JP5267413B2 - Operation assistance device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、関節にトルクを加えて人の動作を補助する動作補助装置に関する。 The present invention relates to a motion assisting device that assists human motion by applying torque to a joint.
脚の関節にトルクを加えることによって歩行動作を補助する歩行補助装置が研究されている。例えば、特許文献1には、一方の脚が不自由な人の歩行を補助する歩行補助装置が開示されている。この歩行補助装置は、センサによって健常脚の動作を検出し、不自由な脚の動作が健常脚の動作と同じになるように不自由な脚の関節にトルクを加える。
A walking assist device that assists walking motion by applying torque to the joints of the legs has been studied. For example,
人の動作を補助するために関節にトルクを加える制御を行う場合、トルクを加えるアクチュエータの制御に対してなんらかの制御目標値が必要である。特許文献1の技術は、検出した健常脚の動作パターンを不自由な脚の関節を補助するアクチュエータの制御目標値として採用する。そのため、特許文献1の技術では、健常脚の動作が適切でなかった場合、不自由な脚の関節に加えるトルクが歩行動作に適切ではなくなってしまう。歩行動作に限らず、人の動作を適切に補助するためには、制御対象の関節に対する適切な制御目標値(目標関節角)が必要である。また、健常脚に装具を装着する必要があり使用者の負担となる。本発明は、適切な制御目標値を得て、人の動作を適切に補助することのできる動作補助装置を提供する。
When performing control to apply torque to a joint in order to assist human movement, some control target value is required for control of an actuator to apply torque. The technique of
人の動作の種類には、定型化された動作パターンがある。歩行動作は特定の動作パターンを繰り返す動作であり、定型化された動作パターンの典型である。食事のときにスプーンを口に運ぶ動作や工場作業者の繰り返し作業も概ね同じ動作パターンを繰り返す定型動作である。発明者は、概ねのパターンが決まっている定型動作であれば、その動作パターンを実現する制御目標値(目標角度パターン)を予め備えておくことができると考えた。ただし、例えば早い歩行と遅い歩行があるように、概ねの動作パターンは同じであっても詳細には異なる複数の動作パターンが存在し得る。そこで発明者は、制御対象関節について複数の目標角度パターンを予め用意しておき、人の動作パターンに応じて複数の目標角度パターン群の中から適切なものを選択して制御目標値として採用すればよいと考えた。適切な目標角度パターンを選択するには、人の予め定めた部位の動作パターンを計測し、計測した動作パターンに基づいて、目標角度パターン群の中から選択すればよい。そのような概念に基づいて本発明は創作された。なお、本明細書における「パターン」とは、あるパラメータ(関節角など)の経時的変化を意味する。即ち、「パターン」は、「経時変化」、「時系列データ」、或いは「軌道」と同じ意味である。 There are standardized movement patterns for the types of human movements. The walking motion is a motion that repeats a specific motion pattern, and is typical of stylized motion patterns. The operation of carrying the spoon into the mouth during meals and the repetitive work of factory workers are routine operations that repeat the same operation pattern. The inventor considered that a control target value (target angle pattern) for realizing an operation pattern can be prepared in advance if the operation is a fixed operation with a general pattern determined. However, for example, there may be a plurality of different motion patterns in detail even though the general motion patterns are the same, such as fast walking and slow walking. Therefore, the inventor prepares a plurality of target angle patterns for the joint to be controlled in advance, selects an appropriate one from a plurality of target angle pattern groups according to a human motion pattern, and adopts it as a control target value. I thought it would be good. In order to select an appropriate target angle pattern, a motion pattern of a predetermined part of a person is measured, and a target angle pattern group may be selected based on the measured motion pattern. The present invention was created based on such a concept. The “pattern” in this specification means a change with time of a certain parameter (such as a joint angle). That is, “pattern” has the same meaning as “time-dependent change”, “time-series data”, or “orbit”.
本発明は、人の動作を補助する動作補助装置に具現化することができる。その装置は、人の特定関節にトルクを加えるアクチュエータ、記憶ユニット、センサ、及び、アクチュエータを制御するコントローラを備える。「特定関節」とは、動作補助装置が制御する対象の関節を意味する。センサは、人の予め定められた部位(既定部位)の動作パターンを計測する。例えば既定部位が関節の場合、センサはその関節の角度を検出する角度センサでよい。記憶ユニットは、既定部位の相互に異なる動作パターンの夫々を記述した第1動作パターン群を記憶している。さらに、記憶ユニットは、特定関節の相互に異なる第2動作パターン群の夫々を実現するための目標角度パターンを第1動作パターン群の夫々に対応付けて記憶している。コントローラは、計測された動作パターンに最も近い第1動作パターンを第1動作パターン群の中から選択する。コントローラはさらに、選択された第1動作パターンに対応付けられている目標角度パターンに、特定関節の角度を追従させるようにアクチュエータを制御する。 The present invention can be embodied in an operation assisting device that assists human movement. The apparatus includes an actuator that applies torque to a specific joint of a person, a storage unit, a sensor, and a controller that controls the actuator. The “specific joint” means a joint to be controlled by the motion assisting device. The sensor measures an operation pattern of a predetermined part (predetermined part) of a person. For example, when the predetermined site is a joint, the sensor may be an angle sensor that detects the angle of the joint. The storage unit stores a first operation pattern group describing each of the different operation patterns of the predetermined parts. Further, the storage unit stores a target angle pattern for realizing each of the different second motion pattern groups of the specific joint in association with each of the first motion pattern groups. The controller selects the first operation pattern closest to the measured operation pattern from the first operation pattern group. The controller further controls the actuator so that the angle of the specific joint follows the target angle pattern associated with the selected first motion pattern.
上記の動作補助装置は、予め記憶された第1動作パターン群の中から、現在の実際の動作パターンに最も近い第1動作パターンを選択する。「最も近い」とは、パターンの形状が最も似ていることを意味する。選択の具体的な手順は後述する。各第1動作パターンには、特定関節の動きを含む複数の第2動作パターンの夫々を実現するための目標角度パターンが対応付けられている。動作補助装置は、選択された第1動作パターンに対応付けられた目標角度パターンを特定し、特定関節の制御目標パターンとして採用する。 The motion assisting device selects the first motion pattern closest to the current actual motion pattern from the first motion pattern group stored in advance. “Closest” means that the pattern shapes are the most similar. A specific procedure for selection will be described later. Each first motion pattern is associated with a target angle pattern for realizing each of a plurality of second motion patterns including the movement of the specific joint. The motion assisting device identifies the target angle pattern associated with the selected first motion pattern and employs it as the control target pattern for the specific joint.
記憶されているデータの例を説明する。上記の動作補助装置を一方の脚(例えば左脚)の膝関節が不自由な人のための歩行補助装置に適用した場合を想定する。左脚の股関節は自由に動かせるものと仮定する。この場合、例えば、左脚の股関節が既定部位に相当し、不自由な膝関節(故障膝関節)が制御対象の特定関節に相当する。第1動作パターンは、例えば、左脚の股関節角度の動作パターンに相当する。第1動作パターン群の夫々は、例えば、歩行速度や歩幅が相違している。第2動作パターンは、不自由な膝関節の動作パターンに相当する。即ち、左脚の股関節角度の経時変化を記述した第1動作パターンの夫々に対して、故障膝関節の目標角度パターンが対応付けられている。例えば、歩幅の大きい左脚の股関節角度の動き(第1動作パターン)に対しては同等の歩幅を実現するための故障膝関節の目標角度パターンが対応付けられている。また、例えば、歩行速度が速い左脚股関節角度の動き(第1動作パターン)に対しては、同等の歩行速度を実現するための故障膝関節の目標角度パターンが対応付けられている。この歩行補助装置は、左脚股関節角度の現実の動作パターンに最も近い第1動作パターンを選択し、その第1動作パターンに対応付けられた目標角度パターンに追従するように故障膝関節を制御する。 An example of stored data will be described. Assume that the above-described motion assist device is applied to a walking assist device for a person with a knee joint of one leg (for example, the left leg). Assume that the hip joint of the left leg can be moved freely. In this case, for example, the hip joint of the left leg corresponds to the predetermined part, and the nonfree knee joint (failed knee joint) corresponds to the specific joint to be controlled. The first motion pattern corresponds to, for example, a motion pattern of the hip joint angle of the left leg. Each of the first operation pattern groups has a different walking speed and step length, for example. The second motion pattern corresponds to a motion pattern of a nonfree knee joint. That is, the target angle pattern of the failed knee joint is associated with each of the first motion patterns describing the temporal change in the hip joint angle of the left leg. For example, a target angle pattern of a failed knee joint for realizing an equivalent stride is associated with the movement of the hip joint angle of the left leg having a large stride (first motion pattern). Further, for example, a motion of the left leg hip joint angle (first motion pattern) having a high walking speed is associated with a target angle pattern of a failed knee joint for realizing an equivalent walking speed. This walking assist device selects the first motion pattern closest to the actual motion pattern of the left leg hip joint angle, and controls the failed knee joint so as to follow the target angle pattern associated with the first motion pattern. .
