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JP6537855B2 - Articulation assistance device - Google Patents

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JP6537855B2 JP2015049893A JP2015049893A JP6537855B2 JP 6537855 B2 JP6537855 B2 JP 6537855B2 JP 2015049893 A JP2015049893 A JP 2015049893A JP 2015049893 A JP2015049893 A JP 2015049893A JP 6537855 B2 JP6537855 B2 JP 6537855B2
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Description

本発明は、使用者の歩行の如き関節の周期的な繰り返し運動に際して、装着した使用者の動作を過度に拘束することなく使用者の筋力をサポートすることができる関節運動補助装置に関するものである。   BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an articulatory movement assisting apparatus capable of supporting the user's muscular strength without excessively restraining the motion of a user who wears it, during periodic repetitive movements of joints such as the user's walking. .

従来から、筋力を失った身体障害者や筋力が衰えた高齢者の歩行等の動作をサポートするために、装着式の補助装置が提案されており、本出願人も先の出願である特開2013−208397号公報(特許文献1)や特開2014−18536号公報(特許文献2)において、関節運動の補助装置を提案している。かかる関節運動補助装置では、柔軟性を有する補助力伝達部を用い、その両端部分を使用者の関節を挟んだ両側部位に装着せしめた状態で、使用者の関節角度に応じた所定のタイミングで補助力伝達部に引張方向のアシスト力を及ぼし得るようになっている。それ故、このような関節運動補助装置を用いることにより、例えば歩行時に遊脚を持ち上げて前方に振り出すような筋力補助を行うことが可能となる。   Conventionally, a wearable auxiliary device has been proposed to support movements such as walking of a physically disabled person who has lost muscle strength or an elderly person who has lost strength, and the present applicant is also a prior application. In the 2013-208397 gazette (patent documents 1) and Unexamined-Japanese-Patent No. 2014-18536 (patent documents 2), the auxiliary device of joint movement is proposed. In such a joint movement assisting device, a flexible assisting force transmitting portion is used, and both end portions thereof are attached to both sides of the user's joint at predetermined timing according to the joint angle of the user. It is possible to apply an assisting force in the tension direction to the assisting force transmitting portion. Therefore, by using such an articulation assist device, it is possible to perform muscle power assistance such as lifting the free leg during walking and swinging forward.

ところで、関節運動補助装置では、関節の運動中に所定のタイミングで所定の時間に亘って略一定のアシスト力を作用させるものが一般的であり、例えば、特許文献2の図13などにも例示されている。   By the way, in the joint movement assist device, generally, an approximately constant assist force is applied over a predetermined time at a predetermined timing during the movement of a joint, for example, as shown in FIG. It is done.

しかしながら、使用者ごとの運動の速度や目的などは種々に異なっていることから、そのような使用者ごとの運動やその目的などに対応するには、一定のアシスト力を作用させる従来の関節運動補助装置では、未だ十分とは言い難かった。なお、このような使用者ごとの運動速度や目的などに対応するために、多数のセンサや複雑な演算を行う演算手段などを用いて作動制御精度の向上を図ることも考えられる。しかし、多数のセンサや高度な演算手段などを用いることで補助装置の構造や制御が複雑化すると、関節運動補助装置の大型化および重量の増加や制御の遅延などを招くことから、簡単な構造と制御方法の補助装置によって、目的とする関節運動に適したアシスト力を及ぼすことが望ましい。   However, since the speed and purpose of exercise for each user are variously different, in order to respond to such exercise for each user and the purpose thereof, conventional joint exercise that applies a certain assist force It was hard to say that the auxiliary equipment was sufficient. In order to cope with such motion speed and purpose for each user, it is also conceivable to improve the operation control accuracy by using a large number of sensors and calculation means for performing complicated calculations. However, if the structure and control of the auxiliary device are complicated by using a large number of sensors and advanced calculation means, the joint motion auxiliary device becomes larger and the weight increases and the control is delayed, resulting in a simple structure. It is desirable to apply an assist force suitable for the target joint movement by means of the control method and the auxiliary device of the control method.

特開2013−208397号公報JP, 2013-208397, A 特開2014−18536号公報JP, 2014-18536, A

本発明は、上述の事情を背景に為されたものであって、その解決課題は、簡単な構造と制御によって使用者に適切なアシスト力を及ぼすことができる、新規な構造の関節運動補助装置を提供することにある。   The present invention has been made in the background of the above-mentioned circumstances, and the problem to be solved is an articulatory movement assisting device having a novel structure capable of giving an appropriate assisting force to a user by a simple structure and control. To provide.

かかる課題に基づいて本発明者が更なる検討と実験を行った結果、アシスト力を時間経過(関節運動の進行)に伴って変化させる場合に、アシスト力の変化のさせ方に応じて、アシスト力が関節運動に及ぼす影響に違いが生じるとの知見を得た。かかる知見に基づいて、本発明者は、関節運動に対するアシスト力を簡単な構造と制御によって適切に設定可能とされた、本発明に係る関節運動補助装置を完成させるに至ったのである。   As a result of the inventors of the present invention carrying out further studies and experiments based on this subject, when the assist force is changed with the passage of time (progression of joint movement), the assist is performed according to the change of the assist force. We found that the effects of force on joint movement differed. Based on such findings, the present inventors have completed the joint motion assisting apparatus according to the present invention in which the assist force for joint motion can be appropriately set by a simple structure and control.

以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。   The following describes aspects of the present invention made to solve such problems. In addition, the component employ | adopted in each aspect described below can be employ | adopted as much as possible in arbitrary combination.

すなわち、本発明の第一の態様は、柔軟性を有する補助力伝達部と、該補助力伝達部の一方の端部に設けられて使用者の関節を挟んだ一方の部位に装着される第1の装着部と、該補助力伝達部の他方の端部に設けられて該使用者の該関節を挟んだ他方の部位に装着される第2の装着部と、該補助力伝達部に対して引張方向のアシスト力を及ぼす駆動手段と、該使用者の該関節の屈曲角度を検出する関節角度センサと、該関節角度センサの検出値に基づいて該駆動手段の作動タイミングを決定するアシストタイミング制御手段とを、有する関節運動補助装置において、前記駆動手段による前記アシスト力の目標値を設定する出力特性設定手段が設けられて、該出力特性設定手段によって設定される該アシスト力の目標値が周期運動の周期内において該駆動手段の作動時間の経過に応じて変化する山形のプロファイルをもって設定されると共に、該出力特性設定手段は該アシスト力の目標値が最大になるピーク位置を、1歩を単位とする歩行周期における周期運動の周期内において経過時間の前後方向で変更して設定することのできるピーク位置設定手段を備えていることを、特徴とする。 That is, according to the first aspect of the present invention, there is provided an auxiliary power transmission unit having flexibility, and the first power transmission unit provided at one end of the auxiliary power transmission unit and mounted on one part sandwiching a user's joint. A second attachment portion provided at the other end of the auxiliary force transmission portion and attached to the other portion of the user sandwiching the joint, and the auxiliary force transmission portion Driving means for applying an assist force in the tension direction, a joint angle sensor for detecting the bending angle of the joint of the user, and assist timing for determining the operation timing of the driving means based on the detection value of the joint angle sensor In the joint movement assisting device having a control means, an output characteristic setting means for setting a target value of the assist force by the drive means is provided, and the target value of the assist force set by the output characteristic setting means is Within the period of periodic motion While being set with chevron profile that varies with the passage of the operating time of the drive means Te, the output characteristic setting means the peak position where the target value of the assisting force is maximized, and one step of a unit gait It is characterized in that it comprises peak position setting means which can be changed and set in the back and forth direction of the elapsed time within one cycle of the periodic motion in the cycle.

本発明に従う構造とされた関節運動補助装置の第一の態様では、駆動手段のアシスト力の目標値が出力特性設定手段によって山形のプロファイルをもって設定されており、駆動手段の作動中においてアシスト力の大きさが経時的に変化するようになっている。それ故、関節運動の進行に伴う必要なアシスト力の変化に対応して、適切なアシスト力を使用者に効率的に及ぼすことができる。 In the first aspect of the joint movement assisting apparatus constructed according to the present invention, the target value of the assist force of the drive means is set with a chevron profile by the output characteristic setting means, and the assist force of the drive means is set during operation. The size changes with time. Therefore, an appropriate assist force can be efficiently applied to the user in response to a change in the necessary assist force as the joint movement progresses.

さらに、例えば関節運動補助装置を歩行運動の補助に用いる場合において、アシスト力のピーク位置を関節運動の前半に設定すれば、アシスト力の作用によって歩行運動の周期(歩調)を短くすることができる一方、アシスト力のピーク位置を関節運動の後半に設定すれば、アシスト力の作用によって歩幅を大きくすることができる。このように、アシスト力のピーク位置を適宜に設定することによりアシスト力が関節運動の周期などに及ぼす影響をある程度コントロールできるという新たな知見に基づいて、ピーク位置設定手段によってアシスト力のピーク位置を変更設定可能とした。これにより、目的とする関節運動の態様に応じたアシスト力を得ることができて、関節運動をより高度に補助することができる。   Furthermore, for example, when using the joint motion assist device for assisting in the walking motion, if the peak position of the assist force is set to the first half of the joint motion, the cycle (stepping pace) of the walking motion can be shortened by the action of the assist force. On the other hand, if the peak position of the assist force is set in the latter half of the joint movement, the stride can be increased by the action of the assist force. Thus, based on the new finding that the influence of the assist force on the cycle of the joint movement can be controlled to some extent by appropriately setting the peak position of the assist force, the peak position of the assist force is determined by the peak position setting means. Changeable setting possible. As a result, an assist force can be obtained according to the desired form of joint movement, and joint movement can be assisted more highly.

本発明の第二の態様は、第一の態様に記載された関節運動補助装置において、前記アシストタイミング制御手段が、前記使用者の関節運動の周期を、前記関節角度センサによる該使用者の前記関節の屈曲角度の検出値が最大となる時間の間隔に基づいて測定すると共に、該アシストタイミング制御手段が前記駆動手段の作動時間を該関節運動の周期に基づいて設定するものである。   A second aspect of the present invention is the articulatory assistance device according to the first aspect, wherein the assist timing control means determines a period of the joint motion of the user by the joint angle sensor. The assist timing control means sets the operation time of the drive means based on the cycle of the joint motion, while measuring based on the time interval when the detected value of the flexion angle of the joint becomes maximum.

第二の態様によれば、アシストタイミング制御手段が、関節角度センサによる関節の屈曲角度の検出値が最大となる時点の間隔に基づいて関節運動の周期を認定することにより、関節運動の周期性を精度良く測定することができて、関節運動の周期を高精度に認定することができる。更に、駆動手段の作動によるアシスト力の作用期間が、アシストタイミング制御手段で特定された関節運動の周期に基づいて設定されることにより、関節運動の一周期中においてアシスト力を必要とする特定の期間に、目的とするアシスト力を効率的に作用させることができる。   According to the second aspect, the assist timing control means determines the period of the joint movement based on the interval at which the detected value of the bending angle of the joint by the joint angle sensor is maximum, thereby achieving the periodicity of the joint movement. It is possible to accurately measure the period of joint movement with high accuracy. Furthermore, the period of action of the assist force by the operation of the drive means is set based on the cycle of the joint movement specified by the assist timing control means, whereby a specific one requiring an assist force during one cycle of joint movement is provided. The target assist force can be efficiently applied during the period.

本発明の第三の態様は、第一又は第二の態様に記載された関節運動補助装置において、前記出力特性設定手段は、前記ピーク位置における前記アシスト力の目標値の最大値を設定する最大出力設定手段を備えているものである。 A third aspect of the present invention is the articulatory assistance device according to the first or second aspect, wherein the output characteristic setting means sets a maximum value of the target value of the assist force at the peak position. An output setting means is provided.

第三の態様によれば、目的とする関節運動の態様に応じた出力特性でアシスト力を作用させることに加えて、及ぼされるアシスト力のレベルを最大出力設定手段によって必要に応じて調節することができる。それ故、使用者の筋力や好み、目的とする関節運動の態様などに応じて、アシスト力を適切に調節して及ぼすことができる。   According to the third aspect, in addition to applying the assist force with the output characteristic according to the target joint movement mode, the level of the applied assist force is adjusted as needed by the maximum output setting means. Can. Therefore, the assist force can be appropriately adjusted and exerted according to the user's muscular strength and preference, the desired form of joint movement, and the like.

本発明の第四の態様は、第一〜第三の何れか一つの態様に記載された関節運動補助装置において、前記アシスト力の目標値が前記出力特性設定手段によって該駆動手段の作動時間の経過に伴って次第に変化せしめられるようにしたものである。 A fourth aspect of the present invention is the articulation assistance device according to any one of the first to third aspects, wherein the target value of the assist force is the operating time of the drive means by the output characteristic setting means. It is made to be changed gradually with progress.

第四の態様によれば、アシスト力の目標値が出力特性設定手段によって次第に変化するように制御されることで、出力を急激に変化させることによる駆動手段やアシスト力の伝達経路の耐久性の低下などが回避されると共に、アシスト力の急激な変化に伴う使用者の負荷や違和感なども解消され得る。 According to the fourth aspect, by controlling the target value of the assist force to be gradually changed by the output characteristic setting means, the durability of the drive means and the transmission path of the assist force by rapidly changing the output can be increased. While a fall etc. are avoided, a user's load, sense of incongruence, etc. accompanying sudden change of assistant power may be canceled.

本発明の第五の態様は、第一〜第四の何れか一つの態様に記載された関節運動補助装置において、前記駆動手段の作動開始から時間tが経過した時点における前記アシスト力Fの目標値と、該アシスト力の目標値の最大値を設定する最大出力設定手段によって設定される設定値Aと、前記ピーク位置設定手段によって設定される設定値αと経過時間tとの関数f(α,t)とが、F=A・f(α,t)を満たすものである。   According to a fifth aspect of the present invention, in the articulation assist apparatus described in any one of the first to fourth aspects, a target of the assist force F when time t has elapsed from the start of operation of the drive means. Function f (α of the set value A set by the maximum output setting means for setting the maximum value of the target value of the assist force and the setting value α set by the peak position setting means and the elapsed time t , T) satisfy F = A · f (α, t).

