JP2013075043A - 滑り検知装置及び滑り検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】歩行補助装置などにおいてユーザーの足部の滑り発生状態を的確に検出する。
【解決手段】本発明の滑り検知装置は、人体の足部が地面に接地しているか否かを検知する第１のセンサーと、足部の速度もしくは加速度を検知する第２のセンサーと、人体の体幹の速度もしくは加速度を検知する第３のセンサーと、第１のセンサーが接地を検知していること、第２のセンサーで検知した速度もしくは加速度が所定値よりも大きいこと、第２のセンサーで検知した速度もしくは加速度と第３のセンサーで検知した速度もしくは加速度が所定値以上の差を有することを満足する場合を、滑り発生状態として検知する滑り検知処理を実行する制御部と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、ユーザーが歩行を行う際、脚部にアシスト力を付与することで補助する歩行補助装置などにおいて、ユーザーの足の着地面に滑りが生じていることを検知する滑り検知装置及び滑り検知方法に関するものである。

近年、ユーザーの体に装着して、ユーザーの脚部、腕部などの可動部に対してアシスト力を付与する補助装置が開発されている。このような補助装置では、高齢者や身障者の歩行、動作を補助する装置として利用されることが期待されている。また高齢者などに限らず、宅配業者など重い荷物を運ぶ作業者に対する補助装置としても利用することで、作業者に対する負担を軽減することが期待されている。

このような補助装置として特許文献１には、生態信号検出手段が検出した筋電位信号に基づいてモーターなどのアクチュエーターを駆動することで、装着者の意志によってアシスト力を付与する動作補助装置が開示されている。

このような動作補助装置においては、装着者のとる体勢に基づいて制御を行う必要があるため、物理現象検出手段により関節角度の検出が行われている。検出した関節角度、そして、装着者の筋電位信号に基づいて駆動源（モータ）を駆動してアシスト力が加えられる。

特許文献１に記載される動作補助装置には、ユーザーの脚部に対してアシスト力が加えられることで歩行を補助することが可能とされている。このような動作補助装置では、路面状態などによる滑りが問題となる。特に、リハビリなどに動作補助装置を用いる場合には、滑りを回避させるような安全性が求められる。

特許文献２には足裏の滑り情報を検出する歩行式移動装置が開示されている。この歩行式移動装置では、足部の足裏に加わる力情報を検出する力センサと、滑り加速度ベクトルを出力する加速度センサまたはジャイロセンサを用いて、足裏の滑りを検出することとしている。

特開２０１１−２５０５３号公報 特開２００４−１８８５３２号公報

しかしながら特許文献２に記載される歩行式移動装置では、足裏の滑りを検出するため、力センサを用いて足裏に加わる力情報検出する必要があるとともに、複雑な演算が必要とされる。本発明では、簡易な構成で足裏の滑り状態を的確に検出することを目的としている。

本発明の滑り検知装置は、
人体の足部が地面に接地しているか否かを検知する第１のセンサーと、
前記足部の速度もしくは加速度を検知する第２のセンサーと、
前記人体の体幹の速度もしくは加速度を検知する第３のセンサーと、
前記第１のセンサーが接地を検知していること、前記第２のセンサーで検知した速度もしくは加速度が所定値よりも大きいこと、前記第２のセンサーで検知した速度もしくは加速度と前記第３のセンサーで検知した速度もしくは加速度が所定値以上の差を有することを満足する場合を、滑り発生状態として検知する滑り検知処理を実行する制御部と、を備えることを特徴とする。

また本発明の滑り検知方法は、
人体の足部が接地を検知していること、前記足部の速度もしくは加速度が所定値よりも大きいこと、前記足部の速度もしくは加速度と前記人体の体幹の速度もしくは加速度が所定値以上の差を有することを満足する場合を、滑り発生状態として検知する。

本発明の滑り検知装置、滑り検知方法によれば、足部の接地状態、足部の速度もしくは加速度、人体の体幹の速度もしくは加速度に基づいて、足部の滑り状態を的確に検出することが可能となる。特に、車両などを利用した移動状況下においても滑り検出の誤検出を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係る歩行補助装置の構成を示す図 本発明の実施形態に係る歩行補助装置の制御ブロックを示す図 本発明の実施形態に係る歩行補助装置を装着したユーザーの歩行の様子（通常歩行時）を示す図 本発明の実施形態に係る歩行補助装置を装着したユーザーの歩行の様子（滑り発生時）を示す図 本発明の実施形態に係る歩行補助装置を装着したユーザーの様子（乗車時）を示す図 本発明の実施形態に係る滑り検出処理を示すフロー図

