JP6717766B2 - Long leg brace with actuator - Google Patents
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Description
本発明は、アクチュエータ付き長下肢装具に関する。 The present invention relates to a long leg orthosis with an actuator.
脚の不自由な人や脳卒中等の為に麻痺を有する人の歩行補助用又はリハビリテーション用の器具として、膝関節をサポートする長下肢装具が利用されており、脚の動きを補助する電動モータ等の駆動体を含むアクチュエータユニットが付設されたアクチュエータ付き長下肢装具も提案されている(下記特許文献1〜3参照)。 As a device for walking assistance or rehabilitation for people with leg disabilities or people with paralysis due to stroke, etc., long leg orthoses supporting knee joints are used, and electric motors etc. that assist leg movements. There is also proposed an actuator-equipped long leg brace provided with an actuator unit including the driving body (see Patent Documents 1 to 3 below).
詳しくは、従来のアクチュエータ付き長下肢装具は、ユーザーの大腿に装着される大腿側装具と、ユーザーの下腿に装着され且つ前記大腿側装具に対してユーザーの膝関節回り回動可能に連結された下腿側装具と、前記大腿側装具に装着され、前記下腿側装具に対して膝関節回りの補助力を付与可能なアクチュエータと、大腿に対する下腿の膝関節回りの回動角度を検出する下腿角度センサと、前記アクチュエータの作動制御を司る制御装置とを備え、前記制御装置が、前記下腿角度センサからの検出信号に基づいて前記アクチュエータの作動制御を実行するように構成されている。 More specifically, a conventional long leg orthosis with an actuator is attached to a thigh side orthosis attached to a user's thigh, and is attached to the user's lower leg and connected to the thigh side orthosis so as to be rotatable around the user's knee joint. Lower leg orthosis, actuator mounted on the lower leg orthosis and capable of applying auxiliary force around the knee joint to the lower leg orthosis, and lower leg angle sensor for detecting a rotation angle of the lower leg around the knee joint with respect to the thigh. And a control device that controls the operation of the actuator, and the control device is configured to execute the operation control of the actuator based on a detection signal from the lower leg angle sensor.
即ち、前記従来のアクチュエータ付き長下肢装具は、前記アクチュエータによって補助力が付与される制御対象部位である下腿の動き(大腿に対する下腿の膝関節回りの角度)を前記下腿角度センサによって検出し、下腿の動きに基づいて算出される大きさ及び方向の補助力が下腿に付与されるように前記アクチュエータの作動制御を行うものである。 That is, the conventional long leg orthosis with an actuator detects the movement of the lower leg (the angle around the knee joint of the lower leg with respect to the thigh), which is a control target portion to which assist force is applied by the actuator, by the lower leg angle sensor, The operation control of the actuator is performed so that an assisting force having a magnitude and a direction calculated based on the movement of the actuator is applied to the lower leg.
しかしながら、脳卒中等の為に麻痺を有する場合には、大腿の歩行動作(股関節回りの大腿の前後揺動動作)は比較的正常に行えるものの、下腿の歩行動作(膝関節回りの下腿の前後揺動動作)は正常に行えないことが多い。 However, when the patient has paralysis due to a stroke or the like, the walking motion of the thigh (back and forth swing motion of the thigh around the hip joint) can be performed normally, but the walking motion of the lower leg (back and forth motion of the lower leg around the knee joint). In many cases, it cannot be performed normally.
このような場合、前記従来のアクチュエータ付き長下肢装具では、正常な歩行動作を行えない下腿の動きに基づいて前記アクチュエータの作動制御を行うことになり、的確な歩行補助力を提供することができないおそれがあった。 In such a case, in the conventional long leg orthosis with an actuator, the operation control of the actuator is performed based on the movement of the lower leg that cannot perform a normal walking motion, and it is impossible to provide an accurate walking assist force. There was a fear.
なお、補助力を付与する付与部と、前記付与部の作動制御を行う制御部と、股関節角度及び股関節角速度の少なくとも一方を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて大腿の位相角を算出する算出部とを備え、前記制御部が、前記位相角に基づいて前記付与部の作動制御を行うように構成された歩行補助装置が提案されている(下記特許文献4参照)。 It should be noted that an application unit that applies the assisting force, a control unit that controls the operation of the application unit, a detection unit that detects at least one of the hip joint angle and the hip joint angular velocity, and the phase of the thigh based on the detection result of the detection unit. There is proposed a walking assist device including a calculation unit that calculates an angle, and the control unit is configured to control the operation of the application unit based on the phase angle (see Patent Document 4 below).
しかしながら、前記特許文献4に記載の歩行補助装置も、補助力を付与すべき制御対象部位の動きを検出し、その検出結果に基づき制御対象部位である大腿に対して補助力を付与する前記付与部の作動制御を行うものであり、前記特許文献1〜3に記載のアクチュエータ付き長下肢装具と共通の技術的思想に基づくものである。 However, the walking assist device described in Patent Document 4 also detects the movement of the control target site to which the assist force is to be applied, and applies the assist force to the thigh which is the control target site based on the detection result. This is for controlling the operation of the parts, and is based on the same technical idea as the long leg orthoses with actuators described in Patent Documents 1 to 3 above.
本発明は、斯かる従来技術に鑑みなされたものであり、下腿に対して膝関節回りの歩行補助力を付与可能なアクチュエータを備えた長下肢装具であって、下腿を正常に歩行動作させることが困難なユーザーに対しても、歩行周期中の歩行状態に応じた適切な下腿への歩行補助力を付与し得るアクチュエータ付き長下肢装具の提供を、目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional technique, and is a long leg orthosis including an actuator capable of imparting a walking assist force around the knee joint to the lower leg, which allows the lower leg to normally walk. It is an object of the present invention to provide a leg-equipped orthosis with an actuator capable of giving an appropriate walking assist force to the lower leg according to the walking state during a walking cycle even for a user who has difficulty in walking.
本発明は、前記目的を達成するために、ユーザーの大腿に装着される大腿側装具と、ユーザーの下腿に装着され且つ前記大腿側装具に対してユーザーの膝関節回り回動可能に連結された下腿側装具と、前記大腿側装具に装着され、前記下腿側装具に対して膝関節回りの補助力を付与可能なアクチュエータと、ユーザーの股関節角度に関連する角度関連信号を検出可能な大腿姿勢検出手段と、前記アクチュエータの作動制御を司る制御装置とを備え、前記大腿姿勢検出手段は、大腿の角速度を検出する3軸角速度センサ及び大腿の加速度を検出する3軸加速度センサを有し、前記制御装置は、一のサンプリングポイントでの前記3軸角速度センサからの角速度データに対して静止時に前記3軸角速度センサから入力される角速度データを用いてドリフト除去を行った角速度データに基づき算出される第1オイラー角の高周波成分と当該一のサンプリングポイントでの前記3軸加速度センサからの加速度データに基づき算出される第2オイラー角の低周波成分とを合算して当該一のサンプリングポイントにおける合算オイラー角を算出し、前記合算オイラー角から算出される股関節角度と前記股関節角度から算出される股関節角速度に基づいて前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を算出し、前記大腿位相角を、前記3軸加速度センサからの加速度データに基づいて検出されるヒールコンタクト時点を制御基準タイミングとしたヒールコンタクト位相角に変換し、当該制御装置に予め記憶されている、大腿位相角と前記下腿側装具に付与すべき補助力との関係を示す補助力制御データに前記一のサンプリングポイントでのヒールコンタクトを適用して、前記一のサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具に付与すべき補助力を算出し、前記補助力が出力されるように前記アクチュエータの作動制御を実行するように構成されているアクチュエータ付き長下肢装具を提供する。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention has a thigh-side brace attached to a user's thigh, a thigh-side brace attached to the user's lower leg, and rotatably connected to the thigh-side brace around the user's knee joint Lower leg orthosis, actuator attached to the lower leg orthosis and capable of applying an assisting force around the knee joint to the lower leg orthosis, and thigh posture detection capable of detecting an angle-related signal related to the hip joint angle of the user Means and a controller for controlling the operation of the actuator, wherein the thigh posture detecting means has a three-axis angular velocity sensor for detecting the angular velocity of the thigh and a three-axis acceleration sensor for detecting the acceleration of the thigh, and the control The apparatus calculates the angular velocity data from the triaxial angular velocity sensor at one sampling point based on the angular velocity data obtained by performing drift removal using the angular velocity data input from the triaxial angular velocity sensor at rest. The high frequency component of one Euler angle and the low frequency component of the second Euler angle calculated based on the acceleration data from the three-axis acceleration sensor at the one sampling point are summed up to add up the Euler angle at the one sampling point. Is calculated, and the thigh phase angle at the one sampling point is calculated based on the hip joint angle calculated from the combined Euler angle and the hip joint angular velocity calculated from the hip joint angle, and the thigh phase angle is calculated from the three axes. The heel contact time point detected based on the acceleration data from the acceleration sensor is converted into a heel contact phase angle with the control reference timing, and the thigh phase angle and the lower leg orthosis stored in advance in the control device are given. The heel contact at the one sampling point is applied to the assist force control data indicating the relationship with the assist force to calculate the assist force to be applied to the lower leg brace at the one sampling point, and the assist force is calculated. An actuator-equipped long leg brace configured to perform actuation control of the actuator so that the output is output.
好ましくは、前記制御装置は、ヒールコンタクト検出時には前記3軸角速度センサから算出される補正オイラー角を当該ヒールコンタクト検出時における合算オイラー角に加えることでドリフト除去を行うように構成される。 Preferably, the control device, at the time of heel contact detecting Ru is configured to perform a drift removed by adding the correction Euler angle calculated from the 3-axis angular velocity sensor to the summing Euler angles during the heel contact detection.
好ましくは、前記制御装置は、大腿位相角を算出する際に用いた股関節角度及び股関節角速度をプロットして歩行周期毎の大腿の周期的動作を表すトラジェクトリ線図を作成するように構成される。 Preferably, the control device is configured to plot a hip joint angle and a hip joint angular velocity used when calculating the thigh phase angle to create a trajectory diagram representing a periodic motion of the thigh for each walking cycle.
好ましくは、前記制御装置は、大腿位相角を算出する際に用いた股関節角度及び股関節角速度によって画されるベクトル長が所定閾値より小さい場合には、前記アクチュエータの作動を禁止するように構成される。 Preferably, the control device is configured to prohibit the operation of the actuator when a vector length defined by the hip joint angle and the hip joint angular velocity used when calculating the thigh phase angle is smaller than a predetermined threshold value. ..
本発明に係るアクチュエータ付き長下肢装具によれば、制御装置が、一のサンプリングポイントでの前記3軸角速度センサからの角速度データに対して静止時に前記3軸角速度センサから入力される角速度データを用いてドリフト除去を行った角速度データに基づき算出される第1オイラー角の高周波成分と当該一のサンプリングポイントでの前記3軸加速度センサからの加速度データに基づき算出される第2オイラー角の低周波成分とを合算して当該一のサンプリングポイントにおける合算オイラー角を算出し、前記合算オイラー角から算出される股関節角度と前記股関節角度から算出される股関節角速度とに基づいて前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を算出し、前記大腿位相角を、前記3軸加速度センサからの加速度データに基づいて検出されるヒールコンタクト時点を制御基準タイミングとしたヒールコンタクト位相角に変換し、当該制御装置に予め記憶されている、大腿位相角と下腿側装具に付与すべき補助力との関係を示す補助力制御データに前記一のサンプリングポイントでのヒールコンタクト位相角を適用して、このサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具に付与すべき補助力を算出し、前記補助力が出力されるようにアクチュエータの作動制御を実行するように構成されているので、下腿を正常に歩行動作させることが困難なユーザーに対しても、歩行周期中の歩行状態に応じた適切な下腿への歩行補助力を付与することができる。 According to the long leg orthosis with an actuator according to the present invention, the control device uses the angular velocity data input from the triaxial angular velocity sensor at rest for the angular velocity data from the triaxial angular velocity sensor at one sampling point. High frequency component of the first Euler angle calculated based on the angular velocity data that has been subjected to drift removal and a low frequency component of the second Euler angle calculated based on the acceleration data from the triaxial acceleration sensor at the one sampling point. And the summed Euler angle at the one sampling point is calculated, and the thigh at the one sampling point is calculated based on the hip joint angle calculated from the summed Euler angle and the hip joint angular velocity calculated from the hip joint angle. A phase angle is calculated, the thigh phase angle is converted into a heel contact phase angle with a heel contact time point detected based on acceleration data from the triaxial acceleration sensor as a control reference timing, and stored in advance in the control device. The heel contact phase angle at the one sampling point is applied to the assist force control data indicating the relationship between the thigh phase angle and the assist force to be applied to the lower leg brace, and the lower leg side at the sampling point. Since it is configured to calculate the assisting force to be applied to the brace and execute the actuator actuation control so that the assisting force is output, for a user who has difficulty walking the lower leg normally. Also, it is possible to apply an appropriate walking assist force to the lower leg according to the walking state during the walking cycle.
また、本発明に係るアクチュエータ付き長下肢装具によれば、ヒールコンタクトを歩行周期基準タイミングとしているので、歩行周期中における歩行補助力が必要なタイミングを正確に把握することができる。 Further, according to the long leg brace with an actuator according to the present invention, since the heel contact is used as the walking cycle reference timing, it is possible to accurately grasp the timing when the walking assist force is required during the walking cycle.
以下、本発明に係るアクチュエータ付き長下肢装具の一実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図1及び図2に、それぞれ、本実施の形態に係る長下肢装具1の斜視図及び部分正面図を示す。
また、図3及び図4に、それぞれ、前記長下肢装具ユーザー1の幅方向外方側及び内方側から視た部分分解斜視図を示す。
Hereinafter, one embodiment of a long leg orthosis with an actuator according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 and FIG. 2 show a perspective view and a partial front view of the long leg orthosis 1 according to the present embodiment, respectively.
Further, FIGS. 3 and 4 are partially exploded perspective views of the user 1 of the long leg orthosis viewed from the outer side and the inner side in the width direction, respectively.
前記長下肢装具1は、脚の不自由な人や脳卒中等の為に片麻痺を有するユーザーが歩行補助の為、又は、リハビリテーションの為に装着する器具であり、付設されるアクチュエータユニット100によってユーザーの下腿に対して歩行補助力を付与し得るように構成されている。 The long leg orthosis 1 is a device to be worn by a user who has hemiplegia due to a person with a leg disability or a stroke or the like to assist walking, or for rehabilitation. It is configured so that a walking assist force can be applied to the lower leg.
