JP2013208294A - 歩行装置、及び歩行プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】歩行制御において効率よく段差を認識する。
【解決手段】装着型ロボット１は、距離センサを用いて遊脚足下の歩行面からの遊脚足裏部までの高さ(Ｈ２)を計測し、関節角度から算出した立脚接地面からの遊脚足裏部までの高さ(Ｈ１)と比較することにより、接地前に遊脚足下の段差(Ｈ３)を認識することができる。また、遊脚がスイング動作している間に必ず遊脚足下に段差の無い状態を経て、更に、遊脚の位置が立脚の位置に対して進行方向側にある場合にアシスト率に関わる段差判定を行うことで誤判定を防ぐことが可能となる。このようにして、装着型ロボット１は、遊脚の接地前に段差を判定してアシスト率に反映させることが可能になり、快適な歩行アシストが実現できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、歩行装置、及び歩行プログラムに関し、例えば、段差を歩行するものに関する。

近年、歩行者に装着させ、歩行者の歩行動作をアクチュエータなどでアシストする装着型の歩行支援装置（パーソナルモビリティ）が盛んに研究されている。
歩行支援装置が快適に歩行をアシストするための要素の１つとして、歩行する地形を認識し、例えば、階段を上る際にはアシスト率をアップするなど、認識した地形に応じたアシスト制御を行うことが挙げられる。
このような技術として、特許文献１の「歩行補助装置」がある。この技術は、遊脚前方後方の障害物を段差として認識し、フィードフォワードで回避するようアシスト力を発生させるものである。

しかし、この技術では、遊脚側の足が段差の垂直面に対面するまで移動してから初めて段差を認識するため（例えば、下り階段の場合、遊脚側の踵のセンサが下り段差の垂直面を認識するまで足を下げる必要がある）、段差によってアシスト率を変化させる制御の場合、段差の認識を早く行うことができないという問題があった。
また歩行支援装置だけでなく、自律（自立）型二足歩行ロボットにおける歩行制御においても同様に上記問題があった。

特開２００９−２５４７４０号公報

本発明は、歩行制御において、より早く段差を認識することを目的とする。

（１）請求項１に記載の発明では、進行方向を取得する進行方向取得手段と、立脚の前記取得した進行方向の側において、前記立脚の歩行面と遊脚の足裏との高低差と、前記足裏と前記足裏の下にある歩行面との高低差と、を用いて前記足裏の下の段差状態を認識する段差状態認識手段と、前記認識した段差状態に応じて前記立脚と前記遊脚の歩行動作を制御する制御手段と、を具備したことを特徴とする歩行装置を提供する。
（２）請求項２に記載の発明では、前記歩行装置が、当該歩行装置を装着した装着者の歩行を支援する装置であって、前記制御手段は、前記装着者の前記立脚と前記遊脚の動作をアシストするアクチュエータを制御することを特徴とする請求項１に記載の歩行装置を提供する。
（３）請求項３に記載の発明では、前記段差状態認識手段が、前記立脚の歩行面と前記足裏の下の歩行面が同一高さとなった後に段差状態の認識対象となる段差を認識することを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の歩行装置を提供する。
（４）請求項４に記載の発明では、前記立脚の歩行面と前記足裏の下にある歩行面が同一高さとなった後で、段差状態の認識対象となる段差を認識する前に、前記遊脚の接地を検出した場合に、前記段差状態認識手段は、前記段差状態を平地と認識することを特徴とする請求項３に記載の歩行装置を提供する。
（５）請求項５に記載の発明では、前記取得した進行方向が予め設定された方向に対して前進方向か後進方向かの区別を判断する方向区別判断手段を具備し、前記段差状態認識手段は、前記判断した区別と共に前記段差状態を認識することを特徴とする請求項１から請求項４までのうちの何れか１の請求項に記載の歩行装置を提供する。
（６）請求項５に記載の発明では、進行方向を取得する進行方向取得機能と、立脚の前記取得した進行方向の側において、前記立脚の歩行面と遊脚の足裏との高低差と、前記足裏と前記足裏の下にある歩行面との高低差と、を用いて前記足裏の下の段差状態を認識する段差状態認識機能と、前記認識した段差状態に応じて前記立脚と前記遊脚の歩行動作を制御する制御機能と、をコンピュータで実現する歩行プログラムを提供する。

本発明によれば、遊脚足下の段差を判定することにより早く段差を認識することができる。

装着型ロボットの装着状態を示した図である。 装着型ロボットのシステム構成を示した図である。 段差種類判定を行うための判断要素を説明するための図である。 段差種類判定を行う手法を説明するための図である。 アシスト制御の処理手順を説明するためのフローチャートである。 段差判定処理を説明するためのフローチャートである。 処理Ａを説明するためのフローチャートである。 処理Ｂを説明するためのフローチャートである。 処理Ｃを説明するためのフローチャートである。 処理Ｄを説明するためのフローチャートである。

