JP5761832B2 - 動作補助装置、及び動作補助装置の同調制御方法 - Google Patents
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Description
前記関節部の動きを駆動するアクチュエータ、装着者の屈曲可動部位の動作と前記関節部の動作との相互作用力を検出する相互作用力検出センサと、前記相互作用力検出センサの検出した前記相互作用力、及び関節角度センサの検出した関節角度に基づき前記屈曲可動部位の動作位相θ’ h を推定する位相推定部と、により構成され、動作の位相θ’hを取得する位相取得部、前記位相取得部の取得した前記屈曲可動部位の動作の位相θ’hを入力振動とする位相振動子モデルに基づいて、予め設定された目標位相差を維持しつつ装着者の屈曲可動部位の動作と前記関節部の動作とを同調させるための前記関節部の動作目標値を算出する目標値算出部、および前記目標値算出部の算出した動作目標値に基づいて、前記アクチュエータを駆動する駆動制御部、を備えることを特徴とする。
さらに前記式(1)を用いて、動作中の人間の最大トルクτ’h_maxと最小トルクτ’h_minを推定し、これらを下記の式(2)に代入し、推定したトルクτ’hの振幅A’hを算出し、
最初に、位相振動子モデルについて説明する。位相振動子モデルは、単振動を行う振動子間に用いるパターン生成モデルである。位相振動子モデルは、他の振動子に対する同調や位相差の調製が可能であるため、多関節ロボットの各関節の運動パターン生成などに用いられる(特許文献3、非特許文献3−5)。これら既存の研究では、多関節ロボットの各関節の動作や、二足歩行用ロボットの左右の足の動作を制御するために位相振動子モデルによるパターン生成を行っている。一方、本発明は、人体へ装着する動作補助装置の動作において、装着者の動作を入力振動として位相振動子モデルによる動作パターン生成を行う制御方法であり、同一ロボット内での処理でない点で新規である。また、本発明は、装着者の身体の一部も一つの振動子であると仮定して、人体と装置の間での動作を、任意の位相差を維持しながら同調制御する点で新規である。
図2に、本発明による同調制御の概要の一例を示す。まず、装置の関節部(Each joint of Motion Assist)の動作と装着者(Human)の屈曲可動部位の動作との相互作用(Interaction)から生じる相互作用力(Interaction Torque)と、装置の関節角度(Joint Angle)とから、装着者のトルク(Expected Human’s Torque)を推定する。次に、推定された装着者のトルクから装着者の動作位相θ’hとしてトルクの位相θ’hを推定(EOM (Estimation Of Motion) of Human Model)する。次に、装着者の動作位相θ’hを、位相振動子(Phase Oscillator)の入力振動として位相振動子のモデル式に代入し演算する。位相振動子のモデル式により、装着者の動作に同調した出力として、目標トルクや目標角度などの動作目標値(Output)が算出される。この際、演算処理を行うモデル式において、入力に対する任意の位相差を生じさせることが可能になる。次に、この動作目標値に従って、装置の次の動作(Motion)を生成する。この一連の動作を繰り返すことにより、装置の動作を装着者の動作へ同調させる。
図3に、装着者となる人体100を示す。ここでは、装着者の屈曲可動部位(関節)が一例として、膝関節である例を示す。人体100は、脚部(Human Leg)として、大腿部101、膝関節102、下腿部103を有している。図4では、図3に示す人体の脚部をモデル化した、一自由度膝関節モデル(Human Leg)を示している。同図では、この一自由度膝関節モデルに装着した状態の動作補助装置1の可動機構2を例示している。動作補助装置は、屈曲可動部位の動作の位相として、本モデルにおける装着者のトルクの推定値を元に、膝関節102(屈曲可動部位の一例)のトルク波形の位相を推定する。
図4に示す動作補助装置1の可動機構2は、関節部11、リンク12、リンク13、アクチュエータ21、相互作用力検出センサ22、関節角度センサ23、装着具15、及び装着具16を備えている。図に示す抵抗やピストンポンプは、装置1がヒトの足に負荷や駆動力を与えることを等価的に示したものであり、装置1の構成ではない。
位相振動子のモデル式は、単振動を行う振動子間に用いるパターン生成モデルである。動作補助装置1の動作を生成する位相振動子と装着者との間での動作の同調を実現させるため、装着者も装置と同様の振動子に従い動作していると仮定し、装着者の屈曲可動部位の動作の位相を推定する。以下具体的に説明する。
本発明の効果を確認するため、シミュレーションによる検証実験を行った。このシミュレーションにおいては、装置の装着者は自身の動作を常に維持するものとして、同調制御を行う動作補助装置と装着者との相互作用をシミュレートした。シミュレーションや後述する実機による同調制御実験では、慣性項、重力項として、前述した公知の文献「日本人アスリートの身体部分慣性特性の推定」に記載の日本人青年男性のデータを用いた。シミュレーションで用いた各数値は、人間の脚部の質量mh=3.0kg,長さlh=3.9×10-1m,装置の質量ma=1.0kg,長さla=3.5×10-1mとして、各係数Mh=1.5×10-1kg・m2 /rad,Ma=4.1×10-2kg・m2 /rad,Ch=0.1 kg・m2/s・rad,Ca=0.1kg・m2/s・rad,Gh=5.7N・m,Ga=1.7N・m,k1=263.6N・m/rad,k2=26.4N・m・s/radと設定した。
