JP2014155666A - 運動補助装置、制御方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】運動補助装置1は、本体10が有する本体座標系の世界座標系に対する傾きを取得する本体座標傾斜取得部100と、利用者の所定部位に装着されるとともに、剛体から成り一つ以上の関節と接続するリンクを介して、前記本体に接続される装着パーツ11aと、リンク12aの関節を、所定のトルクを出力しながら駆動するように指示するアクチュエータ13a1と、アクチュエータ13a1を制御する駆動制御部101と、を備える。
【選択図】図1
Description
以下、本発明の第一の実施形態による運動補助装置を、図面を参照して説明する。
図1は本発明の第一の実施形態による運動補助装置の機能構成を示す図である。この図において、符号1は運動補助装置である。
リンク12aは、これと接続する一方の関節を介して本体10と接続している。当該関節は、図1においては、以下に説明するアクチュエータ13a1として表記している。同様に装着パーツ11aは、リンク12aと他方の関節を介して接続している。この関節は、図1においては、アクチュエータ13a2として表記している。
駆動制御部101は、例えば汎用のCPU(Central Proccess Unit:中央演算装置)等であって、所定のプログラムを当該CPU内部に有するレジスタに読み込ませて実行することで各種機能を発揮する機能部である。
次に、本体10が備える補償トルク演算部1011の機能及び補償トルクτfについて、図2を参照しながら説明する。補償トルクτfは、各アクチュエータ13が「自重補償力」を装着パーツ11及びリンク12に与えるために出力すべきトルクである。ここで「自重補償力」とは、装着パーツ11及びリンク12自身にかかる重力(自重)を打ち消すために、自重と同じ大きさでその逆方向にかかる力ベクトルである(図2)。
遊脚状態にある装着パーツ11b及び遊脚側のリンク12bは、図3に示すように、本体10に固定された“天吊りのロボットマニピュレータ”として取り扱うことができる。
上記、自重補償トルクτf導出の説明において、重力ベクトル0gは、例えば0g=(0、0、−g)Tであるとした。ここで、遊脚状態にある装着パーツ11b及び遊脚側のリンク12bによる二関節シリアルリンク機構が、傾きが変化しない天井に取り付けられたものであった場合、自重補償トルクτfの演算において、当該重力ベクトル0gは、0g=(0、0、−g)Tの固定パラメータとして演算を行うことができる。しかし運動補助装置1の運用においては、本体10は利用者の歩行動作に応じて常にその姿勢が変動するものである。
ここで、図5に示すように、各装着パーツ11は、立脚状態において、自身が有するパーツ座標系ΣEの世界座標系ΣWに対する傾きを特定するパーツ座標傾斜特定部110を備えている。パーツ座標傾斜特定部110は、立脚状態にある装着パーツ11aの姿勢と世界座標系ΣWとの対応付けを行う機能部である。
ここでは説明を簡略化するため、図7に示すリンク機構は一関節のみであるとし、その関節の角度がθであったとする。また立脚状態にある装着パーツ11aは水平な地表に固定された立脚状態にあるものとして説明する。この場合、パーツ座標系ΣEと世界座標系ΣWは同一の座標系となる(図5参照)。
なお、関節が二つ以上のシリアルリンク機構についても、そのリンクに応じた座標変換行列Tを乗算することで、同様に本体座標系Σ0を基準とした重力ベクトル0gを導出することができる。
したがって、本実施形態による運動補助装置1によれば、利用者の動作を阻害しないように振る舞う運動補助装置の制御性能を向上させることができる
次に、図8を参照しながら上記「調整係数α」について説明する。本実施形態による調整係数αは“0”から“1”の値を取る所定の補正係数である。図8に示すグラフにおいて、縦軸は調整係数α、横軸は装着パーツ11が支持する支持荷重Fa(Fb)の値である。
補償トルク演算部1011は、装着パーツ11aが立脚状態にあるとき、その装着パーツ11aについての調整係数αを0に設定する。一方、補償トルク演算部1011は、装着パーツ11aが遊脚状態にあるとき、その装着パーツ11aについての調整係数αを1に設定する。さらに、補償トルク演算部1011は、装着パーツ11aが中間状態にあるとき、調整係数αを、その支持荷重Faに基づく0から1の間の値に設定する。なお、支持荷重Fa(Fb)の値は、それぞれの装着パーツ11が備えるパーツ座標傾斜特定部110を介して取得することができる。
図8を用いて説明した通り、支持荷重が“0”の装着パーツ11は遊脚状態とみなすことができるが、上述した説明においては、その支持荷重はパーツ座標傾斜特定部110を介して取得される力ベクトルの大きさに基づいて判定することとした。しかしながら、パーツ座標傾斜特定部110は、その装着パーツ11に働く重力以外の力(歩行運動に伴う慣性力等)を含めて検知するため、パーツ座標傾斜特定部110を参照するのみで厳密に遊脚状態にあるか否か(支持荷重Fa(Fb)が“0”か否か)を判断することが難しい場合がある。そこで、本実施形態による二つの装着パーツ11の各々は、足裏に接触検知センサ111を備えていてもよい。
