JP4178185B2 - Wearable motion assist device, drive source control method and program in wearable motion assist device - Google Patents
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Description
本発明は装着式動作補助装置に係り、特に装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置、制御方法、プログラムの改良に関する。 The present invention relates to a wearable movement assist device, and more particularly to an improvement in a wearable motion assist device, a control method, and a program for assisting or acting on a wearer's movement.
身体障害者や高齢者にとっては、健常者であれば簡単に行える動作でも非常に困難である場合が多い。このため、今日では、これらの人達の動作を補助あるいは代行するために、種々のパワーアシスト装置の開発が進められている。 For the physically handicapped and the elderly, even if it is a healthy person, even a simple operation can be very difficult. For this reason, various power assist devices have been developed today in order to assist or substitute for the operations of these people.
これらのパワーアシスト装置としては、例えば、利用者(以下「装着者」という)に装着される装着式動作補助装置(以下、単に「動作補助装置」という)がある。この種の動作補助装置には、装着者の動作に応じた当該装着者の関節の角度を検出する角度センサ(検出手段)と、装着者の動作パターンを構成する一連のフェーズの個々に対応する関節角度を基準パラメータとしてそれぞれ格納したメモリ(格納手段)とを備えるものが開発されつつある(例えば、非特許文献1)。 As these power assist devices, for example, there are wearable motion assist devices (hereinafter simply referred to as “motion assist devices”) worn by users (hereinafter referred to as “wearers”). This type of motion assisting device corresponds to an angle sensor (detecting means) that detects the angle of the wearer's joint according to the wearer's movement and a series of phases that constitute the wearer's movement pattern. What is provided with the memory (storage means) which each stored the joint angle as a reference parameter is being developed (for example, nonpatent literature 1).
ここで、フェーズとは、一連の動作パターンを分割する上での最小単位となるものであり、装着者の動作補助のために求められる動力は、フェーズ毎に定まることとなる。 Here, the phase is a minimum unit for dividing a series of motion patterns, and the power required for assisting the wearer's motion is determined for each phase.
この動作補助装置においては、装着者の動作パターンの各フェーズを特定し、このフェーズに応じた動力を駆動源に発生させるための指令信号(制御信号)を生成する自律的制御手段を備えている。 This motion assisting device includes autonomous control means for identifying each phase of the wearer's motion pattern and generating a command signal (control signal) for causing the drive source to generate power corresponding to this phase. .
この自律的制御手段は、コンピュータに自律的制御を実行させるプログラムからなり、角度センサにより検出された関節角度と、メモリに格納された基準パラメータの関節角度とを比較することにより、装着者の動作パターンのフェーズを特定できるように構成してある。 The autonomous control means comprises program Ru to execute the autonomous control to the computer, and joint angle detected by the angle sensor, by comparing the joint angle of the reference parameters stored in the memory, the wearer of The operation pattern phase can be specified.
さらに、動作補助装置では、例えば、着席姿勢から起立するまでの一連の動作パターンの各フェーズに対応する関節角度を基準パラメータとしてメモリに予め格納しておけば、自律的制御手段による駆動源の制御によって、着席姿勢の装着者の腰、膝を回動させる筋力に対して駆動源がパワーアシストすることで装着者が楽に起立することができる。 Further, in the motion assist device, for example, if the joint angles corresponding to each phase of a series of motion patterns from standing to standing are stored in the memory as reference parameters in advance, control of the drive source by the autonomous control means Therefore, the wearer can stand up easily by the power source assisting the muscle force that rotates the waist and knees of the seated wearer.
従って、この動作補助装置では、自律的制御手段による指令信号のゲインを適切に設定すれば、装着者が自ら発生すべき動力(筋力)を可及的に抑えることができ、動作に伴う装着者の負担を抑える上で好ましいものとなる。
しかしながら、上述した動力補助装置は、予め設定された動作パターンとなるように自律的制御手段によって駆動源を制御するものであり、しかも自律的制御手段による指令信号のゲインが所定のものとなるように設定してある。 However, the above-described power assist device controls the drive source by the autonomous control means so as to have a preset operation pattern, and the gain of the command signal by the autonomous control means becomes a predetermined one. It is set to.
このため、この動力補助装置では、例えば、装着者を起立させる操作が一旦開始すると、途中で当該装着者が着席したいと思っても、こうした装着者の意思を反映することができず、装着者に対して画一的な動作を強いることになる。 For this reason, in this power assist device, for example, once the operation of raising the wearer is started, even if the wearer wants to sit down on the way, the intention of the wearer cannot be reflected, and the wearer Will be forced to have uniform action.
つまり、この動力補助装置では、装着者が自ら発生すべき動力(筋力)を可及的に抑えることができるという長所を有する反面、装着者に対して画一的な動作を強いるため、著しく利便性を損なう虞れがある。 In other words, this power assist device has the advantage that the wearer can suppress the power (muscle strength) that the wearer should generate as much as possible, but on the other hand, the wearer is forced to perform a uniform operation, so it is extremely convenient. There is a risk of damaging the sex.
そこで、本発明は、上記実情に鑑みて、装着者が自ら発生すべき動力(筋力)を可及的に抑えることができ、かつ、装着者の利便性を損なう事態を抑えることのできる動作補助装置、及び動作補助装置における駆動源の制御方法、及びプログラムを提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above circumstances, the present invention is capable of suppressing the power (muscle strength) that the wearer should generate as much as possible and suppressing the situation that impairs the wearer's convenience. It is an object of the present invention to provide a device, a method for controlling a drive source in an operation auxiliary device, and a program.
請求項1記載の発明は、装着者の動作を補助あるいは代行する装着式動作補助装置であって、
前記装着者に対して動力を付与する駆動源を有した動作補助装着具と、
前記装着者の動作に応じた当該装着者の関節の角度を検出する第1の検出手段と、
前記装着者の筋活動に伴う生体信号を検出する第2の検出手段と、
前記装着者の動作パターンを構成する一連のフェーズの個々に対応するように、装着者の関節角度および生体信号を設定したデータ群からなる基準パラメータを格納した格納手段と、
前記第1の検出手段により検出された関節角度を前記基準パラメータの関節角度と比較することにより、前記装着者の動作パターンのフェーズを特定するフェーズ特定手段と、
該フェーズ特定手段により特定された当該フェーズに応じた動力を前記駆動源に発生させるための指令信号を生成し、前記装着者の意思に応じた動作パターンを補助するように前記駆動源を制御する自律的制御手段と、
前記第1の検出手段により検出された関節角度に対応する基準パラメータの生体信号と、前記第2の検出手段により検出された生体信号との差分が予め設定した許容値を超えているか否かを判断する判断手段と、
前記差分が前記許容値を超えていると前記判断手段が判断した場合に、前記自律的制御手段に生成させる指令信号を前記差分に応じて変更する変更手段と、
を備えたことを特徴とするものである。
The invention according to
A motion assisting wearing device having a drive source for applying power to the wearer;
First detection means for detecting an angle of a joint of the wearer according to the operation of the wearer;
Second detection means for detecting a biological signal associated with the muscle activity of the wearer;
Storage means for storing a reference parameter consisting of a data group in which the joint angle and biological signal of the wearer are set so as to correspond to each of a series of phases constituting the wearer's operation pattern;
Phase identification means for identifying the phase of the wearer's movement pattern by comparing the joint angle detected by the first detection means with the joint angle of the reference parameter ;
A command signal is generated for causing the drive source to generate power according to the phase specified by the phase specifying means, and the drive source is controlled to assist an operation pattern according to the wearer's intention. Autonomous control means,
Whether or not the difference between the biological signal of the reference parameter corresponding to the joint angle detected by the first detecting means and the biological signal detected by the second detecting means exceeds a preset allowable value. A judging means for judging;
Changing means for changing a command signal to be generated by the autonomous control means according to the difference when the determination means determines that the difference exceeds the allowable value;
It is characterized by comprising.
