JP5157888B2 - Walking assist device - Google Patents

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Description

本発明は、ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置に関する。本明細書では、ユーザが自由に動かすことのできる脚を健常脚(sound leg)と称し、自由に動かすことできない脚を患脚(affected leg)と称する。   The present invention relates to a walking assist device that assists a user's walking motion. In this specification, a leg that a user can freely move is referred to as a healthy leg, and a leg that cannot be freely moved is referred to as an affected leg.

患脚の関節にトルクを与えることによってユーザの歩行を補助する歩行補助装置が研究されている。例えば、特許文献1には、健常脚の動きと同じになるように患脚の関節にトルクを与える歩行補助装置が開示されている。   A walking assist device that assists the user's walking by applying torque to the joint of the affected leg has been studied. For example, Patent Document 1 discloses a walking assist device that applies torque to a joint of an affected leg so as to be the same as the movement of a healthy leg.

特開2003−116893号公報JP 2003-116893 A

一つのタイプの歩行補助装置は、歩行中の脚の動きを記述した歩行パターンデータを有しており、ユーザの脚の動きが歩行パターンに追従するように脚の関節にトルクを加える。歩行パターンを採用する歩行補助装置は次の利点を有する。即ち、歩行パターンは、脚の円滑な動きを記述しており、ユーザの脚が歩行パターンに追従するように動けば円滑な歩行が実現する。歩行パターンを採用する場合、歩行補助装置は、歩行面のスロープ角に応じて歩行パターンデータを変更する必要がある。或いは、歩行補助装置は、歩行面のスロープ角に応じて歩行パターンデータを切り換える必要がある。従ってそのようなタイプの歩行補助装置は、ユーザの歩行中に歩行面のスロープ角を検出する必要がある。本発明は、上記の課題に鑑みて創作された。本発明の目的は、ユーザの歩行中に歩行面のスロープ角を検出することのできる歩行補助装置を実現することにある。   One type of walking assistance device has walking pattern data describing the movement of the leg during walking, and applies torque to the joint of the leg so that the movement of the user's leg follows the walking pattern. A walking assistance device that employs a walking pattern has the following advantages. That is, the walking pattern describes a smooth movement of the leg, and if the user's leg moves so as to follow the walking pattern, a smooth walking is realized. When employing a walking pattern, the walking assistance device needs to change the walking pattern data in accordance with the slope angle of the walking surface. Alternatively, the walking assist device needs to switch the walking pattern data according to the slope angle of the walking surface. Therefore, such a type of walking assistance device needs to detect the slope angle of the walking surface while the user is walking. The present invention was created in view of the above problems. An object of the present invention is to realize a walking assist device that can detect a slope angle of a walking surface while a user is walking.

本発明の歩行補助装置は、多リンク機構と、複数の接地センサと、傾斜角センサと、角度センサを備えている。多リンク機構は、ユーザの脚に沿って取り付けられ、ジョイントによって複数のリンクが連結されている構造を有している。多リンク機構の下端リンクはユーザの足裏に固定される。本明細書では、多リンク機構の下端リンクを足底リンクと称する。複数の接地センサは、足底リンクに前後方向に離間して取り付けられている。傾斜角センサは、多リンク機構の上端リンクに取り付けられており、鉛直に対する上端リンクの傾斜角を計測する。角度センサは、多リンク機構の各ジョイントの角度を検出する。この歩行補助装置は、複数の接地センサがいずれも接地を検知している間に、傾斜角センサと角度センサの出力から鉛直に対する足底面の角度を接地面のスロープ角度として計測することを特徴とする。以下では、鉛直に対する角度を絶対傾斜角と称する。   The walking assist device of the present invention includes a multi-link mechanism, a plurality of ground sensors, an inclination angle sensor, and an angle sensor. The multi-link mechanism is attached along a user's leg and has a structure in which a plurality of links are connected by a joint. The lower end link of the multi-link mechanism is fixed to the user's sole. In this specification, the lower end link of the multi-link mechanism is referred to as a sole link. The plurality of ground sensors are attached to the sole link so as to be separated in the front-rear direction. The inclination angle sensor is attached to the upper end link of the multi-link mechanism, and measures the inclination angle of the upper end link with respect to the vertical. The angle sensor detects the angle of each joint of the multi-link mechanism. This walking assist device is characterized by measuring the angle of the bottom of the foot with respect to the vertical as the slope angle of the ground contact surface from the outputs of the inclination angle sensor and the angle sensor while all of the ground contact sensors detect the ground contact. To do. Hereinafter, the angle with respect to the vertical is referred to as an absolute inclination angle.

