JP5565037B2 - Walking support device - Google Patents

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Description

本発明は、ユーザの歩行動作を支援する歩行支援装置に関する。特に、足首関節の動きを支援する装置に関する。   The present invention relates to a walking support device that supports a user's walking motion. In particular, the present invention relates to a device that supports movement of an ankle joint.
脚の関節にトルクを加えて歩行動作を支援する装置が開発されている。そのような歩行支援装置の一つに、足首関節にトルクを加える装置がある(特許文献1参照)。特許文献1の装置は、ユーザの下肢と足にそれぞれ装着される下肢リンクと足リンクを備えている。足リンクは、アクチュエータによって底背屈する。この装置はさらに、足底に圧センサを備えている。この装置は、圧センサによって足が接地しているか否かを検知し、その結果によってユーザの歩行周期の位相を判断する。そして、位相に応じてアクチュエータを制御し、足首関節を底背屈させる。特許文献1において「位相」とは、踵接地、足底接地、立脚中期、踵離地、足尖離地、遊脚初期、及び、遊脚後期のいずれかの状態を意味する。   Devices that support walking motion by applying torque to the joints of the legs have been developed. One such walking assist device is a device that applies torque to an ankle joint (see Patent Document 1). The device of Patent Literature 1 includes a lower limb link and a foot link that are respectively attached to a user's lower limb and foot. The foot link is bent at the bottom by the actuator. The device further includes a pressure sensor on the sole. This device detects whether or not the foot is in contact with the pressure sensor, and determines the phase of the user's walking cycle based on the result. Then, the actuator is controlled in accordance with the phase, and the ankle joint is bent back. In Patent Document 1, “phase” means any of the following states: heel contact, plantar contact, mid-stance phase, heel-off, foot-tip detachment, early swing leg, and late swing phase.
特開2005−500号公報JP-A-2005-500
特許文献1の装置は、位相に応じて足リンクの揺動角度が所定の目標角度に一致するようにアクチュエータを制御する。即ち、特許文献1の装置は、アクチュエータを角度制御する。発明者らの検討によると、遊脚期間においては角度制御でよいが、立脚期間においては角度制御ではユーザに違和感を与える可能性があることが判明した。ユーザが意図する足首関節の動きと、アクチュエータの動きとの間にずれが生じるとユーザに違和感を与える。本発明は、上記課題に鑑みて創作された。本発明は、ユーザに違和感を与えることなく歩行動作、特に足首関節の動きを支援する装置を提供する。   The device of Patent Literature 1 controls the actuator so that the swing angle of the foot link matches a predetermined target angle according to the phase. That is, the device of Patent Document 1 controls the angle of the actuator. According to the inventors' investigation, it has been found that angle control may be performed during the free leg period, but the angle control may give the user a sense of discomfort during the stance period. If a deviation occurs between the movement of the ankle joint intended by the user and the movement of the actuator, the user feels uncomfortable. The present invention has been created in view of the above problems. The present invention provides an apparatus that supports walking movements, particularly ankle joint movements, without causing the user to feel uncomfortable.
本明細書が開示する新規な歩行支援装置は、ユーザの下肢(下腿)に装着される下肢リンクとユーザの足に装着される足リンクを備える。足リンクはジョイントによって下肢リンクに揺動可能に連結されている。ジョイントは、ユーザが下肢リンクと足リンクを装着すると足首ピッチ軸と同軸に位置する。足リンクは、アクチュエータによって揺動(底背屈)する。アクチュエータはコントローラによって制御される。足リンクには、足が接地しているか否かを検知する接地センサが備えられている。コントローラは、接地センサの出力に基づいて脚が遊脚期間にあるか立脚期間にあるかを判定する。そして、コントローラは、立脚期間にはアクチュエータの出力トルクが目標トルクに一致するようにアクチュエータをトルク制御する。より具体的には、コントローラは、立脚期間には予め定められた大きさの目標トルクを指令トルクとしてアクチュエータに与えてアクチュエータをトルク制御する。コントローラは例えば、立脚期間には足リンクの揺動の向きとは反対の向きに一定のトルクを発生するようにアクチュエータをトルク制御する。他方コントローラは、遊脚期間には下肢リンクに対する足リンクの揺動角度が目標角度に一致するようにアクチュエータを角度制御する。より具体的には、コントローラは、遊脚期間には下肢リンクに対する足リンクの揺動角度と目標角度の差分に応じた指令トルクをアクチュエータに与えてアクチュエータを角度制御する。 The novel walking support device disclosed in the present specification includes a lower limb link that is worn on the user's lower limb (lower leg) and a foot link that is worn on the user's foot. The foot link is swingably connected to the lower limb link by a joint. The joint is positioned coaxially with the ankle pitch axis when the user wears the lower limb link and the foot link. The foot link is rocked (bottom dorsiflexion) by the actuator. The actuator is controlled by a controller. The foot link is provided with a ground sensor that detects whether or not the foot is grounded. The controller determines whether the leg is in the swing leg period or the stance period based on the output of the ground sensor. The controller torque-controls the actuator so that the output torque of the actuator matches the target torque during the stance period. More specifically, the controller applies a target torque having a predetermined magnitude to the actuator as a command torque during the stance period to control the torque of the actuator. For example, the controller torque-controls the actuator so that a constant torque is generated in a direction opposite to the swinging direction of the foot link during the stance period. On the other hand, the controller controls the angle of the actuator so that the swing angle of the foot link with respect to the lower limb link matches the target angle during the free leg period. More specifically, the controller controls the angle of the actuator by applying to the actuator a command torque corresponding to the difference between the swing angle of the foot link with respect to the lower limb link and the target angle during the free leg period.
