JP5420405B2 - ロボット骨組、外骨格構造体、装着式のロボットシステム、人体と協調して装着式のロボット骨組を同時に動かす方法、装着式の人間の外骨格を人体の動きと協調して動かせるようにする方法 - Google Patents
ロボット骨組、外骨格構造体、装着式のロボットシステム、人体と協調して装着式のロボット骨組を同時に動かす方法、装着式の人間の外骨格を人体の動きと協調して動かせるようにする方法 Download PDFInfo
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Description
本願は、その全体がすべての目的について本明細書に援用される、2006年7月17日出願の米国仮特許出願第60/831,476号、および2007年7月16日出願の通し番号不明の米国非仮特許出願に対する優先権を主張する。
1.ロボット関節角度のベクトルθ200、
2.ロボット関節速度のベクトルθ210、
3.測定された関節トルクのベクトルτ220、
4.重力のベクトルg230(典型的に、外骨格に取り付けられたある基準の骨組において、たとえば骨盤に取り付けられた慣性測定ユニットを使用して測定される)、
5.操作者と外骨格との間の相互作用から生じる、Fベクトル240として示される力およびモーメントを含むことができる。相互作用の力およびモーメントのベクトルFは、たとえば、以下のような位置で測定される。
(ii)外骨格の骨盤と操作者に取り付けられた骨盤のハーネスとの間、
(iii)外骨格の脊柱構造体と操作者に取り付けられた肩のハーネスとの間、
(iv)操作者の手および/または手首と外骨格の腕との間、および
(v)他の位置も可能である。
左の脚部には、
Kj(si)=KLOW+(KHIGH−KLOW)f(si)
(5)
式中、j=FまたはSであり、力/モーメント(F)利得、「向きK」(S)、およびi=RまたはL(右または左の脚)を示し、式中、KHIGH、KLOWは利得の上下の限界値である。s(すなわち以前に定義された基準化係数SLまたはSR)が0から1へと変化するにつれて、関数f(s)は1から0へと単調に変化する。このような滑り利得アルゴリズムの一例が図7に示され、下記に方程式6として示される。
SlideGain=KHIGH+SL*(KLOW−KHIGH)/(thresh+ε)
(6)
左脚の滑り利得は方程式6で上記に示される。しかしながら、同様の式(SLをSRによって置き換え)が、右脚に使用されてもよい。threshはこれを超えると利得が一定となる値であり、εは約10−3から10−6の小さい数であり得る。
装着式の人間外骨格が人体の動きと協調して動くのを可能にする方法が、本明細書に考慮および開示される。本方法は、人間の外骨格を装着するステップと、外骨格に連結された複数の力センサと人体の四肢の近くの接触位置との間における力の状態を感知するステップとを含む。さらに、本方法は、外骨格の一部分に対する重力の方向を計算するステップと、外骨格の人間/力の応答値を手動で調整するステップとを含む。さらに、本方法は、力センサに対して人体の一部分を変位させるステップと、力の状態における変化を感知するステップとを含む。本方法はまた、外骨格の動かない荷重支持部分をロックするステップと、外骨格の動く非荷重支持部分をアンロックするステップと、重力を含む力の状態を回復するのに必要とされる、外骨格のアンロックされた非荷重支持部分の関節の回転力を計算するステップと、人体に掛かる外骨格の力が確実にゼロになるのに必要とされる、外骨格のロックされた荷重支持部分の関節の回転力を計算するステップと、少なくとも計算された関節の回転力からなる信号を発生するステップと、を含む。さらに、本方法は、前記外骨格に連結された作動装置システムに前記信号を送信するステップと、外骨格のアンロックされた非荷重支持部分を計算された関節の回転力で変位させるように、前記信号に応答して、外骨格に連結された変位装置を作動させるステップと、を含む。さらに、本方法は、外骨格のロックされた荷重支持部分において、計算された関節の回転力を維持するように、前記信号に応答して、外骨格に連結された変位装置を作動させるステップと、人体の動きを模倣するように上記のステップを繰り返すステップと、を含む。
Claims (24)
- 少なくとも人体の一部分に近似し、少なくとも人体の一部分に連結可能である形状にされ、前記人体による動きを模倣するように構成されたロボット骨組(100)であって、前記ロボット骨組はロボット変位装置を備え、前記ロボット変位装置は、
