专利名称：行走辅助装置的制作方法
技术领域：
本申请主张基于2008年10月观日提出的日本专利申请第2008-276309号的优先权。该申请的全部内容参照引用在本说明书中。本发明涉及辅助使用者行走的行走辅助装置。本申请特别涉及辅助一条腿能够正常地运动而另一条腿不能正常地运动的使用者的行走的行走辅助装置。
背景技术：
研究过如下的行走辅助装置，所述行走辅助装置通过向腿的关节主动地施加扭矩来调整腿的角度，辅助使用者的行走。例如，在专利文献1中公开了如下的行走辅助装置， 所述行走辅助装置安装于一条腿不能自由地运动的使用者，基于健康腿的动作向非健康腿的关节施加扭矩。专利文献1 日本专利文献特开2006-314670号公报。
发明内容
专利文献1的行走辅助装置由于向非健康腿主动地施加扭矩，因此使用者有时会感到不安。这是由于，使用者不能预测行走辅助装置接下来将怎样使非健康腿运动。本发明提供一种行走辅助装置，可缓和装置向腿主动地施加扭矩时产生的使用者的不安。用于解决问题的手段如上所述，使用者感到不安的起因在于，不能准确地认识行走辅助装置接下来将怎样使腿运动。因此，本发明的行走辅助装置在装置向腿施加扭矩之前向使用者施加有助于使用者预测装置的运动的图像、声音或触觉刺激。以下，将“有助于预测装置的运动的画像、声音或触觉刺激”统称为“预告刺激”。基于本说明书所公开的技术的行走辅助装置包括安装在使用者的腿上的安装型设备、以及控制安装型设备的控制器。安装型设备向使用者的腿的关节施加扭矩以调整关节角。控制器控制安装型设备，使得使用者的关节角追随表示应调整关节的目标关节角随时间的变化的目标模式。控制器被构成为在安装型设备基于该目标模式而动作之前向使用者施加“预告刺激”。安装型设备例如包括双连杆机构，所述双连杆机构的固定在使用者的大腿上的上部连杆和固定在小腿上的下部连杆被位于膝部的外侧的旋转关节连结，该旋转关节通过执行器来驱动。具有上述机构的安装型设备辅助使用者的膝的运动。作为施加“预告刺激”的方法的方式之一是使使用者预先知道目标关节角大幅变化的定时。因此，在本说明书公开的技术的一方式中，行走辅助装置的控制器执行以下的处理。即，控制器指定目标模式中的目标关节角随时间的变化满足预先确定的条件的变化定时。然后，控制器在指定的变化定时之前向使用者通知该变化定时的到来。即，该行走辅助装置向使用者预告安装型设备的运动变化的定时。上述的行走辅助装置能够缓和由于不能认识到安装型设备接下来的运动而引起的使用者的不安。
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作为“预先确定的条件”最优选的是目标模式到达极小值和极大值中的至少一者的定时。换言之，上述的定时是目标关节角的轨迹在时间轴上变为极小值或极大值的定时。该定时相当于关节的旋转方向(目标关节角的旋转方向)反转的定时。控制器指定目标模式到达极小值和极大值中的至少一者的定时作为所述变化定时。通过使使用者预先知道上述的变化定时，使用者能够预先知道安装型设备向关节施加的扭矩的旋转方向反转的定时。接受到上述预告的使用者能够安心。在行走动作中，由于膝部的运动是重要的，因此优选安装型设备施加扭矩的对象的关节是膝关节。作为“预先确定的条件”的其他具体示例，可以是安装型设备的动作开始定时或停止定时。这些定时是在数学上满足目标模式随时间的变化不连续的条件的定时。控制器存储的目标模式可以是预先准备的，也可以是在使用者行走过程中实时地生成的。后者的情况适合于用于仅一条腿为非健康腿的使用者的行走辅助装置。