JP6272735B2 - 歩行補助装置および歩行制御プログラム - Google Patents

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Description

本発明は、歩行補助装置および歩行制御プログラムに関する。
従来、歩行補助装置において、歩行支援対象者の股関節角度の周期に基づく第1位相振動子と、左右の股関節角度の偏差に基づく第2位相振動子を用いてアシストトルクを発生させて、歩行補助装置の動作周期と歩行支援対象者の歩行周期とを調和させている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1 特開2013―111408
しかしながら、上記歩行補助装置は、動作周期と歩行支援対象者の歩行周期とを調和させるものであって、股関節の周期的な動作によって定められる位相角を修正するものではないので、歩行周期に対する位相角の変化が乱れやすい、という課題があった。
本発明の第1の態様における歩行補助装置は、使用者の周期的な歩行動作に補助力を付与する付与部と、付与部の動作を制御する制御部と、使用者の股関節角度および股関節角速度の少なくともいずれかを検出する検出部と、使用者の股関節の周期的な動作に対して規定される位相角を、検出部の検出結果に基づいて算出する算出部とを備える歩行補助装置であって、歩行補助装置は、歩行動作が繰り返されるに従って、時間経過に対する位相角の位相パターンが直線に漸近するように、入力された位相角を予め定められた位相変化パターンに基づき段階的に修正して第1修正位相角として出力する第1位相角修正部をさらに備え、制御部は、第1修正位相角および所定の位相角のいずれか一方に対して予め設定されている連続的な補助力の変化パターンに基づいて目標値を取得して、目標値に従って付与部を制御することを特徴とすることを特徴とする。
本発明の第2の態様における歩行制御プログラムは、使用者の股関節角度および股関節角速度の少なくともいずれかを検出する検出ステップと、使用者の股関節の周期的な動作に対して規定される位相角を、検出ステップの検出結果に基づいて算出する算出ステップと、歩行動作が繰り返されるに従って、時間経過に対する位相角の位相パターンが直線に漸近するように、入力された位相角を予め定められた位相変化パターンに基づき段階的に修正して第1修正位相角として出力する第1修正ステップと、第1修正位相角および所定の位相角のいずれか一方に対して予め設定されている連続的な補助力の変化パターンに基づいて、歩行動作に補助力を付与する付与部の補助力の目標値を取得する取得ステップと、目標値に従って付与部を制御する制御ステップとをコンピュータに実行させる。
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
歩行補助装置の使用状況を説明する説明図である。 歩行補助装置の外観斜視図である。 使用者の動作と角度の定義を説明する説明図である。 位相化処理の概念を説明する図である。 位相化処理における各信号波形を説明する説明図である。 歩行補助装置を構成する各要素を説明する要素ブロック図である。 位相補正に係る各処理を説明する機能ブロック図である。 信号波形の変化を説明する説明図である。 使用者に補助力を付与する処理の流れを示すフロー図である。 アシスト位相角を算出する場合の信号波形を説明する説明図である。 アシスト位相角に対応したトルク値を連続的につなげた波形の一例を示す。 アシストトルクの一例を示す。 単調増加処理の流れを示すサブフロー図である。 単調増加処理を行った場合の信号波形を説明する説明図である。 位相パターン学習処理の流れを示すサブフロー図である。 位相パターン学習処理を説明する説明図である。 直線化処理を行った場合の信号波形を説明する説明図である。 直線化処理の流れを示すサブフロー図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の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。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1は、本実施形態に係る歩行補助装置100の使用状況を説明する説明図である。使用者900は、歩行補助装置100を腰部と脚部に装着して固定する。人間の歩行動作は、一般的に、軸足の蹴り出し動作と、反対の足の振り出し動作を交互に繰り返す。例えば図示するように、右足を軸足として左足を振り出す場合は、歩行補助装置100は、右大腿902に後方への補助力を作用させて蹴り出し補助を行い、左大腿901に前方への補助力を作用させて振り出し補助を行う。逆に、左足を軸足として右足を振り出す場合は、歩行補助装置100は、左大腿901に後方への補助力を作用させて蹴り出し補助を行い、右大腿902に前方への補助力を作用させて振り出し補助を行う。歩行補助装置100がこのような補助動作を繰り返すことにより進行方向への推進力を補助し、使用者900は、軽快に歩行することができる。
歩行補助装置100は、健常者に使用される場合に限らない。正常な歩容を取り戻す訓練を行うリハビリ患者にも使用される。例えば、脳卒中後の片麻痺を呈するリハビリ患者の歩行においては、足を振り出す時期である遊脚期の膝屈曲角度が低下してつまずきやすくなるために、骨盤の引き上げなどの歩容異常が発生することが知られている。歩行補助装置100は、振り出し補助によって膝屈曲角度を増加させることができるので、脳卒中後のリハビリにも適する。したがって、歩行補助装置100は、リハビリ患者の状態に合わせて適切かつ早期に歩容を矯正することができる。また、一側面としては、歩行補助装置100は、これまで理学療法士がリハビリ患者の足を支えて行ってきたリハビリ処置において、理学療法士の肉体的作業を軽減することができる。
さらには、歩行補助装置100は、人間への適用に限らず、動物、機械へ適用することもできる。また、補助力をアシストとして作用させるに限らず、レジストとして作用させることもできる。すなわち、歩行補助装置100は、使用者900の振り出し動作に対して後方へ補助力を作用させ、蹴り出し動作に対して前方へ補助力を作用させる抵抗力を発生させる。このように歩行補助装置100を動作させれば、例えばアスリートが筋力増強のトレーニング器具として利用できる。
本実施形態においては、補助力をアシストとして作用させる場合について説明する。以下に歩行補助装置100を具体的に説明する。
図2は、歩行補助装置100の外観斜視図である。歩行補助装置100は、使用者900の腰部背面から腰部側面にかけて押し当てられる腰フレーム103を備える。腰フレーム103は、アルミニウム等の軽量合金、ポリカーボネート等の樹脂、カーボンファイバといった剛性の高い素材によって形成されている。腰フレーム103の背面中央付近には起動スイッチ101が設けられており、使用者900は、このスイッチを押圧操作すると、歩行補助装置100を起動させることができる。また、再度このスイッチを押圧操作すると、歩行補助装置100を停止させることができる。
また、腰フレーム103の背面部には、歩行補助装置100に電力を供給するバッテリ102が、着脱可能に配置されている。バッテリ102は、例えば20V程度の出力電圧を有するリチウムイオン電池が適用される。
腰フレーム103の両端部には腰ベルト104が接続されている。腰ベルト104は、腰フレーム103と共に使用者900の腰部を取り巻いて、腹面側で繋止される。腰ベルト104のベルト部は、繊維素材等の柔軟素材によって形成されている。このように、腰フレーム103と腰ベルト104により、歩行補助装置100は、使用者900に対して安定的に装着される。
