装着型計測装置及び歩行補助装置
【課題】ユーザの第２脚にセンサ等を取り付けることなく、第１脚に取り付けた装具のセンサから、第１脚の足の位置に対する第２脚の足の相対位置を計測する装着型計測装置を提供する。
【解決手段】装着型計測装置１０は、第１脚に装着される脚装具１２と、脚装具の各ジョイントの角度を検出する角度センサ２１と、脚装具に固定されているカメラ４２と、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を算出するコントローラ３２を備える。カメラ４２は、第２脚を撮影できる配置で脚装具１２に取り付けられている。コントローラ３２は、角度センサが検出したジョイント角に基づいてカメラ位置に対する第１脚の足の相対位置を算出する第１演算、第２脚を撮影した画像に基づいてカメラ位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する第２演算、第１演算と第２演算の結果に基づいて第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する第３演算を実行する。
【解決手段】装着型計測装置１０は、第１脚に装着される脚装具１２と、脚装具の各ジョイントの角度を検出する角度センサ２１と、脚装具に固定されているカメラ４２と、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を算出するコントローラ３２を備える。カメラ４２は、第２脚を撮影できる配置で脚装具１２に取り付けられている。コントローラ３２は、角度センサが検出したジョイント角に基づいてカメラ位置に対する第１脚の足の相対位置を算出する第１演算、第２脚を撮影した画像に基づいてカメラ位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する第２演算、第１演算と第２演算の結果に基づいて第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する第３演算を実行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの一方の脚に装着し、一方の足位置に対する他方の足の相対位置を計測する装着型計測装置と、その計測技術を応用した歩行補助装置に関する。その歩行補助装置は、ユーザの一方の脚に装着するアクチュエータ付きの装具によってユーザの脚関節にトルクを与えて歩行動作を補助する。なお、本明細書では、ユーザの夫々の脚を区別するために、一方の脚を第１脚と称し、他方の脚を第２脚と称する場合がある。また、本明細書では、「足」とは足首関節から先の部分を意味し、大腿部と下腿部を含む「脚」とは区別して用いる。
【背景技術】
【０００２】
ユーザの脚や腕に沿って装着し、ユーザの筋力を増強するいわゆるパワードスーツが開発されている。パワードスーツの応用として、ユーザの脚に装着して歩行動作を補助する歩行補助装置がある。歩行補助装置の一形態では、アクチュエータ付き多リンク機構を有する脚装具をユーザの大腿部から下腿部にかけて装着し、アクチュエータが脚にトルクを加えることによって歩行動作を補助する。例えば特許文献１に、ユーザの夫々の脚にアクチュエータ付き脚装具を装着し、両脚の歩行動作を補助する歩行補助装置が開示されている。また、特許文献２に、ユーザの一方の脚にのみアクチュエータ付き脚装具を装着してその一方の脚の動作を補助する歩行補助装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１３５５４３号公報
【特許文献２】特開２００６−３１４６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
歩行動作は両脚の協調した動作であるため、一方の脚の動きに応じて他方の脚の動作を補助する必要がある。従って、第１脚の動作を補助する際に第２脚の物理的状態を検出して参照できることが望ましい。特許文献１の歩行補助装置はユーザの両脚に装具を取り付けるため、夫々の装具に脚の物理的状態を検知するセンサを取り付ければよい。特許文献２の歩行補助装置では、第１脚にアクチュエータ付き脚装具を装着するとともに、第２脚に脚動作検出用の装具を装着することを要する。本明細書において「脚の物理的状態」とは、脚の関節角度、或いは足の位置を意味する。
【０００５】
片脚のみ不自由なユーザのための歩行補助装置は、不自由な脚にのみアクチュエータ付き装具を装着すればよい。特許文献２の歩行補助装置のごとく、他方の脚に脚動作検出用の装具を取り付けるのはユーザによってわずらわしい。第２脚にセンサ等を取り付けることなく、第１脚に取り付けた装具のセンサから他方の脚の状態を計測することがきる技術が望まれている。
【０００６】
本発明は上記の課題に鑑みて創作された。本発明の一つは、ユーザの第２脚にセンサ等を取り付けることなく、第１脚に取り付けた装具のセンサから、第１脚の足の位置に対する第２脚の足の相対位置を計測する装着型計測装置を提供する。
【０００７】
後述するように、本発明は、第１脚に装着する脚装具に固定されたカメラをセンサとして用いて第２脚の足の位置を計測する。計測にカメラを用いる場合、カメラの固定位置のずれが計測誤差を生じる。大きな誤差を含む計測値に基づいて脚装具を制御することは好ましくない。特に、脚装具はボルト等を使って脚に取り付けることができないため、使用しているうちに脚に対する取り付け位置がずれてしまう虞がある。本発明の他の一つは、アクチュエータ付き脚装具の取り付け位置がずれたときにアクチュエータを停止する歩行補助装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一つは、ユーザの第１脚に装着され、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を計測する装着型計測装置に具現化することができる。その装置は、第１脚に装着される多リンク機構の脚装具と、脚装具の各ジョイントの角度を検出する角度センサと、脚装具に固定されているカメラと、角度センサの出力とカメラ画像に基づいて第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を算出するコントローラを備える。脚装具は先端リンクが第１脚の足に固定されるとともに他のリンク群が第１脚に沿って装着される。また、脚装具は、回転ジョイントによって連結された各リンクが第１脚の動きに合わせて揺動する。カメラは、第２脚を撮影できる配置で脚装具に取り付けられている。より詳しくは、カメラは、他のリンク群のうちの一つに固定されている。コントローラは、以下の第１演算、第２演算、及び、第３演算を実行する。第１演算では、角度センサが検出したジョイント角に基づいて、カメラ位置に対する第１脚の足の相対位置を算出する。第２演算では、第２脚を撮影した画像に基づいて、カメラ位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する。第３演算では、第１演算と第２演算の結果に基づいて、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する。
【０００９】
この装着型計測装置は、第１脚に装着する脚装具に第２脚を撮影するカメラを固定し、カメラの画像に基づいて画像処理によってカメラ位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する。本発明の装着型計測装置は、カメラを用いることで、第２脚にセンサ等を取り付けることなく、第２脚の足位置を計測することが可能となる。また、カメラの画像から得られる足位置はカメラ位置に対する相対位置であるが、本発明の計測装置は、ユーザの第１脚に装着する脚装具の各ジョイント角からカメラ位置に対する第１脚の足の相対位置を算出し、カメラ位置に対する第１脚の足の相対位置及び第２脚の足の相対位置を使って、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する。
