JP2014184085A - Support device and support program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、支援装置、及び支援プログラムに関し、例えば、脚部の関節の運動を支援するものである。 The present invention relates to a support device and a support program, for example, to support movement of a leg joint.
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の体重支持型の歩行補助装置が提案されている。
この特許文献1記載の歩行補助装置では、アシスト用のアクチュエータで上腿フレームと下腿フレーム間の角度を制御して着座部を上方に持ち上げることにより体重の一部を支える構造となっている。
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 researched. A device has been proposed.
The walking assist device described in
一般に、これらアクチュエータには、モータと、当該モータに取り付けたギアヘッドを用いて構成されており、アクチュエータの発生する動力は、更にギアヘッドから機械的機構を経由して伝達される。
このように、ギアやチェーンなどを含む動的機構では、反転動作を行う際に必ず機械的遊び(バックラッシュやその他の機械的遊び)が存在する。そして、機械的機構が介在するほど遊びが重なり反転の際の空走期間が増える。
Generally, these actuators are configured by using a motor and a gear head attached to the motor, and the power generated by the actuator is further transmitted from the gear head via a mechanical mechanism.
As described above, in a dynamic mechanism including a gear, a chain, and the like, there is always mechanical play (backlash or other mechanical play) when performing a reversing operation. As the mechanical mechanism intervenes, the play overlaps and the idle running period at the time of inversion increases.
作業用ロボットなどでは、予め反転するタイミングが分かることから、反転時の機械的遊びを減少させるために必要な力を計算し、その計算値に適応した動作信号(指示電圧)をアクチュエータに出力することが行われている。 In a working robot or the like, since the timing of reversal is known in advance, the force required to reduce mechanical play at the time of reversal is calculated, and an operation signal (indicated voltage) adapted to the calculated value is output to the actuator. Things have been done.
しかし、人体に装着し、歩行支援を行う歩行支援装置の場合、反転動作の指令は人体の動作に依存するため、反転のタイミングを予め判断することはできない。
そのため、人体の動作に従って、アクチュエータを伸展から屈曲、あるいは、屈曲から伸展へ動作反転させた場合、機械的遊びを考慮することができず、その結果、反転したトルクが作用した際に、いきなり大きなトルクとなって装着者に撃力として伝わり、装着者に不快感・不安感を与えるという問題があった。
However, in the case of a walking support device that is attached to a human body and performs walking support, the reversal operation command depends on the motion of the human body, so the reversal timing cannot be determined in advance.
Therefore, when the actuator is moved from extension to flexion or from flexion to extension in accordance with the movement of the human body, mechanical play cannot be taken into account, and as a result, when the reversed torque is applied, There is a problem that torque is transmitted to the wearer as a hitting force, which causes discomfort and anxiety to the wearer.
更に、図5を用いて従来例について説明する。
図5は、従来例で、膝関節アクチュエータが膝関節に作用させるトルク曲線を示した図である。
縦軸はトルクを表し、横軸は時間を示している。
縦軸の正の方向を膝関節を伸ばす伸展方向のトルクとし、負の方向を膝関節を曲げる屈曲方向のトルクとする。
膝関節を屈曲から伸展に反転する場合、曲線41で示すように、膝関節アクチュエータの発生するトルクが負の値から0に近づき、反転するタイミング47で0になる。
膝関節アクチュエータは、タイミング47で出力するトルクの方向を逆転する。
Further, a conventional example will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a torque curve that the knee joint actuator acts on the knee joint in a conventional example.
The vertical axis represents torque, and the horizontal axis represents time.
The positive direction on the vertical axis is the torque in the extending direction for extending the knee joint, and the negative direction is the torque in the bending direction for bending the knee joint.
When the knee joint is reversed from flexion to extension, as indicated by a
The knee joint actuator reverses the direction of torque output at
すると、本来は、曲線42で示したように、トルクが滑らかに立ち上がって曲線43に連なるのが理想であるが、機械的遊びがあるため、ΔSの期間の間(タイミング47からタイミング48までの期間)、ギアなどの伝達機構が空走し、機械的遊びが解消したタイミング48で、曲線44で示したように急激にトルクが立ち上がって装着者100に体感される。これにより膝関節に撃力が発生する。
Then, as shown by the curve 42, it is ideal that the torque rises smoothly and continues to the
本発明は、動作反転により発生する機械的遊びによる撃力を緩和することを目的とする。 An object of the present invention is to alleviate the striking force caused by mechanical play caused by the reversal of motion.
