步行动作辅助装置制造方法及图纸

本发明专利技术的步行动作辅助装置构成为，用棒状刚体的摆动动作来近似使用者的包含大腿及小腿的腿部的绕髋关节的动作，通过将从大腿姿势检测单元输入的角度关联信号用作观测值的状态推定器来推定基于摆动动作的运动方程式而算出的大腿的髋关节角度及髋关节角速度，使用推定髋关节角度及推定髋关节角速度来算出大腿相位角，输出基于大腿相位角而算出的辅助转矩值。

Auxiliary device for walking

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】步行动作辅助装置
本专利技术涉及步行动作辅助装置。
技术介绍
作为腿不便利的人或由于中风等而有麻痹的人的步行辅助用或康复用的器具，提出了对腿的动作进行辅助的设置有电动马达等致动器的步行动作辅助装置(参照下述专利文献1～3)。详细而言，所述专利文献1～3所记载的以往的步行动作辅助装置具备：大腿侧支具，所述大腿侧支具穿戴于使用者的大腿；小腿侧支具，所述小腿侧支具穿戴于使用者的小腿且以能够绕使用者的膝关节转动的方式与所述大腿侧支具连结；致动器，所述致动器安装于所述大腿侧支具并能够对所述小腿侧支具施加绕膝关节的辅助力；小腿角度传感器，所述小腿角度传感器检测小腿相对于大腿的绕膝关节的转动角度；以及控制装置，所述控制装置掌管所述致动器的工作控制，所述控制装置构成为基于来自所述小腿角度传感器的检测信号来执行所述致动器的工作控制。即，所述以往的步行动作辅助装置构成为，基于由所述小腿角度传感器检测的小腿绕膝关节的转动角度来识别步行动作状态，以输出与该步行动作状态相应的大小以及方向的辅助力的方式进行所述致动器的工作控制。然而，在步行动作时，一边小腿绕膝关节进行转动动作，一边大腿绕髋关节进行转动动作。即，在所述以往构成中，检测相对于绕髋关节转动的大腿的、小腿绕膝关节的转动角度，因此，难以准确地识别步行动作状态。而且，在使用者由于中风等而有麻痹的情况下，虽然能够比较正常地进行大腿的步行动作(绕髋关节的大腿的前后摆动动作)，但大多无法正常地进行小腿的步行动作(绕膝关节的小腿的前后摆动动作)。在这样的情况下，在所述以往的构成中，基于无法进行正常的步行动作的小腿的动作来进行所述致动器的工作控制，在这一点上，也有可能无法提供准确的步行辅助力。另外，在下述专利文献4中公开了如下的步行辅助装置，该步行辅助装置基于由髋关节的周期性的动作规定的大腿相位角来识别步行动作状态，以对大腿输出与识别出的步行动作状态相应的步行辅助力的方式进行致动器的工作控制。详细而言，所述专利文献4所记载的步行辅助装置具备对大腿赋予步行辅助力的赋予部、进行所述赋予部的工作控制的控制部、检测髋关节角度及髋关节角速度中的至少一方的检测部、以及基于所述检测部的检测结果来算出大腿的相位角的算出部，所述控制部构成为基于所述相位角来进行所述赋予部的工作控制。在此，在所述专利文献4中，大腿的相位角基于由所述检测部检测出的髋关节角度及对该髋关节角度进行微分而得到的髋关节角速度来算出。在这样的构成中，由微分处理导致强调杂音成分，难以得到准确的大腿相位角。关于这一点，也能够通过对由所述检测部检测出的信号进行低通处理来去除杂音成分，但在该情况下，会产生时间延迟，难以在适当的定时进行所述赋予部的工作控制。现有技术文献专利文献专利文献1：日本专利第5724312号公报专利文献2：日本专利第5799608号公报专利文献3：日本专利第5386253号公报专利文献4：日本特开2016-002408号公报
技术实现思路
