JP6380214B2 - 足裏部の離地判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの歩行を補助する歩行補助装置が実行する、足裏部の離地判定方法に関する。

ユーザの歩行を補助するためのロボット（歩行補助装置）についての技術が開示されている。

例えば、特許文献１に係る歩行補助装置は、ユーザの足裏部が床面から受ける床反力を検出することで、足裏部の接地状態を検出する。ここで、床反力の検出には、ユーザの足裏部に取付けられた荷重センサの測定値が用いられる。この歩行補助装置は、その接地状態に基づいて姿勢角度を算出し、算出した姿勢角度に基づいて、膝パーツの関節に加えるアシスト力を算出する。

特開２０１４−１９５５１０号公報

歩行補助装置において、ユーザの足裏部に取付けられた荷重センサの測定値は、接地反力による荷重値に、所定のオフセット値が加わった値となる。上述の特許文献１に係る歩行補助装置では、荷重センサの測定値において、オフセット値を校正する処理を実行していない。このため、歩行補助装置は、足裏部の接地状態を正確に判定できない可能性がある。

本発明に係る歩行補助装置の足裏部の離地判定方法は、ユーザの足裏部の離地状態（即ち、地面から離れた状態）を正確に判定することを可能にするものである。

本発明にかかる、ユーザの歩行を補助し、歩行中にユーザの足裏部が地面から受ける荷重を測定する荷重センサを備える歩行補助装置が実行する、ユーザの足裏部の離地判定方法は、
前記荷重センサの測定値が設定された所定範囲を下回った場合、前記所定範囲に前記測定値が含まれるように前記所定範囲を再設定し、
前記荷重センサの測定値が前記設定された所定範囲内にある場合、前記所定範囲をそのままに保ち、
前記測定値が、前記設定された所定範囲内に所定時間以上あり続ける場合、前記足裏部が離地状態にあると判定するものである。

荷重センサのオフセット値は、測定値における最低値であるため、所定時間以上、測定値が所定範囲内から動かない（所定時間以上、所定範囲を下回らない）のであれば、測定値が最低値近傍の値である（即ち、オフセット値近傍の値である）とみなせる。荷重センサの測定値がオフセット値近傍であるとき、足裏部は、離地状態であると考えられる。従って、歩行補助装置は、測定値がオフセット値近傍の値であることを正確に判定できるため、足裏部の離地状態を正確に判定することができる。

本発明により、ユーザの足裏部の離地状態を正確に判定することができる。

実施の形態にかかる歩行補助装置の概略図である。 荷重センサユニットの概略図である。 荷重センサユニット及び制御ＥＣＵのブロック図である。 離地判定部のオフセット値の計算方法を示すフローチャートである。 初期設定された基準範囲の一例を示すグラフである。 離地判定部のオフセット値の計算方法を示すフローチャートである。 再設定された基準範囲の一例を示すグラフである。 離地判定時の測定データの一例を示すグラフである。 接地判定時の測定データの一例を示すグラフである。 理想測定値と実際の測定値との関係の一例を示すグラフである。

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に示すように、実施の形態に係る歩行補助装置１は、荷重センサユニット１１と、足首ジョイント１２ａ、１２ｂと、下リンク１３ａ、１３ｂと、下連結バー１４と、上リンク１５ａ、１５ｂと、上連結バー１６と、モータ・エンコーダユニット１７と、制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１８とを備える。歩行補助装置１は、ユーザの右脚部Ｆに装着されており、ユーザの膝関節にトルクを与えることによって、ユーザの歩行動作を補助する。以下、歩行補助装置１の各部について説明する。

