JP5075783B2

JP5075783B2 - 歩行補助装置の制御装置

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Publication number: JP5075783B2
Application number: JP2008254257A
Authority: JP
Inventors: 秀一脇田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: JP2010082159A

Description

本発明は、歩行補助装置の制御装置に関し、特に、各種作業を行う作業者の歩行補助装置を用いた作業負荷低減、作業負荷の平準化のための制御装置に関する。

電動モータ等の動力発生装置が発生する力を左右の脚部にアシスト力として与える歩行補助装置は、種々提案されている（例えば、特許文献１、２）。

この種の歩行補助装置の制御装置としては、脚部から生じる関節回りの内的仕事量を演算推定して歩行補助装置のアシスト力を制御するものや、歩行補助装置によって装置利用者に作用させる上向きの持ち上げ力の目標値として、装置利用者の左脚の踏力と右脚の踏力との比率に応じて左脚の目標負担分と右脚の目標負担分とを分配決定し、この目標負担分に応じたアシスト力を左右の脚部に付与する歩行補助制御を行うものが知られている（例えば、特許文献３、４、５）。
特開平７−１１２０３５号公報特開２００４−３４４３０５号公報特開２００３−７９６８４号公報特開２００７−５４６１６号公報特開２００７−３３０２９９号公報

工場等において各種作業を行う作業者の作業負荷低減は、作業者の作業負荷状況に応じて歩行補助装置のアシスト力を最適制御すべきである。

このことに対して、工場ライン作業等では、各作業者の変動する作業負荷を定量的に把握することができず、作業負荷低減を行うことが難しかった。

本発明が解決しようとする課題は、工場ライン作業等における各作業者の作業負荷を定量的に把握し、作業負荷低減を推進し、生産効率の向上を図ることである。

本発明による歩行補助装置の制御装置は、動力発生装置が発生する力を左右の脚部にアシスト力として与える歩行補助装置の制御装置であって、歩行補助装置装着者の床反力を計測する床反力計測手段と、前記床反力計測手段により計測された床反力から歩行補助装置装着者の関節モーメントを推定演算する関節モーメント推定手段と、前記関節モーメント推定手段によって推定演算された関節モーメント推定値から歩行補助装置装着者のエネルギ消費量を推定演算するエネルギ消費量推定手段と、前記エネルギ消費量推定手段によって推定演算されたエネルギ消費量よりアシスト量を演算するアシスト量演算手段とを有し、前記アシスト量演算手段によって演算されたアシスト量に応じて前記動力発生装置の出力を制御する。

本発明による歩行補助装置の制御装置は、好ましくは、前記関節モーメント推定手段は、前記床反力の計測値から逆動力学演算によって歩行補助装置装着者の関節に働く関節モーメントを推定演算する。

本発明による歩行補助装置の制御装置は、好ましくは、前記エネルギ消費量推定手段は、前記関節モーメント推定値の積分を含む演算により所定時間当たりのエネルギ消費量を推定演算する。

本発明による歩行補助装置の制御装置は、好ましくは、前記アシスト量演算手段は、予め設定された基準エネルギ消費量に対する前記エネルギ消費量の超過分に応じて前記アシスト量を演算する。

本発明による歩行補助装置の制御装置は、好ましくは、更に、歩行補助装置装着者の負荷を示す生体値を計測する生体値計測手段を有し、生体値計測手段によって計測された生体値と閾値とを比較し、前記生体値が前記閾値以上である場合には前記アシスト量演算手段によって新たなアシスト量を演算し、前記生体値が前記閾値未満である場合には前記アシスト量演算手段によって新たなアシスト量を演算せず、現在のアシスト量を維持する。

本発明による歩行補助装置の制御装置は、好ましくは、前記生体値の閾値を、歩行補助装置装着者を特定する情報、歩行補助装置装着者が行う作業内容に応じて設定する。

本発明による歩行補助装置の制御装置によれば、床反力計測手段によって歩行補助装置装着者の床反力を計測し、計測された床反力から推定演算された関節モーメントからエネルギ消費量を推定演算し、エネルギ消費量よりアシスト量を演算して歩行補助装置の動力発生装置の出力を制御することが行われる。