この歩行補助装置は、前後方向に離間して設けられている複数の接地センサがいずれも接地を検知していることを条件として、足底リンクの足底面の絶対傾斜角を歩行面のスロープ角として計測する。上記の条件を満足することで、歩行面と足底リンクの平行が保証される。従ってこの歩行補助装置は、歩行面のスロープ角を正確に計測することができる。   This walking assist device uses the slope angle of the walking surface as the absolute inclination angle of the bottom surface of the sole link, provided that a plurality of grounding sensors spaced apart in the front-rear direction detect the grounding. Measure as By satisfying the above conditions, the walking surface and the sole link are guaranteed to be parallel. Therefore, this walking assistance device can accurately measure the slope angle of the walking surface.

またこの歩行補助装置は、絶対傾斜角を計測する傾斜センサを多リンク機構の上端リンクに備えることも特徴の一つである。多リンク機構はユーザの脚に沿って取り付けられ、脚の動きに伴って揺動する。他方、絶対傾斜角を計測する傾斜角センサは、揺れに対して敏感である。多リンク機構の途中のリンクや足底リンクに傾斜角センサを取り付けると、センサデータの計測値の精度が低下する。本発明の歩行補助装置は、最も揺れの少ない上端リンクに傾斜角センサを搭載することによって、傾斜角センサの計測精度の低下を防止する。上端リンクは、ユーザの体幹に固定されることが好ましい。   In addition, this walking assist device is also characterized in that an inclination sensor for measuring an absolute inclination angle is provided in the upper end link of the multi-link mechanism. The multi-link mechanism is attached along the leg of the user and swings as the leg moves. On the other hand, the tilt angle sensor that measures the absolute tilt angle is sensitive to shaking. If an inclination angle sensor is attached to a link or a sole link in the middle of the multi-link mechanism, the accuracy of the sensor data measurement value decreases. The walking assist device of the present invention prevents a decrease in measurement accuracy of the tilt angle sensor by mounting the tilt angle sensor on the upper end link with the least shaking. The upper end link is preferably fixed to the trunk of the user.

本発明の歩行補助装置は、次の技術的特徴を備えることも好適である。即ち、歩行補助装置は、ユーザのそれぞれの脚に沿って装着される一対の多リンク機構を有しており、両方の足底リンクが共に水平であるとともに両方の足底リンクの鉛直方向の距離がゼロ以外であるときに段差を歩行中と判断する。そのような技術的特徴を備えることによって、歩行補助装置は、スロープ角だけでなく、段差を検知することができる。この歩行補助装置は、段差に応じて歩行パターンを修正することによって、段差歩行に適した歩行補助を行うことができる。或いはこの歩行補助装置は、段差に応じて歩行パターンを切り替えることによって、段差歩行に適した歩行補助を行うことができる。   The walking assistance device of the present invention preferably includes the following technical features. That is, the walking assist device has a pair of multi-link mechanisms that are worn along each leg of the user, and both the sole links are both horizontal and the vertical distance between both the sole links. It is determined that the step is walking when is non-zero. By providing such a technical feature, the walking assistance device can detect not only the slope angle but also the step. This walking assistance device can perform walking assistance suitable for step walking by correcting the walking pattern according to the step. Alternatively, this walking assistance device can perform walking assistance suitable for step walking by switching the walking pattern according to the step.

本発明の歩行補助装置は、ユーザの歩行中に歩行面のスロープ角を検出することができる。   The walking assist device of the present invention can detect the slope angle of the walking surface while the user is walking.

図面を参照して実施例の歩行補助装置を説明する。図1に、ユーザが装着した歩行補助装置10の模式図を示す。図1(A)は正面図を示し、図1(B)は側面図を示す。本実施例では、ユーザは、左脚の膝関節を自由に動かすことができないとする。歩行補助装置10は、ユーザの左膝関節に適切なトルクを加え、ユーザの歩行動作を補助する。   A walking assistance device of an embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic diagram of a walking assistance device 10 worn by a user. 1A shows a front view, and FIG. 1B shows a side view. In the present embodiment, it is assumed that the user cannot freely move the knee joint of the left leg. The walking assist device 10 applies an appropriate torque to the user's left knee joint to assist the user's walking motion.

歩行補助装置10は、右脚装具12Rと左脚装具12Lからなる。右脚装具12Rは、ユーザの大腿部から下腿部に沿って脚の外側に装着される。右脚装具12Rは、上部リンク14R、下部リンク16R、及び足底リンク26Rを有する多リンク機構である。左右の脚装具12R、12Lは、支持リンク30によって連結されている。支持リンク30は、ユーザの背中側に配置され、右脚装具12Rの上端と左脚装具12Lの上端を連結している。即ち、支持リンク30は,多リンク機構の上端リンクに相当する。   The walking assist device 10 includes a right leg orthosis 12R and a left leg orthosis 12L. The right leg orthosis 12R is attached to the outside of the leg along the thigh from the user's thigh. The right leg orthosis 12R is a multi-link mechanism having an upper link 14R, a lower link 16R, and a sole link 26R. The left and right leg appliances 12R and 12L are connected by a support link 30. The support link 30 is disposed on the back side of the user and connects the upper end of the right leg orthosis 12R and the upper end of the left leg orthosis 12L. That is, the support link 30 corresponds to the upper end link of the multi-link mechanism.

