JP2014184087A - Support device and support program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、支援装置、及び支援プログラムに関し、例えば、脚部の関節の運動を支援するものである。 The present invention relates to a support device and a support program, for example, to support movement of a leg joint.
近年、歩行者に装着させ、歩行者の歩行動作をアクチュエータなどで支援(アシスト)する装着型の歩行支援装置(ウェアラブルモビリティ)が盛んに研究され、例えば、特許文献1の体重支持型の歩行補助装置が提案されている。
この特許文献1記載の歩行補助装置では、アシスト用のアクチュエータで上腿フレームと下腿フレーム間の角度を制御して着座部を上方に持ち上げることにより体重の一部を支える構造となっている。
In recent years, a wearable walking support device (wearable mobility) that is worn by a pedestrian and supports (assist) the walking motion of the pedestrian with an actuator or the like has been actively researched. A device has been proposed.
The walking assist device described in
これら歩行支援装置では、筋電センサやトルクセンサを用いて装着者の動きや関節で発生しているトルクを検出し、そのトルクの一部を、例えば、モータとギアから成るアクチュエータでアシストする。装着者の意志による動きに関しては、上記センサで対応が可能である。 In these walking support devices, the movement of the wearer and the torque generated in the joint are detected using a myoelectric sensor or a torque sensor, and a part of the torque is assisted by an actuator composed of a motor and a gear, for example. About the movement by a wearer's will, it can respond by the said sensor.
しかし、人が装着する上では、装着者の意志によらない外部からの力(重力、慣性力、第三者からの力など)を受けて動作するバックドライバビリティが重要になる場合がある。
このような場合、アクチュエータは、駆動している方向と逆に回転することになるが、ギア機構を含むアクチュエータでは、能動的動き(モータが出力軸を回している場合)と受動的動き(モータが出力軸に回されている場合)において、電流トルク特性が異なることを本願発明者は見出した。
そのため、アシスト力をトルク制御する際には、能動・受動を区別せずにモータを電流制御すると、出力されるトルクが指定したいトルクと異なってしまうという問題があった。
However, when a person wears, back drivability that operates by receiving external force (gravity, inertial force, force from a third party, etc.) not depending on the wearer's will may be important.
In such a case, the actuator rotates in the direction opposite to the driving direction, but in the actuator including the gear mechanism, the active movement (when the motor rotates the output shaft) and the passive movement (the motor The present inventor has found that the current torque characteristics are different in the case where is rotated around the output shaft.
For this reason, when the assist force is torque-controlled, if the motor is current-controlled without distinguishing between active and passive, there is a problem that the output torque is different from the desired torque.
本発明は、アクチュエータが出力するトルクを適切に制御することを目的とする。 An object of this invention is to control appropriately the torque which an actuator outputs.
本発明は、前記目的を達成するために、請求項1に記載の発明では、支援対象者の脚部の関節の運動を支援するアクチュエータと、前記関節において前記アクチュエータに出力させるトルクを取得するトルク取得手段と、前記アクチュエータの動作方向を検出する検出手段と、前記検出した動作方向と前記取得したトルクの方向が同じであるか否かを判断する判断手段と、前記判断手段が同じと判断した場合、前記アクチュエータが動作方向にトルクを出力する場合の電流トルク特性を選択し、前記判断手段が否と判断した場合、前記アクチュエータが動作方向と逆にトルクを出力する場合の電流トルク特性を選択する選択手段と、前記選択した電流トルク特性に従って、前記取得したトルクに対応する電流を前記アクチュエータに供給する供給手段と、を具備したことを特徴とする支援装置を提供する。
請求項2に記載の発明では、前記アクチュエータは、ギアヘッドを備え、前記検出手段は、前記ギアヘッドよりも前記関節に対してトルクを出力する出力軸側で前記動作方向を検出することを特徴とする請求項1に記載の支援装置を提供する。
請求項3に記載の発明では、前記検出手段は、前記出力軸で前記動作方向を検出することを特徴とする請求項2に記載の支援装置を提供する。
請求項4に記載の発明では、支援対象者の脚部の関節の運動を支援するアクチュエータを備えた支援装置用の支援プログラムであって、前記関節において前記アクチュエータに出力させるトルクを取得するトルク取得機能と、前記アクチュエータの動作方向を検出する検出機能と、前記検出した動作方向と前記取得したトルクの方向が同じであるか否かを判断する判断機能と、前記判断機能が同じと判断した場合、前記アクチュエータが動作方向にトルクを出力する場合の電流トルク特性を選択し、前記判断機能が否と判断した場合、前記アクチュエータが動作方向と逆にトルクを出力する場合の電流トルク特性を選択する選択機能と、前記選択した電流トルク特性に従って、前記取得したトルクに対応する電流を前記アクチュエータに供給する供給機能と、をコンピュータで実現する支援プログラムを提供する。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, in the invention according to
According to a second aspect of the present invention, the actuator includes a gear head, and the detection unit detects the operation direction on the output shaft side that outputs torque to the joint with respect to the gear head. A support device according to
According to a third aspect of the present invention, there is provided the support device according to the second aspect, wherein the detection means detects the movement direction by the output shaft.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a support program for a support device including an actuator for supporting the motion of a joint of a leg of a support target person, wherein torque acquisition for acquiring torque to be output to the actuator at the joint is obtained. A function, a detection function for detecting the operation direction of the actuator, a determination function for determining whether or not the detected operation direction is the same as the acquired torque direction, and the determination function is the same The current torque characteristic when the actuator outputs torque in the operation direction is selected, and the current torque characteristic when the actuator outputs torque in the direction opposite to the operation direction is selected when the determination function determines NO Supply current corresponding to the acquired torque to the actuator according to the selection function and the selected current torque characteristic. To provide a support program to implement a supply function that, at the computer.
