JP2015047404A - Control signal generation device, and power assist apparatus - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power assist apparatus capable of performing a robust control for the instability of a signal acquirement from a sensor, even in the case of detecting a non-invasive biological signal.SOLUTION: For each combination, in which a predetermined number (e.g., one) of sensors (or measurement channel) becomes defective, estimation models of a joint torque are prepared in advance by the machine learning. Next, a defective sensor is detected from a correlation of a plurality of myoelectric signals so that an estimation model is suitably switched into an estimation model containing no defective channel detected, thereby to achieve a robust torque estimation.

Description

本発明は、使用者(ユーザ)の生体信号から制御信号を生成するための制御信号生成装置および使用者の行う運動を支援するパワーアシスト装置に関するものである。   The present invention relates to a control signal generation device for generating a control signal from a biological signal of a user (user) and a power assist device for supporting exercise performed by the user.

日本をはじめ多くの国で少子高齢化社会が問題になる中、ロボティクス技術を応用したアシスト機器への要望が高まっている。一方、バランスや歩行が可能なロボットが開発されてきている。例えば、運動に必要な作用力を空間上の任意の複数接触点に最適に配分し,ヒトと同じように各関節のトルクを発生できるロボットが存在する(特許文献1参照)。   In Japan and many other countries, an aging society with a declining birthrate has become a problem, and there is an increasing demand for assist devices that apply robotics technology. On the other hand, robots that can balance and walk have been developed. For example, there is a robot that can optimally distribute an action force necessary for movement to a plurality of contact points in space and generate torque of each joint in the same way as a human (see Patent Document 1).

また、近年では、下肢・体幹運動の支援をめざした外骨格型ロボットのようなリハビリテーションを支援するロボットの開発をますます要求することとなってきている。たとえば、外骨格型ロボットは、患者の自立生活を促進するリハビリテーションにおいて、脊髄損傷患者のために使用される(特許文献2を参照)。   In recent years, there has been an increasing demand for the development of robots that support rehabilitation such as exoskeleton-type robots that aim to support lower limb and trunk movements. For example, an exoskeleton type robot is used for a patient with spinal cord injury in rehabilitation that promotes a patient's independent life (see Patent Document 2).

このように、運動機能の代償や回復のための生体信号を用いたロボット制御では、患者の負担や、システムの簡便さの観点から、表面筋電図(Surface Electromyogram: sEMG)や、脳波(Electroencephalogram: EEG)など、非侵襲的での生体信号の検出を行うものが報告されている(非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3、非特許文献4を参照)。   Thus, in robot control using biological signals for compensation and recovery of motor function, from the viewpoint of patient burden and system simplicity, surface electromyogram (sEMG), electroencephalogram (Electroencephalogram) : Non-patent document 1, non-patent document 2, non-patent document 3, and non-patent document 4 (see Non-patent Document 1, Non-patent Document 2, Non-patent Document 4).

非侵襲的に生体信号の検出を行うシステムにおいては、複数の電極を用いた計測をおこなうことが多い。しかし、非侵襲的な計測方法は信号のS/N比が小さいため、ノイズや電極のインピーダンス変化の影響を受けやすい。   In a system that non-invasively detects a biological signal, measurement using a plurality of electrodes is often performed. However, since the non-invasive measurement method has a small signal-to-noise ratio, it is susceptible to noise and electrode impedance changes.

そこで、従来は、電極数を増加させ、冗長な情報から統計的・機械学習的な手法により、有用な情報を取り出す試みが行われている。EEGを用いたものでは、脳活動情報を多チャネルのフュージョンモデルにより抽出する手法や(非特許文献5参照)、ヒトの動作意図判別のための多数の筋活動情報を取得するメッシュ型sEMG(非特許文献6参照)などが提案されている。インピーダンス変化の具体例としては、sEMG ではタスクによる筋疲労、発汗、貼っているセンサの位置のズレや筋活動のわずかな違いによって得られる信号が変化する問題が指摘されている(非特許文献7参照)。Panagoitisらは時間的変化を考慮した特徴量を抽出しフィードバックすることを提案している(非特許文献8参照)。   Thus, conventionally, an attempt has been made to extract useful information from a redundant information by a statistical / machine learning technique by increasing the number of electrodes. In the case of using EEG, a method of extracting brain activity information by a multi-channel fusion model (see Non-Patent Document 5) or a mesh-type sEMG (non-patent document) for acquiring a large number of muscle activity information for determining human motion intentions. (See Patent Document 6). As a specific example of the impedance change, it has been pointed out that the signal obtained by sEMG changes due to muscle fatigue due to a task, sweating, displacement of the position of a sensor to which the sensor is attached, and a slight difference in muscle activity (Non-Patent Document 7). reference). Panagoitis et al. Proposes to extract and feed back a feature value considering temporal changes (see Non-Patent Document 8).

WO2007/139135号公報WO2007 / 139135 Publication 特開2012−045194号公報JP 2012-045194 A

T. Kagawa and Y. Uno. Gait pattern generation for a power-assist device of paraplegic gait. The 18 th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, pp. 633-638, 2009.T. Kagawa and Y. Uno.Gait pattern generation for a power-assist device of paraplegic gait.The 18th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, pp. 633-638, 2009. Tomoyuki Noda, Norikazu Sugimoto, Junichiro Furukawa, Masa aki Sato, Sang-Ho Hyon, and Jun Morimoto. Brain-controlled exoskeleton robot for bmirehabilitaion. IEEE/RAS International Conference on Humanoid Robotics (Humanoids2012), Osaka, pp.21-27, 2012.Tomoyuki Noda, Norikazu Sugimoto, Junichiro Furukawa, Masa aki Sato, Sang-Ho Hyon, and Jun Morimoto.Brain-controlled exoskeleton robot for bmirehabilitaion.IEEE/RAS International Conference on Humanoid Robotics (Humanoids2012), Osaka, pp.21-27, 2012. Tomoyuki Noda, Jun ichiro Furukawa, Tatsuya Teramae, and Jun Morimoto. An electromyogram based force control coordinated in assistive interaction. IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA2013), Karlsruhe, Germany, p. WeC6.4, May 2013.Tomoyuki Noda, Jun ichiro Furukawa, Tatsuya Teramae, and Jun Morimoto.An electromyogram based force control coordinated in assistive interaction.IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA2013), Karlsruhe, Germany, p. WeC6.4, May 2013. Tomohiro Hayashi, Hiroaki Kawamoto, and Yoshiyuki Sankai. Control method of robot suit hal working as operator's muscle using biological anddynamical information. IEEE/RSJ International Conference on Inteligent Robots and Systems, pp. 3063-3068, 2005.Tomohiro Hayashi, Hiroaki Kawamoto, and Yoshiyuki Sankai.Control method of robot suit hal working as operator's muscle using biological and dynamical information.IEEE/RSJ International Conference on Inteligent Robots and Systems, pp. 3063-3068, 2005. Lalit Gupta, Beomsu Chung, Mandyam D Srinath, Dennis L Molfese, and Hyunseok Kook. Multichannel fusion models for the parametric classifcation of differential brain activity. IEEE TRANSACTION ON BIOMEDICAL ENGINEERING, Vol. 52, No. 11, pp. 1869-1880, 2005.Lalit Gupta, Beomsu Chung, Mandyam D Srinath, Dennis L Molfese, and Hyunseok Kook.Multichannel fusion models for the parametric classifcation of differential brain activity.IEEE TRANSACTION ON BIOMEDICAL ENGINEERING, Vol. 52, No. 11, pp. 1869-1880, 2005. Kentaro Nagata and Kazushige Magatani. Basic study on combined motion estimation using multi-channel surface emg signals. 33rd Annual International Conference of the IEEE EMBS Boston, Massachusetts USA, August 30 - September 3, pp. 7865-7868, 2011.Kentaro Nagata and Kazushige Magatani.Basic study on combined motion estimation using multi-channel surface emg signals.33rd Annual International Conference of the IEEE EMBS Boston, Massachusetts USA, August 30-September 3, pp. 7865-7868, 2011. N.A. Dimitrova and G.V.Dimitrov. Interpretation of emg changes with fatigue: facts, pitfalls, and fallacies. Journal of Electromyography and Kinesiology, Vol. 13, pp. 13-16, 2003.N.A.Dimitrova and G.V.Dimitrov.Interpretation of emg changes with fatigue: facts, pitfalls, and fallacies.Journal of Electromyography and Kinesiology, Vol. 13, pp. 13-16, 2003. Panagiotis K artemiads and Kostas J Kyriakopoulos. An emg-based robot control scheme robust to time-varying emg signal features. IEEE TRANSACTION ON INFORMATION TECHNOLOGY IN BIOMEDICAL, Vol. 14, No. 3, pp. 582-588, 2010.Panagiotis K artemiads and Kostas J Kyriakopoulos.An emg-based robot control scheme robust to time-varying emg signal features.IEEE TRANSACTION ON INFORMATION TECHNOLOGY IN BIOMEDICAL, Vol. 14, No. 3, pp. 582-588, 2010.

しかしながら、このような非侵襲的に生体信号の検出を行うシステムの実際の運用時には、センサの故障や断線などの障害に対する頑健性(ロバスト性)が要求される。   However, robustness (robustness) against a failure such as a sensor failure or disconnection is required at the time of actual operation of such a system that performs non-invasive detection of a biological signal.

例えば、電極やアンプの故障、コネクタが外れる・断線するなど、体表面に配置した電極・配線は常に物理的な接触にさらされており、多数を用いたセンサの一部の信号が欠損するリスクがある。しかし、従来は、センサの故障や断線の問題が生じた場合に、適切に目的とする推定量を筋電からリアルタイムに導きだすことを想定していない。   For example, the electrodes and wiring placed on the body surface are always exposed to physical contact, such as failure of electrodes and amplifiers, disconnection and disconnection, and the risk of loss of some signals of sensors using many There is. However, conventionally, when a sensor failure or disconnection problem occurs, it is not assumed that a target estimation amount is appropriately derived from myoelectricity in real time.

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、非侵襲的に生体信号の検出を行う場合にも、センサからの信号取得の不安定性に対して頑健な制御が可能な制御信号生成装置およびそれを用いたパワーアシスト装置を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to prevent instability of signal acquisition from a sensor even when a biological signal is detected non-invasively. A control signal generation device capable of performing robust control and a power assist device using the control signal generation device are provided.

この発明の1つの局面に従うと、対象者の生体信号から意図された使用者の筋骨格系運動を推定し、外部装置を駆動するための制御信号を生成する制御信号生成装置であって、対象者の体表面の複数の部位ごとに複数個ずつ配置され、生体信号を計測するためのセンサと、部位ごとの複数のセンサからの生体信号を受けて、意図された筋骨格系運動を推定する推定手段とを備え、推定手段は、部位ごとの複数のセンサからの測定チャネルのうち、異常の発生した不良測定チャネルを、複数の測定チャネル間の相関に基づいて検知する検知手段と、所定数の測定チャネルが不良となる組合せごとに予め準備された推定モデルのうちから、検知された不良測定チャネルを除いて準備された推定モデルを選択的に用いて、筋骨格系運動を推定する推定処理手段とを含み、推定された筋骨格系運動に基づき、外部装置を駆動するための制御信号を算出する制御信号算出手段をさらに備える。   According to one aspect of the present invention, there is provided a control signal generation device that estimates a user's intended musculoskeletal motion from a biological signal of a subject and generates a control signal for driving an external device. A plurality of sensors are arranged for a plurality of parts on the body surface of a person, and the intended musculoskeletal movement is estimated by receiving a sensor for measuring a biological signal and a biological signal from the plurality of sensors for each part. An estimation unit, and the estimation unit detects a defective measurement channel in which an abnormality has occurred among measurement channels from a plurality of sensors for each part based on a correlation between the plurality of measurement channels, and a predetermined number The estimation model prepared by excluding the detected defective measurement channel is selectively used from the estimation models prepared in advance for each combination in which the measurement channel is defective. And a processing unit, based on the estimated musculoskeletal movement, further comprising a control signal calculating means for calculating a control signal for driving the external device.

好ましくは、センサは、対象者の推定対象となる関節に対応して配置されており、推定手段は、部位ごとの複数のセンサからの信号を受けて、対応する関節に発生する関節駆動トルクを推定し、推定処理手段は、所定数の測定チャネルが不良となる組合せごとに予め準備された関節トルクの推定モデルのうちから、検知された不良測定チャネルを除いて準備された推定モデルを選択的に用いて、関節駆動トルクを推定する。   Preferably, the sensors are arranged corresponding to the joints to be estimated by the subject, and the estimation means receives the signals from the plurality of sensors for each part and generates joint driving torque generated in the corresponding joints. The estimation processing means selectively selects an estimation model prepared by excluding the detected defective measurement channel from the joint torque estimation models prepared in advance for each combination in which a predetermined number of measurement channels are defective. To estimate the joint drive torque.

好ましくは、検知手段は、各測定チャネルの不良の態様ごとに、事前に機械学習により準備された態様が発生したかを判別する複数の判別器を含む。   Preferably, the detection means includes a plurality of discriminators that discriminate whether or not an aspect prepared in advance by machine learning has occurred for each defective aspect of each measurement channel.

好ましくは、各判別器は、複数の測定チャネルからの信号の組に対する共分散行列の非対角の独立な成分を特徴ベクトルとするとき、特徴ベクトルにより、不良の有無を判別するようにロジスティック回帰分析により学習された識別器である。   Preferably, each discriminator uses logistic regression so as to discriminate the presence or absence of a defect based on the feature vector when the non-diagonal independent component of the covariance matrix for a set of signals from a plurality of measurement channels is used as the feature vector. It is a discriminator learned by analysis.

好ましくは、検知手段は、複数の測定チャネルに対するグラフィカル・ガウシャン・モデルにより、各測定チャネルの不良を検出する。   Preferably, the detection means detects a failure of each measurement channel by a graphical Gaussian model for a plurality of measurement channels.

好ましくは、グラフィカル・ガウシャン・モデルにおいては、正常時に対応するグラフに対する現時点のグラフの距離のみに基づいて、不良の有無を判別する。   Preferably, in the graphical Gaussian model, the presence / absence of a defect is determined based only on the distance of the current graph to the graph corresponding to the normal time.

この発明の他の局面に従うと、対象となる人間の筋骨格系運動のアシストを行うためのパワーアシスト装置であって、アシスト対象となる関節ごとに設けられ、関節の運動をアシストする力を発生するためのアクチュエータと、アシスト対象となる関節に対応して対象者の体表面の複数の部位ごとに複数個ずつ配置され、表面筋電位を計測するための電極と、部位ごとの複数の電極からの信号を受けて、対応する関節に発生する関節駆動トルクを推定するトルク推定手段とを備え、トルク推定手段は、部位ごとの複数の電極からの測定チャネルのうち、異常の発生した不良測定チャネルを、複数の測定チャネル間の相関に基づいて検知する検知手段と、所定数の測定チャネルが不良となる組合せごとに予め準備された関節トルクの推定モデルのうちから、検知された不良測定チャネルを除いて準備された推定モデルを選択的に用いて、関節駆動トルクを推定する推定処理手段とを含み、推定された関節駆動トルクに基づき、アクチュエータにより発生すべき目標トルクを算出する目標トルク算出手段と、目標トルクに基づいて、アクチュエータを駆動する駆動手段とを備える。   According to another aspect of the present invention, a power assist device for assisting a target human musculoskeletal motion, which is provided for each joint to be assisted and generates a force to assist the motion of the joint A plurality of actuators for each of the parts of the body surface corresponding to the assist target joint, electrodes for measuring surface myoelectric potential, and a plurality of electrodes for each part Torque estimation means for estimating the joint drive torque generated in the corresponding joint, and the torque estimation means is a defective measurement channel in which an abnormality has occurred among measurement channels from a plurality of electrodes for each region. And a joint torque estimation model prepared in advance for each combination in which a predetermined number of measurement channels are defective. And an estimation processing means for estimating joint drive torque by selectively using an estimated model prepared excluding the detected defective measurement channel, and is generated by the actuator based on the estimated joint drive torque. Target torque calculation means for calculating the power target torque, and drive means for driving the actuator based on the target torque.

