JP7212889B2 - Assist device and assist clothing and assist control program - Google Patents
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Description
本開示は、起立動作および歩行動作における比較的軽い支援を行う、アシスト装置およびアシスト用衣服およびアシスト制御用プログラムに関する。 The present disclosure relates to an assist device, assist clothing, and an assist control program that provide relatively light assistance in standing and walking motions.
超高齢社会を迎えた我が国では、運動器の機能不全によって起立・着座・歩行能力が低下した「ロコモティブシンドローム(運動器症候群)」発症者が増加している。ロコモティブシンドロームは2007年に日本整形外科学会が提唱した概念である。主な原因の関節疾患、高齢による衰弱、骨折・転倒が全体の約半数を占めていると言われている。 In Japan, which has become a super-aged society, the number of patients with "locomotive syndrome", in which the ability to stand up, sit down, and walk has decreased due to dysfunction of the locomotorium, is increasing. Locomotive syndrome is a concept proposed by the Japanese Orthopedic Association in 2007. It is said that about half of all cases are caused by joint diseases, debilitation due to old age, fractures and falls.
このように、ロコモティブシンドロームは、運動器自体に関する疾患や加齢による運動器機能不全が含まれていることから、一旦発症すれば、日常生活における自立度の低下を招くので、要介護状態の進行につながる深刻な社会課題のひとつとなってきている。 In this way, locomotive syndrome includes diseases related to the locomotive organs themselves and locomotive dysfunction due to aging. It is becoming one of the serious social issues leading to
そこで、従来、起立や歩行などの日常生活動作を支援するウェアラブルロボットが開発されている。その多くは体重をフルに支えるために、剛体の外骨格フレームや高出力用の大型アクチュエータを使用するものである(特許文献1)。 Therefore, conventionally, wearable robots have been developed that assist daily life activities such as standing up and walking. Many of them use a rigid exoskeleton frame or a large actuator for high output in order to fully support the weight (Patent Document 1).
その一方で、近年、ソフトアクチュエータを用いたウェアラブルロボットの開発が注目を集めている(特許文献2、非特許文献1)。ソフトアクチュエータはパワーの点では電磁モータを用いた外骨格型アシストロボットには劣るものの、システム全体が軽量であり、装着者との親和性といった点でメリットがある。よって、ある程度の自立が可能な高齢者や障碍者に適している。
On the other hand, in recent years, attention has been focused on the development of wearable robots using soft actuators (
非特許文献1には、ポリウレタン弾性繊維(スパンデックス)生地をベースに、バンドやサポーターと面ファスナーで構成されたウェアラブルロボットが開示されている。遊星歯車付きモータによる回転トルクを、プーリーを介してワイヤ駆動させることで、歩行時における足関節の底屈動作のアシストを行っている。 Non-Patent Literature 1 discloses a wearable robot composed of a band, a supporter, and a hook-and-loop fastener based on a polyurethane elastic fiber (spandex) fabric. Rotational torque generated by a motor with planetary gears is driven by a wire through a pulley to assist plantar flexion of the ankle joint during walking.
特許文献2には、マッキベン型アクチュエータと称されるコイル状の伸縮アクチュエータで装着者の腰部と膝部を連結し、大腿部の前後の筋肉を補助するアシスト装置が開示されている。
しかしながら、上記従来のソフトアクチュエータを使用したアシスト装置は、装着者との親和性といった点で次のような課題を有していた。まず、非特許文献1の技術においては、システム全体の重量が約5.5kgあり、しかもアクチュエータを含む制御ユニットが外部に備え付けのシステム構成であるため、日常における常時使用に適さないといった課題があった。
However, the assist device using the conventional soft actuator has the following problems in terms of compatibility with the wearer. First, in the technique of Non-Patent
また、特許文献2の技術においては、着座時にコイル状アクチュエータを尻に敷く構造であるため、アクチュエータそのものの破損は防げても、着座時に、装着者に違和感を与えたり、場合によっては苦痛を与えたりする、といった懸念があった。
In addition, in the technique of
本開示の一態様に係るアシスト装置は、空気の流入により一方向に収縮する一つまたは複数の収縮型インフレータブルアクチュエータと、前記収縮型インフレータブルアクチュエータに対し空気の流入または流出を行う一つまたは複数のポンプと、装着者の姿勢に応じて前記空気の流入と流出を制御するコントローラとを備えたコントローラユニットと、を有するアシスト装置であって、前記収縮型インフレータブルアクチュエータは、収縮方向の一端を装着者の大腿部に相当する位置に、収縮方向の他の一端を装着者の膝蓋骨下部に相当する位置に、それぞれ直接的または間接的に固定され、そして、少なくとも右膝関節伸展用インフレータブルアクチュエータと左膝関節伸展用インフレータブルアクチュエータと右膝関節屈曲用インフレータブルアクチュエータと左膝関節屈曲用インフレータブルアクチュエータを有し、前記右膝関節伸展用インフレータブルアクチュエータは装着者の右足大腿部の前側に相当する位置に、前記左膝関節伸展用インフレータブルアクチュエータは装着者の左足大腿部の前側に相当する位置に、前記右膝関節屈曲用インフレータブルアクチュエータは装着者の右足大腿部の後側に相当する位置に、前記左膝関節屈曲用インフレータブルアクチュエータは装着者の左足大腿部の後側に相当する位置に、それぞれ設けられ、さらに、空気の流入により厚さ方向に膨張する膨張型インフレータブルアクチュエータを備え、前記膨張型インフレータブルアクチュエータは装着者の臀部に相当する位置に直接的または間接的に固定されることを特徴とする。 An assist device according to an aspect of the present disclosure includes one or more contraction-type inflatable actuators that contract in one direction due to inflow of air, and one or more contraction-type inflatable actuators that cause air to flow into or out of the contraction-type inflatable actuator. and a controller unit that controls the inflow and outflow of the air in accordance with the posture of the wearer , wherein the contraction type inflatable actuator is arranged so that one end in the contraction direction is directed toward the wearer. and the other end in the retraction direction is fixed directly or indirectly to a position corresponding to the lower part of the patella of the wearer, and at least the inflatable actuator for extending the right knee joint and the left It has an inflatable actuator for extending the knee joint, an inflatable actuator for flexing the right knee joint, and an inflatable actuator for flexing the left knee joint. The inflatable actuator for extending the left knee joint is positioned at a position corresponding to the front side of the left thigh of the wearer, and the inflatable actuator for bending the right knee joint is positioned at a position corresponding to the rear side of the right thigh of the wearer. The inflatable actuators for flexing the left knee joint are provided at positions corresponding to the rear side of the wearer's left leg thigh, and further comprise inflatable inflatable actuators that expand in the thickness direction due to inflow of air. The inflatable actuator is characterized by being directly or indirectly fixed to a position corresponding to the buttocks of the wearer.
前記収縮型インフレータブルアクチュエータは、2枚の変形可能なシートの周辺を密封状態に貼り合わせたインフレータブル構造体を成し、さらにその内側を通気可能な状態で部分的に貼り合わせたことにより複数の小胞に分割形成されたものであってもよい。 The shrinkable inflatable actuator has an inflatable structure in which the peripheries of two deformable sheets are bonded together in a sealed state, and the inside thereof is partially bonded together in an air-permeable state to form a plurality of small sheets. It may be formed by division into vesicles.
前記収縮型インフレータブルアクチュエータは略長方形状の平面構造を成し、短辺と平行に複数の小胞に分割形成されたものであってもよい。 The contraction type inflatable actuator has a substantially rectangular planar structure, and may be divided into a plurality of vesicles parallel to the short sides.
