(57)【要約】  ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する、駆動機構が立脚時に出力する立脚トルクと遊脚時に出力する遊脚トルクとを、前記脚の足裏に掛かる荷重値と前記脚の各関節の角度とに基づいて算出するトルク推定部と、前記脚の状態が立脚状態、または遊脚状態のいずれであるかを判定する立脚・遊脚判定部と、前記脚の状態が切り替わったときに、前記立脚トルクと前記遊脚トルクとに基づき、前記駆動機構が出力する前記トルクの移行を経過時間に応じて平滑化させるトルク出力平滑部と、を備える負荷軽減装置。
2020105462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する、駆動機構が立脚時に出力する立脚トルクと遊脚時に出力する遊脚トルクとを、前記脚の足裏に掛かる荷重値と前記脚の各関節の角度とに基づいて算出するトルク推定部と、
前記脚の状態が立脚状態、または遊脚状態のいずれであるかを判定する立脚・遊脚判定部と、
前記脚の状態が切り替わったときに、前記立脚トルクと前記遊脚トルクとに基づき、前記駆動機構が出力する前記トルクの移行を経過時間に応じて平滑化させるトルク出力平滑部と、
を備える負荷軽減装置。
【請求項２】
前記トルク出力平滑部は、前記駆動機構が前記立脚トルクを出力する期間と前記遊脚トルクを出力する期間とを切り替える切替時間を設け、前記切替時間において前記駆動機構が出力する前記トルクの前記移行を前記経過時間に応じて平滑化させる
請求項１に記載の負荷軽減装置。
【請求項３】
前記トルク出力平滑部は、前記切替時間に対する前記経過時間の比率に応じた、前記立脚トルクと前記遊脚トルクとを加算した前記トルクを算出する
請求項２に記載の負荷軽減装置。
【請求項４】
前記トルク推定部は、前記ユーザの矢状面における各関節をリンクさせた制御モデルに基づいて、各関節における前記立脚トルク及び前記遊脚トルクを算出する
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の負荷軽減装置。
【請求項５】
前記立脚・遊脚判定部は、前記足裏に掛かる荷重値に基づいて、前記脚の状態が立脚状態、または遊脚状態のいずれであるかを判定する
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の負荷軽減装置。
【請求項６】
ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する、駆動機構が立脚時に出力する立脚トルクと遊脚時に出力する遊脚トルクとを、前記脚の足裏に掛かる荷重値と前記脚の各関節の角度とに基づいて算出し、
前記脚の状態が立脚状態、または遊脚状態のいずれであるかを判定し、
前記脚の状態が切り替わったときに、前記立脚トルクと前記遊脚トルクとに基づき前記駆動機構が出力する前記トルクの移行を経過時間に応じて平滑化させる
負荷軽減方法。
【請求項７】
負荷軽減装置のコンピュータに、
ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する、駆動機構が立脚時に出力する立脚トルクと遊脚時に出力する遊脚トルクとを、前記脚の足裏に掛かる荷重値と前記脚の各関節の角度とに基づいて算出し、
前記脚の状態が立脚状態、または遊脚状態のいずれであるかを判定し、
前記脚の状態が切り替わったときに、前記立脚トルクと前記遊脚トルクとに基づき、前記駆動機構が出力する前記トルクの移行を経過時間に応じて平滑化させる、
処理を実行させるプログラムを記憶する記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷軽減装置、負荷軽減方法、及びプログラムを記憶する記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザが着用することでユーザの歩行動作等の負荷のアシストや、ユーザが運ぶ荷物の負荷を免荷する負荷軽減装置が知られている。当該負荷軽減装置は人が装着できる場合にはパワードスーツと呼ばれることもある。【０００３】
パワードスーツには、アクチュエータから筋力を補助するためのトルクを出力することにより、ユーザの脚に設けられたリンク機構を駆動して歩行動作をアシストするものがある。特許文献１には遊脚状態から立脚状態へ移行するタイミングでトルクを出力することにより違和感やショックの少ないスムーズな負荷支持を行うパワードスーツが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１４４７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、右脚と左脚とのそれぞれの床反力の比率に応じた補正係数を使用してトルクを調整しているが、片脚屈伸動作や片脚跳躍動作等においては片脚動作であるが故にスムーズな切り替えができない。すなわち、ユーザのあらゆる動作に対しスムーズな負荷軽減をすることができない。【０００６】
そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる負荷軽減装置、負荷軽減方法、及びプログラムを記憶する記憶媒体を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、負荷軽減装置は、ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する、駆動機構が立脚時に出力する立脚トルクと遊脚時に出力する遊脚トルクとを、前記脚の足裏に掛かる荷重値と前記脚の各関節の角度とに基づいて算出するトルク推定部と、前記脚の状態が立脚状態、または遊脚状態のいずれであるかを判定する立脚・遊脚判定部と、前記脚の状態が切り替わったときに、前記立脚トルクと前記遊脚トルクとに基づき、前記駆動機構が出力する前記トルクの移行を経過時間に応じて平滑化させるトルク出力平滑部とを備える。【０００８】
