专利名称：行走辅助装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及辅助使用者的行走动作的行走辅助装置。
背景技术：
正在研究对使用者的腿关节施加转矩从而辅助行走动作的行走辅助装置。例如，专利文献I中公开了辅助一条腿不能自由活动的使用者的行走的行走辅助装置。以下，在本说明书中，将使用者能够自由活动的腿称作“健康腿”(Sound Leg)，将至少一个关节不能自由活动的腿称作“病腿”(Affected Leg)。另外，在本说明书中，膝和脚踝之间的部分称作“下肢”。专利文献I中公开的行走辅助装置使用传感器測量健康腿的动作模式，并且以使病腿的动作模式与健康腿的动作模式一致的方式对病腿的关节施加转矩。在先技术文献 专利文献专利文献I :特开2006-314670号公報
发明内容
本发明所要解决的技术问题如果使用者所期望的腿的动作与通过行走辅助装置对关节施加的转矩引导的动作不一致，则使用者将感到不适。根据多个发明人的研究发现如果在从支承腿向自由腿的转变期下肢开始向后摆动的时刻与开始施加转矩的时刻不一致，则使用者会明显感到不适。如专利文献I的技术，如果在健康腿上安装传感器，则能够测量健康腿的动作模式。通过对病腿的膝关节施加转矩以使病腿与健康腿的动作模式相同，能够在不引起使用者的明显不适的情况下辅助行走动作。然而，如果在两腿上安装传感器，则对使用者会造成麻烦。本发明提供了基于安装在一条腿上的传感器的输出对该一条腿的关节施加转矩从而辅助行走动作的行走辅助装置。该行走辅助装置能够在不使用另一条腿的信息的情况下，在从一条腿的支承腿期间向自由腿期间的转变期中在适当的时刻对一条腿的膝关节施加转矩。即，该行走辅助装置能够在不引起使用者的明显不适的情况下辅助行走动作。本说明书公开的技术适合用于具有一个病腿的使用者的行走辅助装置。该行走辅助装置能够适当地辅助病腿的动作，而不需要在健康腿上安装传感器。用于解决问题的技术手段本说明书所公开的新技术之一是在使用者的一条腿上安装检测关节角的角度传感器和检测地面反力的反カ传感器，并基于这些传感器的检测数据确定对膝关节开始施加使该一条腿的下肢(lower leg)向后摆动的方向的转矩的时刻。角度传感器检测至少髋关节绕俯仰轴的角度。以下，将髋关节绕俯仰轴的角度称作“髋关节角”。本说明书所公开的新行走辅助装置根据所检测出的髋关节角，来检测该一条腿的脚位于比另一条腿的脚靠后的位置，即检测该一条腿处于从支承腿向自由腿的转变期。同时，该行走辅助装置根据所检测出的地面反力的大小确定在该转变期中下肢开始向后摆动的时刻。该行走辅助装置不需要在另ー腿上安装传感器，而能够在适当的时刻对膝关节开始施加转矩。本说明书所公开的新技术仅使用安装在病腿上的装置就能够实现辅助使用者的行走的行走辅助装置。对使用者的膝关节施加转矩的机构典型地可以是具有被固定在大腿(upper leg)上的上连结体、被固定在下肢上的下连结体、以及连结这两个连结体的机械接头的安装型装置。在本说明书中，有时将安装在腿上的装置称作腿装备(或腿配件)。机械接头包括马达，并且使下连结体摆动。该腿装备被安装在使用者上时，机械接头位干与使用者的膝关节大致相同的轴上。以下，为了简化说明，将使用者的一条腿称作第一腿，将另一条腿称作第二腿。