JP3638048B2 - 肢体駆動装置の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、肢体運動を考慮した駆動装置において、人間の関節あるいはその他の治療対象への過負荷をなくし、装置の安全性を高めることを目的とした、肢体軌道を考慮した肢体駆動装置の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人間の肢体を動かす装置には、医療分野で使用される連続他動運動装置（ＣＰＭ装置）、リハビリテーション分野で使用される訓練装置やスポーツ・トレーニング装置等がある。
上記装置における関節過負荷時や肢体が動作範囲外に出ようとした時における一般的な対処方法は、主に▲１▼対処機能が何も付いていないもの（例えば、特開昭60-179062 号公報参照）、▲２▼停止機能を持つもの（例えば、特開昭61-170464 号公報参照）、▲３▼駆動逆転機能を持つもの（例えば、特公平4-14028 号公報参照）の３種類に分けられる。
▲１▼の「手関節部の機能回復訓練装置」では、関節に過負荷が生じても、その対処機能がない。
▲２▼の「受動運動訓練装置」では、駆動制御回路において、感知された誤動作に応答し、所定の限界を越える駆動軸の角変位または角変位方向を変更することの失敗を感知し、過急速もしくは過低速を感知した場合に、駆動軸の動きを停止させる誤動作感知手段を備えている。
▲３▼の「人の関節を動かす装置」では、細長い支持体上で往復運動するトラベラ手段を駆動する可逆モータ手段と組合わされて、前記トラベラ手段を介して検知された負荷に応答して、前記可逆モータ手段の回転を反転する負荷応答手段を備えている。
また他に、▲４▼特開昭60-232158 「駆動装置」では、肢体に取り付けられた駆動モータの駆動力より大きな抵抗を受けたとき、駆動アームは一旦停止し、その位置から引続き反対方向に動き始める機能を持っており、その作動方法はモータに流れる電流により制御されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のこれらの手段では肢体の動作位置あるいは関節負荷を常に監視しながら動作することができない。
このため、実際に負荷がかかってから対処が行われたり、また肢体の可動範囲の制限については装置の動作のみを考慮して行われており、肢体の動作限界を考慮した機能がない。
また、それら安全機能がない装置もある。よって、駆動装置を取り付けた肢体が動作域を外れようとする時や関節に過負荷がかかった時、その対応が遅く肢体に悪影響を及ぼしたり関節にかなりの負荷を与えることになる。
そこで、本発明は装置の安全性を高めるため、人間の肢体軌道を考慮し、関節に無理な負荷を与えないように駆動装置を動作させるのに好適な制御装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は肢体に装着した装置の動作によって肢体を動かす目的で、装置に取り付けられた力センサまたは位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する肢体制御装置の制御装置において、駆動装置の動作中に、装置に装着した肢体への負荷を、常に監視する負荷推定部と［または負荷推定部に代わる、肢体に取り付けられたセンサにより計測し常に監視する肢体位置算出部と］、肢体への過負荷付近により目標インピーダンスの各パラメータ定数が変更できるインピーダンス定数変換部と、前記負荷推定部により得られる肢体への負荷が、設定した肢体への過負荷値Ｆlimit ［または可動域限界値Ｌlimit ］に対しその値より小さく設定された値Ｆstart ［またはその手前に設置された位置の値Ｌstart ］に到達した時点で、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向のインピーダンス定数を、前記Ｆlimit ［または前記Ｌlimit ］値へ肢体負荷値が近づくに応じて変化させ、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく制御手段と、を備えたことを特徴とする肢体駆動装置の制御装置としたものである。
この発明によれば、装置の安全性を高めるため、人間の肢体軌道を考慮し、関節に無理な負荷を与えないように駆動装置を動作させるのに好適な制御装置が得られる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、肢体に装着した装置の動作によって肢体を動かす目的で、装置に取り付けられた力センサまたは位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する肢体制御装置の制御装置において、駆動装置の動作中に、装置に装着した肢体への負荷を、常に監視する負荷推定部と、肢体への過負荷付近により目標インピーダンスの各パラメータ定数が変更できるインピーダンス定数変換部と、前記負荷推定部により得られる肢体への負荷が、設定した肢体への過負荷値Ｆlimit に対しその値より小さく設定された値Ｆstart に到達した時点で、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向のインピーダンス定数を、前記過負荷値Ｆlimit へ肢体負荷値が近づくに応じて変化させ、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく制御手段と、を備えたことを特徴とする肢体駆動装置の制御装置としたものである。
この請求項１に記載の発明は、肢体への負荷を常に監視しながら、肢体への負荷値が可動限界に設定された肢体への過負荷値Ｆlimit からその位置より手前に設定された値Ｆstart の内側にある場合には、通常のインピーダンス制御が行われるが、関節負荷がＦstart 値になりＦlimit へ近づくにつれて、駆動装置が持つ全自由度中のある自由度方向のインピーダンス定数を変更し、その軸を仮想的にフリーにする結果、肢体への負荷が大きくなろうとする時、無理な負荷をかけず、また装置自体にも安全性を持たせながら動作可能となり、さらに、過負荷をさけるために、装置の動作中、インピーダンス定数を常に小さくしておくような必要がなくなり、治療のために設定した目標軌道をインピーダンス定数が小さいために達成できないという問題が解決でき、さらにまたインピーダンス定数の設定が容易になるという作用を有する。
本発明の請求項２に記載の発明は、監視対象を関節負荷または筋力負荷とする手段を備えた請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置としたものであり、この請求項２に記載の発明は、監視対象を関節負荷または筋力負荷とする手段を構えたことから、負荷の力変化を把握し易いという作用を有する。
【０００６】
本発明の請求項３に記載の発明は、前記負荷推定部により得られる現在の肢体への負荷が、前記Ｆlimit と前記Ｆstart の間の領域にあれば、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向において、そのインピーダンス定数である仮想バネ定数または仮想粘性定数を、前記Ｆstart から前記Ｆlimit へ関節負荷が大きくなるに応じて除々に減らし、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく手段を備えた請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置としたものである。
この請求項３に記載の発明は、インピーダンス定数変換部が仮想バネ定数のみの変化、また仮想粘性定数のみの変化および仮想バネ定数と仮想粘性定数の組み合せによる変化で構成され得るという作用を有する。
本発明の請求項４に記載の発明は、前記負荷推定部により得られる現在の肢体への負荷が、前記Ｆlimit と前記Ｆstart の間の領域にある場合、装置の負荷計測手段における最大の負荷方向に対し、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく手段を備えた請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置としたものである。
この請求項４に記載の発明は、肢体に過負荷がかかろうとする場合に、装置の負荷計測手段における最大の負荷方向に対し、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていくことができるという作用を有する。
