JP5741372B2 - Walking support device and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、歩行支援装置及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a walking support device and a control method thereof.
近年、歩行支援装置は、例えば腿部に麻痺症状等の障害が残る患者のリハビリ訓練に用いられ、当該腿部に装着される。腿部の麻痺症状により、患者は腿部の接地状況や膝の曲がり具合などを認知する機能が低下している。 In recent years, the walking support device is used for rehabilitation training of a patient in which a disorder such as a paralysis symptom remains on the thigh, and is attached to the thigh. Due to the paralysis of the thigh, the patient's ability to recognize the ground contact status of the thigh and the knee bend is reduced.
歩行時に積極的に膝の曲げ伸ばしを支援する歩行支援装置は、着地タイミングが早い場合には、膝が曲がった状態で着地することになる。膝が曲がった状態で着地してしまうと、患者(使用者)を支えるだけの十分なトルクを出力できないことで、使用者の体重が歩行支援装置に作用したとき、当該歩行支援装置の関節部が屈曲し、使用者が姿勢を崩す可能性がある。 A walking support apparatus that actively supports bending and stretching of a knee during walking will land with the knee bent when the landing timing is early. When landing with the knee bent, it is impossible to output enough torque to support the patient (user), and when the weight of the user acts on the walking support device, the joint part of the walking support device May be bent and the user may lose his posture.
ところで、特許文献1には、予め用意された多関節ロボットの運動方程式に、一つの特定関節の角度を除いて他の関節角にセンサの検出関節角を代入して特定関節の推定関節角を算出し、特定関節の算出関節角と検出関節角の角度差が予め定められた許容範囲から外れている場合に、特定関節のフィードバック制御が異常であると判定する技術が開示されている。
By the way, in
特許文献1の技術は、多関節ロボットの異常を検出することができるが、使用者の歩容の異常を検出することができない。
Although the technique of
本発明の目的は、このような問題を解決するためになされたものであり、使用者の歩容の異常を検出することができる歩行支援装置及びその制御方法を提供することである。 An object of the present invention is to solve such a problem, and is to provide a walking support device capable of detecting an abnormality of a user's gait and a control method thereof.
本発明の一形態に係る歩行支援装置は、使用者の腿部に装着され、前記使用者の歩行を支援する歩行支援装置であって、前記使用者の歩行状態を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて算出した、遊脚動作時間と遊脚完了予測時間とに基づいて、前記使用者の歩容が正常か否かを判定する歩容判定手段と、を備える。 A walking support device according to an aspect of the present invention is a walking support device that is attached to a user's thigh and supports the user's walking, the detection unit detecting the walking state of the user, Gait determination means for determining whether or not the user's gait is normal based on the free leg motion time and the free leg completion prediction time calculated based on the detection result of the detection means.
上記歩行支援装置において、前記使用者の上腿部に固定される第1のリンクと、前記第1のリンクに回転可能に連結され、前記使用者の下腿部に固定される第2のリンクと、前記第1のリンクに対して相対的に前記第2のリンクを駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段と、をさらに備え、前記検出手段は、前記第1のリンクに対する前記第2のリンクの回転角度を検出する第1の検出手段と、前記使用者の足裏に作用する荷重を検出する第2の検出手段と、を備え、前記歩容判定手段は、前記第1又は第2の検出手段の検出結果に基づいて前記遊脚完了予測時間を算出する予測時間算出手段と、前記第1又は第2の検出手段の検出結果に基づいて遊脚動作時間を算出する動作時間算出手段と、前記遊脚完了予測時間と、前記遊脚動作時間と、を比較し、比較結果に基づいて前記使用者の歩容が正常か否かを判定する状態判定手段と、を備えること、が好ましい。 In the above walking support device, a first link fixed to the user's upper leg, and a second link rotatably connected to the first link and fixed to the user's lower leg. And a drive means for driving the second link relative to the first link; and a control means for controlling the drive means, wherein the detection means is for the first link. First detection means for detecting a rotation angle of the second link, and second detection means for detecting a load acting on the sole of the user, wherein the gait determination means includes the first gait determination means, Predicted time calculating means for calculating the free leg completion predicted time based on the detection result of the first or second detecting means; and calculating the free leg movement time based on the detection result of the first or second detecting means. An operation time calculation means; the free leg completion prediction time; and Comparing the leg operation time, and that and a state determining means for determining whether the normal gait of the user based on the comparison result, is preferred.
上記歩行支援装置において、前記状態判定手段は、前記遊脚動作時間と前記遊脚完了予測時間との差が0以下であると、前記制御手段を制御して前記使用者の膝が伸展するように前記駆動手段を動作させること、が好ましい。 In the walking support device, the state determination unit controls the control unit to extend the user's knee when the difference between the free leg movement time and the free leg completion prediction time is 0 or less. It is preferable to operate the driving means.
上記歩行支援装置において、前記状態判定手段は、前記遊脚動作時間と前記遊脚完了予測時間との差の絶対値が閾値より大きいと、前記制御手段を制御して、前記駆動手段の駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現するように、前記駆動手段を動作させること、が好ましい。 In the walking assist device, the state determination unit controls the control unit to control the drive shaft of the drive unit when an absolute value of a difference between the free leg movement time and the free leg completion predicted time is larger than a threshold value. It is preferable to operate the driving means so that a driving force proportional to the rotational angular velocity in the bending direction is expressed in the extending direction.
上記歩行支援装置において、前記使用者に注意を喚起する注意喚起手段をさらに備え、前記歩容判定手段は、前記遊脚動作時間と前記遊脚完了予測時間との差の絶対値が閾値より大きいと、前記使用者に注意を喚起するように前記注意喚起手段を制御すること、が好ましい。 The walking support apparatus further includes a warning means for calling attention to the user, and the gait determination means has an absolute value of a difference between the free leg movement time and the free leg completion predicted time larger than a threshold value. It is preferable to control the alerting means so as to alert the user.
