KR100825544B1 - 장착식 동작 보조장치, 장착식 동작 보조장치의 교정장치,및 교정용 프로그램 - Google Patents

장착식 동작 보조장치, 장착식 동작 보조장치의 교정장치,및 교정용 프로그램 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생체신호의 검출감도에 따른 패러미터에 보정함으로써 장착자의 부담을 경감시키는 것을 과제로 한다.
동작 보조장치(10)의 교정 제어수단(162)은, 장착자(12)가 동작 보조장치장착구를 장착한 때에, 부하 발생수단(164)에 의해 전력 증폭수단(158)에 대하여 구동원(140)으로부터의 구동력을 부하(입력 토크)로서 장착자(12)에 부여시킨다. 그리고, 구동원(140)으로부터의 구동력이 부여된 장착자(12)는, 미리 결정된 소정 교정 동작을 행하여 골격 근으로부터 힘을 발생시킨다. 이로써, 상기 교정 동작에 따라 물리 현상 검출수단(142)이 관절 각도를 검출하고, 생체신호 검출수단(144)이 근 전위신호를 검출한다. 패러미터 보정수단(156)에서는, 페이즈 특정수단(152)에 의해 특정된 페이즈에 있어서의 차분 도출수단(154)에 의해 산출된 부하(입력 토크)와 구동력(근력)과의 차에 근거하여 패러미터 K를 보정한다.

Description

장착식 동작 보조장치, 장착식 동작 보조장치의 교정장치, 및 교정용 프로그램{WEARING TYPE BEHAVIOR HELP DEVICE, WEARING TYPE BEHAVIOR HELP DEVICE CALIBRATION DEVICE, AND CALIBRATION PROGRAM}
본 발명은 장착식 동작 보조장치에 관한 것으로, 특히 장착자의 동작을 보조 또는 대행하는 장착식 동작 보조장치, 및 장착식 동작 보조장치의 교정(calibration)장치, 및 장착식 동작 보조 장치의 교정방법, 및 교정용 프로그램의 개량에 관한 것이다.
근력을 잃어버린 신체 장애자 또는 근력이 쇠약해진 고령자에 있어서는 건강한 사람이라면 간단히 행할 수 있는 행동이라도 상당히 곤란한 경우가 많다. 때문에 최근에는 이들의 동작을 보조 또는 대행하기 위한 다양한 파워 어시스트 장치 개발이 진행되고 있다.
이러한 파워 어시스트 장치로서는 예를 들어, 이용자(이하 「장착자」라고 한다)에 장착되는 장착식 동작 보조장치(이하 간단하게 「동작 보조장치」라고 한다)가 있다.
이러한 종류의 동작 보조장치에는, 장착자의 피부상에 부착되어 당해 장착자의 근 활동에 따른 근 전위신호(생체신호)를 검출하는 근 전위센서(검출수단)와, 장착자에 보조동력을 부여하기 위한 액추에이터(구동원)를 구비한 구성의 것이 개발되고 있다(예를 들어 비특허문헌 1).
이 동작 보조장치에서는 검출수단에 의한 검출 결과에 근거하여 모터 등의 액추에이터를 구동함과 동시에, 장착자의 의사에 따라 어시스트 힘(보조동력)을 부여하도록 액추에이터를 컴퓨터 제어하는 것을 특징으로 한다. 때문에, 동작 보조장치는, 장착자의 의사에 근거한 어시스트 힘을 당해 장착자에 부여하는 것이 가능하게 되고 장착자의 동작에 필요한 어시스트 힘을 장착자의 동작에 연동하도록 부여할 수 있다.
하지만, 상술한 동작 보조장치에서는 예를 들어, 근 전위센서의 검출신호를 증폭시킨 신호와 소정의 상관관계를 가지는 제어신호를, 액추에이터를 제어하는 드라이버 회로에 공급함으로써, 장착자가 발하는 근 전위신호에 대하여 소정의 상관관계를 만족하도록 어시스트 힘을 발생시키고 있다.
즉, 장착자의 근 활동에 동반한 근 전위신호 및 동력이, 서로 플러스 상관을 가짐과 동시에 서로의 크기 비율이 소정의 값으로 되기 때문에, 이들 소요 관계를 만족시키도록, 근 전위신호에 따른 어시스트 힘을 부여할 필요가 있다. 환언하면, 동작 보조장치에 의한 어시스트 힘이 근 전위신호에 대하여 소정의 관계를 만족하지 않으면, 장착자에 부여되는 보조 동력이 과대 또는 과소가 되어, 이용자의 편리성을 현저하게 손상시킬 우려가 있다.
장착자가 발하는 근 전위신호는, 미약한 전기신호이고, 또 각 개인에 따라 근 전위신호와 근 전위신호에 의해 발생하는 근력과의 비례 관계가 다르며, 또 동일인이라도 그 날의 컨디션에 의해 피부의 전기적 저항 값이 일정하지 않기 때문에 근 전위신호와 근 전위신호에 의해 발생하는 근력이 일정하지 않은 경우가 많다. 때문에, 상기 동작 보조장치에서는 제어신호에 대해 소정의 계수(패러미터)를 곱해서 액추에이터로의 제어량을 보정하도록 소위 교정(calibration)장치를 구비하고 있다. 구체적으로는 동작 보조구가 장착자에 장착된 경우, 근 전위신호 및 어시스트 힘을 소요의 관계에 대응지어 계수(패러미터)에 의한 보정을 행하는 교정장치를 구비하고 있다. 이 교정장치는, 장착자에 대해 소정량의 부하가 작용한 경우의 근 전위신호를 취득하고, 이들 부하 및 근 전위신호의 대응관계로부터 상기 계수(패러미터)를 변경시켜 도출할 수 있도록 보정하는 구성으로 되어 있다.
이 교정장치에서는, 장착자로의 부하를 단계적으로 변화시켜, 각 단계의 부하에 길항(拮抗)하도록 장착자에게 근력을 발생시킨 경우, 각 단계의 부하 및 근 전위신호의 대응관계에 근거하여, 근 전위신호 및 보조 동력을 소요의 관계로 대응지을 수 있다.
여기서, 장착자로의 부하를 단계적으로 변화시키는 방법으로서는, 다른 중량의 추를 미리 준비해 두고, 표면 근 전위를 검출할 때 마다 별도의 추로 교체하는 방법, 또는 코일 스프링을 장착자의 다리에 연결시켜, 해당 코일 스프링의 신장량을 단계적으로 변화시키는 방법을 생각할 수 있다.
이들 방법을 적용한 교정 장치를 구비하는 동작 보조장치에서는, 필요에 따라, 근 전위신호 및 보조 동력을 소요의 관계로 확실하게 대응지을 수 있기 때문에, 장착자에 부여되는 어시스트 힘이 과대 또는 과소가 되는 사태를 방지할 수 있다.
비특허문헌 1:Takao Nakai, Suwoong Lee, Hiroaki Kawamoto and Yoshiyuki Sankai, "Development of Power Assistive Leg for Walking Aid using EMG and Linux", Second Asian Symposium on Industrial Automation and Robotics, BITECH, Bangkok, Thailand, May 17-18, 2001.
하지만, 상술한 동력 보조장치에서는, 상술한 바와 같이 근 전위신호를 검출하는 근 전위센서를 장착자의 피부상에 직접 부착하고 있으며, 피부를 통해 표면 근 전위를 검출하도록 하고 있다. 때문에, 예를 들어, 동일의 장착자라도 근 전위 센서의 부착위치가 벗어난 경우나 컨디션이 변화한 경우에는, 전기적 저항 값이 달라지거나 변화해 버리고, 근 전위신호의 검출감도의 편차를 초래하기 때문에, 상술한 보정(교정)을 장착시에 매회 행할 필요가 있다. 때문에, 상술한 교정 방법에서는, 동작 보조구가 장착자에게 장착될 때 마다, 다른 중량의 추를 몇번이고 교환하거나, 또는 코일 스프링을 부착하여 해당 코일 스프링의 신장량을 단계적으로 변화시킨다고 하는 번잡한 작업을 장착자에게 강요하게 된다.
이와 같이, 종래의 교정 방법에서는 교정을 위해 한 사람의 장착자에게 요하는 작업이 현저하게 번잡한 것이 되고, 교정이 종료할 때 까지는 상당한 시간을 요할 뿐만 아니라 근력이 약한 장착자에게 불필요한 부담을 강요하게 되며, 이들 이유에 의해 동작 보조장치의 실용화, 보급을 도모하는데 큰 제약이 된다는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 실정을 감안하여, 교정을 행할 때의 장착자의 부담을 경감하도록 패러미터를 보정하여 상기 문제를 해결하는 것을 과제로 하고 있다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해, 이하와 같은 수단을 가진다.
청구항 1항 기재의 발명은, 장착자로부터의 생체 신호를 검출하는 검출수단과, 상기 장착자에 대하여 동력을 부여하는 구동원을 구비한 동작 보조장착구와, 상기 검출수단에 의해 검출된 검출신호에 따른 보조 동력을 발생하도록 상기 구동원을 제어하는 제어수단을 구비하는 장착식 동작 보조장치로서,
상기 구동원으로부터 부여된 부하로서의 구동력에 대한 생체신호를 상기 검출수단에 의해 검출하고, 이 검출신호에 근거하여 보정 값을 설정하는 교정 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
청구항 2항 기재의 발명은, 장착자로부터의 생체신호를 검출하는 검출수단과, 상기 장착자에 대해 동력을 부여하는 구동원을 구비한 동작 보조장착구와, 상기 검출수단에 의해 검출된 검출신호에 따른 보조동력을 발생하도록 상기 구동원을 제어하는 제어수단을 구비하는 장착식 동작 보조장치로서,
상기 동작 보조장착구가 상기 장착자에 장착된 때, 상기 구동원으로부터의 소정의 구동력을 외적 부하로서 부여하는 부하 발생수단과,
상기 부하 발생수단에 의해 부여된 구동력에 대항하여 발생한 생체신호를 상기 검출수단에 의해 검출하고, 이 검출신호에 근거하여 상기 제어수단이 행하는 연산처리의 패러미터를 생성하고, 이 패러미터를 상기 장착자 고유의 보정 값으로서 설정하는 보정 값 설정수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항 3항의 발명은, 상기 교정수단이, 상기 검출수단으로부터 얻어진 상기 검출신호와 상기 구동원을 제어하는 제어신호와의 대응관계의 데이터가 저장된 데이터 베이스를 구비하고,
상기 제어수단은, 상기 보정 값 설정수단에 의해 설정된 보정 값에 의해 상기 데이터 베이스에 저장된 상기 제어신호를 보정하는 것을 특징으로 한다.
청구항 4항 기재의 발명은, 상기 검출수단이, 상기 장착자의 피부상에 부착된 상태에서 사용되고, 상기 생체신호로서 상기 장착자의 근 전위를 검출하는 것을 특징으로 한다.