次に、本実施形態による運動補助装置1の各種処理フローについて順を追って説明する。なおここで説明する処理フローは、利用者が当該運動補助装置1を装着して歩行運動を行っている状態の継続中は、逐次繰り返し実行されるものである。
重力ベクトルEg及び関節角度θに基づいて、本体座標系Σ0における重力ベクトル0gを算出する(ステップS4)。なお、重力ベクトル演算部1010は、具体的には式(6)、式(7)で示したような座標変換処理に基づいて重力ベクトル0gを算出することができる。
第二の実施形態による運動補助装置1の各種機能構成は、本体座標傾斜取得部100を除き、第一の実施形態によるものと同等である。
本実施形態による本体座標傾斜取得部100は、所定の傾斜センサであって、当該傾斜センサが検知する本体10の傾斜角度θに基づいて、本体座標系Σ0の世界座標系ΣWに対する傾きを取得することを特徴とする。以下、「本体座標傾斜取得部100」を「傾斜センサ100」として説明を続ける。
10・・・本体
100・・・本体座標傾斜取得部
101・・・駆動制御部
1010・・・重力ベクトル演算部
1011・・・補償トルク演算部
1012・・・出力指示部
1013・・・判定部
11a、11b・・・装着パーツ
110・・・パーツ座標傾斜特定部
111・・・接触検知センサ
12a、12b・・・リンク
13a1、13a2、13b1、13b2・・・アクチュエータ
Claims (9)
- 利用者に装着されて当該利用者の運動をアシストする運動補助装置であって、
前記運動補助装置の本体が有する本体座標系の世界座標系に対する傾きを取得する本体座標傾斜取得部と、
前記利用者の所定部位に装着されるとともに、剛体から成り一つ以上の関節と接続するリンクを介して、前記本体に接続される装着パーツと、
前記リンクに接続される関節を、所定のトルクを出力しながら駆動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを制御する駆動制御部と、
を備え、
前記駆動制御部は、
前記取得された本体座標系の世界座標系に対する傾きに基づいて、当該本体座標系を基準とした重力ベクトルを演算する重力ベクトル演算部と、
当該重力ベクトル及び前記装着パーツの質量に基づいて、前記アクチュエータが出力すべき所定の補償トルクを演算する補償トルク演算部と、
前記アクチュエータに対し、当該演算により算出された補償トルクを出力するように指示する出力指示部と、
を備えることを特徴とする運動補助装置。 - 前記運動補助装置は、前記装着パーツを少なくとも二つ備える運動補助装置であって、
当該二つの装着パーツの各々が、地表に接して固定されるとともに前記利用者及び自装置を支持する立脚状態にあるか、地表から離れ前記本体から吊られる遊脚状態にあるか、を判定する判定部と、
前記立脚状態において、前記装着パーツが有するパーツ座標系の世界座標系に対する傾きを特定するパーツ座標傾斜特定部と、
を備え、
前記本体座標傾斜取得部は、
前記特定されたパーツ座標系の世界座標系に対する傾き及び前記立脚状態にある装着パーツに接続される立脚側の前記リンクの関節の角度に基づいて、前記本体座標系の世界座標系に対する傾きを演算して取得し、
前記補償トルク演算部は、
前記重力ベクトル及び前記遊脚状態にある装着パーツの質量に基づいて、当該遊脚状態にある装着パーツに接続される遊脚側の前記リンクを駆動させるアクチュエータが出力すべき所定の補償トルクを演算し、
前記出力指示部は、
前記遊脚側のリンクを駆動させるアクチュエータに対し、当該演算により算出された補償トルクを出力するように指示する
ことを特徴とする請求項1に記載の運動補助装置。 - 前記パーツ座標傾斜特定部は、
自身に加えられる力ベクトルを、前記パーツ座標系を基準にしたベクトル量として検知する力ベクトルセンサであって、
当該力ベクトルの方向に基づいて、前記パーツ座標系の世界座標系に対する傾きを特定する
ことを特徴とする請求項2に記載の運動補助装置。 - 前記判定部は、
前記二つの装着パーツそれぞれが備える前記力ベクトルセンサにより検知される力ベクトルの大きさを比較して、当該二つの装着パーツのうち検知される力ベクトルが大きい方を前記立脚状態にある装着パーツと判定する
ことを特徴とする請求項3に記載の運動補助装置。 - 前記運動補助装置は、前記装着パーツを少なくとも二つ備える運動補助装置であって、
当該二つの装着パーツの各々が、地表に接して固定されるとともに前記利用者及び自装置を支持する立脚状態にあるか、地表から離れ前記本体から吊られる遊脚状態にあるか、を判定する判定部と、
を備え、