(1)本発明は、前記目的を達成するために、請求項1に記載の発明では、支援対象者の運動を支援する支援装置であって、前記支援対象者の関節の運動を支援するアクチュエータと、前記アクチュエータの動作方向の反転を検出する反転検出手段と、前記動作の反転が検出された場合に、前記アクチュエータの出力を上昇させて前記反転による機械的遊びが生じている期間を短縮する短縮手段と、を具備したことを特徴とする支援装置を提供する。
(2)請求項2に記載の発明では、前記短縮手段は、前記動作方向の反転の検出と同時に前記アクチュエータの出力を上昇させる、ことを特徴とする請求項1に記載の支援装置を提供する。
(3)請求項3に記載の発明では、前記反転検出手段は、前記アクチュエータに入力される前の動作信号から、前記アクチュエータの動作方向の反転を検出する、ことを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の支援装置を提供する。
(4)請求項4に記載の発明では、前記短縮手段は、前記アクチュエータに最大出力を出させる、ことを特徴とする請求項1、請求項2、又は請求項3に記載の支援装置を提供する。
(5)請求項5に記載の発明では、前記短縮手段は、予め設定された所定期間の間、前記アクチュエータの出力を上昇させる、ことを特徴とする請求項1から請求項4までの内の何れか1の請求項に記載の支援装置を提供する。
(6)請求項6に記載の発明では、支援対象者の運動を支援するアクチュエータを備えた支援装置用の支援プログラムであって、前記アクチュエータの動作方向の反転を検出する反転検出機能と、前記動作の反転が検出された場合に、前記アクチュエータの出力を上昇させて前記反転による機械的遊びが生じている期間を短縮する短縮機能と、をコンピュータで実現する支援プログラムを提供する。
(1) In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, in the invention described in
(2) The invention according to claim 2, wherein the shortening means increases the output of the actuator simultaneously with the detection of the reversal of the operation direction. .
(3) In the invention described in claim 3, the inversion detection means detects the inversion of the operation direction of the actuator from the operation signal before being input to the actuator. Or the support apparatus of Claim 2 is provided.
(4) In the invention according to claim 4, the support device according to
(5) In the invention according to claim 5, the shortening means increases the output of the actuator for a predetermined period set in advance. A support device according to any one of claims is provided.
(6) In the invention according to claim 6, there is provided a support program for a support device including an actuator that supports the exercise of the support target person, the reversal detection function for detecting reversal of the operation direction of the actuator, Provided is a support program that realizes, by a computer, a shortening function that shortens a period during which mechanical play due to the reversal occurs by increasing the output of the actuator when a reversal of motion is detected.
本発明によれば、反転時の空走期間を短縮することにより、機械的遊びによる撃力を緩和することができる。 According to the present invention, the striking force due to mechanical play can be reduced by shortening the idle running period at the time of reversal.
(1)実施形態の概要
本実施形態の支援装置では、歩行支援を行う歩行支援装置1を例に説明する。
歩行支援装置1は、膝関節アクチュエータ18の動作が屈曲から伸展、あるいは、伸展から屈曲の動作に転じた際、歩行支援装置1は、膝関節アクチュエータ18に反転方向に最大出力を所定の期間ΔTだけ出力させる。
すると、膝関節アクチュエータ18がΔTの間、高速に動作するため、機械的遊びによる空走期間が減少する。そのため、予め反転動作タイミングを見越した反転動作指示を行わなくても効率的に機械的遊びを減少させることができる。
これによって、膝関節アクチュエータ18の動作反転によって装着者が受ける違和感が減少し、不快感や不安感を低減することができる。
(1) Outline of Embodiment In the assistance device of the present embodiment, a
When the operation of the
Then, since the knee
As a result, the discomfort felt by the wearer due to the reversal of the operation of the
図2(a)のトルク曲線に示したように、歩行支援装置1は、反転のタイミング47で膝関節アクチュエータ18に最大出力50を出力させる。
これにより、歩行支援装置1は、タイミング49で空走期間を終了させ、その後、曲線43で示した反転方向のトルクを作用させて膝関節の伸展動作を支援する。
As shown in the torque curve of FIG. 2A, the
As a result, the
従来は、図2(b)に示したように、空走期間がタイミング47〜48のΔS秒間継続したが、歩行支援装置1では、タイミング47〜49のΔT秒に短縮されている。
そのため、機械的遊びによる空走期間の終了時に発生するトルクの増加は、従来はN2だったのに対し、歩行支援装置1では、N1に減少する。
なお、曲線44は、従来例において、空走期間が終了した際のトルクの急激な増加を示している。
このように、歩行支援装置1では、反転動作によって発生するトルクの急激な増加によって発生する撃力を著しく減少するため、装着者が体感する違和感を効果的に低減することができる。
Conventionally, as shown in FIG. 2B, the idle running period has continued for ΔS seconds at
