JP6765989B2 - Long leg orthosis with actuator - Google Patents
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Description
本発明は、アクチュエータ付き長下肢装具に関する。 The present invention relates to a long leg orthosis with an actuator.
脚の不自由な人や脳卒中等の為に麻痺を有する人の歩行補助用又はリハビリテーション用の器具として、膝関節をサポートする長下肢装具が利用されており、脚の動きを補助する電動モータ等の駆動体を含むアクチュエータユニットが付設されたアクチュエータ付き長下肢装具も提案されている(下記特許文献1〜3参照)。 Long leg orthoses that support the knee joint are used as walking aids or rehabilitation devices for people with disabilities or those who are paralyzed due to stroke, etc., and electric motors that assist the movement of the legs, etc. A long leg orthosis with an actuator to which an actuator unit including the driving body of the above is attached has also been proposed (see Patent Documents 1 to 3 below).
詳しくは、従来のアクチュエータ付き長下肢装具は、ユーザーの大腿に装着される大腿側装具と、ユーザーの下腿に装着され且つ前記大腿側装具に対してユーザーの膝関節回り回動可能に連結された下腿側装具と、前記大腿側装具に装着され、前記下腿側装具に対して膝関節回りの補助力を付与可能なアクチュエータと、大腿に対する下腿の膝関節回りの回動角度を検出する下腿角度センサと、前記アクチュエータの作動制御を司る制御装置とを備え、前記制御装置が、前記下腿角度センサからの検出信号に基づいて前記アクチュエータの作動制御を実行するように構成されている。 Specifically, the conventional long leg brace with an actuator is attached to the thigh side brace worn on the user's thigh and rotatably connected to the user's lower leg and the thigh side brace. A crus side orthosis, an actuator attached to the crus side orthosis that can apply an auxiliary force around the crus to the crus side orthosis, and a crus angle sensor that detects the rotation angle of the lower leg around the crus with respect to the thigh. And a control device that controls the operation of the actuator, and the control device is configured to execute the operation control of the actuator based on a detection signal from the crus angle sensor.
即ち、前記従来のアクチュエータ付き長下肢装具は、前記アクチュエータによって補助力が付与される制御対象部位である下腿の動き(大腿に対する下腿の膝関節回りの角度)を前記下腿角度センサによって検出し、下腿の動きに基づいて算出される大きさ及び方向の補助力が下腿に付与されるように前記アクチュエータの作動制御を行うものである。 That is, in the conventional long leg device with an actuator, the movement of the lower leg (the angle around the knee joint of the lower leg with respect to the thigh), which is a controlled target portion to which the assisting force is applied by the actuator, is detected by the lower leg angle sensor, and the lower leg The operation of the actuator is controlled so that the assisting force of the magnitude and the direction calculated based on the movement of the actuator is applied to the lower leg.
しかしながら、脳卒中等の為に麻痺を有する場合には、大腿の歩行動作(股関節回りの大腿の前後揺動動作)は比較的正常に行えるものの、下腿の歩行動作(膝関節回りの下腿の前後揺動動作)は正常に行えないことが多い。 However, in the case of paralysis due to stroke, etc., although the thigh walking motion (thigh anteroposterior swing motion around the hip joint) can be performed relatively normally, the lower leg walking motion (lower leg anteroposterior swing around the knee joint) can be performed relatively normally. Dynamic movement) is often not performed normally.
このような場合、前記従来のアクチュエータ付き長下肢装具では、正常な歩行動作を行えない下腿の動きに基づいて前記アクチュエータの作動制御を行うことになり、的確な歩行補助力を提供することができないおそれがあった。 In such a case, the conventional long leg orthosis with an actuator controls the operation of the actuator based on the movement of the lower leg, which cannot perform a normal walking motion, and cannot provide an accurate walking assist force. There was a risk.
なお、補助力を付与する付与部と、前記付与部の作動制御を行う制御部と、股関節角度及び股関節角速度の少なくとも一方を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて大腿の位相角を算出する算出部とを備え、前記制御部が、前記位相角に基づいて前記付与部の作動制御を行うように構成された歩行補助装置が提案されている(下記特許文献4参照)。 The phase of the thigh is based on the detection result of the imparting unit that applies the assisting force, the control unit that controls the operation of the imparting unit, the detection unit that detects at least one of the hip joint angle and the hip joint angular velocity, and the detection result of the detection unit. A walking assist device including a calculation unit for calculating an angle and configured such that the control unit controls the operation of the imparting unit based on the phase angle has been proposed (see Patent Document 4 below).
しかしながら、前記特許文献4に記載の歩行補助装置も、補助力を付与すべき制御対象部位の動きを検出し、その検出結果に基づき制御対象部位である大腿に対して補助力を付与する前記付与部の作動制御を行うものであり、前記特許文献1〜3に記載のアクチュエータ付き長下肢装具と共通の技術的思想に基づくものである。 However, the walking assist device described in Patent Document 4 also detects the movement of the controlled target portion to which the assisted force should be applied, and based on the detection result, imparts the assisted force to the thigh which is the controlled target portion. It controls the operation of the unit, and is based on the same technical idea as the long leg orthosis with an actuator described in Patent Documents 1 to 3.
本発明は、斯かる従来技術に鑑みなされたものであり、下腿に対して膝関節回りの歩行補助力を付与可能なアクチュエータを備えた長下肢装具であって、下腿を正常に歩行動作させることが困難なユーザーに対しても、歩行周期中の歩行状態に応じた適切な下腿への歩行補助力を付与し得るアクチュエータ付き長下肢装具の提供を、目的とする。 The present invention has been made in view of such a prior art, and is a long leg device provided with an actuator capable of imparting a walking assist force around the knee joint to the lower leg, and allows the lower leg to walk normally. It is an object of the present invention to provide a long leg device with an actuator that can provide an appropriate walking assist force to the lower leg according to the walking state during the walking cycle even for a user who has difficulty in walking.
本発明は、前記目的を達成するために、ユーザーの大腿に装着される大腿側装具と、ユーザーの下腿に装着され且つ前記大腿側装具に対してユーザーの膝関節回り回動可能に連結された下腿側装具と、前記大腿側装具に装着され、前記下腿側装具に対して膝関節回りの補助力を付与可能なアクチュエータと、ユーザーの大腿の前後揺動角度である股関節角度に関連する角度関連信号を検出可能な大腿姿勢検出手段と、前記アクチュエータの作動制御を司る制御装置とを備え、前記大腿姿勢検出手段は、大腿の角速度を検出する3軸角速度センサ及び大腿の加速度を検出する3軸加速度センサを有し、前記制御装置は、一のサンプリングポイントでの前記3軸角速度センサからの角速度データに基づき算出される第1オイラー角の高周波成分と当該一のサンプリングポイントでの前記3軸加速度センサからの加速度データに基づき算出される第2オイラー角の低周波成分とを合算して合算オイラー角を算出し、前記合算オイラー角から算出される股関節角度と前記股関節角度から算出される股関節角速度とに基づいて前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を算出し、当該制御装置に予め記憶されている、大腿位相角と前記下腿側装具に付与すべき補助力との関係を示す補助力制御データに前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を適用して、前記一のサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具に付与すべき補助力を算出し、前記補助力が出力されるように前記アクチュエータの作動制御を実行する一方で、大腿位相角を算出する際に用いた前記股関節角度及び前記股関節角速度によって画されるベクトル長が所定閾値より小さい場合には、前記アクチュエータの作動を禁止するように構成されているアクチュエータ付き長下肢装具を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention is attached to a thigh side device worn on the user's thigh and rotatably connected to the user's lower leg and the user's hip joint. The lower leg side device, the actuator attached to the thigh side device and capable of applying an assisting force around the knee joint to the lower leg side device, and the angle relationship related to the hip joint angle which is the anteroposterior swing angle of the user's thigh. The thigh posture detecting means is provided with a thigh posture detecting means capable of detecting a signal and a control device for controlling the operation of the actuator, and the thigh posture detecting means includes a three-axis angular velocity sensor for detecting the angular velocity of the thigh and a three-axis for detecting the acceleration of the thigh. The control device has an acceleration sensor, and the control device has a high frequency component of a first Euler angle calculated based on angular velocity data from the triaxial angular velocity sensor at one sampling point and the triaxial acceleration at the one sampling point. The total oiler angle is calculated by adding the low frequency components of the second oiler angle calculated based on the acceleration data from the sensor, and the hip joint angle calculated from the total oiler angle and the hip joint angle velocity calculated from the hip joint angle. preparative the calculated femoral phase angle of one of the sampling points on the basis of, stored in advance in the control unit, the auxiliary power control showing the relationship between the assist force to be applied to the lower leg side brace femoral phase angle The thigh phase angle at the one sampling point is applied to the data to calculate the auxiliary force to be applied to the lower leg side device at the one sampling point, and the actuator is operated so that the auxiliary force is output. While performing control, the operation of the actuator is prohibited when the vector length defined by the hip joint angle and the hip joint angle velocity used in calculating the thigh phase angle is smaller than a predetermined threshold. Provide long hip joints with actuators.
好ましくは、前記制御装置は、大腿位相角を算出する際に用いた股関節角度及び股関節角速度をプロットして歩行周期毎の大腿の周期的動作を表すトラジェクトリ線図を作成するように構成される。 Preferably, the control device is configured to plot the hip joint angle and hip joint angular velocity used in calculating the thigh phase angle to create a trajectory diagram representing the periodic movement of the thigh for each walking cycle.
好ましくは、前記制御装置は、一歩行周期の完了を検出すると、全サンプリングポイントでの大腿位相角に基づき、歩行周期に対する大腿位相角の変化パターンを表す所定の位相パターン関数を最小二乗法を用いて算出して上書き保存し、現在の歩行周期における一のサンプリングポイントでの大腿位相角を、その時点で記憶されている前記位相パターン関数によって算出される過去歩行周期における対応するサンプリングポイントでの大腿位相角に基づいて修正して、前記一のサンプリングポイントでの修正大腿位相角を算出し、前記修正大腿位相角を前記補助力制御データに適用して、前記一のサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具に付与すべき補助力を算出するように構成される。 Preferably, when the control device detects the completion of one walking cycle, it uses a minimum square method to use a predetermined phase pattern function representing a change pattern of the thigh phase angle with respect to the walking cycle based on the thigh phase angle at all sampling points. The thigh phase angle at one sampling point in the current walking cycle is calculated and overwritten, and the thigh at the corresponding sampling point in the past walking cycle calculated by the phase pattern function stored at that time. The modified thigh phase angle at the one sampling point is calculated by modifying based on the phase angle, the modified thigh phase angle is applied to the assisting force control data, and the lower leg side fitting at the one sampling point. It is configured to calculate the auxiliary force to be given to .
好ましくは、前記制御装置は、現在の歩行周期が完了すると、全サンプリングポイントでの修正大腿位相角に基づいて前記位相パターン関数を算出するように構成される。 Preferably, before Symbol control apparatus, when the current walking cycle is complete, configured so that to calculate the phase pattern function based on the modified femoral phase angle at all sampling points.
本発明に係るアクチュエータ付き長下肢装具によれば、制御装置が、一のサンプリングポイントでの前記3軸角速度センサからの角速度データに基づき算出される第1オイラー角の高周波成分と当該一のサンプリングポイントでの前記3軸加速度センサからの加速度データに基づき算出される第2オイラー角の低周波成分とを合算して合算オイラー角を算出し、前記合算オイラー角から算出される股関節角度と前記股関節角度から算出される股関節角速度とに基づいて大腿位相角を算出し、当該制御装置に予め記憶されている、大腿位相角と下腿側装具に付与すべき補助力との関係を示す補助力制御データに前記大腿位相角を適用して、このサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具に付与すべき補助力を算出し、前記補助力が出力されるようにアクチュエータの作動制御を実行するように構成されているので、下腿を正常に歩行動作させることが困難なユーザーに対しても、歩行周期中の歩行状態に応じた適切な下腿への歩行補助力を付与することができる。さらに、前記制御装置は、大腿位相角を算出する際に用いた前記股関節角度及び前記股関節角速度によって画されるベクトル長が所定閾値より小さい場合には、前記アクチュエータの作動を禁止するように構成されているので、歩行動作が開始されていないにも拘わらず、意に反して前記アクチュエータユニットが作動することを有効に防止することができる。 According to the long leg device with an actuator according to the present invention, the control device has a high frequency component of the first Euler angle calculated based on the angular velocity data from the triaxial angular velocity sensor at one sampling point and the one sampling point. The total oiler angle is calculated by adding the low frequency components of the second oiler angle calculated based on the acceleration data from the three-axis acceleration sensor in the above, and the hip joint angle and the hip joint angle calculated from the total oiler angle. The thigh phase angle is calculated based on the hip joint angular velocity calculated from the above, and the auxiliary force control data indicating the relationship between the thigh phase angle and the auxiliary force to be applied to the lower leg side device, which is stored in advance in the control device, is used. Since the thigh phase angle is applied to calculate the auxiliary force to be applied to the lower leg side device at this sampling point, and the operation control of the actuator is executed so that the auxiliary force is output. Even for a user who has difficulty in walking the lower leg normally, it is possible to provide an appropriate walking assisting force to the lower leg according to the walking state during the walking cycle. Further, the control device is configured to prohibit the operation of the actuator when the vector length defined by the hip joint angle and the hip joint angular velocity used in calculating the thigh phase angle is smaller than a predetermined threshold value. Therefore, it is possible to effectively prevent the actuator unit from operating unexpectedly even though the walking operation has not been started.
以下、本発明に係るアクチュエータ付き長下肢装具の一実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図1及び図2に、それぞれ、本実施の形態に係る長下肢装具1の斜視図及び部分正面図を示す。
また、図3及び図4に、それぞれ、前記長下肢装具ユーザー1の幅方向外方側及び内方側から視た部分分解斜視図を示す。
Hereinafter, an embodiment of a long leg orthosis with an actuator according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
1 and 2 show a perspective view and a partial front view of the long leg orthosis 1 according to the present embodiment, respectively.
Further, FIGS. 3 and 4 show partially disassembled perspective views of the long leg orthosis user 1 as viewed from the outer side and the inner side in the width direction, respectively.
前記長下肢装具1は、脚の不自由な人や脳卒中等の為に片麻痺を有するユーザーが歩行補助の為、又は、リハビリテーションの為に装着する器具であり、付設されるアクチュエータユニット100によってユーザーの下腿に対して歩行補助力を付与し得るように構成されている。 The long leg device 1 is a device worn by a person with a disability or a user who has hemiplegia due to a stroke or the like for walking assistance or for rehabilitation, and is worn by the attached actuator unit 100. It is configured to be able to provide walking assistance to the lower leg.
