JP4271712B2 - 運動補助装置 - Google Patents

運動補助装置 Download PDF

Info

Publication number
JP4271712B2
JP4271712B2 JP2007268314A JP2007268314A JP4271712B2 JP 4271712 B2 JP4271712 B2 JP 4271712B2 JP 2007268314 A JP2007268314 A JP 2007268314A JP 2007268314 A JP2007268314 A JP 2007268314A JP 4271712 B2 JP4271712 B2 JP 4271712B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
orthosis
motion
animal
movement
vibrator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2007268314A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2009095427A (ja
Inventor
謙 安原
圭 島田
洋介 遠藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2007268314A priority Critical patent/JP4271712B2/ja
Priority to EP08840593.1A priority patent/EP2085066B1/en
Priority to PCT/JP2008/002235 priority patent/WO2009050838A1/ja
Priority to US12/447,776 priority patent/US8317732B2/en
Publication of JP2009095427A publication Critical patent/JP2009095427A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4271712B2 publication Critical patent/JP4271712B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus ; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A61H1/0244Hip
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A63SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63BAPPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B21/00Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices
    • A63B21/40Interfaces with the user related to strength training; Details thereof
    • A63B21/4001Arrangements for attaching the exercising apparatus to the user's body, e.g. belts, shoes or gloves specially adapted therefor
    • A63B21/4011Arrangements for attaching the exercising apparatus to the user's body, e.g. belts, shoes or gloves specially adapted therefor to the lower limbs
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A63SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63BAPPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B23/00Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body
    • A63B23/035Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body for limbs, i.e. upper or lower limbs, e.g. simultaneously
    • A63B23/04Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body for limbs, i.e. upper or lower limbs, e.g. simultaneously for lower limbs
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/12Driving means
    • A61H2201/1207Driving means with electric or magnetic drive
    • A61H2201/1215Rotary drive
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16Physical interface with patient
    • A61H2201/1602Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/1614Shoulder, e.g. for neck stretching
    • A61H2201/1616Holding means therefor
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16Physical interface with patient
    • A61H2201/1602Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/1628Pelvis
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16Physical interface with patient
    • A61H2201/1602Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/1635Hand or arm, e.g. handle
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16Physical interface with patient
    • A61H2201/1602Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/164Feet or leg, e.g. pedal
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16Physical interface with patient
    • A61H2201/1602Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/164Feet or leg, e.g. pedal
    • A61H2201/1642Holding means therefor
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16Physical interface with patient
    • A61H2201/1602Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/165Wearable interfaces
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16Physical interface with patient
    • A61H2201/1657Movement of interface, i.e. force application means
    • A61H2201/1676Pivoting
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50Control means thereof
    • A61H2201/5058Sensors or detectors
    • A61H2201/5069Angle sensors
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A61H3/008Using suspension devices for supporting the body in an upright walking or standing position, e.g. harnesses

