KR20090010235A

KR20090010235A - 보행 보조 장구의 제어 장치

Info

Publication number: KR20090010235A
Application number: KR1020087030055A
Authority: KR
Inventors: 야스시 이케우치
Original assignee: 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2006-06-12
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2009-01-29
Also published as: US8303521B2; WO2007145018A1; CN101466343A; JP2007330299A; JP4712620B2; US20100256538A1; EP2033612B1; EP2033612A4; CN101466343B; KR100960549B1; EP2033612A1; ATE520386T1

Abstract

보행 보조장구(11)의 운동에 의해 보행 보조장구(11)에서 실제로 발생하는 상하방향의 관성력과 보행 보조장구(11)에 작용하는 중력에 저항하여 바닥측으로부터 각 다리 링크(3)에 작용하는 지지력의 총합을 장구 자중 보상력으로서 추정한다. 들어올리는 힘 전달부(2)로부터 이용자(A)에게 작용시키는 들어올리는 힘의 목표값과 장구 자중 보상력의 추정값의 총합을 목표 총 들어올리는 힘으로 한다. 양다리 링크(3, 3)에 바닥측으로부터 실제로 작용하는 지지력의 총합이 목표 총 들어올리는 힘이 되도록 각 다리 링크(3)의 관절(12)을 구동하는 액추에이터(27)의 구동력을 제어한다. 이것에 의해, 이용자(A)의 운동에 수반되는 보행 보조장구(11)의 관성력의 영향과 장구(11)에 작용하는 중력의 영향을 장구 자신으로 보상하면서, 이용자(A) 자신이 그 다리로 바닥에 떠받쳐야 할 힘을 적절하게 경감할 수 있는 보조력(들어올리는 힘)을 이용자(A)에게 작용시킨다.

체간부, 힘 전달부, 족평 장착부, 다리 링크, 힘 설정 수단, 장구 자중 보상력 추정 수단, 힘 결정 수단, 액추에이터 제어 수단, 보행 보조 장구의 제어 장치.

Description

보행 보조 장구의 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR WALKING ASSISTANCE DEVICE}

본 발명은, 이용자(인간)의 보행 등의 운동을 보조하는 보행 보조 장구의 제어 장치에 관한 것이다.

종래, 이 종류의 장치로서는, 예를 들면, 일본 특개 평5-329186호 공보(이하, 특허문헌 1이라고 함)의 단락 0034~0036, 및 도 15 및 도 16에 도시되는 것이 알려져 있다. 이 특허문헌 1에는, 이용자의 각 다리의 대퇴부, 하퇴부, 족부에 지지 부재를 장착하고, 이들 지지 부재를 연결하는 관절을 액추에이터에 의해 구동함으로써, 이용자에게 목표로 하는 추진력을 상기 지지 부재를 통하여 부여하도록 한 장치(보행 도움 장치)가 기재되어 있다.

상기 특허문헌 1에 기재되어 있는 장치는, 이용자의 이동방향으로 목표로 하는 추진력을 발생시킴으로써 이용자 자신으로 발생시킬 필요가 있는 추진력을 경감하는 것은 가능하다. 그런데, 특허문헌 1의 도 15를 참조하여 밝혀지는 바와 같이, 이용자의 체중은 이용자 자신이 떠받치게 되기 때문에, 이용자의 부담 경감이 불충분했다. 또, 특허문헌 1의 것은, 이용자의 운동에 수반되는 상기 지지 부재나 액추에이터의 운동에 의해 발생하는 관성력이나 장구에 작용하는 중력의 영향을 보 상하는 기술을 가지지 않는다. 이 때문에, 특히, 이용자가 날렵한 운동을 행하려고 했을 때에, 장구의 관성력에 저항하는 힘을 이용자 자신이 부담하지 않으면 안 되어, 오히려 이용자의 부담이 증대할 우려가 있었다.

또, 특허문헌 1의 것은, 목표로 하는 추진력을 보행 보조 장치의 각 다리에서 적절하게 분배하는 기술을 가지지 않기 때문에, 이용자의 각 다리의 움직임과 일치하지 않는 힘이 이용자의 각 다리에 작용할 우려가 있었다. 또한, 특허문헌 1의 것은, 보행 보조 장치의 지지 부재가 이용자의 각 다리의 대퇴부, 하퇴부, 족평(足平)부에 각각 장착되고, 각 다리의 대퇴부, 하퇴부, 족평부에 지지 부재로부터 힘이 작용하기 때문에, 이용자에게 불쾌감을 끼치기 쉬운 것으로 되어 있었다.

본 발명은, 이러한 배경을 감안하여 이루어진 것으로, 이용자의 운동에 수반되는 장구의 관성력 영향과 이 장구에 작용하는 중력의 영향을 장구 자신으로 보상하면서, 이용자 자신이 그 다리로 바닥에 떠받쳐야 할 힘을 적절하게 경감할 수 있는 보조력(들어올리는 힘)을 이용자에게 작용시킬 수 있는 보행 보조 장구의 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 그 보조력을 이용자의 각 다리에 대응하는 다리 링크에서 적절하게 분담할 수 있는 보행 보조 장구의 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

(발명의 개시)

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 보행 보조 장구의 제어 장치는, 이용자의 체간부에 상향의 들어올리는 힘을 작용시킬 수 있도록 이 체간부에 접촉되는 들어올리는 힘 전달부와, 이용자의 각 다리의 족평에 각각 장착되고, 이 이용자의 각 다리가 입각으로 될 때에 접지하는 좌우 한 쌍의 족평 장착부와, 복수의 관절을 각각 갖고, 상기 들어올리는 힘 전달부와 각 족평 장착부를 각각 연결하는 좌우 한 쌍의 다리 링크와, 각 다리 링크의 적어도 1개의 관절을 구동하는 우측 다리 링크용 액추에이터 및 좌측 다리 링크용 액추에이터를 구비한 보행 보조 장구의 제어 장치로서,

상기 들어올리는 힘의 목표값을 설정하는 목표 들어올리는 힘 설정 수단과,

상기 보행 보조 장구의 운동에 의해 이 보행 보조 장구에서 실제로 발생하는 상하방향의 관성력과 이 보행 보조 장구에 작용하는 중력에 저항하여 바닥측으로부터 각 다리 링크에 작용하는 지지력의 총합을 장구 자중 보상력으로서 추정하는 장구 자중 보상력 추정 수단과,

상기 들어올리는 힘의 목표값과 상기 추정된 장구 자중 보상력의 총합을 상기 보행 보조 장구의 목표 총 들어올리는 힘으로서 결정하는 목표 총 들어올리는 힘 결정 수단과,

상기 보행 보조 장구의 각 다리 링크에 바닥측으로부터 실제로 작용하는 지지력의 총합이 상기 목표 총 들어올리는 힘이 되도록 상기 우측 다리 링크용 액추에이터 및 좌측 다리 링크용 액추에이터의 구동력을 제어하는 액추에이터 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다(제 1 발명).

이러한 제 1 발명에 의하면, 상기 들어올리는 힘의 목표값과 상기 추정된 장구 자중 보상력의 총합이 상기 보행 보조 장구의 목표 총 들어올리는 힘으로 된다. 그리고, 보행 보조 장구의 각 다리 링크에 바닥측으로부터 실제로 작용하는 지지력의 총합이 상기 목표 총 들어올리는 힘이 되도록 상기 우측 다리 링크용 액추에이터 및 좌측 다리 링크용 액추에이터의 구동력이 제어된다.

이 경우, 상기 들어올리는 힘 전달부로부터 이용자의 체간부에 작용하는 들어올리는 힘은 목표 총 들어올리는 힘으로부터, 보행 보조 장구의 운동에 의해 이 보행 보조 장구에서 실제로 발생하는 상하방향의 관성력과 이 보행 보조 장구에 작용하는 중력에 저항하여 바닥측으로부터 각 다리 링크에 작용하는 지지력의 총합, 즉, 상기 추정된 장구 자중 보상력을 뺀 힘이 된다. 따라서, 상기 목표 들어올리는 힘 설정 수단으로 설정된 들어올리는 힘의 목표값을 그대로, 들어올리는 힘 전달부로부터 이용자의 체간부에 작용시킬 수 있게 된다. 그리고, 그 들어올리는 힘의 목표값 만큼, 이용자 자신이 그 다리로 바닥에 떠받쳐야 할 힘이 경감되게 된다.

따라서, 제 1 발명에 의하면, 이용자의 운동에 수반되는 장구의 관성력의 영향과 이 장구에 작용하는 중력의 영향을 장구 자신으로 보상하면서, 이용자 자신이 그 다리로 바닥에 떠받쳐야 할 힘을 적절하게 경감할 수 있는 보조력(들어올리는 힘)을 이용자에게 작용시킬 수 있다.

또한, 상기 들어올리는 힘 전달부로서는, 예를 들면, 이용자의 양다리의 허벅지 윗부분 사이에 배치된 상태에서 이 이용자가 착좌가능한 착좌부를 들 수 있다.

이러한 제 1 발명에서는, 상기 이용자의 각 다리의 답력(踏力)을, 상기 각 족평 장착부에 구비한 제 1 힘 센서의 출력에 기초하여 계측하는 답력 계측 수단과, 상기 목표 총 들어올리는 힘을, 상기 계측된 이용자의 좌측 다리의 답력과 우측 다리의 답력의 비율에 따라 분배함으로써, 이 목표 총 들어올리는 힘 중 각 다리 링크의 부담분의 목표값인 목표 부담분을 결정하는 분배 수단을 구비하고, 상기 액추에이터 제어 수단은 우측 다리 링크에 바닥측으로부터 실제로 작용하는 지지력이 이 우측 다리 링크에 대응하는 상기 목표 부담분으로 되도록 상기 우 다리 링크용 액추에이터의 구동력을 제어하는 수단과, 상기 좌측 다리 링크에 바닥측으로부터 실제로 작용하는 지지력이 이 좌측 다리 링크에 대응하는 상기 목표 부담분을 되도록 상기 좌측 다리 링크용 액추에이터의 구동력을 제어하는 수단으로 구성되는 것이 바람직하다(제 2 발명).

이 제 2 발명에 의하면, 상기 목표 총 들어올리는 힘은 상기 계측된 이용자의 좌측 다리의 답력과 우측 다리의 답력의 비율에 따라 분배되고, 이 목표 총 들어올리는 힘 중 각 다리 링크의 목표 부담분이 결정된다. 그리고, 이 목표 부담분의 지지력이 각 다리 링크에 바닥측으로부터 작용하도록 각 액추에이터의 구동력이 제어된다.

여기에서, 상기 답력 계측 수단으로 계측된 이용자의 각 다리의 답력은 이용자가 자신의 체중이나 관성력을 각 다리로 어떻게 바닥에 떠받치려고 하고 있는지의 의사를 반영하고 있다. 예를 들면, 우측 다리의 답력에 대해 좌측 다리의 답력이 크면, 이용자는 주로 좌측 다리가 자신의 무게 등을 떠받치도록 하고 있다.

따라서, 상기한 바와 같이 상기 계측된 이용자의 좌측 다리의 답력과 우측 다리의 답력의 비율에 따라, 총 목표 들어올리는 힘 중 각 다리 링크의 목표 부담분을 결정함으로써, 이용자의 각 다리의 답력의 비율에 맞추어, 각 다리 링크의 목표 부담분을 결정할 수 있다. 보다 구체적으로는, 각 다리 링크의 목표 부담분은, 예를 들면, 그것들의 총합이 총 목표 들어올리는 힘에 일치함과 아울러, 우측 다리 링크의 목표 부담분과 좌측 다리 링크의 목표 부담분의 비가 이용자의 우측 다리의 답력과 좌측 다리의 답력의 비에 일치하도록 결정하면 된다.

이것에 의해, 이용자가 바라고 있는 각 다리의 동작에 맞추어, 총 목표 들어올리는 힘을 각 다리 링크에 분배하여 부담시키면서, 목표로 하는 들어올리는 힘을 들어올리는 힘 전달부에서 이용자에게 원활하게 작용시킬 수 있다. 그 결과, 이용자의 부담을 효과적으로 경감할 수 있다.

또한, 상기 제 1 힘 센서는, 예를 들면, 이용자의 각 다리가 입각으로 될 때에, 이 다리의 족평과 바닥 사이에 개재하도록 각 족평 장착부에 설치하면 된다. 이 경우, 각 족평 장착부의 제 1 힘 센서는 1개의 힘 센서이어도 되지만, 복수의 힘 센서로 구성해도 된다.

상기 제 2 발명에서는, 보다 구체적으로는, 상기 각 다리 링크에 바닥측으로부터 실제로 작용하는 지지력을 제어대상력으로 하여, 이 다리 링크에 구비한 제 2 힘 센서의 출력에 기초하여 계측하는 제어대상력 계측 수단을 구비하고, 상기 우측 다리 링크용 액추에이터의 구동력을 제어하는 수단은, 상기 계측된 우측 다리 링크의 제어대상력을 이 우측 다리 링크에 대응하는 상기 목표 부담분에 근접하도록 상기 우측 다리 링크용 액추에이터를 피드백제어 하는 수단이며, 상기 좌측 다리 링크용 액추에이터의 구동력을 제어하는 수단은, 상기 계측된 좌측 다리 링크의 제어대상력을 이 좌측 다리 링크에 대응하는 상기 목표 부담분에 근접하도록 상기 좌측 다리 링크용 액추에이터를 피드백제어하는 수단인 것이 바람직하다 (제 3 발명).

이 제 3 발명에 의하면, 각 다리 링크마다, 이 다리 링크에 바닥측으로부터 실제로 작용하는 지지력으로서의 제어대상력이 상기 제 2 힘 센서의 출력에 기초하여 계측된다. 그리고, 그 계측된 제어대상력을 이 다리 링크의 목표 부담분에 근접하도록 이 다리 링크용의 액추에이터의 구동력이 피드백제어된다. 이 때문에, 상기 제어대상력이 목표 부담분이 되도록 각 액추에이터의 구동력을 제어하는 것을 확실히 적절하게 행할 수 있다.

상기 제 1 발명~제 3 발명에서, 상기 각 다리 링크는, 예를 들면, 상기 들어올리는 힘 전달부에 제 1 관절을 통하여 연결된 대퇴 프레임과, 이 대퇴 프레임에 제 2 관절을 통하여 연결된 하퇴 프레임과, 하퇴 프레임에 상기 족평 장착부를 연결하는 제 3 관절로 구성된다. 이러한 구조의 다리 링크에서는, 제 1 관절, 제 2 관절, 제 3 관절은, 각각, 이용자의 고관절, 무릎관절, 발목관절에 대응한다. 이 경우, 상기 제 2 발명 또는 제 3 발명에서는, 예를 들면, 다음과 같이 하여 상기 장구 자중 보상력을 추정할 수 있다.

그 1개의 예에서는, 상기 각 다리 링크의 제 2 관절의 변위량을 계측하는 관절 변위량 계측 수단을 구비하고, 상기 장구 자중 보상력 추정 수단은 상기 계측된 이용자의 좌우의 각 다리의 답력의 총합에 대한 좌측의 다리의 답력의 비율을, 상기 계측된 좌측의 다리 링크의 제 2 관절의 변위량에 곱하여 이루어지는 값과, 상기 답력의 총합에 대한 우측의 다리의 답력의 비율을, 상기 계측된 우측의 다리 링크의 제 2 관절의 변위량에 곱하여 이루어지는 값과의 합인 제 2 관절 변위량 대표값에 기초하여, 상기 보행 보조 장구의 중심의 상하방향 위치를 차례차례 추정하고, 그 상하방향 위치의 추정값의 시계열과 상기 보행 보조 장구의 중량과 중력 가속도로부터 상기 장구 자중 보상력을 추정한다(제 4 발명).

이러한 제 4 발명에서, 상기 제 2 관절 변위량 대표값은 보행 보조 장구의 중심의 상하방향 위치(바닥면으로부터의 높이 방향의 위치)와 비교적 높은 상관성을 갖는다. 따라서, 상기 제 2 관절 변위량 대표값에 기초하여 보행 보조 장구의 중심의 상하방향 위치를 차례차례 추정할 수 있다. 그리고, 보행 보조 장구의 중심의 상하방향 위치를 추정할 수 있으면, 그 추정값의 시계열과 보행 보조 장구의 중량과 중력 가속도로부터 상기 장구 자중 보상력을 추정할 수 있다. 즉, 보행 보조 장구의 중심의 상하방향 위치의 시계열로부터 이 중심의 상하방향의 운동가속도를 특정할 수 있다. 이 경우, 예를 들면, 그 운동가속도와 중력 가속도의 합에 보행 보조 장구의 중량을 곱한 것이, 상기 장구 자중 보상력의 추정값에 상당하는 것으로 된다. 이 제 4 발명에 의하면, 장구 자중 보상력을 간이한 수법으로 용이하게 추정할 수 있다.

