JP5987742B2 - Walking assistance device and walking assistance method - Google Patents

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JP5987742B2 JP2013061866A JP2013061866A JP5987742B2 JP 5987742 B2 JP5987742 B2 JP 5987742B2 JP 2013061866 A JP2013061866 A JP 2013061866A JP 2013061866 A JP2013061866 A JP 2013061866A JP 5987742 B2 JP5987742 B2 JP 5987742B2
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Description

本発明は、歩行補助装置及び歩行補助方法に関する。   The present invention relates to a walking assistance device and a walking assistance method.

この種の技術として、特許文献1は、動力付き人工膝関節を開示している。特許文献1では、水平な地面上を歩行しているときの下肢の生体力学的特性として、立脚期及び前遊脚期、遊脚期について述べている。立脚期と前遊脚期、遊脚期は、水平な地面上を歩行しているとき、この順番で繰り返される。立脚期は、踵接地により開始する。遊脚期は、足指離地により開始する。前遊脚期とは、立脚期から遊脚期への遷移に先立って上腿の振り出しと膝の曲げが行われる期間である。そして、特許文献1において、立脚期から前遊脚期への遷移判定は、踵離地の有無と膝関節角度に基づいて行われる。   As this type of technology, Patent Document 1 discloses a powered artificial knee joint. Patent Document 1 describes the stance phase, the previous swing phase, and the swing phase as biomechanical characteristics of the lower limbs when walking on a horizontal ground. The stance phase, the previous swing phase, and the swing phase are repeated in this order when walking on a horizontal ground. The stance phase begins with heel contact. The swing phase begins with the toes off. The front swing leg period is a period in which the swinging of the upper leg and the bending of the knee are performed prior to the transition from the stance phase to the swing leg period. And in patent document 1, the transition determination from a stance period to a front swing leg period is performed based on the presence or absence of a detached ground and a knee joint angle.

特開2012−516717号公報JP 2012-516717 A

上記の前遊脚期は、バイオメカニクスや臨床歩行分析の分野においても、正常な歩行にとって欠かすことができないものと認められている。しかしながら、特許文献1に開示されている立脚期から前遊脚期への遷移判定については、遷移判定の判定精度の面で、改善の余地が残されていた。   The above-mentioned front swing leg period is recognized as indispensable for normal walking in the fields of biomechanics and clinical gait analysis. However, the transition determination from the stance phase to the previous swing phase disclosed in Patent Document 1 leaves room for improvement in terms of the determination accuracy of the transition determination.

そこで、本願発明の目的は、患脚の立脚期から前遊脚期への遷移判定の判定精度を改善することにある。   Therefore, an object of the present invention is to improve the determination accuracy of the transition determination from the stance phase of the affected leg to the previous swing phase.

ユーザーの患脚に取り付けられ、前記患脚の膝関節の関節角度を制御することで、前記ユーザーの歩行を補助する歩行補助装置であって、前記患脚の前記膝関節の前記関節角度を増減させる膝関節駆動手段と、前記患脚の床反力の中心としての床反力中心を検出する床反力中心検出手段と、前記患脚の上腿の角度を検出する上腿角度検出手段と、前記患脚の前記上腿の角速度を検出する上腿角速度検出手段と、前記膝関節駆動手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記床反力中心と前記角度、前記角速度に基づいて、前記患脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定する、歩行補助装置が提供される。以上の構成によれば、前記患脚の前記立脚期から前記前遊脚期への遷移判定の判定精度が改善する。
前記制御手段は、前記床反力中心が足指寄りでなければ、前記患脚が前記立脚期から前記前遊脚期へ遷移したと判定しない。
前記制御手段は、前記患脚の前記立脚期の終期における前記上腿の前記角速度の減速を検出するまでは、前記患脚が前記立脚期から前記前遊脚期へ遷移したと判定しない。
前記制御手段は、前記床反力中心が足指寄りであり、かつ、前記患脚の前記立脚期の終期における前記上腿の前記角速度の減速を検出したら、前記患脚が前記立脚期から前記前遊脚期へ遷移したと判定する。
ユーザーの患脚に取り付けられ、前記患脚の膝関節の関節角度を制御することで、前記ユーザーの歩行を補助する歩行補助装置を用いた歩行補助方法であって、前記患脚の床反力の中心としての床反力中心と、前記患脚の上腿の角度と、前記患脚の前記上腿の角速度と、に基づいて、前記患脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定する、歩行補助方法が提供される。以上の方法によれば、前記患脚の前記立脚期から前記前遊脚期への遷移判定の判定精度が改善する。
前記床反力中心が足指寄りでなければ、前記患脚が前記立脚期から前記前遊脚期へ遷移したと判定しない。
前記患脚の前記立脚期の終期における前記上腿の前記角速度の減速を検出するまでは、前記患脚が前記立脚期から前記前遊脚期へ遷移したと判定しない。
前記床反力中心が足指寄りであり、かつ、前記患脚の前記立脚期の終期における前記上腿の前記角速度の減速を検出したら、前記患脚が前記立脚期から前記前遊脚期へ遷移したと判定する。
A walking assist device that is attached to a user's affected leg and assists the user's walking by controlling a joint angle of the knee joint of the affected leg, wherein the joint angle of the knee joint of the affected leg is increased or decreased. Knee joint driving means for causing the floor to be detected, a floor reaction force center detecting means for detecting the center of the floor reaction force as the center of the floor reaction force of the affected leg, and an upper leg angle detecting means for detecting the angle of the upper leg of the affected leg. An upper leg angular velocity detecting means for detecting an angular velocity of the upper leg of the affected leg; and a control means for controlling the knee joint driving means, wherein the control means comprises the floor reaction force center, the angle, A walking assistance device is provided that determines that the affected leg has transitioned from the stance phase to the previous swing phase based on the angular velocity. According to the above configuration, the determination accuracy of the transition determination of the affected leg from the stance phase to the front swing phase is improved.
The control means does not determine that the affected leg has transitioned from the stance phase to the front swing leg phase unless the floor reaction force center is closer to the toes.
The control means does not determine that the affected leg has transitioned from the stance phase to the front swing phase until it detects a decrease in the angular velocity of the upper thigh at the end of the stance phase of the affected leg.
When the control means detects that the floor reaction force center is closer to the toe and the angular velocity of the upper thigh is decelerated at the end of the stance phase of the affected leg, the affected leg is moved from the stance phase to the stance phase. It is determined that the transition to the previous swing phase has occurred.
A walking assistance method using a walking assistance device attached to a user's affected leg and controlling a joint angle of a knee joint of the affected leg to assist the user's walking, the floor reaction force of the affected leg Based on the floor reaction force center as the center of the leg, the angle of the upper leg of the affected leg, and the angular velocity of the upper leg of the affected leg, the affected leg has transitioned from the stance phase to the front swing leg phase. A walking assist method for determining is provided. According to the above method, the determination accuracy of the transition determination of the affected leg from the stance phase to the front swing phase is improved.
If the floor reaction force center is not close to the toes, it is not determined that the affected leg has transitioned from the stance phase to the front swing phase.
It is not determined that the affected leg has transitioned from the stance phase to the front swing phase until a decrease in the angular velocity of the upper leg is detected at the end of the stance phase of the affected leg.
When the floor reaction force center is closer to the toe and the deceleration of the angular velocity of the upper thigh at the end of the stance phase of the affected leg is detected, the affected leg moves from the stance phase to the front swing leg phase. It is determined that a transition has occurred.

本願発明によれば、患脚の立脚期から前遊脚期への遷移判定の判定精度が改善される。   According to the present invention, the determination accuracy of the transition determination from the stance phase of the affected leg to the previous swing phase is improved.