詳しくは、図1〜図4に示すように、前記長下肢装具1は、ユーザーの大腿に装着される大腿側装具10と、ユーザーの下腿に装着された下腿側装具30と、前記大腿側装具10に装着され、前記下腿側装具30に対して膝関節回りの補助力を付与可能なアクチュエータユニット100とを備えている。 Specifically, as shown in FIGS. 1 to 4, the long lower limb brace 1 includes a thigh-side brace 10 mounted on the user's thigh, a crus side brace 30 mounted on the user's lower leg, and the thigh-side brace. The actuator unit 100 is attached to the lower leg brace 30 and can apply an assisting force around the knee joint to the lower leg orthosis 30.
本実施の形態においては、前記大腿側装具10は、ユーザーの大腿に装着される大腿装着体15と、前記大腿装着体15に連結された大腿フレーム20とを有している。 In the present embodiment, the thigh-side brace 10 has a thigh mounting body 15 to be mounted on the user's thigh, and a thigh frame 20 connected to the thigh mounting body 15.
前記大腿装着体15は、ユーザーの大腿に装着可能とされる限り種々の形態を取り得る。
本実施の形態においては、図1に示すように、前記大腿装着体15は、ユーザーの大腿が挿入可能で且つ大腿にフィットするような大きさの装着孔を有する筒状とされている。
The thigh attachment body 15 can take various forms as long as it can be attached to the user's thigh.
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the thigh mounting body 15 has a tubular shape having a mounting hole into which a user's thigh can be inserted and which fits the thigh.
図1〜図4に示すように、前記大腿フレーム20は、ユーザーの幅方向外方側においてユーザーの大腿に沿って上下に延びる第1大腿フレーム20(1)を有している。 As shown in FIGS. 1 to 4, the thigh frame 20 has a first thigh frame 20(1) extending vertically along the user's thigh on the outer side in the width direction of the user.
本実施の形態においては、図1〜図4に示すように、前記大腿フレーム20は、さらに、前記大腿装着体10に挿入されたユーザーの大腿を挟んで前記第1大腿フレーム20(1)と対向するようにユーザーの幅方向内方側においてユーザーの大腿に沿って上下に延びる第2大腿フレーム20(2)を有している。 In the present embodiment, as shown in FIGS. 1 to 4, the thigh frame 20 further includes the first thigh frame 20(1) sandwiching the user's thigh inserted into the thigh attachment body 10. The second thigh frame 20(2) extends vertically along the user's thigh on the inner side in the width direction of the user so as to face each other.
本実施の形態においては、前記下腿側装具30は、ユーザーの下腿に装着される下腿装着体35と、前記下腿装着体35に連結された下腿フレーム40とを有している。 In the present embodiment, the lower leg orthosis 30 has a lower leg mounting body 35 mounted on the lower leg of the user, and a lower leg frame 40 connected to the lower leg mounting body 35.
前記下腿装着体35は、ユーザーの下腿に装着可能とされる限り種々の形態を取り得る。
本実施の形態においては、図1に示すように、前記下腿装着体35は、ユーザーの下腿が挿入可能で且つ下腿にフィットするような大きさの装着孔を有する筒状とされている。
The lower leg mount 35 may have various shapes as long as it can be mounted on the lower leg of the user.
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the lower leg mounting body 35 has a tubular shape having a mounting hole into which the lower leg of the user can be inserted and which fits the lower leg.
図1〜図4に示すように、前記下腿フレーム40は、ユーザーの幅方向外方側においてユーザーの下腿に沿って上下に延びる第1下腿フレーム40(1)を有している。 As shown in FIGS. 1 to 4, the lower leg frame 40 includes a first lower leg frame 40(1) extending vertically along the lower leg of the user on the outer side in the width direction of the user.
本実施の形態においては、図1〜図4に示すように、前記下腿フレーム40は、さらに、前記下腿装着体30に挿入されたユーザーの下腿を挟んで前記第1下腿フレーム40(1)と対向するようにユーザーの幅方向内方側においてユーザーの下腿に沿って上下に延びる第2下腿フレーム40(2)を有している。 In the present embodiment, as shown in FIGS. 1 to 4, the lower leg frame 40 further includes the first lower leg frame 40(1) sandwiching the user's lower leg inserted into the lower leg mounting body 30. The second lower leg frame 40(2) extends vertically along the lower leg of the user on the inner side in the width direction of the user so as to face each other.
本実施の形態においては、前記下腿側装具30は、さらに、ユーザーが足を載置する足装着体65と、前記足装着体65を支持し且つ前記下腿フレーム40に連結される足フレーム60とを有している。 In the present embodiment, the crus orthosis 30 further includes a foot mount 65 on which a user places a foot, and a foot frame 60 that supports the foot mount 65 and is connected to the crus frame 40. have.
前記下腿側装具30は、前記大腿側装具10に対してユーザーの膝関節回り回動可能に連結されている。
即ち、前記下腿フレーム40が前記大腿フレーム20に対してユーザーの膝関節の揺動軸線X回り回動可能に連結されている。
The lower leg side brace 30 is connected to the thigh side brace 10 so as to be rotatable around the knee joint of the user.
That is, the lower leg frame 40 is rotatably connected to the upper leg frame 20 about the swing axis X of the knee joint of the user.
前述の通り、本実施の形態においては、前記大腿フレーム20は前記第1及び第2大腿フレーム20(1)、20(2)を有し、前記下腿フレーム40は第1及び第2下腿フレーム40(1)、40(2)を有している。 As described above, in the present embodiment, the thigh frame 20 has the first and second thigh frames 20(1) and 20(2), and the lower leg frame 40 is the first and second lower leg frames 40. (1) and 40(2).
従って、前記第1下腿フレーム40(1)が前記第1大腿フレーム20(1)に揺動軸線X回り回動可能に連結され、前記第2下腿フレーム40(2)が前記第2大腿フレーム20(2)に揺動軸線X回り回動可能に連結されている。 Therefore, the first lower leg frame 40(1) is rotatably connected to the first thigh frame 20(1) about the swing axis X, and the second lower leg frame 40(2) is connected to the second thigh frame 20. It is connected to (2) so as to be rotatable around the swing axis line X.
図5に、前記大腿フレーム20及び前記下腿フレーム40の分解斜視図を示す。
図5に示すように、前記大腿フレーム20は、上下方向に延びる大腿フレーム本体21と、前記大腿フレーム本体21の下端部を挟むように当該大腿フレーム本体21にピン連結又は溶接等によって固着された一対の連結片22a、22bとを有している。
FIG. 5 shows an exploded perspective view of the thigh frame 20 and the lower leg frame 40.
As shown in FIG. 5, the thigh frame 20 is fixed to the thigh frame body 21 extending in the vertical direction and the thigh frame body 21 by pin connection or welding so as to sandwich the lower end portion of the thigh frame body 21. It has a pair of connecting pieces 22a and 22b.
前記一対の連結片22a、22bは、前記大腿フレーム本体21よりユーザーの脚から離間する側に位置する外側連結片22aと、前記大腿フレーム本体21よりユーザーの脚に近接する側に位置する内側連結片22bとを有している。 The pair of connecting pieces 22a and 22b are an outer connecting piece 22a located on the side of the thigh frame main body 21 away from the user's leg and an inner connecting piece on the side of the thigh frame main body 21 close to the user's leg. It has a piece 22b.
前記下腿フレーム40は、前記一対の連結片22a、22bの間に介挿された状態で前記揺動軸線X回り回動可能に前記一対の連結片22a、22bに連結されている。 The lower leg frame 40 is connected to the pair of connecting pieces 22a and 22b so as to be rotatable around the swing axis X while being inserted between the pair of connecting pieces 22a and 22b.
詳しくは、前記一対の連結片22a、22b及び前記下腿フレーム40の上部には前記揺動軸線Xと同軸上においてユーザー幅方向に沿った取付孔23、43が形成されている。 More specifically, mounting holes 23 and 43 are formed in the upper portion of the pair of connecting pieces 22a and 22b and the lower leg frame 40 coaxially with the swing axis line X along the user width direction.
前記アクチュエータユニット100が装着される側(ユーザーの対応する脚よりユーザー幅方向外方側)に位置する、前記第1大腿フレーム20(1)及び前記第1下腿フレーム40(1)は、第1回動連結具50(1)を介して前記揺動軸線X回り回動可能に連結されている。 The first thigh frame 20(1) and the first lower leg frame 40(1) located on the side where the actuator unit 100 is mounted (outer side of the user's corresponding leg in the user width direction) are the first It is rotatably connected about the swing axis line X via a rotation connecting tool 50(1).
前記第1回動連結具50(1)は、前記取付孔23、43内において互いに対して分離可能に連結される第1雌ネジ部材51(1)及び第1雄ネジ部材55(1)を有している。 The first rotary connector 50(1) includes a first female screw member 51(1) and a first male screw member 55(1) that are separably connected to each other in the mounting holes 23, 43. Have
前記第1雌ネジ部材51(1)は、前記内側連結片22bの側から前記取付孔23に挿入される筒部52と、前記取付孔23よりユーザーの脚に近接する位置において前記筒部52から径方向外方へ延在されるフランジ部53とを有しており、前記筒部52には自由端側に開くネジ穴が形成されている。 The first female screw member 51(1) includes a tubular portion 52 inserted into the attachment hole 23 from the side of the inner connecting piece 22b, and the tubular portion 52 at a position closer to the user's leg than the attachment hole 23. And a flange portion 53 that extends radially outward from the cylindrical portion 52, and a threaded hole that opens to the free end side is formed in the cylindrical portion 52.
前記第1雄ネジ部材55(1)は、前記外側連結片22aの側から前記取付孔23内に挿入される筒部56と、前記取付孔23よりユーザーの脚から離間する位置において前記筒部56から延在された係合凸部57とを有している。 The first male screw member 55(1) includes a tubular portion 56 inserted into the attachment hole 23 from the side of the outer connecting piece 22a, and the tubular portion at a position separated from the user's leg by the attachment hole 23. 56 and an engaging convex portion 57 extending from 56.
前記第1雄ネジ部材55(1)の筒部56には、前記取付孔23、43内において前記第1雌ネジ部材51(1)の前記ネジ穴に螺入される雄ネジが形成されている。 A male screw to be screwed into the screw hole of the first female screw member 51(1) in the mounting holes 23, 43 is formed in the tubular portion 56 of the first male screw member 55(1). There is.
前記第1雄ネジ部材55(1)に形成された雄ネジ及び前記第1雌ネジ部材51(1)の雌ネジを、前記取付孔23、43内で螺入させることによって、前記第1下腿フレーム40(1)が前記第1大腿フレーム20(1)に対して揺動可能に連結される。 The male screw formed on the first male screw member 55(1) and the female screw of the first female screw member 51(1) are screwed into the mounting holes 23, 43, whereby the first lower leg A frame 40(1) is swingably connected to the first thigh frame 20(1).
ユーザーの対応する脚よりユーザー幅方向内方側に位置する、前記第2大腿フレーム20(2)及び前記第2下腿フレーム40(2)は、第2回動連結具50(2)を介して前記揺動軸線X回り回動可能に連結されている。 The second thigh frame 20(2) and the second lower leg frame 40(2), which are located on the inner side in the user width direction with respect to the leg corresponding to the user, are connected via the second rotation connector 50(2). They are connected so as to be rotatable around the swing axis line X.
前記第2回動連結具50(2)は、前記取付孔内23、43において互いに対して分離可能に連結される第2雌ネジ部材51(2)及び第2雄ネジ部材55(2)を有している。 The second turning connector 50(2) includes a second female screw member 51(2) and a second male screw member 55(2) that are detachably connected to each other in the mounting holes 23, 43. Have
前記第2雌ネジ部材51(2)は、前記第1雌ネジ部材51(1)と同一構成を有している。 The second female screw member 51(2) has the same structure as the first female screw member 51(1).
前記第2雄ネジ部材55(2)は、前記外側連結片22aの側から前記取付孔23内に挿入される筒部56と、前記取付孔23よりユーザー幅方向内方側において前記筒部56から径方向外方へ延在されたフランジ部58とを有している。 The second male screw member 55(2) includes a tubular portion 56 that is inserted into the attachment hole 23 from the outer connecting piece 22a side, and the tubular portion 56 on the inner side in the user width direction from the attachment hole 23. And a flange portion 58 that extends radially outward from.
前記第2雄ネジ部材55(2)の筒部56には、前記取付孔23、43内において前記第2雌ネジ部材51(2)の前記ネジ穴に螺入される雄ネジが形成されている。 The cylindrical portion 56 of the second male screw member 55(2) is formed with a male screw to be screwed into the screw hole of the second female screw member 51(2) in the mounting holes 23, 43. There is.
前記第2雄ネジ部材55(2)に形成された雄ネジ及び前記第2雌ネジ部材51(2)の雌ネジを、前記取付孔23、43内で螺入させることによって、前記第2下腿フレーム40(2)が前記第2大腿フレーム20(2)に対して揺動可能に連結される。 The male screw formed on the second male screw member 55(2) and the female screw of the second female screw member 51(2) are screwed into the mounting holes 23, 43, whereby the second lower leg The frame 40(2) is swingably connected to the second thigh frame 20(2).
なお、図5の符号53aは、前記フランジ部53に設けられた径方向外方突起であり、前記内側連結片22bに形成された凹部に係合することで、前記雌ねじ部材51が前記内側連結片22b(即ち、前記大腿フレーム20)に対して軸線回り相対回転不能に保持されるようになっている。 Reference numeral 53a in FIG. 5 is a radial outward projection provided on the flange portion 53, and the female screw member 51 is engaged with the concave portion formed on the inner connecting piece 22b so that the inner thread member 51 is connected to the inner connecting member 22b. The piece 22b (that is, the thigh frame 20) is held so as not to be relatively rotatable around the axis.
本実施の形態においては、前記長下肢装具1は、図1〜図4に示すように、さらに、前記下腿フレーム40の前記大腿フレーム20に対する揺動軸線X回りの回動を禁止する為のロック部材70を有している。 In the present embodiment, as shown in FIGS. 1 to 4, the long lower limb orthosis 1 further has a lock for prohibiting rotation of the lower leg frame 40 around the swing axis X with respect to the thigh frame 20. It has a member 70.