上記歩行支援装置において、前記検出手段の検出結果に基づいて前記使用者に装着されている側の腿部が遊脚か否かを判定する歩行モード判定手段をさらに備えること、が好ましい。 Preferably, the walking support device further includes a walking mode determination unit that determines whether or not the thigh on the side worn by the user is a free leg based on a detection result of the detection unit.
本発明の一形態に係る歩行支援装置の制御方法は、使用者の腿部に装着され、前記使用者の歩行を支援する歩行支援装置の制御方法であって、以前に取得した前記使用者の歩行状態に基づいて、遊脚完了予測時間を算出する工程と、歩行中の前記使用者の歩行状態に基づいて、遊脚動作時間を算出する工程と、前記遊脚完了予測時間と、前記遊脚動作時間と、を比較し、比較結果に基づいて前記使用者の歩容が正常か否かを判定する工程と、前記使用者の歩容が正常か否かの判定結果に基づいて、前記歩行支援装置の駆動手段を制御する工程と、を備える。 A control method of a walking support device according to an aspect of the present invention is a control method of a walking support device that is attached to a user's thigh and supports the user's walking, the user's previously acquired A step of calculating a predicted free leg completion time based on the walking state, a step of calculating a free leg movement time based on the walking state of the user during walking, the predicted free leg completion time, Comparing the leg movement time, and determining whether or not the user's gait is normal based on the comparison result, and based on the determination result whether or not the user's gait is normal, And a step of controlling the driving means of the walking support device.
上記歩行支援装置の制御方法において、前記遊脚動作時間と前記遊脚完了予測時間との差が0以下であると、前記使用者の膝が伸展するように前記駆動手段を動作させること、が好ましい。 In the control method of the walking support device, the driving means is operated so that the user's knee extends when the difference between the free leg movement time and the free leg completion prediction time is 0 or less. preferable.
上記歩行支援装置の制御方法において、前記遊脚動作時間と前記遊脚完了予測時間との差の絶対値が閾値より大きいと、前記駆動手段の駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現するように、前記駆動手段を動作させること、が好ましい。 In the control method of the walking support device, when the absolute value of the difference between the free leg movement time and the free leg completion prediction time is greater than a threshold value, the driving force proportional to the rotational angular velocity of the drive shaft in the bending direction It is preferable to operate the driving means so that is expressed in the extending direction.
上記歩行支援装置の制御方法において、前記遊脚動作時間と前記遊脚完了予測時間との差の絶対値が閾値より大きいと、前記使用者に注意を喚起するように注意喚起手段を制御すること、が好ましい。 In the control method of the walking support device, controlling the alerting means so as to alert the user when the absolute value of the difference between the swinging leg movement time and the predicted swinging leg completion time is greater than a threshold value. Are preferred.
上記歩行支援装置の制御方法において、前記使用者に装着されている側の腿部が遊脚か否かを判定する工程をさらに備えること、が好ましい。 In the control method of the walking support device, it is preferable to further include a step of determining whether or not the thigh on the side worn by the user is a free leg.
以上、説明したように、本発明によると、使用者の歩容の異常を検出することができる歩行支援装置及びその制御方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a walking support device capable of detecting an abnormality in a user's gait and a control method thereof.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiment. In addition, for clarity of explanation, the following description and drawings are simplified as appropriate.
