JP6249709B2

JP6249709B2 - パワーアシストスーツ

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Publication number: JP6249709B2
Application number: JP2013205899A
Authority: JP
Inventors: 村田　直史; 直史村田; 大介小溝
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: JP2015066662A

Description

本発明は、使用者の動作に応じて筋力を補助するパワーアシストスーツに関する。

パワーアシストスーツと呼ばれる装着型の運動補助装置がある（例えば、特許文献１）。パワーアシストスーツは、要介護者の補助、リハビリテーション、さらに重機が入り込めない狭い場所での重作業をするための力増幅装置としての適用可能性がある。このようなパワーアシストスーツは、空気圧、油圧又はモーター等のアクチュエータと、エンコーダ等のアクチュエータに付随するセンサと、装着者の動作を推定する力、筋電位又は加速度等のセンサとを備える。

特許第３９５０１４９号公報

パワーアシストスーツは、これを装着する使用者に付随させて動作させる装置であるため、使用者の動きを阻害するものであってはならない。パワーアシストスーツの用途として要介護者の補助が主であれば、パワーアシストスーツは車いすのように要介護者を運ぶ乗り物のように機能すればよい。しかし、パワーアシストスーツが、例えば、リハビリテーション又は力増幅器として用いられる場合、使用者の動きを阻害しないという要求は重要である。パワーアシストスーツの制御において、フィードバック制御系だけでは、パワーアシストスーツを装着した使用者の意図に対する遅れが発生するため、フィードフォワードの要素を持った制御が不可欠である。

特許文献１に記載されている技術は、歩行を振動子モデルの周期運動と仮定し、その動き目標軌道を生成してパワーアシストスーツの使用者の動的歩行動作を補助する。この技術は、歩行を振動子モデルの周期運動と仮定しているため、パワーアシストスーツの使用者の急激な動作変化に対して、速やかに対応することが困難である。

本発明は、パワーアシストスーツの使用者の急激な動作変化に対して、パワーアシストスーツの補助動作を速やかに対応させることを目的とする。

本発明は、複数のリンクが関節を介して連結され、使用者に装着されて前記使用者の筋力を補助するパワーアシストスーツであり、前記関節を介して連結された隣接する前記リンクの間でアシスト力を発生するアクチュエータと、外力を検出する荷重検出装置と、逆コンプライアンスと、前記荷重検出装置が検出した前記外力の値とから前記パワーアシストスーツの速度目標値を生成し、得られた前記速度目標値に基づいて前記アクチュエータの動作を制御する制御装置と、を含む、パワーアシストスーツである。この場合、制御装置は、前記外力を微分することによって得られた値、例えば時間による一階微分値を用い、かつコンプライアンス制御の逆特性を持たせた式に前記荷重検出装置が検出した外力を与えて速度目標値を生成し、これを前記関節の角速度に変換して、変換後の角速度に基づいて前記アクチュエータの動作を制御することができる。

このパワーアシストスーツは、制御装置がパワーアシストスーツを逆ばねのように作用させて、パワーアシストスーツを装着した使用者の動作を補助する。このようにすることで、このパワーアシストスーツは、使用者の急激な動作変化に対しても、補助動作を速やかに対応させることができる。

本発明は、複数のリンクが関節を介して連結され、使用者に装着されて前記使用者の筋力を補助するパワーアシストスーツであり、前記関節を介して連結された隣接する前記リンクの間でアシスト力を発生するアクチュエータと、外力を検出する荷重検出装置と、前記荷重検出装置が検出した前記外力を、低周波数帯域に微分特性を有するフィルタを通過させ、前記フィルタの出力と逆コンプライアンスとから前記パワーアシストスーツの速度目標値を生成し、これを前記関節の角速度に変換して、変換後の角速度に基づいて前記アクチュエータの動作を制御する制御装置と、を含む、パワーアシストスーツである。

このパワーアシストスーツは、使用者の急激な動作変化に対しても、補助動作を速やかに対応させることができるとともに、微分型フィルタにより外力のノイズを低減できる。さらに、微分型フィルタにより、このパワーアシストスーツを装着した使用者は、パワーアシストスーツが適切な補助をしていると体感することができる。

前記フィルタは、高周波を遮断するローパス特性をさらに有することが好ましい。このようにすることで、パワーアシストスーツは、高い周波数における信号に対して、過剰に反応することを抑制できる。