本発明によれば、状況に応じた複数の電流トルク特性を用いることにより、アクチュエータが出力するトルクを適切に制御することができる。 According to the present invention, the torque output from the actuator can be appropriately controlled by using a plurality of current torque characteristics corresponding to the situation.
(1)実施形態の概要
本実施形態の支援装置では、歩行支援を行う歩行支援装置1を例に説明する。
歩行支援装置1は、図2に示したように、膝関節アクチュエータ18のモータ81が回したい方向と、実際に出力軸である膝関節ピッチ軸86が回っている方向から、膝関節アクチュエータ18(モータ81)の動きが能動的か受動的かを判断する。
膝関節アクチュエータ18の電流トルク特性は、能動的な場合と、受動的な場合とで異なり、歩行支援装置1は、膝関節アクチュエータ18の動作が能動的な場合は、能動用の電流トルク特性を用い、受動的な場合は、受動用の電流トルク特性を用いて電流値を算出する。
歩行支援装置1は、能動・受動によって補正された当該電流を膝関節アクチュエータ18に供給することにより、能動、受動にかかわらず、所望のトルクを出力させることができる。
また、出力軸の回転方向を検知する際にはギアヘッド82よりも出力軸側に設置したエンコーダ20で検知することにより出力軸の回転を直接的に検知できると共に、モータ81が回したい方向と実際に出力軸が回っている方向の検知が容易になり、センサ個数・種類を抑えることが可能となる。
(1) Outline of Embodiment In the assistance device of the present embodiment, a
As shown in FIG. 2, the
The current torque characteristics of the
The
Further, when detecting the rotation direction of the output shaft, the rotation of the output shaft can be directly detected by detecting with the
(2)実施形態の詳細
図1は、体重支持型の歩行支援装置1の構成を表したものである。
図1(a)は、本実施の形態に係る歩行支援装置1の構成を側面(進行方向に対して横方向)から見たところを示した図である。
図1(b)は、図1(a)で示した状態の歩行支援装置1を正面(進行方向)から見た状態と、装着者100の下半身部分を点線で表した図である。
図1に示したように、歩行支援装置1は、装着者100が跨って乗ることにより、装着者100の体重の一部を支持(負担)し、装着者100の負荷を軽減するものである。体重の一部の負担は、後述するアクチュエータを駆動することで、着座部61に上方の力を発生させることで行われている。
また、歩行支援装置1では、装着者100は、腰部、上腿部、下腿部を固定する必要がないので、着脱も容易になる。
(2) Details of Embodiment FIG. 1 shows a configuration of a weight support type
Fig.1 (a) is the figure which showed the place which looked at the structure of the
FIG. 1B is a diagram in which the
As shown in FIG. 1, the
Moreover, in the
なお、図1(a)(b)に示すように、点線で示した装着者100が脚を伸ばした状態(直立状態)において、歩行支援装置1が膝関節部分で屈曲している。これにより、直立状態においても、着座部61に上方の力を発生させて、体重の一部を負担することができる。
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the
図1(a)に戻り、歩行支援装置1は、着座部61、連結部材63、プレート62、ガイドレール64、65、荷重センサ67、股関節ピッチ軸機構17、膝関節アクチュエータ18、足首関節ピッチ軸機構19、上腿連結部材26、下腿連結部材27、足連結部材28、足装着部24、床反力センサ241、エンコーダ20、膝関節ピッチ軸86などから構成されている。
Returning to FIG. 1A, the
なお、股関節ピッチ軸機構17、膝関節アクチュエータ18、エンコーダ20、膝関節ピッチ軸86、足首関節ピッチ軸機構19、上腿連結部材26、下腿連結部材27、足連結部材28、足装着部24、床反力センサ241については、図1(b)に示すように、右脚用と左脚用の各部材が存在するが、一方の脚用を指定して説明する場合には、符号の後にLRを付けて区別して説明する。
また、図示しないが、本実施形態では、制御装置2やバッテリが着座部61内、または着座部61の下側等に配設されるが、他の位置例えば、上腿連結部材26等に配設するようにしてもよい。
なお、図1(a)は、図面に向かって右側(足装着部24のつま先側)が前方である。
Note that the hip joint
Although not shown, in the present embodiment, the
In FIG. 1A, the right side (toe side of the foot mounting portion 24) is the front as viewed in the drawing.