前記ロック部材70は、前記大腿フレーム20及び前記下腿フレーム40を囲繞して両フレーム20、40を連結し、前記下腿フレーム40が前記大腿フレーム20に対して前記揺動軸線X回りに相対回転することを防止するロック状態示す状態(図1〜図4に示す状態)と、前記大腿フレーム20及び前記下腿フレーム40の連結を解除し、前記下腿フレーム40が前記大腿フレーム20に対して前記揺動軸線X回りに相対回転することを許容する解除状態とを取り得るように構成されている。 The locking member 70 surrounds the thigh frame 20 and the lower leg frame 40 to connect the two frames 20, 40, and the lower leg frame 40 rotates relative to the thigh frame 20 about the swing axis X. The locked state for preventing such a situation (the state shown in FIGS. 1 to 4) and the connection between the thigh frame 20 and the lower leg frame 40 are released, and the lower leg frame 40 swings with respect to the thigh frame 20. It is configured to be in a released state that allows relative rotation around the axis X.
なお、本実施の形態においては、前記ロック部材70は、前記第1大腿フレーム20(1)及び前記第1下腿フレーム40(1)に作用するユーザー幅方向外側に位置する第1ロック部材70(1)と、前記第2大腿フレーム20(2)及び前記第2下腿フレーム40(2)に作用するユーザー幅方向内側に位置する第2ロック部材70(2)とを有している。 In addition, in the present embodiment, the lock member 70 acts on the first thigh frame 20(1) and the first lower leg frame 40(1) and is positioned on the outer side in the user width direction (first lock member 70(). 1) and a second lock member 70(2) located on the inner side in the user width direction that acts on the second thigh frame 20(2) and the second lower leg frame 40(2).
また、本実施の形態においては、図5に示すように、前記下腿フレーム40の上端面45(前記大腿フレーム20に対向する端面)は前記揺動軸線X回り一方側から他方側へ行くに従って前記揺動軸線Xからの径方向距離が増大するような傾斜面とされており、前記大腿フレーム20の下端面25(前記下腿フレーム40に対向する端面)は前記下腿フレーム40の上端面45に対応した傾斜面とされている。 Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, the upper end surface 45 of the lower leg frame 40 (the end surface facing the thigh frame 20) rotates from one side around the swing axis X to the other side. The lower surface 25 of the thigh frame 20 (the end surface facing the lower leg frame 40) corresponds to the upper end surface 45 of the lower leg frame 40, which is an inclined surface that increases the radial distance from the swing axis X. It is considered to be an inclined surface.
斯かる構成により、前記下腿フレーム40は、前記大腿フレーム20に対して前記揺動軸線X回り一方側(ユーザーの下腿が大腿に対して屈曲する方向)へのみ回動が許容され、他方側へは、下腿が大腿に対して伸展することを許容しつつそれ以上は回動しないようになっている。 With such a configuration, the lower leg frame 40 is allowed to rotate only on one side around the swing axis X with respect to the thigh frame 20 (the direction in which the user's lower leg bends with respect to the thigh), and to the other side. Allows the lower leg to extend with respect to the thigh and prevents further rotation.
図6に、前記アクチュエータユニット100の部分縦断面図を示す。
図1〜図4及び図6に示すように、前記アクチュエータユニット100は、上部フレーム120と、前記上部フレーム120に枢支軸線Y回り回動可能に連結された下部フレーム340と、前記下部フレーム340を枢支軸線Y回りに回動させる為の駆動力を発生する電動モータ等の駆動体110と、前記上部フレーム340を前記大腿フレーム20に連結させる上部連結体360と、前記枢支軸線Yを前記揺動軸線Xと同軸上に位置させる回動中心連結体180と、下部連結体370とを備えている。
FIG. 6 shows a partial vertical sectional view of the actuator unit 100.
1 to 4 and 6, the actuator unit 100 includes an upper frame 120, a lower frame 340 rotatably connected to the upper frame 120 about a pivot axis Y, and the lower frame 340. A driving body 110 such as an electric motor for generating a driving force for rotating the shaft around the pivot axis Y, an upper coupling body 360 coupling the upper frame 340 to the thigh frame 20, and the pivot axis Y. The rotation center connecting body 180 and the lower connecting body 370 are arranged coaxially with the swing axis line X.
前記上部フレーム120及び前記下部フレーム340には、それぞれ、前記枢支軸線Yと同軸上に配置された上部フレーム取付孔120a及び下部フレーム取付孔140aが設けられている。 The upper frame 120 and the lower frame 340 are provided with an upper frame mounting hole 120a and a lower frame mounting hole 140a which are arranged coaxially with the pivot axis Y, respectively.
前記下部フレーム取付孔140aには回動連結軸151が固着されており、前記回動連結軸151が軸受部材155を介して前記上部フレーム取付孔120aに軸線回り回動可能に支持されており、これにより、前記下部フレーム340が前記上部フレーム120に前記枢支軸線Y回り回動可能に連結されている。 A rotation connecting shaft 151 is fixed to the lower frame mounting hole 140a, and the rotation connecting shaft 151 is supported by the upper frame mounting hole 120a via a bearing member 155 so as to be rotatable around its axis. As a result, the lower frame 340 is rotatably connected to the upper frame 120 about the pivot axis Y.
前記駆動体110は、電動モータ等の駆動源111と、前記駆動源111によって発生された駆動力を前記下部フレーム340に伝達する伝動機構115とを有している。 The driving body 110 includes a driving source 111 such as an electric motor, and a transmission mechanism 115 that transmits the driving force generated by the driving source 111 to the lower frame 340.
前記駆動源111は前記上部フレーム120の外側面に固着されている。
本実施の形態においては、図6に示すように、前記駆動源111は、出力軸111aが下方へ延在された状態で前記上部フレーム120の外側面に固着されている。
The driving source 111 is fixed to the outer surface of the upper frame 120.
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, the drive source 111 is fixed to the outer surface of the upper frame 120 with the output shaft 111a extending downward.
本実施の形態においては、図6に示すように、前記伝動機構115は、前記出力軸111aに相対回転不能に支持された駆動側ベベルギヤ116と、前記枢支軸線Y回りに前記下部フレーム340と一体的に回転するように前記下部フレーム340に連結された状態で前記駆動側ベベルギヤ116に噛合された従動側ベベルギヤ117とを備えている。 In the present embodiment, as shown in FIG. 6, the transmission mechanism 115 includes a drive-side bevel gear 116 supported by the output shaft 111a so as to be relatively non-rotatable, and a lower frame 340 around the pivot axis Y. The driven bevel gear 117 meshes with the driving bevel gear 116 while being connected to the lower frame 340 so as to rotate integrally.
なお、前記アクチュエータユニット100は、前記回動連結軸151の軸線回りの回転角度を検出するセンサ(図示せず)を有することができ、前記センサによって前記回動連結軸151の軸線回りの回転角度を検出して、前記下部フレーム340の前記枢支軸線Y回りの揺動角度を認識することができる。 The actuator unit 100 may include a sensor (not shown) that detects a rotation angle of the rotation connecting shaft 151 about the axis, and the sensor may detect a rotation angle of the rotation connecting shaft 151 about the axis. Can be detected to recognize the swing angle of the lower frame 340 around the pivot axis Y.
図3及び図4に示すように、前記上部連結体360は、枢支軸線Yに平行で且つユーザー幅方向外方(前記上部フレーム120の方向)に開くように前記第1大腿フレーム20(1)に設けられた係合孔361と、前記係合孔361に係合可能なように前記上部フレーム120に設けられた係合ピン362とを有している。 As shown in FIGS. 3 and 4, the upper connecting body 360 is parallel to the pivot axis Y and is opened outward in the user width direction (toward the upper frame 120) so as to open the first thigh frame 20(1). ) And an engagement pin 362 provided on the upper frame 120 so as to be engaged with the engagement hole 361.
本実施の形態においては、前記上部連結体360には、ロック機構が備えられている。
前記ロック機構は、図4に示すように、前記係合ピン362の外表面から径方向に沿って進退自在とされ、前記係合ピンの外表面から径方向外方へ突出された係合位置及び前記係合ピン内に退避された解除位置を取り得る凸部366と、前記凸部366を係合位置へ向けて付勢する付勢部材(図示せず)と、前記係合ピン362が前記係合孔361に係入された状態において前記凸部366と係合するように前記係合孔に設けられた凹部(図示せず)と、外部からの人為操作に応じて前記付勢部材の付勢力に抗して前記凸部366を解除位置へ押動する解除操作部367とを有している。
In the present embodiment, the upper coupling body 360 is provided with a lock mechanism.
As shown in FIG. 4, the lock mechanism is movable in the radial direction from the outer surface of the engagement pin 362, and is engaged in the radial direction outward from the outer surface of the engagement pin. And a convex portion 366 that can take a released position retracted in the engagement pin, a biasing member (not shown) that biases the convex portion 366 toward the engagement position, and the engagement pin 362. A concave portion (not shown) provided in the engaging hole so as to engage with the convex portion 366 in a state of being engaged with the engaging hole 361, and the biasing member in response to an external manual operation. And a release operation portion 367 for pushing the convex portion 366 to the release position against the biasing force of the.
図4及び図6に示すように、前記回動中心連結体180は、前記揺動軸線Xと同軸上に位置するように前記第1大腿フレーム20(1)又は前記第1下腿フレーム40(1)に設けられた装具側回動中心連結部材と、前記枢支軸線Yと同軸上に位置するように前記上部フレーム120又は前記下部フレーム340に設けられたアクチュエータ側回動中心連結部材185とを有している。 As shown in FIGS. 4 and 6, the rotation center connecting body 180 is positioned coaxially with the swing axis X so that the first thigh frame 20(1) or the first lower leg frame 40(1). ), and an actuator-side rotation center connecting member 185 provided on the upper frame 120 or the lower frame 340 so as to be positioned coaxially with the pivot axis Y. Have
本実施の形態においては、前記第1回動連結具50(1)における前記係合凸部27が前記装具側回動中心連結部材として作用する。 In the present embodiment, the engagement convex portion 27 of the first rotation connecting tool 50(1) acts as the equipment-side rotation center connecting member.
前記アクチュエータ側回動中心連結部材185は、前記装具側回動中心連結部材(本実施の形態においては前記係合凸部57)に着脱可能に凹凸係合するアクチュエータ側凹凸係合部185aを有している。 The actuator-side rotation center connecting member 185 has an actuator-side concave-convex engaging portion 185a that is detachably concave-convexly engaged with the equipment-side rotation center connecting member (the engaging convex portion 57 in the present embodiment). doing.
本実施の形態においては、図6に示すように、前記上部フレーム120に、前記装具側回動中心連結部材(本実施の形態においては前記係合凸部57)が着脱可能且つ軸線回り回動可能に係入される係合凹部が形成されており、前記係合凹部が前記アクチュエータ側凹凸係合部185aとして作用する。 In the present embodiment, as shown in FIG. 6, the equipment-side rotation center connecting member (the engagement convex portion 57 in the present embodiment) is attachable to and detachable from the upper frame 120 and rotates about the axis. Engagement recesses that can be engaged are formed, and the engagement recesses act as the actuator-side uneven engagement portion 185a.
図3、図4及び図6に示すように、前記下部連結体370は、前記下部フレーム340が前記上部フレーム120に対して枢支軸線Y回りに回動する動きに応じて前記第1下腿フレーム40(1)が前記第1大腿フレーム20(1)に対して揺動軸線X回りに回動するように、前記下部フレーム340を前記第1下腿フレーム40(1)に連結させる。 As shown in FIGS. 3, 4 and 6, the first lower leg frame 370 may include the first lower leg frame 370 in response to the lower frame 340 rotating around the pivot axis Y with respect to the upper frame 120. The lower frame 340 is connected to the first lower leg frame 40(1) so that the lower frame 40(1) rotates about the swing axis X with respect to the first thigh frame 20(1).
詳しくは、図6に示すように、前記下部フレーム340は、前記回動連結軸151を介して前記上部フレーム120に枢支軸線Y回り回動可能に連結される基端部341と、前記基端部341から前記第1下腿フレーム40(1)に近接する側へ延びる先端部345とを有している。 Specifically, as shown in FIG. 6, the lower frame 340 includes a base end portion 341 that is rotatably connected to the upper frame 120 via the rotation connecting shaft 151 and is rotatable about a pivot axis Y. It has a tip portion 345 extending from the end portion 341 toward the side closer to the first lower leg frame 40(1).
図6等に示すように、本実施の形態においては、前記基端部341は、前記従動側ベベルギヤ117を枢支軸線Y回りに一体回転するように支持しており、これにより、前記駆動体110からの回転動力によって前記従動側ベベルギヤ117及び前記基端部341が枢支軸線Y回りに一体回動する。
本実施の形態においては、前記基端部341は略垂直に沿った平板状とされている。
As shown in FIG. 6 and the like, in the present embodiment, the base end portion 341 supports the driven-side bevel gear 117 so as to integrally rotate about the pivot axis Y, whereby the drive member is driven. The driven bevel gear 117 and the base end 341 are integrally rotated around the pivot axis Y by the rotational power from 110.
In the present embodiment, the base end 341 has a flat plate shape extending substantially vertically.
図4及び図6に示すように、前記先端部345は、先端面346が前記第1下腿フレーム40(1)におけるユーザー幅方向外方を向く外側面と対向する対向面を形成している。
前記先端面346は、前記第1下腿フレーム40(1)の幅方向(即ち、ユーザー前後方向)に対応した幅方向Dに関し所定長さを有している。
本実施の形態においては、前記先端部345は略水平に沿った平板状とされており、先端面346は略矩形とされている。
As shown in FIGS. 4 and 6, the distal end portion 345 has a distal end surface 346 that forms a facing surface that faces the outer surface of the first lower leg frame 40(1) facing outward in the user width direction.
The front end surface 346 has a predetermined length in the width direction D corresponding to the width direction of the first lower leg frame 40(1) (that is, the front-back direction of the user).
In the present embodiment, the tip portion 345 has a flat plate shape extending substantially horizontally, and the tip surface 346 has a substantially rectangular shape.
図4及び図6に示すように、前記下部連結体370は、前記先端部345に形成された支持孔371と、前記支持孔371に進退自在に収容された係合ピン372と、前記係合ピン372を付勢する付勢ばね373と、前記先端部345に設けられた係合アーム375とを有している。 As shown in FIGS. 4 and 6, the lower connecting body 370 includes a support hole 371 formed in the tip portion 345, an engagement pin 372 housed in the support hole 371 so as to be movable back and forth, and the engagement. It has an urging spring 373 for urging the pin 372, and an engagement arm 375 provided on the tip portion 345.
前記支持孔371は、前記対向面の幅方向中間領域において前記対向面に開き且つ前記第1下腿フレーム40(1)の外側面に対して略直交する方向に延びている。 The support hole 371 opens in the opposing surface in the widthwise intermediate region of the opposing surface and extends in a direction substantially orthogonal to the outer surface of the first lower leg frame 40(1).