好ましくは、検知手段は、各測定チャネルの不良の態様ごとに、事前に機械学習により準備された態様が発生したかを判別する複数の判別器を含む。   Preferably, the detection means includes a plurality of discriminators that discriminate whether or not an aspect prepared in advance by machine learning has occurred for each defective aspect of each measurement channel.

好ましくは、各判別器は、複数の測定チャネルからの信号の組に対する共分散行列の非対角の独立な成分を特徴ベクトルとするとき、特徴ベクトルにより、不良の有無を判別するようにロジスティック回帰分析により学習された識別器である。   Preferably, each discriminator uses logistic regression so as to discriminate the presence or absence of a defect based on the feature vector when the non-diagonal components of the covariance matrix for the set of signals from a plurality of measurement channels are used as the feature vector. It is a discriminator learned by analysis.

好ましくは、検知手段は、複数の測定チャネルに対するグラフィカル・ガウシャン・モデルにより、各測定チャネルの不良を検出する。   Preferably, the detection means detects a failure of each measurement channel by a graphical Gaussian model for a plurality of measurement channels.

好ましくは、グラフィカル・ガウシャン・モデルにおいては、正常時に対応するグラフに対する現時点のグラフの距離のみに基づいて、不良の有無を判別する。   Preferably, in the graphical Gaussian model, the presence / absence of a defect is determined based only on the distance of the current graph to the graph corresponding to the normal time.

好ましくは、パワーアシスト装置は、外骨格型ロボットである。   Preferably, the power assist device is an exoskeleton robot.

本発明の制御信号生成装置およびパワーアシスト装置によれば、センサからの信号取得の不安定性に対して頑健な制御で、制御信号を生成し、あるいは、アシスト力を生成することが可能である。   According to the control signal generation device and the power assist device of the present invention, it is possible to generate a control signal or generate an assist force with robust control against instability of signal acquisition from a sensor.

本実施の形態における外骨格型ロボット1の構成事例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the exoskeleton type robot 1 in this Embodiment. 外骨格型ロボット1の自由度の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the freedom degree of the exoskeleton type robot. 外骨格型ロボット1のブロック図の例である。2 is an example of a block diagram of the exoskeleton robot 1. FIG. 検出機構124のうち、筋電位を検出する機構を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the mechanism which detects a myoelectric potential among the detection mechanisms. 本実施の形態におけるパワーアシスト制御において、筋肉によりアシスト対象となる関節に与えられているトルクを推定する処理の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept of the process which estimates the torque provided to the joint used as assistance object by the muscle in the power assist control in this Embodiment. 本実施の形態において、筋電位から関節駆動トルクを推定して、能動関節のアクチュエータを制御するための制御ブロックを示す図である。In this Embodiment, it is a figure which shows the control block for estimating the joint drive torque from a myoelectric potential and controlling the actuator of an active joint. 外骨格型ロボットの構成において、1自由度分の動作を行う空電ハイブリッドアクチュエータの部分を抜き出した外観を示す図である。It is a figure which shows the external appearance which extracted the part of the aerodynamic hybrid actuator which performs operation | movement for 1 degree of freedom in the structure of an exoskeleton type robot. 1自由度分の動作を行う空電ハイブリッドアクチュエータのシステムを制御する構成を説明するための機能ブロック図である。It is a functional block diagram for demonstrating the structure which controls the system of the pneumatic hybrid actuator which performs operation | movement for 1 degree of freedom. 各アクチュエータが、関節を動かす態様を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the aspect which each actuator moves a joint. 本実施の形態の関節駆動トルクの推定処理の有用性を検証する実験の構成を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the structure of the experiment which verifies the usefulness of the estimation process of the joint drive torque of this Embodiment. sEMG信号の時間変化とロジスティック回帰によるセンサチャネルの状態判別結果を示す図である。It is a figure which shows the time discrimination | determination result of the sensor channel by the time change of sEMG signal and logistic regression. トルク推定処理の途中で、エラーチャネルが発生した状況を示す図である。It is a figure which shows the condition where the error channel generate | occur | produced in the middle of the torque estimation process. 電極素子(センサー)の断線や、電極素子の体表面への接触不良の場合の異常スコアを示す図である。It is a figure which shows the abnormality score in the case of the disconnection of an electrode element (sensor), or the contact failure to the body surface of an electrode element. 電極素子(センサー)のコネクタのチャネル位置の挿入ミスの場合や、汗などによる電極間のショートが発生した場合の異常スコアを示す図である。It is a figure which shows the abnormal score at the time of the insertion mistake of the channel position of the connector of an electrode element (sensor), or when the short circuit between electrodes by sweat etc. generate | occur | produced. チャネルが断線した場合の異常スコアの時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the abnormal score when a channel is disconnected.

以下、本発明の実施の形態の外骨格型ロボットの構成について、図に従って説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。   Hereinafter, the configuration of the exoskeleton robot according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, components and processing steps given the same reference numerals are the same or equivalent, and the description thereof will not be repeated unless necessary.

また、外骨格型ロボットの関節を駆動するためのアクチュエータとしては、一例として、以下に説明する「空電ハイブリッド式のアクチュエータ」を例として説明する。   As an example of an actuator for driving the joint of an exoskeleton robot, an “aeroelectric hybrid actuator” described below will be described as an example.

そこで、以下、本実施の形態において、歩行・姿勢リハビリテーションのための空電ハイブリッド式のアクチュエータによる外骨格型ロボットについて説明する。   Therefore, in the present embodiment, an exoskeleton type robot using an electrostatic hybrid actuator for walking / posture rehabilitation will be described below.

ただし、本発明の空電ハイブリッド式外骨格型ロボットは、下肢の運動をアシストするための外骨格型ロボットに対してだけでなく、上肢の運動をアシストする外骨格型ロボットとしても使用することが可能である。   However, the aerodynamic hybrid exoskeleton robot of the present invention can be used not only as an exoskeleton robot for assisting the movement of the lower limbs but also as an exoskeleton robot for assisting the movement of the upper limbs. Is possible.

また、以下の説明では、下肢の対としての運動をアシストする外骨格型ロボットについて説明するが、下肢のうちのいずれか一方、または、上肢のうちのいずれか一方の運動をアシストする外骨格型ロボットとして使用することも可能である。   Further, in the following description, an exoskeleton type robot that assists exercise as a pair of lower limbs will be described. However, an exoskeleton type that assists exercise of either one of lower limbs or upper limbs. It can also be used as a robot.

さらに、本発明の空電ハイブリッド式外骨格型ロボットは、対象となる人間の筋骨格系の運動をアシストするのであれば、上述したような「下肢のうちの少なくともいずれか一方、または、上肢のうちの少なくともいずれか一方の運動」に限定されるものではなく、たとえば、対象となる人間の腰の運動のみをアシストするものであってもよいし、歩行または走行時において下肢の運動と連動して腰の運動をアシストするものであってもよい。本明細書では、このような対象となる人間の運動のアシストを総称して、「対象となる人間の筋骨格系運動の支援(アシスト)」と呼ぶことにする。   Furthermore, if the aerodynamic hybrid exoskeleton robot of the present invention assists the movement of the target human musculoskeletal system, the above-described “at least one of the lower limbs or the upper limbs” It is not limited to “at least one of these exercises”. For example, it may assist only the exercise of the subject's lower back, or it may be linked with the exercise of the lower limbs during walking or running. And assisting the exercise of the lower back. In the present specification, such assist for human motion as a target is collectively referred to as “support for assisting musculoskeletal motion of a target human (assist)”.

本実施の形態の外骨格型ロボットは、外骨格を有する。「外骨格」とは、人間の骨格構造に対応してロボットが有する骨格構造のことである。より特定的には、「外骨格」とは、外骨格型ロボットを装着する人間の体の一部を、外部から支えるフレーム(枠組み)構造のことをいう。   The exoskeleton type robot of the present embodiment has an exoskeleton. “Exoskeleton” refers to a skeleton structure that a robot has corresponding to a human skeleton structure. More specifically, “exoskeleton” refers to a frame (framework) structure that supports a part of a human body to which an exoskeleton-type robot is mounted from the outside.

このフレーム構造には、さらに、フレーム構造の各部を人間の骨格構造に基づく運動に応じて動かすための関節が設けられる。   The frame structure is further provided with a joint for moving each part of the frame structure in accordance with the movement based on the human skeleton structure.

特に、下肢の運動をアシストする外骨格型ロボットは、ベースと下半身とを有し、足首、膝、腰の左右の位置に、能動6自由度の関節を有するロボットである。また、当該6つの関節は、空電ハイブリッド駆動の関節である。以下、このように、外骨格型ロボットにおいて、ユーザの関節に対してサポート力を与えるためにアクチュエータにより駆動される関節のことを「能動関節」と呼ぶ。
[実施の形態1]
図1は、本実施の形態における外骨格型ロボット1の構成事例を示す図である。本外骨格型ロボット1は、10自由度である。
In particular, an exoskeleton-type robot that assists the movement of the lower limbs is a robot having a base and a lower half body, and having joints with 6 degrees of freedom in the left and right positions of the ankle, knee, and waist. Further, the six joints are aerodynamic hybrid drive joints. Hereinafter, in such an exoskeleton robot, a joint driven by an actuator to give support force to a user's joint is referred to as an “active joint”.
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an exoskeleton robot 1 in the present embodiment. The exoskeleton robot 1 has 10 degrees of freedom.

なお、このような外骨格型ロボットの構成事例については、類似の構成が、上述した特許文献2にも開示されている。   Note that a similar configuration is disclosed in Patent Document 2 described above for the configuration example of such an exoskeleton type robot.

図1において、図1(a)は、外骨格型ロボットの外観を示す図であり、図1(b)は、図1(a)の外観において、外骨格型ロボット1の主要部を抽出して示す斜視図である。   In FIG. 1, FIG. 1 (a) is a diagram showing the appearance of an exoskeleton robot, and FIG. 1 (b) is a diagram showing the main part of the exoskeleton robot 1 extracted from the appearance of FIG. 1 (a). FIG.

図1(b)において、外骨格型ロボット1は、両脚に対応したフレーム構造、バックパック101、柔軟シート102、HAA拮抗筋103、HFE伸筋104、HFEモータ111、KFE伸筋105、 KFEモータ106、AFE伸筋・AAA拮抗筋107、AFE屈筋108、ユニバーサルジョイント109、フレーム構造に設けられたプーリー付回転関節110を備える。   In FIG. 1B, the exoskeleton robot 1 has a frame structure corresponding to both legs, a backpack 101, a flexible sheet 102, a HAA antagonist muscle 103, an HFE extensor muscle 104, an HFE motor 111, a KFE extensor muscle 105, and a KFE motor. 106, an AFE extensor / AAA antagonist muscle 107, an AFE flexor muscle 108, a universal joint 109, and a rotary joint 110 with a pulley provided in a frame structure.

なお、図1(b)では、バックパック101が運動を支援する構造に直接とりつけられているが、図1(a)に示すように、バックパック101は、この構造から取り外されていてもよい。   In FIG. 1B, the backpack 101 is directly attached to the structure for supporting exercise. However, as shown in FIG. 1A, the backpack 101 may be removed from this structure. .

また、ユニバーサルジョイント109には、たとえば、光学式エンコーダを回転軸に取り付け、関節角度を計測する。プーリー付回転関節110も同様に光学式エンコーダを取り付ける。光学式エンコーダは、軸に取り付けるのではなく、軸に巻かれたベルトの移動方向と移動量を読み取る構成としてもよい。なお、ハイブリッド関節であるHFEおよびKFE関節においては、モータ付属のエンコーダを用いて関節角度を計測してもよい。   In addition, for example, an optical encoder is attached to the rotation shaft of the universal joint 109, and the joint angle is measured. An optical encoder is similarly attached to the rotary joint 110 with pulley. The optical encoder may not be attached to the shaft, but may be configured to read the moving direction and the moving amount of the belt wound around the shaft. Note that in the HFE and KFE joints which are hybrid joints, the joint angle may be measured using an encoder attached to the motor.

また、図2は、外骨格型ロボット1の自由度の構成を示す図である。   FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the degree of freedom of the exoskeleton robot 1.

図2において、各関節において、「R_」との表示は、右側の関節であることを示し、「L_」との表示は、左側の関節であることを示す。   In FIG. 2, in each joint, the display “R_” indicates the right joint, and the display “L_” indicates the left joint.

図1および図2を参照して、全10自由度のうち、HFE関節とKFE関節はハイブリッド駆動としている。また、図2において、全10自由度のうち、左右のAFE関節は伸筋と屈筋による拮抗駆動を採用している。ハイブリッド駆動および拮抗駆動以外の関節は、パッシブな駆動である。ただし、より多くの関節、たとえば、全ての関節をハイブリッド駆動としてもよい。   Referring to FIGS. 1 and 2, the HFE joint and the KFE joint out of all 10 degrees of freedom are hybrid drives. In FIG. 2, out of all 10 degrees of freedom, the left and right AFE joints employ antagonistic drive using extensors and flexors. The joints other than the hybrid drive and the antagonist drive are passive drives. However, more joints, for example, all joints may be hybrid driven.

図1において、両脚が接続する胴体部には姿勢センサを搭載してベース部の姿勢を検出している。また、全ての関節にワイヤ式エンコーダ(またはモータ付属のエンコーダ)を取り付け、関節角度を計測できるようにしている。関節角度ならびに後に説明するように下肢の筋電位を検出することで、各関節に発生させる目標トルクが算出できる。   In FIG. 1, a posture sensor is mounted on the body portion to which both legs are connected to detect the posture of the base portion. In addition, wire type encoders (or encoders attached to motors) are attached to all joints so that joint angles can be measured. By detecting the joint angle and the myoelectric potential of the lower limb as described later, the target torque to be generated in each joint can be calculated.

また、足底部には、床反力センサを搭載し、接触を想定する足底部が実際に接触しているかどうかを判定したり、ヤコビ行列に含まれるモデル誤差を修正するために補助的に使用する構成としてもよい。   In addition, a floor reaction force sensor is mounted on the sole, and it is used as an auxiliary to determine whether the sole that is supposed to touch is actually touching or to correct the model error included in the Jacobian matrix It is good also as composition to do.

また、バックパック101内には制御器の他、エアマッスルのバルブおよび電動モータのドライバを内蔵している。   In addition to the controller, the backpack 101 incorporates an air muscle valve and an electric motor driver.

また、バックパック101内に、バッテリーと圧搾した空気ボンベ(またはCOガスボンベでもよい)、レギュレータを搭載し、電源ラインとエア供給が断絶した場合に備え、短時間の自律駆動を可能にする構成であってもよい。 The backpack 101 is also equipped with a battery, a compressed air cylinder (or a CO 2 gas cylinder), and a regulator, and enables a short time autonomous driving in case the power supply line and the air supply are disconnected. It may be.

また、図3は、外骨格型ロボット1のブロック図の例である。   FIG. 3 is an example of a block diagram of the exoskeleton robot 1.

外骨格型ロボット1を制御するためのコマンドが、外部制御装置20から、通信経路を介して外骨格型ロボットに与えられる。特に限定されないが、外部制御装置20は、汎用のパーソナルコンピュータを用いることが可能であり、通信経路としては、イーサネット(登録商標)ケーブルを用いることができる。もちろん、通信経路としては、その他の規格の有線通信の経路の他、無線による通信経路、たとえば、無線LAN(Local Area Network)や他の通信規格の無線などを使用してもよい。   A command for controlling the exoskeleton robot 1 is given from the external control device 20 to the exoskeleton robot via a communication path. Although not particularly limited, the external control device 20 can use a general-purpose personal computer, and an Ethernet (registered trademark) cable can be used as a communication path. Of course, as a communication path, a wireless communication path such as a wireless LAN (Local Area Network) or another communication standard may be used in addition to a wired communication path of another standard.