【００１０】
画像から足位置を算出しやすいように、第２脚に既知のマーカを取り付けることも好適である。対象物に既知のマーカを取り付けることで画像から対象物の位置を算出する手法は、画像処理の技術分野ではよく用いられる技術である。また、「足の位置」とは、足に固定の座標系における固定点でよい。そのような固定点は、脚装具の設計時点で定められる。例えば、固定点は、足のつま先に定められてよいし、足の踵に定められてもよい。また、「カメラ位置に対する足の相対位置」とは、「カメラ固定の座標系における足の座標」に相当する。
【００１１】
脚装具をユーザの第１脚に装着する場合、ベルトなどが用いられる。そのため、使用中に第１脚と脚装具の相対位置がずれる虞がある。第１脚と脚装具の相対位置がずれると、角度センサが検出したジョイント角に基づいて算出される、カメラ位置に対する第１脚の足の相対位置が誤差を含む虞がある。足位置の計測値に生じ得る誤差を抑制するために、本発明の装着型計測装置は、次の技術的特徴を備えることが好ましい。即ち、前記したカメラが、第２脚とともに第１脚を撮影可能な配置で固定されている。他方、コントローラは、第１脚に対するカメラの相対的な初期固定位置を記憶している。コントローラは、以下に示す第４演算とずれ量演算と補正演算を実行する。第４演算では、カメラが撮影した第１脚の画像から第１脚に対するカメラの相対位置を算出する。ずれ量演算では、第４演算によって算出された相対位置と、記憶している初期固定位置との位置ずれ量を算出する。補正演算では、第３演算によって算出された第２脚の足の相対位置を位置ずれ量で補正する。上記の技術的特徴によって、脚装具と第１脚の相対位置ずれに起因する足位置の計測誤差を抑制することができる。
【００１２】
第２脚にセンサ等を取り付けることなく第２脚の物理的状態を計測する計測技術は、片脚のみを補助する歩行補助装置に好適である。即ち、第２脚にセンサ等を取り付けることなく、第１脚に装着したアクチュエータ付き装具のみで、第１脚の歩行動作を第２脚の動作に協調して補助することができるからである。ここで、上記した位置ずれ量は、脚装具の取り付けずれに起因する歩行動作補助の不具合防止に役立つ。本発明の他の一つは、上述した装着型計測装置を含む歩行補助装置に具現化することができる。その歩行補助装置は、上述した脚装具が、第１脚の関節にトルクを加えるアクチュエータを備えており、上述したコントローラが、ずれ量演算によって算出された位置ずれ量が閾値を超えたときにアクチュエータを停止することを特徴とする。そのようの技術的特徴を備える歩行補助装置は、アクチュエータ付き脚装具の取り付け位置がずれて計測誤差が大きくなることが予想される場合にアクチュエータを停止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ユーザの第２脚にセンサ等を取り付けることなく、第１脚に取り付けた脚装具のセンサから、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を計測する装着型計測装置を実現することができる。さらには、アクチュエータ付き脚装具の取り付け位置がずれたときにアクチュエータを停止する歩行補助装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】歩行補助装置の斜視図を示す。
【図２】ユーザが装着した状態の歩行補助装置の斜視図を示す。
【図３】足の相対位置の計測アルゴリズムを説明する図を示す。
【図４】計測処理のフローチャートを示す。
【実施例】
【００１５】
図面を参照して実施例の歩行補助装置１０を説明する。図１に、歩行補助装置１０の模式的斜視図を示す。図２に、ユーザが装着した状態における歩行補助装置１０の模式的斜視図を示す。歩行補助装置１０は、左脚を自由に動かすことができないユーザのための装置である。歩行補助装置１０は、ユーザの左脚に装着し、ユーザの左脚関節に適切なトルクを加えてユーザの歩行動作を補助する。なお、左脚が第１脚に相当し、右脚が第２脚に相当する。
【００１６】
歩行動作は両脚の協調した動きによって実現されるので、一方の脚に装着した脚装具を他方の脚の動作に基づいて制御する場合、他方の脚の動きを計測することが重要である。特に、他方の脚の関節角と足位置が重要である。他方の足の位置は、絶対座標系における位置である必要はなく、一方の脚の足位置に対する相対位置が計測できればよい。実施例の歩行補助装置１０は、一方の脚に装着した脚装具が備えるセンサによって、一方の脚の足位置に対する他方の脚の足の相対位置、及び、他方の脚の関節角を計測できることに特徴がある。歩行補助装置１０の機能のうち、足の相対位置を計測する処理を実行する部分が装着型計測装置の一例に相当する。以下では、まず歩行補助装置１０の構成と機能を説明した後に、他方の脚の足位置と関節角の計測技術について説明する。
【００１７】
歩行補助装置１０は、ユーザの左脚の大腿部から足に亘って装着される。即ち、歩行補助装置１０の機構自体が脚装具１２に相当する。従って図１、図２においては、符号１０と１２が同一の対象を指し示している。脚装具１２は、大腿リンク１４、下腿リンク１６、及び足底リンク１８を有する多リンク機構で構成される。大腿リンク１４の上端が股ジョイント２０ａを介して支持リンク３０に連結されている。下腿リンク１６は、膝の外側に位置する膝ジョイント２０ｂによって、大腿リンク１４に連結されている。足底リンク１８は、ユーザの踝の外側に位置する足首ジョイント２０ｃによって、下腿リンク１６に連結されている。なお、足底リンク１８は、脚装具１２の先端リンクに相当する。支持リンク３０はユーザの腰に固定される。大腿リンク１４はベルトでユーザの大腿部に固定される。下腿リンク１６はベルトでユーザの下腿部に固定される。足底リンク１８はベルトでユーザの足裏に固定される。なお足底リンク１８を固定するベルト以外のベルトは、図示が省略されている。
【００１８】
ユーザが脚装具１２を装着すると、大腿リンク１４がユーザの大腿部の外側に位置し、下腿リンク１６がユーザの下腿部の外側に位置し、足底リンク１８がユーザの足裏に位置する。このとき、股ジョイント２０ａ、膝ジョイント２０ｂ、及び、足首ジョイント２０ｃは夫々、ユーザの股関節、膝関節、及び、足首関節に夫々隣接して位置する。より具体的には、ユーザが脚装具１２を装着すると、股ジョイント２０ａ、膝ジョイント２０ｂ、及び、足首ジョイント２０ｃは夫々、ユーザの股関節のピッチ軸、膝関節のピッチ軸、及び、足首関節のピッチ軸と同軸に位置する。ジョイント２０ａ、２０ｂ、及び２０ｃは、連結している２本のリンクを相対的に回転させる回転ジョイントである。この脚装具１２は、ユーザの左脚の動きに合わせて各リンクが揺動する。
【００１９】
各ジョイント２０ａ、２０ｂ、及び２０ｃには、リンク間の角度を検出するためのエンコーダ２１と、リンクを回転させるモータ（アクチュエータ）を備えている。エンコーダ２１は、脚装具１２のジョイント角を検出する角度センサに相当する。なお、図ではモータの図示を省略している。股ジョイント２０ａのモータが、支持リンク３０に対して大腿リンク１４を回転させる。膝ジョイント２０ｂのモータが、大腿リンク１４に対して下腿リンク１６を回転させる。足首ジョイント２０ｃのモータが、下腿リンク１６に対して足底リンク１８を回転させる。なお、モータによって各リンクが揺動する脚装具１２は、アクチュエータ付き脚装具に相当する。
【００２０】
大腿リンク１４の上端から前方へ梁４０が伸びており、梁４０の先端にカメラ４２が固定されている。別言すれば、脚装具１２の大腿リンク１４にカメラ４２が固定されている。図２に示すように、ユーザの右脚の大腿部、下腿部、及び足にはそれぞれマーカＭ１、Ｍ２、及び、Ｍ３が取り付けられている。他方、ユーザの左脚の大腿部にはマーカＭ４が取り付けられている。マーカＭ１〜Ｍ４は、その形状が既知であり、画像処理によって脚の位置や姿勢を特定することを容易にするために取り付けられている。ここで、ユーザの左脚は脚装具１２が取り付けられている脚であり、右脚は脚装具１２が取り付けられていない脚であることに留意されたい。カメラ４２は超広角レンズを備えており、右脚と左脚に取り付けたマーカを撮影することができる。後述するように、歩行補助装置１０は、カメラ４２で撮影したマーカの画像に基づいて右脚の関節角と足の位置を計測する。