在该情况下，行走辅助装置具有检测一条腿的运动的腿动作传感器即可。优选的是，安装型设备调整另一条腿的关节角，控制器根据一条腿的运动生成另一条腿的目标模式，并按照所生成的目标模式来控制安装型设备。作为施加“预告刺激”的方式的另外一种是向使用者预先施加有助于使用者认识目标模式的经时波形的整体的预告刺激。在本说明书公开的技术的另外的一个方式中，行走辅助装置的控制器被构成为执行接下来的处理即可。即，控制器生成通知模式，通知模式的波形对应于目标模式的随时间的变化。此外，控制器被构成为，在按照目标模式控制安装型设备之前向使用者施加基于通知模式的刺激。通知模式的波形与目标模式随时间的变化的波形相似即可。在该情况下，“预告刺激”具体来说可以是频率随时间的变化的模式与目标模式的波形相同的声音。或者，“预告刺激”可以是向使用者施加挥动数随时间的变化的模式与目标模式的波形相同的振动。在安装型设备的动作之前，向使用者施加与安装型设备的机械接头的目标模式的波形相似的波形的预告刺激，由此使用者能够认识到安装型设备的接下来的动作、即安装型设备实现的整个予定的关节角随时间的变化。上述的”预告刺激”并非仅施加行走的节奏，还使使用者预先知道安装型设备的动作。根据本说明书公开的技术，行走者能够预先认识到安装型设备的动作、特别是关节角大幅变化的定时。由此使用者能够缓和对行走辅助装置的不安感。
图IA是示出实施例的行走辅助装置的示意性的正面图，图IB是示出实施例的行走辅助装置的示意性的侧面图；图2是示出控制器的框图；图3是说明目标模式的图；图4是说明通知定时的图；图5是说明基于声音的通知模式的变形例的图；图6是示出通知模式的一个例子的图。标号说明
10行走辅助装置
12R、12L:安装型设备
14RU4L 上部连杆
16RU6L 下部连杆
20R、20L 编码器
22R、22L 倾斜角传感器
24R、24L 触地传感器
26马达
30控制器
32通知模块
40耳机
42臂动作传感器
具体实施例方式参照
实施例的行走辅助装置。在图1中示出用户安装着的行走辅助装置 10的示意图。图IA示意地示出正面图，图IB示意地示出侧面图。本实施例的行走辅助装置是用于不能自由地使左腿的膝关节运动的用户的装置。行走辅助装置10向用户的左膝关节施加适当的扭矩，辅助用户的行走动作。另外，需留意的是，本说明书公开的技术也能够应用于向膝部以外的腿关节施加扭矩的行走辅助装置。行走辅助装置10包括右腿设备12R和左腿设备12L。右腿设备12R和左腿设备 12L相当于安装型设备。右腿设备12R从用户的大腿沿小腿而被安装到右腿的外侧。右腿设备12R具有上部连杆14R和下部连杆16R。这两个连杆被连结为能够旋转。上部连杆14R 通过带固定到用户的大腿上。下部连杆16R通过带固定到用户的小腿上。上部连杆14R和下部连杆16R的机械接头位于用户的右膝部的外侧。机械接头使上部连杆14R和下部连杆 16R相对地旋转。机械接头被配置为其轴线与用户的膝关节的轴线大致同轴。在机械接头上配置有编码器20R。编码器20R检测用户的右膝关节的角度。在上部连杆14R上安装倾斜角传感器22R。倾斜角传感器22R检测用户的右股关节的绕俯仰轴的角度。在下部连杆16R的下端安装有触地传感器MR。触地传感器MR检测右腿的离地定时和触地定时。左腿设备12L从用户的大腿沿小腿而被安装到左腿的外侧。左腿设备12L具有与右腿设备12R基本相同的构造。即，左腿设备12L具有上部连杆14L和下部连杆16L。这两个连杆在左膝外侧的位置处被连结为能够旋转。