上記の歩行支援装置のコントローラは、遊脚期間は足リンクを角度制御する。望ましくは、コントローラは、遊脚期間は下肢リンクと足リンクのなす角度が略直角となるように足リンクを角度制御する。そのような制御により、遊脚期間において足先が下方へ垂れ下がることが防止される。遊脚の足先と歩行面との間のクリアランスを確保でき、ユーザが躓かないようにする。   The controller of the above walking support device controls the angle of the foot link during the swing leg period. Desirably, the controller angle-controls the foot link so that the angle formed by the lower limb link and the foot link is substantially a right angle during the free leg period. By such control, it is prevented that the foot tip hangs down during the free leg period. A clearance between the toes of the free leg and the walking surface can be ensured so that the user does not hesitate.
他方、コントローラは、立脚期間は足リンクをトルク制御する。アクチュエータが発生するトルクの向きは、足リンクの揺動の向きとは反対方向である。そのような制御により、脚を倒れ難くすることができる。即ちそのような制御は、ユーザを転倒に難くさせ、安定感を与えることができる。立脚期間はトルク制御であるので、アクチュエータが発生するトルクは揺動角度に依存しない。そのため、ユーザが意図する足首関節の動き(即ち、ユーザが合わせようとする揺動角度)と、アクチュエータの動き(アクチュエータの制御目標角度)との間にずれが生じることがなく、ユーザにさほど違和感を与えない。トルク制御の具体例の詳細については後述する。   On the other hand, the controller torque-controls the foot link during the stance period. The direction of torque generated by the actuator is opposite to the direction of swinging of the foot link. Such control can make the leg difficult to fall. That is, such control can make the user difficult to fall and give a sense of stability. Since the stance period is torque control, the torque generated by the actuator does not depend on the swing angle. Therefore, there is no deviation between the movement of the ankle joint intended by the user (that is, the swing angle that the user wants to adjust) and the movement of the actuator (control target angle of the actuator), and the user feels a little uncomfortable. Not give. Details of a specific example of torque control will be described later.
本発明によれば、ユーザに違和感を与えることなく歩行動作を支援する装置を実現できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the apparatus which assists walking operation | movement can be implement | achieved, without giving a user discomfort.
歩行支援装置の模式図を示す。The schematic diagram of a walking assistance apparatus is shown. 歩行支援装置の制御フローチャートを示す。The control flowchart of a walk assistance device is shown. 揺動角度とトルクの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of a rocking angle and torque.
図面を参照して実施例の歩行支援装置を説明する。図1は、本実施例の歩行支援装置100の模式的側面図である。以下、「歩行支援装置100」を単に「支援装置100」と略称する。支援装置100は、主な構成部品として、下肢リンク12、足リンク20、及び、ジョイント14を備えている。下肢リンク12と足リンク20はジョイント14によって連結されている。下肢リンク12はユーザの下肢に装着され、足リンク20はユーザの足に装着される。なお、本明細書における「下肢」は、膝と足首の間の部分を意味する。   A walking support device according to an embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic side view of the walking support device 100 of the present embodiment. Hereinafter, “walking support device 100” is simply referred to as “support device 100”. The support device 100 includes a lower limb link 12, a foot link 20, and a joint 14 as main components. The lower limb link 12 and the foot link 20 are connected by a joint 14. The lower limb link 12 is attached to the user's lower limb, and the foot link 20 is attached to the user's foot. In the present specification, “lower limb” means a portion between the knee and the ankle.
ユーザが支援装置100を装着すると、ジョイント14は足首関節のピッチ軸と同軸に位置する。ピッチ軸とは、ユーザの体側方向(ラテラル方向)に伸びる軸を意味する。ジョイント14にはモータ16(アクチュエータ)とエンコーダ18が内蔵されている。支援装置100は、モータ16の駆動力によって足リンク20に背屈方向或いは底屈方向のトルクを加えることができる。モータ16の出力トルクが外力に抗する程に大きければ、足リンク20は揺動する。エンコーダ18は、足リンク20の揺動角度を計測する。コントローラ10が、エンコーダ18及び、後述する接地センサ22のセンサデータに基づいてモータ16を制御する。   When the user wears the support device 100, the joint 14 is located coaxially with the pitch axis of the ankle joint. The pitch axis means an axis extending in the body side direction (lateral direction) of the user. The joint 14 includes a motor 16 (actuator) and an encoder 18. The support device 100 can apply a torque in the dorsiflexion direction or the bottom flexion direction to the foot link 20 by the driving force of the motor 16. If the output torque of the motor 16 is large enough to resist external force, the foot link 20 swings. The encoder 18 measures the swing angle of the foot link 20. The controller 10 controls the motor 16 based on sensor data of the encoder 18 and a ground sensor 22 described later.