또는, 다른 예에서는, 상기 각 다리 링크의 제 2 관절의 변위량을 계측하는 관절 변위량 계측 수단과, 상기 들어올리는 힘 전달부의 가속도를 검출하는 가속도 센서를 구비하고, 상기 장구 자중 보상력 추정 수단은 상기 가속도센서의 출력과 상기 보행 보조 장구 중 상기 들어올리는 힘 전달부 및 이 들어올리는 힘 전달부에 고정된 부분으로 이루어지는 장구 기부의 미리 설정된 중량에 기초하여, 상기 장구 자중 보상력 중 장구 기부의 중량에 기인하는 제 1 성분을 추정하는 수단과, 상기 보행 보조 장구 중 우측 다리 링크와 일체로 상기 장구 기부에 대하여 상대적으로 가동 부분인 장구 우측 다리부의 중심의 상기 장구 기부에 대한 상대적인 상하방향 위치를 상기 계측된 우측 다리 링크의 제 2 관절의 변위량에 기초하여 추정하는 수단과, 그 추정된 장구 우측 다리부의 중심의 상대적인 상하방향 위치의 시계열과 이 장구 우측 다리부의 미리 설정된 중량과 상기 가속도센서의 출력에 기초하여, 상기 장구 자중 보상력 중 장구 우측 다리부의 중량에 기인하는 제 2 성분을 추정하는 수단과, 상기 보행 보조 장구 중 좌측 다리 링크와 일체로 상기 장구 기부에 대하여 상대적으로 가동인 부분인 장구 좌측 다리부의 중심의 상기 장구 기부에 대한 상대적인 상하방향 위치를 상기 계측된 좌측 다리 링크의 제 2 관절의 변위량에 기초하여 추정하는 수단과, 그 추정된 장구 좌측 다리부의 중심의 상대적인 상하방향 위치의 시계열과 이 장구 좌측 다리부의 미리 설정된 중량과 상기 가속도센서의 출력에 기초하여, 상기 장구 자중 보상력 중 장구 좌측 다리부의 중량에 기인하는 제 3 성분을 추정하는 수단을 구비하고, 상기 추정된 제 1~제 3 성분의 총합을 상기 장구 자중 보상력으로서 추정한다(제 5 발명).

이 제 5 발명에서, 상기 장구 자중 보상력은, 상기 장구 기부의 중량에 기인하는 제 1 성분(이 장구 기부에 작용하는 중력과 이 장구 기부에서 발생하는 관성력의 합에 저항하는 지지력)과, 상기 장구 우측 다리부의 중량에 기인하는 제 2 성분(이 장구 우측 다리부에 작용하는 중력과 이 장구 우측 다리부에서 발생하는 관성력의 합에 저항하는 지지력)과, 상기 장구 좌측 다리부의 중량에 기인하는 제 3 성분(이 장구 좌측 다리부에 작용하는 중력과 이 장구 좌측 다리부에서 발생하는 관성력의 합에 저항하는 지지력)의 총합으로 된다. 또한, 장구 기부에 관하여, 상기 들어올리는 힘 전달부에 고정된 부분이라고 하는 것은, 이 들어올리는 힘 전달부에 대한 상대위치가 변화되지 않거나, 혹은 그 변화가 미소한 부분을 의미한다. 또, 장구 우측 다리부에는, 상기 우측 다리 링크가 포함되는 것은 물론, 우측 다리 링크와 일체로 상기 제 1 관절의 동작에 의해 들어올리는 힘 전달부에 대하여 상대운동이 가능한 부재(예를 들면, 우측 다리 링크에 연결되는 족평 장착부 등)가 포함된다. 장구 좌측 다리부에 대해서도 장구 우측 다리부와 동일하다.

이 경우, 상기 제 1 성분에 대해서는, 상기 가속도센서의 출력이 나타내는 가속도(이것은 중력 가속도의 성분을 포함함)가 장구 기부의 가속도를 나타내고 있으므로, 이 가속도 센서의 출력과 이 장구 기부의 중량에 기초하여 상기 제 1 성분을 추정할 수 있다. 즉, 가속도 센서의 출력이 나타내는 가속도(상하방향의 가속도)에 장구 기부의 중량을 곱한 것이 제 1 성분의 추정값에 상당하는 것으로 된다.

또, 상기 제 2 성분에 관하여, 상기 계측된 우측 다리 링크의 제 2 관절의 변위량은 장구 기부에 대한 장구 우측 다리부의 상대적인 상하방향 위치와 높은 상관성을 갖는다. 따라서, 이 우측 다리 링크의 제 2 관절의 변위량을 기초로, 장구 우측 다리부의 상대적인 상하방향 위치를 차례차례 추정할 수 있다. 그리고, 이 장구 우측 다리부의 상대적인 상하방향 위치의 추정값의 시계열과 이 장구 우측 다리부의 중량과 상기 가속도센서의 출력에 기초하여, 상기 제 2 성분을 추정할 수 있다. 즉, 장구 우측 다리부의 중심의 상대적인 상하방향 위치의 시계열로부터, 장구 기부에 대한 이 중심의 상하방향의 상대적인 운동가속도를 특정할 수 있다. 이 때문에, 예를 들면, 그 상대적인 운동가속도와 가속도 센서의 출력이 나타내는 상하방향의 가속도(=장구 기부의 상하방향의 가속도)와의 합(이것은 장구 우측 다리부의 가속도를 의미함)에 장구 우측 다리부의 중량을 곱한 것이, 상기 제 2 성분의 추정값에 상당하는 것으로 된다.

또, 상기 제 3 성분에 관해서는, 상기 계측된 좌측 다리 링크의 제 2 관절의 변위량은 장구 기부에 대한 장구 좌측 다리부의 상대적인 상하방향 위치와 높은 상관성을 갖는다. 따라서, 이 좌측 다리 링크의 제 2 관절의 변위량을 기초로, 장구 좌측 다리부의 상대적인 상하방향 위치를 차례차례 추정할 수 있다. 그리고, 이 장구 좌측 다리부의 상대적인 상하방향 위치의 추정값의 시계열과 이 장구 좌측 다리부의 중량과 상기 가속도센서의 출력에 기초하여, 상기 제 3 성분을 추정할 수 있다. 즉, 장구 좌측 다리부의 중심의 상대적인 상하방향 위치의 시계열로부터, 장구 기부에 대한 이 중심의 상하방향의 상대적인 운동가속도를 특정할 수 있다. 이 때문에, 예를 들면, 그 상대적인 운동가속도와 가속도 센서의 출력이 나타내는 상하방향의 가속도와의 합(이것은 장구 좌측 다리부의 가속도를 의미함)에 장구 좌측 다리부의 중량을 곱한 것이, 상기 제 3 성분의 추정값에 상당하는 것으로 된다.

그리고, 상기한 바와 같이 추정되는 제 1~제 3 성분을 더해 합침으로써 상기 장구 자중 보상력을 추정할 수 있게 된다.

이러한 제 5 발명에 의하면, 각 다리 링크의 제 2 관절의 변위량과 아울러, 상기 가속도센서의 출력을 사용함으로써 정밀하게 장구 자중 보상력을 추정할 수 있다. 그 결과, 들어올리는 힘의 목표값으로의 제어를 보다 적절하게 행할 수 있다.

또한, 상기 제 1 관절은, 상기 들어올리는 힘 전달부에 대하여, 각 다리 링크의 전후 방향의 흔들어 내밀기 운동과, 내전(內轉)·외전(外轉) 운동을 가능하게 하는 관절인 것이 바람직하다. 또, 제 2 관절은 각 다리 링크의 굴신 운동을 가능하게 하는 관절인 것이 바람직하다.

또, 각 족평 장착부는 이용자의 각 다리가 입각으로 될 때에, 이 이용자의 족평과 바닥면 사이에 개재하는 평판상의 부분과, 이 부분을 다리 링크에 연결하는 고강성의 부분으로 구성되는 부재를 구비하는 것이 바람직하다. 일례로서, 각 족평 장착부는, 이 족평 장착부를 장착하는 이용자의 족평을 그 발끝측으로부터 삽입하는 고강성의 환상 부재(예를 들면, 등자 형상의 부재)를 구비하고, 이 환상 부재를 통하여 다리 링크에 연결되는 것이 바람직하다. 이러한 부재를 족평 장착부에 구비함으로써, 보행 보조 장구에 작용하는 중력이나 이 보행 보조 장구에서 발생하는 관성력을 이용자에게 거의 작용시키지 않고, 바닥에 작용시키도록 하는 것이 가능하게 된다. 또한, 환상 부재의 양 측벽부 중 한쪽 측벽부를 제외해도 된다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에서의 보행 보조장구(11)의 측면도.

도 2는 도 1의 II선을 따라 본 도면.

도 3은 도 1의 III-III선 단면도.

도 4는 도 1의 보행 보조 장구의 제어 장치의 구성(하드 구성)을 개략적으로 나타내는 블럭도.

도 5는 도 4의 제어 장치에 구비한 연산처리부(51)의 기능적 수단을 나타내는 블럭도.

도 6은 답력 계측처리 수단(60R, 60L)의 처리의 흐름을 나타내는 블럭도.

도 7은 도 6의 S104의 처리에서 사용하는 테이블을 나타내는 그래프.

도 8은 무릎각도 계측처리 수단(61R, 61L)의 처리의 흐름을 나타내는 블럭도.

도 9는 도 8의 S201, S203의 처리를 설명하기 위한 도면.

도 10은 좌우 목표 부담분 결정 수단(63)의 처리의 흐름을 나타내는 블럭도.

도 11은 도 10의 S302의 처리의 흐름을 나타내는 블럭도.

도 12는 피드백 조작량 결정 수단(64R, 64L)의 처리의 흐름을 나타내는 블럭도.

도 13은 피드포워드 조작량 결정 수단(65R, 65L)의 처리의 흐름을 나타내는 블럭도.

도 14는 도 13의 S502의 처리를 설명하기 위한 도면.

도 15는 본 발명의 제 2 실시형태에서의 도 10의 S302의 처리의 흐름을 나타내는 블럭도.

(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)

본 발명의 제 1 실시형태를 이하에 도면을 참조하면서 설명한다.

우선, 도 1~도 3을 참조하여, 본 실시형태의 보행 보조 장구의 기구적인 구조를 설명한다. 도 1은 이 보행 보조 장구(1)의 측면도, 도 2는 도 1의 II 화살표 방향으로 본 도면, 도 3은 도 1의 III-III선 단면도이다. 또한, 이들 도 1~도 3의 보행 보조 장구(1)는, 그것을 이용자(A)(가상선으로 나타냄)에게 장비하여 동작시킨 상태로 도시하고 있다. 이 경우, 도시된 이용자(A)는 거의 직립 자세로 기립해 있다. 단, 도 2에서는, 보행 보조 장구(1)의 구조를 알기 쉽게 하기 위하여, 이용자(A)는 그 양다리를 좌우로 벌린 자세를 취하고 있다.

도 1 및 도 2를 참조하여, 보행 보조 장구(1)는 이용자(A)의 체중의 일부를 지지하는(이용자가 자신의 다리(입각)로 지지하는 중량을 자신의 체중보다도 경감함) 체중부하 감쇠 어시스트 장치이다. 이 보행 보조 장구(1)는 이용자(A)가 착좌하는 착좌부(2)와, 이 착좌부(2)에 좌우 1쌍의 다리 링크(3L, 3R)를 각각 통하여 연결된 좌우 1쌍의 족평 장착부(15L, 15R)를 구비하고 있다. 다리 링크(3L, 3R)는 서로 동일 구조이며, 족평 장착부(15L, 15R)는 서로 동일 구조이다. 또한, 도 1에서는, 다리 링크(3L, 3R)는 동일 자세로 이용자(A)의 좌우 방향(도 1의 지면에 수직한 방향)으로 늘어서 있어, 이 상태에서는, 도면 상, 겹쳐져 있다(좌측의 다리 링크(3L)가 도면의 앞쪽에 위치해 있음). 도 1의 족평 장착부(15L, 15R)에 대해서도 동일하다.

여기에서, 본 명세서의 실시형태의 설명에서는, 부호 「R」은 이용자(A)의 우측 다리 혹은 보행 보조 장구(1)의 우측의 다리 링크(3R)에 관련되는 것이라고 하는 의미로 사용하고, 부호 「L」은 이용자(A)의 좌측 다리 혹은 보행 보조 장구(1)의 좌측의 다리 링크(3L)에 관련되는 것이라고 하는 의미로 사용한다. 단, 좌우를 특별히 구별할 필요가 없을 때는, 부호 R, L을 종종 생략한다.

착좌부(2)는, 새들 형상의 것으로, 이용자(A)는 착좌부(2)를 걸터앉듯이 하여(착좌부(2)를 이용자(A)의 양 다리의 허벅지 윗부분 사이에 배치하도록 하여), 이 착좌부(2)의 상면(시트면)에 착좌 가능하게 되어 있다. 이 착좌 상태에서는 착좌부(2)는 이용자(A)의 가랑이 아래에서 이 이용자(A)의 체간부(상체)에 접촉한다. 이 때문에, 착좌부(2)로부터 이용자(A)에, 이 이용자(A)의 체중의 일부를 지지하기 위한 상향의 들어올리는 힘을 부여하는 것이 가능하게 되어 있다. 따라서, 착좌부(2)는 본 발명에서의 들어올리는 힘 전달부에 상당한다.

또, 착좌부(2)의 전단부(2f)와 후단부(2r)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 상방측으로 돌출되어 있다. 이것에 의해, 이용자(A)의 착좌부(2)에 대한 착좌위치(전후 방향의 위치)가 착좌부(2)의 전단부(2f)와 후단부(2r) 사이에 규제되게 되어 있다. 또한, 착좌부(2)의 전단부(2f)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 두 갈래 형상으로 형성되어 있다.

또, 착좌부(2)의 소정의 부위, 예를 들면, 하면부에는, 가속도 센서(80)가 장착되어 있다. 단, 이 가속도 센서(80)는 후술하는 제 2 실시형태에서 사용하는 것으로, 본 실시형태에서는 생략해도 된다.

보충하면, 본 실시형태에서는, 들어올리는 힘 전달부를 착좌부(2)에 의해 구성했지만, 들어올리는 힘 전달부를, 예를 들면, 이용자(A)의 체간부(상체)의 외주 주위에 고정적으로 장착되는 것과 같은 부재, 또는, 이용자(A)의 주요부에 입히도록 장착되는 부재(예를 들면, 복수의 천 모양 부재를 연결하여 구성된 부재)에 의해 구성해도 된다. 들어올리는 힘 전달부는 이용자(A)의 체간부와의 사이에서, 상하방향으로 힘(병진력)을 작용시킬 수 있도록 이용자(A)의 체간부에 접촉하는 부분을 구비하고 있으면 된다. 이용자(A)의 구속감을 경감함과 아울러, 들어올리는 힘을 효율적으로 이용자(A)의 체간부에 작용시키는 점에서는, 들어올리는 힘 전달부는 이용자(A)의 가랑이 아래나, 둔부에 아래쪽에서 접촉하는 부분을 갖고, 그 부분으로부터 들어올리는 힘의 전체 혹은 대부분을 이용자(A)의 체간부에 작용시킬 수 있는 구조인 것이 바람직하다.

각 다리 링크(3)는 각각 착좌부(2)의 하면부에 제 1 관절(10)을 통하여 연결된 대퇴 프레임(11)과, 이 대퇴 프레임(11)에 제 2 관절(12)을 통하여 연결된 하퇴 프레임(13)과, 이 하퇴 프레임(13)을 족평 장착부(15)에 연결하는 제 3 관절(14)을 구비하고 있다.

각 다리 링크(3)의 제 1 관절(10)은 이용자(A)의 고관절에 상당하는 관절이며, 이 다리 링크(3)의 좌우측 방향의 축 주위의 요동 운동(다리 링크(3)의 전후 방향의 흔들어 내밀기 운동)과, 전후 방향의 축 주위의 요동 운동(내전·외전 운동)을 가능하게 하는 관절이다. 이 제 1 관절(10)은 착좌부(2)의 하측에 배치되어 있다. 더욱 상세하게는, 제 1 관절(10)은 착좌부(2)의 하면부의 전방측 근처의 장소와 후단 개소에서 도 1의 1점 쇄선으로 나타내는 전후 방향의 축심(C) 상에 동축에 배치된 한 쌍의 축 핀(20f, 20r)과, 이 축 핀(20f, 20r)에 각각 회전 자유롭게 축지지된 브래킷(21f, 21r)과, 이들 브래킷(21f, 21r)의 하단부에 고정된 원호 형상의 가이드 레일(22)과, 이 가이드 레일(22)을 따라 이동 자유롭게 이 가이드 레일(22)에 지승된 플레이트(23)를 구비하고 있다. 그리고, 이 플레이트(23)로부터 비스듬히 전방 및 하방을 향하여 상기 대퇴 프레임(11)이 뻗어 설치되어 있다. 이 대퇴 프레임(11)은 대략 로드 형상의 부재로, 플레이트(23)와 일체로 구성되어 있다.

