步行辅助系统及其控制方法

技术领域

本公开涉及一种步行辅助系统及其控制方法。

背景技术

日本专利第5316708号公开了一种用于辅助步行运动的步行支持装置。该步行支持装置包括致动器和单向阻尼器。致动器向小腿连杆施加扭矩。单向阻尼器产生抵抗在膝盖弯曲方向上的旋转的阻力，并且不产生抵抗在膝盖伸展方向上的旋转的阻力。单向阻尼器被控制为以如下顺序重复以下模式：允许阻尼器自由旋转的自由模式；阻尼器施加阻力的阻尼器模式；以及禁止阻尼器旋转的锁定模式。

发明内容

由于上述步行辅助设备被固定到使用者的腿部，因此期望减小步行辅助设备的尺寸和重量。另外，期望的是，步行辅助设备进行控制，以便更加适当地辅助步行运动。

根据第一示例性方面的一种步行辅助系统是穿戴在使用者的腿部上的步行辅助系统，该步行辅助系统包括：阻尼器，该阻尼器被构造成在腿部的膝关节的弯曲方向上施加阻力；传感器，该传感器被构造成检测使用者的步态周期中的切换时刻；以及控制单元，该控制单元被构造成根据切换时刻而切换阻尼器的模式，使得第一模式和第二模式被交替地重复，在第二模式中的阻力比在第一模式中的阻力强。

