JP2013158442A

JP2013158442A - 歩行補助装置

Info

Publication number: JP2013158442A
Application number: JP2012022181A
Authority: JP
Inventors: Hidesuke Aoki; 英祐青木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-19

Abstract

【課題】高精度でセンサ情報を取得し、バッテリの残量推定の誤推定の発生を低減する。
【解決手段】歩行補助装置１は、使用者が膝関節を伸長状態とすることでロック状態となるリンク機構１０と、所定のセンサ１１２と、を有する歩行補助装置であって、リンク機構１０の膝軸を駆動するアクチュエータ１４と、膝軸の角度を計測する膝軸角度センサ１１１と、膝軸角度センサ１１１により取得された値に基づいて立脚状態か遊脚状態かを判定する判定装置１２と、膝軸角度センサ１１１により取得された値に基づいてアクチュエータ１４に駆動指令を与えるコントローラ１３と、電力を供給するバッテリ１５と、を備える。判定装置１２が、遊脚状態または立脚状態から遊脚状態への遷移状態であると判定した場合には、バッテリ１５の残量推定と、所定のセンサ１１２からの情報取得のうち少なくとも一方を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、歩行補助装置に関する。

歩行が困難な老齢者などの足の力が弱い人に装着し、股関節や膝関節の動作を補助し、歩行をアシストする歩行補助装置が開発されている。歩行補助装置は、股関節や膝関節に設けられたアクチュエータの回転運動により、下股の動作を補助する。

特許文献１には、人体の腰部に装着される腰部装具と、脹脛部に装着される下腿部装具と、前記腰部装具と下腿部装具との間に介装される連結バーとを備える歩行補助装置が開示されている。特許文献１にかかる歩行補助装置は、人体の関節位置と、アクチュエータの装着位置のずれを吸収し、下腿部における装置のずれの発生を抑制することができる。

特許文献２には、モータ駆動などの大きな負荷の動作を検出したときに、バッテリ電圧監視を停止する電池残量警告制御装置が開示されている。

特許文献３には、使用者の遊脚状態の終了のタイミングを誤判断無く決定し、使用者の歩行状態にあわせて適切に制御を切り替える歩行補助装置が開示されている。

特開２００４−３４４３０６号公報特開２００６−２０３９８９号公報特開２０１０−１４８６３７号公報

セルフロック機能が無い歩行補助装置では、立脚保持時には常時大出力の保持トルクが必要となる。またセルフロック機能がある歩行補助装置であっても、セルフロック状態ではない状態で着地すると、膝関節屈曲防止のために保持トルクが必要となる。したがって、歩行補助装置の膝関節部には、身体を支えるための大トルクを発生するアクチュエータを備えているが、アクチュエータにより立脚接地時に体重を支えるための大きなトルク出力を発生させる場合には、アクチュエータに大電流を流す必要がある。ここで、アクチュエータを動作させるための大電流は、システムを構成する繊細なセンサに対してノイズ源となり、精確なセンサ情報の取得の障害となる。また、歩行補助装置への大電流が引かれる状況では、バッテリの残量推定において、局所的な電圧降下により誤推定の可能性がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、ノイズの影響を受けやすいセンサについて高精度でセンサ情報を取得し、バッテリの残量推定について誤推定の発生を低減する歩行補助装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる歩行補助装置は、使用者が膝関節を伸長状態とすることでロック状態となるリンク機構と、所定のセンサと、を有する歩行補助装置であって、前記リンク機構の膝軸を駆動するアクチュエータと、前記膝軸の角度を計測する膝軸角度センサと、前記膝軸角度センサにより取得された値に基づいて立脚状態か遊脚状態かを判定する判定装置と、前記膝軸角度センサにより取得された値に基づいて前記アクチュエータに駆動指令を与えるコントローラと、電力を供給するバッテリと、を備え、前記判定装置が、遊脚状態または立脚状態から遊脚状態への遷移状態であると判定した場合には、前記バッテリの残量推定と、前記所定のセンサからの情報取得のうち少なくとも一方を停止する。
これにより、アクチュエータを駆動するために大電流を用いている場合には、大電流がノイズ源となるセンサでの値の取得を停止することで、精度が低下した情報を取得しないよう制御する。

高精度でセンサ情報を取得し、バッテリの残量推定の誤推定の発生を低減することができる。

実施の形態１にかかる歩行補助装置のブロック図である。実施の形態１にかかる歩行補助装置の外観を示す図である。実施の形態１にかかるリンク機構の構造を示す図である。実施の形態１にかかる歩行補助装置の動作フローチャートである。実施の形態１にかかる膝軸とアクチュエータ軸の絶対角度の関係を示す図である。実施の形態２にかかる歩行補助装置のブロック図である。実施の形態２にかかる歩行補助装置の動作フローチャートである。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明にかかる歩行補助装置１の構成図である。図２は、歩行補助装置１の外観を示す図である。