For this reason, the increase in torque generated at the end of the idle running period due to mechanical play is N2 in the past, but decreases to N1 in the
Note that the
As described above, in the
(2)実施形態の詳細
図1は、体重支持型の歩行支援装置1の構成を表したものである。
図1(a)は、本実施形態に係る歩行支援装置1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。
図1(b)は、図1(a)で示した状態の歩行支援装置1を正面(進行方向)から見た状態と、装着者100の下半身部分を点線で表した図である。
図1に示したように、歩行支援装置1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、歩行支援装置1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。
(2) Details of Embodiment FIG. 1 shows a configuration of a weight support type
Fig.1 (a) is the figure which showed the place which looked at the structure of the
FIG. 1B is a diagram in which the
As shown in FIG. 1, the
Moreover, in the
なお、図1(a)(b)に示すように、点線で示した装着者100が脚を伸ばした状態(直立状態)において、歩行支援装置1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。
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the
図1(a)に戻り、歩行支援装置1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、股関節ピッチ軸機構17、膝関節アクチュエータ18、足首関節ピッチ軸機構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、床反力センサ241、エンコーダ20、膝関節ピッチ軸86などから構成されている。
Returning to FIG. 1A, the walking assist
なお、股関節ピッチ軸機構17、膝関節アクチュエータ18、エンコーダ20、膝関節ピッチ軸86、足首関節ピッチ軸機構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、床反力センサ241については、図1(b)に示すように、右脚用と左脚用の各部材が存在するが、一方の脚用を指定して説明する場合には、符号の後にLRを付けて区別して説明する。
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の下側等に配設されるが、他の位置例えば、上腿連結部材26等に配設するようにしてもよい。
なお、図1(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。
Note that the hip joint
Although not shown, in the present embodiment, the control device 2 and the battery are disposed in the
In FIG. 1A, 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100が跨いで腰掛ける部材である。
着座部61の上面には、装着者100から着座部61が受ける圧力を検出する荷重センサ67が配設されている。本実施形態では、この荷重センサ67の検出値が所定の目標値(支援荷重という)となるように、膝関節アクチュエータ18の出力が制御される。
これにより、装着者100は、着座部61から常に上方の付勢力を受けることで体重の一部が負担される。
The
On the upper surface of the
As a result, the
着座部61は、装着者100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100の股間部に押圧されるため、これにより、歩行支援装置1の上部が装着者100の腰部に対して固定される。
The seating
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。
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(以下代表してガイドレール65という)が、着座部61の上方に位置する股関節ピッチ軸中心(股関節の位置)Kを中心とする同心円状に形成されている。
ガイドレール65は、股関節ピッチ軸機構17が装着者100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
On the surface of the
The
股関節ピッチ軸機構17は、ガイドレール65による軌道上を自由移動するように構成されており、装着者100の歩行運動に伴って股関節ピッチ軸機構17がガイドレール64、65による軌道上を自由移動する。
例えば、装着者100が右脚を前に出すことで重心が前方に移動した状態では、右股関節ピッチ軸機構17Rは脚の動きに連動して軌道上を前方に自由移動し、立脚側の左脚は重心よりも後方への移動に連動して左股関節ピッチ軸機構17Lは軌道上を後方に自由移動する。
このように、股関節ピッチ軸機構17は、装着者100が脚を前後方向に移動する力(動き)によって軌道上を前後方向に自由移動するものであり、特にアクチュエータによる前後方向の駆動はされていない。
股関節ピッチ軸機構17には、ガイドレール64、65での位置を検出する位置センサが設置されている。この位置センサの値は、装着者100の股関節角度を計算するのに用いることができるため、この位置センサは、股関節に関する関節角度センサとして機能している。
The hip joint
For example, in a state where the center of gravity moves forward by the
As described above, the hip joint
The hip joint
股関節ピッチ軸機構17には、剛性を有する部材(例えば、柱状部材)で構成された上腿連結部材26の一端が固定され、上腿連結部材26の他端には膝関節アクチュエータ18が接続されている。
上腿連結部材26の一端は股関節ピッチ軸機構17に対して固定されているため、股関節ピッチ軸機構17に対する角度は変わらないが、股関節ピッチ軸機構17が円弧上のガイドレール65上を移動することにより、上腿連結部材26は、ガイドレール65の接線との角度θを一定に保ちながら、水平面に対する角度が変化する。
即ち、装着者100の膝を上げる動作に伴い股関節ピッチ軸機構17がガイドレール65上を前方に移動するため、上腿連結部材26は水平面との角度が小さくなる(水平に近づく)。
One end of an upper
Since one end of the upper
That is, as the hip joint
そして、上腿連結部材26の他端側に位置する膝関節アクチュエータ18は、ガイドレール65の中心軸である股関節ピッチ軸中心Kを中心とする円弧上を前後に移動する。即ち、膝関節アクチュエータ18は、股関節ピッチ軸機構17の自由移動に伴い、股関節ピッチ軸中心Kから一定距離を保ちながら円弧運動をする。
