JP2017170015A - 動作補助装置の制御装置、動作補助装置、動作補助装置の制御方法、及び動作補助装置の制御プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本実施形態の動作補助装置を装着した装着者Mの腰部及び下肢を左方から見た側面で表している。この動作補助装置は、一例として装着者Mの足首関節の回動動作を補助する形態のものである。この図1において、動作補助装置1は、胴部用装具2と、脛部用装具3と、脛部用アーム4と、靴部5と、爪先側感圧センサ6と、踵側感圧センサ7と、制御部8と、駆動モータ9と、ケーブル10と、駆動機構11と、回転センサ12とを有している。
図2は、動作補助装置1の制御系の電気的構成を概念的に示すブロック構成を表している。この図2において、胴部用装具2に固定される制御部8に対し、靴部5の周辺に配置される駆動モータ9、回転センサ12、爪先側感圧センサ6、及び踵側感圧センサ7の要素群が駆動部13を構成しており、制御部8と駆動部13はケーブル10を介して駆動電力や各種の電気信号を送受している。
以上のように構成された動作補助装置1は、駆動モータ9を駆動源として、駆動機構11により足首関節を中心とした靴部5と脛部用アーム4の間の相対的な回動運動を行わせる。
図4は、上記図1中の駆動機構11の周辺を拡大して表している。なお、この図3中において、細部の図示を省略している。この図4中の実線で示しているように、装着者Mが通常に起立して靴部5の底面(足の裏面)が脛部の長手方向(図中の上下方向)と略直交している状態における靴部5と脛部用アーム4との間の相対的な回動角を初期角0°とする。これに対して、靴部5の前方先端部が脛部に近づく方向(図中の上方側、以下において背屈側という)に回動した回動角を正値のθとして回転センサ12が検出する。また、靴部5の前方先端部が脛部から離れる方向(図中の下方側、以下において底屈側という)に回動した回動角を負値のθとして回転センサ12が検出する。
本実施形態では、上記のように設定された動作パターンを利用してさらに歩行速度を調整することも可能である。例えば、装着者M自身の移動速度を変更するためには、歩行動作周期T全体の時間長を変更する以外にも、歩行動作周期Tを維持したまま速度の出し方を変更する方法がある。このように歩幅の変更により歩行速度モードを変更する場合には、主にヒールオフ点HOからスウィング点SWまでの間、つまり遊脚前期相における足の振り戻し動作の速度が特に大きく変化することが分かっている。これに対応して、上記図5中の足首回動角の図示を拡大した図6に示すように、遊脚前期相における足首回動角の変化速度、つまり動作パターン上における直線の傾きも大きく変化することになる。
次に、上述した動作パターンの設定処理において行われる具体的な操作部23の操作例と表示部24の表示例について説明する。例えば動作パターンの設定処理時には、上記図3中における表示部24の拡大図に示すように、上段左側に歩行動作周期T(図示する例では「2.0s」)、上段中央に歩行速度モード(図示する例では「Normal」)、上段右側にバッテリ充電状態(図示する例では満充電状態)、中段左側から順にヒールコンタクト点(「HC」)、ミッドスタンス点(「MS」)、ヒールオフ点(「HO」)、スウィング点(「SW」)の各切替点の名称、下段左側から各切替点に対応する設定回動角、下段右側に設定完了を確認する「OK?」の項目がそれぞれ表示される。
以上のような機能を実現するために、制御部8のマイコン21が備えるCPU(演算装置)が上記動作パターン設定部31で実行する動作パターン設定処理の制御手順を、図7により順を追って説明する。まず図7において、このフローに示す処理は、操作部23における入力操作により動作パターンを設定する動作モードに切り替えられた際に、実行を開始する。
以上説明したように、本実施形態の動作補助装置1の制御部8によれば、マイコン21の動作パターン設定部31が、歩行動作周期中における駆動機構11の回動角の動作パターンについて単調増加又は単調減少させる動作相の単位で時間区分し、それら動作相の間の切替点HC,MS,HO,SWにおける駆動機構11の回動角を設定することで動作パターンを設定する。これにより、リハビリテーションの用途に十分機能的な動作パターンを設定できる。そして、モータ制御部32がその動作パターンに基づいて駆動モータ9の駆動を制御する。これにより設定対象となる項目数を低減させることができ、その結果、装着者Mの状況に合わせた動作補助装置1の動作パターンの設定を簡略化して操作性を向上できる。
なお、上記実施形態では、回転センサ12が駆動モータ9の回転角を検出していたがこれに限られない。例えば、回転センサ12は、靴部5と脛部用アーム4の間の相対的な回転角(足首回動角)を検出してもよく、この場合には駆動機構11の減速器と駆動軸の間に設けられる(図示省略)。この場合には、回転センサ12が検出した駆動機構11の回動角がケーブル10を介してマイコン21に入力され、モータ制御部32とアンプ22によるいわゆるフルクローズドループによる位置フィードバック制御が行われる。
