JP5061285B2 - Biological exercise support device - Google Patents

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JP5061285B2 JP2007210481A JP2007210481A JP5061285B2 JP 5061285 B2 JP5061285 B2 JP 5061285B2 JP 2007210481 A JP2007210481 A JP 2007210481A JP 2007210481 A JP2007210481 A JP 2007210481A JP 5061285 B2 JP5061285 B2 JP 5061285B2
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Description

本発明は、機能的電気刺激(FES;Functional Electrical Stimulation)による筋力と駆動装置による駆動力を併用する生体運動支援装置にかかるものであって、特に関節角をフィードバックするフィードバック制御により前記駆動装置を制御する技術に関するものである。   The present invention relates to a biological motion support device that uses both muscle force by functional electrical stimulation (FES) and driving force by a driving device, and particularly, the driving device by feedback control that feeds back a joint angle. It relates to the technology to control.

脊椎損傷の患者は、筋肉の機能は正常であるものの神経が断裂されているため、神経がその上位組織からの運動指令を伝えることができず、その損傷された脊椎の部位に対応する筋肉を動かすことができない。   A patient with spinal cord injury has normal muscle function but the nerve is torn, so the nerve cannot transmit motor commands from its superior tissue, and the muscle corresponding to the damaged spine site I can't move it.

前述のように脊椎を損傷した場合であっても、筋肉の機能は正常であるため、外部から適切な電気信号を与えることにより筋肉を動作させる技術である機能的電気刺激(FES)が提案されている。そして、この機能的電気刺激を用いた運動支援や運動機能の再建が検討されている。例えば特許文献1に記載の技術がそれである。   Even when the spine is damaged as described above, the function of the muscle is normal, so functional electrical stimulation (FES), which is a technique for operating the muscle by applying an appropriate electrical signal from the outside, has been proposed. ing. Then, exercise support using this functional electrical stimulation and reconstruction of motor function are being studied. For example, this is the technique described in Patent Document 1.

特開2002−200104号公報JP 2002-200104 A 特開平7−163607号公報JP-A-7-163607

一方で、モータなどの外部の駆動装置から得られる動力により運動支援を行なう方法が提案されている。例えば、特許文献2においては、使用者の足に装着することにより筋力補助を行なうことのできる電動補助装置が開示されている。   On the other hand, a method has been proposed in which exercise support is provided by power obtained from an external drive device such as a motor. For example, Patent Literature 2 discloses an electric assist device that can assist muscle strength by being worn on a user's foot.

前記機能的電気刺激(電気的刺激)を用いた運動支援や運動機能の再建を行なうと、自己の筋肉を動作させるため、筋肉を動作させないことに伴う血行の悪化や、関節の外れなどを防止することができる。しかしながら、機能的電気刺激のみを用いて運動支援や運動機能の再建を行なう場合、(1)運動に用いられる主要な筋肉のそれぞれについて、電気的刺激を与えるための電極を前記該筋肉近傍の皮膚に貼り付けたりあるいは皮下組織に埋め込む必要がある、(2)電極の位置のずれや、筋肉の疲労などにより、与える電気的刺激に対する筋力の大きさの再現性が乏しい、(3)筋力を測定するための筋肉の活動電位信号と筋力を発生させるための電気的刺激とが生体内に同時に存在するため、正確な筋肉の活動電位信号を測定することができず発生する筋力をフィードバック制御することが困難で、特に例えば歩行時などの動的な状況における姿勢の安定性を保つことが困難である、などの問題があった。機能的電気刺激のみを用いて運動支援や運動機能の再建を行なう場合には、この機能的電気刺激によって発生する筋力以外には特に運動に関与する力を発生する手段がなく、そのため、杖や歩行器などを併用する必要があった。   When exercise support using the functional electrical stimulation (electrical stimulation) or reconstruction of the exercise function is performed, the self-muscles are operated, so that deterioration of blood circulation and disjoint of the joints caused by not operating the muscles are prevented. can do. However, when performing exercise support or reconstruction of exercise function using only functional electrical stimulation, (1) for each of the main muscles used for exercise, an electrode for applying electrical stimulation is provided in the skin near the muscle. (2) Poor reproducibility of the magnitude of the muscle strength for electrical stimulation due to displacement of the electrode position or muscle fatigue. (3) Measurement of muscle strength The muscle action potential signal and the electrical stimulation for generating muscle force are simultaneously present in the living body, so that the accurate muscle action potential signal cannot be measured, and the generated muscle force is feedback controlled. In particular, there is a problem that it is difficult to maintain posture stability in a dynamic situation such as walking. When reconstructing exercise support or motor function using only functional electrical stimulation, there is no means to generate force related to exercise in addition to the muscular strength generated by this functional electrical stimulation. It was necessary to use a walker.

一方、モータなどの外部の駆動装置から得られる動力により運動支援を行なう場合、モータによって制御される関節の角度やモータの出力トルクなどは例えばフィードバック制御を行なうことにより正確な制御が得られるという利点がある。しかしながら、このような外部の駆動装置のみによって運動支援を行なう場合、(1)生体の運動に必要な全ての動力を前記外部の駆動装置によって発生させる必要があるため、要求される出力の増大に伴って前記駆動装置の重量が重くなったり、またこれに伴って前記駆動装置に電気を供給するためのバッテリも大容量化する必要があるため、運動支援ができなくなったり、あるいは装置を生体に装着することが困難になる、(2)自身の筋肉を動作させる必要がないため、線維の大きさおよび数の減少による筋の縮小などの廃用症候群を助長させることとなり、リハビリを妨げる可能性がある、などの問題がある。   On the other hand, when exercise support is provided by power obtained from an external drive device such as a motor, the angle of the joint controlled by the motor, the output torque of the motor, etc. can be accurately controlled by performing feedback control, for example. There is. However, when exercise support is performed only by such an external drive device, (1) it is necessary to generate all the power necessary for the movement of the living body by the external drive device, so that the required output is increased. Along with this, the weight of the drive device becomes heavy, and accordingly, a battery for supplying electricity to the drive device also needs to be increased in capacity, so that it becomes impossible to support exercise, or the device is used as a living body. It becomes difficult to wear (2) Since it is not necessary to move its own muscles, it may promote disuse syndromes such as muscle contraction due to a decrease in the size and number of fibers, and may hinder rehabilitation There are problems such as.

本発明は以上の事情を背景としてなされたものであり、その目的とするところは、機能的電気刺激により発生する筋力と、外部の駆動装置によって発生する動力とを併用した、生体の関節を介して連結された2つの部位の生体運動支援装置を提供することにある。   The present invention has been made against the background of the above circumstances, and the object of the present invention is through a joint of a living body, which is a combination of muscular strength generated by functional electrical stimulation and power generated by an external driving device. Another object of the present invention is to provide a biological motion support device for two parts connected together.

本発明者等は、以上の課題を解決するために種々検討を重ねた結果、機能的電気刺激により発生する筋力と、外部の駆動装置によって発生する動力とを併用する際において、前記生体の関節の角度の時間変化のみならず、前記関節の角度をフィードバックするフィードバック制御を行なうことにより駆動装置の出力を制御すると、外乱や負荷が存在する場合であっても前記関節の角度を目標値に追従させることができる、いわゆるロバスト性を有するという点を見いだした。本発明は、このような知見に基づいて為されたものである。   As a result of various studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have used the muscle joint generated by functional electrical stimulation and the power generated by an external driving device in combination. When the output of the drive device is controlled by feedback control that feeds back the angle of the joint as well as the time change of the angle of the joint, the angle of the joint follows the target value even when there is a disturbance or a load. It has been found that it has so-called robustness. The present invention has been made based on such knowledge.

すなわち、かかる課題を解決するための請求項1にかかる発明は、(a)生体の第1部位に沿って取り付けられる第1支柱と、該生体の第1部位と関節を介して連結された第2部位に沿って取り付けられる第2支柱と、前記第1支柱および前記第2支柱を相対回動可能に連結する連結部と、前記第1支柱と前記第2支柱とを連結する前記連結部を開閉駆動する駆動装置と、該駆動装置による前記連結部の開閉駆動と関連して、前記生体の第1部位および第2部位を屈曲あるいは伸展させる動作に関与する筋肉に電気的刺激を与えるための信号を出力する電気的刺激付与部と、を有し、前記生体の第1部位および前記第2部位の屈曲あるいは伸展を支援するための生体運動支援装置であって、(b)前記連結部の角度を検出する角度検出部と、(c)予め設定された目標動作における前記連結部の角度の目標値と該角度検出部によって検出された実際の連結部の角度との偏差に基づいて前記駆動装置の出力を制御するフィードバック制御部を有することを特徴とする。   That is, the invention according to claim 1 for solving such a problem includes: (a) a first support post attached along a first part of a living body; and a first strut connected to the first part of the living body via a joint. A second support attached along two parts, a connecting part for connecting the first support and the second support so as to be relatively rotatable, and the connecting part for connecting the first support and the second support; A drive device for driving to open and close, and an electrical stimulus to muscles involved in an operation of bending or extending the first part and the second part of the living body in relation to the opening and closing drive of the connecting part by the drive device A body motion support device for supporting bending or extension of the first part and the second part of the living body, and (b) An angle detector for detecting the angle; c) a feedback control unit that controls the output of the driving device based on a deviation between a target value of the angle of the connecting unit in a preset target operation and an actual angle of the connecting unit detected by the angle detecting unit; It is characterized by having.

また、請求項2にかかる発明は、前記目標動作における連結部の角度の目標値は、健常者の前記第1部位および第2部位を屈曲あるいは伸展させる動作に基づいて予め定められた時間関数であることを特徴とする。   In the invention according to claim 2, the target value of the angle of the connecting portion in the target action is a time function determined in advance based on an action of bending or extending the first part and the second part of a healthy person. It is characterized by being.

また、請求項3にかかる発明は、前記連結部の角度の目標値は、前記第1部位および第2部位を屈曲あるいは伸展させる目標動作における前記連結部の角度の大きさおよび/または連結部の角度の角速度に対応して予め複数種類が定められ、該複数種類の目標値は切換可能であることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, the target value of the angle of the connecting portion is determined by the magnitude of the angle of the connecting portion and / or the connecting portion in a target operation for bending or extending the first portion and the second portion. A plurality of types are determined in advance corresponding to the angular velocity of the angle, and the plurality of types of target values can be switched.

また、請求項4にかかる発明は、前記電気的刺激付与部は、前記第1部位および第2部位を屈曲あるいは伸展させる動作に関与する筋肉にのみ電気的刺激を与えることを特徴とする。   The invention according to claim 4 is characterized in that the electrical stimulus applying unit applies an electrical stimulus only to a muscle involved in an operation of bending or extending the first part and the second part.

また、請求項5にかかる発明は、前記電気的刺激付与部は、前記第1部位および第2部位を伸展させる動作を行なう場合には、該第1部位および第2部位が伸展された状態を維持する場合に比べて前記第1部位および第2部位を伸展させる動作に関与する筋肉が発生する筋力が大きくなるように、前記筋肉に電気的刺激を与えることを特徴とする。   In the invention according to claim 5, when the electrical stimulation applying unit performs an operation of extending the first part and the second part, the electrical stimulation applying unit is in a state where the first part and the second part are extended. Compared with the case where it maintains, it is characterized by giving an electric stimulus to the muscle so that the muscular strength which the muscle which participates in the operation which extends the 1st part and the 2nd part generates may become large.

また、請求項6にかかる発明は、(a)生体の第1部位に沿って取り付けられる第1支柱と、該生体の第1部位と第1関節を介して連結された第2部位に沿って取り付けられる第2支柱と、前記第1支柱および前記第2支柱を相対回動可能に連結する第1連結部と、前記第2部位と第2関節を介して連結された第3部位に沿って取り付けられる第3支柱と、前記第2支柱および該第3支柱を相対回動可能に連結する第2連結部と、前記第1支柱と前記第2支柱とを連結する前記第1連結部を開閉駆動する第1駆動装置と、前記第2支柱と前記第3支柱とを連結する前記第2連結部を開閉駆動する第2駆動装置と、前記第1駆動装置および該第2駆動装置による前記第1連結部の角度および前記第2連結部の開閉駆動と関連して、前記生体の第1部位および第2部位、および前記生体の第2部位および第3部位をそれぞれ屈曲あるいは伸展させる動作に関与する筋肉に電気的刺激を与えるための信号を出力する電気的刺激付与部と、を有し、前記生体の第1部位および前記第2部位の屈曲あるいは伸展動作、および前記第2部位および前記第3部位の屈曲あるいは伸展動作を支援するための生体運動支援装置であって、(b)前記第1連結部の角度および第2連結部の角度をそれぞれ検出する角度検出部と、(c)予め設定された目標動作における前記第1連結部の角度および第2連結部の角度の目標値と該角度検出部によって検出された実際の第1連結部の角度および第2連結部の角度とのそれぞれの偏差に基づいて前記第1駆動装置および第2駆動装置のそれぞれの出力を制御するフィードバック制御部を有することを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided (a) a first support post attached along the first part of the living body, and a second part connected to the first part of the living body via the first joint. Along the second column to be attached, a first coupling part that couples the first column and the second column so that they can rotate relative to each other, and a third unit that is coupled to the second unit via a second joint. Opening and closing the third support column, the second support column and the second connection unit that connect the third support column so as to be relatively rotatable, and the first connection unit that connects the first support column and the second support column. A first driving device for driving; a second driving device for driving to open and close the second connecting portion that connects the second support column and the third support column; and the first driving device and the second driving device. In connection with the angle of the first connecting part and the opening / closing drive of the second connecting part, An electrical stimulation applying unit that outputs a signal for applying electrical stimulation to a muscle involved in an operation of bending or extending the second part and the third part of the living body, and the second part and the third part of the living body, respectively. A biological motion support device for supporting the bending or extension operation of the first part and the second part of the living body and the bending or extension operation of the second part and the third part, (b) An angle detection unit that detects an angle of the first coupling unit and an angle of the second coupling unit; and (c) a target value of the angle of the first coupling unit and the angle of the second coupling unit in a preset target operation; The respective outputs of the first driving device and the second driving device are controlled based on respective deviations between the actual angle of the first connecting portion and the angle of the second connecting portion detected by the angle detecting portion. And having a feedback control section.

また、請求項7にかかる発明は、前記第1部位は生体の下腿であり、前記第2部位は生体の大腿であり、前記第3部位は生体の腰部であり、前記第1関節は生体の膝関節であり、前記第2関節は生体の股関節であること、を特徴とする。   In the invention according to claim 7, the first part is a lower leg of the living body, the second part is a thigh of the living body, the third part is a lower back of the living body, and the first joint is a living body's lower leg. It is a knee joint, and the second joint is a living hip joint.

また、請求項8にかかる発明は、前記生体の第1部位および第2部位、および前記生体の第2部位および第3部位のそれぞれの屈曲あるいは伸展動作は歩行運動に伴うものであることを特徴とする。   The invention according to claim 8 is characterized in that the bending or extending movements of the first part and the second part of the living body and the second part and the third part of the living body are accompanied by a walking motion. And

また、請求項9にかかる発明は、(a)前記第1駆動装置および前記第2駆動装置は、それぞれ前記第1部位乃至第3部位のいずれかの前方側に設けられ、(b)前記第1連結部および前記第2連結部は、それぞれ前記第1駆動装置および前記第2駆動装置により、リンク機構を介して開閉駆動されることを特徴とする。   According to a ninth aspect of the invention, (a) the first driving device and the second driving device are respectively provided on the front side of any one of the first part to the third part, and (b) the first The first connecting part and the second connecting part are driven to open and close by a first driving device and a second driving device, respectively, via a link mechanism.

また、請求項10にかかる発明は、前記リンク機構のそれぞれは、前記第1連結部および前記第2連結部のそれぞれが対応する前記第1関節および第2関節の可動範囲よりもその動作範囲が制限されることを特徴とする。   In the invention according to claim 10, each of the link mechanisms has an operation range that is greater than a movable range of the first joint and the second joint to which the first connection portion and the second connection portion respectively correspond. It is limited.

また、請求項11にかかる発明は、前記第1支柱および前記第2支柱には、それぞれ下腿および大腿の前方側にカフが設けられていることを特徴とする。   The invention according to claim 11 is characterized in that a cuff is provided on the front side of the lower leg and the thigh of the first support column and the second support column, respectively.