詳しくは、図1〜図4に示すように、前記長下肢装具1は、ユーザーの大腿に装着される大腿側装具10と、ユーザーの下腿に装着された下腿側装具30と、前記大腿側装具10に装着され、前記下腿側装具30に対して膝関節回りの補助力を付与可能なアクチュエータユニット100とを備えている。 Specifically, as shown in FIGS. 1 to 4, the long leg orthosis 1 includes a thigh side orthosis 10 attached to the user's thigh, a lower leg side orthosis 30 attached to the user's lower leg, and the thigh side orthosis. It is equipped with an actuator unit 100 which is attached to 10 and can apply an auxiliary force around the knee joint to the lower leg orthosis 30.
本実施の形態においては、前記大腿側装具10は、ユーザーの大腿に装着される大腿装着体15と、前記大腿装着体15に連結された大腿フレーム20とを有している。 In the present embodiment, the thigh-side orthosis 10 has a thigh-mounted body 15 mounted on the user's thigh and a thigh frame 20 connected to the thigh-mounted body 15.
前記大腿装着体15は、ユーザーの大腿に装着可能とされる限り種々の形態を取り得る。
本実施の形態においては、図1に示すように、前記大腿装着体15は、ユーザーの大腿が挿入可能で且つ大腿にフィットするような大きさの装着孔を有する筒状とされている。
The thigh-mounted body 15 can take various forms as long as it can be worn on the user's thigh.
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the thigh mounting body 15 has a tubular shape having a mounting hole sized so that the user's thigh can be inserted and the thigh is fitted.
図1〜図4に示すように、前記大腿フレーム20は、ユーザーの幅方向外方側においてユーザーの大腿に沿って上下に延びる第1大腿フレーム20(1)を有している。 As shown in FIGS. 1 to 4, the thigh frame 20 has a first thigh frame 20 (1) extending vertically along the user's thigh on the lateral side in the width direction of the user.
本実施の形態においては、図1〜図4に示すように、前記大腿フレーム20は、さらに、前記大腿装着体10に挿入されたユーザーの大腿を挟んで前記第1大腿フレーム20(1)と対向するようにユーザーの幅方向内方側においてユーザーの大腿に沿って上下に延びる第2大腿フレーム20(2)を有している。 In the present embodiment, as shown in FIGS. 1 to 4, the thigh frame 20 is further sandwiched between the user's thigh inserted into the thigh mounting body 10 and the first thigh frame 20 (1). It has a second thigh frame 20 (2) extending vertically along the user's thigh on the inner side in the width direction of the user so as to face each other.
本実施の形態においては、前記下腿側装具30は、ユーザーの下腿に装着される下腿装着体35と、前記下腿装着体35に連結された下腿フレーム40とを有している。 In the present embodiment, the crus side orthosis 30 has a crus attachment body 35 attached to the user's lower leg and a crus frame 40 connected to the crus attachment body 35.
前記下腿装着体35は、ユーザーの下腿に装着可能とされる限り種々の形態を取り得る。
本実施の形態においては、図1に示すように、前記下腿装着体35は、ユーザーの下腿が挿入可能で且つ下腿にフィットするような大きさの装着孔を有する筒状とされている。
The lower leg attachment body 35 can take various forms as long as it can be attached to the lower leg of the user.
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the lower leg mounting body 35 has a tubular shape having a mounting hole sized so that the user's lower leg can be inserted and fits the lower leg.
図1〜図4に示すように、前記下腿フレーム40は、ユーザーの幅方向外方側においてユーザーの下腿に沿って上下に延びる第1下腿フレーム40(1)を有している。 As shown in FIGS. 1 to 4, the lower leg frame 40 has a first lower leg frame 40 (1) extending up and down along the user's lower leg on the outer side in the width direction of the user.
本実施の形態においては、図1〜図4に示すように、前記下腿フレーム40は、さらに、前記下腿装着体30に挿入されたユーザーの下腿を挟んで前記第1下腿フレーム40(1)と対向するようにユーザーの幅方向内方側においてユーザーの下腿に沿って上下に延びる第2下腿フレーム40(2)を有している。 In the present embodiment, as shown in FIGS. 1 to 4, the lower leg frame 40 further sandwiches the lower leg of the user inserted into the lower leg mounting body 30 with the first lower leg frame 40 (1). It has a second lower leg frame 40 (2) extending vertically along the user's lower leg on the inner side in the width direction of the user so as to face each other.
本実施の形態においては、前記下腿側装具30は、さらに、ユーザーが足を載置する足装着体65と、前記足装着体65を支持し且つ前記下腿フレーム40に連結される足フレーム60とを有している。 In the present embodiment, the lower leg side orthosis 30 further includes a foot attachment 65 on which the user rests his / her foot and a foot frame 60 that supports the foot attachment 65 and is connected to the lower leg frame 40. have.
前記下腿側装具30は、前記大腿側装具10に対してユーザーの膝関節回り回動可能に連結されている。
即ち、前記下腿フレーム40が前記大腿フレーム20に対してユーザーの膝関節の揺動軸線X回り回動可能に連結されている。
The lower leg side orthosis 30 is rotatably connected to the thigh side orthosis 10 around the user's knee joint.
That is, the lower leg frame 40 is rotatably connected to the thigh frame 20 around the swing axis X of the user's knee joint.
前述の通り、本実施の形態においては、前記大腿フレーム20は前記第1及び第2大腿フレーム20(1)、20(2)を有し、前記下腿フレーム40は第1及び第2下腿フレーム40(1)、40(2)を有している。 As described above, in the present embodiment, the thigh frame 20 has the first and second thigh frames 20 (1) and 20 (2), and the lower leg frame 40 is the first and second lower leg frames 40. It has (1) and 40 (2).
従って、前記第1下腿フレーム40(1)が前記第1大腿フレーム20(1)に揺動軸線X回り回動可能に連結され、前記第2下腿フレーム40(2)が前記第2大腿フレーム20(2)に揺動軸線X回り回動可能に連結されている。 Therefore, the first lower leg frame 40 (1) is rotatably connected to the first thigh frame 20 (1) around the swing axis X, and the second lower leg frame 40 (2) is connected to the second thigh frame 20. It is rotatably connected to (2) around the swing axis X.
図5に、前記大腿フレーム20及び前記下腿フレーム40の分解斜視図を示す。
図5に示すように、前記大腿フレーム20は、上下方向に延びる大腿フレーム本体21と、前記大腿フレーム本体21の下端部を挟むように当該大腿フレーム本体21にピン連結又は溶接等によって固着された一対の連結片22a、22bとを有している。
FIG. 5 shows an exploded perspective view of the thigh frame 20 and the lower leg frame 40.
As shown in FIG. 5, the thigh frame 20 is fixed to the thigh frame main body 21 extending in the vertical direction by pin connection or welding so as to sandwich the lower end portion of the thigh frame main body 21. It has a pair of connecting pieces 22a and 22b.
前記一対の連結片22a、22bは、前記大腿フレーム本体21よりユーザーの脚から離間する側に位置する外側連結片22aと、前記大腿フレーム本体21よりユーザーの脚に近接する側に位置する内側連結片22bとを有している。 The pair of connecting pieces 22a and 22b are an outer connecting piece 22a located on the side away from the user's leg from the thigh frame main body 21 and an inner connecting piece 22a located on the side closer to the user's leg than the thigh frame main body 21. It has a piece 22b.
前記下腿フレーム40は、前記一対の連結片22a、22bの間に介挿された状態で前記揺動軸線X回り回動可能に前記一対の連結片22a、22bに連結されている。 The lower leg frame 40 is connected to the pair of connecting pieces 22a and 22b so as to be rotatable around the swing axis X in a state of being inserted between the pair of connecting pieces 22a and 22b.
詳しくは、前記一対の連結片22a、22b及び前記下腿フレーム40の上部には前記揺動軸線Xと同軸上においてユーザー幅方向に沿った取付孔23、43が形成されている。 Specifically, the pair of connecting pieces 22a and 22b and the upper part of the lower leg frame 40 are formed with mounting holes 23 and 43 coaxially with the swing axis X along the user width direction.
前記アクチュエータユニット100が装着される側(ユーザーの対応する脚よりユーザー幅方向外方側)に位置する、前記第1大腿フレーム20(1)及び前記第1下腿フレーム40(1)は、第1回動連結具50(1)を介して前記揺動軸線X回り回動可能に連結されている。 The first thigh frame 20 (1) and the first lower leg frame 40 (1) located on the side where the actuator unit 100 is mounted (outside in the user width direction from the user's corresponding leg) are first. It is rotatably connected around the swing axis X via the rotary connector 50 (1).
前記第1回動連結具50(1)は、前記取付孔23、43内において互いに対して分離可能に連結される第1雌ネジ部材51(1)及び第1雄ネジ部材55(1)を有している。 The first rotary connector 50 (1) has a first female screw member 51 (1) and a first male screw member 55 (1) that are separably connected to each other in the mounting holes 23 and 43. Have.
前記第1雌ネジ部材51(1)は、前記内側連結片22bの側から前記取付孔23に挿入される筒部52と、前記取付孔23よりユーザーの脚に近接する位置において前記筒部52から径方向外方へ延在されるフランジ部53とを有しており、前記筒部52には自由端側に開くネジ穴が形成されている。 The first female screw member 51 (1) has a tubular portion 52 inserted into the mounting hole 23 from the side of the inner connecting piece 22b, and the tubular portion 52 at a position closer to the user's leg than the mounting hole 23. It has a flange portion 53 extending outward in the radial direction from the above, and the tubular portion 52 is formed with a screw hole that opens to the free end side.
前記第1雄ネジ部材55(1)は、前記外側連結片22aの側から前記取付孔23内に挿入される筒部56と、前記取付孔23よりユーザーの脚から離間する位置において前記筒部56から延在された係合凸部57とを有している。 The first male screw member 55 (1) has a tubular portion 56 inserted into the mounting hole 23 from the side of the outer connecting piece 22a and the tubular portion at a position separated from the user's leg from the mounting hole 23. It has an engaging protrusion 57 extending from 56.
前記第1雄ネジ部材55(1)の筒部56には、前記取付孔23、43内において前記第1雌ネジ部材51(1)の前記ネジ穴に螺入される雄ネジが形成されている。 The tubular portion 56 of the first male screw member 55 (1) is formed with a male screw that is screwed into the screw hole of the first female screw member 51 (1) in the mounting holes 23 and 43. There is.
前記第1雄ネジ部材55(1)に形成された雄ネジ及び前記第1雌ネジ部材51(1)の雌ネジを、前記取付孔23、43内で螺入させることによって、前記第1下腿フレーム40(1)が前記第1大腿フレーム20(1)に対して揺動可能に連結される。 By screwing the male screw formed in the first male screw member 55 (1) and the female screw of the first female screw member 51 (1) into the mounting holes 23 and 43, the first lower leg The frame 40 (1) is swingably connected to the first thigh frame 20 (1).
ユーザーの対応する脚よりユーザー幅方向内方側に位置する、前記第2大腿フレーム20(2)及び前記第2下腿フレーム40(2)は、第2回動連結具50(2)を介して前記揺動軸線X回り回動可能に連結されている。 The second thigh frame 20 (2) and the second lower leg frame 40 (2), which are located inward in the user width direction from the user's corresponding leg, are via the second rotary connector 50 (2). It is rotatably connected around the swing axis X.
前記第2回動連結具50(2)は、前記取付孔内23、43において互いに対して分離可能に連結される第2雌ネジ部材51(2)及び第2雄ネジ部材55(2)を有している。 The second rotary connector 50 (2) has a second female screw member 51 (2) and a second male screw member 55 (2) that are separably connected to each other in the mounting holes 23 and 43. Have.
前記第2雌ネジ部材51(2)は、前記第1雌ネジ部材51(1)と同一構成を有している。 The second female screw member 51 (2) has the same configuration as the first female screw member 51 (1).
前記第2雄ネジ部材55(2)は、前記外側連結片22aの側から前記取付孔23内に挿入される筒部56と、前記取付孔23よりユーザー幅方向内方側において前記筒部56から径方向外方へ延在されたフランジ部58とを有している。 The second male screw member 55 (2) has a tubular portion 56 inserted into the mounting hole 23 from the side of the outer connecting piece 22a and the tubular portion 56 on the inner side in the user width direction from the mounting hole 23. It has a flange portion 58 extending radially outwardly from the.
前記第2雄ネジ部材55(2)の筒部56には、前記取付孔23、43内において前記第2雌ネジ部材51(2)の前記ネジ穴に螺入される雄ネジが形成されている。 The tubular portion 56 of the second male screw member 55 (2) is formed with a male screw that is screwed into the screw hole of the second female screw member 51 (2) in the mounting holes 23 and 43. There is.
前記第2雄ネジ部材55(2)に形成された雄ネジ及び前記第2雌ネジ部材51(2)の雌ネジを、前記取付孔23、43内で螺入させることによって、前記第2下腿フレーム40(2)が前記第2大腿フレーム20(2)に対して揺動可能に連結される。 By screwing the male screw formed in the second male screw member 55 (2) and the female screw of the second female screw member 51 (2) into the mounting holes 23 and 43, the second lower leg The frame 40 (2) is swingably connected to the second thigh frame 20 (2).
なお、図5の符号53aは、前記フランジ部53に設けられた径方向外方突起であり、前記内側連結片22bに形成された凹部に係合することで、前記雌ねじ部材51が前記内側連結片22b(即ち、前記大腿フレーム20)に対して軸線回り相対回転不能に保持されるようになっている。 Reference numeral 53a in FIG. 5 is a radial outer protrusion provided on the flange portion 53, and the female screw member 51 is connected to the inner side by engaging with a recess formed in the inner connecting piece 22b. It is held so that it cannot rotate relative to the piece 22b (that is, the thigh frame 20) around the axis.
本実施の形態においては、前記長下肢装具1は、図1〜図4に示すように、さらに、前記下腿フレーム40の前記大腿フレーム20に対する揺動軸線X回りの回動を禁止する為のロック部材70を有している。 In the present embodiment, as shown in FIGS. 1 to 4, the long leg orthosis 1 is further locked to prohibit the rotation of the lower leg frame 40 with respect to the thigh frame 20 around the swing axis X. It has a member 70.
