CN102655834B - 平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供辅助向基准方向恢复躯体的倾斜角的动作的装置。平衡装置包括传感器和至少一个飞轮以及控制器。传感器检测躯体相对于基准方向的倾斜角。至少一个飞轮以平衡装置被安装到人上时所述飞轮的轴线与躯体的横摆轴不平行的方式配置在平衡装置上。躯体的横摆轴相当于躯体的纵向方向。另外，在人直立时，横摆轴与基准方向一致。控制器基于由传感器检测出的倾斜角来改变飞轮的旋转速度。

Description

平衡装置

技术领域

本申请要求基于2009年12月15日提交的日本专利申请第2009-284387号的优先权。该申请的全部内容被参考援引在本说明书中。本发明涉及使用飞轮来辅助人的平衡能力的技术、或者用于提高平衡能力的训练的技术。另外，在本说明书中，“平衡能力”典型地是指向被确定的基准方向恢复发生了倾斜的躯体的能力。

背景技术

据发明者们所知，迄今很少对辅助人的平衡能力的安装型的装置进行研究。另外，如下所示，本说明书所公开的新技术利用飞轮。因此，下面列举与利用了飞轮的机器人技术有关的两个现有技术。

(1)专利文献1(日本国专利公开公报第2004-9205号)：专利文献1中公开的腿式机器人在躯体和腿的至少一者上安装有利用了飞轮的控制力矩陀螺。该腿式机器人通过控制力矩陀螺来改变躯体的姿势。

(2)专利文献2(日本国专利公开公报第2009-254741号)：在专利文献2中公开了利用飞轮的行走辅助装置。该行走辅助装置包括安装到大腿上的第一安装部和安装到下腿上的第二装着部。各个安装部具有飞轮。该行走辅助装置利用飞轮的反力转矩，以辅助腿的动作。

发明内容

发明所要解决的技术问题

人的平衡能力有时由于残疾或受伤而下降。然而，如上所述，据发明者们所知，迄今很少对辅助人的平衡能力的安装型的装置进行研究。为了平衡能力下降的人，期望辅助平衡能力的安装型的装置。另外，安装型的平衡辅助装置也可用作用于提高平衡能力的训练装置。

用于解决问题的技术手段

本说明书所公开的一个技术提供了被安装到人的躯体上的平衡装置。该平衡装置包括传感器、至少一个飞轮、以及控制器。传感器检测躯体相对于被确定的基准方向的倾斜角。基准方向的一例是铅垂方向。可通过向期望的方向倾斜平衡装置并且传感器所输出的倾斜角被重置为零，来确定基准方向。在这种情况下，传感器输出零倾斜角时的平衡装置的方向相当于基准方向。至少一个飞轮以平衡装置被安装到人上时所述飞轮的轴线与躯体的横摆轴不平行的方式配置在平衡装置上。躯体的横摆轴相当于躯体的纵向方向。另外，在人直立时，横摆轴与铅垂方向一致。控制器基于由传感器检测出的倾斜角来改变飞轮的旋转速度。

上述的平衡装置利用由于飞轮的旋转速度变化而产生的反力转矩来辅助人的平衡能力。在此，反力转矩表示躯体从飞轮受到的转矩。以下，将由于飞轮的旋转速度变化而产生的反力转矩简称为“反力转矩”。另外，上述的平衡装置通过适当地改变倾斜角和飞轮的旋转速度变化的关系，可用作用于提高人的平衡能力的训练装置。如果控制上述的平衡装置使得产生向基准方向恢复躯体的倾斜角的方向的反力转矩，则上述的平衡装置作为平衡辅助装置发挥功能。另一方面，如果控制上述的平衡装置使得产生增大躯体的倾斜角的方向(远离基准方向的方向)的反力转矩，则上述的平衡装置作为平衡训练装置发挥功能。

在具有一个飞轮的平衡装置的情况下，倾斜角的方向和飞轮的旋转方向以及反力转矩的方向的关系如下所述。假定与飞轮的旋转轴交叉的面内的躯体的倾斜角。当躯体从基准方向沿顺时针方向倾斜时，如果飞轮的顺时针方向的旋转速度增加，则在躯体上产生逆时针方向的反力转矩、即向基准方向恢复躯体的倾斜角的方向的反力转矩。在具有多个飞轮的情况下，改变各飞轮的旋转速度，以使得各飞轮所产生的反力转矩的合成转矩作用于向基准方向恢复躯体的倾斜角的方向上。合成转矩的方向或大小由各飞轮的几何学的配置决定。

对上述的平衡装置作为平衡能力的辅助装置使用的一个实施方式进行说明。当倾斜角处于包括基准方向的预先确定的预定范围内时，平衡装置的控制器控制飞轮的旋转速度，以使得反力转矩小于等于预先确定的反力阈值，当倾斜角超过预定范围外时，平衡装置的控制器改变飞轮的旋转速度，以使得反力转矩大于等于反力阈值并且在向基准方向恢复倾斜角的方向上产生反力转矩。

在具有一个飞轮的平衡装置的情况下，当倾斜角处于预定范围外时，控制器控制飞轮以向与倾斜方向相同的旋转方向增加旋转速度。飞轮的这样的旋转角速度(旋转速度的变化)产生作用于向基准方向恢复躯体的倾斜角的方向上的反力转矩。

