JP5892506B2 - Healthy side information feedback type walking assist device - Google Patents
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Description
本発明は、健側下肢の股・膝関節角度情報を基にして、患側のアクチュエータを駆動し、患側下肢の各関節角度を同期して位置制御する健側情報フィードバック型歩行補助装置に関する。 The present invention relates to a healthy information feedback type walking assist device that drives an affected actuator and controls the position of each joint angle of a diseased lower limb synchronously based on hip / knee joint angle information of a healthy lower limb.
脳血管障害(Cerebral Vascular accident)とは、脳を灌流する血管または血行動態が病的に変化することによって、頭蓋内で虚血や出血をきたし脳に影響を及ぼす疾患の総称である。特に急激に発症する脳の神経徴候を主体とした症候群を脳卒中(Stroke)と言い、脳梗塞、脳出血、クモ膜下出血などに分類される。そして、脳梗塞(Cerebral infarction:脳動脈閉塞による脳実質の液化壊死を生じる状態)、脳出血(Cerebral hemorrhage:脳内動脈の破綻によって起こる出血)、クモ膜下出血(Subarachnoid hemorrhage:脳底部の動脈瘤の破綻によるクモ膜下腔における出血)、一過性脳虚血、高血圧性脳症などがある。
一般的に脳卒中は片側上下肢の運動麻痺、視野の半分が認識できなくなる半側空間無視などの知覚障害を伴うことが多く、高次機能障害(失言症、失行症、失認症)、精神損傷を有することもある。脳卒中片麻痺の回復過程は経時的であり、発症直後は弛緩性麻痺であるが、経時的変化によって痙性麻痺に移行する場合が多い。
Cerebral vascular injury is a general term for diseases that affect the brain by causing ischemia or hemorrhage in the cranium due to pathological changes in blood vessels or hemodynamics that perfuse the brain. Particularly, a syndrome mainly composed of rapidly developing neurological signs of the brain is called a stroke, and is classified into cerebral infarction, cerebral hemorrhage, subarachnoid hemorrhage and the like. Then, cerebral infarction (cerebral infarction: a condition causing liquefaction necrosis of the brain parenchyma due to cerebral artery occlusion), cerebral hemorrhage (cerebral hemorrhage: bleeding caused by rupture of intracerebral artery), subarachnoid hemorrhage (subarachnoid hemorrhage) Bleeding in the subarachnoid space), transient cerebral ischemia, hypertensive encephalopathy.
In general, stroke is often accompanied by sensory disturbances such as motor paralysis of the upper and lower limbs, and neglect of the half-side space in which half of the visual field is unrecognizable, higher dysfunction (aphasia, apraxia, agnosia), mental May have damage. The process of recovery from stroke hemiplegia is time-lapse, and it is flaccid paralysis immediately after the onset, but it often shifts to spastic paralysis due to changes over time.
脳は、部位によって機能が異なり、運動を司る運動野では機能局在(functional localization)がある。くも膜下出血では、頭痛や意識障害を起こしやすい。また、脳梗塞や、脳出血では、ダメージを受けた脳の部分に応じて、動きにくくなる部分や程度は異なる。片麻痺は、原則としては脳の病変と反対側の上肢と下肢に起こる。麻痺は、下肢より上肢に強く見られることが多いと知られており、中心から近い部分よりも遠い部分の方が強く起こる。
運動麻痺は、運動中枢から筋繊維までの経路のどこかに障害があって、随意的な運動ができない状態である。本質的に全く異なる中枢性麻痺(上位運動ニューロ障害)、末梢性麻痺(下位運動ニューロ障害)がある。
末梢性麻痺は、脊髄の前角細胞から神経筋接合部に至る下位運動ニューロの経路が障害されて起こる。前角細胞の病変であるポリオや、炎症や圧迫・外傷などによる神経根・神経叢・末梢神経障害が原因となる。
中枢性麻痺は、脊髄の前角細胞から神経筋接合部に至る下位運動ニューロには直接的な変化はなく、大脳皮質を中心とする上位の運動統御中枢から前角細胞に至るまでの複雑な運動統合システムのどこかに起こる。脳血管障害による片麻痺は中枢性麻痺にあたる。
The brain functions differently depending on the part, and there is functional localization in the motor area that controls the movement. Subarachnoid hemorrhage tends to cause headaches and disturbances of consciousness. In addition, in cerebral infarction or cerebral hemorrhage, the portion and the degree of difficulty of movement vary depending on the damaged brain portion. Hemiplegia, as a rule, occurs in the upper and lower limbs opposite to the brain lesion. It is known that paralysis is more often seen in the upper limbs than in the lower limbs, and occurs more strongly in parts far from the center.
Motor paralysis is a condition in which there is a disorder in the path from the motor center to the muscle fiber, and voluntary movement is not possible. There are essentially different central palsy (upper motor neuropathy) and peripheral palsy (lower motor neuropathy).
Peripheral paralysis occurs when the pathway of the lower motor neuron from the anterior horn cells of the spinal cord to the neuromuscular junction is impaired. It is caused by polio, which is a lesion of anterior horn cells, and nerve roots, plexus, and peripheral neuropathy caused by inflammation, compression, trauma, and the like.
In central paralysis, there is no direct change in the lower motor neuron from the anterior horn cells of the spinal cord to the neuromuscular junction, and the complex from the upper motor control center centering on the cerebral cortex to the anterior horn cells. It happens somewhere in the motor integration system. Hemiplegia due to cerebrovascular disorder is central paralysis.
脳卒中による片麻痺の発生直後は、弛緩性麻痺が起こり、後に痙性麻痺に移行することが多い。関節を曲げる時に与えられた外力の抵抗が通常より小さい場合を弛緩と言い、大きい場合を痙性と言い、痙性によって反張膝や、内反尖足が起こることがある。反張膝とは、立つ時に膝が通常と反対側に曲がってしまうような状態をいう。また、内反とは、足底が内側にねじれる状態を言い、尖足とは、足首がつっぱり指先しかつかない状態で歩行するような状態をいう。
脳卒中による麻痺は、力が弱くなるのではなく、動かそうとしたときに、特有の収縮パターンが起こることが特徴的である。ある一部の筋肉を動かそうとしても、同時にさまざまな筋肉が動いてしまうことによる特有の運動パターンが麻痺の回復過程で見られ、これを共同運動と言う。また、体のある部位を無理に動かそうと努力しすぎると、ほかの部位にも不随意に姿勢反射が起こることが多く、これは連合運動と呼ばれる。
麻痺側の歩行における遊脚期では足関節に下垂足が見られる。下垂足とは、思うように背屈ができなくなる状態である。また、麻痺側下肢を半円形に振り出すぶん回し歩行が見られる。健側の股・膝関節を補償的に動作することもあり、左右非対称な歩行になる。
Immediately after the occurrence of hemiplegia due to a stroke, flaccid paralysis often occurs and later shifts to spastic paralysis. When the resistance of the external force applied when bending the joint is smaller than normal, it is called relaxation, and when it is larger, it is called spasticity. A tension knee means a state where the knee bends to the opposite side when standing. Further, the varus refers to a state where the sole is twisted inward, and the pointed foot refers to a state where the ankle is walking with only the fingertips stuck.
Paralysis due to stroke is characterized by a specific contraction pattern occurring when trying to move rather than weakening the force. Even if you try to move some muscles, you can see a unique movement pattern in the recovery process of paralysis due to the movement of various muscles at the same time, which is called joint exercise. Also, if you try too hard to move a part of your body, you often involuntarily postural reflexes in other parts, which is called associative movement.
In the swing phase during walking on the paralyzed side, drooping legs are seen at the ankle joint. The drooping foot is a state where dorsiflexion cannot be achieved as expected. In addition, the gait of walking while swinging the paralyzed lower limb into a semi-circle is seen. The healthy hip and knee joints may be operated in a compensatory manner, resulting in an asymmetrical walk.
過度な安静にしてしまうと、2次的合併症として、褥瘡(床ずれ)や筋萎縮、骨密度の低下などの廃用症候群を発症する。いずれも日常生活動作(Activities of Daily Living:ADL)に支障をきたす。発症する患者は高齢者が多く、高齢者は一般的に体力が低下し、回復力及び回復への意欲などが劣る。このために、必要以上の寝たきりになることによって廃用症候群が発症し、更なる長期的な寝たきり患者となると言った悪循環に陥る。そのため、廃用症候群の予防には、身の回りのことはできるだけ自分で積極的に行うようにすることが必要となる。
ネコやイヌなどの四足歩行を行う脊髄動物では、足踏み反射が見られ、脳幹や脊髄などに存在する中枢パターン発生器(Central pattern generator:CPG)が関係していることが知られている。CPGとは、感覚情報なしに周期的な運動パターンを生成する神経回路網のことをいう。人の歩行に関しても、脊髄回路網にCPGが存在することが示唆されている。CPGを動員するためには、股関節の屈曲、伸展と、足底からの荷重情報が必要である。また、対側脚からの求心性刺激を与えることで脊髄神経回路が賦活し、歩行運動出力の発現に寄与すると考えられている。そのため、非麻痺足(以後、健側)から麻痺足(以後、患側)、もしくは患側から健側へ適切な神経情報入力を与えることで、より円滑な神経出力を誘発できる可能性がある。
Excessive rest causes secondary complications such as pressure ulcers (bed slippage), muscle atrophy, and decreased bone density. All of them interfere with activities of daily living (ADL). Many of the patients who develop the disease are elderly people, and the elderly people generally have poor physical strength, and their resilience and willingness to recover are inferior. For this reason, disuse syndrome develops due to being bedridden more than necessary, and falls into a vicious circle of becoming a long-term bedridden patient. Therefore, in order to prevent the disuse syndrome, it is necessary to do personal activities as actively as possible.
In spinal animals such as cats and dogs that perform quadrupedal walking, a stepping reflex is seen, and it is known that a central pattern generator (CPG) present in the brainstem, spinal cord, etc. is involved. CPG refers to a neural network that generates a periodic movement pattern without sensory information. Regarding human walking, it is suggested that CPG exists in the spinal cord network. In order to mobilize the CPG, it is necessary to have information on the hip joint flexion and extension and load from the sole. In addition, it is considered that spinal nerve circuit is activated by applying afferent stimulation from the contralateral leg and contributes to the development of locomotor output. Therefore, there is a possibility that a smoother nerve output can be induced by giving appropriate nerve information input from the non-paralyzed foot (hereinafter, healthy side) to the paralyzed foot (hereinafter, affected side) or from the affected side to the healthy side.
脳血管障害による片麻痺患者のリハビリテーションでは日常生活動作を自立的に行えるように訓練を行う。日常生活動作には食事動作、トイレ動作、整容動作、更衣動作、入浴動作、コミュニケーション動作、移動動作があり、更に生活関連動作としては、調理、洗濯、掃除などの動作がある。その中でも移動動作はそれ自体に意味はないが、他の動作を行う上で必要不可欠な動作である。歩行訓練では下肢の振り出し、体重の支持、重心の移動と言った歩行における一連の動作を杖や歩行装具を用いて訓練するが、運動麻痺によって生じる問題から必要に応じて療法士の介助や装具によるサポートが必要となる。片麻痺者の歩行には、健側による補償動作が起きる。神経系の可塑性により、健側は補償動作を行うような神経系が形成され、患側は減退していき筋委縮や骨密度減少を誘引する。 In rehabilitation for patients with hemiplegia due to cerebrovascular disorder, training is performed so that daily activities can be performed independently. Daily life operations include meal operation, toilet operation, conditioning operation, changing operation, bathing operation, communication operation, and movement operation, and life-related operations include operations such as cooking, washing, and cleaning. Among them, the moving operation is meaningless in itself, but is an indispensable operation for performing other operations. In gait training, a series of movements in walking, such as swinging out the lower limbs, supporting the weight, and moving the center of gravity, are trained using walking sticks and walking braces. Support by is required. When hemiplegic patients walk, compensation is performed on the healthy side. Due to the plasticity of the nervous system, the nervous system forms a compensating action on the healthy side, and the affected side declines and induces muscle atrophy and bone density reduction.