上部リンク14Rの上端が腰ジョイントを介して支持リンク30に連結されている。上部リンク14Rの角度を検出する腰エンコーダ22Rが、腰ジョイントに取り付けられている。下部リンク16Rは、膝の外側に位置する膝ジョイントによって、上部リンク14Rに連結されている。下部リンク16Rの角度を検出する膝エンコーダ20Rが、膝ジョイントに取り付けられている。足底リンク26Rは、ユーザ踝の外側に位置する足首ジョイントによって、下部リンク16Rに揺動可能に連結されている。足底リンク26Rの角度を検出する足首エンコーダ24Rが、足首ジョイントに取り付けられている。   The upper end of the upper link 14R is connected to the support link 30 via a waist joint. A waist encoder 22R that detects the angle of the upper link 14R is attached to the waist joint. The lower link 16R is connected to the upper link 14R by a knee joint located outside the knee. A knee encoder 20R that detects the angle of the lower link 16R is attached to the knee joint. The sole link 26R is swingably connected to the lower link 16R by an ankle joint located outside the user's heel. An ankle encoder 24R that detects the angle of the sole link 26R is attached to the ankle joint.

上部リンク14Rは、ベルトでユーザの大腿部に固定される。下部リンク16Rは、ベルトでユーザの下腿部に固定される。足底リンク26は、ベルトでユーザの足底に固定される。足底リンク26を固定するベルトは、図示を省略している。支持リンク30は、ユーザの体幹(腰)に固定される。   The upper link 14R is fixed to the user's thigh with a belt. The lower link 16R is fixed to the user's lower leg with a belt. The sole link 26 is fixed to the user's sole with a belt. The belt for fixing the sole link 26 is not shown. The support link 30 is fixed to the trunk (waist) of the user.

足底リンク26Rの足底面には、複数の接地センサ28Rが取り付けられている。なお、左脚の足底リンク26Lの足底面に取り付けられている接地センサは符号28Lで示される。図1(B)に示すように、複数の接地センサは、足底リンクの前方と後方に離間して取り付けられている。図1(B)の符号28Laは、前方の接地センサを示しており、符号28Lbは、後方の接地センサを示している。前方の接地センサ28Laは、ユーザの拇指球に相当する位置に取り付けられており、後方の接地センサ28Lbはユーザの踵に相当する位置に取り付けられている。夫々の接地センサは、足底リンク26Rと歩行面との接地を検知する。   A plurality of ground sensors 28R are attached to the bottom surface of the sole link 26R. The ground sensor attached to the bottom surface of the left leg sole link 26L is denoted by reference numeral 28L. As shown in FIG. 1 (B), the plurality of ground sensors are attached to the front link and the rear in a spaced manner. Reference numeral 28La in FIG. 1B indicates a front ground sensor, and reference numeral 28Lb indicates a rear ground sensor. The front ground sensor 28La is attached at a position corresponding to the user's thumb ball, and the rear ground sensor 28Lb is attached at a position corresponding to the user's thumb. Each grounding sensor detects the grounding between the sole link 26R and the walking surface.

左脚装具12Lの構造は、右脚装具12Rの構造と同じであるので説明を省略する。ただし、左脚装具12Lは、モータ32を備える。モータ32は、左脚装具12Lの膝ジョイントに備えられており、ユーザの膝関節の外側に位置する。モータ32は、上部リンク14Lに対して下部リンク16Lを回転させることができる。即ちモータ32は、ユーザの左膝関節にトルクを加えることができる。   Since the structure of the left leg orthosis 12L is the same as that of the right leg orthosis 12R, description thereof is omitted. However, the left leg orthosis 12L includes a motor 32. The motor 32 is provided in the knee joint of the left leg orthosis 12L, and is located outside the user's knee joint. The motor 32 can rotate the lower link 16L with respect to the upper link 14L. That is, the motor 32 can apply torque to the user's left knee joint.

支持リンク30にはコントローラ40が取り付けられている。コントローラ40の内部には、傾斜センサ27が備えられている。傾斜センサ27は、支持リンク30の絶対的な傾斜角を検出する。即ち、傾斜センサ27は、支持リンク30の鉛直方向に対する傾斜角(絶対傾斜角)を検出する。なお、支持リンク30の絶対傾斜角は、ユーザ体幹の絶対傾斜角に相当する。   A controller 40 is attached to the support link 30. A tilt sensor 27 is provided inside the controller 40. The inclination sensor 27 detects an absolute inclination angle of the support link 30. That is, the inclination sensor 27 detects an inclination angle (absolute inclination angle) of the support link 30 with respect to the vertical direction. The absolute inclination angle of the support link 30 corresponds to the absolute inclination angle of the user trunk.

