(57)【要約】【課題】回動可能に接続された第１部材と第２部材の角度を検出する。【解決手段】本発明の角度検出装置は、第１の部材に設けられた検出面と、第１の部材と回動可能な第２の部材に設けられた距離計測部と、第１の部材と第２の部材が回動することで変化する検出面までの距離を距離計測部で計測し、距離計測部が計測した検出面までの距離を角度に換算して出力する制御部と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材と、前記第１の部材に回動可能に接続された第２の部材によって形成される角度を検出可能な角度検出装置において、
前記第１の部材に設けられた検出面と、
前記第２の部材に設けられた距離計測部と、
前記第１の部材と前記第２の部材が回動することで変化する前記検出面までの距離を前記距離計測部で計測し、前記距離計測部が計測した前記検出面までの距離を角度に換算して出力する制御部と、を備えたことを特徴とする
角度検出装置。
【請求項２】
前記検出面は、前記第１の部材と前記第２の部材の所定方向の回動に伴い、前記距離計測部までの距離が増加するように設けられていることを特徴とする
請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項３】
前記検出面は、前記第１の部材と前記第２の部材の回動中心を囲むように設けられるとともに、段差を介して接続されていることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回動可能に指示された２つの部材が形成する角度を検出する角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ユーザーの体に装着して、ユーザーの脚部の可動部に対してアシスト力を付与する歩行補助装置が開発されている。このような歩行補助装置では、高齢者や身障者の歩行を補助する装置として利用されることが期待されている。また高齢者などに限らず、宅配業者など重い荷物を運ぶユーザーに対する補助装置としても利用することで、作業における身体的負担を軽減することが期待されている。
【０００３】
このような歩行補助装置として特許文献１には、生態信号検出手段が検出した筋電位信号に基づいて、モータなどのアクチュエーターを駆動することで、装着者の意志によってアシスト力を付与する動作補助装置が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、膝関節に加えるトルクの反転タイミングをユーザーの歩行に歩行動作に適応させることで、歩行アシストに対する違和感を抑える歩行補助装置が開示されている。
【０００５】
特許文献１、特許文献２に開示される歩行補助装置は、ユーザーの脚部外側に装着された部材に対してアシスト力を加えることで歩行を補助するものである。一方、特許文献３には、ユーザーが跨ぐ形態で利用する歩行補助装置が開示されている。この歩行補助装置は、ユーザーが跨いで着座する着座部材を押し上げることで、装着を容易にする装着アシスト制御が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２５０５３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４８６３８号公報
【特許文献３】特許第４８７２８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
歩行補助装置では、装着したユーザーの身体の動きを検出するため、歩行補助装置の各構成間で形成する角度が検出される。この角度検出の一般的な方法としては、関節軸にロータリーエンコーダを取り付け、その出力に基づいて行うことが知られている。
【０００８】
歩行補助装置は、歩行アシストするため各種部材には強度が必要とされること、また、アシスト力を加えるため、モータなどのアクチュエータ、バッテリーを搭載する必要があることなどを理由にその重量が大きくなることが予想される。その一方、歩行補助装置を利用するユーザーは、高齢、脚部に疾患を有する者であることが予想される。
【０００９】
このようなユーザーを対象とした歩行補助装置は、軽量化することが望まれる。しかしながら、前述したような角度検出方法では、ロータリーエンコーダ自体がある程度の重量を有すること、及び、検出すべき角度が多数あることなどを理由に歩行補助装置の重量が大きくなることが予想される。また、ロータリーエンコーダのを取り付け構造がネックとなり、歩行補助装置の動きやすさが阻害されるといった面も有している。
【００１０】
