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技術 歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法

出願人 三星電子株式会社
発明者 林福萬徐基弘
出願日 2014年8月5日 (5年7ヶ月経過) 出願番号 2014-159871
公開日 2015年5月11日 (4年10ヶ月経過) 公開番号 2015-089510
状態 特許登録済
技術分野 マニプレータ リハビリ用具
主要キーワード 動作状態判断 逆運動 補助モード 慣性測定装置 歩行補助器具 動的補償 設計意図 足受け
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特許:約8,000万件, クラウドファンディング:約100万年件, 科研費・グラントデータ:約500万件, 発明者・研究者情報:約600万人

この項目の情報は公開日時点(2015年5月11日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (10)

課題

歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットを制御する方法に関する。

解決手段

歩行補助ロボットを制御する方法は、少なくとも一つの関節の動作を感知したり、または前記少なくとも一つの関節の動作を測定する動作情報収集段階と、前記感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記少なくとも一つの関節の動作状態を判断する動作判断段階と、前記少なくとも一つの関節の動作状態に対する判断結果に基づいて、歩行補助ロボットを制御する制御段階と、を含むことができる。

概要

背景

歩行補助器具は、歩行が不自由な使用者補助して、使用者が容易に歩行を行うことができるようにする器具である。人間は、遺伝的欠陥のような先天的な理由、または年齢疾病事故などのような後天的な理由で歩行が不自由になることがあるが、このような歩行の不自由さを解消するための器具が歩行補助器具である。

歩行補助器具としては、少なくとも一つの車輪及び支持台が設置された歩行補助車や、歩行時に必要な力を人体筋肉印加して使用者の歩行を補助する歩行補助ロボットなどがある。

ここで、歩行補助ロボットは、人体の臀部大腿部部などに固定され、アクチュエータ(actuator)及び様々な各種機械的手段によって筋肉及び関節に所定の力、例えば、回転力を印加して、筋肉及び関節の運動を補助することによって、着用者が容易に歩行するように補助することができる。

概要

歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットを制御する方法に関する。 歩行補助ロボットを制御する方法は、少なくとも一つの関節の動作を感知したり、または前記少なくとも一つの関節の動作を測定する動作情報収集段階と、前記感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記少なくとも一つの関節の動作状態を判断する動作判断段階と、前記少なくとも一つの関節の動作状態に対する判断結果に基づいて、歩行補助ロボットを制御する制御段階と、を含むことができる。

目的

適切且つ効率よく使用者の歩行を補助することができる歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

少なくとも一つの関節の動作を感知し、または、前記少なくとも一つの関節の動作を測定する動作情報収集段階と、前記感知または前記測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記少なくとも一つの関節の動作状態を判断する動作判断段階と、前記少なくとも一つの関節の動作状態に対する判断結果に基づいて、歩行補助ロボットを制御する制御段階と、を含む、ことを特徴とする歩行補助ロボットの制御方法

請求項2

前記動作判断段階は、前記感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記関節の動作状態が変更されたか否かを判断する段階を含む、請求項1に記載の歩行補助ロボットの制御方法。

請求項3

前記動作判断段階は、前記感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記関節の動作がポジティブワーク状態(positiveworkstate)であるか、または、ネガティブワーク状態(negativeworkstate)であるかを判断する状態判断段階と、を含む、請求項1または2に記載の歩行補助ロボットの制御方法。

請求項4

前記状態判断段階は、前記感知または前記測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記関節の運動と関連する運動情報演算する段階と、を含む、請求項1乃至3いずれか一項に記載の歩行補助ロボットの制御方法。

請求項5

前記状態判断段階は、さらに、前記演算された運動情報が正数である場合、前記少なくとも一つの関節の動作をポジティブワークと判断し、前記演算された運動情報が負数である場合、前記少なくとも一つの関節の動作をネガティブワークと判断する段階と、を含む、請求項4に記載の歩行補助ロボットの制御方法。

請求項6

前記動作情報収集段階は、少なくとも一つの時点で前記少なくとも一つの関節の動作と関連する少なくとも一つの情報を収集し、前記少なくとも一つの情報は、前記少なくとも一つの関節の角度、前記少なくとも一つの関節の角速度、前記少なくとも一つの関節の角加速度、前記歩行補助ロボットの歩行速度、及び、地面反力のうち少なくとも一つを含む段階と、を含む、請求項1乃至5いずれか一項に記載の歩行補助ロボットの制御方法。

請求項7

前記動作判断段階は、前記少なくとも一つの時点で収集された情報に基づいて、前記少なくとも一つの関節の回転力を演算する段階と、前記演算された少なくとも一つの関節の回転力に基づいて、前記少なくとも一つの関節の運動と関連する運動情報を演算する段階と、を含む、請求項6に記載の歩行補助ロボットの制御方法。

請求項8

前記制御段階は、前記少なくとも一つの関節の動作がポジティブワーク状態である場合、前記少なくとも一つの関節の動作を加速させる加速補助段階、及び、前記少なくとも一つの関節の動作がネガティブワーク状態である場合、前記少なくとも一つの関節の動作を減速させる減速補助段階、のうち少なくとも一つを含む、請求項1乃至7いずれか一項に記載の歩行補助ロボットの制御方法。

請求項9

前記加速補助段階は、前記少なくとも一つの関節の以前の動作に基づいて演算される回転力変化パターンを用いて決定されるアクティブ回転力(activetorque)を、前記少なくとも一つの関節に印加する段階と、を含む、請求項8に記載の歩行補助ロボットの制御方法。

請求項10

前記回転力変化パターンは、以前の歩行状態の変化時の時間情報、回転力の変化地点に関する情報、及び、現在の歩行状態時の最大の関節回転力情報に基づいて決定される、請求項9に記載の歩行補助ロボットの制御方法。

請求項11

前記加速補助段階は、着用者と前記歩行補助ロボットとの歩行周期類似度に基づいた加重値が付加されたアクティブ回転力を、前記少なくとも一つの関節に印加する、請求項8乃至10いずれか一項に記載の歩行補助ロボットの制御方法。

請求項12

前記減速補助段階は、前記関節の角速度に基づいて決定されるダンピング回転力(dampingtorque)、または、着用者と前記歩行補助ロボットとの歩行周期の類似度に基づいた加重値が付加されたダンピング回転力を、前記少なくとも一つの関節に印加する段階と、を含む、請求項8乃至11いずれか一項に記載の歩行補助ロボットの制御方法。

請求項13

前記加速補助段階及び減速補助段階のうち少なくとも一つは、さらに、動的補償回転力を前記少なくとも一つの関節に印加する段階と、を含む、請求項8乃至12いずれか一項に記載の歩行補助ロボットの制御方法。

請求項14

前記少なくとも一つの関節は、股関節膝関節及び足首関節のうち少なくとも一つの関節を含む、請求項1乃至13いずれか一項に記載の歩行補助ロボットの制御方法。

請求項15

少なくとも一つの関節と、前記少なくとも一つの関節の動作を感知し、または、前記少なくとも一つの関節の動作を測定する動作情報収集部と、前記感知または前記測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記少なくとも一つの関節の動作状態を判断し、前記少なくとも一つの関節の動作状態に対する判断結果に基づいて、歩行補助ロボットを制御する処理部と、を含む、ことを特徴とする歩行補助ロボット。

請求項16

前記動作情報収集部は、少なくとも一つの関節の動作を感知する少なくとも一つの感知部、及び、少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を測定する少なくとも一つの動作測定部、のうち少なくとも一つを含む、請求項15に記載の歩行補助ロボット。

請求項17

前記感知部は、関節角度センサ傾きセンサ加速度センサ地面反力センサ、及び、慣性測定装置、のうち少なくとも一つを含む、請求項16に記載の歩行補助ロボット。

請求項18

前記処理部は、前記感知または前記測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記関節の動作状態が変更されたか否かを判断する、請求項15乃至17いずれか一項に記載の歩行補助ロボット。