図1は、歩行補助装置を右脚に取り付けたユーザーの正面図である。FIG. 1 is a front view of a user with a walking assist device attached to the right leg. 図2は、歩行補助装置を右脚に取り付けたユーザーの側面図である。FIG. 2 is a side view of the user with the walking assistance device attached to the right leg. 図3は、床反力センサの斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the floor reaction force sensor. 図4は、制御装置の機能ブロック図である。FIG. 4 is a functional block diagram of the control device. 図5は、床反力センサの底面図である。FIG. 5 is a bottom view of the floor reaction force sensor. 図6は、膝関節角度の目標軌道を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a target trajectory of the knee joint angle. 図7は、上腿角度と上腿角速度との位相平面図である。FIG. 7 is a phase plan view of the upper leg angle and the upper leg angular velocity. 図8は、床反力等の実測値である。FIG. 8 shows measured values such as floor reaction force. 図9は、歩行補助方法のフローである。FIG. 9 is a flow of the walking assistance method. 図10は、歩行補助方法のフローである。FIG. 10 is a flow of the walking assistance method. 図11は、歩行補助方法のフローである。FIG. 11 is a flow of the walking assistance method.

本明細書において、「下肢」は、上腿と下腿によって構成されている。「上腿角度」とは、上腿のピッチ軸回りの角度を意味する。「上腿角速度」とは、上腿のピッチ軸回りの角速度を意味する。「膝関節角度」とは、膝関節のピッチ軸回りの関節角度を意味する。「膝関節角速度」とは、膝関節のピッチ軸回りの関節角度の角速度を意味する。「足首関節角度」とは、足首関節のピッチ軸回りの関節角度を意味する。「健常脚」とは、ユーザーが膝関節角度を自由に増減できる脚を意味する。「患脚」とは、ユーザーが膝関節角度を自由に増減できない脚を意味する。「立脚期」とは、踵接地により開始する期間である。「遊脚期」とは、足指離地により開始する期間である。「前遊脚期」とは、立脚期から遊脚期に遷移するに先立って上腿の振り出しと膝の曲げが行われる期間である。   In the present specification, the “lower leg” is composed of the upper leg and the lower leg. “Upper leg angle” means an angle around the pitch axis of the upper leg. “Upper thigh angular velocity” means an angular velocity around the pitch axis of the upper thigh. “Knee joint angle” means a joint angle around the pitch axis of the knee joint. “Knee joint angular velocity” means the angular velocity of the joint angle around the pitch axis of the knee joint. “Ankle joint angle” means a joint angle around the pitch axis of the ankle joint. “Healthy leg” means a leg that allows the user to freely increase or decrease the knee joint angle. “Affected leg” means a leg for which the user cannot freely increase or decrease the knee joint angle. “Standing period” is a period starting from the heel contact. The “free leg period” is a period that starts when the toes leave. The “front swing leg period” is a period in which the swinging of the upper leg and the bending of the knee are performed prior to the transition from the stance period to the swing leg period.

図1及び図2には、下肢の一方である右脚が患脚であるユーザーUが示されている。ユーザーUの右脚には、歩行補助装置1が取り付けられている。歩行補助装置1は、右脚の膝関節の関節角度を制御することで、ユーザーUの歩行を補助する。   1 and 2 show a user U whose right leg, which is one of the lower limbs, is an affected leg. The walking assist device 1 is attached to the right leg of the user U. The walking assist device 1 assists the user U in walking by controlling the joint angle of the knee joint of the right leg.

歩行補助装置1は、上腿リンク2、下腿リンク3、足リンク4、床反力センサ5、支持リンク6、制御装置7、膝関節機構8、膝関節角度センサ9、アクチュエータ10(膝関節駆動手段)、足首関節機構11、足首関節角度センサ12、股関節機構13、股関節角度センサ14(上腿角度検出手段)、によって構成されている。   The walking assist device 1 includes an upper thigh link 2, a lower thigh link 3, a foot link 4, a floor reaction force sensor 5, a support link 6, a control device 7, a knee joint mechanism 8, a knee joint angle sensor 9, and an actuator 10 (knee joint drive). Means), an ankle joint mechanism 11, an ankle joint angle sensor 12, a hip joint mechanism 13, and a hip joint angle sensor 14 (upper leg angle detection means).

上腿リンク2は、ユーザーUの右脚の上腿U1の長手方向に沿って設けられ、上腿U1にベルト等で固定されている。   The upper leg link 2 is provided along the longitudinal direction of the upper leg U1 of the right leg of the user U, and is fixed to the upper leg U1 with a belt or the like.

下腿リンク3は、ユーザーUの右脚の下腿U2の長手方向に沿って設けられ、下腿U2にベルト等で固定されている。   The lower leg link 3 is provided along the longitudinal direction of the lower leg U2 of the right leg of the user U, and is fixed to the lower leg U2 with a belt or the like.

床反力センサ5は、ユーザーUの右脚の足U3の足裏に設けられ、足U3にベルト等で固定されている。床反力センサ5は、ユーザーUの右脚の床反力を検出するためのものである。図3に示すように、床反力センサ5は、長方形状のセンサ保持体15と、4つの荷重センサ16A〜16Dと、によって構成されている。荷重センサ16A及び荷重センサ16Bは、センサ保持体15の足指側の2つの隅に夫々配置されている。荷重センサ16C及び荷重センサ16Dは、センサ保持体15の踵側の2つの隅に夫々配置されている。荷重センサ16Aは、検出した床反力に相当する床反力データf1を出力する。荷重センサ16Bは、検出した床反力に相当する床反力データf2を出力する。荷重センサ16Cは、検出した床反力に相当する床反力データf3を出力する。荷重センサ16Dは、検出した床反力に相当する床反力データf4を出力する。床反力センサ5は、床反力データf1〜f4を制御装置7に出力する。   The floor reaction force sensor 5 is provided on the sole of the foot U3 of the right leg of the user U, and is fixed to the foot U3 with a belt or the like. The floor reaction force sensor 5 is for detecting the floor reaction force of the right leg of the user U. As shown in FIG. 3, the floor reaction force sensor 5 includes a rectangular sensor holding body 15 and four load sensors 16A to 16D. The load sensor 16A and the load sensor 16B are arranged at two corners on the toe side of the sensor holding body 15, respectively. The load sensor 16C and the load sensor 16D are disposed at two corners on the heel side of the sensor holding body 15, respectively. The load sensor 16A outputs floor reaction force data f1 corresponding to the detected floor reaction force. The load sensor 16B outputs floor reaction force data f2 corresponding to the detected floor reaction force. The load sensor 16C outputs floor reaction force data f3 corresponding to the detected floor reaction force. The load sensor 16D outputs floor reaction force data f4 corresponding to the detected floor reaction force. The floor reaction force sensor 5 outputs floor reaction force data f1 to f4 to the control device 7.

制御装置7は、ユーザーUの腰部U4に設けられ、腰部U4にベルト等で固定されている。   The control device 7 is provided on the waist U4 of the user U, and is fixed to the waist U4 with a belt or the like.

上腿リンク2と下腿リンク3は、膝関節機構8によって連結されている。膝関節機構8において、上腿リンク2と下腿リンク3は相対的に回転可能である。膝関節機構8における上腿リンク2と下腿リンク3の相対的な回転の回転軸は、ピッチ軸と一致している。膝関節機構8には、膝関節角度センサ9が取り付けられている。膝関節角度センサ9は、膝関節機構8における上腿リンク2と下腿リンク3の相対的な角度、即ち膝関節角度を検出するためのものである。膝関節角度センサ9は、膝関節角度データを出力する。また、膝関節機構8には、アクチュエータ10が取り付けられている。アクチュエータ10は、上腿リンク2に対して下腿リンク3を相対的に回転させるためのものである。即ち、アクチュエータ10は、ユーザーUの右脚の膝関節にトルクを付与することで、膝関節角度を増減させるものである。   The upper leg link 2 and the lower leg link 3 are connected by a knee joint mechanism 8. In the knee joint mechanism 8, the upper thigh link 2 and the lower thigh link 3 are relatively rotatable. The rotation axis of the relative rotation of the upper leg link 2 and the lower leg link 3 in the knee joint mechanism 8 coincides with the pitch axis. A knee joint angle sensor 9 is attached to the knee joint mechanism 8. The knee joint angle sensor 9 is for detecting a relative angle between the upper leg link 2 and the lower leg link 3 in the knee joint mechanism 8, that is, a knee joint angle. The knee joint angle sensor 9 outputs knee joint angle data. An actuator 10 is attached to the knee joint mechanism 8. The actuator 10 is for rotating the lower leg link 3 relative to the upper leg link 2. That is, the actuator 10 increases or decreases the knee joint angle by applying torque to the knee joint of the right leg of the user U.

