JP6925231B2 - 歩行動作補助装置 - Google Patents
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Description
即ち、前記従来構成においては、股関節回りに回動する大腿に対する下腿の膝関節回りの回動角度を検出しており、従って、歩行動作状態を正確に認識することが困難であった。
斯かる構成では、微分処理によって雑音成分が強調されることになり、正確な大腿位相角を得ることは困難となる。
この場合、前記大腿位相角算出手段は、前記運動方程式に基づく式(1a)及び前記大腿姿勢角検出手段から入力される角度関連信号を観測値とする式(1b)と前記カルマンフィルタによる式(2a)〜式(2e)とを用いて、前記推定揺動角度及び前記推定揺動角速度を算出する。
θドット:股関節角速度
g:重力加速度
μ:歩行時に股関節回りに働く股関節トルク
γ:未知外乱
v:観測雑音
xハット[k|k]:サンプリングタイミングkでの事後推定値
xハット[k|k-1]: サンプリングタイミングkでの事前推定値
K[k]:サンプリングタイミングkでのカルマンゲイン
P[k|k]:サンプリングタイミングkでの事後誤差共分散行列
P[k|k-1]:サンプリングタイミングkでの事前誤差共分散行列
y[k]:サンプリングタイミングkでの大腿姿勢検出手段の観測値(計測値)
C:観測行列
Q:未知外乱γの共分散行列
R:観測雑音vの共分散行列
図1及び図2に、それぞれ、本実施の形態に係る歩行動作補助装置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、前記歩行動作補助装置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。
詳しくは、図1〜図4に示すように、前記歩行動作補助装置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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
図7に、図2におけるVII-VII線に沿った端面図を示す。
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。
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。
本実施の形態に係る歩行動作補助装置1は、大腿位相角に基づいて歩行周期中の歩行状態を認識し、当該歩行状態に適した歩行補助力が付与されるように前記アクチュエータユニット100の作動制御を行う。
即ち、本実施の形態に係る歩行動作補助装置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、この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。
図8に示すように、前記歩行動作補助装置1は、ユーザーの大腿の前後揺動角度である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510と、前記角度関連信号に基づいて大腿位相角φを算出する大腿位相角算出手段550と、前記大腿位相角φを歩行周期中の歩行状態(歩行動作タイミング)に変換する歩行動作タイミング算出手段560と、前記歩行動作タイミングにおいて出力すべきトルク値を算出する補助トルク算出手段570と、前記アクチュエータユニット100(前記駆動体110)の作動制御を司る作動制御手段580とを備えている。
本実施の形態においては、図8に示すように、前記制御装置500が、前記大腿位相角算出手段550、前記歩行動作タイミング算出手段560、前記補助トルク算出手段570及び前記作動制御手段580として作用する。
なお、m及び?は、実験等によってユーザー毎に設定され、棒状剛体600の質量は0とする。
また、gは重力加速度で、μは粘性摩擦に起因する棒状剛体の揺動中心回りの摩擦力に起因する粘性摩擦係数であり、γはユーザーの股関節トルクも含む未知外乱である。
即ち、x[k+1]は、サンプリングタイミングk+1でのxの値を意味し、x[k]は、サンプリングタイミングkでのxの値を意味し、γ[k]は、サンプリングタイミングkでの未知外乱の値を意味し、v[k]は、サンプリングタイミングkでの観測雑音の値を意味している。
なお、式(1a)において、股関節に作用するユーザーの筋力トルクは未知量として、未知外乱γに含めている。
カルマンフィルタによる推定式は、式(2a)から式(2e)によって表される。
xハット[k|k]:サンプリングタイミングkでの事後推定値
xハット[k|k-1]: サンプリングタイミングkでの事前推定値
K[k]:サンプリングタイミングkでのカルマンゲイン
P[k|k]:サンプリングタイミングkでの事後誤差共分散行列
P[k|k-1]:サンプリングタイミングkでの事前誤差共分散行列
y[k]:サンプリングタイミングkでの大腿姿勢検出手段の観測値(計測値)
C:観測行列
Q:未知外乱γの共分散行列
R:観測雑音vの共分散行列
即ち、前記大腿位相角算出手段550は、サンプリングタイミング毎に、推定誤差及び観測誤差の共分散を最小とする値を式(2c)、式(2d)および式(2e)により算出し、この値をそのサンプリングタイミングでのカルマンゲインK[k]として用いる。
即ち、ジャイロセンサ等によって検出された股関節角度に対して微分処理及びローパス処理を実行することによって、一のサンプリングタイミングでの股関節角度及び股関節角速度を得て、この股関節角度及び股関節角速度に基づき大腿位相角を算出することも可能である(以下、比較構成という)。
また、前記揺動中心点の算出の際に対象とする位相角は、算出対象とされる一の歩行周期における全サンプリングポイントであっても良いし、若しくは、算出対象とされる一の歩行周期における「正」の最大位相角及び「負」の最大位相角であっても良い。
図10に示すように、推定股関節角度θハット及び推定股関節角速度θドットハット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。
斯かる構成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、前記歩行動作補助装置1が前記アクチュエータユニット100を作動させることを有効に防止することができる。
従って、推定股関節角度θハットk及び推定股関節角速度θドットハットkによって画されるベクトルVk(図10参照)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。
この初期位相パターン関数φ(α)(C0)はユーザー毎に作成され、予め前記歩行動作タイミング算出手段560に記憶されている。
なお、一歩行周期の完了は、例えば、推定股関節角度θハット及び推定股関節角速度θドットハットによって画される大腿位相角φが予め設定されている歩行周期基準角に戻ったか否かによって判断することができる。
φ(α)(C1)=a0(1)+a1(1)α+a2(1)α2+・・・+am(1)αm
の係数パラメータを算出し、前記φ(α)(C1)を大腿位相角の位相パターン関数として保存する。上式において、mは正の整数である。