Description

本発明は、動物に力を与えることにより当該動物の周期運動を補助する装置に関する。
下肢等の身体部分の機能が低下している人間等の動物に周期的に変化する力を与えることにより、この人間の周期的な歩行運動を補助する装置が提案されている(特許文献1参照)。また、人間の運動スケールを目標運動スケールに一致させるように仮想的な弾性要素の挙動特性を表わす第2モデル(バネモデル)にしたがってこの人間に与えられる力の強弱を調節しながらこの人間の周期運動を補助または誘導する装置が提案されている(特許文献2参照)。
特開2004−073649号公報 特開2007−061217号公報
しかるに、補助力の変化パターンの決定に際して複数のモデルが用いられる場合、演算処理完了までに時間遅れが生じてしまい、これにより動物の運動リズムが目標運動リズムかに一致させるのが困難となる可能性がある。また、当該複数のモデルのうち一部が省略された場合、演算処理負荷は軽減され時間遅れの問題は解消されうるものの、動物の運動リズムを目標運動リズムに一致させる観点から補助力の変化パターンが不適当になる可能性がある。また、バネモデルによれば、人間の周期運動のリズムの速さまたは遅さに応じてこの人間に与えられる力の強弱が変動する。このため、人間の動作がある程度速い場合にはこれに応じて運動スケールを目標運動スケールに一致させる観点から十分に強い力でこの人間の周期運動が補助されうる。その一方、身体機能の著しい低下等のために人間の動作が遅い場合、運動誘導装置により人間に与えられる力の強さが、この人間の運動スケールを目標運動スケールに一致させる観点から不十分になる可能性がある。
そこで、本発明は、演算処理負荷の軽減を図りながら、人間等の動物の周期運動のリズムおよびスケールのそれぞれを目標運動リズムおよび目標運動スケールのそれぞれに一致させるような力をこの動物に与えてその周期運動を補助することができる装置を提供することを解決課題とする。
第1発明の運動補助装置は、動物に装着される装具と、該装具に連結されているアクチュエータと、該アクチュエータの出力の振幅および位相を制御する制御装置とを備え、該装具を介して該出力を該動物に与えることにより該動物の周期運動を補助する装置であって、前記制御装置が、前記動物の運動に応じて周期的に変化する運動振動子を測定する運動振動子測定要素と、前記動物の挙動状態を表わす複数の状態変数の連立微分方程式により定義され、入力振動信号に基づき、固有角速度に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成する第2モデルに、前記運動振動子測定要素により測定された前記運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として前記アクチュエータの制御基礎となる第2振動子を生成する第2振動子生成要素と、前記連立微分方程式に含まれる項または係数の値を調節する調節装置とを備えていることを特徴とする。
第1発明の運動補助装置によれば、第2モデル以外のモデルは用いられないので、その分だけ第2振動子の生成に要する演算処理負荷が軽減されうる。また、調節装置を通じて、第2振動子の生成用の第2モデルを定義する状態変数の連立微分方程式に含まれる項または係数の値が調節される。そして、当該調節後の第2モデルにしたがって第2振動子が生成され、この第2振動子に基づいて動物に与えられる周期的な力が制御される。これにより、演算処理負荷の軽減を図りながら、動物の周期運動のスケールおよびリズムのそれぞれを目標運動スケールおよび目標運動リズムのそれぞれに一致させるような力がこの動物に与えられてその周期運動が補助されうる。なお「第2運動振動子」および「第2モデル」という記載は、出願人による特許文献1および2等に開示されている関連発明との用語統一のための記載であり、「第1運動振動子」および「第1モデル」の存在を示唆するための記載ではない。
第2発明の運動補助装置は、第1発明の運動補助装置において、前記第2モデルを定義する前記連立微分方程式に前記状態変数の変化パターンを表わす時定数が含まれ、前記調節装置により当該時定数の値が調節されることを特徴とする。
第2発明の運動補助装置によれば、調節装置を通じて動物の挙動状態を表わす状態変数の変化パターンを表す時定数が調節される。これにより、第2振動子の変化パターン(角速度)およびアクチュエータの出力の変化パターンが調節されうるので、当該出力により補助される動物の運動リズムを目標運動リズムに近づけるようにその周期運動が補助されうる。