前記荷重検出装置は、力を検出する複数の検出部を有することが好ましい。このような検出部は、通常薄型かつ軽量であるので、パワーアシストスーツ１０を小型かつ軽量化することができる。

前記制御装置は、複数の前記検出部から得られる複数の検出値から前記外力Ｆ_Ｒの変動を求め、得られた前記外力Ｆ_Ｒの変動から前記速度目標値Ｖ_Ｒ＿ｆｗを生成することが好ましい。このようにすれば、例えば、パワーアシストスーツの使用者が歩行するときにおいて、集中荷重が爪先側から踵側に抜ける事象を利用して、使用者がパワーアシストスーツの補助を体感できるようにすることもできる。

本発明は、パワーアシストスーツの使用者の急激な動作変化に対して、パワーアシストスーツの補助動作を速やかに対応させることができる。

図１は、本実施形態に係る補助装置としてのパワーアシストスーツを表す概略図である。図２は、本実施形態に係るパワーアシストスーツの装着状態を表す正面図である。図３は、本実施形態に係るパワーアシストスーツの装着状態を表す側面図である。図４は、本実施形態に係るパワーアシストスーツの制御装置を示すブロック図である。図５は、パワーアシストスーツの外力と座標系とを示す図である。図６は、変形例に係るパワーアシストスーツの制御装置を示すブロック図である。図７は、本実施形態の変形例に係るパワーアシストスーツが備える微分型フィルタの特性の一例を示す図である。図８は、荷重検出装置の一例を示す図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る補助装置としてのパワーアシストスーツを表す概略図である。図２は、本実施形態に係るパワーアシストスーツの装着状態を表す正面図である。図３は、本実施形態に係るパワーアシストスーツの装着状態を表す側面図である。

＜パワーアシストスーツの概略＞
パワーアシストスーツ１０は、複数のリンクが関節を介して連結され、使用者に装着されて使用者の筋力を補助する装置である。図１から図３に示すように、パワーアシストスーツ１０は、使用者の腰に装着される腰パーツ１１と、肩に装着される肩パーツ１２と、脚に装着される脚パーツ１３Ａ、１３Ｂとを有している。

腰パーツ１１は、腰装着部２１と、給電装置２２と、大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂとを有する。腰装着部２１は、パワーアシストスーツ１０の使用者、すなわちパワーアシストスーツを装着する者（装着者）の腰の周囲に位置するように形成された、Ｃ形リング形状の部材である。給電装置２２は、腰装着部２１に取り付けられており、使用者の背中側に配置される。

給電装置２２は、パワーアシストスーツ１０が備える制御装置１及びアクチュエータ等の機器類に電力を供給する装置である。本実施形態において、給電装置２２は、パワーアシストスーツ１０の外部の電源２２Ｂから、電線２２Ｃを介して電力の供給を受ける。給電装置２２は、外部の電源２２Ｂからの電力を、パワーアシストスーツ１０が備える機器類に適した電圧等に変換してこれらに供給する。外部の電源２２Ｂは、例えば、ＡＣ（Alternating Current）電源である。給電装置２２は外部の電源２２Ｂから電力の供給を受ける装置に限定されるものではなく、例えば、パワーアシストスーツ１０に搭載される蓄電器から電力の供給を受ける装置であってもよい。

大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂは、腰装着部２１の下方に連結されており、それぞれ使用者の左右の側部に配置されている。大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂは、パワーアシストスーツ１０の関節に相当する。大腿駆動機構２３Ａは、脚パーツ１３Ａ、１３Ｂの大腿装着部４１Ａを腰装着部２１に対して所定の軸線Ｙｗｌの周りを回動させることで、左脚の大腿の動作に応じて筋力を補助するものである。大腿駆動機構２３Ｂは、脚パーツ１３Ａの大腿装着部４１Ｂを腰装着部２１に対して所定の軸線Ｙｗｒの周りを回動させることで、右脚の大腿の動作に応じて筋力を補助するものである。

肩パーツ１２は、背装着部３１と、使用者の左右の肩に掛止するように配置される左肩装着部３２Ａ及び右肩装着部３２Ｂとを有する。左肩装着部３２Ａ及び右肩装着部３２Ｂは、使用者の背中側に配置される背装着部３１によって腰パーツ１１の腰装着部２１に連結されている。

脚パーツ１３Ａ、１３Ｂは、左脚及び右脚に対応して配置されている。左脚に対応する脚パーツ１３Ａは、大腿装着部４１Ａと、下腿装着部４２Ａと、足装着部４３Ａと、下腿駆動機構４５Ａと、脚駆動制御装置４６Ａとを有する。