片麻痺者の歩行訓練に焦点をあてた研究においてWernigらによると、杖や歩行器を使用することでかろうじて自立歩行が可能な片麻痺者33名を対象に免荷式歩行訓練BWSTT(Body Weight Support Treadmill Training)を行うことによって、実に25名がこれら歩行補助装具を使用することのない自立歩行を再獲得できたと報告されている。
片麻痺回復促進のための運動療法として、麻痺側の足を理学療法士(PT:Physical Therapist)の手で動かすことで運動を誘発する促通手技と言う方法がある。その中で、成人の脳卒中片麻痺患者に対しては、「ボバース概念に基づく治療(神経学的リハビリテーション)(Neurological rehabilitation based upon the BOBATH concept)」と言う治療法がある。反復時間と人手が必要になるが、軽度であれば促通手技を行ったことで、歩行の左右対称性だけでなく、脳の運動野の活動の左右対称性の向上にも役立った可能性がある。
According to Wernig et al. In a study focusing on walking training for hemiplegic patients, BWSTT (Body Weight) is a load-free walking training for 33 hemiplegic patients who can barely walk by using canes and walker. It has been reported that 25 people were able to re-acquire independent walking without using these walking aids by performing Support Treadmill Training).
As an exercise therapy for promoting the recovery of hemiplegia, there is a method called a facilitating technique for inducing exercise by moving the paralyzed foot with a physical therapist (PT). Among them, there is a treatment called “Neurological rehabilitation based up the BOBATH concept” for adult stroke hemiplegic patients. Repetition time and manpower are required, but if it is mild, the facilitating technique may have helped improve not only the left-right symmetry of walking but also the left-right symmetry of brain motor cortex activity There is.
以上のことより、左右対称に足を動かすように歩行訓練して、股関節を屈曲・伸展させ、足底からの荷重情報を与えることは有効であると考えられる。
脳血管障害による片麻痺に対する治療法の一つに装具療法がある。これは歩行や日常生活活動の向上を図るために早期から運動療法にとり入れられているもので、片麻痺のリハビリテーションにおいては歩行能力の獲得と改善がその大きな目標である。また、装具を利用しながら運動療法を行うことで、運動機能の促進・回復向上につなげることが可能となる。
脳卒中片麻痺の回復過程は弛緩性麻痺から痙性麻痺に移行し、運動パターンは共同運動に支配され歩行障害となる。そのために下肢装具の果たす役割は大きい。
片麻痺患者などにおいて、非麻痺側の正常な機能を用いて、麻痺側のリハビリテーションを行うと言う、いわゆる「マスタスレーブ方式リハビリテーションシステム」は、既に提案されている(例えば特許文献1)。
From the above, it is considered effective to give walking information to move the foot symmetrically, flex and extend the hip joint, and give load information from the sole.
One of the therapies for hemiplegia caused by cerebrovascular disorder is brace therapy. This has been incorporated into exercise therapy from an early stage in order to improve walking and activities of daily living. Acquiring and improving walking ability is a major goal in rehabilitation of hemiplegia. In addition, exercise therapy while using a brace can lead to promotion of motor function and improvement of recovery.
The process of recovery from stroke hemiplegia shifts from flaccid paralysis to spastic paralysis, and the movement pattern is governed by joint movement, resulting in gait disturbance. For this reason, the lower limb orthosis plays a major role.
A so-called “master-slave type rehabilitation system” in which rehabilitation on the paralyzed side is performed using a normal function on the non-paralyzed side in a hemiplegic patient or the like has already been proposed (for example, Patent Document 1).
しかし、生体信号にはゆらぎが見られる。心拍と同様に、連続する歩行周期のリズムにも変動(ゆらぎ)が見られる。このゆらぎは、単なるランダムノイズ(熱ゆらぎ)ととらえないで、決定論的に挙動を説明できるカオスとしてとらえられてきており、脊髄のCPGのリズム発生機構にフラクタル(自己相似階層構造)的性質が見られることが知られている。Housedorfらによると、長時間の健常者の歩行において、歩行周期(重複歩時間)に1/fゆらぎが見られる。1/fゆらぎとは、スペクトル解析した結果(パワースペクトル)の両対数グラフの傾きが右下がりとなるゆらぎである。
ゆらぎを応用した例としては、適当なゆらぎを与えた学習過程は学習効果が得られたと言う報告がある。リハビリテーションに1/fゆらぎを取り入れることの効果が期待される。
片麻痺患者の歩行訓練は、健常者歩行の模倣となるが、独特の歩行形態を呈すため、健側の補償動作を伴い、患側の機能減退につながる恐れがある。また、免荷式歩行訓練用ロボットを用いたリハビリテーションも行われている。しかし、一定の入力による訓練を行っていては、受動的な訓練となってしまうために、訓練者本人の積極性を引き出すことが重要である。さらに、個人によって歩行時の関節角度変化や左右の足を振り出すタイミング、歩行速度は異なる。
以上より、健常者に近い歩容、かつ個人に合った歩容による歩行訓練を行うことができる健側情報フィードバック型歩行補助装置の開発が望まれる。
また、個人によって歩行速度が異なり、歩行周期にはゆらぎが含まれると考えられるため、歩行周期に合わせて時間遅れを調整する必要がある。
However, fluctuations are seen in the biological signal. Similar to the heartbeat, fluctuations (fluctuations) are also seen in the rhythm of successive walking cycles. This fluctuation is not regarded as a mere random noise (thermal fluctuation) but has been regarded as a chaos that can explain the behavior deterministically, and the rhythm generation mechanism of the spinal CPG has a fractal (self-similar hierarchical structure) property. It is known to be seen. According to Housedorf et al., 1 / f fluctuation is observed in the walking cycle (duplicate walking time) in walking of a healthy person for a long time. The 1 / f fluctuation is fluctuation in which the slope of the log-log graph of the result of spectrum analysis (power spectrum) falls to the right.
As an example of application of fluctuation, there is a report that a learning effect is obtained in a learning process with appropriate fluctuation. The effect of incorporating 1 / f fluctuation in rehabilitation is expected.
While hemiplegic patient walking training mimics the walking of a healthy person, it presents a unique walking form and is accompanied by compensation on the healthy side, which may lead to functional decline on the affected side. In addition, rehabilitation using a load-free walking training robot is also performed. However, if training with a certain input is performed, it becomes passive training, so it is important to bring out the trainee's positiveness. Furthermore, the joint angle change during walking, the timing of swinging out the left and right feet, and the walking speed differ depending on the individual.
As described above, it is desired to develop a healthy side information feedback type walking assist device capable of performing walking training with a gait close to that of a healthy person and a gait suitable for an individual.
In addition, since walking speed varies depending on the individual and it is considered that the walking cycle includes fluctuations, it is necessary to adjust the time delay according to the walking cycle.
そこで本発明は、脳卒中による片麻痺患者を対象とし、健側下肢の関節角度情報を取得し、患側下肢の関節に時間遅れを与えて健側の角度情報をフィードバックして患側下肢の関節角度を位置制御することによって健常者に近い歩容、かつ個人に合った歩容による訓練を可能とする健側情報フィードバック型歩行補助装具を提供することを目的とする。
具体的には、マスタに対してスレーブを一定時間遅れで追従させる場合は、歩行周期に対して時間遅れが短すぎた場合に単脚支持期中のスレーブの各関節を屈曲開始させ、バランスを崩してしまう恐れがある。そのため、マスタの歩行周期に合わせて時間遅れを調整することを目的とする。また、歩行では適切な歩行周期、左右の時間遅れにスレーブの調整をすることが必要である。マスタの動作は常に一定ではなく変化すると考えられるため、スレーブが指令角度に追従できる必要がある。マスタの股・膝関節の動作に対してスレーブの各関節角度を同期して位置制御し追従させることで、マスタ側の動作周期に変化を与えた際のスレーブの応答を調べ、スレーブの動作周期にマスタの動作周期を伝達することを目的とする。
Therefore, the present invention is intended for patients with hemiplegia due to stroke, acquires joint angle information of the healthy lower limb, gives time delay to the joint of the affected lower limb, and feeds back the angle information on the healthy side to obtain the joint angle of the affected lower limb. It is an object of the present invention to provide a healthy side information feedback walking aid that enables training with a gait close to that of a healthy person and a gait that suits an individual by controlling the position.
Specifically, when tracking the slave with a certain time delay relative to the master, if the time delay is too short with respect to the walking cycle, each joint of the slave during the single leg support period begins to bend, and the balance is lost. There is a risk that. Therefore, it aims at adjusting time delay according to a master's walk cycle. In walking, it is necessary to adjust the slave to an appropriate walking cycle and left and right time delays. Since it is considered that the operation of the master is not always constant and changes, the slave needs to be able to follow the command angle. By controlling the position of each joint angle of the slave in synchronization with the movement of the master's hip and knee joints, the slave's response when the master's movement period is changed is examined. The purpose is to transmit the operation cycle of the master.
