CN102724943A - 行走辅助装置 - Google Patents

Abstract

提供一种能够转换电池而不会引起行走辅助能力下降的行走辅助装置。行走辅助装置(100)包括：包括向用户的一条腿的关节施加转矩的致动器的腿装具(10)；向致动器供应电力的电池(50)；以及控制器(12)。电池(50)(第一电池)通过连接多个电池单元(51a、51b、51c)而构成。从第一电池电分离至少一个电池单元之后的电池相当于第二电池。控制器(12)在另一条腿触地期间将致动器的电源从第一电池转换到第二电池。

Description

行走辅助装置

技术领域

本发明涉及辅助用户行走的穿戴型的行走辅助装置。

背景技术

穿戴型的行走辅助装置正在被开发。这种类型的行走辅助装置被安装在用户的腿上，致动器根据行走动作而向腿关节施加转矩。以下，有时将穿戴型的行走辅助装置简称为“辅助装置”。穿戴型的行走辅助装置最好不限制用户的行动范围。因此辅助装置包括向致动器供应电力的电池。

辅助装置的可用时间由电池的持续时间决定。即，如何高效使用电池是重点。例如在专利文献1中提出了用于高效使用电池的一种方法。该方法在电池的充电量(SOC：State Of Charge，充电状态)下降时，限制致动器的输出。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利文献特开2010-124934号公报。

发明内容

发明要解决的问题

如专利文献1的技术那样，限制致动器的输出会限制行走辅助装置的能力。而限制行走辅助装置的能力并不是可取的。

因此，本申请的发明人研究了转换使用多个电池的方法以作为高效使用电池的其他方法。在转换使用多个电池的情况下，虽然转换的瞬间时间很短，但向致动器的供电会下降。

另一方面，辅助装置向用户的腿关节施加转矩来支撑用户的体重或辅助腿的摆动。如果在行走辅助装置支撑用户体重的期间向致动器的供电下降，致动器就有可能无法输出足以支撑用户体重的转矩。即，在此情况下，虽然是暂时的，但行走辅助能力下降。本说明书公开的技术提供一种能够转换电池而不会引起行走辅助能力下降的行走辅助装置。

用于解决问题的手段

行走动作是反复站立腿和摆动腿的动作。致动器需要提供大的转矩的期间是支撑体重的期间。需要提供特别大的转矩的期间是仅由穿戴行走辅助装置的腿支撑体重的期间(单腿站立期间)。即，在穿戴了辅助装置的腿的单腿站立期间需要大的电力。反言之，在穿戴了辅助装置的腿的单腿站立期间以外的期间，致动器被要求的输出(要求输出)不比该单腿站立时大。如果在要求输出不大的期间转换电池，即使电力暂时下降，致动器能够实现要求输出的可能性也很高。即，电力的暂时下降不影响行走辅助能力。本说明书公开的技术通过在穿戴了辅助装置的腿的单腿站立期间以外的期间转换电池，能够做到向致动器供应的电力的暂时性下降不引起行走辅助装置的能力下降。

一条腿(穿戴了辅助装置的腿)的单腿站立时以外的期间相当于另一条腿触地的期间。本说明书公开的技术的一个方面的辅助装置包括腿装具。腿装具被安装在用户的一条腿上，根据行走动作向用户的一条腿的关节施加转矩。辅助装置还包括用于向致动器供应电力的多个电池。辅助装置的控制器在另一条腿触地期间将致动器的电源从第一电池转换到第二电池。“另一条腿触地的期间”相当于“一条腿(穿戴了腿装具的腿)的单腿站立期间以外的期间”。以下，将穿戴了腿装具的腿称为“穿戴腿”(Wearing leg)，将另一条腿(没有穿戴腿装具的腿)称为“健全腿”(Sound leg)。

上述的辅助装置在“穿戴腿的单腿站立期间以外的期间”，即在致动器不被要求大负载的期间转换电池，因此即使供应电力暂时下降也能够维持足以进行行走辅助的输出。即，该辅助装置即使供应电力暂时下降也不影响行走辅助能力。

“健全腿触地的期间”例如能够利用配置在健全腿的脚底的触地传感器来检测。或者，行走动作能够通过腿关节角度的变化模式来表示，因此能够根据变化模式估计“另一条腿触地的期间”。即，辅助装置的控制器也可以根据测量腿关节的角度的角度传感器的传感器数据来估计“另一条腿触地的期间”。

