JP2013094502A - Assist robot controller - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To apply a required amount of assist torque for a part requiring the torque, in rehabilitation or muscle boosting use.SOLUTION: An assist robot controller 120 includes: an estimator gain computing unit 121 configured to estimate the estimator gain based on status detection values; a status estimation error computing unit 122 configured to calculate the status estimation error based on the status detection values and estimator gain; a user torque estimator 123 configured to calculate the user torque estimation value based on the status estimation errors; and an assist torque computing unit 124 configured to calculate assist torque required for operation assistance or rehabilitation treatment based on the user torque estimation value and to output a motor current so as to generate assist torque by means of a joint motor.

Description

本発明は、装着した使用者の動作を補助する、またはリハビリ治療するアシストロボット制御装置に関する。   The present invention relates to an assist robot controller that assists the operation of a user who wears it or performs rehabilitation treatment.

本発明で対象としているアシストロボットとは、複数のリンクと関節から構成される機構と、関節を駆動する複数のモータを備え、装着した使用者の動作を補助する、またはリハビリ治療するロボットを指す。   The assist robot targeted by the present invention refers to a robot that includes a mechanism composed of a plurality of links and joints and a plurality of motors that drive the joints, and assists the operation of the user who wears it or performs rehabilitation treatment. .

図4は、関連するアシストロボット制御装置を備えたアシストロボットである。アシストロボットは、動作補助装置410と、駆動源411と、関節角度検出手段412と、生体信号検出手段413と、相対力検出手段414と、制御装置415と、電力増幅手段416と、を備える。なお、装着者420がアシストロボットを使用するものとして説明する。   FIG. 4 shows an assist robot provided with an associated assist robot controller. The assist robot includes an operation assisting device 410, a drive source 411, a joint angle detection unit 412, a biological signal detection unit 413, a relative force detection unit 414, a control device 415, and a power amplification unit 416. Note that description will be made assuming that the wearer 420 uses the assist robot.

動作補助装置410は上述のアシストロボットであり、装着者420から関節角度、筋電位、相対力を入力し、装着者420に対してアシスト力を出力する。   The motion assisting device 410 is the assist robot described above, and inputs the joint angle, myoelectric potential, and relative force from the wearer 420 and outputs assist force to the wearer 420.

駆動源411は、電力増幅手段416からの駆動電流に基づいてアシスト力を発生して装着者420に出力し、駆動電流検出値を制御装置415に出力する。   The drive source 411 generates an assist force based on the drive current from the power amplifying unit 416 and outputs it to the wearer 420, and outputs a drive current detection value to the control device 415.

関節角度検出手段412は、関節角度を検出し、関節角度検出値として制御装置415に出力する。   The joint angle detection means 412 detects the joint angle and outputs it to the control device 415 as a joint angle detection value.

生体信号検出手段413は、装着者420に発生する筋力に応じた筋電位を検出し、筋電位検出値として制御装置415に出力する。   The biological signal detection unit 413 detects a myoelectric potential corresponding to the muscular force generated in the wearer 420 and outputs it to the control device 415 as a myoelectric potential detection value.

相対力検出手段414は、動作補助装置410に作用する相対力を検出し、相対力検出値として制御装置415に出力する。   The relative force detection means 414 detects the relative force acting on the motion assisting device 410 and outputs it to the control device 415 as a relative force detection value.

制御装置415は、駆動源411からの駆動電流検出値と、関節角度検出手段412からの関節角度検出値と、生体信号検出手段413からの筋電位検出値と、相対力検出手段414からの相対力検出値とに基づいて、装着者420の動力学パラメータを同定し、動力学パラメータを代入した運動方程式を用いて、制御信号を出力する。   The control device 415 includes a drive current detection value from the drive source 411, a joint angle detection value from the joint angle detection unit 412, a myoelectric potential detection value from the biological signal detection unit 413, and a relative force detection unit 414. Based on the force detection value, a dynamic parameter of the wearer 420 is identified, and a control signal is output using an equation of motion substituted with the dynamic parameter.

電力増幅手段416は、制御装置415から制御信号を増幅し、駆動電流を出力する。   The power amplifying unit 416 amplifies the control signal from the control device 415 and outputs a drive current.

関連するアシストロボット制御装置は、上述の仕組みにより装着者420の動力学パラメータを考慮した動作の補助を実施する(たとえば、特許文献1)。   The related assist robot control device assists the operation in consideration of the dynamic parameters of the wearer 420 by the above-described mechanism (for example, Patent Document 1).

