JP2013208293A - Walking support device and walking support program - Google Patents
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Abstract
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、装着者の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, to assisting a wearer's walking.
近年、ユーザの歩行を補助するウェアラブルな歩行支援装置が開発されている。
歩行支援装置は、装着者の股関節、膝関節、足首関節などで歩行に要する関節モーメントをアクチュエータによって軽減することにより装着者の歩行を補助する。歩行支援装置は健常者の歩行を支援する他に、高齢者など歩行が困難なユーザの歩行を支援することができる。
In recent years, wearable walking support devices that assist users in walking have been developed.
The walking support device assists the wearer's walking by reducing the joint moment required for walking at the hip joint, knee joint, ankle joint, and the like of the wearer with an actuator. In addition to supporting the walking of healthy people, the walking support device can support the walking of users who are difficult to walk, such as elderly people.
このような技術として特許文献1の「歩行補助装置」がある。
一般に、立脚期の十分なトルクを必要とする期間と、遊脚期の速度が速く負荷が軽い期間を単一のアクチュエータで両立することは困難であり、トルクと速度のいずれかが不足する可能性が高い。
この技術は、立脚期の出力をアクチュエータの出力によらずワンウェイクラッチを係合させて発生させることによりアクチュエータの能力不足を補うものである。
As such a technique, there is a “walking assisting device” of
In general, it is difficult to achieve both a period in which sufficient torque is required in the stance phase and a period in which the speed of the swing phase is high and the load is light, with a single actuator, and either torque or speed may be insufficient. High nature.
This technology compensates for the insufficient capacity of the actuator by generating the output of the stance phase by engaging the one-way clutch regardless of the output of the actuator.
しかし、この技術では、遊脚期にアクチュエータが脚部に連動しているため、遊脚期における速度が不足し、歩行時に抵抗となり違和感が発生するという問題があった。 However, this technique has a problem that since the actuator is interlocked with the leg during the swinging leg period, the speed during the swinging leg period is insufficient, causing resistance during walking and causing discomfort.
本発明は、遊脚期のアシストの違和感を低減することを目的とする。 An object of the present invention is to reduce the discomfort of assist during the swing leg period.
(1)請求項1に記載の発明では、歩行支援対象者の脚部を保持する保持手段と、前記脚部の関節で発生する関節モーメントを補助するアシスト力を出力するアシスト力出力手段と、前記出力したアシスト力を前記保持手段に伝達する伝達手段と、前記伝達手段による伝達を開放する開放手段と、を具備したことを特徴とする歩行支援装置を提供する。
(2)請求項2に記載の発明では、前記関節は膝関節であ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に記載の発明では、前記開放手段は、歩行周期に同期して前記伝達を開放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に記載の発明では、前記開放手段は、遊脚期間に前記伝達を開放することを特徴とすることを特徴とする請求項1、請求項2、又は請求項3に記載の歩行支援装置を提供する。
(5)請求項5に記載の発明では、歩行支援対象者の脚部の関節で発生する関節モーメントを補助するアシスト力を出力するアシスト力出力機能と、前記出力したアシスト力を脚部を保持する保持手段に伝達する伝達機能と、前記伝達手段による伝達を開放する開放機能と、をコンピュータで実現する歩行支援プログラムを提供する。
(1) In the invention according to
(2) In the invention described in claim 2, the walking support device according to
(3) In the invention described in
(4) In the invention according to claim 4, the release means releases the transmission during a free leg period. The invention according to
(5) In the invention described in
本発明によれば、遊脚期に膝関節に設けたクラッチを開放することにより、遊脚期のアシストの違和感を低減することができる。 According to the present invention, by disengaging the clutch provided at the knee joint during the swing phase, it is possible to reduce the discomfort of the assist during the swing phase.
