CN101511321A - 按摩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及按摩机，具备设置了治疗部的推拿机构，该治疗部通过至少3个以上旋转或者平移的关节与人体接触，其特征在于，具备：独立驱动各关节的致动器，检测各关节的位移的位移检测单元，以及控制上述致动器的控制部，上述控制部，具备：位置控制单元，其决定规定的轨迹控制面，在上述轨迹控制面上控制治疗部的轨迹；以及力控制单元，其在上述轨迹控制面的法线方向上控制治疗部的力。

Description

按摩机

技术领域

本发明涉及按摩机，特别是涉及在椅子靠背内配置推拿机构的按摩机。

背景技术

以往，已经提供了多种在椅子靠背内配置推拿机构的按摩机(例如，日本专利第2733159号公报)。这些发明都是将推拿机构安装到固定的框架中，并在垂直于框架面方向上进行力控制，在面方向上进行位置控制。

另一方面，对用户进行按摩时，最合理的控制是沿着身体形状曲线进行位置控制，对身体形状曲线纵深方向进行力控制，但是由于以往的产品的框架面不符合身体形状曲线，对于力控制还有改善的余地。

发明内容

本发明是根据上述以往的问题而做出的，其目的在于提供一种按摩机，能够任意地设定治疗部产生的力矢量的大小和三维方向，并能够对垂直于力矢量方向的面任意地设定按摩轨迹。

本发明中的按摩机，具备设置了治疗部的推拿机构，该治疗部通过至少3个以上旋转或者平移的关节与人体接触，其特征在于，具备：独立驱动各关节的致动器，检测各关节的位移的位移检测单元，以及控制上述致动器的控制部，上述控制部，具备：位置控制单元，其决定规定的轨迹控制面，在上述轨迹控制面上控制治疗部的轨迹；以及力控制单元，其在上述轨迹控制面的法线方向上控制治疗部的力。

因此，本发明的按摩机，通过任意设定上述轨迹控制面，能够在三维方向上任意设定治疗部产生的力矢量的方向，另外，能够在与力矢量方向垂直的上述轨迹控制面上，设定治疗部的轨迹。由此，对于用户，总能够得到要求的推压力方向和要求的面内轨迹。

最佳实施方式中，上述位置控制单元，根据治疗部的目标位置与根据由上述位移检测单元检测到的关节的位移所计算出的治疗部的现在位置之间的偏差、或者各关节的位移的目标值与由上述位移检测单元检测出的各关节的位移的现在值之间的偏差，控制各致动器。此时，由于可以进行位移的反馈控制，能够高精度地实现要求的面内轨迹。

最佳实施方式中，上述位置控制单元，使用平行于上述轨迹控制面的面和关节坐标系的雅可比行列式，进行治疗部的位置控制，在进行位置反馈控制时，在平行于上述轨迹控制面的方向上，不设定治疗部的位置的目标值。此时，在同时进行轨迹控制面内的位置控制和上述轨迹控制面法线方向上的力控制时，能够防止位置控制的位移误差对力误差产生的影响。

上述控制部，也可以向各关节的致动器提供转矩指令值来驱动它们。此时，不仅可控制力的方向，还可控制大小。

最佳实施方式中，该按摩机，还具备检查治疗部向用户提供的力的力传感器，上述力控制单元，根据上述力的目标值和由上述力传感器检测到的力的现在值的偏差来控制各致动器。此时，由于可以进行力的反馈控制，所以能够高精度地实现要求的推压力。

另外，最佳实施方式中，还具备存储治疗部的位移和力的目标值的存储装置，上述控制部，根据存储在上述存储装置中的位移和力的目标值与现在值之间的偏差，控制治疗部的位置和力。此时，能够实现事先设定的按摩动作。

另外，上述控制部，最好逐渐逐渐改变上述轨迹控制面，以使上述轨迹控制面与用户身体的切线方向平行。此时，总是能够根据人体的凹凸形状，始终以要求的轨迹和要求的力进行按摩。

另外，最好还具备具备用于用户设定治疗部的力的大小和方向的操作部。此时，能够实现用户设定的力的方向和大小。

另外，上述控制部，也可以向各关节的致动器提供速度指令值来驱动它们。此时，与提供转矩指令值的控制相比，能够以低成本控制力的方向和大小。

另外，还具备用于调整力的跟踪性的操作部，上述力控制单元，也可以根据来自上述操作部的输入调整控制增益。此时，能够根据使用者的喜好改变力的跟踪性。

另外，上述力控制部，使治疗部远离人体的方向上的跟踪性比接近人体的方向上的跟踪性高。此时，按摩力比要求的力小时，治疗部不会突然撞击人体，另外按摩力比要求的力大时，治疗部迅速从人体离开，过度的力不会损伤人体，能够对用户提供舒适的按摩。