在前述的步行辅助系统中，在整个步态周期中，阻尼器可以不被锁定。

在前述的步行辅助系统中，阻尼器可以是被构造成在膝关节的伸展方向上自由移动的单向阻尼器。

在前述的步行辅助系统中，传感器可以被构造成测量使用者的胫骨角度。

在前述的步行辅助系统中，传感器可以被构造成测量从传感器到地板表面的距离。

在前述的步行辅助系统中，阻尼器可以被构造成在第一模式中自由移动使得阻力变为0。

期望的是，前述步行辅助系统不包括用于产生被施加到膝关节的辅助力的致动器。

前述步行辅助系统可以进一步包括发送单元，该发送单元被构造成将由步行辅助系统获取的数据发送到外部装置。

前述的步行辅助系统设有用于向传感器或控制单元供应电力的太阳能电池，并且用于太阳能电池的光接收单元可以被设置在步行辅助系统的表面上。

根据第二示例性方面的一种用于控制步行辅助系统的方法是一种用于控制穿戴在使用者的腿部上的步行辅助系统的方法，该步行辅助系统包括：

阻尼器，该阻尼器被构造成在腿部的膝关节的弯曲方向上施加阻力；

传感器，该传感器被构造成检测使用者的步态周期中的切换时刻；以及

控制单元，该控制单元被构造成根据切换时刻而切换阻尼器的模式，该方法包括：

控制步行辅助系统，使得第一模式和第二模式被交替地重复，在第二模式中的阻力比在第一模式中的阻力强。

在前述控制方法中，在整个步态周期中，阻尼器可以不被锁定。

在前述控制方法中，阻尼器可以是被构造成在膝关节的伸展方向上自由移动的单向阻尼器。

在前述控制方法中，传感器可以被构造成测量使用者的胫骨角度。

在前述控制方法中，传感器可以被构造成测量从传感器到地板表面的距离。

在前述控制方法中，阻尼器可以被构造成在第一模式中自由移动使得阻力变为0。

在前述控制方法中，期望的是，步行辅助系统不包括用于产生被施加到膝关节的辅助力的致动器。

在前述控制方法中，由步行辅助系统获取的数据可以被发送到外部装置。

在前述控制方法中，步行辅助系统可以设有用于向传感器或控制单元供应电力的太阳能电池，并且用于太阳能电池的光接收单元可以被设置在步行辅助系统的表面上。

根据本公开的实施例，能够提供一种具有简单的构造的步行辅助系统及其方法，利用该步行辅助系统，能够适当地辅助步行运动。

根据下文中给出的详细描述和附图，本公开的以上和其它目的、特征和优点将变得被更加充分地理解，附图仅通过示意的方式给出，因此不应被视为限制本公开。

附图说明

图1是示意性地示出步行训练系统的构造的透视图，对于该步行训练系统能够采用根据实施例的步行辅助系统；

图2是示意性地示出步行辅助系统的构造的前视图；

图3是示意性地示出步行辅助系统的构造的侧视图；

图4是示出步行辅助系统的控制系统的框图；

图5是用于描述步态周期以及模式的切换时刻的图；

图6是示出步行辅助系统的控制系统的框图；并且

图7是示出根据变型例的步行辅助系统的控制系统的框图。

具体实施方式

在下文中，将通过本公开的实施例描述本公开。然而，实施例并不旨在限制根据权利要求的本公开的范围。此外，并不是在实施例中描述的所有部件/结构对于用于解决问题的手段来说均是必不可少的。为了使解释清楚，在适当时，部分地省略和简化了以下描述和附图。在附图中，相同的符号被分配给相同的元件，并且在适当时省略了其重复的解释。

第一实施例

根据本实施例的步行辅助设备(步行辅助系统)例如由进行步行训练的受训者所穿戴。受训者在穿戴了步行辅助系统的情况下进行步行训练。例如，受训者(该受训者是例如他/她的一只腿患有瘫痪的偏瘫患者)在他/她的患病腿上穿戴步行辅助系统。在以下描述中，将描述在康复的后期阶段，作为使用者的受训者在步行训练系统中进行步行训练的示例。注意，步行辅助系统不限于用于在步行训练系统中进行步行训练，并且可以例如当在医院中步行或在户外步行时被使用。

图1是用于描述步行训练系统的构造的示意图，对于该步行训练系统采用根据第一实施例的步行辅助设备。如图1中所示，步行训练系统1包括穿戴在受训者U的腿部上的步行辅助设备(步行辅助系统)2以及用于受训者U进行步行训练的训练设备3。注意，步行辅助设备2可以不与训练设备3一起使用。即，步行辅助设备2可以被独立地使用。例如，穿戴步行辅助设备2的受训者U可以在楼梯、平坦地带、斜坡等上进行步行训练。

步行辅助设备2例如被穿戴在进行步行训练的受训者U的患病腿上，并在步行时辅助受训者U。受训者U利用穿戴在他/她的膝关节上的步行辅助设备2进行步行训练。步行辅助设备2在膝关节的弯曲方向上施加阻力。

将使用图2和图3描述步行辅助设备2。图2是步行辅助设备2的前视图。图3是步行辅助设备2的侧视图。

步行辅助设备2包括支撑件21、阻尼器22、大腿框架23和小腿框架24。短下肢齿轮可以在步行辅助设备2的下侧上被附接到步行辅助设备2。支撑件21由诸如树脂或纤维的可拉伸材料形成。支撑件21被穿戴在膝关节及其周围上，更具体地，被穿戴成从大腿跨越到小腿。注意，大腿指的是腿的从髋关节到膝关节的部分，并且小腿指的是腿的从膝关节到踝关节的部分。腿的从踝关节到其下方的部分(即腿的从踝关节到脚趾侧的部分)被称为脚底。大腿、小腿和脚底被总称为下肢。

支撑件21包括用于将步行辅助设备2穿戴在膝关节上的表面紧固件21a(钩环紧固件，诸如尼龙搭扣带)。受训者U将支撑件21缠绕在腿部上，并利用表面紧固件21a将其固定。表面紧固件21a被设置到膝关节的上部和下部，具体地，分别被设置到大腿的前侧和小腿的前侧。受训者U能够使用表面紧固件21a容易地穿戴/脱下步行辅助设备2。此外，能够防止步行辅助设备2从受训者U的膝关节滑移。由于表面紧固件21a，受训者U能够调节紧绷感的程度。此外，可以设置固定带，以防止表面紧固件21a被解开或防止支撑件21滑移。