청구항 5항 기재의 발명은, 상기 동작 보조장착구가, 허리 벨트와, 상기 허리 벨트의 우측부로부터 하방으로 설치된 우측 다리 보조부와, 상기 허리 벨트의 좌측부로부터 하방으로 설치된 좌측 다리 보조부를 구비하고 있으며,
상기 우측 다리 보조부 및 좌측 다리 보조부는, 상기 허리 벨트를 지지하도록 하방으로 연장하여 존재하는 제 1 프레임과, 상기 제 1 프레임으로부터 하방으로 연장하여 존재하는 제 2 프레임과, 상기 제 2 프레임으로부터 하방으로 연장하여 존재하는 제 3 프레임과, 상기 제 3 프레임의 하단에 설치되고, 상기 장착자의 발 바닥이 올려지는 제 4 프레임과, 상기 제 1 프레임의 하단과 상기 제 2 프레임의 상단과의 사이에 삽입되는 제 1 관절과, 상기 제 2 프레임의 하단과 상기 제 3 프레임의 상단과의 사이에 삽입되는 제 2 관절을 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항 6항 기재의 발명은, 상기 제 1관절이, 상기 장착자의 가랑이 관절과 일치하는 높이 위치에 설치되고, 상기 제 2 관절이, 상기 장착자의 무릎 관절과 일치하는 높이 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.
청구항 7항 기재의 발명은, 상기 제 2관절에는, 상기 제 2 프레임을 회동(回動)시키도록 구동력을 전달하는 제 1 구동원을 설치하고, 상기 제 2 관절에는, 상기 제 3 프레임을 회동시키도록 구동력을 전달하는 제 2 구동원을 설치한 것을 특징으로 한다.
청구항 8항 기재의 발명은, 상기 제 1, 제 2 구동원이, 관절 각도를 검출하는 각도 센서를 가지는 것을 특징으로 한다.
청구항 9항 기재의 발명은, 장착자로부터의 생체신호에 따른 보조 동력을 발하는 구동원을 가지는 동작 보조장착구가 상기 장착자에 장착될 때 마다, 상기 생체신호 및 상기 보조동력을 소요의 관계로 대응짓는 교정을 행하는 장치로서,
상기 동작 보조장착구를 장착한 장착자가 발하는 동력 및 생체신호의 제 1 대응관계를 미리 저장한 제 1 저장수단과,
상기 장착자가 소정의 기본 동작을 행하는 과정에서 발하는 동력 및 생체신호의 제 2 대응관계를 미리 저장한 제 2 저장수단과,
상기 동작 보조장착구가 상기 장착자에 장착될 때 마다, 상기 장착자에 의한 상기 기본동작에 있어 발생하는 생체신호와 상기 제 2 대응관계에 근거하여, 상기 제 1 대응관계를 만족하도록 상기 생체신호에 따른 보조 동력의 보정을 행하는 것을 특징으로 한다.
청구항 10항 기재의 발명은, 상기 제 1대응관계가, 상기 생체신호에 대해 상기 동력이 플러스(正)의 관계를 가지고, 상기 제 2 대응관계가, 상기 기본동작에 있어서의 상기 생체신호의 변화와 상기 동력의 변화와의 관계인 것을 특징으로 한다.
청구항 11항 기재의 발명은, 장착자로부터의 생체신호에 따른 보조동력을 발생하는 구동원을 가진 동작 보조장착구가 상기 장착자에 장착될 때 마다, 상기 생체신호 및 상기 보조동력을 소요 관계에 대응짓는 교정을, 컴퓨터에 실행시키는 프로그램으로서,
상기 동작 보조장착구를 장착한 장착자가 발하는 동력 및 생체신호의 제 1 대응관계를 제 1 저장수단에 미리 저장시키고, 또 상기 장착자가 소정의 기본동작을 행하는 과정에서 발하는 동작 및 생체신호의 제 2 대응관계를 제 2 저장수단에 미리 저장시키도록, 상기 컴퓨터를 실행시키는 제 1 프로그램과,
상기 동작 보조장착구가 상기 장착자에 장착될 때에, 상기 장착자에 의한 상기 기본동작에 있어 발생하는 생체신호와, 상기 제 2 저장수단에 저장된 상기 제 2 대응관계에 근거하여, 상기 제 1 저장수단에 저장된 상기 제 1 대응관계를 만족하도록, 상기 생체신호에 따른 보조동력의 보정을 행하도록 상기 컴퓨터를 실행시키는 제 2 프로그램을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 구동원으로부터 부여된 부하로서의 구동력에 대한 생체신호를 검출수단에 의해 검출하고, 이 검출신호에 근거하여 보정 값을 설정함으로써, 교정을 행하기 위해 추를 부하로서 장착자에 설치하거나, 또는 추 대신에 코일 스프링을 설치한다고 하는 불편한 작업이 필요치 않고, 동작 보조장착구에 설치된 구동원으로부터의 구동력을 부하로서 이용함으로써 자동적으로 교정을 행할 수 있다. 때문에, 교정에 필요한 노력과 시간을 큰 폭으로 삭감할 수 있으며, 이로써 장착식 동작 보조장치의 실용화 및 보급을 보다 촉진할 수 있게 된다.
또한, 근력이 쇠한 장착자에 대해 교정을 행하기 위한 불필요한 부담을 강요할 필요 없이, 동작 보조장착구가 장착자에 장착될 때, 장착자가 간단하게 동작을 행하는 것만으로, 교정이 자동적으로 행해져, 당해 장착자의 상태에 따른 보정 값을 설정하고, 장착자의 근 전위신호에 근거하는 구동력을 장착자의 동작에 연동하여 정확하게 부여할 수 있게 된다.
이에, 교정을 행할 때 장착자의 의사에 따른 어시스트 힘이 구동원으로부터 부여되고, 어시스트 힘이 과대하게 되거나, 과소하게 되는 일 없이, 장착자의 동작을 안정적으로 어시스트하여 장착식 동작 보조장치의 신뢰성을 보다 높일 수 있다.
특히 장착자가 초심자의 경우와 같이, 장착된 동작 보조장착구를 생각대로 사용하는 것이 어렵다고 생각되는 상황에 있어서도, 장착자는 안심하고 교정을 행할 수 있다. 때문에, 장착자가 자유롭게 동작할 수 없는 신체 장애자의 경우에도, 특별한 조작을 할 필요없이 장착자의 신체적으로 불리한 동작을 피하도록 하여 교정을 행할 수 있게 되며, 장착자의 신체적 약점을 보완하도록 교정을 행할 수 있다.
도 1은 본 발명으로 이루어지는 장착식 동작 보조장치의 일 실시예에 적용된 제어계 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명으로 이루어지는 장착식 동작 보조장치의 일 실시예가 장착된 상태를 전면(前面)으로부터 본 사시도이다.
도 3은 본 발명으로 이루어지는 장착식 동작 보조장치의 일 실시예가 장착된 상태를 후측으로부터 본 사시도이다.
도 4는 동작 보조장착구(18)의 좌측면도이다.
도 5는 동작 보조장착구(18)의 배면도이다.
도 6은 동작 보조장치(10)를 구성하는 각 기기의 블록도이다.
도 7은 각 태스크 및 페이즈의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 교정 데이터베이스(148)를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 동작의 일례로서의 페이즈(A1~A4)의 동작과정을 나타내는 도면이다.
도 10은 표면 근 전위 e1~e4의 검출위치를 나타내는 도면으로, (A)는 다리를 앞에서 본 도면, (B)는 다리를 뒤에서 본 도면이다.
도 11은 표면 근 전위 e1~e4의 검출위치를 나타내는 도면으로, (A)는 가랑이 관절을 화살표 방향으로 구부릴 때의 표면 근 전위를 나타내는 다리의 측면도이고, (B)는 무릎 관절을 화살표 방향으로 구부릴 때의 표면 근 전위를 나타내는 다리의 측면도이다.
도 12는 동작 보조장착구(18)가 장착된 장착자(12)의 무릎 관절의 굴근(屈筋)의 상태를 나타내는 개략도이다.
도 13은 우측 가랑이 관절의 늘어난 근육에 대한 입력 토크와 가상 토크를 나타내는 그래프이다.
도 14는 우측 가랑이 관절의 굴근에 대한 입력 토크와 가상 토크를 나타내는 그래프이다.
도 15는 장착자(12)가 기준의 소정 동작과 같은 동작을 행한 때의 표면 근 전위와 가상 토크의 차를 나타내는 그래프이다.
도 16은 구부렸다 폈다 동작에 따른 가랑이 관절의 관절 각도 변화 및 무릎 관절의 관절 각도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 17은 구부렸다 폈다(屈伸) 동작에 따른 가랑이 관절의 구부러짐 동작의 가상 토크, 가랑이 관절의 신장 동작의 가상 토크, 무릎 관절의 구부러짐 동작의 가상 토크, 무릎 관절의 신장 동작의 가상 토크를 나타내는 그래프이다.
도 18은 구부렸다 폈다 동작에 따른 가랑이 관절의 구부러짐 동작의 표면 근 전위, 가랑이 관절의 구부러짐 동작의 기준 가상 토크, 가랑이 관절의 신장 동작의 추정 토크를 나타내는 그래프이다.
도 19는 구부렸다 폈다 동작에 따른 가랑이 관절의 신장 동작의 표면 근 전위, 가랑이 관절의 신장 동작의 기준 가상 토크, 가랑이 관절의 구부림 동작의 추정 토크를 나타내는 그래프이다.
도 20은 제어장치(100)가 실행하는 메인 제어처리의 순서를 설명하기 위한 플로우 챠트이다.
도 21은 정지상태에서의 초기 설정을 행하는 첫번째 교정의 제어 순서를 나타내는 플로우 챠트이다.
도 22는 원 모션(1회의 동작)에 의한 재설정 교정의 제어순서를 나타내는 플로우 챠트이다.
도 23은 소정의 기준동작에 의한 교정의 제어순서를 나타내는 플로우 챠트이 다.
* 주요 부호의 설명 *
10 동작 보조장치
12 장착자
20 우측 대퇴 구동모터
22 좌측 대퇴 구동모터
24 우측 무릎 구동모터
26 좌측 무릎 구동모터
30 허리 벨트
32,34 배터리
36 제어 백(back)
38a, 38b, 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b 근 전위센서
50a, 50b, 52a, 52b 반력 센서
54 우측 다리 보조부
55 좌측 다리 보조부
56 제 1 프레임
58 제 2 프레임
60 제 3 프레임
62 제 4 프레임
64 제 1 관절
66 제 2 관절
70,72,74,76 각도 센서
78 제 1 체결 벨트
80 제 2 체결 벨트
84 뒷꿈치 수용부
86 전원회로
88 입출력 인터페이스
100 제어장치
101~108 차동증폭기
111~114 각도 검출부
121~124 반력 검출부
130 메모리
140 구동원
142 물리현상 검출수단
144 생체신호 검출수단
146 데이터 저장수단
148 교정 데이터베이스
150 지령신호 데이터베이스
152 페이즈 특정수단
154 차분 도출수단
156 패러미터 보정수단
158 전력 증폭수단
160 제어수단
162 교정 제어수단
164 부하 발생수단
본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위해, 이하 도면과 함께 본 발명의 바람직한 형태에 대해 설명한다.
실시예 1
도 1은 본 발명에 의한 장착식 동작 보조장치의 일 실시예에 적용된 제어계 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 동작 보조장치(10)의 제어계 시스템은, 장착자(12)에 대해 어시스트 힘을 부여하는 구동원(140)과, 장착자(12)의 동작에 따른 관절 각도(물리현상)를 검출하는 물리현상 검출수단(142)과, 장착자(12)가 발생하는 근력에 따른 근 전위(생체신호)를 검출하는 생체신호 검출수단(144)을 구비하고 있다.