第3発明の運動補助装置は、第1または第2発明の運動補助装置において、前記第2モデルを定義する前記連立微分方程式に前記動物の運動スケールを表わす運動変数の目標値に係る係数が含まれ、前記調節装置により当該係数の値が調節されることを特徴とする。
第3発明の運動補助装置によれば、調節装置を通じて動物の運動スケールを表わす運動変数の目標値に係る係数が調節される。これにより、第2振動子の振幅およびアクチュエータの出力の振幅が調節されうるので、動物の運動スケールを目標運動スケールに近づけるようにその周期運動が補助されうる。
第4発明の運動補助装置は、第1〜第3発明のうちいずれか1つの運動補助装置において、前記装具として前記動物の第1身体部分、第2身体部分および第3身体部分のそれぞれに装着される第1装具、第2装具および第3装具を備え、前記アクチュエータが該第1装具および該第2装具に直接的に連結され、かつ、該第2装具を介して該第3装具に間接的に連結されていることを特徴とする。
第4発明の運動補助装置によれば、アクチュエータが動作することにより第1装具に対して第2装具が動かされ、第2装具の動きに追従して第3装具が動かされる。これにより、第1身体部分に対する第2身体部分の周期的な動きに加えて、第2身体部分の動きに追従するように第3身体部分の動きが補助されうる。
本発明の運動補助装置の実施形態について図面を用いて説明する。以下、脚体等の左右を区別するために符号「L」および「R」を用いるが、左右を区別する必要がない場合や左右成分を有するベクトルを表現する場合には当該符号を省略する。また、脚体(具体的には大腿部)の屈曲運動(前方運動)および伸展運動(後方運動)を区別するために符号「+」および「−」を用いる。
図1に示されている運動補助装置10は人間Pの歩行運動を補助するための装置であり、人間Pの腰部(第1身体部分)、大腿部(第2身体部分)および足部(第3身体部分)のそれぞれに取り付けられる第1装具1100、第2装具1200および第3装具1300を備えている。また、運動補助装置10は股関節角度センサ11と、アクチュエータ15と、制御装置100と、バッテリ1000とを備えている。
第1装具1100は第1サポータ1110と第1リンク部材1120とを備えている。第1サポータ1110は硬質樹脂等の剛性素材と繊維等の柔軟素材とが組み合わせられて構成され、腰部の後側に装着される。第1リンク部材1120は硬質樹脂により形成され、第1サポータ1110が腰部に取り付けられたときにこの腰部の左右に配置されるように第1サポータ1110に固定されている。第2装具1200は第2サポータ1210と、第2リンク部材122と、リブ部材1240とを備えている。第2サポータ1210は第1サポータ1110と同様に剛性素材と柔軟素材とが組み合わせられて構成され、大腿部の前側および後側のそれぞれに装着される。第1リンク部材1120は硬質樹脂により大腿部の外側に沿って縦に伸びるように形成され、アクチュエータ15の出力軸に連結されている。リブ部材1240は硬質樹脂により第1リンク部材1120から横方向に大腿部に沿って曲がりながら大腿部の前側および後側のそれぞれに伸びるように形成され、第2サポータ1210に連結されている。第3装具1300は第3サポータ1310と、第3リンク部材1320とを備えている。第3サポータ1310は人間Pの足に装着されるスリッパ状または靴状に形成されている。第3リンク部材1320は硬質樹脂により下腿部の外側に沿って縦に伸びるように形成され、上端部において第1リンク部材1120の下端部に可動に連結され、その下端部において第3サポータ1310に可動に連結または固定されている。なお、第3装具1300は省略されてもよい。
股関節角度センサ11は人間Pの腰部の横に配置されるロータリエンコーダにより構成され、股関節角度に応じた信号を出力する。アクチュエータ15はモータにより構成され、減速機およびコンプライアンス機構のうち一方または両方を適宜備えている。バッテリ1000は第1装具1100に収納されており(たとえば、第1サポータ1110を構成する複数枚の布素材の間に固定されており)、アクチュエータ15および制御装置100等に対して電力を供給する。なお、制御装置100およびバッテリ1000のそれぞれは第2装具1200や第3装具1300に取り付けられまたは収納されていてもよいし、運動補助装置10とは別個に設置されてもよい。