(1)実施形態の概要
下腿連結部材27の駆動系(膝関節アシストアクチュエータ18など)と、当該駆動系による駆動力を下腿連結部材27に伝達する伝達系(膝関節軸34など)は、クラッチ36によって接続したり開放したりすることができる(図2(a))。
図4のグラフから明らかなように、歩行時に膝関節の角速度が速い領域は遊脚期の直前から遊脚期の終了時付近であり、また、この期間は体を支える必要がなくアシスト力を必要としない。一方、アシスト力が必要な領域は主に立脚期の前半であり、この期間では角速度が遅くなる。
そこで、装着型ロボット1は、立脚期・遊脚期のタイミングを判断し、遊脚期にクラッチ36を切り離すことで、立脚期には、必要なアシスト力を発揮し、遊脚期には、駆動系の速度の不足の影響を無くし、歩行補助における違和感を解消する。
(1) Outline of Embodiment A drive system (such as the knee joint assist actuator 18) of the
As is clear from the graph of FIG. 4, the region where the angular velocity of the knee joint is fast when walking is from just before the swing phase to the end of the swing phase, and during this period, it is not necessary to support the body and assist force is applied. do not need. On the other hand, the region where the assist force is required is mainly in the first half of the stance phase, and the angular velocity is slow during this period.
Therefore, the
(2)実施形態の詳細
図1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. 1 is a diagram showing a mounting state of the
The
The
However, the toe
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
The
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
The hip
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、上腿装着部22によって装着者の上腿部に固定される。そして、上腿連結部材26は、股関節アシストアクチュエータ17によって駆動し、上腿部の運動を支援する。
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
The outer side of the upper
The upper
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を前後方向に運動させて装着者の下腿部の運動を支援する。
膝関節アシストアクチュエータ18には、後述のクラッチ36が形成されており、制御装置2からの指令によって、膝関節アシストアクチュエータ18が下腿連結部材27に対して発生するトルクを開放、接続することができる。
The knee
The knee
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、下腿装着部23によって装着者の下腿部に固定される。そして、下腿連結部材27は、膝関節アシストアクチュエータ18によって駆動し、下腿部の運動を支援する。
The crus connecting
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
The lower
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
The
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
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
The heel
The
図2の各図は、膝関節アシストアクチュエータ18に形成されたクラッチ機構を説明するための図である。
図2(a)に示したように、膝関節アシストアクチュエータ18は、膝関節モータ31、回転軸32、かさ歯車33、かさ歯車35、膝関節軸34、クラッチ36などから構成されている。
Each drawing in FIG. 2 is a view for explaining a clutch mechanism formed in the knee
As shown in FIG. 2A, the knee
上腿連結部材26と下腿連結部材27は、膝関節軸34によって前後方向に回転可能に接続している。
膝関節軸34は、上腿連結部材26に対する下腿連結部材27の前後運動と装着者の上腿に対する下腿の前後運動が一致するように、例えば、装着者の膝関節と同軸に形成されている。なお、これは一例であって、装着者の膝関節の運動により適合するように二重関節によって上腿連結部材26と下腿連結部材27を接合してもよい。
The upper
For example, the knee
膝関節モータ31は、例えば、DCモータであり、膝関節のアシストに必要なトルク、即ちアシスト力を発生する。
通常は、立脚期での低速回転及び大トルクと、遊脚期での高速回転及び小トルクをできるだけ両立するような高度なモータを必要とするが、装着型ロボット1では、遊脚期に膝関節モータ31を膝関節の駆動系から切り離すため、より低コストのモータを使用することができる。
The knee
Normally, an advanced motor is required which can achieve both low-speed rotation and large torque in the stance phase and high-speed rotation and small torque in the swing phase as much as possible. Since the
膝関節モータ31の膝関節側には、膝関節モータ31の回転軸32が突出し、その先端部分にかさ歯車33が形成されている。
一方、膝関節軸34には、回転軸32とかみ合うかさ歯車35が形成されており、膝関節モータ31のトルクが膝関節軸34を回転するトルクに変換されるようになっている。
かさ歯車35は、クラッチ36を介して膝関節軸34に接合しており、クラッチ36を接続、開放することにより、かさ歯車35にかさ歯車33から伝達されたトルクを膝関節軸34に伝達、切断(遮断)することができる。
On the knee joint side of the knee
On the other hand, a
The
図2(b)は、クラッチ36が開放状態となってるところを示した図である。
クラッチ36は、膝関節軸側円板42、かさ歯車側円板41、及び円板移動部材43などから構成されている。
膝関節軸側円板42は、膝関節軸34に対して膝関節軸34の回転方向に対して固定されており、かつ、膝関節軸34の回転軸方向に移動可能なディスクであり、膝関節軸34の回転軸方向に膝関節軸34と同軸に複数枚形成されている。
FIG. 2 (b) is a view showing a state where the clutch 36 is in an open state.