外部制御装置20は、ユーザからの指示入力を受ける入力部208と、コマンドを生成するためのプログラムや、様々な制御パラメータなど制御のために必要とされるデータが記録された不揮発性の記憶装置206と、外部制御装置20を起動するためのファームウェアが記憶されたROM(Read Only Memory)や、ワーキングメモリとして動作するRAM(Random Access Memory)などを含むメモリ204と、プログラムに応じて、コマンドを生成する処理を実行する演算装置210と、コマンドを通信経路を介して、外骨格型ロボットに送信するためのインタフェース(I/F)部202と、演算装置210の制御の下で、外骨格型ロボット1への制御の状態に関する情報などを表示するための表示装置212とを備える。   The external control device 20 includes an input unit 208 that receives an instruction input from a user, a non-volatile storage device in which data required for control, such as a program for generating commands and various control parameters, is recorded 206, a memory 204 including a ROM (Read Only Memory) in which firmware for starting the external control device 20 is stored, a RAM (Random Access Memory) that operates as a working memory, and the like. Under the control of the arithmetic device 210, an arithmetic device 210 that executes processing to be generated, an interface (I / F) unit 202 for transmitting a command to the exoskeleton robot via a communication path, and the arithmetic device 210. And a display device 212 for displaying information on the state of control of the robot 1.

上述のとおり、外部制御装置20が、汎用のパーソナルコンピュータである場合は、演算装置210は、CPU(Central Processing Unit)で構成され、不揮発性の記憶装置206としては、ハードディスクドライブやソリッドステートドライブなどを用いることができる。ただし、外部制御装置20の機能ブロックの一部または全部は、専用のハードウェアにより構成されてもよい。   As described above, when the external control device 20 is a general-purpose personal computer, the arithmetic device 210 is configured by a CPU (Central Processing Unit), and the nonvolatile storage device 206 is a hard disk drive, a solid state drive, or the like. Can be used. However, some or all of the functional blocks of the external control device 20 may be configured by dedicated hardware.

また、外部制御装置20は、たとえば、外骨格型ロボットが装着される使用者について、筋電位から関節トルクを推定するための推定モデルをキャリブレーション時に構成する処理を行う。構成された推定モデルにつての情報は、たとえば、記憶装置132などの記憶装置に記憶される。   Further, the external control device 20 performs, for example, a process of configuring an estimation model for estimating joint torque from myoelectric potential during calibration for a user wearing an exoskeleton robot. Information about the configured estimation model is stored in a storage device such as the storage device 132, for example.

外骨格型ロボット1は、外骨格部12、内部制御装置10を備える。   The exoskeleton robot 1 includes an exoskeleton part 12 and an internal control device 10.

外骨格部12は、ベース121、下半身122、能動関節123、検出機構124を備える。さらに、能動関節123は、エアマッスル1231(図示せず)、電動モータ1232(図示せず)を備える。   The exoskeleton 12 includes a base 121, a lower body 122, an active joint 123, and a detection mechanism 124. Further, the active joint 123 includes an air muscle 1231 (not shown) and an electric motor 1232 (not shown).

また、内部制御装置10は、I/F部11、記録装置131、記憶装置 132、計測装置133、制御部134、出力装置135を備える。   The internal control device 10 also includes an I / F unit 11, a recording device 131, a storage device 132, a measuring device 133, a control unit 134, and an output device 135.

I/F部11は、外部制御蔵置20から指令されたトルクまたは位置指令等を受け付けることができる。   The I / F unit 11 can receive a torque command or a position command commanded from the external control storage 20.

なお、ベース121は、腰の位置の骨格、腰の位置の能動関節123を含むと考えても良いし、腰の位置の骨格のみであると考えても良い。   The base 121 may be considered to include the skeleton at the waist position and the active joint 123 at the waist position, or may be considered to be only the skeleton at the waist position.

下半身122は、腿や足の位置の骨格、腿や足の位置の能動関節123を含むと考えても良いし、腿や足の位置の骨格のみであると考えても良い。   The lower body 122 may be considered to include the skeleton at the position of the thigh or foot, the active joint 123 at the position of the thigh or foot, or may be considered to be only the skeleton at the position of the thigh or foot.

能動関節123は、左右の足首、左右の膝、および腰の左右の各位置に配置されている能動の関節である。ここで、能動関節123とは、アクチュエータで能動的に動作することのできる関節である。つまり、能動関節123は、アクチュエータを備える。   The active joints 123 are active joints arranged at left and right ankles, left and right knees, and left and right positions of the waist. Here, the active joint 123 is a joint that can be actively operated by an actuator. That is, the active joint 123 includes an actuator.

また、ここでの1以上の能動関節123は、ハイブリッド型である。つまり、能動関節123の少なくとも一部のものは、エアマッスル1231、電動モータ1232を備えるハイブリッド型である。なお、アクチュエータは、制御目標値となるトルク値を駆動信号として受け付け、受け付けたトルク値に基づいて制御する機能を有している。   Further, the one or more active joints 123 here are of a hybrid type. That is, at least a part of the active joint 123 is a hybrid type including the air muscle 1231 and the electric motor 1232. The actuator has a function of receiving a torque value as a control target value as a drive signal and controlling based on the received torque value.

アクチュエータとして、サーボモータを使用する場合、アクチュエータは、例えば、電流制御が可能な駆動回路を有し、電流に比例したトルクを発生させるサーボモータは、制御目標値として入力されたトルク値に、ギヤ比により決定されるトルク定数を乗じて駆動回路に指令することで入力されたトルクを発生させるトルク制御を実現する。特に、能動関節123にトルクセンサを配設し、当該トルクセンサにより検出した値を駆動回路にフィードバックすることにより、高精度のトルク制御が可能となる。   When a servo motor is used as an actuator, the actuator has, for example, a drive circuit capable of current control, and a servo motor that generates a torque proportional to the current has a gear value that is input as a control target value. Torque control for generating the input torque is realized by instructing the drive circuit by multiplying the torque constant determined by the ratio. In particular, by providing a torque sensor at the active joint 123 and feeding back a value detected by the torque sensor to the drive circuit, highly accurate torque control is possible.

検出機構124は、ロボットの状態を検出する。検出機構124は、例えば、各関節に配置されたエンコーダ、足平に配置された床反力センサ、骨盤部に配置された姿勢検出のためのジャイロセンサ、各エアマッスルの駆動力を検知するロードセルなどである。検出機構124は、関節の角度を検出する角度センサや、ロボットの姿勢を取得する姿勢センサ、外力センサなどでも良い。   The detection mechanism 124 detects the state of the robot. The detection mechanism 124 includes, for example, an encoder disposed at each joint, a floor reaction force sensor disposed at the foot, a gyro sensor for posture detection disposed at the pelvis, and a load cell that detects the driving force of each air muscle. Etc. The detection mechanism 124 may be an angle sensor that detects the angle of the joint, a posture sensor that acquires the posture of the robot, an external force sensor, or the like.

また、検出機構124は、使用者のアシスト対象となる関節を運動させる筋肉の部位、たとえば脚部に装着された筋電センサにより使用者の筋電位を検出する。   In addition, the detection mechanism 124 detects the myoelectric potential of the user using a myoelectric sensor attached to a part of a muscle that moves the joint to be assisted by the user, for example, a leg.

内部制御装置10は、能動関節123を動作させる。内部制御装置10は、I/F部11が受け付けた目標トルクまたは位置指令等に対応して、能動関節123を動作させる。   The internal control device 10 operates the active joint 123. The internal control device 10 operates the active joint 123 in response to the target torque or position command received by the I / F unit 11.

計測装置133は、センサ等の検出機構124から検出結果を示す様々な信号(データ)を受け付ける。   The measuring device 133 receives various signals (data) indicating detection results from the detection mechanism 124 such as a sensor.

制御部134は、制御目標値の算出等の様々な演算を行う。制御部134が行う演算は後に説明する。   The control unit 134 performs various calculations such as calculation of a control target value. The calculation performed by the control unit 134 will be described later.

出力装置135は、能動関節123に制御信号を出力する。出力装置135は、例えば、目標とするエアマッスルの圧力値やモータの制御値を能動関節123に出力する。より詳しくは、このような制御値は、モータドライバや圧力制御バルブなどに出力され、物理的なエネルギー(圧縮空気や電流)がモータやエアマッスルに供給される。   The output device 135 outputs a control signal to the active joint 123. The output device 135 outputs, for example, a target air muscle pressure value and a motor control value to the active joint 123. More specifically, such a control value is output to a motor driver, a pressure control valve, or the like, and physical energy (compressed air or current) is supplied to the motor or air muscle.

(筋電位フィードバックによる能動関節の制御:1自由度系)
以上の説明では、下肢の運動をアシストする外骨格型ロボットの構成について説明した。以下では、外骨格型ロボットの装着者の運動へのパワーアシスト動作を説明するにあたり、説明の簡単のために、1自由度の系(1つの関節の1方向への運動)を例にとって説明する。ただし、このような1自由度の系への制御を、上述した下肢の外骨格型ロボットの各関節に適用することが可能である。また、上述したように、より一般的な外骨格型ロボットに適用することも可能である。
(Control of active joint by myoelectric potential feedback: one degree of freedom system)
In the above description, the configuration of the exoskeleton robot that assists the movement of the lower limbs has been described. In the following, in explaining the power assist operation for the exercise of the wearer of the exoskeleton type robot, for the sake of simplicity of explanation, a system with one degree of freedom (movement of one joint in one direction) will be described as an example. . However, it is possible to apply such control to a one-degree-of-freedom system to each joint of the exoskeleton robot of the lower limb described above. Further, as described above, the present invention can also be applied to a more general exoskeleton type robot.

そこで、以下では、上肢の運動をアシストすることを想定した1自由度の系として、本実施の形態の動作原理について説明する。   Therefore, in the following, the operation principle of the present embodiment will be described as a one-degree-of-freedom system that is assumed to assist upper limb movement.

図4は、検出機構124のうち、筋電位を検出する機構を説明するための概念図である。   FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining a mechanism for detecting a myoelectric potential in the detection mechanism 124.

検出機構124は、上述したとおり、外骨格型ロボット側で、関節角度などロボットの状態を検出するセンサからの信号を受け取り制御部134へ出力する状態検出部1242と、装着者側の筋電位を検出する筋電位検出部1244とを含む。   As described above, the detection mechanism 124 receives, on the exoskeleton robot side, a state detection unit 1242 that receives a signal from a sensor that detects the state of the robot such as a joint angle and outputs the signal to the control unit 134, and the myoelectric potential on the wearer side. And a myoelectric potential detection unit 1244 to detect.

図4においては、上腕の表面電位を検出するために、たとえば、上腕の腱の部分にグランド電極ELGが配置され、上腕二頭筋には、たとえば、電極EL1〜EL4が配置されている。上腕三頭筋には、たとえば、電極素子EL5〜EL6が配置されている。   In FIG. 4, in order to detect the surface potential of the upper arm, for example, a ground electrode ELG is disposed in the tendon portion of the upper arm, and electrodes EL1 to EL4 are disposed in the biceps brachii, for example. For example, electrode elements EL5 to EL6 are arranged on the triceps surae.

なお、電極の個数、配置などは、あくまでも例示であり、筋電位を計測する部位に応じて、適宜変更できる。また、以下では、「筋電位を計測する部位」とは、パワーアシストを行う対象となる関節に対して、アシスト力を発生させる目的となる運動を生じさせる筋肉の部位のことをいうものとする。   Note that the number and arrangement of the electrodes are merely examples, and can be appropriately changed according to the site where the myoelectric potential is measured. In the following, the “part for measuring myoelectric potential” refers to a part of a muscle that causes a target exercise for generating assist force to a joint to be subjected to power assist. .

また、図示省略するが、電極素子EL5〜EL6の各々には、取得した表面電位を増幅するためのプリアンプや、フィルタ処理を行うためのアナログフィルタなどが設けられていてもよい。   Although not shown, each of the electrode elements EL5 to EL6 may be provided with a preamplifier for amplifying the acquired surface potential, an analog filter for performing filter processing, and the like.

筋電位検出部1244は、電極素子EL1〜EL6からの信号をさらに増幅するアンプ1250と、アンプ1252からの信号をアナログデジタル変換するA/D変換器1254とを含む。   The myoelectric potential detection unit 1244 includes an amplifier 1250 that further amplifies signals from the electrode elements EL <b> 1 to EL <b> 6 and an A / D converter 1254 that performs analog-digital conversion on the signal from the amplifier 1252.

したがって、以下、筋電位を測定する「測定チャネル」とは、対象となる筋の電位を測定するための、体表面から1つの電極を経由したアナログ信号が個別にデジタル信号化される経路のことをいうものとする。したがって、「エラーチャネル」とは、何らかの物理的な故障等により欠損もしくは不良な信号が混入したセンサに対する測定チャネルのことをいい、以下のような状態のチャネルも含む。   Therefore, hereinafter, a “measurement channel” for measuring myoelectric potential is a path through which an analog signal from a body surface via a single electrode is individually converted into a digital signal for measuring the potential of a target muscle. It shall be said. Therefore, the “error channel” means a measurement channel for a sensor mixed with a missing or defective signal due to some physical failure or the like, and includes channels in the following states.

i)電極素子と体表面との接触不良の状態。たとえば、電極素子が体表面から浮いていたり、密着性を高めるために電極表面に塗布されるジェルの不均一なども含む。       i) The state of poor contact between the electrode element and the body surface. For example, the electrode element is floating from the body surface, or non-uniformity of gel applied to the electrode surface in order to improve adhesion.

ii)また、電極素子EL5〜EL6からアンプ1250に至る経路における断線や接続コネクタの接続不良や抜けの状態。       ii) In addition, disconnection in the path from the electrode elements EL5 to EL6 to the amplifier 1250, connection failure or disconnection of the connector.

iii)本来結合されるべきアンプ1250の入力端子とは、異なる入力端子に接続コネクタが誤接続された状態。       iii) A state in which the connection connector is erroneously connected to an input terminal different from the input terminal of the amplifier 1250 to be originally coupled.

iv)体表面の汗やジェルにより、電極素子において生じる通電状態(たとえば、電極素子に2つの電極がある場合、この電極間での通電状態など)。       iv) An energized state generated in the electrode element due to sweat or gel on the body surface (for example, when the electrode element has two electrodes, an energized state between the electrodes).

図5は、本実施の形態におけるパワーアシスト制御において、筋肉によりアシスト対象となる関節に与えられているトルクを推定する処理の概念を示す図である。   FIG. 5 is a diagram showing a concept of processing for estimating the torque applied to the joint to be assisted by the muscle in the power assist control in the present embodiment.

図5に示すように、本実施の形態では、複数のセンサを用いた場合にセンサや配線の不良があっても適切に目的とする推定量を生体信号から導き出す。   As shown in FIG. 5, in the present embodiment, when a plurality of sensors are used, a target estimated amount is appropriately derived from the biological signal even if there is a sensor or wiring defect.

ここでは、筋電から関節トルクを推定するにあたり、不良測定チャネルの異なる複数の組み合わせに対して、頑健な推定を実現する。   Here, when estimating joint torque from myoelectricity, robust estimation is realized for a plurality of combinations having different failure measurement channels.

より具体的には、以下のとおりである。   More specifically, it is as follows.