請求項1にかかる発明によれば、前記駆動装置による前記連結部の開閉駆動と、前記駆動装置による開閉駆動と関連して前記電気的刺激付与部により出力される筋肉への電気的刺激との両方が併用されることにより、前記電気的刺激付与部により出力された電気的刺激により発生される再現性の低い筋力を前記駆動装置が補償することができるなど、前電気的刺激付与部あるいは駆動装置のいずれかを単独で用いた場合の欠点が補完される生体運動支援装置において、前記フィードバック制御部は、前記角度検出部によって検出された連結部の角度をフィードバックすることにより、前記連結部の角度の目標値と実際の連結部の角度との偏差に基づいて前記駆動装置の出力を制御するので、例えば、疲労や電極のずれなどにより前記電気的刺激付与部により所定の電気的刺激が出力された場合において発生する筋力がばらつくなど、外乱や負荷が存在する場合であっても、該筋力が前記駆動装置により適切に補償され、前記連結部に対応する生体の関節の角度を目標値に追従させることができる。   According to the first aspect of the present invention, the opening / closing drive of the connecting portion by the driving device and the electrical stimulation to the muscle output by the electrical stimulus applying unit in association with the opening / closing driving by the driving device. By using both in combination, the drive device can compensate for the low reproducibility of muscular strength generated by the electrical stimulation output by the electrical stimulation applying unit, such as the pre-electrical stimulation applying unit or driving In the biological exercise support device in which the disadvantages of using any of the devices alone are complemented, the feedback control unit feeds back the angle of the connection unit detected by the angle detection unit, thereby Since the output of the driving device is controlled based on the deviation between the target value of the angle and the actual angle of the connecting portion, for example, the electrical stimulation is caused by fatigue or electrode displacement. Even if there is a disturbance or a load, such as the muscular strength that is generated when a predetermined electrical stimulus is output by the applying unit, the muscular strength is appropriately compensated by the driving device and corresponds to the connecting unit. It is possible to make the angle of the joint of the living body follow the target value.

請求項2にかかる発明によれば、前記目標動作における連結部の角度の目標値は、健常者の前記第1部位および第2部位を屈曲あるいは伸展させる目標動作に基づいて予め定められるので、健常者による前記第1部位および第2部位のなめらかな動作が目標動作とされ、この目標動作に追従するように前記関節角の角度が制御されるので、第1部位および第2部位がなめらかに動作をするよう支援する。   According to the invention according to claim 2, since the target value of the angle of the connecting portion in the target motion is determined in advance based on the target motion for bending or extending the first part and the second part of the healthy person, Smooth movement of the first part and the second part by the person is set as the target action, and the angle of the joint angle is controlled so as to follow the target action, so that the first part and the second part operate smoothly. To help you.

請求項3にかかる発明によれば、前記連結部の角度の目標値は、前記第1部位および第2部位を屈曲あるいは伸展させる目標動作における前記関節角の大きさおよび/または関節角の角速度に対応して予め複数種類が定められ、該複数種類の目標値は切換可能であるので、予め定められた複数種類の目標動作から、適当な前記関節角の大きさや角速度を選択することができる。   According to the invention of claim 3, the target value of the angle of the connecting portion is the magnitude of the joint angle and / or the angular velocity of the joint angle in the target action of bending or extending the first part and the second part. Correspondingly, a plurality of types are determined in advance, and the target values of the plurality of types can be switched. Therefore, an appropriate size and angular velocity of the joint angle can be selected from a plurality of predetermined types of target motion.

請求項4にかかる発明によれば、前記電気的刺激付与部は、前記第1部位および第2部位を屈曲あるいは伸展させる動作に関与する筋肉にのみ電気的刺激を与えるので、前記機能的電気刺激のみによって運動支援を行なう場合に比べて、電気的刺激によって作動させる筋肉の数を少なくすることができる。これにより、前記電気刺激を筋肉に与えるために設置する電極の数を低減できるとともに、電気的刺激に対する再現性が乏しい筋力の影響を抑えつつ、機能的電気刺激と外部の駆動装置を併用した運動支援を行なうことができる。   According to the invention of claim 4, the electrical stimulation applying unit applies electrical stimulation only to muscles involved in the operation of bending or extending the first part and the second part. The number of muscles to be actuated by electrical stimulation can be reduced as compared with the case where exercise support is performed only by means of. As a result, the number of electrodes to be installed for applying the electrical stimulation to the muscle can be reduced, and the exercise using the functional electrical stimulation and an external drive device in combination while suppressing the influence of muscular strength with poor reproducibility to the electrical stimulation. Can provide support.

請求項5にかかる発明によれば、前記電気的刺激付与部は、前記第1部位および第2部位を伸展させる動作を行なう場合には、該第1部位および第2部位が伸展された状態を維持する場合に比べて前記第1部位および第2部位を伸展させる動作に関与する筋肉が発生する筋力が大きくなるように、前記筋肉に電気的刺激を与えるので、第1部位および第2部位が伸展された状態を維持する場合においても第1部位および第2部位を伸展させる動作を行なう場合と同様もしくはそれ以上の電気的刺激を与える場合に比べてなめらかな動作を行なうことが可能となる。また、第1部位および第2部位が伸展された状態を維持する場合においては前記駆動装置の出力が用いられるが、かかる出力は前記第1部位および第2部位を伸展させる動作を行なう場合に比べて小さいものであるので、省電力化を図ることができる。更には、筋肉に対して大きな電気的刺激が加わる時間を短くすることができることから、筋肉の疲労を低減することができる。   According to the fifth aspect of the present invention, when the electrical stimulation applying unit performs an operation of extending the first part and the second part, the electrical stimulation applying unit is in a state where the first part and the second part are extended. Since the muscles are electrically stimulated to increase the muscular strength generated by the muscles involved in the action of extending the first part and the second part as compared with the case of maintaining the first part and the second part, Even in the case where the stretched state is maintained, a smooth operation can be performed as compared with the case where an electrical stimulus is applied or more than the case where the operation of extending the first part and the second part is performed. Further, the output of the driving device is used when maintaining the extended state of the first part and the second part, but the output is compared with the case where the operation of extending the first part and the second part is performed. Therefore, power saving can be achieved. Furthermore, since the time during which a large electrical stimulus is applied to the muscle can be shortened, muscle fatigue can be reduced.

請求項6にかかる発明によれば、生体の第1部位に沿って取り付けられる第1支柱と、該第1部位と第1関節を介して連結された第2部位に沿って取り付けられる第2支柱と、前記第1支柱および前記第2支柱を相対回動可能に連結する第1連結部と、前記第2部位と第2関節を介して連結された第3部位に沿って取り付けられる第3支柱と、前記第2支柱および該第3支柱を相対回動可能に連結する第2連結部と、前記第1支柱と前記第2支柱とを連結する第1連結部を開閉駆動する第1駆動装置と、前記第2支柱と前記第3支柱とを連結する前記第2連結部を開閉駆動する第2駆動装置と、前記第1駆動装置および該第2駆動装置の開閉駆動と関連して、前記生体の第1部位および第2部位、および前記生体の第2部位および第3部位をそれぞれ屈曲あるいは伸展させる動作に関与する筋肉に電気的刺激を与えるための信号を出力する電気的刺激付与部と、を有し、前記第1部位および前記第2部位の屈曲あるいは伸展動作、および前記第2部位および前記第3部位の屈曲あるいは伸展動作を支援するための生体運動支援装置であっても、 前記第1連結部の角度および第2連結部の角度をそれぞれ検出する角度検出部と、予め設定された目標動作における前記第1連結部の角度および第2連結部の角度の目標値と該角度検出部によって検出された実際の第1連結部の角度および第2連結部の角度とのそれぞれの偏差に基づいて前記第1駆動装置および第2駆動装置のそれぞれの出力を制御するフィードバック制御部を有するので、前述の発明と同様の効果が得られる。   According to the invention concerning Claim 6, the 1st support | pillar attached along the 1st site | part of a biological body, and the 2nd support | pillar attached along this 2nd site | part connected with this 1st site | part via the 1st joint. A first connecting portion that connects the first support column and the second support column in a relatively rotatable manner, and a third support column that is attached along the third portion connected to the second portion via a second joint. A first driving device that opens and closes a second connecting portion that connects the second support column and the third support column in a relatively rotatable manner, and a first connection unit that connects the first support column and the second support column. A second driving device that opens and closes the second connecting portion that connects the second column and the third column, and the first driving device and the opening and closing drive of the second driving device, A first part and a second part of the living body, and a second part and a third part of the living body. An electrical stimulation applying unit that outputs a signal for applying electrical stimulation to muscles involved in the bending or extending operation, and bending or extending operation of the first part and the second part, And a body motion support device for supporting the bending or extension operation of the second part and the third part, and an angle detection unit for detecting the angle of the first connection part and the angle of the second connection part, respectively. And the target value of the angle of the first connecting part and the angle of the second connecting part in the preset target operation, and the actual angle of the first connecting part and the angle of the second connecting part detected by the angle detecting part Since the feedback control unit that controls the respective outputs of the first drive device and the second drive device based on the respective deviations, the same effects as those of the above-described invention can be obtained.

請求項7にかかる発明によれば、前記第1部位は生体の下腿であり、前記第2部位は生体の大腿であり、前記第3部位は生体の腰部であり、前記第1関節は生体の膝関節であり、前記第2関節は生体の股関節であるので、下肢に運動機能障害を有する者に対してその運動の支援を行なうことができる。   According to the invention of claim 7, the first part is the lower leg of the living body, the second part is the thigh of the living body, the third part is the waist of the living body, and the first joint is the living body's thigh. Since it is a knee joint and the second joint is a hip joint of a living body, it is possible to support the exercise of a person who has a motor dysfunction in the lower limbs.

請求項8にかかる発明によれば、前記生体の第1部位および第2部位、および前記生体の第2部位および第3部位のそれぞれの屈曲あるいは伸展動作は歩行運動に伴うものであるので、日常生活において最も基本的な動作である歩行動作を支援することができる。   According to the eighth aspect of the invention, since the bending or extending movements of the first and second parts of the living body and the second and third parts of the living body are accompanied by walking movement, It is possible to support the walking motion that is the most basic motion in daily life.

請求項9にかかる発明によれば、前記第1駆動装置および前記第2駆動装置は、それぞれ前記第1部位乃至第3部位のいずれかの前方側に設けられ、前記第1連結部および前記第2連結部は、それぞれ前記第1駆動装置および前記第2駆動装置により、リンク機構を介して開閉駆動されるので、該リンク機構により前記第1部位乃至第3部位のいずれかの前方側に設けられた前記第1駆動装置および前記第2駆動装置のそれぞれによって発生された動力は前記第1連結部および前記第2連結部に伝達されるとともに、前記生体運動支援装置の横幅方向の大きさは、前記第1駆動装置および第2駆動装置が例えば特許文献2に示すように体側に対応する側に設けられる場合に比べて小さくなり、例えば平均的な体格を想定して横幅方向の大きさが規定されている車椅子などに前記生体運動支援装置を装着したまま着席することができる。   According to the ninth aspect of the present invention, the first drive device and the second drive device are respectively provided on the front side of any one of the first part to the third part, and the first connection part and the first drive part are provided. Since the two connecting portions are driven to open and close by the first driving device and the second driving device via the link mechanism, respectively, the two connecting portions are provided in front of any one of the first part to the third part by the link mechanism. The power generated by each of the first drive device and the second drive device is transmitted to the first connection portion and the second connection portion, and the size of the biological motion support device in the lateral width direction is The first drive device and the second drive device are smaller than the case where the first drive device and the second drive device are provided on the side corresponding to the body side as shown in Patent Document 2, for example, the size in the width direction assuming an average physique. It can be seated like a wheelchair as specified while wearing the biological exercise support apparatus.

請求項10にかかる発明によれば、前記リンク機構のそれぞれは、前記第1連結部および前記第2連結部のそれぞれが対応する前記第1関節および第2関節の可動範囲よりもその動作範囲が制限されるので、前記第1支柱と前記第2支柱とが、あるいは前記第2支柱と前記第3支柱とがそれぞれ前記第1関節あるいは第2関節の可動範囲を超えて屈曲あるいは伸展することがなく、例えば前記駆動装置が暴走した場合であっても、装着者に損傷を与えることが防止される。   According to the invention of claim 10, each of the link mechanisms has an operation range that is greater than a movable range of the first joint and the second joint to which the first connection portion and the second connection portion correspond. Therefore, the first support column and the second support column, or the second support column and the third support column may bend or extend beyond the movable range of the first joint or the second joint, respectively. For example, even if the drive device runs away, damage to the wearer is prevented.

請求項11にかかる発明によれば、前記第1支柱および前記第2支柱には、それぞれ下腿および大腿の前方側にカフが設けられているので、本発明の生体運動支援装置は体の前面側から着脱を行なうことができ、例えば車椅子や椅子などに着席したまま着脱を行なうことができる。   According to the eleventh aspect of the present invention, since the first strut and the second strut are provided with cuffs on the front side of the lower leg and the thigh, respectively, the biological motion support device of the present invention is provided on the front side of the body. For example, it can be attached and detached while sitting in a wheelchair or a chair.

以下、本発明の一実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の生体運動支援装置の正面図である。図1の生体運動支援装置10は、生体の膝関節および股関節の運動を支援するものであり、生体の下肢に装着して用いるものである。この生体運動支援装置10は、下肢の機能障害の軽減を目的として使用する補助器具、すなわち下肢装具の一種である骨盤帯付長下肢装具(HKAFO;Hip Knee Ankle Foot Orthosis)をもとに、その継手部分を駆動するために、駆動装置であるモータ36、38や、そのモータ36、38からの動力を継手部分に伝達する駆動機構としてのリンク機構32、34などが設けられている。なお、図1の生体運動支援装置10は左右が略対称の構造を有しているので、以降の説明においては、図の右側部分すなわち装着者の左足に対応する部分についてのみ行ない、図の左側部分については省略する。   FIG. 1 is a front view of the biological exercise support device of the present invention. A biological exercise support device 10 in FIG. 1 supports movement of a knee joint and a hip joint of a living body, and is used by being attached to a lower limb of a living body. This biological exercise support device 10 is based on an auxiliary device used for the purpose of reducing dysfunction of the lower limbs, that is, a lower limb orthosis with a pelvic belt (HKAFO; Hip Knee Angle Foot Orthosis). In order to drive the joint portion, motors 36 and 38 that are drive devices, and link mechanisms 32 and 34 as drive mechanisms that transmit power from the motors 36 and 38 to the joint portion are provided. 1 has a substantially symmetrical structure on the left and right sides, the following description is performed only on the right side of the figure, that is, the part corresponding to the left foot of the wearer, and the left side of the figure. The part is omitted.

骨盤帯付長下肢装具12は、装着した場合に下肢に対応する部分の内側と外側との両方に金属支柱を有している。詳細には、下肢のうち脛部に対応する部分には、その外側には第1支柱22aが、また前記脛部の内側には第1支柱22bがそれぞれこの骨盤帯付長下肢装具12を装着した場合に前記脛部に沿うように設けられている。大腿部に対応する部分には、その外側に第2支柱24aが、またその内側には第2支柱24bがそれぞれ設けられている。この第2支柱24bは大腿部の中程まで延設されており、その上端部は後述する帯板状のカフ44の一端に係止されている。前記第1支柱22aおよび22bの上端はそれぞれ装着者の膝部の外側および内側にそれぞれ設けられる第1連結部28a、28bにより前記第2支柱24aおよび24bの下端と回動可能に連結されている。このとき、第1連結部28a、28bは膝継手に相当し、装着者の膝関節の動きに対応する。すなわち、第1連結部28a、28bはこの骨盤帯付長下肢装具12を装着した装着者の膝関節の回動中心付近に位置する。   The long limb orthosis with pelvic belt 12 has metal struts on both the inside and outside of the portion corresponding to the lower limb when worn. Specifically, a portion corresponding to the shin portion of the lower limb is fitted with the first strut 22a on the outside and the first strut 22b on the inside of the shin portion with the pelvic belted long leg brace 12 respectively. In this case, it is provided along the shin part. The portion corresponding to the thigh is provided with the second support column 24a on the outer side and the second support column 24b on the inner side. The second column 24b extends to the middle of the thigh, and the upper end of the second column 24b is locked to one end of a strip-shaped cuff 44 described later. The upper ends of the first struts 22a and 22b are rotatably connected to the lower ends of the second struts 24a and 24b by first connecting portions 28a and 28b respectively provided on the outer side and the inner side of the wearer's knee. . At this time, the 1st connection parts 28a and 28b are equivalent to a knee joint, and respond | correspond to a motion of a wearer's knee joint. That is, the first connecting portions 28a and 28b are located near the rotation center of the knee joint of the wearer wearing the long limb orthosis 12 with the pelvic belt.

装着者の大腿部外側に設けられる第2支柱24aの上端は、装着者の股関節の外側に設けられる第2連結部30に接続されている。この第2連結部30には、体側部に沿って設けられる第3支柱26の下端が連結されており、これらの第2支柱24aおよび第3支柱26とは第2連結部30により回動可能に連結されている。この第2連結部30は股継手に相当し、装着者の股関節の動きに対応する。第2連結部30は、この骨盤帯付長下肢装具12を装着した装着者の股関節の回動軸付近に位置する。この骨盤帯付長下肢装具12は外側股関節継手型の装具である。この第3支柱26の上端は、後述する骨盤体48に係合されている。   The upper end of the second support column 24a provided on the outer side of the thigh of the wearer is connected to a second connecting part 30 provided on the outer side of the hip joint of the wearer. The lower end of the third support column 26 provided along the body side portion is connected to the second connection unit 30, and the second support unit 24 a and the third support column 26 can be rotated by the second connection unit 30. It is connected to. The second connecting portion 30 corresponds to a hip joint and corresponds to the movement of the wearer's hip joint. The 2nd connection part 30 is located in the rotation axis | shaft vicinity of the wearer's hip joint which mounted | wore with this pelvic belted long leg brace 12. This pelvic belted long leg brace 12 is an outer hip joint type brace. The upper end of the third support column 26 is engaged with a pelvis body 48 described later.

