DE102016122340A1

DE102016122340A1 - Fußknöchellose Gehunterstützungsvorrichtung und Verfahren zum Steuern derselben

Info

Publication number: DE102016122340A1
Application number: DE102016122340.9A
Authority: DE
Inventors: Dong Jin HYUN; Kyung Mo Jung; Sang in Park; Hyun Seop Lim
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2016-06-15
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2017-12-21
Also published as: KR101878038B1; US20170360644A1; KR20170141837A; US20200315900A1; US10722418B2; US11622906B2

Abstract

Fußknöchellose Gehunterstützungsvorrichtung, aufweisend: einen Körper (100), welcher den Rücken eines Trägers stützt, einen linken und einen rechten Hüftgelenk-Antrieb (210L, 210R), welche sich von beiden Seiten des Körpers (100) aus erstrecken, ein linkes und ein rechtes Oberschenkel-Verbindungsglied (240L, 240R), welche erste Enden, die jeweilig mit dem linken und dem rechten Hüftgelenk-Antrieb (210L, 210R) verbunden sind, aufweisen, einen linken und einen rechten Knie-Antrieb (220L, 220R), welche mit zweiten Enden des linken und des rechten Oberschenkel-Verbindungsglieds (240L, 240R) jeweilig verbunden sind, ein linkes und ein rechtes Wade-Verbindungsglied (250L, 250R), welche erste Enden, die jeweilig mit dem linken und dem rechten Knie-Antrieb (220L, 220R) verbunden sind, aufweisen, und Bodenkontakt-Füße (230L, 230R), welche an zweiten Enden des linken und des rechten Wade-Verbindungsglieds (250L, 250R) jeweilig befestigt sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine fußknöchellose Gehunterstützungsvorrichtung und ein Verfahren zum Steuern derselben und betrifft insbesondere eine fußknöchellose Gehunterstützungsvorrichtung ohne ein Sprunggelenk, welche einen Steuerungsalgorithmus vereinfachen und einen Träger / eine Trägerin (nachfolgend kurz: Träger) mittels eines Beseitigens eines Unbehagens des Trägers darin unterstützen kann, vollkommener und natürlicher zu gehen, und ein Verfahren zum Steuern der fußknöchellose Gehunterstützungsvorrichtung.
Hintergrund
Eine Exoskelett-Roboter-Technologie ist eine Technologie zum Sicherstellen der Mobilität für Menschen mit (Körper-)Behinderung und Ältere. Die Exoskelett-Roboter-Technologie geht jedoch immer noch einher mit zahlreichen technischen Problemen hinsichtlich eines mechanischen Designs oder eines Betriebsalgorithmus. Um beispielsweise einen Exoskelett-Roboter tragbar wie Kleidung zu machen, sind die mechanischen Teile des Roboters hinsichtlich eines verfügbaren Raums oder Gewichts stark begrenzt. Ferner sollte eine Steuerungsabtastung (Steuerungssampling) des gesamten Roboters schnell genug sein, um geeignet auf externe Kräfte aus der Umgebung zu reagieren, ohne mit der Bewegung eines menschlichen Nutzers zu interferieren.
Viele Roboterentwickler haben bis heute sukzessive Ergebnisse hinsichtlich der Leistungsfähigkeit von tragbaren Robotern erzielt, jedoch gibt es einen großen Verbesserungsbedarf hinsichtlich des Steuerungsalgorithmus für tragbare Roboter.
In der bezogenen Technik wurden im Allgemeinen besonders tragbare Roboter, die Fußknöchel (und bspw. Sprunggelenke) und Füße aufweisen, welche mit den Sprunggelenken verbunden sind, entwickelt. Jedoch spielen ein Fußknöchel und ein Fuß eine sehr wichtige Rolle bei Exoskelett-Robotern, welche eine physische Interaktion mit dem Boden erfassen und verarbeiten, wobei es aber schwierig ist, Fußknöchel und Füße geeignet zu gestalten. Das heißt, dass der menschliche Fußknöchel sehr kompliziert ist, so dass es schwierig ist, den Fußknöcheln des tragbaren Roboters den Freiheitsgrad, welcher hoch genug ist, um nicht mit der Bewegung des Trägers zu interferieren, zu geben. Ferner kann der Fußknöchel hinsichtlich eines Gewichts erhöht sein, um in der Lage zu sein, häufigen Schlägen (bzw. Erschütterungen) vom Boden zu widerstehen. Um eine Bodenreaktionskraft (GRF, abgeleitet vom Englischen "ground reaction force“) unter Verwendung eines Kraft-/Drehmoment-Sensors zu messen, ist es erforderlich, ein Fußmodul kräftig (bzw. stabil) abzustützen, so dass ein unelastischer Stoß an dem Boden erzeugt wird, was ein unnatürliches Gehen des Roboter-Trägers (bzw. der Person, die den Roboter trägt, kurz: Roboter-Träger) verursacht.
Das Vorhergehende ist lediglich dazu gedacht, beim Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung zu helfen und ist nicht dazu gedacht, zu bedeuten, dass die vorliegende Erfindung in den Bereich der bezogenen Technik fällt, die dem Fachmann bereits bekannt ist.
Erläuterung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht unter Berücksichtigung der obigen Probleme, die in der bezogenen Technik auftreten, und die vorliegende Erfindung ist dazu gedacht, eine fußknöchellose Gehunterstützungsvorrichtung ohne ein Sprunggelenk (bzw. Fußgelenk), wodurch die Vorrichtung einen Steuerungsalgorithmus vereinfachen kann und einen Träger mittels eines Beseitigens eines Unbehagens des Trägers darin unterstützt, vollkommener und natürlicher zu gehen, und ein Verfahren zum Steuern der Vorrichtung vorzuschlagen.
Eine fußknöchellose (bzw. sprunggelenklose) Gehunterstützungsvorrichtung (bzw. Gehhilfevorrichtung bzw. Geh-Assistenz-Vorrichtung, kurz: Gehunterstützungsvorrichtung) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist auf: einen Körper, welcher den Rücken eines Trägers (z.B. einer die Gehunterstützungsvorrichtung tragenden Person) stützt, einen linken und einen rechten Hüftgelenk-Antrieb, welche sich von beiden Seiten des Körpers aus (z.B. der linke Hüftgelenk-Antrieb von einer linken Seite des Körpers aus und der rechte Hüftgelenk-Antrieb von einer rechten Seite des Körpers aus) erstrecken, ein linkes und ein rechtes Oberschenkel-Verbindungsglied, welche erste Enden, die jeweilig mit dem linken und dem rechten Hüftgelenk-Antrieb verbunden sind (z.B. ist ein erstes Ende des linken Oberschenkel-Verbindungsglieds mit dem linken Hüftgelenk-Antrieb verbunden und ist ein erstes Ende des rechten Oberschenkel-Verbindungsglieds mit dem rechten Hüftgelenk-Antrieb verbunden), aufweisen, einen linken und einen rechten Knie-Antrieb, welche mit zweiten Enden des linken und des rechten Oberschenkel-Verbindungsglieds jeweilig (z.B. der linke Knie-Antrieb mit dem zweiten Ende des linken Oberschenkel-Verbindungsglieds und der rechte Knie-Antrieb mit dem zweiten Ende des rechten Oberschenkel-Verbindungsglieds) verbunden sind, ein linkes und ein rechtes Wade-Verbindungsglied (bzw. Unterschenkel-Verbindungsglied, nachfolgend kurz: Wade-Verbindungsglied), welche erste Enden, die jeweilig mit dem linken und dem rechten Knie-Antrieb verbunden sind (z.B. ist ein erstes Ende des linken Wade-Verbindungsglieds mit dem linken Knie-Antrieb verbunden und ist ein erstes Ende des rechten Wade-Verbindungsglieds mit dem rechten Knie-Antrieb verbunden), aufweisen, und Bodenkontakt-Füße, welche an zweiten Enden des linken und des rechten Wade-Verbindungsglieds jeweilig (z.B. ein linker Bodenkontakt-Fuß an dem zweiten Ende des linken Wade-Verbindungsglieds und ein rechter Bodenkontakt-Fuß an dem zweiten Ende des rechten Wade-Verbindungsglieds) befestigt sind.
Der Körper kann aufweisen: eine Drucksensoreinrichtung (z.B. Drucksensoren), welche einen Druck an Sohlen beider Füße eines Trägers erfasst, und eine Steuereinrichtung, welche Gangphasen eines zu steuernden Beins und des anderen Beins auf der Grundlage des durch die Drucksensoreinrichtung erfassten Drucks ermittelt, einen aus einer Mehrzahl von im Voraus gesetzten (z.B. festgelegten) Steuerungsmodi auf der Grundlage der ermittelten Gangphasen auswählt, und den Hüftgelenk-Antrieb und den Knie-Antrieb für das zu steuernde Bein steuert (z.B. regelt).
Die Drucksensoreinrichtung kann eine Mehrzahl von Drucksensoren zum Detektieren eines auf die Zehen und die Fersen der Sohlen aufgebrachten Drucks aufweisen.
Die Drucksensoreinrichtung kann einen ersten Drucksensor, der einen auf den Zeh aufgebrachten Druck erfasst, und einen zweiten Drucksensor, der einen auf die Ferse aufgebrachten Druck erfasst, aufweisen.
Die Steuereinrichtung kann ermitteln, dass die Zehen und die Fersen im Kontakt (bzw. in Berührung) mit dem Boden (bzw. Untergrund) sind, wenn ein auf die Zehen und die Fersen aufgebrachter Druck größer als ein Schwellenwert ist, und kann ermitteln, dass die Zehen und die Fersen nicht im Kontakt mit dem Boden sind, wenn der Druck kleiner als der Schwellenwert ist.
Die Steuereinrichtung kann als eine Gangphase ermitteln, dass ein korrespondierendes (bzw. zugehöriges) Bein am (bzw. auf dem) Boden ganz durch die Sohle (z.B. mit der ganzen Sohle) abgestützt ist, wenn der Zeh im Kontakt mit dem Boden ist und die Ferse im Kontakt mit dem Boden ist, kann als eine Gangphase ermitteln, dass ein korrespondierendes Bein an dem Zeh am (bzw. auf dem) Boden abgestützt ist, wenn der Zeh im Kontakt mit dem Boden ist und die Ferse nicht im Kontakt mit dem Boden ist, kann als eine Gangphase ermitteln, dass ein korrespondierendes Bein an der Ferse am (bzw. auf dem) Boden abgestützt ist, wenn der Zeh nicht im Kontakt mit dem Boden ist und die Ferse im Kontakt mit dem Boden ist, und kann als eine Gangphase ermitteln, dass ein korrespondierendes Bein in der Luft ist (z.B. keinen Bodenkontakt hat), wenn sowohl der Zeh als auch die Ferse nicht im Kontakt mit dem Boden sind.
