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ロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト方法、歩行アシスト用コンピュータプログラム、およびロボティックウエア

国内特許コード P160013480
整理番号 N16035
掲載日 2016年11月4日
出願番号 特願2016-171103
公開番号 特開2017-047209
登録番号 特許第6781452号
出願日 平成28年9月1日(2016.9.1)
公開日 平成29年3月9日(2017.3.9)
登録日 令和2年10月20日(2020.10.20)
優先権データ
  • 特願2015-173332 (2015.9.2) JP
発明者
  • 橋本 稔
  • 竹内 志津江
出願人
  • 国立大学法人信州大学
発明の名称 ロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト方法、歩行アシスト用コンピュータプログラム、およびロボティックウエア
発明の概要 【課題】片麻痺者の歩行安定性を維持しつつ、歩行幅、歩行速度を高めることのできるロボティックウエアを用いた歩行アシスト方法を提案すること。
【解決手段】ロボティックウエア1を用いた片麻痺者Pの歩行アシスト方法では、制御部20において、片麻痺者とロボティックウエアとの間の相互作用力に基づき、神経振動子を用いた同調制御により健足側関節アクチュエータ4L、患足側関節アクチュエータ4Rを制御する。これらのアクチュエータ4L、4Rによる歩行アシスト運動を逆位相に維持する。また、例えば、健足側歩行アシスト運動の振幅に基づき患足側歩行アシスト運動の振幅を設定し、患足側歩行アシスト運動の同調性を健足側よりも低く設定する。
【選択図】図3
従来技術、競合技術の概要

高齢者支援、介護支援などの様々な動作を補助するロボットの開発が進められている(非特許文献1)。本発明者等は、これまで神経振動子を用いて装着者の歩行動作に同調した補助動作を行うことのできるロボティックウエアを開発してきた(非特許文献2、3、特許文献1、2)。また、軽量で装着性に優れた非外骨格型のロボティックウエアを開発してきた(特許文献3)。

産業上の利用分野

本発明は、同調制御を用いて歩行アシストを行うロボティックウエアに関し、特に、片麻痺者の歩行アシストに適したロボティックウエアを用いた歩行アシスト方法、歩行アシスト用コンピュータプログラム、およびロボティックウエアに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
片麻痺者の左右の股関節部および左右の膝関節部のうちの一方の左右の関節部における健足側関節部に歩行アシスト力を伝えるための健足側関節アームおよび前記歩行アシスト力を発生する健足側関節アクチュエータと、前記左右の関節部における患足側関節部に歩行アシスト力を伝えるための患足側関節アームおよび前記歩行アシスト力を発生する患足側関節アクチュエータと、前記健足側関節アクチュエータおよび前記患足側関節アクチュエータの駆動を制御する制御装置とが備わっているロボティックウエアを用いて、片麻痺者の歩行運動をアシストするために、
前記健足側関節部の歩行運動に合わせて、前記健足側関節アクチュエータの出力回転軸に取り付けた前記健足側関節アームを、当該出力回転軸を中心として所定の振幅、周期で回転させる健足側歩行アシスト運動を制御し、前記患足側関節部の歩行運動に合わせて、前記患足側関節アクチュエータの出力回転軸に取り付けた前記患足側関節アームを、当該出力回転軸を中心として所定の振幅、周期で回転させる患足側歩行アシスト運動を制御するロボティックウエアを用いた歩行アシスト方法であって、
前記制御装置は、前記健足側関節部と前記健足側関節アクチュエータとの間に生じる健足側相互作用力、および、前記患足側関節部と前記患足側関節アクチュエータとの間に生じる患足側相互作用力を所定のサンプリング周期で検出し、
前記歩行アシスト力が加わらない状態で事前に測定された前記片麻痺者の歩行運動の健足側歩行周期、前記健足側関節部の振幅、患足側歩行周期および前記患足側関節部の振幅を、それぞれ、初期健足側歩行周期、初期健足側関節振幅、初期患足側歩行周期および初期患足側関節振幅とすると、
前記制御装置は、前記初期健足側関節振幅に基づき設定した基本関節振幅と、前記初期健足側歩行周期に基づき設定した基本歩行周期と、前記健足側相互作用力とに基づき、神経振動子を用いて、前記健足側関節部の歩行運動に対して、前記健足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記健足側関節アクチュエータを制御し
前記制御装置は、前記基本関節振幅と、前記基本歩行周期と、前記患足側相互作用力とに基づき、神経振動子を用いて、前記患足側関節部の歩行運動に対して、前記患足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記患足側関節アクチュエータを制御し
前記制御装置は、前記健足側歩行アシスト運動と前記患足側歩行アシスト運動とを相互に逆位相の状態に維持することを特徴とするロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト方法。