図２に示すように、荷重センサユニット１１は、足裏ユニット２１と、垂直荷重センサ２２とを備える。足裏ユニット２１は、ユーザの右脚部Ｆの足裏部Ｓに取付けられ、ユーザの足裏部Ｓが直接接触する靴底としての役割を有すると共に、ユーザの足裏部Ｓの形状に応じた形状を有する。垂直荷重センサ２２は、足裏ユニット２１内に設けられたセンサであり、足裏ユニット２１と垂直方向にかかる荷重の大きさを測定値として検出することで、歩行中に足裏部Ｓが地面から受ける荷重を測定する。なお、図２において、垂直荷重センサ２２は、足裏ユニット２１に４つ設けられている。２つの垂直荷重センサ２２Ａは、足裏部Ｓの前部に設けられ、２つの垂直荷重センサ２２Ｂは、足裏部Ｓの後部に設けられる。これにより、垂直荷重センサ２２Ａは、足裏部Ｓの前部が地面から受ける荷重を測定し、垂直荷重センサ２２Ｂは、足裏部Ｓの後部が地面から受ける荷重を測定することができる。

図１に戻り、歩行補助装置１の説明を続ける。足首ジョイント１２ａ、１２ｂは、右脚部Ｆの足首を両側から挟む位置にあり、足首のピッチ軸（右脚部Ｆの左右方向の軸）と同軸に位置している。足首ジョイント１２ａは、荷重センサユニット１１と下リンク１３ａとを接続し、足首ジョイント１２ｂは、荷重センサユニット１１と下リンク１３ｂとを接続する。また、足首ジョイント１２ａ、１２ｂは、荷重センサユニット１１を、下リンク１３ａ、１３ｂに対して揺動可能に連結している。

下リンク１３ａ、１３ｂは、右脚部Ｆにおける下腿のピッチ軸方向両側に位置している。下リンク１３ａは、足首ジョイント１２ａと、下連結バー１４、上リンク１５ａとを接続し、下リンク１３ｂは、足首ジョイント１２ｂと、下連結バー１４、上リンク１５ｂとを接続する。

下連結バー１４は、右脚部Ｆの膝Ｋの近傍にあり、下リンク１３ａ、１３ｂを連結すると共に、上リンク１５ａ、１５ｂを連結する。上リンク１５ａ、１５ｂは、右脚部Ｆにおける上腿のピッチ軸方向両側に位置しており、それらの上部で上連結バー１６により連結される。

モータ・エンコーダユニット１７は、上リンク１５ａに取付けられており、右脚部Ｆの外側に位置する。モータ・エンコーダユニット１７は、図示しないモータ及びエンコーダを備える。モータは、後述する制御ＥＣＵ１８の制御によって駆動し、下リンク１３ａ、１３ｂをピッチ軸周りに揺動させる。これにより、歩行補助装置１は、ユーザの膝関節にトルクを加え、歩行動作を補助することができる。例えば、歩行補助装置１は、右脚部Ｆが遊脚状態にある場合、ユーザが膝を屈曲させる動作をアシストするよう（屈曲アシストの動作を行うよう）、モータを駆動させる。また、右脚部Ｆが立脚状態にある場合、立脚状態を保持するよう、モータを駆動させる。なお、モータ・エンコーダユニット１７のエンコーダは、モータの回転角度や回転角速度を検出できる。

図３に示すように、制御ＥＣＵ１８は、離地判定部３１と制御部３２とを備える。離地判定部３１、制御部３２は、ハードウェア的には、メモリやその他のＩＣ（Integrated Circuit）等の回路で構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。例えば、コンピュータ内のＣＰＵ（Central Processing Unit）が、コンピュータ内のメモリにロードされたプログラムを読み込むことにより、以下に示す処理を実現する。

離地判定部３１は、全垂直荷重センサ２２の測定値を取得する。例えば、図３では、垂直荷重センサ２２Ａの測定値Ａと、垂直荷重センサ２２Ｂの測定値Ｂとが、離地判定部３１で取得される。離地判定部３１は、全垂直荷重センサ２２の測定値に基づいて、各垂直荷重センサ２２について、その離地状態を判定する。この判定方法について、図４のフローチャートを参照して説明する。