前記係合ピン372は、先端が前記対向面から突出された突出位置及び前記突出位置より前記第1下腿フレーム40(1)から離間するように前記支持孔371に入り込んだ退避位置を取り得るように、前記支持孔371に軸線方向移動可能に収容されている。 The engagement pin 372 may have a protruding position in which a tip is protruded from the facing surface and a retracted position in which the engaging pin 372 enters the support hole 371 so as to be separated from the first lower leg frame 40(1) from the protruding position. Further, it is accommodated in the support hole 371 so as to be movable in the axial direction.
前記付勢ばね373は、前記係合ピン371を突出位置へ向けて付勢する。
本実施の形態においては、前記付勢ばね373は、前記係合ピン371の基端部と前記支持孔371の底面との間に介挿されている。
The biasing spring 373 biases the engagement pin 371 toward the protruding position.
In the present embodiment, the biasing spring 373 is inserted between the base end portion of the engagement pin 371 and the bottom surface of the support hole 371.
詳しくは、本実施の形態においては、前記支持孔371は、一端側が前記対向面に開き且つ他端側が前記対向面とは反対側の裏面に開くように前記先端部345に形成されており、前記支持孔371の他端側は前記先端部345の裏面に固着される閉塞プレート348によって閉じられている。この場合、前記閉塞プレート348が前記支持孔371の底面を形成する。 Specifically, in the present embodiment, the support hole 371 is formed in the tip portion 345 so that one end side opens to the facing surface and the other end side opens to the back surface opposite to the facing surface, The other end of the support hole 371 is closed by a closing plate 348 fixed to the back surface of the tip portion 345. In this case, the closing plate 348 forms the bottom surface of the support hole 371.
前記係合アーム375は、前記対向面から前記第1下腿フレーム40(1)に近接する側へ枢支軸線Yに沿って延びる軸方向延在部376を有している。
前記軸方向延在部376は、前記第1下腿フレーム40(1)が前記下部フレーム340の幅方向に関し前記軸方向延在部376及び前記係合ピン372の間に配置可能なように、前記係合ピン372との間の幅方向離間距離が設定されている。
The engagement arm 375 has an axially extending portion 376 extending along the pivot axis Y from the facing surface to the side closer to the first lower leg frame 40(1).
The axial extension portion 376 is arranged so that the first lower leg frame 40(1) can be arranged between the axial extension portion 376 and the engagement pin 372 in the width direction of the lower frame 340. A widthwise separation distance from the engagement pin 372 is set.
即ち、前記第1下腿フレーム40(1)がユーザー前後方向に関し前記係合ピン372及び前記軸方向延在部376の間に位置し得るように、前記係合ピン372及び前記軸方向延在部376の間の幅方向離間距離が前記第1下腿フレーム40(1)の幅よりも大とされている。 That is, the engagement pin 372 and the axial extension portion are arranged so that the first lower leg frame 40(1) can be located between the engagement pin 372 and the axial extension portion 376 in the user longitudinal direction. The distance in the width direction between 376 is set to be larger than the width of the first lower leg frame 40(1).
ここで、前記下部連結体370による前記下部フレーム340の前記第1下腿フレーム40(1)への装着動作について説明する。
図7に、図2におけるVII-VII線に沿った端面図を示す。
Here, the mounting operation of the lower frame 340 to the first lower leg frame 40(1) by the lower connecting body 370 will be described.
FIG. 7 shows an end view taken along the line VII-VII in FIG.
前記下部フレーム340を前記第1下腿フレーム40(1)に前記下部連結体370によって連結させる際には、まず、前記係合ピン372を前記付勢ばね373の付勢力に抗して退避位置に位置させつつ、前記第1下腿フレーム40(1)が枢支軸線Yに沿った方向に関し前記軸方向延在部376と重合する位置まで前記アクチュエータユニット100を長下肢装具本体に対して枢支軸線Y方向に相対移動させる。 When connecting the lower frame 340 to the first lower leg frame 40(1) by the lower connecting body 370, first, the engaging pin 372 is moved to the retracted position against the urging force of the urging spring 373. While being positioned, the actuator unit 100 is pivoted with respect to the long lower limb orthosis body to a position where the first lower leg frame 40(1) overlaps with the axial extension portion 376 in the direction along the pivot axis Y. Move relative to Y direction.
この際、好ましくは、前記係合ピン372の退避位置への移動を前記第1下腿フレーム40(1)の外側面を介して行うことができる。
即ち、前記第1下腿フレーム40(1)の外側面を前記係合ピン372に当接させた状態で前記係合ピン372が突出位置から退避位置へ移動するように、前記アクチュエータユニット100を前記第1下腿フレーム40(1)に対して近接方向へ相対移動させることができる。
この状態を図7に破線で示す。
At this time, preferably, the movement of the engagement pin 372 to the retracted position can be performed via the outer side surface of the first lower leg frame 40(1).
That is, the actuator unit 100 is moved so that the engagement pin 372 moves from the projecting position to the retracted position with the outer surface of the first lower leg frame 40(1) abutting the engagement pin 372. The first lower leg frame 40(1) can be relatively moved in the approach direction.
This state is shown by a broken line in FIG.
図7において破線で示された状態から、前記下部フレーム340を枢支軸線Y回り連結方向(図7においては時計回り方向)に回動させると、前記係合ピン372と前記第1下腿フレーム40(1)との当接が解除されて、前記係合ピン372が前記付勢ばね373の付勢力によって退避位置から突出位置に位置される。 When the lower frame 340 is rotated in the connecting direction around the pivot axis Y (clockwise direction in FIG. 7) from the state shown by the broken line in FIG. 7, the engagement pin 372 and the first lower leg frame 40 The contact with (1) is released, and the engagement pin 372 is positioned from the retracted position to the projecting position by the urging force of the urging spring 373.
これにより、前記第1下腿フレーム40(1)は、前記下部フレーム340の幅方向(ユーザー前後方向)に関し前記係合ピン372及び前記軸方向延在部376によって挟まれることになり(図7の実線参照)、前記下部フレーム340が前記第1下腿フレーム40(1)に対してフレーム長手方向へは相対移動可能な状態で、前記下部フレーム340の前記上部フレーム120に対する前記枢支軸線Y回りの回動動作に連動して前記第1下腿フレーム40(1)を前記大腿フレーム20に対して前記揺動軸線X回りに回動させる連動状態が現出される。 As a result, the first lower leg frame 40(1) is sandwiched by the engagement pin 372 and the axially extending portion 376 in the width direction of the lower frame 340 (the front-back direction of the user) (see FIG. 7). Solid line), the lower frame 340 is movable relative to the first lower leg frame 40 (1) in the longitudinal direction of the frame, and the rotation of the lower frame 340 around the pivot axis Y with respect to the upper frame 120. An interlocking state in which the first lower leg frame 40(1) is rotated around the swing axis X with respect to the thigh frame 20 in association with the rotation operation appears.
なお、装着時とは逆の操作を行うことによって、前記下部連結体370によって前記第1下腿フレーム40(1)に連結されている前記下部フレーム340を取り外すことができる。
即ち、前記下部連結体370によって前記下部フレーム340が前記第1下腿フレーム40(1)に連結されている際には、前記係合ピン372は前記付勢ばね373の付勢力によって突出位置に位置されている。
The lower frame 340, which is connected to the first lower leg frame 40(1) by the lower connecting body 370, can be removed by performing an operation reverse to that at the time of wearing.
That is, when the lower frame 340 is connected to the first lower leg frame 40(1) by the lower connecting body 370, the engagement pin 372 is located at the projecting position by the urging force of the urging spring 373. Has been done.
この突出位置の前記係合ピン372を人為操作力によって前記付勢ばね373の付勢力に抗して退避位置まで押動しつつ、前記下部フレーム340を枢支軸線Y回り解除方向(図7においては反時計回り方向)に回動させて、前記係合ピン372の先端部が前記第1下腿フレーム40(1)の外側面に当接する状態(図7の破線の状態)を現出させる。 While pushing the engaging pin 372 at the projecting position to the retracted position against the biasing force of the biasing spring 373 by the artificial operation force, the lower frame 340 is released in the direction of releasing the pivot axis Y around the Y axis (in FIG. 7). Is rotated in the counterclockwise direction) so that the tip end portion of the engagement pin 372 comes into contact with the outer surface of the first lower leg frame 40(1) (the state of the broken line in FIG. 7).
その後に、前記第1下腿フレーム40(1)及び前記下部フレーム340を互いに対して離間する方向へ相対移動させることによって、前記下部フレーム340を前記第1下腿フレーム40(1)から取り外すことができる。 Then, the lower frame 340 can be removed from the first lower leg frame 40(1) by relatively moving the first lower leg frame 40(1) and the lower frame 340 in a direction in which they are separated from each other. ..
好ましくは、前記係合アーム375は、前記軸方向延在部376から前記対向面の幅方向Wに関し前記係合ピン372に近接する方向へ延び、前記下部フレーム340が前記第1下腿フレーム40(1)に連結された状態において前記第1下腿フレーム40(1)の内側面(ユーザー幅方向に関し内側を向く側面)と対向する幅方向延在部377を含むものとされる。 Preferably, the engagement arm 375 extends from the axially extending portion 376 in a direction closer to the engagement pin 372 with respect to the width direction W of the facing surface, and the lower frame 340 causes the first lower leg frame 40 ( In the state of being connected to 1), the width direction extending portion 377 is opposed to the inner side surface (side surface facing inward in the user width direction) of the first lower leg frame 40(1).
前記幅方向延在部377は、前記第1下腿フレーム40(1)が前記係合ピン372、前記対向面を形成する前記先端面346、前記軸方向延在部376及び前記幅方向延在部377によって囲まれる保持空間370S(図4参照)内に配置可能なように、前記先端面346との間の軸方向離間距離が前記第1下腿フレーム40(1)の厚みよりも大となるように構成される。 The width direction extending portion 377 is configured such that the first lower leg frame 40(1) includes the engaging pin 372, the tip end surface 346 forming the facing surface, the axial direction extending portion 376, and the width direction extending portion. So that the axial separation distance from the distal end surface 346 is larger than the thickness of the first lower leg frame 40(1) so that the holding space 370S surrounded by 377 (see FIG. 4) can be arranged. Is composed of.
前記係合アーム375に前記幅方向延在部377を備えることによって、前記下部フレーム340が前記下部連結体370によって前記第1下腿フレーム40(1)に連結されている状態において、前記下部フレーム340及び前記第1下腿フレーム40(1)が枢支軸線Y方向に沿って離間する方向へ相対移動することを有効に防止することができ、これにより、前記下部フレーム340が意に反して前記第1下腿フレーム40(1)から脱離することを有効に防止することができる。 By providing the engagement arm 375 with the widthwise extending portion 377, the lower frame 340 is connected to the first lower leg frame 40(1) by the lower connecting body 370. Also, it is possible to effectively prevent relative movement of the first lower leg frame 40(1) in the direction of separation along the pivot axis Y direction, whereby the lower frame 340 unintentionally moves to the first direction. It is possible to effectively prevent detachment from the lower leg frame 40(1).
本実施の形態においては、前記係合アーム375は、前記対向面の幅方向一方側及び他方側にそれぞれ設けられた第1及び第2係合アーム375(1)、375(2)を有しており、図7の破線で示す状態から前記下部フレーム340を枢支軸線Y回りに何れの方向に回動させても、前記下部フレーム340を前記第1下腿フレーム40(1)に連結させ得るようになっている。 In the present embodiment, the engaging arm 375 has first and second engaging arms 375(1), 375(2) provided on one side and the other side in the width direction of the facing surface, respectively. Therefore, the lower frame 340 can be connected to the first lower leg frame 40(1) by rotating the lower frame 340 around the pivot axis Y in any direction from the state shown by the broken line in FIG. It is like this.
また、本実施の形態においては、図7に示すように、揺動軸線Xが前記第1下腿フレーム40(1)の幅方向(ユーザー前後方向)の中心に対して、前記第1下腿フレーム40(1)の幅方向(ユーザー前後方向)一方側に偏位されている。図7においては、揺動軸線Xは前記第1下腿フレーム40(1)の幅方向中心に対して、ユーザー前後方向に関し後方へ偏位されている。 In addition, in the present embodiment, as shown in FIG. 7, the swing axis X is the center of the first lower leg frame 40(1) in the width direction (the front-back direction of the user) with respect to the first lower leg frame 40. It is deviated to one side in the width direction (user front-back direction) of (1). In FIG. 7, the swing axis line X is deviated rearward with respect to the front-back direction of the user with respect to the center of the first lower leg frame 40(1) in the width direction.
このような場合には、前記係合ピン372を前記下部フレーム40の幅方向(ユーザー前後方向)の中央に配置させると共に、前記係合アーム375が、前記係合ピン372を挟んで前記下部フレーム40の幅方向一方側及び他方側(ユーザー前後方向に関し前方側及び後方側)に位置する前記第1及び第2係合アーム375(1)、375(2)を有するように構成することで、前記アクチュエータユニット100を長下肢装具1の左足側及び右足側の何れにも装着させることができる。 In such a case, the engagement pin 372 is arranged in the center of the lower frame 40 in the width direction (front-back direction of the user), and the engagement arm 375 sandwiches the engagement pin 372 to sandwich the lower frame. By having the first and second engagement arms 375(1), 375(2) located on one side and the other side of the width direction 40 (front side and rear side in the front-back direction of the user), The actuator unit 100 can be attached to either the left foot side or the right foot side of the long leg orthosis 1.
即ち、前記長下肢装具1の左足側に前記アクチュエータユニット100を装着させる場合には、前記係合ピン372と前記第1係合アーム375(1)とによって前記第1下腿フレーム40(1)を挟む一方、前記長下肢装具1の右足側に前記アクチュエータユニット100を装着させる場合には、前記係合ピン372と前記第2係合アーム375(2)とによって前記第1下腿フレーム40(1)を挟むことができる。 That is, when the actuator unit 100 is mounted on the left foot side of the long leg orthosis 1, the first lower leg frame 40(1) is moved by the engagement pin 372 and the first engagement arm 375(1). On the other hand, when the actuator unit 100 is mounted on the right foot side of the long leg orthosis 1 while sandwiched, the first lower leg frame 40(1) is formed by the engagement pin 372 and the second engagement arm 375(2). Can be sandwiched.