【請求項2】
請求項1において、
片麻痺者の健足側歩行運動に対する前記健足側歩行アシスト運動の同調の度合いを健足側同調性と呼び、片麻痺者の患足側歩行運動に対する前記患足側歩行アシスト運動の同調の度合いを患足側同調性と呼ぶものとすると、
前記患足側同調性前記健足側同調性よりも低いロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト方法。

【請求項3】
請求項1において、
前記初期健足側関節振幅が前記初期患足側関節振幅よりも小さい場合には、
前記制御装置は、前記初期健足側関節振幅の代わりに前記初期患足側関節振幅に基づき前記基本関節振幅を設定し、前記初期健足側歩行周期の代わりに前記初期患足側歩行周期に基づき前記基本歩行周期を設定するロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト方法。

【請求項4】
請求項1において、
前記ロボティックウエアは、
前記健足側関節アームおよび前記健足側関節アクチュエータとして、片麻痺者の左右の股関節部における前記健足側関節部である健足側股関節部の歩行アシスト運動を行う健足側股関節アームおよび健足側股関節アクチュエータと、片麻痺者の左右の膝関節部における前記健足側関節部である健足側膝関節部の歩行アシスト運動を行う健足側膝関節アームおよび健足側膝関節アクチュエータとを備えており、
前記患足側関節アームおよび前記患足側関節アクチュエータとして、片麻痺者の左右の股関節部における前記患足側関節部である患足側股関節部の歩行アシスト運動を行う患足側股関節アームおよび患足側股関節アクチュエータと、片麻痺者の左右の膝関節部における前記患足側関節部である患足側膝関節部の歩行アシスト運動を行う患足側膝関節アームおよび患足側膝関節アクチュエータとを備えているロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト方法。

【請求項5】
請求項4において、
片麻痺者の健足側歩行運動に対する前記健足側股関節アクチュエータによる健足側股関節歩行アシスト運動の同調の度合いを健足側股関節同調性と呼び、健足側歩行運動に対する前記健足側膝関節アクチュエータによる健足側膝関節歩行アシスト動作の同調の度合いを健足側膝関節同調性と呼び、
片麻痺者の患足側歩行運動に対する前記患足側股関節アクチュエータによる患足側股関節歩行アシスト運動の同調の度合いを患足側股関節同調性と呼び、患足側歩行運動に対する前記患足側膝関節アクチュエータによる患足側膝関節歩行アシスト動作の同調の度合いを患足側膝関節同調性と呼ぶものとすると、
前記健足側膝関節同調性は、前記健足側股関節同調性よりも高く、
前記患足側膝関節同調性は、前記患足側股関節同調性よりも高いロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト方法。

【請求項6】
請求項5において、
前記健足側股関節同調性、前記健足側膝関節同調性、前記患足側股関節同調性および前記患足側膝関節同調性のそれぞれの高低を同調ゲインC(0≦C≦1)で表し、同調ゲインCの値が高いほど同調の度合いが高いものとすると、
前記健足側股関節同調性および前記患足側股関節同調性共に、同調ゲインC=0.3であり
前記健足側膝関節同調性および前記患足側膝関節同調性共に、同調ゲインC=0.4であるロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト方法。

【請求項7】
請求項1ないし6のうちのいずれかの項に記載の方法により前記ロボティックウエアの前記健足側関節アクチュエータおよび前記患足側関節アクチュエータを制御するロボティックウエアを用いた片麻者の歩行アシスト用コンピュータプログラムであって、
前記健足側関節部と前記健足側関節アクチュエータとの間に生じる健足側相互作用力、および、前記患足側関節部と前記患足側関節アクチュエータとの間に生じる患足側相互作用力を所定のサンプリング周期で取り込む機能と、
前記基本関節振幅と、前記基本歩行周期と、前記健足側相互作用力とに基づき、神経振動子を用いて、前記健足側関節部の歩行運動に対して、前記健足側関節アクチュエータによる前記健足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記健足側関節アクチュエータを制御する健足側同調制御機能と、
前記基本関節振幅と、前記基本歩行周期と、前記患足側相互作用力とに基づき、神経振動子を用いて、前記患足側関節部の歩行運動に対して、前記患足側関節アクチュエータによる前記患足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記患足側関節アクチュエータを制御する患足側同調制御機能と、
前記健足側歩行アシスト運動に対して前記患足側歩行アシスト運動を逆位相の状態に維持するように、前記健足側同調制御機能および前記患足側同調制御機能を協調動作させる機能と
をコンピュータに実行させることを特徴とするロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト用コンピュータプログラム。