데이터 저장수단(146)에는, 장착자(12)가 발생하는 근력에 대한 근 전위(생체신호)의 검출감도에 따라 지령신호(제어신호)의 패러미터를 보정하기 위한 교정 데이터 베이스(148)와, 지령신호 데이터 베이스(150)를 저장하고 있다. 또한, 교정 데이터 베이스(148)는, 후술한 바와 같이, 동작 보조장착구(18)(도 2, 도 3 참조)를 장착한 장착자(12)가 발하는 동력(근력) 및 생체신호(근 전위신호)의 제 1 대응관계를 미리 저장한 제 1 기억영역(제 1 저장수단)과, 장착자(12)가 소정의 기본동작을 행하는 과정에서 발하는 동력(근력) 및 생체신호(근 전위신호)의 제 2 대응관계를 미리 저장한 제 2 기억영역(제 2 저장수단)을 구비한다.
물리현상 검출수단(142)에 의해 검출된 관절 각도(θ 무릎, θ힙) 및 생체신호 검출수단(144)에 의해 검출된 근 전위신호(EMG 무릎, EMG 힙)는, 교정 데이터 베이스(148) 및 지령신호 데이터 베이스(150)에 입력된다.
제어장치(100)는, 페이즈(phase) 특정수단(152), 차분 도출수단(154), 패러미터 보정 수단(156), 제어수단(160), 교정 제어수단(162), 부하 발생수단(164)을 가진다. 그리고, 교정 제어수단(162)은, 동작 보조장착구(18)가 장착자(12)에 장착될 때 마다, 장착자(12)에 의한 기본 동작에 있어 발생하는 생체신호와 제 2 대응관계에 근거하여, 제 1 대응관계를 만족하도록 생체신호에 따른 보조 동력의 보정을 행한다.
즉, 교정 제어수단(162)은, 장착자(12)가 동작 보조장착구(18)를 장착하여 전원 스위치가 온으로 조작된 때에, 교정 제어처리를 실행하여 부하 발생수단(164)에 의해 전력 증폭수단(158)에 대해 구동원(140)으로부터의 구동력을 부하(입력 토크)로서 장착자(12)에게 단계적으로 부여시키고, 이 구동력과 길항하도록 장착자(12)에게 근력을 발생시킨다.
그 후, 구동원(140)으로부터의 구동력이 부여된 장착자(12)는, 미리 결정된 소정의 교정 동작(예를 들어, 태스크 A: 장착 상태로부터 일어서는 동작)을 행하여 골격근으로부터 근력을 발생시킨다. 이로써, 상기 교정 동작에 따른 물리현상 검출수단(142)이 관절 각도를 검출함과 동시에, 생체신호 검출수단(144)이 근 전위신호 를 검출한다.
그리고, 페이즈 특정수단(152)에서는, 물리현상 검출수단(142)에 의해 검출된 관절 각도를 교정 데이터 베이스(148)에 저장된 관절 각도와 비교함으로써, 장착자(12)의 교정 동작 패턴의 페이즈를 특정한다.
또한, 차분 도출수단(154)에서는 교정 제어처리의 개시에 의해 부하 발생수단(164)에 의해 부여된 구동원(140)의 부하(입력 토크)와, 생체신호 검출수단(144)에 의해 검출된 근 전위신호(실측 값)에 대응하는 근력(추정 토크)을 비교하고, 양자의 차분을 구해 상기 제 2 대응관계를 구한다.
또한, 패러미터 보정수단(156)에서는, 페이즈 특정수단(152)에 의해 특정된 페이즈에서의 차분 도출수단(154)에 의해 도출된 부하(입력 토크)와 근력(추정 토크)과의 차에 근거하여, 상기 제 1 대응관계를 만족하도록 패러미터(K)를 보정한다. 부하 발생수단(164)에 의해 부여된 구동원(140)으로부터의 입력 토크, 생체신호 검출수단(144)에 의해 검출된 근 전위신호(실측 값)에 대응하는 근력과의 차가 없는 때는, 기준 패러미터를 보정하지 않는다. 그러나, 부하 발생수단(164)에 의해 부여된 구동원(140)으로부터의 입력 토크와, 생체신호 검출수단(144)에 의해 검출된 근 전위신호(실측 값)에 대응하는 근력과의 차가 있는 때에는, 양자가 일치하도록 패러미터 K를 보정한다. 이 때, 보정 패러미터 K'는 입력 토크와 추정 토크가 동등하도록 설정된다.
그리고, 교정 제어수단(162)은, 패러미터 보정수단(156)에 의해 보정된 패러미터를 당해 장착자(12)의 패러미터로서 설정하고, 다음의 페이즈에 대한 교정을 행한다.
이와 같이, 교정에 의해 설정된 패러미터를 이용하여 생체신호 검출수단(144)에 의해 검출된 생체신호에 따른 어시스트 힘을 발생하도록 구동원(140)을 제어하기 때문에, 장착자(12)의 그 날 상태(피부의 저항 값)나 생체신호 검출수단(144)의 설치 위치의 벗어남 등에 구애받을 필요 없이 근력과 어시스트 힘이 예를 들어, 1:1의 소정 비율을 유지하도록 제어할 수 있게 된다.
또한, 제어수단(160)에서는, 물리현상 검출수단(142)에 의해 검출된 관절 각도(θ무릎, θ힙) 및 생체신호 검출수단(144)에 의해 검출된 근 전위신호(EMG무릎, EMG 힙)가 공급되고 있고, 관절 각도 및 근 전위신호에 따른 각 페이즈 마다의 구동원(140)으로부터의 어시스트 힘을 교정 제어수단(162)에 의해 설정된 보정 패러미터 K'를 이용하여 연산하고, 그 연산 결과로부터 얻어진 지령신호를 전력 증폭수단(158)으로 공급한다.
여기서, 본 발명으로 이루어지는 장착식 동작 보조장치(10)의 구체적인 구성예에 대해 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명으로 이루어지는 장착식 동작 보조장치의 일 실시예가 장착된 상태를 앞측으로부터 본 사시도이다. 도 3은 본 발명으로 이루어지는 장착식 동작 보조장치의 일 실시예가 장착된 상태를 후측으로부터 본 사시도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 동작 보조장치(10)는, 예를 들어, 골격 근의 근력 저하에 보다 보행이 어려운 하지 운동 기능 장애자, 또는 보행 운동의 재활을 행하는 환자 등과 같이 자력 보행이 곤란한 사람의 보행 동작을 보조(어시 스트)하는 장치로서, 뇌로부터의 신호에 의해 근력을 발생시킬 때 발생하는 생체신호(표면 근 전위)를 검출하고, 이 검출신호에 근거하여 액추에이터로부터의 구동력을 부여하도록 작동한다.
따라서, 동작 보조장치(10)는, 미리 입력된 데이터에 근거하여 로보트 손(robot hand)을 컴퓨터 제어하도록 구성된 소위 플레이 백(playback)형 로보트와는 전혀 다르며, 로보트 슈트(suit), 또는 파워드 슈트(powered suit)라고 불리운다.
동작 보조장치(10)를 장착한 장착자(12)는, 자신의 의사로 보행 동작을 행하면, 그 때 발생한 생체 신호에 따른 구동 토크가 어시스트 힘으로서 동작 보조장치(10)로부터 부여되고, 예를 들어, 통상 보행에 필요한 근력의 반 정도의 힘으로 보행하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 장착자(12)는, 자신의 근력과 액추에이터(본 실시예에서는, 전동식의 구동 모터를 이용한다)로부터의 구동 토크와의 합력에 의해 전 체중을 지지하면서 보행할 수 있다.
이때, 동작 보조장치(10)는, 후술하는 바와 같이, 보행 동작에 따른 중심(重心)의 이동에 따라 부여되는 어시스트 힘(모터 토크)이 장착자(12)의 의사를 반영하도록 제어하고 있다. 때문에, 동작 보조장치(10)의 액추에이터는, 장착자(12)의 의사에 반하는 부하를 부여하지 않도록 제어되어 있어, 장착자(12)의 동작을 방해하지 않도록 제어된다.
또한, 동작 보조장치(10)는, 보행 동작 이외에도, 예를 들어, 장착자(12)가 의자에 앉은 상태에서 일어서는 때의 동작, 또는 선 상태에서 의자에 걸터앉을 때의 동작도 보조할 수 있다. 게다가, 장착자(12)가 계단을 오르거나, 계단을 내려 올 때에도 힘을 어시스트할 수 있다. 특히 근력이 약해져 있는 경우, 계단 오르기 동작이나, 의자에서 일어서는 동작을 행하는 것이 어렵지만, 동작 보조장치(10)를 장착한 장착자(12)는, 자신의 의사에 따라 구동 토크가 부여되어 근력의 저하를 느끼지 않고 동작할 수 있게 된다.
여기서, 동작 보조장치(10)의 구성의 일례에 대해 설명한다.
동작 보조장치(10)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 장착자(12)에 장착되는 동작 보조장착구(18)에 액추에이터(구동원(140)에 상당하는)를 설치한 것이다. 액추에이터로서는, 장착자(12)의 우측 가랑이 관절에 위치하는 우측 대퇴 구동 모터(20)와, 장착자(12)의 좌측 가랑이 관절에 위치하는 좌측 대퇴 구동 모터(22)와, 장착자(12)의 우측 무릎 관절에 위치하는 우측 무릎 구동 모터(24)와, 장착자(12)의 좌측 무릎관절에 위치하는 좌측 무릎 구동모터(26)를 구비한다. 이들의 구동 모터(20,22,24,26)는, 제어장치로부터의 제어신호에 의해 구동 토크가 제어되는 서보모터로 이루어지는 구동원이며, 모터 회전을 소정의 감속비로 감속하는 감속기구(도시하지 않음)를 구비하고 있으며, 소형이지만 충분한 구동력을 부여할 수 있다.
또한, 장착자(12)의 허리에 장착되는 허리 벨트(30)에는, 구동모터(20,22,24,26)를 구동시키기 위한 전원으로서의 배터리(32,34)가 설치되어 있다. 배터리(32,34)는, 충전식 배터리이며, 장착자(12)의 보행 동작을 방해하지 않도록 좌우로 분산 배치되어 있다.
또한, 장착자(12)의 등에 장착되는 제어 백(36)에는, 후술하는 제어장치, 모 터 드라이버, 계측장치, 전원회로 등의 기기가 수납되어 있다. 또한, 제어 백(36)의 하부는, 허리 벨트(30)에 지지되고, 제어 백(36)의 중량이 장착자(12)의 부담이 되지 않도록 설치된다.
그리고, 동작 보조장치(10)는, 장착자(12)의 우측 대퇴의 움직임에 따라 표면 근 전위(EMG힙)를 검출하는 근 전위센서(38a,38b)와, 장착자(12)의 좌측 대퇴의 움직임에 따라 표면 근 전위(EMG힙)를 검출하는 근 전위센서(40a,40b)와, 우측 무릎의 움직임에 따라 표면 근 전위(EMG무릎)를 검출하는 근 전위센서(42a,42b)와, 좌측 무릎의 움직임에 따라 표면 근 전위(EMG무릎)를 검출하는 근 전위센서(44a,44b)가 설치되어 있다.
이들의 각 근 전위센서(38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b)는, 골격 근이 근력을 발생시킬 때의 표면 근 전위를 측정하는 검출수단이며, 골격 근에서 발생한 미약 전위를 검출하는 전극(도시하지 않음)을 가진다. 또한 본 실시예에서는, 각 근 전위센서(38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b)는, 전극 주위를 덮는 점착 시일(seal)에 의해 장착자(12)의 피부 표면에 점착되도록 설치된다.