なお、本実施の形態においては、図7に示すように、前記アクチュエータユニット100は、前記係合ピン372とユーザー前後方向に関し前方に位置する前記第1係合アーム375(1)とによって前記第1下腿フレーム40(1)を挟むように装着されているが、前記第1下腿フレーム40(1)を前記第1大腿フレーム20(1)に対して回動させる回動角度を広げたい場合には、前記アクチュエータユニット100を、前記係合ピン372とユーザー前後方向に関し後方に位置する前記第2係合アーム375(2)とによって前記第1下腿フレーム40(1)を挟むように装着させることができる。 In addition, in the present embodiment, as shown in FIG. 7, the actuator unit 100 includes the engagement pin 372 and the first engagement arm 375(1) located forward in the front-back direction of the user. When the first lower leg frame 40(1) is mounted so as to sandwich the lower leg frame 40(1) and the rotation angle for rotating the first lower leg frame 40(1) with respect to the first thigh frame 20(1) is widened, Attach the actuator unit 100 so as to sandwich the first lower leg frame 40(1) by the engagement pin 372 and the second engagement arm 375(2) located rearward with respect to the front-rear direction of the user. You can
即ち、前記係合ピン372とユーザー前後方向に関し前方に位置する前記第1係合アーム375(1)とによって前記第1下腿フレーム40(1)を挟むと、前記下部フレーム340の初期姿勢(前記アクチュエータユニット100を装着した状態でユーザーが略直立姿勢と取る際の前記下部フレーム340の姿勢であり、図7の実線で示す姿勢)が、ユーザー幅方向内方から視た際に、水平姿勢(図7の破線で示す姿勢)から枢支軸線Y回りに時計回り方向へ所定角度αだけ回転された姿勢をとることになる。 That is, when the first lower leg frame 40(1) is sandwiched by the engagement pin 372 and the first engagement arm 375(1) located forward in the front-back direction of the user, the initial posture of the lower frame 340 (the above-mentioned The posture of the lower frame 340 when the user takes the substantially upright posture with the actuator unit 100 mounted, and the posture shown by the solid line in FIG. 7) is the horizontal posture when viewed from the inside in the user width direction ( 7) (the posture indicated by the broken line in FIG. 7) is rotated clockwise about the pivot axis Y by a predetermined angle α.
ここで、前記アクチュエータユニット100付きの長下肢装具1をユーザーが左脚に装着して歩行する際の左脚の動きを考えると、下腿が大腿に対して屈曲される動きを行う際には前記第1下腿フレーム40(1)はユーザー幅方向内方から視た状態において前記第1大腿フレーム20(1)に対して時計回り方向へ回動することになる。 Here, considering the movement of the left leg when the user wears the long leg brace 1 with the actuator unit 100 on the left leg and walks, the lower leg is bent with respect to the thigh. The first lower leg frame 40(1) rotates in the clockwise direction with respect to the first thigh frame 20(1) when viewed from the inside in the user width direction.
従って、前記アクチュエータユニット100を前記長下肢装具1に装着させた状態の初期姿勢において、ユーザー幅方向内方から視た際に、前記下部フレーム340が水平姿勢(図7の破線で示す姿勢)から枢支軸線Y回りに時計回り方向へ所定角度αだけ回転されているとすると、ユーザーが膝を曲げる動作をアシストすべく下腿を大腿に対して屈曲方向へ押動できる範囲、つまり、前記下部フレーム340を、ユーザー幅方向内方から視た際に枢支軸線Y回り時計回り方向へ回動できる回動範囲が、水平姿勢を基準にして前記所定角度α分だけ狭まることになる。 Therefore, in the initial posture in which the actuator unit 100 is mounted on the long leg orthosis 1, the lower frame 340 is in the horizontal posture (the posture shown by the broken line in FIG. 7) when viewed from the inside in the user width direction. Assuming that the user is rotating clockwise about the pivot axis Y by a predetermined angle α, the range in which the lower leg can be pushed in the bending direction with respect to the thigh to assist the user in bending the knee, that is, the lower frame. When the 340 is viewed from the inside in the user width direction, the rotation range in which the 340 can be rotated in the clockwise direction around the pivot axis Y is narrowed by the predetermined angle α with reference to the horizontal posture.
これに対し、前記係合ピン372とユーザー前後方向に関し後方に位置する前記第2係合アーム375(2)とによって前記第1下腿フレーム40(1)を挟むように、前記アクチュエータユニット100を装着させれば、前記下部フレーム340は、初期姿勢(ユーザーが略直立状態となる姿勢)において、ユーザー幅方向内方から視た際に、水平姿勢(図7の破線で示す姿勢)から枢支軸線Y回りに反時計回り方向へ所定角度αだけ回転された姿勢をとることになる。 On the other hand, the actuator unit 100 is mounted so that the first lower leg frame 40(1) is sandwiched by the engagement pin 372 and the second engagement arm 375(2) located rearward with respect to the front-back direction of the user. Thus, the lower frame 340 is pivoted from the horizontal posture (the posture shown by the broken line in FIG. 7) when viewed from the inside in the width direction of the user in the initial posture (the posture in which the user is in a substantially upright state). It takes a posture rotated in the counterclockwise direction around Y by a predetermined angle α.
従って、ユーザーの歩行動作をアシストすべく膝を曲げる方向へ押動力を付加できる範囲、つまり、前記下部フレーム340をユーザー幅方向内方から視た際に枢支軸線Y回り時計回り方向へ回動できる回動範囲を、水平姿勢を基準にして前記所定角度α分だけ広げることができる。 Therefore, in a range in which pushing force can be applied in the direction of bending the knee to assist the walking motion of the user, that is, when the lower frame 340 is viewed from the inside in the user width direction, the lower frame 340 is rotated clockwise around the pivot axis Y. It is possible to widen the possible rotation range by the predetermined angle α with reference to the horizontal posture.
ここで、本実施の形態に係る長下肢装具1の制御構造について説明する。
本実施の形態に係る長下肢装具1は、ユーザーの大腿姿勢に基づいて、下腿に対して歩行補助力を付与する前記アクチュエータユニット100の作動制御を行うように構成されている。
即ち、前記長下肢装具1は、制御対象部位である下腿とは異なる大腿の動きを検出し、大腿の動きに基づいて制御対象部位である下腿に対して歩行補助力を付与する前記アクチュエータユニット100の作動制御を行うように構成されている。
Here, the control structure of the long leg orthosis 1 according to the present embodiment will be described.
The long leg orthosis 1 according to the present embodiment is configured to control the operation of the actuator unit 100 that applies a walking assist force to the lower leg based on the thigh posture of the user.
That is, the long lower limb orthosis 1 detects the movement of the thigh different from the lower leg which is the control target portion, and applies the walking assist force to the lower leg which is the control target portion based on the movement of the thigh. It is configured to control the operation of the.
具体的には、図1及び図3に示すように、前記長下肢装具1は、ユーザーの大腿揺動角度に関連する角度関連信号を検出可能な大腿姿勢検出手段510と、前記アクチュエータユニット100の作動制御を司る制御装置500とを備えている。 Specifically, as shown in FIG. 1 and FIG. 3, the long lower limb orthosis 1 includes a thigh posture detecting means 510 capable of detecting an angle-related signal related to the thigh swing angle of the user, and the actuator unit 100. And a control device 500 that controls the operation.
前記大腿姿勢検出手段510は、一歩行周期中に、予め定められた所定タイミング毎の複数のサンプリングポイントにおいて、前記角度関連信号を検出し、前記制御装置500に送信するように構成されている。 The thigh posture detection means 510 is configured to detect the angle-related signals at a plurality of sampling points at predetermined timings during one walking cycle and transmit the signals to the control device 500.
前記制御装置500は、前記大腿姿勢検出手段510や人為操作部材等から入力される信号に基づいて演算処理を実行する制御演算手段を含む演算部と、制御プログラムや制御データ等を記憶するROM,設定値等を電源を切っても失われない状態で保存し且つ前記設定値等が書き換え可能とされた不揮発性記憶手段及び前記演算部による演算中に生成されるデータを一時的に保持するRAM等を含む記憶部とを備えている。 The control device 500 includes a calculation unit including a control calculation unit that executes a calculation process based on a signal input from the thigh posture detection unit 510, an artificial operation member, or the like, a ROM that stores a control program, control data, or the like. A non-volatile storage means in which set values and the like are saved in a state where they are not lost even when the power is turned off, and the set values and the like are rewritable And a storage unit including the like.
前記制御装置500は、一のサンプリングポイントでの前記角度関連信号に基づいて前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を算出し、当該制御装置500に予め記憶されている、大腿位相角と前記下腿側装具に付与すべき補助力の大きさとの関係を示す補助力制御データに前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を適用して前記一のサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具30に付与すべき補助力の大きさを算出し、前記大きさの補助力が出力されるように前記アクチュエータユニット100の作動制御を実行するように構成されている。
即ち、前記制御装置500は、一のサンプリングポイントでの前記角度関連信号に基づいて前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を算出する大腿位相角算出手段、大腿位相角及び前記下腿側装具に付与すべき補助力の大きさの関係を示す補助力制御データに前記大腿位相角算出手段によって算出された大腿位相角を適用して前記一のサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具30に付与すべき補助力の大きさを算出する補助力算出手段、並びに、前記補助力算出手段によって算出された大きさの補助力が出力されるように前記アクチュエータユニット100の作動制御を実行するアクチュエータ作動制御手段として作用するように構成されている。
The control device 500 calculates the thigh phase angle at the one sampling point based on the angle-related signal at the one sampling point, and the thigh phase angle and the lower leg stored in the control device 500 in advance. An assist to be applied to the lower leg orthosis 30 at the one sampling point by applying the thigh phase angle at the one sampling point to assist force control data indicating a relationship with the magnitude of the assist force to be applied to the side brace. The magnitude of the force is calculated, and the operation control of the actuator unit 100 is executed so that the auxiliary force of the magnitude is output.
That is, the control device 500 provides the thigh phase angle calculation means for calculating the thigh phase angle at the one sampling point based on the angle-related signal at the one sampling point, the thigh phase angle, and the lower leg brace. The assisting force to be applied to the lower leg orthosis 30 at the one sampling point by applying the thigh phase angle calculated by the thigh phase angle calculating means to assisting force control data indicating the magnitude of the assisting force to be applied. Acting as an assisting force calculating means for calculating the magnitude of the above, and an actuator operation controlling means for executing the operation control of the actuator unit 100 so that the assisting force of the magnitude calculated by the assisting force calculating means is output. Is configured.
このように、大腿の位相角に基づいて、下腿に対して歩行補助力を付与する前記アクチュエータユニット100の作動制御を実行することにより、脳卒中等によって片麻痺を有するユーザーに対しても的確な歩行補助力を供給することができる。 As described above, by performing the operation control of the actuator unit 100 that applies the walking assist force to the lower leg based on the phase angle of the thigh, it is possible to accurately walk even for a user who has hemiplegia due to a stroke or the like. Auxiliary power can be supplied.
即ち、アクチュエータユニットによって歩行補助力を付与するように構成された従来の歩行補助装置は、前記アクチュエータユニットによって補助力が付与される制御対象部位の動きを検出し、その検出結果に基づき前記アクチュエータユニットの作動制御を行うように構成されている。 That is, the conventional walking assist device configured to apply the walking assist force by the actuator unit detects the movement of the control target portion to which the assist force is applied by the actuator unit, and based on the detection result, the actuator unit. It is configured to control the operation of the.
例えば、大腿に対して歩行補助力を供給する従来の歩行補助装置においては、大腿の動きの検出結果に基づき、大腿に対して歩行補助力を付与するアクチュエータの作動制御を行うものとされている。
また、下腿に対して歩行補助力を供給する従来の歩行補助装置においては、下腿の動きの検出結果に基づき、下腿に対して歩行補助力を付与するアクチュエータの作動制御を行うものとされている。
For example, in a conventional walking assistance device that supplies a walking assistance force to the thigh, it is supposed that the operation control of an actuator that applies the walking assistance force to the thigh is performed based on the detection result of the movement of the thigh. ..
Further, in a conventional walking assist device that supplies a walking assist force to the lower leg, it is supposed to control the operation of an actuator that applies the walking assist force to the lower leg based on the detection result of the movement of the lower leg. ..
しかしながら、脳卒中等の為に片麻痺を有する患者の場合、大腿の歩行動作(股関節回りの前後揺動動作)は比較的正常に行えるものの、下腿の歩行動作(膝関節回りの前後揺動動作)は正常に行えないことが多い。 However, in the case of a patient with hemiplegia due to stroke or the like, the walking motion of the thigh (back and forth swing motion around the hip joint) can be performed relatively normally, but the walking motion of the lower leg (back and forth swing motion around the knee joint). Often cannot be done normally.
このような患者に対して下腿への歩行補助力を付与しようとすると、前記従来の歩行補助装置においては、正常な歩行動作を行えない下腿の動きに基づいて、下腿に対して歩行補助力を提供するアクチュエータの作動制御を行うことになり、的確な歩行補助力を提供することができないおそれがある。 When an attempt is made to give a walking assist force to the lower leg to such a patient, in the conventional walking assist device, the walking assist force is applied to the lower leg based on the movement of the lower leg that cannot perform a normal walking motion. Since the operation control of the provided actuator is performed, there is a possibility that an accurate walking assist force cannot be provided.
これに対し、本実施の形態に係る前記長下肢装具1は、前述の通り、大腿位相角に基づいて、下腿に対して歩行補助力を付与する前記アクチュエータユニット100の作動制御を行うように構成されている。
従って、ユーザーが脳卒中等によって片麻痺を有する場合であっても、下腿に対して的確な歩行補助力を供給することができる。
On the other hand, the long lower limb orthosis 1 according to the present embodiment is configured to perform the operation control of the actuator unit 100 that applies the walking assist force to the lower leg based on the thigh phase angle as described above. Has been done.
Therefore, even when the user has hemiplegia due to stroke or the like, it is possible to supply an appropriate walking assist force to the lower leg.
前記大腿姿勢検出手段510は、大腿の揺動角度(股関節角度)を直接又は間接的に検出し得る限り、ジャイロセンサ、加速度センサ、ロータリーエンコーダ等の種々の形態を有し得る。
例えば、前記大腿姿勢検出手段510が加速度センサのみを有するように構成することも可能であり、この場合には、股関節角度を算出することなく、前記加速度センサの加速度(もしくは位置)と速度から歩行中の位相角を算出することができる。
なお、本実施の形態に係る前記長下肢装具1においては、前記大腿姿勢検出手段510は、大腿の角速度を検出可能な3軸角速度センサ(ジャイロセンサ)511(下記図8参照)を有するものとされており、前記制御装置500が、前記3軸角速度センサ511によって検出される大腿の角速度を積分することで股関節角度を算出するように構成されている。
The thigh posture detecting means 510 may have various forms such as a gyro sensor, an acceleration sensor, and a rotary encoder as long as it can directly or indirectly detect the swing angle (hip joint angle) of the thigh.
