JP5598667B2 - Walking assistance device, walking assistance method, walking assistance program, etc. - Google Patents
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Description
本発明は、駆動源の動力を用いて歩行を補助する歩行補助装置の技術分野に関する。 The present invention relates to a technical field of a walking assistance device that assists walking using power of a driving source.
従来、筋力の衰えた老人や傷病者等の歩行動作、階段の昇降動作、着座姿勢からの起立動作、起立姿勢からの着座動作等の各種動作を補助することで、筋力の増強、関節可動域の増大、及び脳神経伝達回路の新たな生成(シナプスの形成)等を図るリハビリテーションは、理学療法士又は作業療法士の指示に基づいて、老人や損傷者が自力で各種動作を試みるものであった。 Conventionally, by strengthening muscle strength and range of motion by assisting various actions such as walking movements of elderly people and victims with weak muscles, raising and lowering stairs, standing movement from sitting position, sitting movement from standing position, etc. Rehabilitation that aims to increase the number of brains and new generation of cranial nerve transmission circuits (synapse formation), etc., was based on instructions from a physical therapist or occupational therapist, and the elderly and injured persons tried various actions on their own .
近年、老人や損傷者が行うリハビリテーションを補助する歩行補助装置が利用されている。 2. Description of the Related Art In recent years, walking assist devices that assist rehabilitation performed by an elderly person or an injured person have been used.
例えば、特許文献1では、利用者の腹部に巻きつけられる腹帯の側面に固定される第一リンクと、利用者の大腿部に巻きつけられる脚当ての側面に固定される第二リンクとを、電気アクチュエータにより連結し、当該電気アクチュエータから出力される動力によって、第一リンクに対して第二リンクを前後方向に揺動させることで、利用者の大腿部の動きを補助する歩行補助装置が開示されている。
For example, in
また、特許文献2では、空気圧アクチュエータ(空気回路部)から出力される動力によって、脚の立脚状態への移行をアシストする歩行ロボットに関する技術が開示されている。
このような歩行補助装置は、歩行における人体の股関節、膝関節及び踵部の動作をアシストすることを目的とするため、関節及び部位の構造及び動作の特性に応じた動力源を適用することが望ましい。 Since such a walking assist device aims to assist the movement of the hip, knee and hips of the human body during walking, it is possible to apply a power source according to the structure and motion characteristics of the joints and parts. desirable.
例えば、膝関節は、大腿骨、脛骨及び膝蓋骨からなる関節であり、この関節の周囲に張り巡らされた靭帯や筋肉の作用により、立位から歩行、座位、正座等可動域が広く複雑な動作が可能となっている。このような膝関節の動作をアシストする歩行補助装置では、複雑な機構の制御を可能とする動力源が必要となる。 For example, the knee joint is a joint composed of the femur, tibia, and patella, and the movement of the limbs and muscles stretched around this joint has a wide range of motion such as walking, sitting, and sitting from the standing position. Is possible. In such a walking assist device that assists the operation of the knee joint, a power source capable of controlling a complicated mechanism is required.
一方、寛骨臼と球体に近い形状の大腿骨頭で構成される股関節は、膝関節よりも動作角度が少なく、動作開始時にわずかなアシストでも十分な場合が多い。このような股関節の動作をアシストする歩行補助装置では、単純な機構と簡易的な制御を可能とする動力源を適用することが好ましい。 On the other hand, a hip joint composed of an acetabulum and a femoral head having a shape close to a sphere has a smaller operating angle than a knee joint, and even a slight assist at the start of the operation is often sufficient. In such a walking assist device that assists the operation of the hip joint, it is preferable to apply a simple mechanism and a power source that enables simple control.
しかしながら、従来の歩行補助装置における動力源は、人体の関節及び部位の構造、及び動作の特性を考慮して選択されたものではなく、このような装置を用いたとしても、歩行における人体の動作を十分にアシストすることはできなかった。 However, the power source in the conventional walking assist device is not selected in consideration of the structure of the joints and parts of the human body and the characteristics of the movement, and even if such a device is used, the movement of the human body in walking Couldn't assist enough.
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的の一例は、人体の関節等の特性を考慮した動力源を適用することで、歩行における人体の動作を十分にアシストすることができる装置及び方法等を提供することである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an example of the purpose thereof is to sufficiently assist the movement of the human body during walking by applying a power source that takes into account the characteristics of human joints and the like. It is to provide an apparatus and a method that can be used.
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、利用者の大腿部に装着される第1リンクの一の端部と、前記利用者の下腿部に装着される第2リンクの一の端部とを、利用者の膝関節の側部に対応する位置で、電気モータによって発生させた動力によって回動可能に接続する膝関節部接続手段と、前記第1リンクの他の端部を、利用者の股関節の側部に対応する位置で、空気圧アクチュエータによって発生させた動力によって、前記利用者の歩行方向に対して回動可能に接続する股関節部接続手段と、前記電気モータ及び前記空気圧アクチュエータから出力される動力を制御する制御手段と、前記利用者の踵部に接続され、空気圧アクチュエータを備え、この空気圧アクチュエータによって発生させた動力を、前記利用者の腰部方向に出力する踵部用動力発生手段と、を備え、前記制御手段は、さらに、前記踵部用動力発生手段から出力される動力を制御することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
このような構成によれば、人体の関節等の特性を考慮した動力源を適用することで、歩行における人体の動作を十分にアシストすることができる。また、このような構成によれば、人体の関節等の特性を考慮した動力源を適用することで、歩行における人体の動作を十分にアシストすることができる。 According to such a configuration, it is possible to sufficiently assist the motion of the human body during walking by applying a power source that takes into account characteristics such as joints of the human body. Further, according to such a configuration, it is possible to sufficiently assist the movement of the human body in walking by applying a power source that takes into account the characteristics of the human body joints and the like.