上記動作補助装置の仕組みは、別言すれば、次の通りである。動作補助装置は、計測した既定部位の動作パターンを、予め用意した複数の相互に異なる第2動作パターンのいずれに該当するのか、分類する。分類毎に制御対象の関節(特定関節)の目標角度パターンが対応付けられている。即ち、計測した既定部位の動作パターンを分類し、分類に対応付けられた目標角度パターンで特定関節を制御する。そのような仕組みによって、動作補助装置は、既定部位の現実の動作パターンに対応した目標角度パターンに特定関節の角度を追従させることができる。こうして、本発明の動作補助装置は、特定関節を適切に補助することができる。 In other words, the mechanism of the operation assisting device is as follows. The motion assisting device classifies whether the measured motion pattern of the predetermined part corresponds to a plurality of different second motion patterns prepared in advance. A target angle pattern of a joint to be controlled (specific joint) is associated with each classification. That is, the measured motion pattern of the predetermined part is classified, and the specific joint is controlled by the target angle pattern associated with the classification. With such a mechanism, the motion assisting device can cause the angle of the specific joint to follow the target angle pattern corresponding to the actual motion pattern of the predetermined part. Thus, the motion assisting device of the present invention can appropriately assist the specific joint.
計測された動作パターンに最も近い第1動作パターンを第1動作パターン群の中からどのように選択するかについて説明する。単純には、計測されたパターンと第1動作パターンについて、時刻毎の値を比較することが考えられる。例えば、時刻毎の値の差の自乗平均を採用することが考えられる。しかしながら、パターン、即ち、時系列データの各時刻の値の差では、比較する点が多いため、選択の結果が適切とはならない可能性がある。計測された動作パターンや各第1動作パターンの特徴をより少ない数のパラメータで表すことができれば好都合である。計測された動作パターンと第1動作パターンの夫々について特徴を表すパラメータの値の差を比較すればよいからである。比較するパラメータの数を絞り込むことによって、最も近い第1動作パターンを正確に選択することができる。本明細書が開示する技術の一つは、フーリエ変換を利用して、動作パターンを比較する際のパラメータを絞り込む。 A description will be given of how to select the first operation pattern closest to the measured operation pattern from the first operation pattern group. Simply, it is conceivable to compare values at each time for the measured pattern and the first operation pattern. For example, it is conceivable to employ the root mean square of the difference in values for each time. However, since there are many points to be compared in the difference of the time values of the time series data, that is, the selection result may not be appropriate. It would be advantageous if the measured motion pattern and the characteristics of each first motion pattern could be represented with a smaller number of parameters. This is because it is only necessary to compare the difference in the parameter values representing the characteristics of the measured motion pattern and the first motion pattern. By narrowing down the number of parameters to be compared, the closest first operation pattern can be accurately selected. One of the techniques disclosed in this specification uses a Fourier transform to narrow down parameters when comparing operation patterns.
時系列データは、フーリエ変換してフーリエ係数セットを得る方が時系列データの特徴を表すパラメータを少なくできる。なぜならば、高周波数のフーリエ係数よりも低周波数のフーリエ係数の方が特徴をよく表しているので、高周波数のフーリエ係数を無視して低周波数のフーリエ係数で時系列データの特徴を表せるからである。 The time series data can be reduced in parameters representing the characteristics of the time series data by performing Fourier transform to obtain a Fourier coefficient set. This is because the low-frequency Fourier coefficient expresses the characteristics better than the high-frequency Fourier coefficient, and the time-series data characteristics can be expressed with the low-frequency Fourier coefficients ignoring the high-frequency Fourier coefficients. is there.
発明者は、この知見を第1動作パターンの選択に適用した。具体的には、動作補助装置は、次の構成を有することが好ましい。記憶ユニットは、各第1動作パターンが示す既定部位の動作パターンの時系列データをフーリエ変換して得られる第1フーリエ係数セットを記憶している。そしてコントローラは、計測された動作パターンの時系列データをフーリエ変換して得られる第2フーリエ係数セットを算出する。コントローラは、第2フーリエ係数セットを各第1フーリエ係数セットと比較し、第2フーリエ係数セットとの差が最も小さい第1フーリエ係数セットに対応する第1動作パターンを選択する。例えば1000点の時系列データから構成される動作パターンの特徴は、例えば、フーリエ変換して得られる低周波数側の10個のフーリエ係数で表すことができる。この場合、特徴を表すパラメータの数が1000から10へ低次元化できる。例えばこの場合、コントローラは、計測された動作パターンの10個のフーリエ係数と、各第1動作パターンを表す10個のフーリエ係数との差が最も小さい第1動作パターンを選択すればよい。より好ましくは、コントローラは、第2フーリエ係数セットとの平均自乗誤差が最も小さい第1フーリエ係数セットに対応する第1動作パターンを選択すればよい。フーリエ係数を採用することによって、計測された動作パターンに近い第1動作パターンを高速にかつ正確に選択することができる。 The inventor applied this knowledge to the selection of the first operation pattern. Specifically, the motion assisting device preferably has the following configuration. The storage unit stores a first Fourier coefficient set obtained by Fourier transforming time-series data of the motion pattern of the predetermined part indicated by each first motion pattern. Then, the controller calculates a second Fourier coefficient set obtained by Fourier transforming the time series data of the measured motion pattern. The controller compares the second Fourier coefficient set with each first Fourier coefficient set, and selects the first motion pattern corresponding to the first Fourier coefficient set having the smallest difference from the second Fourier coefficient set. For example, the feature of an operation pattern composed of 1000 points of time-series data can be represented by, for example, 10 low-frequency Fourier coefficients obtained by Fourier transform. In this case, the number of parameters representing features can be reduced from 1000 to 10. For example, in this case, the controller may select the first motion pattern in which the difference between the ten Fourier coefficients of the measured motion pattern and the ten Fourier coefficients representing each first motion pattern is the smallest. More preferably, the controller may select the first operation pattern corresponding to the first Fourier coefficient set having the smallest mean square error with the second Fourier coefficient set. By adopting the Fourier coefficient, the first operation pattern close to the measured operation pattern can be selected at high speed and accurately.
本発明によれば、人の動作を適切に補助することのできる動作補助装置が実現する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the operation assistance apparatus which can assist a person's operation | movement appropriately is implement | achieved.
実施例の動作補助装置が有する技術的特徴のいくつかを列挙する。 Some of the technical features of the operation assistance device of the embodiment will be listed.
(第1の特徴)コントローラは、第2フーリエ係数セットと各第1フーリエ係数セットとの差の最小値が既定の閾値よりも大きい場合に、アクチュエータへの指令を変更して制御を継続する。例えば、人が倒れないことを重視したフィードバック制御のみを実行する。そのような構成の利点は次の通りである。計測された動作パターンが必ずしも予め準備した第1動作パターン群のいずれかに近いとは限らない。第2フーリエ係数セットと各第1フーリエ係数セットとの差の最小値が既定の閾値よりも大きい場合とは、第1動作パターンが準備した第1動作パターンのいずれにも該当しない場合に相当する。 (First feature) When the minimum difference between the second Fourier coefficient set and each first Fourier coefficient set is larger than a predetermined threshold value, the controller changes the command to the actuator and continues the control. For example, only feedback control that emphasizes that a person does not fall is executed. The advantages of such a configuration are as follows. The measured motion pattern is not necessarily close to any of the first motion pattern groups prepared in advance. The case where the minimum value of the difference between the second Fourier coefficient set and each first Fourier coefficient set is larger than the predetermined threshold corresponds to the case where the first operation pattern does not correspond to any of the first operation patterns prepared. .