本発明の第２の態様によれば、負荷軽減方法は、ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する、駆動機構が立脚時に出力する立脚トルクと遊脚時に出力する遊脚トルクとを、前記脚の足裏に掛かる荷重値と前記脚の各関節の角度とに基づいて算出し、前記脚の状態が立脚状態、または遊脚状態のいずれであるかを判定し、前記脚の状態が切り替わったときに、前記立脚トルクと前記遊脚トルクとに基づき前記駆動機構が出力する前記トルクの移行を経過時間に応じて平滑化させる。【０００９】
本発明の第３の態様によれば、記憶媒体に記憶されたプログラムは、負荷軽減装置のコンピュータに、ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する、駆動機構が立脚時に出力する立脚トルクと遊脚時に出力する遊脚トルクとを、前記脚の足裏に掛かる荷重値と前記脚の各関節の角度とに基づいて算出し、前記脚の状態が立脚状態、または遊脚状態のいずれであるかを判定し、前記脚の状態が切り替わったときに、前記立脚トルクと前記遊脚トルクとに基づき、前記駆動機構が出力する前記トルクの移行を経過時間に応じて平滑化させる、処理を実行させる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によればユーザのあらゆる動作に対しスムーズな負荷軽減を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態によるパワードスーツの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による制御装置のハードウェア構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による制御装置の機能ブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態による制御装置の動作を示す動作ブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態による立脚トルクの制御モデルの一例を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態によるユーザの状態に応じた各センサの検出結果及び各アクチュエータの駆動モードを示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による平滑化処理の概要を示すグラフである。
【図８】本発明の一実施形態によるアクチュエータの出力トルクの遷移を示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態によるパワードスーツの処理を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の一実施形態による制御装置の最小構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態による負荷軽減装置、負荷軽減方法、及びプログラムを記憶する記憶媒体を、図面を参照して説明する。
図１は本実施形態によるパワードスーツの構成を示す図である。
パワードスーツ１００は負荷軽減装置の一態様である。パワードスーツ１００は、骨格部１１、ベルト１２、腰アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４、足首アクチュエータ１５、靴裏プレート１６、足装着具１７、足裏荷重センサ１８、荷台２０、制御装置２１、バッテリ２２、股関節センサ２３、膝関節センサ２４、足関節センサ２５等により構成される。骨格部１１は、一例としては、第一骨格部１１１、第二骨格部１１２、及び第三骨格部１１３に大別される。
【００１３】
図１に図示するようにパワードスーツ１００は一例として荷物を保持する機構の一態様である荷台２０を支えるように、次のように構成される。すなわち、パワードスーツ１００には、第一骨格部１１１が設けられ、左右の腰アクチュエータ１３はそれぞれ第一骨格部１１１と、パワードスーツ１００を装着するユーザの左側または右側の大腿部に沿う対応する第二骨格部１１２とが回動可能に連結される。また左右の膝アクチュエータ１４は、対応する左側または右側の第二骨格部１１２と、パワードスーツ１００を装着するユーザの左側または右側の膝下脚部に沿う対応する第三骨格部１１３とを回動可能に連結する。また足首アクチュエータ１５は、対応する左側または右側の第三骨格部１１３と、パワードスーツ１００を装着するユーザの左側または右側の足装着具１７の裏に設けられる対応する靴裏プレート１６に回動可能に連結する。アクチュエータ１３，１４，１５は、ユーザの各脚の各関節においてユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する駆動機構である。
【００１４】
パワードスーツ１００を装着するユーザは、自身の左右の足を対応する側の足装着具１７に入れると共に、腰に第一骨格部１１１が密着するようにベルト１２で固定する。パワードスーツ１００は荷物の荷重と、パワードスーツ１００の荷重の多くを、足裏の接地面に骨格部１１と各アクチュエータ１３，１４，１５を介して逃がすような構造となっている。ユーザはパワードスーツ１００の制御装置２１の電源を入れる。制御装置２１は、荷台２０に積載された荷物の荷重と、パワードスーツ１００の重量とを合計した装置重量を、できるだけ多く歩行面に骨格部１１と各アクチュエータ１３，１４，１５を介して伝えるように、各アクチュエータ１３，１４，１５を制御する。これによりパワードスーツ１００は、パワードスーツ１００を装着し様々な動作を行うユーザにかかる荷物の荷重等の負荷を免荷する。
【００１５】
股関節センサ２３は、腰アクチュエータ１３に設置され、股関節角度、つまり第一骨格部１１１と第二骨格部１１２との角度をエンコーダにより検出する。膝関節センサ２４は、膝アクチュエータ１４に設置され、膝関節角度、つまり第二骨格部１１２と第三骨格部１１３との角度をエンコーダにより検出する。足関節センサ２５は、足首アクチュエータ１５に設置され、足関節角度、つまり第三骨格部１１３と靴裏プレート１６との角度をエンコーダにより検出する。関節センサ２３，２４，２５は、ユーザの各脚の各関節の角度（以下「関節角度」とする。）を検出する。