前記ロック部材70は、前記大腿フレーム20及び前記下腿フレーム40を囲繞して両フレーム20、40を連結し、前記下腿フレーム40が前記大腿フレーム20に対して前記揺動軸線X回りに相対回転することを防止するロック状態示す状態(図1〜図4に示す状態)と、前記大腿フレーム20及び前記下腿フレーム40の連結を解除し、前記下腿フレーム40が前記大腿フレーム20に対して前記揺動軸線X回りに相対回転することを許容する解除状態とを取り得るように構成されている。 The lock member 70 surrounds the thigh frame 20 and the lower leg frame 40 to connect both frames 20 and 40, and the lower leg frame 40 rotates relative to the thigh frame 20 about the swing axis X. The locked state (states shown in FIGS. 1 to 4) and the thigh frame 20 and the lower leg frame 40 are disconnected from each other, and the lower leg frame 40 swings with respect to the thigh frame 20. It is configured to be in a release state that allows relative rotation around the axis X.
なお、本実施の形態においては、前記ロック部材70は、前記第1大腿フレーム20(1)及び前記第1下腿フレーム40(1)に作用するユーザー幅方向外側に位置する第1ロック部材70(1)と、前記第2大腿フレーム20(2)及び前記第2下腿フレーム40(2)に作用するユーザー幅方向内側に位置する第2ロック部材70(2)とを有している。 In the present embodiment, the lock member 70 is a first lock member 70 (1) located outside in the user width direction acting on the first thigh frame 20 (1) and the first lower leg frame 40 (1). It has 1) and a second lock member 70 (2) located inside in the user width direction acting on the second thigh frame 20 (2) and the second lower leg frame 40 (2).
また、本実施の形態においては、図5に示すように、前記下腿フレーム40の上端面45(前記大腿フレーム20に対向する端面)は前記揺動軸線X回り一方側から他方側へ行くに従って前記揺動軸線Xからの径方向距離が増大するような傾斜面とされており、前記大腿フレーム20の下端面25(前記下腿フレーム40に対向する端面)は前記下腿フレーム40の上端面45に対応した傾斜面とされている。 Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, the upper end surface 45 of the lower leg frame 40 (the end surface facing the thigh frame 20) is said to go from one side to the other side around the swing axis X. The inclined surface is such that the radial distance from the swing axis X increases, and the lower end surface 25 of the thigh frame 20 (the end surface facing the lower leg frame 40) corresponds to the upper end surface 45 of the lower leg frame 40. It is said to be an inclined surface.
斯かる構成により、前記下腿フレーム40は、前記大腿フレーム20に対して前記揺動軸線X回り一方側(ユーザーの下腿が大腿に対して屈曲する方向)へのみ回動が許容され、他方側へは、下腿が大腿に対して伸展することを許容しつつそれ以上は回動しないようになっている。 With such a configuration, the lower leg frame 40 is allowed to rotate only on one side (the direction in which the user's lower leg bends with respect to the thigh) around the swing axis X with respect to the thigh frame 20, and moves to the other side. Allows the lower leg to extend with respect to the thigh, but does not rotate any further.
図6に、前記アクチュエータユニット100の部分縦断面図を示す。
図1〜図4及び図6に示すように、前記アクチュエータユニット100は、上部フレーム120と、前記上部フレーム120に枢支軸線Y回り回動可能に連結された下部フレーム340と、前記下部フレーム340を枢支軸線Y回りに回動させる為の駆動力を発生する電動モータ等の駆動体110と、前記上部フレーム340を前記大腿フレーム20に連結させる上部連結体360と、前記枢支軸線Yを前記揺動軸線Xと同軸上に位置させる回動中心連結体180と、下部連結体370とを備えている。
FIG. 6 shows a partial vertical sectional view of the actuator unit 100.
As shown in FIGS. 1 to 4 and 6, the actuator unit 100 includes an upper frame 120, a lower frame 340 rotatably connected to the upper frame 120 around the coaxial support axis Y, and the lower frame 340. A driving body 110 such as an electric motor that generates a driving force for rotating the shaft axis Y, an upper connecting body 360 that connects the upper frame 340 to the thigh frame 20, and the pivot axis Y. A rotation center coupling body 180 positioned coaxially with the swing axis X and a lower coupling body 370 are provided.
前記上部フレーム120及び前記下部フレーム340には、それぞれ、前記枢支軸線Yと同軸上に配置された上部フレーム取付孔120a及び下部フレーム取付孔140aが設けられている。 The upper frame 120 and the lower frame 340 are provided with an upper frame mounting hole 120a and a lower frame mounting hole 140a, which are arranged coaxially with the pivot axis Y, respectively.
前記下部フレーム取付孔140aには回動連結軸151が固着されており、前記回動連結軸151が軸受部材155を介して前記上部フレーム取付孔120aに軸線回り回動可能に支持されており、これにより、前記下部フレーム340が前記上部フレーム120に前記枢支軸線Y回り回動可能に連結されている。 A rotary connecting shaft 151 is fixed to the lower frame mounting hole 140a, and the rotary connecting shaft 151 is rotatably supported by the upper frame mounting hole 120a via a bearing member 155. As a result, the lower frame 340 is rotatably connected to the upper frame 120 around the pivot axis Y.
前記駆動体110は、電動モータ等の駆動源111と、前記駆動源111によって発生された駆動力を前記下部フレーム340に伝達する伝動機構115とを有している。 The drive body 110 has a drive source 111 such as an electric motor and a transmission mechanism 115 that transmits the drive force generated by the drive source 111 to the lower frame 340.
前記駆動源111は前記上部フレーム120の外側面に固着されている。
本実施の形態においては、図6に示すように、前記駆動源111は、出力軸111aが下方へ延在された状態で前記上部フレーム120の外側面に固着されている。
The drive source 111 is fixed to the outer surface of the upper frame 120.
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, the drive source 111 is fixed to the outer surface of the upper frame 120 with the output shaft 111a extending downward.
本実施の形態においては、図6に示すように、前記伝動機構115は、前記出力軸111aに相対回転不能に支持された駆動側ベベルギヤ116と、前記枢支軸線Y回りに前記下部フレーム340と一体的に回転するように前記下部フレーム340に連結された状態で前記駆動側ベベルギヤ116に噛合された従動側ベベルギヤ117とを備えている。 In the present embodiment, as shown in FIG. 6, the transmission mechanism 115 includes a drive-side bevel gear 116 supported by the output shaft 111a so as not to rotate relative to the output shaft 111a, and the lower frame 340 around the pivot axis Y. It is provided with a driven side bevel gear 117 meshed with the driving side bevel gear 116 in a state of being connected to the lower frame 340 so as to rotate integrally.
なお、前記アクチュエータユニット100は、前記回動連結軸151の軸線回りの回転角度を検出するセンサ(図示せず)を有することができ、前記センサによって前記回動連結軸151の軸線回りの回転角度を検出して、前記下部フレーム340の前記枢支軸線Y回りの揺動角度を認識することができる。 The actuator unit 100 can have a sensor (not shown) for detecting the rotation angle around the axis of the rotation connection shaft 151, and the rotation angle around the axis of the rotation connection shaft 151 by the sensor. Can be detected to recognize the swing angle of the lower frame 340 around the pivot axis Y.
図3及び図4に示すように、前記上部連結体360は、枢支軸線Yに平行で且つユーザー幅方向外方(前記上部フレーム120の方向)に開くように前記第1大腿フレーム20(1)に設けられた係合孔361と、前記係合孔361に係合可能なように前記上部フレーム120に設けられた係合ピン362とを有している。 As shown in FIGS. 3 and 4, the upper connecting body 360 is parallel to the pivot axis Y and opens outward in the user width direction (direction of the upper frame 120) of the first thigh frame 20 (1). ), And an engaging pin 362 provided in the upper frame 120 so as to be able to engage with the engaging hole 361.
本実施の形態においては、前記上部連結体360には、ロック機構が備えられている。
前記ロック機構は、図4に示すように、前記係合ピン362の外表面から径方向に沿って進退自在とされ、前記係合ピンの外表面から径方向外方へ突出された係合位置及び前記係合ピン内に退避された解除位置を取り得る凸部366と、前記凸部366を係合位置へ向けて付勢する付勢部材(図示せず)と、前記係合ピン362が前記係合孔361に係入された状態において前記凸部366と係合するように前記係合孔に設けられた凹部(図示せず)と、外部からの人為操作に応じて前記付勢部材の付勢力に抗して前記凸部366を解除位置へ押動する解除操作部367とを有している。
In the present embodiment, the upper connecting body 360 is provided with a locking mechanism.
As shown in FIG. 4, the locking mechanism is movable back and forth along the radial direction from the outer surface of the engaging pin 362, and the engaging position is projected outward in the radial direction from the outer surface of the engaging pin. A convex portion 366 capable of taking a released position retracted into the engaging pin, an urging member (not shown) for urging the convex portion 366 toward the engaging position, and the engaging pin 362. A recess (not shown) provided in the engaging hole so as to engage with the convex portion 366 in a state of being engaged in the engaging hole 361, and the urging member in response to an artificial operation from the outside. It has a release operation unit 367 that pushes the convex portion 366 to the release position against the urging force of the above.
図4及び図6に示すように、前記回動中心連結体180は、前記揺動軸線Xと同軸上に位置するように前記第1大腿フレーム20(1)又は前記第1下腿フレーム40(1)に設けられた装具側回動中心連結部材と、前記枢支軸線Yと同軸上に位置するように前記上部フレーム120又は前記下部フレーム340に設けられたアクチュエータ側回動中心連結部材185とを有している。 As shown in FIGS. 4 and 6, the rotation center connecting body 180 is located on the first thigh frame 20 (1) or the first lower leg frame 40 (1) so as to be located coaxially with the swing axis X. ), And the actuator-side rotation center connecting member 185 provided on the upper frame 120 or the lower frame 340 so as to be located coaxially with the pivot axis Y. Have.
本実施の形態においては、前記第1回動連結具50(1)における前記係合凸部27が前記装具側回動中心連結部材として作用する。 In the present embodiment, the engaging convex portion 27 in the first rotation connecting tool 50 (1) acts as the fitting side rotation center connecting member.
前記アクチュエータ側回動中心連結部材185は、前記装具側回動中心連結部材(本実施の形態においては前記係合凸部57)に着脱可能に凹凸係合するアクチュエータ側凹凸係合部185aを有している。 The actuator-side rotation center connecting member 185 has an actuator-side concave-convex engaging portion 185a that is detachably engaged with the fitting-side rotating center connecting member (the engaging convex portion 57 in the present embodiment). are doing.
本実施の形態においては、図6に示すように、前記上部フレーム120に、前記装具側回動中心連結部材(本実施の形態においては前記係合凸部57)が着脱可能且つ軸線回り回動可能に係入される係合凹部が形成されており、前記係合凹部が前記アクチュエータ側凹凸係合部185aとして作用する。 In the present embodiment, as shown in FIG. 6, the brace-side rotation center connecting member (in the present embodiment, the engaging convex portion 57) is detachable and rotates around the axis to the upper frame 120. An engaging recess that can be engaged is formed, and the engaging recess acts as the actuator-side concave-convex engaging portion 185a.
図3、図4及び図6に示すように、前記下部連結体370は、前記下部フレーム340が前記上部フレーム120に対して枢支軸線Y回りに回動する動きに応じて前記第1下腿フレーム40(1)が前記第1大腿フレーム20(1)に対して揺動軸線X回りに回動するように、前記下部フレーム340を前記第1下腿フレーム40(1)に連結させる。 As shown in FIGS. 3, 4 and 6, the lower connecting body 370 is the first lower leg frame in response to a movement in which the lower frame 340 rotates about the pivot axis Y with respect to the upper frame 120. The lower frame 340 is connected to the first lower leg frame 40 (1) so that the 40 (1) rotates about the swing axis X with respect to the first thigh frame 20 (1).
詳しくは、図6に示すように、前記下部フレーム340は、前記回動連結軸151を介して前記上部フレーム120に枢支軸線Y回り回動可能に連結される基端部341と、前記基端部341から前記第1下腿フレーム40(1)に近接する側へ延びる先端部345とを有している。 Specifically, as shown in FIG. 6, the lower frame 340 has a base end portion 341 rotatably connected to the upper frame 120 via the rotation connecting shaft 151 and the base end portion 341 and the base. It has a tip portion 345 extending from the end portion 341 toward the side close to the first lower leg frame 40 (1).
図6等に示すように、本実施の形態においては、前記基端部341は、前記従動側ベベルギヤ117を枢支軸線Y回りに一体回転するように支持しており、これにより、前記駆動体110からの回転動力によって前記従動側ベベルギヤ117及び前記基端部341が枢支軸線Y回りに一体回動する。
本実施の形態においては、前記基端部341は略垂直に沿った平板状とされている。
As shown in FIG. 6 and the like, in the present embodiment, the base end portion 341 supports the driven side bevel gear 117 so as to rotate integrally around the pivot axis Y, whereby the driving body The driven side bevel gear 117 and the base end portion 341 are integrally rotated around the pivot axis Y by the rotational power from 110.
In the present embodiment, the base end portion 341 has a flat plate shape along a substantially vertical direction.
図4及び図6に示すように、前記先端部345は、先端面346が前記第1下腿フレーム40(1)におけるユーザー幅方向外方を向く外側面と対向する対向面を形成している。
前記先端面346は、前記第1下腿フレーム40(1)の幅方向(即ち、ユーザー前後方向)に対応した幅方向Dに関し所定長さを有している。
本実施の形態においては、前記先端部345は略水平に沿った平板状とされており、先端面346は略矩形とされている。
As shown in FIGS. 4 and 6, the tip portion 345 forms a facing surface whose tip surface 346 faces the outer surface of the first lower leg frame 40 (1) facing outward in the user width direction.
The tip surface 346 has a predetermined length with respect to the width direction D corresponding to the width direction (that is, the user front-rear direction) of the first lower leg frame 40 (1).
In the present embodiment, the tip portion 345 has a flat plate shape along a substantially horizontal shape, and the tip surface 346 has a substantially rectangular shape.
図4及び図6に示すように、前記下部連結体370は、前記先端部345に形成された支持孔371と、前記支持孔371に進退自在に収容された係合ピン372と、前記係合ピン372を付勢する付勢ばね373と、前記先端部345に設けられた係合アーム375とを有している。 As shown in FIGS. 4 and 6, the lower connecting body 370 is engaged with a support hole 371 formed in the tip portion 345 and an engagement pin 372 housed in the support hole 371 so as to be retractable. It has an urging spring 373 that urges the pin 372 and an engaging arm 375 provided at the tip portion 345.
前記支持孔371は、前記対向面の幅方向中間領域において前記対向面に開き且つ前記第1下腿フレーム40(1)の外側面に対して略直交する方向に延びている。 The support hole 371 opens in the widthwise intermediate region of the facing surface and extends in a direction substantially orthogonal to the outer surface of the first lower leg frame 40 (1).