（１）実施形態の概要
装着型ロボット１（図３（ａ））は、距離センサを用いて遊脚足下の歩行面からの遊脚足裏部までの高さ（Ｈ２）を計測し、関節角度から算出した立脚接地面からの遊脚足裏部までの高さ（Ｈ１）と比較することにより、接地前に遊脚足下の段差（Ｈ３）を認識することができる。
また、遊脚がスイング動作している間に必ず遊脚足下に段差の無い状態を経て（即ち、立脚が接地している歩行面と遊脚足下の歩行面が同一高さとなってから）、更に、遊脚の位置が立脚の位置に対して進行方向側にある場合にアシスト率に関わる段差判定を行うことで誤判定を防ぐことが可能となる。このようにして、装着型ロボット１は、遊脚の接地前に段差を判定してアシスト率に反映させることが可能になり、快適な歩行アシストが実現できる。

（２）実施形態の詳細
以下本実施形態の歩行装置について、歩行支援装置として機能する装着型ロボット１を例に説明する。
図１は装着型ロボット１の装着状態を示した図である。
装着型ロボット１は、装着者の腰部及び下肢に装着し、装着者の歩行を支援（アシスト）するものである。
装着型ロボット１は、腰部装着部２１、上腿装着部２２、下腿装着部２３、足装着部２４、上腿連結部材２６、下腿連結部材２７、制御装置２、距離センサ９、つま先反力センサ１０、踵反力センサ１１、つま先姿勢センサ１２、踵姿勢センサ１３、腰姿勢センサ１４、上腿姿勢センサ１５、下腿姿勢センサ１６、股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９などを備えている。
なお、腰部装着部２１、制御装置２、腰姿勢センサ１４以外は、左右の両足に設けられており、それぞれの検出値が出力されるようになっている。
また、本実施の形態では、立脚の接地を検出すれば足りるので、つま先反力センサ１０、踵反力センサ１１の代わりにつま先接地センサ、踵接地センサを備えるようにしてもよい。

腰部装着部２１は、装着者の腰部の周囲に取り付けられ装着型ロボット１を固定する。
腰姿勢センサ１４は、腰部装着部２１に取り付けられ、装着型ロボット１の進行方向を判断するための加速度を検出するほか、ジャイロなどによって腰部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、腰部の角速度や角加速度を求めることもできる。
このように腰の加速度によって装着型ロボット１の進行方向を判断することにしたのは、腰の動きが装着者の身体（体幹）の全体としての動きをよく表しているからである。

制御装置２は、腰部装着部２１に取り付けられ、装着型ロボット１の動作を制御する。
本実施の形態では、制御装置２は、遊脚が着地する箇所の段差の種類を認識し、これに基づいてアシスト率（装着者の各関節に発生する関節モーメントを補助する割合）を変化させる。後述するように段差の種類は、「前進上り階段」、「前進下り階段」など６種類あり、アシスト率の変化は、例えば、平地では３０％のところを「前進上り階段」では５０％にする。

股関節アシストアクチュエータ１７は、装着者の股関節と同じ高さに設けられており、腰部装着部２１に対して上腿連結部材２６を前後方向に駆動する。なお、股関節アシストアクチュエータ１７を３軸アクチュエータとして横方向にも駆動するように構成することもできる。

上腿連結部材２６は、装着者の上腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、上腿装着部２２によって装着者の上腿部に固定される。そして、上腿連結部材２６は、股関節アシストアクチュエータ１７によって駆動し、上腿部の運動を支援する。
上腿装着部２２は、外側が上腿連結部材２６の内側に固定されており、内側が装着者の上腿に固定される。
上腿姿勢センサ１５は、上腿部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、上腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。

膝関節アシストアクチュエータ１８は、装着者の膝関節と同じ高さに設けられており、上腿連結部材２６に対して下腿連結部材２７を前後方向に運動させて装着者の下腿部の運動を支援する。
下腿連結部材２７は、装着者の下腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、下腿装着部２３によって装着者の下腿部に固定される。そして、下腿連結部材２７は、膝関節アシストアクチュエータ１８によって駆動し、下腿部の運動を支援する。

下腿装着部２３は、外側が下腿連結部材２７の内側に固定されており、内側が装着者の下腿に固定される。
下腿姿勢センサ１６は、下腿部の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、下腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。

足首関節アシストアクチュエータ１９は、装着者の足首関節と同じ高さに設けられており、下腿連結部材２７に対して足装着部２４のつま先を上下する方向に駆動する。
足装着部２４は、装着者の足部（足の甲、及び足裏）に固定される。一般に、足指の付け根の関節は歩行の際に屈曲するが、足装着部２４も足指の付け根の部分が足指に従って屈曲するようになっている。

つま先姿勢センサ１２と踵姿勢センサ１３は、それぞれ、足装着部２４の先端と後端に設置され、それぞれ、つま先と踵の姿勢（ロール角、ヨー角、ピッチ角）を検出する。また、これらの角度を微分することにより、つま先や踵の角速度や角加速度を求めることもできる。

