JP6793203B2 - 義足動作補助装置及び義足動作補助方法 - Google Patents
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Description
図1は、本実施の形態による装着式の義足動作補助装置1を示し、アクチュエータが内蔵された駆動ユニット(駆動部)2の一端及び他端にそれぞれ大腿フレーム3及び下腿フレーム4が連結され、当該アクチュエータの駆動軸を回転中心として大腿フレーム3及び下腿フレーム4が相対的に可動するようになされている。
図4に本実施の形態による義足動作補助装置1の制御系システムの構成を示す。制御系システムは主として、装置全体の統括制御を司る制御装置5に内蔵されており、当該制御装置5の指令に応じて各種データが読書き可能にデータベース化されているデータ格納部20を有する。
次に、義足動作補助装置1が装着者の大腿義足10に装着された際に、装着者の歩行動作に伴って制御装置5が実行するアシスト制御について説明する。
階段上昇のために、遊脚期と支持脚期との異なるフェーズが用いられる。大腿義足10の足部12が階段に接触する際、まず前足部(つま先部)側が後足部(踵部)側よりも先に階段に接触する。前足部側の床反力が増加するとき、遊脚期から支持脚期にフェーズが遷移する。
健常者が階段を下降するとき、遊脚期の間、膝関節が屈曲位から伸展するように求心性収縮(短縮性収縮)が発生する。この求心性収縮は、筋の長さが短縮し、起始と停止が近づく収縮様式である。そして支持脚期の間、膝関節が伸展位からゆっくり屈曲するように遠心性収縮(伸張性収縮)が発生する。この遠心性収縮は、筋の長さが伸長し、起始と停止が離れるような収縮様式である。
本実施の形態による義足動作補助装置1を市販の大腿義足(Ottobock社製の3R80+)に取り付けて、実際に装着者が歩行する実験を行った。この実験では、健常者が大腿義足を装着するため、対象となる脚を屈曲して保持するためのバイパス義足を模擬の大腿ソケットとして、当該バイパス装具に大腿義足10が固定保持されたものを適用する。
本発明では、上述の階段昇降動作試験に加えて、障害物をまたいで経路を通過する試験(またぎ試験)を行い、またぎ動作前後の生体電位信号を含む各センサ値を測定することにより、義足動作補助装置1が随意的に動作可能であり、随意的動作により義足で困難な動作が可能であることを確認した。
本実施の形態においては、大腿フレーム及び下腿フレーム間を駆動ユニットの駆動部(アクチュエータ)が回転駆動させる構造の義足動作補助装置1を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、アクチュエータの駆動出力をシリンダの直線往復運動として大腿フレーム及び下腿フレームを相対的に可動させるようにしても良い。
Claims (8)
- 装着者の大腿断端部を収納する大腿ソケットと、足部が係合された下腿支柱とを回動可能に連結する膝関節継手を有する大腿義足と別体に設けられ、当該膝関節継手の回転動作を支援する装着式の義足動作補助装置において、
前記大腿ソケットと締結部材を介して締結される大腿フレームと、
前記下腿支柱と保持部材を介して可動保持される下腿フレームと、
前記大腿フレームと前記下腿フレームとに連結され、前記装着者の大腿動作に連動して能動的又は受動的に駆動する駆動部と、
前記装着者の大腿動作に伴って発生する生体信号としての電位を検出する生体信号検出部と、
前記生体信号検出部により取得された生体信号に基づいて、前記装着者の意思に従った動力を前記駆動部に発生させる制御部と、
前記駆動部からの出力信号に基づいて、前記装着者の大腿動作に伴う前記膝関節継手の物理量を検出する継手物理量検出部と、
前記大腿義足に設けられ、当該大腿義足を装着していない側の脚部の動作を監視する脚動作監視部と、
所定時間内で計測された前記継手物理量検出部の検出結果と、前記脚動作監視部による監視結果とに基づいて、前記大腿義足に固有の動力学パラメータを推定するパラメータ推定部と、
前記パラメータ推定部により推定された前記動力学パラメータに基づいて、前記膝関節継手に固有の機械インピーダンスを調整するインピーダンス調整部と
を備え、前記制御部は、前記インピーダンス調整部により調整された前記機械インピーダンスに基づき、所定の制御方法に従って前記駆動部を制御する