【００１６】
足裏荷重センサ１８は、ユーザの各脚の足裏に係る荷重値を検出する。足裏荷重センサ１８は、足装着具１７の中にユーザの足裏から係る重量を計測できるように足裏面全体を覆うように設けられている。例えば、足裏荷重センサ１８は足装着具１７のインソールと靴裏プレート１６の間に貼り付けられる。
足裏荷重センサ１８は一例として、薄いシート状の絶縁体の表裏に行列状に電極が配置され、電極の格子点の電気抵抗を計測し、その計測値を制御装置２１に出力する。制御装置２１は各格子点の電気抵抗値から、各格子点に加わった圧力、及びセンサシートの面全体での荷重値を算出する。
【００１７】
図２は制御装置のハードウェア構成を示す図である。
この図が示すように制御装置２１はＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０３、信号入出力装置１０４、無線通信装置１０５等の各ハードウェアを備えたコンピュータである。
信号入出力装置１０４は、足裏荷重センサ１８、股関節センサ２３、膝関節センサ２４及び足関節センサ２５から出力された信号を入力とする。信号入出力装置１０４は、腰アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４及び足首アクチュエータ１５を制御する制御信号を出力する。制御装置２１はバッテリ２２からの電源供給により動作する。
無線通信装置１０５は他の装置と通信接続する。
【００１８】
図３は制御装置の機能ブロック図である。
制御装置２１は電源ボタンがＯＮされることによりバッテリ２２から供給された電力に基づいて起動する。制御装置２１は起動後に制御プログラムを実行する。これにより制御装置２１には、情報取得部２１１、総合制御部２１２、アクチュエータ制御部２１３、電源部２１４が少なくとも備わる。
情報取得部２１１は足裏荷重センサ１８、股関節センサ２３、膝関節センサ２４及び足関節センサ２５からセンシング情報を取得する。足裏荷重センサ１８のセンシング情報は検出した荷重値を示す足裏荷重情報である。股関節センサ２３、膝関節センサ２４及び足関節センサ２５のセンシング情報は検出した関節角度を示す関節角度情報である。
アクチュエータ制御部２１３は腰アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４及び足首アクチュエータ１５を制御する。
電源部２１４は電源ボタンがＯＮされるとバッテリ２２から制御装置２１の各部に電力を供給する。
【００１９】
総合制御部２１２は、トルク推定部２１２１、立脚・遊脚判定部２１２２、トルク出力平滑部２１２３を備える。
トルク推定部２１２１は、各アクチュエータ１３，１４，１５が立脚時に出力する立脚トルクと遊脚時に出力する遊脚トルクとを脚の足裏に掛かる荷重値と脚の各関節の角度とに基づいて算出する。具体的には、ユーザの矢状面における各関節をリンクさせた制御モデルに基づいて各関節における立脚トルク及び遊脚トルクを算出する。
立脚・遊脚判定部２１２２は、ユーザの脚の状態が立脚であるか遊脚であるかを判定する。具体的には、立脚・遊脚判定部２１２２は、片脚の足裏に掛かる荷重値に基づいて当該脚の状態が立脚状態、遊脚状態のいずれであるかを判定する。例えば、立脚・遊脚判定部２１２２は、右脚の足裏に掛かる荷重値に基づいて右脚の状態を判定する。また、立脚・遊脚判定部２１２２は、左脚の足裏に掛かる荷重値に基づいて左脚の状態を判定する。
トルク出力平滑部２１２３は、ユーザの脚の状態が切り替わったときに、立脚トルクと遊脚トルクとに基づき各アクチュエータ１３，１４，１５が出力するトルクを、経過時間に応じて平滑になるように移行させる。具体的には、トルク出力平滑部２１２３は、各アクチュエータ１３，１４，１５が立脚トルクを出力する期間と遊脚トルクを出力する期間とを切り替える切替時間を設ける。トルク出力平滑部２１２３は、切替時間において各アクチュエータ１３，１４，１５が出力するトルクの大きさを経過時間に応じて移行させる。例えば、トルク出力平滑部２１２３は、切替時間における経過時間に応じた比率にしたがって、立脚トルクと遊脚トルクとを加算する。
【００２０】
続いて、制御装置２１の動作について詳細に説明する。
図４は制御装置の動作を示す動作ブロック図である。
まず、トルク推定部２１２１が、各脚の足裏荷重センサ１８が検出した荷重値と、各脚の各関節センサ２３，２４，２５それぞれが検出した関節角度とに基づいて立脚トルク及び遊脚トルクを算出する。
【００２１】
図５は立脚トルクの制御モデルの一例を示す図である。本実施形態における制御モデルは、ユーザの矢状面における股関節、膝関節及び足関節をリンクさせた３リンクモデルを採用する。例えば、腰アクチュエータ１３の立脚トルクτ３は、上体重心軸から見た回転方向への分散荷重「ＦｃｏｓθＡｃｏｓθＫ」である。値「Ｆ」はユーザの体重、パワードスーツ１００および荷物の重量に、衝撃加速度を乗算して求められる床反力値である。なお、ユーザの体重、パワードスーツ１００及び荷物の重量は、パワードスーツ１００の使用前に予め計測される値である。なお、衝撃加速度は、足裏荷重センサ１８が検出した荷重値から推定されてもよいし、足装着具１７に設けられた図示しない加速度センサの検出結果から特定されてもよい。
値「θＡ」は足関節センサ２５が検出する足関節角度である。値「θＫ」は膝関節センサ２４が検出する膝関節角度である。また、図５には、股関節軸から見た回転方向への分散荷重「ＦｃｏｓθＡｓｉｎθＫ」と、膝関節軸から見た回転方向への分散荷重「ＦｃｏｓθA」と、足裏荷重センサ１８の分力（膝関節軸から見た求心方向への分散荷重）「ＦｓｉｎθA」とを示す。
【００２２】