Die Steuereinrichtung kann ferner einen von einem Gewichttragend-Modus (bzw. Gewichttragemodus, Gewichtbelastungsmodus), einem Mechanische-Impedanz-Kompensation-Modus (bzw. Modus einer Kompensation einer mechanischen Impedanz (bzw. eines mechanischen Widerstands)), einem Bodenaufprallabsorption-Modus (bzw. Modus einer Bodenaufprallabsorption), einem Bodenaufprallabsorption-&-Virtuelles-Bein-Streckung-Modus (bzw. Modus einer Bodenaufprallabsorption und eines Streckens des virtuellen Beins), einem Boden-Drücken-Modus (bzw. Modus eines Drückens weg vom Boden) und einem Bereit-für-Schwingphase-Modus als einen Steuerungsmodus für das zu steuernde Bein auf Grundlage der Gangphasen sowohl des zu steuernden Beins als auch des anderen Beins ermitteln.
Der Gewichttragend-Modus kann ein Modus sein, in welchem die Steuereinrichtung die Hüftgelenk-Antriebe und die Knie-Antriebe steuert, um den Träger in einer Schwerkraft-Richtung (z.B. entgegen der Schwerkraft) mit einer Kraft zu drücken.
Der Mechanische-Impedanz-Kompensation-Modus kann ein Modus sein, in welchem die Steuereinrichtung die Hüftgelenk-Antriebe und die Knie-Antriebe steuert, um Reibung an den Gelenken und ein Gewicht des Roboters (bzw. der Vorrichtung) aufgrund der Schwerkraft zu kompensieren.
Der Bodenaufprallabsorption-Modus kann ein Modus sein, in welchem die Steuereinrichtung einen virtuellen Feder-Dämpfer (z.B. ein virtuelles Feder-Dämpfer-System, ein virtuelles Feder-Dämpfer-Modell) in einer longitudinalen Richtung einer Linie, welche ein Hüftgelenk und ein Ende des Beins des Gehunterstützungsroboters (bzw. der Vorrichtung) miteinander verbindet, erstellt / erzeugt und die Hüftgelenk-Antriebe und die Knie-Antriebe unter Verwendung einer Impedanzsteuerung (bzw. einer Widerstandssteuerung) steuert (z.B. auf Grundlage des virtuellen Feder-Dämpfers), um die Beine (z.B. ein Bein) des Roboters (bzw. der Vorrichtung) dazu zu bringen, einen Stoß (bzw. einen Schock bzw. einen Aufprall) von außen zu absorbieren.
Der Bodenaufprallabsorption-&-Virtuelles-Bein-Streckung-Modus kann ein Modus sein, in welchem die Steuereinrichtung einen Gleichgewichtspunkt (z.B. einen Schwerpunkt) in einer Impedanzsteuerung-Richtung für die virtuellen Beine als 0 Grad setzt (z.B. festlegt) und die Hüftgelenk-Antriebe und die Knie-Antriebe steuert, so dass das virtuelle Bein gezogen (bzw. bewegt) wird, so dass es vertikal aufgerichtet (z.B. senkrecht stehend) ist / wird, wobei (z.B. während) sie einen virtueller Feder-Dämpfer in einer longitudinalen Richtung einer Linie, welche ein Hüftgelenk und das Ende des Beins des Gehunterstützungsroboters (bzw. der Vorrichtung) miteinander verbindet, erstellt / erzeugt und die Hüftgelenk-Antriebe und die Knie-Antriebe unter Verwendung einer Impedanzsteuerung steuert, um das Bein des Roboters (bzw. der Vorrichtung) dazu zu bringen, einen Stoß von außen zu absorbieren.
Der Boden-Drücken-Modus kann ein Modus sein, in welchem die Steuereinrichtung die Hüftgelenk-Antriebe und die Knie-Antriebe steuert, um das Ende des zu steuernden Beins in einer –x-Richtung (bzw. Minus-x-Richtung) und einer –y-Richtung (bzw. Minus-Y-Richtung) in einem rechtwinkligen Koordinatensystem (z.B. in einer Richtung eines Vektors mit negativer X-Koordinate und negativer Y-Koordinate ausgehend vom Ende des Beins) zu drücken (z.B. ist in dem rechtwinkligen Koordinatensystem eine Vorderrichtung des Roboters eine +x-Richtung (bzw. Plus-X-Richtung) und ist eine senkrecht bzw. vertikal vom Boden weg verlaufende Richtung eine +y-Richtung (bzw. Plus-Y-Richtung)).
Der Bereit-für-Schwingphase-Modus kann ein Modus sein, in welchem die Steuereinrichtung die Hüftgelenk-Antriebe und die Knie-Antriebe (z.B. insbesondere den Hüftgelenk-Antrieb und den Knie-Antrieb des zu steuernden Beins) steuert, um das Ende des zu steuernden Beins in einer +x-Richtung und einer +y-Richtung in einem rechtwinkligen Koordinatensystem (z.B. in einer Richtung eines Vektors mit positiver X-Koordinate und positiver Y-Koordinate ausgehend vom Ende des Beins) zu drücken zum einfachen (bzw. leichtgängigen) Schwingen des Beins (z.B. ist in dem rechtwinkligen Koordinatensystem eine Vorderrichtung des Roboters eine +x-Richtung und ist eine senkrecht bzw. vertikal vom Boden weg verlaufende Richtung eine +y-Richtung).
Die Steuereinrichtung kann, wenn sich der Steuerungsmodus ändert (z.B. wechselt), einen Übergangsparameter anwenden (bzw. verwenden), welcher sich für ein vorbestimmtes Zeitintervall entlang einer sinusförmigen Bahn (z.B. einer sinusförmigen Kurve) von 0 zu 1 verändert, um ein in einem vorherigen Modus auf die Hüftgelenk-Antriebe und die Knie-Antriebe aufgebrachtes Drehmoment zu regulieren (z.B. zu steuern) und ein in einem neuen, geänderten Steuerungsmodus auf die Hüftgelenk-Antriebe und die Knie-Antriebe aufzubringendes Drehmoment zu regulieren (z.B. zu steuern).
Jeder von den Bodenkontakt-Füßen kann an einem Abschnitt, welcher mit dem Boden in Kontakt kommt, eine gekrümmte Fläche (z.B. eine bogenförmige Fläche, eine konvexe Fläche), welche in einer Gehrichtung (z.B. vertikal) von dem Boden weg gekrümmt ist, aufweisen.
Jeder von den Bodenkontakt-Füßen kann eine Gummisohle an dem Abschnitt, welcher mit dem Boden in Kontakt kommt, aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern der fußknöchellosen (bzw. sprunggelenklosen) Gehunterstützungsvorrichtung bereitgestellt, welche aufweist: einen Körper, welcher den Rücken eines Trägers (z.B. einer die Gehunterstützungsvorrichtung tragenden Person) stützt, einen linken und einen rechten Hüftgelenk-Antrieb, welche sich von beiden Seiten des Körpers aus (z.B. der linke Hüftgelenk-Antrieb von einer linken Seite des Körpers aus und der rechte Hüftgelenk-Antrieb von einer rechten Seite des Körpers aus) erstrecken, ein linkes und ein rechtes Oberschenkel-Verbindungsglied, welche erste Enden, die jeweilig mit dem linken und dem rechten Hüftgelenk-Antrieb verbunden sind (z.B. ist ein erstes Ende des linken Oberschenkel-Verbindungsglieds mit dem linken Hüftgelenk-Antrieb verbunden und ist ein erstes Ende des rechten Oberschenkel-Verbindungsglieds mit dem rechten Hüftgelenk-Antrieb verbunden), aufweisen, einen linken und einen rechten Knie-Antrieb, welche mit zweiten Enden des linken und des rechten Oberschenkel-Verbindungsglieds jeweilig (z.B. der linke Knie-Antrieb mit dem zweiten Ende des linken Oberschenkel-Verbindungsglieds und der rechte Knie-Antrieb mit dem zweiten Ende des rechten Oberschenkel-Verbindungsglieds) verbunden sind, ein linkes und ein rechtes Wade-Verbindungsglied, welche erste Enden, die jeweilig mit dem linken und dem rechten Knie-Antrieb verbunden sind (z.B. ist ein erstes Ende des linken Wade-Verbindungsglieds mit dem linken Knie-Antrieb verbunden und ist ein erstes Ende des rechten Wade-Verbindungsglieds mit dem rechten Knie-Antrieb verbunden), aufweisen, Bodenkontakt-Füße, welche an zweiten Enden des linken und des rechten Wade-Verbindungsglieds jeweilig (z.B. ein linker Bodenkontakt-Fuß an dem zweiten Ende des linken Wade-Verbindungsglieds und ein rechter Bodenkontakt-Fuß an dem zweiten Ende des rechten Wade-Verbindungsglieds) befestigt sind, und eine Drucksensoreinrichtung (z.B. mit Drucksensoren), welche an Sohlen beider Beine des Trägers angeordnet ist.
Das Verfahren weist auf: Erfassen eines Drucks an den Sohlen der Füße des Trägers mittels einer Drucksensoreinrichtung, Ermitteln von Gangphasen (z.B. einer jeweiligen Gangphase) sowohl eines zu steuernden Beins als auch des anderen Beins auf der Grundlage des durch die Drucksensoreinrichtung (z.B. die Drucksensoren der Drucksensoreinrichtung) ermittelten Drucks mittels einer Steuereinrichtung, und Auswählen von einem aus einer Mehrzahl von im Voraus gesetzten (z.B. festgelegten) Steuerungsmodi auf der Grundlage der ermittelten Gangphasen, und Steuern des Hüftgelenk-Antriebs und des Knie-Antriebs des zu steuernden Beins mittels der Steuereinrichtung.
