JP4487060B2 - Wearable motion assist device, control method for wearable motion assist device, and control program - Google Patents
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Description
本発明は、装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置、装着式動作補助装置の制御方法および制御用プログラムに関し、特に装着者に対して与える違和感を抑えることのできる装着式動作補助装置、装着式動作補助装置の制御方法および制御用プログラムに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a wearable movement assist device that assists or substitutes for a wearer's movement, a control method for the wearable movement assist device, and a control program. The present invention relates to a control method for a device, a wearable motion assist device, and a control program.
身体障害者や高齢者等にとっては、健常者であれば簡単に行える動作でも非常に困難である場合が多い。このような人達のために今日まで種々の補助装置が開発され、実用化されてきた。このような補助装置には、車椅子や介護ベッドのように装着者が乗ってスイッチによりモータ等のアクチュエータを駆動させ、不足した力を補助する装置と、人間に装着され、装着者の意思に基づいて動作に必要な力を補助する装置とがある。人間に装着されるいわゆる装着式動作補助装置は、装着者の意思に基づき必要な動力を随時発生でき、かつ介護者を必要としないので、身体的障害者や高齢者等の介護、あるいはけが人や病人等のリハビリテーションに非常に便利であり、実用化が期待されている。このような装着式動作補助装置としては、装着者の筋活動に伴う筋電位信号を検出し、この検出結果に基づいてアクチュエータを駆動することにより、アクチュエータを装着者の意思に従って随意的に制御する装置が提案されている(非特許文献1)。 For the physically handicapped and the elderly, it is often very difficult to perform an operation that can be easily performed by a healthy person. To date, various auxiliary devices have been developed and put to practical use. In such an auxiliary device, a wearer rides like a wheelchair or a nursing bed, and an actuator such as a motor is driven by a switch to assist a shortage of force. And a device that assists the force required for operation. A so-called wearable motion assist device worn by humans can generate the necessary power at any time based on the wearer's intention and does not require a caregiver. It is very convenient for rehabilitation of sick people and is expected to be put to practical use. As such a wearable movement assist device, the myoelectric potential signal accompanying the wearer's muscle activity is detected, and the actuator is arbitrarily controlled according to the wearer's intention by driving the actuator based on the detection result. An apparatus has been proposed (Non-Patent Document 1).
ところで、装着式動作補助装置では、動作補助のための動力を装着者に付与するタイミングが装着者の動きと調和しなければ、動作がぎこちなくなり、装着者にいわゆる違和感を与えるという問題がある。ここで、動力付与のタイミングを装着者の動きと調和させるには、タイミングを装着者の動きよりも所要の微小時間だけ早くする必要があることが知られている。 By the way, in the wearing type movement assist device, there is a problem that the operation becomes awkward if the timing for applying the power for movement assistance to the wearer is not in harmony with the movement of the wearer, and the so-called discomfort is given to the wearer. Here, it is known that in order to harmonize the timing of power application with the movement of the wearer, it is necessary to make the timing earlier by a required minute time than the movement of the wearer.
しかしながら、非特許文献1の装着式動作補助装置では、装着者からの筋電位信号を検出した後にアクチュエータに動力を発生させるための処理を開始するので、動力付与のタイミングが装着者の動きよりも遅れ、装着者に著しい違和感を与える虞があった。そこで、従来においては、人間の動作を複数のパターン(タスク)に分類するとともに、各タスクを複数の所定の最小動作単位(フェーズ)に分割し、フェーズ毎に予め設定した大きさの電流を供給することにより、アクチュエータを駆動制御する装置が提案されている(例えば、非特許文献2、3)。
However, in the wearable movement assist device of Non-Patent
これらの装着式動作補助装置では、装着者から検出した関節角度等の物理量に基づいて、装着者のタスクのフェーズを推定するとともに、推定したフェーズに応じてアクチュエータを制御(自律制御)することにより、動力付与のタイミングの遅れに伴う違和感を低減するようにしている。
しかしながら、非特許文献2および3の装着式動作補助装置の制御系では、自律的制御によるものであるため、つまずく等の予期せぬ動作変更が生じた場合には、該当するタスクのフェーズへの切り替えを円滑に行うことができず、装着者に著しい違和感を与える虞があった。
However, in the control system of the wearable motion assisting device of Non-Patent
従って、本発明の目的は、装着者に与える違和感を可及的に抑えることができる装着式動作補助装置、装着式動作補助装置の制御方法および制御用プログラムを提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a wearable motion assist device, a control method for the wearable motion assist device, and a control program that can suppress discomfort given to the wearer as much as possible.
本発明の第一の実施形態では、装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置は、
前記装着者に対して動力を付与するアクチュエータを有した動作補助装着具と、
前記装着者の生体信号を検出する生体信号センサと、
前記装着者の筋骨格系を動作させるための神経伝達信号および筋活動に伴う筋電位信号を、前記生体信号センサにより検出された生体信号から取得する生体信号処理手段と、
前記生体信号処理手段により取得された神経伝達信号および筋電位信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記アクチュエータに発生させるための指令信号を生成する随意的制御手段と、
前記随意的制御手段により生成された指令信号に基づいて、前記神経伝達信号に応じた電流および前記筋電位信号に応じた駆動電流をそれぞれ生成し、前記アクチュエータに供給する駆動電流生成手段とを備えることを特徴とする。
In the first embodiment of the present invention, the wearable motion assisting device that assists or substitutes for the motion of the wearer,
An operation assisting wearing device having an actuator for applying power to the wearer;
A biological signal sensor for detecting a biological signal of the wearer;
A biological signal processing means for acquiring a nerve transmission signal for operating the wearer's musculoskeletal system and a myoelectric potential signal associated with muscle activity from the biological signal detected by the biological signal sensor;
Optional control means for generating a command signal for causing the actuator to generate power according to the intention of the wearer, using a nerve transmission signal and a myoelectric potential signal acquired by the biological signal processing means;
Drive current generation means for generating a current corresponding to the nerve transmission signal and a drive current corresponding to the myoelectric potential signal based on the command signal generated by the optional control means, and supplying the current to the actuator. It is characterized by that.
上記装着式動作補助装置の制御方法は、
前記装着者に対して動力を付与するアクチュエータを有した動作補助装着具が前記装着者に装着された状態において、
前記装着者の生体信号を検出し、
検出した生体信号から、前記装着者の筋骨格系を動作させるための神経伝達信号および筋活動に伴う筋電位信号を取得し、
取得した神経伝達信号および筋電位信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記アクチュエータに発生させるための随意的指令信号を生成し、
生成した随意的指令信号に基づいて、前記神経伝達信号に応じた電流および前記筋電位信号に応じた電流を前記アクチュエータにそれぞれ供給することを特徴とする。
The control method of the wearable motion assist device is as follows:
In a state where an operation assisting wearing device having an actuator for applying power to the wearer is worn by the wearer,
Detecting a biological signal of the wearer,
From the detected biological signal, obtain a nerve transmission signal for operating the wearer's musculoskeletal system and a myoelectric potential signal accompanying muscle activity,
Using the acquired nerve transmission signal and myoelectric potential signal, generating an optional command signal for causing the actuator to generate power according to the intention of the wearer,
Based on the generated arbitrary command signal, a current corresponding to the nerve transmission signal and a current corresponding to the myoelectric potential signal are respectively supplied to the actuator.
また上記装着式動作補助装置の制御用プログラムは、前記アクチュエータを制御するためのコンピュータに、
前記装着者の生体信号を検出するための処理と、
前記生体信号から、前記装着者の筋骨格系を動作させるための神経伝達信号および筋活動に伴う筋電位信号を取得するための処理と、
取得した神経伝達信号および筋電位信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記アクチュエータに発生させるための随意的指令信号を生成する処理と、
生成した随意的指令信号に基づいて、前記神経伝達信号に応じた電流および前記筋電位信号に応じた電流をそれぞれ生成し、前記アクチュエータに供給するための処理とを行わせることを特徴とする。
Further, the control program for the wearable motion assisting device is stored in a computer for controlling the actuator.
Processing for detecting the wearer's biological signal;
A process for acquiring a nerve transmission signal for operating the wearer's musculoskeletal system and a myoelectric potential signal associated with muscle activity from the biological signal;
Using the acquired nerve transmission signal and myoelectric potential signal, a process for generating an optional command signal for causing the actuator to generate power according to the intention of the wearer;
Based on the generated optional command signal, a current corresponding to the nerve transmission signal and a current corresponding to the myoelectric potential signal are respectively generated and processed to be supplied to the actuator.
第一の実施形態の装着式動作補助装置では、前記装着者の動作に関する物理量を検出する物理量センサを有することが好ましい。また前記生体信号処理手段は、前記神経伝達信号および記筋電位信号からなる生体信号を増幅する手段と、前記生体信号から前記神経伝達信号を抽出する第一のフィルタと、前記生体信号から前記筋電位信号を抽出する第二のフィルタとを有することが好ましい。 The wearable movement assist device of the first embodiment preferably includes a physical quantity sensor that detects a physical quantity related to the wearer's movement. The biological signal processing means includes means for amplifying a biological signal composed of the nerve transmission signal and a myoelectric potential signal, a first filter for extracting the nerve transmission signal from the biological signal, and the muscle from the biological signal. It is preferable to have a second filter for extracting a potential signal.
第一の実施形態の装着式動作補助装置では、前記駆動電流生成手段は、前記神経伝達信号に応じて生成したパルス電流と前記筋電位信号に実質的に比例するように生成した電流との総電流を前記アクチュエータに供給するとともに、前記パルス電流により前記アクチュエータの動作を開始させることが好ましい。 In the wearable motion assist device according to the first embodiment, the drive current generation means includes a total of a pulse current generated according to the nerve transmission signal and a current generated so as to be substantially proportional to the myoelectric potential signal. It is preferable that an electric current is supplied to the actuator and the operation of the actuator is started by the pulse current.
第一の実施形態の装着式動作補助装置では、前記駆動電流生成手段は、前記アクチュエータへの電流の供給を開始する際に、前記アクチュエータを駆動可能な電流の下限値よりも大きくなるように、前記パルス電流あるいは前記総電流を生成することが好ましい。 In the wearable motion assisting device of the first embodiment, when the drive current generating means starts supplying current to the actuator, the drive current generating means is larger than the lower limit value of the current that can drive the actuator. It is preferable to generate the pulse current or the total current.
第一の実施形態の装着式動作補助装置では、タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)の各々の基準パラメータと、前記アクチュエータによる動力付与率(パワーアシスト率)とを所要の対応関係となるように格納したデータベースを備え、前記随意的制御手段は、前記物理量センサにより検出された物理量を前記データベースに格納された基準パラメータと比較することにより、前記装着者が行おうとしているタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じたパワーアシスト率を前記対応関係に基づいて規定し、このパワーアシスト率となる動力を前記アクチュエータに発生させるための指令信号を生成することが好ましい。 In the wearable movement assist device of the first embodiment, each reference parameter of a series of minimum movement units (phases) constituting a movement pattern of a wearer classified as a task, and a power application rate (power assist rate) by the actuator ), And the optional control means compares the physical quantity detected by the physical quantity sensor with a reference parameter stored in the database, so that the wearer Estimate the phase of the task that is going to be performed, specify the power assist rate according to this phase based on the correspondence, and generate a command signal for causing the actuator to generate the power that becomes the power assist rate It is preferable.
