JP5737191B2

JP5737191B2 - 生体動作補助装置、その制御方法及び制御プログラム

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Publication number: JP5737191B2
Application number: JP2012000655A
Authority: JP
Inventors: 英祐青木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2032-01-05
Also published as: JP2013138793A

Description

本発明は、人などの生体の関節部の動作を補助する生体動作補助装置、その制御方法及び制御プログラムに関するものである。

近年、人などの動作を軽減する目的で様々な装置の開発が行われている。例えば、人体の関節部に副子を取付け、その副子の回転範囲を調整可能に構成した機構が知られている（特許文献１参照）。

特表平０８−５１１９７５号公報

しかしながら、上記特許文献１に示す機構においては、例えば、副子が動かなくなった場合、その可動範囲を超えて動かないのか、あるいは、引掛りなどに起因して動かないのか、ユーザは判別できないため、その可動範囲を明確に認識することが困難となっている。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、関節部の可動範囲を明確に認識できる生体動作補助装置、その制御方法及び制御プログラムを提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、生体の関節部を回転可能に支持するリンク機構と、前記リンク機構を駆動して前記生体の関節部の動作を補助する駆動手段と、前記関節部の回転角度を検出する角度検出手段と、前記角度検出手段により検出された前記関節部の回転角度に基づいて、前記駆動手段を制御する制御手段と、を備える生体動作補助装置であって、前記制御手段は、前記角度検出手段により検出された回転角度に基づいて、前記関節部の回転角度が所定範囲を外れたと判断したとき、前記駆動手段の駆動トルクを変動させるように制御する、ことを特徴とする生体動作補助装置である。
この一態様において、前記制御手段は、前記角度検出手段により検出された回転角度に基づいて、前記関節部の回転角度が所定範囲を外れたと判断したとき、前記駆動手段の駆動トルクを増加させ、前記角度検出手段により検出された回転角度に基づいて、前記関節部の回転角度が所定範囲内に戻ったと判断したとき、前記駆動手段の駆動トルクを減少させてもよい。
この一態様において、前記制御手段は、前記角度検出手段により検出された回転角度に基づいて、前記関節部の回転角度が所定範囲を外れたと判断したとき、前記関節部が振動するように前記駆動手段の駆動トルクを制御してもよい。
この一態様において、前記所定範囲を変更する変更手段を更に備えていてもよい。
この一態様において、前記リンク機構は、前記関節部の回転角度が所定角度になったとき、該関節部の動作をロック状態にするセルフロック機構を含み、前記所定範囲は、前記所定角度近傍で該所定角度より小さい値に設定されていてもよい。
この一態様において、前記関節部は、人の膝関節部であり、前記リンク機構は、上端側が大腿部に固定された第１リンクと、前記第１リンクの下端側に上端側が回転可能に連結され、下端側が下腿部に固定された第２リンクと、前記第１リンクの下端側に上端側が回転可能に連結された第３リンクと、前記第３リンクの下端側に上端側が回転可能に連結され、前記第２リンクに下端側が回転可能に連結された第４リンクと、を有していてもよい。
この一態様において、前記制御手段は、ユーザの歩行訓練中において、前記角度検出手段により検出された膝関節角度に基づいて、前記膝関節部の回転角度が所定範囲を外れたと判断したとき、前記駆動手段の駆動トルクを変動させるように制御してもよい。
他方、上記目的を達成するための本発明の一態様は、生体の関節部を回転可能に支持するリンク機構と、前記リンク機構を駆動して前記生体の関節部の動作を補助する駆動手段と、を備える生体動作補助装置の制御方法であって、前記関節部の回転角度を検出するステップと、前記検出された回転角度に基づいて、前記関節部の回転角度が所定範囲を外れたと判断されたとき、前記駆動手段の駆動トルクを変動させるように制御するステップと、を含む、ことを特徴とする生体動作補助装置の制御方法であってもよい。
この一態様において、前記検出された回転角度に基づいて、前記関節部の回転角度が所定範囲を外れたと判断したとき、前記駆動手段の駆動トルクを増加させ、前記検出された回転角度に基づいて、前記関節部の回転角度が所定範囲内に戻ったと判断したとき、前記駆動手段の駆動トルクを減少させてもよい。
この一態様において、前記検出された回転角度に基づいて、前記関節部の回転角度が所定範囲を外れたと判断したとき、前記関節部が振動するように前記駆動手段の駆動トルクを制御してもよい。
さらに、上記目的を達成するための本発明の一態様は、生体の関節部を回転可能に支持するリンク機構と、前記リンク機構を駆動して前記生体の関節部の動作を補助する駆動手段と、を備える生体動作補助装置の制御プログラムであって、前記関節部の回転角度に基づいて、前記関節部の回転角度が所定範囲を外れたと判断されたとき、前記駆動手段の駆動トルクを変動させるように制御する処理を、コンピュータに実行させる、ことを特徴とする生体動作補助装置の制御プログラムであってもよい。