각 축 핀(20f, 20r)은, 각각의 양단부(전후 단부)가 착좌부(2)의 하면부에 고정된 베어링(24f, 24r)을 통하여 이 착좌부(2)에 고정되어 있다. 그리고, 브래킷(21f)은 그 상단부가 축 핀(20f)의 중간부의 외주에 끼워 맞추어져 이 축 핀(20f)에 축지지되고, 이 축 핀(20f)의 축심(C) 주위로 회전 자유롭게 되어 있다. 마찬가지로, 브래킷(21r)은 그 상단부가 축 핀(20r)의 중간부의 외주에 끼워맞추어져 이 축 핀(20r)에 축지지되고, 이 축 핀(20r)의 축심(C) 주위로 회전 자유롭게 되어 있다. 따라서, 각 제 1 관절(10)의 가이드 레일(22)은 브래킷(21f, 21r)과 함께, 축 핀(20f, 20r)의 축심(C)을 회전 축심으로 하여, 요동하게 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 다리 링크(3R, 3L)의 각각의 제 1 관절(10R, 10L)은 회전 축심(C)을 공통으로 하고 있다. 바꾸어 말하면, 축 핀(20f, 20r)을 다리 링크(3R)의 제 1 관절(10R)과 다리 링크(3L)의 제 1 관절(10L)에서 공용하고 있다. 즉, 우측의 제 1 관절(10R)의 브래킷(21fR) 및 좌측의 제 1 관절(10L)의 브래킷(21fL)은 모두 공통의 축 핀(20f)에 축지지되어 있다. 마찬가지로, 우측의 제 1 관절(10R)의 브래킷(21rR) 및 좌측의 제 1 관절(10L)의 브래킷(21rL)은 모두 공통의 축 핀(20r)에 축지지되어 있다.

각 다리 링크(3)의 제 1 관절(10)의 플레이트(23)는 가이드 레일(22)의 원호를 포함하는 면에 평행한 자세로 이 가이드 레일(22)에 근접하여 배치되어 있다. 이 플레이트(23)에는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 복수(예를 들면, 4개)의 회전 자유로운 롤러(25)를 갖는 캐리어(26)가 고정되어 있다. 그리고, 이 캐리어(26)의 롤러(25)가 가이드 레일(22)의 상면(내주면) 및 하면(외주면)에 동수씩 구를 수 있게 걸어 맞추어져 있다. 이것에 의해, 플레이트(23)는 가이드 레일(22)을 따라 이동 자유롭게 되어 있다. 이 경우, 가이드 레일(22)과 착좌부(2)의 위치관계 및 가이드 레일(22)의 원호의 반경은 가이드 레일(22)의 원호의 중심점(P)이 도 1에 도시하는 바와 같이 보행 보조 장구(1)를 시상면에서 보았을 때, 착좌부(2)의 상측에 존재하도록 설정되어 있다.

이상에서 설명한 제 1 관절(10)의 구성에 의해, 플레이트(23)와 일체의 대퇴 프레임(11)은 이용자(A)의 전후 방향의 회전축심(C)의 주위로 요동 자유롭게 하고, 이 요동 운동에 의해, 각 다리 링크(3)의 내전·외전 운동이 가능하게 된다. 또, 플레이트(23)와 일체의 대퇴 프레임(11)은 상기 중심점(P)을 통과하는 좌우방향의 축 주위로(보다 정확하게는 가이드 레일(22)의 원호를 포함하는 면에 수직이고 중심점(P)을 통과하는 축 주위로) 요동 자유롭게 하여, 이 요동 운동에 의해, 각 다리 링크(3)의 전후의 흔들어 내밀기 운동이 가능하게 된다. 또한, 본 실시형태에서는, 제 1 관절(10)은 전후방향 및 좌우방향의 2축 주위의 회전 운동을 가능하게 하는 관절이지만, 또한, 상하방향의 축 주위의 회전 운동(각 다리 링크(3)의 내선 (內旋)·외선(外旋) 운동)이 가능하게(즉, 3축 주위의 회전 운동이 가능하게) 제 1 관절을 구성해도 된다. 또는, 제 1 관절은 좌우방향의 1축 주위의 회전 운동만을 가능하게 하는 관절(각 다리 링크(3)의 전후의 요동 운동만을 가능하게 하는 관절)이어도 된다.

또, 각 다리 링크(3)의 제 1 관절(10)의 플레이트(23)는 도 1에 도시하는 바와 같이, 보행 보조 장구(1)를 시상면에서 보았을 때, 상기 캐리어(26)의 개소로부터 착좌부(2)의 후방측을 향하여 뻗어 있다. 그리고, 이 플레이트(23)의 후단부에는, 전동 모터(27)와, 이 전동 모터(27)의 로터의 회전각(소정의 기준위치로부터의 회전각)을 검출하는 회전각 검출 수단으로서의 로터리 인코더(28)가 동축에 부착되어 있다. 본 실시형태에서는, 각 다리 링크(3)의 제 1~제 3 관절(10, 12, 14) 중 제 2 관절(12)을 구동하도록 하고 있다. 그리고, 상기 전동 모터(27)는 제 2 관절(12)을 구동하는 액추에이터이다. 또, 로터리 인코더(28)가 검출하는 회전각은 제 2 관절(12)의 변위량으로서의 회전각(굴곡 각도)을 계측하기 위해서 이용된다.

또한, 좌측 다리 링크(3L)의 전동 모터(27L)와, 우측 다리 링크(3R)의 전동 모터(27R)는, 각각 본 발명에서의 좌측 다리 링크용 액추에이터, 우측 다리 링크용 액추에이터에 상당한다. 각 액추에이터는 유압 혹은 공압 액추에이터를 사용해도 된다. 또, 각 액추에이터는, 예를 들면, 착좌부(2)의 후방부에 적당한 브래킷을 통하여 고정하거나, 각 다리 링크(3)의 대퇴 프레임(11)에 고정해도 된다. 또는, 각 액추에이터를 각 다리 링크(3)의 제 2 관절(12)에 부착하고, 이 제 2 관절(12)을 직접적으로 구동하도록 해도 된다. 또, 제 2 관절(12)의 변위량을 검출하는 센 서(관절 변위량 센서)는 각 다리 링크(3)의 제 2 관절(12)에 직접적으로 부착되어 있어도 된다. 게다가, 관절 변위량 센서는 로터리 인코더 대신, 포텐셔미터 등에 의해 구성해도 된다.

각 다리 링크(3)의 제 2 관절(12)은 이용자(A)의 무릎관절에 상당하는 관절이며, 이 다리 링크(3)의 확산·굴곡 운동을 가능하게 하는 관절이다. 이 제 2 관절(12)은 대퇴 프레임(11)의 하단부와 하퇴 프레임(13)의 상단부를 좌우방향의 축심(보다 정확하게는, 상기 가이드 레일(22)의 원호를 포함하는 면에 수직한 방향의 축심)을 갖는 축 핀(29)을 통하여 연결되어 있다. 그리고, 제 2 관절(12)은 그 축 핀(29)의 축심 주위로 하퇴 프레임(13)을 대퇴 프레임(11)에 대하여 상대회전 자유롭게 하고 있다. 또한, 제 2 관절(12)에는, 대퇴 프레임(11)에 대한 하퇴 프레임(13)의 회전가능 범위를 규제하는 도시하지 않은 스토퍼가 설치되어 있다.

각 다리 링크(3)의 하퇴 프레임(13)은 이 다리 링크(3)의 제 2 관절(12)로부터 비스듬히 하방으로 뻗어 있는 대략 로드 형상이 것이다. 이 하퇴 프레임(13)은, 보다 상세하게는, 제 3 관절(14) 근처의 부분을 구성하는 하부 하퇴 프레임(13b)과, 이 하부 하퇴 프레임(13b)보다도 상측의 부분을 구성하는 로드 형상의 상부 하퇴 프레임(13a)을, 이것들 사이에 힘 센서(30)(이것은 본 발명에서의 제 2 힘 센서에 상당함)를 개재시켜 연결함으로써 구성되어 있다. 하부 하퇴 프레임(13b)은 상부 하퇴 프레임(13a)에 비해 충분히 짧은 것으로 하고 있다. 따라서, 힘 센서(30)는, 족평 장착부(15) 근처의 위치에서, 각 다리 링크(3)의 하퇴 프레임(13)에 개재되어 있다. 이 힘 센서(30)는 3축의 병진력(힘 센서(30)의 표면에 수직한 축방향의 병진력과 이 표면에 평행하고 또한 서로 직교하는 2개의 축방향의 병진력)을 검출하는 3축력 센서이다. 단, 본 실시형태에서는, 후술하는 바와 같이, 검출되는 3축의 병진력 중 2축의 병진력의 검출값만을 이용한다. 따라서, 힘 센서(30)를 2축의 병진력을 검출하는 2축력 센서로 구성해도 된다.

또, 하퇴 프레임(13)의 상부 하퇴 프레임(13a)의 상단부에는, 상기 제 2 관절(12)의 축 핀(29)의 주위로 이 하퇴 프레임(13)과 일체로 회전 자유로운 풀리(31)가 고정되어 있다. 이 풀리(31)의 외주부에는, 상기 전동 모터(27)의 회전구동력을 이 풀리(31)에 전달하는 구동력 전달 수단으로서의 1쌍의 와이어(32a, 32b)의 단부가 고정되어 있다. 이들 와이어(32a, 32b)는 풀리(31)의 외주부의 직경방향에 대향하는 2개소로부터 각각 이 풀리(31)의 접선방향으로 인출되어 있다. 그리고, 와이어(32a, 32b)는 대퇴 프레임(11)을 따라 배관된 도시하지 않은 고무관(와이어의 보호관) 속을 통과하여, 전동 모터(27)의 회전구동축(도시생략)에 연결되어 있다. 이 경우, 전동 모터(27)의 회전구동축의 정전에 의해 와이어(32a, 32b)의 일방이 풀리(31)에 권취되면서 타방이 풀리(31)로부터 인출되고, 또, 전동 모터(27)의 회전구동축의 역전에 의해 와이어(32a, 32b)의 타방이 풀리(31)에 권취되면서 일방이 풀리(31)로부터 인출되도록 이들 와이어(32a, 32b)에 전동 모터(27)로부터 장력이 부여되게 되어 있다. 이것에 의해, 전동 모터(27)의 회전구동력이 와이어(32a, 32b)를 통하여 풀리(31)에 전달되어, 이 풀리(31)가 회전구동되도록(이 풀리(31)를 고정한 하퇴 프레임(13)이 대퇴 프레임(11)에 대하여 제 2 관절(12)의 축 핀(29)의 축심 주위로 회전하도록) 되어 있다.

또한, 하퇴 프레임(13)의 하부 하퇴 프레임(13b)의 하단부는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 두 갈래 형상으로 형성된 두 갈래부(13bb)로 되어 있다.

각 다리 링크(3)의 제 3 관절(14)은 이용자(A)의 발목관절에 상당하는 관절이다. 이 제 3 관절(14)은, 본 실시형태에서는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 3축 주위의 회전을 가능하게 하는 프리 조인트(33)(도 3 참조)에 의해 구성되어 있다. 이 프리 조인트(33)가 하퇴 프레임(13)의 하부 하퇴 프레임(13b)의 상기 두 갈래부(13bb)에 개재되고, 이 하퇴 프레임(13)의 하단부(두 갈래부(13bb))와 족평 장착부(15)의 상부의 연결부(34)를 연결하고 있다. 이것에 의해, 족평 장착부(15)는 하퇴 프레임(13)에 대하여 3자유도의 회전이 가능하게 되어 있다.

각 족평 장착부(15)는 이용자(A)의 각 족평에 신기는 구두(35)와, 이 구두(35)의 내부에 수용되고 상단부가 상기 연결부(34)에 고정된 등자 형상의 환상 부재(36)를 구비하고 있다. 환상 부재(36)는 고강성의 금속 등에 의해 구성되어 있다. 그리고, 환상 부재(36)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 그 평탄한 바닥판부를 구두(35)의 내부의 바닥면에 맞닿게 하고, 또한 그 바닥판부의 양단에 이어지는 만곡부(측벽부)를 구두(35)의 측벽을 따르게 하여 구두(35)의 내부에 수용되어 있다. 또, 구두(35)의 내부에는, 구두(35)의 내부의 바닥면과 환상 부재(36)의 바닥판부를 덮도록 하여 중간 깔개 부재(37)(도 1에서는 도시 생략)가 삽입되어 있다. 또한, 연결부(34)는 구두(35)의 구두끈 장착부의 개구를 통하여 구두(35)의 내부에 삽입되어 있다.

이용자(A)의 각 족평에 각 다리 링크(3)의 족평 장착부(15)를 장착할 때에 는, 그 족평의 발끝측의 부분을 환상 부재(36)에 통과시키고, 또한, 이 족평의 바닥면에 상기 중간 깔개 부재(37)를 깔도록 하고, 구두(35)의 신기 입구로부터 이용자(A)의 족평을 구두(35)의 내부에 삽입한다. 또한 구두끈을 죔으로써 이 족평에 족평 장착부(15)가 장착되게 되어 있다.

또, 족평 장착부(15)의 중간 깔개 부재(37)의 하면에는, 구두(35)의 전방부측의 개소(환상 부재(36)의 바닥판부보다도 전방측의 개소)와 후방측의 개소(환상 부재(36)의 바닥판부보다도 후방측의 개소)에 힘 센서(38, 39)가 부착되어 있다. 따라서, 힘 센서(38, 39)는 이용자(A)의 족평의 바닥면과, 족평 장착부(15)의 접지부인 구두(35)의 바닥부 사이에 개재되어 있다. 전방측의 힘 센서(38)는 족평 장착부(15)를 장착한 이용자(A)의 족평의 MP 관절(중지절관절)의 거의 바로 아래에 존재하도록 배치되어 있다. 또, 후방측의 힘 센서(39)는 이 족평의 발뒤꿈치의 거의 바로 아래에 존재하도록 배치되어 있다. 이들 힘 센서(38, 39)는, 본 실시형태에서는, 족평 장착부(15)의 바닥면(접지면)에 수직한 방향(이용자(A)의 다리가 입각으로 되는 상태에서는 거의 바닥면에 수직한 방향)의 병진력을 검출하는 1축력 센서이다. 이후, 힘 센서(38, 39)를 각각 MP 센서(38), 발뒤꿈치 센서(39)로 한다. 또한, MP 센서(38), 발뒤꿈치 센서(39)는 그것들을 합쳐서 본 발명에서의 제 1 힘 센서를 구성한다.

보충하면, 중간 깔개 부재(37)는 유연한(가요성의) 재질로 구성해도 되지만, 고강성의 재질로 구성해도 된다. 중간 깔개 부재(37)를 유연한 재질로 구성한 경우에는, 그 하면측에 복수의 힘 센서를 설치함으로써, 이용자(A)의 족평의 바닥면 의 각 부에 걸리는 힘을 정밀도 좋게 검출할 수 있다. 한편, 중간 깔개 부재(37)를 고강성의 재질로 구성한 경우에는, 이용자(A)의 족평 전체에 의한 답력을 검출하기 쉬워지므로, 중간 깔개 부재(37)의 하면측에 설치하는 힘 센서의 개수를 줄일 수 있다.

또, 이용자(A)의 각 다리의 답력을 검출하기 위하여, 다음과 같은 구성을 각 족평 장착부(15)에 구비하도록 해도 된다. 즉, 예를 들면, 상기 환상 부재(36)의 내측에, 이용자(A)의 족평을 그 바닥면측으로부터 지탱할 수 있는 평판 형상의 족평 지탱 부재(예를 들면, 중간 깔개 부재(37)와 동일한 형상의 부재)를 배치한다. 또한, 이 족평 지탱 부재의 양측부 등으로부터 족평의 등의 상측으로 연장하여 설치한 암 부재를 환상 부재(36)의 내면 상단부에 힘 센서를 통하여 매단다. 이 경우, 족평 지탱 부재나 암 부재는 환상 부재(36)나 구두(35)의 내면에 접촉하지 않도록 해 둔다. 이렇게 하면, 힘 센서에는, 답력과 거의 동등한 힘이 작용하므로, 이 힘 센서의 출력을 기초로, 답력을 계측할 수 있다.

이상이 본 실시형태의 보행 보조 장구(1)의 기구적인 구조이다. 보충하면, 통상적인 체형의 이용자(A)가 직립 자세로 기립했을 때, 각 다리 링크(3)의 제 2 관절(12)이 도 1에 도시하는 바와 같이 이용자(A)의 다리보다도 전방으로 돌출하도록 되어 있다. 즉, 대퇴 프레임(11)의 길이와 하퇴 프레임(13)의 길이는 그것들의 길이의 합이 통상적인 체형의 이용자(A)의 다리의 가랑이 아래 치수보다도 다소 긴 것이 되도록 설정되어 있다. 이러한 대퇴 프레임(11) 및 하퇴 프레임(13)의 길이의 설정과, 상기의 제 2 관절(12)에 설치된 스토퍼에 의하여, 대퇴 프레임(11) 및 하퇴 프레임(13)이 일직선으로 되어버리는 특이점 상태나, 대퇴 프레임(11) 및 하퇴 프레임(13)이 도 1에 도시하는 상태와는 반대로 굴곡한 상태가 생기지 않도록 되어 있다. 이 결과, 각 다리 링크(3)의 특이점 상태나 역굴곡 상태에 기인하여, 보행 보조 장구(1)의 동작 제어가 불능으로 되어버리는 것이 방지된다.