腰フレーム103の腰部両側面側には、それぞれアクチュエータの一例としての左用モータ121と右用モータ122が配置されている。左用モータ121および右用モータ122は、同一仕様のモータであり、例えば最大トルク4N・m程度の出力能力を有するDCモータである。左用モータ121は、腰フレーム103に対して左用大腿フレーム141を回転動作させる。左用大腿フレーム141には、左用モータ121の出力回転軸の回転角および回転速度を検出する左用角度センサ131が設けられている。同様に、右用モータ122は、腰フレーム103に対して右用大腿フレーム142を回転動作させる。右用大腿フレーム142には、右用モータ122の出力回転軸の回転角および回転速度を検出する右用角度センサ132が設けられている。左用角度センサ131および右用角度センサ132は、例えば、ロータリエンコーダである。
左用大腿フレーム141および右用大腿フレーム142は、腰フレーム103と同様に、アルミニウム等の軽量合金、ポリカーボネート等の樹脂、カーボンファイバといった剛性の高い素材によって形成されている。左用大腿フレーム141には、左用モータ121と連結される一端側とは反対の他端側に左用大腿ベルト151が取り付けられている。使用者900は、左用大腿ベルト151を左足の大腿部のうち膝の近傍に巻き付けて固定する。同様に、右用大腿フレーム142には、右用モータ122と連結される一端側とは反対の他端側に右用大腿ベルト152が取り付けられている。使用者900は、右用大腿ベルト152を右足の大腿部のうち膝の近傍に巻き付けて固定する。左用大腿ベルト151および右用大腿フレーム142は、繊維素材等の柔軟素材によって形成されている。
このように構成された歩行補助装置100によれば、左用モータ121が通電されていない場合には、左用角度センサ131は、使用者900による自力の歩行動作における左大腿901の回転角を検出することができる。左用モータ121が通電されて順回転した場合には、左用モータ121は、左用大腿フレーム141を振り出し方向に回転させ、その結果、左足の大腿部を前側へ持ち上げる補助力を発生させる。左用モータ121が通電されて逆回転した場合には、左用モータ121は、左用大腿フレーム141を蹴り出し方向に回転させ、その結果、左足の大腿部を後側へ押し下げる補助力を発生させる。左用角度センサ131は、左用モータ121が通電されている場合にも左大腿901の回転角を検出する。
同様に、右用モータ122が通電されていない場合には、右用角度センサ132は、使用者900による自力の歩行動作における右大腿902の回転角を検出することができる。右用モータ122が通電されて逆回転した場合には、右用モータ122は、右用大腿フレーム142を振り出し方向に回転させ、その結果、右足の大腿部を前側へ持ち上げる補助力を発生させる。右用モータ122が通電されて順回転した場合には、右用モータ122は、右用大腿フレーム142を蹴り出し方向に回転させ、その結果、右足の大腿部を後側へ押し下げる補助力を発生させる。右用角度センサ132は、右用モータ122が通電されている場合にも右大腿902の回転角を検出する。
図3は、使用者900の動作と、回転角の定義を説明する説明図である。以後の説明において、右足に対応する値には、Rを右下に付記し、左足に対応する値には、Lを右下に付記する。なお、何も付記していない値は、右足および左足のどちらにも対応する値である。
図3に示すように、使用者900が前進する場合の変位方向を正とする。振り出し動作の場合、大腿部が相対的に上体910に接近する関係となり、これを屈曲運動と言う。屈曲運動の場合、変位方向としては正方向である。また、上体910の重力方向に沿う中心線を基本線とすると、股関節を一端として大腿部に沿う線分は基本線に対して正の回転角を成す。図においては左足が振り出し動作中であり、基本線に対して左大腿901に沿う線分が成す角である左股関節角度θは正値である。
蹴り出し動作の場合、大腿部が相対的に上体910から離れる関係となり、これを伸展運動と言う。伸展運動の場合、変位方向としては負方向である。また、股関節を一端として大腿部に沿う線分は基本線に対して負の回転角を成す。図においては右足が蹴り出し動作中であり、基本線に対して右大腿902に沿う線分が成す角である右股関節角度θは負値である。
次に、使用者900の股関節の周期的な動作に対して規定される位相角について説明する。図4は、位相化処理の概念を説明する図である。図4に示すように、位相角φは、例えば、股関節角度θに対する股関節角速度ωの比率の逆正接関数として定義される。すなわち位相角φは、関係式(1)により算出される。
位相角φ=Arctan(ω/θ) (1)
図5は、位相化処理における各信号波形を説明する説明図である。なお、位相化処理は、左足と右足とで同じなので、図5の説明においては、左足の位相化処理について説明し、右足の位相化処理については説明を省略する。
図5(a)は、使用者900の左足が屈曲運動を行い、その後、伸展運動を行った場合における左股関節角度θの例を示す信号波形と、左股関節角速度ωの例を示す信号波形を示す図である。図5(a)に示す信号波形において、縦軸は、角度[deg]または角速度[deg/sec]であり、横軸は、時間[sec]である。
図5(b)は、ω/θの信号波形を示す図である。図5(b)に示す信号波形において、縦軸は、ω/θ[1/sec]であり、横軸は、時間[sec]である。ω/θの値は、左股関節角速度ωの値を左股関節角度θの値で除することで算出される。
図5(c)は、Arctan(ω/θ)の信号波形を示す図である。図5(c)に示す信号波形において、縦軸は、位相角[rad]であり、横軸は、時間[sec]である。位相角φは、Arctan(ω/θ)の演算により算出される。この場合において、屈曲運動において算出される位相角φは、−0.5πから+0.5πの範囲の値を示し、同じく、伸展運動において算出される位相角φも、−0.5πから+0.5πの範囲の値を示す。
図5(d)は、Arctan(ω/θ)の信号波形を補正した信号波形を示す図である。図5(d)に示す信号波形において、縦軸は、位相角[rad]であり、横軸は、時間[sec]である。
本実施形態においては、それぞれ1対の屈曲運動および伸展運動を含む一歩の歩行動作における各足の状態を示す位相を、周期が0から2πの位相角で表す。1対の屈曲運動および伸展運動を含む運動のArctan(ω/θ)の値を、0から2πを周期とする位相角となるように補正する補正方法は、位相角を0とする足の状態をどの状態に定めるかによりそれぞれ異なる。本実施形態においては、例えば、屈曲運動を行う前であって、基本線と左足とが重なった状態を位相角0とし、伸展運動を行った後であって、再び基本線と左足とが重なる状態が位相角2πとなるようにArctan(ω/θ)の値を補正している。すなわち、基本線と左足とが重なり、左股関節角速度ωが正である時点が、屈曲運動を行う前で基本線と左足とが重なった状態であるとして、当該状態の位相角が0となるように、関係式(1)は、関係式(2)に補正される。
位相角φ=−Arctan(ω/θ)+0.5π (2)
そして、左股関節角度θが正であって、使用者900が屈曲運動を行っている間は、関係式(2)によって位相角φは算出される。
また、基本線と左足とが重なり、左股関節角速度ωが負である時点が、伸展運動を行う前であって、基本線と左足とが重なった状態であるとして、当該状態の位相角がπとなるように、関係式(1)は、関係式(3)に補正される。