前記膨張型インフレータブルアクチュエータは、それぞれの平面形状が略円形である一対のインフレータブル構造体であってもよい。 The expansion type inflatable actuator may be a pair of inflatable structures each having a substantially circular planar shape.
前記コントローラは、装着者の起立動作開始時に前記膨張型インフレータブルアクチュエータに空気を流入させるフェーズと、対象動作の検出後、前記膨張型インフレータブルアクチュエータの空気を前記左右の膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるフェーズを順次実行するものであってもよい。 The controller provides a phase for inflowing air into the inflatable inflatable actuators when the wearer starts to stand up, and after detection of a target motion, injects air from the inflatable inflatable actuators into the contracting inflatable actuators for extending the left and right knee joints. may be sequentially executed.
前記膨張型インフレータブルアクチュエータに対する空気の流入と流出、および前記収縮型インフレータブルアクチュエータに対する空気の流入は、前記ポンプと前記膨張型インフレータブルアクチュエータまたは前記収縮型インフレータブルアクチュエータの間にエアチューブを介して接続されたバルブの弁の切り替えにより制御されてもよい。 A valve connected between the pump and the expansion inflatable actuator or the contraction inflatable actuator via an air tube is used to control the inflow and outflow of air to and from the expansion inflatable actuator and the air inflow to the contraction inflatable actuator. may be controlled by switching the valves of
前記コントローラは、装着者の歩行動作に応じて、前記右膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記右膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるフェーズと、前記右膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記右膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるフェーズと、前記左膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記左膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるフェーズと、前記左膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記左膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるフェーズと、を循環的に実行するものであってもよい。 According to the walking motion of the wearer, the controller controls a phase in which the contracting inflatable actuator for extending the right knee joint flows air into the contracting inflatable actuator for bending the right knee joint, and a phase for flexing the right knee joint. a phase of flowing air from the contracting inflatable actuator into the contracting inflatable actuator for right knee extension; and a phase of flowing the air of the contracting inflatable actuator for flexing the left knee joint into the contracting inflatable actuator for extending the left knee joint.
本開示の一態様に係るアシスト用衣服は、前記アシスト装置が設けられたものである。 An assist garment according to an aspect of the present disclosure is provided with the assist device.
本開示の一態様に係るアシスト制御用プログラムは、前記コントローラによって実行されるプログラムであって、前記装着者の起立動作開始時に前記膨張型インフレータブルアクチュエータに空気を流入させるステップと、動作を検証するステップと、対象動作が検出された場合、前記膨張型インフレータブルアクチュエータの空気を前記左右の膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるステップと、を含む。 An assist control program according to an aspect of the present disclosure is a program executed by the controller, and includes a step of causing air to flow into the inflatable inflatable actuator when the wearer starts a standing motion, and a step of verifying the motion. and, when a target motion is detected, directing the air of the inflatable inflatable actuator to the contracting inflatable actuators for left and right knee extension.
本開示の一態様に係るアシスト制御用プログラムは、前記コントローラによって実行されるプログラムであって、前記右膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記右膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるステップと、前記右膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記右膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるステップと、前記左膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記左膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるステップと、前記左膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記左膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるステップと、を循環的に実行する。 An assist control program according to an aspect of the present disclosure is a program executed by the controller, wherein the air of the contracting inflatable actuator for right knee extension is transferred to the contracting inflatable actuator for right knee flexion. introducing air from the right knee flexion contraction inflatable actuator into the right knee extension contraction inflatable actuator; and introducing air from the left knee extension contraction inflatable actuator. circulating the steps of flowing air into the contracting inflatable actuator for left knee joint flexion, and flowing air from the contracting inflatable actuator for left knee joint bending into the contracting inflatable actuator for left knee extension. execute
本開示の一態様によれば、軽量でかつ違和感の無い装着で、着座状態から起立、さらに歩行までをアシストすることが可能となる。 According to one aspect of the present disclosure, it is possible to assist from a sitting state to standing up and even walking with a lightweight and comfortable wearing.
以下、本開示の一態様に係る実施の形態(以降、第1の実施の形態)について図面を参照しながら詳細に説明する。図1は第1の実施の形態のアシスト装置の概念図を示す。図1において、アシスト装置1はズボン状の衣服5に装着できるような形状を有する。2は空気の流入により一方向に収縮する一対の収縮型インフレータブルアクチュエータ(収縮型IfA)であり、本実施の形態では左右一対設けられている。100はコントローラユニットであり、収縮型インフレータブルアクチュエータ2に対しエアチューブ201を通し空気の流入または流出を行う一または複数のポンプと、装着者の姿勢に応じて前記空気の流入と流出を切替えるコントローラとを備える(図示せず)。