以下において、ユーザが進行する方向を前進方向と定義し、重力方向に対する逆方向を上方向と定義する。また、前進方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向と直交する上方向をＺ軸方向、Ｘ軸方向及びＺ軸方向と直交する方向をＹ軸方向としてＸＹＺ座標系を定める。
【００２３】
具体的には、トルク推定部２１２１は、次の運動方程式（１）〜式（８）により立脚トルクを算出する。慣性行列Ｍは、次の式（１）により表される。
【００２４】
【数１】
2020105462.tif 000003
【００２５】
慣性行列Ｍの各要素は、次の式（１−１）〜式（１−２５）により算出される。ここで、値「ｍ１」は足関節周りの質量である。値「ｍ２」は膝関節周りの質量である。値「ｍ３」は股関節周りの質量である。値「ｌ１」は足から膝までの長さである。値「ｌ２」は膝から腰までの長さである。値「ｌ３」は上体部の長さである。値「ｌｇ１」は足関節から脛足重心までの長さである。値「ｌｇ２」は膝関節から大腿重心までの長さである。値「ｌｇ３」は股関節から上体重心までの長さである。値「Ｉ１」は足関節周りイナーシャである。値「Ｉ２」は膝関節周りイナーシャである。値「Ｉ３」は股関節周りイナーシャである。値「θ１」は足関節角度である。値「θ２」は膝関節角度である。値「θ３」は股関節角度である。
足関節周りの質量ｍ１、膝関節周りの質量ｍ２、股関節周りの質量ｍ３、足から膝までの長さｌ１、膝から腰までの長さｌ２、上体部の長さｌ３、足関節から脛足重心までの長さｌｇ１、膝関節から大腿重心までの長さｌｇ２、股関節から上体重心までの長さｌｇ３、足関節周りイナーシャＩ１、膝関節周りイナーシャＩ２及び股関節周りイナーシャＩ３は、予め制御装置２１にその値が設定されている。
【００２６】
【数２】
2020105462.tif 000004
【００２７】
また、コリオリ力ｈは、次の式（２）により表される。
【００２８】
【数３】
2020105462.tif 000005
【００２９】
コリオリ力ｈの各要素は、次の式（２−１）〜式（２−５）により算出される。
【００３０】
【数４】
2020105462.tif 000006
【００３１】
また、重力項ベクトルｇは、次の式（３）により表される。
【００３２】
【数５】
2020105462.tif 000007
【００３３】
重力項ベクトルｇの各要素は、次の式（３−１）〜式（３−５）により算出される。
【００３４】
【数６】
2020105462.tif 000008
【００３５】
また、トルク係数行列Ｄは、次の式（４）により表される。
【００３６】
【数７】
2020105462.tif 000009
【００３７】
また、トルクτは、次の式（５）により表される。値「τ１」は足関節周りトルクである。値「τ２」は膝関節周りトルクである。値「τ３」は股関節周りトルクである。足関節周りトルクは足首アクチュエータ１５が出力する出力トルクである。膝関節周りトルクは膝アクチュエータ１４が出力する出力トルクである。股関節周りトルクは腰アクチュエータ１３が出力する出力トルクである。
【００３８】
【数８】
2020105462.tif 000010
【００３９】
トルクτは、次の式（６）により算出される。一般化座標Ｘは式（６−１）により表される。ｘはＸ座標値である。ｚはＺ座標値である。
【００４０】
【数９】
2020105462.tif 000011
【００４１】
また、各関節の一般化座標Ｘ（ｋ）を次の式（７）とおく。値「ｋ」は、時系列ｋ番目（現在値）を示す。値「ｘ１」は前進方向を正とした時の足関節のＸ座標である。値「ｘ２」は前進方向を正とした時の膝関節のＸ座標である。値「ｘ３」は前進方向を正とした時の股関節のＸ座標である。値「ｚ１」は上方向を正とした時の足関節のＺ座標である。値「ｚ２」は上方向を正とした時の膝関節のＺ座標である。値「ｚ３」は上方向を正とした時の股関節のＺ座標である。
【００４２】
【数１０】
2020105462.tif 000012
【００４３】
すると、Ｘ（ｋ＋１）は次の式（８）により表される。Ｆは床反力値である。Ｈはコリオリ力ｈである。Ｇは重力項ベクトルｇである。
【００４４】
【数１１】
2020105462.tif 000013
【００４５】
トルク推定部２１２１は、式（８）におけるτを逐次演算することで、立脚トルクを算出する。このように矢状面における３リンクモデルを採用することにより正確性を向上させることができる。また、運動方程式に床反力値Ｆを用いているため、床面からの衝撃力を考慮して立脚トルクを算出することができる。なお、更に正確性を向上させるために、拡張として、冠状面における運動方程式を追加してもよい。
【００４６】
また、トルク推定部２１２１は、上述した運動方程式（１）〜式（８）により遊脚トルクを算出する。ただし、遊脚トルクを算出する際には、値「ｍ１」は股関節周りの質量である。値「ｍ２」は膝関節周りの質量である。値「ｍ３」は足関節周りの質量である。値「ｌ１」は股から膝までの長さである。値「ｌ２」は膝から腰までの長さである。値「ｌ３」は足首から足先までの長さである。
値「ｌｇ１」は股関節から大腿重心までの長さである。値「ｌｇ２」は膝関節から脛重心までの長さである。値「ｌｇ３」は足関節から足部重心までの長さである。値「Ｉ１」は股関節周りイナーシャである。値「Ｉ２」は膝関節周りイナーシャである。値「Ｉ３」は足関節周りイナーシャである。値「θ１」は股関節角度である。値「θ２」は膝関節角度である。値「θ３」は足関節角度である。値「τ１」は股関節周りトルクである。値「τ２」は膝関節周りトルクである。値「τ３」は足関節周りトルクである。値「ｘ１」は前進方向を正とした時の股関節のＸ座標である。値「ｘ２」は前進方向を正とした時の膝関節のＸ座標である。値「ｘ３」は前進方向を正とした時の足関節のＸ座標である。値「ｚ１」は上方向を正とした時の股関節のＺ座標である。値「ｚ２」は上方向を正とした時の膝関節のＺ座標である。値「ｚ３」は上方向を正とした時の足関節のＺ座標である。また、遊脚トルクを算出する際のトルク係数行列Ｄは、次の式（９）である。
【００４７】
【数１２】
2020105462.tif 000014
