JP2014068868A - Foot-worn device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、足装着装置に関し、例えば、装着者の歩行をアシストする歩行支援装置等に使用されるものに関する。 The present invention relates to a foot mounting device, for example, to a device used for a walking support device that assists a wearer in walking.
近年、歩行者に装着させ、歩行者の歩行動作をアクチュエータなどで支援（アシスト）する装着型の歩行支援装置（ウェアラブルモビリティ）が盛んに研究され、例えば、特許文献１の歩行支援装置が提案されている。
これら人体の動きをアシストするウェアラブルモビリティでは、関節角度、床反力、人体パラメータを用いて利用者の歩行動作に必要な関節モーメントを推定する。そして、推定した関節モーメントの一部をアクチュエータから出力することで、利用者の歩行を補助するようにしている。
In recent years, a wearable walking support device (wearable mobility) that is worn by a pedestrian and supports (assist) the walking motion of the pedestrian with an actuator or the like has been actively studied. For example, the walking support device of
In wearable mobility that assists the movement of the human body, the joint moment required for the user's walking motion is estimated using the joint angle, floor reaction force, and human body parameters. A part of the estimated joint moment is output from the actuator to assist the user in walking.
しかし、関節モーメントは各関節角度の変化に応じて変わるのに対して、装着者の動作開始直後の微少な姿勢の変化によっては、歩行支援装置の関節角度の変化として検出することができなかった。これは、装着部位の材質等に基づく伸び(例えば、靴の伸び)、人体の弾力性、遊びなどの影響が存在するためである。
このため、装着者が実際に歩行動作を開始しても、その動きを直ちに関節角度の変化として検出できないために、歩行動作のアシストに遅れが発生する場合があった。この場合、装着者は、アシストの遅れを感じるという問題があった。
However, while the joint moment changes according to the change in each joint angle, it cannot be detected as a change in the joint angle of the walking support device due to a slight change in posture immediately after the wearer's movement starts. . This is because there are effects such as elongation (for example, elongation of shoes), elasticity of the human body, play and the like based on the material of the wearing part.
For this reason, even if the wearer actually starts the walking motion, the motion cannot be immediately detected as a change in the joint angle. Therefore, there is a case where a delay occurs in assisting the walking motion. In this case, there is a problem that the wearer feels a delay in assist.
なお、靴の内側で足の甲の位置と、足底側に荷重センサを配置した靴について記載した特許文献２の床反力計測装置がある。
この、特許文献２の床反力計測装置は、靴の締め付けによって発生する下面センサの体重誤差を補正するための技術であり、荷重センサの検出値から足の動きや向きを検出するものではない。
また、後に詳細に説明する歩行支援装置に関連する技術として、歩行者の股間部において体重を支える機構を有する特許文献３がある。
In addition, there is a floor reaction force measuring device disclosed in
This floor reaction force measuring device of
In addition, as a technology related to the walking support device described in detail later, there is Patent Document 3 having a mechanism for supporting weight in a pedestrian's crotch.
本発明は、装着者の足の動きと方向をより早く検出することを目的とする。 It is an object of the present invention to detect the movement and direction of a wearer's foot more quickly.
（１）請求項１に記載の発明では、装着者の足を出し入れする開口部と足を収納する空洞が形成された足収容部材と、前記足収容部材内の足甲側で、足指位置に対向配置され、足指甲側からの甲側圧力を取得する甲側圧力取得手段と、前記足収容部材内の足裏側で、足指位置に対向配置され、足指裏側からの裏側圧力を取得する裏側圧力取得手段と、を具備したことを特徴とする足装着装置を提供する。
（２）請求項２に記載の発明では、前記甲側圧力取得手段と、前記裏側圧力取得手段は、前記歩行支援対象者の足指のうち、親指の位置に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の足装着装置を提供する。
（３）請求項３に記載の発明では、前記甲側圧力取得手段と、前記裏側圧力取得手段は、足指の中央部分、付け根、又は指先に配置配置されている、ことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の足装着装置を提供する。
(1) In the invention according to
(2) In the invention described in
(3) In the invention described in claim 3, the instep side pressure acquisition means and the back side pressure acquisition means are arranged and arranged at a central portion, a root, or a fingertip of a toe. Item 7 or claim 8 is provided.
本発明によれば、足の動作を直ちに検出して、その動作方向を決定することができる。
このため、歩行支援装置に足装着装置を使用することで、装着者の足の動きの変化に迅速に追随して歩行を支援することができる。
According to the present invention, it is possible to immediately detect the movement of the foot and determine the movement direction.
For this reason, by using a foot mounting device for the walking support device, it is possible to quickly follow the change in the movement of the wearer's foot and assist walking.
（１）実施形態の概要
図１(ａ)に示したように、第１実施形態における装着型ロボット１は、足５０が挿入される靴状の足装着部２４（足装着装置として機能）を有しており、これを足首関節アシストアクチュエータ１９で駆動して装着者の足の動作（運動）を支援する。
図１(ｂ)に示すように、足装着部２４の内部には、足５０の表側（甲がある側）と裏側に圧力センサで構成された足表センサ３１〜３３、足裏センサ４１〜４４が配置されている。
装着者が足５０を上側又は下側に動かすと、その足５０の動き（変化）は、まず、足表センサ３１〜３３、足裏センサ４１〜４４による圧力の変化として検出され、次いで、足首関節センサ１６による足首関節の角度変化として検出される。
そこで、従来の足首関節センサ１６による角度変化の検出よりも先に、足表センサ３１〜３３、足裏センサ４１〜４４による圧力の変化を検出することで、装着者による足の動作開始とその方向（上下方向）を検出する。すなわち、一方側の圧力が増加し、他方側の圧力が減少していて、その圧力が両閾値ｓ１、ｓ２を越えている場合には、圧力が増加する側に足が動作していることを検出する。
そして、装着型ロボット１は、足表センサ３１〜３３、足裏センサ４１〜４４による足５０の動作開始とその方向を検出した時点で、直ちに足首関節アシストアクチュエータ１９を駆動し、足５０の運動を支援する。
従来は、足首関節センサ１６による角度の変化を検知して足首関節アシストアクチュエータ１９を駆動していたが、装着型ロボット１は、足の上下の圧力変化が検出された時点で直ちに支援するため、装着者の足の動きに迅速に追随することができる。
(1) Outline of Embodiment As shown in FIG. 1A, the
As shown in FIG.1 (b), inside the
