value of the acquired walking parameter into the regression equation.
The walking support device according to claim 1 or claim 2, wherein
前記回帰式記憶手段は、種々の各歩行状態で歩行することで計測される1歩行周期に対する各歩行パラメータの値と角力積とを歩行データとし、当該歩行データから応答曲面法又は重回帰分析により導出した回帰式を記憶する、
ことを特徴とする請求項3に記載の歩行支援装置。
The regression equation storage means uses each walking parameter value and angular impulse for one walking cycle measured by walking in various walking states as walking data, and from the walking data by response surface method or multiple regression analysis. Memorize the derived regression equation,
The walking support device according to claim 3.
前記歩行パラメータ値取得手段は、左右の脚のいずれか一方を対象脚とした場合に、当該対象脚の1歩行周期毎の歩行パラメータを取得し、
前記角力積算出手段は、前記取得した各1歩行周期の歩行パラメータ毎に前記対象脚の角力積M1を算出し、
前記アシスト力決定手段は、1つ前の1歩行周期に対して算出された前記対象脚の角力積M1から、前記対象脚に対する次の1歩行周期のアシスト力を決定する、
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1の請求項に記載の歩行支援装置。
The walking parameter value acquisition means acquires a walking parameter for each walking cycle of the target leg when one of the left and right legs is the target leg.
The angular impulse product calculating means calculates an angular impulse product M1 of the target leg for each of the acquired walking parameters of each one walking cycle,
The assist force determining means determines the assist force of the next one walking cycle for the target leg from the angular force product M1 of the target leg calculated for the previous one walking cycle.
The walking support device according to any one of claims 1 to 4, wherein the walking support device is characterized in that:
歩行支援対象者が歩行する歩行面の種類を判定する歩行面判定手段を備え、
前記基準角力積記憶手段は、各歩行面の種類毎に基準角力積zを記憶し、
前記角力積算出手段は、前記取得した歩行パラメータの値と前記判定した歩行面の種類から、当該歩行パラメータの値で歩行した場合に必要な1歩行周期の角力積M1を算出し、
前記アシスト力決定手段は、前記算出した角力積M1に対して、前記歩行支援対象者が負担する1歩行周期の角力積が、前記判定した歩行面の種類に対応して記憶した前記基準角力積zとなるように、アシスト力を決定する、
ことを特徴とする請求項1から請求項5に記載の歩行支援装置。
A walking surface determination means for determining the type of walking surface on which the walking support target person walks;
The reference angular impulse product storage means stores a reference angular impulse product z for each type of walking surface,
The angular impulse product calculating means calculates an angular impulse product M1 of one walking cycle required when walking with the value of the walking parameter from the acquired walking parameter value and the determined type of walking surface,
The assist force determining means stores, for the calculated angular force product M1, an angular force product of one walking cycle borne by the walking support target person corresponding to the determined type of walking surface stored. Determine the assist force so that z becomes
The walking support device according to any one of claims 1 to 5, wherein
歩行中の歩行支援対象者における、歩行状態を規定する1歩行周期に対する歩行パラメータの値を取得する歩行パラメータ値取得機能と、
前記取得した歩行パラメータの値から、当該歩行パラメータの値で歩行した場合に必要な1歩行周期の角力積M1を算出する角力積算出機能と、
前記算出した角力積M1に対して、前記歩行支援対象者が負担する1歩行周期の角力積が、1歩行周期の歩行に対して必要な角力積のうち前記歩行支援対象者の負担分である基準角力積zとなるように、アシスト力を決定するアシスト力決定機能と、
前記決定したアシスト力を前記歩行支援対象者の脚部に作用させることにより、前記歩行支援対象者が前記脚部の関節に発生させる関節モーメントを軽減して前記歩行支援対象者の歩行を支援する歩行支援機能と、
をコンピュータに実現させる歩行支援プログラム。
A walking parameter value acquisition function for acquiring a walking parameter value for one walking cycle that defines a walking state in a walking support target during walking;
An angular impulse product calculation function for calculating an angular impulse product M1 of one walking cycle required when walking with the value of the acquired walking parameter from the acquired walking parameter value;
For the calculated angular impulse product M1, the angular impulse product of one walking cycle borne by the walking support target person is a share of the walking support target person among the angular impulse products necessary for walking of one walking cycle. An assist force determining function for determining an assist force so as to be a reference angular force product z;
By applying the determined assist force to the legs of the walking support target person, the walking moment of the walking support target person is reduced by reducing a joint moment generated at the joint of the leg part by the walking support target person. Walking support function,
A walking support program that realizes a computer.
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