なお、前記第1連結部28a、28bおよび第2連結部30には、例えば、回旋角度に制限がない一方、内外転、内外旋等を制約することのできる一軸性箱継手が用いられる   The first connecting portions 28a and 28b and the second connecting portion 30 are, for example, uniaxial box joints that are not limited in the rotation angle but can restrict the inner and outer rotations and the inner and outer rotations.

骨盤帯付長下肢装具12は骨盤帯48、カフ44、カフ42、カフ40が設けられる。これら骨盤帯48、カフ44、カフ42、カフ40は、いずれも装着者の前面を半周する帯板状の部品である。この帯板状部品の両端部にはそれぞれ皮革製のベルトや面ファスナー等の装着具が延設されており、装着者の後面をこれらの装着具で締めつけるように固定することで、骨盤帯付長下肢装具12は生体に固定される。なお、前記骨盤帯48、カフ44、カフ42、カフ40はそれぞれ両腸骨稜と両大転子との中間、大腿上部、大腿下部、脛上部を固定するように設けられており、前記骨盤帯48は骨盤帯付長下肢装具12の上端に第3支柱の上端と係合されて設けられ、また、カフ44およびカフ42はその帯板状の部品の両端が大腿の外側に設けられた第2支柱24aおよび大腿の内側に設けられた第2支柱24bに係合されて設けられ、カフ40はその帯板状の部品の両端が脛部の外側に設けられた第1支柱22aおよび脛部の内側に設けられた第1支柱22bに係合されて設けられる。   The long limb orthosis 12 with pelvic belt is provided with a pelvic belt 48, a cuff 44, a cuff 42, and a cuff 40. The pelvic belt 48, the cuff 44, the cuff 42, and the cuff 40 are all band-plate-like parts that circulate around the front surface of the wearer. Wearing devices such as leather belts and hook-and-loop fasteners are provided at both ends of the band plate-like parts, and the pelvic belt is attached by fixing the wearer's rear surface with these wearing devices. The long leg brace 12 is fixed to a living body. The pelvic belt 48, the cuff 44, the cuff 42, and the cuff 40 are provided so as to fix the middle of both iliac crests and both trochanters, the upper thigh, the lower thigh, and the upper shin, respectively. The band 48 is provided at the upper end of the lower limb orthosis 12 with the pelvic band and engaged with the upper end of the third support column, and the cuff 44 and the cuff 42 are provided at both ends of the band plate-like parts outside the thigh. The cuff 40 is provided so as to be engaged with the second support column 24a and the second support column 24b provided on the inner side of the thigh. It is provided to be engaged with a first support 22b provided inside the section.

骨盤帯付長下肢装具12は足底部を支持する足板50が設けられ、さらに足板50には前記第1支柱22a、22bの下端と連結するためのあぶみ52が取付られている。このあぶみ52は前記第1支柱22a、22bのそれぞれの下端と足首継手54により回動可能に連結されている。この足首継手54には、例えば、回動する角度を制限したり、回動を固定したり、あるいは回動を内蔵するバネやロットなどにより支援することのできるクレンザック継手やダブルクレンザック継手などが用いられる。   The lower limb orthosis with pelvic belt 12 is provided with a foot plate 50 for supporting the sole of the foot, and the foot plate 50 is further provided with a stirrup 52 for connecting to the lower ends of the first support columns 22a and 22b. The stirrup 52 is rotatably connected to the lower ends of the first struts 22a and 22b by an ankle joint 54. The ankle joint 54 may be, for example, a crenzac joint or a double crenzac joint that can limit the angle of rotation, fix the rotation, or support the rotation with a spring or lot that incorporates the rotation. Used.

図1の生体運動支援装置10は、前述の骨盤帯付長下肢装具12に対し、駆動装置としての第1モータ36、第2モータ38、およびこれらの第1モータ36および第2モータ38により出力される駆動力をそれぞれ前記第1連結部28および前記第2連結部30に伝達しこれらを駆動するための第1駆動機構32および第2駆動機構34、が設けられている。   1 is output by the first motor 36 and the second motor 38 serving as driving devices and the first motor 36 and the second motor 38 to the above-described long limb orthosis 12 with pelvic belt. A first driving mechanism 32 and a second driving mechanism 34 are provided for transmitting the driving force to the first connecting portion 28 and the second connecting portion 30 and driving them.

この第1モータ36は、後述する第1駆動機構32を介して前記第1連結部28aに連結された第1支柱22aおよび第2支柱24aによって生成される角度を変化させるものである。第2モータ38は、後述する第2駆動機構34を介して前記第2連結部30に連結された第2支柱24aおよび第3支柱26によって生成される角度を変化させるものである。本実施例においては、後述するように第1駆動機構32および第2駆動機構34としてリンク機構が用いられるので、このリンク機構の大きさを考慮して、前記第1モータ36および第2モータ38の設置位置が決定される。具体的には、図1に示すように、前記第1モータ36および第2モータ38は、第2支柱24aに設けられた第1モータ取付板56および第2モータ取付板58にそれぞれ取り付けられる。なお、本実施例においては、第1モータ36および第2モータ38の出力はそれぞれリンク機構である第1駆動機構32および第2駆動機構34を介して伝達されるので、第1モータ36の出力軸と前記第1連結部28の回転軸とは略平行に位置され、また、第2モータ38の出力軸と前記第2連結部30の回転軸とは略平行に位置される。   This 1st motor 36 changes the angle produced | generated by the 1st support | pillar 22a and the 2nd support | pillar 24a which were connected with the said 1st connection part 28a via the 1st drive mechanism 32 mentioned later. The 2nd motor 38 changes the angle produced | generated by the 2nd support | pillar 24a and the 3rd support | pillar 26 which were connected with the said 2nd connection part 30 via the 2nd drive mechanism 34 mentioned later. In the present embodiment, a link mechanism is used as the first drive mechanism 32 and the second drive mechanism 34 as will be described later. Therefore, the first motor 36 and the second motor 38 are considered in consideration of the size of the link mechanism. The installation position of is determined. Specifically, as shown in FIG. 1, the first motor 36 and the second motor 38 are respectively attached to a first motor mounting plate 56 and a second motor mounting plate 58 provided on the second support column 24a. In the present embodiment, the outputs of the first motor 36 and the second motor 38 are transmitted via the first drive mechanism 32 and the second drive mechanism 34, which are link mechanisms, respectively. The shaft and the rotation axis of the first connection part 28 are positioned substantially parallel, and the output shaft of the second motor 38 and the rotation axis of the second connection part 30 are positioned substantially parallel.

図2は、前記図1の生体運動支援装置10の右側面図、すなわち装着者からみて左側から見た側面図である。なお、説明をわかりやすくするため、主に左下肢外側に対応する部材のみ記載し、右下肢に対応する部材や、左下肢の内側にある第1支柱22b、第2支柱24bなど、下肢の内側にある部材についても記載を省略している。本図2に示すように、第1モータ36は、第2支柱24aと一体成形されたり、あるいは第2支柱24aに溶接などで取り付けられ、第2支柱24aから装着者の前方に延設された略三角形状の形状を有する第1モータ取付板56に取り付けられる。すなわち、第1モータ36は装着者の体側方向外側に張り出すことがない。このとき、第1モータ36の軸方向の長さを前記大腿部の外側の第2支柱24aと内側の第2支柱24bとの間隔を超えないように第1モータ36が選択されることにより、左右の第1モータ36同士が干渉することがない。前記第1モータ36の出力軸は前記第1モータ取付板56に設けられた貫通穴を通して回転自在に貫通し、第1駆動機構32としてのリンク機構を構成する一本のリンクの中央付近に係合される。この第1モータ36の出力と係合された第1駆動機構32の一本のリンクは、第1モータ36の出力軸の回転角度だけ回転する。   FIG. 2 is a right side view of the biological exercise support device 10 of FIG. 1, that is, a side view seen from the left side as viewed from the wearer. For ease of explanation, only the members corresponding to the outer side of the left lower limb are described, and the members corresponding to the right lower limb, the first strut 22b and the second strut 24b inside the left lower limb, etc. The description of the members in is also omitted. As shown in FIG. 2, the first motor 36 is formed integrally with the second support column 24a or attached to the second support column 24a by welding or the like, and extends from the second support column 24a to the front of the wearer. It is attached to a first motor mounting plate 56 having a substantially triangular shape. That is, the first motor 36 does not protrude outward in the body side direction of the wearer. At this time, the first motor 36 is selected so that the axial length of the first motor 36 does not exceed the distance between the second support column 24a outside the thigh and the second support column 24b inside. The left and right first motors 36 do not interfere with each other. The output shaft of the first motor 36 passes through a through hole provided in the first motor mounting plate 56 so as to be freely rotatable, and is in the vicinity of the center of one link constituting the link mechanism as the first drive mechanism 32. Combined. One link of the first drive mechanism 32 engaged with the output of the first motor 36 rotates by the rotation angle of the output shaft of the first motor 36.

同様に、第2モータ38は、第2支柱24aと一体成形されたり、あるいは第2支柱24aに溶接などで取り付けられ、第2支柱24aから装着者の前方に延設された略三角形状の形状を有する第2モータ取付板58に取り付けられる。このため、第2モータ38は装着者の体側方向外側に張り出すことがない。なお、第2モータ38の軸方向の長さを前記大腿部の外側の第2支柱24aと内側の第2支柱24bとの間隔を超えないように第2モータ38が選択されることにより、左右の第2モータ38同士が干渉することがない。前記第2モータ38の出力軸は前記第2モータ取付板58に設けられた貫通穴を通して回転自在に貫通し、第2駆動機構34としてのリンク機構を構成する一本のリンクの中央付近に係合される。これにより、この第2モータ38の出力と係合された第2駆動機構34の一本のリンクは、第2モータ38の出力軸の回転角度だけ回転する。   Similarly, the second motor 38 is formed integrally with the second support post 24a or attached to the second support post 24a by welding or the like, and extends in a substantially triangular shape from the second support post 24a to the front of the wearer. It is attached to the 2nd motor attachment plate 58 which has. For this reason, the second motor 38 does not protrude outward in the body side direction of the wearer. The second motor 38 is selected so that the axial length of the second motor 38 does not exceed the distance between the second support column 24a outside the thigh and the second support column 24b inside. The left and right second motors 38 do not interfere with each other. The output shaft of the second motor 38 passes through a through hole provided in the second motor mounting plate 58 so as to be rotatable, and is engaged near the center of one link constituting the link mechanism as the second drive mechanism 34. Combined. Thereby, one link of the second drive mechanism 34 engaged with the output of the second motor 38 rotates by the rotation angle of the output shaft of the second motor 38.

第1モータ36および第2モータ38の選定は、例えば次のように行なわれる。例えば歩行運動などの本発明の生体運動支援装置10によって支援を行なう運動を行なう場合において、装着者の膝関節および股関節に対応する第1連結部28a、28bおよび第2連結部30のそれぞれにおいて必要とされるトルクを実験やシミュレーションなどにより予め測定しておくと共に、後述する電気的刺激付与部104により発生される電気的刺激によって発生する筋力の大きさについても測定しておく。そして、前記第1連結部28aおよび第2連結部30のそれぞれについて測定された運動に必要とされるトルクを、電気的刺激付与部104により発生される電気的刺激により発生する筋力と、前記第1モータ36および第2モータ38のそれぞれによって発生されるトルクによってまかなうことができるような出力を有するモータを選択する。   The selection of the first motor 36 and the second motor 38 is performed as follows, for example. For example, in the case of performing a motion that is supported by the biological motion support device 10 of the present invention, such as a walking motion, it is necessary in each of the first connection portions 28a and 28b and the second connection portion 30 corresponding to the knee joint and hip joint of the wearer. The torque to be measured is measured in advance by experiments, simulations, and the like, and the magnitude of the muscular strength generated by the electrical stimulation generated by the electrical stimulation applying unit 104 described later is also measured. The torque required for the exercise measured for each of the first connecting part 28a and the second connecting part 30 is the muscular force generated by the electrical stimulation generated by the electrical stimulus applying part 104, and the first The motor having an output that can be covered by the torque generated by each of the first motor 36 and the second motor 38 is selected.

第1モータ36および第2モータ38には、例えばその出力における回転角を精度よく制御することのできるサーボモータなどが用いられる。このとき、モータの定格における回転速度を考慮して、減速ギヤなどがあわせて用いられる。すなわち、モータの出力軸と駆動機構との間に減速ギヤが設けられ、出力軸の回転速度を減速する一方、そのトルクを増大することができる。   As the first motor 36 and the second motor 38, for example, a servo motor capable of accurately controlling the rotation angle at the output thereof is used. At this time, a reduction gear or the like is also used in consideration of the rotational speed at the motor rating. That is, a reduction gear is provided between the output shaft of the motor and the drive mechanism, and the torque can be increased while the rotational speed of the output shaft is reduced.

第1モータ36および第2モータ38には、それぞれ第1エンコーダ60および第2エンコーダ62が設けられる。これらの第1エンコーダ60および第2エンコーダ62により、それぞれ第1モータ36および第2モータ38の出力軸の回転角が検出される。第1モータ36および第2モータ38は角度検出部に対応する。第1連結部28および第2連結部30はそれぞれリンク機構である第1駆動機構32および第2駆動機構34により第1モータ36および第2モータ38の出力軸とそれぞれ動力が伝達されるように連結されているが、後述するように、第1連結部28および第2連結部30の角度の変化と第1モータ36および第2モータ38の出力軸の回転角とはそれぞれ一対一の関係にあるため、前記第1エンコーダ60および第2エンコーダ62のオフセットを適切に行なうことにより、第1エンコーダ60および第2エンコーダ62におけるそれぞれの測定量に基づいて、前記第1連結部28および第2連結部30の角度が得られる。   The first motor 36 and the second motor 38 are provided with a first encoder 60 and a second encoder 62, respectively. The first encoder 60 and the second encoder 62 detect the rotation angles of the output shafts of the first motor 36 and the second motor 38, respectively. The first motor 36 and the second motor 38 correspond to an angle detection unit. The first connecting portion 28 and the second connecting portion 30 are configured such that power is transmitted to the output shafts of the first motor 36 and the second motor 38 by the first drive mechanism 32 and the second drive mechanism 34 that are link mechanisms, respectively. Although connected, as will be described later, there is a one-to-one relationship between the change in the angle of the first connecting portion 28 and the second connecting portion 30 and the rotation angle of the output shaft of the first motor 36 and the second motor 38. Therefore, by appropriately offsetting the first encoder 60 and the second encoder 62, the first connecting portion 28 and the second connecting portion 28 are based on the measured amounts in the first encoder 60 and the second encoder 62. The angle of the part 30 is obtained.

図3乃至図5は第2駆動機構34および第2連結部30の作動を説明する図である。本実施例においては前述のように第2駆動機構34はリンク機構であり、4本のリンク34a乃至34dがそれぞれその両端を4つの回転可能に連結するジョイント34e乃至34hによって連結されている。対向するリンク34aおよび34cと、リンク34bおよび34dはそれぞれ等しい長さであり、リンク34aおよび34cと、リンク34bおよび34dとはそれぞれ常に平行とされている。すなわち、第2駆動機構34は平行運動機構である。   3 to 5 are views for explaining the operation of the second drive mechanism 34 and the second connecting portion 30. In the present embodiment, as described above, the second drive mechanism 34 is a link mechanism, and the four links 34a to 34d are connected to each other by joints 34e to 34h that rotatably connect both ends thereof. Opposing links 34a and 34c and links 34b and 34d have the same length, and links 34a and 34c and links 34b and 34d are always parallel to each other. That is, the second drive mechanism 34 is a parallel motion mechanism.

前述のように、第2駆動機構34を構成するリンク34bの中央部34jには、第2モータ38の出力軸と一体となって動くように固定されているので、第2モータ38の出力、すなわち回転動作と同期して第2駆動機構34が動作させられる。前記リンク34bに対向するリンク34dの中央部34kは前記第2連結部30により第2支柱24aと回動可能に連結されている。一方、前記リンク34dと第3支柱26とは一体となって動くよう固定されている。このため、第2モータ38が駆動され回転すると、第2モータ38の出力軸とリンク34bが回転させられ、そして、第2駆動機構34により、リンク34dがリンク34bと同じ角度だけ第2連結部30を中心として回転させられる。そして、第3支柱26はリンク34dと一体となって回転するので、第3支柱26は第2支柱24aに対し第2モータ38が回転した角度と同じ角度だけ回転させられる。   As described above, since the central portion 34j of the link 34b constituting the second drive mechanism 34 is fixed so as to move integrally with the output shaft of the second motor 38, the output of the second motor 38, That is, the second drive mechanism 34 is operated in synchronization with the rotation operation. A central portion 34k of the link 34d facing the link 34b is rotatably connected to the second support column 24a by the second connecting portion 30. On the other hand, the link 34d and the third support column 26 are fixed so as to move together. For this reason, when the second motor 38 is driven and rotated, the output shaft of the second motor 38 and the link 34b are rotated, and the second drive mechanism 34 causes the link 34d to be rotated by the same angle as the link 34b. It is rotated about 30. And since the 3rd support | pillar 26 rotates integrally with the link 34d, the 3rd support | pillar 26 is rotated only the same angle as the angle which the 2nd motor 38 rotated with respect to the 2nd support | pillar 24a.