For example, the thigh posture detecting means 510 may be configured to have only an acceleration sensor, and in this case, walking based on the acceleration (or position) and speed of the acceleration sensor without calculating the hip joint angle. The inside phase angle can be calculated.
In the long leg orthosis 1 according to the present embodiment, the thigh posture detecting means 510 includes a triaxial angular velocity sensor (gyro sensor) 511 (see FIG. 8 below) capable of detecting the angular velocity of the thigh. The control device 500 is configured to calculate the hip joint angle by integrating the thigh angular velocity detected by the triaxial angular velocity sensor 511.
このように、前記3軸角速度センサ511によって検出される角速度に基づいて股関節角度を算出することにより、ロータリーエンコーダによって股関節角度を検出する構成に比して、前記長下肢装具1の設計自由度を向上させることができる。 As described above, by calculating the hip joint angle based on the angular velocities detected by the triaxial angular velocity sensor 511, the degree of freedom in designing the long leg orthosis 1 is increased as compared with the configuration in which the hip joint angle is detected by the rotary encoder. Can be improved.
即ち、ロータリーエンコーダによって股関節角度を検出する場合には、胴体に固定された胴体側検出子と、大腿と一体的に揺動するように大腿に固定された大腿側検出子との相対移動角度を検出する必要があり、従って、前記固体側検出子及び前記大腿側検出子がそれぞれ胴体及び大腿に対して位置ズレしないように、前記両検出子を装着する必要がある。 That is, when the hip joint angle is detected by the rotary encoder, the relative movement angle between the body side detector fixed to the body and the thigh side detector fixed to the thigh so as to swing integrally with the thigh is calculated. Therefore, it is necessary to detect the solid-state detector and the thigh-side detector so that the solid-state detector and the thigh-side detector are not displaced from the body and the thigh, respectively.
これに対し、前記3軸角速度センサ511によって検出される角速度に基づいて股関節角度を算出する方法によれば、前述のような制限を受けることが無く、前記長下肢装具1の設計自由度を向上させることができる。 On the other hand, according to the method of calculating the hip joint angle based on the angular velocity detected by the triaxial angular velocity sensor 511, the degree of freedom of design of the long leg orthosis 1 is improved without being restricted as described above. Can be made.
図8に、股関節角度の算出方法のブロック図を示す。
図8に示すように、本実施の形態に係る前記長下肢装具1においては、前記大腿姿勢検出手段510は、前記3軸角速度センサ511に加えて、3軸加速度センサ515を有している。
FIG. 8 shows a block diagram of a method for calculating the hip joint angle.
As shown in FIG. 8, in the long leg orthosis 1 according to the present embodiment, the thigh posture detecting means 510 has a triaxial acceleration sensor 515 in addition to the triaxial angular velocity sensor 511.
この場合、前記制御装置500は、前記3軸角速度センサ511からの角速度データに基づき算出される第1オイラー角の高周波成分と前記3軸加速度センサ515からの加速度データに基づき算出される第2オイラー角の低周波成分とを合算して合算オイラー角を算出し、前記合算オイラー角から算出される股関節角度と前記股関節角度から算出される股関節角速度とに基づいて大腿位相角を算出するように構成される。 In this case, the control device 500 controls the high frequency component of the first Euler angle calculated based on the angular velocity data from the triaxial angular velocity sensor 511 and the second Euler angle calculated based on the acceleration data from the triaxial acceleration sensor 515. A low frequency component of the angle is summed to calculate a summed Euler angle, and a thigh phase angle is calculated based on a hip joint angle calculated from the summed Euler angle and a hip joint angular velocity calculated from the hip joint angle. To be done.
詳しくは、図8に示すように、前記制御装置500は、所定サンプリングタイム毎に前記3軸角速度センサ511からセンサ座標軸を基準とした角速度データを入力し、前記角速度データを所定の変換式を用いてセンサ座標軸とグローバル座標軸(鉛直方向を基準とする空間座標軸)との相関を示す角速度データ(オイラー角速度)に変換する。
そして、前記制御装置500は、前記角速度データ(オイラー角速度)を積分することで前記第1オイラー角を算出する。
More specifically, as shown in FIG. 8, the control device 500 inputs angular velocity data based on the sensor coordinate axes from the triaxial angular velocity sensor 511 at predetermined sampling times, and uses the predetermined conversion formula for the angular velocity data. Are converted into angular velocity data (Euler angular velocity) indicating the correlation between the sensor coordinate axis and the global coordinate axis (space coordinate axis with the vertical direction as a reference).
Then, the control device 500 calculates the first Euler angle by integrating the angular velocity data (Euler angular velocity).
好ましくは、前記制御装置500は、静止時に前記3軸角速度センサ511から入力される角速度データを用いて、所定サンプリングタイム毎に前記3軸角速度センサ511から入力されるセンサ座標軸を基準とした角速度データのドリフト除去を行うことができる。 Preferably, the control device 500 uses the angular velocity data input from the triaxial angular velocity sensor 511 when stationary, and uses the angular velocity data based on the sensor coordinate axis input from the triaxial angular velocity sensor 511 at every predetermined sampling time. The drift can be removed.
また、前記制御装置500は、所定サンプリング間隔毎に前記3軸加速度センサ515からセンサ軸を基準とした加速度データをローパスフィルタ520を介して入力し、静止時に入力される加速度データと重力加速度とに基づき、前記ローパスフィルタ520を介して入力された前記加速度データから、センサ座標軸とグローバル座標軸(鉛直方向を基準とする空間座標軸)との相関を示す前記第2オイラー角を算出する。 Further, the control device 500 inputs the acceleration data based on the sensor axis from the three-axis acceleration sensor 515 at a predetermined sampling interval via the low-pass filter 520, and obtains the acceleration data and the gravitational acceleration that are input at rest. Based on the acceleration data input through the low-pass filter 520, the second Euler angle indicating the correlation between the sensor coordinate axis and the global coordinate axis (the spatial coordinate axis with the vertical direction as a reference) is calculated.
そして、前記制御装置500は、ハイパスフィルタ530を介して得られる前記第1オイラー角の高周波成分とローパスフィルタ535を介して得られる前記第2オイラー角の低周波成分とを合算して得られる前記合算オイラー角及び大腿の向きを示す単位ベクトルから、股関節角度θを算出する。 The control device 500 obtains the high frequency component of the first Euler angle obtained through the high pass filter 530 and the low frequency component of the second Euler angle obtained through the low pass filter 535. The hip joint angle θ is calculated from the combined Euler angle and the unit vector indicating the orientation of the thigh.
好ましくは、前記制御装置500は、前記加速度センサ515からの加速度データに基づきヒールコンタクトを検出し、ヒールコンタクト検出時には前記3軸角速度センサ511からの角速度データから算出される補正オイラー角を前記合算オイラー角に加えることで、ドリフト除去を図ることができる。 Preferably, the control device 500 detects the heel contact based on the acceleration data from the acceleration sensor 515, and at the time of detecting the heel contact, the correction Euler angle calculated from the angular velocity data from the triaxial angular velocity sensor 511 is added to the combined Euler. Drift can be removed by adding it to the corner.
大腿位相角φは下記方法によって算出される。
前記制御装置500は、所定間隔毎のサンプリングポイントのうち歩行周期基準タイミングから第n番目のサンプリングポイントSn(nは1以上の整数)での股関節角度θnを算出すると、これを微分して当該サンプリングポイントSnでの股関節角速度ωnを算出する。
The thigh phase angle φ is calculated by the following method.
When the control device 500 calculates the hip joint angle θn at the n-th sampling point Sn (n is an integer of 1 or more) from the walking cycle reference timing among the sampling points at predetermined intervals, the control device 500 differentiates the hip joint angle θn. The hip joint angular velocity ωn at the point Sn is calculated.
その後、前記制御装置500は、前記サンプリングポイントSnでの股関節角度θn及び股関節角速度ωnに基づき、前記サンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(=−Arctan(ωn/θn))を算出する。 Then, the control device 500 calculates the thigh phase angle φn (=−Arctan(ωn/θn)) at the sampling point Sn based on the hip joint angle θn and the hip joint angular velocity ωn at the sampling point Sn.
図9に、股関節角度θ及び股関節角速度ωによって画される歩行状態を一歩行周期に亘ってプロットすることによって得られるトラジェクトリ線図を示す。
図9に示すように、股関節角度θ及び股関節角速度ωによって定まる大腿位相角φは、一歩行周期において0〜2πの間で変化するように定義される。
FIG. 9 shows a trajectory diagram obtained by plotting a walking state defined by the hip joint angle θ and the hip joint angular velocity ω over one walking cycle.
As shown in FIG. 9, the thigh phase angle φ determined by the hip joint angle θ and the hip joint angular velocity ω is defined to change between 0 and 2π in one walking cycle.
詳しくは、大腿がユーザーの体軸より前方及び後方に位置されている状態の股関節角度をそれぞれ「正」及び「負」とし、大腿が前方及び後方へ向けて揺動されている状態の股関節角速度をそれぞれ「正」及び「負」とする。 Specifically, the hip joint angles when the thigh is positioned in front of and behind the user's body axis are “positive” and “negative”, respectively, and the hip joint angular velocity when the thigh is swung forward and backward. Are "positive" and "negative", respectively.
この条件で、股関節角度が「正」の方向に最大で且つ股関節角速度が「ゼロ」の状態(図9の点P)の位相角を0とすると、図9の歩行領域A1(股関節角度θが「正」の方向に最大で且つ股関節角速度ωが「ゼロ」の状態から股関節角度θが「ゼロ」で且つ股関節角速度ωが「負」の方向に最大となる状態までの歩行領域)は位相角0〜π/2に相当する。 Under this condition, if the phase angle in the state where the hip joint angle is maximum in the “positive” direction and the hip joint angular velocity is “zero” (point P in FIG. 9) is 0, the walking area A1 (hip joint angle θ is The walking angle from the state where the hip joint angular velocity ω is “zero” to the maximum in the “positive” direction to the state where the hip joint angular velocity ω is “zero” and the hip joint angular velocity ω is the maximum in the “negative” direction) is the phase angle It corresponds to 0 to π/2.
また、図9中の歩行領域A2(股関節角度θが「ゼロ」で且つ股関節角速度が「負」の方向に最大の状態から股関節角度が「負」の方向に最大で且つ股関節角速度が「ゼロ」となる状態までの歩行領域)は位相角π/2〜πに相当する。 In addition, the walking area A2 in FIG. 9 (where the hip joint angle θ is “zero” and the hip joint angular velocity is maximum in the direction of “negative”, the hip joint angle is maximum in the direction of “negative” and the hip joint angular velocity is “zero”). The walking area up to the state becomes equivalent to the phase angle π/2 to π.
さらに、図9中の歩行領域A3(股関節角度θが「負」の方向に最大で且つ股関節角速度ωが「ゼロ」の状態から股関節角度θが「ゼロ」で且つ股関節角速度ωが「正」の方向に最大となる状態までの歩行領域)は位相角π〜3π/2に相当する。 Furthermore, the walking area A3 in FIG. 9 (when the hip joint angle θ is maximum in the direction of “negative” and the hip joint angular velocity ω is “zero”, the hip joint angle θ is “zero” and the hip joint angular velocity ω is “positive”). The walking area up to the maximum in the direction corresponds to the phase angle π to 3π/2.
また、図9中の歩行領域A4(股関節角度θが「ゼロ」で且つ股関節角速度が「正」の方向に最大の状態から股関節角度が「正」の方向に最大で且つ股関節角速度が「ゼロ」となる状態までの歩行領域)は位相角3π/2〜2πに相当する。 Further, the walking area A4 (where the hip joint angle θ is “zero” and the hip joint angular velocity is maximum in the direction of “positive” from the maximum state in the direction of the hip joint angle “positive” and the hip joint angular velocity is “zero” in FIG. The walking area up to the state of (1) corresponds to a phase angle of 3π/2 to 2π.
一歩行周期当たりに複数のサンプリングポイントが含まれるように前記大腿姿勢検出手段510のサンプリング間隔が定められており、前記制御装置500は、各サンプリングポイント毎に大腿位相角φを算出する。 The sampling interval of the thigh posture detecting means 510 is set so that a plurality of sampling points are included in one walking cycle, and the control device 500 calculates the thigh phase angle φ for each sampling point.
図10に、前記制御装置500によって算出された大腿位相角φを歩行周期毎にプロットしたグラフを示す。
なお、図10においては、第1歩行周期C1から第4歩行周期C4の4つの歩行周期における大腿位相角φをプロットしている。
FIG. 10 shows a graph in which the thigh phase angle φ calculated by the control device 500 is plotted for each walking cycle.
In FIG. 10, the thigh phase angle φ in the four walking cycles from the first walking cycle C1 to the fourth walking cycle C4 is plotted.
ここで、前記制御装置500には、大腿位相角φと下腿に対して出力すべき前記アクチュエータユニット100による歩行補助力の大きさ(方向を含む)との関係を示す補助力制御データが、予め記憶されている。
なお、前記補助力制御データは、実験等によってユーザー毎及び各ユーザーのリハビリ程度毎に設定されるものである。
Here, in the control device 500, assist force control data indicating the relationship between the thigh phase angle φ and the magnitude (including direction) of the walking assist force by the actuator unit 100 to be output to the lower leg is previously stored. Remembered
The assisting force control data is set for each user and for each user's rehabilitation degree through experiments or the like.
即ち、前記制御装置500は、一のサンプリングポイントSnでの大腿位相角φnを算出すると、当該大腿位相角φnを前記補助力制御データに適用して、大腿位相角φnによって画される歩行状態の際に前記アクチュエータユニット100が出力すべき歩行補助力の大きさ(方向を含む)を取得し、その大きさ(方向を含む)の歩行補助力が出力されるように前記アクチュエータユニット100の作動制御を実行する。 That is, when the control device 500 calculates the thigh phase angle φn at one sampling point Sn, the control device 500 applies the thigh phase angle φn to the assist force control data to determine the walking state defined by the thigh phase angle φn. At this time, the magnitude (including the direction) of the walking assist force to be output by the actuator unit 100 is acquired, and the operation control of the actuator unit 100 is performed so that the magnitude (including the direction) of the walking assist force is output. To execute.
