DE102017222609A1

DE102017222609A1 - Mehrgliedriges Gestänge, Exoskelett-Roboter der unteren Extremität, Verwendung derselben und Verfahren zum Steuern derselben

Info

Publication number: DE102017222609A1
Application number: DE102017222609.9A
Authority: DE
Inventors: Dong Jin HYUN; Tae Jun Ha; Hyun Seok Park
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp; Hyundai Rotem Co
Current assignee: Hyundai Motor Co; Hyundai Rotem Co; Kia Corp
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2019-01-03
Also published as: DE202017107583U1; US20190001493A1; KR102311666B1; US10792811B2; KR20190002953A

Abstract

Ein mehrgliedriges Gestänge schließt eine Antriebseinheit ein, die eingerichtet ist, einer Antriebswelle ein Drehmoment bereitzustellen, wo die Antriebswelle an einem ersten Abschnitt eines ersten Glieds vorgesehen ist. Ein Antriebsarm weist ein Ende an der Antriebswelle befestigt auf und ein entgegengesetztes Ende ist einer Drehung der Antriebswelle folgend bewegbar. Ein erstes Hilfsglied weist ein Ende schwenkbar mit dem entgegengesetzten Ende des Antriebsarms verbunden auf. Ein zweites Hilfsglied ist schwenkbar mit einem ersten Punkt eines zweiten Abschnitts des ersten Glieds und mit einem entgegengesetzten Ende des ersten Hilfsglieds verbunden. Ein zweites Glied ist unter dem ersten Glied angeordnet und schwenkbar mit dem zweiten Hilfsglied verbunden. Ein drittes Hilfsglied weist ein Ende schwenkbar mit einem zweiten Punkt des zweiten Abschnitts des ersten Glieds verbunden, getrennt von dem ersten Punkt, und ein entgegengesetztes Ende schwenkbar mit dem zweiten Glied verbunden auf.

Description

HINTERGRUND
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen ein mehrgliedriges Gestänge, einen Exoskelett-Roboter der unteren Extremität, der dieses verwendet, und ein Verfahren zum Steuern desselbigen und insbesondere ein mehrgliedriges Gestänge, das durch Imitieren des Betätigungsmechanismus eines menschlichen Knies den Rotationsmittelpunkt eines Knies entsprechend des Rotationswinkels einstellen kann, einen Exoskelett-Roboter der unteren Extremität, der dieses verwendet, und ein Verfahren zum Steuern desselbigen.
BESCHREIBUNG DES IN BEZIEHUNG STEHENDEN STANDS DER TECHNIK
Exoskelett-Technologie wird insbesondere zur Hilfe behinderter und älterer Personen zum Bewegen bereitgestellt. Jedoch weisen Exoskelett-Roboter weiterhin eine Vielfalt von technischen Problemen hinsichtlich des mechanischen Designs und deren Betätigungsalgorithmen auf. Zum Beispiel sind Räume oder Gewichte, die für die mechanischen Komponenten eines Exoskelett-Roboters zulässig sind, stark beschränkt, damit der Exoskelett-Roboter wie ein Kleidungsstück getragen werden kann. Zudem müssen die Gesamtsteuerungsabtastgeschwindigkeiten des Exoskelett-Roboters schnell sein, um eine ordnungsgemäße Antwort auf eine äußere Kraft bereitzustellen, die aus der umgebenden Umwelt wirkt, ohne die Mobilität der Benutzer zu beschränken.
Obwohl bis heute viele Roboterentwickler tragbare Roboter vorgestellt haben, sind weiterhin deutliche Verbesserungen der Steuerungsalgorithmen für die tragbaren Roboter notwendig.
Insbesondere ist in dem Fall eines Kniegelenks von einem Exoskelett-Roboter eine Antriebseinheit, wie zum Beispiel ein Aktuator, bei einer Position bereitgestellt, die dem Kniegelenk entspricht, sodass sich das Knie um eine einzelne festgelegte Rotationsachse dreht. Jedoch führt ein Kniegelenk eines menschlichen Körpers aufgrund dessen eine polyzentrische Drehung aus, dass der Rotationsmittelpunkt während einer Drehung veränderlich ist, und in dem in Beziehung stehenden Stand der Technik versagen Exoskelett-Roboter darin, die Drehung des Knies von Benutzern genau zu imitieren.
Folglich sind konventionelle Exoskelett-Roboter unkomfortabel im Tragen und können darin versagen, schnell auf die Bewegung des menschlichen Körpers zu reagieren, was problematisch sein kann.
Das vorgenannte ist lediglich dazu gedacht, beim Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung zu helfen, und ist nicht dazu gedacht, zu bedeuten, dass die vorliegende Offenbarung in den Bereich des in Beziehung stehenden Stands der Technik fällt, der dem Fachmann bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend schlägt die vorliegende Offenbarung ein mehrgliedriges Gestänge, das den Rotationsmittelpunkt eines Knies entsprechend des Rotationswinkels einstellen kann, indem es den Betätigungsmechanismus menschlicher Knie imitiert, einen Exoskelett-Roboter der unteren Extremität, der dieses verwendet, und ein Verfahren zu dessen Steuerung vor.
Um die obige Aufgabe zu lösen, kann in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ein mehrgliedriges Gestänge einschließen: eine Antriebseinheit, die der Antriebswelle ein Drehmoment zuführt; ein erstes Glied, wobei die Antriebswelle an einem ersten Abschnitt des ersten Glieds vorgesehen ist; einen Antriebsarm mit einem Ende an der Antriebswelle befestigt und einem entgegengesetzten Ende, das einer Drehung der Antriebswelle folgend bewegbar ist; ein erstes Hilfsglied mit einem Ende schwenkbar mit dem entgegengesetzten Ende des Antriebsarms verbunden; ein zweites Hilfsglied schwenkbar mit einem ersten Punkt eines zweiten Abschnitts des ersten Glieds verbunden und schwenkbar mit einem entgegengesetzten Ende des ersten Hilfsglieds verbunden; ein zweites Glied, das unter dem ersten Glied angeordnet ist und schwenkbar mit dem zweiten Hilfsglied verbunden ist; und ein drittes Hilfsglied mit einem Ende schwenkbar mit einem zweiten Punkt des zweiten Abschnitts von dem ersten Glied verbunden, getrennt von dem ersten Punkt des zweiten Abschnitts des ersten Glieds, und einem entgegengesetzten Ende, das schwenkbar mit dem zweiten Glied verbunden ist.
In Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform kann das zweite Hilfsglied eine Kontaktfläche aufweisen, mit der ein unterer Endabschnitt des ersten Glieds in Kontakt kommt, und der untere Endabschnitt des ersten Glieds kann auf der Kontaktfläche gleiten, wenn sich die Antriebswelle dreht.
In Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform kann der untere Abschnitt des ersten Glieds eine gekrümmte Fläche aufweisen, und die Kontaktfläche kann eine Fläche aufweisen, die in einer Richtung des ersten Glieds konkav gekrümmt ist.
In Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform kann das zweite Hilfsglied eine Führung, welche die Kontaktfläche ausbildet, und einen Verbindungsabschnitt aufweisen, der an einem Ende der Führung befestigt ist. Der Verbindungsabschnitt kann schwenkbar mit dem ersten Glied und dem ersten Hilfsglied verbunden sein, und ein gegenüberliegendes Ende der Führung kann schwenkbar mit dem zweiten Glied verbunden sein.
In Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform kann die Führung Wälzlager an der Kontaktfläche aufweisen.
In Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform kann das mehrgliedrige Gestänge ferner eine Steuerung aufweisen, welche die Antriebseinheit durch Bestimmen eines Drehmoments der Antriebswelle basierend auf einem Rotationswinkel steuert, der von dem Antriebsarm erfasst wird.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Steuerung ausführen: Erfassen des Rotationswinkels des Antriebsarms; Ableiten eines Winkels eines Kniegelenks als ein Winkel zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied, der mit dem erfassten Rotationswinkel des Antriebsarms korrespondiert, und eines Verhältnisses zwischen einer Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und einer Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms durch Anwenden einer voreingestellten Zuordnungsfunktion und eines voreingestellten Geschwindigkeitsverhältnisses, und Ableiten einer Winkelgeschwindigkeit des Antriebsarms durch Differenzieren des erfassten Rotationswinkels des Antriebsarms; Ableiten einer Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks, die mit dem erfassten Rotationswinkel des Antriebsarms korrespondiert, unter Verwendung des Verhältnisses zwischen der erfassten Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms und des Verhältnisses zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und der Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms; Ableiten eines Drehmoments des Kniegelenks als ein Drehmoment einer Drehung des zweiten Glieds basierend auf dem ersten Glied, unter Verwendung des abgeleiteten Winkels des Kniegelenks und der abgeleiteten Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks; und Bestimmen des Drehmoments der Antriebswelle unter Verwendung des abgeleiteten Verhältnisses zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und der Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms und dem abgeleiteten Drehmoment des Kniegelenks, und Antreiben der Antriebseinheit, um das bestimmte Drehmoment der Antriebswelle auszugeben.
In Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform kann die Zuordnungsfunktion durch die Formel: $θ_{k} = f (θ_{a}),$
vorbestimmt sein, wobei θ_a der Rotationswinkel des Antriebsarms ist und θ_k der Winkel des Kniegelenks ist.
Das Verhältnis zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und der Winkelgeschwindigkeit des Antriebsarms kann durch Differenzieren und Anordnen beider Seiten der Formel der Zuordnungsfunktion bezüglich der Zeit so vorbestimmt sein, dass es durch die Formel ausgedrückt wird: $\frac{{\dot{θ}}_{k}}{{\dot{θ}}_{a}} = \frac{d f (θ_{a})}{d θ_{a}} .$
In Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform kann die Steuerung das Drehmoment der Antriebswelle durch eine Drehmomentberechnungsformel bestimmen; $τ_{a} = \frac{{\dot{θ}}_{k}}{{\dot{θ}}_{a}} τ_{k} = \frac{d f (θ_{a})}{d θ_{a}} τ_{k} .$
Die Drehmomentberechnungsformel kann mit der Annahme bestimmt werden, dass Energie der Antriebswelle als Rotationsenergie des zweiten Glieds erhalten bleibt, indem eine Energieerhaltungsformel bereitgestellt wird: $τ_{k} {\dot{θ}}_{k} = τ_{a} {\dot{θ}}_{a},$
wobei τ_k das Drehmoment des Kniegelenks ist, τ_a das Drehmoment ist, θ̇_k die Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks ist und θ̇_a die Winkelgeschwindigkeit des Antriebsarms ist, und Teilen beider Seiten der Energieerhaltungsformel durch die Winkelgeschwindigkeit des Antriebsarms.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Steuern des oben beschriebenen mehrgliedrigen Gestänges bereitgestellt. Das Verfahren kann einschließen: Erfassen des Rotationswinkels von dem Antriebsarm; Ableiten eines Winkels eines Kniegelenks, der mit dem erfassten Rotationswinkel des Antriebsarms korrespondiert, als ein Winkel zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied, der mit dem erfassten Rotationswinkel des Antriebsarms korrespondiert, und eines Verhältnisses zwischen einer Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und einer Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms durch Anwenden einer voreingestellten Zuordnungsfunktion und eines voreingestellten Geschwindigkeitsverhältnisses, und Ableiten einer Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms durch Differenzieren des erfassten Rotationswinkels des Antriebsarms; Ableiten einer Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks, die mit dem erfassten Rotationswinkel des Antriebsarms korrespondiert, unter Verwendung des abgeleiteten Verhältnisses zwischen der erfassten Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms und dem Verhältnis zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und der Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms; Ableiten eines Drehmoments des Kniegelenks als ein Drehmoment der Drehung des zweiten Glieds basierend auf dem ersten Glied unter Verwendung des abgeleiteten Winkels des Kniegelenks und der abgeleiteten Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks; und Bestimmen des Drehmoments der Antriebswelle unter Verwendung des abgeleiteten Verhältnisses zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und der Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms und des abgeleiteten Drehmoments des Kniegelenks, und Antreiben der Antriebseinheit, um das bestimmte Drehmoment der Antriebswelle auszugeben.
In Übereinstimmung mit dem mehrgliedrigen Gestänge, dem Exoskelett-Roboter der unteren Extremität, der dieses verwendet, und dem Verfahren zum Steuern desselbigen, kann das Kniegelenk, wie oben beschrieben, eine polyzentrische Drehung wie in echten menschlichen Körpern ausführen, sodass eine Beinbewegung ausgeführt werden kann, die sehr ähnlich zu der Beinbewegung des Benutzers ist. Es ist möglich, das Problem beseitigen, dass Schellen, die an dem Oberschenkel, dem Unterschenkel und Ähnlichem des Benutzers angeordnet sind, um den Roboter in engen Kontakt mit dem Benutzer zu bringen, drücken, wodurch der Exoskelett-Roboter komfortabler zu tragen ist.
Zudem kann der Exoskelett-Roboter der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Vielzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung durch zeitweises Verändern des Rotationsmittelpunkts während der Drehung des Knies eine intrinsische Stabilität umsetzen, um einem Bodenreaktionsdrehmoment zu widerstehen, das durch eine Sohle übertragen wird, wenn eine Hacke den Boden oder einen Fußboden berührt.