第五の態様によれば、駆動手段によるアシスト力の最大レベルが最大出力設定手段によって設定される設定値Aによって調節されると共に、アシスト力が最大になるピークのタイミングが、ピーク位置設定手段によって設定される設定値αと経過時間tとの関数f(α,t)によって定まる。従って、設定値Aとαを各別に設定することにより、アシスト力の大きさとアシスト力の出力特性(ピーク位置)とをそれぞれ設定することができる。   According to the fifth aspect, while the maximum level of the assist force by the drive means is adjusted by the set value A set by the maximum output setting means, the peak timing at which the assist force becomes maximum is determined by the peak position setting means It is determined by the function f (α, t) of the set value α to be set and the elapsed time t. Therefore, by setting the setting values A and α separately, it is possible to set the magnitude of the assist force and the output characteristic (peak position) of the assist force.

本発明の第六の態様は、第五の態様に記載された関節運動補助装置において、前記関数f(α,t)が正弦関数とされているものである。   According to a sixth aspect of the present invention, in the articulatory assist device described in the fifth aspect, the function f (α, t) is a sine function.

第六の態様によれば、関数f(α,t)が正弦関数とされていることにより、アシスト力の最大レベルを設定値Aによって容易に設定することができると共に、アシスト力のピーク位置を設定値αによって容易に設定することができて、それらアシスト力の最大レベルとピーク位置をそれぞれ簡単に且つ精度よく設定することができる。   According to the sixth aspect, by setting the function f (α, t) as a sine function, the maximum level of the assist force can be easily set by the set value A, and the peak position of the assist force can be obtained. It can be easily set by the set value α, and the maximum levels and peak positions of the assist forces can be set easily and accurately.

本発明の第七の態様は、第一〜第六の何れか一つの態様に記載された関節運動補助装置において、前記補助力伝達部に作用する引張方向の荷重を検出する荷重センサが設けられており、該荷重センサの検出値に基づいて、該補助力伝達部に作用する荷重が前記アシスト力の目標値となるように前記駆動手段の作動がフィードバック制御されるようになっているものである。   According to a seventh aspect of the present invention, in the articulation assistance device according to any one of the first to sixth aspects, a load sensor for detecting a load in a tensile direction acting on the assisting force transmitting portion is provided. The operation of the driving means is feedback-controlled based on the detected value of the load sensor such that the load acting on the auxiliary force transmitting portion becomes the target value of the assist force. is there.

第七の態様によれば、荷重センサによって直接的に検出されるアシスト力の検出値を用いて駆動手段がフィードバック制御されることから、柔軟性を有する補助力伝達部における弛みや湾曲、延びなどに起因するアシスト力の制御誤差が効果的に回避されて、使用者の関節部位に対して目的とするアシスト力を優れた精度と安定性をもって及ぼすことが可能になる。   According to the seventh aspect, since the drive means is feedback-controlled using the detection value of the assist force directly detected by the load sensor, slack, bending, extension or the like in the flexible auxiliary force transmission portion It is possible to effectively avoid the control error of the assist force caused by the above, and to apply the target assist force to the joint part of the user with excellent accuracy and stability.

本発明によれば、駆動手段の作動中においてアシスト力が出力特性制御手段によって変化せしめられることから、目的とする関節運動に対して必要なアシスト力を使用者に効率的に及ぼすことができる。更に、駆動手段によって発揮されるアシスト力が最大となるピーク位置を、目的とする関節運動に応じて適宜に設定可能とすることにより、アシスト力が関節運動に及ぼす影響をコントロールすることができる。   According to the present invention, since the assist force is changed by the output characteristic control means during the operation of the drive means, the assist force necessary for the target joint motion can be efficiently applied to the user. Furthermore, the influence of the assist force on the joint motion can be controlled by appropriately setting the peak position at which the assist force exerted by the drive means is maximized in accordance with the target joint motion.

本発明の第一の実施形態としての関節運動補助装置を示す図であって、(a)が正面図、(b)が背面図、(c)が側面図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the joint movement assistance apparatus as 1st embodiment of this invention, Comprising: (a) is a front view, (b) is a rear view, (c) is a side view. 図1に示された関節運動補助装置のハードウェア構成の概要を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing an outline of a hardware configuration of the joint movement assisting apparatus shown in FIG. 1; 図1に示された関節運動補助装置による歩行運動に対するアシスト力の作用をモデル的に説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating model-wisely the effect | action of assist force with respect to the walking movement by the joint movement assistance apparatus shown by FIG. 図1に示された関節運動補助装置の補助力伝達帯によって及ぼされるアシスト力の作用パターンを説明するためのグラフ。The graph for demonstrating the effect | action pattern of the assist force exerted by the assistance power transmission zone of the articulation assistance apparatus shown by FIG. 歩行者の股関節角度の継時的な変化を説明するグラフ。The graph explaining the time-dependent change of a pedestrian's hip joint angle. 図1に示された関節運動補助装置におけるアシスト力の作用タイミングを説明するためのグラフ。The graph for demonstrating the application timing of the assist force in the joint movement assistance apparatus shown by FIG. 図1に示された関節運動補助装置において、設定値αに対する駆動手段の出力特性の変化を示すグラフ。FIG. 6 is a graph showing a change in output characteristics of the driving means with respect to a set value α in the joint movement assisting device shown in FIG. 図1に示された関節運動補助装置における作動制御の一態様を説明するための制御フロー図。FIG. 2 is a control flow diagram for describing one aspect of operation control in the arthroplasty assist device shown in FIG. 1. 図1に示された関節運動補助装置を使用した歩行において、設定値αの違いによる歩行速度、歩幅、歩調の違いを示すグラフ。FIG. 6 is a graph showing differences in walking speed, stride, and pace due to differences in setting value α in walking using the joint movement assistance device shown in FIG. 1. 本発明の第二の実施形態としての関節運動補助装置を示す図であって、(a)が正面図、(b)が背面図、(c)が側面図。It is a figure which shows the joint movement assistance apparatus as 2nd embodiment of this invention, Comprising: (a) is a front view, (b) is a rear view, (c) is a side view.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1には、本発明に従う関節運動補助装置の第一の実施形態である歩行運動補助装置10が示されている。歩行運動補助装置10は、股関節の屈伸を補助するものであって、股関節を跨いで延びる左右一対の補助力伝達部としての補助力伝達帯12,12の両端部分に、使用者の股関節を挟んで大腿骨が位置する大腿部側に取り付けられる第1の装着部14と、使用者の股関節を挟んで寛骨が位置する腰部側に取り付けられる第2の装着部16とが、それぞれ設けられた構造を有している。そして、これら左右一対の補助力伝達帯12,12と、各第1の装着部14,14と、第2の装着部16と、一対の駆動手段としての電動モータ17,17とで、左右一対のアシスト部材が構成されている。なお、図1では、歩行運動補助装置10が使用者の装着状態で図示されており、使用者の輪郭線が2点鎖線で示されている。また、以下の説明において、原則として、前面とは使用者の腹部側の面(正面)を、後面とは使用者の背部側の面(背面)を、上下とは鉛直上下方向である図1中の上下を、それぞれ言う。また、以下の説明において、「アシスト力」とは、歩行等の動作に必要とされる力を補う方向で作用する補助力のことをいう。   FIG. 1 shows a walking motion assist device 10, which is a first embodiment of an articulating motion assist device according to the present invention. The walking motion assisting device 10 is for assisting bending and stretching of a hip joint, and sandwiches the hip joint of the user at both end portions of the assisting force transmission bands 12 and 12 as a pair of assisting force transmitting parts extending left and right across the hip joint. A first attachment portion 14 attached to the thigh side where the femur is located, and a second attachment portion 16 attached to the lumbar side where the hipbone is located across the hip of the user It has the following structure. The left and right pair of auxiliary force transmission bands 12 and 12, the first mounting portions 14 and 14, the second mounting portion 16, and the electric motors 17 and 17 as a pair of driving means The assist member is configured. Note that, in FIG. 1, the walking motion assisting device 10 is illustrated in the state of wearing of the user, and the outline of the user is indicated by a two-dot chain line. In the following description, in principle, the front means the abdomen side (front) of the user, the back means the back side (rear) of the user, and the upper and lower directions are vertically and vertically. I say the upper and lower inside, respectively. Further, in the following description, the term "assist force" refers to an assist force that acts in a direction that compensates for the force required for the operation such as walking.

より詳細には、補助力伝達帯12は、可撓性の帯状体で形成されており、使用者の左右の大腿骨の各前方において股関節を跨いで略上下方向に直線的に延びる構造とされている。本実施形態の補助力伝達帯12は、直線的に延びる実質的に単一のベルト構造をもって構成されている。そして、左右の各補助力伝達帯12の下端部が、使用者の大腿部側に装着される第1の装着部14に取り付けられると共に、左右の各補助力伝達帯12の上端部が、使用者の腰部側に装着される第2の装着部16に取り付けられている。   More specifically, the auxiliary power transmission band 12 is formed of a flexible band and has a structure extending substantially linearly in the vertical direction across the hip joint in front of the user's left and right femurs. ing. The auxiliary power transmission band 12 of this embodiment is configured with a substantially single belt structure that extends linearly. And while the lower end part of each auxiliary power transmission belt 12 on either side is attached to the 1st wearing part 14 with which a user's thigh part side is mounted, the upper end part of each auxiliary power transmission belt 12 on either side is It is attached to the 2nd mounting part 16 with which a user's waist part is equipped.

なお、補助力伝達帯12の材質は、変形可能な軟質の薄材が好適であり、触感や耐久性,通気性などを考慮して、織布や不織布の他、皮革、ゴムシート,樹脂シート等が適宜に採用され得る。特に本実施形態の補助力伝達帯12は、後述する電動モータ17による引張力の作用方向となる長さ方向(図1中、上下方向)で弾性変形可能とされていることが好適であり、長さ方向において0.3kgf/cm2 〜0.5kgf/cm2 程度の弾性を有していることが望ましい。 The material of the auxiliary power transmission band 12 is preferably a deformable soft thin material, and in consideration of touch feeling, durability, air permeability, etc., in addition to woven fabric and non-woven fabric, leather, rubber sheet, resin sheet Etc. may be adopted appropriately. In particular, it is preferable that the assisting force transmission band 12 of the present embodiment is elastically deformable in the length direction (vertical direction in FIG. 1) in which the action direction of the tensile force by the electric motor 17 described later. it is desirable to have elasticity of about 0.3kgf / cm 2 ~0.5kgf / cm 2 in the length direction.

また、補助力伝達帯12の下端部には、第1の装着部14が設けられている。第1の装着部14は、大腿部の下端側において膝関節付近に巻き付けられて装着されるベルト状とされて、本実施形態では膝関節を保護するために用いられるスポーツ用サポータ状とされている。即ち、第1の装着部14には、例えば伸縮性を有する布地等で形成されて使用者の膝関節に巻き付けられ、面ファスナやスナップ,フック等で膝関節部分へ位置を固定された状態で装着されるようになっている。なお、第1の装着部14は、補助力伝達帯12と一体形成されていても良いし、補助力伝達帯12と別体形成されて、接着や縫合などで後固着されていても良い。なお、第1の装着部14には、使用者の膝頭に位置決めされる貫通孔が形成されることにより、膝関節の屈伸を妨げないように配慮することもできる。   In addition, a first mounting portion 14 is provided at the lower end portion of the auxiliary power transmission band 12. The first mounting portion 14 is in the form of a belt that is wound around the knee joint and mounted on the lower end side of the thigh, and in the present embodiment, is in the shape of a sports supporter used to protect the knee joint. ing. That is, the first mounting portion 14 is formed of, for example, a stretchable fabric and wound around the knee joint of the user, and fixed in position to the knee joint portion by the surface fasteners, snaps, hooks, etc. It is supposed to be worn. The first mounting portion 14 may be integrally formed with the auxiliary power transmission band 12 or may be separately formed from the auxiliary power transmission band 12 and may be post-fixed by bonding, stitching or the like. In addition, it can also consider that it does not prevent the bending and extension of a knee joint by forming the through-hole positioned in a user's kneecaps in the 1st mounting part 14. FIG.

また、補助力伝達帯12の上端部には、第2の装着部16が設けられている。第2の装着部16は、腰部付近に巻き付けられて装着される一つのベルト構造とされており、第1の装着部14と同様に、例えば伸縮性を有する布地等で形成されて使用者の腰部に巻き付けられ、面ファスナやスナップ,フック等で腰部へ位置を固定された状態で装着されるようになっている。   In addition, a second mounting portion 16 is provided at the upper end portion of the auxiliary power transmission band 12. The second mounting portion 16 has a single belt structure that is wound around the waist and mounted, and is formed of, for example, a stretchable cloth or the like in the same manner as the first mounting portion 14. It is wound around the waist and is mounted with its position fixed to the waist by means of hook and loop fasteners or snaps.

そして、このように所定長さのベルト状とされた第1の装着部14と第2の装着部16は、使用者に巻き付けられて面ファスナ等で固定されることにより、使用者の膝部付近と腰部付近において実質的に位置固定に装着されるようになっている。   The first mounting portion 14 and the second mounting portion 16 thus formed into a belt shape having a predetermined length are wound around the user and fixed with a hook-and-loop fastener etc. It is designed to be substantially fixed in position near the waist and near the waist.

さらに、左右の第1の装着部14,14には、左右の大腿部の前方に配される補助力伝達帯12,12の下端部が、それぞれ、接着や溶着、縫い付けなどによって固着され又は一体的に形成されることによって取り付けられている。そして、補助力伝達帯12,12は、使用者への装用状態で、体前面において膝付近から上方に向かって延びるように配されるようになっている。   Furthermore, the lower end portions of the auxiliary force transmission bands 12, 12 disposed in front of the left and right thighs are fixed to the left and right first mounting portions 14, 14 by adhesion, welding, sewing or the like. Alternatively, they are attached by being integrally formed. The auxiliary force transmission bands 12, 12 are arranged to extend upward from near the knees on the front of the body in a state of being worn on the user.

一方、第2の装着部16には、使用者への装用状態で体前面において左右脚の股関節の各上方に位置する部位に、駆動手段としての左右一対の電動モータ17,17が固定的に取り付けられている。また、これら電動モータ17,17には、それぞれ、回転力が及ぼされる回転軸が略水平方向に延びるように設けられている。   On the other hand, a pair of left and right electric motors 17 and 17 as driving means are fixedly fixed to the second mounting portion 16 at portions positioned above the hip joints of the left and right legs in the body front in the wearing state to the user. It is attached. Further, rotary shafts on which the rotational force is applied are provided in the electric motors 17 and 17 so as to extend in a substantially horizontal direction.