足リンク20の底面には3個の接地センサ22(22a、22b、及び、22c)が取り付けられている。接地センサ22aは、つま先に相当する部分に配置されている。接地センサ22bは、拇指球に相当する部分に配置されている。接地センサ22cは、踵に相当する部分に配置されている。接地センサ22a、22b、及び、22cは、それぞれの位置が接地しているか否かを検知する。各接地センサは、接地を検知しているときにはON信号を出力し、接地を検知していない場合にはOFF信号を出力する。「接地を検知していない場合」とは、別言すれば「非接地を検知している」ということである。接地センサ22のセンサデータはコントローラ10に送られる。   Three ground sensors 22 (22a, 22b, and 22c) are attached to the bottom surface of the foot link 20. The ground sensor 22a is disposed at a portion corresponding to the toe. The ground sensor 22b is disposed at a portion corresponding to the thumb ball. The ground sensor 22c is disposed at a portion corresponding to the bag. The ground sensors 22a, 22b, and 22c detect whether or not each position is grounded. Each ground sensor outputs an ON signal when the ground is detected, and outputs an OFF signal when the ground is not detected. In other words, “when grounding is not detected” means “non-grounding is detected”. The sensor data of the ground sensor 22 is sent to the controller 10.
図1の他の符号について説明する。符号Asは、足リンク20の揺動角度を示す。揺動角度Asは、下肢の長手方向に沿って伸びる直線から足底面までの角度で表される。揺動角度As符号は、下肢から下肢前方へ向かう向きを正とする。別言すれば、底屈方向を正とし、背屈方向を負とする。図1の状態は揺動角度Asがほぼ直角の状態を示している。揺動角度Asは、エンコーダ18によって計測される。符号Tsは、モータ16の出力トルクを示す。トルクTsの向きも、揺動角度Asと同様に、下肢から下肢前方へ向かう向き(底屈方向)を正とする。   1 will be described. The symbol As indicates the swing angle of the foot link 20. The swing angle As is represented by an angle from a straight line extending along the longitudinal direction of the lower limb to the sole of the foot. In the swing angle As code, the direction from the lower limb to the front of the lower limb is positive. In other words, the bottom flexion direction is positive and the dorsiflexion direction is negative. The state of FIG. 1 shows a state in which the swing angle As is substantially perpendicular. The swing angle As is measured by the encoder 18. The symbol Ts indicates the output torque of the motor 16. As for the direction of the torque Ts, the direction from the lower limb to the front of the lower limb (bottom flexion direction) is set to be positive, similarly to the swing angle As.
この支援装置100は、モータ16の動力によって足のピッチ軸周りの揺動を補助する。別言すれば、支援装置100は、ユーザの足首関節にトルクを加えてユーザの足の動きを補助する。詳しくは後述するが、支援装置100は、支援装置100を装着している脚が遊脚期間にある場合には足リンク20の揺動角度を所定の目標角度に追従させる角度制御を実行し、立脚期間にある場合にはジョイント14が足首関節に加えるトルクを目標トルクに追従させるトルク制御を実行する。なお、足の動きを補助する装置は、短下肢装具(AFO:Ankle Foot Orthosis)と呼ばれることがある。   The support device 100 assists the swing of the foot around the pitch axis by the power of the motor 16. In other words, the support device 100 assists the movement of the user's foot by applying torque to the user's ankle joint. As will be described in detail later, the support device 100 performs angle control that causes the swing angle of the foot link 20 to follow a predetermined target angle when the leg wearing the support device 100 is in the free leg period, In the stance period, torque control is performed to cause the torque applied by the joint 14 to the ankle joint to follow the target torque. Note that a device that assists the movement of the foot may be referred to as an ankle foot orthosis (AFO).
コントローラ10の制御ルールについて説明する。図2にコントローラ10が実行する処理のフローチャートを示す。図2のフローチャートの処理は制御周期毎に実行される。コントローラ10はまず、エンコーダ18と接地センサ22からセンサデータを取得する(S2)。コントローラ10は、接地センサ22のセンサデータから脚が遊脚期間にあるか立脚期間にあるかを判断する(S4)。ここでコントローラ10は、3個の接地センサ22a、22b、及び22cのいずれか1個でも接地を検知していれば脚が立脚期間にあると判断する。逆にコントローラ10は、3個全ての接地センサ22が接地を検知していない場合(非接地を検知している場合)、脚が遊脚期間にあると判断する。   A control rule of the controller 10 will be described. FIG. 2 shows a flowchart of processing executed by the controller 10. The process of the flowchart in FIG. 2 is executed for each control cycle. First, the controller 10 acquires sensor data from the encoder 18 and the ground sensor 22 (S2). The controller 10 determines whether the leg is in the swing leg period or the stance period from the sensor data of the ground sensor 22 (S4). Here, the controller 10 determines that the leg is in the stance period if any one of the three ground sensors 22a, 22b, and 22c detects the ground. Conversely, the controller 10 determines that the leg is in the free leg period when all the three ground sensors 22 do not detect grounding (when non-grounding is detected).