第一の実施形態の装着式動作補助装置では、前記駆動電流生成手段は、前記装着者が反射神経によって動作する場合に、当該動作の反対方向に前記アクチュエータを駆動するための電流を所定の時間だけ供給した後に、前記動作の方向に前記アクチュエータを駆動するための電流を供給することが好ましい。 In the wearable movement assist device according to the first embodiment, when the wearer operates with reflexes, the drive current generation unit generates a current for driving the actuator in a direction opposite to the operation for a predetermined time. It is preferable to supply a current for driving the actuator in the direction of the operation after supplying only the current.
第一の実施形態の装着式動作補助装置の制御方法では、前記神経伝達信号に応じて生成したパルス電流と前記筋電位信号に実質的に比例するように生成した電流との総電流を前記アクチュエータに供給するとともに、前記パルス電流の供給により前記アクチュエータの動作を開始させることが好ましい。 In the control method for the wearable movement assist device of the first embodiment, the actuator calculates a total current of a pulse current generated according to the nerve transmission signal and a current generated so as to be substantially proportional to the myoelectric potential signal. Preferably, the operation of the actuator is started by supplying the pulse current.
第一の実施形態の装着式動作補助装置の制御方法では、前記アクチュエータへの電流の供給を開始する際に、前記アクチュエータを駆動可能な電流の下限値よりも大きくなるように、前記パルス電流あるいは前記総電流を供給することが好ましい。 In the control method for the wearing-type motion assisting device according to the first embodiment, when the supply of current to the actuator is started, the pulse current or the pulse current or the current is set to be larger than the lower limit value of the current that can drive the actuator. It is preferable to supply the total current.
第一の実施形態の装着式動作補助装置の制御方法では、さらに前記装着者の動作に関する物理量を検出し、検出した物理量信号と、タスクとして分類した装着者の各動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)の各々の基準パラメータとを比較することにより、前記装着者が行おうとしているタスクのフェーズを推定するとともに、このフェーズに応じた所要の動力付与率(パワーアシスト率)となる動力を前記アクチュエータに発生させるための随意的指令信号を生成し、この随意的指令信号に応じた駆動電流を生成し、前記アクチュエータに供給することが好ましい。 In the control method for the wearable movement assist device of the first embodiment, the physical quantity related to the wearer's movement is further detected, and the detected physical quantity signal and a series of minimums constituting each movement pattern of the wearer classified as a task By comparing each reference parameter of the operation unit (phase), the phase of the task that the wearer is going to perform is estimated, and a required power application rate (power assist rate) corresponding to this phase is obtained. It is preferable that an optional command signal for generating power in the actuator is generated, a drive current corresponding to the optional command signal is generated, and supplied to the actuator.
第一の実施形態の装着式動作補助装置の制御方法では、前記装着者が反射神経によって動作する場合に、当該動作の反対方向に前記アクチュエータを駆動させるための電流を所定の時間だけ供給した後に、前記動作の方向に前記アクチュエータを駆動させるための電流を供給することが好ましい。 In the control method for the wearable movement assist device according to the first embodiment, when the wearer operates by reflexes, after supplying a current for driving the actuator in a direction opposite to the operation for a predetermined time, It is preferable to supply a current for driving the actuator in the direction of the operation.
第一の実施形態の装着式動作補助装置の制御用プログラムでは、前記コンピュータに、前記神経伝達信号に応じて生成したパルス電流と前記筋電位信号に実質的に比例するように生成した電流との総電流を前記アクチュエータに供給するとともに、前記パルス電流の供給により前記アクチュエータの動作を開始させるための処理を行わせることが好ましい。 In the control program for the wearable movement assist device of the first embodiment, the computer generates a pulse current generated according to the nerve transmission signal and a current generated so as to be substantially proportional to the myoelectric potential signal. It is preferable to supply a total current to the actuator and to perform a process for starting the operation of the actuator by supplying the pulse current.
第一の実施形態の装着式動作補助装置の制御用プログラムでは、前記コンピュータに、前記アクチュエータへの電流の供給を開始する際に、前記アクチュエータを駆動可能な電流の下限値よりも大きくなるように、前記パルス電流あるいは前記総電流を設定するための処理を行わせることが好ましい。 In the control program for the wearing-type motion assisting device according to the first embodiment, when the supply of current to the actuator is started, the computer is set to be larger than the lower limit value of the current that can drive the actuator. It is preferable to perform processing for setting the pulse current or the total current.
第一の実施形態の装着式動作補助装置の制御用プログラムでは、前記コンピュータに、タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)の各々の基準パラメータと、前記アクチュエータによる動力付与率(パワーアシスト率)とを所要の対応関係となるように格納したデータベースにアクセスするための処理と、前記装着者の動作に関する物理量を検出するための処理と、検出した物理量を、前記データベースに格納された基準パラメータと比較することにより、前記装着者が行おうとしているタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じたパワーアシスト率を前記対応関係に基づいて規定し、このパワーアシスト率となる動力を前記アクチュエータに発生するための処理とを行わせることが好ましい。 In the control program for the wearable movement assist device according to the first embodiment, the computer includes, in the computer, a reference parameter for each of a series of minimum movement units (phases) constituting a wearer movement pattern classified as a task, and the actuator. The process for accessing the database storing the power application rate (power assist rate) by the required correspondence relationship, the process for detecting the physical quantity related to the wearer's movement, and the detected physical quantity, By comparing with the reference parameters stored in the database, the phase of the task that the wearer is going to perform is estimated, the power assist rate corresponding to this phase is defined based on the correspondence, and the power assist It is preferable to perform processing for generating the power to be There.
第一の実施形態の装着式動作補助装置の制御用プログラムでは、前記コンピュータに、前記装着者が反射神経によって動作する場合に、当該動作の反対方向に前記アクチュエータを駆動するための駆動電流を所定の時間だけ供給した後に、前記動作の方向に前記アクチュエータを駆動するための駆動電流を供給するための処理を行わせることが好ましい。 In the control program for the wearable movement assist device according to the first embodiment, when the wearer operates by reflexes, the computer is provided with a drive current for driving the actuator in the opposite direction of the operation. It is preferable that processing for supplying a drive current for driving the actuator in the direction of the operation is performed after the supply for the period of time.
本発明の第二の実施形態では、装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置は、
前記装着者に対して動力を付与するアクチュエータを有した動作補助装着具と、
前記装着者の生体信号を検出する生体信号センサと、
前記装着者の動作に関する物理量を検出する物理量センサと、
前記生体信号センサにより検出された生体信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記アクチュエータに発生させるための指令信号を生成する随意的制御手段と、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)の各々の基準パラメータを格納したデータベースと、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記アクチュエータに発生させるための指令信号を生成する自律的制御手段と、
前記随意的制御手段からの指令信号および前記自律的制御手段からの指令信号を合成する信号合成手段と、
前記信号合成手段により合成された総指令信号に応じた総電流を生成し、前記アクチュエータに供給する駆動電流生成手段とを備えることを特徴とする。
In the second embodiment of the present invention, the wearable movement assist device that assists or substitutes for the movement of the wearer,
An operation assisting wearing device having an actuator for applying power to the wearer;
A biological signal sensor for detecting a biological signal of the wearer;
A physical quantity sensor for detecting a physical quantity related to the movement of the wearer;
Optional control means for generating a command signal for causing the actuator to generate power according to the intention of the wearer, using a biological signal detected by the biological signal sensor;
A database that stores reference parameters for each of a series of minimum motion units (phases) constituting the motion pattern of the wearer classified as a task;
A command for estimating a phase of the wearer's task by comparing a physical quantity detected by the physical quantity sensor with a reference parameter stored in the database, and causing the actuator to generate power corresponding to the phase. An autonomous control means for generating a signal;
A signal synthesis means for synthesizing a command signal from the optional control means and a command signal from the autonomous control means;
Drive current generating means for generating a total current corresponding to the total command signal synthesized by the signal synthesizing means and supplying the total current to the actuator.
上記装着式動作補助装置の制御方法は、
前記装着者に対して動力を付与するアクチュエータを有した動作補助装着具が前記装着者に装着された状態において、
前記装着者の生体信号および前記装着者の動作に関する物理量をそれぞれ検出し、
検出した生体信号を用いて、前記装着者の意思に従った動力を前記アクチュエータに発生させるための随意的指令信号を生成し、
検出した物理量と、タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)の各々の基準パラメータとを比較することにより、前記装着者が行おうとしているタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記アクチュエータに発生させるための自律的指令信号を生成し、
これら生成した随意的指令信号および自律的信号を合成し、
合成した総指令信号に応じた電流を生成し、前記アクチュエータに供給することを特徴とする。
The control method of the wearable motion assist device is as follows:
In a state where an operation assisting wearing device having an actuator for applying power to the wearer is worn by the wearer,
Detecting physical quantities of the wearer's biological signal and the wearer's motion,
Using the detected biological signal, generate an optional command signal for causing the actuator to generate power according to the wearer's intention,
Estimate the phase of the task that the wearer is trying to perform by comparing the detected physical quantity with the reference parameters of each of the series of minimum motion units (phases) that make up the wearer's movement pattern classified as a task. And generating an autonomous command signal for causing the actuator to generate power according to this phase,
Synthesize these optional command signals and autonomous signals,
A current corresponding to the synthesized total command signal is generated and supplied to the actuator.
また上記装着式動作補助装置の制御用プログラムでは、前記アクチュエータを制御するためのコンピュータに、
前記装着者の生体信号および前記装着者の動作に関する物理量をそれぞれ検出するための処理と、
検出した生体信号を用いて、前記装着者の意思に従った動力を前記アクチュエータに発生させるための随意的指令信号を生成するための処理と、
検出した物理量を、タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)の各々の基準パラメータと比較することにより、前記装着者が行おうとしているフェーズを推定するとともに、このフェーズに応じた動力を前記アクチュエータに発生させるための随意的指令信号を生成するための処理と、
これら生成した随意的指令信号および自律的指令信号を合成した総指令信号に応じた電流を生成し、前記アクチュエータに供給するための処理とを行わせることを特徴とする。
In the control program for the wearable motion assist device, the computer for controlling the actuator includes:
A process for detecting a physical quantity relating to the wearer's biological signal and the operation of the wearer, respectively;
A process for generating an optional command signal for causing the actuator to generate power according to the intention of the wearer using the detected biological signal;
By comparing the detected physical quantity with reference parameters of each of a series of minimum operation units (phases) constituting the operation pattern of the wearer classified as a task, the phase that the wearer is going to perform is estimated, Processing for generating an optional command signal for causing the actuator to generate power according to this phase;
A current corresponding to a total command signal obtained by synthesizing the generated arbitrary command signal and autonomous command signal is generated, and processing for supplying the current to the actuator is performed.
第二の実施形態の装着式動作補助装置では、前記データベースは、前記随意的制御手段からの指令信号と前記自律的制御手段からの指令信号との比(ハイブリッド比)を、前記フェーズの基準パラメータと所要の対応関係となるように格納し、前記信号合成手段は、前記自律的制御手段により推定されたタスクのフェーズに応じ、前記対応関係に基づいて規定されるハイブリッド比となるように、前記随意的制御手段からの指令信号および前記自律的制御手段からの指令信号を合成することが好ましい。 In the wearable motion assisting device of the second embodiment, the database is configured such that a ratio (hybrid ratio) between a command signal from the optional control means and a command signal from the autonomous control means is a reference parameter of the phase. And the signal synthesis means, according to the phase of the task estimated by the autonomous control means, the hybrid ratio specified based on the correspondence relation, Preferably, the command signal from the optional control means and the command signal from the autonomous control means are combined.