着座部61は、装着者100が跨いで腰掛ける部材である。
着座部61の上面には、装着者100から61が受ける圧力を検出する荷重センサ67が配設されている。本実施形態では、この荷重センサ67の検出値が所定の目標値(支援荷重という)となるように、膝関節アクチュエータ18の出力が制御される。
これにより、装着者100は、着座部61から常に上方の付勢力を受けることで体重の一部が負担される。
The
A
As a result, the
着座部61は、装着者100の体重の少なくとも一部を下方から支える。着座部61は、下方から装着者100の股間部に押圧されるため、これにより、歩行支援装置1の上部が装着者100の腰部に対して固定される。
The
連結部材63は、着座部61の後方に延設されており、この延設部分には左右用2枚のプレート62が固定されている。連結部材63は、プレート62に対する着座部61の位置を固定している。
2枚のプレート62は、連結部材63の軸心を中心に回転自在に配設されることで、連結部材63が2枚のプレート62に対する開閉軸として機能している。これにより、装着者100の脚の開閉に伴い、2枚のプレート62も連結部63の軸心を中心に開閉する。
The connecting
The two
プレート62は、着座部61の後端側から着座部61の前端側の下部まで形成され、下肢側に凸となった扇形の部材である。プレート62は、下肢の運動に対して着座部61を保持する部材であり、それに耐えうる剛性を有している。
プレート62の表面にはガイドレール64、65(以下代表してガイドレール65という)が、着座部61の上方に位置する股関節ピッチ軸中心(股関節の位置)Kを中心とする同心円状に形成されている。
ガイドレール65は、股関節ピッチ軸機構17が装着者100の歩行運動に伴って前後方向に移動する軌道を規定している。
The
On the surface of the
The
股関節ピッチ軸機構17は、ガイドレール65による軌道上を自由移動するように構成されており、装着者100の歩行運動に伴って股関節ピッチ軸機構17がガイドレール64、65による軌道上を自由移動する。
例えば、装着者100が右脚を前に出すことで重心が前方に移動した状態では、右股関節ピッチ軸機構17Rは脚の動きに連動して軌道上を前方に自由移動し、立脚側の左脚は重心よりも後方への移動に連動して左股関節ピッチ軸機構17Lは軌道上を後方に自由移動する。
このように、股関節ピッチ軸機構17は、装着者100が脚を前後方向に移動する力(動き)によって軌道上を前後方向に自由移動するものであり、特にアクチュエータによる前後方向の駆動はされていない。
股関節ピッチ軸機構17には、ガイドレール64、65での位置を検出する位置センサが設置されている。この位置センサの値は、装着者100の股関節角度を計算するのに用いることができるため、この位置センサは、股関節に関する関節角度センサとして機能している。
The hip joint
For example, in a state where the center of gravity moves forward by the
As described above, the hip joint
The hip joint
股関節ピッチ軸機構17には、剛性を有する部材(例えば、柱状部材)で構成された上腿連結部材26の一端が固定され、上腿連結部材26の他端には膝関節アクチュエータ18が接続されている。
上腿連結部材26の一端は股関節ピッチ軸機構17に対して固定されているため、股関節ピッチ軸機構17に対する角度は変わらないが、股関節ピッチ軸機構17が円弧上のガイドレール65上を移動することにより、上腿連結部材26は、ガイドレール65の接線との角度θを一定に保ちながら、水平面に対する角度が変化する。
即ち、装着者100の膝を上げる動作に伴い股関節ピッチ軸機構17がガイドレール65上を前方に移動するため、上腿連結部材26は水平面との角度が小さくなる(水平に近づく)。
One end of an upper
Since one end of the upper
That is, as the hip joint
そして、上腿連結部材26の他端側に位置する膝関節アクチュエータ18は、ガイドレール65の中心軸である股関節ピッチ軸中心Kを中心とる円弧上を前後に移動する。即ち、膝関節アクチュエータ18は、股関節ピッチ軸機構17の自由移動に伴い、股関節ピッチ軸中心Kから一定距離を保ちながら円弧運動をする。
上腿連結部材26の他端側は、膝関節ピッチ軸86を介して下腿連結部材27が接続されている。
Then, the knee
The lower
膝関節アクチュエータ18は、入力される電流により制御され、その出力により、膝関節ピッチ軸86を軸心として、上腿連結部材26と下腿連結部材27との膝関節角度を変えるように構成されている。
即ち、膝関節アクチュエータ18は、膝関節角度を大きくする(直線に近づける)ことで、上腿連結部材26にプレート62等を介して接続されている着座部61に対する上方の付勢力を発生させるようになっており、この上付勢力により装着者100の体重の一部が支持されることになる。
膝関節アクチュエータ18は、歩行支援対象者の脚部の関節の運動を支援するアクチュエータとして機能している。
The knee
That is, the knee
The knee
なお、本実施形態の膝関節アクチュエータ18は、膝関節ピッチ軸86(上腿連結部材26と下腿連結部材27の接続点)の位置に配設される場合について説明するが、例えば、連結部材63や着座部61内、着座部61下、股関節ピッチ軸機構17の後方等の他の位置に配置するようにしてもよい。この場合、膝関節アクチュエータ18の出力は、プーリを必要箇所に配置しワイヤーやベルトによる伝達機構、その他の力伝達機構により、上腿連結部材26と下腿連結部材27に作用させるようにしてもよい。
The knee
また、図示しないが、膝関節ピッチ軸86と同軸となるようにエンコーダ20が設置されており、膝関節ピッチ軸86の回転角度を検出する。エンコーダ20は、膝関節に関する関節角度センサとして機能している。
Although not shown, the
下腿連結部材27は、剛性を有する部材(例えば、柱状部材)で構成され、膝関節アクチュエータ18と反対の他端側には、足首関節ピッチ軸機構19が取り付けられている。
足首関節ピッチ軸機構19には、剛性を有する部材(例えば、柱状部材)で構成された足連結部材28が取り付けられている。
足連結部材28には、足首関節ピッチ軸機構19の位置が装着者100の足首関節と略同じ高さとなるように、装着者100の足が挿入される足装着部24が固定されている。
足首関節ピッチ軸機構19は、下腿連結部材27に対して、足連結部材28と足装着部24が自由にピッチ運動する。
図示しないが、足首関節ピッチ軸機構19にも足首関節の角度を検出するエンコーダが設置されており、足首関節の角度を検出する関節角度センサとして機能している。
The
The ankle joint
A
In the ankle joint
Although not shown, the ankle joint
足装着部24は、対向する一対の足連結部材28の外側に配置されることで、図1(b
)に示されるように、足装着部24以外の各部材は両脚の間に収まることになる。
足装着部24の底面には、各脚が支えている体重の負担割合を求めるために、歩行面からの反力を検出する床反力センサ241R、241Lが配置されている。
本実施形態では、各足装着部24の底面略中央部に1つずつの床反力センサ241が配置されているが、立脚、遊脚の状態をより正確に判定するために、前後方向の複数箇所(例えば、つま先と踵の2箇所)に床反力センサを配置するようにしてもよい。
The
), Each member other than the
Floor
In the present embodiment, one floor
歩行支援装置1の装着手順は、次の通りである。
まず、歩行支援装置1の電源を切っておくと共に上腿連結部材26と下腿連結部材27を畳んでおく。
そして、装着者100は、座った姿勢で左右の足に足装着部24を装着する。
次に、装着者100は立ち上がり、上腿連結部材26、下腿連結部材27を伸ばして着座部61を股間に当てる。