또한, 각 다리 링크(3)의 제 2 관절은 직동형의 관절이어도 된다.

이상과 같이 구성된 보행 보조 장구(1)에서는, 상세한 것은 후술하지만, 이용자(A)의 각 다리의 족평에 족평 장착부(15)를 장착한 상태에서, 각 전동 모터(27)에 의해 각 제 2 관절(12)의 토크를 발생시킴으로써, 착좌부(2)로부터 이용자(A)에 상향의 들어올리는 힘을 작용시킨다. 이때, 각 족평 장착부(15, 15)의 바닥과의 접지면에 상반력(床反力)이 작용한다. 각 족평 장착부(15)의 접지면에 작용하는 상반력의 합력은 이용자(A)에 작용하는 중력과, 보행 보조 장구(1)에 작용하는 중력과, 이용자(A) 및 보행 보조 장구(1)의 운동에 의해 발생하는 관성력의 합과 균형을 이루는 것과 같은 힘, 즉, 이들 중력과 관성력에 저항하여 바닥으로부터 작용하는 반력이다. 또한, 이용자(A)에 작용하는 중력은, 이용자(A)의 착의(몸에 입고 있는 것)나 소지물을 포함한 이용자(A)의 전체 중량에 상당하는 중력(이 전체 중량과 중력 가속도 정수와의 적)을 의미한다. 또, 보행 보조 장구(1)에 작용하는 중력은, 후술하는 제어 장치를 포함한 보행 보조 장구(1)의 전체 중량에 상당하는 중력(이 전체 중량과 중력 가속도 정수의 적)을 의미한다.

상기한 바와 같이 중력이나 관성력에 저항하여 보행 보조 장구(1)나 이용자(A)에 바닥측으로부터 작용하는 반력을 본 명세서에서는 지지력이라고 한다. 그 리고, 각 족평 장착부(15)의 접지면에 작용하는 상반력의 합력을 이후, 전체 지지력이라고 한다. 또한, 「힘」은, 일반적으로는, 병진력 성분과 모멘트 성분으로 이루어지지만, 본 명세서에서는, 「힘」은 병진력을 의미한다.

보충하면, 상기 관성력은 이용자(A)가 거의 정지하고 있는 상태, 또는, 이용자(A)의 운동이 천천히 행해지고 있는 상태에서는, 충분히 작다. 이 경우에는, 전체 지지력은 이용자(A)에게 작용하는 중력과 보행 보조 장구(1)에 작용하는 중력의 합에 균형이 잡히는 힘(상하방향의 병진력)에 거의 일치한다.

여기에서, 본 실시형태의 보행 보조 장구(1)에서는, 그 양 족평 장착부(15, 15)만이 이용자(A)에 장착되어 구속되어 있다. 또, 각 족평 장착부(15)에는 상기 환상 부재(36)가 구비되어 있다. 이 때문에, 보행 보조 장구(1)에 작용하는 중력과, 이 보행 보조 장구(1)가 착좌부(2)를 통하여 이용자(A)로부터 받는 하중(하향의 병진력)과, 보행 보조 장구(1)에서 발생하는 관성력(보다 상세하게는 상하방향의 관성력)은 이용자(A)에게는 거의 작용하지 않고, 양다리 링크(3, 3)로부터 양 족평 장착부(15, 15)의 환상 부재(36, 36)를 경유하여 바닥면에 작용한다.

따라서, 보행 보조 장구(1)에는, 상기 전체 지지력 중, 보행 보조 장구(1)에 작용하는 중력과, 이 보행 보조 장구(1)가 착좌부(2)를 통하여 이용자(A)로부터 받는 하중과, 이 보행 보조 장구(1)에서 발생하는 상하방향의 관성력의 합에 저항하는 지지력이 바닥측으로부터 작용한다. 이 지지력은 상기 전체 지지력 중 보행 보조 장구(1)에서 부담하는 지지력을 의미한다. 이하, 이와 같이 보행 보조 장구(1)가 부담하는 지지력을 장구 부담 지지력이라고 한다.

이용자(A)의 양다리가 입각일 때(보행 보조 장구(1)의 양 족평 장착부(15, 15)가 접지해 있을 때)는, 상기 장구 부담 지지력을 좌측의 다리 링크(3L) 및 족평 장착부(15L)의 세트와, 우측의 다리 링크(3R) 및 족평 장착부(15R)의 세트로 분담하여 부담하게 된다. 즉, 장구 부담 지지력 중 일부의 지지력을 일방의 다리 링크(3)측에서 부담하고, 잔부의 지지력을 타방의 다리 링크(3)측에서 부담하게 된다. 또, 이용자(A)의 일방의 다리만이 입각일 때(타방의 다리가 미착지 다리(遊脚)일 때)에는, 상기 장구 부담 지지력 모두를 입각측의 다리 링크(3) 및 족평 장착부(15)의 세트에서 부담하게 된다. 이후, 장구 부담 지지력 중, 각 세트의 다리 링크(3) 및 족평 장착부(15)에서 부담하는 지지력을 다리 링크 지지력이라고 한다. 그리고, 우측의 다리 링크(3R) 및 족평 장착부(15R)의 세트에서 부담하는 지지력을 우측 다리 링크 지지력, 좌측의 다리 링크(3L) 및 족평 장착부(15R)의 세트에서 부담하는 지지력을 좌측 다리 링크 지지력이라고 한다. 좌측 다리 링크 지지력과 우측 다리 링크 지지력의 총합은 장구 부담 지지력과 일치한다.

또한, 상기 장구 부담 지지력 중, 보행 보조 장구(1)에 작용하는 중력과, 이 보행 보조 장구(1)에서 발생하는 상하방향의 관성력의 합에 저항하는 지지력, 즉, 착좌부(2)로부터 이용자(A)에 작용하는 들어올리는 힘을 상기 장구 부담 지지력으로부터 뺀 지지력이 본 발명에서의 장구 자중 보상력에 상당한다. 이 장구 자중 보상력은 보행 보조 장구(1) 자신의 중량에 기인하여, 보행 보조 장구(1)에 작용하는 지지력을 의미한다.

한편, 이용자(A)의 양다리에는, 상기 전체 지지력으로부터 상기 장구 부담 지지력을 뺀 분량의 지지력이 바닥면측으로부터 작용하고, 이 지지력을 이용자(A)가 그 다리에서 부담하게 된다. 이하, 이와 같이 이용자(A)가 부담하는 지지력을 이용자 부담 지지력이라고 한다. 또한, 이용자(A)의 양다리가 입각일 때는, 상기 이용자 부담 지지력을 이용자(A)의 양다리에서 분담하여 부담하게 된다. 즉, 이용자 부담 지지력 중 일부의 지지력을 일방의 다리에서 부담하고, 잔부의 지지력을 타방의 다리에서 부담하게 된다. 또, 이용자(A)의 일방의 다리만이 입각일 때에는, 상기 이용자 부담 지지력의 모두를 이 일방의 다리에서 부담하게 된다. 이후, 이용자 부담 지지력 중, 각 다리에서 부담하는 지지력(각 다리에 바닥측으로부터 작용하는 지지력)을 이용자 다리 지지력이라고 한다. 그리고, 우측 다리에서 부담하는 지지력을 이용자 우측 다리 지지력, 좌측 다리에서 부담하는 지지력을 이용자 좌측 다리 지지력이라고 한다. 이용자 좌측 다리 지지력과 이용자 우측 다리 지지력의 총합은 이용자 부담 지지력과 일치한다.

또, 이용자(A)가 자신을 떠받치기 위하여 각 다리의 족평을 바닥면측으로 내리누르는 힘을 이 다리의 답력이라고 한다. 각 다리의 답력은 상기 이용자 다리 지지력과 균형을 이루는 힘이다.

보충하면, 각 다리 링크(3)에 연결된 족평 장착부(15)의 접지상태에서, 이 다리 링크(3)에 구비한 힘 센서(30)에는, 이 다리 링크(3)에 관계되는 다리 링크 지지력으로부터, 이 다리 링크(3)의 힘 센서(30)의 하측의 부분(주로 족평 장착부(15))에 작용하는 중력에 저항하는 지지력을 뺀 지지력이 작용한다. 그리고, 그 작용하는 지지력의 3축방향의 성분(또는 2축방향의 성분)이 이 힘 센서(30)로 검출 된다. 단, 각 다리 링크(3)에 구비한 힘 센서(30)의 하측의 부분(주로 족평 장착부(15))의 중량은 보행 보조 장구(1)의 전체의 중량에 비해 충분히 작다. 이 때문에, 이 힘 센서(30)에 작용하는 힘은 상기 다리 링크 지지력과 거의 동일하다. 따라서, 각 다리 링크(3)의 힘 센서(30)는, 실질적으로는, 이 다리 링크(3)에 대응하는 다리 링크 지지력을 검출한다. 이후의 설명에서는, 힘 센서(30)를 지지력 센서(30)라고 한다. 또, 각 지지력 센서(30)에 작용하는 지지력의, 양다리 링크(3, 3)에 대한 총합을 총 들어올리는 힘≒장구 부담 지지력)이라고 한다. 또, 이 총 들어올리는 힘 중 각 다리 링크(3)의 부담분을 총 들어올리는 힘 부담분(≒다리 링크 지지력)이라고 한다.

또, 좌측 족평 장착부(15L)의 MP 센서(38L) 및 발뒤꿈치 센서(39L)에 작용하는 힘의 총합이 상기 이용자 좌측 다리 지지력(또는 좌측 다리의 답력)에 상당하고, 우측 족평 장착부(15R)의 MP 센서(38R) 및 발뒤꿈치 센서(39R)에 작용하는 힘의 총합이 상기 이용자 우측 다리 지지력(또는 우측 다리의 답력)에 상당한다. 또한, 본 실시형태에서는, MP 센서(38) 및 발뒤꿈치 센서(39)를 1축력 센서로 했지만, 예를 들면, 구두(33)의 바닥면에 거의 평행한 방향의 병진력도 검출하는 2축력 센서, 혹은 3축력 센서이어도 된다. MP 센서(38) 및 발뒤꿈치 센서(39)는 적어도 구두(33)의 밑바닥면 또는 바닥면에 거의 수직한 방향의 병진력을 검출할 수 있는 센서인 것이 바람직하다.

또한, 본 실시형태에서는, 보행 보조 장구(1)에 작용하는 중력과, 이 보행 보조 장구(1)가 착좌부(2)를 통하여 이용자(A)로부터 받는 하중(하향의 병진력)과, 보행 보조 장구(1)에서 발생하는 관성력(보다 상세하게는 상하방향의 관성력)을 이용자(A)에게 거의 작용시키지 않고 바닥면에 작용시키도록 하기 위하여, 환상 부재(36)를 사용했지만, 예를 들면 이 환상 부재(36)의 양측부(만곡부)의 일방을 생략한 부재를 사용해도 된다.

다음에, 상기한 바와 같이 구성된 보행 보조 장구(1)의 동작(전동 모터(27R, 27L)의 동작)을 제어하는 제어 장치를 설명한다.

도 4는 이 제어 장치(50)의 구성(하드 구성)을 개략적으로 나타내는 블럭도이다. 도시한 바와 같이, 제어 장치(50)는 마이크로 컴퓨터(CPU, RAM, ROM) 및 입출력회로(A/D 변환기 등)에 의해 구성된 연산처리부(51)와, 상기 전동 모터(27R, 27L)의 각각의 드라이브 회로(52R, 52L)와, 보행 보조 장구(1)에 의한 이용자(A)의 들어올리는 힘(착좌부(2)로부터 이용자(A)에게 작용시키는 상향의 병진력)의 크기의 목표값을 설정하기 위한 들어올리는 힘 설정용 키 스위치(53)와, 이용자(A)의 들어올리는 힘을 발생시킬지 아닐지를 선택하는 들어올림 제어 ON·OFF 스위치(54)과, 전원전지(55)와, 이 전원전지(55)에 전원 스위치(56)(ON·OFF 스위치)를 통하여 접속되고, 전원 스위치(56)가 ON 조작(폐성(閉成))되었을 때에 전원전지(55)로부터 제어 장치(50)의 각 회로(51, 52R, 52L)에 전원전력을 공급하는 전원회로(57)를 구비하고 있다.

이 제어 장치(50)는 착좌부(2)의 후단부 또는 상기 플레이트(23R, 23L) 등에 브래킷(도시 생략)을 통하여 고정되어 있다. 또, 들어올리는 힘 설정용 키 스위치(53), 들어올림 제어 ON·OFF 스위치(54) 및 전원 스위치(56)는 제어 장치(50)의 케이싱(도시 생략)의 외면부에 조작 가능하게 장착되어 있다. 또한, 들어올리는 힘 설정용 키 스위치(53)는 들어올리는 힘의 원하는 목표값을 직접적으로 설정하고, 또는, 미리 준비된 복수 종류의 목표값으로부터 선택적으로 설정할 수 있도록, 텐·키 스위치 또는 복수의 선택 스위치 등에 의해 구성되어 있다.

제어 장치(50)에는, 도시를 생략하는 접속선을 통하여 상기 MP 센서(38R, 38L), 발뒤꿈치 센서(39R, 39L), 지지력 센서(30R, 30L), 로터리 인코더(28R, 28L)가 접속되어 있다. 그리고, 이들 센서의 출력신호가 연산처리부(51)에 입력된다. 또, 연산처리부(51)에는, 들어올리는 힘 설정용 키 스위치(53) 및 들어올림 제어 ON·OFF 스위치(54)의 조작신호(그들 스위치의 조작상태를 나타내는 신호)도 입력된다. 또, 제어 장치(50)에는, 상기 드라이브 회로(52R, 52L)로부터 각각 전동 모터(27R, 27L)에 전류를 흘리기 위해 도시하지 않은 접속선을 통하여 이 전동 모터(27R, 27L)에 접속되어 있다. 그리고, 연산처리부(51)는 후술하는 연산처리(제어처리)에 의해, 각 전동 모터(27R, 27L)의 통전 전류의 지령값(이하, 지시전류값이라고 함)을 결정한다. 그리고, 연산처리부(51)는 이 지시전류값으로 각 드라이브 회로(52R, 52L)를 제어함으로써 각 전동 모터(27R, 27L)의 발생 토크(구동력)를 제어하도록 하고 있다.

또한, 상기 MP 센서(38R, 38L), 발뒤꿈치 센서(39R, 39L), 지지력 센서(30R, 30L)의 출력신호(전압신호)는 이들 센서의 근처에서 프리 앰프에 의해 증폭한 후에 제어 장치(50)에 입력하도록 해도 된다. 또, 상기 MP 센서(38R, 38L), 발뒤꿈치 센서(39R, 39L), 지지력 센서(30R, 30L)의 출력신호는 증폭된 후, 그 전압값이 A/D 변환되어 연산처리부(51)에 받아들여진다.

상기 연산처리부(51)는, 그 주요 기능적 수단으로서, 도 5의 블럭도에서 나타내는 바와 같은 기능적 수단을 구비하고 있다. 이 기능적 수단은 ROM에 저장된 프로그램에 의해 실현되는 기능이다.

도 5를 참조하여, 연산처리부(51)는 우측 다리 링크(3R)의 MP 센서(38R) 및 발뒤꿈치 센서(39R)의 출력신호가 입력되는 우측 답력 계측처리 수단(60R)과, 좌측 다리 링크(3L)의 MP 센서(38L) 및 발뒤꿈치 센서(39L)의 출력신호가 입력되는 좌측 답력 계측처리 수단(60L)을 구비하고 있다. 우측 답력 계측처리 수단(60R)은 MP 센서(38R) 및 발뒤꿈치 센서(39R)의 출력신호의 전압값으로부터, 이용자(A)의 우측 다리의 답력의 크기(상기 이용자 우측 다리 지지력의 크기)를 계측하는 처리를 행하는 수단이다. 마찬가지로, 좌측 답력 계측처리 수단(60L)은, MP 센서(38L) 및 발뒤꿈치 센서(39L)의 출력신호의 전압값으로부터, 이용자(A)의 좌측 다리의 답력의 크기(상기 이용자 좌측 다리 지지력의 크기)를 계측하는 처리를 행하는 수단이다. 또한, 이들 답력 계측처리 수단(60R, 60L)은 본 발명에서의 답력 계측 수단에 상당하는 것이다.