また、請求項2に記載の発明は、利用者の大腿部に装着される第1リンクの一の端部と、前記利用者の下腿部に装着される第2リンクの一の端部とを、利用者の膝関節の側部に対応する位置で、電気モータによって発生させた動力によって回動可能に接続する膝関節部接続手段と、前記第1リンクの他の端部を、利用者の股関節の側部に対応する位置で、空気圧アクチュエータによって発生させた動力によって、前記利用者の歩行方向に対して回動可能に接続する股関節部接続手段と、前記利用者の踵部に接続され、空気圧アクチュエータを備え、この空気圧アクチュエータによって発生させた動力を、前記利用者の腰部方向に出力する踵部用動力発生手段と、を備える歩行補助装置における歩行補助方法であって、前記電気モータ、前記空気圧アクチュエータ、及び、前記踵部用動力発生手段から出力される動力を制御する制御工程と、を有することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided one end of a first link to be attached to a user's thigh and one end of a second link to be attached to the user's lower leg. And a knee joint connecting means for connecting to the side of the knee joint of the user so as to be rotatable by power generated by an electric motor, and using the other end of the first link. A hip joint connecting means for connecting to the user's hip joint at a position corresponding to the side of the user's hip joint by means of power generated by a pneumatic actuator, and connecting to the user's buttocks A walking assistance method in a walking assistance device , comprising: a pneumatic actuator; and power generation means for a buttock that outputs power generated by the pneumatic actuator in a direction toward the waist of the user , wherein the electric motor , the air Pressure actuator, and characterized by having a control step of controlling the power output from the power generating means for the heel portion.
また、請求項3に記載の発明は、利用者の大腿部に装着される第1リンクの一の端部と、前記利用者の下腿部に装着される第2リンクの一の端部とを、利用者の膝関節の側部に対応する位置で、電気モータによって発生させた動力によって回動可能に接続する膝関節部接続手段と、前記第1リンクの他の端部を、利用者の股関節の側部に対応する位置で、空気圧アクチュエータによって発生させた動力によって、前記利用者の歩行方向に対して回動可能に接続する股関節部接続手段と、前記利用者の踵部に接続され、空気圧アクチュエータを備え、この空気圧アクチュエータによって発生させた動力を、前記利用者の腰部方向に出力する踵部用動力発生手段と、を備える歩行補助装置に含まれるコンピュータを、前記電気モータ、前記空気圧アクチュエータ、及び、前記踵部用動力発生手段から出力される動力を制御する制御手段、として機能させることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided one end of a first link to be attached to a user's thigh and one end of a second link to be attached to the user's lower leg. And a knee joint connecting means for connecting to the side of the knee joint of the user so as to be rotatable by power generated by an electric motor, and using the other end of the first link. A hip joint connecting means for connecting to the user's hip joint at a position corresponding to the side of the user's hip joint by means of power generated by a pneumatic actuator, and connecting to the user's buttocks A computer included in a walking assistance device comprising a pneumatic actuator, and a power generation means for a buttock that outputs power generated by the pneumatic actuator in a direction toward the waist of the user, the electric motor , air pressure Actuator, and characterized in that to function as a control means, for controlling the power output from the power generating means for the heel portion.
以上のように、本発明によれば、歩行補助装置等は、人体の関節等の特性を考慮した動力源を適用することで、歩行における人体の動作を十分にアシストすることができる。 As described above, according to the present invention, the walking assistance device and the like can sufficiently assist the movement of the human body in walking by applying the power source in consideration of characteristics such as the joints of the human body.
以下、本願の最良の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、歩行における利用者の膝関節、股関節、及び踵部の動作をアシストする歩行補助装置に対して本願を適用した場合の実施形態である。 Hereinafter, the best embodiment of the present application will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, embodiment described below is embodiment when this application is applied with respect to the walking assistance apparatus which assists the operation | movement of a user's knee joint, hip joint, and buttocks in walking.
図1は本実施形態の歩行補助装置を装備した利用者を正面視で示す図であり、図2は本実施形態の歩行補助装置を装備した利用者を側面視で示す図であり、図3は本実施形態の歩行補助装置を装備した利用者を背面視で示す図であり、図4は本実施形態の空気圧アクチュエータの概要を示す図である。なお、各図で説明する部材には、その動作や制御等に必要な電力、信号、又は空気(エア)等の動力を伝達する伝達経路(信号線やエアチューブ等)が接続されているものとして、その図示を省略する。 1 is a diagram showing a user equipped with the walking assistance device of the present embodiment in a front view, and FIG. 2 is a diagram showing a user equipped with the walking assistance device of the present embodiment in a side view. These are figures which show the user equipped with the walking assistance apparatus of this embodiment by a back view, and FIG. 4 is a figure which shows the outline | summary of the pneumatic actuator of this embodiment. The members described in each figure are connected to transmission paths (signal lines, air tubes, etc.) for transmitting power such as power, signals, or air (air) necessary for operation and control. The illustration is omitted.
図1、図2、及び図3に示すように、本実施形態における歩行補助装置Sは、利用者Hの大腿部に装着される第1リンク1L、1R(本願の第1リンクの一例)と、利用者Hの下腿部に装着される第2リンク2L、2R(本願の第2リンクの一例)と、膝関節部接続機構3L、3R(本願の膝関節部接続手段の一例)と、股関節部接続機構4L、4R(本願の股関節部接続手段の一例)と、足装着部5L、5Rと、制御部6(本願の制御手段の一例)等とを備える。
As shown in FIGS. 1, 2, and 3, the walking assist device S according to the present embodiment is provided with
なお、本実施形態における説明において、部材番号に付されたLは、利用者Hの左脚部に装着される部材を示す。また、部材番号に付されたRは、利用者Hの右脚部に装着される部材を示す。特に説明をする場合を除き、L及びRが付された部材番号が示す部材は、少なくとも同一の機能及び効果を奏する。 In the description of the present embodiment, L attached to a member number indicates a member that is attached to the left leg portion of the user H. Moreover, R attached | subjected to the member number shows the member with which the right leg part of the user H is mounted | worn. Except when specifically described, the members indicated by the member numbers with L and R have at least the same functions and effects.