本発明の請求項５に記載の発明は、肢体に取り付けられた前記力センサおよび肢体のパラメータを用いた運動学により肢体への負荷を算出する負荷推定部を持つ請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置としたものであり、この請求項５に記載の発明は、制御装置に取り付けられた力センサおよび肢体のパラメータを用いた運動学により肢体への負荷を算出する負荷推定部を持つ制御手段が得られるという作用を有する。
【０００７】
本発明の請求項６に記載の発明は、肢体への負荷の算出を、肢体駆動装置の肢体への装着部に加わる負荷を計測する計測手段によって肢体への負荷とする負荷推定部を持つ請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置としたものであり、この請求項６に記載の発明は、肢体への負荷を、上記の力センサおよび肢体パラメータを用いた運動学による推定は行わず、装置に取り付けられた計測手段で簡易的に算出する負荷推定部を持つ制御手段が得られるという作用を有する。
本発明の請求項７に記載の発明は、関節負荷の推定算出を、肢体に取り付けた計測手段により計測し算出する負荷推定部を持つ請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置としたものであり、この請求項７に記載の発明は、肢体に取り付けられたトルクセンサ、圧力センサ、触覚センサ等により、肢体への負荷を計測し算出する負荷推定部を持つ制御手段を得られるという作用を有する。
【０００８】
本発明の請求項８に記載の発明は、駆動装置が持つ仮想フリー機能を２自由度以上、全自由度以下の自由度方向において実行する手段を備えた請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置としたものである。
この請求項８に記載の発明は、仮想バネ変換領域に肢体が入った場合に、駆動装置が持つ２自由度以上、全自由度以下の仮想バネ定数を変化させることにより、肢体動作領域外時において、さらに滑らかに装置が動作でき、安全性も向上するという作用を有する。
【０００９】
本発明の請求項９に記載の発明は、肢体に装着した装置の動作によって肢体を動かす目的で、装置に取り付けられた力センサまたは位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する肢体駆動装置の制御装置において、制御装置の動作中に、肢体の動作位置を肢体に取り付けられたセンサにより計測し常に監視する肢体位置算出部と、前記肢体動作位置の可動域限界付近において目標インピーダンスの各パラメータ定数が変更できるインピーダンス定数変換部と、前記肢体位置算出部により得られる現在位置が、設定した肢体の可動限界位置Ｌlimit に対しその位置より手前に設定された位置Ｌstart に入った時点で、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向のインピーダンス定数を、前記Ｌstart から前記Ｌlimit へ肢体位置が向かう距離に応じて変更し、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく制御手段と、を備えた肢体駆動の制御装置としたものである。
この請求項９に記載の発明は、人間の肢体動作位置を常に監視し、肢体が可動限界域に近づいた場合、仮想的にフリーな動作自由度をつくることで、人間の関節に無理な負荷を与えず滑らかに駆動装置を動作させる事ができ、しかも装置自体の安全性も向上するという作用を有する。
【００１０】
本発明の請求項１０に記載の発明は、前記肢体位置算出部により得られる現在位置が、前記Ｌlimit と前記Ｌstart の間の領域にあれば、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向のインピーダンス定数である仮想バネ定数または仮想粘性定数を、前記Ｌstart から前記Ｌlimit へ肢体位置が向かう距離に応じて除々に減らし、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく手段を備えた請求項９記載の肢体制御装置の制御装置としたものである。
この請求項１０に記載の発明は、インピーダンス定数変換部が仮想バネ定数のみの変化、また仮想粘性定数のみの変化および仮想バネ定数と仮想粘性定数の組み合せによる変化で構成され得るという作用を有する。
【００１１】
本発明の請求項１１に記載の発明は、肢体の算出を、前記肢体駆動装置の運動学および肢体のパラメータによる運動学により推定計算する肢体位置算出部を持つ請求項９記載の肢体駆動装置の制御装置としたものであり、肢体位置算出部においてセンシング機能は使わず、装置の各軸の角度から順運動学を用いて装置の先端位置を求め、その位置から肢体に取り付けられたスプリント位置、すなわち肢体の絶対位置まで座標変換を行い、その肢体の絶対位置をもとに肢体位置の推定を行う手段、またはその肢体の絶対位置から肢体のパラメータおよび肢体位置の基準点（固定点）をもとに、肢体の逆運動学を用いて肢体の各関節角度を求め、肢体位置の推定を行えるという作用を有する。
【００１２】
本発明の請求項１２に記載の発明は、前記肢体運動装置が持つ仮想フリー機能を２自由度以上、全自由度以下の自由度方向において実行する請求項９ないし請求項１１のうちいずれかの項に記載の肢体駆動装置の制御装置としたものであり、仮想バネ変換領域に肢体が入った場合に、駆動装置が持つ２自由度以上、全自由度以下の仮想バネ定数を変化させることにより、肢体動作領域外時において、さらに滑らかに装置が動作でき、安全性も向上するという作用を有する。
次に、本発明の実施の形態を各図に基づいて説明する。
全ての図面において、同一符号は同一もしくは相当部材とする。
【００１３】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１を図を追って述べる。
本発明を含む制御手段の回路構成ブロック図を図１に示す。
ここで説明を簡略化するため、肢体負荷の監視を膝関節とし［請求項２で記述］、インピーダンス定数変換部が仮想バネ定数のみ変化する場合とし［請求項３で記述］、負荷推定を肢体に取り付けられた力センサおよび肢体のパラメータを用いた運動学により算出する場合［請求項６で記述］について、これを例にとる。
【００１４】
図１において、101 は駆動装置のアーム、102 は対象物（人間の肢体）、103 はアーム101 の手先位置に取り付けられたスプリント（手先位置）、104 はアーム101 の先端に取り付けられ力およびモーメントを検出する力センサ、105 はアーム101 を駆動するモータ、106 は駆動モータ105 の回転角度を検出する回転角検出部、107 は力センサ104 の力およびモーメント信号をデジタル値に変換するアナログ／デジタル変換器、108 は力信号を手先位置103 の変位に変換する変位演算処理部、109 は手先位置103 からモータ105 の目標角度を算出する逆運動学計算部、110aは手先位置103 の目標軌道を設定する目標軌道設定部、111 は回転角検出部106 の出力をデジタル値に変換する回転角変換回路、112 はゲイン積分器、113 はゲイン積分器112 の出力をアナログ値に変換するデジタル／アナログ変換器、114 はＤ／Ａ変換器113 の出力に従って駆動モータ105 を動かすサーボアンプ、115aは肢体の動作負荷を推定計算する負荷推定部、116 は関節負荷に応じて仮想バネ定数を変更するインピーダンス定数変換部である。
【００１５】
肢体を運動させるために設定した目標軌道に従って装置が動作する際に、負荷推定部115aにより常に肢体102 の関節負荷を監視し、関節負荷に応じた仮想ばね定数をインピーダンス定数変換部116 により生成し、変位演算処理部108 へ常に送る。
その過程のもとで、力センサ104により得られた力信号は、Ａ／Ｄ変換回路107によってデジタル値に変換され、変位演算処理部108に入力される。インピーダンス定数変換部116 で設定されている慣性および粘性パラメータと負荷推定部115aで推定した関節負荷に応じた弾性パラメータ（仮想バネ定数）をもとに手先負荷103 の目標軌道からの変位が算出される。
【００１６】
この変位は目標軌道設定部110aの出力に加算され、手先位置103 の位置指令となり、逆運動学計算部109 によって各関節の角度指令に変換する。
またその時、回転角検出部106 によって検出された駆動モータの回転角を回転角変換回路111 によりデジタル値に変換し、上記角度指令と比較する。
その出力を受けて、この差分にゲイン積分器112 を介し、Ｄ／Ａ変換器113 によってアナログ信号に変換され、サーボアンプ114 によって駆動モータ105 に出力されることによって、駆動装置のアーム101 が駆動される。