The clutch 36 includes a knee joint
The knee joint
かさ歯車側円板41は、かさ歯車35に対し、かさ歯車35の回転方向に固定されており、かつ、かさ歯車35の回転軸方向に移動可能なディスクであり、かさ歯車35の回転軸方向に複数枚形成されている。
膝関節軸側円板42とかさ歯車側円板41は、互い違いに配置されており、クラッチ36の解放時には、バネ機構などにより互いに所定距離を隔てて位置している。
このように、クラッチ36の解放時には、膝関節軸側円板42とかさ歯車側円板41の間には摩擦が発生せず、かさ歯車35で発生するトルクは膝関節軸34に伝達しない。
The
The knee joint
As described above, when the clutch 36 is released, no friction is generated between the knee joint
図2(c)は、クラッチ36が接続状態となっているところを示した図である。
膝関節軸34には、クラッチ36の接続時に膝関節軸側円板42をかさ歯車側円板41側に圧迫する円板移動部材43が形成されている。
円板移動部材43は、クラッチ36の接続時には、最も外側の膝関節軸側円板42をかさ歯車側円板41方向に圧迫する。
FIG. 2 (c) is a view showing a state where the clutch 36 is in a connected state.
The knee
The
すると、膝関節軸側円板42とかさ歯車側円板41は、外側のものから順次かさ歯車35の側に移動して、互いに密着する。
これによって、膝関節軸側円板42とかさ歯車側円板41が摩擦力によって接合し、かさ歯車35の発生するトルクが膝関節軸34に伝達する。
Then, the knee joint
As a result, the knee joint
このように、クラッチ36は、円板移動部材43を用いて駆動力の伝達、開放を制御することができる。
なお、クラッチ36は、一例であって、電磁クラッチなどの各種のクラッチを用いることができる。
Thus, the clutch 36 can control transmission and release of the driving force using the
The clutch 36 is an example, and various clutches such as an electromagnetic clutch can be used.
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
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
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、クラッチ制御部9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、立脚期・遊脚期の判定や、歩行動作の判定や、歩行シーンの判定や、歩行パラメータの算出等に使用される。
The control device 2 is also configured by executing various programs such as a walking support program stored in the
The sensor
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、各関節の角度や角速度など、立脚期・遊脚期の判定に必要なパラメータ値を算出する。
なお、立脚期とは、脚部が接地して地面を後方に蹴っている期間であり、遊脚期とは脚部が地面から浮いて前に戻している期間である。
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。
The various parameter calculation unit 4 calculates parameter values necessary for determination of the stance phase / swing phase, such as the angle and angular velocity of each joint, from the detection values acquired by the sensor
The stance period is a period in which the leg is grounded and kicks the ground backward, and the free leg period is a period in which the leg is lifted from the ground and returned to the front.
The walking
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
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が各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。
クラッチ制御部9は、円板移動部材43(図2)を駆動してクラッチ36の接続及び開放を制御する。
The walking assist
The clutch control unit 9 controls the connection and release of the clutch 36 by driving the disk moving member 43 (FIG. 2).
図4の各図は、1歩行周期においてクラッチ36を作動させる領域(区間)を説明するための図である。
図4(a)は、膝関節の関節モーメントの推移を示したグラフである。
グラフから明らかなように歩行周期は立脚期と遊脚期から構成されており、立脚期では、遊脚期に比べて膝関節に大きな関節モーメントが発生している。
例えば、立脚期では、関節モーメントの絶対値の最大値が40(Nm)程度であるのに対し、遊脚期では絶対値が10(Nm)程度である。
Each figure of FIG. 4 is a figure for demonstrating the area | region (section) which operates the clutch 36 in one walk cycle.
