JP2013052192A - パワーアシストロボット装置およびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 肩の動きを補助するための電動モータ1は、左右の肩関節の両サイドに配置され、受動回転軸2〜4を介して背面フレーム5に連結される。腰の動きを補助するための電動モータ11は、左右の腰関節の両サイドに配置され、受動回転軸12〜14を介して背面フレーム15に連結される。制御部132は、電動モータ1,11に含まれるロータリエンコーダ等から取得する関節角度、回転の有無、回転方向、スイッチの状態、および腰の傾きに基づいて、装着者の腕および大腿に作用する静止トルクを算出する。そして、制御部132は、電動モータ1,11に付加される減速機の減速比を1/50程度の低減速比にして、電動モータ1,11を駆動する。
【選択図】 図1
Description
装着者の胴体上部に装着され、前記2つの腕用駆動部を保持する腕用保持部と、
装着者の腰部の近傍にそれぞれ配置され、装着者の大腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する2つの大腿用駆動部と、
装着者の腰部に装着され、前記2つの大腿用駆動部を保持する腰用保持部と
を含むことを特徴とするパワーアシストロボット装置である。
前記2つの腕用駆動部は、前記フレームに連桔されることを特徴とする。
前記2つの腕用駆動部は、前記2つの横フレームに連桔されることを特徴とする。
前記2つの大腿用駆動部に設けられ、大腿部の股関節まわりの回転角度を検出する第2の角度検出部と、
装着者が装着する靴の靴底部における爪先部分および踵部分にそれぞれ設けられ、予め定める値以上の重量が爪先部および踵部に作用しているか否かを検出する床反力検出部と、
前記腰用保持部に設けられ、装着者の上半身の傾きを検出する3次元加速度センサとをさらに含むことを特徴とする。
さらに、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記2つの腕用駆動部および前記2つの大腿用駆動部を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクを発生するように、前記2つの腕用駆動部および前記2つの大腿用駆動部を駆動させる駆動制御部をさらに含むことを特徴とする。
装着者の各下腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する2つの下腿部用駆動部と、
装着者の背中に装着される背中装着部、大腿部に装着される2つの大腿部装着部、下腿部に装着される2つの下腿部装着部、および靴底に装着される2つの靴底装着部を含み、前記2つの大腿用駆動部および前記下腿部用駆動部を保持する保持部と、
背中装着部によって保持され、上半身の動作を補助する上半身補助部とを含み、
前記保持部は、
腰部の左右方向外方近傍にそれぞれ配置され、大腿部装着部を背中装着部に対して前後軸線まわりに回転自在に連結する2つの腰用連結部と、
両膝部の左右方向外方近傍にそれぞれ配置され、下腿部装着部を大腿部装着部に対して前後軸線まわりに回転自在に連結する2つの膝用連結部と、
両足の踝の左右方向外方近傍にそれぞれ配置され、靴底装着部を下腿部装着部に対して前後軸線まわりに回転自在に連結する2つの踝用連結部と、
大腿用駆動部の一端を、腰用連結部の上方で、前後軸線まわりに回転自在に背中装着部に連結する第1の連結部と、
大腿用駆動部の他端を、大腿部装着部の膝用連結部側の一端から前方向上方に延伸するアームの先端部に、前後軸線まわりに回転自在に連結する第2の連結部と、
下腿部用駆動部の一端を、大腿部装着部の背面側に膝用連結部寄りの中間の位置で、前後軸線まわりに回転自在に連結する第3の連結部と、
下腿部用駆動部の他端を、膝用連結部の背面側に踝用連結部の後方で、前後軸線まわりに回転自在に保持部に連結する第4の連結部とを含むことを特徴とするパワーアシストロボット装置である。
前記上半身補助部は、先端にフック部を有するワイヤと、前記ワイヤをガイド部に沿って巻上げおよび巻下げ、前記背中装着部の背面側に設けられる駆動部とを含むことを特徴とする。
両肘部の近傍にそれぞれ配置されて前記背中装着部によって保持され、装着者の各前腕部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する2つの肘用駆動部とをさらに含むことを特徴とする。
前記2つの肘用駆動部に設けられ、前腕部が回転している回転角度を検出する第4の角度検出部と、
前記2つの腰用連結部に設けられ、大腿部が回転している回転角度を検出する第5の角度検出部と、
前記2つの膝用連結部に設けられ、下腿部が回転している回転角度を検出する第6の角度検出部と、
前記2つの踝用連結部に設けられ、足が回転している回転角度を検出する第7の角度検出部と、
装着者が装着する靴の靴底部における爪先部分および踵部分にそれぞれ設けられ、爪先部および踵部に作用する重量を検出する重量検出部と、