位相角φ=−Arctan(ω/θ)+1.5π (3)
そして、左股関節角度θが負であって、使用者900が伸展運動を行っている間は、関係式(3)によって位相角φは算出される。そして、使用者900が継続して屈曲運動および伸展運動を行うと、再び、関係式(2)および関係式(3)により、次の周期の左位相角φが算出される。このようにして、使用者900の左股関節角度θと左股関節角速度ωとから、左位相角φが算出される。
次に、歩行補助装置100を構成する各制御要素を説明する。図6は、歩行補助装置100を構成する各制御要素を説明する要素ブロック図である。図示するように、歩行補助装置100を構成する各制御要素は、システム制御部201に対して直接的あるいは間接的に入出力の少なくともいずれかを行う。すなわち、予め設定されたプログラムを実行するCPUとしてのシステム制御部201は、これらの制御要素を統括的に制御する。
システム制御部201は、左用制御回路221を介して左用モータ121を制御する。同様に、右用制御回路222を介して右用モータ122を制御する。具体的には、システム制御部201は、左足を補助するアシストトルク値を算出したら、当該補助力を発生させるタイミングで算出結果を左用制御回路221に引き渡し、右足を補助するアシストトルク値を算出したら、当該補助力を発生させるタイミングで算出結果を右用制御回路222に引き渡す。左用制御回路221および右用制御回路222は、引き渡されたアシストトルク値に従ってアナログの駆動電圧を生成し、それぞれ左用モータ121および右用モータ122に印加する。すなわち、左用制御回路221および右用制御回路222は、DA変換器を含む増幅回路を有する。
システム制御部201は、左用検出回路231を介して左用角度センサ131の検出結果を受け取る。同様に、右用検出回路232を介して右用角度センサ132の検出結果を受け取る。具体的には、左用角度センサ131は、左大腿901の回転角度に応じて電圧パルスを連続的に発生させる。左用検出回路231は、当該電圧パルスをカウントして単位時間当たりの回転角度に変換し、当該回転角度をデジタル値として単位時間ごとにシステム制御部201へ引き渡す。また、左用検出回路231は、単位時間ごとの回転角度を単位時間で除することにより、左股関節角速度を検出することもできる。左用検出回路231は、左股関節角速度もシステム制御部201へ引き渡す。
同様に、右用角度センサ132は、右大腿902の回転角度に応じて電圧パルスを連続的に発生させる。右用検出回路232は、当該電圧パルスをカウントして単位時間当たりの回転角度に変換し、当該回転角度をデジタル値として単位時間ごとにシステム制御部201へ引き渡す。また、右用検出回路232は、単位時間ごとの回転角度を単位時間で除することにより、右股関節角速度ωを検出することもできる。右用検出回路232は、右股関節角速度もシステム制御部201へ引き渡す。
操作部211は、起動スイッチ101を含む、使用者900から指示を受けるための操作部材である。図2においては起動スイッチ101を表すに留めたが、補助力の調整を受け付ける調整つまみ等の操作部材を備えてもよい。システム制御部201は、操作部211が検出する操作部材の変化に従って、それぞれ異なる制御を実行してもよい。
メモリ212は、例えばSSDなどのフラッシュメモリを用いた記憶装置であり、システム制御部201が実行するプログラム、各種パラメータ値等を、電源オフ時にも消失しないように記憶している。また、システム制御部201が行う演算で生成される諸値を一時的に記憶させるワークメモリとしての機能も担う。本実施形態において、メモリ212は、システム制御部201で補正された位相角φ、1周期分の修正された位相角φから構成される位相パターンおよびトルクテーブル等を記憶する。メモリ212は、それぞれの用途に合わせて、物理的に分離された複数種類のメモリから構成されてもよい。なお、メモリ212は記憶部の一例である。
入出力インタフェース213は、外部機器との入出力を実現する通信部を含む。例えば、歩行補助装置100が外部機器としてのスマートフォンと連携する場合、入出力インタフェース213は、スマートフォンで設定された設定内容を受信し、メモリ212に格納されている履歴情報をスマートフォンへ送信する。なお、メモリ212に記憶されたプログラムは、入出力インタフェース213を通じて有線または無線で外部機器と通信することによってメモリ212に記憶されてもよく、媒体から読み込まれてメモリ212に記憶されてもよい。
次に補助力の目標値であるアシストトルクPを取得する処理について機能ブロック図および具体的な信号波形を用いて説明する。図7は、位相補正に係る各処理を説明する機能ブロック図である。また、図8は、信号波形の変化を説明する説明図である。
上述のように、左用角度センサ131から出力された出力信号は、左用検出回路231で単位時間当たりの左大腿901の左股関節角度θおよび左股関節角速度ωに変換されてシステム制御部201に送られる。同様に、右用角度センサ132から出力された出力信号は、右用検出回路232で単位時間当たりの右大腿902の右股関節角度θおよび右股関節角速度ωに変換されてシステム制御部201に送られる。すなわち、左用角度センサ131、左用検出回路231、右用角度センサ132および右用検出回路232は、使用者900の股関節角度θおよび股関節角速度ωを検出する検出部230として機能する。図8(a)は、右股関節角度θおよび左股間接角度θの信号波形を示す図である。縦軸は、角度[deg]であり、横軸は、時間[sec]である。これらの信号に対するこれ以降の各処理はシステム制御部201が実行するが、システム制御部201が実行する各処理を機能ブロックとして順次説明する。
図8(b)は、右位相角φおよび左位相角φの信号波形を示す図である。縦軸は、位相角[rad]であり、横軸は、時間[sec]である。算出部202は、使用者900の運動が屈曲運動であるか、伸展運動であるかを判断する。そして算出部202は、股関節角度θが正の場合に、使用者900の運動が屈曲運動であると判断し、関係式(2)を用いて補正された位相角φを算出する。一方、算出部202は、股関節角度θが負の場合に、使用者900の運動が伸展運動であると判断し、関係式(3)を用いて補正された位相角φを算出する。算出部202は、算出した位相角φを修正部203に引き渡す。
修正部203は、算出部202から取得した位相角φを修正する。図8(c)は、単調増加処理後の左位相角φおよび右位相角φの信号波形を示す図である。縦軸は、位相角[rad]であり、横軸は、時間[sec]である。修正部203は、位相角φの修正として、位相角の単調増加処理を実行する。修正部203は、歩行周期に対して位相角φが徐々に増加するように位相角φを修正する。修正部203は、修正した位相角φをメモリ212の位相角記憶部214に記憶させる。なお、修正部203による位相角φの単調増加処理の具体的な内容については後述する。
また、修正部203は、位相角φの修正として、位相パターン学習処理を実行する。メモリ212の位相パターン記憶部215には、前回パターン学習処理された1周期分の位相角φで構成され、位相角の時系列的な変化を示す位相パターンが記憶されている。修正部203は、当該位相パターンをメモリ212から参照して、新たに取得した1周期分の位相角φで構成される位相パターンを修正する。そして、メモリ212は、修正部203が修正した位相パターンに基づいて、位相パターン記憶部215に記憶されている位相パターンを更新する。なお、修正部203による位相パターン学習処理の具体的な内容については後述する。