また、上記実施形態では歩行動作周期T全体に渡る1つの動作パターンを作成し、そのうちの立脚期と遊脚期の時間比率を6:4に固定していたが、これに限られない。他にも動作パターンを立脚期と遊脚期でそれぞれ個別に設定、生成し、ヒールコンタクト点HCとヒールオフ点HOで各動作パターンを同期させて実行してもよい(図示省略)。この場合には、例えば踵側感圧センサ7の検出値が所定値Bを越えた時点を立脚期トリガ、つまりヒールコンタクト点HCとして立脚期単独の動作パターンに従った駆動機構11の回動動作の制御を開始する。また、爪先側感圧センサ6の検出値が所定値Bを下回った時点を遊脚期トリガ、つまりヒールオフ点HO(実際には爪先が地面から離間するトゥーオフ点)として遊脚期単独の動作パターンに従った駆動機構11の回動動作の制御を開始する。
次に、図8を参照しつつ、上記で説明したCPU901が実行するプログラムにより実装された動作パターン設定部31、モータ制御部32等による処理を実現する制御部8のハードウェア構成例について説明する。
2 胴部用装具
3 脛部用装具
4 脛部用アーム
5 靴部
6 爪先用感圧センサ(第2検出部に相当)
7 踵用感圧センサ(第1検出部に相当)
8 制御部
9 駆動モータ
10 ケーブル
11 駆動機構
12 回転センサ
13 駆動部
21 マイコン
22 アンプ
23 操作部
24 表示部
31 動作パターン設定部(設定部に相当)
32 モータ制御部
41 筐体
F 床面
M 装着者
HC ヒールコンタクト点
MS ミッドスタンス点
HO ヒールオフ点
SW スウィング点
Claims (19)
- 駆動モータと、前記駆動モータの回転駆動力により装着者の足首の関節に対して同軸的に回動動作可能に装着される駆動機構を備えて、前記装着者自身による前記足首の関節の回動動作を補助する動作補助装置に対し、前記駆動モータの駆動を制御する制御装置であって、
歩行動作周期中における前記駆動機構の回動角の変化を経時的に規定する動作パターンを設定する設定部と、
前記動作パターンに基づいて前記駆動モータの駆動制御を行うモータ制御部と、
を有し、
前記設定部は、
前記歩行動作周期中において前記駆動機構の回動角を単調増加又は単調減少させる動作相の切替点における前記駆動機構の回動角を設定することにより前記動作パターンを設定する
ことを特徴とする動作補助装置の制御装置。 - 前記設定部は、
前記歩行動作周期の1周期中における前記動作相として、立脚状態で前記駆動機構の回動角を背屈側へ単調変化させる立脚前期相と、立脚状態で前記駆動機構の回動角を底屈側へ単調変化させる立脚後期相と、遊脚状態で前記駆動機構の回動角を背屈側へ単調変化させる遊脚前期相と、遊脚状態で前記駆動機構の回動角を底屈側へ単調変化させる遊脚後期相と、を順に実行するよう前記動作パターンを設定することを特徴とする請求項1記載の動作補助装置の制御装置。 - 前記設定部は、
前記遊脚後期相と前記立脚前期相の間の前記切替点であるヒールコンタクト点を、前記歩行動作周期の開始点に設定することを特徴とする請求項2記載の動作補助装置の制御装置。 - 前記設定部は、
前記立脚後期相と前記遊脚前期相の間の前記切替点であるヒールオフ点を、前記ヒールコンタクト点から略0.6周期後の時点に設定することを特徴とする請求項3記載の動作補助装置の制御装置。 - 前記設定部は、
前記立脚前期相と前記立脚後期相の間の前記切替点であるミッドスタンス点を、前記ヒールコンタクト点から次の前記ヒールオフ点までの期間の略中間時点に設定することを特徴とする請求項4記載の動作補助装置の制御装置。 - 前記設定部は、
前記遊脚前期相と前記遊脚後期相の間の前記切替点であるスウィング点を、前記ヒールオフ点から次の前記ヒールコンタクト点までの期間の略中間時点に設定することを特徴とする請求項4又は5記載の動作補助装置の制御装置。 - 前記動作補助装置は、
前記装着者の踵の接地圧力を検出する第1検出部を有し、
前記モータ制御部は、
前記第1検出部が検出した前記接地圧力が所定値を越えた際に前記ヒールコンタクト点として前記動作パターンに基づく前記駆動モータの駆動制御を実行することを特徴とする請求項3乃至6のいずれか1項に記載の動作補助装置の制御装置。 - 前記動作補助装置は、
前記装着者の拇指球の接地圧力を検出する第2検出部を有し、
前記モータ制御部は、
前記第2検出部が検出した前記接地圧力が所定値を下回った際に前記ヒールオフ点として前記動作パターンに基づく前記駆動モータの駆動制御を実行することを特徴とする請求項4乃至6のいずれか1項に記載の動作補助装置の制御装置。 - 前記モータ制御部は、
各前記動作相中に前記駆動モータを等速度制御で駆動することを特徴とする請求項3乃至8のいずれか1項に記載の動作補助装置の制御装置。 - 前記設定部は、