前記係合ピン372は、先端が前記対向面から突出された突出位置及び前記突出位置より前記第1下腿フレーム40(1)から離間するように前記支持孔371に入り込んだ退避位置を取り得るように、前記支持孔371に軸線方向移動可能に収容されている。 The engaging pin 372 can take a protruding position where the tip protrudes from the facing surface and a retracted position where the tip of the engaging pin 372 enters the support hole 371 so as to be separated from the first lower leg frame 40 (1) from the protruding position. Is accommodated in the support hole 371 so as to be movable in the axial direction.
前記付勢ばね373は、前記係合ピン371を突出位置へ向けて付勢する。
本実施の形態においては、前記付勢ばね373は、前記係合ピン371の基端部と前記支持孔371の底面との間に介挿されている。
The urging spring 373 urges the engaging pin 371 toward a protruding position.
In the present embodiment, the urging spring 373 is inserted between the base end portion of the engaging pin 371 and the bottom surface of the support hole 371.
詳しくは、本実施の形態においては、前記支持孔371は、一端側が前記対向面に開き且つ他端側が前記対向面とは反対側の裏面に開くように前記先端部345に形成されており、前記支持孔371の他端側は前記先端部345の裏面に固着される閉塞プレート348によって閉じられている。この場合、前記閉塞プレート348が前記支持孔371の底面を形成する。 Specifically, in the present embodiment, the support hole 371 is formed in the tip portion 345 so that one end side opens to the facing surface and the other end side opens to the back surface opposite to the facing surface. The other end side of the support hole 371 is closed by a closing plate 348 fixed to the back surface of the tip portion 345. In this case, the closing plate 348 forms the bottom surface of the support hole 371.
前記係合アーム375は、前記対向面から前記第1下腿フレーム40(1)に近接する側へ枢支軸線Yに沿って延びる軸方向延在部376を有している。
前記軸方向延在部376は、前記第1下腿フレーム40(1)が前記下部フレーム340の幅方向に関し前記軸方向延在部376及び前記係合ピン372の間に配置可能なように、前記係合ピン372との間の幅方向離間距離が設定されている。
The engaging arm 375 has an axially extending portion 376 extending along the pivot axis Y from the facing surface to the side close to the first lower leg frame 40 (1).
The axial extending portion 376 is said so that the first lower leg frame 40 (1) can be arranged between the axial extending portion 376 and the engaging pin 372 with respect to the width direction of the lower frame 340. The widthwise separation distance from the engaging pin 372 is set.
即ち、前記第1下腿フレーム40(1)がユーザー前後方向に関し前記係合ピン372及び前記軸方向延在部376の間に位置し得るように、前記係合ピン372及び前記軸方向延在部376の間の幅方向離間距離が前記第1下腿フレーム40(1)の幅よりも大とされている。 That is, the engaging pin 372 and the axial extending portion so that the first lower leg frame 40 (1) can be located between the engaging pin 372 and the axial extending portion 376 with respect to the user front-rear direction. The widthwise separation distance between the 376s is set to be larger than the width of the first lower leg frame 40 (1).
ここで、前記下部連結体370による前記下部フレーム340の前記第1下腿フレーム40(1)への装着動作について説明する。
図7に、図2におけるVII-VII線に沿った端面図を示す。
Here, the operation of attaching the lower frame 340 to the first lower leg frame 40 (1) by the lower connecting body 370 will be described.
FIG. 7 shows an end view taken along the line VII-VII in FIG.
前記下部フレーム340を前記第1下腿フレーム40(1)に前記下部連結体370によって連結させる際には、まず、前記係合ピン372を前記付勢ばね373の付勢力に抗して退避位置に位置させつつ、前記第1下腿フレーム40(1)が枢支軸線Yに沿った方向に関し前記軸方向延在部376と重合する位置まで前記アクチュエータユニット100を長下肢装具本体に対して枢支軸線Y方向に相対移動させる。 When connecting the lower frame 340 to the first lower leg frame 40 (1) by the lower connecting body 370, first, the engaging pin 372 is moved to the retracted position against the urging force of the urging spring 373. While positioning, the actuator unit 100 is positioned with respect to the long lower limb orthosis body until the position where the first lower leg frame 40 (1) overlaps with the axial extending portion 376 with respect to the direction along the pivot axis Y. Move relative to the Y direction.
この際、好ましくは、前記係合ピン372の退避位置への移動を前記第1下腿フレーム40(1)の外側面を介して行うことができる。
即ち、前記第1下腿フレーム40(1)の外側面を前記係合ピン372に当接させた状態で前記係合ピン372が突出位置から退避位置へ移動するように、前記アクチュエータユニット100を前記第1下腿フレーム40(1)に対して近接方向へ相対移動させることができる。
この状態を図7に破線で示す。
At this time, preferably, the engagement pin 372 can be moved to the retracted position via the outer surface of the first lower leg frame 40 (1).
That is, the actuator unit 100 is moved so that the engaging pin 372 moves from the protruding position to the retracted position while the outer surface of the first lower leg frame 40 (1) is in contact with the engaging pin 372. It can be moved relative to the first lower leg frame 40 (1) in the proximity direction.
This state is shown by a broken line in FIG.
図7において破線で示された状態から、前記下部フレーム340を枢支軸線Y回り連結方向(図7においては時計回り方向)に回動させると、前記係合ピン372と前記第1下腿フレーム40(1)との当接が解除されて、前記係合ピン372が前記付勢ばね373の付勢力によって退避位置から突出位置に位置される。 When the lower frame 340 is rotated in the direction of connecting the pivot axis Y (clockwise in FIG. 7) from the state shown by the broken line in FIG. 7, the engaging pin 372 and the first lower leg frame 40 are formed. The contact with (1) is released, and the engaging pin 372 is positioned from the retracted position to the protruding position by the urging force of the urging spring 373.
これにより、前記第1下腿フレーム40(1)は、前記下部フレーム340の幅方向(ユーザー前後方向)に関し前記係合ピン372及び前記軸方向延在部376によって挟まれることになり(図7の実線参照)、前記下部フレーム340が前記第1下腿フレーム40(1)に対してフレーム長手方向へは相対移動可能な状態で、前記下部フレーム340の前記上部フレーム120に対する前記枢支軸線Y回りの回動動作に連動して前記第1下腿フレーム40(1)を前記大腿フレーム20に対して前記揺動軸線X回りに回動させる連動状態が現出される。 As a result, the first lower leg frame 40 (1) is sandwiched by the engaging pin 372 and the axial extending portion 376 in the width direction (user front-rear direction) of the lower frame 340 (FIG. 7). (See solid line), in a state where the lower frame 340 can move relative to the first lower leg frame 40 (1) in the longitudinal direction of the frame, and around the pivot axis Y with respect to the upper frame 120 of the lower frame 340. An interlocking state in which the first lower leg frame 40 (1) is rotated around the swing axis X with respect to the thigh frame 20 appears in conjunction with the rotation operation.
なお、装着時とは逆の操作を行うことによって、前記下部連結体370によって前記第1下腿フレーム40(1)に連結されている前記下部フレーム340を取り外すことができる。
即ち、前記下部連結体370によって前記下部フレーム340が前記第1下腿フレーム40(1)に連結されている際には、前記係合ピン372は前記付勢ばね373の付勢力によって突出位置に位置されている。
The lower frame 340 connected to the first lower leg frame 40 (1) by the lower connecting body 370 can be removed by performing the operation opposite to that at the time of mounting.
That is, when the lower frame 340 is connected to the first lower leg frame 40 (1) by the lower connecting body 370, the engaging pin 372 is positioned at a protruding position by the urging force of the urging spring 373. Has been done.
この突出位置の前記係合ピン372を人為操作力によって前記付勢ばね373の付勢力に抗して退避位置まで押動しつつ、前記下部フレーム340を枢支軸線Y回り解除方向(図7においては反時計回り方向)に回動させて、前記係合ピン372の先端部が前記第1下腿フレーム40(1)の外側面に当接する状態(図7の破線の状態)を現出させる。 While pushing the engaging pin 372 at this protruding position to the retracted position against the urging force of the urging spring 373 by an artificial operation force, the lower frame 340 is pushed around the pivot axis Y in the release direction (in FIG. 7). Is rotated counterclockwise) to reveal a state in which the tip end portion of the engagement pin 372 is in contact with the outer surface of the first lower leg frame 40 (1) (the state of the broken line in FIG. 7).
その後に、前記第1下腿フレーム40(1)及び前記下部フレーム340を互いに対して離間する方向へ相対移動させることによって、前記下部フレーム340を前記第1下腿フレーム40(1)から取り外すことができる。 After that, the lower frame 340 can be removed from the first lower leg frame 40 (1) by relatively moving the first lower leg frame 40 (1) and the lower frame 340 in a direction away from each other. ..
好ましくは、前記係合アーム375は、前記軸方向延在部376から前記対向面の幅方向Wに関し前記係合ピン372に近接する方向へ延び、前記下部フレーム340が前記第1下腿フレーム40(1)に連結された状態において前記第1下腿フレーム40(1)の内側面(ユーザー幅方向に関し内側を向く側面)と対向する幅方向延在部377を含むものとされる。 Preferably, the engaging arm 375 extends from the axially extending portion 376 in a direction close to the engaging pin 372 with respect to the width direction W of the facing surface, and the lower frame 340 is the first lower leg frame 40 ( It is assumed that the width direction extending portion 377 facing the inner side surface (side surface facing inward in the user width direction) of the first lower leg frame 40 (1) in a state of being connected to 1) is included.
前記幅方向延在部377は、前記第1下腿フレーム40(1)が前記係合ピン372、前記対向面を形成する前記先端面346、前記軸方向延在部376及び前記幅方向延在部377によって囲まれる保持空間370S(図4参照)内に配置可能なように、前記先端面346との間の軸方向離間距離が前記第1下腿フレーム40(1)の厚みよりも大となるように構成される。 The widthwise extending portion 377 includes the engaging pin 372, the tip surface 346 on which the first lower leg frame 40 (1) forms the facing surface, the axial extending portion 376, and the widthwise extending portion. The axial separation distance from the tip surface 346 is larger than the thickness of the first lower leg frame 40 (1) so that it can be arranged in the holding space 370S (see FIG. 4) surrounded by 377. It is composed of.
前記係合アーム375に前記幅方向延在部377を備えることによって、前記下部フレーム340が前記下部連結体370によって前記第1下腿フレーム40(1)に連結されている状態において、前記下部フレーム340及び前記第1下腿フレーム40(1)が枢支軸線Y方向に沿って離間する方向へ相対移動することを有効に防止することができ、これにより、前記下部フレーム340が意に反して前記第1下腿フレーム40(1)から脱離することを有効に防止することができる。 By providing the engaging arm 375 with the widthwise extending portion 377, the lower frame 340 is connected to the first lower leg frame 40 (1) by the lower connecting body 370. And the first lower leg frame 40 (1) can be effectively prevented from relatively moving in a direction away from each other along the pivot axis Y direction, whereby the lower frame 340 is unexpectedly said to be the first. 1 It is possible to effectively prevent detachment from the lower leg frame 40 (1).
本実施の形態においては、前記係合アーム375は、前記対向面の幅方向一方側及び他方側にそれぞれ設けられた第1及び第2係合アーム375(1)、375(2)を有しており、図7の破線で示す状態から前記下部フレーム340を枢支軸線Y回りに何れの方向に回動させても、前記下部フレーム340を前記第1下腿フレーム40(1)に連結させ得るようになっている。 In the present embodiment, the engaging arm 375 has first and second engaging arms 375 (1) and 375 (2) provided on one side and the other side in the width direction of the facing surface, respectively. The lower frame 340 can be connected to the first lower leg frame 40 (1) by rotating the lower frame 340 around the pivot axis Y in any direction from the state shown by the broken line in FIG. It has become like.
また、本実施の形態においては、図7に示すように、揺動軸線Xが前記第1下腿フレーム40(1)の幅方向(ユーザー前後方向)の中心に対して、前記第1下腿フレーム40(1)の幅方向(ユーザー前後方向)一方側に偏位されている。図7においては、揺動軸線Xは前記第1下腿フレーム40(1)の幅方向中心に対して、ユーザー前後方向に関し後方へ偏位されている。 Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 7, the swing axis X is the center of the first crus frame 40 (1) in the width direction (user front-rear direction), and the first crus frame 40 It is deviated to one side in the width direction (user front-back direction) of (1). In FIG. 7, the swing axis X is displaced rearward with respect to the center in the width direction of the first lower leg frame 40 (1) in the front-back direction of the user.
このような場合には、前記係合ピン372を前記下部フレーム40の幅方向(ユーザー前後方向)の中央に配置させると共に、前記係合アーム375が、前記係合ピン372を挟んで前記下部フレーム40の幅方向一方側及び他方側(ユーザー前後方向に関し前方側及び後方側)に位置する前記第1及び第2係合アーム375(1)、375(2)を有するように構成することで、前記アクチュエータユニット100を長下肢装具1の左足側及び右足側の何れにも装着させることができる。 In such a case, the engaging pin 372 is arranged at the center of the lower frame 40 in the width direction (user front-rear direction), and the engaging arm 375 sandwiches the engaging pin 372 in the lower frame. By configuring the 40 to have the first and second engaging arms 375 (1) and 375 (2) located on one side and the other side (front side and rear side in the front-rear direction of the user) in the width direction. The actuator unit 100 can be attached to either the left foot side or the right foot side of the long leg orthosis 1.
即ち、前記長下肢装具1の左足側に前記アクチュエータユニット100を装着させる場合には、前記係合ピン372と前記第1係合アーム375(1)とによって前記第1下腿フレーム40(1)を挟む一方、前記長下肢装具1の右足側に前記アクチュエータユニット100を装着させる場合には、前記係合ピン372と前記第2係合アーム375(2)とによって前記第1下腿フレーム40(1)を挟むことができる。 That is, when the actuator unit 100 is mounted on the left foot side of the long leg orthosis 1, the first lower leg frame 40 (1) is attached by the engaging pin 372 and the first engaging arm 375 (1). On the other hand, when the actuator unit 100 is mounted on the right foot side of the long leg orthosis 1, the first lower leg frame 40 (1) is provided by the engaging pin 372 and the second engaging arm 375 (2). Can be sandwiched.