1)所定数(たとえば、1個)のセンサ(測定チャネル)が不良となる組合せごとに、予め関節トルクの推定モデルを、機械学習により複数用意しておく。このようにして、予め準備されるモデル1〜モデルnのそれぞれにより、推定されるトルクは、推定トルクτ(1)(ハット)〜τ(n) (ハット)である。(以下の文字の頭に“^”が付された文字については、文字の後に(ハット)をつけて表す。“^”は、推定値であることを意味する。)
2)次に、不良センサを複数の筋電信号の相関から検出し、最終的な推定値τ(ハット)に対する各推定値の寄与率を検出された不良センサに応じて変化させる。すなわち、検出された不良センサからの信号に基づかないモデルの寄与度を大きくする。より具体的には、たとえば、推定モデルを、検出された不良チャネルを含まない推定モデルに適宜切り替えることにより、頑健なトルク推定を達成する。
(表面筋電図(sEMG)からのロバストな関節トルク推定)
以下では、本実施の形態の筋電位−トルク推定の変換処理について説明する。
1) For each combination in which a predetermined number (for example, one) of sensors (measurement channels) is defective, a plurality of joint torque estimation models are prepared in advance by machine learning. Thus, the torque estimated by each of the models 1 to n prepared in advance is estimated torque τ (1) (hat) to τ (n) (hat). (The following characters with “^” at the beginning of the character are represented by adding a (hat) after the character. “^” Means an estimated value.)
2) Next, a defective sensor is detected from the correlation of a plurality of myoelectric signals, and the contribution rate of each estimated value to the final estimated value τ (hat) is changed according to the detected defective sensor. That is, the contribution of the model not based on the detected signal from the defective sensor is increased. More specifically, for example, robust torque estimation is achieved by appropriately switching the estimation model to an estimation model that does not include the detected defective channel.
(Robust joint torque estimation from surface electromyogram (sEMG))
Below, the conversion process of myoelectric potential-torque estimation of this Embodiment is demonstrated.

本実施の形態では、複数の電極から筋電を取得した上で、筋電位−トルク推定の変換において、モデルをあらかじめ複数構築し、故障がおこった場合にはセンサを含まない推定モデルを用いる。   In the present embodiment, after obtaining myoelectricity from a plurality of electrodes, in the conversion of myoelectric potential-torque estimation, a plurality of models are built in advance, and when a failure occurs, an estimation model that does not include a sensor is used.

これにより、エラーチャネルを含んだモデルから、正常なセンサ信号のみで構成されたモデルにリアルタイムで切り替え、破綻なく関節トルク推定を実現する。   As a result, a model including an error channel is switched in real time to a model composed of only normal sensor signals, and joint torque estimation is realized without failure.

以下では一例として、システムのセンサのうち1つのチャネルに起こる故障に対応する仕組みを考える。これは、ネットワークやデータベースの分野でも単一の故障でシステム全体が機能しないことを改善すること(SPOF: Single Point of Failure) が重要であり、一つの頑健性の指標となっていることに対応するものである。もっとも、本実施の形態の筋電位−トルク推定の変換処理においては、予め2つまでのエラーチャネルが発生することを想定しておき、エラーチャネルを含んだモデルから、正常なセンサ信号で構成されたモデルに切り替える構成としてもよい。想定するエラーチャネルの最大個数は、これより多い場合に拡張することも可能である。   Hereinafter, as an example, a mechanism for dealing with a failure that occurs in one channel of the sensors of the system will be considered. This is because it is important to improve that the entire system does not function due to a single failure (SPOF: Single Point of Failure) in the network and database fields, and this is one of the indicators of robustness. To do. However, in the conversion process of the myoelectric potential-torque estimation according to the present embodiment, it is assumed that up to two error channels are generated in advance, and a normal sensor signal is configured from a model including the error channel. It is good also as a structure switched to a different model. The assumed maximum number of error channels can be expanded when there are more than this.

ただし、以下では簡単のために、sEMGの計測システムにおいて起こる故障・不具合は、センサ信号の経路上のいずれか1チャネルのみであるとする。   However, in the following, for the sake of simplicity, it is assumed that the failure / failure that occurs in the sEMG measurement system is only one of the channels on the sensor signal path.

図6は、本実施の形態において、筋電位から関節駆動トルクを推定して、能動関節のアクチュエータ(ここでは、一例として、空電ハイブリッド式アクチュエータ)を制御するための制御ブロックを示す図である。   FIG. 6 is a diagram showing a control block for controlling the actuator of the active joint (here, as an example, an electrostatic hybrid actuator) by estimating the joint drive torque from the myoelectric potential in the present embodiment. .

このような制御ブロックは、たとえば、制御部134の機能として達成される。あるいは、制御部134と演算装置210との協働により、このような機能が達成されてもよい。   Such a control block is achieved as a function of the control unit 134, for example. Alternatively, such a function may be achieved by cooperation between the control unit 134 and the arithmetic device 210.

図6を参照して、関節トルク変換部2100では、アシスト対象(この例では、使用者の上肢)2140から測定された筋電位(sEMG)信号は、以下に説明するような手続きにより、予め設定されたモデルにより、関節トルクを計算する。   Referring to FIG. 6, joint torque conversion unit 2100 sets the myoelectric potential (sEMG) signal measured from assist target (in this example, the user's upper limb) 2140 in advance by the procedure described below. The joint torque is calculated according to the model.

より具体的には、関節トルク変換部2100は、A/D変換器1254からのsEMG信号に対して所定のデジタルフィルタリング処理を行うEMG信号フィルタ部2102と、フィルタリングにより得られる出力u(t)から、関節駆動トルクτemgを推定する関節トルク算出部2106とを含む。 More specifically, the joint torque conversion unit 2100 includes an EMG signal filter unit 2102 that performs a predetermined digital filtering process on the sEMG signal from the A / D converter 1254, and an output u (t) obtained by filtering. A joint torque calculation unit 2106 for estimating the joint drive torque τ emg .

さらに、目標トルク算出部2110は、推定されたτemgからアクチュエータの生成するべき目標トルクτ を算出する。 Further, the target torque calculator 2110 calculates a target torque τ r * to be generated by the actuator from the estimated τ emg .

目標トルク算出部2110は、逆動力学作用モデル算出部2112を含んでおり、逆動力学作用モデル算出部2112は、後に説明するように、目標トルクτ からのフィードバック2114により、目標トルクτ を算出する。 The target torque calculator 2110 includes an inverse dynamics action model calculator 2112. The reverse dynamics action model calculator 2112 receives the target torque τ by feedback 2114 from the target torque τ r * , as will be described later. Calculate r * .

腱スプリングモデル算出部2120は、エアマッスルに供給する圧力pおよびモータへの制御値を算出する。制御対象2130は、後に説明するような能動関節に設けられた空電ハイブリッド式アクチュエータである。 The tendon spring model calculation unit 2120 calculates the pressure p * supplied to the air muscle and the control value for the motor. The control target 2130 is an aerodynamic hybrid actuator provided at an active joint as described later.

関節トルク算出部2106は、この場合のヒトの関節駆動トルクを、式(1)のように複数の筋電−トルク変換モデルを用いて推定する。   The joint torque calculation unit 2106 estimates the human joint drive torque in this case using a plurality of myoelectric-torque conversion models as shown in Equation (1).

ここで、ノーテーションについては、以下のとおりである。   Here, the notation is as follows.

つまり、式(1)の意味するところは、エラーチャネルi が検出された場合は、そのチャネルが含まれないモデルを用いた推定トルク値に切り替える、ということである。
(エラーチャネル判別)
以下では、関節トルク算出部2106の行うエラーチャネルの検出処理について説明する。
In other words, the expression (1) means that when the error channel i is detected, the estimated torque value is switched using a model that does not include the channel.
(Error channel discrimination)
The error channel detection process performed by the joint torque calculation unit 2106 will be described below.

本実施の形態では、sEMGに対するエラーチャネルの検出手法として、信号の相関に注目する。   In this embodiment, attention is paid to signal correlation as an error channel detection method for sEMG.

すなわち、近傍チャネルの相関を利用し、ロジスティック回帰によりエラーチャネルと正常なチャネルの状態を教師有り学習の識別器で判別する。sEMG の信号が正常な場合をy=1(クラスS1)、故障が含まれる場合をy=0(クラスS2)と定義する。sEMG の区間入力に対して正常な場合はS1 に、不良な場合にはS2に分類する識別器を予め機械学習により設定しておく。   That is, using the correlation of neighboring channels, the state of an error channel and a normal channel is discriminated by a supervised learning discriminator by logistic regression. The case where the sEMG signal is normal is defined as y = 1 (class S1), and the case where a failure is included is defined as y = 0 (class S2). If the sEMG interval input is normal, a classifier is set in advance by machine learning in S1 if it is normal and if it is defective, in S2.

以下の具体例では、たとえば、特徴量は、整流したsEMGのローパスフィルタ(カットオフ18Hz、ウィンドウ幅1.0s)からの信号に基づいて抽出されるものとし、ロジスティック2値判別(ロジスティック回帰分析)により上記の識別器を構成する。   In the following specific example, for example, the feature amount is extracted based on a signal from a rectified sEMG low-pass filter (cut-off 18 Hz, window width 1.0 s), and logistic binary discrimination (logistic regression analysis). The above discriminator is configured as follows.

2つのクラスS1とS2に分類する線形識別関数は、式(2)のように特徴量に重みづけした総和で表される。   The linear discriminant functions that are classified into the two classes S1 and S2 are represented by the sum total weighted to the feature amount as in Expression (2).

f(X;θ)=0は2つのクラスの境界を決める関数である。   f (X; θ) = 0 is a function that determines the boundary between two classes.

「D次元の特徴ベクトル」とは、この場合、測定チャネルからの信号についての相関行列の非対角な独立な成分であり、たとえば、チャネル数が6の場合は,D=(6×6−6)/2=15個の要素からなる。   The “D-dimensional feature vector” in this case is an off-diagonal independent component of the correlation matrix for the signal from the measurement channel. For example, when the number of channels is 6, D = (6 × 6- 6) / 2 = 15 elements.

ここで、クラスのいずれか片方に属する確率をPと表せば、ロジスティック回帰では次の式(3) が正確に成り立つような重みを求める。   Here, if the probability of belonging to one of the classes is expressed as P, the logistic regression obtains a weight such that the following equation (3) is accurately established.

この式(3) をPについて解けば、次の式(4)のようになる。   When this equation (3) is solved for P, the following equation (4) is obtained.

Pは0から1の値をとり、f(X;θ)=0の場合にP=0.5となる。ここで2値の変数(ラベル)y(y=1の時S1、y=0の時S2を表す) を導入し、N個の入力-出力データサンプル(X1,y1),…, (XN,yN)を考えると、尤度関数は次の式(5)のように表現される。 P takes a value from 0 to 1, and when f (X; θ) = 0, P = 0.5. Here, a binary variable (label) y (S 1 when y = 1 , S 2 when y = 0) is introduced, and N input-output data samples (X 1 , y 1 ),... , (X N , y N ), the likelihood function is expressed as the following equation (5).

ここで、N個の入力-出力データサンプル(X1,y1),…, (XN,yN)とは、たとえば、以下のようなものを想定する。エラーチャネル1個の場合を想定すると、「入力特徴量ベクトル」Xi=(xi1,…,xiD)とは、チャネル数が6の場合、たとえば、ある時間間隔(ti〜ti+Δt)における電極EL1〜EL6の信号に対して整流し、フィルタ処理をかけたものについて、測定チャネルからの信号についての相関行列の非対角な独立な成分である。そして、このような「入力特徴量ベクトル」を、N個のうち、特定チャネルjがエラーチャネルである場合をN/m個と、正常である場合をN(m−1)/m個とを準備し、これを学習用のサンプルとする。 Here, N input-output data samples (X 1 , y 1 ),..., (X N , y N ) are assumed as follows, for example. Assuming the case of one error channel, “input feature vector” Xi = (xi1,..., XiD) means that the number of channels is 6, for example, electrodes EL1 to EL6 at a certain time interval (ti to ti + Δt). Is a non-diagonal independent component of the correlation matrix for the signal from the measurement channel. Of these N input features, N / m when the specific channel j is an error channel and N (m−1) / m when the specific channel j is normal. Prepare and use this as a learning sample.

ロジスティック回帰ではこの尤度関数が最大となるパラメータベクトルθを計算する。以上の方法により、以下のような分類を行う:   In logistic regression, a parameter vector θ that maximizes the likelihood function is calculated. The following classification is performed by the above method:

このように分類することでセンサチャネルの状態を判別し、式(1) によりトルク推定を行う。   By classifying in this way, the state of the sensor channel is discriminated, and torque estimation is performed using equation (1).

すなわち、各チャネルエラーの態様ごとに、そのような態様が発生したかを判別する判別器が、事前に、機械学習により準備される。たとえば、1チャネルエラーまでを想定するのであれば、q個のチャネルがある場合、q個の判別器が準備されることになる。   That is, for each channel error mode, a discriminator for determining whether such a mode has occurred is prepared in advance by machine learning. For example, if one channel error is assumed, if there are q channels, q discriminators are prepared.

なお、1チャネルエラーまでを想定している場合は、同時に、2チャンネルからの異常が検出された場合は、2つのうち、より異常である尤度の高い方のチャネルに異常が発生しているものとして判別する構成としてもよい。   In addition, when assuming up to one channel error, if abnormality from two channels is detected at the same time, an abnormality has occurred in the channel with the higher likelihood of being abnormal among the two. It is good also as a structure discriminate | determined as a thing.

また、2チャネルエラーまでを想定するのであれば、エラーチャネルが1チャネルの場合と2チャネルの場合のそれぞれの場合の合計として{q+q(q−1)/2}個の判別器が事前に準備される。想定されるエラーチャネルの個数がこれより増加した場合も同様である。   Also, if up to 2 channel errors are assumed, {q + q (q-1) / 2} discriminators are prepared in advance as the sum of the cases where the error channel is 1 channel and 2 channels. Is done. The same applies when the number of assumed error channels is further increased.

また、上記の例では、特徴量は、整流したsEMGのローパスフィルタからの信号に基づいて抽出されるものとして説明したが、特徴量は、センサからの生データを用いる構成としてもよい。
(sEMG からの関節トルク推定)
この例では肘まわりのsEMGから肘の関節駆動トルクを推定する。
In the above example, the feature amount is described as being extracted based on a signal from the rectified sEMG low-pass filter. However, the feature amount may be configured to use raw data from a sensor.
(Joint torque estimation from sEMG)
In this example, the joint drive torque of the elbow is estimated from the sEMG around the elbow.

sEMG から駆動トルクを推定するためにヒトの腕の力学系をロボットモデルに近似し、取得した関節角度データから式(6)の逆動力学計算により関節の駆動トルクを計算する。このような関節の駆動トルクの計算は、逆動力学相互作用モデル算出部2112により実行される。   In order to estimate the driving torque from sEMG, the dynamic system of the human arm is approximated to a robot model, and the driving torque of the joint is calculated from the acquired joint angle data by inverse dynamics calculation of Equation (6). The calculation of the joint driving torque is executed by the inverse dynamics interaction model calculation unit 2112.

次に、関節トルク算出部2106が、sEMG信号から関節駆動トルクτemgを推定する処理について説明する。 Next, a process in which the joint torque calculation unit 2106 estimates the joint drive torque τ emg from the sEMG signal will be described.

本実施の形態では、sEMG信号に、2次のローパスフィルターをかけたものが筋張力をよく表しており、筋収縮速度-筋張力、筋長-筋張力の非線形性の影響が少ないゆっくりとした関節の可動範囲の狭い動作を実験タスクとしていることから、ローパスフィルターをかけたsEMG信号の値からトルクを次のように線形モデルで推定する。   In this embodiment, the sEMG signal applied with a second-order low-pass filter expresses the muscle tension well, and the effect of nonlinearity of muscle contraction speed-muscle tension and muscle length-muscle tension is slow. Since the operation with a narrow joint movable range is an experimental task, the torque is estimated by a linear model from the value of the sEMG signal subjected to the low-pass filter as follows.

ここで、以下の関係があり、Mはチャネル数である。   Here, there is the following relationship, and M is the number of channels.

また、測定されるsEMG信号から得られるフィルタリング後の各チャネルの信号umは、以下の式で表される。 Further, the filtered signal u m of each channel obtained from the measured sEMG signal is expressed by the following equation.

