本發(fā)明涉及對(duì)穿戴者的步行運(yùn)動(dòng)進(jìn)行輔助的步行輔助裝置。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，大量進(jìn)行著用于福利、醫(yī)療方面的穿戴型動(dòng)作輔助裝置的研究。作為這樣的動(dòng)作輔助裝置的控制，而公知一種實(shí)現(xiàn)人與裝置的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制這一控制方式(參照專利文獻(xiàn)1)。對(duì)于協(xié)調(diào)控制，通過(guò)提高裝置對(duì)人的協(xié)調(diào)性，而期待著將動(dòng)作輔助裝置用作實(shí)現(xiàn)與人的動(dòng)作定時(shí)相匹配的運(yùn)動(dòng)輔助裝置，或者將動(dòng)作輔助裝置用作通過(guò)先于人的動(dòng)作提供輔助力來(lái)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)幕顒?dòng)訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練康復(fù)裝置。在專利文獻(xiàn)1的動(dòng)作輔助裝置中，在生成協(xié)調(diào)控制的運(yùn)動(dòng)模式中使用了神經(jīng)振子的相互抑制模型。

另外，還提出了動(dòng)作輔助裝置等，其采用將穿戴者的動(dòng)作相位作為相位振子的輸入振動(dòng)的相位振子模型，針對(duì)人的動(dòng)作產(chǎn)生任意的相位差而動(dòng)作(參照專利文獻(xiàn)2)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：國(guó)際申請(qǐng)公開公報(bào)2009/084387號(hào)

專利文獻(xiàn)2：國(guó)際申請(qǐng)公開公報(bào)2013/094747號(hào)

可是，在因偏癱等疾患而在時(shí)間及/或空間上不對(duì)稱地步行的患者穿戴步行輔助裝置的情況下，癱瘓側(cè)的腿的活動(dòng)程度比健康腿側(cè)小，且非周期性活動(dòng)傾向強(qiáng)，所以多數(shù)情況下步行中腿的運(yùn)動(dòng)相位推定是困難的。當(dāng)步行輔助裝置將依據(jù)該推定誤差大的相位推定結(jié)果所生成的輔助力(Assist Torque)給予至患者的腿時(shí)，由于輔助力可能會(huì)與穿戴者的活動(dòng)不完全協(xié)調(diào)，結(jié)果可能會(huì)使患者的步態(tài)不穩(wěn)定化。

專利文獻(xiàn)1、2中，關(guān)于偏癱患者的適應(yīng)例沒有具體敘述。然而，同文獻(xiàn)記載的動(dòng)作輔助裝置使用的是從每一關(guān)節(jié)的動(dòng)作計(jì)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)推定相位的方法。由此，在假定適用于偏癱患者等情況下，癱瘓側(cè)的相位推定是困難的，存在不能生成恰當(dāng)?shù)妮o助力的可能性。

這里，在將其適用于偏癱患者的時(shí)候，可以想到的方法是根據(jù)健康腿側(cè)的周期性運(yùn)動(dòng)來(lái)輔助疾患腿的非周期性運(yùn)動(dòng)。即，即便是偏癱患者，只要健康側(cè)的腿的活動(dòng)是周期性的，那么基于僅關(guān)注健康腿的活動(dòng)來(lái)推定健康腿的步行相位，并使相反側(cè)腿的活動(dòng)與該健康腿的步行相位錯(cuò)開180度這樣的前提下，就有可能決定輔助力。

然而在上述方法中，必須預(yù)先掌握健康腿是左右的哪一側(cè)的腿，必須將這一信息輸入到輔助裝置中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于這樣的背景，本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是，提供一種步行輔助裝置，其即使是在由偏癱患者等進(jìn)行穿戴的情況下，也無(wú)需進(jìn)行繁雜的參數(shù)設(shè)定，就能對(duì)疾患腿的左右的非對(duì)稱步行給予恰當(dāng)?shù)闹芷谛暂o助。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的步行輔助裝置1具有：由使用者穿戴的主框架2；配置于所述主框架的驅(qū)動(dòng)源4；左右的傳遞部件3L、3R，其以能夠以所述使用者的髖關(guān)節(jié)部為中心位移的方式連結(jié)于所述主框架，其將所述驅(qū)動(dòng)源的輸出作為輔助力傳遞給所述使用者的腿；和對(duì)所述驅(qū)動(dòng)源的輔助力進(jìn)行控制的控制裝置5，其中，所述控制裝置具有：計(jì)算所述使用者的左右的髖關(guān)節(jié)角度的差分角θ的角計(jì)算部21；基于所述差分角來(lái)計(jì)算差分角相位Φ的差分角相位計(jì)算部22；和基于所述差分角相位來(lái)計(jì)算應(yīng)該向所述使用者給予的輔助力τ的輔助力計(jì)算部23。

如以上結(jié)構(gòu)所述，通過(guò)利用左右的髖關(guān)節(jié)角度的差分角，不僅健康的正常人，即使是在有偏癱疾患的患者穿戴的情況下，無(wú)論左右的哪條腿是疾患腿，都能夠從要素中含有髖關(guān)節(jié)可動(dòng)范圍大的健康腿的差分角提取周期性運(yùn)動(dòng)，由此不必進(jìn)行繁雜的參數(shù)設(shè)定，就能恰當(dāng)?shù)赜?jì)算步行運(yùn)動(dòng)的相位，生成與穿戴者即用戶對(duì)應(yīng)的輔助力，針對(duì)左右非對(duì)稱的步行給予在恰當(dāng)定時(shí)的周期性輔助力。

另外，在上述發(fā)明中，所述差分角相位計(jì)算部22構(gòu)成為，具有：基于所述差分角來(lái)計(jì)算該差分角的角速度即差分角速度ω的差分角速度計(jì)算部32；將所述差分角速度規(guī)范化的差分角速度規(guī)范化部33；將所述差分角θ規(guī)范化的差分角規(guī)范化部34；以及通過(guò)進(jìn)行反正切運(yùn)算來(lái)計(jì)算所述差分角相位的反正切運(yùn)算部35，其中，所述反正切運(yùn)算使用了由所述差分角速度規(guī)范化部所規(guī)范化的所述差分角速度ωn和由所述差分角規(guī)范化部所規(guī)范化的所述差分角θn。

另外，在上述發(fā)明中，也可以構(gòu)成為，將所述差分角相位計(jì)算部22具有：將所述差分角規(guī)范化的差分角規(guī)范化部34；和映射圖部91，其使用預(yù)先定義有與所規(guī)范化的所述差分角θn對(duì)應(yīng)的所述差分角相位的映射圖，基于所規(guī)范化的所述差分角來(lái)決定所述差分角相位。

另外，在上述發(fā)明中，也可以構(gòu)成為，所述差分角相位計(jì)算部22還具有：對(duì)所述差分角和所述差分角相位中至少一方進(jìn)行濾波處理的濾波部31、36；基于所述差分角來(lái)推定步行頻率freq的步行頻率推定部37；基于所述步行頻率來(lái)推定因所述濾波部引起的相位延遲量dp的相位延遲量推定部38；和基于所述相位延遲量對(duì)所述差分角相位的相位延遲進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南辔谎舆t補(bǔ)償部39。

根據(jù)這一構(gòu)成，由于包含在差分角中的腳部接地時(shí)等的噪聲在濾波部被濾掉，使得精度更高的相位推定成為可能，并且由于能夠預(yù)先從相位特性對(duì)因?yàn)V波部引起的相位延遲進(jìn)行補(bǔ)償，所以能夠?qū)Υ┐髡叩牟叫羞\(yùn)動(dòng)進(jìn)行更高精度的輔助。