図8(d)は、直線化処理後の左位相角φおよび直線化処理後の右位相角φの信号波形を示す図である。縦軸は、位相角[rad]であり、横軸は、時間[sec]である。修正部203は、位相角φの修正として、歩行動作が繰り返されるに従って、歩行周期の時間経過に対する位相角φの位相パターンが直線に漸近するように、予め定められた位相変化パターンに基づき位相角φをそれぞれの歩行周期ごとに段階的に修正する。ここで、予め定められた位相変化パターンの一例は、位相パターン学習処理された位相パターンである。修正部203は、単調増加処理後の位相角φと位相パターン学習処理された位相パターンとを用いて直線化処理をそれぞれの歩行周期ごとに実行する。このように、修正部203が直線化処理を歩行周期ごとに実行することによって、直線化処理後の位相角φおよび直線化処理後の位相角φは、時間経過とともに直線的な変化に近づいていくことが図8(d)から見てとれる。なお、修正部203による直線化処理の具体的な処理については後述する。
図8(e)は、左アシスト位相角φALおよび右アシスト位相φARの信号波形を示す図である。縦軸は、位相角[rad]であり、横軸は、時間[sec]である。修正部203は、直線化処理した位相角φから固定値を増減することによって、アシスト位相角φを算出する。例えば、修正部203は、直線化処理した位相角φから固定値を減少させる。これにより、修正部203は直線化処理した位相角φを、全体的に位相角が小さくなるように変更できる。また、修正部は、例えば、直線化処理した位相角から固定値分を増加させる。これにより、修正部203は、直線化処理した位相角φを全体的に位相角が大きくなるように変更できる。なお、修正部203は、固定値を0として、直線化処理した位相角φをそのままアシスト位相角φとして用いてもよい。修正部203は、変換したアシスト位相角φを駆動制御部204に引き渡す。
図8(f)は、左アシストトルクPおよび右アシストトルクPの信号波形を示す図である。縦軸は、トルク[N・m]であり、横軸は、時間[sec]である。駆動制御部204は、修正部203から左アシスト位相角φALおよび右アシスト位相角φARを取得すると、メモリ212のトルクテーブル記憶部216に記憶されているトルクテーブルを参照して、左アシスト位相角φALに対応したアシストトルクPおよび右アシスト位相角φARに対応したアシストトルクPを取得する。
トルクテーブルには、左アシスト位相角φALが取りうる各値に対して、それぞれ左アシストトルクPの値が対応付けられている。また、右アシスト位相角φARが取りうる各値に対して、それぞれ右アシストトルクPの値が対応付けられている。すなわち、トルクテーブルは、アシスト位相角φとアシストトルクPとを対応付けたルックアップテーブルである。
駆動制御部204は、取得した左アシストトルクPを、アシストトルクを発生させるタイミングで左用制御回路221に引き渡し、左用モータ121を駆動させて使用者900に補助力を付与する。また、駆動制御部204は、取得した右アシストトルクPを、アシストトルクを発生させるタイミングで右用制御回路222に引き渡し、右用モータ122を駆動させて使用者900に補助力を付与する。このように、左用制御回路221と左用モータ121および右用制御回路222と右用モータ122は、使用者900の周期的な歩行動作に補助力を付与する付与部240として機能する。
このように、システム制御部201は、算出部202により位相角φを算出し、修正部203により、算出した位相角φを、単調増加処理、パターン学習処理および直線化処理を施して、位相角φが歩行周期に対して直線的に変化するように修正する。そして、駆動制御部204は、歩行周期に対して直線的に変化した位相角φに対応したアシストトルクPを取得する。これにより、本実施形態の歩行補助装置100は、当該アシストトルクPに基づいた補助力を使用者900に付与できる。
また、図7および図8を用いて説明した処理において、システム制御部201は、検出部230から股関節角度θおよび股関節角速度ωを取得すると、算出部202は、股関節角度θおよび股関節角速度ωを用いて逐次位相角φを算出する。修正部203は、算出部202から位相角φを取得すると、単調増加処理、パターン学習処理および直線化処理を実行して位相角φを逐次修正する。駆動制御部204は、修正部203からアシスト位相角φを取得すると、逐次アシストトルクPを取得して左用制御回路221または右用制御回路222に出力する。このように、歩行補助装置100は、全ての処理を逐次実行することによって、迅速に使用者900の歩容に合致させた補助力を使用者900に付与できる。ここで、逐次とは、算出部202が検出部230から10ミリ秒ごとに股関節角度θおよび股関節角速度ωを取得した場合に、そのつど算出部202は、取得間隔である10ミリ秒ごとに、リアルタイムで位相角φを算出することをいう。また、同様に、修正部203であれば、修正部203が算出部202から10ミリ秒ごとに位相角φを取得した場合に、そのつど修正部は、取得間隔である10ミリ秒ごとにリアルタイムで位相角φを修正することをいう。
次に、使用者900に補助力を付与する処理を一連の処理手順の観点で説明する。図9は、使用者900に補助力を付与する処理の流れを示すフロー図である。なお、以後の説明において、図面には左足および右足の信号波形を示すが、左足と右足とで同じ処理を行う場合においては、左用モータ121のアシストトルクPを取得する処理を説明し、右用モータ122のアシストトルクPを取得する処理については説明を省略する。図9に示したフローは、起動スイッチ101が使用者900に押圧操作されて、システム制御部201が制御プログラムをメモリ212から読み出して初期化作業を完了した時点から開始する。
システム制御部201は、左用角度センサ131と左用検出回路231を機能させて、左股関節角度θと、左股関節角速度ωとを取得する(ステップS101)。算出部202は、上述した位相化処理を実行して左股関節角度θと左股関節角速度ωにより定まる左位相角φを算出する(ステップS102)。修正部203は、算出した左位相角φに単調増加処理を施す(ステップS103)。なお、単調増加処理については、図13および図14を用いて説明する。
修正部203は、単調増加処理後の左位相角φに位相パターン学習処理を施す(ステップS104)。位相パターン学習処理については、図15および図16を用いて説明する。修正部203は、さらに、位相パターン学習処理により作成した学習済の位相パターンを用いて、単調増加処理後の左位相角φに直線化処理を施す(ステップS105)。直線化処理については、図17および図18を用いて説明する。
修正部203は、直線化処理した左位相角φを変換してアシスト位相角φALを取得して(ステップS106)、駆動制御部204に出力する。修正部203は、例えば、右用アシスト位相角φARおよび左用アシスト位相角φALが予め定められた右用アシスト位相角φARおよび左用アシスト位相角φALとなるように、直線化処理後の左位相角φおよび直線化処理後の右位相角φから固定値を加算または減少する。
図10は、アシスト位相角φを算出する場合の信号波形を説明する説明図である。図10を用いて、直線化処理した位相角φから固定値を減じて、直線化処理した位相角φから全体的に位相角が小さくなるように変換されたアシスト位相角φを取得する処理の一例を説明する。