制御装置100は第1装具1100に収納されたコンピュータと、このコンピュータのメモリまたは記憶装置に格納されているソフトウェアとにより構成されている。制御装置100はバッテリ1000からアクチュエータ15への供給電力を調節することによりアクチュエータ15の動作または出力トルクTを制御する。図2に示されている制御装置100は、運動振動子測定要素110と、第2振動子生成要素140と、補助振動子生成要素150とを備えている。各要素はそれぞれ別個のCPU等により構成されていてもよく、共通のCPU等により構成されていてもよい。
運動振動子測定要素110は股関節角度センサ11の出力に基づき、各股関節の角度を第2運動振動子φ2として測定する。第2運動振動子φ2は人間Pの周期運動に応じて周期的に変化し、その変化パターンは振幅および位相(または位相の1回時間微分である角速度)により定義される。振動子を測定するとは、この振動子の周期的な変化パターンを測定することを意味する。
第2振動子生成要素140は、運動振動子測定要素110により測定された第2運動振動子φ2を入力振動信号として第2モデルに入力することにより、出力振動信号として第2振動子ξ2を生成する。「第2モデル」は入力振動信号に基づき、固有角速度設定要素130により設定された第2固有角速度ω2に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成するモデルである。
補助振動子生成要素150は、第2振動子生成要素140により生成された第2振動子ξ2に基づき、運動補助装置10のアクチュエータ15により大腿部に与えられるトルクの変化パターンを定める補助振動子ηを生成する。
前記構成の運動補助装置10による人間Pの歩行運動の補助方法について説明する。
運動振動子測定要素110は股関節角度センサ11の出力に基づき、人間Pの左右各股関節の角度を第2運動振動子φ2=(φ2L,φ2R)として測定する(図3/S110)。なお、第2運動振動子φ2として、人間Pの周期運動に応じて周期的に変化する任意の変数が適当なセンサを用いて測定されてもよい。たとえば、第2運動振動子φ2として股関節、膝関節、足関節、肩関節、肘関節等の任意の関節の角度や角速度、大腿部、足平部、上腕部、手部、腰部の位置(人間Pの重心を基準とした前後方向の位置または上下方向の位置など)、速度や加速度の変化パターンが測定されてもよい。さらに、左右の脚体の着床するときに生じる音、呼吸音、意図的な発音等、歩行運動リズムと連関したリズムで変動する種々のパラメータの変化パターンが第2運動振動子φ2として測定されてもよい。
また、第2振動子生成要素140が、運動振動子測定要素110により測定された第2運動振動子φ2を入力振動信号として第2モデルに入力することにより、出力振動信号として第2振動子ξ2=(ξ2L+,ξ2L-,ξ2R+,ξ2R-)を生成する(図3/S040)。第2モデルは各脚体の屈曲方向(前方)への動きおよび伸展方向(後方)への動きを司る神経要素等、複数の第2要素の相関関係を表現するモデルであり、前記のように入力振動信号に基づき、固有角速度設定要素130により設定された第2固有角速度ω2に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成するモデルである。
第2モデルはたとえば式(30)により表現される連立微分方程式により定義される。この連立微分方程式には各大腿部の屈曲方向(前方)および伸展方向(後方)のそれぞれへの挙動状態(振幅および位相により特定される。)を表現する状態変数u={ui|i=L+,L−,R+,R−}と、各挙動状態の順応性を表現するための自己抑制因子v={vi|i=L+,L−,R+,R−}とが含まれている。また、連立微分方程式(30)には歩行周期ごとの大腿部の屈曲運動の終了時点および大腿部の伸展運動の終了時点のそれぞれにおける左右の股関節角度の目標値ξ0に係る係数cが含まれている。調節装置14の調節ボタン142の操作により時定数τ1iおよび運動変数ζiの目標値ζ0iに係る係数ciの値が変更されうる。なお、調節装置14を通じて時定数τ1iもしくは係数ciに加えてまたは代えて時定数τ2={τ2i|i=L+,L−,R+,R−}、相関係数wi/j等の値が調節されてもよい。また、測定対象となる第2運動振動子φ2の数が増やされてもよい。第2モデルに入力される第2運動振動子φ2が多くなるほど連立微分方程式における相関項は多くなるが、当該相関係数の調節によって人間Pの身体の様々な部分の動作状態の相関関係に鑑みて人間Pの周期運動が適切に補助されうる。
Figure 0004271712