請求項19

前記処理部は、前記感知または前記測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記関節の動作がポジティブワーク状態であるか、または、ネガティブワーク状態であるかを判断する、請求項15乃至18いずれか一項に記載の歩行補助ロボット。

請求項20

前記処理部は、前記感知または前記測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記少なくとも一つの関節の運動と関連する運動情報を演算する、請求項15乃至19いずれか一項に記載の歩行補助ロボット。

技術分野

0001

歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法に関する。

背景技術

0002

歩行補助器具は、歩行が不自由な使用者補助して、使用者が容易に歩行を行うことができるようにする器具である。人間は、遺伝的欠陥のような先天的な理由、または年齢疾病事故などのような後天的な理由で歩行が不自由になることがあるが、このような歩行の不自由さを解消するための器具が歩行補助器具である。

0003

歩行補助器具としては、少なくとも一つの車輪及び支持台が設置された歩行補助車や、歩行時に必要な力を人体筋肉印加して使用者の歩行を補助する歩行補助ロボットなどがある。

0004

ここで、歩行補助ロボットは、人体の臀部大腿部部などに固定され、アクチュエータ(actuator)及び様々な各種機械的手段によって筋肉及び関節に所定の力、例えば、回転力を印加して、筋肉及び関節の運動を補助することによって、着用者が容易に歩行するように補助することができる。

発明が解決しようとする課題

0005

適切且つ効率よく使用者の歩行を補助することができる歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法を提供することが解決しようとする課題である。

課題を解決するための手段

0006

上記のような課題を解決するために、歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法が提供される。

0007

歩行補助ロボットは、少なくとも一つの関節と、前記少なくとも一つの関節の動作を感知したり、または前記少なくとも一つの関節の動作を測定する動作情報収集部と、前記感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記少なくとも一つの関節の動作状態を判断し、前記少なくとも一つの関節の動作状態に対する判断結果に基づいて歩行補助ロボットを制御する処理部と、を含むことができる。

0008

歩行補助ロボットを制御する方法は、少なくとも一つの関節の動作を感知したり、または前記少なくとも一つの関節の動作を測定する動作情報収集段階と、前記感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記少なくとも一つの関節の動作状態を判断する動作判断段階と、前記少なくとも一つの関節の動作状態に対する判断結果に基づいて歩行補助ロボットを制御する制御段階と、を含むことができる。

発明の効果

0009

上述した歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法によれば、着用者の筋肉や関節に適切な力を印加することによって、歩行補助ロボットの着用者が、歩行補助ロボットによる不便さを感じないで、自然に歩行できるようになるという効果を得ることができる。

0010

上述した歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法によれば、歩行時に、適切な時期に適切な力を着用者に印加することによって、歩行補助利得を極大化させることができる。

0011

上述した歩行補助ロボット及び歩行補助ロボットの制御方法によれば、歩行時に、着用者の筋肉や関節に対して適切に力を印加できるようになることで、移動距離対比着用者のエネルギー消費を減少させる効果も得ることができる。

0012

また、関節別に、歩行速度環境変化によって変動幅が大きいポジティブワーク(positive work)区間及びネガティブワーク(negative work)区間を正確に感知及び推定できるようになる効果も得ることができる。

0013

また、エネルギーの観点で、より効率よく歩行を補助することによって、歩行補助ロボットのエネルギー消費量を減少させて、歩行補助ロボットが長時間にわたって歩行補助を行うことができるようになる。

0014

さらに、歩行補助ロボットのエネルギー消費量の減少によって、歩行補助ロボットのバッテリーの大きさ及び質量を減少させることができるので、歩行補助ロボットの質量もまた減少させることができる。これによって、歩行補助ロボットの質量による着用者の抵抗感を低減させることができるようになる効果も得ることができる。

図面の簡単な説明

0015

歩行補助ロボットの一実施例に係る正面図である。
歩行補助ロボットの一実施例に係る側面図である。
歩行補助ロボットの一実施例に係る構成図である。
歩行モデルの一実施例を説明するための図である。
歩行モデルの一実施例を説明するための図である。
回転力変化パターンの一実施例を説明するための図である。
演算された運動情報の一実施例を説明するための図である。
歩行補助ロボットの制御方法の一実施例に係るフローチャートである。
歩行補助ロボットの関節の動作を推定する方法の一実施例に係るフローチャートである。

実施例

0016

以下、図1乃至図6を参照して、歩行補助ロボットの一実施例について説明する。図1及び図2は、歩行補助ロボットの一実施例に係る正面図及び側面図であり、図3は、歩行補助ロボットの一実施例に係る構成図である。

0017

図1乃至図3に示すように、歩行補助ロボット1は、着用者の脚または足の全部または一部に固定されて、着用者の歩行を補助する歩行補助部2と、歩行補助部2を制御したり、または各種情報を収集することができる本体部10とを含むことができる。

0018

歩行補助部2は、一実施例によれば、図1及び図2に示すように、第1構造部20、第2構造部30及び第3構造部40のうち少なくとも一つを含むことができる。以下、歩行補助ロボット1を説明するにあたって、説明の明確化のため、第1構造部20乃至第3構造部40を全て含む歩行補助ロボット1の一実施例について記述する。しかし、歩行補助ロボット1は、上述した第1構造部乃至第3構造部20〜40を全て含む場合にのみ適用できるものではなく、これら第1構造部乃至第3構造部20〜40のいずれか一つ、例えば、第1構造部20のみを含む場合にも同一に適用可能である。

0019

一実施例によれば、歩行補助部2は、第1構造部20、第2構造部30及び第3構造部40を各々一つずつ含むことができる。この場合、着用者の左脚及び右脚のいずれか一つに、第1構造部20、第2構造部30及び第3構造部40のうち少なくとも一つを着用することができる。他の実施例によれば、図1に示すように、着用者の左脚及び右脚の両方に歩行補助部2を設置できるように、歩行補助部2は、一対の第1構造部20,20a、一対の第2構造部30,30a及び一対の第3構造部40,40aを含むこともできる。歩行補助部2が一対の第1構造部20,20a、一対の第2構造部30,30a及び一対の第3構造部40,40aを含む場合、互いに異なる方向に駆動できること以外は、前記それぞれの構造部の機能や動作は大同小異である。更に他の実施例によれば、歩行補助部2は、複数の構造部20〜40のうち一部の構造部は一つのみを備え、他の構造部は対をなして備えることも可能である。例えば、歩行補助部2は、一対の第1構造部20,20a、一つの第2構造部30及び第3構造部40を含むことも可能である。

0020

以下、単一の第1構造部乃至第3構造部20〜40について説明するが、それぞれの構造部が対をなして存在する場合にも実質的に同一に適用できる。

0021

第1構造部20は、歩行動作において、着用者の大腿部及び股関節動きを補助することができる。第1構造部20は、少なくとも一つの第1駆動部21、及び少なくとも一つの第1支持部22を含むことができる。

0022

第1駆動部21は、本体部10の処理部17から伝達される制御命令またはアクチュエータ18の駆動によって、様々な大きさの回転力(トルク、torque)を発生させて、第1支持部22に印加することができる。第1支持部22に印加される回転力は固定的であってもよく、可変的であってもよい。第1支持部22に様々な大きさの回転力を印加しながら、第1駆動部21は少なくとも一つの方向に回転することもできる。第1駆動部21の回転範囲は、着用者の股関節の動作範囲以内とすることができる。

0023

一実施例によれば、第1駆動部21は、本体部10の電源16などから供給される電気エネルギーによって所定の大きさの回転力を発生させる少なくとも一つのモータを含むこともできる。少なくとも一つのモータは、エンコーダ(encoder)を備えたモータであってもよい。他の実施例によれば、第1駆動部21は、本体部10などから供給される電気エネルギー、または流体の圧力、例えば、油圧空気圧などの圧力によって動作して回転力を発生させる少なくとも一つのピストンシリンダー装置を含むこともできる。実施例によって、第1駆動部21は、少なくとも一つのモータ、及び少なくとも一つのピストンやシリンダー装置を全て含むこともできる。