たとえば、sEMG信号は250MHzで計測し、整流化した後、カットオフ6.0Hzの2次型バターワースフィルターをかける。さらに0.04sec区間の移動積分値を計算する。   For example, the sEMG signal is measured at 250 MHz, rectified, and then subjected to a secondary Butterworth filter with a cutoff of 6.0 Hz. Further, a moving integral value in the 0.04 sec section is calculated.

なお、emgk は時刻kにおけるsEMG信号の値である。 Here, emg k is the value of the sEMG signal at time k.

式(7)のパラメータwを、式(6)によって求まるτと、式(7)におけるτall (ハット)またはτ-i(ハット)の二乗誤差を最小にするように求める。 The parameter w in Expression (7) is determined so as to minimize the square error between τ determined by Expression (6) and τ all (hat) or τ −i (hat) in Expression (7).

このようにして得られた推定値(この例では、τall (ハット)またはτ-i(ハット))が関節駆動トルクτemgとして、逆動力学相互作用モデル算出部2112に出力される。 The estimated value thus obtained (in this example, τ all (hat) or τ -i (hat)) is output to the inverse dynamics interaction model calculating unit 2112 as the joint drive torque τ emg .

なお、sEMG信号からトルクを推定するためには、上述したような線形モデルに限定されるわけではなく、たとえば、以下の文献に開示されるHillモデルの筋張力を使用してもよい。   In addition, in order to estimate a torque from a sEMG signal, it is not necessarily limited to the linear model as mentioned above, For example, you may use the muscle tension of the Hill model disclosed by the following literature.

公知文献1:A. Hill, “The heat of shortening and the dynamic constants of muscle,” Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences, vol. 126, no. 843, pp. 136-195, 1938.
公知文献2:S. Stroeve, “Learning combined feedback and feedforward control of a musculoskeletal system,” Biological Cybernetics, vol. 75, no. 1, pp. 73-83, 1996.
あるいは、sEMG信号と力の非線形性をネイピア数の指数関数で表したものを使用してもよい。
Known Document 1: A. Hill, “The heat of shortening and the dynamic constants of muscle,” Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences, vol. 126, no. 843, pp. 136-195, 1938 .
Known Document 2: S. Stroeve, “Learning combined feedback and feedforward control of a musculoskeletal system,” Biological Cybernetics, vol. 75, no. 1, pp. 73-83, 1996.
Alternatively, a non-linearity of the sEMG signal and force expressed by an exponential function of the Napier number may be used.

公知文献3:David G Lloyd and Thor F Besier. An emg-driven musculoskeletal model to estimate muscle forces and knee joint moments in vivo. Journal of Biomechenics, Vol. 36, pp. 765{776, 2003.
ただし、上述したような式(7)の線形モデルであれば、それぞれ筋張力に変換するためのパラメーターを各筋肉ごとに同定する必要がなく、解析が容易であるという利点がある。
[1軸アシスト装置についての実験]
(空電ハイブリッド式アクチュエータ用のトルク制御器)
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による力制御可能な1軸アシスト装置について説明する。エアマッスルPAMは非常に大きな力を発生するため、高強力・高弾性の化繊ワイヤであっても伸びがモデルの誤差の原因となる。「腱スプリングモデル」を仮定した力制御と小型のモーターが発生するトルクにより、緻密な関節トルク制御が可能である。
Known Document 3: David G Lloyd and Thor F Besier. An emg-driven musculoskeletal model to estimate muscle forces and knee joint moments in vivo. Journal of Biomechenics, Vol. 36, pp. 765 {776, 2003.
However, the linear model of the equation (7) as described above has an advantage that it is not necessary to identify a parameter for converting to muscle tension for each muscle, and analysis is easy.
[Experiments with a single-axis assist device]
(Torque controller for pneumatic hybrid actuator)
In the following, a single-axis assist device capable of force control by a torque controller for an aeroelectric hybrid actuator will be described. Since the air muscle PAM generates a very large force, even if it is a high-strength and high-elasticity synthetic fiber, elongation causes a model error. Dense joint torque control is possible by force control assuming a “tendon spring model” and torque generated by a small motor.

このような空電ハイブリッド式アクチュエータおよび空電ハイブリッド式アクチュエータ用のトルク制御器については、上述した非特許文献2に開示があるので、概略について説明する。   Such an air / electric hybrid actuator and a torque controller for the air / hybrid hybrid actuator are disclosed in Non-Patent Document 2 described above, and will be outlined.

以下に説明するように、このようなトルク制御器(腱スプリングモデル算出部2120の実行する機能)は、制御部134に対して、機械学習を実行させることにより、実行させる構成とすることが可能である。   As will be described below, such a torque controller (function executed by the tendon spring model calculation unit 2120) can be configured to be executed by causing the control unit 134 to execute machine learning. It is.

空圧式エアマッスルは軽量であるもの、圧縮空気(または圧縮気体)のエネルギーをゴムチューブにより収縮力に変換することにより大きな力を生み出すことができる。   The pneumatic air muscle is lightweight, and can generate a large force by converting the energy of compressed air (or compressed gas) into a contracting force by a rubber tube.

エアマッスルが、力を発生させる原理は、空圧式の空気袋が埋め込まれたらせん状のファイバーが、圧縮空気が送り込まれて空気袋が膨張すると、長手方向(縦方向)に収縮するというものである。   The principle that an air muscle generates force is that a spiral fiber embedded with a pneumatic air bag shrinks in the longitudinal direction (longitudinal direction) when compressed air is fed and the air bag expands. is there.

より詳しく説明すると、両端部に栓をしたゴムチューブに対して、動径方向を拘束するよう、表面にらせん状にまかれたファイバーを被せた構造になっている。このゴムチューブの中に空気を送り込むと、空気の圧力でゴムチューブが膨張する。しかし、動径方向はファイバーによって拘束されているため膨張できず、径方向の膨張に引っ張られて縦方向に収縮する。膨らみながら収縮する様が動物の筋肉に似ているところが人工筋肉と呼ばれる。   More specifically, the rubber tube with plugs at both ends is covered with a spirally wound fiber on the surface so as to restrain the radial direction. When air is fed into the rubber tube, the rubber tube expands due to the pressure of the air. However, since the radial direction is constrained by the fiber, it cannot expand, and is pulled by the radial expansion and contracts in the vertical direction. The place that resembles an animal's muscles that swell and contract is called an artificial muscle.

アクチュエータ自体が軽く、柔らかい。さらに、ゴムチューブの内面全体がアクチュエータの収縮に寄与するため、断面積のみで圧力を受ける構造になっている一般的なエアシリンダー等よりも、パワー・ウェイト・レシオを大きく取りやすい。反面、上述したように、一般に空気圧による機器制御は空気の収縮・膨張などによる、制御遅れが大きく、素早い動作は苦手である。   The actuator itself is light and soft. Furthermore, since the entire inner surface of the rubber tube contributes to the contraction of the actuator, it is easier to obtain a larger power / weight ratio than a general air cylinder or the like having a structure that receives pressure only by a cross-sectional area. On the other hand, as described above, in general, device control by air pressure has a large control delay due to air contraction / expansion and is not good at quick operation.

なお、「空気袋」は、流体により膨張ないし収縮運動をするものであれば、袋中に流入するものは、空気に限られないので、より一般には、「流体袋」と表現する。   As long as the “air bag” is inflated or contracted by a fluid, what flows into the bag is not limited to air, and is more generally expressed as a “fluid bag”.

図7は、外骨格型ロボットの構成において、1自由度分の動作を行う空電ハイブリッドアクチュエータの部分を抜き出した外観を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing an external appearance of a part of an aerodynamic hybrid actuator that performs an operation for one degree of freedom in the configuration of an exoskeleton type robot.

図7において、空圧式エアマッスルのうち上側のエアマッスル302は、屈筋(PAM1)に相当し、下側のエアマッスル304ものは伸筋(PAM2)に相当する。   In FIG. 7, the upper air muscle 302 of the pneumatic air muscle corresponds to the flexor (PAM1), and the lower air muscle 304 corresponds to the extensor (PAM2).

伸筋PAM2は、屈筋PAM1とは相反し反対向きの力を生成する。   The extensor PAM2 generates a force opposite to the flexor PAM1.

プーリー付回転関節310には、電動モータからの駆動力も印加され、空圧式エアマッスルからの駆動力と電動モータからの駆動力とが合成される。   Driving force from the electric motor is also applied to the rotary joint 310 with pulley, and the driving force from the pneumatic air muscle and the driving force from the electric motor are combined.

エアマッスル302からの駆動力は、ワイヤ306によりプーリー付回転関節310に伝達され、エアマッスル304からの駆動力は、ワイヤ308によりプーリー付回転関節310に伝達される。このような構成により、駆動力の伝達機構自体を軽量化することが可能となる。   The driving force from the air muscle 302 is transmitted to the rotary joint 310 with pulley by the wire 306, and the driving force from the air muscle 304 is transmitted to the rotary joint 310 with pulley through the wire 308. With such a configuration, it is possible to reduce the weight of the driving force transmission mechanism itself.

プーリー付回転関節310へ加えられた駆動トルクにより、脚(または腕)350が駆動される。   The leg (or arm) 350 is driven by the driving torque applied to the rotary joint 310 with pulley.

図8は、図7に示した1自由度分の動作を行う空電ハイブリッドアクチュエータのシステムを制御する構成を説明するための機能ブロック図である。   FIG. 8 is a functional block diagram for explaining a configuration for controlling the system of the aerodynamic hybrid actuator that performs the operation for one degree of freedom shown in FIG.

図8においては、内部制御装置10は、マルチファンクションボード(Multi Function board)として構成される。   In FIG. 8, the internal control device 10 is configured as a multi function board.

外部制御装置20に接続されたマルチファンクションボード10は、外部制御装置20からのコマンドに応じて、アクチュエータを制御する。具体的には、マルチファンクションボード10は、空圧式エアマッスル302および304の収縮を制御するためのバルブ301とバルブ302、ならびに、電動モータ312を制御するためのモータドライバ311を制御する。さらに、マルチファンクションボード10は、関節角度θを検知する角度エンコーダ324およびエアマッスルからの駆動力を検知するロードセル、能動関節に加わるトルクを検知するトルクセンサからの計測データを読み取ることで、これらに基づき、以下に説明するような制御を実行する。   The multifunction board 10 connected to the external control device 20 controls the actuator in accordance with a command from the external control device 20. Specifically, the multifunction board 10 controls the valve 301 and the valve 302 for controlling the contraction of the pneumatic air muscles 302 and 304, and the motor driver 311 for controlling the electric motor 312. Furthermore, the multifunction board 10 reads the measurement data from the angle encoder 324 that detects the joint angle θ, the load cell that detects the driving force from the air muscle, and the torque sensor that detects the torque applied to the active joint. Based on this, control as described below is executed.

角度エンコーダ324は、たとえば、直交エンコーダを使用することが可能である。   As the angle encoder 324, for example, a quadrature encoder can be used.

エアマッスル302および304ならびに電動モータ312からの駆動力は、プーリー付回転関節310において合成され、脚350にトルクτを与える。   The driving forces from the air muscles 302 and 304 and the electric motor 312 are combined at the rotary joint 310 with a pulley and give a torque τ to the leg 350.

図9は、各アクチュエータが、関節を動かす態様を説明するための概念図である。   FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining a mode in which each actuator moves a joint.

以下では、まず、図9(a)に示されるように、腱ワイヤの伸長を無視できる場合を考える。   In the following, first, let us consider a case where the extension of the tendon wire can be ignored as shown in FIG.

空圧式エアマッスルフォースからの駆動力fPAMi(i=1,2,…)は、ワイヤとプーリにより、腕(または脚)にトルクとして転送され/変換される。このプーリーを介して、電動モータの駆動力も伝達される。空圧式エアマッスルフォースからの駆動力fPAMiは、空圧式エアーマッスルと駆動力をプーリーに伝達するワイヤーとの接合部に設けられたロードセルにより検知される。   The driving force fPAMi (i = 1, 2,...) From the pneumatic air muscle force is transferred / converted as torque to the arm (or leg) by the wire and the pulley. The driving force of the electric motor is also transmitted through this pulley. The driving force fPAMi from the pneumatic air muscle force is detected by a load cell provided at the junction between the pneumatic air muscle and the wire that transmits the driving force to the pulley.

以下のモデルの説明は、拮抗筋と電動モータの組合せの場合に限らず、たとえば、伸筋と電動モータの組合せにも広く適用することが可能である。ただし、以下では、説明の簡単のために、単純な2つの拮抗筋のモデルを考える。   The description of the following model is not limited to the combination of the antagonistic muscle and the electric motor, but can be widely applied to the combination of the extensor and the electric motor, for example. However, in the following, for simplicity of explanation, a simple two antagonistic muscle model is considered.

トルクτPAMは、駆動力fPAMiにより、以下の式ように表される。 The torque τ PAM is expressed by the following formula using the driving force f PAMi .

τPAMは、空圧式エアマッスルの駆動力によるトルクであり、一方、r0はプーリー半径で、この単純なモデルでは、r0は定数とする。 τ PAM is the torque due to the driving force of the pneumatic air muscle, while r 0 is the pulley radius, and in this simple model, r 0 is a constant.

モーターの駆動力によるトルクは、空圧式エアマッスルの駆動力と並行して伝達される。例えば、小さなトルクが機械的なベルトによりプーリー経由で伝達される。   Torque due to the driving force of the motor is transmitted in parallel with the driving force of the pneumatic air muscle. For example, a small torque is transmitted via a pulley by a mechanical belt.

空圧式エアマッスルは、直流的または低周波のトルクの生成において優れている。また、電動モータによる駆動力は、迅速で周波数の高いトルクとして、空圧式エアマッスルの駆動力によるトルクτPAMの誤差をカバーするので、電動式のトルクτmotorの値は、空圧式エアマッスルによるトルクよりも小さな値でよい。 The pneumatic air muscle is excellent in generating direct current or low frequency torque. In addition, since the driving force by the electric motor is a quick and high frequency torque and covers the error of the torque τ PAM due to the driving force of the pneumatic air muscle, the value of the electric torque τmotor is the torque by the pneumatic air muscle. A smaller value is acceptable.

トータルのトルクは、以下の式で表される。   The total torque is expressed by the following formula.

τ=τPAM+τmotor
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。
τ = τ PAM + τmotor
Therefore, although not particularly limited, for example, the internal control device 10 causes the electric motor 312 to additionally operate with respect to torque that is at a higher frequency than the first threshold (assuming that “more” includes “more”). Is preferred. The additional operation is to operate the electric motor 312 in addition to the air muscles 302 and 304. Here, the first threshold is, for example, 3 Hz.

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。   From the pneumatic air muscle, the wire transmits the driving force to the pulley and drives the joint in one designated direction.

ワイヤとしては、金属線、チェーンあるいは機械的なベルトなどの方式と比較して、軽量で強く、柔軟であるので、液晶ポリマー繊維を採用することができる。液晶ポリマー繊維としては、たとえば、クラレ社製ベクトラン(登録商標)を用いることができ、これは、高分子繊維であるにも関わらず、高強力高弾性率を有する素材として知られている。   As the wire, a liquid crystal polymer fiber can be adopted because it is lighter, stronger and more flexible than a metal wire, chain, or mechanical belt. As the liquid crystal polymer fiber, for example, Vectran (registered trademark) manufactured by Kuraray Co., Ltd. can be used, which is known as a material having high strength and high elastic modulus even though it is a polymer fiber.

(空圧式エアマッスルの力学モデル)
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は、人間の筋肉と多くの共通点を持っている。
(Mechanical model of pneumatic air muscle)
Pneumatic actuators, including pneumatic air muscles, wires and pulleys, have much in common with human muscles.

外骨格型ロボットが人間の重さを支持する際に、ワイヤは、その特性において、人間の腱に類似している。   When an exoskeleton robot supports the weight of a human, the wire resembles a human tendon in its characteristics.