本発明は、このような状況を鑑み、小型で軽量な角度検出装置を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そのため本発明に係る角度検出装置は、
第１の部材と、前記第１の部材に回動可能に接続された第２の部材によって形成される角度を検出可能な角度検出装置において、
前記第１の部材に設けられた検出面と、
前記第２の部材に設けられた距離計測部と、
前記第１の部材と前記第２の部材が回動することで変化する前記検出面までの距離を前記距離計測部で計測し、前記距離計測部が計測した前記検出面までの距離を角度に換算して出力する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
さらに本発明に係る角度検出装置において、
前記検出面は、前記第１の部材と前記第２の部材の所定方向の回動に伴い、前記距離計測部までの距離が増加するように設けられていることを特徴とする。
【００１３】
さらに本発明に係る角度検出装置において、
前記検出面は、前記第１の部材と前記第２の部材の回動中心を囲むように設けられるとともに、段差を介して接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る角度検出装置によれば、距離計測部を使用することで、角度検出装置の軽量化を図ることが可能となる。また、取り付け構造の自由度も高いため、例えば、歩行補助装置の関節角度を検出する際には、歩行補助装置の動きを阻害することなく、角度検出を行うことが可能となる。
【００１５】
さらに本発明の角度検出装置では、検出面が、第１の部材と第２の部材の回動中心を囲むように設けられるとともに、段差を介して接続されている。このような形態では、距離計測部にて段差の通過を検出することで、第１の部材が第２の部材に対して周回する場合においても、角度を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る歩行補助装置の側面図と正面図
【図２】本発明の実施形態に係る歩行補助装置の制御構成を示すブロック図
【図３】本発明の実施形態に係る角度検出装置による角度検出の様子を示す図
【図４】本発明の実施形態に係る距離計測部の構成を示す図
【図５】本発明の実施形態に係る角度検出装置の制御構成を示す図
【図６】本発明の実施形態に係るカムの構成を示す斜視図
【図７】本発明の実施形態に係る角度検出装置の角度検出原理を説明するための図
【図８】本発明の実施形態に係る計測距離と換算角度の関係を示す図
【図９】本発明の実施形態に係る角度検出処理を示すフロー図
【図１０】本発明の他の実施形態に係る計測距離と換算角度の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る歩行補助装置における歩行補助装置１の構成を示す図である。図１（Ａ）、（Ｂ）は何れもユーザーが歩行補助装置１を装着したときの様子を示した図であって、図１（Ａ）は歩行補助装置１の正面図を、図１（Ｂ）は左側面を示している。
【００１８】
この実施形態の歩行補助装置１は、左右の脚パーツ１９Ｒ、Ｌ、左右脚パーツ１９Ｒ、Ｌを接続する腰リンク１１、把持部１８Ｒ、Ｌ、制御部３０を備えて構成される。左右の脚パーツ１９Ｒ、Ｌによってユーザーの脚部にアシスト力を加えることで歩行を補助する。以下、脚パーツ１９Ｒ、Ｌなど各種構成について説明を行うが、左右の構成は略同じであるため、添え字のＲ、Ｌを省略して説明を行う。
【００１９】
脚パーツ１９は、図の上から順に、股関節１２、上腿リンク１３、膝関節１４、下腿リンク１５、足関節１６、足リンク１７を備えて構成されている。なお、本明細書中、「足」は足首よりも先の部分を意味する用語として、また「脚」は上腿部、下腿部、足部などを含む用語として使い分けている。
【００２０】
腰リンク１１は、歩行補助装置を装着した際、ユーザーの腰部の側面から後方にわたって位置する。腰リンク１１をベルトなどの固定具を用いてユーザーの腰部に固定することで、歩行補助装置の装着が行われる。
【００２１】
股関節１２は、腰リンク１１と上腿リンク１３を回動可能に接続する。股関節１２の回動方向は、歩行を行う時の回動（図２の紙面上での回動）に加え、左右の回動（図１の紙面上での回動）を加えることとしてもよい。膝関節１４は、上腿リンク１３と下腿リンク１５を回動可能に接続する。膝関節１４は、歩行を行う時の前後方向に回動可能としている。足関節１６は、下腿リンク１５と足リンク１７を回動可能に接続する。この足関節１６も、歩行を行う時の前後方向に回動可能としている。
【００２２】
