JP2016200400A - Method for calibrating measured value of load sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ユーザの歩行を補助する歩行補助装置が実行する、ユーザの足裏部が地面から受ける荷重を測定する荷重センサの測定値の校正方法に関する。 The present invention relates to a method for calibrating a measurement value of a load sensor, which is executed by a walking assistance device that assists a user's walking, and that measures a load that a user's sole receives from the ground.
ユーザの歩行を補助するためのロボット(歩行補助装置)についての技術が開示されている。 A technology for a robot (walking assisting device) for assisting a user's walking is disclosed.
例えば、特許文献1に係る歩行補助装置は、ユーザの左右の足裏部に取付けられた荷重センサの測定値(ユーザの荷重の反作用として地面から受ける上方の力である、接地反力の測定値)に基づいて、左右の膝に対するアシスト力を決定している。ここで、歩行補助装置の着座部がユーザを上方に押し上げることにより、接地反力が減少し、正しいアシスト力の決定ができなくなる可能性がある。特許文献1に係る歩行補助装置は、これを防止するため、着座部がユーザに与える座面反力を、左右の足荷重センサの測定値に分配している。これにより、歩行補助装置は、検出された接地反力を補正して、アシスト力をより正確にしようとする制御を行っている。 For example, the walking assistance device according to Patent Document 1 is a measurement value of a load sensor attached to the left and right soles of a user (a measurement value of a ground reaction force that is an upward force received from the ground as a reaction of a user's load). ), The assist force for the left and right knees is determined. Here, when the seating portion of the walking assist device pushes the user upward, the ground reaction force may decrease, and the correct assist force may not be determined. In order to prevent this, the walking assist device according to Patent Literature 1 distributes the seating surface reaction force that the seating portion gives to the user to the measurement values of the left and right foot load sensors. As a result, the walking assistance device performs control to correct the detected ground reaction force to make the assist force more accurate.
歩行補助装置において、ユーザの足裏部に取付けられた荷重センサの測定値には、接地反力による荷重値に、所定のオフセット値が加わる。このオフセット値は、上述の座面反力だけでなく、荷重センサを取付けるメカのたわみ等や、荷重センサの電気的特性の変化等が原因となっても生じる。上述の特許文献1に係る歩行補助装置では、着座部がユーザに与える座面反力に基づいて接地反力を補正しているものの、上述の通り、オフセット値の要因は座面反力以外にも考えられる。従って、特許文献1に係る歩行補助装置では、荷重センサの測定値を正確に校正できない可能性がある。 In the walking assist device, a predetermined offset value is added to the load value due to the ground reaction force to the measurement value of the load sensor attached to the sole of the user. This offset value occurs not only due to the above-described seating surface reaction force but also due to the deflection of the mechanism to which the load sensor is attached, the change in the electrical characteristics of the load sensor, and the like. In the walking assist device according to Patent Document 1 described above, the grounding reaction force is corrected based on the seating surface reaction force given to the user by the seating unit. However, as described above, the factor of the offset value is other than the seating surface reaction force. Is also possible. Therefore, the walking assist device according to Patent Document 1 may not be able to accurately calibrate the measurement value of the load sensor.
本発明に係る荷重センサの測定値の校正方法は、ユーザの足裏部が地面から受ける荷重を測定する荷重センサの測定値を正確に校正することを可能にするものである。 The method for calibrating the measurement value of the load sensor according to the present invention makes it possible to accurately calibrate the measurement value of the load sensor that measures the load that the user's sole receives from the ground.
本発明にかかる、ユーザの歩行を補助する歩行補助装置が実行する、歩行中にユーザの足裏部が地面から受ける荷重を測定する荷重センサの測定値の校正方法は、
前記荷重センサの測定値が所定値以下であるか否かに基づいて、前記足裏部が地面から離れているか否かを判定し、
前記足裏部が地面から離れているときの前記測定値の時間平均値を算出することでオフセット値を算出し、
前記測定値から前記オフセット値を減算することで前記測定値を校正するものである。
According to the present invention, a walking assist device for assisting a user's walking executes a calibration method of a measurement value of a load sensor that measures a load that a user's sole receives from the ground during walking.
