CN107084783B - 用于往复移动体的频率检测器以及摆动关节装置 - Google Patents

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Abstract

一种频率检测器包括：振荡相关信息输出部(B12)，移动体位置相关信息和校正参数被输入至该振荡相关信息输出部并且该振荡相关信息输出部输出频率调节参数和估算的移动体位置相关信息；频率估算部(B15)，所述频率调节参数被输入至该频率估算部，并且该频率估算部输出估算频率；以及调节部(B13)，所述移动体位置相关信息、所述估算的移动体位置相关信息和所述估算频率被输入至该调节部，并且该调节部输出校正参数。

Description

用于往复移动体的频率检测器以及摆动关节装置
技术领域
本发明涉及用于往复移动体的频率检测器，该频率检测器基于执行周期性往复运动的往复移动体的运动轨迹来检测运动波形的频率，并且本发明涉及摆动关节装置，该摆动关节装置包括用于往复移动体的频率检测器并且该摆动关节装置改变关节的刚性。
背景技术
例如，日本专利申请公开No.2012-66375(JP2012-66375A)公开了一种机器人套装，该机器人套装在使用者的下肢(从髋关节到脚趾)被认为是执行周期性往复摆动运动的移动体时适当地辅助使用者行走。在该机器人套装中，输入机器人套装与使用者之间的扭矩偏差，使得通过应用PID控制(反馈控制)来减小该扭矩偏差。
另外，日本专利申请公开No.2013-236741(JP 2013-236741A)公开了一种单腿型行走辅助装置，该单腿型行走辅助装置附接至一条腿是健康的腿而另一条腿是受影响的腿的使用者的受影响的腿，从而辅助受影响的腿运动。该单腿行走辅助装置包括设置在使用者腰侧的腰附接部、从髋关节侧延伸至膝关节侧的大腿连杆部、从膝关节侧向下延伸的小腿连杆部、设置在髋关节侧的扭矩发生器、以及设置在膝关节侧的缓冲器。扭矩发生器使用凸轮和压缩弹簧构成，扭矩发生器在受影响的腿由于健康腿的向前摆动而向后移动时产生扭矩并且通过使用产生的扭矩来辅助受影响的腿向前摆动。因此，不需要提供诸如电动马达之类的致动器。另外，压缩弹簧的初始压缩量是可调节的。因此，产生的扭矩的大小是可变的。
发明内容
在JP2012-66375A中，需要增强由使用者行走引起的往复摆动运动与由机器人套装的辅助产生的往复摆动运动之间的同步性。就这一点而言，认为：当估算出由使用者行走引起的往复摆动运动的频率并且由机器人套装的辅助而引起的往复摆动运动以与所估算频率一致的频率进行时，该同步性可以进一步增强。然而，在JP2012-66375A中公开的机器人套装中，不直接估算由使用者行走引起的往复摆动运动的频率。
另外，最近，希望检测(估算)往复移动体的频率，比如用来辅助使用者行走或跑步所需的下肢往复摆动运动的频率以及用来辅助机床的进行往复运动(包括往复线性运动和往复摆动运动)的可移动部的运动所需的往复运动频率。
这对于需要携带大而重的电池来辅助行走的使用者来说是难以负担的。因此，在JP2012-66375A中公开的机器人套装中，据估计，使用相对小且轻的电池。然而，JP2012-66375A没有公开降低电致动器的功率消耗的任何特定构型。因此，据估计，JP2012-66375A中公开的机器人套装具有相对短的连续操作时间。
另外，在JP 2013-236741A中公开的单腿型行走辅助装置中，在不使用任何电动马达的情况下通过凸轮和压缩弹簧产生用于使腿向前摆动的扭矩，因此，据估计，连续操作时间比JP2012-66375A中的连续操作时间长。然而，由于使用者的体型大小的差异(下肢的惯性矩的差异)、使用者的下肢的运动角度的差异、每个使用者的身体状况、行走位置之间的倾斜度的差异等，需要使用者通过使用诸如平头螺丝刀之类的工具调节设置在扭矩产生器的压缩弹簧上部中的确定部的位置来手动地调节压缩弹簧的初始压缩量，这是麻烦的。
本发明提供了一种用于往复移动体的频率检测器以及摆动关节装置，其中，该频率检测器适当地检测(估算)往复移动体(往复移动体)的频率，该摆动关节装置包括用于往复移动体的频率检测器并且该摆动关节装置自动地调节往复关节的刚性以自动地调节由往复运动产生的扭矩，从而还降低在行走或跑步期间使往复移动体移动的电动马达的功率消耗或者使用者的负载(用于使作为往复移动体的下肢往复运动的能量)。
本发明的第一方面涉及用于往复移动体的频率检测器，该频率检测器构造成基于进行包括周期性往复线性运动和周期性往复摆动运动的往复运动的往复移动体的运动轨迹来检测运动波形的频率。该频率检测器包括振荡相关信息输出部、频率估算部以及调节部，移动体位置相关信息输入至该振荡相关信息输出部，并且该振荡相关信息输出部基于所输入的移动体位置相关信息与往复移动体的往复运动同步地进行振荡并且输出振荡相关信息，该振荡相关信息是与基于振荡的振荡波形相关的信息，所述移动体位置相关信息与往复移动体随时间的推移而变化的位置相关；该频率估算部输出作为运动波形的频率的估算频率，该估算频率是基于振荡相关信息而估算的振荡波形的频率；该调节部确定振荡相关信息输出部的校正量，以使运动波形的频率和估算频率彼此一致。振荡相关信息输出部输出：i)频率调节参数，该频率调节参数是多个振荡相关信息中的一者并且是基于来自调节部的校正量而调节的参数，以及ii)估算的移动体位置相关信息，该估算的移动体位置相关信息是多个振荡相关信息中的一者并且基于移动体位置相关信息被估算作为往复移动体的位置。该频率估算部输出基于从振荡相关信息输出部输出的频率调节参数而确定的估算频率。调节部基于移动体位置相关信息、估算的移动体位置相关信息和估算频率来确定校正参数，该校正参数是用于校正振荡相关信息输出部的操作的校正量。调节部通过将所确定的校正参数输出至振荡相关信息输出部来调节从振荡相关信息输出部输出的频率调节参数和估算的移动体位置相关信息，以调节从频率估算部输出的估算频率。
根据以上方面，适当地构造了用于往复移动体的频率检测器，该频率检测器包括振荡相关信息输出部、频率估算部以及调节部。因此，可以实现能够自动地调节从频率估算部输出的估算频率的频率检测器。
在以上方面中，可以在移动体位置相关信息通过第一滤波器之后将该移动体位置相关信息输入至振荡相关信息输出部和调节部；并且可以在校正参数通过第二滤波器之后将该校正参数输入至振荡相关信息输出部。
在以上构型中，通过使移动体位置相关信息通过第一滤波器来减少包括在移动体位置相关信息中的噪声分量，并且通过使校正参数通过第二滤波器来减小包括在校正参数中的噪声分量。因此，可以更精确地调节估算频率。
在以上方面中，往复运动可以是周期性往复摆动运动，并且移动体位置相关信息可以是与往复移动体随时间的推移而变化的位置相关的摆动角度，或者该往复运动可以是周期性往复线性运动，并且该移动体位置相关信息可以是基于往复移动体随着时间的推移变化的位置的角度。
在以上构型中，在往复运动是往复摆动运动的情况下，随时间的推移变化的摆动角度被用作移动体位置相关信息。在往复运动是往复线性运动的情况下，基于往复移动体随时间的推移变化的位置的角度被用作移动体位置相关信息。因此，可以根据往复运动的种类适当地设定移动体位置相关信息。
在以上方面中，在x1是神经元的膜电位并且是f(x1)的状态变量的情况下，x2是神经元的膜电位并且是f(x2)的状态变量，f(x1)和f(x2)是在f(xj)＝max(0，xj)的条件下神经元的输出，v1是表示适应度的变量并且是f(v1)的状态变量，v2是表示适应度的变量并且是f(v2)的状态变量，f(v1)和f(v2)分别是表示在f(vj)＝max(0，vj)的条件下适应度的变量，β是确定自适应随时间的变化的常数并且是自适应强度，γ是确定自适应随时间的变化的常数并且是两个自适应元素的耦合系数，u0是作为恒定常数的外部输入，T1是频率调节参数，T2是待调节参数并且是时间常数，b是待调节参数并且是输入系数，c是待调节参数并且是输出系数，θfltr是移动体位置相关信息，并且θneuro是估算的移动体位置相关信息，振荡相关信息输出部可以通过使用包括具有下述关系的神经振荡器的数学模型基于所输入的移动体位置相关信息执行振荡并且输出频率调节参数和估算的移动体位置相关信息，所述频率调节参数和所述估算的移动体位置相关信息是基于来自所述调节部的校正参数而被调节的：
Figure BDA0001224422660000051
Figure BDA0001224422660000052
Figure BDA0001224422660000053