FIG. 4A is a graph showing the transition of the joint moment of the knee joint.
As is apparent from the graph, the walking cycle is composed of a stance phase and a swing phase, and a larger joint moment is generated in the knee joint in the stance phase than in the swing phase.
For example, in the stance phase, the maximum absolute value of the joint moment is about 40 (Nm), whereas in the swing phase, the absolute value is about 10 (Nm).
図4(b)は、膝関節の角速度の推移を示したグラフである。
グラフから明らかなように遊脚期では立脚期よりも大きな角速度が発生している。
例えば、遊脚期では、角速度の絶対値の最大値が400(Deg/Sec)程度であるのに対し、立脚では絶対値が200(Deg/Sec)程度である。
FIG. 4B is a graph showing changes in the angular velocity of the knee joint.
As is apparent from the graph, the angular velocity is larger in the swing phase than in the stance phase.
For example, the absolute value of the angular velocity is about 400 (Deg / Sec) in the swing phase, whereas the absolute value is about 200 (Deg / Sec) in the stance.
以上のように、立脚期では関節モーメントが大きくて角速度が小さく、逆に遊脚期では関節モーメントが小さくて角速度が大きいことがわかる。
従来例では、波線で示した遊脚期の角速度の速い領域51で膝関節アシストアクチュエータ18による抵抗が感じられる場合があったが、装着型ロボット1は、領域51によって膝関節アシストアクチュエータ18による駆動系と駆動力を伝達する伝達系を切断するため、装着者による下肢の運動が膝関節アシストアクチュエータ18に連動せず(即ち、下肢は自由運動できる状態となる)、装着者は自然に下肢を運動させることができる。
As described above, it can be seen that the joint moment is large and the angular velocity is small in the stance phase, and conversely, the joint moment is small and the angular velocity is large in the swing phase.
In the conventional example, there is a case where resistance by the knee
図5は、制御装置2がクラッチ36を操作する手順を説明するためのフローチャートである。
以下の処理は制御装置2のCPUが所定のプログラムに従って行うものである。
なお、以下では、右足のクラッチ36について説明するが、左足のクラッチ36も同様に処理する。
FIG. 5 is a flowchart for explaining a procedure in which the control device 2 operates the clutch 36.
The following processing is performed by the CPU of the control device 2 according to a predetermined program.
In the following, the right foot clutch 36 will be described, but the left foot clutch 36 is processed in the same manner.
まず、制御装置2は、右足のクラッチ36の状態(接続しているか、開放しているか)を取得する(ステップ5)。
これは、円板移動部材43の動作状態を取得することにより行うことができる。
次に、制御装置2は、クラッチ36の状態からクラッチ36が接続中か、あるいは開放中かを判断する(ステップ10)。
First, the control device 2 acquires the state (connected or released) of the right foot clutch 36 (step 5).
This can be done by acquiring the operating state of the
Next, the control device 2 determines whether the clutch 36 is being connected or released from the state of the clutch 36 (step 10).