另外，在上述發(fā)明中，能夠構(gòu)成為，所述輔助力計(jì)算部23具有：進(jìn)行與所述差分角相位同步振動(dòng)的振子的相位運(yùn)算的振子相位運(yùn)算部24；和基于由所述振子相位運(yùn)算部所運(yùn)算的振子相位Φ_c決定所述輔助力的輔助力決定部25。

根據(jù)這一構(gòu)成，即使在諸如差分角相位急劇變化的情況下，或者變動(dòng)持續(xù)進(jìn)行的情況下，差分角相位也基于振子的自持振蕩而被修正為以更加均等的速度變化的相位，由此能夠在更加恰當(dāng)?shù)南辔贿M(jìn)行輔助。

另外，在上述發(fā)明中構(gòu)成為，所述振子相位運(yùn)算部24具有：振子固有角振動(dòng)頻率計(jì)算部41，其計(jì)算與從所述差分角求得的所述使用者的步行頻率freq相對(duì)應(yīng)的相位振子的固有角振動(dòng)頻率ω_o；和相位振子積分運(yùn)算部42，其通過(guò)以考慮所述差分角相位與所述相位振子的相位差Φ-Φ_c的方式進(jìn)行所述相位振子的相位變化的積分運(yùn)算而計(jì)算所述振子相位Φc。

另外，在上述發(fā)明中，也可以構(gòu)成為，所述振子固有角振動(dòng)頻率計(jì)算部使用基于所述差分角算出的所述步行頻率來(lái)決定所述相位振子的所述固有角振動(dòng)頻率。

另外，在上述發(fā)明中，也可以構(gòu)成為，所述輔助輸出計(jì)算部25具有：輔助相位運(yùn)算部51，其根據(jù)所述差分角相位來(lái)運(yùn)算以在應(yīng)該輔助的定時(shí)發(fā)揮所述輔助力的方式調(diào)整了的輔助力相位Φ_as；和左右輔助力運(yùn)算部52，其基于輔助力相位來(lái)運(yùn)算左右的所述輔助力τ_L，τ_R。

根據(jù)這一構(gòu)成，能夠在對(duì)步行運(yùn)動(dòng)的輔助效果最高的相位恰當(dāng)?shù)匕l(fā)揮輔助力。

另外，在上述發(fā)明中，可以構(gòu)成為，具有：左輔助相位運(yùn)算部111L，其以使所述差分角相位成為在應(yīng)該輔助左腿的相位發(fā)揮所述輔助力的左腿用輔助力相位Φ_asL的方式調(diào)整所述差分角相位；基于左腿用輔助力相位來(lái)運(yùn)算左輔助力τ_L的左輔助力運(yùn)算部112L；右輔助相位運(yùn)算部111R，其以使所述差分角相位成為在應(yīng)該輔助右腿的相位發(fā)揮所述輔助力的右腿用輔助力相位Φ_asR的方式調(diào)整所述差分角相位；和基于右腿用輔助力相位來(lái)運(yùn)算右輔助力τ_R的右輔助力運(yùn)算部112R。

根據(jù)這一構(gòu)成，由于左右的輔助力獨(dú)立地計(jì)算，所以能夠?qū)?yīng)于穿戴者的左右的腿狀態(tài)等，給左右的輔助力設(shè)定恰當(dāng)?shù)牟疃鴮?duì)穿戴者的步行運(yùn)動(dòng)進(jìn)行更加順暢的輔助。

發(fā)明的效果

這樣，根據(jù)本發(fā)明能夠提供一種步行輔助裝置，其不必進(jìn)行繁雜的參數(shù)設(shè)定，即使是在偏癱患者等進(jìn)行穿戴的情況下，針對(duì)疾患腿的左右非對(duì)稱的步行，也能給予恰當(dāng)?shù)闹芷谛缘妮o助。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例1的步行輔助裝置的構(gòu)成圖。

圖2是關(guān)于關(guān)節(jié)角度及差分角的說(shuō)明圖。

圖3是表示圖1所示控制裝置的構(gòu)成的框圖。

圖4是表示圖3所示的差分角相位計(jì)算部的構(gòu)成的框圖。

圖5是圖4所示的第一低通濾波器的波特圖。

圖6是關(guān)于差分角相位的說(shuō)明圖；

圖7是表示圖3所示的振子相位運(yùn)算部的構(gòu)成的框圖。

圖8是表示圖3所示的輔助力決定部的構(gòu)成的框圖。

圖9是表示實(shí)施例1的步行輔助裝置的效果的時(shí)間圖。

圖10是表示實(shí)施例2的差分角計(jì)算部的構(gòu)成的框圖。

圖11是表示實(shí)施例3的差分角計(jì)算部的構(gòu)成的框圖。

圖12是表示實(shí)施例4的差分角計(jì)算部的構(gòu)成的框圖。

圖13是表示實(shí)施例5的差分角相位計(jì)算部的構(gòu)成的框圖。

圖14是表示實(shí)施例6的差分角相位計(jì)算部的構(gòu)成的框圖。

圖15是表示實(shí)施例7的差分角相位計(jì)算部的構(gòu)成的框圖。

圖16是表示實(shí)施例8的振子相位運(yùn)算部的構(gòu)成的框圖。

圖17是表示實(shí)施例8的輔助力決定部的構(gòu)成的框圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

1 步行輔助裝置

2 主框架

3(3L、3R) 副框架(傳遞部件)

4(4L、4R) 驅(qū)動(dòng)源

5 控制裝置

6(6L、6R) 髖關(guān)節(jié)角度傳感器

21 差分角計(jì)算部

22 差分角相位計(jì)算部

23 輔助力計(jì)算部

24 振子相位運(yùn)算部

25 輔助力決定部

31 第一低通濾波器

32 差分角速度計(jì)算部

33 差分角速度規(guī)范化部

34 差分角規(guī)范化部

35 反正切運(yùn)算部

36 第二低通濾波器

37 步行頻率推定部

38 相位延遲量推定部

39 相位延遲補(bǔ)償部

41 振子固有角振動(dòng)頻率計(jì)算部

42 相位振子積分運(yùn)算部

51 輔助相位運(yùn)算部

52 左右輔助力運(yùn)算部

91 差分角-相位映射圖部

111L 左輔助相位運(yùn)算部

111R 右輔助相位運(yùn)算部

112L 左輔助力運(yùn)算部

112R 右輔助力運(yùn)算部

P 人(穿戴者、使用者)

d_p 相位延遲量

freq 步行頻率

Φ 差分角相位

Φ_c 振子相位

Φ_as 輔助力相位

Φ_asL 左輔助力相位

Φ_asR 右輔助力相位

θ_L 左腿髖關(guān)節(jié)角度

θ_R 右腿髖關(guān)節(jié)角度

θ 差分角

θ_n 所規(guī)范化的差分角

τ 輔助力(Assist Torque)

τ_L 左輔助力

τ_R 右輔助力

ω 差分角速度

ω_n 所規(guī)范化的差分角速度

ω_o 振子固有角振動(dòng)頻率

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1～圖17說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。這里，為了對(duì)腿等的左右的進(jìn)行區(qū)別而在附圖標(biāo)記后面加了“L”及“R”，但是在沒有必要區(qū)別左右的情況下，或者在對(duì)有左右成分的向量進(jìn)行表現(xiàn)的情況下，省略該標(biāo)記。另外，為了區(qū)別腿(具體而言大腿部)的彎曲運(yùn)動(dòng)(前方運(yùn)動(dòng))和伸展運(yùn)動(dòng)(后方運(yùn)動(dòng))而使用標(biāo)記“+”和“-”。