上腿連結部材26の他端側は、膝関節ピッチ軸86を介して下腿連結部材27が接続されている。
Then, the knee
The lower
膝関節アクチュエータ18は、その出力により、膝関節ピッチ軸86を軸心として、上腿連結部材26と下腿連結部材27との膝関節角度を変えるように構成されている。
即ち、膝関節アクチュエータ18は、膝関節角度を大きくする(直線に近づける)ことで、上腿連結部材26にプレート62等を介して接続されている着座部61に対する上方の付勢力を発生させるようになっており、この上付勢力により装着者100の体重の一部が支持されることになる。
膝関節アクチュエータ18は、歩行支援対象者の脚部の関節の運動を支援するアクチュエータとして機能している。
The knee
That is, the knee
The knee
なお、本実施形態の膝関節アクチュエータ18は、膝関節ピッチ軸86(上腿連結部材26と下腿連結部材27の接続点)の位置に配設される場合について説明するが、例えば、連結部材63や着座部61内、着座部61下、股関節ピッチ軸機構17の後方等の他の位置に配置するようにしてもよい。この場合、膝関節アクチュエータ18の出力は、プーリを必要箇所に配置しワイヤーやベルトによる伝達機構、その他の力伝達機構により、上腿連結部材26と下腿連結部材27に作用させるようにしてもよい。
The knee
また、図示しないが、膝関節ピッチ軸86と同軸となるようにエンコーダ20が設置されており、膝関節ピッチ軸86の回転角度を検出する。エンコーダ20は、膝関節に関する関節角度センサとして機能している。 Although not shown, the encoder 20 is installed so as to be coaxial with the knee joint pitch axis 86 and detects the rotation angle of the knee joint pitch axis 86. The encoder 20 functions as a joint angle sensor related to the knee joint.
下腿連結部材27は、剛性を有する部材(例えば、柱状部材)で構成され、膝関節アクチュエータ18と反対の他端側には、足首関節ピッチ軸機構19が取り付けられている。
足首関節ピッチ軸機構19には、剛性を有する部材(例えば、柱状部材)で構成された足連結部材28が取り付けられている。
足連結部材28には、足首関節ピッチ軸機構19の位置が装着者100の足首関節と略同じ高さとなるように、装着者100の足が挿入される足装着部24が固定されている。
足首関節ピッチ軸機構19は、下腿連結部材27に対して、足連結部材28と足装着部24が自由にピッチ運動する。
図示しないが、足首関節ピッチ軸機構19にも足首関節の角度を検出するエンコーダが設置されており、足首関節の角度を検出する関節角度センサとして機能している。
The
The ankle joint
A
In the ankle joint
Although not shown, the ankle joint
足装着部24は、対向する一対の足連結部材28の外側に配置されることで、図1(b
)に示されるように、足装着部24以外の各部材は両脚の間に収まることになる。
足装着部24の底面には、各脚が支えている体重の負担割合を求めるために、歩行面からの反力を検出する床反力センサ241R、241Lが配置されている。
本実施形態では、各足装着部24の底面略中央部に1つずつの床反力センサ241が配置されているが、立脚、遊脚の状態をより正確に判定するために、前後方向の複数箇所(例えば、つま先と踵の2箇所)に床反力センサを配置するようにしてもよい。
The
), Each member other than the
Floor
In the present embodiment, one floor
歩行支援装置1の装着手順は、次の通りである。
まず、歩行支援装置1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を畳んでおく。
そして、装着者100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100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 wearing procedure of the
First, the power of the
Then, the
Next, the
次に、電源をオンすると、歩行支援装置1は、荷重センサ67の検出値が支援荷重と一致するように、膝関節アクチュエータ18を駆動し、着座部61により装着者100の体重を支持する。歩行支援装置1を脱ぐ場合は、逆の手順を行う。
このように、歩行支援装置1は、着脱が容易である。
Next, when the power is turned on, the walking
Thus, the walking
なお、電源をオンした際には、着座部61の荷重センサ67が荷重を検出するまでの間、膝関節アクチュエータ18からは支援荷重に対応する出力トルクよりも小さい装着時荷重に対応するトルクを出力することで、着座部61はゆっくりと装着者100の腰下まで上昇する。
電源オフの際には、膝関節アクチュエータ18からは、装着時荷重よりも小さい脱着時荷重に対応するトルクを出力することで、着座部61はゆっくりと下方にさがる。
When the power is turned on, until the
When the power is turned off, the knee
なお、本実施形態では、歩行支援用アクチュエータとして膝関節アクチュエータ18を用いたが、この他に足首関節ピッチ軸機構19に対して足首関節アクチュエータを備えたり、股関節ピッチ軸機構17をガイドレール64、65に沿って駆動する股関節アクチュエータを備えたりしてもよい。
In this embodiment, the knee
以下では、動作反転時の空走期間短縮処理について、膝関節アクチュエータ18を例に説明するが、足首関節アクチュエータや股関節アクチュエータを備える場合も、動作反転時に同様の処理を行うことができる。
また、本実施形態では、両脚の内側に装着するタイプの歩行支援装置1について説明するが、例えば、両脚の外側に装着し、腰部、大腿部、下腿部などを保持して駆動するタイプの歩行支援装置についても適用することができる。
In the following, the idle running period shortening process at the time of motion reversal will be described by taking the knee
In this embodiment, the walking
図2は、歩行支援装置1がトルク反転時に行う空走期間短縮処理を説明するための図である。
図2(a)は、膝関節アクチュエータ18が膝関節ピッチ軸86の周りに作用させるトルク曲線を示している。
縦軸はトルクを表し、横軸は時間を示している。
縦軸の正の方向を膝関節を伸ばす伸展方向のトルクとし、負の方向を膝関節を曲げる屈曲方向のトルクとする。
最大出力50を除き、曲線41と曲線43を滑らかにつないだ曲線が理想的なトルク曲線である。
FIG. 2 is a diagram for explaining the idling period shortening process performed by the walking
FIG. 2A shows a torque curve that the knee
The vertical axis represents torque, and the horizontal axis represents time.
