JP2011062474A - Walking assisting system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、歩行者の歩行を補助する歩行補助システムに関する。 The present invention relates to a walking assistance system that assists walking of a pedestrian.
床面上を全方向(2次元的な全方向)に移動可能な全方向移動車両としては、例えば、特許文献1、2に見られるものが本願出願人により提案されている。これらの特許文献1、2に見られる全方向移動車両にあっては、床面に接地しながら該床面上を全方向に移動可能な、球体状又は車輪状又はクローラ状の移動動作部と、該移動動作部を駆動する電動モータ等を有するアクチュエータ装置とが車両の基体に組付けられている。そして、この車両は、アクチュエータ装置により移動動作部を駆動することによって、床面上を移動する。
As the omnidirectional vehicle that can move in all directions (two-dimensional omnidirectional) on the floor surface, for example, those shown in
また、この種の全方向移動車両の移動動作を制御する技術としては、例えば特許文献3に見られる技術が本願出願人により提案されている。この技術では、車両の基体が球体状の移動動作部に対して前後・左右に傾動自在に設けられている。そして、基体の傾き角を計測し、この傾き角を所要の角度に保つように、移動動作部を駆動する電動モータのトルクを制御することによって、基体の傾動動作に応じて車両を移動させるようにしている。
Further, as a technique for controlling the moving operation of this type of omnidirectional vehicle, for example, a technique found in
ところで、バランス能力の低い人が歩行する場合、その人が歩行中に転倒する可能性がある。また、極端に体力が劣っている人が歩行する場合、その人にとって歩行が過負荷になる可能性がある。このような問題を解決するため、上記の全方向移動車両を歩行の補助に使用することが考えられるが、全方向移動車両に対して何の制御も行わなければ、歩行を安定させることができない。 By the way, when a person with low balance ability walks, the person may fall while walking. In addition, when a person who is extremely inferior in physical strength walks, walking may be overloaded for the person. In order to solve such a problem, it is conceivable to use the omnidirectional vehicle described above to assist walking. However, if no control is performed on the omnidirectional vehicle, walking cannot be stabilized. .
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、例えば全方向移動体のような移動体を用いることにより装着者の歩行安定性を向上し、歩行を補助することができる歩行補助システムを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object thereof is to improve walking stability of the wearer and assist walking by using a moving body such as an omnidirectional moving body. It is to provide a walking assistance system.
上記問題を解決するために、請求項1に記載した発明は、走行面(床面、路面、地面など)を移動可能な被駆動機構(例えば、車輪体5)と、前記被駆動機構を駆動する駆動力を発生させる駆動部(例えば、アクチュエータ装置7)と、前記被駆動機構および前記駆動部が組み付けられた基体(例えば、基体9)と、を有する倒立振子制御型の移動体(例えば、全方向移動車両1,1a,1b)を装着者の腰部に少なくとも2台以上係止することができる係止具(例えば、ベルト58)と、前記倒立振子制御型の移動体に加わる力を検出する力センサ(例えば、6軸力センサ57)と、前記倒立振子制御型の移動体の姿勢に係る角度を検出する角度センサ(例えば、傾斜センサ52、開き角度センサ59a,59b)と、前記係止具に係止された少なくとも2台以上の前記倒立振子制御型の移動体と、前記力センサにより検出した力及び前記角度センサにより検出した角度に基づいて前記駆動部を制御する制御装置(例えば、制御ユニット50)と、を備えた歩行補助システムである。これにより、力センサにより検出した力及び角度センサにより検出した角度に基づいて、装着者の歩行が安定するように駆動部を制御することができる。
In order to solve the above-described problem, the invention described in
請求項2に記載した発明において、前記制御装置は、水平方向に対する前記倒立振子制御型の移動体間の開き角度を前記角度センサにより検出し、前記開き角度が一定に収束するように前記駆動部を制御する。これにより、開き角度を一定に収束させることができる。 3. The control device according to claim 2, wherein the control unit detects an opening angle between the inverted pendulum control type moving bodies with respect to a horizontal direction by the angle sensor, and the driving unit is configured to converge the opening angle uniformly. To control. Thereby, an opening angle can be made to converge uniformly.
請求項3に記載した発明において、前記制御装置は、第1の時点及び第2の時点において、鉛直方向に対する前記倒立振子制御型の移動体の傾き角度を前記角度センサにより検出し、前記第2の時点で検出した前記傾き角度が、前記第1の時点で検出した前記傾き角度に収束するように前記駆動部を制御する。これにより、傾き角度を所望の時点での傾き角度に収束させることができる。
In the invention described in
請求項4に記載した発明において、前記制御装置は、前記力センサにより検出した力の周波数成分に応じて前記駆動部を制御する。これにより、力の周波数成分に応じて歩行速度を制御することができる。 According to a fourth aspect of the present invention, the control device controls the drive unit according to a frequency component of force detected by the force sensor. Thereby, walking speed can be controlled according to the frequency component of force.
請求項1に記載した発明によれば、力センサにより検出した力及び角度センサにより検出した角度に基づいて駆動部を制御することにより、装着者の歩行が安定するように駆動部を制御することができるので、装着者の歩行安定性を向上し、歩行を補助することができる。 According to the first aspect of the present invention, by controlling the drive unit based on the force detected by the force sensor and the angle detected by the angle sensor, the drive unit is controlled so that the wearer's walk is stabilized. Therefore, the walking stability of the wearer can be improved and walking can be assisted.
請求項2に記載した発明によれば、開き角度が一定に収束するように駆動部を制御することにより、装着者が任意の方向に移動した場合でも、装着者と倒立振子制御型の移動体との位置関係を一定に保つことができる。 According to the second aspect of the present invention, even when the wearer moves in an arbitrary direction by controlling the drive unit so that the opening angle converges uniformly, the wearer and the inverted pendulum control type moving body The positional relationship with can be kept constant.
請求項3に記載した発明によれば、傾き角度が所望の時点での傾き角度に収束するように駆動部を制御することにより、装着者の歩行安定性をさらに向上することができる。 According to the third aspect of the present invention, the walking stability of the wearer can be further improved by controlling the drive unit so that the inclination angle converges to the inclination angle at a desired time.
請求項4に記載した発明によれば、力の周波数成分に応じて駆動部を制御することにより、装着者の歩行安定性をさらに向上することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the walking stability of the wearer can be further improved by controlling the drive unit according to the frequency component of the force.
以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。まず、図1〜図6を参照して、本実施形態による歩行補助システムに使用する全方向移動車両の構造を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, with reference to FIGS. 1-6, the structure of the omnidirectional vehicle used for the walking assistance system by this embodiment is demonstrated.