本実施の形態の歩行支援装置は、図1乃至図3に示すように、例えば使用者の腿部に装着され、使用者の歩行を支援するために好適に用いられる。この歩行支援装置1は、図1乃至図4に示すように、第1のリンク2、第2のリンク3、足裏載置部4、膝装着部5、駆動部6、検出部7、腰装着部8、処理部9、注意喚起部10を備えている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the walking support device according to the present embodiment is worn on, for example, a user's thigh and is preferably used to support the user's walking. As shown in FIGS. 1 to 4, the
第1のリンク2は、使用者の上腿部の側部に配置される。本実施の形態の第1のリンク2は、使用者の上腿部の左右両側部にそれぞれ配置される。第1のリンク2の上端部は、上腿保持部11の側部に連結されている。第1のリンク2の下端部は、第2のリンク3に回転可能に連結されている。
The
ここで、上腿保持部11は、板状部材であって、使用者の上腿部の外周形状に倣うように湾曲した形状とされている。当該湾曲した面の内側面を使用者の上腿部に接触させる。ここで、当該内側面にはスポンジ等の緩衝部材が設けられていることが好ましい。
Here, the upper
第2のリンク3は、使用者の下腿部における脛部分の側部に配置される。本実施の形態の第2のリンク3は、使用者の脛部分の左右両側部にそれぞれ配置される。第2のリンク3の上端部は、第1のリンク2の下端部に回転可能に連結されている。第2のリンク3の下端部は、足裏載置部4に回転可能に連結されている。
The
足裏載置部4は、使用者の足を支持する。本実施の形態の足裏載置部4は、載置部4a、アーム4bを備えている。載置部4aは板状部材であって、使用者の足裏が載置される。アーム4bは、載置部4aを第2のリンク3に連結する。つまり、アーム4bは使用者の下腿部における足首部分の左右両側部にそれぞれ配置される。
The
アーム4bの上端部は、第2のリンク3の下端部に回転可能に連結されている。アーム4bの下端部は、載置部4aの側部に連結されている。これにより、使用者の体重を歩行支援装置1に支持させることができる。
The upper end portion of the
膝装着部5は、アーチ5a、図示を省略したビンディングを備えている。アーチ5aは、左右の第1のリンク2と第2のリンク3との連結部相互を連結する。ビンディングは、アーチ5aに設けられている。ビンディングは、アーチ5aを使用者の膝に固定する。ビンディングは、アーチ5aを使用者の膝に固定できる構成であれば特に限定しないが、例えば使用者の膝に着脱可能なバンドを含む。
The
駆動部6は、第1のリンク2と第2のリンク3との連結部分に駆動力を伝達する。駆動部6は、駆動モータ6a、減速機6bを備えている。駆動モータ6aは、処理部9の制御部92の制御信号に基づいて駆動する。駆動モータ6aの駆動力は、減速機6bに入力される。
The driving
減速機6bは、駆動モータ6aから入力される駆動力を増幅して第1のリンク2と第2のリンク3との連結部分の回転軸に伝達する。これにより、第2のリンク3が第1のリンク2に対して使用者の前後方向に回転駆動する。
The
検出部7は、一般的な歩行支援装置で備えられているセンサ類であり、使用者の歩行状態を検出する。本実施の形態の検出部7は、角度検出センサ7a、荷重センサ7b、姿勢検出センサ7cを備えている。
The detection unit 7 is a sensor provided in a general walking support device, and detects the walking state of the user. The detection unit 7 of the present embodiment includes an
角度検出センサ7aは、第1のリンク2と第2のリンク3との連結部分に設けられている。角度検出センサ7aは、第1のリンク2に対する第2のリンク3の回転角度を検出し、検出信号を処理部9に出力する。ここで、第1のリンク2に対する第2のリンク3の回転角度は、使用者の歩行状態である当該使用者の膝の屈曲角度として扱うことができる。
The
荷重センサ7bは、足裏載置部4の載置部4aに設けられている。荷重センサ7bは、載置部4aに作用する荷重を検出し、検出信号を処理部9に出力する。ここで、載置部4aに作用する荷重は、使用者の歩行状態である当該使用者の足裏に作用する荷重として扱うことができる。
The
姿勢検出センサ7cは、腰装着部8の収納ボックス8b内に収納されている。姿勢検出センサ7cは、地面に対する第1のリンク2の角度を検出し、検出信号を処理部9に出力する。ここで、地面に対する第1のリンク2の回転角度は、地面に対する使用者の上腿部の角度として扱うことができる。
The
腰装着部8は、ベルト8a、収納ボックス8bを備えている。ベルト8aは、使用者の腰に着脱可能な構成とされている。収納ボックス8bは、ベルト8aに設けられている。収納ボックス8bには、駆動モータ6a等の電源であるバッテリ、姿勢検出センサ7c、及び処理部9等が搭載されている制御基板が格納されている。収納ボックス8bに収納されているバッテリ及び制御基板は、角度検出センサ7a及び荷重センサ7bに配線12を介して接続されている。
The
処理部9は、歩行モード判定部91、制御部92、歩容判定部93を備えている。歩行モード判定部91は、荷重センサ7b、姿勢検出センサ7cから入力される検出信号に基づいて、歩行支援装置1が装着されている側の腿部が立脚状態か遊脚状態かを判定し、歩行モードを指示する指示信号を制御部92に出力する。
The processing unit 9 includes a walking
つまり、歩行モード判定部91は、荷重センサ7bから入力される検出信号に基づいて、使用者の足裏に作用する荷重を算出し、算出結果に基づいて使用者の足裏が着地しているか否かを判定する。
That is, the walking
また、歩行モード判定部91は、姿勢検出センサ7cから入力される検出信号に基づいて、地面に対する使用者の上腿部の角度を算出し、算出結果に基づいて使用者の腿部が前方に向いているか、又は後方に向いているかを判定する。
Further, the walking
そして、歩行モード判定部91は、使用者の足裏が着地しているか否かの判定結果、及び使用者の腿部が前方に向いているか、後方に向いているかの判定結果に基づいて、歩行支援装置1が装着されている側の腿部が立脚状態か遊脚状態か否かを判定する。
And the walking
例えば、歩行モード判定部91は、使用者の足裏に作用する荷重が予め設定された第1の閾値以上であって、且つ使用者の腿部が後方に向いていると、歩行支援装置1が装着されている側の腿部が立脚状態であると判定する。一方、歩行モード判定部91は、使用者の足裏に作用する荷重が予め設定された第1の閾値より小さいと、歩行支援装置1が装着されている側の腿部が遊脚状態であると判定する。
For example, when the load acting on the user's sole is equal to or greater than a preset first threshold and the user's thigh is facing backward, the walking