Hereinafter, an embodiment (hereinafter referred to as a first embodiment) according to one aspect of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a conceptual diagram of the assist device of the first embodiment. In FIG. 1, the
図2に、本実施の形態における収縮型インフレータブルアクチュエータ2の斜視図を示す。収縮型インフレータブルアクチュエータ2は、2枚の変形可能なシートの周辺をエアチューブ201との接続部分を除き密封状態に貼り合わせたインフレータブルな構造体を成す。さらにその内側が通気可能な状態で部分的に貼り合わされることにより複数の小胞に分割形成されている。本実施の形態では、図2に示されるように略長方形状の平面構造を成し、短辺と平行に複数の小胞に分割形成されている。本実施の形態において、「略長方形状」というのは、幾何学上の長方形の形状のみならず、角を落とした長方形や、連結用の突起を設けた長方形の形状も含まれるとする。
FIG. 2 shows a perspective view of the retractable
この収縮型インフレータブルアクチュエータ2に空気を流入させると(図2中ON)、収縮型インフレータブルアクチュエータ2は全体としては厚み方向に膨張するものの、長手方向(分割線と直角方向)には収縮するように変形する。また空気を流出させると(図2中OFF)元のシート状に戻る。空気の流入量と収縮量との関係については実施例2で詳細に説明する。
When air is allowed to flow into the retractable inflatable actuator 2 (ON in FIG. 2), the retractable
本実施の形態において、収縮型インフレータブルアクチュエータ2は、収縮方向の上端が装着者の大腿部に設けられたバンド11にワイヤ13を介して接続されている。また、下端は装着者の膝蓋骨の直下に設けられたバンド12にワイヤ14を介して、それぞれ連結されている。ワイヤ14は膝蓋骨を迂回するように2本設けられてもよい。また、ワイヤ14との整合上、ワイヤ13も2本構成にしてもよい。なお、ワイヤ13、14は独立して設ける必要はなく収縮型インフレータブルアクチュエータ2と一体成型されたものでもよい。また、収縮型インフレータブルアクチュエータ2の長さが装着者の大腿部の長さと同等であれば、ワイヤ13またはワイヤ14を用いずにバンド11またはバンド12にそれぞれ直結させてもよい。また、バンド11、12は補強材として装着者が着用する衣服5に縫い込まれたものであってもよい。
In this embodiment, the retractable
図3に本実施の形態における収縮型インフレータブルアクチュエータ2の試作品(左は空気流出時、右側は空気流入時)の写真を、図4に収縮型インフレータブルアクチュエータ2の試作品を装着者の右足前方に位置するように装着したときの写真を示す。当該試作品は熱可塑性ポリウレタン(Thermoplastic PolyUrethane:TPU)フィルムを用いている。TPUはポリエチレンに比べ伸びやすく破れにくい性質を持っているため、過度に膨張してしまった際の破裂を防ぐことができる。2枚のTPUフィルムを重ね、長手方向に小胞に分割されるように熱溶着する。なお、小胞間で通気性を確保するため、小胞分割壁の中央部は熱溶着されないよう予めマスキングしておく。
FIG. 3 shows a photograph of the prototype of the contractile
図4の場合、収縮型インフレータブルアクチュエータ2は装着者太もも前部の筋肉(大腿四頭筋)を補助する機能を有する。すなわち装着者が膝を伸ばす動作(膝関節伸展動作)をする際、大腿四頭筋を収縮させるが、この運動を収縮型インフレータブルアクチュエータ2が補助することにより、大腿四頭筋の負荷を減らすことができる。さらに収縮型インフレータブルアクチュエータ2は2枚の熱可塑性シートを貼りあわせて形成されているため、軽量で柔軟性があり、装着者が違和感を受けることなく装着でき、衣服の中に縫い込むことも可能となる。さらに収縮型インフレータブルアクチュエータを大腿部の前面と後面に配置することで、それぞれ伸筋と屈筋の役割を担わせることができる
In the case of FIG. 4, the contraction type
以下、本開示の第2の実施の形態について説明する。図5は本開示の第2の実施の形態のアシスト装置1の概念図である。図5において、21a、21b、22a、22bは、それぞれ右膝関節伸展用、左膝関節伸展用、右膝関節屈曲用、左膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータであり、それぞれ第1の実施の形態の収縮型インフレータブルアクチュエータ2と同等の機能を有すものである。伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータ21a、21bは装着者前面に配置され、大腿部のバンド11および膝蓋骨下部のバンド12と、それぞれワイヤを介して連結されている。本実施の形態においても、バンド11、12は、それぞれ左右一対設けられているとする。なお、第1の実施例と同様、前記ワイヤは収縮型インフレータブルアクチュエータと一体成型したものでもよく、また前記ワイヤを用いずに収縮型インフレータブルアクチュエータをバンド11またはバンド12にそれぞれ直結させてもよい。また、バンド11、12は補強材として装着者が着用する衣服5に縫い込まれたものであってもよい。
A second embodiment of the present disclosure will be described below. FIG. 5 is a conceptual diagram of the
屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータ22a、22bは装着者後面に設けられ、同様にバンド11、12と、それぞれワイヤを介して連結(またはワイヤを用いずに直結)している。また、各収縮型インフレータブルアクチュエータ21a、21b、22a、22bにはコントローラユニット(100)からエアチューブ201a、201b、202a、202bを介して空気が流入する。なお、図5においてコントローラユニットは装着者後面にも設けられているように(破線で)示されているが、1つのコントローラユニット100から前後にエアチューブが配管されるものであってもよい。
Contraction type
さらに図5において、3a、3bは、空気の流入により厚み方向に膨張する膨張型インフレータブルアクチュエータである。膨張型インフレータブルアクチュエータ3a、3bは装着者のそれぞれ左右の臀部の位置に配置されるよう、臀部に対し間接的に固定されている。固定の方法としては腰部や大腿部のバンドに連結されてもよいし、装着者が着用する衣服5に直接固定されて設けられてもよい。
Furthermore, in FIG. 5, 3a and 3b are expansion type inflatable actuators that expand in the thickness direction when air flows in. As shown in FIG. The inflatable
膨張型インフレータブルアクチュエータ3a、3bはそれぞれ平面形状が略円形であるとする。ここで、略円形とは真円のみならず新円に近い楕円形やソラマメ状の閉曲線図形、さらには真円に近い、好ましくは八角以上の多角形であってもよい。図7に本開示の第2の実施の形態の膨張型インフレータブルアクチュエータの試作品の写真を示す。当該試作品は熱可塑性ポリウレタン(Thermoplastic PolyUrethane:TPU)フィルムを用いている。略円形状の2枚のTPUフィルムを重ね、空気の流入(流出)口を除き外周を溶着することにより形成している。
It is assumed that the expansion type
膨張型インフレータブルアクチュエータ3a、3bがそれぞれ略円形であることが好ましいのは、図6に示すように、装着者の着座時の臀部の圧力分布(BodiTrak社製圧力分布計測装置を使用)が略円形となっていることによる。そこで例えば円形の膨張型インフレータブルアクチュエータ3a、3b(同図中実線)を、圧力が最も高い部分がほぼ中心となるように装着者の臀部に対して配置すれば、後述の起立時の動作(図13)をより安定に支援することができる。以下、起立時の支援動作について順次説明する。
The reason why the inflatable
図8に本実施の形態のアシスト装置の制御ブロック図を示す。図8において、収縮型インフレータブルアクチュエータ21a、21b、22a、22b、および膨張型インフレータブルアクチュエータ3a、3bはそれぞれ図3および図7で示されたものをシンボル化したものである。さらに、図8において、コントローラユニット100は、バルブ41a、41b、42a、42b、43a、43b、およびポンプ50a、50b、53、およびコントローラ101を含む。さらに、コントローラユニット100は、電源71、スイッチ72、76、DCDCコンバータ74、75、ジャンクション73、60a、60b、63を含む。コントローラ101は6個の出力ポートを有し、それぞれNPNトランジスタ102を介し、バルブ41a、41b、42a、42b、43a、43bの切替えを行う。
FIG. 8 shows a control block diagram of the assist device of this embodiment. In FIG. 8, contraction type
ポンプ50aは、フェーズに応じて右側に配置された(伸展用)収縮型インフレータブルアクチュエータ21a、(屈曲用)収縮型インフレータブルアクチュエータ22a、および膨張型インフレータブルアクチュエータ3aに対し、空気の流入または流出を行う。ポンプ50bは、フェーズに応じて左側に配置された(伸展用)収縮型インフレータブルアクチュエータ21b、(屈曲用)収縮型インフレータブルアクチュエータ22b、および膨張型インフレータブルアクチュエータ3bに対し、空気の流入または流出を行う。ポンプ53は膨張型インフレータブルアクチュエータ3a、3bに空気を流入する。ポンプ50a、50b、53は空気の吸入と流出を同時に行うものであり、各インフレータブルアクチュエータに対して空気を流入するか流出するかは、コントローラ101の指示の下、バルブ41a、41b、42a、42b、43a、43bの切り替えによって実行される。
The