【００２１】
各ジョイントのモータは、支持リンク３０に取り付けられているコントローラ３２によって制御される。コントローラ３２は、脚装具１２のジョイント角と、カメラ４２で撮影した右脚のマーカの画像に基づいて、右脚の関節角と足位置を計測する。そしてコントローラ３２は、計測した右脚の関節角と足位置に基づいて、不自由な左脚が健常な右脚の動きに協調して動作するように脚装具を制御し、ユーザの歩行動作を補助する。即ち、歩行補助装置１０は、他方の脚にセンサ等を装着することなしに、他方の脚の動作に協調して一方の脚が動作するようにアクチュエータ付き脚装具を制御する。ここで、他方の脚の動作を表す代表的なパラメータが、他方の脚の関節角、及び、一方の脚の足位置に対する他方の脚の足の相対位置である。なお、アクチュエータ付き脚装具の具体的な制御については説明を省略する。一方の脚に装着するアクチュエータ付き脚装具を備えている歩行補助装置であって、他方の脚の動作に協調して一方の脚が動作するように脚装具を制御する歩行補助装置に関しては、例えば特願２００８−２３５４６３号や特願２００８−２７６３０９号に例示されているので参照されたい。なお、特願２００８−２３５４６３号と特願２００８−２７６３０９号は、本願出願時には未公開である。
【００２２】
図３及び図４を参照して、右脚の関節角と、左脚の足位置に対する右脚の足の相対位置を計測する方法について説明する。歩行補助装置１０のコントローラ３２が、脚装具１２に固定されたカメラ４２の画像と、エンコーダ２１が計測するジョイント角に基づいて関節角、及び、足の相対位置を計測する。
【００２３】
図３は、ユーザが装着した状態の歩行補助装置１０の模式的側面図を示している。なお、図３では、図面を理解し易くするため、図１に示す脚装具１２の幾何学的形状を簡略化して描いている。図４は、計測処理のフローチャートを示している。なお、図４は、計測処理だけでなく、歩行補助装置１０のモータの停止処理も含んでいる。停止処理については後述する。以下では、サジタル平面内での脚の動きに限定して説明する。「サジタル面」とは、ピッチ軸に直交する面を意味する。換言すれば、以下の説明は、脚の動きを脚関節のピッチ軸回りの回転に限定している。説明ではサジタル面に限定しているが、下記の説明は容易に３次元空間に拡張することが可能である。
【００２４】
図３と以下の説明で用いる新たな符号を説明する。符号Ａｈは、ユーザの左右の脚が形成する角度を表す。その角度を、股関節角Ａｈと称する。符号Ａｎは、ユーザの右膝関節の角度を表す。その角度を、右膝関節角Ａｎと称する。符号Ａａは、ユーザの右足首関節の角度を表す。その角度を右足首関節角Ａａと称する。符号Ｐｒは、ユーザの右足に固定されたポイントを表す。そのポイントを右足基準点Ｐｒと称する。符号Ｐｑは、ユーザの左足に固定されたポイントを表す。そのポイントを左足基準点Ｐｑと称する。右足基準点Ｐｒは、予め定められており、このポイントの位置で右足の位置が表される。左足基準点Ｐｑも同様である。
【００２５】
符号Ｖｃｒは、カメラ固定の座標系におけるカメラ原点から右足位置へのベクトルを表す。このベクトルを、カメラ／右足ベクトルＶｃｒと称する。別言すれば、カメラ／右足ベクトルＶｃｒは、カメラ位置に対する右足の相対位置を表す。符号Ｖｃｑは、カメラ固定の座標系におけるカメラ原点から左足位置へのベクトルを表す。このベクトルを、カメラ／左足ベクトルＶｃｑと称する。別言すれば、カメラ／左足ベクトルＶｃｑは、カメラ位置に対する左足の相対位置を表す。符号Ｖｑｒは、カメラ固定の座標系における左足位置から右足位置へのベクトルを表す。このベクトルを、左足／右足ベクトルＶｑｒと称する。別言すれば、左足／右足ベクトルＶｑｒは、左足位置に対する右足の相対位置を表す。左足／右足ベクトルＶｑｒが、最終的に計測したいベクトルである。
【００２６】
計測方法について説明する。なお、ユーザの身体におけるマーカＭ１〜Ｍ４の固定位置は、予めコントローラ３２に記憶されている。また、コントローラ３２は、左脚に対する脚装具の相対的な初期固定位置を記憶している。カメラ４２は脚装具１２に固定されているので別言すると、コントローラ３２は、脚装具１２を装着する左脚に対するカメラ４２の相対的な初期固定位置を記憶している。より厳密には、コントローラ３２は、左脚に取り付けたマーカＭ４に対するカメラ４２の相対的な初期固定位置を記憶している。
【００２７】
コントローラ３２は、エンコーダ２１から、脚装具１２の各ジョイントの角度を取得する（Ｓ２）。コントローラ３２は、取得したジョイント角度を用いて、カメラ／左足ベクトルＶｃｑを算出する（Ｓ４）。ここで、脚装具１２の足底リンク１８（先端リンク）が左足に固定されており、また、カメラ４２が固定された大腿リンク１４から足底リンク１８に至るまでのジョイント角度が取得されているので、コントローラ３２は、ロボット工学におけるいわゆる順運動学計算によって、ジョイント角からカメラ／左足ベクトルＶｃｑを算出することができる。この演算が第１演算に相当する。
【００２８】
また、コントローラ３２は、カメラ４２の画像を取得する（Ｓ６）。画像にはマーカＭ１〜Ｍ４が写っている。別言すれば、コントローラ３２は、右脚のマーカと左脚のマーカを撮影した画像を取得する。次いでコントローラ３２は、カメラ固定の座標系における夫々のマーカの位置を特定する（Ｓ８）。ここで、「マーカの位置」という表現は、マーカの傾きも含む。画像から既知形状のマーカの位置及び傾きを特定する手法は、画像処理の技術分野でよく知られているので詳しい説明は省略する。コントローラ３２は、右脚に取り付けられたマーカＭ１〜Ｍ３の位置から、股関節角Ａｈ、右膝関節角Ａｎ、及び、右足首関節角Ａａを算出する（Ｓ１０）。ここで、マーカＭ１は右脚の大腿部に取り付けられており、また、左脚に対するカメラ４２の位置が既知である。これらの関係から、コントローラ３２は、カメラ位置に対する右脚大腿部の相対位置と傾きを算出することができ、その相対位置と傾きから股関節角Ａｈを求めることができる。また、マーカＭ２は右脚の下腿部に取り付けられているので、画像から右脚の下腿部の位置と傾きが求められる。画像から右脚の大腿部と下腿部の位置と傾きが求まるので、コントローラ３２はそれらの値から右膝関節角Ａｎを算出することができる。同様に、マーカＭ３は右足に取り付けられていることから、コントローラ３２は右足首関節角Ａａを算出することができる。こうして、コントローラ３２は、右脚の関節角を算出する。右脚の幾何学的構造が既知であるのでコントローラ３２は、右脚の幾何学的構造と関節角に基づいて、順運動学計算によって、カメラ座標系における右足の位置、すなわち、カメラ／右足ベクトルＶｃｒを算出する（Ｓ１２）。ステップＳ８、Ｓ１０、及びＳ１２の処理によって、コントローラ３２は、右脚を撮影した画像からカメラ／右足ベクトルＶｃｒを算出する。この演算が第２演算に相当する。
【００２９】
コントローラ３２は、カメラ／左足ベクトルＶｃｑと、カメラ／右足ベクトルＶｃｒを用いて、左足／右足ベクトルＶｑｒ、即ち、左脚の足位置に対する右脚の足の相対位置を算出する（Ｓ１４）。この演算が第３演算に相当する。第３演算は、カメラ／左足ベクトルＶｃｑからカメラ／右足ベクトルＶｃｒを差し引くベクトル演算でよい。以上の通りコントローラ３２は、第１演算、第２演算、及び第３演算によって、左脚の足位置に対する右脚の足の相対位置を求める。
【００３０】