在上述的平衡装置作为平衡辅助装置使用的其他的实施方式中，当倾斜角增大时，控制器改变飞轮的旋转速度以使得反力转矩大于等于反力阈值并且在向基准方向恢复倾斜角的方向上产生反力转矩，当倾斜角减小时，控制器控制飞轮的旋转速度以使得反力转矩小于等于反力阈值。

在上述的前者的情况下，在倾斜角距离基准方向的偏差增大时，向基准方向恢复倾斜角的方向的反力转矩被施加给躯体。在上述的后者的情况下，在躯体的倾斜角增大时，向基准方向恢复倾斜角的方向的反力转矩被施加给躯体。通过这样的动作，平衡装置辅助人的平衡能力。在上述的任一情况下，反力阈值均被预先设定为小值使得对人的平衡不产生影响。反力阈值优选地实质上为零。

优选地，将所检测出的倾斜角的范围的条件和倾斜角的变化方向的条件结合来改变飞轮的旋转速度。例如，优选地，控制器在以下的三个条件下改变飞轮的旋转速度。(条件1)当倾斜角处于预定范围内时，无论倾斜角的变化如何，均控制飞轮的旋转速度以使得反力转矩小于等于反力阈值。(条件2)当倾斜角处于预定范围外并且倾斜角增大时，改变飞轮的旋转速度，以使得反力转矩大于等于反力阈值并且在向基准方向恢复倾斜角的方向上产生反力转矩。(条件3)当倾斜角处于预定范围外并且倾斜角减小时，改变飞轮的旋转速度以使得反力转矩小于等于反力阈值。

对上述三个条件的含义进行说明。在倾斜角处于预定范围内时，使用者维持平衡，因此不需要反力转矩(条件1)。倾斜角的减小表示使用者正在通过自身力量恢复平衡，因此即使倾斜角处于预定范围外也不需要反力转矩(条件3)。仅在倾斜角处于预定范围外并且倾斜角增大时，使用者极有可能无法恢复平衡，因此通过反力转矩辅助平衡恢复(条件2)。如此，通过将所检测出的倾斜角的范围的条件和倾斜角的变化方向的条件结合，能够更适当地进行平衡恢复的辅助。

在本说明书所公开的新技术的一个实施方式中，优选地，控制器控制飞轮的旋转速度以使得反力转矩小于等于反力阈值，并且所述控制器将飞轮的旋转速度减小至零。这样的构成的平衡装置在躯体的倾斜角接近铅垂时、换言之使用者维持平衡时，将飞轮的旋转速度减小至零。这样的平衡装置在使用者维持平衡的期间飞轮的旋转停止的情况下，不会产生陀螺效应，不会在躯体摇摆时施加不需要的陀螺转矩。另外，通过将飞轮的旋转速度减小至零，能够防止转速的饱和。另外，陀螺转矩是由于改变旋转的飞轮的轴线而产生的转矩。即使是以恒定速度旋转的飞轮，也可产生陀螺转矩。

控制器也可以通过飞轮的机械式摩擦阻力将旋转速度减小至零。这样的平衡装置能够抑制电力消耗。

对上述的平衡装置作为平衡能力提高的训练装置使用的一个实施方式进行说明。控制器在倾斜角处于包括基准方向的预先确定的第一范围内时，改变飞轮的旋转速度以在增大倾斜角的方向上产生反力转矩。另外，控制器在倾斜角处于第一范围外侧的第二范围内时，控制飞轮的旋转速度以使得反力转矩小于等于反力阈值。

上述的平衡装置在躯体的方向接近基准方向时、换言之使用者维持平衡时，施加增大躯体的倾斜角的方向的反力转矩。平衡装置的使用者尝试对抗反力转矩维持平衡。通过重复这样的动作，训练使用者的平衡能力。

另外，优选地，上述平衡装置的控制器在倾斜角大于第二范围时，改变飞轮的旋转速度以使得反力转矩大于等于反力阈值并且在向基准方向恢复倾斜角的方向上产生反力转矩。这样的平衡装置在躯体训练过程中大幅倾斜的情况下能够辅助使用者的平衡能力，并且能够迅速地恢复使用者的倾斜角。

优选地，控制器在倾斜角处于第二范围内时，控制飞轮的旋转速度以使得反力转矩小于等于反力阈值，并且将飞轮的旋转速度减小至零。通过将飞轮的旋转速度减小至零，能够抑制不需要的陀螺转矩的产生。控制器也可以通过飞轮的机械式摩擦阻力将旋转速度减小至零。这样的平衡装置能够抑制电力消耗。

具有一个飞轮的平衡装置能够应对绕一个轴的倾斜角的变化。具有轴线不平行的两个飞轮的平衡装置能够应对绕两个轴的倾斜角。具有以特殊的相互关系配置的三个飞轮的平衡装置能够应对绕与躯体的横摆轴交叉的两个轴的倾斜角的变化以及绕横摆轴的躯体的转动角的变化。“特殊的相互关系”相当于三个飞轮的各轴线相互不平行并且三条轴线未被配置在一个平面上的关系。具有这样的特殊的相互关系的平衡装置不仅能够关于躯体的倾斜角辅助/训练使用者的能力，还能够关于转动角辅助/训练使用者的能力。

平衡装置的上述的功能典型地也可以通过安装在平衡装置的控制器中的程序实现。另外，存储有这样的程序的存储介质也是本说明书所公开的技术的一个方式。

发明效果

根据本说明书所公开的一个新技术，能够提供辅助人的平衡能力的装置或者用于提高平衡能力的训练装置。特别地，被构成为在上述的预定的情况下将飞轮的旋转速度减小至零的平衡装置不会对使用者施加不需要的陀螺转矩。