左腿设备12L包括编码器20L、倾斜角传感器22L以及触地传感器ML。编码器20L检测用户的左膝关节的角度，倾斜角传感器22L检测用户的左股关节的角度。膝关节角度和股关节角度表示绕俯仰轴的旋转角。俯仰轴相当于向用户的体侧方向延伸的轴。触地传感器24L检测用户的左腿的离地定时和触地定时。左腿设备12L还包括马达沈和控制器30。马达沈被配置在连结上部连杆14L和下部连杆16L的机械接头上，位于用户的左膝关节的外侧。马达沈能够使下部连杆16L相对于上部连杆14L旋转。即，马达沈能够向用户的左膝关节施加扭矩。控制器30基于各传感器的输出控制马达26。换言之，左腿设备12L通过马达沈向用户的左膝关节施加扭矩以调整其角度。如上所述，行走辅助装置10从用户的大腿沿小腿而被安装。行走辅助装置10包括向用户的左膝关节施加扭矩以调整其角度的马达26、和检测用户的两腿的运动的传感器 20R、22R、MR、20L、22L以及ML。以下，有时会将安装在右腿上的传感器20R、22R以及24R 统称为“腿动作传感器”。行走辅助装置10还包括耳机40和臂动作传感器42。臂动作传感器42是加速度传感器。臂动作传感器42安装在用户的左臂，检测左臂挥动过的次数或挥动的速度。臂动作传感器42的输出送至控制器30。耳机40将从控制器30发送的电信号转换为声音，将从控制器30发送的信号传给用户。简要说明控制器30的功能。图2示出控制器30内部的框图。控制器30包括目标模式生成模块34、通知模块32以及马达驱动器36。模块32、34及36作为硬件是控制器 30的CPU，CPU执行的命令记录在控制器30所存储的程序中。目标模式生成模块34基于腿动作传感器(安装在右腿上的传感器组)的信号，取得一步的动作期间中的右腿的膝关节角随时间的变化。“一步的动作期间”相当于从右腿的离地定时到下一次的离地定时为止的期间。另外，控制器30基于安装在右腿上的触地传感器MR的信号判别离地定时。参照图3说明膝关节角的变化模式。图3示出半周期(从右腿离地至左腿离地为止)的行走动作。另外，在图3中，以标号Td表示1周期的时间。实线表示右腿，虚线表示左腿。图3的标号(a)示出右腿的离地定时下的腿的配置。图3的标号(b)示出离地了的右腿的膝关节弯曲最大的定时下的腿的配置。图3的标号(c)示出右腿着地的定时下的腿的配置。图3的标号(d)示出左腿离地的定时下的腿的配置。图3表示从(a)向(d)时间的经过。另外，图3中的标号102、104、106分别表示右腿的股关节、膝关节以及踝关节。在图3的下侧所绘制的曲线示出右膝的关节角θ随时间的变化。在图3中，标号Τ1、Τ2、Τ3 以及Τ4分别表示右腿离地的定时、右膝关节弯曲最大的定时、右腿着地的定时以及左腿离地的定时。如图3的曲线所示，右膝的关节角随时间的变化模式在定时Τ2和Τ3处取得极值。定时Τ2对应于极大值，定时Τ3对应于极小值。一个行走周期的后半个周期也能够同样地取得极值因而省略说明。目标模式生成模块34存储所得到的右膝关节角随时间的变化模式来作为左膝关节的目标模式。但是，控制器30按照目标模式驱动左腿设备12L的定时与左腿离地的定时同步。即，从定时Tl (相当于右腿离地定时)到Τ4(相当于左腿离地定时)之间的右膝关节角随时间的变化模式被用作从左腿离地定时(即定时Τ4)开始的左腿辅助的目标模式。 即，控制器30控制马达沈来调整左膝关节角以使其追随右膝关节随时间的变化模式。更具体地说，控制器30控制马达沈使得上部连杆14L和下部连杆16L的旋转角追随右膝关节随时间的变化模式。