(第2の特徴)コントローラは、計測された動作パターンを選択された第1動作パターンに対応付けて記憶ユニットに記憶する。さらにコントローラは、新たに記憶した計測された動作パターンと、第1動作パターンに対応付けられて記憶されている過去の計測された動作パターン群の加重平均によって第1動作パターンを更新する。この処理は、第1動作パターンに分類された「計測された動作パターン」を使って第1動作パターンを更新することに相当する。このような処理を組み込むことにとって、制御の技術分野におけるいわゆる「学習」が行われ、個々のユーザに適応した第1動作パターンが形成される。 (Second feature) The controller stores the measured motion pattern in the storage unit in association with the selected first motion pattern. Further, the controller updates the first motion pattern by the weighted average of the newly stored measured motion pattern and the past measured motion pattern group stored in association with the first motion pattern. This process corresponds to updating the first motion pattern using the “measured motion pattern” classified into the first motion pattern. Incorporating such processing, so-called “learning” in the technical field of control is performed, and a first operation pattern adapted to each user is formed.
(第3の特徴)加重平均の重みは、記憶された時刻からの経過時間が長くなるほど小さくなる忘却因子であることが好ましい。そのような処理を組み込むことによって、古いデータ(過去に記憶された計測動作パターン)の第1動作パターン形成に寄与する度合いを小さくすることができる。 (Third feature) The weighted average weight is preferably a forgetting factor that decreases as the elapsed time from the stored time becomes longer. By incorporating such processing, the degree of contribution of old data (measurement operation pattern stored in the past) to the formation of the first operation pattern can be reduced.
(第4の特徴)コントローラは、第1動作パターンに対応付けられた過去の計測された動作パターンの数が既定値よりも多い場合に、それまでよりも一層高次のフーリエ係数を記憶する。 (Fourth feature) When the number of past measured motion patterns associated with the first motion pattern is larger than a predetermined value, the controller stores higher-order Fourier coefficients than before.
(第5の特徴)センサによって検出される既定部位の速度が閾値よりも大きい場合に、センサが既定部位の動作パターンを計測する際のサンプリング時間を短くする。既定部位の速度が大きいほど、動作パターンに高周波が含まれる。従って、サンプリング時間を短くすることによって、既定部位の動作パターンに含まれている高周波成分を取り込むことができる。 (Fifth feature) When the speed of the predetermined part detected by the sensor is larger than the threshold, the sampling time when the sensor measures the motion pattern of the predetermined part is shortened. The higher the speed of the predetermined part, the higher the frequency is included in the operation pattern. Therefore, by shortening the sampling time, it is possible to capture a high frequency component included in the operation pattern of the predetermined part.
図面を参照して第1実施例の動作補助装置10を説明する。本実施例の動作補助装置10は、ユーザの左膝関節に適切なトルクを加えてユーザの歩行動作を補助する装置である。本実施例では、ユーザは左膝関節を自由に動かすことができないとする。但し、左股関節(大腿部をピッチ軸回りに揺動させる関節)は自由に動かせることができるとする。図1に、ユーザが装着した状態の動作補助装置10の概要図を示す。図1(A)は正面図を示し、図1(B)は側面図を示す。
A
動作補助装置10は、ユーザの左脚に沿って装着される脚装具12Lを有する。
The
左脚装具12Lを詳しく説明する。脚装具12Lは、ユーザの大腿部から下腿部に沿って左脚の外側に装着される。脚装具12Lは、上部リンク14L、下部リンク16L、及び足底リンク18Lを有する多リンク機構を有する。上部リンク14Lの上端が腰ジョイント20aLを介して支持リンク30に連結されている。下部リンク16Lは、膝の外側に位置する膝ジョイント20bLによって、上部リンク14Lに連結されている。足底リンク18Lは、ユーザの足首の外側に位置する足首ジョイント20cLによって、下部リンク16Lに揺動可能に連結されている。上部リンク14Lは、ベルトでユーザの大腿部に固定される。下部リンク16Lは、ベルトでユーザの下腿部に固定される。足底リンク18Lは、ベルトでユーザの足底に固定される。足底リンク18Lを固定するベルトは、図示を省略している。支持リンク30は、ユーザの体幹(腰)に固定される。
The
ユーザが脚装具12Lを装着すると、腰ジョイント20aL、膝ジョイント20bL、及び、足首ジョイント20cLは夫々、ユーザの股関節のピッチ軸、膝関節のピッチ軸、及び、足首関節のピッチ軸と同軸に位置する。即ち、脚装具12Lは、ユーザの左脚の動きに応じて揺動することができる。各ジョイントには、リンク間の角度を検出するためのエンコーダ21が取り付けられている。以下では、リンク間の角度をジョイントの角度と別言する。また、各ジョイントに取り付けられているエンコーダ群21を脚センサ21と総称する。
When the user wears the
膝ジョイント20bLには、モータ32(アクチュエータ)が取り付けられている。モータ32は、ユーザの膝関節の外側に位置する。モータ32は、上部リンク14Lに対して下部リンク16Lを回転させることができる。即ちモータ32は、ユーザの左膝関節にトルクを加えることができる。また、図示を省略しているが、モータ32はクラッチを備えている。クラッチを解放すると、モータ32から左膝関節へのトルク伝達経路が遮断される。クラッチを解放すると、ユーザは左膝関節を自由に揺動させることができる。
A motor 32 (actuator) is attached to the knee joint 20bL. The
図の符号40は、モータ32を制御するコントローラを示している。脚装具12Lが有する脚センサ21は、脚の動作パターンを計測するセンサに相当する。
コントローラ40は、記憶ユニット(不図示)を内蔵しており、種々のデータを記憶している。記憶されているデータについて説明する。記憶ユニットは、歩行時の左股関節角度の動作パターン(時系列データ)を記憶している。左股関節角度の動作パターンを以下では第1動作パターンと称する。記憶ユニットは、相互に異なる複数の第1動作パターンを記憶している。また記憶ユニットは、各動作パターンの時系列データをフーリエ変換して得られる第1フーリエ係数セットを記憶している。第1フーリエ係数セットは、最低周波数から順に10個のフーリエ係数で構成されている。さらに記憶装置は、相互に異なる複数の左膝関節目標関節角パターン(目標角度パターン)を記憶している。夫々の目標関節角パターンは各第1動作パターンに対応付けられている。
The
図2〜図4を参照して、記憶ユニットに記憶されたデータを詳しく説明する。図2は、幾つかの第1動作パターンを示す模式的グラフである。縦軸は、左股関節角度であり、横軸は時間である。図2には3つの第1動作パターンRPT1、RPT2、及び、RPT3を示している。記憶されている第1動作パターンは3個よりも多いが、図2では便宜上、3個の第1動作パターンのみを例示している。図2の符号TSは、1歩行周期を示している。即ち、第1動作パターン群は、1歩行周期の相互に異なる動作パターンの集合である。例えば、第1動作パターンRPT2は、第1動作パターンRPT1よりも歩幅が大きい動作パターンに相当する。第1動作パターンRPT3は、第1動作パターンRPT1よりも歩行速度が速い動作パターンに相当する。 The data stored in the storage unit will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 2 is a schematic graph showing some first operation patterns. The vertical axis is the left hip joint angle, and the horizontal axis is time. FIG. 2 shows three first operation patterns RPT1, RPT2, and RPT3. Although there are more than three stored first operation patterns, only three first operation patterns are illustrated in FIG. 2 for convenience. The symbol TS in FIG. 2 indicates one walking cycle. That is, the first motion pattern group is a set of different motion patterns in one walking cycle. For example, the first operation pattern RPT2 corresponds to an operation pattern having a larger step than the first operation pattern RPT1. The first operation pattern RPT3 corresponds to an operation pattern having a faster walking speed than the first operation pattern RPT1.
図3は、各第1動作パターンの夫々に対応する第1フーリエ係数セットの模式的グラフを示している。横軸は周波数を示しており、縦軸は各周波数成分の振幅を示している。第1フーリエ係数セットFQ1は、第1動作パターンRPT1のデータをフーリエ変換して得られたデータである。第1フーリエ係数セットFQ2は、第1動作パターンRPT2のデータをフーリエ変換して得られたデータである。第1フーリエ係数セットFQ3は、第1動作パターンRPT3のデータをフーリエ変換して得られたデータである。各第1フーリエ係数セットは、10個のフーリエ係数で構成されるが、便宜上、図3では低周波側から4個の係数のみを示している。例えば、係数w11は、第1動作パターンRPT1の1次の周波数成分の振幅を表している。同様に、係数w12、w13、w14は夫々、第1動作パターンRPT1の2次、3次、4次の周波数成分の振幅を表している。 FIG. 3 shows a schematic graph of the first Fourier coefficient set corresponding to each of the first operation patterns. The horizontal axis indicates the frequency, and the vertical axis indicates the amplitude of each frequency component. The first Fourier coefficient set FQ1 is data obtained by Fourier transforming the data of the first operation pattern RPT1. The first Fourier coefficient set FQ2 is data obtained by Fourier transforming the data of the first operation pattern RPT2. The first Fourier coefficient set FQ3 is data obtained by Fourier transforming the data of the first operation pattern RPT3. Each first Fourier coefficient set is composed of 10 Fourier coefficients. For convenience, FIG. 3 shows only 4 coefficients from the low frequency side. For example, the coefficient w11 represents the amplitude of the primary frequency component of the first operation pattern RPT1. Similarly, the coefficients w12, w13, and w14 represent the amplitudes of the second, third, and fourth frequency components of the first operation pattern RPT1, respectively.