Based on whether or not the measurement value of the load sensor is equal to or less than a predetermined value, it is determined whether the sole is away from the ground,
Calculate the offset value by calculating the time average value of the measured value when the sole is away from the ground,
The measured value is calibrated by subtracting the offset value from the measured value.
この方法で、歩行補助装置は、足裏部が地面から離れているときの測定値に基づいてオフセット値を算出することで、測定値を校正している。従って、歩行中における正確なオフセット値を算出でき、そのオフセット値で測定値を校正するため、荷重センサの測定値を正確に校正することができる。 With this method, the walking assistance device calibrates the measurement value by calculating the offset value based on the measurement value when the sole is away from the ground. Therefore, an accurate offset value during walking can be calculated, and the measured value is calibrated with the offset value. Therefore, the measured value of the load sensor can be calibrated accurately.
本発明により、ユーザの足裏部が地面から受ける荷重を測定する荷重センサの測定値を正確に校正することができる。 According to the present invention, it is possible to accurately calibrate a measurement value of a load sensor that measures a load that a user's sole receives from the ground.
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に示すように、実施の形態に係る歩行補助装置1は、荷重センサユニット11と、足首ジョイント12a、12bと、下リンク13a、13bと、下連結バー14と、上リンク15a、15bと、上連結バー16と、モータ・エンコーダユニット17と、制御ECU(Electronic Control Unit)18とを備える。歩行補助装置1は、ユーザの右脚部Fに装着されており、ユーザの膝関節にトルクを与えることによって、ユーザの歩行動作を補助する。以下、歩行補助装置1の各部について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the walking assist device 1 according to the embodiment includes a
図2に示すように、荷重センサユニット11は、足裏ユニット21と、垂直荷重センサ22とを備える。足裏ユニット21は、ユーザの右脚部Fの足裏部Sに取付けられ、ユーザの足裏部Sが直接接触する靴底としての役割を有すると共に、ユーザの足裏部Sの形状に応じた形状を有する。垂直荷重センサ22は、足裏ユニット21内に設けられたセンサであり、足裏ユニット21と垂直方向にかかる荷重の大きさを測定値として検出することで、歩行中に足裏部Sが地面から受ける荷重を測定する。なお、図2において、垂直荷重センサ22は、足裏ユニット21に4つ設けられている。2つの垂直荷重センサ22Aは、足裏部Sの前部に設けられ、2つの垂直荷重センサ22Bは、足裏部Sの後部に設けられる。これにより、垂直荷重センサ22Aは、足裏部Sの前部が地面から受ける荷重を測定し、垂直荷重センサ22Bは、足裏部Sの後部が地面から受ける荷重を測定することができる。
As shown in FIG. 2, the
図1に戻り、歩行補助装置1の説明を続ける。足首ジョイント12a、12bは、右脚部Fの足首を両側から挟む位置にあり、足首のピッチ軸(右脚部Fの左右方向の軸)と同軸に位置している。足首ジョイント12aは、荷重センサユニット11と下リンク13aとを接続し、足首ジョイント12bは、荷重センサユニット11と下リンク13bとを接続する。また、足首ジョイント12a、12bは、荷重センサユニット11を、下リンク13a、13bに対して揺動可能に連結している。
Returning to FIG. 1, the description of the walking assist device 1 is continued. The
下リンク13a、13bは、右脚部Fにおける下腿のピッチ軸方向両側に位置している。下リンク13aは、足首ジョイント12aと、下連結バー14、上リンク15aとを接続し、下リンク13bは、足首ジョイント12bと、下連結バー14、上リンク15bとを接続する。
The