前記スウィング点において設定された前記駆動機構の回動角にかかわらず前記遊脚前期相中における前記駆動モータの駆動速度を任意に選択可能であることを特徴とする請求項9記載の動作補助装置の制御装置。 - 前記動作補助装置は、
前記装着者の踵の接地圧力を検出する第1検出部を有し、
前記モータ制御部は、
前記第1検出部が検出した前記接地圧力が所定値を越えた際に前記立脚前期相の動作パターンと前記立脚後期相の動作パターンに順に基づいて前記駆動モータの駆動制御を実行し、
前記第1検出部が検出した前記接地圧力が所定値を下回った際に前記遊脚前期相の動作パターンと前記遊脚後期相の動作パターンに順に基づいて前記駆動モータの駆動制御を実行することを特徴とする請求項2記載の動作補助装置の制御装置。 - 前記動作補助装置は、
前記装着者の拇指球の接地圧力を検出する第2検出部を有し、
前記モータ制御部は、
前記第2検出部が検出した前記接地圧力が所定値を越えた際に前記立脚前期相の動作パターンと前記立脚後期相の動作パターンに順に基づいて前記駆動モータの駆動制御を実行し、
前記第2検出部が検出した前記接地圧力が所定値を下回った際に前記遊脚前期相の動作パターンと前記遊脚後期相の動作パターンに順に基づいて前記駆動モータの駆動制御を実行することを特徴とする請求項2記載の動作補助装置の制御装置。 - 前記動作補助装置は、
前記装着者の踵の接地圧力を検出する第1検出部と、
前記装着者の拇指球の接地圧力を検出する第2検出部とを有し、
前記モータ制御部は、
前記第1検出部が検出した前記接地圧力が所定値を越えた際に前記立脚前期相の動作パターンと前記立脚後期相の動作パターンに順に基づいて前記駆動モータの駆動制御を実行し、
前記第2検出部が検出した前記接地圧力が所定値を下回った際に前記遊脚前期相の動作パターンと前記遊脚後期相の動作パターンに順に基づいて前記駆動モータの駆動制御を実行することを特徴とする請求項2記載の動作補助装置の制御装置。 - 前記モータ制御部は、
所定の動作相における前記駆動モータの駆動トルクの増減修正が可能であることを特徴とする請求項2乃至13のいずれか1項に記載の動作補助装置の制御装置。 - 当該制御装置は、
前記切替点における前記駆動機構の回動角の設定操作が可能な操作部と、前記切替点における前記駆動機構の回動角の設定表示が可能な表示部を含めて同一の筐体に収容されて前記装着者の身体に装着されることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の動作補助装置の制御装置。 - 当該制御装置は、
前記装着者の腰部背面に装着されることを特徴とする請求項15記載の動作補助装置の制御装置。 - 駆動モータと、
前記駆動モータの回転駆動力により装着者の足首の関節に対して同軸的に回動動作可能に装着される駆動機構と、
歩行動作周期中において、前記装着者自身による前記足首の関節の回動動作を補助するよう前記駆動機構の回動角の変化を経時的に規定する動作パターンを設定する設定部と、
前記動作パターンに基づいて前記駆動モータの駆動制御を行うモータ制御部と、
を有し、
前記設定部は、
前記歩行動作周期中において前記駆動機構の回動角を単調増加又は単調減少させる動作相の切替点における前記駆動機構の回動角を設定することにより前記動作パターンを設定する
ことを特徴とする動作補助装置。 - 駆動モータと、前記駆動モータの回転駆動力により装着者の足首の関節に対して同軸的に回動動作可能に装着される駆動機構を備えて、前記装着者自身による前記足首の関節の回動動作を補助する動作補助装置に対し、前記駆動モータの駆動を制御する制御方法であって、
歩行動作周期中における前記駆動機構の回動角の変化を経時的に規定する動作パターンを設定することと、
前記動作パターンに基づいて前記駆動モータの駆動制御を行うことと、
を実行させ、
前記動作パターンを設定する際には、
前記歩行動作周期中において前記駆動機構の回動角を単調増加又は単調減少させる動作相の切替点における前記駆動機構の回動角を設定することにより前記動作パターンを設定する
よう実行させることを特徴とする動作補助装置の制御方法。 - 駆動モータと、前記駆動モータの回転駆動力により装着者の足首の関節に対して同軸的に回動動作可能に装着される駆動機構を備えて、前記装着者自身による前記足首の関節の回動動作を補助する動作補助装置に対し、前記駆動モータの駆動を制御する制御装置に備えられた演算装置に実行させる制御プログラムであって、
歩行動作周期中における前記駆動機構の回動角の変化を経時的に規定する動作パターンを設定することと、
前記動作パターンに基づいて前記駆動モータの駆動制御を行うことと、
を実行させ、
前記動作パターンを設定する際には、
前記歩行動作周期中において前記駆動機構の回動角を単調増加又は単調減少させる動作相の切替点における前記駆動機構の回動角を設定することにより前記動作パターンを設定する
よう実行させることを特徴とする動作補助装置の制御プログラム。
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