大腿装着部４１Ａは、使用者の左脚の大腿に沿って配置され、下腿装着部４２Ａは、使用者の左脚の下腿に沿って配置される。大腿装着部４１Ａ及び下腿装着部４２Ａは、パワーアシストスーツ１０のリンクに相当する。大腿装着部４１Ａの一端部は、腰パーツ１１の腰装着部２１に回動可能に連結されている。下腿装着部４２Ａの一端部は、大腿装着部４１Ａの他端部に回動可能に連結されており、下腿装着部４２Ａの他端部は、回動軸４７Ａにより足装着部４３Ａに回動可能に連結されている。足装着部４３Ａは、使用者の左足部（左足首から下の部分）に装着される靴部である。回動軸４７Ａはパワーアシストスーツ１０の関節に相当し、足装着部４３Ａはパワーアシストスーツ１０のリンクに相当する。

下腿駆動機構４５Ａは、大腿装着部４１Ａの他端部に取り付けられている。下腿駆動機構４５Ａは、下腿駆動機構４５Ａを大腿装着部４１Ａに対して所定の軸線Ｙｎｌの周りを回動させることで、筋力を補助する。下腿駆動機構４５Ａは、パワーアシストスーツ１０の関節に相当する。脚駆動制御装置４６Ａは、大腿装着部４１Ａに取り付けられており、大腿駆動機構２３Ａ及び下腿駆動機構４５Ａの動作を制御する。脚駆動制御装置４６Ａ、大腿駆動機構２３Ａ及び下腿駆動機構４５Ａは、給電装置２２から電力が供給される。

右脚に対応する脚パーツ１３Ｂは、脚パーツＡと同様に、大腿装着部４１Ｂと、下腿装着部４２Ｂと、足装着部４３Ｂと、下腿駆動機構４５Ｂと、脚駆動制御装置４６Ｂとを有する。

大腿装着部４１Ｂは、使用者の右脚の大腿に沿って配置され、下腿装着部４２Ｂは、使用者の右脚の下腿に沿って配置される。大腿装着部４１Ｂ及び下腿装着部４２Ｂは、パワーアシストスーツ１０のリンクに相当する。大腿装着部４１Ｂの一端部は、腰パーツ１１の腰装着部２１に回動可能に連結されている。下腿装着部４２Ｂの一端部は、大腿装着部４１Ｂの他端部に回動可能に連結されており、下腿装着部４２Ｂの他端部は、回動軸４７Ｂにより足装着部４３Ｂに回動可能に連結されている。足装着部４３Ｂは、使用者の右足部（右足首から下の部分）に装着される靴部として形成されている。回動軸４７Ｂはパワーアシストスーツ１０の関節に相当し、足装着部４３Ｂはパワーアシストスーツ１０のリンクに相当する。

下腿駆動機構４５Ｂは、大腿装着部４１Ｂの他端部に取り付けられている。下腿駆動機構４５Ｂは、下腿駆動機構４５Ｂを大腿装着部４１Ｂに対して所定の軸線Ｙｎｒの周りを回動させることで、筋力を補助するものである。下腿駆動機構４５Ｂは、パワーアシストスーツ１０の関節に相当する。脚駆動制御装置４６Ｂは、大腿装着部４１Ｂに取り付けられており、大腿駆動機構２３Ｂ及び下腿駆動機構４５Ｂの動作を制御する。脚駆動制御装置４６Ｂ、大腿駆動機構２３Ｂ及び下腿駆動機構４５Ｂは、給電装置２２から電力が供給される。

大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂ及び下腿駆動機構４５Ａ、４５Ｂは、それぞれアクチュエータを備えている。本実施形態において、これらが備えるアクチュエータは電動機であるが、これに限定されない。本実施形態において、それぞれの脚パーツ１３Ａ、１３Ｂは、大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂ及び下腿駆動機構４５Ａ、４５Ｂを備えているので、制御軸は２軸である。本実施形態において、パワーアシストスーツ１０が備える制御軸は、１つの脚パーツ１３Ａ又は脚パーツ１３Ｂあたりにおいて２軸に限定されるものではない。