另外，“健全腿触地的期间”包含两腿站立期间和健全腿的单腿站立期间。健全腿的单腿站立期间相当于穿戴腿的摆动腿期间。因此，优选装备包括触地传感器，且控制器被构成为在穿戴腿处于摆动腿期间的期间转换电池。“穿戴腿的摆动腿期间”是“健全腿触地的期间”的一部分。在穿戴腿的摆动腿期间，辅助装置不需要支撑体重，因此不需要大的转矩。因此，穿戴腿的摆动腿期间是转换电池的合适的期间。

第一电池和第二电池可以是物理上独立的电池，也可以是如下面说明的那样一部分共用的电池单元组。即，第一电池通过连接多个电池单元而构成，第二电池相当于从第一电池电分离至少一个电池单元之后的电池。通过连接多个电池单元构成一个电池，能够实现紧凑且性能优良的电池。另一方面，由多个电池单元组成的电池会因为一个电池单元的不正常导致电池整体的输出电压的下降。因此，如果由多个电池单元组构成的电池被构成为能够将不正常的电池单元电分离，则能够高效使用。即，辅助装置的控制器可以被构成为：在健全腿(所述的另一条腿)触地的期间从通过连接多个电池单元而构成的电池(第一电池)中电分离不正常的单元。将不正常的单元电分离后的电池相当于第二电池。

上述的辅助装置更优选包括补偿电池转换时的电压的暂行性下降的第三电池。第三电池是与第一、第二电池独立的电池。第三电池只要能够弥补电压的暂时性下降即可，因此其容量可以小于第一电池。在此情况下，在将致动器的电力供应源从第一电池向第二电池转换的期间，控制器将第三电池作为一个电源连接到致动器。小型的电池(第三电池)补偿电压的暂时性下降，向致动器供应足够的电力。

控制器的处理具体如下所示。在包括第三电池的情况下，控制器首先将第三电池并联连接到第一电池。接着，控制器将第一电池转换为第二电池。最后控制器电分离第三电池。根据这样的步骤，在从第一电池向第二电池的转换中第三电池向致动器供应电力。

如上所述，本说明书公开的穿戴型行走辅助装置通过转换使用多个电池能够高效地使用电池，并且使得电池转换时的暂时性电压下降不影响行走辅助的能力。

附图说明

图1示出行走辅助装置的示意性的立体图；

图2示出行走辅助装置的框图；

图3示出控制器所执行的处理的流程图；

图4示出第二实施例的行走辅助装置的框图；

图5示出第二实施例的控制器所执行的处理的流程图。

具体实施方式

图1示出了第一实施例的行走辅助装置100的概要图。行走辅助装置100主要由被安装到用户U的右腿UR上的腿装具10和控制腿装具10的控制器12构成。在控制器12中内置有电池50。在本实施例中，假定用户U是左腿UL健康但右腿UR不能自由活动的患者。由于左腿UL健康，因此腿装具10仅被安装在右腿UR上。右腿UR相当于穿戴腿，左腿UL相当于健全腿。

在说明行走辅助装置100之前，对坐标系进行说明。如图1所示，在用户U的前方设定X轴，在侧方设定Y轴，在竖直上方设定Z轴。在机器人的技术领域中，通常，将沿机器人(人体)的前后方向延伸的轴(X轴)称为侧倾轴，将沿机器人(人体)的侧方延伸的轴(Y轴)称为俯仰轴，将沿竖直上方(Z轴)延伸的轴称为横摆轴。

对腿装具10的结构进行说明。腿装具10包括大腿环20、小腿环30、以及脚环36。大腿环20被安装在用户的大腿上，小腿环30被安装在用户的小腿上，脚环36被安装在用户的脚上。

大腿环20和小腿环30在用户的右膝关节的两侧相连接。详细地说，大腿环20和小腿环30通过与用户的膝关节处于同轴的一对第一接头25以可旋转的方式相互连接。外侧的第一接头25中内置有马达26和角度传感器27。马达26使小腿环30绕膝的俯仰轴摆动。以下，将大腿环20和小腿环30所成的角度称为膝角度。虽然角度传感器27测量的角度是小腿环30相对于大腿环20的摆动角，但该角度也相当于用户的大腿和小腿所成的膝角度。