附图说明

图1是本发明实施方式中的按摩机的框图。

图2是具备力传感器的本发明实施方式中的按摩机的框图。

图3是用于说明图1的按摩机的控制的框线图。

图4是用于说明图2的按摩机的控制的框线图。

图5是用于说明轨道控制面的坐标的图。

图6是在图2的框图中附加了存储装置的框图。

图7是用于说明操作部的图。

图8是根据速度指令控制各致动器时的框图。

图9是用于说明治疗部的跟踪性输入用的操作部的图。

图10是用于说明治疗部的跟踪性的图。

图11是用于说明坐标轴的图。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明进行详细地说明。本发明的按摩机，在由至少3个以上关节构成的推拿机构的顶端设置治疗部，如图11所示，上述推拿机构安装在构成yz面的框架中。作为具备这样的推拿机构的按摩机，能够适当地使用例如日本特开2006-34635号公报等所示的结构的按摩机，但并不局限于此。

上述各关节，如图1所示，安装电动机作为致动器，安装转子旋转编码器作为位移检测用位移传感器，根据由旋转编码器通过计数器输入的值，控制电路(控制部)确定电动机指令值，通过DA转换器和电动机驱动器驱动电动机。此时，最好向电动机提供的指令值为转矩指令值。

图2表示还在上述治疗部设置用于检查治疗部对用户提供的力的力传感器的按摩机。力传感器的检测值，通过AD转换器输入到控制电路。力传感器，在后面所述的力反馈中很重要，但是未必需要力传感器。

以下，对该按摩机的控制详细地进行描述。在本实施方式中，控制部决定规定的轨迹控制面，控制部，具备在上述轨迹控制面上控制治疗部轨迹的位置控制单元，和在上述轨迹控制面的法线方向进行治疗部的力的控制的力控制单元。

力控制单元，根据治疗部的位置信息，使用矩阵将治疗部产生的力变换为各电动机输出，进行力控制。

位置控制单元，根据各关节位移的目标值与由位移传感器检测出的各关节位移的现在值的偏差，控制治疗部的位置。

上述情况，例如以下式1(式1)能够确定电动机指令值u。式中上标文字T表示转置。

(式1)

$u=K_p\mathrm{\Δq}+K_v\mathrm{\Δ}\stackrel{.}{q}-J_{\mathrm{\φ}}{\left(q\right)}^T{f}_d$

u：电动机指令值；  qd：目标关节位移

Kp：位置增益；     q：关节位移

Kv：速度增益；     Jφ：治疗部产生的力变换为各个电动机的力矩

Δq：qd-q：位置偏差 fd：目标力

图3是表示此时的框线图。在图3中，x表示治疗部的位置矢量，下标d表示目标值。另外图3中的“逆运动学”是指将治疗部的位置矢量x变换为关节矢量q的计算。

另一方面，控制治疗部的力的方向和控制治疗部的轨迹的面(即，轨迹控制面)处于垂直关系，且安装上述力传感器时，力控制单元根据力的目标值和由力传感器检测到的力的现在值的偏差，如下式2(式2)确定电动机指令值，位置控制单元基于治疗部的目标位置和根据由位移传感器检测出的各关节的位移而计算的治疗部的现在位置之间的偏差，如下式2(式2)，确定电动机指令值。图4表示此时的框线图。

(式2)

$u=J_{\mathrm{yz}}{\left(q\right)}^T\{K_{\mathrm{yzp}}\mathrm{\Δ}{x}_{\mathrm{yz}}+K_{\mathrm{yzv}}\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{x}}_{\mathrm{yz}}\}-J_{\mathrm{\φ}}{\left(q\right)}^T{f}_d+K_{\mathrm{fp}}-J_{\mathrm{\φ}}{\left(q\right)}^T\mathrm{\Δf}$

$-K_{\mathrm{fi}}{\∫J}_{\mathrm{\φ}}{\left(q\right)}^T\mathrm{\Δfdt}$

Kyzp：位置增益；  Jyz：yz平面和关节坐标系的雅克比行列式

Kyzv：速度增益；  Kfp：力的比例增益

ΔXyz＝Xyzd-Xyz：位置偏差  fd：目标力

xyz＝[y，z]^T；  f：现在力

Δf＝fd-f：力偏差

这里，表示了假定在平行于上述yz平面的面中进行位置控制，在与yz平面垂直的x方向进行力控制的情况的控制规则，但只要力控制和位置控制的方向具有垂直关系，其方向能够任意确定。