脚を取り付けた駆動装置を例に、負荷推定部115aおよびインピーダンス定数変換部116 の動作について述べることにする。まず負荷推定部について図２を用いて説明する。
【００１７】
図２は負荷推定部における負荷推定動作を側面から見た説明図である。
図２において、201 は脚（肢体）、202 は駆動装置、203 は駆動装置に取り付けられた力センサ、204 は駆動装置のスプリント、205 は下腿長、206 は上腿長Ｌ1 、207aは肢体の基準点、208 は膝関節、209 は股関節の角度θ1 、210 は膝関節の角度θ2 、211 は股関節にかかる負荷（トルク）ｔ1 、212 は膝関節にかかる負荷（トルク）ｔ2 、213 は膝関節208 からスプリント204 の中心位置までの長さＬ2 である。
図３は、関節負荷の推定算出を行う過程の流れを表す説明図である。
まず、脚のパラメータである下腿長205 、上腿長206 および脚の基準点207a（駆動装置の原点座標からの位置）を決める［ステップ１］。
【００１８】
脚を２自由度のマニピュレータと考えると、駆動装置202 に取り付けられた力センサ203 により得られる力・モーメント情報から、上記のパラメータをもとにヤコビアン行列Ｊを使い、関節トルク（負荷）を推定する。
例えば、並進２自由度、回転１自由度の垂直平面内３自由度を持つ駆動装置に取り付けられた脚の関節負荷を求める［ステップ２］。
力センサ203 から得られる情報が並進方向の力（Ｆx 、Ｆz ）のみとし、回転方向の力（モーメントＭy ）が検出されない場合を想定する。この時、股関節負荷211 （ｔ1 ）と膝関節負荷212 （ｔ2 ）はヤコビアンＪの転置行列を用いて［ステップ３］、以下の［数１］のように演算の結果として、関節負荷推定を行う［ステップ４］。
【数１】
【００１９】
次いで、インピーダンス定数変換部について図４を用いて説明する。
図４は、関節負荷に対する仮想バネ定数値に関する説明図である。
関節過負荷値Ｆlimit とその手前に設定する位置Ｆstart を、関節の患部状態により、あらかじめ設定する。負荷推定部で得られる値をＦとすれば、
Ｆ＜Ｆstart の場合
仮想バネ定数は、あらかじめ設定されている値Ｋ0 で一定である。
Ｆstart ≦Ｆ＜Ｆlimit の場合
仮想バネ定数は、関節負荷座標の最大値Ｆの距離に応じて
比例係数＝−Ｋ0 ／（Ｆlimit −Ｆstart ）で単調連続的に変化する。
この方法で、関節負荷推定値Ｆとこれに対応したインピーダンス定数変換を行い、あとは通常のインピーダンス制御と同様に制御を行う。
【００２０】
本発明によれば、関節過負荷値ＦがＦstart より離れている場合（つまりＦ＜Ｆstart ）、インピーダンスパラメータである仮想バネ定数は、あらかじめ設定されてある一定値Ｋ0 になる。従ってこの場合通常のインピーダンス制御になる。ＦがＦstart 内に入った場合（Ｆstart ≦Ｆ＜Ｆlimit ）、駆動装置が持つ全自由度中のある１自由度について、仮想ばね定数を上記比例係数のもとで、関節負荷座標の最大値ＦがＦlimit に近づくにつれ除々に小さくし、仮想的にその軸をフリーにする。これにより、肢体の関節に無理な負荷がかからず安全に動作可能となる。また、その自由度以外は通常のインピーダンス制御を行うこととなる。
【００２１】
装置の仮想フリー機能をさらに滑らかに動作させるためには、Ｆstart からＦlimit の幅を大きくとり、仮想バネ定数変更領域を増やせば良い。また、仮想バネ変更領域において、定数の変化を比例的に設定しているが、指数変化的に設定すれば、さらなる滑らかな動作機能が期待できる。
また請求項２で示した手段では、監視対象を関節負荷または筋力負荷等とし、動作させる請求項１記載の制御手段である。
そして請求項３で示した手段では、インピーダンス定数変換部が上記で説明した仮想バネ定数のみの変化、また仮想粘性定数のみの変化および仮想バネ定数と仮想粘性定数の組み合せによる変化で構成された制御手段である。
【００２２】
そしてまた請求項４で示した手段では、肢体に過負荷がかかろうとする場合に、装置の負荷計測手段における最大の負荷方向に対し、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていくことを特徴とする請求項１記載の制御手段である。
さらに請求項５で示した手段では、上記実施例で示したように、装置に取り付けられた力センサおよび肢体のパラメータを用いた運動学により肢体への負荷を算出する負荷推定部を持つ制御手段である。
さらにまた請求項６で示した手段では、肢体への負荷を、上記の力センサおよび肢体パラメータを用いた運動学による推定は行わず、装置に取り付けられた計測手段で簡易的に算出する負荷推定部を持つ制御手段である。
【００２３】
かつ請求項７で示した手段では、肢体に取り付けられたトルクセンサ、圧力センサ、触覚センサ等により、肢体への負荷を計測し算出する負荷推定部を持つ制御手段である。
また請求項８で示した手段では、仮想バネ変換領域に肢体が入った場合に、駆動装置が持つ２自由度以上、全自由度以下の仮想バネ定数を変化させる手段である。これにより、肢体動作領域外時において、さらに滑らかに装置が動作でき、安全性も向上する。
なお、これまでに説明した手段の請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６，請求項７および請求項８のそれぞれの組み合せの機能・用途を持つ制御手段もまた有用適切である。
なおかつ請求項１で示した手段は、リハビリテーション装置あるいはスポーツ・トレーニング装置としての動作を行う手段としても適当である。
【００２４】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２を図に従って説明する。
またここで説明を簡略化するため、インピーダンス定数変換部が仮想バネ定数のみ減らす場合［請求項１１で記述］について、これを例にとる。
本発明を含む制御手段の回路構成を表すブロック図を図５に示す。
図５において、110bは手先位置103 の目標位置を設定する目標位置設定部、115bは肢体の動作位置を推定計算する肢体位置算出部、116 は肢体位置に応じて仮想バネ定数を変更するインピーダンス定数変換部、117 は肢体の動作位置を検出する肢体位置計測センサである。
【００２５】
装置動作中、肢体位置計測センサ117 を介し、肢体位置算出部115bにより常に肢体102 の位置を監視し、肢体位置に応じた仮想ばね定数をインピーダンス定数変換部116 により生成し、変位演算処理部108 へ常に送る過程のもとで、力センサ104 により得られた力信号は、Ａ／Ｄ変換回路107 によってデジタル値に変換され、変位演算処理部108 に入力される。
インピーダンス定数変換部116 で設定されている慣性および粘性パラメータと肢体位置算出部115bで推定した肢体位置に応じた弾性パラメータ（仮想バネ定数）をもとに手先位置103 の目標位置からの変位が算出される。
【００２６】
この変位は目標位置設定部110bの出力に加算され、手先位置103 の位置指令となり、逆運動学計算部109 によって各関節の角度指令に変換する。
またその時、回転角検出部106 によって検出された駆動モータの回転角を回転角変換回路111 によりデジタル値に変換し、上記角度指令と比較する。
その出力を受けて、この差分にゲイン積分器112 を介し、Ｄ／Ａ変換器113 によってアナログ信号に変換され、サーボアンプ114 によって駆動モータ105 に出力されることによって、駆動装置のアーム101 が駆動される。
【００２７】
図６は肢体位置算出部に関する肢体位置を側面から見た説明図である。
この図６において、214 は肢体位置計測センサにより得られる脚201 の動作位置座標の最大値、215 は脚201 の可動限界位置Ｌlimit からその位置より手前に設定された位置Ｌstart の距離幅（仮想バネ定数変更領域）、204 は駆動装置のスプリント、216 は駆動装置の手先位置座標、207bは脚201 の動作支点座標を示す。
図７は、肢体の動作位置に対する仮想バネ定数値に関する説明図である。
ここで、肢体位置算出部115b及びインピーダンス定数変換部116 の動作を図６および図７を用いて説明する。
肢体位置計測センサであるゴニオメータ、ポテンショメータおよび測距センサ等により肢体の動作位置を計測することで、動作座標の最大値214 は求まる。
【００２８】
いま例えば、上記センサを使い、治療行為前に装置を肢体に取り付け、事前に肢体を動かしておけば、肢体の可動領域はあらかじめ推測できる。よって、可動域限界値Ｌlimit とその手前に設定された位置Ｌstart は定められる。この時、肢体位置座標の最大値214 をＸとすれば、
Ｘ＜Ｌstart の場合
仮想バネ定数は、あらかじめ設定されている値Ｋ0 で一定である。