Figure BDA0001224422660000054
θnearo＝cf(x1)-cf(x2)；
在c1和c2是频率估算校准表达式的常数的情况下，fcalc是估算频率，并且T1/T2的比是恒定的，频率估算部可以输出基于fcalc＝(c1/T1)+c2的关系以及从振荡相关信息输出部输出的频率调节参数确定的估算频率；并且在Kp1和Kp2是作为常数的参数调节增益的情况下，sgn(x)是符号函数，其在x>0时变为1、在x＝0时变为0并且在x<0时变为-1，并且ΔT1是校正参数，调节部基于下述关系、移动体位置相关信息、估算的移动体位置相关信息以及估算频率确定所述校正参数：
Figure BDA0001224422660000055
并且调节部通过将所确定的校正参数输出至所述振荡相关信息输出部来调节从振荡相关信息输出部输出的频率调节参数和估算的移动体位置相关信息，从而调节从频率估算部输出的估算频率。
在以上构型中，能够更具体且更适当地实现振荡相关信息输出部、频率估算部和调整部。
本发明的第二方面涉及一种摆动关节装置，该摆动关节装置包括根据第一方面所述的用于往复移动体的频率检测器，该摆动关节装置连接至进行往复运动的往复移动体，并且该摆动关节装置交替地重复能量积累模式和能量释放模式，其中，在能量积累模式中，能量通过往复移动体的运动积累在弹性体中，在能量释放模式中，释放积累在弹性体中的能量以辅助往复移动体的运动。该摆动关节装置包括：频率检测器；第一输出部，该第一输出部连接至往复移动体并且绕摆动中心摆动；弹性体，该弹性体根据第一摆动角度积累能量并且释放能量，其中，该第一摆动角度是第一输出部的摆动角度并且是移动体位置相关信息；表观刚性变化部，该表观刚性变化部改变从第一输出部来看的所述弹性体的表观刚性；第一角度检测部，该第一角度检测部检测第一摆动角度；以及控制部，该控制部通过根据由第一角度检测部检测的第一摆动角度控制表观刚性变化部来调节从第一输出部来看的弹性体的表观刚性。控制部基于由频率检测器确定的估算频率以及第一摆动角度来调节从第一输出部来看的弹性体的表观刚性。
根据以上方面，通过使用控制部来根据估算频率和第一摆动角度控制表观刚度变化部，因此，对于包括第一输出部的往复移动体的往复运动而言，自动地调节辅助往复运动所需的扭矩的大小。因此，可以容易地调节扭矩。此外，能量的积累和能量的释放通过使用弹性体而交替地进行，因此，可以产生辅助往复运动所需的扭矩。因此，例如，在通过电动马达等使往复移动体往复运动的情况下，可以进一步降低电动马达的功率消耗。另外，例如，在往复移动体是使用者的下肢的情况下，可以进一步减小使用者在行走或跑步期间的负载(用于使下肢移动的能量)。
在以上方面中，弹性体可以是螺旋弹簧；螺旋弹簧的一端可以连接至第一输出部侧的输入/输出轴部，该输入/输出轴部绕作为螺旋弹簧的中心轴线的弹簧中心轴线转动了与第一输出部的第一摆动角相对应的角度；螺旋弹簧的另一端可以连接至刚性调节构件，该刚性调节构件通过刚性调节电动马达绕弹簧中心轴线转动；弹性体的表观刚性可以是螺旋弹簧的表观弹簧常数；并且表观刚性变化部可以由刚性调节电动马达和刚性调节构件构成，并且该表观刚性变化部可以通过使用刚性调节电动马达调节刚性调节构件的转动角度而调节从第一输出部来看的螺旋弹簧的表观弹簧常数。
在以上构型中，在螺旋弹簧用作弹性体并且例如使用者的下肢是往复移动体的情况下，从第一输出部来看的表观弹簧常数(刚性)根据使用者的运动比如行走和跑步而适当地调节。因此，通过根据往复移动体的运动调节从第一输出部来看的表观弹簧常数(刚性)可以顺利且适当地在螺旋弹簧中积累能量以及从螺旋弹簧释放能量。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施方式的特征、优点和技术上的及工业上的意义，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1是示出了构成摆动关节装置的构成元件中的每个构成元件的示意性形状和装配位置的分解立体图；
图2是通过装配图1中所示的构成元件而构造的摆动关节装置的立体图；
图3是示出了图2中所示的摆动关节装置附接至使用者(省略了使用者的手臂的图示)的状态的视图；
图4是示出了大腿摆动杆(第一输出部)的摆动的示例的视图；
图5是图1中的部分V的放大图并且是示出了螺旋弹簧和表观弹簧常数变化部的构型的分解立体图；
图6是从VI方向观察的图2的视图并且是示出了同轴地设置在驱动轴构件的驱动轴上的构件中的每个构件的配置的视图；
图7是沿图6中的VII-VII截取的剖视图并且是示出了在变速器的变速器输出轴构件的已变化摆动角度相对于大腿摆动杆的第一摆动角度以预定变速比增大的状态的视图；
图8示出了在大腿摆动杆的摆动角度为零的情况下在螺旋弹簧中不产生迫压扭矩的状态，图8是示出了弹簧支承部(即，弹簧固定端)相对于驱动轴的基准位置的立体图；
图9是示出了刚性调节构件从图8的状态转动了预定转动角度并且弹性支承部相对于驱动轴的位置从基准位置移开的状态的视图；
图10是示出了在大腿摆动杆已经从图9的状态向前摆动的情况下包括螺旋弹簧的自由端和固定端的区域的视图；
图11是示出了在大腿摆动杆已经从图9的状态向后摆动的情况下包括螺旋弹簧的自由端和固定端的区域的视图；
图12是示出了控制部的输入-输出的视图；
图13是示出了控制部的构型的视图；
图14是示出了控制部的处理过程的示例的流程图；
图15是示出了图13中的频率检测部的构型的视图；
图16是示出了图15中的振荡相关信息输出部的理念的视图；
图17是示出了从振荡相关信息输出部输出的估算移动体位置相关信息(θneuro)的示例的视图；
图18是示出了从振荡相关信息输出部输出的频率调整参数(T1)与从频率估算部输出的估算频率(fcalc)之间的关系的视图；
图19是用于示出图13中的刚性命令角度计算部的操作的示意图；
图20是示出了通过调节摆动关节装置的表观刚性而获得降低能量的效果的示例的视图；
图21是用于示出往复线性运动的示例的机床的立体图；以及
图22是示出了摆动关节装置安装在进行往复线性运动的磨石工作台中的示例的视图。
具体实施方式
首先，下文中将参照附图对根据本发明的实施方式的摆动关节装置1的整体结构进行描述。在图中，在示出了X轴、Y轴和Z轴的情况下，X轴、Y轴和Z轴彼此正交。除非另有说明，Z轴方向表示竖向向下的方向，X轴方向表示相对于使用者(附接有摆动关节装置的使用者)的后方方向，并且Y轴方向表示相对于使用者朝向左侧的方向。在本说明书中，图1中示出的“大腿摆动杆13”可以被认为是“第一输出部”。另外，在以下的描述中，对驱动轴构件6是突出构件的示例进行了描述。然而，驱动轴构件6可以是具有突出形状的轴或者可以具有支承轴的凹进形状(孔形状)。因此，“绕驱动轴构件6”的表达表示“绕作为驱动轴构件6的中心轴线的驱动轴线6J”或者与“绕摆动中心”相同。术语“驱动轴线6J”可以被认为是“驱动轴”。另外，变速器25的“轴25A”可以被认为是“第一输出部侧的输入/输出轴部”。另外，“电动马达21”可以被认为是“刚性调节电动马达”。术语“刚性调节构件23”和“电动马达21”可以被认为是“表观弹簧常数变化部”。另外，“螺旋弹簧24”可以被认为是“弹性体”。另外，“刚性”表示使大腿摆动杆13摆动所需的每单位角度位移的扭矩。
将参照图1至图4对摆动关节装置1的整体结构进行描述。摆动关节装置1附接至使用者的一条腿或使用者的两条腿上。例如，摆动关节装置1辅助使用者的运动，比如行走或跑步。在下文中，将对摆动关节装置1附接至使用者的左腿的示例提供描述。如图1中所示，摆动关节装置1包括由附图标记2、3、4、5、6等表示的使用者附接部，由附图标记13、19等表示的大腿摆动部以及由附图标记21、22、23、24、25等表示的刚性调节部。图1是示出了摆动关节装置1中的构成元件中的每个构成元件的形状、装配位置等的分解立体图。图2示出了在构成元件已装配的状态下的摆动关节装置1。另外，图3示出了摆动关节装置1附接至使用者的状态，并且图4示出了大腿摆动杆13的摆动的示例。
将参照图1至图4对使用者附接部进行描述。该使用者附接部包括基部2、腰附接部3、肩带4、控制单元5、驱动轴构件6等。基部2是固定至腰附接部3的构件并且作为保持大腿摆动部和刚性调节部的基部(基板)。另外，在基部2中，与Y轴大致平行地延伸的驱动轴构件6附接在与使用者的附接摆动关节装置1的髋关节的一侧对应的位置处。驱动轴构件6插入穿过大腿摆动杆13的通孔13H。驱动轴线6J表示驱动轴构件6的中心轴线(摆动中心轴线)。