本专利技术是鉴于这样的现有技术而完成的，其目的在于提供一种能够在尽可能地防止或减少了时间延迟的状态下赋予与步行周期中的步行状态相应的适当的步行辅助力的步行动作辅助装置。本专利技术为了实现所述目的而提供一种如下的步行动作辅助装置，所述步行动作辅助装置具备：致动器，所述致动器对使用者的步行动作赋予辅助力；大腿姿势检测单元，所述大腿姿势检测单元按照每个采样定时检测与作为使用者的大腿的前后摆动角度的髋关节角度相关联的髋关节角度关联信号；大腿相位角算出单元，所述大腿相位角算出单元算出一个采样定时k下的大腿相位角；辅助转矩算出单元，所述辅助转矩算出单元具有直接或间接地规定大腿相位角与所述致动器应输出的转矩值之间的关系的输出模式数据(英文：patterndata)，将由所述大腿相位角算出单元算出的大腿相位角应用于所述输出模式数据来算出在所述一个采样定时k下应输出的转矩值；以及工作控制单元，所述工作控制单元以输出由所述辅助转矩算出单元算出的转矩值的辅助力的方式掌管所述致动器的工作控制，所述大腿相位角算出单元用在顶端部安装有预定质量m的质点的预定长度？的棒状刚体以基端部为摆动中心进行摆动动作(日文：振り子動作)的动作来近似步行时的使用者的包含大腿及小腿的腿部的绕髋关节的动作，通过将在采样定时k下从所述大腿姿势检测单元输入的角度关联信号用作观测值的状态推定器来推定基于沿着所述质点的摆动轨迹的圆的切线方向上的运动方程式而近似算出的所述大腿的髋关节角度及髋关节角速度，使用该推定髋关节角度及推定髋关节角速度来算出采样定时k下的大腿相位角。根据本专利技术的步行动作辅助装置，用棒状刚体的摆动动作来近似使用者的包含大腿及小腿的腿部的绕髋关节的动作，通过将从大腿姿势检测单元输入的角度关联信号用作观测值的状态推定器来推定基于摆动动作的运动方程式而算出的大腿的髋关节角度及髋关节角速度，使用推定髋关节角度及推定髋关节角速度来算出大腿相位角，以输出基于大腿相位角而算出的辅助转矩值的方式进行致动器的工作控制，因此，能够在尽可能地防止或减少了时间延迟的状态下赋予与步行周期中的步行状态相应的适当的步行辅助力。在一个方案中，所述状态推定器为卡尔曼滤波器(英文：Kalmanfilter)。在该情况下，所述大腿相位角算出单元使用基于所述运动方程式的式(1a)及将从所述大腿姿势角检测单元输入的角度关联信号用作观测值的式(1b)和所述卡尔曼滤波器的式(2a)～式(2e)，来算出所述推定摆动角度及所述推定摆动角速度。[数学式1]x[k+1]＝Fx[k]+Gdγ[k]…(1a)y[k]＝Cx[k]+v[k]…(1b)[数学式2]K[k]＝P[k|k-1]CT(CP[k|k-1]CT+R)-1…(2c)P[k|k]＝(I-K[k]C)P[k|k-1]…(2e)其中，式(1a)、式(1b)以及式(2a)～式(2e)中的符号如下所述，式中的右肩符号T表示矩阵的转置操作。[数学式3][数学式4]F＝eAΔt…(4)[数学式5][数学式6][数学式7]θ：髋关节角度髋关节角速度g：重力加速度μ：在步行时绕髋关节作用的髋关节转矩γ：未知干扰v：观测杂音采样定时k下的事后推定值采样定时k下的事前推定值K[k]：采样定时k下的卡尔曼增益P[k|k]：采样定时k下的事后误差协方差矩阵(日文：共分散行列)P[k|k-1]：采样定时k下的事前误差协方差矩阵y[k]：采样定时k下的大腿姿势检测单元的观测值(计测值)C：观测矩阵Q：未知干扰γ的协方差矩阵R：观测杂音v的协方差矩阵优选的是，所述大腿相位角算出单元构成为，算出已完成的过去的步行周期中的推本