歩行モード判定部91は、歩行支援装置1が装着されている側の腿部が今回の歩行動作では遊脚状態であると判定すると、次回の歩行動作では駆動部6の駆動モータ6aを立脚モードで制御するように制御部92に指示信号を出力する。一方、歩行モード判定部91は、歩行支援装置1が装着されている側の腿部が今回の歩行動作では立脚状態であると判定すると、次回の歩行動作では駆動部6の駆動モータ6aを遊脚モードで制御するように制御部92に指示信号を出力する。
When the walking
制御部92は、角度検出センサ7aや荷重センサ7bからの検出信号、歩行モード判定部91からの指示信号、及び後述するように歩容判定部93からの遊脚動作が完了した旨の信号に基づいて、駆動部6の駆動モータ6aを制御する。
The
つまり、制御部92は、歩行モード判定部91から駆動モータ6aを立脚モードで制御する旨の指示信号が入力されると、歩容判定部93から遊脚動作が完了した旨の信号が入力されているかを判定し、入力されていると、歩行支援装置1が装着されている側の腿部と逆側の腿部が遊脚状態となった際に、歩行支援装置1で使用者の体重を支持することができるように、駆動モータ6aを制御する。
That is, when an instruction signal indicating that the
一方、制御部92は、歩行モード判定部91から駆動モータ6aを遊脚モードで制御する旨の指示信号が入力されると、少なくとも前回に歩行支援装置1が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、角度検出センサ7a、荷重センサ7b及び姿勢検出センサ7cから取得した検出信号に基づいて、次回の歩行動作で歩行支援装置1が装着された側の腿部が遊脚状態となった時の使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌道等を予測的に算出する。
On the other hand, when an instruction signal indicating that the
つまり、制御部92は、少なくとも前回に歩行支援装置1が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、角度検出センサ7aから入力された検出信号に基づいて、使用者の膝の屈曲角度を算出する。
In other words, the
また、制御部92は、少なくとも前回に歩行支援装置1が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、荷重センサ7bから入力された検出信号に基づいて、使用者の足裏が着地した時間を算出する。
In addition, the
さらに制御部92は、少なくとも前回に歩行支援装置1が装着された側の腿部が遊脚状態となった時に、姿勢検出センサ7cから入力された検出信号に基づいて、地面に対する使用者の大腿部の角度を算出する。
Furthermore, the
制御部92は、これらの情報に基づいて、例えば順運動学を用いて使用者の歩幅を算出し、当該歩幅と使用者の足裏が着地した時間に基づいて使用者の歩行速度を算出する。さらに制御部92は、算出した歩行速度を実現するための、時間と使用者の膝角度との関係(歩行軌跡)を算出する。制御部92は、算出した使用者の歩行軌跡等に基づいて、次回の歩行動作で歩行支援装置1が装着された側の腿部が遊脚状態となった時の使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌道等を予測的に算出する。つまり、制御部92は、前回の歩行動作に基づいて算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等に倣うように、次回の歩行動作を実現する。
Based on these pieces of information, the
制御部92は、予測的に算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等が実現されるように、駆動部6の駆動モータ6aの制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて駆動モータ6aを制御する。その一方で、制御部92は、予測的に算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等を歩容判定部93に出力する。
The
ここで、制御部92は、歩容判定部93の判定結果に基づいても、駆動部6の駆動モータ6aを制御する。歩容判定部93は、図5に示すように、予測時間算出部93a、動作時間算出部93b、状態判定部93cを備えている。
Here, the
予測時間算出部93aは、制御部92から入力された、予測的に算出された使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等に基づいて、遊脚状態である、歩行支援装置1が装着されている側の腿部の足裏が着地する遊脚完了予想時間を算出する。予測時間算出部93aは、算出した遊脚完了予測時間を示す出力信号を状態判定部93cに出力する。
The predicted
動作時間算出部93bは、遊脚動作時間又は遊脚完了時間を算出する。つまり、動作時間算出部93bは、荷重センサ7b及び姿勢検出センサ7cの検出信号に基づいて、遊脚状態となる、歩行支援装置1が装着されている側の腿部の足裏が地面から離れ、再び地面に着地するまで、断続的に時間を算出(測定)する。動作時間算出部93bは、算出した遊脚動作時間又は遊脚完了時間を示す出力信号を状態判定部93cに出力する。
The movement
状態判定部93cは、角度検出センサ7a又は荷重センサ7bから入力される検出信号に基づいて、歩行動作が完了したか否かを判定したり、予測時間算出部93a及び動作時間算出部93bから入力される信号に基づいて、遊脚完了予測時間と遊脚動作時間、又は遊脚完了予測時間と遊脚完了時間とを比較し、比較結果に基づいて制御部92に指示信号を出力したり、注意喚起部10を制御したりする。
The
注意喚起部10は、状態判定部93cから入力される指示信号に基づいて、使用者に注意を喚起する。注意喚起部10は、視覚、聴覚、触覚などによって使用者に注意を喚起することができる構成であれば良い。例えば、注意喚起部10はスピーカ等を備えており、当該スピーカが状態判定部93cから入力される指示信号に基づいて動作する。注意喚起部10は、例えば腰装着部8に設けられている。但し、注意喚起部10からの注意喚起を使用者が認識することができる位置に設けられていれば、設置位置は特に限定されない。
The alerting
このような構成の歩行支援装置は、図6乃至図9に示すように動作する。但し、以下の説明では、歩行支援装置が装着されている側の腿部が立脚状態から遊脚状態となる場合の動作であって、特に使用者の歩容に基づく動作に関して詳細に説明する。 The walking support device having such a configuration operates as shown in FIGS. However, in the following description, the operation when the thigh on the side on which the walking support device is mounted is changed from the standing state to the free leg state, particularly the operation based on the gait of the user will be described in detail.