図10(a)は、直線化処理した位相角の信号波形を示す図である。図10(a)において、縦軸は、位相角[rad]であり、横軸は、時間[sec]である。修正部203は、直線化処理した位相角φから個定値を減ずる。修正部203は、固定値を減じた結果、位相角φが0より小さい値となった場合には、2πから当該値を減じた位相角φとして1つ前の位相周期に連結させる。一方、修正部203は、位相角φが0より大きい値となった場合には、今回の位相周期における固定値分減じた位相角φとする。図10(a)の破線より下側の信号波形は、固定値を減じた結果、位相角φが0より小さい値となる領域である。したがって、この領域に含まれる信号波形は、1つ前の位相周期の位相角φに連続的につながるように上側に追加される。一方、図10(a)の破線より上側の信号波形は、固定値を減じた結果、位相角φが0より大きい値となる領域である。したがって、この領域に含まれる信号波形は、そのまま下方にシフトされる。このように変換されて作成された左アシスト位相角φALおよび右アシスト位相角φARを図10(b)に示す。
図10(b)は、左アシスト位相角φALおよび右アシスト位相角φARの信号波形を示す図である。図10(b)において、縦軸は、位相角[rad]であり、横軸は、時間[sec]である。このように、修正部203は、直線化処理した位相角φから固定値を減じて、全体的に位相角φを角度が小さくなる方向にシフトさせることができる。なお、図10(b)においては、左位相角φおよび右位相角φから同じ固定値を減じた例を示したが、右位相角φと左位相角φとの位相周期の差に基づいて、それぞれ異なる固定値を増減させてもよい。これにより、左アシスト位相角φALと右アシスト位相角φARとの位相差を調整できる。
図9のステップS106に続いて、駆動制御部204は、アシスト位相角φに対応するアシストトルクを取得する(ステップS107)。図11は、アシスト位相角に対応したトルク値を連続的につなげた波形の一例を示す図であり、図12は、アシストトルクPの一例を示す図である。本実施形態において、トルクテーブルは、例えば、0から2πのアシスト位相角φに対してアシストトルクPが−2sinφとなるように、アシスト位相角φとアシストトルクPとを対応付けている。駆動制御部204は、トルクテーブル記憶部216に記憶されているトルクテーブルを参照して、図12に示すような左アシスト位相角φALに対応した左アシストトルクPを取得する。そして、駆動制御部204は、取得した左アシストトルクPを左用制御回路221に引き渡すことによって、左用モータ121から左アシストトルクPに対応した補助力を使用者900に付与できる。なお、トルクテーブル記憶部216には、トルクテーブルに代えて、関数として、関係式(4)が格納されていてもよく、その場合、駆動制御部204は、関係式(4)とアシスト位相φとから、アシストトルクPを算出する。
アシストトルクP=−2sinφ (4)
図9のステップS107に続いて、駆動制御部204は、取得した左アシストトルクPを左用制御回路221に出力し、取得した右アシストトルクPを右用制御回路222に出力する(ステップS108)。左用制御回路221は、左用モータ121を駆動させて使用者900に左アシストトルクPに対応した補助力を付与させる。同様に、右用制御回路222は、右用モータ122を駆動させて使用者900に右アシストトルクPに対応した補助力を付与させる(ステップS109)。
システム制御部201は、使用者900から終了指示を受けたか否かを判断する(ステップS110)。具体的には、起動スイッチ101が再度押圧操作されたか否かを検出する。なお、操作の主体は、使用者900に限らず、補助者等であってもよい。
システム制御部201は、終了指示をまだ受けていないと判断したら(ステップS110:No)、処理をステップS101へ戻し、一連の処理を繰り返す。システム制御部201は、終了指示を受けたと判断したら(ステップS110:Yes)、処理をステップS111へ進める。
システム制御部201は、ステップS111で終了処理を実行する。例えば、システム制御部201は、終了処理として、メモリ212の位相角記憶部214に記憶した単調増加処理後の位相角φおよび位相パターン記憶部215に記憶した学習済の位相パターンを消去する。システム制御部201は、終了処理が完了したら一連の処理を終了して、バッテリ102の電力供給を停止させる。なお、同じ使用者900が連続して歩行補助装置100を使用する場合には、メモリ212の位相角記憶部214に記憶した単調増加処理後の位相角φおよび位相パターン記憶部215に記憶した学習済の位相パターンを消去しないと設定できてもよい。これにより、歩行補助装置100は、迅速に使用者900の歩容に合致させた補助力を使用者900に付与できる。
図13は、図9におけるステップS103の単調増加処理の詳細を示すサブフロー図である。また、図14は、単調増加処理後における位相角φの信号波形を説明する説明図である。図13および図14を用いて、修正部203により実行される単調増加処理の一例を説明する。なお、単調増加処理を実行する修正部203は、第2位相角修正部として機能し、単調増加処理後の位相角φは、第2修正位相角と称する場合がある。
修正部203は、算出部202から位相角φを取得すると、取得した位相角φが閾値以下であるか否かを判断する(S201)。ここで閾値は、前回の位相角φの歩行周期から定められる単位時間の基準増加量を加えた値であり、関係式(5)で表すことができる。
閾値=単調増加位相角(前回値)+2π/歩行周期×制御周期 (5)
ここで、歩行周期は、屈曲運動および伸展運動を含む前回の歩行周期である。また、制御周期は、算出部202から新たな位相角φが出力されるまでの単位時間である。修正部203は、位相角φが閾値以下であると判断した場合(ステップS201:Yes)、位相増加刻みを前回の位相角φの歩行周期から定められる単位時間の基準増加量に基づいた関係式(6)に設定する(ステップS202)。
位相増加刻み=A×2π/歩行周期×制御周期 (6)
ここで、Aは任意の正の定数である。
一方、修正部203は、位相角φが閾値以下でないと判断した場合(ステップS201:No)、位相増加刻みを、位相角φと前回の単調増加位相角の差に基づいた関係式(7)に設定する(ステップS203)。
位相増加刻み=B×(位相角φ−前回の単調増加位相角) (7)
ここで、Bも任意の正の定数である。
修正部203は、位相角φに、ステップS202またはステップS203で設定した位相増加刻みを加算する(ステップS204)。修正部203は、位相増加刻みを加算した位相角φを位相角記憶部214に記憶して、処理をメインフローへ戻す。このように、修正部203は、算出部202が算出した位相角φが、閾値よりも大きいか否かにより異なる増分値を定め、位相角φに当該増分値を加えることによって、位相角φを修正する。なお、位相角記憶部214に記憶された単調増加処理した位相角φは、位相パターン学習処理、直線化処置および次回の単調増加処理に使用される。
図14(a)は、単調増加処理の概念を示した図である。図14(a)において、閾値は、関係式(5)により示される値である。すなわち、単調増加処理において、関係式(6)より算出される位相増加刻みを用いるか、または、関係式(7)より求まる位相増加刻みを用いるかは、単調増加処理した前回の位相角φ値を通り、前回の歩行周期に対して位相角が0から2πへ直線的に変化した場合の直線に対し、測定された位相角φが小さいか否かで判断される。そして、測定された位相角φが当該直線に対して小さい場合には、関係式(6)より算出される位相増加刻みが設定され、測定された位相角φが当該直線に対して大きい場合には、関係式(7)より算出される位相増加刻みが設定される。そして、設定した位相増加刻みを位相角φに加算することによって、修正部203は、位相角φが歩行周期に対して0から2πへ直線的に変化した場合の直線に近づくように位相角φを修正できる。