第二の実施形態の装着式動作補助装置では、前記装着者の筋骨格系を動作させるための神経伝達信号および筋活動に伴う筋電位信号を、前記生体信号センサにより検出された生体信号から取得する生体信号処理手段を備え、前記駆動電流生成手段は、前記生体信号処理手段により取得された神経伝達信号に応じて生成したパルス電流の供給により前記アクチュエータの動作を開始させることが好ましい。 In the wearable movement assist device according to the second embodiment, a nerve transmission signal for operating the wearer's musculoskeletal system and a myoelectric potential signal associated with muscle activity are acquired from the biological signal detected by the biological signal sensor. It is preferable that the driving current generation unit starts the operation of the actuator by supplying a pulse current generated according to the nerve transmission signal acquired by the biological signal processing unit.
第二の実施形態の装着式動作補助装置では、前記駆動電流生成手段は、前記アクチュエータへの電流の供給を開始する際に、前記アクチュエータを駆動可能な電流の下限値よりも大きくなるように、前記パルス電流あるいは前記総電流を生成することが好ましい。 In the wearable motion assist device of the second embodiment, when the drive current generating means starts to supply current to the actuator, the drive current generating means is larger than the lower limit value of the current that can drive the actuator. It is preferable to generate the pulse current or the total current.
第二の実施形態の装着式動作補助装置では、前記データベースは、前記フェーズの各々の基準パラメータと、前記アクチュエータによる所要の動力付与率(パワーアシスト率)とを所要の対応関係となるように格納し、前記信号合成手段は、前記自律的制御手段により推定されたタスクのフェーズに応じたパワーアシスト率を前記対応関係に基づいて規定し、このパワーアシスト率を満たすように前記随意的制御手段からの指令信号および前記自律的制御手段からの指令信号を合成することが好ましい。 In the wearable motion assist device of the second embodiment, the database stores the reference parameters of the phases and the required power application rate (power assist rate) by the actuator so as to have a required correspondence relationship. The signal synthesizing unit defines a power assist rate according to the phase of the task estimated by the autonomous control unit based on the correspondence relation, and the optional control unit sets the power assist rate to satisfy the power assist rate. It is preferable to synthesize the command signal and the command signal from the autonomous control means.
第二の実施形態の装着式動作補助装置では、前記駆動電流生成手段は、前記装着者が反射神経によって動作する場合に、当該動作の反対方向に前記アクチュエータを駆動するための電流を所定の時間だけ供給した後に、前記動作の方向に前記アクチュエータを駆動するための電流を供給することが好ましい。 In the wearable movement assist device according to the second embodiment, when the wearer is operated by reflexes, the drive current generating means generates a current for driving the actuator in a direction opposite to the movement for a predetermined time. It is preferable to supply a current for driving the actuator in the direction of the operation after supplying only the current.
第二の実施形態の装着式動作補助装置の制御方法では、前記随意的指令信号と前記自律的指令信号との比(ハイブリッド比)を、前記フェーズの各々の基準パラメータと所要の対応関係となるように予め設定し、前記推定したタスクのフェーズに応じたハイブリッド比を前記対応関係に基づいて規定し、このハイブリッド比となるように前記総指令信号を合成することが好ましい。 In the control method for the wearable motion assisting device of the second embodiment, the ratio (hybrid ratio) between the voluntary command signal and the autonomous command signal is a required correspondence with each reference parameter of the phase. Preferably, the hybrid ratio corresponding to the estimated task phase is defined based on the correspondence relationship, and the total command signal is synthesized so as to be the hybrid ratio.
第二の実施形態の装着式動作補助装置の制御方法では、前記アクチュエータへの電流の供給を開始する際に、前記アクチュエータを駆動可能な電流の下限値よりも大きくなるように、前記神経伝達信号に応じた電流、あるいは当該電流と前記筋電位信号に応じた電流との総電流を供給することが好ましい。 In the control method of the wearable motion assist device of the second embodiment, the neurotransmission signal is set to be larger than the lower limit value of the current that can drive the actuator when the supply of the current to the actuator is started. It is preferable to supply a current corresponding to the current or a total current of the current and the current corresponding to the myoelectric potential signal.
第二の実施形態の装着式動作補助装置の制御方法では、前記装着者に付与する動力の比率(パワーアシスト率)を前記フェーズの各々の基準パラメータに予め対応付けておき、前記推定したタスクのフェーズに応じたパワーアシスト率となるように、前記総指令信号を設定することが好ましい。 In the control method for the wearable movement assist device of the second embodiment, the ratio of power to be given to the wearer (power assist rate) is associated in advance with each reference parameter of the phase, and the estimated task The total command signal is preferably set so that the power assist rate according to the phase is obtained.
第二の実施形態の装着式動作補助装置の制御方法では、前記装着者が反射神経によって動作する場合に、当該動作の反対方向に前記アクチュエータを駆動するための駆動電流を所定の時間だけ生成した後に、前記動作の方向に前記アクチュエータを駆動することが好ましい。 In the control method of the wearable movement assist device according to the second embodiment, when the wearer moves by reflexes, a drive current for driving the actuator in the opposite direction of the movement is generated for a predetermined time. It is preferable to drive the actuator in the direction of the operation later.
第二の実施形態の装着式動作補助装置の制御用プログラムでは、前記アクチュエータを制御するためのコンピュータに、
前記随意的指令信号と前記自律的指令信号との比(ハイブリッド比)を、前記フェーズの各々の基準パラメータと所要の対応関係となるように格納したデータベースにアクセスするための処理と、前記検出した物理量を前記データベースに格納された基準パラメータと比較することにより、前記装着者が行おうとしているタスクのフェーズを推定するとともに、このフェーズに応じたハイブリッド比を前記対応関係に基づいて規定し、このハイブリッド比となるように前記総指令信号を合成するための処理とを行わせることが好ましい。
In the control program for the wearable movement assist device of the second embodiment, the computer for controlling the actuator includes:
A process for accessing a database in which a ratio (hybrid ratio) between the voluntary command signal and the autonomous command signal is stored so as to have a required correspondence with each reference parameter of the phase, and the detected By comparing the physical quantity with the reference parameter stored in the database, the phase of the task that the wearer is going to perform is estimated, and the hybrid ratio corresponding to this phase is defined based on the correspondence relationship, It is preferable to perform processing for synthesizing the total command signal so as to obtain a hybrid ratio.
第二の実施形態の装着式動作補助装置の制御用プログラムでは、前記コンピュータに、前記アクチュエータへの電流の供給を開始する際に、前記アクチュエータを駆動可能な電流の下限値よりも大きくなるように、前記パルス電流あるいは前記総電流を設定するための処理を行わせることが好ましい。 In the control program for the wearable motion assist device of the second embodiment, when starting supplying the current to the actuator to the computer, the program is set to be larger than the lower limit value of the current that can drive the actuator. It is preferable to perform processing for setting the pulse current or the total current.
第二の実施形態の装着式動作補助装置の制御用プログラムでは、前記コンピュータに、タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)の各々の基準パラメータを、装着者に付与する動力の比率(パワーアシスト率)に対応付けて格納したデータベースにアクセスするための処理と、前記推定したタスクのフェーズに応じたパワーアシスト率となるように、前記総指令信号を設定するための処理とを行わせることが好ましい。 In the control program for the wearable movement assist device according to the second embodiment, each of the reference parameters of a series of minimum operation units (phases) constituting the wearer's movement pattern classified as a task is stored in the computer. The total command signal is set so as to obtain a power assist rate corresponding to the estimated task phase and a process for accessing a database stored in association with the ratio of power to be applied to the power (power assist rate) It is preferable to perform the process for this.
第二の実施形態の装着式動作補助装置の制御用プログラムでは、前記コンピュータに、前記装着者が反射神経によって動作する場合に、当該動作の反対方向に前記アクチュエータを駆動するための駆動電流を所定の時間だけ生成した後に、前記動作の方向に前記アクチュエータを駆動するための処理を行わせることが好ましい。 In the control program for the wearable movement assist device according to the second embodiment, when the wearer operates by reflexes, the computer is provided with a drive current for driving the actuator in a direction opposite to the operation. It is preferable that processing for driving the actuator in the direction of the operation is performed after the generation of the time.
本発明によれば、装着者の意思に従った動力をアクチュエータに発生させるための随意的指令信号と、検出された物理量とデータベースに格納された基準パラメータとの比較により推定されたタスクのフェーズに応じた動力をアクチュエータに発生させるための自律的指令信号とを合成するので、アクチュエータを素早く動作開始させることができ、随意的動作を違和感なくスムーズに行うことができる。 According to the present invention, an optional command signal for causing the actuator to generate power according to the wearer's intention, and the phase of the task estimated by comparing the detected physical quantity with the reference parameter stored in the database. Since the autonomous command signal for causing the actuator to generate the corresponding power is synthesized, the actuator can be started quickly, and the optional operation can be performed smoothly without a sense of incongruity.
また、本発明によれば、随意的指令信号と自律的指令信号とのハイブリッド比を制御することにより、動力補助の開始の遅れなく、装着者の筋力等に対して最適な動作補助を行うことができる。またデータベースに格納されたハイブリッド比をフェーズごとに引き出せば、自動的にハイブリッド比を変更することができる。これにより、各動作に適したハイブリッド比で、一層スムーズな動きをすることができる。 In addition, according to the present invention, by controlling the hybrid ratio between the voluntary command signal and the autonomous command signal, optimal operation assistance for the muscle strength of the wearer can be performed without delay in starting power assistance. Can do. If the hybrid ratio stored in the database is extracted for each phase, the hybrid ratio can be automatically changed. Thereby, it is possible to move more smoothly with a hybrid ratio suitable for each operation.
本発明によれば、神経伝達信号に応じて生成したパルス電流と筋電位信号に実質的に比例するように生成した電流との総電流をアクチュエータに供給するとともに、パルス電流の供給によりアクチュエータの動作を開始させると、アクチュエータの駆動開始の遅れを防止することができる。また前記パルス電流あるいは前記総電流がアクチュエータの駆動開始可能電流未満の場合に、前記パルス電流あるいは前記総電流がアクチュエータの駆動開始可能電流以上になるように、パルス電流を増幅することにより、神経伝達信号に正確に対応させて、アクチュエータの駆動を開始することができる。 According to the present invention, the total current of the pulse current generated according to the nerve transmission signal and the current generated so as to be substantially proportional to the myoelectric potential signal is supplied to the actuator, and the operation of the actuator is performed by supplying the pulse current. By starting the operation, it is possible to prevent a delay in the start of driving of the actuator. Further, when the pulse current or the total current is less than the current at which actuator driving can be started, the nerve current is transmitted by amplifying the pulse current so that the pulse current or the total current becomes equal to or higher than the current at which actuator driving can be started. The actuator can be started in response to the signal accurately.
本発明によれば、反射神経による動作を行う場合、動作方向に駆動する直前に反対方向に所定の時間だけアクチュエータを駆動させることにより、装着者の反射神経を利用して、かえって動作をスムーズにすることができる。 According to the present invention, when performing an operation using reflexes, the actuator is driven for a predetermined time in the opposite direction immediately before driving in the operation direction, so that the operation is smoothly performed using the wearer's reflexes. can do.
また、本発明によれば、前記物理量と前記基準パラメータとを比較することにより推定したタスクのフェーズに応じたパワーアシスト率となる動力をアクチュエータに発生させることにより、異なる体力の装着者に対して最適な動力を付与して、パワーアシストすることができる。 Further, according to the present invention, by generating the power that becomes the power assist rate according to the phase of the task estimated by comparing the physical quantity and the reference parameter, it is possible for the wearer with different physical strength. Optimal power can be applied to assist power.