在本说明书所公开的技术的优选实施方式中，行走辅助装置基于所检测出的髋关节角估计第一腿的脚相对于腰位置的水平方向上的相对位置。并且，优选地，行走辅助装置在第一腿的脚位于比腰靠后预先确定的距离以上的位置的期间在检测出的地面反カ小于、预先确定的反カ的时刻，对膝关节开始施加使下肢向后旋转的方向的转矩。另外，以下，有时将“预先确定的距离”称作“既定距离”，有时将“预先确定的反力”称作“既定反力”。“所检测出的地面反カ小于既定反カ的时刻”相当于所检测出的地面反力从大于既定反カ的值变到既定反力以下的值的时刻。既定距离取决于各个使用者的体型和步幅等，既定反力取决于使用者的体重和行走速度等。因此，既定距离和既定反力通过实验或测试被提前确定。但是，“既定距离”是大于零的值。通过如上所述地确定开始施加转矩的时刻，该行走辅助装置能够在适于使用者的一连串的行走动作的时刻开始施加转矩。另外，需要注意的是，将所检测出的地面反カ小于既定反力的时刻加上微小的偏移时间得到的时刻确定为开始施加转矩的时刻实质上也在本发明的技术思想的范围内。本说明书所公开的行走辅助装置至少防止了使用者想要使下肢向后摆动的时刻与行走辅助装置开始施加转矩的时刻具有很大的差异。该时刻的很大的差异将引起使用者的不适感。本说明书所公开的行走辅助装置减小这样的不适感。因此，本说明书所公开的技术思想中也包含添加上述的微小的偏移时间的装置。假定大腿和下肢呈一直线或者假定大腿和下肢呈一定的角度，根据髋关节角估计脚相对于腰位置的相对位置。另外，检测出的髋关节角优选地可以是相对于铅垂线的绝对角度，也可以是以躯干为基准的相对角度。这是因为躯干通常大体铅垂。在能够检测出膝关节角的情况下，根据髋关节角和膝关节角，估计准确的相对位置。既定反力的大小优选地是大于零的值。已知在从支承腿向自由腿的转变期中在脚完全离地之前下肢开始向后摆动。该动作被称为“预摆动”。在预摆动期中，脚踝抬起并且下肢开始向后摆动。同时，该脚的地面反力开始减小。所检测出的地面反カ小于既定反力的时刻与下肢开始向后摆动的时刻大体一致。因此，通过在所检测出的地面反カ小于既定反力的时刻开始施加转矩，本说明书所公开的行走辅助装置能够在减小使用者的不适感的同时辅助行走动作。如前所述，用于确定时刻的既定反カ优选大于零。即使既定反力的大小被设定为零，本说明书所公开的行走辅助装置也能够实现次佳的效果。通过将既定反力的大小设定为零，能够采用接地传感器取代反カ传感器。即，本说明书所公开的技术的优选的ー个实施方式包括检测第一腿的脚离地的时刻的接地传感器以及检测第一腿的髋关节角(绕俯仰轴的角度)的角度传感器。在该ー实施方式中，还基于所检测出的髋关节角来估计第一腿的脚相对于腰的水平方向上的相对位置。在该实施方式中，在第一腿的脚位于比腰靠后既定距离以上的位置的期间在一条腿的脚已离地的时刻，对膝关节开始施加使下肢向后旋转的方向的转矩。通过这样的构成，本说明书所公开的行走辅助装置也能够在适当的时刻对膝关节施加转矩，其结果是，能够在减小使用者的不适感的同时辅助行走动作。
图I是说明行走中的脚的动作的图。图2是说明在图I中使用的參数的图。图3A是实施例的行走辅助装置的示意性主视图。图3B是实施例的行走辅助装置的示意性侧视图。 图4是实施例的行走辅助装置所执行的处理的流程图。图5是说明目标轨迹修正的一例的图。图6是行走动作的状态变换图。图7是示出实施例的行走辅助装置中的状态变换判断的条件的图。图8是示出第二实施例的行走辅助装置中的状态变换判断的条件的图。