請求項1記載の本発明の健側情報フィードバック型歩行補助装置は、健側としてのマスタ機構と、患側としてのスレーブ機構とを有し、前記マスタ機構には、股関節部に取り付けられた股関節用角度検出器と膝関節部に取り付けられた膝関節用角度検出器とを備え、前記スレーブ機構は、股関節部を駆動するスレーブ股関節機構部と、膝関節部を駆動するスレーブ膝関節機構部とから構成され、前記スレーブ股関節機構部及び前記スレーブ膝関節機構部は、それぞれ駆動源及び駆動機構を備えた健側情報フィードバック型歩行補助装置であって、屈曲動作と伸展動作とを判断する閾値をあらかじめ設定し、前記膝関節用角度検出器で検出されるマスタ膝関節角度が前記閾値を越えている場合には、前記屈曲動作と判断し、伸展時間Teを「0」とすることで前記スレーブ機構への前記伸展動作の指示を停止し、前記屈曲動作と判断している間は、前記マスタ膝関節角度の最大角度を更新するとともに屈曲時間Tfを計算し、前記膝関節用角度検出器で検出される前記マスタ膝関節角度が前記閾値以下の場合には、既に得られている直前の前記屈曲時間Tfから前記スレーブ機構に指令する1周期の時間を計算し、前記屈曲時間Tfを「0」とすることで前記スレーブ機構への前記屈曲動作の指示を停止し、前記伸展動作と判断している間は、前記マスタ膝関節角度の最小角度を更新するとともに前記伸展時間Teを計算し、前記伸展時間Teが前記1周期の時間よりも長いと判断した場合には、装着者が歩行動作を停止したと判断して股と膝の指令角度を「0」とすることで前記スレーブ機構への前記屈曲動作及び前記伸展動作の指示を停止し、前記屈曲時間Tf、前記マスタ膝関節角度の最大角度、前記伸展時間Te、及び前記マスタ膝関節角度の最小角度から前記スレーブ膝関節機構部への指令角度を1歩単位で計算して出力し、前記膝関節用角度検出器で検出した前記マスタ膝関節角度が前記閾値を下回った時刻から、所定の位相だけ遅らせて前記スレーブ機構の前記駆動源を動作させて屈曲を開始させることを特徴とする。
請求項2記載の本発明は、請求項1に記載の健側情報フィードバック型歩行補助装置において、前記屈曲時間と、前記マスタ膝関節角度の最大角度とから前記スレーブ膝関節機構部を動作させる角速度を決定し、前記マスタ膝関節角度が前記閾値を下回った後に前記スレーブ機構をフィードバック制御で屈曲・伸展させることを特徴とする。
The healthy side information feedback type walking assist device of the present invention according to claim 1 has a master mechanism as a healthy side and a slave mechanism as a diseased side, and the master mechanism is for a hip joint attached to a hip joint part. An angle detector and a knee joint angle detector attached to the knee joint, the slave mechanism comprising: a slave hip joint mechanism that drives the hip joint; and a slave knee joint mechanism that drives the knee joint The slave hip joint mechanism portion and the slave knee joint mechanism portion are healthy side information feedback type walking assist devices each having a drive source and a drive mechanism, and have threshold values for determining flexion motion and extension motion in advance. set, when the master knee joint angle detected by the knee joint for angle detector exceeds the threshold value, it is determined that the bending operation, extending the time Te "0 The instruction of the extension operation to the slave mechanism is stopped, and while the bending operation is determined, the maximum angle of the master knee joint angle is updated and the bending time Tf is calculated. When the master knee joint angle detected by the joint angle detector is equal to or less than the threshold, the time of one cycle commanded to the slave mechanism is calculated from the bending time Tf immediately before being obtained, By setting the bending time Tf to “0”, the instruction of the bending operation to the slave mechanism is stopped, and while the extension operation is determined, the minimum angle of the master knee joint angle is updated and the extension is performed. When the time Te is calculated and it is determined that the extension time Te is longer than the time of the one cycle, it is determined that the wearer has stopped walking and the crotch and knee command angles are set to “0”. By the above Stop instruction of the bending operation and the stretching motion of the over blanking mechanism, the bending time Tf, the maximum angle of the master knee joint angle, the slave knee from the minimum angle of the extension time Te, and the master knee joint angle A command angle to the joint mechanism is calculated and output in units of one step, and the slave is delayed by a predetermined phase from the time when the master knee joint angle detected by the knee joint angle detector falls below the threshold. Bending is started by operating the driving source of the mechanism.
According to a second aspect of the present invention, in the unaffected side information feedback type walking assist device according to the first aspect, an angular velocity for operating the slave knee joint mechanism unit from the bending time and the maximum angle of the master knee joint angle. And the slave mechanism is bent and extended by feedback control after the master knee joint angle falls below the threshold value.
本発明によれば、スレーブ側の脚の各関節の屈曲が開始される時刻をマスタの最小屈曲角度となる時刻に近づけることができ、マスタの歩行周期に合わせて時間遅れを調整することができる。
また、本発明によれば、マスタの股・膝関節の動作に対してスレーブの各関節角度を同期して追従させることで、マスタ側の動作周期が変化しても、スレーブの動作周期にマスタの動作周期を伝達させることができる。
これらのことから、本発明によれば、リハビリテーションに1/fゆらぎを取り入れることが可能となり、歩行訓練の効果が期待される。
According to the present invention, the time at which each joint of the slave leg can be bent can be brought closer to the time at which the master becomes the minimum bending angle, and the time delay can be adjusted in accordance with the master's walking cycle. .
In addition, according to the present invention, by synchronizing the slave joint angles with the movement of the master's hip and knee joints, even if the operation period on the master side changes, Can be transmitted.
For these reasons, according to the present invention, it is possible to incorporate 1 / f fluctuation in rehabilitation, and the effect of walking training is expected.
本発明の第1の実施の形態による健側情報フィードバック型歩行補助装置は、屈曲動作と伸展動作とを判断する閾値をあらかじめ設定し、膝関節用角度検出器で検出されるマスタ膝関節角度が閾値を越えている場合には、屈曲動作と判断し、伸展時間Teを「0」とすることでスレーブ機構への伸展動作の指示を停止し、屈曲動作と判断している間は、マスタ膝関節角度の最大角度を更新するとともに屈曲時間Tfを計算し、膝関節用角度検出器で検出されるマスタ膝関節角度が閾値以下の場合には、既に得られている直前の屈曲時間Tfからスレーブ機構に指令する1周期の時間を計算し、屈曲時間Tfを「0」とすることでスレーブ機構への屈曲動作の指示を停止し、伸展動作と判断している間は、マスタ膝関節角度の最小角度を更新するとともに伸展時間Teを計算し、伸展時間Teが1周期の時間よりも長いと判断した場合には、装着者が歩行動作を停止したと判断して股と膝の指令角度を「0」とすることでスレーブ機構への屈曲動作及び伸展動作の指示を停止し、屈曲時間Tf、マスタ膝関節角度の最大角度、伸展時間Te、及びマスタ膝関節角度の最小角度からスレーブ膝関節機構部への指令角度を1歩単位で計算して出力し、膝関節用角度検出器で検出したマスタ膝関節角度が閾値を下回った時刻から、所定の位相だけ遅らせてスレーブ機構の駆動源を動作させて屈曲を開始させるものである。本実施の形態によれば、スレーブ側の脚の各関節の屈曲が開始される時刻をマスタの最小屈曲角度となる時刻に近づけることができ、マスタの歩行周期に合わせて時間遅れを調整することができる。 The healthy side information feedback type walking assist device according to the first embodiment of the present invention sets a threshold value for judging a bending motion and an extension motion in advance , and the master knee joint angle detected by the knee joint angle detector is If the threshold value is exceeded, it is determined that the movement is a bending operation, and the extension time Te is set to “0” to stop the instruction of the extension operation to the slave mechanism. The maximum joint angle is updated and the flexion time Tf is calculated. When the master knee joint angle detected by the knee joint angle detector is equal to or smaller than the threshold value, the slave is determined from the previous flexion time Tf already obtained. By calculating the time of one cycle commanded to the mechanism and setting the bending time Tf to “0”, the instruction of the bending operation to the slave mechanism is stopped, and while the extension operation is determined, the master knee joint angle is changed. Update minimum angle At the same time, when the extension time Te is calculated and it is determined that the extension time Te is longer than one cycle time, it is determined that the wearer has stopped walking, and the command angle of the crotch and knee is set to “0”. Thus, the instruction of the bending operation and the extension operation to the slave mechanism is stopped, and the command to the slave knee joint mechanism unit from the bending time Tf, the maximum angle of the master knee joint angle, the extension time Te, and the minimum angle of the master knee joint angle. The angle is calculated and output in increments of one step, and the master knee joint angle detected by the knee joint angle detector falls below the threshold, and then the slave mechanism drive source is operated with a predetermined phase delay to bend. It is what is started. According to the present embodiment, the time at which each joint of the slave side leg starts to be bent can be brought close to the time at which the master becomes the minimum bending angle, and the time delay is adjusted according to the master's walking cycle. Can do.
本発明の第2の実施の形態は、第1の実施の形態による健側情報フィードバック型歩行補助装置において、屈曲時間と、マスタ膝関節角度の最大角度とからスレーブ機構を動作させる角速度を決定し、マスタ膝関節角度が閾値を下回った後にスレーブ機構をフィードバック制御で屈曲・伸展させるものである。本実施の形態によれば、マスタの膝関節の動作に対してスレーブの関節角度を同期して追従させることで、マスタ側の動作周期が変化しても、スレーブの動作周期にマスタの動作周期を伝達させることができる。 In the second embodiment of the present invention, in the healthy side information feedback type walking assist device according to the first embodiment, an angular velocity for operating the slave mechanism is determined from the bending time and the maximum angle of the master knee joint angle. The slave mechanism is bent and extended by feedback control after the master knee joint angle falls below the threshold value. According to the present embodiment, by synchronizing the slave joint angle with the operation of the master knee joint, even if the master operation cycle changes, the master operation cycle Can be transmitted.
以下本発明の一実施例による健側情報フィードバック型歩行補助装置について説明する。
図1は本実施例による健側情報フィードバック型歩行補助装具の外観図、図2は同装置のシステム構成図である。
右足を健側としてのマスタ機構10、左足を患側としてのスレーブ機構20とする。マスタ機構10には、股関節部に取り付けられた股関節用角度検出器(ポテンショメータ)11Aと膝関節部に取り付けられた膝関節用角度検出器(ポテンショメータ)11Bとから角度情報を取得する。スレーブ機構20は、股関節部を駆動するスレーブ股関節機構部20Aと、膝関節部を駆動するスレーブ膝関節機構部20Bとから構成される。スレーブ股関節機構部20Aは、駆動源(DCモータ)21A及び駆動機構(ボールねじとL型リンク)22Aを備え、スレーブ膝関節機構部20Bは駆動源(DCモータ)21B及び駆動機構(ボールねじとL型リンク)22Bを備えている。スレーブ機構20には、リニアサーボコントローラ31、エンコーダ32A、32B、パルスカウンタボード33、及びAD/DAボード34がつながっている。
Hereinafter, a healthy information feedback type walking assist device according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is an external view of a healthy side information feedback walking aid according to this embodiment, and FIG. 2 is a system configuration diagram of the apparatus.
The master mechanism 10 with the right foot as the healthy side, and the slave mechanism 20 with the left foot as the affected side. The master mechanism 10 acquires angle information from a hip joint angle detector (potentiometer) 11A attached to the hip joint and a knee joint angle detector (potentiometer) 11B attached to the knee joint. The slave mechanism 20 includes a slave hip joint mechanism 20A that drives the hip joint and a slave knee joint mechanism 20B that drives the knee joint. The slave hip joint mechanism portion 20A includes a drive source (DC motor) 21A and a drive mechanism (ball screw and L-shaped link) 22A, and the slave knee joint mechanism portion 20B includes a drive source (DC motor) 21B and a drive mechanism (ball screw). L-type link) 22B. A linear servo controller 31, encoders 32A and 32B, a pulse counter board 33, and an AD / DA board 34 are connected to the slave mechanism 20.
マスタ機構10に取り付けた股関節用角度検出器11A、膝関節用角度検出器11Bからのアナログ関節角度情報を、AD/DAボード34にてAD変換して、制御部(PC)35に取り込み、制御部35にて時間遅れを与えて、AD/DAボード34にてDA変換した情報をリニアサーボコントローラ31に送り、駆動源21A、21Bと一体となったエンコーダ32A、32Bによってスレーブ関節角度情報をフィードバックして角度制御する。 Analog joint angle information from the hip joint angle detector 11A and knee joint angle detector 11B attached to the master mechanism 10 is AD-converted by the AD / DA board 34 and taken into the control unit (PC) 35 for control. A time delay is given by the unit 35, the information DA-converted by the AD / DA board 34 is sent to the linear servo controller 31, and the slave joint angle information is fed back by the encoders 32A and 32B integrated with the drive sources 21A and 21B. And angle control.