力センサと前記人体の四肢との間の調整可能な制御する界接面の力の状態の関係を感知し、前記人体の四股の適切な形状に沿って前記ロボット骨組に取り付けられた複数の力センサ(110、120、130、140)であって、力センサの少なくとも1つが足と強力に接触している関係で接触可能なセンサであり、また力の信号を出力する、複数の力センサ(110、120、130、140)と、
前記センサから前記力の信号を受信し、前記ロボット骨組の関節位置を検出し、前記ロボット骨組(100)の位置に対する重力の力および前記ロボット骨組(100)の位置に対する重力の方向を計算し、前記人体に掛かるロボット骨組(100)の力およびロボット骨組(100)により人体に掛かる計算された力に対抗するのに必要な関節の回転力を計算し、ロボット骨組(100)と人体の四肢との間の制御する界接面の力の状態の関係を維持し、作動信号を発生して送信するように構成される、前記ロボット骨組に取り付けられた中央制御ユニット(160)と、
前記中央制御ユニット(160)からの前記送信された作動信号を継続的に受信し、前記制御する力の状態の関係を維持するために、前記ロボット骨組(100)により前記人体に掛かる力に対抗するように前記ロボット骨組(100)の関節構成要素に掛かる計算された関節の回転力を作用させるように構成される、前記ロボット骨組(100)に取り付けられた駆動システム(150)とを備え、
前記中央制御ユニット(160)は、力および可動性を最適化するために、動作中に前記ロボット変位装置の荷重支持部分と非荷重支持部分との間の滑り利得方式を、以下の式1
K j (s i )=K LOW +(K HIGH −K LOW )f(s i ) (式1)
式1中、j=FまたはSであり、力/モーメント(F)利得、「向きK」(S)、およびi=RまたはL(右または左の脚)を示し、式中、K HIGH 、K LOW は利得の上下の限界値である、
を使用することにより、実施するように構成される、ロボット骨組(100)。 - 前記複数のセンサの少なくとも1つが、前記人体の四肢上の接触位置に隣接して非接触の関係で配置される、請求項1に記載のロボット骨組。
- 前記複数の力センサの少なくとも1つが、前記人体の足の底部分と強力に接触している関係で配設されている、請求項1に記載のロボット骨組。
- 前記複数のセンサが、前記ロボット骨組上の股関節部および肩の位置の近傍に配置された力センサをさらに含み、前記複数の力センサが、複数軸における前記人体の動きの複数の方向を同時に感知可能である、請求項1に記載のロボット骨組。
- 前記駆動システムが、複数方向および複数軸において前記ロボット骨組を変位させるように同時作動が可能である、前記ロボット骨組上の複数の位置に配置された複数の駆動機構をさらに含む、請求項1に記載のロボット骨組。
- 前記力センサが、人間以外の接触によって起動可能である、請求項1に記載のロボット骨組。
- 前記駆動システム(150)が、
ピストン、チャンバに流体を供給するように前記チャンバに連結された少なくとも1つの流体口、および通気口を有するチャンバであって、前記ピストンおよび前記少なくとも1つの流体口が、前記チャンバに可変圧力を与えるように構成され、前記ピストンおよび前記流体が、前記チャンバの燃焼部における燃焼からエネルギーを与えるために少なくとも部分的に前記燃焼を容易にするように構成されたチャンバと、
前記チャンバ内の前記燃焼を制御する制御器と、
前記チャンバと流体連通した高速応答構成要素であって、前記チャンバの前記燃焼部に隣接して配置され、前記チャンバ内における前記燃焼から前記エネルギーの一部を引き出すように構成された高速応答構成要素と、を備える内部燃焼(IC)機関によって動力を供給される、請求項1に記載のロボット骨組。 - 動力源からの動力をすべての前記力センサよりも少ない群へと導くように構成される制御システムをさらに備えた、請求項1に記載のロボット骨組。
- 前記中央制御ユニット(160)は、通信装置からのリモート信号を受信するように構成される、請求項1に記載のロボット骨組。
- 人体への取付け用の可動式の外骨格構造体であって、
前記人体に対して応答して動くように構成された外骨格構造体と、
複数のセンサと前記人体との間の調整可能な制御する界接面の力の状態を検出するように前記外骨格構造体に取り付けられた感知手段であって、前記センサの少なくとも1つが人体の四股に強力に接触している関係にある、感知手段と、
