JP6233254B2

JP6233254B2 - 荷重値を推定する方法

Info

Publication number: JP6233254B2
Application number: JP2014188152A
Authority: JP
Inventors: 卓磨中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2034-09-16
Also published as: JP2016061611A

Description

本発明は荷重値を推定する方法に関し、例えば歩行支援装置における荷重値を推定する方法に関する。

ユーザの下肢に装着して歩行支援する歩行支援装置であって、上腿部と下腿部とにそれぞれ固定し、膝関節に伝達される動力により当該関節部を駆動するものがある。

このような歩行支援装置では、足裏板に設けられた複数の荷重センサによって、荷重を測定し、装着者の姿勢や動作を推定し、動力の制御を行っている。

例えば、特許文献１には、歩行支援装置の足裏板に１つの荷重センサを設け、荷重センサは、球体を介してロードボタンに伝達される荷重を測定することが記載されている。

特開２０１３−７２７２９号公報

しかしながら、従来の方法では、荷重センサが故障すると、荷重値を測定することができないという課題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、荷重センサが故障した場合に、荷重値を推定することを目的としている。

本発明の一態様は、使用者の足裏に装着される複数の荷重センサを用いて、故障した荷重センサの荷重値を推定する方法であって、
荷重センサの１つが故障したか否か判断する工程と、
荷重センサの１つが故障した場合に、圧力中心の推定軌道の式と、荷重センサの位置と荷重値と圧力中心との関係式から、故障した荷重センサの荷重値を推定する行程を有する方法である。

本発明の方法によれば、荷重センサの１つが故障した場合に、圧力中心の推定軌道の式に、荷重センサの位置と荷重値と圧力中心との関係式を代入することにより、故障した荷重センサの荷重値を変数とする方程式を作成し、この方程式を解くことにより、故障した荷重センサの荷重値を推定することができる。

本発明に係る荷重値の推定の方法の処理を示すフロー図である。荷重センサを備える歩行支援装置の概略を示す右側面図である。荷重センサを備えるロボットの右足の概略構成を示す上面透視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明に係る荷重値の推定の方法の処理を示すフロー図である。図１では、荷重センサに関する処理を歩行支援装置のＣＰＵが行う場合の動作の例として説明する。

ステップＳ１１において、ＣＰＵは、荷重センサが正常に機能しているか否か判断する。そして、荷重センサが正常に機能している場合にはステップＳ１２に進み、荷重センサが正常に機能していない場合にはステップＳ１３に進む。

ステップＳ１２において、ＣＰＵは、荷重センサが測定した荷重値に基づき圧力中心ＣＯＰ、総荷重を計算し、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１３において、ＣＰＵは、故障した荷重センサが１つであるか否かを判断する。そして、故障した荷重センサが１つである場合には、ステップＳ１４に進み、故障した荷重センサが１つではない、すなわち複数である場合には、ステップＳ１７に進む。

ステップＳ１４において、ＣＰＵは、圧力中心の推定軌道の式と、荷重センサの位置と荷重値と圧力中心との関係式から、故障した荷重センサの荷重値を推定し、ステップＳ１５に進む。荷重値を推定する詳細については後述する。

ステップＳ１５において、ＣＰＵは、荷重センサが測定した荷重値に基づきＣＯＰ、総荷重を推定し、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６において、ＣＰＵは、得られたＣＯＰ、総荷重に基づいてロボットの制御を行い、また使用者への荷重に関する情報提示を行い、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１７において、ＣＰＵは、ロボットの制御を停止し、使用者への荷重に関する情報提示を中止し、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８において、ＣＰＵは、ロボットの制御を終了するか否か判断する。ロボットの制御を終了しない場合には、ステップＳ１１に戻り、ロボットの制御を終了する場合には、図１における処理を終了する。

このように、故障した荷重センサの数を判断し、故障した荷重センサの数が１つである場合には、荷重値が推定可能であるとして、荷重値を推定する処理を行うことにより、ＣＯＰ、総荷重を得ることができる。

次に荷重値の推定方法について説明する。図２は、荷重センサを備える歩行支援装置の概略を示す右側面図である。図２に示すように、歩行支援装置２０は、歩行動作を行うロボット脚２１と、ロボット脚の端部に関節構成を介して接続する足部２２と、足部２２の一面に配置された複数の荷重センサ２３とを備える。複数の荷重センサ２３は、ロボット脚２１の地面に対する荷重値を測定し、ロボット脚２１のバランス制御のパラメータを処理装置（ＣＰＵ）に提供する。

このバランスを制御するために、ロボット脚の足裏には、異なる位置に複数の荷重センサを備える必要がある。図３は、荷重センサを備えるロボットの右足の概略構成を示す上面透視図である。図３において、横軸は進行方向に対する横方向でのロボット脚の足裏及び荷重センサの位置を示し、縦軸は進行方向に対するロボット脚の足裏及び荷重センサの位置を示す。

図３では、４つの荷重センサをロボットの足の裏の部分に配置した例について説明している。すなわち、足部２２の裏に荷重センサ２３ｆＬ、２３ｆＲ、２３ｒＬ、２３ｒＲが配置されている。