Darüber hinaus kann der Exoskelett-Roboter der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Vielzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung die Position der Antriebseinheit, wie zum Beispiel ein Motor oder einen Aktuator, zu einer Stelle über dem Oberschenkelglied verlagern, um das Trägheitsmoment des Beins von dem Exoskelett-Roboter zu reduzieren. Dies kann die mechanische Bandbreite des Roboterbeins erhöhen, sodass es zum Gehen bei einer relativ hohen Geschwindigkeit geeignet ist. Zudem lässt ein veränderliches Drehmomentverhältnis zwischen der Antriebseinheit (Welle) und dem Kniegelenk zu, dass das Bein eine Last unterstützt, wenn es gestreckt ist, und schnell pendelt, wenn es gebeugt wird.
Figurenliste
Die obige und andere Aufgaben, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher verständlich, in denen:

1 eine perspektivische Ansicht ist, welche den Umriss eines Exoskelett-Roboters der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Kniegelenks des in 1 veranschaulichten Exoskelett-Roboters der unteren Extremität ist.
3 eine vergrößerte Draufsicht des Kniegelenks von dem in 1 veranschaulichten Exoskelett-Roboter der unteren Extremität ist;
4 eine konzeptionelle Ansicht ist, die zwei viergliedrige Gestänge veranschaulicht, die in einem Kniegelenkteil des in 1 veranschaulichten Exoskelett-Roboters der unteren Extremität vorgesehen sind;
5 die Betätigung der in 4 veranschaulichten viergliedrigen Gestänge entsprechend der Kniewinkel veranschaulicht;
6 eine konzeptionelle überlappende Ansicht der in 5 veranschaulichten viergliedrigen Gestänge ist;
7 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen einem Drehwinkel eines Antriebsarms und eines Kniegelenks in dem in 1 veranschaulichten, durch eine Antriebseinheit angetriebenen Exoskelett-Roboter der unteren Extremität veranschaulicht;
8 ein Graph ist, der Winkelgeschwindigkeiten des Antriebsarms, der durch die Antriebseinheit des in 1 veranschaulichten Exoskelett-Roboters der unteren Extremität angetrieben wird, und resultierende Verhältnisse des Kniegelenkwinkels zu den Geschwindigkeiten veranschaulicht; und
9 ein Blockdiagramm ist, das ein Verfahren zum Steuern eines Exoskelett-Roboters der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es ist verständlich, dass der Begriff „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-“ oder ein anderer ähnlicher Begriff, der hierin verwendet wird, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen, wie zum Beispiel Personenfahrzeuge einschließlich Sport Utility Vehicles (SUV), Busse, Laster, vielfältige kommerzielle Fahrzeuge, Wasserkraftfahrzeuge einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeuge und Ähnliches einschließt, und Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, elektrische Plug-In Hybridfahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge für alternativen Kraftstoff einschließt (zum Beispiel Kraftstoffe, die von anderen Ressourcen als Erdöl abgeleitet werden). Hierin wird auf ein Hybridfahrzeug als ein Fahrzeug Bezug genommen, das zwei oder mehr Leistungsquellen aufweist, zum Beispiel sowohl durch Kraftstoff als auch durch Elektrizität angetriebene Fahrzeuge.
Die hierin verwendeten Begriffe sind lediglich zum Zwecke einer Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und nicht dazu gedacht, die Offenbarung zu beschränken. Die hierin verwendeten einzahligen Formen „ein,“, „eine“ und „der/die/das“ sind dazu gedacht, genauso die mehrzahligen Formen einzuschließen, es sei denn, es wird im Zusammenhang deutlich auf etwas anderes hingewiesen. Es ist ferner verständlich, dass die Begriffe „umfassen“ und/oder „umfassend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorliegen genannter Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten angeben, jedoch nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließt. Hierin wird der Begriff „und/oder“ als beliebige und alle Kombinationen von einer oder mehreren der aufgezählten zusammenhängenden Sachen einschließend verwendet. Außer es wird explizit das Gegenteil beschrieben, ist durch die Beschreibung hindurch das Wort „umfassen“ und Abwandlungen, wie zum Beispiel „aufweisen“ oder „einschließen“ als Andeutung zu verstehen, dass die genannten Elemente einbezogen sind, jedoch keine anderen Elemente ausgeschlossen sind. Zudem bedeuten die Begriffe „Einheit,“ „-er,“ „-or,“ und „Modul“, die in der Beschreibung beschrieben werden, Einheiten zum Durchführen mindestens einer Funktion und Vorgangs und können durch Hardware-Komponenten oder Software-Komponenten und Kombinationen daraus umgesetzt sein.
Ferner kann die Steuerungslogik der vorliegenden Offenbarung als nicht flüchtiges computerlesbares Medium auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt sein, das ausführbare Programmbefehle enthält, die durch einen Prozessor, eine Steuerung oder Ähnliches ausführbar sind. Beispiele computerlesbarer Medien schließen ROM, RAM, Compact Disc (CD-ROM), Magnetbänder, Floppy Discs, Flash Drives, Smart Cards und optische Datenspeichereinrichtungen ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Das computerlesbare Medium kann zudem in einem vernetzten Computersystem verteilt sein, sodass das computerlesbare Medium auf eine verteilte Weise gespeichert und ausgeführt wird, zum Beispiel für einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
Hiernach wird ein mehrgliedriges Gestänge, ein Exoskelett-Roboter der unteren Extremität, der dieses verwendet, und ein Verfahren zum Steuern von diesem in Übereinstimmung mit verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Durch die Zeichnungen hindurch beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Teile.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die den Umriss eines Exoskelett-Roboters der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. 2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Kniegelenks von dem in 1 veranschaulichten Exoskelett-Roboter der unteren Extremität, und 3 ist eine vergrößerte Draufsicht des Kniegelenks von dem in 1 veranschaulichten Exoskelett-Roboter der unteren Extremität.
Bezug nehmend auf die 1 bis 3, ist der Exoskelett-Roboter der unteren Extremität 10 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung als mehrgliedriges Gestänge ausgeführt. Insbesondere schließt der Exoskelett-Roboter der unteren Extremität 10 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ein Oberschenkelglied 12, einen Antriebsarm 13, ein erstes Hilfsglied 14, ein zweites Hilfsglied 15, ein Unterschenkelglied 16 und ein drittes Hilfsglied 17 ein. Für den Fachmann ist das mehrgliedrige Gestänge in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung von der folgenden Beschreibung des Aufbaus, Betriebs und der Effekte des Exoskelett-Roboters der unteren Extremität 10 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf einfache Weise verständlich und ausführbar.
Eine Antriebseinheit 11 ist an dem oberen Abschnitt des Oberschenkelglieds 12 angeordnet. Die Antriebseinheit 11 kann einen Motor oder einen Aktuator aufweisen, der eingerichtet ist, einer Antriebswelle X ein Drehmoment bereitzustellen, und eine Verzögerungs-/Beschleunigungseinrichtung, die mit dem Motor oder dem Aktuator gekoppelt ist. Die Antriebswelle X ist in der lateralen Richtung des Oberschenkelglieds 12 ausgerichtet.