本発明によれば、関節部の可動範囲を明確に認識できる生体動作補助装置、その制御方法及び制御プログラムを提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る生体動作補助装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１に係る生体動作補助装置による制御方法を示すフローチャートである。膝関節角度と膝関節トルク指令値との関係を示す図である。ユーザの脚部の振動動作を摸式的に示す図である。ユーザの脚部に装着されたリンク機構を示す図である。（ａ）リンク機構の動作状態を示す図である。（ｂ）リンク機構の動作状態を示す図である。（ｃ）リンク機構の動作状態を示す図である。（ｄ）リンク機構の動作状態を示す図である。（ｅ）リンク機構の動作状態を示す図である。リンク機構のロック状態を示す図である。ユーザの脚部の振動動作を摸式的に示す図である。歩行訓練中におけるユーザの歩行動作の一例を示す図である。ユーザの脚部の振動動作を摸式的に示す図である。

実施の形態１．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る生体動作補助装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１に係る生体動作補助装置１は、例えば、肢体不自由者などの人体の関節部（膝関節部、股関節部、足首関節部、肘関節部、肩関節部、手首関節部など）に装着され、その関節部の動作を補助する機能を有しており、その装着者に関節部の可動範囲を体感させ、認識させることができる。

本実施の形態１に係る生体動作補助装置１は、例えば、ユーザの脚部に取付けられ、脚部の膝関節部を回転可能に支持するリンク機構２と、膝関節角度を検出する角度センサ３と、リンク機構２を駆動して膝関節部の動作を補助するアクチュエータ４と、アクチュエータ４を制御する制御部５と、を備えている。

リンク機構２は、複数のリンクが相互に連結され、ユーザの大腿部及び下腿部に固定され、大腿部及び下腿部の動作に連動し、膝関節部を支持するように構成されている。

角度センサ３は、例えば、ポテンショメータやロータリーエンコーダなどにより構成され、リンク機構２に設けられ、各リンクの回転角度を検出することで、膝関節角度を検出することができる。角度センサ３は、制御部５に接続されており、検出した膝関節角度を制御部５に対して出力する。

アクチュエータ４は、例えば、サーボモータにより構成されており、リンク機構２に連結されている。アクチュエータ４は、制御部５から出力される制御信号に応じて、リンク機構２を駆動することで、膝関節部の動作を補助する。

制御部５は、角度センサ３から出力される膝関節角度に基づいて、膝関節部を駆動する膝関節トルク指令値を算出し、算出した膝関節トルク指令値に応じた制御信号を、駆動回路６を介してアクチュエータ４に対して出力する。なお、制御部５は、例えば、制御処理、演算処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）５ａ、ＣＰＵ５ａによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）５ｂ、処理データ等を記憶するＲＡＭ５ｃ等からなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ５ａ、ＲＯＭ５ｂ、及びＲＡＭ５ｃは、例えば、バス５ｄなどを介して相互に接続されている。

なお、制御部５は、角度センサ３から出力される膝関節角度に加えて、例えば、ユーザの脚部の足裏に設けられた圧力センサから出力される圧力情報や、ユーザの脚部に設けられた筋電センサから出力される筋電情報、などを用いて、アクチュエータ４を制御してもよい。

ところで、従来の生体動作補助装置において、関節部が動かなくなった場合、その可動範囲を超えて動かないのか、あるいは、引掛りなどに起因して動かないのか、ユーザは分からないため、その可動範囲を明確に認識することが困難となっている。

そこで、本実施の形態１に係る生体動作補助装置１において、制御部５は、角度センサ３から出力された膝関節角度に基づいて、膝関節角度が可動範囲制限を示す第１所定角度以上になり、所定範囲を外れたと判断したとき、アクチュエータ４の駆動トルクを変動させるように制御し、膝関節部を振動させる。これにより、ユーザは、その振動で膝関節角度が所定範囲を外れたことを体感し、確実に認識することができる。