図4は、モータ32を制御する際に用いる左膝関節角の目標角度パターンを模式的に示したグラフである。横軸は時間を示しており、縦軸は左膝関節の目標角度を示している。夫々の目標角度パターンは、前述した第1動作パターンの夫々と対応付けられている。図4は、3個の目標角度パターンTPT1、TPT2、及び、TPT3を示している。記憶されている目標角度パターンは3個よりも多いが、図4では便宜上、3個の目標角度パターンのみを例示している。
FIG. 4 is a graph schematically showing a target angle pattern of the left knee joint angle used when the
図4の符号TSは、1歩行周期を示している。目標角度パターンの夫々は、左脚の1歩行周期の相互に異なる動作パターンを実現するための左膝関節角の制御目標角度パターンに相当する。左脚の1歩行周期の動作パターンが第2動作パターンに相当する。 A symbol TS in FIG. 4 indicates one walking cycle. Each of the target angle patterns corresponds to a control target angle pattern of the left knee joint angle for realizing different motion patterns of one walking cycle of the left leg. The motion pattern of one walking cycle of the left leg corresponds to the second motion pattern.
3個の目標角度パターンTPT1、TPT2、及び、TPT3は夫々、第1動作パターンRPT1、RPT2、及び、RPT3に対応付けられている。なお、図2と図4のグラフは、関節角度の経時的変化を模式的に表したものであり、現実の関節角度の経時的変化を具体的に表しているものではないことに留意されたい。 The three target angle patterns TPT1, TPT2, and TPT3 are associated with the first operation patterns RPT1, RPT2, and RPT3, respectively. It should be noted that the graphs of FIGS. 2 and 4 are schematic representations of changes in joint angles over time, and do not specifically show changes in actual joint angles over time. .
コントローラ40が実行する制御処理を概説する。コントローラ40は、脚センサ21によって、左股関節角の動作パターンを計測する。次にコントローラ40は、記憶されている第1動作パターン群の中から、計測された動作パターンに最も近い動作パターンを選択する。コントローラ40は、ユーザの左膝関節の角度が、選択された第1動作パターンに対応付けられた目標角度パターンに追従するようにモータ32を制御する。本実施例では、人の左股関節が「既定部位」に相当し、制御対象である左膝関節が「特定関節」に相当する。
The control process executed by the
図5を参照して、コントローラ40が実行するモータ32の制御処理を具体的に説明する。図5は、制御処理のフローチャート図である。コントローラ40は、脚センサ21によって、左股関節角を計測する(S2)。一定時間の計測データが蓄積されると、即ち、一定時間の左股関節角の動作パターンを計測すると、コントローラ40は、計測された動作パターンを高速フーリエ変換し、フーリエ係数セットを得る(S4)。なお、高速フーリエ変換のアルゴリズムはよく知られているので説明は省略する。取得したフーリエ係数セットを第2フーリエ係数セットと称する。
With reference to FIG. 5, the control process of the
次にコントローラ40は、取得した第2フーリエ係数セットと、記憶している第1フーリエ係数セット群の夫々との差の自乗平均誤差を算出する(S6)。具体的には、第2フーリエ係数セットの第n周波数成分と、第1フーリエ係数セットの第2周波数成分との差の自乗を10個の周波数成分で加算し、10で除する。ステップS6の処理によって、記憶している第1動作パターンの数と同数の自乗平均誤差が得られる。
Next, the
コントローラ40は次に、自乗平均誤差が最小の第1動作パターンを選択する(S8)。このステップS8の処理によって、計測した動作パターンの第2フーリエ係数セットに最も近い第1フーリエ係数セットに対応する第1動作パターンが選択される。次に、コントローラ40は、自乗平均誤差の最小値を、予め定められた閾値と比較する(S10)。自乗平均誤差の最小値が、予め定められた閾値よりも大きい場合(S10:NO)、コントローラ40は、モータへの指令生成のルールを変更して制御を継続する(S16)。変更後のルールには、例えば、人が倒れないことを重視したフィードバック制御が採用される。前述したとおり、自乗平均誤差の最小値が、予め定められた閾値よりも大きい場合は、計測された動作パターンが、記憶している第1動作パターン群のいずれにも該当しなかった場合を意味する。この動作補助装置10は、計測された動作パターンが、記憶している第1動作パターン群のいずれにも該当しなかった場合、それまでの制御ルールが、人が倒れないことを重視したフィードバック制御に切り換わる。
Next, the
自乗平均誤差の最小値が、予め定められた閾値よりも小さい場合(S10:YES)、コントローラ40は、選択された第1動作パターンに対応する目標角度パターンを特定する(S12)。コントローラ40は次いで、左膝関節の角度が特定された目標角度パターンに追従するようにモータ32を制御する(S14)。モータ32が左膝関節にトルクを与え、ユーザの歩行動作を補助する。
When the minimum value of the mean square error is smaller than a predetermined threshold value (S10: YES), the
上記説明した制御処理の利点を説明する。計測される動作パターンは、歩行周期毎に僅かに異なる。しかしながら、歩行周期毎の動作パターンのわずかな変動に比較して、計測される動作パターンのデータをフーリエ変換して得られる第2フーリエ係数セットの変動は小さい。なぜならば、第2フーリエ係数セットは主に、動作パターンの大局的な特徴を表しているからである。従って上記の制御処理は、歩行周期毎の動作パターンのわずかな変動の影響を抑制して、計測された動作パターンが記憶された第1動作パターン群のいずれに最も近いか判定することができる。従って上記の制御処理は、ユーザの動作パターンに適したトルクで歩行動作を補助することができる。 The advantages of the control process described above will be described. The measured motion pattern is slightly different for each walking cycle. However, the variation of the second Fourier coefficient set obtained by Fourier transforming the measured motion pattern data is smaller than the slight variation of the motion pattern for each walking cycle. This is because the second Fourier coefficient set mainly represents the global characteristics of the operation pattern. Therefore, the control process described above can suppress the influence of slight fluctuations in the motion pattern for each walking cycle, and determine which of the first motion pattern groups in which the measured motion pattern is stored is closest. Therefore, the above-described control process can assist the walking motion with a torque suitable for the user's motion pattern.
次に、上記制御処理と平行してコントローラ40が実行する処理について説明する。コントローラ40は、モータ制御と平行して、計測された動作パターンで記憶されている第1動作パターンを更新する処理を実行する。図6に更新処理のフローチャートを示す。コントローラ40は、先に説明したステップS2で計測した動作パターン(左股関節角の時系列データ)を、選択された第1動作パターンに対応付けて記憶する(S20)。ステップS20の処理によって、特定の第1動作パターンに複数の過去の計測動作パターンが対応付けられる。コントローラ40は、特定の第1動作パターンに対応付けられた過去の計測動作パターンの加重平均を算出する(S22)。コントローラ40は、算出した加重平均で第1動作パターンを更新する(S24)。加重平均の算出式を次の(数1)に示す。
Next, processing executed by the
(数1)において、Pθ(t)は、第1動作パターンの膝関節角を示す。tは、1歩行周期の時間スパンにおけるタイミングを示す変数である。Siθ(t)は、第i番目の過去の計測動作パターンの膝関節角を示す。nは記憶している計測動作パターンの数を示す。指標iが小さいほど、Siθ(t)は古い計測データであることを示している。係数aiは、加重平均を算出する際の重み係数を示しており、次の(数2)で与えられる。 In (Equation 1), Pθ (t) represents the knee joint angle of the first motion pattern. t is a variable indicating the timing in the time span of one walking cycle. Siθ (t) represents the knee joint angle of the i-th past measurement operation pattern. n represents the number of stored measurement operation patterns. As the index i is smaller, Siθ (t) indicates older measurement data. The coefficient ai indicates a weighting coefficient for calculating the weighted average, and is given by the following (Equation 2).