實(shí)施例1

〔構(gòu)成〕

如圖1所示，步行輔助裝置1具有：穿戴在作為使用者的人P的軀干上的主框架2；以能夠以人P的髖關(guān)節(jié)部為中心位移的方式連結(jié)于主框架2，且穿戴在人P的各腿部上的左右的副框架3L、3R；使左右的副框架3L、3R相對(duì)于主框架2位移的左右的驅(qū)動(dòng)源4L、4R；以控制左右的驅(qū)動(dòng)源4L、4R的動(dòng)作的方式構(gòu)成的控制裝置5(參照?qǐng)D3)；對(duì)左右的副框架3L、3R相對(duì)于主框架2的角度進(jìn)行檢測(cè)的左右的髖關(guān)節(jié)角度傳感器6L、6R；和對(duì)左右的驅(qū)動(dòng)源4L、4R及控制裝置5供電的蓄電池(未圖示)。

主框架2由硬質(zhì)樹脂、金屬等剛性材料與纖維等柔軟材料組合而構(gòu)成，通過(guò)連結(jié)于主框架2的腰帶11而穿戴在人P的腰部。在主框架2的前表面(與腰部的背面相對(duì)的位置)，安裝有由柔軟材料形成的腰部防護(hù)件12。

副框架3L、3R具有腿部防護(hù)件13L、13R和臂部14L、14R。腿部防護(hù)件13由剛性材料和柔軟材料組合而構(gòu)成，穿戴在左右的大腿部。臂部14由硬質(zhì)樹脂或金屬形成，沿大腿部向下方延伸，將驅(qū)動(dòng)源4的輸出軸與腿部防護(hù)件13連結(jié)。也就是說(shuō)，副框架3L、3R經(jīng)由驅(qū)動(dòng)源4連結(jié)于主框架2。

驅(qū)動(dòng)源4由電動(dòng)機(jī)構(gòu)成，適當(dāng)具有減速機(jī)構(gòu)和柔性機(jī)構(gòu)之一或二者。驅(qū)動(dòng)源4從蓄電池供給由控制裝置5以使發(fā)揮規(guī)定的輔助力(Assist Torque)τ的方式控制的電力，而對(duì)該臂部14施加動(dòng)力。施加到臂部14上的動(dòng)力，經(jīng)由腿部防護(hù)件13被傳遞給人P的腿部。

髖關(guān)節(jié)角度傳感器6由配置在人P的腰部側(cè)面的絕對(duì)式角度傳感器構(gòu)成，通過(guò)檢測(cè)左右的副框架3L、3R相對(duì)于主框架2的角度(絕對(duì)角度)，來(lái)輸出與相應(yīng)的腿部髖關(guān)節(jié)角度θ_L、θ_R對(duì)應(yīng)的信號(hào)。從髖關(guān)節(jié)角度傳感器6輸出的表示髖關(guān)節(jié)角度θ_L、θ_R的信號(hào)被輸入到控制裝置5中。

如圖2所示，髖關(guān)節(jié)角度θ_L、θ_R定義為，從矢狀面的法線方向觀察人P時(shí)，表示基本額狀面的直線線段與表示大腿部的直線線段所成的角度。在大腿部與基本額狀面相比位于彎曲側(cè)(前方)時(shí)，髖關(guān)節(jié)角度θ_L、θ_R定義為正(+)，而在大腿部與基本額狀面相比位于伸展側(cè)(后方)時(shí)，髖關(guān)節(jié)角度θ_L、θ_R定義為負(fù)(-)。

蓄電池以例如收容在主框架2內(nèi)部的方式固定在主框架2上，向控制裝置5和驅(qū)動(dòng)源4L、4R供電。此外，控制裝置5和蓄電池既可以分別安裝在副框架3上或者收納在副框架3中，也可以與步行輔助裝置1獨(dú)立地設(shè)置。

控制裝置5由收納在主框架2中的含有CPU、RAM、ROM等的電子電路單元構(gòu)成，其以執(zhí)行驅(qū)動(dòng)源4L、4R的動(dòng)作、進(jìn)而使其作用于人P的輔助力的控制處理的方式構(gòu)成?？刂蒲b置5以執(zhí)行規(guī)定的運(yùn)算處理的方式構(gòu)成，意味著構(gòu)成控制裝置5的運(yùn)算處理裝置(CPU)以從存儲(chǔ)裝置(內(nèi)存)讀取必要的數(shù)據(jù)及應(yīng)用軟件，按照該軟件執(zhí)行該規(guī)定的運(yùn)算處理的方式被程序化。

如此構(gòu)成的步行輔助裝置1，通過(guò)主框架2及副框架3L、3R，把以蓄電池為電源的驅(qū)動(dòng)源4的動(dòng)力作為步行輔助力作用于人P，藉此來(lái)輔助該人P的步行運(yùn)動(dòng)。

〔功能〕

如圖3所示，控制裝置5設(shè)有：通過(guò)基于左右的髖關(guān)節(jié)角度θ_L、θ_R執(zhí)行下文將敘述的運(yùn)算處理而計(jì)算左右的髖關(guān)節(jié)角度θ_L、θ_R的差分角θ(左右的腿部髖關(guān)節(jié)部的夾角)的差分角計(jì)算部21；通過(guò)基于由差分角計(jì)算部21計(jì)算的差分角θ執(zhí)行下文將敘述的運(yùn)算處理而計(jì)算差分角相位Φ、步行頻率freq的差分角相位計(jì)算部22；以及通過(guò)基于由差分角相位計(jì)算部22計(jì)算后的差分角相位Φ執(zhí)行下文將敘述的運(yùn)算處理而計(jì)算針對(duì)左右的腿部的輔助力τ的輔助力計(jì)算部23。

另外，輔助力計(jì)算部23設(shè)有：振子相位運(yùn)算部24，其通過(guò)基于由差分角相位計(jì)算部22算出的差分角相位及步行頻率freq，來(lái)執(zhí)行使用了與穿戴步行輔助裝置1的人P的步行頻率freq相對(duì)應(yīng)的相位振子的運(yùn)算處理，對(duì)與差分角相位Φ同步振動(dòng)的相位振子的振子相位進(jìn)行運(yùn)算；以及輔助力決定部25，其通過(guò)基于由振子相位運(yùn)算部24所運(yùn)算的振子相位Φc執(zhí)行下文將敘述的運(yùn)算處理，而決定針對(duì)左右的腿部的輔助力τ。

控制裝置5在接通電源而通電時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)源4L、4R進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使其發(fā)揮基于髖關(guān)節(jié)角度傳感器6L、6R的輸出而決定的輔助力τ_L、τ_R。

差分角計(jì)算部21通過(guò)從一側(cè)腿部(本實(shí)施例中為左腿)的髖關(guān)節(jié)角度θ_L減去另一側(cè)腿部(右腿)的髖關(guān)節(jié)角度θ_R而算出的左右的腿部的差分角θ。即，差分角θ通過(guò)運(yùn)算下述數(shù)式(1)而被計(jì)算。

θ＝θ_L-θ_R……(1)

即，如圖2所示，差分角θ是左腿相對(duì)于右腿的彎曲角度，左腿與右腿相比位于彎曲側(cè)(前方)時(shí)為正值，左腿與右腿相比位于伸展側(cè)(后方)時(shí)為負(fù)值。由于人P在兩腿并攏站立狀態(tài)或蜷曲狀態(tài)下，左右的髖關(guān)節(jié)角度θL、θR是相同的，所以差分角θ為零。因此，作為差分角θ的時(shí)間微分值的差分角速度ω，在左腿進(jìn)行彎曲運(yùn)動(dòng)，右腿進(jìn)行伸展運(yùn)動(dòng)時(shí)為正值，在左腿進(jìn)行伸展運(yùn)動(dòng)，右腿進(jìn)行彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)為負(fù)值。而且，差分角計(jì)算部21以控制裝置5的規(guī)定的運(yùn)算處理周期來(lái)執(zhí)行上述運(yùn)算處理。

