JP6464545B2 - 歩行アシスト装置 - Google Patents
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Description
本発明者は、「背景技術」の欄において記載した、足首アシスト装置に関し、以下の問題が生じることを見出した。
図1Aに、歩行アシスト装置100の外観図を示す。なお、図1Aの(a)は、歩行アシスト装置100のうちユーザの膝に装着される構成の外観図を示し、図1Aの(b)は、歩行アシスト装置100のうちのユーザの踵に装着される構成の外観図を示す。
ここで、図3を用いて、歩行時における足首のアシストのタイミングを説明する。図3に、歩行周期の一例を示す。図3は、歩行周期毎に、ユーザの側面のモデルを示す。ここでは、ユーザの一方の足に着目した歩行周期を%で表している。
ここで、ユーザ毎の歩き方に違いがあることを示す実験結果を説明する。
図8は、モータ制御部208の機能ブロック図である。図8に示すモータ制御部208は、取得部302と、履歴蓄積部303と、ワイヤ長さ計算部304と、目標長さ蓄積部305と、モータ制御量決定部306と、歩行分析部307と、目標長さ決定部308とを有する。
取得部302は、センサ209からユーザの歩行情報を取得する。ユーザの歩行情報とは、ユーザの歩行周期を算出するための情報である。
履歴蓄積部303は、取得部302により取得されたユーザの歩行情報を蓄積する。
歩行分析部307は、履歴蓄積部303に蓄積されるユーザの歩行情報に基づいて、第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105に張力を発生させる期間を決定する。
ワイヤ長さ計算部304は、モータ206、207により、第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105に所定の張力をかけるために、第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105の長さを計算する。
目標長さ決定部308は、所定の基準と、歩行周期における第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105の長さとに基づいて、第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105の目標長さを決定する。
目標長さ蓄積部305は、目標長さ決定部308が決定した目標長さを蓄積する。具体的には、目標長さ蓄積部305は、第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105を巻き取る長さに対応するモータ206、207の回転量の目標値を蓄積している。
モータ制御量決定部306は、目標長さ蓄積部305の目標値を参照し、ワイヤ長さ計算部304で計算された第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105の長さに基づいて、モータ206、207を制御する電圧を決定する。
次に、図11のモータ制御部208による制御のフローチャートを用いて、歩行アシスト装置100の動作を説明する。
歩行分析部307は、ユーザの歩行情報を取得する。歩行分析部307は、歩行情報に基づいて、ユーザが定常歩行の状態か否かを判定する。例えば、歩行分析部307は、ユーザの歩行周期の時間が一定間隔になっている場合には、ユーザが定常歩行の状態であると判定される。
ワイヤ長さ計算部304は、歩行アシストしていないときの第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105の長さを計算する。ワイヤ長さ計算部304は、第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105の長さを、当該長さを計測した時刻と対応付けて、メモリに記憶しても良い。
歩行分析部307は、所定周期回数の歩行を行ったか否かを判断する。例えば、3周期分の歩行が行われた場合には、次のステップS905へ進む。所定回数に到達していない場合には、ステップS902に戻る。
ワイヤ長さ計算部304は、第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105の長さを計算する。例えば、ワイヤ長さ計算部304は、3周期分の歩行における第1のワイヤ104の長さの平均、及び第2のワイヤ105の長さの平均を計算する。これにより、図6に示す歩行時のワイヤ長さのグラフが生成される。
目標長さ決定部308は、所定の基準と、歩行アシストしていないときの第1のワイヤ104の長さ及び第2のワイヤ105の長さとに基づいて、第1のワイヤ104の目標長さ及び第2のワイヤ105の目標長さを決定する。その結果、目標長さ決定部308は、例えば、図10A〜10Cに示すようなワイヤ長さの目標軌道が生成される。目標軌道は、目標値の一例である。目標軌道は、目標長さ蓄積部305に蓄積される。