図1及び図2に戻り、床反力センサ5には足リンク4が取り付けられている。下腿リンク3と足リンク4は、足首関節機構11によって連結されている。足首関節機構11において、下腿リンク3と足リンク4は相対的に回転可能である。足首関節機構11における下腿リンク3と足リンク4の相対的な回転の回転軸は、ピッチ軸と一致している。足首関節機構11には、足首関節角度センサ12が取り付けられている。足首関節角度センサ12は、足首関節機構11における下腿リンク3と足リンク4の相対的な角度、即ち足首関節角度を検出するためのものである。足首関節角度センサ12は、足首関節角度データを出力する。   Returning to FIG. 1 and FIG. 2, a foot link 4 is attached to the floor reaction force sensor 5. The lower leg link 3 and the foot link 4 are connected by an ankle joint mechanism 11. In the ankle joint mechanism 11, the crus link 3 and the foot link 4 are relatively rotatable. The rotation axis of relative rotation of the crus link 3 and the foot link 4 in the ankle joint mechanism 11 coincides with the pitch axis. An ankle joint angle sensor 12 is attached to the ankle joint mechanism 11. The ankle joint angle sensor 12 is for detecting a relative angle between the crus link 3 and the foot link 4 in the ankle joint mechanism 11, that is, an ankle joint angle. The ankle joint angle sensor 12 outputs ankle joint angle data.

制御装置7には支持リンク6が取り付けられている。支持リンク6と上腿リンク2は、股関節機構13によって連結されている。股関節機構13において、支持リンク6と上腿リンク2は相対的に回転可能である。股関節機構13における支持リンク6と上腿リンク2の相対的な回転の回転軸は、ピッチ軸と一致している。股関節機構13には、股関節角度センサ14が取り付けられている。股関節角度センサ14は、股関節機構13における支持リンク6と上腿リンク2の相対的な角度を検出するためのものである。換言すれば、股関節角度センサ14は、上腿角度を検出するためのものである。股関節角度センサ14は、上腿角度データθを出力する。   A support link 6 is attached to the control device 7. The support link 6 and the upper thigh link 2 are connected by a hip joint mechanism 13. In the hip joint mechanism 13, the support link 6 and the upper leg link 2 are relatively rotatable. The rotation axis of the relative rotation of the support link 6 and the upper leg link 2 in the hip joint mechanism 13 coincides with the pitch axis. A hip joint angle sensor 14 is attached to the hip joint mechanism 13. The hip joint angle sensor 14 is for detecting a relative angle between the support link 6 and the upper leg link 2 in the hip joint mechanism 13. In other words, the hip joint angle sensor 14 is for detecting the upper leg angle. The hip joint angle sensor 14 outputs upper leg angle data θ.

図4に示すように、床反力センサ5、膝関節角度センサ9、足首関節角度センサ12、股関節角度センサ14から出力された各データは、制御装置7に入力される。また、制御装置7は、アクチュエータ10と電気的に接続されている。   As shown in FIG. 4, each data output from the floor reaction force sensor 5, the knee joint angle sensor 9, the ankle joint angle sensor 12, and the hip joint angle sensor 14 is input to the control device 7. The control device 7 is electrically connected to the actuator 10.

制御装置7は、CPU50(Central Processing Unit)、RAM51(Random Access Memory)、ROM52(Read Only Memory)、を備えて構成されている。ROM52には、歩行補助プログラムが記憶されている。この歩行補助プログラムは、CPU50に読み出され、CPU50上で実行されることで、CPU50等のハードウェアを、床反力中心演算部53、上腿角速度演算部54、接地離地判定部55、膝関節角度軌道生成部56、アクチュエータ制御部57(制御手段)、として機能させる。   The control device 7 includes a CPU 50 (Central Processing Unit), a RAM 51 (Random Access Memory), and a ROM 52 (Read Only Memory). The ROM 52 stores a walking assistance program. This walking assistance program is read out by the CPU 50 and executed on the CPU 50, so that the hardware such as the CPU 50 can be connected to the floor reaction force center calculation unit 53, the thigh angular velocity calculation unit 54, the ground takeoff determination unit 55, The knee joint angle trajectory generating unit 56 and the actuator control unit 57 (control means) function.

本実施形態において、床反力中心検出手段は、床反力センサ5と、床反力中心演算部53と、によって実現される。上腿角速度検出手段は、股関節角度センサ14と、上腿角速度演算部54と、によって実現される。   In the present embodiment, the floor reaction force center detection means is realized by the floor reaction force sensor 5 and the floor reaction force center calculation unit 53. The upper thigh angular velocity detecting means is realized by the hip joint angle sensor 14 and the upper thigh angular velocity calculating unit 54.

(床反力中心演算部53)
床反力中心演算部53は、床反力センサ5から出力された床反力データf1〜f4に基づいて、ユーザーUの右脚の床反力の中心としての床反力中心を検出する。本実施形態において、床反力中心検出手段は、床反力センサ5と床反力中心演算部53によって実現される。図5には、床側から見た床反力センサ5が示されている。図5において、足指に向かう方向をX軸の正とし、踵に向かう方向をX軸の負とする。小指に向かう方向をY軸の正とし、親指に向かう方向をY軸の負とする。図5に示すように、荷重センサ16A〜16Dの位置座標は既知である。従って、床反力中心演算部53は、下記式(1)を用いて、床反力中心のX座標データxcを演算する。
(Floor reaction force center calculation unit 53)
Based on the floor reaction force data f1 to f4 output from the floor reaction force sensor 5, the floor reaction force center calculation unit 53 detects the floor reaction force center as the center of the floor reaction force of the right leg of the user U. In the present embodiment, the floor reaction force center detection means is realized by the floor reaction force sensor 5 and the floor reaction force center calculation unit 53. FIG. 5 shows the floor reaction force sensor 5 viewed from the floor side. In FIG. 5, the direction toward the toes is positive on the X axis, and the direction toward the heel is negative on the X axis. The direction toward the little finger is positive on the Y axis, and the direction toward the thumb is negative on the Y axis. As shown in FIG. 5, the position coordinates of the load sensors 16A to 16D are known. Accordingly, the floor reaction force center calculation unit 53 calculates the X coordinate data xc of the floor reaction force center using the following equation (1).

Figure 0005987742
Figure 0005987742

(上腿角速度演算部54)
上腿角速度演算部54は、股関節角度センサ14から出力された上腿角度データθを時間微分することで、上腿角速度データθドットを演算する。
(Upper thigh angular velocity calculation unit 54)
The crus angular velocity calculation unit 54 calculates crus angular velocity data θ dots by time-differentiating the crus angle data θ output from the hip joint angle sensor 14.