コントローラ10は、脚が遊脚期間にある場合には、モータ16を角度制御する(S6)。他方コントローラ10は、脚が立脚期間にある場合には、モータ16をトルク制御する(S8)。   When the leg is in the swing leg period, the controller 10 controls the angle of the motor 16 (S6). On the other hand, when the leg is in the stance period, the controller 10 controls the torque of the motor 16 (S8).
コントローラ10が実行する制御ルールについて詳しく説明する。コントローラ10は、遊脚期間と立脚期間で異なる制御を実行するが、遊脚期間の制御ルールと立脚期間の制御ルールは次の(数1)で統一的に表される。   Control rules executed by the controller 10 will be described in detail. The controller 10 executes different control between the swing leg period and the stance period, but the control rule for the swing leg period and the control rule for the stance period are uniformly expressed by the following (Equation 1).
(数1)において、Trはモータ16に与える指令トルク(目標トルク)を表す。Arは、目標角度(目標揺動角度)を表し、dArは目標角速度を表す。Asは前述したようにエンコーダ18によって計測される足リンク20の実際の揺動角度(計測揺動角度)を表す。dAsは、足リンク20の実際の揺動角速度(計測揺動角速度)を表す。計測揺動角速度dAsは、例えば計測揺動角度Asの時間差分によって求められてよい。Kp、Ki、Kdは夫々比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインを表す。即ち、(数1)の右辺第1項はフィードバック制御における比例項を表し、第2項は積分項を表し、第3項は微分項を表す。(数1)の右辺第1項から第3項まででいわゆるPIDフィードバック制御ルールが構成される。   In (Expression 1), Tr represents a command torque (target torque) to be applied to the motor 16. Ar represents a target angle (target swing angle), and dAr represents a target angular velocity. As represents the actual swing angle (measured swing angle) of the foot link 20 measured by the encoder 18 as described above. dAs represents the actual swing angular velocity (measured swing angular velocity) of the foot link 20. The measured rocking angular velocity dAs may be obtained, for example, from the time difference of the measured rocking angle As. Kp, Ki, and Kd represent a proportional gain, an integral gain, and a differential gain, respectively. That is, the first term on the right side of (Equation 1) represents a proportional term in feedback control, the second term represents an integral term, and the third term represents a differential term. A so-called PID feedback control rule is configured from the first term to the third term on the right side of (Equation 1).
(数1)の右辺第4項は、トルク制御の際に用いる項である。「sgn(dAs)」は、dAsが正値のときに「+1」を返し、dAsが負値のときには「−1」を返すいわゆる符号関数(signature function)である。符号Tcは、目標トルクの大きさを表す定数であり、ここでは「目標トルク値」と称する。右辺第4項は、足リンク20の揺動方向とは逆を向く指令トルクを生成する。   The fourth term on the right side of (Equation 1) is a term used for torque control. “Sgn (dAs)” is a so-called sign function that returns “+1” when dAs is a positive value and returns “−1” when dAs is a negative value. The symbol Tc is a constant representing the magnitude of the target torque, and is referred to as “target torque value” here. The fourth term on the right side generates a command torque that is opposite to the swinging direction of the foot link 20.
角度制御について説明する。コントローラ10は、脚が遊脚期間にある場合は、(数1)において目標トルク値Tcにゼロを代入する。そうすると、(数1)は、足リンク20の計測揺動角度Asを目標角度Arに一致させるPID角度制御ルールに相当する。目標角度Arは、90度に設定される。この角度制御は、遊脚期間において足先が下方へ垂れ下がることを防止する。これによって足先と歩行面との間のクリアランスを確保でき、ユーザが躓かないようにすることができる。   The angle control will be described. When the leg is in the free leg period, the controller 10 substitutes zero for the target torque value Tc in (Equation 1). Then, (Equation 1) corresponds to a PID angle control rule that matches the measured swing angle As of the foot link 20 with the target angle Ar. The target angle Ar is set to 90 degrees. This angle control prevents the toes from hanging down during the free leg period. As a result, the clearance between the tip of the foot and the walking surface can be secured, and the user can be prevented from scolding.
トルク制御について説明する。コントローラ10は、脚が立脚期間にある場合は、(数1)においてゲインKp、Ki、Kdにゼロを代入する。そうすると、(数1)は、足リンク20の揺動の向きとは反対の向きに一定の目標トルクTcを発生させるトルク制御ルールに相当する。支援装置100は、立脚期間においてはモータ16をトルク制御するから、立脚期間においては、モータ16の出力トルクは揺動角度に依存しない。即ち、力制御においては目標角度が存在しない。従って、ユーザが意図する足首関節の動き(ユーザが合わせようとする揺動角度)と、モータ16の動作の動き(目標角度)との間にずれが生じることがなく、ユーザにさほど違和感を与えない。なお、コントローラ10は、3個の接地センサ22a、22b、及び22cの出力信号の組み合わせによって目標トルク値Tcを異なる値に切り換える。   Torque control will be described. When the leg is in the stance period, the controller 10 substitutes zero for the gains Kp, Ki, and Kd in (Equation 1). Then, (Equation 1) corresponds to a torque control rule that generates a constant target torque Tc in a direction opposite to the swinging direction of the foot link 20. Since the support device 100 controls the torque of the motor 16 during the stance period, the output torque of the motor 16 does not depend on the swing angle during the stance period. That is, there is no target angle in force control. Therefore, there is no deviation between the movement of the ankle joint intended by the user (the swing angle that the user intends to match) and the movement of the operation of the motor 16 (target angle), giving the user a sense of incongruity. Absent. The controller 10 switches the target torque value Tc to a different value depending on the combination of the output signals of the three ground sensors 22a, 22b, and 22c.