また、説明の便宜上、図1に示される右脚部に装着される部材では、左脚部に装着される部材のうち、カバーT1〜T5の図示を省略(破線で表示)する。また、図1において、右左脚部に装着される部材については、右脚部に装着される部材についてのみ部材番号を付し、左脚部に装着される部材についての部材番号の図示は省略する。 For convenience of explanation, in the member attached to the right leg shown in FIG. 1, the illustration of the covers T1 to T5 among the members attached to the left leg is omitted (indicated by a broken line). In FIG. 1, members attached to the right and left leg portions are given member numbers only for members attached to the right leg portion, and illustrations of member numbers for members attached to the left leg portion are omitted. .
第1リンク1L、1Rは、第1リンク7L、7Rと第1リンク8L、8Rがダイヤル9L、9Rによって第1リンク1L、1Rの軸方向に伸縮自在に接続された、ロッド状の装具である。ダイヤル9L、9Rは略円盤状のノブであり、ダイヤル9L、9Rの利用者Hと対向する面には、図示しないネジが設けられた軸が立設されている。この軸は、第1リンク7L、7Rと第1リンク8L、8Rを軸通しており、この軸の先端部には、図示しない固定部品(例えばナット等)が螺結される。そして、ダイヤル9L、9Rが回動されると、前記固定部品がネジにそってダイヤル9L、9Rに近接されることにより、第1リンク7L、7Rと第1リンク8L、8Rの距離が近接され、リンク同士が固定されるようになっている。
The
第1リンク7L、7R又は第1リンク8L、8Rの少なくとも何れかは一方は、カフ10L、10Rを介して利用者Hの脚の大腿部に装着される。カフ10L、10Rは、布持又は樹脂材料等の収縮又は湾曲自在なベルト状の固定具であり、第1リンク7L、7R又は第1リンク8L、8Rを利用者Hの体(大腿部)へ装着することができる。
At least one of the
第2リンク2L、2Rは、第2リンク11L、11Rと第2リンク12L、12Rがダイヤル13L、13Rによって第2リンク2L、2Rの軸方向に伸縮自在に接続された、ロッド状の装具である。ダイヤル13L、13Rは、ダイヤル9L、9Rと同様の機能を有するため、詳しい説明は省略する。
The
第2リンク11L、11Rは、カフ14L、14Rを介して利用者Hの下腿部に装着される。また、第2リンク12L、12Rは、カフ15L、15Rを介して利用者Hの下腿部に装着される。カフ14L、14R及びカフ15L、15Rは、カフ10L、10Rと同一の構成であるため詳しい説明は省略する。
The
第1リンク8L、8Rの一端(本願の第1リンクの一の端部の一例)と、第2リンク11L、11R(本願の第2リンクの一の端部)は、利用者Hの膝関節の側部に対応する位置で、膝関節部接続機構3L、3Rによって回動可能に接続されている。
One end of the
膝関節部接続機構3L、3Rは、利用者Hの左右方向の1軸まわり(図1の軸Aまわり)の回転自由度を有する関節である。すなわち、膝関節部接続機構3L、3Rによって、第2リンク11L、11Rと第1リンク8L、8Rは、軸Aまわりに相対的に回転可能となっている。
The knee
膝関節部接続機構3L、3Rには、膝関節部接続機構3L、3Rを駆動させるための電気モータ16L、16Rと、膝関節部接続機構3L、3Rの回転角を検出する膝関節角度センサ17L、17Rが接続されている。電気モータ16L、16Rとしては、例えば、直流モータ、交流モータ、又はステッピングモータ等、制御部6の制御のもと、回転角度を制御することが可能なモータを適用することができる。
The knee
また、図示しないが、膝関節部接続機構3L、3Rは、所定の歯車群(例えば、減速ギア、回転方向変更ギア等)を含んで構成されるギアボックスを介して電気モータ16L、16Rと接続されている。電気モータ16L、16Rの回転軸が回転することによって得られる回転駆動力が前記歯車群を介して、第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rに伝達(即ち、第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rによって構成される上記関節の中心部とギアボックスの回転軸が接続され回転)されるようになっており、利用者Hの膝関節における動作をアシスト(補助)し、利用者Hの歩行を補助する。
Although not shown, the knee
膝関節角度センサ17L、17Rは、第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11R(広義には、第1リンク1L、1Rと第2リンク2L、2R)の基準回転位置からの回転角に応じた検出信号を、第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rの屈曲角度を示す信号として、制御部6へ出力する。この基準回転位置は任意に設定することができ、例えば、利用者Hが直立姿勢を保っている時の第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rがなす角度を基準回転位置とするようにしてもよい。膝関節角度センサ17L、17Rとしては、例えば公知のロータリーエンコーダ等を適用することができる。また、図示しないが、膝関節部接続機構3L、3Rは、電気モータ16L、16Rを所定の回転方向及び速度で駆動制御する駆動制御部と、を含んで構成される。駆動制御部は、所謂モータ制御用のドライバ回路であり、制御部6に含むよう構成することもできる。
The knee
第1リンク8L、8Rの他の一端(本願の第1リンクの他の端部の一例)は、利用者Hの股関節の側部に対応する位置で、股関節部接続機構4L、4Rによって回動可能に接続されている。
The other end of the
股関節部接続機構4L、4Rは、利用者Hの左右方向の1軸まわり(図1の軸Bまわり)の回転自由度を有する関節である。すなわち、股関節部接続機構4L、4Rによって、第1リンク7L、7R(第1リンク8L、8R)は、軸Bまわりに相対的に回転可能となっている。なお、上述したように第1リンク7L、7Rは、第1リンク8L、8Rを介して、第2リンク11L、11R及び第2リンク12L、12Rと接続されている。従って、股関節部接続機構4L、4Rによって、第1リンク1L、1R及び第2リンク2L、2Rは、軸Bまわりに(即ち、利用者Hの進行方向へ)相対的に回転可能となる。
The hip
股関節部接続機構4L、4Rには、股関節部接続機構4L、4Rを駆動させるための空気圧アクチュエータ18L、18Rと、膝関節部接続機構3L、3Rの回転角を検出する股関節角度センサ19L、19Rが接続されている。股関節角度センサ19L、19Rは、膝関節角度センサ17L、17Rと少なくとも同一の機能を有するため、詳しい説明は省略する。
The hip
空気圧アクチュエータ18L、18Rとしては、例えば、公知のロータリーアクチュエータ(ロータリー型エアシリンダ)を適用することができる。
As the