図1及び図2に示すように、本実施形態における全方向移動車両(以下、車両と記す)1は、乗員(運転者)の搭乗部3と、床面に接地しながら該床面上を全方向(前後方向及び左右方向を含む2次元的な全方向)に移動可能な移動動作部5と、この移動動作部5を駆動する動力を該移動動作部5に付与するアクチュエータ装置7と、これらの搭乗部3、移動動作部5及びアクチュエータ装置7が組付けられた基体9とを備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, an omnidirectional vehicle (hereinafter referred to as a vehicle) 1 in the present embodiment is placed on the floor surface of the occupant (driver) and the
ここで、本実施形態の説明では、「前後方向」、「左右方向」は、それぞれ、搭乗部3に標準的な姿勢で搭乗した乗員の上体の前後方向、左右方向に一致もしくはほぼ一致する方向を意味する。なお、「標準的な姿勢」は、搭乗部3に関して設計的に想定されている姿勢であり、乗員の上体の体幹軸を概ね上下方向に向け、且つ、上体を捻ったりしていない姿勢である。
Here, in the description of the present embodiment, “front-rear direction” and “left-right direction” respectively match or substantially coincide with the front-rear direction and the left-right direction of the upper body of the occupant who has boarded the
この場合、図1においては、「前後方向」、「左右方向」はそれぞれ、紙面に垂直な方向、紙面の左右方向であり、図2においては、「前後方向」、「左右方向」はそれぞれ、紙面の左右方向、紙面に垂直な方向である。また、本実施形態の説明では、参照符号に付する添え字「R」,「L」は、それぞれ車両1の右側、左側に対応するものという意味で使用する。
In this case, in FIG. 1, the “front-rear direction” and the “left-right direction” are the direction perpendicular to the paper surface and the left-right direction of the paper surface, respectively. In FIG. It is the left-right direction of the paper surface and the direction perpendicular to the paper surface. In the description of the present embodiment, the suffixes “R” and “L” attached to the reference numerals are used to mean the right side and the left side of the
基体9は、移動動作部5及びアクチュエータ装置7とが組付けられた下部フレーム11と、この下部フレーム11の上端から上方に延設された支柱フレーム13とを備える。支柱フレーム13の上部には、該支柱フレーム13から前方側に張り出したシートフレーム15が固定されている。そして、このシートフレーム15上に、乗員が着座するシート3が装着されている。本実施形態では、このシート3が乗員の搭乗部となっている。従って、本実施形態における全方向移動車両1(以降、単に車両1という)は、乗員がシート3に着座した状態で、床面上を移動するものである。また、シート3の左右には、シート3に着座した乗員が必要に応じて把持するためのグリップ17R,17Lが配置され、これらのグリップ17R,17Lがそれぞれ、支柱フレーム13(又はシートフレーム15)から延設されたブラケット19R,19Lの先端部に固定されている。
The
下部フレーム11は、左右方向に間隔を存して二股状に対向するように配置された一対のカバー部材21R,21Lを備える。これらのカバー部材21R,21Lの上端部(二股の分岐部分)は、前後方向の軸心を有するヒンジ軸23を介して連結され、カバー部材21R,21Lの一方が他方に対して相対的にヒンジ軸23の周りに揺動可能となっている。この場合、カバー部材21R,21Lは、図示を省略するバネによって、カバー部材21R,21Lの下端部側(二股の先端側)が狭まる方向に付勢されている。また、カバー部材21R,21Lのそれぞれの外面部には、前記シート3に着座した乗員の右足を載せるステップ25Rと左足を載せるステップ25Lとが各々、右向き、左向きに張り出すように突設されている。
The
移動動作部5及びアクチュエータ装置7は、下部フレーム11のカバー部材21R,21Lの間に配置されている。これらの移動動作部5及びアクチュエータ装置7の構造を図3〜図6を参照して説明する。なお、本実施形態で例示する移動動作部5及びアクチュエータ装置7は、例えば前記特許文献2の図1に開示されているものと同じ構造のものである。従って、本実施形態の説明においては、移動動作部5及びアクチュエータ装置7の構成に関して、前記特許文献2に記載された事項については、簡略的な説明に留める。
The moving
本実施形態では、移動動作部5は、ゴム状弾性材により円環状に形成された車輪体であり、ほぼ円形の横断面形状を有する。この移動動作部5(以降、車輪体5という)は、その弾性変形によって、図5及び図6の矢印Y1で示す如く、円形の横断面の中心C1(より詳しくは、円形の横断面中心C1を通って、車輪体5の軸心と同心となる円周線)の周りに回転可能となっている。
In the present embodiment, the moving
この車輪体5は、その軸心C2(車輪体5全体の直径方向に直交する軸心C2)を左右方向に向けた状態で、カバー部材21R,21Lの間に配置され、該車輪体5の外周面の下端部にて床面に接地する。
The
そして、車輪体5は、アクチュエータ装置7による駆動(詳細は後述する)によって、図5の矢印Y2で示す如く車輪体5の軸心C2の周りに回転する動作(床面上を輪転する動作)と、車輪体5の横断面中心C1の周りに回転する動作とを行うことが可能である。その結果、車輪体5は、それらの回転動作の複合動作によって、床面上を全方向に移動することが可能となっている。
The
アクチュエータ装置7は、車輪体5と右側のカバー部材21Rとの間に介装される回転部材27R及びフリーローラ29Rと、車輪体5と左側のカバー部材17Lとの間に介装される回転部材27L及びフリーローラ29Lと、回転部材27R及びフリーローラ29Rの上方に配置されたアクチュエータとしての電動モータ31Rと、回転部材27L及びフリーローラ29Lの上方に配置されたアクチュエータとしての電動モータ31Lとを備える。
The
電動モータ31R,31Lは、それぞれのハウジングがカバー部材21R,21Lに各々取付けられている。なお、図示は省略するが、電動モータ31R,31Lの電源(蓄電器)は、支柱フレーム13等、基体9の適所に搭載されている。
The
回転部材27Rは、左右方向の軸心を有する支軸33Rを介してカバー部材21Rに回転可能に支持されている。同様に、回転部材27Lは、左右方向の軸心を有する支軸33Lを介してカバー部材21Lに回転可能に支持されている。この場合、回転部材27Rの回転軸心(支軸33Rの軸心)と、回転部材27Lの回転軸心(支軸33Lの軸心)とは同軸心である。
The rotating
回転部材27R,27Lは、それぞれ電動モータ31R,31Lの出力軸に、減速機としての機能を含む動力伝達機構を介して接続されており、電動モータ31R,31Lからそれぞれ伝達される動力(トルク)によって回転駆動される。各動力伝達機構は、例えばプーリ・ベルト式のものである。すなわち、図3に示す如く、回転部材27Rは、プーリ35Rとベルト37Rとを介して電動モータ31Rの出力軸に接続されている。同様に、回転部材27Lは、プーリ35Lとベルト37Lとを介して電動モータ31Lの出力軸に接続されている。
The rotating
なお、上記動力伝達機構は、例えば、スプロケットとリンクチェーンとにより構成されるもの、あるいは、複数のギヤにより構成されるものであってもよい。また、例えば、電動モータ31R,31Lを、それぞれの出力軸が各回転部材27R,27Lと同軸心になるように各回転部材27R,27Lに対向させて配置し、電動モータ31R,31Lのそれぞれの出力軸を回転部材27R,27Lに各々、減速機(遊星歯車装置等)を介して連結するようにしてもよい。
The power transmission mechanism may be constituted by, for example, a sprocket and a link chain, or may be constituted by a plurality of gears. In addition, for example, the
各回転部材27R,27Lは、車輪体5側に向かって縮径する円錐台と同様の形状に形成されており、その外周面がテーパ外周面39R,39Lとなっている。回転部材27Rのテーパ外周面39Rの周囲には、回転部材27Rと同心の円周上に等間隔で並ぶようにして、複数のフリーローラ29Rが配列されている。そして、これらのフリーローラ29Rは、それぞれ、ブラケット41Rを介してテーパ外周面39Rに取付けられ、該ブラケット41Rに回転自在に支承されている。
Each rotating
同様に、回転部材27Lのテーパ外周面39Lの周囲には、回転部材27Lと同心の円周上に等間隔で並ぶようにして、複数(フリーローラ29Rと同数)のフリーローラ29Lが配列されている。そして、これらのフリーローラ29Lは、それぞれ、ブラケット41Lを介してテーパ外周面39Lに取付けられ、該ブラケット41Lに回転自在に支承されている。
Similarly, a plurality (the same number as the
前記車輪体5は、回転部材27R側のフリーローラ29Rと、回転部材27L側のフリーローラ29Lとの間に挟まれるようにして、回転部材27R,27Lと同軸心に配置されている。この場合、図1及び図6に示すように、各フリーローラ29R,29Lは、その軸心C3が車輪体5の軸心C2に対して傾斜すると共に、車輪体5の直径方向(車輪体5をその軸心C2の方向で見たときに、該軸心C2と各フリーローラ29R,29Lとを結ぶ径方向)に対して傾斜する姿勢で配置されている。そして、このような姿勢で、各フリーローラ29R,29Lのそれぞれの外周面が車輪体5の内周面に斜め方向に圧接されている。
The
より一般的に言えば、右側のフリーローラ29Rは、回転部材27Rが軸心C2の周りに回転駆動されたときに、車輪体5との接触面で、軸心C2周りの方向の摩擦力成分(車輪体5の内周の接線方向の摩擦力成分)と、車輪体5の前記横断面中心C1の周り方向の摩擦力成分(円形の横断面の接線方向の摩擦力成分)とを車輪体5に作用させ得るような姿勢で、車輪体5の内周面に圧接されている。左側のフリーローラ29Lについても同様である。
More generally speaking, the