以下、図9で示される起立動作の際に、図10に本開示の第2の実施の形態のアシスト装置のコントローラ101が実行するプログラムのフローチャートを示す。まずポンプ53をONし、膨張型インフレータブルアクチュエータ3a、3bに空気を流入する(S1)。その後動作検証を行い(S2)、対象動作が検出されれば(S3)次のステップに進む。以上のステップは前記起立動作(図9)におけるフェーズ(phase1)に相当する。ここで対象動作とは椅子から離れたやや中腰状態の動作を意味し、このとき股関節最大屈曲が検出される。この股関節最大屈曲は、例えば衣服5の膝付近に曲げセンサ等を設けて検出できるが、角加速度センサや生体電位センサを用いてもよい。動作検証と対象動作の詳細については実施例3と実施例6で改めて説明する。
FIG. 10 shows a flowchart of a program executed by the
対象動作が検出されるとポンプ53をOFFとし、代わりにポンプ50a、50bをONとする。併せてバルブ43a、43bをONとする(以上S4)。以上の動作は前記起立動作(図9)におけるフェーズ(phase2)に相当する。図11にphase1終期のアシスト装置の状態(同図(a))と、phase2におけるアシスト装置の状態(同図(b))を模式的に示す。phase2においては膨張型インフレータブルアクチュエータ3aから、バルブ43a、ポンプ50a、バルブ41aを経て、収縮型インフレータブルアクチュエータ21aに空気を流入する流路が形成される。その結果、膨張型インフレータブルアクチュエータ3aに充満した高圧の空気がポンプ50aでさらに加圧されて、収縮型インフレータブルアクチュエータ21aに流れ込む(図中点線矢印)。同様に、膨張型インフレータブルアクチュエータ3bに充満した空気がポンプ50aを通って収縮型インフレータブルアクチュエータ21bに流れ込む。
When the target motion is detected, the
以上のように、流路の切り替えにより、phase1において充填された空気圧を利用して、phase2における収縮型インフレータブルアクチュエータに空気を流入することができる(図12)。その結果、エネルギー効率の高い起立支援を実現することができる。起立支援の例を図13に示す。まず、phase1において、膨張型インフレータブルアクチュエータ3a、3bの膨張により、離床動作(体重重心上方移動)を支援し、phase2において収縮型インフレータブルアクチュエータ21a、21bを縮ませることで、起立時の膝関節伸展動作を支援する。起立が完了すればすべてのポンプを停止させる(S5)。
As described above, by switching the flow path, the air pressure filled in
なお、本実施の形態において、コントローラ101はマイクロプロセッサであり、図10のフローチャートはそのプログラムによって実行されてもよい。また、そのプログラムは不揮発性メモリ上に予め組み込まれたものであってもよいし、通信回線を介してサーバーからダウンロードされたものであってもよい。
In this embodiment,
以下、本開示の第3の実施の形態について説明する。本実施の形態においては、歩行動作の支援機能について説明する。まず表1に本実施の形態におけるアシストフェーズを示す。また、表2に各フェーズにおける収縮型インフレータブルアクチュエータ21a、21b、22a、22b(表2中では、それぞれRight ex. IfA、Right fl. IfA、Left ex. IfA、Left fl. IfA)の状態を示す。さらに、この状態となるような収縮型インフレータブルアクチュエータの動作を模式的に図14に、空圧制御機器のON/OFF状態を図15~17に示す。なお、本実施の形態においては膨張型インフレータブルアクチュエータ3a、3bは動作させない。
本実施の形態において、Neutral(phase)とは、両脚支持期や静止時などのアシストを行わないフェーズを意味する。このとき、全ての収縮型インフレータブルアクチュエータに少し空気が入っているものの駆動はしていない(図15)。ここで装着者が歩行動作を開始すると、以下のフェーズが順次、循環的に実行される。 In the present embodiment, "Neutral (phase)" means a phase in which no assist is performed, such as a two-leg support phase or a stationary phase. At this time, all the contraction type inflatable actuators are not driven although they are slightly filled with air (Fig. 15). Here, when the wearer starts walking, the following phases are sequentially and cyclically executed.
最初のフェーズ(R-Flexion phase)は右脚の膝関節が屈曲する遊脚初期から遊脚中期の状態である(図16(a))。このとき、右膝関節伸展支援用のインフレータブルアクチュエータ21aの空気はポンプ50aにより右膝関節屈曲支援用の収縮型インフレータブルアクチュエータ22aに送られる。その結果、右膝関節屈曲支援用の収縮型インフレータブルアクチュエータ22aが収縮動作を行い、屈曲支援用の収縮型インフレータブルアクチュエータ21aは完全に空気が抜けて伸びきった状態となっている。また,このとき対脚は支持脚となっているので、対脚の収縮型インフレータブルアクチュエータ21b、22bはニュートラルの状態である。
The first phase (R-Flexion phase) is the state from the initial swing to the middle swing when the knee joint of the right leg is flexed (FIG. 16(a)). At this time, the air in the
次のフェーズ(R-Extension phase)は右脚の膝関節が伸展する遊脚中期から初期接地までの状態である(図16(b))。このとき、右膝関節屈曲支援用のインフレータブルアクチュエータ22aの空気はポンプ50aにより右膝関節伸展支援用の収縮型インフレータブルアクチュエータ21aに送られる。その結果、右膝関節伸展支援用の収縮型インフレータブルアクチュエータ21aが収縮動作を行い、同右膝関節屈曲支援用のインフレータブルアクチュエータ22aは空気が抜けて伸びきった状態となっている。対脚の収縮型インフレータブルアクチュエータ21b、22bは依然ニュートラル状態である。
The next phase (R-Extension phase) is the state from the mid-swing period in which the knee joint of the right leg is extended to the initial contact (FIG. 16(b)). At this time, the air in the
左脚のL-Flexionphase((図17(a)))、L-Extensionphase((図17(b)))については、それぞれ右脚のFlexion phaseおよびExtension phaseと同様であるため、説明は省略する。各フェーズの切替えのタイミングについては実施例6で説明する。なお、本実施の形態において、表1および2の切り替え動作はコントローラ101(マイクロプロセッサ)のプログラムによって実行されてもよい。また、そのプログラムは不揮発性メモリ上に予め組み込まれたものであってもよいし、通信回線を介してサーバーからダウンロードされたものであってもよい。 The L-Flexion phase ((FIG. 17(a))) and L-Extension phase ((FIG. 17(b))) of the left leg are the same as the Flexion phase and Extension phase of the right leg, respectively, so the description is omitted. . The switching timing of each phase will be described in a sixth embodiment. In this embodiment, the switching operations of Tables 1 and 2 may be executed by a program of controller 101 (microprocessor). Also, the program may be preinstalled in a non-volatile memory, or may be downloaded from a server via a communication line.
以上、前記実施の形態によれば、装着者の起立時および歩行時の支援を軽量な仕組みで実現することが可能となる。さらに装着者が着座中は、起立支援用の膨張型インフレータブルアクチュエータは抜気されてシート状となっているため、着座時の違和感は殆ど無い。他のインフレータブルアクチュエータも、非動作時はシート状であるため、通常は「衣服の一部」として着用し、筋肉に疲労感や痛みのあるときにのみ、動作させることもできる。 As described above, according to the above embodiment, it is possible to support the wearer in standing up and walking with a lightweight mechanism. Furthermore, while the wearer is seated, the expandable inflatable actuator for assisting standing up is deflated into a sheet-like shape, so there is almost no sense of discomfort when the wearer sits on the seat. Other inflatable actuators are also sheet-like when not in operation, so they are usually worn as "part of clothing" and can be activated only when the muscles are tired or sore.
なお、前記実施の形態において、衣服5はズボン状としたが、ベストやジャンパーなどの上着であってもよく、膝関節の屈伸運動の支援以外に、腕関節の屈伸運動や背筋の曲げ伸ばしを支援するものであってもよい。
In the above-described embodiment, the
以下、本開示における実施例について説明する。 Examples of the present disclosure will be described below.