The wearing procedure of the
First, the power of the
Then, the
Next, the
次に、電源をオンすると、歩行支援装置1は、荷重センサ67の検出値が支援荷重と一致するように、膝関節アクチュエータ18を駆動し、着座部61により装着者100の体重を支持する。歩行支援装置1を脱ぐ場合は、逆の手順を行う。
このように、歩行支援装置1は、着脱が容易である。
Next, when the power is turned on, the walking
Thus, the walking
なお、電源をオンした際には、着座部61の荷重センサ67が荷重を検出するまでの間、膝関節アクチュエータ18からは支援荷重に対応する出力トルクよりも小さい装着時荷重に対応するトルクを出力することで、着座部61はゆっくりと装着者100の腰下まで上昇する。
電源オフの際には、膝関節アクチュエータ18からは、装着時荷重よりも小さい脱着時荷重に対応するトルクを出力することで、着座部61はゆっくりと下方にさがる。
When the power is turned on, until the
When the power is turned off, the knee
なお、本実施の形態では、歩行支援用アクチュエータとして膝関節アクチュエータ18を用いたが、この他に足首関節ピッチ軸機構19に対して足首関節アクチュエータを備えたり、股関節ピッチ軸機構17をガイドレール64、65に沿って駆動する股関節アクチュエータを備えたりしてもよい。
In the present embodiment, the knee
以下では、アクチュエータのトルク制御について、膝関節アクチュエータ18を例に説明するが、足首関節アクチュエータや股関節アクチュエータを備える場合も、同様の処理を行うことができる。
また、本実施の形態では、両脚の内側に装着するタイプの歩行支援装置1について説明するが、例えば、両脚の外側に装着し、腰部、大腿部、下腿部などを保持して駆動するタイプの歩行支援装置についても適用することができる。
In the following, the torque control of the actuator will be described by taking the knee
In this embodiment, the walking
図2の各図は、膝関節アクチュエータ18(モータ81)の能動方向と受動方向を説明するための図である。
膝関節アクチュエータ18は、駆動力を発生するモータ81と、当該モータの先端に形成されたギアヘッド82を用いて構成されている。
モータ81は、制御装置からの直流電流により図示しないモータ出力軸(主軸、スピンドル)を回転し、これによってギアヘッド82を駆動する。
ギアヘッド82の先端からは、ギア出力軸83が伸びている。
ギアヘッド82の内部には、歯車機構が設けられており、ギアヘッド82は、モータ出力軸の回転数や回転トルクを当該歯車機構により変換してギア出力軸83から出力する。
Each drawing in FIG. 2 is a view for explaining the active direction and the passive direction of the knee joint actuator 18 (motor 81).
The knee
The
A
A gear mechanism is provided inside the
ギア85は、ギア出力軸83の先端にギア出力軸83と同軸に取り付けられており、ギア出力軸83が回転すると、これに伴ってギア85も回転する。
ギア87は、ギア出力軸83と平行な膝関節ピッチ軸86に取り付けられており、ギア85とかみ合っている。
The
The
そのため、ギア出力軸83が回転すると、膝関節ピッチ軸86は、これと逆方向に回転する。
これらギアによる伝達機構により、膝関節アクチュエータ18は、膝関節ピッチ軸86にトルクを発生させ、上腿連結部材26に対して下腿連結部材27を回転させることができる。このように、膝関節ピッチ軸86は、膝関節アクチュエータ18の発生するトルクを関節(駆動の対象)に出力する出力軸となっている。
なお、以上のギア構成は一例であって、各種の変形が可能である。
Therefore, when the
By the transmission mechanism using these gears, the knee
Note that the above gear configuration is an example, and various modifications are possible.
エンコーダ20は、膝関節ピッチ軸86の端部に設けられており、膝関節ピッチ軸86の角度を検出する。
一般に、エンコーダ20は、モータ81の後端の取り付けられ、モータ出力軸の回転を検出する。しかし、本実施の形態では、膝関節ピッチ軸86の回転をモータ制御に用いるため、エンコーダ20をモータ出力軸に設置すると、ギア機構の機械的遊びによる検出の遅れが生じる。そのため、歩行支援装置1では、エンコーダ20を膝関節ピッチ軸86に設置(即ち、駆動の対象にトルクを出力する出力軸に直接設置)することとした。
The
In general, the
図2(a)では、膝関節ピッチ軸86が紙面に向かって左に回転している。膝関節ピッチ軸86の回転方向はエンコーダ20により検出される。この回転方向を正回転とし、逆方向を負回転とする。
この図では、モータ81には、膝関節ピッチ軸86を正回転させる電流が供給されている。このように、モータ81に正回転用の電流を供給し、膝関節ピッチ軸86が正回転している場合、動作方向に差異がないので、モータ81(換言すれば、膝関節アクチュエータ18)が能動方向に動作している場合とする。
なお、モータ81に負回転用の電流を供給し、膝関節ピッチ軸86が負回転している場合も能動方向の動作である。
In FIG. 2A, the knee
In this figure, the
The operation in the active direction is also performed when a current for negative rotation is supplied to the
図2(b)では、モータ81には、膝関節ピッチ軸86を正回転させる電流が供給されているのに対し、膝関節ピッチ軸86は、逆の負方向に回転している。
このように、モータ81に正回転用の電流を供給し、膝関節ピッチ軸86が負回転している場合、動作方向に差異があるので、モータ81(換言すれば、膝関節アクチュエータ18)が受動方向に動作している場合とする。
なお、モータ81に負回転用の電流を供給し、膝関節ピッチ軸86が正回転している場合も受動方向の動作である。
膝関節アクチュエータ18が受動方向の動作をするのは、例えば、装着者100が脚部に伸展方向の力を加えつつ、重力によって脚部が屈曲する場合や、第三者からの力により、意図する方向とは逆方向に関節が曲がる場合などがある。
In FIG. 2B, the
In this way, when a current for positive rotation is supplied to the
In addition, when the current for negative rotation is supplied to the
The knee
図3は、モータ81の能動方向、及び受動方向の電流トルク特性を説明するための図である。
より詳細には、モータ81は、ギアヘッド82やギア85、87などのギア機構を経て出力軸(膝関節ピッチ軸86)を駆動する。
以下で、説明する電流トルク特性は、モータ81に供給する電流と、ギア機構を介して出力軸に伝達されたトルクとの特性であり、ギア機構込みの特性である。
FIG. 3 is a diagram for explaining current torque characteristics of the
More specifically, the
The current torque characteristics described below are characteristics of the current supplied to the
図3(a)は、モータ81の特性を測定するための実験装置を示した図である。図は、膝関節ピッチ軸86を軸心方向から見た図を示している。