先ず、角度検出センサ7aは、使用者の膝の屈曲角度を検出し、検出信号を制御部92及び歩容判定部93に出力する(S1)。同時に、荷重センサ7bは、使用者の足裏に作用する荷重を検出し、検出信号を歩行モード判定部91、制御部92及び歩容判定部93に出力する。また、姿勢検出センサ7cは、地面に対する使用者の上腿部の角度を検出し、検出信号を歩行モード判定部91、制御部92及び歩容判定部93に出力する。
First, the
次に、歩行モード判定部91は、荷重センサ7b及び姿勢検出センサ7cから入力された検出信号に基づいて、使用者の足裏に作用する荷重を算出すると共に、使用者の上腿部の角度を算出する(S2)。
Next, the walking
ここで、本実施の形態では、歩行支援装置1が装着されている側の腿部が立脚状態から遊脚状態となる場合を前提としているため、S2の工程では、歩行支援装置1が装着されている側の腿部が立脚状態であり、その際の使用者の足裏に作用する荷重及び上腿部の角度を算出する。
Here, in the present embodiment, since it is assumed that the thigh on the side where the
次に、歩行モード判定部91は、これらの情報に基づいて、歩行支援装置1が装着されている側の腿部が立脚状態か遊脚状態かを判定する(S3)。ここで、上述したように歩行支援装置1が装着されている側の腿部が遊脚状態となることを前提としているので、歩行モード判定部91は、次回の歩行動作では歩行支援装置1が装着されている側の腿部が遊脚状態となると判定し、次回の歩行動作では駆動モータ6aを遊脚モードで制御する旨の指示信号を制御部92に出力する。
Next, the walking
次に、制御部92は、歩行モード判定部91から駆動モータ6aを遊脚モードで制御する旨の指示信号が入力されると、少なくとも前回に歩行支援装置1が装着された側の腿部が遊脚状態となった時の、使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等に基づいて、次回の歩行動作で歩行支援装置1が装着された側の腿部が遊脚状態となった時の使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌道等を予測的に算出する(S4)。そして、制御部92は、予測的に算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌道等を歩容判定部93の予測時間算出部93aに出力する。
Next, when an instruction signal indicating that the
次に、予測時間算出部93aは、予測的に算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等に基づいて、歩行支援装置1が装着されている側の腿部の足裏が地面に着地する遊脚完了予想時間を算出する(S5)。そして、予測時間算出部93aは、算出した遊脚完了予測時間を示す出力信号を状態判定部93cに出力する。
Next, based on the user's stride, walking speed, walking trajectory, and the like calculated predictively, the predicted
次に、制御部92は、予測的に算出した使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等が実現されるように、駆動部6の駆動モータ6aの制御信号を生成し、当該制御信号を駆動モータ6aに出力する(S6)。
Next, the
駆動モータ6aは、当該制御信号に基づいて制御される。このとき、角度検出センサ7aは、使用者の膝の屈曲角度を検出し、検出信号を制御部92及び歩容判定部93に出力する(S7)。同時に、荷重センサ7bは、使用者の足裏に作用する荷重を検出し、検出信号を歩行モード判定部91、制御部92及び歩容判定部93に出力する。また、姿勢検出センサ7cは、地面に対する使用者の上腿部の角度を検出し、検出信号を歩行モード判定部91、制御部92及び歩容判定部93に出力する。さらに、歩容判定部93の動作時間算出部93bは、遊脚動作時間又は遊脚完了時間の算出を開始し、遊脚動作時間又は遊脚完了時間を示す出力信号を状態判定部93cに出力する。
The
次に、状態判定部93cは、角度検出センサ7a又は荷重センサ7bから入力される検出信号に基づいて、歩行動作が完了したか否かを判定する(S8)。例えば、状態判定部93cは、角度検出センサ7aから入力される検出信号に基づいて、使用者の膝の屈曲角度を算出して予め設定された第2の閾値と比較し、比較結果が第2の閾値より小さいと、使用者の足裏が着地状態であって、歩行動作が完了していると判定する。または、状態判定部93cは、荷重センサ7bから入力される検出信号に基づいて、使用者の足裏に作用する荷重を算出して予め設定された第3の閾値と比較し、比較結果が第3の閾値より大きいと、使用者の足裏が着地状態であって、歩行動作が完了していると判定する。但し、歩行動作が完了したか否かを判定する手法は、これらに限定されない。
Next, the
状態判定部93cは、歩行動作が未だに完了していないと判定すると(S8のNO)、予測時間算出部93a及び動作時間算出部93bから入力される信号に基づいて、遊脚完了予測時間と、遊脚動作時間と、を比較する(S9)。ここで、状態判定部93cは、遊脚動作時間から遊脚完了予測時間を引いた値が第4の閾値より大きいか否かを判定する。
When the
状態判定部93cは、遊脚動作時間から遊脚完了予測時間を引いた値が第4の閾値以下であると判定すると(S9のNO)、当該制御信号に基づいて駆動モータ6aを制御する工程(S6)に戻る。このような判定結果が導かれた場合、未だ正常な歩行動作中であると推定することができるので、駆動モータ6aの制御を続行する。
If the
一方、状態判定部93cは、遊脚動作時間から遊脚完了予測時間を引いた値が第4の閾値より大きいと判定すると(S9のYES)、使用者に注意を喚起するように、注意喚起部10に指示信号を出力する(S10)。注意喚起部10は、当該指示信号に基づいて使用者に対して視覚、聴覚、触覚などのいずれかの五感を刺激するように動作する。このような判定結果が導かれた場合、遊脚完了予測時間を超えても、使用者の足裏が着地していない状態であり、何らかの異常が生じている(例えば、使用者が体勢を崩している等の)可能性があるので、使用者に注意を喚起する。これにより、使用者は、歩行動作と歩行支援装置1の支援動作とが同調していないことを簡単に認識することができる。
On the other hand, if the