此外，也可以取代在步行輔助裝置1中設(shè)置左右的髖關(guān)節(jié)角度傳感器6L、6R，而在主框架2等部分中設(shè)置檢測(cè)左副框架3L相對(duì)于右副框架3R的相對(duì)角度的傳感器，由差分角計(jì)算部21把該傳感器的輸出當(dāng)作左右的腿部的髖關(guān)節(jié)部的差分角θ來(lái)處理。另外，在左右的腿部的姿勢(shì)計(jì)測(cè)中也可以使用設(shè)有加速度傳感器及陀螺傳感器的IMU，將左右的腿部的矢狀面上的相對(duì)于鉛垂線的角度的差分作為差分角θ。

接下來(lái)，關(guān)于本實(shí)施例的圖3所示的差分角相位計(jì)算部22進(jìn)行說(shuō)明。如圖4的框圖所示，差分角相位計(jì)算部22具有進(jìn)行后述運(yùn)算或處理的各種功能部31～39。而且，差分角相位計(jì)算部22以控制裝置5的規(guī)定的運(yùn)算處理周期來(lái)執(zhí)行這些各功能部的處理。以下，就各功能部按順序進(jìn)行說(shuō)明。

在控制裝置5的各運(yùn)算處理周期中，差分角相位計(jì)算部22首先執(zhí)行第一低通濾波器31的處理。

第一低通濾波器31進(jìn)行從與由差分角計(jì)算部21算出的差分角θ對(duì)應(yīng)的信號(hào)中濾掉高頻成分，使低頻成分通過(guò)的低頻通過(guò)(高頻截止)處理。圖5表示了第一低通濾波器31的波特圖。如圖5的(A)的增益圖所示，優(yōu)選將第一低通濾波器31的截止頻率設(shè)定為作為使用者的人P的、通常假定的步行頻率以上(2Hz～3Hz)。另外，如圖5的(B)的相位圖所示，從第一低通濾波器31通過(guò)的差分角θ_f，具有以頻率的函數(shù)表達(dá)的相位特性

差分角相位計(jì)算部22在執(zhí)行了第一低通濾波器31的處理以后，執(zhí)行圖4所示的差分角速度計(jì)算部32的處理。

差分角速度計(jì)算部32基于從第一低通濾波器31通過(guò)的差分角θ_f計(jì)算差分角速度ω。具體而言，差分角速度計(jì)算部32通過(guò)執(zhí)行下述數(shù)式(2)的運(yùn)算來(lái)計(jì)算差分角速度ω。

ω＝(θ_f＿N-θ_f＿N-1)/Tc……(2)

其中，θ_f＿N：本次處理中算出的差分角θ_f，θ_f＿N-1：前次處理中算出的差分角θ_f，Tc：處理周期。

差分角相位計(jì)算部22在執(zhí)行了差分角速度計(jì)算部32的處理以后，接下來(lái)執(zhí)行圖4所示的差分角速度規(guī)范化部33的處理。

差分角速度規(guī)范化部33把由差分角速度計(jì)算部32算出的差分角速度ω，按照使用了一個(gè)周期前的差分角速度ω的最大值和最小值所得的規(guī)定規(guī)則進(jìn)行規(guī)范化，輸出所規(guī)范化的差分角速度ω_n。具體而言，差分角速度規(guī)范化部33通過(guò)執(zhí)行下述數(shù)式(3)的運(yùn)算(按照運(yùn)算規(guī)則)而將差分角速度ω規(guī)范化。

ω_n＝(ω-(ω_MAX+ω_MIN)/2)/{(ω_MAX-ω_MIN)/2}……(3)

其中，ω_MAX：步行一個(gè)周期前的最大差分角速度，ω_MIN：步行一個(gè)周期前的最小差分角速度。

上述數(shù)式(3)所示的差分角速度ω_n的分子，表示以使前一步的步行運(yùn)動(dòng)中的差分角速度ω的正峰值與負(fù)峰值的絕對(duì)值相等的方式去除偏差，分母表示前一步的步行運(yùn)動(dòng)中的差分角速度ω的振幅。因此，通過(guò)由差分角速度規(guī)范化部33執(zhí)行數(shù)式(3)的運(yùn)算，而將差分角速度ω與作為穿戴者的人P的步行運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)地規(guī)范化。

差分角相位計(jì)算部22在執(zhí)行了第一低通濾波器31的處理以后，一并進(jìn)行圖4所示的差分角規(guī)范化部34的處理。

差分角規(guī)范化部34把從第一低通濾波器31通過(guò)的差分角θ_f，按照使用了一個(gè)周期前的差分角θ的最大值和最小值所得的規(guī)定規(guī)則進(jìn)行規(guī)范化，輸出所規(guī)范化的差分角θ_n。具體而言，差分角規(guī)范化部34通過(guò)執(zhí)行下述數(shù)式(4)的運(yùn)算(按照運(yùn)算規(guī)則)而將差分角θ規(guī)范化。

θ_n＝(θ-(θ_MAX+θ_MIN)/2)/{(θ_MAX-θ_MIN)/2}……(4)

其中，θ_MAX：步行一個(gè)周期前的最大差分角，θ_MIN：步行一個(gè)周期前的最小差分角。

上述數(shù)式(4)所示的差分角θ_n的分子，表示以使前一步的步行運(yùn)動(dòng)中的差分角θ的正峰值與負(fù)峰值的絕對(duì)值相等的方式去除偏差，分母表示前一步的步行運(yùn)動(dòng)中的差分角θ的振幅。因此，通過(guò)由差分角規(guī)范化部34執(zhí)行數(shù)式(4)的運(yùn)算，而將差分角θ_f與作為穿戴者的人P的步行運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)地規(guī)范化。

在執(zhí)行了差分角規(guī)范化部34的處理以及差分角速度規(guī)范化部33的處理以后，差分角相位計(jì)算部22執(zhí)行反正切運(yùn)算部35的處理。

反正切運(yùn)算部35基于由差分角規(guī)范化部34所規(guī)范化的差分角θ_n以及由差分角速度規(guī)范化部33所規(guī)范化的差分角速度ω_n，執(zhí)行反正切運(yùn)算，由此計(jì)算差分角相位Φ_r。具體而言，反正切運(yùn)算部35通過(guò)執(zhí)行下述數(shù)式(5)，如圖6所示地計(jì)算差分角θ_n和差分角速度ω_n的相平面的差分角相位Φ_r。

Φ_r＝arctan(ω_n/θ_n)……(5)

如圖6的相平面中示意表示的那樣，根據(jù)數(shù)式(5)算出的差分角相位Φ_r，表示以左右的腿部各一步合計(jì)二步為一個(gè)周期的步行運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行狀態(tài)。

另外，差分角相位計(jì)算部22在執(zhí)行了反正切運(yùn)算部35的處理以后，執(zhí)行第二低通濾波器36的處理。

第二低通濾波器36進(jìn)行從與由反正切運(yùn)算部35算出的差分角相位Φ_r對(duì)應(yīng)的信號(hào)中濾掉高頻成分，使低頻成分通過(guò)的低頻通過(guò)(高頻截止)處理。優(yōu)選將第二低通濾波器36的截止頻率設(shè)定為不同于第一低通濾波器31，且為人P的通常假定的步行頻率freq的變化頻率以上(0.5Hz～1Hz)。從第二低通濾波器36通過(guò)的差分角相位Φ_f具有以頻率的函數(shù)表達(dá)的相位特性