各電動モータ17は、好適には回転位置を検出して正逆両方向の回転量を制御することができるサーボモータ等が採用される。そして、電源装置18からの通電によって駆動される電動モータ17の駆動軸における回転駆動力が、適宜の減速歯車列を介して、図示しない回転軸に伝達されるようになっている。この回転軸は、周方向への回転を許容されるように支持されたロッド状の部材であって、その外周面に補助力伝達帯12の上端部が固定されて巻き付けられており、以て、補助力伝達帯12が股関節を跨いで配設されている。   Each electric motor 17 preferably employs a servomotor or the like capable of detecting the rotational position and controlling the amount of rotation in both forward and reverse directions. And the rotational drive force in the drive shaft of the electric motor 17 driven by electricity supply from the power supply device 18 is transmitted to the rotating shaft which is not shown in figure via a suitable reduction gear train. The rotation shaft is a rod-like member supported so as to be allowed to rotate in the circumferential direction, and the upper end portion of the auxiliary force transmission band 12 is fixed and wound around the outer peripheral surface thereof. The auxiliary force transmission band 12 is disposed across the hip joint.

そして、図示しない回転軸が電動モータ17の駆動軸から及ぼされた駆動力によって周方向一方に回転させられることにより、補助力伝達帯12が回転軸に巻き取られる。これにより、電動モータ17による駆動力が補助力伝達帯12の長さ方向に伝達されて、第1の装着部14と第2の装着部16の間に引張力として及ぼされる。   Then, when the rotation shaft (not shown) is rotated in one circumferential direction by the driving force exerted from the drive shaft of the electric motor 17, the auxiliary force transmission band 12 is wound around the rotation shaft. Thereby, the driving force by the electric motor 17 is transmitted in the length direction of the auxiliary power transmission band 12 and exerted as a tensile force between the first mounting portion 14 and the second mounting portion 16.

なお、電動モータ17として、エンコーダとしてのロータリエンコーダ20を備えたサーボモータ等を採用することにより、電動モータ17によって補助力伝達帯12に及ぼされる引張方向の牽引量としての巻取量を直接的に検出することができる。これにより、ロータリエンコーダ20による検出値に基づいて電動モータ17を作動制御せしめて補助力伝達帯12の牽引量を所望の値に制御する、牽引量制御手段を設けることができる。そして、以下に説明する引張力による制御に加えて、巻取量による制御を併せて採用することで、制御の信頼性の向上等も図られ得る。   In addition, by adopting a servomotor or the like provided with a rotary encoder 20 as an encoder as the electric motor 17, the amount of winding as the amount of pulling in the tension direction exerted on the auxiliary force transmission band 12 by the electric motor 17 is directly Can be detected. As a result, it is possible to provide traction amount control means that operates and controls the electric motor 17 based on the detection value by the rotary encoder 20 to control the traction amount of the auxiliary force transmission band 12 to a desired value. Then, in addition to the control based on the tensile force described below, the control based on the amount of take-up can be adopted together to improve the reliability of the control.

一方、回転軸が電動モータ17によって周方向他方に回転させられると、回転軸による補助力伝達帯12の巻き取りが解除されて送り出され、第1の装着部14と第2の装着部16の間で引張力が解除される。   On the other hand, when the rotating shaft is rotated in the other circumferential direction by the electric motor 17, the winding of the auxiliary force transmission band 12 by the rotating shaft is released and sent out, and the first mounting portion 14 and the second mounting portion 16 are The tension is released between the two.

尤も、電動モータ17の逆回転は必須でなく、電動モータ17への給電を停止して、電動モータ17の出力軸をフリーにすることで、補助力伝達帯12の引き出しが自由に許容され得る状態にすることにより、第1の装着部14と第2の装着部16の間での引張力を解除しても良い。これによれば、使用者の筋力による動作に伴って、補助力伝達帯12が過度に弛むことなく、動作の抵抗となる程の張力をもたないで、歩行動作に対して容易に追従して送り出されるようにすることが可能になる。   However, reverse rotation of the electric motor 17 is not essential, and by stopping the power supply to the electric motor 17 and making the output shaft of the electric motor 17 free, the pulling out of the auxiliary power transmission band 12 can be freely permitted. By setting the state, the tensile force between the first mounting portion 14 and the second mounting portion 16 may be released. According to this, with the movement by the user's muscle force, the assisting force transmission band 12 does not slack excessively and does not have tension enough to resist the movement, and easily follows the walking movement. Can be sent out.

また、電動モータ17の制御は、電源装置18から電動モータ17への通電の有無や通電方向(電動モータ17の駆動軸の回転方向)が制御装置22によって制御されることで実行されている。制御装置22は、後述する関節角度センサ26の検出結果(出力信号)などに基づいて使用者の股関節の屈曲運動および伸展運動などを検出して、検出した股関節の運動に応じて電動モータ17への給電を制御する。これにより、電動モータ17の駆動力に基づいて第1の装着部14と第2の装着部16の間に及ぼされる引張力が、制御装置22によって調節されるようになっている。なお、電動モータ17,17に対する給電を制御して、補助力伝達帯12によって使用者へ及ぼされるアシスト力をコントロールするための電源装置18と制御装置22は、第2の装着部16の背面側に設けられている。   Further, the control of the electric motor 17 is executed by the control device 22 controlling the presence or absence of energization from the power supply device 18 to the electric motor 17 and the energization direction (rotation direction of the drive shaft of the electric motor 17). The control device 22 detects bending motion and extension motion of the user's hip joint based on the detection result (output signal) of the joint angle sensor 26 described later and the like, and the electric motor 17 is detected according to the detected hip movement. Control the power supply of Thereby, the tensile force exerted between the first mounting portion 14 and the second mounting portion 16 based on the driving force of the electric motor 17 is adjusted by the control device 22. The power supply device 18 and the control device 22 for controlling the power supply to the electric motors 17 and 17 to control the assist force exerted on the user by the auxiliary force transmission band 12 are the back side of the second mounting portion 16. Provided in

また、左右の補助力伝達帯12,12には、それぞれ、長さ方向の中間部分に位置して、荷重センサ24,24が装着されている。かかる荷重センサ24は、引張方向に作用する荷重(応力)を直接に検出するものであって、例えば補助力伝達帯12の分断箇所に介在させて、補助力伝達帯12の分断部を荷重センサ24を介して連結することで、補助力伝達帯12に及ぼされる引張荷重の全てが荷重センサ24に及ぼされるようにすることができる。   Further, load sensors 24, 24 are attached to the left and right auxiliary power transmission bands 12, 12 at middle portions in the length direction. The load sensor 24 directly detects the load (stress) acting in the tensile direction. For example, the load sensor 24 is disposed at the dividing portion of the auxiliary power transmission band 12 and the divided portion of the auxiliary power transmission band 12 is a load sensor The connection via 24 allows all the tensile loads exerted on the auxiliary force transmission band 12 to be exerted on the load sensor 24.

なお、補助力伝達帯12の表面に荷重センサ24を貼着したり、補助力伝達帯12の幅方向の一部だけを分断させてそこに荷重センサ24を介在させたりすることで、補助力伝達帯12に及ぼされる引張荷重の一部が荷重センサ24に及ぼされるようにしても良く、歩行等に際して補助力伝達帯12に作用する引張荷重の変化量を荷重センサ24で検出できれば良い。   In addition, by attaching the load sensor 24 to the surface of the auxiliary power transmission band 12 or dividing only a part of the auxiliary power transmission band 12 in the width direction and interposing the load sensor 24 there, the auxiliary power can be obtained. A part of the tensile load exerted on the transmission band 12 may be exerted on the load sensor 24 as long as the load sensor 24 can detect the amount of change in the tensile load acting on the auxiliary force transmission band 12 when walking or the like.

採用する荷重センサ24の種類も、補助力伝達帯12に作用する荷重を検出し得るものであれば良く、ロードセルにより荷重を直接に電圧値に変換して出力する荷重センサが好適に採用され得て、磁歪式や静電容量式、ジャイロ式、ひずみゲージ式などのロードセルのほか、バネ等の弾性体を用いた荷重センサなども採用可能である。   The type of load sensor 24 employed may be any load sensor that can detect the load acting on the auxiliary force transmission band 12, and a load sensor that converts the load directly into a voltage value by the load cell and outputs it may be suitably adopted. In addition to load cells such as magnetostrictive type, electrostatic capacity type, gyro type and strain gauge type, a load sensor using an elastic body such as a spring can be adopted.

さらに、補助力伝達帯12に対して荷重を及ぼす電動モータ17に荷重センサ24を設けることにより、補助力伝達帯12に及ぼされる引張方向の力を入力側で検出することも可能である。具体的には、例えば電動モータ17に対する給電回路において電流値を検出することにより、補助力伝達帯12に及ぼされる引張力を電動モータ17の駆動トルクとして、かかる電流値によって検出する荷重センサ24を構成することも可能である。   Furthermore, by providing the load sensor 24 on the electric motor 17 that applies a load to the auxiliary force transmission band 12, it is also possible to detect the force in the tension direction exerted on the auxiliary force transmission band 12 on the input side. Specifically, for example, by detecting a current value in a power feeding circuit for the electric motor 17, a load sensor 24 that detects a tensile force exerted on the auxiliary force transmission band 12 as a driving torque of the electric motor 17 is used. It is also possible to configure.

また、使用者への装着状態で左右の各大腿部に位置する部分には、それぞれ、股関節の屈曲角度として大腿部の傾斜角度を検出する関節角度センサ26,26が設けられている。この関節角度センサ26は、関節の屈曲角度を計測し得るものであれば良く、具体的なセンサの種類や構造、装着位置などは限定されるものでない。例えば、前述の特許文献1に記載されているように誘電性の弾性材で形成された誘電体層の両面に導電性の弾性材で形成された一対の電極膜を設けた静電容量型センサを採用して、腰部から大腿部の体側面に沿って配設することも可能である。   In addition, joint angle sensors 26, which detect the inclination angle of the thigh as a bending angle of the hip joint, are respectively provided at portions positioned on the left and right thighs in a state of wearing on the user. The joint angle sensor 26 only needs to be capable of measuring the bending angle of the joint, and the type, structure, mounting position, and the like of the specific sensor are not limited. For example, as described in the above-mentioned Patent Document 1, a capacitance type sensor in which a pair of electrode films formed of a conductive elastic material is provided on both sides of a dielectric layer formed of a dielectric elastic material. It is also possible to arrange from the waist to the side of the body of the thigh.

本実施形態では、ジャイロセンサが、関節角度センサ26,26として採用されている。かかるジャイロセンサは、大腿部の傾斜角度を検出することで略鉛直状態に保持される腰部側の寛骨に対する股関節の屈曲角度を検出するものとして、公知のものが採用され得る。   In the present embodiment, gyro sensors are employed as the joint angle sensors 26. As such a gyro sensor, a known one may be employed as a sensor for detecting a bending angle of a hip joint with respect to a hipbone-side hipbone held in a substantially vertical state by detecting an inclination angle of a thigh.

例えば、かかる関節角度センサ26としてのジャイロセンサとしては、一般的なMEMS(Micro Electro Mechanical System)センサであって、直交3軸回りの回転の角速度を検出可能な三軸角速度センサなどが採用され得る。また、ジャイロセンサと併せて、加速度センサを大腿部に装着して、両センサの検出信号を併せて演算処理することで検出精度の向上や情報の高度化を図ることも可能である。例えば、ジャイロセンサによる傾斜方向の検出値における基準方向を、加速度センサで適宜に較正することにより、基準方向の誤差の累積を回避することも可能であり、また、加速度センサで検出される重力方向(鉛直方向)に対して、ジャイロセンサで検出される大腿部の角速度を、演算装置によって積分演算することで、大腿部の三次元の傾斜方向を時間軸を含む四次元数で求めることも可能となる。更にまた、ジャイロセンサにおけるノイズ等による検出誤差を軽減するために、センサフュージョンアルゴリズムとしてのフィルタ手段等を採用することも可能である。   For example, as a gyro sensor as the joint angle sensor 26, a general micro electro mechanical system (MEMS) sensor may be adopted, such as a three-axis angular velocity sensor capable of detecting an angular velocity of rotation about three orthogonal axes. . In addition to the gyro sensor, an acceleration sensor may be attached to the thigh and arithmetic processing may be performed on detection signals of both sensors to improve detection accuracy and to improve information. For example, it is possible to avoid the accumulation of errors in the reference direction by appropriately calibrating the reference direction in the detection value of the tilt direction by the gyro sensor with the acceleration sensor, and also the gravity direction detected by the acceleration sensor A three-dimensional inclination direction of the thigh is obtained by a four-dimensional number including a time axis by integrating and calculating the angular velocity of the thigh detected by the gyro sensor with respect to (vertical direction) by the computing device. Is also possible. Furthermore, in order to reduce detection errors due to noise or the like in the gyro sensor, it is also possible to employ filter means as a sensor fusion algorithm.

さらに、本実施形態では、関節角度センサ26,26の取付けに際して、補助力伝達帯12,12とは別体の固定バンド28,28が採用されている。即ち、使用者の大腿部に対して固定的に装着される固定バンド28を採用して、かかる固定バンド28に関節角度センサ26を取り付けて支持せしめることにより、関節角度センサ26を大腿部の後面側に固定的に取り付けるようになっている。なお、固定バンド28としては、ゴム等の弾性による巻き付けベルトや、面ファスナによる締め付けベルトなどの適宜の装着構造が採用可能である。また、関節角度センサ26の取付位置は、大腿部の傾斜角度を検出できれば良く、使用者の動きや補助力伝達帯12の作動などに支障がない範囲で任意に設定可能である。なお、ジャイロセンサに必要とされる電源や演算装置などは、固定バンド28,28に装着するほか、第2の装着部16などに装着しても良い。   Furthermore, in the present embodiment, when attaching the joint angle sensors 26, 26, fixing bands 28, 28 separate from the auxiliary force transmission bands 12, 12 are employed. That is, the joint angle sensor 26 is mounted on and supported by the fixing band 28 fixedly attached to the user's thigh, and the joint angle sensor 26 is mounted on the fixing band 28 and supported. It is fixedly attached to the rear side of the In addition, as the fixing band 28, an appropriate mounting structure such as a winding belt made of rubber or the like or a tightening belt made of a surface fastener can be adopted. Further, the attachment position of the joint angle sensor 26 may be set arbitrarily as long as the inclination angle of the thigh can be detected, and there is no hindrance to the movement of the user or the operation of the assisting force transmission band 12 or the like. The power source and arithmetic device required for the gyro sensor may be attached to the second attachment unit 16 or the like in addition to the attachment to the fixed bands 28 and 28.