さらに、関係式(6)および関係式(7)において、定数Aおよび定数Bを大きく設定することによって、修正部203は、位相角φを急激に変化させて、迅速に、歩行周期に対して0から2πへ直線的に変化するように修正する。一方、定数Aおよび定数Bを小さく設定することで、修正部203は、位相角φを大きく修正せずに、使用者900の実際の歩容に忠実に合致させる。
図14(b)は、単調増加処理前の信号波形と、単調増加処理後の信号波形を示す。図14において、縦軸は、位相角[rad]であり、横軸は、時間[sec]であり、実線は、単調増加処理前の右位相角φおよび左位相角φの信号波形を示し、破線は、単調増加処理後の右位相角φおよび単調増加処理後の左位相角φの信号波形を示す。図14(b)に示すように、修正部203は、位相角φが急減に増加している場合には、負の位相増加刻みを加算することによって、急減な位相増加を緩和する。また、修正部203は、位相角φが停滞している場合には、正の位相増加刻みを加算することによって、位相角φを増加させる。単調増加処理後の位相角φは、単調増加処理前の位相角φよりも歩行周期に対して直線的に変化するように修正される。そして、歩行補助装置100は、このように歩行周期に対して直線的に変化する位相角φに対応したトルクに基づいて使用者900の歩行を補助することによって、滑らかな理想的なトルクで使用者900の歩行を補助できる。
また、他の単調増加処理の方法としては、前回の位相角φと計測した位相角φとの差が、所定の閾値以下である場合に、修正部203は、位相角φが停滞していると判断して、予め設定しておいた増分を前回の位相角φに加算して、位相角φを修正してもよい。また、前回の位相角φと計測した位相角φとの差が、所定の閾値以上である場合に、修正部203は、位相角φが急激に増加していると判断して、前回の位相角φと計測した位相角φとの差分補正を行い、位相角φを修正してもよい。
図15は、図9におけるステップS104の位相パターン学習処理の流れを示すサブフロー図である。また、図16は、位相パターン学習処理を説明する説明図である。図15および図16を用いて、修正部203により実行される位相パターン学習処理の一例を説明する。なお、位相パターン学習処理を実行する修正部203は、第1位相角修正部として機能し、位相パターン学習処理後の位相角φは、第1修正位相角と称する場合がある。
修正部203は、まず、単調増加処理が1周期分完了したか否かを判断する(ステップS301)。修正部203は、算出部202から取得した位相角φが2πである場合に、単調増加処理が1周期分完了したと判断し(ステップS301:Yes)、修正部203は、位相パターン学習処理として、1周期分の単調増加処理した位相角φに(1−Klearned)を乗じて信号波形を算出する。また、修正部203は、前回までの学習済の位相パターンを位相パターン記憶部215から読み出し、前回までの学習済の位相パターンの各位相角φにKlearnedを乗じて信号波形を算出する。修正部203は、1−Klearnedを乗じて算出した信号波形と、Klearnedを乗じて算出した信号波形を加算して、今回測定された位相パターンと前回までの学習済の位相パターンとを重み付け平均処理する。なお、Klearnedは、0<Klearned<1の範囲に含まれる任意の定数である。修正部203は、位相パターン記憶部215に記憶されている前回までの学習済の位相パターンを、今回算出された学習済の位相パターンに更新して(ステップS302)、処理をメインフローへ戻す。
一方、修正部203は、算出部202から取得した位相角φが2πでない場合に、単調増加処理が1周期分完了していないと判断する(ステップS301:No)。そして、修正部203は、単調増加処理した位相角φを位相角記憶部214に記憶させて(ステップS303)、処理をメインフローへ戻す。
図16において、1周期分の単調増加処理された位相角φの位相パターンをf(t)とし、前回までの学習済の位相パターンをF(n−1)とする。すると、今回の学習済の位相パターンF(n)は、関係式(8)で算出される。
F(n)=(1−Klearned)×f(t)+Klearned×F(n−1)(t) (8)
関係式(8)により算出された学習済の位相パターンは、位相パターン記憶部215に記憶され、直線化処理および次回の位相パターン学習処理に用いられる。
修正部203は、歩行動作における周期のばらつきを正規化により除去して、位相パターン記憶部215に記憶される位相パターンを修正する。例えば、位相パターン記憶部215は、関係式(8)により算出された学習済の位相パターンの歩行周期を0から1の無次元の値として正規化する。なお、修正部203に代えて、位相パターン記憶部215が歩行動作における周期のばらつきを正規化により除去する機能を有していてもよい。
学習済の位相パターンの歩行周期を0から1の無次元の値として正規化した場合において、修正部203は、学習済の位相パターンにおける正規化された値に、単調増加された位相角φの歩行周期を振り分けた学習済の位相パターンを生成して、位相パターン学習処理を実行する。また、これに代えて、修正部203は、単調増加された位相角φの歩行周期を0から1の無次元の値として正規化して、位相パターン学習処理を実行してもよい。このように、歩行周期を正規化することによって、単調増加処理された位相パターンの歩行周期が、学習済みの位相パターンの歩行周期と異なる場合であっても、修正部203は、位相パターン学習処理を実行できる。
位相パターン学習処理において、任意の定数であるKlearnedを大きくすると、前回までの学習済の位相パターンに重み付けでき、Klearnedを小さくすると、今回測定された位相パターンに重み付けできる。すなわち、足を患った患者やお年寄りのように、突発的な歩行の乱れが生じやすい使用者900が歩行補助装置100を使用した場合には、Klearnedの値を大きく設定することによって、突発的な歩行の乱れが与える、学習済の位相パターンへの影響を少なくできる。また、健常者のような突発的な歩行の乱れが生じない使用者900においては、Klearnedの値を小さく設定することによって、使用者900の現在の歩容を、迅速に学習済位相パターンへ反映させることができる。
図17は、直線化処理を行う場合の信号波形の変化を説明する説明図である。まず、図17を用いて、直線化処理の具体的な一例を説明する。
図17(a)は、単調増加処理後の位相角φの信号波形を示す。図17(a)において、縦軸は、位相角[rad]であり、横軸は、時間[sec]である。図17(a)に示した信号波形における点(T、φ)を例として、直線化処理を説明する。
図17(b)は、前回の学習済の位相パターンを示す。図17(b)において、縦軸は、位相角[rad]であり、横軸は、正規化処理されている場合には無次元であるが、説明をわかりやすくする目的で、図17および図18の説明においては、横軸を時間[sec]として説明する。修正部203は、図17(b)に示した前回の学習済の位相パターンを参照して、位相角φに対応する時間Tを取得する。
図17(c)は、前回の学習済位相パターンの歩行周期に0から2πの位相角をあてはめた信号波形を示す。図17(c)において、縦軸は、位相角[rad]であり、横軸も位相角[rad]である。修正部203は、学習済位相パターンの歩行周期に0から2πの位相角の周期をあてはめる。図17(b)における学習済位相パターンの歩行周期の開始時間をT、終了時間をTとすると、修正部203は、関係式(9)により直線化処理後の位相角φを算出する。