Gemäß der fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung und einem Verfahren zum Steuern der fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung gemäß zahlreichen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es, da Bodenkontakt-Füße zum Abstützen am Boden an den Enden der Wade-Verbindungsglieder ohne Antriebe zum Antreiben von Sprunggelenken befestigt sind, nicht erforderlich, Antriebe für die Fußknöchel (bzw. Sprunggelenke) eines Exoskelett-Roboters zu steuern, so dass der Steuerungsalgorithmus vereinfacht werden kann. Ferner ist es möglich, die Teile, die mit den Fußknöchel-Antrieben korrespondieren, und Füße, die mit den Fußknöchel-Antrieben verbunden sind, von einem Roboter zu entfernen, wodurch ein Unbehagen des Trägers aufgrund eines übermäßigen Gewichts des Roboters und von Einschränkungen des Freiheitsgrads (z.B. der Bewegungsfreiheit), wenn der Roboter getragen wird, beseitigt wird, so dass der Träger leichter gehen kann.
Gemäß der fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung und einem Verfahren zum Steuern der fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung ist es ferner möglich, einfach die Gangphasen sowohl eines zu steuernden Beins als auch des anderen Beins gemäß einer auf den Zeh und die Ferse der Füße aufgebrachten Last zu ermitteln. Ferner werden ermittelte Gangphasen und die ermittelten Gehmodi (z.B. dazugehörige Steuerungsmodi) abgestimmt (z.B. aufeinander angepasst) und werden dann Beine gesteuert, so dass es möglich ist, eine exzellente Gehunterstützungsleistungsfähigkeit ohne einen komplizierten Berechnungsvorgang sicherzustellen.
Da es möglich ist, eine Gehunterstützungskraft durch eine einfache Jacobi-Transformation ungeachtet der Anzahl von Achsen zu ermitteln, ist der Anwendungsbereich der fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung und eines Verfahrens zum Steuern der fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung sehr weit.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen und andere Ziele, Eigenschaften und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlicher verstanden, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird.
1 bis 3 sind jeweilig eine perspektivische Ansicht, eine Rückansicht und eine Seitenansicht, die eine fußknöchellose Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
4 ist ein Blockdiagramm, welches einen Steuerungsfluss einer fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
5A und 5B sind Ansichten, welche eine Drucksensoreinrichtung für eine fußknöchellose Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
6 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Steuern einer fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
7A–7D sind Ansichten, welche ein Beispiel von Erfassungssignalen einer Drucksensoreinrichtung einer fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
8 ist eine Ansicht, welche ein Beispiel eines Ermittelns von Steuerungsmodi auf der Grundlage der Gangphasen von Beinen bei einer fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist eine Ansicht, welche ein Beispiel des Betriebs eines Roboters einer fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schlicht zeigt.
10 ist eine Ansicht, welche eine Steuerungstechnik, welche auf einen tragbaren Gehunterstützungsroboter und ein Verfahren zum Steuern der fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird, zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Eine fußknöchellose Gehunterstützungsvorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung gemäß zahlreichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 bis 3 sind jeweilig eine perspektivische Ansicht, eine Rückansicht und eine Seitenansicht, die eine fußknöchellose Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Bezugnehmend auf 1 bis 3 kann ein fußknöchelloser Gehunterstützungsroboter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Körper 100, welcher den Rücken eines Trägers stützt, und Beine (z.B. ein rechtes und ein linkes Bein) 200R und 200L, welche sich von dem Körper 100 aus erstrecken, aufweisen.
Die Beine 200L und 200R können aufweisen: jeweilige Hüftgelenk-Antriebe 210L und 210R, welche sich von beiden Seiten des Körpers 100 aus erstrecken (z.B. der linke Hüftgelenk-Antrieb 210L von einer linken Seite des Körpers aus und der rechte Hüftgelenk-Antrieb 210R von einer rechten Seite des Körpers aus), jeweilige Oberschenkel-Verbindungsglieder 240L und 240R, welche erste Enden, die jeweilig mit dem linken und dem rechten Hüftgelenk-Antrieb verbunden sind (z.B. ist ein erstes Ende des linken Oberschenkel-Verbindungsglieds 240L mit dem linken Hüftgelenk-Antrieb 210L verbunden und ist ein erstes Ende des rechten Oberschenkel-Verbindungsglieds 240R mit dem rechten Hüftgelenk-Antrieb 210R verbunden), aufweisen, Knie-Antriebe 220L und 220R, welche mit zweiten Enden des linken und des rechten Oberschenkel-Verbindungsglieds 240L und 240R (z.B. der linke Knie-Antrieb 220L mit dem zweiten Ende des linken Oberschenkel-Verbindungsglieds 240L und der rechte Knie-Antrieb 220R mit dem zweiten Ende des rechten Oberschenkel-Verbindungsglieds 240R) verbunden sind, Wade-Verbindungsglieder 250L und 250R, welche erste Enden, die mit den Knie-Antrieben 220L und 220R verbunden sind (z.B. ist ein erstes Ende des linken Wade-Verbindungsglieds 250L mit dem linken Knie-Antrieb 220L verbunden und ist ein erstes Ende des rechten Wade-Verbindungsglieds 250R mit dem rechten Knie-Antrieb 220R verbunden), aufweisen, und Bodenkontakt-Füße 230L und 230R, welche an zweiten Enden der Wade-Verbindungsglieder 250L und 250R (z.B. ein linker Bodenkontakt-Fuß 230L an dem zweiten Ende des linken Wade-Verbindungsglieds 250L und ein rechter Bodenkontakt-Fuß 230R an dem zweiten Ende des rechten Wade-Verbindungsglieds 250R) befestigt sind.
Der fußknöchellose Gehunterstützungsroboter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist charakterisiert durch Fixieren der Bodenkontakt-Füße 230L und 230R zum Abstützen am Boden an den Enden der Wade-Verbindungsglieder 250L und 250R ohne einen Antrieb für Sprunggelenke.
Folglich ist es nicht erforderlich, einen Fußknöchel-Antrieb eines Exoskelett-Roboters zu steuern, so dass der Steuerungsalgorithmus vereinfacht werden kann. Ferner ist es möglich, einen Fußknöchel-Antrieb und Teile, die mit Füßen korrespondieren, die mit dem Fußknöchel-Antrieb verbunden sind, in einem Roboter zu entfernen, so dass es möglich ist, es einem Träger zu ermöglichen, natürlicher zu gehen, indem ein Unbehagen des Trägers beim Gehen aufgrund eines übermäßigen Gewichts des Roboters und von Einschränkungen des Freiheitsgrads (z.B. der Bewegungsfreiheit), die durch Tragen des Roboters verursacht werden, beseitigt wird.
Der Körper 100 kann den Rücken des Trägers physisch abstützen, indem er an dem Rücken angeordnet ist. Obwohl nicht in den Zeichnungen gezeigt, kann der Körper 100 an dem Rücken des Trägers mittels Schulterbändern (z.B. Schultergurten), etc. befestigt werden. Der Körper 100 stellt einen Raum im Inneren (bzw. in seinem Inneren) derart sicher, dass zahlreiche Teile zum Steuern der Vorrichtung in dem Raum angeordnet sind. Beispielsweise kann der Körper 100 eine Steuereinrichtung, welche die gesamte Vorrichtung steuert, eine integrierte Schaltung für den Antrieb (kurz Antrieb-IC, z.B. eine integrierte Treiberschaltung), welche die Antriebe für Gelenke betreibt, einen Trägheitssensor (bzw. Inertialsensor), welcher einen Neigungswinkel (Neigung) des Körpers 100, und eine Batterie, welche zahlreiche Teile des Roboters mit Energie versorgt, aufweisen.
Die Beine 200L und 200R sind an den Beinen eines Trägers zwischen dem Körper 100 und dem Boden befestigt, und, indem Antriebe an Gelenken der Beine 200L und 200R betrieben werden, können die Beine (der Vorrichtung) das Gehen des Trägers unterstützen.
Wie oben beschrieben, können die Beine 200L und 200R entsprechend zugehörig aufweisen: Hüftgelenk-Antriebe 210L und 210R, welche sich von beiden Seiten des Körpers aus erstrecken, Oberschenkel-Verbindungsglieder 240L und 240R, welche erste Enden, die jeweilig mit den Hüftgelenk-Antrieben 210L und 210R verbunden sind, aufweisen, Knie-Antriebe 220L und 220R, welche mit zweiten Enden der Oberschenkel-Verbindungsglieder 240L und 240R verbunden sind, Wade-Verbindungsglieder 250L und 250R, welche erste Enden, die mit den Knie-Antrieben 220L und 220R verbunden sind, aufweisen, und Bodenkontakt-Füße 230L und 230R, welche an zweiten Enden der Wade-Verbindungsglieder 250L und 250R verbunden sind.
Die Hüftgelenk-Antriebe 210L und 210R und die Knie-Antriebe 220L und 220R, welche mittels einer Steuereinrichtung gesteuert werden, um betrieben zu werden, können (Elektro-)Motoren oder Aktuatoren sein, welche Drehmoment durch Umwandeln von elektrischer Energie in Rotationsenergie erzeugen. Die Hüftgelenk-Antriebe 210L und 210R und die Knie-Antriebe 220L und 220R können jeweilig einen Messwertgeber (z.B. einen Drehwinkelgeber, eine Encodereinrichtung) zum Detektieren eines Rotationswinkels aufweisen, und die Steuereinrichtung kann auf der Grundlage einer Rückkopplung (z.B. Rückführung) des durch den Messwertgeber detektierten Rotationswinkels die Hüftgelenk-Antriebe 210L und 210R und die Knie-Antriebe 220L und 220R steuern (z.B. kann die Steuereinrichtung die Hüftgelenk-Antriebe 210L und 210R und die Knie-Antriebe 220L und 220R unter Verwendung des durch den Messwertgeber detektierten Rotationswinkels regeln).
Die Oberschenkel-Verbindungsglieder (z.B. in Form von Oberschenkel-Verbindungsstreben) 240L und 240R sind zwischen den Hüftgelenk-Antrieben 210L und 210R und den Knie-Antrieben 220L und 220R angeordnet (z.B. zwischen den Hüftgelenk-Antrieben 210L und 210R und ersten Enden der Knie-Antriebe 220L und 220R), und die Wade-Verbindungsglieder (z.B. in Form von Wade-Verbindungsstreben) 250L und 250R sind mit den zweiten Enden der Knie-Antriebe 220L und 220R verbunden. Obwohl nicht in den Zeichnungen gezeigt, sind Befestigungselemente, wie z.B. ein Geschirr (z.B. ein Gurt), an den Oberschenkel-Verbindungsgliedern 240L und 240R und den Wade-Verbindungsgliedern 250L und 250R bereitgestellt, um sie an dem Bein eines Trägers zu befestigen.