クラッチ36が接続中の場合(ステップ10;Y)、制御装置2は、クラッチ36を開放できるか否かの開放判断処理を行う(ステップ15)。
開放判断処理の結果、開放できると判断した場合(ステップ20;Y)、制御装置2は、クラッチ36を開放する(ステップ25)。
一方、開放できないと判断した場合(ステップ20;N)、制御装置2はクラッチ36の接続を維持する(ステップ30)。
When the clutch 36 is engaged (
As a result of the release determination process, when it is determined that the release is possible (
On the other hand, if it is determined that the clutch cannot be released (
また、ステップ10でクラッチ36が開放中と判断した場合(ステップ10;N)、制御装置2は、クラッチ36を接続できるか否かの接続判断処理を行う(ステップ35)。
接続判断処理の結果、接続すると判断した場合(ステップ40;Y)、制御装置2は、クラッチ36を接続する(ステップ45)。
一方、接続しないと判断した場合(ステップ40;N)、制御装置2は、クラッチ36の開放を維持する(ステップ50)。
When it is determined in
As a result of the connection determination process, when it is determined that the connection is established (
On the other hand, if it is determined that the connection is not established (
図6は、図5のステップ15の開放判断処理の手順を説明するためのフローチャートである。
まず、制御装置2は、右足の接地状態を取得する(ステップ105)。これは、つま先反力センサ10、踵反力センサ11などからの出力により取得することができる。
次に、右足のつま先のみが接地しているか否かを判断する(ステップ110)。これは、立脚時の初期、終期には、つま先のみが接地するため、当該初期、終期を検出するものである。
つま先以外(ここでは踵)も接地している場合(ステップ110;N)、制御装置2は、右足が立脚期であると判断し、クラッチ36の接続を維持すると判断する(ステップ140)。
FIG. 6 is a flowchart for explaining the procedure of the release determination process in
First, the control device 2 acquires the ground contact state of the right foot (step 105). This can be acquired by an output from the toe
Next, it is determined whether only the right toe is in contact with the ground (step 110). This is to detect the initial stage and the final stage since only the toes are grounded at the initial stage and the final stage when standing.
When other than the toes (here, the heel) is also grounded (step 110; N), the control device 2 determines that the right foot is in the stance phase and determines that the clutch 36 is maintained connected (step 140).
一方、つま先のみが接地している場合(ステップ110;Y)、制御装置2は、右股関節の角度と角速度を取得する(ステップ115)。これは、各種パラメータ算出部4により算出される。
次に、制御装置2は、股関節の角度と角速度から右足が装着者の体より後ろで、かつ、後ろ向きに運動しているか否かを判断する(ステップ120)。
上の条件のうち、少なくとも一方が満たされない場合(ステップ120;N)、制御装置2は、立脚期の初期であると判断し、クラッチ36の接続を維持すると判断する(ステップ140)。
On the other hand, when only the toe is grounded (step 110; Y), the control device 2 acquires the angle and angular velocity of the right hip joint (step 115). This is calculated by the various parameter calculation unit 4.
Next, the control device 2 determines whether or not the right foot is moving backward and backward from the wearer's body from the angle and angular velocity of the hip joint (step 120).
When at least one of the above conditions is not satisfied (step 120; N), the control device 2 determines that it is in the initial stage of the stance phase and determines that the clutch 36 is maintained (step 140).
上の条件が両方とも満たされている場合(ステップ120;Y)、制御装置2は、立脚期の終期であると判断する。
そして、制御装置2は、右足の膝関節の関節モーメントを推定する(ステップ125)。この推定値は各種パラメータ算出部4で算出される。
次に、制御装置2は、推定された関節モーメントが所定の閾値以下であるか否かを判断する(ステップ130)。
When both of the above conditions are satisfied (step 120; Y), the control device 2 determines that it is the end of the stance phase.
The control device 2 estimates the joint moment of the knee joint of the right foot (step 125). This estimated value is calculated by various parameter calculation units 4.
Next, the control device 2 determines whether or not the estimated joint moment is equal to or less than a predetermined threshold (step 130).
そして、制御装置2は、関節モーメントが閾値以下の場合は(ステップ130;Y)、クラッチ36を開放すると判断し(ステップ135)、関節モーメントが閾値よりも大きい場合は(ステップ130;N)、クラッチ36の接続を維持すると判断する(ステップ140)。
このように、判断基準に関節モーメントの閾値を設けることにより、立脚期の終期においてトルクが要求されているにもかかわらずクラッチ36が開放されるのを防止することができる。
When the joint moment is equal to or smaller than the threshold (
Thus, by providing the threshold value of the joint moment in the determination criterion, it is possible to prevent the clutch 36 from being released even though torque is required at the end of the stance phase.