下連結バー14は、右脚部Fの膝Kの近傍にあり、下リンク13a、13bを連結すると共に、上リンク15a、15bを連結する。上リンク15a、15bは、右脚部Fにおける上腿のピッチ軸方向両側に位置しており、それらの上部で上連結バー16により連結される。
The lower connecting
モータ・エンコーダユニット17は、上リンク15aに取付けられており、右脚部Fの外側に位置する。モータ・エンコーダユニット17は、図示しないモータ及びエンコーダを備える。モータは、後述する制御ECU18の制御によって駆動し、下リンク13a、13bをピッチ軸周りに揺動させる。これにより、歩行補助装置1は、ユーザの膝関節にトルクを加え、歩行動作を補助することができる。例えば、歩行補助装置1は、右脚部Fが遊脚状態にある場合、ユーザが膝を屈曲させる動作をアシストするよう(屈曲アシストの動作を行うよう)、モータを駆動させる。また、右脚部Fが立脚状態にある場合、立脚状態を保持するよう、モータを駆動させる。なお、モータ・エンコーダユニット17のエンコーダは、モータの回転角度や回転角速度を検出できる。
The motor /
図3に示すように、制御ECU18は、校正部31と制御部32とを備える。校正部31、制御部32は、ハードウェア的には、メモリやその他のIC(Integrated Circuit)等の回路で構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。例えば、コンピュータ内のCPU(Central Processing Unit)が、コンピュータ内のメモリにロードされたプログラムを読み込むことにより、以下に示す処理を実現する。
As shown in FIG. 3, the
校正部31は、全垂直荷重センサ22の測定値を取得する。例えば、図3では、垂直荷重センサ22Aの測定値Aと、垂直荷重センサ22Bの測定値Bとが、校正部31で取得される。校正部31は、足裏部Sに地面からの荷重がかかっていないと判定した場合、取得した測定データにおけるオフセット値を計算する。この計算方法について、図4のフローチャートを参照して説明する。
The
まず、校正部31は、全垂直荷重センサ22の測定データを取得し、取得した全ての測定値が所定値以下であるか否かを判定することで、足裏部Sに地面からの荷重がかかっていないか否か(即ち、足裏部Sが接地していないか否か)を判定する(ステップS11)。全ての垂直荷重センサ22に地面からの荷重がかからない場合、それらの測定値は全て特定の所定値以下になるためである。
First, the
足裏部Sに地面からの荷重がかかっている場合(ステップS11のNo)、少なくとも一部の垂直荷重センサ22は、オフセット値を測定していない。従って、校正部31はオフセット値の計算処理を実行しない(終了する)。
When a load from the ground is applied to the sole S (No in Step S11), at least some of the vertical load sensors 22 do not measure the offset value. Therefore, the
足裏部Sに地面からの荷重がかかっていない場合(ステップS11のYes)、校正部31は、各垂直荷重センサ22の測定値を記憶する(ステップS12)。そして、校正部31は、オフセット値の計算処理に必要な所定時間、各垂直荷重センサ22について、測定値を記憶できたか否かを判定する(ステップS13)。この所定時間は、測定値の時間平均を算出した場合に、その時間平均がオフセット値として信頼できる値となるような時間である。
When the load from the ground is not applied to the sole S (Yes in Step S11), the
測定値が所定時間記憶できていない場合(ステップS13のNo)、校正部31は、ステップS11に戻り処理を続ける。測定値が所定時間記憶できた場合(ステップS13のYes)、校正部31は、各垂直荷重センサ22の所定時間における測定値の時間平均を算出することで、各垂直荷重センサ22のオフセット値を算出する。
When the measured value cannot be stored for a predetermined time (No in step S13), the
なお、校正部31は、オフセット値として、所定時間における連続的な測定値の平均を算出してもよい。又は、所定時間内において断続的に測定値のサンプリングデータをとり、そのサンプリングデータの平均値をオフセット値として算出してもよい。
Note that the
次に、校正部31の測定値の校正方法について、図5のフローチャートを参照して説明する。まず、校正部31は、図4に示したオフセット計算が完了したか否かを判定する(ステップS15)。オフセット計算が完了していない場合(ステップS15のNo)、校正部31は測定値の校正を実行しない。
Next, a method for calibrating the measurement value of the
オフセット計算が完了している場合(ステップS15のYes)、校正部31は、各垂直荷重センサ22の元の測定値から、各垂直荷重センサ22に対応するオフセット値を減算する処理を実行する(ステップS16)。各垂直荷重センサ22に対応するオフセット値は、図4のステップS14で取得したものである。