附图说明

图1A示出第一实施例的平衡装置的示意性主视图。

图1B示出第一实施例的平衡装置的示意性侧视图。

图1C示出第一实施例的平衡装置的示意性平面图。

图2示出平衡装置的框图。

图3示出控制器的硬件构成。

图4是说明作为平衡辅助装置的动作的示意图。

图5示出平衡装置所执行的处理的流程图。

图6说明作为平衡训练装置的动作的示意图。

图7是第二实施例的平衡装置的示意性立体图。

图8是第二实施例的平衡装置的示意性平面图。

图9是第二实施例的平衡装置的示意性局部侧视图。

图10是第三实施例的平衡装置的示意性平面图。

具体实施方式

(第一实施例)：参照附图说明第一实施例的平衡装置10。平衡装置10辅助向铅垂方向恢复躯体的倾斜角的使用者的动作。平衡装置10包括用于安装到使用者的躯体(腰)上的束腰12和飞轮20。在使用者H安装了平衡装置10时，飞轮20处于使用者H的背面。

图1A至图1C中示出了平衡装置10被安装到使用者H上时的三面图。图1A示出了主视图，图1B示出了侧视图，图1C示出了平面图。另外，在图1C中，使用椭圆示意性地表示使用者H。另外，由于飞轮20处于使用者H的背面侧，因此图1A示出使用者H的背面。

对在下面的说明中使用的坐标系进行说明。使用者H的前方相当于X轴，使用者H的侧方相当于Y轴，与X轴和Y轴正交的方向相当于Z轴。在机器人工学中，这样的X轴、Y轴、以及Z轴分别称作侧倾轴、俯仰轴、以及横摆轴。在本说明书主要使用侧倾轴、俯仰轴、以及横摆轴的称呼。横摆轴与躯体的纵向方向一致。更具体地，横摆轴相当于穿过躯体的中心并沿躯体的纵向方向延伸的直线。

马达14被安装在束腰12上。该马达14使飞轮20旋转。另外，飞轮20被盖部覆盖。飞轮20被配置为在平衡装置10被安装到使用者H上时飞轮的旋转轴线s与使用者H的躯体的横摆轴交叉。以下，将旋转轴线s简称作轴线s。在本实施例的平衡装置10的情况下，飞轮20的轴线s沿使用者H的侧倾轴方向延伸。

另外，飞轮20被配置为在平衡装置10被安装在使用者H上时飞轮的旋转轴线s与横摆轴不平行即可。通过这样的配置，平衡装置能够绕与横摆轴交叉的直线产生反力转矩，并且能够辅助倾斜角。

此外，束腰12中还内置有控制器16、电池17、倾斜角传感器18。倾斜角传感器18测量束腰12相对于基准方向的倾斜角、即使用者H的躯体的倾斜角。通过以在使平衡装置10朝向期望的方向的情况下倾斜角传感器18输出零倾斜角的方式重置倾斜角传感器18，来确定基准方向。以下，在平衡装置10被安装到使用者并且使用者的躯体的横摆轴与铅垂方向一致时，重置倾斜角传感器18。即，在本实施例中，躯体的横摆轴与铅垂方向一致的情况相当于零倾斜角。换言之，倾斜角相当于铅垂线和横摆轴之间的角度。控制器16基于由倾斜角传感器18检测出的倾斜角来控制飞轮20的旋转速度。电池17向控制器16、倾斜角传感器18、以及马达14供电。

图2中示出了平衡装置10的框图。控制器16具体地包括上位控制器16a和伺服控制器16b。上位控制器16a基于倾斜角传感器18所输出的倾斜角θ和由编码器15测量的马达14的转速(旋转速度)，向伺服控制器16b输出对马达14的指令转速n(rpm)，使得产生期望的反力转矩“-T”。在此，为了产生反力转矩“-T”，马达14以转矩T对飞轮20的旋转进行加速即可。通过改变对马达14的指令转速n，马达14产生转矩。如果马达14对飞轮20施加转矩T，则反力转矩“-T”经由马达14施加给使用者H。下面对反力转矩详细地进行说明。伺服控制器16b对马达14进行反馈控制使得马达14的转速追随所指示的转速n。伺服控制器16b使用转速n和电流i的双重的反馈环路对马达14进行控制。

图3中示出了控制器16的硬件构成的一个实施方式。控制器16包括CPU31、存储器32、DA转换器33、脉冲计数器34、以及RS232C电路35(串行通信电路)。DA转换器33、脉冲计数器34、以及RS232C电路35通过PCI总线与CPU31连接。存储器32中存储有CPU31执行的程序、以及反力阈值(下述)等参数。DA转换器33向伺服控制器16b发送转速指令值。在该实施例中，由于伺服控制器16b的输入输出是模拟信号，因此DA转换器33将CPU31计算出的指令值的数字值转换为模拟值后输出。脉冲计数器34对编码器15输出的脉冲进行计数。编码器15输出的脉冲相当于马达14的转速(即，飞轮的转速)。RS232C电路35接收倾斜传感器18输出的数据，并发送给CPU31。众所周知，RS232C为美国的EIA(The Electric IndusTrial Alliance：美国电子工业联合会)制定的串行通信的规格。