以下では、左右の脚装具に取り付けられているエンコーダ群を、「角度センサ20」と総称し、左右の足底リンクに取り付けられている接地センサ群を「接地センサ28」と総称する。   Hereinafter, the encoder group attached to the left and right leg orthoses will be collectively referred to as “angle sensor 20”, and the ground sensor group attached to the left and right sole links will be collectively referred to as “ground sensor 28”.

コントローラ40は、傾斜角センサ27、角度センサ20、及び接地センサ28の出力に基づいて、モータ32を制御する。具体的には、コントローラ40は、予め記憶している歩行パターンを、ユーザの歩幅、歩行速度、及び、歩行面のスロープ角に応じて修正し、ユーザの左脚が修正された歩行パターンに追従するようにユーザの膝関節にトルクを加える。歩行補助装置が有する歩行パターンとその修正については、発明者らが既に出願した特許出願(特願2008−235463、2008年9月12日出願)に詳しく開示されているのでここでは説明を省略する。   The controller 40 controls the motor 32 based on the outputs of the tilt angle sensor 27, the angle sensor 20, and the ground sensor 28. Specifically, the controller 40 corrects the walking pattern stored in advance according to the user's stride, walking speed, and slope angle of the walking surface, and follows the walking pattern in which the user's left leg is corrected. Torque is applied to the user's knee joint. The walking pattern of the walking assistance device and the correction thereof are disclosed in detail in the patent applications already filed by the inventors (Japanese Patent Application No. 2008-235463, filed on September 12, 2008), and thus the description thereof is omitted here. .

歩行補助装置10が実行する処理を説明する。図2に、歩行補助装置10が制御周期毎に実行するメイン処理のフローチャートを示す。まず歩行補助装置10は、各種センサ(傾斜角センサ27、角度センサ20、及び、接地センサ28)のデータを取得する(S10)。次に歩行補助装置10は、取得したセンサデータをローパスフィルタに通してノイズを除去する(S12)。歩行補助装置10は、角度センサによる各ジョイントの角度から、それぞれの足の位置と速度を求める(S14)。ジョイントの角度から足の位置への変換は、良く知られたロボットの順運動学の計算を利用して求められる。また、ジョイントの角速度から足先の速度への変換は、良く知られたヤコビアン行列を使って求めることができる。ジョイントの角速度は、角度センサ20から得られたジョイントの角度の経時的変化から求められる。次に歩行補助装置10は、歩行面のスロープ各を同定する(S16)。スロープ角の同定処理については後述する。   Processing performed by the walking assist device 10 will be described. In FIG. 2, the flowchart of the main process which the walking assistance apparatus 10 performs for every control period is shown. First, the walking assistance device 10 acquires data of various sensors (the inclination angle sensor 27, the angle sensor 20, and the ground sensor 28) (S10). Next, the walking assistance device 10 passes the acquired sensor data through a low-pass filter to remove noise (S12). The walking assistance device 10 obtains the position and speed of each foot from the angle of each joint by the angle sensor (S14). The conversion from the joint angle to the foot position is obtained using well-known robot forward kinematics calculations. Further, the conversion from the angular velocity of the joint to the velocity of the foot can be obtained using a well-known Jacobian matrix. The angular velocity of the joint is obtained from the change of the joint angle with time obtained from the angle sensor 20. Next, the walking assistance device 10 identifies each slope of the walking surface (S16). The slope angle identification process will be described later.

次に歩行補助装置10は、各足の位置と速度から、ユーザが一歩に要する時間、歩幅、及び、歩行速度を求める(S18)。本明細書ではこれらの変数、及び歩行面のスロープ角を「歩行状態変数」と総称する。歩行面のスロープ角は、ステップS16で求められている。歩行補助装置10は、基準となる歩行データ(基準歩行データ)を記憶しており、その基準歩行データを、求められた歩行状態変数で修正し、ユーザの歩行動作に適した歩行データを得る(S20)。なお、歩行データは、足と腰の位置の経時的データ列で表される。歩行データは、「脚位置を基準とする足の軌道」と別言することもできる。   Next, the walking assistance device 10 obtains the time required for the user to take one step, the stride, and the walking speed from the position and speed of each foot (S18). In this specification, these variables and the slope angle of the walking surface are collectively referred to as “walking state variables”. The slope angle of the walking surface is obtained in step S16. The walking assist device 10 stores reference walking data (reference walking data), corrects the reference walking data with the obtained walking state variable, and obtains walking data suitable for the user's walking motion ( S20). The walking data is represented by a time-series data sequence of foot and waist positions. The walking data can also be described as “a foot trajectory based on the leg position”.