0024

少なくとも一つの第1支持部22は、第1駆動部21と連結されて、第1駆動部21で発生した所定の大きさの回転力によって少なくとも一つの方向に回転することができる。第1支持部22は、歩行補助ロボット1の設計者ごとに、様々な形態で具現することができる。例えば、第1支持部22は、少なくとも一つの支持パネルとして具現してもよい。また、第1支持部22は、複数の節部、及び複数の節部を連結するリンク(link)によって具現してもよい。ここで、複数の節部は、支持台や支持パネルなどで具現することができる。第1支持部22には少なくとも一つの第1固定部23が設置されていてもよい。第1支持部22は、第1固定部23を用いて着用者の大腿部の内側または外側に固定することができる。

0025

第1支持部22は、第1固定部23を通じて着用者の大腿部に、第1駆動部21で発生した所定の大きさの回転力を印加することができる。具体的に、第1駆動部21の駆動によって第1支持部22が回転すると、第1支持部22が第1固定部23によって固定された着用者の大腿部もまた同一の方向に回転することができる。結果的に、第1構造部20は、大腿部を持ち上げたり、または下ろす着用者の動作を補助するように、所定の回転力を着用者の大腿部や股関節などに印加できるようになる。これによって、着用者は、脚を持ち上げたり、または歩行時に、歩行補助ロボット1による補助を受けることができるようになる。

0026

第1固定部23は、金属素材で形成されたものであってもよく、または、ゴムなどのような各種弾性力のある素材で形成されたものであってもよい。第1固定部23は、図1に示すように、所定のチェーン(chain)であってもよく、弾性力を有するバンドであってもよく、各種ストラップ(strap)であってもよい。その他に、第1支持部22を大腿部などに固定させるために当業者によって考慮される様々な固定手段もまた、第1固定部23の例えば適用することができる。

0027

第1構造部20は、図3に示すように、少なくとも一つの第1感知部25を含むことができる。少なくとも一つの第1感知部25は、第1駆動部21、第1支持部22及び着用者の股関節の動作のうち少なくとも一つの動作を感知することができる。第1感知部25は、感知された動作によって所定の電気的信号を生成することによって、所定の情報を獲得することができる。ここで、所定の情報は、関節角度、第1支持部22の傾き、関節の角速度及び関節の加速度のうち少なくとも一つを含むことができる。第1感知部25で獲得した所定の情報は、図3に示すように、動作状態判断部17bに伝達することができる。

0028

第1感知部25は、例えば、少なくとも一つの関節角度センサ、少なくとも一つの傾きセンサ、少なくとも一つの加速度センサ及び少なくとも一つの慣性測定装置IMU、inertial measurement unit)のうち少なくとも一つを含むことができる。第1感知部25は、第1駆動部21及び第1支持部22のうち少なくとも一つに設置することができる。実施例によって、第1駆動部21及び第1支持部22の両方に第1感知部25が設置されていてもよい。また、第1感知部25のうち一部は第1駆動部21に設置され、他の一部は第1支持部22に設置されることも可能である。例えば、関節角度センサは第1駆動部21に設置され、傾きセンサや慣性測定装置は第1支持部22に設置されることも可能である。

0029

一実施例によれば、第1構造部20は、図3に示すように、少なくとも一つの第1測定部26を含むことができる。少なくとも一つの第1測定部26は、第1駆動部21と連結されて、第1駆動部21の動作と関連する情報を測定することができる。第1駆動部21の動作と関連する情報は、第1駆動部21の回転角度、角速度及び角加速度のうち少なくとも一つを含むことができる。仮に、第1駆動部21が、エンコーダを備えたモータである場合、第1測定部26は、エンコーダのエンコーダ値を用いて関節角度、速度及び加速度を測定することができる。第1測定部26で測定された各種パラメーターは、図3に示すように、関節動作推定部17aに伝達することができる。

0030

第2構造部30は、歩行動作において、着用者の下腿部及び膝関節の動きを補助することができる。第2構造部30は、図1乃至図3に示すように、第2駆動部31、第2支持部32及び第2固定部33を含むことができる。

0031

第2駆動部31は、第1駆動部21と同様に、少なくとも一つの方向に様々な大きさの回転力を発生させることができる。第2駆動部31もまた、少なくとも一つのモータ及び少なくとも一つのピストンやシリンダー装置のうち少なくとも一つを含むことができる。第2駆動部31の少なくとも一つのモータはエンコーダを含むことができる。

0032

少なくとも一つの第2支持部32は、第2駆動部31で発生した回転力によって少なくとも一つの方向に回転することができる。第2支持部32の構成、構造及び素材などは、上述した第1支持部22と同一であってもよく、または異なっていてもよい。

0033

第2構造部30は、第2支持部32を着用者の下腿部に固定させるための少なくとも一つの第2固定部33,34を含むこともできる。第2支持部32は、第2固定部33,34によって着用者の下腿部の内側または外側に固定することができる。第2固定部33,34の構成、構造及び素材などは、上述した第1固定部23と同一であってもよく、または異なっていてもよい。第2支持部32は、第2固定部33によって下腿部に固定できるので、第2構造部30は、所定の回転力を着用者の下腿部や膝関節などに印加できるようになる。これによって、第2構造部30は、下腿部を持ち上げたり、または下ろす着用者の動作を補助できるようになる。

0034

第2構造部30は、図3に示すように、少なくとも一つの第2感知部35を含むことができる。少なくとも一つの第2感知部35は、第2駆動部31、第2支持部33及び着用者の膝関節の動作のうち少なくとも一つの動作を感知して電気的信号に変換し、電気的信号を、図3に示すように、動作状態判断部17bに伝達することができる。第2感知部35は、少なくとも一つの関節角度センサ、少なくとも一つの傾きセンサ、少なくとも一つの加速度センサ及び少なくとも一つの慣性測定装置のうち少なくとも一つを含むことができる。第2感知部35は、第2駆動部31及び第2支持部32のうち少なくとも一つに設置することができる。第1感知部25の場合と同様に、実施例によって、第2感知部35のうち一部は第2駆動部31に設置し、他の一部は第2支持部32に設置してもよい。

0035

一実施例によれば、第2構造部30は、図3に示すように、少なくとも一つの第2測定部36を含むことができる。少なくとも一つの第2測定部36は、第2駆動部31の動作と関連する情報、例えば、第2駆動部31の回転角度、角速度及び角加速度などを測定することができる。仮に、第2駆動部31が、エンコーダを備えたモータである場合、第2測定部36は、エンコーダのエンコーダ値を用いて関節角度、速度及び加速度を測定することもできる。第2測定部36で測定された各種パラメーターは、図3に示すように、関節動作推定部17aに伝達することができる。

0036

第3構造部40は、歩行動作において、着用者の足首の動作を補助することができる。第3構造部40は、図1に示すように、第3駆動部41、足受け部42及び第3固定部43などを含むことができる。

0037

第3駆動部41は、第1駆動部21と同様に、少なくとも一つの方向に様々な大きさの回転力を発生させて、足首関節及び足首の周辺の筋肉と関連する着用者の動作を補助することができる。第3駆動部41もまた第1駆動部21及び第2駆動部31と同様に、少なくとも一つのモータ及び少なくとも一つのピストンやシリンダー装置のうち少なくとも一つを含むことができる。この場合、少なくとも一つのモータはエンコーダを含むことができる。

0038

足受け部42は、着用者の足裏を乗せることができる。

0039

第3固定部43は、足受け部42に乗せられた着用者の足と足受け部42とを互いに固定させることができる。第3固定部43の構成、構造及び素材などは、上述した第1固定部23または第2固定部33と同一であってもよく、または異なっていてもよい。