Ein Ende des Antriebsarms 13 ist an der Antriebswelle X befestigt, die durch die Antriebseinheit 11 gedreht wird, sodass ein entgegengesetztes Ende des Antriebsarms 13 sich der Drehung der Antriebswelle X folgend bewegen kann. Da die Antriebswelle X in der lateralen Richtung des Oberschenkelglieds 12 ausgerichtet ist und ein Ende des Antriebsarms 13 mit der Antriebswelle verbunden ist, kann der Antriebsarm 13 so betätigt werden, dass dessen entgegengesetztes Ende sich an dem vorderen Abschnitt des Oberschenkelglieds 12 aufwärts und abwärts bewegt.
Ein Ende des ersten Hilfsglieds 14 ist schwenkbar mit dem entgegengesetzten Ende des Antriebsarms 13 verbunden. Insbesondere kann ein Ende des ersten Hilfsglieds 14 so mit dem entgegengesetzten Ende des Antriebsarms 13 verbunden sein, das ein Ende des ersten Hilfsglieds 14 frei schwenken kann.
Das zweite Hilfsglied 15 weist insgesamt drei Kontaktpunkte auf. Bei einem der Kontaktpunkte ist das zweite Hilfsglied 15 frei schwenkbar mit dem ersten Hilfsglied 14 verbunden. An einem der verbleibenden zwei Kontaktpunkte ist das zweite Hilfsglied 15 frei schwenkbar mit dem unteren Abschnitt des Oberschenkelglieds 12 verbunden.
Das Oberschenkelglied 12, der Antriebsarm 13, das erste Hilfsglied 14 und das zweite Hilfsglied 15 sind, wie oben beschrieben, so miteinander verbunden, dass benachbarte Komponenten sich in Bezug aufeinander verschwenken können, wodurch ein einzelnes viergliedriges Gestänge F1 aufgebaut ist.
Das Unterschenkelglied 16 ist unter dem Oberschenkelglied 12 angeordnet und ist frei schwenkbar mit einem Kontaktpunkt der drei Kontaktpunkte des zweiten Hilfsglieds 15 mit Ausnahme der zwei Kontaktpunkte verbunden, die mit dem ersten Hilfsglied 14 und dem Oberschenkelglied 12 verbunden sind.
Ein Ende des dritten Hilfsglieds 17 ist frei schwenkbar mit dem unteren Abschnitt des Oberschenkelglieds 12 verbunden, und ein entgegengesetztes Ende des dritten Hilfsglieds 17 ist frei schwenkbar mit dem Unterschenkelglied 16 verbunden.
Das Oberschenkelglied 12, das zweite Hilfsglied 15, das Unterschenkelglied 16 und das dritte Hilfsglied 17 sind, wie oben beschrieben, so miteinander verbunden, dass benachbarte Komponenten sich in Bezug zueinander verschwenken können, wodurch ein weiteres einzelnes viergliedriges Gestänge F2 ausgebildet ist.
Um es kurz zu machen, wird auf das viergliedrige Gestänge, die mit dem Oberschenkelglied 12, dem Antriebsarm 13, dem ersten Hilfsglied 14 und dem zweiten Hilfsglied 15 aufgebaut sind, als erstes viergliedriges Gestänge F1 Bezug genommen, während auf das viergliedrige Gestänge, das mit dem Oberschenkelglied 12, dem zweiten Hilfsglied 15, dem Unterschenkelglied 16 und dem dritten Hilfsglied 17 aufgebaut ist, als zweites viergliedriges Gestänge F2 Bezug genommen wird.
Das erste viergliedrige Gestänge F1 und das zweite viergliedrige Gestänge F2 teilen sich über das zweite Hilfsglied einen Kontaktabschnitt an dem unteren Abschnitt des Oberschenkelglieds 12. Das zweite Hilfsglied 15, das an festen Positionen drei Kontaktpunkte aufweist, dient als eine Stange bzw. Glied des ersten viergliedrigen Gestänges F1, während es als ein Glied des zweiten viergliedrigen Gestänges F2 dient, sodass eine durch die Drehung der Antriebswelle X verursachte Bewegung dem Unterschenkelglied 16 zugeführt wird. Wenn die durch die Drehung der Antriebswelle X verursachte Bewegung dem Unterschenkelglied 16 zugeführt wird, wird die Struktur des zweiten viergliedrigen Gestänges F2 verändert, um den Winkel zwischen dem Oberschenkelglied 12 und dem Unterschenkelglied 16 so zu verändern, dass durch den Exoskelett-Roboter eine Kniebewegung realisiert werden kann.
Das zweite Hilfsglied 15 schließt eine Führung 151 mit einer Kontaktfläche S ein, sodass der untere Abschnitt des Oberschenkelglieds 12 mit der Kontaktfläche S des zweiten Hilfsglieds 15 in Kontakt kommt und auf dieser gleitet. Der untere Abschnitt des Oberschenkelglieds 12 ist so eingerichtet, dass er eine konvex gekrümmte Fläche aufweist, und die Kontaktfläche der Führung 151 ist so in der Richtung des Oberschenkelglieds 12 konkav gekrümmt, dass die gekrümmte Fläche des unteren Abschnitts von dem Oberschenkelglied 12 mit der Kontaktfläche der Führung 151 in Kontakt kommen und auf dieser gleiten kann.
Eine Vielzahl von Wälzlagern 153 ist auf der Kontaktfläche S der Führung 151 angeordnet, um bei dem Vorgang Reibung und eine Gewichtskraft zu reduzieren, bei dem der untere Abschnitt des Oberschenkelglieds 12 entlang der Kontaktfläche S gleitet.
Ein Ende der Führung 151 ist direkt und frei schwenkbar mit dem Unterschenkelglied 16 verbunden. Ein Kopplungsabschnitt 152 ist an einem entgegengesetzten Ende der Führung 151 befestigt. Unterschiedliche Kontaktpunkte des Kopplungsabschnitts 152 sind frei schwenkbar mit dem Oberschenkelglied 12 und dem ersten Hilfsglied 14 verbunden.
Wie in 1 veranschaulicht, schließt der Exoskelett-Roboter der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zudem ferner ein: eine Hüftgelenksantriebseinheit 110, die mit dem Oberschenkelglied 12 verbunden ist; einen Fußabschnitt 120, der einen Fuß des Benutzers unterstützt, wobei der Fußabschnitt 120 bestimmt, ob der Fuß des Benutzers auf dem Boden platziert oder von diesem angehoben ist; Schellen 131 und 132, welche entsprechende Glieder an dem Oberschenkel und dem Unterschenkel des Benutzers befestigen; und eine Steuerung 140, welche die Antriebseinheiten 11 und 110 steuert.
Hiernach wird ein Betätigungsmechanismus und Steuerungsverfahren des Exoskelett-Roboters der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die den zuvor beschriebenen Aufbau aufweist, detaillierter beschrieben.