図２は、本実施の形態１に係る生体動作補助装置による制御方法を示すフローチャートである。

例えば、（ａ）制御部５は、角度センサ３からの膝関節角度φが第１所定角度φ_α以上になったと判断したとき（ステップＳ１０１のＹＥＳ）、下記（１）式のゲインα及び／又は定数βを変化させることで（ステップＳ１０２）、膝関節トルク指令値τ_α（φ）を急激に増加させる（ステップＳ１０３）（図３）。
τ_α（φ）＝α・τ（φ）＋β （φ≧φ_α）（１）式
なお、上記（１）式において、αはゲインであり、βは定数である。

上記のように、膝関節トルク指令値を急激に増加させることで駆動トルクが増加し、膝関節部は押し戻されるため（ステップＳ１０４）、膝関節角度は第１所定角度φ_α以内に戻される（図４）。

（ｂ）制御部５は、膝関節角度φが第１所定角度φ_α以内に戻ったと判断したとき（ステップＳ１０５のＹＥＳ）、上記（１）式のゲインα及び／又は定数βを元の値に戻すことで（ステップＳ１０６）、膝関節トルク指令値を減少させる（ステップＳ１０７）。これにより、ユーザの膝関節部に対する駆動トルクは減少し、膝関節部を押し戻す力が弱くなる。このため、ユーザが膝関節部に力を加えることにより、再び、膝関節角度φが第１所定角度φ_α以上となる。

上記（ａ）及び（ｂ）を繰り返すことにより、第１所定角度φ_αを境界にして膝関節部が振動することとなる。これにより、ユーザは、その膝関節部の可動範囲制限を示す第１所定角度φ_αを体感でき、その可動範囲を明確に認識することができる。

なお、上記実施の形態において、制御部５が、角度センサ３からの膝関節角度φが第１所定角度φ_α以上になったと判断したとき、アクチュエータ４の駆動トルクを変動させる制御の一例を説明したが、これに限られない。例えば、制御部５は、角度センサ３からの膝関節角度φが第１所定角度φ_α以上になったと判断したとき、ＰＩＤ制御のゲインを急激に増加させ、意図的に発散させ不安定化させることで、膝関節部を振動させてもよい。さらに、制御部５は、膝関節角度φが第１所定角度φ_α以上になったと判断したとき、任意の外乱を与えることで、意図的にＰＩＤ制御を発散させ不安定化させることで、膝関節部を振動させてもよく、任意の制御方法を用いて振動させてもよい。

また、上記（１）式における、ゲインα、定数β、及び第１所定角度φ_αは、入力装置７（変更手段の一具体例）などを介して、ユーザが任意に設定変更できる。これにより、ユーザは、ゲインα及び定数βを最適に設定することで、膝関節部の可動範囲制限をより明確に体感し認識できる。さらに、ユーザは、入力装置７を介して、第１所定角度φ_αを最適に設定することで、ユーザの膝関節部に応じた可動範囲制限を設定することができる。

なお、上記実施の形態１において、生体動作補助装置１を膝関節部に適用する場合について説明したが、股関節部、足首関節部、肘関節部、肩関節部、手首関節部などの生体の他の関節部に適用する場合も、上記膝関節部と同様に適用することができる。また、制御部５は、角度センサ３から出力された膝関節角度φが第１所定角度φ_α以上又は第３所定角度φ_β以下になり、所定範囲を外れたと判断したとき、アクチュエータ４の駆動トルクを変動させるように制御し、膝関節部を振動させてもよい。

以上、本実施の形態１に係る生体動作補助装置１において、制御部５は、角度センサ３から出力された膝関節角度に基づいて、膝関節角度が可動範囲制限を示す第１所定角度以上になり、所定範囲を外れたと判断したとき、アクチュエータ４の駆動トルクを変動させるように制御し、膝関節部を振動させる。これにより、ユーザは、その振動で膝関節角度が所定範囲を外れたことを体感し、その可動範囲を認識することができる。すなわち、ユーザは関節部の可動範囲を明確に認識できる。なお、上述の如く振動させることで、生体動作補助装置１を装着したユーザのみに、膝関節角度が所定範囲を外れたことを認識させることができるが、第３者にも認識させたい場合は、上記振動と同時に警告音の出力や、警告灯の点灯などを行っても良い。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る生体動作補助装置１において、リンク機構２は、上端側が大腿部１０１に固定された第１リンク２１と、第１リンク２１の下端側に上端側が回転可能に連結され、下端側が下腿部１０２に固定された第２リンク２２と、第１リンク２１の下端側に上端側が回転可能に連結された第３リンク２３と、第３リンク２３の下端側に上端側が回転可能に連結され、第２リンク２２に下端側が回転可能に連結された第４リンク２４と、を有する４節リンク機構として構成されている（図５）。