図３には、本発明の実施形態に係る歩行補助装置の制御構成が示されている。本実施形態の歩行補助装置は、ユーザーの体躯に固定して用いられる形態であって、左右の股関節１２に設けられた第１アクチュエータ５１、股関節１２に設けられた第２アクチュエータ５２、足関節１６に設けられた第３アクチュエータ５３にアシスト力を加えることで歩行を補助している。なお、この第３アクチュエータ５３は、ユーザーの歩行をアシストする際、アシスト力を加えずに、ユーザーの足の動きに追従して自在に回動可能としてもよい。
【００２３】
主な制御構成としては、歩行補助装置全体を統括制御する制御ＥＣＵ１０１、左右の膝関節１４に設けられた第１アクチュエータ５１、第１角度検出センサ６１、左右の股関節１２に設けられた第２アクチュエータ５２、第２角度検出センサ６２、左右の足関節１６に設けられた第３アクチュエータ５３、第３角度検出センサ６３、左右の足裏センサ６４、歩行の際の外界の情報などを取得するための各種センサ、動作状態など指示可能とする入力手段を備えて構成されている。
【００２４】
第１アクチュエーター５１は、膝関節１４に対してアシスト力を加えることで、上腿リンク１３に対して下腿リンク１５を回動させ、主として装着したユーザーの下腿部に対する動作補助を行う。第２アクチュエーター５２は、股関節１２に対してアシスト力を加えることで、腰リンク１１に対して上腿リンク１３を回動させ、主として装着したユーザーの上腿部に対する動作補助を行う。第３アクチュエーター５２は、足関節１６に対してアシスト力を加えることで、下腿リンク１５に対して足リンク１７を回動させ、主として装着したユーザーの足部に対する動作補助を行う。
【００２５】
足リンク１７は、ユーザーの足部を固定可能な部材であって、例えば、靴のような構造を有し、ユーザーが履くことでユーザーの足部と固定される。
【００２６】
また、脚パーツ１９には、ユーザーの脚部の状態を検出するための角度センサが設けら
れている。本実施形態では、膝関節１４に設けられ、上腿リンク１３と下腿リンク１５が形成する角度を検出する第１角度検出センサ６１と、股関節１２に設けられ、腰リンク１１と上腿リンク１３が形成する角度を検出する第２角度検出センサ６２、そして、足関節１６に設けられ、下腿リンク１５と足リンク１７が形成する角度を検出する第３角度検出センサ６３が設けられている。これら第１〜第３角度検出センサ６１〜６３による検出角度は、制御ＥＣＵ１０１に送信される。制御ＥＣＵ１０１は、受信した検出角度に基づいて体躯の動きを予測し、第１〜第３アクチュエータ５１〜５３に対してアシスト力を加える。アシスト力の制御には、このような角度検出センサ６１〜６３以外に、ユーザーの筋電位を計測するセンサを使用することとしてもよい。
【００２７】
さらに足リンク１７には、足裏センサ６４が設けられている。この足裏センサ６４は、足の裏が地面についた立脚状態であるか、地面から浮いた遊脚状態を検知することが可能である。足裏センサ６４は、さらに、足裏の荷重分布などを取得することとしてもよい。この足裏センサ６４を使用することで、足リンク１７の装着状態を判別することも可能である。
【００２８】
また、本実施形態の制御部３０には、歩行補助装置を装着したユーザーの周囲を検出する各種センサが設けられている。各種センサとしては、ユーザーの前方、後方の様子をそれぞれ撮影する前方カメラ６５、後方カメラ６６、衛星からのＧＰＳ信号を受信し、歩行位置を検出するとともに、地図情報を参照することでユーザーを目的地に導くナビモジュール６７、インターネットなどの通信網に接続し、各種情報を取得する無線モジュール６８等である。この他、ユーザーから障害物までの距離を計測する測距センサを設けることとしてもよい。このような測距センサは、２つのカメラを使用して外界を立体的に撮像することで実現することも可能であり、前方カメラ６５、後方カメラ６６と兼用することも可能である。
【００２９】
また、本実施形態の制御部３０には、歩行補助装置に対して各種指示や設定を行うための入力部８１が設けられている。この入力部８１は、スイッチなどの各種ユーザーインターフェイスによって構成されており、歩行補助装置の電源のオン／オフや、歩行アシスト処理、装着処理の実行などを指示、あるいは、設定することが可能である。
【００３０】
以上、本実施形態では、歩行補助装置に対して、このような各種センサーを設けたことで、安全な歩行補助を行うことのみならず、目的地までのルート案内や、各種情報をユーザーに提供することが可能となる。なお、各種情報の確認は、制御ＥＣＵ１０１に接続されるスピーカ、ディスプレイなどの告知手段を用いて音声、画像出力することとしてもよい。
【００３１】