そこで、以下に説明するように、平衡の仮定を置いて、空圧式エアマッスルのためのトルク制御器を導出する。   Therefore, as described below, a torque controller for a pneumatic air muscle is derived with the assumption of equilibrium.

空圧式エアマッスルの圧力の制御には、たとえば、比例的に圧力を調整するバルブを使用し、圧力pはクローズドフィードバックループにより制御され、十分に安定であるものとする。   For controlling the pressure of the pneumatic air muscle, for example, a valve that adjusts the pressure proportionally is used, and the pressure p is controlled by a closed feedback loop and is sufficiently stable.

過渡状態においては、バルブ圧力と空圧式エアマッスルの圧力との間には、空気力学的な運動が存在するものの、一定の時定数の後には、ロボットと人間の重量のような外部の運動上の制約条件に駆動力が釣り合うまで、空圧式エアマッスルは収縮する。   In the transient state, there is an aerodynamic movement between the valve pressure and the pressure of the pneumatic air muscle, but after a certain time constant, there is an external movement such as the weight of the robot and human. The pneumatic air muscle contracts until the driving force is balanced with the above constraints.

したがって、空気回路の動力学の影響は小さく、準静的な動作では無視することができる。   Therefore, the influence of air circuit dynamics is small and can be ignored in quasi-static operation.

この均衡点で、駆動力の生成は、内圧および収縮割合に依存し、空圧式エアマッスルの駆動力モデルは、以下のように与えられる:   At this equilibrium point, the driving force generation depends on the internal pressure and contraction rate, and the driving model of the pneumatic air muscle is given as follows:

ここで、εは、収縮割合であり、Dとψとは、常圧における空圧式エアマッスルの径と、空圧式エアマッスルにおいて、空圧式の空気袋が埋め込まれたらせん状のファイバーの収縮方向に直交する方向に対する巻方向の傾きの角度である。 Here, ε is a contraction ratio, and D 0 and ψ 0 are the diameter of the pneumatic air muscle at normal pressure, and the spiral fiber in which a pneumatic air bag is embedded in the pneumatic air muscle. It is the angle of inclination of the winding direction with respect to the direction orthogonal to the shrinking direction.

このような「空圧式エアマッスルの駆動力モデル」は、たとえば、以下の文献に開示されている。   Such a “pneumatic air muscle driving force model” is disclosed in the following document, for example.

公知文献4:K. Inoue. Rubbertuators and applications for robots. In Proceedings of the 4th international symposium on Robotics Research, pp. 57-63. MIT Press, 1988.
公知文献5: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。
Known Document 4: K. Inoue. Rubbertuators and applications for robots. In Proceedings of the 4th international symposium on Robotics Research, pp. 57-63. MIT Press, 1988.
Known Document 5: DG Caldwell, A. Razak, and MJ Goodwin. Braided pneumatic muscle actuators. In Proceedings of the IFAC Conference on Intelligent Autonomous Vehicles, pp. 507-512, 1993.
Unlike air cylinders, torque changes nonlinearly as joint angles change.
Under the assumption that the motion constraints are always unchanged, the pressure of the pneumatic air muscle will always give the contraction rate ε (p) at the same equilibrium point. That is, the shrinkage ratio ε (p) is a function of the pressure p.

このとき、このような「空圧式エアマッスルの駆動力モデル」の逆モデルは、機械学習により学習することができる。すなわち、所望の駆動力fを得るための圧力pを求めることに相当する。内部制御装置10は、このような圧力pをエアマッスルに与えるように、バルブを制御することで、所望の駆動力を出力させることになる。   At this time, an inverse model of the “pneumatic air muscle driving force model” can be learned by machine learning. That is, it corresponds to obtaining the pressure p for obtaining a desired driving force f. The internal control device 10 outputs a desired driving force by controlling the valve so as to apply such a pressure p to the air muscle.

例えば、ハートマン等は、動力学的な学習について、以下の文献で提案している。   For example, Hartman et al. Have proposed dynamic learning in the following literature.

公知文献6:Christoph Hartmann, Joschka Boedecker, Oliver Obst, Shuhei Ikemoto, and Minoru Asada. Real-time inverse dynamics learning for musculoskeletal robots based on echo state gaussian process regression. In Accepted at RSS 2012, 2012.
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。
Known Document 6: Christoph Hartmann, Joschka Boedecker, Oliver Obst, Shuhei Ikemoto, and Minoru Asada. Real-time inverse dynamics learning for musculoskeletal robots based on echo state gaussian process regression. In Accepted at RSS 2012, 2012.
However, in general, since the constraints on motion are dynamically changed and balanced with different external forces F, this assumption does not hold strictly in an exoskeleton robot as described above.

したがって、この場合の均衡点での収縮割合εは、圧力と外力の関数として、ε(p,F)と表現される。   Therefore, the contraction ratio ε at the equilibrium point in this case is expressed as ε (p, F) as a function of pressure and external force.

(腱スプリング均衡モデル)
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。
(Tendon spring equilibrium model)
Since the wire made of the liquid crystal polymer fiber as described above has a high strength and a high elastic modulus, the approximation that the length does not change with respect to the tension usually holds well. Examples of the high-strength / high-modulus fiber include ultra high molecular weight polyethylene fiber and PBO fiber in addition to polyarylate fiber such as Vectran (registered trademark).

しかし、人間(たとえば、体重は60kgある)を保持するためには、空圧式エアマッスルは、張力として、典型的には、3000Nを生成する(最大値としては、たとえば、5000Nが必要になる)。   However, to hold a human (eg, weigh 60 kg), a pneumatic air muscle typically produces 3000 N as a tension (for example, a maximum of 5000 N is required). .

このような大きな力が加わると、たとえ、液晶ポリマー繊維製のワイヤ(腱ワイヤ)であっても、その伸長量が無視できず、均衡点を変化させてしまう。   When such a large force is applied, even if it is a wire (tendon wire) made of a liquid crystal polymer fiber, the extension amount cannot be ignored and the equilibrium point is changed.

以下では、図9(b)に示すように、腱ワイヤの伸長の影響を考慮したモデルを検討する。   Below, as shown in FIG.9 (b), the model which considered the influence of the expansion | extension of a tendon wire is examined.

そこで、液晶ポリマー繊維製の腱の力学モデルとして、以下に説明するような、線形の腱スプリング・モデルを導入する。   Therefore, a linear tendon spring model as described below is introduced as a mechanical model of a tendon made of liquid crystal polymer fiber.

f=kΔε (S2)
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。
f = kΔε (S2)
That is, in this model, the tendon wire (wire made of liquid crystal polymer fiber such as polyarylate fiber) is approximated to a spring, Δε is the extra air muscle contraction caused by the force, and k is the spring constant. is there. In other words, the pneumatic air muscle needs to be contracted excessively as much as the tendon extends by force. Such a tendon wire approximated to a spring will be referred to as a “tendon spring”.

このような腱に相当するワイヤを、腱スプリングとして近似しない場合、空圧式エアマッスルの駆動力モデルg(…)は3つのパラメーター(そのうちの2つは依存関係にある)を備えた以下の二次式(S3)で表される:   If the wire corresponding to such a tendon is not approximated as a tendon spring, the pneumatic air muscle driving force model g (...) Has three parameters (two of which are dependent on each other). Represented by the following formula (S3):

ここで、
2次式の係数には、以下の関係が成り立つ。
here,
The following relationship holds for the coefficients of the quadratic expression.

均衡点で、駆動力fは、腱の伸長によって、以下のように減少する。 At the equilibrium point, the driving force f * decreases as follows due to the extension of the tendon.

ここで、g´(…)が腱スプリングの仮定の下での駆動力モデルであり、εは、見かけの収縮割合であり、εは、空圧式エアマッスルの実際の収縮割合であり、Δεは、空圧式エアマッスルの実際の収縮割合への付加項である。 Here, g ′ (...) Is a driving force model under the assumption of a tendon spring, ε * is an apparent contraction rate, ε is an actual contraction rate of a pneumatic air muscle, and Δε Is an additional term to the actual contraction rate of the pneumatic air muscle.

式(S2)から、Δε=f/k となる。 From the equation (S2), Δε = f * / k.

実際の収縮割合εは、上述したような外骨格型ロボットの検出機構124では、直接測定するのが困難である。したがって、その代りに、推定収縮割合εest(=ε−Δε)を使用する。収縮割合εは、以下の式のように、関節角から計算される。 It is difficult to directly measure the actual contraction ratio ε with the detection mechanism 124 of the exoskeleton robot as described above. Therefore, the estimated shrinkage ratio εest (= ε * −Δε) is used instead. The contraction ratio ε * is calculated from the joint angle as in the following equation.

ここで、Lは、関節角θ=0のときの空圧式エアマッスルの初期長さである。つまり、「見かけの収縮割合」とは、アクチュエータにより駆動される関節の角度変化から導かれる収縮割合であって、角度センサから検知できる量に基づく収縮割合であるのに対して、「実際の収縮割合」とは、駆動力fを生成するために、エアマッスルが現実に収縮している割合のことである。 Here, L 0 is the initial length of the pneumatic air muscle when the joint angle θ = 0. In other words, the “apparent contraction ratio” is a contraction ratio derived from a change in the angle of the joint driven by the actuator, and is based on an amount that can be detected by the angle sensor, whereas “actual contraction ratio”. The “ratio” is the rate at which the air muscle is actually contracted to generate the driving force f * .

収縮割合εにおいて、駆動力fが必要とされる場合、逆モデルg−1()から、必要な圧力pが、以下のようにして導出される。 When the driving force f * is required at the contraction ratio ε * , the necessary pressure p * is derived from the inverse model g −1 () as follows.

最小二乗アルゴリズムを使用して、既知の空圧式エアマッスルのデータから、空圧式エアマッスルパラメーターa、bおよびcを評価できる。   Pneumatic air muscle parameters a, b and c can be estimated from known pneumatic air muscle data using a least squares algorithm.

さらに、たとえば、キャリブレーション実験で、1自由度システムによって均衡点駆動力を測定する際に、バネ定数kについては、手動で調整することで最適値を実験的に求めることができる。   Furthermore, for example, when the equilibrium point driving force is measured by a one-degree-of-freedom system in a calibration experiment, an optimum value can be experimentally obtained by manually adjusting the spring constant k.

運動をアシストする主要なトルク(所定の周波数以下の成分のトルク、たとえば、直流成分のトルク)は、空圧式エアマッスルによって供給され、実際のトルクτPAMsは、ロードセルにより測定することができる。上述したように、高周波トルク(所定の周波数を超える成分のトルク:交流成分のトルク)は電動モータによって生成される。 The main torque that assists the motion (torque of a component below a predetermined frequency, for example, DC component torque) is supplied by a pneumatic air muscle, and the actual torque τ PAMs can be measured by a load cell. As described above, high-frequency torque (component torque exceeding a predetermined frequency: torque of AC component) is generated by the electric motor.

したがって、モータのトルクは以下の式(S7)のように表現される。   Therefore, the torque of the motor is expressed as the following formula (S7).

以上のようにして、腱スプリングモデルを腱ワイヤに適用することにより、関節角と腱ワイヤに印加される駆動力を検知する構成において、空圧式エアマッスルの駆動力を正しく反映した逆モデルを、たとえば、機械学習により、構築することが可能となる。その結果、空電アクチュエータを制御する際に、その周波数応答性を向上させることが可能となる。
(1軸アシストシステムによる実験:ロバストな関節トルク推定実験)
(実験設定)
図10は、本実施の形態の関節駆動トルクの推定処理の有用性を検証する実験の構成を説明するための概念図である。
As described above, by applying the tendon spring model to the tendon wire, in the configuration for detecting the joint angle and the driving force applied to the tendon wire, the inverse model that correctly reflects the driving force of the pneumatic air muscle is For example, it can be constructed by machine learning. As a result, it is possible to improve the frequency response when controlling the aeroelectric actuator.
(Experiment with 1-axis assist system: Robust joint torque estimation experiment)
(Experimental settings)
FIG. 10 is a conceptual diagram for explaining the configuration of an experiment for verifying the usefulness of the joint drive torque estimation process according to the present embodiment.

この実験では、1自由度のロボットアームを使用し、図10のようにヒトの上肢に固定し上下させる運動をタスクとした。ヒトの関節角度データをロボットアームのエンコーダーから取得し、sEMG信号は上腕二頭筋から2箇所、上腕三頭筋から2箇所の計4箇所から計測し、上述した手法により関節駆動トルクを推定する。   In this experiment, a robot arm with one degree of freedom was used, and the task of moving up and down fixed on a human upper limb as shown in FIG. Human joint angle data is obtained from the encoder of the robot arm, and sEMG signals are measured from a total of four locations, two from the biceps brachialis and two from the triceps surae, and the joint drive torque is estimated by the method described above. .

その際、トルク推定に主要となる上腕二頭筋の1つのチャネルにエラーが起こった場合を考える。本実験ではエラーチャネルとして、sEMG信号のセンサコードのアンプなどへの接触不良や切れかかっている状態などを想定し、そのような信号が入るように実験中センサコードとアンプ接続のオン/オフを断続的に切り替えた。   In this case, consider a case where an error occurs in one channel of the biceps, which is the main for torque estimation. In this experiment, it is assumed that the sEMG signal sensor code is poorly connected to the amplifier or the like as an error channel, and the connection between the sensor code and the amplifier is turned on / off during the experiment so that such a signal enters. Switched intermittently.

図11は、このような実験において、sEMG信号の時間変化とロジスティック回帰によるセンサチャネルの状態判別結果を示す図である。   FIG. 11 is a diagram illustrating the sensor channel state determination result based on the temporal change of the sEMG signal and logistic regression in such an experiment.

図11(a)は動作時のsEMG の様子を表したものである。途中電圧の大きさが極端に小さくなっている区間がエラーの入った状況である。   FIG. 11A shows the state of sEMG during operation. A section in which the magnitude of the voltage is extremely small is an error.

図11(b) は、そのsEMG信号に対して、正常なチャネルと判別された場合はラベルを1に、エラーチャネルであると判別された場合は0となるように分類した結果である。判別正答率は91%であった。   FIG. 11B shows the result of categorizing the sEMG signal so that the label is 1 when it is determined as a normal channel and 0 when it is determined as an error channel. The correct answer rate was 91%.

(関節トルクの推定結果)
図12は、トルク推定処理の途中で、エラーチャネルが発生した状況を示す図である。
(Result of joint torque estimation)
FIG. 12 is a diagram illustrating a situation in which an error channel has occurred during the torque estimation process.

図12は、sEMG信号からトルクを推定する際、推定に対して主要となるチャネルにエラーが起こった場合に対応するロバストな関節トルク推定を行った結果を示す。   FIG. 12 shows a result of robust joint torque estimation corresponding to a case where an error occurs in a channel that is the main for estimation when torque is estimated from the sEMG signal.

図12(a) では、従来方法で主要となるチャネルにエラーが起こった場合のトルク推定結果を示し、図12(b)では同じ状況に対し、ロバストなトルク推定結果を示す。図12では、逆動力学から計算したトルクと、sEMG信号より推定したトルクの双方が示されている。   FIG. 12 (a) shows a torque estimation result when an error occurs in a main channel in the conventional method, and FIG. 12 (b) shows a robust torque estimation result for the same situation. FIG. 12 shows both the torque calculated from the inverse dynamics and the torque estimated from the sEMG signal.

この図12より、エラーチャネルが検出された際、従来方法では対処できず推定関節トルクの誤差が大きくなり適切に推定がおこなえていない。   From FIG. 12, when an error channel is detected, the conventional method cannot cope with it, and the error of the estimated joint torque becomes large, so that the estimation is not properly performed.

これに対して、本実施の形態の推定手法では、エラーチャネルが検出されるとすぐに推定モデルが切り替えられているため、誤差が少なく、適切な推定がおこなえていることが分かる。   On the other hand, in the estimation method of the present embodiment, the estimation model is switched as soon as an error channel is detected, so that it can be seen that there is little error and appropriate estimation is performed.

