JP5045338B2 - Lower limb drive device - Google Patents

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Description

本発明は,肢体の機能を回復するために用いられるリハビリテーション支援装置および、トレーニング装置等の肢体駆動装置において、特に下肢を駆動するための下肢駆動装置に関する。   The present invention relates to a rehabilitation assisting device used for restoring the function of a limb and a limb driving device for driving a lower limb in a limb driving device such as a training device.

従来の下肢駆動装置は、装置に患者を乗せた状態で、医師や理学療法士が直接患者の脚を動かして、訓練時の軌道を装置に覚え込ませる(教示する)装置が開発されている(例えば、特許文献1参照)。この装置は、インピーダンス制御を用いて、教示を行なう際の脚の動きにアームを追従させることで教示を可能にしている。また、訓練時にインピーダンス制御を行なうことで、患者の脚に無理な負荷をかけずに訓練を行なうことができる。
教示者の負荷を軽くする(なくす)ことを目的としたリハビリ機器として、アームとモータの減速機の間に磁気式のトルクセンサを取り付けた装置が開発されている(例えば、特許文献2参照)。
また、リハビリ機器以外のロボットの直接教示に関する技術として、ロボットの自重をキャンセルして教示者の操作力を軽減させるもの(例えば、特許文献3参照)や、教示途中でワークを把持してロボットにかかる重力が増加した場合にも重力の影響をキャンセルするもの(例えば、特許文献4参照)などが開発されている。こうした機能の実現のためにインピーダンス制御を行なう例も開示されている(例えば、特許文献5、6参照)。
図5は従来例を示す下肢駆動装置の操作フロー図である。
図5において、下肢駆動装置の操作手順は、患者の脚を装置に取り付け(ステップ101)、装置に脚を動かす軌道を覚え込ませる教示をして(ステップ102)、ステップ102の教示で覚え込ませた軌道に従って訓練を行なう(ステップ103)。
Conventional leg driving devices have been developed in which a doctor or a physical therapist directly moves a patient's leg while the patient is placed on the device to memorize (teach) the trajectory during training. (For example, refer to Patent Document 1). This apparatus enables teaching by causing an arm to follow the movement of a leg during teaching using impedance control. Further, by performing impedance control during training, it is possible to perform training without imposing an excessive load on the patient's leg.
As a rehabilitation device intended to lighten (eliminate) a teacher's load, a device in which a magnetic torque sensor is attached between an arm and a motor speed reducer has been developed (see, for example, Patent Document 2). .
In addition, as a technique related to direct teaching of robots other than rehabilitation equipment, a technique for canceling the robot's own weight to reduce the operating force of the instructor (for example, see Patent Document 3), A device that cancels the influence of gravity even when the gravity increases (see, for example, Patent Document 4) has been developed. An example of performing impedance control for realizing such a function is also disclosed (see, for example, Patent Documents 5 and 6).
FIG. 5 is an operation flow diagram of the lower limb drive device showing a conventional example.
In FIG. 5, the operation procedure of the lower limb driving apparatus is performed by attaching the patient's leg to the apparatus (step 101), teaching the apparatus to memorize the trajectory for moving the leg (step 102), and memorizing by the teaching of step 102. Training is performed according to the trajectory (step 103).