(接地離地判定部55)
接地離地判定部55は、床反力センサ5から出力された床反力データf1〜f4に基づいて、下記式(2)及び(3)により、ユーザーUの右脚の接地及び離地を判定する。具体的には、接地離地判定部55は、下記式(2)のように、床反力データf1〜f4の合計が閾値F0よりも大きかったら、ユーザーUの右脚が接地していると判定する。一方、下記式(3)のように、床反力データf1〜f4の合計が閾値F1よりも小さかったら、ユーザーUの右脚が離地していると判定する。
(Earth contact / landing determination unit 55)
Based on the floor reaction force data f <b> 1 to f <b> 4 output from the floor reaction force sensor 5, the contact / separation determination unit 55 determines the contact and takeoff of the right leg of the user U by the following equations (2) and (3). judge. Specifically, when the sum of the floor reaction force data f1 to f4 is larger than the threshold value F0, the grounding / separation determining unit 55 determines that the right leg of the user U is grounded as shown in the following formula (2). judge. On the other hand, if the sum of the floor reaction force data f1 to f4 is smaller than the threshold value F1, as shown in the following formula (3), it is determined that the right leg of the user U is off.

Figure 0005987742
Figure 0005987742

Figure 0005987742
Figure 0005987742

(膝関節角度軌道生成部56)
膝関節角度軌道生成部56は、前遊脚期及び遊脚期における膝関節角度の目標軌道を生成する。
(Knee joint angle trajectory generator 56)
The knee joint angle trajectory generating unit 56 generates a target trajectory of the knee joint angle in the front swing leg period and the swing leg period.

膝関節角度軌道生成部56は、前遊脚期における膝関節角度の目標軌道を、下記式(4)及び(5)により生成する。下記式(4)において、qd(t)は、膝関節角度の目標軌道である。q0は、前遊脚期開始時における膝関節角度である。q0ドットは、前遊脚期開始時における膝関節角速度である。tは、時間である。t0は、前遊脚期開始時の時刻である。下記式(4)は、ある一定の角加速度で膝関節角度を加速し続けている。昨今のバイオメカニクス分野における研究により、前遊脚期における膝関節角度の角加速度は、歩行速度の増加に応じて同様に増加することが判明している。そこで、本願発明者らは、この知見を取り入れるべく、下記式(5)に示すように、前遊脚期における膝関節角度の角加速度aを歩行速度Vに比例定数kを乗じたものとする。これにより、歩行速度Vの増加に比例して、前遊脚期における膝関節角度の角加速度aが増加するようになる。なお、歩行速度Vは、上腿角度及び膝関節角度、上腿リンク2の長さ、下腿リンク3の長さを用いて幾何学的に算出することができる。また、歩行速度Vは、特開20120−213554号に開示されているように先ず歩幅を推定し、これを一歩に要する時間で除することで算出してもよい。或いは、歩行速度Vは、上腿角速度データθドットに基づいて概算するようにしてもよい。   The knee joint angle trajectory generator 56 generates a target trajectory of the knee joint angle in the front swing leg period by the following equations (4) and (5). In the following formula (4), qd (t) is a target trajectory of the knee joint angle. q0 is the knee joint angle at the start of the front swing leg period. The q0 dot is the knee joint angular velocity at the start of the front swing leg period. t is time. t0 is the time at the start of the previous swing phase. The following equation (4) continues to accelerate the knee joint angle at a certain angular acceleration. Recent research in the biomechanics field has revealed that the angular acceleration of the knee joint angle during the anterior swing leg period increases in the same manner as the walking speed increases. Therefore, in order to incorporate this knowledge, the inventors of the present application assume that the walking speed V is multiplied by the proportional constant k by the angular acceleration a of the knee joint angle in the front swing leg period, as shown in the following formula (5). . As a result, the angular acceleration a of the knee joint angle in the previous swing leg period increases in proportion to the increase in walking speed V. The walking speed V can be calculated geometrically using the upper leg angle and the knee joint angle, the length of the upper leg link 2 and the length of the lower leg link 3. The walking speed V may be calculated by first estimating the stride and dividing this by the time required for one step, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 201212021354. Alternatively, the walking speed V may be estimated based on the upper leg angular velocity data θ dot.

Figure 0005987742
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膝関節角度軌道生成部56は、遊脚期における膝関節角度の目標軌道を、下記式(6)〜(9)により生成する。下記式(6)及び(7)において、q1は、遊脚期開始時における膝関節角度である。q1ドットは、遊脚期開始時における膝関節角速度である。t1は、遊脚期開始時の時刻である。Tは、遊脚期の時間長さである。   The knee joint angle trajectory generation unit 56 generates a target trajectory of the knee joint angle in the swing leg period by the following equations (6) to (9). In the following formulas (6) and (7), q1 is the knee joint angle at the start of the swing phase. The q1 dot is the knee joint angular velocity at the start of the swing phase. t1 is the time at the start of the swing phase. T is the length of the swing period.

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膝関節角度軌道生成部56が生成した前遊脚期及び遊脚期における膝関節角度の目標軌道を図6に示す。図6において、横軸は時刻であり、縦軸は膝関節角度である。図6に示すように、膝関節角度の目標軌道は、前遊脚期では歩行速度Vに応じて膝関節角度を曲げ方向に加速させ、遊脚期では次に接地するまでの間に曲げ速度を減速させると共に膝関節を伸ばす、というものである。比例定数kは、数度の試行により適宜最適化すればよい。   FIG. 6 shows the target trajectory of the knee joint angle generated by the knee joint angle trajectory generation unit 56 in the front swing leg period and the swing leg period. In FIG. 6, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents knee joint angle. As shown in FIG. 6, the target trajectory of the knee joint angle is that the knee joint angle is accelerated in the bending direction according to the walking speed V in the previous swing leg period, and the bending speed until the next contact is made in the swing leg period. This is to slow down the knee and extend the knee joint. The proportionality constant k may be appropriately optimized by several trials.

(アクチュエータ制御部57)
アクチュエータ制御部57は、アクチュエータ10を制御する。アクチュエータ制御部57は、ユーザーUの右脚が立脚期であるときの制御モードとしての立脚期制御モードと、ユーザーUの右脚が前遊脚期であるときの制御モードとしての前遊脚期制御モードと、ユーザーUの右脚が遊脚期であるときの制御モードとしての遊脚期制御モードと、を有する。アクチュエータ制御部57は、立脚期制御モード及び前遊脚期制御モード、遊脚期制御モードをこの順に繰り返す。アクチュエータ制御部57は、床反力中心と、上腿角度と、上腿角速度と、に基づいて、ユーザーUの右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定すると共に、この判定と同時にアクチュエータ制御部57の制御モードを立脚期制御モードから前遊脚期制御モードへと切り替る。詳しくは、ユーザーUの右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したとアクチュエータ制御部57が判定するには、以下に示す、床反力中心に関する第1の条件、及び、上腿角度と上腿角速度に関する第2の条件が同時に満足されることを要件とする。
(Actuator control unit 57)
The actuator control unit 57 controls the actuator 10. The actuator control unit 57 includes a stance phase control mode as a control mode when the right leg of the user U is in the stance phase, and a front swing phase as a control mode when the right leg of the user U is in the antegrade phase. A control mode and a swing phase control mode as a control mode when the right leg of the user U is in the swing phase. The actuator control unit 57 repeats the stance phase control mode, the previous swing phase control mode, and the swing phase control mode in this order. The actuator control unit 57 determines that the right leg of the user U has transitioned from the stance phase to the front swing phase based on the floor reaction force center, the upper thigh angle, and the upper thigh angular velocity. At the same time, the control mode of the actuator control unit 57 is switched from the stance phase control mode to the previous swing phase control mode. Specifically, in order for the actuator control unit 57 to determine that the right leg of the user U has transitioned from the stance phase to the front swing phase, the following first condition regarding the center of the floor reaction force and the upper leg angle and It is a requirement that the second condition regarding the upper thigh angular velocity is satisfied at the same time.

<第1の条件>
アクチュエータ制御部57は、ユーザーUの右脚の床反力中心が足指寄りでなければ、ユーザーUの右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定しない。アクチュエータ制御部57は、ユーザーUの右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定するに際し、ユーザーUの右脚の床反力中心が足指寄りであることを要求する。
<First condition>
If the floor reaction force center of the right leg of the user U is not close to the toes, the actuator control unit 57 does not determine that the right leg of the user U has transitioned from the stance phase to the front swing phase. The actuator control unit 57 requests that the floor reaction force center of the right leg of the user U is closer to the toe when determining that the right leg of the user U has transitioned from the stance phase to the front swing phase.