請求項2記載の発明は、前記変更手段が、前記第1の検出手段により検出された関節角度に対応する基準パラメータの生体信号が前記第2の検出手段により検出された生体信号よりも大きい場合に、前記自律的制御手段に生成させる指令信号を減少させることを特徴とするものである。 According to a second aspect of the present invention, when the changing means has a biological signal of a reference parameter corresponding to the joint angle detected by the first detecting means larger than the biological signal detected by the second detecting means. Further, the command signal generated by the autonomous control means is reduced.
請求項3記載の発明は、前記動作補助装着具は、
腰ベルトと、
該腰ベルトの右側部から下方に設けられた右脚補助部と、
前記腰ベルトの左側部から下方に設けられた左脚補助部と、
を有しており、
前記右脚補助部及び左脚補助部は、
前記腰ベルトを支持するように下方に延在する第1フレームと、
該第1フレームより下方に延在する第2フレームと、
該第2フレームより下方に延在する第3フレームと、
該第3フレームの下端に設けられ、前記装着者の脚の裏が載置される第4フレームと、
前記第1フレームの下端と前記第2フレームの上端との間に介在する第1関節と、
前記第2フレームの下端と前記第3フレームの上端との間に介在する第2関節と、
を有することを特徴とするものである。
According to a third aspect of the present invention, the motion assisting wearing device comprises:
Waist belt,
A right leg auxiliary part provided below from the right side of the waist belt;
A left leg auxiliary part provided below from the left side of the waist belt;
Have
The right leg auxiliary part and the left leg auxiliary part are
A first frame extending downward to support the waist belt;
A second frame extending below the first frame;
A third frame extending below the second frame;
A fourth frame provided at the lower end of the third frame, on which the back of the leg of the wearer is placed;
A first joint interposed between a lower end of the first frame and an upper end of the second frame;
A second joint interposed between a lower end of the second frame and an upper end of the third frame;
It is characterized by having.
請求項4記載の発明は、前記第1関節が、前記装着者の股関節と一致する高さ位置に設け、
前記第2関節が、前記装着者の膝関節と一致する高さ位置に設けられたことを特徴とするものである。
In the invention according to claim 4, the first joint is provided at a height position that coincides with the hip joint of the wearer,
The second joint is provided at a height position coinciding with the knee joint of the wearer.
請求項5記載の発明は、前記第2関節に、前記第2フレームを回動させるように駆動力を伝達する第1の駆動源を設け、
前記第2関節に、前記第3フレームを回動させるように駆動力を伝達する第2の駆動源を設けたことを特徴とするものである。
The invention according to claim 5 is provided with a first drive source for transmitting a driving force to the second joint so as to rotate the second frame,
The second joint is provided with a second driving source for transmitting a driving force so as to rotate the third frame.
請求項6記載の発明は、前記第1、第2の駆動源が、関節角度を検出する角度センサを有することを特徴とするものである。 The invention described in claim 6 is characterized in that the first and second drive sources have an angle sensor for detecting a joint angle.
請求項7記載の発明は、装着者の動作を補助あるいは代行するための動力を発生する駆動源と、前記装着者の動作に応じた当該装着者の関節の角度を検出する第1の検出手段と、装着者の筋活動に伴う生体信号を検出する第2の検出手段と、前記駆動源に動力を発生させるための指令信号を生成する自律的制御手段とを備えた装着式動作補助装置において前記駆動源を制御する方法であって、
前記装着者の動作パターンを構成する一連のフェーズの個々に対応するように、装着者の関節角度および生体信号を設定したデータ群からなる基準パラメータを格納手段に予め格納する第1ステップと、
前記第1の検出手段により検出された関節角度を前記基準パラメータの関節角度と比較することにより、前記装着者の動作パターンのフェーズを特定する第2ステップと、
特定された当該フェーズに応じた動力を前記駆動源に発生させるための指令信号を前記自律的制御手段に生成させ、前記装着者の意思に応じた動作パターンを補助するように前記駆動源を制御する第3ステップと、
前記第1の検出手段により検出された関節角度に対応する基準パラメータの生体信号と、前記第2の検出手段により検出された生体信号との差分が予め設定した許容値を超えているか否かを判断する第4ステップと、
前記差分が前記許容値を超えている場合に、前記自律的制御手段に生成させる指令信号を前記差分に応じて変更する第5ステップとを含むことを特徴とする。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a drive source for generating power for assisting or acting on the wearer's movement, and first detection means for detecting an angle of the wearer's joint according to the wearer's movement. And a second detection means for detecting a biological signal associated with the muscle activity of the wearer and an autonomous control means for generating a command signal for generating power in the drive source. A method of controlling the drive source,
A first step of previously storing in the storage means a reference parameter consisting of a data group in which the wearer's joint angle and biological signal are set so as to correspond to each of a series of phases constituting the wearer's motion pattern;
A second step of identifying the phase of the wearer's movement pattern by comparing the joint angle detected by the first detection means with the joint angle of the reference parameter ;
The autonomous control means generates a command signal for causing the drive source to generate power according to the identified phase, and the drive source is controlled to assist the operation pattern according to the wearer's intention and a third step you,
Whether or not the difference between the biological signal of the reference parameter corresponding to the joint angle detected by the first detecting means and the biological signal detected by the second detecting means exceeds a preset allowable value. A fourth step of determining;
And a fifth step of changing a command signal to be generated by the autonomous control means according to the difference when the difference exceeds the allowable value.
請求項8記載の発明は、前記請求項7に記載された制御方法をコンピュータに実行させるプログラムである。
The invention according to
本発明によれば、第1の検出手段により検出された関節角度に対応する基準パラメータの生体信号と、第2の検出手段により検出された生体信号との差分が予め設定した許容値を超えているか否かを判断し、差分が許容値を超えていると判断した場合に、自律的制御手段に生成させる指令信号を差分に応じて変更することにより、例えば、装着者自身が動作しようとして筋力を発生させる際に一連の動作パターンのフェーズと異なる動作を行う場合の筋力の変化に対応してアシスト力を加減することが可能になる。その結果、装着者が自ら発生すべき動力(筋力)を可及的に抑えることができ、かつ、装着者に対して画一的な動作を強いることがなくなって装着者の利便性を損なう事態を抑えることが可能になり、装着者の意思の変化にも対応して利便性をより一層向上させることができる。 According to the present invention, the difference between the biological signal of the reference parameter corresponding to the joint angle detected by the first detecting means and the biological signal detected by the second detecting means exceeds a preset allowable value. If it is determined whether or not the difference exceeds the allowable value, the command signal to be generated by the autonomous control means is changed according to the difference, for example, the wearer himself tries to operate and It is possible to increase or decrease the assist force in response to a change in muscle strength when an operation different from the phase of the series of operation patterns is performed. As a result, the power (muscle strength) that the wearer should generate can be suppressed as much as possible, and the wearer's convenience is impaired because the wearer is not forced to perform uniform operations. Can be suppressed, and convenience can be further improved in response to changes in the intention of the wearer.
また、本発明によれば、装着者の脚動作に応じてアシスト力を脚に伝達することができるので、装着者の歩行動作、着席状態から立ち上がる動作、離席状態から着席する動作、階段昇り動作などを効率良く補助することができ、このような脚動作過程の途中で装着者が動作を中止した場合でも装着者の意思を反映するようにアシスト力を制御することができる。さらに、例えば、装着者が一連のフェーズを終了させる前の動作途中に筋力を変化させた場合でもアシスト力を低下させることにより装着者の動作を妨げないように制御することが可能になるため、装着者の意思に反するようなアシスト力を付与することが防止される。 Further, according to the present invention, the assist force can be transmitted to the leg in accordance with the leg movement of the wearer. The operation can be efficiently assisted, and the assist force can be controlled to reflect the intention of the wearer even when the wearer stops the movement during the leg movement process. Furthermore, for example, even when the wearer changes the muscular strength during the operation before ending the series of phases, it becomes possible to control the wearer's operation so as not to be hindered by reducing the assist force. It is possible to prevent an assist force that is contrary to the intention of the wearer.