そして、状態判定部93cは、駆動モータ6aの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に当該駆動モータ6aから発現されるように、制御部92に指示信号を出力する。制御部92は、駆動モータ6aの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力を伸展方向に駆動モータ6aが発現するように、駆動モータ6aの制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて駆動モータ6aを制御する(S11)。
And the
つまり、歩行動作が未だに完了しておらず遊脚完了時間が未確定であって、遊脚動作時間から遊脚完了予測時間を引いた値が第4の閾値より大きいと、上述したように何らかの異常が生じている可能性が極めて高い。このとき、断続的に駆動モータ6aが使用者の膝を伸展させるように動作している可能性があり、例えば体勢を崩した使用者が膝を曲げようとしても、駆動モータ6aの駆動力によって阻害される可能性がある。
That is, if the walking motion is not yet completed and the free leg completion time is uncertain, and the value obtained by subtracting the predicted free leg completion time from the free leg motion time is larger than the fourth threshold, It is very likely that something is wrong. At this time, there is a possibility that the
そこで、制御部92は、図10(a)、(b)に示すように、駆動モータ6aの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現されるように、駆動モータ6aを制御する。これにより、膝屈曲方向に回転角速度が発生すると、その回転角速度に応じて膝伸展方向にトルクが発生する。そのため、使用者はゆっくりと膝を曲げると、駆動モータ6aの駆動力による抵抗を略感じることが無い。よって、使用者は不測の事態が生じた際に容易に膝を曲げることができる。
Therefore, as shown in FIGS. 10A and 10B, the
ちなみに、図10(a)のグラフは、駆動モータ6aの駆動軸の回転方向がマイナス方向に行くに従って、使用者の膝が屈曲した状態となる。
Incidentally, in the graph of FIG. 10A, the user's knee is bent as the rotation direction of the drive shaft of the
なお、本実施の形態では、図10(a)に示すように、駆動モータ6aの駆動軸が0rad/sから所定の角速度まで不感帯とし、駆動モータ6aの駆動力が発現されない。そのため、使用者はより容易に膝を伸展した状態から屈曲させることができる。
In this embodiment, as shown in FIG. 10A, the drive shaft of the
状態判定部93cは、歩行動作が完了していると判定すると(S8のYES)、歩行動作が完了した旨の信号を動作時間算出部93bに出力する。動作時間算出部93bは、当該信号に基づいて、遊脚完了時間を確定させる(S12)。
When the
次に、状態判定部93cは、確定した遊脚完了時間と遊脚完了予測時間との差の絶対値が第5の閾値より大きいか否かを判定する(S13)。状態判定部93cは、確定した遊脚完了時間と遊脚完了予測時間との差の絶対値が第5の閾値より小さいと判定すると(S13のNO)、今回の歩行動作を完了させて次回の歩行動作に移行させる。このような判定結果が導かれた場合は、正常に歩行動作が完了したと推定することができるので、遊脚動作が完了した旨の信号を制御部92に出力する。
Next, the
一方、状態判定部93cは、確定した遊脚完了時間と遊脚完了予測時間との差の絶対値が第5の閾値より大きいと判定すると(S13のYES)、遊脚完了時間から遊脚完了予測時間を引いた値が0より大きいか否かを判定する(S14)。状態判定部93cは、遊脚完了時間から遊脚完了予測時間を引いた値が0以下であると判定すると(S14のNO)、使用者の膝が伸展するように制御部92に指示信号を出力する。制御部92は、当該指示信号に基づいて駆動モータ6aを制御する(S15)。このような判定結果が導かれた場合は、使用者の膝が屈曲した状態で足裏が着地したと推定することができるので、使用者の膝が伸展するように駆動モータ6aを制御する。
On the other hand, if the
具体的には、使用者の膝が伸展するように駆動モータ6aを制御するS15の工程は、図9に示す流れで実行される。
先ず、制御部92は、当該指令信号が入力されると、使用者の膝が伸展するように第1のリンク2に対する第2のリンク3の目標回転角度を設定する(S151)。すなわち、制御部92は、当該指令信号が入力されると、例えば予め設定されている第1のリンク2に対する第2のリンク3の目標回転角度を読み出し、この目標回転角度を設定する。
Specifically, the process of S15 for controlling the
First, when the command signal is input, the
次に、制御部92は、角度検出センサ7aの検出信号に基づいて、現在の第1のリンク2に対する第2のリンク3の回転角度を算出する(S152)。
Next, the
次に、制御部92は、現在の第1のリンク2に対する第2のリンク3の回転角度と、設定した第1のリンク2に対する第2のリンク3の目標回転角度と、に基づいて駆動モータ6aの制御信号を生成し(S153)、当該制御信号に基づいて駆動モータ6aを制御する(S154)。
Next, the
その後、図8の流れに戻って、状態判定部93cは、角度検出センサ7aの検出信号に基づいて、目標回転角度から現在の第1のリンク2に対する第2のリンク3の回転角度を引いた値が第6の閾値より小さいか否かを判定する(S16)。状態判定部93cは、目標回転角度から現在の第1のリンク2に対する第2のリンク3の回転角度を引いた値が第6の閾値より小さいと判定すると(S16のYES)、遊脚動作が完了した旨の信号を制御部92に出力する。
Thereafter, returning to the flow of FIG. 8, the
このように、本来使用者の膝が伸展する前に足裏が着地してしまっても、使用者の膝を伸展するように駆動力が発現されるので、使用者の歩行が不安定になることを防ぐことができる。 In this way, even if the soles land before the user's knee extends, the driving force is developed to extend the user's knee, so the user's walking becomes unstable. Can be prevented.