小腿环30和脚环36在用户的脚踝关节的两侧相连接。详细地说，小腿环30和脚环36通过与用户的脚踝关节的俯仰轴处于同轴的一对第二接头34以可旋转的方式相互连接。第二接头34不包括致动器，脚环36响应用户U的右腿摆动而被动地摆动。脚环36的脚底配置有触地传感器32。触地传感器32检测右腿UR是否触地。

用户的左脚上安装有作为辅助装置100的一构件的鞋37。鞋37的鞋底设置有用于检测左腿是否触地的触地传感器38。

控制器12通过腰带被安装于用户U的腰上。控制器12内置有小型的计算机和电池50，从而经由电缆16向腿装具10的各部供应电力，并且控制腿装具10的各部的动作。控制器12基于角度传感器27和触地传感器32、38的传感器数据来控制马达26。马达26响应于用户的行走动作，向右膝关节施加转矩以使得右腿的小腿适当地摆动。例如，控制器12在检测到右腿离地的时机时，控制马达26以使小腿环30按照预先确定的目标模式摆动。对于与行走动作相应的马达控制的算法的详细说明将进行省略。

图2示出了行走辅助装置100的框图，尤其示出了电池50内的框图。电池50通过多个电池单元串联连接而构成。如图2所示，电池50由三个电池单元51a、51b及51c构成。电池50也可以由四个以上的电池单元构成。

各电池单元中包括开关。电池单元51a中包括开关52a。当开关52a被转换时，旁路53a变为有效，从而电池单元51a与其他的电池单元组被电分离。电池单元51b中包括开关52b，电池51c中包括开关52c。当开关52b被转换时，旁路53b变为有效，电池单元51b与其他的电池单元组被电分离。当开关52c被转换时，旁路53c变为有效，电池单元51c与其他的电池单元组被电分离。开关52a、52b及52c由控制器12控制。

各电池单元中包括异常检测器。电池单元51a中包括异常检测器54a。异常检测器54a例如检测电池单元51a的温度。在另一实施方式中，异常检测器54a检测电池单元51a的充电状态(State Of Charge)。在又一实施方式中，异常检测器54a也可以检测电池单元51a的漏电。或者，异常检测器54a也可以测量电池单元51a的内部电阻。内部电阻的上升表示电池单元51a的异常。当异常检测器54a检测到电池单元51a处于与正常状态不同的状态时，向控制器12通知异常。同样地，电池单元51b中包括检测其异常的异常检测器54b，电池单元51c中包括检测其异常的异常检测器54c。异常检测器54b及54c也与控制器12连接。控制器12检测各个电池单元的异常。

马达26与电池50的端子58a、58b连接。即，电池50向马达26供应电力。当控制器12检测到任何一个电池单元的异常时，将该电池单元与其他一连串的电池单元电分离。图3示出了控制器12所执行的电池管理处理的流程图。控制器12基于异常检测器54a、54b及54c的传感器数据来监视电池单元是否发生了异常(S2)。当控制器12检测到任意电池单元的异常时(S2：是)，进行等待直到检测到左腿UL触地(S4：否)。控制器12在检测到左腿触地时(S4：是)，将发生了异常的电池单元与其他的一连串的电池单元电分离(S6)。具体地说，控制器12转换异常单元的开关，使异常单元的旁路有效。图3的处理以固定周期反复执行。

在上述的处理中，请注意左腿UL是没有安装腿装具10的腿(健全腿)。即，在健全腿触地的期间，控制器12将发生了异常的电池单元分离。换言之，在安装有腿装具10的右腿UR(穿戴腿)的单腿站立期间以外的期间，控制器12将发生了异常的电池单元分离。在行走动作中，施加到穿戴腿的负载在单腿站立期间达到最大。即，在穿戴腿的单腿站立期间，对马达26要求高的输出转矩。这表示在穿戴腿的单腿站立期间需要大的电力。另一方面，在转换电池的情况下，在转换的瞬间供应电力暂时下降。辅助装置100在穿戴腿的单腿站立期间以外的期间转换电池。即，在行走当中，辅助装置100在需要大的电力的期间不进行电池转换，因此能够避免由于电池转换而输出转矩下降。