図3を用いて、目標トルク値Tcの切り換え制御について説明する。図3の上側のグラフは、揺動角度の経時変化を示すグラフであり、下側のグラフは、トルクの経時変化を示すグラフである。なお、Tsはジョイント14が実際に出力するトルク(出力トルク)を示している。いずれのグラフも横軸は時間軸に相当する。   The switching control of the target torque value Tc will be described using FIG. The upper graph in FIG. 3 is a graph showing the change over time of the swing angle, and the lower graph is a graph showing the change over time in the torque. Ts indicates the torque (output torque) that the joint 14 actually outputs. In any graph, the horizontal axis corresponds to the time axis.
トルク制御の説明の前に、歩行時の足接地の経時変化について説明する。歩行動作を詳しく観察すると、次のとおりである。立脚期間の中期には、足裏全体が接地している。立脚期間から遊脚期間に切り換わるときには、まず拇指球とつま先が接地したまま、踵のみが離地する。次に拇指球が離地し、最後につま先が離地する。遊脚期間から立脚期間に切り換わるときには、まず踵だけが接地し、次に拇指球が接地し、最後につま先が接地する。足裏に配置した3個の接地センサ22は、以上の接地/離地シーケンスを検知するために備えられている。   Prior to the description of the torque control, the temporal change in foot contact during walking will be described. A detailed observation of the walking motion is as follows. In the middle of the stance period, the entire sole is grounded. When switching from the standing period to the free leg period, first, only the heels leave the ground with the ball and toes in contact with the ground. Next, the thumb ball is released, and finally the toes are released. When switching from the free leg period to the standing period, only the heel is grounded first, then the thumb ball is grounded, and finally the toes are grounded. Three ground sensors 22 arranged on the sole of the foot are provided for detecting the above ground / separation sequence.
図3において、時刻t0は、脚の離床タイミングを示す。時刻t0は、拇指球下と踵下に配置した接地センサ22b、22cの信号がOFF(非接地)を示しており、つま先下に配置した接地センサ22aの信号がONからOFFに変化するタイミングに相当する。時刻t1は、脚の着地タイミングを示す。時刻t1は、踵下に配置した接地センサ22cの信号がOFFからONに切り換わるタイミングに相当する。なお、このとき、つま先下と拇指球下に配置した接地センサ22a、22bはOFF信号を出力している。時刻t2は、踵の接地に続き、拇指球下の接地センサ22bの信号がOFFからONに切り換わるタイミングに相当する。なお、時刻t2に続いてつま先下の接地センサ22aの信号がOFFからONに切り換わる。時刻t3は、拇指球下とつま先下に配置した接地センサ22b、22aの信号がONを維持したまま、踵下の接地センサ22cの信号がONからOFFに切り換わるタイミングに相当する。時刻t4は、脚が再び遊脚に切り換わるタイミングに相当し、時刻t0の場合と同じである。各タイミングはコントローラ10が接地センサのセンサデータに基づいて判断する。   In FIG. 3, time t <b> 0 indicates the floor leaving timing of the leg. At time t0, the signals of the ground sensors 22b and 22c arranged under the thumb ball and the armpit indicate OFF (ungrounded), and the signal of the ground sensor 22a arranged under the toes changes from ON to OFF. Equivalent to. Time t1 indicates the landing timing of the leg. Time t1 corresponds to the timing at which the signal of the ground sensor 22c disposed under the armpit switches from OFF to ON. At this time, the ground sensors 22a and 22b disposed under the toes and under the thumb ball output an OFF signal. Time t2 corresponds to the timing at which the signal from the ground sensor 22b below the thumb ball switches from OFF to ON following the grounding of the basket. Note that the signal from the ground sensor 22a under the toe is switched from OFF to ON following time t2. Time t3 corresponds to the timing at which the signal from the ground sensor 22c below the toes and the toes is switched from ON to OFF while the signals from the ground sensors 22b and 22a placed on the toes are kept ON. Time t4 corresponds to the timing at which the leg switches to the free leg again, and is the same as at time t0. Each timing is determined by the controller 10 based on the sensor data of the ground sensor.