前記背中装着部に設けられ、上半身の傾きを検出する3次元加速度センサと、
第3〜7の角度検出部によって検出される回転角度、重量検出部によって検出される重量、および3次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部、両前腕部、両大腿部、両下腿部、および両足に作用する静的トルク、回転方向およびに回転に要する回転トルクを算出し、さらに、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記2つの腕用駆動部、前記2つの肘用駆動部、前記2つの大腿用駆動部および前記2つの下腿部用駆動部を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクで、前記2つの腕用駆動部、前記2つの肘用駆動部、前記2つの大腿用駆動部および前記2つの下腿部用駆動部を駆動する駆動制御部とをさらに含むことを特徴とする。
前記駆動部は、人工ゴム筋肉であることを特徴とする。
前記2つの腕用駆動部および前記2つの肘用駆動部は、空気圧ロータリアクチュエータであることを特徴とする。
前記駆動制御部は、パラメータ入力部によって入力されたパラメータに基づいて、前記駆動トルクを算出することを特徴とする。
第1の角度検出部によって検出される両上腕部の回転角度、第2の角度検出部によって検出される両大腿部の回転角度、床反力検出部によって検出される検出結果、および3次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部および両大腿部に作用する静的トルク、回転方向およびに回転に要する回転トルクを算出する算出ステップと、
さらに、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記2つの腕用駆動部および前記2つの大腿用駆動部を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクを、装着者が前記2つの腕用駆動部および前記2つの大腿用駆動部を逆方向に駆動することができる減速比以下の減速比に減速して、前記2つの腕用駆動部および前記2つの大腿用駆動部を駆動する駆動ステップとを含むことを特徴とする制御方法である。
第3の実施形態のハンディ端末50に設定可能なパラメータを表2に示す。
τre=(mL16+M16Lg16)cos(θ11+θ12+θ13
+θ14+θ15) …(1)
τrs={(m++M16)L16+M15Lg15)gcos(θ11
+θ12+θ13+θ14)+τre …(2)
τrh={M11L13+M12L13+M13(L13−Lg13)}
gcos(θ11+θ12)−(Nt1+Nh1)
L13cos(θ11+θ12)+τrk …(3)
τrk={M11L12+M12(L12−Lg12)}gcosθ11
−(Nt1+Nh1)L12cosθ11+τra …(4)
τra=−M11Lg11g+Nt1Rt1−Nh1Rh1
+(Nt1+Nh1)Lg11 …(5)
2〜4,12〜14,203,205,209,302,304 受動回転軸
5,15,216,312,344,512,529,644 背面フレーム
6,16,513,530 クッション用パッド
7 肩用ベルト
8,531 胸用ベルト
9,19,208,533,536 アーム
10,211 腕用ベルト
17,217,314,514 腰用ベルト
18,218 股用ベルト
20,223 大腿用ベルト
21,538 爪先床反力検出スイッチ
22,539 踵床反力検出スイッチ
23,540 中央制御ユニット
50 ハンディ端末
51 パラメータ番号選択スイッチ
52 上昇スイッチ
53 下降スイッチ
54 エントリスイッチ
55 モードスイッチ
56 パラメータ表示部
57 LED
100 第1の軽作業アシストスーツ
130 下肢ユニット
131,151,161 無線通信部
132 制御部
133,152,162 電池
140 上肢ユニット
150 右足床ユニット
160 左足床ユニット
200 第2の軽作業アシストスーツ
202,204,206,213 フレーム
207 ヒンジ
210,222 受け面
219 前面ベルト
220 背面ベルト
300 第1の重作業用アシストスーツ
301,315,501,516 空気圧シリンダ
305,308,309,311,316,318,320,321 受動回転軸
303,306,307,310,317,322 フレーム
324 上肢背面ボックス
325 人工ゴム筋肉
326 移動フレーム
327,328 リニアガイド
329 ラックギア
330 中央制御ユニット
340,560 関節ユニット
350 右足底ユニット
360 左足底ユニット
370 リフタユニット
500 第2の重作業用アシストスーツ
502,504,505,508,509,511,517,519 受動回転軸
503,506,507,510,518,520,523,527 フレーム
515 大腿用ベルト
521,522,526,528,532 受動回転軸