另外，需留意的是，上部连杆14L和下部连杆16L的旋转角表示用户的左膝关节角。返回图2继续说明。生成的目标模式送至马达驱动器36。向马达驱动器36输入被安装在左腿上的传感器的信号。马达驱动器36能够基于左腿的触地传感器24L的信号来指定左腿的离地定时Τ4。马达驱动器36从该定时Τ4起，开始基于目标模式的马达控制。目标模式还从目标模式生成模块送至通知模块32。在通知模块32中预先存储定时检测条件。该定时检测条件指定目标模式的波形到达极值(极大值或极小值)的定时以及目标模式的开始定时。在图3的例子中，指定定时Tl (开始定时)、定时T2 (变为极大值的定时)以及定时T3(取得极小值的定时)。另外，在通知模块32中，定时Τ2及Τ3指定作为从目标模式的开始定时Tl起的经过时间。这些定时是目标模式的波形大幅变化的定时， 相当于变化定时。进一步严格地说，这些变化定时相当于目标关节角的旋转方向(随时间变化的方向)反转的定时。通知模块32与马达驱动器36同步地动作。通知模块32在马达驱动器36按照目标模式控制马达沈的期间在指定的变化定时之前经由耳机40输出告知该定时的到来的声音。以下，参考图4说明通知模块32输出声音的定时(通知定时)。图4的标号(B)表示示意地示出2周期大小的目标模式的曲线(波形)。图4的标号(A)示出各变化定时下的左腿的姿势。图4的(A)中的标号102、104以及106分别表示股关节、膝关节以及踝关节。图4的标号(C)示出输出的声音的波形。另外，需留意的是， 图4示意地示出腿的动作，并未正确地表示实际的膝关节角随时间的变化。定时Tll示出第1周期的开始定时，也是膝关节角变为极小值θ 1的定时。定时 Τ12示出在第1周期中膝关节角变为极大值θ 2的定时。定时Τ13示出第2周期的开始定时，也是膝关节角变为极小值θ 1的定时。定时Τ14示出在第2周期中膝关节角变为极大值 θ 2的定时。定时Τ15示出第3周期的开始定时。通知模块从目标模式指定这些定时。如上所述，控制器30指定目标模式到达极小值和极大值中的至少一者的定时作为变化定时。 另一方面，马达驱动器36控制马达沈使得左膝的关节角追随目标模式。如图4的标号(C)的曲线所示，通知模块32以比指定的定时提前时间W的通知定时从耳机40输出声音。即，在紧跟通知模块32输出声音之后，指定的变化定时到来。换言之，通知模块32在以指定的变化定时控制马达之前向用户通知该变化定时的到来。在图4(C)中说明声音被输出的效果。行走辅助装置10比定时Tll提前时间W地输出声音。定时Tll相当于作为变化定时之一的动作开始定时。听到该声音的用户知道行走辅助装置10的马达沈即将开始驱动。行走辅助装置10在比定时Τ12提前时间W的通知定时输出声音。定时Τ12相当于作为变化定时之一的膝关节角变为极大的定时。听到该声音的用户知道马达26即将开始反转。如上所述，行走辅助装置10的用户在装置驱动之前能够知道驱动模式，特别是驱动模式大幅变化的定时。因此，用户能够通过行走辅助装置 10预先认识到自身的腿将会如何被运动，而减少感到不安的情况。通知指定的变化定时的到来的声音的模式不限于图4(C)的模式。图5表示声音的模式的变形例。图5的标号㈧及⑶与图4的是相同的。图5的标号(C)示出第1的变形例。图5的标号(D)示出第2的变形例。图5的(C)表示的声音脉冲串110随着指定的变化定时的临近而间隙变短。图5的(D)表示的声音脉冲112表示随着指定的变化定时的临近而音量变大。这些变形例也能够与上述的实施例一样地使用户知道指定的变化定时的到来。通知定时还能够如下述那样换一种说法。如图4和图5所示，行走辅助装置10在目标关节角单调增加或单调减少的期间输出告知下一极值(变化定时)的到来的声音。此外，优选的是，行走辅助装置10在指定的变化定时即将到来之前输出告知变化定时的到来