以下，对设定力的方向设为任意方向的方法进行描述。如图5所示，如果要进行位置控制的面的方程式由z＝ax+by+c提供，治疗部的几何约束条件Φ(x)由下式3(式3)提供。

(式3)

φ(x)＝z-ax-by-c＝0

其中，x为治疗部顶端的三维位置矢量，为x＝(x，y，z)。此时，对上述面定义新的坐标系o-x’y’z’。其中设定在y’z’平面内进行位置控制，在x’方向进行力控制。

根据上式3(数3)，上述法线矢量Φx由数4表示。

(式4)

${\mathrm{\φ}}_x={(\∂\mathrm{\φ}\left(x\right)/\∂x)}^T={(\∂\mathrm{\φ}\left(x\right)/\∂x,\∂\mathrm{\φ}\left(x\right)/\∂y,\∂\mathrm{\φ}\left(x\right)/\∂z)}^T$

其中，治疗部顶端位置x＝(x，y，z)与关节坐标系q＝(q1，q2，q3)之间的雅可比行列式定义为式5。

(式5)

$J_x\left(q\right)=\left(\begin{array}{ccc}\∂x/{\∂q}_1& \∂x/\∂q_2& \∂x/\∂q_3\\ \∂y/\∂q_1& \∂y/\∂q_2& \∂y/\∂q_3\\ \∂z/\∂q_1& \∂z/\∂q_2& \∂z/\∂q_3\end{array}\right)$

另外，由式6(式6)定义变换矢量JΦ，该变换矢量JΦ为用于使用式4(式4)、式5(式5)在上述面法线方向上产生的力的各关节力(电动机指令值)的变换矢量JΦ。

(式6)

$J_{\mathrm{\φ}}{\left(q\right)}^T=\frac{J_x{\left(q\right)}^T(\∂\mathrm{\φ}/\∂x)}{\left|\right|{\mathrm{\φ}}_x\left|\right|}$

上述式6(式6)，是用于在上述式3(式3)面的法线方向上产生的力的各关节力的变换矢量，通过变更式3(式3)的参数a、b、c，能够求出向任意方向产生力的各关节力。

下面表示位置控制需要的雅可比行列式Jyz(q)的求法。将从基准坐标系o-xyz旋转为上述坐标系o-x’y’z’的旋转行列设为R。由此，上述治疗部位置矢量能够由上述坐标系o-x’y’z’表达。如果将其表示为x’＝(x’，y’，z’)，与x＝(x，y，z)的关系由式7(式7)提供。

(式7)

x¹＝Rx

同样，在Δxyz中，设定由上述坐标系o-x’y’z’表达。由此式2(式2)的yz平面和关节坐标系的雅可比行列式Jyz(q)由式8(式8)提供。

(式8)

$J_{\mathrm{yz}}\left(q\right)=\left(\begin{array}{ccc}\∂y\′/\∂q_1& \∂y\′/\∂q_2& \∂y\′/\∂q_3\\ \∂z\′/\∂q_1& \∂z\′/\∂q_2& \∂z\′/\∂q_3\end{array}\right)$

如上所述，力控制和位置控制和方向处于垂直关系，如上所述，其方向能够任意地确定。因此，控制部，通过逐渐改变轨迹控制面，以使轨迹控制面与用户身体的切线方向平行，能够沿着用户的背面一边移动治疗部，一边对背面垂直提供力，能够进行最合理的按摩。

并且，由式2知，位置控制单元，利用雅可比行列式Jyz(q)进行治疗部的位置控制，但在进行位置反馈控制时，在平行于轨迹控制面的方向上不设定治疗部的位置的目标值。这是为了防止位置控制的位移误差对力误差产生影响。

图6表示在图2的按摩机中附加了存储治疗部的位移和力目标值的存储装置的按摩机。存储装置中事先存储着治疗部的位移和力的目标值，控制部，根据存储在存储装置中的位移和力的目标值与现在值的偏差，控制治疗部的位置和力。此时，能够容易再现适宜于用户的按摩动作。