(実施例1)
本実施例ではコントローラユニット100(図8参照)の具体的な構成例について説明する。まず、バッテリー71にはリチウムイオンポリマー二次電池(LiPo)を採用した。LiPoはリチウムイオン二次電池などのように外装に金属製の缶を用いないため、小型・軽量でありながら大容量であり、比較的寿命も長い。
(Example 1)
In this embodiment, a specific configuration example of the controller unit 100 (see FIG. 8) will be described. First, a lithium ion polymer secondary battery (LiPo) was adopted as the
コントローラ101にはシングルボードコンピュータ(Aidilab:UDOOX86)を用いた。UDOOX86にはメインプロセッサ(QuadCore64-bitnew-generationx86Braswell14nm)のみならずArduinoTM101互換モジュール(Intel(登録商標)CurieTM)も搭載されていて、MacやWindowsやLinux(登録商標)を使用しながらArduinoTM101に容易にアクセスできるというメリットがある。デジタル入出力ピンはBraswell、Curieにそれぞれ20本、14本あり、A/DコンバータやPWM出力に設定できる。
A single board computer (Aidilab: UDOOX86) was used as the
インフレータブルアクチュエータを駆動させる空気供給源(ポンプ50a、50b、53)として,ブラシレスDCポンプ(日東工器(株):DP0210TA-Y1)を使用した。質量0.32kgと軽量でありながら1分あたり10Lの空気を吐出する。ブラシレスDCモータを使用しているためメンテナンス性に優れ、しかも高効率である。また2つのピストンを搭載したツインヘッドタイプであるため駆動時の振動が小さい。 A brushless DC pump (Nitto Kohki Co., Ltd.: DP0210TA-Y1) was used as an air supply source (pumps 50a, 50b, 53) for driving the inflatable actuator. Despite its light weight of 0.32 kg, it delivers 10 L of air per minute. Because it uses a brushless DC motor, it is easy to maintain and highly efficient. Also, since it is a twin head type with two pistons, vibration during driving is small.
バルブ41a、41b、42a、42b、43a、43bは、それぞれ5ポートソレノイドバルブ(SMC(株):VK3120-5GS-01)を用いた。2つの流路を切り替え、片脚につき1台のポンプを駆動させたまま2つのインフレータブルアクチュエータを交互に駆動している。
The
前記シングルボードコンピュータ(コントローラ)は12VDC駆動であり、ポンプ50a、50b、53およびバルブ41a、41b、42a、42b、43a、43b、はすべて24VDC駆動であるため、DCDCコンバータ74、75もそれぞれ12V出力、24V出力のものを用いている。
The single board computer (controller) is driven by 12VDC, and the
(実施例2)
本実施例では収縮型インフレータブルアクチュエータ試作品の性能評価実験(応答性、最大変位量)とその結果について説明する。厚さ0.07mmのTPUフィルムを用い、設計パラメータの異なる3種類の収縮型インフレータブルアクチュエータを試作した(表3)。それらに0.4kg、0.8kg、1.2kgの錘を吊り、DCポンプで駆動し、最大変位量と変位が最大になるのに要した応答時間を各3回、直尺とストップウォッチで計測した。なお、DCポンプは日東工器(株)DP0210T(吐出空気量10L/min)を用いた。
In this embodiment, a performance evaluation experiment (response, maximum displacement) of a contraction-type inflatable actuator prototype and its results will be described. Using a TPU film with a thickness of 0.07 mm, three types of shrinkable inflatable actuators with different design parameters were prototyped (Table 3). Weights of 0.4 kg, 0.8 kg, and 1.2 kg were hung on them, and they were driven by a DC pump. Measured. The DC pump used was DP0210T (delivered air volume: 10 L/min) manufactured by Nitto Kohki Co., Ltd.
図18(a)に上記3種類の収縮型インフレータブルアクチュエータ(IfA1、IfA2、IfA3)の負荷に対する最大変位量を、同図(b)にそれぞれの応答時間を示す。IfA1(L=160mm)とIfA2(L=80mm)を比較すると、長い方が最大変位量は大きくなるが(図18(a))、応答時間は大きく変化していない(同図(b))ことが判る。応答時間は空気供給源であるDCポンプの吐出空気量に大きく依存すると考えられる。一方、IfA1(W=70mm)とIfA3(W=100mm)を比較すると、最大変位量に大きな違いは見られず、応答時間は遅くなった。このことから収縮型インフレータブルアクチュエータは、長さと最大変位量の間に成り立つ関係をモデル化できると考えられる。 FIG. 18(a) shows the maximum displacement amount with respect to the load of the three types of contraction type inflatable actuators (IfA1, IfA2, IfA3), and FIG. 18(b) shows the respective response times. Comparing IfA1 (L = 160 mm) and IfA2 (L = 80 mm), the longer one has a larger maximum displacement (Fig. 18 (a)), but the response time does not change significantly (Fig. 18 (b)). It turns out. It is considered that the response time largely depends on the amount of air discharged from the DC pump, which is the air supply source. On the other hand, comparing IfA1 (W=70 mm) and IfA3 (W=100 mm), no significant difference was found in the maximum displacement amount, and the response time was slow. From this, it is considered that the contraction type inflatable actuator can model the relationship between the length and the maximum amount of displacement.
以下、インフレータブルアクチュエータの最大変位量のモデル化について説明する。収縮型インフレータブルアクチュエータはインフレータブル構造体の最小単位である各小胞が楕円柱状に膨張することで長さ方向に変位するとする(図19)。そこで、楕円の長軸の長さを2a、短軸の長さを2bとしたとき、楕円周CはGauss-Kummer級数により,二項係数を含む無限級数和として次式のように表される
式(3.1)を初項でのみ近似すると、以下のように書ける。
ここで、各小胞の幅をl(エル)とすると,l(エル)=C/2の関係から、さらに次式のように表すことができる.
さらに収縮型インフレータブルアクチュエータの全長をL、小胞の数(分割数)をm、熱溶着時のシール幅をsとすると,各小胞の幅をl(エル)は以下のように表せる。
ここで、要素1つあたりの変位量Δdは次式で表すことができる。
したがって,最大変位量ΔDは次式で求められる。
L、m、sは設計パラメータであり、収縮型インフレータブルアクチュエータの設計時に一意に決定する定数である。すなわち最大変位量ΔDは駆動時の収縮型インフレータブルアクチュエータの厚さb(楕円近似したときの短軸の長さ)のみに依存し、bは荷重の大きさに依存する。
Therefore, the maximum displacement amount ΔD is obtained by the following equation.
L, m, and s are design parameters, constants uniquely determined when designing the contraction type inflatable actuator. That is, the maximum displacement amount ΔD depends only on the thickness b (the length of the minor axis of the elliptical approximation) of the retractable inflatable actuator during driving, and b depends on the magnitude of the load.
この最大変位量の計算式と実際の最大変位量を比較するために、最大変位量とそのときの収縮型インフレータブルアクチュエータの厚さを同様に測定した。要素数(小胞数)8、幅70mm、長さ160mmの収縮型インフレータブルアクチュエータに、それぞれ0.4kg、0.8kg、1.2kg、1.6kg、2.0kgの錘を吊り下げ、それぞれ5回駆動(収縮動作)させた。まず、変位が最大になったときの収縮型インフレータブルアクチュエータの厚さを測定したグラフを図20(a)に示す。荷重の大きさを大きくすると厚さは単調に減少することが確認できた。さらに、この厚さから求めた最大変位量の計算値(式3.11)と実際の測定値を同図(b)に示す。 In order to compare this calculation formula of the maximum displacement amount with the actual maximum displacement amount, the maximum displacement amount and the thickness of the contraction type inflatable actuator at that time were similarly measured. Weights of 0.4 kg, 0.8 kg, 1.2 kg, 1.6 kg, and 2.0 kg were suspended from contraction-type inflatable actuators with 8 elements (number of vesicles), 70 mm width, and 160 mm length. It was driven to rotate (contraction motion). First, FIG. 20(a) shows a graph of the measured thickness of the contraction-type inflatable actuator when the displacement is maximized. It was confirmed that the thickness monotonously decreased as the magnitude of the load increased. Further, the calculated value (Equation 3.11) of the maximum displacement obtained from this thickness and the actual measured value are shown in FIG.