次に歩行補助装置10は、修正された歩行データから、足の目標位置を決定する(S22)。足の目標位置は、修正された歩行データに記述されている足の軌道において、現在の制御タイミングにおける足の位置に相当する。そして歩行補助装置10は、ロボットの逆運動学に基づいて足の目標位置を目標膝角度に変換する(S24)。こうして得られた目標膝角度にユーザの膝角度が一致するようにモータへ指令値を出力する(S26)。以上の処理が、制御サイクル毎に繰り返される。   Next, the walking assistance device 10 determines the target position of the foot from the corrected walking data (S22). The target foot position corresponds to the foot position at the current control timing in the foot trajectory described in the corrected walking data. Then, the walking assistance device 10 converts the target position of the foot into the target knee angle based on the inverse kinematics of the robot (S24). A command value is output to the motor so that the knee angle of the user matches the target knee angle thus obtained (S26). The above process is repeated for each control cycle.

図3に、スロープ角の同定処理のフローチャートを示す。歩行補助装置10は、足底リンクの前後に設けられた2個の接地センサがいずれも接地を検知しているときに、歩行面のスロープ角を同定する(S40:YES)。接地センサのいずれか一方でも接地を検知していない場合は、スロープ角を同定することなく、処理を終了する(S40:NO)。2個の接地センサが接地を検出している場合、歩行補助装置10は、傾斜角センサ27と角度センサ20の値に基づいて、足底リンクの足底面の絶対傾斜角を算出する(S42)。ここで算出された足底リンクの絶対傾斜角が、スロープ角の同定値に相当する。   FIG. 3 shows a flowchart of the slope angle identification process. The walking assistance device 10 identifies the slope angle of the walking surface when the two grounding sensors provided before and after the sole link detect the grounding (S40: YES). If any one of the ground sensors does not detect the ground, the process is terminated without identifying the slope angle (S40: NO). When the two ground sensors detect ground contact, the walking assistance device 10 calculates the absolute tilt angle of the bottom surface of the sole link based on the values of the tilt angle sensor 27 and the angle sensor 20 (S42). . The absolute inclination angle of the sole link calculated here corresponds to the identification value of the slope angle.

ここで、歩行面のスロープ角を如何に計測するか、図4を参照して説明する。ここでは、右足底リンク26Rが接地している場合を例に説明する。図4は歩行面のスロープ角と右脚装具12Rの幾何学的関係を説明する図である。図4において、符号θslope、θbody、θhip、θknee、θankleは夫々、歩行面のスロープ角、支持リンク30の絶対傾斜角(ユーザの体幹の絶対傾斜角)、支持リンク30と上部リンク14Rの間の角度、上部リンク14Rと下部リンク16Rの間の角度、及び、下部リンク16Rと足底リンク26Rの間の角度を示している。なお、ここでは、足底リンク26Rの角度θankleは、下部リンク16Rの伸びる方向に対して直角に交差する線を基準として測っている。また、足底リンク26Rの絶対傾斜角をスロープ角θslopeとして表現している。また、符号VLは、鉛直線を示している。   Here, how to measure the slope angle of the walking surface will be described with reference to FIG. Here, the case where the right sole link 26R is grounded will be described as an example. FIG. 4 is a diagram for explaining the geometric relationship between the slope angle of the walking surface and the right leg orthosis 12R. In FIG. 4, reference signs θslope, θbody, θhip, θknee, and θankle respectively indicate the slope angle of the walking surface, the absolute inclination angle of the support link 30 (the absolute inclination angle of the user's trunk), and between the support link 30 and the upper link 14R. , An angle between the upper link 14R and the lower link 16R, and an angle between the lower link 16R and the sole link 26R. Here, the angle θankle of the sole link 26R is measured with reference to a line that intersects at right angles to the direction in which the lower link 16R extends. Further, the absolute inclination angle of the sole link 26R is expressed as a slope angle θslope. Moreover, the code | symbol VL has shown the vertical line.

歩行面のスロープ角θslopeは、次式(1)で表される。なお、数式(1)では、各角度の正負は無視しており、数式(1)は、スロープ角θslopeが、θbody、θhip、θknee、及び、θankleの合計から算出されることを意味している。   The slope angle θslope of the walking surface is expressed by the following equation (1). In Expression (1), the sign of each angle is ignored, and Expression (1) means that the slope angle θslope is calculated from the sum of θbody, θhip, θknee, and θankle. .

Figure 0005157888
Figure 0005157888

なお、数式(1)の添え字「i」は、計測回数を示している。即ち、歩行補助装置10は、前後の接地センサ28が接地を検出している間に傾斜センサ27と角度センサ20の出力をk回取得し、スロープ角のk回の計測値の平均を出力する。   In addition, the subscript “i” in Expression (1) indicates the number of times of measurement. That is, the walking assistance device 10 acquires the outputs of the inclination sensor 27 and the angle sensor 20 k times while the front and rear grounding sensors 28 detect the grounding, and outputs the average of the measured values of the slope angle k times. .