この場合、前記したように、カバー部材21R,21Lは、図示しないバネによって、カバー部材21R,21Lの下端部側(二股の先端側)が狭まる方向に付勢されている。このため、この付勢力によって、右側のフリーローラ29Rと左側のフリーローラ29Lとの間に車輪体5が挟持されると共に、車輪体5に対する各フリーローラ29R,29Lの圧接状態(より詳しくはフリーローラ29R,29Lと車輪体5との間で摩擦力が作用し得る圧接状態)が維持される。
In this case, as described above, the
以上説明した構造を有する車両1においては、電動モータ31R,31Lによりそれぞれ、回転部材27R,27Lを同方向に等速度で回転駆動した場合には、車輪体5が回転部材27R,27Lと同方向に軸心C2の周りに回転することとなる。これにより、車輪体5が床面上を前後方向に輪転して、車両1の全体が前後方向に移動することとなる。なお、この場合は、車輪体5は、その横断面中心C1の周りには回転しない。
In the
また、例えば、回転部材27R,27Lを互いに逆方向に同じ大きさの速度で回転駆動した場合には、車輪体5は、その横断面中心C1の周りに回転することとなる。これにより、車輪体5がその軸心C2の方向(すなわち左右方向)に移動し、ひいては、車両1の全体が左右方向に移動することとなる。なお、この場合は、車輪体5は、その軸心C2の周りには回転しない。
Further, for example, when the
さらに、回転部材27R,27Lを、互いに異なる速度(方向を含めた速度)で、同方向又は逆方向に回転駆動した場合には、車輪体5は、その軸心C2の周りに回転すると同時に、その横断面中心C1の周りに回転することとなる。
Furthermore, when the
この時、これらの回転動作の複合動作(合成動作)によって、前後方向及び左右方向に対して傾斜した方向に車輪体5が移動し、ひいては、車両1の全体が車輪体5と同方向に移動することとなる。この場合の車輪体5の移動方向は、回転部材27R,27Lの回転方向を含めた回転速度(回転方向に応じて極性が定義された回転速度ベクトル)の差に依存して変化するものとなる。
At this time, the
以上のように車輪体5の移動動作が行われるので、電動モータ31R,31Lのそれぞれの回転速度(回転方向を含む)を制御し、ひいては回転部材27R,27Lの回転速度を制御することによって、車両1の移動速度及び移動方向を制御できることとなる。
Since the moving operation of the
次に、本実施形態の車両1の動作制御のための構成を説明する。なお、以降の説明では、図1及び図2に示すように、前後方向の水平軸をX軸、左右方向の水平軸をY軸、鉛直方向をZ軸とするXYZ座標系を想定し、前後方向、左右方向をそれぞれX軸方向、Y軸方向と言うことがある。
Next, the structure for operation control of the
まず、車両1の概略的な動作制御を説明すると、本実施形態では、基本的には、シート3に着座した乗員がその上体を傾けた場合(詳しくは、乗員と車両1とを合わせた全体の重心点の位置(水平面に投影した位置)を動かすように上体を傾けた場合)に、該上体を傾けた側に基体9がシート3と共に傾動する。そして、この時、基体9が傾いた側に車両1が移動するように、車輪体5の移動動作が制御される。例えば、乗員が上体を前傾させ、ひいては、基体9をシート3と共に前傾させると、車両1が前方に移動するように、車輪体5の移動動作が制御される。すなわち、本実施形態では、乗員が上体を動かし、ひいては、シート3と共に基体9を傾動させるという動作が、車両1に対する1つの基本的な操縦操作(車両1の動作要求)とされ、その操縦操作に応じて車輪体5の移動動作がアクチュエータ装置7を介して制御される。
First, schematic operation control of the
ここで、本実施形態の車両1は、その全体の接地面としての車輪体5の接地面が、車両1とこれに搭乗する乗員との全体を床面に投影した領域に比して面積が小さい単一の局所領域となり、その単一の局所領域だけに床反力が作用する。このため、基体9が傾倒しないようにするためには、乗員及び車両1の全体の重心点が車輪体5の接地面のほぼ真上に位置するように、車輪体5を動かす必要がある。
Here, in the
そこで、本実施形態では、乗員及び車両1の全体の重心点が、車輪体5の中心点(軸心C2上の中心点)のほぼ真上に位置する状態(より正確には当該重心点が車輪体5の接地面のほぼ真上に位置する状態)での基体9の姿勢を目標姿勢とし、基本的には、基体9の実際の姿勢を目標姿勢に収束させるように、車輪体5の移動動作が制御される。
Therefore, in the present embodiment, the center of gravity of the entire occupant and
また、車両1を発進させる場合等において、アクチュエータ装置7による推進力とは別に、例えば乗員が必要に応じて自身の足により床を蹴り、それにより車両1の移動速度を増速させる推進力(乗員の足平と床との摩擦力による推進力)を、付加的な外力として車両1に作用させた場合には、それに応じて車両1の移動速度(より正確には、乗員及び車両の全体の重心点の移動速度)が増速するように、車輪体5の移動動作が制御される。なお、当該推進力の付加が停止された状態では、車両1の移動速度が一旦、一定速度に保持された後、減衰して、該車両1が停止するように、車輪体5の移動動作が制御される(車輪体5の制動制御が行われる)。
In addition, when starting the
さらに、車両1に乗員が搭乗していない状態では、車両1の単体の重心点が、車輪体5の中心点(軸心C2上の中心点)のほぼ真上に位置する状態(より正確には当該重心点が車輪体5の接地面のほぼ真上に位置する状態)での基体9の姿勢を目標姿勢とし、該基体9の実際の姿勢を目標姿勢に収束させ、ひいては、基体9が傾倒することなく車両1が自立するように、車輪体5の移動動作が制御される。
Further, in a state where no occupant is on board the
本実施形態では、以上の如き車両1の動作制御を行うために、図1及び図2に示すように、マイクロコンピュータや電動モータ31R,31Lのドライブ回路ユニットなどを含む電子回路ユニットにより構成された制御ユニット50と、基体9の所定の部位の鉛直方向(重力方向)に対する傾斜角θb及びその変化速度(=dθb/dt)を計測するための傾斜センサ52と、車両1に乗員が搭乗しているか否かを検知するための荷重センサ54と、電動モータ31R,31Lのそれぞれの出力軸の回転角度及び回転角速度を検出するための角度センサとしてのロータリーエンコーダ56R,56Lがそれぞれ、車両1の適所に搭載されている。
In the present embodiment, in order to control the operation of the
この場合、制御ユニット50及び傾斜センサ52は、例えば、基体9の支柱フレーム13の内部に収容された状態で該支柱フレーム13に取付けられている。また、荷重センサ54は、シート3に内蔵されている。また、ロータリーエンコーダ56R,56Lは、それぞれ、電動モータ31R,31Lと一体に設けられている。なお、ロータリーエンコーダ56R,56Lは、それぞれ、回転部材27R,27Lに装着してもよい。
In this case, the
上記傾斜センサ52は、より詳しくは、加速度センサとジャイロセンサ等のレートセンサ(角速度センサ)とから構成され、これらのセンサの検出信号を制御ユニット50に出力する。そして、制御ユニット50が、傾斜センサ52の加速度センサ及びレートセンサの出力を基に、所定の計測演算処理(これは公知の演算処理でよい)を実行することによって、傾斜センサ52を搭載した部位(本実施形態では支柱フレーム13)の、鉛直方向に対する傾斜角度θbの計測値とその変化速度(微分値)である傾斜角速度θbdotの計測値とを算出する。
More specifically, the
この場合、計測する傾斜角度θb(以降、基体傾斜角度θbということがある)は、より詳しくは、それぞれ、Y軸周り方向(ピッチ方向)の成分θb_xと、X軸周り方向(ロール方向)の成分θb_yとから成る。同様に、計測する傾斜角速度θbdot(以降、基体傾斜角速度θbdotということがある)も、Y軸周り方向(ピッチ方向)の成分θbdot_x(=dθb_x/dt)と、X軸周り方向(ロール方向)の成分θbdot_y(=dθb_y/dt)とから成る。 In this case, the tilt angle θb to be measured (hereinafter also referred to as the base body tilt angle θb) is more specifically, the component θb_x in the Y axis direction (pitch direction) and the X axis direction (roll direction), respectively. It consists of component θb_y. Similarly, the measured tilt angular velocity θbdot (hereinafter also referred to as the base tilt angular velocity θbdot) is also measured in the Y-axis direction (pitch direction) component θbdot_x (= dθb_x / dt) and the X-axis direction (roll direction). Component θbdot_y (= dθb_y / dt).
なお、本実施形態の説明では、上記基体傾斜角度θbなど、X軸及びY軸の各方向(又は各軸周り方向)の成分を有する運動状態量等の変数、あるいは、該運動状態量に関連する係数等の変数に関しては、その各成分を区別して表記する場合に、該変数の参照符号に、添え字“_x”又は“_y”を付加する。この場合において、並進速度等の並進運動に係わる変数については、そのX軸方向の成分に添え字“_x”を付加し、Y軸方向の成分に添え字“_y”を付加する。 In the description of the present embodiment, a variable such as a motion state quantity having a component in each direction of the X axis and the Y axis (or a direction around each axis) such as the base body inclination angle θb, or a relation to the motion state quantity. For a variable such as a coefficient to be processed, a suffix “_x” or “_y” is added to the reference symbol of the variable when each component is expressed separately. In this case, for a variable related to translational motion such as translational speed, a subscript “_x” is added to the component in the X-axis direction, and a subscript “_y” is added to the component in the Y-axis direction.