特開2006−204426号公報(第25頁、第1図)JP 2006-204426 A (page 25, FIG. 1)

関連するアシストロボット制御装置を、傷病により失われた四肢の力を回復させるリハビリ治療に使用する場合、使用者の特定の関節が発生できるトルクの回復度合いを考慮する仕組みが無いため回復度合いに適した治療を実施できず、十分なリハビリ効果を得ることができない場合があった。また、リハビリ治療を含む一般的な用途において、筋電位など複数の検出器の情報を必要とするため、安価で小型、軽量なアシストロボットを実現できない問題があった。   When the related assist robot controller is used for rehabilitation treatment that recovers the power of the extremities lost due to injury or illness, there is no mechanism to consider the degree of recovery of torque that can generate a specific joint of the user, so it is suitable for the degree of recovery In some cases, sufficient rehabilitation effects could not be obtained. Further, in general applications including rehabilitation treatment, information of a plurality of detectors such as myoelectric potential is required, and thus there is a problem that an inexpensive, small, and lightweight assist robot cannot be realized.

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、アシストロボットを着用した使用者が各関節周りに発生するトルクを、安価な関節角度検出器のみを備えた場合にも精度良く推定でき、使用者のリハビリまたは力増幅の用途において無駄なく必要な部位に必要なだけアシストトルクを与えることができるアシストロボット制御装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and the torque generated around each joint by a user wearing an assist robot can be accurately obtained even when only an inexpensive joint angle detector is provided. It is an object of the present invention to provide an assist robot control device that can be estimated and can apply an assist torque as much as necessary to a necessary part without waste in a user's rehabilitation or force amplification application.

本発明にかかるアシストロボット制御装置は、複数のリンクと関節から構成される機構と前記関節を駆動する複数のモータを備え、装着した使用者の動作を補助するまたはリハビリ治療するアシストロボットの動作を、関節角度などの状態検出値に基づいて制御するアシストロボット制御装置であって、前記状態検出値に基づいて、推定器ゲインを算出する推定器ゲイン演算器と、前記状態検出値と前記推定器ゲインに基づいて前記状態推定誤差を算出する状態推定誤差演算器と、前記状態推定誤差に基づいて、前記アシストロボットを装着する使用者の各関節が発生するトルクである使用者トルク推定値を算出する使用者トルク推定器と、前記使用者トルク推定値に基づいて動作補助またはリハビリ治療に必要なアシストトルクを算出し、前記関節モータが前記アシストトルクを発生するようなモータ電流を出力するアシストトルク演算器と、を備える。
これにより、アシストロボットを着用した使用者が各関節周りに発生するトルクを、安価な関節角度検出器のみを備えた場合にも精度良く推定できる。
An assist robot control device according to the present invention includes a mechanism composed of a plurality of links and joints, and a plurality of motors that drive the joints, and assists the operation of a user who wears the assist robot or performs rehabilitation treatment. , An assist robot control device for controlling based on a state detection value such as a joint angle, an estimator gain calculator for calculating an estimator gain based on the state detection value, the state detection value and the estimator A state estimation error calculator that calculates the state estimation error based on the gain, and a user torque estimation value that is a torque generated by each joint of the user wearing the assist robot based on the state estimation error A user torque estimator and an assist torque necessary for operation assistance or rehabilitation treatment based on the user torque estimate, Serial joint motors and a assist torque calculation unit that outputs a motor current so as to generate the assist torque.
As a result, the torque generated around each joint by the user wearing the assist robot can be accurately estimated even when only the inexpensive joint angle detector is provided.

リハビリまたは力増幅の用途において、無駄なく必要な部位に必要なだけアシストトルクを与えることができる。   In a rehabilitation or force amplification application, as much assist torque as necessary can be applied to a necessary part without waste.

実施の形態1にかかるアシストロボット制御装置の機能ブロック図である。1 is a functional block diagram of an assist robot control device according to a first embodiment; 実施の形態1にかかるアシストロボット機構の部分図である。FIG. 3 is a partial view of the assist robot mechanism according to the first exemplary embodiment. 実施の形態2にかかるシミュレーションにおける膝トルクの時間変化の図である。It is a figure of the time change of the knee torque in the simulation concerning Embodiment 2. FIG. 関連するアシストロボット制御装置を備えたアシストロボットの図である。It is a figure of the assist robot provided with the related assist robot control apparatus.

実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1は、アシストロボット制御装置の機能ブロック図である。本実施の形態では、まず図1を用いて本発明のアシストロボット制御装置の機能構成の概要を説明し、次に機能の詳細を説明する。なお、図1において、矢印は信号の流れを表し、太い実線は機械的結合を表し、点線は関連の強い機能ブロックの集まりを示す。
Embodiment 1
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a functional block diagram of the assist robot controller. In the present embodiment, first, an outline of a functional configuration of the assist robot control apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1, arrows indicate signal flows, thick solid lines indicate mechanical connections, and dotted lines indicate a group of strongly related functional blocks.