腰附接部3是绕使用者的腰缠绕并且固定至使用者的腰的构件。腰附接部3构造成能够根据绕使用者的腰的尺寸进行调节。另外，基部2固定至腰附接部3，每个肩带4的一端和另一端都连接至腰附接部3。
在每个肩带4中，一端连接至腰附接部3的前表面侧，并且另一端连接至腰附接部3的后表面侧。肩带4的长度是能够调节的，并且控制单元5附接至肩带4。使用者通过调节肩带4的长度而将肩带4附接至他/她的肩膀，并且因此，使用者可以将控制单元5作为背包携带在他/她的背上。
如图12中所示，控制单元5容置控制部50、电池60等，其中，控制部50配置用于控制电动马达21，电池60配置用于向控制部50和电动马达21供给电力。稍后将参考图12对控制部50进行描述。
将参照图1至图4对大腿摆动部进行描述。该大腿摆动部包括大腿摆动杆13、大腿附接部19等。大腿摆动杆13包括盘状部13G和从盘状部13G向下延伸的杆部。通孔13H形成在盘状部13G的中心处，并且驱动轴构件6插入穿过通孔13H。因此，大腿摆动杆13被支承以能够绕驱动轴构件6摆动。另外，大腿摆动杆13的通孔13H布置在与使用者的髋关节的侧部对应的位置处。
另外，大腿附接部19附接至大腿摆动杆13，并且大腿附接部19应用至使用者的大腿区域(大腿的周界)，以有助于将大腿摆动杆13附接至使用者的大腿区域。另外，盘状部13G固定至变速器25的输入/输出部25C(参照图5)，并且变速器25的输入/输出部25C与大腿摆动杆13一体地摆动。因此，变速器25的输入/输出部25C以与大腿摆动杆13的摆动角度相同的角度绕驱动轴线6J摆动。另外，大腿摆动杆13设置有第一角度检测部13S(例如，编码器)，该第一角度检测部13S可以检测作为大腿摆动杆13相对于基部2(或驱动轴构件6)的摆动角度的第一摆动角度。
将参照图4对附接至使用者的摆动关节装置1的操作进行描述。参照图4，将对附接至使用者的大腿区域UL1的大腿摆动杆13的操作进行描述。图4中由实线所示的大腿摆动杆13的位置是每个杆的初始位置(使用者以直立状态静止站立时的位置)。
当使用者向前摆动大腿区域UL1时，大腿摆动杆13从初始位置向前摆动了角度θa。在这种情况下，如下所述，通过使用电动马达21来调节螺旋弹簧24的固定端的转动角度，使得大腿区域的需要大扭矩的摆动被适当地减小，从而减小使用者的负载。另外，当使用电动马达21调节螺旋弹簧24的固定端的转动角度时，在螺旋弹簧24中积累了用于使大腿区域UL1向前摆动的能量。此外，在使用电动马达21调节螺旋弹簧24的固定端的转动角度时，释放积累在螺旋弹簧24中的能量以用于使大腿区域UL1向后摆动。类似地，在大腿区域UL1向后摆动时产生的能量积累在螺旋弹簧24中并且在大腿区域UL1向前摆动时被利用。
以这种方式，摆动关节装置1交替地重复能量积累模式和能量释放模式，在能量积累模式中，能量通过移动体(在这种情况下，大腿摆动杆13和使用者的大腿区域UL1)的摆动运动积累，在能量释放模式中，积累的能量被释放以辅助移动体的摆动运动。接着，将对包括螺旋弹簧24的刚性调节部进行描述。
将参照图1至图3以及图5至图7对包括电动马达21、支架22、刚性调节构件23、螺旋弹簧24、变速器25等的刚性调节部进行描述。支架22是将电动马达21固定至基部2的构件。支架22设置有通孔22H，电动马达21的旋转轴插入穿过该通孔22H，并且支架22固定至基部2。另外，如图1和图6中所示，大腿摆动杆13的盘状部13G的通孔13H、变速器25的轴25A、螺旋弹簧24的中心轴线、刚性调节构件23的通孔23H、支架22的通孔22H以及电动马达21的输出轴21D关于驱动轴线6J同轴地布置。
如图5中所示，变速器25(减速器)的输入/输出部25C固定至大腿摆动杆13的盘状部13G。变速器25输出通过基于预先设定的变速比(n)将输入至输入/输出部25C的输入转向角度θ乘以“n”倍而获得的输出转动角度nθ作为轴25A的转动角度。因此，如图7中所示，变速器25包括轴25A。当大腿摆动杆13以第一摆动角度(θf)摆动时，轴25A以基于预定的变速比(n)而改变的改变摆动角度(nθf)摆动。另外，如图5中所示，轴25A设置有弹簧自由端插入槽25B，该弹簧自由端插入槽25B是用于固定螺旋弹簧24的自由端24B的槽并且沿驱动轴线6J的方向延伸。在变速器25中，当轴25A由于来自螺旋弹簧24的迫压扭矩而转动了角度θ时，大腿摆动杆13转动了转动角度θ×(1/n)。
螺旋弹簧24通过绕预定轴线螺旋地缠绕诸如弹簧构件之类的弹性体而形成。如图5中所示，作为定位在缠绕件的中心部附近的端部的一端是自由端24B，并且作为定位在远离缠绕件的中心部的位置处的端部的另一端是固定端24A。在图5中，自由端24B固定至轴25A的弹簧自由端插入槽25B，并且固定端24A固定至刚性调节构件23的弹簧支承部23J。
通孔23H形成在刚性调节构件23中，使得位于电动马达21的远端部处的输出轴21D插入穿过该通孔23H。刚性调节构件23由输出轴21D支承并且与支架22和电动马达21一起固定至基部2。另外，在刚性调节构件23的面向螺旋弹簧24的表面上，设置有弹簧支承部23J，该弹簧支承部23J在远离驱动轴线6J的位置处支承螺旋弹簧24的固定端24A。例如，弹簧支承部23J是沿着驱动轴线6J的方向延伸的轴构件并且插入穿过形成在螺旋弹簧24的固定端24A的位置处的管状部。刚性调节构件23通过电动马达21而绕驱动轴线6J转动，并且因此，螺旋弹簧24的固定端24A的位置沿周向方向变化。以这种方式，刚性调节构件23被支承为能够围绕驱动轴线6J转动。当刚性调节构件23绕驱动轴线6J转动了预定转动角度时，弹簧支承部23J相对于驱动轴线6J的位置沿周向方向绕驱动轴线6J移动了预定转动角度。
输出轴21D设置在电动马达21的远端部处。另外，输出轴21D可以设置有减速器。输出轴21D插入穿过支架22的通孔22H。电动马达21固定至支架22，并且支架22固定至基部2。另外，从容置在控制单元5中的电池和控制部向电动马达21供应电力和驱动信号。电动马达21相对于支架22(即，基部2)绕驱动轴线6J转动刚性调节构件23，并且能够沿周向方向移动螺旋弹簧24的固定端24A的位置。另外，电动马达21设置有旋转角度检测部21S比如编码器。旋转角度检测部21S将与电动马达21的轴的旋转角度对应的信号输出至控制部。控制部50可以基于来自旋转角度检测部21S的检测信号来检测刚性调节构件23的转动角度。支架22或基部2可以设置有检测刚性调节构件23相对于支架22的转动角度的角度检测部(角度传感器)。另外，电动马达21由控制部50控制(参照图12)。如下所述，固定端24A的位置根据大腿摆动杆13的摆动状态而实时地改变。
将参照图8至图11对螺旋弹簧24的固定端24A的位置以及刚性调节角度θs进行描述。图8示出了在图3中所示的使用者T处于直立状态并且大腿摆动杆13的摆动角度为零的情况下的示例，即，在螺旋弹簧24的迫压扭矩为零的情况的示例。当螺旋弹簧24的固定端24A处于图8中的示例所示的位置时，在自由端24B中不产生绕驱动轴线6J沿顺时针方向的迫压扭矩和绕驱动轴线6J沿“逆时针”方向的迫压扭矩。图8中所示的基准线Js是在固定端24A的位置调节成(在刚性调节构件23的转动角度调节成)使得当大腿摆动杆13的摆动角度为零时在自由端24B中不产生迫压扭矩的情况下穿过驱动轴线6J和弹簧自由端插入槽25B的假想的直线。基准线Js表示轴25A的基准转动角度位置。另外，在图8的示例中所示的固定端24A(弹簧支承部23J)的位置是螺旋弹簧24的固定端24A(弹簧支承部23J)的基准位置。为了有利于理解该描述，在图8的示例中，基准线Js在竖向方向上延伸，并且当大腿摆动杆13的摆动角度为零时，固定端24A位于基准线Js上。
另外，图9示出了下述状态：电动马达21从图8中所示的状态被驱动以将螺旋弹簧24的固定端24A的位置改变至从基准位置在周向方向上沿顺时针方向移动了旋转角度(θs)的位置。该状态被称为“向螺旋弹簧24沿顺时针方向提供刚性调节角度θs的状态”。在该状态中，即使在使用者T处于直立状态中并且大腿摆动杆13的摆动角度为零时，螺旋弹簧24的迫压扭矩由于沿顺时针的刚性调节角度θs而作用在轴25A上，并且该迫压扭矩经由变速器25从轴25A作用在大腿摆动杆13上。