図１は、本発明の実施形態に係る歩行補助装置の構成を示す図であって、図１（ａ）は、歩行補助装置を装着したユーザーの側面図、図１（ｂ）は、その正面図となっている。本実施形態の歩行補助装置１は、ユーザーの体躯に固定して用いられる形態であって、左右大腿部、左右下腿部にアシスト力を加えることで歩行を補助する。主な構成としては、体躯装着部１１、制御ユニット１００を備え、左右それぞれに、大腿支持部１２、大腿装着部１３、下腿支持部１４、下腿装着部１５、踵回動部２３、足底部１６、腰部アクチュエーター２１、膝部アクチュエーター２２などを備えている。

腰部アクチュエーター２１は、大腿支持部１２を図１（ａ）に示す方向に回動可能とするとともに、同方向にアシスト力を加えることが可能となっている。さらに、本実施形態では、図１（ｂ）に破線で示すように股を開く方向に対しても回動可能、かつ、アシスト力を加えることとしている。大腿支持部１２は、大腿装着部１３によってユーザーの大腿部に装着される。腰部アクチュエーター２１にて加えられるアシスト力は、ユーザーの大腿部の動作補助を行うこととなる。

膝部アクチュエーター２２は、下腿支持部１４を図１（ａ）に示す方向に回動可能とするとともに、同方向にアシスト力を加えることが可能とされている。下腿支持部１４は、下腿装着部１５によってユーザーの下腿部に装着される。膝部アクチュエーター２２にて加えられるアシスト力は、ユーザーの下腿部を動作補助する。

踵回動部２３、足底部１６を回動可能に支持する部材である。下腿支持部１４に連なる足底部１６が足底に対して固定された場合、歩行が不安定となるが、この踵回動部２３を回動可能とすることで、人体の動きにあわせることができ、歩行を安定させるとともに、歩行補助装置１の装着を安定させている。なお、本実施形態では、この踵回動部２３は、人体の動きに連動して回動するのみで、アシスト力を加えていないが、この踵回動部２３に対しても腰部アクチュエーター２１などと同様、アシスト力を加える構成としてもよい。

体躯装着部１１に固定されている制御ユニット１００は、各種センサーからの出力に応じて、腰部アクチュエーター２１、膝部アクチュエーター２２にアシスト力を加える。アシスト力を加えるために用いられるセンサーとしては、大腿部、下腿部などに貼付した筋電位センサーや、関節角度を計測する関節センサーなどを用いることが考えられる。各アクチュエーターに対するアシスト力を加える制御方法は、各種センサー、各種アルゴリズムを用いて適宜に設計したものを採用することができる。

図２は、本発明の実施形態に係る歩行補助装置の制御ブロックを示す図である。本実施形態では、左右脚部について、体幹に対する下腿部の関節角度を検出する股関節センサー２１ｃ、ｄ、大腿部に対する下腿部の関節角度を検出する膝関節センサー２２ｃ、ｄ、下腿部に対する足部の関節角度を検出する足関節センサー１８ａ、ｂが設けられている。制御ＥＣＵ１０１（制御部）は、これら関節センサーの出力信号に基づいて体躯の動きを予測し、アシスト力を加えることとしている。

各足底部１６には、足裏センサー１７ａ、ｂが設けられており、足の裏が地面についた立脚状態であるか、地面から浮いた遊脚状態を取得することが可能とされている。足裏センサー１７は、さらに、足裏の荷重分布などを取得することとしてもよい。制御ＥＣＵ１０１は、各アクチュエーター２１、２２付近に設けられた関節センサー、並びに、足裏センサー１７からの出力信号に基づいて、各アクチュエーター２１、２２に対してアシスト力を付与してユーザーの方向を補助する。なお、各アクチュエーター２１、２２は、図示しないバッテリーからの電力供給を受けてアシスト力を発生することとしている。

本実施形態では、足部の加速度を検出するためのセンサーとして、各足底部１６に加速度センサー１８ａ、ｂが設けられている。そしてユーザーの体幹の加速度を検出するため体幹装着部１１には加速度センサー１９が設けられている。これらの加速度センサー１８ａ、ｂ、１９は、速度センサーにて代用することも可能である。

また、本実施形態の制御ユニット１００には、歩行補助装置１を装着したユーザーの周囲を検出する各種周囲センサーが設けられている。周囲センサーとしては、発光素子と、当該発光素子から発光された光の反射光を受光し、周囲の障害物を検出する光センサー３１、ユーザーの前方、後方の様子をそれぞれ撮影する前方カメラ３２ａ、後方カメラ３２ｂ、衛星からのＧＰＳ信号を受信し、歩行位置を検出するとともに、地図情報を参照することでユーザーを目的地に導くナビモジュール、インターネットなどの通信網に接続し、各種情報を取得する無線モジュールなどがある。なお、前方カメラ３２ａ、後方カメラ３２ｂは、それぞれについて２つのカメラユニットを設けることで外界を立体的に撮像し、障害物までの距離を算出可能としてもよい。