Ferner können die Oberschenkel-Verbindungsglieder 240L und 240R und den Wade-Verbindungsglieder 250L und 250R ein elastisches Element (z.B. jedes Verbindungsglied ein jeweiliges elastisches Element), wie z.B. eine Feder, zum Absorbieren eines Stoßes (bzw. Aufpralls), welcher erzeugt wird, wenn der Träger geht, aufweisen, und Längenanpasser zum Anpassen der Längen der elastischen Elemente, damit sie mit der Größe des Trägers zusammenpassen, können bereitgestellt sein.
Die Bodenkontakt-Füße 230L und 230R sind an den Enden der Wade-Verbindungsglieder 250L und 250R befestigt. Das heißt, dass die Bodenkontakt-Füße 230L und 230R direkt an den Enden der Wade-Verbindungsglieder 250L und 250R befestigt sind ohne eine spezifische Gelenkkomponente (z.B. ohne ein Fußgelenk / Sprunggelenk).
Die Bodenkontakt-Füße 230L und 230R weisen an den Unterseiten eine gekrümmte Fläche (bzw. jeder Bodenkontakt-Fuß eine jeweilige gekrümmte Fläche) auf, welche in einer Gehrichtung von dem Boden weg gekrümmt ist, so dass der Träger beim Gehen auf dem Boden sich zwischen dem Kontaktpunkt und dem Trennpunkt (bzw. Lösepunkt) an der Unterseite leichtgängig bewegen kann.
Ferner weisen die Bodenkontakt-Füße 230L und 230R eine Gummisohle 231L an dem Abschnitt, der mit dem Boden in Kontakt kommt, auf, so dass es möglich ist, eine Kontaktkraft mit dem Boden zu erhöhen und einen Stoß vom Boden (bzw. Aufprall auf dem Boden) zu absorbieren.
Die fußknöchellose Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ferner, um den Betrieb eines Exoskelett-Roboters zu steuern, eine Drucksensoreinrichtung 30 (siehe 4), welche einen auf Sohlen von beiden Füßen eines Trägers aufgebrachten Druck erfasst, und eine Steuereinrichtung 400 (siehe 4), welche die Gangphasen eines zu steuernden Beins und des anderen Beins auf der Grundlage des durch die Drucksensoreinrichtung 30 erfassten Drucks ermittelt, einen aus einer Mehrzahl von im Voraus gesetzten (z.B. festgelegten) Steuerungsmodi auf der Grundlage der ermittelten Gangphasen auswählt, und den Hüftgelenk-Antrieb 210L, 210R und den Knie-Antrieb 220L, 220R für das zu steuernde Bein steuert, aufweisen.
4 ist ein Blockdiagramm, welches einen Steuerungsfluss einer fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Bezugnehmend auf 4 kann ein fußknöchelloser Gehunterstützungsroboter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Drucksensoreinrichtung 30, welche einen Druck an den Sohlen von Füßen eines Trägers erfasst, und eine Steuereinrichtung 400, welche die Gangphasen eines zu steuernden Beins und des anderen Beins auf der Grundlage des durch die Drucksensoreinrichtung 30 erfassten Drucks ermittelt, einen aus einer Mehrzahl von im Voraus gesetzten (z.B. festgelegten) Steuerungsmodi auf der Grundlage der ermittelten Gangphasen auswählt, und den Hüftgelenk-Antrieb 210L, 210R und den Knie-Antrieb 220L, 220R für das zu steuernde Bein steuert, aufweisen.
5A und 5B sind Ansichten, welche eine Drucksensoreinrichtung für eine fußknöchellose Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Wie in 5A und 5B gezeigt, kann die Drucksensoreinrichtung 30, welche in dem fußknöchellosen Gehunterstützungsroboter gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine Mehrzahl von Drucksensoren 31a und 31b, welche an der Unterseiten 310 eines Schuhs 300 (beispielweise der Sohle eines Schuhs) angeordnet ist, um einen auf die Sohle aufgebrachten Druck zu detektieren, aufweisen.
In der vorliegenden Erfindung/Offenbarung kann die Drucksensoreinrichtung 30 einen ersten Drucksensor 31a, welcher nahe (z.B. benachbart zu) dem Zeh angeordnet ist, und einen zweiten Drucksensor 31b, der nahe (z.B. benachbart zu) der Ferse angeordnet ist, aufweisen. Die Anordnung der Drucksensoreinrichtung 30 ist auf beide Füße des Roboter-Trägers (bzw. der Person, die den Roboter trägt, kurz: Roboter-Träger) angewendet.
Die beispielhafte Ausführungsform, welche in 5A und 5B gezeigt ist, ist ein Beispiel, welches zwei an einem Schuh eines Roboter-Trägers angebrachte Drucksensoren 31a und 31b darstellt, jedoch können zahlreiche Modifikationen berücksichtigt werden, z.B. können drei oder mehr Drucksensoren verwendet werden oder können Drucksensoren an einem Sohlenstützelement eines Roboters anstatt dem Schuh eines Roboter-Trägers angeordnet sein. Ferner sind die Drucksensoren 31a und 31b und die Steuereinrichtung 400 z.B. mittels Drähten (nicht gezeigt) verbunden, so dass eine Erfassungsinformation an die Steuereinrichtung 400 von den Drucksensoren 31a und 31b aus übertragen werden kann, oder die Erfassungsinformation kann an die Steuereinrichtung 400 von den Drucksensoren 31a und 31b aus mittels einer drahtgebundenen (z.B. durch Kabel) oder drahtlosen Kommunikation, die in der Technik bekannt ist, übertragen werden.
Die Steuereinrichtung 400 erhält Signale von der Drucksensoreinrichtung 30, welche einen Druck an beiden Sohlen eines Roboter-Trägers erfasst, ermittelt Gangphasen sowohl eines zu steuernden Beins (z.B. eines ersten Beins) als auch des anderen Beins (z.B. eines zweiten Beins) basierend auf dem erfassten Druck, wählt einen aus einer Mehrzahl von im Voraus gesetzten (z.B. festgelegten) Steuerungsmodi basierend auf den ermittelten Gangphasen aus und steuert den Hüftgelenk-Antrieb 210L, 210R und den Knie-Antrieb 220L, 220R des zu steuernden Beins.
Die Steuereinrichtung 400 kann im Detail Signale von der Drucksensoreinrichtung 30, welche einen Druck an beiden Sohlen eines Roboter-Trägers erfasst, erhalten und kann Gangphasen der Beine je nachdem (bzw. dementsprechend), auf welchen/welche von dem Zeh und der Ferse der Sohlen Druck aufgebracht wird, Gangphasen der Beine ermitteln. Der Abschnitt, auf welchen Druck aufgebracht wird, kann beispielsweise der Zeh und/oder die Ferse eines Fußes sein, und folglich kann die Steuereinrichtung 400 Gangphasen beider Beine für eine Sohle in insgesamt vier Fällen ermitteln.
Ferner kann die Steuereinrichtung 400 die Hüftgelenk-Antriebe 210L und 210R und die Knie-Antriebe 220L und 220R auf der Grundlage der für die Beine ermittelten Gangphasen steuern. Die Steuereinrichtung 400 kann hierzu Steuerungsmodi für die Gangphasen der Beine im Voraus ermitteln und behalten (z.B. speichern) und Steuerungsmodi für die Gangphasen sowohl des zu steuernden Beins als auch des anderen Beins auswählen und den Hüftgelenk-Antrieb 210L bzw. 210R und den Knie-Antrieb 220L bzw. 220R des zu steuernden Beins steuern, wodurch eine Kraft zum Unterstützen eines Gehens bereitgestellt wird.
Die Steuerungstechnik der Steuereinrichtung 400 kann besser verstanden werden aus der folgenden Beschreibung über das Verfahren zum Steuern eines fußknöchellosen Gehunterstützungsroboters gemäß zahlreichen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Steuern einer fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Unter Bezugnahme auf 6 weist ein Verfahren zum Steuern einer fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf: Erfassen, mittels der Drucksensoreinrichtung 30, eines auf die Sohlen eines Trägers aufgebrachten Drucks (S11), Ermitteln, mittels der Steuereinrichtung 400, von Gangphasen sowohl eines zu steuernden Beins als auch des anderen Beins auf der Grundlage des durch die Drucksensoreinrichtung erfassten Drucks (S12), Auswählen, mittels der Steuereinrichtung 400, von einem aus einer Mehrzahl von im Voraus gesetzten Steuerungsmodi basierend auf der Grundlage der ermittelten Gangphasen (S13), und Steuern, mittels der Steuereinrichtung 400, des Hüftgelenk-Antriebs 210L, 210R und des Knie-Antriebs 220L, 220R des zu steuernden Beins (S14).
Als erstes ist das Erfassen des Drucks an Füßen (S11) z.B. ein Schritt des Detektierens eines Drucks an dem Zeh und an der Ferse jeder Sohle eines Trägers unter Verwendung der Drucksensoreinrichtung 30, wie unter Bezugnahme auf 5A und 5B beschrieben. Beispielsweise können insgesamt vier Erfassungssignale an die Steuereinrichtung 400 durch zwei erste Drucksensoren 31a zum Erfassen des Drucks an dem Zeh jeder Sohle und zwei zweite Drucksensoren 31b zum Erfassen des Drucks an der Ferse jeder Sohle bereitgestellt werden.
Die Steuereinrichtung 400 ermittelt beim Ermitteln von Gangphasen (S12) den Sohlen zugehörige Gangphasen auf der Grundlage der vier Erfassungssignale.

Die folgende Tabelle 1 zeigt ein Beispiel, bei dem die Steuereinrichtung 400 Gangphasen der Beine basierend auf den Ergebnissen der Erfassung eines Drucks an einer Sohle ermittelt. Tabelle 1

Gangphase	Erster Drucksensor (Zeh)	Zweiter Drucksensor (Ferse)
Luft	Kein Kontakt	Kein Kontakt
Fersenauftritt	Kein Kontakt	Kontakt
Abstützung	Kontakt	Kontakt
Zehabhebung	Kontakt	Kein Kontakt

Wie in der Tabelle beschrieben, kann die Steuereinrichtung 400 die Gangphasen jedes Beins als einen Luft-Zustand (z.B. einen In-Der-Luft-Zustand bzw. Flugphase-Zustand), einen Fersenauftritt-Zustand (z.B. einen Zustand, bei welchem die Ferse auf den Boden aufsetzt), einen Abstützung-Zustand (z.B. einen Zustand, bei welchem die gesamte Sohle zur Abstützung dient) und einen Zehabhebung-Zustand (z.B. einen Zustand bzw. eine Phase, bei welchem/welcher der Zeh sich vom Boden abhebt bzw. ablöst) ermitteln.