図２に示すように、足装着部４３Ａの底部には、荷重検出装置４４Ａが設けられている。また、足装着部４３Ｂの底部には、荷重検出装置４４Ｂが設けられている。荷重検出装置４４Ａ、４４Ｂは、足装着部４３Ａ、４３Ｂに作用する荷重を検出する。本実施形態において、荷重検出装置４４Ａ、４４Ｂは、例えば、６軸のロードセルであるが、これに限定されるものではない。以下において、荷重検出装置４４Ａ、４４Ｂを区別しない場合、適宜荷重検出装置４４という。

本実施形態において、背装着部３１の背面には、制御装置１が設けられている。制御装置１は、例えば、マイクロコンピュータである。制御装置１は、荷重検出装置４４Ａ、４４Ｂの検出値に基づいて、大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂ及び下腿駆動機構４５Ａ、４５Ｂの動作を制御する。脚駆動制御装置４５Ａ、４５Ｂは、制御装置１からの指令に基づいて、大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂのアクチュエータ及び下腿駆動機構４５Ａ、４５Ｂのアクチュエータを駆動する。本実施形態において、脚駆動制御装置４５Ａ、４５Ｂは、電動機を制御するモータードライバである。次に、制御装置１について説明する。

＜制御装置１について＞
図４は、本実施形態に係るパワーアシストスーツの制御装置を示すブロック図である。図５は、パワーアシストスーツの外力と座標系とを示す図である。制御装置１は、例えば、パワーアシストスーツ１０の使用者が力を出すきっかけに反応して、パワーアシストスーツ１０にアシスト力を発生させる力制御を実現する。使用者が踏ん張ると、荷重検出装置としての荷重検出装置４４が増加した荷重を外力Ｆ_Ｒとして検出する。制御装置１は、荷重検出装置４４の検出結果に基づき、使用者の脚が伸びる方向にパワーアシストスーツ１０を動作させる。使用者が脚を上げると荷重検出装置４４が荷重の減少を検知し、制御装置１は、使用者の脚が縮む方向にパワーアシストスーツ１０を動作させる。このように、制御装置１は、パワーアシストスーツ１０を逆ばねのように作用させて、使用者の動作及び筋力を補助する。

制御装置１は、第１制御部１Ａと、第２制御部１Ｃとを含む。第１制御部１Ａは、パワーアシストスーツ１０の自重を受け持つ制御及びパワーアシストスーツ１０の使用者の脚に作用する負荷を補助する制御を実現する制御等を実行する。後者の制御は、例えば、パワーアシストスーツ１０の使用者が物体を持つ際に、物体の質量による負荷をパワーアシストスーツ１０のリンク機構で受ける制御である。

第２制御部（以下、非定位性逆コンプライアンス制御部という）１Ｃは、荷重検出装置４４が検出した外力Ｆ_Ｒを入力値として、パワーアシストスーツ１０の各関節の角速度指令値ｄθ_Ｒｍ＿ｒを生成する。非定位性逆コンプライアンス制御部１Ｃが出力した角速度指令値ｄθ_Ｒｍ＿ｒは、速度制限部（ＳＦｌｉｍ）１０８により、パワーアシストスーツ１０の動作の制限を超えないように、必要に応じて制限が与えられる。速度制限部（ＳＦｌｉｍ）１０８の出力は、大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂ及び下腿駆動機構４５Ａ、４５Ｂの電動機に対する角速度指令値ｄθ_Ｒｍ＿ｒとなる。制御装置１の下位にはサーボコントローラが配置されており、このサーボコントローラが角速度のフィードバック制御を行うことによって、角速度指令値ｄθ_Ｒｍ＿ｒが実現される。

非定位性逆コンプライアンス制御部１Ｃは、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１０１と、座標変換部（ＥＸ）１０２と、微分部１０３と、速度変換部（Ｋ^−１）１０４と、角速度変換部（Ｊ^−１（θ_Ｒ））１０５と、異常判定部（Ｖｌｉｍ）１０７とを含む。荷重検出装置４４が検出した外力Ｆ_Ｒは、バンドパスフィルタ１０１に入力される。荷重検出装置４４は、並進力、可能であればモーメントを検出する。荷重検出装置４４が検出した外力Ｆ_Ｒの次元は特に限定されるものではない。本実施形態では、例えば、外力Ｆ_Ｒを６次元（ｘ、ｙ、ｚ、θｘ、θｙ、θｚ）としているが、６次元よりも小さく（例えば、２次元（ｘ、ｚ））してもよい。

バンドパスフィルタ１０１は、荷重検出装置４４が検出した外力Ｆ_Ｒから、高周波ノイズ及び低周波ノイズを除去する。バンドパスフィルタ１０１の出力は、座標変換部１０２に入力される。