【００４８】
トルク推定部２１２１は、算出した各脚の各アクチュエータ１３，１４，１５の立脚トルク及び遊脚トルクをトルク出力平滑部２１２３に出力する。
【００４９】
続いて、立脚・遊脚判定部２１２２が、各脚それぞれの状態が立脚状態、または遊脚状態のいずれであるかを、当該脚に取り付けられた足裏荷重センサ１８が検出した荷重値に基づいて判定する。例えば、立脚・遊脚判定部２１２２は、足裏荷重センサ１８が検出した荷重値が大きい（例えば、第１の閾値以上）場合には立脚であると判定し、足裏荷重センサ１８が検出した荷重値が小さい（例えば、第２の閾値以下）場合には遊脚であると判定する。例えば、第１の閾値は足裏が接地しているときの荷重値である。また、第２の閾値は足裏が非接地であるときの荷重値である。
立脚・遊脚判定部２１２２は、各脚それぞれの足裏荷重センサ１８が検出する荷重値に基づいて対応する脚の状態を判定している。このため、踵を接地せずに駆け足等を行う場合や片脚動作、不規則な歩行動作等、あらゆる俊敏な動作に対して立脚であるか遊脚であるかの判定を精度良くできる。例えば、立脚・遊脚判定部２１２２は、右脚のみが遊脚と立脚を繰り返す片脚動作であっても、右脚の足裏荷重センサ１８が検出する荷重値のみに基づいて右脚の状態を判定する。このため、右脚の状態を精度良く判定することができる。
【００５０】
その後、立脚・遊脚判定部２１２２は、各脚の各アクチュエータ１３，１４，１５の駆動モードを決定する。駆動モードには、立脚トルクを出力する立脚モードと、遊脚トルクを出力する遊脚モードとがある。
【００５１】
図６はユーザの状態に応じた各センサの検出結果及び各アクチュエータの駆動モードを示す図である。
図６（Ａ）に示すように、ユーザが歩行しているときには、状態は両足立脚と片足立脚／片足遊脚とを順に繰り返す。両足立脚は両脚とも立脚している状態である。片足立脚／片足遊脚は一方の脚が立脚しており他方の脚が遊脚している状態である。一方、ユーザが駆け足しているときには、状態は片足立脚／片足遊脚と両足遊脚とを順に繰り返す。両足遊脚は両脚とも遊脚している状態である。
【００５２】
図６（Ｂ）に示すように、両足立脚時には、各関節センサ２３，２４，２５はエンコーダからの関節角度を検出し、足裏荷重センサ１８は両脚とも接地（第１の閾値以上）を検出し、各アクチュエータ１３，１４，１５は両脚とも立脚モードで駆動する。
また、片足立脚／片足遊脚時には、次の処理が行われる。すなわち、各関節センサ２３，２４，２５はエンコーダからの関節角度を検出し、立脚側の足裏荷重センサ１８は接地を検出し、遊脚側の足裏荷重センサ１８は非接地（第２の閾値以下）を検出する。また、腰アクチュエータ１３は両脚とも遊脚モードで駆動し、立脚側の膝アクチュエータ１４は立脚モードで駆動し、遊脚側の膝アクチュエータ１４は遊脚モードで駆動する。さらに、立脚側の足首アクチュエータ１５は立脚モードで駆動し、遊脚側の足首アクチュエータ１５は遊脚モードで駆動する。
また、ユーザが両足遊脚時には、各関節センサ２３，２４，２５はエンコーダからの関節角度を検出し、足裏荷重センサ１８は両脚とも非接地を検出し、各アクチュエータ１３，１４，１５は両脚とも遊脚モードで駆動する。
【００５３】
しかしながら、立脚時の制御モデルと遊脚時の制御モデルとが異なる。このため、ユーザの足裏が接地しているか否かのみに基づいて各アクチュエータ１３，１４，１５の駆動モードを切り替えると、立脚モードから遊脚モードに切り替わった瞬間、又は遊脚モードから立脚モードに切り替わった瞬間に、非線形なトルクが各アクチュエータ１３，１４，１５から出力される。このため、その切り替え時の出力トルク差が過剰な負荷として身体に加わり、ユーザにとって通常時と比較して違和感が生じるため動きづらい。
【００５４】
そこで、立脚・遊脚判定部２１２２は、駆動モードが切り替わってからの経過時間ｔを計測する。そして、立脚・遊脚判定部２１２２は、各脚の各アクチュエータ１３，１４，１５の駆動モードと経過時間ｔとをトルク出力平滑部２１２３に出力する。
【００５５】
トルク出力平滑部２１２３は、立脚・遊脚判定部２１２２が判定した駆動モード及び経過時間ｔと、トルク推定部２１２１が算出した立脚トルク及び遊脚トルクとに基づいて、各脚の各アクチュエータ１３，１４，１５の出力トルクを算出する。具体的には、トルク出力平滑部２１２３は、各アクチュエータ１３，１４，１５の駆動モードが切り替わる際に、トルク値の移行が平滑になるように平滑化処理を実行する。つまり、トルク出力平滑部２１２３は、駆動モードが切り替わった際のトルク値の遷移が緩やかになるようなトルクを算出する。
【００５６】
図７は平滑化処理の概要を示すグラフである。
トルク出力平滑部２１２３は、立脚モードから遊脚モードへの切替時間Ｔ１を設ける。トルク出力平滑部２１２３は、駆動モードが立脚モードから遊脚モードに切り替わってから切替時間Ｔ１の間（すなわち、経過時間ｔ≦切替時間Ｔ１）は、立脚トルクτsから遊脚トルクτfに平滑に移行するよう出力トルクτを設定する。より具体的には、次の式（１０）により出力トルクτを算出する。
【００５７】
【数１３】
2020105462.tif 000015
【００５８】
また、トルク出力平滑部２１２３は、遊脚モードから立脚モードへの切替時間Ｔ２を設ける。トルク出力平滑部２１２３は、遊脚モードから立脚モードに切り替わってから切替時間Ｔ２の間（すなわち、経過時間ｔ≦切替時間Ｔ２）は、遊脚トルクτｆから立脚トルクτsに平滑に移行するよう出力トルクτを設定する。より具体的には、次の式（１１）により出力トルクτを算出する。
【００５９】
【数１４】
2020105462.tif 000016
このように、トルク出力平滑部２１２３は、切替時間Ｔ１、Ｔ２に対する経過時間ｔの比率に応じた、立脚トルク及び遊脚トルクを算出する。トルク出力平滑部２１２３は、比率に応じた、立脚トルクと遊脚トルクとを加算することで、出力トルクτを算出する。
【００６０】
トルク出力平滑部２１２３が実行する平滑化処理の他の例について説明する。