ここにおいて、本実施形態では、制御装置22が、以下の3つの制御手段を併せ備えており、それら3つの制御を実行するようになっている。
(I)電動モータ17の巻取作動により補助力伝達帯12に引張力を及ぼして、歩行時の脚部筋力を補助するアシスト力を作用させるに際して、関節角度センサ26で検出される股関節の屈曲角度の値に基づいて、駆動手段の作動タイミングとしての電動モータ17の巻取作動の開始タイミングと、駆動手段の作動時間としての電動モータ17の巻取作動継続時間とを決定するアシストタイミング制御手段。
(II)上記(I)に記載のアシスト力の作用中において、補助力伝達帯12に作用する荷重が、予め設定されたアシスト力の目標値となるように、電動モータ17の出力レベルを荷重センサ24の検出値に基づいてフィードバック制御して調節するアシスト力制御手段。
(III)上記(I)に記載のアシスト力が作用していない非作用中において、補助力伝達帯12に作用する荷重が、該補助力伝達帯12の弛みを解消し得るように予め設定されたバイアス力の目標値となるように、電動モータ17の出力レベルを荷重センサ24の検出値に基づいてフィードバック制御して調節する弛み防止制御手段。
Here, in the present embodiment, the control device 22 is provided with the following three control means, and performs these three controls.
(I) The bending of the hip joint detected by the joint angle sensor 26 when applying an assisting force to assist the leg muscle force at the time of walking by applying a tensile force to the assisting force transmission band 12 by the winding operation of the electric motor 17 Assist timing control means for determining start timing of winding operation of electric motor 17 as operation timing of driving means and continuation time of winding operation of electric motor 17 as operation time of driving means based on the value of the angle .
(II) The load level of the electric motor 17 is set such that the load acting on the auxiliary power transmission band 12 becomes the preset target value of the assist force during the application of the assist force described in (I) above. Assist force control means for feedback control and adjustment based on the detection value of the sensor 24.
(III) The load acting on the auxiliary power transmission band 12 is preset so as to eliminate the slack of the auxiliary power transmission band 12 during non-operation in which the assist force described in the above (I) is not applied. Sag prevention control means for feedback controlling the output level of the electric motor 17 based on the detection value of the load sensor 24 so as to obtain the target value of the bias force.

すなわち、制御装置22による電動モータ17,17の制御手段は、関節角度センサ26によって検出される左右の股関節角度の検出値や、荷重センサ24によって検出される左右の補助力伝達帯12の引張荷重の検出値を参照信号とし、予め設定されたアシストタイミングやアシスト力、バイアス力に対応した電動モータ17,17の制御条件を満足するように、携帯型のバッテリ等の二次電池からなる電源装置18から電動モータ17,17への電力供給を実行するようになっている。   That is, the control means of the electric motors 17, 17 by the control device 22 detects the detected values of the left and right hip joint angles detected by the joint angle sensor 26, and the tensile load of the left and right assist force transmission bands 12 detected by the load sensor 24. Power supply device comprising a secondary battery such as a portable battery so as to satisfy the control conditions of the electric motors 17 and 17 corresponding to the assist timing, the assist force, and the bias force set in advance with the detected value of Power supply to the electric motors 17 and 17 is performed from 18.

具体的には、例えば図2にハードウェアの機能ブロック図が示されているように、かかる制御装置22は、ROMやRAM等の記憶手段を備えたコントローラ30と、かかるコントローラ30からの指令値に従って電源装置18から電動モータ17,17へ電力を給電するドライバ32を含んで構成されている。即ち、制御装置22は、予め制御用プログラムが記憶されており、左右のジャイロセンサからなる関節角度センサ26,26から得られる股関節角度の検出値と、左右の荷重センサ24,24から得られる補助力伝達帯12に及ぼされている引張荷重の検出値とに基づいて、前述の(I)アシストタイミング制御手段、(II)アシスト力制御手段、(III)弛み防止制御手段の各機能を実現するようになっている。なお、本実施形態では、左右の電動モータ17,17への給電制御が各別に制御されることで、左右の脚に及ぼされるアシスト力が各別に独立して制御され得るようになっている。 Specifically, for example, as a functional block diagram of the hardware is shown in FIG. 2, the control device 22 includes a controller 30 having storage means such as a ROM and a RAM, and a command value from the controller 30. The driver 32 is configured to supply electric power from the power supply device 18 to the electric motors 17 and 17 according to. That is, the control device 22 stores control programs in advance, and detects the hip joint angle obtained from the joint angle sensors 26 and 26 including the left and right gyro sensors, and the assistance obtained from the left and right load sensors 24 and 24 Based on the detection value of the tensile load exerted on the force transmission band 12, the functions of the aforementioned (I) assist timing control means, (II) assist force control means, and (III) slack prevention control means are realized. It is supposed to be. In the present embodiment, the power feeding control to the left and right electric motors 17, 17 is separately controlled, whereby the assist forces exerted on the left and right legs can be independently controlled.

(I)アシストタイミング制御手段は、ハードウェアおよびソフトウェアにより例えば次のように構成される。即ち、制御装置22のROMやRAMに予め記憶されたアシストタイミング制御用のプログラムに従って、制御装置22は左右の関節角度センサ26,26から出力される股関節角度を参照信号として、かかる股関節角度が、記憶手段(30)に予め記憶された給電開始の股関節角度に達した場合には、アシスト開始の信号を発して、電源装置18から電動モータ17への給電を開始する。また、本実施形態のアシストタイミング制御手段では、股関節角度を参照信号として、かかる股関節角度が、記憶手段(30)に予め記憶された給電終了の股関節角度に達した場合には、アシスト終了の信号を発して、電源装置18から電動モータ17への給電を停止する。このように、本実施形態のアシストタイミング制御手段では、アシストの開始と終了のタイミングを制御することから、結果的にアシスト時間(電動モータ17の作動時間)を制御可能とされている。なお、アシストタイミング制御手段による制御は、例えば、左右の関節角度センサ26,26から出力される股関節角度が所定周期で変化することなどにより歩行状態であると判定されることを条件として実行されることとなる。   (I) The assist timing control means is configured by hardware and software, for example, as follows. That is, according to a program for assist timing control stored in advance in the ROM or RAM of the control device 22, the control device 22 uses the hip joint angles output from the left and right joint angle sensors 26, 26 as reference signals. When the hip joint angle of the power supply start stored in advance in the storage means (30) is reached, a signal of assist start is issued to start power supply from the power supply 18 to the electric motor 17. Further, in the assist timing control means of this embodiment, when the hip joint angle reaches the hip joint angle of the feed end stored in advance in the storage means (30) with the hip joint angle as a reference signal, the assist end signal is output. To stop the power supply from the power supply unit 18 to the electric motor 17. As described above, the assist timing control means of the present embodiment controls the timing of the start and end of the assist, and as a result, the assist time (the operation time of the electric motor 17) can be controlled. The control by the assist timing control means is executed under the condition that the walking state is determined by, for example, the hip joint angle output from the left and right joint angle sensors 26 changing in a predetermined cycle. It will be.

(II)アシスト力制御手段は、ハードウェアおよびソフトウェアにより例えば次のように構成される。即ち、制御装置22のROMやRAMに予め記憶されたアシスト力制御用のプログラムに従って、制御装置22は左右の荷重センサ24,24の出力値として得られる引張荷重を参照信号として、かかる引張荷重が、記憶手段(30)に予め記憶されたアシスト用目標値となるように電源装置18から電動モータ17への給電を制御する。なお、アシスト力制御手段による制御は、例えば歩行状態を前提としてアシストタイミング制御手段でアシスト開始の信号が発せられたことを条件として実行されることとなる。   (II) The assist force control means is configured by hardware and software, for example, as follows. That is, according to a program for assist force control stored in advance in the ROM or RAM of the control unit 22, the control unit 22 uses the tensile load obtained as the output value of the left and right load sensors 24 as a reference signal. Power supply from the power supply device 18 to the electric motor 17 is controlled so as to obtain the assist target value stored in advance in the storage means (30). The control by the assist force control means is executed on the condition that the assist timing control means has issued an assist start signal on the premise of, for example, a walking state.

(III)弛み防止制御手段は、ハードウェアおよびソフトウェアにより例えば次のように構成される。即ち、制御装置22のROMやRAMに予め記憶された弛み防止制御用のプログラムに従って、制御装置22は左右の荷重センサ24,24の出力値として得られる引張荷重を参照信号として、かかる引張荷重が、記憶手段(30)に予め記憶された弛み防止用目標値となるように電源装置18から電動モータ17への給電を制御する。なお、弛み防止用目標値は、例えば歩行に際して使用者が違和感を覚えない程度の略一定の大きさをもって与えられることが望ましい。また、弛み防止制御手段による制御は、例えば歩行状態を前提として、アシスト力制御手段による引張荷重の制御が終了した時点から、アシストタイミング制御手段で次のアシスト開始の信号が発せられるまでの間に亘って連続的に実行されることとなる。   (III) The slack prevention control means is configured, for example, as follows by hardware and software. That is, according to a program for slack prevention control stored in advance in the ROM or RAM of the control device 22, the control device 22 uses the tensile load obtained as the output value of the left and right load sensors 24, 24 as a reference signal. Power supply from the power supply device 18 to the electric motor 17 is controlled so as to obtain the slack prevention target value stored in advance in the storage means (30). In addition, it is desirable that the target value for slack prevention be given, for example, with a substantially constant size to the extent that the user does not feel discomfort when walking. Further, the control by the slack prevention control means is, for example, from the time when the control of the tensile load by the assist force control means ends on the premise of the walking state until the next assist start signal is issued by the assist timing control means. It will be performed continuously over time.

そして、これら(I)アシストタイミング制御手段、(II)アシスト力制御手段、(III)弛み防止制御手段を用いて、制御装置22で電動モータ17,17が作動せしめられることにより、使用者の歩行運動に際して、補助力伝達帯12,12を通じてアシスト力が股関節回りの運動補助力として作用せしめられて、歩行補助が行われるようになっている。特に本実施形態では、歩行時に遊脚を前方へ振り出す際のアシスト作用が実行されることとなる。   The controller 22 operates the electric motors 17 and 17 using (I) assist timing control means, (II) assist force control means, and (III) slack prevention control means, whereby the user walks. At the time of exercise, an assist force is made to act as a motion assist force around the hip joint through the assist force transmission bands 12 and 12 to perform walking assist. In particular, in the present embodiment, an assist operation is performed when the free leg is pulled forward during walking.

すなわち、人の歩行は、図3にモデル図が示されているように、左右一対の脚X,Yを交互に前方に振り出して前後へ周期的に動かすことによって行われる。この歩行動作において、歩行面の傾斜等による歩行抵抗に抗して重心を前方に移動させる運動エネルギーを維持するために、接地した脚Xの筋活動で与えられる体重支持等のエネルギーだけでなく、地面から浮いた遊脚Yの運動も重要な役割を担っている。具体的には、歩行に際して後方に延びた方の脚は、人の重心より後方で爪先が地面から離れて遊脚Yとなり、前方に延びた方の脚Xだけが接地した片脚立脚の状態で歩行が進められる。一方、地面から浮いた遊脚Yは、歩行に際して後方に大きく延び出した状態で地面から浮き、遊脚Yに作用する重力も利用して、人の重心より後方から股関節まわりの揺動により前方へ振り出される。この遊脚Yの振り出しによる振子運動が、重心を前方に進める運動エネルギーとしても作用する。   That is, walking of a person is performed by alternately swinging forward and backward a pair of left and right legs X and Y as shown in a model diagram in FIG. In this walking motion, in order to maintain the kinetic energy for moving the center of gravity forward against the walking resistance due to the inclination of the walking surface, not only the energy such as weight support given by the muscle activity of the grounded leg X The movement of the free legs Y floating from the ground also plays an important role. Specifically, in the case of a leg extending backward during walking, the toe is separated from the ground behind the person's center of gravity and becomes a free leg Y, and only the leg X extending forward comes into contact with the ground. The walking is advanced. On the other hand, the free legs Y that have floated from the ground float up from the ground in a state of being greatly extended backward during walking, and also utilize the gravity acting on the free legs Y to move forward from the person's center of gravity Be thrown out. The pendulum movement by the swinging out of the free leg Y also acts as kinetic energy for advancing the center of gravity forward.

ところが、加齢等による歩行能力低下者では、歩幅も小さく速度も小さいことから、かかる遊脚Yが後方で浮いた際にも十分な重力が作用し得ずに遊脚Yの振子運動による効果が発揮され難くなる。その結果、歩行能力低下者は、スムーズな歩行ができなくなり、歩行自体が苦痛となって歩行しなくなることで、脚筋力の更なる低下が進んでしまうと考えられる。ここにおいて、本実施形態の歩行運動補助装置10では、遊脚Yに対して振子運動をサポートするように、適切なタイミングで遊脚Yに補助的にアシスト力Fを及ぼすことにより、遊脚Yの振子運動を促進することで、使用者の歩行にリズムを持たせると共に効率化させる。特に、地面から浮いた遊脚Yに対してアシスト力Fを及ぼすものであるから、小さい力で遊脚Yを効率的に変位運動させて歩行を補助することができると共に、接地して体重を支える接地脚Xでは、使用者自身の筋力が主体的に使用されることで、筋力も効果的にトレーニングされ得る。   However, in people with walking ability decline due to aging etc., the stride is small and the speed is small, so even when the free leg Y floats backward, sufficient gravity does not act and the effect by the pendulum motion of the free leg Y Is less likely to be exhibited. As a result, it is considered that a person with poor walking ability can not walk smoothly, and the walking itself becomes painful and does not walk, thereby further reducing leg muscle strength. Here, in the walking motion assisting apparatus 10 of the present embodiment, the free leg Y is assisted by assisting force F on the free leg Y at an appropriate timing so as to support pendulum motion with respect to the free leg Y. By promoting pendulum movement, the user's walking is given rhythm and efficiency. In particular, since the assist force F is applied to the free leg Y floating from the ground, the free leg Y can be efficiently displaced and moved with a small force to assist walking, and the weight can be reduced by grounding. In the support landing leg X, the muscular strength can be effectively trained by using the user's own muscular strength mainly.