モータ制御量決定部306は、定常歩行分析部307において推定された歩行周期に基づいて、現在時刻がアシスト制御を実行するタイミングか否かを判断する。例えば、歩行周期の50%以上60%以下であれば、張力を発生させ、歩行アシストを実行する。歩行周期の情報は、図9に示す歩行分析部307が取得した歩行情報が参照される。
ワイヤ長さ計算部304は、現在の第1のワイヤ104の長さ及び第2のワイヤ105の長さを取得する。また、モータ制御量決定部306は、目標長さ蓄積部305で蓄積されている各ワイヤの目標長さと、計算された現在の第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105の長さとを比較する。
現在の第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105の長さがそれぞれの目標値よりも長い場合には、次のステップS909に進む。現在の第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105の長さが、それぞれの目標値よりも短い場合には、ステップS907へ戻る。
モータ制御量決定部306は、第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105を目標値にするためのモータ206、207の駆動電圧値を決定して、モータ206、207に制御信号を送信する。例えば、モータ制御量決定部306は、第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105の長さと目標値との差に応じた電圧値を有する基準を参照して、電圧値を決定する。
モータ制御量決定部306は、ユーザの歩行が停止したか否かを判断し、ユーザの歩行が停止していた場合には、処理を終了する。ユーザが歩行中の場合には、ステップS906に戻る。
本実施の形態に係る歩行アシスト装置100によれば、ユーザの一方の脚の左右に並んで配置される第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105のそれぞれによって、ユーザの歩行をアシストできるため、ユーザの足首を屈曲させる方向、及び、外回転させる方向にもアシストのためのトルクを発生させることができる。このため、人間の歩行スタイルにおける足首の運動に応じて、ワイヤの長さを調整しながら張力を発生させることで、自然なアシストを実現することができる。
上記実施の形態1に係る歩行アシスト装置100では、第1のワイヤ104の伸び強さ(elongation)は、第2のワイヤ105の伸び強さより大きくても良い。第1のワイヤ104の伸び強さとは、第1のワイヤ104にモータにより張力が加わったときに伸びる量とも表記できる。第1のワイヤ104の一例は、15kNの力が加わったときに、第1のワイヤ104の全体長さに対して1%伸びる。第1のワイヤ104のが1%伸びるために、15kN以上の力が必要とされても良い。
上記実施の形態1またはその変形例1に係る歩行アシスト装置100では、また、第1のワイヤ104の最大移動速度は、第2のワイヤ105の最大移動速度よりも速くても良い。
上記実施の形態1またはその変形例1、2に係る歩行アシスト装置100では、モータ206の最大トルクは、モータ207の最大トルクよりも大きくても良い。
上記実施の形態1またはその変形例1〜3に係る歩行アシスト装置100では、図12に示すように、第1のワイヤ104の固定位置及び第2のワイヤ105の固定位置の距離124は、20mm以上離れていても良い。
実施の形態1における歩行アシスト装置100では、図1の外観図に示していたように、第1のワイヤ104及び第2のワイヤ105は交差することなく、平行に近い形で固定されていた。
ワイヤ張力計算部1604では、モータ206、207に与えられている電圧値と、そのときのモータ206、207の電流値とを、モータ206、207から取得する。ワイヤ張力計算部1604は、モータ206、207に与えられている電圧値と、モータ206、207の電流値とを用いて第1のワイヤ104A及び第2のワイヤ105Aにかかっている張力を計算する。
モータ制御量決定部1606は、目標張力蓄積部1605で蓄積されている張力のパターンを目標値と、ワイヤ張力計算部1604で計算された現在の第1のワイヤ104Aの張力値及び第2のワイヤ105Aの張力値とを用いて、モータ206、207に与える電圧値を決定する。
ワイヤ張力計算部1604は、現在の第1のワイヤ104Aの張力及び第2のワイヤ105Aの張力と、目標張力の値を比較する。
現在のワイヤの張力の方が小さい場合には、次のステップに進む。現在のワイヤの張力の方が大きいときには、ステップS1707へ戻る。
モータ制御量決定部306は、目標張力値まで、第1のワイヤ104Aの張力及び第2のワイヤ105Aの張力をあげるために、モータ206、207の電圧値を決定する。具体的には、目標張力値まで、第1のワイヤ104Aの張力及び第2のワイヤ105Aの張力値との差に応じて、モータ206、207の電圧値を高くする。