When the offset calculation has been completed (Yes in step S15), the
校正部31は、以上のように校正が終了した各垂直荷重センサ22の測定データを、制御部32に出力する。制御部32は、その測定値に基づいて、歩行補助装置1の歩行制御を実行する。以下、図6のフローチャートを参照して、歩行制御の処理例について説明する。
The
まず、制御部32は、右脚部Fが遊脚状態であり、屈曲アシストの動作がなされているか否かを判定する(ステップS21)。この判定は、例えば、モータ・エンコーダユニット17のエンコーダの検出結果に基づいて実行されてもよい。
First, the
右脚部Fが遊脚状態であり、屈曲アシストの動作がなされている場合(ステップS21のNo)、制御部32は、モータを制御して、屈曲アシストの動作を継続させる(ステップS22)。
When the right leg F is in the free leg state and the bending assist operation is performed (No in step S21), the
右脚部Fが遊脚状態ではない、即ち立脚状態である場合(ステップS21のYes)、垂直荷重センサ22の状態として、荷重がかかっている状態(即ち、荷重センサユニット11が接地している状態)と、荷重がかかっていない状態(即ち、荷重センサユニット11が接地していない状態)の2通りが考えられる。以下の説明では、前者を荷重状態とし、後者を抜重状態と定義する。以下のフローで、制御部32は、その状態を判定する処理を行う。
When the right leg F is not in the free leg state, that is, in the standing state (Yes in Step S21), the vertical load sensor 22 is in a state where a load is applied (that is, the
まず、制御部32は、前回の状態判定結果が荷重状態であるか否かを判定する(ステップS23)。
First, the
前回の状態判定結果が荷重状態であるときには(ステップS23のYes)、制御部32は、現在の垂直荷重センサ22の全測定値の合計(総荷重量)が、所定の抜重判定閾値Xよりも小さいか否かを判定する(ステップS24)。
When the previous state determination result is a load state (Yes in step S23), the
総荷重量が抜重判定閾値Xよりも小さい場合には(ステップS24のYes)、制御部32は、現在の状態が抜重状態であると判定する(ステップS25)。逆に、総荷重量が抜重判定閾値X以上である場合には(ステップS24のNo)、制御部32は、現在の状態が荷重状態であると判定する(ステップS26)。
When the total load amount is smaller than the weight determination threshold value X (Yes in step S24), the
ステップS23において、前回の状態判定結果が抜重状態であるときには(ステップS23のNo)、制御部32は、総荷重量が、所定の荷重判定閾値Yよりも大きいか否かを判定する(ステップS27)。XとYの大小関係は、一例として、X≦Yである。
In step S23, when the previous state determination result is in the heavy state (No in step S23), the
総荷重量が荷重判定閾値Yよりも大きい場合には(ステップS27のYes)、制御部32は、現在の状態が荷重状態であると判定する(ステップS26)。逆に、総荷重量が荷重判定閾値Y以下である場合には(ステップS27のNo)、制御部32は、現在の状態が抜重状態であると判定する(ステップS25)。以上に示した状態判定結果は、制御ECU18内のメモリに格納され、後述のステップS28の判定及び、次回のステップS23の判定で用いられる。
When the total load amount is larger than the load determination threshold Y (Yes in step S27), the
制御部32は、現在の状態判定結果と、前回の状態判定結果とを比較し、現在、荷重状態から抜重状態に遷移した状態であるか否かを判定する(ステップS28)。
The
荷重状態から抜重状態に遷移した状態である場合(ステップS28のYes)、制御部32は、ユーザの歩行に伴い、右脚部Fが接地した状態から離れている状態に移行していると判定する。この場合、制御部32は、モータを制御して、屈曲アシストの動作を開始する(ステップS29)。
When it is the state which changed from the load state to the heavy weight state (Yes of step S28), it determines with the
荷重状態から抜重状態に遷移していない場合(ステップS28のNo)、制御部32は、右脚部Fが地面に着いた状態から離れている状態に移行していないと判定する。この場合、制御部32は、屈曲アシストの動作を行わず、立脚状態を保持する制御を実施して、モータを駆動させる(ステップS30)。
When the load state has not changed to the depressing state (No in step S28), the