0040

第3構造部40は、図3に示すように、第3感知部45を含むことができる。少なくとも一つの第3感知部45は、第3駆動部41、第3支持部43及び着用者の足首関節の動作のうち少なくとも一つの動作を感知することができる。第3感知部45は、少なくとも一つの関節角度センサ、少なくとも一つの傾きセンサ、少なくとも一つの加速度センサ及び少なくとも一つの慣性測定装置のうち少なくとも一つを含むことができる。一方、第3感知部45は所定の圧力センサを含むこともできる。所定の圧力センサは足受け部42に設置されていてもよい。所定の圧力センサは、着用者の重さを感知して、着用者が歩行補助ロボット1を着用したか、または着用者が立ち上がったかなどを感知することができる。また、所定の圧力センサは、着用者が歩行する場合、着用者の足に伝達される地面反力(GRF、ground reaction force)を感知できる地面反力センサであってもよい。第3感知部45の感知によって生成された信号は、図3に示すように、動作状態判断部17bに伝達することができる。

0041

また、第3構造部40は、図3に示すように、少なくとも一つの第3測定部46を含むことができる。少なくとも一つの第3測定部46は、第3駆動部41の動作と関連する情報を測定し、測定した情報を関節動作推定部17aに伝達することができる。仮に、第3駆動部41がエンコーダを備えたモータである場合、第3測定部46は、エンコーダのエンコーダ値を用いて関節角度、速度及び加速度を測定することもできる。

0042

実施例によって、歩行補助ロボット1の第1乃至第3固定部23,33,34,43の個数は、歩行補助ロボット1の設計者の設計意図によって、上述したものより多くてもよく、または少なくてもよい。

0043

上述した第1構造部乃至第3構造部20〜40は、本体部10に設置されたアクチュエータ18によって動作が開始されたり、または制御されたりする。第1構造部乃至第3構造部20〜40は、それぞれ別途制御信号が伝達されたり、またはアクチュエータ18によって動力が伝達されて動作することもできる。

0044

本体部10は、歩行補助部2の動作を制御したり、または各種情報を収集することができる。なお、本体部10は、着用者の上体を支持して、着用者が安定的に歩行補助ロボット1を着用するように補助することもできる。

0045

本体部10は、図1及び図2に示すように、歩行補助ロボット1を制御するための各種部品を内蔵可能なハウジング10aを含むことができる。ハウジング10aは、本体感知部15、電源16、処理部17の機能を行うプロセッサ(processor)、または各種半導体チップを配設することができる印刷回路基板などを内蔵することができる。本体部10のハウジング10aは、内蔵される各種部品を安全に保護しながら、また各種部品を安定的に固定させることができる。ハウジング10aは、内部に処理部17などの機能を提供するプロセッサ(processor)や各種半導体チップを配設することができる印刷回路基板など、歩行補助ロボット1を制御するための各種部品が内蔵されていてもよい。

0046

本体部10は、少なくとも一つの第1固定部及び第2腰固定部11,12をさらに含むことができる。少なくとも一つの第1腰固定部及び第2腰固定部11,12は、着用者の身体の一部、例えば、着用者の腰にハウジング10aを固定することができる。第1腰固定部11は、例えば、ハウジング10aに連結し、第2腰固定部12は第1腰支持部13に連結することができる。少なくとも一つの第1腰固定部及び第2腰固定部11,12は、金属素材で形成されたものであってもよく、またはゴムなどのような各種弾性力のある素材で形成されたものであってもよい。少なくとも一つの第1腰固定部及び第2腰固定部11,12は、チェーン、弾性力を有するバンド、または各種様々な種類のストラップであってもよく、その他にも、ハウジング10aなどを腰や臀部などに固定させることができるように当業者によって考慮される様々な固定手段を、少なくとも一つの第1腰固定部及び第2腰固定部11,12として用いることができる。本体部10は、着用者の腰を支持するための第1腰支持部13をさらに含むこともできる。第1腰支持部13は、着用者の腰を支持するために、着用者の腰の形態に対応する形状にデザインされていてもよい。第1腰支持部13は、図1に示すように、少なくとも一つの第2腰支持部14によってハウジング10aと連結することができる。

0047

本体部10は、図3に示すように、本体感知部15、電源16、処理部17及びアクチュエータ18などを含むことができる。

0048

本体感知部15は、着用者の各種動作などを感知して、動作と関連する各種情報を収集することができる。例えば、本体感知部15は、着用者の歩行速度などを感知することができる。本体感知部15は、少なくとも一つの速度センサ、少なくとも一つの傾きセンサ、少なくとも一つの加速度センサ、少なくとも一つの慣性測定装置及び位置測定装置、例えば、GPS(Global Positioning System)装置のうち少なくとも一つを含むことができる。

0049

電源16は、ハウジング10aの内部の各種部品や、または歩行補助部2の各駆動部21,31,41などの部品に動力を供給することができる。電源16は、ハウジング16aに内蔵されていてもよい。電源16は、一次電池であってもよく、または二次電池であってもよい。一次電池は、水銀電池マンガン電池アルカリ電池及びリチウム電池のうち少なくとも一つを含むことができる。二次電池は、ニッケルカドミウム(Ni−cd)電池、ニッケル−水素(Ni−cd)電池、鉛蓄電池(Lead Acid)、リチウムイオン(Li−ion)電池、リチウムポリマー電池などを含むことができる。

0050

処理部17は、第1感知部ないし第3感知部25,35,45、第1測定部ないし第3測定部26,36,46などから伝達される情報に基づいて、少なくとも一つの関節、例えば、股関節、膝関節及び足首関節や、各関節に対応する駆動部21,31,41の動作状態を判断することができる。さらに、処理部17は、少なくとも一つの関節や、関節に対応する駆動部21,31,41の動作状態に対する判断結果に基づいて、歩行補助ロボットを制御するための制御信号を生成することもできる。

0051

処理部17は、ハウジング10aに内蔵された所定のプロセッサによって具現することができる。所定のプロセッサは、少なくとも一つのシリコンチップ算術論理演算器レジスタプログラムカウンタ命令デコーダ制御回路などが設置されている処理装置であってもよい。所定のプロセッサは、ハウジング10aに内蔵された所定の印刷回路基板に配置された少なくとも一つの半導体チップによって具現することができる。

0052

処理部17は、図3に示すように、関節動作推定部17a、動作状態判断部17b及び制御命令生成部17cを含むことができる。

0053

関節動作推定部17aは、それぞれの測定部26,36,46から伝達された動作と関連する少なくとも一つの情報に基づいて、着用者及びアシストロボット逆運動力学モデルを計算することによって、関節の動作を推定することができる。

0054

関節動作推定部17aは、一実施例によれば、所定の歩行モデルをベースとして関節の動作を推定することができる。図4及び図5は、歩行モデルの一実施例であって、有限状態機械モデル(finite state machine model)を説明するための図である。図4によれば、歩行は、8個の段階(s1乃至s8)に区分することができる。

0055

歩行第1段階s1において、右脚は負荷反応状態(LR、loading response state)であり、左脚はプレスイング状態(PSw、pre−swing state)に該当する。歩行第8段階s8から歩行第1段階s1に状態変更(transition)が起こる途中には、図4及び図5に示すように、右足かかとを地面に着くことができる。反面、左足は、足指が地面に着いており、左足のかかとは地面から離れ得る(s8−s1)。

0056

歩行第2段階s2では、右脚はミッドスタンス状態(MSt、mid stance state)であり、左脚はイニシャルスイング状態(ISW、initial swing state)である。歩行第1段階s1から第2段階s2に状態変更が起こる過程には、右足は足指及びかかとが同時に地面に着いており、左脚はスイング(swing)動作を開始する。左脚のかかとが地面から先に離れ、足指はかかとが地面から離れた後に地面から離れ得る(s1−s2)。