ここで、空気圧アクチュエータ18L、18Rの概要及び作動原理を、特に図3及び図4を用いて説明する。
Here, the outline and operating principle of the
図4(A)に示すように、空気圧アクチュエータ18L、18Rは、圧縮空気の作用によって、空気圧アクチュエータ18L、18Rに設けられた軸20L、20Rを、設定された角度範囲で搖動させるアクチュエータである。
As shown in FIG. 4A, the
更に具体的には、図3に示すように、制御部6は、圧縮された空気(エア)が充填されたエアボンベ21から、レギュレータ22によって出力調整(空気圧の調整)した空気を、所定の空気圧アクチュエータに向けて出力する。そして、制御部6は、空気圧アクチュエータの空気の流入口に設けられた股関節動作用電磁弁(所謂、ソレノイドバルブ)23を開き、上記空気を所定のアクチュエータに出力する。
More specifically, as shown in FIG. 3, the control unit 6 converts the air whose output is adjusted (adjusted air pressure) by the
図4(B)に示すように、空気圧アクチュエータ18L、18Rは、上記空気が入力されると、軸20L、20Rを、予め定められた角度の範囲で回転(搖動)させる。
As shown in FIG. 4B, when the air is inputted, the
軸20L、20Rは、利用者Hの左右方向の1軸まわり(図1の軸Bまわり)の回転自由度を有する関節の一例であり、第1リンク7L、7Rに接続されている。従って、軸20L、20Rの回転運動によって、利用者Hの股関節における動作をアシスト(補助)し、利用者Hの歩行を補助する。
The
そして、図4(C)に示すように、軸20L、20Rは、上記エアの作用によって回転運動が終了した後には、図1の軸Bを始点として自由に搖動運動(振り出し運動)が可能となっている。
As shown in FIG. 4C, the
すなわち、空気圧アクチュエータ18L、18Rは、制御部6の制御に基づき空気が入力されると予め定められた角度の範囲(目標値)まで回転させる。従って、制御部6は、前記角度に達する間、空気圧アクチュエータ18L、18Rを制御する必要がない。
In other words, the
なお、軸20L、20Rは第1リンク8L、8Rに接続されているとしたが、カフ10L、10Rに接続するようにしてもよい。また、軸20L、20Rは第1リンク7L、7Rに接続されるようにしてもよい。
Although the
股関節角度センサ19L、19Rは、第1リンク8L、8R(軸20L、20R。なお、広義には、第1リンク1L、1Rと第2リンク2L、2R)の基準回転位置からの回転角に応じた検出信号を、第1リンク7L、7Rの屈曲角度を示す信号として、制御部6へ出力する。この基準回転位置は任意に設定することができ、例えば、利用者Hが直立姿勢を保っている時の第1リンク7L、7Rが上方向(図1参照)となす角度を基準回転位置とするようにしてもよい。
The hip
また、股関節部接続機構4L、4Rは、軸方向に伸縮自在な図示しないラッチ等を備える固定軸25L、25Rを介して、固定ベルト26に接続されている。固定ベルト26は、布持又は樹脂材料等の収縮又は湾曲自在なベルト状の固定具であり、利用者Hの腰部を包み込むように装着する。
Further, the hip
また、第1リンク7L、7Rは、リンクボール27L、27Rを介して、空気圧アクチュエータ18L、18Rに接続されている。リンクボール27L、27Rは、ボールジョイント等の3軸まわりの回転自由度を有するフリージョイントである。このリンクボール27L、27Rによって、第1リンク7L、7Rは、該第1リンク7L、7Rの軸方向に対して摺動可能に接続される。
The
足装着部5L、5Rは、利用者Hの靴底に取り付けられる足底センサ28L、28Rと、利用者Hの踵部に接続される空気圧アクチュエータ29L、29R(本願の踵部用動力発生手段の一例)とから構成される。
The
足底センサ28L、28Rは、例えば、半導体圧力センサ等が適用され、当該センサに加えられた圧力を電気信号に変換し、制御部6へ出力する。本実施形態では、足底センサ28L、28Rは、利用者Hが立脚期(接地状態)にあるか、遊脚期(浮き状態)にあるかを判別するために用いられる。
For example, a semiconductor pressure sensor or the like is applied to the
具体的には、利用者Hが立脚期にある場合には、利用者Hの脚底は地面に接触しているため、足底センサ28L、28Rには所定の圧力が加えられる。この場合、足底センサ28L、28Rは、上記圧力を電気信号に変換し、制御部6へ出力する。一方、利用者Hが遊脚期にある場合には、利用者Hの脚底は地面に接触していないため、足底センサ28L、28Rには所定の圧力が加えらない。この場合、足底センサ28L、28Rは、何らの電気信号も出力しない。制御部6は、上記電気信号に応じて、利用者Hが立脚期にあるか遊脚期にあるかを検出するようになっている。
Specifically, when the user H is in the stance phase, since the sole of the user H is in contact with the ground, a predetermined pressure is applied to the
空気圧アクチュエータ29L、29Rは、利用者Hの踵部を上部へ持ち上げ歩行動作をアシストするためのアクチュエータである。具体的には、空気圧アクチュエータ29L、29Rは、圧縮空気の作用によって、空気圧アクチュエータ29L、29Rに備えられたロッド30L、30Rを直線的に外部へ押し出す。本実施形態では、ロッド30L、30Rの作用によって、利用者Hの踵部が上部へ持ち上げられるようになっている。
The
充電池(バッテリBOX)31は、例えば、充電によって蓄えられた電気を電源部(電源BOX)32へ供給する。電源部32は、歩行補助装置Sの各部へ電気を供給する。
The rechargeable battery (battery BOX) 31 supplies, for example, electricity stored by charging to the power supply unit (power supply BOX) 32. The
次に、本実施形態における歩行補助装置の機能構成について、図5を用いて説明する。図5は、本実施形態における歩行補助装置の機能構成を示すブロック図である。なお、他の図において同一の部材番号を示す部材は、少なくとも同一の機能を有するものとし、詳しい説明は省略する。 Next, the functional configuration of the walking assistance device in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a block diagram showing a functional configuration of the walking assist device in the present embodiment. In addition, the member which shows the same member number in another figure shall have at least the same function, and detailed description is abbreviate | omitted.