次にコントローラ３２は、左脚に取り付けられたマーカＭ４の画像から、左脚に対するカメラ４２の相対位置を算出する。この演算が第４演算に相当する。コントローラ３２は、第４演算によって算出された相対位置と、記憶している初期固定位置の差ΔＶを算出する（Ｓ１６）。ΔＶは、カメラ４２の初期固定位置からのずれ量を表す。ステップＳ１６の演算がずれ量演算に相当する。次いでコントローラ３２は、ずれ量ΔＶが予め定められている閾値を超えているか否かを判断する（Ｓ１８）。閾値は予めコントローラ３２に記憶されている。ずれ量ΔＶが閾値を超えていない場合は、コントローラ３２は、ずれ量ΔＶで左足／右足ベクトルＶｑｒを補正する（Ｓ１８：ＮＯ、Ｓ２０）。具体的にはコントローラ３２は、ステップＳ１４で算出されたベクトルＶｑｒにずれ量ベクトルΔＶをベクトル加算する。補正されたベクトルＶｑｒは、脚装具１２のずれ量ΔＶが相殺された正確な足位置を表す。コントローラ３２は、補正されたベクトルＶｑｒを使って、脚装具１２のモータを制御する。前述したように、ベクトルＶｑｒを用いた脚装具１２の制御については説明を省略する。
【００３１】
他方、ΔＶが閾値を超えている場合は、コントローラ３２はモータの制御を停止する（Ｓ１８：ＹＥＳ、Ｓ２２）。ΔＶが閾値を超えている場合とは、左脚に対するカメラ４２の固定位置が、初期固定位置から大きくずれている場合であり、即ち、左脚に対する脚装具１２の位置が初期固定位置から大きくずれている場合を意味する。左脚と脚装具１２が大きくずれている場合には、脚装具１２の駆動によって左脚を適切に補助できない虞があるため、モータを停止して不適切な補助が行われることを回避する。別言すれば、歩行補助装置１０は、アクチュエータ付き脚装具１２の取り付け位置が予め定められた閾値以上ずれたときにアクチュエータを停止する。
【００３２】
図３を用いた説明では、脚の動きをサジタル面内の動きに限定したが、上記の説明は容易に３次元に拡張できる。夫々のマーカが６個の既知の特徴点を有しており、画像処理によって６個の特徴点の位置を特定することによって、マーカの３次元位置と姿勢を特定することができることは良く知られている。ここで、「姿勢」とは、直交３軸各軸回りの回転角、いわゆるロール、ピッチ、ヨーを意味する。あるいは、夫々のマーカが３個の特徴点を有していても、脚装具に２台のカメラを備えることにより、マーカの３次元位置と姿勢を求めることができる。その場合は、脚装具１２に固定された２台のカメラで立体視の原理で各マーカの各特徴点の３次元位置を求め、３個の特徴点の３次元位置からマーカの姿勢を特定すればよい。
【００３３】
実施例では、ユーザの一方の脚に取り付けられ、その一方の脚の動作を補助する歩行補助装置１０を説明した。図４のフローチャートにおいてモータの制御処理であるステップＳ２２を除く他の処理を実行する歩行補助装置１０が、装着型計測装置の一例に相当する。
【００３４】
歩行補助装置１０（装着型計測装置）の技術的特徴の一つは次の通り表現することができる。歩行補助装置１０は、第１脚と第２脚に取り付けるための既知形状のマーカＭ１、Ｍ２、Ｍ３、及びＭ４を含む。マーカＭ１、Ｍ２、Ｍ３は第２脚に取り付けられ、マーカＭ４は第１脚に取り付けられる。コントローラ３２は、第１脚のマーカＭ４に対するカメラ４２の相対的な初期固定位置を記憶している。カメラ４２は、第２脚のマーカＭ１〜Ｍ３とともに第１脚のマーカＭ４を撮影可能な配置で固定されている。コントローラ３２は、次の第４演算、ずれ量演算、及び補正演算を実行する。第４演算は、カメラ４２が撮影した画像から第１脚のマーカＭ４に対するカメラ４２の相対位置を算出する。ずれ量演算は、第４演算によって算出された相対位置と、記憶している初期固定位置との位置ずれ量ΔＶを算出する。補正演算は、第３演算によって算出された第２脚の足の相対位置を位置ずれ量ΔＶで補正する。
【００３５】
実施例の留意点について説明する。脚の幾何学的構造が既知である場合は、脚の関節角度と、股関節の位置に対する足の相対位置との間には一意の関係があり、脚の関節角度が検知できれば順運動学計算によって足の相対位置を求めることができる。上記の実施例では、マーカの画像から右脚の関節角を求め、関節角から順運動学計算によって足の相対位置を求めた。逆に、足の相対位置が検知できればいわゆる逆運動学計算によって脚の関節角を求めることができる。実施例の変形例として、右足に付したマーカＭ３の画像に基づいてまずカメラ位置に対する右足の相対位置Ｖｃｒを求め、右足の相対位置Ｖｃｒから逆運動学計算によって右脚の関節角を求めてもよい。
【００３６】
また、実施例の歩行補助装置１０は、脚の位置や姿勢を求める画像処理を容易にするためにマーカを採用している。マーカを用いることなく、画像中の脚の形状から画像処理によって脚の関節角や足位置を求めてもよい。マーカを用いる場合よりも画像処理が複雑になる反面、マーカを不要とすることができる。
【００３７】
実施例では最終的にカメラ座標系における左足位置に対する右足の相対位置Ｖｑｒを求めた。脚装具の幾何学的形状が既知であり、ジョイント角が検出できるので、ベクトルＶｑｒをカメラ座標系から脚装具のいずれかのリンクに固定された座標系に変換することは容易である。コントローラは、カメラ座標系で表現されたベクトルＶｑｒを脚装具のいずれかのリンクに固定の座標系表現に変換した後に脚装具１２の制御に用いることができる。
【００３８】
実施例の装置の好適な変形例を説明する。マーカとして、既知図形が描かれたズボンを採用してもよい。既知図形がマーカの機能を果す。この場合、ズボンの全体に既知図形が描かれているとよい。ズボンの全体に既知図形が描かれていると、マーカがカメラの死角に隠れてしまうことを防止できる。
【００３９】
蛍光塗料が塗布されているマーカを採用することも好適である。暗い環境でもマーカを識別する画像処理が容易となるからである。
【００４０】
右脚のマーカを撮影するカメラとは別に、脚装具が装着されている左脚のマーカを撮影するための２台目のカメラを備えてもよい。
【００４１】
カメラは、ＣＣＤ素子或いはＣＭＯＳ素子を用いたものでよい。さらにカメラは、赤外領域まで撮影可能なカメラであるとよい。暗い環境でもマーカを識別する画像処理が容易となるからである。
【００４２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４３】
１０：歩行補助装置
１２：脚装具
１４：大腿リンク
１６：下腿リンク
１８：足底リンク
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ：ジョイント
２１：エンコーダ（角度センサ）
３０：支持リンク
３２：コントローラ
４０：梁
４２：カメラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザの一方の脚に装着し、一方の足位置に対する他方の足の相対位置を計測する装着型計測装置と、その計測技術を応用した歩行補助装置に関する。その歩行補助装置は、ユーザの一方の脚に装着するアクチュエータ付きの装具によってユーザの脚関節にトルクを与えて歩行動作を補助する。なお、本明細書では、ユーザの夫々の脚を区別するために、一方の脚を第１脚と称し、他方の脚を第２脚と称する場合がある。また、本明細書では、「足」とは足首関節から先の部分を意味し、大腿部と下腿部を含む「脚」とは区別して用いる。
【背景技術】
【０００２】
ユーザの脚や腕に沿って装着し、ユーザの筋力を増強するいわゆるパワードスーツが開発されている。パワードスーツの応用として、ユーザの脚に装着して歩行動作を補助する歩行補助装置がある。歩行補助装置の一形態では、アクチュエータ付き多リンク機構を有する脚装具をユーザの大腿部から下腿部にかけて装着し、アクチュエータが脚にトルクを加えることによって歩行動作を補助する。例えば特許文献１に、ユーザの夫々の脚にアクチュエータ付き脚装具を装着し、両脚の歩行動作を補助する歩行補助装置が開示されている。また、特許文献２に、ユーザの一方の脚にのみアクチュエータ付き脚装具を装着してその一方の脚の動作を補助する歩行補助装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１３５５４３号公報