これにより、工場ライン作業等における各作業者が歩行補助装置を装備することで、各作業者の作業負荷を定量的に把握して歩行補助装置のアシスト量が作業工程と作業時間を考慮して最適制御され、この最適制御のもとに、作業負荷低減を推進して生産効率の向上を図ることができる。

まず、本発明による歩行補助用制御装置が適用される歩行補助装置の一つの実施形態を、図１〜図３を参照して説明する。

歩行補助装置１０は、装置使用者が跨ぐようにして着座するサドル部１２と、左右の大腿リンク部材１４Ｌ、１４Ｒと、左右の大腿リンク部材１４Ｌ、１４Ｒと、左右の下腿リンク部材１６Ｌ、１６Ｒと、装置使用者によって履靴される靴部１８Ｌ、１８Ｒとを有する。

サドル部１２の下底部中央には前後方向に延在するヒンジ軸２０が取り付けられている。ヒンジ軸２０には各々ブラケット２２Ｌ、２２Ｒによって前後方向に延在する左右の円弧ガイドバー２４Ｌ、２４Ｒがヒンジ軸２０を中心として左右方向に回動可能（開脚可能）に取り付けられている。左右の円弧ガイドバー２４Ｌ、２４Ｒにはガイドローラ２８Ｌ、２８Ｒによってスライダ２６Ｌ、２６Ｒが当該ガイドバーに沿って移動可能に設けられている。スライダ２６Ｌ、２６Ｒには左右のベースプレート３０Ｌ、３０Ｒが取り付けられている。ベースプレート３０Ｌ、３０Ｒはスライダ２６Ｌ、２６Ｒとの固定部より後方へ突出延在している。ベースプレート３０Ｌ、３０Ｒには左右の大腿リンク部材１４Ｌ、１４Ｒの上端部が固定連結されている。

上述したヒンジ軸２０、左右の円弧ガイドバー２４Ｌ、２４Ｒ、左右のスライダ２６Ｌ、２６Ｒ、左右のベースプレート３０Ｌ、３０Ｒは、装置使用者の左右の股関節に対応する位置にあり、これらの組み合わせによって、ヒトの股関節と等価の動きが可能な左右の第１関節機構部Ｌ１、Ｒ１が構成される。

左右の大腿リンク部材１４Ｌ、１４Ｒは、ベースプレート３０Ｌ、３０Ｒの後部側から斜め下方前方に延在している。左右の大腿リンク部材１４Ｌ、１４Ｒの先端部（下端部）には略水平な枢軸３２Ｌ、３２Ｒによって左右の下腿リンク部材１６Ｌ、１６Ｒの上端部が略上下方向に回動可能に連結されている。左右の下腿リンク部材１６Ｌ、１６Ｒの下端部には略水平な枢軸３４Ｌ、３４Ｒに靴部１８Ｌ、１８Ｒが略上下方向に回動可能に連結されている。

枢軸３２Ｌ、３２Ｒは、装置使用者の左右の膝関節に対応する位置にあって、ヒトの膝関節と等価の動きが可能な左右の第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２をなす。枢軸３４Ｌ、３４Ｒは、装置使用者の左右の足首関節に対応する位置にあって、ヒトの足首関節と等価の動きが可能な左右の第３関節機構部Ｌ３、Ｒ３をなす。

左右のベースプレート３０Ｌ、３０Ｒには、動力発生装置として、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒが取り付けられている。左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒは、アシスト力発生源であり、出力軸３８Ｌ、３８Ｒに出力プーリ４０Ｌ、４０Ｒを取り付けられている。

枢軸３２Ｌ、３２Ｒには従動プーリ４２Ｌ、４２Ｒが取り付けられている。出力プーリ４０Ｌ、４０Ｒと従動プーリ４２Ｌ、４２Ｒには各々無端ベルト４４Ｌ、４４Ｒが掛け渡されている。この伝動機構により、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの回転出力が左右の第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２をなす左右の枢軸３２Ｌ、３２Ｒに各々個別に伝達される。つまり、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒが発生する力が左右の脚部（膝関節部分）にアシスト力として個別に与えられる。

歩行補助装置１０は、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒに電力を供給するバッテリ電源（図示省略）と、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの動作を制御する制御装置１００（図４参照）を搭載している。