本実施例による健側情報フィードバック型歩行補助装置は、一般的な長下肢装具を土台としている。図3はこの種の長下肢装具の正面図、図4はに同長下肢装具の側面図である。本実施例に使用した長下肢装具は、材質をジュラルミンとし、外径寸法1200×420×150mm、重量が3kgである。
長下肢装具の各関節部の可動範囲は、装着者の関節の可動範囲を阻害しない構造となっている。装具股関節部では、屈曲方向140°、伸展方向20°、装具膝関節部では、屈曲方向150°、伸展方向0°となっている。しかし、人が装着した場合の各関節の可動範囲は個人の体格などによって変化する。
The healthy side information feedback type walking assist device according to the present embodiment is based on a general long leg brace. FIG. 3 is a front view of this type of long leg brace, and FIG. 4 is a side view of the same leg brace. The long leg brace used in this example is made of duralumin, has an outer diameter of 1200 × 420 × 150 mm, and a weight of 3 kg.
The movable range of each joint part of the long leg brace has a structure that does not obstruct the movable range of the joint of the wearer. In the orthosis hip joint, the bending direction is 140 ° and the extension direction is 20 °, and in the orthosis knee joint, the bending direction is 150 ° and the extension direction is 0 °. However, the movable range of each joint when worn by a person varies depending on the physique of the individual.
装具股関節部の最大屈曲時、最大伸展時における状態を図5及び図6に示す。装具膝関節部の最大屈曲時、最大伸展時における状態を図7及び図8に示す。
股関節用角度検出器11A、膝関節用角度検出器11Bには、接触型ポテンショメータ(株式会社緑測器製)を使用した。
The state at the time of the maximum bending of the orthosis hip joint part and the maximum extension is shown in FIGS. The state at the time of the maximum bending | flexion of the orthosis knee joint part and the maximum extension is shown in FIG.7 and FIG.8.
As the hip joint angle detector 11A and knee joint angle detector 11B, contact-type potentiometers (manufactured by Green Sokki Co., Ltd.) were used.
図9は本実施例によるスレーブ股関節機構部の側面図、図10は最大屈曲時における図9の要部拡大図、図11は同機構部の機構モデル図である。
図11において、股関節屈曲角度をθh、股関節BのボールねじCの位置をXhとする。ボールねじCをモータユニットで回転させることによってXhを移動させ、股関節屈曲角度θhを制御する。しかし、点Aが上下に約10mm滑ることによる遊びと、点A’が点Aを中心に回転することによる遊びがあるため、ボールねじCの位置を固定しても外力を与えると股関節屈曲角度θhは、最大30°程度変化する。スレーブ角度は、モータの回転角度についてのエンコーダパルス信号から股関節屈曲角度を線形変換で取得しているため、装着者の能動的な動作や自重の影響によって誤差が変動する。しかし、この遊びがあることで装着者の負担を軽減することが可能である。
9 is a side view of the slave hip joint mechanism according to the present embodiment, FIG. 10 is an enlarged view of the main part of FIG. 9 at the time of maximum bending, and FIG. 11 is a mechanism model diagram of the mechanism.
In FIG. 11, the hip joint bending angle is θ h , and the position of the ball screw C of the hip joint B is X h . Moving the X h by rotating the ball screw C in the motor unit, to control the hip flexion angle theta h. However, since there is play due to the point A sliding up and down about 10 mm and play due to the point A ′ rotating around the point A, the hip flexion angle when external force is applied even if the position of the ball screw C is fixed θ h changes about 30 ° at the maximum. As for the slave angle, since the hip flexion angle is obtained by linear conversion from the encoder pulse signal for the rotation angle of the motor, the error fluctuates due to the active action of the wearer and the influence of the own weight. However, this play can reduce the burden on the wearer.
図12に股関節のモータユニットを示す。図に示すように、股関節のモータユニットには、モータとギアヘッドとエンコーダ32A、32Bとを組み合わせたものを使用している。本実施例では、モータ(maxon社製、RE25、φ25mm、グラファイトブラシ、18W)に、減速比14のギアヘッドとロータリエンコーダを組み付けたものを使用している。エンコーダ32A、32Bは分解能512pulse/rev.であるmaxon社製のエンコーダMR Type MLである。 FIG. 12 shows a hip joint motor unit. As shown in the figure, the hip motor unit uses a combination of a motor, a gear head, and encoders 32A and 32B. In this embodiment, a motor (manufactured by maxon, RE25, φ25 mm, graphite brush, 18 W) in which a gear head with a reduction ratio of 14 and a rotary encoder are assembled is used. The encoders 32A and 32B have a resolution of 512 pulses / rev. The encoder MR Type ML manufactured by maxon.
図13は本実施例によるスレーブ膝関節機構部を示す側面図、図14は最大屈曲時における図9の要部拡大図、図15は同機構部の機構モデル図である。
図15において、膝関節屈曲角度をθk1、膝関節EのボールねじDの位置をXkとする。膝関節機構ではリンクF、Gが回転する遊びがあるため、ボールねじDの位置を固定しても膝関節屈曲角度θk1は外力を与えると、最大30°程度変化する。この遊びは、装着者への負担を軽減すると考えられるが、制御可能角度は65°である。
膝関節機構部のモータユニットには、モータ(maxon社製、RE26、φ26mm、グラファイトブラシ、18W)に、減速比3、8のギアヘッドとロータリエンコーダを組み付けたものを使用している。
FIG. 13 is a side view showing a slave knee joint mechanism according to the present embodiment, FIG. 14 is an enlarged view of a main part of FIG. 9 at the time of maximum bending, and FIG. 15 is a mechanism model diagram of the mechanism.
In FIG. 15, it is assumed that the knee joint bending angle is θ k1 and the position of the ball screw D of the knee joint E is X k . Since there is a play in which the links F and G rotate in the knee joint mechanism, even if the position of the ball screw D is fixed, the knee joint bending angle θ k1 changes by a maximum of about 30 ° when an external force is applied. This play is thought to reduce the burden on the wearer, but the controllable angle is 65 °.
As the motor unit of the knee joint mechanism unit, a motor (manufactured by maxon, RE26, φ26 mm, graphite brush, 18 W) combined with a gear head having a reduction ratio of 3 and 8 and a rotary encoder is used.
本実施例において、健側の角度情報の取得に今回はポテンショメータ11A、11Bを使用して電圧値を取得する。ポテンショメータ11A、11Bの電圧値取得及び、アクチュエータユニットへのD/A出力にはAD/DAボード(Interface株式会社製、PCI−3523A)を使用した。
DCモータの出力軸に配置したエンコーダによる動作角度の取得にはパルスカウンタボード(Interface株式会社製、PCI−6204)を使用した。
シングルエンド入力で2チャンネル使用し1逓倍の位相差パルスカウントを行う。
PC35からD/Aボードより送られた指令信号を処理し、股・膝関節を駆動するモータを制御するため、4象限リニアサーボコントローラ(maxon社製、4−Q−DC Servo Control LSC 30/2)を各モータに対して1つずつ使用した。本ドライバはlxR補正(回転数制御)制御モード、可変電圧制御モード、デジタル・エンコーダ回転数制御モード、DCタコ回転数制御制御モード、電流制御モードの5系統の制御を備えているが、本発明では電流制御モードを使用した。
In the present embodiment, the voltage value is acquired by using potentiometers 11A and 11B this time to acquire the angle information on the healthy side. An AD / DA board (PCI-3523A, manufactured by Interface Co., Ltd.) was used for acquiring voltage values of the potentiometers 11A and 11B and outputting D / A to the actuator unit.
A pulse counter board (Interface, Inc., PCI-6204) was used to obtain the operating angle by the encoder arranged on the output shaft of the DC motor.
Single-ended input uses 2 channels and performs 1-fold phase difference pulse count.
A 4-quadrant linear servo controller (manufactured by maxon, 4-Q-DC Servo Control LSC 30/2) for processing a command signal sent from the D / A board from the PC 35 and controlling a motor for driving the hip and knee joints. ) Was used for each motor. This driver has five systems of control: an lxR correction (rotational speed control) control mode, a variable voltage control mode, a digital encoder rotational speed control mode, a DC tacho rotational speed control control mode, and a current control mode. Then, the current control mode was used.
以下に、本実施例による健側情報フィードバック型歩行補助装置における一定時間遅れ動作確認実験について説明する。
実際の歩行補助動作を行う際に重要であると考えられる時間遅れ、振幅比、動作周期比について評価するため、一定時間遅れでマスタにスレーブを追従させる動作の動作確認実験を行った。
実験装置には、健側情報フィードバック型歩行補助装具(長下肢装置)、ポテンショメータ(関節角度評価用POT)(東京コスモス電機株式会社製)、ブレッドボード(サンハヤト製、SRH−53)、安定化直流電源1(菊水電子工業製、PMC18−3)、安定化直流電源2(高砂製作所製、LXO18−2B)、安定化直流電源3(菊水電子工業製、PMC35−2)を使用した。
Hereinafter, a constant time delayed operation confirmation experiment in the healthy side information feedback type walking assist device according to the present embodiment will be described.
In order to evaluate the time delay, amplitude ratio, and operation cycle ratio, which are considered to be important when performing the actual walking assistance operation, an operation confirmation experiment of the operation of causing the master to follow the slave with a certain time delay was performed.
The experimental devices include a healthy side information feedback type walking assist device (long leg device), potentiometer (joint angle evaluation POT) (manufactured by Tokyo Cosmos Electric Co., Ltd.), breadboard (manufactured by Sanhayato, SRH-53), and stabilized direct current. A power source 1 (manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd., PMC18-3), a stabilized DC power source 2 (manufactured by Takasago Seisakusho, LXO18-2B), and a stabilized DC power source 3 (manufactured by Kikusui Electronics Industrial Co., Ltd., PMC35-2) were used.
図16に使用した安定化直流電源の設定値、図17にリニアサーボコントローラの設定値を示す。モータの最大連続電流よりリニアサーボアンプ用安定化直流電源の最大電流設定値を決定した。また、制御入力を算出する比例制御式をVset=Kp(θm−θs)と定めた。Vsetはリニアサーボアンプに与える制御入力(±10Vで飽和)、Kpは比例ゲイン(股関節では0、5、膝関節では2、0とした)、θmはマスタの関節角度、θsはスレーブの関節角度である。
実験は、以下の手順で行った。
まず、マスタ側の各関節を手動で、歩行動作に近くなるように約4秒周期で20回の屈曲・伸展させる。次に、30点移動平均フィルタにかけたマスタ側の各関節の角度情報を基に、固定時間遅れでスレーブ側の各関節をフィードバック制御した。最後に、各関節角度を、サンプリング周波数20Hzで計測した。
FIG. 16 shows the set value of the stabilized DC power supply used, and FIG. 17 shows the set value of the linear servo controller. The maximum current setting value of the stabilized DC power supply for the linear servo amplifier was determined from the maximum continuous current of the motor. Further, the proportional control equation for calculating the control input was determined as V set = K p (θ m −θ s ). V set is a control input to the linear servo amplifier (saturated at ± 10 V), K p is a proportional gain (0, 5 for the hip joint, 2, 0 for the knee joint), θ m is the joint angle of the master, and θ s is It is the joint angle of the slave.
The experiment was performed according to the following procedure.
First, each joint on the master side is bent and extended 20 times with a period of about 4 seconds so as to be close to a walking motion. Next, feedback control of each joint on the slave side was performed with a fixed time delay based on the angle information of each joint on the master side subjected to the 30-point moving average filter. Finally, each joint angle was measured at a sampling frequency of 20 Hz.