Eine Ermittlung der Gangphasen kann abhängig sein von der Intensität des Erfassungssignals von dem ersten Drucksensor 31a und dem zweiten Drucksensor 31b, und diese Ermittlungstechnik wird nachstehend unter Bezugnahme auf 7A bis 7D beschrieben.
7A–7D sind Ansichten, welche ein Beispiel von Erfassungssignalen einer Drucksensoreinrichtung einer fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Wie in 7A–7D, wobei 7A und 7B für das linke Bein sind und 7C und 7D für das rechte Bein sind, gezeigt, können der erste Drucksensor 31a und der zweite Drucksensor 31b an der linken Sohle und der erste Drucksensor 31a und der zweite Drucksensor 31b an der rechten Sohle (elektrische) Spannungen, welche mit der Intensität des erfassten Drucks korrespondieren, als Erfassungssignale ausgeben. Die Steuereinrichtung 400 vergleicht die Intensität der Erfassungssignale von den Drucksensoren mit einem im Voraus gesetzten (z.B. festgelegten) Schwellenwert Th, kann ermitteln, dass die Bereiche bzw. Abschnitte (der Zeh und die Ferse), welche mit zugehörigen (Druck-)Sensoren korrespondieren, im Kontakt (bzw. in Berührung) mit dem Boden sind, wenn die Erfassungssignale größer als der Schwellenwert Th sind, und kann ermitteln, dass die Bereiche bzw. Abschnitte (der Zeh und die Ferse), welche mit zugehörigen Drucksensoren korrespondieren, nicht in Kontakt (bzw. nicht in Berührung) mit dem Boden sind, wenn die Erfassungssignale kleiner als der Schwellenwert Th sind.
Die Steuereinrichtung 400 kann folglich die Gangphasen der Beine von den Sohlen, wie in der Tabelle, je nachdem, ob die Zehen und die Fersen der Füße in Kontakt mit dem Boden sind, was durch die ersten Drucksensoren 31a und die zweiten Drucksensoren 31b erfasst wird, ermitteln.
Die Steuereinrichtung 400 kann, wenn die Gangphasen der Beine ermittelt sind, die Steuerungsmodi für die Beine ermitteln (S13). Die Steuereinrichtung 400 kann ein Bein steuern durch Ermitteln von einem aus einer Mehrzahl von im Voraus gesetzten (z.B. festgelegten) Steuerungsmodi auf der Grundlage der Gangphasen sowohl des zu steuernden Beins als auch des anderen Beins.
8 ist eine Ansicht, welche ein Beispiel eines Ermittelns von Steuerungsmodi auf der Grundlage der Gangphasen von Beinen bei einer fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Bezugnehmend auf 8 kann die Steuereinrichtung 400 einen aus insgesamt sechs Steuerungsmodi gemäß den Gangphasen sowohl des zu steuernden Beins als auch des anderen Beins auswählen. Die sechs Steuerungsmodi können im Voraus gesetzt (z.B. festgelegt) sein.
In der vorliegenden Erfindung können die sechs Steuerungsmodi aufweisen: einen Gewichttragend-Modus (bzw. Gewichttragemodus, Gewichtbelastungsmodus) M1, einen Mechanische-Impedanz-Kompensation-Modus (bzw. Modus einer Kompensation einer mechanischen Impedanz) M2, einen Bodenaufprallabsorption-Modus (bzw. Modus einer Bodenaufprallabsorption) M3, einen Bodenaufprallabsorption-&-Virtuelles-Bein-Streckung-Modus (bzw. Modus einer Bodenaufprallabsorption und eines Streckens des virtuellen Beins) M4, einen Boden-Drücken-Modus (bzw. Modus eines Drückens weg vom Boden) M5 und einen Bereit-für-Schwingphase-Modus (bzw. Bereit-für-Schwenkphase-Modus) M6.
Die Steuereinrichtung 400 kann beispielsweise das linke Bein in dem Boden-Aufpralllabsorption-&-Virtuelles-Bein-Streckung-Modus M4 steuern und das rechte Bein in dem Gewichttragend-Modus M1 steuern, wenn das linke Bein in dem Fersenauftritt-Zustand ist und das rechte Bein in dem Abstützung-Zustand ist.
In der vorliegenden Erfindung werden, wenn das zu steuernde Bein in dem Luft-Zustand und dem Abstützung-Zustand ist, der Mechanische-Impedanz-Kompensation-Modus M2 und der Gewichttragend-Modus M1 ungeachtet der Gangphase des anderen Beins ermittelt, und in anderen Fällen kann der Steuerungsmodus ermittelt werden gemäß dem Zustand des anderen Beins.
Der Gewichttragend-Modus M1 der sechs Steuerungsmodi ist ein Modus zum Einstellen (z.B. Anpassen) eines Drehmoments der Hüftgelenk-Antriebe 210L und 210R und der Knie-Antriebe 220L und 220R (beispielsweise der Aktuatoren (beispielsweise der Elektroantriebe)), welche an Gelenken angeordnet sind, um den Träger in der Schwerkraft-Richtung (z.B. senkrecht zum Boden) mit einer gewünschten, im Voraus gesetzten (z.B. festgelegten) Kraft zu drücken. Beispielsweise werden ein Körper, Oberschenkel und Waden (bzw. Unterschenkel) sequentiell mittels Gelenken in üblichen Gehunterstützungsrobotern verbunden. Der Körper 100 und die Oberschenkel (z.B. Oberschenkel-Verbindungsglieder 240L und 240R) sind mittels der Hüftgelenk-Antriebe 210L und 210R verbunden, und die Oberschenkel-Verbindungsglieder 240L und 240R und die Wade-Verbindungsglieder 250L und 250R sind mittels der Knie-Antriebe 220L und 220R verbunden. Ein Trägheitssensor (bzw. Inertialsensor) kann an dem Körper 100 angeordnet sein und den Neigungswinkel des Körpers erfassen, wobei Messwertgeber (z.B. Drehwinkelgeber, Encodereinrichtungen) 211L, 211R, 221L und 221R jeweilig an den Hüftgelenk-Antrieben 210L und 210R und den Knie-Antrieben 220L und 220R angeordnet sind, so dass die Rotationswinkel der Gelenke erfasst werden können. Die Steuereinrichtung 400 kann die Schwerkraftrichtung aus den Erfassungsinformationen ermitteln (z.B. kalkulieren).
Die Steuereinrichtung 400 kann eine Jacobische (bzw. eine Jacobi-Matrix), welche aus einem Trägheitssensor (z.B. einer Ausgabe des Trägheitssensors (z.B. der Neigungswinkel des Körpers)), einem Hüftgelenk-Rotationswinkel und einem Kniegelenk-Rotationswinkel gebildet wird, erzeugen und die Antriebe der Gelenke zum Drücken des Bodens (bzw. gegen den Boden) mit einer vorbestimmten Kraft in der Schwerkraftrichtung steuern.
Der Mechanische-Impedanz-Kompensation-Modus M2 ist ferner dazu bereitgestellt, um eine mechanische Reibung oder ein Gewicht des Gehunterstützungsroboters zu kompensieren. Der Mechanische-Impedanz-Kompensation-Modus M2 ist beispielsweise ein Modus, in welchem die Steuereinrichtung 400 die Hüftgelenk-Antriebe 210L und 210R und die Knie-Antriebe 220L und 220R steuert, um Reibung an den Gelenken und das Gewicht von Verbindungsgliedern für den Körper, die Oberschenkel und die Waden des Gehunterstützungsroboters zu kompensieren. Der Mechanische-Impedanz-Kompensation-Modus M2 ist ein Modus, welcher es dem Träger ermöglicht, seine Beine ohne das Gefühl des Gewichts der Beine oder der Reibung des Gehunterstützungsroboters leicht zu bewegen.
Der Bodenaufprallabsorption-Modus M3 ist ferner ein Modus, um die Beine des Gehunterstützungsroboters dazu zu bringen, einen Stoß von außen (z.B. einen Aufprall der Beine auf dem Boden) zu absorbieren, in welchem die Steuereinrichtung 400 virtuelle Feder-Dämpfer (z.B. virtuelle Feder-Dämpfer-Systeme) in den longitudinalen Richtungen virtueller Beine (z.B. Linien von den Hüftgelenken zu den Enden der Roboterbeine) erstellt / erzeugt und die Antriebe für die Gelenke unter Verwendung einer Impedanzsteuerung (z.B. einer Impedanzregelung) steuert. Die virtuellen Beine sind Linien von den Hüftgelenken zu den Enden der Beine des Gehunterstützungsroboters, und die Steuereinrichtung 400 erstellt in dem Bodenaufprallabsorption-Modus M3 virtuelle Feder-Dämpfer in den (z.B. entlang der) Linien, welche mit den virtuellen Beinen korrespondieren, wodurch ein Stoß von außen absorbiert wird.
Der Bodenaufprallabsorption-&-Virtuelles-Bein-Streckung-Modus M4 ist ferner ein Modus, in welchem die Steuereinrichtung 400 einen Gleichgewichtspunkt in der Impedanzsteuerung-Richtung für die virtuellen Beine als 0 Grad setzt (z.B. festlegt) und zusätzlich die virtuellen Beine zieht, um die Beine vertikal aufzurichten, während der Modus M3 durchgeführt wird.
Der Boden-Drücken-Modus M5 ist ferner ein Modus, welcher durchgeführt wird, wenn die Beine in einer Verzögerte-Haltung-Phase sind, in welchem die Steuereinrichtung 400 den Oberkörper drückt durch Steuern der Antriebe für die Gelenke, um die Enden der Beine (die Bodenkontakt-Füße 230L und 230R) in eine –x-Richtung (bzw. Minus-X-Richtung) und eine –y-Richtung (bzw. Minus-Y-Richtung) zu drücken.
Der Bereit-für-Schwingphase-Modus M6 ist schließlich ein Modus, in welchem die Steuereinrichtung 400 die Antriebe für die Gelenke steuert, um die Enden der Beine in eine +x-Richtung (bzw. Plus-X-Richtung) und eine +y-Richtung (bzw. Plus-Y-Richtung) zu drücken, so dass der Träger die Beine leicht schwingen (bzw. schwenken) kann.
Eine Technik des tatsächlichen Anwendens der Steuerungsmodi M1 bis M6 auf den Roboter wird detaillierter nachstehend beschrieben.