또, 연산처리부(51)는 로터리 인코더(28R, 28L)의 출력신호(펄스신호)가 각각 입력되는 우측 무릎각도 계측처리 수단(61R) 및 좌측 무릎각도 계측처리 수단(61L)을 구비하고 있다. 이들 무릎각도 계측처리 수단(61R, 61L)은 입력된 신호로부터, 각각에 대응하는 다리 링크(3)의 제 2 관절(12)에서의 굴곡각도(제 2 관절(12)의 변위량)를 계측하는 수단이다. 또한, 각 다리 링크(3)의 제 2 관절(12) 은 이 다리 링크(3)의 무릎관절에 상당하는 것이므로, 이하, 제 2 관절(12)에서의 굴곡각도를 무릎각도라고 한다. 또, 이들 무릎각도 계측처리 수단(61R, 61L)은 본 발명에서의 관절 변위량 계측 수단에 상당하는 것이다.

또, 연산처리부(51)는 우측 다리 링크(3R)의 지지력 센서(30R)의 출력신호와 상기 우측 무릎각도 계측처리 수단(61R)에 의해 계측된 우측 다리 링크(3R)의 무릎각도가 입력되는 우측 지지력 계측처리 수단(62R)과, 좌측 다리 링크(3L)의 지지력 센서(30L)의 출력신호와 상기 좌측 무릎각도 계측처리 수단(61L)에 의해 계측된 좌측 다리 링크(3L)의 무릎각도가 입력되는 좌측 지지력 계측처리 수단(62L)을 구비하고 있다. 우측 지지력 계측처리 수단(62R)은 입력된 지지력 센서(30R)의 출력신호 및 우측 다리 링크(3R)의 무릎각도의 계측값을 기초로, 상기 우측 다리 링크 지지력 중 지지력 센서(30R)에 작용하는 지지력, 즉 우측 다리 링크(3R)의 상기 총 들어올리는 힘 부담분을 계측하는 처리를 행하는 수단이다. 마찬가지로, 좌측 지지력 계측처리 수단(62L)은 입력된 지지력 센서(30L)의 출력신호 및 좌측 다리 링크(3L)의 무릎각도의 계측값을 기초로, 상기 좌측 다리 링크 지지력 중 지지력 센서(30L)에 작용하는 지지력, 즉 좌측 다리 링크(3L)의 상기 총 들어올리는 힘 부담분을 계측하는 처리를 행하는 수단이다. 또한, 이들 지지력 계측처리 수단(62R, 62L)은 본 발명에서의 제어대상력 계측 수단에 상당하는 것이다.

또, 연산처리부(51)는 상기 각 계측처리 수단(60R, 60L, 61R, 60L, 62R, 62L)의 계측값과, 상기 들어올리는 힘 설정용 키 스위치(53) 및 들어올림 제어 ON·OFF 스위치(54)의 조작신호가 입력되는 좌우 목표 부담분 결정 수단(63)을 구비 하고 있다. 이 좌우 목표 부담분 결정 수단(63)은, 입력값을 기초로, 상기 총 들어올리는 힘(장구 부담 지지력)의 목표값인 목표 총 들어올리는 힘을 결정함과 아울러, 그 목표 총 들어올리는 힘에 대한 각 다리 링크(3)의 부담분의 목표값, 즉 각 다리 링크(3)의 상기 총 들어올리는 힘 부담분의 목표값(이하, 단지 제어 목표값이라고 함)을 결정하는 처리를 행하는 수단이다. 또한, 이 제어 목표값은 본 발명에서의 목표 부담분에 상당한다. 또한, 좌우 목표 부담분 결정 수단(63)은 본 발명에서의 목표 총 들어올리는 힘 결정 수단으로서의 기능과 분배 수단으로서의 기능과 장구 자중 보상력 추정 수단으로서의 기능을 함께 갖는다.

또한, 연산처리부(51)는 상기 우측 지지력 계측처리 수단(62R)에서 계측된 우측 다리 링크(3R)의 총 들어올리는 힘 부담분과 상기 좌우 목표 부담분 결정 수단(63)에서 결정된 우측 다리 링크(3R)의 제어 목표값과 상기 우측 무릎각도 계측처리 수단(61R)에서 계측된 우측 다리 링크(3R)의 무릎각도가 입력되는 우측 피드백 조작량 결정 수단(64R)과, 상기 좌측 지지력 계측처리 수단(62L)에서 계측된 좌측 다리 링크(3L)의 총 들어올리는 힘 부담분과 상기 좌우 목표 들어올리는 힘 결정 수단(63)에서 결정된 좌측 다리 링크(3L)의 제어 목표값과 상기 좌측 무릎각도 계측처리 수단(61L)에서 계측된 좌측 다리 링크(3L)의 무릎각도가 입력되는 좌측 피드백 조작량 결정 수단(64L)과, 상기 우측 지지력 계측처리 수단(62R)에서 계측된 우측 다리 링크(3R)의 총 들어올리는 힘 부담분과 상기 좌우 목표 부담분 결정 수단(63)에서 결정된 우측 다리 링크(3R)의 제어 목표값과 상기 우측 무릎각도 계측처리 수단(61R)에 의해 계측된 우측 다리 링크(3R)의 무릎각도가 입력되는 우측 피드포워드 조작량 결정 수단(65R)과, 상기 좌측 지지력 계측처리 수단(62L)에서 계측된 좌측 다리 링크(3L)의 총 들어올리는 힘 부담분과 상기 좌우 목표 부담분 결정 수단(63)에서 결정된 좌측 다리 링크(3L)의 제어 목표값과 상기 좌측 무릎각도 계측처리 수단(61L)에 의해 계측된 좌측 다리 링크(3L)의 무릎각도가 입력되는 좌측 피드포워드 조작량 결정 수단(65L)을 구비하고 있다. 각 피드백 조작량 결정 수단(64)은 입력된 총 들어올리는 힘 부담분의 계측값과 제어 목표값의 편차로부터 소정의 피드백 제어칙에 의해 이 편차를 0에 수렴시키도록 피드백 조작량(각 전동 모터(27)에 대한 상기 지시전류값의 피드백 성분)을 산출하는 수단이다. 또, 각 피드포워드 조작량 결정 수단(65)은 입력된 총 들어올리는 힘 부담분의 계측값과 제어 목표값과 무릎각도의 계측값으로부터 소정의 피드포워드 제어칙에 의해 총 들어올리는 힘 부담분의 계측값을 제어 목표값으로 하기 위한 피드포워드 조작량(각 전동 모터(27)에 대한 상기 지시전류값의 피드포워드 성분)을 산출하는 수단이다.

그리고, 연산처리부(51)는 우측 피드백 조작량 결정 수단(64R)에서 산출된 피드백 조작량과 우측 피드포워드 조작량 결정 수단(65R)에서 산출된 피드포워드 조작량을 가산(피드포워드 조작량을 피드백 조작량에 의해 보정)함으로써 우측 다리 링크(3R)의 전동 모터(27R)용의 지시전류값을 구하는 가산처리 수단(66R)과, 좌측 피드백 조작량 결정 수단(64L)에서 산출된 피드백 조작량과 좌측 피드포워드 조작량 결정 수단(65L)에서 산출된 피드포워드 조작량을 가산(피드포워드 조작량을 피드백 조작량에 의해 보정)함으로써 좌측 다리 링크(3L)의 전동 모터(27L)용의 지시전류값을 구하는 가산 처리 수단(66L)을 구비하고 있다.

또한, 상기 피드백 조작량 결정 수단(64R, 64L), 피드포워드 조작량 결정 수단(65R, 65L), 및 가산 처리 수단(66R, 66L)은 본 발명에서의 액추에이터 제어 수단에 상당하는 것이다.

이상이 연산처리부(51)의 연산처리 기능의 개략이다.

또한, 도 4 및 도 5에 도시한 가속도 센서(80)와 이것에 대응하는 파선 화살표는 후술하는 제 2 실시형태에 관한 것으로, 본 실시형태에서는 불필요하다.

다음에, 연산처리부(51)의 처리의 상세 설명을 포함하여, 본 실시형태의 제어 장치(50)의 제어처리를 설명한다. 본 실시형태의 보행 보조 장구(1)에서는, 상기 전원 스위치(56)를 OFF로 한 상태에서는, 각 다리 링크(3)의 제 2 관절(12)에 구동력이 부여되지 않는다. 이 때문에, 각 관절(10, 12, 14)이 자유롭게 움직일 수 있는 상태로 되어 있다. 이 상태에서는, 각 다리 링크(3)는 자중에 의해 접혀져 있다. 이 상태에서, 이용자(A)의 각 족평에 각 족평 장착부(15)를 장착한 후에, 이 이용자(A) 혹은 시중드는 보조자가, 착좌부(2)를 들어올리고, 이용자(A)의 가랑이 아래에 배치한다.

이어서, 전원 스위치(56)를 ON 조작하면, 제어 장치(50)의 각 회로에 전원전력이 공급되고, 이 제어 장치(50)가 기동한다. 그리고, 이 상태에서 상기 들어올림 제어 ON·OFF 스위치(54)를 ON 조작하면, 상기 연산처리부(51)가 소정의 제어처리 주기에서, 이하에 설명하는 처리를 실행한다.

각 제어처리 주기에서, 연산처리부(51)는, 우선, 상기 답력 계측처리 수단(60R, 60L)의 처리를 실행한다. 이 처리를 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은 답력 계측처리 수단(60R, 60L)의 처리의 흐름을 나타내는 블럭도이다. 또한, 답력 계측처리 수단(60R, 60L)의 각각의 처리의 알고리즘은 동일하므로, 도 6에서는 좌측 답력 계측처리 수단(60L)에 관한 것에 대해서는, 괄호쓰기로 나타내고 있다.

우측 답력 계측처리 수단(60R)의 처리에 대하여 대표적으로 설명하면 우선, 다리 링크(3R)의 MP 센서(38R)의 검출값(MP 센서(38R)의 출력전압값이 나타내는 힘의 검출값)와, 발뒤꿈치 센서(39R)의 검출값(발뒤꿈치 센서(39R)의 출력전압이 나타내는 힘의 검출값)이 각각 S101, S102에서 로 패스 필터에 통과시켜진다. 로 패스 필터는 이들 센서(38R, 39R)의 검출값으로부터 노이즈 등의 고주파 성분을 제거하는 것이다. 그 로 패스 필터의 컷오프 주파수는 예를 들면 100Hz이다.

이어서, 이들 로 패스 필터의 출력이 S103에서 가산된다. 이것에 의해, 이용자(A)의 우측 다리의 답력의 잠정 계측값(FRF_p_R)이 얻어진다. 이 잠정 계측값(FRF_p_R)에는, 우측 족평 장착부(15R)의 신발끈의 죔 등에 따른 오차분이 포함된다.

그래서, 본 실시형태에서는, 또한 S104에서, 이 잠정 계측값(FRF_p_R)에 변환처리를 시행한다. 이것에 의해, 최종적으로 이용자(A)의 우측 다리의 답력의 계측값(FRF_R)을 얻는다. S104의 변환처리는, 도 7에 도시하는 테이블을 따라 행해진다. 즉, FRF_p_R가 소정의 제 1 임계값(FRF1) 이하일 때에는, 계측값(FRF_R)이 0으로 된다. 이것에 의해, 족평 장착부(15R)의 신발끈의 죔 등에 따른 미소한 오차분이 계측값(FRF_R)으로서 얻어지는 것이 방지된다. 그리고, 잠정 계측값(FRF_p_R)이 제 1 임계값(FRF1)보다도 크고, 제 2 임계값(FRF2)(>FRF1) 이하일 경우에는, FRF_p_R의 값의 증가에 따라, 계측값(FRF_R)의 값이 선형적으로 증가시켜진다. 그리고, FRF_p_R이 제 2 임계값(FRF2)을 초과하면, FRF_R의 값이 소정의 상한값(FRF_p_R이 제 2 임계값(FRF2)과 동일할 때의 FRF_R의 값)에 유지된다. 또한, FRF_R의 상한값을 설정하는 이유는 후술한다.

이상이, 우측 답력 계측처리 수단(60R)의 처리이다. 좌측 답력 계측처리 수단(60L)의 처리도 동일하다.

연산처리부(51)는 다음에 상기 무릎각도 계측처리 수단(61R, 61L)의 처리와, 지지력 계측처리 수단(62R, 62L)의 처리를 차례로 행한다. 이들 처리를 도 8 및 도 9를 참조하여 이하에 설명한다. 도 8은 무릎각도 계측처리 수단(61R, 61L)의 처리 및 지지력 계측처리 수단(62R, 62L)의 처리의 흐름을 나타내는 블럭도이다. 또한, 무릎각도 계측처리 수단(61R, 61L)의 각각 처리의 알고리즘은 동일하다. 또, 지지력 계측처리 수단(62R, 62L)의 각각의 처리의 알고리즘은 동일하다. 그래서, 도 8에서는 좌측 무릎각도 계측처리 수단(61L) 및 좌측 지지력 계측처리 수단(62L)에 관한 것에 대해서는, 괄호쓰기로 나타내고 있다.

우측 무릎각도 계측처리 수단(61R) 및 우측 지지력 산출 수단(62R)의 처리를 이하에 대표적으로 설명한다. 우선, 우측 무릎각도 계측처리 수단(61R)에 의해, S201 및 S202의 처리가 실행되고, 우측 다리 링크(3R)의 무릎각도(제 2 관절(12R)에서의 다리 링크(3R)의 굴곡각도)의 계측값(θ1_R)이 얻어진다. S201에서는, 로터리 인코더(28R)의 출력으로부터, 다리 링크(3R)의 무릎각도의 잠정 계측값(θ1p_R)이 산출된다.

여기에서, 도 9를 참조하여, 본 실시형태에서는, 다리 링크(3R)의 제 1 관절(10R)에 따르는 상기 중심점(P)(대퇴 프레임(11R)의 전후 방향의 요동 운동의 회전 중심이 되는 점 P. 이하, 전후 요동 중심점(P)이라고 함)과 제 2 관절(12R)의 중심점을 연결하는 선분 S1과, 이 제 2 관절(12R)의 중심점과 제 3 관절(14R)의 중심점을 연결하는 선분 S2가 이루는 각도(θ1_R)가 우측 다리 링크(3R)의 무릎각도로서 계측된다. 좌측 다리 링크(3L)의 무릎각도에 대해서도 마찬가지이다. 또한, 도 9에서는, 다리 링크(3)의 주요부 구성을 모식화하여 도시하고 있다.

이 경우, 상기 S201에서는, 다리 링크(3R)의 대퇴 프레임(11R)과 하퇴 프레임(13R)이 소정의 자세관계로 되어 있는 상태(예를 들면, 도 1의 자세상태), 즉, 무릎각도(θ1_R)가 어떤 소정값으로 되어 있는 상태에서의 제 2 관절(12R)의 회전위치를 기준으로 한다. 그리고, 이 기준 회전위치로부터의 회전량(회전각 변화량. 이것은 전동 모터(27R)의 로터의 회전량에 비례함)이 로터리 인코더(28R)의 출력신호로부터 계측된다. 그리고, 이 계측한 제 2 관절(12R)의 회전량을 상기 기준 회전위치에서의 다리 링크(3R)의 무릎각도의 값(이것은 미리 도시하지 않은 메모리에 기억 유지됨)에 가산하여 이루어지는 값이 상기 잠정 계측값(θ1p_R)으로서 구해진다.

이 잠정 계측값(θ1p_R)에는 고주파의 노이즈 성분이 포함되는 경우가 있다. 그래서, 또한 S202에서, 이 θ1p_R를 로 패스 필터에 통과시킴으로써 최종적으로 다리 링크(3R)의 무릎각도의 계측값(θ1_R)이 얻어진다.

이상이, 우측 무릎각도 계측처리 수단(61R)의 처리이다. 좌측 무릎각도 계 측처리 수단(61L)의 처리도 마찬가지이다.

보충하면, 본 실시형태에서, 상기 선분 S1, S2가 이루는 각도(θ1)를 다리 링크(3)의 무릎각도로서 계측하는 이유는 그 각도(θ1)의 계측값을 상세를 후술하는 좌우 목표 부담분 결정 수단(63)의 처리 등에서 사용하기 때문이다.

단, 본 실시형태의 보행 보조 장구(1)에서는, 각 다리 링크(3)의 대퇴 프레임(11)의 축심과 상기 선분 S1이 이루는 각도는 일정하게 된다. 따라서, 각 무릎각도 계측처리 수단(61)에서는, 예를 들면, 다리 링크(3)의 대퇴 프레임(11)의 축심과 하퇴 프레임(13)에 관계되는 상기 선분 S2가 이루는 각도를 이 다리 링크(3)의 무릎각도로서 구하도록 해도 된다. 그리고, 후술하는 좌우 목표 부담분 결정 수단(63)의 처리 등에서, 그 무릎각도로부터 상기 각도(θ1)를 구하도록 해도 된다.