上述したように本実施形態の歩行補助装置１では、膝関節１４、股関節１２、足関節１６のそれぞれに第１〜第３角度検出センサ６１〜６３が設けられている。従来、この第１〜第３角度検出センサ６１〜６３には、ロータリーエンコーダのような比較的重量を有する部材が用いられることが一般的であった。しかしながら、重量の増加は、歩行補助装置１を取り扱い上、あるいは、歩行アシスト処理における駆動力増加を伴うため、好ましいとはいえない。また、ロータリーエンコーダの取り付け構造上、歩行補助装置１の動きやすさが阻害される面も有する。
【００３２】
本実施形態では、このような第１〜第３角度検出センサ６１〜６３について、新たな角度検出方法を提案するものである。図３には、本発明で提案する角度検出装置について、右第１角度検出センサ６１Ｒに適用した形態が示されている。以下、右第１角度検出センサ６１Ｒを角度検出装置と称し、その詳細な説明を行う。
【００３３】
本実施形態の角度検出装置は、距離計測部７２とカム７１を有して構成されている。図３（Ａ）に示すように膝関節１４Ｒの角度検出に適用した場合、カム７１は下腿リンク１５Ｒ（本発明における「第１の部材」に相当）に固定される。一方、距離計測部７２は上腿リンク１３Ｒ（本発明における「第２の部材」）に固定される。下腿リンク１５Ｒと上腿リンク１３Ｒは、膝関節１４Ｒを介して回動可能に接続されている。このような構成の基、図３（Ａ）〜（Ｃ）には、下腿リンク１５Ｒに対して上腿リンク１３Ｒを回動させた時の様子が示されている。
【００３４】
角度検出装置の構成上、カム７１は下腿リンク１５Ｒ上に位置しており、距離計測部７２は、上腿リンク１３Ｒの回動と共にその位置が回動する。上腿リンク１３Ｒの回動に伴い、距離計測部７２によるカム７１の計測対象位置が変化することが分かる。
【００３５】
図４は、本発明の実施形態に係る距離計測部の構成を示した図である。本実施形態では発光素子７２１と受光素子７２２の対で構成された光学センサを使用している。発光素子７２１から赤外線を照射し、計測対象面で反射した赤外線を受光素子７２２で受光することで、距離計測部７２から計測対象面までの距離を非接触で計測することを可能としている。距離計測部７２には、このように赤外線を使用する形態の他、レーザーのような指向性の高い光を使用することも可能である。あるいは、超音波を利用した形態とすることも可能である。何れの形態においても非接触で距離を計測できることが必要とされる。
【００３６】
図５は、距離計測部７２の制御構成を示した図である。発光素子７２１、受光素子７２２は、制御部７２３と電気的に接続されている。制御部７２３は発光素子７２１から赤外線を照射し、受光素子７２２にて計測対称面からの反射光を受光する。本実施形態では、受光素子７２２で受光した反射光の入射角を検出することで、計測対象面までの距離が算出される。すなわち、計測対象面までの距離が遠い場合には、受光素子７２１に入射する反射光の入射角は小さくなり、計測対象面までの距離が近くなるに従って、その入射角が大きくなるという三角測定の原理を使用している。制御部７２３は、受光素子７２２で計測した入射角に基づいて計測対象面までの距離を算出し、距離を角度に換算して出力する。
【００３７】
図６は、本発明の実施形態に係るカム７１の構成を示す斜視図である。カム７１は回動中心７１１の周囲を取り囲むように設けられた検出面７１２を有している。検出面７１２は、段差７１３によって接続されている。この検出面７１２までの距離が距離計測部７２にて計測される。距離計測部７２による計測精度を高めるため、この検出面７１２には反射面を設けることとしてもよい。カム７１は、回動中心７１１を膝関節１４Ｒの回動中心と一致させておくことで、膝関節１４Ｒの回動に伴って回動し、距離計測部７２に対して検出面７１２の異なる部分を対向させる。
【００３８】
図７は、本発明の実施形態に係る角度検出装置の角度検出原理を説明するための図である。図３で説明したように、膝関節１４Ｒを中心として上腿リンク１３Ｒを回動させたときのカム７１と、距離計測部７２の位置関係が示されている。図には２種類の位置Ａ、位置Ｂが示されている。どちらの位置においても距離計測部７２からカムの回動中心７１１までの距離は、距離Ｒに保たれる。一方、カム７１は、図に示すように段差７１３を基準（０゜）とした場合、角度が大きくなるに従って回転中心７１１から検出面７１２までの距離が増加するように設計されている。すなわち、距離計測部７２にて検出面までの距離と、角度は所定の対応関係にあり、この対応関係に基づいて距離を角度に換算することが可能となっている。
【００３９】
距離計測部７２が位置Ａにあるときは、検出面７１２までの距離Ａが計測され、角度６０゜に換算される。一方、距離計測部７２が位置Ｂにあるときは、検出面７１２までの距