Ｌstart ≦Ｘ＜Ｌlimit の場合
仮想バネ定数は、肢体位置座標の最大値Ｘの距離に応じて比例係数＝−Ｋ0 ／（Ｌlimit −Ｌstart ）で単調連続的に変化する。
この方法で、肢体位置算出とこれに対応したインピーダンス定数変換を行い、あとは通常のインピーダンス制御と同様に制御を行う。
【００２９】
上記手段により、肢体の動作位置を常に監視しながら、肢体位置が可動限界に設定された可動限界位置Ｌlimit からその位置より手前に設定された位置Ｌstart の内側にある場合には、通常のインピーダンス制御が行われるが、肢体動作がＬstart 内に入りＬlimit との距離が縮まるにつれて、駆動装置が持つ全自由度中のある自由度方向のインピーダンス定数を変更し、その軸を仮想的にフリーにする。
その結果、肢体が動作範囲外に近づきつつある時、関節に無理な負荷をかけず、また装置自体にも安全性を持たせながら動作可能となる。
【００３０】
本発明によれば、肢体位置座標の最大値ＸがＬstart より離れている場合（Ｘ＜Ｌstart ）、インピーダンスパラメータである仮想バネ定数は、あらかじめ設定されてある一定値Ｋ0 になる。従ってこの場合通常のインピーダンス制御になる。ＸがＬstart 内に入った場合（Ｌstart ≦Ｘ＜Ｌlimit ）、駆動装置が持つ全自由度中のある１自由度について、仮想ばね定数を上記 例係数のもとで、肢体位置座標の最大値ＸがＬlimit に近づくにつれ除々に小さくし、仮想的にその軸をフリーにする。
【００３１】
これにより、肢体の関節に無理な負荷がかからず安全に動作可能となる。また、その自由度以外は通常のインピーダンス制御を行うこととなる。
装置の仮想フリー機能をさらに滑らかに動作させるためには、Ｌstart からＬlimit の幅を大きくとり、仮想バネ定数変更領域を増やせば良い。また、仮想バネ変更領域において、定数の変化を比例的に設定しているが、指数変化的に設定すれば、さらなる滑らかな動作機能が期待できる。
【００３２】
そして請求項１０で示した装置は、インピーダンス定数変換部が上記で説明した仮想バネ定数のみの変化、また仮想粘性定数のみの変化および仮想バネ定数と仮想粘性定数の組み合せによる変化で構成されたものである。
また請求項１１で示した装置では、肢体位置算出部115 においてセンシング機能は使わず、装置の各軸の角度から順運動学を用いて装置の先端位置を求め、その位置から肢体に取り付けられたスプリント位置、すなわち肢体の絶対位置まで座標変換を行い、その肢体の絶対位置をもとに肢体位置の推定を行う方式、またはその肢体の絶対位置から肢体のパラメータおよび肢体位置の基準点（固定点）をもとに、肢体の逆運動学を用いて肢体の各関節角度を求め、肢体位置の推定を行うものである。
【００３３】
そしてまた請求項１２で示した装置では、仮想バネ変換領域に肢体が入った場合に、駆動装置が持つ２自由度以上、全自由度以下の仮想バネ定数を変化させる。これにより、肢体動作領域外時において、さらに滑らかに装置が動作でき、安全性も向上する。
さらにこの実施の形態２で説明し請求項９で示した手段のすべて持つ装置は、請求項１で示した機能と同様に、リハビリテーション分野での使用すなわちリハビリテーション装置あるいはスポーツ・トレーニング装置としての動作を行う手段としてもまた望ましい。
請求項９ないし請求項１２を合わせ持つ制御手段も、これまた好ましい肢体制御装置の制御装置である。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば人間の肢体関節負荷を常に監視し、関節にかかる負荷が過負荷領域に近づいた場合、仮想的にフリーな動作自由度をつくることで、人間の関節に無理な負荷を与えず滑らかに駆動装置を動作させることができ、しかも装置自体の安全性も向上するという効果がある。また、過負荷をさけるために、装置の動作中、インピーダンス定数を常に小さくしておくような必要がなくなり、治療のために設定した目標軌道をインピーダンス定数が小さいために達成できないという問題が解決でき、またインピーダンス定数の設定が容易になる。
さらに、本発明によれば人間の肢体動作位置を常に監視し、肢体が可動限界域に近づいた場合、仮想的にフリーな動作自由度をつくることで、人間の関節に無理な負荷を与えず滑らかに駆動装置を動作させる事ができ、しかも装置自体の安全性も向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を表す制御手段の回路構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における負荷推定部を示す説明図
【図３】本発明の実施の形態１は関節負荷の推定算出を行う流れ図
【図４】本発明の実施の形態１における肢体の動作位置に対する仮想バネ定数値の変換を示す図
【図５】本発明の実施の形態２を表す制御手段の回路構成を示すブロック図
【図６】本発明の実施の形態２における肢体位置算出部を示す説明図
【図７】本発明の実施の形態２における肢体の動作位置に対する仮想バネ定数値の変換を示す図
【符号の説明】
101 駆動装置のアーム
１０２ 肢体
103,204 スプリント（手先位置）
104,203 力センサ
105 モータ
106 回転角検出部
107 アナログ／デジタル変換器
108 変位演算処理部
109 逆運動学計算部
110a 目標軌道設定部
110b 目標位置設定部
111 回転角変換回路
112 ゲイン積分器
113 デジタル／アナログ変換器
114 サーボアンプ
115a 負荷推定部
115b 肢体位置算出部
116 インピーダンス定数変換部
117 関節負荷計測センサ
118 インピーダンス定数変換部
119 肢体位置計測センサ
201 脚
202 駆動装置
205 下腿長
206 上腿長Ｌ1
207a 肢体の基準点
207b 動作支点座標
208 膝関節
209 股関節角度θ1
２１０ 膝関節角度θ2
２１１ 股関節負荷ｔ1
２１２ 膝関節負荷ｔ2
２１３ 膝関節からスプリント中心位置までの長さＬ2
２１４ 動作位置座標の最大値
215 仮想バネ定数変更領域
216 手先位置座標
【産業上の利用分野】
本発明は、肢体運動を考慮した駆動装置において、人間の関節あるいはその他の治療対象への過負荷をなくし、装置の安全性を高めることを目的とした、肢体軌道を考慮した肢体駆動装置の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人間の肢体を動かす装置には、医療分野で使用される連続他動運動装置（ＣＰＭ装置）、リハビリテーション分野で使用される訓練装置やスポーツ・トレーニング装置等がある。
上記装置における関節過負荷時や肢体が動作範囲外に出ようとした時における一般的な対処方法は、主に▲１▼対処機能が何も付いていないもの（例えば、特開昭60-179062 号公報参照）、▲２▼停止機能を持つもの（例えば、特開昭61-170464 号公報参照）、▲３▼駆動逆転機能を持つもの（例えば、特公平4-14028 号公報参照）の３種類に分けられる。
▲１▼の「手関節部の機能回復訓練装置」では、関節に過負荷が生じても、その対処機能がない。
▲２▼の「受動運動訓練装置」では、駆動制御回路において、感知された誤動作に応答し、所定の限界を越える駆動軸の角変位または角変位方向を変更することの失敗を感知し、過急速もしくは過低速を感知した場合に、駆動軸の動きを停止させる誤動作感知手段を備えている。
▲３▼の「人の関節を動かす装置」では、細長い支持体上で往復運動するトラベラ手段を駆動する可逆モータ手段と組合わされて、前記トラベラ手段を介して検知された負荷に応答して、前記可逆モータ手段の回転を反転する負荷応答手段を備えている。
また他に、▲４▼特開昭60-232158 「駆動装置」では、肢体に取り付けられた駆動モータの駆動力より大きな抵抗を受けたとき、駆動アームは一旦停止し、その位置から引続き反対方向に動き始める機能を持っており、その作動方法はモータに流れる電流により制御されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のこれらの手段では肢体の動作位置あるいは関節負荷を常に監視しながら動作することができない。
このため、実際に負荷がかかってから対処が行われたり、また肢体の可動範囲の制限については装置の動作のみを考慮して行われており、肢体の動作限界を考慮した機能がない。
また、それら安全機能がない装置もある。よって、駆動装置を取り付けた肢体が動作域を外れようとする時や関節に過負荷がかかった時、その対応が遅く肢体に悪影響を及ぼしたり関節にかなりの負荷を与えることになる。