4 ist eine konzeptionelle Ansicht, welche zwei viergliedrige Gestänge veranschaulicht, die in einem Kniegelenkteil des in 1 veranschaulichten Exoskelett-Roboters der unteren Extremität bereitgestellt sind. 5 veranschaulicht nacheinander die Betätigung der in 4 veranschaulichten viergliedrigen Gestänge entsprechend der Kniewinkel, und 6 ist eine konzeptionelle Ansicht, welche die in 5 veranschaulichte Vielzahl von Ansichten auf eine überlappende Weise veranschaulicht.
Wie in den 4 bis 6 veranschaulicht, ist der Exoskelett-Roboter der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung so eingerichtet, dass die zwei viergliedrigen Gestänge F1 und F2 verbunden sind. Die zwei viergliedrigen Gestänge F1 und F2 des Exoskelett-Roboters der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind gestaltet, um die Bewegung eines echten menschlichen Knies, das heißt eine polyzentrische Bewegung zu realisieren, bei der eine anteriore/posteriore Translation und eine Flexion/Extension zusammenhängen.
In Übereinstimmung mit einer Vielzahl von Studien ist der Rotationsmittelpunkt des Oberschenkels höher als der des anatomischen Kniegelenks, wenn der Knieflexionswinkel eines Beins (das heißt ein Winkel, der zwischen einer Extension eines Oberschenkels und eines Unterschenkels definiert ist) weniger als 15° beträgt, und die Wahrscheinlichkeit, dass der Rotationsmittelpunkt des Oberschenkels in dem spontanen Stabilitätsbereich bleibt, steigt an. Es ist auch bekannt, dass der Rotationsmittelpunkt nach unten und nach hinten verlagert ist, wenn der Knieflexionswinkel auf 15° oder mehr erhöht ist, sodass sich der Rotationsmittelpunkt aus dem spontanen Stabilitätsbereich herausbewegt.
Die Struktur des Exoskelett-Roboters der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist so gestaltet, dass das erste viergliedrige Gestänge F1 als Antriebsstrang dient, um ein Drehmoment von der Antriebswelle zu dem zweiten viergliedrigen Gestänge F2 zu übertragen, und das zweite viergliedrige Gestänge F2 setzt eine polyzentrische Kniebewegung (das heißt eine Bewegung, bei welcher der Rotationsmittelpunkt des Oberschenkels variiert) um. Das heißt, dass das erste viergliedrige Gestänge F1 dazu dient, das Drehmoment der Antriebswelle, das durch Antriebseinheit erzeugt wird, zu übertragen, während das zweite viergliedrige Gestänge F2 dazu dient, zu ermöglichen, dass sich das Knie unter Verwendung des zu diesem übertragenen Drehmoments der Antriebswelle dreht.
Wenn die Antriebseinrichtung, wie zum Beispiel ein Motor, oder ein Aktuator, die der Antriebswelle das Drehmoment bereitstellt, näher an dem Körper angeordnet ist, als an dem Knie des Benutzers des Roboters, kann das Trägheitsmoment des Beins vermindert werden. Eine Verminderung des Trägheitsmoments des Beins, das heißt ein Anstieg der mechanischen Bandbreite des Beins, ist ein wesentliches Erfordernis beim Gestalten einer Hochgeschwindigkeitsbeinbewegung. Wie oben beschrieben, kann das erste viergliedrige Gestänge F1 zum Übertragen eines Drehmoments, das durch die Antriebseinheit erzeugt wird, zu dem zweiten viergliedrigen Gestänge F2, durch Verbinden des Arms des Aktuators, das heißt des bewegbaren Antriebsarms 13, der mit der Antriebswelle verbunden ist, und des zweiten viergliedrigen Gestänges F2 durch Verwendung des ersten Hilfsglieds 14 ausgeführt sein, anstatt die Antriebseinheit nahe an dem Körper des Benutzers anzuordnen. Zusammenfassend ist die Rolle des ersten viergliedrigen Gestänges F1, zuzulassen, dass der Aktuator näher an dem Körper des Benutzers angeordnet ist, um das Gesamtträgheitsmoment des Beins zu reduzieren, während das Drehmoment des Aktuators zu dem Oberschenkelglied 16 übertragen wird, sodass dich das Knie bewegen kann.
Das zweite viergliedrige Gestänge F2 ist ein Schlüsselelement zum Verkörpern einer polyzentrischen Kniestruktur. Ein Punkt, der in den 5 und 6 als von den Gliedern getrennt veranschaulicht ist, zeigt den Rotationsmittelpunkt des Oberschenkelglieds 16 bei bestimmten Winkeln des Knies. Wie in den 5 und 6 veranschaulicht, ist der Rotationsmittelpunkt bei einer Position ausgebildet, die höher als das Knie ist (das heißt bei Punkten, bei denen das erste viergliedrige Gestänge F1 und das zweite viergliedrige Gestänge F2 miteinander verbunden sind), wenn der Winkel des Knies gleich wie oder weniger als 15° ist. Wenn der Winkel des Knies 15° übersteigt, ist der Rotationsmittelpunkt bei einer Position unter und hinter Punkten ausgebildet, bei denen das erste viergliedrige Gestänge F1 und das zweite viergliedrige Gestänge F2 miteinander verbunden sind.
7 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Rotationswinkel des Antriebsarms und des Kniegelenks bei dem durch die Antriebseinheit angetriebenen in 1 veranschaulichten Exoskelett-Roboters der unteren Extremität veranschaulicht, und 8 ist ein Graph, der die Winkelgeschwindigkeiten des Antriebsarms, der durch die Antriebseinheit des in 1 veranschaulichten Exoskelett-Roboters der unteren Extremität angetrieben wird, und die sich ergebenden Verhältnisse des Winkels des Kniegelenks in Bezug auf die Geschwindigkeiten veranschaulicht.
Eine Funktion mit einem Zuordnen des Rotationswinkels θ_a des Antriebsarms 130 gegen den Winkel des Kniegelenks θ_k aufgrund der Betätigung der Antriebseinheit kann wie in Formel 1 unter Verwendung einer festpunktbasierten Kosinusfunktion analytisch abgeleitet werden, die durch eine Computer Aided Design Anwendung (CAD-Anwendung) oder Ähnliches bereitgestellt wird, und diese Beziehung ist in 7 veranschaulicht. Das heißt, Einstellung über die Längen und die Verbindungsbeziehung der zwei viergliedrigen Gestänge F1 und F2 kann unter Verwendung der CAD-Anwendung analysiert werden, um dadurch eine in Formel 1 wiedergegebene Zuordnungsfunktion abzuleiten.