図7は、図5のステップ35の接続判断処理の手順を説明するためのフローチャートである。
まず、制御装置2は、右足の膝関節の関節モーメントを推定する(ステップ205)。この推定は各種パラメータ算出部4により行われる。
次に、制御装置2は、関節モーメントが所定の閾値以上か否かを判断する(ステップ210)。
FIG. 7 is a flowchart for explaining the procedure of the connection determination process in
First, the control device 2 estimates the joint moment of the knee joint of the right foot (step 205). This estimation is performed by the various parameter calculation unit 4.
Next, the control device 2 determines whether or not the joint moment is equal to or greater than a predetermined threshold (step 210).
関節モーメントが閾値以上である場合(ステップ210;Y)、制御装置2は、クラッチ36を接続すると判断する(ステップ235)。
関節モーメントが閾値未満である場合(ステップ210;N)、制御装置2は、右足の接地状態を取得する(ステップ215)。これは、つま先反力センサ10、踵反力センサ11の出力により取得する。
When the joint moment is equal to or greater than the threshold (step 210; Y), the control device 2 determines that the clutch 36 is engaged (step 235).
When the joint moment is less than the threshold value (step 210; N), the control device 2 acquires the ground contact state of the right foot (step 215). This is acquired from the outputs of the toe
次に、制御装置2は、取得した接地状態により右足が接地しているか否かを判断する(ステップ220)。
右足が接地していないと判断した場合(ステップ220;N)、制御装置2は、クラッチ36の開放を維持すると判断する(ステップ240)。
一方、右足が接地していると判断した場合(ステップ220;Y)、制御装置2は、直前の状態をデータから取得する(ステップ225)。このデータは、記憶部7に記憶されている。これは、直前のデータと比較することにより、足を接地した瞬間であるか否かを判断するためである。
Next, the control device 2 determines whether or not the right foot is in contact with the acquired contact state (step 220).
When it is determined that the right foot is not in contact with the ground (step 220; N), the control device 2 determines to maintain the clutch 36 open (step 240).
On the other hand, when it is determined that the right foot is in contact with the ground (step 220; Y), the control device 2 acquires the previous state from the data (step 225). This data is stored in the
次に、制御装置2は、直前のデータにおいて右足が接地していなかったか否かを判断する(ステップ230)。
直前のデータで右足が接地していた場合(ステップ230;N)、制御装置2は、立脚期の終期であると判断し、クラッチ36の開放を維持すると判断する(ステップ240)。
一方、直前のデータで右足が接地していなかった場合(ステップ230;Y)、制御装置2は、右足が接地した瞬間であると判断し、クラッチ36を接続すると判断する(ステップ235)。
Next, the control device 2 determines whether or not the right foot was not grounded in the previous data (step 230).
If the right foot is in contact with the previous data (step 230; N), the control device 2 determines that it is the end of the stance phase and determines to maintain the clutch 36 open (step 240).
On the other hand, when the right foot is not grounded in the previous data (step 230; Y), the control device 2 determines that it is the moment when the right foot is grounded and determines that the clutch 36 is connected (step 235).
以上に説明した実施の形態では、膝関節についてクラッチ36による伝達系の接続と開放を実施したが、これは膝関節に限定するものではなく、股関節や足首関節に適用することもできる。
例えば、装着者が走っていたり早歩きしている場合には、股関節についても同様に遊脚期にクラッチを切断することが望ましい場合も考えられる。
In the embodiment described above, the transmission system is connected and released by the clutch 36 for the knee joint, but this is not limited to the knee joint, and can be applied to the hip joint and ankle joint.
For example, when the wearer is running or walking fast, it may be desirable to disengage the clutch in the same way for the hip joint.
以上に説明した実施の形態では、次のような効果を得ることができる。
(1)遊脚期にクラッチ36を切り離すことで、負荷となる動力源である駆動系、即ち膝関節アシストアクチュエータ18を動かさなくてもよくなり、軽い力で動かせるため違和感が低減される。
(2)膝関節モータ31が、立脚時の高出力低速回転、遊脚期の低出力高速回転の双方に対応する必要が無くなり、高価で高機能な膝関節モータを使用する必要が無く、コストを低減することができる。
(3)クラッチ36を切り離した状態では膝関節モータ31を駆動する必要が無くなり、消費エネルギーを低減することができる。
(4)遊脚期の終了時において膝の関節モーメントが閾値以下か否かを判断することにより、膝関節アシストアクチュエータ18によるトルクが必要なのにもかかわらずクラッチ36が開放されるのを防止することができる。
(5)遊脚期の開始時において直前のデータを参照することにより足が接地した瞬間にクラッチ36を接続することができる。
In the embodiment described above, the following effects can be obtained.