The positive direction on the vertical axis is the torque in the extending direction for extending the knee joint, and the negative direction is the torque in the bending direction for bending the knee joint.
Except for the
膝関節を屈曲から伸展に反転する場合、曲線41で示すように、膝関節アクチュエータ18の発生するトルクが負の値から0に近づき、反転するタイミング47で0になる。
膝関節アクチュエータ18は、タイミング47で出力するトルクの方向を逆転する。
When the knee joint is reversed from flexion to extension, as indicated by a
The knee
歩行支援装置1は、膝関節アクチュエータ18の動作が反転するタイミング47の瞬間に、膝関節アクチュエータ18に最大出力を出力させて空走期間を短縮する。
図の例では、タイミング47からタイミング49までのΔTの期間、最大出力50を出力させる。そして、タイミング49で伸展トルク方向の理想的なトルク曲線である曲線43に復帰する。
The walking
In the example shown in the figure, the
なお、期間(時間)ΔTは、動作反転が検出された瞬間から、機械的遊びが解消する直前までとし、最大出力50が終了するタイミング49で機械的遊びが解消するものとする。このため、本実施形態では、遊び期間がΔTと一致している。
このように、ΔTの終了タイミングが少なくとも機械的遊びが解消する直前までとしたのは、これよりΔTを長くすると、最大出力50が膝関節に作用してしまうからである。
なお、最大出力50の終了時点が機械的遊びの解消時点に近いほど撃力低減の効果が大きい。
The period (time) ΔT is from the moment when the motion reversal is detected to immediately before the mechanical play is eliminated, and the mechanical play is eliminated at the
As described above, the reason why the end timing of ΔT is at least immediately before the mechanical play is eliminated is that if ΔT is made longer than this, the
The closer the end point of the
ここで、より詳細には、ΔTの値には、膝関節アクチュエータ18が正回転(例えば、関節の伸展方向とする)する場合のΔT(正回転)と、負回転(例えば、関節の屈曲方向とする)する場合のΔT(負回転)があり、歩行支援装置1は、膝関節の伸展・屈曲に応じて、これに対応するΔT(正回転、負回転)を用いる。なお、以下では、ΔT(正回転)とΔT(負回転)をΔTと総称することにする。
歩行支援装置1は、予め期間ΔTを計測しておき、計測した期間ΔTを記憶することで、この値による期間最大出力50を膝関節アクチュエータ18に出力させる。
More specifically, the value of ΔT includes ΔT (positive rotation) when the knee
The walking
図2(b)は、トルク曲線のトルク反転時付近を拡大した図である。
曲線44は、従来例のトルク曲線を示しており、従来例では、タイミング48で機械的遊びが解消し、曲線44で示した急激なトルクの増加が観測される。
これに対し、歩行支援装置1では、タイミング48よりも早いタイミング49で空走期間が終了する。これにより、歩行支援装置1の空走期間は、従来例に比べてΔSからΔTに短縮(減少)している。
空走期間の減少に伴い、空走期間終了時に発生するトルクの増加は、従来例のN2からN1に減少する。
このように、歩行支援装置1では、空走期間の短縮によって、反転の際に機械的遊びから発生するトルクの増大が小さくなるため、装着者100の体感する撃力を低減することができる。
FIG. 2B is an enlarged view of the vicinity of the torque curve at the time of torque reversal.
A
On the other hand, in the
As the idling period decreases, the increase in torque generated at the end of the idling period decreases from N2 in the conventional example to N1.