そこで、本発明は装置の安全性を高めるため、人間の肢体軌道を考慮し、関節に無理な負荷を与えないように駆動装置を動作させるのに好適な制御装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は肢体に装着した装置の動作によって肢体を動かす目的で、装置に取り付けられた力センサまたは位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する肢体制御装置の制御装置において、駆動装置の動作中に、装置に装着した肢体への負荷を、常に監視する負荷推定部と［または負荷推定部に代わる、肢体に取り付けられたセンサにより計測し常に監視する肢体位置算出部と］、肢体への過負荷付近により目標インピーダンスの各パラメータ定数が変更できるインピーダンス定数変換部と、前記負荷推定部により得られる肢体への負荷が、設定した肢体への過負荷値Ｆlimit ［または可動域限界値Ｌlimit ］に対しその値より小さく設定された値Ｆstart ［またはその手前に設置された位置の値Ｌstart ］に到達した時点で、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向のインピーダンス定数を、前記Ｆlimit ［または前記Ｌlimit ］値へ肢体負荷値が近づくに応じて変化させ、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく制御手段と、を備えたことを特徴とする肢体駆動装置の制御装置としたものである。
この発明によれば、装置の安全性を高めるため、人間の肢体軌道を考慮し、関節に無理な負荷を与えないように駆動装置を動作させるのに好適な制御装置が得られる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、肢体に装着した装置の動作によって肢体を動かす目的で、装置に取り付けられた力センサまたは位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する肢体制御装置の制御装置において、駆動装置の動作中に、装置に装着した肢体への負荷を、常に監視する負荷推定部と、肢体への過負荷付近により目標インピーダンスの各パラメータ定数が変更できるインピーダンス定数変換部と、前記負荷推定部により得られる肢体への負荷が、設定した肢体への過負荷値Ｆlimit に対しその値より小さく設定された値Ｆstart に到達した時点で、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向のインピーダンス定数を、前記過負荷値Ｆlimit へ肢体負荷値が近づくに応じて変化させ、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく制御手段と、を備えたことを特徴とする肢体駆動装置の制御装置としたものである。
この請求項１に記載の発明は、肢体への負荷を常に監視しながら、肢体への負荷値が可動限界に設定された肢体への過負荷値Ｆlimit からその位置より手前に設定された値Ｆstart の内側にある場合には、通常のインピーダンス制御が行われるが、関節負荷がＦstart 値になりＦlimit へ近づくにつれて、駆動装置が持つ全自由度中のある自由度方向のインピーダンス定数を変更し、その軸を仮想的にフリーにする結果、肢体への負荷が大きくなろうとする時、無理な負荷をかけず、また装置自体にも安全性を持たせながら動作可能となり、さらに、過負荷をさけるために、装置の動作中、インピーダンス定数を常に小さくしておくような必要がなくなり、治療のために設定した目標軌道をインピーダンス定数が小さいために達成できないという問題が解決でき、さらにまたインピーダンス定数の設定が容易になるという作用を有する。
本発明の請求項２に記載の発明は、監視対象を関節負荷または筋力負荷とする手段を備えた請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置としたものであり、この請求項２に記載の発明は、監視対象を関節負荷または筋力負荷とする手段を構えたことから、負荷の力変化を把握し易いという作用を有する。
【０００６】
本発明の請求項３に記載の発明は、前記負荷推定部により得られる現在の肢体への負荷が、前記Ｆlimit と前記Ｆstart の間の領域にあれば、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向において、そのインピーダンス定数である仮想バネ定数または仮想粘性定数を、前記Ｆstart から前記Ｆlimit へ関節負荷が大きくなるに応じて除々に減らし、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく手段を備えた請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置としたものである。
この請求項３に記載の発明は、インピーダンス定数変換部が仮想バネ定数のみの変化、また仮想粘性定数のみの変化および仮想バネ定数と仮想粘性定数の組み合せによる変化で構成され得るという作用を有する。
本発明の請求項４に記載の発明は、前記負荷推定部により得られる現在の肢体への負荷が、前記Ｆlimit と前記Ｆstart の間の領域にある場合、装置の負荷計測手段における最大の負荷方向に対し、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく手段を備えた請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置としたものである。
この請求項４に記載の発明は、肢体に過負荷がかかろうとする場合に、装置の負荷計測手段における最大の負荷方向に対し、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていくことができるという作用を有する。
本発明の請求項５に記載の発明は、肢体に取り付けられた前記力センサおよび肢体のパラメータを用いた運動学により肢体への負荷を算出する負荷推定部を持つ請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置としたものであり、この請求項５に記載の発明は、制御装置に取り付けられた力センサおよび肢体のパラメータを用いた運動学により肢体への負荷を算出する負荷推定部を持つ制御手段が得られるという作用を有する。
【０００７】
本発明の請求項６に記載の発明は、肢体への負荷の算出を、肢体駆動装置の肢体への装着部に加わる負荷を計測する計測手段によって肢体への負荷とする負荷推定部を持つ請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置としたものであり、この請求項６に記載の発明は、肢体への負荷を、上記の力センサおよび肢体パラメータを用いた運動学による推定は行わず、装置に取り付けられた計測手段で簡易的に算出する負荷推定部を持つ制御手段が得られるという作用を有する。
本発明の請求項７に記載の発明は、関節負荷の推定算出を、肢体に取り付けた計測手段により計測し算出する負荷推定部を持つ請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置としたものであり、この請求項７に記載の発明は、肢体に取り付けられたトルクセンサ、圧力センサ、触覚センサ等により、肢体への負荷を計測し算出する負荷推定部を持つ制御手段を得られるという作用を有する。
【０００８】
本発明の請求項８に記載の発明は、駆動装置が持つ仮想フリー機能を２自由度以上、全自由度以下の自由度方向において実行する手段を備えた請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置としたものである。
この請求項８に記載の発明は、仮想バネ変換領域に肢体が入った場合に、駆動装置が持つ２自由度以上、全自由度以下の仮想バネ定数を変化させることにより、肢体動作領域外時において、さらに滑らかに装置が動作でき、安全性も向上するという作用を有する。
【０００９】
本発明の請求項９に記載の発明は、肢体に装着した装置の動作によって肢体を動かす目的で、装置に取り付けられた力センサまたは位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する肢体駆動装置の制御装置において、制御装置の動作中に、肢体の動作位置を肢体に取り付けられたセンサにより計測し常に監視する肢体位置算出部と、前記肢体動作位置の可動域限界付近において目標インピーダンスの各パラメータ定数が変更できるインピーダンス定数変換部と、前記肢体位置算出部により得られる現在位置が、設定した肢体の可動限界位置Ｌlimit に対しその位置より手前に設定された位置Ｌstart に入った時点で、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向のインピーダンス定数を、前記Ｌstart から前記Ｌlimit へ肢体位置が向かう距離に応じて変更し、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく制御手段と、を備えた肢体駆動の制御装置としたものである。