0057

歩行第3段階s3では、右脚は相変らずミッドスタンス状態であり、左脚はミッドスイング状態(MSw、mid swing state)
である。歩行第2段階s2から歩行第3段階s3に状態変更が起こる途中には、右足の足指及びかかとは全て地面に着いており、左脚はスイング動作を続けて行う。右足と左足とは互いに隣接した距離に位置することができる(s2−s3)。

0058

歩行第4段階s4は、右脚はターミナルスタンス状態(TSt、terminal stance state)であり、左脚はターミナルスイング状態(TSw、terminal swing state)である。歩行第3段階s3から歩行第4段階s4に状態変更が発生するとき、右足のかかとが地面から離れ始める。反面、右足の足指はまだ地面に着いていることができる。一方、左足はまだ地面に着いていない状態を維持する(s3−s4)。

0059

歩行第5段階s5では、歩行第1段階s1と反対に、左脚は負荷反応状態であり、右脚はイニシャルスイング状態に該当する。歩行第4段階s4から歩行第5段階s5に状態変更が起こるときは、左足のかかとが地面に接触する。一方、右足の足指は地面に着いており、かかとが地面から離れることができる(s4−s5)。

0060

歩行第6段階s6では、左脚はミッドスタンス状態であり、右脚はイニシャルスイング状態に該当する。歩行第5段階s5から歩行第6段階s6に状態変更が発生するとき、左足は足指及びかかとが同時に地面に接触することができる。右脚は右足の足指が地面から離れながら、スイング動作を開始することができる(s5−s6)。

0061

歩行第7段階s7では、左脚は相変らずミッドスタンス状態であり、右脚はミッドスイング状態である。歩行第6段階s6から歩行第7段階s7に状態変更が起こる場合には、左足の足指及びかかとは全て地面に着いており、右脚はスイング動作を続けて行う(s6−s7)。

0062

歩行第8段階s8では、左脚はターミナルスタンス状態であり、右脚はターミナルスイング状態に該当する。歩行第7段階s7から歩行第8段階s8への状態変更では、右足はまだ地面に着いていない状態を維持し、左足のかかとが地面から離れ始める(s7−s8)。

0063

上述した第1段階〜第8段階(s1〜s8)は、歩行を行う間、続けて繰り返すことができる。

0064

少なくとも一つの測定部26,36,46は、歩行中に、歩行段階の状態変更(s8−s1乃至s7−s8)が発生するとき、少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を測定及び収集することができる。少なくとも一つの測定部26,36,46は、状態変更過程(s8−s1乃至s7−s8)でのいずれか一つの特定時点での関節の動作と関連する情報を測定することができる。実施例によって、少なくとも一つの測定部26,36,46は、一つの状態変更過程で複数の特定時点の関節の動作と関連する情報を測定し、測定された複数の情報の平均値中間値を獲得することもできる。

0065

具体的に、少なくとも一つの測定部26,36,46は、着用者の複数の関節のうち、少なくとも一つの測定部26,36,46に対応する少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を収集することができる。また、少なくとも一つの測定部26,36,46は、第1駆動部乃至第3駆動部21,31,41のうち、少なくとも一つの測定部26,36,46が対応する少なくとも一つの駆動部の動作と関連する情報を収集して、少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を収集することもできる。この場合、測定部26,36,46で測定される情報は、少なくとも一つの関節の角度、少なくとも一つの関節の角速度、少なくとも一つの関節の角加速度、歩行補助ロボット1の歩行速度及び地面反力のうち少なくとも一つを含むことができる。少なくとも一つの測定部26,36,46で測定された情報は、関節動作推定部17aに伝達したり、または一時的又は非一時的に所定の格納装置に格納した後、関節動作推定部17aに伝達することができる。

0066

一実施例によれば、少なくとも一つの測定部26,36,46は、発生する全ての状態変更過程で少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を測定及び収集することもできる。他の実施例によれば、少なくとも一つの測定部26,36,46は、一部の状態変更過程でのみ少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を収集することもできる。例えば、少なくとも一つの測定部26,36,46は、図5の第1状態変更過程(s8−s1)乃至第4状態変更過程(s3−s4)でのみ少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を測定及び収集することもできる。

0067

一実施例において、少なくとも一つの測定部26,36,46が、少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を測定及び収集する場合、測定時点に関する時間情報も他の情報と共に関節動作推定部17aに伝達することができる。

0068

関節動作推定部17aは、測定部26,36,46で測定を行った時点に関する時間情報及び測定部26,36,46で測定した情報を用いて、関節の動作を演算して推定することができる。この場合、推定される関節の動作は、次の歩行過程において少なくとも一つの関節の動作状態を判断するのに用いることができる。例えば、第1状態変更過程ないし第4状態変更過程(s8−s1乃至s3−s4)で推定された関節の動作は、歩行第5段階ないし歩行第8段階(s5乃至s8)での少なくとも一つの関節の動作状態の判断のために用いることができる。

0069

関節動作推定部17aは、所定の補間法(interpolation)を用いて、関節の動作と関連する情報が測定された複数の時点の間での関節の動作と関連する情報を推定することができる。この場合、推定される関節の動作と関連する情報は、関節の角度、関節の角速度及び関節の角加速度を含むことができる。

0070

関節動作推定部17aは、第1測定部乃至第3測定部26,36,46のうち少なくとも一つの測定部で測定された少なくとも一つの測定値に基づいて、少なくとも一つの関節の回転力を演算することができる。この場合、第1測定部乃至第3測定部26,36,46が測定した少なくとも一つの関節の動作に関する各種パラメーター、例えば、関節角度、関節の角速度及び関節の加速度などを、少なくとも一つの関節の回転力の演算のために用いることができる。

0071

一実施例によれば、関節動作推定部17aは、次の数式(1)を用いて関節の回転力を演算することができる。

0072

ここで、τは関節の回転力を意味する。qは関節の角度を意味し、tは時間を意味する。したがって、dq/dtは関節の角速度を意味し、d2q/dt2は関節の角加速度を意味する。M()は、着用者の姿勢によって変化し得る質量を反映するための関数であり、C()は、脚の回転によるコリオリ力(Coriolis force)を反映するための関数であり、G()は、地球の重力を反映するための関数である。それぞれの関数は、システムの設計者が任意に定義することができる。実施例によって、それぞれの関数は、使用者が定義してもよく、または予め定義された複数の関数のうち使用者が選択してもよい。

0073

関節動作推定部17aで演算された少なくとも一つの推定または演算の結果、例えば、関節の回転力、関節の角度、関節の角速度または関節の角加速度に対する推定または演算の結果は動作状態判断部17bに伝達することができる。

0074

動作状態判断部17bは、感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、関節の動作がポジティブワーク状態(positive work state)であるか、またはネガティブワーク状態(negative work state)であるかを判断することができる。

0075

動作状態判断部17bは、一実施例によれば、第1感知部乃至第3感知部25,35,45のうち少なくとも一つから伝達される信号を用いて、動作状態を判断することができる。他の一実施例によれば、動作状態判断部17bは、関節動作推定部17aで推定された関節の動作に関する情報、例えば、関節の回転力や関節の角度に対する推定値に関するデータが伝達され、伝達されたデータに基づいて関節の動作状態を判断することができる。

0076

一実施例によれば、動作状態判断部17bは、感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、前記関節の運動と関連する運動情報を演算することができる。動作状態判断部17bは、第1感知部乃至第3感知部25,35,45で感知された回転力、または関節動作推定部17aで推定された関節の回転力に基づいて、関節の運動と関連する運動情報を演算することができる。一実施例によれば、動作状態判断部17bは、次の数式(2)を用いて、運動情報の一例である仕事率を演算することができる。