図5に示すように、制御部6は、主として演算機能を有するCPU、作業用RAM、及び各種データやプログラムを記憶するROMを備えて構成されている。当該CPUが、例えばROMに記憶された各種プログラムを実行することにより、歩行補助装置S全体を統括制御すると共に、本実施形態における制御手段として機能する。 As shown in FIG. 5, the control unit 6 includes a CPU that mainly has a calculation function, a working RAM, and a ROM that stores various data and programs. The CPU executes various programs stored in the ROM, for example, thereby controlling the entire walking assisting device S as a whole and also functions as a control unit in the present embodiment.
具体的には、歩行における利用者Hの膝関節の動作をアシストするため、制御部6は、第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rを所定の屈曲角度に制御するための制御信号を上記駆動制御部へ出力する。制御信号を受信した駆動制御部は、該制御信号に基づいて、第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rを所定の屈曲角度に制御する。膝関節角度センサ17L、17Rは、上記制御信号に基づいて屈曲する第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rがなす角度を計測(モニタリング)し、制御部6へ屈曲角度を示す信号として出力する。
Specifically, in order to assist the movement of the knee joint of the user H in walking, the control unit 6 controls the
制御部6は、受信した当該信号と、先に出力した制御信号とを比較することによって、第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rが当該制御信号に応じた動作を実行しているか否かを確認する。そして、当該制御信号に応じた動作が実行されていない場合には、制御部6は、上記当該制御信号に応じた動作を実行するための補正信号を出力するようになっている(所謂、フィードバック制御を実行する)。
Whether the
なお、上述した第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rを所定の屈曲角度に制御するための一連の制御信号(フィードバック制御についての信号も含む)を、「膝関節用制御信号」とする。
A series of control signals (including signals for feedback control) for controlling the
一般的に、膝関節は、大腿骨、脛骨及び膝蓋骨からなる関節であり、この関節の周囲に張り巡らされた靭帯や筋肉の作用により、立位から歩行、座位、正座等可動域が広く複雑な動作が可能となっている。このような膝関節の動作をアシストする歩行補助装置では、複雑な機構の制御を可能とする動力源が必要となる。 Generally, a knee joint is a joint composed of the femur, tibia, and patella. Due to the action of ligaments and muscles stretched around the joint, the range of motion such as walking, sitting, and sitting from the standing position is wide and complicated. Operation is possible. In such a walking assist device that assists the operation of the knee joint, a power source capable of controlling a complicated mechanism is required.
上記膝関節の動作をアシストするために、利用者Hの大腿部に装着された第1リンク8L、8Rと利用者Hの下腿部に装着された第2リンク11L、11Rは、上述した制御部6の膝関節用制御信号に基づく制御によって、所定の屈曲角度至るまで継続的に制御される。
In order to assist the operation of the knee joint, the
従って、利用者Hの大腿骨、脛骨及び膝蓋骨の動作(即ち、膝関節の動作のアシスト)を高精度にかつ確実に制御することができる。 Therefore, it is possible to control the movement of the user's H femur, tibia and patella (that is, assisting the operation of the knee joint) with high accuracy and reliability.
また、歩行における利用者Hの股関節の動作をアシストするため、制御部6は、第1リンク7L、7Rを所定の屈曲角度に回動するための制御信号を空気圧アクチュエータ18L、18Rへ出力する。
In addition, in order to assist the operation of the hip joint of the user H during walking, the control unit 6 outputs a control signal for rotating the
この制御信号は、上述したように上記空気を所定のアクチュエータに出力するために股関節動作用電磁弁23を開くための制御信号である。換言すれば、股関節動作用電磁弁23を開くための制御信号は、オンオフ信号(01信号等)等の制御信号(即ち、単一の命令)であるため、膝関節用制御信号よりも簡便な構成であり、複雑な制御を必要としない。
This control signal is a control signal for opening the hip joint
なお、第1リンク7L、7Rを所定の屈曲角度に回動するための制御信号を、以下単に「股関節用制御信号」とする。
A control signal for rotating the
一般的に、寛骨臼と球体に近い形状の大腿骨頭で構成される股関節は、膝関節よりも動作角度が少なく、動作開始時にわずかなアシストでも十分な場合が多い。具体的には、歩行動作において、大腿部は膝関節を回転中心として、利用者Hの進行方向に回動するようになっている(即ち、進行方向に対して大腿部を振り出す)。このような股関節の動作をアシストする歩行補助装置では、制御部6の処理負担軽減の観点から、単純な機構と簡易的な制御を可能とする動力源を適用することが好ましい。 In general, a hip joint composed of an acetabulum and a femoral head having a shape close to a sphere has a smaller operating angle than a knee joint, and a small amount of assist is often sufficient at the start of the operation. Specifically, in the walking motion, the thigh is rotated in the traveling direction of the user H with the knee joint as the rotation center (that is, the thigh is swung out with respect to the traveling direction). . In such a walking assist device that assists the operation of the hip joint, it is preferable to apply a simple mechanism and a power source that enables simple control from the viewpoint of reducing the processing load of the control unit 6.