以下、図面と共に本発明の一実施例について説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明になる装着式動作補助装置の一実施例に適用された制御系システムを示すブロック図である。
図1に示されるように、動作補助装置10の制御系システムは、装着者12に対してアシスト力を付与する駆動源140と、装着者12の動作に応じた関節角度(物理現象)を検出する物理現象検出手段142と、装着者12が発生する筋力に応じた筋電位(生体信号)を検出する生体信号検出手段144とを備えている。
FIG. 1 is a block diagram showing a control system applied to an embodiment of a wearable movement assist device according to the present invention.
As shown in FIG. 1, the control system of the movement assist
データ格納手段146には、基準パラメータデータベース148と、指令信号データベース150とが格納されている。
The
物理現象検出手段142によって検出された関節角度(θknee,θhip)及び生体信号検出手段144によって検出された筋電位信号(EMGknee,EMGhip)は、基準パラメータデータベース148に入力される。フェーズ特定手段152では、物理現象検出手段142により検出された関節角度を基準パラメータデータベース148に格納された基準パラメータの関節角度と比較することにより、装着者12の動作パターンのフェーズを特定する。
The joint angles (θknee, θhip) detected by the physical
また、差分導出手段154では、物理現象検出手段142により検出した関節角度に対応する基準パラメータの生体信号と、生体信号検出手段144により検出された生体信号との差分を導出し、差分が予め設定した許容値を超えているか否かを判断する。
The
ゲイン変更手段156では、差分導出手段154により差分が予め設定した許容値を超えていると判断された場合、自律的制御手段160に生成させる指令信号(制御信号)を差分に応じてゲインPを変更するように、補正信号を自律的制御手段160に出力する。
In the
そして、自律的制御手段160では、フェーズ特定手段152により特定されたフェーズの制御データを得ると、このフェーズの制御データに応じた指令信号を生成し、この動力を駆動源140に発生させるための指令信号を電力増幅手段158に供給する。また、自律的制御手段160では、フェーズ特定手段152により特定されたフェーズの制御データをゲイン変更手段156から得られた補正信号によりゲインPを補正し、補正されたゲインPに応じた指令信号を電力増幅手段158に供給する。
When the autonomous control means 160 obtains the control data of the phase specified by the
尚、自律的制御手段160では、差分導出手段154により差分が予め設定した許容値を超えていないと判断された場合、ゲイン変更手段156から補正信号が供給されないため、指令信号データベース150から得られた制御データを補正せずに電力増幅手段158に供給する。
In the autonomous control means 160 , when the difference derivation means 154 determines that the difference does not exceed the preset allowable value, the correction signal is not supplied from the gain change means 156, so that it is obtained from the
このように、自律的制御手段160では、物理現象検出手段142により検出された関節角度に対応する生体信号と、生体信号検出手段144により検出された生体信号との差分の値に応じて電力増幅手段158に供給する指令信号を随意補正するため、自律的制御と随意的制御とを組み合わせた制御を行うことができる。これにより、装着者12が動作途中でその動作を中止し、別の動作を行う場合にも、装着者12の意思が反映されるように駆動源140を制御することが可能になる。
As described above, the
ここで、本発明になる装着式動作補助装置10の具体的な構成例について詳しく説明する。
図2は本発明になる装着式動作補助装置の一実施例が装着された状態を前側からみた斜視図である。図3は本発明になる装着式動作補助装置の一実施例を装着した状態を後側からみた斜視図である。
Here, a specific configuration example of the wearable
FIG. 2 is a perspective view of a state in which an embodiment of the wearing type movement assisting device according to the present invention is mounted as seen from the front side. FIG. 3 is a perspective view of the wearing type movement assisting device according to the present invention, as viewed from the rear side.
図2及び図3に示されるように、動作補助装置10は、例えば、骨格筋の筋力低下により歩行が不自由な下肢運動機能障害者、あるいは、歩行運動のリハビリを行う患者などのように自力歩行が困難な人の歩行動作を補助(アシスト)する装置であり、脳からの信号により筋力を発生させる際に生じる生体信号(表面筋電位)を検出し、この検出信号に基づいてアクチュエータからの駆動力を付与するように作動する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
従って、動作補助装置10は、予め入力されたデータに基づいてロボットハンドをコンピュータ制御するように構成された所謂プレイバック型ロボットとは全く異なるものであり、ロボットスーツ、あるいはパワードスーツなどとも呼ばれる。
Accordingly, the
動作補助装置10を装着した装着者12は、自らの意思で歩行動作を行うと、その際に発生した生体信号に応じた駆動トルクがアシスト力として動作補助装置10から付与され、例えば、通常歩行で必要とされる筋力の半分の力で歩行することが可能になる。従って、装着者12は、自身の筋力とアクチュエータ(本実施例では、電動式の駆動モータを用いる)からの駆動トルクとの合力によって全体重を支えながら歩行することができる。
When the
その際、動作補助装置10は、後述するように歩行動作に伴う重心の移動に応じて付与されるアシスト力(モータトルク)が装着者12の意思を反映するように制御している。そのため、動作補助装置10のアクチュエータは、装着者12の意思に反するような負荷を与え無いように制御されており、装着者12の動作を妨げないように制御される。
At that time, the
また、動作補助装置10は、歩行動作以外にも、例えば、装着者12が椅子に座った状態から立ち上がる際の動作、あるいは立った状態から椅子に腰掛ける際の動作も補助することができる。さらには、装着者12が階段を上がったり、階段を下りる場合にもパワーアシストすることができる。特に筋力が弱っている場合には、階段の上り動作や、椅子から立ち上がる動作を行うことが難しいが、動作補助装置10を装着した装着者12は、自らの意思に応じて駆動トルクを付与されて筋力の低下を気にせずに動作することが可能になる。
In addition to the walking motion, the
ここで、動作補助装置10の構成の一例について説明する。
動作補助装置10は、図2及び図3に示されるように、装着者12に装着される動作補助装着具18にアクチュエータ(駆動源140に相当する)を設けたものである。アクチュエータとしては、装着者12の右側股関節に位置する右腿駆動モータ20と、装着者12の左側股関節に位置する左腿駆動モータ22と、装着者12の右膝関節に位置する右膝駆動モータ24と、装着者12の左膝関節に位置する左膝駆動モータ26とを有する。これらの駆動モータ20,22,24,26は、制御装置からの制御信号により駆動トルクを制御されるサーボモータからなり、モータ回転を所定の減速比で減速する減速機構(図示せず)を有しており、小型ではあるが十分な駆動力を付与することができる。
Here, an example of the configuration of the
As shown in FIGS. 2 and 3, the
また、装着者12の腰に装着される腰ベルト30には、駆動モータ20,22,24,26を駆動させるための電源として機能するバッテリ32,34が取り付けられている。バッテリ32、34は、充電式バッテリであり、装着者12の歩行動作を妨げないように左右に分散配置されている。
In addition,
また、装着者12の背中に装着される制御バック36には、後述する制御装置、モータドライバ、計測装置、電源回路などの機器が収納されている。尚、制御バック36の下部は、腰ベルト30に支持され、制御バック36の重量が装着者12の負担にならないように取り付けられる。
In addition, the
そして、動作補助装置10は、装着者12の右腿の動きに伴う表面筋電位(EMGhip)を検出する筋筋電位センサ38a,38bと、装着者12の左腿の動きに伴う表面筋電位(EMGhip)を検出する筋電位センサ40a,40bと、右膝の動きに伴う表面筋電位(EMGknee)を検出する筋電位センサ42a,42bと、左膝の動きに伴う表面筋電位(EMGknee)を検出する筋電位センサ44a,44bとが設けられている。
The
これらの各筋電位センサ38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44bは、骨格筋が筋力を発生させる際の表面筋電位を測定する検出手段であり、骨格筋で発生した微弱電位を検出する電極(図示せず)を有する。尚、本実施例では、各筋電位センサ38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44bは、電極の周囲を覆う粘着シールにより装着者12の皮膚表面に貼着するように取り付けられる。
These myoelectric
人体においては、脳からの指令によって骨格筋を形成する筋肉の表面にシナプス伝達物質のアセチルコリンが放出される結果、筋線維膜のイオン透過性が変化して活動電位(EMG:Electro MyoGram Myoelectricity)が発生する。そして、活動電位によって筋線維の収縮が発生し、筋力を発生させる。そのため、骨格筋の筋電位を検出することにより、歩行動作の際に生じる筋力を推測することが可能になり、この推測された筋力に基づく仮想トルクから歩行動作に必要なアシスト力を求めることが可能になる。 In the human body, acetylcholine, a synaptic transmitter, is released on the surface of the muscle that forms skeletal muscle by the command from the brain. As a result, the ionic permeability of the muscle fiber membrane changes and action potential (EMG) appear. Then, the contraction of the muscle fiber is generated by the action potential, and the muscle force is generated. Therefore, by detecting the myoelectric potential of the skeletal muscle, it becomes possible to estimate the muscle force generated during the walking motion, and the assist force necessary for the walking motion can be obtained from the virtual torque based on the estimated muscle strength. It becomes possible.