歩行補助装置１０には、各種物理量を検出するセンサとして、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの回転角を検出するロータリエンコーダ５０Ｌ、５０Ｒと、左脚、右脚の床反力計測を行うＭＰセンサ５２Ｌ、５２Ｒ及び踵センサ５４Ｌ、５４Ｒと、左脚、右脚の支持力計測を行う支持力センサ５６Ｌ、５６Ｒが取り付けられている。

左右のＭＰセンサ５２Ｌ、５２Ｒは、多軸（少なくとも鉛直方向、水平方向の２軸)の力センサであり、左右の靴部１８Ｌ、１８Ｒを着用した装置使用者のＭＰ関節（中趾節関節）部分にほぼ対応した位置の靴内に配置されて床反力を計測する。

左右の踵センサ５４Ｌ、５４Ｒは、多軸（少なくとも鉛直方向、水平方向の２軸)の力センサであり、左右の靴部１８Ｌ、１８Ｒを着用した装置使用者の踵部分にほぼ対応した位置の靴内に配置されて床反力を計測する。

左脚、右脚の支持力センサ５６Ｌ、５６Ｒは、多軸（少なくとも鉛直方向、水平方向の２軸)の力センサであり、下腿リンク部材１６Ｌ、１６Ｒの下端部に取り付けられ、下腿リンク部材１６Ｌ、１６Ｒに作用する支持力を計測する。支持力センサ５６Ｌ、５６Ｒによって計測される支持力は、床反力と相関する物理量である。

図４に示されているように、制御装置１００は、上述した各センサの信号と、装置使用者（歩行補助装置装着者)に装着された筋電計、心拍センサ、呼吸量センサ、発汗量センサ等の生体センサ５８（図４参照）より筋電位、心拍数、呼吸量、発汗量等を示す信号を、腰部・胸部ジャイロセンサ６０より腰部、胸部の鉛直方向に対する角速度を示す信号を、腰部・胸部加速度センサ６２より腰部、胸部の鉛直方向、水平方向の加速度を示す信号を各々入力し、更に、作業者・作業内容特定情報を入力し、後述する制御則に従って、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの動作を個別に制御する。

制御装置１００は、マイクロコンピュータを含む電子制御式のものであり、コンピュータプログラムを実行して、生体情報処理部１０２と、床反力演算部１０４と、関節モーメント推定演算部１０６と、エネルギ消費量推定演算部１０８と、アシスト量演算部１１０と、制御指令演算部１１２を具現化する。

生体情報処理部１０２は、装置使用者に装着された生体センサ５８より入力した筋電位、心拍数、呼吸量、発汗量等、装置使用者の作業負荷を示す生体値と所定の閾値とを比較し、比較結果に基づいてアシスト量演算部１１０による新たなアシスト量演算の実行・不実行を指令する。

詳細には、生体情報処理部１０２は、生体値が閾値以上である場合には、アシスト量演算部１１０によって新たなアシスト量の演算が行われることを指令し、生体値が閾値未満である場合には、アシスト量演算部１１０によって新たなアシスト量を演算せず、現在のアシスト量を維持することを指令する。

この生体値の閾値は、入力した作業者・作業内容特定情報により、年齢、性別等、歩行補助装置装着者自身の肉体的資質を特定する情報、歩行補助装置装着者が行う作業内容に応じた適正値に可変設定することができる。

床反力演算部１０４は、ＭＰセンサ５２Ｌ、５２Ｒ、踵センサ５４Ｌ、５４Ｒの各々よりセンサ信号を入力し、あるいは支持力センサ５６Ｌ、５６Ｒのセンサ信号を入力し、装置使用者の左右の足に作用する床反力ＦＬ(ＦＬｘ，ＦＬｙ)、ＦＲ(ＦＲｘ，ＦＲｙ)を左右個別に演算する。なお、ＦＬｘ、ＦＬｘは、床反力ＦＬ、ＦＲのうち水平方向に働く力、ＦＬｙ、ＦＬｙは、床反力ＦＬ、ＦＲのうち鉛直方向に働く力である。本実施形態では、床反力計測手段は、ＭＰセンサ５２Ｌ、５２Ｒ、踵センサ５４Ｌ、５４Ｒ、支持力センサ５６Ｌ、５６Ｒ等の力センサと床反力演算部１０４の組み合わせにより構成されていると云える。