図６（ａ）乃至（ｅ）は、リンク機構２の動作状態の一例を示す図である。
例えば、膝関節部１０３の伸展状態（ａ）から膝関節部１０３を反時計方向へ徐々に屈曲させると、下腿部１０２の回転に合わせて、第２リンク２２も反時計方向へ徐々に回転する（（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ））。そして、この第２リンク２２の回転に連動して、第３及び第４リンク２３、２４の連結部が外側に徐徐に屈曲する。

また、リンク機構２は、膝関節角度が第２所定角度になったとき、膝関節部１０３の動作をロック状態するセルフロック機構を含んでいる。リンク機構２がロック状態になると、図７に示すように、第３及び第４リンク２３、２４は、真直ぐの状態でセルフロックされる。

ここで、例えば、ユーザが椅子などに座った状態で、脚部の膝関節部１０３を伸ばし、膝関節角度が第２所定角度になり上述のようなリンク機構２のロック状態が生じるのを可能な限り回避したい。

そこで、本実施の形態２に係る生体動作補助装置１において、第１所定角度φ_αは、例えば、上述のリンク機構２のロック状態を防止すべく、第２所定角度近傍で第２所定角度より小さい値に設定されている（図８）。ここで、第１所定角度φαは、例えば、リンク機構２がロック状態となるときの膝関節角度１２０度より少し小さい値に設定されている。そして、制御部５は、角度センサ３から出力された膝関節角度φに基づいて、膝関節角度φが第１所定角度φ_α以上になったと判断したとき、アクチュエータ４の駆動トルクを変動させるように制御し、膝関節部１０３を振動させる。

これにより、ユーザは、脚部を伸ばした場合でも、リンク機構２がロック状態（第２所定角度）になる手前の第１所定角度φ_αを境界に振動が発生し、リンク機構２がロック状態になる可能性があることを体感し確実に認識できる。従って、ユーザは、リンク機構２がロック状態になる前に、そのロック状態になるのを確実に回避することができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る生体動作補助装置１は、ユーザの歩行訓練に適用されている。例えば、図９に示すように、ユーザが従来の生体動作補助装置を用いて歩行訓練などを行なう場合に、タイミングが上手く取れず、膝関節部が曲った状態のまま、脚部の足平部が着地することが頻繁に発生する。この場合、ユーザは、膝折れによってバランスを崩す虞がある。

そこで、本実施の形態３に係る生体動作補助装置１において、制御部５は、ユーザの歩行訓練中において、角度センサ３から出力された膝関節角度φに基づいて、膝関節角度φが第１所定角度φ_α以上になり、所定範囲を外れたと判断したとき、アクチュエータ４の駆動トルクを変動させるように制御する（図１０）。ここで、第１所定角度φ_αは、例えば、一般的に膝折れが生じる膝関節角度２０〜３０度より少し小さい値に設定されている。

これにより、ユーザは歩行訓練中において、膝折れの状態を素早く検知し、バランスを崩すのを未然に防止できる。なお、制御部５は、ユーザが歩行訓練中であることを、例えば、モードスイッチなどからの出力信号などに基づいて、判断することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
上述の実施の形態では、本発明をハードウェアの構成として説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明は、例えば、上記制御部５が実行する処理を、ＣＰＵ５ａにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ）を含む。

上記プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

１生体動作補助装置
２リンク機構
３角度センサ
４アクチュエータ
５制御部
６駆動回路
７入力装置
２１第１リンク
２２第２リンク
２３第３リンク
２４第４リンク