図6は第1の従来例を示す下肢駆動装置のブロック図である。
図6において、201は患者、202は股関節、203は大腿部、204は膝関節、205は下腿部である。210は大腿アームの駆動軸で角度検出器208、力検出器206を介して大腿部203を股関節202回りに回転させることが可能な構成になっている。211、212は下腿アームの駆動軸で角度検出器209、力検出器207を介して下腿部205を膝関節204回りに回転させることが可能な構成になっている。
大腿アームの制御装置は、力検出器206と角度検出器208の信号を入力して増幅または信号処理し、力または角度に対応する信号に変換する検出器変換器213と、インピーダンス制御部215、サーボアンプ217から構成されている。大腿アームは1自由度であるため、次式を用いたインピーダンス制御とすることができる。
Fe=Mαe+BVe+K(θ-θ0) … (1)
ここに、Feは大腿部と大腿アーム間に作用する力、M、B、Kは目標インピーダンス(Mは慣性係数、Bは粘性係数、Kはバネ係数)、θは大腿アーム駆動軸の角度、θ0は大腿アームのバネ剛性の平衡点、Veは大腿アーム駆動軸の角速度(角度θの微分値)、αeは大腿アーム駆動軸の角加速度(角度θの2階微分値)である。この式を用いた制御は公知の技術であるので詳細な説明を省略する。この制御系において、力検出器206と角度検出器208で検出された信号が検出器変換器213で増幅されてインピーダンス制御部215へ送られると、インピーダンス制御部215が式(1)を満足するようにモーションの指令を発生し、サーボアンプ217を介して駆動軸210のモータを駆動する。
下腿アームの制御装置は、力検出器207と角度検出器209の信号を入力して増幅または信号処理し、力または角度に対応する信号に変換する検出器変換器214と、インピーダンス制御部216、サーボアンプ218、219から構成されている。制御装置の制御は、下腿アームが2自由度であるため、次式を用いたインピーダンス制御とすることができる。
Fx=Mαx+BVx+K(x-x0) … (2)
ここに、Fxは下腿部と下腿アーム間に作用する力、M、B、Kは目標インピーダンス(Mは慣性係数、Bは粘性係数、Kはバネ係数)、xは図6のXY座標系に基づく下腿アームフリー関節の位置、x0はxのバネ剛性の平衡点、Vxはxの微分値、αxはxの2階微分値である。この式を用いた制御は公知の技術であるので詳細な説明を省略する。この制御系において、力検出器207と角度検出器209で検出された力信号と角度信号が検出器変換器214で増幅されてインピーダンス制御部216へ送られると、インピーダンス制御部216が式(2)を満足するようにモーションの指令を発生し、サーボアンプ218、219を介して駆動軸211、駆動軸212のモータを駆動する。
上記のような下肢駆動装置は、多自由度の機構部を有し、インピーダンス制御を行うことで、下肢に無理な負荷をかけずに、複雑なパターンの訓練ができるようになっている。
FIG. 6 is a block diagram of a lower limb driving apparatus showing a first conventional example.
In FIG. 6, 201 is a patient, 202 is a hip joint, 203 is a thigh, 204 is a knee joint, and 205 is a lower leg. Reference numeral 210 denotes a drive shaft of the thigh arm, which can rotate the thigh 203 around the hip joint 202 via the angle detector 208 and the force detector 206. Reference numerals 211 and 212 denote drive shafts of the crus arms, which can rotate the crus part 205 around the knee joint 204 via the angle detector 209 and the force detector 207.
The thigh arm control device receives a signal from the force detector 206 and the angle detector 208, amplifies or processes the signal, and converts the signal into a signal corresponding to the force or angle, and an impedance control unit 215, The servo amplifier 217 is configured. Since the thigh arm has one degree of freedom, impedance control using the following equation can be performed.
Fe = Mαe + BVe + K (θ-θ0) (1)
Where Fe is the force acting between the thigh and the thigh arm, M, B and K are target impedances (M is the inertia coefficient, B is the viscosity coefficient, K is the spring coefficient), and θ is the angle of the thigh arm drive shaft. , Θ0 is a balance point of the spring stiffness of the thigh arm, Ve is an angular velocity (differential value of the angle θ) of the thigh arm drive shaft, and αe is an angular acceleration (second-order differential value of the angle θ) of the thigh arm drive shaft. Since control using this equation is a known technique, detailed description thereof is omitted. In this control system, when the signals detected by the force detector 206 and the angle detector 208 are amplified by the detector converter 213 and sent to the impedance control unit 215, the impedance control unit 215 satisfies the expression (1). Thus, a motion command is generated and the motor of the drive shaft 210 is driven via the servo amplifier 217.
The control device for the lower leg arm receives a signal from the force detector 207 and the angle detector 209, amplifies or processes the signal, and converts the signal into a signal corresponding to the force or angle, an impedance control unit 216, It is composed of servo amplifiers 218 and 219. Since the lower arm has two degrees of freedom, the control of the control device can be impedance control using the following equation.
Fx = Mαx + BVx + K (x-x0) (2)
Where Fx is the force acting between the lower leg and the lower leg arm, M, B, K are target impedances (M is an inertia coefficient, B is a viscosity coefficient, K is a spring coefficient), and x is an XY coordinate system in FIG. X0 is the spring stiffness equilibrium point of x, Vx is the differential value of x, and αx is the second-order differential value of x. Since control using this equation is a known technique, detailed description thereof is omitted. In this control system, when the force signal and the angle signal detected by the force detector 207 and the angle detector 209 are amplified by the detector converter 214 and sent to the impedance control unit 216, the impedance control unit 216 represents the equation (2). The motion command is generated so as to satisfy (2), and the motors of the drive shaft 211 and the drive shaft 212 are driven via the servo amplifiers 218 and 219.
The lower limb drive device as described above has a mechanism section with multiple degrees of freedom, and performs impedance control so that a complicated pattern can be trained without applying an excessive load on the lower limb.

図7は第2の従来例を示す下肢駆動装置のブロック図である。
図7において、701はトルクセンサ、702はアーム、703はモータ、704は減速器、705は角度検出器、706は動特性モデル、707はメモリ、708はサーボコントローラ、710は対象物または肢体である。アーム702の動作教示時には、トルクセンサ701で検出された外力722と動特性モデル706をもとにした力制御系によってサーボコントローラ708への角度の指令値723を計算する。サーボコントローラ708は、角度検出器705で検出した角度721の角度指令値723に対する偏差を計算して、実際の角度が角度指令値723に追従するようにモータ駆動トルク724をモータに指令する。モータ703は減速器704を介してアーム702を動かす。このとき、角度指令値723と外力722の値をそれぞれ一定周期ごとにメモリ707に記憶することでアーム702の動作を教示する。本従来例の下肢駆動装置は減速器704とアーム702の間にトルクセンサ701を配置し、対象物または肢体710からの力を検出しているため、アームをつかんだ教示動作が可能となり、また、力制御系の動特性モデルであるインピーダンスの各パラメータの値を小さくとってアーム702が軽い操作感でもって動くようにしておく事が可能である。
特開平11−347081号公報 特開平10−291182号公報 特開平9−38877号公報 特開平5−192885号公報 特開平10−231100号公報 特開平10−249769号公報
FIG. 7 is a block diagram of a lower limb driving apparatus showing a second conventional example.
In FIG. 7, 701 is a torque sensor, 702 is an arm, 703 is a motor, 704 is a speed reducer, 705 is an angle detector, 706 is a dynamic characteristic model, 707 is a memory, 708 is a servo controller, and 710 is an object or limb. is there. When teaching the operation of the arm 702, the command value 723 of the angle to the servo controller 708 is calculated by a force control system based on the external force 722 detected by the torque sensor 701 and the dynamic characteristic model 706. The servo controller 708 calculates the deviation of the angle 721 detected by the angle detector 705 from the angle command value 723, and commands the motor drive torque 724 to the motor so that the actual angle follows the angle command value 723. The motor 703 moves the arm 702 via the speed reducer 704. At this time, the operation of the arm 702 is taught by storing the angle command value 723 and the external force 722 in the memory 707 at regular intervals. In the conventional leg driving device, a torque sensor 701 is disposed between the speed reducer 704 and the arm 702, and the force from the object or the limb 710 is detected. It is possible to make the arm 702 move with a light operational feeling by reducing the value of each parameter of impedance which is a dynamic characteristic model of the force control system.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-347081 Japanese Patent Laid-Open No. 10-291182 JP-A-9-38877 Japanese Patent Laid-Open No. 5-192885 JP-A-10-231100 Japanese Patent Laid-Open No. 10-249769

従来の下肢駆動装置は、インピーダンス制御の各パラメータを調整して、装置のアーム自体は、軽い操作感で動くようにしておくことが可能であったが、患者の脚の自重を考慮していないため、脚の自重は教示を行なう教示者が支える必要があり、これが教示者の負担になっていた。また、リハビリ機器以外のロボットの直接教示に関する技術として、ロボットの自重をキャンセルして教示者の操作力を軽減させるものや、教示途中でワークを把持してロボットにかかる重力が増加した場合にも重力の影響をキャンセルするもの、こうした機能の実現のためにインピーダンス制御を行なう例も開示されているが、下肢駆動装置に乗せる患者の脚は長さや重さに個人差があり、また、ベッドに寝た姿勢で脚を曲げ伸ばしするため、脚の姿勢によって装置にかかる負荷が変化するなどの問題点があり、この様に複雑な自重をキャンセルしている例は他にない。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、脚の自重を推定するとともに脚の自重を補償し、教示者が教示する場合の負荷を軽減することができる下肢駆動装置を提供することを目的とする。
The conventional lower limb drive device was able to adjust each parameter of impedance control so that the arm of the device itself moved with a light operational feeling, but did not consider the weight of the patient's leg For this reason, the weight of the leg must be supported by the instructor who teaches, which is a burden on the instructor. In addition, as a technology related to direct teaching of robots other than rehabilitation equipment, there is a technology that reduces the robot's own weight by reducing the robot's own weight, or when the gravity applied to the robot increases by gripping the workpiece during teaching. Although the example of canceling the influence of gravity and performing impedance control to realize these functions is disclosed, there are individual differences in the length and weight of the patient's leg placed on the lower limb drive device, and the bed Since the legs are bent and stretched in the sleeping position, there is a problem that the load applied to the apparatus changes depending on the posture of the legs, and there is no other example in which such a complicated weight is canceled.
The present invention has been made in view of such problems, and provides a lower limb drive device that can estimate the weight of the leg and compensate for the weight of the leg, thereby reducing the load when the teacher teaches. The purpose is to do.

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項1記載の下肢駆動装置の発明は、大腿部および下腿部を動かす駆動部と、前記大腿部および前記下腿部からの負荷を検出する力検出器と、前記力検出器からの負荷情報から前記駆動部を柔軟に制御するインピーダンス制御部とを備えた下肢駆動装置であって、
前記大腿部および前記下腿部の自重を推定する下肢自重推定部と、前記大腿部および前記下腿部のそれぞれの自重に対応するオフセット値を算出する下肢自重補償部とを備えることにより、教示時および訓練時の前記大腿部および前記下腿部の自重をキャンセルする下肢駆動装置において、
前記下肢自重推定部は、前記大腿部の自重および前記下腿部の自重を、前記大腿部および前記下腿部の各角度検出器の出力と、前記大腿部および前記下腿部の各力検出器の出力および位置と、前記大腿部の長さを基に、次の式(イ)および式(ロ)から、
M1・g=[L1(S1/C1−a2・S3/l2・C3)f2x
−L1(l−a2/l2)f2z
−(a1/C1)f1z]/l1 ・・・・・・式(イ)
M2・g=a2・[(S3/C3)f2x−f2z]/l2・・・・式(ロ)
ここで、
α:大腿部の角度検出器により検出した水平方向となす股角度
γ:下腿部の角度検出器により検出した水平方向となす下腿角度
β:αとγから算出した膝角度(β=γ―α)
L1:患者の大腿部の長さを測って装置に入力した大腿部の長さ
M1:大腿部の自重
M2:下腿部の自重
g:重力加速度
l1:股関節と大腿部の重心位置間の距離
l2:膝関節と下腿部の重心位置間の距離
f1z:大腿部の力検出器からの値
f2x,f2z:下腿部の力検出器からの水平方向および垂直方向の値
a1:大腿部の力検出器の位置(既知)
a2:下腿部の力検出器の位置(既知)
S1=sinα
C1=cosα
S3=sinγ
C3=cosγ、
前記大腿部の自重M1を式(イ)より推定し、
下腿部の自重M2を式(ロ)より推定することを特徴としている。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の下肢駆動装置において、前記下肢自重補償部が、前記大腿部の自重推定値M1・gおよび前記下腿部の自重推定値M2・gを基に、次の式(ハ)〜(ホ)から、
f1z_offst=−C1・M1・g … (ハ)
f2x_offst≒0 … (ニ)
f2z_offst=−M2・g … (ホ)
前記大腿部および前記下腿部の各オフセット値を算出することを特徴としている。
In order to solve the above problem, the present invention is configured as follows.
The invention of the lower limb drive device according to claim 1 includes a drive unit that moves the thigh and the lower leg, a force detector that detects a load from the thigh and the lower leg, and the force detector. a lower leg drive system including an impedance controller for flexible control of the drive unit from the load information,
A lower limb weight estimation unit that estimates the weight of the thigh and the lower leg, and a lower limb weight compensation unit that calculates an offset value corresponding to the respective weights of the thigh and the lower leg. In the lower limb drive device that cancels the weight of the thigh and the lower leg at the time of teaching and training ,
The lower limb weight estimation unit calculates the weight of the thigh and the weight of the crus, outputs of the angle detectors of the thigh and the crus, and outputs of the thighs and the crus. Based on the output and position of each force detector and the length of the thigh, from the following formulas (A) and (B):
M1 · g = [L1 (S1 / C1-a2 · S3 / l2 · C3) f2x
-L1 (l-a2 / l2) f2z
-(A1 / C1) f1z] / l1 Formula (A)
M2 · g = a2 · [(S3 / C3) f2x−f2z] / l2... Formula (b)
here,
α: Horizontal crotch angle detected by thigh angle detector
γ: Angle of the lower leg that is detected by the angle detector of the lower leg and the horizontal direction
β: Knee angle calculated from α and γ (β = γ-α)
L1: The length of the thigh measured by inputting the length of the patient's thigh into the device
M1: Weight of the thigh
M2: Weight of the lower leg
g: Gravity acceleration
l1: Distance between the center of gravity of the hip joint and thigh
l2: Distance between the center of gravity of knee joint and lower leg
f1z: Value from thigh force detector
f2x, f2z: horizontal and vertical values from the lower leg force detector
a1: Position of thigh force detector (known)
a2: position of the force sensor of the lower leg (known)
S1 = sinα
C1 = cosα
S3 = sinγ
C3 = cosγ,
The weight M1 of the thigh is estimated from the formula (A),
It is characterized by estimating the weight M2 of the lower leg from the formula (b) .
According to a second aspect of the present invention, in the lower limb drive device according to the first aspect, the lower limb weight compensation section is based on the estimated weight M1 · g of the thigh and the estimated weight M2 · g of the crus. From the following formulas (c) to (e)
f1z_offst = −C1 · M1 · g (C)
f2x_offst ≒ 0 ... (d)
f2z_offst = -M2 · g (e)
Each offset value of the thigh and crus is calculated .

請求項1に記載の発明によると、大腿部と下腿部の自重を推定する下肢自重推定部と、大腿部と下腿部の自重に対応するオフセット値を算出する下肢自重補償部とを備えて、これを補償するようにしたので、教示者は患者の脚の自重を支える必要がなくなり、従来の負担を軽減して教示を行うことができる。
請求項2〜5記載の発明によると、予め患者の大腿部の長さを入力するだけで大腿部と下腿部の自重(下肢の自重)を推定するようになるので、きわめて使い勝手のよい下肢駆動装置となる。
According to the first aspect of the present invention, the lower limb weight estimation unit that estimates the weight of the thigh and the lower leg, and the lower limb weight compensation unit that calculates an offset value corresponding to the weight of the thigh and the lower leg. Therefore, the teacher does not need to support the weight of the patient's leg, and the teaching can be performed while reducing the conventional burden.
According to the second to fifth aspects of the present invention, since the weights of the thighs and lower legs (self-weight of the lower limbs) are estimated simply by inputting the length of the patient's thighs in advance, it is extremely easy to use. A good lower limb drive.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の下肢駆動装置の操作フロー図である。
まず、患者の脚を装置に取り付ける(ステップ101)。
次に、脚の自重推定を行なうが、脚の自重推定(ステップ104)では、大腿部の自重と下腿部の自重の各々を患者の各データおよび装置のセンサの値から算出する。
更に、ステップ104の脚の自重推定で推定した大腿部および下腿部の自重データ(106)を用いて、脚の自重補償を行なう(ステップ105)。
ステップ105の脚の自重補償では、大腿アームと下腿アームのそれぞれの力検出器によって検出した脚の自重に対応するオフセット値(107)の算出を行なう。ステップ102の教示では、従来例と同様に装置に脚を動かす軌道を覚え込ませるが、この時、ステップ105の脚の自重補償で算出したオフセット値を用いて脚の自重をキャンセルすることにより教示時における教示者の負担を軽減することが可能となる。
ステップ102の教示で覚え込ませた軌道に従って訓練を行なう(ステップ103)が、この際にもステップ105の脚の自重補償で算出したオフセット値(107)を用いると、訓練中にインピーダンス制御を用いて大腿アームと下腿アームを柔軟に制御して脚を動かす場合に、脚の自重による大腿アームおよび下腿アームの沈み込みを防止することができ、インピーダンス制御のバネの平衡点で訓練を行なうことが可能となる。
なお、脚の自重推定と自重補償の具体的な手法については後述する。
FIG. 1 is an operation flow diagram of the lower limb drive device of the present invention.
First, the patient's leg is attached to the apparatus (step 101).
Next, the dead weight of the leg is estimated. In the dead weight estimation of the leg (step 104), the dead weight of the thigh and the dead weight of the lower leg are calculated from each data of the patient and the value of the sensor of the apparatus.
Further, using the weight data (106) of the thigh and crus estimated by the weight estimation of the leg in step 104, the weight of the leg is compensated (step 105).
In the leg weight compensation in step 105, an offset value (107) corresponding to the leg weight detected by the force detectors of the thigh arm and the lower leg arm is calculated. In the teaching of step 102, the trajectory for moving the leg is memorized in the same way as in the conventional example, but at this time, the teaching is performed by canceling the weight of the leg using the offset value calculated in the weight compensation of the leg in step 105. It is possible to reduce the burden on the teacher at the time.
Training is performed in accordance with the trajectory learned in the teaching of step 102 (step 103). In this case as well, if the offset value (107) calculated by the leg weight compensation in step 105 is used, impedance control is used during training. When the legs are moved by flexibly controlling the thigh arm and lower leg arm, it is possible to prevent the thigh arm and lower leg arm from sinking due to the weight of the leg, and training can be performed at the balance point of the impedance control spring. It becomes possible.
A specific method for estimating the weight of the leg and compensating for the weight will be described later.

図2は、本発明を示す下肢駆動装置のブロック図である。
図2において、201は患者、202は股関節、203は大腿部、204は膝関節、205は下腿部である。210は大腿アームの駆動軸で角度検出器208、力検出器206を介して大腿部203を股関節202回りに回転させることが可能な構成になっている。211、212は下腿アームの駆動軸で角度検出器209、力検出器207を介して下腿部205を膝関節204回りに回転させることが可能な構成になっている。
大腿アームの制御装置は、力検出器206と角度検出器208の信号を入力して増幅または信号処理し、力または角度に対応する信号に変換する検出器変換器213と、自重推定部222、自重補償部220、インピーダンス制御部215、サーボアンプ217から構成されている。大腿アームは1自由度であるため、次式を用いたインピーダンス制御とすることができる。
Fe=Mαe+BVe+K(θ-θ0) … (1)
ここに、Feは大腿部と大腿アーム間に作用する力、M、B、Kは目標インピーダンス(Mは慣性係数、Bは粘性係数、Kはバネ係数)、θは大腿アーム駆動軸の角度、θ0は大腿アームのバネ剛性の平衡点、Veは大腿アーム駆動軸の角速度(角度θの微分値)、αeは大腿アーム駆動軸の角加速度(角度θの2階微分値)である。
この式を用いた制御は公知の技術であるので詳細な説明を省略する。
FIG. 2 is a block diagram of the lower limb drive device showing the present invention.
In FIG. 2, 201 is a patient, 202 is a hip joint, 203 is a thigh, 204 is a knee joint, and 205 is a lower leg. Reference numeral 210 denotes a drive shaft of the thigh arm, which can rotate the thigh 203 around the hip joint 202 via the angle detector 208 and the force detector 206. Reference numerals 211 and 212 denote drive shafts of the crus arms, which can rotate the crus part 205 around the knee joint 204 via the angle detector 209 and the force detector 207.
The thigh arm control device receives a signal from the force detector 206 and the angle detector 208, amplifies or processes the signal, and converts the signal into a signal corresponding to the force or angle, and a self-weight estimating unit 222, The self-weight compensator 220, the impedance controller 215, and the servo amplifier 217 are included. Since the thigh arm has one degree of freedom, impedance control using the following equation can be performed.
Fe = Mαe + BVe + K (θ-θ0) (1)
Where Fe is the force acting between the thigh and the thigh arm, M, B and K are target impedances (M is the inertia coefficient, B is the viscosity coefficient, K is the spring coefficient), and θ is the angle of the thigh arm drive shaft. , Θ0 is a balance point of the spring stiffness of the thigh arm, Ve is an angular velocity (differential value of the angle θ) of the thigh arm drive shaft, and αe is an angular acceleration (second-order differential value of the angle θ) of the thigh arm drive shaft.
Since control using this equation is a known technique, detailed description thereof is omitted.

この制御系において、力検出器206と角度検出器208で検出された信号が検出器変換器213で増幅されて、自重補償部220へ送られる。自重推定部222では、脚を乗せた際に大腿部の自重を推定し、図示していないメモリに保存しておく。
自重補償部220では、自重推定部222で推定した大腿部の自重データ223をメモリから読み込み、この大腿部の自重データ223を用いて、大腿部の免荷量(オフセット値)を求める。更に検出器変換器213の出力値から大腿部のオフセット値を引き、インピーダンス制御部215へ送る。インピーダンス制御部215へ送られると、インピーダンス制御部215が式(1)を満足するようにモーションの指令を発生し、サーボアンプ217を介して駆動軸210のモータを駆動する。
下腿アームの制御装置は、力検出器207と角度検出器209の信号を入力して増幅または信号処理し、力または角度に対応する信号に変換する検出器変換器214と、インピーダンス制御部216、サーボアンプ218、219から構成されている。制御装置の制御は、下腿アームが2自由度であるため、次式を用いたインピーダンス制御とすることができる。
Fx=Mαx+BVx+K(x-x0) … (2)
ここに、Fxは下腿部と下腿アーム間に作用する力、M、B、Kは目標インピーダンス(Mは慣性係数、Bは粘性係数、Kはバネ係数)、xは図2のXY座標系に基づく下腿アームフリー関節の位置、x0はxのバネ剛性の平衡点、Vxはxの微分値、αxはxの2階微分値である。
この式を用いた制御は公知の技術であるので詳細な説明を省略する。
In this control system, signals detected by the force detector 206 and the angle detector 208 are amplified by the detector converter 213 and sent to the self-weight compensator 220. The own weight estimation unit 222 estimates the own weight of the thigh when the leg is put on and stores it in a memory (not shown).
The self-weight compensator 220 reads the thigh's own weight data 223 estimated by the self-weight estimator 222 from the memory, and uses the thigh's own weight data 223 to obtain a thigh unloading amount (offset value). . Further, the thigh offset value is subtracted from the output value of the detector converter 213 and sent to the impedance control unit 215. When sent to the impedance control unit 215, the impedance control unit 215 generates a motion command so as to satisfy Expression (1), and drives the motor of the drive shaft 210 via the servo amplifier 217.
The control device for the lower leg arm receives a signal from the force detector 207 and the angle detector 209, amplifies or processes the signal, and converts the signal into a signal corresponding to the force or angle, an impedance control unit 216, It is composed of servo amplifiers 218 and 219. Since the lower arm has two degrees of freedom, the control of the control device can be impedance control using the following equation.
Fx = Mαx + BVx + K (x-x0) (2)
Where Fx is the force acting between the lower leg and the lower leg arm, M, B, K are target impedances (M is an inertia coefficient, B is a viscosity coefficient, K is a spring coefficient), and x is an XY coordinate system in FIG. X0 is the spring stiffness equilibrium point of x, Vx is the differential value of x, and αx is the second-order differential value of x.
Since control using this equation is a known technique, detailed description thereof is omitted.

この制御系において、力検出器207と角度検出器209で検出された力信号と角度信号が検出器変換器214で増幅されて、自重補償部221へ送られる。
自重推定部222では、脚を乗せた際に下腿部の自重を推定し、図示していないメモリに保存しておく。
自重補償部221では、自重推定部222で推定した下腿部の自重データ224をメモリから読み込み、この下腿部の自重データ224を用いて、下腿部の免荷量(オフセット値)を求める。更に検出器変換器214の出力値から下腿部のオフセット値を引き、インピーダンス制御部216へ送る。インピーダンス制御部216へ送られると、インピーダンス制御部216が式(2)を満足するようにモーションの指令を発生し、サーボアンプ218、219を介して駆動軸211、駆動軸212のモータを駆動する。
上記のような下肢駆動装置は、多自由度の機構部を有し、インピーダンス制御を行うことで、下肢に無理な負荷をかけずに、複雑なパターンの訓練ができるようになっている。
また、脚を装置に乗せた際に脚の自重を推定し、この推定値を用いて脚の自重を補償して大腿アームおよび下腿アームを駆動するため、教示時に脚の自重をキャンセルすることが可能となり、教示者の負担を軽減することができる。
また、訓練時には、訓練中にインピーダンス制御を用いて大腿アームと下腿アームを柔軟に制御して脚を動かす場合に、脚の自重による大腿アームおよび下腿アームの沈み込みを防止することができ、インピーダンス制御のバネの平衡点で訓練を行なうことが可能となる。
本発明が従来技術と異なる部分は、(1)脚の自重推定部222と、(2)脚の自重補償部220、221を備えた部分である。
In this control system, the force signal and the angle signal detected by the force detector 207 and the angle detector 209 are amplified by the detector converter 214 and sent to the self-weight compensator 221.
The own weight estimating unit 222 estimates the own weight of the lower leg when putting a leg on, and stores it in a memory (not shown).
The self-weight compensator 221 reads the crus weight data 224 estimated by the self-weight estimator 222 from the memory, and uses the crus weight data 224 to obtain the crus free weight (offset value). . Further, the offset value of the lower leg is subtracted from the output value of the detector converter 214 and sent to the impedance control unit 216. When sent to the impedance control unit 216, the impedance control unit 216 generates a motion command so as to satisfy Expression (2), and drives the motors of the drive shaft 211 and the drive shaft 212 via the servo amplifiers 218 and 219. .
The lower limb drive device as described above has a mechanism section with multiple degrees of freedom, and performs impedance control so that a complicated pattern can be trained without applying an excessive load on the lower limb.
In addition, the weight of the leg is estimated when the leg is put on the device, and the estimated weight is used to compensate for the weight of the leg to drive the thigh arm and the lower leg arm. It becomes possible, and the burden on the teacher can be reduced.
Also, during training, when the legs are moved by flexibly controlling the thigh and crus arms using impedance control during training, the thigh and crus arms can be prevented from sinking due to the weight of the legs. Training can be performed at the balance point of the control spring.
The present invention is different from the prior art in that (1) a leg weight estimation unit 222 and (2) a leg weight compensation unit 220, 221 are provided.

脚の自重推定部222の行う脚の自重推定の具体的な手法について述べる。
図3と図4は脚の自重推定と自重補償の演算式を説明するための補助図である。
図3は脚の自重とトルクの定義を示した図であり、図4は外力とトルクの定義を示した図である。
ここで、
τ1:股関節回りに発生するトルク
τ2:膝関節回りに発生するトルク
α:角度検出器208(図2)により検出した水平方向(図3、4のX方向)となす股角度
γ:角度検出器209(図2)により検出した水平方向(図3、4のX方向)となす角度
β:αとγから算出した膝角度(β=γ―α)
L1:大腿部の長さ(患者の大腿部の長さを測って装置に入力した値)
M1:大腿部の自重
M2:下腿部の自重
g:重力加速度
l1:股関節と大腿部の重心位置間の距離
12:膝関節と下腿部の重心位置間の距離
flz:大腿部の力検出器206(図2)からの値
f2x,f2z:下腿部の力検出器207からの水平方向(図3、4のX方向)および垂直方向(図3、4のY方向)の値
a1:大腿部の力検出器206(図2)の図3、4のXY座標系に基づく位置(既知)
a2:下腿部の力検出器207(図2)の図3、4のXY座標系に基づく位置(既知)
である。
図3および図4とこれらの値から下記の式により、大腿部と下腿部の自重を推定することができる。
M1・g={L1(S1/C1−a2・S3/l2・C3)f2x−L1(1−a2/l2)f2z−(a1/C1)f1z}/l1 … (3)
M2・g=a2・{(S3/C3)f2x−f2z}/l2 … (4)
ここで、S1=sinα,C1=cosα,S3=sinγ,C3=cosγである。
α、β、γは装置の角度検出器から求まる値、l1、l2はL1と装置を取り付けた時の装置の姿勢から求まる値、f1z、f2x、f2zは装置の力検出器から求まる値、a1、a2は装置のリンク長さなどのパラメータから求まる値であるため、式(3)および式(4)によれば、予め患者の大腿部の長さL1のみを入力するだけで、大腿部の自重 M1・gと下腿部の自重 M2・gを推定することが可能である。
A specific method for estimating the dead weight of the leg performed by the dead weight estimation unit 222 of the leg will be described.
FIG. 3 and FIG. 4 are auxiliary diagrams for explaining the calculation formulas for the dead weight estimation and the dead weight compensation.
FIG. 3 is a diagram showing the definition of the leg's own weight and torque, and FIG. 4 is a diagram showing the definition of the external force and torque.
here,
τ1: Torque generated around the hip joint τ2: Torque generated around the knee joint α: Crotch angle formed by the horizontal direction (X direction in FIGS. 3 and 4) detected by the angle detector 208 (FIG. 3) γ: Angle detector Angle formed with the horizontal direction (X direction in FIGS. 3 and 4) detected by 209 (FIG. 2) β: Knee angle calculated from α and γ (β = γ−α)
L1: Length of thigh (value input to the device after measuring the length of the patient's thigh)
M1: Weight of the thigh M2: Weight of the lower leg g: Gravity acceleration l1: Distance between the center of gravity of the hip joint and the thigh 12: Distance between the center of gravity of the knee joint and the thigh flz: Thigh Values from the force detector 206 (FIG. 2) f2x, f2z: in the horizontal direction (X direction in FIGS. 3 and 4) and the vertical direction (Y direction in FIGS. 3 and 4) from the force sensor 207 of the lower leg Value a1: Position of the thigh force detector 206 (FIG. 2) based on the XY coordinate system of FIGS. 3 and 4 (known)
a2: position based on the XY coordinate system of FIGS. 3 and 4 of the crus force detector 207 (FIG. 2) (known)
It is.
From the values shown in FIGS. 3 and 4 and these values, the weights of the thigh and crus can be estimated.
M1 * g = {L1 (S1 / C1-a2 / S3 / l2 * C3) f2x-L1 (1-a2 / l2) f2z- (a1 / C1) f1z} / l1 (3)
M2 · g = a2 · {(S3 / C3) f2x−f2z} / l2 (4)
Here, S1 = sin α, C1 = cos α, S3 = sin γ, and C3 = cos γ.
α, β, and γ are values obtained from the angle detector of the device, l1 and l2 are values obtained from the posture of the device when L1 and the device are attached, f1z, f2x, and f2z are values obtained from the force detector of the device, a1 , A2 is a value obtained from a parameter such as the link length of the apparatus. Therefore, according to Equation (3) and Equation (4), it is necessary to input only the length L1 of the patient's thigh beforehand. It is possible to estimate the weight M1 · g of the limb and the weight M2 · g of the crus.

脚の自重補償部220、221の行う脚の自重補償の具体的な手法について述べる。
脚の自重推定値 M1・g,M2・gから以下の式により脚の自重に対応するオフセット値を求めることができる。
f1z_offst=−C1・M1・g … (5)
f2x_offst≒0 … (6)
f2z_offst=−M2・g … (7)
脚の自重を補償、すなわち脚の持ち上げ量を調整するには、絶対座標系に変換した力検出器206または207の値から式(5)または式(7)の値を引けば良い。
f1z’=f1z−f1z_offst … (8)
f2z’=f2z−f2z_offst … (9)
f1z_offst、f2z_offstは式(5)、式(7)から分かるように負の値となるので、f1z’>f1z、f2z’>f2zとなる。
式(8)、式(9)の値をそれぞれ式(1)、式(2)の左辺としてインピーダンス制御を行なえば、脚の自重を補償した制御が可能である。これにより、教示時に脚の自重がキャンセルされて、教示者の負担を軽減することが可能となる。また、訓練実行時は、脚の自重を考慮してインピーダンス制御を行なうので、脚の自重による大腿アームおよび下腿アームの沈み込みがなくなり、脚の位置をインピーダンスのバネの平衡点としてインピーダンス制御を行なうことが可能となる。
A specific method of leg weight compensation performed by the leg weight compensation units 220 and 221 will be described.
The offset value corresponding to the weight of the leg can be obtained from the estimated weight of the leg M1 · g, M2 · g by the following formula.
f1z_offst = −C1 · M1 · g (5)
f2x_offst ≒ 0 (6)
f2z_offst = −M2 · g (7)
In order to compensate for the weight of the leg, that is, to adjust the lifting amount of the leg, the value of the equation (5) or the equation (7) may be subtracted from the value of the force detector 206 or 207 converted to the absolute coordinate system.
f1z ′ = f1z−f1z_offst (8)
f2z ′ = f2z−f2z_offst (9)
Since f1z_offst and f2z_offst are negative values as can be seen from the equations (5) and (7), f1z ′> f1z and f2z ′> f2z.
If impedance control is performed using the values of Equation (8) and Equation (9) as the left sides of Equation (1) and Equation (2), respectively, control that compensates for the weight of the leg is possible. As a result, the weight of the leg is canceled at the time of teaching, and the burden on the teacher can be reduced. In addition, when performing training, impedance control is performed in consideration of the weight of the leg, so that the thigh arm and lower leg arm will not sink due to the weight of the leg, and the impedance control is performed with the position of the leg as the equilibrium point of the impedance spring. It becomes possible.

本発明の実施例を示す下肢駆動装置の操作フロー図である。It is an operation | movement flowchart of the leg drive device which shows the Example of this invention. 本発明の実施例を示す下肢駆動装置の制御ブロック図である。It is a control block diagram of the lower limb drive device showing an embodiment of the present invention. 本発明の演算式を説明するための補助図で、脚の自重とトルクの定義を示した図である。It is an auxiliary figure for explaining a computing equation of the present invention, and is a figure showing a definition of a leg's own weight and torque. 本発明の演算式を説明するための補助図で、外力とトルクの定義を示した図である。It is an auxiliary figure for explaining a computing equation of the present invention, and is a figure showing a definition of external force and torque. 従来の下肢駆動装置の操作フロー図である。It is an operation flow figure of the conventional leg drive device. 従来の下肢駆動装置の制御ブロック図である。It is a control block diagram of the conventional leg drive device. 従来の下肢駆動装置の制御ブロック図である。It is a control block diagram of the conventional leg drive device.