つま先反力センサ１０は、足装着部２４の足裏部前方に設置され、つま先の接地を検出すると共に、歩行面（床面）からの反力を検出する。
踵反力センサ１１は、足装着部２４の足裏部後方に設置され、踵の接地を検出すると共に、歩行面からの反力を検出する。

距離センサ９は、足装着部２４の足裏部に設置され、例えば、光や超音波などにより、足裏部から歩行面までの距離を検出する。
以上のように構成された装着型ロボット１は、股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９を駆動することにより、装着者の歩行を支援する。

図２は、装着型ロボット１のシステム構成を示した図である。
制御装置２は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、時間を計測する手段としての時計、記憶部、各種インターフェースなどを備えた電子制御ユニットであり、装着型ロボット１の各部を電子制御する。

制御装置２は、また、ＣＰＵで記憶部に記憶された歩行支援プログラム等の各種プログラムを実行することにより構成される、センサ情報取得部３、各種パラメータ算出部４、段差判定部５、歩行アシスト力決定部６を備えている。
センサ情報取得部３は、距離センサ９〜下腿姿勢センサ１６の各センサから検出値を取得する。センサ情報取得部３で取得した各センサの検出値は、両足の各関節角度の計算や段差有無判定、及び段差種類判定などに使用される。

各種パラメータ算出部４は、センサ情報取得部３で取得した検出値から、各関節の角度や各部の位置を求めることで立脚が接地している歩行面と遊脚の足裏部の高低差を計算したり（図３（ａ）のＨ１）、距離センサ９で検出した遊脚の足裏部からその下の歩行面までの高低差（同Ｈ２）とＨ１との差分から、足裏部の下にある段差（同Ｈ３）を算出したりする。
なお、本実施の形態では、上腿姿勢センサ１５や下腿姿勢センサ１６などの値から各関節の角度を算出するように構成したが、股関節、膝関節、足首関節にエンコーダなどの角度センサを設置し、関節角度を直接計測するようにしてもよい。

距離センサ９は、例えば、光や超音波などを用いて足裏部からその下方に存在する歩行面までの距離を計測する。歩行により足裏が傾いていた場合、各種パラメータ算出部４によって傾きが補正される。

段差判定部５は、センサ情報取得部３、各種パラメータ算出部４の値を用いて遊脚の下にある歩行面の段差を判定する。
段差の判定には、段差の有無を判断する段差有無判定と段差の種類を判定する段差種類判定がある。
段差判定部５が目的とする判定は段差種類判定であり、段差判定部５は、段差有無判定を行いながら最終的に段差種類判定を行う。段差種類には、前進平地、後進平地、前進上り階段、後進上り階段、前進下り階段、後進下り階段の６種類がある。

歩行アシスト力決定部６は、左右両足のそれぞれに配置されている股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９に出力させるアシスト力を決定し、これに従ってこれらアシストアクチュエータを駆動する。なお、アシスト力とは、装着型ロボット１がアシストアクチュエータを駆動して脚部に作用させるモーメント（トルク）である。
また、歩行アシスト力決定部６は、段差判定部５による段差種類判定に従ってアシスト率を変化させる。

図３の各図は、制御装置２が段差種類判定を行うための判断要素を説明するための図である。
ここでは、図３（ａ）に示したように、一例として装着者が進行方向に前進しながら上り階段を上る場合について説明する。
制御装置２は、段差種類判定を行うために、（１）装着者の前進後退の判断、（２）立脚と遊脚の判断、（３）進行方向に対する立脚と遊脚の相対位置の判断、（４）遊脚の足裏部の下方にある段差の判断、を行う。以下、これらの判断について説明する。

（１）「装着者の前進後退の判断」
制御装置２（段差判定部５）は、腰姿勢センサ１４（図示せず）の検出値を用いて装着者の進行方向３６を判断し、当該進行方向３６が装着者の前方を向いている場合は前進と判断し、後方を向いている場合は後進と判断する。
（２）「立脚と遊脚の判断」
制御装置２（段差判定部５）は、床反力Ｆが所定の閾値以上である場合、その足を立脚と判断し、所定の閾値未満の場合、その足を遊脚と判断する。床反力は、一例として、図３（ｂ）に示したようにつま先反力センサ１０、踵反力センサ１１によって計測された反力の垂直成分の合計とする。

（３）「進行方向に対する立脚と遊脚の相対位置の判断」
制御装置２（段差判定部５）は、各種パラメータ算出部４によって算出された各関節角度などを用いて、遊脚３２が立脚３１の進行方向３６前方にあるか、あるいは、後方にあるかなどを判断する。
（４）「遊脚の足裏部の下方にある段差の判断」
段差判定部５は、各種パラメータ算出部４から段差の高さＨ３を取得し、次のようにして、段差の有無、上り段差、下り段差の区別を判断する。
段差判定部５は、Ｈ３の絶対値が所定の閾値未満の場合は「段差無し」と判断し、当該所定の閾値以上の場合は「段差あり」と判断する。また、「段差あり」の場合であって、Ｈ３が正の場合は「上り段差」と判断し、負の場合は、「下り段差」と判断する。