以上の特徴を有する本発明の装着式動作補助装置を使用すると、身体障害者や高齢者のように、身体動作を行うのに十分な筋力がない者や身体動作そのものが困難になった者でも、違和感なくスムーズな動作を行うことができる。また例えば爆発物の処理のような危険な作業を行うために重装備をしなければならない者でも、本発明の装着式動作補助装置を装着すれば、あたかも重装備がないかのように軽快に作業することができる。 Using the wearable movement assist device of the present invention having the above features, even those who do not have sufficient muscle strength to perform physical movements or who have difficulty in physical movements, such as persons with physical disabilities and elderly persons Smooth operation can be performed without a sense of incongruity. Also, even those who have heavy equipment to perform dangerous work such as disposal of explosives will be light as if there is no heavy equipment if they are equipped with the wearable movement assist device of the present invention. Can work.
以下、本発明を実施形態毎に説明するが、各実施形態の特徴は特に断りがなければ他の実施形態にも適用可能である。
[1] 第一の実施形態
(A) 装着式動作補助装置の構成
第一の実施形態の装着式動作補助装置は、アクチュエータを有した動作補助装着具と、装着者の生体信号を検出する生体信号センサと、神経伝達信号および筋電位信号を生体信号から取得する生体信号処理手段と、神経伝達信号および筋電位信号を用い、装着者の意思に従った動力をアクチュエータに発生させるための指令信号を生成する随意的制御手段と、随意的制御手段からの指令信号に基づいて、神経伝達信号および筋電位信号に応じた電流をそれぞれ生成し、アクチュエータに供給する駆動電流生成手段とを備える。なお装着者が行おうとしているタスクのフェーズに応じたパワーアシスト率となる動力をアクチュエータに発生させる場合には、この装着式動作補助装置に装着者の動作に関する物理量を検出する物理量センサを設ける。
(1) 駆動系
図1は、その一例の駆動系(ハード系)を概略的に示す。この装着式動作補助装置は、人間(以下、装着者ともいう)1の下半身に装着する動作補助装着具2(片方の脚部は図示を省略)と、下半身(例えば太腿)から生体信号を検出する生体信号センサ221と、足の裏に貼付されて装着者1の重心を検出する重心センサ222と、生体信号センサ221により検出した生体信号から神経伝達信号および筋電位信号を取得する生体信号処理手段3と、神経伝達信号および筋電位信号に基づいて動作補助装着具2のアクチュエータ201の駆動を制御する制御装置20と、制御装置20やアクチュエータ201等に電力を供給するための電源(バッテリー、外部電源)21とを備える。
Hereinafter, although this invention is demonstrated for every embodiment, the characteristic of each embodiment is applicable also to other embodiment unless there is particular notice.
[1] First Embodiment (A) Configuration of Wearable Movement Auxiliary Device A wearable movement assist device according to a first embodiment includes a movement assist wearing device having an actuator and a living body that detects a biological signal of the wearer. A signal sensor, a biological signal processing means for acquiring a nerve transmission signal and a myoelectric potential signal from the biological signal, and a command signal for causing the actuator to generate power according to the wearer's intention using the nerve transmission signal and the myoelectric potential signal And a drive current generation unit that generates currents corresponding to the nerve transmission signal and the myoelectric potential signal based on a command signal from the optional control unit and supplies the current to the actuator. When the actuator generates power having a power assist rate corresponding to the phase of the task that the wearer is going to perform, the wearable movement assisting device is provided with a physical quantity sensor that detects a physical quantity related to the wearer's movement.
(1) Drive System FIG. 1 schematically shows an example drive system (hardware system). This wearable movement assist device has a movement assist wearing tool 2 (not shown in the figure of one leg) that is worn on the lower body of a human (hereinafter also referred to as a wearer) 1 and a biological signal from the lower half (eg, thigh). A
図2に示すように、動作補助装着具2は、上部アーム202aおよび中間アーム202bを回転自在に接合する腰用ジョイント203aと、中間アーム202bおよび下部アーム202cを回転自在に接合する膝用ジョイント203bと、下部アーム202cおよび踵部205を回転自在に接合する踝用ジョイント203cと、腰用ジョイント203aに設けられたアクチュエータ201aと、膝用ジョイント203bに設けられたアクチュエータ201bとを有する。中間アーム202bおよび下部アーム202cには装着者1の太腿およびふくらはぎに固定されるマジックテープ(登録商標)等の固定具205a,205bが取り付けられている。各アクチュエータ201a,201bはモータと減速ギアからなる。
As shown in FIG. 2, the motion assisting wearing
上部アーム202aは、装着者1の胴体に巻き付けられて固定されるウエスト部204に固定されている。ウエスト部204の背側の上縁部には上下に開口した突起部204aが設けられており、突起部204aの開口部には制御装置20および電源21等を収納したバッグ220の下端突起220aが係合する。このようにして、バッグ220の荷重はウエスト部204で受けられる。また踵部205は装着者1の踵を完全に覆う一体的な形状を有し、その一方の側壁は他方の側壁より高く延びて、その上端部には踝用ジョイント203cが取り付けられている。このため、動作補助装着具2およびバッグ220の荷重は全て踵部205で支えられ、装着者1にかかることはない。
(2) 制御系
図3は、第一の実施形態の装着式動作補助装置の制御系を示す。装着者1と動作補助装着具2は、人間機械系10を構成する。また制御装置20は、随意的制御手段4を有する。随意的制御手段4の入力端子には、装着者1の生体信号を検出する生体信号センサ221が接続され、かつ、随意的制御手段4の出力端子には、駆動電流生成手段5が接続してある。駆動電流生成手段5は、動作補助装着具2のアクチュエータ201a,201b(以下、アクチュエータ201と総称する)に接続してある。
(a) センサ
第一の実施形態の装着式動作補助装置は、人間1に装着された状態において装着者1からの生体信号を検出する生体信号センサ221を必須とする。生体信号センサ221は、通常装着者1の皮膚に貼付するが、体内に埋め込むものでも良い。その他に、図1に示すように、重心センサ222を有することが好ましい。重心センサ222は例えば足の裏に複数貼付されるもので、どの重心センサ222に最も重量がかかっているかを検出することにより人体の動作方向を予測することができる。さらに、制御精度を向上させるために、例えば、(1)装着者1の動作の状態を示す信号を得るためのセンサ(力センサ、トルクセンサ、電流センサ、角度センサ、角速度センサ、加速度センサ、床反力センサ等)、(2)外界の情報(例えば、障害物の有無)を得るためのセンサ(CCD、レーザセンサ、赤外線センサ、超音波センサ等)、(3)神経伝達信号および筋電位信号以外の生体信号を得るためのセンサ(体温センサ、脈拍センサ、脳波センサ、心電位センサ、発汗センサ等)を設けることができる。これらのセンサ自体は公知であるので、個々の説明は省略する。
(b) 生体信号処理手段
生体信号センサ221により検出された生体信号は、神経伝達信号および筋電位信号を有する。神経伝達信号は意思伝達信号とも言えるもので、(i)筋電位信号に先行しているか[図4(a)参照]、(ii)筋電位信号の先頭部と重なっている[図4(b)参照]。神経伝達信号の周波数は一般に筋電位信号の周波数より高いので、異なるバンドパスフィルタを用いることにより分離することができる。神経伝達信号は、生体信号を増幅器31により増幅した後、高帯域(例えば33Hz〜数kHz)のバンドパスフィルタ32により取り出すことができ、また筋電位信号は、生体信号を増幅器31により増幅した後、中帯域(例えば33Hz〜500Hz)のバンドパスフィルタ33により取り出すことができる。なお、図4(a)および図4(b)では、各フィルタは並列に接続されているがこれに限定されず、両フィルタが直列に接続されていても良い。また、神経伝達信号は筋電位信号の先頭部のみならず、先頭部以降についても重なる場合が有り得る。この場合には、神経伝達信号の先頭部のみを後述するパルス電流の生成に利用するようにすれば良い。
The
(2) Control System FIG. 3 shows a control system of the wearable movement assist device of the first embodiment. The
(A) Sensor The wearable movement assist device of the first embodiment requires a
(B) Biological signal processing means The biological signal detected by the
神経伝達信号および筋電位信号には、スムージング処理を行う。図4(a)および図4(b)中の各電流は、生体信号処理手段3からの信号をスムージングして得た指令信号を入力とし、駆動電流生成手段5によって生成されたものである。図4(a)に示すように神経伝達信号は幅が狭いので、スムージングだけでもパルス状となり、この神経伝達信号に基づいて駆動電流生成手段5によって生成される電流もパルス状となる。なお、神経伝達信号に基づいて得られる電流(パルス電流)は、矩形波状としても良い。一方、図4(b)に示すように筋電位信号は幅が広いので、スムージングすることにより実質的に筋電位に比例する山状となり、この筋電位信号に基づいて駆動電流生成手段5によって生成される電流も山状となる。
Smoothing processing is performed on the nerve transmission signal and the myoelectric potential signal. Each current in FIG. 4 (a) and FIG. 4 (b) is generated by the drive current generation means 5 with a command signal obtained by smoothing the signal from the biological signal processing means 3 as an input. As shown in FIG. 4A, since the nerve transmission signal has a narrow width, the smoothing alone becomes a pulse shape, and the current generated by the drive
神経伝達信号に基づいて生成されるパルス電流と、前記筋電位信号に基づいて比例的に生成される電流との総電流がアクチュエータ201に供給されると、この総電流に比例する大きさのトルクをアクチュエータ201が発生する。ここで、図4(a)および図4(b)のいずれの場合でも、総電流は十分に大きな電流で立ち上がるように設定してあるので、装着者1の動作意思に遅れなくアクチュエータ201が駆動され、装着者1は自分の意思に従った動作を違和感なく行うことができる。なお、図4(a)および図4(b)中でパルス電流を特に大きく示しているが、これはその役割を強調するためで、実際のパルス電流と筋電位信号から得られた駆動電流との関係を示すものではない。各電流の大きさは、装着者1の動作時の感覚により適宜設定することができる。
(c) 随意的制御手段
随意的制御手段4は、神経伝達信号および筋電位信号を用い、装着者1の意思に従った動力をアクチュエータ201に発生させるための指令信号を生成する機能を有する。随意的制御手段4での制御則としては、比例制御を適用することができる。比例制御により指令信号値と駆動電流値とが比例関係になり、さらにアクチュエータ201の特性により駆動電流値とアクチュエータ201の発生トルク値とが比例関係になる。従って、随意的制御手段4によって所要の指令信号を生成することにより、パワーアシスト率を所望の値に制御することができる。なお、随意的制御手段4での制御則としては、比例制御と微分制御および/または積分制御とを組み合わせたものを適用しても良い。
When the total current of the pulse current generated based on the nerve transmission signal and the current generated proportionally based on the myoelectric potential signal is supplied to the
(C) Optional Control Unit The optional control unit 4 has a function of generating a command signal for causing the
ここで、パワーアシスト率とは、装着者1が発生する力と装着具2が発生する力との分配率であり、手動または自動で調整する。このパワーアシスト率は正の値でも負の値でも良い。正のアシスト率の場合、装着者1の発生力に装着具2の発生力が付加されるが、負のアシスト率の場合、装着者1の発生力から装着具2の発生力が差し引かれ(すなわち、装着者1に負荷がかかり)、装着者1は通常以上の力を発生しなければならない。
(d) 駆動電流生成手段
駆動電流生成手段5は、随意的制御手段4からの指令信号が入力されると、この指令信号に基づいて、神経伝達信号に応じた電流および筋電位信号に応じた駆動電流をそれぞれ生成し、アクチュエータ201に供給することにより、アクチュエータ201を駆動する。
(B) 制御方法および制御用プログラム