【特許文献２】特開２００６−３１４６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
歩行動作は両脚の協調した動作であるため、一方の脚の動きに応じて他方の脚の動作を補助する必要がある。従って、第１脚の動作を補助する際に第２脚の物理的状態を検出して参照できることが望ましい。特許文献１の歩行補助装置はユーザの両脚に装具を取り付けるため、夫々の装具に脚の物理的状態を検知するセンサを取り付ければよい。特許文献２の歩行補助装置では、第１脚にアクチュエータ付き脚装具を装着するとともに、第２脚に脚動作検出用の装具を装着することを要する。本明細書において「脚の物理的状態」とは、脚の関節角度、或いは足の位置を意味する。
【０００５】
片脚のみ不自由なユーザのための歩行補助装置は、不自由な脚にのみアクチュエータ付き装具を装着すればよい。特許文献２の歩行補助装置のごとく、他方の脚に脚動作検出用の装具を取り付けるのはユーザによってわずらわしい。第２脚にセンサ等を取り付けることなく、第１脚に取り付けた装具のセンサから他方の脚の状態を計測することがきる技術が望まれている。
【０００６】
本発明は上記の課題に鑑みて創作された。本発明の一つは、ユーザの第２脚にセンサ等を取り付けることなく、第１脚に取り付けた装具のセンサから、第１脚の足の位置に対する第２脚の足の相対位置を計測する装着型計測装置を提供する。
【０００７】
後述するように、本発明は、第１脚に装着する脚装具に固定されたカメラをセンサとして用いて第２脚の足の位置を計測する。計測にカメラを用いる場合、カメラの固定位置のずれが計測誤差を生じる。大きな誤差を含む計測値に基づいて脚装具を制御することは好ましくない。特に、脚装具はボルト等を使って脚に取り付けることができないため、使用しているうちに脚に対する取り付け位置がずれてしまう虞がある。本発明の他の一つは、アクチュエータ付き脚装具の取り付け位置がずれたときにアクチュエータを停止する歩行補助装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一つは、ユーザの第１脚に装着され、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を計測する装着型計測装置に具現化することができる。その装置は、第１脚に装着される多リンク機構の脚装具と、脚装具の各ジョイントの角度を検出する角度センサと、脚装具に固定されているカメラと、角度センサの出力とカメラ画像に基づいて第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を算出するコントローラを備える。脚装具は先端リンクが第１脚の足に固定されるとともに他のリンク群が第１脚に沿って装着される。また、脚装具は、回転ジョイントによって連結された各リンクが第１脚の動きに合わせて揺動する。カメラは、第２脚を撮影できる配置で脚装具に取り付けられている。より詳しくは、カメラは、他のリンク群のうちの一つに固定されている。コントローラは、以下の第１演算、第２演算、及び、第３演算を実行する。第１演算では、角度センサが検出したジョイント角に基づいて、カメラ位置に対する第１脚の足の相対位置を算出する。第２演算では、第２脚を撮影した画像に基づいて、カメラ位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する。第３演算では、第１演算と第２演算の結果に基づいて、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する。
【０００９】
この装着型計測装置は、第１脚に装着する脚装具に第２脚を撮影するカメラを固定し、カメラの画像に基づいて画像処理によってカメラ位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する。本発明の装着型計測装置は、カメラを用いることで、第２脚にセンサ等を取り付けることなく、第２脚の足位置を計測することが可能となる。また、カメラの画像から得られる足位置はカメラ位置に対する相対位置であるが、本発明の計測装置は、ユーザの第１脚に装着する脚装具の各ジョイント角からカメラ位置に対する第１脚の足の相対位置を算出し、カメラ位置に対する第１脚の足の相対位置及び第２脚の足の相対位置を使って、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する。
【００１０】
画像から足位置を算出しやすいように、第２脚に既知のマーカを取り付けることも好適である。対象物に既知のマーカを取り付けることで画像から対象物の位置を算出する手法は、画像処理の技術分野ではよく用いられる技術である。また、「足の位置」とは、足に固定の座標系における固定点でよい。そのような固定点は、脚装具の設計時点で定められる。例えば、固定点は、足のつま先に定められてよいし、足の踵に定められてもよい。また、「カメラ位置に対する足の相対位置」とは、「カメラ固定の座標系における足の座標」に相当する。
【００１１】
脚装具をユーザの第１脚に装着する場合、ベルトなどが用いられる。そのため、使用中に第１脚と脚装具の相対位置がずれる虞がある。第１脚と脚装具の相対位置がずれると、角度センサが検出したジョイント角に基づいて算出される、カメラ位置に対する第１脚の足の相対位置が誤差を含む虞がある。足位置の計測値に生じ得る誤差を抑制するために、本発明の装着型計測装置は、次の技術的特徴を備えることが好ましい。即ち、前記したカメラが、第２脚とともに第１脚を撮影可能な配置で固定されている。他方、コントローラは、第１脚に対するカメラの相対的な初期固定位置を記憶している。コントローラは、以下に示す第４演算とずれ量演算と補正演算を実行する。第４演算では、カメラが撮影した第１脚の画像から第１脚に対するカメラの相対位置を算出する。ずれ量演算では、第４演算によって算出された相対位置と、記憶している初期固定位置との位置ずれ量を算出する。補正演算では、第３演算によって算出された第２脚の足の相対位置を位置ずれ量で補正する。上記の技術的特徴によって、脚装具と第１脚の相対位置ずれに起因する足位置の計測誤差を抑制することができる。
【００１２】
第２脚にセンサ等を取り付けることなく第２脚の物理的状態を計測する計測技術は、片脚のみを補助する歩行補助装置に好適である。即ち、第２脚にセンサ等を取り付けることなく、第１脚に装着したアクチュエータ付き装具のみで、第１脚の歩行動作を第２脚の動作に協調して補助することができるからである。ここで、上記した位置ずれ量は、脚装具の取り付けずれに起因する歩行動作補助の不具合防止に役立つ。本発明の他の一つは、上述した装着型計測装置を含む歩行補助装置に具現化することができる。その歩行補助装置は、上述した脚装具が、第１脚の関節にトルクを加えるアクチュエータを備えており、上述したコントローラが、ずれ量演算によって算出された位置ずれ量が閾値を超えたときにアクチュエータを停止することを特徴とする。そのようの技術的特徴を備える歩行補助装置は、アクチュエータ付き脚装具の取り付け位置がずれて計測誤差が大きくなることが予想される場合にアクチュエータを停止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ユーザの第２脚にセンサ等を取り付けることなく、第１脚に取り付けた脚装具のセンサから、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を計測する装着型計測装置を実現することができる。さらには、アクチュエータ付き脚装具の取り付け位置がずれたときにアクチュエータを停止する歩行補助装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】歩行補助装置の斜視図を示す。
【図２】ユーザが装着した状態の歩行補助装置の斜視図を示す。
【図３】足の相対位置の計測アルゴリズムを説明する図を示す。
【図４】計測処理のフローチャートを示す。
【実施例】