この他、各種設備に設置され、当該位置の位置信号を送出する狭エリア位置確認システムのための受信モジュール３５が設けられている。この狭エリア位置確認システムとしては、例えば、ＬＥＤ照明などの照明駆動信号中に、当該位置の位置信号を含ませておき、照明光から位置信号を抽出することで位置を確認するシステムや、あるいは、室内ＧＰＳなど室内における位置確認システムなどが考えられる。

以上、本実施形態では、歩行補助装置１に対して、このような各種周囲センサーを設けたことで、安全な歩行補助を行うことのみならず、目的地までのルート案内や、各種情報をユーザーに提供することが可能となる。なお、各種情報の確認は、制御ユニット１００に接続される拡声装置、表示装置などで音声、画像出力することとしてもよいし、制御ユニット１００と無線あるいは有線で接続された携帯情報端末（図示せず）に対して音声、画像出力することとしてもよい。

では、本発明の実施形態に係る滑り検知装置について、図１の歩行補助装置に適用した場合を説明する。図３には、本発明の実施形態に係る歩行補助装置を装着したユーザーの歩行の様子（通常歩行時）を示す図が示されている。通常の歩行時には、地面に接地した状態の足部は、足裏を地面にグリップさせた状態で滑りを生じることはない。したがって、足部における加速度は生じることはない。一方、歩行時におけるユーザーの体幹、すなわち、人体のボディにあたる部分は歩行に伴って進行方向へと進むこととなる。

図４には、本発明の実施形態に係る歩行補助装置を装着したユーザーの歩行の様子（滑り発生時）を示す図が示されている。一方、足部において滑りが生じている状態では、足裏を地面に接地した状態であるにも関わらず、足部において加速度が生じることとなる。本実施形態では、足部に設けられている足裏センサー１７ｂと加速度センサー１２を用いて足部の滑り状態を検知することとしている。

このように足部の接地状態とその加速度に基づいて簡易に足部の滑り状態を検知することが可能となるが、一方で次のような問題が生じる。図５は、本発明の実施形態に係る歩行補助装置を装着したユーザーの様子（乗車時）を示す図である。この図に示されるように歩行補助装置を装着したユーザーが、電車や車などの車両に乗車し、車内において直立した状態を考えてみる。このような場合、足部は接地した状態であるにもかかわらず、車両の進行によって加速度が作用することとなる。このため、前述した足部の接地状態とその加速度を用いた滑り検知では、このような状態を滑りが発生している状態であると誤検知してしまう。なお、このような誤検知は、車両乗車時に限らず、エレベーターやエスカレーター、あるいは、動く歩道を利用する場合など、接地状態にある足部に対して加速度が働く場合に発生する。

そのため本実施形態では、ユーザーの体幹の加速度と、接地状態にある足部の加速度（速度）とを比較し、所定値以上の差を有することを条件としてさらに加えることで、車両乗車時などにおける誤検知を防止することとしている。このような条件下では、車両乗車時などの移動状況下での滑り発生の誤検出を抑制するとともに、移動状況下で滑りが発生した場合において、滑り発生の検出を行うことが可能となる。すなわち、車両などを利用した移動状況下であっても、通常の歩行時であっても、足部に滑りが生じた場合には、体幹の加速度よりも足部の加速度の差が十分に大きくなることとなる。そのため両者の差分が所定値よりも大きいという条件を加えることで、移動状況下あるいは通常歩行時であっても滑りを的確に検出することが可能となる。

図６は、本発明の実施形態に係る滑り検出処理を示すフロー図である。この滑り検出処理は、歩行補助装置に適用された場合、ユーザーの脚部に対してアシスト力を加えるアシスト処理と同時に実行される処理である。あるいはユーザーが歩行補助装置を装着している期間中、実行する処理であってもよい。なお、ここに示す滑り検出処理は一方の足部について実行される処理となっており、実際には左右の足部毎に実行される。

滑り検出処理が開始されると、Ｓ１０１では足裏センサー１７ｂの接地状態を取得し、足裏が接地状態にあるか、あるいは接地していない遊脚状態にあるかを検出する。足裏が
接地している場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）には次の処理に進むこととなる。一方、足裏が接地していない状態（Ｓ１０２：Ｎｏ）には、滑りが発生していない状態と判定し（Ｓ１０９）、Ｓ１０１に戻って足裏の接地状態の監視を続行する。

次にＳ１０３では、足部付近に設けられている加速度センサー１７ｂを用いて足部の加速度を取得する。Ｓ１０４では足部の加速度が所定の閾値以上である場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）には、次の処理に進む。一方、加速度が所定の閾値より小さい場合（Ｓ１０４：Ｎｏ）には、滑りが発生していない状態と判定し（Ｓ１０９）、Ｓ１０１に戻って足裏の接地状態の監視を続行する。