对关于辅助装置100的注意点进行说明。异常电池单元被分离前的电池50与异常电池单元被分离后的电池50不同。异常电池单元被分离前的电池50相当于第一电池，异常电池单元被分离后的电池50相当于第二电池。例如假定电池单元51b发生了故障的情况。在此情况下，由三个电池单元51a、51b、51c构成时的电池50相当于第一电池，电池单元51b被分离从而由两个电池单元51a、51c构成时的电池50相当于第二电池。此外，请注意被分离的电池单元不限于一个。

接着，说明第二实施例的辅助装置。第二实施例的辅助装置除了电池的结构以外与第一实施例的辅助装置的结构相同。图4示出了第二实施例的辅助装置的电池的框图。第二实施例的辅助装置除了电池50之外还包括副电池60。副电池60的输出电压与电池50的输出电压几乎相同。但是，副电池60的充电容量远小于电池50的充电容量。副电池60为了补偿分离异常电池单元时的暂时的电压下降而设置。

电池50的结构与第一实施例的情况相同。副电池60通过开关62而与电池50并联连接。但副电池60通常与电池50电分离。副电池60在分离电池50内的电池单元时使用。图5示出了使用了副电池60的电池管理处理的流程图。对于与图3的流程图相同的处理，标注了相同的标号。比较图3和图5可知，在第二实施例的情况下增加了步骤S15和S17。

控制器12在分离发生异常的电池单元时，首先，接通开关62，副电池60并联连接到电池50(S15)。接着，控制器12将发生了异常电池单元电分离(S6)。接着，控制器12断开开关62，分离副电池60。在分离异常电池单元的期间，副电池60与电池50并联连接，副电池60弥补随着异常电池单元的分离而发生的暂时的电压下降。

对关于第一、第二实施例的辅助装置的其他注意点进行说明。实施例的辅助装置使用健全腿所设置的触地传感器38，在健全腿触地的期间(即，穿戴腿的单腿站立期间以外的期间)转换向致动器供应电力的电池。辅助装置也可以利用穿戴腿的触地传感器32以取代健全腿的触地传感器38。在此情况下，辅助装置在穿戴腿的摆动腿期间转换电池。在穿戴腿的摆动腿期间要求马达供应的电力小。从而在离地期间由于转换电池而产生的电压下降不引起辅助装置的能力下降。

行走动作是周期性动作，因此“健全腿触地的期间”或“穿戴腿的摆动腿期间”也可以基于腿的关节角度的随时间的变化(行走模式)来估计。另外，“健全腿触地的期间”或者“穿戴腿的摆动腿期间”也可以基于马达的消耗电力来估计。辅助装置也可以基于腿关节角度或马达的消耗电力来估计“健全腿触地的期间”(或者“穿戴腿的摆动腿期间”)，并在估计的期间转换电池。

辅助装置也可以包括两个独立的电池(另外的第一电池和另外的第二电池)，并被构成为在健全腿触地的期间(或者穿戴腿的摆动腿期间)将致动器的电源从另外的第一电池转换到另外的第二电池。

以上，详细说明了本发明的具体例子，但这些只不过是例示而已，并不限定权利要求书。权利要求书记载的技术中包括对以上例示的具体例子进行种种变形、改进的例子。本说明书或附图中说明的技术要素单独或通过各种组合发挥技术实用性，不限定于申请时权利要求书中记载的组合。另外，本说明书或附图中例示的技术可同时达到多个目的，并通过达到其中一个目的本身而具有技术实用性。

标号说明

10：腿装具

12：控制器

20：大腿环

25：第一接头

26：马达(致动器)

27：角度传感器

30：小腿环

32、38：触地传感器

34：第二接头

36：脚环

50：电池

51a、51b、51c：电池单元

52a、52b、52c，62：开关

53a、53b、53c：旁路

54a、54b、54c：异常检测器

60：副电池

100：行走辅助装置

Claims (3)

1.一种行走辅助装置，用于辅助用户行走，其特征在于，包括：

腿装具，其包括向用户的一条腿的关节施加转矩的致动器；

多个电池，用于向致动器供应电力；以及

控制器，其在另一条腿触地的期间，将致动器的电源从第一电池转换为第二电池。

2.根据权利要求1所述的行走辅助装置，其特征在于，

第一电池通过连接多个电池单元而构成，

第二电池是从第一电池中电分离至少一个电池单元之后的电池。

3.根据权利要求2所述的行走辅助装置，其特征在于，还包括与第一、第二电池独立的第三电池，

其中，在将致动器的电源从第一电池向第二电池转换的期间，控制器将第三电池连接到致动器。

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