ここで、第2支柱24aと第3支柱26との関係を、第2支柱24aを上方に延長した直線と第3支柱26のなす角度θhipを用いて表す(図10参照)。このように、θhipは第2支柱24aに対する第3支柱26の前傾を表す角度である。   Here, the relationship between the second support column 24a and the third support column 26 is expressed by using an angle θhip formed by the straight line extending from the second support column 24a and the third support column 26 (see FIG. 10). Thus, θhip is an angle representing the forward tilt of the third column 26 with respect to the second column 24a.

図3は、θhipが最も小さい値となる場合を表した図であり、装着者が最も後傾の姿勢を取った場合に対応する図である。このとき、第2連結部30の状態を表すθhipの値は−16.8度とされ、第2連結部30において連結される第2支柱24aと第3支柱26とは最も伸展された状態である。この状態では、リンク34bの動力入力部34jと隣接するリンク34cとが接するようにされており、それ以上θhipが小さくなる方向に第2駆動機構34が動くことを阻止している。   FIG. 3 is a diagram illustrating a case where θhip is the smallest value, and is a diagram corresponding to a case where the wearer takes the most backward posture. At this time, the value of θhip representing the state of the second connecting portion 30 is −16.8 degrees, and the second support post 24a and the third support post 26 connected in the second connecting portion 30 are in the most extended state. is there. In this state, the power input portion 34j of the link 34b and the adjacent link 34c are in contact with each other, and the second drive mechanism 34 is prevented from moving in a direction in which θhip is further reduced.

図4は、装着者が直立する姿勢をとった場合に対応する図であり、θhipが0度となった場合を表す図であって、前記図3の示した状態と後述する図5の状態の間の状態である。   FIG. 4 is a diagram corresponding to the case where the wearer takes an upright posture, and is a diagram showing a case where θhip becomes 0 degree, and the state shown in FIG. 3 and the state shown in FIG. 5 described later. Is the state between.

図5は、θhipが最も大きい値よりも数度手前の場合を示した図であり、装着者が最も前傾に近い姿勢をとった場合に対応する図である。このとき、第2連結部30の状態を表すθhipの値は111.7度とされ、第2連結部30において連結される第2支柱24aと第3支柱26とは最も屈曲に近い状態である。すなわち、あと数度前傾、すなわちθhipを大きくすると、リンク34bの動力入力部34jと隣接するリンク34aとが接するようにされており、それ以上θhipが小さくなる方向に第2駆動機構34が動くことを阻止している。   FIG. 5 is a diagram illustrating a case where θhip is several degrees before the largest value, and is a diagram corresponding to a case where the wearer takes a posture closest to the forward tilt. At this time, the value of θhip representing the state of the second connecting portion 30 is 111.7 degrees, and the second strut 24a and the third strut 26 connected in the second connecting portion 30 are in a state closest to bending. . That is, when the forward inclination is further several degrees, that is, when θhip is increased, the power input portion 34j of the link 34b is brought into contact with the adjacent link 34a, and the second drive mechanism 34 moves in a direction in which θhip is further decreased. It is preventing that.

図3乃至図5に示すように、第2連結部30の可動範囲は、第2駆動機構34の構造により、第2連結部30に対応する装着者の部位である股関節の可動範囲以上には動くことがないようにされている。そのため、例えば第2モータ38が暴走した場合であっても、装着者の股関節が可動範囲を超えて力を与えられることがなく事故が防止される。逆に言えば、装着者の股関節の可動範囲を超えて第2連結部30が動くことがないように、第2駆動機構34の各リンクの長さを設計することができる。   As shown in FIGS. 3 to 5, the movable range of the second connecting portion 30 is greater than the movable range of the hip joint, which is a part of the wearer corresponding to the second connecting portion 30, due to the structure of the second drive mechanism 34. It is made not to move. Therefore, for example, even when the second motor 38 runs away, the wearer's hip joint is not given any force beyond the movable range, and an accident is prevented. In other words, the length of each link of the second drive mechanism 34 can be designed so that the second connecting part 30 does not move beyond the movable range of the hip joint of the wearer.

図6及び図7は、第1駆動機構32および第1連結部28aの作動を説明する図である。本実施例においては前述のように第1駆動機構32はリンク機構であり、4本のリンク32a乃至32dがそれぞれその両端を4つの回転可能に連結するジョイント32e乃至32hによって連結されている。また、対向するリンク32aおよび32cと、リンク32bおよび32dはそれぞれ等しい長さであり、リンク32aおよび32cと、リンク32bおよび32dとはそれぞれ常に平行とされている。すなわち、第1駆動機構32は平行運動機構である。なお、本実施例においては、内股側の第1連結部28bは、第1運動機構32などの平行運動機構は設けられておらず、第1支柱22bと第2支柱24bとが自由に回動可能に連結されているのみであるので、第1駆動機構32を介して第1モータ36により駆動される外側の第1連結部28aの動きに合わせて動作するようにされている。   6 and 7 are diagrams for explaining the operation of the first drive mechanism 32 and the first connecting portion 28a. In the present embodiment, as described above, the first drive mechanism 32 is a link mechanism, and the four links 32a to 32d are connected to each other by joints 32e to 32h that rotatably connect both ends thereof. Further, the opposed links 32a and 32c and the links 32b and 32d have the same length, and the links 32a and 32c and the links 32b and 32d are always parallel to each other. That is, the first drive mechanism 32 is a parallel motion mechanism. In the present embodiment, the first connecting portion 28b on the inner crotch side is not provided with a parallel motion mechanism such as the first motion mechanism 32, and the first support column 22b and the second support column 24b can freely rotate. Since they are only connected so as to be possible, they are operated in accordance with the movement of the outer first connecting portion 28a driven by the first motor 36 via the first drive mechanism 32.

前述の第2駆動機構34の場合と同様に、第1駆動機構32を構成するリンク32bの中央部32jには、第1モータ36の出力軸と一体となって動くように固定されているので、第1モータ36の出力、すなわち回転動作と同期して第1駆動機構32が動作させられる。前記リンク32bに対向するリンク32dの中央部32kは前記第1連結部28a30により第2支柱24aと回動可能に連結されている。一方、前記リンク32dと第1支柱22aとは一体となって動くよう固定されている。このため、第1モータ36が駆動され回転すると、第1モータ36の出力軸とリンク32bが回転させられ、第1駆動機構32により、リンク32dがリンク32bと同じ角度だけ第1連結部28を中心として回転させられる。そして、第1支柱22aはリンク32dと一体となって回転するので、第1支柱22aは第2支柱24aに対し第1モータ36が回転した角度と同じ角度だけ回転させられる。   As in the case of the second drive mechanism 34 described above, the link 32b constituting the first drive mechanism 32 is fixed to the central portion 32j so as to move integrally with the output shaft of the first motor 36. The first drive mechanism 32 is operated in synchronism with the output of the first motor 36, that is, the rotation operation. A central portion 32k of the link 32d facing the link 32b is rotatably connected to the second support column 24a by the first connecting portion 28a30. On the other hand, the link 32d and the first support post 22a are fixed so as to move together. For this reason, when the first motor 36 is driven and rotated, the output shaft of the first motor 36 and the link 32b are rotated, and the first drive mechanism 32 causes the link 32d to move the first connecting portion 28 by the same angle as the link 32b. Rotated as center. And since the 1st support | pillar 22a rotates integrally with the link 32d, the 1st support | pillar 22a is rotated only the same angle as the angle which the 1st motor 36 rotated with respect to the 2nd support | pillar 24a.

ここで、第1支柱22aと第2支柱24aとの関係を、第2支柱24aを下方に延長した直線と第1支柱22aのなす角度θkneeを用いて表す(図10参照)。このように、θkneeは第2支柱24aに対する第1支柱22aの屈曲を表す角度である。   Here, the relationship between the first support column 22a and the second support column 24a is expressed using an angle θknee formed by a straight line extending from the second support column 24a and the first support column 22a (see FIG. 10). Thus, θknee is an angle representing the bending of the first column 22a with respect to the second column 24a.

図6は、θkneeが最も小さい値となる場合を表した図であり、装着者が直立の姿勢を取った場合に対応する図である。このとき、第1連結部28aの状態を表すθkneeの値は0度とされ、第1連結部28aにおいて連結される第1支柱22aと第2支柱24aとは最も伸展された状態である。この状態では、リンク32bの動力入力部32jと隣接するリンク32cとが接するようにされており、それ以上θkneeが小さくなる方向に第2駆動機構34が動くことを阻止している。   FIG. 6 is a diagram illustrating a case where θknee is the smallest value, and corresponds to a case where the wearer takes an upright posture. At this time, the value of θknee indicating the state of the first connecting portion 28a is 0 degree, and the first support 22a and the second support 24a connected in the first connecting portion 28a are in the most extended state. In this state, the power input portion 32j of the link 32b and the adjacent link 32c are in contact with each other, and the second drive mechanism 34 is prevented from moving in a direction in which θknee is further reduced.

図7は、θkneeが最も大きい値となる場合を示した図であり、装着者が最も膝を曲げた場合に対応する図である。このとき、第1連結部28aの状態を表すθkneeの値は126.0度とされ、第1連結部28aにおいて連結される第1支柱22aと第2支柱24aとは最も屈曲した状態である。この状態では、リンク32bの動力入力部32jと隣接するリンク32aとが接するようにされており、それ以上θkneeが小さくなる方向に第1駆動機構32が動くことを阻止している。   FIG. 7 is a diagram illustrating a case where θknee has the largest value, and is a diagram corresponding to a case where the wearer bends the knee most. At this time, the value of θknee representing the state of the first connecting portion 28a is 126.0 degrees, and the first strut 22a and the second strut 24a connected in the first connecting portion 28a are in the most bent state. In this state, the power input portion 32j of the link 32b and the adjacent link 32a are in contact with each other, and the first drive mechanism 32 is prevented from moving in a direction in which θknee is further reduced.

このように、図6及び図7に示すように、第1連結部28aの可動範囲は、第1駆動機構32の構造により、第1連結部28に対応する装着者の部位である膝関節の可動範囲以上には動くことがないようにされている。そのため、例えば第2モータ38が暴走した場合であっても、装着者の股関節が可動範囲を超えて力を与えられることがなく事故が防止される。逆に言えば、装着者の膝関節の可動範囲を超えて第1連結部28aが動くことがないように、第1駆動機構32の各リンクの長さを設計することができる。   Thus, as shown in FIGS. 6 and 7, the movable range of the first connecting portion 28 a is based on the structure of the first drive mechanism 32, and the knee joint that is the part of the wearer corresponding to the first connecting portion 28. It is designed not to move beyond the movable range. Therefore, for example, even when the second motor 38 runs away, the wearer's hip joint is not given any force beyond the movable range, and an accident is prevented. In other words, the length of each link of the first drive mechanism 32 can be designed so that the first connecting portion 28a does not move beyond the movable range of the wearer's knee joint.

図8は、本実施例の生体運動支援装置10を車椅子に着席している者に装着する様子を示した図である。前述のように、骨盤帯48、カフ44、カフ42、カフ40は、いずれもその帯板状の部品が装着者の前面を半周し、それらの帯板状部品の両端部にはそれぞれ皮革製のベルトや面ファスナー等の装着具が延設されており、装着者の後面をこれらの装着具で締めつけるように固定するようにされているので、前記装着具を解放した状態で車椅子に着席している者の前面から覆うように取り付けるとともに、前記装着具を腰部、大腿上部、大腿下部、脛上部に固定することにより、装着が可能である。このとき、前述のように第1モータ36および第2モータ38は、装着者の前面に配設され、かつ、その外側の端が第2支柱24aに取り付けられた第1モータ取付板56および第2モータ取付板58にそれぞれ取り付けられているので、第1モータ36および第2モータ38は第2支柱24aよりも装着者の外側に位置することがなく、図8に示すように車椅子のフレームと干渉することなく生体運動支援装置10を装着することができる。   FIG. 8 is a diagram illustrating a state in which the biological exercise support device 10 according to the present embodiment is attached to a person sitting in a wheelchair. As described above, each of the pelvic belt 48, the cuff 44, the cuff 42, and the cuff 40 has a belt plate-shaped component that circulates half around the front surface of the wearer, and the belt plate-shaped components are respectively made of leather. Since the attachments such as belts and hook-and-loop fasteners are extended and the rear surface of the wearer is fastened with these attachments, the user can sit in the wheelchair with the attachments released. It can be mounted by covering it from the front of the person who is wearing it and fixing the mounting tool to the waist, upper thigh, lower thigh, and upper shin. At this time, as described above, the first motor 36 and the second motor 38 are disposed on the front surface of the wearer, and the outer end of the first motor 36 and the second motor 38 are attached to the second support column 24a. Since the two motor mounting plates 58 are respectively attached, the first motor 36 and the second motor 38 are not positioned on the outer side of the wearer with respect to the second column 24a. As shown in FIG. The biological exercise support device 10 can be mounted without interference.

図9は、本実施例の生体運動支援装置10を車椅子に着席している者に装着する際の一連の様子を示した図である。まず、装着前を表す図9の(a)においては、生体運動支援装置10の後ろ側に車椅子に着席した装着者が位置している。そして、図9の(b)に示すように、前記装着具が解放された生体運動支援装置10を装着者が自身の下肢および腰部にかぶせるように取り付ける。その後、前記骨盤帯48、カフ44、カフ42、カフ40のそれぞれに設けられた装着具を腰部、大腿上部、大腿下部、脛上部に固定し、装着が完了した状態が図9の(c)である。装着後においては、装着された生体運動支援装置10は前述のように車椅子のフレームなどと干渉することがないので、図9の(d)に示すように生体運動支援装置10を装着したまま、装着者は車椅子により移動することができる。   FIG. 9 is a diagram illustrating a series of situations when the biological exercise support device 10 of the present embodiment is mounted on a person seated in a wheelchair. First, in FIG. 9A showing the state before wearing, a wearer seated in a wheelchair is positioned behind the biological exercise support device 10. Then, as shown in FIG. 9 (b), the biological exercise support device 10 from which the wearing tool has been released is attached so that the wearer covers his / her lower leg and waist. Thereafter, the wearing devices provided on each of the pelvic belt 48, the cuff 44, the cuff 42, and the cuff 40 are fixed to the waist, the upper thigh, the lower thigh, and the upper shin, and the state where the attachment is completed is shown in FIG. It is. After wearing, since the attached biological exercise support apparatus 10 does not interfere with the wheelchair frame or the like as described above, the biological exercise support apparatus 10 is attached as shown in FIG. The wearer can move with a wheelchair.

図10は本実施例の生体運動支援装置10の制御を行なうにあたり、制御に関連する変数を定義した図である。前述のように、第2支柱24aを上方へ延ばした直線と第3支柱26とがなす角を第2支柱24aと第3支柱26とがなす角θhipとし、また、第2支柱24aを下方へ延ばした直線と第1支柱22aとがなす角を第2支柱24aと第1支柱22aとがなす角θkneeとする。なお、本実施例においては、θhipを第2連結部30の角度、あるいは股関節の角度ともいい、また、θkneeを第1連結部28aの角度、あるいは膝関節の角度ともいう。さらに、第2連結部30における回転軸回りのトルクτhipおよび第1連結部28における回転軸回りのトルクτkneeは、それぞれ第2連結部30の角度θhipおよび第1連結部28の角度θkneeを小さくするトルクの方向を正とする。   FIG. 10 is a diagram in which variables related to the control are defined when the biological exercise support apparatus 10 of the present embodiment is controlled. As described above, the angle formed by the straight line extending from the second column 24a and the third column 26 is the angle θhip formed by the second column 24a and the third column 26, and the second column 24a is moved downward. The angle formed by the extended straight line and the first column 22a is defined as an angle θknee formed by the second column 24a and the first column 22a. In this embodiment, θhip is also referred to as the angle of the second connecting portion 30 or the hip joint angle, and θknee is also referred to as the angle of the first connecting portion 28a or the knee joint angle. Further, the torque τhip around the rotation axis in the second connecting portion 30 and the torque τknee around the rotation axis in the first connecting portion 28 respectively reduce the angle θhip of the second connecting portion 30 and the angle θknee of the first connecting portion 28. The torque direction is positive.