对平衡装置10的动作概要进行说明。当马达14对飞轮20的旋转进行加速(减速)时，马达14施加给飞轮20的转矩的反力转矩施加给使用者H。由于飞轮20的轴线s沿侧倾轴方向延伸，因此反力转矩绕侧倾轴施加。即，该平衡装置10能够通过改变飞轮20的旋转速度对使用者H施加绕侧倾轴的转矩(飞轮20的反力转矩)。平衡装置10能够通过适当地选择飞轮20的控制规则向减小使用者H的躯体的绕侧倾轴(X轴)的倾斜角的方向施加反力转矩，也能够向增大倾斜角的方向施加反力转矩。在前者的情况下，平衡装置10作为将使用者的躯体的横摆轴恢复到铅垂方向的平衡辅助装置发挥功能。在后者的情况下，平衡装置10作为用于提高使用者的平衡能力的训练装置发挥功能。

参照图4对作为平衡辅助装置的平衡装置10的动作进行说明。图4使用线示意性地表示使用者H。H1相当于使用者H的腿，H2相当于腰，H3和H4相当于躯体。H4示出了躯体的横摆轴(纵向方向)沿着铅垂方向的情况，H3示出了横摆轴从铅垂方向倾斜角度θ的情况。角度θ相当于躯体的倾斜角θ。

符号“P1”表示绕侧倾轴(X轴)的角度范围。预定范围P1包含铅垂方向。预定范围P1被设定为使用者H能够通过自身力量维持平衡的角度范围。预定范围P1被预先确定，并且被存储在控制器16中。预定范围P1例如被设定为从铅垂向两侧各倾斜2度、总计4度的角度范围。

平衡装置10在使用者H的躯体的倾斜角θ超过预定范围P1时，控制飞轮20的旋转速度，以在向铅垂恢复倾斜角θ的方向上产生反力转矩。另外，当分别使用符号Iw、dw表示飞轮20的惯性矩和角加速度时，马达14施加给飞轮20的转矩T表示为T＝Iw·dw。由于马达14施加的转矩T的反向的转矩施加给使用者H，因此在图4中反力转矩表示为“-T”。如图4所示，当施加顺时针的角加速度dw时，产生逆时针的反力转矩“-T”。即，平衡装置10的控制器16能够在马达输出转矩T时产生反力转矩“-T”。

根据倾斜角θ确定马达14应该产生的转矩T的控制规则由下面的(式1)给出。

[式1]

如果(条件1)则

T＝Iw·dw＝0

否则(条件2)

T＝Iw·dw＝Kd·dθ

符号Kd表示控制增益。符号dθ表示飞轮20的旋转速度。如果将(式1)转换为确定飞轮20的角加速度目标值dw的控制规则，则得到下面的(式2)。

[式2]

如果(条件1)则

dw＝0

否则(条件2)

$\mathrm{dw}=\frac{\mathrm{Kd}}{\mathrm{Iw}}\·\mathrm{d\θ}$

控制器16使用由(式2)确定的角加速度目标值dw来改变飞轮20的旋转速度。

在(式1)和(式2)的控制规则中，条件1表示倾斜角θ处于预定范围P1内的情况。控制器16在条件1成立时，控制飞轮20使得角加速度dw＝零、即反力转矩为零。条件2表示倾斜角θ超过预定范围P1的情况。控制器16控制飞轮20，使得产生与躯体的倾斜角速度dθ成比例的大小的反力转矩“-T＝Kd·dθ”。反力转矩“-T”如前所述在向铅垂恢复倾斜角θ的方向上产生。因此，换言之，控制器16在倾斜角θ超过预定范围P1时，改变飞轮的旋转速度以在向铅垂方向恢复倾斜角θ的方向上产生反力转矩。另外，倾斜角速度dθ根据通过传感器18得到的倾斜角θ的时间差分得到。

在采用(式2)的控制规则的情况下，平衡装置10的控制器16在躯体的倾斜角θ处于预定范围P1内时，控制飞轮20的旋转速度使得反力转矩为零。另一方面，控制器16在倾斜角θ超过预定范围P1时，改变飞轮20的旋转速度以在向铅垂方向恢复倾斜角θ的方向上产生反力转矩。通过这样的控制规则，平衡装置10提供向铅垂方向恢复使用者躯体绕侧倾轴的倾斜角θ的转矩。

对(式2)的替代控制规则进行说明。平衡装置10也可以采用下面的(式3)的控制规则替代(式2)。

[式3]

如果θ·dθ＞0(条件3)则

$\mathrm{dw}=\frac{\mathrm{Kd}}{\mathrm{Iw}}\·\mathrm{d\θ}$

否则(条件4)

dw＝0

在(式3)的控制规则中，条件3与(式2)的情况不同。θ·dθ＞0意味着θ＞0且dθ＞0以及θ＜0且dθ＜0。角度θ的正负使用图4所示的坐标系确定。条件3表示倾斜角θ增大。换言之，条件3表示倾斜角θ倒下去。即，在采用(式3)的控制规则的情况下，控制器16在倾斜角θ增大时，改变飞轮20的旋转速度以在向铅垂方向恢复倾斜角θ的方向上产生由于飞轮20的旋转速度变化而产生的反力转矩。并且，控制器16在倾斜角减小时，控制飞轮的旋转速度以使得反力转矩为零。