一方、角度、回転速度(角速度)、角加速度など、回転運動に係わる変数については、並進運動に係わる変数と添え字を揃えるために、便宜上、Y軸周り方向の成分に添え字“_x”を付加し、X軸周り方向の成分に添え字“_y”を付加する。 On the other hand, for variables related to rotational motion, such as angle, rotational speed (angular velocity), angular acceleration, etc., the subscript “_x” is added to the component around the Y axis for convenience in order to align the subscript with the variable related to translational motion. In addition, the subscript “_y” is added to the component around the X axis.
さらに、X軸方向の成分(又はY軸周り方向の成分)と、Y軸方向の成分(又はX軸周り方向の成分)との組として変数を表記する場合には、該変数の参照符号に添え字“_xy”を付加する。例えば、上記基体傾斜角度θbを、Y軸周り方向の成分θb_xとX軸周り方向の成分θb_yの組として表現する場合には、「基体傾斜角度θb_xy」というように表記する。 Further, when a variable is expressed as a set of a component in the X-axis direction (or a component around the Y-axis) and a component in the Y-axis direction (or a component around the X-axis), the reference numeral of the variable The subscript “_xy” is added. For example, when the base body tilt angle θb is expressed as a set of a component θb_x around the Y axis and a component θb_y around the X axis, it is expressed as “base body tilt angle θb_xy”.
前記荷重センサ54は、乗員がシート3に着座した場合に該乗員の重量による荷重を受けるようにシート3に内蔵され、その荷重に応じた検出信号を制御ユニット50に出力する。そして、制御ユニット50が、この荷重センサ54の出力により示される荷重の計測値に基づいて、車両1に乗員が搭乗しているか否かを判断する。なお、荷重センサ54の代わりに、例えば、乗員がシート3に着座したときにONとなるようなスイッチ式のセンサを用いてもよい。
The
ロータリーエンコーダ56Rは、電動モータ31Rの出力軸が所定角度回転する毎にパルス信号を発生し、このパルス信号を制御ユニット50に出力する。そして、制御ユニット50が、そのパルス信号を基に、電動モータ53Rの出力軸の回転角度を計測し、さらにその回転角度の計測値の時間的変化率(微分値)を電動モータ53Rの回転角速度として計測する。電動モータ31L側のロータリーエンコーダ56Lについても同様である。
The
制御ユニット50は、上記の各計測値を用いて所定の演算処理を実行することによって、電動モータ31R,31Lのそれぞれの回転角速度の目標値である速度指令を決定し、その速度指令に従って、電動モータ31R,31Lのそれぞれの回転角速度をフィードバック制御する。なお、電動モータ31Rの出力軸の回転角速度と、回転部材27Rの回転角速度との間の関係は、該出力軸と回転部材27Rとの間の一定値の減速比に応じた比例関係になるので、本実施形態の説明では、便宜上、電動モータ31Rの回転角速度は、回転部材27Rの回転角速度を意味するものとする。同様に、電動モータ31Lの回転角速度は、回転部材27Lの回転角速度を意味するものとする。
The
次に、制御ユニット50が車両制御のために行う演算処理の概略を説明する。
Next, an outline of arithmetic processing performed by the
なお、以降の説明では、基体傾斜角度θbの計測値θb_xy_sなど、変数(状態量)の実際の値の観測値(計測値又は推定値)を参照符号により表記する場合に、該変数の参照符号に、添え字“_s”を付加する。 In the following description, when an observed value (measured value or estimated value) of an actual value of a variable (state quantity) such as a measured value θb_xy_s of the base body tilt angle θb is represented by a reference code, the reference code of the variable Is appended with a subscript “_s”.
また、以降の説明では、制御ユニット50が各制御処理周期で決定する値(更新する値)に関し、現在の(最新の)制御処理周期で決定する値を今回値、その1つ前の制御処理周期で決定した値を前回値ということがある。そして、今回値、前回値を特にことわらない値は、今回値を意味する。
In the following description, regarding the value (value to be updated) determined by the
また、X軸方向の速度及び加速度に関しては、前方向きを正の向きとし、Y軸方向の速度及び加速度に関しては、左向きを正の向きとする。 Further, regarding the speed and acceleration in the X-axis direction, the forward direction is a positive direction, and regarding the speed and acceleration in the Y-axis direction, the left direction is a positive direction.
本実施形態では、車両系重心点の動力学的な挙動(詳しくは、Y軸方向からこれに直交する面(XZ平面)に投影して見た挙動と、X軸方向からこれに直交する面(YZ平面)に投影して見た挙動)が、近似的に、図7に示すような、倒立振子モデルの挙動(倒立振子の動力学的挙動)によって表現されるものとして、車両制御のための演算処理が行われる。 In this embodiment, the dynamic behavior of the center of gravity of the vehicle system (specifically, the behavior seen by projecting from the Y-axis direction onto the plane orthogonal to this (XZ plane) and the plane orthogonal to this from the X-axis direction) (Behavior projected on the (YZ plane)) is approximately expressed by the behavior of the inverted pendulum model (the dynamic behavior of the inverted pendulum) as shown in FIG. The arithmetic processing is performed.
なお、図7において、括弧を付していない参照符号は、Y軸方向から見た倒立振子モデルに対応する参照符号であり、括弧付きの参照符号は、X軸方向から見た倒立振子モデルに対応する参照符号である。この場合、Y軸方向から見た挙動を表現する倒立振子モデルは、車両の重心点に位置する質点60_xと、Y軸方向に平行な回転軸62a_xを有して床面上を輪転自在な仮想的な車輪62_x(以降、仮想車輪62_xという)とを備える。そして、質点60_xが、仮想車輪62_xの回転軸62a_xに直線状のロッド64_xを介して支持され、該回転軸62a_xを支点として該回転軸62a_xの周りに揺動自在とされている。 In FIG. 7, reference numerals without parentheses are reference numerals corresponding to the inverted pendulum model viewed from the Y-axis direction, and reference numerals with parentheses refer to the inverted pendulum model viewed from the X-axis direction. Corresponding reference sign. In this case, the inverted pendulum model expressing the behavior viewed from the Y-axis direction has a mass point 60_x located at the center of gravity of the vehicle and a rotation axis 62a_x parallel to the Y-axis direction, and can be rotated freely on the floor surface. Wheel 62_x (hereinafter referred to as virtual wheel 62_x). The mass point 60_x is supported by the rotation shaft 62a_x of the virtual wheel 62_x via the linear rod 64_x, and can swing around the rotation shaft 62a_x with the rotation shaft 62a_x as a fulcrum.
この倒立振子モデルでは、質点60_xの運動が、Y軸方向から見た車両系重心点の運動に相当する。また、鉛直方向に対するロッド64_xの傾斜角度θbe_xがY軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_x_sと基体傾斜角度目標値θb_x_objとの偏差θbe_x_s(=θb_x_s−θb_x_obj)に一致するものとされる。また、ロッド64_xの傾斜角度θbe_xの変化速度(=dθbe_x/dt)がY軸周り方向の基体傾斜角速度計測値θbdot_x_sに一致するものとされる。また、仮想車輪62_xの移動速度Vw_x(X軸方向の並進移動速度)は、車両1の車輪体5のX軸方向の移動速度に一致するものとされる。
In this inverted pendulum model, the motion of the mass point 60_x corresponds to the motion of the vehicle system center of gravity as viewed from the Y-axis direction. Further, the inclination angle θbe_x of the rod 64_x with respect to the vertical direction coincides with the deviation θbe_x_s (= θb_x_s−θb_x_obj) between the measured base body tilt angle value θb_x_s and the base body tilt angle target value θb_x_obj in the direction around the Y axis. Further, the changing speed (= dθbe_x / dt) of the inclination angle θbe_x of the rod 64_x is set to coincide with the measured body inclination angular velocity θbdot_x_s in the direction around the Y axis. Further, the movement speed Vw_x (translation movement speed in the X-axis direction) of the virtual wheel 62_x is the same as the movement speed in the X-axis direction of the
同様に、X軸方向から見た挙動を表現する倒立振子モデル(図7の括弧付きの符号を参照)は、車両系重心点に位置する質点60_yと、X軸方向に平行な回転軸62a_yを有して床面上を輪転自在な仮想的な車輪62_y(以降、仮想車輪62_yという)とを備える。そして、質点60_yが、仮想車輪62_yの回転軸62a_yに直線状のロッド64_yを介して支持され、該回転軸62a_yを支点として該回転軸62a_yの周りに揺動自在とされている。 Similarly, an inverted pendulum model (refer to the reference numerals in parentheses in FIG. 7) expressing the behavior seen from the X-axis direction includes a mass point 60_y located at the center of gravity of the vehicle system and a rotation axis 62a_y parallel to the X-axis direction. And virtual wheels 62_y (hereinafter referred to as virtual wheels 62_y) that can rotate on the floor surface. The mass point 60_y is supported by the rotation shaft 62a_y of the virtual wheel 62_y via a linear rod 64_y, and can swing around the rotation shaft 62a_y with the rotation shaft 62a_y as a fulcrum.