また、筋肉は、血液によりアクチンとミオシンと呼ばれるたんぱく質が供給されると伸び縮みするが、筋力を出すのは縮むときである。そのため、2つの骨が互いに回動可能な状態に連結された関節では、関節を曲げる方向の力を発生させる屈筋と、関節を伸ばす方向の力を発生させる伸筋とが2つの骨間に装架されている。 Muscles expand and contract when proteins called actin and myosin are supplied by blood, but muscles are generated when they contract. For this reason, in a joint in which two bones are connected so as to be rotatable, a flexor that generates a force in the direction of bending the joint and an extensor that generates a force in the direction of extending the joint are mounted between the two bones. It is built.
そして、人体には、腰から下に脚を動かすための筋肉が複数あり、腿を前に上げる腸腰筋と、腿を下げる大殿筋と、膝を伸ばすための大腿四頭筋と、膝を曲げる大腿二頭筋などがある。 The human body has several muscles to move the legs from the waist down, the iliopsoas muscle that raises the thigh forward, the gluteal muscle that lowers the thigh, the quadriceps muscle to extend the knee, and the knee. There are biceps femoris.
筋電位センサ38a,40aは、装着者12の腿の付け根部分前側に貼着され、腸腰筋の表面筋電位を検出することにより脚を前に出すときの筋力に応じた筋電位を測定する。
The myoelectric
筋電位センサ38b,40bは、装着者12のお尻に貼着され、大殿筋の表面筋電位を検出することにより、例えば、後ろに蹴る力や階段を上がるとき筋力に応じた筋電位を測定する。
The myoelectric
筋電位センサ42a,44aは、装着者12の膝上前側に貼着され、大腿四頭筋の表面筋電位を検出し、膝から下を前に出す筋力に応じた筋電位を測定する。
The myoelectric
筋電位センサ42b,44bは、装着者12の膝上後側に貼着され、大腿二頭筋の表面筋電位を検出し、膝から下を後に戻す筋力に応じた筋電位を測定する。
The myoelectric
従って、動作補助装置10では、これらの筋電位センサ38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44bによって検出された表面筋電位に基づいて4個の駆動モータ20,22,24,26に供給する駆動電流を求め、この駆動電流で駆動モータ20,22,24,26を駆動することで、アシスト力が付与されて装着者12の歩行動作を補助するように構成されている。
Therefore, in the
また、歩行動作による重心移動をスムーズに行うため、脚の裏にかかる荷重を検出する必要がある。そのため、装着者12の左右脚の裏には、反力センサ50a,50b,52a,52b(図2及び図3中、破線で示す)が設けられている。
In addition, in order to smoothly move the center of gravity by walking, it is necessary to detect the load applied to the back of the leg. Therefore,
また、反力センサ50aは、右脚前側の荷重に対する反力を検出し、反力センサ50bは、右脚後側の荷重に対する反力を検出する。反力センサ52aは、左脚前側の荷重に対する反力を検出し、反力センサ52bは、左脚後側の荷重に対する反力を検出する。各反力センサ50a,50b,52a,52bは、例えば、印加された荷重に応じた電圧を出力する圧電素子などからなり、体重移動に伴う荷重変化、及び装着者12の脚と地面との接地の有無を夫々検出することができる。
The
ここで、動作補助装着具18の構成について図4及び、図5を併せ参照して説明する。
図4は動作補助装着具18の左側面図である。図5は動作補助装着具18の背面図である。
Here, the configuration of the motion assisting wearing
FIG. 4 is a left side view of the motion assisting wearing
図4及び図5に示されるように、動作補助装着具18は、装着者12の腰に装着される腰ベルト30と、腰ベルト30の右側部から下方に設けられた右脚補助部54と、腰ベルト30の左側部から下方に設けられた左脚補助部55とを有する。
As shown in FIGS. 4 and 5, the movement assisting wearing
右脚補助部54と左脚補助部55とは、対称に配置されており、腰ベルト30を支持するように下方に延在する第1フレーム56と、第1フレーム56より下方に延在し装着者12の腿外側に沿うように形成された第2フレーム58と、第2フレーム58より下方に延在し装着者12の脛外側に沿うように形成された第3フレーム60と、装着者12の脚の裏(靴を履く場合には、靴底)が載置される第4フレーム62とを有する。
The right leg
第1フレーム56の下端と第2フレーム58の上端との間には、軸受構造とされた第1関節64が介在しており、第1フレーム56と第2フレーム58とを回動可能に連結している。この第1関節64は、股関節と一致する高さ位置に設けられており、第1フレーム56が第1関節64の支持側に結合され、第2フレーム58が第1関節64の回動側に結合されている。
A first joint 64 having a bearing structure is interposed between the lower end of the
また、第2フレーム58の下端と第3フレーム60の上端との間には、軸受構造とされた第2関節66が介在しており、第2フレーム58と第3フレーム60とを回動可能に連結している。この第2関節66は、膝関節と一致する高さ位置に設けられており、第2フレーム58が第2関節66の支持側に結合され、第3フレーム60が第2関節66の回動側に結合されている。
Further, a second joint 66 having a bearing structure is interposed between the lower end of the
従って、第2フレーム58及び第3フレーム60は、腰ベルト30に固定された第1フレーム56に対して第1関節64及び第2関節66を回動支点とする振り子運動を行えるように取り付けられている。すなわち、第2フレーム58及び第3フレーム60は、装着者12の脚と同じ動作を行えるように構成されている。
Therefore, the
そして、第1関節64及び第2関節66の支持側には、モータブラケット68が設けられている。モータブラケット68は、外側水平方向に突出するモータ支持部68aを有し、モータ支持部68aには、駆動モータ20,22,24,26が垂直状態に取り付けられている。そのため、駆動モータ20,22,24,26は、側方に大きく突出せず、歩行動作時に周囲の障害物などに接触しにくいように設けられている。
A
また、第1関節64及び第2関節66は、駆動モータ20,22,24,26の回転軸が、ギヤを介して被駆動側となる第2フレーム58、第3フレーム60に駆動トルクを伝達するように構成されている。
In addition, the first joint 64 and the second joint 66 transmit the drive torque to the
さらに、駆動モータ20,22,24,26は、関節角度を検出する角度センサ(物理現象検出手段142に相当する)70,72,74,76を有する。この角度センサ70,72,74,76は、例えば、第1関節64及び第2関節66の関節角度に比例したパルス数をカウントするロータリエンコーダなどからなり、関節角度に応じたパルス数に対応した電気信号をセンサ出力として出力する。
Furthermore, the
角度センサ70,72は、装着者12の股関節の関節角度(θhip)に相当する第1フレーム56と第2フレーム58との間の回動角度を検出する。また、角度センサ74,76は、装着者12の膝関節の関節角度(θknee)に相当する第2フレーム58の下端と第3フレーム60との間の回動角度を検出する。
The
尚、第1関節64及び第2関節66は、装着者12の股関節、膝関節の回動可能な角度範囲でのみ回動される構成であり、装着者12の股関節、膝関節に無理な動きを与えないようにストッパ機構(図示せず)が内蔵されている。 It should be noted that the first joint 64 and the second joint 66 are configured to be rotated only within an angular range in which the wearer's 12 hip joint and knee joint can be rotated, so that the wearer's 12 hip joint and knee joint can move unreasonably. A stopper mechanism (not shown) is built in so as not to give the noise.