前述の通り、大腿位相角φに基づき一の歩行周期中における歩行状態を認識することができ、従って、大腿位相角に基づき前記アクチュエータユニット100の作動制御を行うことによって、下腿の歩行動作を正常に行うことが困難なユーザーに対しても下腿に対して適切な歩行補助力を付与することができる。 As described above, the walking state in one walking cycle can be recognized based on the thigh phase angle φ. Therefore, by performing the operation control of the actuator unit 100 based on the thigh phase angle, the walking motion of the lower leg can be normally performed. It is possible to apply an appropriate walking assist force to the lower leg even for a user who is difficult to perform.
ここで、歩行動作に必要な歩行補助力について説明する。
図11に、一歩行周期中に変化する歩行状態の模式図を示す。
図11に示すように、一歩行周期は、ユーザーの体軸より前方側で踵を接地させるヒールコンタクト時点を含むヒールコンタクト期(踏み出した足が接床する前後の期間)X1と、ヒールコンタクト後に当該ヒールコンタクトした脚を接地させた状態で後方側へ相対移動させる立脚期(接床した下肢が身体に対して相対的に後方に移動する期間)X2と、立脚期X2の終了時点から立脚していた脚を引き上げて前方側へ相対移動させる遊脚期X3とを含んでいる。
Here, the walking assist force required for walking will be described.
FIG. 11 shows a schematic diagram of a walking state that changes during one walking cycle.
As shown in FIG. 11, one gait cycle includes a heel contact period (a period before and after the stepped foot touches the floor) X1 including a heel contact point in which the heel is grounded in front of the user's body axis, and after the heel contact. Standing from the end of the stance phase X2, and the stance phase (the period in which the lower limb touching the floor moves rearward relative to the body) X2 in which the heel-contacted leg is moved relative to the rear side while being grounded. And the swing period X3 in which the legs are pulled up and relatively moved forward.
図12に、前記補助力制御データによって画される補助力の変化パターンの一例を示す。
図12に示す一例においては、前記補助力制御データは、前記ヒールコンタクト期X1において、前記下腿側装具30を膝関節回り膝伸展方向へ回動させて膝折れを防止する為の第1トルクパターンY1と、前記立脚期X2において、前記下腿側装具30を膝関節回り膝伸展方向へ回動させて膝折れを防止する為の第2トルクパターンY2と、立脚期X2の終了時点から立脚していた脚を引き上げて前方側へ相対移動させる遊脚期X2の初期段階X3aにおいて、前記下腿側装具30を膝関節回り膝屈曲方向へ回動させて脚の引き上げを補助する為の第3トルクパターンY3と、前記遊脚期X3の後期段階X3bにおいて、前記下腿側装具30を膝関節回り膝伸展方向へ回動させる第4トルクパターンY4とを含んでいる。
FIG. 12 shows an example of a change pattern of the assisting force defined by the assisting force control data.
In the example shown in FIG. 12, the assist force control data is the first torque pattern for preventing the knee bending by rotating the lower leg orthosis 30 in the knee extension direction around the knee joint in the heel contact period X1. Y1, a second torque pattern Y2 for rotating the lower leg brace 30 in the knee extension direction around the knee joint in the stance phase X2 to prevent knee bending, and stance from the end of the stance phase X2. In the initial stage X3a of the swing phase X2 in which the leg is pulled up and relatively moved forward, a third torque pattern for assisting the pulling up of the leg by rotating the lower leg orthosis 30 in the knee bending direction around the knee joint. Y3 and a fourth torque pattern Y4 for rotating the lower leg orthosis 30 in the knee extension direction around the knee joint in the latter stage X3b of the swing phase X3.
このように、大腿位相角φと歩行補助力との関係を表す前記補助力制御データを用いて前記アクチュエータユニット100の作動制御を行うことにより、ユーザーに合わせた適切な歩行補助を行うことができる。 As described above, by performing the operation control of the actuator unit 100 using the assisting force control data indicating the relationship between the thigh phase angle φ and the walking assisting force, it is possible to perform appropriate walking assist according to the user. ..
好ましくは、前記制御装置500は、現在の歩行周期中の一のサンプリングポイントSnにて算出した大腿位相角φnを、既に完了している過去の歩行周期における対応するサンプリングポイントSnでの大腿位相角を用いて補正した修正位相角φ(ave)を算出し、当該修正位相角φ(ave)を前記補助力制御データに適用して、前記アクチュエータユニット100の作動制御を行うように構成され得る。 Preferably, the control device 500 sets the thigh phase angle φn calculated at one sampling point Sn in the current walking cycle to the thigh phase angle at the corresponding sampling point Sn in the past walking cycle which has already been completed. The corrected phase angle φ(ave) is calculated by using the corrected phase angle φ(ave), and the corrected phase angle φ(ave) is applied to the auxiliary force control data to control the operation of the actuator unit 100.
斯かる構成によれば、現在の歩行周期における一のサンプリングポイントSnにて算出された大腿位相角φn(current)が何らかの理由によって大きな誤差を含んでいたとしても、過去の歩行周期における同一サンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(past)を用いて補正される(均される)ので、円滑な補助力の供給を行うことが可能となる。 According to such a configuration, even if the thigh phase angle φn(current) calculated at one sampling point Sn in the current walking cycle includes a large error for some reason, the same sampling point in the past walking cycle is included. Since the thigh phase angle φn(past) at Sn is used for correction (equalization), it is possible to smoothly supply the auxiliary force.
具体的には、前記修正位相角φ(ave)は下記方法によって算出することができる。
前記制御装置500は、一歩行周期中に含まれる全サンプリングポイントのそれぞれにおいて大腿位相角φを算出し記憶する。
そして、前記制御装置500は、一歩行周期の完了を検出すると、全サンプリングポイントでの大腿位相角φに基づき、歩行周期に対する大腿位相角φの変化パターンを表す所定の位相パターン関数を最小二乗法を用いて算出する。
Specifically, the modified phase angle φ(ave) can be calculated by the following method.
The control device 500 calculates and stores the thigh phase angle φ at each of all sampling points included in one walking cycle.
Then, when the control device 500 detects the completion of one walking cycle, the controller 500 finds a predetermined phase pattern function representing a change pattern of the thigh phase angle φ with respect to the walking cycle based on the thigh phase angles φ at all sampling points by the least square method. Calculate using.
前記位相パターン関数は、例えば、
φ(x)=a+bx+cx2+dx3+ex4+fx5
とすることができる。
そして、前記制御装置500は、一歩行周期が完了する毎に、全サンプリングポイントでの大腿位相角に基づいて最小二乗法を用いて、前記位相パターン関数の係数a〜fを算出するように構成される。
The phase pattern function is, for example,
φ(x)=a+bx+cx 2 +dx 3 +ex 4 +fx 5
Can be
Then, the control device 500 is configured to calculate the coefficients a to f of the phase pattern function using the least squares method based on the thigh phase angles at all sampling points every time one walking cycle is completed. To be done.
一歩行周期の完了は、例えば、前記制御装置500が、股関節角度及び股関節角速度によって画される歩行状態が予め設定されている歩行周期基準タイミングに戻ったか否かによって判断することができる。 Completion of one walking cycle can be determined by, for example, the control device 500 whether or not the walking state defined by the hip joint angle and the hip joint angular velocity has returned to the preset walking cycle reference timing.
図12に示す一例においては、ヒールコンタクトが歩行周期基準タイミングとして設定されている。
このように、ヒールコンタクトを歩行周期基準タイミングとすることによって、歩行周期中における歩行補助力が必要なタイミングを正確に把握することができる。
In the example shown in FIG. 12, the heel contact is set as the walking cycle reference timing.
In this way, by using the heel contact as the walking cycle reference timing, it is possible to accurately grasp the timing during which the walking assist force is required during the walking cycle.
ヒールコンタクトのタイミングは、種々の方法によって認識することができる。
例えば、ユーザーの体軸を基準として大腿が前方側及び後方側へ向けて揺動している際の股関節角速度をそれぞれ正及び負とした場合に、前記制御装置500が、算出される股関節角速度が正値からゼロへ移行したタイミング(図9中のP)から所定位相角Δαだけ進行した時点をヒールコンタクト時点として認識するように構成することができる。
The timing of heel contact can be recognized by various methods.
For example, when the hip joint angular velocities when the thigh is swinging forward and backward with respect to the body axis of the user are positive and negative, respectively, the control device 500 calculates the calculated hip joint angular velocities. It can be configured to recognize as a heel contact time a time point when the phase angle advances from the positive value to zero (P in FIG. 9) by a predetermined phase angle Δα.
これに代えて、前記長下肢装具1にヒールコンタクトを検出するヒールコンタクト検出手段を備え、前記制御装置500は、前記ヒールコンタクト検出手段によって検出されたタイミングをヒールコンタクト時点として認識し、そのタイミングでの大腿位相角φをヒールコンタクト位相角として認識するように構成することも可能である。 Instead of this, the long lower limb orthosis 1 is provided with heel contact detection means for detecting a heel contact, and the control device 500 recognizes the timing detected by the heel contact detection means as a heel contact time point, and at that timing, It is also possible to configure so that the thigh phase angle φ of is recognized as the heel contact phase angle.
本実施の形態に係る長下肢装具1におけるように、前記加速度センサ515が備えられている場合には、前記加速度センサ515を前記ヒールコンタクト検出手段として兼用することができる。
これに代えて、踵の接地を検出可能な圧力センサを別途に備え、前記圧力センサを前記ヒールコンタクト検出手段として作用させることも可能である。
When the acceleration sensor 515 is provided as in the long leg orthosis 1 according to the present embodiment, the acceleration sensor 515 can also be used as the heel contact detection means.
Alternatively, a pressure sensor capable of detecting the ground contact of the heel may be separately provided, and the pressure sensor may act as the heel contact detecting means.
このようにして一歩行周期の完了を検出すると、前記制御装置500は、直近に完了した歩行周期を含み、既に完了している歩行周期における位相角に基づいて前記位相パターン関数を算出する。 When the completion of one walking cycle is detected in this way, the control device 500 calculates the phase pattern function based on the phase angle in the already completed walking cycle including the walking cycle that has been completed most recently.
具体的には、図10における歩行周期C1が完了すると、前記制御装置500は、歩行周期C1における全サンプリングポイントでの大腿位相角φに基づいて、
φ(x)(C1)=a(1)+b(1)x+c(1)x2+d(1)x3+e(1)x4+f(1)x5
を算出し、前記φ(x)(C1)を大腿位相角の位相パターン関数として保存する。
Specifically, when the walking cycle C1 in FIG. 10 is completed, the control device 500, based on the thigh phase angle φ at all sampling points in the walking cycle C1,
φ(x)(C1)=a(1)+b(1)x+c(1)x 2 +d(1)x 3 +e(1)x 4 +f(1)x 5
And φ(x)(C1) is stored as a phase pattern function of the thigh phase angle.
歩行周期C2が完了すると、前記制御装置500は、歩行周期C2におけるサンプリングポイントでの大腿位相角と歩行周期C1におけるサンプリングポイントでの大腿位相角とに基づいて、
φ(x)(C2)=a(2)+b(2)x+c(2)x2+d(2)x3+e(2)x4+f(2)x5
を算出し、前記φ(x)(C2)を大腿位相角の位相パターン関数として上書き保存する。
When the walking cycle C2 is completed, the control device 500, based on the thigh phase angle at the sampling point in the walking cycle C2 and the thigh phase angle at the sampling point in the walking cycle C1,
φ(x)(C2)=a(2)+b(2)x+c(2)x 2 +d(2)x 3 +e(2)x 4 +f(2)x 5
Is calculated, and φ(x)(C2) is overwritten and saved as a phase pattern function of the thigh phase angle.
詳しくは、前記制御装置500は、第2回目以降の歩行周期においては、現在の歩行周期(例えば歩行周期C2)におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(current)と、その時点で記憶されている前記位相パターン関数φ(x)(C1)によって算出される過去歩行周期におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(past)との平均値を、サンプリングポイントSnでの修正大腿位相角φn(ave)として算出する。 Specifically, in the second and subsequent walking cycles, the control device 500 stores the thigh phase angle φn(current) at the sampling point Sn in the current walking cycle (for example, the walking cycle C2) and at that time. The average value with the thigh phase angle φn(past) at the sampling point Sn in the past walking cycle calculated by the phase pattern function φ(x)(C1) ).
前記制御装置500は、現在の歩行周期(例えば歩行周期C2)が完了すると、全サンプリングポイントでの修正大腿位相角に基づいて前記位相パターン関数(例えば前記φ(x)(C2))を算出し、保存する。 When the current walking cycle (for example, walking cycle C2) is completed, the control device 500 calculates the phase pattern function (for example, φ(x)(C2)) based on the corrected thigh phase angles at all sampling points. ,save.
なお、現在の歩行周期におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(current)と過去歩行周期における対応するサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(past)との平均値として、現在歩行周期及び過去歩行周期を含む全ての歩行周期における大腿位相角を均等な条件で平均計算した算出値を用いることも可能であるし、若しくは、現在の歩行周期の大腿位相角φn(current)に重み付けをつけて平均計算した算出値を用いることも可能であるし、若しくは、過去歩行周期における大腿位相角φn(past)に重み付けをつけて平均計算した算出値を用いることも可能である。
さらには、過去歩行周期のうちの所定の歩行周期におけるサンプリングポイントでの大腿位相角だけを用いて、現在歩行周期の大腿位相角を補正することも可能である。
In addition, as a mean value of the thigh phase angle φn(current) at the sampling point Sn in the current walking cycle and the thigh phase angle φn(past) at the corresponding sampling point Sn in the past walking cycle, the current walking cycle and the past walking are calculated. It is also possible to use the calculated value obtained by averaging the thigh phase angles in all walking cycles including the cycle under an equal condition, or weighting the thigh phase angles φn(current) of the current walking cycle and averaging them. It is possible to use the calculated value calculated, or it is also possible to use the calculated value obtained by weighting the thigh phase angle φn(past) in the past walking cycle and calculating the average.
Furthermore, it is also possible to correct the thigh phase angle of the current walking cycle using only the thigh phase angle at the sampling point in a predetermined walking cycle of the past walking cycles.
本実施の形態においては、前記補助力制御データに適用する大腿位相角として、前記修正大腿位相角が用いられる。
例えば、現在の歩行周期が歩行周期C3であり、現在の歩行周期C3におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角がφn(C3)であったとすると、前記制御装置500は、その時点で記憶されている位相パターン関数(この例ではφ(x)(C2))を用いて、過去歩行周期におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(C2)を算出し、大腿位相角φn(C3)及び大腿位相角φn(C2)に基づきサンプリングポイントSnでの修正大腿位相角を算出する。
In the present embodiment, the corrected thigh phase angle is used as the thigh phase angle applied to the assist force control data.