図11は、本実施例の生体運動支援装置10の機能を説明する機能ブロック図である。制御部100はいわゆる記憶装置としてのRAM、ROMなどに記憶されたプログラムやデータ等を読み出しつつ演算装置としてのCPUにおいて演算を行なういわゆるコンピュータによって構成され、目標動作設定部102、電気的刺激付与部104、フィードバック制御部106などを有する。なお、前述の通り、貼付電極(FES電極)46、第1モータ36、第2モータ38、第1エンコーダ60、第2エンコーダ62はそれぞれ左右に一対存在しており、装着者の右下肢に対応するものには符号の末尾にRが、左下肢に対応するものには符号の末尾にLがそれぞれ付されている。   FIG. 11 is a functional block diagram illustrating functions of the biological exercise support device 10 according to the present embodiment. The control unit 100 is constituted by a so-called computer that reads out a program or data stored in a RAM or ROM as a so-called storage device and performs a calculation in a CPU as an arithmetic device, and includes a target action setting unit 102, an electrical stimulus applying unit. 104, a feedback control unit 106, and the like. Note that, as described above, there are a pair of left and right adhesive electrodes (FES electrodes) 46, the first motor 36, the second motor 38, the first encoder 60, and the second encoder 62, corresponding to the right lower limb of the wearer. Those that do are marked with R at the end of the code, and those that correspond to the left lower limb are marked with L at the end of the code.

目標動作設定部102は、生体運動支援装置10によって支援される運動である目標動作を設定するものであって、例えば前記目標動作が歩行動作である場合には、歩幅あるいは歩行速度すなわち左右の足を出すピッチなどに基づいて定められる膝関節の角度θkneeおよび股関節の角度θhipの時間変化パターンによって定められる。そして、この時間変化パターンは例えば健常者の歩行動作を解析することにより、例えば前記歩幅や歩行速度に応じて複数種類が定められ、これらを例えば装着者が図示しない入力手段を用いて切り換えることにより設定される。   The target motion setting unit 102 sets a target motion that is a motion supported by the biological motion support device 10. For example, when the target motion is a walking motion, the stride or the walking speed, that is, the left and right feet The knee joint angle θknee and the hip joint angle θhip are determined based on the time change pattern determined based on the pitch of the movements. And this time change pattern is determined by analyzing the walking motion of a healthy person, for example, depending on the stride and walking speed, for example, and these are changed by the wearer using an input means (not shown), for example. Is set.

電気的刺激付与部104は、前記目標動作設定部102において設定された目標動作を達成するために、前記第1連結部28および前記第2連結部30に対応する膝関節および股関節を伸長させる筋肉による筋力を発生させるため、この筋肉に対し与える電気的刺激を決定する。本実施例においては、前記目標動作が歩行動作であるので、前記第1連結部28および前記第2連結部30に対応する膝関節および股関節を同時に伸長させることのできる筋肉である大腿直筋に対して、その大腿直筋と皮膚を介した位置に貼り付けられた図示しない表面電極46により、電気的刺激を与える。図12は、電気的刺激付与部104が発生する電気的刺激の時間変化を表す図の一例である。時刻tsから時刻tfまでが、前記目標動作が歩行動作である場合の片足の一動作単位すなわち、一歩に相当する時間であり、これを1周期として反復した信号を発生する。このとき、電気的刺激付与部は、信号の強さs、信号無発生状態から信号発生状態までの立ち上がり時間t1、信号発生時間t2、信号発生状態から信号無発生状態までの収束時間t3のそれぞれを制御することにより、発生する電気的刺激を変化させることができる。   The electrical stimulation applying unit 104 is a muscle that extends the knee joint and the hip joint corresponding to the first connection unit 28 and the second connection unit 30 in order to achieve the target operation set in the target operation setting unit 102. In order to generate the muscular strength, the electrical stimulation applied to this muscle is determined. In this embodiment, since the target action is a walking action, the knee joint and the hip joint corresponding to the first connecting part 28 and the second connecting part 30 can be stretched simultaneously to the rectus femoris muscle. On the other hand, electrical stimulation is given by the surface electrode 46 (not shown) attached to the position through the rectus femoris and the skin. FIG. 12 is an example of a diagram illustrating a temporal change in electrical stimulation generated by the electrical stimulation applying unit 104. From time ts to time tf is one unit of motion of one foot when the target motion is a walking motion, that is, a time corresponding to one step, and a signal that is repeated as one cycle is generated. At this time, the electrical stimulus applying unit has each of the signal strength s, the rise time t1 from the signal non-generation state to the signal generation state, the signal generation time t2, and the convergence time t3 from the signal generation state to the signal non-generation state. By controlling, the generated electrical stimulation can be changed.

また、図12に示した片足の一歩に相当する時間や、膝関節あるいは股関節の目標角度は、複数のパターンから選択的に切換可能とされる。この複数のパターンは、歩幅あるいは歩行ピッチなどの変化に対応するものである。また、前記膝関節あるいは股関節の目標角度は、健常者の歩行動作における膝関節あるいは股関節の角度に基づいて決定され、この健常者の歩行動作を前記歩幅あるいは歩行ピッチ毎に予め解析することによって得られる。   Further, the time corresponding to one step of one leg shown in FIG. 12 and the target angle of the knee joint or the hip joint can be selectively switched from a plurality of patterns. The plurality of patterns correspond to changes in the stride or the walking pitch. The target angle of the knee joint or the hip joint is determined based on the angle of the knee joint or the hip joint in the walking motion of a healthy person, and is obtained by previously analyzing the walking motion of the healthy person for each step length or walking pitch. It is done.

図14は、目標動作設定部102によって設定される目標動作と電気的刺激付与部104によって決定される電気的刺激のパターンとの関係の一例を表す図である。図14においては、目標動作としての歩行動作における片足の膝関節角度θkneeと股関節角度θhipの時間変化と、刺激パターンとが同一の時間軸上に表示されている。なお、時間軸は、歩行運動の一周期、すなわち一歩が1.0となるように正規化されており、また、刺激パターンについても、最大の刺激が1.0となるように正規化されている。目標動作について着目すると、時刻0.0乃至0.4は足裏が地面に接地せず、足を後方から前方に振り出す期間である遊脚期であり、0.4乃至1.0は足裏が地面に接地し、床を蹴りだしながら体を前方に移動させる期間である立脚期である。一方、刺激パターンについては、時刻0.15から0.2にかけてそれまで0とされていた出力が増加させられ、0.2から0.4にかけて最大出力が維持され、0.4から0.45にかけて徐々に減少させられ、0.45から1.0までは出力が行なわれない。   FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a relationship between a target action set by the target action setting unit 102 and an electrical stimulus pattern determined by the electrical stimulus applying unit 104. In FIG. 14, the temporal change of the knee joint angle θknee and hip joint angle θhip of one leg in the walking motion as the target motion and the stimulation pattern are displayed on the same time axis. The time axis is normalized so that one cycle of walking motion, that is, one step is 1.0, and the stimulus pattern is also normalized so that the maximum stimulus is 1.0. Yes. Focusing on the target movement, time 0.0 to 0.4 is a swing period in which the sole does not touch the ground and the foot is swung forward from the rear, and 0.4 to 1.0 is the foot period. This is the stance phase where the back is grounded and the body moves forward while kicking the floor. On the other hand, with respect to the stimulation pattern, the output that had been 0 until then is increased from time 0.15 to 0.2, the maximum output is maintained from 0.2 to 0.4, and 0.4 to 0.45. The output is decreased gradually from 0.45 to 1.0 and no output is performed.

図11に戻って、フィードバック制御部106は、膝関節の角度θkneeおよび股関節の角度θhipのそれぞれについてをフィードバックすることにより第1モータ36および第2モータ38のそれぞれの作動を制御する。このとき、前記目標動作設定部102において設定された目標動作すなわち膝関節の角度θkneeおよび股関節の角度θhipのそれぞれについての時間変化を参照入力として、この参照入力と状態との偏差が0となるような制御を行なう。   Returning to FIG. 11, the feedback control unit 106 controls the operations of the first motor 36 and the second motor 38 by feeding back each of the knee joint angle θknee and the hip joint angle θhip. At this time, the target motion set in the target motion setting unit 102, that is, the time change of each of the knee joint angle θknee and the hip joint angle θhip is used as a reference input so that the deviation between the reference input and the state becomes zero. Control.

図13は、本実施例の生体運動支援装置10における制御系を表すブロック線図である。本図13において、qは左右それぞれの股関節および膝関節の角度をベクトルにより表したものであり、q=[θhip_R ,θknee_R ,θhip_L ,θknee_L T である。また、qr は、前記目標動作設定部102において設定された目標動作に対応する左右それぞれの股関節および膝関節の角度をベクトルにより表したものであり、qr =[θhip_Rr,θknee_Rr,θhip_Lr,θknee_LrT である。またτa は、左右それぞれに設けられた第1モータ36および第2モータ38によって発生させられる第1連結部28および第2連結部30における回転軸回りのトルクであり、τa =[τhip_R_a ,τknee_R_a ,τhip_L_a ,τknee_L_a T である。また、τFES は、前記電気的刺激付与部104およびFES刺激装置124によって発生された電気的刺激を受けた左右の大腿直筋が生ずる筋力による第1連結部28および第2連結部30の回転軸回りのトルクであり、τFES =[τhip_R_FES ,τknee_R_FES ,τhip_L_FES ,τknee_L_FES T である。ここで、qにおけるθhip_R は右足の股関節(第2連結部30)の角度、θknee_R は右足の膝関節(第1連結部28)の角度、θhip_L は左足の股関節(第2連結部30)の角度、θknee_L は左足の膝関節(第1連結部28)の角度であり、同様にqr 、τa 、τFES の各ベクトルについても、第1成分は右足の股関節、第2成分が右足の膝関節、第3成分が左足の股関節、第4成分が左足の膝関節に関する値をそれぞれ表している。なお、θkneeおよびθhipの位置、また、τkneeおよび、τhipの位置および向きの定義は前述の図10に示したものが用いられる。 FIG. 13 is a block diagram showing a control system in the biological exercise support device 10 of the present embodiment. In FIG. 13, q represents the angle of the hip joint and the knee joint of each of the left and right by a vector, and q = [θ hip — R , θ knee — R , θ hip — L , θ knee — L ] T is there. Q r is a vector representing the angles of the left and right hip joints and knee joints corresponding to the target motion set in the target motion setting unit 102, and q r = [θ hip — Rr , θ knee _Rr , θ hip _Lr , θ knee _Lr ] T. Further, τ a is a torque around the rotation axis in the first connecting portion 28 and the second connecting portion 30 generated by the first motor 36 and the second motor 38 provided on the left and right, respectively, and τ a = [τ hip _ R _ a, τ knee _ R _ a, τ hip _ L _ a, is τ knee _ L _ a] T . In addition, τ FES is the rotation of the first connecting portion 28 and the second connecting portion 30 due to the muscular strength generated by the right and left rectus femoris muscles that have received the electrical stimulation generated by the electrical stimulation applying portion 104 and the FES stimulating device 124. It is the torque around the axis, and τ FES = [τ hip — R — FES , τ knee — R — FES , τ hip — L — FES , τ knee — L — FES ] T. Here, θ hip — R in q is the angle of the hip joint of the right foot (second connecting portion 30), θ knee — R is the angle of the knee joint of the right foot (first connecting portion 28), and θ hip — L is the hip joint of the left foot. angle (second connecting portion 30), theta knee _ L is the angle of the left knee joint (first connecting portion 28), similarly q r, tau a, for each vector of tau FES also first component Represents a value relating to the hip joint of the right foot, a second component relating to the knee joint of the right foot, a third component relating to the hip joint of the left foot, and a fourth component relating to the knee joint of the left foot. The definition of the positions of θknee and θhip, and the positions and orientations of τknee and τhip are as shown in FIG.

図13に示すように、本実施例の生体運動支援装置10の制御においては、左右それぞれの股関節および膝関節の角度の値であるqおよびその微分値をフィードバックする、いわゆるPD制御が行なわれる。このときKpおよびKvはそれぞれ各関節の角度qおよびその微分値である角速度(dq/dt)に対応するゲインである。一般にPD制御においては、比例ゲインKpを大きくすると制御系が安定限界に近づく一方、Kpを小さくすると追従性能が劣るので、フィードバック制御部106はこれらの性能を考慮しつつ安定性と追従性を両立し得るKpの値が用いられる。   As shown in FIG. 13, in the control of the biological exercise support device 10 of the present embodiment, so-called PD control is performed in which q, which is the angle value of the left and right hip joints and knee joints, and the differential value thereof are fed back. At this time, Kp and Kv are gains corresponding to the angle q of each joint and the angular velocity (dq / dt) which is a differential value thereof. In general, in PD control, if the proportional gain Kp is increased, the control system approaches the stability limit, but if Kp is decreased, the follow-up performance is inferior. Therefore, the feedback control unit 106 considers these performances and achieves both stability and follow-up performance. Possible Kp values are used.

図11に戻って、インタフェース部(I/F部)110は、DA変換部112、AD変換部114、カウンタ116、タイマ118などによって構成される。DA変換部112は、コンピュータによって構成されデジタルデータを扱う制御部100と、アナログデータを扱うサーボモータ用アンプ120やFES刺激装置124との間に存在し、制御部100によって出力されるデジタルデータをアナログデータに変換し、サーボモータ用アンプ120やFES刺激装置124などに渡す。また、AD変換部114はサーボモータ用アンプ120が各モータ36、38に対して出力した駆動電流の大きさやモータの出力軸の回転速度などについてのアナログデータを受け取り、制御部100において使用できる形式であるデジタルデータに変換する。また、カウンタ116は、第1モータ36の出力軸の回転角度を検出する第1エンコーダ60および第2モータ38の出力軸の回転角度を検出する第2エンコーダ62からのデータを受け取り、回転角を算出する。すなわち、第1エンコーダ60および第2エンコーダ62によって検出されるのは、モータ出力軸の回転角度に比例する数のパルスであるので、予め行なわれたキャリブレーションの結果に基づいて、現在の関節角の値を算出する。また、タイマ118は前記DA変換部112、AD変換部114、およびカウンタ116によるデータの入出力のタイミングが所定の間隔となるように制御するために用いられる。   Referring back to FIG. 11, the interface unit (I / F unit) 110 includes a DA conversion unit 112, an AD conversion unit 114, a counter 116, a timer 118, and the like. The DA conversion unit 112 is configured between a control unit 100 configured by a computer and handling digital data, and the servo motor amplifier 120 and the FES stimulating device 124 handling analog data, and outputs the digital data output by the control unit 100. The data is converted into analog data, which is passed to the servo motor amplifier 120, the FES stimulator 124, and the like. The AD converter 114 receives analog data about the magnitude of the drive current output from the servo motor amplifier 120 to the motors 36 and 38, the rotational speed of the motor output shaft, and the like, and can be used in the controller 100. Is converted to digital data. The counter 116 also receives data from the first encoder 60 that detects the rotation angle of the output shaft of the first motor 36 and the second encoder 62 that detects the rotation angle of the output shaft of the second motor 38, and calculates the rotation angle. calculate. That is, since the first encoder 60 and the second encoder 62 detect the number of pulses proportional to the rotation angle of the motor output shaft, the current joint angle is determined based on the result of the calibration performed in advance. Is calculated. The timer 118 is used to control the input / output timing of data by the DA conversion unit 112, AD conversion unit 114, and counter 116 to be a predetermined interval.

サーボモータ用アンプ120は、左右の第1モータ36、第2モータ38のそれぞれについて設けられ、少なくとも各モータの出力軸の回転角度を制御可能なモードを有する。また、モータの出力軸回転速度および駆動電流値をそれぞれモータから測定することができる。   The servo motor amplifier 120 is provided for each of the left and right first motors 36 and second motors 38 and has a mode in which at least the rotation angle of the output shaft of each motor can be controlled. Moreover, the output shaft rotational speed and the drive current value of the motor can be measured from the motor, respectively.

FES刺激装置124は、前記電気的刺激付与部104によって決定された刺激パターンに基づいて、装着者の皮膚に貼り付けられた貼付電極46から大腿直筋を動かす末梢神経に電気的刺激を与え、大腿直筋を動かす。このとき、FES刺激装置124は、電極と皮膚との間のインピーダンスが最も低くなる周波数である例えば2.5kHzの周波数を有する正弦波を搬送波とし、周波数が50Hz、パルス幅200μsecの電圧を前記貼付電極46に与える。なお、出力電圧の振幅や周波数、パルス幅については任意の値に制御可能である。   The FES stimulating device 124 applies electrical stimulation to the peripheral nerve that moves the rectus femoris muscle from the applied electrode 46 attached to the skin of the wearer based on the stimulation pattern determined by the electrical stimulation applying unit 104, Move the rectus femoris. At this time, the FES stimulating device 124 uses a sine wave having a frequency of, for example, 2.5 kHz, which is a frequency at which the impedance between the electrode and the skin is the lowest, as a carrier wave, and applies a voltage having a frequency of 50 Hz and a pulse width of 200 μsec. Applied to the electrode 46. The amplitude, frequency, and pulse width of the output voltage can be controlled to arbitrary values.