アシストロボット110は、関節モータ111と、アシストロボット機構112と、状態検出器113と、を備える。アシストロボット110は、使用者130が装着することにより、使用者130の動作を補助するロボットである。
アシストロボット制御装置120は、推定器ゲイン演算器121と、状態推定誤差演算器122と、使用者トルク推定器123と、アシストトルク演算器124と、を備える。アシストロボット制御装置120は、アシストロボット110からの状態検出値に基づいて、アシストロボット110へのモータ電流を出力する電子制御系である。
The assist robot 110 includes a joint motor 111, an assist robot mechanism 112, and a state detector 113. The assist robot 110 is a robot that assists the operation of the user 130 when worn by the user 130.
The assist robot control device 120 includes an estimator gain calculator 121, a state estimation error calculator 122, a user torque estimator 123, and an assist torque calculator 124. The assist robot control device 120 is an electronic control system that outputs a motor current to the assist robot 110 based on a state detection value from the assist robot 110.

関節モータ111は、後述のアシストロボット制御装置120からのモータ電流に従って、後述のアシストロボット機構112に関節を駆動する。   The joint motor 111 drives the joint to an assist robot mechanism 112 described later in accordance with a motor current from an assist robot control device 120 described later.

アシストロボット機構112は、回転可能な関節を介して連結された複数のリンクから構成され、使用者130が装着できる形状を有する機構である。アシストロボット機構112は、関節モータ111によって駆動される。   The assist robot mechanism 112 is composed of a plurality of links connected via a rotatable joint, and has a shape that can be worn by the user 130. The assist robot mechanism 112 is driven by the joint motor 111.

状態検出器113は、関節の角度などの状態量を検出し、状態検出値として出力する。   The state detector 113 detects a state quantity such as a joint angle and outputs it as a state detection value.

推定器ゲイン演算器121は、アシストロボット110からの状態検出値に基づいて、後述の状態推定誤差演算器122の演算に使用するパラメータである推定器ゲインを演算し出力する。   Based on the state detection value from the assist robot 110, the estimator gain calculator 121 calculates and outputs an estimator gain that is a parameter used for calculation of a state estimation error calculator 122 described later.

状態推定誤差演算器122は、アシストロボット110からの状態検出値と、推定器ゲイン演算器121からの推定器ゲインとに基づいて、状態検出値とその時間微分値の推定値である状態推定値を演算し、状態推定誤差を演算し出力する。   The state estimation error calculator 122 is based on the state detection value from the assist robot 110 and the estimator gain from the estimator gain calculator 121, and is a state estimation value that is an estimated value of the state detection value and its time differential value. Is calculated and the state estimation error is calculated and output.

使用者トルク推定器123は、状態推定誤差演算器122からの状態推定誤差に基づいて使用者130が発生する使用者トルクを推定し、使用者トルクの推定値として出力する。アシストトルク演算器は、使用者トルク推定器123からの使用者トルク推定値に基づいて、アシストロボット110の用途に応じて必要なアシストトルクを演算し、必要なアシストトルクをアシストロボット110が発生するようなモータ電流を出力する。   The user torque estimator 123 estimates the user torque generated by the user 130 based on the state estimation error from the state estimation error calculator 122 and outputs it as an estimated value of the user torque. The assist torque calculator calculates a necessary assist torque according to the use of the assist robot 110 based on the user torque estimated value from the user torque estimator 123, and the assist robot 110 generates the necessary assist torque. Such a motor current is output.

使用者130は、人、犬、猫、馬などを含む脊椎動物であり、加齢などにより力の増幅が必要、または怪我などから回復するためにリハビリが必要なものである。   The user 130 is a vertebrate including humans, dogs, cats, horses, etc., and needs to be amplified by aging or the like, or needs rehabilitation to recover from an injury or the like.

ここで、アシストロボット制御装置120は、ASIC、プログラマブル電子システムなどとして実現することができる。   Here, the assist robot controller 120 can be realized as an ASIC, a programmable electronic system, or the like.

以下、図1の各ブロックの動作原理を導出し、機能の詳細を説明する。   Hereinafter, the operation principle of each block in FIG. 1 will be derived, and the details of the function will be described.

図2を用いて、アシストロボット機構112の運動方程式を導出する。図2は、実施の形態1を示すアシストロボット機構の部分図である。図2において、太い直線はリンク、太い円は関節を表す。   The equation of motion of the assist robot mechanism 112 is derived using FIG. FIG. 2 is a partial view of the assist robot mechanism showing the first embodiment. In FIG. 2, a thick straight line represents a link, and a thick circle represents a joint.

図2において、アシストロボット機構112は、k−1リンク201と、第k−1関節202と、第kリンク203と、第k関節204を備える。関節角度と、アシストトルクと、使用者トルクは、それぞれ反時計回りを正としている。   In FIG. 2, the assist robot mechanism 112 includes a k−1 link 201, a k−1th joint 202, a kth link 203, and a kth joint 204. The joint angle, the assist torque, and the user torque are each positive in the counterclockwise direction.