大腿框架23和小腿框架24被附接到支撑件21的侧部。大腿框架23沿着大腿布置。小腿框架24沿着小腿布置。大腿框架23和小腿框架24通过阻尼器22彼此连接。阻尼器22例如是旋转阻尼器，并且被布置在膝关节的侧部处。具体地，阻尼器22被设置在膝关节的高度处，使得阻尼器22的旋转轴线Ax与膝关节的轴线大致一致。大腿框架23和小腿框架24构成能够围绕阻尼器22的旋转轴线Ax旋转的连杆机构。

阻尼器22在膝关节的弯曲方向上施加阻力。例如，阻尼器22通过利用诸如油的流体的粘性阻力来减小其在膝关节的弯曲方向上的旋转速度。期望的是，阻尼器22是仅在一个方向上施加阻力的单向阻尼器。阻尼器22被构造成自由移动，以便不在膝关节的伸展方向上施加阻力。如后所述，能够使用开关来切换阻尼器22。

注意，大腿框架23和小腿框架24中的每一个的固定不限于使用表面紧固件。例如，大腿框架23和小腿框架24可以使用诸如皮带、纽扣、别针或带子的固定装置被分别固定到大腿和小腿。即使当采用上述固定装置时，受训者U仍然能够穿戴步行辅助设备2。

注意，步行辅助设备2的前述构造仅是示例，并且其不限于此。步行辅助设备2可以具有任何构造，只要它被穿戴在受训者U的腿部上并且包括阻尼器22即可。

再次参考图1。训练设备3包括跑步机31、框架主体32、控制装置35和显示单元36。跑步机31、控制装置35和显示单元36被固定到框架主体32。显示单元36被设置在受训者U的前方。

跑步机31包括受训者U在此处步行的可旋转环状带式传送器311，并且使该带式传送器311以设定速度Vs旋转。受训者U站在带式传送器311上，并且随着带式传送器311的移动而在其上步行。显示单元36显示信息，诸如对受训者U的训练指令、训练菜单和训练信息(设定速度、生物学信息等)。例如，显示单元36可以包括触摸面板，在这种情况下，受训者U能够通过显示单元36输入各种信息。此外，训练设备3可以包括用于拾取受训者U的图像的照相机等。通过这种构造，显示单元36能够显示正在训练中的受训者U的步行运动的图像。

控制装置35具有在其中心处具有微型计算机的硬件构造，该微型计算机例如由如下部分构成：CPU(中央处理单元)，该CPU(中央处理单元)执行操作处理、控制处理等；ROM(只读存储器)，该ROM(只读存储器)存储由CPU执行的操作程序、控制程序等；RAM(随机存取存储器)，该RAM(随机存取存储器)存储各种数据；以及接口(I/F)，该接口(I/F)用于从/向外部输入/输出信号。CPU、ROM、RAM和接口单元通过例如数据总线彼此连接。

图4是示出根据该实施例的步行辅助设备2的控制系统的框图。步行辅助设备2包括阻尼器22、传感器4和开关28。

如上所述，阻尼器22在膝关节的弯曲方向上施加阻力。开关28切换阻尼器22的模式。例如，可以使用螺线管开关作为开关28。开关28切换阻尼器22的模式，使得第一模式和第二模式被交替地重复。在第一模式中，阻尼器22被关闭，以进入自由模式中，在该自由模式中，不在膝盖弯曲方向上施加阻力。在第二模式中，阻尼器22被打开，以进入阻尼器模式中，在该阻尼器模式中，在膝盖弯曲方向上施加阻力。

传感器4检测在受训者U的步行运动中的时刻。具体地，传感器4被设置用于检测步态周期(步态频率)中的切换时刻。开关28基于传感器4的检测结果来切换阻尼器22的模式。即，基于从传感器4输出的时刻信号，来进行作为开关28的螺线管开关的开/关控制。通过该构造，阻尼器22的模式在步态周期中的恒定的时刻由开关28切换。从装载在步行辅助设备2上的电池(未示出)向传感器4和开关28供应电力。