第2フレーム58には、装着者12の腿に締結される第1締結ベルト78が取り付けられている。また、第3フレーム60には、装着者12の膝下に締結される第2締結ベルト80が取り付けられている。従って、駆動モータ20,22,24,26で発生された駆動トルクは、ギヤを介して第2フレーム58、第3フレーム60に伝達され、さらに第1締結ベルト78、第2締結ベルト80を介して装着者12の脚にアシスト力として伝達される。
A
また、第3フレーム60の下端には、軸82を介して第4フレーム62が回動可能に連結されている。さらに、第4フレーム62の下端には、装着者12の靴底の踵部分が載置される踵受け部84が設けられている。そして、第2フレーム58及び第3フレーム60は、ネジ機構により軸方向の長さを調整可能であり、装着者12の脚の長さに応じて任意の長さに調整されるように構成されている。
The
上記各フレーム56,58,60,64は、夫々金属により形成されており、腰ベルト30に設けられたバッテリ32,34、制御バック36、動作補助装着具18の重量を支えることができる。すなわち、動作補助装置10は、動作補助装着具18などの重量が装着者12に作用しないように構成されており、筋力が低下した装着者12に余計な荷重を与えないように取り付けられる。
Each of the
図6は動作補助装置10を構成する各機器のブロックである。
図6に示されるように、バッテリ32,34は、電源回路86に電源供給しており、電源回路86では所定電圧に変換して入出力インターフェイス88に定電圧を供給する。また、バッテリ32,34の充電容量は、バッテリ充電警告部90によって監視されており、バッテリ充電警告部90は、予め設定された残量に低下すると、警告を発して装着者12にバッテリ交換または充電を報知する。
FIG. 6 is a block diagram of each device constituting the
As shown in FIG. 6, the
各駆動モータ20,22,24,26を駆動する第1乃至第4モータドライバ92〜95は、入出力インターフェイス88を介して制御装置100からの制御信号に応じた駆動電圧を増幅して各駆動モータ20,22,24,26に出力する。
The first to
各筋電位センサ38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44bから出力された表面筋電位の検出信号は、第1乃至第8差動増幅器(電力増幅手段158に相当する)101〜108によって増幅され、A/D変換器(図示せず)によってデジタル信号に変換されて入出力インターフェイス88を介して制御装置100に入力される。尚、筋肉で発生する筋電位は、微弱である。そのため、第1乃至第8差動増幅器101〜108で例えば、30μVの筋電位をコンピュータが判別可能な3V程度に増幅するには、105倍となる100dBの増幅率が必要になる。
The surface myoelectric potential detection signals output from the myoelectric
また、角度センサ70,72,74,76から出力された角度検出信号は、夫々第1乃至第4角度検出部111〜114に入力される。第1乃至第4角度検出部111〜114は、ロータリエンコーダによって検出されたパルス数を角度に相当する角度データ値に変換しており、検出された角度データは入出力インターフェイス88を介して制御装置100に入力される。
Further, the angle detection signals output from the
反力センサ50a,50b,52a,52bから出力された反力検出信号は、夫々第1乃至第4反力検出部121〜124に入力される。第1乃至第4反力検出部121〜124は、圧電素子によって検出された電圧を力に相当するデジタル値に変換しており、検出された反力データは入出力インターフェイス88を介して制御装置100に入力される。
The reaction force detection signals output from the
メモリ(データ格納手段146に相当する)130は、各データを格納する格納手段であり、起立動作、歩行動作や着席動作など各動作パターン(タスク)毎に設定されたフェーズ単位の制御データが予め格納されたデータベース格納領域130Aと、各モータを制御するための制御プログラムが格納された制御プログラム格納領域130Bなどが設けられている。本実施例では、データベース格納領域130Aに後述する図8、図9に示す基準パラメータデータベース148と指令信号データベース150が格納されている。
A memory (corresponding to the data storage means 146) 130 is a storage means for storing each data, and control data for each phase set for each operation pattern (task) such as a standing motion, a walking motion, and a seating motion is stored in advance. A stored database storage area 130A, a control
また、制御装置100から出力された制御データは、入出力インターフェイス88を介してデータ出力部132あるいは通信ユニット134に出力され、例えば、モニタ(図示せず)に表示したり、あるいはデータ監視用コンピュータ(図示せず)などにデータ通信で転送することもできる。
The control data output from the
また、制御装置100は、角度センサ(第1の検出手段)70,72,74,76により検出された関節角度を基準パラメータの関節角度と比較することにより、装着者12の動作パターンのフェーズを特定し、このフェーズに応じた動力を駆動モータ(駆動源)20,22,24,26に発生させるための指令信号を生成する自律的制御手段(自律的制御手段160に相当する)100Aと、関節角度に対応する基準パラメータの生体信号と、筋電位センサ(第2の検出手段)38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44bにより検出された筋電位(生体信号)との差分が予め設定した許容値を超えているか否かを判断する判断手段(差分導出手段154に相当する)100Bと、差分が許容値を超えていると判断した場合に、自律的制御手段100Aに生成させる指令信号を差分に応じて変更する変更手段(ゲイン変更手段156に相当する)100Cとを備えている。
Further, the
図7は基準パラメータデータベース148に格納される各タスク及びフェーズの一例を示す図である。
図7に示されるように、装着者12の動作を分類するタスクとしては、例えば、着席状態から離席状態に移行する立ち上がり動作データを有するタスクAと、立ち上がった装着者12が歩行する歩行動作データを有するタスクBと、立った状態から着席状態に移行する着席動作データを有するタスクCと、立った状態から階段を上がる階段昇り動作データを有するタスクDとが基準パラメータデータベース148に格納されている。
FIG. 7 is a diagram showing an example of each task and phase stored in the
As shown in FIG. 7, the tasks for classifying the movement of the
そして、各タスクには、さらに最小単位の動作を規定する複数のフェーズデータが設定されており、例えば、歩行動作のタスクBには、左右両脚が揃った状態の動作データを有するフェーズB1と、右脚を前に出したときの動作データを有するフェーズB2と、左脚を前に出して右脚に揃えた状態の動作データを有するフェーズB3と、左脚を右脚の前に出した状態の動作データを有するフェーズB4とが格納されている。 Each task is set with a plurality of phase data that further define the minimum unit motion. For example, the task B for walking motion has a phase B1 having motion data in a state where both left and right legs are aligned, Phase B2 having motion data when the right leg is put forward, Phase B3 having motion data in a state where the left leg is put forward and aligned with the right leg, and the left leg is put in front of the right leg The phase B4 having the operation data is stored.