関節モーメント推定演算部１０６は、ＭＰセンサ５２Ｌ、５２Ｒ、踵センサ５４Ｌ、５４Ｒの計測値あるいは支持力センサ５６Ｌ、５６Ｒ計測値に基づいて床反力演算部１０２により演算された床反力(ＦＬｘ，ＦＬｙ）、ＦＲ(ＦＲｘ，ＦＲｙ）から歩行補助装置装着者の左右の関節モーメント(関節トルク)、本実施形態では膝関節モーメントを推定演算する。この関節モーメントの推定演算は、逆動力学演算によって行われる。

ここで、逆動力学演算による関節モーメントの算出法について説明する。

まず、逆動力学モデルの概念を、図５を参照して説明する。逆動力学モデルは、運動と境界条件から内力を推定する力学的モデルであり、逆動力学モデルを用いて内力である関節モーメント(トルク)を算出する。

剛体リンクモデルの遠位端の境界条件を床反力Ｆｆから求め、遠位節Ｉの重量Ｗ１と慣性から力の釣り合い式を解くことで、遠位節Ｉの近位端の関節反力Ｆｊ１が求まる。更に、関節反力Ｆｊ１を遠位節Ｉより一つの近位の節ＩＩの境界条件とし、近位節ＩＩの重量Ｗ２と慣性から力の釣り合い式を解くことで、近位節ＩＩの近位端の関節反力Ｆｊ２が求まる。これを節の数だけ繰り返す。

このようにして求められた関節反力(Ｆｊ１、Ｆｊ２)を用いて関節トルクを求める。遠位と近位の関節反力を用いた節重心周りのトルクの釣り合い式から、一つ近位の関節トルクを求める。更に、この関節トルクと一つ近位の節の遠位と近位の関節反力から、次に近位の関節トルクを求める。これを節の数だけ繰り返す。

図６は、運動中の遠位からｉ番目の節(剛体)にかかる力を示している。各節の近位端に働く力(Ｆ（ｉ＋１）ｘ，Ｆ（ｉ＋１）ｙ)、トルクＭ（ｉ＋１）は、関節で繋がる近位の仏の遠位端に働く力(Ｆ（ｉ）ｘ，Ｆ（ｉ）ｙ)、トルクＭ（ｉ）の反力であるため、力(Ｆ（ｉ）ｘ，Ｆ（ｉ）ｙ)、トルクＭ（ｉ）とは逆向きの値になる。この図より力の釣り合い式は、式(１)、式(２)のように記述できる。

式(１)と式(２)を変形すると、式(３)、式(４)になる。

最遠位の節の下端(足部）にかかる力として床反力を、式(３)、式(４)に代入することにより、下位から順に全ての関節の反力が決まる。ただし、ここで求めた反力は、関節面にかかる力の全てではない。関節面には、この反力以外に、内力である筋張力も作用する。

つぎに、この関節の反力を用いて関節トルク(関節モーメント)を算出する。図６よりトルクの釣り合いは、式(５)で表される。

式(５)を変形すると、式(６)になる。

関節の反力と同様に、最遠位の節の下端にかかるトルクを床反力から算出し、これを式(６)に代入する。そして、先に求めた関節の反力を式(６)に代入することで、遠位から順に各関節トルクが求まる。

本実施形態では、歩行補助装置１０の第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２は、図２に示されているように、歩行補助装置１０を装備したヒトの膝関節よりと左右の第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２より前方にあり、直立姿勢時でも、或る角度をもつから、第１関節機構部Ｌ１、Ｒ１の曲げ角度と実際の股間関節の曲げ角度、第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２の曲げ角度と実際の膝関節の曲げ角度、第３関節機構部Ｌ３、Ｒ３の曲げ角度と実際の足首関節の曲げ角度は、各々相関するものの、同一値にならない。

このため、上述の関節トルクの演算に用いられる節の角度θは、予め設定された歩行補助装置１０の関節機構部の曲げ角度と装置装着者の実際の各関節部の曲げ角度との相関を表す関係式により補正すればよい。