歩行補助装置１は、４節リンク構造を持つ歩行補助装具である。歩行補助装置１は、リンク機構１０と、センサ１１と、判定装置１２と、コントローラ１３と、アクチュエータ１４と、バッテリ１５と、を備える。

リンク機構１０は、４本のリンクで構成される４節リンクである。リンク機構１０の４本のリンクは、第１のリンク１０１と、第２のリンク１０２と、第３のリンク１０３と、第４のリンク１０４を備える。図３は、リンク機構１０の詳細な構造を示す図である。

第１のリンク１０１は、一端が第２のリンク１０２と接続しており、他端が第３のリンク１０３と接続している。第１のリンク１０１と第２のリンク１０２の接続部を膝軸とする。第２のリンク１０２は、一端が第１のリンク１０１と接続しており、他端が第４のリンク１０４と接続している。第３のリンク１０３は、一端が第１のリンク１０１と接続しており、他端が第４のリンク１０４と接続している。第１のリンク１０４は、一端が第２のリンク１０２と接続しており、他端が第３のリンク１０３と接続している。
第１のリンク１０１と第２のリンク１０２を加算した長さは、第３のリンク１０３と第４のリンク１０４を加算した長さより長い。また、第２のリンク１０２は、第３のリンク１０３より長いものとする。第３のリンク１０３と第４のリンク１０４を補助リンクとする。
リンク機構１０は、装着者の膝関節が伸長状態のときに、補助リンクの相対角が１８０°となる。これによりリンク機構１０は、装着者が膝を伸ばすだけでセルフロックの状態となり、アクチュエータ１４を動作させなくても膝折れを防止する。

センサ１１は、膝軸角度センサ１１１と、所定のセンサ１１２と、を備える。センサ１１は、計測により取得した情報を、コントローラ１３と判定装置１２に出力する。
膝軸角度センサ１１１は、膝軸角度の計測を行う。より具体的には、膝軸角度センサ１１１は、使用者の膝の前後に折れ曲がる方向（ピッチ方向）の角度を計測する。
所定のセンサ１１２は、例えば抵抗値を用いて測定値を算出するものであり、典型的にはロボットの関節角度を取得する際に利用されるポテンショナルメータである。所定のセンサ１１２はノイズの影響を受けやすいセンサである。以下では、所定のセンサ１１２を、ノイズに弱いセンサと記載する場合がある。

判定装置１２は、現在の膝関節角度に基づいて、膝軸の絶対角度とアクチュエータ軸の絶対角度との関係が、非線形領域であるか線形領域であるかを判定する。この判定は、４リンク機構の特性上、リンクがある形状になることで、減速とその損失係数が変化してトルク出力が変化し、これによりモータへの電流出力の増加、システムへの影響が考えられるために行う。また判定装置１２は、歩行補助装置１の状態が立脚状態であるか遊脚状態であるかを判定する。判定装置１２は、判定結果に基づいて、所定のセンサ１１２からのセンサ情報の取得を停止する。また判定装置１２は、判定結果に基づいて、バッテリ１５の残量推定の停止をコントローラ１３に指示する。
なお典型的には、判定装置１２は、膝軸の絶対角度とアクチュエータ軸の絶対角度との関係が非線形領域の場合であっても立脚状態とは判定せず、さらに地面に脚が接地しているか等の情報を利用して立脚状態か遊脚状態かを判定する。

コントローラ１３は、センサ１１の情報をもとに指令値を算出する。コントローラ１３は、アクチュエータ１４に駆動指令を出力する。また、コントローラ１３は、バッテリ１５の残量を推定する。コントローラ１３は、バッテリ１５の残量が少ないと推定した場合には、電源が失われる前に使用者に残量が少ない旨を提示する。また、コントローラ１３は、バッテリ１５の使用者に残量が少ない場合に、歩行補助装置１が安全な姿勢となるよう制御する。

アクチュエータ１４は、コントローラ１３からの駆動指令に基づいて膝関節を動作させる、油空圧的装置である。アクチュエータ１４は、バッテリ１５からの電源供給を受けて駆動する。

バッテリ１５は、歩行補助装置１に電力を供給する。より具体的には、バッテリ１５は、センサ１１と、アクチュエータ１４と、コントローラ１３と、判定装置１２のそれぞれに電力を供給し、それぞれを駆動させる。