另外，差分角相位計(jì)算部22在控制裝置5的各運(yùn)算處理周期中，與上述處理并行地執(zhí)行步行頻率推定部37的處理。

步行頻率推定部37基于差分角θ來(lái)推定步行頻率freq。例如，步行頻率推定部37使用高速傅立葉變換或者小波變換來(lái)計(jì)算步行頻率freq。步行頻率推定部37在計(jì)算步行頻率freq時(shí)，使其與窗口函數(shù)相乘。窗口函數(shù)的區(qū)間可以選為含有多步量的差分角θ。

差分角相位計(jì)算部22在執(zhí)行了步行頻率推定部37的處理以及第二低通濾波器36的處理以后，執(zhí)行相位延遲量推定部38的處理。

相位延遲量推定部38基于從第二低通濾波器36通過(guò)的差分角相位Φ_f所具有的相位特性從第一低通濾波器31通過(guò)的差分角θ所具有的相位特性以及由步行頻率推定部37算出的步行頻率freq來(lái)推定相位延遲量d_p。相位延遲量d_p通過(guò)運(yùn)算下述數(shù)式(6)而被計(jì)算。

之后，差分角相位計(jì)算部22執(zhí)行相位延遲補(bǔ)償部39的處理。相位延遲補(bǔ)償部39基于由相位延遲量推定部38算出的相位延遲量d_p，來(lái)修正從第二低通濾波器36通過(guò)的差分角相位Φ_f，并輸出修正后的差分角相位Φ。具體而言，差分角相位計(jì)算部22通過(guò)如下述數(shù)式(7)所示地進(jìn)行從差分角相位Φ_f中減去相位延遲量d_p的運(yùn)算而計(jì)算差分角相位Φ。

Φ＝Φ_r-d_p……(7)

接下來(lái)，參照?qǐng)D7的框圖來(lái)說(shuō)明本實(shí)施例的圖3所示的振子相位運(yùn)算部24。振子相位運(yùn)算部24作為進(jìn)行后述運(yùn)算或者處理的各種功能部而具有振子固有角振動(dòng)頻率計(jì)算部41和相位振子積分運(yùn)算部42。而且，振子相位運(yùn)算部24以控制裝置5的規(guī)定運(yùn)算處理周期來(lái)執(zhí)行這些功能部41、42的處理。

振子固有角振動(dòng)頻率計(jì)算部41基于由圖4所示的步行頻率推定部37推定的步行頻率freq來(lái)計(jì)算作為振子的固有角振動(dòng)頻率的振子固有角振動(dòng)頻率ω_o。具體而言，振子固有角振動(dòng)頻率計(jì)算部41通過(guò)執(zhí)行下述數(shù)式(8)所示的運(yùn)算而計(jì)算振子固有角振動(dòng)頻率ω_o。

ω_o＝2π×freq……(8)

此外，按照數(shù)式(7)計(jì)算的振子固有角振動(dòng)頻率ω_o，是基于穿戴了步行輔助裝置1的人P的步行頻率freq的變量，但也可以保持振子固有角振動(dòng)頻率計(jì)算部41作為目標(biāo)步行頻率而被預(yù)先設(shè)定的常數(shù)，還可以使用對(duì)步行頻率freq適用了低通濾波器而得的數(shù)值。

差分角相位計(jì)算部22在執(zhí)行了振子固有角振動(dòng)頻率計(jì)算部41的處理以后，執(zhí)行相位振子積分運(yùn)算部42的處理。

相位振子積分運(yùn)算部42將由圖4所示的相位延遲補(bǔ)償部39修正的差分角相位Φ作為輸入，基于上述振子的固有角振動(dòng)頻率ω_o輸出與差分角相位Φ同步振動(dòng)的相位振子的振子相位Φ_c。具體而言，相位振子積分運(yùn)算部42通過(guò)求解下述數(shù)式(9)所示的微分方程式，即以考慮差分角相位Φ與相位振子的相位差的方式執(zhí)行與固有角振動(dòng)頻率ω_o對(duì)應(yīng)的相位振子的相位變化積分運(yùn)算，由此計(jì)算同步振動(dòng)的振子相位Φ_c。

dΦ_c/dt＝ω_o+f(Φ-Φ_c+α)……(9)

其中，f(x)表示函數(shù)，α是調(diào)整振子相位Φ_c的設(shè)定相位差。優(yōu)選f(x)使用x在0附近(例如從-π/4到π/4的范圍)時(shí)單調(diào)遞增形式的函數(shù)。例如，作為f(x)，可以用下述數(shù)式(10)。

f(x)＝Ksin(x)……(10)

其中，K：常數(shù)。

接下來(lái)，說(shuō)明本實(shí)施例的圖3所示的輔助力決定部25。如圖8的框圖所示，輔助力決定部25具有進(jìn)行后述運(yùn)算或者處理的各種功能部51、52。而且，輔助力決定部25在控制裝置5的規(guī)定運(yùn)算處理周期內(nèi)執(zhí)行這些各功能部的處理。

輔助相位運(yùn)算部51可以調(diào)整由振子相位運(yùn)算部24運(yùn)算的振子相位Φ_c，使得在應(yīng)該進(jìn)行輔助的定時(shí)發(fā)揮輔助力τ。具體而言，輔助相位運(yùn)算部51通過(guò)執(zhí)行下述數(shù)式(11)的運(yùn)算而計(jì)算輔助力相位Φ_as。

Φ_as＝Φ_c-β……(11)

其中，β：輔助目標(biāo)相位差。也就是說(shuō)，輔助相位運(yùn)算部51通過(guò)從所運(yùn)算的振子相位Φ_c中減去用于在應(yīng)該輔助的相位發(fā)揮輔助力τ的輔助目標(biāo)相位差β，從而計(jì)算以在所設(shè)定的定時(shí)輔助的方式調(diào)整了的輔助力相位Φ_as。

另外，輔助力決定部25在執(zhí)行了輔助相位運(yùn)算部51的處理以后，執(zhí)行左右輔助力運(yùn)算部52的處理。

左右輔助力運(yùn)算部52基于差分角θ的輔助力相位Φ_as進(jìn)行左右的輔助力τ_L、τ_R的運(yùn)算。具體而言，左右的輔助力運(yùn)算部52執(zhí)行下述數(shù)式(12)及(13)的運(yùn)算。

τ_L＝G×sinΦ_as……(12)

τ_R＝-τ_L……(13)

其中，G：增益。增益G是用于設(shè)定輔助力的強(qiáng)弱的系數(shù)，對(duì)應(yīng)于穿戴步行輔助裝置1的人P的使用目的、使用時(shí)的身體狀況等因素設(shè)定為不同的值。

或者，左右的輔助力運(yùn)算部52也可以通過(guò)參照下述數(shù)式(14)的運(yùn)算，即與輔助力相位Φ_as對(duì)應(yīng)地預(yù)先規(guī)定有輔助力的映射圖(或表格)而求出左輔助力τ_L。

τ_L＝LUT(Φ_as)……(14)

在這種情況下，如果映射圖中所規(guī)定的輔助力是考慮了輔助目標(biāo)相位差β而規(guī)定的，則也可以不設(shè)輔助相位運(yùn)算部51，而由左右輔助力運(yùn)算部52使用振子相位Φ_c按下述數(shù)式(15)來(lái)求出左輔助力τ_L。

τ_L＝LUT(Φ_c)……(15)

控制裝置5在規(guī)定的運(yùn)算處理周期里執(zhí)行以上的處理，以發(fā)揮算出的左右的輔助力τ_L、τ_R的方式向左右的驅(qū)動(dòng)源4L、4R供電，由此輔助穿戴步行輔助裝置1的人P的步行運(yùn)動(dòng)。