荷重検出装置４４が検出した外力Ｆ_Ｒは、図５に示すように、荷重検出装置４４の位置における座標系（ｘｃ、ｙｃ、ｚｃ）に属する。座標変換部１０２は、荷重検出装置４４の位置における座標系に属する外力Ｆ_Ｒを、パワーアシストスーツ１０の中心座標（ｘｍ、ｙｍ、ｚｍ）に作用する力に座標変換する。荷重検出装置４４がモーメントＭｃを検出していれば、座標変換部１０２は、このモーメントＭｃも、パワーアシストスーツ１０の中心座標に作用するモーメントＭｍに座標変換する。

座標変換された外力Ｆ_Ｒは、座標変換部１０２から微分部１０３に入力される。微分部１０３は、座標変換された外力Ｆ_Ｒを時間ｔで一階微分して出力する。微分部１０３の出力は、速度変換部１０４に入力される。速度変換部１０４は、微分部１０３の出力、すなわち外力Ｆ_Ｒの一階微分値ｄ（Ｆ_Ｒ）／ｄｔに、パワーアシストスーツ１０に作用させたいコンプライアンスＫ^−１を乗じて、パワーアシストスーツ１０の中心座標（ｘｍ、ｙｍ、ｚｍ）周りにおける速度目標値Ｖ_Ｒ＿ｆｗを得る。

微分部１０３及び速度変換部１０４の処理は、式（１）によって表現できる。式（１）は、いわゆるフックの法則を示す式（２）の両辺を時間ｔで一階微分することによって得られる。式（１）は、速度目標値Ｖ_Ｒ＿ｆｗを逆ばねの特性で表現したものである。式（２）は、逆ばねの特性とするため、コンプライアンスＫ^−１の頭に負の符号を付すことにより、コンプライアンスＫ^−１の符号を反転させている。式（１）及び式（２）中のＫ^−１はパワーアシストスーツ１０に作用させたいコンプライアンス（単位はｍ／Ｎ）、Ｆ_Ｒ＿ｒはパワーアシストスーツ１０の力目標値、Ｆ_Ｒはパワーアシストスーツ１０に作用する外力（荷重）、Ｘ_Ｒ＿ｆｗはパワーアシストスーツ１０の位置目標値である。これらは、いずれもベクトルである。

式（１）には、パワーアシストスーツ１０の力目標値Ｆ_Ｒ＿ｒが含まれるが、パワーアシストスーツ１０がこれを装着した使用者の補助のみをする場合、力目標値Ｆ_Ｒ＿ｒは０である。例えば、使用者が壁を所定の力で押すような場合、パワーアシストスーツ１０の力目標値Ｆ_Ｒ＿ｒが式（１）に与えられる。力目標値Ｆ_Ｒ＿ｒが０である場合、式（１）は、式（３）のようになる。

制御装置１は、コンプライアンス制御を利用してパワーアシストスーツ１０の動作を制御する。通常のコンプライアンス制御は、静止状態において力の釣合いが取れている場合、その緩衝箇所にあたかもバネが介在するかのようにふるまう。しかし、パワーアシストスーツ１０は、マスター・スレーブ型の力増幅装置であり、この逆に制御される必要がある。例えば、使用者が踏ん張ったら、パワーアシストスーツ１０は伸展方向に動作することで操作者以上に踏ん張って補助しなければならない。これは一見不安定バネとなるが、パワーアシストスーツ１０は、使用者が介在することで、トータルシステムとしては安定化が保たれる。

パワーアシストスーツ１０の制御において、厳密な定位性は不要である。使用者の体格等に応じて到達させたい位置目標は異なるためである。一方、バネとして制御を定義すると位置拘束となり、パワーアシストスーツ１０を装着した使用者の意図と異なる動作に対して剛性を持った動きになる可能性がある。そこで、力の入力に対してパワーアシストスーツ１０の足先の絶対的な位置が決まらないように、非定位性にする。すなわち、制御装置１は、図４に示すように、位置制御ループを有していない。

パワーアシストスーツ１０は、使用者が任意の位置姿勢で発した力の方向に対し、先んじてリンクを動かすことにより、使用者の動的動作を補助することができる。そこで、前述した式（２）を一階微分する。