以上の結果から、荷重を増やしたときに最大変位量は、計算値・測定値共に単調に減衰することが確認された。すなわち、式(3.11)を用いれば、必要なアシスト量(下腿の荷重)に基づき、収縮型インフレータブルアクチュエータの設計パラメータを容易に決定することができる。なお、計算値と測定値との間に若干の誤差があるが、これらの誤差には試作段階での誤差や測定偏差も含まれる。 From the above results, it was confirmed that both the calculated and measured values of the maximum displacement decreased monotonously when the load was increased. That is, by using equation (3.11), the design parameters of the contraction-type inflatable actuator can be easily determined based on the required amount of assistance (load on the lower leg). Although there are some errors between the calculated values and the measured values, these errors include errors in the prototype stage and measurement deviations.
(実施例3)
本実施例では、起立動作時の実験とその結果について説明する。第1の実施の形態において、Phase1からPhase2への切替えは、対象動作を検出した時に行うとし、その対象となる動作は起立動作の離床時である股関節最大屈曲であるとした。そこで、本実施例ではAHRS(AttitudeHeadingReferenceSystem)と呼ばれる、加速度センサ、角速度センサおよび磁気センサより成る9軸の計測システムを使用して股関節最大屈曲を検出した。
(Example 3)
In this embodiment, an experiment and the results of the standing-up motion will be described. In the first embodiment, switching from
AHRSを腰,右大腿,左大腿,右下腿,左下腿の5か所に装着することで(図21)左右の股関節角度と膝関節角度を計測することができた。図22に、実際に測定された起立時の股関節角度と対象動作検出のタイミング信号を示す。このタイミング信号に基づき、Phase1からPhase2への切替えが行われる(図10参照)。 By attaching the AHRS to the waist, right thigh, left thigh, right lower leg, and left lower leg (Fig. 21), the left and right hip joint angles and knee joint angles could be measured. FIG. 22 shows actually measured hip joint angles when standing up and timing signals for target motion detection. Based on this timing signal, switching from Phase1 to Phase2 is performed (see FIG. 10).
(実施例4)
本実施例では、歩行時のアシストの実験とその結果について説明する。被験者1名(健常男性、23歳)の腰部、大腿、下腿に計5つのAHRSを装着し(図21)、トレッドミル上を快適歩行速度である4km/hで歩行させた。膝関節角度の極値を適切に検出できていることを確認するために、アシストフェーズが切り替えられたタイミングでフラグを立てるようにした。さらに、膝関節の屈曲・伸展に合わせ、実際に収縮型インフレータブルアクチュエータが交互に駆動していることを確認するために、2つの収縮型インフレータブルアクチュエータの内圧を気圧センサ(NXPUSAInc.製:MPXV5010GC7U)を使って計測しながら同じ実験を行った。
(Example 4)
In the present embodiment, an experiment of assistance during walking and its results will be described. One subject (healthy male, 23 years old) wore a total of five AHRSs on the waist, thighs and lower legs (Fig. 21), and walked on a treadmill at a comfortable walking speed of 4 km/h. In order to confirm that the extreme value of the knee joint angle is properly detected, a flag is set at the timing when the assist phase is switched. Furthermore, in order to confirm that the contraction type inflatable actuators are actually alternately driven according to the flexion and extension of the knee joint, the internal pressure of the two contraction type inflatable actuators was measured by an air pressure sensor (manufactured by NXPUSA Inc.: MPXV5010GC7U). The same experiment was conducted while measuring using
図23に右膝関節角度とR-Flexion、R-Extension、Neutral(第3の実施の形態、表2参照)の3つのアシストフェーズのフラグを示す。膝関節角度の極値を検出したタイミングで前記3つのアシストフェーズのフラグが立っていることが確認できた。 FIG. 23 shows the right knee joint angle and three assist phase flags of R-Flexion, R-Extension and Neutral (third embodiment, see Table 2). It was confirmed that the three assist phase flags were set at the timing when the extreme value of the knee joint angle was detected.
さらに、図24に右膝関節角度と屈曲用の(Flexer)収縮型インフレータブルアクチュエータ(22aまたは22b)と伸展用の(Extensor)収縮型インフレータブルアクチュエータ(21aまたは21b)の内圧を示す。R-Extensionphaseに切り替わると(43.2秒付近)、およそ0.1s後に屈曲用IfAの内圧が減少し、伸展用のインフレータブルアクチュエータの内圧が上昇しているのが確認できた。なお、収縮型インフレータブルアクチュエータ駆動直後は、体積変化を伴いながら空気が流入するため、内圧は緩やかに増加し、体積が最大となった後、内圧は急激に上昇することが示されている。 Further, FIG. 24 shows the right knee joint angle and the internal pressure of the flexing (Flexer) contraction inflatable actuator (22a or 22b) and the extension (Extensor) contraction inflatable actuator (21a or 21b). After switching to the R-Extensionphase (around 43.2 seconds), it was confirmed that the internal pressure of the bending IfA decreased and the internal pressure of the extension inflatable actuator increased after about 0.1 seconds. It is shown that immediately after the contraction type inflatable actuator is driven, air flows in with a change in volume, so the internal pressure increases gently, and after the volume reaches its maximum, the internal pressure rises sharply.
一方、NeutralphaseではDCポンプは駆動しておらず、伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータ内の空気は圧力勾配に従って屈曲用の(Flexer)収縮型インフレータブルアクチュエータに流入するため、伸展用の(Extensor)収縮型インフレータブルアクチュエータの内圧が減少し始めるのに時間を要している。だが、実際にインフレータブルアクチュエータを装着した際、荷重が加わることでより早く空気の流出入が起こると考えられる。Neutralphaseでは、既に屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータに空気が残留した状態であるので、R-Flexionphaseに入っても屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータの内圧に大きな変化は見られない。しかし、伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータの内圧が急激に減少していることから、屈曲用IfAが適切に駆動していることが推定できる。 On the other hand, in Neutralphase, the DC pump is not driven, and the air in the contraction inflatable actuator for extension flows into the (Flexer) contraction inflatable actuator for flexion according to the pressure gradient. It takes time for the internal pressure of the inflatable actuator to start decreasing. However, when the inflatable actuator is actually installed, it is thought that the inflow and outflow of air will occur more quickly due to the application of the load. In the Neutralphase, air already remains in the contraction inflatable actuator for bending, so even when entering the R-Flexionphase, the internal pressure of the contraction inflatable actuator for bending does not change significantly. However, since the internal pressure of the contraction-type inflatable actuator for extension is rapidly reduced, it can be estimated that IfA for flexion is appropriately driven.
(実施例5)
本実施例では、膨張型インフレータブルアクチュエータ(3aまたは3b)の試作品の実験とその結果について説明する。試作品は円形の平面形状を有し、直径20cm、16cm、12cmの3種類を用意した。内圧は大気圧からの差であるゲージ圧で表すこととし、0kPaから10kPaまで計測できるゲージ圧センサを使用した。ポンプは日東工器(株)製(空気流入量10L/min、24VDC)を用いた。
(Example 5)
In this example, experiments on a prototype of the expansion type inflatable actuator (3a or 3b) and the results thereof will be described. The prototype had a circular planar shape, and three types with diameters of 20 cm, 16 cm, and 12 cm were prepared. The internal pressure was represented by a gauge pressure, which is the difference from the atmospheric pressure, and a gauge pressure sensor capable of measuring from 0 kPa to 10 kPa was used. A pump manufactured by Nitto Kohki Co., Ltd. (air flow rate: 10 L/min, 24 VDC) was used.