図７は、歩行補助装置１０と装置装着者との幾何学的関係を示している。図７において、符号Ｍｃは円弧ガイドバー２４Ｌ、２４Ｒの仮想中心点を示しており、上述の演算において、仮想中心点Ｍｃと第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２との間の長さ(大腿リング長)Ｌｍａは、装置装着者の股関節Ａと膝関節Ｂとの間の大腿部の長さＬｈａに変換され、第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２と第３関節機構部Ｌ３、Ｒ３との間の長さ(下腿リング長)Ｌｍｂは、装置装着者の膝関節Ｂと足首関節Ｃの間の下腿部の長さＬｈｂに変換される。また、第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２の曲げ角度θｍａは実際の膝関節の曲げ角度θｈａに、第３関節機構部Ｌ３、Ｒ３の曲げ角度θｍｂは実際の足首関節の曲げ角度θｈｂに変換される。

なお、床反力Ｆは、足裏と地面との接点より人の重心位置Ｇへ向けて働く。

図８は、第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２の曲げ角度θｍａ、第３関節機構部Ｌ３、Ｒ３の曲げ角度θｍｂを代表する装置関節角度θｍと実際の膝関節の曲げ角度θｈａ、実際の足首関節の曲げ角度θｈｂを代表する作業者の関節角度θｈとの関係を示しており、装置関節角度θｍと作業者の関節角度θｈとの変換は、次に示す近似式（７）によって行われればよい。

θｈ＝αθｍ^２＋βθｍ＋γ …（７）
但し、α、β、γは定数である。

エネルギ消費量推定演算部１０８は、関節モーメント推定演算部１０６によって推定演算された関節トルク(関節モーメント推定値)から歩行補助装置装着者の左右脚のエネルギ消費量を推定演算する。エネルギ消費量Ｅｈは式(８)により算出される。

Ｅｈ＝∫Ｔｊ・ωｄｔ …（８）
Ｔｊ：関節トルク
ω：関節運動の角速度

角速度ωは、ロータリエンコーダ５０Ｌ、５０Ｒによる計測される回転角の微分演算や腰部・胸部ジャイロセンサ６０のセンサ信号により得ることができる。関節トルクＴｊの積分は、予め決められた時間区間の積分であり、予め決められた所定時間当たりの仕事量(作業負荷）に相当する。

アシスト量演算部１１０は、エネルギ消費量推定演算部１０８によって推定演算されたエネルギ消費量Ｅｈに基づいて左右脚のアシスト量を演算する。このアシスト量演算は、予め設定された単位時間当たりの基準エネルギ消費量Ｅｓに対するエネルギ消費量Ｅｈの単位時間当たりの平均値Ｅの超過分(Ｅ−Ｅｓ)、不足分（Ｅｓ−Ｅ)に応じたアシスト量を演算する。基準エネルギ消費量Ｅｓは、立脚静止時のエネルギ消費量あるいは各作業時の単位時間当たりの基準エネルギ消費量に相当する。作業時の単位時間当たりの基準エネルギ消費量は、過剰負荷にならず、作業者にとって適正となる作業負荷によって定義することができる。例えば、通常の立位作業姿勢で人の関節に働く関節モーメントを、関節で消費する単位時間当たりのエネルギ消費量、人が通常一日の作業で消費するエネルギ(呼吸と心拍数より算出可能)から単位時間当たりにおいて関節で消費するエネルギに基づいて基準エネルギ消費量が設定されればよい。

制御指令演算部１１２は、アシスト量演算部１１０によって算出されたアシスト量に応じて左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの駆動値を算出し、それに応じた駆動指令を各電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの駆動回路４８Ｌ、４８Ｒへ出力する。

これにより、アシスト量演算部１１０によって演算された左右脚のアシスト量に応じて左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの出力が制御され、膝関節運動が支援される。

上述の制御によって、工場ライン作業等における各作業者の作業負荷を定量的に把握して、作業負荷低減を推進し、生産効率の向上を図ることができる。

また、各作業者が装備した歩行補助装置よりエネルギ消費量やアシスト量に関する情報を、ホストコンピュータが無線通信やオフラインで取得し、各作業者の作業負荷を解析することにより、作業負荷の平準化と共に、工場全体の作業負荷分布をアルタイムに把握でき、工場全体の作業者配置を再構築し、生産効率が上がる最適配置を図ることもできる。