Wie in 4 veranschaulicht, kann der Rotationswinkel θ_a des Antriebsarms 13 ein Winkel des Antriebsarms 13 in Bezug auf Ebene P' bedeuten, die durch die Antriebswelle X verläuft. Der tatsächliche Winkel θ_k des Knies kann ein Winkel des unteren Stabs beziehungsweise des unteren Glieds bedeuten, der durch das Unterschenkelglied 16 des zweiten viergliedrigen Gestänges F2 in Bezug auf die Ebene P ausgebildet wird. Dies ist identisch zu dem relativen Winkel, der zwischen dem Unterschenkelglied 16 und dem Oberschenkelglied 12 definiert ist, das heißt der Winkel des Knies. Die zwei Winkel, das heißt der Rotationswinkel θ_a des Antriebsarms 13 und der Winkel θ_k des Knies, zeigen die mechanische Beziehung, mit der das erste viergliedrige Gestänge F1 und das zweite viergliedrige Gestänge F2 in Reihe verbunden sind. Eine Beziehungsfunktion der zwei Winkel kann durch die Formel 1 ausgedrückt werden. Das heißt, wenn der Rotationswinkel des Antriebsarms bekannt ist, kann der Winkel des Kniegelenks durch Formel 1 abgeleitet werden. $θ_{k} = f (θ_{a})$
Wenn die Zuordnungsfunktion der Formel 1 in Bezug auf die Zeit differenziert wird, wird die Formel 2 abgeleitet. Wenn beide Seiten der Formel 2 durch θ̇_a geteilt wird, kann die Winkeländerungsrate, das heißt das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms und der Winkelgeschwindigkeit des Knies, durch die Formel 3 abgeleitet werden. Diese Geschwindigkeitsverhältnisse werden in 8 wiedergegeben. ${\dot{θ}}_{k} = \frac{d f (θ_{a})}{d θ_{a}} {\dot{θ}}_{a}$
$\frac{{\dot{θ}}_{k}}{{\dot{θ}}_{a}} = \frac{d f (θ_{a})}{d θ_{a}}$
Die in den 7 und 8 veranschaulichte Beziehung kann durch die Formeln 2 und 3 erhalten werden. Wie in den 7 und 8 veranschaulicht, ist die Beziehung zwischen der Änderung (das heißt Geschwindigkeit) des Winkels des Antriebsarms und die Änderung (das heißt Geschwindigkeit) des Winkels des Knies, die durch die Änderung des Winkels des Antriebsarms verursacht wird, variabel anstatt festgelegt. Zum Beispiel kann in einem Fall, in dem ein vollständig gestrecktes Knie (in 7 einen Winkel von 0° aufweisend) zu 10° gebeugt wird, auf den entsprechenden Winkel des Antriebsarms in 8 Bezug genommen werden. Wenn dessen Geschwindigkeitsverhältnis untersucht wird, kann erkannt werden, dass die Rate (das heißt Geschwindigkeit) des Winkels des Knies weiter angestiegen ist, das heißt, die Änderung des Winkels des Knies ist weiter angestiegen. Mit dem Geschwindigkeitsverhältnis in Beziehung stehende Charakteristiken bedeuten, wie oben beschrieben, dass ein Drehmoment vergrößert wird und eine Last in einer Position unterstützt werden kann, bei der das Bein gestreckt ist, und eine schnelle Pendelbetätigung in einer Position möglich ist, in welcher das Bein gebeugt ist.
In einem Fall, in dem durch die Antriebseinheit erzeugte Leistung durch ein Getriebe beibehalten wird, kann, wie in Formel 4 wiedergegeben, die durch die Antriebseinheit verursachte Drehmoment/Geschwindigkeit wie in Formel 5 wiedergegeben berechnet werden. $τ_{k} {\dot{θ}}_{k} = τ_{a} {\dot{θ}}_{a}$
$τ_{a} = \frac{{\dot{θ}}_{k}}{{\dot{θ}}_{a}} τ_{k} = \frac{d f (θ_{a})}{d θ_{a}} τ_{k}$
In den Formeln 4 und 5 ist τ_k das Drehmoment des Kniegelenks, τ_a das Drehmoment der Antriebswelle, θ̇_k eine Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und θ̇_a eine Winkelgeschwindigkeit des Antriebsarms.
9 ist ein Blockdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Exoskelett-Roboters der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
Bei dem Exoskelett-Roboter der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schließt das Kniegelenk keine Antriebseinheit, wie zum Beispiel einen Motor oder einen Aktuator ein, sondern durch eine Antriebseinheit erzeugtes Drehmoment wird unter Verwendung der zwei viergliedrigen Gestänge F1 und F2 zu dem Knie übertragen. In diesem Fall ist das Drehmoment des Kniegelenks nicht das gleiche wie das Drehmoment der Antriebseinheit. Dieses Merkmal wurde unter Bezugnahme auf die Formeln 4 und 5 oben beschrieben.
Dementsprechend führt der Exoskelett-Roboter der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung S11 mit einem Erfassen eines Winkels θα des Antriebsarms S121 mit einem Ableiten eines Winkels θ_k des Knies unter Verwendung der Formel, S122 mit einem Ableiten einer Winkelgeschwindigkeit θ̇_a des Antriebsarms durch Differenzieren beziehungsweise Ableiten des Winkels des Antriebsarms, S123 mit einem Ableiten des Winkels des Antriebsarms und des Geschwindigkeitsverhältnisses $\frac{d f (θ_{a})}{d θ_{a}}$
des Kniewinkels unter Verwendung der Formel 3 und S124 mit einem Ableiten einer Winkelgeschwindigkeit θ̇_k des Knies aus, wie in Formel 2 wiedergegeben.
Nachfolgend wird in S14 ein Drehmoment τ_k des Knies unter Verwendung des Winkels θ_k des Knies und der Winkelgeschwindigkeit θ̇_k des Knies durch Anwenden eines Drehmomentableitungsalgorithmus abgeleitet, der eine typische einzelne Rotationsachse verwendet. In S15 wird das Drehmoment der Antriebseinheit, das heißt ein Drehmoment τ_a zum Drehen des Antriebsarms durch Anwenden des in Formel 5 abgeleiteten Drehmoments τ_k des Knies abgeleitet. Auf diese Weise kann die Antriebseinheit gesteuert werden.
Zum Beispiel kann der Drehmomentableitungsalgorithmus, der in Schritt S14 angewandt wird, als ein Drehmomentableitungsalgorithmus implementiert sein, der eine typische einzelne Rotationsachse verwendet. Der Drehmomentableitungsalgorithmus, der eine typische einzelne Rotationsachse verwendet, ist ein Algorithmus mit einem Aufbringen eines Kniedrehmoments auf den Benutzer, das basierend auf einem Kniewinkel, einer Winkelgeschwindigkeit, anderer Sensorinformationen und Ähnlichem abgeleitet wird. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird der Winkel des Knies des Benutzers als der Winkel des Antriebsarms angenommen und das Drehmoment des Knies, das auf den Benutzer aufgebracht wird, kann als Drehmoment der Antriebseinheit realisiert werden. Folglich berechnet das Steuerungsverfahren in Übereinstimmung mit einer in 9 veranschaulichten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung den Winkel und die Winkelgeschwindigkeit des Knies, die für den Drehmomentableitungsalgorithmus, der eine einzelne Rotationsachse verwendet als Winkel und Geschwindigkeit des Antriebsarms notwendig sein können. Das Drehmoment des Antriebsarms kann basierend auf dem benötigten Drehmoment bestimmt werden, dass durch den Drehmomentableitungsalgorithmus unter Verwendung einer einzelnen Rotationsachse abgeleitet wird. Folglich kann der Drehmomentableitungsalgorithmus, der eine einzelne Rotationsachse verwendet, auf einfache Weise in Schritt S14 verwendet werden.