棒材91は、膝関節ピッチ軸86に垂直な平面内で固定され、膝関節ピッチ軸86と共に軸心の回りに回転するようになっている。棒材91の、膝関節ピッチ軸86の中心から距離Lの位置には、ひも状の連結部材92を介して計測器93が取り付けられている。
計測器93は、バネばかりなどで構成されており、ひも状の連結部材92が棒材91を引っ張る力(張力)を測定する。
FIG. 3A is a diagram showing an experimental apparatus for measuring the characteristics of the
The
The measuring
このように構成された実験装置において、以下の手順で実験を行った。
初期状態として、所定の電流をモータ81に供給して膝関節ピッチ軸86を駆動しながら、ひも状の連結部材92が棒材91に対して垂直となる状態で、計測器93を、回転とは逆方向に力Fで引き、釣り合いの位置で停止させる。
このように釣り合いの状態から、以下のようにして、能動方向のトルク測定を行う。
まず、電流値を一定に保ったまま、力Fを徐々に弱めていく。力を少し弱めてもギアヘッド82などのギア機構やモータ81の逆転回生が抵抗力となって、膝関節ピッチ軸86は、すぐには回転しない。
そして、力Fを弱めていき、膝関節ピッチ軸86が回転する瞬間の力F−ΔF1を記録する。これにより、当該電流値で膝関節ピッチ軸86が能動方向に回転し始めるトルクが求まる。なお、トルクの値(トルクの大きさ)は(F−ΔF1)×Lとなる。そして、電流値を変えながら、各電流値に対するトルクを測定する。
In the experimental apparatus configured as described above, an experiment was performed according to the following procedure.
As an initial state, while the knee
Thus, the torque in the active direction is measured from the balanced state as follows.
First, the force F is gradually weakened while keeping the current value constant. Even if the force is slightly reduced, the reverse rotation regeneration of the gear mechanism such as the
Then, the force F is weakened and the force F−ΔF1 at the moment when the knee
一方、能動方向のトルク測定は、次のようにして行う。
まず、同様に計測器93を釣り合いの位置で停止させる。
次に、電流値を一定に保ったまま、力Fを徐々に強めていく。力を少し強めてもギアヘッド82などのギア機構やモータ81の正転力行が抵抗力となって、膝関節ピッチ軸86は、すぐには回転しない。
そして、力Fを強めていき、膝関節ピッチ軸86が回転する瞬間の力F+ΔF2を記録する。これにより、当該電流値で膝関節ピッチ軸86が受動方向に回転し始めるトルクが求まる。なお、トルクの値は(F+ΔF2)×Lとなる。そして、電流値を変えながら、各電流値に対するトルクを測定する。
On the other hand, the torque measurement in the active direction is performed as follows.
First, similarly, the measuring
Next, the force F is gradually increased while keeping the current value constant. Even if the force is slightly increased, the forward rotation of the gear mechanism such as the
Then, the force F is increased and the force F + ΔF2 at the moment when the knee
図3(b)は、以上の実験結果を示したグラフである。
縦軸はトルクを表し、横軸は電流を表す。このグラフは、モータ81に供給される電流に対してギア機構を経て出力軸から出力されるトルクを表した電流トルク特性を表している。
理想特性97は、ギア機構やモータ81の特性などによる抵抗を無視した場合の理想の電流トルク特性(I−T特性)である。
受動特性98は、受動方向の実測トルク値を電流に対してプロットしたものである。
能動特性99は、能動方向の実測トルク値を電流に対してプロットしたものである。
FIG. 3B is a graph showing the above experimental results.
The vertical axis represents torque, and the horizontal axis represents current. This graph represents current torque characteristics representing torque output from the output shaft through the gear mechanism with respect to the current supplied to the
The ideal characteristic 97 is an ideal current torque characteristic (IT characteristic) when the resistance due to the gear mechanism, the characteristic of the
The passive characteristic 98 is obtained by plotting measured torque values in the passive direction against current.
The active characteristic 99 is obtained by plotting measured torque values in the active direction against current.
このような特性において、膝関節アクチュエータ18にNを出力させたい場合、受動方向の場合はI1、能動方向の場合はI2、理想の場合はI3の電流を膝関節アクチュエータ18に供給する必要がある。ここで、I1<I3<I2である。
このように、あるトルクを出力させる場合、受動方向の場合は、理想の場合よりも少ない電流で済み、能動方向の場合は、理想の場合より大きい電流を必要とする。
ちなみに、従来は、能動・受動にかかわらず、理想特性97で制御していたため、欲しいトルクに対し、実際に出力されるトルクは、能動・受動に従って過不足していた。
When it is desired to output N to the knee
In this way, when outputting a certain torque, the current in the passive direction requires less current than in the ideal case, and the current in the active direction requires a larger current than in the ideal case.
Incidentally, since control was performed with the ideal characteristic 97 regardless of whether it is active or passive, the torque actually output was excessive or insufficient according to the active / passive relative to the desired torque.