圖9是在使用以往的算法(從癱瘓側(cè)的髖關(guān)節(jié)角度推定腿的相位)的情況(點(diǎn)線)下和使用本發(fā)明的算法的情況(虛線)下，以經(jīng)過(guò)時(shí)間為橫軸來(lái)表示以基于偏癱患者在穿戴有裝置時(shí)的癱瘓側(cè)髖關(guān)節(jié)角度(實(shí)線)及所推定的相位而得到的波形的變化的時(shí)間圖。此外，縱軸的“+”表示彎曲側(cè)髖關(guān)節(jié)角度，縱軸的“-”表示伸展側(cè)髖關(guān)節(jié)角度。

對(duì)于由實(shí)線所示的進(jìn)行步行模式的患者，在以往的方法(點(diǎn)線)中，從髖關(guān)節(jié)角度進(jìn)行的相位推定不正確，存在把向進(jìn)展方向的運(yùn)動(dòng)識(shí)別為彎曲的期間，另外高頻成分也較多。即，當(dāng)把設(shè)想為彎曲運(yùn)動(dòng)的區(qū)間誤識(shí)別為正在伸展運(yùn)動(dòng)時(shí)，則會(huì)輸出與輔助運(yùn)動(dòng)的扭矩相反的扭矩。另外，如果高頻成分多，則會(huì)感覺不舒服、輔助扭矩大的情況下，還有因該急劇變化而誘發(fā)跌倒的可能性。

針對(duì)這一情況，在本發(fā)明中，如用虛線所示的那樣，彎曲和伸展與步行的頻率結(jié)合地交替推定，高頻成分也變少。所以，能夠順暢、恰當(dāng)?shù)剌敵鲎鰪澢\(yùn)動(dòng)時(shí)以及做伸展運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行輔助的扭矩。

像這樣，如圖3所示，本發(fā)明的控制裝置5構(gòu)成為，在差分角計(jì)算部21中計(jì)算作為使用者的人P的左右的腿髖關(guān)節(jié)部的差分角θ，在差分角相位計(jì)算部22中基于差分角θ來(lái)計(jì)算差分角相位Φ，在輔助力計(jì)算部23中基于差分角相位Φ來(lái)計(jì)算應(yīng)該對(duì)人P給予的輔助力τ。由此，步行輔助裝置1不僅在健康的正常人穿戴的情況下，而且在有偏癱疾患的人P穿戴的情況下，不論左右的哪條腿是有疾患的腿，都能從髖關(guān)節(jié)可動(dòng)范圍大的健康腿提取周期性運(yùn)動(dòng)，因此不必進(jìn)行繁雜的參數(shù)設(shè)定，即可恰當(dāng)?shù)赜?jì)算步行運(yùn)動(dòng)的相位Φ，生成與穿戴者(人P)相對(duì)應(yīng)的輔助力τ。

也就是說(shuō)，在癱瘓側(cè)的腿的活動(dòng)不是周期性的活動(dòng)的情況下，或者即便是周期性的活動(dòng)，活動(dòng)的變動(dòng)也比較大的情況下，有時(shí)用以往的方法不能在所期望的定時(shí)產(chǎn)生所期望的輔助力τ。針對(duì)這種情況，在本發(fā)明中，通過(guò)使用左右的腿髖關(guān)節(jié)部的差分角θ，能夠穩(wěn)定地推定步行的相位Φ，在恰當(dāng)?shù)亩〞r(shí)的周期性的輔助力τ的給予成為可能。

另外，對(duì)于急性期的偏癱患者等步行周期不規(guī)則的患者或步行的左右對(duì)稱性低的使用者，也能在恰當(dāng)?shù)亩〞r(shí)給予輔助力τ，同時(shí)對(duì)于處在逐漸恢復(fù)的維持期的偏癱患者或健康的正常人等進(jìn)行對(duì)稱性高的步行的使用者，通過(guò)相同的算法，不進(jìn)行特別的設(shè)定變更就可以進(jìn)行在恰當(dāng)定時(shí)的輔助。

而且，在諸如行禮那樣的左右的髖關(guān)節(jié)進(jìn)行同相活動(dòng)的情況下，對(duì)于以往的方法會(huì)有盡管沒有步行也產(chǎn)生輔助力的擔(dān)心，而在像本發(fā)明這樣使用了差分角θ的情況下，由于最初輔助力運(yùn)算時(shí)所使用的差分角θ沒有變化，從原理上就不會(huì)產(chǎn)生不需要的輔助力τ的緣故，所以不用進(jìn)行特別處理就能做到僅對(duì)步行運(yùn)動(dòng)給予輔助力τ。

差分角相位計(jì)算部22構(gòu)成為，具有對(duì)差分角θ進(jìn)行濾波處理的第一低通濾波器31和對(duì)差分角相位Φ_r進(jìn)行濾波處理的第二低通濾波器36，在步行頻率推定部37中，基于差分角θ推定步行頻率freq，在相位延遲量推定部38中，基于步行頻率freq推定因兩個(gè)低通濾波器31、36而引起的相位延遲量d_p，在相位延遲補(bǔ)償部39中，基于相位延遲量d_p對(duì)經(jīng)濾波處理的差分角相位Φ_f的相位延遲進(jìn)行補(bǔ)償。由此，包含在差分角θ中的噪聲在第一低通濾波器31中被濾掉，基于反正切運(yùn)算的差分角相位推定的精度提高。另一方面，第一低通濾波器31由于是針對(duì)差分角θ的濾波器，所以必須將截止頻率設(shè)定得比較高。由此，僅適用第一低通濾波器31而易于留有推定誤差。于是，通過(guò)對(duì)差分角相位Φ_r適用針對(duì)相位的第二低通濾波器36，能夠適用截止頻率低的低通濾波器，相位推定精度進(jìn)一步提高。而且，由于因兩個(gè)低通濾波器31、36而引起的相位延遲得到補(bǔ)償，所以即使應(yīng)用截止頻率低的濾波器，輔助相位也不會(huì)延遲，能夠以更高的精度輔助穿戴步行輔助裝置1的人P的步行運(yùn)動(dòng)。

另外，如圖3所示，輔助力計(jì)算部23構(gòu)成為，在振子相位運(yùn)算部24中，基于與從差分角θ求出的人P的步行頻率freq相對(duì)應(yīng)的固有角振動(dòng)頻率ω_o來(lái)運(yùn)算與差分角相位Φ同步振動(dòng)的振子相位Φ_c，在輔助力決定部25中，基于由振子相位運(yùn)算部24所運(yùn)算的振子相位Φ_c決定輔助力τ。由此，即使在差分角相位Φ急劇變化的情況下，或者在變動(dòng)持續(xù)進(jìn)行的情況下，差分角相位Φ基于相位振子的自持振蕩而以更加均等的速度進(jìn)行變化的方式被修正，由此會(huì)在更恰當(dāng)?shù)南辔话l(fā)揮輔助力τ。

另外，如圖8所示，輔助力決定部25構(gòu)成為，在輔助相位運(yùn)算部51中，對(duì)振子相位Φ_c以使其成為在應(yīng)該輔助的相位發(fā)揮輔助力的輔助力相位Φ_as的方式進(jìn)行調(diào)整，在左右的輔助力運(yùn)算部52中，基于由輔助相位運(yùn)算部51調(diào)整了的輔助力相位Φ_as進(jìn)行左右的輔助力τ_L、τ_R的運(yùn)算。由此，能夠在對(duì)步行運(yùn)動(dòng)的輔助效果最高的相位恰當(dāng)?shù)匕l(fā)揮輔助力的方式進(jìn)行調(diào)整。

實(shí)施例2

接下來(lái)，參照?qǐng)D10來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例2。

圖10表示實(shí)施例1的步行輔助裝置1中的圖3所示的差分角計(jì)算部21的變形例。本實(shí)施例的其他構(gòu)成、功能均與實(shí)施例1相同，省略了與圖1相對(duì)應(yīng)的圖示，僅就不同于實(shí)施例1的部分進(jìn)行說(shuō)明。在以后的實(shí)施例中也都與此同樣處理。