この倒立振子モデルでは、質点60_yの運動が、X軸方向から見た車両系重心点の運動に相当する。また、鉛直方向に対するロッド64_yの傾斜角度θbe_yがX軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_y_sと基体傾斜角度目標値θb_y_objとの偏差θbe_y_s(=θb_y_s−θb_y_obj)に一致するものとされる。また、ロッド64_yの傾斜角度θbe_yの変化速度(=dθbe_y/dt)がX軸周り方向の基体傾斜角速度計測値θbdot_y_sに一致するものとされる。また、仮想車輪62_yの移動速度Vw_y(Y軸方向の並進移動速度)は、車両1の車輪体5のY軸方向の移動速度に一致するものとされる。
In this inverted pendulum model, the motion of the mass point 60_y corresponds to the motion of the vehicle system center-of-gravity point viewed from the X-axis direction. In addition, the inclination angle θbe_y of the rod 64_y with respect to the vertical direction coincides with the deviation θbe_y_s (= θb_y_s−θb_y_obj) between the measured base body tilt angle value θb_y_s and the base body tilt angle target value θb_y_obj in the direction around the X axis. In addition, the change speed (= dθbe_y / dt) of the inclination angle θbe_y of the rod 64_y coincides with the measured base body inclination angular velocity θbdot_y_s in the direction around the X axis. Further, the moving speed Vw_y (translational moving speed in the Y-axis direction) of the virtual wheel 62_y is set to coincide with the moving speed in the Y-axis direction of the
なお、仮想車輪62_x,62_yは、それぞれ、あらかじめ定められた所定値Rw_x,Rw_yの半径を有するものとされる。また、仮想車輪62_x,62_yのそれぞれの回転角速度ωw_x,ωw_yと、電動モータ31R,31Lのそれぞれの回転角速度ω_R,ω_L(より正確には、回転部材27R,27Lのそれぞれの回転角速度ω_R,ω_L)との間には、次式01a,01bの関係が成立するものとされる。
ωw_x=C・(ω_R−ω_L)/2 ……式01a
ωw_y=(ω_R+ω_L)/2 ……式01b
The virtual wheels 62_x and 62_y have predetermined radii of predetermined values Rw_x and Rw_y, respectively. Further, the rotational angular velocities ωw_x and ωw_y of the virtual wheels 62_x and 62_y and the rotational angular velocities ω_R and ω_L of the
ωw_x = C · (ω_R−ω_L) / 2 …… Formula 01a
ωw_y = (ω_R + ω_L) / 2 …… Formula 01b
なお、式01aにおける“C”は、前記フリーローラ29R,29Lと車輪体5との間の機構的な関係や滑りに依存する所定値の係数である。ここで、図7に示す倒立振子モデルの動力学は、次式03x,03yにより表現される。なお、式03xは、Y軸方向から見た倒立振子モデルの動力学を表現する式、式03yは、X軸方向から見た倒立振子モデルの動力学を表現する式である。
d2θbe_x/dt2=α_x・θbe_x+β_x・ωwdot_x ……式03x
d2θbe_y/dt2=α_y・θbe_y+β_y・ωwdot_y ……式03y
Note that “C” in the expression 01a is a coefficient of a predetermined value depending on the mechanical relationship between the
d 2 θbe_x / dt 2 = α_x · θbe_x + β_x · ωwdot_x ...... Formula 03x
d 2 θbe_y / dt 2 = α_y · θbe_y + β_y · ωwdot_y ...... Formula 03y
式03xにおけるωwdot_xは仮想車輪62_xの回転角加速度(回転角速度ωw_xの1階微分値)、α_xは、質点60_xの質量や高さh_xに依存する係数、β_xは、仮想車輪62_xのイナーシャ(慣性モーメント)や半径Rw_xに依存する係数である。式03yにおけるωwdot_y、α_y、β_yについても上記と同様である。これらの式03x,03yから判るように、倒立振子の質点60_x,60_yの運動(ひいては車両系重心点の運動)は、それぞれ、仮想車輪62_xの回転角加速度ωwdot_x、仮想車輪62_yの回転角加速度ωwdot_yに依存して規定される。 In equation 03x, ωwdot_x is the rotational angular acceleration of the virtual wheel 62_x (first-order differential value of the rotational angular velocity ωw_x), α_x is a coefficient that depends on the mass and height h_x of the mass 60_x, and β_x is the inertia (moment of inertia of the virtual wheel 62_x ) And the radius Rw_x. The same applies to ωwdot_y, α_y, and β_y in Expression 03y. As can be seen from these equations 03x and 03y, the motions of the mass points 60_x and 60_y of the inverted pendulum (and hence the motion of the center of gravity of the vehicle system) are the rotational angular acceleration ωwdot_x of the virtual wheel 62_x and the rotational angular acceleration ωwdot_y of the virtual wheel 62_y, respectively. It is defined depending on.
そこで、本実施形態では、Y軸方向から見た車両系重心点の運動を制御するための操作量(制御入力)として、仮想車輪62_xの回転角加速度ωwdot_xを用いると共に、X軸方向から見た車両系重心点の運動を制御するための操作量(制御入力)として、仮想車輪62_yの回転角加速度ωwdot_yを用いる。 Therefore, in the present embodiment, the rotational angular acceleration ωwdot_x of the virtual wheel 62_x is used as an operation amount (control input) for controlling the motion of the vehicle system center of gravity point viewed from the Y-axis direction, and viewed from the X-axis direction. The rotational angular acceleration ωwdot_y of the virtual wheel 62_y is used as an operation amount (control input) for controlling the motion of the vehicle system center of gravity.
そして、車両制御のための演算処理を概略的に説明すると、制御ユニット50は、X軸方向で見た質点60_xの運動と、Y軸方向で見た質点60_yの運動とが、車両系重心点の所望の運動に対応する運動となるように、操作量としての上記回転角加速度ωwdot_x,ωwdot_yの指令値(目標値)である仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd,ωwdot_y_cmdを決定する。さらに、制御ユニット50は、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd,ωwdot_y_cmdをそれぞれ積分してなる値を、仮想車輪62_x,62_yのそれぞれの回転角速度ωw_x,ωw_yの指令値(目標値)である仮想車輪回転角速度指令ωw_x_cmd,ωw_y_cmdとして決定する。
The calculation processing for vehicle control will be described schematically. The
そして、制御ユニット50は、仮想車輪回転角速度指令ωw_x_cmdに対応する仮想車輪62_xの移動速度(=Rw_x・ωw_x_cmd)と、仮想車輪回転角速度指令ωw_y_cmdに対応する仮想車輪62_yの移動速度(=Rw_y・ωw_y_cmd)とを、それぞれ、車両1の車輪体5のX軸方向の目標移動速度、Y軸方向の目標移動速度とし、それらの目標移動速度を実現するように、電動モータ31R,31Lのそれぞれの速度指令ω_R_cmd,ωL_cmdを決定する。
Then, the
次に、上記の車両1を用いた歩行補助システムの構成を説明する。図8及び図9は、本実施形態による歩行補助システムの構成を模式的に示している。図8は、歩行補助システムを横から見た図であり、図9は、歩行補助システムを上から見た図である。
Next, the configuration of the walking assist system using the
本実施形態による歩行補助システムは、傾斜センサ52及び6軸力センサ57を内蔵した2台の車両1a,1bと、これら2台の車両1a,1bが係止されたベルト58とを備える。使用者U(装着者)がベルト58を腰部に装着して歩行すると、2台の車両1a,1bが使用者Uを支えると共に使用者Uを後ろから押すことで歩行を補助する。なお、車両1a,1bには人が搭乗しないので、前述したシート3、シートフレーム15、グリップ17R,17L、ブラケット19R,19L、ステップ25R,25L、荷重センサ54は必要ない。また、本実施形態では2台の車両を用いているが、3台以上であってもよい。
The walking assist system according to the present embodiment includes two
ベルト58は、基準軸P方向を基準とした場合の水平方向に対する車両1aの開き角度θ1及び車両1bの開き角度θ2を検出する角度センサ(後述する開き角度センサ59a,59b)と、鉛直方向に対する各車両の傾き角度に相当する基体傾斜角度θbの目標値θb_x_objをリセットするためのボタン(後述する傾斜角リセットボタン61)とを内蔵している。この角度センサは、ベルト58において、車両1a,1bとの接続部分に配置されており、車両1a,1bとベルト58とを接続する軸を中心に車両1a,1bが水平面内で回転したときの回転量を開き角度θ1,θ2として検出する。本実施形態では、開き角度θ1,θ2が一定に収束するような制御が行われるため、使用者Uが任意の方向に移動した場合でも、使用者Uと車両1a,1bとの位置関係を一定に保つことができる。すなわち、使用者Uの向きの変化に合わせて車両1a,1bが向きを変えると共に、車両1a,1bの開き角度が一定となる。