前記本体座標傾斜取得部は、
所定の傾斜センサであって、当該傾斜センサが検知する前記本体の傾斜角度に基づいて、前記本体座標系の世界座標系に対する傾きを取得し、
前記補償トルク演算部は、
前記重力ベクトル及び前記遊脚状態にある装着パーツの質量に基づいて、当該遊脚状態にある装着パーツに接続される遊脚側の前記リンクを駆動させるアクチュエータが出力すべき所定の補償トルクを演算し、
前記出力指示部は、
前記遊脚側のリンクを駆動させるアクチュエータに対し、当該演算により算出された補償トルクを出力するように指示する
ことを特徴とする請求項1に記載の運動補助装置。 - 前記補償トルク演算部は、
前記二つの装着パーツのうちいずれか一方が、地表には接しているものの前記利用者及び自装置を、他方の装着パーツと比較して主として支持していない中間状態にある場合において、
前記重力ベクトル及び前記装着パーツの質量に基づいて算出した補償トルクに対し、さらに、当該中間状態にある装着パーツにかかる荷重に基づく所定の調整係数を乗算して得られる調整補償トルクを算出し、
前記出力指示部は、
前記中間状態にある装着パーツに接続されるリンクの関節を駆動させるアクチュエータに対し、前記調整補償トルクを出力するように指示する
ことを特徴とする請求項2から請求項5の何れか一項に記載の運動補助装置。 - 前記二つの装着パーツの各々は、
自身が地表に接しているか否かを検知する接触検知センサを備え、
前記判定部は、
地表に接していない一方の装着パーツを前記遊脚状態にあると判定するとともに、地表に接している他方の装着パーツを前記立脚状態にあると判定する
ことを特徴とする請求項2から請求項6の何れか一項に記載の運動補助装置。 - 利用者の所定部位に装着されるとともに、剛体から成り一つ以上の関節と接続するリンクを介して、本体に接続される装着パーツと、前記リンクの関節を、所定のトルクを出力しながら駆動させるアクチュエータと、を備え、当該利用者の運動をアシストする運動補助装置を制御する制御方法であって、
前記運動補助装置の本体が有する本体座標系の世界座標系に対する傾きを取得し、
前記取得された本体座標系の世界座標系に対する傾きに基づいて、当該本体座標系においての重力ベクトルを演算し、
当該重力ベクトル及び前記装着パーツの質量に基づいて、前記アクチュエータが出力すべき所定の補償トルクを演算し、
前記アクチュエータに対し、当該演算により算出された補償トルクを出力するように指示する
ことを特徴とする制御方法。 - 利用者に装着されて当該利用者の運動をアシストする運動補助装置であって、
前記利用者の所定部位に装着されるとともに、剛体から成り一つ以上の関節と接続するリンクを介して、本体に接続される装着パーツと、
前記リンクに接続される関節を、所定のトルクを出力しながら駆動させるアクチュエータと、を備える運動補助装置のコンピュータを、
前記運動補助装置の本体が有する本体座標系の世界座標系に対する傾きを取得する本体座標傾斜取得手段、
前記取得された本体座標系の世界座標系に対する傾きに基づいて、当該本体座標系を基準とした重力ベクトルを演算する重力ベクトル演算手段、
当該重力ベクトル及び前記装着パーツの質量に基づいて、前記アクチュエータが出力すべき所定の補償トルクを演算する補償トルク演算手段、
前記アクチュエータに対し、当該演算により算出された補償トルクを出力するように指示する出力指示手段、
として機能させることを特徴とするプログラム。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016168122A (ja) * | 2015-03-11 | 2016-09-23 | 株式会社東芝 | 動作支援装置 |
JP2017136264A (ja) * | 2016-02-04 | 2017-08-10 | 三菱重工業株式会社 | パワーアシストスーツの制御装置及びパワーアシストスーツ |
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JP2005237504A (ja) * | 2004-02-25 | 2005-09-08 | Honda Motor Co Ltd | 脚体運動補助装具の発生トルク制御方法 |
JP2007159971A (ja) * | 2005-12-16 | 2007-06-28 | Univ Of Electro-Communications | 歩行補助装置 |
JP2010148759A (ja) * | 2008-12-26 | 2010-07-08 | Toyota Motor Corp | 歩行補助装置 |
-
2013
- 2013-02-18 JP JP2013029306A patent/JP6008757B2/ja active Active
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