モータ制御量決定部1606は、ユーザの歩行が停止したか否かを判断し、ユーザの歩行が停止していた場合には、ステップS1706へ戻る。
実施の形態2では、ユーザの直進の歩行の場合のアシストについて説明した。しかしなから、ユーザの左右への方向転換の歩行をアシストする場合には、さらに、左右のワイヤの張力を異なる張力に制御することが有効である。本変形例に係る歩行アシスト装置300は、実施の形態2の歩行アシスト装置200と比較して、モータ制御部208Aがモータ制御部208Bに変わった点と、さらに、回転検知部1909を備える点とが異なる。
101 膝ベルト
102,102a,102b 膝固定具
103,103a,103b 踵固定具
104,104A 第1のワイヤ
105,105A 第2のワイヤ
203 電池
206,206A,207,207A モータ
208,208A,208B モータ制御部
209 センサ
302,1602,1902 取得部
303,1603,1903 履歴蓄積部
304 ワイヤ長さ計算部
305 目標長さ蓄積部
306,1606,1906 モータ制御量決定部
307,1607,1907 歩行分析部
308 目標長さ決定部
1604,1904 ワイヤ張力計算部
1605,1905 目標張力蓄積部
1608,1908 目標張力決定部
1909 回転検知部
Claims (15)
- ユーザの一方の脚の膝に装着される膝固定具と、
前記ユーザの一方の脚の踵に装着される踵固定具と、
前記膝固定具と前記踵固定具とに接続され、前記ユーザの後面に位置する第1のワイヤと、
前記膝固定具と前記踵固定具とに接続され、前記ユーザの後面に位置する第2のワイヤと、
前記第1のワイヤに接続される第1のモータと、
前記第2のワイヤに接続される第2のモータと、
前記第1のモータ及び前記第2のモータの動作を制御する制御回路とを備え、
前記第1のワイヤは、前記踵固定具の右半分の領域に含まれる第1の位置と接続され、
前記第2のワイヤは、前記踵固定具の左半分の領域に含まれる第2の位置と接続され、
前記制御回路は、
前記ユーザの歩行情報を取得し、
前記歩行情報に基づいて、所定のタイミングにおいて、前記第1のワイヤと前記第2のワイヤとを異なる長さで短くするように、前記第1のモータと前記第2のモータとを制御する、
歩行アシスト装置。 - 前記ユーザの歩行情報は、前記ユーザの歩行周期の情報を含み、
前記制御回路は、前記所定のタイミングとして、前記ユーザの歩行周期の40%以上60%以下の期間において、前記第1のモータ及び前記第2のモータを制御し、
前記歩行周期は、前記ユーザの一方の足が地面に着地したときを0%とし、かつ、次に前記ユーザの前記一方の足が地面に着地したときを100%としたときの割合である、
請求項1に記載の歩行アシスト装置。 - 前記第1のワイヤは、前記一方の脚の内側に配置され、
前記第2のワイヤは、前記一方の脚の外側に配置され、
前記第1のワイヤの伸び強さは、前記第2のワイヤの伸び強さより大きい
請求項1または2に記載の歩行アシスト装置。 - 前記第1のワイヤは、前記一方の脚の内側に配置され、
前記第2のワイヤは、前記一方の脚の外側に配置され、
前記第1のモータの最大トルクは、前記第2のモータの最大トルクよりも大きい
請求項1または2に記載の歩行アシスト装置。 - 前記第1のワイヤは、前記一方の脚の内側に配置され、
前記第2のワイヤは、前記一方の脚の外側に配置され、
前記第1のワイヤの最大移動速度は、前記第2のワイヤの最大移動速度よりも速い
請求項1または2に記載の歩行アシスト装置。 - 前記第1の位置及び前記第2の位置の間は、20mm以上である、
請求項1から5のいずれか1項に記載の歩行アシスト装置。 - ユーザの一方の脚の膝に装着される膝固定具と、
前記ユーザの一方の脚の踵に装着される踵固定具と、
前記膝固定具と前記踵固定具とに接続され、前記ユーザの後面に位置する第1のワイヤと、
前記膝固定具と前記踵固定具とに接続され、前記ユーザの後面に位置する第2のワイヤと、
前記第1のワイヤに接続される第1のモータと、
前記第2のワイヤに接続される第2のモータと、
前記第1のモータ及び前記第2のモータの動作を制御する制御回路とを備え、
前記第1のワイヤは、前記踵固定具の右半分の領域に含まれる第1の位置と接続され、
前記第2のワイヤは、前記踵固定具の左半分の領域に含まれる第2の位置と接続され、
前記制御回路は、
前記ユーザの歩行情報を取得し、
前記歩行情報に基づいて、所定のタイミングにおいて、前記第1のワイヤの長さを短くするように、前記第1のモータを制御し、かつ、前記第2のワイヤの長さを短くするように、前記第2のモータを制御し、
前記第1のワイヤは、前記膝固定具の左半分の領域に含まれる第3の位置と接続され、
前記第2のワイヤは、前記膝固定具の右半分の領域に含まれる第4の位置と接続される、
歩行アシスト装置。 - 前記制御回路は、