The
基体傾斜角度θbの目標値θb_x_objは、例えば使用者Uがベルト58を装着したときの基体傾斜角度θbに設定される。そして、本実施形態では、車両1a,1bの基体傾斜角度θbの計測値θb_x_sが目標値θb_x_objに収束するような制御が行われる。
The target value θb_x_obj of the base body tilt angle θb is set to, for example, the base body tilt angle θb when the user U wears the
車両1a,1bは、前述した傾斜センサ52と共に、車両1a,1bに加わる力(車両1a,1bと装着者の間の力)を検出する6軸力センサ57を内蔵している。この6軸力センサ57は、車両1a,1bにおいて、ベルト58との接続部分の近傍に配置されている。以下では、車両1aの6軸力センサ57が検出した、車両1aの座標系におけるX軸方向の力をFx1とし、車両1bの6軸力センサ57が検出した、車両1bの座標系におけるX軸方向の力をFx2とする。本実施形態では、6軸力センサ57が検出した力の低周波成分に応じて車両1a,1bの速度が制御されるため、車両1a,1bの前後方向の移動の揺らぎによる歩行の揺らぎ(例えば左右方向の蛇行)が抑えられ、使用者Uが安定して一定方向に進むことができる。
The
図10は、本実施形態による歩行補助システムの機能構成を示している。なお、図10は、車両1a,1bの走行制御に係る要部の構成のみを示し、一部の構成を省略している。
FIG. 10 shows a functional configuration of the walking assist system according to the present embodiment. In addition, FIG. 10 shows only the configuration of the main part related to the travel control of the
ベルト58は、車両1aの開き角度θ1を検出する開き角度センサ59aと、車両1bの開き角度θ2を検出する開き角度センサ59bと、傾斜角リセットボタン61とを備える。開き角度センサ59aが検出した開き角度θ1を示す信号は車両1aの制御ユニット50へ出力され、開き角度センサ59bが検出した開き角度θ2を示す信号は車両1bの制御ユニット50へ出力される。傾斜角リセットボタン61からの信号は車両1a,1bの制御ユニット50へ出力される。
The
車両1a,1bは、図1等に示した車輪体5の駆動力を発生するアクチュエータ装置7と、各車両の走行制御を行う制御ユニット50と、基体傾斜角度θb及びその変化速度(=dθb/dt)を検出する傾斜センサ52と、各車両に加わる力(各車両と装着者の間の力)を検出する6軸力センサ57とを備える。前述したように、アクチュエータ装置7は、図1等に示した回転部材27R及びフリーローラ29Rと、回転部材27L及びフリーローラ29Lと、電動モータ31R及び電動モータ31Lとを備える。
The
次に、制御ユニット50の制御処理をさらに詳細に説明する。制御ユニット50は、所定の制御処理周期で図11のフローチャートに示す処理(メインルーチン処理)を実行する。
Next, the control process of the
まず、ステップS100において、制御ユニット50は、傾斜センサ52の出力を取得する。
First, in step S100, the
次いで、ステップS110に進んで、制御ユニット50は、取得した傾斜センサ52の出力を基に、基体傾斜角度θbの計測値θb_xy_sと、基体傾斜角速度θbdotの計測値θbdot_xy_sとを算出する。
Next, the process proceeds to step S110, and the
次いで、ステップS120に進んで、制御ユニット50は、開き角度センサ59aの出力である開き角度θ1の計測値θ1_s又は開き角度センサ59bの出力である開き角度θ2の計測値θ2_sを取得する。
Next, proceeding to step S120, the
次いで、ステップS130に進んで、制御ユニット50は、6軸力センサ57の出力である力Fx1の計測値Fx1_s又は力Fx2の計測値Fx2_sを取得する。
Next, the process proceeds to step S130, and the
次いで、ステップS140に進んで、制御ユニット50は、傾斜角リセットボタン61が操作されたか否かを判定する。この操作とは、例えば傾斜角リセットボタン61をOFFからONに切り替える操作である。
Next, the process proceeds to step S140, and the
傾斜角リセットボタン61が操作された場合、ステップS150に進んで、制御ユニット50は、基体傾斜角度θbの目標値θb_x_objを現在の基体傾斜角度θbに設定する。初期設定された目標値θb_x_objが使用者Uの歩行特性に合致せず、使用者Uが歩きにくさを感じた場合に、目標値θb_x_objを歩行中の一時点における基体傾斜角度θbに更新することによって、使用者の歩行をより安定化することができる。また、傾斜角リセットボタン61が操作された場合は、ステップS150を実行せずに次のステップS160に進む。
When the tilt
次いで、ステップS160に進んで、制御ユニット50は、車両制御演算処理を実行することによって、電動モータ31R,31Lのそれぞれの速度指令を決定する。この車両制御演算処理の詳細は後述する。
Next, the process proceeds to step S160, and the
次いで、ステップS170に進んで、制御ユニット50は、ステップS160で決定した速度指令に応じて電動モータ31R,31Lの動作制御処理を実行する。この動作制御処理では、制御ユニット50は、ステップS160で決定した電動モータ31Rの速度指令と、ロータリーエンコーダ56Rの出力に基づき計測した電動モータ31Rの回転速度の計測値との偏差に応じて、該偏差を“0”に収束させるように電動モータ31Rの出力トルクの目標値(目標トルク)を決定する。そして、制御ユニット50は、その目標トルクの出力トルクを電動モータ31Rに出力させるように該電動モータ31Rの通電電流を制御する。左側の電動モータ31Lの動作制御についても同様である。以上が、制御ユニット50が実行する全体的な制御処理である。
Next, the process proceeds to step S170, and the
制御ユニット50は、上記の如き、ステップS160の車両制御演算処理を実行するための機能として、図12のブロック図で示す機能を備えている。すなわち、制御ユニット50は、車両1aに加わる力の計測値Fx1_sの高周波成分を除去するための時定数Tのローパスフィルタとして機能するフィルタ演算部70と、車両1bに加わる力の計測値Fx2_sの高周波成分を除去するための時定数Tのローパスフィルタとして機能するフィルタ演算部71と、車両の重心点の移動速度である重心速度Vb_xyの観測値としての重心速度推定値Vb_xy_sを算出する重心速度算出部72とを備える。また、制御ユニット50は、さらに、前述した仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを算出する姿勢制御演算部80と、この仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを、右側の電動モータ31Rの速度指令ω_R_cmd(回転角速度の指令値)と左側の電動モータ31Lの速度指令ω_L_cmd(回転角速度の指令値)との組に変換するモータ指令演算部82とを備える。
As described above, the
なお、図12中の参照符号84を付したものは、姿勢制御演算部80が制御処理周期毎に算出する仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを入力する遅延要素を示している。該遅延要素84は、各制御処理周期において、仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdの前回値ωw_xy_cmd_pを出力する。
The
ステップS160の車両制御演算処理では、これらの上記の各処理部の処理が以下に説明するように実行される。すなわち、制御ユニット50は、まず、フィルタ演算部70,71の処理と重心速度算出部72の処理とを実行する。
In the vehicle control calculation process of step S160, the processes of the above-described respective processing units are executed as described below. That is, the
フィルタ演算部70には、ステップS130で取得された力計測値Fx1_sが入力される。そして、フィルタ演算部70は、Fx1_sから高周波成分を除去するフィルタ演算を実行する。同様に、フィルタ演算部71には、ステップS130で取得された力計測値Fx2_sが入力される。そして、フィルタ演算部71は、Fx2_sから高周波成分を除去するフィルタ演算を実行する。
The force calculation value Fx1_s acquired in step S130 is input to the
重心速度算出部72には、ステップS110で算出された基体傾斜角速度計測値θbdot_xy_s(θbdot_x_s及びθbdot_y_s)の今回値が入力されると共に、仮想車輪速度指令ωw_xy_cmdの前回値ωw_xy_cmd_p(ωw_x_cmd_p及びωw_y_cmd_p)が遅延要素84から入力される。そして、重心速度算出部72は、これらの入力値から、前記倒立振子モデルに基づく所定の演算式によって、重心速度推定値Vb_xy_s(Vb_x_s及びVb_y_s)を算出する。
The center-of-gravity
具体的には、重心速度算出部72は、次式05x,05yにより、Vb_x_s及びVb_y_sをそれぞれ算出する。
Vb_x_s=Rw_x・ωw_x_cmd_p+h_x・θbdot_x_s ……05x
Vb_y_s=Rw_y・ωw_y_cmd_p+h_y・θbdot_y_s ……05y
Specifically, the center-of-gravity
Vb_x_s = Rw_x · ωw_x_cmd_p + h_x · θbdot_x_s ...... 05x
Vb_y_s = Rw_y · ωw_y_cmd_p + h_y · θbdot_y_s …… 05y
これらの式05x,05yにおいて、Rw_x,Rw_yは、前記したように、仮想車輪62_x,62_yのそれぞれの半径であり、これらの値は、あらかじめ設定された所定値である。また、h_x,h_yは、それぞれ倒立振子モデルの質点60_x,60_yの高さである。この場合、本実施形態では、車両の重心点の高さは、ほぼ一定に維持されるものとされる。そこで、h_x,h_yの値としては、それぞれ、あらかじめ設定された所定値が用いられる。 In these expressions 05x and 05y, Rw_x and Rw_y are the respective radii of the virtual wheels 62_x and 62_y as described above, and these values are predetermined values set in advance. H_x and h_y are the heights of the mass points 60_x and 60_y of the inverted pendulum model, respectively. In this case, in the present embodiment, the height of the center of gravity of the vehicle is maintained substantially constant. Therefore, predetermined values set in advance are used as the values of h_x and h_y, respectively.