Claims

上端側が生体の一部に固定された第１リンクと、前記第１リンクの下端側に上端側が回転可能に連結され、下端側が生体の他部に固定された第２リンクと、を備え、生体の関節部を回転可能に支持するリンク機構と、
前記リンク機構を駆動して前記生体の関節部の動作を補助する駆動手段と、
前記第１リンクと第２リンクとの回転角度を検出する角度検出手段と、
前記角度検出手段により検出された前記回転角度に基づいて、前記駆動手段を制御する制御手段と、を備える生体動作補助装置であって、
前記制御手段は、前記角度検出手段により検出された回転角度に基づいて、前記回転角度が第１所定角度以上となったと判断したとき、前記回転角度を前記第１所定角度以内に戻すように前記駆動手段の駆動トルクを増加させる制御を行う、又は、前記駆動手段の駆動トルクを振動させる制御を行う、
ことを特徴とする生体動作補助装置。
請求項１記載の生体動作補助装置であって、
前記制御手段は、
前記角度検出手段により検出された回転角度に基づいて、前記回転角度が第１所定角度以上となったと判断したとき、前記駆動手段の駆動トルクを増加させ、
前記角度検出手段により検出された回転角度に基づいて、前記回転角度が第１所定角度より小さくなったと判断したとき、前記駆動手段の駆動トルクを減少させる、
ことを特徴とする生体動作補助装置。
請求項１又は２記載の生体動作補助装置であって、
前記第１所定角度を変更する変更手段を更に備える、ことを特徴とする生体動作補助装置。
請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の生体動作補助装置であって、
前記リンク機構は、前記第１リンクの下端側に上端側が回転可能に連結された第３リンクと、前記第３リンクの下端側に上端側が回転可能に連結され、前記第２リンクに下端側が回転可能に連結された第４リンクと、をさらに備え、前記関節部の回転角度が第２所定角度になったとき、前記第３リンクと第４リンクとがセルフロックされることによって該関節部の動作をロック状態にするセルフロック機構を含み、
前記第１所定角度は、前記第２所定角度よりも小さい値に設定されている、ことを特徴とする生体動作補助装置。
請求項４記載の生体動作補助装置であって、
前記関節部は、人の膝関節部であり、
前記リンク機構は、上端側が大腿部に固定された第１リンクと、前記第１リンクの下端側に上端側が回転可能に連結され、下端側が下腿部に固定された第２リンクと、前記第１リンクの下端側に上端側が回転可能に連結された第３リンクと、前記第３リンクの下端側に上端側が回転可能に連結され、前記第２リンクに下端側が回転可能に連結された第４リンクと、を有する、ことを特徴とする生体動作補助装置。
請求項１乃至５のうちいずれか１項記載の生体動作補助装置であって、
前記制御手段は、ユーザの歩行訓練中において、前記角度検出手段により検出された回転角度に基づいて、前記回転角度が第１所定角度以上となったと判断したとき、前記駆動手段の駆動トルクを変動させるように制御する、
ことを特徴とする生体動作補助装置。
上端側が生体の一部に固定された第１リンクと、前記第１リンクの下端側に上端側が回転可能に連結され、下端側が生体の他部に固定された第２リンクと、を備え、生体の関節部を回転可能に支持するリンク機構と、前記リンク機構を駆動して前記生体の関節部の動作を補助する駆動手段と、を備える生体動作補助装置の制御方法であって、
前記第１リンクと第２リンクとの回転角度を検出するステップと、
前記検出された回転角度に基づいて、前記回転角度が第１所定角度以上となったと判断されたとき、前記回転角度を前記第１所定角度以内に戻すように前記駆動手段の駆動トルクを増加させる制御を行う、又は、前記駆動手段の駆動トルクを振動させる制御を行う、
ステップと、
を含む、ことを特徴とする生体動作補助装置の制御方法。
請求項７記載の生体動作補助装置の制御方法であって、
前記検出された回転角度に基づいて、前記回転角度が第１所定角度以上となったと判断したとき、前記駆動手段の駆動トルクを増加させ、
前記検出された回転角度に基づいて、前記回転角度が第１所定角度より小さくなったと判断したとき、前記駆動手段の駆動トルクを減少させる、
ことを特徴とする生体動作補助装置の制御方法。
上端側が生体の一部に固定された第１リンクと、前記第１リンクの下端側に上端側が回転可能に連結され、下端側が生体の他部に固定された第２リンクと、を備え、生体の関節部を回転可能に支持するリンク機構と、前記リンク機構を駆動して前記生体の関節部の動作を補助する駆動手段と、を備える生体動作補助装置の制御プログラムであって、
前記第１リンクと第２リンクとの回転角度に基づいて、前記回転角度が第１所定角度以上となったと判断したとき、前記回転角度を前記第１所定角度以内に戻すように前記駆動手段の駆動トルクを増加させる制御を行う、又は、前記駆動手段の駆動トルクを振動させる制御を行う、処理を、
コンピュータに実行させる、ことを特徴とする生体動作補助装置の制御プログラム。