具体实施例方式在说明本发明的一个优选实施例之前，对行走过程中的腿的动作进行说明。图I是说明行走过程中的第一腿的动作的图。符号Ak所示的曲线图表示第一腿的膝关节角(膝角度)Ak的时间变化。符号Fr所示的曲线图表示第一腿的脚受到的地面反力Fr的时间变化。符号Pr表示第一腿的脚相对于腰的相对位置的时间变化。符号Dr表示第一腿的脚与腰之间的水平方向上的距离。符号Xp表示用于判断第一腿的状态的基准(既定相对位置)。下面对既定相对位置Xp进行叙述。在以下的说明中，使用者的右腿相当于第一腿，使用者的左腿相当于第二腿。需要注意的是，第一图的曲线图表示各參数的时间变化的简要情况(倾向)，因而没有详细地示出。并且，需要注意的是，在图I中支承腿期间的一部分的图示被省略。图2是说明膝角度Ak和相对位置Pr的图。在图2中，实线表示第一腿(右腿)，虚线表示第二腿(左腿)。在图I中也是同样的。直线LI表示连结髋关节和膝关节的直线。直线LI相当于沿着大腿的纵向方向的直线。膝角度Ak被表示为从直线LI到下肢的角度。当膝完全伸开时，膝角度Ak = O。当膝弯曲成直角时，膝关节角为Ak =+90度。相对位置Pr由在以腰位置为原点并且以使用者的前方为正值的X轴上的脚的位置表示。因此，当脚位于比腰靠后的位置时，相对位置Pr为负值。并且，換言之，相对位置Pr是脚相对于腰的水平方向上的相对位置。更准确地，相对位置Pr是脚的水平前后方向的相对位置。在本实施例中，相对位置由脚踝的位置表示。并且，使用符号Vr表示脚(脚踝)的水平前后方向的速度。通过脚的相对位置的时间微分(时间差分)得到速度Vr。返回图I对行走动作进行说明。时刻Ta是第一腿的脚跟开始抬起的时刻。图I的(a)表示时刻Ta上的脚的形态。在时刻Ta膝角度Ak开始变化。S卩，在图I的(a)中，如实线(第一腿)所示，在时刻Ta，在脚尖接地的状态下，下肢开始向后摆动。地面反力(第一腿的脚从地面受到的反力)Fr从比时刻Ta略靠前的时刻开始減少。符号Fp表示用于检测时刻Ta的基准(既定反力)。下面对既定反力Fp进行叙述。时刻Tb是脚离地的时刻。图I的(b)示出了时刻Tb上的脚的形态。在时刻Tb，地面反力Fr为零。并且，相对位置Pr从时刻Tb开始增加。即，第一腿的脚开始向前摆动。在时刻Tb以前，相对位置随着时间減少。时刻Tc表示膝角度Ak为最大的时刻。图I的(C)示出了在时刻Tc上的脚的形态。时刻Td表示第一腿的着地时刻。图I的(d)示出了在时刻Td上的脚的形态。地面反力Fr从时刻Td急剧地増大。时刻Tb至Td的期间相当于第一腿的自由腿期间。时刻Tb以前和时刻Td以后的期间相当于第一腿的支承腿期间。另外，在图I中，支承腿期间的一部分的图示被省略。时刻Ta至Tb的期间是在第一腿的脚接地的状态下膝角度发生变化的期间，称作预摆动期。从图I可知，下肢从时刻Ta开始向后摆动。換言之，在支承腿期间下肢开始向后摆动的时刻 相当于预摆动期的开始。以下，将下肢开始向后摆动的时刻称作预摆动时刻。图I的时刻Ta相当于预摆动时刻。优选地，对第一腿的膝关节施加转矩的行走辅助装置估计该预摆动时刻Ta，并在该预摆动时刻开始施加使下肢向后摆动的方向的转矩。以下，对这样的行走辅助装置的优选实施方式进行说明。图3A中示出了本实施例的行走辅助装置10的示意性主视图，图3B中示出了行走辅助装置10的示意性侧视图。