前記外骨格構造体の関節位置を検出し、前記外骨格構造体の位置での重力の方向および力を計算し、前記外骨格構造体と前記人体との間の制御する界接面の力の状態の関係を維持するために、前記人体に掛かる前記外骨格構造体の力を計算し且つ前記外骨格構造体によって前記人体に作用する前記計算された力に対抗するのに必要な関節の回転力を計算するように前記外骨格構造体に取り付けられた計算手段と、
重力の方向および力に対する前記制御する界接面の力の状態を持続することに基づいて、前記外骨格構造体により前記人体に掛かる力に対抗するために、前記外骨格構造体の関節構成要素に掛かる前記計算された関節の回転力を掛けることにより、前記人体の空間的および時間的な動きを模倣するように構成された、前記外骨格構造体に取り付けられた変位システムと、を備え、
前記計算手段は、力および可動性を最適化するために、動作中に前記可動式の外骨格構造体の荷重支持部分と非荷重支持部分との間の滑り利得方式を、以下の式2
K j (s i )=K LOW +(K HIGH −K LOW )f(s i ) (式2)
式2中、j=FまたはSであり、力/モーメント(F)利得、「向きK」(S)、およびi=RまたはL(右または左の脚)を示し、式中、K HIGH 、K LOW は利得の上下の限界値である、
を使用することにより、実施するように構成される、外骨格構造体。 - 人体の動きを模倣するために実時間で変位させられるように構成された装着式のロボットシステムであって、
少なくとも前記人体の一部分に近似し、少なくとも人体の一部分に連結可能である形状にされたロボット骨組(100)と、
前記人体の四肢と力センサとの間の調整可能な制御する界接面の力の状態の関係の変化を感知するように構成される、前記ロボット骨組に取り付けられた複数の線形および回転の力センサであって、力センサの少なくとも1つが人体と強力に接触している関係である、力センサと、
前記ロボット骨組(100)の関節位置を検出し、前記ロボット骨組(100)の関節位置に対する重力の方向および力を計算し、前記人体に掛かる前記ロボット骨組(100)の力を計算しおよび前記ロボット骨組(100)により前記人体に掛かる前記計算された力に対抗するのに必要な関節の回転力を計算し、前記ロボット骨組(100)と前記人体の四股との間の前記調整可能な制御する界接面の力の状態の関係を維持し、作動信号を送信するように構成される、前記ロボット骨組(100)に取り付けられた中央制御ユニット(160)と、
前記中央制御ユニット(160)から前記作動信号を受信し、駆動機構を起動するように構成される、前記ロボット骨組(100)に取り付けられた作動装置と、
前記調整可能な制御する界接面の力の状態の関係が回復されるまで、前記人体に対して前記ロボット骨組(100)の一部分を変位し、前記ロボット骨組(100)により前記人体に掛かる力に対抗するように前記ロボット骨組の関節構成要素に前記計算された関節の回転力を掛けるように構成される、前記作動装置に連結された駆動機構と、を備え、
前記中央制御ユニットは、力および可動性を最適化するために、動作中に前記装着式のロボットシステムの荷重支持部分と非荷重支持部分との間の滑り利得方式を、以下の式3
K j (s i )=K LOW +(K HIGH −K LOW )f(s i ) (式3)
式3中、j=FまたはSであり、力/モーメント(F)利得、「向きK」(S)、およびi=RまたはL(右または左の脚)を示し、式中、K HIGH 、K LOW は利得の上下の限界値である、
を使用することにより、実施するように構成される、装着式のロボットシステム。 - 人体(52)と協調して装着式のロボット骨組(100)を同時に動かす方法であって、
少なくとも前記人体の四肢の近くに配置された前記ロボット骨組上の複数の力センサと前記人体の四肢の近くの接触位置との間の制御する界接面の力の関係を検出するステップであり、少なくとも1つの力センサが四股と強力に接触している関係である、前記検出ステップと、
前記ロボット骨組の関節位置を検出するステップと、
前記装着式のロボット骨組(100)の位置に対する重力の方向を検出するステップと、
前記力センサに対して前記人体(52)の一部分を変位させるステップと、
前記界接面の力の関係の状態における変化を検出するステップと、