図15は、電気的刺激付与部104による刺激パターンが前述の図14のように決定される場合において、比例ゲインKpをKp=24として本発明の生体運動支援装置10の制御を行なった場合の実験結果を説明する図である。すなわち、膝関節および股関節の目標動作における角度と実際の角度、第1モータ36および第2モータ38の発生トルク、電気的刺激付与部104において決定された刺激パターンをそれぞれ上段、中段、下段に、同一の時間軸で表示したものである。なお、このとき、Kvの値はKv=1315とされている。   FIG. 15 shows a case where the biological exercise support apparatus 10 of the present invention is controlled with the proportional gain Kp set to Kp = 24 when the stimulation pattern by the electrical stimulation applying unit 104 is determined as shown in FIG. It is a figure explaining an experimental result. That is, the angle and the actual angle in the target motion of the knee joint and the hip joint, the torque generated by the first motor 36 and the second motor 38, and the stimulation pattern determined by the electrical stimulation applying unit 104 are respectively shown in the upper, middle, and lower stages. Displayed on the same time axis. At this time, the value of Kv is Kv = 1315.

まず、図15の上段においては、第1連結部28(膝関節)の角度θkneeの実際の値が実線で、目標動作における値(目標値)が一点鎖線で、さらに第2連結部30(股関節)の角度θhipの実際の値が破線で、目標動作における値(目標値)が二点鎖線でそれぞれ表されている。第1連結部28(膝関節)の角度θknee、および第2連結部30(股関節)の角度θhipとも、実際の値と目標値とを比べると、θknee、θhipとも目標値に追従していることがわかる。   First, in the upper part of FIG. 15, the actual value of the angle θknee of the first connecting portion 28 (the knee joint) is a solid line, the value in the target motion (target value) is a one-dot chain line, and the second connecting portion 30 (the hip joint) ) Of the angle θhip is represented by a broken line, and the value (target value) in the target motion is represented by a two-dot chain line. Comparing the actual value with the target value for both the angle θknee of the first connecting portion 28 (the knee joint) and the angle θhip of the second connecting portion 30 (the hip joint), both θknee and θhip follow the target value. I understand.

図15の中段においては、第1モータ36の出力トルクが実線で、第2モータ38の出力トルクが破線でそれぞれ表されている。第1モータ36、第2モータ38とも瞬間的に急激なトルクを発することがない。   In the middle of FIG. 15, the output torque of the first motor 36 is represented by a solid line, and the output torque of the second motor 38 is represented by a broken line. Neither the first motor 36 nor the second motor 38 instantaneously generates a sudden torque.

図16は、比例ゲインKpの値のみをKp=12とし、その他は図15の場合と同一の条件により本発明の生体運動支援装置10の制御を行なった場合の実験結果を示す図であって、図15に対応する図である。図15と図16とを比較すると、上段に示された第1連結部28(膝関節)の角度θkneeの実際の値の目標値に対する追従性、および第2連結部30(股関節)の角度θhipの実際の値の目標値に対する追従性については、図15の場合よりも比例ゲインKpを小さくしたため若干劣るが、十分追従しているといえる。一方、中段に示されたモータの発生トルクについては、電気的刺激の発生直後に第1モータ36において負の方向に比較的大きいトルクを生じている。これは、電気的刺激の発生直後においては関節角の目標値およびその角速度、角加速度が他の区間に比べて大きいために,位置を正確に追従しようと大きなトルクを発生させているからだと思われる。このように、比例ゲインKpの選択により、電気的刺激による筋力を適切にモータトルクが補うことにより、モータ出力トルクの急激な変化を抑制できる。   FIG. 16 is a diagram showing experimental results when only the value of the proportional gain Kp is set to Kp = 12, and the others are controlled under the same conditions as in FIG. 15 according to the present invention. FIG. 16 is a diagram corresponding to FIG. 15. 15 is compared with FIG. 16, the followability of the actual value of the angle θknee of the first connecting portion 28 (knee joint) shown in the upper stage with respect to the target value, and the angle θhip of the second connecting portion 30 (hip joint). The followability of the actual value to the target value is slightly inferior because the proportional gain Kp is made smaller than in the case of FIG. On the other hand, as for the generated torque of the motor shown in the middle stage, a relatively large torque is generated in the negative direction in the first motor 36 immediately after the occurrence of the electrical stimulus. This seems to be because immediately after the electrical stimulation occurs, the target value of the joint angle, its angular velocity, and angular acceleration are larger than those in other sections, so a large torque is generated to accurately follow the position. It is. As described above, by selecting the proportional gain Kp, the motor torque appropriately compensates for the muscular strength caused by the electrical stimulation, thereby suppressing a rapid change in the motor output torque.

図17は、電気的刺激付与部104において決定される別の刺激パターンを示す図である。図17の上段に示す目標動作における膝関節の関節角θkneeおよび股関節の関節角θhipのパターンは前述の図14の場合と同一である。本図17の刺激パターンは、時刻0.15から0.35にかけて、それまで発生していなかった電気的刺激が発生させられる。そして、時刻0.35から0.75まで最大の電気的刺激が発生され、その後0.75から0.95にかけて電気的刺激が減少させられ、1.0までの間は発生しない。すなわち、本図17の刺激パターンと図14の刺激パターンとを比べると、図14においては、刺激が付加されるのは遊脚期から立脚期へ遷移する区間のみとされている一方、図17においては、遊脚期から立脚期へ遷移する直前から、立脚期から遊脚期へ遷移する直前にかけて行なわれており、また刺激の発生時の増加速度や刺激の終了時の減少速度は図14の刺激パターンに比べて緩やかとされている。   FIG. 17 is a diagram illustrating another stimulation pattern determined by the electrical stimulation applying unit 104. The patterns of the joint angle θknee of the knee joint and the joint angle θhip of the hip joint in the target movement shown in the upper part of FIG. 17 are the same as those in FIG. In the stimulation pattern of FIG. 17, electrical stimulation that has not occurred until then is generated from time 0.15 to 0.35. Then, the maximum electrical stimulation is generated from time 0.35 to 0.75, and then the electrical stimulation is decreased from 0.75 to 0.95, and does not occur until 1.0. That is, comparing the stimulation pattern of FIG. 17 with the stimulation pattern of FIG. 14, in FIG. 14, the stimulation is applied only during the transition from the swing phase to the stance phase. Is performed immediately before the transition from the swing phase to the stance phase and immediately before the transition from the stance phase to the swing phase, and the rate of increase when the stimulus is generated and the rate of decrease when the stimulus ends are shown in FIG. It is considered to be gentle compared to the stimulation pattern.

図18は、電気的刺激付与部104による刺激パターンが前述の図17のように決定される場合において、比例ゲインKpをKp=12として本発明の生体運動支援装置10の制御を行なった場合の実験結果を説明する図であって、図15や図16に対応する図である。すなわち、膝関節および股関節の目標動作における角度と実際の角度、第1モータ36および第2モータ38の発生トルク、電気的刺激付与部104において決定された刺激パターンをそれぞれ上段、中段、下段に、同一の時間軸で表示したものである。なお、このとき、Kvの値はKv=1315とされている。   FIG. 18 shows a case where the biological exercise support apparatus 10 of the present invention is controlled with the proportional gain Kp set to Kp = 12, when the stimulation pattern by the electrical stimulation applying unit 104 is determined as shown in FIG. It is a figure explaining an experimental result, Comprising: It is a figure corresponding to FIG.15 and FIG.16. That is, the angle and the actual angle in the target motion of the knee joint and the hip joint, the torque generated by the first motor 36 and the second motor 38, and the stimulation pattern determined by the electrical stimulation applying unit 104 are respectively shown in the upper, middle, and lower stages. Displayed on the same time axis. At this time, the value of Kv is Kv = 1315.

図18の上段においては、図15などと同様に、第1連結部28(膝関節)の角度θkneeの実際の値が実線で、目標動作における値(目標値)が一点鎖線で、さらに第2連結部30(股関節)の角度θhipの実際の値が破線で、目標動作における値(目標値)が二点鎖線でそれぞれ表されている。第1連結部28(膝関節)の角度θknee、および第2連結部30(股関節)の角度θhipとも、実際の値と目標値とを比べると、θknee、θhipとも図16の場合と同程度に目標値に追従していることがわかる。   In the upper part of FIG. 18, as in FIG. 15 and the like, the actual value of the angle θknee of the first connecting portion 28 (the knee joint) is a solid line, the value in the target motion (target value) is a one-dot chain line, The actual value of the angle θhip of the connecting portion 30 (hip joint) is represented by a broken line, and the value (target value) in the target motion is represented by a two-dot chain line. When the angle θknee of the first connecting portion 28 (knee joint) and the angle θhip of the second connecting portion 30 (hip joint) are compared with the actual value and the target value, both θknee and θhip are about the same as those in FIG. It can be seen that the target value is being followed.

一方、図18の中段においては、第1モータ36の出力トルクが実線で、第2モータ38の出力トルクが破線でそれぞれ表されている。これを図15あるいは図16の制御における第1モータ36および第1モータ36の出力トルクと比較すると、本図18においては例えば時刻tが2.8乃至2.9程度の区間などの立脚期の中期において、第1モータ36が負の比較的大きなトルクを出力している。この区間は,膝関節の二重膝作用と呼ばれるところで,体重心の上下方向の移動を少なくするための作用であるが、ここで一度膝が伸びきった状態からいったん曲がり、再び伸ばそうとするところで電気的刺激によって膝関節が伸長しきった状態となっているために、それを曲げようとする方向にモータトルクが働いているものであると思われる。すなわち、電気的刺激により膝関節を伸長させるよう大腿直筋の筋力を発生させる一方、第1モータ36は膝関節を屈曲させるトルクを発生している。   On the other hand, in the middle of FIG. 18, the output torque of the first motor 36 is represented by a solid line, and the output torque of the second motor 38 is represented by a broken line. Comparing this with the output torque of the first motor 36 and the first motor 36 in the control of FIG. 15 or FIG. 16, in FIG. 18, for example, in the stance phase such as a section where the time t is about 2.8 to 2.9. In the middle period, the first motor 36 outputs a relatively large negative torque. This section is called the double knee action of the knee joint, and is an action to reduce the vertical movement of the body center of gravity. Here, the knee is once bent from the fully extended state and then extended again. Since the knee joint is in a fully extended state due to electrical stimulation, the motor torque seems to be acting in the direction to bend it. That is, the muscle force of the rectus femoris muscle is generated so as to extend the knee joint by electrical stimulation, while the first motor 36 generates torque that bends the knee joint.

ところで、前記図17に示した刺激パターンは、従来電気的刺激によって生ずる筋力のみによって歩行運動を支援する場合の刺激パターンをそのまま適用したものである。電気的刺激によって生ずる筋力のみによって歩行運動を支援する場合には、立脚期における膝折れ、すなわち床からの反力ベクトルが膝関節後方を通ることで、膝関節を屈曲させる方向にモーメントが働く現象を防止すべく電気的刺激を発生していた。しかしながら、図15および図16に示されているように、立脚期における膝折れ防止には、必ずしも電気的刺激を与え続ける必要がなく、前記フィードバック制御部106による制御により第1モータ36から出力される比較的小さな出力トルクによっても有効な効果を得られる。言い換えれば、膝関節を伸展させる動作を行なう遊脚期においては、膝関節が伸展された状態を維持する立脚期に比べてその伸展動作に関与する筋肉である大腿直筋が生ずる筋力が大きくなるように電気的刺激付与部104により電気的刺激が行なわれた図14の場合は、図17の場合と比べて膝関節がなめらかに動作することが可能となる。また、筋肉に対して大きな電気的刺激が加わる時間を短くすることができることから、筋肉の疲労を低減することができる。   By the way, the stimulation pattern shown in FIG. 17 is an application of the stimulation pattern in the case where the walking motion is supported only by the muscular force generated by the conventional electrical stimulation as it is. When walking is supported only by the muscular strength generated by electrical stimulation, the moment when the knee is bent in the stance phase, that is, the moment vector acts in the direction of bending the knee joint when the reaction force vector from the floor passes behind the knee joint. An electrical stimulus was generated to prevent this. However, as shown in FIG. 15 and FIG. 16, it is not always necessary to continue applying electrical stimulation to prevent knee breakage in the stance phase, and it is output from the first motor 36 by the control of the feedback control unit 106. An effective effect can be obtained even with a relatively small output torque. In other words, the muscular strength generated by the rectus femoris muscle, which is a muscle involved in the extension movement, is greater in the swing leg period in which the knee joint is extended than in the stance period in which the knee joint is maintained in the extended state. In the case of FIG. 14 where electrical stimulation is performed by the electrical stimulation applying unit 104 as described above, the knee joint can move more smoothly than in the case of FIG. Moreover, since the time during which a large electrical stimulus is applied to the muscle can be shortened, muscle fatigue can be reduced.

ただし、このような例えば図17に示す場合であっても、逆に言えば電気的刺激によって発生する大腿直筋の筋力により、膝関節を伸展状態に保持することができたといえる。すなわち、電気的刺激付与部104による電気的刺激の開始および終了のタイミングを調節することにより、第1モータ36によって発生するトルクと組み合わせた運動の支援に十分寄与し得るものである。特に前述のように、膝関節および股関節の関節角のそれぞれの目標動作における角度に対する追従性は一定の評価をすることができるが、これはモータによる出力トルクと逆方向に働く外力が存在する場合であってもフィードバック制御部106により前記膝関節および股関節の関節角を制御することができたといえる。   However, even in such a case as shown in FIG. 17, for example, it can be said that the knee joint can be held in the extended state by the muscular strength of the rectus femoris generated by electrical stimulation. That is, by adjusting the timing of the start and end of the electrical stimulation by the electrical stimulation applying unit 104, it can sufficiently contribute to the support of the exercise combined with the torque generated by the first motor 36. In particular, as described above, the followability of the knee joint and hip joint angles with respect to each target motion angle can be evaluated to a certain degree. This is when there is an external force that works in the direction opposite to the output torque of the motor. Even so, it can be said that the feedback control unit 106 can control the joint angles of the knee joint and the hip joint.

前述の実施例によれば、駆動装置としての第1モータ36および第2モータ38による関節角すなわち膝関節(第1連結部28a)および股関節(第2連結部30)の角度θkneeおよびθhipの制御と、前記モータ36、38による角度制御と関連して電気的刺激付与部104により出力される筋肉への電気的刺激との両方が併用されることにより、再現性の低い前記電気的刺激付与部104により出力された電気的刺激により発生される筋力を前記モータ36、38が補償することができるなど、前記電気的刺激付与部104あるいは駆動装置のいずれかを単独で用いた場合の欠点が補完される生体運動支援装置10において、フィードバック制御部106は、前記角度検出部としてのエンコーダ60、62によって検出された関節角の角度θkneeおよびθhipをフィードバックすることにより、前記関節角の角度θkneeおよびθhipの目標値と実際の関節角の角度との偏差に基づいて前記駆動装置36、38の出力を制御するので、例えば、疲労や電極のずれなどにより前記電気的刺激付与部104により所定の電気的刺激が出力された場合において発生する筋力がばらつくなど、外乱や負荷が存在する場合であっても、該筋力がを前記モータ36、38により適切に補償され、前記関節の角度θkneeおよびθhipを目標値に追従させることができる。   According to the above-described embodiment, control of the joint angles, that is, the angles θknee and θhip of the knee joint (first connecting portion 28a) and the hip joint (second connecting portion 30), by the first motor 36 and the second motor 38 as the driving devices. And the electrical stimulation to the muscle output by the electrical stimulation applying unit 104 in conjunction with the angle control by the motors 36 and 38 are used in combination, so that the electrical stimulation applying unit with low reproducibility is used. For example, the motors 36 and 38 can compensate for the muscular strength generated by the electrical stimulation output by the 104, and the disadvantages of using either the electrical stimulation applying unit 104 or the driving device alone are compensated. In the biological exercise support device 10, the feedback control unit 106 detects the joint angle detected by the encoders 60 and 62 as the angle detection unit. By feeding back the angles θknee and θhip, the outputs of the drive devices 36 and 38 are controlled based on the deviation between the target values of the joint angles θknee and θhip and the actual joint angle. Even when there is a disturbance or load, such as when the predetermined electrical stimulation is output by the electrical stimulation applying unit 104 due to fatigue, electrode displacement, etc. It is appropriately compensated by the motors 36 and 38, and the angles θknee and θhip of the joint can follow the target values.

また、前述の実施例によれば、前記関節角の角度θkneeおよびθhipの目標値は、健常者の前記第1部位である膝関節および第2部位である股関節を屈曲あるいは伸展させる目標動作に基づいて予め定められるので、健常者による前記第1部位および第2部位のなめらかな動作が目標動作とされ、この目標動作に追従するように前記関節角の角度θkneeおよびθhipが制御されるので、第1部位および第2部位がなめらかに動作をするよう支援する。   Further, according to the above-described embodiment, the target values of the joint angles θknee and θhip are based on a target action of bending or extending the knee joint as the first part and the hip joint as the second part of a healthy person. Since the smooth movement of the first part and the second part by the healthy person is the target action, and the joint angles θknee and θhip are controlled to follow the target movement, 1 part and 2nd part are supported so that it may operate smoothly.