実験結果および考察を以下に示す。
図18に股関節、図19に膝関節それぞれのマスタに対してスレーブを一定時間遅れで追従させたときの各関節角度変化を示す。時間遅れは、マスタが最大屈曲してからスレーブが最大屈曲するまでの時間とした。追従誤差の評価のために、マスタ角度とスレーブ角度の股・膝関節それぞれに対して最大屈曲角度と最小屈曲角度の差を振幅として算出した。また、マスタとスレーブの周期の変動を評価するため、関節ごとに最大屈曲する間隔を動作周期として求めた。スレーブの角度情報としては、ポテンショメータとエンコーダからの角度情報の差が最大でも10°以内に収まっていたため、どちらの角度情報を使用しても差がないと考え、ポテンショメータからの角度情報を使用した。
Experimental results and discussion are shown below.
FIG. 18 shows hip joints, and FIG. 19 shows changes in joint angles when the slaves follow the masters of the knee joints with a certain time delay. The time delay was defined as the time from the maximum bending of the master to the maximum bending of the slave. In order to evaluate the tracking error, the difference between the maximum bending angle and the minimum bending angle was calculated as the amplitude for each of the hip and knee joints of the master angle and the slave angle. In addition, in order to evaluate the fluctuation of the cycle between the master and the slave, the interval of maximum bending for each joint was obtained as the operation cycle. As the angle information of the slave, since the difference between the angle information from the potentiometer and the encoder was within 10 ° at the maximum, the angle information from the potentiometer was used because it was considered that there was no difference regardless of which angle information was used. .
図20に実験結果を示す。膝関節はマスタに比べてスレーブの振幅が平均で0.6になり、ばらつきが大きい。これは、膝関節屈曲開始時に股関節が20°程度曲がっていなければ、機構的な問題により動作が遅くなる事が見られたことと、マスタ動作範囲がスレーブの制御可能範囲より大きい入力を与えてしまったことに起因していると考えられる。しかし、周期に対しては、マスタとスレーブの比が1.0であるため、スレーブで再現可能であると考えられる。屈曲動作回数が異なるが、膝関節で周期比がわずかに向上した。 FIG. 20 shows the experimental results. In the knee joint, the average amplitude of the slave is 0.6 and the variation is large compared to the master. This is because if the hip joint is not bent about 20 ° at the start of flexion of the knee joint, the operation could be slowed due to mechanical problems, and the master operation range was given an input larger than the controllable range of the slave. This is thought to be due to the failure. However, since the ratio of the master to the slave is 1.0 with respect to the period, it can be considered that reproduction is possible with the slave. Although the number of flexing motions was different, the cycle ratio was slightly improved at the knee joint.
以下に、本実施例による健側情報フィードバック型歩行補助装置における装具装着時の下肢関節角度変化計測の基礎実験結果について説明する。
一定時間遅れでは歩行周期の変化に対応できないため、マスタの歩行周期に合わせてスレーブ動作の時間遅れを調節する必要がある。その際、マスタの信号から動作指令を計算するためのパラメータを以下のように設定し、スレーブ各関節装置への入力を生成する際の歩行周期、各関節の最大屈曲角度、マスタ側に対するスレーブ動作の時間遅れを決定するために、歩行時の関節角度計測を行う。
実験装置には、長下肢装具、ポテンショメータ(東京コスモス電機株式会社製)を使用した。長下肢装具は、スレーブ(左側)の機構を取り外した。
Below, the basic experiment result of the lower limb joint angle change measurement at the time of wearing the orthosis in the healthy side information feedback type walking assist device according to the present embodiment will be described.
Since a fixed time delay cannot cope with a change in the walking cycle, it is necessary to adjust the slave operation time delay in accordance with the master's walking cycle. At that time, the parameters for calculating the operation command from the master signal are set as follows, the walking cycle when generating the input to each slave joint device, the maximum bending angle of each joint, the slave operation for the master side In order to determine the time delay, the joint angle during walking is measured.
As the experimental device, a long leg brace and a potentiometer (manufactured by Tokyo Cosmos Electric Co., Ltd.) were used. For the long leg brace, the slave (left side) mechanism was removed.
図21に長下肢装具の左側各関節への取り付け方法を示す。図に示すように健側情報フィードバック型歩行補助装具の土台になっている骨盤帯つき長下肢装具の両足の股関節、膝関節にポテンショメータを取り付けた。
被験者は健常な20代の男性5名である。被験者に長下肢装具を装着し、直線距離を往復した時の関節角度変化を20Hzで計測した。歩行距離を3mに限定し、歩行の速度に差をつけるために往路では歩数を10歩程度と指定したときの歩行、復路では自由な歩行として計測した。
FIG. 21 shows a method of attaching the long leg brace to the left joints. As shown in the figure, potentiometers were attached to the hip joints and knee joints of both legs of the long leg prosthesis with a pelvic belt, which is the foundation of the healthy side information feedback type walking assistive device.
The test subjects were 5 healthy men in their 20s. The subject was wearing a long leg brace, and the change in joint angle was measured at 20 Hz when the straight distance was reciprocated. The walking distance was limited to 3 m, and in order to make a difference in walking speed, walking was measured when the number of steps was specified as about 10 on the forward path, and free walking was measured on the return path.
実験結果および考察を以下に示す。
図22に計測した各関節角度変化の一例を示す。
股関節角度変化を見ると、屈曲と伸展を交互に繰り返しており、屈曲の方が伸展に比べて急な変化となる傾向があった。左右の股関節角度変化の関係を大局的に見ると、ほぼ逆位相であると言える。そのため、股関節に対しては片側が屈曲した時に対側を伸展させる相反動作をさせることが考えられる。しかし、被験者によっては屈曲時と伸展時で動作速度に差があるため、対側の関節角度変化を上下反転した指令角度に位置制御すると実際の運動と異なる可能性がある。
膝関節角度変化を見ると、2重膝作用はあまり見られず、股関節と比較して屈曲時間が短い。これは、長下肢装具を付けたことによる抵抗や計測している角度が長下肢装具の回転軸であり、人体の各関節の回転軸と一致しないことが影響していると考えられる。左右の膝関節角度変化の関係を大域的に見ると、膝関節が大きく屈曲・伸展動作を行った後に対側脚の各関節の大きな屈曲・伸展動作が開始され、グラフ上では左右交互に山が見られる。これは片方の足が立脚相となり伸展状態を維持している間に、対側脚を振り出していることを表していると考えられる。この関係が崩れて、速いタイミングで動作を行わせるとバランスを崩す恐れがある。同時刻における左右の膝関節角度の関係を表すグラフを図23に示す。
Experimental results and discussion are shown below.
FIG. 22 shows an example of each joint angle change measured.
Looking at hip joint angle changes, flexion and extension were repeated alternately, and there was a tendency for flexion to be abrupt compared to extension. When the relationship between the left and right hip joint angle changes is viewed globally, it can be said that the phase is almost opposite. For this reason, it is conceivable to perform a reciprocal motion to extend the opposite side when one side is bent with respect to the hip joint. However, depending on the subject, there is a difference in motion speed between flexion and extension, so if the position control is performed at a command angle obtained by inverting the joint angle change on the opposite side, it may differ from the actual motion.
Looking at the knee joint angle change, the double knee action is not so much seen, and the flexion time is shorter than that of the hip joint. This is considered to be due to the fact that the resistance caused by attaching the long leg brace and the angle being measured are the rotation axes of the long leg brace and do not coincide with the rotation axes of the joints of the human body. Looking at the relationship between the change in the angle of the left and right knee joints, after the knee joint performs a large flexion / extension movement, a large flexion / extension movement of each joint of the contralateral leg starts. Is seen. This is considered to indicate that the other leg is swinging out while one leg is in the stance phase and maintaining the extended state. If this relationship breaks down and the operation is performed at a fast timing, the balance may be lost. A graph showing the relationship between the left and right knee joint angles at the same time is shown in FIG.
また股関節と膝関節の動作の連動を見ると、足を振り出すために各関節の屈曲がほぼ同時に開始している。膝関節の屈曲・伸展動作にかかる時間は、大まかに見て股関節の屈曲・伸展動作にかかる時間の半分となっている。
膝関節において左右交互に大きな屈曲・伸展動作が見られる点と、大きな屈曲・伸展を1回ずつ行うのにかかる時間は股関節動作が膝関節動作の約2倍である点、屈曲を開始する時間が股関節と膝関節でほぼ同時である点に着目して、マスタの膝関節が伸展動作を行った後に、スレーブの動作を開始させることを考えた。このことによって歩行周期に合わせて時間遅れを変化させることができると考えられる。
Also, looking at the interlocking movements of the hip and knee joints, the flexion of each joint starts almost simultaneously to swing out the foot. The time required for the knee joint flexion / extension motion is roughly half the time required for the hip joint flexion / extension motion.
The point where a large flexion / extension motion can be seen alternately at the left and right in the knee joint, and the time required to perform one large flexion / extension at a time is that the hip joint motion is about twice the knee joint motion, and the time to start flexion Paying attention to the fact that the hip joint and the knee joint are almost simultaneous, we considered that the slave's motion is started after the master's knee joint performs the stretching motion. It is considered that the time delay can be changed according to the walking cycle.
その際、マスタから1歩行周期にかかる時間と各関節の最大屈曲角度を基にして、スレーブ側への指令角度を生成する方法を考える。
各周期中の最大屈曲角度とその周期を取得する方法として、角速度に注目する方法と角度に注目する方法がある。
角速度に注目する方法とは、角速度が連続して正のとき屈曲動作、連続して負のとき伸展動作を行っていると判断するものである。しかし、この方法では角度情報の微分を含むため、ノイズの影響で条件設定が容易でない。角度に注目する方法とは、角度がある値より大きくなった場合に屈曲、それ以下で伸展と判断するものである。ノイズの影響を受けにくいと考えられる。
そこで、角度に注目する方法を採用した。具体的には、膝関節が屈曲している時間(屈曲時間)からスレーブ各関節の屈曲・伸展動作にかかる時間を決定する。また、屈曲している間に最大角度を取得し、伸展するごとに最大角度を更新する。
At this time, a method of generating a command angle to the slave side based on the time taken for one walking cycle from the master and the maximum bending angle of each joint will be considered.
As a method of acquiring the maximum bending angle and its cycle in each cycle, there are a method of paying attention to the angular velocity and a method of paying attention to the angle.
In the method of paying attention to the angular velocity, it is determined that the bending operation is performed when the angular velocity is positive continuously and the extension operation is performed when the angular velocity is negative continuously. However, since this method includes differentiation of angle information, setting of conditions is not easy due to the influence of noise. The method of paying attention to the angle is to judge that the angle is bent when the angle is larger than a certain value, and the extension is less than that. It is thought that it is hard to be affected by noise.
Therefore, a method of paying attention to the angle was adopted. Specifically, the time required for the bending / extending operation of each slave joint is determined from the time during which the knee joint is bent (bending time). Further, the maximum angle is acquired during bending, and the maximum angle is updated each time the extension is performed.
屈曲と伸展を判別するための閾値を決定するため、各関節の最大角度について説明する。図24、図25に各関節の最大屈曲角度の平均値と標準偏差を示す。左右を比較すると、有意な差は見られなかったため、片側の最大角度を対側の動作に利用することに問題はないと考えられる。2重膝作用の大きさも考慮すると、膝関節の最大屈曲角度と重なるため、歩行動作を検知するために十分ではないが、屈曲と伸展を判断するための閾値を仮に膝関節30°、股関節10°として設定した。図22、図23から個人によってはこの値は適切でないため、実際は調整が必要となると考えられる。 In order to determine a threshold value for discriminating between flexion and extension, the maximum angle of each joint will be described. 24 and 25 show the average value and standard deviation of the maximum bending angle of each joint. When the left and right were compared, no significant difference was found, so it seems that there is no problem in using the maximum angle on one side for the opposite side operation. Considering the magnitude of the double knee action, it overlaps with the maximum flexion angle of the knee joint, so that it is not sufficient for detecting the walking motion. Set as °. 22 and 23, this value is not appropriate depending on the individual, so it is considered that adjustment is actually required.