なお、本実施の形態においては、図7に示すように、前記アクチュエータユニット100は、前記係合ピン372とユーザー前後方向に関し前方に位置する前記第1係合アーム375(1)とによって前記第1下腿フレーム40(1)を挟むように装着されているが、前記第1下腿フレーム40(1)を前記第1大腿フレーム20(1)に対して回動させる回動角度を広げたい場合には、前記アクチュエータユニット100を、前記係合ピン372とユーザー前後方向に関し後方に位置する前記第2係合アーム375(2)とによって前記第1下腿フレーム40(1)を挟むように装着させることができる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the actuator unit 100 is formed by the engaging pin 372 and the first engaging arm 375 (1) located forward in the front-rear direction of the user. 1 When the lower leg frame 40 (1) is mounted so as to sandwich it, but it is desired to increase the rotation angle for rotating the first lower leg frame 40 (1) with respect to the first thigh frame 20 (1). Is to mount the actuator unit 100 so as to sandwich the first lower leg frame 40 (1) by the engaging pin 372 and the second engaging arm 375 (2) located rearward in the user front-rear direction. Can be done.
即ち、前記係合ピン372とユーザー前後方向に関し前方に位置する前記第1係合アーム375(1)とによって前記第1下腿フレーム40(1)を挟むと、前記下部フレーム340の初期姿勢(前記アクチュエータユニット100を装着した状態でユーザーが略直立姿勢と取る際の前記下部フレーム340の姿勢であり、図7の実線で示す姿勢)が、ユーザー幅方向内方から視た際に、水平姿勢(図7の破線で示す姿勢)から枢支軸線Y回りに時計回り方向へ所定角度αだけ回転された姿勢をとることになる。 That is, when the first lower leg frame 40 (1) is sandwiched between the engaging pin 372 and the first engaging arm 375 (1) located forward in the front-rear direction of the user, the initial posture of the lower frame 340 (the said). The posture of the lower frame 340 when the user takes a substantially upright posture with the actuator unit 100 attached, and the posture shown by the solid line in FIG. 7) is a horizontal posture (posture when viewed from the inside in the user width direction). The posture shown by the broken line in FIG. 7) is rotated clockwise by a predetermined angle α around the pivot axis Y.
ここで、前記アクチュエータユニット100付きの長下肢装具1をユーザーが左脚に装着して歩行する際の左脚の動きを考えると、下腿が大腿に対して屈曲される動きを行う際には前記第1下腿フレーム40(1)はユーザー幅方向内方から視た状態において前記第1大腿フレーム20(1)に対して時計回り方向へ回動することになる。 Here, considering the movement of the left leg when the user wears the long leg device 1 with the actuator unit 100 on the left leg and walks, the movement of the lower leg to be flexed with respect to the thigh is described above. The first lower leg frame 40 (1) rotates clockwise with respect to the first thigh frame 20 (1) when viewed from the inside in the user width direction.
従って、前記アクチュエータユニット100を前記長下肢装具1に装着させた状態の初期姿勢において、ユーザー幅方向内方から視た際に、前記下部フレーム340が水平姿勢(図7の破線で示す姿勢)から枢支軸線Y回りに時計回り方向へ所定角度αだけ回転されているとすると、ユーザーが膝を曲げる動作をアシストすべく下腿を大腿に対して屈曲方向へ押動できる範囲、つまり、前記下部フレーム340を、ユーザー幅方向内方から視た際に枢支軸線Y回り時計回り方向へ回動できる回動範囲が、水平姿勢を基準にして前記所定角度α分だけ狭まることになる。 Therefore, in the initial posture in which the actuator unit 100 is attached to the long lower limb equipment 1, the lower frame 340 is viewed from the horizontal posture (the posture shown by the broken line in FIG. 7) when viewed from the inside in the user width direction. Assuming that the crus axis Y is rotated clockwise by a predetermined angle α, the range in which the lower leg can be pushed in the bending direction with respect to the thigh to assist the user in bending the knee, that is, the lower frame When the 340 is viewed from the inside in the user width direction, the rotation range in which the pivot axis line Y can be rotated in the clockwise direction is narrowed by the predetermined angle α with respect to the horizontal posture.
これに対し、前記係合ピン372とユーザー前後方向に関し後方に位置する前記第2係合アーム375(2)とによって前記第1下腿フレーム40(1)を挟むように、前記アクチュエータユニット100を装着させれば、前記下部フレーム340は、初期姿勢(ユーザーが略直立状態となる姿勢)において、ユーザー幅方向内方から視た際に、水平姿勢(図7の破線で示す姿勢)から枢支軸線Y回りに反時計回り方向へ所定角度αだけ回転された姿勢をとることになる。 On the other hand, the actuator unit 100 is mounted so as to sandwich the first lower leg frame 40 (1) between the engaging pin 372 and the second engaging arm 375 (2) located rearward in the user front-rear direction. Then, in the initial posture (the posture in which the user is substantially upright), the lower frame 340 changes from the horizontal posture (the posture shown by the broken line in FIG. 7) to the pivot axis when viewed from the inside in the user width direction. The posture is rotated Y by a predetermined angle α in the counterclockwise direction.
従って、ユーザーの歩行動作をアシストすべく膝を曲げる方向へ押動力を付加できる範囲、つまり、前記下部フレーム340をユーザー幅方向内方から視た際に枢支軸線Y回り時計回り方向へ回動できる回動範囲を、水平姿勢を基準にして前記所定角度α分だけ広げることができる。 Therefore, the range in which the pushing force can be applied in the direction of bending the knee to assist the user's walking motion, that is, when the lower frame 340 is viewed from the inside in the user width direction, rotates in the clockwise direction of the pivot axis Y. The range of rotation that can be performed can be expanded by the predetermined angle α with reference to the horizontal posture.
ここで、本実施の形態に係る長下肢装具1の制御構造について説明する。
本実施の形態に係る長下肢装具1は、ユーザーの大腿姿勢に基づいて、下腿に対して歩行補助力を付与する前記アクチュエータユニット100の作動制御を行うように構成されている。
即ち、前記長下肢装具1は、制御対象部位である下腿とは異なる大腿の動きを検出し、大腿の動きに基づいて制御対象部位である下腿に対して歩行補助力を付与する前記アクチュエータユニット100の作動制御を行うように構成されている。
Here, the control structure of the long leg orthosis 1 according to the present embodiment will be described.
The long leg orthosis 1 according to the present embodiment is configured to control the operation of the actuator unit 100 that applies a walking assisting force to the lower leg based on the posture of the user's thigh.
That is, the long leg orthosis 1 detects the movement of the thigh different from the lower leg which is the control target part, and applies a walking assist force to the lower leg which is the control target part based on the movement of the thigh. It is configured to control the operation of.
具体的には、図1及び図3に示すように、前記長下肢装具1は、ユーザーの大腿揺動角度に関連する角度関連信号を検出可能な大腿姿勢検出手段510と、前記アクチュエータユニット100の作動制御を司る制御装置500とを備えている。 Specifically, as shown in FIGS. 1 and 3, the long leg orthosis 1 includes a thigh posture detecting means 510 capable of detecting an angle-related signal related to a user's thigh swing angle, and an actuator unit 100. It is provided with a control device 500 that controls operation control.
前記大腿姿勢検出手段510は、一歩行周期中に、予め定められた所定タイミング毎の複数のサンプリングポイントにおいて、前記角度関連信号を検出し、前記制御装置500に送信するように構成されている。 The thigh posture detecting means 510 is configured to detect the angle-related signal at a plurality of sampling points at predetermined predetermined timings and transmit it to the control device 500 during one walking cycle.
前記制御装置500は、前記大腿姿勢検出手段510や人為操作部材等から入力される信号に基づいて演算処理を実行する制御演算手段を含む演算部と、制御プログラムや制御データ等を記憶するROM,設定値等を電源を切っても失われない状態で保存し且つ前記設定値等が書き換え可能とされた不揮発性記憶手段及び前記演算部による演算中に生成されるデータを一時的に保持するRAM等を含む記憶部とを備えている。 The control device 500 includes a calculation unit including a control calculation means that executes calculation processing based on a signal input from the thigh posture detection means 510, an artificial operation member, or the like, and a ROM that stores a control program, control data, and the like. A non-volatile storage means that stores the set values and the like in a state where they are not lost even when the power is turned off, and a RAM that temporarily holds the data generated during the calculation by the calculation unit. It is equipped with a storage unit including and the like.
前記制御装置500は、一のサンプリングポイントでの前記角度関連信号に基づいて前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を算出し、当該制御装置500に予め記憶されている、大腿位相角と前記下腿側装具に付与すべき補助力の大きさとの関係を示す補助力制御データに前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を適用して前記一のサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具30に付与すべき補助力の大きさを算出し、前記大きさの補助力が出力されるように前記アクチュエータユニット100の作動制御を実行するように構成されている。
即ち、前記制御装置500は、一のサンプリングポイントでの前記角度関連信号に基づいて前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を算出する大腿位相角算出手段、大腿位相角及び前記下腿側装具に付与すべき補助力の大きさの関係を示す補助力制御データに前記大腿位相角算出手段によって算出された大腿位相角を適用して前記一のサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具30に付与すべき補助力の大きさを算出する補助力算出手段、並びに、前記補助力算出手段によって算出された大きさの補助力が出力されるように前記アクチュエータユニット100の作動制御を実行するアクチュエータ作動制御手段として作用するように構成されている。
The control device 500 calculates the thigh phase angle at the one sampling point based on the angle-related signal at one sampling point, and the thigh phase angle and the lower leg stored in advance in the control device 500. The thigh phase angle at the one sampling point is applied to the auxiliary force control data indicating the relationship with the magnitude of the auxiliary force to be applied to the side device, and the auxiliary force to be applied to the lower leg side device 30 at the one sampling point. It is configured to calculate the magnitude of the force and execute the operation control of the actuator unit 100 so that the auxiliary force of the magnitude is output.
That is, the control device 500 is applied to the thigh phase angle calculating means for calculating the thigh phase angle at the one sampling point, the thigh phase angle, and the lower leg side fitting based on the angle-related signal at one sampling point. The assisting force to be applied to the lower leg side device 30 at the one sampling point by applying the thigh phase angle calculated by the thigh phase angle calculating means to the assisting force control data indicating the relationship between the magnitudes of the assisting force to be performed. Acts as an auxiliary force calculation means for calculating the magnitude of the actuator unit and an actuator operation control means for executing operation control of the actuator unit 100 so that the auxiliary force of the magnitude calculated by the auxiliary force calculation means is output. It is configured as follows.
このように、大腿の位相角に基づいて、下腿に対して歩行補助力を付与する前記アクチュエータユニット100の作動制御を実行することにより、脳卒中等によって片麻痺を有するユーザーに対しても的確な歩行補助力を供給することができる。 In this way, by executing the operation control of the actuator unit 100 that applies a walking assist force to the lower leg based on the phase angle of the thigh, accurate walking is performed even for a user who has hemiplegia due to a stroke or the like. Auxiliary force can be supplied.
即ち、アクチュエータユニットによって歩行補助力を付与するように構成された従来の歩行補助装置は、前記アクチュエータユニットによって補助力が付与される制御対象部位の動きを検出し、その検出結果に基づき前記アクチュエータユニットの作動制御を行うように構成されている。 That is, the conventional walking assist device configured to apply the walking assist force by the actuator unit detects the movement of the controlled target portion to which the assist force is applied by the actuator unit, and based on the detection result, the actuator unit. It is configured to control the operation of.
例えば、大腿に対して歩行補助力を供給する従来の歩行補助装置においては、大腿の動きの検出結果に基づき、大腿に対して歩行補助力を付与するアクチュエータの作動制御を行うものとされている。
また、下腿に対して歩行補助力を供給する従来の歩行補助装置においては、下腿の動きの検出結果に基づき、下腿に対して歩行補助力を付与するアクチュエータの作動制御を行うものとされている。
For example, in a conventional walking assist device that supplies a walking assist force to the thigh, the operation of an actuator that applies the walking assist force to the thigh is controlled based on the detection result of the movement of the thigh. ..
Further, in the conventional walking assist device that supplies the walking assisting force to the lower leg, the operation of the actuator that applies the walking assisting force to the lower leg is controlled based on the detection result of the movement of the lower leg. ..
しかしながら、脳卒中等の為に片麻痺を有する患者の場合、大腿の歩行動作(股関節回りの前後揺動動作)は比較的正常に行えるものの、下腿の歩行動作(膝関節回りの前後揺動動作)は正常に行えないことが多い。 However, in the case of patients with hemiplegia due to stroke, etc., although the thigh walking motion (back and forth swinging motion around the hip joint) can be performed relatively normally, the lower leg walking motion (back and forth swinging motion around the knee joint) Can often not be done normally.
このような患者に対して下腿への歩行補助力を付与しようとすると、前記従来の歩行補助装置においては、正常な歩行動作を行えない下腿の動きに基づいて、下腿に対して歩行補助力を提供するアクチュエータの作動制御を行うことになり、的確な歩行補助力を提供することができないおそれがある。 When trying to give a walking assisting force to the lower leg to such a patient, the walking assisting force is applied to the lower leg based on the movement of the lower leg, which cannot perform a normal walking motion in the conventional walking assisting device. Since the operation of the provided actuator is controlled, there is a possibility that an accurate walking assist force cannot be provided.
これに対し、本実施の形態に係る前記長下肢装具1は、前述の通り、大腿位相角に基づいて、下腿に対して歩行補助力を付与する前記アクチュエータユニット100の作動制御を行うように構成されている。
従って、ユーザーが脳卒中等によって片麻痺を有する場合であっても、下腿に対して的確な歩行補助力を供給することができる。
On the other hand, the long leg orthosis 1 according to the present embodiment is configured to control the operation of the actuator unit 100 that applies a walking assisting force to the lower leg based on the thigh phase angle as described above. Has been done.
Therefore, even when the user has hemiplegia due to a stroke or the like, it is possible to supply an accurate walking assist force to the lower leg.
前記大腿姿勢検出手段510は、大腿の揺動角度(股関節角度)を直接又は間接的に検出し得る限り、ジャイロセンサ、加速度センサ、ロータリーエンコーダ等の種々の形態を有し得る。
例えば、前記大腿姿勢検出手段510が加速度センサのみを有するように構成することも可能であり、この場合には、股関節角度を算出することなく、前記加速度センサの加速度(もしくは位置)と速度から歩行中の位相角を算出することができる。
なお、本実施の形態に係る前記長下肢装具1においては、前記大腿姿勢検出手段510は、大腿の角速度を検出可能な3軸角速度センサ(ジャイロセンサ)511(下記図8参照)を有するものとされており、前記制御装置500が、前記3軸角速度センサ511によって検出される大腿の角速度を積分することで股関節角度を算出するように構成されている。
The thigh posture detecting means 510 may have various forms such as a gyro sensor, an acceleration sensor, and a rotary encoder as long as the thigh swing angle (hip joint angle) can be detected directly or indirectly.