角速度変換部１０５は、速度変換部１０４が生成した速度目標値Ｖ_Ｒ＿ｆｗを、パワーアシストスーツ１０の各関節の角速度θ_Ｒ’に変換する。パワーアシストスーツ１０の中心座標における位置ｘの一階微分値、すなわち速度ｘ’と、パワーアシストスーツ１０の各関節における角度θ_Ｒの一階微分値、すなわち角速度θ_Ｒ’とは、ヤコビ行列Ｊを用いて式（４）のように表現される。速度ｘ’及び関節の角角度θ_Ｒ’は、いずれもベクトルである。

式（４）の速度ｘ’は速度目標値Ｖ_Ｒ＿ｆｗに対応するので、式（５）が得られる。式（５）で示すように、速度目標値Ｖ_Ｒ＿ｆｗは、各関節の角速度θ_Ｒ’とヤコビ行列Ｊとを用いて表すことができる。式（５）の両辺の左側から、ヤコビ行列Ｊの逆行列Ｊ^−１を乗じることにより、式（６）が得られる。式（６）に示すように、パワーアシストスーツ１０の中心座標（ｘｍ、ｙｍ、ｚｍ）周りにおける速度目標値Ｖ_Ｒ＿ｆｗは、ヤコビ行列Ｊの逆行列Ｊ^−１を用いて、パワーアシストスーツ１０の各関節の角速度θ_Ｒ’に変換される。パワーアシストスーツ１０の各関節は、角速度θ_Ｒ’にしたがって動作する。

角速度変換部１０５は、生成した角速度θ_Ｒ’を異常判定部１０７に出力する。異常判定部１０７は、角速度変換部１０５からの出力に異常がないかを判定する。例えば、角速度変換部１０５からの出力が、大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂ及び下腿駆動機構４５Ａ、４５Ｂが備える電動機の許容値を超えるような場合、異常判定部１０７は異常であると判定して、パワーアシストスーツ１０による使用者の補助を中止する。

異常判定部１０７は、角速度変換部１０５からの出力に異常がないと判定したら、角速度変換部１０５からの出力を、速度制限部１０８に与える。速度制限部１０８は、角速度変換部１０５からの出力に対して、必要に応じて制限を与えてから、図１及び図２に示す脚駆動制御装置４６Ａ、４６Ｂに出力する。速度制限部１０８からの出力は、大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂ及び下腿駆動機構４５Ａ、４５Ｂの電動機に対する角速度指令値ｄθ_Ｒｍ＿ｒである。脚駆動制御装置４６Ａ、４６Ｂは、角速度指令値ｄθ_Ｒｍ＿ｒに基づいて、大腿駆動機構２３Ａ、２３Ｂ及び下腿駆動機構４５Ａ、４５Ｂの少なくとも一方が備える電動機を駆動する。電動機は、角速度指令値ｄθ_Ｒｍ＿ｒに基づいて動作することにより、パワーアシストスーツ１０の各関節が角速度指令値ｄθ_Ｒｍ＿ｒにしたがって動作する。

このように、制御装置１は、速度目標値Ｖ_Ｒ＿ｆｗと、逆コンプライアンス−Ｋ^−１と、外力Ｆ_Ｒの微分値（一階微分値）との関係を示す関係式（式（１）又は式（３））に、荷重検出装置４４が検出した外力Ｆ_Ｒを与えて速度目標値Ｖ_Ｒ＿ｆｗを生成する。制御装置１は、速度目標値Ｖ_Ｒ＿ｆｗに基づいて、パワーアシストスーツ１０が備えるアクチュエータの動作を制御する。具体的には、制御装置１は、生成した速度目標値Ｖ_Ｒ＿ｆｗを、パワーアシストスーツ１０の関節の角速度ｄθ_Ｒ＿ｒに変換し、この角速度ｄθ_Ｒ＿ｒに基づいて、パワーアシストスーツ１０が備えるアクチュエータの動作を制御する。

例えば、パワーアシストスーツ１０が、リハビリテーションに用いられる軽量型のものであれば、制御装置１は、非定位性逆コンプライアンス制御部１Ｃが生成した角速度ｄθ_Ｒ＿ｒに基づく角速度指令値ｄθ_Ｒｍ＿ｒのみを制御指令として、パワーアシストスーツ１０が備えるアクチュエータの動作を制御することができる。パワーアシストスーツ１０の機構の質量が無視できない程度に大きい場合、制御装置１は、機構の重力補償及び機構の慣性を、自重補償部１Ｂによってフィードフォワード補償制御することが好ましい。さらに、制御装置１は、例えば、自身が保持している物体を支持するための制御を実行してもよい。