另外，图10示出了在提供了图9中示出的“顺时针方向的刚性调节角度θs”的状态下大腿摆动杆13沿顺时针方向摆动了第一摆动角度θf的情况的示例。在变速器25的变速比为“n”的情况下，当大腿摆动杆13沿顺时针方向摆动了第一摆动角度θf时，变速器25的轴25A沿顺时针方向摆动了摆动角度nθf。也就是说，在图10中所示的示例中，在螺旋弹簧24中，产生了沿“逆时针”方向的迫压扭矩，该迫压扭矩对应于通过从摆动角度nθf减去刚性调节角度θs而获得的角度(nθf-θs)。
图11示出了在提供了图9中示出的“顺时针方向的刚性调节角度θs”的状态下大腿摆动杆13沿“逆时针”方向摆动了第一摆动角度θr的情况的示例。在变速器25的变速比为“n”的情况下，当大腿摆动杆13沿“逆时针”方向摆动了第一摆动角度θr时，变速器25的轴25A沿“逆时针”方向摆动了摆动角度nθr。也就是说，在图11中所示的示例中，在螺旋弹簧24中，产生了沿顺时针方向的迫压扭矩，该迫压扭矩对应于通过将摆动角度nθr加至刚性调节角度θs而获得的角度(nθr+θs)。
从大腿摆动杆13来看的表观弹簧常数变化部由上述的变速器25(可以省略变速器25)、螺旋弹簧24、刚性调节构件23和电动马达21(刚性调节电动马达)构成。该表观弹簧常数变化部围绕驱动轴线6J改变刚性。如上所述，“刚性”表示使大腿摆动杆13摆动所需的每单位角度位移的扭矩，并且从大腿摆动杆13来看的螺旋弹簧24的表观弹簧常数与扭矩相关。因此，“从大腿摆动杆13来看的弹性体(螺旋弹簧)的表观刚性”是“从大腿摆动杆13来看的螺旋弹簧24的表观弹簧常数”，并且弹簧常数是一种刚性。当弹性体的刚性发生变化时，能够最佳地存储能量并且能够最佳地释放所存储的能量。另外，“改变从大腿摆动杆13来看的弹性体的表观刚性的表观刚性变化部”是“改变从大腿摆动杆13来看的螺旋弹簧24的表观弹簧常数的表观弹簧常数变化部”。
接着，参照图12，将对控制部50的输入/输出进行描述。控制单元5容置控制部50和电池60。另外，控制单元5设置有致动开关54、作为输入-输出部的触摸面板55、用于电池60的充电连接器61等。另外，控制部50(控制装置)包括CPU 50A、马达驱动器52等。还设置有用于在控制部50中执行处理的程序以及存储各种测量结果等的存储装置，但省略对其的说明。
如下所述，控制部50确定作为刚性调节构件23的旋转角度的目标刚性调节角度，在该目标刚性调节角度处，从大腿摆动杆13来看的螺旋弹簧24的表观弹簧常数变为最佳值，从而经由马达驱动器52向电动马达21输出驱动电流(图12中的Iout)。电动马达21基于来自控制部50的驱动电流经由输出轴21D而使刚性调节构件23旋转。电动马达21的轴的旋转角度通过旋转角度检测部21S进行检测，并且向CPU 50A输入检测信号(图12的φref)。另外，来自马达驱动器52的实际驱动电流通过设置在马达驱动器52内的检测电路(省略对其的说明)进行检测，并且向CPU 50A输入来自检测电路的检测信号(图12中的Iref)。CPU 50A执行反馈控制，使得刚性调节构件23的基于来自旋转角度检测部21S的检测信号(φref)和来自马达驱动器52的检测信号(Iref)的实际旋转角度接近目标刚性调节角度。
来自第一角度检测部13S的检测信号(图12中的θref)被输入至控制部50。控制部50可以基于来自第一角度检测部13S的检测信号检测大腿摆动杆13相对于基部2的第一摆动角度。
致动开关54是构造成启动控制部50的开关。另外，触摸面板55是构造成输入使用者的身高、体重等并且显示设定状态等的装置。另外，充电连接器61是在对电池60充电时连接充电线缆的连接器。
接着，参照图13，将对控制部50的构型进行描述。如图13中所示，控制部50包括频率检测部B10、刚性命令角度计算部B20、第一加法器B30、位置控制部B40、第二加法器B50、速度控制部B60、第三加法器B70、扭矩控制部B80、马达驱动器52(参照图12)、微分器B51等。包括频率检测部B10的控制部50可以被认为是频率检测器。
摆动往复移动体(在该情况下，使用者的下肢)的第一摆动角度θref被输入至频率检测部B10，其中，第一摆动角度θref是来自第一角度检测部13S的检测信号。频率检测部B10基于指示第一摆动角度θref随时间的变化的运动轨迹来估算运动波形的频率(摆动运动的频率)。随后，频率检测部B10将估算频率fcalc——其为所估算的频率——输出至刚性命令角度计算部B20。
来自第一角度检测部13S的摆动角度θref和来自频率检测部B10的估算频率fcalc被输入至刚性命令角度计算部B20，并且刚性命令角度计算部B20计算相对于摆动往复移动体的估算频率fcalc和此刻的第一摆动角度θref而言适当的表观弹簧常数。随后，刚性命令角度计算部B20计算命令角度φcmd，该命令角度φcmd是电动马达21的使表观弹簧常数与计算出的表观弹簧常数一致所需的旋转角度并且将计算出的φcmd输出至第一加法器B30。
刚性命令角度计算部B20的命令角度φcmd以及实际旋转角度φref被输入至第一加法器B30，其中，实际旋转角度φref是电动马达21的基于来自旋转角度检测部21S的检测信号的实际旋转角度。随后，第一加法器B30向位置控制部B40输出“位置偏差(＝命令角度φcmd-实际角度φref)”，该“位置偏差”是命令角度φcmd与实际角度φref之间的偏差。
位置控制部B40是位置反馈控制部。位置控制部B40通过执行所谓的PID控制而基于从第一加法器B30输入的位置偏差来计算命令速度ωcmd并且将所计算的命令速度ωcmd输出至第二加法器B50。由于位置控制部B40的PID控制是一般反馈控制，因此将省略详细的描述。
来自位置控制部B40的命令速度ωcmd和表示来自旋转角度检测部21S的实际角度φref随时间的变化的实际角速度(d/dt)φref被输入至第二加法器B50。随后，第二加法器B50将“速度偏差(＝命令速度ωcmd-实际角速度(d/dt)φref)”输出至速度控制部B60，其中，该“速度偏差”是命令速度ωcmd与实际角速度(d/dt)φref之间的偏差。由于实际角速度(d/dt)φref在下面的表达式1-1中表示，因此(d/dt)φref可以由表达式1-1中的右侧的项替换。
Figure BDA0001224422660000161
实际角度φref被输入至微分器B51，并且微分器B51将实际角速度(d/dt)φref输出至第二加法器B50，实际角速度(d/dt)φref是实际角度φref随时间的变化。
速度控制部B60是速度反馈控制部。速度控制部B60通过执行所谓的PID控制而基于从第二加法器B50输入的速度偏差来计算命令扭矩Tcmd并且将所计算的命令扭矩Tcmd输出至第三加法器B70。由于速度控制部B60的PID控制与位置控制部B40的PID控制一样是一般反馈控制，因此将省略详细的描述。
来自速度控制部B60的命令扭矩Tcmd和来自马达驱动器52的电流信息Iref被输入至第三加法器B70，并且第三加法器B70将命令扭矩Tcmd与电流信息Iref之间的差(命令扭矩Tcmd-电流信息Iref)输出至扭矩控制部B80。
扭矩控制部B80是扭矩反馈控制部。扭矩控制部B80通过执行所谓的PID控制而基于从第三加法器B70输入的差计算命令电流Icmd并将所计算的命令电流Icmd输出至马达驱动器52。由于扭矩控制部B80的PID控制与位置控制部B40的PID控制以及速度控制部B60的PID控制一样是一般反馈控制，因此将省略详细的描述。
反馈控制部B90包括第一加法器B30、位置控制部B40、第二加法器B50、微分器B51、速度控制部B60、第三加法器B70和扭矩控制部B80。
来自扭矩控制部B80的命令电流Icmd被输入至马达驱动器52，并且马达驱动器52将对应于输入命令电流Icmd的驱动电流Iout输出至电动马达21。另外，马达驱动器52将电流信息Iref输出至第三加法器B70，其中，电流信息Iref是与实际输出驱动电流Iout对应的信息。
电动马达21由来自马达驱动器52的驱动电流Iout旋转地驱动。另外，旋转角度检测部21S将与电动马达21的旋转角度对应的实际角度φref输出至第一加法器B30。
基于图13中所示的控制部的构型的控制部50的处理过程的示例将在图14的流程图中示出。在下文中，将对控制部50的根据图14中所示的流程图的处理过程进行描述。当使用者操作控制单元的致动开关时，控制部进行至步骤S110。
在步骤S110中，控制部等待使用者经由触摸面板的初始设定的输入。当控制部确定使用者已经输入了高度和重量时，控制部进行至步骤S120。例如，在控制部即使经过了预定时间也没有从使用者接收任何输入的情况下，则控制部设定预先设置的标准高度和标准重量，并且进行至步骤S120。