在采用(式3)的控制规则的情况下，无论倾斜角θ的大小如何，平衡装置10均在倾斜角θ增大时提供向铅垂恢复倾斜角θ的方向的反力转矩。

对(式2)的其他的替代控制规则进行说明。平衡装置10也可以采用下面的(式4)的控制规则替代(式2)。

[式4]

如果(条件1)则

$\mathrm{dw}<\frac{T\min }{\mathrm{Iw}}$

否则(条件2)

$\mathrm{dw}=\max (\frac{\mathrm{Kd}}{\mathrm{Iw}}\&CenterDot;\mathrm{d\&theta;},\frac{T\min }{\mathrm{Iw}})$

(式4)的控制规则中的条件1和条件2与(式2)的情况相同。图5中示出了基于(式4)的控制规则的控制器16的处理。在图5的流程图中，倾斜角θ和角加速度dw的正负的方向以图4所示的侧倾轴(X轴)为基准。即，倾斜角θ的正方向相当于图4的逆时针方向。角加速度dw的正方向也相当于逆时针方向。

控制器16从倾斜角传感器18获得躯体的倾斜角θ(S2)。控制器16判定倾斜角θ是否处于预定角度范围P1内(S4)。当倾斜角θ处于预定角度范围P1内时(S4：是)，控制器16将飞轮20的旋转速度减小至零(S6)。在(式4)和图5中，Tmin表示反力阈值。即，控制器16在倾斜角θ处于预定范围P1内时，控制飞轮20的旋转速度，以使得由于飞轮20的旋转速度变化而产生的反力转矩T小于等于预先确定的反力阈值Tmin。反力阈值Tmin被设定为小值使得反力转矩对使用者不产生影响。控制器16优选地控制飞轮20的旋转速度，使得满足dw(绝对值)＜(Tmin/Iw)的条件的同时停止飞轮20的旋转速度。即，平衡装置10在倾斜角θ处于预定范围P1内时，即在使用者保持躯体的平衡的期间，将飞轮20的旋转速度减小至零。通过将飞轮20的旋转速度减小至零，平衡装置10不会对使用者施加不需要的转矩。由于旋转的飞轮的轴线的方向变化而产生的陀螺转矩相当于“不需要的转矩”。

另一方面，当倾斜角θ处于预定角度范围P1外时(S4：否)，控制器16根据倾斜角θ的方向来控制飞轮20的角加速度(S8)。在倾斜角θ＞0的情况下(S8：是)，控制器16以正的角加速度改变飞轮20的旋转速度(S10)。在倾斜角θ＜0的情况下(S8：否)，控制器16以负的角加速度改变飞轮20的旋转速度(S12)。在图5的步骤S10和S12中，将条件简化示出。需要注意的是，步骤S10和S12中的dw的条件相当于上述的条件2。即，在步骤S10和S12中，以使反力转矩T的大小大于反力阈值Tmin的方式确定飞轮20的角加速度dw。步骤S10和S12的处理相当于在倾斜角θ超过预定范围P1时改变飞轮的旋转速度使得反力转矩大于等于反力阈值Tmin并且在向铅垂方向恢复倾斜角θ的方向上产生反力转矩。图5的处理通过安装在控制器16中的程序实现。

(式2)的控制规则相当于在(式4)的控制规则中Tmin＝0的情况。并且，使用(式4)的控制规则导入的反力阈值Tmin优选地适用于(式3)的控制规则。在这种情况下，控制器16在倾斜角θ增大时，改变飞轮的旋转速度使得反力转矩大于等于反力阈值Tmin并且在向铅垂方向恢复倾斜角θ的方向上产生反力转矩。并且，控制器16在倾斜角θ减小时，控制飞轮的旋转速度使得反力转矩小于等于反力阈值Tmin。具体地，优选地，在倾斜角θ减小时，控制器16控制飞轮20的旋转速度使得在满足dw(绝对值)＜(Tmin/Iw)的条件的同时停止飞轮20的旋转速度。这种情况的优点如上所述。

对(式2)的其他的替代控制规则进行说明。平衡装置10也可以采用下面的(式5)的控制规则替代(式2)。

[式5]

如果(条件1)则

$\mathrm{dw}<\frac{T\min }{\mathrm{Iw}}$

否则如果且θ·dθ＞0(条件5)

$\mathrm{dw}=\max (\frac{\mathrm{Kd}}{\mathrm{Iw}}\&CenterDot;\mathrm{d\&theta;},\frac{T\min }{\mathrm{Iw}})$

否则(条件6)

$\mathrm{dw}<\frac{T\min }{\mathrm{Iw}}$

(式5)的控制规则将依赖于(数2)所表示的倾斜角的范围的条件和依赖于(式3)所表示的倾斜角的变化方向的条件结合。条件1与(式2)的控制规则的情况相同。该控制规则中的条件1表示：在倾斜角处于预定范围P1内的情况下，无论倾斜角θ的变化方向如何，都控制飞轮的旋转速度使得反力转矩小于等于反力阈值。由于倾斜角θ处于预定范围P1内的情况下使用者极有可能能够通过自身力量恢复平衡，因此平衡装置10不输出反力转矩。

条件5表示：在倾斜角θ处于预定范围P1外并且倾斜角θ增大的情况下，控制器16改变飞轮20的旋转速度使得反力转矩大于等于反力阈值Tmin并且在向铅垂方向恢复倾斜角θ的方向上产生反力转矩。条件5表示使用者极有可能无法通过自身力量恢复平衡。在这种情况下，平衡装置10产生辅助恢复平衡的反力转矩。