인체에 있어서, 뇌로부터의 지령에 의해 골격 근을 형성하는 근육의 표면에 시냅스 전달물질인 아세틸콜린이 방출되는 결과, 근 선유막(線維膜)의 이온 투과성이 변화하여 활동 전위(EMG:Electro MyoGram Myoelectricity)가 발생한다. 그리고, 활동 전위에 의해 근 선유막의 수축이 발생하고, 근력을 발생시킨다. 때문에, 골격 근의 근 전위를 검출함으로써, 보행 동작시 발생하는 근력을 추측할 수 있게 되고, 이 추측된 근력에 근거하여 가상 토크로부터 보행 동작에 필요한 어시스트 힘을 구할 수 있게 된다.
또한, 근육은 혈액에 의해 액틴과 미오신이라고 불리우는 단백질이 공급되면 신축하지만, 근력을 내는 것은 수축할 때이다. 때문에 두 개의 뼈가 서로 회동 가능한 상태로 연결된 관절에서는, 관절을 구부리는 방향의 힘을 발생시키는 굴근과 관절을 늘리는 방향의 힘을 발생시키는 신근(伸筋)이 두 개의 뼈 사이에 가설되어 있다.
그리고, 인체에는, 허리로부터 아래로 다리를 움직이기 위한 근육이 복수 있고, 대퇴를 앞으로 올리는 장요근(腸腰筋)과, 대퇴를 내리는 대전근(大殿筋)과, 무릎을 뻗기 위한 대퇴사두근과, 무릎을 구부리는 대퇴이두근 등이 있다.
근 전위센서(38a,40a)는, 장착자(12)의 대퇴죽지 부분 앞쪽으로 점착되고, 장요근의 표면 근 전위를 검출함으로써 다리를 앞으로 낸 때의 근력에 따른 근 전위를 측정한다.
근 전위센서(38b,40b)는, 장착자(12)의 엉덩이에 점착되고, 대전근의 표면 근 전위를 검출함으로써, 예를 들어, 뒤로 차는 힘이나 계단을 오를 때의 근력에 따른 근 전위를 측정한다.
근 전위센서(42a,44a)는, 장착자(12)의 무릎 위 앞쪽에 점착되고, 대퇴사두근의 표면 근 전위를 검출하고, 무릎 아래를 앞으로 낼 때의 근력에 따른 근 전위를 측정한다.
근 전위센서(42b,44b)는, 장착자(12)의 무릎 위 뒤쪽에 점착되고, 대퇴이두근의 표면 근 전위를 검출하고, 무릎 아래를 뒤로 되돌릴 때의 근력에 따른 근 전 위를 측정한다.
따라서, 동작 보조장치(10)에서는, 이들의 근 전위 센서(38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b)에 의해 검출된 표면 근 전위에 근거하여 네 개의 구동모터(20,22,24,26)에 공급하는 구동 전류를 구하고, 이 구동전류로 구동 모터(20,22,24,26)를 구동함으로써, 어시스트 힘이 부여되어 장착자(12)의 보행 동작을 보조하도록 구성되어 있다.
또한, 보행 동작에 의한 중심이동을 부드럽게 행하기 위해, 발바닥에 걸리는 하중을 검출할 필요가 있다. 때문에, 장착자(12)의 좌우 발바닥에는 반력(反力) 센서(50a,50b,52a,52b(도 2 및 도 3 중 파선으로 표시))가 설치되어 있다.
또한, 반력 센서(50a)는, 우측 다리 앞으로의 하중에 대한 반력을 검출하고, 반력 센서(50b)는, 우측 다리 뒤의 하중에 대한 반력을 검출한다. 반력 센서(52a)는, 좌측 다리 앞으로의 하중에 대한 반력을 검출하고, 반력 센서(52b)는, 좌측 다리 뒤의 하중에 대한 반력을 검출한다. 각 반력 센서(50a,50b,52a, 52b)는 예를 들어, 인가된 하중에 따른 전압을 출력하는 압전소자 등으로 이루어지고, 체중 이동에 동반한 하중변화, 및 장착자(12)의 다리와 지면과의 접지 유무를 각각 검출할 수 있다.
여기서, 동작 보조장착구(18)의 구성에 대해 도 4 및 도 5를 함께 참조하여 설명한다.
도 4는 동작 보조장착구(18)의 좌측면도이다. 도 5는 동작 보조장착구(18)의 배면도이다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 동작 보조장착구(18)는, 장착자(12)의 허리에 장착되는 허리 벨트(30)와, 허리 벨트(30)의 우측부로부터 하방으로 설치된 우측 다리 보조부(54)와, 허리 벨트(30)의 좌측부로부터 하방으로 설치된 좌측 다리 보조부(55)를 구비한다.
우측 다리 보조부(54)와 좌측 다리 보조부(55)는, 대칭으로 배치되어 있으며, 허리 벨트(30)를 지지하도록 하방으로 연장되어 존재하는 제 1 프레임(56)과, 제 1 프레임(56)으로부터 하방으로 연장되어 존재하며 장착자(12)의 대퇴 바깥쪽에 따르도록 형성된 제 2 프레임(58)과, 제 2 프레임(58)으로부터 하방으로 연장되어 존재하며 장착자(12)의 정강이 바깥쪽을 따르도록 형성된 제 3 프레임(60)과, 장착자(12)의 발바닥(신발을 신은 경우에는, 신발바닥)에 올려 놓여지는 제 4 프레임(62)을 구비한다.
제 1 프레임(56)의 하단과 제 2 프레임(58)의 상단 사이에는, 베어링 구조로 된 제 1 관절(64)이 사이에 끼워져 있고, 제 1 프레임(56)과 제 2 프레임(58)을 회동 가능하게 연결되어 있다. 이 제 1 관절(64)은, 가랑이 관절과 일치하는 높이 위치에 설치되어 있고, 제 1 프레임(56)이 제 1관절(64)의 지지측에 결합되어, 제 2 프레임(58)이 제 1관절(64)의 회동측에 결합되어 있다.
또한, 제 2 프레임(58)의 하단과 제 3 프레임(60)의 상단 사이에는, 베어링 구조로 된 제 2 관절(66)이 사이에 끼워져 있고, 제 2 프레임(58)과 제 3 프레임(60)을 회동 가능하게 연결하고 있다. 이 제 2 관절(66)은, 무릎 관절과 일치하는 높이 위치에 설치되어 있고, 제 2 프레임(58)이 제 2 관절(66)의 지지측에 결합되어, 제 3 프레임(60)이 제 2 관절(66)의 회동측에 결합되어 있다.
따라서, 제 2 프레임(58) 및 제 3 프레임(60)은, 허리 벨트(30)에 고정된 제 1 프레임(56)에 대해 제 1 관절(64) 및 제 2 관절(66)을 회동 지점으로 하는 진자 운동을 행할 수 있게 설치되어 있다. 즉, 제 2 프레임(58) 및 제 3 프레임(60)은, 장착자(12)의 다리와 동일한 동작을 행할 수 있도록 구성되어 있다.
그리고, 제 1 관절(64) 및 제 2 관절(66)의 지지측에는, 모터 브래킷(68)이 설치되어 있다. 모터 브래킷(68)은, 외측 수평 방향으로 돌출하는 모터 지지부(68a)를 가지고, 모터 지지부(68a)에는, 구동 모터(20,22,24,26)가 수직 상태로 설치되어 있다. 때문에, 구동모터(20,22,24,26)는, 측방으로 크게 돌출하지 않고, 보행 동작시에 주위 장애물 등에 접촉하기 어렵게 설치되어 있다.
또한, 제 1 관절(64) 및 제 2 관절(66)은, 구동모터(20,22,24,26)의 회전축이, 기어를 통해 피 구동측이 되는 제 2 프레임(58), 제 3 프레임(60)에 구동 토크를 전달하도록 구성되어 있다.
게다가, 구동모터(20,22,24,26)는, 관절 각도를 검출하는 각도 센서(물리 현상 검출수단(142)에 상당한다)(70,72,74,76)를 구비한다. 이 각도 센서(70,72,74,76)는, 예를 들어, 제 1 관절(64) 및 제 2 관절(66)의 관절 각도에 비례한 펄스 수를 카운트하는 로터리 인코더 등으로 이루어지고, 관절 각도에 따른 펄스 수에 대응한 전기 신호를 센서 출력으로서 출력한다.
각도 센서(70,72)는, 장착자(12)의 가랑이 관절의 관절각도(θ힙)에 상당하는 제 1 프레임(56)과 제 2 프레임(58)과의 사이의 회동각도를 검출한다. 또한, 각 도 센서(74,76)는, 장착자(12)의 무릎 관절의 관절 각도(θ무릎)에 상당하는 제 2 프레임(58)의 하단과 제 3 프레임(60)과의 사이의 회동각도를 검출한다.
게다가, 제 1 관절(64) 및 제 2 관절(66)은, 장착자(12)의 가랑이 관절, 무릎 관절의 회동가능한 각도 범위에서만 회동되는 구성이며, 장착자(12)의 가랑이 관절, 무릎 관절에 무리한 움직임을 부여하지 않도록 스토퍼 기구(도시하지 않음)가 내장되어 있다.
제 2 프레임(58)에는, 장착자(12)의 대퇴에 체결되는 제 1 체결 벨트(78)가 설치되어 있다. 또한 제 3 프레임(60)에는, 장착자(12)의 무릎 아래에 체결되는 제 2 체결 벨트(80)가 설치되어 있다. 따라서, 구동 모터(20,22,24,26)에서 발생된 구동 토크는, 기어를 통해 제 2 프레임(58), 제 3 프레임(60)에 전달되고, 또 제 1 체결 벨트(78), 제 2 체결 벨트(80)를 통해 장착자(12)의 다리에 어시스트 힘으로서 전달된다.
또한, 제 3 프레임(60)의 하단에는, 축(82)을 통해 제 4 프레임(62)이 회동가능하게 연결되어 있다. 또, 제 4 프레임(62)의 하단에는, 장착자(12)의 신발바닥의 뒷꿈치 부분이 올려 놓여지는 뒷꿈치 수용부(84)가 설치되어 있다. 그리고, 제 2 프레임(58) 및 제 3 프레임(60)은, 나사 구조에 의해 축 방향의 길이를 조정가능하며, 장착자(12)의 다리의 길이에 따라 임의의 길이로 조정되도록 구성되어 있다.
상기 각 프레임(56,58,60,64)은, 각각 금속에 의해 형성되어 있으며, 허리 벨트(30)에 설치된 배터리(32,34), 제어 백(36), 동작 보조장착구(18)의 중량을 지지할 수 있다. 즉, 동작 보조장치(10)는, 동작 보조장착구(18) 등의 중량이 장착 자(12)에 작용하지 않도록 구성되어 있으며, 근력이 저하된 장착자(12)에 불필요한 하중을 부여하지 않도록 설치되어 있다.
도 6은 동작 보조장치(10)를 구성하는 각 기기의 블록도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 배터리(32,34)는, 전원회로(86)에 전원공급되어 있으며, 전원회로(86)에서는 소정 전압으로 변환하여 입출력 인터페이스(88)로 정전압을 공급한다. 또한, 배터리(32,34)의 충전용량은, 배터리 충전 경고부(90)에 의해 감시되고 있으며, 배터리 충전 경고부(90)는, 미리 설정된 잔량으로 저하하면, 경고를 발하여 장착자(12)에게 배터리 교환 또는 충전을 통지한다.