For example, if the current walking cycle is the walking cycle C3 and the thigh phase angle at the sampling point Sn in the current walking cycle C3 is φn(C3), the control device 500 is stored at that time. Using the phase pattern function (φ(x)(C2) in this example), the thigh phase angle φn(C2) at the sampling point Sn in the past walking cycle is calculated, and the thigh phase angle φn(C3) and the thigh phase angle are calculated. The corrected thigh phase angle at the sampling point Sn is calculated based on φn(C2).
前記制御装置500は、このようにして算出した修正大腿位相角を前記補助力制御データに適用して、現在の歩行周期C3におけるサンプリングポイントSnにおいて前記アクチュエータユニット100が出力すべき補助力の大きさ(及び方向)を取得し、前記アクチュエータユニット100の作動制御を行う。 The control device 500 applies the corrected thigh phase angle calculated in this way to the assist force control data to determine the magnitude of the assist force to be output by the actuator unit 100 at the sampling point Sn in the current walking cycle C3. (And direction) is acquired, and the operation control of the actuator unit 100 is performed.
斯かる構成によれば、現在歩行周期(前記例においては歩行周期C3)における一のサンプリングポイントで算出された大腿位相角が、何らかの理由によって大きな誤差を含んでいたとしても、過去歩行周期における同一サンプリングポイントでの大腿位相角を用いて補正される(均される)ので、前記アクチュエータユニット100による的確な補助力の供給を行うことができる。 According to such a configuration, even if the thigh phase angle calculated at one sampling point in the current walking cycle (walking cycle C3 in the above example) contains a large error for some reason, the thigh phase angle is the same in the past walking cycle. Since the thigh phase angle at the sampling point is used for correction (equalization), it is possible to supply an appropriate assisting force by the actuator unit 100.
図13に、前記制御装置500によって実行されるアクチュエータ作動制御モードのフローを示す。 FIG. 13 shows a flow of the actuator operation control mode executed by the control device 500.
前記制御装置500は、起動信号入力に応じて前記アクチュエータ作動制御モードを起動する。
起動信号は、例えば、スタートボタン等の人為操作部材へのユーザーによる人為操作に応じて入力される。
The control device 500 activates the actuator operation control mode in response to the activation signal input.
The activation signal is input, for example, in response to a manual operation by a user on a manual operation member such as a start button.
前記アクチュエータ作動制御モードが起動されると、前記制御装置500は、前記大腿姿勢検出手段510からの一のサンプリングポイントSnでの角度関連信号に基づき、当該一のサンプリングポイントSnでの股関節角度θnを算出し(ステップS11)、股関節角度θnに基づき前記一のサンプリングポイントSnでの股関節角速度ωnを算出する(ステップS12)。 When the actuator operation control mode is activated, the control device 500 determines the hip joint angle θn at the one sampling point Sn based on the angle-related signal from the thigh posture detection means 510 at the one sampling point Sn. It is calculated (step S11), and the hip joint angular velocity ωn at the one sampling point Sn is calculated based on the hip joint angle θn (step S12).
前記制御装置500は、股関節角度θn及び股関節角速度ωnに基づき、前記一のサンプリングポイントSnでの大腿位相角φnを算出する(ステップS13)。 The control device 500 calculates the thigh phase angle φn at the one sampling point Sn based on the hip joint angle θn and the hip joint angular velocity ωn (step S13).
ここで、好ましくは、前記制御装置500は、股関節角度θn及び股関節角速度ωnによって画されるベクトルVn(図9参照)のベクトル長が所定の閾値を越えているか否かを判断することができる(ステップS14)。 Here, preferably, the control device 500 can determine whether or not the vector length of the vector Vn (see FIG. 9) defined by the hip joint angle θn and the hip joint angular velocity ωn exceeds a predetermined threshold value ( Step S14).
前記ステップS14を備えることにより、歩行動作が開始されていないにも拘わらず、前記アクチュエータユニット100が作動することを有効に防止することができる。
即ち、片麻痺等を有するユーザーは、歩行動作開始前に意に反して微少な範囲で姿勢変動を起こし易い。
このような微少な姿勢変動は、ベクトル長の短いベクトルとして検出される。
By including the step S14, it is possible to effectively prevent the actuator unit 100 from operating even though the walking motion is not started.
That is, a user who has hemiplegia or the like is likely to cause a posture change in a minute range against the intention before the start of a walking motion.
Such a slight posture variation is detected as a vector having a short vector length.
従って、股関節角度θn及び股関節角速度ωnによって画されるベクトルVn(図9参照)のベクトル長が所定の閾値を越えている場合にのみ、歩行動作が行われていると判断することにより、歩行動作が開始されていないにも拘わらず、意に反して前記アクチュエータユニット100が作動することを有効に防止することができる。 Therefore, the walking motion is determined by determining that the walking motion is performed only when the vector length of the vector Vn (see FIG. 9) defined by the hip joint angle θn and the hip joint angular velocity ωn exceeds the predetermined threshold. It is possible to effectively prevent the actuator unit 100 from accidentally operating even though the operation has not been started.
前記ステップS14においてNOの場合には、前記制御装置500は、歩行動作が行われていないと判断し、前記アクチュエータユニット100を作動させること無く、前記ステップS11へ戻る。 If NO in step S14, the control device 500 determines that the walking motion is not performed, and returns to step S11 without operating the actuator unit 100.
前記ステップS14がYESの場合には、前記制御装置500は、前記ステップS13において算出した、現在歩行周期におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(curren)に、既に完了している過去歩行周期における対応するサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(past)を用いて修正を行い、修正位相角φn(ave)を算出する(ステップS15)。
例えば、前記制御装置500が、歩行周期終了毎に既に過去歩行周期での歩行データに基づき前記位相パターン関数を算出し上書き保存している場合には、現在歩行周期におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(curren)と前記位相パターン関数に基づき得られる過去歩行周期におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角とに基づき、サンプリングポイントSnでの修正位相角φn(ave)を算出することができる。
In the case of YES in step S14, the control device 500 calculates the thigh phase angle φn (curren) at the sampling point Sn in the current walking cycle calculated in step S13 in the previously completed walking cycle. Correction is performed using the thigh phase angle φn(past) at the corresponding sampling point Sn to calculate the corrected phase angle φn(ave) (step S15).
For example, when the control device 500 already calculates and stores the phase pattern function based on the walking data in the past walking cycle every time the walking cycle ends, the thigh phase at the sampling point Sn in the current walking cycle. The corrected phase angle φn(ave) at the sampling point Sn can be calculated based on the angle φn(curren) and the thigh phase angle at the sampling point Sn in the past walking cycle obtained based on the phase pattern function.
前記ステップS15を備えることにより、現在歩行周期における一のサンプリングポイントにて算出された大腿位相角が、何らかの理由によって大きな誤差を含んでいたとしても、過去歩行周期における同一サンプリングポイントでの大腿位相角を用いて補正される(均される)ので、その歩行段階に応じた適切な歩行補助力の供給を行うことができる。 By including the step S15, even if the thigh phase angle calculated at one sampling point in the current walking cycle includes a large error for some reason, the thigh phase angle at the same sampling point in the past walking cycle is included. Since it is corrected (equalized) using, it is possible to supply an appropriate walking assist force according to the walking stage.
前記制御装置500は、ヒールコンタクトが行われたか否かを検出し(ステップS16)、ステップS16がYESの場合(即ち、ヒールコンタクトが行われた場合)にはステップS15にて算出した修正位相角を、ヒールコンタクトに対応したヒールコンタクト位相角として記憶し(ステップS17)、ステップS18へ移行する。 The control device 500 detects whether or not heel contact is performed (step S16), and if step S16 is YES (that is, heel contact is performed), the corrected phase angle calculated in step S15. Is stored as the heel contact phase angle corresponding to the heel contact (step S17), and the process proceeds to step S18.
ステップS18においては、前記制御装置500は、ステップS15にて算出した修正位相角φ(ave)とステップS17にて記憶したヒールコンタクト位相角との位相角偏差を算出する。
即ち、ステップ18においては、前記制御装置500は、ステップS15にて算出した修正位相角を、ヒールコンタクトを制御基準タイミングとした位相角に変換する。
このように、ヒールコンタクトを制御基準タイミングとすることによって、歩行周期中の歩行段階(歩行状態)をより適切に把握することができる。
In step S18, the control device 500 calculates the phase angle deviation between the corrected phase angle φ(ave) calculated in step S15 and the heel contact phase angle stored in step S17.
That is, in step 18, the control device 500 converts the corrected phase angle calculated in step S15 into a phase angle with the heel contact as the control reference timing.
In this way, by using the heel contact as the control reference timing, it is possible to more appropriately grasp the walking stage (walking state) during the walking cycle.
なお、ステップ17を経由してステップ18へ移行する場合には、位相角偏差はゼロとなる。
一方、ステップ17をバイパスしてステップ18へ移行する場合、即ち、ステップ16がNOの場合には、ステップS18において、ステップ15において算出された修正位相角とその時点で記憶されているヒールコンタクト位相角との偏差が位相角偏差となる。
In addition, when the process proceeds to step 18 via step 17, the phase angle deviation becomes zero.
On the other hand, when step 17 is bypassed and step 18 is proceeded to, that is, when step 16 is NO, in step S18, the corrected phase angle calculated in step 15 and the heel contact phase stored at that time are stored. The deviation from the angle is the phase angle deviation.
前記制御装置500は、予め記憶されている「アシストトルク/位相角」データに位相角偏差を適用して、サンプリングポイントSnにて前記アクチュエータユニット100が出力すべき歩行補助力の大きさ及び方向を取得し(ステップS19)、その大きさ及び方向の歩行補助力が出力されるように前記アクチュエータユニットを作動させる(ステップS20)。 The control device 500 applies a phase angle deviation to pre-stored “assist torque/phase angle” data to determine the magnitude and direction of the walking assist force to be output by the actuator unit 100 at the sampling point Sn. It is acquired (step S19), and the actuator unit is operated so that the walking assist force in the magnitude and direction is output (step S20).
前記制御装置500は、一歩行周期が終了したか否かを判断し(ステップS21)、一歩行周期が終了したと判断する場合には、前記修正位相角に対して最小二乗法を用いて位相パターン関数を算出し、記憶する(ステップS22)。
一歩行周期が終了してない場合には、ステップS22はバイパスされる。
The control device 500 determines whether or not one gait cycle has ended (step S21), and when it judges that one gait cycle has ended, the controller 500 uses the least squares method for the modified phase angle. The pattern function is calculated and stored (step S22).
If one walking cycle has not ended, step S22 is bypassed.
前記制御装置500は、前記アクチュエータ作動制御モードの終了信号が入力されているか否かを判断し(ステップS23)、終了信号の入力が無い場合にはステップS11へ戻り、終了信号が入力された場合には当該制御モードを終了する。
なお、終了信号は例えば、終了ボタン等の人為操作部材へのユーザーによる人為操作に応じて入力される。
The control device 500 determines whether or not the end signal of the actuator operation control mode is input (step S23). If the end signal is not input, the process returns to step S11, and if the end signal is input. Ends the control mode.
The end signal is input, for example, in response to a user's manual operation on an artificial operation member such as an end button.
1 長下肢装具
10 大腿側装具
30 下腿側装具
100 アクチュエータユニット
500 制御装置
510 大腿姿勢検出手段
511 3軸角速度センサ
515 3軸加速度センサ
1 Long Lower Limb Orthosis 10 Thigh Orthosis 30 Lower Thigh Orthosis 100 Actuator Unit 500 Control Device 510 Thigh Posture Detecting Device 511 3-Axis Angular Velocity Sensor 515 3-Axis Acceleration Sensor
Claims (4)
前記大腿姿勢検出手段は、大腿の角速度を検出する3軸角速度センサ及び大腿の加速度を検出する3軸加速度センサを有し、
前記制御装置は、一のサンプリングポイントでの前記3軸角速度センサからの角速度データに対して静止時に前記3軸角速度センサから入力される角速度データを用いてドリフト除去を行った角速度データに基づき算出される第1オイラー角の高周波成分と当該一のサンプリングポイントでの前記3軸加速度センサからの加速度データに基づき算出される第2オイラー角の低周波成分とを合算して当該一のサンプリングポイントにおける合算オイラー角を算出し、前記合算オイラー角から算出される股関節角度と前記股関節角度から算出される股関節角速度に基づいて前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を算出し、前記大腿位相角を、前記3軸加速度センサからの加速度データに基づいて検出されるヒールコンタクト時点を制御基準タイミングとしたヒールコンタクト位相角に変換し、当該制御装置に予め記憶されている、大腿位相角と前記下腿側装具に付与すべき補助力との関係を示す補助力制御データに前記一のサンプリングポイントでのヒールコンタクト位相角を適用して、前記一のサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具に付与すべき補助力を算出し、前記補助力が出力されるように前記アクチュエータの作動制御を実行することを特徴とするアクチュエータ付き長下肢装具。 A thigh-side brace attached to the user's thigh, a lower thigh-side brace attached to the user's lower leg and rotatably connected to the thigh-side brace around the user's knee joint, and attached to the thigh-side brace An actuator capable of applying an assisting force around the knee joint to the lower leg brace, and a thigh posture detecting means capable of detecting an angle-related signal related to a hip joint angle which is a front-back swing angle of a user's thigh; With a control device that controls the operation of the actuator,
The thigh posture detecting means has a three-axis angular velocity sensor for detecting the angular velocity of the thigh and a three-axis acceleration sensor for detecting the acceleration of the thigh,
The control device is calculated based on angular velocity data obtained by performing drift removal on the angular velocity data from the triaxial angular velocity sensor at one sampling point using the angular velocity data input from the triaxial angular velocity sensor at rest. The high frequency component of the first Euler angle and the low frequency component of the second Euler angle calculated based on the acceleration data from the triaxial acceleration sensor at the one sampling point, and summed at the one sampling point. calculates the Euler angles, the calculated femoral phase angle at said one sampling point based on the hip joint angular velocity is calculated as the hip joint angle calculated from the hip joint angle from summation Euler angles, the femoral phase angle, wherein The heel contact time point detected based on the acceleration data from the triaxial acceleration sensor is converted into a heel contact phase angle with the control reference timing, and the thigh phase angle and the crus side orthosis stored in advance in the control device. The heel contact phase angle at the one sampling point is applied to the assist force control data indicating the relationship with the assist force to be applied, and the assist force to be applied to the lower leg brace at the one sampling point is calculated. A long lower limb orthosis with an actuator, wherein the actuation control of the actuator is executed so that the assisting force is output.
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