本實(shí)施例中，如圖10所示，取代實(shí)施例1中左右的髖關(guān)節(jié)角度傳感器6L、6R而使用的絕對(duì)式的絕對(duì)角度傳感器，而設(shè)置檢測(cè)左右的副框架3L、3R相對(duì)于主框架2的相對(duì)角度的增量式角度傳感器61L、61R。差分角計(jì)算部21基于這些增量式角度傳感器61L、61R的輸出而計(jì)算差分角θ。

差分角計(jì)算部21具有：計(jì)數(shù)及角度運(yùn)算部62L、62R，其基于從增量式角度傳感器61L、61R輸出的信號(hào)，來(lái)運(yùn)算與左右的副框架3L、3R相對(duì)于主框架2的角度相對(duì)應(yīng)的腿部的髖關(guān)節(jié)角度θ_L、θ_R；以及差分角運(yùn)算部63，其基于由計(jì)數(shù)及角度運(yùn)算部62L、62R所運(yùn)算的左右的髖關(guān)節(jié)角度θ_L、θ_R，來(lái)運(yùn)算左右的腿部髖關(guān)節(jié)部的差分角θ。與實(shí)施例1同樣地，差分角運(yùn)算部63通過(guò)執(zhí)行上述數(shù)式(1)而進(jìn)行差分角θ的運(yùn)算。

即使步行輔助裝置1像這樣構(gòu)成，也能夠得到與實(shí)施例1同樣的作用、效果。此外，也可以取代增量式角度傳感器61L、61R，在左右分別設(shè)置多個(gè)霍爾傳感器，計(jì)數(shù)及角度運(yùn)算部62L、62R基于從霍爾傳感器輸出的磁信號(hào)、霍爾狀態(tài)信號(hào)來(lái)運(yùn)算腿部的髖關(guān)節(jié)角度θ_L、θ_R。

實(shí)施例3

圖11表示實(shí)施例3的差分角計(jì)算部21的構(gòu)成。

在本實(shí)施例中，取代實(shí)施例1的左右的髖關(guān)節(jié)角度傳感器6L、6R，而在步行輔助裝置1中設(shè)置：檢測(cè)左右的副框架3L、3R的前后加速度的左大腿G傳感器71L和右大腿G傳感器71R；以及檢測(cè)左右的副框架3L、3R的角速度ω_3L、ω_3R的左大腿陀螺傳感器72L和右大腿陀螺傳感器72R。差分角計(jì)算部21基于這些傳感器71L、71R、72L、72R的輸出而計(jì)算差分角θ。

差分角計(jì)算部21具有：左右的捷聯(lián)(strap down)姿態(tài)推定部73L、73R，其基于所對(duì)應(yīng)的大腿G傳感器71L、71R及大腿陀螺傳感器72L、72R的檢測(cè)信號(hào)，來(lái)執(zhí)行捷聯(lián)式姿態(tài)推定運(yùn)算，并推定所對(duì)應(yīng)的姿態(tài)角向量B_L、B_R；和差分角運(yùn)算部74，其基于由捷聯(lián)姿態(tài)推定部73L、73R推定的左右的姿態(tài)角向量B_L、B_R，來(lái)運(yùn)算左右的腿部髖關(guān)節(jié)部的差分角θ。捷聯(lián)姿態(tài)推定部73進(jìn)行公知的捷聯(lián)式運(yùn)算，其中只使用與矢狀面上的髖關(guān)節(jié)動(dòng)作有關(guān)的參數(shù)。差分角計(jì)算部21像這樣構(gòu)成，也能夠得到與實(shí)施例1同樣的作用、效果。

實(shí)施例4

圖12表示實(shí)施例4的差分角計(jì)算部21的構(gòu)成。

在本實(shí)施例中，取代實(shí)施例1的左右的髖關(guān)節(jié)角度傳感器6L、6R，而在步行輔助裝置1中設(shè)置檢測(cè)左右的副框架3L、3R的角速度ω_3L、ω_3R的左大腿角速度傳感器81L及右大腿角速度傳感器81R。差分角計(jì)算部21基于這些傳感器81L、81R的輸出而計(jì)算差分角θ。大腿角速度傳感器81L、81R由例如陀螺傳感器構(gòu)成。

差分角計(jì)算部21具有：左右的角速度積分運(yùn)算部82L、82R，其基于由所對(duì)應(yīng)的大腿角速度傳感器81L、81R輸出的左右的角速度ω_3L、ω_3R的檢測(cè)信號(hào)，來(lái)運(yùn)算通過(guò)對(duì)這些值進(jìn)行積分運(yùn)算而對(duì)應(yīng)的大腿的角度即髖關(guān)節(jié)角度θ_L、θ_R；和差分角運(yùn)算部83，其基于由左右的角速度積分運(yùn)算部82L、82R所運(yùn)算的左右的髖關(guān)節(jié)角度θ_L、θ_R，來(lái)運(yùn)算左右的腿部髖關(guān)節(jié)部的差分角θ。與實(shí)施例1同樣，差分角運(yùn)算部83通過(guò)執(zhí)行上述數(shù)式(1)而運(yùn)算差分角θ。差分角計(jì)算部21像這樣構(gòu)成，也能夠得到與實(shí)施例1同樣的作用、效果。在這種構(gòu)成的情況下，為了不使由所述角速度積分運(yùn)算部所運(yùn)算的值離散，優(yōu)選對(duì)左右的角速度ω_3L、ω_3R的檢測(cè)信號(hào)應(yīng)用低頻截止濾波器。

實(shí)施例5

圖13表示實(shí)施例1的步行輔助裝置1中的圖3所示的差分角相位計(jì)算部22的變形例。在實(shí)施例5～實(shí)施例7中，對(duì)于與實(shí)施例1的圖4所示的差分角相位計(jì)算部22的構(gòu)成要素和功能共通的要素標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記，以與實(shí)施例1的構(gòu)成不同的點(diǎn)為中心進(jìn)行說(shuō)明。

在本實(shí)施例中，沒有設(shè)置圖4中的第二低通濾波器36。由此，相位延遲量推定部38基于從第一低通濾波器31通過(guò)的差分角θ所具有的相位特性以及由步行頻率推定部37算出的步行頻率freq，如下述數(shù)式(16)所示地推定相位延遲量d_p。

差分角相位計(jì)算部22像這樣構(gòu)成，在差分角波形的高頻成分少的情況下，也能夠得到與實(shí)施例1同樣的作用、效果。

實(shí)施例6

圖14表示實(shí)施例6的差分角相位計(jì)算部22的構(gòu)成。在本實(shí)施例中，沒有設(shè)置圖4中的第一低通濾波器31。由此，相位延遲量推定部38基于從第二低通濾波器36通過(guò)的差分角相位Φ_f所具有的相位特性以及由步行頻率推定部37算出的步行頻率freq，如下述數(shù)式(17)所示地推定相位延遲量d_p。

差分角相位計(jì)算部22像這樣構(gòu)成，在差分角波形的高頻成分少的情況下，也能夠得到與實(shí)施例1同樣的作用、效果。

實(shí)施例7

圖15表示實(shí)施例7的差分角相位計(jì)算部22的構(gòu)成。

在本實(shí)施例中，沒有設(shè)置圖4中的差分角速度計(jì)算部32及差分角速度規(guī)范化部33，取代反正切運(yùn)算部35而設(shè)置有差分角-相位映射圖部91。差分角-相位映射圖部91具有映射圖，該映射圖預(yù)先定義了與基于計(jì)測(cè)數(shù)據(jù)所規(guī)范化的差分角θ_n相對(duì)應(yīng)的差分角相位Φ_r，通過(guò)基于所規(guī)范化的差分角θ_n并參照映射圖而決定差分角相位Φ_r。