【請求項8】
請求項7において、
前記健足側同調制御機能は、
前記健足側相互作用力に基づき、片麻痺者の健足側歩行運動に対する健足側関節アクチュエータの健足側歩行アシスト運動の同調の度合いを調整する健足側調整機能、
前記基本関節振幅および前記基本歩行周期に基づき自励振動を行う神経振動子を用いて、前記健足側調整機能によって調整された入力に同調する出力を算出する健足側解析機能、および、
当該健足側解析機能によって得られる出力に基づき前記健足側関節アクチュエータの健足側歩行アシスト運動をフィードバック制御する健足側制御機能を含み、
前記患足側同調制御機能は、
前記患足側相互作用力に基づき、片麻痺者の患足側歩行運動に対する患足側関節アクチュエータの患足側歩行アシスト運動の同調の度合いを調整する患足側調整機能、
前記基本関節振幅および前記基本歩行周期に基づき自励振動を行う神経振動子を用いて、前記患足側調整機能によって調整された入力に同調する出力を算出する患足側解析機能、および、
当該患足側解析機能によって得られる出力に基づき前記患足側関節アクチュエータの患足側歩行アシスト運動をフィードバック制御する患足側制御機能を含む
ロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト用コンピュータプログラム。

【請求項9】
請求項8において、
前記神経振動子は、以下の三式で示す非線形1階連立微分方程式で表され、
(式省略)
ここで、
xi:i番目の神経素子の内部状態を示す係数
g(xi):i番目の神経素子の出力
fi:i番目の神経素子の疲労状態を表す係数
Si:i番目の神経素子への定常入力
bi:i番目の神経素子の疲労係数
aij:i番目の神経素子からj番目の神経素子への結合係数
Ta,Tr:時定数
Input:外部入力
であり、
前記健足側相互作用力あるいは前記患足側相互作用力を相互作用トルクτ_mutualとし、健足側同調性あるいは患足側同調性を調整するゲインを同調ゲインCとすると、前記神経振動子の前記外部入力Inputは、前記相互作用トルクτ_mutualと前記同調ゲインCを用いて、
Input=C*τ_mutual
ただし、0≦ C ≦ 1
で表されるロボティックウエアを用いた片麻痺者の歩行アシスト用コンピュータプログラム。

【請求項10】
片麻痺者の左右の股関節部および左右の膝関節部のうちの一方の左右の関節部における健足側関節部に歩行アシスト力を伝えるための健足側関節アームおよび前記歩行アシスト力を発生する健足側関節アクチュエータと、
前記左右の関節部における患足側関節部に歩行アシスト力を伝えるための患足側関節アームおよび前記歩行アシスト力を発生する患足側関節アクチュエータと、
前記健足側関節アクチュエータの出力回転軸に取り付けた前記健足側関節アームを、当該出力回転軸を中心として所定の振幅、周期で回転させる健足側歩行アシスト運動を制御する健足側制御ユニットと、
前記患足側関節アクチュエータの出力回転軸に取り付けた前記患足側関節アームを、当該出力回転軸を中心として所定の振幅、周期で回転させる患足側歩行アシスト運動を制御する患足側制御ユニットと、
前記健足側関節部と前記健足側関節アクチュエータとの間の相互作用力を検出する健足側検出部と、
前記患足側関節部と前記患足側関節アクチュエータとの間の相互作用力を検出する患足側検出部と、
を有しており、
前記健足側制御ユニットは、基本関節振幅と、基本歩行周期と、健足側相互作用力とに基づき、神経振動子を用いて、前記健足側関節部の歩行運動に対して、前記健足側関節アクチュエータによる前記健足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記健足側関節アクチュエータを制御し、
前記患足側制御ユニットは、前記基本関節振幅と、前記基本歩行周期と、患足側相互作用力とに基づき、前記神経振動子を用いて、前記患足側関節部の歩行運動に対して、前記患足側関節アクチュエータによる前記患足側歩行アシスト運動が同調した動きとなるように、前記患足側関節アクチュエータを制御し、
前記健足側歩行アシスト運動に対して前記患足側歩行アシスト運動が逆位相の状態を維持するように、前記健足側制御ユニットおよび前記患足側制御ユニットの神経振動子の間に入れた抑制結合部を備えており、
前記歩行アシスト力が加わらない状態で事前に測定された前記片麻痺者の歩行運動の健足側歩行周期、前記健足側関節部の振幅、患足側歩行周期および前記患足側関節部の振幅を、それぞれ、初期健足側歩行周期、初期健足側関節振幅、初期患足側歩行周期および初期患足側関節振幅と呼ぶものとすると、
前記基本関節振幅は、前記初期健足側関節振幅に基づき設定されており、
前記基本歩行周期は、前記初期健足側歩行周期に基づき設定されていることを特徴とする片麻痺者の歩行をアシストするロボティックウエア。