この請求項９に記載の発明は、人間の肢体動作位置を常に監視し、肢体が可動限界域に近づいた場合、仮想的にフリーな動作自由度をつくることで、人間の関節に無理な負荷を与えず滑らかに駆動装置を動作させる事ができ、しかも装置自体の安全性も向上するという作用を有する。
【００１０】
本発明の請求項１０に記載の発明は、前記肢体位置算出部により得られる現在位置が、前記Ｌlimit と前記Ｌstart の間の領域にあれば、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向のインピーダンス定数である仮想バネ定数または仮想粘性定数を、前記Ｌstart から前記Ｌlimit へ肢体位置が向かう距離に応じて除々に減らし、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく手段を備えた請求項９記載の肢体制御装置の制御装置としたものである。
この請求項１０に記載の発明は、インピーダンス定数変換部が仮想バネ定数のみの変化、また仮想粘性定数のみの変化および仮想バネ定数と仮想粘性定数の組み合せによる変化で構成され得るという作用を有する。
【００１１】
本発明の請求項１１に記載の発明は、肢体の算出を、前記肢体駆動装置の運動学および肢体のパラメータによる運動学により推定計算する肢体位置算出部を持つ請求項９記載の肢体駆動装置の制御装置としたものであり、肢体位置算出部においてセンシング機能は使わず、装置の各軸の角度から順運動学を用いて装置の先端位置を求め、その位置から肢体に取り付けられたスプリント位置、すなわち肢体の絶対位置まで座標変換を行い、その肢体の絶対位置をもとに肢体位置の推定を行う手段、またはその肢体の絶対位置から肢体のパラメータおよび肢体位置の基準点（固定点）をもとに、肢体の逆運動学を用いて肢体の各関節角度を求め、肢体位置の推定を行えるという作用を有する。
【００１２】
本発明の請求項１２に記載の発明は、前記肢体運動装置が持つ仮想フリー機能を２自由度以上、全自由度以下の自由度方向において実行する請求項９ないし請求項１１のうちいずれかの項に記載の肢体駆動装置の制御装置としたものであり、仮想バネ変換領域に肢体が入った場合に、駆動装置が持つ２自由度以上、全自由度以下の仮想バネ定数を変化させることにより、肢体動作領域外時において、さらに滑らかに装置が動作でき、安全性も向上するという作用を有する。
次に、本発明の実施の形態を各図に基づいて説明する。
全ての図面において、同一符号は同一もしくは相当部材とする。
【００１３】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１を図を追って述べる。
本発明を含む制御手段の回路構成ブロック図を図１に示す。
ここで説明を簡略化するため、肢体負荷の監視を膝関節とし［請求項２で記述］、インピーダンス定数変換部が仮想バネ定数のみ変化する場合とし［請求項３で記述］、負荷推定を肢体に取り付けられた力センサおよび肢体のパラメータを用いた運動学により算出する場合［請求項６で記述］について、これを例にとる。
【００１４】
図１において、101 は駆動装置のアーム、102 は対象物（人間の肢体）、103 はアーム101 の手先位置に取り付けられたスプリント（手先位置）、104 はアーム101 の先端に取り付けられ力およびモーメントを検出する力センサ、105 はアーム101 を駆動するモータ、106 は駆動モータ105 の回転角度を検出する回転角検出部、107 は力センサ104 の力およびモーメント信号をデジタル値に変換するアナログ／デジタル変換器、108 は力信号を手先位置103 の変位に変換する変位演算処理部、109 は手先位置103 からモータ105 の目標角度を算出する逆運動学計算部、110aは手先位置103 の目標軌道を設定する目標軌道設定部、111 は回転角検出部106 の出力をデジタル値に変換する回転角変換回路、112 はゲイン積分器、113 はゲイン積分器112 の出力をアナログ値に変換するデジタル／アナログ変換器、114 はＤ／Ａ変換器113 の出力に従って駆動モータ105 を動かすサーボアンプ、115aは肢体の動作負荷を推定計算する負荷推定部、116 は関節負荷に応じて仮想バネ定数を変更するインピーダンス定数変換部である。
【００１５】
肢体を運動させるために設定した目標軌道に従って装置が動作する際に、負荷推定部115aにより常に肢体102 の関節負荷を監視し、関節負荷に応じた仮想ばね定数をインピーダンス定数変換部116 により生成し、変位演算処理部108 へ常に送る。
その過程のもとで、力センサ104により得られた力信号は、Ａ／Ｄ変換回路107によってデジタル値に変換され、変位演算処理部108に入力される。インピーダンス定数変換部116 で設定されている慣性および粘性パラメータと負荷推定部115aで推定した関節負荷に応じた弾性パラメータ（仮想バネ定数）をもとに手先負荷103 の目標軌道からの変位が算出される。
【００１６】
この変位は目標軌道設定部110aの出力に加算され、手先位置103 の位置指令となり、逆運動学計算部109 によって各関節の角度指令に変換する。
またその時、回転角検出部106 によって検出された駆動モータの回転角を回転角変換回路111 によりデジタル値に変換し、上記角度指令と比較する。
その出力を受けて、この差分にゲイン積分器112 を介し、Ｄ／Ａ変換器113 によってアナログ信号に変換され、サーボアンプ114 によって駆動モータ105 に出力されることによって、駆動装置のアーム101 が駆動される。
脚を取り付けた駆動装置を例に、負荷推定部115aおよびインピーダンス定数変換部116 の動作について述べることにする。まず負荷推定部について図２を用いて説明する。
【００１７】
図２は負荷推定部における負荷推定動作を側面から見た説明図である。
図２において、201 は脚（肢体）、202 は駆動装置、203 は駆動装置に取り付けられた力センサ、204 は駆動装置のスプリント、205 は下腿長、206 は上腿長Ｌ1 、207aは肢体の基準点、208 は膝関節、209 は股関節の角度θ1 、210 は膝関節の角度θ2 、211 は股関節にかかる負荷（トルク）ｔ1 、212 は膝関節にかかる負荷（トルク）ｔ2 、213 は膝関節208 からスプリント204 の中心位置までの長さＬ2 である。
図３は、関節負荷の推定算出を行う過程の流れを表す説明図である。
まず、脚のパラメータである下腿長205 、上腿長206 および脚の基準点207a（駆動装置の原点座標からの位置）を決める［ステップ１］。
【００１８】
脚を２自由度のマニピュレータと考えると、駆動装置202 に取り付けられた力センサ203 により得られる力・モーメント情報から、上記のパラメータをもとにヤコビアン行列Ｊを使い、関節トルク（負荷）を推定する。
例えば、並進２自由度、回転１自由度の垂直平面内３自由度を持つ駆動装置に取り付けられた脚の関節負荷を求める［ステップ２］。
力センサ203 から得られる情報が並進方向の力（Ｆx 、Ｆz ）のみとし、回転方向の力（モーメントＭy ）が検出されない場合を想定する。この時、股関節負荷211 （ｔ1 ）と膝関節負荷212 （ｔ2 ）はヤコビアンＪの転置行列を用いて［ステップ３］、以下の［数１］のように演算の結果として、関節負荷推定を行う［ステップ４］。
【数１】
次いで、インピーダンス定数変換部について図４を用いて説明する。
図４は、関節負荷に対する仮想バネ定数値に関する説明図である。
関節過負荷値Ｆlimit とその手前に設定する位置Ｆstart を、関節の患部状態により、あらかじめ設定する。負荷推定部で得られる値をＦとすれば、
Ｆ＜Ｆstart の場合
仮想バネ定数は、あらかじめ設定されている値Ｋ0 で一定である。
Ｆstart ≦Ｆ＜Ｆlimit の場合
仮想バネ定数は、関節負荷座標の最大値Ｆの距離に応じて
比例係数＝−Ｋ0 ／（Ｆlimit −Ｆstart ）で単調連続的に変化する。
この方法で、関節負荷推定値Ｆとこれに対応したインピーダンス定数変換を行い、あとは通常のインピーダンス制御と同様に制御を行う。
【００２０】