φ(α)(C2)=a0(2)+a1(2)α+a2(2)α2+・・・+am(2)αm
の係数パラメータを算出し、前記φ(α)(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。
なお、前記有効位相角データは、その時点で完了している全ての歩行周期における位相角データを含むものとすることも可能であるし、これに代えて、前記歩行動作タイミング算出手段560における記憶容量に応じて、直近の所定回数(例えば、100回)の歩行周期における位相角データだけに制限することも可能である。
Tk=(φk/2π)×100(%)
によって算出される。
前記出力トルクパターンはユーザー毎に作成され、予め、前記補助トルク算出手段570に記憶される。
従って、歩行状態(歩行動作タイミング)を正確に認識し、歩行状態に適した補助力を出力することができる。
従って、歩行周期中にイレギュラーな歩行動作が生じたとしても、修正された状態の補助力を出力することができる。
従って、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。
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。
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。
図12に、一歩行周期中に変化する歩行状態の模式図を示す。
図12に示すように、一歩行周期は、鉛直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。
図13(a)に示す一例においては、前記出力トルクパターンは、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。
図13(b)に示す例においては、前記出力トルクパターンは、前記第3トルクパターンY3及び前記第4トルクパターンY4のみを含んでいる。
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。
例えば、鉛直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10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。
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。
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。
なお、過去揺動中心が認識されていない段階においては、ステップ12においては、ゼロ補正(補正無し)とされる。
この場合、前記アクチュエータ作動制御モードは、ステップS11に戻る
同時に、前記歩行動作タイミング算出手段560は、位相パターン関数作成処理を実行する。位相パターン関数作成処理については後述する。
前記位相パターン関数作成処理は、サンプリングタイミングkでの歩行動作が正常か否かを判断して、以降の歩行周期において使用する位相パターン関数の算出に際し用いるべき有効位相角データの選別を行い、歩行周期完了時に前記有効位相角データを用いて新たな位相パターン関数を作成するように構成されている。
一歩行周期が終了してない場合には、ステップS44はバイパスされる。
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。
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
550 大腿位相角算出手段
560 歩行動作タイミング算出手段
570 補助トルク算出手段
580 作動制御手段
Claims (4)
- ユーザーの歩行動作に対して補助力を付与するアクチュエータと、
サンプリングタイミング毎にユーザーの大腿の前後揺動角度である股関節角度に関連する股関節角度関連信号を検出する大腿姿勢検出手段と、
一のサンプリングタイミングkでの大腿位相角を算出する大腿位相角算出手段と、
大腿位相角と前記アクチュエータが出力すべきトルク値との関係が直接又は間接的に規定された出力パターンデータを有し、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前記出力パターンデータに適用して前記一のサンプリングタイミングkにおいて出力すべきトルク値を算出する補助トルク算出手段と、
前記補助トルク算出手段によって算出されたトルク値の補助力を出力するように、前記アクチュエータの作動制御を司る作動制御手段とを備え、
前記大腿位相角算出手段は、歩行時におけるユーザーの大腿及び下腿を含む脚部の股関節回りの動きを、先端部に所定質量mの質点が取り付けられた所定長さ?の棒状剛体が基端部を揺動中心として振り子動作する動きで近似し、前記質点の揺動軌跡に沿った円の接線方向における運動方程式に基づいて近似算出される前記大腿の股関節角度及び股関節角速度を、サンプリングタイミングkにおいて前記大腿姿勢検出手段から入力される角度関連信号を観測値として用いた状態推定器によって推定し、この推定股関節角度及び推定股関節角速度を用いてサンプリングタイミングkでの大腿位相角を算出することを特徴とする歩行動作補助装置。 - 前記状態推定器はカルマンフィルタとされており、
前記大腿位相角算出手段は、前記運動方程式に基づく式(1)及び前記大腿姿勢検出手段から入力される角度関連信号を観測値とする式(1b)と前記カルマンフィルタによる式(2a)〜(2e)とを用いて、前記推定揺動角度及び前記推定揺動角速度を算出することを特徴とする請求項1に記載の歩行動作補助装置。
θドット:股関節角速度
g:重力加速度
μ:歩行時に股関節回りに働く股関節トルク
γ:未知外乱
v:観測雑音
xハット[k|k]:サンプリングタイミングkでの事後推定値
xハット[k|k-1]: サンプリングタイミングkでの事前推定値
K[k]:サンプリングタイミングkでのカルマンゲイン
P[k|k]:サンプリングタイミングkでの事後誤差共分散行列
P[k|k-1]:サンプリングタイミングkでの事前誤差共分散行列
y[k]:サンプリングタイミングkでの大腿姿勢検出手段の観測値(計測値)
C:観測行列
Q:未知外乱γの共分散行列
R:観測雑音vの共分散行列 - 前記大腿位相角算出手段は、完了している過去の歩行周期における推定股関節角度の揺動中心点と股関節角度ゼロ点との偏差を算出し、現時点の歩行周期中において前記大腿姿勢検出手段から入力される角度関連信号に対して前記偏差に応じた補正を行い、補正後の角度関連信号を前記状態推定器の観測値として用いることを特徴とする請求項1又は2に記載の歩行動作補助装置。
- 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を備え、
前記アクチュエータは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とされていることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の歩行動作補助装置。
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