When the wearer moves the
Therefore, by detecting changes in pressure by the
The
Conventionally, the change in angle by the
（２）実施形態の詳細
以下本発明の歩行支援装置として機能する装着型ロボット１を例に説明する。
図１(ａ)は、第１実施形態に係る、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、足装着装置として機能する足装着部２４、上腿連結部材２６、下腿連結部材２７、足連結部材２８、制御装置２、つま先反力センサ１０、踵反力センサ１１、腰姿勢センサ１３、股関節センサ１４、膝関節センサ１５、足首関節センサ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１３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。また、以下では、足首よりも先端側の部分を足と呼び、足首の関節を足首関節と呼ぶことにする。
(2) Details of Embodiment A
FIG. 1A is a diagram showing a wearing state of the wearing
The
The
It should be noted that the components other than the
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１３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。
本実施の形態における制御装置２は、股関節センサ１４、膝関節センサ１５、足首関節センサ１６の検出値（対応する各関節の角度）を用いて各関節の関節モーメントを推定し、当該推定値を基に各関節に対するアシスト力を決定し、決定したアシスト力を出力するように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。
更に、制御装置２は、後に詳細に説明するように、足装着部２４に設けた各センサによって、足の動きを各関節センサよりも先に検出して早期に足の動作とその方向を推定し、これを足首関節アシストアクチュエータ１９の出力に反映させる。
The
The
Further, as will be described in detail later, the
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ことで、装着者の大腿部の上げ下げの動作をアシストする。
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 hip
Note that the hip
股関節センサ１４は、装着者の股関節の前後方向の回転角度(屈曲角度)を検出する検出器であって、例えば、股関節アシストアクチュエータ１７の回転軸と同軸に設置されたロータリーエンコーダによって構成されている。
股関節センサ１４は、装着者の股関節の角度を検出するほか、制御装置２が当該角度を時間で微分することにより、股関節の角速度、及び角加速度を検出するのに用いることもできる。
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部材（例えば、柱状部材）で構成され、上腿装着部２２によって装着者の上腿（大腿）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。
The upper
The outer side of 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を前後方向に駆動することで、装着者の下腿部の運動（前後方向の動き）を支援する。
The knee
膝関節センサ１５は、装着者の膝関節の前後方向の回転角度(屈曲角度)を検出する検出器であって、例えば、膝関節アシストアクチュエータ１８の回転軸と同軸に設置されたロータリーエンコーダによって構成されている。
膝関節センサ１５は、装着者の膝関節の角度を検出するほか、制御装置２が当該角度を時間で微分することにより、膝関節の角速度、及び角加速度を検出するのに用いることもできる。
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部材（例えば、柱状部材）で構成され、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。
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。
The
The outer side of 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ことで、装着者の足首の動作を支援する。
足首関節センサ１６は、装着者の足首関節の上下方向の回転角度(屈曲角度)を検出する検出器であって、例えば、足首関節アシストアクチュエータ１９の回転軸と同軸に設置されたロータリーエンコーダによって構成されている。
足首関節センサ１６は、装着者の足首関節の角度を検出するほか、制御装置２が当該角度を時間で微分することにより、足首関節の角速度、及び角加速度を検出するのに用いることもできる。
The ankle
The ankle
In addition to detecting the angle of the wearer's ankle joint, the ankle
足連結部材２８は、装着者の足の外側に設けられた剛性を有する部材（例えば、柱状部材）で構成され、装着者の足を収納する足装着部２４を、その外側から固定している。
そして、足連結部材２８は、足首関節アシストアクチュエータ１９によって駆動し、足装着部２４(即ち、足装着部２４に収納された足)の運動を支援する。
The
The
足装着部２４は、装着者の足を出し入れする開口部と足を収納する空洞が形成された靴状の部材である。
足装着部２４は、一般の靴と同様に、外皮は、例えば、獣皮、合成皮革、布などの柔軟性を有する各種部材によって形成され、底部は、合成ゴムなどのある程度の剛性を有し、路面に対して対摩耗性を有する各種素材によって形成されている。そして、足装着部２４は、足指の付け根の指関節の屈曲に従って屈曲するようになっている。
また、足装着部２４は、足に十分に固定されるように、靴ひもや面ファスナーなどの装着機構を備えてもよい。
The
In the
Further, the
つま先反力センサ１０は、足装着部２４の底面の前方に設置され、つま先の接地を検出すると共に、歩行面（床面）からの反力を検出する。
踵反力センサ１１は、足装着部２４の底面の後方に設置され、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。
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。
つま先反力センサ１０と踵反力センサ１１（又はつま先接地センサと踵接地センサ）により、つま先と踵の何れか一方の接地が検出された場合に足装着部２４が歩行面に接地し、当該検出側の脚が立脚となったと判断される。一方、つま先と踵の両方の接地が検出されなくなった場合に、足装着部２４が歩行面から離れたことを検出し、当該検出側の足が浮上して遊脚となったと判断される。
The toe
The heel
However, the toe
When the toe
図１(ｂ)は、足装着装置として機能する足装着部２４を詳細に説明するための図である。足装着部２４の輪郭は破線で示してある。
足装着部２４の空洞内において、装着者の足５０の表側(甲側)には、足５０の表側からの圧力を受け止める表側部材３０が設けられている。
表側部材３０は、獣皮、合成皮革、布、ゴム、樹脂などにより形成され、足５０の形状や足指の屈曲に対応して変形する程度の柔軟性を有している。
FIG.1 (b) is a figure for demonstrating in detail the
A
The front-
表側部材３０の、足５０に対向する面には、足５０が表側部材３０に及ぼす圧力を検出する圧力センサである足表センサ３１〜３３が設置されている。
足表センサ３１は、足５０の指に対応して設置されている。より詳細には、指の中央、指の付け根、指先の何れでもよい。
また、当該指はどの指でもよいが、本実施の形態では、親指とする。これは、親指が他の指よりも大きく、また、力も強いため、足指の圧力(圧力変化)の検出に適しているためである。このように、足表センサ３１は、足の指が表側部材３０に及ぼす押圧を検出する。
On the surface of the
The
The finger may be any finger, but in the present embodiment, the finger is a thumb. This is because the thumb is larger than the other fingers and has a stronger force, which is suitable for detecting toe pressure (pressure change). As described above, the
足表センサ３３は、足装着部２４の開口部側に設置されており、足表センサ３２は、足表センサ３１と足表センサ３３の略中間に設置されている。
足表センサ３３は、足５０の甲の足首関節側の部分が表側部材３０に及ぼす押圧を検出し、足表センサ３２は、足５０の甲の中央部分が表側部材３０に及ぼす押圧を検出する。
The
The
一方、足装着部２４の空洞内において、装着者の足５０の裏側には、足５０の裏側からの圧力を受け止める裏側部材４０が設けられている。
裏側部材４０は、獣皮、合成皮革、布、ゴム、樹脂などにより形成され、足５０の形状や足指の屈曲に対応して変形する程度の柔軟性を有している。
On the other hand, a
The back-
裏側部材４０の、足５０の裏側(底側)に対向する面には、足５０が裏側部材４０に及ぼす圧力を検出する圧力センサである足裏センサ４１〜４４が設置されている。
足裏センサ４１は、足５０の指に対応して設置されている。より詳細には、指の中央、指の付け根、指先の何れでもよい。このように、足裏センサ４１は、足の指が裏側部材４０に及ぼす押圧を検出する。
On the surface of the
The
また、足裏センサ４１は、足表センサ３１と同様の理由により、親指の裏側に設置されている。