一方、状態判定部93cは、目標回転角度から現在の第1のリンク2に対する第2のリンク3の回転角度を引いた値が第6の閾値以上であると判定すると(S16のNO)、遊脚完了予測時間から遊脚完了時間を引いた値が第7の閾値より大きいか否かを判定する(S17)。
On the other hand, when the
状態判定部93cは、遊脚完了予測時間から遊脚完了時間を引いた値が第7の閾値以下であると(S17のNO)、使用者の膝を伸展するように駆動モータ6aを制御する工程(S15)に戻る。このような判定結果が導かれた場合は、若干早く使用者の足裏が着地した状態であって、まだ膝の伸展制御が足りない状態であると推定できるので、使用者の膝が伸展するように駆動モータ6aを制御し続ける。
一方、状態判定部93cは、遊脚完了予測時間から遊脚完了時間を引いた値が第7の閾値より大きいと(S17のYES)、駆動モータ6aの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力を伸展方向に当該駆動モータ6aが発現するように、制御部92に指示信号を出力する。制御部92は、駆動モータ6aの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に当該駆動モータ6aから発現されるように、駆動モータ6aの制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて駆動モータ6aを制御する(S18)。このような判定結果が導かれた場合は、遊脚完了時間と遊脚完了予測時間との差が大きく、取り敢えず使用者の足裏が着地しただけで、何らかの異常が生じていると推定することができる。この場合、駆動モータ6aは使用者の膝を伸展するように動作し続けるので、使用者の膝が固定されてしまっている可能性がある。そこで、制御部92は、駆動モータ6aの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現されるように、駆動モータ6aを制御する。これにより、使用者は、駆動モータ6aの駆動力による抵抗を略感じることなく、容易に膝を曲げることができる。
On the other hand, the
状態判定部93cは、遊脚完了時間から遊脚完了予測時間を引いた値が0より大きいと判定すると(S14のYES)、使用者に注意を喚起するように、注意喚起部10に指示信号を出力する(S19)。注意喚起部10は、当該指示信号に基づいて使用者に対して視覚、聴覚、触覚などのいずれかの五感を刺激するように動作する。このような判定結果が導かれた場合は、取り敢えず使用者の足裏が着地しただけで、何らかの異常が生じている可能性があるので、使用者に注意を喚起する。これにより、使用者は、歩行動作と歩行支援装置1の支援動作とが同調していないことを簡単に認識することができる。
When the
さらに状態判定部93cは、遊脚完了時間から遊脚完了予測時間を引いた値が第8の閾値より大きいか否かを判定する(S20)。状態判定部93cは、遊脚完了時間から遊脚完了予測時間を引いた値が第8の閾値以下であると判定すると(S20のNO)、今回の歩行動作を完了させて次回の歩行動作へ移行させる。このような判定結果が導かれた場合は、遊脚完了時間に時間が掛ったものの使用者の膝が伸展した状態で足裏が地面に着地したと推定できるので、遊脚動作が完了した旨の信号を制御部92に出力する。
Further, the
一方、状態判定部93cは、遊脚完了時間から遊脚完了予測時間を引いた値が第8の閾値より大きいと判定すると(S20のYES)、駆動モータ6aの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力を伸展方向に当該駆動モータ6aが発現するように、制御部92に指示信号を出力する。制御部92は、駆動モータ6aの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に当該駆動モータ6aが発現するように、駆動モータ6aの制御信号を生成し、当該制御信号に基づいて駆動モータ6aを制御する(S21)。このような判定結果が導かれた場合は、遊脚完了時間と遊脚完了予測時間との差が大きく、取り敢えず使用者の足裏が着地しただけで、何らかの異常が生じていると推定することができる。この場合、駆動モータ6aは使用者の膝を伸展するように動作し続けるので、使用者の膝が固定されてしまっている可能性がある。そこで、制御部92は、駆動モータ6aの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現されるように、駆動モータ6aを制御する。これにより、使用者は、駆動モータ6aの駆動力による抵抗を略感じることなく、膝を曲げることができる。
On the other hand, the
本実施の形態の歩行支援装置及びその制御方法は、遊脚動作時間、遊脚完了時間及び遊脚完了予測時間に基づいて使用者の歩容を判定する。そして、判定結果に基づいて、駆動モータを制御する。そのため、使用者の歩容が乱れても、使用者の歩容を安定させたり、歩容を適切に復帰させたりすることができる。 The walking support device and the control method thereof according to the present embodiment determine the user's gait based on the free leg movement time , the free leg completion time, and the free leg completion prediction time. Based on the determination result, the drive motor is controlled. Therefore, even if the user's gait is disturbed, the user's gait can be stabilized or the gait can be appropriately restored.
しかも、前回の歩行動作時の使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等に基づいて、次回の歩行動作時の使用者の歩幅、歩行速度、歩行軌跡等を予測的に算出する。そのため、常に使用者の歩行状態を反映させた歩行支援を行うことができる。 In addition, based on the user's stride, walking speed, walking trajectory, and the like at the previous walking motion, the user's stride, walking speed, walking trajectory, etc. at the next walking motion are predicted. Therefore, walking support that always reflects the walking state of the user can be performed.
以上、本発明に係る歩行支援装置及びその制御方法の実施の形態を説明したが、上記に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。
例えば、上記実施の形態では、駆動モータ6aの駆動軸の屈曲方向の回転角速度に比例する駆動力が伸展方向に発現するように当該駆動モータ6aを駆動させることで、使用者の膝の伸展状態が固定されないように制御しているが、この限りでない。すなわち、図11に示すように、例えば第1のリンク2が伸展状態に近づくに従って、反発力が増加する弾性体13を備えた構成とし、使用者の膝の伸展状態が固定されない構成としても良い。このような構成により、簡単に使用者の膝の伸展状態が固定されない構成を実現することができる。例えば、第2のリンク3の上端部に固定冶具を設け、当該固定冶具と第1のリンク2との間に弾性体13を配置することで、膝が伸展状態に近づくに従って、第1のリンク2に反発力を作用させることができる。勿論、弾性体13の設置方法は、これに限定されない。
As mentioned above, although embodiment of the walk assistance device and its control method concerning the present invention was described, it is not restricted to the above but can be changed in the range which does not deviate from the technical idea of the present invention.
For example, in the above-described embodiment, the driving
例えば、上記実施の形態では、膝伸展制御時に使用者に注意喚起を行っていないが、膝伸展制御時にも使用者に注意喚起を行うことが好ましい。
例えば、上記実施の形態では、ハードウェア資源を用いて制御方法を実行しているが、ソフトウェア資源を用いて制御方法を実行しても良い。
For example, in the above embodiment, the user is not alerted at the time of knee extension control, but it is preferable to alert the user also at the time of knee extension control.
For example, in the above embodiment, the control method is executed using hardware resources, but the control method may be executed using software resources.