ユーザーUが正常に歩行しているならば、立脚期の終期において、床反力中心は、足指寄りになっているはずである。従って、上記式(1)で演算した床反力中心のX座標データxcを監視することで、ユーザーUが正常に歩行しており、ユーザーUの右脚が立脚期の終期を迎えていることを検出することが可能となる。即ち、X座標データxcが所定値を越えた場合、アクチュエータ制御部57は、第1の条件が満たされたと判定する。X座標データxcが所定値以下の場合、アクチュエータ制御部57は、第1の条件が満たされていないと判定する。   If the user U is walking normally, the floor reaction force center should be closer to the toes at the end of the stance phase. Therefore, by monitoring the X coordinate data xc of the floor reaction force center calculated by the above formula (1), the user U is walking normally and the right leg of the user U is at the end of the stance phase. Can be detected. That is, when the X coordinate data xc exceeds a predetermined value, the actuator control unit 57 determines that the first condition is satisfied. When the X coordinate data xc is equal to or smaller than the predetermined value, the actuator control unit 57 determines that the first condition is not satisfied.

<第2の条件>
アクチュエータ制御部57は、ユーザーUの右脚の立脚期の終期における上腿の角速度の減速を検出するまでは、ユーザーUの右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定しない。アクチュエータ制御部57は、ユーザーUの右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定するに際し、ユーザーUの右脚の立脚期の終期における上腿の角速度の減速を検出することを要求する。
<Second condition>
The actuator control unit 57 does not determine that the right leg of the user U has transitioned from the stance period to the front swing period until it detects a decrease in the angular velocity of the upper thigh at the end of the stance period of the right leg of the user U. The actuator controller 57 requests that the angular velocity of the upper leg be detected at the end of the stance phase of the right leg of the user U when determining that the right leg of the user U has transitioned from the stance phase to the front swing phase. To do.

図7には、健常脚における、上腿角度データθと上腿角速度データθドットの位相平面図を示している。位相平面図において、横軸は上腿角度データθであり、縦軸は上腿角速度データθドットである。位相平面図には、上腿角度データθと上腿角速度データθドットの対応関係が所定のサンプリング周期で大量にプロットされている。上腿角度データθと上腿角速度データθドットの対応関係を以下、単に位相と称する。上腿を歩行方向に振り出すとき、上腿角速度データθドットは負とする。上腿を歩行方向と反対の方向に動かすとき、上腿角速度データθドットは正とする。上腿を歩行方向へ振り出すと、上腿角度データθは減少する。上腿を歩行方向と反対の方向に動かすと、上腿角度データθは増加する。上腿が鉛直に対して平行であるとき、上腿角度データθをゼロとする。位相平面図において、上腿角速度データθドットが正である領域(上半分)は概ね立脚期に相当しており、上腿角速度データθドットが負である領域(下半分)は概ね遊脚期に相当している。そして、位相は、時計回りの軌跡となる。   FIG. 7 shows a phase plan view of upper leg angle data θ and upper leg angular velocity data θ dots in a healthy leg. In the phase plan view, the horizontal axis represents the upper leg angle data θ, and the vertical axis represents the upper leg angular velocity data θ dots. In the phase plan view, correspondences between the upper leg angle data θ and the upper leg angular velocity data θ dots are plotted in large quantities at a predetermined sampling period. Hereinafter, the correspondence between the upper leg angle data θ and the upper leg angular velocity data θ dots is simply referred to as a phase. When swinging the upper leg in the walking direction, the upper leg angular velocity data θ dot is negative. When moving the upper leg in the direction opposite to the walking direction, the upper leg angular velocity data θ dot is positive. When the upper leg is swung in the walking direction, the upper leg angle data θ decreases. When the upper thigh is moved in the direction opposite to the walking direction, the upper thigh angle data θ increases. When the upper leg is parallel to the vertical, the upper leg angle data θ is set to zero. In the phase plan view, the region (upper half) in which the upper leg angular velocity data θ dot is positive generally corresponds to the stance phase, and the region (lower half) in which the upper leg angular velocity data θ dot is negative is approximately the swing phase. It corresponds to. The phase is a clockwise trajectory.

図7によれば、右上の領域で急激に位相が変化している。これは、歩行者が上腿を前に振り出すために、股関節にトルクを発生し始めたことに起因すると考えられる。換言すれば、上腿が実際に前方に動き始める前に、歩行者が上腿を前方に振り出し始めようとしていると読み取ることができる。そこで、アクチュエータ制御部57は、上腿が実際に前方に動き始める前に、歩行者が上腿を前方に振り出し始めようとしていることを読み取るタイミングとして、図7の位相平面図上で判定ラインRを設け、位相が判定ラインRを時計回りに跨ぐことをもって、ユーザーUの立脚期の終期における上腿角速度の減速を検出することとする。   According to FIG. 7, the phase changes rapidly in the upper right region. This is considered due to the fact that the pedestrian started to generate torque at the hip joint in order to swing the upper leg forward. In other words, it can be read that the pedestrian starts swinging the upper leg forward before the upper leg actually starts moving forward. Therefore, the actuator control unit 57 determines the determination line R on the phase plan view of FIG. 7 as a timing to read that the pedestrian is about to swing out the upper leg before the upper leg actually starts moving forward. And the deceleration of the upper leg angular velocity at the end of the stance phase of the user U is detected by the phase straddling the determination line R clockwise.

上記判定ラインRは、下記式(10)で表される。下記式(10)においてθ0は定数である。   The determination line R is represented by the following formula (10). In the following formula (10), θ0 is a constant.

Figure 0005987742
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上記式(10)を踏まえ、アクチュエータ制御部57は、下記式(11)が真となったら、第2の条件が満たされたと判定する。一方、下記式(11)が偽となったら、第2の条件が満たされていないと判定する。   Based on the above equation (10), the actuator control unit 57 determines that the second condition is satisfied when the following equation (11) becomes true. On the other hand, if the following formula (11) becomes false, it is determined that the second condition is not satisfied.

Figure 0005987742
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ここで、University of Wisconsin-LaCrosseが発行したGait Report(http://www.innsport.com/related-products/data-sets/uw-l-gait-data-set.aspx)を図8に示す。図8では、注目脚の床反力と上腿角度、膝関節角度を同時に示している。図8によれば、(a)前遊脚期の始端では、床反力はまだ殆ど減少していない、(b)前遊脚期の開始付近で膝が曲がり始めている、(c)前遊脚期の始端では上腿の振り出しはまだ始まっていない、の(a)〜(c)の知見が得られる。(a)によれば、床反力では、立脚期から前遊脚期への遷移判定が不可能であることがわかる。(b)によれば、床反力がなくなる前に膝が曲がり始めており、前遊脚期の存在がはっきりと認められる。(c)によれば、上腿角速度が反転した瞬間で、立脚期から前遊脚期への遷移判定を行うと、遷移判定のタイミングとしては遅すぎることがわかる。これに対し、アクチュエータ制御部57は、上腿角速度が反転する前の適切なタイミングで、立脚期から前遊脚期への遷移判定を行なっているので、健常脚の前遊脚期を患脚で巧妙に再現することが可能となっている。   Here, FIG. 8 shows a Gait Report (http://www.innsport.com/related-products/data-sets/uw-l-gait-data-set.aspx) issued by the University of Wisconsin-LaCrosse. In FIG. 8, the floor reaction force, the upper leg angle, and the knee joint angle of the attention leg are shown at the same time. According to FIG. 8, (a) The floor reaction force has hardly decreased at the beginning of the front swing leg period, (b) the knee begins to bend near the start of the front swing leg stage, (c) the front swing The findings of (a) to (c) that the swinging of the upper thigh has not yet started at the beginning of the leg phase can be obtained. According to (a), it can be seen that the floor reaction force cannot determine the transition from the stance phase to the previous swing phase. According to (b), the knee begins to bend before the floor reaction force disappears, and the existence of the front swing leg period is clearly recognized. According to (c), when the transition determination from the stance phase to the previous swing phase is performed at the moment when the upper thigh angular velocity is reversed, it is understood that the transition determination timing is too late. On the other hand, since the actuator control unit 57 performs the transition determination from the stance phase to the front swing phase at an appropriate timing before the thigh angular velocity is reversed, the front leg phase of the healthy leg is determined as the affected leg. It is possible to reproduce it skillfully.