そして、例えば、足表センサ３１が親指の指先位置に設置されているならば、足裏センサ４１も親指の指先位置に設置されているなど、足裏センサ４１は、足装着部２４の内部で足表センサ３１と対向(対応)する位置に設置されている。これは、足表センサ３１と足裏センサ４１の測定対象を同一とすることにより解析や制御を容易にするためである。
Further, the
For example, if the
足裏センサ４４は、足５０の踵に対応して設置されている。
足裏センサ４１と足裏センサ４４との間には、つま先側に足裏センサ４２が配設され、踵側に足裏センサ４３が配置されている。より具体的には、母子球付近に足裏センサ４２が、土踏まず付近に足裏センサ４３が設置されている。
足裏センサ４２〜４４は、それぞれ、これらの足裏部分が裏側部材４０に及ぼす押圧を検出する。
The
Between the
The
以上に説明した足表センサ３１〜３３と足裏センサ４１〜４４は、何れも足５０に接して押圧を検出するが、足表センサ３１〜３３と足裏センサ４１〜４４を足５０に粘着(あるいは吸着)させ、押圧(正圧)のみならず負圧も検出できるように構成することもできる。
また、例えば、足表センサ３１を親指に配置して足裏センサ４１を中指に配置したり、足表センサ３１を親指の指先に配置して足裏センサ４１を親指の付け根に配置するなど、足表センサ３１と足裏センサ４１を対向しない位置に配置することも可能である。
The above-described
Also, for example, the
また、図１（ｂ）に示した足装着部２４は３つの足表センサ３１〜３３であるのに対して、４つの足裏センサ４１〜４４を配置したが、それぞれ２つ、３つ、４つと同数のセンサを配置するようにしてもよい。例えば、それぞれ３つのセンサを配置する場合、踵部分に配置した足裏センサ４４を無くし、足裏センサ４１〜４３を配置する。
Moreover, although the
また、足表センサと足裏センサの配置位置については、装着者が直立した状態において、足首関節を通る鉛直線よりもつま先側に配置されることが、より好ましい位置である。
これは、足の動作の中止は、足首関節を中心する回転動作となるためである。
In addition, with regard to the positions of the foot sensor and the sole sensor, it is more preferable that the foot sensor and the foot sensor are disposed on the toe side of the vertical line passing through the ankle joint when the wearer is standing upright.
This is because the stop of the motion of the foot is a rotational motion around the ankle joint.
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
なお、本実施の形態では、股関節センサ１４、膝関節センサ１５、足首関節センサ１６によって各関節の角度を検出したが、姿勢センサを用いて計算によって検出することも可能である。
より詳細には、上腿装着部２２に上腿姿勢センサを設置し、下腿装着部２３に下腿姿勢センサを設置し、足装着部２４につま先姿勢センサ及び踵姿勢センサを設置する。各姿勢センサは、各部位の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。これらの検出値と腰姿勢センサ１３の検出値から、制御装置２は、各関節の角度、角速度、角加速度を計算することができる。
In the present embodiment, the angle of each joint is detected by the hip
More specifically, an upper thigh posture sensor is installed in the upper
図２の各図は、足装着部２４内での足５０の動作を説明するための図である。
図２(ａ)は、装着者が足首関節を動作させて足５０を背屈方向(図の矢線Ａ方向、上方向、甲側の方向、表側の方向)に移動開始した直後を示している。
このように装着者が足５０を背屈方向に移動開始すると、次のような変化が時系列的に起きる。
まず、装着者はつま先を背屈方向に上げる。すると、足装着部２４(靴)が厚み方向に伸びる。これと共に、足表センサ３１〜３３で検出される圧力が増加し、足裏センサ４１〜４４で検出される圧力が減少する。その後に足首関節センサ１６が足首関節の回転を検知する。
Each drawing in FIG. 2 is a view for explaining the operation of the
FIG. 2 (a) shows immediately after the wearer moves the ankle joint and starts to move the
As described above, when the wearer starts moving the
First, the wearer raises the toes in the dorsiflexion direction. Then, the foot mounting portion 24 (shoes) extends in the thickness direction. Along with this, the pressure detected by the
このように、装着者が足５０を背屈方向に動かすと、まず、足表センサ３１〜３３と足裏センサ４１〜４４が検出圧力の変化として検知し、その後、足首関節センサ１６が角度の変化として検知する。
そこで、制御装置２は、足表センサ３１〜３３で検出した増加圧力が所定の閾値ｓ１以上であり、且つ、足裏センサ４１〜４４で検出した減少圧力が所定の閾値ｓ２以上である場合、足首関節に背屈方向のモーメント（背屈方向の動作）が発生したと判断し、足首関節アシストアクチュエータ１９による背屈方向のアシストを開始する。
すなわち、制御装置２は、足表センサ３１〜３３で検出した増加圧力に応じた背屈方向のアシスト力(トルク)を足首関節アシストアクチュエータ１９に出力させる。但し、足表センサ３１〜３３で検出した圧力増加量に、足裏センサ４１〜４４で検出した減少圧力の絶対値を加えた値を採用するようにしてもよい。
このように、制御装置２は、足首関節センサ１６での検知に先んじて直ちに足首関節アシストアクチュエータ１９を背屈方向に動作させることができる。
As described above, when the wearer moves the
Therefore, when the increase pressure detected by the
That is, the
In this way, the
図２(ｂ)は、装着者が足首関節を動作させて足５０を底屈方向(図の矢印Ｂ方向、下方向)に移動開始した直後を示している。
このように装着者が足５０を底屈方向に移動開始すると、次のような変化が時系列的に起きる。
まず、装着者はつま先を底屈方向(図の矢線方向、下方向、底側の方向、表側の方向)に下げる。すると、足装着部２４(靴)が厚み方向に伸びる。これと共に、足裏センサ４１〜４４で検出される圧力が増加し、足表センサ３１〜３３で検出される圧力が減少する。その後に足首関節センサ１６が足首関節の回転を検知する。
FIG. 2B shows a state immediately after the wearer operates the ankle joint and starts to move the
As described above, when the wearer starts moving the
First, the wearer lowers the toes in the bottom bending direction (arrow line direction, downward direction, bottom side direction, front side direction in the figure). Then, the foot mounting portion 24 (shoes) extends in the thickness direction. At the same time, the pressure detected by the
このように、装着者が足５０を底屈方向に動かすと、まず、足表センサ３１〜３３と足裏センサ４１〜４４が動きによる検出圧力の変化を検知し、その後、足首関節センサ１６が角度の変化を検知する。
そこで、制御装置２は、足裏センサ４１〜４４で検出した増加圧力が所定の閾値ｓ４以上であり、且つ、足表センサ３１〜３３で検出した減少圧力が所定の閾値ｓ３以上である場合、足首関節に底屈方向のモーメント（底屈方向の動作）が発生したと判断し、足首関節アシストアクチュエータ１９による背屈方向のアシストを開始する。
すなわち、制御装置２は、足裏センサ４１〜４４で検出した増加圧力に応じた底屈方向のアシスト力(トルク)を足首関節アシストアクチュエータ１９に出力させる。但し、足裏センサ４１〜４４で検出した圧力増加量に、足表センサ３１〜３３で検出した減少圧力の絶対値を加えた値を採用するようにしてもよい。
このように、制御装置２は、足首関節センサ１６での検知に先んじて直ちに足首関節アシストアクチュエータ１９を底屈方向に動作させることができる。
As described above, when the wearer moves the
Therefore, when the increase pressure detected by the
That is, the
Thus, the
ここで、図２の説明における、増加圧力、減少圧力としては、センサが複数有るので、その平均値、合計値、又は最大値の何れかが使用される。
そして、以下の説明では、足表センサ３１〜３３、又は足裏センサ４１〜４４で検出した、足の動作方向側の増加圧力、又は、増加圧力と減少圧力の絶対値の合計値を「統合圧力」という。
Here, since there are a plurality of sensors, the average value, the total value, or the maximum value is used as the increase pressure and the decrease pressure in the description of FIG.