另外，如图7所示，在按摩机中设置用于用户设定治疗部的力大小和方向的操作部10，用户也可以通过操作部10用手指9输入治疗部的力方向和大小。图7中设置在操作部10中的3轴力传感器11检测操作的力方向和大小，控制部将该检测值作为力的方向和大小的目标值进行控制。

在上述实施例中表示了向各致动器提供转矩指令值，驱动它们的情况，也可以提供速度指令值，控制力和轨迹。图8表示此时控制的一个例子。控制力时，与现在的按摩力相比，如果增加要求的力，在治疗部在远离人体的方向上，如果小设置速度指令值在靠近人体方向上，设定速度指令值生成力的控制输入(图8中的A)。另外，控制轨迹时，计算成为要求的轨迹的速度指令值，生成控制输入。此时，反馈位置和速度的误差，生成速度指令值，通过将其与成为要求的轨迹的速度指令值叠加，生成轨迹的控制输入(图8中的B)。由于叠加该力和轨迹的控制输入后的速度指令值，为治疗部的速度指令，由式9(式9)变换为各致动器(电动机)的速度指令值，并输入到各致动器中。

(式9)

$\stackrel{.}{q}=J_x{\left(q\right)}^{-1}\stackrel{.}{x}$

其中，如上所述，在x方向进行力控制，在yz方向进行位置控制时由于能够设定为：

(式10)

$\stackrel{.}{x}=\left(\begin{array}{c}-K_{\mathrm{fp}}\mathrm{\Δf}-K_{\mathrm{fi}}\∫\mathrm{\Δf}\\ {\stackrel{.}{y}}_d+K_p\mathrm{\Δy}+K_v\mathrm{\Δ}\stackrel{.}{y}\\ {\stackrel{.}{z}}_d+K_p\mathrm{\Δz}+K_v\mathrm{\Δ}\stackrel{.}{z}\end{array}\right)$

此时，图8中的A相当于式11(式11)，图8中的B相当于式12(式12)。

(式11)

$\left(\begin{array}{c}-K_{\mathrm{fp}}\mathrm{\Δf}-K_{\mathrm{fi}}\∫\mathrm{\Δf}\\ 0\\ 0\end{array}\right)$

(式12)

$\left(\begin{array}{c}0\\ {\stackrel{.}{y}}_d+K_p\mathrm{\Δy}+K_v\mathrm{\Δ}\stackrel{.}{y}\\ {\stackrel{.}{z}}_d+K_p\mathrm{\Δz}+K_v\mathrm{\Δ}\stackrel{.}{z}\end{array}\right)$

但是，治疗部对人体提供的力跟踪要求的力时，由相对于力的误差的反馈项，改变力的跟踪性。即，如果设定与力相关的控制增益增大，跟踪性高，如果设定减小控制增益，跟踪性降低。用户也可以选择该跟踪性。图9表示按摩机中设置了用于调整力跟踪性的直动容量式操作部10的一个例子。如果用户操作操作部10，力控制单元根据来自操作部10的输入调整控制增益，由此能够改变跟踪性。操作部并不局限于上述形式，只要是能够调整跟踪性的单元就可以。

另外，关于跟踪性的控制，最好降低治疗部1靠近人体12的方向(图10中的α方向)的跟踪性，提供治疗部1远离人体12的方向(图10中的β方向)的跟踪性。即，要求的力fd和现在力f的差为正值时，由于现在的按摩力弱，治疗部向靠近人体的方向移动。此时，通过减小控制增益能够降低跟踪性，由此，现在的按摩力弱时，按摩力徐徐增强，用户不会感觉疼痛。另外，要求的力fd和现在力f的差为负值时，由于现在的按摩力过强，向治疗部在远离人体的方向移动。此时，通过增大控制增益能够提高跟踪性，由此，在现在的按摩力强，用户感觉痛时，能够迅速减弱力。这样，能够为用户提供舒适的按摩。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.(修改后)一种按摩机，具备设置了治疗部的推拿机构，该治疗部通过至少3个以上旋转或者平移的关节与人体接触，其特征在于，具备：

独立驱动各关节的致动器，

检测各关节的位移的位移检测单元，以及

控制上述致动器的控制部，

上述控制部，确定规定的轨迹控制面，并具备：

位置控制单元，其在上述规定的轨迹控制面，控制治疗部的轨迹；以及

力控制单元，其在上述轨迹控制面的法线方向上控制治疗部的力，

上述控制部，向各关节的致动器提供速度指令值来驱动它们。

2.(修改后)根据权利要求1所述的按摩机，其特征在于，

上述位置控制单元，根据治疗部的目标位置与根据由上述位移检测单元检测到的关节的位移所计算出的治疗部的现在位置之间的偏差、或者各关节的位移的目标值与由上述位移检测单元检测出的各关节的位移的现在值之间的偏差来控制各致动器。