図8は基準パラメータデータベース148を模式的に示した図である。図8に示されるように、基準パラメータデータベース148には、各動作毎に設定されたタスクA,B…の夫々を分割した各フェーズ毎に関節角度基準パラメータθA1(t)…,筋電位基準パラメータEA1(t)…が格納されている。
FIG. 8 is a diagram schematically showing the
図9は指令信号データベース150を模式的に示した図である。図9に示されるように、指令信号データベース150には、各動作毎に設定されたタスクA,B…の領域に各タスクを分割した各フェーズのデータ領域が設定されており、各フェーズ毎に指令関数fA1(t)…、ゲインPA1、指令信号PA1x fA1(t)…などが格納されている。
FIG. 9 is a diagram schematically showing the
ここで、制御装置100が実行する制御処理の手順について図10のフローチャートを参照して説明する。
図10に示されるように、制御装置100は、ステップS11(以下「ステップ」を省略する)で物理現象検出手段142(角度センサ70,72,74,76)により検出された関節角度(θknee,θhip)を取得する。次にS12に進み、生体信号検出手段(筋電位センサ38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b)144によって検出された筋電位信号(EMGknee,EMGhip)を取得する。
Here, the procedure of the control process executed by the
As shown in FIG. 10, the
続いて、S13に進み、上記S11、S12で取得された関節角度(θknee,θhip)及び筋電位信号(EMGknee,EMGhip)を基準パラメータデータベース148と照合して装着者12の動作に対応するタスクのフェーズを特定する(フェーズ特定手段)。次のS14では、上記S13で特定されたフェーズに応じた指令関数f(t)及びゲインPを選択する(自律的制御手段)。
Subsequently, the process proceeds to S13, in which the joint angles (θknee, θhip) and myoelectric potential signals (EMGknee, EMGhip) acquired in S11 and S12 are checked against the
そして、S15に進み、物理現象検出手段142によって検出された関節角度に対応する基準パラメータの生体信号(EMGop)と、生体信号検出手段144によって筋電位信号(EMGex)との差分を演算し、ΔEMG(=EMGop−EMGex)を導出する(判断手段)。 In S15, the difference between the biological signal (EMGop) of the reference parameter corresponding to the joint angle detected by the physical phenomenon detection means 142 and the myoelectric potential signal (EMGex) is calculated by the biological signal detection means 144, and ΔEMG (= EMGop−EMGex) is derived (determination means).
次のS16では、上記S15において演算された差分ΔEMGと予め設定された許容値(閾値)とを比較し、差分ΔEMGが許容値未満かどうかを確認する。このS16において、差分ΔEMGが許容値未満であるときは、装着者12の関節動作に対する筋電位が装着者12の動作と対応しているため、駆動源140(駆動モータ20,22,24,26)からの駆動トルクをアシスト力として装着者12の脚に付与することができるものと判断する。
In the next S16, the difference ΔEMG calculated in S15 is compared with a preset allowable value (threshold) to check whether the difference ΔEMG is less than the allowable value. In S16, when the difference ΔEMG is less than the allowable value, the myoelectric potential with respect to the joint motion of the
従って、S16において、差分ΔEMGが許容値未満であるときは、S17に進み、指令信号を電力増幅手段158(モータドライバ92〜95)に送出する。これにより、駆動源140(駆動モータ20,22,24,26)は、装着者12から得られた関節角度(θknee,θhip)及び筋電位信号(EMGknee,EMGhip)に基づく駆動トルクを発生し、この駆動トルクを第2フレーム58、第3フレーム60及び第1締結ベルト78、第2締結ベルト80を介して装着者12の脚にアシスト力として伝達する。
Therefore, when the difference ΔEMG is less than the allowable value in S16, the process proceeds to S17, and a command signal is sent to the power amplifying means 158 (
また、上記S16において、差分ΔEMGが許容値を超える場合には、装着者12の関節動作に対する筋電位が装着者12の動作と対応していないため、駆動源140(駆動モータ20,22,24,26)からの駆動トルクが装着者12が動作しようとした動きと対応していないものと判断する。従って、S16において、差分ΔEMGが許容値以上であるときは、S19に進み、ゲインPの変更処理を行う(変更手段)。すなわち、S19では、ゲインP’=P×{1−(ΔEMG/EMGop)}の演算を行って補正ゲインP’(<P)に変更する。
In S16, when the difference ΔEMG exceeds the allowable value, the myoelectric potential for the joint motion of the
そして、S17では、補正ゲインP’により生成された指令信号(制御信号)は、ゲインPの場合よりも小さい値であり、電力増幅手段158(モータドライバ92〜95)にゲインPの場合よりも小さい制御量が供給される。これにより、駆動源140(駆動モータ20,22,24,26)は、ゲインPの場合よりも小さい駆動トルクを発生することになる。
In S17, the command signal (control signal) generated by the correction gain P ′ has a smaller value than that of the gain P, and the power amplifying means 158 (
その結果、駆動源140(駆動モータ20,22,24,26)は、各動作のフェーズに拘り無く、装着者12の意思に対応した筋電位信号(EMGknee,EMGhip)の実測値に基づく駆動トルクを発生し、この駆動トルクを第2フレーム58、第3フレーム60及び第1締結ベルト78、第2締結ベルト80を介して装着者12の脚にアシスト力として伝達する。
As a result, the drive source 140 (drive
このように、上記S19でゲインPの変更処理を行うため、例えば、装着者12が動作の途中でその動作(フェーズ)を中止して別の動作(フェーズ)に移ろうとした場合でも、装着者12の筋電位信号が低下した時点でアシスト力も減少し、装着者12の意思に反して当初の動作を強いることがないように制御することができる。よって、装着者12は、上記のような自律制御方法と随意制御と近似した随意的制御とが混在した制御方法により、装着者12の意思に応じたアシスト力を得ることができる。
As described above, since the gain P is changed in S19, for example, even when the
S18では、当該タスクの最終フェーズに対する制御処理が行われてかどうかを確認する。S18において、当該タスクの最終フェーズに対する制御処理が残っている場合には、上記S11に戻り、次のフェーズに対する制御処理(S11〜S18)を行う。また、S18において、当該タスクの最終フェーズに対する制御処理を行ったときは、今回の制御処理を終了する。 In S18, it is confirmed whether the control process for the final phase of the task has been performed. If the control process for the final phase of the task remains in S18, the process returns to S11 and the control process (S11 to S18) for the next phase is performed. In S18, when the control process for the final phase of the task is performed, the current control process is terminated.
ここで、実際の動作例(フェーズA1〜A5)を例示し、各要素の信号変化を示して上記S19の制御処理による作用について図11及び図12(A)〜(E)を参照して説明する。 Here, an example of actual operation (phases A1 to A5) is illustrated, the signal change of each element is shown, and the operation by the control process of S19 is described with reference to FIGS. 11 and 12A to 12E. To do.
図11は動作の一例としてのフェーズA1〜A5の動作過程を示す図である。
図11に示されるように、フェーズA1,A2,A3,A4は、装着者12が着席状態から離席状態に移行する通常の動作過程(タスクA)である。フェーズA1は装着者12が着席した状態、フェーズA2は装着者12が前かがみになった状態、フェーズA3は装着者12が中腰になった状態、フェーズA4は立ち上がった状態を示している。
FIG. 11 is a diagram illustrating an operation process of phases A1 to A5 as an example of the operation.