制御装置１は、前述した制御により、パワーアシストスーツ１０を逆ばねのように作用させて、パワーアシストスーツ１０を装着した使用者の動作をアシストする。このようにすることで、制御装置１は、パワーアシストスーツの使用者の急激な動作変化に対して、パワーアシストスーツの補助動作を速やかに対応させることができる。また、制御装置１は、位置制御ループを有さず、非定位性とすることにより、外力Ｆ_Ｒの入力に対して、パワーアシストスーツ１０の足先の絶対位置が定まらないようにする。このような制御により、パワーアシストスーツ１０の動作が使用者に違和感を与える可能性を低減できる。次に、本実施形態の変形例を説明する。

＜変形例＞
図６は、変形例に係るパワーアシストスーツの制御装置を示すブロック図である。本変形例の制御装置１ａは、非定位性逆コンプライアンス制御部１Ｃａが、前述した微分部１０３の代わりに、微分型のフィルタ（以下、適宜、微分型フィルタという）１０６を備える点が異なる。制御装置１ａ及び非定位性逆コンプライアンス制御部１Ｃａの他の構成は、前述した制御装置１及び非定位性逆コンプライアンス制御部１Ｃと同様である。

制御装置１は、式（１）に荷重検出装置４４が検出した外力Ｆ_Ｒを与えて、パワーアシストスーツ１０の動作を制御している。式（１）には、荷重検出装置４４が検出した外力Ｆ_Ｒの一階微分値が用いられる。制御装置１の速度変換部１０４は、外力Ｆ_Ｒの一階微分値を用いて速度目標値Ｖ_Ｒ＿ｆｗを生成するため、速度目標値Ｖ_Ｒ＿ｆｗは、外力Ｆ_Ｒに含まれるノイズの影響を受けやすい。このため、図６に示すような微分型フィルタ１０６を用いて、外力Ｆ_Ｒに含まれるノイズを除去する。この微分型フィルタ１０６は、低周波数帯域のみ微分特性を有している。

非定位性逆コンプライアンス制御部１Ｃａが備える微分型フィルタ１０６及び速度変換部１０４の処理は、式（７）によって表現できる。式（７）で示す符号ｆは、微分型フィルタ１０６を示す。符号ｆは、微分型フィルタ１０６が、（Ｆ_Ｒ＿ｒ−Ｆ_Ｒ）を微分（一階微分）して出力することを示している。式（７）には、パワーアシストスーツ１０の力目標値Ｆ_Ｒ＿ｒが含まれるが、パワーアシストスーツ１０がこれを装着した使用者の補助のみをする場合、力目標値Ｆ_Ｒ＿ｒは０である。例えば、使用者が壁を所定の力で押すような場合、パワーアシストスーツ１０の力目標値Ｆ_Ｒ＿ｒが式（７）に与えられる。力目標値Ｆ_Ｒ＿ｒが０である場合、式（７）は、式（８）のようになる。

本実施形態において、微分型フィルタ１０６が有する特性は、微分特性及びローパスフィルタ特性である。これに、パワーアシストスーツ１０の機械系の応答性を考慮して、微分型フィルタ１０６のパラメータが決定される。完全微分を目指して微分特性を強くし過ぎると、パワーアシストスーツ１０の機械系が応答できなくなるため、使用者は、パワーアシストスーツ１０に補助されているようには感じないことがある。このため、微分特性を適宜弱めることが好ましい。

図７は、本実施形態の変形例に係るパワーアシストスーツが備える微分型フィルタの特性の一例を示す図である。図７の縦軸は微分型フィルタ１０６のゲインＧＮ、横軸は周波数ｆｒである。制御装置１ａが備える微分型フィルタ１０６の一例として、２次／２字型のフィルタがある。この２次／２字型のフィルタは、例えば、図７に示すように、周波数ｆ１以下までは微分特性ＤＦを有し、周波数ｆ２以上はローパスフィルタ特性ＬＰＦを有している。図７に示すような特性を有する２次／２字型のフィルタの連続系伝達関数Ｇ（ｓ）は、式（９）で表される。