そこで、このような動作をアシストするために、制御部6は、利用者Hの大腿部に装着された第1リンク7L、7Rを、利用者Hの進行方向に回動させる動作を実行させればよい。この動作を実行させる命令として、制御部6は、股関節用制御信号を出力する。
Therefore, in order to assist such an operation, the control unit 6 performs an operation of rotating the
従って、利用者Hの大腿骨、脛骨及び膝蓋骨の動作を簡便な制御によって、アシストすることができる。 Therefore, the operation of the user's H femur, tibia, and patella can be assisted by simple control.
また、歩行における利用者Hの踵部の動作をアシストするため、制御部6は、利用者Hの踵部を上部へ持ち上げるための制御信号を空気圧アクチュエータ29L、29Rへ出力する。
Further, in order to assist the operation of the buttocks of the user H in walking, the control unit 6 outputs a control signal for lifting the buttocks of the user H to the
この制御信号は、股関節用制御信号と同様に、上記空気を所定のアクチュエータに出力するために踵部動作用電磁弁33を開くための制御信号である。
This control signal is a control signal for opening the buttocks operation
なお、利用者Hの踵部が上部へ持ち上げるための制御信号を、以下単に「踵部用制御信号」とする。 The control signal for the user H's buttocks to lift upward will be simply referred to as a buttocks control signal hereinafter.
一般的に、踵部は、脚の構成要素の一つであり利用者Hの全荷重が集中する場合もある。しかし、歩行動作では、踵部が接地面(床、地面等)から離れるにつれて、当該荷重が緩和され、利用者Hの重心位置が前側(進行方向)に移動し、歩行に至る。即ち、単に利用者Hの踵部を上部へ持ち上げるだけで、歩行動作をアシストすることができる。このような踵部の動作をアシストする歩行補助装置では、単純な機構と簡易的な制御を可能とする動力源を適用することが好ましい。 Generally, the buttocks are one of the components of the legs, and the total load of the user H may be concentrated. However, in the walking motion, as the buttocks move away from the ground contact surface (floor, ground, etc.), the load is relaxed, and the gravity center position of the user H moves to the front side (traveling direction), leading to walking. In other words, the walking motion can be assisted simply by lifting the user's H buttocks upward. In such a walking assist device that assists the operation of the buttocks, it is preferable to apply a simple mechanism and a power source that enables simple control.
上記踵部の動作をアシストするために、上述した制御部6の踵部用制御信号に基づく制御によって、利用者Hの踵部を上部へ持ち上げることができる。 In order to assist the operation of the buttocks, the buttocks of the user H can be lifted up by the control based on the control signal for the buttocks of the control unit 6 described above.
従って、利用者Hの踵部の動作を簡便な制御によって、アシストすることができる。 Therefore, the operation of the buttocks of the user H can be assisted by simple control.
次に、制御部6の各種制御信号に基づく歩行補助装置Sの動作について、図6、図7、及び図8をそれぞれ対比して説明する。図6は制御部6が出力する制御信号を示すフローチャートであり、図7は制御信号に基づいた膝関節部接続機構3L、3R、股関節部接続機構4L、4R及び足装着部5L、5Rの屈曲角度又は制御信号を示すグラフであり、図8は利用者Hの歩行時における片脚の動作を模式的に示した図である。なお、図7における(A)〜(C)が示す経過時間Xは、共通である。
Next, operation | movement of the walking assistance apparatus S based on the various control signals of the control part 6 is demonstrated by contrasting FIG. 6, FIG. 7, and FIG. 8, respectively. FIG. 6 is a flowchart showing a control signal output by the control unit 6, and FIG. 7 shows bending of the knee
歩行動作は、利用者Hの膝関節、股関節、及び踵部の動作が連動して行われるものである。そこで、制御部6は、上述したように、膝関節、股関節、及び踵部の動作をアシストすべく、膝関節用制御信号、股関節用制御信号、及び踵部用制御信号を出力する。 The walking motion is performed in conjunction with the motion of the knee joint, hip joint, and buttocks of the user H. Therefore, as described above, the control unit 6 outputs the knee joint control signal, the hip joint control signal, and the hip joint control signal in order to assist the operations of the knee joint, the hip joint, and the hip joint.