0077

ここで、Pは仕事率(power)を示す。τ(t)は時間による回転力の関数であり、q(t)は時間による関節の角度を意味し、dq/dtは時間による関節の角速度を意味することができる。数式(2)を通じて、運動情報は、演算された仕事率pを含むことができる。数式(2)で表現される仕事率pを積分すれば、次の数式(3)に記載されたように仕事(work)を演算することができる。

0078

ここで、Wは仕事を意味する。仕事Wもまた運動量のように運動情報として用いることができる。

0079

動作状態判断部17bは、演算された仕事率pまたは仕事Wなどの運動情報が正(+)の値を有したり、または正(+)の値に変化する場合、動作状態判断部17bは、関節の動作状態がポジティブワーク状態であると判断することができる。仮に、演算された運動情報が負(−)の値を有したり、または負(−)の値に変化する場合、動作状態判断部17bは、関節の動作状態をネガティブワーク状態であると判断することができる。

0080

また、動作状態判断部17bは、感知または測定された少なくとも一つの関節の動作に基づいて、関節の動作状態が変更されたか否かも判断することができる。例えば、動作状態判断部17bは、関節の動作が静止状態からポジティブワーク状態またはネガティブワーク状態に変更されたか否かも判断することができる。また、動作状態判断部17bは、ポジティブワーク状態またはネガティブワーク状態からネガティブワーク状態またはポジティブワーク状態に変更されたか否かも判断することができる。

0081

動作状態判断部17bは、それぞれの関節または駆動部21,31,36毎に別途に動作状態を判断することができる。

0082

制御命令生成部17cは、動作状態判断部17bの判断結果に応じて、所定の制御命令を生成した後、アクチュエータ18または各種駆動部21,31,41などに伝達して、歩行補助ロボット1の動作を制御することができる。
できる。

0083

制御命令生成部17cは、動作状態判断部17bから関節の動作状態が変更されたという判断結果を受信すると、現在実行されている制御モードを中断し、新しい制御モードを開始することができる。仮に、動作状態判断部17bから関節の動作状態が変更されなかったという判断結果を受信すると、制御命令生成部17cは現在実行されている制御モードを中断せずに維持することができる。

0084

仮に、動作状態判断部17bからポジティブワーク状態であるという判断結果を受信すると、制御命令生成部17cは、少なくとも一つの関節の動作を加速させるための加速補助制御モードにより歩行補助ロボット1を制御することができる。仮に、動作状態判断部17bからネガティブワーク状態であるという判断結果を受信すると、制御命令生成部17cは、少なくとも一つの関節の動作を減速させるための減速補助制御モードにより歩行補助ロボット1を制御することができる。

0085

制御命令生成部17cは、所定の制御パターンデータベース19を閲覧して、それぞれの状態に応じて所定の制御パターンを獲得した後、獲得した制御パターンによって所定の制御信号を生成することができる。生成した制御信号は、アクチュエータ18または歩行補助部2に伝達することができる。

0086

制御命令生成部17cは、重力や地面反力などの外部の力を補償するための動的補償回転力(dynamics compensation torque)を前記少なくとも一つの関節にさらに印加するように制御命令を生成した後、それぞれの駆動部21,31,41に伝達することもできる。

0087

一実施例によれば、制御命令生成部17cは、下記の数式(4)によって少なくとも一つの関節に印加される回転力を演算した後、演算された回転力に応じて、アクチュエータ18または歩行補助部2に対する制御信号を生成した後、生成した制御信号をアクチュエータ18または歩行補助部2に伝達することができる。

0088

ここで、τdesは、関節に印加される補助回転力を意味する。τpwは、アクティブ回転力(active torque)を意味し、τnwは、ダンピング回転力(dampingtorque)を意味する。Wsyncは、着用者と歩行補助ロボット1とのシンクロナイズ水準を表示するためのシンクロナイゼーションインデックス(Human&robot synchronization index)を意味する。τcompは、動的補償回転力を意味する。

0089

以下、数式(4)のアクティブ回転力τpwについて説明する。

0090

アクティブ回転力τpwは、着用者の脚の加速を補助するために、着用者の脚に印加される回転力を意味する。一実施例によれば、アクティブ回転力τpwは、下記の数式(5)及び数式(6)のように決定され得る。

0091

数式(5)は、アクティブ回転力τpwを活性化させる場合にアクティブ回転力τpwを演算するための数式であり、数式(6)は、アクティブ回転力τpwを活性化させない場合にアクティブ回転力τpwを演算するための数式である。

0092

ここで、A(t)は、時間tを基準に回転力の変化に対する回転力変化パターンを示す関数を意味する。sign()は、回転力変化パターンの符号を決定するための関数であって、入力される値が正数である場合には、sign()関数は1を出力し、入力される値が負数である場合には、sign()関数は−1を出力することができる。Dnは、ネガティブダンピング(negative damping)を反映するためのネガティブダンピング係数(negative damping coefficient)である。ネガティブダンピング係数は、0より小さくてもよい。

0093

図6は、数式(5)において回転力変化パターンを示す関数であるA(t)の一実施例を説明するための図である。回転力変化パターンは、一実施例によれば、以前の歩行状態の変化時の時間情報tと回転力の変化地点に関する情報vp及び現在の歩行状態時の最大の関節回転力情報に基づいて決定され得る。

0094

以前の歩行状態の変化時の時間情報tは、有限状態機械モデルから状態変更時に獲得した測定時点に関する時間情報を用いることができる。回転力の変化地点に関する情報vpは、有限状態機械モデルから獲得した測定時点に関する時間情報、及び状態変更時の関節角度情報を用いて獲得することができる。例えば、関節角度が最大値である場合、回転力の方向が変更され得るので、関節角度が最大である時点の時間情報を用いると、回転力が変化する地点に関する情報vpを獲得できるようになる。以前の歩行状態の変化時の時間情報t及び回転力の変化地点に関する情報vpを用いると、回転力の方向が一定の場合の期間itを獲得することができる。一方、適用される回転力の大きさは、現在の歩行状態時の最大の関節回転力に比例して決定することができる。この場合、適用される回転力の大きさは、最大の関節回転力の大きさよりも小さく定義することができる。このように、以前の歩行状態の変化時の時間情報tと回転力の変化地点に関する情報vp、回転力の方向が一定の場合の期間、及び現在の歩行状態時の最大の関節回転力情報などが決定されると、決定された情報に基づいて、図6に示すように、時間tに応じて決定される回転力変化パターン関数A(t)を定義することができる。

0095

数式(5)のネガティブダンピング係数Dnは、関節に振動を加えて関節動作の加速を補助するための値である。ネガティブダンピング係数Dnは、システム設計者などによって任意に決定されてもよい。

0096

仮に、アクティブ回転力τpwを用いる場合であれば、アクティブ回転力τpwは、数式(5)などによって所定の値を備えることができる。この場合、関節には、アクティブ回転力τpwも反映された補助回転力τdesを印加することができる(数式4参照)。仮に、ダンピング回転力τnwが0である場合であれば、数式(4)の補助回転力τdesは、アクティブ回転力τpw及び動的補償回転力τcompのみを反映して決定される。仮に、アクティブ回転力τpwを用いない場合であれば、アクティブ回転力τpwは、数式(6)に記載したように、0となる。アクティブ回転力τpwが0であるので、数式(4)には、ダンピング回転力τnw及び動的補償回転力τcompのみが残るようになる。したがって、ダンピング回転力τnw及び動的補償回転力τcompのみが反映された補助回転力τdesを関節に印加することができる。

0097

制御命令生成部17cは、関節の動作状態がポジティブワーク状態である場合、数式(5)によってアクティブ回転力τpwを演算して、アクティブ回転力τpwを反映した補助回転力τdesを獲得し、補助回転力τdesに基づいて、それぞれの駆動部21,31,41に対する所定の制御信号を生成し、それぞれの駆動部21,31,41に伝達することができる。仮に、関節の動作状態がポジティブワーク状態ではない場合、制御命令生成部17cは、数式(6)によってアクティブ回転力τpwを0と決定して、アクティブ回転力τpwを反映していない補助回転力τdesを獲得することができる。関節の動作状態がポジティブワーク状態ではない場合は、例えば、関節の動作状態がネガティブワーク状態である場合であり得る。