图5是示出一个步态周期中的步行运动以及切换模式的时刻的图。注意，一个步态周期包括两步，即一个左腿步和一个右腿步。在图5中，以时刻(a)到(m)的顺序示出一个步态周期。在时刻(m)之后，时刻返回到时刻(a)，以开始下一个步态周期。在图5中，从(a)到(g)的时刻处于摆动阶段，并且从(h)到(m)的时刻处于站姿阶段。在时刻(g)和时刻(h)之间，脚底与地面形成接触，并且在时刻(m)回到时刻(a)之间，脚底离开地面。时刻(a)到(c)处于弯曲阶段，在此期间，膝关节的弯曲角度增加，并且时刻(d)到(g)处于伸展阶段，在此期间，膝关节的弯曲角度减小。注意，摆动阶段、站姿阶段、弯曲阶段和伸展阶段是以其上有穿戴步行辅助设备2的患病腿为基准。

在该实施例中，在伸展阶段中，具体地，在时刻(f)时，模式被从第一模式切换为第二模式。此外，在当阶段从站姿阶段转变为摆动阶段时的时刻，具体地，在时刻(m)和时刻(a)之间，模式被从第二模式切换为第一模式。在摆动阶段中，无需用患病腿支撑受训者U的重量。因此，无需用阻尼器产生对膝关节的阻力，因此在大部分的摆动阶段中，阻尼器能够相对于弯曲方向自由地移动。换言之，在整个站姿阶段中，模式是第二模式，在该第二模式中，阻尼器22在弯曲方向上产生阻力。

此外，在一个步态周期中仅仅设定阻尼器自由移动的第一模式和阻尼器产生阻力的第二模式，并且在步行运动期间开关28在第一模式和第二模式之间交替地切换模式。即，开关28基于时刻信号来控制阻尼器22的开/关。因此，能够以简单的构造执行适当的控制。例如，当步行运动在每一个步态周期之间变化时，由传感器4检测的切换时刻可能变化。即使在这种情况下，在从摆动阶段切换为站姿阶段之前的时刻，即在伸展阶段中的任意时刻，阻尼器22也仅需要被从第一模式切换为第二模式。

具体地，在时刻(d)到(g)之间，开关28仅需要切换模式。由于能够扩大由传感器检测的切换时刻的误差的余量，因此能够执行适当的控制。此外，在伸展阶段中，膝关节从弯曲状态在伸展方向上逐渐地旋转。因此，即使当阻尼器22处于第二模式中时，也不产生任何阻力。因此，能够在不使阻尼器22中断受训者U的步行运动的情况下切换模式。

此外，在伸展方向上，在整个步态周期中，阻尼器自由移动，因此，受训者U的膝关节能够自由地伸展。此外，由于在阻尼器模式和自由模式之间不存在用于锁定阻尼器22的锁定模式，所以能够防止阻尼器22中断步行运动。因为模式从第二模式转变为第一模式而不是转变为锁定模式，所以能够容易地执行适当的控制。

注意，在前述描述中，通过使用开关28执行阻尼器22的开/关控制来在第一模式和第二模式之间切换模式，但是切换模式的控制不限于执行阻尼器22的开/关控制。可以使阻尼器22的阻力在切换模式的时刻逐渐地增加或减小。例如，可以在第一模式和第二模式之间设定在此期间阻力逐渐改变的时间段。例如，当在第一模式和第二模式之间切换时，可以使阻力逐渐地增加或减小。

此外，第一模式不限于阻尼器22的自由模式。例如，在第一模式中的阻尼器22的阻力仅应小于在第二模式中的阻尼器22的阻力。因此，阻尼器22在第一模式中可以或者可以不产生阻力。

可以根据传感器4的输出值来检测在摆动阶段和站姿阶段之间的切换时刻，第一模式被设定用于摆动阶段，并且第二模式被设定用于站姿阶段。即，阶段从摆动阶段转变为站姿阶段的时刻和阶段从站姿阶段转变为摆动阶段的时刻可以是阻尼器22的模式的切换时刻。开关28是在第一模式和第二模式之间交替地切换模式的控制单元。

此外，步行辅助设备2不需要致动器来产生对膝关节的阻力。这意味着无需提供用于施加辅助力的马达和致动器，因此能够减小步行辅助设备2的尺寸和重量。此外，通过使用具有被动构造的油阻尼器，变得更容易跟随受训者U的步行运动，因此有助于步行辅助设备的控制。