“τ1i”は状態変数uiの変化特性を規定する時定数であり、ω依存性を有する係数t(ω)と、定数γ=(γL,γR)とを用いて式(31)により表現されるが、第2固有角速度ω2に依存して変化する。
Figure 0004271712
“τ2i”は自己抑制因子viの変化特性を規定する時定数である。“wi/j” は人間Pの左右各脚体の屈曲方向および伸展方向への動きを表わす状態変数uiおよびujの相関関係を第2振動子ξ2の各成分の相関関係(複数の第2要素の出力振動信号の相関関係)として表現するための負の第2相関係数である。“λL”および“λR”は慣れ係数である。“K2”は第2運動振動子φ2に応じたフィードバック係数である。
“f1”は正の係数cを用いて式(32)により定義される第2固有角速度ω2の1次関数である。“f2”は係数c0,c1およびc2を用いて式(33)により定義される第2固有角速度ω2の2次関数である。
Figure 0004271712
第2振動子ξ2iは、状態変数uiの値が閾値uth未満である場合は0、状態変数uiの値が閾値uth以上である場合はこのuiの値をとる。あるいは、第2振動子ξ2iは、シグモイド関数fsによって定義されている(式(30)参照)。これにより、左大腿部の前側への挙動を表わす状態変数uL+が大きくなると第2振動子ξ2の左/屈曲成分ξ2L+の振幅が左伸展側成分ξ2L-よりも大きくなる。また、右大腿部の前側への挙動を表わす状態変数uR+が大きくなると第2振動子ξ2の右/屈曲成分ξ2R+の振幅が右伸展側成分ξ2R-の振幅よりも大きくなる。さらに、左大腿部の後側への挙動を表わす状態変数uL-が大きくなると第2振動子ξ2の左伸展側成分ξ2L-の振幅が左/屈曲成分ξ2L+よりも大きくなる。また、右大腿部の後側への挙動を表わす状態変数uR-が大きくなると第2振動子ξ2の右伸展側成分ξ2R-の振幅が右/屈曲成分ξ2R+の振幅よりも大きくなる。脚体(大腿部)の前方または後方への動きは、たとえば、股関節角速度の極性によって識別される。脚体(大腿部)の前方または後方への動きは、たとえば、股関節角速度の極性によって識別される。
次に、補助振動子生成要素150が、第2振動子生成要素140により生成された第2振動子ξ2に基づき、補助振動子η=(ηL,ηR)を設定する(図3/S050)。具体的には式(40)にしたがって補助振動子ηが生成される。すなわち、補助振動子ηの左成分ηLは、第2振動子ξ2の左/屈曲成分ξ2L+および係数χL+の積と、左側伸展成分ξ2L-および係数−χL-の積との和として算定される。補助振動子ηの右成分ηRは、第2振動子ξ2の右/屈曲成分ξ2R+および係数χR+の積と、右側伸展成分ξ2R-および係数−χR-の積との和として算定される。
Figure 0004271712
そして、第1制御装置100により補助振動子ηに基づいてバッテリ1000から左右のアクチュエータ15にそれぞれ供給される電流I=(IL,IR)が調節される。電流Iは補助振動子ηに基づき、たとえばI(t)=G1・η(t)(G1:比例係数)と表現される。これにより、第1装具1100および第2装具1200を介して運動補助装置10から人間Pに与えられる、腰部(第1身体部分)に対して各大腿部(第2身体部分)を動かす力または股関節回りのトルクT=(TL,TR)が調節される(図3/S140)。トルクTは電流Iに基づき、たとえばT(t)=G2・I(t)(G2:比例係数)と表現される。以降、前述の一連の処理が繰り返し実行される。なお、人間Pが歩行運動を開始した後、2〜3歩分の歩行運動を完了するまでの期間において、大腿部が腰部に対して適度に動かされるように運動補助装置10の動作が前記制御方法とは無関係に制御されてもよい。
前記機能を発揮する運動補助装置10によれば、アクチュエータ24が動作することにより図4(a)(b)に示されているように第1装具1100に対して第2装具1200が動かされ、第2装具1200の動きに追従して第3装具1300が動かされる。これにより、腰部(第1身体部分)に対する大腿部(第2身体部分)の周期的な動きに加え、大腿部の動きに追従するように下腿部(第3身体部分)の動きが補助される。