For example, the thigh posture detecting means 510 can be configured to have only an acceleration sensor. In this case, walking is performed from the acceleration (or position) and speed of the acceleration sensor without calculating the hip joint angle. The phase angle inside can be calculated.
In the long leg device 1 according to the present embodiment, the thigh posture detecting means 510 has a triaxial angular velocity sensor (gyro sensor) 511 (see FIG. 8 below) capable of detecting the angular velocity of the thigh. The control device 500 is configured to calculate the hip joint angle by integrating the angular velocity of the thigh detected by the triaxial angular velocity sensor 511.
このように、前記3軸角速度センサ511によって検出される角速度に基づいて股関節角度を算出することにより、ロータリーエンコーダによって股関節角度を検出する構成に比して、前記長下肢装具1の設計自由度を向上させることができる。 In this way, by calculating the hip joint angle based on the angular velocity detected by the three-axis angular velocity sensor 511, the degree of freedom in designing the long leg orthosis 1 is increased as compared with the configuration in which the hip joint angle is detected by the rotary encoder. Can be improved.
即ち、ロータリーエンコーダによって股関節角度を検出する場合には、胴体に固定された胴体側検出子と、大腿と一体的に揺動するように大腿に固定された大腿側検出子との相対移動角度を検出する必要があり、従って、前記固体側検出子及び前記大腿側検出子がそれぞれ胴体及び大腿に対して位置ズレしないように、前記両検出子を装着する必要がある。 That is, when the hip joint angle is detected by the rotary encoder, the relative movement angle between the torso side detector fixed to the torso and the thigh side detector fixed to the thigh so as to swing integrally with the thigh is determined. Therefore, it is necessary to attach both detectors so that the solid side detector and the thigh side detector are not displaced with respect to the torso and the thigh, respectively.
これに対し、前記3軸角速度センサ511によって検出される角速度に基づいて股関節角度を算出する方法によれば、前述のような制限を受けることが無く、前記長下肢装具1の設計自由度を向上させることができる。 On the other hand, according to the method of calculating the hip joint angle based on the angular velocity detected by the 3-axis angular velocity sensor 511, the degree of freedom in designing the long leg orthosis 1 is improved without being subject to the above-mentioned restrictions. Can be made to.
図8に、股関節角度の算出方法のブロック図を示す。
図8に示すように、本実施の形態に係る前記長下肢装具1においては、前記大腿姿勢検出手段510は、前記3軸角速度センサ511に加えて、3軸加速度センサ515を有している。
FIG. 8 shows a block diagram of a method for calculating the hip joint angle.
As shown in FIG. 8, in the long leg orthosis 1 according to the present embodiment, the thigh posture detecting means 510 has a 3-axis acceleration sensor 515 in addition to the 3-axis angular velocity sensor 511.
この場合、前記制御装置500は、前記3軸角速度センサ511からの角速度データに基づき算出される第1オイラー角の高周波成分と前記3軸加速度センサ515からの加速度データに基づき算出される第2オイラー角の低周波成分とを合算して合算オイラー角を算出し、前記合算オイラー角から算出される股関節角度と前記股関節角度から算出される股関節角速度とに基づいて大腿位相角を算出するように構成される。 In this case, the control device 500 is a second Euler calculated based on the high frequency components of the first Euler angles calculated based on the angular velocity data from the three-axis angular velocity sensor 511 and the acceleration data from the three-axis acceleration sensor 515. The total Euler angles are calculated by adding the low frequency components of the angles, and the thigh phase angles are calculated based on the hip joint angles calculated from the total Euler angles and the hip joint angular velocities calculated from the hip joint angles. Will be done.
詳しくは、図8に示すように、前記制御装置500は、所定サンプリングタイム毎に前記3軸角速度センサ511からセンサ座標軸を基準とした角速度データを入力し、前記角速度データを所定の変換式を用いてセンサ座標軸とグローバル座標軸(鉛直方向を基準とする空間座標軸)との相関を示す角速度データ(オイラー角速度)に変換する。
そして、前記制御装置500は、前記角速度データ(オイラー角速度)を積分することで前記第1オイラー角を算出する。
Specifically, as shown in FIG. 8, the control device 500 inputs angular velocity data based on the sensor coordinate axes from the triaxial angular velocity sensor 511 at predetermined sampling times, and uses a predetermined conversion formula for the angular velocity data. It is converted into angular velocity data (Euler angular velocity) showing the correlation between the sensor coordinate axis and the global coordinate axis (spatial coordinate axis based on the vertical direction).
Then, the control device 500 calculates the first Euler angles by integrating the angular velocity data (Euler angular velocity).
好ましくは、前記制御装置500は、静止時に前記3軸角速度センサ511から入力される角速度データを用いて、所定サンプリングタイム毎に前記3軸角速度センサ511から入力されるセンサ座標軸を基準とした角速度データのドリフト除去を行うことができる。 Preferably, the control device 500 uses the angular velocity data input from the triaxial angular velocity sensor 511 when stationary, and uses the angular velocity data with reference to the sensor coordinate axes input from the triaxial angular velocity sensor 511 at predetermined sampling times. Drift removal can be performed.
また、前記制御装置500は、所定サンプリング間隔毎に前記3軸加速度センサ515からセンサ軸を基準とした加速度データをローパスフィルタ520を介して入力し、静止時に入力される加速度データと重力加速度とに基づき、前記ローパスフィルタ520を介して入力された前記加速度データから、センサ座標軸とグローバル座標軸(鉛直方向を基準とする空間座標軸)との相関を示す前記第2オイラー角を算出する。 Further, the control device 500 inputs acceleration data with reference to the sensor axis from the 3-axis acceleration sensor 515 at predetermined sampling intervals via the low-pass filter 520, and inputs the acceleration data and the gravitational acceleration when stationary. Based on this, the second oiler angle indicating the correlation between the sensor coordinate axis and the global coordinate axis (spatial coordinate axis with reference to the vertical direction) is calculated from the acceleration data input via the low pass filter 520.
そして、前記制御装置500は、ハイパスフィルタ530を介して得られる前記第1オイラー角の高周波成分とローパスフィルタ535を介して得られる前記第2オイラー角の低周波成分とを合算して得られる前記合算オイラー角及び大腿の向きを示す単位ベクトルから、股関節角度θを算出する。 The control device 500 is obtained by adding up the high frequency components of the first Euler angles obtained through the high-pass filter 530 and the low frequency components of the second Euler angles obtained via the low-pass filter 535. Calculate the hip joint angle θ from the unit vectors showing the total Euler angles and the orientation of the thighs.
好ましくは、前記制御装置500は、前記加速度センサ515からの加速度データに基づきヒールコンタクトを検出し、ヒールコンタクト検出時には前記3軸角速度センサ511からの角速度データから算出される補正オイラー角を前記合算オイラー角に加えることで、ドリフト除去を図ることができる。 Preferably, the control device 500 detects heel contacts based on the acceleration data from the acceleration sensor 515, and at the time of heel contact detection, the corrected Euler angles calculated from the angular velocity data from the triaxial angular velocity sensor 511 are combined with the Euler angles. By adding to the corners, drift can be removed.
大腿位相角φは下記方法によって算出される。
前記制御装置500は、所定間隔毎のサンプリングポイントのうち歩行周期基準タイミングから第n番目のサンプリングポイントSn(nは1以上の整数)での股関節角度θnを算出すると、これを微分して当該サンプリングポイントSnでの股関節角速度ωnを算出する。
The thigh phase angle φ is calculated by the following method.
The control device 500 calculates the hip joint angle θn at the nth sampling point Sn (n is an integer of 1 or more) from the walking cycle reference timing among the sampling points at predetermined intervals, and differentiates the sampling points. The hip joint angular velocity ωn at the point Sn is calculated.
その後、前記制御装置500は、前記サンプリングポイントSnでの股関節角度θn及び股関節角速度ωnに基づき、前記サンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(=−Arctan(ωn/θn))を算出する。 After that, the control device 500 calculates the thigh phase angle φn (= −Arctan (ωn / θn)) at the sampling point Sn based on the hip joint angle θn at the sampling point Sn and the hip joint angle velocity ωn.
図9に、股関節角度θ及び股関節角速度ωによって画される歩行状態を一歩行周期に亘ってプロットすることによって得られるトラジェクトリ線図を示す。
図9に示すように、股関節角度θ及び股関節角速度ωによって定まる大腿位相角φは、一歩行周期において0〜2πの間で変化するように定義される。
FIG. 9 shows a trajectory diagram obtained by plotting the walking state defined by the hip joint angle θ and the hip joint angular velocity ω over one walking cycle.
As shown in FIG. 9, the hip phase angle φ determined by the hip joint angle θ and the hip joint angular velocity ω is defined to change between 0 and 2π in one walking cycle.
詳しくは、大腿がユーザーの体軸より前方及び後方に位置されている状態の股関節角度をそれぞれ「正」及び「負」とし、大腿が前方及び後方へ向けて揺動されている状態の股関節角速度をそれぞれ「正」及び「負」とする。 Specifically, the hip joint angles when the thighs are positioned anteriorly and posteriorly to the user's body axis are set to "positive" and "negative", respectively, and the hip joint angular velocities when the thighs are swung forward and posteriorly. Are "positive" and "negative", respectively.
この条件で、股関節角度が「正」の方向に最大で且つ股関節角速度が「ゼロ」の状態(図9の点P)の位相角を0とすると、図9の歩行領域A1(股関節角度θが「正」の方向に最大で且つ股関節角速度ωが「ゼロ」の状態から股関節角度θが「ゼロ」で且つ股関節角速度ωが「負」の方向に最大となる状態までの歩行領域)は位相角0〜π/2に相当する。 Under this condition, assuming that the phase angle in the state where the hip joint angle is maximum in the "positive" direction and the hip joint angular velocity is "zero" (point P in FIG. 9) is 0, the walking region A1 (hip joint angle θ) in FIG. 9 is The walking region from the state where the hip joint angular velocity ω is the maximum in the "positive" direction to the state where the hip joint angle θ is "zero" and the hip joint angular velocity ω is the maximum in the "negative" direction) is the phase angle. Corresponds to 0 to π / 2.
また、図9中の歩行領域A2(股関節角度θが「ゼロ」で且つ股関節角速度が「負」の方向に最大の状態から股関節角度が「負」の方向に最大で且つ股関節角速度が「ゼロ」となる状態までの歩行領域)は位相角π/2〜πに相当する。 Further, the walking region A2 in FIG. 9 (from the state where the hip joint angle θ is “zero” and the hip joint angular velocity is maximum in the “negative” direction to the maximum in the hip joint angle in the “negative” direction and the hip joint angular velocity is “zero”. The walking region up to the state where becomes) corresponds to the phase angle π / 2 to π.
さらに、図9中の歩行領域A3(股関節角度θが「負」の方向に最大で且つ股関節角速度ωが「ゼロ」の状態から股関節角度θが「ゼロ」で且つ股関節角速度ωが「正」の方向に最大となる状態までの歩行領域)は位相角π〜3π/2に相当する。 Further, the walking region A3 in FIG. 9 (from the state where the hip joint angle θ is maximum in the “negative” direction and the hip joint angular velocity ω is “zero”, the hip joint angle θ is “zero” and the hip joint angular velocity ω is “positive”. The walking region up to the maximum state in the direction) corresponds to a phase angle of π to 3π / 2.
また、図9中の歩行領域A4(股関節角度θが「ゼロ」で且つ股関節角速度が「正」の方向に最大の状態から股関節角度が「正」の方向に最大で且つ股関節角速度が「ゼロ」となる状態までの歩行領域)は位相角3π/2〜2πに相当する。 Further, the walking region A4 in FIG. 9 (from the state where the hip joint angle θ is “zero” and the hip joint angular velocity is maximum in the “positive” direction to the maximum in the hip joint angle “positive” direction and the hip joint angular velocity is “zero”. The walking region up to the state of becoming) corresponds to a phase angle of 3π / 2 to 2π.
一歩行周期当たりに複数のサンプリングポイントが含まれるように前記大腿姿勢検出手段510のサンプリング間隔が定められており、前記制御装置500は、各サンプリングポイント毎に大腿位相角φを算出する。 The sampling interval of the thigh posture detecting means 510 is determined so that a plurality of sampling points are included in one walking cycle, and the control device 500 calculates the thigh phase angle φ for each sampling point.
図10に、前記制御装置500によって算出された大腿位相角φを歩行周期毎にプロットしたグラフを示す。
なお、図10においては、第1歩行周期C1から第4歩行周期C4の4つの歩行周期における大腿位相角φをプロットしている。
FIG. 10 shows a graph in which the thigh phase angle φ calculated by the control device 500 is plotted for each walking cycle.
In FIG. 10, the thigh phase angle φ in the four walking cycles of the first walking cycle C1 to the fourth walking cycle C4 is plotted.
ここで、前記制御装置500には、大腿位相角φと下腿に対して出力すべき前記アクチュエータユニット100による歩行補助力の大きさ(方向を含む)との関係を示す補助力制御データが、予め記憶されている。
なお、前記補助力制御データは、実験等によってユーザー毎及び各ユーザーのリハビリ程度毎に設定されるものである。
Here, the control device 500 is provided with assistive force control data indicating the relationship between the thigh phase angle φ and the magnitude (including direction) of the walking assistive force by the actuator unit 100 to be output to the lower leg in advance. It is remembered.
The auxiliary force control data is set for each user and for each degree of rehabilitation of each user by experiments or the like.
即ち、前記制御装置500は、一のサンプリングポイントSnでの大腿位相角φnを算出すると、当該大腿位相角φnを前記補助力制御データに適用して、大腿位相角φnによって画される歩行状態の際に前記アクチュエータユニット100が出力すべき歩行補助力の大きさ(方向を含む)を取得し、その大きさ(方向を含む)の歩行補助力が出力されるように前記アクチュエータユニット100の作動制御を実行する。 That is, when the control device 500 calculates the thigh phase angle φn at one sampling point Sn, the thigh phase angle φn is applied to the auxiliary force control data, and the walking state defined by the thigh phase angle φn is obtained. At that time, the magnitude (including the direction) of the walking assisting force to be output by the actuator unit 100 is acquired, and the operation control of the actuator unit 100 is performed so that the walking assisting force of the magnitude (including the direction) is output. To execute.