0098

以下、数式(4)のダンピング回転力τnwについて説明する。

0099

一実施例によれば、ダンピング回転力τnwは、下記の数式(7)及び数式(8)によって決定することができる。

0100

数式(7)は、ダンピング回転力τnwを活性化させる場合にダンピング回転力τnwを演算するための数式であり、数式(8)は、ダンピング回転力τnwを活性化させない場合にダンピング回転力τnwを演算するための数式である。

0101

数式(7)においてDpは、ポジティブダンピング係数であって、任意に選択できる値である。数式(7)の記載を参照すれば、ダンピング回転力τnwの大きさは、関節の角加速度dq/dtに比例して決定することができ、ダンピング回転力τnwの方向は、関節の角加速度dq/dtの反対方向に決定することができることがわかる。このように、ダンピング回転力τnwを関節の角加速度dq/dtに基づいて決定する場合、歩行の速度が予想以上に減少することを防止できるので、次の歩行過程で高い補助回転力を印加する必要がなくなる。したがって、より効果的な歩行を行うことができる。

0102

仮に、ダンピング回転力τnwを用いる状態であれば、ダンピング回転力τnwは、数式(7)によって演算されて、0でない値を備えることができる。この場合、関節には、数式(4)に記載されたように、ダンピング回転力τnwを反映した補助回転力τdesを印加することができる。仮に、アクティブ回転力τpwが0である場合であれば、補助回転力τdesは、ダンピング回転力τnw及び動的補償回転力τcompのみを反映したものであり得る。仮に、ダンピング回転力τnwを用いない状態であれば、ダンピング回転力τnwは、数式(8)のように、0と定義できるので、数式(4)には、アクティブ回転力τpw及び動的補償回転力τcompのみが残る。結果的に、アクティブ回転力τpw及び動的補償回転力τcompのみを反映した補助回転力τdesを関節に印加することができる。

0103

制御命令生成部17cは、関節の動作状態がネガティブワーク状態である場合、数式(7)によってダンピング回転力τnwを演算して、ダンピング回転力τnwを反映した補助回転力τdesを獲得し、補助回転力τdesに基づいて、それぞれの駆動部21,31,41に対する所定の制御信号を生成することができる。生成された制御信号は、それぞれの駆動部21,31,41に伝達することができる。仮に、関節の動作状態がネガティブワーク状態ではない場合、例えば、ポジティブワーク状態である場合、制御命令生成部17cは、数式(6)によってダンピング回転力τnwを0と決定して、ダンピング回転力τnwを反映していない補助回転力τdesを獲得することができる。

0104

以下、数式(4)のシンクロナイゼーションインデックスWsyncについて説明する。

0105

シンクロナイゼーションインデックスWsyncは、着用者と歩行補助ロボット1との間の類似度を表すことができる。このように、類似度は、歩行過程の反復性周期性を比較して獲得することができる。シンクロナイゼーションインデックスWsyncを、関節に印加される回転力に反映する場合、より積極的に補助回転力を印加することができ、誤った補助回転力が各関節に印加されることを防止できるようになる。

0106

シンクロナイゼーションインデックスWsyncは、一実施例によれば、次の数式(9)によって演算することができる。

0107

w1及びw2は、システム設計者などによって決定され得る任意の加重値である。Pは、状態変移時の動作に関する情報であり、tは、状態変移時の時間に関する情報を意味する。kは、現在の状態を示すインデックスであり、k−1は、現状態以前の状態を示すためのインデックスである。したがって、Pkは、現在の状態変移時の動作に関する情報を意味し、Pk−1は、以前の状態変移時の動作に関する情報を示す。

0108

以下、数式(4)の動的補償回転力τcompについて説明する。

0109

動的補償回転力τcompは、歩行補助ロボット1の各種部品の摩擦エネルギー損失、重力や地面反力などから起因する着用者のロボットに対する抵抗感を減少させるために適用することができる。動的補償回転力τcompは、アクティブ回転力τpwやダンピング回転力τnwと共に関節に印加することができる。また、動的補償回転力τcompは、アクティブ回転力τpwやダンピング回転力τnwが関節に印加されない場合にも関節に印加することができる。

0110

動的補償回転力τcompは、実施例によって、スタンス状態の脚及びスイング状態の脚に互いに同一に印加されてもよく、互いに異なるように印加されてもよい。

0111

一実施例によれば、スタンス状態の脚の関節に印加される動的補償回転力τcompは、下記の数式(10)によって演算されてもよい。

0112

ここで、Ks()は、強度の補償のために定義された関数であり、Dv()は、粘性摩擦を補償するために定義された関数であり、G()は、重力の補償のために定義された関数である。qdは、理想的な状態での関節の角度を意味し、qは、測定された関節の角度を意味する。dq/dtは、関節の角速度を意味する。

0113

言い換えれば、脚がスタンス状態である場合、強度、粘性摩擦及び重力の補償が可能なように、脚の関節に動的補償回転力τcompをさらに印加することができる。

0114

一実施例によれば、スイング状態の脚の関節に印加される動的補償回転力τcompは、上述した数式(10)、下記の数式(11)ないし数式(12)を用いて演算されてもよい。

0115

仮に、脚が低速でスイングする場合には、脚がスタンス状態の時と同様に、上述した数式(10)を通じて動的補償回転力τcompを演算することができる。

0116

仮に、脚が高速でスイングする場合には、下記の数式(11)及び数式(12)を用いて動的補償回転力τcompを演算することができる。

0117

ここで、M()は、加速度の補正のために定義された関数である。C()は、コリオリ力を反映するために定義された関数である。その他には、数式(10)で説明したものと同一である。言い換えれば、高速のスイングが行われている場合には、関節に、加速度の補償、コリオリ力の補償及び重力の補償のうち少なくとも一つをさらに反映して動的補償回転力τcompを決定することによって、高速歩行時の歩行補助ロボット1による着用者の抵抗感を減少させることができる。

0118

図7は、演算された運動情報の一実施例を説明するための図である。

0119

上述したように、動作状態判断部17b及び制御命令生成部17cは、持続的にまたは所定の周期毎に現在の動作を判断し、判断結果に応じて所定の制御信号を生成して、歩行補助ロボット1を制御することができる。また、動作状態判断部17b及び制御命令生成部17cは、それぞれの関節、例えば、左股関節、右股関節、左膝関節及び右膝関節毎にそれぞれの関節の動作を別途に判断し、判断の結果に応じて別途の制御信号を生成して、それぞれの関節を制御することもできる。このように、持続的に全ての歩行段階で判断された左股関節及び右股関節と、左膝関節及び右膝関節の動作に基づいて運動情報を演算し、演算した運動情報に基づく判断結果が、図7に示されている。図7において、黒ラインB1は、ポジティブワーク状態である区間を意味し、白ラインB2は、ネガティブワーク状態である区間を意味する。

0120

図7に示すように、右股関節及び右膝関節の動作状態は、歩行第二段階s2に示すように互いに異なって判断され得る。また、同一の関節、例えば、股関節の動作状態であるとしても、それぞれの歩行段階、例えば、歩行第1段階乃至歩行第8段階(s1乃至s8)に応じて動作状態が異なって判断され得る。

0121

これによって、それぞれの関節に対応する駆動部21,31,41毎に互いに異なる制御信号が生成され、それぞれの関節に互いに異なる補助回転力が印加されて歩行を補助することができる。その結果、それぞれの関節毎に適切な補助回転力を印加できるようになり、歩行補助利得を極大化させることができる。