つぎに、本実施形態による歩行補助装置の制御装置の制御ルーチンを、図９に示されているフローチャートを参照して説明する。

まず、作業者特定処理として、作業者の年齢、性別、体格・体力情報、作業工程、作業内容、作業履歴等を含むＩＤ情報を入力する（ステップＳ１０１）。つぎに、作業・工程特定処理として、作業場所、台車等の使用具等の作業・工程情報を入力する（ステップＳ１０２）。

つぎに、ロータリエンコーダ５０Ｌ、５０Ｒ、ＭＰセンサ５２Ｌ、５２Ｒ、踵センサ５４Ｌ、５４Ｒ、支持力センサ５６Ｌ、５６Ｒ、生体センサ５８の各々よりセンサ信号を入力する（ステップＳ１０３）。

つぎに、生体センサ５８の計測値が閾値以上であるか否かを判別する（ステップＳ１０４）。この閾値は、ＩＤ情報、作業・工程情報に基づいて適正値に可変設定される。

生体センサ５８の計測値が閾値以上でなければ、現在のアシスト力を維持する制御を行う（ステップＳ１１０）。なお、アシスト力の現在値のない場合(起動時)には、立脚静止時等、定常負荷状態に相当するアシスト力を演算する。

生体センサ５８の計測値が閾値以上であれば、床反力演算部１０４によって左右脚の床反力ＦＬ、ＦＲを演算する（ステップＳ１０５）。

次に、関節モーメント推定演算部１０６により、床反力演算部１０４によって演算された床反力ＦＬ、ＦＲを用いて左右脚の関節トルクＴＬ、ＴＲを推定演算する（ステップＳ１０６）。

次に、エネルギ消費量推定演算部１０８によって、推定演算された左右脚の関節トルクＴＬ、ＴＲより左右脚のエネルギ消費量ＥｈＬ、ＥｈＲを推定演算し、エネルギ消費量ＥｈＬ、ＥｈＲより各作業の単位時間当たりの左右脚の平均エネルギ消費量ＥＬ、ＥＲを演算する（ステップＳ１０７）。

次に、アシスト量演算部１１０により、単位時間当たりの左右脚の平均エネルギ消費量ＥＬ、ＥＲと左右脚の共通の単位時間当たりの基準エネルギ消費量Ｅｓとを比較する（ステップＳ１０８、Ｓ１０９)。

左右脚の平均エネルギ消費量ＥＬ、ＥＲが基準エネルギ消費量Ｅｓを超えていれば、ＥｈＬ−ＥｓあるいはＥｈＲ−Ｅｓの演算を行い、その差分に応じてアシスト力の制御目標値を増加する（ステップＳ１１０)。

左右脚の平均エネルギ消費量ＥＬ、ＥＲが基準エネルギ消費量Ｅｓ未満であれば、Ｅｓ−ＥｈＬあるいはＥｓ−ＥｈＲの演算を行い、その差分に応じてアシスト力の制御目標値を低減する（ステップＳ１１１)。

左右脚の平均エネルギ消費量ＥＬ、ＥＲが基準エネルギ消費量Ｅｓに等しい場合には、現在のアシスト力制御目標値を維持する（ステップＳ１１２)。

このようにしてアシスト力の制御目標値が設定されると、それに応じたモータ指令値を演算し、左右の電動モータ３６Ｌ、３６Ｒの駆動回路４８Ｌ、４８Ｒへモータ指令を出力する（ステップＳ１１３）。

これにより、リアルタイムに計算される関節モーメントから推定演算されたエネルギ消費量に応じて決められたアシスト量をもって歩行補助装置１０がアシスト動作を行う。

このことにより、作業者の作業負荷状況に応じて適切なアシストが行われるようになり、工場の生産ラインでの各作業者の作業負荷を定量的に把握して各作業者のアシスト量を制御することができ、各作業者間、工程間の作業負荷を平準化することが可能なる。また、作業者の作業負荷状況をリアルタイムにモニタすることにより、歩行補助装置１０がアシスト量をリアルタイムに最適制御すること、作業者を生産ライン上に臨機応変に最適配置することが可能になる。

また、制御装置１００は、日時計算を行うカレンダ部１１３を有していてよく、カレンダ部１１３より取得する作業開始時には、図１０に特性線Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃより示されているような特性をもってアシスト力の制御目標値Ａ^＊が作業時間時刻Ｔｓよりの作業時間の経過に伴って予め定められた時間ａに亘って徐々にあるいは段階的に増加すればよい。また、作業終了時には、図１１に特性線Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃより示されているような特性をもってアシスト力の制御目標値Ａ^＊が作業終了時刻Ｔｅより所定時間前の時刻Ｔｅ−ｂから時間ｂに亘って徐々にあるいは段階的に低減すればよい。