コントローラ10は、踵下の接地センサ22cが接地を検知(時刻t1)してから拇指球下の接地センサ22bが接地を検知(時刻t2)するまでの踵接地期間Iと、踵接地期間Iに続き、拇指球下と踵下の接地センサ22b、22cが接地を検知している主接地期間IIを判別する。コントローラ10は、踵接地期間Iでは目標トルク値Tc1を設定し、主接地期間IIでは目標トルク値Tc2を設定する。主接地期間IIにおける目標トルク値の大きさ|Tc2|は、踵接地期間Iにおける目標トルク値の大きさ|Tc1|よりも大きい値に定められている。   The controller 10 detects that the armpit grounding sensor 22c detects the grounding (time t1) until the armpit ball grounding sensor 22b detects the grounding (time t2). Subsequently, the main grounding period II in which the ground sensors 22b and 22c below the thumb ball and the armpits detect grounding is determined. The controller 10 sets the target torque value Tc1 during the heel contact period I, and sets the target torque value Tc2 during the main contact period II. The target torque value magnitude | Tc2 | in the main contact period II is set to a value larger than the target torque value magnitude | Tc1 | in the heel contact period I.
また、コントローラ10は、主接地期間IIに続き、踵下の接地センサ22cが非接地を検知(時刻t3)してからつま先下の接地センサ22aが非接地を検知(時刻t4)するまでのつま先接地期間IIIを判別する。コントローラ10は、つま先接地期間IIIでは目標トルクを再びTc1に変更する。即ち、主接地期間IIにおける目標トルクの大きさ|Tc2|は、つま先接地期間IIIにおける目標トルクの大きさ|Tc1|よりも大きい値に定められている。   Further, after the main grounding period II, the controller 10 continues toe until the armpit sensor 22c detects non-grounding (time t3) and the toe-bottom grounding sensor 22a detects non-grounding (time t4). Determine the contact period III. The controller 10 changes the target torque to Tc1 again in the toe contact period III. That is, the target torque magnitude | Tc2 | in the main contact period II is set to a value larger than the target torque magnitude | Tc1 | in the toe contact period III.
出力トルクTsの正負について説明する。踵接地期間I(踵が接地してから拇指球が接地するまでの期間)は、足が底屈方向に揺動する。図1を用いて前述したように、本実施例では底屈方向を正方向に定めている。従って、図3下側のグラフが示すように、踵接地期間Iでは出力トルクは負値となる。主接地期間II(踵接地期間Iに続き、拇指球と踵が接地している期間)は、足全体が接地したまま、踵を中心に下肢が前方へ揺動する。即ち、主接地期間IIでは、足は背屈方向に揺動する。従って、図3下側のグラフが示すように、主接地期間IIでは出力トルクは正値となる。つま先接地期間III(主接地期間IIに続き、踵が離地してからつま先が離地するまでの期間)は、再び足は底屈方向に揺動する。従って、図3下側のグラフが示すように、つま先接地期間IIIでは出力トルクは再び負値となる。いずれの期間にしても、出力トルクは、足の揺動方向とは逆の方向を向く。このことは、(数1)の第4項からも明らかである。なお、上記から明らかであるが、時刻t2で揺動角度Asは最も大きくなる。(足リンク20が最も底屈する)。また、時刻t3で揺動角度Asは最も小さくなる。(足リンク20が最も背屈する)。   The positive / negative of the output torque Ts will be described. During the heel contact period I (the period from when the heel contacts the ground until the thumb ball contacts the ground), the foot swings in the plantar flexion direction. As described above with reference to FIG. 1, in this embodiment, the bottom bending direction is set to the positive direction. Therefore, as shown in the lower graph of FIG. 3, the output torque has a negative value during the heel contact period I. In the main contact period II (the period in which the thumb ball and the heel are in contact with the heel contact period I), the lower limb swings forward around the heel while the entire foot is in contact with the ground. That is, in the main contact period II, the foot swings in the dorsiflexion direction. Therefore, as shown in the lower graph of FIG. 3, the output torque becomes a positive value during the main ground contact period II. In the toe contact period III (following the main contact period II, the period from when the heel is released until the toes are released), the foot swings again in the plantar flexion direction. Accordingly, as shown in the lower graph of FIG. 3, the output torque becomes negative again in the toe grounding period III. In any period, the output torque is in a direction opposite to the swinging direction of the foot. This is also clear from the fourth term of (Equation 1). As is apparent from the above, the swing angle As becomes the largest at time t2. (Foot link 20 is most bent down). Further, at time t3, the swing angle As becomes the smallest. (Foot link 20 is most dorsiflexed).
主接地期間IIは、一本の立脚だけで体を支える期間であり、この期間において立脚はふらつく虞が高い。支援装置100は、この主接地期間IIにおいて絶対値の大きな目標トルク値Tc2を採用する。支援装置100は、主接地期間IIにおいて、下肢の揺動(この期間では足全体が接地しているので相対的に下肢が揺動する)を妨げる向きに大きなトルクを出力し、立脚を安定させる。   The main ground contact period II is a period in which the body is supported by only one stance, and the stance is likely to fluctuate during this period. The support device 100 employs a target torque value Tc2 having a large absolute value during the main ground contact period II. In the main contact period II, the support device 100 outputs a large torque in a direction that prevents swinging of the lower limbs (relatively swinging the lower limbs because the entire foot is in contact during this period), and stabilizes the stance leg. .