離地判定部３１は、ユーザが歩行を開始する前（即ち、判定対象とする垂直荷重センサ２２が測定を開始する前）に、基準範囲Ｒの初期設定を行う（ステップＳ１）。初期設定される基準範囲Ｒ０は、判定対象とする垂直荷重センサ２２（以下、対象センサと記載）のオフセット値が取りうる最大の値が含まれるように設定される、所定の範囲である。

例えば、図５に示すように、オフセット値が取りうる最大の値が５０［Ｎ］である場合には、基準範囲Ｒ０は、５０［Ｎ］を中心として、４５［Ｎ］〜５５［Ｎ］となるように設定される。この基準範囲Ｒ０の幅１０［Ｎ］は、対象センサの測定データのノイズ幅よりも大きく設定されている。従って、対象センサの測定値が、オフセット値が取りうる最大の値である場合、対象センサの測定データにノイズが混入していても、対象センサの測定値は、図５に示す基準範囲Ｒ０内に含まれる。

図４に戻り、説明を続ける。離地判定部３１は、基準範囲Ｒ０の設定後、離地判定を開始する（ステップＳ２）。ここでは、離地判定処理が繰り返して実行される（ステップＳ３）。以下、図６を参照して、ステップＳ３の離地判定処理について詳細に説明する。

まず、離地判定部３１は、対象センサの測定データを取得し、対象センサの現在の測定値Ｐが、直近で設定された基準範囲Ｒより下側であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。「測定値Ｐが基準範囲Ｒより下側」とは、測定値Ｐが基準範囲Ｒの下側の閾値未満であることをいう。例えば、直近で設定された基準範囲Ｒが、図５に示した基準範囲Ｒ０であれば、測定値Ｐが４５［Ｎ］未満であることをいう。

現在の測定値Ｐが、直近で設定された基準範囲Ｒより下側である場合（ステップＳ１１のＹｅｓ）、離地判定部３１は、直近で設定された基準範囲Ｒよりも下側に、新たな基準範囲Ｒを設定する（ステップＳ１２）。例えば、直近で設定された基準範囲Ｒが基準範囲Ｒ０である場合、基準範囲Ｒ０よりも下側に新たな基準範囲Ｒ１を設定する。この基準範囲Ｒ１は、測定値Ｐを中心とした所定の範囲であり、範囲の幅は、上述の通り、対象センサの測定データのノイズ幅よりも大きく設定されている。なお、基準範囲Ｒ０と基準範囲Ｒ１とは、重なる箇所があってもよい。

例えば、図７に示すように、現在の測定値Ｐが３５［Ｎ］であり、４５［Ｎ］〜５５［Ｎ］の基準範囲Ｒ０よりも下側である（即ち、３５＜４５である）場合には、基準範囲Ｒ１として、３５［Ｎ］を中心とした３０［Ｎ］〜４０［Ｎ］の範囲が設定される。

図６に戻り、説明を続ける。離地判定部３１は、ステップＳ１２の処理を実行したとき、カウントを０にリセットする処理を実行する（ステップＳ１３）。そして、離地判定部３１は、対象センサの現在の状態が非離地状態（接地状態）であると判定する（ステップＳ１４）。これは、現在の測定値Ｐが最低値近傍（即ち、オフセット値近傍）であると現時点で判定できないためである。対象センサの現在の状態が非離地状態であるときは、離地判定部３１は、対象センサに接触する足裏部の箇所（即ち、対象センサが取り付けられた箇所に対応する足裏部Ｓの箇所）が非離地状態であると判定する。

ステップＳ１１において、現在の測定値Ｐが、直近で設定された基準範囲Ｒより下側でない場合（ステップＳ１１のＮｏ）、離地判定部３１は、現在の測定値Ｐが、直近で設定された基準範囲Ｒに含まれるか否かを判定する（ステップＳ１５）。

現在の測定値Ｐが直近で設定された基準範囲Ｒに含まれる場合には（ステップＳ１５のＹｅｓ）、離地判定部３１は、カウント値を、現在のカウント値から＋１アップする（ステップＳ１６）。例えば、現在の測定値Ｐが、前回のフローで新たに設定された基準範囲Ｒ１に含まれる場合、カウント値は１となる。