As described above, in the
なお、本実施形態では、機械的遊び期間を短縮するために最大出力50を膝関節アクチュエータ18に出力させたが、通常のトルクよりも大きいトルクであれば、遊び期間を短縮する効果がある。
このように、制御装置2は、遊び期間で膝関節アクチュエータ18の出力を上昇させるが、出力を最大出力50とした場合に最も効果がある。
In this embodiment, the
In this way, the control device 2 increases the output of the knee
図3は、歩行支援装置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、歩行支援装置1の各部を電子制御する。
FIG. 3 is a diagram illustrating a system configuration of the
The control device 2 is an electronic control unit including a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a storage unit, various interfaces, and the like (not shown). Electronically controlled.
制御装置2は、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、センサ情報取得部3、関節モーメント演算部4、アクチュエータ動作信号取得部8、遊び除去制御部7、デバイスパラメータ記憶部5、人体パラメータ記憶部6などを備えている。 The control device 2 is configured by executing various programs such as a walking support program stored in a storage unit by a CPU, and includes a sensor information acquisition unit 3, a joint moment calculation unit 4, an actuator operation signal acquisition unit 8, and play removal control. Unit 7, device parameter storage unit 5, human body parameter storage unit 6 and the like.
センサ情報取得部3は、関節角度センサ9(エンコーダ20など)から各関節の角度を取得し、床反力センサ241から床反力を取得し、荷重センサ67から荷重を取得する。
関節モーメント演算部4は、各関節角度や、床反力センサ241の検出値や、デバイスパラメータ記憶部5や人体パラメータ記憶部6が記憶した各パラメータを用いて装着者100の膝関節の関節モーメントを演算する。
アクチュエータ動作信号取得部8は、関節モーメント演算部4の算出した関節モーメントに対して所定のアシスト力を発揮するような膝関節アクチュエータ18の動作信号を取得する。
The sensor information acquisition unit 3 acquires the angle of each joint from the joint angle sensor 9 (such as the encoder 20), acquires the floor reaction force from the floor
The joint moment calculation unit 4 uses the joint angles, the detection values of the floor
The actuator operation signal acquisition unit 8 acquires an operation signal of the knee
遊び除去制御部7は、アクチュエータ動作信号取得部8が取得した動作信号を膝関節アクチュエータ18に出力しながら、当該動作信号により、膝関節アクチュエータ18の動作が反転するか否かを監視する。
そして、膝関節アクチュエータ18の動作が反転する場合、遊び除去制御部7は、ΔTの間、所定の動作信号を膝関節アクチュエータ18に入力し、膝関節アクチュエータ18に最大出力を出力させる。
The play removal control unit 7 monitors whether the operation of the knee
When the operation of the knee
このように、遊び除去制御部7は、アクチュエータの動作の反転を検出する反転検出手段と、動作の反転が検出された場合に、アクチュエータの出力を上昇させて、反転による機械的遊びが生じている期間を短縮する短縮手段として機能している。
なお、本実施形態では、短縮手段によりアクチュエータの出力を上昇させる場合に、最大出力を出力させる場合を例に説明するが、アクチュエータ動作の反転時に必要な出力よりも大きい所定出力値を出力させるようにしてもよい。
また、遊び除去制御部7は、予め設定された所定期間ΔTの間、膝関節アクチュエータ18の出力を上昇させている。
As described above, the play removal control unit 7 detects the reversal of the operation of the actuator, and when the reversal of the operation is detected, the play removal control unit 7 raises the output of the actuator to cause mechanical play due to the reversal. It functions as a shortening means to shorten the period.
In this embodiment, the case where the output of the actuator is increased by the shortening means will be described as an example in which the maximum output is output. However, a predetermined output value larger than the output required when the actuator operation is reversed is output. It may be.
Further, the play removal control unit 7 increases the output of the knee
更に、遊び除去制御部7は、アクチュエータ動作信号取得部8から出力される動作信号を、当該動作信号が膝関節アクチュエータ18に入力される前に確認し、これによって反転を検出するため、反転の瞬間に最大出力を出力することができる。
このように、遊び除去制御部7は、アクチュエータに入力される前の動作信号から反転を検出し、更に、遊び除去制御部7が膝関節アクチュエータ18の出力を上昇させるタイミングは、動作の反転を検出した瞬間(検出と同時)である。
Further, the play removal control unit 7 confirms the operation signal output from the actuator operation signal acquisition unit 8 before the operation signal is input to the knee
In this way, the play removal control unit 7 detects the inversion from the operation signal before being input to the actuator, and the timing at which the play removal control unit 7 increases the output of the knee
デバイスパラメータ記憶部5は、歩行支援装置1の各関節間の長さ、各部の重量や重心位置、膝関節アクチュエータ18に最大出力を出力させる期間であるΔTなどを記憶している。
人体パラメータ記憶部6は、装着者100の身長、体重などの身体的特徴を表すデータを記憶している。
このように、デバイスパラメータ記憶部5と人体パラメータ記憶部6には、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記憶している。
The device parameter storage unit 5 stores the length between the joints of the
The human body parameter storage unit 6 stores data representing physical characteristics such as the height and weight of the
Thus, the device parameter storage unit 5 and the human body parameter storage unit 6 store various parameters necessary for calculating the joint moment and the like.