行走辅助装置10包括沿使用者的右腿(第一腿)安装的腿装备12和控制器40。本实施例的行走辅助装置是用于右腿的膝关节不能自由活动的使用者的装置。对腿装备12的机械构造进行说明。腿装备12从使用者的大腿沿着下肢安装在第一腿的外側。腿装备12由具有上连结体14、下连结体16、以及脚连结体18的多连结体机构构成。上连结体14的上端经由第一接头20a以能够摆动的方式与腰连结体30连结。下连结体16的上端通过第二接头20b以能够摆动的方式与上连结体14的下端连结。脚连结体18通过第三接头20c以能够摆动的方式与下连结体16的下端连结。上连结体14通过带被固定至使用者的大腿。下连结体16通过带被固定至使用者的下肢。脚连结体18通过带被固定至使用者的脚。固定脚连结体18的带在图示中省略。腰连结体30被固定于使用者的躯干(腰)。如果使用者安装腿装备12，则第一接头20a、第二接头20b、以及第三接头20c各自位干与使用者的右髋关节的俯仰轴、膝的俯仰轴、以及脚踝的俯仰轴大体相同的轴上。腿装备12的各连结体能够根据使用者的第一腿的动作而摆动。各接头具有检测与该接头连结的邻接的两个连结体之间的角度的编码器21，两个连结体之间的角度相当于关节角。即，编码器21检测各关节的角度。第一接头20a的编码器21检测使用者的右髋关节绕俯仰轴的关节角。第二接头20b的编码器21检测使用者的右膝绕俯仰轴的关节角。第三接头20c的编码器21检测使用者的右脚踝绕俯仰轴的关节角。以下，有时将安装在各接头上的编码器组21统称为角度传感器21。在脚连结体18上安装有反力传感器19。反力传感器19被安装于脚底的前后两个位置。反力传感器19的主体是负载传感器，并检测施加于脚底的负荷。该负荷相当于脚从地面受到的地面反力。在第二接头20b上安装有马达(执行器)32。马达32位于使用者的膝关节的外侦U。马达32位干与使用者的膝关节大体相同的轴上。马达32能够使下连结体16相对于上连结体14相对地摆动。S卩，马达32能够对使用者的右膝关节施加转矩。该行走辅助装置配合使用者的行走动作通过马达32对使用者的右膝关节(第一腿膝关节)施加转矩，来辅助行走动作。对行走辅助装置10执行的控制处理进行说明。控制 处理由控制器40执行。控制器40中预先存储有用于行走动作的膝关节角的目标轨迹。目标轨迹相当于图I的膝关节角Ak的时序数据。控制器40基本上控制马达32，以使由传感器检测出的膝关节角追随目标轨迹。如下所说明的，控制器40根据传感器数据估计预摆动时刻，并且以使马达32在该时刻开始施加使下肢向后摆动的方向的转矩的方式修正目标轨迹。控制器40除存储有用于行走动作的目标轨迹以外，还存储有用于从行走转变到停止的目标轨迹。对于用于从行走转变到停止的目标轨迹，省略说明。图4中示出了控制器40所执行的处理的流程。图4的处理在每个控制周期被重复执行。控制器40获得角度传感器21和反力传感器19的传感器数据(S2)。接下来，控制器40根据角度传感器21的传感器数据估计右脚相对于腰的水平前后方向上的相对位置Pr(S4)。相对位置Pr根据绕俯仰轴的髋关节角和膝关节角，通过机器人工学中的所谓的运动学转换(运动学的转换)求出。接下来，控制器40判断第一腿是否是支承腿(S6)。该判断基于所检测出的地面反力Fr是否大于既定的阈值(既定反力Fd)确定。