在步骤S120中，控制部从第一角度检测部13S获取检测信号并且测量使用者的行走状态(或跑步状态)，并且随后进行至步骤S130。来自第一角度检测部13S的检测信号被不断地获取，以在控制期间测量使用者的行走状态(或跑步状态)。
在步骤S130中，控制部基于来自第一角度检测部13S的检测信号计算该时刻大腿摆动杆的第一摆动角度θref。随后，控制部通过使用第一摆动角度θref随时间的变化以及图13中示出的频率检测部B10来计算估算频率fcalc，该估算频率fcalc是摆动往复移动体(在这种情况下，使用者的下肢)的往复摆动运动的频率。随后，控制部进行至步骤S140。步骤S130对应于图13中所示的频率检测部B10，并且将在后面对使用频率检测部B10确定估算频率fcalc的详细过程进行描述。
在步骤S140中，控制部通过使用在步骤S110中输入的使用者的高度和重量、在步骤S130中计算的大腿摆动杆的第一摆动角度θref和大腿摆动杆的摆动运动的估算频率fcalc以及在图13中示出的刚性命令角度计算部B20来计算螺旋弹簧24的使减少能量的效果最大化的表观弹簧常数k(表观刚性)。随后，控制部进行至步骤S150。步骤S140对应于图13中所示的刚性命令角度计算部B20，并且将在后面对使用刚性命令角度计算部B20来确定螺旋弹簧24的表观弹簧常数k(刚性k)的详细过程进行描述。
在步骤S150中，控制部通过使用在步骤S140中确定的螺旋弹簧24的表观弹簧常数k以及在图13中示出的刚性命令角度计算部B20来计算用于电动马达21的命令角度φcmd(刚性调节构件23的旋转角度)。随后，控制部进入步骤S160。步骤S150对应于图13中所示的刚性命令角度计算部B20，并且将在后面对使用刚性命令角度计算部B20确定用于电动马达21的命令角度φcmd的详细过程进行描述。
在步骤S160中，控制部通过使用图13中所示的反馈控制部B90控制电动马达21，使得电动马达21的旋转角度与命令角度φcmd一致，并且随后，控制部进入步骤S170。步骤S160对应于图13中所示的反馈控制部B90。由于反馈控制部B90的操作与一般反馈控制的操作相同，因此将省略描述。
在步骤S170中，控制部监测行走状态(或跑步状态)并且确定使用者是否希望停止对行走运动(或跑步运动)的辅助。在控制部确定使用者希望停止辅助的情况下(是)，控制部结束控制。在控制部确定使用者不希望停止辅助的情况下(否)，控制部返回至步骤S120。
接着，参照图15至图18，将对步骤S130中的处理进行详细描述。步骤S130对应于图13中所示的频率检测部B10。在下文中，将对频率检测部B10的构型和由频率检测部B10执行的估算频率fcalc的计算过程进行详细描述。图15示出了频率检测部B10的构型。频率检测部B10包括第一滤波器B11、振荡相关信息输出部B12、调节部B13、第二滤波器B14、频率估算部B15等。
在下文中，将使用以下定义进行描述。移动体位置相关信息是与随着时间的推移而变化的往复移动体(在该情况下，使用者的下肢)的位置相关的信息。估算移动体位置相关信息是与随着时间的推移而变化的往复移动体的位置相关的信息，该估算移动体位置相关信息是基于与移动体位置相关信息同步的振荡波形来估算的。θref是基于来自第一角度检测部的检测信号的第一摆动角度(对应于移动体位置相关信息)(rad)。θfltr是通过使第一摆动角度θref通过第一滤波器B11而获得的滤波器通过角度(对应于移动体位置相关信息)(rad)。θneuro是由振荡相关信息输出部B12基于滤波器通过角度θfltr而确定的神经振荡器输出角度(对应于估算移动体位置相关信息)(rad)。T1是由振荡相关信息输出部B12基于滤波器通过角度θfltr而确定的频率调节参数。ΔT1是由调节部B13基于滤波器通过角度θfltr、神经振荡器输出角度θneuro和估算频率fcalc而确定的神经振荡器校正参数(对应于校正参数)。ΔT1fltr是通过使神经振荡器校正参数ΔT1通过第二滤波器B14而获得的滤波器通过校正参数。fcalc是由频率估算部B15基于频率调节参数T1而确定的估算频率(Hz)。
第一滤波器B11是所谓的低通滤波器。作为移动体位置相关信息的第一摆动角度θref被输入至第一滤波器B11，并且第一滤波器B11将作为移动体位置相关信息的滤波器通过角度θfltr输出至振荡相关信息输出部B12和调节部B13。例如，在图15的示例中，基于往复移动体的“运动波形”，角度θa作为时间点ta处的第一摆动角度θref被输入至第一滤波器B11。第一滤波器B11去除叠加在第一摆动角度θref上的噪声分量，从而有助于提高估算频率fcalc的准确性。可以省略第一滤波器B11。
与往复移动体(在该情况下，使用者的下肢)的随着时间的推移而变化的位置相关的移动体位置相关信息(在该情况下，过滤器通过角度θfltr)被输入至振荡相关信息输出部B12。振荡相关信息输出部B12包括数学模型，该数学模型包括神经振荡器，该神经振荡器基于输入的滤波器通过角度θfltr进行与往复移动体的往复运动(在该情况下，往复摆动运动)同步的振荡。振荡相关信息输出部B12确定神经振荡器输出角度θneuro和频率调节参数T1作为振荡相关信息，该振荡相关信息是与基于神经振荡器的与往复移动体的往复运动同步的振荡的振荡波形相关的信息。振荡相关信息输出部B12将所确定的神经振荡器输出角度θneuro输出至调节部B13并且将所确定的频率调节参数T1输出至频率估算部B15。稍后将对振荡相关信息输出部B12确定神经振荡器输出角度θneuro和频率调节参数T1的详细过程进行描述。
滤波器通过角度θfltr、神经振荡器输出角度θneuro和估算频率fcalc被输入至调节部B13，并且调节部B13确定神经振荡器校正参数ΔT1(对应于校正参数)。调节部B13将所确定的神经振荡器校正参数ΔT1输出至第二滤波器B14。神经振荡器校正参数ΔT1是用于调节振荡相关信息输出部B12使得往复移动体(在该情况下，使用者的下肢)的运动波形的频率与估算频率fcalc彼此一致的校正量。稍后将描述调节部B13确定神经振荡器校正参数ΔT1的详细过程进行描述。
第二滤波器B14是所谓的低通滤波器。神经振荡器校正参数ΔT1被输入至第二滤波器B14，并且第二滤波器B14将滤波器通过校正参数ΔT1fltr输出至振荡相关信息输出部B12。第二滤波器B14去除叠加在神经振荡器校正参数ΔT1上的噪声分量，从而有助于提高估算频率fcalc的准确性。可以省略第二滤波器B14。
频率调节参数T1被输入至频率估算部B15，并且频率估算部B15基于输入的频率调节参数T1来确定估算频率fcalc。频率估算部B15将所确定的估算频率fcalc输出至调节部B13和刚性命令角度计算部B20(参照图13)。稍后将对频率估算部B15确定估算频率fcalc的详细过程进行描述。
将参照图16至图18对通过振荡相关信息输出部B12确定神经振荡器输出角度θneuro和频率调节参数T1的过程进行描述。振荡相关信息输出部B12使用图16的示例中所示的模型作为包括神经振荡器的数学模型，在该模型中，两个神经元相互地抑制刺激。振荡相关信息输出部B12基于输入的滤波器通过角度θfltr与往复移动体(在该情况下，使用者的下肢)的往复运动同步地振荡(执行振荡)。
在下文中，将使用以下定义进行描述。x1是神经元的膜电位并且是f(x1)的状态变量。x2是神经元的膜电位并且是f(x2)的状态变量。f(x1)和f(x2)是神经元在f(xj)＝max(0，xj)的条件下的输出。v1是表示适应度的变量并且是f(v1)的状态变量。v2是表示适应度的变量并且是f(v2)的状态变量。f(v1)和f(v2)是表示在f(vj)＝max(0，vj)的条件下的适应度的变量。β是确定自适应随时间的变化的常数，并且是自适应强度。γ是确定自适应随时间的变化的常数并且是两个自适应元素的耦合系数。u0是作为一致常数的外部输入。T1是频率调节参数。T2是待调节的参数并且是时间常数。b是待调节的参数并且是输入系数。c是待调节的参数并且是输出系数。θfltr是滤波器通过角度(移动体位置相关信息)(rad)。θneuro是神经振荡器输出角度(估算的移动体位置相关信息)(rad)。
在使用上述定义的情况下，图16中所示的数学模型是包括具有下述关系表达式1至表达式5的神经振荡器的数学模型。该数学模型是在各种文献中描述的数学模型，并且该数学模型用于本发明中。
Figure BDA0001224422660000211