さらに、
前記歩行情報を用いて、前記ユーザの歩行周期の情報を取得し、
前記歩行周期の情報を用いて、前記ユーザの次の歩行における所定の歩行周期において、前記第1のワイヤの長さを短くするように、前記第1のモータを制御し、かつ、前記第2のワイヤの長さを短くするように、前記第2のモータを制御する、
請求項1から7のいずれか1項に記載の歩行アシスト装置。 - 前記制御回路は、
さらに、
前記第1のモータ及び前記第2のモータによって、前記第1のワイヤ及び前記第2のワイヤの巻き取り量を取得し、
歩行周期毎に第1のワイヤの長さ及び第2のワイヤの長さを規定する第1の基準と、前記第1のワイヤ及び前記第2のワイヤの巻き取り量との差に応じて、前記ユーザの次の歩行における所定の歩行周期において、前記第1のワイヤの長さを短くするように、前記第1のモータを制御し、かつ、前記第2のワイヤの長さを短くするように、前記第2のモータを制御する、
請求項1から8のいずれか1項に記載の歩行アシスト装置。 - さらに、
前記第1のワイヤと前記踵固定具との間に配置される第1のバネと、
前記第2のワイヤと前記踵固定具との間に配置される第2のバネとを備える、
請求項1から9のいずれか1項に記載の歩行アシスト装置。 - 前記制御回路は、
前記第1のワイヤ及び前記第2のワイヤの張力を取得し、
歩行周期毎に、第1のワイヤの長さ及び第2のワイヤの張力を規定する第2の基準と、前記第1のワイヤ及び前記第2のワイヤの張力との差に応じて、前記ユーザの次の歩行における所定の歩行周期において、前記第1のワイヤの長さを短くするように、前記第1のモータを制御し、かつ、前記第2のワイヤの長さを短くするように、前記第2のモータを制御する、
請求項1から10のいずれか1項に記載の歩行アシスト装置。 - さらに、
前記第1のワイヤに配置される第1の力センサと
前記第2のワイヤに配置される第2の力センサとを備える、
請求項11に記載の歩行アシスト装置。 - さらに、
前記ユーザの回転方向を検知する回転検知部を備え、
前記制御回路は、
前記ユーザの回転方向と前記歩行情報に基づいて、所定のタイミングにおいて、前記第1のワイヤの長さを短くするように、前記第1のモータを制御し、かつ、前記第2のワイヤの長さを短くするように、前記第2のモータを制御する、
請求項1から12のいずれか1項に記載の歩行アシスト装置。 - 前記制御回路は、
前記第1のモータ及び前記第2のモータを動作させておらず、かつ前記ユーザが歩行しているときに、前記第1のワイヤが前記第2のワイヤよりも長い場合には、前記第1のワイヤが前記第2のワイヤよりも長くなるように、前記第1のモータ及び前記第2のモータを制御し、
前記第1のモータ及び前記第2のモータを動作させておらず、かつ前記ユーザが歩行しているときに、前記第1のワイヤが前記第2のワイヤよりも短い場合には、前記第1のワイヤが前記第2のワイヤよりも短くなるように、前記第1のモータ及び前記第2のモータを制御する、
請求項1から13のいずれか1項に記載の歩行アシスト装置。 - 第1端と第2端を含む第1ワイヤと、
第3端と第4端を含む第2ワイヤと、
前記第1端に接続される第1モータと、
前記第3端に接続される第2モータと、
センサと、
制御器を含み、
(a−1)前記第1モータ、前記第2モータは、ユーザの第1の脚の膝周囲に装着される第1ベルトに含まれ、かつ、前記第2端と前記第4端は、前記第1の脚の足首周囲に装着される第2ベルト、または、前記第1の脚に装着される靴に固定され、または、
(a−2)前記第1モータ、前記第2モータは、前記第2ベルト、または、前記靴に含まれ、かつ、前記第2端と前記第4端は前記第1ベルトに固定され、
(b)前記センサは、前記第1の脚が地面から離れた第1状態から地面に接触する第2状態に変化する接地を、第i時間、前記第i時間後の第(i+1)時間に検出し、
前記センサは、前記第i時間と第(i+1)時間の間には前記接地を検出せず、
1≦i≦n、前記iは自然数、前記nは2以上の自然数であり、
(c)前記センサが前記第(i+1)時間に前記接地を検出すると、
(c−1)前記制御器は前記第(i+1)時間から平均歩行期間の40%以上60%以下の期間における前記第1端と前記第1モータ間の前記第1ワイヤの第1張力を、前記第(i+1)時間における前記第1端と前記第1モータ間の前記第1ワイヤの第2張力より大きくするため、前記第1モータに、前記第1ワイヤを巻き取らせ、かつ、
(c−2)前記制御器は前記第(i+1)時間から前記平均歩行期間の40%以上60%以下の期間における前記第3端と前記第2モータ間の前記第2ワイヤの第3張力を、前記第(i+1)時間における前記第3端と前記第2モータ間の前記第2ワイヤの第4張力より大きくするため、前記第2モータに、前記第2ワイヤを巻き取らせ、
(d)前記前記平均歩行期間は、前記第(i+1)時間と前記第i時間の差異に基づいて決定される
歩行アシスト装置。
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