図4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処理である。
まず、センサ情報取得部3が、関節角度センサ9、床反力センサ241、荷重センサ67などの各センサから検出値を取得する(ステップ5)。
FIG. 4 is a flowchart for explaining the procedure of the walking support operation performed by the control device 2.
The following processing is processing performed by the CPU included in the control device 2 according to the walking support program.
First, the sensor information acquisition part 3 acquires a detection value from each sensor, such as the joint angle sensor 9, the floor
次に、関節モーメント演算部4が、膝関節の関節モーメントを所定の演算により算出する(ステップ10)。
次に、アクチュエータ動作信号取得部8が、この関節モーメントの値を用いて膝関節アクチュエータ18を駆動する動作信号を取得する(ステップ15)。
Next, the joint moment calculator 4 calculates the joint moment of the knee joint by a predetermined calculation (step 10).
Next, the actuator operation signal acquisition unit 8 acquires an operation signal for driving the knee
次に、遊び除去制御部7が、アクチュエータ動作信号取得部8から動作信号を取得し、膝関節アクチュエータ18が出力するトルクが屈曲側から伸展側に反転するか否かを判断する(ステップ20)。
このように、遊び除去制御部7は、動作信号が膝関節アクチュエータ18に入力される前に、これによって動作反転を検出するため、膝関節アクチュエータ18が反転動作する瞬間に最大出力を出力させることができる。
Next, the play removal control unit 7 acquires an operation signal from the actuator operation signal acquisition unit 8, and determines whether or not the torque output from the knee
As described above, the play removal control unit 7 outputs the maximum output at the moment when the knee
屈曲から伸展に反転する場合(ステップ20;Y)、遊び除去制御部7は、伸展への動作信号になった瞬間、膝関節アクチュエータ18にΔTの間だけ最大出力を出力させる(ステップ25)。
ΔTの後、遊び除去制御部7は、アクチュエータ動作信号取得部8が取得した動作信号を膝関節アクチュエータ18に出力する通常動作に復帰する(ステップ30)。
遊び除去制御部7は、通常動作に復帰したため、アクチュエータ動作信号取得部8から取得した動作信号を膝関節アクチュエータ18に入力し、膝関節アクチュエータ18を通常の状態で駆動する(ステップ35)。
When reversing from flexion to extension (step 20; Y), the play removal control unit 7 causes the knee
After ΔT, the play removal control unit 7 returns to the normal operation in which the operation signal acquired by the actuator operation signal acquisition unit 8 is output to the knee joint actuator 18 (step 30).
Since the play removal control unit 7 has returned to the normal operation, the operation signal acquired from the actuator operation signal acquisition unit 8 is input to the knee
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5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、歩行支援装置1は、歩行支援の動作開始、及び終了を装着者100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 control device 2 determines whether or not to continue the walking support operation (step 40). If it continues (
For example, the walking
なお、この動作の開始、終了の操作スイッチは、上述した電源オン、オフの操作と共通にしても、別にしてもよい。
共通にする場合には、動作終了スイッチ(=電源スイッチ)オフにより、膝関節アクチュエータ18は、脱着時荷重に対応する出力トルクを出力することで、着座部61はゆっくりと下方にさがる。
一方、電源スイッチとは別にする場合、膝関節アクチュエータ18は支援荷重に対応する出力トルクの出力を継続する。
Note that the operation switch for starting and ending this operation may be the same as or different from the above-described power on / off operation.