각 구동 모터(20,22,24,26)를 구동하는 제 1 내지 제 4 모터 드라이버(92~95)는, 입출력 인터페이스(88)를 통해 제어장치(100)로부터의 제어신호에 따라 구동 전압을 증폭하여 각 구동모터(20,22,24,26)로 출력한다.
각 근 전위 센서(38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b)로부터 출력된 표면 근 전위의 검출신호는, 제 1 내지 제 8 차동 증폭기(전력 증폭수단(158)에 상당하는)(101~108)에 의해 증폭되고, A/D 변환기(도시하지 않음)에 의해 디지털 신호로 변환되어 입출력 인터페이스(88)를 통해 제어장치(100)에 입력된다. 또한 근육에서 발생하는 근 전위는, 미약하다. 때문에, 제 1 내지 제 8 차동 증폭기(101~108)에서 예를 들어, 30μV의 근 전위를 컴퓨터가 판별 가능한 3V 정도로 증폭하기 위해서는 105배가 되는 100dB의 증폭율이 필요하게 된다.
또한, 각도 센서(70,72,74,76)로부터 출력된 각도 검출신호는, 각각 제 1 내 지 제 4 각도 검출부(111~114)에 입력된다. 제 1 내지 제 4 각도 검출부(111~114)는, 로터리 인코더에 의해 검출된 펄스 수를 각도에 상당하는 각도 데이터 값으로 변환하고 있으며, 검출된 각도 데이터는 입출력 인터페이스(88)를 통해 제어장치(100)로 입력된다.
반력 센서(50a,50b,52a,52b)로부터 출력된 반력 검출신호는, 각각 제 1 내지 제 4 반력 검출부(121~124)로 입력된다. 제 1 내지 제 4 반력 검출부(121~124)는, 압전소자에 의해 검출된 전압을 힘에 상당하는 디지털 값으로 변환하고 있으며, 검출된 반력 데이터는 입출력 인터페이스(88)를 통해 제어장치(100)로 입력된다.
메모리(데이터 저장수단(146)에 상당한다)(130)는, 각 데이터를 저장하는 저장수단이며, 기립 동작, 보행 동작이나 착석 동작 등 각 동작 패턴(태스크) 마다 설정된 페이즈 단위의 제어 데이터가 미리 저장된 데이터 베이스 저장영역(130A)과, 각 모터를 제어하기 위한 제어 프로그램이 저장된 제어 프로그램 저장영역(130B) 등이 설치되어 있다.
본 실시예에서는, 데이터 베이스 저장영역(130A)에 교정 데이터 베이스(148) 및 지령 신호 데이터 베이스(150)가 저장되어 있다. 또한, 교정 데이터 베이스(148)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 동작 보조장착구(18)를 장착한 장착자(12)가 발하는 근력(동력)eA1(t)...및 생체신호 EA1(t)...의 제 1 대응관계, 및 기준 패러미터 KA1...가 저장되어 있다. 또한, 제 1 대응관계는, 생체신호 EA1(t)...에 대하여 근력 eA1(t)... 가 비례관계에 있으며, 플러스 상관을 가진다.
또한, 교정 데이터 베이스(148)는, 장착자(12)가 소정의 기본 동작을 행하는 과정에서 발하는 근력(동력)e'A1(t)... 및 생체신호 EA1(t)...의 제 2 대응관계, 및 보정 패러미터 K'A1...가 저장되어 있다. 제 2 대응관계는, 기본 동작에 있어서 생체 신호 EA1(t)...의 변화와 근력 eA1(t)...의 변화와의 관계이다.
또한, 제어장치(100)로부터 출력된 제어 데이터는, 입출력 인터페이스(88)를 통해 데이터 출력부(132) 또는 통신 유니트(134)로 출력되어, 예를 들어, 모니터(도시하지 않음)에 표시하거나 또는 데이터 감시용 컴퓨터(도시하지 않음) 등에 데이터 통신으로 전송하는 것도 가능하다.
또한, 제어장치(100)는, 각도 센서(70,72,74,76)에 의해 검출된 관절 각도를 기준 패러미터의 관절각도와 비교함으로써, 장착자(12)의 동작 패턴의 페이즈를 특정하고, 이 페이즈에 따른 동력을 발생시키기 위한 지령 신호를 생성하는 자율적 제어수단(제어수단(160)에 상당한다)(100A)을 구비한다.
또한, 제어장치(100)는, 동작 보조장착구(18)가 장착자(12)에 장착된 때, 구동모터(구동원)(20,22,24,26)로부터의 소정의 구동력을 외적 부하로서 부여하는 부하 발생수단(100D)과, 부여된 구동력에 대항하여 발생한 생체신호를 근 전위센서(검출수단)(38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b)에 의해 검출하고, 이 검출신호에 근거하여 자율적 제어수단(100A)이 행하는 연산의 패러미터(예를 들어, 비례 제어에서의 비례 이득)를 생성하고, 이 패러미터를 당해 장착자 고유의 보정 값으로서 설정하는 보정 값 설정수단(패러미터 보정수단(156)에 상당한다)(100E)과, 보정 값 설정수단(100E) 등의 동작을 적절히 제어함으로써, 보정된 패러미터를 당해 장착자(12)로 고유의 패러미터로서 설정하는 교정 제어수단(100F)을 구비하고 있다.
본 실시예의 교정으로서는, 예를 들어 구입한 동작 보조장착구(18)를 최초로 장착할 때에 행하는 초기 설정 교정과, 당해 초기설정 교정을 행한 후, 동작 보조장착구(18)를 장착할 때 마다 행하는 재설정 교정이 있다.
초기설정 교정에서는, 후술하는 바와 같이 장착자(12)가 미리 결정된 자세에서 정지한 상태를 유지함으로써, 보정 값 설정처리가 행해진다.
또한 재설정 교정에서는, 후술하는 바와 같이 장착자(12)가 미리 결정된 기준동작, 예를 들어, 장착자(12)가 정지상태에서 근력을 발생시킴으로써 보정 값 갱신처리가 행해지는 정지상태 교정과, 장착자(12)가 기립한 상태에서 무릎을 굽히는 상태에서 무릎의 굽혔다 폈다를 한 번 행함으로써 보정 값 갱신처리가 행해지는 원 모션 교정이 있다.
여기서, 상기 교정을 행할 때, 당초의 장착자(12)에 부여되는 부하를 작게 설정하고, 교정의 동작 경과와 함께 부하가 서서히 커지게 구동모터(20,22,24,26)를 제어하면서 구동력에 대항하여 발생한 생체신호를 검출하도록 하고 있다. 또한, 본 실시예의 장착식 동작 보조장치(10)에 있어서, 초기설정 교정으로서 정지상태에서의 교정과, 장착 마다 행하는 재설정 교정으로서 원 모션(1회의 동작)에 의한 교정 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
여기서, 장착자(12)가 행하는 교정 시의 동작에 대해 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한다. 도 7은 각 데이터 베이스에 저장된 각 태스크 및 페이즈의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 장착자(12)의 동작을 분류하는 태스크로서는, 예를 들어, 착석상태에서 이석(離席)상태로 이행하는 일어서기 동작 데이터를 가지는 태스크 A와, 일어선 장착자(12)가 보행하는 보행 동작 데이터를 가지는 태스크 B와, 선 상태에서 착석상태로 이행하는 착석 동작 데이터를 가지는 태스크 C와, 선 상태에서 계단을 오르는 계단 오르기 동작 데이터를 가지는 태스크 D가 메모리(130)에 저장되어 있다.
그리고, 각 태스크에는, 더욱더 최소 단위의 동작을 규정하는 복수의 페이즈 데이터가 설정되어 있으며, 예를 들어, 보행 동작의 태스크 B에는, 좌우 양 다리가 정렬된 상태의 동작 데이터를 가지는 페이즈 B1과, 우측 다리를 앞으로 내민 때의 동작 데이터를 가지는 페이즈 B2와, 좌측 다리를 앞으로 내밀어 우측 다리에 정렬한 때의 동작 데이터를 가지는 페이즈 B3과, 좌측 다리를 우측 다리의 앞으로 내민 상태의 동작 데이터를 가지는 페이즈 B4가 저장되어 있다.
도 8은 교정 데이터 베이스(148)를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 교정 데이터 베이스(148)에는, 각 동작 마다 설정된 태스크 A,B···의 각각을 분할한 각 페이즈 마다 검출되는 표면 근 전위 eA1(t)..., 근 전위에 대응하는 기준 패러미터 KA1... 등이 저장되어 있다.
본 실시예에서는, 동작 보조장착구(18)를 장착한 장착자(12)는, 미리 결정된 소정의 교정 동작을 행한다. 여기에서, 예를 들어, 도 9에 도시되는 장착자(12)가 착석상태에서 일어서기 동작(페이즈 A1~A4)을 기준동작으로 하여 행하고, 그리고, 재차 착석동작(페이즈 A4~A1)을 행하는 것으로 한다.
여기서, 상기 장착자(12)가 발생하는 근력에 따른 근 전위를 검출하는 생체신호 검출수단(144)의 교정 원리에 대해 더 상세하게 설명한다.
장착자(12)가 정적인 움직임을 행한 경우, 표면 근전위와 장착자(12)가 내는 근력의 관계는, 거의 선형인 것을 알고 있다. 이로부터, 이하의 식 (1)(2)에 의해 계측한 표면 근 전위로부터 장착자(12)가 낸 토크를 추정하는 방법이 개발되어 있다. 또한, 추정된 토크를 「가상 토크」라 한다.
τ힙 = K1e1-K2e2 ···(1)
τ무릎 = K4e4-K3e3 ···(2)
식 (1)(2)에 있어, τ힙 은 가랑이 관절의 가상 토크, τ무릎 는 무릎 관절의 가상 토크, e1~e4는, 근육에 의해 발생하는 표면 근 전위이며, K1~K4는, 패러미터이다. 장착자(12)의 가랑이 관절 및 무릎 관절은, 굴근과 신근과의 수축 밸런스에 의해 동작한다. 도 10(A)(B) 및 도 11(A)(B)에 나타낸 바와 같이, e1은 대퇴직근의 표면 근전위, e2는 대전근의 표면 근 전위, e3은 내측광근(內側廣筋)의 표면 근 전위, e4는 대퇴이두근의 표면 근 전위이다.
가상 토크의 산출에는, 노이즈 등도 고려하여 디지털 필터를 통한 값이 이용된다. 본 실시예에서는, 로우 패스 필터(low pass filter)를 통한 값을 표면 근 전위의 값으로서 취득한다.
표면 근 전위를 검출하는 제어시스템의 교정에서는, 식 (1)(2)에 의해 각 근의 가상 토크 τ 를 취출한 다음 식(3)의 각 패러미터 K를 구한다.
τ = Ke ···(3)
즉, 본 실시예의 교정에서는, 대상이 되는 근이 1Nm의 힘을 낸 때의 표면 근 전위의 값이 1이 되도록 식(3)의 패러미터 K의 값을 구하고, 이 값을 갱신한다.