Figure BDA0001224422660000212
Figure BDA0001224422660000213
Figure BDA0001224422660000214
θDeuro＝cf(x1)-cf(x2) 表达式5
在上述表达式1和表达式3中，当向滤波器通过角度θfltr输入值时，输出振荡波形，如图17中所示。该振荡波形是由于与往复移动体(在该情况下，使用者的下肢)的往复运动(在该情况下，往复摆动运动)同步的振荡引起的振荡波形。当输出图17的振荡波形时，确定了时间点t处的神经振荡器输出角度θneuro并且确定了频率调节参数T1。已经发现，在不改变频率调节参数T1与参数T2之间的比率(T1/T2)的情况下改变频率调节参数T1的值和参数T2的值时，频率调节参数T1与估算频率fcalc之间的关系是反比关系，如图18的示例中所示。
将对通过调节部B13确定神经振荡器校正参数ΔT1的过程进行描述。在调节频率调节参数T1以改变输出波形的相关领域的技术中，为了利用图18中所示的特性，使用以下定义并且通过以下表达式6调节神经振荡器校正参数ΔT1。Kp是参数调节增益，其为常数。sgn(x)是符号函数，其在x>0时变为1、在x＝0时变为0并且在x<0时变为-1。θfltr是滤波器通过角度(移动体位置相关信息)(rad)。θneuro是神经振荡器输出角度(估算的移动体位置相关信息)(rad)。ΔT1是神经振荡器校正参数(校正参数)。
Figure BDA0001224422660000215
然而，本发明的发明人已经发现，上述表达式6中存在问题，如下面的(a)至(c)中所述。(a)该表达式是仅关注相位差的调节方法，并且在该表达式中不直接考虑频率。使相位彼此一致而不直接校正频率，使得所述频率间接地彼此一致。(b)由于所述项中的所有项都是符号函数(所述值中的每个值是1、0和-1中的任一者)，因此参数的变化是离散的并且收敛性恶化。(c)根据图18，在估算频率fcalc相对较低的情况下，由于频率调节参数T1的变化量大，因此收敛时间增大。另外，在估算频率fcalc相对较高的情况下，由于估算频率fcalc受频率调节参数T1的变化的巨大影响，因此输出稳定性恶化。
因此，为了解决(a)至(c)中描述的上述问题，本发明的发明人通过改进上述表达式6并且使用以下定义创建了以下表达式7。在本发明中，神经振荡器校正参数ΔT1通过表达式7确定，并且因此，提高了估算频率fcalc的收敛性并且提高了输出稳定性。Kp1和Kp2是参数调节增益，其为常数。sgn(x)是符号函数，其在x>0时变为1、在x＝0时变为0并且在x<0时变为-1。θfltr是滤波器通过角度(移动体位置相关信息)(rad)。θneuro是神经振荡器输出角度(估算移动体位置相关信息)(rad)。fcalc是估算频率(Hz)。ΔT1是神经振荡器校正参数(校正参数)
Figure BDA0001224422660000221
上述表达式作为表达式7。在该表达式7中，解决(a)中的上述问题的部分对应于表达式7中的第二行(第二项)中的(|θfltr|-|θneuro|)。另外，解决(b)中的上述问题的部分对应于表达式7中的第一行(第一项)中的[(θfltr)-(θneuro)]。另外，解决(c)中的上述问题的部分对应于第一行中的1/fcalc和第二行中的1/fcalc。
另外，在调节输出波形(图17中所示的振荡波形)的振幅的时，通过利用以下表达式8和表达式9来调节表达式1至表达式5中的参数c和参数b。表达式9中的常数“0.6”是经验值并且该常数不限于该数值。
Δc＝|θfltr|-|θneuro| 表达式8
Δb＝0.6-(|θneuro|/c) 表达式9
将对由频率估算部B15确定估算频率fcalc的过程进行描述。本发明的发明人已经通过使用以下定义创建了用于确定估算频率fcalc的以下表达式10。c1和c2是频率估算校准表达式的常数。因子T1是频率调节参数。fcalc是估算频率(Hz)。在T1/T2的比是恒定的情况下，建立以下表达式。
fcalc＝(c1/T1)+c2 表达式10
如上所述，将第一摆动角度θref输入至图13和图15中所示的频率检测部B10，并且频率检测部B10输出估算频率fcalc。在本发明中，通过确定估算频率fcalc来确定往复移动体的运动波形的频率。所确定的频率使用在下述刚性调节构件的表观弹簧常数和旋转角度的计算中(ω应用在ω＝2πfcalc的条件下)，因此，进一步提高了控制精度并且可以获得减少能量的更好效果。在JP2012-66375A和JP2013-236741A中未执行该频率的计算。另外，例如，上述频率检测部B10的操作在使用者在行走期间略微踉跄并且频率暂时偏离的情况下不太可能受到噪声的影响。因此，可以获得稳定的估算频率fcalc。在下文中，将提供关于图13中所示的刚性命令角度计算部B20的详细处理的描述。将估算频率fcalc和第一摆动角θref输入至刚性命令角度计算部B20，并且刚性命令角度计算部B20输出命令角φcmd。
将参照图19和图20对步骤S140和S150中的处理(通过刚性命令角度计算部B20执行的表观刚性(弹簧常数)k和命令角度φcmd的计算程序)的细节进行描述。换句话说，参照图19和图20，将对计算从往复移动体来看的螺旋弹簧的表观刚性(弹簧常数)k的过程进行详细描述，以通过使用摆动关节装置1减少用于往复移动体(大腿摆动杆13+大腿附接部19+大腿区域UL1+小腿区域UL2(参照图4))的往复运动的能量，该往复移动体是使用者的包括大腿摆动杆13的下肢，并且对计算命令角度φcmd(刚性调节构件23(电动马达21)的旋转角度)的程序进行了详细描述。在下面的描述中，还考虑了施加至使用者的下肢的重力的影响。
在下文中，将使用以下定义进行描述。例如，控制部50基于使用者输入的高度、重量等来估算以下的lg、J1和m1。另外，在控制部50中预先设定c3、k1、n和η。τ是绕图19中所示的驱动轴线6J的驱动扭矩(Nm)。τ1是电动马达21的马达扭矩(Nm)。J1是往复移动体的惯性矩(kgm2)。c3是往复移动体的粘度系数(Nms/rad)。k是从往复移动体来看的螺旋弹簧24的表观刚性(弹簧常数)(Nm/rad)。k1是螺旋弹簧24的初始弹簧常数(Nm/rad)。m1是往复移动体的质量(使用者的下肢+大腿摆动杆13+大腿附接部19的质量)(kg)。g是重力加速度(m/s2)。lg是从作为摆动中心的驱动轴线6J至往复移动体的重心ULg的距离(m)。θ是往复移动体的摆动角度(大腿摆动杆13的位移角度)(rad)。|θ|是往复移动体的位移角度的幅值(rad)。θ’是螺旋弹簧24的扭转量(rad)。θ1是电动马达21的旋转角度(刚性调节构件23的旋转角度)(rad)。ω是往复移动体的角频率(rad/s)。t是时间(s)。n是变速器25的减速比。η是变速器25的效率。
在上述定义中，建立了往复移动体的摆动角度θ＝第一摆动角度θref(表达式11)，建立了电动马达21的旋转角度θ1＝命令角度φcmd(表达式12)并且建立了往复移动体的角频率ω＝2πfcalc(表达式13)。
用于往复移动体的运动的方程可以由以下表达式14表示。当将五阶泰勒展开式应用至表达式14时，可以获得以下表达式15。
Figure BDA0001224422660000241
Figure BDA0001224422660000242
在这里，通过表达式16的使用，可以获得以下表达式17。
Figure BDA0001224422660000243
Figure BDA0001224422660000244
另外，大腿摆动杆13的位移角度θ和往复移动体的位移角度的幅值|θ|可以由以下表达式18和表达式19表示。另外，可以从表达式16和表达式19获得表达式20。
Figure BDA0001224422660000245
|θ|＝a/(dω) 表达式19
a＝|θ|c3ω 表达式20
另外，可以通过将表达式20代入到表达式17中获得以下表达式21。
Figure BDA0001224422660000251
在这种情况下，可以由以下表达式22表示扭矩幅值。在该表达式22中，为了使|τ|最小化，在表达式22中应当满足A＝0。当此时的表观刚性为k时，建立以下表达式23。可以从表达式23获得以下表达式24。
Figure BDA0001224422660000252
Figure BDA0001224422660000253
Figure BDA0001224422660000254