符号の説明Explanation of symbols

101 脚の取り付け
102 教示
103 訓練
104 脚の自重推定
105 脚の自重補償
106 自重データ
107 オフセット値
201 患者
202 股関節
203 大腿部
204 膝関節
205 下腿部
206、207 力検出器
208、209 角度検出器
210 大腿アームの駆動軸
211 下腿アームの駆動軸
212 下腿アームの駆動軸
213、214 検出器変換器
215、216 インピーダンス制御部
217 サーボアンプ
218、219 サーボアンプ
220、221 自重補償部
222 自重推定部
223 大腿部の自重データ
224 下腿部の自重データ
501 股関節
502 膝関節
503 大腿アーム
504 下腿アーム
701 トルクセンサ
702 アーム
703 モータ
704 減速器
705 角度検出器
706 動特性モデル
707 メモリ
708 サーボコントローラ
710 対象物または肢体
721 検出した角度
722 検出された外力
723 角度の指令値
724 モータ駆動トルク
101 Leg Attachment 102 Teaching 103 Training 104 Leg Weight Estimation 105 Leg Weight Compensation 106 Weight Data 107 Offset Value 201 Patient 202 Hip Joint 203 Thigh 204 Knee Joint 205 Lower Thigh 206, 207 Force Detector 208, 209 Angle Detection Device 210 thigh arm drive shaft 211 crus arm drive shaft 212 crus arm drive shafts 213, 214 detector converters 215, 216 impedance control unit 217 servo amplifier 218, 219 servo amplifier 220, 221 self-weight compensation unit 222 self-weight estimation unit 223 Thigh weight data 224 Lower leg weight data 501 Hip joint 502 Knee joint 503 Thigh arm 504 Lower leg arm 701 Torque sensor 702 Arm 703 Motor 704 Decelerator 705 Angle detector 706 Dynamic characteristic model 707 Memory 708 Server Bocontroller 710 Object or limb 721 Detected angle 722 Detected external force 723 Angle command value 724 Motor drive torque

Claims (2)

大腿部および下腿部を動かす駆動部と、前記大腿部および前記下腿部からの負荷を検出する力検出器と、前記力検出器からの負荷情報から前記駆動部を柔軟に制御するインピーダンス制御部とを備えた下肢駆動装置であって、
前記大腿部および前記下腿部の自重を推定する下肢自重推定部と、前記大腿部および前記下腿部のそれぞれの自重に対応するオフセット値を算出する下肢自重補償部とを備えることにより、教示時および訓練時の前記大腿部および前記下腿部の自重をキャンセルする下肢駆動装置において、
前記下肢自重推定部は、前記大腿部の自重および前記下腿部の自重を、前記大腿部および前記下腿部の各角度検出器の出力と、前記大腿部および前記下腿部の各力検出器の出力および位置と、前記大腿部の長さを基に、次の式(イ)および式(ロ)から、
M1・g=[L1(S1/C1−a2・S3/l2・C3)f2x
−L1(l−a2/l2)f2z
−(a1/C1)f1z]/l1 ・・・・・・式(イ)
M2・g=a2・[(S3/C3)f2x−f2z]/l2・・・・式(ロ)
ここで、
α:大腿部の角度検出器により検出した水平方向となす股角度
γ:下腿部の角度検出器により検出した水平方向となす下腿角度
β:αとγから算出した膝角度(β=γ―α)
L1:患者の大腿部の長さを測って装置に入力した大腿部の長さ
M1:大腿部の自重
M2:下腿部の自重
g:重力加速度
l1:股関節と大腿部の重心位置間の距離
l2:膝関節と下腿部の重心位置間の距離
f1z:大腿部の力検出器からの値
f2x,f2z:下腿部の力検出器からの水平方向および垂直方向の値
a1:大腿部の力検出器の位置(既知)
a2:下腿部の力検出器の位置(既知)
S1=sinα
C1=cosα
S3=sinγ
C3=cosγ、
前記大腿部の自重M1を式(イ)より推定し、
下腿部の自重M2を式(ロ)より推定することを特徴とする下肢駆動装置。
A drive unit that moves the thigh and crus, a force detector that detects a load from the thigh and the crus, and a flexible control of the drive unit based on load information from the force detector A lower limb drive device comprising an impedance control unit ,
A lower limb weight estimation unit that estimates the weight of the thigh and the lower leg, and a lower limb weight compensation unit that calculates an offset value corresponding to the respective weights of the thigh and the lower leg. In the lower limb drive device that cancels the weight of the thigh and the lower leg at the time of teaching and training ,
The lower limb weight estimation unit calculates the weight of the thigh and the weight of the crus, outputs of the angle detectors of the thigh and the crus, and outputs of the thighs and the crus. Based on the output and position of each force detector and the length of the thigh, from the following formulas (A) and (B):
M1 · g = [L1 (S1 / C1-a2 · S3 / l2 · C3) f2x
-L1 (l-a2 / l2) f2z
-(A1 / C1) f1z] / l1 Formula (A)
M2 · g = a2 · [(S3 / C3) f2x−f2z] / l2... Formula (b)
here,
α: Horizontal crotch angle detected by thigh angle detector
γ: Angle of the lower leg that is detected by the angle detector of the lower leg and the horizontal direction
β: Knee angle calculated from α and γ (β = γ-α)
L1: The length of the thigh measured by inputting the length of the patient's thigh into the device
M1: Weight of the thigh
M2: Weight of the lower leg
g: Gravity acceleration
l1: Distance between the center of gravity of the hip joint and thigh
l2: Distance between the center of gravity of knee joint and lower leg
f1z: Value from thigh force detector
f2x, f2z: horizontal and vertical values from the lower leg force detector
a1: Position of thigh force detector (known)
a2: position of the force sensor of the lower leg (known)
S1 = sinα
C1 = cosα
S3 = sinγ
C3 = cosγ,
The weight M1 of the thigh is estimated from the formula (A),
A lower limb drive device characterized by estimating the own weight M2 of the lower leg from the formula (b) .
前記下肢自重補償部は、前記大腿部の自重推定値M1・gおよび前記下腿部の自重推定値M2・gを基に、次の式(ハ)〜(ホ)から、
f1z_offst=−C1・M1・g … (ハ)
f2x_offst≒0 … (ニ)
f2z_offst=−M2・g … (ホ)
前記大腿部および前記下腿部の各オフセット値を算出することを特徴とする請求項1記載の下肢駆動装置。
The lower limb weight compensation section is based on the following weight (M) to (E) based on the estimated weight M1 · g of the thigh and the estimated weight M2 · g of the lower leg.
f1z_offst = −C1 · M1 · g (C)
f2x_offst ≒ 0 ... (d)
f2z_offst = -M2 · g (e)
2. The lower limb drive device according to claim 1, wherein each offset value of the thigh and the lower leg is calculated .
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