In the case of common use, when the operation end switch (= power switch) is turned off, the knee
On the other hand, when separate from the power switch, the knee
一方、屈曲から伸展に反転しない場合(ステップ20;N)、遊び除去制御部7は、動作信号により、膝関節アクチュエータ18が出力するトルクが伸展側から屈曲側に反転するか否かを判断する(ステップ45)。
伸展から屈曲に反転する場合(ステップ45;Y)、遊び除去制御部7は、屈曲への動作信号になった瞬間、膝関節アクチュエータ18にΔTの間だけ最大出力を出力させた後(ステップ50)、ステップ30に移行する。
一方、伸展から屈曲に反転しない場合(ステップ45;N)、遊び除去制御部7は、ステップ35に移行する。
On the other hand, when not reversing from flexion to extension (step 20; N), the play removal control unit 7 determines whether the torque output from the knee
In the case of reversal from extension to flexion (
On the other hand, when not reversing from extension to bending (
歩行支援装置1は、以上の処理を左右の膝関節アクチュエータ18に対して左右の膝関節アクチュエータ18に対して独立に行うに行う。
The walking
以上説明した実施形態では、膝関節アクチュエータ18に入力される動作信号から動作反転のタイミングを取得したが、これは、一例であり、膝関節モーメントを監視し、これから反転のタイミングを取得してもよい。
また、エンコーダ20の検出値から反転を検出するように構成することもできる。
更に、実施形態では、膝関節アクチュエータを例に説明したが、膝以外の各種アクチュエータ、例えば股関節アクチュエータや、足関節アクチュエータ、更には、肘や肩手首等の動作を支援する支援装置における各種アクチュエータに適用することも可能である。
In the embodiment described above, the timing of motion reversal is acquired from the motion signal input to the knee
Moreover, it can also comprise so that inversion may be detected from the detected value of the encoder 20.
Furthermore, in the embodiments, the knee joint actuator has been described as an example. However, various actuators other than the knee, such as hip joint actuators, ankle joint actuators, and various actuators in support devices that support the operation of elbows, shoulder wrists, etc. It is also possible to apply.
以上説明した本実施形態により、次のような効果を得ることができる。
(1)膝関節アクチュエータ18の動作が反転する瞬間に、膝関節アクチュエータ18に最大出力を出力させることにより、機械的遊びが生じている空走期間を短縮することができる。
(2)空走期間を短縮することにより、動作反転時に生じる撃力を緩和することができ、装着者100に与える装着感を向上させることができる。
(3)複雑な制御、あるいは、デバイスを用いず、低コストで動作反転時の撃力を低減することができる。
According to the embodiment described above, the following effects can be obtained.
(1) By causing the knee
(2) By shortening the idling period, it is possible to relieve the striking force generated when the operation is reversed and to improve the wearing feeling given to the
(3) It is possible to reduce the impact force at the time of reversing the operation at low cost without using complicated control or a device.
1 歩行支援装置
2 制御装置
3 センサ情報取得部
4 関節モーメント演算部
8 アクチュエータ動作信号取得部
9 関節角度センサ
17 股関節ピッチ軸機構(スライド機構)
18R 右膝関節アクチュエータ
18L 左膝関節アクチュエータ
19 足首関節ピッチ軸機構
20 エンコーダ
24 足装着部
241R 右床反力センサ
241L 左床反力センサ
26 上腿連結部材
27 下腿連結部材
28 足連結部材
41、43、44 曲線
47〜49 タイミング
50 最大出力
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
71、72 ギア
86 膝関節ピッチ軸
91〜96 矢線
100 装着者
K 股関節ピッチ軸中心
DESCRIPTION OF
18R Right knee joint actuator 18L Left knee
Claims (6)
前記支援対象者の関節の運動を支援するアクチュエータと、
前記アクチュエータの動作方向の反転を検出する反転検出手段と、
前記動作の反転が検出された場合に、前記アクチュエータの出力を上昇させて前記反転による機械的遊びが生じている期間を短縮する短縮手段と、
を具備したことを特徴とする支援装置。 A support device for supporting exercise of a support target person,
An actuator for supporting the movement of the joint of the person to be supported;
Reversal detecting means for detecting reversal of the operating direction of the actuator;
A shortening means for shortening a period in which mechanical play due to the reversal occurs by increasing the output of the actuator when the reversal of the operation is detected;
A support apparatus comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の支援装置。 The shortening means increases the output of the actuator simultaneously with the detection of the reversal of the operation direction;
The support apparatus according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の支援装置。 The inversion detection means detects the inversion of the operation direction of the actuator from the operation signal before being input to the actuator.
The support device according to claim 1, wherein the support device is a device.
ことを特徴とする請求項1、請求項2、又は請求項3に記載の支援装置。 The shortening means causes the actuator to output a maximum output;
The support apparatus according to claim 1, claim 2, or claim 3.
ことを特徴とする請求項1から請求項4までの内の何れか1の請求項に記載の支援装置。 The shortening means increases the output of the actuator for a predetermined period set in advance.
The support device according to any one of claims 1 to 4, wherein the support device is any one of claims 1 to 4.
前記アクチュエータの動作方向の反転を検出する反転検出機能と、
前記動作の反転が検出された場合に、前記アクチュエータの出力を上昇させて前記反転による機械的遊びが生じている期間を短縮する短縮機能と、
をコンピュータで実現する支援プログラム。 A support program for a support device including an actuator that supports the movement of a support target person,
An inversion detection function for detecting inversion of the operation direction of the actuator;
When a reversal of the operation is detected, a shortening function that increases the output of the actuator to shorten a period during which mechanical play due to the reversal occurs,
Support program that realizes with a computer.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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