かかるアシスト力Fは、電動モータ17で補助力伝達帯12を通じて引張力として使用者の股関節まわりに及ぼされることとなるが、その作用力の経時的パターンの一例を、図4に示す。即ち、歩行に際しては、図5に示すように、関節角度センサ26により周期的な股関節角度の変化パターンが検出されることから、前記(I)アシストタイミング制御手段によりアシスト開始のタイミングを決定し、アシスト開始時点からアシスト終了時点に至るまでの間、アシスト力Fの大きさを経時的に変化させつつ、遊脚Yに及ぼすようにされる。本実施形態では、図5に示すように、使用者の股関節の屈曲角度の検出値が最大となる時点の間隔に基づいて使用者の歩行周期Sを認定すると共に、股関節角度が最大となる時点から歩行周期Sに対して所定の係数を乗算した算出結果分だけ遡った時点を、アシスト開始のタイミングt1 としている。なお、使用者の歩行周期を股関節角度値が最大となる時点の間隔に基づいて設定すれば、歩行周期を精度良く認定することができる。また、図5に示した股関節角度のプロファイルにおける二つのピークは、前のピークが遊脚を前方に最大まで振り出した時点を示し、後のピークが振り出した遊脚を地面に着地(ヒールコンタクト)させた時点を示しており、遊脚を前方に最大まで振り出した時点の間隔に基づいて歩行周期を認定することが望ましい。 The assist force F is exerted by the electric motor 17 through the assist force transmission band 12 as a tensile force around the hip joint of the user, and an example of a temporal pattern of the action force is shown in FIG. That is, during walking, as shown in FIG. 5, since the joint angle sensor 26 periodically detects a change pattern of the hip joint angle, the timing of the assist start is determined by the (I) assist timing control means, During the time from the assist start time to the assist end time, the magnitude of the assist force F is applied to the free leg Y while changing over time. In this embodiment, as shown in FIG. 5, the user's walking cycle S is determined based on the interval at which the detected value of the bending angle of the hip joint of the user is maximum, and the hip joint angle is maximum the timing predated by the calculated result amount obtained by multiplying a predetermined coefficient with respect to the walking period S from, and a timing t 1 of the assist start. In addition, if a user's walking cycle is set based on the space | interval of the time of a hip joint angle value becoming the largest, a walking cycle can be recognized accurately. Also, two peaks in the profile of the hip joint angle shown in FIG. 5 indicate the point when the front peak swings the free leg forward to the maximum, and the free peak where the later peak swings out lands on the ground (heel contact) It is desirable to identify the walking cycle based on the interval at which the free leg is moved forward to the maximum.

なお、アシスト終了時点t2 は、例えばアシスト開始時点t1 から予め設定された時間が経過するまでの間として時間設定することも可能であり、また、関節角度センサ26の股関節角度の検出値が予め設定された角度値に至るまでの間として設定することなども可能である。本実施形態では、歩行周期Sに所定の係数を乗じた算出結果をアシスト開始時点t1 に加えることにより、アシスト終了時点t2 を決定し、アシスト作用期間Tを定めている。 Incidentally, the assist termination time t 2, for example be pre-set time from the assist start time t 1 is set time as until the elapse of a possible, also, the detection value of the hip joint angle of the joint angle sensor 26 It is also possible to set as up to a preset angle value. In the present embodiment, by adding the calculation result obtained by multiplying a predetermined coefficient walking period S the assist start time t 1, to determine the assist end t 2, defines the assist action period T.

また、アシスト開始時点からアシスト終了時点までのアシスト力Fの作用期間Tは、図6に示すように、一般に歩行時に後方に延びた脚が地面を離れて遊脚となるのと略同じ時点から前方に振り出されて着地するより少し前の期間、即ち離陸した遊脚となっている期間よりも僅かに短い期間で設定されるのが好ましい。なお、アシスト開始時点は、好適には、歩行時に後方に延びた脚が地面を離れて遊脚となる時点に対するずれが、アシスト力Fの作用期間Tの10%以内とされる。   In addition, as shown in FIG. 6, the action period T of the assisting force F from the assist start time to the assist end time is generally from the same time as the leg extending backward during walking leaves the ground and becomes a free leg. It is preferable to set the period slightly earlier than the time when it is swung forward and landed, that is, a period slightly shorter than the period of the free leg taking off. Preferably, the assist start time is within 10% of the application period T of the assist force F with respect to the time when the leg extending backward at the time of walking leaves the ground and becomes a free leg.

また、目的とするアシスト力Fの大きさは、歩行に違和感を抱かせることを回避しつつ、効率的に歩行補助を行い得るように、出力特性設定手段によって設定される目標値に基づいて制御される。即ち、出力特性設定手段によって設定されるアシスト力Fの目標値は、アシスト力Fの作用期間Tにおいて、中間に一つのピークを有する山形のプロファイルをもって設定されており、アシスト力Fの作用開始からの経過時間tに伴って徐々に(実質的に連続して)変化している。そして、目的とするアシスト力は、遊脚Yから接地脚X、または接地脚Xから遊脚Yへの股関節の周期的な屈曲運動に対応して、山形プロファイルが所定時間の間隔をもって繰り返されるものであり、即ち周期的な波形プロファイルとして表すことができる。   Further, the magnitude of the target assist force F is controlled based on the target value set by the output characteristic setting means so that walking assistance can be efficiently performed while avoiding giving discomfort to walking. Be done. That is, the target value of the assisting force F set by the output characteristic setting means is set with a chevron profile having one peak in the middle in the acting period T of the assisting force F. Gradually (substantially continuously) with the elapsed time t of Then, the target assist force is such that the chevron profile is repeated at predetermined time intervals in response to the cyclic bending motion of the hip joint from the free leg Y to the ground contact leg X or from the ground contact leg X to the free leg Y , Or can be represented as a periodic waveform profile.

さらに、出力特性設定手段では、アシスト力Fの目標値が関数として設定されている。即ち、アシスト力Fは、F=A*f(α,t)を満たすように設定されている。なお、当該関数において、Aはアシスト力Fの最大値を設定するパラメータであって、最大出力設定手段によって予め適宜に設定される。この最大出力設定手段は、使用者の脚筋力を補助するアシスト力の大きさを定める設定値Aを入力して変更設定可能とする手段であって、例えば、ダイヤルやテンキーなどの外部入力デバイスと、外部入力デバイスからの入力に応じてアシスト力Fの目標値を示す数式において設定値Aを設定する設定手段とを有している。なお、最大出力設定手段は、上記のように外部入力デバイスによって使用者が設定値Aを手動で設定するようにしても良いし、センサの検出結果などに基づいて設定値Aを自動で設定するようにしても良い。また、f(α,t)は、後述するピーク位置設定手段によって予め設定される設定値αと、アシスト力の作用開始からの経過時間tとの関数である。   Furthermore, in the output characteristic setting means, the target value of the assist force F is set as a function. That is, the assist force F is set to satisfy F = A * f (α, t). In the function, A is a parameter for setting the maximum value of the assist force F, and is appropriately set in advance by the maximum output setting means. The maximum output setting means is a means for inputting a set value A which determines the size of the assisting force for assisting the leg muscle strength of the user and enabling change setting, and, for example, an external input device such as a dial or a ten key And setting means for setting the set value A in a mathematical expression indicating a target value of the assist force F in accordance with an input from the external input device. The maximum output setting means may set the setting value A manually by the user using the external input device as described above, or automatically set the setting value A based on the detection result of the sensor or the like. You may do so. Further, f (α, t) is a function of a setting value α which is preset by a peak position setting means described later and an elapsed time t from the start of the action of the assist force.

特に本実施形態の出力特性設定手段では、アシスト力Fの目標値が正弦関数として設定されており、アシスト力Fは、F=A*sin(πt/T+α*sin(πt/T))を満たすように設定されている。要するに、本実施形態の関数f(α,t)は正弦関数であって、f(α,t)=sin(πt/T+α*sin(πt/T))である。   Particularly, in the output characteristic setting means of the present embodiment, the target value of the assist force F is set as a sine function, and the assist force F satisfies F = A * sin (πt / T + α * sin (πt / T)) Is set as. In short, the function f (α, t) of the present embodiment is a sine function, and f (α, t) = sin (πt / T + α * sin (πt / T)).

ここにおいて、上記正弦関数のαは、アシスト力Fのピーク位置t3 を変更設定するためのパラメータであって、ピーク位置設定手段によって−1≦α≦1の範囲で任意に或いは選択的に設定可能とされている。この設定値αを調節することにより、アシスト力Fの作用期間Tにおけるアシスト力Fのピーク位置t3 が調節されるようになっている。なお、出力特性設定手段が備えるピーク位置設定手段は、設定値αを入力して変更設定可能とする手段であって、例えば、ダイヤルやテンキーなどの外部入力デバイスと、外部入力デバイスからの入力に応じてアシスト力Fの目標値を示す数式の設定値αを設定する設定手段とを有している。なお、ピーク位置設定手段は、上記のように外部入力デバイスによって使用者が設定値αを手動で設定するようにしても良いし、センサの検出結果などに基づいて設定値αを自動で設定するようにしても良い。 Here, the alpha of the sine function, a parameter for changing setting a peak position t 3 of the assist force F, arbitrarily or selectively set in the range of -1 ≦ α ≦ 1 by the peak position setting means It is made possible. By adjusting this setting alpha, peak position t 3 of the assist force F is adapted to be adjusted at the working period T of the assist force F. The peak position setting means provided in the output characteristic setting means is a means for inputting the set value α and making it possible to change and set, for example, an external input device such as a dial or a ten key and an input from the external input device. There is provided setting means for setting a set value α of a mathematical expression indicating a target value of the assist force F accordingly. The peak position setting means may set the setting value α manually by the user using the external input device as described above, or automatically set the setting value α based on the detection result of the sensor or the like. You may do so.

すなわち、図7のグラフに示すように、設定値αの数値を−1≦α≦1の範囲で変更すると、設定値αが0の場合には、アシスト力Fのピーク位置t3 がアシスト力Fの作用期間Tの中央に設定されて、ピークの前後で略対称の出力特性となる。また、設定値αが正の数値をとる場合には、ピーク位置t3 がアシスト力Fの作用期間Tの中央よりも前半に設定される一方、設定値αが負の数値をとる場合には、ピーク位置t3 がアシスト力Fの作用期間Tの中央よりも後半に設定される。なお、図7のグラフでは、αが−1から0.25ずつ1まで増加する場合に、アシスト力Fの作用開始からの経過時間tに対して、アシスト力Fがどのように変化するかを示しており、αが1に近づくに従って、ピーク位置がアシスト力の作用開始時点に近づいて、より短い経過時間tでアシスト力Fがピークに達するように出力特性が変わっていくことが分かる。 That is, as shown in the graph of FIG. 7, changing the range numerically the -1 ≦ α ≦ 1 setting alpha, when the set value alpha is 0, the assist force is the peak position t 3 of the assist force F It is set at the center of the action period T of F, and the output characteristic is substantially symmetrical before and after the peak. Further, when the setting value α takes a positive number, while the peak position t 3 is set in the first half than in the middle of the action period T of the assist force F, when the setting value α takes a negative number , the peak position t 3 is set in the second half than the center of the action period T of the assist force F. In the graph of FIG. 7, when α increases from −1 to 0.25 by 1, how the assist force F changes with respect to the elapsed time t from the start of the action of the assist force F It is shown that as the value of α approaches 1, the peak position approaches the time point of application of the assist force, and the output characteristic changes so that the assist force F reaches the peak at a shorter elapsed time t.

また、F=A*f(α,t)で定義されるアシスト力Fにおいて、関数f(α,t)がsin(πt/T+α*sin(πt/T))とされていることから、アシスト力Fの作用開始時点t1 と作用終了時点t2 においてアシスト力Fが何れも0である一方、アシスト力Fが作用開始時点t1 からピーク位置t3 まで徐々に大きくなっていると共に、ピーク位置t3 から作用終了時点t2 まで徐々に小さくなっている。 Also, in the assist force F defined by F = A * f (α, t), the function f (α, t) is sin (πt / T + α * sin (πt / T)) While the assist force F is 0 at both the action start time t 1 and the action end time t 2 of the force F, the assist force F gradually increases from the action start time t 1 to the peak position t 3 and gradually decreases from the position t 3 to end-of-work time t 2.

ここにおいて、このようにピーク位置t3 を変更可能とすることにより、アシスト力が使用者の歩容に与える影響を適宜に変更することができる。即ち、アシスト力のピーク位置t3 をアシスト力の作用期間Tの前半に設定する(α>0)と、アシスト力のピーク位置t3 を作用期間Tの中央に設定する場合(α=0)に比して、歩幅が大きくなると共に、単位時間当たりの歩数が少なくなって歩調が緩やかになる。一方、アシスト力のピーク位置t3 を作用期間Tの後半に設定する(α<0)と、アシスト力のピーク位置t3 を作用期間Tの中央に設定する場合(α=0)に比して、歩幅が小さくなると共に、単位時間当たりの歩数が多くなって歩調が早くなる。要するに、設定値αを正の値に設定して使用者にアシスト力を作用させると、一歩で移動する距離が大きいストライド歩法になり、設定値αを負の値に設定して使用者にアシスト力を作用させると、一歩に要する時間が短いピッチ歩法になる。なお、αの絶対値が大きくなるに従って、α=0の場合に対する歩幅および歩調の差が大きくなり、アシスト力による歩容への影響が大きくなる。 Here, by a changeable Thus the peak position t 3, and may be modified into the effect of assisting force is given to the gait of the user. That is, setting the peak position t 3 of the assist force in the first half of the duration of action T of the assist force (α> 0) and, when setting the peak position t 3 of the assist force to the center of action period T (alpha = 0) As the stride length increases, the number of steps per unit time decreases and the pace becomes slower. On the other hand, set in the second half of the duration of action T peak position t 3 of the assist force and (α <0), compared with the case of setting the peak position t 3 of the assist force to the center of action period T (alpha = 0) As the stride length decreases, the number of steps per unit time increases and the pace becomes faster. In short, if setting the set value α to a positive value and applying the assisting force to the user, the stride walking method in which the distance traveled in one step is large results in setting the set value α to a negative value for the user When the assist force is applied, the pitch stepping method takes a short time for one step. As the absolute value of α increases, the difference in stride and pace with respect to the case of α = 0 increases, and the influence of the assist force on the gait increases.