以下に、本実施例による健側情報フィードバック型歩行補助装置における時間遅れ調整手法について説明する。
マスタの遊脚期にスレーブを動作させると歩行バランスを崩す恐れがある。そのため、マスタ関節角度情報を使用して、立脚したかどうかを判断し、立脚後にスレーブを動作させることを考える。そのため、マスタ各関節の角度変化に対して固定時間遅れでスレーブを追従させる以外の方法を考える。歩行周期に対して時間遅れが短すぎた場合に単脚支持期中のスレーブの各関節を屈曲開始させると、バランスを崩してしまう恐れがある。マスタ信号をパラメータ化し、マスタ膝関節が伸展した後にスレーブ側の足を振り出させて歩行補助することを考える。
Below, the time delay adjustment method in the healthy side information feedback type walking assistance apparatus by a present Example is demonstrated.
If the slave is operated during the master's swing phase, the walking balance may be lost. Therefore, it is considered that the master joint angle information is used to determine whether or not the stance is made and the slave is operated after the stance. Therefore, a method other than causing the slave to follow the angle change of each master joint with a fixed time delay is considered. If the time delay is too short with respect to the walking cycle and the joints of the slaves during the single leg support period are started to bend, the balance may be lost. Consider mastering the master signal as a parameter and assisting walking by swinging out the slave's foot after the master knee joint has extended.
図26に時間遅れ調整手法によってマスタ関節角度情報からスレーブ指令角度を生成する方法の模式図を示す。実際の制御では、逐次パラメータを更新するが、関節角度変化の個人差やオフセットは構造的なガタがあり、制御の精度には限界があると考えられるため無視する。
図26では、膝関節については、屈曲と伸展を判断するための閾値を30°としており、閾値の30°を越える場合には屈曲時間、30°を下回る場合には伸展時間となる。図26に示す膝関節については、0.2秒付近から0.8秒付近の間がマスタ膝関節の屈曲時間となり、マスタ膝関節角度が閾値30°を下回った0.8秒付近から次にマスタ膝関節角度が閾値30°を越えた1.8秒付近の間がマスタ膝関節の伸展時間となる。
スレーブ動作の開始は、マスタ膝関節の屈曲時間終了時(0.8秒付近)の検出によって行うが、あらかじめ設定した位相(π/4)だけ遅らせているため、スレーブ動作開始はマスタ膝関節の屈曲時間終了時よりも遅延する。
図26において、初回のスレーブ動作(0.8秒付近〜1.9秒付近)は、マスタ膝関節の屈曲時間終了時(0.8秒付近)までに検出した、屈曲時間T(0.2秒付近〜0.8秒付近)、マスタ膝関節の最大角度、マスタ膝関節の最小角度、マスタ股関節の最大角度、及びマスタ股関節の最小角度のデータで決定する。次のスレーブ動作(2.4秒付近〜)は、屈曲時間T(1.8秒付近〜2.4秒付近)、マスタ膝関節の屈曲時間終了時(2.4秒付近)までに検出してデータ更新された、マスタ膝関節の最大角度、マスタ膝関節の最小角度、マスタ股関節の最大角度、及びマスタ股関節の最小角度のデータで決定する。
以上のように、膝関節角度が30°を下回った時刻より位相をπ/4だけ遅らせることによってスレーブ側の脚の各関節の屈曲が開始される時刻をマスタの最小屈曲角度となる時刻に近づけている。
FIG. 26 shows a schematic diagram of a method for generating a slave command angle from master joint angle information by a time delay adjustment method. In actual control, parameters are updated sequentially, but individual differences and offsets in joint angle changes have structural backlash and are ignored because it is considered that there is a limit in control accuracy.
In FIG. 26, for the knee joint, the threshold value for judging flexion and extension is 30 °, and when it exceeds 30 ° of the threshold value, it becomes the flexion time, and when it falls below 30 °, it becomes the extension time. For the knee joint shown in FIG. 26, the flexion time of the master knee joint is between about 0.2 seconds and about 0.8 seconds, and the master knee joint angle falls below the threshold value of 30 ° from about 0.8 seconds. The extension time of the master knee joint is between 1.8 seconds when the master knee joint angle exceeds the threshold of 30 °.
The slave operation is started by detecting the end of the flexion time of the master knee joint (around 0.8 seconds), but since it is delayed by a preset phase (π / 4), the slave operation start is performed at the master knee joint. Delayed from the end of the bending time.
In FIG. 26, the first slave operation (approximately 0.8 seconds to 1.9 seconds) is detected by the end of the flexion time of the master knee joint (approximately 0.8 seconds). Near the second to about 0.8 seconds), the maximum angle of the master knee joint, the minimum angle of the master knee joint, the maximum angle of the master hip joint, and the minimum angle of the master hip joint. The next slave movement (from about 2.4 seconds to) is detected by the flexion time T (from about 1.8 seconds to about 2.4 seconds) and the end of the flexion time of the master knee joint (around 2.4 seconds). The data is determined based on the updated data of the maximum angle of the master knee joint, the minimum angle of the master knee joint, the maximum angle of the master hip joint, and the minimum angle of the master hip joint.
As described above, by delaying the phase by π / 4 from the time when the knee joint angle is less than 30 °, the time when the bending of each joint of the slave side leg is brought closer to the time when it becomes the minimum bending angle of the master. ing.
図27に時間遅れ調整手法のフローチャートを示す。
マスタ角度情報を取得すると、まずマスタ膝関節が屈曲しているか否かを判断する。ここでマスタ膝関節角度が閾値を越えている場合には、屈曲動作と判断し(Yes)、伸展時間Teを「0」とすることでスレーブへの伸展動作の指示を停止する。屈曲動作と判断している間は、マスタ膝関節の最大角度を更新し、屈曲時間Tfを計算する。
マスタ膝関節角度が閾値を越えていない場合には、屈曲動作でないと判断し(No)、屈曲時間Tfが「0」であるか否かを判断する。屈曲時間Tfが「0」である場合(No)には、本装置を装着した後の第1歩(図26における0秒〜0.2秒付近)であると判断し、屈曲時間Tfが「0」でない場合(Yes)には、既に得られている直前の屈曲時間からスレーブ指令の周期を計算する。1周期は屈曲時間Tfを元に決定する。例えば閾値を30°とした事前検証では、1周期をTfの4倍とすることが好ましい結果となっているが、閾値の設定によって1周期時間を設定する必要がある。例えば、スレーブ指令の周期をTfの3倍として計算する。
屈曲時間Tfが「0」でない場合(Yes)には、スレーブ指令の周期を計算し、屈曲時間Tfを「0」とすることでスレーブへの屈曲動作の指示を停止する。伸展動作と判断している間は、マスタ膝関節の最小角度を更新し、伸展時間Teを計算する。
伸展時間が1周期の時間よりも長いと判断した場合(Yes)には、装着者が歩行動作を停止したと判断して股と膝の指令角度を「0」とすることでスレーブへの屈曲伸展動作の指示を停止する。
伸展時間が1周期の時間よりも長くないと判断した場合(No)には、マスタ股関節が屈曲しているか否かを判断する。ここでマスタ股関節角度が閾値を越えている場合には、屈曲動作と判断し(Yes)、屈曲動作と判断している間は、マスタ股関節の最大角度を更新する。また、マスタ股関節角度が閾値を下回っている場合には、屈曲動作でないと判断し(No)、伸展動作と判断している間は、マスタ股関節の最小角度を更新する。
以上のようにして得た、屈曲時間、膝関節最大角度、膝関節最小角度、股関節最大角度、及び股関節最小角度からスレーブ膝関節及びスレーブ股関節への指令角度を計算して出力する。ここで、スレーブ膝関節及びスレーブ股関節への指令角度は、1歩単位で計算されて出力される。
ある閾値を超えると屈曲と判断し、マスタ膝関節の屈曲している時間T秒と各関節の最大動作角度Ah°(股関節最大角度と股関節最小角度の差)、Ak°(膝関節最大角度と膝関節最小角度の差)を取得する。取得した情報を基にしてスレーブを動作させる角速度ωrad/sを式1で決定し、スレーブ各関節への指令θh°、θk°をそれぞれ式2、式3によって算出し、マスタ膝関節伸展後にスレーブ各関節をフィードバック制御で屈曲・伸展させる。ただし、時刻t秒は伸展直後を0秒とする。本実施例では、マスタの膝関節角度情報から屈曲時間Tを計算し、この屈曲時間Tを4倍した値を周期として決定する。スレーブ股関節は屈曲時間を計測して周期を決定するのではなく、スレーブ膝関節の動作と連動させる。
FIG. 27 shows a flowchart of the time delay adjustment method.
When master angle information is acquired, it is first determined whether or not the master knee joint is bent. If the master knee joint angle exceeds the threshold value, it is determined that the movement is a bending action (Yes), and the extension time Te is set to “0” to stop the extension operation instruction to the slave. While the bending motion is determined, the maximum angle of the master knee joint is updated and the bending time Tf is calculated.
When the master knee joint angle does not exceed the threshold value, it is determined that the bending operation is not performed (No), and it is determined whether or not the bending time Tf is “0”. When the bending time Tf is “0” (No), it is determined that the first step after the apparatus is mounted (from 0 to 0.2 seconds in FIG. 26), and the bending time Tf is “ If it is not “0” (Yes), the period of the slave command is calculated from the previous bending time already obtained. One period is determined based on the bending time Tf. For example, in the pre-verification in which the threshold value is 30 °, it is preferable that one cycle is four times Tf. However, it is necessary to set one cycle time by setting the threshold value. For example, the slave command cycle is calculated as 3 times Tf.
When the bending time Tf is not “0” (Yes), the slave command cycle is calculated, and the bending time Tf is set to “0” to stop the bending operation instruction to the slave. While the extension operation is determined, the minimum angle of the master knee joint is updated and the extension time Te is calculated.
If it is determined that the extension time is longer than one cycle time (Yes), it is determined that the wearer has stopped walking, and the command angle of the crotch and knee is set to “0” to bend to the slave. Stop the extension operation instruction.
If it is determined that the extension time is not longer than the time of one cycle (No), it is determined whether or not the master hip joint is bent. If the master hip joint angle exceeds the threshold value, it is determined as a bending motion (Yes), and the maximum angle of the master hip joint is updated while the bending motion is determined. If the master hip joint angle is below the threshold value, it is determined that the motion is not a bending motion (No), and the master hip joint minimum angle is updated while it is determined that the motion is an extension motion.
The command angles to the slave knee joint and slave hip joint are calculated and output from the flexion time, knee joint maximum angle, knee joint minimum angle, hip joint maximum angle, and hip joint minimum angle obtained as described above. Here, the command angles to the slave knee joint and the slave hip joint are calculated and output in units of one step.
When a certain threshold value is exceeded, it is determined that the body is flexed, and the master knee joint flexion time T seconds and the maximum movement angle A h ° (difference between the maximum hip joint angle and the minimum hip joint angle), A k ° (the maximum knee joint) Difference between the angle and the minimum knee joint angle). Based on the acquired information, the angular velocity ωrad / s for operating the slave is determined by Equation 1, and the commands θ h ° and θ k ° to each slave joint are calculated by Equations 2 and 3, respectively, and master knee joint extension is performed. Later, each joint of the slave is bent and extended by feedback control. However, the time t seconds is 0 seconds immediately after extension. In the present embodiment, the bending time T is calculated from the knee joint angle information of the master, and a value obtained by multiplying the bending time T by 4 is determined as the cycle. The slave hip joint does not measure the flexion time and determines the cycle, but interlocks with the movement of the slave knee joint.