第kリンク203の運動方程式は式(1)と導出される。   The equation of motion of the k-th link 203 is derived as equation (1).

Figure 2013094502
Figure 2013094502

ただし、式(1)における記号の意味は以下のとおりである。Jは第k関節204周りの第iリンク慣性モーメント[kg・m]、Dは第k粘性摩擦係数[N・m・s/rad]、Tckは第k関節204のクーロン摩擦の大きさ[N・m]、θは第k関節角度[rad]、Takは第kアシストトルク(第k関節204のアシストトルク)[N・m]、Tuiは、第i使用者トルク(第iリンクに使用者130から印加されるトルク)[N・m]。 However, the meaning of the symbol in Formula (1) is as follows. J i is the i- th moment of inertia [kg · m 2 ] around the k-th joint 204, D k is the k-th viscous friction coefficient [N · m · s / rad], and T ck is the Coulomb friction of the k-th joint 204. The size [N · m], θ k is the kth joint angle [rad], Tak is the kth assist torque (assist torque of the kth joint 204) [N · m], and Tui is the i th user torque. (Torque applied from the user 130 to the i-th link) [N · m].

式(1)において、第k関節204周りの第iリンク慣性モーメントJは設計値および関節角度より既知である。第k関節204の粘性摩擦係数Dおよび第k関節204のクーロン摩擦の大きさTckは、出荷前の計測により既知であるとする。 In equation (1), the i-th link inertia moment J i around the k-th joint 204 is known from the design value and the joint angle. It is assumed that the viscous friction coefficient D k of the k-th joint 204 and the Coulomb friction magnitude T ck of the k-th joint 204 are already known by measurement before shipment.

式(2)に示す状態変数を導入する。   The state variable shown in equation (2) is introduced.

Figure 2013094502
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式(2)を用いて、式(1)は、式(3)及び式(4)と書き換えられる。   Using Expression (2), Expression (1) can be rewritten as Expression (3) and Expression (4).

Figure 2013094502
Figure 2013094502

Figure 2013094502
Figure 2013094502

第k関節角度x1kは状態検出器113により検出され、第k関節角速度x2kは第k関節角度x1kの時間微分値として得ると仮定し、第k使用者トルクTukを推定するため、式(5)と式(6)の状態推定器を導入する。 In order to estimate the k-th user torque T uk , assuming that the k-th joint angle x 1k is detected by the state detector 113 and the k-th joint angular velocity x 2k is obtained as a time differential value of the k-th joint angle x 1k . The state estimators of equations (5) and (6) are introduced.

Figure 2013094502
Figure 2013094502

Figure 2013094502
Figure 2013094502

ただし、式(6)における記号の意味は以下のとおりである。Lは推定器ゲイン。 However, the meaning of the symbol in Formula (6) is as follows. L k is the estimator gain.

式(3)乃至式(6)を用いて、状態推定誤差方程式は式(7)および式(8)と導出できる。   Using Equations (3) to (6), the state estimation error equation can be derived as Equation (7) and Equation (8).

Figure 2013094502
Figure 2013094502

Figure 2013094502
Figure 2013094502

ただし、式(7)及び式(8)における記号の意味は以下の通りである。

Figure 2013094502
は、第k関節角度推定誤差[rad]、
Figure 2013094502
は、第k関節角速度推定誤差[rad/s]。 However, the meanings of the symbols in the formulas (7) and (8) are as follows.
Figure 2013094502
Is the kth joint angle estimation error [rad],
Figure 2013094502
Is the k-th joint angular velocity estimation error [rad / s].

式(7)及び式(8)の平衡点は状態推定誤差の1階時間微分を0とすることにより、式(9)および式(10)と求められる。   The equilibrium points of Equation (7) and Equation (8) are obtained as Equation (9) and Equation (10) by setting the first-order time derivative of the state estimation error to 0.

Figure 2013094502
Figure 2013094502

Figure 2013094502
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式(7)および式(8)で表される系のシステム行列のジャコビアンは式(11)と導出できる。   The Jacobian of the system matrix of the system represented by Equation (7) and Equation (8) can be derived as Equation (11).

Figure 2013094502
Figure 2013094502

ジャコビアン行列Jの式(9)および式(10)で表される平衡点における固有値は式(12)および式(13)と表される。 The eigenvalues at the equilibrium points represented by the expressions (9) and (10) of the Jacobian matrix J k are expressed as expressions (12) and (13).