直線化処理後の位相角φ=2π×T−T/T−T (9)
修正部203は、単調増加処理後の位相角φを直線化処理後の位相角φに修正する。
図17(d)は、直線化処理後の位相角φをプロットした信号波形を示す。修正部203による直線化処理は、図17(c)で終了しているが、算出した直線化処理後の位相角φを時間軸と位相角との関係にプロットし直した信号波形が図17(d)である。図17(d)において、縦軸は、位相角[rad]であり、横軸は、時間[sec]である。このように、修正部203は、単調増加処理後の位相角φに直線化処理を施すことによって、図17(d)に示したような、歩行周期に対して直線的に変化する位相角φに修正できる。
図18は、図9におけるステップS105の直線化処理の流れを示すサブフロー図である。図18を用いて、修正部203により実行される直線化処理の流れを説明する。なお、直線化処理を実行する修正部203は、第1位相角修正部として機能し、直線化処理後の位相角φについても第1修正位相角と称する場合がある。
修正部203は、位相パターン記憶部215から前回の学習済の位相パターンを読み出す(ステップS401)。修正部203は、単調増加処理後の位相角φに対応する学習済の位相パターンの歩行周期に対する時間を算出する(ステップS402)。この処理は、図17の例では、位相角φからTを取得する処理である。
修正部203は、学習済の位相パターンの歩行周期へ0から2πの位相角周期をあてはめる(ステップS403)。この処理は、図17の例では、TからTの歩行周期を0から2πの位相周期とする処理である。
修正部203は、ステップS402で算出した位相周期の時間にあてはめられた位相角φを直線化処理後の位相角φとして取得する(ステップS404)。この処理は、図17の例では、関係式(9)を用いて、直線化処理後の位相角φを算出する処理である。修正部203は、単調増加処理後の位相角φを直線化処理後の位相角φに修正して、処理をメインフローへ戻す。
修正部203は、上述したような写像変換による直線化処理を施す。上述した直線化処理は、図17(a)および図17(b)に示すように、直線化処理後の位相角φの信号波形の傾向が、学習済の位相パターンの信号波形の傾向と同じである場合には、位相角φの信号波形が曲線であったとしても、歩行周期に対して位相角φが直線的に変化するように位相角φを修正する。そして、駆動制御部204は、このように歩行周期に対して直線的に変化する位相角φに対応したアシストトルクPをトルクテーブルから取得して、付与部240に引き渡す。これにより、付与部240は、より滑らかな理想的なトルクで使用者900の歩行を補助できる。
以上説明したように、本実施形態の歩行補助装置100は、単調増加処理、位相パターン学習処理、および/または、直線化処理を実行することによって、位相角φは、歩行周期に対して直線的に変化するように修正される。これにより、歩行周期に対する位相角φの変化の乱れを抑制できる。そして、このように歩行周期に対して直線的に変化する位相角φに対応したトルクに基づいて使用者900の歩行を補助することによって、滑らかな理想的なトルクで使用者900の歩行を補助できる。
また、本実施形態の歩行補助装置100は、股関節角度θおよび股関節角速度ωから定められる位相角φを算出し、当該位相角φと予め定められるトルクテーブルによりアシストトルクPを取得できる。これにより、位相振動子を用いた制御よりも制御パラメータを低減することができ、簡易な演算によりアシストトルクPを取得できる。
なお、本実施形態において、股関節角速度ωは、左用検出回路231および右用検出回路232を用いて算出する例を示した。しかしながら、股関節角速度ωは、ヒルベルト変換回路を用いて股関節角速度θから取得してもよい。
なお、本実施形態において、股関節角度θおよび股関節角速度ωにより定められる位相角φを用いた例を説明した。しかしながら、位相角φはこれに限られず、例えば、股間切角度θと股関節角の加速度により定められる位相角φであってもよく、股関節角速度ωと股関節角の加速度により定められる位相角φであってもよい。
また、本実施形態において、位相パターン学習処理は、直線化処理に使用される学習済の位相パターンを作成することを目的として実行される例を示した。しかしながら、位相パターン学習処理を施した位相角φを用いてアシストトルクPを取得してもよい。また、修正部203による単調増加処理、位相パターン学習処理および直線化処理は、それぞれ単独で実行されてもよく、いずれかの処理を組み合わせて実行されてもよい。なお、単調増加処理を単独で実行される場合において、単調増加処理を実行した第2位相角修正部は、第2修正位相角を第1位相角修正部に入力する。そして、第1位相角修正部は、取得した第2修正位相角からアシスト位相角φを算出し、駆動制御部204に出力するとしてもよい。
また、本実施形態において、前回の学習済位相パターンを用いて直線化処理を実行する例を説明した。しかしながら、直線化処理を単独で実行する場合においては、予め実験的に測定した位相パターンを位相パターン記憶部215に記憶させておき、修正部203は、当該位相パターンを用いて位相角φの直線化処理を実行してもよい。この場合において、予め定められた位相変化パターンの他の例は、予め実験的に測定した位相パターンである。
単調増加処理は、使用者900の歩容を維持しつつ、位相角φを徐々に変化するように修正する処理である。位相パターン学習処理は、使用者900の突発的な歩容の変化の影響を緩和する処理である。直線化処理は、使用者900の歩容に関わらず位相角φを直線的に変化するように修正する処理である。そして、これらを組み合わせて実行することによって、それぞれの処理が有する効果を相乗させて、位相角φを修正できる。そして、修正された位相角φをトルクテーブルに適用して、アシストトルクPを取得し、使用者900に付与する。これにより、使用者900が希望するアシスト内容に細かく対応できる。さらに、操作部211を用いて、これらの処理の何れの処理を実行させるか、また何れの処理を実行させないかを設定できてもよい。
また、左足または右足を患った使用者900であって、歩行動作における左右の足の対称性が崩れた使用者900においては、歩行補助装置100を、歩行動作における左右の足の対称性を向上させるリハビリとして使用できる。一般的に歩行動作が左右対称である場合は、左足と右足の位相角の差はπである。したがって、修正部203は、関係式(10)を用いて右足の歩行動作の左右対称性を改善させることができる。
右アシスト位相角φAR=右位相角φ−固定値−K×(π−(右位相角φ−左位相角φ)) (10)
ここで、Kは、どれくらい左右対称に強制的に改善させるかにより定まる任意の定数である。
使用者900の歩行動作に対応した右位相角φに対して、ずれた右位相角φ'に対応するアシストトルクP'は、例えば、振り出し動作中に蹴り出し動作を補助する補助力が付与される、といったように、逆に使用者900の右足に負荷を与える。したがって、歩行補助装置100は、位相のずれた右位相角φ'に対応したアシストトルクP'を使用者900に付与することによって、使用者900の右足の歩行動作を右位相角φ'に合致するように使用者900の右足の歩行動作を修正できる。