상기한 바와 같이 다리 링크(3R)의 무릎각도의 계측값(θ1_R)이 구해진 후, S203에서, 우측 지지력 계측처리 수단(62R)의 처리가 실행된다. 이 처리에서는, S202에서 얻어진 무릎각도의 계측값(θ1_R)과, 지지력 센서(30R)의 검출값(지지력 센서(30R)의 출력신호의 전압값이 나타내는 2축의 힘의 검출값)으로부터, 이 지지력 센서(30R)에 작용하는 지지력(즉 다리 링크(3R)의 상기 총 들어올리는 힘 부담분)의 계측값(Fankle_R)이 산출된다. 이 처리의 상세를 상기 도 9를 참조하여 설명한다.

다리 링크(3R)의 지지력 센서(30R)에 작용하는 지지력(총 들어올리는 힘 부담분)(Fankle_R)은 다리 링크(3R)의 제 3 관절(14R)로부터 하퇴 프레임(13R)에 작 용하는 병진력과 거의 동일하다. 그리고, 그 병진력의 방향, 나아가서는, Fankle_R의 방향은, 본 실시형태의 보행 보조 장구(1)에서는, 다리 링크(3R)의 제 3 관절(14)의 중심점과 상기 전후 요동 중심점(P)을 연결하는 선분 S3에 평행한 방향으로 된다.

한편, 지지력 센서(30R)는, 도시한 바와 같이, 이 지지력 센서(30R)의 표면(상면 또는 하면)에 수직한 z축방향의 힘(Fz)과, 이 z축에 수직이고 지지력 센서(30R)의 표면에 평행한 x축 방향의 힘(Fx)을 검출한다. x축, z축은 지지력 센서(30R)에 고정된 좌표축으로, 상기 가이드 레일(22)의 원호를 포함하는 면에 평행한 축이다. 이때, 검출되는 Fz, Fx는 각각 Fankle_R의 z축방향 성분, x축 방향성분이다. 따라서, 도시한 바와 같이, Fankle_R과 z축이 이루는 각도를 θk로 하면, Fankle_R은 Fz, Fx의 검출값과, θk로부터 다음 식(1)에 의해 산출할 수 있다.

Fankle_R=Fx·sinθk+Fz·cosθk ……(1)

또, 각도(θk)는 다음과 같이 구해진다. 즉, 선분 S2와 선분 S3이 이루는 각도(=Fankle의 방향과 선분 S2가 이루는 각도)를 θ2로 하면, 선분 S1, S2, S3을 3변으로 하는 삼각형에서의 선분 S1, S2의 각각의 길이 L1, L2는 일정값(미리 정해진 기지의 값)이다. 그리고, 선분 S1, S2이 이루는 각도(θ1)는 우측 무릎각도 계측처리 수단(61R)에서 상기한 바와 같이 얻어진 계측값(θ1_R)이다. 따라서, 선분 S1, S2의 각각의 길이 L1, L2(이들의 값은 미리 메모리에 기억 유지됨)와 각도(θ1)의 계측값(θ1_R)으로부터 기하학적인 연산에 의해, 각도(θ2)가 구해진다.

구체적으로는, 선분 S1, S2, S3을 3변으로 하는 삼각형에서, 다음 식(2), (3)의 관계식이 성립된다. 또한, L3은 선분 S3의 길이이다.

L3²=L1²+L2²-2·L1·L2·cosθ1 ……(2)

L1²=L2²+L3²-2·L2·L3·cosθ2 ……(3)

따라서, L1, L2의 값과, 각도(θ1)의 계측값으로부터 식(2)에 의해, L3을 산출할 수 있다. 그리고, 그 산출한 L3의 값과, L1, L2의 값으로부터 식(3)에 의해, 각도(θ2)를 산출할 수 있다.

또한, z축과 선분 S2가 이루는 각도를 θ3로 하면, 이 각도(θ3)는 지지력 센서(30)의 하퇴 프레임(13)에 대한 설치 각도에 의해 미리 정해지는 일정값이다. 그리고, 이 일정값의 각도(θ3)(이 값은 미리 도시하지 않은 메모리에 기억 유지되어 있음)로부터, 상기한 바와 같이 산출된 각도(θ2)를 감산함으로써 식(1)의 연산에 필요한 각도(θk)의 값이 구해진다.

따라서, 본 실시형태에서는, 우측 지지력 계측처리 수단(62R)의 S203의 처리에서는, 상기한 바와 같이 산출한 θk와 다리 링크(3R)의 지지력 센서(30)의 검출값(Fx, Fz)으로부터 상기 식(1)에 의해, 우측 다리 링크(3R)의 총 들어올리는 힘 부담분의 계측값(Fankle_R)이 얻어진다.

이상이 우측 지지력 계측처리 수단(62R)의 S203의 처리의 상세이다. 좌측 지지력 계측 수단(62L)의 처리도 동일하다.

또한, 본 실시형태에서는, 지지력 센서(30)를 3축력 센서 또는 2축력 센서로 하고, 상기 식(1)에 의해, 각 다리 링크(3)의 총 들어올리는 힘 부담분의 계측 값(Fankle)을 얻도록 했다. 단, 지지력 센서(30)가 1축력 센서이어도, 계측값(Fankle)을 얻는 것이 가능하다. 예를 들면, 지지력 센서(30)가 도 9의 x축방향의 힘(Fx)만을 검출하는 센서인 경우에는, 다음 식(4)에 의해 계측값(Fankle)을 구할 수 있다. 또, 지지력 센서(30)가 도 9의 z축방향의 힘(Fz)만을 검출하는 센서일 경우에는, 다음 식(5)에 의해 계측값(Fankle)을 구할 수 있다.

Fankle=Fx/sinθk ……(4)

Fankle=Fz/cosθk ……(5)

단, 이들 식(4) 또는 (5)를 사용하는 경우에는, 각도(θk)가 0도 또는 90도에 가까운 값이 되면, Fankle의 값의 정밀도가 나빠진다. 따라서, 상기 식(1)에 의해 Fankle의 계측값을 얻는 것이 바람직하다.

또, 계측값(Fankle)은 Fx의 2승값과 Fz의 2승값의 합의 평방근을 구함으로써 얻도록 해도 된다. 이 경우에는, 무릎각도의 계측값(θ1)은 불필요하다.

보충하면, 이상에서 설명한 각 계측처리 수단(60, 61, 62)의 처리는 반드시 순서대로 행할 필요는 없다. 예를 들면, 각 계측처리 수단(60, 61, 62)의 처리를 시분할 등에 의해 병렬적으로 행하도록 해도 된다. 단, 지지력 계측처리 수단(62R, 62L)의 처리에서 θ1을 사용하는 경우에는, 지지력 계측처리 수단(62R, 62L)의 처리보다도 무릎각도 계측처리 수단(61R, 61L)의 처리를 먼저 행할 필요가 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 각 다리 링크(3)의 총 들어올리는 힘 부담분을 계측하기 위한 지지력 센서(30)를, 제 3 관절(14)과 하퇴 프레임(13)(보다 정확하게 는 상부 하퇴 프레임(13a)) 사이에 개재시키도록 했다. 단, 이 지지력 센서를 제 3 관절(14)과 족평 장착부(15) 사이(예를 들면, 제 3 관절(14)과 족평 장착부(15)의 연결부(34) 사이)에 개재시켜도 된다. 이 경우에는, 제 3 관절(14)의 회전각을 계측하고, 제 3 관절(14)과 족평 장착부(15) 사이의 지지력 센서에서 검출된 지지력을 좌표변환함으로써, 제 3 관절(14)로부터 하퇴 프레임(13)에 작용하는 지지력을 계측할 수 있다.

이어서, 연산처리부(51)는 상기 좌우 목표 부담분 결정 수단(63)의 처리를 실행한다. 이 처리를 도 10을 참조하여 이하에 상세히 설명한다. 도 10은 좌우 목표 부담분 결정 수단(63)의 처리의 흐름을 나타내는 블럭도이다.

S301에서, 상기 키 스위치(53)의 조작에 의한 들어올리는 힘의 설정값이 로 패스 필터에 통과시켜진다. 이 로 패스 필터의 컷오프 차단 주파수는 예를 들면 0.5Hz이다. 이것에 의해, 착좌부(2)로부터 이용자(A)에게 작용시키는 들어올리는 힘의 목표값인 목표 들어올리는 힘이 결정된다. S301에서의 로 패스 필터는 들어올리는 힘의 설정값이 변경된 경우 등에, 착좌부(2)로부터 이용자(A)에게 작용하는 들어올리는 힘이 급격하게 변화되는 것을 방지하기 위한 것이다. 들어올리는 힘의 설정값이 일정하게 유지되어 있는 상태에서는, 그 설정값이 그대로 목표 들어올리는 힘으로서 결정된다.

이어서, S302에서, 보행 보조 장구(1)에 작용하는 중력과, 보행 보조 장구(1)에서 발생하는 관성력의 합에 저항하는 지지력인 상기 장구 자중 보상력을 추정한다. 이 추정 처리에 대해서는 후술한다.

그리고, S303에서, 이 장구 자중 보상력의 추정값을 상기 목표 들어올리는 힘에 가함으로써, 상기 총 들어올리는 힘의 목표값인 목표 총 들어올리는 힘을 결정한다.

또한, 도시는 생략하지만, 본 실시형태에서는, 상기 들어올림 제어 ON·OFF 스위치(54)가 OFF 조작되어 있을 때에는, 각 지지력 계측처리 수단(62)에 의해 상기한 바와 같이 구해진 우측 다리 링크(3R)의 총 들어올리는 힘 부담분의 계측값(Fankle_R)과, 좌측 다리 링크(3L)의 총 들어올리는 힘 부담분의 계측값(Fankle_L)을 가산하여 이루어지는 값(이것은 총 들어올리는 힘의 계측값에 상당함)을 상기 S301의 로 패스 필터와 동일 특성의 로 패스 필터에 통과시킴으로써 목표 총 들어올리는 힘이 결정된다. 따라서, 이 경우의 목표 총 들어올리는 힘은, 항상, 현상의 실제의 총 들어올리는 힘을 유지하도록 결정된다.

한편, S304에서, 각 답력 계측처리 수단(60)에 의해 상기한 바와 같이 구해진 우측 다리의 답력의 계측값(FRF_R)의 크기와, 좌측 다리의 답력의 계측값(FRF_L)의 크기를 기초로, 목표 총 들어올리는 힘을 좌우의 각 다리 링크(3)에 분배하기 위한 비인 분배비가 결정된다. 이 분배비는 목표 총 들어올리는 힘의, 우측 다리 링크(3R)로의 분배비율인 우분배비와, 좌측 다리 링크(3L)로의 분배비율인 좌분배비로 이루어지며, 양 분배비의 합은 1이다.

이 경우, 우분배비는 계측값(FRF_R)의 크기와 계측값(FRF_L)의 크기의 합에 대한 FRF_R의 크기의 비, 즉, FRF_R/(FRF_R+FRF_L)로 결정된다. 마찬가지로, 좌분배비는 계측값(FRF_R)의 크기와 계측값(FRF_L)의 크기의 합에 대한 FRF_L의 크기의 비, 즉, FRF_L/(FRF_R+FRF_L)로 결정된다. 이 경우, 이용자(A)의 일방의 다리가 입각으로 되고, 타방의 다리가 미착지 다리가 되는 상태(즉 외다리 지지 상태)에서는, 미착지 다리가 되는 다리에 대응하는 분배비는 0이며, 입각이 되는 다리에 대응하는 분배비는 1이다.

여기에서, 상기 각 답력 계측처리 수단(60)의 S104의 변환처리(도 6 참조)에서, 각 다리의 답력의 계측값(FRF)에 상한값을 설정한 이유를 설명한다. 이용자(A)의 양다리가 입각으로 되는 상태(즉 양다리 지지기의 상태)에서, 각 다리의 답력의 상기 잠정 계측값(FRF_p)은 일반적으로는, 매끄럽게 변화되는 것이 아니라, 빈번한 변동을 발생하기 쉽다. 이러한 경우에, 잠정 계측값(FRF_p)을 기초로, 좌우의 분배비를 결정하면, 그 분배비가 빈번히 변화되고, 목표 총 들어올리는 힘 중, 각 다리 링크(3)의 분담 비율이 빈번히 변화되기 쉽다. 그 결과, 착좌부(2)로부터 이용자(A)에 작용하는 들어올리는 힘의 미소 변동이 발생하기 쉽다. 나아가서는, 그 미소 변동이 이용자(A)에게 불쾌감을 끼칠 우려가 있다. 그 때문에, 본 실시형태에서는, 각 다리의 답력의 계측값(FRF)의 상한값을 설정하고, 양다리 지지기의 상태에서, 좌우의 분배비가 빈번히 변화되는 것과 같은 사태를 방지했다. 이 경우, 양다리 지지기의 상태에서는, 기본적으로는 개시 직후의 기간과, 종료 직전의 기간을 제외하고 좌우의 분배비가 모두 1/2로 유지되게 되어, 좌우의 분배비가 안정된다.

또한, 상기 도 7에서, 임계값(FRF1)만을 갖고, 이용자(A)의 각 다리의 답력의 잠정 계측값(FRF_p_R(L))이 임계값(FRF1) 이상일 경우에 선형적으로 답력의 계 측값(FRF_R(L))이 증가하도록 정한 테이블에 기초하여 계측값(FRF_R(L))을 취득하도록 해도 된다. 잠정 계측값(FRF_p)으로부터 FRF_R(L)을 얻기 위한 테이블의 임계값 FRF1, FRF2 등은, 이용자(A)가 좋아하는 들어올리는 힘의 느낌이나, 보행 보조 장구(1)의 중량, 제어 장치(50)의 계산 능력 등에 따라, 적당하게 결정하면 된다.

보충하면, S304의 처리에서 결정되는 우분배비 및 좌분배비는, 본 실시형태에서는, 상기 S302의 처리에서 사용된다. 이 때문에, S304의 처리는 S302, S303의 처리보다도 전에 실행된다.

도 10의 설명으로 되돌아와, 다음에 우측 다리 링크(3R)에 관한 S305, S306의 처리와, 좌측 다리 링크(3L)에 관한 S307, S308의 처리가 실행된다. 우측 다리 링크(3R)에 관한 S305, S306의 처리에서는, 우선, S305에서, 상기 S303에서 결정된 목표 총 들어올리는 힘에 우분배비가 승산된다. 이것에 의해, 목표 총 들어올리는 힘 중 우측 다리 링크(3R)에 의한 부담분으로서의 총 들어올리는 힘 부담분의 잠정 목표값(Tp_Fankle_R)이 구해진다. 그리고, 이 잠정 목표값(Tp_Fankle_R)을 S306에서 로 패스 필터에 통과시킴으로써 최종적으로 우측 다리 링크(3R)의 총 들어올리는 힘 부담분의 목표값인 제어 목표값(T_Fankle_R)이 구해진다. S306의 로 패스 필터는 무릎각도(θ1)의 변동 등에 수반되는 노이즈 성분을 제거하기 위한 것이다. 그 컷오프 주파수는, 예를 들면, 15Hz이다.

마찬가지로, 좌측 다리 링크(3L)에 관한 S307, S308의 처리에서는, 우선, S307에서, 상기 S303에서 결정된 목표 총 들어올리는 힘에 좌분배비가 승산된다. 이것에 의해, 목표 총 들어올리는 힘 중 좌측 다리 링크(3L)에 의한 부담분으로서의 총 들어올리는 힘 부담분의 잠정 목표값(Tp_Fankle_L)이 구해진다. 그리고, 이 잠정 목표값(Tp_Fankle_L)을 S308에서 로 패스 필터에 통과시킴으로써 최종적으로 좌측 다리 링크(3L)의 총 들어올리는 힘 부담분의 목표값인 제어 목표값(T_Fankle_L)이 구해진다.

상기 S302의 처리는, 본 실시형태에서는, 다음과 같이 실행된다. 도 11은 그 추정 처리의 흐름을 나타내는 블럭도이다.

본 실시형태에서의 S302의 처리에서는, 상기 각 무릎각도 계측처리 수단(61)에서 구해진 각 다리 링크(3)의 무릎각도의 계측값(θ1)과, 상기 S304의 처리에서 결정된 분배비를 사용하여, 장구 자중 보상력이 추정된다. 구체적으로는, 우선, S1001, S1002의 처리가 실행된다. S1001에서는, 상기 우측 무릎각도 계측처리 수단(61R)에서 구해진 다리 링크(3R)의 무릎각도의 계측값(θ1_R)에, 상기 S304에서 결정된 우분배비가 승산된다. 마찬가지로 S1002에서는, 상기 좌측 무릎각도 계측처리 수단(61L)에서 구해진 다리 링크(3L)의 무릎각도의 계측값(θ1_L)에, 상기 S304에서 결정된 좌분배비가 승산된다. 그리고, S1001, S1002의 각각의 연산결과의 값이 S1003에서 더해 합쳐진다. 이 가산 결과의 값이, 무릎 대표각도(이것은 본 발명에서의 제 2 관절 변위량 대표값에 상당함)로서 구해진다. 이 무릎 대표각도는, 바꾸어 말하면, 우분배비, 좌분배비를 가중 계수로 하는, 무릎각도의 계측값(θ1_R, θ1_L)의 가중평균값이다. 이렇게 하여 구해지는 무릎 대표각도는 보행 보조 장구(1)의 중심의 상하방향 위치(바닥으로부터의 높이 위치), 나아가서는 장 구 자중 보상력과 높은 상관관계를 갖는다.