的声音。
接下来说明第2实施例。该实施例的行走辅助装置的构成与前面的实施例的构成相同。仅通知模块32的处理不同。因此，关于第2实施例的行走辅助装置的构成省略说明。本实施例的行走辅助装置不指定目标模式的应通知的定时。代之生成具有与目标模式的经时波形相似的经时波形的声音模式。将该声音模式称为“通知模式”。参照图6说明通知模式的示例。图6的标号㈧和⑶所示的图与图5的标号㈧⑶所示的图相同。图6的标号(C)示出通知模式的曲线114。曲线114也示出通知模式的波形。图6的标号(C)所示的曲线的纵轴示出声音的频率。即，图6的(C)的曲线为，曲线越向上移动则意味着越是高音调的声音。比较图6的(B)和(C)可知，通知模式的波形与目标模式的波形是相似的。 通知模块32在马达驱动器36按照目标模式驱动马达之前输出基于通知模式的声音。换言之，在基于通知模式的声音的输出结束后，行走辅助装置10开始行走辅助。当使用行走辅助装置10时，用户在辅助之前听到与目标模式的波形相似的波形的声音。用户根据声音的波形能够预先认识到目标模式，即自身的腿将会如何运动。关于图1所示的行走辅助装置10具有的臂动作传感器42的功能进行说明。臂动作传感器42作为HMI (Human Machine hterfece，人机接口)来发挥作用。例如，当臂动作传感器42检测到连续2次的臂的挥动时，行走辅助装置10开始工作。另外，当臂动作传感器42检测到再次连续2次的臂的挥动时，行走辅助装置10停止工作。即，臂动作传感器 42起到行走辅助装置10的电源开关的作用。另外，臂动作传感器42检测臂的挥动的速度。控制器30根据臂动作传感器42所检测的速度，修正目标模式的周期Td。例如，如果用户快速地挥动臂，则目标模式的周期Td 变小。如果用户缓慢地挥动臂，则目标模式的周期Td变大。这样的功能在逐渐提高(或降低)行走速度的情况下有效。在提高行走速度的情况下，与健康腿一步的速度相比，接下来继续的非健康腿的一步的速度稍微加快。在健康腿的一步的速度与非健康腿的一步的速度不同的情况下，臂动作传感器42的功能有効。另外，在通过臂动作传感器42修正目标模式的情况下，通知模块32基于修正后的目标模式指定通知定时或通知模式。列出上述的实施例的特征。(1)安装型设备包括双连杆机构，所述双连杆机构的固定在腿的一个关节的近位侧部位上的上部连杆和固定在该关节的远位侧部位的下部连杆通过位于与该关节的旋转轴同轴的位置上的旋转关节连结。实施例中的左膝关节是“一个关节”的一例，大腿是“近位侧部位”的一例，小腿是“远位侧部位”的一例。(2)目标模式的经时波形与健康腿(一条腿)的关节角的经时波形相同。(3)行走辅助装置生成表示从健康腿(一条腿)的离地到着地的关节角的经时波形的目标模式。具有执行器的安装型设备安装到非健康腿(另一条腿)上，按照目标模式辅助接在健康腿的一步之后的非健康腿的一步的动作。行走辅助装置根据一条腿的一步的动作生成目标模式，重复辅助另一条腿的循环。以上，详细地说明了本发明的具体例，但这些只不过是例示，并非限定权利要求书。在权利要求书所记载的技术中包含对以上例示的具体例进行各种变形、变更而得到的技术。例如，行走辅助装置可以存储预先确定的目标模式，来代替基于一条腿的动作生成目标模式。另外，行走辅助装置10可以辅助两腿各自的关节。