Figure 2013094502
Figure 2013094502

Figure 2013094502
Figure 2013094502

第k推定器ゲインL、第k関節204周りの第iリンク慣性モーメントJ、第k粘性摩擦係数Dは正数であるので、式(12)および式(13)に示す固有値sk+およびsk−は以下のように分類できる。 Since the k-th estimator gain L k , the i-th link moment of inertia J i around the k-th joint 204, and the k-th viscous friction coefficient D k are positive numbers, eigenvalues s k + shown in Expression (12) and Expression (13) And s k− can be classified as follows.

場合1:式(12)および式(13)の平方根内の値が0以上ならば、sk+およびsk−は負の整数。
場合2:式(12)および式(13)の平方根内の値が0未満ならば、sk+およびsk−は負の実部を持つ複素共役。
Case 1: If the value within the square root of Equation (12) and Equation (13) is 0 or more, s k + and s k− are negative integers.
Case 2: If the value within the square root of Equation (12) and Equation (13) is less than 0, s k + and s k− are complex conjugates having a negative real part.

上述のように、固有値(12)及び(13)は負の実部を持つため、推定誤差は式(9)および式(10)で表される平衡点に収束する。   As described above, since the eigenvalues (12) and (13) have a negative real part, the estimation error converges to the equilibrium point expressed by the equations (9) and (10).

上述の場合1において、推定誤差は単調に平衡点に収束し、場合2において振動的に平衡点に収束する。単調な収束が望ましいアシストロボット110の用途においては、推定器ゲイン演算器121において、場合1の条件を満足するように推定器ゲインを演算する。振動的な収束が望ましい用途においては、推定器ゲイン演算器121において場合2の条件を満足するように推定器ゲインを演算する。   In case 1 above, the estimation error monotonously converges to the equilibrium point, and in case 2 it oscillates to the equilibrium point. In the use of the assist robot 110 in which monotonous convergence is desirable, the estimator gain calculator 121 calculates the estimator gain so that the condition 1 is satisfied. In applications where vibration convergence is desirable, the estimator gain calculator 121 calculates the estimator gain so as to satisfy the condition of Case 2.

式(9)を使用者トルクについて解くと式(14)が得られる。   Solving equation (9) for user torque yields equation (14).

Figure 2013094502
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式(14)より、式(15)が得られる。   Equation (15) is obtained from Equation (14).

Figure 2013094502
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ただし、式(15)における記号の意味は以下のとおりである。

Figure 2013094502
は、第k使用者トルク推定値(第k使用者トルクの推定値)[N・m]。 However, the meaning of the symbol in Formula (15) is as follows.
Figure 2013094502
Is the k-th user torque estimated value (the estimated value of the k-th user torque) [N · m].

使用者トルク推定器123は、式(15)を用いて第k使用者トルク推定値

Figure 2013094502
を演算する。 The user torque estimator 123 uses the equation (15) to estimate the k-th user torque.
Figure 2013094502
Is calculated.

式(15)は、第k関節角速度の絶対値に依存しないため、状態検出器113に安価な角度検出器(たとえば、ポテンショメータ)を用い、関節角速度は直接検出せず、関節角度から演算により求める場合、第k使用者トルク推定値

Figure 2013094502
を精度よく得ることができる。 Since equation (15) does not depend on the absolute value of the k-th joint angular velocity, an inexpensive angle detector (for example, a potentiometer) is used as the state detector 113, and the joint angular velocity is not directly detected, but is calculated from the joint angle. The kth user torque estimate
Figure 2013094502
Can be obtained with high accuracy.

以下、アシストロボット110の用途ごとに、アシストトルク演算器124の構成例を示す。   Hereinafter, a configuration example of the assist torque calculator 124 will be shown for each use of the assist robot 110.

アシストロボット110を、傷病により失われた四肢の力を回復させるリハビリ治療の用途に使用する場合、第k関節204に対して式(16)に示す第kアシストトルクTakを適用することができる。 When the assist robot 110 is used for rehabilitation treatment that recovers the power of the limbs lost due to injury or illness, the k-th assist torque T ak shown in Expression (16) can be applied to the k-th joint 204. .

Figure 2013094502
Figure 2013094502

ただし、式(16)における記号の意味は以下のとおりである。Tnkは使用者130の第k関節が傷病前に生成できたトルク[N・m]。 However, the meanings of the symbols in the formula (16) are as follows. T nk is the torque [N · m] that the k-th joint of the user 130 can generate before injury.

式(16)によると、使用者130の第k関節の回復が進むにつれて、アシストロボット110が補助する割合が減少し、完全に回復した時点で第kアシストトルクが0[N・m]となる。   According to the equation (16), as the recovery of the k-th joint of the user 130 progresses, the ratio of assistance by the assist robot 110 decreases, and the k-th assist torque becomes 0 [N · m] at the time of complete recovery. .