524 下腿部用ベルト
525,535 ロータリアクチュエータ
534 上腕用ベルト
537 前腕用ベルト
630〜632 ピニオンギア
633 ワイヤ巻き取りシーブ
634,639,640 ワイヤ
635 バランスプレート
636 フレーム
637,638 プーリ
641 フック
642 スイッチ
643 手袋
645 ベルト
Claims (15)
- 装着者の両肩部近傍にそれぞれ配置され、装着者の上腕部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する2つの腕用駆動部と、
装着者の胴体上部に装着され、前記2つの腕用駆動部を保持する腕用保持部と、
装着者の腰部近傍にそれぞれ配置され、装着者の大腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する2つの大腿用駆動部と、
装着者の腰部に装着され、前記2つの大腿用駆動部を保持する腰用保持部とを含むことを特徴とするパワーアシストロボット装置。 - 前記腕用保持部は、両肩部にわたって延びるフレームを含み、
前記2つの腕用駆動部は、前記フレームに連桔されることを特徴とする請求項1に記載のパワーアシストロボット装置。 - 前記腕用保持部は、装着者の両肩部に上方から装着される2つの肩フレームと、該2つの肩フレームから両肩部まで延びる2つの横フレームを含み、
前記2つの腕用駆動部は、前記2つの横フレームに連結されることを特徴とする請求項1に記載のパワーアシストロボット装置。 - 前記2つの腕用駆動部に設けられ、上腕部の肩関節まわりの回転角度を検出する第1の角度検出部と、
前記2つの大腿用駆動部に設けられ、大腿部の股関節まわりの回転角度を検出する第2の角度検出部と、
装着者が装着する靴の靴底部における爪先部分および踵部分にそれぞれ設けられ、予め定める値以上の重量が爪先部および踵部に作用しているか否かを検出する床反力検出部と、
前記腰用保持部に設けられ、装着者の上半身の傾きを検出する3次元加速度センサとをさらに含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のパワーアシストロボット装置。 - 第1の角度検出部によって検出される両上腕部の回転角度、第2の角度検出部によって検出される両大腿部の回転角度、床反力検出部によって検出される検出結果、および3次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部および両大腿部に作用する静的トルク、回転方向および回転に要する回転トルクを算出し、
さらに、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記2つの腕用駆動部および前記2つの大腿用駆動部を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクを発生するように、前記2つの腕用駆動部および前記2つの大腿用駆動部を駆動させる駆動制御部をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載のパワーアシストロボット装置。 - 前記駆動制御部は、前記算出した駆動トルクを、装着者が前記2つの腕用駆動部および前記2つの大腿用駆動部を逆方向に駆動することができる減速比以下の減速比に減少させて、前記2つの大腕用駆動部および前記2つの大腿用駆動部に発生させることを特徴とする請求項5に記載のパワーアシストロボット装置。
- 前記2つの腕用駆動部および前記2つの大腿用駆動部は、電動モータを含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載のパワーアシストロボット装置。
- 装着者の各大腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する2つの大腿用駆動部と、
装着者の各下腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する2つの下腿部用駆動部と、
装着者の背中に装着される背中装着部、大腿部に装着される2つの大腿部装着部、下腿部に装着される2つの下腿部装着部、および靴底に装着される2つの靴底装着部を含み、前記2つの大腿用駆動部および前記下腿部用駆動部を保持する保持部であって、
腰部の左右方向外方近傍にそれぞれ配置され、大腿部装着部を背中装着部に対して前後軸線まわりに回転自在に連結する2つの腰用連結部と、
両膝部の左右方向外方近傍にそれぞれ配置され、下腿部装着部を大腿部装着部に対して前後軸線まわりに回転自在に連結する2つの膝用連結部と、
両足の踝の左右方向外方近傍にそれぞれ配置され、靴底装着部を下腿部装着部に対して前後軸線まわりに回転自在に連結する2つの踝用連結部と、
大腿用駆動部の一端を、腰用連結部の上方で、前後軸線まわりに回転自在に背中装着部に連結する第1の連結部と、
大腿用駆動部の他端を、大腿部装着部の膝用連結部側の一端から前方向上方に延伸するアームの先端部に、前後軸線まわりに回転自在に連結する第2の連結部と、