Dieses Steuerungsverfahren kann durch die Steuerung 140 ausgeführt werden, die in dem Exoskelett-Roboter der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung vorgesehen ist.
Bei dem Exoskelett-Roboter der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann das Kniegelenk, wie oben beschrieben, eine polyzentrische Drehung wie bei echten menschlichen Körpern ausführen, sodass eine Beinbewegung des Benutzers ausgeführt werden kann, die der Bewegung des Beins von dem Benutzer sehr ähnlich ist. Es ist möglich, das Problem zu beseitigen, das die an dem Oberschenkel, Unterschenkel und Ähnlichem des Benutzers angeordneten Schellen, um den Roboter in einen engen Kontakt mit dem Benutzer zu bringen, drücken, wodurch der Exoskelett-Roboter zum Tragen komfortabler gemacht wird.
Zudem kann der Exoskelett-Roboter der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Vielzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung durch zeitweises Verändern des Rotationsmittelpunkts während der Drehung des Knies eine intrinsische Stabilität umsetzen, um einen Bodenreaktionsmoment zu widerstehen, das durch eine Sohle übertragen wird, wenn eine Hacke den Boden oder einen Fußboden berührt.
Darüber hinaus kann der Exoskelett-Roboter der unteren Extremität in Übereinstimmung mit einer Vielzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung die Position der Antriebseinheit, wie zum Beispiel ein Motor oder ein Aktuator, zu einer Stelle über dem Oberschenkelglied verlagern, um das Trägheitsmoment des Beins des Exoskelett-Roboters zu reduzieren. Dies kann die mechanische Bandbreite des Beins des Roboters erhöhen, sodass sie zum Gehen bei einer relativ hohen Geschwindigkeit geeignet ist. Zudem ermöglicht ein veränderliches Drehmomentverhältnis zwischen der Antriebseinheit (Welle) und dem Kniegelenk dem Bein, eine Last zu unterstützen, wenn es gestreckt ist, und schnell zu pendeln, wenn es gebeugt ist.
Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zum Zwecke der Veranschaulichung beschrieben worden ist, ist dem Fachmann bewusst, dass vielfältige Abwandlungen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne den Schutzbereich und den Rahmen der Offenbarung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen offenbart ist.

Claims

Mehrgliedriges Gestänge, mit: einer Antriebseinheit, die einer Antriebswelle ein Drehmoment zuführt; einem ersten Glied, wobei die Antriebseinheit an einem ersten Abschnitt des ersten Glieds vorgesehen ist; einem Antriebsarm mit einem Ende, das an der Antriebswelle befestigt ist, und einem entgegengesetzten Ende, das der Drehung der Antriebswelle folgend bewegbar ist; einem ersten Hilfsglied mit einem Ende, das schwenkbar mit dem entgegengesetzten Ende des Antriebsarms verbunden ist; einem zweiten Hilfsglied, das schwenkbar mit einem ersten Punkt eines zweiten Abschnitts des ersten Glieds verbunden ist und schwenkbar mit einem entgegengesetzten Ende des ersten Hilfsglieds verbunden ist; einem zweiten Glied, das unter dem ersten Glied angeordnet ist und schwenkbar mit dem zweiten Hilfsglied verbunden ist; und einem dritten Hilfsglied mit einem Ende, das schwenkbar mit einem zweiten Punkt des zweiten Abschnitts des ersten Glieds schwenkbar verbunden ist, getrennt von dem ersten Punkt des zweiten Abschnitts des ersten Glieds, und einem entgegengesetzten Ende, das schwenkbar mit dem zweiten Glied verbunden ist.
Mehrgliedriges Gestänge nach Anspruch 1, bei dem das zweite Hilfslied eine Kontaktfläche aufweist, mit der ein unterer Endabschnitt des ersten Glieds in Kontakt kommt, und der untere Endabschnitt des ersten Glieds gleitet auf der Kontaktfläche, wenn sich die Antriebswelle dreht.
Mehrgliedriges Gestänge nach Anspruch 2, bei dem der untere Abschnitt des ersten Glieds eine gekrümmte Fläche aufweist und die Kontaktfläche eine Fläche aufweist, die in einer Richtung des ersten Glieds konkav gekrümmt ist.
Mehrgliedriges Gestänge nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das zweite Hilfsglied eine die Kontaktfläche ausbildende Führung und einen Verbindungsabschnitt aufweist, der an einem Ende der Führung befestigt ist; wobei der Verbindungsabschnitt schwenkbar mit dem ersten Glied und dem ersten Hilfsglied verbunden ist und ein entgegengesetztes Ende der Führung schwenkbar mit dem zweiten Glied verbunden ist.
Mehrgliedriges Gestänge nach Anspruch 4, bei dem die Führung an der Kontaktfläche Wälzlager aufweist.
Mehrgliedriges Gestänge nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einer Steuerung, welche die Antriebseinheit durch Bestimmen eines Drehmoments der Antriebswelle basierend auf einem Rotationswinkel steuert, der von dem Antriebsarm erfasst wird.
Mehrgliedriges Gestänge nach Anspruch 6, bei dem die Steuerung ausführt: Erfassen des Rotationswinkels des Antriebsarms; Ableiten eines Winkels eines Kniegelenks als ein Winkel zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied, der dem erfassten Rotationswinkel des Antriebsarms entspricht, und eines Verhältnisses zwischen einer Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und einer Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms durch Anwenden einer voreingestellten Zuordnungsfunktion und eines voreingestellten Geschwindigkeitsverhältnisses und Ableiten einer Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms durch Differenzieren des erfassten Rotationswinkels des Antriebsarms; Ableiten einer Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks, die mit dem erfassten Rotationswinkel des Antriebsarms korrespondiert, unter Verwendung des Verhältnisses zwischen der erfassten Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms und des Verhältnisses zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und der Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms; Ableiten eines Drehmoments des Kniegelenks als ein Drehmoment der Drehung des zweiten Glieds basierend auf dem ersten Glied unter Verwendung des abgeleiteten Winkels des Kniegelenks und der abgeleiteten Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks; und Bestimmen des Drehmoments der Antriebswelle unter Verwendung des abgeleiteten Verhältnisses zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und der Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms und des abgeleiteten Drehmoments des Kniegelenks, und Antreiben der Antriebseinheit, um das bestimmte Drehmoment der Antriebswelle auszugeben.