【００１５】
図面を参照して実施例の歩行補助装置１０を説明する。図１に、歩行補助装置１０の模式的斜視図を示す。図２に、ユーザが装着した状態における歩行補助装置１０の模式的斜視図を示す。歩行補助装置１０は、左脚を自由に動かすことができないユーザのための装置である。歩行補助装置１０は、ユーザの左脚に装着し、ユーザの左脚関節に適切なトルクを加えてユーザの歩行動作を補助する。なお、左脚が第１脚に相当し、右脚が第２脚に相当する。
【００１６】
歩行動作は両脚の協調した動きによって実現されるので、一方の脚に装着した脚装具を他方の脚の動作に基づいて制御する場合、他方の脚の動きを計測することが重要である。特に、他方の脚の関節角と足位置が重要である。他方の足の位置は、絶対座標系における位置である必要はなく、一方の脚の足位置に対する相対位置が計測できればよい。実施例の歩行補助装置１０は、一方の脚に装着した脚装具が備えるセンサによって、一方の脚の足位置に対する他方の脚の足の相対位置、及び、他方の脚の関節角を計測できることに特徴がある。歩行補助装置１０の機能のうち、足の相対位置を計測する処理を実行する部分が装着型計測装置の一例に相当する。以下では、まず歩行補助装置１０の構成と機能を説明した後に、他方の脚の足位置と関節角の計測技術について説明する。
【００１７】
歩行補助装置１０は、ユーザの左脚の大腿部から足に亘って装着される。即ち、歩行補助装置１０の機構自体が脚装具１２に相当する。従って図１、図２においては、符号１０と１２が同一の対象を指し示している。脚装具１２は、大腿リンク１４、下腿リンク１６、及び足底リンク１８を有する多リンク機構で構成される。大腿リンク１４の上端が股ジョイント２０ａを介して支持リンク３０に連結されている。下腿リンク１６は、膝の外側に位置する膝ジョイント２０ｂによって、大腿リンク１４に連結されている。足底リンク１８は、ユーザの踝の外側に位置する足首ジョイント２０ｃによって、下腿リンク１６に連結されている。なお、足底リンク１８は、脚装具１２の先端リンクに相当する。支持リンク３０はユーザの腰に固定される。大腿リンク１４はベルトでユーザの大腿部に固定される。下腿リンク１６はベルトでユーザの下腿部に固定される。足底リンク１８はベルトでユーザの足裏に固定される。なお足底リンク１８を固定するベルト以外のベルトは、図示が省略されている。
【００１８】
ユーザが脚装具１２を装着すると、大腿リンク１４がユーザの大腿部の外側に位置し、下腿リンク１６がユーザの下腿部の外側に位置し、足底リンク１８がユーザの足裏に位置する。このとき、股ジョイント２０ａ、膝ジョイント２０ｂ、及び、足首ジョイント２０ｃは夫々、ユーザの股関節、膝関節、及び、足首関節に夫々隣接して位置する。より具体的には、ユーザが脚装具１２を装着すると、股ジョイント２０ａ、膝ジョイント２０ｂ、及び、足首ジョイント２０ｃは夫々、ユーザの股関節のピッチ軸、膝関節のピッチ軸、及び、足首関節のピッチ軸と同軸に位置する。ジョイント２０ａ、２０ｂ、及び２０ｃは、連結している２本のリンクを相対的に回転させる回転ジョイントである。この脚装具１２は、ユーザの左脚の動きに合わせて各リンクが揺動する。
【００１９】
各ジョイント２０ａ、２０ｂ、及び２０ｃには、リンク間の角度を検出するためのエンコーダ２１と、リンクを回転させるモータ（アクチュエータ）を備えている。エンコーダ２１は、脚装具１２のジョイント角を検出する角度センサに相当する。なお、図ではモータの図示を省略している。股ジョイント２０ａのモータが、支持リンク３０に対して大腿リンク１４を回転させる。膝ジョイント２０ｂのモータが、大腿リンク１４に対して下腿リンク１６を回転させる。足首ジョイント２０ｃのモータが、下腿リンク１６に対して足底リンク１８を回転させる。なお、モータによって各リンクが揺動する脚装具１２は、アクチュエータ付き脚装具に相当する。
【００２０】
大腿リンク１４の上端から前方へ梁４０が伸びており、梁４０の先端にカメラ４２が固定されている。別言すれば、脚装具１２の大腿リンク１４にカメラ４２が固定されている。図２に示すように、ユーザの右脚の大腿部、下腿部、及び足にはそれぞれマーカＭ１、Ｍ２、及び、Ｍ３が取り付けられている。他方、ユーザの左脚の大腿部にはマーカＭ４が取り付けられている。マーカＭ１〜Ｍ４は、その形状が既知であり、画像処理によって脚の位置や姿勢を特定することを容易にするために取り付けられている。ここで、ユーザの左脚は脚装具１２が取り付けられている脚であり、右脚は脚装具１２が取り付けられていない脚であることに留意されたい。カメラ４２は超広角レンズを備えており、右脚と左脚に取り付けたマーカを撮影することができる。後述するように、歩行補助装置１０は、カメラ４２で撮影したマーカの画像に基づいて右脚の関節角と足の位置を計測する。
【００２１】
各ジョイントのモータは、支持リンク３０に取り付けられているコントローラ３２によって制御される。コントローラ３２は、脚装具１２のジョイント角と、カメラ４２で撮影した右脚のマーカの画像に基づいて、右脚の関節角と足位置を計測する。そしてコントローラ３２は、計測した右脚の関節角と足位置に基づいて、不自由な左脚が健常な右脚の動きに協調して動作するように脚装具を制御し、ユーザの歩行動作を補助する。即ち、歩行補助装置１０は、他方の脚にセンサ等を装着することなしに、他方の脚の動作に協調して一方の脚が動作するようにアクチュエータ付き脚装具を制御する。ここで、他方の脚の動作を表す代表的なパラメータが、他方の脚の関節角、及び、一方の脚の足位置に対する他方の脚の足の相対位置である。なお、アクチュエータ付き脚装具の具体的な制御については説明を省略する。一方の脚に装着するアクチュエータ付き脚装具を備えている歩行補助装置であって、他方の脚の動作に協調して一方の脚が動作するように脚装具を制御する歩行補助装置に関しては、例えば特願２００８−２３５４６３号や特願２００８−２７６３０９号に例示されているので参照されたい。なお、特願２００８−２３５４６３号と特願２００８−２７６３０９号は、本願出願時には未公開である。
【００２２】
図３及び図４を参照して、右脚の関節角と、左脚の足位置に対する右脚の足の相対位置を計測する方法について説明する。歩行補助装置１０のコントローラ３２が、脚装具１２に固定されたカメラ４２の画像と、エンコーダ２１が計測するジョイント角に基づいて関節角、及び、足の相対位置を計測する。
【００２３】
図３は、ユーザが装着した状態の歩行補助装置１０の模式的側面図を示している。なお、図３では、図面を理解し易くするため、図１に示す脚装具１２の幾何学的形状を簡略化して描いている。図４は、計測処理のフローチャートを示している。なお、図４は、計測処理だけでなく、歩行補助装置１０のモータの停止処理も含んでいる。停止処理については後述する。以下では、サジタル平面内での脚の動きに限定して説明する。「サジタル面」とは、ピッチ軸に直交する面を意味する。換言すれば、以下の説明は、脚の動きを脚関節のピッチ軸回りの回転に限定している。説明ではサジタル面に限定しているが、下記の説明は容易に３次元空間に拡張することが可能である。
【００２４】
図３と以下の説明で用いる新たな符号を説明する。符号Ａｈは、ユーザの左右の脚が形成する角度を表す。その角度を、股関節角Ａｈと称する。符号Ａｎは、ユーザの右膝関節の角度を表す。その角度を、右膝関節角Ａｎと称する。符号Ａａは、ユーザの右足首関節の角度を表す。その角度を右足首関節角Ａａと称する。符号Ｐｒは、ユーザの右足に固定されたポイントを表す。そのポイントを右足基準点Ｐｒと称する。符号Ｐｑは、ユーザの左足に固定されたポイントを表す。そのポイントを左足基準点Ｐｑと称する。右足基準点Ｐｒは、予め定められており、このポイントの位置で右足の位置が表される。左足基準点Ｐｑも同様である。
【００２５】