前述の通り、大腿位相角φに基づき一の歩行周期中における歩行状態を認識することができ、従って、大腿位相角に基づき前記アクチュエータユニット100の作動制御を行うことによって、下腿の歩行動作を正常に行うことが困難なユーザーに対しても下腿に対して適切な歩行補助力を付与することができる。 As described above, the walking state in one walking cycle can be recognized based on the thigh phase angle φ, and therefore, the walking motion of the lower leg is normal by controlling the operation of the actuator unit 100 based on the thigh phase angle. It is possible to provide an appropriate walking assist force to the lower leg even for a user who has difficulty in performing the procedure.
ここで、歩行動作に必要な歩行補助力について説明する。
図11に、一歩行周期中に変化する歩行状態の模式図を示す。
図11に示すように、一歩行周期は、ユーザーの体軸より前方側で踵を接地させるヒールコンタクト時点を含むヒールコンタクト期(踏み出した足が接床する前後の期間)X1と、ヒールコンタクト後に当該ヒールコンタクトした脚を接地させた状態で後方側へ相対移動させる立脚期(接床した下肢が身体に対して相対的に後方に移動する期間)X2と、立脚期X2の終了時点から立脚していた脚を引き上げて前方側へ相対移動させる遊脚期X3とを含んでいる。
Here, the walking assisting force required for walking motion will be described.
FIG. 11 shows a schematic diagram of a walking state that changes during one walking cycle.
As shown in FIG. 11, one walking cycle includes a heel contact period (a period before and after the stepped leg touches the floor) X1 including a heel contact time point in which the heel touches the ground on the front side of the user's body axis, and after the heel contact. Standing from the end of the stance phase (the period during which the contacted lower limbs move backward relative to the body) X2 and the stance phase X2, in which the heel-contacted leg is moved relative to the posterior side while being in contact with the ground. It includes a swing phase X3 in which the former leg is pulled up and relatively moved forward.
図12に、前記補助力制御データによって画される補助力の変化パターンの一例を示す。
図12に示す一例においては、前記補助力制御データは、前記ヒールコンタクト期X1において、前記下腿側装具30を膝関節回り膝伸展方向へ回動させて膝折れを防止する為の第1トルクパターンY1と、前記立脚期X2において、前記下腿側装具30を膝関節回り膝伸展方向へ回動させて膝折れを防止する為の第2トルクパターンY2と、立脚期X2の終了時点から立脚していた脚を引き上げて前方側へ相対移動させる遊脚期X2の初期段階X3aにおいて、前記下腿側装具30を膝関節回り膝屈曲方向へ回動させて脚の引き上げを補助する為の第3トルクパターンY3と、前記遊脚期X3の後期段階X3bにおいて、前記下腿側装具30を膝関節回り膝伸展方向へ回動させる第4トルクパターンY4とを含んでいる。
FIG. 12 shows an example of the change pattern of the assisting force defined by the assisting force control data.
In the example shown in FIG. 12, the assisting force control data is a first torque pattern for preventing knee breakage by rotating the lower leg side device 30 around the knee joint in the knee extension direction in the heel contact period X1. In Y1 and the stance phase X2, the lower leg side device 30 is rotated around the knee joint in the knee extension direction to prevent knee breakage, and a second torque pattern Y2 is erected from the end of the stance phase X2. In the initial stage X3a of the swing phase X2 in which the leg is pulled up and relatively moved to the front side, the lower leg side fitting 30 is rotated around the knee joint in the knee flexion direction to assist the leg pulling. It includes Y3 and a fourth torque pattern Y4 that rotates the lower leg side device 30 around the knee joint in the knee extension direction in the latter stage X3b of the swing stage X3.
このように、大腿位相角φと歩行補助力との関係を表す前記補助力制御データを用いて前記アクチュエータユニット100の作動制御を行うことにより、ユーザーに合わせた適切な歩行補助を行うことができる。 In this way, by controlling the operation of the actuator unit 100 using the assisting force control data representing the relationship between the thigh phase angle φ and the walking assisting force, it is possible to perform appropriate walking assistance according to the user. ..
好ましくは、前記制御装置500は、現在の歩行周期中の一のサンプリングポイントSnにて算出した大腿位相角φnを、既に完了している過去の歩行周期における対応するサンプリングポイントSnでの大腿位相角を用いて補正した修正位相角φ(ave)を算出し、当該修正位相角φ(ave)を前記補助力制御データに適用して、前記アクチュエータユニット100の作動制御を行うように構成され得る。 Preferably, the control device 500 uses the thigh phase angle φn calculated at one sampling point Sn in the current walking cycle as the thigh phase angle at the corresponding sampling point Sn in the past walking cycle that has already been completed. The corrected phase angle φ (ave) corrected by using the above can be calculated, and the corrected phase angle φ (ave) can be applied to the auxiliary force control data to control the operation of the actuator unit 100.
斯かる構成によれば、現在の歩行周期における一のサンプリングポイントSnにて算出された大腿位相角φn(current)が何らかの理由によって大きな誤差を含んでいたとしても、過去の歩行周期における同一サンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(past)を用いて補正される(均される)ので、円滑な補助力の供給を行うことが可能となる。 According to such a configuration, even if the thigh phase angle φn (current) calculated at one sampling point Sn in the current walking cycle contains a large error for some reason, the same sampling point in the past walking cycle Since it is corrected (equalized) by using the thigh phase angle φn (past) at Sn, it is possible to smoothly supply the assisting force.
具体的には、前記修正位相角φ(ave)は下記方法によって算出することができる。
前記制御装置500は、一歩行周期中に含まれる全サンプリングポイントのそれぞれにおいて大腿位相角φを算出し記憶する。
そして、前記制御装置500は、一歩行周期の完了を検出すると、全サンプリングポイントでの大腿位相角φに基づき、歩行周期に対する大腿位相角φの変化パターンを表す所定の位相パターン関数を最小二乗法を用いて算出する。
Specifically, the corrected phase angle φ (ave) can be calculated by the following method.
The control device 500 calculates and stores the thigh phase angle φ at each of all sampling points included in one walking cycle.
Then, when the control device 500 detects the completion of one walking cycle, the control device 500 uses a least squares method of a predetermined phase pattern function representing a change pattern of the thigh phase angle φ with respect to the walking cycle based on the thigh phase angle φ at all sampling points. Is calculated using.
前記位相パターン関数は、例えば、
φ(x)=a+bx+cx2+dx3+ex4+fx5
とすることができる。
そして、前記制御装置500は、一歩行周期が完了する毎に、全サンプリングポイントでの大腿位相角に基づいて最小二乗法を用いて、前記位相パターン関数の係数a〜fを算出するように構成される。
The phase pattern function is, for example,
φ (x) = a + bx + cx 2 + dx 3 + ex 4 + fx 5
Can be.
Then, the control device 500 is configured to calculate the coefficients a to f of the phase pattern function by using the least squares method based on the thigh phase angles at all sampling points each time one walking cycle is completed. Will be done.
一歩行周期の完了は、例えば、前記制御装置500が、股関節角度及び股関節角速度によって画される歩行状態が予め設定されている歩行周期基準タイミングに戻ったか否かによって判断することができる。 The completion of one walking cycle can be determined, for example, by whether or not the control device 500 has returned to the preset walking cycle reference timing of the walking state defined by the hip joint angle and the hip joint angular velocity.
図12に示す一例においては、ヒールコンタクトが歩行周期基準タイミングとして設定されている。
このように、ヒールコンタクトを歩行周期基準タイミングとすることによって、歩行周期中における歩行補助力が必要なタイミングを正確に把握することができる。
In the example shown in FIG. 12, the heel contact is set as the walking cycle reference timing.
In this way, by using the heel contact as the walking cycle reference timing, it is possible to accurately grasp the timing when the walking assisting force is required during the walking cycle.
ヒールコンタクトのタイミングは、種々の方法によって認識することができる。
例えば、ユーザーの体軸を基準として大腿が前方側及び後方側へ向けて揺動している際の股関節角速度をそれぞれ正及び負とした場合に、前記制御装置500が、算出される股関節角速度が正値からゼロへ移行したタイミング(図9中のP)から所定位相角Δαだけ進行した時点をヒールコンタクト時点として認識するように構成することができる。
The timing of heel contact can be recognized by various methods.
For example, when the hip joint angular velocities when the thigh is swinging toward the anterior side and the posterior side with respect to the user's body axis are positive and negative, respectively, the hip joint angular velocity calculated by the control device 500 is calculated. It can be configured to recognize the time point advanced by a predetermined phase angle Δα from the timing of transition from the positive value to zero (P in FIG. 9) as the heel contact time point.
これに代えて、前記長下肢装具1にヒールコンタクトを検出するヒールコンタクト検出手段を備え、前記制御装置500は、前記ヒールコンタクト検出手段によって検出されたタイミングをヒールコンタクト時点として認識し、そのタイミングでの大腿位相角φをヒールコンタクト位相角として認識するように構成することも可能である。 Instead, the long leg device 1 is provided with a heel contact detecting means for detecting the heel contact, and the control device 500 recognizes the timing detected by the heel contact detecting means as the heel contact time point, and at that timing. It is also possible to configure the thigh phase angle φ to be recognized as the heel contact phase angle.
本実施の形態に係る長下肢装具1におけるように、前記加速度センサ515が備えられている場合には、前記加速度センサ515を前記ヒールコンタクト検出手段として兼用することができる。
これに代えて、踵の接地を検出可能な圧力センサを別途に備え、前記圧力センサを前記ヒールコンタクト検出手段として作用させることも可能である。
When the acceleration sensor 515 is provided as in the long leg orthosis 1 according to the present embodiment, the acceleration sensor 515 can also be used as the heel contact detecting means.
Instead of this, it is also possible to separately provide a pressure sensor capable of detecting the ground contact of the heel, and to make the pressure sensor act as the heel contact detecting means.
このようにして一歩行周期の完了を検出すると、前記制御装置500は、直近に完了した歩行周期を含み、既に完了している歩行周期における位相角に基づいて前記位相パターン関数を算出する。 When the completion of one walking cycle is detected in this way, the control device 500 calculates the phase pattern function based on the phase angle in the walking cycle that has already been completed, including the most recently completed walking cycle.
具体的には、図10における歩行周期C1が完了すると、前記制御装置500は、歩行周期C1における全サンプリングポイントでの大腿位相角φに基づいて、
φ(x)(C1)=a(1)+b(1)x+c(1)x2+d(1)x3+e(1)x4+f(1)x5
を算出し、前記φ(x)(C1)を大腿位相角の位相パターン関数として保存する。
Specifically, when the walking cycle C1 in FIG. 10 is completed, the control device 500 is based on the thigh phase angle φ at all sampling points in the walking cycle C1.
φ (x) (C1) = a (1) + b (1) x + c (1) x 2 + d (1) x 3 + e (1) x 4 + f (1) x 5
Is calculated, and the φ (x) (C1) is stored as a phase pattern function of the thigh phase angle.
歩行周期C2が完了すると、前記制御装置500は、歩行周期C2におけるサンプリングポイントでの大腿位相角と歩行周期C1におけるサンプリングポイントでの大腿位相角とに基づいて、
φ(x)(C2)=a(2)+b(2)x+c(2)x2+d(2)x3+e(2)x4+f(2)x5
を算出し、前記φ(x)(C2)を大腿位相角の位相パターン関数として上書き保存する。
When the walking cycle C2 is completed, the control device 500 determines the thigh phase angle at the sampling point in the walking cycle C2 and the thigh phase angle at the sampling point in the walking cycle C1.
φ (x) (C2) = a (2) + b (2) x + c (2) x 2 + d (2) x 3 + e (2) x 4 + f (2) x 5
Is calculated, and the φ (x) (C2) is overwritten and saved as a phase pattern function of the thigh phase angle.
詳しくは、前記制御装置500は、第2回目以降の歩行周期においては、現在の歩行周期(例えば歩行周期C2)におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(current)と、その時点で記憶されている前記位相パターン関数φ(x)(C1)によって算出される過去歩行周期におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(past)との平均値を、サンプリングポイントSnでの修正大腿位相角φn(ave)として算出する。 Specifically, in the second and subsequent walking cycles, the control device 500 stores the thigh phase angle φn (current) at the sampling point Sn in the current walking cycle (for example, walking cycle C2) and at that time. The average value of the thigh phase angle φn (past) at the sampling point Sn in the past walking cycle calculated by the phase pattern function φ (x) (C1) is corrected at the sampling point Sn. ).
前記制御装置500は、現在の歩行周期(例えば歩行周期C2)が完了すると、全サンプリングポイントでの修正大腿位相角に基づいて前記位相パターン関数(例えば前記φ(x)(C2))を算出し、保存する。 When the current walking cycle (for example, walking cycle C2) is completed, the control device 500 calculates the phase pattern function (for example, φ (x) (C2)) based on the corrected thigh phase angle at all sampling points. ,save.
なお、現在の歩行周期におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(current)と過去歩行周期における対応するサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(past)との平均値として、現在歩行周期及び過去歩行周期を含む全ての歩行周期における大腿位相角を均等な条件で平均計算した算出値を用いることも可能であるし、若しくは、現在の歩行周期の大腿位相角φn(current)に重み付けをつけて平均計算した算出値を用いることも可能であるし、若しくは、過去歩行周期における大腿位相角φn(past)に重み付けをつけて平均計算した算出値を用いることも可能である。
さらには、過去歩行周期のうちの所定の歩行周期におけるサンプリングポイントでの大腿位相角だけを用いて、現在歩行周期の大腿位相角を補正することも可能である。
The current walking cycle and the past walking are taken as the average value of the thigh phase angle φn (current) at the sampling point Sn in the current walking cycle and the thigh phase angle φn (past) at the corresponding sampling point Sn in the past walking cycle. It is also possible to use a calculated value obtained by averaging the thigh phase angles in all walking cycles including the cycle under equal conditions, or the thigh phase angle φn (current) of the current walking cycle is weighted and averaged. It is also possible to use the calculated calculated value, or it is also possible to use the calculated value calculated by weighting the thigh phase angle φn (past) in the past walking cycle and calculating the average.
Furthermore, it is also possible to correct the thigh phase angle of the current walking cycle by using only the thigh phase angle at the sampling point in the predetermined walking cycle of the past walking cycle.
本実施の形態においては、前記補助力制御データに適用する大腿位相角として、前記修正大腿位相角が用いられる。
例えば、現在の歩行周期が歩行周期C3であり、現在の歩行周期C3におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角がφn(C3)であったとすると、前記制御装置500は、その時点で記憶されている位相パターン関数(この例ではφ(x)(C2))を用いて、過去歩行周期におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(C2)を算出し、大腿位相角φn(C3)及び大腿位相角φn(C2)に基づきサンプリングポイントSnでの修正大腿位相角を算出する。
In the present embodiment, the modified thigh phase angle is used as the thigh phase angle applied to the assisting force control data.