また、第2モデル以外のモデルは用いられないので、その分だけ第2振動子ξ2の生成に要する第1制御装置100の演算処理負荷が軽減されうる。さらに、調節装置14のボタン142の操作を通じて、第2モデルを定義する連立微分方程式に含まれる時定数τ1={τ1i|i=L+,L−,R+,R−}および係数c={ci|i=L+,L−,R+,R−}のうち一部が調節される(式(30)参照)。そして、当該調節後の第2モデルにしたがって第2振動子ξ2が生成され、第2振動子ξ2に基づいて人間Pに与えられる周期的に変化する出力トルクTが制御される(図3/S130,S140参照)。これにより、演算処理負荷の軽減を図りながら、人間Pの周期運動のスケールおよびリズムのそれぞれを目標運動スケールおよび目標運動リズムのそれぞれに一致させるような力がこの人間Pに与えられてその周期運動が補助される。また、状態変数uiの変化パターンを表す時定数τ1iが調節されることにより、第2振動子ξ2の変化パターン(角速度)およびアクチュエータ15の出力トルクTの変化パターンが調節される。このため、トルクTにより補助される人間Pの運動リズムを目標運動リズムに近づけるようにその周期運動が補助される。さらに、運動変数ζの目標値ζ0に係る係数ciが調節されることにより、第2振動子ξ2の振幅およびアクチュエータ15の出力トルクTの振幅が調節されうる。このため、人間Pの運動スケールを目標運動スケールに近づけるようにその周期運動が補助されうる。
なお、前記実施形態では人間Pの運動が補助されているが、他の実施形態として猿、犬、馬、牛等、人間以外の動物の歩行運動等が補助されてもよい。
前記実施形態では人間Pの歩行運動が補助されるように運動補助装置10が構成されているが(図1参照)、他の実施形態として人間Pのさまざまな身体部分に装着されうるように第1装具1100、第2装具1200および第3装具1300の形状や素材等が変更されることにより、歩行運動以外のさまざま周期運動が補助されるように運動補助装置10が構成されてもよい。たとえば、上腕部に対する前腕部の周期的な動きが補助されてもよい。さらに、人間Pの大腿部に対する上腕部の周期的な動きが補助されてもよい。
前記実施形態では第2制御装置200により、制御装置100の第2振動子生成要素140の演算処理結果を表わす出力信号に基づいて電気刺激装置20から人間Pに与えられる電気刺激のタイミングが制御された。そのほか、第2制御装置200により、制御装置100の第1振動子生成要素120や固有角速度設定要素130の演算処理結果を表わす出力信号に基づいて電気刺激装置20から人間Pに与えられる電気刺激のタイミングが制御されてもよい。また、股関節角度センサ11の出力信号や、人間Pに取り付けられた加速度センサの、この人間Pの上下方向の加速度を表わす出力信号の変化パターンに基づき、第2制御装置200により電気刺激装置20から人間Pに与えられる電気刺激のタイミングが制御されてもよい。当該センサの出力信号の変化パターンに基づいて人間Pの各脚体の着床状態および離床状態の遷移パターンが推定されうるので、身体機能が低下している人間Pの周期運動状態に鑑みて適当な姿勢を維持させる観点から適切なタイミングおよび強弱でこの人間Pに電気刺激が与えられうる。
人間Pの歩行訓練に際して図10に示されているように運動補助装置10のみならず、トレッドミル30およびリフタ(荷重軽減器具)50が用いられてもよい。人間Pはトレッドミル30のベース31の左右両側に設けられている手摺(荷重軽減器具)32に両手でつかまることでこの手摺32によってその体重の一部が支えられながら、後方に動くエンドレスベルト33の動きに逆らって前方に進むように歩行運動する。エンドレスベルト33は複数のローラに掛け回されており、当該ローラの一部の回転速度が制御されることによりエンドレスベルと33の速度が制御される。また、人間Pはリフタ50により巻き取り量が調節されるワイヤ52によりその体重の一部が支えられている。
また、人間Pの歩行訓練に際して図11に示されているような歩行器70が用いられてもよい。人間Pは歩行器70のベース71の左右両側に設けられている手摺72に両手でつかまることでこの手摺(荷重軽減器具)72によりその体重の一部が支持されている。ベース71は底に取り付けられている車輪の回転速度を制御しながら、人間Pの歩行運動に伴って移動することができる。
本発明の一実施形態としての運動補助装置の構成説明図 運動補助装置の制御装置の構成説明図 運動補助装置の制御方法に関する説明図 運動補助装置の動作に関する説明図 運動補助装置を用いた歩行訓練方法に関する説明図(その1) 運動補助装置を用いた歩行訓練方法に関する説明図(その2)
符号の説明
10‥運動補助装置、11‥股関節角度センサ、14‥調節装置、15‥アクチュエータ、100‥制御装置、110‥運動振動子測定要素、140‥第2振動子生成要素、150‥補助振動子生成要素、1000‥バッテリ、1100‥第1装具、1200‥第2装具、1300‥第3装具