・・・(式2)
・・・(式3)
... (Formula 2)
... (Formula 3)
マスタ膝関節が、一旦閾値を超え(0.2秒付近)、閾値を下回る(0.8秒付近)ことで屈曲時間が設定され、この屈曲時間を元に、(式1)によって角速度が決定する。
一方、時刻0での角度を最大・最小と仮定し、マスタ膝関節及びマスタ股関節の角度を常に計測しつづけることで、それぞれの最大角度、最小角度を更新し、更新された最新のデータを基に(式2)(式3)でスレーブ動作を決定する。
以下に、本実施例による健側情報フィードバック型歩行補助装置における時間遅れ調整手法の動作確認の実験結果を説明する。
上記の時間遅れ調整手法の実現性を確認するため、マスタを手動で屈曲・伸展した時のスレーブの応答について評価する。
スレーブ股関節にも45°の位相遅れを与えて実験を行った。まず、装置をパイプハンガーにS字フックで吊り下げ、骨盤帯の部分を垂直に固定する。次に、マスタ側各関節を5回屈曲・伸展させ、スレーブ側を既に説明した時間遅れ調整手法を適用して動作させる。
The flexion time is set when the master knee joint once exceeds the threshold (near 0.2 seconds) and falls below the threshold (near 0.8 seconds), and the angular velocity is determined by (Equation 1) based on this flexion time.
On the other hand, assuming that the angle at time 0 is the maximum and minimum, and continuously measuring the angles of the master knee joint and master hip joint, the respective maximum and minimum angles are updated, and the latest updated data is used. The slave operation is determined by (Expression 2) and (Expression 3).
Below, the experimental result of the operation confirmation of the time delay adjustment method in the healthy side information feedback type walking assist device according to the present embodiment will be described.
In order to confirm the feasibility of the time delay adjustment method described above, the response of the slave when the master is manually bent / extended is evaluated.
The experiment was performed with a phase delay of 45 ° also applied to the slave hip joint. First, the device is suspended on a pipe hanger with an S-shaped hook, and the pelvic belt portion is fixed vertically. Next, each joint on the master side is bent and extended five times, and the slave side is operated by applying the time delay adjustment method already described.
実験結果および考察を以下に示す。
図28、図29に各関節での追従動作のグラフを示す。図29からマスタの膝関節が閾値30°を下回った後にスレーブ側の屈曲動作が始まっていることが確認できる。マスタ膝関節角度の屈曲が約27°と閾値を超えなかった34秒付近の後ではスレーブ関節指令角度の変化がないことを確認できる。
Experimental results and discussion are shown below.
28 and 29 show graphs of the follow-up operation at each joint. From FIG. 29, it can be confirmed that the bending operation on the slave side has started after the knee joint of the master falls below the threshold value of 30 °. It can be confirmed that there is no change in the slave joint command angle after 34 seconds when the flexion of the master knee joint angle does not exceed the threshold value of about 27 °.
図30にマスタとスレーブの動作周期と時間遅れ、入力に対するスレーブの最大屈曲角度を示す。ただし、マスタ膝関節が閾値である30°を超えた5回分の動作について平均値と標準偏差を示した。膝関節についてはマスタ膝関節屈曲時間と時間遅れの比は、ばらつきはあるものの約1倍となっていることから、大まかな動作は実現できていると考えられる。時間遅れはマスタ角度とエンコーダによるスレーブ角度の屈曲開始時間の差として求めた。
入力に対するスレーブの最大屈曲角度比は、股関節では、ほぼ1であるため、遅い入力であったこともあり高い追従結果が得られた。膝関節では、股関節に比べると0.9程度であるため劣るが、入力に追従できていると考えられる。これは、膝関節に与えた遊びの10°が影響していると考えられる。
FIG. 30 shows the operation cycle and time delay of the master and the slave, and the maximum bending angle of the slave with respect to the input. However, an average value and a standard deviation are shown for five operations in which the master knee joint exceeds the threshold value of 30 °. As for the knee joint, the ratio of the master knee joint flexion time to the time delay is about one time, although there is variation, it is considered that a rough operation can be realized. The time delay was obtained as the difference between the bending start time of the master angle and the slave angle by the encoder.
Since the maximum bending angle ratio of the slave to the input is almost 1 at the hip joint, a high follow-up result was obtained because it was a slow input. The knee joint is inferior because it is about 0.9 compared to the hip joint, but is considered to be able to follow the input. This is considered to be influenced by 10 ° of play given to the knee joint.
本発明では、片麻痺患者の歩行訓練に焦点を当て、健常者に近い歩容、かつ個人に合った歩容での歩行訓練を可能とするため、健側下肢関節角度情報を基にして患側下肢関節を駆動させる健側情報フィードバック型歩行補助装具の開発を行った結果、遊びを制限するためにスレーブの膝関節機構部を修正し、ステップ応答実験より片麻痺者の歩行では十分な応答速度を有することが示唆された。
また、マスタの股・膝関節の動作に対してスレーブを追従させることによって、マスタ側の動作周期の変化がスレーブ側で再現可能であることを確認した。
また、屈曲中に取得した屈曲時間と最大角度の情報を基にして、マスタ膝関節の伸展後にスレーブの各関節を屈曲・伸展させる手法を開発した。この手法により、健側の歩行周期に対応して時間遅れを調整することが可能であることを確認した。
The present invention focuses on gait training for hemiplegic patients and enables gait training with a gait close to that of a healthy person and a gait suitable for an individual. As a result of the development of a healthy side information feedback type walking assistive device that drives the lower limb joint, the slave's knee joint mechanism was modified to limit play, and the response speed sufficient for walking of hemiplegic patients from step response experiments It was suggested to have
It was also confirmed that changes in the operation cycle on the master side can be reproduced on the slave side by making the slave follow the movement of the hip and knee joints of the master.
In addition, based on the information of flexion time and maximum angle acquired during flexion, we developed a technique to flex and extend each slave joint after extension of the master knee joint. By this method, it was confirmed that it is possible to adjust the time delay corresponding to the walking cycle on the healthy side.
以上のことから、時間遅れを調整可能な健側情報フィードバック型歩行補助装具の実現を確認することができた。
今後は、過去の健側の関節角度変化と近い動作指令の生成方法を開発し、スレーブ動作の時間遅れを調整する方法の健常者による評価実験を行う必要がある。具体的には、時間遅れが歩行を妨げていないか、歩行周期の変動は通常の歩行との差異がないかなどの点に焦点を当てて調査をしていく必要がある。
さらに、廃用症候群予防やQOL向上のため、健康・体力の向上を支援する装置に拡張することも考えられる。具体的には、体重を免荷し、トレッドミルを使用して歩行から6.0km/s程度までの走行時の下肢関節の動作が可能なシステムを構築することが考えられる。その場合には、膝関節を接地の瞬間から垂直の位置まで支持脚の膝が曲がる機構に修正すること、転倒を防止し、体を支えるための免荷装置をシステムに取り入れることが必要となると考えられる。また、装具は椅子に腰かけて装着することになるが、起立時に必要な各関節の可動域として、股関節120°、膝関節100°程度が必要であると考えられる。
From the above, it was possible to confirm the realization of the healthy information feedback type walking assistive device capable of adjusting the time delay.
In the future, it will be necessary to develop an operation command generation method that is close to past joint angle changes on the healthy side, and to conduct an evaluation experiment by a healthy person on a method for adjusting the time delay of slave operation. Specifically, it is necessary to investigate by focusing on such points as whether time delay does not prevent walking, and whether the change in walking cycle is different from normal walking.
Furthermore, in order to prevent disuse syndrome and improve QOL, it may be possible to expand to a device that supports improvement of health and physical fitness. Specifically, it is conceivable to construct a system that allows the movement of the lower limb joints during running from walking to about 6.0 km / s using a treadmill, excluding weight. In that case, it is necessary to modify the knee joint to a mechanism in which the knee of the support leg bends from the moment of contact to the vertical position, and to incorporate an unloading device for preventing the fall and supporting the body into the system. Conceivable. In addition, the orthosis is worn on the chair, but it is considered that a hip joint of 120 ° and a knee joint of about 100 ° are necessary as the movable range of each joint required for standing.
次に、本発明の他の実施例による健側情報フィードバック型歩行補助装置について説明する。
図31は本発明の他の実施例による健側情報フィードバック型歩行補助装具の外観図である。
本実施例では、空気圧駆動による健側情報フィードバック型歩行補助装置を使用した。図に示すように、体幹付き長下肢装具を基本とし、動力にMcKibben型アクチュエータを4本使用した。
なお、動力にMcKibben型アクチュエータを用いた機構とした点以外は、上記実施例と同様である。すなわち、本実施例においても、健側をマスタ、患側をスレーブとするマスタスレーブ型健側フィードバック型歩行補助装置である。
Next, a healthy information feedback type walking assist device according to another embodiment of the present invention will be described.
FIG. 31 is an external view of a healthy side information feedback walking aid according to another embodiment of the present invention.
In this embodiment, a healthy side information feedback type walking assist device using pneumatic driving is used. As shown in the figure, a long lower limb orthosis with a trunk was basically used, and four McKibben actuators were used for power.
In addition, it is the same as that of the said Example except the point made into the mechanism which used the McKibben type actuator for motive power. That is, also in the present embodiment, it is a master-slave type healthy-side feedback type walking assist device in which the healthy side is the master and the affected side is the slave.
本実施例は、マスタスレーブ型であることから、自発的な運動が必要かつ左右脚振り出しにおける位相差を歩行速度に応じて決定する必要があるのでリアルタイム性は重視せず、ある時間遅れ要素を持つフィードバック制御系が望ましい。よって、自発的な運動によってもたらされる健側の関節角度情報をある一定時間の遅れを持ったフィードバック制御をする機能を持たせている。自発的な運動を誘起し、訓練を行うことでヒトの神経制御系を積極的に動員することが可能になる。現段階では、PCを使用した開回路によって作動している。
McKibben型アクチュエータは収縮運動を行う空気圧アクチュエータとしてよく知られており、空気圧式人工筋肉とも呼ばれている。このアクチュエータは、軽量で出力密度が高く、出力が大きい。また、漏れが発生した場合にも、引火・感電・汚染の危険性がない。また、水中で使用可能であるなど、耐環境性に優れている。また、柔軟性があり、人間の筋特性と同様の特性を持っている。更に、材料費が安価である。
本発明では、神田通信工業社製のアクチュエータを使用する。
Since this embodiment is a master-slave type, it is necessary to determine the phase difference in swinging left and right legs according to the walking speed because it requires voluntary movement, so real-time performance is not important, and a certain time delay element is used. A feedback control system is desirable. Therefore, the function of performing feedback control with a certain time delay on the healthy joint angle information brought about by spontaneous movement is provided. It is possible to actively mobilize the human nervous control system by inducing spontaneous exercise and training. At the present stage, it operates by an open circuit using a PC.