歩行支援装置1は、次の式(1)によりモータ81に供給する電流を計算する。
モータ入力電流=(出力トルク)/(実効トルク比)×(モータ81のトルク定数)・・・(式1)。
ここで、出力トルクは、実効トルク比を無視した理想のトルクであり、実際に膝関節ピッチ軸86に出力させるトルクである。
The walking
Motor input current = (output torque) / (effective torque ratio) × (torque constant of motor 81) (Equation 1).
Here, the output torque is an ideal torque ignoring the effective torque ratio, and is a torque that is actually output to the knee
実効トルク比は、理想的なトルクと実際に出力するトルクの比である。理想特性97、受動特性98、能動特性99が何れも直線であることから、能動方向の場合は、能動特性99の傾きを理想特性97の傾きで除した値となり、例えば、0.7程度である。
一方、受動方向の場合は、受動特性98の傾きを理想特性97の傾きで除した値となり、例えば、1.5程度である。
The effective torque ratio is a ratio between ideal torque and actually output torque. Since the ideal characteristic 97, the passive characteristic 98, and the active characteristic 99 are all linear, in the case of the active direction, the value is obtained by dividing the inclination of the active characteristic 99 by the inclination of the ideal characteristic 97, for example, about 0.7. is there.
On the other hand, in the case of the passive direction, a value obtained by dividing the inclination of the passive characteristic 98 by the inclination of the ideal characteristic 97 is, for example, about 1.5.
モータ81のトルク定数は、理想的な場合の、単位電流当たりにモータ81が出力軸で出力するトルクであり、理想特性97の傾きである。
なお、受動特性98や能動特性99が直線とならない場合は、近似式を用いたり、トルクと電流のマップを用意する。
The torque constant of the
If the passive characteristic 98 or the active characteristic 99 is not a straight line, an approximate expression is used, or a map of torque and current is prepared.
図4は、歩行支援装置1のシステム構成を示した図である。
制御装置2は、図示しないCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、記憶部、各種インターフェースなどを備えた電子制御ユニットであり、歩行支援装置1の各部を電子制御する。
FIG. 4 is a diagram illustrating a system configuration of the
The
制御装置2は、CPUで記憶部に記憶された歩行支援プログラム等の各種プログラムを実行することにより構成され、センサ情報取得部3、関節モーメント演算部4、アクチュエータ出力トルク算出部8、補正部7、デバイスパラメータ記憶部5、人体パラメータ記憶部6などを備えている。
The
センサ情報取得部3は、関節角度センサ9(エンコーダ20など)から各関節の角度を取得し、床反力センサ241から床反力を取得し、荷重センサ67から荷重を取得する。
関節モーメント演算部4は、各関節角度や、床反力センサ241の検出値や、デバイスパラメータ記憶部5や人体パラメータ記憶部6が記憶した各パラメータを用いて装着者100の膝関節の関節モーメントを演算する。
アクチュエータ出力トルク算出部8は、関節モーメント演算部4の算出した関節モーメントに対して、出力軸である膝関節ピッチ軸86にアシスト力として出力する出力トルクを算出する。
The sensor
The joint moment calculation unit 4 uses the joint angles, the detection values of the floor
The actuator output torque calculation unit 8 calculates an output torque to be output as an assist force to the knee
なお、出力トルクとは、出力トルクの値(大きさ)とトルクの方向(膝関節アクチュエータ18の駆動方向)を含む概念であり、ベクトル量である。
このように、膝関節アクチュエータ18は、関節においてアクチュエータに出力させるトルクを取得するトルク取得手段として機能している。
The output torque is a concept including the value (magnitude) of the output torque and the direction of the torque (drive direction of the knee joint actuator 18), and is a vector quantity.
Thus, the knee
補正部7は、アクチュエータ出力トルク算出部8から出力トルク(出力トルクの値と膝関節アクチュエータ18の駆動方向)を取得し、更に、センサ情報取得部3から膝関節ピッチ軸86の現在の回転方向を取得する。
ここで、回転方向はアクチュエータの動作方向に対応し、このため、補正部7は、アクチュエータの動作方向を検出する検出手段として機能している。
The correction unit 7 acquires the output torque (the output torque value and the driving direction of the knee joint actuator 18) from the actuator output torque calculation unit 8, and further, the current rotation direction of the knee
Here, the rotation direction corresponds to the operation direction of the actuator. Therefore, the correction unit 7 functions as detection means for detecting the operation direction of the actuator.
そして、補正部7は、膝関節アクチュエータ18の駆動方向と膝関節ピッチ軸86の回転方向から、膝関節アクチュエータ18の動作が能動方向であるか受動方向であるかを判断する。
このように、補正部7は、検出した動作方向(膝関節ピッチ軸86の回転方向)と取得したトルクの方向(膝関節アクチュエータ18の動作の方向)が同じであるか否かを判断する判断手段として機能している。
Then, the correction unit 7 determines whether the operation of the knee
In this way, the correction unit 7 determines whether or not the detected motion direction (the rotation direction of the knee joint pitch axis 86) and the acquired torque direction (the motion direction of the knee joint actuator 18) are the same. It functions as a means.
判断の後、補正部7は、能動・受動に従って、能動用の実効トルク比、または、受動用の実効トルク比を採用する。
このように、補正部7は、判断手段が同じと判断した場合、アクチュエータが動作方向にトルクを出力する場合の電流トルク特性(能動用の実効トルク比)を選択し、判断手段が否と判断した場合、アクチュエータが動作方向と逆にトルクを出力する場合の電流トルク特性(受動用の実効トルク比)を選択する選択手段として機能している。
After the determination, the correction unit 7 adopts the active effective torque ratio or the passive effective torque ratio in accordance with the active / passive.
As described above, when the determination unit determines that the determination unit is the same, the correction unit 7 selects a current torque characteristic (active effective torque ratio) when the actuator outputs torque in the operation direction, and the determination unit determines NO. In this case, the actuator functions as a selection means for selecting a current torque characteristic (passive effective torque ratio) when the actuator outputs torque in the direction opposite to the operation direction.