(1) By disengaging the clutch 36 during the swing phase, it is not necessary to move the drive system that is a power source that is a load, that is, the knee
(2) It is not necessary for the knee
(3) When the clutch 36 is disengaged, it is not necessary to drive the knee
(4) By preventing whether the knee joint moment is equal to or less than a threshold value at the end of the swing leg period, the clutch 36 is prevented from being released despite the need for torque by the knee
(5) The clutch 36 can be connected at the moment when the foot contacts the ground by referring to the previous data at the start of the swing phase.
以上に説明した実施の形態により、次の構成を得ることができる。
装着型ロボット1は、上腿連結部材26や下腿連結部材27によって装着者の脚部を保持するため、歩行支援対象者の脚部を保持する保持手段を備えている。
また、膝関節アシストアクチュエータ18が膝関節で発生する関節モーメントを補助するアシスト力を出力するため、装着型ロボット1は、前記脚部の関節で発生する関節モーメントを補助するアシスト力を出力するアシスト力出力手段を備えている。
また、クラッチ36は、アシスト力を下腿連結部材27に伝達するため、装着型ロボット1は、前記出力したアシスト力を前記保持手段に伝達する伝達手段を備えている。
制御装置2は、遊脚期間でクラッチ36を開放するため、装着型ロボット1は、前記伝達手段による伝達を開放する開放手段を備えている。
この開放手段による開放は、例えば、遊脚期の場合など所定の条件が満たされた場合に自動的に開放するもののほか、例えば、装着者が必要に応じて手動で開放するように構成することもできる。
According to the embodiment described above, the following configuration can be obtained.
The
Further, since the knee
Further, since the clutch 36 transmits the assist force to the
Since the control device 2 releases the clutch 36 during the free leg period, the
For example, the opening by the opening means is configured to be automatically opened when a predetermined condition is satisfied, for example, in the case of a swing leg period, or to be manually opened by the wearer as necessary. You can also.
クラッチ機構により接続・開放する関節は、膝関節が特に有効なため、前記関節は膝関節とすることができる。 The joint that is connected / released by the clutch mechanism is particularly effective at the knee joint, so that the joint can be a knee joint.
装着型ロボット1は、歩行周期のうち遊脚期にクラッチ36を開放するため、前記開放手段は、歩行周期に同期して前記伝達を開放しており、また、遊脚期間に前記伝達を開放している。
Since the
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
9 クラッチ制御部
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
31 膝関節モータ
32 回転軸
33 かさ歯車
34 膝関節軸
35 かさ歯車
36 クラッチ
41 かさ歯車側円板
42 膝関節軸側円板
43 円板移動部材
51 領域
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記脚部の関節で発生する関節モーメントを補助するアシスト力を出力するアシスト力出力手段と、
前記出力したアシスト力を前記保持手段に伝達する伝達手段と、
前記伝達手段による伝達を開放する開放手段と、
を具備したことを特徴とする歩行支援装置。 Holding means for holding the legs of the walking support target person;
An assist force output means for outputting an assist force for assisting a joint moment generated at the joint of the leg,
A transmission means for transmitting the output assist force to the holding means;
Opening means for releasing transmission by the transmission means;
A walking support device characterized by comprising:
前記出力したアシスト力を脚部を保持する保持手段に伝達する伝達機能と、
前記伝達手段による伝達を開放する開放機能と、
をコンピュータで実現する歩行支援プログラム。 An assist force output function for outputting an assist force for assisting a joint moment generated at a joint of a leg of a walking support target;
A transmission function for transmitting the output assist force to a holding means for holding a leg;
An opening function for releasing transmission by the transmission means;
A walking support program that uses a computer.
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