在此，当假设力彼此平衡时，τ在从往复移动体侧观察螺旋弹簧的情况下可以由表达式25表示。另外，τ在从螺旋弹簧侧观察往复移动体的情况下可以由表达式26表示。
τ＝kθ 表达式25
τ＝ηnτ1 表达式26
减速器的输入轴中产生的扭矩τ1可以由以下表达式27表示。当考虑到通过旋转电动马达21而使螺旋弹簧的固定端旋转θ1时，可以获取以下表达式28。另外，通过将表达式28代入到表达式27中可以获取以下表达式29。
τ1＝k1θ′ 表达式27
θ′＝nθ-θ1 表达式28
τ1＝k1(nθ-θ1) 表达式29
可以通过将表达式29代入到表达式26中来获取以下表达式30。可以通过使用表达式30和表达式25获取以下表达式31，并且可以通过修改表达式31获取表达式32。
τ＝ηnk1(nθ-θ1)＝ηn2k1[1-θ1/(nθ)]θ 表达式30
k＝ηn2k1[1-θ1/(nθ)] 表达式31
θ1＝nθ[1-k/(ηn2k1)] 表达式32
因此，在图14中所示的流程图中的步骤S140中，基于上述表达式24计算表观刚性k。在步骤S150中，基于所计算的k和上述表达式32，计算电动马达21的旋转角度θ1。因此，通过实时地调节螺旋弹簧24的固定端24A的位置的旋转角度θ1使得相对于大腿摆动杆13的时刻变化的第一摆动角度θ满足表观刚性k，可以减小使用者的负载(用于行走或跑步的能量)。如上述表达式11至表达式式13中所表示的，建立了往复移动体的摆动角度θ＝第一摆动角度θref，建立了电动马达21的旋转角度θ1＝命令角度φcmd并且建立了往复移动体的角频率ω＝2πfcalc。
图20示出了在不执行刚性调节的情况下以及在执行该实施方式中描述的刚性调节的情况下的特性的示例。在图20中，水平轴线表示往复移动体的摆动频率并且竖向轴线表示当往复移动体被驱动了一个周期时的能耗(即，所消耗的能量)。通过执行根据该实施方式的刚性调节(考虑到重力的影响的调节)，可以获得根据往复移动体的摆动频率减少能量的效果。
将参考图21和22对往复移动体进行往复线性运动的情况的示例进行描述。在以上描述中，描述了往复移动体是使用者的进行往复摆动运动的下肢的示例。然而，即使在往复移动体进行往复线性运动的情况下，也可以应用本发明。例如，图21中所示的机床是包括床体71、主轴工作台72、磨头82等的机床，并且摆动关节装置能够应用于该机床。在图21中，X轴、Y轴和Z轴彼此正交。工件W的旋转轴线JX平行于X轴。主轴工作台72能够相对于床体71在X轴方向上往复运动。磨头82能够相对于床体71在与工件W的旋转轴线JX正交的Z轴方向上往复运动。
床体71设置有包括编码器72E(编码器72E是角度检测部并且还可以用作位置检测部)的电动马达72M。电动马达72M基于来自马达控制装置(未示出)的驱动电流使主轴工作台72相对于床体71沿着X轴方向往复运动。该马达控制装置基于来自编码器72E的检测信号检测主轴工作台72在X轴方向上的位置。当主轴工作台72沿X轴方向移动时，磨石84相对于工件W在X轴方向上的相对位置改变。
主轴工作台72设置有包括主轴73、卡盘73C和电动马达73M的床头箱73D以及包括中央部74的尾座74D。曲柄状工件W由卡盘73C和中央部74保持并且通过主轴73绕平行于X轴的工件旋转轴线JX旋转。电动马达73M基于来自马达控制装置(未示出)的驱动电流使主轴73绕工件旋转轴线JX旋转。该马达控制装置基于来自编码器73E的检测信号检测主轴73的旋转角度。另外，中央部74沿主轴73的方向被迫压。
床体71设置有包括编码器82E(编码器82E是角度检测部并且还可以用作位置检测部)的电动马达82M。电动马达82M基于来自马达控制装置(未示出)的驱动电流使磨头82相对于床体71沿Z轴方向往复运动。该马达控制装置基于来自编码器82E的检测信号检测磨头82在Z轴方向上的位置。当磨头82沿Z轴方向移动时，磨石84相对于工件W在Z轴方向上的相对位置改变。
磨头82设置有连接有驱动带轮83A的电动马达84M和连接有从动带轮83C的磨石84。驱动带轮83A的旋转动力通过传送带83B传送至从动带轮83C，从而旋转地驱动磨石84。电动马达84M基于来自马达控制装置(未示出)的驱动电流使磨石84旋转。
在使曲柄状工件W旋转的同时研磨曲柄销的情况下，需要通过使用电动马达82M使磨头82根据工件W的旋转角度而沿Z轴方向执行往复线性运动。因此，如图22中所示，摆动关节装置101连接至磨头82。图22是当从Y轴方向观察时摆动关节装置101连接至磨头82的状态的示意图。省略了床体71、主轴工作台72等。在该摆动关节装置101中，与上述摆动关节装置1相比，大腿摆动杆13改变成具有长孔113A的杆113(也可以视为第一输出部)。另外，在磨头82上连接有突出部82A，并且突出部82A设置有连接部82B。连接部82B插入穿过杆113的长孔113A。另外，摆动关节装置101的基部2固定至床体等。
在图22中，电动马达82M使磨头82根据主轴73的旋转角度(即，工件W的旋转角度)沿Z轴方向执行往复线性运动。在往复线性运动期间，磨头82在位置Z1与位置Z2之间往复运动，其中，位置Z0作为中心。在该情况下，如图22中所示，杆113的第一摆动角度θref随着时间的推移而变化。如图22中所示，第一摆动角度θref是基于随着时间推移变化的磨头82的位置的磨头82(往复移动体)的角度。
在图14中所示的步骤S130中，通过上述过程，使用第一摆动角度θref对估算频率fcalc(往复线性运动的频率)进行估算。在图14中所示的步骤S140和S150中，通过上述过程计算表观刚性k和命令角度φcmd(电动马达82M的旋转角度θ1)。由于磨头82沿水平方向进行往复线性运动并且不受重力的影响，因此通过表达式24建立了m1glg＝0(即，建立了k＝J1ω2)，其中，表达式24是用于表观刚性k的表达式。随后，通过使用命令角度φcmd，在图14中所示的步骤S160中，电动马达21受控成使得电动马达21的旋转角度与命令角度φcmd一致。如上所述，通过调节摆动关节装置101的表观刚性能够降低电动马达82M的耗能(功率消耗)。
如上所述，在该实施方式所述的摆动关节装置中，由包括频率检测部B10的控制部50(参照图13)构成的频率检测器(用于往复移动体)可以适当地基于进行往复运动的往复移动体的运动轨迹检测运动波形的频率，其中，所述往复运动包括周期性往复线性运动或周期性往复摆动运动。
另外，包括频率检测器的摆动关节装置1、101中的每一者均连接至进行周期性往复摆动运动的往复移动体或者进行周期性往复线性运动的往复移动体。摆动关节装置1、101中的每一者交替地重复能量积累模式和能量释放模式，在能量积累模式中，能量通过往复移动体的运动而积累在弹性体中，在能量释放模式中，释放积累在弹性体中的能量以辅助往复移动体的运动。在摆动关节装置1、101中，从往复移动体来看的表观刚性发生变化，使得积累和释放的能量进一步增加。因此，能够进一步减少用于使往复移动体往复运动的能量。
在实施方式的描述中，对摆动关节装置进行了描述。然而，输入第一摆动角θref(移动体位置相关信息)并且输出估算频率fcalc的频率检测器(用于往复移动体)可以由包括频率检测部B10的控制部50(控制单元5)构成。
在不背离本发明的范围的情况下，可以对根据本发明的频率检测器(用于往复移动体)和摆动关节装置中的每一者的结构、构造、形状、外观、处理过程、算术表达式等进行各种修改，添加和删除。
该实施方式中所述的频率检测器(用于往复移动体)不限于检测使用者的下肢的往复运动的频率或者检测机床的往复移动体的往复运动的频率。该频率检测器(用于往复移动体)可以用于检测进行周期性往复线性运动或周期性往复摆动运动的各种往复体的往复运动的频率。
该实施方式中所述的摆动关节装置的使用不限于辅助使用者的下肢的往复运动(行走或跑步)或者辅助机床的往复移动体。该摆动关节装置可以应用于各种物体，比如通过使用电动马达等进行周期性往复运动的各种仪器和装置。
另外，在该实施方式中，变速器25设置在大腿摆动杆13与螺旋弹簧24之间，并且螺旋弹簧24间接地连接至大腿摆动杆13。然而，可以省略变速器25，并且大腿摆动杆13和螺旋弹簧24可以直接地连接至彼此。
另外，在该实施方式中，对使用螺旋弹簧24作为弹性体的示例提供了描述。然而，可以使用各种弹性体来代替螺旋弹簧24。例如，可以使用其他弹性体，比如螺旋缠绕的可伸展弹簧、板簧或波形弹簧。另外，可以使用利用诸如橡胶或树脂之类的高弹体、诸如油之类的液体或气体的弹性体。该弹性体可以根据待储存能量的物体(操作)的运动量或待储存的能量的量而改变。在待储存的能量的量相对较小的情况下，使用弹性体是有效的。对于诸如使用者的行走或跑步之类的运动而言，鉴于螺旋弹簧具有相对较大的能量储存量、弹簧常数(刚性)等的大小以及其调节的容易性，使用螺旋弹簧是有效的。另外，螺旋弹簧在成本方面也是有利的。