次に、歩行補助装置１の動作について説明する。図４は歩行補助装置１を動作させる際のフローチャートである。

歩行補助装置１を待機状態とする（ステップＳ１１）。

膝軸角度センサ１１１は、膝軸の角度を取得する（ステップＳ１２）。膝軸角度センサ１１１で取得された情報は、コントローラ１３及び判定装置１２に出力される。

判定装置１２は、歩行補助装置１の状態が、線形領域であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。ここで図５は、膝軸とアクチュエータの減速比を示した図である。具体的には、図５は膝角度の遊脚範囲の線形近似を表した図であり、縦軸が膝軸の絶対角度を示し、横軸がアクチュエータ軸の絶対角度を示す。判定装置１２が、歩行補助装置１は遊脚状態であると判定した場合には（ステップＳ１３でＹｅｓ）、ステップＳ１４に進む。判定装置１２が、歩行補助装置１は立脚状態であると判定した場合には（ステップＳ１３でＮｏ）、ステップＳ１５に進む。

判定装置１２は、コントローラ１３に対し、所定のセンサ１１２によるセンサ情報の取得停止と、バッテリ１５の残量推定の停止を指示する（ステップＳ１４）。コントローラ１３は、判定装置１２から入力した停止信号に基づいて、センサ１１による膝関節軸角度の取得を停止させ、バッテリ１５の残量推定を停止する。

所定のセンサ１１２は、センサ情報の取得を行う（ステップＳ１５）。すなわち、コントローラ１３は、ノイズに弱いセンサにセンサ情報を取得させる。

コントローラ１３は、バッテリ１５の電圧を取得し、バッテリ１５の残量を推定する（ステップＳ１６）。

コントローラ１３は、バッテリ１５の残量があらかじめ設定した閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１７）。ここでバッテリ１５の残量の閾値として、第１の閾値と、第２の閾値を設定する。第２の閾値は、第１の閾値より残量が少ない状態とする。
コントローラ１３は、バッテリ１５の残量が第１の閾値以下であり、第２の閾値以上であれば（ステップＳ１７でＹｅｓ１）、アラーム警告を発生する（ステップＳ１８）。
コントローラ１３は、バッテリ１５の残量が第１の閾値以下で、かつ第２の閾値以下であれば（ステップＳ１７でＹｅｓ２）、アラーム警告を発生し、歩行補助装置１を安全な姿勢に制御後、停止させる（ステップＳ１９）。
コントローラ１３は、バッテリ１５の残量が第１の閾値以上であれば（ステップＳ１７でＮｏ）、ステップＳ１１に戻り、待機状態となる。

このように歩行補助装置は、立脚状態であるか遊脚状態であるかを判定し、アクチュエータに大電流が流れることで大きなノイズが発生する状態の場合には、バッテリ残量推定やノイズに弱いセンサ情報の取得を停止する。これにより、ノイズに弱いセンサにおけるセンサ情報を高精度に取得し、バッテリ残量の誤推定の発生を低減させることができる。

実施の形態２
図６は、歩行補助装置２の構成図である。実施の形態１に示した歩行補助装置１と同様の機能を有する構成物品については、同一の符号を付し、説明を省略する。

歩行補助装置２は、リンク機構１０と、センサ２１と、判定装置１２と、コントローラ１３と、アクチュエータ１４と、バッテリ１５と、を備える。

センサ２１は、膝軸角度センサ１１１と、所定のセンサ１１２と、足裏荷重センサ２１１と、大腿部角度計測センサ２１２と、を備える。
足裏荷重センサ２１１は、足裏にかかる荷重を計測する荷重センサである。大腿部角度計測センサ２１２は、大腿部の関節軸角度を計測する角度センサである。

次に、歩行補助装置２の動作について説明する。図７は歩行補助装置２を動作させる際のフローチャートである。

歩行補助装置２は立脚状態とする（ステップＳ３１）。

コントローラ１３は、リンク機構１０がセルフロック領域であるか否かを判定する（ステップＳ３２）。セルフロック領域であれば（ステップＳ３２でＹｅｓ）、ステップＳ３３に進む。セルフロック領域でなければ（ステップＳ３２でＮｏ）、ステップＳ３１に戻る。

コントローラ１３は、アクチュエータ１４の駆動を停止させる（ステップＳ３３）。

コントローラ１３は、バッテリ１５のバッテリ電圧を取得し、バッテリ１５の残量の推定を行う（ステップＳ３４）。

所定のセンサ１１２は、センサ情報を取得する（ステップＳ３５）。すなわち、コントローラ１３は、ノイズに弱いセンサに、センサ情報を取得させる。

コントローラ１３は、バッテリ１５の残量があらかじめ設定した閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ３６）。ここでバッテリ１５の残量の閾値として、第１の閾値と、第２の閾値を設定する。第２の閾値は、第１の閾値より残量が少ない状態とする。
コントローラ１３は、バッテリ１５の残量が第１の閾値以下であり、第２の閾値以上であれば（ステップＳ３６でＹｅｓ１）、アラーム警告を発生する（ステップＳ３７）。
コントローラ１３は、バッテリ１５の残量が第１の閾値以下で、かつ第２の閾値以下であれば（ステップＳ３６でＹｅｓ２）、アラーム警告を発生し、歩行補助装置１を安全な姿勢に制御後、停止させる（ステップＳ３８）。
コントローラ１３は、バッテリ１５の残量が第１の閾値以上であれば（ステップＳ３６でＮｏ）、ステップＳ３９に進む。