前記制御する界接面の力の関係の状態における変化に応答して、前記ロボット骨組により前記人体に掛かる力に対抗する関節の回転力の信号を発生するステップと、
前記装着式のロボット骨組(100)に連結された作動装置システムに前記関節の回転力の信号を送信するステップと、
前記制御する界接面の力の関係が回復されるまで、前記ロボット骨組により人体に掛かる力に対抗するように前記関節の回転力の信号に応答して前記ロボット骨組(100)に連結された変位装置を作動させるステップとを含み、
前記方法が更に、力および可動性を最適化するために、前記装着式のロボットシステム骨組の荷重支持部分と非荷重支持部分との間の滑り利得方式を、以下の式4
K j (s i )=K LOW +(K HIGH −K LOW )f(s i ) (式4)
式4中、j=FまたはSであり、力/モーメント(F)利得、「向きK」(S)、およびi=RまたはL(右または左の脚)を示し、式中、K HIGH 、K LOW は利得の上下の限界値である、
を使用することにより、実施するステップを有する、
方法。 - 前記力センサが、前記人体(52)の肩および股関節部の近くに配置される、請求項12に記載の方法。
- 前記力の関係が、調整可能な近接センサと前記人体(52)の接触位置との間の距離によって定義される、請求項12に記載の方法。
- 前記センサが、複数軸における複数方向の動きを感知するように同時作動が可能である、請求項12に記載の方法。
- 前記変位装置が、複数方向および複数軸において前記ロボット骨組(100)を変位させるように同時に作動するように構成された、請求項12に記載の方法。
- 前記変位装置が、高速応答力変換装置によって動力を供給される、請求項12に記載の方法。
- 前記制御する力の状態の関係における変化に対する前記力センサの感度が調整可能である、請求項12に記載の方法。
- 装着式の人間の外骨格を人体の動きと協調して動かせるようにする方法であって、
人間外骨格を装着するステップと、
前記外骨格に連結された複数の力センサと前記人体の四肢の近くの複数の接触位置との間における力の状態を感知するステップであって、力センサの少なくとも1つが四股と強力に接触している関係である、前記感知ステップと、
前記外骨格の関節位置を検出するステップと、
前記外骨格の一部分に対する重力の方向を計算するステップと、
外骨格の人間/力の応答値を手動で調整するステップと、
前記力センサに対して前記人体の一部分を変位させるステップと、
前記力の状態における変化で生じる、前記外骨格により前記人体に掛かる力を感知するステップと、
前記外骨格の動かない荷重支持部分をロックするステップと、
前記外骨格の動く非荷重支持部分をアンロックするステップと、
前記外骨格により前記人体に掛かる力に対抗し、重力を含む前記力の状態を回復するのに必要とされる、前記外骨格のアンロックされた非荷重支持部分の関節の回転力を計算するステップと、
前記人体に掛かる前記外骨格の力を確実にゼロにするのに必要とされる、前記外骨格のロックされた荷重支持部分の関節の回転力を計算するステップと、
少なくとも前記計算された関節の回転力からなる信号を発生するステップと、
前記外骨格に連結された作動装置システムに前記信号を送信するステップと、
前記外骨格の前記アンロックされた非荷重支持部分を前記計算された関節の回転力で変位させるように、前記信号に応答して、前記外骨格に連結された変位装置を作動させるステップと、
前記外骨格の前記ロックされた荷重支持部分において前記計算された関節の回転力を維持するように、前記信号に応答して、前記外骨格に連結された前記変位装置を作動させるステップと、
前記人体の動きをまねるように上記のステップを繰り返すステップと
を含む方法。 - 前記中央制御ユニット(160)が前記ロボット骨組の速度を検出する、請求項1に記載のロボット骨組(100)。
- 前記計算手段が、前記外骨格構造体の速度を検出する、請求項10に記載の人体への取付け用の可動式の外骨格構造体。
- 前記中央制御ユニット(160)が前記ロボット骨組の速度を検出する、請求項11に記載の装着式のロボットシステム。
- 前記ロボット骨組の速度を検出するステップを更に備える、請求項12に記載の装着式のロボット骨組を同時に動かす方法。
- 前記外骨格の速度を検出するステップを更に備える、請求項19に記載の装着式の人間の外骨格を人体の動きと協調して動かせるようにする方法。
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