離地判定部３１は、カウントアップ後、カウント値が規定回数を超えたか否かを判定する（ステップＳ１７）。この規定回数は、離地判定部３１が対象センサの測定値Ｐを取得する間隔と、測定値Ｐがオフセット値近傍の値であるとみなすことができるだけの所定時間（即ち、対象センサが離地しているとみなすことができるだけの所定時間）とに基づいて決定される。

カウント値が規定回数を超えていない場合には（ステップＳ１７のＮｏ）、離地判定部３１は、対象センサの現在の状態が非離地状態であると判定する（ステップＳ１４）。これは、現在の測定値Ｐがオフセット値近傍の値であると現時点で判定しきれないためである。

カウント値が規定回数を超えている場合には（ステップＳ１７のＹｅｓ）、離地判定部３１は、対象センサの現在の状態が離地状態であると判定する（ステップＳ１８）。対象センサの現在の状態が離地状態であるときは、離地判定部３１は、対象センサに接触する足裏部の箇所が離地状態であると判定する。

例えば、規定回数を５としたとき、図８に示すように、現在の測定値Ｐが３５［Ｎ］近傍であり、３０［Ｎ］〜４０［Ｎ］の基準範囲Ｒ１内に含まれ、カウント値である６が規定回数を超えたときには、離地判定部３１は、対象センサの現在の状態が離地状態であると判定する。つまり、離地判定部３１は、測定値Ｐが所定時間以上基準範囲Ｒ１内にあり続けている場合に、対象センサの現在の状態が離地状態であると判定する。

ステップＳ１５に戻り、現在の測定値Ｐが直近で設定された基準範囲Ｒに含まれない場合、即ち、現在の測定値Ｐが直近で設定された基準範囲Ｒの上側にある場合には（ステップＳ１５のＮｏ）、離地判定部３１は、カウントを０にリセットする処理を実行する（ステップＳ１３）。そして、対象センサの現在の状態が非離地状態であると判定する（ステップＳ１４）。

例えば、図９に示すように、現在の測定値Ｐが４０［Ｎ］（基準範囲Ｒ１の上側の閾値）を超えていて、３０［Ｎ］〜４０［Ｎ］の基準範囲Ｒ１よりも上側である場合には、離地判定部３１は、カウントを０にリセットすると共に、対象センサの現在の状態が非離地状態であると判定する。

離地判定部３１は、以上のように判定された対象センサの離地判定結果（即ち、足裏部Ｓの離地判定結果）を、センサ毎に制御部３２に出力する。制御部３２は、その離地判定結果に基づいて、歩行補助装置１の歩行制御を実行する。なお、制御ＥＣＵ１８は、モータ・エンコーダユニット１７中のエンコーダの検出結果に基づいて、モータ・エンコーダユニット１７中のモータの駆動を制御することもできる。

歩行補助装置１において、ユーザの足裏部Ｓに取付けられた垂直荷重センサ２２の測定値は、接地反力による荷重値に、所定のオフセット値が加わった値となる。図１０は、理想測定値（地面からの反力による荷重値）と、実際の測定値（地面からの反力による荷重値に所定のオフセット値が加わった値）との関係の一例を示すグラフである。図１０に示すように、荷重センサが抜重状態となっても、荷重センサの測定値は０にならず、所定のオフセット値となる。

このオフセット値を補正しないまま、垂直荷重センサ２２の測定値に基づいて足裏部Ｓの離地状態を判定すると、足裏部Ｓの離地状態を正確に判定できない可能性がある。歩行補助装置１が、不正確な離地状態の判定結果に基づいて歩行制御を実行する場合、歩行補助装置１は、所望の歩行制御を実現できないことが想定される。