また、前述の実施例によれば、前記関節角の角度θkneeおよびθhipの目標値は、前記第1部位および第2部位を屈曲あるいは伸展させる目標動作における前記関節角の大きさおよび/または関節角の角速度に基づいて予め複数種類が定められ、該複数種類の目標値は切換可能であるので、予め定められた複数種類の目標動作から、適当な前記関節角の大きさや角速度を選択することができる。   Further, according to the above-described embodiment, the target values of the angles θknee and θhip of the joint angle are the magnitude and / or the joint angle of the joint angle in the target action for bending or extending the first part and the second part. A plurality of types are determined in advance based on the angular velocities, and the target values of the plurality of types can be switched. Therefore, it is possible to select an appropriate size and angular velocity of the joint angle from a plurality of predetermined target motions. it can.

また、前述の実施例によれば、前記電気的刺激付与部104は、前記第1部位である膝関節および第2部位である股関節を屈曲あるいは伸展させる動作に関与する筋肉にのみ電気的刺激を与えるので、電気的刺激のみによって運動支援を行なう場合に比べて、電気的刺激によって作動させる筋肉の数を少なくすることができる。これにより、前記電気的刺激を筋肉に与えるために設置する電極の数を低減できるとともに、電気的刺激に対する再現性が乏しい筋力の影響を抑えつつ、機能的電気刺激と外部の駆動装置を併用した運動支援を行なうことができる。   Further, according to the above-described embodiment, the electrical stimulation applying unit 104 applies electrical stimulation only to muscles involved in the operation of bending or extending the knee joint as the first part and the hip joint as the second part. Therefore, the number of muscles activated by electrical stimulation can be reduced as compared with the case where exercise support is performed only by electrical stimulation. As a result, the number of electrodes to be installed to give the electrical stimulation to the muscle can be reduced, and the functional electrical stimulation and an external driving device are used in combination while suppressing the influence of muscular strength with poor reproducibility to the electrical stimulation. Exercise support can be performed.

また、前述の実施例によれば、前記電気的刺激付与部104は、前記モータ36、38の出力を最も少なくするタイミングで前記第1部位および第2部位を屈曲あるいは伸展させる動作に関与する筋肉に電気的刺激を与えるので、前記モータ36、38の出力を抑えることができ、前記モータ36、38や、モータ36、38に電力を供給するバッテリ等を小型化あるいは軽量化することができる。   Further, according to the above-described embodiment, the electrical stimulation applying unit 104 is a muscle that is involved in an operation of bending or extending the first part and the second part at the timing when the outputs of the motors 36 and 38 are minimized. Since electrical stimulation is applied to the motor 36, the output of the motors 36, 38 can be suppressed, and the motor 36, 38, a battery for supplying power to the motors 36, 38, etc. can be reduced in size or weight.

また、前述の実施例によれば、前記電気的刺激付与部104は、歩行動作において前記第1部位および第2部位を伸展させる動作を行なう場合である遊脚期には、該第1部位および第2部位が伸展された状態を維持する場合である立脚期に比べて前記第1部位および第2部位を伸展させる動作に関与する筋肉が発生する筋力が大きくなるように、前記筋肉に電気的刺激を与えるので、第1部位および第2部位が伸展された状態を維持する場合においても第1部位および第2部位を伸展させる動作を行なう場合と同様もしくはそれ以上の電気的刺激を与える場合に比べてなめらかな動作を行なうことが可能となる。また、第1部位および第2部位が伸展された状態を維持する場合においては前記モータ36、38の出力が用いられるが、かかる出力は前記第1部位および第2部位を伸展させる動作を行なう場合に比べて小さいものであるので、省電力化を図ることができる。更には、筋肉に対して大きな電気的刺激が加わる時間を短くすることができることから、筋肉の疲労を低減することができる。   Further, according to the above-described embodiment, the electrical stimulation applying unit 104 is configured to perform the first leg and the second part during the swinging period in which the first part and the second part are extended during walking. Electricity is applied to the muscles so that the muscular strength generated by the muscles involved in the operation of extending the first and second parts is greater than that in the stance phase, which is when the second part is maintained in the extended state. Since stimulation is given, when the first part and the second part are maintained in the extended state, the same or more electrical stimulation is applied as in the case of performing the operation of extending the first part and the second part. Compared with this, it is possible to perform a smooth operation. Further, in the case where the state where the first part and the second part are extended is maintained, the output of the motors 36 and 38 is used. In the case where the output performs the operation of extending the first part and the second part. Therefore, power saving can be achieved. Furthermore, since the time during which a large electrical stimulus is applied to the muscle can be shortened, muscle fatigue can be reduced.

また、前述の実施例によれば、生体の第1部位に取り付けられる第1支柱22a、22bと、該第1部位と第1関節を介して連結された第2部位に取り付けられる第2支柱24a、24bと、前記第1支柱および前記第2支柱を相対回動可能に連結する第1連結部28a、28bと、前記第2部位と第2関節を介して連結された第3部位に取り付けられる第3支柱26と、前記第2支柱および該第3支柱を相対回動可能に連結する第2連結部30と、前記第1支柱22a、22bと前記第2支柱24a、24bとによって形成される第1関節角θkneeの角度を制御する第1モータ36と、前記第2支柱24aと前記第3支柱26とによって形成される第2関節角の角度θhipを制御する第2モータ38と、前記第1モータ36および該第2モータ38の角度制御動作と関連して、前記生体の第1部位および第2部位、および前記生体の第2部位および第3部位をそれぞれ屈曲あるいは伸展させる動作に関与する筋肉に電気的刺激を与えるための信号を出力する電気的刺激付与部104と、を有し、前記第1部位および前記第2部位の屈曲あるいは伸展動作、および前記第2部位および前記第3部位の屈曲あるいは伸展動作を支援するための生体運動支援装置10に対しても前述の効果と同様の効果が得られる。   Moreover, according to the above-mentioned Example, the 1st support | pillar 22a, 22b attached to the 1st site | part of a biological body, and the 2nd support | pillar 24a attached to the 2nd site | part connected with this 1st site | part via the 1st joint. 24b, first connecting portions 28a, 28b for connecting the first support column and the second support column so as to be relatively rotatable, and a third portion connected to the second portion via a second joint. It is formed by the third support column 26, the second support column 30 and the second connection portion 30 for connecting the third support column so as to be relatively rotatable, the first support columns 22a and 22b, and the second support columns 24a and 24b. A first motor 36 for controlling the angle of the first joint angle θknee, a second motor 38 for controlling an angle θhip of a second joint angle formed by the second column 24a and the third column 26, and 1 motor 36 and the first 2 In connection with the angle control operation of the motor 38, electrical stimulation is applied to the muscles involved in the operation of bending or extending the first and second parts of the living body and the second and third parts of the living body, respectively. An electrical stimulus applying unit 104 that outputs a signal for giving, and bending or extending operation of the first part and the second part, and bending or extending action of the second part and the third part The same effects as those described above can also be obtained for the biological exercise support device 10 for support.

また、前述の実施例によれば、前記第1部位は下腿であり、前記第2部位は大腿であり、前記第3部位は腰部であり、前記第1関節は膝関節であり、前記第2関節は股関節であるので、下肢に運動機能障害を有する者に対してその運動の支援を行なうことができる。   Further, according to the above-described embodiment, the first part is the lower leg, the second part is the thigh, the third part is the waist, the first joint is the knee joint, and the second part is the thigh. Since the joint is a hip joint, it is possible to support the movement of a person having a motor dysfunction in the lower limbs.

また、前述の実施例によれば、前記生体の第1部位および第2部位および前記生体の第2部位および第3部位のそれぞれの屈曲あるいは伸展動作は歩行運動に伴うものであるので、日常生活において最も基本的な動作である歩行動作を支援することができる。   In addition, according to the above-described embodiment, since the bending or extending movements of the first and second parts of the living body and the second and third parts of the living body are accompanied by walking exercise, It is possible to support the walking motion which is the most basic motion.

また、前述の実施例によれば、前記第1モータ36および前記第2モータ38は、それぞれ前記第1部位乃至第3部位のいずれかの前方に設けられ、前記第1連結部および前記第2連結部は、それぞれ前記第1モータ36および前記第2モータ38により、駆動機構32、34を介して駆動されるので、該駆動32、34により前記第1部位乃至第3部位のいずれかの前方に設けられた前記第1モータ36および前記第2モータ38のそれぞれによって発生された動力は前記第1連結部28aおよび前記第2連結部30に伝達されるとともに、前記生体運動支援装置10の横幅方向の大きさは、前記第1モータ36および第2モータ38が体側に対応する側に設けられる場合に比べて小さくなり、例えば平均的な体格を想定して横幅方向の大きさが規定されている車椅子などに前記生体運動支援装置10を装着したまま着席することができる。   According to the above-described embodiment, the first motor 36 and the second motor 38 are provided in front of any one of the first part to the third part, respectively, and the first connecting part and the second motor Since the connecting portion is driven by the first motor 36 and the second motor 38 via the driving mechanisms 32 and 34, respectively, the connecting portions 32 and 34 are driven forward of any one of the first part to the third part. The motive power generated by each of the first motor 36 and the second motor 38 provided to the first motor 36 is transmitted to the first connector 28a and the second connector 30 and the lateral width of the biological exercise support device 10 The size in the direction is smaller than that in the case where the first motor 36 and the second motor 38 are provided on the side corresponding to the body side. For example, assuming the average physique, the size in the width direction is large. It is can be seated like a wheelchair as specified while wearing the biological exercise support apparatus 10.

また、前述の実施例によれば、前記駆動機構32、34のそれぞれは、前記第1連結部28aおよび前記第2連結部30のそれぞれが対応する前記第1関節および第2関節の可動範囲に対応してその動作範囲が制限されるので、前記第1支柱22aと前記第2支柱24aとが、あるいは前記第2支柱24aと前記第3支柱26とがそれぞれ前記第1関節あるいは第2関節の可動範囲を超えて屈曲あるいは伸展することがなく、例えば前記モータ36,38が暴走した場合であっても、装着者に損傷を与えることが防止される。   Further, according to the above-described embodiment, each of the driving mechanisms 32 and 34 is within the movable range of the first joint and the second joint corresponding to the first connecting portion 28a and the second connecting portion 30, respectively. Correspondingly, the operating range is limited, so that the first support column 22a and the second support column 24a, or the second support column 24a and the third support column 26 are respectively connected to the first joint or the second joint. It does not bend or extend beyond the movable range, and even if, for example, the motors 36 and 38 run away, damage to the wearer is prevented.

また、前述の実施例によれば、前記第1支柱22aおよび前記第2支柱24aには、それぞれ下腿および大腿の前方にカフ40、42、44が設けられているので、本発明の生体運動支援装置10は体の前面から着脱を行なうことができ、例えば車椅子や椅子などに着席したまま着脱を行なうことができる。   Further, according to the above-described embodiment, the first strut 22a and the second strut 24a are provided with the cuffs 40, 42, 44 in front of the lower leg and the thigh, respectively. The device 10 can be attached / detached from the front of the body, for example, while being seated in a wheelchair or a chair.

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。   As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail based on drawing, this invention is applied also in another aspect.

例えば、前述の実施例においては、本発明の生体運動支援装置10は骨盤帯付長下肢装具12に駆動装置としての第1モータ36および第2モータ38を取り付けることにより実現されたが、この駆動装置は、モータに限られず、例えば油圧シリンダや空気圧シリンダなどであってもよい。また、駆動機構としては第1駆動機構32および第2駆動機構34はともにリンク機構が用いられたが、これに限られず、例えばプーリやギヤ機構などであってもよい。すなわち、駆動装置としては、第1連結部28aおよび第2連結部30をそれぞれ伸長あるいは屈曲させるための回転トルクを生ずることができればよく、また、駆動機構としては前記駆動機構によって発生されたトルクを適切に第1連結部28aおよび第2連結部30に伝達できればよい。   For example, in the above-described embodiment, the biological motion support device 10 of the present invention is realized by attaching the first motor 36 and the second motor 38 as the driving device to the long limb orthosis 12 with pelvic belt. The apparatus is not limited to a motor, and may be, for example, a hydraulic cylinder or a pneumatic cylinder. As the drive mechanism, a link mechanism is used for both the first drive mechanism 32 and the second drive mechanism 34, but the present invention is not limited to this, and for example, a pulley or a gear mechanism may be used. In other words, the drive device only needs to be able to generate a rotational torque for extending or bending the first connecting portion 28a and the second connecting portion 30 respectively, and the drive mechanism can generate torque generated by the drive mechanism. What is necessary is just to be able to transmit to the 1st connection part 28a and the 2nd connection part 30 appropriately.

また、前述の実施例においては、本発明の生体運動支援装置10により歩行運動を支援したが、左右の下肢に対し独立した制御系を設定することができるため、片足のみの歩行を支援することも可能である。このようにすれば、片麻痺の患者、すなわち片足にのみ運動機能障害のある者の歩行運動を適切に支援することができる。また、前述の実施例においては、本発明の生体運動支援装置10は歩行運動を支援したが、これに限られず、例えば本発明の生体運動支援装置10によってその角度が制御される股関節および膝関節を用いる運動であれば歩行運動に限られず支援することができる。   In the above-described embodiment, the walking motion is supported by the biological motion support device 10 of the present invention. However, since an independent control system can be set for the left and right lower limbs, the walking of only one foot is supported. Is also possible. In this way, it is possible to appropriately support the walking movement of a hemiplegic patient, that is, a person who has a motor dysfunction only on one leg. In the above-described embodiment, the biological motion support device 10 of the present invention supports walking motion, but the present invention is not limited to this. For example, a hip joint and a knee joint whose angles are controlled by the biological motion support device 10 of the present invention. If it is an exercise | movement using, it can support not only a walking exercise.

また、前述の実施例においては、電気的刺激付与部104による電気的刺激は膝関節および股関節の両方の伸長に関与する大腿直筋に対して与えられたので、2つの関節を1つの筋肉に対する電気的刺激による筋力で伸長させることができたが、これに限られず、膝関節の伸長に関する筋肉と股関節の伸長に関する筋肉のそれぞれ別の筋肉に対しそれぞれ電気的刺激が与えられてもよい。   In the above-described embodiment, since the electrical stimulation by the electrical stimulation applying unit 104 is given to the rectus femoris that is involved in the extension of both the knee joint and the hip joint, the two joints are applied to one muscle. Although it was possible to elongate by the muscle force by electrical stimulation, the electrical stimulation may be applied to different muscles of the muscle relating to the extension of the knee joint and the muscle relating to the extension of the hip joint.

また、前述の実施例においては、本発明の生体運動支援装置10は骨盤帯付長下肢装具12の下腿部に対応する支柱を第1支柱22、大腿部に対応する支柱を第2支柱24、腰部に対応する支柱を第3支柱26としたが、これに限られず、例えば足板を第1支柱、下腿部に対応する支柱を第2支柱、大腿部に対応する支柱を第3支柱としてもよい。この場合、第1駆動装置は足首関節に対応する足首継手を駆動し、第2駆動装置は膝関節に対応する膝継手を駆動することにより足首継手の角度と膝継手の角度を制御すればよい。また、本発明の生体運動支援装置10は2つの支柱とそれらを連結する1つの連結部、あるいは3つの支柱とそれらを連結する2つの連結部に対して適用されたが、同様に4つ以上の支柱とそれらを連結する連結部からなる構造であっても本発明を同様に適用可能である。   Further, in the above-described embodiment, the biological exercise support device 10 of the present invention has the first strut 22 corresponding to the lower leg portion of the long limb orthosis 12 with pelvic belt and the second strut corresponding to the thigh portion. 24, the support column corresponding to the waist is the third support column 26, but is not limited thereto. For example, the foot plate is the first support column, the support column corresponding to the lower leg is the second support column, and the support column corresponding to the thigh is the first support column. Three struts may be used. In this case, the first driving device drives the ankle joint corresponding to the ankle joint, and the second driving device drives the knee joint corresponding to the knee joint to control the angle of the ankle joint and the angle of the knee joint. . Moreover, although the biological exercise support device 10 of the present invention is applied to two struts and one connecting portion that connects them, or three struts and two connecting portions that connect them, four or more similarly. The present invention can be similarly applied even to a structure including a support post and a connecting portion for connecting them.

また、前述の実施例においては、本発明の生体運動支援装置10は骨盤帯付長下肢装具12に対し駆動装置を適用することにより、下肢の運動を支援したが、これに限られず、例えば上肢装具に対し駆動装置を適用することにより、同様に上肢の運動を支援することも可能である。すなわち、本発明の生体運動支援装置が対象とする生体の第1部位、第2部位および第3部位の位置は限定されず、第1部位と第2部位とが第1連結部によって回動可能に連結され、第2部位と第3部位とが第2連結部によって回動可能に連結されていれば適用が可能である。   In the above-described embodiment, the biological motion support device 10 of the present invention supports the lower limb motion by applying the driving device to the long limb orthosis 12 with the pelvic belt. However, the present invention is not limited to this. It is also possible to support the movement of the upper limb by applying the drive device to the brace. That is, the positions of the first part, the second part, and the third part of the living body targeted by the biological exercise support device of the present invention are not limited, and the first part and the second part can be rotated by the first connecting portion. The second portion and the third portion are connected to each other so as to be rotatable by the second connecting portion.