As shown in FIG. 11, phases A1, A2, A3, and A4 are normal operation processes (task A) in which the
また、フェーズA1,A2,A3,A5は、装着者12が着席状態から離席状態に移行する途中の中腰状態で立ち上がり動作を中止し、中腰状態から着席状態に戻った場合の変則的な動作過程である。フェーズA1は装着者12が着席した状態、フェーズA2は装着者12が前かがみになった状態、フェーズA3は装着者12が中腰になった状態、フェーズA5は着席した状態を示している。
Phases A1, A2, A3, and A5 are irregular operations when the
図12はフェーズA1〜A5に対応する各信号のグラフであり、(A)は膝関節の角度変化を示すグラフ、(B)は基準パラメータの変化を示すグラフ、(C)は筋電位実測値の変化を示すグラフ、(D)は差分ΔEMG(=EMGop−EMGex)の変化を示すグラフ、(E)はゲインPの変化を示すグラフである。 FIG. 12 is a graph of each signal corresponding to phases A1 to A5, where (A) is a graph showing changes in the angle of the knee joint, (B) is a graph showing changes in the reference parameters, and (C) is a measured myoelectric potential value. (D) is a graph showing the change of the difference ΔEMG (= EMGop−EMGex), and (E) is a graph showing the change of the gain P.
図12(A)に示されるように、グラフI(実線で示す)は装着者12が着席状態から離席状態に移行する通常の動作を行った場合の膝関節角度(θknee)を示し、グラフII(破線で示す)は装着者12が着席状態から離席状態に移行する途中の中腰状態で立ち上がり動作を中止し、中腰状態から着席状態に戻った場合の膝関節角度(θknee)を示す。
As shown in FIG. 12A, a graph I (shown by a solid line) shows a knee joint angle (θknee) when the
このグラフIにより、フェーズA3(中腰状態)からフェーズA4(立ち上がった状態)に動作した場合は、関節角度が90度〜110度から180度に開くことが分かる。また、グラフIIにより、フェーズA3(中腰状態)からフェーズA5(着席状態)に動作した場合は、関節角度が90度〜110度から約140度になった後、再び関節角度が減少して90度〜110度に戻ることが分かる。 From this graph I, it can be seen that the joint angle opens from 90 degrees to 110 degrees to 180 degrees when the operation is performed from phase A3 (center waist state) to phase A4 (rise state). Further, according to the graph II, when the operation is performed from the phase A3 (the middle waist state) to the phase A5 (the seated state), the joint angle is decreased again after the joint angle is changed from 90 degrees to 110 degrees to about 140 degrees. It can be seen that the degree returns to 110 degrees.
図12(B)に示されるように、グラフIIIは、装着者12が着席状態から離席状態に移行する通常の動作過程(フェーズA1〜A4)に対応する基準パラメータ(EMGop)の変化を示している。
As shown in FIG. 12B, graph III shows changes in the reference parameter (EMGop) corresponding to the normal operation process (phases A1 to A4) in which the
図12(C)に示されるように、グラフIV(実線で示す)は、装着者12が着席状態から離席状態に移行する通常の動作を行った場合の筋電位の実測値(EMGex)の変化を示し、グラフV(破線で示す)は、装着者12が着席状態から離席状態に移行する途中の中腰状態で立ち上がり動作を中止し、中腰状態から着席状態に戻った場合の筋電位の実測値(EMGex)の変化を示す。このグラフVから装着者12が中腰状態から着席状態に動作することにより、筋電位(EMGex)が低下することが分かる。
As shown in FIG. 12 (C), graph IV (shown by a solid line) shows the measured value (EMGex) of the myoelectric potential when the
図12(D)に示されるように、グラフVI(実線で示す)は、装着者12が着席状態から離席状態に移行する通常の動作を行った場合の差分ΔEMG(=EMGop−EMGex)の変化を示し、グラフVII(破線で示す)は、装着者12が着席状態から離席状態に移行する途中の中腰状態で立ち上がり動作を中止し、中腰状態から着席状態に戻った場合の差分ΔEMG(=EMGop− EMGex)の変化を示す。このグラフVIとグラフVIIとを対比すると、グラフVIの差分ΔEMGが許容値H以下を推移しており、グラフVIIでは装着者12が中腰状態から着席状態に動作するのに伴って、差分ΔEMGが許容値Hを超えた値に変化していることが分かる。
As shown in FIG. 12D, a graph VI (shown by a solid line) shows a difference ΔEMG (= EMGop−EMGex) when the
従って、差分ΔEMGは、グラフVに示す筋電位の実測値(EMGex)が低下すると共に、増大するように変化しており、装着者12から検出された筋電位信号と膝関節角度(θknee)に応じた生体信号との差分が筋電位の実測値(EMGex)の変化を反映していることが分かる。
Therefore, the difference ΔEMG changes so that the measured value (EMGex) of the myoelectric potential shown in the graph V decreases and increases, and the myoelectric potential signal detected from the
図12(E)に示されるように、グラフVIII(実線で示す)は、装着者12が着席状態から離席状態に移行する通常の動作を行った場合のゲインPの変化を示し、グラフIX(破線で示す)は、装着者12が着席状態から離席状態に移行する途中の中腰状態で立ち上がり動作を中止し、中腰状態から着席状態に戻った場合のゲインPの変化を示す。
As shown in FIG. 12E, a graph VIII (shown by a solid line) shows a change in gain P when the
このグラフVIIIでは、各フェーズA1〜A4(図11参照)の動きに対応したゲインPが生成されていることが分かり、グラフIXでは筋電位の実測値(EMGex)の低下に伴ってゲインPが補正されて低下していることが分かる。 In this graph VIII, it can be seen that the gain P corresponding to the movement of each of the phases A1 to A4 (see FIG. 11) is generated, and in the graph IX, the gain P is reduced as the measured value of EMG (EMGex) decreases. It can be seen that the correction has been reduced.
このグラフVIIIとグラフIXとを対比すると、グラフVIIIが図12(B)に示す基準パラメータ(EMGop)とほぼ同様にゲインPが変化しているのに対し、グラフIXでは、図12(C)に示す筋電位の実測値(EMGex)のグラフVと同様にゲインPが低下することが分かる。従って、図12(D)に示す差分ΔEMGが許容値Hを超える場合には、装着者12が通常の立ち上がり動作を中止して中腰状態から着席状態に動作するために筋力を弱めている。そして、この筋力の変化に追従するようにゲインPが補正されているため、装着者12はアシスト力の低下に伴って、スムーズに着席動作を行える。
When this graph VIII is compared with the graph IX, the gain P changes in the graph VIII in substantially the same manner as the reference parameter (EMGop) shown in FIG. 12B, whereas in the graph IX, the gain P changes in FIG. It can be seen that the gain P decreases as in the graph V of the measured value (EMGex) of the myoelectric potential shown in FIG. Accordingly, when the difference ΔEMG shown in FIG. 12D exceeds the allowable value H, the muscle strength is weakened because the
このように、制御装置100は、膝関節角度の検出値(θknee)及び筋電位の実測値(EMGex)に基づいて得られた基準パラメータ(EMGop)によるゲイン生成を行う自律制御と、装着者12から検出された筋電位信号と膝関節角度(θknee)に応じた生体信号との差分が許容値Hを超える場合にゲインを補正して装着者12の意思を反映させる随意的制御とを組み合わせることにより、装着者12が一連のフェーズを終了させる前の動作途中に筋力を変化させた場合でもアシスト力を低下させることにより装着者12の動作を妨げないように制御することが可能になるため、装着者12の意思に反するようなアシスト力を付与することが防止される。
In this way, the
尚、上記実施例では、装着者12の脚にアシスト力を付与する構成とされた動作補助装置10を一例として挙げたが、これに限らず、例えば、腕の動作をアシストするように構成された動作補助装置にも本発明を適用することができるのは勿論である。
In the above-described embodiment, the
また、上記実施例では、電動モータの駆動トルクをアシスト力として伝達する構成について説明したが、電動モータ以外の駆動源を用いてアシスト力を発生させる装置にも適用することができるのは勿論である。 In the above-described embodiment, the configuration in which the drive torque of the electric motor is transmitted as the assist force has been described. However, the present invention can be applied to a device that generates the assist force using a drive source other than the electric motor. is there.