Mehrgliedriges Gestänge nach Anspruch 7, bei dem die Zuordnungsfunktion durch die Formel $θ_{k} = f (θ_{a}),$
bestimmte wird, wobei θ_a der Rotationswinkel des Antriebsarms und θ_k der Winkel des Kniegelenks ist, und das Verhältnis zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und der Winkelgeschwindigkeit des Antriebsarms durch Differenzieren und Anordnen beider Seiten der Formel der Zuordnungsfunktion in Bezug auf die Zeit vorbestimmt ist, sodass es durch die Formel ausgedrückt wird: $\frac{{\dot{θ}}_{k}}{{\dot{θ}}_{a}} = \frac{d f (θ_{a})}{d θ_{a}} .$
Mehrgliedriges Gestänge nach Anspruch 8, bei dem die Steuerung das Drehmoment der Antriebswelle durch eine Drehmomentberechnungsformel bestimmt: $τ_{a} = \frac{{\dot{θ}}_{k}}{{\dot{θ}}_{a}} τ_{k} = \frac{d f (θ_{a})}{d θ_{a}} τ_{k},$
wobei die Drehmomentberechnungsformel auf der Annahme bestimmt wird, dass Energie der Antriebswelle als Rotationsenergie des zweiten Glieds erhalten wird, und zwar durch Bereitstellen einer Energieerhaltungsformel: $τ_{k} {\dot{θ}}_{k} = τ_{a} {\dot{θ}}_{a},$
wobei τ_k das Drehmoment des Kniegelenks ist, τ_a das Drehmoment der Antriebswelle ist, θ̇̇_k die Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks ist und θ̇_a die Winkelgeschwindigkeit des Antriebsarms ist, und Teilen beider Seiten der Energieerhaltungsformel durch die Winkelgeschwindigkeit des Antriebsarms.
Verfahren zum Steuern des mehrgliedrigen Gestänges nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen des Rotationswinkels des Antriebsarms; Ableiten eines Winkels eines Kniegelenks, der mit dem erfassten Rotationswinkel des Antriebsarms korrespondiert, als ein Winkel zwischen dem ersten Glied und dem zweiten Glied, der mit dem erfassten Rotationswinkel des Antriebsarms korrespondiert, und eines Verhältnisses zwischen einer Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und einer Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms durch Anwenden einer voreingestellten Zuordnungsfunktion und eines voreingestellten Geschwindigkeitsverhältnisses und Ableiten einer Winkelgeschwindigkeit des Antriebsarms durch Differenzieren des erfassten Rotationswinkels des Antriebsarms; Ableiten einer Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks, die mit dem erfassten Rotationswinkel des Antriebsarms korrespondiert, unter Verwendung des abgeleiteten Verhältnisses zwischen der erfassten Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms und dem Verhältnis zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und der Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms; Ableiten eines Drehmoments des Kniegelenks als ein Drehmoment des zweiten Glieds basierend auf dem ersten Glied unter Verwendung des abgeleiteten Winkels des Kniegelenks und der abgeleiteten Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks; und Bestimmen des Drehmoments der Antriebswelle unter Verwendung des abgeleiteten Verhältnisses zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und der Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Antriebsarms und des abgeleiteten Drehmoments des Kniegelenks, und Antreiben der Antriebseinheit, um das bestimmte Drehmoment der Antriebswelle auszugeben.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Zuordnungsfunktion durch die Formel: $θ_{k} = f (θ_{a}),$
vorbestimmt ist, wobei θ_a der Rotationswinkel des Antriebsarms ist und θ_k der Winkel des Kniegelenks ist, und das Verhältnis zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks und der Winkelgeschwindigkeit des Antriebsarms durch Differenzieren und Anordnen beider Seiten der Formel der Zuordnungsfunktion bezüglich der Zeit vorbestimmt ist, sodass es durch die Formel ausgedrückt wird: $\frac{{\dot{θ}}_{k}}{{\dot{θ}}_{a}} = \frac{d f (θ_{a})}{d θ_{a}} .$
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Steuerung das Drehmoment der Antriebswelle durch eine Drehmomentberechnungsformel bestimmt: $τ_{a} = \frac{{\dot{θ}}_{k}}{{\dot{θ}}_{a}} τ_{k} = \frac{d f (θ_{a})}{d θ_{a}} τ_{k},$
wobei die Drehmomentberechnungsformel mit der Annahme bestimmt wird, dass Energie der Antriebswelle als Rotationsenergie des zweiten Glieds erhalten wird, und zwar durch Bereitstellen einer Energieerhaltungsformel: $τ_{k} {\dot{θ}}_{k} = τ_{a} {\dot{θ}}_{a},$
wobei τ_k das Drehmoment des Kniegelenks ist, τ_a das Drehmoment der Antriebswelle ist, θ̇̇_k die Winkelgeschwindigkeit des Kniegelenks ist und θ̇_a die Winkelgeschwindigkeit des Antriebsarms ist, und Teilen beider Seiten der Energieerhaltungsformel durch die Winkelgeschwindigkeit des Antriebsarms.
Exoskelett-Roboter der unteren Extremität, mit: einer Antriebseinheit, die der Antriebswelle ein Drehmoment bereitstellt; einem Oberschenkelglied, wobei die Antriebswelle an einem ersten Abschnitt des Oberschenkelglieds vorgesehen ist; einem Antriebsarm mit einem Ende an der Antriebswelle befestigt und einem entgegengesetzten Ende, das der Drehung der Antriebswelle folgend bewegbar ist; einem ersten Hilfsglied mit einem Ende schwenkbar mit dem entgegengesetzten Ende des Antriebsarms verbunden; einem zweiten Hilfsglied, das schwenkbar mit einem ersten Punkt eines zweiten Abschnitts des Oberschenkelglieds verbunden ist und schwenkbar mit einem entgegengesetzten Ende des ersten Hilfsglieds verbunden ist; einem Unterschenkelglied, das unter dem Oberschenkelglied angeordnet ist und schwenkbar mit dem zweiten Hilfsglied verbunden ist; einem dritten Hilfsglied mit einem Ende schwenkbar mit einem zweiten Punkt des zweiten Abschnitts des Oberschenkelglieds verbunden, getrennt von dem ersten Punkt des zweiten Abschnitts des Oberschenkelglieds, und einem entgegengesetzten Ende schwenkbar mit dem Unterschenkelglied verbunden; und einer Steuerung, welche die Antriebseinheit durch Bestimmen eines Drehmoments der Antriebswelle basierend auf einem Rotationswinkel steuert, der durch den Antriebsarm erfasst wird, wobei das zweite Hilfsglied eine Kontaktfläche aufweist, mit der ein unterer Endabschnitt des Oberschenkelglieds in Kontakt kommt, und der untere Endabschnitt des Oberschenkelglieds auf der Kontaktfläche gleitet, wenn sich die Antriebswelle dreht.