【請求項11】
請求項10において、
前記健足側制御ユニットによる片麻痺者の健足側歩行運動に対する前記健足側歩行アシスト運動の同調の度合いを健足側同調性と呼び、前記患足側制御ユニットによる片麻痺者の患足側歩行運動に対する前記患足側歩行アシスト運動の同調の度合いを患足側同調性と呼ぶものとすると、
前記患足側同調性は前記健足側同調性よりも低ロボティックウエア。

【請求項12】
請求項10において、
前記初期健足側関節振幅が前記初期患足側関節振幅よりも小さい場合には、
前記初期健足側関節振幅の代わりに前記初期患足側関節振幅に基づき前記基本関節振幅が設定されており、前記初期健足側歩行周期の代わりに前記初期患足側歩行周期に基づき前記基本歩行周期が設定されているロボティックウエア。

【請求項13】
請求項10において、
前記健足側関節アームおよび前記健足側関節アクチュエータとして、片麻痺者の左右の股関節部における前記健足側関節部である健足側股関節部の歩行アシスト運動を行う健足側股関節アームおよび健足側股関節アクチュエータと、片麻痺者の左右の膝関節部における前記健足側関節部である健足側膝関節部の歩行アシスト運動を行う健足側膝関節アームおよび健足側膝関節アクチュエータとを備えており、
前記患足側関節アームおよび前記患足側関節アクチュエータとして、片麻痺者の左右の股関節部における前記患足側関節部である患足側股関節部の歩行アシスト運動を行う患足側股関節アームおよび患足側股関節アクチュエータと、片麻痺者の左右の膝関節部における前記患足側関節部である患足側膝関節部の歩行アシスト運動を行う患足側膝関節アームおよび患足側膝関節アクチュエータとを備えているロボティックウエア。

【請求項14】
請求項13において、
片麻痺者の健足側歩行運動に対する前記健足側股関節アクチュエータによる健足側股関節歩行アシスト運動の同調の度合いを健足側股関節同調性と呼び、健足側歩行運動に対する前記健足側膝関節アクチュエータによる健足側膝関節歩行アシスト動作の同調の度合いを健足側膝関節同調性と呼び、
片麻痺者の患足側歩行運動に対する前記患足側股関節アクチュエータによる患足側股関節歩行アシスト運動の同調の度合いを患足側股関節同調性と呼び、患足側歩行運動に対する前記患足側膝関節アクチュエータによる患足側膝関節歩行アシスト動作の同調の度合いを患足側膝関節同調性と呼ぶものとすると、
前記健足側膝関節同調性は、前記健足側股関節同調性よりも高
前記患足側膝関節同調性は、前記患足側股関節同調性よりも高ロボティックウエア。

【請求項15】
請求項11において、
前記健足側制御ユニットは、
前記健足側相互作用力に基づき、片麻痺者の健足側歩行運動に対する健足側関節アクチュエータの健足側歩行アシスト運動の同調の度合いを調整する健足側調整部、
前記基本関節振幅および前記基本歩行周期に基づき自励振動を行う神経振動子を用いて、前記健足側調整部によって調整された入力に同調する出力を算出する健足側解析部、および、
当該健足側解析部によって得られる出力に基づき前記健足側関節アクチュエータの健足側歩行アシスト運動をフィードバック制御する健足側制御部を含み、
前記患足側制御ユニットは、
前記患足側相互作用力に基づき、片麻痺者の患足側歩行運動に対する患足側関節アクチュエータの患足側歩行アシスト運動の同調の度合いを調整する患足側調整部、
前記基本関節振幅および前記基本歩行周期に基づき自励振動を行う神経振動子を用いて、前記患足側調整部によって調整された入力に同調する出力を算出する患足側解析部、および、
当該患足側解析部によって得られる出力に基づき前記患足側関節アクチュエータの患足側歩行アシスト運動をフィードバック制御する患足側制御部を含むロボティックウエア。

【請求項16】
請求項15において、
前記健足側制御ユニットおよび前記患足側制御ユニットにおける前記神経振動子は、以下の三式で示す非線形1階連立微分方程式で表され、
(式省略)
ここで、
xi:i番目の神経素子の内部状態を示す係数
g(xi):i番目の神経素子の出力
fi:i番目の神経素子の疲労状態を表す係数
Si:i番目の神経素子への定常入力
bi:i番目の神経素子の疲労係数
aij:i番目の神経素子からj番目の神経素子への結合係数
Ta,Tr:時定数
Input:外部入力
であり、
前記健足側相互作用力あるいは前記患足側相互作用力を相互作用トルクτ_mutualとし、前記健足側同調性あるいは前記患足側同調性の度合いを同調ゲインCとして表すものとすると、前記神経振動子の前記外部入力Inputは、前記相互作用トルクτ_mutualは、
Input=C*τ_mutual
ただし、 0 ≦ C ≦ 1
で表されるロボティックウエア。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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