9 ist eine Ansicht, welche ein Beispiel des Betriebs eines Roboters einer fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schlicht zeigt. Da, wie oben beschrieben, der Körper 100 einen Trägheitssensor (IMU bzw. INS: Trägheitsnavigationssystem) aufweist, kann der Neigungswinkel des Körpers 100 erfasst werden, und die Messwertgeber (211L, 211R, 221L und 221R in 4), welche die Rotationswinkel der Gelenke erfassen, und die Hüftgelenk-Antriebe 210 (210L + 210R) und die Knie-Antriebe 220 (220L + 220R), die durch die Steuereinrichtung 400 betrieben werden, können an den Hüftgelenken und den Kniegelenken angeordnet sein. Der Neigungswinkel des Körpers 100, welcher durch den Trägheitssensor erfasst wird, und die durch die Messwertgeber (211L, 211R, 221L und 221R) erfassten Rotationswinkel der Gelenke werden an die Steuereinrichtung 400 bereitgestellt.
Bezugnehmend auf 9 können die Enden von Beinen (die Bodenkontakt-Füße 230L und 230R in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung) bezüglich der Position des Hüftgelenks in einem rechtwinkligen (bzw. kartesischen) Koordinatensystem lokalisiert (bzw. verortet bzw. angeordnet) sein, wie in der folgenden Gleichung 1 [Gleichung 1]
wobei L1 die Länge der Oberschenkel-Verbindungsglieder 240L und 240R ist, L2 die Länge der Wade-Verbindungsglieder 250L und 250R ist, θ_p der Neigungswinkel des Körpers 100 ist, θ_h der Rotationswinkel der Hüftgelenk-Antriebe 210L und 210R ist und θ_k der Rotationswinkel der Kniegelenk-Antriebe 220L und 220R ist. Ferner gibt der Index „i“ das rechte Bein an (z.B. ist θ_h,i der Rotationswinkel des rechten Hüftgelenk-Antriebs, etc.).
Ferner können die Enden 230L und 230R der Beine in einem Polarkoordinatensystem unter Verwendung von Gleichung 1 gemäß der folgenden Gleichung 2 lokalisiert (bzw. verortet bzw. angeordnet) sein. [Gleichung 2]
Eine kartesische Jacobische und eine Polar-Jacobische basierend auf dem Hüftgelenk kann erhalten werden aus Gleichungen 1 und 2 gemäß den folgenden Gleichungen 3 und 4. [Gleichung 3]
[Gleichung 4]
wobei q die Rotationswinkel der Gelenke, welche durch die Messwertgeber 211L, 211R, 221L und 221R erfasst werden, sind (z.B. gibt q die Rotationswinkel der Gelenke vektoriell wieder), welche ausgedrückt werden können als
Folglich kann die Geschwindigkeit an den Enden 230L und 230R der Beine in einem rechtwinkligen Koordinatensystem und einem Polarkoordinatensystem unter Verwendung der Jacobischen gemäß den folgenden Gleichungen 5 und 6 berechnet werden. [Gleichung 5]
[Gleichung 6]
Die Steuerungsmodi M1 bis M6 können unter Verwendung der Jacobischen, welche wie oben beschrieben erzeugt werden, wie folgt herbeigeführt werden.
Der Gewichttragend-Modus M1, der Boden-Drücken-Modus M5 und der Bereit-für-Schwingphase-Modus M6 werden mittels einer Vorsteuerung (z.B. einer Störgrößenaufschaltung, in Englisch „feedforward control“) zum direkten Bereitstellen einer Kraft in der X-Axialrichtung und/oder der Y-Axialrichtung durchgeführt, so dass die folgende Gleichung 7 erhalten werden kann. [Gleichung 7]
In Gleichung 7 sind τ_h,i und τ_k,i jeweilig ein Drehmoment an den Hüftgelenk-Antrieben 210L und 210R und den Knie-Antrieben 220L und 220R (z.B. τ_h,i ein Drehmoment an dem rechten Hüftgelenk-Antrieb und τ_k,i ein Drehmoment an dem rechten Knie-Antrieb), und sind F_x und F_y im Voraus gesetzte Kräfte, welche auf die Enden der Beine in dem Gewichttragend-Modus M1, dem Boden-Drücken-Modus M5 und dem Bereit-für-Schwingphase-Modus M6 aufzubringen sind.
Eine Kraft soll beispielsweise in dem Gewichttragend-Modus M1 lediglich in der –y-Axialrichtung aufgebracht werden, so dass F_x 0 (Null) beträgt und F_y einen vorbestimmten negativen Wert haben kann. In dem Boden-Drücken-Modus M5 soll ferner eine Kraft in der –x-Richtung und der –y-Richtung aufgebracht werden, so dass sowohl F_x als auch F_y vorbestimmte negative Werte haben können, wohingegen in dem Bereit-für-Schwingphase-Modus M6 eine Kraft in der +x-Richtung und der +y-Richtung aufgebracht werden soll, so dass sowohl F_x als auch F_y vorbestimmte positive Werte haben können.
Der Mechanische-Impedanz-Kompensation-Modus M2 ist ferner ein Modus, in welchem die Steuereinrichtung 400 die Hüftgelenk-Antriebe 210L und 210R und die Knie-Antriebe 220L und 220R steuert, um Reibung an den Gelenken oder ein Gewicht aufgrund der Schwerkraft zu kompensieren, und eine negative Rückkopplung (bzw. Rückführung) kann bei einem rechtwinkligen Koordinatensystem verwendet werden. Die Gelenke können gemäß der folgenden Gleichung 8 in dem Bodenaufprallabsorption-Modus M3 gesteuert werden. [Gleichung 8]
wobei K_d,y eine virtuelle Konstante ist, welche experimentell ermittelt wird, und die Einheit kann Nsek/Grad sein.
Der Bodenaufprallabsorption-Modus M3 ist ein Modus zum Steuern der Antriebe der Gelenke unter der Annahme, dass es einen virtuellen Feder-Dämpfer in der longitudinalen Richtung jeder der Linien von den Hüftgelenken zu den Enden der Beine gibt. [Gleichung 9]
wobei K_p,r und K_d,r im Voraus gemäß Impedanzen (z.B. Widerständen), welche an den Beinen des Trägers gemessen werden, ermittelt (und z.B. festgelegt) sein können und die Einheiten jeweilig N/m und Nsek/m (z.B. N/m für K_p,r und Nsek/m für K_d,r) sind. Ferner ist ∆E_p,i die Differenz zwischen der Position des Endes eines Beins in dem Fersenauftritt-Zustand und der späteren Position des Endes des Beins in einem Polarkoordinatensystem und ist ∆E ._p,i die Differenz zwischen einer Stoppgeschwindigkeit (z.B. einer Referenzgeschwindigkeit, einer Stillstandsgeschwindigkeit) und der Geschwindigkeit des Endes eines Beins in einem Polarkoordinatensystem.
Der Bodenaufprallabsorption-&-Virtuelles-Bein-Streckung-Modus M4 ist außerdem ein Modus, in welchem die Steuereinrichtung 400 einen Gleichgewichtspunkt in der Impedanzsteuerung für die virtuellen Beine als 0 Grad (θ_p,i = 0 in 9) setzt und außerdem die virtuellen Beine vertikal (z.B. in die Vertikale) zieht, wobei (z.B. während) der Modus M3 durchgeführt wird, und das Drehmoment an den Hüftgelenk-Antrieben 210L und 210R und den Knie-Antrieben 220L und 220R kann wie in folgender Gleichung 10 gesteuert werden. [Gleichung 10]
Wenn in Gleichung 10 K_p,θ 0 (Null) beträgt, wird sie zu Gleichung 9. In Gleichung 10 ist aber K_p,θ ein Wert, der ungleich 0 ist, und ist die Einheit (davon) N/Grad.
10 ist eine Ansicht, welche eine Steuerungstechnik, welche auf eine fußknöchellose Gehunterstützungsvorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird, zeigt, wobei die Impedanzsteuerung in einem rechtwinkligen Koordinatensystem, welche durch Bezugszeichen ‘71‘ angegeben ist, in dem Mechanische-Impedanz-Kompensation-Modus M2 angewendet werden kann, die direkte Vorsteuerung, welche durch Bezugszeichen ‘72‘ angegeben ist, in dem Gewichttragend-Modus M1, dem Boden-Drücken-Modus M5 und dem Bereit-für-Schwingphase-Modus M6 angewendet werden kann und die Impedanzsteuerung in einem Polarkoordinatensystem, welche durch Bezugszeichen ‘73‘ angegeben ist, in dem Bodenaufprallabsorption-Modus M3 und dem Bodenaufprallabsorption-&-Virtuelles-Bein-Streckung-Modus M4 angewendet werden kann.
Ferner kann die vorliegende Erfindung (z.B. in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern der fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung) ermitteln, ob ein Steuerungsmodus sich ändert (z.B. wechselt) (S15), um einen diskontinuierlichen Abschnitt aufgrund einer plötzlichen Drehmomentveränderung an den Punkten, an welchen Steuerungsmodi sich ändern (bzw. wechseln), zu verhindern, und, wenn ermittelt wird / ist, dass ein Steuerungsmodus sich geändert hat, ist es möglich, eine Steuerung zum Interpolieren des diskontinuierlichen Drehmoments der Gelenke durchzuführen (S16).
Für die Steuerung zum Interpolieren des diskontinuierlichen Drehmoments, welche in Schritt S16 durchgeführt wird, kann eine Technik, bei welcher eine / die Steuereinrichtung 400 einen Übergangsparameter, welcher sich für ein vorbestimmtes Zeitintervall entlang einer sinusförmigen Bahn (z.B. einer sinusförmigen Kurve) von 0 bis 1 verändert, auf ein vorheriges Steuerdrehmoment und ein neues Steuerdrehmoment anwendet, verwendet werden.
Der Übergangsparameter „p“ wird gemäß der folgenden Gleichung 11 ausgedrückt, und ein Steuerdrehmoment, welches auf eine Übergangsperiode unter Verwendung des Übergangsparameters angewendet wird, wird gemäß der Gleichung 12 ausgedrückt. [Gleichung 11]
[Gleichung 12]
In Gleichungen 11 und 12 ist t_p ein vorbestimmtes Zeitintervall und ist SAT eine Sättigungsfunktion, wobei SAT(x, a, b) den Wert x für a < x < b, den Wert a für x < a und den Wert b für b < x hat. Ferner sind τ_h,posterior und τ_k,posterior Steuerdrehmomente an den Hüftgelenk-Antrieben 210L und 210R und den Knie-Antrieben 220L und 220R in dem geänderten Steuerungsmodus und sind τ_h,prior und τ_k,prior Steuerdrehmomente an den Hüftgelenk-Antrieben 210L und 210R und den Knie-Antrieben 220L und 220R in dem vorherigen Steuerungsmodus vor Änderung.