由于表示了在倾斜角θ减小的情况下使用者能够通过自身力量恢复平衡，因此，即使倾斜角θ处于预定范围外，平衡装置10也不产生反力转矩(条件6)。采用(式5)的控制规则的平衡装置10仅在使用者极有可能难以通过自身力量恢复平衡时，输出反力转矩。

优选地，平衡装置10通过马达14和飞轮20的机械式摩擦阻力将飞轮20的旋转速度减小至零。由于在不使用动力的情况下将旋转速度减小至零，因此能够抑制电力消耗。

接下来，参照图6对作为平衡训练装置的平衡装置10的动作进行说明。平衡训练装置在使用者H通过自身力量将躯体的倾斜角θ维持在铅垂附近的期间有意地提供干扰转矩。增大倾斜角θ的方向的反力转矩相当于“干扰转矩”。使用者尝试对抗干扰转矩恢复倾斜角θ。该尝试相当于提高平衡能力的训练。

图6中的符号P2、P3、以及P4表示绕侧倾轴的角度范围。第一范围P2包含铅垂方向。第一范围P2被设定为使用者H能够通过自身力量稳定地站立的角度范围。符号P3表示被设定在第一范围P2的边界的外侧的角度范围(第二范围)。符号P4表示倾斜角大于第二范围P3的范围(第三范围)。

平衡装置10作为平衡训练装置所执行的控制规则表示为(式6)。

[式6]

如果(条件7)则

$\mathrm{dw}=\min (-\mathrm{sig}\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&CenterDot;\frac{\mathrm{Kd}}{\mathrm{Iw}}\&CenterDot;\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right),-\frac{T\min }{\mathrm{Iw}})$

否则如果(条件8)则

$\mathrm{dw}<\frac{T\min }{\mathrm{Iw}}$

否则如果(条件9)则

$\mathrm{dw}=\frac{\mathrm{Kd}}{\mathrm{Iw}}\&CenterDot;\mathrm{d\&theta;}$

在此，“sgn(θ)”是表示倾斜角θ的正负的函数。如图6所示，在倾斜角θ为正值的情况下，控制器16向侧倾轴(X轴)的负方向(逆时针方向)加速飞轮20。其结果是，反力转矩为顺时针方向即增大倾斜角θ的方向。控制器16在条件7成立时即倾斜角θ处于第一范围P2内时，改变飞轮20的旋转速度使得反力转矩大于等于反力阈值并且在使倾斜角θ增大的方向上产生反力转矩。这样一来，干扰转矩被施加给使用者，倾斜角θ紊乱。使用者尝试向铅垂方向恢复倾斜角θ。该尝试是提高平衡能力的训练。

另外，条件7成立时的“sgn(θ)cos(θ)”项只是一个例子，例如也可以采用常数或倾斜角θ取代“sgn(θ)cos(θ)”。

在条件8成立时即倾斜角θ处于第一范围的外侧的第二范围内时，控制器16控制飞轮20的旋转速度使得反力转矩小于等于反力阈值Tmin。平衡装置10不对使用者施加不需要的反力转矩。使用者尝试通过自身的力量向铅垂方向恢复倾斜角θ。

在条件8成立时，控制器16优选地控制飞轮20的旋转速度使得在满足dw(绝对值)＜(Tmin/Iw)的条件的同时停止飞轮20的旋转速度。如果飞轮20的旋转停止，则不会产生陀螺转矩，不对使用者施加不需要的转矩。另外，如果通过机械式摩擦阻力来减小旋转速度，则能够抑制电力消耗。

在条件9成立时，即倾斜角θ超过第二范围而增大时，控制器16改变飞轮20的旋转速度使得反力转矩大于等于反力阈值Tmin并且在向铅垂方向恢复倾斜角θ的方向上产生反力转矩。即，平衡装置10在倾斜角θ超过第二范围而增大时辅助平衡恢复。

在(式6)的控制规则中，也可以将反力阈值Tmin设定为零。比(式6)的控制规则更细的替代控制规则表示为(式7)。

[式7]

如果且θ·dθ≥0(条件10)则

$\mathrm{dw}=-\mathrm{sig}\left(\mathrm{\&theta;}\right)\&CenterDot;\frac{\mathrm{Kd}}{\mathrm{Iw}}\&CenterDot;\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)$

否则如果或(条件11)则

dw＝0

否则如果且θ·dθ＞0(条件12)则

$\mathrm{dw}=\frac{\mathrm{Kd}}{\mathrm{Iw}}\&CenterDot;\mathrm{d\&theta;}$

否则(条件13)

dw＝0

条件10中的“θ·dθ≥0”的条件表示倾斜角θ增大的情况。即，倾斜角θ处于第一范围P2内并且倾斜角θ增大时，平衡装置10产生增大倾斜角θ的方向的反力转矩(干扰转矩)。另外，第一范围P2被预先确定为躯体的倾斜角θ接近铅垂的、上半身的平衡稳定的范围。

在条件11成立时即倾斜角θ在第一范围内减小时(即，使用者想要向铅垂恢复倾斜角时)以及倾斜角θ处于第二范围内时，平衡装置10不产生反力转矩。

在条件12成立时，即倾斜角θ处于第三范围P4内并且倾斜角θ增加时，平衡装置10产生向铅垂方向恢复倾斜角θ的方向的反力转矩。在上述以外的情况下(条件13)，平衡装置10不产生反力转矩。通过采用(式7)的控制规则，能够实现有效的平衡训练。