実施形態では、以下に示すように、この課題を解決している。オフセット値は、測定値における最低値であるため、所定時間以上、測定値が所定範囲内から動かない（所定時間以上、所定範囲を下回らない）のであれば、測定値が最低値近傍の値である（即ち、オフセット値近傍である）とみなせる。垂直荷重センサ２２の測定値がオフセット値近傍であるとき、垂直荷重センサ２２に接触する足裏部は、離地状態であると考えられる。従って、離地判定部３１は、測定値がオフセット値近傍であることを正確に判定できるため、足裏部Ｓの離地状態を正確に判定することができる。

また、オフセット値は、垂直荷重センサ２２を取付けるメカのたわみ等の変化や、垂直荷重センサ２２の電気的特性の変化等により変化する。従って、ユーザが歩行補助装置１を使用している最中でも、歩行の経過又は歩行補助装置の継時変化によってオフセット値が変化する場合がある。例えば、オフセット値が時間経過に従って下がると、現在のオフセット値は、当初のオフセット値を含むように設定された所定範囲よりも下側になることが考えられる。つまり、垂直荷重センサ２２の測定値が当初設定された所定範囲を下回ることが考えられる。このような場合に、離地判定部３１は、所定範囲に測定値が含まれるように所定範囲を再設定する。従って、離地判定部３１は、変化後のオフセット値が含まれるような所定範囲内に測定値があるか否かを判定することで、測定値がオフセット値近傍の値であることを正確に判定できる。そのため、オフセット値が時間経過に従って下がる場合でも、足裏部の離地状態を正確に判定することができる。

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。例えば、荷重センサユニット１１に設けられる垂直荷重センサ２２の数は、４つ以外の数であってもよい。換言すれば、垂直荷重センサ２２の数は、１つ又は複数の数であれば、いかなる数でもよい。また、ユーザの右脚部ではなく、左脚部（又は左右両方の脚部）の足裏に荷重センサユニット１１が取り付けられてもよい。

図６に示したフローにおいて、基準範囲Ｒを、定期的に基準範囲Ｒ０に戻してもよい。対象センサのオフセット値が、ユーザの歩行中に（対象センサの測定中に）時間経過に伴って上がるような場合、一旦設定された基準範囲Ｒがそのままだと、設定された基準範囲Ｒよりもオフセット値が上側になってしまう。そのため、測定値がオフセット値であっても、離地判定部３１は、非離地状態と判定してしまう。この詳細は、図６のステップＳ１５〜Ｓ１３〜Ｓ１４に示した通りである。しかしながら、基準範囲Ｒを、定期的に基準範囲Ｒ０に戻す（基準範囲Ｒを引き上げる）ことで、オフセット値が変化しても、そのオフセット値に対応した基準範囲を図６に示したフローで設定できる。このため、離地判定部３１は、離地状態を正確に判定できる。

本発明は、歩行補助装置に設けられた荷重センサユニット１１だけではなく、自立して二足歩行を行うロボットの脚部に設けられた荷重センサについても、同様に適用可能である。ここで、ロボットは、荷重センサの測定値に基づいて、歩行動作を行う。

１ 歩行補助装置
１１ 荷重センサユニット
１７ モータ・エンコーダユニット
１８ 制御ＥＣＵ
２１ 足裏ユニット
２２ 垂直荷重センサ
３１ 離地判定部
３２ 制御部

Claims (1)

1. ユーザの歩行を補助し、歩行中にユーザの足裏部が地面から受ける荷重を測定する荷重センサを備える歩行補助装置が実行する、ユーザの足裏部の離地判定方法であって、
   前記荷重センサの測定値が設定された所定範囲を下回った場合、前記所定範囲に前記測定値が含まれるように前記所定範囲を再設定し、前記所定範囲の上限値と下限値によって定められる幅が、前記所定範囲を再設定する前後で同一であり、
   前記荷重センサの測定値が前記設定された所定範囲内にある場合、前記所定範囲をそのままに保ち、
   前記測定値が、前記設定された所定範囲内に所定時間以上あり続ける場合、前記足裏部が離地状態にあると判定する、
   足裏部の離地判定方法。

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