The McKibben actuator is well known as a pneumatic actuator that performs a contraction motion, and is also called a pneumatic artificial muscle. This actuator is lightweight, has a high output density, and a high output. In addition, there is no risk of ignition, electric shock, or contamination when a leak occurs. In addition, it is excellent in environmental resistance, such as being usable in water. It is also flexible and has characteristics similar to human muscle characteristics. Furthermore, the material cost is low.
In the present invention, an actuator manufactured by Kanda Communication Industrial Co. is used.
ここで、アクチュエータへの供給圧力の算出について説明する。
図32は、角度変数θにおけるアクチュエータの長さ計算を説明する図である。本システムでは、患側の関節角度を出力変数とした位置制御を達成する。アクチュエータは、供給圧力によって収縮率が変化する。図に示すアクチュエータ長Lは、供給圧力の関数と見なされ、Lは関節角度とリンクとの幾何学的な配置によって、次式(式4)によって決定される。
Here, calculation of the supply pressure to the actuator will be described.
FIG. 32 is a diagram for explaining the calculation of the actuator length in the angle variable θ. This system achieves position control using the joint angle on the affected side as an output variable. The contraction rate of the actuator changes depending on the supply pressure. The actuator length L shown in the figure is regarded as a function of the supply pressure, and L is determined by the following equation (Equation 4) according to the geometrical arrangement of the joint angle and the link.
a、b、c、dをリンク長、Lをアクチュエータ長とする。これを使用して、任意の角度になるような電圧値を入力することで、入力の角度と同一角度を再現する。 a, b, c, and d are link lengths, and L is an actuator length. Using this, the same angle as the input angle is reproduced by inputting a voltage value that makes an arbitrary angle.
次に、実験モデルについて説明する。
図33は実験モデルの外観である。
本発明では、片麻痺者を対象としており、今回は健側の股関節角度の代わりに入力器から入力角度を与え、患側の股関節角度を実験モデルとする。実験モデルは、先行研究で使用した装具を基に、股関節を模倣した1自由度である。仕様は、アクチュエータとして、φ30mm、L=430mm、ポテンショメータとして10kΩ、部材にはアルミニウムを使用している。
実験モデルは、アクチュエータを両側に備え、ワイヤーが取り付けられている。実験モデルの可動範囲は式4を使用して導出した結果、±45°である。
実験モデルは、その回転中心を回転軸の中心(関節軸)として、屈曲・伸展運動を行う。回転軸に取り付けたポテンショメータによって動作角度を取得する。
Next, an experimental model will be described.
FIG. 33 shows the appearance of the experimental model.
The present invention is intended for hemiplegic patients, and this time, an input angle is given from the input device instead of the healthy hip joint angle, and the affected hip joint angle is used as an experimental model. The experimental model is one degree of freedom simulating a hip joint based on the orthosis used in previous studies. The specifications are φ30 mm, L = 430 mm for the actuator, 10 kΩ for the potentiometer, and aluminum for the member.
The experimental model has actuators on both sides and wires are attached. The range of motion of the experimental model is ± 45 ° as a result of being derived using Equation 4.
In the experimental model, the center of rotation is the center of the axis of rotation (joint axis), and bending / extending motion is performed. The operating angle is acquired by a potentiometer attached to the rotating shaft.
図34に実験モデルのシステム構成図を示す。
実験モデルは、組み込み制御であることからPC35を使用しない構成である。
健側ポテンショメータから得られた情報は組み込み系を介して、レギュレータで圧縮空気を調整し、実験モデルに配置したアクチュエータに空気が供給され、アクチュエータを作動させる流れになっている。
入出力の動作角度は各ポテンショメータから得る。
FIG. 34 shows a system configuration diagram of the experimental model.
Since the experimental model is built-in control, the PC 35 is not used.
The information obtained from the healthy side potentiometer is in the flow of operating the actuator by adjusting the compressed air with the regulator through the built-in system and supplying the air to the actuator arranged in the experimental model.
The input / output operating angle is obtained from each potentiometer.
次に、制御プログラムについて説明する。
本システムが健側の角度情報を患側の指令値としてフィードバックすることから、歩行運動特有の左右脚間における時間差(位相差)が必要となる。そこで、健側からの角度入力に対し、1.0秒間の時間遅れを生じるようアルゴリズムを構築する。また、出力に1.0秒の時間遅れをPICマイコンによって作製する。1.0秒間の時間遅れは、健常者の歩行であれば、時速2、0km/hの歩行運動に相当する。時速2、0km/hは歩行訓練において十分な速さであると言える。
実験モデルの関節角度を動作させるためには、2本のアクチュエータと2つのサーボバルブが必要である。これらは人間の筋特性と同様である主動筋・拮抗筋に相当する。
本発明は、閾値制御により主導・拮抗の動作を再現させるものである。図35に入出力波形を示す。
入力電圧に対して閾値を2.5Vとして、出力電圧を入力電圧の2.5V以上と以下での2つに分割する。このときに2.5V以下の電圧波形は反転して出力を行う。2つに分割することで、主動動作と拮抗動作を作成する。
なお、本実施例では、片麻痺患者に対する装置として説明したが、健側が軽負荷、患側が重負荷となる作業者に対するアシスト方法として本装置を用いることもできる。
Next, the control program will be described.
Since this system feeds back angle information on the healthy side as a command value on the affected side, a time difference (phase difference) between the left and right legs peculiar to walking motion is required. Therefore, an algorithm is constructed so as to cause a time delay of 1.0 second with respect to the angle input from the healthy side. In addition, a time delay of 1.0 second is produced by the PIC microcomputer. A time delay of 1.0 second is equivalent to a walking motion of 2, 0 km / h per hour if a healthy person walks. It can be said that the speed of 2,0 km / h is sufficient for walking training.
In order to operate the joint angle of the experimental model, two actuators and two servo valves are required. These correspond to the main and antagonist muscles that are similar to human muscle characteristics.
The present invention reproduces the action of initiative / antagonism by threshold control. FIG. 35 shows input / output waveforms.
The threshold value is set to 2.5V with respect to the input voltage, and the output voltage is divided into two values of the input voltage of 2.5V or more and the following. At this time, the voltage waveform of 2.5V or less is inverted and output. By dividing into two, a main action and an antagonistic action are created.
In addition, although the present Example demonstrated as an apparatus with respect to a hemiplegic patient, this apparatus can also be used as an assist method with respect to the worker who has a light load on the healthy side and a heavy load on the affected side.
本発明は、片麻痺患者に対して用いることができるが、一方の下肢に大きな負担が加わる作業者に対するアシスト装置にも用いることができる。 Although this invention can be used with respect to a hemiplegic patient, it can also be used for the assist apparatus with respect to the operator who adds a big burden to one leg.
10 マスタ機構
20 スレーブ機構
11A 股関節用角度検出器(ポテンショメータ)
11B 膝関節用角度検出器(ポテンショメータ)
20A スレーブ股関節機構部
20B スレーブ膝関節機構部
21A 駆動源(DCモータ)
21B 駆動源(DCモータ)
22A 駆動機構(ボールねじとL型リンク)
22B 駆動機構(ボールねじとL型リンク)
31 リニアサーボコントローラ
32A、32B エンコーダ
33 パルスカウンタボード
34 AD/DAボード
10 Master mechanism 20 Slave mechanism 11A Hip joint angle detector (potentiometer)
11B Knee joint angle detector (potentiometer)
20A Slave hip joint mechanism 20B Slave knee joint mechanism 21A Drive source (DC motor)
21B Drive source (DC motor)
22A Drive mechanism (ball screw and L-shaped link)
22B Drive mechanism (ball screw and L-shaped link)
31 Linear servo controller 32A, 32B Encoder 33 Pulse counter board 34 AD / DA board
Claims (2)
前記マスタ機構には、股関節部に取り付けられた股関節用角度検出器と膝関節部に取り付けられた膝関節用角度検出器とを備え、
前記スレーブ機構は、股関節部を駆動するスレーブ股関節機構部と、膝関節部を駆動するスレーブ膝関節機構部とから構成され、
前記スレーブ股関節機構部及び前記スレーブ膝関節機構部は、それぞれ駆動源及び駆動機構を備えた健側情報フィードバック型歩行補助装置であって、
屈曲動作と伸展動作とを判断する閾値をあらかじめ設定し、
前記膝関節用角度検出器で検出されるマスタ膝関節角度が前記閾値を越えている場合には、前記屈曲動作と判断し、伸展時間Teを「0」とすることで前記スレーブ機構への前記伸展動作の指示を停止し、前記屈曲動作と判断している間は、前記マスタ膝関節角度の最大角度を更新するとともに屈曲時間Tfを計算し、
前記膝関節用角度検出器で検出される前記マスタ膝関節角度が前記閾値以下の場合には、既に得られている直前の前記屈曲時間Tfから前記スレーブ機構に指令する1周期の時間を計算し、前記屈曲時間Tfを「0」とすることで前記スレーブ機構への前記屈曲動作の指示を停止し、前記伸展動作と判断している間は、前記マスタ膝関節角度の最小角度を更新するとともに前記伸展時間Teを計算し、
前記伸展時間Teが前記1周期の時間よりも長いと判断した場合には、装着者が歩行動作を停止したと判断して股と膝の指令角度を「0」とすることで前記スレーブ機構への前記屈曲動作及び前記伸展動作の指示を停止し、
前記屈曲時間Tf、前記マスタ膝関節角度の最大角度、前記伸展時間Te、及び前記マスタ膝関節角度の最小角度から前記スレーブ膝関節機構部への指令角度を1歩単位で計算して出力し、
前記膝関節用角度検出器で検出した前記マスタ膝関節角度が前記閾値を下回った時刻から、所定の位相だけ遅らせて前記スレーブ機構の前記駆動源を動作させて屈曲を開始させることを特徴とする健側情報フィードバック型歩行補助装置。 It has a master mechanism as the healthy side and a slave mechanism as the affected side,
The master mechanism includes a hip joint angle detector attached to the hip joint and a knee joint angle detector attached to the knee joint.
The slave mechanism is composed of a slave hip joint mechanism part that drives the hip joint part, and a slave knee joint mechanism part that drives the knee joint part,
The slave hip joint mechanism unit and the slave knee joint mechanism unit are healthy side information feedback type walking assist devices each having a drive source and a drive mechanism,
The threshold for determining the the bending operation and stretching motion preset,
When the master knee joint angle detected by the knee joint angle detector exceeds the threshold value, it is determined as the bending operation, and the extension time Te is set to “0” to thereby provide the slave mechanism with the While the instruction of the extension operation is stopped and the bending operation is determined, the maximum angle of the master knee joint angle is updated and the bending time Tf is calculated.
When the master knee joint angle detected by the knee joint angle detector is equal to or smaller than the threshold value, the time of one cycle commanded to the slave mechanism is calculated from the bending time Tf immediately before being obtained. When the bending time Tf is set to “0”, the instruction of the bending operation to the slave mechanism is stopped, and while the extension operation is determined, the minimum angle of the master knee joint angle is updated. Calculating the extension time Te;
If it is determined that the extension time Te is longer than the time of the one cycle, it is determined that the wearer has stopped walking and the crotch and knee command angles are set to “0” to the slave mechanism. Stop the instruction of the bending motion and the stretching motion of
Calculate and output the command angle to the slave knee joint mechanism unit from the bending time Tf, the maximum angle of the master knee joint angle, the extension time Te, and the minimum angle of the master knee joint angle in units of one step;
From the time when the master knee joint angle detected by the knee joint angle detector falls below the threshold, the drive mechanism of the slave mechanism is operated to start bending after being delayed by a predetermined phase. Healthy side information feedback type walking assist device.
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