符号Ｖｃｒは、カメラ固定の座標系におけるカメラ原点から右足位置へのベクトルを表す。このベクトルを、カメラ／右足ベクトルＶｃｒと称する。別言すれば、カメラ／右足ベクトルＶｃｒは、カメラ位置に対する右足の相対位置を表す。符号Ｖｃｑは、カメラ固定の座標系におけるカメラ原点から左足位置へのベクトルを表す。このベクトルを、カメラ／左足ベクトルＶｃｑと称する。別言すれば、カメラ／左足ベクトルＶｃｑは、カメラ位置に対する左足の相対位置を表す。符号Ｖｑｒは、カメラ固定の座標系における左足位置から右足位置へのベクトルを表す。このベクトルを、左足／右足ベクトルＶｑｒと称する。別言すれば、左足／右足ベクトルＶｑｒは、左足位置に対する右足の相対位置を表す。左足／右足ベクトルＶｑｒが、最終的に計測したいベクトルである。
【００２６】
計測方法について説明する。なお、ユーザの身体におけるマーカＭ１〜Ｍ４の固定位置は、予めコントローラ３２に記憶されている。また、コントローラ３２は、左脚に対する脚装具の相対的な初期固定位置を記憶している。カメラ４２は脚装具１２に固定されているので別言すると、コントローラ３２は、脚装具１２を装着する左脚に対するカメラ４２の相対的な初期固定位置を記憶している。より厳密には、コントローラ３２は、左脚に取り付けたマーカＭ４に対するカメラ４２の相対的な初期固定位置を記憶している。
【００２７】
コントローラ３２は、エンコーダ２１から、脚装具１２の各ジョイントの角度を取得する（Ｓ２）。コントローラ３２は、取得したジョイント角度を用いて、カメラ／左足ベクトルＶｃｑを算出する（Ｓ４）。ここで、脚装具１２の足底リンク１８（先端リンク）が左足に固定されており、また、カメラ４２が固定された大腿リンク１４から足底リンク１８に至るまでのジョイント角度が取得されているので、コントローラ３２は、ロボット工学におけるいわゆる順運動学計算によって、ジョイント角からカメラ／左足ベクトルＶｃｑを算出することができる。この演算が第１演算に相当する。
【００２８】
また、コントローラ３２は、カメラ４２の画像を取得する（Ｓ６）。画像にはマーカＭ１〜Ｍ４が写っている。別言すれば、コントローラ３２は、右脚のマーカと左脚のマーカを撮影した画像を取得する。次いでコントローラ３２は、カメラ固定の座標系における夫々のマーカの位置を特定する（Ｓ８）。ここで、「マーカの位置」という表現は、マーカの傾きも含む。画像から既知形状のマーカの位置及び傾きを特定する手法は、画像処理の技術分野でよく知られているので詳しい説明は省略する。コントローラ３２は、右脚に取り付けられたマーカＭ１〜Ｍ３の位置から、股関節角Ａｈ、右膝関節角Ａｎ、及び、右足首関節角Ａａを算出する（Ｓ１０）。ここで、マーカＭ１は右脚の大腿部に取り付けられており、また、左脚に対するカメラ４２の位置が既知である。これらの関係から、コントローラ３２は、カメラ位置に対する右脚大腿部の相対位置と傾きを算出することができ、その相対位置と傾きから股関節角Ａｈを求めることができる。また、マーカＭ２は右脚の下腿部に取り付けられているので、画像から右脚の下腿部の位置と傾きが求められる。画像から右脚の大腿部と下腿部の位置と傾きが求まるので、コントローラ３２はそれらの値から右膝関節角Ａｎを算出することができる。同様に、マーカＭ３は右足に取り付けられていることから、コントローラ３２は右足首関節角Ａａを算出することができる。こうして、コントローラ３２は、右脚の関節角を算出する。右脚の幾何学的構造が既知であるのでコントローラ３２は、右脚の幾何学的構造と関節角に基づいて、順運動学計算によって、カメラ座標系における右足の位置、すなわち、カメラ／右足ベクトルＶｃｒを算出する（Ｓ１２）。ステップＳ８、Ｓ１０、及びＳ１２の処理によって、コントローラ３２は、右脚を撮影した画像からカメラ／右足ベクトルＶｃｒを算出する。この演算が第２演算に相当する。
【００２９】
コントローラ３２は、カメラ／左足ベクトルＶｃｑと、カメラ／右足ベクトルＶｃｒを用いて、左足／右足ベクトルＶｑｒ、即ち、左脚の足位置に対する右脚の足の相対位置を算出する（Ｓ１４）。この演算が第３演算に相当する。第３演算は、カメラ／左足ベクトルＶｃｑからカメラ／右足ベクトルＶｃｒを差し引くベクトル演算でよい。以上の通りコントローラ３２は、第１演算、第２演算、及び第３演算によって、左脚の足位置に対する右脚の足の相対位置を求める。
【００３０】
次にコントローラ３２は、左脚に取り付けられたマーカＭ４の画像から、左脚に対するカメラ４２の相対位置を算出する。この演算が第４演算に相当する。コントローラ３２は、第４演算によって算出された相対位置と、記憶している初期固定位置の差ΔＶを算出する（Ｓ１６）。ΔＶは、カメラ４２の初期固定位置からのずれ量を表す。ステップＳ１６の演算がずれ量演算に相当する。次いでコントローラ３２は、ずれ量ΔＶが予め定められている閾値を超えているか否かを判断する（Ｓ１８）。閾値は予めコントローラ３２に記憶されている。ずれ量ΔＶが閾値を超えていない場合は、コントローラ３２は、ずれ量ΔＶで左足／右足ベクトルＶｑｒを補正する（Ｓ１８：ＮＯ、Ｓ２０）。具体的にはコントローラ３２は、ステップＳ１４で算出されたベクトルＶｑｒにずれ量ベクトルΔＶをベクトル加算する。補正されたベクトルＶｑｒは、脚装具１２のずれ量ΔＶが相殺された正確な足位置を表す。コントローラ３２は、補正されたベクトルＶｑｒを使って、脚装具１２のモータを制御する。前述したように、ベクトルＶｑｒを用いた脚装具１２の制御については説明を省略する。
【００３１】
他方、ΔＶが閾値を超えている場合は、コントローラ３２はモータの制御を停止する（Ｓ１８：ＹＥＳ、Ｓ２２）。ΔＶが閾値を超えている場合とは、左脚に対するカメラ４２の固定位置が、初期固定位置から大きくずれている場合であり、即ち、左脚に対する脚装具１２の位置が初期固定位置から大きくずれている場合を意味する。左脚と脚装具１２が大きくずれている場合には、脚装具１２の駆動によって左脚を適切に補助できない虞があるため、モータを停止して不適切な補助が行われることを回避する。別言すれば、歩行補助装置１０は、アクチュエータ付き脚装具１２の取り付け位置が予め定められた閾値以上ずれたときにアクチュエータを停止する。
【００３２】
図３を用いた説明では、脚の動きをサジタル面内の動きに限定したが、上記の説明は容易に３次元に拡張できる。夫々のマーカが６個の既知の特徴点を有しており、画像処理によって６個の特徴点の位置を特定することによって、マーカの３次元位置と姿勢を特定することができることは良く知られている。ここで、「姿勢」とは、直交３軸各軸回りの回転角、いわゆるロール、ピッチ、ヨーを意味する。あるいは、夫々のマーカが３個の特徴点を有していても、脚装具に２台のカメラを備えることにより、マーカの３次元位置と姿勢を求めることができる。その場合は、脚装具１２に固定された２台のカメラで立体視の原理で各マーカの各特徴点の３次元位置を求め、３個の特徴点の３次元位置からマーカの姿勢を特定すればよい。
【００３３】
実施例では、ユーザの一方の脚に取り付けられ、その一方の脚の動作を補助する歩行補助装置１０を説明した。図４のフローチャートにおいてモータの制御処理であるステップＳ２２を除く他の処理を実行する歩行補助装置１０が、装着型計測装置の一例に相当する。
【００３４】
歩行補助装置１０（装着型計測装置）の技術的特徴の一つは次の通り表現することができる。歩行補助装置１０は、第１脚と第２脚に取り付けるための既知形状のマーカＭ１、Ｍ２、Ｍ３、及びＭ４を含む。マーカＭ１、Ｍ２、Ｍ３は第２脚に取り付けられ、マーカＭ４は第１脚に取り付けられる。コントローラ３２は、第１脚のマーカＭ４に対するカメラ４２の相対的な初期固定位置を記憶している。カメラ４２は、第２脚のマーカＭ１〜Ｍ３とともに第１脚のマーカＭ４を撮影可能な配置で固定されている。コントローラ３２は、次の第４演算、ずれ量演算、及び補正演算を実行する。第４演算は、カメラ４２が撮影した画像から第１脚のマーカＭ４に対するカメラ４２の相対位置を算出する。ずれ量演算は、第４演算によって算出された相対位置と、記憶している初期固定位置との位置ずれ量ΔＶを算出する。補正演算は、第３演算によって算出された第２脚の足の相対位置を位置ずれ量ΔＶで補正する。
【００３５】