具体的には、図6に示すように、制御部6は、時間T1において、股関節用制御信号を出力する(ステップS1)。ここで、歩行時における片脚の動作に要した時間T1〜T3における股関節用制御信号に基づいて第1リンク7L、7Rが示した屈曲角度について、図7(A)を用いて説明する。
Specifically, as shown in FIG. 6, the control unit 6 outputs a hip joint control signal at time T1 (step S1). Here, the bending angles indicated by the
図7(A)は歩行時における片脚の動作に要した時間T1〜T3における股関節用制御信号に基づいて第1リンク7L、7Rが示した屈曲角度を表す波形である。
FIG. 7A is a waveform representing the bending angles indicated by the
制御部6からの股関節用制御信号に基づいて、第1リンク7L、7Rは、空気圧アクチュエータ18L、18Rの動力によって、図8(A)の矢印イの方向へ回動される。そして、第1リンク7L、7Rは、所定の屈曲角度(図7(A)の40°近辺)まで回動しする(図8の(B)、(C))。そして、立脚期へと移行するにつれて、第1リンク7L、7Rが示す屈曲角度は減少する(図8の(D)(E))。
Based on the hip joint control signal from the control unit 6, the
また、図6に示すように、制御部6は、時間T1において、踵部用制御信号を出力する(ステップS2)。ここで、歩行時における片脚の動作に要した時間T1〜T3における制御部6の、踵部用制御信号に基づく制御によって、足底センサ28L、28Rが示した脚底の接地状態について、図7(C)を用いて説明する。
Moreover, as shown in FIG. 6, the control part 6 outputs the control signal for hips in time T1 (step S2). Here, regarding the ground contact state of the bottom of the foot indicated by the
図7(C)は、歩行時における片脚の動作に要した時間T1〜T3における制御部6の、踵部用制御信号に基づく制御によって、足底センサ28L、28Rが示した脚底の接地状態を示す波形である。
FIG. 7C shows the ground contact state of the bottom of the foot indicated by the
制御部6からの踵部用制御信号に基づいて、利用者Hの脚底(踵部)は、空気圧アクチュエータ29L、29Rの動力によって、図8(A)の矢印ハの方向(上部)へ持ち上げられる。利用者Hの脚底(踵部)が持ち上げられている間(遊脚期。図8の(B)、(C)、(D))、足底センサ28L、28Rには圧力が加えられないため、何らの電気信号も出力しない(図7(C)参照)。そして、立脚期へ移行すると、利用者Hの脚底は地面に接触するため(図8(E))、足底センサ28L、28Rに圧力が加えられる。すると、足底センサ28L、28Rは、上記圧力を電気信号に変換し、制御部6へ出力する(図7(C)参照)。
Based on the control signal for the buttocks from the control unit 6, the bottom of the leg (the buttocks) of the user H is lifted in the direction indicated by the arrow C (upper part) in FIG. . During the period when the user's H's sole (hip) is being lifted (free leg period, (B), (C), (D) in FIG. 8), no pressure is applied to the
また、図6に示すように、制御部6は、時間T1〜T3の間、膝関節用制御信号を出力する(ステップS3)。 Moreover, as shown in FIG. 6, the control part 6 outputs the control signal for knee joints during time T1-T3 (step S3).
歩行時における片脚の動作において、一般的に膝関節は0°〜最大75°程度まで屈曲し、伸展する。この動作をアシストするために、制御部6は、膝関節用制御信号によって第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rを所定の屈曲角度となるように、継続的に制御する。
In the movement of one leg during walking, the knee joint generally bends and extends from about 0 ° to a maximum of about 75 °. In order to assist this operation, the control unit 6 continuously controls the
ここで、歩行時における片脚の動作に要した時間T1〜T3における制御部6の膝関節用制御信号に基づく制御によって、第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rが示した屈曲角度について図7(B)を用いて説明する。
Here, the bending angles indicated by the
図7(B)は歩行時における片脚の動作に要した時間T1〜T3における制御部6の膝関節用制御信号に基づく制御によって、第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rが示した屈曲角度を表す波形である。
FIG. 7B shows the
制御部6からの膝関節用制御信号に基づいて、第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rは、電気モータ16L、16Rの制御によって、図8(A)の矢印ロの方向へ屈曲される。そして、第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rは、所定の屈曲角度(図7(B)の60°近辺)まで屈曲(図8の(B)、(C))する。
Based on the knee joint control signal from the control unit 6, the
そして、立脚期へと移行するため、第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rは、電気モータ16L、16Rの制御によって、図8(C)の矢印ロの方向へ屈曲される。すると、第1リンク8L、8Rと第2リンク11L、11Rの屈曲角度が減少し(図7(B))、直立姿勢へと移行する。
In order to shift to the stance phase, the
なお、以上説明した実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。そして、上記実施形態の中で説明されている構成の組合せ全てが発明の課題解決に必須の手段であるとは限らない。また、上記実施形態の中で説明されている構成は、適宜組合わせて実施することが可能である。 In addition, embodiment described above does not limit the invention concerning a claim. And not all combinations of the configurations described in the above embodiments are essential means for solving the problems of the invention. Moreover, the structure demonstrated in the said embodiment can be implemented combining suitably.
以上説明したように、本実施形態によれば、歩行補助装置Sは、利用者Hの大腿部に装着される第1リンク8L、8Rの一端と、利用者Hの下腿部に装着される第2リンク11L、11Rの一の端部とを、利用者Hの膝関節の側部に対応する位置で、電気モータ16L、16Rによって発生させた動力によって回動可能に接続する膝関節部接続機構3L、3Rと、第1リンク8L、8Rの他の一端を、利用者Hの股関節の側部に対応する位置で、空気圧アクチュエータ18L、18Rによって発生させた動力によって、利用者Hの歩行方向に対して回動可能に接続する股関節部接続機構4L、4Rと、電気モータ16L、16R及び空気圧アクチュエータ18L、18Rから出力される動力を膝関節用制御信号及び股関節用制御信号によって制御する制御部6と、を備えるように構成したため、人体の関節等の特性を考慮した動力源を適用することで、歩行における人体の動作を十分にアシストすることができる。また、股関節用制御信号を用いることによって、制御部6の処理負担を軽減することができる。
As described above, according to the present embodiment, the walking assistance device S is attached to one end of the
また、本実施形態の歩行補助装置Sによれば、制御部6の制御のもと、各リンク機構部が強制的に動作するので、利用者Hは自然に足を動かすこととなり踏み出しタイミングを自然と体に身に付けさせることができる。 Further, according to the walking assist device S of the present embodiment, each link mechanism unit is forced to operate under the control of the control unit 6, so that the user H naturally moves his / her foot and naturally sets the stepping timing. And can be worn on the body.