In the following description, the integrated value of the increased pressure on the foot movement direction side or the absolute value of the increased pressure and the decreased pressure detected by the
以上のように、従来は足首関節センサ１６の検出値を用いて制御していたためアシストに遅れが生じていたが、装着型ロボット１は、足５０の動作を圧力の変化によって検知して直ちに制御するため、より迅速かつ適切なタイミングでアシスト力を発揮することができる。
また、後述するように、装着型ロボット１は、圧力の変化量を用いて関節モーメントを補正し、これに基づいてアシスト力を発揮するため、より適切なアシスト力を足５０に作用させることができる。
As described above, since the control is conventionally performed using the detection value of the ankle
Further, as will be described later, the
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）、記憶部、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
制御装置２は、また、ＣＰＵで記憶部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、補正値算出部５、人体パラメータ記憶部６、歩行アシスト力決定部７を備えている。
人体パラメータ記憶部６は、装着者の身長、体重などの身体的特徴を表すデータや、装着型ロボット１の各パーツの重量、長さなど、関節モーメントなどを計算するのに必要な各種パラメータを人体パラメータとして記憶している。
センサ情報取得部３は、踵姿勢センサ１３〜足裏センサ４４の各センサから検出値を取得する。
The
The human body parameter storage unit 6 stores various parameters necessary for calculating joint moments such as data representing physical characteristics such as the height and weight of the wearer and the weight and length of each part of the
The sensor information acquisition unit 3 acquires a detection value from each sensor of 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、股関節、膝関節、足首関節の角度や床反力などを計算したり、これらと人体パラメータ記憶部６に記憶した人体パラメータなどに基づいて各関節の関節モーメントを計算したりする。
各種パラメータ算出部４は、従来と同様に足首関節センサ１６の値に基づいて、補正前の足首関節モーメントの算出を行う。
Various parameter calculation units 4 calculate hip joint angles, knee joints, ankle joint angles, floor reaction forces, and the like from the detection values acquired by the sensor information acquisition unit 3, and human body parameters stored in the human body parameter storage unit 6. Based on the above, the joint moment of each joint is calculated.
The various parameter calculation unit 4 calculates the ankle joint moment before correction based on the value of the ankle
補正値算出部５は、動作方向決定手段として機能し、センサ情報取得部３から足表センサ３１〜３３、足裏センサ４１〜４４の検出値を取得して、その増加圧力と減少圧力から、足５０の動作とその方向を検出する。
また補正値算出部５は、センサ情報取得部３から取得した足表センサ３１〜３３、足裏センサ４１〜４４に基づく統合圧力（増加圧力、又は増加圧力、減少圧力の絶対値の合計値）を決定し、統合圧力に基づいて、各種パラメータ算出部４で計算した足首関節モーメントに対する補正値を計算すると共に、当該補正値に基づいて各種パラメータ算出部４が算出した足首関節モーメントを補正する。
なお、増加圧力、減少圧力は、上述したように各センサ検出値の平均値、合計値、又は最大値のいずれかである。
The correction value calculation unit 5 functions as an operation direction determination unit, acquires detection values of the
Moreover, the correction value calculation part 5 is integrated pressure based on the foot surface sensors 31-33 and the sole sensors 41-44 acquired from the sensor information acquisition part 3 (increase pressure or total value of absolute value of increase pressure, decrease pressure). The correction value for the ankle joint moment calculated by the various parameter calculation unit 4 is calculated based on the integrated pressure, and the ankle joint moment calculated by the various parameter calculation unit 4 is corrected based on the correction value.
Note that the increase pressure and the decrease pressure are any one of the average value, the total value, and the maximum value of the detection values of the sensors as described above.
歩行アシスト力決定部７は、各関節の関節モーメント(足首関節モーメントについては補正後の関節モーメント)にアシスト率を乗じるなどして、各アクチュエータ１７〜１９によるアシスト力を決定し、これに従って各アクチュエータ１７〜１９を駆動する。
The walking assist force determination unit 7 determines the assist force by each of the
図４の各図は、制御装置２が行う足首関節モーメントの補正方法を説明するためのグラフである。
なお、各グラフは、タイミングのずれがわかるように時間軸が一致するように配置してある。
図４(ａ)のグラフは、足首関節センサ１６が検出した足首関節の角度を表している。時刻ｔ２まで０でその後時間に比例して大きくなっている。
図４(ｂ)は、各種パラメータ算出部４が図４(ａ)で表したデータや床反力などを用いて計算した補正前の足首関節モーメントを表している。時刻ｔ２まで０でその後時間に比例して大きくなっている。
Each figure in FIG. 4 is a graph for explaining a method of correcting the ankle joint moment performed by the
Each graph is arranged so that the time axes coincide with each other so that a timing shift can be seen.
The graph of FIG. 4A represents the angle of the ankle joint detected by the ankle
FIG. 4B shows the ankle joint moment before correction calculated by the various parameter calculation unit 4 using the data shown in FIG. 4A, the floor reaction force, and the like. It is 0 until time t2, and then increases in proportion to the time.
図４(ｃ)のグラフは、補正値算出部５が、検出した足の動作方向に対して、統合圧力に基づいて算出した足首関節モーメントの補正値を表している。
補正値算出部５は、足表センサ３１〜３３、足裏センサ４１〜４４の各検出値から決定した統合圧力に、所定の補正係数を乗じて補正値とする。
また、補正係数は実験などにより定める。また、補正係数は定数のほか、何らかのパラメータ(例えば、足のサイズ)に依存する関数であってもよい。
図４（ｃ）に示した例では、補正値、即ち、統合圧力は、足首関節センサが角度の変化を検出する時刻ｔ２よりもΔＴだけ早い時刻ｔ１から検出され、足の動きに応じて変動する。
The graph of FIG. 4C represents the correction value of the ankle joint moment calculated by the correction value calculation unit 5 based on the integrated pressure with respect to the detected movement direction of the foot.
The correction value calculation unit 5 multiplies the integrated pressure determined from the detected values of the
Further, the correction coefficient is determined by experiments. In addition to the constant, the correction coefficient may be a function depending on some parameter (for example, foot size).