したがって、ピーク位置設定手段によって設定値αの数値を変更して、アシスト力の目標値のピーク位置(波形)を変更することにより、アシスト力を受けた使用者の歩容をある程度コントロールすることができて、例えば、αを正の値に設定すれば、脚を動かす回数を減らして心肺機能への負担を軽減することなどが可能となり得ると共に、αを負の値に設定すれば、股関節の角度変化を小さくして、脚筋力への負担を小さくすることなどが可能となり得る。また一方、αを正の値に設定すれば、股関節の角度変化が大きくなることから、脚筋力を効率的に鍛えることもできると共に、αを負の値に設定すれば、脚を動かす回数が増えることから、心肺機能を効率的に鍛えることも可能になる。   Therefore, by changing the numerical value of the set value α by the peak position setting means and changing the peak position (waveform) of the target value of the assist force, the gait of the user who received the assist force can be controlled to some extent If, for example, α is set to a positive value, it is possible to reduce the number of times the leg is moved to reduce the burden on cardiopulmonary function, etc. If α is set to a negative value, the hip joint It is possible to reduce the change in angle and to reduce the burden on the leg muscle strength. On the other hand, if α is set to a positive value, the angle change of the hip joint becomes large, so that the leg muscle strength can be efficiently trained, and if α is set to a negative value, the number of times to move the leg is With the increase, it will also be possible to train cardio function effectively.

加えて、f(α,t)=sin(πt/T+α*sin(πt/T))であることから、アシスト力Fの最大値は、最大出力設定手段による設定値Aの大きさに応じて定まるようになっている。これにより、アシスト力Fの最大値は、ピーク位置設定手段によって設定される設定値αとは独立したパラメータである設定値Aによって調節可能とされており、設定値Aを最大出力設定手段によって適宜に設定することで、必要な大きさのアシスト力Fを容易に設定できる。   In addition, since f (α, t) = sin (πt / T + α * sin (πt / T)), the maximum value of the assist force F depends on the magnitude of the set value A by the maximum output setting means. It is supposed to be decided. Thereby, the maximum value of the assist force F is adjustable by the set value A which is a parameter independent of the set value α set by the peak position setting means, and the set value A is appropriately adjusted by the maximum output setting means. By setting to, it is possible to easily set the assist force F of the required size.

以上により、本実施形態の歩行運動補助装置10では、最大出力設定手段によって設定される設定値Aと、ピーク位置設定手段によって設定される設定値αとの二つのパラメータを調節することにより、アシスト力の出力特性が簡単に調節設定可能とされており、目的とするアシスト力を簡単且つ高精度に得ることが可能とされている。   As described above, in the walking exercise assisting apparatus 10 according to the present embodiment, the assist is performed by adjusting two parameters of the setting value A set by the maximum output setting unit and the setting value α set by the peak position setting unit. The output characteristics of the force can be easily adjusted and set, and the target assist force can be obtained easily and accurately.

しかも、補助力伝達帯12を通じて脚へ及ぼされるアシスト力Fの大きさが、補助力伝達帯12に装備された荷重センサ24で直接に検出され、検出された実際のアシスト力の大きさが目標とするアシスト力の大きさとなるように、電動モータ17が荷重センサ24の検出値に基づいてフィードバック制御される。それ故、図4,6に例示される如き目的とするアシスト力の大きさが高精度に実現され得るのである。   Moreover, the magnitude of the assisting force F exerted on the leg through the assisting force transmission band 12 is directly detected by the load sensor 24 provided in the assisting force transmission band 12, and the magnitude of the detected actual assisting force is a target The electric motor 17 is feedback-controlled based on the detection value of the load sensor 24 so that the magnitude of the assist force to be obtained is obtained. Therefore, the magnitude of the target assist force as illustrated in FIGS. 4 and 6 can be realized with high accuracy.

また、上述の如き電動モータ17によって補助力伝達帯12が巻き取られて張力によるアシスト力が作用制御されている状況以外では、電動モータ17が作動せずに補助力伝達帯12が一定長さで放置されていると、補助力伝達帯12には、歩行に伴って弛みや過度の引張が発生してしまう。そこで、本実施形態では、アシスト力の非作用中、(III)弛み防止制御手段で電動モータ17を制御することにより、補助力伝達帯12に対して略一定の小さな引張力が弛み防止力として及ぼされた状態に保たれる。この弛み防止の制御に際しては、補助力伝達帯12の引張応力を直接に検出する荷重センサ24の検出値を参照して、かかる検出値が目的とする一定の引張力となるように電動モータ17がフィードバック制御される。   In addition, except for the situation where the assist force transmission band 12 is taken up by the electric motor 17 as described above and the assist force by tension is applied and controlled, the electric power motor 17 does not operate and the assist power transmission band 12 has a certain length. When left at rest, slack and excessive tension occur in the assist force transmission band 12 as the user walks. Therefore, in the present embodiment, while the assist force is not acting, (III) the electric motor 17 is controlled by the slack prevention control means so that a small tensile force substantially constant with respect to the assist force transmission band 12 is used as the slack prevention force. It is kept in the state of being exerted. At the time of control of this slack prevention, referring to the detection value of the load sensor 24 which directly detects the tensile stress of the auxiliary force transmission band 12, the electric motor 17 is controlled so that the detection value becomes a target constant tensile force. Are feedback controlled.

なお、このような弛み防止制御が実行されることで、図4に示されているように、アシスト力Fの作用期間Tを除く実質的に全期間に亘って、補助力伝達帯12には所定のバイアス力(小さな引張力)が作用せしめられる。そして、このようにして補助力伝達帯12の弛みが常時防止されることにより、例えば(I)アシストタイミング制御手段によりアシストが開始された時点で、(II)アシスト力制御手段に設定されたアシスト力Fを作用させるに際して、電動モータ17の作動に伴って補助力伝達帯12による引張力が直ちに立ち上がる。それ故、目的とするアシスト力が殆ど時間遅れなく、遊脚に作用せしめられることとなり、歩行に好適なパターンでアシスト力を精度良く遊脚に及ぼすことが可能になる。   In addition, by performing such slack prevention control, as shown in FIG. 4, the assist force transmission band 12 is provided over substantially the entire period except the application period T of the assist force F. A predetermined biasing force (small tensile force) is exerted. And by thus preventing slack of the assist force transmission band 12 at all times, for example, (I) at the time when assist is started by the assist timing control means, (II) assist set in the assist force control means When the force F is applied, the tensile force by the auxiliary force transmission band 12 immediately rises with the operation of the electric motor 17. Therefore, the target assist force can be applied to the free leg with almost no time delay, and the assist force can be accurately applied to the free leg in a pattern suitable for walking.

特に本態様では、アシスト力Fの作用中も(II)アシスト力制御手段により補助力伝達帯12の引張応力が荷重センサ24の検出値で直接にフィードバック制御されることから、アシスト力Fの作用開始時における速やかな立ち上がりに加えて、アシスト力Fの不足やオーバーシュート、更には発散などの制御不具合も効果的に防止され、目標値への高精度な追従性が併せて達成され得るのである。   In particular, in the present embodiment, even during the application of the assist force F, (II) the tensile force of the assist force transmission band 12 is directly feedback controlled by the detected value of the load sensor 24 by the assist force control means. In addition to the quick start-up at the start, control problems such as insufficient assist force F, overshoot, and divergence are also effectively prevented, and high-accuracy followability to the target value can be achieved together. .

因みに、本実施形態の歩行運動補助装置10による上述の如き歩行アシスト制御の全体の流れを、一つの制御態様を示す図8のフロー図に従って説明する。   Incidentally, the entire flow of the walking assist control as described above by the walking motion assisting apparatus 10 of the present embodiment will be described according to a flow chart of FIG. 8 showing one control mode.

先ず、ステップS1で制御が開始されると、ステップS2の初期化工程において関節角度センサ26や荷重センサ24について原点出しなどのセンサ校正を行ってから、ステップS3で弛み防止用として補助力伝達帯12にバイアス力を及ぼす制御に際して目標値とされる荷重センサ24のバイアス力を設定する。   First, when control is started in step S1, sensor calibration such as origination is performed for the joint angle sensor 26 and the load sensor 24 in the initialization step of step S2, and then an auxiliary force transmission band for slack prevention in step S3. The bias force of the load sensor 24, which is set as a target value, is set when performing control to apply a bias force to T.12.

次に、ステップS4で歩行時の筋力を補助するアシスト力の目標値のパターン(図4,6に示される如きアシスト力の大きさの経時的な変化プロファイル)を設定する。即ち、ステップS4では、最大出力設定手段によってアシスト力の最大値に関する設定値Aを設定すると共に、ピーク位置設定手段によってアシスト力のピーク位置に関する設定値αを設定することにより、アシスト力の大きさの経時的な変化プロファイルを設定する。なお、設定値Aおよびαは、それぞれ手動入力乃至はセンサの検出値などに基づいた自動入力によって設定されて、本実施形態では何れも連続的に乃至は段階的に数値を変更可能とされる。更に、設定値Aと設定値αは、各別に設定可能とされていても良いし、設定値Aと設定値αの組み合わせの複数種類を、目的とする運動の種類に応じてプリセットしておいて、それらプリセットされた設定値Aとαの組み合わせから選択して設定するようにしても良い。   Next, in step S4, a pattern of a target value of assist force for assisting muscle power during walking (a profile of temporal change in magnitude of assist force as shown in FIGS. 4 and 6) is set. That is, in step S4, the magnitude of the assist force is set by setting the set value A for the maximum value of the assist force by the maximum output setting means and setting the set value α for the peak position of the assist force by the peak position setting means. Set the change profile over time. The set values A and α are set by manual input or automatic input based on the detection value of the sensor, etc., and in the present embodiment, it is possible to change numerical values either continuously or stepwise. . Furthermore, the set value A and the set value α may be separately settable, and a plurality of combinations of the set value A and the set value α may be preset according to the type of exercise to be performed. Alternatively, the setting may be selected from the combination of the preset setting values A and α.

その後、ステップS5以下において、電動モータ17の駆動制御を実行してアシスト作動を開始する。なお、以下の電動モータ17の制御は、対象となる左右の脚の一方毎に交互に実施されても良いし、左右の脚の各別に独立した制御系を備えていても良い。   Thereafter, in step S5 and subsequent steps, drive control of the electric motor 17 is executed to start the assist operation. The following control of the electric motor 17 may be performed alternately for each of the target left and right legs, or may be provided with an independent control system for each of the left and right legs.

すなわち、ステップS5において、左右の関節角度センサ26,26から左右脚における股関節角度の検出値を取得すると共に、左右の荷重センサ24,24から左右の補助力伝達帯12,12の引張力の検出値を取得し、角度信号やアシスト力信号として制御装置22のRAMに記憶する等の信号処理を行う。続くステップS6において、ステップS5で得られた左右の関節角度センサ26,26の検出結果に基づいて左右脚の周期的な股関節角度の変化を検出して、装用者の現状態を把握する。   That is, in step S5, while detecting the detected values of the hip joint angle in the left and right legs from the left and right joint angle sensors 26, 26, the detection of the tensile force of the left and right auxiliary force transmission bands 12, 12 from the left and right load sensors 24, 24. A value is acquired, and signal processing such as storing in the RAM of the control device 22 as an angle signal or an assist force signal is performed. In the following step S6, based on the detection results of the left and right joint angle sensors 26, 26 obtained in step S5, a change in the hip joint angle of the left and right legs is detected to grasp the present condition of the wearer.

そして、ステップS7において、装用者の現状態が歩行状態か否かを判定し、歩行状態でないと判断されると、ステップS8において、前記ステップS3で設定されたバイアス力を制御目標値に設定した後、ステップS9が実行され、かかる制御目標値が補助力伝達帯12の引張力となるように、荷重センサ24の検出値を参照信号として、電動モータ17が作動制御されることで、補助力伝達帯12において一定の弛み防止力(バイアス力)が及ぼされる。   Then, in step S7, it is determined whether or not the present state of the wearer is in the walking state, and if it is determined that it is not in the walking state, the bias force set in step S3 is set as the control target value in step S8. After that, step S9 is executed, and the electric motor 17 is operated and controlled using the detection value of the load sensor 24 as a reference signal so that the control target value becomes the tensile force of the auxiliary force transmission band 12 A constant anti-slack force (biasing force) is exerted on the transmission band 12.

また、ステップS10において、電源からの給電を遮断するスイッチ等からの入力によってアシスト制御作動が終了したと判定されるまでの間、上記ステップS5〜S9の制御が、所定間隔で繰り返して実行されることにより、歩行が開始されるまでの間は、上記一定の弛み防止力が及ぼされた状態に保たれることとなる。   Further, until it is determined in step S10 that the assist control operation has ended by the input from a switch or the like that cuts off the power supply from the power supply, the control of steps S5 to S9 is repeatedly executed at predetermined intervals. By this, the above-mentioned constant anti-slack force is kept applied until walking is started.

一方、ステップS7において、装用者の現状態が歩行状態であると判定されると、ステップS11に進み、関節角度センサ26で検出される股関節の角度の検出値に基づいてアシスト力の作用期間T(図5,6参照)であるか否かが判定される。そして、アシスト力の作用期間Tで無いと判定されると、ステップS12において、関節角度センサ26で検出される股関節の角度に基づいてアシスト開始時点t1 に達したか否かが判定される。 On the other hand, when it is determined in step S7 that the current state of the wearer is in the walking state, the process proceeds to step S11, and the acting period T of the assist force based on the detected value of the hip joint angle detected by the joint angle sensor 26. It is determined whether or not it is (see FIGS. 5 and 6). If it is determined that not the action period T of the assist force, at step S12, whether or not reached assist start time t 1 based on the angle of the hip joint, which is detected by the joint angle sensor 26 is determined.