さらに、上記リハビリ治療に置いて歩行などの反復動作を実施する場合、その1周期において式(16)に示す第kアシストトルクTakを適用し、2周期以降に式(17)に示す第kアシストトルクTakを適用することにより、第k使用者トルクTukが滑らかな関数となるため第k関節への負担のより少ないリハビリ治療を実施できる。 Further, when performing repetitive motions such as walking in the rehabilitation treatment, the kth assist torque Tak shown in the equation (16) is applied in one cycle, and the kth shown in the equation (17) in the second cycle and thereafter. By applying the assist torque Tak , the k-th user torque Tuk becomes a smooth function, so that rehabilitation treatment with less burden on the kth joint can be performed.

Figure 2013094502
Figure 2013094502

ただし、式(17)における記号の意味は以下の通りである。Tはリハビリ動作の1周期[s]。   However, the meaning of the symbol in Formula (17) is as follows. T is one cycle [s] of the rehabilitation operation.

アシストロボット110を、使用者130の力の増幅の用途に使用する場合、第k関節204に対して式(18)に示す第kアシストトルクTakを適用することができる。 When the assist robot 110 is used for the purpose of amplifying the force of the user 130, the kth assist torque Tak shown in the equation (18) can be applied to the kth joint 204.

Figure 2013094502
Figure 2013094502

ただし、式(18)における記号の意味は以下の通りである。nは第k使用者トルクの増幅率。 However, the meanings of the symbols in the formula (18) are as follows. n k is the amplification factor of the k-th user torque.

式(18)によると、第k関節において使用者130が実際に発生した第k使用者トルクTukのn倍のトルクを発生することができる。この第k使用者トルクの増幅率nは、使用者130がどの部位にどれくらい余分に力が必要かに応じて、使用者130が任意に設定できるようにする。たとえば、膝を屈伸する筋肉が加齢によって弱った場合、膝の曲げ伸ばし動作をより補助するようにnを設定すればよい。 According to Expression (18), it is possible to generate a torque that is nk times the k- th user torque T uk actually generated by the user 130 at the k-th joint. The amplification factor n k of the k- th user torque can be arbitrarily set by the user 130 according to how much extra force is required for which part of the user 130. For example, when the muscle that bends and stretches the knee is weakened by aging, nk may be set to further assist the bending and stretching operation of the knee.

上述のように、アシストロボット制御装置120において、推定器ゲイン演算器121は、状態推定誤差が単調に平衡点に収束するのが望ましいか、振動的に平衡点に収束するのが望ましいかに応じて上述の場合1または場合2の条件を満足するように第k推定器ゲインLを演算する。状態推定誤差演算器122は、式(7)および式(8)の推定誤差方程式に基づいて状態推定誤差を演算する。使用者トルク推定器123は、式(15)に基づいて第k使用者トルク推定値

Figure 2013094502
を演算する。アシストトルク演算器124は、アシストロボット110の用途に応じて、式(16)、または式(17)、または式(18)に基づいて第kアシストトルクTakを演算し、関節モータ111に第kアシストトルクTakを発生させるようなモータ電流を出力する。 As described above, in the assist robot controller 120, the estimator gain calculator 121 determines whether the state estimation error is desirably monotonously converged to the equilibrium point or is desirably converged to the equilibrium point in terms of vibration. Thus, the k-th estimator gain L k is calculated so as to satisfy the above-described case 1 or 2 condition. The state estimation error calculator 122 calculates a state estimation error based on the estimation error equations of Expressions (7) and (8). The user torque estimator 123 calculates the k-th user torque estimation value based on the equation (15).
Figure 2013094502
Is calculated. The assist torque calculator 124 calculates the k-th assist torque T ak based on the equation (16), the equation (17), or the equation (18) according to the use of the assist robot 110, A motor current that generates the k assist torque Tak is output.

このように、本発明によると、アシストロボットを着用した使用者が各関節周りに発生するトルクを、安価な関節角度検出器のみを備えた場合にも精度良く推定でき、使用者のリハビリまたは力増幅の用途において無駄なく必要な部位に必要なだけアシストトルクを与えることができる。   Thus, according to the present invention, the torque generated around each joint by the user wearing the assist robot can be accurately estimated even when only the inexpensive joint angle detector is provided, and the user's rehabilitation or force can be estimated. It is possible to give as much assist torque as necessary to a necessary portion without waste in amplification applications.

実施の形態2
本実施の形態では、本発明のシミュレーション結果を示す。シミュレーションに用いた数値は以下のとおりである。
=0.24[m]、l=0.38[m]、l=0.46[m]、J=3.0×10−3[kg・m]、J=3.9×10−2[kg・m]、J=1.2×10−1[kg・m]、T2min=−7[N・m]、T2max=7[N・m]。
Embodiment 2
In this embodiment, a simulation result of the present invention is shown. The numerical values used for the simulation are as follows.
l 1 = 0.24 [m], l 2 = 0.38 [m], l 3 = 0.46 [m], J 1 = 3.0 × 10 −3 [kg · m 2 ], J 2 = 3.9 × 10 −2 [kg · m 2 ], J 3 = 1.2 × 10 −1 [kg · m 2 ], T 2min = −7 [N · m], T 2max = 7 [N · m ].