For example, assuming that the current walking cycle is the walking cycle C3 and the thigh phase angle at the sampling point Sn in the current walking cycle C3 is φn (C3), the control device 500 is stored at that time. Using the phase pattern function (φ (x) (C2) in this example), calculate the thigh phase angle φn (C2) at the sampling point Sn in the past walking cycle, and calculate the thigh phase angle φn (C3) and thigh phase angle. The modified thigh phase angle at the sampling point Sn is calculated based on φn (C2).
前記制御装置500は、このようにして算出した修正大腿位相角を前記補助力制御データに適用して、現在の歩行周期C3におけるサンプリングポイントSnにおいて前記アクチュエータユニット100が出力すべき補助力の大きさ(及び方向)を取得し、前記アクチュエータユニット100の作動制御を行う。 The control device 500 applies the modified thigh phase angle calculated in this way to the auxiliary force control data, and the magnitude of the auxiliary force to be output by the actuator unit 100 at the sampling point Sn in the current walking cycle C3. (And the direction) is acquired, and the operation control of the actuator unit 100 is performed.
斯かる構成によれば、現在歩行周期(前記例においては歩行周期C3)における一のサンプリングポイントで算出された大腿位相角が、何らかの理由によって大きな誤差を含んでいたとしても、過去歩行周期における同一サンプリングポイントでの大腿位相角を用いて補正される(均される)ので、前記アクチュエータユニット100による的確な補助力の供給を行うことができる。 According to such a configuration, even if the thigh phase angle calculated at one sampling point in the current walking cycle (walking cycle C3 in the above example) contains a large error for some reason, it is the same in the past walking cycle. Since it is corrected (equalized) using the thigh phase angle at the sampling point, it is possible to supply an accurate auxiliary force by the actuator unit 100.
図13に、前記制御装置500によって実行されるアクチュエータ作動制御モードのフローを示す。 FIG. 13 shows the flow of the actuator operation control mode executed by the control device 500.
前記制御装置500は、起動信号入力に応じて前記アクチュエータ作動制御モードを起動する。
起動信号は、例えば、スタートボタン等の人為操作部材へのユーザーによる人為操作に応じて入力される。
The control device 500 activates the actuator operation control mode in response to an activation signal input.
The start signal is input in response to a user's artificial operation on an artificial operation member such as a start button, for example.
前記アクチュエータ作動制御モードが起動されると、前記制御装置500は、前記大腿姿勢検出手段510からの一のサンプリングポイントSnでの角度関連信号に基づき、当該一のサンプリングポイントSnでの股関節角度θnを算出し(ステップS11)、股関節角度θnに基づき前記一のサンプリングポイントSnでの股関節角速度ωnを算出する(ステップS12)。 When the actuator operation control mode is activated, the control device 500 sets the hip joint angle θn at the one sampling point Sn based on the angle-related signal at one sampling point Sn from the thigh posture detecting means 510. It is calculated (step S11), and the hip joint angular velocity ωn at the one sampling point Sn is calculated based on the hip joint angle θn (step S12).
前記制御装置500は、股関節角度θn及び股関節角速度ωnに基づき、前記一のサンプリングポイントSnでの大腿位相角φnを算出する(ステップS13)。 The control device 500 calculates the thigh phase angle φn at the one sampling point Sn based on the hip joint angle θn and the hip joint angular velocity ωn (step S13).
ここで、好ましくは、前記制御装置500は、股関節角度θn及び股関節角速度ωnによって画されるベクトルVn(図9参照)のベクトル長が所定の閾値を越えているか否かを判断することができる(ステップS14)。 Here, preferably, the control device 500 can determine whether or not the vector length of the vector Vn (see FIG. 9) defined by the hip joint angle θn and the hip joint angular velocity ωn exceeds a predetermined threshold value (see FIG. 9). Step S14).
前記ステップS14を備えることにより、歩行動作が開始されていないにも拘わらず、前記アクチュエータユニット100が作動することを有効に防止することができる。
即ち、片麻痺等を有するユーザーは、歩行動作開始前に意に反して微少な範囲で姿勢変動を起こし易い。
このような微少な姿勢変動は、ベクトル長の短いベクトルとして検出される。
By providing the step S14, it is possible to effectively prevent the actuator unit 100 from operating even though the walking operation has not been started.
That is, a user with hemiplegia or the like tends to change his / her posture in a slight range contrary to his / her intention before starting the walking motion.
Such a slight attitude change is detected as a vector having a short vector length.
従って、股関節角度θn及び股関節角速度ωnによって画されるベクトルVn(図9参照)のベクトル長が所定の閾値を越えている場合にのみ、歩行動作が行われていると判断することにより、歩行動作が開始されていないにも拘わらず、意に反して前記アクチュエータユニット100が作動することを有効に防止することができる。 Therefore, by determining that the walking motion is performed only when the vector length of the vector Vn (see FIG. 9) defined by the hip joint angle θn and the hip joint angular velocity ωn exceeds a predetermined threshold value, the walking motion is performed. It is possible to effectively prevent the actuator unit 100 from operating unexpectedly even though the operation has not been started.
前記ステップS14においてNOの場合には、前記制御装置500は、歩行動作が行われていないと判断し、前記アクチュエータユニット100を作動させること無く、前記ステップS11へ戻る。 If NO in step S14, the control device 500 determines that the walking operation is not performed, and returns to step S11 without operating the actuator unit 100.
前記ステップS14がYESの場合には、前記制御装置500は、前記ステップS13において算出した、現在歩行周期におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(curren)に、既に完了している過去歩行周期における対応するサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(past)を用いて修正を行い、修正位相角φn(ave)を算出する(ステップS15)。
例えば、前記制御装置500が、歩行周期終了毎に既に過去歩行周期での歩行データに基づき前記位相パターン関数を算出し上書き保存している場合には、現在歩行周期におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角φn(curren)と前記位相パターン関数に基づき得られる過去歩行周期におけるサンプリングポイントSnでの大腿位相角とに基づき、サンプリングポイントSnでの修正位相角φn(ave)を算出することができる。
When the step S14 is YES, the control device 500 has the thigh phase angle φn (curren) at the sampling point Sn in the current walking cycle calculated in the step S13 in the past walking cycle that has already been completed. The thigh phase angle φn (past) at the corresponding sampling point Sn is used for correction, and the corrected phase angle φn (ave) is calculated (step S15).
For example, when the control device 500 already calculates and overwrites the phase pattern function based on the walking data in the past walking cycle at each end of the walking cycle, the thigh phase at the sampling point Sn in the current walking cycle. The modified phase angle φn (ave) at the sampling point Sn can be calculated based on the angle φn (curren) and the thigh phase angle at the sampling point Sn in the past walking cycle obtained based on the phase pattern function.
前記ステップS15を備えることにより、現在歩行周期における一のサンプリングポイントにて算出された大腿位相角が、何らかの理由によって大きな誤差を含んでいたとしても、過去歩行周期における同一サンプリングポイントでの大腿位相角を用いて補正される(均される)ので、その歩行段階に応じた適切な歩行補助力の供給を行うことができる。 By providing the step S15, even if the thigh phase angle calculated at one sampling point in the current walking cycle contains a large error for some reason, the thigh phase angle at the same sampling point in the past walking cycle Since it is corrected (equalized) by using, it is possible to supply an appropriate walking assisting force according to the walking stage.
前記制御装置500は、ヒールコンタクトが行われたか否かを検出し(ステップS16)、ステップS16がYESの場合(即ち、ヒールコンタクトが行われた場合)にはステップS15にて算出した修正位相角を、ヒールコンタクトに対応したヒールコンタクト位相角として記憶し(ステップS17)、ステップS18へ移行する。 The control device 500 detects whether or not a heel contact has been made (step S16), and if step S16 is YES (that is, if a heel contact has been made), the corrected phase angle calculated in step S15. Is stored as the heel contact phase angle corresponding to the heel contact (step S17), and the process proceeds to step S18.
ステップS18においては、前記制御装置500は、ステップS15にて算出した修正位相角φ(ave)とステップS17にて記憶したヒールコンタクト位相角との位相角偏差を算出する。
即ち、ステップ18においては、前記制御装置500は、ステップS15にて算出した修正位相角を、ヒールコンタクトを制御基準タイミングとした位相角に変換する。
このように、ヒールコンタクトを制御基準タイミングとすることによって、歩行周期中の歩行段階(歩行状態)をより適切に把握することができる。
In step S18, the control device 500 calculates the phase angle deviation between the modified phase angle φ (ave) calculated in step S15 and the heel contact phase angle stored in step S17.
That is, in step 18, the control device 500 converts the modified phase angle calculated in step S15 into a phase angle with the heel contact as the control reference timing.
In this way, by using the heel contact as the control reference timing, it is possible to more appropriately grasp the walking stage (walking state) during the walking cycle.
なお、ステップ17を経由してステップ18へ移行する場合には、位相角偏差はゼロとなる。
一方、ステップ17をバイパスしてステップ18へ移行する場合、即ち、ステップ16がNOの場合には、ステップS18において、ステップ15において算出された修正位相角とその時点で記憶されているヒールコンタクト位相角との偏差が位相角偏差となる。
When shifting to step 18 via step 17, the phase angle deviation becomes zero.
On the other hand, when the process proceeds to step 18 by bypassing step 17, that is, when step 16 is NO, the corrected phase angle calculated in step 15 and the heel contact phase stored at that time in step S18. The deviation from the angle is the phase angle deviation.
前記制御装置500は、予め記憶されている「アシストトルク/位相角」データに位相角偏差を適用して、サンプリングポイントSnにて前記アクチュエータユニット100が出力すべき歩行補助力の大きさ及び方向を取得し(ステップS19)、その大きさ及び方向の歩行補助力が出力されるように前記アクチュエータユニットを作動させる(ステップS20)。 The control device 500 applies a phase angle deviation to the "assist torque / phase angle" data stored in advance, and determines the magnitude and direction of the walking assist force to be output by the actuator unit 100 at the sampling point Sn. It is acquired (step S19), and the actuator unit is operated so that the walking assist force in the magnitude and direction thereof is output (step S20).
前記制御装置500は、一歩行周期が終了したか否かを判断し(ステップS21)、一歩行周期が終了したと判断する場合には、前記修正位相角に対して最小二乗法を用いて位相パターン関数を算出し、記憶する(ステップS22)。
一歩行周期が終了してない場合には、ステップS22はバイパスされる。
The control device 500 determines whether or not one walking cycle has ended (step S21), and if it determines that one walking cycle has ended, the phase using the least squares method with respect to the corrected phase angle. The pattern function is calculated and stored (step S22).
If one walking cycle has not ended, step S22 is bypassed.
前記制御装置500は、前記アクチュエータ作動制御モードの終了信号が入力されているか否かを判断し(ステップS23)、終了信号の入力が無い場合にはステップS11へ戻り、終了信号が入力された場合には当該制御モードを終了する。
なお、終了信号は例えば、終了ボタン等の人為操作部材へのユーザーによる人為操作に応じて入力される。
The control device 500 determines whether or not the end signal of the actuator operation control mode is input (step S23), returns to step S11 if there is no input of the end signal, and when the end signal is input. Exits the control mode.
The end signal is input according to the user's artificial operation on the artificial operation member such as the end button.
1 長下肢装具
10 大腿側装具
30 下腿側装具
100 アクチュエータユニット
500 制御装置
510 大腿姿勢検出手段
511 3軸角速度センサ
515 3軸加速度センサ
1 Long leg brace 10 Thigh side brace 30 Crus side brace 100 Actuator unit 500 Control device 510 Thigh posture detection means 511 3-axis angular velocity sensor 515 3-axis acceleration sensor
Claims (4)
前記大腿姿勢検出手段は、大腿の角速度を検出する3軸角速度センサ及び大腿の加速度を検出する3軸加速度センサを有し、
前記制御装置は、一のサンプリングポイントでの前記3軸角速度センサからの角速度データに基づき算出される第1オイラー角の高周波成分と当該一のサンプリングポイントでの前記3軸加速度センサからの加速度データに基づき算出される第2オイラー角の低周波成分とを合算して合算オイラー角を算出し、前記合算オイラー角から算出される股関節角度と前記股関節角度から算出される股関節角速度とに基づいて前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を算出し、当該制御装置に予め記憶されている、大腿位相角と前記下腿側装具に付与すべき補助力との関係を示す補助力制御データに前記一のサンプリングポイントでの大腿位相角を適用して、前記一のサンプリングポイントにおいて前記下腿側装具に付与すべき補助力を算出し、前記補助力が出力されるように前記アクチュエータの作動制御を実行する一方で、大腿位相角を算出する際に用いた前記股関節角度及び前記股関節角速度によって画されるベクトル長が所定閾値より小さい場合には、前記アクチュエータの作動を禁止することを特徴とするアクチュエータ付き長下肢装具。 Attached to the thigh side device attached to the user's thigh, the lower leg side device attached to the user's lower leg and rotatably connected to the thigh side device around the user's knee joint, and the thigh side device. An actuator capable of applying an assisting force around the knee joint to the lower leg side device, a thigh posture detecting means capable of detecting an angle-related signal related to the hip joint angle, which is the anteroposterior swing angle of the user's thigh, and the above. Equipped with a control device that controls the operation of the actuator
The thigh posture detecting means includes a triaxial angular velocity sensor that detects the angular velocity of the thigh and a triaxial acceleration sensor that detects the acceleration of the thigh.
The control device uses the high frequency component of the first Euler angle calculated based on the angular velocity data from the triaxial angular velocity sensor at one sampling point and the acceleration data from the triaxial acceleration sensor at the one sampling point. The total oiler angle is calculated by adding up the low frequency components of the second oiler angle calculated based on the above , and based on the hip joint angle calculated from the total oiler angle and the hip joint angle velocity calculated from the hip joint angle. The thigh phase angle at the sampling point of is calculated, and the above-mentioned one sampling is performed on the auxiliary force control data that is stored in advance in the control device and indicates the relationship between the thigh phase angle and the auxiliary force to be applied to the lower leg side device. by applying the femoral phase angle at point, the calculated assistance force to be applied to the lower leg side brace in one sampling point, while the assisting force to perform the operation control of the actuator so as to be output When the vector length defined by the hip joint angle and the hip joint angle velocity used in calculating the thigh phase angle is smaller than a predetermined threshold value, the operation of the actuator is prohibited. ..
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