これにより、作業開始時にいきなり大きいアシストが行われたり、作業終了時にいきなりアシストが行われなくなったりすることが回避され、作業開始時、作業終了時の作業者の違和感を軽減できる。

本発明による制御装置が適用される歩行補助装置の一つの実施形態の概要を示す斜視図である。本発明による制御装置が適用される歩行補助装置の一つの実施形態を示す側面図である。本発明による制御装置が適用される歩行補助装置の一つの実施形態の要部を示す正面図である本発明による歩行補助装置の制御装置の一つの実施形態を示すブロック図である。逆動力学モデルの概念を説明する説明図である。関節反力と関節トルクの定式化を説明する説明図である。歩行補助装置と装置装着者との幾何学的関係を示す説明図である。装置関節角度と作業者の関節角度との関係を示すグラフである。本発明による歩行補助装置の制御装置が行う制御ルーチンの一つの実施形態を示すフローチャートである。作業開始時の制御特性を示すグラフである。作業終了時の制御特性を示すグラフである。

符号の説明

１０歩行補助装置
１２サドル部
１４Ｌ、１４Ｒ大腿リンク部材
１６Ｌ、１６Ｒ下腿リンク部材
１８Ｌ、１８Ｒ靴部
Ｌ１、Ｒ１第１関節機構部
Ｌ２、Ｒ２第２関節機構部
Ｌ３、Ｒ３第３関節機構部
３６Ｌ、３６Ｒ電動モータ
５０Ｌ、５０Ｒロータリエンコーダ
５２Ｌ、５２ＲＭＰセンサ
５４Ｌ、５４Ｒ踵センサ
５６Ｌ、５６Ｒ支持力センサ
５８生体センサ
１００制御装置
１０２生体情報処理部
１０４床反力演算部
１０６関節モーメント推定演算部
１０８消費エネルギ消費量推定演算部
１１０アシスト力演算部
１１２制御指令演算部

Claims

動力発生装置が発生する力を左右の脚部にアシスト力として与える歩行補助装置の制御装置であって、
歩行補助装置装着者の床反力を計測する床反力計測手段と、
前記床反力計測手段により計測された床反力から歩行補助装置装着者の関節モーメントを推定演算する関節モーメント推定手段と、
前記関節モーメント推定手段によって推定演算された関節モーメント推定値から歩行補助装置装着者のエネルギ消費量を推定演算するエネルギ消費量推定手段と、
前記エネルギ消費量推定手段によって推定演算されたエネルギ消費量よりアシスト量を演算するアシスト量演算手段と、
歩行補助装置装着者の負荷を示す生体値を計測する生体値計測手段とを有し、
前記生体値計測手段によって計測された生体値と閾値とを比較し、前記生体値が前記閾値以上である場合には前記アシスト量演算手段によって新たなアシスト量を演算し、前記生体値が前記閾値未満である場合には前記アシスト量演算手段によって新たなアシスト量を演算せず、現在のアシスト量を維持し、
前記アシスト量演算手段によって演算されたアシスト量に応じて前記動力発生装置の出力を制御する歩行補助装置の制御装置。
前記生体値の閾値を、歩行補助装置装着者を特定する情報、歩行補助装置装着者が行う作業内容に応じて設定する請求項１に記載の歩行補助装置の制御装置。
前記関節モーメント推定手段は、前記床反力の計測値から逆動力学演算によって歩行補助装置装着者の関節に働く関節モーメントを推定演算する請求項１または２に記載の歩行補助装置の制御装置。
前記エネルギ消費量推定手段は、前記関節モーメント推定値の積分を含む演算により所定時間当たりのエネルギ消費量を推定演算する請求項１から３のいずれか一項に記載の歩行補助装置の制御装置。
前記アシスト量演算手段は、予め設定された基準エネルギ消費量に対する前記エネルギ消費量の超過分に応じて前記アシスト量を演算する請求項１から４のいずれか一項に記載の歩行補助装置の制御装置。