ただし、上述の記号の意味は以下のとおりである。lは足長さ[m]、lは脛長さ[m]、lは大腿部長さ[m]、Jは足の重心周り慣性モーメント[kg・m]、Jは脛の重心周り慣性モーメント[kg・m]、Jは大腿部の重心周り慣性モーメント[kg・m]、T2minはリハビリ時に使用者が膝を曲げる方向に生成できる膝トルクの限界値[N・m]、T2maxはリハビリ時に使用者が膝を伸ばす方向に生成できる膝トルクの限界値[N・m]。 However, the meanings of the above symbols are as follows. l 1 is the foot length [m], l 2 is the shin length [m], l 3 is the thigh length [m], J 1 is the moment of inertia around the center of gravity of the foot [kg · m 2 ], and J 2 is the shin Moment of inertia around the center of gravity [kg · m 2 ], J 3 is the moment of inertia around the center of gravity of the thigh [kg · m 2 ], and T 2min is the limit value of the knee torque that the user can generate in the direction of bending the knee during rehabilitation [N · m], T 2max is a limit value [N · m] of knee torque that can be generated in the direction in which the user stretches the knee during rehabilitation.

シミュレーションに用いた値は、DOTHS-801 430, "Investigation Of Inertial Properties Of The human Body", U.S. Department Of Transportation, National Highway Traffic Safety Administration, March 1975に記載の、人体実測値の平均値を用いた。本シミュレーションにおいて、歩行訓練を通じて膝の機能を回復するリハビリ治療を模擬している。   As the value used for the simulation, the average value of human body measurement values described in DOTHS-801 430, “Investigation Of Inertial Properties Of The Human Body”, U.S. Department Of Transportation, National Highway Traffic Safety Administration, March 1975 was used. In this simulation, rehabilitation treatment that restores knee function through gait training is simulated.

図3は、実施の形態2を示すシミュレーションにおける、膝トルクの時間変化である。図3において、破線は使用者が傷病前に歩行時に発生していた膝トルク(以下、「所望の膝トルク」と呼ぶ)、実線はリハビリ治療時に使用者が発生できる膝トルクの推定値(以下、「使用者トルク推定値」と呼ぶ)、一点鎖線はアシストトルクである。ここで、所望の膝トルクは、Dr.Ben Stansfield, University of Strathclydeによる歩行実測データに基づいている。   FIG. 3 shows changes in knee torque over time in the simulation showing the second embodiment. In FIG. 3, the broken line indicates the knee torque generated when the user walks before the injury (hereinafter referred to as “desired knee torque”), and the solid line indicates the estimated value of the knee torque that can be generated by the user during the rehabilitation treatment (hereinafter referred to as “the desired knee torque”). , Referred to as “user torque estimated value”), the alternate long and short dash line is the assist torque. Here, the desired knee torque is based on walking actual measurement data by Dr. Ben Stansfield, University of Strathclyde.

使用者トルク推定値は実際の使用者トルクに一致しており、使用者トルク推定器123における式(15)を用いた使用者トルクの推定が精度良く実施できていることがわかる。また、アシストトルク演算器124が式(16)を用いて算出したアシストトルクと使用者トルクの推定値の加算値が所望の膝トルクになっていることから、膝の回復の度合いに応じた必要なアシストトルクによって歩行訓練を補助できていることが分かる。   The user torque estimated value matches the actual user torque, and it can be seen that the user torque estimation using the equation (15) in the user torque estimator 123 is performed with high accuracy. Further, since the added value of the assist torque calculated by the assist torque calculator 124 using the equation (16) and the estimated value of the user torque is a desired knee torque, it is necessary depending on the degree of knee recovery. It can be seen that walking training can be assisted by various assist torques.

このように、本発明によると、使用者130の膝の回復の度合いに応じてリハビリ治療に必要なアシストトルクを与えることができる。   Thus, according to the present invention, the assist torque necessary for the rehabilitation treatment can be applied according to the degree of knee recovery of the user 130.

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

例えば、上記の実施の形態において、歩行が困難となった使用者の膝のリハビリ治療の1例を示したが、膝を使用者の他の部位に置き換え、歩行を他の動作に置き換えることにより、使用者の運動機能回復のためのリハビリ治療全般にも適用することが可能である。   For example, in the above embodiment, an example of rehabilitation treatment of a user's knee that has become difficult to walk has been shown, but by replacing the knee with another part of the user and walking with another motion It can also be applied to general rehabilitation treatment for recovering the motor function of the user.