此外，如图6中所示，步行辅助设备2可以配备有用于向传感器4和开关28供应电力的电池29。因为具有低功耗的螺线管开关被作为开关28安装在步行辅助设备2上，所以即使当将低电容电池用作电池29时，也能够向开关28和传感器4供应电力。因此，能够减小电池29的重量和尺寸。电池29可以是能够被充电/放电的二次电池，或者可以是一次电池。此外，电池29可以是太阳能电池。在这种情况下，仅需要在步行辅助设备2的表面上设置用于太阳能电池的光接收部29a。此外，开关28可以包括除螺线管开关以外的开关。例如，开关28可以包括诸如半导体开关的开关。开关28可以被构造成使得通过根据来自电子电路的控制信号控制开关的开/关切换来切换阻尼器22的模式。此外，通过为控制单元采用螺线管开关以切换模式，能够减小步行辅助设备的尺寸和重量。

(传感器4的具体示例)

可以使用各种类型的传感器作为传感器4。下面将描述传感器4的具体示例。

可以将用于检测胫骨角度(下肢角度)的角度传感器和用于检测胫骨(下肢)的角速度的角速度传感器用作传感器4。可以将附接到小腿框架24的角度传感器和角速度传感器用作传感器4。传感器4测量胫骨角度，因为胫骨角度根据步态周期中的时刻而改变。胫骨角度的检测结果指示对应于步态周期的波形。即，胫骨角度根据步态周期而周期性地变化。基于由传感器4测量的胫骨角度，能够检测步行时刻。

例如，将传感器4的输出值与阈值进行比较，并且可以根据比较的结果来切换阻尼器22的模式。例如，根据指示传感器4的输出值超过阈值的时刻的时刻信号或指示阈值降至低于所述阈值的时刻的时刻信号来切换模式。注意，可以设定用于检测从第一模式到第二模式的切换时刻的第一阈值和用于检测从第二模式到第一模式的切换时刻的第二阈值。

可替代地，可以使用距离测量传感器，该距离测量传感器用于测量从地板表面(例如，跑步机的带式传送器311)到传感器4的距离。例如，可以将被附接到鞋子或脚底或其附近的距离测量传感器用作传感器4。由于从脚底到地板表面的距离根据步行运动而变化，因此指示了对应于步态周期的波形。即，从脚底到地板表面的距离根据步态周期而周期性地变化。因此，能够通过将传感器4用作距离测量传感器来检测步行时刻。例如，可以根据在传感器4的输出值和阈值之间的比较的结果来切换阻尼器22的模式。可以将光学传感器用作距离测量传感器。

此外，可以组合使用多个传感器4来检测切换时刻。例如，传感器4可以包括用于检测胫骨角度的第一传感器和用于检测从脚底到地板表面的距离的第二传感器。传感器4的具体示例不限于前述示例。期望的是，传感器4被安装在步行辅助设备2上。可替代地，传感器4可以被安装在步行辅助设备2的外部。例如，传感器4可以是被附接到训练设备3的照相机、深度传感器、距离测量传感器等。当传感器4被设置在步行辅助设备2的外部时，步行辅助设备2仅需要包括接收单元，该接收单元从设置在外部的传感器4接收指示切换时刻的信号。

变型例

在下文中，将参考图7描述根据本实施例的步行辅助设备的变型例。图7是示出根据变型例的步行辅助设备2的控制系统的框图。在图7中，除了图4中所示的构造之外，步行辅助设备2还包括计算装置51、存储器52、发送单元53和接收单元54。注意，阻尼器22、开关28和传感器4与第一实施例的相同，因此省略其解释。

计算装置51具有例如在其中心处具有微型计算机的硬件构造，该微型计算机例如由如下部分构成：CPU(中央处理单元)，该CPU(中央处理单元)执行操作处理、控制处理等；ROM(只读存储器)，该ROM(只读存储器)存储由CPU执行的操作程序、控制程序等；RAM(随机存取存储器)，该RAM(随机存取存储器)存储各种数据；以及接口(I/F)，该接口(I/F)用于从/向外部输入/输出信号。CPU、ROM、RAM和接口单元通过例如数据总线彼此连接。