1 歩行支援装置
2 第1のりンク
3 第2のリンク
4 足裏載置部、4a 載置部、4b アーム
5 膝装着部、5a アーチ
6 駆動部、6a 駆動モータ、6b 減速機
7 検出部、7a 角度検出センサ、7b 荷重センサ、7c 姿勢検出センサ
8 腰装着部、8a ベルト、8b 収納ボックス
9 処理部
91 歩行モード判定部
92 制御部
93 歩容判定部、93a 予測時間算出部、93b 動作時間算出部、93c 状態判定部
10 注意喚起部
11 上腿保持部
12 配線
13 弾性体
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記使用者の歩行状態を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて算出した、前記使用者の脚部における遊脚状態の開始から完了までの間において断続的に算出された時間である遊脚動作時間と遊脚完了予測時間、又は前記使用者の脚部における遊脚状態の開始から完了までの時間である遊脚完了時間と前記遊脚完了予測時間とに基づいて、前記使用者の歩容が正常か否かを判定する歩容判定手段と、
を備える歩行支援装置。 A walking support device that is mounted on a user's thigh and supports the user's walking,
Detecting means for detecting a walking state of the user;
Calculated based on the detection result of the detection means , a free leg movement time and a free leg completion prediction time which are intermittently calculated from the start to completion of the free leg state in the leg of the user, Alternatively, it is determined whether or not the gait of the user is normal based on a free leg completion time which is a time from the start to the completion of the free leg state in the user's leg and the predicted free leg completion time. Gait judging means,
A walking support device comprising:
前記第1のリンクに回転可能に連結され、前記使用者の下腿部に固定される第2のリンクと、
前記第1のリンクに対して相対的に前記第2のリンクを駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を制御する制御手段と、
をさらに備え、
前記検出手段は、
前記第1のリンクに対する前記第2のリンクの回転角度を検出する第1の検出手段と、
前記使用者の足裏に作用する荷重を検出する第2の検出手段と、
を備え、
前記歩容判定手段は、
前記第1又は第2の検出手段の検出結果に基づいて前記遊脚完了予測時間を算出する予測時間算出手段と、
前記第1又は第2の検出手段の検出結果に基づいて前記遊脚動作時間又は前記遊脚完了時間を算出する動作時間算出手段と、
前記遊脚完了予測時間と前記遊脚動作時間、又は前記遊脚完了予測時間と前記遊脚完了時間とを比較し、比較結果に基づいて前記使用者の歩容が正常か否かを判定する状態判定手段と、
を備える請求項1に記載の歩行支援装置。 A first link fixed to the upper leg of the user;
A second link rotatably connected to the first link and secured to the user's lower leg;
Drive means for driving the second link relative to the first link;
Control means for controlling the drive means;
Further comprising
The detection means includes
First detection means for detecting a rotation angle of the second link with respect to the first link;
Second detection means for detecting a load acting on the sole of the user;
With
The gait determination means includes:
Predicted time calculation means for calculating the free leg completion predicted time based on the detection result of the first or second detection means;
Motion time calculating means for calculating the swing leg motion time or the swing leg completion time based on the detection result of the first or second detection means;
The free leg completion predicted time and the free leg movement time , or the free leg completion predicted time and the free leg completion time are compared, and it is determined whether or not the gait of the user is normal based on the comparison result. State determination means;
The walking support device according to claim 1, comprising:
前記状態判定手段は、前記遊脚動作時間から前記遊脚完了予測時間を引いた値が、前記使用者が体勢を崩しているか否かを判定するための閾値より大きい場合、前記使用者が体勢を崩していると判定し、前記使用者に注意を喚起するように前記注意喚起手段を制御する請求項2乃至6のいずれか1項に記載の歩行支援装置。 A warning means for calling attention to the user;
Said state determining means, a value obtained by subtracting the free leg completion prediction time from the swing operating time, larger than the threshold for determining whether the user is breaking the posture, the user posture It determines that the are break, walking assist apparatus according to any one of claims 2 to 6 for controlling said alerting means to call attention to the user.
前記状態判定手段は、前記遊脚完了時間と前記遊脚完了予測時間との差の絶対値が、正常に歩行動作が完了したか否かを判定するための閾値より大きく、且つ前記遊脚完了時間から前記遊脚完了予測時間を引いた値が0より大きい場合、前記使用者が体勢を崩していると判定し、前記使用者に注意を喚起するように前記注意喚起手段を制御する請求項2乃至6のいずれか1項に記載の歩行支援装置。 The state determination means is configured such that an absolute value of a difference between the free leg completion time and the free leg completion predicted time is larger than a threshold for determining whether or not the walking motion is normally completed, and the free leg is completed. When the value obtained by subtracting the predicted free leg completion time from time is greater than 0, it is determined that the user has lost his / her posture, and the alerting means is controlled to alert the user. The walking support device according to any one of 2 to 6.
以前に取得した前記使用者の歩行状態に基づいて、遊脚完了予測時間を算出する工程と、
歩行中の前記使用者の歩行状態に基づいて、前記使用者の脚部における遊脚状態の開始から完了までの間において断続的に算出された時間である遊脚動作時間、又は前記使用者の脚部における遊脚状態の開始から完了までの時間である遊脚完了時間を算出する工程と、
前記遊脚完了予測時間と前記遊脚動作時間、又は前記遊脚完了予測時間と前記遊脚完了時間とを比較し、比較結果に基づいて前記使用者の歩容が正常か否かを判定する工程と、
前記使用者の歩容が正常か否かの判定結果に基づいて、前記歩行支援装置の駆動手段を制御する工程と、
を備える歩行支援装置の制御方法。 A method for controlling a walking support device that is mounted on a user's thigh and supports the user's walking,
A step of calculating a free leg completion prediction time based on the user's previously acquired walking state;
Based on the walking state of the user during walking, the free leg movement time that is intermittently calculated from the start to completion of the free leg state in the leg of the user, or the user's Calculating a free leg completion time which is a time from the start to the completion of the free leg state in the leg ;
The free leg completion predicted time and the free leg movement time , or the free leg completion predicted time and the free leg completion time are compared, and it is determined whether or not the gait of the user is normal based on the comparison result. Process,
A step of controlling the driving means of the walking support device based on the determination result of whether or not the gait of the user is normal;
A control method for a walking support device.
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