図5に示す第一の実施形態の制御方法の好ましい一例では、装着者1に対して動力を付与するアクチュエータ201を有した動作補助装着具2を人間1に装着し(ST501)、装着者1の生体信号を検出する(ST502)。図4に示すように、生体信号処理手段3により生体信号から神経伝達信号と筋電位信号を取得し(ST503)、取得した神経伝達信号および筋電位信号を用い、装着者1の意思に従った動力をアクチュエータ201に発生させるための随意的指令信号を生成する(ST504)。この随意的指令信号は、神経伝達信号に応じたパルス電流を生成する指令信号と、筋電位信号に比例した駆動電流を生成する指令信号とからなる。各指令信号を駆動電流生成手段5に入力することにより、駆動電流生成手段5によってアクチュエータ201に供給する電流が生成される。随意的指令信号の生成に、他の信号(例えば、第一の実施形態において記載した生体信号用センサ221以外のセンサから得られる信号)を利用することもできる。以下実施形態においても、特に断りがなければ他の信号として上記と同じものを使用することができる。
Here, the power assist rate is a distribution rate between the force generated by the
(D) Drive current generating means When the command signal from the optional control means 4 is input, the drive current generating means 5 responds to the current corresponding to the nerve transmission signal and the myoelectric potential signal based on the command signal. Each of the drive currents is generated and supplied to the
(B) Control Method and Control Program In a preferred example of the control method of the first embodiment shown in FIG. 5, the motion assisting wearing
アクチュエータ201を駆動可能な電流には下限値(閾値)があるので、神経伝達信号に応じたパルス電流(パルス電流と駆動電流が重畳していない場合)、またはパルス電流と駆動電流(パルス電流と駆動電流が重畳している場合)との総電流がその下限値未満の場合には、パルス電流はアクチュエータ201の迅速な駆動開始に役立たず、駆動電流が下限値に達するまでアクチュエータ201は駆動開始しない。これでは、装着者1の大脳が動作開始の信号(神経伝達信号)を発したときと動作補助装置の始動までの間に相当の遅れが生じ、装着者1に与える違和感が大きなものとなる。これを解消するためには、神経伝達信号に応じたパルス電流に応じて直ぐにアクチュエータ201を駆動開始させることが好ましい。
Since the current that can drive the
また、アクチュエータ201および動作補助装着具2の各アーム202や各ジョイント203には慣性モーメントがあるので、装着者1の意思に遅れなく動作補助を行うには、アクチュエータ201に素早い立ち上がりのトルクを発生させることが好ましい。これらを実現するため、本実施の形態では、図6(a)に示すようにパルス電流82と駆動電流81が重畳していない場合、および図6(b)に示すようにパルス電流83と駆動電流81が重畳している場合のいずれにおいても、パルス電流82(またはパルス電流83+駆動電流81)がアクチュエータ201の駆動開始可能電流の下限値It以上でない場合(ST505におけるNo)、パルス電流82(またはパルス電流83+駆動電流81)が駆動開始可能電流の下限値It以上になるように、パルス電流82,83を増幅するようにしている(ST505a)。しかも、アクチュエータ201を確実に始動できるように、必要に応じてパルス電流82,83の幅を大きくする(神経伝達信号に対応する時間より長くする)ようにしている。これらの結果、神経伝達信号に応じたパルス電流82,83の供給により、確実にアクチュエータ201を駆動開始することができる(ST506)。
In addition, since each
こうしてアクチュエータ201を駆動開始した後、筋電位信号に応じた駆動電流81に比例するように、アクチュエータ201に駆動トルクを発生させると(ST507)、装着者1の意思に応じた動作をパワーアシストすることができる。
After driving the
上記制御を実行するには、生体信号を検出する処理(ST502)と、生体信号から神経伝達信号および筋電位信号を取得する処理(ST503)と、取得した神経伝達信号および筋電位信号を用い、装着者1の意思に従った動力をアクチュエータ201に発生させるための随意的指令信号を生成する処理(ST504)と、生成した随意的指令信号に基づいて、神経伝達信号に応じたパルス電流および筋電位信号に応じた駆動電流をそれぞれ生成し、アクチュエータ201に供給する処理(ST506,ST507)とを行わせるための制御用プログラムを、装着式動作補助装置の制御装置20(例えば、CPU、ハードディスクおよびRAM等の記憶装置、および入出力装置を有するパソコン等のコンピュータからなる)の記憶装置に格納する。なお制御装置20は、バッグ220に収納することができるが、必要に応じて装着式動作補助装置の外部に配置し、装着式動作補助装置との間での信号の送受信を無線で行うようにしても良い。
In order to execute the control, a process for detecting a biological signal (ST502), a process for acquiring a nerve transmission signal and a myoelectric potential signal from the biological signal (ST503), and the acquired nerve transmission signal and myoelectric potential signal are used. Processing for generating an optional command signal for generating power according to the intention of the
図7は、第一の実施形態の装着式動作補助装置において、アクチュエータ201の随意的制御を行う際に、装着者1の動作に関する物理量からタスクのフェーズを推定し、推定したフェーズに対応するパワーアシスト率となる動力をアクチュエータに発生させる例を示す。図7の装着式動作補助装置において、図3の装着式動作補助装置と同じ部分には同じ参照番号を付与し、類似の部分には類似の参照番号を付与してある。
FIG. 7 shows the task phase estimated from the physical quantity related to the movement of the
図7の装着式動作補助装置の詳細を説明する前に、まずタスク(Task)およびそのフェーズ(Phase)について説明する。タスクとは装着者の各動作パターンを分類したもので、フェーズは各タスクを構成する一連の最小動作単位である。図8は、人間1の基本動作として、歩行(タスクA)、立ち上がり(タスクB)、座り(タスクC)、および階段の昇りまたは降り(タスクD)を例示しているが、勿論タスクがこれらに限定される訳ではない。各タスクは上記フェーズからなり、例えば歩行タスクAは、両足が揃ったフェーズ1と、右足が前に出たフェーズ2と、左足が前にでて両足が揃った状態になったフェーズ3と、左足が前に出たフェーズ4からなる。このような一連のフェーズをフェーズ・シークエンス(Phase Sequence)という。装着者1の動作を補助するのに適切な動力はフェーズ毎に異なる。そのため、各フェーズ1〜4に異なるパワーアシスト率PAR1,PAR2,PAR3,PAR4を付与することにより、フェーズ毎に最適な動作補助を行うことができる。
Before describing the details of the wearable motion assisting device in FIG. 7, the task (Task) and its phase (Phase) will be described first. A task is a classification of each operation pattern of the wearer, and a phase is a series of minimum operation units constituting each task. FIG. 8 exemplifies walking (task A), rising (task B), sitting (task C), and ascending or descending stairs (task D) as basic actions of the
各人の動きを分析すると、各フェーズにおける各関節の回転角及び角速度、歩行速度及び加速度、姿勢、重心の移動等が決まっていることが分かる。例えば、各人の典型的な歩行パターンは決まっており、そのパターンで歩行するときに最も自然に感じる。従って、各人の各関節の回転角及び角速度等を、全タスクの全フェーズについて経験的に求め、それらを基準パラメータ(基準の回転角及び角速度等)としてデータベースに格納しておけば良い。 Analyzing each person's movement shows that the rotation angle and angular velocity, walking speed and acceleration, posture, and movement of the center of gravity of each joint in each phase are determined. For example, the typical walking pattern of each person is determined, and it feels most natural when walking in that pattern. Accordingly, the rotation angles and angular velocities of each joint of each person may be obtained empirically for all phases of all tasks and stored in the database as reference parameters (reference rotation angles and angular velocities, etc.).
図8の装着式動作補助装置は、装着者1と動作補助装着具2とからなる人間機械系10と、装着者1の生体信号から神経伝達信号および筋電位信号を取得する生体信号処理手段3と、各フェーズの基準パラメータとともに、各フェーズに割り当てられたパワーアシスト率等が格納されたデータベース6と、生体信号(神経伝達信号および筋電位信号を含む)とともに、物理量センサ13により検出された物理量(各関節の回転角及び角速度、歩行速度及び加速度、姿勢、重心の移動等、および必要に応じて、他のセンサからの信号)を取得し、取得した物理量をデータベース6の基準パラメータと比較することにより得られる随意的指令信号(パワーアシスト率等を含む)を発生する随意的制御手段14と、随意的制御手段14の指令信号に応じて動作補助装着具2のアクチュエータ201の駆動電流を生成する駆動電流生成手段5とを有する。
The wearable movement assisting device of FIG. 8 includes a
図9は、物理量を基準パラメータと比較することにより装着者1が行おうとしているタスク、およびその中のフェーズを推定するプロセスを示す。図9に示すタスクおよびフェーズは図8に示すものである。例示したタスクA(歩行)、タスクB(立上り)、タスクC(座り)・・・はそれぞれ、一連のフェーズ(フェーズA1、フェーズA2、フェーズA3・・・、フェーズB1、フェーズB2、フェーズB3・・・等)により構成されている。
FIG. 9 shows the task that the
装着者1が動作を開始すると、物理量センサ13により得られた各種の物理量の実測値をデータベース6に格納された基準パラメータと比較する。この比較は図9中のグラフで概略的に示す。このグラフでは、膝の回転角θおよび角速度θ’、腰の回転角θおよび角速度θ’、および重心位置COGおよび重心位置の移動速度COG’を示しているが、勿論比較する物理量はこれらに限定されない。
When the
一定の短い時間間隔で実測の物理量と基準パラメータとを比較する。比較は、全てのタスク(A,B,C・・・)における一連のフェーズについて行う。つまり、図9の上部表に示す全てのフェーズ(A1,A2,A3・・・,B1,B2,B3・・・,C1,C2,C3・・・)をマトリックス状に取り出し、実測の物理量と比較することになる。 The measured physical quantity is compared with the reference parameter at a fixed short time interval. The comparison is performed for a series of phases in all tasks (A, B, C...). That is, all phases (A1, A2, A3..., B1, B2, B3..., C1, C2, C3...) Shown in the upper table of FIG. Will be compared.
図9のグラフに示すように、例えば時間t1,t2,t3・・・ごとに比較していくと、実測の物理量が全て一致する基準パラメータを有するフェーズを同定することができる。一致の誤差を排除するために、複数の時間で一致することを確認した後で、フェーズの同定を行えば良い。例えば図示の例で、実測値が複数の時間でフェーズA1の基準パラメータと一致したとすると、現在の動作はフェーズA1の動作であることが分かる。勿論、実測値と一致する基準パラメータを有するフェーズはタスクの最初のフェーズ(A1,B1,C1等)とは限らない。 As shown in the graph of FIG. 9, for example, when comparison is made at each time t1, t2, t3,..., A phase having a reference parameter that matches all measured physical quantities can be identified. In order to eliminate coincidence errors, phase identification may be performed after confirming coincidence in a plurality of times. For example, in the example shown in the figure, if the measured value matches the reference parameter of phase A1 at a plurality of times, it can be seen that the current operation is the operation of phase A1. Of course, the phase having the reference parameter that matches the actually measured value is not necessarily the first phase (A1, B1, C1, etc.) of the task.
図10は、第一の実施形態の別の例として、パワーアシスト率を制御する場合の制御方法を示す。図10のST601,ST602,およびST604〜606は、実質的に図5のST501〜505aと同じであるので、それらの説明は省略し、ここではST607〜612の工程について主に説明する。 FIG. 10 shows a control method for controlling the power assist rate as another example of the first embodiment. Since ST601, ST602, and ST604 to 606 in FIG. 10 are substantially the same as ST501 to 505a in FIG. 5, the description thereof is omitted, and here, the steps of ST607 to 612 are mainly described.