関係式(10)において、左右の足の位相角差がπからずれた分にKを乗じた位相角をφとすると左右の足の対称性がπでない場合に、修正部203は、位相角φを右足の位相角φから減じる。これにより、修正部203は、右位相角φから位相角φ分ずらした右アシスト位相角φARを定める。一方、使用者900が仮に理想的な対称性で歩行している場合には、関係式(10)における(右位相角φ−左位相角φ)の値がπとなり、K×(π−(右位相角φ−左位相角φ))の値が0となり、修正部203は、右位相角φを修正しない。このように、位相角φ分ずらした右アシスト位相角φARに対応したアシストトルクPを使用者900に付与することで、使用者900の歩行動作における左右の非対称性が改善される。なお、左足の歩行動作の左右対称性を改善させる関係式は、関係式(10)と同じなので説明は省略する。
以上説明した実施形態においては、単調増加処理、位相パターン学習処理および直線化処理を順に行う例を中心に説明した。しかし、股関節角度および股関節角速度の少なくともいずれかを含んで規定される位相角に、補助力の目標値を対応付けてトルク制御を行う観点において、従来技術にはない優位な効果を奏する。すなわち、位相振動子によるモデルに比較して、歩幅が小さく左右の股関節角度の偏差が小さい歩行支援対象者に対しても有効にリハビリを行うことができる。この場合の歩行補助装置は、使用者の歩行動作に補助力を付与する付与部と、使用者の股関節角度および股関節角速度を検出する検出部と、歩行動作の周期に対して股関節角度および股関節角速度により定まる位相角を算出する算出部と、位相角に対して予め設定されている補助力の目標値を取得して、目標値に従って付与部を制御する制御部とを備える。
さらに、上記歩行補助装置は、位相角を修正する修正部を備え、制御部は、修正部に修正された位相角に対して目標値を取得する。
また、歩行制御装置を制御する歩行制御プログラムは、使用者の股関節角度および股関節角速度を検出する検出ステップと、使用者の歩行動作の周期に対して股関節角度および股関節角速度により定まる位相角を算出する算出ステップと、位相角に対して予め設定されている、歩行動作に補助力を付与する付与部の補助力の目標値を取得する取得ステップと、目標値に従って付与部を制御する制御ステップとをコンピュータに実行させる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
100 歩行補助装置、101 起動スイッチ、102 バッテリ、103 腰フレーム、104 腰ベルト、121 左用モータ、122 右用モータ、131 左用角度センサ、132 右用角度センサ、141 左用大腿フレーム、142 右用大腿フレーム、151 左用大腿ベルト、152 右用大腿ベルト、201 システム制御部、202 算出部、203 修正部、204 駆動制御部、211 操作部、212 メモリ、213 入出力インタフェース、214 位相角記憶部、215 位相パターン記憶部、216 トルクテーブル記憶部、221 左用制御回路、222 右用制御回路、230 検出部、231 左用検出回路、232 右用検出回路、240 付与部、900 使用者、901 左大腿、902 右大腿、910 上体

Claims (10)

  1. 使用者の周期的な歩行動作に補助力を付与する付与部と、
    前記付与部の動作を制御する制御部と、
    前記使用者の股関節角度および股関節角速度の少なくともいずれかを検出する検出部と、
    前記使用者の股関節の周期的な動作に対して規定される位相角を、前記検出部の検出結果に基づいて算出する算出部と、を備える歩行補助装置であって、
    前記歩行補助装置は、前記歩行動作が繰り返されるに従って、時間経過に対する前記位相角の位相パターンが直線に漸近するように、入力された位相角を予め定められた位相変化パターンに基づき段階的に修正して第1修正位相角として出力する第1位相角修正部をさらに備え、
    前記制御部は、前記第1修正位相角および所定の位相角のいずれか一方に対して予め設定されている連続的な前記補助力の変化パターンに基づいて目標値を取得して、前記目標値に従って前記付与部を制御する
    ことを特徴とする歩行補助装置。
  2. 前記歩行補助装置は、前記算出部が算出した前記位相角が、前回の前記位相角に前記歩行動作の周期から定められる単位時間当たりの基準増加量を加えた値よりも大きいか否かにより異なる増分値を定め、前回の前記位相角に前記増分値を加えて修正して第2修正位相角として出力する第2位相角修正部をさらに備え、
    前記第2修正位相角が、前記第1位相角修正部に入力される請求項1に記載の歩行補助装置。
  3. 前記第2位相角修正部は、前記算出部が算出した前記位相角が、前回の前記位相角に前記周期から定められる単位時間当たりの基準増加量を加えた値よりも大きい場合には、前記増分値を前記算出部が算出した前記位相角と前回の前記位相角の差に基づいて定め、大きくない場合には、前記増分値を前記基準増加量に基づいて定める請求項2に記載の歩行補助装置。
  4. 過去の前記第2修正位相角の時系列的な変化を逐次記憶する記憶部を備え、
    前記第1位相角修正部は、入力された位相角を前記記憶部に記憶された過去の前記第2修正位相角の時系列的な変化に基づき修正して、第1修正位相角として出力する請求項2または3に記載の歩行補助装置。
  5. 前記記憶部は、現在の前記第2修正位相角の時系列的な変化と、前記記憶部に記憶された前記過去の第2修正位相角の時系列的な変化のうち対応する時刻における前記位相角とを重み付け平均処理を行うことにより得られる位相角の時系列的な変化を、新たな過去の第2修正位相角の時系列的な変化として記録する請求項4に記載の歩行補助装置。
  6. 前記第1位相角修正部は、入力された位相角を前記記憶部に記憶された過去の第2修正位相角の時系列的な変化に当てはめて対応する対応時刻を同定し、前記歩行動作の周期に対する前記対応時刻の位相角を前記第1修正位相角として出力する請求項4または5に記載の歩行補助装置。
  7. 前記記憶部は、前記歩行動作における周期のばらつきを正規化により除去して、前記記憶部に記憶される過去の第2修正位相角の時系列的な変化を修正する請求項4から6のいずれか1項に記載の歩行補助装置。
  8. 前記付与部は、前記使用者の左足に前記補助力を付与する左用アクチュエータと、前記使用者の右足に前記補助力を付与する右用アクチュエータとを有し、
    前記検出部は、前記使用者の左股関節角度を検出する左用角度センサと、前記使用者の右股関節角度を検出する右用角度センサとを有し、
    前記制御部は、前記左用角度センサの出力に基づいて前記左用アクチュエータを制御し、前記右用角度センサの出力に基づいて前記右用アクチュエータを制御する請求項1から7のいずれか1項に記載の歩行補助装置。
  9. 前記修正部は、前記歩行動作における左足の位相角と右足の位相角の差に基づいて、前記位相角を修正する請求項8に記載の歩行補助装置。
  10. 使用者の股関節角度および股関節角速度の少なくともいずれかを検出する検出ステップと、
    前記使用者の股関節の周期的な動作に対して規定される位相角を、前記検出ステップの検出結果に基づいて算出する算出ステップと、
    歩行動作が繰り返されるに従って、時間経過に対する前記位相角の位相パターンが直線に漸近するように、入力された位相角を予め定められた位相変化パターンに基づき段階的に修正して第1修正位相角として出力する第1修正ステップと、
    前記第1修正位相角および所定の位相角のいずれか一方に対して予め設定されている連続的な補助力の変化パターンに基づいて、前記歩行動作に補助力を付与する付与部の前記補助力の目標値を取得する取得ステップと、
    前記目標値に従って前記付与部を制御する制御ステップと
    、歩行補助装置が備えるシステム制御部に実行させる歩行制御プログラム。
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