ことを特徴とする義足動作補助装置。 - 前記大腿義足の前記足部に設けられ、当該大腿義足の歩行音を集音する集音マイクを備え、
前記パラメータ推定部は、推定した前記大腿義足の動力学パラメータを、前記集音マイクにより集音された歩行音に基づいて修正する
ことを特徴とする請求項1に記載の義足動作補助装置。 - 前記大腿義足の前記下腿フレームに設けられ、歩行時の床面からの振動を検出する振動検出部を備え、
前記パラメータ推定部は、推定した前記大腿義足の動力学パラメータを、前記振動検出部により検出された前記振動に基づいて修正する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の義足動作補助装置。 - 前記大腿フレームに設けられ、鉛直方向に対する大腿方向の間で決まる大腿角度を検出する大腿角度センサと、
前記駆動部に設けられ、前記膝関節継手の角度及び角速度を検出する膝関節角度センサと、
前記足部に設けられ、前記装着者への床反力を検出する床反力センサと、
タスクとして分類した前記装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)を表す複数の基準パラメータを格納するデータ格納部とを備え、
前記制御部は、前記大腿角度、前記膝関節角度及び前記床反力と、前記データ格納部に格納された各前記基準パラメータを比較して、前記装着者のタスクのフェーズを推定した後、当該フェーズに応じた動力を前記駆動部に発生させる
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の義足動作補助装置。 - 装着者の大腿断端部を収納する大腿ソケットと、足部が係合された下腿支柱とを回動可能に連結する膝関節継手を有する大腿義足と別体に設けられ、当該膝関節継手の回転動作を支援する装着式の義足動作補助装置の制御方法において、
前記装着者の大腿動作に伴って発生する生体信号としての電位を検出する第1の過程と、
前記第1の過程により取得された生体信号に基づいて、前記装着者の意思に従った動力を、前記大腿ソケットと締結部材を介して締結される大腿フレームと、前記下腿支柱と保持部材を介して可動保持される下腿フレームとに連結され、前記装着者の大腿動作に連動して能動的又は受動的に駆動する駆動部に発生させる第2の過程と、
前記駆動部からの出力信号に基づいて、前記装着者の大腿動作に伴う前記膝関節継手の物理量を検出するとともに、前記大腿義足を装着していない側の脚部の動作を監視する第3の過程と、
所定時間内で計測された前記装着者の大腿動作に伴う前記膝関節継手の物理量の検出結果と、前記大腿義足を装着していない側の脚部の動作の監視結果とに基づいて、前記大腿義足に固有の動力学パラメータを推定する第4の過程と、
前記第4の過程により推定された前記動力学パラメータに基づいて、前記膝関節継手に固有の機械インピーダンスを調整する第5の過程と、
前記第5の過程により調整された前記機械インピーダンスに基づき、所定の制御方法に従って前記駆動部を制御する第6の過程と
を備えることを特徴とする義足動作補助装置の制御方法。 - 前記第4の過程において、推定した前記大腿義足の動力学パラメータを、前記大腿義足の前記足部に設けられたマイクから集音した歩行音に基づいて修正する
ことを特徴とする請求項5に記載の義足動作補助装置の制御方法。 - 前記第4の過程において、推定した前記大腿義足の動力学パラメータを、前記大腿義足の前記下腿フレームから検出した歩行時の床面からの振動の検出結果に基づいて修正する
ことを特徴とする請求項5または6に記載の義足動作補助装置の制御方法。 - タスクとして分類した前記装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)を表す複数の基準パラメータをデータ格納部に格納しておき、
前記第6の過程において、鉛直方向に対する大腿方向の間で決まる大腿角度と、前記膝関節継手の角度及び角速度と、前記装着者への床反力と、前記データ格納部に格納された各前記基準パラメータを比較して、前記装着者のタスクのフェーズを推定した後、当該フェーズに応じた動力を前記駆動部に発生させる
ことを特徴とする請求項5から7のいずれか一項に記載の義足動作補助装置の制御方法。
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