上記式05xの右辺の第1項は、仮想車輪62_xの速度指令の前回値ωw_x_cmd_pに対応する該仮想車輪62_xのX軸方向の移動速度であり、この移動速度は、車輪体5のX軸方向の実際の移動速度の現在値に相当するものである。また、式05xの右辺の第2項は、基体9がY軸周り方向にθbdot_x_sの傾斜角速度で傾動することに起因して生じる車両系重心点のX軸方向の移動速度(車輪体5に対する相対的な移動速度)の現在値に相当するものである。これらのことは、式05yについても同様である。
The first term on the right side of the formula 05x is the moving speed in the X-axis direction of the virtual wheel 62_x corresponding to the previous value ωw_x_cmd_p of the speed command of the virtual wheel 62_x, and this moving speed is the X-axis direction of the
なお、ロータリーエンコーダ56R,56Lの出力を基に計測される電動モータ31R,31Lのそれぞれの回転角速度の計測値(今回値)の組を、仮想車輪62_x,62_yのそれぞれの回転角速度の組に変換し、それらの回転角速度を、式05x、05yのωw_x_cmd_p、ωw_y_cmd_pの代わりに用いてもよい。ただし、回転角速度の計測値に含まれるノイズの影響を排除する上では、目標値であるωw_x_cmd_p、ωw_y_cmd_pを使用することが有利である。
Note that a set of rotational angular velocity values (current value) of the
制御ユニット50は、以上の如くフィルタ演算部70,71及び重心速度算出部72の処理を実行した後、次に、姿勢制御演算部80の処理を実行する。この姿勢制御演算部80の処理を説明する。
The
姿勢制御演算部80には、フィルタ演算部70,71で高周波成分が除去された力計測値Fx1_s,Fx1_sと、ステップS120で取得された開き角度計測値θ1_s,θ2_sと、ステップS110で算出された基体傾斜角計測値θb_xy_s及び基体傾斜角速度計測値θbdot_xy_sと、重心速度算出部72で算出された重心速度推定値Vb_xy_sとが入力される。
The posture
そして、姿勢制御演算部80は、まず、これらの入力値を用いて、次式07x,07y,08x,08yにより、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_xy_cmd(ωwdot_x_cmd及びωwdot_y_cmd)を算出する。
Then, the attitude
なお、式07x,07yは車両1aについての式であり、式08x,08y車両1bについての式である。また、K1〜K6,W1〜W3はゲイン係数であり、θsetは開き角度θ1,θ2の目標値であり、biasは、例えば固定値である。
The expressions 07x and 07y are expressions for the
従って、本実施形態では、Y軸方向から見た倒立振子モデルの質点60_xの運動(ひいては、Y軸方向から見た車両の重心点の運動)を制御するための操作量(制御入力)としての仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmdと、X軸方向から見た倒立振子モデルの質点60_yの運動(ひいては、X軸方向から見た車両の重心点の運動)を制御するための操作量(制御入力)としての仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_y_cmdとは、それぞれ、式07x,07y,08x,08yの右辺の5つの項を加え合わせることによって決定される。 Therefore, in this embodiment, as an operation amount (control input) for controlling the motion of the mass point 60_x of the inverted pendulum model as viewed from the Y-axis direction (and hence the motion of the center of gravity of the vehicle as viewed from the Y-axis direction). Virtual wheel rotation angular acceleration command ωwdot_x_cmd and the operation amount (control input) for controlling the motion of the mass point 60_y of the inverted pendulum model viewed from the X-axis direction (and the motion of the center of gravity of the vehicle viewed from the X-axis direction) The virtual wheel rotation angular acceleration command ωwdot_y_cmd is determined by adding the five terms on the right side of the expressions 07x, 07y, 08x, and 08y, respectively.
ここで、式07xの右辺の第1項及び第2項は、X軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_x_sと目標値θb_x_objの差分を、フィードバック制御則としてのPD則(比例・微分則)により“0”に収束させる(基体傾斜角度計測値θb_x_sを目標値θb_x_objに収束させる)ためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。これは、式08xの右辺の第1項及び第2項についても同様である。 Here, the first term and the second term on the right side of the expression 07x are the PD law (proportional / differential law) as the feedback control law, which is the difference between the measured base body tilt angle value θb_x_s and the target value θb_x_obj around the X axis. Therefore, it has a meaning as a feedback manipulated variable component for converging to “0” (converging the base body tilt angle measurement value θb_x_s to the target value θb_x_obj). The same applies to the first and second terms on the right side of Expression 08x.
また、式07yの右辺の第1項及び第2項は、Y軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_y_sを比例・微分則により“0”に収束させるためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。これは、式08yの右辺の第1項及び第2項についても同様である。 Also, the first and second terms on the right side of the expression 07y have the meanings as feedback manipulated variable components for converging the base body tilt angle measurement value θb_y_s in the direction around the Y axis to “0” by the proportional / derivative law. Have. The same applies to the first and second terms on the right side of Expression 08y.
また、式07xの右辺の第3項は、重心速度推定値Vb_x_sをフィードバック制御則としての比例則により“0”に収束させるためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。これは、式07y,08x,08yの右辺の第3項についても同様である。 The third term on the right side of the expression 07x has a meaning as a feedback manipulated variable component for converging the center-of-gravity velocity estimated value Vb_x_s to “0” by the proportional law as the feedback control law. The same applies to the third term on the right side of the expressions 07y, 08x, and 08y.
また、式07xの右辺の第4項は、力計測値Fx1_sの低周波成分をフィードバック制御則としての比例則により“0”に収束させるためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。使用者Uが急激ではなくやんわりと車両1a,1bを引っ張る力を車両1a,1bの速度に反映させつつ、歩行による腰の前後の動きや左右の揺れに影響されないようにするため、低周波成分のみを取り出している。これによって、腰の前後の動きや左右の揺れが抑えられ、歩行が安定する。これは、式08xの右辺の第4項についても同様である。
The fourth term on the right side of the expression 07x has a meaning as a feedback manipulated variable component for converging the low frequency component of the force measurement value Fx1_s to “0” by the proportional law as the feedback control law. Low frequency component in order to prevent the user U from pulling the
また、式07yの右辺の第4項及び第5項は、開き角度計測値θ1_sと目標値θsetの差分を、フィードバック制御則としてのPD則(比例・微分則)により“0”に収束させる(開き角度計測値θ1_sを目標値θsetに収束させる)ためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。これは、式08yの右辺の第4項及び第5項についても同様である。 Further, the fourth and fifth terms on the right side of the expression 07y converge the difference between the measured opening angle value θ1_s and the target value θset to “0” by the PD rule (proportional / differential rule) as a feedback control law ( It has a meaning as a feedback manipulated variable component for converging the measured opening angle value θ1_s to the target value θset). The same applies to the fourth and fifth terms on the right side of Expression 08y.