(数2)は、古いデータほど、加重平均に寄与する影響が小さくなることを示している。即ち、係数aiは、時系列解析の技術分野における忘却因子の機能を果たす。 (Equation 2) indicates that the older the data, the smaller the influence that contributes to the weighted average. That is, the coefficient ai functions as a forgetting factor in the technical field of time series analysis.
図6の更新処理は次の意味を有する。記憶されている第1動作パターンの夫々は、第1動作パターンに分類された過去の計測動作パターンの加重平均で表される。動作パターンが計測される毎に、その特徴を取り込んで第1動作パターンは更新される。更新される第1動作パターンに与える寄与度は、計測動作パターンが古いほど小さくなっていく。即ち、図6の更新処理は、この動作補助装置10が、ユーザの歩行動作の最新のパターンに適応して、記憶している第1動作パターンを更新(学習)することを意味する。この更新処理によって、動作補助装置10は、ユーザの歩行動作を学習しながら、故障している左膝関節に適切なトルクを加えて歩行動作を補助することができる。
The update process of FIG. 6 has the following meaning. Each of the stored first operation patterns is represented by a weighted average of past measurement operation patterns classified into the first operation pattern. Each time an operation pattern is measured, the first operation pattern is updated by incorporating the feature. The degree of contribution to the updated first operation pattern becomes smaller as the measurement operation pattern is older. That is, the update process in FIG. 6 means that the
コントローラ40の処理の留意点を述べる。コントローラ40は、S2の処理の間に、左股関節の回転角速度を算出する。回転角速度は、左股関節角度の時系列データの時間差分で得られる。コントローラ40は、回転角速度の最大値が規定の閾値よりも大きい場合、左股関節を計測するサンプリング時間を短くする。この処理は、ユーザの動作パターンの時間変化が大きい場合に適応して、より高周波の成分を取得することができる。
Points to be noted in the processing of the
また、コントローラ40は、夫々の第1動作パターンに記憶されている過去の計測動作パターンの数が既定の数よりも多い場合、それまでよりも一層高次のフーリエ係数を記憶する。過去の計測動作パターンの数が多いということは、その動作を再度繰り返す可能性が高い。そのような動作パターンについて一層高次のフーリエ計数を記憶することによって、その動作パターンを精度よく再現できる。
Further, when the number of past measurement operation patterns stored in the respective first operation patterns is larger than the predetermined number, the
動作補助装置10の留意点を説明する。動作補助装置10において、センサによってその動作パターンが計測される人の左股関節が既定部位に相当する。計測する部位は、左股関節の角度に限られない。例えば、動作補助装置10は、右脚の足先の軌道を計測するものであってもよい。この場合、第1動作パターンは右脚足先の軌道(即ち動作パターン)を記述したデータに相当する。
The points to be noted of the
第2実施例を説明する。第2実施例は、ユーザの左脚の動作パターンを計測し、計測された動作パターンに基づいて左膝関節にトルクを与える動作補助装置である。この動作補助装置の機器構成は、図1に示した第1実施例の動作補助装置10の脚装具12Lと同じである。従って、第2実施例の動作補助装置の説明においても図1を参照する。但し、第2実施例の脚装具は脚装具107と称する。第2実施例の動作補助装置は、コントローラ100と、脚装具107を備える。脚装具107の構成は図1の脚装具12Lと同様である。ただし、脚装具107は、足首ジョイント20cLにもモータを備えている。脚装具107の構造の詳細な説明は省略する。
A second embodiment will be described. The second embodiment is a motion assisting device that measures the motion pattern of the user's left leg and applies torque to the left knee joint based on the measured motion pattern. The equipment configuration of this motion assisting device is the same as the
図7に第2実施例の動作補助装置のコントローラ100のブロック図を示す。図7の各符号が示す装置を説明する。符号101はフーリエ係数記憶器を示し、符号102はフーリエ係数演算器を示し、符号103は動作意図推定器を示し、符号104は目標動作生成器を示し、符号105は各関節指令生成器を示し、符号106は制御器を示し、符号107は脚装具を示し、符号109は状態検出器を示し、符号110はサンプル時間調整器を示す。なお、符号108は、動作補助装置の使用者を示す。
FIG. 7 shows a block diagram of the
本実施例の動作捕縄装置は、一方の脚の膝から下を自由に動かすことのできない人を対象としている。なお、他方の脚は健常である。自由に動かすことのできない側の脚を以下では非健常脚と称する。 The motion trapping device according to the present embodiment is intended for a person who cannot move freely from the knee of one leg. The other leg is healthy. The leg on the side that cannot be freely moved is hereinafter referred to as a non-healthy leg.
フーリエ係数記憶器101は、過去の状態検出値調整値のフーリエ係数であるフーリエ係数演算値を記憶するとともに、必要に応じてそれらをフーリエ係数記憶値として出力する。記憶するフーリエ係数演算値は、フーリエ係数演算器102から入力される。フーリエ係数演算器102には、状態検出値調整値が入力される。フーリエ係数演算器102は、入力された値に基づいてフーリエ係数を演算し、前述のフーリエ係数演算値として出力する。動作意図推定器103には、前述のフーリエ係数記憶値と前述のフーリエ係数演算値が入力される。動作意図推定器103は、前述のフーリエ係数記憶値の中で前述のフーリエ係数演算値に最も近い複数の値に基づいて、使用者108の動作意図を推定して出力する。
The Fourier
目標動作生成器104は、前記動作意図が入力として与えられる。目標動作生成器104は、その入力信号に基づいて使用者108が装着する脚装具107の所望の動作である目標動作を生成して出力する。各関節指令生成器105は、前述の目標動作と前述の状態検出値と前述のフーリエ係数記憶値が入力として与えられ、その入力信号に基づいて脚装具107の各関節の所望の角度である各関節指令を生成して出力する。制御器106は、前述の各関節指令と前述の状態検出値が入力として与えられ、前述の状態検出値が前述の各関節指令に追従するようなトルク指令により脚装具107を駆動する。
The
脚装具107は、装着する使用者108の動作を補助し、その各関節角度は状態検出器109が検出し、前述の状態検出値として出力する。サンプル時間調整器110は、前述の状態検出値のサンプル時間を調整し、前述の状態検出値調整値として出力する。
The
図8は脚装具107を装着した使用者の脚の模式図である。図8の符号を説明する。符号201は体幹を示し、符号202は大腿部を示し、符号203は膝を示し、符号204は脛を示し、符号205は足首を示し、符号206は足を示し、符号207は健常脚を示し、符号208は地面を示す。また、θhは非健常脚大腿部角度を示し、θkは非健常脚膝角度を示し、θaは非健常脚足首角度を示し、θiは健常脚大腿部角度を示し、lgは非健常脚大腿部長さを示し、lnは非健常脚脛長さを示している。
FIG. 8 is a schematic diagram of a user's leg wearing the
本実施例では、片脚の膝下を自由に動かすことができない使用者の歩行を補助する脚装具の一例について説明する。図8において、太線で示す非健常脚大腿部202、非健常脚膝203、非健常脚脛204、非健常脚足首205、非健常脚足206の各部に脚装具107が装着されているものとし、非健常脚膝203と非健常脚足首205をアクチュエータを用いて動作補助するものとする。また、非健常脚大腿部角度θhと健常脚207は、使用者108が自分の意思で動かすことができるものとする。図に示す瞬間において、非健常脚が立脚となっており、使用者108の体幹201を支え、地面208の上を歩行している。また、健常脚207には検出器を備えない場合について説明する。
In the present embodiment, an example of a leg brace that assists a user who cannot move freely below the knee of one leg will be described. In FIG. 8, a
以下、本実施例のコントローラ100が脚装具107を駆動する仕組みの詳細を図9および図10のシミュレーション結果を用いて説明する。
Hereinafter, the details of the mechanism by which the
本シミュレーションに用いた数値は次の通りである。m=45[kg]、mk=10[kg]、ma=5[kg]、lg=0.45[m]、ln=0.45[m]、lf=0.2[m]、g=9.8[m/s^2]、T=10×10^−3[s]、Jk=(2*m+mk+ma)*lg^2、Ja=(2*m+2*mk+ma)*ln^2、Kpk=10[s^−1]、Kvk=Kpk・(2π)[s^−1]、Kvjk=Kvk・Jk[N・m・s/rad]、Kpa=10[s^−1]、Kva=Kpa・(2π)[s^−1]、Kvja=Kva・Ja[N・m・s/rad]、vh=−v/(lg+ln)[rad/s]、θkmin=−175・π/180[rad]、θkmax=−0.5・π/180[rad]、θhmin=−60・π/180[rad]、θhmax=90・π/180[rad]、θimin=θhmin[rad]、θimax=θhmax[rad]、ymin=0.8・(lg+ln)[m]、ymax=0.9・(lg+ln)[m]、N0=10、λ=0.01。 The numerical values used in this simulation are as follows. m = 45 [kg], mk = 10 [kg], ma = 5 [kg], lg = 0.45 [m], ln = 0.45 [m], lf = 0.2 [m], g = 9.8 [m / s ^ 2], T = 10 × 10 ^ −3 [s], Jk = (2 * m + mk + ma) * lg ^ 2, Ja = (2 * m + 2 * mk + ma) * ln ^ 2, Kpk = 10 [s ^ -1], Kvk = Kpk · (2π) [s ^ -1], Kvjk = Kvk · Jk [N · m · s / rad], Kpa = 10 [s ^ -1], Kva = Kpa · (2π) [s ^ −1], Kvja = Kva · Ja [N · m · s / rad], vh = −v / (lg + ln) [rad / s], θkmin = −175 · π / 180 [ rad], θkmax = −0.5 · π / 180 [rad], θhmin = −60 · π / 180 [rad], θhmax = 90 · π / 180 [rad], θimin = θhmin rad], θimax = θhmax [rad], ymin = 0.8 · (lg + ln) [m], ymax = 0.9 · (lg + ln) [m], N0 = 10, λ = 0.01.