股関節の角度検出値に基づいて、未だアシスト開始点t1 に達していないと判定された場合には、ステップS8に進み、上述の弛み防止力(バイアス力)を生ぜしめるための制御ループに戻る。 Based on the detected angle value of the hip joint, if it is determined not yet reached the assist start point t 1, the process proceeds to step S8, the flow returns to the control loop for causing a slack limiting force described above (bias force) .

これに対して、前記ステップS11において、アシスト力の作用期間T(図5,6参照)でアシスト力の作用中であると判定されると、ステップS13に進み、アシスト力の作用期間Tの終了前か否かが判定される。なお、アシスト力の作用期間Tの終了は、前記ステップS4で入力される、例えばアシスト開始時点t1 からアシスト終了時点t2 までの時間データや、アシスト終了と判定される股関節角度の値などによって判定することができる。 On the other hand, if it is determined in step S11 that the assist force is being applied during the application period T of the assist force (see FIGS. 5 and 6), the process proceeds to step S13 and the end of the application period T of assist force is completed. It is determined whether it is before or not. Incidentally, the end of the working period T of the assist force, the input in step S4, for example, time data and from the assist start time t 1 to assist the end t 2, such as by the value of the hip joint angle that is determined to assist completion It can be determined.

そして、ステップS13において、アシスト期間Tの終了前と判定された場合、および前記ステップS12においてアシスト期間Tが開始されたと判定された場合には、ステップS14に進んでアシスト力の発生制御が行われる。それには、先ず、ステップS14において、前記ステップS4で入力されたアシスト力のパターンを利用して、現時点におけるアシスト力を求めて決定し、目標値に設定する。その後、ステップS9に進み、かかる制御目標値が補助力伝達帯12の引張力となるように、荷重センサ24の検出値を参照信号として、電動モータ17が作動制御されることで、補助力伝達帯12においてアシスト力が及ぼされる。   Then, if it is determined in step S13 that the assist period T has not ended, or if it is determined in step S12 that the assist period T has been started, the process proceeds to step S14 and assist force generation control is performed. . For this purpose, first, in step S14, the assist force at the current time point is determined and determined using the pattern of the assist force input in step S4, and set as a target value. Thereafter, the process proceeds to step S9, and the electric motor 17 is operated and controlled using the detection value of the load sensor 24 as a reference signal such that the control target value becomes the tensile force of the auxiliary force transmission band 12. An assist force is exerted on the band 12.

そして、ステップS10でアシスト制御作動が終了したと判定されるまでの間、上記ステップS11〜S14を含む制御が、所定間隔で繰り返して実行されることにより、アシスト期間Tの間、予め設定されたアシスト力のパターンでアシスト力の制御が実行されることとなる。なお、ステップS13において、アシスト期間Tが終了したと判定された場合には、ステップS12において未だアシスト開始点に達していないと判定された場合と同様に、ステップS8に進み、上述の弛み防止力(バイアス力)を生ぜしめるための制御ループに戻る。   Then, the control including the steps S11 to S14 is repeatedly performed at predetermined intervals until it is determined in step S10 that the assist control operation has ended, so that the control is preset for the assist period T. The control of the assist force is executed by the pattern of the assist force. If it is determined in step S13 that the assist period T has ended, as in the case where it is determined in step S12 that the assist start point has not yet been reached, the process proceeds to step S8 and the above-mentioned slack prevention force Return to the control loop to generate (bias force).

上述の如き、電動モータ17のフィードバック制御によるバイアス力およびアシスト力の制御作動は、ステップS10でアシスト制御作動が終了したと判定されて、ステップS15に至って終了するまで継続される。   As described above, the control operation of the bias force and the assist force by the feedback control of the electric motor 17 is determined in step S10 that the assist control operation is completed, and is continued until it is reached in step S15.

上述の如き本実施形態の歩行運動補助装置10を装用すれば、股関節を屈曲する際に必要とされる力の一部が、電動モータ17の発生力に基づいて補助力伝達帯12,12の引張力として使用者の脚に及ぼされるアシスト力によって補われることとなる。それ故、例えば、歩行時に股関節を屈曲して後足を前方に運ぶ動作をする際に、小さな筋力で目的とする動作を行うことが可能となり、加齢や傷病によって使用者が動作を行うための充分な筋力を備えていない場合にも、目的とする歩行動作をスムーズに行うことができて、使用者の活動が制限されるのを防ぐことが可能となる。   When the walking motion assisting apparatus 10 according to the present embodiment as described above is worn, part of the force required for bending the hip joint is based on the generated force of the electric motor 17 of the assisting force transmission bands 12 and 12. It will be compensated by the assist force exerted on the user's leg as a tensile force. Therefore, for example, when performing a motion to bend the hip joint and carry the rear foot forward while walking, it is possible to perform the desired operation with a small muscle force, and the user performs the operation by aging or injury or illness. Even when the user does not have sufficient muscle strength, it is possible to smoothly perform the intended walking motion and to prevent the user's activity from being restricted.

また、電動モータ17の発生駆動力をアシスト力として使用者の脚部に伝達する経路上に設けられた補助力伝達帯12が可撓性とされており、より好適には力の伝達方向で弾性変形可能とされている。これにより、電動モータ17の発生駆動力は、補助力伝達帯12の可撓変形や弾性によって緩和されてから、使用者の脚部に及ぼされる。それ故、電動モータ17の発生駆動力が剛性の骨格構造からなる伝達系でダイレクトに伝達される場合に比して、使用者の関節等への負荷が軽減されて、筋を痛める等といった問題が生じるのを防ぐことができる。   Further, the auxiliary force transmission band 12 provided on the path for transmitting the generated driving force of the electric motor 17 to the legs of the user as the assist force is made flexible, and more preferably in the force transmission direction. It is made elastically deformable. Thereby, the generated driving force of the electric motor 17 is relieved by the flexible deformation and elasticity of the auxiliary force transmission band 12 and then exerted on the leg of the user. Therefore, compared with the case where the generated driving force of the electric motor 17 is directly transmitted by the transmission system having a rigid skeletal structure, the load on the joints of the user is reduced and the muscle is afflicted. Can be prevented.

さらに、出力特性設定手段によって、電動モータ17によって出力されるアシスト力の目標値が、アシスト開始時点からの経過時間に応じて変化する山形プロファイルをなすように制御されており、歩行運動の段階に対応するアシスト力を適切に及ぼすことができる。特に、歩行運動の周期に応じてアシスト力の作用開始時点と作用終了時点が設定されていることにより、歩行運動に即したアシスト力を及ぼすことが可能とされている。   Furthermore, the target value of the assist force output by the electric motor 17 is controlled by the output characteristic setting means so as to form a chevron profile that changes in accordance with the elapsed time from the assist start time. The corresponding assist power can be applied appropriately. In particular, by setting the action start time point and the action end time point of the assist force in accordance with the cycle of the walking motion, it is possible to apply the assisting force in accordance with the walking motion.

しかも、本実施形態では、使用者の脚部に実際に作用する荷重が荷重センサ24によって直接的に計測されており、かかる計測値に基づいて実際のアシスト力とアシスト力の目標値との差が低減されるように、電動モータ17の出力がフィードバック制御されることから、より目標値に近い高精度なアシスト力を使用者に及ぼすことができる。   Moreover, in the present embodiment, the load actually acting on the leg portion of the user is directly measured by the load sensor 24, and the difference between the actual assist force and the target value of the assist force is based on the measured value. Since the output of the electric motor 17 is feedback-controlled so that the value of V is reduced, it is possible to apply a highly accurate assist force closer to the target value to the user.

また、出力特性設定手段の最大出力設定手段によって、電動モータ17が出力するアシスト力の目標最大値が、適宜に変更設定可能とされている。それ故、使用者の筋力や目的とする運動に応じて、適切な大きさのアシスト力を作用させることができて、使用者の歩行を有効に補助することができる。特に本実施形態では、アシスト力Fの目標値がF=A*sin(πt/T+α*sin(πt/T))とされることから、アシスト力の目標最大値が最大出力特定手段によって設定される設定値Aに応じて定まるようになっており、アシスト力を容易に調節可能とされている。   Further, the target maximum value of the assist force output by the electric motor 17 can be appropriately changed and set by the maximum output setting means of the output characteristic setting means. Therefore, depending on the user's muscular strength and the desired exercise, an assisting force of an appropriate size can be applied to effectively assist the user's walking. In the present embodiment, in particular, the target value of the assist force F is set to F = A * sin (πt / T + α * sin (πt / T)), so the target maximum value of the assist force is set by the maximum output specifying means. It is determined in accordance with the set value A, and the assist force can be easily adjusted.

さらに、本実施形態では、関数f(α,t)=sin(πt/T+α*sin(πt/T))が正弦関数とされていることから、初期位置でのアシスト力Fの目標値が0であると共に、ピーク位置に向かってアシスト力Fが徐々に増大するように制御される。従って、アシスト力の急激な立ち上がりが回避されて、電動モータ17やアシスト力の伝達系に過大な負荷が作用するのを防ぐことで耐久性の向上が図られると共に、アシスト力に対する使用者の違和感も低減される。同様に、アシスト終了時点においても、アシスト力Fの目標値が0となっていると共に、ピーク位置からアシスト終了時点に向かってアシスト力が漸減するように制御されることから、耐久性の向上と違和感の低減が図られる。   Furthermore, in the present embodiment, since the function f (α, t) = sin (πt / T + α * sin (πt / T)) is a sine function, the target value of the assist force F at the initial position is 0 And the assist force F is controlled to gradually increase toward the peak position. Therefore, the rapid rise of the assist force is avoided, and the durability is improved by preventing an excessive load from acting on the electric motor 17 and the transmission system of the assist force, and the user's sense of discomfort with respect to the assist force Is also reduced. Similarly, at the end of the assist, the target value of the assist force F is 0, and the assist force is controlled so as to gradually decrease from the peak position toward the end of the assist. Uncomfortable feeling can be reduced.

また、出力特性設定手段のピーク位置設定手段によって、電動モータ17によって出力されるアシスト力のピーク位置が、アシスト力の作用期間T内において適宜に変更設定可能とされている。それ故、アシスト力が使用者の歩行運動に及ぼす影響を、アシスト力のピーク位置の変更設定によってある程度コントロールすることができて、心肺機能又は脚筋力の負荷の低減や、負荷の増大による心肺機能又は脚筋力の効率的なトレーニングなどを、適宜に選択して実現することができる。なお、アシスト力のピーク位置の違いに基づく歩行運動への影響を、目的とする運動に応じて選択するだけでなく、使用者の好みに合わせて選択しても良いことは、言うまでもない。   Further, the peak position of the assist force output by the electric motor 17 can be appropriately changed and set within the application period T of the assist force by the peak position setting means of the output characteristic setting means. Therefore, the influence of the assisting force on the walking motion of the user can be controlled to some extent by changing the peak position of the assisting force, and the cardiopulmonary function by reducing the load of cardiopulmonary function or leg muscle power or increasing the load. Alternatively, efficient training of leg muscle strength can be appropriately selected and realized. It is needless to say that the influence on the walking movement based on the difference in the peak position of the assist force may be selected not only according to the target exercise but also according to the preference of the user.

なお、このようなピーク位置設定手段による設定値αの違いに基づいた歩容の変化は、図9に示すように、実験によっても確認された。図9は、本実施形態に係る歩行運動補助装置10の効果を確認するために、3人の被験者(使用者)に対して歩行実験を行った結果である。以下に実験の内容とその結果について説明する。   In addition, the change of the gait based on the difference of setting value (alpha) by such a peak position setting means was confirmed by experiment, as shown in FIG. FIG. 9 shows the results of a walking experiment performed on three test subjects (users) in order to confirm the effect of the walking motion assisting apparatus 10 according to the present embodiment. The contents of the experiment and the results are described below.

先ず、被験者が歩行運動補助装置10に慣れると共に、被験者にとって快適な歩行速度などを確認するために、歩行実験前に10分程度の練習歩行を行った。その際に、ピーク位置設定手段によって設定値αを変更し、α>0の場合とα<0の場合とにおいて、アシスト力が最も有効に作用していると被験者が感じる条件を確認した。その結果、α>0の場合としてα=1を、α<0の場合としてα=−0.5を、それぞれアシスト力が有効であったことから採用し、それらにα=0の場合を加えた3種類の設定値αについて、歩行実験を行った。また、アシスト力を0にした場合についても同様の歩行実験を行い、歩行運動補助装置10のアシスト力の有効性を確認した。   First, while the subject got used to the walking exercise assisting apparatus 10, in order to confirm a walking speed and the like comfortable for the subject, a training walk of about 10 minutes was performed before the walking experiment. At that time, the setting value α was changed by the peak position setting means, and the condition that the subject felt that the assist force most effectively acted was confirmed in the cases of α> 0 and α <0. As a result, we adopt α = 1 for α> 0 and α = −0.5 for α <0, because the assist power is effective, and add the case of α = 0 to them. A walking experiment was conducted for the three set values α. Moreover, the same walking experiment was performed also when the assist force was set to 0, and the effectiveness of the assist force of the walking movement assistance apparatus 10 was confirmed.

歩行実験では、アシスト力なしの場合、アシスト力ありで且つα=0の場合、アシスト力ありで且つα=1の場合、アシスト力ありで且つα=−0.5の場合について、それぞれ一片20mの正方形状の歩行コースを被験者が5周し、その歩行時の歩幅や単位時間当たりの歩数(歩調)を計測した。なお、最大出力設定手段による設定値Aの調節で変更可能な歩行速度は、事前の歩行練習において被験者が快適であるとした速度を採用した。また、実験結果の精度向上などを目的として、上記の歩行実験を条件ごとに二回ずつ行った。   In the walking experiment, with no assist power, with assist power and with α = 0, with assist power and with α = 1, with assist power and with α = −0.5, each 20 m The subject made five rounds of the square-shaped walking course, and measured the stride at the time of walking and the number of steps (steps) per unit time. In addition, the walking speed which can be changed by adjustment of the setting value A by the maximum output setting means adopted the speed that the subject was comfortable in the previous walking practice. Also, for the purpose of improving the accuracy of the experimental results, the above-mentioned walking experiment was performed twice for each condition.