一方、各種パラメータ算出部４は、次のようにして段差の高さＨ３を算出する。
各種パラメータ算出部４は、図３（ｃ）に示したように、距離センサ９の検出値により遊脚３２の足裏部３３の直下（垂直下方）にある歩行面から足裏部３３までの高さＨ２を取得する。
また、各種パラメータ算出部４は、立脚３１と遊脚３２の各関節の角度と上腿連結部材２６、下腿連結部材２７（図示せず）の長さなどを用いて、立脚３１の接地面に対する遊脚３２の足裏部３３の高さＨ１を計算する。
そして、各種パラメータ算出部４は、段差（の高さ）Ｈ３をＨ３＝Ｈ１−Ｈ２により計算する。上り階段の場合、Ｈ３は正となり、下り階段の場合、Ｈ３は負となる。このため、段差判定部５は、Ｈ３により段差の高さと上り・下りの区別を取得することができる。

図４の各図は、段差種類判定を行う手法を説明するための図である。
段差種類判定は、主として遊脚足下（遊脚の足裏部の直下）の段差の状態によってなされるが、誤判定を回避するために進行方向に対する立脚と遊脚の位置関係も併せて行われる。
立脚と遊脚の位置関係を用いないと、例えば、図４（ａ）に示したように、遊脚３２が歩行面から離れた直後では、立脚３１の接地面よりも足裏部３３の直下の歩行面が低いため、上り階段であるにもかかわらず下り階段と誤判定されてしまう。

段差判定部５は、進行方向に対する立脚と遊脚の位置関係を認識するために、歩行周期を、遊脚３２が歩行面を離れてからまだ足裏部３３が当該歩行面の上方にある第１の期間（図４（ａ））、遊脚３２の足裏部３３直下が立脚３１の歩行面の上にあり（即ち、遊脚足下に段差の無い状態）、まだ遊脚３２が立脚３１を進行方向３６の側に通過していない第２の期間、遊脚３２の足裏部３３の直下が立脚３１の歩行面の上にあり、遊脚３２が立脚３１を進行方向３６の側に通過してからの第３の期間（図４（ｂ））、に分ける。

第１の期間は、遊脚３２が歩行面を離れてから未だ足裏部３３の直下に段差Ｈ３があることが検出され続けていることにより判断することができ、第２の期間と第３の期間は、遊脚足下に段差Ｈ３が無いこと、及び、各関節の角度から立脚３１と遊脚３２の位置関係を計算することにより判断することができる。

段差判定部５は、このようにして遊脚３２の動きを追跡した後、第３の期間で段差Ｈ３が検出された場合（図４（ｃ））、Ｈ３の符号に従って「上り階段」、又は「下り階段」と判定する。
また、段差判定部５は、第３の期間で段差Ｈ３（＞閾値）が検出される前に両足が接地して両足が共に立脚３１となった場合（図４（ｄ））、「平地」と判定する。
そして、段差判定部５は、装着者の前方と進行方向３６が同じ場合は前進と判定し、逆の場合は後進と判定する。
段差判定部５は、以上を合わせて「前進平地」、「後進平地」、「前進上り階段」、「後進上り階段」、「前進下り階段」、「後進下り階段」を判定する。

このように、装着型ロボット１は、歩行の際には、必ず一旦遊脚足下に段差が無い状態になること、及び、立脚と遊脚の進行方向に沿った相対位置に着目し、遊脚が立脚を進行方向に通過した後に、アシスト率に影響する段差（図４（ｃ））と影響しない段差（図４（ｄ））を区別した。

以上の判断をコンピュータで行う場合、次の（１）〜（５）の各項目の組合せによって行うことができる。
（１）遊脚の有無
（２）進行方向（前進、後進）
（３）１制御周期前又は初期値での遊脚足下の段差の有無
（４）遊脚足下の段差の状態
（５）遊脚足下に段差の無い状態を経たか
（６）遊脚の位置が立脚に対して進行方向か

例えば、図４（ａ）（第１の期間）の場合は、
（１）→片足遊脚、
（２）→前方（前進）、
（４）→下り段差、
（５）→経てない、
（６）→進行方向でない、との５項目により判断できる。

図４（ｂ）（第３の期間）の場合は、
（１）→片足遊脚、
（２）→前方、
（４）→段差無し、
（６）→経た、との４項目により判断できる。

ちなみに、第２の期間は、
（１）→片足遊脚、
（２）→前方、
（４）→段差無し、
（６）→経てない、との４項目となる。

また、第２の期間と第３の期間を区別しない場合は、
（１）→片足遊脚、
（２）→前方、
（４）→段差無し、との４項目により判断できる。

図４（ｃ）の場合は、
（１）→片足遊脚、
（２）→前方、
（４）→上り段差、
（５）→経た、
（６）→進行方向である、との５項目により「前進上り段差」と判定される。