また、式07xの右辺の第5項は、車両1a,1bが常に使用者Uを少し押すためのバイアスである。これは、式08xの右辺の第5項についても同様である。このバイアスは固定値でもよいし、歩行中に調整できるようにしてもよい。このバイアスが存在することによって、使用者Uが常に押されるようになり、歩行が楽になる。
Further, the fifth term on the right side of the expression 07x is a bias for the
姿勢制御演算部80は、上記の如く、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd,ωwdot_y_cmdを算出した後、次に、これらのωwdot_x_cmd,ωwdot_y_cmdをそれぞれ積分することによって、仮想車輪回転速度指令ωw_x_cmd,ωw_y_cmdを決定する。以上が姿勢制御演算部80の処理の詳細である。
After calculating the virtual wheel rotation angular acceleration commands ωwdot_x_cmd and ωwdot_y_cmd as described above, the attitude
図12の説明に戻って、制御ユニット50は、次に、姿勢制御演算部80で上記の如く決定した仮想車輪回転速度指令ωw_x_cmd,ωw_y_cmdをモータ指令演算部82に入力し、該モータ指令演算部82の処理を実行することによって、電動モータ31Rの速度指令ω_R_cmdと電動モータ31Lの速度指令ω_L_cmdとを決定する。
Returning to the description of FIG. 12, the
具体的には、モータ指令演算部82は、前述した式01a,01bのωw_x,ωw_y,ω_R,ω_Lをそれぞれ、ωw_x_com,ωw_y_com,ω_R_cmd,ω_L_cmdに置き換えて得られる連立方程式を、ω_R_cmd,ω_L_cmdを未知数として解くことによって、電動モータ31R,31Lのそれぞれの速度指令ω_R_com,ω_L_comを決定する。以上によりステップS160の車両制御演算処理が完了する。
Specifically, the motor
上述したように、制御ユニット50が制御演算処理を実行することによって、基本的には、基体9の姿勢が、基体傾斜角度計測値θb_x_sと目標値θb_x_objの差分が“0”かつ基体傾斜角度計測値θb_y_sが“0”となる姿勢(以下、この姿勢を基本姿勢という)に保たれるように、操作量(制御入力)としての仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_xy_cmdが決定される。
As described above, when the
そして、ωwdot_xy_cmdの各成分を積分してなる仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを変換してなる電動モータ31R,31Lのそれぞれの回転角速度が、電動モータ31R,31Lの速度指令ω_R_cmd,ω_L_cmdとして決定される。さらに、その速度指令ω_R_cmd,ω_L_cmdに従って、各電動モータ31R,31Lの回転速度が制御される。ひいては車輪体5のX軸方向及びY軸方向のそれぞれの移動速度が、ωw_x_cmdに対応する仮想車輪62_xの移動速度と、ωw_y_cmdに対応する仮想車輪62_yの移動速度とに各々一致するように制御される。
Then, the rotational angular velocities of the
このため、例えば、Y軸周り方向で、実際の基体傾斜角度θb_xが目標値θb_x_objからずれると、そのずれを解消すべく、車輪体5の速度が変化する。また、例えば、X軸周り方向で、実際の基体傾斜角度θb_yが“0”からずれると、そのずれを解消すべく、車輪体5の速度が変化する。
For this reason, for example, when the actual base body tilt angle θb_x deviates from the target value θb_x_obj in the direction around the Y axis, the speed of the
このようにして、基体9が基本姿勢から傾くと、その傾いた側に向かって姿勢を戻すように車輪体5の速度が変化することとなる。
In this way, when the
なお、使用者Uが転倒しそうになった場合には、式07x,08xの第1項により、基体傾斜角度θb_xを目標値θb_x_objに引き戻そうとする制御が働く。また、式07x,08xの第2項により、速度を“0”にしようとする(転倒を止めようとする)制御が働く。あるいは、使用者Uが急に転倒しそうになった場合には、式07x,08xの第4項により、その影響が緩和される。 When the user U is about to fall down, control is performed to return the base body tilt angle θb_x to the target value θb_x_obj according to the first term of the expressions 07x and 08x. In addition, the control to try to set the speed to “0” (try to stop toppling) works according to the second term of the expressions 07x and 08x. Alternatively, when the user U is about to fall down suddenly, the influence is mitigated by the fourth term of the expressions 07x and 08x.
また、制御ユニット50が制御演算処理を実行することによって、基体9の姿勢が、開き角度計測値θ1_s,θ2_sと目標値θsetの差分が“0”となる姿勢に保たれるように、操作量(制御入力)としての仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_y_cmdが決定される。
Further, when the
なお、使用者Uが、自らの意思により例えば右斜め前方に動いた場合、力Fx1が大きくなり、車両1aが車両1bよりも速く動くため、使用者Uは右斜め前方に進むことができる。同様に、使用者Uが、自らの意思により例えば左斜め前方に動いた場合も、使用者Uは左斜め前方に進むことができる。また、使用者Uが右回り又は左回りに回りたい場合に、使用者Uがそのように動くと、開き角度θ1,θ2がθsetになるように制御される。
Note that when the user U moves, for example, diagonally forward right by his / her own intention, the force Fx1 increases, and the
上述したように、2台以上の全方向移動車両により歩行中の使用者(装着者)を支持することによって、使用者の脚と全方向移動車両により形成される広い支持基底面が得られるため、歩行の安定性が増す。また、力センサにより検出した力及び角度センサにより検出した角度に基づいて車両制御演算を行うことにより、使用者の歩行が安定するように駆動機構を制御することができるので、使用者の歩行安定性を向上することができる。 As described above, since a user (wearer) who is walking is supported by two or more omnidirectional vehicles, a wide support base surface formed by the user's legs and omnidirectional vehicles can be obtained. , Increase the stability of walking. In addition, since the vehicle control calculation is performed based on the force detected by the force sensor and the angle detected by the angle sensor, the drive mechanism can be controlled so that the user's walking is stabilized. Can be improved.
また、車両制御演算を行って水平面内の開き角度を一定に収束させることにより、使用者が任意の方向に移動した場合でも、使用者と全方向移動車両との位置関係を一定に保つことができる。 In addition, by carrying out vehicle control calculations to converge the opening angle in the horizontal plane uniformly, even if the user moves in any direction, the positional relationship between the user and the omnidirectional vehicle can be kept constant. it can.
また、車両制御演算を行って鉛直面内の基体傾斜角度を所望の時点(例えば使用者がベルト58を装着した時点や、歩行中の一時点)での傾き角度に収束させることにより、全方向移動車両が使用者を押す際の鉛直方向の揺らぎを抑えることができ、装着者の歩行安定性をさらに向上することができる。
Further, the vehicle control calculation is performed so that the base body tilt angle in the vertical plane is converged to the tilt angle at a desired time point (for example, when the user wears the
また、車両制御演算を行って、力の低周波数成分に応じて全方向移動車両の速度を制御することにより、歩行時の細かい動きに伴う揺らぎを抑えることができ、使用者の歩行安定性をさらに向上することができる。 In addition, by performing vehicle control calculations and controlling the speed of omnidirectional vehicles according to the low-frequency component of force, fluctuations associated with fine movements during walking can be suppressed, and the user's walking stability can be reduced. This can be further improved.
以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。 As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the above-described embodiments, and includes design changes and the like without departing from the gist of the present invention. .
1,1a,1b 全方向移動車両(移動体)
5 車輪体(被駆動機構)
7 アクチュエータ装置(駆動部)
9 基体
50 制御ユニット(制御装置)
52 傾斜センサ(角度センサ)
57 6軸力センサ(力センサ)
58 ベルト(係止具)
59a,59b 開き角度センサ(角度センサ)
1, 1a, 1b Omnidirectional moving vehicle (moving body)
5 Wheel body (driven mechanism)
7 Actuator device (drive unit)
9
52 Tilt sensor (angle sensor)
57 6-axis force sensor (force sensor)
58 Belt (locking tool)
59a, 59b Opening angle sensor (angle sensor)
Claims (4)
前記倒立振子制御型の移動体に加わる力を検出する力センサと、
前記倒立振子制御型の移動体の姿勢に係る角度を検出する角度センサと、
前記係止具に係止された少なくとも2台以上の前記倒立振子制御型の移動体と、
前記力センサにより検出した力及び前記角度センサにより検出した角度に基づいて前記駆動部を制御する制御装置と、
を備えた歩行補助システム。 Inverted pendulum control type movement having a driven mechanism capable of moving a traveling surface, a driving unit for generating a driving force for driving the driven mechanism, and a base body on which the driven mechanism and the driving unit are assembled. A locking tool capable of locking at least two bodies to the waist of the wearer;
A force sensor for detecting a force applied to the inverted pendulum control type moving body;
An angle sensor for detecting an angle related to the posture of the inverted pendulum control type moving body;
At least two inverted pendulum control type moving bodies locked to the locking tool;
A control device for controlling the drive unit based on the force detected by the force sensor and the angle detected by the angle sensor;
Walking assistance system with
Priority Applications (1)
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WO2016047162A1 (en) * | 2014-09-25 | 2016-03-31 | シャープ株式会社 | Walking assistance vehicle |
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