(作動)
次に、図9〜図11を参照して、歩行補助装置1の作動を説明する。
(Operation)
Next, the operation of the walking assist device 1 will be described with reference to FIGS.

先ず、制御装置7は、異常判定及び安全系処理を行う(S300)。具体的には、制御装置7は、前遊脚期の時間が長くなりすぎてないか、遊脚期の途中で着地してしまってないか、センサ系の異常が発生してないか、等を監視する。例えば、ユーザーUの右脚の離地がうまくできず、前遊脚期が長くなりすぎた場合には、体勢を崩している可能性が高く、膝関節の曲げ動作が加速しすぎてしまうので、制御装置7は、一旦、膝を伸展方向に駆動して待機状態へと移行する。   First, the control device 7 performs abnormality determination and safety processing (S300). Specifically, the control device 7 determines whether the time of the previous swing phase has become too long, has landed in the middle of the swing phase, has an abnormality in the sensor system, etc. To monitor. For example, if the user U's right leg can't take off well and the front swing leg period becomes too long, the posture is likely to have collapsed, and the bending motion of the knee joint will accelerate too much The control device 7 once drives the knee in the extending direction and shifts to the standby state.

次に、制御装置7は、アクチュエータ制御部57の現在の制御モードが立脚期制御モードであるか判定する(S310)。アクチュエータ制御部57の現在の制御モードが立脚期制御モードであると判定したら(S310:YES)、制御装置7は、処理を図10のS400に移す。一方、アクチュエータ制御部57の現在の制御モードが立脚期制御モードでないと判定したら(S310:NO)、制御装置7は、処理をS320に進める。S320で、制御装置7は、アクチュエータ制御部57の現在の制御モードが遊脚期制御モードであるか判定する(S320)。アクチュエータ制御部57の現在の制御モードが遊脚期制御モードであると判定したら(S320:YES)、制御装置7は、処理をS330に進める。一方、アクチュエータ制御部57の現在の制御モードが遊脚期制御モードでないと判定したら(S320:NO)、制御装置7は、処理を図11のS500に移す。   Next, the control device 7 determines whether or not the current control mode of the actuator control unit 57 is the stance phase control mode (S310). If it is determined that the current control mode of the actuator controller 57 is the stance phase control mode (S310: YES), the control device 7 moves the process to S400 in FIG. On the other hand, if it determines with the present control mode of the actuator control part 57 not being a stance phase control mode (S310: NO), the control apparatus 7 will advance a process to S320. In S320, the control device 7 determines whether or not the current control mode of the actuator controller 57 is the swing phase control mode (S320). If it is determined that the current control mode of the actuator control unit 57 is the swing phase control mode (S320: YES), the control device 7 advances the process to S330. On the other hand, if it is determined that the current control mode of the actuator control unit 57 is not the swing phase control mode (S320: NO), the control device 7 moves the process to S500 of FIG.

S330で、膝関節角度軌道生成部56は、図6に示すような、膝を遊脚期終端までに伸展させる目標軌道を生成する(S330)。次に、接地離地判定部55は、ユーザーUの右脚が接地したか判定する(S340)。ユーザーUの右脚が接地していないと接地離地判定部55が判定したら(S340:NO)、アクチュエータ制御部57は、膝関節角度軌道生成部56が生成した目標軌道に従って、アクチュエータ10を駆動する(S350)。一方、ユーザーUの右脚が接地したと接地離地判定部55が判定したら(S340:YES)、制御装置7は、アクチュエータ制御部57の現在の制御モードを遊脚期制御モードから立脚期制御モードへと遷移させ(S360)、処理を終了する。S330〜S360の処理は、遊脚期制御モード特有の処理である。   In S330, the knee joint angle trajectory generation unit 56 generates a target trajectory for extending the knee to the end of the swing phase as shown in FIG. 6 (S330). Next, the ground / landing determination unit 55 determines whether the right leg of the user U is grounded (S340). If the ground contact / separation determination unit 55 determines that the right leg of the user U is not in contact with the ground (S340: NO), the actuator control unit 57 drives the actuator 10 according to the target trajectory generated by the knee joint angle trajectory generation unit 56. (S350). On the other hand, when the grounding / landing determination unit 55 determines that the right leg of the user U is grounded (S340: YES), the control device 7 changes the current control mode of the actuator control unit 57 from the swing phase control mode to the stance phase control. The mode is changed (S360), and the process is terminated. The processing of S330 to S360 is processing unique to the swing phase control mode.

図10のS400で、制御装置7は、ユーザーUの右脚の膝関節が十分に伸びているか判定する(S400)。ユーザーUの右脚の膝関節が十分に伸びていないと判定した場合は(S400:NO)、制御装置7は、設定時定数で膝が伸びるように膝目標角度を更新し(S410)、処理をS420に進める。一方、ユーザーUの右脚の膝関節が十分に伸びていると判定した場合は(S400:YES)、制御装置7は、処理をS420に進める。S420で、アクチュエータ制御部57は、床反力中心が足指寄りであるか判定する(S420)。床反力中心が足指寄りでないと判定した場合は(S420:NO)、アクチュエータ制御部57は、アクチュエータ10を必要に応じて駆動する(S430)。床反力中心が足指寄りであると判定した場合は(S420:YES)、アクチュエータ制御部57は、位相が判定ラインRを跨いだか判定する(S440)。位相が判定ラインRを跨いでいないと判定した場合は(S440:NO)、アクチュエータ制御部57は、アクチュエータ10を必要に応じて駆動する(S430)。一方、位相が判定ラインRを跨いだと判定した場合は(S440:YES)、アクチュエータ制御部57は、アクチュエータ制御部57の現在の制御モードを前遊脚期制御モードに遷移させ(S450)、上記式(4)の各初期値等を設定し(S460)、遊脚時間Tを計算し(S470)、角加速度aを計算し(S480)、アクチュエータ10を必要に応じて駆動する(S430)。S400〜S480は、立脚期制御モード特有の処理である。   In S400 of FIG. 10, the control device 7 determines whether the knee joint of the right leg of the user U is sufficiently extended (S400). When it is determined that the knee joint of the right leg of the user U is not sufficiently extended (S400: NO), the control device 7 updates the knee target angle so that the knee is extended with the set time constant (S410), and processing To S420. On the other hand, when it is determined that the knee joint of the right leg of the user U is sufficiently extended (S400: YES), the control device 7 advances the process to S420. In S420, the actuator control unit 57 determines whether the floor reaction force center is closer to the toes (S420). When it is determined that the floor reaction force center is not close to the toes (S420: NO), the actuator control unit 57 drives the actuator 10 as necessary (S430). When it is determined that the floor reaction force center is closer to the toes (S420: YES), the actuator controller 57 determines whether the phase crosses the determination line R (S440). When it is determined that the phase does not cross the determination line R (S440: NO), the actuator control unit 57 drives the actuator 10 as necessary (S430). On the other hand, when it is determined that the phase crosses the determination line R (S440: YES), the actuator control unit 57 changes the current control mode of the actuator control unit 57 to the previous swing phase control mode (S450), Each initial value of the above equation (4) is set (S460), the free leg time T is calculated (S470), the angular acceleration a is calculated (S480), and the actuator 10 is driven as necessary (S430). . S400 to S480 are processing unique to the stance phase control mode.