그래서, 본 실시형태에서는, 다음에 S1004에서, 상기 무릎 대표각도를 기초로, 보행 보조 장구(1)의 중심(이하, 장구 중심이라고 함)의 위치(상하방향 위치)를 요구한다. 이 경우, 예를 들면, 무릎 대표각도로부터, 미리 설정된 상관 테이블(무릎 대표각도와 보행 보조 장구(1)의 중심의 상하방향 위치와의 상관관계를 나타내는 테이블)에 따라, 장구 중심의 상하방향 위치(이 중심의 바닥으로부터의 높이)가 구해진다. 또한, 예를 들면, 2개의 강체 요소를 무릎관절에 상당하는 관절로 연결하여 이루어지는 강체 링크 모델(2개의 강체 요소간의 각도가 상기 무릎 대표각도에 일치하고, 또한, 일방의 강체 요소가 보행 보조 장구(1)의 각 다리 링크(3)의 제 2 관절(12)로부터 상측의 전체의 중량과 동등한 중량을 갖고, 타방의 강체 요소가 제 2 관절(12)로부터 하측의 전체의 중량과 동등한 중량을 갖는 것과 같은 강체 링크 모델)을 사용하고, 기하학적인 연산에 의해, 보행 보조 장구(1)의 중심의 상하방향 위치를 산출하도록 해도 된다.

이어서, 상기와 같이 구한 장구 중심의 위치를 S1005에서 2차 미분함으로써, 이 장구 중심의 상하방향의 가속도(운동가속도)가 산출된다. 그리고, 이 장구 중심의 가속도와 중력 가속도(정수)의 합이 S1006에서 산출된다. 또한, 이 S1006의 연산결과의 값에 보행 보조장구(11)의 전체 중량인 장구 총질량이 S1007에서 승산되고, 그 승산결과의 값이 장구 자중 보상력의 추정값으로서 얻어진다.

상기한 바와 같이 장구 자중 보상력을 추정함으로써, 간이한 수법으로 용이하게 장구 자중 보상력을 추정할 수 있다.

이상이, S302를 포함한 좌우 목표 부담분 결정 수단(63)의 처리의 상세이다. 보충하면, S301~S303의 처리는 본 발명에서의 목표 총 들어올리는 힘 결정 수단에 상당한다. 또, S304~S308의 처리는 본 발명에서의 분배 수단에 상당한다. 또, S302의 처리는 본 발명에서의 장구 자중 보상력 추정 수단에 상당한다.

이상과 같이 하여 좌우 목표 부담분 결정 수단(63)의 처리를 실행한 후, 연산처리부(51)는 피드백 조작량 결정 수단(64R, 64L) 및 피드포워드 조작량 결정 수단(65R, 65L)의 처리를 차례차례, 혹은 병행하여 실행한다.

피드백 조작량 결정 수단(64R, 64L)의 처리를 도 11를 참조하여 설명한다. 도 12는 피드백 조작량 결정 수단(64R, 64L)의 처리의 흐름을 나타내는 블럭도이다. 또한, 피드백 조작량 결정 수단(64R, 64L)의 알고리즘은 동일하므로, 도 12에서는 좌측 피드백 조작량 결정 수단(64L)에 관한 것에 대해서는, 괄호쓰기로 나타내고 있다.

우측 피드백 조작량 결정 수단(64R)의 처리에 대하여 대표적으로 설명하면, 우선, 상기 좌우 목표 부담분 결정 수단(63)에서 결정된 우측 다리 링크(3R)의 제어 목표값(T_Fankle_R)과, 상기 우측 지지력 계측처리 수단(62)에서 계측된 우측 다리 링크(3R)의 총 들어올리는 힘 부담분의 계측값(Fankle_R)의 편차(T_Fankle_R-Fankle_R)가 S401에서 산출된다. 그리고, 이 편차에 S402, S403에서 각각 게인 Kp, Kd가 승산된다. 또한, S403의 연산결과는 S404에서 미분되고(도면 중의 「s」는 미분연산자를 의미함), 그 미분값과 S402의 연산결과가 S405에서 가산된다. 이것에 의해, 우측 전동 모터(27)의 전류의 조작량(Ifb_R)이 편차(T_Fankle_R- Fankle_R)를 0에 수렴시키도록 피드백 제어칙으로서의 PD 제어칙에 의해 산출된다. 조작량(Ifb_R)은 우측 전동 모터(27)의 지시전류값의 피드백 성분을 의미한다.

이 경우, 본 실시형태에서는, 상기 게인(Kp, Kd)의 값은, S406에서, 다리 링크(3R)의 무릎각도의 계측값(θ1_R)에 따라 가변적으로 설정된다. 이 이유는, 다리 링크(3R)의 무릎각도에 의해, 전동 모터(27R)의 전류변화(토크 변화)에 대한 착좌부(2)의 들어올리는 힘의 변화의 감도가 변화되기 때문이다. 이 경우, 무릎각도(θ1_R)가 클수록(다리 링크(3R)가 펴질수록), 전동 모터(27R)의 전류 변화(토크 변화)에 대한 착좌부(2)의 들어올리는 힘의 변화의 감도가 높아진다. 이 때문에, S406에서는, 도시를 생략하는 데이터 테이블에 기초하여 기본적으로는, 다리 링크(3R)의 무릎각도의 계측값(θ1_R)이 클수록, 게인(Kp, Kd)의 값을 각각 작게 하도록, 이 게인(Kp, Kd)의 값이 설정된다.

이상이 우측 피드백 조작량 결정 수단(64R)의 처리이다. 좌측 피드백 조작량 결정 수단(64L)의 처리도 마찬가지이다. 또한, 본 실시형태에서는, 피드백 제어칙으로서 PD 제어칙을 사용했지만, PD 제어칙 이외의 피드백 제어칙(예를 들면, PID 제어칙)을 사용해도 된다.

다음에, 피드포워드 조작량 결정 수단(65R, 65L)의 처리를 도 13을 참조하여 설명한다. 도 13은 피드포워드 조작량 결정 수단(65R, 65L)의 처리의 흐름을 나타내는 블럭도이다. 또한, 피드포워드 조작량 결정 수단(65R, 65L)의 알고리즘은 동일하므로, 도 13에서는 좌측 피드포워드 조작량 결정 수단(65L)에 관한 것에 대해서는, 괄호쓰기로 나타내고 있다.

우측 피드포워드 조작량 결정 수단(65R)의 처리에 대하여 대표적으로 설명하면 S501에서, 상기 무릎각도 계측처리 수단(61R)에서 계측된 다리 링크(3R)의 무릎각도의 계측값(θ1_R)이 미분된다. 이것에 의해 이 다리 링크(3R)의 무릎각도의 각속도(ω1_R)가 산출된다. 또한, S502에서, 다리 링크(3R)의 무릎각도의 계측값(θ1_R)과, 상기 지지력 계측처리부(62R)에서 계측된 다리 링크(3R)의 총 들어올리는 힘 부담분의 계측값(Fankle_R)을 사용하여, 다리 링크(3R)의 와이어(32a, 32b)의 실제의 장력인 실장력(T1)이 산출된다. 이 실장력(T1)의 산출 처리를 도 14를 참조하여 설명한다. 또한, 도 14에서는, 다리 링크(3)는 모식화하여 기재하고 있다. 또, 도 14에서는, 도 9와 동일한 요소에는, 동일한 참조부호를 붙이고 있다.

우선, 다리 링크(3R)의 총 들어올리는 힘 부담분의 계측값(Fankle_R)의 선분(S2)에 직교하는 성분(Fankle_a)이 다음 식(6)에 의해 산출된다.

Fankle_a=Fankle_R·sinθ2 ……(6)

또한, 각도(θ2)는 Fankle_R과, 선분 S2가 이루는 각도이며, 이 θ2는 상기 도 9를 참조하여 설명한 바와 같이, 계측값(θ1_R)을 사용하여 기하학적 연산에 의해 산출된다(상기 식(2), (3)을 참조).

그리고, 이렇게 하여 구한 Fankle_a에, 다음 식(7)과 같이, 선분 S2의 길이(L2)가 승산된다. 이것에 의해, Fankle_R에 의해, 제 2 관절(12)(무릎관절)에 생기는 모멘트(M1)가 산출된다.

M1=Fankle_a·L2 ……(7)

와이어(32a, 32b)의 실장력(T1)에 의해 풀리(31)에 발생하는 모멘트는 정상 상태에서는 상기 모멘트(M1)와 균형을 이룬다. 그래서, 또한, 이 모멘트(M1)를 다음 식(8)과 같이, 풀리(31)의 유효반경(r)으로 제산함으로써, 와이어(32a, 32b)의 실장력(T1)이 산출된다.

T1=M1/r ……(8)

이상이, S502의 처리의 상세이다.

도 13의 설명으로 되돌아와, 또한, S503에서, 다리 링크(3R)의 와이어(32a, 32b)의 목표 장력(T2)이 산출된다. 이 목표 장력(T2)은, 상기 좌우 목표 들어올리는 힘 결정 수단(63)의 처리에서 결정된 다리 링크(3R)의 제어 목표값(총 들어올리는 힘 부담분의 목표값)에 대응하여, 와이어(32a, 32b)에 발생시킬 장력이다. 이 목표 장력(T2)의 산출은 S502의 산출 처리와 동일하다. 보다 구체적으로는, 상기 식(6)의 우변의 Fankle_R을, 상기 좌우 목표 들어올리는 힘 결정 수단(63)의 처리에서 결정된 다리 링크(3R)의 제어 목표값(T_Fankle_R)으로 치환한 식에 의해, 제어 목표값(T_Fankle_R)의 상기 선분(S2)(도 14 참조)에 직교하는 성분이 산출된다. 그리고, 그 산출한 성분을, 상기 식(7)의 우변의 Fankle_a 대신 사용함으로써 다리 링크(3R)의 제 2 관절(12)의 목표 모멘트가 산출된다. 또한, 그 목표 모멘트를 상기 식(8)의 우변의 M1 대신 사용함으로써 와이어(32a, 32b)의 목표 장력(T2)이 산출된다.

이상이 S503의 처리이다.

상기한 바와 같이 S501~S503의 처리를 실행한 후, S504에서, 상기한 바와 같이 산출된 제 2 관절(12)의 각속도(ω1_R), 와이어(32a, 32b)의 실장력(T1) 및 목 표 장력(T2)을 사용하여, 소정의 피드포워드 처리에 의해 전동 모터(27R)의 전류의 조작량(Iff_R)이 결정된다. 조작량(Iff_R)은 전동 모터(27R)의 지시전류값의 피드포워드 성분을 의미한다.

이 S504의 처리에서는, 다음 식(9)로 표시되는 모델식에 의해, 조작량(Iff_R)이 산출된다.

Iff_R=B1·T2+B2·ω1_R+B3·sgn(ω1_R) ……(9)

단, B2=b0+b1·T1, B3=d0+d1·T1

여기에서, 식(9) 중의 B1은 정수의 계수, B2, B3은, 각각 식(9)의 단서에서 나타내는 바와 같이, 실제로 장력(T1)의 1차함수로 나타내는 계수이다. 또한, b0, b1, d0, d1은 정수이다. 또, sgn()는 부호함수이다.

이 식(9)는 전동 모터(27)의 전류와, 와이어(32a, 32b)의 장력과, 제 2 관절(12)의 각속도(ω1)의 관계를 나타내는 모델식이다. 보다 상세하게는, 식(9)의 우변의 제 1 항은, 장력의 비례항, 제 2 항은 와이어(32a, 32b)와 풀리(31) 사이의 점성 마찰력에 따른 항, 제 3 항은 와이어(32a, 32b)와 풀리(31) 사이의 동적 마찰력에 따른 항을 의미한다. 또한, 식(9)의 우변에는, 또한 제 2 관절(12)의 각가속도에 따른 항(즉 관성력에 따른 항)을 추가해도 된다.

보충하면, 식(9)의 연산에 사용하는 각 정수 B1, b0, b1, d0, d1은, 미리, 식(9)의 좌변의 값과 우변의 값의 차의 2승값을 최소화하는 것과 같은 동정 알고리즘에 의해 실험적으로 동정된다. 그리고, 동정된 각 정수 B1, b0, b1, d0, d1은, 도시하지 않은 메모리에 기억 유지되고, 보행 보조장구(11)의 동작시에 사용된다.

이상이 우측 피드포워드 조작량 결정 수단(65R)의 처리이다. 좌측 피드포워드 조작량 결정 수단(65L)의 처리도 동일하다.

도 5를 참조하여, 이상과 같이, 전동 모터(27R)의 전류의 조작량(Ifb_R, Iff_R)과, 전동 모터(27L)의 전류의 조작량(Ifb_L, Iff_L)을 산출한 후, 연산처리부(51)는, 가산 처리 수단(66R)에 의해, 조작량(Ifb_R, Iff_R)을 가산함으로써, 전동 모터(27R)의 지시전류값을 결정한다. 또, 연산처리부(51)는, 가산 처리 수단(66L)에 의해, 조작량(Ifb_L, Iff_L)을 가산함으로써, 전동 모터(27L)의 지시전류값을 결정한다. 그리고, 연산처리부(51)는 이들 지시전류값을 각각 각 전동 모터(27)에 대응하는 드라이브 회로(52)에 출력한다. 이때, 드라이브 회로(52)는 주어진 지시전류값에 따라 전동 모터(27)에 통전한다.

이상에서 설명한 연산처리부(51)의 제어처리가 소정의 제어처리 주기로 실행된다. 이것에 의해, 각 다리 링크(3)의 실제의 총 들어올리는 힘 부담분의 계측값(Fankle)이 이 다리 링크(3)에 대응하는 제어 목표값(T_Fankle)에 일치하도록(수렴하도록), 전동 모터(27)의 발생 토크, 나아가서는, 이 다리 링크(3)의 제 2 관절(12)(무릎관절)의 구동력이 조작되게 된다.

이 경우, 좌우의 각 다리 링크(3R, 3L)에 대응하는 제어 목표값(T_Fankle_R, T_Fankle_L)의 합은 목표 총 들어올리는 힘에 일치한다. 그리고, 이 목표 총 들어올리는 힘은, 들어올리는 힘 설정용 키 스위치(53)에서 설정된 들어올리는 힘의 목표값에, 상기 장구 자중 보상력을 더한 힘이다. 이 때문에, 각 다리 링크(3R, 3L)에 바닥측으로부터 작용하는 지지력의 총합(≒상기 다리 링크 지지력의 총합)이, 목표 총 들어올리는 힘이 되도록, 전동 모터(27R, 27L)의 발생 토크가 제어되게 된다.

이 결과, 보행 보조장구(11)에 작용하는 중력과, 보행 보조장구(11)에서 발생하는 관성력(상하방향의 관성력)의 합에 저항하는 지지력을 보행 보조장구(11)에서 부담하게 하면서, 착좌부(2)로부터 이용자(A)에 실제로 작용하는 들어올리는 힘을 목표값으로 적절하게 제어할 수 있다. 즉, 보행 보조장구(11)에서 발생하는 관성력이나 이 보행 보조장구(11)에 작용하는 중력의 영향을 적절하게 보상하여, 목표로 하는 들어올리는 힘을 이용자(A)에 착좌부(2)로부터 작용시킬 수 있다.

또, 목표 총 들어올리는 힘의 각 다리 링크(3)에 의한 부담분으로서의 상기 제어 목표값(T_Fankle)은 우측의 제어 목표값(T_Fankle_R)과 좌측의 제어 목표값(T_Fankle_L)의 비가 이용자(A)의 우측 다리측의 답력의 계측값(FRF_R)과 좌측 다리측의 답력의 계측값(FRF_L)의 비에 일치하도록, 그것들의 답력의 계측값(FRF_R, FRF_L)의 비율에 따라 결정된다. 이 때문에, 목표 총 들어올리는 힘의 각 다리 링크(3)에 의한 부담분을, 이용자(A)가 의도하는 다리의 동작에 맞추어 설정할 수 있고, 착좌부(2)로부터 이용자(A)로의 들어올리는 힘을 원활하고 또한 안정하게 이용자(A)에게 작용시킬 수 있다.

다음에, 본 발명의 제 2 실시형태를 설명한다. 또한, 본 실시형태는, 상기 제 1 실시형태와 일부의 구성 및 처리만이 상이한 것이다. 그래서, 그 차이점을 중심으로 설명하고, 제 1 실시형태와 동일 구성 혹은 동일 처리의 부분에 대해서는, 설명을 생략한다.