図3に戻ってスロープ角の同定処理について説明を続ける。前述したように、図2のステップS14で、それぞれの足底リンクの位置が求まっている。スロープ角の同定処理では、先に求めたスロープ角θslopeと、後側の足リンクを基準としたときの前側の足リンクの高さfzを用いて、ユーザが歩行している歩行面の種類を特定する。「前側方の足リンクの高さ」とは、両足リンクの鉛直方向の距離に相当する。またここで、歩行面の種類とは、平地、スロープ、或いは段差のいずれかを意味する。高さfzの絶対値が高さ閾値よりも小さい場合、歩行補助装置10は、ユーザが平地を歩行していると判断する(S44:YES、S48)。なお、高さ閾値は、予め与えられている。高さfzの絶対値が高さ閾値以上であり、S42で求めたスロープ角θslopeがスロープ角閾値以上の場合、歩行補助装置10は、ユーザが傾斜面を歩行していると判断する(S44:NO、S46:YES、及びS50)。高さfzの絶対値が高さ閾値以上であり、S42で求めたスロープ角θslopeがスロープ角閾値より小さい場合、歩行補助装置10は、ユーザが段差を歩行していると判断する(S44:NO、S46:NO、及びS52)。なお、スロープ角閾値は、ゼロに近い値であり、予め与えられている。スロープ角がゼロに近い場合とは、歩行面が水平であることを意味している。従って、S46からS52へ移行する処理は、両方の足底リンクの足裏面が共に水平であるとともに、両方の足リンクの鉛直方向の距離がゼロ以外であることを意味する。こうして、歩行補助装置10は、歩行面の状態を判定する。   Returning to FIG. 3, the description of the slope angle identification process will be continued. As described above, the position of each sole link is obtained in step S14 of FIG. In the slope angle identification process, the type of the walking surface on which the user is walking is determined using the slope angle θslope obtained previously and the height fz of the front foot link when the rear foot link is used as a reference. Identify. “The height of the foot link on the front side” corresponds to the vertical distance between the two foot links. Here, the type of walking surface means either a flat ground, a slope, or a step. When the absolute value of the height fz is smaller than the height threshold, the walking assistance device 10 determines that the user is walking on a flat ground (S44: YES, S48). The height threshold is given in advance. When the absolute value of the height fz is equal to or greater than the height threshold value and the slope angle θslope obtained in S42 is equal to or greater than the slope angle threshold value, the walking assistance device 10 determines that the user is walking on the inclined surface (S44: NO, S46: YES, and S50). When the absolute value of the height fz is equal to or greater than the height threshold value and the slope angle θslope obtained in S42 is smaller than the slope angle threshold value, the walking assistance device 10 determines that the user is walking on the step (S44: NO). , S46: NO, and S52). The slope angle threshold is a value close to zero and is given in advance. A case where the slope angle is close to zero means that the walking surface is horizontal. Accordingly, the process of shifting from S46 to S52 means that the soles of both sole links are both horizontal, and the vertical distance between both foot links is other than zero. Thus, the walking assistance device 10 determines the state of the walking surface.

なお、ステップS42で算出したスロープ角θslopeの絶対値がスロープ角閾値よりも大きい場合であっても、高さfzが高さ閾値よりも小さい場合には平地歩行と判定される(S44:YES,S48)。説明を省略するが、この場合、歩行補助装置10は、いずれかのセンサが故障している可能性が高いと判断する。   Even if the absolute value of the slope angle θslope calculated in step S42 is larger than the slope angle threshold value, it is determined that the walking is flat ground if the height fz is smaller than the height threshold value (S44: YES, S48). Although explanation is omitted, in this case, the walking assistance device 10 determines that there is a high possibility that one of the sensors is out of order.