Claims (4)

  1. 動物に装着される装具と、該装具に連結されているアクチュエータと、該アクチュエータの出力の振幅および位相を制御する制御装置とを備え、該装具を介して該出力を該動物に与えることにより該動物の周期運動を補助する装置であって、
    前記制御装置が、
    前記動物の運動に応じて周期的に変化する第2運動振動子を測定する運動振動子測定要素と、
    前記動物の挙動状態を表わす複数の状態変数の連立微分方程式により定義され、入力振動信号に基づき、固有角速度に基づいて定まる角速度で変化する出力振動信号を生成する第2モデルに、前記運動振動子測定要素により測定された前記運動振動子を該入力振動信号として入力することにより、該出力振動信号として前記アクチュエータの制御基礎となる第2振動子を生成する第2振動子生成要素と、
    前記連立微分方程式に含まれる項または係数の値を調節する調節装置とを備えていることを特徴とする運動補助装置。
  2. 請求項1記載の運動補助装置において、
    前記第2モデルを定義する前記連立微分方程式に前記状態変数の変化パターンを表わす時定数が含まれ、前記調節装置により当該時定数の値が調節されることを特徴とする運動補助装置。
  3. 請求項1または2記載の運動補助装置において、
    前記第2モデルを定義する前記連立微分方程式に前記動物の運動スケールを表わす運動変数の目標値に係る係数が含まれ、前記調節装置により当該係数の値が調節されることを特徴とする運動補助装置。
  4. 請求項1〜3のうちいずれか1つに記載の運動補助装置において、
    前記装具として前記動物の第1身体部分、第2身体部分および第3身体部分のそれぞれに装着される第1装具、第2装具および第3装具を備え、前記アクチュエータが該第1装具および該第2装具に直接的に連結され、かつ、該第2装具を介して該第3装具に間接的に連結されていることを特徴とする運動補助装置。
JP2007268314A 2007-10-15 2007-10-15 運動補助装置 Expired - Fee Related JP4271712B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007268314A JP4271712B2 (ja) 2007-10-15 2007-10-15 運動補助装置
EP08840593.1A EP2085066B1 (en) 2007-10-15 2008-08-19 Motion assisting device
PCT/JP2008/002235 WO2009050838A1 (ja) 2007-10-15 2008-08-19 運動補助装置
US12/447,776 US8317732B2 (en) 2007-10-15 2008-08-19 Motion assist device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007268314A JP4271712B2 (ja) 2007-10-15 2007-10-15 運動補助装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009095427A JP2009095427A (ja) 2009-05-07
JP4271712B2 true JP4271712B2 (ja) 2009-06-03