シミュレーションは、図4のモデルで行った。また、下記の式(9)は、本モデルにおける運動方程式を示す。式(9)において、右辺第一項から、慣性項、粘性項、重力項、相互作用力項を示す。なお、このうち相互作用力項については、下記の式(10)を用いて導出する。(粘性係数は、上記の通り、Ch、Caとも0.1を用いた。)
(シミュレーションによる位相差調節実験)
本発明に係る同調制御方法により動作する動作補助装置の出力波形が、任意の位相差を維持しながら装着者の動作に同調することを確認するため、シミュレーションによる位相差調節実験を行った。シミュレーションの際には、同調ゲインKは5.0に設定し、目標位相差θdを0radとした場合と、0.33πradとした場合、0.67πradとした場合について、それぞれについて相互作用をシミュレーションした。その他の条件については、前述のシミュレーション実験と同様である。
図4に示すように、ヒトの足に装置1の駆動機構2を装着し、実機による実験を行った。モータには減速比50の株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズ製の製品を使用しており、その定格トルクは5.4Nm、最大トルクは24Nmである。また、この減速機には、トルクセンサが内蔵されており、これにより、装着者と装置の間に発生する相互作用力を検出する。
同調ゲインをK=5.0とした装置の装着者の運動に対する補助効果を検証するため、計測した筋活動電位のRMS(root mean square)を用いて最大随意収縮強度(%MVC)を導出した。検証用に、図4に示すように、筋活動電位を測定するための筋活動電位センサ201を装着者に付した。筋活動電位センサ201の配線の先には、図示しないが、筋活動電位測定器を接続した。最大随意収縮強度は、十秒間におけるRMS値の平均を最大随意収縮時のRMSで除することで求めた。表1に装着者のみによる運動した場合と、装置と相互作用した場合に計測した5つの筋の最大随意収縮強度を示す。
Claims (9)
- 装着者の屈曲可動部位に対応して配置される関節部、
前記関節部に接続されており、装着者に装着されるリンク、
前記関節部の動きを駆動するアクチュエータ、
装着者の屈曲可動部位の動作と前記関節部の動作との相互作用力を検出する相互作用力検出センサと、前記相互作用力検出センサの検出した前記相互作用力、及び関節角度センサの検出した関節角度に基づき前記屈曲可動部位の動作位相θ’ h を推定する位相推定部と、により構成され、動作の位相θ’hを取得する位相取得部、
前記位相取得部の取得した前記屈曲可動部位の動作の位相θ’hを入力振動とする位相振動子モデルに基づいて、予め設定された目標位相差を維持しつつ装着者の屈曲可動部位の動作と前記関節部の動作とを同調させるための前記関節部の動作目標値を算出する目標値算出部、および
前記目標値算出部の算出した動作目標値に基づいて、前記アクチュエータを駆動する駆動制御部、を備えることを特徴とする動作補助装置。 - 前記位相推定部が、前記相互作用力検出センサの検出した相互作用力λ、及び前記関節角度センサの検出した前記関節角度qにより、下記の式(1)で、前記装着者の屈曲可動部位のトルクτ’hを推定し、
さらに前記式(1)を用いて、動作中の人間の最大トルクτ’h_maxと最小トルクτ’h_minを推定し、これらを下記の式(2)に代入し、推定したトルクτ’hの振幅A’hを算出し、
- 前記駆動制御部が、前記目標値算出部の算出した動作目標値に基づいて、前記アクチュエータをフィードバック制御するものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の動作補助装置。
- 装着者の屈曲可動部位に対応して配置される関節部と、前記関節部に接続されており、装着者に装着されるリンクと、前記関節部の動きを駆動するアクチュエータとを備え、装着者の動作を補助する補助装置の制御方法であって、
装着者の屈曲可動部位の動作位相θ’hを取得する位相取得ステップ、
前記位相取得ステップで取得された前記屈曲可動部位の動作位相θ’hを入力振動とする位相振動子モデルに基づいて、予め設定された目標位相差を維持しつつ装着者の屈曲可動部位の動作と前記関節部の動作とを同調させるための前記関節部の動作目標値を算出する目標値算出ステップ、および
前記目標値算出ステップで算出された動作目標値に基づいて、前記アクチュエータを駆動する駆動制御ステップ、を備えることを特徴とする同調制御方法。 - 前記位相取得ステップが、
前記装着者の屈曲可動部位の動作と前記関節部の動作との相互作用力を検出する相互作用力検出ステップ、
前記関節部の関節角度を検出する関節角度検出ステップ、および
前記相互作用力検出ステップで検出した前記相互作用力、及び前記関節角度ステップで検出した前記関節角度に基づいて、前記装着者の屈曲可動部位の動作位相θ’hを推定する位相推定ステップ、によって構成されていることを特徴とする請求項5に記載の同調制御方法。 - 前記位相推定ステップが、
前記相互作用力検出ステップで検出した相互作用力λ、及び前記関節角度ステップで検出した前記関節角度qにより、下記の式(1)で、前記装着者の屈曲可動部位のトルクτ’hを推定するトルク推定ステップ、
さらに前記式(1)を用いて、動作中の人間の最大トルクτ’h_maxと最小トルクτ’h_minを推定し、これらを下記の式(2)に代入し、推定したトルクτ’hの振幅A’hを算出するトルク振幅算出ステップ、
- 前記駆動制御ステップで、前記目標値算出部の算出した動作目標値に基づいて、前記アクチュエータをフィードバック制御することを特徴とする請求項6〜8のいずれかに記載の同調制御方法。
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