이와 같이, 본 실시예에서는, 초기 설정 교정 및 재설정 교정 중 어느 경우에도, 근 전위센서(38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b)를 검출하고, 이 검출결과를 이용하여 상기 패러미터 K 값을 보정한다.
다음으로, 상술한 재설정 교정에 대해 설명한다. 이 교정의 동작으로서, 예를 들어, 장착자(12)가 앉은 상태에서 무릎을 굽힌 상태로부터 무릎을 편 상태로 움직이게 하는 원 모션을 적용할 수 있으며, 장착자(12)의 부담을 경감시킬 수 있음과 동시에 단시간에 교정을 종료시킬 수 있다.
도 12는 동작 보조장착구(18)가 장착된 장착자(12)의 무릎 관절의 굴근의 상태를 나타내는 개략도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 동작 보조장착구(18)가 장착된 상태의 장착자(12)에 대하여 구동모터(20,22,24,26)를 이용하여 무릎 관절에 부하로서 입력 토크 τm을 가한다. 장착자(12)는, 그 입력 토크 τm에 대하여 길항하는 근력을 가하여 무릎 관절이 움직이지 않는 정지상태를 유지한다. 이때, 구동모터(20,22,24,26)에 의해 가해진 입력 토크(τm)와 장착자(12)가 발생시킨 근력의 토크(τh)는 동일하다고 할 수 있다.
이로부터, 이하의 식(4)이 성립한다.
τm(t)=τh(t) ···(4)
장착자(12)가 발생시킨 근력은, 상기 식(3)에 의해,
τh = Ke···(5)
로 나타내기 위해, 식(4)는,
τm = Ke ···(6)
로 바꾸어 쓸 수 있다.
다음으로, 상기 정지상태에서 행하는 초기 설정 교정의 순서에 대해 설명한다.
정지상태에서의 초기설정 교정은, 다음의 순서로 교정을 행한다.
(순서 1) 구동모터(20,22,24,26)의 구동력(토크 τm)에 대항하는 근력을 장착자(12)가 낼 때의 표면 근 전위(e)를 계측한다.
(순서 2) 계측된 표면 근 전위와 그 때에 입력된 토크 τm 으로부터 최소자승법을 이용함으로써 식(6)이 성립하는 패러미터 K를 구한다.
최소자승법을 이용하여 패러미터 K를 구하는 연산식은, 이하의 식 (7)과 같다.
K = ∑τm(t)e(t)/∑e2(t)···(7)
이로부터, 예를 들어, 장착자(12)가 도 12에 도시한 바와 같이, 무릎 관절을 거의 90도 각도로 구부린 착석 상태에서 정지한 채 1Nm의 힘을 낼 때의 표면 근 전위의 값이 1이 되도록 패러미터 K를 구할 수 있게 된다. 이 정지상태에서는, 구동모터(20,22,24,26)의 구동력(토크 τm )을 부하(입력 토크)로서 장착자(12)에게 단계적으로 부여시키는 것에 대해, 장착자(12)는 이 구동력과 길항하도록 근력을 발생시킴으로써 정지상태를 유지하게 된다.
다음으로, 미리 결정된 기준동작을 행하는 재설정 교정의 순서에 대해 설명한다.
이 원 모션(1회의 동작)에서의 재설정 교정은, 다음의 순서로 교정을 행한다.
(순서 1) 장착자(12)가 무릎의 각도를 90도로부터 180도가 되도록 무릎 관절을 회동시키고, 그 후, 무릎의 각도를 180도에서 90도가 되도록 무릎 관절을 원래로 되돌린다.
(순서 2) 각도 센서(74,76)에 의해 검출된 무릎 관절 각도에 따른 구동모터(20,22,24,26)의 구동력(토크 τm )을 부여한다.
(순서 3) 장착자(12)가 무릎의 신축동작을 할 때의 표면 근 전위 e를 계측한다.
(순서 4) 계측된 표면 근 전위와 이 때에 입력된 토크 (τm)로부터 최소자승법을 이용함으로써 식 (6)이 성립하는 패러미터 K를 구한다.
여기서, 상기 초기설정 교정을 행한 경우에 관한 원리에 대해 도 13 내지 도 15를 참조하여 설명한다.
예를 들어, 입력 토크 τm 으로 하여 구동모터(20,22,24,26)로부터 8Nm, 16Nm, 24Nm, 32Nm의 토크를 장착자(12)에게 부여하여 패러미터 K를 구하였다. 이 경우, 구한 패러미터 K를 이용하여 교정을 행한 때의 표면 근 전위로부터 가상 토크를 산출하고, 이 때에 부가한 입력 토크를 비교한 결과를 도 13, 도 14에 나타낸다. 또한, 도 13은 우측 가랑이 관절의 신근(伸筋)에 대한 입력 토크(a)와 가상 토크(b)를 나타내는 그래프이다. 도 14는 우측 가랑이 관절의 굴근(屈筋)에 대한 입력 토크(a)와 가상 토크(b)를 나타내는 그래프이다.
이 도 13에 나타내는 입력 토크의 그래프(a)와 가상 토크의 그래프(b) 및 도 14에 나타내는 입력 토크의 그래프(b)와 가상 토크의 그래프(b)로부터 상기 방법에 의해 구해진 패러미터 K를 이용하여 산출된 가상 토크와, 이 때에 부가된 입력 토크가 거의 일치하고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 13에 있어, 구동모터(20,22,24,26)로부터의 입력 토크는, 도 13의 그래프(a)로부터 알 수 있듯이 시간의 경과와 함께, 그 토크 값이 단계적으로 상승하도록 제어된다. 즉, 따라서, 구동모터(20,22,24,26)는, 당초, 작은 토크 값이 되도록 구동되고 있으며, 또 입력 토크가 소정의 시간 간격으로 펄스적으로 인가됨과 동시에, 그 토크 값이 단계적으로 커지도록 제어된다.
이로써, 장착자(12)는, 동작 보조장착구(18)가 장착된 때, 과대한 토크가 부여되는 것이 방지되고, 입력되는 토크 값이 서서히 상승함으로써 입력 토크에 대항하여 근력을 발생시키는 근육의 부담이 경감되어, 교정시의 근육 피로를 경감할 수 있다.
또한, 도 13 및 도 14로부터 알 수 있 듯이, 좌우의 가랑이 관절 및 좌우의 무릎 관절에서도 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 그리고 상기와 같이 하여 얻어진 패러미터 K를 이용하여 가상 토크에 의해 어시스트 힘을 발생시키는 경우, 장착자(12)가 낸 근력 1Nm에 대하여, 동일한 구동모터(20,22,24,26)의 구동력 1Nm를 어시스트 힘으로서 장착자(12)에 부여할 수 있기 때문에, 장착자(12)는, 소정 동작에 필요한 힘의 반 정도의 근력으로 동작할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에서는, 동작 보조장착구(18)를 장착한 장착자(12)가 교정을 행하는 경우, 입력 토크에 대해 대항하는 근력을 발생시킬 필요가 있기 때문에, 장착자(12)에 있어 부담이 커지지 않도록 입력 토크를 억제하여 교정을 행하도록 구동모터(20,22,24,26)의 구동력을 제어하고 있다.
즉, 본 실시예에서는, 장착자(12)가 미리 결정된 소정의 동작(예를 들어, 도 9 또는 도 12를 참조)을 행하여 표면 근 전위의 교정을 행함으로써, 장착자(12)가 큰 부담을 지는 일 없이 표면 근 전위의 교정을 행하는 것이 가능하게 된다.
예를 들어, 소정의 동작을 2회 행한 때, 그 2회의 동작으로 각 관절이 낸 근력이 동일하다고 하면, 이 때에 얻어지는 가상 토크도 동일하지 않으면 아니 된다. 따라서, 기준이 되는 동작의 가상 토크 패턴을 기준 데이터로서 미리 메모리(130)에 저장하여 둠으로써, 교정시의 패러미터 보정처리가 좋은 효율로 행해질 수 있다.
그리고, 장착자(12)가 교정 동작을 행함으로써 얻어진 패러미터 K를 이용하여, 장착자(12)가 기준이 되는 소정 동작을 행한 때의 가상 토크를 τi(t), 새로이 그것과 동일한 동작을 행한 때의 표면 근전위를 e'(t)라 하면, 다음 식(8)의 관계가 성립한다.
τi(t) = Ke'(t) ···(8)
표면 근 전위의 교정을 행하는 때에는, 도 15에 나타낸 바와 같이, 장착자(12)가 기준의 소정동작과 동일한 동작을 행한 때의 표면 근 전위(도 15에서, 실선으로 나타내는 그래프(a))를 계측하고, 가상 토크(도 15에서, 파선으로 나타내는 그래프(b))가 입력 토크와 동일하게 되도록 패러미터(K')를 결정한다.
최소자승법을 이용하여 패러미터 K'를 구하는 식(9)는, 상술한 식(7)과 동일하게 다음과 같이 된다.
K' = ∑τm(t)e'(t)/∑e'2(t)···(9)
가상 토크 τi 는, 장착식 동작 보조장치(10)를 이용한 교정에 의해 구해진 것이기 때문에, 이상에 의해 얻어진 패러미터 K'는, 장착식 동작보조장치(10)를 이용한 교정과 동일한 것이라 말할 수 있다. 이에, 장착자(12)가 소정 동작을 행하는 교정 방법에 의해 장착자(12)가 낸 근력 1Nm에 대하여, 1Nm의 어시스트 힘으로서 장착자(12)에 부여할 수 있다.
다음으로, 본 실시예의 교정을 이용한 기준 동작이 예를 들어, 도 16에 도시한 바와 같이 구부렸다 폈다 동작을 한 경우의 실험결과를 도 17 및 도 18에 나타낸다.
도 17에 도시하는 그래프(a)는, 구부렸다 폈다 동작에 동반하는 가랑이 관절의 관절 각도 변화를 나타내고, 도 17에 나타내는 그래프(b)는, 구부렸다 폈다 동작에 동반하는 무릎 관절의 관절 각도 변화를 나타내고 있다.
도 18에 있어, 그래프(a)는, 구부렸다 폈다(屈伸) 동작에 동반하는 가랑이 관절의 구부림 동작의 가상 토크를 나타내며, 그래프(b)는, 구부렸다 폈다 동작에 동반하는 펴기 동작의 가상 토크를 나타내며, 그래프(c)는 구부렸다 폈다 동작에 동반하는 무릎 관절의 구부림 동작의 가상 토크를 나타내며, 그래프(d)는, 구부렸다 폈다 동작에 동반하는 무릎 관절의 펴기 동작의 가상 토크를 나타내고 있다.
다음으로, 기준동작을 상기와 같이 구부렸다 폈다 동작으로 한 경우, 구부렸다 폈다 동작에 의한 교정을 행하면, 도 18 및 도 19에 나타낸 바와 같이 우측 가랑이 관절의 굴근, 신근의 보정결과가 얻어진다. 도 18에 있어, 그래프(a)는, 구부렸다 폈다 동작에 동반하는 가랑이 관절의 펴기 동작의 표면 근전위를 나타내고, 그래프(b)는, 구부렸다 폈다 동작에 동반하는 가랑이 관절의 펴기 동작의 기준가상 토크를 나타내고, 그래프(c)는, 구부렸다 폈다 동작에 동반하는 가랑이 관절의 펴기 동작의 추정 토크를 나타내고 있다. 또한, 도 19에 있어, 그래프(a)는, 구부렸다 폈다 동작에 동반하는 가랑이 관절의 구부림 동작의 표면 근 전위를 나타내고, 그래프(b)는, 구부렸다 폈다 동작에 동반하는 가랑이 관절의 구부림 동작의 기준 가상 토크를 나타내고, 그래프(c)는, 구부렸다 폈다 동작에 동반하는 가랑이 관절의 구부림 동작의 추정 토크를 나타내고 있다.