また、制御部6は、足底センサ28L、28Rを用いて、利用者Hの歩行の開始を監視し、利用者Hが歩行を開始したことを示す監視結果を受信した場合に、各種制御信号(膝関節用制御信号、股関節用制御信号、又は踵部用制御信号)を出力するようにしてもよい。
In addition, the control unit 6 monitors the start of walking of the user H using the
以上のように構成することによって、利用者Hの意思に基づいたリハビリテーションを実行することができる。 By configuring as described above, rehabilitation based on the intention of the user H can be executed.
1L 第1リンク
1R 第1リンク
2L 第2リンク
2R 第2リンク
3L 膝関節部接続機構
3R 膝関節部接続機構
4L 股関節部接続機構
4R 股関節部接続機構
5L 足装着部
5R 足装着部
6 制御部
7L 第1リンク
7R 第1リンク
8L 第1リンク
8R 第1リンク
9L ダイヤル
9R ダイヤル
10L カフ
10R カフ
11L 第2リンク
11R 第2リンク
12L 第2リンク
12R 第2リンク
13L ダイヤル
13R ダイヤル
14L カフ
14R カフ
15L カフ
15R カフ
16L 電気モータ
16R 電気モータ
17L 膝関節角度センサ
17R 膝関節角度センサ
18L 空気圧アクチュエータ
18R 空気圧アクチュエータ
19L 股関節角度センサ
19R 股関節角度センサ
20L 軸
20R 軸
21 エアボンベ
22 レギュレータ
23 股関節動作用電磁弁
25L 固定軸
25R 固定軸
26 固定ベルト
27L リンクボール
27R リンクボール
28L 足底センサ
28R 足底センサ
29L 空気圧アクチュエータ
29R 空気圧アクチュエータ
30L ロッド
30R ロッド
31 充電池
32 電源部
33 踵部動作用電磁弁
H 利用者
S 歩行補助装置
Claims (3)
前記第1リンクの他の端部を、利用者の股関節の側部に対応する位置で、空気圧アクチュエータによって発生させた動力によって、前記利用者の歩行方向に対して回動可能に接続する股関節部接続手段と、
前記電気モータ及び前記空気圧アクチュエータから出力される動力を制御する制御手段と、
前記利用者の踵部に接続され、空気圧アクチュエータを備え、この空気圧アクチュエータによって発生させた動力を、前記利用者の腰部方向に出力する踵部用動力発生手段と、
を備え、
前記制御手段は、さらに、前記踵部用動力発生手段から出力される動力を制御することを特徴とする歩行補助装置。 One end of the first link attached to the user's thigh and one end of the second link attached to the user's lower leg are connected to the side of the user's knee joint. Knee joint connecting means for connecting to be rotatable by power generated by an electric motor at a position corresponding to
A hip joint that connects the other end of the first link so as to be rotatable in the walking direction of the user by power generated by a pneumatic actuator at a position corresponding to the side of the hip joint of the user. Connection means;
Control means for controlling the power output from the electric motor and the pneumatic actuator;
A power generation means for a buttock connected to the user's buttock, provided with a pneumatic actuator, and outputting the power generated by the pneumatic actuator in the direction of the user's waist;
Equipped with a,
It said control means further walking assist device characterized that you control the power output from the power generating means for the heel portion.
前記第1リンクの他の端部を、利用者の股関節の側部に対応する位置で、空気圧アクチュエータによって発生させた動力によって、前記利用者の歩行方向に対して回動可能に接続する股関節部接続手段と、
前記利用者の踵部に接続され、空気圧アクチュエータを備え、この空気圧アクチュエータによって発生させた動力を、前記利用者の腰部方向に出力する踵部用動力発生手段と、を備える歩行補助装置における歩行補助方法であって、
前記電気モータ、前記空気圧アクチュエータ、及び、前記踵部用動力発生手段から出力される動力を制御する制御工程と、
を有することを特徴とする歩行補助方法。 One end of the first link attached to the user's thigh and one end of the second link attached to the user's lower leg are connected to the side of the user's knee joint. Knee joint connecting means for connecting to be rotatable by power generated by an electric motor at a position corresponding to
A hip joint that connects the other end of the first link so as to be rotatable in the walking direction of the user by power generated by a pneumatic actuator at a position corresponding to the side of the hip joint of the user. Connection means;
Walking assistance in a walking assistance device comprising a pneumatic actuator connected to the user's buttocks, and including power generation means for the buttocks that outputs power generated by the pneumatic actuator in the direction of the waist of the user A method,
A control step of controlling the power output from the electric motor , the pneumatic actuator , and the heel power generation means ;
A walking assistance method characterized by comprising:
前記第1リンクの他の端部を、利用者の股関節の側部に対応する位置で、空気圧アクチュエータによって発生させた動力によって、前記利用者の歩行方向に対して回動可能に接続する股関節部接続手段と、
前記利用者の踵部に接続され、空気圧アクチュエータを備え、この空気圧アクチュエータによって発生させた動力を、前記利用者の腰部方向に出力する踵部用動力発生手段と、を備える歩行補助装置に含まれるコンピュータを、
前記電気モータ、前記空気圧アクチュエータ、及び、前記踵部用動力発生手段から出力される動力を制御する制御手段、として機能させることを特徴とする歩行補助プログラム。 One end of the first link attached to the user's thigh and one end of the second link attached to the user's lower leg are connected to the side of the user's knee joint. Knee joint connecting means for connecting to be rotatable by power generated by an electric motor at a position corresponding to
A hip joint that connects the other end of the first link so as to be rotatable in the walking direction of the user by power generated by a pneumatic actuator at a position corresponding to the side of the hip joint of the user. Connection means;
Included in a walking assistance device comprising a pneumatic actuator connected to the user's buttocks, and including power for the buttocks that outputs power generated by the pneumatic actuator toward the waist of the user. Computer
A walking assistance program that functions as a control unit that controls power output from the electric motor , the pneumatic actuator , and the heel power generation unit .
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