コントローラ１３による指示に基づき、膝軸角度センサ１１１は膝軸角度を取得し、大腿部角度計測センサ２１２は大腿部の関節角度を取得する（ステップＳ３９）。

コントローラ１３は、足首の位置を算出する（ステップＳ４０）。

足裏荷重センサ２１１は、足裏荷重値を取得する（ステップＳ４１）。

コントローラ１３は、歩行補助装置２について遊脚状態が開始されたか否かを判定する（ステップＳ４２）。例えば、足首の位置があらかじめ設定した位置より十分に後方であり、かつ足裏荷重センサ２１１での計測の結果、足裏荷重が十分に小さい場合に、遊脚状態が開始したものと判定する。
コントローラ１３が、歩行補助装置２の遊脚状態が開始したと判定した場合には（ステップＳ４２でＹｅｓ）、ステップＳ４３に進む。コントローラ１３が、歩行補助装置２の遊脚状態が開始しなかったと判定した場合には（ステップＳ４２でＮｏ）、ステップＳ３１に戻り、処理を繰り返し行う。

コントローラ１３は、バッテリ１５の残量推定を停止し、所定のセンサ１１２の情報取得を停止させる（ステップＳ４３）。

コントローラ１３による指示に基づき、膝軸角度センサ１１１は膝軸角度を取得し、大腿部角度計測センサ２１２は大腿部の関節角度を取得する（ステップＳ４４）。

コントローラ１３は、足首の位置を算出する（ステップＳ４５）。

足裏荷重センサ２１１は、足裏荷重値を取得する（ステップＳ４６）。

コントローラ１３は、歩行補助装置２について立脚状態が開始されたか否かを判定する（ステップＳ４７）。例えば、足首の位置があらかじめ設定した位置より十分に前方であり、かつ足裏荷重センサ２１１での計測の結果、足裏荷重が十分に大きい場合に、立脚状態が開始したものと判定する。
コントローラ１３が、歩行補助装置２の遊脚状態が開始したと判定した場合には（ステップＳ４７でＹｅｓ）、ステップＳ３１に戻る。コントローラ１３が、歩行補助装置２の立脚状態が開始しなかったと判定した場合には（ステップＳ４７でＮｏ）、ステップＳ４３に戻り、処理を繰り返し行う。

このように歩行補助装置は、立脚状態と遊脚状態の切り替わりを検知し、アクチュエータに大電流が流れることで大きなノイズが発生する状態の場合には、バッテリ残量推定やノイズに弱いセンサ情報の取得を停止する。これにより、ノイズに弱いセンサにおけるセンサ情報を高精度に取得し、バッテリ残量の誤推定の発生を低減させることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、１台の所定のセンサ１１２が歩行補助装置に備えられているものとして説明したが、複数の所定のセンサが歩行補助装置に搭載されていても良い。この場合、歩行補助装置が立脚状態か遊脚状態によって、それぞれの所定のセンサの挙動を制御しても良い。また、リンク機構１０は４節リンクであるものとして説明したが、使用者が膝を伸ばしたときにロック状態となる構造であれば、４節リンク構造でなくても良い。

１歩行補助装置
２歩行補助装置
１０リンク機構
１１センサ
１２判定装置
１３コントローラ
１４アクチュエータ
１５バッテリ
２１センサ
１０１第１のリンク
１０２第２のリンク
１０３第３のリンク
１０４第４のリンク
１１１膝軸角度センサ
１１２所定のセンサ
２１１足裏荷重センサ
２１２大腿部角度計測センサ

Claims

使用者が膝関節を伸長状態とすることでロック状態となるリンク機構と、所定のセンサと、を有する歩行補助装置であって、
前記リンク機構の膝軸を駆動するアクチュエータと、
前記膝軸の角度を計測する膝軸角度センサと、
前記膝軸角度センサにより取得された値に基づいて立脚状態か遊脚状態かを判定する判定装置と、
前記膝軸角度センサにより取得された値に基づいて前記アクチュエータに駆動指令を与えるコントローラと、
電力を供給するバッテリと、を備え、
前記判定装置が、遊脚状態または立脚状態から遊脚状態への遷移状態であると判定した場合には、前記バッテリの残量推定と、前記所定のセンサからの情報取得のうち少なくとも一方を停止する、
歩行補助装置。