以上のように、制御ECU18は、荷重センサユニット11に取り付けられた垂直荷重センサ22の全測定値に基づいて、ユーザの歩行動作を補助するように、モータ・エンコーダユニット17中に内蔵されたモータを駆動する。なお、制御ECU18は、モータ・エンコーダユニット17中のエンコーダの検出結果に基づいて、モータ・エンコーダユニット17中のモータの駆動を制御することもできる。
As described above, the
歩行補助装置において、ユーザの足裏に取付けられる荷重センサの測定値は、地面からの反力による荷重値に、所定のオフセット値が加わった値となる。図7は、理想測定値(地面からの反力による荷重値)と、実際の測定値(地面からの反力による荷重値に所定のオフセット値が加わった値)との関係の一例を示すグラフである。図7に示すように、荷重センサの測定対象となる脚が抜重状態となっても、荷重センサの測定値は0にならず、所定のオフセット値となる。 In the walking assist device, the measured value of the load sensor attached to the user's sole is a value obtained by adding a predetermined offset value to the load value due to the reaction force from the ground. FIG. 7 is a graph showing an example of a relationship between an ideal measurement value (a load value due to a reaction force from the ground) and an actual measurement value (a value obtained by adding a predetermined offset value to a load value due to a reaction force from the ground) It is. As shown in FIG. 7, even if the leg to be measured by the load sensor is in a state of being pulled, the measured value of the load sensor does not become 0 but becomes a predetermined offset value.
このオフセット値を補正しないまま、荷重センサの測定値に基づいて歩行補助装置の制御を実行すると、荷重センサの測定対象となる脚が遊脚であっても、歩行補助装置は接地反力がその脚に掛かっていると誤認識する可能性がある。このため、歩行補助装置は、自身の正確な制御ができなくなる可能性がある。従って、上述のオフセット値をキャンセルするように、測定データを校正する必要がある。 If the control of the walking assist device is executed based on the measurement value of the load sensor without correcting the offset value, even if the leg to be measured by the load sensor is a free leg, the walking assist device has a ground reaction force. There is a possibility of misrecognizing that it is on the leg. For this reason, the walking assist device may not be able to perform accurate control of itself. Therefore, it is necessary to calibrate the measurement data so as to cancel the offset value.
ここで、歩行補助装置の使用前に、荷重センサのオフセット値をキャンセルするような校正を実行するのは、ユーザにとって手間がかかってしまうことがある。例えば、校正に際し、荷重センサに荷重がかからないようにするために、ユーザが歩行補助装置を治具等に固定して、荷重センサを接地しない状態にする作業の必要があるといったことが考えられる。 Here, it may be time-consuming for the user to execute calibration that cancels the offset value of the load sensor before using the walking assistance device. For example, during calibration, in order to prevent a load from being applied to the load sensor, it may be necessary for the user to fix the walking assist device to a jig or the like so that the load sensor is not grounded.