図４（ｄ）の場合は、
（１）→両足接地、
（２）→前方、
（３）→無し、との３項目により「前進平地」と判定される。

このように、平地については、１つ前の制御周期（例えば、１ｍｓｅｃ程度）、又は初期状態（遊脚が歩行面から離れたとき）で遊脚足下に段差が無いと判断され、かつ遊脚が接地した場合に平地と判定を出す。

図５は、制御装置２が行うアシスト制御の処理手順を説明するためのフローチャートである。
この処理は、制御装置２の備えたＣＰＵが所定のプログラムに従って行うものである。
まず、制御装置２（段差判定部５）は、現在の制御周期Ｔにおいて得られた各データを用いて段差判定処理を行う（ステップ５）。
次に、制御装置２（歩行アシスト力決定部６）は、段差判定処理の判定結果に基づいてアシスト率を設定し（ステップ１０）、当該アシスト率にて各アクチュエータにアシスト力を出力させる（ステップ１５）。

次に、制御装置２は、アシストを継続するか否かを判断する（ステップ２０）。これは、例えば、装着者のスイッチ操作によりアシスト機能がオンされているか、オフにされているかを検出することにより行われる。
アシストを継続しない場合（ステップ２０；Ｎ）、制御装置２は、アシスト動作を終了する。
アシストを継続する場合（ステップ２０；Ｙ）、制御装置２は、次の制御周期（Ｔ＝Ｔ＋１）に移行して（ステップ２５）、ステップ５に戻る。

図６は、ステップ５の段差判定処理を説明するためのフローチャートである。
以下の処理は、制御装置２の段差判定部５が行うものである。
まず、段差判定部５は、現在の制御周期Ｔにおける各種データを取得する（ステップ３０）。これらデータは、センサ情報取得部３が取得した各センサ値や各種パラメータ算出部４が算出した各関節角度や段差（Ｈ３）などである。

次に、段差判定部５は、腰姿勢センサ１４の加速度により装着者の進行方向を判断する（ステップ３５）。
次に、段差判定部５は、１つ前の制御周期（Ｔ−１）において、両足が立脚であったか否か（即ち、両足が接地していたか）を判断する（ステップ４０）。制御装置２は、前回の制御周期における処理内容をＲＡＭなど記憶部に記憶しており、これを用いる。
両足が立脚であった場合（ステップ４０；Ｙ）、段差判定部５は、処理Ａを行い（ステップ４５）、メインルーチン（図５のフローチャート）にリターン（復帰）する。以下、単にリターンすると記す。

処理Ａは、現在の制御周期Ｔにおける「両足立脚判断」、「遊脚判断」、「遊脚足下の段差有無判断」を行うものである。
「両足立脚判断」は両足が依然接地しているかについての判断である。
「遊脚判断」は、歩き始めた場合、どちらの足が遊脚かについての判断である。
「遊脚足下の段差有無判断」は、歩き始めた遊脚の足下が段差であるかについての判断である。
即ち、処理Ａは、歩行開始を検知すると共に第１の期間であることを監視する処理である。

一方、１制御周期前に、両足のうち一方が立脚でなかった場合（ステップ４０；Ｎ）、段差判定部５は、条件１が満たされるか否かを判断する（ステップ５５）。
条件１は、「遊脚開始から制御周期（Ｔ−１）までの間、段差種類判定を行っていない」ことである。
段差判定部５は、段差種類判定が行えるタイミングまで、段差種類判定を保留しながらメインルーチンのループ処理を巡回する。そして、条件１は、遊脚開始から前回の制御周期までの間、段差種類判定が保留されてきたかを問うものである。

条件１が満たされない場合（ステップ５５；Ｎ）、即ち、遊脚開始から前回の制御周期までに段差種類判定を行った場合、段差判定部５は、処理Ｄを行って（ステップ７５）、リターンする。
処理Ｄは、段差種類判定後に遊脚が接地して立脚になるのを監視する処理である。

条件１が満たされている場合（ステップ５５；Ｙ）、即ち、遊脚開始から前回の制御周期までに段差種類判定を行っていない場合、段差判定部５は、更に、条件２が満たされているか否かを判断する（ステップ６０）。
条件２は、遊脚開始から前回の制御周期（Ｔ−１）までの間、「「遊脚足下に段差がある」が継続」、又は、「遊脚足下に段差は無いが遊脚足位置が立脚足位置に対して進行方向の後ろ側にある」ことである。

ここで、「「遊脚足下に段差がある」が継続」とは、第１の期間が満たす条件であり、「遊脚足下に段差は無いが遊脚足位置が立脚足位置に対して進行方向の後ろ側にある」とは、第２の期間が満たす条件である。
即ち、条件２は、前回の制御周期までが第１又は第２の期間であるか、あるいはそうでない（即ち、第３の期間である）かを問うものである。