図12(a) では全体の平均二乗誤差が17.9であるのに対し、図12(b)では8.2であった。   In FIG. 12A, the overall mean square error is 17.9, whereas in FIG. 12B, it is 8.2.

以上説明したとおり、本実施の形態では、生体信号を検出するセンサチャネルを複数用いて、sEMG信号から関節駆動トルクを推定するモデルを複数組み合わせることで、一部のセンサからのチャネルに故障等のエラーが発生しても頑健にトルク推定が可能である。
[実施の形態2]
実施の形態1では、エラーチャネルの検出のために、各チャネルエラーの態様ごとに、そのような態様が発生したかを判別する判別器が、事前に、機械学習により準備される構成であった。
As described above, in this embodiment, by using a plurality of sensor channels for detecting biological signals and combining a plurality of models for estimating joint drive torque from the sEMG signal, a channel such as a failure may be generated in a channel from some sensors. Even if an error occurs, the torque can be estimated robustly.
[Embodiment 2]
In the first embodiment, in order to detect an error channel, a discriminator that determines whether such an aspect has occurred is prepared in advance for each channel error aspect by machine learning. .

実施の形態2では、エラーチャネルの検出のために、以下に説明するようなグラフィカル・ガウシャン・モデルを用いる。エラーチャネル検出の構成以外は、実施の形態1と同様である。
(エラーチャネルの検知)
以下では、実施の形態2の方法に基づいたsEMGチャネルの異常検知を行なう処理について説明する。
In the second embodiment, a graphical Gaussian model as described below is used for error channel detection. Except for the configuration of error channel detection, it is the same as in the first embodiment.
(Error channel detection)
Below, the process which performs the abnormality detection of the sEMG channel based on the method of Embodiment 2 is demonstrated.

実施の形態2の方法は、グラフィカル・ガウシャン・モデルにより、各チャネルの異常スコアを計算するものである。   The method according to the second embodiment calculates an abnormal score for each channel using a graphical Gaussian model.

このような手法については、たとえば、以下の文献に開示がある。   Such techniques are disclosed in the following documents, for example.

公知文献7:T. Ide, A. C. Lozano, N. Abe, and Y. Liu, “Proximity-based anomaly detection using sparse structure learning,” SIAM International Conference on Data Mining, pp. 97-108, 2009.
すなわち、センサーからの以下のような2組のデータセットDA(NA個の組)およびDB(NB個の組)が与えられたとき、まず、与えられた分散行列に基づいたスパース構造を学習する。
Known Document 7: T. Ide, AC Lozano, N. Abe, and Y. Liu, “Proximity-based anomaly detection using sparse structure learning,” SIAM International Conference on Data Mining, pp. 97-108, 2009.
That is, given two data sets D A (N A sets) and D B (N B sets) as follows from a sensor, first, sparse based on a given variance matrix Learn the structure.

ここで、RMは、M次元の実数ベクトルであることを示す。 Here, RM indicates an M-dimensional real vector.

次に、2つのスパースなグラフが比較され、各変数について異常スコアが算出される。   The two sparse graphs are then compared and an abnormal score is calculated for each variable.

以下、詳しく説明する。   This will be described in detail below.

1)グラフィカル・ガウシャン・モデル(GGM:Graphical Gaussian Model)
GGMは、多変量データのふたつを比べて、その相違に対する個々の変数の寄与度を計算することに相当する。
1) Graphical Gaussian model (GGM)
GGM is equivalent to comparing two multivariate data and calculating the contribution of each variable to the difference.

M次元の確率変数x(∈RM)に対して、GGMは、以下の式(T2)のようなM次元のガウス分布を仮定する。 For an M-dimensional random variable x (∈R M ), GGM assumes an M-dimensional Gaussian distribution as shown in the following equation (T2).

ここで、detは、行列式を表し、また、Λ(∈RM×M)は精度行列を表す。また、N(…|μ,Σ)によって平均ベクトルμおよび分散行列Σのガウス分布(正規分布)を表す。 Here, det represents a determinant, and Λ (∈RM × M ) represents an accuracy matrix. Further, a Gaussian distribution (normal distribution) of the mean vector μ and the dispersion matrix Σ is represented by N (... | Μ, Σ).

GGMでは、ガウス分布がグラフ(V,E)に関連づけられており、Vは、M変数をすべて含んでいるノードの組であり、また、Eは1組の辺である。   In GGM, a Gaussian distribution is associated with a graph (V, E), where V is a set of nodes that contain all M variables, and E is a set of edges.

グラフにおいて、他のすべての変数を与えたときに、それらが条件付きで独立している場合、およびその場合のみ、変数xiと変数xjとの間の辺が存在しないことになる。 In the graph, given all other variables, if and only if they are conditionally independent, there will be no edge between variable x i and variable x j .

ガウス分布の仮定の下では、以下の式で表わされる。   Under the assumption of Gaussian distribution, it is expressed by the following equation.

ここで、変数xiと変数xjとの間の記号は、統計的独立を表わす。 Here, the symbol between the variable x i and the variable x j represents statistical independence.

さらに、形式的には、「近傍」の定義は以下のように与えられる。   Further, formally, the definition of “neighborhood” is given as follows.

すなわち、「Λij≠0が成り立つ場合、そして、その場合のみ、変数ノードxiは変数ノードxjの近傍である。」
変数ノードxiの近傍グラフとは、ノードxiとその近傍ノードとの間が、辺で接続されており、ノードxiとその近傍ノードを含んでいるグラフである。
That is, “when Λij ≠ 0 holds, and only in that case, the variable node xi is in the vicinity of the variable node xj.”
The neighborhood graph of the variable node x i is a graph in which the node x i and its neighboring nodes are connected by an edge and includes the node x i and its neighboring nodes.

さらに、「近傍ノードの選択」とは、各ノードの近傍ノードをすべて列挙するということである。   Furthermore, “selecting neighboring nodes” means listing all neighboring nodes of each node.

2)スパース構造学習
次に、データからスパース構造を学習する方法について説明する。
2) Sparse Structure Learning Next, a method for learning a sparse structure from data will be described.

「構造学習」とは、変数(電極素子(センサー)に対応)同士の本質的な依存関係をデータから見出すことを意味する。すなわち、「変数ノードを頂点とする(重み付き)グラフを求めること」に相当する。依存関係がある変数同士の間には、辺が張られるが、そうでない場合には、辺は張られない。したがって、「スパースな構造学習」という場合は、本質的な依存関係にのみ辺があるようなグラフを求めることを目標とすることになる。   “Structural learning” means finding an essential dependency between variables (corresponding to electrode elements (sensors)) from data. That is, it corresponds to “obtaining a graph with a variable node as a vertex (weighted)”. Edges are stretched between variables that have dependencies, otherwise edges are not stretched. Therefore, in the case of “sparse structure learning”, the goal is to obtain a graph having edges only in essential dependency relationships.

この処理は、データAおよびBの両方に共通であるので、当面、添え字のAまたはBを省略し、どちらのデータも、以下の式のようにDで表すこととすると、標本共分散行列Sは式(T4)により与えられる。   Since this process is common to both data A and B, the subscript A or B is omitted for the time being, and if both data are represented by D as in the following equation, the sample covariance matrix S is given by equation (T4).

3)正規化された最大尤推定法:
GGMでは、見方を変えれば、構造学習とは、多変数のガウス分布の精度行列Λを見つけることである。ここで、精度行列Λは、標本共分散行列Sの逆行列に相当する。
3) Normalized maximum likelihood estimation:
In GGM, from a different point of view, structural learning means finding a multivariable Gaussian distribution accuracy matrix Λ. Here, the accuracy matrix Λ corresponds to an inverse matrix of the sample covariance matrix S.

しかしながら、一般に標本共分散行列は多くの場合、ランク不足であって、逆行列が存在しない。   However, in general, the sample covariance matrix is often insufficient in rank and there is no inverse matrix.

したがって、以下の式(T5)で表されるL1正規化項つきの最尤方程式を解く必要がある。   Therefore, it is necessary to solve the maximum likelihood equation with the L1 normalization term expressed by the following equation (T5).

正規化項(ペナルティー項)のおかげで、精度行列Λの中の要素の多くは、厳密に0になる。正規化項の重みρは、入力パラメータであり、「相関係数のどの値までを有意な相関とみなすか」の指標と解釈できる。 Thanks to the normalization term (penalty term), many of the elements in the precision matrix Λ * are exactly zero. The weight ρ of the normalization term is an input parameter and can be interpreted as an index of “up to which value of the correlation coefficient is regarded as a significant correlation”.

4)グラフのLASSOアルゴリズム:
グラフについてのLASSO(least absolute shrinkage and selection operator)アルゴリズムは、行列内をブロック化した勾配法を利用することにより、解くべき問題を、一連のL1正則化項付きの2次計画問題に還元する。
4) The graph's LASSO algorithm:
The LASSO (least absolute shrinkage and selection operator) algorithm for a graph reduces the problem to be solved into a quadratic programming problem with a series of L1 regularization terms by using a gradient method in which the matrix is blocked.

このようなアルゴリズムについては、たとえば、以下の公知文献8に開示されている。   Such an algorithm is disclosed in the following known document 8, for example.

公知文献8:O. Banerjee, L. E. Ghaoui, and G. Natsoulis, “Convex optimization techniques for fitting sparse gaussian graphical models,” In proc. Intl. Conf. Machine Learning, pp. 89-96, 2006.
行列内をブロック化した勾配法を利用するために、以下の式のように、特定の1つの変数xiに注目し、精度行列Λとその逆行列を分割する。
Known Document 8: O. Banerjee, LE Ghaoui, and G. Natsoulis, “Convex optimization techniques for fitting sparse gaussian graphical models,” In proc. Intl. Conf. Machine Learning, pp. 89-96, 2006.
In order to use the gradient method in which the inside of the matrix is blocked, attention is paid to one specific variable x i as shown in the following equation, and the accuracy matrix Λ and its inverse matrix are divided.

ここで、行列の行および列は、変数xiに関連する要素が最後の行および最後の列に位置するように、配列されるものと仮定する。 Here, it is assumed that the rows and columns of the matrix are arranged so that the elements associated with the variable x i are located in the last row and last column.

したがって、「一連のL1正則化項付きの2次計画問題に還元する」とは、精度行列Λにおいて、部分行列Lを定数として、lの部分について最適問題を導き、精度行列を1列(1行)ずつ最適化することに相当する。これにより、スパースな精度行列を、明示的な逆行列計算なしに求めることができる。   Therefore, “reducing into a series of quadratic programming problems with a L1 regularization term” means that an optimal problem is derived for a portion of l in the accuracy matrix Λ, with the submatrix L being a constant, and the accuracy matrix is 1 column This is equivalent to optimizing each line. As a result, a sparse accuracy matrix can be obtained without explicit inverse matrix calculation.

さらに、この変数xiに基づいた行列の分割に対応して、同じ方法で標本共分散行列Σ(行列Sに相当)が分割される。 Further, the sample covariance matrix Σ (corresponding to the matrix S) is divided by the same method corresponding to the division of the matrix based on the variable x i .

5)異常スコア
スパース構造学習により、時間軸上の2つの異なる時点において、その各時点における変数(電極素子(センサー)に対応)の組に対応するスパースな構造が得られることになる。これらを、添え字A,Bで区別することにする。
5) Abnormal score By sparse structure learning, a sparse structure corresponding to a set of variables (corresponding to electrode elements (sensors)) at each time point is obtained at two different time points on the time axis. These are distinguished by subscripts A and B.

GGMの文脈では、このことは、データを生成する2つの確率モデルpA(x)とpB(x)が得られたのと同義である。以下に説明するように、両者を比較することで、どの変数が、どれだけ両者の変化に寄与したのかを表すスコア(異常スコア)を計算する。 In the context of GGM, this is synonymous with obtaining two probability models p A (x) and p B (x) that generate data. As will be described below, by comparing the two, a score (abnormal score) indicating which variable contributes to how much the two have changed is calculated.

データセットDAおよびDBが与えられたとき、確率モデルにおいて、2組のデータセットの相違に、各変数がどの程度寄与しているかを定量化するために、最も自然な尺度は、Kullback-Leibler(KL)距離である。 In order to quantify how much each variable contributes to the difference between two sets of data in a probabilistic model given data sets D A and D B , the most natural measure is Kullback- Leibler (KL) distance.

1つの変数xiに着目した場合、pA(xi|zi)とpB(xi|zi)の間のKL距離の期待値を、分布pA(zi)によって計算すると、以下の式(T6)のようになる。 When focusing on one variable x i, p A (x i | z i) and p B | an expected value of KL distance between (x i z i), is calculated by the distribution p A (z i), The following equation (T6) is obtained.

さらに、KL距離dAB iは、以下のように書き換えることができる。 Furthermore, the KL distance d AB i can be rewritten as follows.

ここで、精度行列ΛAおよびその逆行列ΣAを以下のように分割する。 Here, the accuracy matrix Λ A and its inverse matrix Σ A are divided as follows.

KL距離dAB iは、i番目の変数ノードの近傍グラフの変化の尺度である。この量が大きいほど、変数xiに関して大きな変化があったことを意味する。 The KL distance d AB i is a measure of the change in the neighborhood graph of the i-th variable node. The larger this amount, the greater the change with respect to the variable x i .

したがって、近傍ノードが保存されることを仮定すると、i番目の変数の異常スコアを、以下の式(T8)として定義することが合理的である。   Therefore, assuming that neighboring nodes are preserved, it is reasonable to define the abnormal score of the i-th variable as the following equation (T8).

しかしながら、分散行列および精度行列に対する計算コストは非常に高い。実時間のロボットをコントロールするために、このような計算コストはできるだけ小さくすることが望ましい。   However, the calculation cost for the variance matrix and the accuracy matrix is very high. In order to control a real-time robot, it is desirable to minimize such calculation costs.

そこで、i番目の変数の異常スコアを単に、以下の式(T9)として定義する。   Therefore, the abnormal score of the i-th variable is simply defined as the following equation (T9).

実験により、式(T9)の定義により、チャネルエラーを判別するのに、十分であることが確認できた。   Experiments have confirmed that the definition of equation (T9) is sufficient to discriminate channel errors.

図13は、電極素子(センサー)の断線や、電極素子の体表面への接触不良の場合の異常スコアを示す図である。   FIG. 13 is a diagram illustrating an abnormal score in the case of disconnection of an electrode element (sensor) or poor contact of the electrode element with the body surface.

図13(a)は、第2チャネルに断線や欠損があった場合の各チャネルの異常スコアの値を示し、図13(b)は、第1チャネルの電極素子の2つの電極のうち一方が浮いた状態となった場合の異常スコアの値を示す。   FIG. 13A shows an abnormal score value of each channel when the second channel is disconnected or missing, and FIG. 13B shows one of the two electrodes of the first channel electrode element. The value of the abnormal score when it is in a floating state is shown.

図13(a)では、第2チャネルに異常があることが、図13(b)では、第1チャネルに異常があることが、それぞれ、異常スコアに現れている。   In FIG. 13A, the abnormality in the second channel appears in the abnormality score, and in FIG. 13B, the abnormality in the first channel appears in the abnormality score.

図14は、電極素子(センサー)のコネクタのチャネル位置の挿入ミスの場合や、汗などによる電極間のショートが発生した場合の異常スコアを示す図である。   FIG. 14 is a diagram showing an abnormal score when the channel position of the electrode element (sensor) connector is misplaced or when a short circuit between the electrodes due to sweat or the like occurs.

図14(a)は、第1チャネルと第4チャネルを逆につないでしまった場合の各チャネルの異常スコアの値を示し、図14(b)は、第2チャネルの電極素子の2つの電極が汗(あるいはジェル)により通電してしまった場合の異常スコアの値を示す。   FIG. 14A shows the abnormal score value of each channel when the first channel and the fourth channel are connected in reverse, and FIG. 14B shows the two electrodes of the electrode element of the second channel. Shows the value of the abnormal score when energization is caused by sweat (or gel).