図８はアクチュエータの出力トルクの遷移を示すグラフである。本図に示すグラフの横軸は時間であり、縦軸は出力トルクである。
本図に示す処理では平滑化処理による出力トルクτの変化率に応じて、平滑化処理に用いるパラメータα１，β１，α２，β２を変化させる点について、図７に示す平滑化処理と異なる。
【００６１】
具体的には、まずトルク出力平滑部２１２３は、時間ｔ１１において駆動モードが立脚モードから遊脚モードに切り替わると、「Ｆｍａｘ＝τs」とし、「Ｆｍｉｄｄｌｅ＝Ｆｍａｘ／２」とする。そして、トルク出力平滑部２１２３は、出力トルクτが「Ｆｍｉｄｄｌｅ」になる時間ｔ１２までの期間、次の式（１２）により出力トルクτを算出する。ｔは、時間ｔ１１からの経過時間である。切替時間Ｔ１は、予め設定されており、本例では時間ｔ１１から時間ｔ１３までの期間である。パラメータα１及びパラメータβ１は、時間に依存する数式を含むパラメータである。
【００６２】
【数１５】
2020105462.tif 000017
【００６３】
続いて、トルク出力平滑部２１２３は、時間ｔ１１から時間ｔ１２までの期間における出力トルクτの変化率に応じて、出力トルクτの変化率がより急峻または平滑になるように、パラメータα１及びパラメータβ１を再設定する。そして、トルク出力平滑部２１２３は、時間ｔ１２から時間ｔ１３までの期間、再設定したパラメータα１及びパラメータβ１を用いて上述の式（１２）により出力トルクτを算出する。よって、切替時間Ｔ１終了時ｔ１３における出力トルクτは遊脚トルク（Ｆｍｉｎ＝τｆ）である。
【００６４】
実線９１は、切替時間Ｔ１における平滑化処理前の遊脚トルクの遷移を示す。一方、実線９２は、切替時間Ｔ１における平滑化処理後の出力トルクの遷移を示す。このように、パラメータα１及びパラメータβ１を平滑化処理中に再設定することにより、図７に示す処理より安定的に出力トルクτの変化を平滑化することができる。よって、駆動モード切り替え時に急激に出力トルクが変化することを防ぎ、ユーザの感じる違和感を軽減することができる。
【００６５】
また、トルク出力平滑部２１２３は、時間ｔ１４において駆動モードが遊脚モードから立脚モードに切り替わると、出力トルクτが「Ｆｍｉｄｄｌｅ」になる時間ｔ１５までの期間、次の式（１３）により出力トルクτを算出する。ｔは、時間ｔ１４からの経過時間である。切替時間Ｔ２は、予め設定されており、本例では時間ｔ１４から時間ｔ１６までの期間である。パラメータα２及びパラメータβ２は、時間に依存する数式を含むパラメータである。
【００６６】
【数１６】
2020105462.tif 000018
【００６７】
続いて、トルク出力平滑部２１２３は、時間ｔ１４から時間ｔ１５までの期間における出力トルクτの変化率に応じて、出力トルクτの変化率がより急峻または平滑になるように、パラメータα２及びパラメータβ２を再設定する。そして、トルク出力平滑部２１２３は、時間ｔ１５から時間ｔ１６までの期間、再設定したパラメータα２及びパラメータβ２を用いて上述の式（１３）により出力トルクτを算出する。
【００６８】
実線９３は、切替時間Ｔ２における平滑化処理前の立脚トルクの遷移を示す。一方、実線９４は、切替時間Ｔ２における平滑化処理後の出力トルクの遷移を示す。このように、パラメータα２及びパラメータβ２を平滑化処理中に再設定することにより、図７に示す処理より安定的に出力トルクτの変化を平滑化することができる。よって、駆動モード切り替え時に急激に出力トルクが変化することを防ぎ、ユーザの感じる違和感を軽減することができる。
【００６９】
なお、トルク出力平滑部２１２３は、機械学習により切替時間Ｔ１及び切替時間Ｔ２を適応的に変更させてもよい。例えば、トルク出力平滑部２１２３は、駆動モードが切り替わってから足裏荷重センサ１８が検出した荷重値が最大値または最小値になるまでの時間を、切替時間として変更してもよい。これにより、最適に切り替え時の出力トルクを平滑化することが可能である。
【００７０】
トルク出力平滑部２１２３は、算出した各脚の各アクチュエータ１３，１４，１５の出力トルクをアクチュエータ制御部２１３に出力する。
【００７１】
アクチュエータ制御部２１３は、出力トルクに基づいて角度制御器Ｋｃｉ（ｓ）で各アクチュエータ１３，１４，１５の回転角度を制御する。「ｓ」は、制御系の周波数領域を示す。その後、アクチュエータ制御部２１３は、力制御器Ｋｂｉ（ｓ）で各脚の各アクチュエータ１３，１４，１５にトルクτを出力させる。
これにより、時系列ｋ番目（現在値）におけるユーザの印加する負荷抗力Ｄｋとユーザの印加トルクｌｋと出力トルクτとが各アクチュエータのダイナミクスＰ（ｓ）となる。各関節センサ２３，２４，２５は、アクチュエータ１３，１４，１５のダイナミクスＰ（ｓ）に基づくパワードスーツ１００のダイナミクスＧ（ｓ）に応じた時系列ｋ番目における各関節角度θｋを検出してトルク推定部２１２１に出力する。そして制御装置２１は上述した処理を繰り返す。
【００７２】
図９はパワードスーツの処理を示すフローチャートである。
まずユーザはパワードスーツ１００を装着する。足裏荷重センサ１８は足装着具１７のインソールと靴裏プレート１６の間に貼り付けられているため、ユーザが足装着具１７を装着することで、足裏荷重センサ１８はユーザの足裏から掛かる重量を計測できる。
【００７３】
ユーザはパワードスーツ１００に備わる制御装置２１の電源ボタンを操作して電源を投入する。これにより制御装置２１が始動する。ユーザはパワードスーツ１００を装着したまま歩行する。ユーザはパワードスーツ１００の荷台２０に荷物を積載して歩行してもよい。制御装置２１のアクチュエータ制御部２１３は荷物やパワードスーツ１００の自重によりユーザにかかる荷重を軽減するように腰アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４、足首アクチュエータ１５を制御する。これによりパワードスーツ１００は様々なユーザの動作に追従する。
【００７４】