下腿部用駆動部の一端を、大腿部装着部の背面側に膝用連結部寄りの中間の位置で、前後軸線まわりに回転自在に連結する第3の連結部と、
下腿部用駆動部の他端を、膝用連結部の背面側に踝用連結部の後方で、前後方向に回転自在に保持部に連結する第4の連結部とを含む保持部と、
背中装着部によって保持され、上体の動作を補助する上半身補助部と、
を含むことを特徴とするパワーアシストロボット装置。 - 前記保持部は、前記背中装着部の上方から両肩上方を跨ぐように前方向に延伸するガイド部を含み、
前記上半身補助部は、先端にフック部を有するワイヤと、前記ワイヤをガイド部に沿って巻上げおよび巻下げ、前記背中装着部の背面側に設けられる駆動部とを含むことを特徴とする請求項8に記載のパワーアシストロボット装置。 - 両肩部近傍にそれぞれ配置されて前記背中装着部によって保持され、装着者の各上腕部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する2つの腕用駆動部と、
両肘部近傍にそれぞれ配置されて前記背中装着部によって保持され、装着者の各前腕部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する2つの肘用駆動部とをさらに含むことを特徴とする請求項8に記載のパワーアシストロボット装置。 - 前記2つの腕用駆動部に設けられ、上腕部の肩関節まわりの回転角度を検出する第3の角度検出部と、
前記2つの肘用駆動部に設けられ、前腕部の肘関節まわりの回転角度を検出する第4の角度検出部と、
前記2つの腰用連結部に設けられ、大腿部の股関節まわりの回転角度を検出する第5の角度検出部と、
前記2つの膝用連結部に設けられ、下腿部の膝関節まわりの回転角度を検出する第6の角度検出部と、
前記2つの踝用連結部に設けられ、足の足関節まわりの回転角度を検出する第7の角度検出部と、
装着者が装着する靴の靴底部における爪先部分および踵部分にそれぞれ設けられ、爪先部および踵部に作用する重量を検出する重量検出部と、
前記背中装着部に設けられ、上半身の傾きを検出する3次元加速度センサと、
第3〜7の角度検出部によって検出される回転角度、重量検出部によって検出される重量、および3次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部、両前腕部、両大腿部、両下腿部、および両足に作用する静的トルク、回転方向およびに回転に要する回転トルクを算出し、さらに、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記2つの腕用駆動部、前記2つの肘用駆動部、前記2つの大腿用駆動部および前記2つの下腿部用駆動部を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクで、前記2つの腕用駆動部、前記2つの肘用駆動部、前記2つの大腿用駆動部および前記2つの下腿部用駆動部を駆動する駆動制御部と、
をさらに含むことを特徴とする請求項10に記載のパワーアシストロボット装置。 - 前記2つの大腿用駆動部および前記下腿部用駆動部は、空気圧シリンダであり、
前記駆動部は、人工ゴム筋肉であることを特徴とする請求項9に記載のパワーアシストロボット装置。 - 前記2つの大腿用駆動部および前記下腿部用駆動部は、空気圧シリンダであり、
前記2つの腕用駆動部および前記2つの肘用駆動部は、空気圧ロータリアクチュエータであることを特徴とする請求項10または11に記載のパワーアシストロボット装置。 - 装着者の個体差を表すパラメータを入力するパラメータ入力部をさらに含み、
前記駆動制御部は、パラメータ入力部によって入力されたパラメータに基づいて、前記駆動トルクを算出することを特徴とする請求項1〜13のいずれか1つに記載のパワーアシストロボット装置。 - 請求項4に記載のパワーアシストロボット装置で実行される制御方法であって、
第1の角度検出部によって検出される両上腕部の回転角度、第2の角度検出部によって検出される両大腿部の回転角度、床反力検出部によって検出される検出結果、および3次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部および両大腿部に作用する静的トルク、回転方向およびに回転に要する回転トルクを算出する算出ステップと、
さらに、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記2つの腕用駆動部および前記2つの大腿用駆動部を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクを、装着者が前記2つの腕用駆動部および前記2つの大腿用駆動部を逆方向に駆動することができる減速比以下の減速比に減速して、前記2つの腕用駆動部および前記2つの大腿用駆動部を駆動する駆動ステップとを含むことを特徴とする制御方法。
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