図14(a)では、第1および第4チャネルに異常があることが、図14(b)では、第2チャネルに異常があることが、それぞれ、異常スコアに現れている。   In FIG. 14A, the first and fourth channels have an abnormality, and in FIG. 14B, the second channel has an abnormality, respectively.

図15は、チャネルが断線した場合の異常スコアの時間変化を示す図である。   FIG. 15 is a diagram illustrating a temporal change in the abnormality score when the channel is disconnected.

図15(a)は、第2チャネルの電極素子(センサー)に断線がある場合の異常スコアを他のチャネルと比較したものであり、図15(b)は、第2チャネルのsEMG信号と異常スコアの時間変化を示す図である。   FIG. 15A shows a comparison of an abnormal score when the electrode element (sensor) of the second channel is disconnected with other channels, and FIG. 15B shows an abnormality with the sEMG signal of the second channel. It is a figure which shows the time change of a score.

断線によりsEMG信号がゼロとなっている期間は、異常スコアが一定上の値となっており、異常スコアにより第2チャネルの異常をリアルタイムに検出できていることがわかる。   During the period in which the sEMG signal is zero due to the disconnection, the abnormality score is a constant value, and it can be seen that the abnormality of the second channel can be detected in real time by the abnormality score.

したがって、以上説明したような方法を使用して、各sEMGチャネルの異常スコアを計算し、センサーチャネルがエラーを含んでいるのを検知できる。検知されたチャネルエラーに応じて、実施の形態1と同様にして、トルク推定モデルを切り替えることができる。   Therefore, using the method as described above, the abnormal score of each sEMG channel can be calculated to detect that the sensor channel contains an error. According to the detected channel error, the torque estimation model can be switched in the same manner as in the first embodiment.

実施の形態2のパワーアシスト装置のその他の構成は、実施の形態1のパワーアシスト装置と同様であるので、その説明は、繰り返さない。   Since the other configuration of the power assist device of the second embodiment is the same as that of the power assist device of the first embodiment, description thereof will not be repeated.

以上のようなエラーチャネル検知の構成によっても、実施の形態1と同様の効果を奏することが可能である。   Even with the configuration of error channel detection as described above, it is possible to achieve the same effect as in the first embodiment.

しかも、チャネル数が大きくなったときにも、スパース構造学習により、変数間の本質的な関係のみを抽出できるので、多チャネル化に、より適したチャネルエラーの判別が可能となる。   In addition, even when the number of channels is increased, only essential relationships between variables can be extracted by sparse structure learning, so that it is possible to discriminate channel errors more suitable for multi-channeling.

なお、以上説明した実施の形態1および2においては、生体信号としては筋電位を用いるものとして説明したが、本発明は、このような場合に限定されず、たとえば、複数のセンサからの信号を統合して解析することで、使用者の行おうとしている運動における関節の駆動力(または駆動トルク)を推定するようなシステムに適用することができる。たとえば、筋電位に加えて、または筋電位の代わりに、たとえば、頭蓋の表面側から複数のセンサにより検知される脳活動の信号(たとえば、脳波や、近赤外によるNIRS(Near-Infrared Spectroscopy)信号など)を使用するシステムであってもよい。   In the first and second embodiments described above, the myoelectric potential is used as the biological signal. However, the present invention is not limited to such a case. For example, signals from a plurality of sensors are used. By integrating and analyzing, the present invention can be applied to a system that estimates the joint driving force (or driving torque) in the motion that the user is going to perform. For example, in addition to or instead of myoelectric potential, for example, a brain activity signal detected by a plurality of sensors from the surface side of the skull (eg, NIRS (Near-Infrared Spectroscopy) by brain waves or near infrared) System using a signal etc.).

また、以上説明した実施の形態1および2においては、筋電位を用いて使用者の行おうとしている運動における関節の駆動力(または駆動トルク)を推定するようなシステムについて説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものでもなく、たとえば、上述したような筋電位や脳活動の信号のような生体信号を統合して解析することで、使用者の行おうとしている運動の方向、強度、または速度のような意図される運動の態様を推定し、それに応じた制御信号により、外骨格ロボットのような外部装置を駆動するようなシステムに用いることもできる。たとえば、下肢の外骨格ロボットを制御してリハビリテーションに応用するような場合は、使用者が立ち上がろうとしているのか、すわりこもうとしているのかという意図が判別できれば、下肢の外骨格ロボットにより体重補償を行うのか否かをこの判別結果に応じて、切り替える、というような制御を行うことも可能である。   In the first and second embodiments described above, the system for estimating the joint driving force (or driving torque) in the motion that the user is going to perform using the myoelectric potential has been described. Is not limited to such a configuration, for example, by integrating and analyzing biological signals such as myoelectric potentials and brain activity signals as described above, the direction of movement the user is going to perform It can also be used in a system that estimates an intended mode of motion, such as intensity, speed, or the like, and drives an external device, such as an exoskeleton robot, according to a corresponding control signal. For example, in the case of controlling the lower limb exoskeleton robot and applying it to rehabilitation, if the user can determine whether he is trying to stand up or sit down, weight compensation is performed by the limb exoskeleton robot. It is also possible to perform control such as switching whether to perform or not according to the determination result.

また、以上説明した実施の形態1および2においては、使用者(ユーザ)自身の筋電位の測定により、使用者自身の関節駆動力(または関節駆動トルク)を推定するという構成で説明したが、たとえば、筋電位の測定(より一般には、生体信号の測定)は、療法士の筋電位を測定し、関節の運動をサポートされるのはユーザ(リハビリの対象者)というような使用方法も可能である。この場合は、パワーアシストの構成も必ずしも外骨格型ロボットの構成に限定されるものではなく、ユーザの運動を支援できるような駆動系であれば、他の構成を用いることも可能である。   Moreover, in Embodiment 1 and 2 demonstrated above, although demonstrated by the structure of estimating a user's own joint drive force (or joint drive torque) by measurement of a user's (user) 's own myoelectric potential, For example, the measurement of myoelectric potential (more generally, the measurement of vital signs) measures the myoelectric potential of the therapist, and it is possible to use it like a user (rehabilitation subject) who supports joint movement It is. In this case, the configuration of the power assist is not necessarily limited to the configuration of the exoskeleton type robot, and any other configuration can be used as long as the drive system can support the user's movement.

今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。   Embodiment disclosed this time is an illustration of the structure for implementing this invention concretely, Comprising: The technical scope of this invention is not restrict | limited. The technical scope of the present invention is shown not by the description of the embodiment but by the scope of the claims, and includes modifications within the wording and equivalent meanings of the scope of the claims. Is intended.

1 外骨格型ロボット、10 内部制御装置、11 I/F部、12 外骨格、20 外部制御装置、121 ベース、122 下半身、123 能動関節、124 検出機構、131 記録処理部、132 記憶装置、133 計測装置、134 制御部、135 出力装置、302,304 エアマッスル、310 プーリー付回転関節、312 電動モータ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Exoskeleton type robot, 10 Internal controller, 11 I / F part, 12 Exoskeleton, 20 External controller, 121 Base, 122 Lower body, 123 Active joint, 124 Detection mechanism, 131 Recording processing part, 132 Storage device, 133 Measuring device, 134 control unit, 135 output device, 302, 304 air muscle, 310 rotary joint with pulley, 312 electric motor.

Claims (12)

対象者の生体信号から意図された前記使用者の筋骨格系運動を推定し、外部装置を駆動するための制御信号を生成する制御信号生成装置であって、
前記対象者の体表面の複数の部位ごとに複数個ずつ配置され、生体信号を計測するためのセンサと、
前記部位ごとの複数のセンサからの生体信号を受けて、前記意図された前記筋骨格系運動を推定する推定手段とを備え、
前記推定手段は、
前記部位ごとの複数のセンサからの測定チャネルのうち、異常の発生した不良測定チャネルを、複数の測定チャネル間の相関に基づいて検知する検知手段と、
所定数の測定チャネルが不良となる組合せごとに予め準備された推定モデルのうちから、検知された不良測定チャネルを除いて準備された推定モデルを選択的に用いて、前記筋骨格系運動を推定する推定処理手段とを含み、
前記推定された前記筋骨格系運動に基づき、前記外部装置を駆動するための制御信号を算出する制御信号算出手段をさらに備える、制御信号生成装置。
A control signal generation device that estimates a musculoskeletal motion of the intended user from a biological signal of a subject and generates a control signal for driving an external device,
A plurality of sensors arranged for each of a plurality of sites on the subject's body surface, and sensors for measuring biological signals,
An estimation means for receiving biological signals from a plurality of sensors for each region and estimating the intended musculoskeletal movement;
The estimation means includes
Among the measurement channels from the plurality of sensors for each part, a detection unit that detects a defective measurement channel in which an abnormality has occurred based on the correlation between the plurality of measurement channels;
The musculoskeletal motion is estimated by selectively using an estimated model prepared by excluding a detected defective measurement channel from among estimated models prepared in advance for each combination in which a predetermined number of measurement channels are defective. Estimation processing means to
A control signal generation device further comprising control signal calculation means for calculating a control signal for driving the external device based on the estimated musculoskeletal motion.
前記センサは、前記対象者の推定対象となる関節に対応して配置されており、
前記推定手段は、前記部位ごとの複数のセンサからの信号を受けて、対応する関節に発生する関節駆動トルクを推定し、
前記推定処理手段は、所定数の測定チャネルが不良となる組合せごとに予め準備された関節トルクの推定モデルのうちから、検知された不良測定チャネルを除いて準備された推定モデルを選択的に用いて、前記関節駆動トルクを推定する、請求項1記載の制御信号生成装置。
The sensor is arranged corresponding to a joint to be estimated by the subject,
The estimation means receives signals from a plurality of sensors for each part, estimates joint drive torque generated in the corresponding joint,
The estimation processing means selectively uses an estimation model prepared by excluding a detected defective measurement channel from among joint torque estimation models prepared in advance for each combination in which a predetermined number of measurement channels are defective. The control signal generation device according to claim 1, wherein the joint driving torque is estimated.
前記検知手段は、各前記測定チャネルの不良の態様ごとに、事前に機械学習により準備された前記態様が発生したかを判別する複数の判別器を含む、請求項2記載の制御信号生成装置。   The control signal generation apparatus according to claim 2, wherein the detection unit includes a plurality of discriminators that discriminate whether or not the mode prepared in advance by machine learning has occurred for each mode of failure of the measurement channels. 各前記判別器は、前記複数の測定チャネルからの信号の組に対する共分散行列の非対角の独立な成分を特徴ベクトルとするとき、前記特徴ベクトルにより、前記不良の有無を判別するようにロジスティック回帰分析により学習された識別器である、請求項3記載の制御信号生成装置。   Each of the discriminators uses a logistic so as to discriminate the presence / absence of the defect based on the feature vector when a non-diagonal component of a covariance matrix for a set of signals from the plurality of measurement channels is used as a feature vector. The control signal generation device according to claim 3, wherein the control signal generation device is a discriminator learned by regression analysis. 前記検知手段は、複数の前記測定チャネルに対するグラフィカル・ガウシャン・モデルにより、各前記測定チャネルの不良を検出する、請求項2記載の制御信号生成装置。   The control signal generation apparatus according to claim 2, wherein the detection unit detects a failure of each of the measurement channels by a graphical Gaussian model for the plurality of measurement channels. 前記グラフィカル・ガウシャン・モデルにおいては、正常時に対応するグラフに対する現時点のグラフの距離のみに基づいて、不良の有無を判別する、請求項5記載の制御信号生成装置。   6. The control signal generation device according to claim 5, wherein in the graphical Gaussian model, presence / absence of a defect is determined based only on a distance of a current graph with respect to a graph corresponding to a normal state. 対象となる人間の筋骨格系運動のアシストを行うためのパワーアシスト装置であって、
アシスト対象となる関節ごとに設けられ、前記関節の運動をアシストする力を発生するためのアクチュエータと、
前記アシスト対象となる関節に対応して対象者の体表面の複数の部位ごとに複数個ずつ配置され、表面筋電位を計測するための電極と、
前記部位ごとの複数の電極からの信号を受けて、対応する関節に発生する関節駆動トルクを推定するトルク推定手段とを備え、
前記トルク推定手段は、
前記部位ごとの複数の電極からの測定チャネルのうち、異常の発生した不良測定チャネルを、複数の測定チャネル間の相関に基づいて検知する検知手段と、
所定数の測定チャネルが不良となる組合せごとに予め準備された関節トルクの推定モデルのうちから、検知された不良測定チャネルを除いて準備された推定モデルを選択的に用いて、前記関節駆動トルクを推定する推定処理手段とを含み、
前記推定された関節駆動トルクに基づき、前記アクチュエータにより発生すべき目標トルクを算出する目標トルク算出手段と、
前記目標トルクに基づいて、前記アクチュエータを駆動する駆動手段とを備える、パワーアシスト装置。
A power assist device for assisting a target human musculoskeletal movement,
An actuator that is provided for each joint to be assisted, and that generates a force to assist the movement of the joint;
A plurality of electrodes are arranged for each of a plurality of sites on the subject's body surface corresponding to the assist target joint, and electrodes for measuring surface myoelectric potential;
Torque estimation means for receiving a signal from a plurality of electrodes for each part and estimating a joint driving torque generated in a corresponding joint;
The torque estimation means includes
Among the measurement channels from the plurality of electrodes for each part, a detection means for detecting a defective measurement channel in which an abnormality has occurred based on a correlation between the plurality of measurement channels;
By selectively using an estimated model prepared by excluding a detected defective measurement channel from among estimated models of joint torque prepared in advance for each combination in which a predetermined number of measurement channels are defective, the joint drive torque Estimation processing means for estimating
A target torque calculating means for calculating a target torque to be generated by the actuator based on the estimated joint driving torque;
A power assist device comprising: drive means for driving the actuator based on the target torque.
前記検知手段は、各前記測定チャネルの不良の態様ごとに、事前に機械学習により準備された前記態様が発生したかを判別する複数の判別器を含む、請求項7記載のパワーアシスト装置。   The power assist device according to claim 7, wherein the detection unit includes a plurality of discriminators that discriminate whether or not the mode prepared in advance by machine learning has occurred for each mode of failure of the measurement channels. 各前記判別器は、前記複数の測定チャネルからの信号の組に対する共分散行列の非対角の独立な成分を特徴ベクトルとするとき、前記特徴ベクトルにより、前記不良の有無を判別するようにロジスティック回帰分析により学習された識別器である、請求項8記載のパワーアシスト装置。   Each of the discriminators uses a logistic so as to discriminate the presence / absence of the defect based on the feature vector when a non-diagonal component of a covariance matrix for a set of signals from the plurality of measurement channels is used as a feature vector. The power assist device according to claim 8, which is a discriminator learned by regression analysis. 前記検知手段は、複数の前記測定チャネルに対するグラフィカル・ガウシャン・モデルにより、各前記測定チャネルの不良を検出する、請求項7記載のパワーアシスト装置。   The power assist device according to claim 7, wherein the detection unit detects a defect of each of the measurement channels by a graphical Gaussian model for the plurality of measurement channels. 前記グラフィカル・ガウシャン・モデルにおいては、正常時に対応するグラフに対する現時点のグラフの距離のみに基づいて、不良の有無を判別する、請求項10記載のパワーアシスト装置。   The power assist device according to claim 10, wherein in the graphical Gaussian model, presence / absence of a defect is determined based only on a distance of a current graph with respect to a graph corresponding to a normal state. 前記パワーアシスト装置は、外骨格型ロボットである、請求項7〜11のいずれか1項に記載のパワーアシスト装置。   The power assist device according to any one of claims 7 to 11, wherein the power assist device is an exoskeleton robot.
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