離Ｂが計測され、角度３００゜に換算される。図８には、本発明の実施形態に係る計測距離と換算角度の関係が示されている。本実施形態では、距離計測部７２から検出面７１２までの距離を、勾配が一定の線形関係とすることで、計測距離と換算角度の関係を１対１の関係としている。なお、本実施形態では、距離計測部７２から検出面７１２までの距離を連続的に変化させているが、この距離は離散的に変化させることとしてもよい。
【００４０】
距離計測部７２の制御部７２３は、図８に示される関係をデータベースとして記憶しておくことで、計測距離を角度に換算して出力する。図９には、このような角度検出装置の構成を利用した角度検出処理のフロー図が示されている。
【００４１】
人間の関節角度を計測する場合には、その可動領域は限られたものとなる。角度検出装置は、限られた角度のみ検出する構成としてもよいが、本実施形態の角度検出処理では３６０゜を超えた周回角度についても検出可能としている。
【００４２】
制御部７２３にて角度検出処理が開始されると、受光素子７２２にて受光した赤外線の入射角度に基づいて計測対象面（この場合、カム７１の検出面７１２）までの距離を算出する（Ｓ１０１）。Ｓ１０２では、算出した距離に基づいて、カム７１の段差７１３を通過したか否かが判定される。段差７１３を通過したと判定した場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、段差７１３の通過は上りであったか、下りであったかが判定される（Ｓ１０５）。段差７１３の通過の上りとは、検出面７１２における検出位置が、段差７１３の低い位置から高い位置への移動した場合、すなわち、角度が０゜を超えて負の方向に移動した場合である。一方、段差７１３の通過の下りとは、検出面７１２における検出位置が、段差７１３の高い位置から低い位置への移動した場合、すなわち、角度が０゜を超えて正の方向に移動した場合である。
【００４３】
段差の通過が下りと判定された場合（Ｓ１０５：下り）には、変数ｎに角度３６０゜が加算される（Ｓ１０６）。一方、段差の通過が上りと判定された場合（Ｓ１０５：下り）には、変数ｎに角度３６０゜が減算される（Ｓ１０７）。Ｓ１０３では、Ｓ１０１で算出された計測距離は、図８に示される計測距離と換算角度の関係に基づいて換算角度に換算される。Ｓ１０４では、換算角度に変数ｎを加算することで出力角度が求められる。このように本実施形態では、段差７１３の検出に基づいて、周回する場合においても角度を算出することを可能としている。
【００４４】
図１０は、他の実施形態に係る計測距離と換算角度の関係を示した図である。図９では、計測距離と換算角度を傾斜が一定の関係としたが、カム７１の検出面７１２の形状を変更することで、検出精度を部分的に異ならせることが可能である。図１０に示されるように９０゜から１８０゜の検出精度を向上させたい場合、この検出区間において、勾配を急峻にすることで検出精度を高めることが可能となる。この場合、他の区間の勾配を緩やかにすることで、カム７１を略同じ大きさで構成することが可能となる。このような形態は、特に関節角度の検出のように限られた角度を精度良く検出する際、有効である。
【００４５】
本実施形態では、図３に示されるように、下腿リンク１５Ｒ（本発明における「第１の部材」）と、上腿リンク１３Ｒ（本発明における「第２の部材」）は、紙面内のみに回動することとしたが、複数の方向に対して回動可能な形態においても、本発明を適用することが可能である。その場合、カム７１の検出面７１２の形状は、検出面７１２と距離計測部７２間の距離に基づいて、角度に換算できる関係に形成される。
【００４６】
なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
【符号の説明】
【００４７】
１１…腰リンク
１２Ｒ、Ｌ…股関節
１３Ｒ、Ｌ…上腿リンク
１４Ｒ、Ｌ…膝関節
１５Ｒ、Ｌ…下腿リンク
１６Ｒ、Ｌ…足関節
１７Ｒ、Ｌ…足リンク
１８Ｒ、Ｌ…把持部
１９Ｒ、Ｌ…脚パーツ
５１Ｒ、Ｌ…第１アクチュエータ
５２Ｒ、Ｌ…第２アクチュエータ
５３Ｒ、Ｌ…第３アクチュエータ
６１Ｒ、Ｌ…第１角度検出センサ
６２Ｒ、Ｌ…第２角度検出センサ
６３Ｒ、Ｌ…第３角度検出センサ
６４Ｒ、Ｌ…足裏センサ
６５…前方カメラ
６６…後方カメラ
６７…ナビモジュール
６８…無線通信モジュール
７１…カム
７１１…回動中心
７１２…検出面
７１３…段差
７２…距離計測部
７２１…発光素子
７２２…受光素子
８１…入力部
１０１…制御ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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