差分角相位計(jì)算部22像這樣構(gòu)成，也能夠得到與實(shí)施例1同樣的作用、效果。

實(shí)施例8

圖16及圖17表示實(shí)施例1的步行輔助裝置1中的圖3所示的輔助力計(jì)算部23(振子相位運(yùn)算部24及輔助力決定部25)的變形例。

如圖16所示，本實(shí)施例的振子相位運(yùn)算部24具有與圖7所示同樣的振子固有角振動(dòng)頻率計(jì)算部41，同時(shí)，取代圖7中的相位振子積分運(yùn)算部42，設(shè)有基準(zhǔn)相位振子積分運(yùn)算部101以及左右的相位振子積分運(yùn)算部102L、102R。

基準(zhǔn)相位振子積分運(yùn)算部101把由相位延遲補(bǔ)償部39(圖4)修正后的差分角相位Φ作為輸入，基于由振子固有角振動(dòng)頻率計(jì)算部41所運(yùn)算的振子固有角振動(dòng)頻率ω_o，來(lái)運(yùn)算與差分角相位Φ同步振動(dòng)的基準(zhǔn)振子的振子相位Φ_b，并將所運(yùn)算的差分角的基準(zhǔn)振子相位Φ_b輸出。具體而言，基準(zhǔn)相位振子積分運(yùn)算部101通過(guò)執(zhí)行求解下述數(shù)式(18)所示的微分方程式的積分運(yùn)算，來(lái)計(jì)算同步振動(dòng)的基準(zhǔn)振子相位Φ_b。

dΦ_b/dt＝ω_o+f(Φ-Φ_b+α_b)……(18)

其中，f(x)表示函數(shù)，α_b是調(diào)整基準(zhǔn)振子相位Φ_b的設(shè)定相位差。優(yōu)選f(x)使用x在0附近(例如從-π/4到π/4的范圍)時(shí)單調(diào)遞增形式的函數(shù)。例如，作為f(x)，可以用下述數(shù)式(19)。

f(x)＝K_bsin(x)……(19)

其中，K_b：常數(shù)。

左右的相位振子積分運(yùn)算部102L、102R把由基準(zhǔn)相位振子積分運(yùn)算部101所運(yùn)算的基準(zhǔn)振子相位Φ_b作為輸入，基于由振子固有角振動(dòng)頻率計(jì)算部41所運(yùn)算的振子固有角振動(dòng)頻率ω_o，來(lái)運(yùn)算與基準(zhǔn)振子相位Φ_b同步振動(dòng)的左右的振子各自的振子相位Φ_cL、Φ_cR，將所運(yùn)算的左右的振子相位Φ_cL、Φ_cR輸出。由于左右的處理是同樣的，所以以左相位振子積分運(yùn)算部102L的處理為例進(jìn)行具體說(shuō)明。左相位振子積分運(yùn)算部102L通過(guò)執(zhí)行求解下述數(shù)式(20)所示的微分方程式的積分運(yùn)算，來(lái)計(jì)算與基準(zhǔn)振子相位Φ_b同步振動(dòng)的左振子相位Φ_cL。

dΦ_cL/dt＝ω_o+f(Φ_b-Φ_cL+α_L)……(20)

其中，f(x)表示函數(shù)，α_L是調(diào)整左腿的振子相位Φ_cL的設(shè)定相位差。優(yōu)選f(x)使用x在0附近(例如從-π/4到π/4的范圍)時(shí)單調(diào)遞增形式的函數(shù)，例如，用下述數(shù)式(21)。

f(x)＝K_Lsin(x)……(21)

其中，K_L：常數(shù)。

此外，也可以只使用數(shù)式(20)中的設(shè)定相位差α_L以及數(shù)式(18)中的設(shè)定相位差α_b中的任意一個(gè)。

如圖17所示，本實(shí)施例的輔助力決定部25具有左右的輔助相位運(yùn)算部111L、111R和左右的輔助力運(yùn)算部112L、112R。左右的輔助相位運(yùn)算部111L、111R調(diào)整由對(duì)應(yīng)的相位振子積分運(yùn)算部102L、102R(圖16)所運(yùn)算的左右的振子相位Φ_cL、Φ_cR，以使其分別成為在應(yīng)該輔助的相位(定時(shí))發(fā)揮輔助力τ的左右的輔助力相位Φ_asL、Φ_asR。具體而言，左輔助相位運(yùn)算部111L通過(guò)執(zhí)行下述數(shù)式(22)的運(yùn)算而計(jì)算左輔助力相位Φ_asL，右輔助相位運(yùn)算部111R通過(guò)執(zhí)行下述數(shù)式(23)運(yùn)算而計(jì)算右輔助力相位Φ_asR。

Φ_asL＝Φ_L-β_L……(22)

Φ_asR＝Φ_R-β_R……(23)

其中，β_L：左輔助目標(biāo)相位差，β_R：右輔助目標(biāo)相位差。

另外，左右的輔助力運(yùn)算部112L、112R基于差分角θ的左右的輔助力相位Φ_asL、Φ_asR來(lái)運(yùn)算左右的輔助力τ_L、τ_R。具體而言，左輔助力運(yùn)算部112L通過(guò)執(zhí)行下述數(shù)式(24)的運(yùn)算而計(jì)算左輔助力τ_L，右輔助力運(yùn)算部112R通過(guò)執(zhí)行下述數(shù)式(25)的運(yùn)算而計(jì)算右輔助力τ_R。

τ_L＝G×sinΦ_asL……(24)

τ_L＝G×sinΦ_asR……(25)

或者，也可以與上述實(shí)施例1同樣，左右的輔助力運(yùn)算部112L、112R通過(guò)參照與相應(yīng)的輔助力相位Φ_asL、Φ_asR對(duì)應(yīng)地預(yù)先規(guī)定有輔助力τ_L、τ_R的映射圖(或者表格)，來(lái)求出左右的輔助力τ_L、τ_R。

即使輔助力計(jì)算部23這樣構(gòu)成，也能夠得到與實(shí)施例1同樣的作用、效果。另外，由于左右的輔助力τ_L、τ_R獨(dú)立地計(jì)算，所以能夠?qū)?yīng)于穿戴步行輔助裝置1的人P的左右的腿的狀態(tài)等，給左右的輔助力τ_L、τ_R設(shè)定恰當(dāng)?shù)牟钪?，?duì)人P的步行運(yùn)動(dòng)進(jìn)行更加順暢的輔助。

通過(guò)以上部分，完成了具體實(shí)施方式的說(shuō)明，但本發(fā)明并不限定于上述實(shí)施方式，而可以廣泛變形后進(jìn)行實(shí)施。例如，在上述實(shí)施方式中，為了使非周期性的步行變得更具有周期性，而使用相位振子來(lái)修正差分角相位Φ，但是也可以為，輔助力計(jì)算部23不具有振子相位運(yùn)算部24，輔助力決定部25基于由差分角相位計(jì)算部22計(jì)算的差分角相位Φ來(lái)決定輔助力τ。另外，上述實(shí)施方式中示出的算法、算式表示一例，但并不限定于這些算法、算式。除此之外，各部件、功能部的具體構(gòu)成、配置、數(shù)量、數(shù)值、運(yùn)算方法，順序等等，在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)可以進(jìn)行適宜的變更。另外，也可以將上述實(shí)施例進(jìn)行組合。而且，上述實(shí)施方式中示出的步行輔助裝置1的各構(gòu)成、要素均為非必要的，可以適當(dāng)進(jìn)行選擇。