物理量センサ13により人間機械系10の物理量を検出する(ST603)。各関節の回転角及び角速度、歩行速度及び加速度、姿勢等の物理量の物理量センサ13は動作補助装着具2に取り付けるが、重心の移動等の物理量の物理量センサ13は装着者1に直接貼付することが好ましい。
The physical quantity of the
物理量をデータベース6に格納した各タスクの各フェーズの基準パラメータと順次比較する(ST607)。図9を参照して説明したように、全てのタスクおよびそれらのフェーズはマトリックス状に存在するので、物理量の実測値と各フェーズの基準パラメータとを、例えばA1,A2,A3・・・,B1,B2,B3・・・,C1,C2,C3・・・との順番で順次比較する。基準パラメータは全てのタスクのフェーズ(単に「タスク/フェーズ」という)の間で重複しないように設定されているので、全てのタスクのフェーズの基準パラメータとの比較を行うと、物理量の実測値と一致する基準パラメータを有するタスクのフェーズが分かる(ST608)。物理量の実測値の測定誤差を考慮に入れて、判定に必要な一致回数を予め設定しておき、その回数に到達したときに(ST609)、物理量の実測値に対応するタスクのフェーズを推定する(ST610)。データベース6を参照することにより、補助すべき動作に対応するフェーズに割り付けたパワーアシスト率を規定し、このパワーアシスト率となる動力をアクチュエータ201に発生させるように上記随意的指令信号を調整する(ST611)。駆動電流生成手段5は調整後の随意的指令信号に応じた電流(総電流)を生成し、この総電流の供給によりアクチュエータ201を駆動する(ST612)。
The physical quantity is sequentially compared with the reference parameter of each phase of each task stored in the database 6 (ST607). As described with reference to FIG. 9, since all tasks and their phases exist in a matrix, the measured values of physical quantities and the reference parameters of each phase are represented by, for example, A1, A2, A3. , B2, B3..., C1, C2, C3. Since the reference parameters are set so that they do not overlap between all task phases (simply called “task / phase”), when comparing with the reference parameters of all task phases, The phase of the task having the matching reference parameter is known (ST608). Taking into account the measurement error of the actual measurement value of the physical quantity, the number of matches required for the determination is set in advance, and when that number is reached (ST609), the phase of the task corresponding to the actual measurement value of the physical quantity is estimated. (ST610). By referring to the
上記制御を実行するには、装着者1の生体信号を検出する処理(ST602)と、人間機械系10の物理量を検出する処理(ST603)と、検出した物理量と各タスク各フェーズ基準パラメータとを比較することにより(ST607〜609)、装着者が行おうとしているフェーズを推定し(ST610)、推定したフェーズに応じたパワーアシスト率となる動力をアクチュエータに発生させるように、随意的指令信号を生成する処理(ST611)と、随意的指令信号に応じた電流を生成し、前記アクチュエータに供給する処理(ST612)とを行わせる制御用プログラムを、装着式動作補助装置の制御装置20Aの記憶装置に格納する。
In order to execute the above control, a process of detecting a biological signal of the wearer 1 (ST602), a process of detecting a physical quantity of the human machine system 10 (ST603), a detected physical quantity, and a phase reference parameter for each task. By comparing (ST607 to 609), a phase that the wearer is going to perform is estimated (ST610), and an optional command signal is generated so that the actuator generates power that has a power assist rate according to the estimated phase. A control program for performing a process (ST611) to be generated and a process (ST612) for generating a current corresponding to an optional command signal and supplying the current to the actuator is stored in the storage device of the
以上の通り、フェーズ毎に最適化されたパワーアシスト率となるように随意的指令信号を生成し、この随意的指令信号に応じた動力付与を行うことにより、スムーズな動作補助を行うことができ、また神経伝達信号に応じたパルス電流によりアクチュエータの駆動を開始させることにより、駆動開始の遅れがない(違和感のない)動作補助を行うことができる。
[2] 第二の実施形態
(A) 装着式動作補助装置の構成
図11に例示するように、第二の実施形態の装着式動作補助装置は、アクチュエータ201を有した動作補助装着具2と、装着者1の生体信号を検出する生体信号センサ221と、人間機械系10の物理量を検出する物理量センサ13と、物理量センサ13により検出された生体信号を用い、装着者1の意思に従った動力をアクチュエータ201に発生させるための指令信号(随意的指令信号)を生成する随意的制御手段14と、タスクとして分類した装着者1の各動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)の各々の基準パラメータを格納したデータベース6と、物理量センサ13により検出された物理量とデータベース6に格納された基準パラメータとを比較することにより、装着者1のタスクのフェーズを推定し、推定したフェーズに応じた動力をアクチュエータ201に発生させるための指令信号(自律的指令信号)を生成する自律的制御手段7と、随意的制御手段4からの指令信号および自律的制御手段7からの指令信号を合成する信号合成手段8と、信号合成手段8により合成された総指令信号に応じた電流を生成し、アクチュエータ201に供給する駆動電流生成手段5とを備える。
As described above, it is possible to perform smooth operation assistance by generating an optional command signal so that the power assist rate is optimized for each phase, and applying power according to this optional command signal. In addition, by starting the driving of the actuator with a pulse current corresponding to the nerve transmission signal, it is possible to assist the operation without causing a delay in starting the driving (no sense of incongruity).
[2] Second Embodiment (A) Configuration of Wearable Motion Auxiliary Device As illustrated in FIG. 11, the wearable motion assist device of the second embodiment includes a motion assisting wearing
随意的制御手段14自体は、図3に示す第一の実施形態の随意的制御手段4と同じでよい。具体的には、図4(a)および図4(b)に示すように、神経伝達信号および筋電位信号に応じた随意的指令信号を生成し、神経伝達信号に応じたパルス電流をアクチュエータ201の駆動開始用のトリガー信号として使用することが好ましい。
The optional control means 14 itself may be the same as the optional control means 4 of the first embodiment shown in FIG. Specifically, as shown in FIGS. 4A and 4B, an optional command signal corresponding to the nerve transmission signal and the myoelectric potential signal is generated, and a pulse current corresponding to the nerve transmission signal is generated by the
自律的制御手段7は、図8および図9に示すように、物理量センサ13により検出された物理量とデータベース6に格納された各タスクの各フェーズの基準パラメータとを比較することにより、装着者1のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力をアクチュエータ201に発生させるための自律的指令信号を生成する機能を有する。従って、図8および図9に関する説明はそのまま自律的制御手段7に当てはまる。
As shown in FIG. 8 and FIG. 9, the autonomous control means 7 compares the physical quantity detected by the
信号合成手段8は随意的制御手段14からの随意的指令信号と自律的制御手段7からの自律的指令信号とを合成する。自律的制御では、例えばフェーズ毎に一定の動力を付与する。従って、合成された指令信号は、動作の開始から終了まで変化する随意的制御による動力と、フェーズ毎に一定の自律的制御による動力とを加算した動力とをアクチュエータ201に発生させる波形を有する。この指令信号合成の効果は後で詳述する実施例から明らかである。
The signal synthesizing means 8 synthesizes the optional command signal from the optional control means 14 and the autonomous command signal from the autonomous control means 7. In autonomous control, for example, constant power is applied for each phase. Therefore, the synthesized command signal has a waveform that causes the
(B) 制御方法および制御用プログラム
図12は第二の実施形態の制御方法を示す。この制御方法は、装着者1に対して動力を付与するアクチュエータ201を有した動作補助装着具2を人間1に装着し(ST701)、装着者1の生体信号を検出し(ST702)、装着者1および動作補助装着具2からなる人間機械系10の物理量を検出し(ST703)、検出した生体信号を用い、装着者1の意思に従った動力をアクチュエータ201に発生させるための随意的指令信号を生成し(ST704)、検出した物理量とデータベース6に格納された各タスクの各フェーズの基準パラメータとを比較することにより(ST705〜707)、装着者1のタスクおよびそのフェーズを推定するとともに、このタスクのフェーズに対応するハイブリッド比(随意的指令信号/自律的指令信号)を規定し(ST708)、このフェーズに応じた動力をアクチュエータ201に発生させるための自律的指令信号を生成し(ST709)、規定したハイブリッド比となるように随意的指令信号および自律的指令信号を合成して総指令信号を生成し(ST710)、この総指令信号に応じて生成した電流の供給によりアクチュエータ201を駆動する(ST711)。
(B) Control Method and Control Program FIG. 12 shows a control method according to the second embodiment. In this control method, a motion assisting wearing
ST701〜703は図10に示す第一の実施形態の例のST601〜603と同じであり、ST705〜708は図10に示す第一の実施形態の例のST607〜610と同じである。また生体信号に応じた随意的指令信号を生成する工程(ST704)は、具体的には、図10に示すST604〜606aからなるものが好ましい。 ST701 to 703 are the same as ST601 to 603 in the example of the first embodiment shown in FIG. 10, and ST705 to 708 are the same as ST607 to 610 in the example of the first embodiment shown in FIG. Further, the step (ST704) of generating an optional command signal corresponding to the biological signal is preferably composed of ST604 to 606a shown in FIG.