既定反力Fd被设定为等于零或者略大于零的值。在所检测出的地面反力Fr大于既定反力Fd时，判断为第一腿是支承腿，否则判断为第一腿是自由腿。在判断为第一腿不是支承腿时(S6 :否)，接下来控制器40判断行走动作是否继续(SlS)0下面对该判断的具体的一例进行叙述。在控制器40判断为行走动作继续时，控制器40继续使用了目标轨迹的马达控制(S18:是，S14)。另ー方面，在控制器40判断为行走动作未继续吋，即，判断为从行走动作转变到停止吋，将至此的目标轨迹变为自由腿用的停止轨迹，并基于该停止轨迹控制马达(S18 :否、S20、S14)。在步骤S6中，判断为第一腿是支承腿时(S6 :是)，接下来控制器40判断行走动作是否继续(S8)。下面对该判断的具体的一例进行叙述。在控制器40判断为行走动作未继续时，即，判断为从行走动作转变到停止时，控制器40将至此的目标轨迹变为支承腿用的停止轨迹，并基于该停止轨迹控制马达(S8 :否，S16、S14)。在步骤S8中判断为行走动作继续时(S8 :是)，相当于下面的状况。即，第一腿当前处于支承腿期间，并且将转变到任一自由腿期间。此时，控制器40估计预摆动时刻(S10)。具体地，控制器40将下面的两个条件成立的时刻确定为预摆动时刻。ー个条件是所估计的相对位置Pr位于比腰靠后既定距离Dr以上的位置的条件。在图4中，该条件由“Pr < Xp”，表示。将Xp称作既定相对位置。既定相对位置Xp被设定在比腰靠后的位置。即，既定距离相当于腰位置和既定相对位置Xp之间的距离。另ー个条件是所检测出的地面反力Fr小于既定反力Fp。在图4中该条件由“Fr< Fp”表示。另外，在上次的控制周期中，应该是“Fr > Fp”，因此另ー个条件相当于用于确定所检测出的地面反カ从既定反力Fp以上的值变化到既定反力Fp以下的值的时刻的条件。換言之，另ー个条件相当于用于确定所检测出的地面反カ小于既定反力的时刻的条件。在此，如在图I所示，既定反力Fp相当于在支承腿期间的终点附近膝关节角开始变化的时刻Ta上的地面反力。既定相对位置Xp和既定反力Fp的值取决于使用者的体型和行走姿态，因此通过实验和解析预先确定。基于图I所示的例子对预摆动时刻的检测的一例进行说明。在比时刻Ta略靠前的时刻，“Pr < Xp”成立。在时刻Ta，“Fr < Fp”成立，该瞬间即时刻Ta被检测为预摆动时亥IJ。通过步骤SlO的处理，估计下肢开始向后摆动的时刻(预摆动时刻)。步骤SlO的处理相当于确定控制器40基于反カ传感器19和角度传感器21的传感器数据对膝关节开始施加使下肢向后摆动的方向的转矩的时刻的处理。在步骤SlO的处理之后，控制器40修正目标轨迹，使得在该预摆动时刻输出使下肢向后摆动的方向的转矩(S12)。然后，控制器40基于被修正的目标轨迹对马达进行控制(S14)。步骤S12和其以后的步骤S14的处理相 当于下面的处理控制器40在第一腿的脚位于比腰靠后既定距离以上的位置的期间在检测出的地面反カ小于既定反力Fp的时刻，对膝关节开始施加使下肢向后旋转的方向的转矩。对步骤S12中的目标轨迹修正的一例进行说明。在图5中示出了目标轨迹修正处理的一例。图5的虚线Akl表示修正前的膝关节角目标轨迹。虚线Frl表示与修正前的目标轨迹Akl相应的地面反力。虚线Prl表示与修正前的目标轨迹Akl相应的相对位置。