JP2014057628A - パワーアシストロボット - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 パワーアシストロボットである外骨格型ロボット1を構成する各能動関節は、空電ハイブリッドアクチュエータを備えている。空電ハイブリッドアクチュエータには、空圧式のエアマッスルと、エアマッスルの駆動力を関節に伝達するワイヤが含まれる。制御部134は、外部制御装置20からのコマンドにしたがって、エアマッスルからワイヤへの駆動力の大きさを検出し、検出結果に応じて、エアマッスルの駆動力および電動モータからの駆動力を制御する。
【選択図】図3
Description
以下では、空電ハイブリッド式アクチュエータ用のトルク制御器の構成について説明する。
したがって、特に限定されないが、たとえば、内部制御装置10が、第一の閾値よりも(「より」は「以上」も含む、とする)高周波であるトルクに対して電動モータ312を追加動作させることは好適である。 なお、追加動作とは、エアマッスル302および304に加えて電動モータ312を動作させることである。ここで、第一の閾値は、例えば、3Hzである。
(特許という観点から、「直流成分」に限定されない表現としました。)
空圧式エアマッスルから、ワイヤがプーリーへ駆動力を伝達し、指定された一方向へ関節を駆動する。
空圧式エアマッスル、ワイヤおよびプーリを含む空圧式アクチュエーターは、人間の筋肉と多くの共通点を持っている。
文献2:D.G. Caldwell, A. Razak, and MJ Goodwin. Braided pneumatic muscle actuators. In Proceedings of the IFAC Conference on Intelligent Autonomous Vehicles, pp. 507-512, 1993.
空気シリンダーと異なり、関節角が変化することによってトルクは非線形に変化する。
運動上の制約条件が常に不変であるという仮定の下では、空圧式エアマッスルの圧力は常に同じ均衡点での収縮割合ε(p)を与えることになる。すなわち、収縮割合ε(p)は、圧力pの関数となる。
しかしながら、一般的には、運動上の制約条件をダイナミックに変更し、異なる外力Fと釣り合うので、この仮定は、上述したような外骨格型ロボットにおいては、厳密には成り立たない。
上述したような液晶ポリマー繊維製のワイヤは、高強力高弾性率を有するので、通常は、張力に対して長さが変化しないとの近似がよく成り立つ。高強度・高弾性率繊維としては、ベクトラン(登録商標)のようなポリアリレート繊維の他に、たとえば、超高分子量ポリエチレン繊維、PBO繊維などがある。
すなわち、このモデルでは、腱ワイヤ(ポリアリレート繊維などの液晶ポリマー繊維製のワイヤ)は、バネに近似され、Δεは、力によって引き起こされた余分なエアマッスルの収縮であり、kはばね定数である。つまり、腱が力によって伸びる分、空圧式エアマッスルは、余分に収縮することが必要になる。このようにバネに近似される腱ワイヤのことを「腱スプリング」と呼ぶことにする。
2次式の係数には、以下の関係が成り立つ。
ii)腱ワイヤの先端e1は、腱ワイヤの駆動力を伝達する側e2において、腱ワイヤを構成するように編まれた繊維束を割って作った2つの孔を縫うように通されて固定される。
(起立動作を支援する鉛直力の生成)
以下では、外骨格型ロボットにより、鉛直方向の運動、たとえば、起立動作を支援する構成について説明する。
Claims (7)
- フレーム構造と、
前記フレーム構造を可動とするように配置されている能動関節と、
前記能動関節に対するトルク制御により前記能動関節を動作させる制御部とを備え、
各前記能動関節は、
エアマッスルと、
電動モータと、
前記エアマッスルからの第1の駆動力と前記電動モータからの第2の駆動力とを合成して前記能動関節の屈伸を駆動するための駆動力合成手段と、
前記エアマッスルからの前記第1の駆動力を前記駆動力合成手段に伝達するためのワイヤと、
前記エアマッスルの端部であって、前記エアマッスルに対して前記ワイヤが結合される側の端部に固定され、前記エアマッスルからの前記第1の駆動力の大きさを検出するための第1のセンサと、
前記第1のセンサと前記ワイヤとを結合するための係合部材とを含み、
前記制御部は、
前記第1のセンサの検出結果に応じて、前記エアマッスルの前記第1の駆動力および前記電動モータからの前記第2の駆動力を制御する、パワーアシストロボット。 - 前記係合部材は、固定部材を介して前記第1のセンサに固定され、前記係合部材と前記固定部材とで、前記ワイヤを係合するためのT字形状の構造が構成され、
前記ワイヤは、前記ワイヤ自身が前記T字形状の構造の前面側に作るループの中を、前記ワイヤの一方端側および前記第1の駆動力を伝達する他方端側の双方が、それぞれ、前記T字形状の構造の前記固定部材を挟むように背面側を回って、通るように結ばれることで、前記係合部材に対して固定される、パワーアシストロボット。 - 前記ワイヤは、繊維束を編むことにより形成され、
前記ワイヤの一方端は、前記ワイヤの前記第1の駆動力を伝達する側において、前記ワイヤを構成するように編まれた前記繊維束を割って作った2つの孔を縫うように通されて固定される、請求項2記載のパワーアシストロボット。 - 前記ワイヤは、繊維束を編むことにより形成され、
前記ワイヤの一方端は、前記ワイヤの前記第1の駆動力を伝達する側において、前記ワイヤを構成するように編まれた前記繊維束を割って作った第1の孔を通され、前記ワイヤの他方端は、前記一方端側で前記第1の孔を通る部分よりも先端側で、前記繊維束を割って作った第2の孔を通されて固定される、請求項2記載のパワーアシストロボット。 - 前記制御部は、
前記ワイヤを所定のバネ定数で表されるバネとした力学モデルと、前記エアマッスルの収縮割合に対する前記第1の駆動力の所定の関係を表す駆動力モデルとの組合せの逆モデルにより、前記第1の駆動力を生成するために前記エアマッスルに加える圧力を制御する、請求項1または2記載のパワーアシストロボット。 - 各前記能動関節の関節角を検出するための第2のセンサをさらに備え、
前記制御部は、
前記第2のセンサの検出結果により、前記エアマッスルの前記収縮割合を検知する、請求項5記載のパワーアシストロボット。 - 前記パワーアシストロボットは、対象となる人間の筋骨格系運動の支援をするための外骨格型ロボットであって、
前記フレーム構造は、外骨格に対応し、
前記能動関節は、前記筋骨格系運動における前記対象となる人間の関節の各位置に対応して前記フレーム構造を可動とするように配置されている、請求項2に記載のパワーアシストロボット。
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