制御装置２１が駆動している間、情報取得部２１１は各関節センサ２３，２４，２５から関節角度情報を所定の間隔で取得する（ステップＳ１０１）。また制御装置２１が駆動している間、情報取得部２１１は足裏荷重センサ１８から足裏荷重情報を所定の間隔で取得する（ステップＳ１０２）。所定の間隔は一例としては１０ミリ秒毎などの短時間毎である。
【００７５】
トルク推定部２１２１は、情報取得部２１１が取得した関節角度情報及び足裏荷重情報に基づいて、各脚の各アクチュエータ１３，１４，１５の立脚トルク及び遊脚トルクを算出してトルクを推定する（ステップＳ１０３）。立脚・遊脚判定部２１２２は、情報取得部２１１が取得した足裏荷重情報に基づいて、各脚の各アクチュエータ１３，１４，１５の駆動モードを判定する。また、立脚・遊脚判定部２１２２は、駆動モードが切り替わってからの経過時間を計測する（ステップＳ１０４）。
【００７６】
トルク出力平滑部２１２３は立脚・遊脚判定部２１２２が判定した駆動モード及び経過時間と、トルク推定部２１２１が算出した立脚トルク及び遊脚トルクとに基づいて、出力トルクを平滑化する（ステップＳ１０５）。アクチュエータ制御部２１３は各脚の各アクチュエータ１３，１４，１５からトルクを出力させる（ステップＳ１０６）。その後、ステップＳ１０１の処理に戻り、制御装置２１は処理を終了するまでステップＳ１０１からＳ１０６までの処理を繰り返す。
【００７７】
上述の処理によれば、負荷を支持するための各関節への正確な必要トルクを算出してアクチュエータ１３，１４，１５が出力できるようになる。このため、歩行のゆっくりした動作や駆け足の俊敏な動作等、ユーザのあらゆる動作パターンにおいて低応答から高応答まで大幅に変動しても、ユーザの動作に対して常時追従し、各動作時において適時適切に負荷軽減のためのアシストを実現することが可能になる。例えば、トルク出力平滑部２１２３が立脚と遊脚との切り替え時に出力トルクを平滑化する。これにより、出力トルクが急激に変化することを防ぎ、動作時の違和感が軽減され、ユーザへの動作追従性の向上を実現可能である。
【００７８】
また、遊脚時にもトルク推定部２１２１が遊脚トルクを算出して各アクチュエータ１３，１４，１５に出力させることによって、パワードスーツ１００自身の荷重分をアシストしてユーザ動作を妨げずにスムーズな動作追従が可能となる。よって、パワードスーツ１００を装着した状態での俊敏な動作が可能となる。
【００７９】
以上本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００８０】
例えば、足裏荷重センサ１８はユーザによる使用時に足装着具１７の内部に挿入されていてよい。また足裏荷重センサ１８は足装着具１７の接地面側に設けられるものであってもよい。
【００８１】
また上述の説明では足裏荷重センサ１８は足装着具１７の内部に足裏面全体を覆うような面積を有することを示した。しかしながら足裏荷重センサ１８は、靴裏プレート１６や足装着具１７から接地面に加わる荷重をその荷重がかかる位置がずれた場合にも計測できるものであればよい。
【００８２】
また上述の説明ではパワードスーツ１００を制御する場合を例示したが、これに限らず、制御装置２１は非線形なモード移行を有する多関節型ロボット（例えばヒューマノイドロボット）等の制御全般において適用可能である。
【００８３】
また上述の説明ではパワードスーツ１００は各関節それぞれに対応する腰アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４、及び足首アクチュエータ１５を備えているが、これに限定されるものではない。パワードスーツ１００は、少なくともいずれか１つのアクチュエータ１３，１４，１５を備えればよい。例えば、パワードスーツ１００は腰アクチュエータ１３及び膝アクチュエータ１４のみを備え、足首アクチュエータ１５は備えなくともよい。或いは、足首アクチュエータ１５を機械的な板バネ等の制御信号を用いないアクチュエータにしてもよい。この場合には、足関節センサ２５は板バネの曲げ角度を検出する角度検出センサまたは板バネの反力を検出する力センサである。トルク推定部２１２１は、足関節センサ２５が検出する板バネの曲げ角度または板バネの反力に基づいて式（６）により股関節周りトルク及び膝関節周りトルクを算出する。
【００８４】
図１０は制御装置の最小構成を示す図である。
負荷軽減装置の一態様としての制御装置２１は少なくとも上述のトルク推定部２１２１、立脚・遊脚判定部２１２２、及びトルク出力平滑部２１２３の機能を備えればよい。
トルク推定部２１２１は、アクチュエータ１３，１４，１５が立脚時に出力する立脚トルクと遊脚時に出力する遊脚トルクとを、足裏に掛かる荷重値と脚の各関節の角度とに基づいて算出する。アクチュエータ１３，１４，１５は、ユーザの脚の関節においてユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する。
立脚・遊脚判定部２１２２は、脚の状態が立脚状態、または遊脚状態のいずれであるかを判定する。
トルク出力平滑部２１２３は、脚の状態が切り替わったときに、立脚トルクと遊脚トルクとに基づき、各アクチュエータ１３，１４，１５が出力するトルクの移行を経過時間に応じて平滑化させる。つまり、トルク出力平滑部２１２３は、脚の状態が切り替わった際、その移行が経過時間に応じて平滑化されたトルクを算出する。
【００８５】
上述の制御装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０３、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）１０４、無線通信装置１０５等の各ハードウェアを備えたコンピュータであってよい。
【００８６】
上述の制御装置は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
【００８７】
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。
さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【００８８】