Family

ID=40567129

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007268314A Expired - Fee Related JP4271712B2 (ja) 2007-10-15 2007-10-15 運動補助装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8317732B2 (ja)
EP (1) EP2085066B1 (ja)
JP (1) JP4271712B2 (ja)
WO (1) WO2009050838A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10517788B2 (en) 2015-11-06 2019-12-31 Samsung Electronics Co., Ltd. Power transmission device and motion assistance device comprising the same

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5273773B2 (ja) * 2008-03-31 2013-08-28 独立行政法人国立高等専門学校機構 歩行支援装置。
GB2460238B (en) * 2008-05-20 2012-06-20 Andrew Neil Salter A machine that can be used as a running or walking training aid
JP5588724B2 (ja) * 2010-04-23 2014-09-10 本田技研工業株式会社 歩行運動補助装置
WO2012006087A1 (en) * 2010-06-28 2012-01-12 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for human trunk support device
US9734296B2 (en) 2010-09-29 2017-08-15 Articulate Labs, Inc. Orthotic support and stimulus systems and methods
JP5936233B2 (ja) * 2011-03-02 2016-06-22 国立大学法人 筑波大学 歩行訓練装置及び歩行訓練システム
US9119762B2 (en) 2011-05-30 2015-09-01 Honda Motor Co., Ltd. Walking assist device, walking assist method, walking state estimating device and walking state estimating method
JP5907370B2 (ja) * 2011-11-16 2016-04-26 国立大学法人 筑波大学 歩行訓練装置
JP5876358B2 (ja) 2012-03-30 2016-03-02 国立大学法人九州大学 歩行運動補助具
CN102613975B (zh) * 2012-04-01 2013-11-13 北京工业大学 用于检测人体下肢髋关节运动信息的穿戴型外骨骼机构
CA2916674C (en) 2013-07-09 2020-09-29 John THRELFALL External structural brace apparatus
US9226867B2 (en) 2013-07-09 2016-01-05 John Threlfall External structural brace apparatus
KR102131277B1 (ko) 2013-12-30 2020-07-07 삼성전자주식회사 보행 보조 장치 및 보행 보조 장치의 제어 방법
WO2015107577A1 (ja) * 2014-01-15 2015-07-23 パナソニック株式会社 下肢支援装具
USD786446S1 (en) * 2015-03-19 2017-05-09 Cyberdyne Inc. Wearable motion assist device
JP6449713B2 (ja) * 2015-04-23 2019-01-09 本田技研工業株式会社 動作補助装置
EP3158893B1 (en) * 2015-10-21 2021-04-28 noonee AG Seat unit for wearable sitting posture assisting device
EP3403775A4 (en) * 2016-01-15 2020-01-22 Kubota Corporation AUXILIARY DEVICE
JP6671179B2 (ja) * 2016-01-15 2020-03-25 株式会社クボタ アシスト器具
CN109475461B (zh) * 2016-07-14 2022-08-23 石黑隆 侧卧位的骶髂关节运动辅助器械
CN106112988B (zh) * 2016-08-18 2018-05-22 黄河科技学院 用于连接四肢外骨骼机构的人体躯干机械外骨骼装置
JP7014896B2 (ja) * 2018-04-13 2022-02-01 本田技研工業株式会社 歩行補助装置
JP2020195751A (ja) * 2019-06-03 2020-12-10 良 朱 下肢関節緩衝装置
CN116551657B (zh) * 2022-09-10 2023-11-07 中国农业科学院果树研究所 一种含旋转件的外骨骼及其使用方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6872187B1 (en) * 1998-09-01 2005-03-29 Izex Technologies, Inc. Orthoses for joint rehabilitation
JP4611580B2 (ja) * 2001-06-27 2011-01-12 本田技研工業株式会社 トルク付与システム
US7390309B2 (en) * 2002-09-23 2008-06-24 Honda Motor Co., Ltd. Human assist system using gravity compensation control system and method using multiple feasibility parameters
JP3930399B2 (ja) * 2002-08-21 2007-06-13 本田技研工業株式会社 歩行補助装置
JP2006075456A (ja) 2004-09-13 2006-03-23 Tohoku Univ 人体モデルに基づく装着型支援システム
JP4008464B2 (ja) * 2005-08-29 2007-11-14 本田技研工業株式会社 運動誘導装置
JP4008465B2 (ja) * 2005-09-02 2007-11-14 本田技研工業株式会社 運動誘導装置
JP3950149B2 (ja) * 2005-09-02 2007-07-25 本田技研工業株式会社 運動補助装置
WO2008124017A1 (en) * 2007-04-06 2008-10-16 University Of Delaware Passive swing assist leg exoskeleton
JP4220567B1 (ja) * 2007-08-27 2009-02-04 本田技研工業株式会社 運動補助システム
JP4271711B2 (ja) * 2007-10-02 2009-06-03 本田技研工業株式会社 運動補助装置
US8034005B2 (en) * 2007-10-02 2011-10-11 Honda Motor Co., Ltd. Motion assist device
JP5588738B2 (ja) * 2010-05-20 2014-09-10 本田技研工業株式会社 歩行運動補助装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10517788B2 (en) 2015-11-06 2019-12-31 Samsung Electronics Co., Ltd. Power transmission device and motion assistance device comprising the same

Also Published As

Publication number Publication date
EP2085066A1 (en) 2009-08-05
EP2085066A4 (en) 2014-04-09
US8317732B2 (en) 2012-11-27
JP2009095427A (ja) 2009-05-07
EP2085066B1 (en) 2015-12-23
WO2009050838A1 (ja) 2009-04-23
US20100004577A1 (en) 2010-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4271712B2 (ja) 運動補助装置
JP4271713B2 (ja) 運動補助装置
JP4220567B1 (ja) 運動補助システム
JP4271711B2 (ja) 運動補助装置
EP1929987B1 (en) Motion guide device and its control system
JP5588724B2 (ja) 歩行運動補助装置
US8287473B2 (en) Motion assist device
EP1932567B1 (en) Motion guide device and its control system
JP4185108B2 (ja) 運動管理システム
JP5588738B2 (ja) 歩行運動補助装置
US8034005B2 (en) Motion assist device
US20100132464A1 (en) Motion assisting device
JP4234765B1 (ja) 運動補助装置
JP4744585B2 (ja) 運動補助装置
JP4815486B2 (ja) 運動補助装置
JP2008253804A (ja) 運動管理システム

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20090224

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20090225

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120306

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4271712

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130306

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130306

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140306

Year of fee payment: 5

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees