JP4493961B2 - 人間アシスト・システムにおける重力補償方法および重力補償を備えた人間アシスト・システム - Google Patents
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Description
加藤久他著、「歩行機能補助装置の研究」日本機械学会、福祉工学シンポジウム、2001年8月
筋トルクを発生させる骨格筋は、意図的な体の動きを担当しているので「随意筋」とも呼ばれる。これらの筋は、人間が自らの意志によって筋の運動を制御できるので随意である。外骨格装置制御の設計における困難な問題は、アシスト制御と神経系によって実行される随意運動との間のインタフェースを最小にするコントローラを開発することである。効果的なコントローラを開発するために、筋に由来する随意制御によって駆動される筋骨格システムおよび補助装置に由来する人工的制御の力学の数学的な表現を考察する。力学は、微分方程式の以下の組によってモデル化することができる。
τn=τm+τa (3)
1)運動の前進を担当する随意アクチュエータと静的均衡を維持することを担当するアシスト・アクチュエータとの間の自然な区分が存在する。この区分は、随意制御と人工的制御の間のインタフェースを減少させる可能性がある。
2)重力トルクは、関節位置と向きの関数であり、速度項と加速度項を含まないので、重力補償戦略は、運動学的変数の数値微分によるノイズ増幅の影響を受けにくい。
3)重力補償は、モデルベース制御戦略と見なすことができるが、非常に厳密な動的モデルを必要とする逆動力学的方法に比較して、パラメータの不確実さに左右される程度が限定されている。
アシスト・トルクの調和した、インテリジェントな動作は、疲労を減少する機会を与えるだけでなく、運動を安定させる関節インピーダンスの制御を可能とする。アシスト・トルクが運動を安定化することができる程度を定量化することは困難であるが、運動のエネルギー特性に対する、追加的な操作の効果は、アシスト制御の設計により容易に組み込むことができる。力学的エネルギーは、アシスト制御アルゴリズムと関連した効率を定量化し、記述する、優れた手段である。関節レベルにおいて、筋によって発生させられるパワーを記述するのに使用される生体力学的な量は、実随意筋モーメントτmと関節角速度Ωとの積である。
Pm=τmΩ (6)
同様に実関節パワーは、以下の式で与えられる。
Pn=τnΩ (7)
(2)M. Gagnon and G. Smith. Muscular mechanical energy expenditure as a process for detecting potential risks in manual materials handling. J. Biomech., 24(3/4):191−203, November 1991。
アシスト制御アルゴリズムの適正さを判断するための1つの基準は、代謝的なコストに対するアシスト制御の効果を考察することである。アシストされた制御の代謝的なコストが、アシストされていない制御の代謝的なコストよりも小さければ、瞬時のアシスト・トルクは、代謝的に適正であると考える。
|τm|<|τn| (14)
|τm|=|τn−τa| (15)
式15を式14に代入して、以下の式を得る。
|τn−τa|<|τn| (16)
したがって、式16を満足する必要十分条件は、以下の不等式制約条件を満たすアシスト・トルクを加えることである。
0<τa<2τn τn>0
2τn<τa<0 τn<0 (17)
式17による基準による適正領域は、図1にプロットされている。インテリジェントな重力アシスト・コントローラを開発するために、力学的なエネルギーと関連する適正領域とを考察する必要がある。一般的な制御戦略を作成するために、重力が運動を助けるときに系の自然な力学を利用すると共に、重力が運動を妨げるときに重力を補償する制御戦略につながる、本明細書に記載の重力補償コントローラを補完するハイブリッドコントローラを開発することが肝要である。
上記の記述に基づき、本発明を以下に説明する。
ここで、繰り返し表現による重力補償アルゴリズムを示す。この表現は、パラメータの不確かさやモデル化されていない力学に対してよりロバスト性が高い、外骨格装置制御方式を実現するのにより適している。当該アルゴリズムは、鉛直方向の床反力を制約条件として使用し、重力による関節におけるモーメントを反復計算する。多体平面動的システムを考察する。個別の、体のセグメントi(i=1…n)に対して、図2に示すように、
τa(1)= 0 (27)
τa(i+1)=τg(i+1) (28)
である。すべての関節における目標のアシスト・トルクは、単に
τa(desire)=[τa(1),τa(2),…τa(n)] (29)
によって生成されるベクトルである。関節が作動していなければ、当該関節におけるアシスト・トルクは、単にゼロである。
重力補償コントローラ、外骨格装置アクチュエータ・システムおよび人間と外骨格装置を含む全システムのブロック図を図3に示す。外骨格装置アクチュエータ制御システムは、上記の重力補償コントローラを使用して計算された目標アシスト・トルクを取り込み、その出力に当該目標アシスト・トルクを生成するように試みる。人間の関節を駆動するのに使用される実際のアシスト・トルクは、当該外骨格装置アクチュエータ・システムの出力である。重力補償コントローラおよび外骨格装置アクチュエータ・システムが、人間アシスト・システムを構成する。
人間アシスト・システムのブロック図を図5に示す。上述のように、人間アシスト・システムは、重力補償コントローラ100および外骨格装置アクチュエータ・システム200を含む。重力補償コントローラ100は、CPU(中央処理装置)101、メモリ102、D/Aコンバータ103、A/Dコンバータ104およびデジタル入出力ユニット105を備える。外骨格装置アクチュエータ・システム200は、関節の各々に目標のアシスト・トルクを供給するアクチュエータ・ユニットを備える。関節には、両方の足首の関節、両方の膝の関節および両方の腰の関節が含まれる。これらの関節用に複数のアクチュエータ・ユニットを備える。各アクチュエータ・ユニットは、モータ・ドライバ201、DCサーボモータ202、ギア203およびポテンショメータ204を含む。
図6は、人間アシスト・システムの動作プロセスの流れ図を示す。
人手による物品処理作業を表す質量の上昇・下降運動に対して、重力補償プロトコルをシミュレーションした。図4に示すように、足、脚下部、脚上部、胴体、腕上部および腕下部をモデル化している6リンクの平面システムを、解析を行うために使用する。持ち上げることの、種々の力学的または運動学的パラメータに対する、動的な要因や外部質量の効果は、バイオメカニクス研究者によって広く研究されている。以下の文献を参照されたい。
(5)S. H. Hsiang and R. W. McGorry. Three different lifting strategies for controlling the motion patterns of the external load. Ergonomics, 40:928−939, 1997。
101 CPU
102 メモリ
200 外骨格装置アクチュエータ
201 モータ・ドライバ
202 モータ
Claims (17)
- 人間の関節にアシスト・トルクを与えて筋の負荷を軽減するアシスト・システムにおいて、関節に与えるアシスト・トルクを求める方法であって、
足の下の圧力中心に作用する床反力を求めるステップと、
足の下の圧力中心における反力モーメントはゼロとして、下腿部における力およびモーメントの均衡式における重力加速度項以外の加速度項、角加速度項および水平方向の力の項をゼロとして膝関節に働く重力によるモーメントを求めるステップと、
大腿部における力およびモーメントの均衡式における重力加速度項以外の加速度項、角加速度項および水平方向の力の項をゼロとして腰関節に働く重力によるモーメントを求めるステップと、
該膝関節および該腰関節に働く重力によるモーメントを補償するように該膝関節および該腰関節に与えるアシスト・トルクを求めるステップと、を含む方法。 - 関節に働く重力によるモーメントを求めるステップにおいて、足の下の圧力中心および各セグメントの傾斜角度に基づいて関節に働く重力によるモーメントを求める請求項1に記載の方法。
- センサによる測定値に基づいて床反力を求める請求項1または2に記載の方法。
- リアルタイム処理を行うことにより、アシスト・トルクをリアルタイムに求める請求項1から3のいずれかに記載の方法。
- センサによる測定値に基づいて各セグメントの傾斜角度を求める請求項1から4のいずれかに記載の方法。
- 傾斜角度を求める前記センサが関節角度を示す関節角度センサである請求項5に記載の方法。
- 関節角度センサがポテンショメータである請求項6に記載の方法。
- 人間が負荷を上昇・下降させる際に使用される請求項1から7のいずれかに記載の方法。
- 人間の関節にアシスト・トルクを与えて筋の負荷を軽減するアシスト・システムであって、関節にアシスト・トルクを与えるモータと、モータを駆動制御するモータ・ドライバと、アシスト・トルクの目標値を定めるコントローラとを含み、当該コントローラは、プロセッサとメモリとを含み、足の下の圧力中心に作用する床反力を求め、足の下の圧力中心における反力モーメントはゼロとして、下腿部における力およびモーメントの均衡式における重力加速度項以外の加速度項、角加速度項および水平方向の力の項をゼロとして膝関節に働く重力によるモーメントを求め、大腿部における力およびモーメントの均衡式における重力加速度項以外の加速度項、角加速度項および水平方向の力の項をゼロとして腰関節に働く重力によるモーメントを求め、該膝関節および該腰関節に働く重力によるモーメントを補償するように該膝関節および該腰関節に与えるアシスト・トルクを定めるように構成されたアシスト・システム。
- 外骨格装置型である請求項9に記載のアシスト・システム。
- 関節に働く重力によるモーメントを求める際に、各セグメントの傾斜角度に基づいて関節に働く重力によるモーメントを求める請求項9または10に記載のアシスト・システム。
- 床反力を検出するためのセンサをさらに含み、当該センサの測定に基づいて床反力を求める請求項9から11のいずれかに記載のアシスト・システム。
- 足の下の圧力中心を検出するためのセンサをさらに含み、当該センサの測定に基づいて足の下の圧力中心を求める請求項9から12のいずれかに記載のアシスト・システム。
- リアルタイム処理により、アシスト・トルクをリアルタイムに求める請求項9から13のいずれかに記載のアシスト・システム。
- 各セグメントの傾斜角度を求めるセンサをさらに含む請求項9から14のいずれかに記載のアシスト・システム。
- 前記傾斜角度を求めるセンサが関節角度を示す関節角度センサである請求項15に記載のアシスト・システム。
- 関節角度センサがポテンショメータである請求項16に記載のアシスト・システム。
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