本発明によれば、関節過負荷値ＦがＦstart より離れている場合（つまりＦ＜Ｆstart ）、インピーダンスパラメータである仮想バネ定数は、あらかじめ設定されてある一定値Ｋ0 になる。従ってこの場合通常のインピーダンス制御になる。ＦがＦstart 内に入った場合（Ｆstart ≦Ｆ＜Ｆlimit ）、駆動装置が持つ全自由度中のある１自由度について、仮想ばね定数を上記比例係数のもとで、関節負荷座標の最大値ＦがＦlimit に近づくにつれ除々に小さくし、仮想的にその軸をフリーにする。これにより、肢体の関節に無理な負荷がかからず安全に動作可能となる。また、その自由度以外は通常のインピーダンス制御を行うこととなる。
【００２１】
装置の仮想フリー機能をさらに滑らかに動作させるためには、Ｆstart からＦlimit の幅を大きくとり、仮想バネ定数変更領域を増やせば良い。また、仮想バネ変更領域において、定数の変化を比例的に設定しているが、指数変化的に設定すれば、さらなる滑らかな動作機能が期待できる。
また請求項２で示した手段では、監視対象を関節負荷または筋力負荷等とし、動作させる請求項１記載の制御手段である。
そして請求項３で示した手段では、インピーダンス定数変換部が上記で説明した仮想バネ定数のみの変化、また仮想粘性定数のみの変化および仮想バネ定数と仮想粘性定数の組み合せによる変化で構成された制御手段である。
【００２２】
そしてまた請求項４で示した手段では、肢体に過負荷がかかろうとする場合に、装置の負荷計測手段における最大の負荷方向に対し、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていくことを特徴とする請求項１記載の制御手段である。
さらに請求項５で示した手段では、上記実施例で示したように、装置に取り付けられた力センサおよび肢体のパラメータを用いた運動学により肢体への負荷を算出する負荷推定部を持つ制御手段である。
さらにまた請求項６で示した手段では、肢体への負荷を、上記の力センサおよび肢体パラメータを用いた運動学による推定は行わず、装置に取り付けられた計測手段で簡易的に算出する負荷推定部を持つ制御手段である。
【００２３】
かつ請求項７で示した手段では、肢体に取り付けられたトルクセンサ、圧力センサ、触覚センサ等により、肢体への負荷を計測し算出する負荷推定部を持つ制御手段である。
また請求項８で示した手段では、仮想バネ変換領域に肢体が入った場合に、駆動装置が持つ２自由度以上、全自由度以下の仮想バネ定数を変化させる手段である。これにより、肢体動作領域外時において、さらに滑らかに装置が動作でき、安全性も向上する。
なお、これまでに説明した手段の請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６，請求項７および請求項８のそれぞれの組み合せの機能・用途を持つ制御手段もまた有用適切である。
なおかつ請求項１で示した手段は、リハビリテーション装置あるいはスポーツ・トレーニング装置としての動作を行う手段としても適当である。
【００２４】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２を図に従って説明する。
またここで説明を簡略化するため、インピーダンス定数変換部が仮想バネ定数のみ減らす場合［請求項１１で記述］について、これを例にとる。
本発明を含む制御手段の回路構成を表すブロック図を図５に示す。
図５において、110bは手先位置103 の目標位置を設定する目標位置設定部、115bは肢体の動作位置を推定計算する肢体位置算出部、116 は肢体位置に応じて仮想バネ定数を変更するインピーダンス定数変換部、117 は肢体の動作位置を検出する肢体位置計測センサである。
【００２５】
装置動作中、肢体位置計測センサ117 を介し、肢体位置算出部115bにより常に肢体102 の位置を監視し、肢体位置に応じた仮想ばね定数をインピーダンス定数変換部116 により生成し、変位演算処理部108 へ常に送る過程のもとで、力センサ104 により得られた力信号は、Ａ／Ｄ変換回路107 によってデジタル値に変換され、変位演算処理部108 に入力される。
インピーダンス定数変換部116 で設定されている慣性および粘性パラメータと肢体位置算出部115bで推定した肢体位置に応じた弾性パラメータ（仮想バネ定数）をもとに手先位置103 の目標位置からの変位が算出される。
【００２６】
この変位は目標位置設定部110bの出力に加算され、手先位置103 の位置指令となり、逆運動学計算部109 によって各関節の角度指令に変換する。
またその時、回転角検出部106 によって検出された駆動モータの回転角を回転角変換回路111 によりデジタル値に変換し、上記角度指令と比較する。
その出力を受けて、この差分にゲイン積分器112 を介し、Ｄ／Ａ変換器113 によってアナログ信号に変換され、サーボアンプ114 によって駆動モータ105 に出力されることによって、駆動装置のアーム101 が駆動される。
【００２７】
図６は肢体位置算出部に関する肢体位置を側面から見た説明図である。
この図６において、214 は肢体位置計測センサにより得られる脚201 の動作位置座標の最大値、215 は脚201 の可動限界位置Ｌlimit からその位置より手前に設定された位置Ｌstart の距離幅（仮想バネ定数変更領域）、204 は駆動装置のスプリント、216 は駆動装置の手先位置座標、207bは脚201 の動作支点座標を示す。
図７は、肢体の動作位置に対する仮想バネ定数値に関する説明図である。
ここで、肢体位置算出部115b及びインピーダンス定数変換部116 の動作を図６および図７を用いて説明する。
肢体位置計測センサであるゴニオメータ、ポテンショメータおよび測距センサ等により肢体の動作位置を計測することで、動作座標の最大値214 は求まる。
【００２８】
いま例えば、上記センサを使い、治療行為前に装置を肢体に取り付け、事前に肢体を動かしておけば、肢体の可動領域はあらかじめ推測できる。よって、可動域限界値Ｌlimit とその手前に設定された位置Ｌstart は定められる。この時、肢体位置座標の最大値214 をＸとすれば、
Ｘ＜Ｌstart の場合
仮想バネ定数は、あらかじめ設定されている値Ｋ0 で一定である。
Ｌstart ≦Ｘ＜Ｌlimit の場合
仮想バネ定数は、肢体位置座標の最大値Ｘの距離に応じて比例係数＝−Ｋ0 ／（Ｌlimit −Ｌstart ）で単調連続的に変化する。
この方法で、肢体位置算出とこれに対応したインピーダンス定数変換を行い、あとは通常のインピーダンス制御と同様に制御を行う。
【００２９】
上記手段により、肢体の動作位置を常に監視しながら、肢体位置が可動限界に設定された可動限界位置Ｌlimit からその位置より手前に設定された位置Ｌstart の内側にある場合には、通常のインピーダンス制御が行われるが、肢体動作がＬstart 内に入りＬlimit との距離が縮まるにつれて、駆動装置が持つ全自由度中のある自由度方向のインピーダンス定数を変更し、その軸を仮想的にフリーにする。
その結果、肢体が動作範囲外に近づきつつある時、関節に無理な負荷をかけず、また装置自体にも安全性を持たせながら動作可能となる。
【００３０】
本発明によれば、肢体位置座標の最大値ＸがＬstart より離れている場合（Ｘ＜Ｌstart ）、インピーダンスパラメータである仮想バネ定数は、あらかじめ設定されてある一定値Ｋ0 になる。従ってこの場合通常のインピーダンス制御になる。ＸがＬstart 内に入った場合（Ｌstart ≦Ｘ＜Ｌlimit ）、駆動装置が持つ全自由度中のある１自由度について、仮想ばね定数を上記 例係数のもとで、肢体位置座標の最大値ＸがＬlimit に近づくにつれ除々に小さくし、仮想的にその軸をフリーにする。
【００３１】
これにより、肢体の関節に無理な負荷がかからず安全に動作可能となる。また、その自由度以外は通常のインピーダンス制御を行うこととなる。
装置の仮想フリー機能をさらに滑らかに動作させるためには、Ｌstart からＬlimit の幅を大きくとり、仮想バネ定数変更領域を増やせば良い。また、仮想バネ変更領域において、定数の変化を比例的に設定しているが、指数変化的に設定すれば、さらなる滑らかな動作機能が期待できる。
【００３２】
そして請求項１０で示した装置は、インピーダンス定数変換部が上記で説明した仮想バネ定数のみの変化、また仮想粘性定数のみの変化および仮想バネ定数と仮想粘性定数の組み合せによる変化で構成されたものである。
また請求項１１で示した装置では、肢体位置算出部115 においてセンシング機能は使わず、装置の各軸の角度から順運動学を用いて装置の先端位置を求め、その位置から肢体に取り付けられたスプリント位置、すなわち肢体の絶対位置まで座標変換を行い、その肢体の絶対位置をもとに肢体位置の推定を行う方式、またはその肢体の絶対位置から肢体のパラメータおよび肢体位置の基準点（固定点）をもとに、肢体の逆運動学を用いて肢体の各関節角度を求め、肢体位置の推定を行うものである。
【００３３】