(第二实施例)：接下来，对第二实施例的平衡装置200进行说明。图7示出了安装到使用者H上的平衡装置200的示意性立体图。平衡装置200包括三个飞轮20a、20b、以及20c。三个飞轮通过束腰12被安装到使用者上。飞轮20b被配置在使用者H的后方，剩余的飞轮分别被配置在使用者H的前方的左右。如下所述，三个飞轮被配置为各个飞轮的轴线相互不平行并且三条轴线不在一个平面上。通过如此进行配置，平衡装置200能够绕三条轴线的每一者独立地产生反力转矩。该平衡装置200不仅能够进行绕侧倾轴和绕俯仰轴的倾斜角的恢复辅助，还能够绕躯体的横摆轴进行向期望的横摆角转动躯体的辅助。或者，这样的平衡装置200不仅能够提供绕侧倾轴和绕俯仰轴的倾斜角的平衡训练，还能够提供绕躯体的横摆轴的平衡训练。

参照图8和图9对平衡装置200能够产生的反力转矩进行说明。图8是平衡装置200的示意性平面图。与第一实施例的平衡装置10同样地，第二实施例的平衡装置200也在保持飞轮的束腰12中内置有测量倾斜角的传感器18和控制器16。三个飞轮20a、20b、20c经由马达14a、14b、14c被安装在束腰12上。图中的符号s1、s2、s3表示各飞轮的旋转轴线。飞轮20b被配置在使用者H的后方。剩余的飞轮20a、20c俯视时以方位角α被安装在侧倾轴(X轴)的两侧。方位角α表示XY平面中的侧倾轴(X轴)和轴线之间的角度。俯视时，3个旋转轴线s1、s2、s3在使用者的躯体内的大致中央交叉。

图9示出了飞轮20b在XZ平面中的安装角度。飞轮20b被安装成在XZ平面中从侧倾轴(X轴)向下倾斜仰角β。其他的两个飞轮也同样地以仰角β安装。即，三个飞轮被配置为各个飞轮的轴线相互不平行并且三条轴线不在一个平面上。

XYZ坐标系中的三个旋转轴线s1、s2、s3的方向由下面的(式8)给出。另外，(式8)中的s1、s2、s3是表示旋转轴线的方向的单位矢量。

[式8]

s1＝R(α，β)[1，0，0]^T

s2＝R(π，β)[1，0，0]^T

s3＝R(-α，β)[1，0，0]^T

$R(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&beta;})=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& -\sin \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& 0\\ \sin \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& \cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\&beta;}\right)& 0& \sin \left(\mathrm{\&beta;}\right)\\ 0& 1& 0\\ -\sin \left(\mathrm{\&beta;}\right)& 0& \cos \left(\mathrm{\&beta;}\right)\end{array}\right]$

R(α、β)是表示绕横摆轴(Z轴)的角度α的旋转转换和绕俯仰轴(Y轴)的角度β的旋转转换的积的函数。旋转转换的函数是公知的。

如果将各个飞轮产生的反力转矩设为T1、T2、T3，这些反力转矩的合成反力转矩Td表示为Td＝T1·s1+T2·s2+T3·s3。其中，s1、s2、s3是上述的单位矢量。发明者们调查了方位角α、仰角β以及绕各轴产生的反力转矩的关系。将合成反力转矩Td分解为绕侧倾轴的分力转矩Tx、绕俯仰轴的分力转矩Ty、以及绕横摆轴的分力转矩Tz进行了调查。其结果是，得到了以下的认知。

当绕俯仰轴的转矩Ty最大时，转矩Tx和Ty为零，而不依赖于方位角α和仰角β。当绕横摆轴的转矩Tz最大时，转矩Ty为零，而不依赖于方位角α和仰角β。此时，转矩Tx依赖于方位角α。当方位角α＝60度时，Tx近似为零。当绕侧倾轴的转矩Tx最大时，转矩Ty为零，而不依赖于方位角α和仰角β。此时，转矩Tz依赖于方位角α和仰角β。当仰角β＝0度时，Tz近似为零。如果仰角β增加，则转矩Tx、Ty减小，而转矩Tz增大。

由上述的调查可知，通过采用方位角α＝60度的方位角并使仰角β可变，能够绕任意的轴产生反力转矩。另外，图8和图9所示的平衡装置200采用方位角α＝60度的方位角。

(第三实施例)：图10中示出了第三实施例的平衡装置300。平衡装置300是第二实施例的平衡装置200的变形例。在图10的平衡装置300中，一个飞轮20b被配置在束腰12的后方(使用者的后方)，剩余的两个飞轮20a、20c以方位角α＝120度配置。图10的平衡装置300也通过使仰角β可变，能够绕任意的轴产生反力转矩。

平衡装置200、300控制各飞轮的旋转速度，使得三个飞轮20a、20b、20c所产生的反力转矩的合成转矩发挥与第一实施例的一个飞轮20相同的功能。即，在该平衡装置200作为平衡辅助装置使用的情况下，平衡装置200、300在预定的条件下控制各飞轮的旋转速度，使得合成转矩大于等于反力阈值并且作用于向基准方向恢复倾斜角的方向上。在其他的条件下，平衡装置200、300控制各飞轮的旋转速度，使得合成转矩小于等于阈值。具体的控制规则(改变旋转速度的条件)可以与第一实施例的情况相同。在该平衡装置200、300作为平衡训练装置使用的情况下，也是与第一实施例中所示的平衡训练装置的情况相同。