控制器40除了目标轨迹Akl以外还存储基于目标轨迹Akl预定的地面反力Frl和相对位置Prl。S卩，控制器40存储有基于目标轨迹Akl预定的预摆动时刻Ta。图5的点划线sFr表示所检测出的地面反力，点划线sPr表示所估计的相对位置。在时刻Tz，假定步骤SlO的判断结果为“是”。在步骤S12中，控制器40计算在步骤SlO估计的预摆动时刻Tz与预定的预摆动时刻Ta的时间差dT。图5的(a)表示该计算处理。接下来，控制器40使目标轨迹Akl偏移计算出的时间差dT。图5的(b)示出了该偏移处理。图5的符号Ak2表不修正后的目标轨迹。另外，在图5中，时刻Tz以前的相对位置sPr由平直的直线描绘。但需要注意的是，实际上，如图I所示，sPr的曲线图描绘示出相对位置随着时间的经过从腰位置逐渐向后远离的曲线。在步骤S14中，控制器40基于修正后的目标轨迹Ak2控制马达。在目标轨迹被修正后，从时刻Tz开始膝关节角的目标轨迹Ak2开始增加。即，控制器40在所估计的预摆动时刻Tz开始施加使下肢向后摆动的方向的转矩。控制器40基于修正后的目标轨迹Ak2控制马达，由此预定的地面反力Frl实际上变为Fr2 (參照图5的符号(c))。同吋，预定的相对位置Prl实际上变为Pr2 (參照图5的符号(d))。如此，修正目标轨迹使其与所估计的预摆动时刻相适，并且施加使下肢向后摆动的方向的转矩的时刻与使用者的意图大致一致。在本实施例的行走辅助装置良好地发挥功能的情况下，在施加了使下肢向后摆动的方向的转矩时，使用者几乎不会感到不适。即，行走辅助装置10能够在预摆动期显著地减小使用者产生的不适的同时辅助行走动作。对控制器40判断第一腿(右腿)的状态所属的期间(阶段)的处理进行说明。图6示出了第一腿可属于的阶段的种类。图7中示出了控制器40判断阶段之间的变换的基准。第一腿可以属干“支承腿”、“自由腿”、以及“停止”这三种阶段。另外，需要注意的是，以下的判断也可应用于第二腿(左腿)。控制器40在属于停止阶段的第一腿的相对位置Pr位于比既定的相对位置Xa靠后的位置时，判断为第一腿已变换到支承腿阶段(变换A)。既定的相对位置Xa被设定为比腰位置靠后并且比为了估计预摆动时刻而使用的既定相对位置Xp靠前。控制器40在属于停止阶段的第一腿的相对位置Pr比既定的相对位置Xb靠前并且地面反力Fr比既定反力Fb小、而且第一腿的脚的速度Vr比既定速度Vb大时，判断为第一腿已变换到 自由腿阶段(变换B)。既定相对位置Xb被设定为比腰位置靠前。控制器40在属于支承腿阶段的第一腿的相对位置Pr比既定的相对位置Xp靠后并且第一腿的地面反力Fr比既定反力Fp小时，判断为第一腿已变换到自由腿阶段(变换C)。另外，该处理相当于前述的步骤SlO的判断。需要注意的是，在变换C中属于支承腿阶段的第一腿经过预摆动阶段(预摆动期)变换到自由腿阶段。预摆动阶段相当干支承腿阶段的終点期间。控制器40在属于自由腿阶段的第一腿的相对位置Pr比既定相对位置Xd靠前并且地面反力Fr比既定反力Fd大、而且脚的速度Vr比既定速度Vd小时，判断为第一腿已变换到支承腿阶段(变换D)。既定相对位置Xd被设定为比腰位置靠前。控制器40在第一腿长久地持续属于支承腿阶段既定时间Tdl以上时，判断为第ー腿已变换到停止阶段(变换E)。并且，控制器40在第一腿长久地持续属于自由腿阶段既定时间Td2以上时，判断为第一腿已变换到停止阶段(变换F)。