図３の３文字から成る文字列について、１文字目は座標軸がいずれであるかを意味し、進行方向に対する座標にはＬ（Ｌｅｎｇｔｈ）、進行方向に対する横方向の座標はＷ（Ｗｉｄｔｈ）を付している。また２文字目は進行方向での荷重センサの配置を意味し、前部に配置した荷重センサについては、ｆ（ｆｒｏｎｔ）、後部に配置した荷重センサについてはｒ（ｒｅａｒ）を付している。そして３文字目は、進行方向に対する横方向での荷重センサの配置を意味し、左側に配置した荷重センサについては、Ｌ（ｌｅｆｔ）、右側に配置した荷重センサについては、Ｒ（Ｒｉｇｈｔ）を付している。

また、１文字目をＦとした場合には、荷重センサの荷重値を示すものとする。また、荷重センサの符番に付属する文字列についても同様に、上記文字列の２文字目と３文字目と同様の規則で文字を付している。

すなわち荷重センサ２３ｆＬは、前部左側の荷重センサ２３を意味し、その中心座標は進行方向がＬ_ｆＬ、横方向がＷ_ｆＬで示される。そして荷重センサ２３ｆＬに加わる荷重値はＦ_ｆＬで定義される。また、圧力中心ＣＯＰの座標は進行方向がＸ_ＣＯＰ、横方向がＹ_ＣＯＰで示される

ここで、総荷重Ｆ_ｓｕｍは以下の式（１）で導出される。

また、圧力中心ＣＯＰの座標は以下の式（２）で定義される。

ここで、荷重センサ２３のいずれかが故障した場合、荷重値Ｆが測定できないことになる。例えば、荷重センサ２３ｆＬが故障した場合、荷重値Ｆ_ｆＬは不明となってしまう。そして、式（１）から導出される総荷重Ｆ_ｓｕｍも荷重値Ｆ_ｆＬが決まらない限り導出できないことになる。

ここで、歩行中の足の圧力中心ＣＯＰ（Center Of Pressure）は、踵から拇指球方向へのライン上にあるという実験的に得られた知見を、圧力中心の推定軌道の式として用い、荷重値の推定に適用する。

すなわち、圧力中心ＣＯＰの軌道が所定の推定軌道の式で表されると仮定し、推定軌道の式に式（２）を代入して不明な荷重値に関する方程式を解くことにより、荷重値を推定する。

例えば、推定軌道が下記の式（３）で表されると仮定する。

（α、β、γは実験的に求められる値）

式（３）のｘ、ｙに式（２）のＸ_ＣＯＰ、Ｙ_ＣＯＰをそれぞれ代入する。

ここで、荷重センサ２３ｆＬが故障し荷重値Ｆ_ｆＬである場合、式（３）に式（２）を導入した式は、荷重値Ｆ_ｆＬに関する二次方程式である式（４）となる。

すなわち、式（４）は荷重値Ｆ_ｆＬ以外の値は、定数または実験的に求められる値であり、荷重値Ｆ_ｆＬが変数である一元二次方程式となる。

そして式（４）をＦ_ｆＬについて解くことにより、不明な荷重値Ｆ_ｆＬを導出することができる。

そして、導出された荷重値Ｆ_ｆＬを式（１）、式（２）に適用することにより、総荷重と圧力中心ＣＯＰの座標が求められる。

このように本実施の形態の方法によれば、荷重センサの１つが故障した場合に、圧力中心の推定軌道の式に、荷重センサの位置と荷重値と圧力中心との関係式を代入することにより、故障した荷重センサの荷重値を変数とする方程式を作成し、この方程式を解くことにより、故障した荷重センサの荷重値を推定することができる。

また、推定した荷重センサの荷重値を用いて総荷重と圧力中心ＣＯＰの座標を導出することができる。

また、本実施の形態の方法を歩行支援装置に適用することにより、故障した荷重センサの荷重値して、総荷重と圧力中心ＣＯＰの座標を導出し、歩行支援装置の制御、使用者への情報提示を続けることができ、歩行支援装置の使用者の利便性を向上することができる。

なお、上記実施の形態では、荷重センサの数を４つとしているが、荷重センサの数は複数であれば、特に限定されない。

また、ＣＯＰの推定軌道の式は以下の式（５）を用いても良い

また、ＣＯＰの推定軌道を使用者毎、患者の症状毎に使い分けても良い。
また、荷重センサが故障する前のデータをもとに最小二乗法等を用いて多項式で近似したＣＯＰ推定軌道を用いても良い。この場合、推定軌道が正確である方が推定される荷重値の精度も向上する。

また、上記実施の形態では、右足を模するロボットの例を説明しているが、左足を模するロボットの例も同様に適用できる。左足の場合、右足と左右対称の位置関係を考慮して推定を行うことにより、荷重値の推定を実現することができる。また、左右両足を模するロボット構成とする場合には、右足及び左足の荷重測定をそれぞれ独立に行うことにより実現しても良いし、ＣＯＰの軌道推定を左右対象と考えて共通の式を適用しても良い。

２０歩行支援装置
２１ロボット脚
２２足部
２３、２３ｆＬ、２３ｆＲ、２３ｒＬ、２３ｒＲ荷重センサ

Claims

使用者の足裏に装着される複数の荷重センサを用いて、故障した荷重センサの荷重値を推定する方法であって、
荷重センサの１つが故障したか否か判断する工程と、
荷重センサの１つが故障した場合に、圧力中心の推定軌道の式と、荷重センサの位置と荷重値と圧力中心との関係式から、故障した荷重センサの荷重値を推定する行程を有する方法。