传感器4的输出值被输入到计算装置51。计算装置51通过对传感器4的输出值进行规定的操作处理来检测步态周期中的切换时刻。例如，计算装置51通过将传感器的输出值与阈值进行比较来检测切换时刻。当计算装置51向开关28输出切换时刻时，开关28切换阻尼器22的模式。存储器52在其中存储在步行训练期间输出的传感器4的输出值的数据。

可以将指示模式已经被切换的切换信号从开关28输入到计算装置51。计算装置51基于该切换信号而对开关28进行了多少次切换操作进行计数。计算装置51对开关28进行了多少次切换操作进行计数，并将该切换操作的次数写入存储器52。由开关28进行的切换操作的次数对应于受训者走过的步数。通过这种构造，受训者能够在不必穿戴计步器(注册商标)等的情况下对他/她在步行训练期间已经走过的步数进行计数。因此，能够提高步行辅助设备的方便性。此外，受训者能够在不必穿戴另外的传感器来对步数进行计数的情况下对他/她在步行训练期间已经走过的步数进行计数。因此，与另外地设有用于对步数进行计数的传感器的构造相比，能够减小步行辅助设备2的成本和尺寸。

发送单元53将数据发送到诸如控制装置35和外部服务器的外部装置。接收单元54从外部装置接收数据。发送单元53和接收单元54根据诸如蓝牙(注册商标)的通信标准来发送/接收数据。发送单元53和接收单元54均可以通过无线电通信或有线通信来进行通信。

发送单元53将由步行辅助设备2获取的数据(诸如步行训练期间的传感器4的输出值和由开关28执行的切换操作的次数)发送到外部装置。通过这种构造，外部装置能够收集数据。因此，变得能够与外部装置协作并减小存储器52的容量。此外，在训练期间，发送单元53可以自动地发送传感器4的输出。

接收单元54从诸如控制装置35的外部装置接收数据。通过这种构造，能够改变用于检测步行时刻的条件。具体地，能够改变用于检测切换时刻等的阈值的设定。例如，当改变阈值的设定时，控制装置35可以发送改变阈值的设定的指令。当接收单元54接收到改变阈值的设定的指令时，计算单元51改变阈值。通过这种构造，能够为每一个使用者设定最合适的检测条件。因此，能够为每一个使用者设定最合适的检测条件。

例如，发送单元53将传感器的输出值发送到控制装置35。显示单元36等显示传感器输出的周期性波形。诸如理疗师的训练助手在检查传感器输出的波形的同时操作诸如触摸面板、键盘、开关或鼠标的输入装置，从而能够设定阈值。

注意，本公开不限于以上实施例，并且可以在不脱离本公开的精神的情况下适当地进行改变。

能够使用任何类型的非暂时性计算机可读介质来存储程序并将其提供给计算机。非暂时性计算机可读介质包括任何类型的有形存储介质。非暂时性计算机可读介质的示例包括磁存储介质(例如软盘、磁带、硬盘驱动器等)、光磁存储介质(例如磁光盘)、CD-ROM(光盘只读存储器)、CD-R(可刻录光盘)、CD-R/W(可擦写光盘)和半导体存储器(例如掩模ROM、PROM(可编程ROM)、EPROM(可擦除PROM)、闪存ROM、RAM(随机访问存储器)等)。可以使用任何类型的暂时性计算机可读介质将程序提供给计算机。暂时性计算机可读介质的示例包括电信号、光信号和电磁波。暂时性计算机可读介质可以经由有线通信线路(例如电线和光纤)或无线通信线路将程序提供给计算机。

根据如此描述的本公开，将显而易见的是，可以以许多方式改变本公开的实施例。这样的变体不应被认为是背离本公开的精神和范围，并且对于本领域的技术人员显而易见的所有的这样的变型均旨在被包括在所附权利要求的范围内。