条件２が満たされる場合（ステップ６０；Ｙ）、即ち、前回の制御周期までが第１の期間、又は第２の期間であった場合、段差判定部５は、処理Ｂを行って（ステップ６５）、リターンする。
処理Ｂは、現在の制御周期Ｔにおいて、「遊脚足下の段差有無の判断」及び、「遊脚足下に段差が無い状態における遊脚足位置が立脚足位置に対して進行方向前側にあるかの判断」を行うものである。

ここで、「遊脚足下の段差有無の判断」は、現在の制御周期Ｔで第１の期間から第２の期間に移行したかを判断する処理であり、「遊脚足下に段差が無い状態における遊脚足位置が立脚足位置に対して進行方向前側にあるかの判断」は、現在の制御周期Ｔで第２の期間から第３の期間に移行したかを判断する処理である。

一方、条件２が満たされていない場合（ステップ６０；Ｎ）、即ち、前回の制御周期で第２の期間から第３の期間に移行したと判断された場合、段差判定部５は、処理Ｃを行って（ステップ７０）、リターンする。
処理Ｃは、現在の制御周期Ｔにおいて、「平地の段差判定」、「階段の段差判定」、「段差種類判定の保留」を行うものである。

ここで、「平地の段差判定」は、段差種類判定のうち、「前進平地」と「後進平地」の各判定を行い、「階段の段差判定」は、段差種類判定のうち、「前進上り段差」、「後進上り段差」、「前進下り段差」、「後進下り段差」の各判定を行うものである。このように、処理Ｃでは、「平地の段差判定」と「階段の段差判定」によって段差種類判定を行うか、又は、これを保留する。

図７は、ステップ４５の処理Ａを説明するためのフローチャートである。
まず、段差判定部５は、「右足の床反力が閾値未満」であり、かつ、「左足の床反力が閾値以上である」か否かを判断する（ステップ８０）。
右足の床反力が閾値未満であり、かつ、左足の床反力が閾値以上であった場合（ステップ８０；Ｙ）、段差判定部５は、右足を遊脚、左足を立脚と判断する（ステップ８５）。

次に、段差判定部５は、遊脚足下に段差があるか否かを判断する（ステップ９０）。
遊脚足下に段差がある場合（ステップ９０；Ｙ）、段差判定部５は、「遊脚足下に段差がある」と判断し（ステップ９５）、リターンする。これは現在が第１の期間であることを意味する。
一方、遊脚足下に段差が無い場合（ステップ９０；Ｎ）、段差判定部５は、「遊脚足下に段差が無い」と判断し（ステップ１００）、リターンする。これは現在が第２の期間であることを意味する。

一方、「右足の床反力が閾値未満」、「左足の床反力が閾値以上である」との条件のうち、少なくとも一方が満たされない場合（ステップ８０；Ｎ）、段差判定部５は、「左足の床反力が閾値未満」であり、かつ、「右足の床反力が閾値以上である」か否かを判断する（ステップ１０５）。
「左足の床反力が閾値未満」であり、かつ、「右足の床反力が閾値以上である」場合（ステップ１０５；Ｙ）、段差判定部５は、左足を遊脚、右足を立脚と判断し（ステップ１１０）、ステップ９０に移行する。

一方、「左足の床反力が閾値未満」、「右足の床反力が閾値以上である」との条件のうち、少なくとも一方が満たされない場合（ステップ１０５；Ｎ）、段差判定部５は、両足立脚と判断し（ステップ１１５）、リターンする。

図８は、ステップ６５の処理Ｂを説明するためのフローチャートである。
まず、段差判定部５は、遊脚側の床反力が閾値以上か否かを判断する（ステップ１２０）。
遊脚側の床反力が閾値以上であった場合（ステップ１２０；Ｙ）、段差判定部５は、両足立脚と判断し（ステップ１２５）、リターンする。
一方、遊脚側の床反力が閾値以上でなかった場合（ステップ１２０；Ｎ）、段差判定部５は、遊脚足下に段差があるか否かを判断する（ステップ１３０）。これは、現在が第１の期間であることを判断するものである。

遊脚足下に段差があった場合（ステップ１３０；Ｙ）、段差判定部５は、「遊脚足下に段差がある」（即ち、第１の期間である）と判断し（ステップ１３５）、リターンする。
一方、遊脚足下に段差が無かった場合（ステップ１３０；Ｎ）、段差判定部５は、更に、遊脚足位置が立脚足位置に対して進行方向前側にあるか否かを判断する（ステップ１４０）。これは、現在が第２の期間か第３の期間か判断するものである。

遊脚足位置が立脚足位置に対して進行方向前側にある場合（ステップ１４０；Ｙ）、段差判定部５は、「遊脚足下に段差は無い」かつ、「遊脚足位置が立脚足位置に対して進行方向前側にある」と判断する（ステップ１４５）。これは、現在が第３の期間であると判断したものである。

一方、遊脚足位置が立脚足位置に対して進行方向前側に無い場合（ステップ１４０；Ｎ）、段差判定部５は、「遊脚足下に段差は無い」かつ、「遊脚足位置が立脚足位置に対して進行方向後側にある」と判断する（ステップ１５０）。これは、現在が第２の期間であると判断したものである。