なお、随意的指令信号は、第一の実施形態と同様に、神経伝達信号に応じたパルス電流および筋電位信号に応じた駆動電流を生成するためのものとするのが好ましい。また、ハイブリッド比は各タスクのフェーズ毎に、装着者1の動作を違和感なくアシストできるように予め設定され、データベース6に格納しておく。このハイブリッド比は、実測の物理量と基準パラメータとの比較によりフェーズが推定されると、上述したように制御装置20Aによって自動的に規定される。この結果、所要のハイブリッド比となるように総指令信号が生成され、この総指令信号に応じた動力の付与により、種々の動作に応じた動作補助をスムーズに行うことができる。
The optional command signal is preferably used to generate a pulse current corresponding to the nerve transmission signal and a driving current corresponding to the myoelectric potential signal, as in the first embodiment. The hybrid ratio is set in advance so as to assist the operation of the
上記制御を実行するには、装着者1の生体信号を検出する処理(ST702)と、装着者1および動作補助装着具2からなる人間機械系10の物理量を検出する処理(ST703)と、検出した生体信号を用いて装着者1の意思に従った動力をアクチュエータ201に発生させるための随意的指令信号を生成する処理(ST704)と、検出した物理量と各タスクの各フェーズの基準パラメータとを比較することにより(ST705〜707)、装着者1のタスクのフェーズを推測するとともに、このフェーズに対応するハイブリッド比を規定する処理(ST708)と、このフェーズに応じた動力をアクチュエータ201に発生させるための自律的指令信号を生成する処理(ST709)と、規定したハイブリッド比となるように随意的指令信号および前記自律的指令信号を合成して総指令信号を生成する処理(ST710)と、生成した総指令信号に応じて生成した電流の供給によりアクチュエータ201を駆動する処理(ST711)とを行わせる制御用プログラムを、装着式動作補助装置の制御装置20Bの記憶装置に格納する。
In order to execute the above-described control, a process for detecting a biological signal of the wearer 1 (ST702), a process for detecting a physical quantity of the
図13は第二の実施形態の装着式動作補助装置の別の例を示す。この装着式動作補助装置は、装着者1に対して動力を付与するアクチュエータ201を有した動作補助装着具2と、装着者1の生体信号を検出する生体信号センサ221と、装着者1の動作に関する物理量を検出する物理量センサ13と、生体信号センサ221により検出された生体信号を用い、装着1の意思に従った動力をアクチュエータ201に発生させるための指令信号(随意的指令信号)を生成する随意的制御手段24と、タスクとして分類した装着者1の各動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)の各々の基準パラメータを格納したデータベース6と、物理量センサ13により検出された物理量と基準パラメータとを比較することにより装着者1の動作パターンを推測し、それに応じた動力をアクチュエータ201に発生させるための指令信号(自律的指令信号)を生成する自律的制御手段7と、随意的指令信号および自律的指令信号を合成する指令信号合成手段8と、指令信号合成手段8により合成された総指令信号に応じた電流を生成し、アクチュエータ201に供給する駆動電流生成手段5とを備える。
FIG. 13 shows another example of the wearable movement assist device of the second embodiment. The wearable movement assisting device includes a movement assisting wearing
生体信号から装着者1の筋骨格系を動作させるための神経伝達信号および筋活動に伴う筋電位信号を取得することが好ましいが、これには第一の実施形態と同じ生体信号処理手段3(図13には2つ示されているが、1つを兼用するようにしても良い)を用いれば良いので、説明を省略する。またデータベース6、自律的制御手段17、信号合成手段8および駆動電流生成手段5は図11と同様のものを適用できる。また随意的制御手段24および自律的制御手段17は、物理量センサ13により検出された物理量とデータベース6に格納された基準パラメータとを比較することにより、装着者1が行おうとしているタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じたハイブリッド比およびパワーアシスト率となるように、随意的指令信号および自律的指令信号を生成する機能を有する。
It is preferable to acquire a nerve transmission signal for operating the musculoskeletal system of the
図14および図15はこの装着式動作補助装置の制御方法の好ましい一例を示す。この制御方法では、装着者1に対して動力を付与するアクチュエータ201を有した動作補助装着具2を人間1に装着し(ST801)、装着者1の生体信号を検出し(ST802)、装着者1および動作補助装着具2からなる人間機械系10の物理量を検出し(ST803)、検出した物理量に応じた随意的指令信号を生成し(ST804)、検出した物理量と、データベース6に格納された各フェーズの基準パラメータとを比較することにより(ST805〜807)、装着者1が行おうとしているタスクのフェーズを推定するとともに、このフェーズに対応するハイブリッド比およびパワーアシスト率を規定し(ST808)、このフェーズに応じた動力でアクチュエータ201を駆動するための自律的指令信号を生成し(ST809)、規定したハイブリッド比およびパワーアシスト率となるように随意的指令信号および自律的指令信号を合成して総指令信号を生成し(ST810)、この総指令信号に応じて生成した電流の供給によりアクチュエータ201を駆動する(ST811)。
FIG. 14 and FIG. 15 show a preferred example of the control method of the wearable movement assist device. In this control method, a motion assisting wearing
上記制御を実行するには、装着者1の生体信号を検出する処理(ST802)と、装着者1および動作補助装着具2からなる人間機械系10の物理量を検出する処理(ST803)と、検出した生体信号を用い、装着者1の意思に従った動力をアクチュエータ201に発生させるための随意的指令信号を生成する処理(ST804)と、検出した物理量と各フェーズの基準パラメータとを比較することにより(ST805〜807)、装着者1が行おうとしているフェーズを推定するとともに、このタスクのフェーズに対応するハイブリッド比およびパワーアシスト率を規定する処理(ST808)と、このタスクのフェーズに応じた動力をアクチュエータ201に発生させるための自律的指令信号を生成する処理(ST809)と、規定したハイブリッド比およびパワーアシスト率となるように、随意的指令信号と前記自律的指令信号を合成して総指令信号を生成する処理(ST810)と、生成した総指令信号に応じて生成した電流の供給によりアクチュエータ201を駆動する処理(ST811)とを行わせる制御用プログラムを、装着式動作補助装置の制御装置20Cの記憶装置に格納する。
[3] その他の機能
始動時の駆動制御
(1) 反射動作の場合
例えば背後から急に押された場合、そのままでは倒れてしまうので、反射的に片足を前に出して体を支えなければならない。しかし単に片足を前に出すという制御を行うと、片足を急に前に押したことになるので、装着者は本能的に片足を突っ張り、片足を前に出す動作がぎこちなくなる。このような場合、図16に示すように、動作方向にアクチュエータ201を駆動させる電流91を供給する直前に、ごく短時間(0.01秒から0.3秒程度)反対方向の電流92を供給してアクチュエータ201を反対方向に駆動させると、装着者1は反射的に片足を前に出そうとし、動作はかえってスムーズになる。このような反射神経を利用する制御は通常のロボットではあり得ず、本発明の装着式動作補助装置のように装着者1が装着するものの場合に初めて効果を発揮するものである。
(2) 通常の動作の場合
歩行のような通常の動作の場合でも、足を上昇させる自律的制御を行うと、突然足を押されたような感じになることがある。このような違和感を取り除くためには、やはり始動時に反対方向の電流92を供給してアクチュエータ201を反対方向に駆動させる、その後で動作方向にアクチュエータ201を駆動させる電流91を供給すると、違和感なくスムーズな動きをすることができる。
In order to execute the above-described control, a process of detecting a biological signal of the wearer 1 (ST802), a process of detecting a physical quantity of the
[3] Other functions Drive control at start-up (1) In case of reflex action For example, if it is pushed suddenly from the back, it will fall down as it is, so you must support your body with one foot in a reflective manner. . However, if the control is performed such that one leg is simply moved forward, one foot is suddenly pushed forward, so that the wearer instinctively pushes one leg and makes the movement of pushing one leg forward awkward. In such a case, as shown in FIG. 16, the current 92 in the opposite direction is supplied for a very short time (about 0.01 to 0.3 seconds) immediately before supplying the current 91 for driving the
(2) In the case of normal movement Even in the case of normal movement such as walking, if you perform autonomous control that raises your foot, you may feel as if your foot has been suddenly pressed. In order to remove such a sense of incongruity, it is possible to smoothly drive the
本発明を以下の実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
実施例1
この実施例は第一の実施形態の効果を示すためのものである。装着者がリラックスして椅子に座っている状態から膝関節の伸展動作を行った場合に、神経伝達信号をトリガー信号として用いる条件(図17)、および神経伝達信号をトリガー信号として用いない条件、つまり筋電位信号に応じた駆動電流のみをアクチュエータ201bに供給する条件で(図18)、それぞれ膝のアクチュエータ201bのトルクを測定した。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.
Example 1
This example is for showing the effect of the first embodiment. A condition in which the nerve transmission signal is used as a trigger signal when the wearer is relaxed and sitting on a chair and the knee joint is extended (FIG. 17), and a condition in which the nerve transmission signal is not used as a trigger signal; That is, the torque of the knee actuator 201b was measured under the condition of supplying only the drive current corresponding to the myoelectric potential signal to the actuator 201b (FIG. 18).
前者の条件の場合、実測した生体信号から得られたトルクの先端部に、神経伝達信号に対応する所定の倍率のパルス電流を重畳したトルクが得られた。膝の回転角θの変化開始は、生体信号の検出から0.2秒後であった。これに対して、後者の条件の場合、生体信号の波形のままのトルクが得られた。このトルクの立ち上がりは緩やかであるので、膝の回転角θの変化開始まで生体信号の検出から0.3秒かかった。これらの結果から、神経伝達信号をトリガー信号として用いて、所定の幅のパルス電流(矩形波)を生体信号の先端部に生成することにより、アクチュエータ201bの駆動開始を素早くできることが分かる。
実施例2
この実施例は第二の実施形態の効果を示すためのものである。装着者が椅子に座った状態から立ち上がる動作を、自律的制御および随意的制御の組合せにより動力付与する場合を示した。図19の(c)は自律的制御による指令信号に応じた膝アクチュエータのトルクを示し、(d)は随意的制御による指令信号に応じた膝アクチュエータのトルクを示し、(e)は自律的制御による指令信号と随意的制御による指令信号とを合成した総指令信号に応じた膝アクチュエータのトルクを示す。なお、図19の(a)はフェーズ番号を示し、(b)は膝の回転角θを示す。
In the case of the former condition, a torque was obtained by superimposing a pulse current of a predetermined magnification corresponding to the nerve transmission signal on the tip of the torque obtained from the measured biological signal. The start of the change in the knee rotation angle θ was 0.2 seconds after the detection of the biological signal. On the other hand, in the case of the latter condition, the torque with the waveform of the biological signal was obtained. Since the rise of this torque is gentle, it took 0.3 seconds from the detection of the biological signal until the change of the knee rotation angle θ started. From these results, it can be seen that by using the nerve transmission signal as a trigger signal and generating a pulse current (rectangular wave) having a predetermined width at the tip of the biological signal, the drive of the actuator 201b can be started quickly.
Example 2
This example is for showing the effect of the second embodiment. The case where a wearer is powered by a combination of autonomous control and voluntary control is shown in which the wearer stands up from a sitting state. (C) of FIG. 19 shows the torque of the knee actuator according to the command signal by autonomous control, (d) shows the torque of the knee actuator according to the command signal by optional control, and (e) shows the autonomous control. The torque of the knee actuator in accordance with the total command signal obtained by synthesizing the command signal by and the command signal by optional control is shown. 19A shows the phase number, and FIG. 19B shows the knee rotation angle θ.
また図20は、装着者が椅子に座った状態から立ち上がり動作を途中まで行った後に、座り込んだ際に、自律的制御および随意的制御の組合せにより動力付与する場合を示したものである。図20の場合も、(a)はフェーズ番号を示し、(b)は膝の回転角θを示す。 FIG. 20 shows a case where power is applied by a combination of autonomous control and voluntary control when the wearer sits down after sitting up in a chair and then standing up. Also in the case of FIG. 20, (a) shows the phase number, and (b) shows the knee rotation angle θ.
図19の(e)のグラフから明らかなように、実際の膝アクチュエータのトルクはフェーズ2の立ち上がりで急激に増大し、フェーズ3の立ち下がりで急激に低下した。椅子からの立ち上がりに対応するフェーズ2の先端で、トルクが急激に増大したため、膝アクチュエータは装着者の意思に遅れなく回動を開始し、装着者は十分にパワーアシスト感を持つとともに、違和感なく立ち上がり動作をすることができた。またフェーズ3の立ち下がりでは、自律的制御によるトルクが速やかに0になることにより、装着者を不用意に押し出そうとするトルクを装着者に付与する事態を防止し、装着者に与える違和感を抑えることができる。その結果、フェーズ1〜4の全工程において、装着者は十分なパワーアシスト感を持って、違和感なくスムーズに動作を行うことができた。
As apparent from the graph of FIG. 19 (e), the actual knee actuator torque increased rapidly at the rise of
これに対して、図19の(d)に示す随意的制御による指令信号に応じたトルクでは、立ち上がりが不十分であるので、膝アクチュエータの始動を違和感のない程度に素早くすることができない。また図19の(c)に示す自律的制御による指令信号に応じたトルク、つまり一定量のトルクでは、動作の過程で変化するトルクと異なるので、やはり、違和感のないスムーズな一連の動作を行うことができない。すなわち、上述した随意的制御および自律的制御の組合せによってのみ、素早い始動と装着者の動作にマッチしたトルクの両方が得られることが分かる。 On the other hand, the torque according to the command signal by the optional control shown in FIG. 19D does not rise sufficiently, so that the knee actuator cannot be started as quickly as possible. Further, the torque according to the command signal by the autonomous control shown in FIG. 19C, that is, a certain amount of torque is different from the torque that changes in the process of operation, and therefore, a series of smooth operations without any sense of incongruity is performed. I can't. That is, it can be seen that only a combination of the above-described voluntary control and autonomous control can provide both a quick start and a torque that matches the wearer's movement.