図11のS500で、膝関節角度軌道生成部56は、設定された角加速度aに基づいて膝を曲げ方向に加速する目標軌道を生成する(S500)。次に、接地離地判定部55は、ユーザーUの右脚が離地したか判定する(S510)。ユーザーUの右脚が離地していないと接地離地判定部55が判定したら(S510:NO)、アクチュエータ制御部57は、膝関節角度軌道生成部56が生成した目標軌道に基づいて、アクチュエータ10を駆動する(S515)。一方、ユーザーUの右脚が離地したと接地離地判定部55が判定したら(S510:YES)、アクチュエータ制御部57は、アクチュエータ制御部57の現在の制御モードを前遊脚期制御モードから遊脚期制御モードへ遷移させ(S520)、上記式(6)の各初期値等を設定し(S530)、アクチュエータ10を必要に応じて駆動する(S515)。S500〜S530は、前遊脚期制御モード特有の処理である。   In S500 of FIG. 11, the knee joint angle trajectory generator 56 generates a target trajectory for accelerating the knee in the bending direction based on the set angular acceleration a (S500). Next, the ground and takeoff determination unit 55 determines whether or not the right leg of the user U has taken off (S510). When the ground contact / separation determination unit 55 determines that the right leg of the user U has not taken off (S510: NO), the actuator control unit 57 performs an actuator operation based on the target trajectory generated by the knee joint angle trajectory generation unit 56. 10 is driven (S515). On the other hand, when the ground contact / separation determination unit 55 determines that the right leg of the user U has taken off (S510: YES), the actuator control unit 57 changes the current control mode of the actuator control unit 57 from the previous swing leg control mode. The mode is changed to the swing phase control mode (S520), the initial values of the above equation (6) are set (S530), and the actuator 10 is driven as necessary (S515). S500 to S530 are processes specific to the front swing phase control mode.

以上、本願発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態は、以下の特長を有している。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, the said embodiment has the following characteristics.

(1)歩行補助装置1は、ユーザーUの右脚(患脚)に取り付けられ、右脚の膝関節角度を制御することで、ユーザーUの歩行を補助する。歩行補助装置1は、右脚の膝関節角度を増減させるアクチュエータ10(膝関節駆動手段)と、右脚の床反力の中心としての床反力中心を検出する床反力中心検出手段(床反力センサ5及び床反力中心演算部53)と、右脚の上腿の角度を検出する股関節角度センサ14(上腿角度検出手段)と、右脚の上腿の角速度を検出する上腿角速度検出手段(股関節角度センサ14及び上腿角速度演算部54)と、アクチュエータ10を制御するアクチュエータ制御部57(制御手段)と、を備える。アクチュエータ制御部57は、床反力中心と角度、角速度に基づいて、右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定する。以上の構成によれば、右脚の立脚期から前遊脚期への遷移判定の判定精度が改善する。 (1) The walking assistance device 1 is attached to the right leg (affected leg) of the user U, and assists the walking of the user U by controlling the knee joint angle of the right leg. The walking assist device 1 includes an actuator 10 (knee joint driving means) that increases and decreases the knee joint angle of the right leg, and a floor reaction force center detection means (floor) that detects the floor reaction force center as the center of the floor reaction force of the right leg. Reaction force sensor 5 and floor reaction force center calculation unit 53), hip joint angle sensor 14 (upper leg angle detecting means) for detecting the angle of the upper leg of the right leg, and upper leg for detecting the angular velocity of the upper leg of the right leg. Angular velocity detection means (hip joint angle sensor 14 and upper leg angular velocity calculation unit 54) and an actuator control unit 57 (control unit) that controls the actuator 10 are provided. The actuator controller 57 determines that the right leg has transitioned from the stance phase to the front swing phase based on the floor reaction force center, angle, and angular velocity. According to the above configuration, the determination accuracy of the transition determination from the stance phase of the right leg to the previous swing phase is improved.

(2)アクチュエータ制御部57は、床反力中心が足指寄りでなければ、右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定しない。 (2) The actuator control unit 57 does not determine that the right leg has transitioned from the stance phase to the front swing phase unless the floor reaction force center is closer to the toes.

(3)アクチュエータ制御部57は、右脚の立脚期の終期における上腿の角速度の減速を検出するまでは、右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定しない。 (3) The actuator control unit 57 does not determine that the right leg has transitioned from the stance phase to the front swing phase until it detects a decrease in the angular velocity of the upper leg at the end of the stance phase of the right leg.

(4)アクチュエータ制御部57は、床反力中心が足指寄りであり、かつ、右脚の立脚期の終期における上腿の角速度の減速を検出したら、右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定する。 (4) When the actuator control unit 57 detects the deceleration of the angular velocity of the upper thigh at the end of the stance phase of the right leg when the center of the floor reaction force is closer to the toes and the right leg moves from the stance phase to the front swing phase It is determined that transition has been made.

(5)ユーザーUの右脚に取り付けられ、右脚の膝関節角度を制御することで、ユーザーUの歩行を補助する歩行補助装置1を用いた歩行補助方法では、右脚の床反力の中心としての床反力中心と、右脚の上腿の角度と、右脚の上腿の角速度と、に基づいて、右脚が立脚期から前遊脚期へ遷移したと判定する。以上の方法によれば、右脚の立脚期から前遊脚期への遷移判定の判定精度が改善する。 (5) In the walking assistance method using the walking assistance device 1 that is attached to the right leg of the user U and controls the knee joint angle of the right leg to assist the walking of the user U, the floor reaction force of the right leg is reduced. Based on the floor reaction force center as the center, the angle of the upper leg of the right leg, and the angular velocity of the upper leg of the right leg, it is determined that the right leg has transitioned from the stance phase to the front swing phase. According to the above method, the determination accuracy of the transition determination from the stance phase of the right leg to the front swing phase is improved.

なお、上記実施形態において上腿角度は、股関節角度センサ14により検出するものとしたが、これに代えて、上腿にジャイロセンサを取り付けることで上腿角度を検出するようにしてもよい。   In the above embodiment, the upper leg angle is detected by the hip joint angle sensor 14, but the upper leg angle may be detected by attaching a gyro sensor to the upper leg instead.

1 歩行補助装置
2 上腿リンク
3 下腿リンク
4 足リンク
5 床反力センサ
6 支持リンク
7 制御装置
8 膝関節機構
9 膝関節角度センサ
10 アクチュエータ
11 足首関節機構
12 足首関節角度センサ
13 股関節機構
14 股関節角度センサ
15 センサ保持体
16A 荷重センサ
16B 荷重センサ
16C 荷重センサ
16D 荷重センサ
53 床反力中心演算部
54 上腿角速度演算部
55 接地離地判定部
56 膝関節角度軌道生成部
57 アクチュエータ制御部
f1 床反力データ
f2 床反力データ
f3 床反力データ
f4 床反力データ
U ユーザー
U1 上腿
U2 下腿
U4 腰部
R 判定ライン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Walking assistance apparatus 2 Upper leg link 3 Lower leg link 4 Foot link 5 Floor reaction force sensor 6 Support link 7 Control apparatus 8 Knee joint mechanism 9 Knee joint angle sensor 10 Actuator 11 Ankle joint mechanism 12 Ankle joint angle sensor 13 Hip joint mechanism 14 Hip joint Angle sensor 15 Sensor holding body 16A Load sensor 16B Load sensor 16C Load sensor 16D Load sensor 53 Floor reaction force center calculation unit 54 Upper leg angular velocity calculation unit 55 Ground takeoff determination unit 56 Knee joint angle trajectory generation unit 57 Actuator control unit f1 Floor Reaction force data f2 Floor reaction force data f3 Floor reaction force data f4 Floor reaction force data
U user
U1 upper leg
U2 lower leg
U4 waist
R judgment line