そして、上記の歩行実験における歩幅および単位時間当たりの歩数(歩調)の計測結果の平均値が、図9にグラフとして示されている。これによれば、アシスト力が作用していない場合に比して、アシスト力が作用している場合には、歩幅が大きくなっていると共に、単位時間当たりの歩数も増えている。これらの結果から、本実施形態に係る歩行運動補助装置10を使用してアシスト力を作用させることにより、歩行速度が増して移動がスムーズになると共に、より活動的な歩容で歩行可能となることが確認されている。   And the average value of the measurement result of the stride and the number of steps (step) per unit time in the above-mentioned walking experiment is shown as a graph in FIG. According to this, as compared with the case where the assisting force is not applied, when the assisting force is applied, the stride length is increased and the number of steps per unit time is also increased. From these results, by applying the assist force using the walking motion assisting apparatus 10 according to the present embodiment, the walking speed is increased, the movement becomes smooth, and the walking can be performed with a more active gait. That has been confirmed.

さらに、図9によれば、歩行運動補助装置10の使用状態において、ピーク位置設定手段による設定値αの変更に応じて、被験者の歩容が変化することも分かる。即ち、α=1の場合には、α=0の場合に比して、歩幅が大きくなると共に、単位時間当たりの歩数が少なくなって歩調が緩やかになっている。一方、α=−0.5の場合には、α=0の場合に比して、歩幅が小さくなっていると共に、単位時間当たりの歩数が多くなって歩調が早くなっている。このように、α>0の場合にストライド歩法になると共に、α<0の場合にピッチ歩法になることが、実験によっても確認できた。   Furthermore, according to FIG. 9, it can also be understood that the gait of the subject changes in accordance with the change of the set value α by the peak position setting means in the use state of the walking motion assisting device 10. That is, in the case of α = 1, as compared with the case of α = 0, the stride length is increased, and the number of steps per unit time is decreased, and the pace is gradual. On the other hand, in the case of α = −0.5, the stride is smaller than in the case of α = 0, and the number of steps per unit time is increased to make the pace faster. Thus, it was confirmed by experiments that the stride walking method is used when α> 0 and the pitch walking method is used when α <0.

以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、本発明はその具体的な記載によって限定されない。例えば、第1の装着部は、膝関節よりも上方の大腿部に装着することも可能であり、それによって装置のコンパクト化が実現可能となる。尤も、本発明の関節運動補助装置は、股関節まわりの運動補助に限定されるものでなく、例えば肘や肩などの関節まわりの運動補助にも適用可能である。具体的には、例えば使用者が腕立て伏せや肩まわしなどの周期的な関節の屈曲を伴うリハビリ運動を行う場合に、歩行と同様にアシスト力を及ぼして運動補助を行うことができる。   Although the embodiments of the present invention have been described above in detail, the present invention is not limited by the specific description. For example, the first attachment portion can also be attached to the thigh above the knee joint, which makes it possible to make the device compact. However, the joint movement assisting device of the present invention is not limited to the movement assistance around a hip joint, and is also applicable to the movement assistance around joints such as elbows and shoulders, for example. Specifically, for example, when the user performs a rehabilitation exercise accompanied by periodic joint flexion such as push-up or shoulder-spindle-like exercise, exercise assistance can be performed by applying an assist force like walking.

また、制御装置や電源装置等の装着位置は限定されるものでなく、例えば通電用リード線によって接続された独立構造として使用者の衣服のポケットに収容したり、使用者の肩にかけたり等して装着することも可能である。ウォーキングマシンを使用するなどして場所を移動しない運動に対してアシスト力を及ぼす場合には、設置バッテリや家庭用電源のコンセントなどから給電することも可能である。   Further, the mounting positions of the control device and the power supply device are not limited. For example, they are housed in the pocket of the user's clothes as an independent structure connected by the lead wire for energization, or put on the shoulder of the user It is also possible to wear it. In the case where an assisting force is applied to an exercise that does not move the place by using a walking machine, it is also possible to supply power from an installation battery or a household power outlet.

更にまた、補助力伝達部は、必ずしも全体が可撓性(柔軟性)を有するものに限定されず、部分的であれば金属や合成樹脂等で形成された硬質な部分があっても良い。更に、補助力伝達部に弾性を及ぼすに際しても、補助力伝達部の全体が力の伝達方向で弾性変形可能とされていても良いし、補助力伝達部が力の伝達方向での弾性変形を部分的に許容されていても良い。   Furthermore, the auxiliary power transmission unit is not necessarily limited to one that is entirely flexible (flexible), and may have a hard portion formed of a metal, a synthetic resin, or the like if it is partial. Furthermore, even when the assisting force transmitting portion is resilient, the entire assisting force transmitting portion may be elastically deformable in the force transmitting direction, or the assisting force transmitting portion may be elastically deformed in the force transmitting direction. It may be partially acceptable.

さらに、補助力伝達部は、前記実施形態に示すような一つのベルト状とされた補助力伝達帯12に限定されるものではなく、例えば、前述の特許文献2に示されているように、第1の牽引帯と第2の牽引帯とを連結金具で相互に繋いだ構造なども採用され得る。   Furthermore, the auxiliary power transmission unit is not limited to the one belt-shaped auxiliary power transmission band 12 as shown in the above embodiment, and for example, as shown in the above-mentioned Patent Document 2, A structure in which the first traction band and the second traction band are connected to each other by a connection fitting may be employed.

また、関節角度センサの取付位置は、対象となる関節の屈曲角度を測定し得る位置であれば、特に限定されない。即ち、前記実施形態のように、大腿部の後ろ側に関節角度センサを装着する必要はなく、例えば図10(a)〜(c)に示されているように、ジャイロセンサ等の関節角度センサ26,26を、使用者の大腿部の前面側の下端付近などの任意の位置に装着しても良い。また、図10(a)〜(c)に示されているように、関節角度センサ26を、前記実施形態の如き特別な固定バンド28を採用することなく、例えば第1の装着部14などに取り付けることも可能である。尤も、補助力伝達帯12に関節角度センサ26を装着する場合には、大腿部の傾斜角度と高精度には一致しないことから、第1の装着部14との固定端のように大腿部と略等しく傾斜せしめられる部位へ装着することで股関節の屈曲角度の測定誤差を軽減することが望ましい。   Further, the mounting position of the joint angle sensor is not particularly limited as long as it can measure the bending angle of the target joint. That is, it is not necessary to mount the joint angle sensor on the rear side of the thigh as in the above embodiment, and for example, as shown in FIGS. 10 (a) to 10 (c), joint angles of a gyro sensor etc. The sensors 26, 26 may be mounted at any position, such as near the lower end on the front side of the user's thigh. Further, as shown in FIGS. 10 (a) to 10 (c), the joint angle sensor 26 may be used, for example, in the first mounting portion 14 or the like without adopting the special fixing band 28 as in the above embodiment. It is also possible to attach. However, when the joint angle sensor 26 is attached to the assisting force transmission band 12, since the inclination angle of the thigh and the high accuracy do not match, the thigh like the fixed end with the first mounting portion 14 It is desirable to reduce the measurement error of the flexion angle of the hip joint by mounting it on a portion that is inclined substantially equal to the portion.

また、前記実施形態に示したアシスト力Fの目標値の数式は、あくまでも例示であって特に限定されるものではなく、f(α,t)も正弦関数に必ずしも限定されない。更に、前記実施形態では、アシスト力の目標値が、アシスト作用期間Tにおいて一つのピークだけが現れる山形のプロファイルをもって設定されているが、二つ以上のピークを有する山形プロファイルでアシスト力の目標値を設定しても良く、目標値の変化プロファイルは目的とする関節運動の違いなどに応じて適宜に設定され得る。   Further, the formula of the target value of the assist force F shown in the above embodiment is merely an example and is not particularly limited, and f (α, t) is not necessarily limited to a sine function. Furthermore, in the above embodiment, although the target value of assist force is set with a chevron profile in which only one peak appears in the assist action period T, the target value of assist force is a chevron profile having two or more peaks. The change profile of the target value may be set appropriately in accordance with the difference in the target joint motion or the like.

また、前記実施形態では、人体に及ぼされる外力であるアシスト力を荷重センサ24で直接に検出していたが、駆動手段によって及ぼされるアシスト力は駆動手段の出力に対応していることから、例えば、電動モータ17の消費電力を検出するなどして、駆動手段の出力をアシスト力として検出したり、電動モータ17の供給電圧を制御するなどして、駆動手段の出力を所定の目標値となるようにアシスト力として制御することも可能である。   Further, in the embodiment, the assist force which is an external force exerted on the human body is directly detected by the load sensor 24, but the assist force exerted by the drive means corresponds to the output of the drive means. The output of the drive means becomes a predetermined target value by detecting the power consumption of the electric motor 17 or the like and detecting the output of the drive means as the assist force or controlling the supply voltage of the electric motor 17 It is also possible to control as an assist force.

10:歩行運動補助装置(関節運動補助装置)、12:補助力伝達帯(補助力伝達部)、14:第1の装着部、16:第2の装着部、17:電動モータ(駆動手段)、22:制御装置、24:荷重センサ、26:関節角度センサ 10: walking motion assistance device (articulation assistance device), 12: assist force transmission band (assist force transfer portion), 14: first mounting portion, 16: second mounting portion, 17: electric motor (driving means) , 22: controller, 24: load sensor, 26: joint angle sensor

Claims (7)

柔軟性を有する補助力伝達部と、該補助力伝達部の一方の端部に設けられて使用者の関節を挟んだ一方の部位に装着される第1の装着部と、該補助力伝達部の他方の端部に設けられて該使用者の該関節を挟んだ他方の部位に装着される第2の装着部と、該補助力伝達部に対して引張方向のアシスト力を及ぼす駆動手段と、該使用者の該関節の屈曲角度を検出する関節角度センサと、該関節角度センサの検出値に基づいて該駆動手段の作動タイミングを決定するアシストタイミング制御手段とを、有する関節運動補助装置において、
前記駆動手段による前記アシスト力の目標値を設定する出力特性設定手段が設けられて、該出力特性設定手段によって設定される該アシスト力の目標値が周期運動の周期内において該駆動手段の作動時間の経過に応じて変化する山形のプロファイルをもって設定されると共に、
該出力特性設定手段は該アシスト力の目標値が最大になるピーク位置を、1歩を単位とする歩行周期における周期運動の周期内において経過時間の前後方向で変更して設定することのできるピーク位置設定手段を備えていることを特徴とする関節運動補助装置。
A flexible auxiliary power transmission unit, a first mounting unit provided at one end of the auxiliary power transmission unit and mounted on one of the parts sandwiching a user's joint, and the auxiliary power transmission unit A second mounting portion provided at the other end of the housing and mounted on the other part of the user sandwiching the joint, and driving means for applying an assisting force in the tension direction to the auxiliary force transmitting portion; An articulation support system comprising: a joint angle sensor for detecting a bending angle of the joint of the user; and assist timing control means for determining an operation timing of the drive means based on a detection value of the joint angle sensor. ,
Output characteristic setting means for setting a target value of the assist force by the drive means is provided, and the target value of the assist force set by the output characteristic setting means is an operating time of the drive means within a cycle of periodic motion Set with a chevron-shaped profile that changes with the passage of
The output characteristic setting means capable of target value of the assist force is set by changing the peak position of maximum, in the front-rear direction of the elapsed time in round single cycle of movement in the walking cycle for one step of the unit An articulation support apparatus comprising peak position setting means.
前記アシストタイミング制御手段が、前記使用者の関節運動の周期を、前記関節角度センサによる該使用者の前記関節の屈曲角度の検出値が最大となる時間の間隔に基づいて測定すると共に、
該アシストタイミング制御手段が前記駆動手段の作動時間を該関節運動の周期に基づいて設定する請求項1に記載の関節運動補助装置。
The assist timing control means measures a cycle of joint movement of the user based on an interval of time in which a detected value of a bending angle of the joint by the joint angle sensor is maximum.
The joint movement assisting apparatus according to claim 1, wherein the assist timing control means sets an operation time of the drive means based on a cycle of the joint movement.
前記出力特性設定手段は、前記ピーク位置における前記アシスト力の目標値の最大値を設定する最大出力設定手段を備えている請求項1又は2に記載の関節運動補助装置。 The joint motion assisting device according to claim 1 or 2, wherein the output characteristic setting means includes maximum output setting means for setting a maximum value of the target value of the assist force at the peak position. 前記アシスト力の目標値が前記出力特性設定手段によって該駆動手段の作動時間の経過に伴って次第に変化せしめられるようにした請求項1〜3の何れか1項に記載の関節運動補助装置。 The joint motion assisting device according to any one of claims 1 to 3, wherein the target value of the assist force is gradually changed by the output characteristic setting means as the actuation time of the drive means elapses. 前記駆動手段の作動開始から時間tが経過した時点における前記アシスト力Fの目標値と、該アシスト力の目標値の最大値を設定する最大出力設定手段によって設定される設定値Aと、前記ピーク位置設定手段によって設定される設定値αと経過時間tとの関数f(α,t)とが、F=A・f(α,t)を満たす請求項1〜4の何れか1項に記載の関節運動補助装置。   The target value of the assist force F when time t has elapsed from the start of actuation of the drive means, the set value A set by the maximum output setting means for setting the maximum value of the target value of the assist force, and the peak The function f (α, t) of the setting value α set by the position setting means and the elapsed time t satisfies F = A · f (α, t) according to any one of claims 1 to 4. Joint movement device. 前記関数f(α,t)が正弦関数とされている請求項5に記載の関節運動補助装置。   The articulation support system according to claim 5, wherein the function f (α, t) is a sine function. 前記補助力伝達部に作用する引張方向の荷重を検出する荷重センサが設けられており、該荷重センサの検出値に基づいて、該補助力伝達部に作用する荷重が前記アシスト力の目標値となるように前記駆動手段の作動がフィードバック制御されるようになっている請求項1〜6の何れか1項に記載の関節運動補助装置。   A load sensor is provided for detecting a load in the tensile direction acting on the auxiliary force transmitting portion, and a load acting on the auxiliary force transmitting portion is a target value of the assist force based on a detected value of the load sensor. The articulation assistance device according to any one of claims 1 to 6, wherein the operation of the drive means is feedback controlled.
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