3.(修改后)根据权利要求1所述的按摩机，其特征在于，

上述位置控制单元，使用平行于上述轨迹控制面的面和关节坐标系的雅可比行列式，进行治疗部的位置控制，在进行位置反馈控制时，在平行于上述轨迹控制面的方向上，不设定治疗部的位置的目标值。

4.(删除)

5.(修改后)根据权利要求1所述的按摩机，其特征在于，上述按摩机还具备检查治疗部向用户提供的力的力传感器，

上述力控制单元，根据上述力的目标值和由上述力传感器检测到的力的现在值之间的偏差来控制各致动器。

6.(修改后)根据权利要求1所述的按摩机，其特征在于，

上述按摩机还具备存储治疗部的位移和力的目标值的存储装置，

上述控制部，根据存储在上述存储装置中的位移和力的目标值与现在值之间的偏差，控制治疗部的位置和力。

7.(修改后)根据权利要求1所述的按摩机，其特征在于，

上述控制部，逐渐改变上述轨迹控制面，以使上述轨迹控制面与用户身体的切线方向平行。

8.(修改后)根据权利要求1所述的按摩机，其特征在于，

上述按摩机还具备用于用户设定治疗部的力的大小和方向的操作部。

9.(删除)

10.(修改后)根据权利要求5所述的按摩机，其特征在于，

上述按摩机还具备用于调整力的跟踪性的操作部，

上述力控制单元，根据来自上述操作部的输入来调整控制增益。

11.(修改后)根据权利要求5所述的按摩机，其特征在于，

上述力控制部，使治疗部在远离人体的方向上的跟踪性比接近人体的方向上的跟踪性高。

Claims (11)

1.一种按摩机，具备设置了治疗部的推拿机构，该治疗部通过至少3个以上旋转或者平移的关节与人体接触，其特征在于，具备：

独立驱动各关节的致动器，

检测各关节的位移的位移检测单元，以及

控制上述致动器的控制部，

上述控制部，具备：

位置控制单元，其决定规定的轨迹控制面，在上述轨迹控制面上控制治疗部的轨迹；以及

力控制单元，其在上述轨迹控制面的法线方向上控制治疗部的力。

2.根据权利要求1所述的按摩机，其特征在于，

上述位置控制单元，根据治疗部的目标位置与根据由上述位移检测单元检测到的关节的位移所计算出的治疗部的现在位置之间的偏差、或者各关节的位移的目标值与由上述位移检测单元检测出的各关节的位移的现在值之间的偏差，控制各致动器。

3.根据权利要求1所述的按摩机，其特征在于，

上述位置控制单元，使用平行于上述轨迹控制面的面和关节坐标系的雅可比行列式，进行治疗部的位置控制，在进行位置反馈控制时，在平行于上述轨迹控制面的方向上，不设定治疗部的位置的目标值。

4.根据权利要求1所述的按摩机，其特征在于，

上述控制部，向各关节的致动器提供转矩指令值来驱动它们。

5.根据权利要求1所述的按摩机，其特征在于，还具备检查治疗部向用户提供的力的力传感器，

上述力控制单元，根据上述力的目标值和由上述力传感器检测到的力的现在值的偏差来控制各致动器。

6.根据权利要求1所述的按摩机，其特征在于，

还具备存储治疗部的位移和力的目标值的存储装置，

上述控制部，根据存储在上述存储装置中的位移和力的目标值与现在值之间的偏差，控制治疗部的位置和力。

7.根据权利要求1所述的按摩机，其特征在于，

上述控制部，逐渐改变上述轨迹控制面，以使上述轨迹控制面与用户身体的切线方向平行。

8.根据权利要求1所述的按摩机，其特征在于，

还具备用于用户设定治疗部的力的大小和方向的操作部。

9.根据权利要求1所述的按摩机，其特征在于，

上述控制部，向各关节的致动器提供速度指令值来驱动它们。

10.根据权利要求5所述的按摩机，其特征在于，

还具备用于调整力的跟踪性的操作部，

上述力控制单元，根据来自上述操作部的输入来调整控制增益。

11.根据权利要求5所述的按摩机，其特征在于，

上述力控制部，使治疗部远离人体的方向上的跟踪性比接近人体的方向上的跟踪性高。

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