Claims (4)

ユーザーの患脚に取り付けられ、前記患脚の上腿と下腿との間の膝関節のピッチ軸回りの角度である膝関節角度を制御することで、前記ユーザーの歩行を補助する歩行補助装置であって、A walking assistance device that is attached to a user's affected leg and assists the user's walking by controlling a knee joint angle that is an angle around the pitch axis of the knee joint between the upper leg and lower leg of the affected leg. There,
前記患脚の前記膝関節角度を増減させる膝関節駆動手段と、Knee joint driving means for increasing or decreasing the knee joint angle of the affected leg;
前記患脚の腰部と、前記患脚の前記上腿と、の間のピッチ軸回りの角度である上腿角度を検出する上腿角度検出手段と、Upper leg angle detecting means for detecting an upper leg angle that is an angle around a pitch axis between the waist of the affected leg and the upper leg of the affected leg;
前記患脚の腰部と、前記患脚の前記上腿と、の間のピッチ軸回りの角速度である上腿角速度を検出する上腿角速度検出手段と、Upper leg angular velocity detection means for detecting an upper leg angular velocity that is an angular velocity around the pitch axis between the waist of the affected leg and the upper leg of the affected leg;
前記膝関節駆動手段を制御する制御手段と、Control means for controlling the knee joint drive means;
を備え、With
前記患脚の踵接地から始まり前記患脚の足指離地で終わる期間を前記患脚の立脚期とし、前記患脚の足指離地から始まり前記患脚の踵接地で終わる期間を前記患脚の遊脚期とし、前記立脚期の一部であって、前記患脚の踵離地から前記患脚の足指離地で終わる期間内であり、前記患脚の前記上腿の歩行方向への振り出しと前記患脚の前記膝関節の曲げが行われる期間を前遊脚期とすると、The period starting from the heel contact of the affected leg and ending with the toe separation of the affected leg is defined as the stance phase of the affected leg, and the period starting from the toe separation of the affected leg and ending with the heel contact of the affected leg is determined. The leg swing phase, which is a part of the stance phase and is within a period ending with the toe off of the affected leg from the heel off of the affected leg, and the walking direction of the upper thigh of the affected leg If the period during which swinging to the knee and bending of the knee joint of the affected leg is performed is the pre-swing period,
前記制御手段は、前記上腿角度と前記上腿角速度の位相平面図において前記上腿角度と前記上腿角速度との対応関係である位相が所定の判定ラインを跨いだら、前記立脚期内において前記患脚が前記前遊脚期へ遷移したと判定し、When the phase corresponding to the upper leg angle and the upper leg angular velocity in a phase plan view of the upper leg angle and the upper leg angular velocity crosses a predetermined determination line in the phase plan view of the upper leg angle and the upper leg angular velocity, It is determined that the affected leg has transitioned to the previous swing leg period,
前記所定の判定ラインは、前記患脚の前記立脚期の終期において前記上腿の前記上腿角速度が減速するときに前記位相が跨ぐラインである、The predetermined determination line is a line that the phase straddles when the upper thigh angular velocity of the upper thigh is decelerated at the end of the stance phase of the affected leg.
歩行補助装置。Walking assistance device.
請求項1に記載の歩行補助装置であって、
前記上腿角度をθとし、前記上腿角度を微分したものである前記上腿角速度をθドットとした場合、前記制御手段は、下記式が真となったら、前記位相が前記所定の判定ラインを跨いだと判定する、
歩行補助装置。
Figure 0005987742
ただし、前記上腿を歩行方向に振り出すとき、前記上腿角速度は負となり、前記上腿角度は減少するものとし、θ は、定数であり、bは、正の数である。
The walking assist device according to claim 1,
When the upper thigh angle is θ and the upper thigh angular velocity, which is a derivative of the upper thigh angle, is θ dots, the control means, when the following equation is true, the phase is the predetermined determination line: Is determined to straddle
Walking assistance device.
Figure 0005987742
However, when the upper thigh is swung in the walking direction, the upper thigh angular velocity is negative, the upper thigh angle is decreased, θ 0 is a constant, and b is a positive number.
ユーザーの患脚に取り付けられ、前記患脚の上腿と下腿との間の膝関節のピッチ軸回りの角度である膝関節角度を制御することで、前記ユーザーの歩行を補助する歩行補助方法であって、A walking assistance method for assisting the user's walking by controlling a knee joint angle, which is an angle around a pitch axis of a knee joint between an upper leg and a lower leg of the affected leg, which is attached to the affected leg of the user. There,
前記患脚の踵接地から始まり前記患脚の足指離地で終わる期間を前記患脚の立脚期とし、前記患脚の足指離地から始まり前記患脚の踵接地で終わる期間を前記患脚の遊脚期とし、前記立脚期の一部であって、前記患脚の踵離地から前記患脚の足指離地で終わる期間内であり、前記患脚の前記上腿の歩行方向への振り出しと前記患脚の前記膝関節の曲げが行われる期間を前遊脚期とすると、The period starting from the heel contact of the affected leg and ending with the toe separation of the affected leg is defined as the stance phase of the affected leg, and the period starting from the toe separation of the affected leg and ending with the heel contact of the affected leg is determined. The leg swing phase, which is a part of the stance phase and is within a period ending with the toe off of the affected leg from the heel off of the affected leg, and the walking direction of the upper thigh of the affected leg If the period during which swinging to the knee and bending of the knee joint of the affected leg is performed is the pre-swing period,
前記歩行補助方法は、The walking assist method includes:
前記患脚の腰部と、前記患脚の前記上腿と、の間のピッチ軸回りの角度である上腿角度を検出する上腿角度検出ステップと、An upper leg angle detecting step for detecting an upper leg angle that is an angle around a pitch axis between the waist of the affected leg and the upper leg of the affected leg;
前記患脚の腰部と、前記患脚の前記上腿と、の間のピッチ軸回りの角速度である上腿角速度を検出する上腿角速度検出ステップと、Upper leg angular velocity detection step for detecting an upper leg angular velocity that is an angular velocity around the pitch axis between the waist of the affected leg and the upper leg of the affected leg;
前記上腿角度と前記上腿角速度の位相平面図において前記上腿角度と前記上腿角速度との対応関係である位相が所定の判定ラインを跨いだら、前記立脚期内において前記患脚が前記前遊脚期へ遷移したと判定するステップと、In the phase plan view of the upper leg angle and the upper leg angular velocity, if the phase corresponding to the upper leg angle and the upper leg angular velocity crosses a predetermined determination line, the affected leg is moved to the front in the stance phase. A step of determining that a transition to the swing phase has occurred;
を含み、Including
前記所定の判定ラインは、前記患脚の前記立脚期の終期において前記上腿の前記上腿角速度が減速するときに前記位相が跨ぐラインである、The predetermined determination line is a line that the phase straddles when the upper thigh angular velocity of the upper thigh is decelerated at the end of the stance phase of the affected leg.
歩行補助方法。Walking assistance method.
請求項3に記載の歩行補助方法であって、
前記上腿角度をθとし、前記上腿角度を微分したものである前記上腿角速度をθドットとした場合、下記式が真となったら、前記位相が前記所定の判定ラインを跨いだと判定する、
歩行補助方法。
Figure 0005987742
ただし、前記上腿を歩行方向に振り出すとき、前記上腿角速度を負となり、前記上腿角度は減少するものとし、θ0は、定数であり、bは、正の数である。
The walking assist method according to claim 3,
When the upper thigh angle is θ and the upper thigh angular velocity, which is a derivative of the upper thigh angle, is θ dots, it is determined that the phase has crossed the predetermined determination line when the following formula is true: To
Walking assistance method.
Figure 0005987742
However, when swinging the upper thigh in the walking direction, the upper thigh angular velocity is negative, the upper thigh angle is decreased, θ0 is a constant, and b is a positive number.
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