따라서, 도 18 및 도 19에 나타내는 그래프(a) ~ (c)에서 기준으로 한 가상 토크와 교정에 의해 구한 패러미터 K'에 의한 추정 토크는, 동일하게 진폭파형으로 되고, 구부렸다 폈다 동작에 동반하는 추정 토크가 표면 근 전위에서 얻어진 가상 토크와 거의 동일한 크기로 되는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는, 장착자(12)가 소정동작을 행하여 표면 근 전위의 교정을 행할 수 있고, 이로써, 장착자(12)에게 큰 부담을 부여하지 않고 끝낼 수 있음과 동시에, 가상 토크(환언하면, 교정된 표면 근 전위)를 구하기 위한 패러미터 K'를 즉시 산출할 수 있게 된다.
또한, 상기 설명에서 부하로서 장착자(12)에 부여하는 토크는, 각 사람의 체력에 따른 부하를 부여하도록 설정할 수 있으며, 예를 들어, 부하의 하한 값 및 상한 값을 미리 설정함으로써, 교정 시에 장착자(12)에게 걸리는 부담이 과대하게 되지 않도록 조정하는 것도 가능하다.
여기서, 제어장치(100)가 실행하는 메인 제어 처리의 순서에 대해 도 20에 도시하는 플로우 챠트를 참조하여 설명한다.
도 20에 도시한 바와 같이, 제어장치(100)는, 스텝 S11(이하 「스텝」을 생략한다)에서 동작 보조장착구(18)가 장착자(12)에 장착되어 전원 스위치(도시하지 않음)가 온(ON)으로 조작되면, S12로 진행하고, 전원 온 조작이 처음인지 아닌지 체크한다. S12에 있어, 처음인 경우, S13으로 진행하고, 초기설정 모드로 이행하며, S14에서 상술한 초기설정 교정 처리(청구항 1항의 교정 수단에 상당한다)를 실행한다.
즉, S14에서는, 구동모터(20,22,24,26)로부터 부여된 부하로서의 구동력에 대한 생체신호를 각 근 전위센서(38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b)로부터 출력된 표면 근 전위의 검출신호에 의해 검출하고 이 검출신호에 근거하여 보정 값을 구한다. S15에 있어, 모터로의 인가 전압을 1 등급 올리고 부하를 증대시킨다. 이어서, S16으로 진행하고, 부하가 미리 설정된 상한 값에 도달했는지 여부를 확인한다. S16에 있어, 부하가 미리 설정된 상한 값이 아닌 때에는, 상기 S14로 돌아오고, S14 ~ S16의 처리를 반복한다.
그리고, S16에 있어, 부하가 미리 설정된 상한 값에 도달한 때에는, S17로 진행하며, 상기 교정에서 얻어진 패러미터 K'를 설정한다.
다음의 S17에서는, 동작 보조장착구(18)를 장착한 장착자(12)가 도 12에 도시된 바와 같은 정지상태에서의 교정에 의해 얻어진 장착자(12)의 근력에 따른 보정 값(패러미터 K')을 설정한다. 즉, S15에서는, 상술한 바와 같이 장착자(12)가 무릎 관절을 거의 90도의 각도로 구부린 착석 상태에서 정지한 채 1Nm의 힘을 낸 때의 표면 근 전위의 값이 1이 되도록 패러미터 K를 구한다. 이 처음의 교정에서는, 구동모터(20,22,24,26)의 구동력(토크 τm)을 부하(입력 토크)로서 장착자(12) 에 단계적으로 부여시킴에 대하여, 장착자(12)는 이 구동력과 길항하도록 근력을 발생시킨다.
이와 같이, 구동원으로부터 부여된 구동력에 대항하여 발생한 생체신호를 각 근 전위센서에 의해 검출하고, 이 검출신호에 근거하여 연산처리의 패러미터를 생성하고, 이 패러미터를 당해 장착자 고유의 보정 값으로 하여 데이터 베이스(148)에 설정한다.
이로써, 동작 보조장착구(18)가 장착자(12)에게 장착될 때 마다, 장착자(12)가 소정의 기본동작을 행하는 과정에서 발하는 동력 및 생체신호의 대응관계(제 2 대응관계)에 근거하여, 장착자(12)가 발하는 동력 및 생체신호의 대응관계(제 1 대응관계)를 만족하도록 생체신호에 따른 보조동력의 보정을 행할 수 있게 된다.
그 후는, S18로 진행하고, 통상의 어시스트 힘 제어처리를 실행하는 제어모드로 이행한다. 그리고, S19에서, 전원 스위치가 오프(OFF)로 조작될 때까지, 통상의 제어 모드가 계속된다.
또한, 상기 S12에 있어, 전원 온 조작이 2회차 이후인 경우, S20으로 진행하며, 상술한 재설정 모드로 이행한다. 그리고, S21에서는 장착자(12)가 원 모션(1회의 동작)에서의 보정 값 설정 교정(청구항 1항의 교정 수단에 상당한다)을 실행하고, 도 16에 도시된 바와 같이 교정 동작을 행함에 따라 얻어진 장착자(12)의 근력에 따른 보정 값(패러미터 K')을 설정한다. 그 후는, 상기 S17 ~ S19의 처리를 실행한다.
또한, 본 실시예에서는, 2회차 이후 원 모션에 의한 교정을 행하는 것으로 했지만, 이에 한하지 않고, 2회차 이후도 처음과 동일하게 정지상태인 채 보정 값 설정 교정을 행하도록 하여도 무방하다.
다음으로, 각 보정 값 설정 모드 마다의 제어처리에 대해 도 21 내지 도 23을 참조하여 설명한다.
도 21은 초기설정을 행하는 처음 교정의 제어순서를 나타내는 플로우 챠트이다. 또한, 처음 교정의 경우, 상술한 바와 같이, 장착자(12)가 모터 부하에 대하여 착석한 정지상태를 유지하도록 근력을 발생시킴으로써 보정 값을 설정한다.
도 21에 도시한 바와 같이, 제어장치(100)는, S31에 있어, 장착자(12)가 착석한 정지상태(도 12 참조)에 따라 구동모터(20,22,24,26)에 소정 구동전류를 공급하여 구동력(입력 토크)을 부하로 하여 부여한다. 때문에, 장착자(12)는, 착석상태인 채 구동모터(20,22,24,26)의 구동력에 길항하도록 근력을 발생시키게 된다.
다음의 S32에서는, 장착자(12)의 근 전위신호를 각 근 전위센서(38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b)로부터 취득한다. 다음의 S33에서는, 실측된 근 전위신호에 근거하여 가상 토크를 연산에 의해 추정한다.
그 후, S34로 진행하고, 부하로서 부여된 입력 토크와 상기 가상 토크를 비교한다. 그리고, S35에 있어, 입력 토크와 가상 토크의 비율을 구한다. 다음의 S36에서는, 상술한 교정 데이터 베이스(148)에 저장된 각 페이즈 마다의 부하에 대한 패러미터를 판독하고, 이 패러미터에 상기 비율을 곱하여 모터 드라이버(92 ~95)에 공급되는 제어신호의 보정 값(보정 패러미터)을 구한다. 이어, S37로 진행하여, 보정 패러미터를 자율적 제어의 패러미터로서 설정한다(청구항 2의 보정 값 설정수단에 상당한다).
이와 같이, 동작 보조장착구(18)가 장착된 장착자(12)는, 착석한 상태로 그 날의 상태에 따른 생체신호의 교정을 자동적으로 행할 수 있으며, 종래와 같이, 교정을 행하기 위해 추를 부하로서 장착자에게 설치하거나 또는 추 대신 코일 스프링을 설치한다고 하는 불편한 작업이 필요없게 된다. 따라서, 교정에 요하는 노력과 시간을 큰 폭으로 삭감할 수 있게 되고, 이로써 장착식 동작 보조장치(10)의 실용화 및 보급을 보다 더 촉진할 수 있게 된다.
또한, 근력이 쇠한 장착자(12)에 대하여 교정을 행하기 위해 불필요한 부담을 강요할 필요가 없으며, 당해 장착자(12)의 상태에 따른 보정 값을 설정하고, 장착자(12)의 근 전위 신호에 근거하는 구동력을 장착자(12)의 동작에 연동하여 정확하게 부여할 수 있게 된다.
이에, 교정을 행할 때 장착자(12)의 의사에 따른 어시스트 힘이 구동원으로부터 부여되고, 어시스트 힘이 과대해 지거나, 과소하게 되지 않으며, 장착자(12)의 동작을 안정적으로 어시스트하여 장착식 동작 보조장치의 신뢰성을 고양할 수 있다.
특히 장착자(12)가 초심자의 경우, 장착된 동작 보조장착구(18)를 생각대로 사용하는 것이 어렵다고 여겨지는 상황에 있어서도, 장착자(12)는 안심하고 교정을 행할 수 있다. 때문에, 장착자(12)가 자유롭게 동작할 수 없는 신체장애자의 경우에도, 특별한 조작을 하지 않고 장착자(12)의 신체적 불리한 동작을 피하도록 하여 교정을 행할 수 있게 되고, 장착자(12)의 신체적 약점을 보완하도록 교정을 행할 수 있다.
다음에 상술한 재설정 모드(1)의 교정에 대해 도 22를 참조하여 설명한다.
도 22는 원 모션(1회의 동작)에 의한 재설정 교정의 제어순서를 나타내는 플로우 챠트이다. 또한, 원 모션에 의한 교정을 행하는 경우, 장착자(12)는, 착석한 채 무릎을 구부린 상태에서 무릎을 편 상태로 1회만 움직이게 된다. 또한, 메모리(130)에는, 교정의 동작에 대응하는 기준 근 전위가 미리 저장되어 있다.
도 22에 도시된 바와 같이, 제어장치(100)는, S41에 있어, 무릎 관절의 각도 센서(74,76)로부터의 검출신호의 유무를 확인한다. 그리고, 장착자(12)가 도 16에 나타낸 바와 같이 착석 상태에서의 무릎의 신축동작을 행하는 것에 동반하는 제 2 관절(66)의 관절 각도의 움직임을 각도 센서(74,76)에 의해 검출하면, S42로 진행하고, 각도 센서(74,76)로부터의 검출 신호에 근거하여 무릎의 동작 각도를 설정한다.
이어서, S43으로 진행하고, 무릎의 동작 각도에 따른 기준 근 전위를 메모리(130)로부터 판독한다. 다음의, S44에서는, 장착자(12)의 근 전위의 실측 값을 각 근 전위센서(38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b)로부터 판독한다. 그리고, S45에서는, 기준 근 전위와 근 전위의 실측 값을 비교한다.
다음의, S46에서는, 기준 근 전위와 근 전위의 실측 값의 비율을 구한다. 그리고, S47에서는, 상술한 교정 데이터 베이스(148)에 저장된 무릎의 동작 각도에 따른 패러미터를 판독하고, 이 패러미터에 상기 비율을 곱하여 모터 드라이버(92 ~ 95)에 공급되는 제어신호의 보정 값(보정 패러미터)을 구한다. 이어서, S48로 진행하고, 보정 패러미터를 자율적 제어의 패러미터로서 설정한다(청구항 2의 보정 값 설정수단에 상당한다).