In the example shown in FIG. 4C, the correction value, that is, the integrated pressure, is detected from time t1 earlier than time t2 when the ankle joint sensor detects a change in angle, and fluctuates according to the movement of the foot. To do.
以上のように、装着型ロボット１は、足表センサ３１〜３３、足裏センサ４１〜４４の検出した圧力から、足の動きによる成分(圧力変化)を抽出し、これによって、足の動きを判断する。
なお、本実施の形態では、閾値を用いて圧力変化を検出したが、この他に、例えば、足表センサ３１〜３３、足裏センサ４１〜４４で検出した圧力を時間で微分するなど、他の方法で圧力変化を検出してもよい。
As described above, the
In the present embodiment, the pressure change is detected using the threshold value. In addition to this, for example, the pressure detected by the
図４(ｄ)のグラフは、補正値算出部５が算出した補正後の足首関節モーメントを表している。
補正値算出部５は、補正前の足首関節モーメントに補正値を加算して補正後の関節モーメントを算出する。式で表すと次のようになる。
(補正後の足首関節モーメント)＝(補正前の足首関節モーメント)＋(補正係数×統合圧力)。
The graph of FIG. 4D represents the corrected ankle joint moment calculated by the correction value calculation unit 5.
The correction value calculation unit 5 adds the correction value to the ankle joint moment before correction, and calculates the corrected joint moment. This is expressed as follows.
(Ankle joint moment after correction) = (Ankle joint moment before correction) + (Correction coefficient × Integral pressure).
グラフでは、実線で補正後の足首関節モーメントを表し、破線で補正前の足首関節モーメントを表している。
グラフで示したように、補正後の足首関節モーメントは、足装着部２４内の甲側、底側に配置したセンサの圧力変化と共に算出されるため、補正前の足首関節モーメントよりもΔＴだけ早い時刻ｔ１(即ち、圧力の変化が検知された時点)から得られる。
In the graph, the ankle joint moment after correction is represented by a solid line, and the ankle joint moment before correction is represented by a broken line.
As shown in the graph, the corrected ankle joint moment is calculated together with the pressure change of the sensors disposed on the back side and the bottom side in the
図５は、制御装置２が行う歩行支援動作の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が備えるＣＰＵが歩行支援プログラムに従って行うものである。
制御装置２は、人体パラメータ記憶部６から人体パラメータを読み出してＲＡＭに格納する(ステップ５)。
次に、制御装置２は、センサ情報取得部３によって、つま先反力センサ１０〜足首関節センサ１６の各センサから検出値を取得してＲＡＭに格納する(ステップ１０)。
FIG. 5 is a flowchart for explaining the procedure of the walking support operation performed by the
The following processing is performed by the CPU included in the
The
Next, the
次に、制御装置２は、各種パラメータ算出部４によって、ＲＡＭに格納した人体パラメータと各センサの検出値を所定の計算式に入力して各関節の関節モーメントを算出し、ＲＡＭに格納する(ステップ１５)。なお、各種パラメータ算出部４は、足首関節に関しては補正前の関節モーメントを算出する。
Next, the
次に、制御装置２は、センサ情報取得部３によって、足表センサ３１〜足裏センサ４４の各センサから圧力データを取得してＲＡＭに格納する(ステップ２０)。
次に、制御装置２は、補正値算出部５によって、ＲＡＭに格納してある足表センサ３１〜足裏センサ４４から補正値を計算し、ＲＡＭに格納する(ステップ２５)。
次に、制御装置２は、補正値算出部５によって、ＲＡＭに格納してある補正前の足首関節モーメントと補正値から補正後の足首関節モーメントを計算し、ＲＡＭに格納する(ステップ３０)。
Next, the
Next, the
Next, the
次に、制御装置２は、歩行アシスト力決定部７によって、ＲＡＭに記憶した各関節モーメント(足首関節モーメントに関しては、補正後の足首関節モーメント)に基づいて各関節に対するアシスト力を決定し、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(ステップ３５)。
Next, the
次に、制御装置２は、歩行支援動作を継続するか否か判断し(ステップ４０)、継続する場合は(ステップ４０；Ｙ)、ステップ１０に戻り、継続しない場合は(ステップ４０；Ｎ)処理を終了する。
例えば、装着型ロボット１は、歩行支援の動作開始、及び終了を装着者がスイッチを押すなどして選択できるようになっており、制御装置２は、当該スイッチがオンの場合に歩行支援動作を継続すると判断し、当該スイッチがオフの場合に歩行支援動作を終了すると判断する。
Next, the
For example, the
以上のようにして装着型ロボット１は、足首関節センサ１６による角度の変化を検知する前に、足装着部２４の内部の各センサにて足５０の動きとその方向を直ちに検知し、これによって、迅速かつ適切なアシスト力で足の運動を支援することができる。
As described above, the
なお、本実施の形態では、足表センサ３１〜３３、足裏センサ４１〜４４での検出値を用いて足首関節アシストアクチュエータ１９を制御したが、これらセンサの出力値を、更に、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の制御に用いてもよい。
例えば、これら各センサによって足５０の背屈方向の変化を検知した場合、装着者が足を上げると予測されるため、股関節センサ１４、膝関節センサ１５での変化の検出を待たずに、これらセンサの値に基づいて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の駆動を開始するようにしてもよい。
In the present embodiment, the ankle
For example, when a change in the dorsiflexion direction of the
図６の各図は、足装着部２４の変形例を説明するための図である。
図６(ａ)は、本変形例に係る足装着部２４ａの構成を示した図である。
足装着部２４ａは、足装着部２４において、足表センサ３１と足裏センサ４１を備え、図１（ｂ）で示した足表センサ３２、３３、足裏センサ４２〜４４を除いたものである。
これは、足表センサ３１〜３３、足裏センサ４１〜４４のうち、重要度が最も高い足表センサ３１と足裏センサ４１を残し、他を省略することで構造を簡単化し、コスト削減を図ったものである。
足表センサ３１と足裏センサ４１の重要度が高いのは、足首関節を中心として上下動する足５０では、足首関節から遠い所ほど変化が大きくなるためである。
Each drawing in FIG. 6 is a diagram for explaining a modification of the
FIG. 6A is a diagram showing a configuration of a
The
This leaves the
The importance of the
足表センサ３１と足裏センサ４１は、対向して配置された一対の圧力センサを構成している。
足表センサ３１と足裏センサ４１の対は、足５０の指の位置に配置されている。当該指はどの指でもよいが、本変形例では、足装着部２４と同様の理由により親指とする。
親指の中央部分、付け根、指先の何れでもよいが、
装着者が足を動かす場合、足首関節を中心とする足の甲部分の動きよりも先に、親指の付け根の関節を中心として親指を動かす場合が有ることから、より早く足の動きを検出するために、足表センサ３１と足裏センサ４１を親指の中央部分に配置することが好ましく、指先に配置するとより好ましい。
The
A pair of the
Any of the center part of the thumb, the base, and the fingertips may be used.