他方、踵接地期間Iとつま先接地期間IIIは、遊脚期間と立脚期間との間の過渡期である。これらの期間では、足首関節が滑らかに動くことが円滑な歩行動作につながる。支援装置100は、これらの期間では比較的小さい目標トルク値Tc1を採用する。比較的小さい目標トルク値Tc1の採用によって、支援装置100は、足リンク20の揺動角度が急激に変化することを防止しつつ、足リンク20の円滑な動きを許容する。立脚期間において上記の通りに目標トルク値Tcの大きさを適宜に切り換えることによって、支援装置100は、歩行動作を効果的に補助する。具体的には支援装置100は、立脚期間と遊脚期間との間の過渡期には足リンク20の急激な揺動角度変化を防止しつつ、足リンク20の円滑な動きを許容する。他方、支援装置100は、踵と拇指球が接地している間は、下肢の揺動を妨げる向きに大きなトルクを出力して立脚を安定させる。   On the other hand, the heel contact period I and the toe contact period III are transitional periods between the free leg period and the stance period. During these periods, smooth movement of the ankle joint leads to smooth walking motion. The support device 100 employs a relatively small target torque value Tc1 during these periods. By employing the relatively small target torque value Tc1, the support device 100 allows the foot link 20 to move smoothly while preventing the swing angle of the foot link 20 from changing suddenly. By appropriately switching the magnitude of the target torque value Tc as described above during the stance period, the support device 100 effectively assists the walking motion. Specifically, the support device 100 allows a smooth movement of the foot link 20 while preventing a sudden swing angle change of the foot link 20 during a transition period between the stance period and the free leg period. On the other hand, the assisting device 100 stabilizes the stance by outputting a large torque in a direction that prevents the lower limb from swinging while the heel and the thumb ball are in contact with the ground.
図3についてさらに説明を補足する。遊脚期間では、コントローラ10はモータ16を角度制御する。従って出力トルクTsはコントローラ10にとって不定となる。逆に、立脚期間では、コントローラ10はモータ16をトルク制御するので、足リンク20の揺動角度Asはコントローラ10にとって不定となる。ここで、「出力トルクTsがコントローラ10にとって不定となる」とは、出力トルクの大きさがどの位となるかはコントローラが定めることではなく、ユーザの動作に起因して従属的に定まることを意味する。同様に、「足リンク20の揺動角度Asがコントローラ10にとって不定となる」とは、足リンク20の揺動角度がどの位となるかはコントローラが定めることではなく、ユーザの動作に起因して従属的に定まることを意味する。即ち、遊脚期間においては足首関節に加わるトルクの大きさはユーザが決める事項となり、立脚期間においては、揺動角度はユーザが決める事項となる。遊脚期間においては、トルクの大きさはユーザが決められるが、揺動角度は一定に保たれるので足が下方に垂れ下がることがない。これによって躓くことが防止される。立脚期間においては、ユーザは、下肢が揺らぐのを防止するトルクを受けながらも、揺動角度は自らの意思で決めることができる。これによって、支援装置100が勝手に動作するという感覚をユーザに与えることがない。即ち、ユーザに違和感を与えることがない。   Further explanation will be supplemented with respect to FIG. In the swing leg period, the controller 10 controls the angle of the motor 16. Therefore, the output torque Ts is indefinite for the controller 10. Conversely, during the stance period, the controller 10 controls the torque of the motor 16, so the swing angle As of the foot link 20 is indefinite for the controller 10. Here, “the output torque Ts becomes indefinite for the controller 10” means that the magnitude of the output torque is not determined by the controller but dependently determined by the user's operation. means. Similarly, “the swing angle As of the foot link 20 is indefinite for the controller 10” means that the controller does not determine how much the swing angle of the foot link 20 is, but is caused by the user's action. Means to be subordinated. That is, the magnitude of the torque applied to the ankle joint is a matter determined by the user during the free leg period, and the swing angle is a matter determined by the user during the stance period. During the swing leg period, the magnitude of the torque is determined by the user, but the swing angle is kept constant so that the foot does not hang down. This prevents craving. During the stance period, the user can determine the swing angle by his / her own intention while receiving torque that prevents the lower limbs from swinging. As a result, the user is not given a feeling that the support device 100 operates without permission. That is, the user does not feel uncomfortable.
また、コントローラ10は、立脚期間において新たな目標トルクを設定する際、目標トルクTcの大きさをゼロから定められた目標トルクの大きさ(Tc1又はTc2)まで漸増させる。そのため、図3に示すように、時刻t1直後、時刻t2直後、及び、時刻t3直後の出力トルクTsの応答がやや緩やかとなっている。このように目標トルクを漸増させる処理によって、出力トルクTsが急激に変化することを防止している。   Further, when setting a new target torque in the stance period, the controller 10 gradually increases the magnitude of the target torque Tc from zero to the magnitude of the target torque (Tc1 or Tc2). For this reason, as shown in FIG. 3, the response of the output torque Ts immediately after time t1, immediately after time t2, and immediately after time t3 is somewhat gentle. Thus, the process of gradually increasing the target torque prevents the output torque Ts from changing suddenly.