次にＳ１０５では、体幹付近に設けられている加速度センサー１９を用いて体幹の加速度を取得する。Ｓ１０６では、体幹の加速度とＳ１０３で取得した足部の加速度とを比較することでその差が得られる。Ｓ１０７では加速度の差が所定の閾値以上であるか否かが判定され、所定の閾値以上である場合には滑り発生状態と判定されることとなる。一方、加速度の差が所定の閾値より小さい場合（Ｓ１０７：Ｎｏ）には、滑りが発生していない状態と判定し（Ｓ１０９）、Ｓ１０１に戻って足裏の接地状態の監視を続行する。

このように本実施形態では、足裏が接地状態にあること（条件１）、足部の加速度が所定値よりも大きいこと（条件２）、足裏の加速度と体幹の加速度の差が所定値よりも大きいこと（条件３）の３つの条件を満足する場合を滑りが発生状態として検知している。この３つの条件の判定の順序は、この実施形態に限られるものではなく、適宜順序とすることができる。また、本実施形態では加速度センサー１８ａ、ｂ、１９にて検出される加速度を利用することとしたが、足部あるいは体幹の少なくとも一方について、速度を利用することとしてもよい。各部位の速度は各加速度センサー１８ａ、ｂ、１９が出力する加速度を積分することで得ることが可能である。あるいは、加速度センサー１８ａ、ｂ、１９に代え、速度センサーを使用することとしてもよい。ただし、Ｓ１０６における足部と体幹の比較は、速度同士、あるいは、加速度同士で行う必要がある。

このような滑り検出処理で滑り発生状態が検出された場合、歩行補助装置では各種の回避処理あるいは通知処理を行うことで、転倒などユーザーに対する危険を回避させることが可能となる。回避処理としては、歩行補助装置のアクチュエーターを制御することで、滑り助発生状態を回避させることが考えられる。この場合、滑り発生状態の足部とは反対の足に対するアシスト力を弱めることで滑り状態を回避させることが可能となる。回避処理としては、この他、足底部１６ａ、ｂの裏面からスパイクを突出させるなど、足裏と地面の摩擦を高めることで滑り状態を回避させることとしてもよい。また、通知処理としては、制御ユニット１００に接続されたスピーカー、表示装置、振動発生装置などを用いることでユーザーに滑り状態が発生したことを通知する処理であり、滑り状態が発生したことを早期の段階で通知することで、ユーザー自身に回避行動を取らせることが可能となる。

以上、本実施形態の滑り検知装置によれば、足部の接地状態、足部の速度もしくは加速度、人体の体幹の速度もしくは加速度に基づいて、足部の滑り状態を的確に検出することが可能となり、検出結果に応じて回避処理あるいは通知処理などを実行することで、滑り状態を回避させることが可能となる。特に、本実施形態では、車両などを利用した移動状況下においても滑り検出の誤検出を抑制することが可能となる。

なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１０…歩行補助装置
１１…体躯装着部
１２ａ、ｂ…大腿支持部
１３ａ、ｂ…大腿装着部
１４ａ、ｂ…下腿支持部
１５ａ、ｂ…下腿装着部
１６ａ、ｂ…足底部
１７ａ、ｂ…足裏センサー
１８ａ、ｂ…加速度センサー（足部）
１９…加速度センサー（体幹）
１８ａ、ｂ…足関節センサー
２１ａ、ｂ…腰部アクチュエーター
２１ｃ、ｄ…股関節センサー
２２ａ、ｂ…膝部アクチュエーター
２２ｃ、ｄ…膝関節センサー
２３ａ、ｂ…踵回動部
３１…光源装置
３２ａ…前方カメラ
３２ｂ…後方カメラ
３３…ナビモジュール
３４…無線通信モジュール
１００…制御ユニット
１０１…制御ＥＣＵ（制御部）

Claims (2)

1. 人体の足部が地面に接地しているか否かを検知する第１のセンサーと、
   前記足部の速度もしくは加速度を検知する第２のセンサーと、
   前記人体の体幹の速度もしくは加速度を検知する第３のセンサーと、
   前記第１のセンサーが接地を検知していること、前記第２のセンサーで検知した速度もしくは加速度が所定値よりも大きいこと、前記第２のセンサーで検知した速度もしくは加速度と前記第３のセンサーで検知した速度もしくは加速度が所定値以上の差を有することを満足する場合を、滑り発生状態として検知する滑り検知処理を実行する制御部と、を備えることを特徴とする
   滑り検知装置。
2. 人体の足部が接地を検知していること、前記足部の速度もしくは加速度が所定値よりも大きいこと、前記足部の速度もしくは加速度と前記人体の体幹の速度もしくは加速度が所定値以上の差を有することを満足する場合を、滑り発生状態として検知する
   滑り検知方法。

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