变换E的判断相当于步骤S8中的“否”的判断。变换F的判断相当于步骤S18中的“否”的判断。接下来，对第二实施例的行走辅助装置进行说明。第二实施例的行走辅助装置采用接地传感器取代第一实施例的行走辅助装置10中的反力传感器19。接地传感器在检测到脚的接地时输出接通(接地)，在未检测到脚的接地时输出断开(非接地)。因此，第二实施例的行走辅助装置将接地传感器的输出从断开转换到接通的时刻检测为着地时刻。并且，行走辅助装置将接地传感器的输出从接通转换到断开的时刻检测为离地时刻。以下，将“反カ传感器19”改称作“接地传感器19”。第二实施例的行走辅助装置的步骤SlO的处理与第一实施例的情况不同。第二实施例的行走辅助装置取代第一实施例的步骤SlO的处理，执行以下的处理。行走辅助装置在第一腿的脚的相对位置Pr比既定相对位置Xp靠后并且离地时刻被检测出时，修正目标轨迹。行走辅助装置修正目标轨迹使得开始施加使下肢向后摆动的转矩。目标轨迹的修正的具体例与第一实施例的情况大致相同。第二实施例的行走辅助装置包括下面的技术特征。行走辅助装置包括对第一腿的膝关节施加转矩的执行器(马达32)、检测第一腿的脚离地的时刻的接地传感器(19)、以及检测第一腿的绕俯仰轴的髋关节角的角度传感器(21)。行走辅助装置执行以下的处理。行走辅助装置基于所检测出的髋关节角估计第一腿的脚相对于腰的水平方向上的相对位置Pr。接着，行走辅助装置在第一腿的脚位于比腰靠后既定距离Dr以上的位置并且第一腿的脚已离地的时刻，对膝关节开始施加使下肢向后旋转的方向的转矩。第二实施例的行走辅助装置在离地时刻开始施加使下肢向后摆动的转矩。第二实施例的行走辅助装置略次于第一实施例的行走辅助装置，但能够在减小使用者产生的不适感的同时辅助行走动作。对第二实施例的行走辅助装置的控制器判断第一腿的状态所属的期间(阶段，參照图6)的处理进行说明。图8中示出了第二实施例的行走辅助装置的控制器判断阶段之间的变换的基准。第一腿可以属干“支承腿”、“自由腿”以及“停止”这三种阶段。另外，需要注意的是，以下的判断也可应用于第二腿(左腿)。另外，变换A、变换E以及变换F的判断与第一实施例的情况相同，故省略说明。控制器在属于停止阶段的第一腿的相对位置Pr比既定的相对位置Xb靠前并且第一腿的着地时刻被检测出(接地传感器的输出从接通变到断开)、而且第一腿的脚的速度Vr比既定速度Vb大时，判断为第一腿已变换到自由腿阶段(变换B)。控制器在属于支承腿阶段的第一腿的相对位置Pr比既定的相对位置Xp靠后并且第一腿的离地时刻被检测到时(接地传感器的输出从接通变到断开)，判断为第一腿已变换到自由腿阶段(变换C)。另外，该处理相当于第二实施例中的步骤SlO的判断。需要注意的是，第二实施例中的变换C是从包含预摆动阶段的支承腿阶段向自由腿阶段的变换。控制器在属于自由腿阶段的第一腿的相对位置Pr比既定相对位置Xd靠前并且着地时刻被检测到(接地传感器的输出从断开到接通)、而且脚的速度Vr比既定速度Vd小时，判断为第一腿已变换到支承腿阶段(变换D)。既定相对位置Xd被设定为比腰位置靠前。以上，对本发明的优选实施例进行了说明。对与本说明书所公开的技术相关的注意点进行叙述。第一实施例的行走辅助装置10基于反カ传感器19和角度传感器21的检测数据估计预摆动时刻，并在施加转矩时修正目标轨迹使得使用者产生的不适感减小。这样的行走辅助装置的特征可如下表示。