上述摆动关节装置用于使用者的左腿。然而，可以添加用于右腿的基部(与基部2对称)、用于右腿的大腿摆动部(与由附图标记13、19等表示的构件对称)以及用于右腿的刚性调节部(与由附图标记21、22、23、24、25等表示的构件对称)，使得控制单元5辅助使用者的双腿的行走运动(或跑步运动)。
根据该实施方式，在使用者的行走或跑步期间，考虑到重力从在使用者开始行走或跑步以后的低速下周期性摆动运动的频率较低时的时刻至行走或跑步的速度增大之后的高速下周期性摆动运动的频率较高时的时刻来控制表观刚性变化部。因此，可以对摆动运动的频率(移动体的频率)执行最佳控制。当摆动运动的频率低时，重力的影响较大。然而，可以考虑重力的影响来进行控制。因此，可以有效地获得降低能量的效果。

Claims (5)

1.一种用于往复移动体的频率检测器，所述频率检测器配置成基于进行往复运动的往复移动体的运动轨迹来检测运动波形的频率，所述往复运动包括周期性往复线性运动或周期性往复摆动运动，所述频率检测器的特征在于包括：
振荡相关信息输出部(B12)，移动体位置相关信息被输入至所述振荡相关信息输出部(B12)，并且所述振荡相关信息输出部(B12)基于所输入的移动体位置相关信息而与所述往复移动体的往复运动同步地进行振荡并且输出振荡相关信息，所述振荡相关信息是与基于所述振荡的振荡波形相关的信息，所述移动体位置相关信息与所述往复移动体随时间的推移而变化的位置相关；
频率估算部(B15)，所述频率估算部(B15)输出作为所述运动波形的频率的估算频率，所述估算频率是基于所述振荡相关信息而估算的所述振荡波形的频率；以及
调节部(B13)，所述调节部(B13)确定用于所述振荡相关信息输出部(B12)的校正量，以使所述运动波形的频率与所述估算频率互相一致，其中，
所述振荡相关信息输出部(B12)输出：i)频率调节参数，所述频率调节参数是多条振荡相关信息中的一条振荡相关信息并且是基于来自所述调节部(B13)的校正量而经过调节的参数，以及ii)估算的移动体位置相关信息，所述估算的移动体位置相关信息是所述多条振荡相关信息中的一条振荡相关信息并且基于所述移动体位置相关信息被估算出作为所述往复移动体的位置，
所述频率估算部(B15)输出基于从所述振荡相关信息输出部(B12)输出的频率调节参数而确定的所述估算频率，
所述调节部(B13)基于所述移动体位置相关信息、所述估算的移动体位置相关信息和所述估算频率来确定校正参数，所述校正参数是用于校正所述振荡相关信息输出部(B12)的操作的校正量，并且
所述调节部(B13)通过将所确定的校正参数输出至所述振荡相关信息输出部(B12)来调节从所述振荡相关信息输出部(B12)输出的所述频率调节参数和所述估算的移动体位置相关信息，从而调节从所述频率估算部(B15)输出的所述估算频率，
所述往复运动是周期性往复摆动运动，并且所述移动体位置相关信息是与所述往复移动体随时间的推移而变化的位置相关的摆动角度，或者
所述往复运动是周期性往复线性运动，并且所述移动体位置相关信息是基于所述往复移动体随时间的推移而变化的位置的角度。
2.根据权利要求1所述的用于往复移动体的频率检测器，其中：
在所述移动体位置相关信息通过第一滤波器之后，所述移动体位置相关信息被输入至所述振荡相关信息输出部(B12)和所述调节部(B13)；并且
在所述校正参数通过第二滤波器之后，所述校正参数被输入至所述振荡相关信息输出部(B12)。
3.根据权利要求1或2所述的用于往复移动体的频率检测器，其中，
在下述情况下：x1是神经元的膜电位并且是f(x1)的状态变量，x2是神经元的膜电位并且是f(x2)的状态变量，f(x1)和f(x2)是在f(xj)＝max(0，xj)的条件下所述神经元的输出，v1是表示适应度的变量并且是f(v1)的状态变量，v2是表示适应度的变量并且是f(v2)的状态变量，f(v1)和f(v2)是分别表示在f(vj)＝max(0，vj)的条件下适应度的变量，β是确定自适应随时间变化的常数并且是自适应强度，γ是确定自适应随时间变化的常数并且是两个自适应元素的耦合系数，u0是作为恒定常数的外部输入，T1是所述频率调节参数，T2是待调节的参数并且是时间常数，b是待调节的参数并且是输入系数，c是待调节的参数并且是输出系数，θfltr是所述移动体位置相关信息，并且θneuro是所述估算的移动体位置相关信息，所述振荡相关信息输出部(B12)通过使用包括具有下述关系的神经振荡器的数学模型基于所输入的移动体位置相关信息执行振荡并且输出基于来自所述调节部(B13)的所述校正参数而被调节的所述频率调节参数和所述估算的移动体位置相关信息：
Figure FDA0002762221630000031
Figure FDA0002762221630000032
Figure FDA0002762221630000033
Figure FDA0002762221630000034
θneuro＝cf(x1)-cf(x2)
在c1和c2是频率估算校准表达式的常数、fcalc是所述估算频率并且T1/T2的比恒定的情况下，所述频率估算部(B15)输出基于fcalc＝(c1/T1)+c2的关系以及从所述振荡相关信息输出部(B12)输出的所述频率调节参数而确定的所述估算频率；并且
在下述情况下：Kp1和Kp2是作为常数的参数调节增益，sgn(x)是符号函数，其在x>0时变为1、在x＝0时变为0并且在x<0时变为-1，并且ΔT1是所述校正参数，所述调节部(B13)基于下述关系、所述移动体位置相关信息、所述估算的移动体位置相关信息以及所述估算频率来确定所述校正参数：
Figure FDA0002762221630000035
并且所述调节部(B13)通过将所确定的校正参数输出至所述振荡相关信息输出部(B12)来调节从所述振荡相关信息输出部(B12)输出的所述频率调节参数和所述估算的移动体位置相关信息，从而调节从所述频率估算部(B15)输出的所述估算频率。
4.一种包括根据权利要求1或2所述的用于往复移动体的频率检测器的摆动关节装置，所述摆动关节装置连接至进行往复运动的往复移动体，并且所述摆动关节装置交替地重复能量积累模式和能量释放模式，其中，在所述能量积累模式中，能量通过所述往复移动体的运动积累在弹性体中，在所述能量释放模式中，积累在所述弹性体中的能量被释放以辅助所述往复移动体的运动，所述摆动关节装置的特征在于包括：
所述频率检测器；
第一输出部(13；113)，所述第一输出部(13；113)连接至所述往复移动体并且绕摆动中心摆动；
所述弹性体，所述弹性体根据第一摆动角度积累能量及释放能量，其中，所述第一摆动角度是所述第一输出部(13；113)的摆动角度并且是所述移动体位置相关信息；
表观刚性变化部，所述表观刚性变化部改变从所述第一输出部(13；113)来看的所述弹性体的表观刚性；
第一角度检测部，所述第一角度检测部检测所述第一摆动角度；以及
控制部，所述控制部通过根据由所述第一角度检测部检测的所述第一摆动角度控制所述表观刚性变化部来调节从所述第一输出部(13；113)来看的所述弹性体的表观刚性，其中，
所述控制部基于由所述频率检测器确定的所述估算频率以及所述第一摆动角度来调节从所述第一输出部(13；113)来看的所述弹性体的表观刚性。
5.根据权利要求4所述的摆动关节装置，其中，
所述弹性体是螺旋弹簧(24)；
所述螺旋弹簧(24)的一端连接至第一输出部侧的输入/输出轴部(25A)，所述输入/输出轴部(25A)绕作为所述螺旋弹簧(24)的中心轴线的弹簧中心轴线转动与所述第一输出部(13；113)的所述第一摆动角度对应的角度；
所述螺旋弹簧(24)的另一端连接至刚性调节构件，所述刚性调节构件通过刚性调节电动马达绕所述弹簧中心轴线转动；
所述弹性体的表观刚性是所述螺旋弹簧(24)的表观弹簧常数；并且
所述表观刚性变化部由所述刚性调节电动马达和所述刚性调节构件构成，并且所述表观刚性变化部通过使用所述刚性调节电动马达调节所述刚性调节构件的转动角度来调节从所述第一输出部(13；113)来看的所述螺旋弹簧(24)的表观弹簧常数。
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