10 動作補助装置
12 装着者
20 右腿駆動モータ
22 左腿駆動モータ
24 右膝駆動モータ
26 左膝駆動モータ
30 腰ベルト
32,34 バッテリ
36 制御バック
38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b 筋電位センサ
50a,50b,52a,52b 反力センサ
54 右脚補助部
55 左脚補助部
56 第1フレーム
58 第2フレーム
60 第3フレーム
62 第4フレーム
64 第1関節
66 第2関節
70,72,74,76 角度センサ
78 第1締結ベルト
80 第2締結ベルト
84 踵受け部
86 電源回路
88 入出力インターフェイス
100 制御装置
101〜108 差動増幅器
111〜114 角度検出部
121〜124 反力検出部
130 メモリ
140 駆動源
142 物理現象検出手段
144 生体信号検出手段
146 データ格納手段
148 基準パラメータデータベース
150 指令信号データベース
152 フェーズ特定手段
154 差分導出手段
158 電力増幅手段
160 自律的制御手段
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記装着者に対して動力を付与する駆動源を有した動作補助装着具と、
前記装着者の動作に応じた当該装着者の関節の角度を検出する第1の検出手段と、
前記装着者の筋活動に伴う生体信号を検出する第2の検出手段と、
前記装着者の動作パターンを構成する一連のフェーズの個々に対応するように、装着者の関節角度および生体信号を設定したデータ群からなる基準パラメータを格納した格納手段と、
前記第1の検出手段により検出された関節角度を前記基準パラメータの関節角度と比較することにより、前記装着者の動作パターンのフェーズを特定するフェーズ特定手段と、
該フェーズ特定手段により特定された当該フェーズに応じた動力を前記駆動源に発生させるための指令信号を生成し、前記装着者の意思に応じた動作パターンを補助するように前記駆動源を制御する自律的制御手段と、
前記第1の検出手段により検出された関節角度に対応する基準パラメータの生体信号と、前記第2の検出手段により検出された生体信号との差分が予め設定した許容値を超えているか否かを判断する判断手段と、
前記差分が前記許容値を超えていると前記判断手段が判断した場合に、前記自律的制御手段に生成させる指令信号を前記差分に応じて変更する変更手段と、
を備えたことを特徴とする装着式動作補助装置。 A wearable movement assist device that assists or acts on behalf of the wearer,
A motion assisting wearing device having a drive source for applying power to the wearer;
First detection means for detecting an angle of a joint of the wearer according to the operation of the wearer;
Second detection means for detecting a biological signal associated with the muscle activity of the wearer;
Storage means for storing a reference parameter consisting of a data group in which the joint angle and biological signal of the wearer are set so as to correspond to each of a series of phases constituting the wearer's operation pattern;
Phase identification means for identifying the phase of the wearer's movement pattern by comparing the joint angle detected by the first detection means with the joint angle of the reference parameter ;
A command signal is generated for causing the drive source to generate power according to the phase specified by the phase specifying means, and the drive source is controlled to assist an operation pattern according to the wearer's intention. Autonomous control means,
Whether or not the difference between the biological signal of the reference parameter corresponding to the joint angle detected by the first detecting means and the biological signal detected by the second detecting means exceeds a preset allowable value. A judging means for judging;
Changing means for changing a command signal to be generated by the autonomous control means according to the difference when the determination means determines that the difference exceeds the allowable value;
A wearable movement assist device characterized by comprising:
腰ベルトと、
該腰ベルトの右側部から下方に設けられた右脚補助部と、
前記腰ベルトの左側部から下方に設けられた左脚補助部と、
を有しており、
前記右脚補助部及び左脚補助部は、
前記腰ベルトを支持するように下方に延在する第1フレームと、
該第1フレームより下方に延在する第2フレームと、
該第2フレームより下方に延在する第3フレームと、
該第3フレームの下端に設けられ、前記装着者の脚の裏が載置される第4フレームと、
前記第1フレームの下端と前記第2フレームの上端との間に介在する第1関節と、
前記第2フレームの下端と前記第3フレームの上端との間に介在する第2関節と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の装着式動作補助装置。 The movement assist wearing device is:
Waist belt,
A right leg auxiliary part provided below from the right side of the waist belt;
A left leg auxiliary part provided below from the left side of the waist belt;
Have
The right leg auxiliary part and the left leg auxiliary part are
A first frame extending downward to support the waist belt;
A second frame extending below the first frame;
A third frame extending below the second frame;
A fourth frame provided at the lower end of the third frame, on which the back of the leg of the wearer is placed;
A first joint interposed between a lower end of the first frame and an upper end of the second frame;
A second joint interposed between a lower end of the second frame and an upper end of the third frame;
The wearable motion assisting device according to claim 1, comprising:
前記第2関節は、前記装着者の膝関節と一致する高さ位置に設けられたことを特徴とする請求項3に記載の装着式動作補助装置。 The first joint is provided at a height position that matches the hip joint of the wearer,
The wearable motion assisting device according to claim 3, wherein the second joint is provided at a height position coinciding with the knee joint of the wearer.
前記第2関節には、前記第3フレームを回動させるように駆動力を伝達する第2の駆動源を設けたことを特徴とする請求項3または4に記載の装着式動作補助装置。 The first joint is provided with a first driving source that transmits a driving force so as to rotate the second frame,
5. The wearable movement assist device according to claim 3, wherein the second joint is provided with a second drive source that transmits a driving force so as to rotate the third frame. 6.
前記装着者の動作パターンを構成する一連のフェーズの個々に対応するように、装着者の関節角度および生体信号を設定したデータ群からなる基準パラメータを格納手段に予め格納する第1ステップと、
前記第1の検出手段により検出された関節角度を前記基準パラメータの関節角度と比較することにより、前記装着者の動作パターンのフェーズを特定する第2ステップと、
特定された当該フェーズに応じた動力を前記駆動源に発生させるための指令信号を前記自律的制御手段に生成させ、前記装着者の意思に応じた動作パターンを補助するように前記駆動源を制御する第3ステップと、
前記第1の検出手段により検出された関節角度に対応する基準パラメータの生体信号と、前記第2の検出手段により検出された生体信号との差分が予め設定した許容値を超えているか否かを判断する第4ステップと、
前記差分が前記許容値を超えている場合に、前記自律的制御手段に生成させる指令信号を前記差分に応じて変更する第5ステップとを含むことを特徴とする装着式動作補助装置における駆動源の制御方法。 A driving source that generates power for assisting or acting on the wearer's movement, first detection means for detecting the angle of the joint of the wearer according to the movement of the wearer, and muscle activity of the wearer In a method for controlling the drive source in a wearable motion assisting device comprising second detection means for detecting a biological signal involved and an autonomous control means for generating a command signal for generating power in the drive source. There,
A first step of previously storing in the storage means a reference parameter consisting of a data group in which the wearer's joint angle and biological signal are set so as to correspond to each of a series of phases constituting the wearer's motion pattern;
A second step of identifying the phase of the wearer's movement pattern by comparing the joint angle detected by the first detection means with the joint angle of the reference parameter ;
The autonomous control means generates a command signal for causing the drive source to generate power corresponding to the identified phase, and the drive source is controlled to assist the operation pattern according to the wearer's intention. and a third step you,
Whether or not the difference between the biological signal of the reference parameter corresponding to the joint angle detected by the first detecting means and the biological signal detected by the second detecting means exceeds a preset allowable value. A fourth step of determining;
And a fifth step of changing a command signal to be generated by the autonomous control means according to the difference when the difference exceeds the allowable value. Control method.
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