When the wearer moves his / her foot, the motion of the foot is detected earlier because the thumb may be moved around the joint at the base of the thumb before the motion of the instep of the foot around the ankle joint. Therefore, the
図６(ｂ)は、本変形例において、装着者が足首関節を動作させて足５０を矢印Ａで示す背屈方向に移動開始した直後を示しており、実施の形態の図２(ａ)に対応するものである。
このように装着者が足５０を背屈方向に移動開始すると、足表センサ３１の検出する圧力が増加し、足裏センサ４１の検出する圧力が減少する。そこで、制御装置２は、足表センサ３１の増加圧力が所定の閾値ｓ１ａ以上であり、且つ、足裏センサ４１の減少圧力が所定の閾値ｓ２ａ以上である場合、足首関節に背屈方向のモーメント（背屈方向の動作）が発生したと判断し、足首関節アシストアクチュエータ１９による背屈方向のアシストを開始する。
すなわち、制御装置２は、統合圧力（足表センサ３１で検出した増加圧力）に応じた背屈方向のアシスト力(トルク)を足首関節アシストアクチュエータ１９に出力させる。但し、統合圧力として、足表センサ３１で検出した圧力増加量に、足裏センサ４１で検出した減少圧力の絶対値を加えた値を採用するようにしてもよい。
このように、制御装置２は、足首関節センサ１６での角度変化の検出よりも先に、足表センサ３１、足裏センサ４１による検出値に基づいて、より迅速、かつ適切なアシスト力で装着者の足首関節の背屈方向の動作を支援することができる。
FIG. 6B shows a state immediately after the wearer operates the ankle joint and starts to move the
Thus, when the wearer starts moving the
That is, the
As described above, the
図６(ｃ)は、本変形例において、装着者が足首関節を動作させて足５０を矢印Ｂで示す底屈方向に移動開始した直後を示しており、実施の形態の図２(ｂ)に対応するものである。
このように装着者が足５０を底屈方向に移動開始すると、足表センサ３１の検出する圧力が減少し、足裏センサ４１の検出する圧力が増加する。そこで、制御装置２は、足裏センサ４１の増加圧力が所定の閾値ｓ４ａ以上であり、且つ、足表センサ３１の減少圧力が所定の閾値ｓ３ａ以上である場合、足首関節に底屈方向のモーメント（底屈方向の動作）が発生したと判断し、足首関節アシストアクチュエータ１９による背屈方向のアシストを開始する。
すなわち、制御装置２は、統合圧力（足裏センサ４１で検出した増加圧力）に応じた底屈方向のアシスト力(トルク)を足首関節アシストアクチュエータ１９に出力させる。但し、統合圧力として、足裏センサ４１で検出した圧力増加量に、足表センサ３１で検出した減少圧力の絶対値を加えた値を採用するようにしてもよい。
このように、制御装置２は、足首関節センサ１６での角度変化の検出よりも先に、足表センサ３１、足裏センサ４１での検出値に基づいて、より迅速、かつ適切なアシスト力で装着者の足首関節の底屈方向の動作を支援することができる。
FIG. 6C shows a state immediately after the wearer operates the ankle joint and starts to move the
As described above, when the wearer starts moving the
That is, the
As described above, the
次に、歩行支援装置の第２実施形態として、装着型ロボット１ａについて図７を参照して説明する。
図７(ａ)は、本変形例に係る装着型ロボット１ａの構成を側面(進行方向に対して横方向)から見たところを示した図である。実施の形態に係る装着型ロボット１と同じ構成部材には、同じ符号を付してある。
図７(ｂ)は、図７（ａ）で示した状態の装着型ロボット１ａを正面(進行方向)から見た状態を表している。この図に示したように、装着型ロボット１ａは、装着者１００が跨って乗ることにより、装着者１００の体重の一部を支持（負担）し、装着者１００の負荷を軽減するものである。体重の一部の負担は、後述する各アクチュエータを駆動することで、着座部６１に上方の力を発生させることで行われている。
また、装着型ロボット１ａでは、装着者１００は、腰部、上腿部、下腿部を固定する必要がないので、着脱も容易になる。
Next, as a second embodiment of the walking support device, a wearable robot 1a will be described with reference to FIG.
FIG. 7A is a diagram showing the configuration of the wearable robot 1a according to the present modification as viewed from the side (lateral to the traveling direction). The same components as those of the
FIG. 7B shows a state where the wearable robot 1a in the state shown in FIG. 7A is viewed from the front (traveling direction). As shown in this figure, the wearable robot 1a supports (burdens) a part of the weight of the
Further, in the wearable robot 1a, the
なお、図７（ａ）（ｂ）に示すように、点線で示した装着者１００が足を伸ばした状態（直立状態）において、装着型ロボット１ａが膝関節部分で屈曲している。これにより、直立状態においても、着座部６１に上方の力を発生させて、体重の一部を負担することができるようになっている。
As shown in FIGS. 7A and 7B, the wearable robot 1a is bent at the knee joint portion when the
図７(ａ)に戻り、装着型ロボット１ａは、着座部６１、連結部材６３、プレート６２、ガイドレール６４、６５、荷重センサ６７、股関節センサ１４、膝関節センサ１５、足首関節センサ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、上腿連結部材２６、下腿連結部材２７、足連結部材２８、足装着部２４などから構成されている。
また、図示しないが、本実施形態では、制御装置２やバッテリが着座部６１内、又は着座部６１の下側に等に配設されるが、他の位置例えば、上腿連結部２６等に配設するようにしてもよい。
なお、図７(ａ)は、図面に向かって右側(足装着部２４のつま先側)が前方である。
Returning to FIG. 7A, the wearable robot 1a includes a
Although not shown in the drawings, in this embodiment, the
In FIG. 7A, the right side (toe side of the foot mounting portion 24) is the front as viewed in the drawing.
着座部６１は、装着者が跨いで腰掛ける部材である。
着座部６１の上面には荷重センサ６７が配設されており、荷重センサ６７の検出値が常に一定値となるように、各アクチュエータ１７〜１９が制御される。これにより、装着者１００は、着座部６１から常に上方の力を受けることで体重の一部が負担されることになる。
The
A
なお、本実施形態では、荷重センサの検出値が常に一定になるように制御するが、装着者の膝の屈伸状態に応じて体重の負担分を変化させるようにしてもよい。
例えば、直立状態に比べると、膝を曲げた状態の方が装着者の各関節における負荷が大きくなるため、膝関節センサ１５で検出される角度が大きいほど、すなわち、膝の曲がりが大きいほど荷重センサ６７の検出値が大きくなるように、各アクチュエータ１７〜１９を制御する。
In the present embodiment, control is performed so that the detection value of the load sensor is always constant, but the weight share may be changed according to the bending / extension state of the wearer's knee.