支援装置100についての留意点を述べる。支援装置100は両方の足夫々に装着される一対の装具を備えていてもよいし、いずれか一方の足に装着される一つの装具だけから構成されていてもよい。下肢リンク12と足リンク20を連結するジョイント14は足リンク20のピッチ軸周りの回転を許容するが、足首関節のロール軸周りの揺動は拘束している。「ロール軸」とは、ユーザの前後方向に伸びる軸に相当する。そのようなロール軸周りの拘束によって、支援装置100は、足を挫き難くしている。   Points to note about the support device 100 will be described. The support device 100 may be provided with a pair of braces that are worn on both legs, or may be composed of only one brace that is worn on either one of the legs. The joint 14 connecting the lower limb link 12 and the foot link 20 allows rotation of the foot link 20 around the pitch axis, but restrains the swing of the ankle joint around the roll axis. The “roll axis” corresponds to an axis extending in the front-rear direction of the user. The support device 100 makes it difficult to hit the foot by such restraint around the roll axis.
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.
10:コントローラ
12:下肢リンク
14:ジョイント
16:モータ(アクチュエータ)
18:エンコーダ
20:足リンク
22a、22b、22c:接地センサ
100:歩行支援装置
10: Controller 12: Lower limb link 14: Joint 16: Motor (actuator)
18: Encoder 20: Foot links 22a, 22b, 22c: Ground sensor 100: Walking support device

Claims (4)

  1. ユーザの歩行動作を補助する歩行支援装置であり、
    ユーザの下肢に装着される下肢リンクと、
    ユーザの足に装着される足リンクと、
    下肢リンクと足リンクがユーザに装着されると足首ピッチ軸と同軸に位置し、足リンクを下肢リンクに揺動可能に連結するジョイントと、
    下肢リンクに対して足リンクを揺動させるアクチュエータと、
    足が接地しているか否かを検知する接地センサと、
    アクチュエータに指令トルクを与えることによってアクチュエータを制御するコントローラとを備えており、
    コントローラは、
    接地センサの出力に基づいて脚が遊脚期間にあるか立脚期間にあるかを判定し、
    立脚期間には予め定められた大きさの目標トルクを指令トルクとしてアクチュエータに与えてアクチュエータをトルク制御し、遊脚期間には下肢リンクに対する足リンクの揺動角度目標角度の差分に応じた指令トルクをアクチュエータに与えてアクチュエータを角度制御することを特徴とする歩行支援装置。
    A walking support device for assisting a user's walking motion,
    A lower limb link to be worn on the user's lower limb;
    A foot link attached to the user's foot;
    A joint that is positioned coaxially with the ankle pitch axis when the lower limb link and the foot link are worn by the user, and that pivotally connects the foot link to the lower limb link;
    An actuator that swings the foot link relative to the lower limb link;
    A grounding sensor that detects whether or not the foot is grounded;
    A controller that controls the actuator by applying a command torque to the actuator,
    The controller
    Based on the output of the ground sensor, determine whether the leg is in the swing leg period or the stance period,
    Directive in stance phase the actuator torque control is given to the actuator target torque of a predetermined size as a command torque, the swing phase corresponding to the difference between the swing angle and target angle of the foot links relative to the lower leg link A walking support device characterized in that torque is applied to an actuator to control the angle of the actuator.
  2. コントローラは、立脚期間には足リンクの揺動の向きとは反対の向きに一定のトルクを発生するようにアクチュエータをトルク制御することを特徴とする請求項1に記載の歩行支援装置。   The walking support device according to claim 1, wherein the controller torque-controls the actuator so that a constant torque is generated in a direction opposite to the swinging direction of the foot link during the stance period.
  3. 足リンクは、ユーザの踵と拇指球に相当するそれぞれの部分に接地センサを備えており、
    コントローラは、踵の接地センサが接地を検知してから拇指球の接地センサが接地を検知するまでの踵接地期間と、踵接地期間に続き、踵と拇指球の接地センサが接地を検知している主接地期間を判別し、
    主接地期間における目標トルクの大きさが踵接地期間における目標トルクの大きさよりも大きいことを特徴とする請求項2に記載の歩行支援装置。
    The foot link has a ground sensor in each part corresponding to the user's heel and thumb ball,
    The controller follows the heel-to-ground period after the heel-ground sensor detects ground and the heel-ball ground sensor detects the ground, and the heel-grounding period. Determine the main ground contact period,
    The walking support device according to claim 2, wherein the magnitude of the target torque in the main contact period is larger than the magnitude of the target torque in the heel contact period.
  4. 足リンクは、ユーザの踵とつま先に相当するそれぞれの部分に接地センサを備えており、
    コントローラは、踵とつま先の接地センサが接地を検知している主接地期間と、主接地期間に続き、踵の接地センサが非接地を検知してからつま先の接地センサが非接地を検知するまでのつま先接地期間を判別し、
    主接地期間における目標トルクの大きさがつま先接地期間における目標トルクの大きさよりも大きいことを特徴とする請求項2又は3に記載の歩行支援装置。
    The foot link has a ground sensor on each part corresponding to the user's heel and toe,
    The controller follows the main grounding period when the heel and toe ground sensors detect grounding, and after the main grounding period, until the heel ground sensor detects ungrounded and until the toe ground sensor detects ungrounded Determine the toe grounding period,
    The walking assist device according to claim 2 or 3, wherein the magnitude of the target torque in the main contact period is larger than the target torque in the toe contact period.
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