이와 같이, 2회차 이후의 교정은, 구동모터(20,22,24,26)의 구동력을 사용하지 않고 착석한 상태에서 무릎을 회동시키는 동작(원 모션)에 의해 패러미터 K'를보정할 수 있기 때문에, 장착자(12)의 체력적 부담을 경감시킬 수 있음과 동시에, 동작 보조장착구(18)를 장착하기 때문에 교정에 요하는 준비시간을 단축할 수 있게 된다. 때문에, 2회차 이후의 교정에서는, 보행 개시가 빠르게 행해질 수 있게 된다.
다음에 상술한 재설정 모드(2)의 교정에 대해 도 23을 참조하여 설명한다. 이 재설정 모드(2)에서는, 장착자(12)가 착석상태에서 일어서는 동작(페이즈 A1 ~ A4)을 기준 동작으로 하여 수행되고, 그리고, 재차 착석동작(페이즈 A4 ~ A1)을 행하는 것으로 한다(도 9를 참조).
도 23에 도시한 바와 같이, 제어장치(100)는, S51에 있어, 동작 보조장착구(18)에 설치된 각도센서(70,72,74,76)로부터의 검출신호의 유무를 확인한다. 그리고, 장착자(12)가 도 9에 도시한 바와 같은 동작을 행함에 동반하여 제 1 관절(64) 및 제 2 관절(66)의 관절 각도의 움직임을 각도 센서(70,72,74,76)로부터의 검출신호에 의해 검출하면, S52로 진행하고, 각도 센서(70,72,74,76)로부터의 검출신호에 근거하여 교정 데이터 베이스(148)에 저장된 태스크를 선택하고, 장착자(12)의 기준동작을 설정한다.
다음의 S53에서는, 제 1관절(64) 및 제 2관절(66)의 기준동작에 따른 기준 근 전위를 메모리(130)로부터 판독한다. 이어서, S54로 진행하고, 장착자(12)의 근 전위의 실측 값을 각 근 전위 센서(38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b)로부터 판독한다. 그리고 S55에서는, 기준 근 전위와 근 전위의 실측 값을 비교한다.
다음의 S56에서는, 기준 근 전위와 근 전위의 실측 값과의 비율을 구한다. 그리고, S57에서는, 상술한 교정 데이터 베이스(148)에 저장된 무릎의 동작 각도에 따른 패러미터를 판독하고, 이 패러미터에 상기 비율을 곱하여 모터 드라이버(92~95)에 공급되는 제어신호의 보정 값(보정 패러미터)을 구한다. 이어서, S58로 진행하고, 보정 패러미터를 자율적 제어의 패러미터로서 설정한다(청구항 2의 보정 값 설정수단에 상당한다).
다음의 S59에서는, 교정 동작의 태스크가 종료하였는지 여부를 확인한다. S59에 있어, 아직 교정 동작의 페이즈가 남아 있는 경우, S60으로 진행하고, 다음의 페이즈로 갱신하여 상기 S53 이후의 처리를 재차 실행한다.
또한, 상기 S59에 있어, 교정 동작의 태스크가 종료한 경우, 이번의 교정처리를 종료한다.
이와 같이, 2회차 이후의 교정은, 구동모터(20,22,24,26)의 구동력을 사용하지 않고 패러미터 K'를 보정할 수 있기 때문에, 장착자(12)의 체력적 부담을 큰 폭으로 경감시킬 수 있음과 동시에, 동작 보조장착구(18)를 장착하기 때문에 교정에 요하는 준비시간을 단축할 수 있게 된다.
따라서, 교정 동작은 장착자(12)가 구부렸다 폈다 동작을 행하여 표면 근 전위의 교정을 행하여도 무방하며, 또는 장착자(12)가 의자에 앉은 상태에서 무릎의 굽힘 펴기 동작을 기준동작으로 하여도 무방하며, 그 개인에 맞는 교정을 행할 수 있기 때문에, 장착자(12)가 신체장애자의 경우 동작가능한 임의의 동작으로 교정을 행하는 것도 가능하며, 다른 동작(태스크)을 기준동작으로 하는 것도 가능하다.
또한, 상기 실시예에서는, 장착자(12)의 다리에 어시스트 힘을 부여하는 구성으로 된 동작 보조장치(10)를 일례로 들었지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들어 팔 동작을 어시스트하도록 구성된 동작 보조장치에도 물론 본 발명을 적용할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는, 전동 모터의 구동 토크를 어시스트 힘으로서 전달하는 구성에 대해 설명하였지만, 전동 모터 이외의 구동원을 이용하여 어시스트 힘을 발생시키는 장치에도 물론 적용할 수 있다.

Claims (11)

  1. 장착자로부터의 생체신호를 검출하는 검출수단과,
    상기 장착자에 대하여 동력을 부여하는 구동원을 구비한 동작 보조장착구와,
    상기 검출수단에 의해 검출된 검출신호에 따른 보조 동력을 발생하도록 상기 구동원을 제어하는 제어수단을 구비하는 장착식 동작 보조장치로서,
    상기 구동원으로부터 부여된 부하로서의 구동력에 대한 생체신호를 상기 검출수단에 의해 검출하고, 이 검출신호에 근거하여 보정 값을 설정하는 교정(calibration) 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 장착식 동작 보조장치.
  2. 장착자로부터의 생체신호를 검출하는 검출수단과,
    상기 장착자에 대하여 동력을 부여하는 구동원을 구비한 동작 보조장착구와,
    상기 검출수단에 의해 검출된 검출신호에 따른 보조 동력을 발생하도록 상기 구동원을 제어하는 제어수단을 구비한 장착식 동작 보조장치로서,
    상기 동작 보조장착구가 상기 장착자에 장착된 때, 상기 구동원으로부터의 소정의 구동력을 외적 부하로서 부여하는 부하발생수단과,
    상기 부하발생수단에 의해 부여된 구동력에 대항하여 발생한 생체신호를 상기 검출수단에 의해 검출하고, 이 검출신호에 근거하여 상기 제어수단이 행하는 연산처리의 패러미터를 생성하고, 이 패러미터를 상기 장착자 고유의 보정 값으로서 설정하는 보정 값 설정수단을 구비한 것을 특징으로 하는 장착식 동작 보조장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 교정 수단은, 상기 검출수단에 의해 검출된 상기 검출신호와 상기 구동원을 제어하는 제어신호와의 대응관계의 데이터가 저장된 데이터 베이스를 구비하고,
    상기 제어수단은, 상기 보정 값 설정수단에 의해 설정된 보정 값에 의해 상기 데이터 베이스에 저장된 제어신호를 보정하는 것을 특징으로 하는 장착식 동작 보조장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출수단은, 상기 장착자의 피부상에 부착된 상태로 사용되며, 상기 생체신호로서 상기 장착자의 근 전위를 검출하는 것을 특징으로 하는 장착식 동작 보조장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 동작 보조 장착구는,
    허리 벨트와,
    상기 허리 벨트의 우측부로부터 하방으로 설치된 우측 다리 보조부와,
    상기 허리 벨트의 좌측부로부터 하방으로 설치된 좌측 다리 보조부를 구비하며,
    상기 우측 다리 보조부 및 좌측 다리 보조부는,
    상기 허리 벨트를 지지하도록 하방으로 연장되어 존재하는 제 1 프레임과,
    상기 제 1 프레임으로부터 하방으로 연장되어 존재하는 제 2 프레임과,
    상기 제 2 프레임으로부터 하방으로 연장되어 존재하는 제 3 프레임과,
    상기 제 3 프레임의 하단에 설치되고, 상기 장착자의 발바닥이 올려 놓여지는 제 4 프레임과,
    상기 제 1 프레임의 하단과 상기 제 2 프레임의 상단 사이에 끼워지는 제 1 관절과,
    상기 제 2 프레임의 하단과 상기 제 3 프레임의 상단 사이에 끼워지는 제 2 관절을 구비하는 것을 특징으로 하는 장착식 동작 보조장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1 관절은, 상기 장착자의 가랑이 관절과 일치하는 높이 위치에 설치되고,
    상기 제 2 관절은, 상기 장착자의 무릎 관절과 일치하는 높이 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 장착식 동작 보조장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1 관절에는, 상기 제 2 프레임을 회동시키도록 구동력을 전달하는 제 1 구동원을 설치하고,
    상기 제 2 관절에는, 상기 제 3 프레임을 회동시키도록 구동력을 전달하는 제 2 구동원을 설치하는 것을 특징으로 하는 장착식 동작 보조장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 구동원은, 관절 각도를 검출하는 각도 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 장착식 동작 보조장치.
  9. 장착자로부터의 생체신호에 따른 보조동력을 발생하는 구동원을 구비하는 동작 보조장착구가 상기 장착자에 장착될 때 마다, 상기 생체신호와 상기 생체신호에 따른 보조동력을 대응시켜 교정을 행하는 장치로서,
    상기 동작 보조장착구를 장착한 장착자가 발하는 동력 및 생체신호의 제 1 대응관계를 미리 저장한 제 1 저장수단과,
    상기 장착자가 소정의 기본동작을 행하는 과정에서 발하는 동력 및 생체신호의 제 2 대응관계를 미리 저장한 제 2 저장수단과,
    상기 동작 보조장착구가 상기 장착자에 장착될 때 마다, 상기 장착자에 의한 상기 기본동작에서 발생하는 생체신호와 상기 제 2 대응관계에 근거하여, 상기 제 1 대응관계를 만족하도록 상기 생체신호에 따른 보조동력의 보정을 행하는 것을 특징으로 하는 장착식 동작 보조장치의 교정 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 대응관계는, 상기 생체신호에 대해 상기 동력이 플러스의 상관을 가지고,
    상기 제 2 대응관계는, 상기 기본동작에 있어서의 상기 생체신호의 변화와 상기 동력의 변화와의 관계인 것을 특징으로 하는 장착식 동작 보조장치의 교정 장치.
  11. 장착자로부터의 생체신호에 따른 보조 동력을 발생하는 구동원을 구비한 동작 보조 장착구가 상기 장착자에 장착될 때 마다, 상기 생체신호와 상기 생체신호에 따른 보조동력을 대응시킨 교정을, 컴퓨터에 실행시키는 프로그램으로서,
    상기 동작 보조장착구를 장착한 장착자가 발하는 동력 및 생체신호의 제 1 대응관계를 제 1 저장수단에 미리 저장시키고, 또, 상기 장착자가 소정의 기본동작을 행하는 과정에서 발하는 동력 및 생체신호의 제 2 대응관계를 제 2 저장수단에 미리 저장시키도록, 상기 컴퓨터를 실행시키는 제 1 프로그램과,
    상기 동작 보조장착구가 상기 장착자에 장착될 때, 상기 장착자에 의한 상기 기본동작에 있어 발생하는 생체신호와, 상기 제 2 저장수단에 저장된 상기 제 2 대응관계에 근거하여, 상기 제 1 저장수단에 저장된 상기 제 1 대응관계를 만족하도록, 상기 생체신호에 따른 보조동력의 보정을 행하도록 상기 컴퓨터를 실행시키는 제 2 프로그램을 구비하는 것을 특징으로 하는 장착식 동작 보조장치의 교정 프로그램.
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