そしてまた請求項１２で示した装置では、仮想バネ変換領域に肢体が入った場合に、駆動装置が持つ２自由度以上、全自由度以下の仮想バネ定数を変化させる。これにより、肢体動作領域外時において、さらに滑らかに装置が動作でき、安全性も向上する。
さらにこの実施の形態２で説明し請求項９で示した手段のすべて持つ装置は、請求項１で示した機能と同様に、リハビリテーション分野での使用すなわちリハビリテーション装置あるいはスポーツ・トレーニング装置としての動作を行う手段としてもまた望ましい。
請求項９ないし請求項１２を合わせ持つ制御手段も、これまた好ましい肢体制御装置の制御装置である。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば人間の肢体関節負荷を常に監視し、関節にかかる負荷が過負荷領域に近づいた場合、仮想的にフリーな動作自由度をつくることで、人間の関節に無理な負荷を与えず滑らかに駆動装置を動作させることができ、しかも装置自体の安全性も向上するという効果がある。また、過負荷をさけるために、装置の動作中、インピーダンス定数を常に小さくしておくような必要がなくなり、治療のために設定した目標軌道をインピーダンス定数が小さいために達成できないという問題が解決でき、またインピーダンス定数の設定が容易になる。
さらに、本発明によれば人間の肢体動作位置を常に監視し、肢体が可動限界域に近づいた場合、仮想的にフリーな動作自由度をつくることで、人間の関節に無理な負荷を与えず滑らかに駆動装置を動作させる事ができ、しかも装置自体の安全性も向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を表す制御手段の回路構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における負荷推定部を示す説明図
【図３】本発明の実施の形態１は関節負荷の推定算出を行う流れ図
【図４】本発明の実施の形態１における肢体の動作位置に対する仮想バネ定数値の変換を示す図
【図５】本発明の実施の形態２を表す制御手段の回路構成を示すブロック図
【図６】本発明の実施の形態２における肢体位置算出部を示す説明図
【図７】本発明の実施の形態２における肢体の動作位置に対する仮想バネ定数値の変換を示す図
【符号の説明】
101 駆動装置のアーム
１０２ 肢体
103,204 スプリント（手先位置）
104,203 力センサ
105 モータ
106 回転角検出部
107 アナログ／デジタル変換器
108 変位演算処理部
109 逆運動学計算部
110a 目標軌道設定部
110b 目標位置設定部
111 回転角変換回路
112 ゲイン積分器
113 デジタル／アナログ変換器
114 サーボアンプ
115a 負荷推定部
115b 肢体位置算出部
116 インピーダンス定数変換部
117 関節負荷計測センサ
118 インピーダンス定数変換部
119 肢体位置計測センサ
201 脚
202 駆動装置
205 下腿長
206 上腿長Ｌ1
207a 肢体の基準点
207b 動作支点座標
208 膝関節
209 股関節角度θ1
２１０ 膝関節角度θ2
２１１ 股関節負荷ｔ1
２１２ 膝関節負荷ｔ2
２１３ 膝関節からスプリント中心位置までの長さＬ2
２１４ 動作位置座標の最大値
215 仮想バネ定数変更領域
216 手先位置座標
Claims (12)
- 肢体に装着した装置の動作によって肢体を動かす目的で、装置に取り付けられた力センサまたは位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する肢体駆動装置の制御装置において、
駆動装置の動作中に、装置に装着した肢体への負荷を、常に監視する負荷推定部と、
肢体への過負荷付近により目標インピーダンスの各パラメータ定数が変更できるインピーダンス定数変換部と、
前記負荷推定部により得られる肢体への負荷が、設定した肢体への過負荷値Ｆlimit に対しその値より小さく設定された値Ｆstart に到達した時点で、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向のインピーダンス定数を、前記過負荷値Ｆlimit へ肢体負荷値が近づくに応じて変化させ、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく制御手段と、
を備えたことを特徴とする肢体駆動装置の制御装置。 - 監視対象を関節負荷または筋力負荷とする手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置。
- 前記負荷推定部により得られる現在の肢体への負荷が、前記Ｆlimit と前記Ｆstart の間の領域にあれば、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向において、そのインピーダンス定数である仮想バネ定数または仮想粘性定数を、前記Ｆstart から前記Ｆlimit へ関節負荷が大きくなるに応じて除々に減らし、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置。
- 前記負荷推定部により得られる現在の肢体への負荷が、前記Ｆlimit と前記Ｆstart の間の領域にある場合、装置の負荷計測手段における最大の負荷方向に対し、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置。
- 肢体に取り付けられた前記力センサおよび肢体のパラメータを用いた運動学により肢体への負荷を算出する負荷推定部を持つことを特徴とする請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置。
- 肢体への負荷の算出を、肢体駆動装置の肢体への装着部に加わる負荷を計測する計測手段によって肢体への負荷とする負荷推定部を持つことを特徴とする請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置。
- 関節負荷の推定算出を、肢体に取り付けた計測手段により計測し算出する負荷推定部を持つ請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置。
- 駆動装置が持つ仮想フリー機能を２自由度以上、全自由度以下の自由度方向において実行する手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の肢体駆動装置の制御装置。
- 肢体に装着した装置の動作によって肢体を動かす目的で、装置に取り付けられた力センサまたは位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって装置の動作を制御する肢体駆動装置の制御装置において、
駆動装置の動作中に、肢体の動作位置を肢体に取り付けられたセンサにより計測し常に監視する肢体位置算出部と、
前記肢体動作位置の可動域限界付近において目標インピーダンスの各パラメータ定数が変更できるインピーダンス定数変換部と、
前記肢体位置算出部により得られる現在位置が、設定した肢体の可動限界位置Ｌlimit に対しその位置より手前に設定された位置Ｌstart に入った時点で、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向のインピーダンス定数を、前記Ｌstart から前記Ｌlimit へ肢体位置が向かう距離に応じて変更し、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく制御手段と、
を備えたことを特徴とする肢体駆動装置の制御装置。 - 前記制御手段は、前記肢体位置算出部により得られる現在位置が、前記Ｌlimit と前記Ｌstart の間の領域にあれば、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向のインピーダンス定数である仮想バネ定数または仮想粘性定数を、前記Ｌstart から前記Ｌlimit へ肢体位置が向かう距離に応じて除々に減らし、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく手段を備えたことを特徴とする請求項９記載の肢体駆動装置の制御装置。
- 肢体の位置算出を、前記肢体駆動装置の運動学および肢体のパラメータによる運動学により推定計算する肢体位置算出部を持つ請求項９記載の肢体駆動装置の制御装置。
- 前記肢体運動装置が持つ仮想フリー機能を２自由度以上、全自由度以下の自由度方向において実行する請求項９ないし請求項１１のうちいずれかの項に記載の肢体駆動装置の制御装置。
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