図25(a)にΦ20cm膨張型インフレータブルアクチュエータの内圧の変化を示す。約3秒のところで空気流入を開始した。開始直後は急速に内圧が上昇し、その後、約2kPaで内圧は一旦一定となり、10秒付近で内圧が再度上昇した。このような変化は、体積膨張に伴い膨張型インフレータブルアクチュエータが塑性変形を起こしたことによると考えられる。このことから空気流入開始から内圧が一定である範囲が膨張型インフレータブルアクチュエータを塑性変形させずに安全に使用できる空気流入量だと言える。 FIG. 25(a) shows changes in the internal pressure of the Φ20 cm expansion inflatable actuator. Air inflow was started at about 3 seconds. Immediately after the start, the internal pressure increased rapidly, then became constant at about 2 kPa, and increased again around 10 seconds. Such a change is considered to be due to plastic deformation of the expansive inflatable actuator due to volume expansion. From this, it can be said that the range in which the internal pressure is constant from the start of air inflow is the air inflow amount that can be safely used without causing plastic deformation of the expansion inflatable actuator.
膨張型インフレータブルアクチュエータの直径がΦ16cm、Φ12cmと小さくなるにつれ、内圧が一定となる範囲が狭くなる傾向にある(同図(b)、(c))。図示はしていないが、Φ10cm膨張型インフレータブルアクチュエータでは、気圧が一定になる範囲が殆ど無く、用意したゲージ圧センサの上限となる10kPaにいきなり達してしまった。 As the diameter of the inflatable inflatable actuator decreases to Φ16 cm and Φ12 cm, the range in which the internal pressure is constant tends to narrow ((b) and (c) in the figure). Although not shown, in the Φ10 cm inflatable inflatable actuator, there was almost no range in which the atmospheric pressure remained constant, and the pressure suddenly reached 10 kPa, which is the upper limit of the prepared gauge pressure sensor.
図26に膨張型インフレータブルアクチュエータの負荷試験の結果を示す。各直径の膨張型インフレータブルアクチュエータを二枚の板の間に設置し、上の板に0.7kg、5kg、10kg、15kg、20kg、25kg、30kgの錘を乗せて、それぞれ3回ずつ計測した。実験終了後、破裂や塑性変形が無いことを確認した。同図に示されるとおり、直径が大きいほど高く上昇させることができる。 FIG. 26 shows the results of the load test of the expansion inflatable actuator. An inflatable inflatable actuator with each diameter was placed between two plates, weights of 0.7 kg, 5 kg, 10 kg, 15 kg, 20 kg, 25 kg, and 30 kg were placed on the upper plate, and measurements were taken three times each. After the experiment was completed, it was confirmed that there was no rupture or plastic deformation. As shown in the figure, the larger the diameter, the higher the lift.
(実施例6)
本実施例では、筋電計を用いて起立動作の計測実験とその結果について説明する。図9で示したように、座位姿勢からの起立動作は、着座時における体幹の前傾によって重心を前方に移動させる動作フェーズ(Phase1)と、臀部離床時において下肢関節を伸展させ、重心を上方に移動させる動作フェーズ(Phase2)に分類することができる。特に本実施例では、Phase1における座面高の違いによって、Phase2時における筋活動に変化が現れるかを検証する。
(Example 6)
In this embodiment, an electromyograph is used to describe a standing-up motion measurement experiment and its results. As shown in FIG. 9, the standing motion from a sitting posture includes a motion phase (Phase 1) in which the center of gravity is moved forward by tilting the trunk forward when sitting, and a motion phase (Phase 1) in which the lower limb joints are extended and the center of gravity is moved forward when the buttocks leave the floor. It can be classified into an operation phase (Phase 2) that moves upward. In particular, in this embodiment, it is verified whether muscle activity in
本実施例では30cm、40cm、50cmの台を用意し起立動作を各高さ5回ずつ計測した。動作の計測には慣性式モーションキャプチャ(XsensTechnologies社製、MVNAwinda)を用い、股・膝・足関節角度と腰部前後方向、垂直方向の加速度を計測した。また、ワイヤレス筋電計(COMETASystems社製、MiniWave)を用いて左右の大腿直筋と外側広筋に電極を貼り、起立動作時の生体電位信号から筋活動量(Electromyography:略してEMG)を計測した。得られたEMGから自乗平均平方根(RootMeanSquare:RMS)を算出し、積分筋電図(integrated EMG:iEMG)を算出した。 In this example, stands of 30 cm, 40 cm, and 50 cm were prepared, and the standing motion was measured five times for each height. Inertial motion capture (MVNAwinda, manufactured by Xsens Technologies) was used to measure the motion, and the hip/knee/ankle joint angles and the lumbar back-and-forth direction and vertical acceleration were measured. In addition, using a wireless electromyograph (MiniWave manufactured by COMETA Systems), electrodes were attached to the left and right rectus femoris and vastus lateralis muscles, and muscle activity (electromyography: abbreviated as EMG) was measured from biopotential signals during standing. bottom. A root mean square (RMS) was calculated from the obtained EMG, and an integrated EMG (iEMG) was calculated.
座面高30cm、40cm、50cmの異なる条件下において起立動作を行った際の下肢関節角度データ、大腿直筋・外側広筋の生体信号から算出したiEMG、腰部の前後方向・垂直方向における加速度データを図27(a)、(b)、(c)に示す。同様に、他の被験者による結果を図28(a)、(b)、(c)に示す。いずれの場合も、大屈曲時において、大腿直筋と外側広筋のiEMGの増加が確認された。またこのとき、前後・垂直方向における腰部加速度は、前方向と上方向に増加が確認された。 Lower limb joint angle data when standing up under different conditions of seat heights of 30 cm, 40 cm, and 50 cm, iEMG calculated from biosignals of the rectus femoris and vastus lateralis, and acceleration data in the anteroposterior and vertical directions of the waist are shown in FIGS. 27(a), (b) and (c). Similarly, results from other subjects are shown in Figures 28(a), (b), and (c). In both cases, an increase in the iEMG of the rectus femoris and vastus lateralis was confirmed during large flexion. At this time, it was confirmed that the waist acceleration in the longitudinal and vertical directions increased in the forward and upward directions.
図29(a)、(b)は、被験者毎の各座面条件下における生体電位信号のRMS値を示す。同図より明らかなように、座面の高さに伴い、起立時に大腿直筋と外側広筋に発生するRMS値が減少する傾向が確認できた。さらに,統計的有意差(p<0.01、p<0.05)が認められた。 FIGS. 29(a) and 29(b) show the RMS value of the biopotential signal under each seating condition for each subject. As is clear from the figure, it was confirmed that the RMS values generated in the rectus femoris muscle and vastus lateralis muscle during standing tended to decrease as the seat height increased. In addition, statistically significant differences (p<0.01, p<0.05) were observed.