また、オフセット値は、荷重センサを取付けるメカのたわみ等の変化や、荷重センサの電気的特性の変化等により変化する。従って、ユーザが歩行補助装置を使用している最中でも、歩行の経過又は歩行補助装置の継時変化によってオフセット値が変化する場合がある。このため、歩行補助装置の使用前にオフセット値の校正を実行しても、ユーザの歩行中にオフセット値が校正時の値からずれる可能性がある。この場合には、荷重センサの測定対象となる脚が遊脚である場合でも、荷重センサの測定値が正確に校正されなくなってしまい、歩行補助装置は、自身の正確な制御ができなくなる可能性がある。 The offset value changes due to a change in the deflection of the mechanism to which the load sensor is attached, a change in the electrical characteristics of the load sensor, and the like. Therefore, even while the user is using the walking assistance device, the offset value may change due to the progress of walking or the change of the walking assistance device over time. For this reason, even if the offset value is calibrated before using the walking assistance device, the offset value may deviate from the value at the time of calibration while the user is walking. In this case, even if the leg to be measured by the load sensor is a free leg, the measurement value of the load sensor may not be accurately calibrated, and the walking assistance device may not be able to accurately control itself. There is.
しかしながら、実施の形態において、歩行補助装置1は、ユーザの足裏部Sが地面から離れているときの測定値に基づいてオフセット値を算出することで、測定値を校正している。従って、ユーザがオフセット値の校正を行う必要がなく、歩行補助装置1が自動的にオフセット値の校正を行うため、歩行補助装置1の使用におけるユーザの手間が減少する。 However, in the embodiment, the walking assist device 1 calibrates the measurement value by calculating the offset value based on the measurement value when the user's sole S is away from the ground. Therefore, it is not necessary for the user to calibrate the offset value, and the walking assist device 1 automatically calibrates the offset value, so that the user's trouble in using the walking assist device 1 is reduced.
また、歩行中における正確なオフセット値を算出でき、そのオフセット値で測定値を校正するため、荷重センサの測定値を正確に校正することができる。さらに、図4〜図5に示したフローをユーザの歩行中に繰り返すことにより、荷重センサのオフセット値が変化しても、測定値を正確に校正することができる。 In addition, an accurate offset value during walking can be calculated, and the measured value is calibrated with the offset value. Therefore, the measured value of the load sensor can be calibrated accurately. Furthermore, by repeating the flow shown in FIGS. 4 to 5 while the user is walking, the measured value can be accurately calibrated even if the offset value of the load sensor changes.
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、荷重センサユニット11に設けられる垂直荷重センサ22の数は、4つ以外の数であってもよい。換言すれば、垂直荷重センサ22の数は、1つ又は複数の数であれば、いかなる数でもよい。また、ユーザの右脚部ではなく、左脚部(又は左右両方の脚部)の足裏に荷重センサユニット11が取り付けられてもよい。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, the number of vertical load sensors 22 provided in the
本発明は、歩行補助装置に設けられた荷重センサユニット11だけではなく、自立して二足歩行を行うロボットの脚部に設けられた荷重センサについても、同様に適用可能である。ここで、ロボットは、荷重センサの測定値に基づいて、歩行動作を行う。
The present invention can be similarly applied not only to the
1 歩行補助装置
11 荷重センサユニット
17 モータ・エンコーダユニット
18 制御ECU
21 足裏ユニット
22 垂直荷重センサ
31 校正部
32 制御部
1 walking assist
21 Sole unit 22
Claims (1)
前記荷重センサの測定値が所定値以下であるか否かに基づいて、前記足裏部が地面から離れているか否かを判定し、
前記足裏部が地面から離れているときの前記測定値の時間平均値を算出することでオフセット値を算出し、
前記測定値から前記オフセット値を減算することで前記測定値を校正する、
荷重センサの測定値の校正方法。 A method for calibrating a measurement value of a load sensor that measures a load that a user's sole receives from the ground during walking, executed by a walking assist device that assists the user's walking,
Based on whether or not the measurement value of the load sensor is equal to or less than a predetermined value, it is determined whether the sole is away from the ground,
Calculate the offset value by calculating the time average value of the measured value when the sole is away from the ground,
Calibrating the measurement value by subtracting the offset value from the measurement value;
Calibration method for load sensor measurements.
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