一方、立ち上がりかけた後直ぐに座り込んだ場合には、図20の(e)のグラフから明らかなように、椅子からの立ち上がりに対応するフェーズ2の先端で、トルクが急激に増大したため、膝アクチュエータは装着者の意思に遅れなく回動を開始し、装着者は十分にパワーアシスト感を持つとともに、違和感なく立ち上がり動作をすることができた。またフェーズ3の途中においては、生体信号の生成が抑制されるため、随意的制御によるトルクが減少し、自律的制御による立ち上がる方向のトルクが付加されても、その影響は相殺され、全体のトルクは椅子に座る動作の際に違和感となるほどには大きくなかった。この結果、動作(タスク)を急に変更しても、装着者は十分なパワーアシスト感を持って、違和感なくスムーズに動作を行うことができた。
On the other hand, when sitting immediately after standing up, the torque increased sharply at the tip of
これに対して、図20の(d)に示す随意的制御による指令信号に応じたトルクでは、立ち上がりが不十分であるので、膝アクチュエータの始動を違和感のない程度に素早くすることができない。また図20の(c)に示す自律的制御による指令信号に応じたトルクでは、フェーズ3からフェーズ1に急に変化する際に、一定のトルクが動作を妨げる方向に作用し、違和感がある。このように、急に一連の動作でない動作をする場合でも、上述した随意的制御および自律的制御の組合せにより、違和感を抑えられることが分かる。
On the other hand, with the torque according to the command signal by the optional control shown in FIG. 20 (d), the start-up is insufficient, so that the knee actuator cannot be started as quickly as possible. Further, when the torque according to the command signal by autonomous control shown in (c) of FIG. 20 is suddenly changed from
本発明を上記実施形態および実施例により詳細に説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変更を施すことができる。 Although the present invention has been described in detail with reference to the above embodiments and examples, the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention.
1・・・人間(装着者)
2・・・動作補助装着具
3・・・生体信号処理手段
4,14,24・・・随意的制御手段
5・・・駆動電流生成手段
6・・・データベース
7,17・・・自律的制御手段
8・・・信号合成手段
10・・・人間機械系
13・・・物理量センサ
20,20A,20B,20C・・・制御装置
21・・・電源
201・・・アクチュエータ
202・・・アーム
203・・・ジョイント
221・・・生体信号センサ
222・・・重心センサ
1 ... Human (wearer)
2 ...
Claims (12)
前記装着者に対して動力を付与するアクチュエータを有した動作補助装着具と、
前記装着者の生体信号を検出する生体信号センサと、
前記装着者の動作に関する物理量を検出する物理量センサと、
前記生体信号センサにより検出された生体信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記アクチュエータに発生させるための指令信号を生成する随意的制御手段と、
タスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)の各々の基準パラメータを格納したデータベースと、
前記物理量センサにより検出された物理量と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者のタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記アクチュエータに発生させるための指令信号を生成する自律的制御手段と、
前記随意的制御手段からの指令信号および前記自律的制御手段からの指令信号を合成する信号合成手段と、
前記信号合成手段により合成された総指令信号に応じた総電流を生成し、前記アクチュエータに供給する駆動電流生成手段とを備えることを特徴とする装着式動作補助装置。 A wearable movement assist device that assists or acts on behalf of the wearer,
An operation assisting wearing device having an actuator for applying power to the wearer;
A biological signal sensor for detecting a biological signal of the wearer;
A physical quantity sensor for detecting a physical quantity related to the movement of the wearer;
Optional control means for generating a command signal for causing the actuator to generate power according to the intention of the wearer, using a biological signal detected by the biological signal sensor;
A database that stores reference parameters for each of a series of minimum motion units (phases) constituting the motion pattern of the wearer classified as a task;
A command for estimating a phase of the wearer's task by comparing a physical quantity detected by the physical quantity sensor with a reference parameter stored in the database, and causing the actuator to generate power corresponding to the phase. An autonomous control means for generating a signal;
A signal synthesis means for synthesizing a command signal from the optional control means and a command signal from the autonomous control means;
A mounting-type motion assisting device, comprising: drive current generating means for generating a total current corresponding to the total command signal synthesized by the signal synthesizing means and supplying the total current to the actuator.
前記データベースは、前記随意的制御手段からの指令信号と前記自律的制御手段からの指令信号との比(ハイブリッド比)を、前記フェーズの基準パラメータと所要の対応関係となるように格納し、
前記信号合成手段は、前記自律的制御手段により推定されたタスクのフェーズに応じ、前記対応関係に基づいて規定されるハイブリッド比となるように、前記随意的制御手段からの指令信号および前記自律的制御手段からの指令信号を合成することを特徴とする装着式動作補助装置。 The wearable motion assist device according to claim 1,
The database stores the ratio (hybrid ratio) between the command signal from the optional control means and the command signal from the autonomous control means so as to have a required correspondence with the reference parameter of the phase,
The signal synthesizing unit is configured to output a command signal from the voluntary control unit and the autonomous unit so that a hybrid ratio defined based on the correspondence relationship is obtained according to a task phase estimated by the autonomous control unit. A wearable motion assisting device that synthesizes a command signal from a control means.
前記装着者の筋骨格系を動作させるための神経伝達信号および筋活動に伴う筋電位信号を、前記生体信号センサにより検出された生体信号から取得する生体信号処理手段を備え、
前記駆動電流生成手段は、前記生体信号処理手段により取得された神経伝達信号に応じて生成したパルス電流の供給により、前記アクチュエータの動作を開始させることを特徴とする装着式動作補助装置。 In the wearing type movement auxiliary device according to claim 1 or 2,
A biological signal processing means for acquiring a nerve transmission signal for operating the wearer's musculoskeletal system and a myoelectric potential signal accompanying muscle activity from a biological signal detected by the biological signal sensor;
The drive-type motion assisting device, wherein the drive current generating unit starts the operation of the actuator by supplying a pulse current generated according to a nerve transmission signal acquired by the biological signal processing unit.
前記駆動電流生成手段は、前記アクチュエータへの電流の供給を開始する際に、前記アクチュエータを駆動可能な電流の下限値よりも大きくなるように、前記パルス電流あるいは前記総電流を生成することを特徴とする装着式動作補助装置。 In the wearing type movement auxiliary device according to claim 3,
The drive current generating means generates the pulse current or the total current so as to be larger than a lower limit value of a current capable of driving the actuator when supply of current to the actuator is started. Wearable motion assist device.
前記データベースは、前記フェーズの各々の基準パラメータと前記アクチュエータによる動力付与率(パワーアシスト率)とを所要の対応関係となるように格納し、
前記信号合成手段は、前記自律的制御手段により推定されたタスクのフェーズに応じたパワーアシスト率を前記対応関係に基づいて規定し、このパワーアシスト率となるように前記随意的制御手段からの指令信号および前記自律的制御手段からの指令信号を合成することを特徴とする装着式動作補助装置。 In the wearing type movement auxiliary device according to any one of claims 1 to 4,
The database stores the reference parameters of each phase and the power application rate (power assist rate) by the actuator so as to have a required correspondence relationship,
The signal synthesizing means defines a power assist rate according to the phase of the task estimated by the autonomous control means based on the correspondence relationship, and commands from the optional control means so as to be the power assist rate. A wearable motion assisting device that synthesizes a signal and a command signal from the autonomous control means.
前記駆動電流生成手段は、前記装着者が反射神経によって動作する場合に、当該動作の反対方向に前記アクチュエータを駆動するための電流を所定の時間だけ供給した後に、前記動作の方向に前記アクチュエータを駆動するための電流を供給することを特徴とする装着式動作補助装置。 In the wearing type movement auxiliary device according to any one of claims 1 to 5,
The drive current generating means supplies a current for driving the actuator in a direction opposite to the operation for a predetermined time when the wearer operates by reflexes, and then moves the actuator in the operation direction. A wearable motion assisting device that supplies a current for driving.
前記装着者に対して動力を付与するアクチュエータを有した動作補助装着具が前記装着者に装着された状態において、
前記装着者の生体信号および前記装着者の動作に関する物理量をそれぞれ検出し、
検出した生体信号を用いて、前記装着者の意思に従った動力を前記アクチュエータに発生させるための随意的指令信号を生成し、
検出した物理量とタスクとして分類した装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)の各々の基準パラメータとを比較することにより、前記装着者が行おうとしているタスクのフェーズを推定し、このフェーズに応じた動力を前記アクチュエータに発生させるための自律的指令信号を生成し、
これら生成した随意的指令信号および自律的指令信号を合成し、
合成した総指令信号に応じた電流を生成し、前記アクチュエータに供給することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。 A method of controlling a wearable motion assist device that assists or substitutes for a wearer's motion,
In a state where an operation assisting wearing device having an actuator for applying power to the wearer is worn by the wearer,
Detecting physical quantities of the wearer's biological signal and the wearer's movement,
Using the detected biological signal, generate an optional command signal for causing the actuator to generate power according to the wearer's intention,
The phase of the task that the wearer is going to perform is estimated by comparing the detected physical quantity with the reference parameters of each of a series of minimum movement units (phases) that constitute the wearer's movement pattern classified as a task. , Generating an autonomous command signal for causing the actuator to generate power according to this phase,
Combining these generated voluntary command signals and autonomous command signals,
A method for controlling a wearable motion assisting device, wherein a current corresponding to a synthesized total command signal is generated and supplied to the actuator.
前記随意的指令信号と前記自律的指令信号との比(ハイブリッド比)を、前記フェーズの各々の基準パラメータと所要の対応関係となるように予め設定しておき、前記推定したタスクのフェーズに応じたハイブリッド比を前記対応関係に基づいて規定し、このハイブリッド比となるように前記総指令信号を合成することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。 In the control method of the wearing type movement auxiliary device according to claim 7,
A ratio (hybrid ratio) between the voluntary command signal and the autonomous command signal is set in advance so as to have a required correspondence with each reference parameter of the phase, and according to the estimated task phase A control method for the wearable motion assisting device, wherein the hybrid ratio is defined based on the correspondence relationship, and the total command signal is synthesized so as to be the hybrid ratio.
前記アクチュエータへの電流の供給を開始する際に、前記アクチュエータを駆動可能な電流の下限値よりも大きくなるように、前記パルス電流あるいは前記総電流を供給することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。 In the control method of the wearing type movement auxiliary device according to claim 8,
When the supply of the current to the actuator is started, the pulse current or the total current is supplied so that the pulse current or the total current is larger than a lower limit value of a current capable of driving the actuator. Control method.
前記装着者に付与する動力の比率(パワーアシスト率)を前記フェーズの各々の基準パラメータと所要の対応関係となるように予め設定しておき、前記推定したタスクのフェーズに応じたパワーアシスト率を前記対応関係に基づいて規定し、このパワーアシスト率となるように前記総指令信号を合成することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。 In the control method of the wearing type movement auxiliary device according to any one of claims 7 to 9,
A power ratio (power assist rate) to be given to the wearer is set in advance so as to have a required correspondence relationship with each reference parameter of the phase, and a power assist rate corresponding to the estimated task phase is set. A control method for a wearable motion assisting device, which is defined based on the correspondence relationship and synthesizes the total command signal so as to achieve this power assist rate.
前記装着者が反射神経によって動作する場合に、当該動作の反対方向に前記アクチュエータを駆動するための駆動電流を所定の時間だけ生成した後に、前記動作の方向に前記アクチュエータを駆動することを特徴とする装着式動作補助装置の制御方法。 In the control method of the wearing type movement auxiliary device according to any one of claims 7 to 10,
When the wearer operates by reflexes, the actuator is driven in the direction of the operation after generating a drive current for driving the actuator in a direction opposite to the operation for a predetermined time. Control method for a wearable motion assist device.
A program for causing a computer for controlling the wearable motion assisting device to execute the control method according to any one of claims 7 to 11.
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