図5に、歩行面がスロープの場合(図5(A))と、歩行面が段差の場合(図5(B))の、脚装具と歩行面との幾何学的関係を示す。図5(A)に示すように、ユーザがスロープを歩行中は、両方の足底リンクの鉛直方向距離fzが高さ閾値よりも大きく、前側の足底リンク(この場合は右足底リンク26R)の絶対傾斜角(スロープ角)θslopeがスロープ角閾値よりも大きい。他方、図5(B)に示すように、ユーザが段差を歩行中は、両方の足底リンクの鉛直方向距離fzが高さ閾値よりも大きく、両方の足底リンク26L、26Rの夫々の絶対傾斜角(スロープ角)θslopeが共にほぼ水平である。なお、図5(A)、(B)で符号Fが示す矢印は、後側の足底リンクから前側の足底リンクへのベクトルを示している。図5(A)と(B)が示すように、ベクトルFがほぼ同じであっても、前側の足底リンクの絶対傾斜角(即ち、同定されたスロープ角θslope)の大きさによって、スロープ歩行であるか段差歩行であるかを分別することができる。   FIG. 5 shows the geometric relationship between the leg brace and the walking surface when the walking surface is a slope (FIG. 5A) and when the walking surface is a step (FIG. 5B). As shown in FIG. 5A, while the user is walking on the slope, the vertical distance fz of both sole links is larger than the height threshold, and the front sole link (in this case, the right sole link 26R). The absolute inclination angle (slope angle) θslope of is greater than the slope angle threshold. On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the user is walking on the step, the vertical distance fz of both sole links is larger than the height threshold, and the absolute values of both sole links 26L and 26R are absolute. Both inclination angles (slope angles) θslope are substantially horizontal. In addition, the arrow which the code | symbol F shows in FIG. 5 (A), (B) has shown the vector from the rear side sole link to the front side sole link. As shown in FIGS. 5A and 5B, even if the vectors F are substantially the same, the slope walking depends on the absolute inclination angle of the front sole link (that is, the identified slope angle θslope). It is possible to classify whether it is a step or a step walk.

実施例の歩行補助装置10の技術的特徴をまとめる。歩行補助装置10は、ユーザの脚に沿って装着される脚装具(多リンク機構)の上端に位置する支持リンク30に、支持リンク30の絶対傾斜角を計測する傾斜角センサ27を備える。支持リンク30は、ユーザの体幹に固定される。ユーザの体幹に固定される支持リンク30は、他のリンク、特にユーザの足に固定される足底リンクに比較して揺れが少ない。揺れの少ない支持リンク30に傾斜角センサ27を搭載しているので、傾斜角センサ27の出力に加わるノイズを抑えることができる。   The technical features of the walking assist device 10 of the embodiment will be summarized. The walking assist device 10 includes an inclination angle sensor 27 that measures the absolute inclination angle of the support link 30 on the support link 30 that is positioned at the upper end of a leg brace (multi-link mechanism) that is mounted along the leg of the user. The support link 30 is fixed to the user's trunk. The support link 30 fixed to the user's trunk is less swayed compared to other links, particularly the sole link fixed to the user's foot. Since the tilt angle sensor 27 is mounted on the support link 30 with less shaking, noise added to the output of the tilt angle sensor 27 can be suppressed.

歩行補助装置10は、ひとつの足底リンクに前後に離間して設けられている接地センサが共に接地を検知している間に、傾斜角センサ27と角度センサ20の出力に基づいて足底リンクの絶対傾斜角を算出する。算出した足底リンクの絶対傾斜角を、歩行面のスロープ角の同定値として採用する。前後に離間して設けられて接地センサが共に接地を検知している間に限定しているので、足底リンクと接地面の平行が保障される。従って、この歩行補助装置が算出する足底リンクの絶対傾斜角は、歩行面のスロープ角を正確に反映している。歩行補助装置は、歩行面の正確なスロープ角に基づいて歩行パターンを補正し、補正された歩行パターンに追従するように脚にトルクを加える。また、歩行補助装置は、歩行面が段差の場合にも歩行パターンを補正し、補正された歩行パターンに追従するように脚にトルクを加える。従ってこの歩行補助装置は、歩行面のスロープ角や段差に応じて歩行パターンを修正し、適切にユーザの歩行動作を補助することができる。   The walking assist device 10 has a sole link based on the outputs of the inclination angle sensor 27 and the angle sensor 20 while the ground sensors provided on one sole link so as to be separated from each other in the front-rear direction are detecting the ground contact. The absolute inclination angle of is calculated. The calculated absolute inclination angle of the sole link is adopted as the identification value of the slope angle of the walking surface. Since it is provided while being spaced apart from the front and back and the grounding sensors are both detecting the grounding, parallelism between the sole link and the grounding surface is ensured. Therefore, the absolute inclination angle of the sole link calculated by this walking assistance device accurately reflects the slope angle of the walking surface. The walking assist device corrects the walking pattern based on the accurate slope angle of the walking surface, and applies torque to the leg so as to follow the corrected walking pattern. The walking assistance device also corrects the walking pattern even when the walking surface is a step, and applies torque to the leg so as to follow the corrected walking pattern. Therefore, this walking assistance device can correct the walking pattern in accordance with the slope angle or level difference of the walking surface and appropriately assist the user's walking motion.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。   Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

実施例の歩行補助装置の概略図を示す。The schematic of the walking assistance apparatus of an Example is shown. 歩行補助装置が実行するメイン処理のフローチャートを示す。The flowchart of the main process which a walking assistance apparatus performs is shown. スロープ角の同定処理のフローチャートを示す。The flowchart of the identification process of a slope angle is shown. 脚装具とスロープ角の幾何学的関係を説明する図である。It is a figure explaining the geometric relationship between a leg orthosis and a slope angle. スロープ歩行と段差歩行の相違を説明する図である。It is a figure explaining the difference between slope walking and step walking.