For example, compared to an upright state, the load on each joint of the wearer is greater when the knee is bent. Therefore, the greater the angle detected by the knee
このようにして着座部６１は、装着者の体重の少なくとも一部を下方から支える。着座部６１は、下方から装着者の股間部に押圧されるため、これにより、装着型ロボット１ａの上部が装着者の腰部に対して固定される。
Thus, the
連結部材６３は、着座部６１の後方に延設されており、この延設部分には左右用２枚のプレート６２が固定されている。連結部材６３は、プレート６２に対する着座部６１の位置を固定している。
２枚のプレート６２は、連結部材６３の軸心を中心に回転自在に配設されることで、連結部材６３が２枚のプレート６２に対する開閉軸として機能している。これにより、装着者１００の脚の開閉に伴い、２枚のプレート６２も連結部材６３の軸心を中心に開閉することになる。
The connecting
The two
プレート６２は、着座部６１の後端側から着座部６１の前端側の下部まで形成され、下肢側に凸となった扇形の部材である。プレート６２は、下肢の運動に対して着座部６１を保持する部材であり、それに耐えうる剛性を有している。
プレート６２の表面にはガイドレール６４、６５が同心円状に形成されている。
ガイドレール６４、６５は、上腿連結部材２６が装着者の歩行運動に伴って前後方向に移動する軌道を規定している。
The
The guide rails 64 and 65 define a trajectory in which the upper
股関節アシストアクチュエータ１７は、自身の発揮する駆動力により、ガイドレール６４、６５による軌道上をスライドし、ガイドレール６４、６５に沿って移動する。
上腿連結部材２６の上端は股関節アシストアクチュエータ１７に固定されている。このため、上腿連結部材２６は、ガイドレール６５の接線と常に同一角度を保ちながら移動することで、水平面に対する角度が変化する。
そして、上腿連結部材２６の端部に位置する膝関節アクチュエータ１８は、股関節アシストアクチュエータ１７の移動にともなって、股関節ピッチ軸中心点Ｋを中心とする波線で示した円弧に沿って円運動を行う。
他の構成部材は、装着型ロボット１と同じであるため説明を省略する。また、装着型ロボット１ａは、他方の足の側も同様に構成されている。更に、足装着部２４は、図６で説明した足装着部２４ａを用いてもよい。
The hip
The upper end of the upper
Then, the knee
The other constituent members are the same as those of the
装着型ロボット１ａの装着手順は、次の通りである。
まず、装着型ロボット１ａの電源を切っておくと共に上腿連結部材２６と下腿連結部材２７をたたんでおく。
そして、装着者は、座った姿勢で左右の足に足装着部２４を装着する。
次に、装着者は立ち上がり、上腿連結部材２６、下腿連結部材２７を伸ばして着座部６１を股間に当てる。
The mounting procedure of the mounting robot 1a is as follows.
First, the wearable robot 1a is turned off and the upper
Then, the wearer wears the
Next, the wearer stands up and stretches the upper
次に、電源をオンすると、装着型ロボット１は、荷重センサ６７の検出値が一定となるように、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を駆動し、着座部６１により装着者の体重を支持する。装着型ロボット１ａを脱ぐ場合は、逆の手順を行う。
このように、装着型ロボット１ａは、着脱が容易である。
Next, when the power is turned on, the
In this way, the wearable robot 1a is easy to attach and detach.
以降、装着者が歩行を開始すると、装着型ロボット１ａは、これらアクチュエータを駆動して歩行を支援する。
この第２実施形態における装着型ロボット１ａは、歩行の支援として、着座部６１による上方の付勢力により装着者の体重の一部を負担するだけでなく、歩行時における上腿、下腿、足の動きに必要な関節モーメントの一部をそれぞれ対応するアクチュエータ１７〜１９で負担することによる支援も行うようになっている。
各関節モーメントについては、第１実施形態で説明したと同様に、人体パラメータ及び各関節センサ１４で検出した角度に基づいて算出される。
Thereafter, when the wearer starts walking, the wearable robot 1a supports the walking by driving these actuators.
The wearable robot 1a according to the second embodiment not only bears a part of the weight of the wearer by the upward biasing force by the
Each joint moment is calculated based on the human body parameter and the angle detected by each
そして装着型ロボット１ａは、この関節モーメントのアシストを行う際において、第１実施形態と同様に、足装着部２４に設けられた図示しない足表センサ３１〜３３、足裏センサ４１〜４４の検出値により、足首関節センサ１６による角度変化の検出よりも先に足の動きと方向を検出し、統合圧力に基づいて足首関節モーメントを補正しながら足首関節アシストアクチュエータ１９を駆動する。
Then, when assisting the joint moment, the wearable robot 1a detects the
なお、以上説明した各実施形態及び変形例では、足表センサ３１〜３３（又は３１）と足裏センサ４１〜４４（又は４１）で検出した増加圧力と減少圧力から、足の動きと方向を検出し、統合圧力（増加圧力、又は増加圧力、減少圧力の絶対値の合計値）に基づいて足首関節モーメントに対する補正値を計算する場合について説明したが、足の動きと方向の検出及び補正値を次のようにして求めてもよい。
すなわち、足表センサ３１〜３３（又は３１）から求めた足表圧力と、足裏センサ４１〜４４（又は４１）から求めた足裏圧力の、一方から他方を引いた値が正であれば一方側の方向に、負であれば他方側の方向に足が動作していると検出するようにしてもよい。
なお、この場合の圧力、立脚側では、装着者が直立静止状態における各センサの検出圧力を基準値にオフセットした状態からの圧力（変化量）、遊脚側ではオフセットなしで検出した圧力である。この場合も、足表側、足裏側のセンサが複数配置される場合には、共に平均値又は最大値が使用され、足表側と足裏側のセンサ数が同数の場合には合計値を使用するようにしてもよい。
In each of the embodiments and modifications described above, the movement and direction of the foot are determined from the increased pressure and the decreased pressure detected by the
That is, if the value obtained by subtracting the other from one of the foot pressure obtained from the
The pressure in this case is the pressure (change amount) from the state where the wearer offsets the detected pressure of each sensor in the upright stationary state to the reference value on the stance side, and the pressure detected without offset on the free leg side. . Also in this case, when a plurality of sensors on the front side and the sole side are arranged, the average value or the maximum value is used for both, and when the number of sensors on the front side and the sole side is the same, the total value is used. It may be.
また、足の甲側方向に加わる圧力を正、底側に加わる圧力を負とすることで、甲側と底側の圧力合計値が正であれば背屈方向の動き、負であれば底屈方向の動きと判断するようにしてもよい。
この場合の検出圧力は上述したように立脚側でオフセットした圧力である。
In addition, the pressure applied to the instep side of the foot is positive and the pressure applied to the bottom side is negative. It may be determined that the movement is in the bending direction.
The detected pressure in this case is a pressure offset on the stance side as described above.