对实施例的平衡装置所具有的其他的技术特征进行列举。

(1)俯视时，三个飞轮以大致120度间隔配置在躯体的周围。

(2)三个飞轮被配置为在平衡装置被安装在使用者上时三个飞轮的旋转轴线在使用者的躯体内部的大致一点上相交。

(3)躯体倾斜时的倾斜角速度越大，控制器就越增大飞轮的旋转角速度。

关于上面说明的平衡装置的注意点在下面进行叙述。示出发明者们试验制作的平衡装置的规格。飞轮20的直径约30cm，飞轮20的质量约1.5kg。马达14使用了无刷马达。马达的输出为60W，马达的最大输出转矩为9Nm。最大转速为2000rpm。齿轮比为3：2。使用这样的平衡装置进行试验的结果是，证实具有恢复使用者的倾斜角的效果。

在第一实施例的平衡装置10中，飞轮被配置为使得轴线朝向侧倾轴方向。平衡装置也可以配置飞轮使得轴线朝向俯仰轴方向。在这种情况下，能够对绕躯体的俯仰轴的倾斜角提供平衡辅助。或者，这样的平衡装置能够提供绕俯仰轴的平衡训练。

平衡装置也可以在俯仰轴和侧倾轴所形成的平面内具有两个飞轮，这两个飞轮的相互的旋转轴线交叉。如此配置的两个飞轮能够在俯仰轴和侧倾轴所形成的平面内产生绕任意方向的直线的反力转矩。即，具有这样的两个飞轮的平衡装置能够对绕俯仰轴和绕侧倾轴的倾斜角进行辅助，或者能够提供训练。

可使用测量腿的各关节的角度的角度传感器和接地传感器代替倾斜角传感器，这是因为根据接地的腿的各关节的角度能够计算出躯体的倾斜角。

反力阈值Tmin被设定为小值使得反力转矩对使用者不产生影响即可。反力阈值Tmin优选地实质上为零。控制器16优选地控制飞轮20的旋转速度，使得在满足反力转矩小于等于反力阈值Tmin(实质上可视为零的小值)的条件的同时停止飞轮20的旋转速度。

实施例的平衡装置检测飞轮的旋转速度，并且为了得到期望的反力转矩构成反馈旋转速度的反馈控制(例如，参照图2)。也可以通过电流控制控制马达以输出期望的转矩。本说明书所公开的平衡装置优选地被构成为在不采用旋转速度反馈的情况下通过电流反馈控制得到期望的反力转矩。另外，由于飞轮的角加速度和输出转矩与向马达供应的电流为成比例的关系，因此，需要注意的是，从输出期望的反力转矩的观点出发，电流反馈控制与旋转速度反馈等价。

另外，需要注意的是，旋转速度反馈存在以下的缺点。旋转速度反馈能够进行将飞轮的旋转速度维持在零的控制。旋转速度反馈能够进行将飞轮的旋转速度抑制在最大允许旋转速度以下的控制。

以上，对本发明的具体例详细地进行了说明，但这些具体例仅是例示，而不用于限定权利要求的范围。权利要求的范围内记载的技术中包括以上例示的具体例的各种变形和变更。

本说明书或附图所说明的技术要素单独地或者通过各种的组合发挥技术的有用性，但不限于申请时权利要求书记载的组合。另外，本说明书或附图所例示的技术可同时实现多个目的，实现所述多个目的中的一个目的本身具有技术有用性。

符号说明

10：平衡装置

12：束腰

14：马达

16：控制器

18：倾斜角传感器

20：飞轮

200、300：平衡装置

Claims (4)

1.一种平衡装置，被安装到人的躯体上，所述平衡装置的特征在于，包括：

传感器，所述传感器检测躯体相对于被确定的基准方向的倾斜角；

至少一个飞轮，所述飞轮被配置为当所述平衡装置被安装到人的躯体上时所述飞轮的轴线与所述躯体的横摆轴不平行；以及

控制器，所述控制器基于由所述传感器检测出的所述倾斜角来改变所述飞轮的旋转速度，

当所述倾斜角处于包括所述基准方向的预先确定的第一范围内时，所述控制器改变所述飞轮的所述旋转速度，以在增大所述倾斜角的方向上产生由于所述飞轮的所述旋转速度的变化而产生的反力转矩，

当所述倾斜角处于所述第一范围外侧的第二范围内时，所述控制器控制所述飞轮的所述旋转速度，以使得所述反力转矩小于等于反力阈值。

2.如权利要求1所述的平衡装置，其特征在于，

当所述倾斜角处于所述第一范围和所述第二范围合起来的范围的外侧时，所述控制器改变所述飞轮的所述旋转速度，以使得所述反力转矩大于等于所述反力阈值，并且在向所述基准方向恢复所述倾斜角的方向上产生所述反力转矩。

3.如权利要求1所述的平衡装置，其特征在于，

当所述倾斜角处于所述第二范围内时，所述控制器控制所述飞轮的所述旋转速度以使得所述反力转矩小于等于所述反力阈值，并且所述控制器将所述飞轮的所述旋转速度减小至零。

4.如权利要求1所述的平衡装置，其特征在于，

所述平衡装置包括三个飞轮，所述三个飞轮被配置为各个所述飞轮的轴线相互不平行并且三条轴线不在一个平面上。