例如、本说明书公开的技术也适于两腿不能自由地运动的用户的行走训练装置。行走训练装置通过安装在用户的各腿上的带马达安装型设备来以预先确定的行走模式(目标模式)调整用户的两腿的关节角。 应用了本技术的行走训练装置能够在执行器的驱动之前向用户通知两腿的动作模式(目标模式)。用户能够在执行器的驱动之前知道执行器的动作，因而能够安心地使用行走辅助装置。实施例的行走辅助装置通过声音向使用者施加了预告刺激。行走辅助装置也可以通过振动施加预告刺激来代替声音。或者，行走辅助装置可以包括头置式显示器，并在该显示器上显示图6的(C)所示的波形。如上所述，行走辅助装置可以通过声音刺激、视觉刺激或者触觉刺激中的任一者向使用者传达变化模式或通知模式。本说明书或附图所说明的技术要件单独或通过各种的组合来发挥技术上的有用性，其并非限定于申请时权利要求所述的组合。另外，本说明书或附图所例示的技术可同时实现多个目的，实现其中之一的目的本身使得其具有技术上的有用性。
权利要求
1.一种辅助使用者行走的行走辅助装置，其特征在于，包括 安装型设备，安装到所述使用者的腿上，并调整该腿的关节角；以及控制器，被构成为控制所述安装型设备，使得使用者的关节角追随表示目标关节角随时间的变化的目标模式，所述控制器被构成为指定所述目标模式中的所述目标关节角随时间的变化满足预先确定的条件的变化定时，并在指定的变化定时之前向所述使用者通知该变化定时的到来。
2.如权利要求1所述的行走辅助装置，其特征在于， 包括检测一条腿的运动的腿动作传感器，其中， 所述安装型设备调整另一条腿的关节角，所述控制器根据所述一条腿的运动生成所述另一条腿的所述目标模式，并基于所生成的目标模式对所述安装型设备进行控制。
3.如权利要求1所述的行走辅助装置，其特征在于，所述控制器指定所述目标模式到达极小值和极大值中的至少一者的定时作为所述变化定时。
4.如权利要求1所述的行走辅助装置，其特征在于， 还包括检测所述使用者的臂的运动的臂动作传感器，所述控制器基于所述臂动作传感器的检测结果来修正所述目标模式，并基于修正后的目标模式指定所述变化定时。
5.一种辅助使用者行走的行走辅助装置，其特征在于，包括 安装型设备，安装到使用者的腿上，并调整该腿的关节角；以及控制器，控制所述安装型设备，使得所述使用者的关节角追随表示目标关节角随时间的变化的目标模式，其中，所述控制器被构成为生成通知模式，该通知模式的波形对应于所述目标模式的随时间的变化，在按照所述目标模式控制所述安装型设备之前，向所述使用者施加基于该通知模式的刺激。
6.如权利要求5所述的行走辅助装置，其特征在于，所述通知模式的波形与所述目标模式的随时间的变化的波形相似。
全文摘要
提供当安装型设备向腿主动地施加扭矩时缓和使用者感到的不安的行走辅助装置。行走辅助装置包括安装到左右腿上的安装型设备、控制器以及耳机。安装型设备包括检测使用者的腿动作的传感器、以及向使用者的腿的关节施加扭矩的马达(26)。控制器控制安装型设备使得使用者的关节角追随表示目标关节角随时间的变化的目标模式。控制器指定目标模式中的目标关节角随时间的变化满足预先确定的条件的变化定时，并在指定的变化定时之前向使用者通知变化定时的到来。通过在执行器进行动作之前通知该动作，缓和了执行器主动地向腿关节施加扭矩时使用者感到的不安。
文档编号A61H3/00GK102176886SQ20098014042
公开日2011年9月7日 申请日期2009年10月22日 优先权日2008年10月28日
发明者小西健太, 林宏直 申请人:丰田自动车株式会社