0122

図3に示されるアクチュエータ18は、例えば、電気エネルギーを他の種類のエネルギー、例えば、動力エネルギー転換する装置である。アクチュエータ18は、処理部17から送信された制御信号に基づいて、歩行補助部2の各部品、例えば、第1駆動部乃至第3駆動部21,31,41などの動作を駆動させたり、または制御することができる。

0123

実施例によって、本体部10は、図3に示すように、制御パターンデータベース19をさらに含むことができる。制御パターンデータベース19は、歩行補助ロボット1を補助するための各種制御パターンを格納することができる。制御パターンデータベース19は、ハウジング10aに内蔵された所定の格納装置に格納することができる。所定の格納装置は、磁気ディスクの表面を磁化させてデータを格納する磁気ディスク格納装置であってもよく、様々な種類のメモリ半導体を用いてデータを格納する半導体メモリ装置であってもよい。

0124

以下、図8及び図9を参照して、歩行補助ロボットの制御方法について説明する。

0125

図8は、歩行補助ロボットの制御方法の一実施例に係るフローチャートである。図8を参照すれば、まず、歩行補助ロボット1の感知部25,35,45が少なくとも一つの関節の動作を感知することができる。この場合、感知部25,35,45は、着用者の関節の動きを直接測定することもでき、またはそれぞれの構造部20,30,40の動作を感知することで、少なくとも一つの関節の動作を感知することもできる(S100)。感知部25,35,45は、それぞれの関節毎に別途に関節の動作を感知することができる。一実施例によれば、少なくとも一つの関節は、股関節、膝関節及び足首関節のうち少なくとも一つの関節を含むことができる。

0126

次に、歩行補助ロボット1の処理部17は、感知された関節の動作に基づいて、少なくとも一つの関節の運動と関連する運動情報を演算することができる(S110)。一実施例によれば、少なくとも一つの関節の運動と関連する運動情報は、数式(2)によって演算することができる。

0127

処理部17は、演算された運動情報に基づいて、少なくとも一つの関節の動作状態を判断することができる(S120)。この場合、動作状態が変化したか否かも判断することができる。動作状態は、ポジティブワーク状態及びネガティブワーク状態のうち少なくとも一つを含むことができる。一実施例によれば、演算された運動情報が正(+)の値を有するか、または正(+)の値に変化する場合に、関節の動作状態はポジティブワーク状態であると判断することができる。仮に、演算された運動情報が負(−)の値を有するか、または負(−)の値に変化する場合に、関節の動作状態はネガティブワーク状態であると判断することができる。

0128

少なくとも一つの関節の動作状態が変化した場合(S130)、歩行補助ロボット1の処理部17は、現在の歩行補助ロボット1を制御している制御モードを中断し(S140)、新しい制御モードを活性化させることができる。新しい制御モードは、少なくとも一つの関節の動作状態によって決定することができる。

0129

仮に、少なくとも一つの関節の動作状態がポジティブワーク状態であれば(S150)、処理部17は、制御モードをポジティブワーク状態に相応する制御モードに変更することができる(S151)。ポジティブワーク状態による制御モードは、少なくとも一つの関節の動作を加速させる加速補助モードであってもよい。加速補助モードでは、数式(5)によってアクティブ回転力τpwを演算することができる。実施例によって、アクティブ回転力τpwに所定の加重値、例えば、シンクロナイゼーションインデックスWsyncがさらに付加されてもよい。シンクロナイゼーションインデックスWsyncは、数式(9)によって演算されてもよい。

0130

仮に、少なくとも一つの関節の動作状態がポジティブワーク状態ではなく(S150)、ネガティブワーク状態である場合であれば(S160)、処理部17は、制御モードをネガティブワーク状態に相応する制御モードに変更することができる(S161)。ネガティブワーク状態による制御モードは、少なくとも一つの関節の動作を減速させる減速補助モードであってもよい。減速補助モードでは、数式(7)によってダンピング回転力τnwを演算することができる。実施例によって、ダンピング回転力τnwには所定の加重値、例えば、シンクロナイゼーションインデックスWsyncがさらに付加されてもよい。

0131

仮に、少なくとも一つの関節の動作状態がポジティブワーク状態でもなく、ネガティブワーク状態でもない場合であれば(S160)、歩行補助ロボット1は、既存の制御モードによって動作することもでき、所定のエラーメッセージを出力することもできる。また、ポジティブワーク状態及びネガティブワーク状態に基づいた制御を終了することもできる。

0132

少なくとも一つの関節の動作状態が変化していない場合(S130)には、歩行補助ロボット1は、既存の制御モードによって動作することができる。

0133

一実施例によれば、関節の動作状態による制御モードが決定(S151,S161)された後に、動的補償を行うか否かを決定することもできる(S170)。動作補償を行うか否かは、制御モードが決定(S151,S161)された後に決定されてもよく、制御モードの決定(S151,S161)と同時に決定されてもよい。仮に、動的補償を行う場合であれば、動的補償回転力τcompを反映して、最終的な補助回転力τdesを生成することができる(S171)。動的補償回転力τcompは、数式(10)によって決定することができる。動的補償を行わない場合であれば、アクティブ回転力τpwまたはダンピング回転力τnwが補助回転力τdesとして決定され得る。ここで、アクティブ回転力τpwまたはダンピング回転力τnwは、シンクロナイゼーションインデックスWsyncが加重値として付加されたものであってもよい。

0134

歩行が続く場合、上述した段階S100乃至S171を繰り返すことができる(S180)。

0135

図9は、歩行補助ロボットの関節の動作を推定する方法の一実施例に係るフローチャートである。図9を参照すれば、少なくとも一つの測定部26,36,46は、それぞれの測定部26,36,46に対応する少なくとも一つの関節の動作と関連する情報を測定して収集することができる(S200)。少なくとも一つの関節の動作と関連する情報は、関節の回転力、角度、角速度、角加速度などを含むことができる。さらに、測定時間もまた別途に収集することができる。

0136

歩行補助ロボット1の処理部17は、測定された情報に基づいて関節の回転力を演算することができる(S201)。この場合、関節の回転力を演算するために、数式(1)が用いられてもよい。

0137

次に、歩行補助ロボット1の処理部17は、演算された関節の回転力を用いて、少なくとも一つの関節の運動と関連する運動情報を演算し(S210)、演算された運動情報を用いて、少なくとも一つの関節の動作状態を判断することができる(S220)。

0138

少なくとも一つの関節の動作状態が変化した場合(S230)、歩行補助ロボット1を制御する現在の制御モードは中断することができる(S240)。仮に、判断された動作状態がポジティブワーク状態(S250)であれば、歩行補助ロボット1の制御モードをポジティブワーク状態に対応する制御モードに変換することができる(S251)。仮に、制御モードがネガティブワーク状態(S260)であれば、歩行補助ロボット1の制御モードをネガティブワーク状態に対応する制御モードに変換することができる(S261)。ポジティブワーク状態に対応する制御モードは、上述した加速補助モードであってもよい。ネガティブワーク状態に対応する制御モードは、上述した減速補助モードであってもよい。

0139

動的補償を行うか否かによって(S270)、動的補償回転力τcompを反映した補助回転力τdesを生成してもよく、動的補償回転力τcompを反映していない補助回転力τdesを生成してもよい(S271)。動的補償を行わない場合であれば、上述したアクティブ回転力τpwまたは上述したダンピング回転力τnwを補助回転力τdesとして決定することができる。ここで、アクティブ回転力τpwまたはダンピング回転力τnwは、シンクロナイゼーションインデックスWsyncが加重値として付加されたものであってもよい。

0140

歩行が続く間、上述した段階S200乃至S271を繰り返すことができる(S280)。

0141

10 本体部
11腰支持部
12 固定手段
20歩行動作部
21 第1駆動部
22 第1支持部
23 第1固定手段
30 第2構造部
31 第2駆動部
32 第2支持部
33 第2固定手段
40 第3構造部
41 第3固定手段
42足保持部
43 第4固定手段

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