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种步行动作辅助装置，其特征在于，具备：/n致动器，所述致动器对使用者的步行动作赋予辅助力；/n大腿姿势检测单元，所述大腿姿势检测单元按照每个采样定时检测与作为使用者的大腿的前后摆动角度的髋关节角度相关联的髋关节角度关联信号；/n大腿相位角算出单元，所述大腿相位角算出单元算出一个采样定时k下的大腿相位角；/n辅助转矩算出单元，所述辅助转矩算出单元具有直接或间接地规定大腿相位角与所述致动器应输出的转矩值之间的关系的输出模式数据，将由所述大腿相位角算出单元算出的大腿相位角应用于所述输出模式数据来算出在所述一个采样定时k下应输出的转矩值；以及/n工作控制单元，所述工作控制单元以输出由所述辅助转矩算出单元算出的转矩值的辅助力的方式进行所述致动器的工作控制，/n所述大腿相位角算出单元用在顶端部安装有预定质量m的质点的预定长度的棒状刚体以基端部为摆动中心进行摆动动作的动作来近似步行时的使用者的包含大腿及小腿的腿部的绕髋关节的动作，通过将在采样定时k下从所述大腿姿势检测单元输入的角度关联信号用作观测值的状态推定器来推定基于沿着所述质点的摆动轨迹的圆的切线方向上的运动方程式而近似算出的所述大腿的髋关节角度及髋关节角速度，使用该推定髋关节角度及推定髋关节角速度来算出采样定时k下的大腿相位角。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171023 JP 2017-2043571.一种步行动作辅助装置，其特征在于，具备：
致动器，所述致动器对使用者的步行动作赋予辅助力；
大腿姿势检测单元，所述大腿姿势检测单元按照每个采样定时检测与作为使用者的大腿的前后摆动角度的髋关节角度相关联的髋关节角度关联信号；
大腿相位角算出单元，所述大腿相位角算出单元算出一个采样定时k下的大腿相位角；
辅助转矩算出单元，所述辅助转矩算出单元具有直接或间接地规定大腿相位角与所述致动器应输出的转矩值之间的关系的输出模式数据，将由所述大腿相位角算出单元算出的大腿相位角应用于所述输出模式数据来算出在所述一个采样定时k下应输出的转矩值；以及
工作控制单元，所述工作控制单元以输出由所述辅助转矩算出单元算出的转矩值的辅助力的方式进行所述致动器的工作控制，
所述大腿相位角算出单元用在顶端部安装有预定质量m的质点的预定长度的棒状刚体以基端部为摆动中心进行摆动动作的动作来近似步行时的使用者的包含大腿及小腿的腿部的绕髋关节的动作，通过将在采样定时k下从所述大腿姿势检测单元输入的角度关联信号用作观测值的状态推定器来推定基于沿着所述质点的摆动轨迹的圆的切线方向上的运动方程式而近似算出的所述大腿的髋关节角度及髋关节角速度，使用该推定髋关节角度及推定髋关节角速度来算出采样定时k下的大腿相位角。


2.根据权利要求1所述的步行动作辅助装置，其特征在于，
所述状态推定器为卡尔曼滤波器，
所述大腿相位角算出单元使用基于所述运动方程式的式(1a)及将从所述大腿姿势检测单元输入的角度关联信号用作观测值的式(1b)和所述卡尔曼滤波器的式(2a)～式(2e)，来算出所述推定摆动角度及所述推定摆动角速度，
x[k+1]＝Fx[k]+Gdγ[k]···(1a)
y[k]＝Cx[k]+υ[k]···(1b)

【专利技术属性】
技术研发人员：高桥玲，牧原幸伸，泽田祐一，东善之，坪山直生，市桥则明，大畑光司，
申请(专利权)人：新确有限公司，国立大学法人京都工艺纤维大学，国立大学法人京都大学，
类型：发明
国别省市：日本;JP