ただし、mは体幹質量、mkは膝質量、maは足首質量、lgは大腿部長さ、lnは脛長さ、lfは足長さ、gは重力加速度、Tは制御周期、Kpkは膝角度比例制御ゲイン、Kvkは正規化膝角速度比例制御ゲイン、Kvjkは膝角速度比例制御ゲイン、Kpaは足首角度比例制御ゲイン、Kvaは正規化足首角速度比例制御ゲイン、Kvjaは足首角速度比例制御ゲイン、vhは大腿部角速度指令、vは歩行速度、θkminは膝角度下限値、θkmaxは膝角度上限値、θhminは大腿部角度下限値、θhmaxは大腿部角度上限値、θiminは遊脚角度下限値、yminは体幹垂直位置指令下限値、ymaxは体幹垂直位置指令上限値、N0はフーリエ変換の基本次数、λは忘却係数を表している。ここで、基本次数N0と忘却係数λは、フーリエ係数記憶器101で使用するパラメータでありその詳細は後で述べる。
Where m is the trunk mass, mk is the knee mass, ma is the ankle mass, lg is the thigh length, ln is the shin length, lf is the foot length, g is the gravitational acceleration, T is the control period, and Kpk is the knee angle. Proportional control gain, Kvk is normalized knee angular velocity proportional control gain, Kvjk is knee angular velocity proportional control gain, Kpa is ankle angle proportional control gain, Kva is normalized ankle angular velocity proportional control gain, Kvja is ankle angular velocity proportional control gain, and vh is Thigh angular velocity command, v is walking speed, θkmin is knee angle lower limit value, θkmmax is knee angle upper limit value, θhmin is thigh angle lower limit value, θhmax is thigh angle upper limit value, θimin is swing leg lower limit value Ymin represents the trunk vertical position command lower limit value, ymax represents the trunk vertical position command upper limit value, N0 represents the fundamental order of Fourier transform, and λ represents the forgetting factor. Here, the basic order N0 and the forgetting factor λ are parameters used in the Fourier
本シミュレーションでは、まずフィードバック制御のみを用いた2足歩行を歩行速度v=0.5[m/s]、v=1.0[m/s]、v=1.5[m/s]のそれぞれについて行い、異なる歩行パターンである動作意図を作成する。ここで、地面は水平とし、両脚とも同じ機械定数とし、遊脚の各関節角度および足首角度は実際の人間の歩行を基にして決定した。前述のフィードバック制御において、膝および足首は上記制御パラメータを設定した位置比例速度比例制御とし、体幹垂直位置が上記上限値と下限値の間にあり、所望の歩行速度で歩行させた。ここで、前記足首角度は大腿部角度の関数とし、その関係式は歩行実測データに基づいて求めた。歩行実測データとして、Dr.Ben Stansfield, University of Strathclydeによるデータを用いた。ただし、実際に使用者108が脚装具107を使用する場合は、健常脚および非健常脚大腿部は使用者108が自分の意思で動作させ、非健常脚膝角度、非健常脚足首角度のみを上記フィードバック制御により駆動させる。
In this simulation, first, biped walking using only feedback control is performed with walking speeds v = 0.5 [m / s], v = 1.0 [m / s], and v = 1.5 [m / s]. Do this for each, and create motion intentions that are different walking patterns. Here, the ground is horizontal, both legs have the same mechanical constant, and each joint angle and ankle angle of the free leg are determined based on actual human walking. In the feedback control described above, the knee and ankle were set to position proportional speed proportional control with the above control parameters set, the trunk vertical position was between the upper limit value and the lower limit value, and walking was performed at a desired walking speed. Here, the ankle angle was a function of the thigh angle, and the relational expression was obtained based on walking actual measurement data. Data from Dr. Ben Stansfield, University of Strathclyde was used as walking measurement data. However, when the
図9は上記シミュレーションにより求めた、第2実施例を示す動作意図の例である。図9(a)、(b)、(c)はそれぞれ歩行速度0.5[m/s]、1.0[m/s]、1.5[m/s]の場合(以下、「第1動作意図」、「第2動作意図」、「第3動作意図」と呼ぶ。)を示す。図中、一点鎖線は大腿部角度、破線は膝角度、実線は足首角度であり、t1は大腿部速度が正で大腿部角度が0[rad]となる時間、t2は前記大腿部角度が最大となる時間、t3は前記大腿部速度が負で前記大腿部角度が0[rad]となる時間、t4は前記大腿部角度が最小となる時間を示す。図9(a)において、t2=t1+1.2[s]、t3=t2+2.0[s]、t4=t3+1.5[s]、t5=t4+0.9[s]である。図9(b)において、t2=t1+0.8[s]、t3=t2+1.0[s]、t4=t3+0.7[s]、t5=t4+0.4[s]、図3(c)において、t2=t1+0.6[s]、t3=t2+0.5[s]、t4=t3+0.4[s]、t5=t4+0.3[s]である。 FIG. 9 is an example of the operation intention showing the second embodiment obtained by the simulation. FIGS. 9A, 9B, and 9C show the cases of walking speeds of 0.5 [m / s], 1.0 [m / s], and 1.5 [m / s] (hereinafter “No. 1 operation intention ”,“ second operation intention ”, and“ third operation intention ”). In the figure, the alternate long and short dash line is the thigh angle, the broken line is the knee angle, the solid line is the ankle angle, t1 is the time when the thigh speed is positive and the thigh angle is 0 [rad], and t2 is the thigh The time when the thigh angle is maximum, t3 is the time when the thigh speed is negative and the thigh angle is 0 [rad], and t4 is the time when the thigh angle is minimum. In FIG. 9A, t2 = t1 + 1.2 [s], t3 = t2 + 2.0 [s], t4 = t3 + 1.5 [s], and t5 = t4 + 0.9 [s]. 9B, t2 = t1 + 0.8 [s], t3 = t2 + 1.0 [s], t4 = t3 + 0.7 [s], t5 = t4 + 0.4 [s], and in FIG. t2 = t1 + 0.6 [s], t3 = t2 + 0.5 [s], t4 = t3 + 0.4 [s], and t5 = t4 + 0.3 [s].
図7のフーリエ係数演算器102は、図9の大腿部角度θhの区間[t1、t2]、[t2、t3]、[t3、t4]、[t4、t5]におけるフーリエ係数を(数3)により算出する。
The
ただし、大腿部角度θhは上記各区間において等間隔にMk点のデータとなるようにサンプル時間調整器110にて調整し、そのβ番目の値をθhβとする。また、fhαはθhβの離散フーリエ変換によって算出したフーリエ係数演算値である。フーリエ係数演算器102は膝角度θk、足首角度θaについても同様にフーリエ係数を算出し、大腿部角度フーリエ係数fhα、膝角度フーリエ係数演算値をfkα、足首角度フーリエ係数演算値をfaαをフーリエ係数演算値としてフーリエ係数記憶器101と動作意図推定器103に出力する。
However, the thigh angle θh is adjusted by the
フーリエ係数記憶器101は、フーリエ係数演算値fhαのうちNk次までの値を記憶する。ただし、記憶するフーリエ係数の次数は(数4)に基づいて決定する。
The Fourier
ただし、Nkは記憶するk区間目の波形のフーリエ係数の次数、N0は基本次数、λは忘却係数、nは現在の区間、rは同じ動作を繰り返した回数である。基本次数N0は脚装具107が搭載するメモリ容量に応じて設定する。忘却係数λを大きくすると過去の歩行経験に基づくフーリエ係数記憶値が早くフーリエ係数記憶器101から消去される(忘却される)。また、同じ歩行パターンを繰り返すほど前述のフーリエ係数をより高い次数まで記憶し、より現在に行った歩行パターンほどその前述のフーリエ係数をより高い次数まで記憶する。記憶するフーリエ係数の次数を(数4)のように設定することで、使用する可能性のより高い歩行パターンのフーリエ係数のみを優先的に記憶するため、メモリ使用量を節約でき、より廉価に脚装具107を構成でき、動作意図推定も短時間に実施することができる。
Here, Nk is the order of the Fourier coefficient of the waveform in the kth section to be stored, N0 is the basic order, λ is the forgetting coefficient, n is the current section, and r is the number of times the same operation is repeated. The basic order N0 is set according to the memory capacity mounted on the
サンプル時間調整器110において、大腿部角度θhの負号が変化する点における大腿部速度dθh/dtおよび、大腿部速度dθh/dtが変化した時の大腿部位置θhに基づいて、歩行速度を推定し、前記歩行速度に比例してフーリエ変換の基本周波数を高く設定する。すなわち、(数5)に示すように上記各区間におけるサンプル点数Mkを大きく設定する。
In the
ただし、lは動作意図の番号(例えばl=2は第2動作意図を示す)、v(lk)は第lk動作意図の歩行における上記歩行速度、cはサンプル点数Mkを決定するパラメータ、round(・)は小数点以下を切り捨てる関数(ラウンド関数)、dθh+/dtは大腿部位置θhが0を正の方向に切るときの大腿部速度、dθh+(l)/dtは第l動作意図において大腿部位置θhが0を正の方向に切るときの大腿部速度、dθhmax/dtは大腿部位置θhが最大値をとる時の大腿部速度、dθhmax(l)/dtは第l動作意図における大腿部位置θhの最大値、dθh−/dtは大腿部位置θhが0を負の方向に切るときの大腿部速度、dθh−(l)/dtは第l動作意図において大腿部位置θhが0を負の方向に切るときの大腿部速度、dθhmin/dtは大腿部位置θhが最小値をとる時の大腿部速度、dθhmin(l)/dtは第l動作意図における大腿部位置θhの最小値である。 However, l is a motion intention number (for example, l = 2 indicates a second motion intention), v (lk) is the walking speed in the walk of the first lk motion intention, c is a parameter for determining the number of sample points Mk, round (・) Is a function (round function) that rounds off the decimal point, dθh + / dt is the thigh speed when the thigh position θh cuts 0 in the positive direction, and dθh + (l) / dt is large in the intention of the l-th motion. The thigh speed when the thigh position θh cuts 0 in the positive direction, dθhmax / dt is the thigh speed when the thigh position θh takes the maximum value, and dθhmax (l) / dt is the l-th operation. The maximum value of the thigh position θh in the intention, dθh− / dt is the thigh speed when the thigh position θh cuts 0 in the negative direction, and dθh− (l) / dt is large in the l-th motion intention. The thigh when the thigh position θh cuts 0 in the negative direction Time, dθhmin / dt is thigh speed when the thigh position θh takes a minimum value, dθhmin (l) / dt is the minimum value of the thigh position θh in the l operation intended.
フーリエ係数記憶器101は、前述したフーリエ係数演算値を(数4)に示すNk次までフーリエ係数記憶値として記憶する。以下、過去の動作よりフーリエ係数記憶器101が記憶している非健常脚の大腿部角度フーリエ係数記憶値と、使用者108の歩行中に前述と同様にして得られた非健常脚の大腿部角度フーリエ係数演算値fhαに基づいて使用者108の動作意図を推定し、非健常脚膝角度と非健常脚足首角度を制御する仕組みを説明する。ここで、健常脚の動作は図9の3つの歩行パターンがランダムな順序に連続したものとし、上記健常脚の上記歩行パターンは上記非健常脚大腿部角度と同じ順序とし、時間は上記非健常大腿部角度の時間よりも各歩行パターンの半周期分早いとする。
The Fourier
図10は第2実施例を示す動作意図推定のシミュレーション結果である。図において、一点鎖線は非健常大腿部角度、破線は非健常膝角度、実線は非健常脚足首角度を示す。また、t1=0[s]、t2=1.2[s]、t3=3.2[s]、t4=3.9[s]、t5=4.4[s]、t6=5.1[s]、t7=6.0[s]、t8=6.4[s]、t9=6.8[s]、t10=7.5[s]、t11=8.5[s]、t12=9.1[s]、t13=9.7[s]、t14=10.7[s]である。以下、区間ごとに図7の各部動作を説明する。 FIG. 10 shows simulation results of motion intention estimation according to the second embodiment. In the figure, a one-dot chain line indicates a non-healthy thigh angle, a broken line indicates a non-healthy knee angle, and a solid line indicates a non-healthy leg ankle angle. Also, t1 = 0 [s], t2 = 1.2 [s], t3 = 3.2 [s], t4 = 3.9 [s], t5 = 4.4 [s], t6 = 5.1 [s], t7 = 6.0 [s], t8 = 6.4 [s], t9 = 6.8 [s], t10 = 7.5 [s], t11 = 8.5 [s], t12 = 9.1 [s], t13 = 9.7 [s], and t14 = 10.7 [s]. Hereinafter, each part operation | movement of FIG. 7 is demonstrated for every area.
時間t1において、図10に示す歩行パターンをすでに一度経験しているものとし、フーリエ係数記憶器101はその歩行経験に基づいたフーリエ係数記憶値を記憶しているものとする。
It is assumed that the walking pattern shown in FIG. 10 has already been experienced once at time t1, and the Fourier
区間[t1、t2]において、過去の非健常脚大腿部角度の情報が存在しないため現在の動作意図推定ができず、上記非健常膝角度および上記非健常足首角度は上記フィードバック制御により実施している。フーリエ係数演算器102は上記非健常大腿部角度のフーリエ係数演算値を算出し、フーリエ係数記憶器101に記憶する。フーリエ係数記憶器101は、過去の歩行経験より記憶している、図9に示す3つの歩行パターンのフーリエ係数をフーリエ係数記憶値として出力する。動作意図推定器103は、上記フーリエ係数演算値と上記フーリエ係数記憶値を(数6)により比較し、上記フーリエ係数演算値は上記第1歩行パターンの上記フーリエ係数記憶値に最も近いと判別する。その結果、使用者108は図9(a)に示す歩行速度0.5[m/s]の歩行を意図している(以下、「第1動作意図」と呼ぶ)と判別し、その旨を動作意図として出力する。
In section [t1, t2], there is no information on past non-healthy leg thigh angles, so the current motion intention estimation cannot be performed, and the non-healthy knee angle and the non-healthy ankle angle are implemented by the feedback control. ing. The
ただし、lは動作意図の番号(例えばl=2は第2動作意図を示す)、δ(l)は現在のフーリエ係数記憶値fαと第l動作意図のフーリエ係数記憶値fα(l)との差の2乗の和であるフーリエ係数記憶値誤差2乗和、lkはフーリエ係数記憶値誤差2乗和δ(l)を最小とする動作意図の番号lである。ここで、フーリエ係数記憶値fαと第l動作意図のフーリエ係数記憶値fα(l)は一般的には異なる次数(Nk≠Nk(l))であるので、(数6)においてフーリエ係数記憶値誤差2乗和δ(l)は少ない方の次数までの和をとってしている。 However, l is a motion intention number (for example, l = 2 indicates a second motion intention), and δ (l) is a current Fourier coefficient stored value fα and a Fourier coefficient stored value fα (l) of the lth motion intention. The Fourier coefficient stored value error sum of squares lk, which is the sum of the squares of the differences, lk is an operation intention number l that minimizes the Fourier coefficient stored value error sum of squares δ (l). Here, since the Fourier coefficient storage value fα and the Fourier coefficient storage value fα (l) intended for the l-th operation are generally different orders (Nk ≠ Nk (l)), the Fourier coefficient storage value in (Expression 6). The error sum of squares δ (l) is the sum up to the smaller order.