なお、前述の実施例においては、電気的刺激を付与するために貼付電極46が用いられたが、これに限られず、例えば、皮膚を刺し抜いた電極である経皮的埋込電極が用いられても良いし、あるいは電気的刺激を発生する装置(FES刺激装置124)ごと体内に埋め込み、体外から無線により前記装置を制御する完全埋込電極が用いられてもよい。   In the above-described embodiment, the pasted electrode 46 is used for applying electrical stimulation. However, the present invention is not limited to this. For example, a percutaneous implant electrode that is a pierced skin electrode is used. Alternatively, a fully-embedded electrode that is implanted in the body together with a device (FES stimulating device 124) that generates electrical stimulation and controls the device wirelessly from outside the body may be used.

本発明の一実施例の生体運動支援装置の外観の正面図である。It is a front view of the external appearance of the biological exercise assistance apparatus of one Example of this invention. 図1の生体運動支援装置の外観の側面図である。It is a side view of the external appearance of the biological exercise assistance apparatus of FIG. 図1および図2の生体運動支援装置における第2モータおよび第2駆動機構の作動とこれに伴って動く第2連結部の動きを説明する図であって、第3支柱を第2支柱に対し最も後傾させた場合の図である。It is a figure explaining the action | operation of the 2nd motor and 2nd drive mechanism in the biological movement assistance apparatus of FIG. 1 and FIG. 2, and a motion of the 2nd connection part which moves in connection with this, Comprising: It is a figure at the time of making it tilt most backward. 図1および図2の生体運動支援装置における第2モータおよび第2駆動機構の作動とこれに伴って動く第2連結部の動きを説明する図であって、第3支柱と第2支柱とのなす角度を0とした場合の図である。It is a figure explaining the action | operation of the 2nd motor and the 2nd drive mechanism which moves in connection with the action | operation of the 2nd motor and the 2nd drive mechanism in the biological movement assistance apparatus of FIG.1 and FIG.2, Comprising: It is a figure at the time of making the angle made into 0. 図1および図2の生体運動支援装置における第2モータおよび第2駆動機構の作動とこれに伴って動く第2連結部の動きを説明する図であって、第3支柱を第2支柱に対し最も前傾させた場合の図である。It is a figure explaining the action | operation of the 2nd motor and 2nd drive mechanism in the biological movement assistance apparatus of FIG. 1 and FIG. 2, and a motion of the 2nd connection part which moves in connection with this, Comprising: A 3rd support | pillar with respect to a 2nd support | pillar It is a figure at the time of making it lean forward most. 図1および図2の生体運動支援装置における第1モータおよび第1駆動機構の作動とこれに伴って動く第1連結部の動きを説明する図であって、第1支柱と第2支柱とのなす角度を0とした場合の図である。It is a figure explaining the action | operation of the 1st motor and 1st drive mechanism in the biological movement assistance apparatus of FIG. 1 and FIG. 2, and a motion of the 1st connection part which moves in connection with this, Comprising: It is a figure at the time of making the angle made into 0. 図1および図2の生体運動支援装置における第1モータおよび第1駆動機構の作動とこれに伴って動く第1連結部の動きを説明する図であって、第1支柱を第2支柱に対し最も屈曲させた場合の図である。It is a figure explaining the action | operation of the 1st motor and the 1st drive mechanism in the biological movement assistance apparatus of FIG. 1 and FIG. 2, and a motion of the 1st connection part which moves in connection with this, Comprising: A 1st support | pillar with respect to a 2nd support | pillar It is a figure at the time of making it bend most. 図1の生体運動支援装置を車椅子に着席した状態の装着者に装着する場合の一例を表す図である。It is a figure showing an example in the case of mounting | wearing the wearer of the state which seated the wheelchair support apparatus of FIG. 1 in the wheelchair. 図1の生体運動支援装置を車椅子に着席した状態の装着者に装着する前後の状態を説明する図である。It is a figure explaining the state before and behind mounting | wearing the wearer of the state which seated the biological exercise assistance apparatus of FIG. 1 in the wheelchair. 図1の生体運動支援装置の制御における変数を定義する図である。It is a figure which defines the variable in control of the biological exercise assistance apparatus of FIG. 図1の生体運動支援装置の制御機能の概要を表す機能ブロック図である。It is a functional block diagram showing the outline | summary of the control function of the biological exercise assistance apparatus of FIG. 図1の生体運動支援装置の電気的刺激付与部における電気的刺激のパターンを説明する図である。It is a figure explaining the pattern of the electrical stimulation in the electrical stimulation provision part of the biological exercise assistance apparatus of FIG. 図1の生体運動支援装置のフィードバック制御部における制御系の概要を説明する図である。It is a figure explaining the outline | summary of the control system in the feedback control part of the biological exercise assistance apparatus of FIG. 図11に示す生体運動支援装置の制御において、歩行運動時における目標動作の関節角θkneeおよびθhipの角度と電気的刺激の刺激パターンを説明する図である。FIG. 12 is a diagram illustrating joint angles θknee and θhip of a target action and a stimulation pattern of electrical stimulation in the control of the biological exercise support device shown in FIG. 11. 図14の場合における生体運動支援装置による運動支援の様子を説明する図であって、関節角θkneeおよびθhipの角度の実際値および目標値と、モータの出力トルクと、電気的刺激の刺激パターンとの時間変化を表した図である。It is a figure explaining the mode of the exercise | movement assistance by the biological exercise assistance apparatus in the case of FIG. 14, Comprising: The actual value and target value of the angle of joint angle (theta) knee and (theta) hip, the output torque of a motor, and the stimulation pattern of electrical stimulation, It is a figure showing the time change of. 図14の場合における生体運動支援装置による運動支援の様子を説明する図であって、図15の場合と別のフィードバックトルクを設定した場合における関節角θkneeおよびθhipの角度の実際値および目標値と、モータの出力トルクと、電気的刺激の刺激パターンとの時間変化を表した図である。It is a figure explaining the mode of the exercise | movement assistance by the biological exercise assistance apparatus in the case of FIG. 14, Comprising: The actual value and target value of the joint angles (theta) knee and (theta) hip when a different feedback torque from the case of FIG. It is a figure showing the time change of the output torque of a motor, and the stimulation pattern of an electrical stimulation. 図11に示す生体運動支援装置の制御において、歩行運動時における目標動作の関節角θkneeおよびθhipの角度と図14の場合とは別の電気的刺激の刺激パターンを説明する図である。FIG. 15 is a diagram illustrating joint patterns θknee and θhip of the target motion during walking motion and different stimulation patterns of electrical stimulation from those in FIG. 14 in the control of the biological exercise support device shown in FIG. 11. 図17の場合における生体運動支援装置による運動支援の様子を説明する図であって、関節角θkneeおよびθhipの角度の実際値および目標値と、モータの出力トルクと、電気的刺激の刺激パターンとの時間変化を表した図である。It is a figure explaining the mode of the exercise | movement assistance by the biological exercise assistance apparatus in the case of FIG. 17, Comprising: The actual value and target value of the angle of joint angle (theta) knee and (theta) hip, the output torque of a motor, and the stimulation pattern of electrical stimulation, It is a figure showing the time change of.

符号の説明Explanation of symbols

10:生体運動支援装置
22:第1支柱
24:第2支柱
26:第3支柱
28:第1連結部(膝継手)
30:第2連結部(股継手)
32:第1駆動機構
34:第2駆動機構
36:第1モータ
38:第2モータ
40:カフ
42:カフ
44:カフ
46:表面電極
102:目標動作設定部
104:電気的刺激付与部
106:フィードバック制御部
10: biological exercise support device 22: first support column 24: second support column 26: third support column 28: first connecting portion (knee joint)
30: Second connecting part (hip joint)
32: 1st drive mechanism 34: 2nd drive mechanism 36: 1st motor 38: 2nd motor 40: Cuff 42: Cuff 44: Cuff 46: Surface electrode 102: Target action setting part 104: Electrical stimulus provision part 106: Feedback control unit

Claims (11)

生体の第1部位に沿って取り付けられる第1支柱と、
該生体の第1部位と関節を介して連結された第2部位に沿って取り付けられる第2支柱と、
前記第1支柱および前記第2支柱を相対回動可能に連結する連結部と、
前記第1支柱と前記第2支柱とを連結する前記連結部を開閉駆動する駆動装置と、
該駆動装置による前記連結部の開閉駆動と関連して、前記生体の第1部位および第2部位を屈曲あるいは伸展させる動作に関与する筋肉に電気的刺激を与えるための信号を出力する電気的刺激付与部と、
を有し、前記生体の第1部位および前記第2部位の屈曲あるいは伸展を支援するための生体運動支援装置であって、
前記連結部の角度を検出する角度検出部と、
予め設定された目標動作における前記連結部の角度の目標値と該角度検出部によって検出された実際の連結部の角度との偏差に基づいて前記駆動装置の出力を制御するフィードバック制御部を有すること
を特徴とする生体運動支援装置。
A first support attached along the first part of the living body;
A second support post attached along a second part connected to the first part of the living body via a joint;
A connecting portion for connecting the first support column and the second support column to be relatively rotatable;
A driving device that opens and closes the connecting portion that connects the first support column and the second support column;
An electrical stimulus that outputs a signal for applying an electrical stimulus to a muscle involved in an operation of bending or extending the first part and the second part of the living body in association with the opening / closing drive of the connecting portion by the driving device. A granting unit;
A body movement support device for supporting bending or extension of the first part and the second part of the living body,
An angle detection unit for detecting an angle of the coupling unit;
A feedback control unit configured to control an output of the driving device based on a deviation between a target value of the angle of the coupling unit in a preset target operation and an actual angle of the coupling unit detected by the angle detection unit; A biological exercise support device characterized by the above.
前記目標動作における連結部の角度の目標値は、健常者の前記第1部位および第2部位を屈曲あるいは伸展させる動作に基づいて予め定められた時間関数であること
を特徴とする請求項1に記載の生体運動支援装置。
The target value of the angle of the connecting portion in the target action is a time function that is predetermined based on an action of bending or extending the first part and the second part of a healthy person. The biological exercise support device described.
前記連結部の角度の目標値は、前記第1部位および第2部位を屈曲あるいは伸展させる目標動作における前記連結部の角度の大きさおよび/または連結部の角度の角速度に対応して予め複数種類が定められ、該複数種類の目標値は切換可能であること
を特徴とする請求項1または2に記載の生体運動支援装置。
There are a plurality of target values for the angle of the connecting portion in advance corresponding to the size of the angle of the connecting portion and / or the angular velocity of the angle of the connecting portion in the target operation of bending or extending the first portion and the second portion. The biological exercise support device according to claim 1, wherein the plurality of target values are switchable.
前記電気的刺激付与部は、前記第1部位および第2部位を屈曲あるいは伸展させる動作に関与する筋肉にのみ電気的刺激を与えること
を特徴とする請求項1乃至3のいずれか1に記載の生体運動支援装置。
4. The electrical stimulation applying unit according to claim 1, wherein the electrical stimulation applying unit applies electrical stimulation only to muscles involved in an operation of bending or extending the first part and the second part. 5. Biological exercise support device.
前記電気的刺激付与部は、前記第1部位および第2部位を伸展させる動作を行なう場合には、該第1部位および第2部位が伸展された状態を維持する場合に比べて前記第1部位および第2部位を伸展させる動作に関与する筋肉が発生する筋力が大きくなるように、前記筋肉に電気的刺激を与えること
を特徴とする請求項1乃至4のいずれか1に記載の生体運動支援装置。
In the case where the electrical stimulation applying unit performs an operation of extending the first part and the second part, the first part is compared with a case where the first part and the second part are maintained in an extended state. 5. The biological exercise support according to claim 1, wherein electrical stimulation is applied to the muscle so that the muscle force generated by the muscle involved in the movement of extending the second part is increased. apparatus.
生体の第1部位に沿って取り付けられる第1支柱と、
該生体の第1部位と第1関節を介して連結された第2部位に沿って取り付けられる第2支柱と、
前記第1支柱および前記第2支柱を相対回動可能に連結する第1連結部と、
前記第2部位と第2関節を介して連結された第3部位に沿って取り付けられる第3支柱と、
前記第2支柱および該第3支柱を相対回動可能に連結する第2連結部と、
前記第1支柱と前記第2支柱とを連結する前記第1連結部を開閉駆動する第1駆動装置と、
前記第2支柱と前記第3支柱とを連結する前記第2連結部を開閉駆動する第2駆動装置と、
前記第1駆動装置および該第2駆動装置による前記第1連結部の角度および前記第2連結部の開閉駆動と関連して、前記生体の第1部位および第2部位、および前記生体の第2部位および第3部位をそれぞれ屈曲あるいは伸展させる動作に関与する筋肉に電気的刺激を与えるための信号を出力する電気的刺激付与部と、
を有し、前記生体の第1部位および前記第2部位の屈曲あるいは伸展動作、および前記第2部位および前記第3部位の屈曲あるいは伸展動作を支援するための生体運動支援装置であって、
前記第1連結部の角度および第2連結部の角度をそれぞれ検出する角度検出部と、
予め設定された目標動作における前記第1連結部の角度および第2連結部の角度の目標値と該角度検出部によって検出された実際の第1連結部の角度および第2連結部の角度とのそれぞれの偏差に基づいて前記第1駆動装置および第2駆動装置のそれぞれの出力を制御するフィードバック制御部を有すること
を特徴とする生体運動支援装置。
A first support attached along the first part of the living body;
A second support attached along a second part connected to the first part of the living body via a first joint;
A first connecting portion for connecting the first support column and the second support column so as to be relatively rotatable;
A third column attached along a third part connected to the second part via a second joint;
A second connecting portion for connecting the second support column and the third support column to be relatively rotatable;
A first driving device that opens and closes the first connecting portion that connects the first support column and the second support column;
A second drive device that opens and closes the second connecting portion that connects the second support column and the third support column;
The first part and the second part of the living body and the second part of the living body in relation to the angle of the first connecting part and the opening / closing driving of the second connecting part by the first driving device and the second driving device. An electrical stimulation applying unit that outputs a signal for applying electrical stimulation to muscles involved in the operation of bending or extending each of the region and the third region;
A biological motion support device for supporting the bending or extension operation of the first part and the second part of the living body and the bending or extension operation of the second part and the third part,
An angle detection unit for detecting an angle of the first connection unit and an angle of the second connection unit;
The target value of the angle of the first connecting part and the angle of the second connecting part in the preset target operation and the actual angle of the first connecting part and the angle of the second connecting part detected by the angle detecting part. A biological exercise support device comprising a feedback control unit that controls the outputs of the first drive device and the second drive device based on the deviations.
前記第1部位は生体の下腿であり、前記第2部位は生体の大腿であり、前記第3部位は生体の腰部であり、前記第1関節は生体の膝関節であり、前記第2関節は生体の股関節であること、
を特徴とする請求項6に記載の生体運動支援装置。
The first part is a lower leg of the living body, the second part is a thigh of the living body, the third part is a waist of the living body, the first joint is a knee joint of the living body, and the second joint is Being a hip joint of a living body,
The biological exercise support device according to claim 6.
前記生体の第1部位および第2部位、および前記生体の第2部位および第3部位のそれぞれの屈曲あるいは伸展動作は歩行運動に伴うものであること
を特徴とする請求項7に記載の生体運動支援装置。
The biological motion according to claim 7, wherein each of the first and second portions of the living body and the second and third portions of the living body are accompanied by a walking motion. Support device.
前記第1駆動装置および前記第2駆動装置は、それぞれ前記第1部位乃至第3部位のいずれかの前方側に設けられ、
前記第1連結部および前記第2連結部は、それぞれ前記第1駆動装置および前記第2駆動装置により、リンク機構を介して開閉駆動されること
を特徴とする請求項7または8に記載の生体運動支援装置。
The first driving device and the second driving device are respectively provided on the front side of any one of the first part to the third part,
The living body according to claim 7 or 8, wherein the first connecting portion and the second connecting portion are driven to open and close by a first driving device and a second driving device via a link mechanism, respectively. Exercise support device.
前記リンク機構のそれぞれは、前記第1連結部および前記第2連結部のそれぞれが対応する前記第1関節および第2関節の可動範囲よりもその動作範囲が制限されること
を特徴とする請求項9に記載の生体運動支援装置。
The operation range of each of the link mechanisms is more limited than the movable range of the first joint and the second joint to which the first connection portion and the second connection portion respectively correspond. The biological exercise support device according to 9.
前記第1支柱および前記第2支柱には、それぞれ下腿および大腿の前方側にカフが設けられていること
を特徴とする請求項7乃至10のいずれか1に記載の生体運動支援装置。
11. The biological exercise support device according to claim 7, wherein the first support column and the second support column are provided with cuffs on the front side of the lower leg and the thigh, respectively.
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