以上に説明した実施の形態、及び変形例により次の効果を得ることができる。
(１)装着型ロボット１、１ａでは、足装着部２４(靴)の内部において、足の表側（甲側）と足の裏側（底側）に圧力センサを配置し、親指の表裏の圧力変化を含め、足の表裏の圧力変化を測定することができる。
(２)装着型ロボット１、１ａは、足装着部２４の内部で測定した圧力変化から足首関節の関節モーメントの補正値(あるいは、足首関節のアシスト量)を算出することができる。
(３)装着型ロボット１、１ａは、補正した足首関節の関節モーメントに基づいて足首関節アシストアクチュエータ１９を制御することにより、足首関節センサ１６で角度変化が起こるよりも先に足首関節アシストアクチュエータ１９を駆動して足首関節の運動を支援することができる。
(４)足装着部２４、足装着部２４ａは、足装着部２４の内部に圧力センサが配置されているため、足装着部２４の内部での足５０による上下の圧力変化を測定することができる。
(５)足装着部２４ａでは、親指の表裏の対向する位置に圧力センサの対を配置することにより、足の甲部分などに圧力センサを配置するよりも、足５０の先端側にあることで、より早く、正確に圧力の変化を検出しやすくなる。
The following effects can be obtained by the embodiment and the modification described above.
(1) In the
(2) The
(3) The
(4) The
(5) In the
また、本実施の形態、及び変形例により、次の構成を得ることができる。
(１) 表側部材３０は、足５０の甲側の指などの所定部分に対向して配設されているため、歩行支援対象者の足の甲側の所定部分に対向して配設された甲側部材として機能している。
足表センサ３１〜３３は、足５０の甲側が表側部材３０に対して及ぼす押圧を検出するため、前記甲側の所定部分が前記甲側部材に及ぼす甲側圧力を取得する甲側圧力取得手段として機能している。
裏側部材４０は、足５０の裏側の所定部分に対向して配設されているため、前記足の裏側の所定部分に対向して配設された裏側部材として機能している。
足裏センサ４１〜４４は、足５０の裏側が裏側部材４０に対して及ぼす押圧を検出するため、前記裏側の所定部分が前記裏側部材に及ぼす裏側圧力を取得する裏側圧力取得手段として機能している。
制御装置２は、足表センサ３１〜３３、足裏センサ４１〜４４の圧力変化に基づいて足５０の動作方向を検出するため、前記取得した甲側圧力の変化と前記取得した裏側圧力の変化に基づいて前記足の動作方向を取得する動作方向取得手段として機能している。
更に、制御装置２と足首関節アシストアクチュエータ１９は、検出した動作方向にアシスト力を発揮するため、前記取得した動作方向にアシスト力を発揮して前記足の動作を支援する支援手段として機能している。
(２)制御装置２は、足表センサ３１〜３３、足裏センサ４１〜４４の圧力変化に基づいて補正値を算出し、アシスト力を補正するため、前記支援手段は、前記取得した甲側圧力の変化と前記取得した裏側圧力の変化に基づいてアシスト力を決定している。
(３)各種パラメータ算出部４は、足首関節センサ１６の検出値に基づいて補正前の足首関節モーメントを算出するため、前記足に連接する足首関節の関節モーメントを取得する関節モーメント取得手段として機能している。
補正値算出部５は、足表センサ３１〜３３、足裏センサ４１〜４４の圧力変化に基づいて算出した補正値を用いて補正前の足首関節モーメントを補正するため、前記取得した関節モーメントを前記取得した甲側圧力の変化と前記取得した裏側圧力の変化に基づいて補正する補正手段として機能している。
そして、制御装置２(歩行アシスト力決定部７)は、補正した足首関節モーメントに基づいてアシスト力を決定するため、前記支援手段は、前記補正した関節モーメントに基づいて前記アシスト力を決定している。
(４)表側部材３０は、足５０の甲側の指などの所定部分に対向して配設されているため、歩行支援対象者の足指の甲側に対向して配設された甲側部材として機能している。
足表センサ３１〜３３は、足５０の甲側が表側部材３０に対して及ぼす押圧を検出するため、前記足指が前記甲側部材に及ぼす甲側圧力を取得する甲側圧力取得手段として機能している。
裏側部材４０は、足５０の裏側の所定部分に対向して配設されているため、前記足指の裏側に対向して配設された裏側部材として機能している。
足裏センサ４１〜４４は、足５０の裏側が裏側部材４０に対して及ぼす押圧を検出するため、前記足指が前記裏側部材に及ぼす裏側圧力を取得する裏側圧力取得手段として機能している。
そして、足装着部２４は、このような足装着装置として機能している。
(５)足表センサ３１、足裏センサ４１は、足親指の位置に形成されているため、前記甲側圧力取得手段と、前記裏側圧力取得手段は、前記歩行支援対象者の足親指の位置に形成されている。
Further, the following configuration can be obtained according to the present embodiment and the modification.
(1) Since the
The
Since the
The
Since the
Further, since the
(2) The
(3) The various parameter calculation unit 4 functions as a joint moment acquisition unit that acquires the joint moment of the ankle joint connected to the foot in order to calculate the ankle joint moment before correction based on the detection value of the ankle
The correction value calculation unit 5 uses the correction values calculated based on the pressure changes of the
Then, since the control device 2 (walking assist force determination unit 7) determines the assist force based on the corrected ankle joint moment, the support means determines the assist force based on the corrected joint moment. Yes.
(4) Since the
The
Since the
The
The
(5) Since the
１、１ａ 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 補正値算出部
６ 人体パラメータ記憶部
７ 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
１３ 腰姿勢センサ
１４ 股関節センサ
１５ 膝関節センサ
１６ 足首関節センサ
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、２４ａ 足装着部
２６ 上腿連結部材
２７ 下腿連結部材
２８ 足連結部材
３０ 表側部材
３１〜３３ 足表センサ
４０ 裏側部材
４１〜４４ 足裏センサ
５０ 足
６１ 着座部
６２ プレート
６３ 連結部材
６４ ガイドレール
６５ ガイドレール
６７ 荷重センサ
１００ 装着者
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記足収容部材内の足甲側で、足指位置に対向配置され、足指甲側からの甲側圧力を取得する甲側圧力取得手段と、
前記足収容部材内の足裏側で、足指位置に対向配置され、足指裏側からの裏側圧力を取得する裏側圧力取得手段と、
を具備したことを特徴とする足装着装置。
A foot receiving member in which an opening for putting in and out the foot of the wearer and a cavity for storing the foot are formed;
On the instep side in the foot accommodating member, the instep side pressure acquisition means arranged to face the toe position and to acquire the instep side pressure from the toe instep side;
On the sole side in the foot housing member, the back side pressure acquisition means is arranged opposite to the toe position and acquires the back side pressure from the toe back side;
A foot mounting device comprising:
The foot mounting apparatus according to claim 1, wherein the back side pressure acquisition unit and the back side pressure acquisition unit are formed at a position of a thumb among the toes of the walking support target person.
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の足装着装置。 The back side pressure acquisition means and the back side pressure acquisition means are arranged and arranged at the center part of the toe, the base, or the fingertip.
The foot mounting apparatus according to claim 1 or 2, wherein
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2012218092A JP2014068868A (en) | 2012-09-28 | 2012-09-28 | Foot-worn device |
Applications Claiming Priority (1)
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-
2012
- 2012-09-28 JP JP2012218092A patent/JP2014068868A/en active Pending
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