Gemäß der fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung und einem Verfahren zum Steuern der fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung nach zahlreichen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, ist es, da Bodenkontakt-Füße zum Abstützen am Boden an den Enden der Wade-Verbindungsglieder ohne Antriebe zum Antreiben von Sprunggelenken befestigt sind, nicht erforderlich, Antriebe für die Fußknöchel (bzw. Sprunggelenke) eines Exoskelett-Roboters zu steuern, so dass der Steuerungsalgorithmus vereinfacht werden kann. Ferner ist es möglich, die Teile, die mit den Fußknöchel-Antrieben korrespondieren, und Füße, die mit den Fußknöchel-Antrieben verbunden sind, von einem Roboter zu entfernen, wodurch ein Unbehagen des Trägers aufgrund eines übermäßigen Gewichts des Roboters und von Einschränkungen des Freiheitsgrads (z.B. der Bewegungsfreiheit), wenn der Roboter getragen wird, beseitigt wird, so dass der Träger leichter gehen kann.
Gemäß der fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung und einem Verfahren zum Steuern der fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung nach zahlreichen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es ferner möglich, einfach die Gangphasen sowohl eines zu steuernden Beins als auch des anderen Beins gemäß einer auf den Zeh und die Ferse der Füße aufgebrachten Last zu ermitteln. Ferner werden ermittelte Gangphasen und die ermittelten Gehmodi (z.B. dazugehörige Steuerungsmodi) abgestimmt (z.B. aufeinander angepasst) und werden dann Beine gesteuert, so dass es möglich ist, eine exzellente Gehunterstützungsleistungsfähigkeit ohne einen komplizierten Berechnungsvorgang sicherzustellen.
Da es möglich ist, eine Gehunterstützungskraft durch eine einfache Jacobi-Transformation ungeachtet der Anzahl von Achsen zu ermitteln, ist der Anwendungsbereich des Gehunterstützungsroboters und eines Verfahrens zum Steuern des Gehunterstützungsroboters sehr weit.
Die hierin offenbarten Ausführungsformen können in Form eines Speichermediums, welches durch eine Rechnereinheit (z.B. einen Computer) ausführbare Befehle speichert, realisiert sein. Die Befehle können in der Form eines Programmcodes gespeichert sein und können ein Programmmodul erzeugen und Vorgänge / Betriebe der offenbarten Ausführungsformen durchführen, wenn sie durch einen Prozessor ausgeführt werden. Ein Speichermedium kann als ein nichtflüchtiges, computerlesbares Speichermedium realisiert sein.
Das computerlesbare Speichermedium schließt alle Arten von Speichermedien ein, in welchen ein Befehl, welcher mittels eines Computers dekodiert werden kann, gespeichert ist. Beispielsweise kann das computerlesbare Speichermedium einen ROM, einen RAM, ein Magnetband, einen Magnetplattenspeicher (bspw. eine Magnetdiskette), einen Flash-Speicher und einen optischen Datenspeicher einschließen.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische beispielhafte Ausführungsformen, welche in den Zeichnungen gezeigt sind, offenbart wurde, versteht der Fachmann in der Technik, dass die vorliegende Erfindung auf zahlreiche Weisen verändert und modifiziert werden kann, ohne dabei vom Umfang der vorliegenden Erfindung, welche in den folgenden Ansprüchen beschrieben ist, abzuweichen.

Claims

Fußknöchellose Gehunterstützungsvorrichtung, aufweisend: einen Körper (100), welcher den Rücken eines Trägers stützt, einen linken und einen rechten Hüftgelenk-Antrieb (210L, 210R), welche sich von beiden Seiten des Körpers (100) aus erstrecken, ein linkes und ein rechtes Oberschenkel-Verbindungsglied (240L, 240R), welche erste Enden, die jeweilig mit dem linken und dem rechten Hüftgelenk-Antrieb (210L, 210R) verbunden sind, aufweisen, einen linken und einen rechten Knie-Antrieb (220L, 220R), welche mit zweiten Enden des linken und des rechten Oberschenkel-Verbindungsglieds (240L, 240R) jeweilig verbunden sind, ein linkes und ein rechtes Wade-Verbindungsglied (250L, 250R), welche erste Enden, die jeweilig mit dem linken und dem rechten Knie-Antrieb (220L, 220R) verbunden sind, aufweisen, und Bodenkontakt-Füße (230L, 230R), welche an zweiten Enden des linken und des rechten Wade-Verbindungsglieds (250L, 250R) jeweilig befestigt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Körper aufweist: eine Drucksensoreinrichtung (30), welche einen Druck an Sohlen beider Füße eines Trägers erfasst, und eine Steuereinrichtung (400), welche dazu eingerichtet ist, Gangphasen eines zu steuernden Beins und eines anderen Beins auf der Grundlage des durch die Drucksensoreinrichtung erfassten Drucks zu ermitteln, einen aus einer Mehrzahl von im Voraus gesetzten Steuerungsmodi auf der Grundlage der ermittelten Gangphasen auszuwählen, und den Hüftgelenk-Antrieb (210L, 210R) und den Knie-Antrieb (220L, 220R) für das zu steuernde Bein zu steuern.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Drucksensoreinrichtung (30) eine Mehrzahl von Drucksensoren (31a, 31b) zum Detektieren eines auf Zehen und Fersen der Sohlen aufgebrachten Drucks aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Drucksensoreinrichtung (30) einen ersten Drucksensor (31a), der einen auf den Zeh aufgebrachten Druck erfasst, und einen zweiten Drucksensor (31b), der einen auf die Ferse aufgebrachten Druck erfasst, aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die Steuereinrichtung (400) ermittelt, dass die Zehen und die Fersen im Kontakt mit dem Boden sind, wenn ein auf die Zehen und die Fersen aufgebrachter Druck größer als ein Schwellenwert (Th) ist, und ermittelt, dass die Zehen und die Fersen nicht im Kontakt mit dem Boden sind, wenn der Druck kleiner als der Schwellenwert (Th) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung (400) als die Gangphase ermittelt, dass ein korrespondierendes Bein am Boden ganz durch die Sohle abgestützt ist, wenn der Zeh im Kontakt mit dem Boden ist und die Ferse im Kontakt mit dem Boden ist, als die Gangphase ermittelt, dass das korrespondierende Bein an dem Zeh am Boden abgestützt ist, wenn der Zeh im Kontakt mit dem Boden ist und die Ferse nicht im Kontakt mit dem Boden ist, als die Gangphase ermittelt, dass das korrespondierende Bein an der Ferse am Boden abgestützt ist, wenn der Zeh nicht im Kontakt mit dem Boden ist und die Ferse im Kontakt mit dem Boden ist, und als die Gangphase ermittelt, dass das korrespondierende Bein in der Luft ist, wenn sowohl der Zeh als auch die Ferse nicht im Kontakt mit dem Boden sind.
Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Steuereinrichtung (400) einen von einem Gewichttragend-Modus (M1), einem Mechanische-Impedanz-Kompensation-Modus (M2), einem Bodenaufprallabsorption-Modus (M3), einem Bodenaufprallabsorption-&-Virtuelles-Bein-Streckung-Modus (M4), einem Boden-Drücken-Modus (M5) und einem Bereit-für-Schwingphase-Modus (M6) als einen Steuerungsmodus für das zu steuernde Bein auf Grundlage der Gangphasen sowohl des zu steuernden Beins als auch des anderen Beins ermittelt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei in dem Gewichttragend-Modus (M1) die Steuereinrichtung (400) die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) steuert, um den Träger in einer Schwerkraft-Richtung mit einer Referenzkraft zu drücken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei in dem Mechanische-Impedanz-Kompensation-Modus (M2) die Steuereinrichtung (400) die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) steuert, um Reibung an den Gelenken und ein Gewicht des Roboters (bzw. der Vorrichtung) aufgrund der Schwerkraft zu kompensieren.
Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 7 bis 9, wobei in dem Bodenaufprallabsorption-Modus (M3) die Steuereinrichtung (400) einen virtuellen Feder-Dämpfer in einer longitudinalen Richtung einer Linie, welche ein Hüftgelenk und ein Ende des Beins der Gehunterstützungsvorrichtung miteinander verbindet, erstellt und die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) unter Verwendung einer Impedanzsteuerung steuert, um einen Stoß von außen zu absorbieren.
Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 7 bis 10, wobei in dem Bodenaufprallabsorption-&-Virtuelles-Bein-Streckung-Modus (M4) die Steuereinrichtung (400) einen Gleichgewichtspunkt in einer Impedanzsteuerung-Richtung für die virtuellen Beine als 0 Grad setzt und die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) steuert, so dass das virtuelle Bein gezogen wird, so dass es vertikal aufgerichtet ist, wobei sie einen virtuellen Feder-Dämpfer in einer longitudinalen Richtung einer Linie, welche ein Hüftgelenk und das Ende des Beins der Gehunterstützungsvorrichtung miteinander verbindet, erstellt und die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) unter Verwendung einer Impedanzsteuerung steuert, um einen Stoß von außen zu absorbieren.
Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 7 bis 11, wobei in dem Boden-Drücken-Modus (M5) die Steuereinrichtung (400) die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) steuert, um das Ende des zu steuernden Beins in einer –x-Richtung und einer –y-Richtung in einem rechtwinkligen Koordinatensystem zu drücken, wobei in dem rechtwinkligen Koordinatensystem eine Vorderrichtung der Gehunterstützungsvorrichtung eine +x-Richtung ist und eine senkrecht vom Boden weg verlaufende Richtung eine +y-Richtung ist.
Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 7 bis 12, wobei in dem Bereit-für-Schwingphase-Modus (M6) die Steuereinrichtung (400) die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) steuert, um das Ende des zu steuernden Beins in einer +x-Richtung und einer +y-Richtung in einem rechtwinkligen Koordinatensystem zu drücken zum einfachen Schwingen des Beins, wobei in dem rechtwinkligen Koordinatensystem eine Vorderrichtung der Gehunterstützungsvorrichtung eine +x-Richtung ist und eine senkrecht vom Boden weg verlaufende Richtung eine +y-Richtung ist.
Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 13, wobei, wenn sich der Steuerungsmodus ändert, die Steuereinrichtung (400) einen Übergangsparameter anwendet, welcher sich für ein vorbestimmtes Zeitintervall entlang einer sinusförmigen Bahn von 0 zu 1 verändert, um ein in einem vorherigen Modus auf die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) aufgebrachtes Drehmoment zu regulieren und ein in einem neuen, geänderten Steuerungsmodus auf die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) aufzubringendes Drehmoment zu regulieren.
Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, wobei jeder von den Bodenkontakt-Füßen (230L, 230R) an einem Abschnitt, welcher mit dem Boden in Kontakt kommt, eine gekrümmte Fläche aufweist, welche in einer Gehrichtung von dem Boden weg gekrümmt ist.
Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, wobei jeder von den Bodenkontakt-Füßen (230L, 230R) eine Gummisohle an einem Abschnitt, welcher mit dem Boden in Kontakt kommt, aufweist.
Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, wobei jeder von dem linken und dem rechten Hüftgelenk-Antrieb (210L, 210R) und dem linken und dem rechten Knie-Antrieb (220L, 220R) einen Elektromotor oder einen Aktuator aufweist.
Verfahren zum Steuern einer fußknöchellosen Gehunterstützungsvorrichtung, welche aufweist: einen Körper (100), welcher den Rücken eines Trägers stützt, einen linken und einen rechten Hüftgelenk-Antrieb (210L, 210R), welche sich von beiden Seiten des Körpers (100) aus erstrecken, ein linkes und ein rechtes Oberschenkel-Verbindungsglied (240L, 240R), welche erste Enden, die jeweilig mit dem linken und dem rechten Hüftgelenk-Antrieb (210L, 210R) verbunden sind, aufweisen, einen linken und einen rechten Knie-Antrieb (220L, 220R), welche mit zweiten Enden des linken und des rechten Oberschenkel-Verbindungsglieds (240L, 240R) jeweilig verbunden sind, ein linkes und ein rechtes Wade-Verbindungsglied (250L, 250R), welche erste Enden, die jeweilig mit dem linken und dem rechten Knie-Antrieb (220L, 220R) verbunden sind, aufweisen, Bodenkontakt-Füße (230L, 230R), welche an zweiten Enden des linken und des rechten Wade-Verbindungsglieds (250L, 250R) jeweilig befestigt sind, und eine Drucksensoreinrichtung (30), welche an Sohlen beider Beine des Trägers angeordnet ist, das Verfahren aufweisend Schritte des: Erfassens (S11) eines Drucks an den Sohlen der Füße des Trägers mittels einer Drucksensoreinrichtung (30), Ermittelns (S12) von Gangphasen sowohl eines zu steuernden Beins als auch des anderen Beins auf der Grundlage des durch die Drucksensoreinrichtung (30) ermittelten Drucks mittels einer Steuereinrichtung (400), und Auswählens (S13) von einem aus einer Mehrzahl von im Voraus gesetzten Steuerungsmodi auf der Grundlage der ermittelten Gangphasen, und Steuerns (S14) des Hüftgelenk-Antriebs (210L, 210R) und des Knie-Antriebs (220L, 220R) des zu steuernden Beins mittels der Steuereinrichtung (400).
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Schritt des Erfassens (S11) des Drucks einen auf Zehen und Fersen der Sohlen aufgebrachten Druck detektiert.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei der Schritt des Ermittelns (S12) der Gangphasen ermittelt, dass die Zehen und die Fersen im Kontakt mit dem Boden sind, wenn ein auf die Zehen und die Fersen aufgebrachter Druck größer als ein Schwellenwert (Th) ist, und ermittelt, dass die Zehen und die Fersen nicht im Kontakt mit dem Boden sind, wenn der Druck kleiner als der Schwellenwert (Th) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei in dem Schritt des Ermittelns (S12) der Gangphasen die Gangphasen ermittelt werden durch Kombinieren eines Bodenkontakt-Zustands und eines Kein-Bodenkontakt-Zustands der Zehen und der Ferse des zu steuernden Beins mit einem Bodenkontakt-Zustand und einem Kein-Bodenkontakt-Zustand der Zehen und der Ferse des anderen Beins.
Verfahren gemäß Anspruch 20 oder 21, wobei der Schritt des Ermittelns (S12) der Gangphasen als eine Gangphase ermittelt, dass ein korrespondierendes Bein am Boden ganz durch die Sohle abgestützt ist, wenn die Zehen im Kontakt mit dem Boden sind und die Ferse im Kontakt mit dem Boden ist, als die Gangphase ermittelt, dass das korrespondierende Bein an den Zehen am Boden abgestützt ist, wenn die Zehen im Kontakt mit dem Boden sind und die Ferse nicht im Kontakt mit dem Boden ist, als die Gangphase ermittelt, dass das korrespondierende Bein an der Ferse am Boden abgestützt ist, wenn die Zehen nicht im Kontakt mit dem Boden sind und die Ferse im Kontakt mit dem Boden ist, und als die Gangphase ermittelt, dass das korrespondierende Bein in der Luft ist, wenn sowohl die Zehen als auch die Ferse nicht im Kontakt mit dem Boden sind.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 18 bis 22, wobei der Schritt (S14) des Steuerns der Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und der Knie-Antriebe (220L, 220R) einen von einem Gewichttragend-Modus (M1), einem Mechanische-Impedanz-Kompensation-Modus (M2), einem Bodenaufprallabsorption-Modus (M3), einem Bodenaufprallabsorption-&-Virtuelles-Bein-Streckung-Modus (M4), einem Boden-Drücken-Modus (M5) und einem Bereit-für-Schwingphase-Modus (M6) als einen Steuerungsmodus für das zu steuernde Bein auf Grundlage der Gangphasen sowohl des zu steuernden Beins als auch des anderen Beins ermittelt.
Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei, wenn in dem Schritt (S14) des Steuerns der Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und der Knie-Antriebe (220L, 220R) der Steuerungsmodus des zu steuernden Beins als der Gewichttragend-Modus (M1) ermittelt wird, die Steuereinrichtung (400) die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) steuert, um den Träger in einer Schwerkraft-Richtung mit einer Referenzkraft zu drücken.
Verfahren gemäß Anspruch 23 oder 24, wobei, wenn in dem Schritt (S14) des Steuerns der Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und der Knie-Antriebe (220L, 220R) der Steuerungsmodus des zu steuernden Beins als der Mechanische-Impedanz-Kompensation-Modus (M2) ermittelt wird, die Steuereinrichtung (400) die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) steuert, um Reibung an den Gelenken und ein Gewicht des Roboters (bzw. der Vorrichtung) aufgrund der Schwerkraft zu kompensieren.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 23 bis 25, wobei, wenn in dem Schritt (S14) des Steuerns der Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und der Knie-Antriebe (220L, 220R) der Steuerungsmodus des zu steuernden Beins als der Bodenaufprallabsorption-Modus (M3) ermittelt wird, die Steuereinrichtung (400) einen virtuellen Feder-Dämpfer in einer longitudinalen Richtung einer Linie, welche ein Hüftgelenk und ein Ende des Beins der Gehunterstützungsvorrichtung miteinander verbindet, erstellt und die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) unter Verwendung einer Impedanzsteuerung steuert, um einen Stoß von außen zu absorbieren.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 23 bis 26, wobei, wenn beim Steuern der Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und der Knie-Antriebe (220L, 220R) der Steuerungsmodus des zu steuernden Beins als der Bodenaufprallabsorption-&-Virtuelles-Bein-Streckung-Modus (M4) ermittelt wird, die Steuereinrichtung (400) einen Gleichgewichtspunkt in einer Impedanzsteuerung-Richtung für die virtuellen Beine als 0 Grad setzt und die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) steuert, so dass das virtuelle Bein gezogen wird, so dass es vertikal aufgerichtet ist, wobei sie einen virtuellen Feder-Dämpfer in einer longitudinalen Richtung einer Linie, welche ein Hüftgelenk und das Ende des Beins der Gehunterstützungsvorrichtung miteinander verbindet, erstellt und die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) unter Verwendung einer Impedanzsteuerung steuert, um einen Stoß von außen zu absorbieren.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 23 bis 27, wobei, wenn beim Steuern der Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und der Knie-Antriebe (220L, 220R) der Steuerungsmodus des zu steuernden Beins als der Boden-Drücken-Modus (M5) ermittelt wird, die Steuereinrichtung (400) die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) steuert, um das Ende des zu steuernden Beins in einer –x-Richtung und einer –y-Richtung in einem rechtwinkligen Koordinatensystem zu drücken, wobei in dem rechtwinkligen Koordinatensystem eine Vorderrichtung der Gehunterstützungsvorrichtung eine +x-Richtung ist und eine senkrecht vom Boden weg verlaufende Richtung eine +y-Richtung ist.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 23 bis 28, wobei, wenn beim Steuern der Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und der Knie-Antriebe (220L, 220R) der Steuerungsmodus des zu steuernden Beins als der Bereit-für-Schwingphase-Modus (M6) ermittelt wird, die Steuereinrichtung (400) die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) steuert, um das Ende des zu steuernden Beins in einer +x-Richtung und einer +y-Richtung in einem rechtwinkligen Koordinatensystem zu drücken zum einfachen Schwingen des Beins, wobei in dem rechtwinkligen Koordinatensystem eine Vorderrichtung der Gehunterstützungsvorrichtung eine +x-Richtung ist und eine senkrecht vom Boden weg verlaufende Richtung eine +y-Richtung ist.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 18 bis 29, wobei das Steuern der Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und der Knie-Antriebe (220L, 220R) aufweist: Ermitteln (S15), ob sich der Steuerungsmodus ändert, mittels der Steuereinrichtung (400), und wenn sich der Steuerungsmodus ändert, Anwenden (S16) eines Übergangsparameters, welcher sich für ein Referenzzeitintervall entlang einer sinusförmigen Bahn von 0 zu 1 verändert, um ein in einem vorherigen Modus auf die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) aufgebrachtes Drehmoment zu regulieren und ein in einem neuen, geänderten Steuerungsmodus auf die Hüftgelenk-Antriebe (210L, 210R) und die Knie-Antriebe (220L, 220R) aufzubringendes Drehmoment zu regulieren.
Nichtflüchtiges, materielles, computerlesbares Speichermedium, welches ein Programm aus Instruktionen aufweist, welches ein Rechnersystem, das die das Programm aus Instruktionen ausführende Steuereinrichtung aufweist, dazu bringt, das Verfahren nach Anspruch 18 umzusetzen.