実施例の留意点について説明する。脚の幾何学的構造が既知である場合は、脚の関節角度と、股関節の位置に対する足の相対位置との間には一意の関係があり、脚の関節角度が検知できれば順運動学計算によって足の相対位置を求めることができる。上記の実施例では、マーカの画像から右脚の関節角を求め、関節角から順運動学計算によって足の相対位置を求めた。逆に、足の相対位置が検知できればいわゆる逆運動学計算によって脚の関節角を求めることができる。実施例の変形例として、右足に付したマーカＭ３の画像に基づいてまずカメラ位置に対する右足の相対位置Ｖｃｒを求め、右足の相対位置Ｖｃｒから逆運動学計算によって右脚の関節角を求めてもよい。
【００３６】
また、実施例の歩行補助装置１０は、脚の位置や姿勢を求める画像処理を容易にするためにマーカを採用している。マーカを用いることなく、画像中の脚の形状から画像処理によって脚の関節角や足位置を求めてもよい。マーカを用いる場合よりも画像処理が複雑になる反面、マーカを不要とすることができる。
【００３７】
実施例では最終的にカメラ座標系における左足位置に対する右足の相対位置Ｖｑｒを求めた。脚装具の幾何学的形状が既知であり、ジョイント角が検出できるので、ベクトルＶｑｒをカメラ座標系から脚装具のいずれかのリンクに固定された座標系に変換することは容易である。コントローラは、カメラ座標系で表現されたベクトルＶｑｒを脚装具のいずれかのリンクに固定の座標系表現に変換した後に脚装具１２の制御に用いることができる。
【００３８】
実施例の装置の好適な変形例を説明する。マーカとして、既知図形が描かれたズボンを採用してもよい。既知図形がマーカの機能を果す。この場合、ズボンの全体に既知図形が描かれているとよい。ズボンの全体に既知図形が描かれていると、マーカがカメラの死角に隠れてしまうことを防止できる。
【００３９】
蛍光塗料が塗布されているマーカを採用することも好適である。暗い環境でもマーカを識別する画像処理が容易となるからである。
【００４０】
右脚のマーカを撮影するカメラとは別に、脚装具が装着されている左脚のマーカを撮影するための２台目のカメラを備えてもよい。
【００４１】
カメラは、ＣＣＤ素子或いはＣＭＯＳ素子を用いたものでよい。さらにカメラは、赤外領域まで撮影可能なカメラであるとよい。暗い環境でもマーカを識別する画像処理が容易となるからである。
【００４２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４３】
１０：歩行補助装置
１２：脚装具
１４：大腿リンク
１６：下腿リンク
１８：足底リンク
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ：ジョイント
２１：エンコーダ（角度センサ）
３０：支持リンク
３２：コントローラ
４０：梁
４２：カメラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの第１脚に装着され、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を計測する装着型計測装置であり、
先端リンクが第１脚の足に固定されるとともに他のリンク群が第１脚に沿って装着され、回転ジョイントによって連結された各リンクが第１脚の動きに合わせて揺動する多リンク機構の脚装具と、
脚装具の各ジョイントの角度を検出する角度センサと、
他のリンク群のうちの一つに固定されており、第２脚を撮影するカメラと、
脚装具の各ジョイントの角度と第２脚を撮影した画像に基づいて、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を算出するコントローラと、を備えており、
コントローラが、
角度センサが検出したジョイント角に基づいて、カメラ位置に対する第１脚の足の相対位置を算出する第１演算と、
第２脚を撮影した画像に基づいて、カメラ位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する第２演算と、
第１演算と第２演算の結果に基づいて、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する第３演算と、
を実行することを特徴とする装着型計測装置。
【請求項２】
前記カメラが、第２脚とともに第１脚を撮影可能な配置で固定されており、
コントローラは、第１脚に対するカメラの相対的な初期固定位置を記憶しているとともに、カメラが撮影した第１脚の画像から第１脚に対するカメラの相対位置を算出する第４演算と、
第４演算によって算出された相対位置と記憶している初期固定位置との位置ずれ量を算出するずれ量演算と、
第３演算によって算出された第２脚の足の相対位置を位置ずれ量で補正する補正演算と、
を実行することを特徴とする請求項１に記載の装着型計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装着型計測装置を含む歩行補助装置であり、
脚装具が第１脚の関節にトルクを加えるアクチュエータを備えており、
コントローラは、ずれ量演算によって算出された位置ずれ量が閾値を超えたときにアクチュエータを停止することを特徴とする歩行補助装置。
【請求項１】
ユーザの第１脚に装着され、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を計測する装着型計測装置であり、
先端リンクが第１脚の足に固定されるとともに他のリンク群が第１脚に沿って装着され、回転ジョイントによって連結された各リンクが第１脚の動きに合わせて揺動する多リンク機構の脚装具と、
脚装具の各ジョイントの角度を検出する角度センサと、
他のリンク群のうちの一つに固定されており、第２脚を撮影するカメラと、
脚装具の各ジョイントの角度と第２脚を撮影した画像に基づいて、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を算出するコントローラと、を備えており、
コントローラが、
角度センサが検出したジョイント角に基づいて、カメラ位置に対する第１脚の足の相対位置を算出する第１演算と、
第２脚を撮影した画像に基づいて、カメラ位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する第２演算と、
第１演算と第２演算の結果に基づいて、第１脚の足位置に対する第２脚の足の相対位置を算出する第３演算と、
を実行することを特徴とする装着型計測装置。
【請求項２】
前記カメラが、第２脚とともに第１脚を撮影可能な配置で固定されており、
コントローラは、第１脚に対するカメラの相対的な初期固定位置を記憶しているとともに、カメラが撮影した第１脚の画像から第１脚に対するカメラの相対位置を算出する第４演算と、
第４演算によって算出された相対位置と記憶している初期固定位置との位置ずれ量を算出するずれ量演算と、
第３演算によって算出された第２脚の足の相対位置を位置ずれ量で補正する補正演算と、
を実行することを特徴とする請求項１に記載の装着型計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装着型計測装置を含む歩行補助装置であり、
脚装具が第１脚の関節にトルクを加えるアクチュエータを備えており、
コントローラは、ずれ量演算によって算出された位置ずれ量が閾値を超えたときにアクチュエータを停止することを特徴とする歩行補助装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２５９４６９（Ｐ２０１０−２５９４６９Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１０２６５（Ｐ２００９−１１０２６５）
【出願日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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