符号の説明Explanation of symbols

10:歩行補助装置
12R、12L:装具
14R、14L:上部リンク
16R、16L:下部リンク
20R、20L:膝エンコーダ
22R、22L:腰エンコーダ
24R、24L:足首エンコーダ
26R、26L:足底リンク
27:傾斜センサ
28R、28L:接地センサ
30:支持リンク
40:コントローラ
10: Walking assist device 12R, 12L: Orthosis 14R, 14L: Upper link 16R, 16L: Lower link 20R, 20L: Knee encoder 22R, 22L: Waist encoder 24R, 24L: Ankle encoder 26R, 26L: Sole link 27: Inclination Sensors 28R, 28L: Ground sensor 30: Support link 40: Controller

Claims (2)

ユーザの歩行動作を補助する歩行補助装置であり、
ユーザの脚に沿って取り付けられ、ジョイントによって複数のリンクが連結されている多リンク機構と、
多リンク機構の下端リンクでありユーザの足に固定される足底リンクに前後方向に離間して取り付けられている複数の接地センサと、
多リンク機構の上端リンクに取り付けられており、鉛直に対する上端リンクの傾斜角を計測する傾斜角センサと、
多リンク機構の各ジョイントの角度を検出する角度センサと、を備えており、
複数の接地センサがいずれも接地を検知している間に、傾斜角センサと角度センサの出力から鉛直に対する足底面の角度を接地面のスロープ角度として計測することを特徴とする歩行補助装置。
It is a walking assistance device that assists the user's walking movement,
A multi-link mechanism attached along the user's leg and connected by a joint with multiple links;
A plurality of ground sensors attached to a sole link which is a lower end link of the multi-link mechanism and is fixed to a user's foot, and separated in the front-rear direction;
An inclination angle sensor that is attached to the upper end link of the multi-link mechanism and measures the inclination angle of the upper end link with respect to the vertical;
An angle sensor for detecting the angle of each joint of the multi-link mechanism,
A walking assist device that measures the angle of the bottom of the foot with respect to the vertical as the slope angle of the ground contact surface from the outputs of the inclination angle sensor and the angle sensor while all of the ground contact sensors detect the ground contact.
ユーザのそれぞれの脚に沿って装着される一対の多リンク機構を有しており、一対の多リンク機構の夫々に設けられた複数の接地センサがいずれも接地を検知している間に、両方の足底リンクの足底面が共に水平であるとともに両方の足底リンクの鉛直方向の距離がゼロ以外であるときに段差を歩行中と判断することを特徴とする請求項1に記載の歩行補助装置。 Both have a pair of multi-link mechanisms mounted along each leg of the user, and a plurality of ground sensors provided on each of the pair of multi-link mechanisms both detect grounding. 2. The walking assist according to claim 1, wherein the step is determined to be walking when the soles of the sole links are both horizontal and the vertical distance between both the sole links is other than zero. apparatus.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5494291B2 (en) 2010-06-30 2014-05-14 豊田合成株式会社 Fuel tank opening and closing device
JP5610294B2 (en) * 2011-01-13 2014-10-22 株式会社エクォス・リサーチ Walking support device and walking support program
JP2013048701A (en) * 2011-08-30 2013-03-14 Equos Research Co Ltd Walking assistance device, and walking assistance program
JP5849657B2 (en) * 2011-11-30 2016-02-03 大日本印刷株式会社 Measuring device, motion assisting robot, measuring method, and program for measuring device
EP2827809B1 (en) 2012-03-22 2017-09-06 Ekso Bionics, Inc. Human machine interface for lower extremity orthotics
JP6008757B2 (en) * 2013-02-18 2016-10-19 三菱重工業株式会社 Exercise assistance device, control method and program
WO2016006432A1 (en) 2014-07-10 2016-01-14 国立大学法人大阪大学 Leg phase transition timing determination method, leg phase transition timing determination device, walking assistance control method, and walking assistance device
JP6501727B2 (en) * 2016-06-02 2019-04-17 株式会社スペース・バイオ・ラボラトリーズ Walking motion assistance device
KR102566102B1 (en) 2016-09-20 2023-08-11 삼성전자주식회사 Walking assistance apparatus and method for controlling the walking assistance apparatus

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3183557B2 (en) * 1992-04-28 2001-07-09 本田技研工業株式会社 Walking control device for legged mobile robot
JP4503311B2 (en) * 2004-02-25 2010-07-14 本田技研工業株式会社 Method for controlling generated torque of leg exercise assistive device

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