行走辅助装置的控制器存储第一腿(一条腿)的膝关节角的目标轨迹。控制器以使检测出的膝关节角追随目标轨迹的方式控制执行器。目标轨迹描述了从支承腿转变到自由腿时的膝关节角的时间经过变化。控制器还存储与目标轨迹相应的预定地面反力的时间经过变化数据。控制器基于所检测出的髋关节角来估计第一腿的脚相对于腰的水平方向上的相对位置Pr。控制器确定在第一腿的支承腿期(优选地，支承腿期后半期)中所估计的相对位置Pr比腰靠后既定距离以上(Pr < Xp)并且所检测出的地面反力Fr小于既定反力Fp的时刻。控制器使目标轨迹偏移相对于预定地面反力小于既定反力Fp的时刻的时间差dT。并且，优选地，使用能够检测出相对于铅垂方向的绝对的髋关节角的倾斜角传感器，取代检测髋关节角的编码器21。通过使用这样的倾斜角传感器，能够准确地估计脚的相对位置。以上，对本发明的具体例子进行了详细的说明，但这些只不过是示例，并不限定权利要求书。权利要求书记载的技术包含对以上例示的具体例子进行种种变形、变更而成的技木。在本说明书或附图中说明的技术要素単独或者通过各种组合发挥技术上的有用性，并不限于申请时权利要求记载的组合。另外，在本说明书或附图中例示的技术能够同时达到多个目的，并通过达到其中的ー个目的本身来实现技术上的有用性。
权利要求
1.ー种行走辅助装置，辅助使用者的行走动作，所述行走辅助装置的特征在于，包括 执行器，所述执行器对一条腿的膝关节施加转矩； 反カ传感器，所述反カ传感器检测一条腿的脚从地面受到的地面反力；以及 角度传感器，所述角度传感器检测一条腿的绕俯仰轴的髋关节角， 所述行走辅助装置基于检测出的地面反力和检测出的髋关节角，确定对膝关节开始施加使下肢向后摆动的方向的转矩的时刻。
2.如权利要求I所述的行走辅助装置，其特征在干， 所述行走辅助装置基于检测出的髋关节角，来估计一条腿的脚相对于腰的水平方向上的相对位置，并且， 在一条腿的脚位于比腰靠后预先确定的距离以上的位置的期间，在检测出的地面反力小于预先确定的反力的时刻，对膝关节开始施加使下肢向后旋转的方向的转矩。
3.ー种行走辅助装置，辅助使用者的行走动作，所述行走辅助装置的特征在于，包括 执行器，所述执行器对一条腿的膝关节施加转矩； 接地传感器，所述接地传感器检测一条腿的脚离地的时刻；以及 角度传感器，所述角度传感器检测一条腿的绕俯仰轴的髋关节角， 所述行走辅助装置基于检测出的髋关节角，来估计ー个脚相对于腰的水平方向上的相对位置，并且， 在一条腿的脚位于比腰靠后预先确定的距离以上的位置的期间，在一条腿的脚离地的时刻，对膝关节开始施加使下肢向后旋转的方向的转矩。
全文摘要
提供一种能够在适当的时刻对膝关节施加转矩的行走辅助装置。该行走辅助装置包括执行器、反力传感器以及角度传感器。行走辅助装置被安装在使用者的腿上。执行器能够对使用者的一条腿的膝关节施加转矩。反力传感器检测一条腿的脚从地面受到的地面反力。角度传感器检测一条腿的绕俯仰轴的髋关节角。行走辅助装置基于检测出的地面反力和检测出的髋关节角，来确定对膝关节开始施加使下肢向后摆动的方向的转矩的时刻。
文档编号A61H3/00GK102665638SQ20098016245
公开日2012年9月12日 申请日期2009年11月13日 优先权日2009年11月13日
发明者中岛一诚, 真锅周平 申请人:丰田自动车株式会社