この出願は、２０１８年１１月２２日に日本出願された特願２０１８−２１９２２０号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明によればユーザのあらゆる動作に対しスムーズな負荷軽減を提供することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１００・・・パワードスーツ
１１・・・骨格部
１２・・・ベルト
１３・・・腰アクチュエータ
１４・・・膝アクチュエータ
１５・・・足首アクチュエータ
１６・・・靴裏プレート
１７・・・足装着具
１８・・・足裏荷重センサ
２０・・・荷台
２１・・・制御装置
２２・・・バッテリ
２３・・・股関節センサ
２４・・・膝関節センサ
２５・・・足関節センサ
２１１・・・情報取得部
２１２・・・総合制御部
２１２１・・・トルク推定部
２１２２・・・立脚・遊脚判定部
２１２３・・・トルク出力平滑部
２１３・・・アクチュエータ制御部
２１４・・・電源部
【図１】
2020105462.tif 000019
【図２】
2020105462.tif 000020
【図３】
2020105462.tif 000021
【図４】
2020105462.tif 000022
【図５】
2020105462.tif 000023
【図６】
2020105462.tif 000024
【図７】
2020105462.tif 000025
【図８】
2020105462.tif 000026
【図９】
2020105462.tif 000027
【図１０】
2020105462.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】令和3年1月29日(2021.1.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する、駆動機構が立脚時に出力する立脚トルクと遊脚時に出力する遊脚トルクとを、前記脚の足裏に掛かる荷重値と前記脚の各関節の角度とに基づいて算出するトルク推定部と、
前記脚の状態が立脚状態、または遊脚状態のいずれであるかを判定する立脚・遊脚判定部と、
前記脚の状態が切り替わったときに、前記立脚トルクと前記遊脚トルクとに基づき、前記駆動機構が出力する前記トルクの移行を経過時間に応じて平滑化させるトルク出力平滑部と、
を備える負荷軽減装置。
【請求項２】
前記トルク出力平滑部は、前記駆動機構が前記立脚トルクを出力する期間と前記遊脚トルクを出力する期間とを切り替える切替時間を設け、前記切替時間において前記駆動機構が出力する前記トルクの前記移行を前記経過時間に応じて平滑化させる
請求項１に記載の負荷軽減装置。
【請求項３】
前記トルク出力平滑部は、前記切替時間に対する前記経過時間の比率に応じた、前記立脚トルクと前記遊脚トルクとを加算した前記トルクを算出する
請求項２に記載の負荷軽減装置。
【請求項４】
前記トルク推定部は、前記ユーザの矢状面における各関節をリンクさせた制御モデルに基づいて、各関節における前記立脚トルク及び前記遊脚トルクを算出する
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の負荷軽減装置。
【請求項５】
前記立脚・遊脚判定部は、前記足裏に掛かる荷重値に基づいて、前記脚の状態が立脚状態、または遊脚状態のいずれであるかを判定する
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の負荷軽減装置。
【請求項６】
ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する、駆動機構が立脚時に出力する立脚トルクと遊脚時に出力する遊脚トルクとを、前記脚の足裏に掛かる荷重値と前記脚の各関節の角度とに基づいて算出し、
前記脚の状態が立脚状態、または遊脚状態のいずれであるかを判定し、
前記脚の状態が切り替わったときに、前記立脚トルクと前記遊脚トルクとに基づき前記駆動機構が出力する前記トルクの移行を経過時間に応じて平滑化させる
負荷軽減方法。
【請求項７】
負荷軽減装置のコンピュータに、
ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する、駆動機構が立脚時に出力する立脚トルクと遊脚時に出力する遊脚トルクとを、前記脚の足裏に掛かる荷重値と前記脚の各関節の角度とに基づいて算出し、
前記脚の状態が立脚状態、または遊脚状態のいずれであるかを判定し、
前記脚の状態が切り替わったときに、前記立脚トルクと前記遊脚トルクとに基づき、前記駆動機構が出力する前記トルクの移行を経過時間に応じて平滑化させる、
処理を実行させるプログラム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、負荷軽減装置、負荷軽減方法、及びプログラムに関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる負荷軽減装置、負荷軽減方法、及びプログラムを提供することを目的としている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の第３の態様によれば、プログラムは、負荷軽減装置のコンピュータに、ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する、駆動機構が立脚時に出力する立脚トルクと遊脚時に出力する遊脚トルクとを、前記脚の足裏に掛かる荷重値と前記脚の各関節の角度とに基づいて算出し、前記脚の状態が立脚状態、または遊脚状態のいずれであるかを判定し、前記脚の状態が切り替わったときに、前記立脚トルクと前記遊脚トルクとに基づき、前記駆動機構が出力する前記トルクの移行を経過時間に応じて平滑化させる、処理を実行させる。
【国際調査報告】
2020105462.tif 000029
2020105462.tif 000030
2020105462.tif 000031
2020105462.tif 000032