Phase1からPhase2への遷移時において、大腿直筋と外側広筋のiEMGが増加したのは、臀部の離床直後に膝関節の伸展運動である抗重力動作が両筋群によって行われたためと思料できる。したがって,Phase1からPhase2に遷移する離床時では膝関節の伸展運動を支援する必要性は極めて高い。また腰部前後方向の加速度が前方向に増加したのはPhase1の重心の前方移動がなされたためと考えられる。垂直方向の加速度が上方向に増加したのはPhase2の重心の上方移動が始まったためと考えられる。その後、下方向の加速度が増加したのは、立位姿勢になり体重心の上方移動が止まるため,下方向の加速度が生じたと考えられる。以上のことから、腰部の加速度情報を用いることで離床時を推定できる。
The iEMG of the rectus femoris muscle and vastus lateralis muscle increased during the transition from
また、図29(a)、(b)には,座面の高さが高くなるにつれ大腿直筋と外側広筋のRMS値が減少していることが示されている。座面高の違いによるRMS値変化の主たる原因はPhase1における初期姿勢の違いにある。座面位置が高くなるに伴い、初期姿勢時の体重心も高い位置に分布し、離床してから立位姿勢になるまでのPhase2において、体重心の移動距離は短くなる。このような要因によって、大腿直筋と外側広筋の筋活動量が変化したものと考察できる。
In addition, FIGS. 29(a) and 29(b) show that the RMS values of the rectus femoris muscle and vastus lateralis muscle decrease as the height of the seat increases. The main cause of the RMS value change due to the difference in the seat height is the difference in the initial posture in Phase1. As the seat surface position becomes higher, the center of gravity in the initial posture is also distributed at a higher position, and the moving distance of the center of gravity becomes shorter in
以上を踏まえ、Phase1においては臀部離床前の体重心の上方移動をアシストする膨張型インフレータブルアクチュエータが、Phase2においては臀部離床後の膝関節伸展動作をアシストする収縮型インフレータブルアクチュエータが、それぞれ必要になると考えられる。
Based on the above, we believe that
本発明は、筋力の弱った高齢者や病気療養者の日常生活の補助に用いることができる。また、健常者であっても、起立と着座動作が多い技術系の業務や登山などのスポーツにおいて、筋肉疲労を軽減する目的で使用してもよい。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used to assist the daily living of elderly people with weakened muscles and sick people. In addition, even for healthy people, it may be used for the purpose of reducing muscle fatigue in technical work and sports such as mountain climbing, which involve many standing and sitting movements.
1 アシスト装置
2 収縮型インフレータブルアクチュエータ
3a、3b 膨張型インフレータブルアクチュエータ
5 衣服
11、12、13 バンド
21a、21b、22a、22b 収縮型インフレータブルアクチュエータ
41a、41b、42a、42b、43a、43b バルブ
50a、50b、53 ポンプ
100 コントローラユニット
101 コントローラ
201 エアチューブ
201a、201b、202a、202b エアチューブ
302a、302b エアチューブ
1 assist
3a, 3b inflatable
41a, 41b, 42a, 42b, 43a, 43b
Claims (10)
前記収縮型インフレータブルアクチュエータは、収縮方向の一端を装着者の大腿部に相当する位置に、収縮方向の他の一端を装着者の膝蓋骨下部に相当する位置に、それぞれ直接的または間接的に固定され、そして、少なくとも右膝関節伸展用インフレータブルアクチュエータと左膝関節伸展用インフレータブルアクチュエータと右膝関節屈曲用インフレータブルアクチュエータと左膝関節屈曲用インフレータブルアクチュエータを有し、
前記右膝関節伸展用インフレータブルアクチュエータは装着者の右足大腿部の前側に相当する位置に、前記左膝関節伸展用インフレータブルアクチュエータは装着者の左足大腿部の前側に相当する位置に、前記右膝関節屈曲用インフレータブルアクチュエータは装着者の右足大腿部の後側に相当する位置に、前記左膝関節屈曲用インフレータブルアクチュエータは装着者の左足大腿部の後側に相当する位置に、それぞれ設けられ、
さらに、空気の流入により厚さ方向に膨張する膨張型インフレータブルアクチュエータを備え、前記膨張型インフレータブルアクチュエータは装着者の臀部に相当する位置に直接的または間接的に固定されることを特徴とするアシスト装置。 One or a plurality of contraction inflatable actuators that contract in one direction due to inflow of air; one or a plurality of pumps that cause air to flow in or out of the contraction inflatable actuator; and a controller unit comprising a controller for controlling the inflow and outflow of air ,
The contraction type inflatable actuator is directly or indirectly fixed with one end in the direction of contraction at a position corresponding to the wearer's thigh and the other end in the contraction direction at a position corresponding to the lower part of the wearer's patella. and at least a right knee joint extension inflatable actuator, a left knee joint extension inflatable actuator, a right knee joint flexion inflatable actuator, and a left knee joint flexion inflatable actuator,
The inflatable actuator for extending the right knee joint is placed at a position corresponding to the front side of the wearer's right leg thigh, and the inflatable actuator for left knee joint extension is placed at a position corresponding to the front side of the wearer's left leg thigh. The inflatable actuator for knee joint bending is provided at a position corresponding to the rear side of the wearer's right leg thigh, and the left knee joint bending inflatable actuator is provided at a position corresponding to the rear side of the wearer's left leg thigh. be
Further, an assist device comprising an inflatable inflatable actuator that expands in a thickness direction due to inflow of air, wherein the inflatable inflatable actuator is directly or indirectly fixed to a position corresponding to the buttocks of the wearer. .
前記右膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記右膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるフェーズと、
前記右膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記右膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるフェーズと、
前記左膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記左膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるフェーズと、
前記左膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記左膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるフェーズと、を循環的に実行することを特徴とする、請求項6に記載のアシスト装置。 According to the wearer's walking motion, the controller
a phase of flowing air from the contracting inflatable actuator for right knee extension into the contracting inflatable actuator for right knee flexion;
a phase in which the air of the contracting inflatable actuator for flexing the right knee joint flows into the contracting inflatable actuator for extending the right knee joint;
a phase of flowing air from the contracting inflatable actuator for left knee extension into the contracting inflatable actuator for left knee flexion;
7. The assist according to claim 6 , characterized in that a phase of flowing air of said contracting inflatable actuator for left knee joint flexion into said contracting inflatable actuator for left knee extension is cyclically executed. Device.
前記装着者の起立動作開始時に前記膨張型インフレータブルアクチュエータに空気を流入させるステップと、
動作を検証するステップと、
対象動作が検出された場合、前記膨張型インフレータブルアクチュエータの空気を前記左右の膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるステップと、を含むプログラム。 An assist control program executed by the controller of the assist device according to claim 5 ,
allowing air to flow into the inflatable inflatable actuator when the wearer begins to stand up ;
verifying operation ; and
and C. when a target motion is detected, directing air from the inflatable inflatable actuator to the contracting inflatable actuators for left and right knee extension.
前記右膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記右膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるステップと、
前記右膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記右膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるステップと、
前記左膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記左膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるステップと、
前記左膝関節屈曲用の収縮型インフレータブルアクチュエータの空気を前記左膝関節伸展用の収縮型インフレータブルアクチュエータに流入させるステップと、を循環的に実行するプログラム。 An assist control program executed by the controller of the assist device according to claim 7 ,
allowing air in the right knee extension contracting inflatable actuator to flow into the right knee flexing contracting inflatable actuator;
directing air from the contracting inflatable actuator for right knee flexion into the contracting inflatable actuator for right knee extension;
allowing air in the inflatable left knee joint extension contracting actuator to flow into the contracting inflatable actuator for left knee flexion;
and a step of cyclically executing the step of causing the air of the contracting inflatable actuator for left knee joint flexion to flow into the contracting inflatable actuator for left knee extension.
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