目標動作生成器104は、上記動作意図を入力し、上記第1動作意図に共通している「水平に0.5[m/s]程度で移動する」と「体幹201の垂直位置が0.75[m]以上を保つ」という目標動作を出力する。
The
各関節指令生成器105は、上記目標動作と上記状態検出値と上記フーリエ係数記憶値が入力値として与えられ、上記状態検出値に基づいて算出した水平移動速度と上記垂直位置が、上目標動作から設定誤差範囲内にあるときは、上記第1歩行パターンの上記フーリエ係数記憶値に逆フーリエ変換を適応して(数7)、(数8)により算出した非健常脚膝角度指令と非健常足首角度指令を各関節指令として出力し、上記状態検出値に基づいて算出した水平移動速度と上記垂直位置が、上記目標動作から設定誤差範囲内にないときは、上記目標動作を満足するような非健常膝角度指令と非健常脚足首角度指令を上記各関節指令として出力する。本シミュレーションは前者の場合である。
Each
ただし、θkkは上記状態検出値に基づいて算出した水平移動速度と上記垂直位置が、上記目標動作から設定誤差範囲内にある場合の非健常脚膝角度指令、fkαはフーリエ係数記憶器101が記憶するk区間目の膝角度フーリエ係数、θakは上記状態検出値に基づいて算出した水平移動速度と上記垂直位置が、上記目標動作から設定誤差範囲内にある場合の非健常脚足首角度指令を表す。また、faαはフーリエ係数記憶器101が記憶するk区間目の足首角度フーリエ係数、Mkはk区間目のサンプル点数を表す。
However, θkk is a non-healthy leg knee angle command when the horizontal movement speed and the vertical position calculated based on the state detection value are within the set error range from the target motion, and fkα is stored in the Fourier
区間[t2、t3]において、制御器106は、上記各関節指令と上記状態検出値が入力として与えられる。制御器106は、上記状態検出値に基づいて算出した水平移動速度と上記垂直位置が、上記目標動作から設定誤差範囲内にあるときは、上記状態検出値が上記各関節指令に追従するようなフィードフォワード制御指令であるトルク指令を出力する。また制御器106は、上記状態検出値に基づいて算出した水平移動速度と上記垂直位置が、上記目標動作から設定誤差範囲内にないときは、上記目標動作を満足するようなフィードバック制御指令であるトルク指令を出力する。
In the section [t2, t3], the
脚装具107の非健常脚膝203と非健常脚足首205に搭載したアクチュエータが上記トルク指令に従って駆動し、使用者108の歩行を補助する。ただし、上記トルク指令のサンプル時間は制御器106にて適切に調整するものとする。
Actuators mounted on the
上記動作意図が切り替わった直後の区間[t3、t4]、[t7、t8]、[t9、t10]、[t13、t14]において、上記非健常脚膝角度と上記非健常脚足首角度は上記フィードバック制御により制御し、それ以外の区間において上記非健常脚膝角度と上記非健常脚足首角度は上記フィードフォワード制御により制御する。 In the sections [t3, t4], [t7, t8], [t9, t10], [t13, t14] immediately after the movement intention is switched, the non-healthy leg knee angle and the non-healthy leg ankle angle are fed back as described above. The non-healthy leg knee angle and the non-healthy leg ankle angle are controlled by the feedforward control in other sections.
このように、脚装具107を装着した使用者108が転倒しかけた場合には、フィードバック制御で水平移動速度と体幹垂直位置を所望の範囲に保つように歩行補助し、それ以外の場合にはフィードフォワード制御で上記動作意図通りに上記非健常膝角度と上非健常脚足首角度が動作するように歩行補助する。
As described above, when the
本実施例によると、使用者108の動作意図を上記非健常脚大腿部角度の状態検出値のみに基づいて推定し、上記非健常脚膝および上記非健常脚足首の動作を補助できるので、体幹201や健常脚207に高価な検出器を装備することなく、省配線、小形、軽量、廉価で装着しやすい脚装具107を実現できる。
According to the present embodiment, the motion intention of the
フーリエ係数記憶器101において、上記フーリエ係数記憶値のうち誤差が設定範囲にあるものを同じ歩行パターンであると判断し、その平均値のみを記憶することにより、メモリ使用量を削減でき、脚装具107を廉価に構成することができる。
In the Fourier
また、上記非健常脚膝角度と上記非健常脚足首角度のフィードバック制御は位置P速度PI制御、位置P速度I−P制御、位置PID制御、状態フィードバック制御、スライディングモード制御など任意の制御則を用いても同様に実現できる。 In addition, the feedback control of the non-healthy leg knee angle and the non-healthy leg ankle angle is performed according to any control law such as position P speed PI control, position P speed IP control, position PID control, state feedback control, sliding mode control. Even if it uses, it is realizable similarly.
本実施例では使用者108の片足の膝下を自由に動かすことができない場合の歩行補助を仮定したが、本発明は腕の動作補助など様々な動作補助に同様に適用できる。
In the present embodiment, it is assumed that walking assistance is performed when the
このように、本実施例は少ない検出器からの状態検出値のみに基づいて、使用者108の動作意図を推定することができるので、省配線、小形、軽量、廉価で装着しやすい脚装具107により使用者108の動作を補助することができる。
As described above, the present embodiment can estimate the operation intention of the
本実施例の動作補助装置は、少ない廉価な検出器のみを用いて、高精度に使用者の動作意図を推定し、上記使用者の動作を補助することができる。この動作補助装置は、四肢の一部が麻痺した患者、又は、四肢の一部を切断した患者の義手、義足、高齢者の動作補助装置、四肢のリハビリ装置など医療分野を中心に広く適用できる。 The motion assist device of this embodiment can assist the user's motion by estimating the motion intention of the user with high accuracy using only a few inexpensive detectors. This motion assist device can be widely applied mainly in the medical field such as prosthetic hand, prosthetic leg, elderly motion assist device, limb rehabilitation device of patients who have paralyzed part of their limbs, or patients who have partially cut their limbs .
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
10:動作補助装置
12L:脚装具
14L:上部リンク
16L:下部リンク
18L:足底リンク
20aL:腰ジョイント
20bL:膝ジョイント
20cL:足首ジョイント
21:エンコーダ(脚センサ)
30:支持リンク
32:モータ
40、100:コントローラ
101:フーリエ係数記憶器
102:フーリエ係数演算器
103:動作意図推定器
104:目標動作生成器
105:各関節指令生成器
106:制御器
107:脚装具
109:状態検出器
110:サンプル時間調整器
10:
30: Support link 32:
Claims (6)
人の特定関節にトルクを加えるアクチュエータと、
人の既定部位の動作パターンを計測するセンサと、
既定部位の相互に異なる動作パターンを記述した第1動作パターン群を記憶しているとともに、特定関節の相互に異なる第2動作パターン群の夫々を実現するための目標角度パターンを第1動作パターン群の夫々に対応付けて記憶している記憶ユニットと、
アクチュエータを制御するコントローラと、
を備えており、コントローラは、
計測された動作パターンに最も近い第1動作パターンを第1動作パターン群の中から選択し、
選択された第1動作パターンに対応付けられている目標角度パターンに、特定関節の角度を追従させるようにアクチュエータを制御することを特徴とする動作補助装置。 It is a movement assist device that assists human movement,
An actuator that applies torque to a specific joint of a person,
A sensor that measures the movement pattern of a person's default site;
The first motion pattern group describing different motion patterns of the predetermined part is stored, and the target angle pattern for realizing each of the different second motion pattern groups of the specific joint is set as the first motion pattern group. A storage unit storing the information in association with each of the
A controller that controls the actuator;
The controller is equipped with
A first operation pattern closest to the measured operation pattern is selected from the first operation pattern group;
An operation assisting device that controls an actuator so that an angle of a specific joint follows a target angle pattern associated with a selected first operation pattern.
コントローラは、計測された動作パターンの時系列データをフーリエ変換して得られる第2フーリエ係数セットを算出するとともに、第2フーリエ係数セットと各第1フーリエ係数セットを比較し、第2フーリエ係数セットとの差が最も小さい第1フーリエ係数セットに対応する第1動作パターンを選択することを特徴とする請求項1に記載の動作補助装置。 The storage unit stores a first Fourier coefficient set obtained by Fourier transforming the time series data of each first operation pattern,
The controller calculates a second Fourier coefficient set obtained by performing Fourier transform on the time series data of the measured motion pattern, compares the second Fourier coefficient set with each first Fourier coefficient set, and calculates the second Fourier coefficient set. The motion assisting device according to claim 1, wherein the first motion pattern corresponding to the first Fourier coefficient set having the smallest difference from the first Fourier coefficient set is selected.
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