図９は、ステップ７０の処理Ｃを説明するためのフローチャートである。
まず、段差判定部５は、遊脚側の床反力が閾値以上か否かを判断する（ステップ１５５）。
遊脚側の床反力が閾値以上の場合（ステップ１５５；Ｙ）、段差判定部５は、両足立脚と判断し（ステップ１６０）、更に、進行方向が装着者の前側であるか否かを判断する（ステップ１６５）。
段差判定部５は、進行方向が前方の場合（ステップ１６５；Ｙ）には「前進平地」と判断し（ステップ１７０）、進行方向が前方でない場合（ステップ１６５；Ｎ）には「後進平地」と判断し（ステップ１７５）、リターンする。

一方、遊脚側の床反力が閾値以上でない場合（ステップ１５５；Ｎ）、段差判定部５は、更に、遊脚足下に段差が無いか否かを判断する（ステップ１８０）。
遊脚足下に段差が無い場合（ステップ１８０；Ｙ）、段差判定部５は、「遊脚足下に段差が無い」と判断し、段差種類の判定を保留する（ステップ１８５）。

また、遊脚足下に段差がある場合（ステップ１８０；Ｎ）、段差判定部５は、遊脚足下に上り段差があるか否かを判断する（ステップ１９０）。
遊脚足下に上り階段がある場合（ステップ１９０；Ｙ）、段差判定部５は、更に進行方向が前方か否かを判断する（ステップ１９５）。

進行方向が前方である場合（ステップ１９５；Ｙ）、段差判定部５は、「前進上り階段」と段差種類判定を行い（ステップ２００）、リターンする。
一方、進行方向が後方である場合（ステップ１９５；Ｎ）、段差判定部５は、「後進上り階段」と段差種類判定を行い（ステップ２０５）、リターンする。

また、遊脚足下に上り階段が無い場合（ステップ１９０；Ｎ）、段差判定部５は、更に進行方向が前方か否かを判断する（ステップ２１０）。
進行方向が前方である場合（ステップ２１０；Ｙ）、段差判定部５は、「前進下り階段」と段差種類判定を行い（ステップ２１５）、リターンする。
一方、進行方向が後方である場合（ステップ２１０；Ｎ）、段差判定部５は、「後進下り階段」と段差種類判定を行い（ステップ２２０）、リターンする。
以上のようにして、段差判定部５は、「前進平地」、「後進平地」、「前進上り階段」、「後進上り階段」、「前進下り階段」、「後進下り階段」の６パターンを判定することができる。

図１０は、ステップ７５の処理Ｄを説明するためのフローチャートである。
まず、段差判定部５は、遊脚側の床反力が閾値以上であるか否かを判断する（ステップ２２５）。
遊脚側の床反力が閾値以上である場合（ステップ２２５；Ｙ）、段差判定部５は、「両足立脚」と判断し（ステップ２３０）、リターンする。
遊脚側の床反力が閾値以上でない場合（ステップ２２５；Ｎ）、段差判定部５は、遊脚足下に段差があると判断し（ステップ２３５）、リターンする。

以上に説明した実施の形態により、次のような効果を得ることができる。
（１）装着型ロボット１は、遊脚足下の段差を認識するため、早い段階からアシスト制御に当該認識を反映させることができる。そのため、アシストの効率がよくなり快適な歩行アシストが実現できる。
（２）装着型ロボット１は、遊脚足下の段差の検出のほか、立脚に対する遊脚の状態を認識して、これと併せて段差種類判定をするため、誤判定を防ぐことができる。
（３）装着型ロボット１は、進行方向の判断、立脚と遊脚の相対位置、遊脚足下の段差の有無などを総合的に判断することにより、踏み台昇降などの複雑な動作をアシストすることもできる。

以上に説明した本実施の形態では、装着者の歩行を支援する装着型ロボット１で段差種類判定を行ったが、この判定手法は、装着型ロボット１に限定するものではなく、例えば、自律（自立）型の２足歩行ロボット、更に、多足の歩行ロボットに適用することが可能である。
また、装着型ロボット１では、各関節の角度を用いて立脚３１の接地面と足裏部３３の高低差を算出したが、例えば、立脚３１の足裏部と遊脚３２の足裏部にＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）装置を取り付け、両者の高度差から当該高低差を検出してもよい。

以上に説明した本実施の形態により、次の構成を得ることができる。
装着型ロボット１は、腰姿勢センサ１４で進行方向を取得するため、進行方向を取得する進行方向取得手段を備えている。
装着型ロボット１は、立脚３１の接地面に対する遊脚３２の足裏部３３の高低差Ｈ１と足裏部３３の下の歩行面と足裏部３３の高低差Ｈ２との差分から認識対象となる高さＨ３の段差を認識するため、立脚の前記取得した進行方向の側において、前記立脚の歩行面と遊脚の足裏との高低差と、前記足裏と前記足裏の下にある歩行面との高低差と、を用いて前記足裏の下の段差状態を認識する段差状態認識手段を備えている。なお、段差状態は、例えば、６種類ある段差の種類に相当する。
装着型ロボット１は、段差種類判定に応じてアシスト率を変化させるため、前記認識した段差状態に応じて前記立脚と前記遊脚の歩行動作を制御する制御手段を備えている。
このように、装着型ロボット１は、以上の構成を備えた歩行装置として機能している。