更に、補正部7は、採用した実効トルク比と出力トルクを式(1)に代入して膝関節アクチュエータ18に入力する電流を計算し、当該電流を膝関節アクチュエータ18に供給する。
このように、補正部7は、選択した電流トルク特性に従って、取得したトルクに対応する電流をアクチュエータに供給する供給手段として機能している。
以上のようにして、補正部7は、能動・受動の実効トルク比を選択することによって膝関節アクチュエータ18に供給する電流を補正する。
Further, the correction unit 7 substitutes the adopted effective torque ratio and output torque into the equation (1), calculates the current input to the knee
Thus, the correction unit 7 functions as a supply unit that supplies a current corresponding to the acquired torque to the actuator in accordance with the selected current torque characteristic.
As described above, the correction unit 7 corrects the current supplied to the knee
デバイスパラメータ記憶部5は、歩行支援装置1の各関節間の長さ、各部の重量や重心位置など、関節モーメントを計算するのに必要なパラメータのほか、能動用・受動用の実効トルク比やモータ81のトルク定数など、式(1)に従って電流を補正するのに必要なパラメータを記憶している。
人体パラメータ記憶部6は、装着者の身長、体重などの身体的特徴を表すデータを記憶している。
このように、デバイスパラメータ記憶部5と人体パラメータ記憶部6には、関節モーメントなどを計算するのに必要な各種パラメータを記憶している。
The device parameter storage unit 5 includes parameters necessary for calculating the joint moment, such as the length between the joints of the
The human body parameter storage unit 6 stores data representing physical characteristics such as the height and weight of the wearer.
Thus, the device parameter storage unit 5 and the human body parameter storage unit 6 store various parameters necessary for calculating the joint moment and the like.
図5は、歩行支援装置1が行う電流補正処理を説明するためのフローチャートである。
なお、歩行支援装置1は、以下の処理を左右の膝関節アクチュエータ18に対して行う。
更に、歩行支援装置1が、股関節や足首関節など、他の箇所にアクチュエータを備えている場合は、これらについても順次行う。
FIG. 5 is a flowchart for explaining current correction processing performed by the walking
The walking
Further, when the
まず、補正部7は、アクチュエータ出力トルク算出部8から膝関節アクチュエータ18の動作方向(即ち、膝関節ピッチ軸86を回転させる方向が正か負か)を取得する(ステップ5)。
次に、補正部7は、センサ情報取得部3のエンコーダ20の検出値から、出力軸(膝関節ピッチ軸86)の回転方向を取得する(ステップ10)。
そして、補正部7は、膝関節アクチュエータ18の動作方向と、膝関節ピッチ軸86の回転方向が同じか否かを判断する(ステップ15)。
First, the correction unit 7 obtains the operation direction of the knee
Next, the correction unit 7 acquires the rotation direction of the output shaft (the knee joint pitch axis 86) from the detection value of the
Then, the correction unit 7 determines whether or not the operation direction of the knee
膝関節アクチュエータ18の動作方向と膝関節ピッチ軸86の回転方向が同じ場合(ステップ15;Y)、補正部7は、能動方向であると判断する。
そして、補正部7は、能動用の電流トルク特性を採用し、デバイスパラメータ記憶部5から能動用の実効トルク比を読み取って式(1)に代入する(ステップ25)。
When the operation direction of the knee
Then, the correction unit 7 adopts the active current torque characteristic, reads the active effective torque ratio from the device parameter storage unit 5, and substitutes it into the equation (1) (step 25).
次に、補正部7は、アクチュエータ出力トルク算出部8から出力トルクを取得し(ステップ30)、当該出力トルクを式(1)に代入してモータ81に入力する電流を算出する(ステップ35)。
そして、補正部7は、算出した電流をモータ81に入力して膝関節アクチュエータ18を駆動する(ステップ40)。
Next, the correction unit 7 obtains the output torque from the actuator output torque calculation unit 8 (step 30), substitutes the output torque into the equation (1), and calculates the current input to the motor 81 (step 35). .
Then, the correction unit 7 inputs the calculated current to the
次に、制御装置2は、歩行支援動作を継続するか否かを判断し(ステップ45)、継続する場合は(ステップ45;Y)、ステップ5に戻り、継続しない場合は(ステップ45;N)処理を終了する。
例えば、歩行支援装置1は、歩行支援の動作開始、及び終了を装着者100がスイッチを押すなどして選択できるようになっており、制御装置2は、当該スイッチがオンの場合に歩行支援動作を継続すると判断し、当該スイッチがオフの場合に歩行支援動作を終了すると判断する。
Next, the
For example, the walking
なお、この動作の開始、終了の操作スイッチは、上述した電源オン、オフの操作と共通にしても、別にしてもよい。
共通にする場合には、動作終了スイッチ(=電源スイッチ)オフにより、膝関節アクチュエータ18は、脱着時荷重に対応する出力トルクを出力することで、着座部61はゆっくりと下方にさがる。
一方、電源スイッチとは別にする場合、膝関節アクチュエータ18は支援荷重に対応する出力トルクの出力を継続する。
Note that the operation switch for starting and ending this operation may be the same as or different from the above-described power on / off operation.
In the case of common use, when the operation end switch (= power switch) is turned off, the knee
On the other hand, when separate from the power switch, the knee
一方、膝関節アクチュエータ18の動作方向と膝関節ピッチ軸86の回転方向が異なる場合(ステップ15;N)、補正部7は、受動方向であると判断する。
そして、補正部7は、受動用の電流トルク特性を採用し、デバイスパラメータ記憶部5から受動用の実効トルク比を読み取って式(1)に代入する(ステップ50)。
On the other hand, when the operation direction of the knee
Then, the correction unit 7 adopts the passive current torque characteristic, reads the passive effective torque ratio from the device parameter storage unit 5, and substitutes it into the equation (1) (step 50).