상기 도 1을 참조하여, 본 실시형태에서는, 착좌부(2)의 소정의 부위(예를 들면, 하면부)에 장착된 가속도 센서(80)를 구비하고, 이 가속도 센서(80)의 출력(가속도 검출값)이, 도 4에 파선 화살표로 나타내는 바와 같이, 연산처리부(51)에 입력된다. 또한, 가속도 센서(80)는 상하방향의 가속도를 검출가능한 센서로, 그 가속도 검출값에는, 중력 가속도의 성분이 포함된다.

가속도 센서(80)로부터 연산처리부(51)에 입력되는 가속도 검출값은, 좌우 목표 부담분(63)의 처리에서 사용된다(도 5의 파선 화살표를 참조). 보다 상세하게는, 본 실시형태에서는, 가속도 센서(80)의 가속도 검출값(상하방향의 가속도 검출값)은, 상기 도 10의 S302에서 장구 자중 보상력을 추정하기 위하여 사용된다.

도 15는 본 실시형태에서의 장구 자중 보상력의 추정 처리의 흐름을 나타내는 블럭도이다. 이 추정 처리에서는, 가속도 센서(80)의 가속도 검출값과 함께, 상기 각 무릎각도 계측처리 수단(61)에서 구해진 각 다리 링크(3)의 무릎각도의 계측값(θ1)이 사용된다. 이 추정 처리를 개략적으로 설명하면, 보행 보조장구(11)는 착좌부(2)와 이것에 고정된 부재로 이루어지는 부분(이하, 장구 기부라고 함)과, 우측 다리 링크(3R)를 포함하고, 착좌부(2)에 대하여 상대적으로 우측 다리 링크(3R)와 일체로 가동인 부분(이하, 장구 우측 다리부라고 함)과, 좌측 다리 링크(3L)를 포함하고, 착좌부(2)에 대하여 상대적으로 이 좌측 다리 링크(3L)와 일체로 가동인 부분(이하, 장구 좌측 다리부라고 함)의 집합체로서 취급된다. 상기 도 1에 도시한 구조의 보행 보조장구(11)에서는, 장구 우측 다리부에는, 전동 모터(27R)나 족평 장착부(15R)가 포함되고, 장구 좌측 다리부에는, 전동 모터(37L)나 족평 장착부(15L)가 포함된다. 또한, 착좌부(2)에 대하여 전동 모터(27R, 27L)를 고정한 경우에는, 이 전동 모터(27R, 27L)는 상기 장구 기부에 포함되게 된다. 이후, 장구 기부, 장구 우측 다리부, 및 장구 좌측 다리부의 각각을 총칭적으로 장구 구성부라고 하는 경우가 있다.

그리고, 각 장구 구성부의 중심의, 실제의 상하방향 가속도(중력 가속도의 성분을 포함함)를 검출 또는 추정한다. 또한, 각 장구 구성부의 상하방향 가속도(절대 가속도)에, 이 장구 구성부의 중량을 곱함으로써, 이 장구 구성부에 작용하는 중력과 이 장구 구성부에서 발생하고 있는 상하방향의 관성력의 합에 저항하는 지지력을 추정한다. 이 지지력은, 상기 장구 자중 보상력 중, 당해 장구 구성부의 중량에 기인하는 성분을 의미하며, 이하, 장구 부분 자중 보상력이라고 한다. 또한, 이 장구 부분 자중 보상력의 추정값을 모든 장구 구성부에 대하여 더하여 합침으로서, 장구 자중 보상력의 추정값을 구한다.

이하에 이 추정 처리를 도 15을 참조하여 구체적으로 설명한다.

우선, 장구 우측 다리부의 중심의, 착좌부(2)에 대한 상하방향의 상대 가속도를 구하기(추정하기) 위한 S2001, S2002의 처리와, 장구 좌측 다리부의 중심의 착좌부(2)에 대한 상하방향의 상대 가속도를 구하기(추정하기) 위한 S2003, S2004의 처리가 차례로, 혹은 병행하여 실행된다.

즉, S2001에서, 우측 무릎각도 계측처리 수단(61R)에서 구해진 다리 링크(3R)의 무릎각도의 계측값(θ1_R)으로부터, 착좌부(2)에 대한 장구 우측 다리부의 중심의 상대위치(상하방향의 상대위치)가 구해진다. 이 경우, 예를 들면, 다리 링크(3R)의 하단부(족평 장착부(15R))가 착좌부(2)의 바로 아래에 위치하는 것과 같은 상태에서의 착좌부(2)에 대한 장구 우측 다리부의 중심의 상대위치(상하방향의 상대위치)와, 다리 링크(3R)의 무릎각도 사이의 상관관계를 나타내는 상관 데이터가 미리 설정되어, 도시하지 않은 메모리에 기억 유지되어 있다. 그리고, S2001에서는, 계측값(θ1_R)으로부터, 이 상관 데이터에 기초하여 착좌부(2)에 대한 장구 우측 다리부의 중심의 상대위치(상하방향의 상대위치)가 구해진다.

그리고, 이렇게 하여 구해진 장구 우측 다리부의 중심의 상대위치의 시계열을, S2002에서 2차미분함으로써, 장구 우측 다리부의 중심의, 착좌부(2)에 대한 상하방향의 상대 가속도가 추정된다.

마찬가지로, S2003에서, 좌측 무릎각도 계측처리 수단(61L)에서 구해진 다리 링크(3L)의 무릎각도의 계측값(θ1_L)으로부터, 미리 설정된 상관 데이터(다리 링크(3L)의 하단부(족평 장착부(15L)가 착좌부(2)의 바로 아래에 위치하는 것과 같은 상태에서의 착좌부(2)에 대한 장구 좌측 다리부의 중심의 상대위치(상하방향의 상대위치)와, 다리 링크(3L)의 무릎각도 사이의 상관관계를 나타내는 상관 데이터에 기초하여 착좌부(2)에 대한 장구 좌측 다리부의 중심의 상대위치(상하방향의 상대위치)가 구해진다. 그리고, 이렇게 하여 구해진 장구 좌측 다리부의 중심의 상대위치의 시계열을, S2004에서 2차미분함으로써, 장구 좌측 다리부의 중심의, 착좌부(2)에 대한 상하방향의 상대 가속도가 추정된다.

이어서, S2005, S2006의 처리가 실행된다. S2005에서는, 가속도 센서(80)의 가속도 검출값을, 상기 S2002에서 구해진 장구 우측 다리부의 상대 가속도에 더함 으로써, 장구 우측 다리부의 상하방향 가속도(절대 가속도)가 구해진다. 마찬가지로, S2006에서는, 가속도 센서(80)의 가속도 검출값을, 상기 S2004에서 구해진 장구 좌측 다리부의 상대 가속도에 더함으로써, 장구 좌측 다리부의 상하방향 가속도(절대 가속도)가 추정된다.

또한, 가속도 센서(80)는 착좌부(2)에 장착되어 있으므로, 가속도 센서(80)의 가속도 검출값은 장구 기부의 중심의 절대 가속도(상하방향의 절대 가속도)의 검출값을 의미한다.

이어서, S2007, S2008, S2009, S2010의 처리가 실행된다.

S2007에서는, 가속도 센서(80)의 가속도 검출값, 즉, 장구 기부의 상하방향 가속도의 검출값에, 장구 기부의 중량이 승산된다. 이것에 의해, 장구 기부에 관한 장구 부분 자중 보상력이 구해진다. 또, S2008에서는, S2005에서 구해진 장구 우측 다리부의 상하방향 가속도의 추정값에, 장구 우측 다리부의 중량이 승산 된다. 이것에 의해, 장구 우측 다리부에 관한 장구 부분 자중 보상력이 구해진다. 또, S2009에서는, S2006에서 구해진 장구 좌측 다리부의 상하방향 가속도의 추정값에 장구 좌측 다리부의 중량이 승산된다. 이것에 의해, 장구 좌측 다리부에 관한 장구 부분 자중 보상력이 구해진다.

그리고, S2010에서는, 상기와 같이 구해진 장구 기부, 장구 우측 다리부, 장구 좌측 다리부의 각각의 장구 부분 자중 보상력이 더해 합쳐진다. 이것에 의해, 장구 자중 보상력의 추정값이 얻어진다.

이상에서 설명한 이외의 구성 및 처리는, 상기 제 1 실시형태와 동일하다.

이러한 본 실시형태에서도, 상기 제 1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, 특히, 장구 자중 보상력을 추정할 때에, 각 다리 링크(3)의 무릎각도의 계측값(θ1)에 더하여, 가속도 센서(80)에 의한 가속도 검출값을 사용함으로써 장구 자중 보상력을 보다 정밀하게 추정할 수 있다. 그 결과, 들어올리는 힘의 목표값으로의 제어를 보다 정밀하게 행할 수 있다.

또한, 이상에서 설명한 각 실시형태에서는, 각 다리 링크(3)는 제 1~제 3 관절(10, 12, 14)을 구비했지만, 보다 많은 관절을 구비하도록 해도 된다. 단, 그 경우에는, 다리 링크를 착좌부(들어올리는 힘 전달부)에 연결하는 관절, 및 이 다리 링크를 다리평 장착부에 연결하는 관절 이외의 각 관절을 구동하기 위한 액추에이터가 필요하게 된다.

또, 각 다리 링크에 의한 지지력의 부담분을 지지력 센서(30)를 사용하여 계측하도록 했는데, 보행 보조장구(11)의 동역학 모델을 사용하여, 이 지지력의 부담분을 추정하도록 하는 것도 가능하다.

이상과 같이, 본 발명은 이용자의 보행운동을 적절하게 보조할 수 있는 보행 보조 장구를 제공하는 점에서 유용하다.

Claims

이용자의 체간부에 상향의 들어올리는 힘을 작용시킬 수 있도록 이 체간부에 접촉되는 들어올리는 힘 전달부와, 이용자의 각 다리의 족평에 각각 장착되고, 이 이용자의 각 다리가 입각으로 될 때에 접지하는 좌우 한 쌍의 족평 장착부와, 복수의 관절을 각각 갖고, 상기 들어올리는 힘 전달부와 각 족평 장착부를 각각 연결하는 좌우 한 쌍의 다리 링크와, 각 다리 링크의 적어도 1개의 관절을 구동하는 우측 다리 링크용 액추에이터 및 좌측 다리 링크용 액추에이터를 구비한 보행 보조 장구의 제어 장치로서,

상기 들어올리는 힘의 목표값을 설정하는 목표 들어올리는 힘 설정 수단과,

상기 보행 보조 장구의 운동에 의해 이 보행 보조 장구에서 실제로 발생하는 상하방향의 관성력과 이 보행 보조 장구에 작용하는 중력에 저항하여 바닥측으로부터 각 다리 링크에 작용하는 지지력의 총합을 장구 자중 보상력으로서 추정하는 장구 자중 보상력 추정 수단과,

상기 들어올리는 힘의 목표값과 상기 추정된 장구 자중 보상력의 총합을 상기 보행 보조 장구의 목표 총 들어올리는 힘으로서 결정하는 목표 총 들어올리는 힘 결정 수단과,

상기 보행 보조 장구의 각 다리 링크에 바닥측으로부터 실제로 작용하는 지지력의 총합이 상기 목표 총 들어올리는 힘이 되도록 상기 우측 다리 링크용 액추에이터 및 좌측 다리 링크용 액추에이터의 구동력을 제어하는 액추에이터 제어 수 단을 구비한 것을 특징으로 하는 보행 보조 장구의 제어 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 이용자의 각 다리의 답력을, 상기 각 족평 장착부에 구비한 제 1 힘 센서의 출력에 기초하여 계측하는 답력 계측 수단과, 상기 목표 총 들어올리는 힘을, 상기 계측된 이용자의 좌측 다리의 답력과 우측 다리의 답력의 비율에 따라 분배함으로써, 이 목표 총 들어올리는 힘 중 각 다리 링크의 부담분의 목표값인 목표 부담분을 결정하는 분배 수단을 구비하고,

상기 액추에이터 제어 수단은 우측 다리 링크에 바닥측으로부터 실제로 작용하는 지지력이 이 우측 다리 링크에 대응하는 상기 목표 부담분이 되도록 상기 우 다리 링크용 액추에이터의 구동력을 제어하는 수단과, 상기 좌측 다리 링크에 바닥측으로부터 실제로 작용하는 지지력이 이 좌측 다리 링크에 대응하는 상기 목표 부담분이 되도록 상기 좌측 다리 링크용 액추에이터의 구동력을 제어하는 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장구의 제어 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 각 다리 링크에 바닥측으로부터 실제로 작용하는 지지력을 제어대상력으로 하고, 이 다리 링크에 구비한 제 2 힘 센서의 출력에 기초하여 계측하는 제어대상력 계측 수단을 구비하고, 상기 우측 다리 링크용 액추에이터의 구동력을 제어하는 수단은, 상기 계측된 우측 다리 링크의 제어대상력을 이 우측 다리 링크에 대 응하는 상기 목표 부담분에 근접하도록 상기 우측 다리 링크용 액추에이터를 피드백제어 하는 수단이며, 상기 좌측 다리 링크용 액추에이터의 구동력을 제어하는 수단은 상기 계측된 좌측 다리 링크의 제어대상력을 이 좌측 다리 링크에 대응하는 상기 목표 부담분에 근접하도록 상기 좌측 다리 링크용 액추에이터를 피드백제어하는 수단인 것을 특징으로 하는 보행 보조 장구의 제어 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 각 다리 링크는 상기 들어올리는 힘 전달부에 제 1 관절을 통하여 연결된 대퇴 프레임과, 이 대퇴 프레임에 제 2 관절을 통하여 연결된 하퇴 프레임과, 하퇴 프레임에 상기 족평 장착부를 연결하는 제 3 관절로 구성되고,

상기 각 다리 링크의 제 2 관절의 변위량을 계측하는 관절 변위량 계측 수단을 구비하고,

상기 장구 자중 보상력 추정 수단은, 상기 계측된 이용자의 좌우의 각 다리의 답력의 총합에 대한 좌측의 다리의 답력의 비율을, 상기 계측된 좌측의 다리 링크의 제 2 관절의 변위량에 곱하여 이루어지는 값과, 상기 답력의 총합에 대한 우측의 다리의 답력의 비율을, 상기 계측된 우측의 다리 링크의 제 2 관절의 변위량에 곱하여 이루어지는 값과의 합인 제 2 관절 변위량 대표값에 기초하여, 상기 보행 보조 장구의 중심의 상하방향 위치를 차례차례 추정하고, 그 상하방향 위치의 추정값의 시계열과 상기 보행 보조 장구의 중량과 중력 가속도로부터 상기 장구 자중 보상력을 추정하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장구의 제어 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 각 다리 링크는, 상기 들어올리는 힘 전달부에 제 1 관절을 통하여 연결된 대퇴 프레임과, 이 대퇴 프레임에 제 2 관절을 통하여 연결된 하퇴 프레임과, 하퇴 프레임에 상기 족평 장착부를 연결하는 제 3 관절로 구성되고,

상기 각 다리 링크의 제 2 관절의 변위량을 계측하는 관절 변위량 계측 수단과, 상기 들어올리는 힘 전달부의 가속도를 검출하는 가속도 센서를 구비하고,

상기 장구 자중 보상력 추정 수단은 상기 가속도센서의 출력과 상기 보행 보조 장구 중 상기 들어올리는 힘 전달부 및 이 들어올리는 힘 전달부에 고정된 부분으로 이루어지는 장구 기부의 미리 설정된 중량에 기초하여, 상기 장구 자중 보상력 중 장구 기부의 중량에 기인하는 제 1 성분을 추정하는 수단과, 상기 보행 보조 장구 중 우측 다리 링크와 일체로 상기 장구 기부에 대하여 상대적으로 가동 부분인 장구 우측 다리부의 중심의 상기 장구 기부에 대한 상대적인 상하방향 위치를 상기 계측된 우측 다리 링크의 제 2 관절의 변위량에 기초하여 추정하는 수단과, 그 추정된 장구 우측 다리부의 중심의 상대적인 상하방향 위치의 시계열과 이 장구 우측 다리부의 미리 설정된 중량과 상기 가속도센서의 출력에 기초하여, 상기 장구 자중 보상력 중 장구 우측 다리부의 중량에 기인하는 제 2 성분을 추정하는 수단과, 상기 보행 보조 장구 중 좌측 다리 링크와 일체로 상기 장구 기부에 대하여 상대적으로 가동 부분인 장구 좌측 다리부의 중심의 상기 장구 기부에 대한 상대적인 상하방향 위치를 상기 계측된 좌측 다리 링크의 제 2 관절의 변위량에 기초하여 추 정하는 수단과, 그 추정된 장구 좌측 다리부의 중심의 상대적인 상하방향 위치의 시계열과 이 장구 좌측 다리부의 미리 설정된 중량과 상기 가속도센서의 출력에 기초하여, 상기 장구 자중 보상력 중 장구 좌측 다리부의 중량에 기인하는 제 3 성분을 추정하는 수단을 구비하고, 상기 추정된 제 1~제 3 성분의 총합을 상기 장구 자중 보상력으로 추정하는 것을 특징으로 하는 보행 보조 장구의 제어 장치.