したがって本発明によると、加齢などにより日常生活の活動において力の増幅が必要な場合及び、介護や救助のための力の増幅が必要な場合に、安価な関節角度検出器のみを備えたアシストロボットにより必要な部位に必要なだけアシストトルクを与えることができる。   Therefore, according to the present invention, when an increase in force is required in activities of daily life due to aging or the like, and when an increase in force for care or rescue is necessary, an assist provided only with an inexpensive joint angle detector The robot can give as much assist torque as necessary to the necessary part.

より具体的には、傷病により失われた四肢の力を回復させるリハビリ治療に使用する場合、各部位の回復に必要なアシストトルクを無駄なく与え、効果的にリハビリ治療することができる。   More specifically, when used for rehabilitation treatment for recovering the power of the limbs lost due to injury or illness, the assist torque necessary for recovery of each part can be applied without waste, and the rehabilitation treatment can be effectively performed.

また、傷病により失われた四肢の力を回復させるリハビリ治療において、歩行などの反復作業を実施する場合、治療する関節への負担のより少ないリハビリ治療を実施できる。   Moreover, in the rehabilitation treatment for recovering the power of the extremities lost due to injury or illness, when repetitive work such as walking is performed, the rehabilitation treatment with less burden on the joint to be treated can be performed.

また、使用者の力増幅の用途において、無駄なく必要な部位に必要なだけアシストトルクを与えることができる。   Further, in the application of the user's force amplification, it is possible to give as much assist torque as necessary to a necessary part without waste.

本発明によると、アシストロボットを着用した使用者が各関節周りに発生するトルクを安価な関節角度検出器のみを備えた場合にも精度良く推定でき、使用者のリハビリができるので、リハビリ装置、救助作業用ロボットスーツ、歩行補助ロボット、介護装置など、医療、介護、力の増幅が必要な作業に使用する装置全般に広く適用できる。   According to the present invention, a user wearing an assist robot can accurately estimate the torque generated around each joint only with an inexpensive joint angle detector, and the user can be rehabilitated. It can be widely applied to all devices used for medical, nursing, and work that requires power amplification, such as rescue robot suits, walking assist robots, and nursing devices.

110 アシストロボット
111 関節モータ
112 アシストロボット機構
113 状態検出器
120 アシストロボット制御装置
121 推定器ゲイン演算器
122 状態推定誤差演算器
123 使用者トルク推定器
124 アシストトルク演算器
130 使用者
201 リンク
202 関節
203 リンク
204 関節
410 動作補助装置
411 駆動源
412 関節角度検出手段
413 生体信号検出手段
414 相対力検出手段
415 制御装置
416 電力増幅手段
420 装着者
DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 Assist robot 111 Joint motor 112 Assist robot mechanism 113 State detector 120 Assist robot controller 121 Estimator gain calculator 122 State estimation error calculator 123 User torque estimator 124 Assist torque calculator 130 User 201 Link 202 Joint 203 Link 204 Joint 410 Motion assist device 411 Drive source 412 Joint angle detection means 413 Biosignal detection means 414 Relative force detection means 415 Control device 416 Power amplification means 420 Wearer

Claims (1)

複数のリンクと関節から構成される機構と前記関節を駆動する複数のモータを備え、装着した使用者の動作を補助するまたはリハビリ治療するアシストロボットの動作を、関節角度などの状態検出値に基づいて制御するアシストロボット制御装置であって、
前記状態検出値に基づいて、推定器ゲインを算出する推定器ゲイン演算器と、
前記状態検出値と前記推定器ゲインに基づいて前記状態推定誤差を算出する状態推定誤差演算器と、
前記状態推定誤差に基づいて、前記アシストロボットを装着する使用者の各関節が発生するトルクである使用者トルク推定値を算出する使用者トルク推定器と、
前記使用者トルク推定値に基づいて動作補助またはリハビリ治療に必要なアシストトルクを算出し、前記関節モータが前記アシストトルクを発生するようなモータ電流を出力するアシストトルク演算器と、を備える、
アシストロボット制御装置。
Based on a state detection value such as a joint angle, an operation of an assist robot that includes a mechanism composed of a plurality of links and joints and a plurality of motors that drive the joints, and assists or rehabilitates the operation of the user who wears them. An assist robot control device for controlling
An estimator gain calculator that calculates an estimator gain based on the state detection value;
A state estimation error calculator that calculates the state estimation error based on the state detection value and the estimator gain;
A user torque estimator that calculates a user torque estimation value that is a torque generated by each joint of the user wearing the assist robot based on the state estimation error;
An assist torque calculator that calculates an assist torque necessary for operation assistance or rehabilitation treatment based on the user torque estimation value, and outputs a motor current such that the joint motor generates the assist torque, and
Assist robot controller.
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