次に、補正部7は、アクチュエータ出力トルク算出部8から出力トルクを取得し(ステップ55)、当該出力トルクを式(1)に代入してモータ81に入力する電流を算出する(ステップ60)。
そして、補正部7は、算出した電流をモータ81に入力して膝関節アクチュエータ18を駆動する(ステップ40)。
Next, the correction unit 7 obtains the output torque from the actuator output torque calculation unit 8 (step 55), substitutes the output torque into the equation (1), and calculates the current input to the motor 81 (step 60). .
Then, the correction unit 7 inputs the calculated current to the
以上のようにして、歩行支援装置1は、膝関節アクチュエータ18の動作が能動か受動かに応じて、駆動電流を補正し、適切なトルクが膝関節ピッチ軸86から出力されるようにする。
As described above, the walking assist
歩行支援装置1は、以上の処理を左右の膝関節アクチュエータ18に対して左右の膝関節アクチュエータ18に対して独立に行うに行う。
The walking
以上説明した実施形態では、膝関節アクチュエータ18を例に説明したが、膝以外の各種アクチュエータ、例えば股関節アクチュエータや、足関節アクチュエータ、更には、肘や肩手首等の動作を支援する支援装置における各種アクチュエータに適用することも可能である。
In the embodiment described above, the knee
以上に説明した本実施の形態により、次のような効果を得ることができる。
(1)膝関節アクチュエータ18(モータ81)の動作方向が能動か受動かに応じて膝関節アクチュエータ18に供給する電流を補正することができる。
(2)電流を補正することにより、能動・受動にかかわらず、膝関節アクチュエータ18に所望のトルクを出力させることができる。
(3)出力軸にエンコーダ20を設置するため、ギア機構の機械的遊びによる検出の遅れを防ぐことができる。
According to the embodiment described above, the following effects can be obtained.
(1) The current supplied to the knee
(2) By correcting the current, the knee
(3) Since the
1 歩行支援装置
2 制御装置
3 センサ情報取得部
4 関節モーメント演算部
8 アクチュエータ出力トルク算出部
9 関節角度センサ
17 股関節ピッチ軸機構(スライド機構)
18R 右膝関節アクチュエータ
18L 左膝関節アクチュエータ
19 足首関節ピッチ軸機構
20 エンコーダ
24 足装着部
241R 右床反力センサ
241L 左床反力センサ
26 上腿連結部材
27 下腿連結部材
28 足連結部材
61 着座部
62 プレート
63 連結部材
64 ガイドレール
65 ガイドレール
67 荷重センサ
81 モータ
82 ギアヘッド
83 ギア出力軸
85、87 ギア
86 膝関節ピッチ軸
91 棒材
92 連結部材
93 計測器
97 理想特性
98 受動特性
99 能動特性
100 装着者
K 股関節ピッチ軸中心
DESCRIPTION OF
18R Right knee joint actuator 18L Left knee
Claims (4)
前記関節において前記アクチュエータに出力させるトルクを取得するトルク取得手段と、
前記アクチュエータの動作方向を検出する検出手段と、
前記検出した動作方向と前記取得したトルクの方向が同じであるか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段が同じと判断した場合、前記アクチュエータが動作方向にトルクを出力する場合の電流トルク特性を選択し、前記判断手段が否と判断した場合、前記アクチュエータが動作方向と逆にトルクを出力する場合の電流トルク特性を選択する選択手段と、
前記選択した電流トルク特性に従って、前記取得したトルクに対応する電流を前記アクチュエータに供給する供給手段と、
を具備したことを特徴とする支援装置。 An actuator for supporting the movement of the joint of the leg of the support target,
Torque acquisition means for acquiring torque to be output to the actuator at the joint;
Detecting means for detecting an operating direction of the actuator;
A judging means for judging whether or not the detected operation direction and the acquired torque direction are the same;
When the determination means determines that the same is selected, a current torque characteristic is selected when the actuator outputs torque in the operation direction. When the determination means determines no, the actuator outputs torque opposite to the operation direction. Selecting means for selecting current torque characteristics when
Supply means for supplying a current corresponding to the acquired torque to the actuator according to the selected current torque characteristic;
A support apparatus comprising:
前記検出手段は、前記ギアヘッドよりも前記関節に対してトルクを出力する出力軸側で前記動作方向を検出することを特徴とする請求項1に記載の支援装置。 The actuator includes a gear head,
The support device according to claim 1, wherein the detection unit detects the operation direction on an output shaft side that outputs torque to the joint with respect to the gear head.
前記関節において前記アクチュエータに出力させるトルクを取得するトルク取得機能と、
前記アクチュエータの動作方向を検出する検出機能と、
前記検出した動作方向と前記取得したトルクの方向が同じであるか否かを判断する判断機能と、
前記判断機能が同じと判断した場合、前記アクチュエータが動作方向にトルクを出力する場合の電流トルク特性を選択し、前記判断機能が否と判断した場合、前記アクチュエータが動作方向と逆にトルクを出力する場合の電流トルク特性を選択する選択機能と、
前記選択した電流トルク特性に従って、前記取得したトルクに対応する電流を前記アクチュエータに供給する供給機能と、
をコンピュータで実現する支援プログラム。 A support program for a support device including an actuator that supports movement of a joint of a leg of a support target,
A torque acquisition function for acquiring torque to be output to the actuator in the joint;
A detection function for detecting the operating direction of the actuator;
A determination function for determining whether or not the detected operation direction and the acquired torque direction are the same;
When it is determined that the determination function is the same, the current torque characteristic when the actuator outputs torque in the operation direction is selected, and when the determination function is determined to be negative, the actuator outputs torque opposite to the operation direction. Selection function to select current torque characteristics when
A supply function for supplying a current corresponding to the acquired torque to the actuator according to the selected current torque characteristic;
Support program that realizes with a computer.
Priority Applications (1)
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