装着型ロボット１は、装着者が装着して使用され、段差種類判定に基づいて股関節アシストアクチュエータ１７、膝関節アシストアクチュエータ１８、足首関節アシストアクチュエータ１９を制御してアシスト率を変化させるため、前記歩行装置は、当該歩行装置を装着した装着者の歩行を支援する装置であって、前記制御手段は、前記装着者の前記立脚と前記遊脚の動作をアシストするアクチュエータを制御している。

装着型ロボット１は、第３の期間で立脚３１が接地している歩行面と足裏部３３の下方の歩行面が同一高さとなった後に段差種類判定の対象となる段差を検出するため、前記段差状態認識手段は、前記立脚の歩行面と前記足裏の下の歩行面が同一高さとなった後に段差状態の認識対象となる段差を認識している。

装着型ロボット１は、第３の期間で立脚３１の接地している歩行面と足裏部３３の下の歩行面が同一の高さとなった後で、かつ、段差が検出される前に遊脚３２の接地が確認された場合は、段差種類判定を平地とすることから前記立脚の歩行面と前記足裏の下にある歩行面が同一高さとなった後で、段差状態の認識対象となる段差を認識する前に、前記遊脚の接地を検出した場合に、前記段差状態認識手段は、前記段差状態を平地と認識している。

装着型ロボット１は、進行方向が装着者の前側である場合は前進と判断し、逆の場合は後進と判断する。そして、段差種類判定に前進・後進の区別を含めることから、装着型ロボット１は、前記取得した進行方向が予め設定された方向に対して前進方向か後進方向かの区別を判断する方向区別判断手段を具備し、前記段差状態認識手段は、前記判断した区別と共に前記段差状態を認識している。

１ 装着型ロボット
２ 制御装置
３ センサ情報取得部
４ 各種パラメータ算出部
５ 段差判定部
６ 歩行アシスト力決定部
９ 距離センサ
１０ つま先反力センサ
１１ 踵反力センサ
１２ つま先姿勢センサ
１３ 踵姿勢センサ
１４ 腰姿勢センサ
１５ 上腿姿勢センサ
１６ 下腿姿勢センサ
１７ 股関節アシストアクチュエータ
１８ 膝関節アシストアクチュエータ
１９ 足首関節アシストアクチュエータ
２１ 腰部装着部
２２ 上腿装着部
２３ 下腿装着部
２４ 足装着部
２６ 上腿連結部材
２７ 下腿連結部材
３１ 立脚
３２ 遊脚
３３ 足裏部
３６ 進行方向

Claims (6)

1. 進行方向を取得する進行方向取得手段と、
   立脚の前記取得した進行方向の側において、前記立脚の歩行面と遊脚の足裏との高低差と、前記足裏と前記足裏の下にある歩行面との高低差と、を用いて前記足裏の下の段差状態を認識する段差状態認識手段と、
   前記認識した段差状態に応じて前記立脚と前記遊脚の歩行動作を制御する制御手段と、
   を具備したことを特徴とする歩行装置。
2. 前記歩行装置は、当該歩行装置を装着した装着者の歩行を支援する装置であって、
   前記制御手段は、前記装着者の前記立脚と前記遊脚の動作をアシストするアクチュエータを制御することを特徴とする請求項１に記載の歩行装置。
3. 前記段差状態認識手段は、前記立脚の歩行面と前記足裏の下の歩行面が同一高さとなった後に段差状態の認識対象となる段差を認識することを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の歩行装置。
4. 前記立脚の歩行面と前記足裏の下にある歩行面が同一高さとなった後で、段差状態の認識対象となる段差を認識する前に、前記遊脚の接地を検出した場合に、前記段差状態認識手段は、前記段差状態を平地と認識することを特徴とする請求項３に記載の歩行装置。
5. 前記取得した進行方向が予め設定された方向に対して前進方向か後進方向かの区別を判断する方向区別判断手段を具備し、
   前記段差状態認識手段は、前記判断した区別と共に前記段差状態を認識することを特徴とする請求項１から請求項４までのうちの何れか１の請求項に記載の歩行装置。
6. 進行方向を取得する進行方向取得機能と、
   立脚の前記取得した進行方向の側において、前記立脚の歩行面と遊脚の足裏との高低差と、前記足裏と前記足裏の下にある歩行面との高低差と、を用いて前記足裏の下の段差状態を認識する段差状態認識機能と、
   前記認識した段差状態に応じて前記立脚と前記遊脚の歩行動作を制御する制御機能と、
   をコンピュータで実現する歩行プログラム。

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