パワーアシストスーツ１０の動作を制御する帯域の目標をｆｒｔとする。この間は、概ね微分特性を持たせたいので、仮にｆ１をｆｒｔよりも小さい所定の値とし、ｆ２をｆｒｔよりも大きい所定の値とする。このようにパラメータが設定された微分型フィルタ１０６は、概ねｆｒｔＨｚまでは微分特性を有しつつ、高い周波数における信号に過剰反応しないようローパスフィルタ特性を有する特性になる。この微分型フィルタ１０６は、例えば、ステップ入力に対して、所定の第１期間は入力を倍増する出力を発生させ、第１期間経過後における第２期間においては出力をほぼ０にする。仮に出力を持続させるには、ｆ１を小さくすればよい。ステップ入力に対する微分型フィルタ１０６の出力の最大値が小さくなる場合において、これを大きくするにはｆ２を大きくすればよい。微分型フィルタ１０６のゲインＧＮは、例えば、ステップ入力に対する微分型フィルタ１０６の応答特性に基づいて決定することができる。

微分型フィルタ１０６を用いる場合、周波数ｆ１、ｆ２及びゲインＧＮ等といった微分型フィルタ１０６のパラメータを調整して、微分特性及びローパスフィルタ特性を調整することにより、パワーアシストスーツ１０の特性及び使用者の体感を制御に反映させることができる。また、乗り心地のような体感フィルタも存在しており、人の感じやすさを周波数特性で表現することも可能である。このような周波数特性を考慮して、微分型フィルタ１０６のパラメータを決定することにより、パワーアシストスーツ１０のアクチュエータの無駄な動作を抑制できる。その結果、微分型フィルタ１０６が用いられることにより、制御装置１は、最小の制御出力で最大の補助効果を生み出すこともできる。

＜荷重検出装置の一例＞
前述した制御装置１、１ａがパワーアシストスーツ１０を制御する場合、前述した荷重検出装置４４が荷重、すなわち外力Ｆ_Ｒの変動を検知する必要がある。このため、荷重検出装置４４は、使用者の体重のすべてを支持するだけの容量が必要になる。このような荷重検出装置４４は、大型であり、パワーアシストスーツ１０の質量の増加を招く可能性がある。

図８は、荷重検出装置の一例を示す図である。図８に示す荷重検出装置４４Ｇは、力を検出する複数の検出部４４ｃを用いて荷重の分布、すなわち外力Ｆ_Ｒの分布を検出することができる。検出部４４ｃとしては、例えば、感圧センサを用いることができる。このような荷重検出装置４４Ｇは、薄型かつ軽量である。本実施形態においては、荷重、すなわち外力Ｆ_Ｒの変動を検知し、それを信号処理することで使用者の動作を先読みするものである。このため、制御装置１、１ａは、必ずしも使用者の荷重の絶対値を用いる必要はない。

例えば、図８に示す荷重検出装置４４Ｇの複数の検出部４４ｃを、足裏の中敷きに埋設する。そして、荷重検出装置４４Ｇは、複数の検出部４４ｃを用いてＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向における荷重、すなわち外力Ｆ_Ｒの変化を検出する。例えば、制御装置１、１ａは、このようにして得られたＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向における外力Ｆ_Ｒの変化を式（１）又は式（７）に与えることにより、速度目標値Ｖ_Ｒ＿ｆｗを生成する。

制御装置１、１ａは、例えば、パワーアシストスーツ１０の重心の位置を時々刻々導出し、その変化からＸＹ平面（地面）における外力Ｆ_Ｒの変化（荷重変化）を導出する。Ｚ軸における荷重変化は、各検出部４４ｃが検出した荷重の総和を用いることが適切である。この他にも、制御装置１、１ａは、例えば、荷重の集中箇所によって重みを付けるように処理してもよい。例えば、歩行時に集中荷重が爪先側ＴＰから踵側ＨＬに抜ける事象を利用して、パワーアシストスーツ１０の使用者が歩行するときにおいて、パワーアシストスーツ１０の補助を体感できるようにすることもできる。

図４に示す制御装置１が前述した式（１）に外力Ｆ_Ｒを与えたり、図６に示す制御装置１ａが式（７）に外力Ｆ_Ｒを与えたりして速度目標値Ｖ_Ｒ＿ｆｗを生成する場合において、荷重検出装置４４Ｇが備える複数の検出部４４ｃから外力Ｆ_Ｒを求めるにあたり、制御装置１、１ａは、それぞれの検出部４４ｃが検出した値に重みを付けて処理してもよい。このようにすれば、歩行及び屈伸又はこれら以外の動作等の特徴的な荷重変動に対して、より効果的に使用者が作り出そうとする動作のきっかけを補助できる。

以上、本実施形態及びその変形例は、人が作りだす動作の剛性に対して小さい逆ばね特性を持たせた制御則を適用することで、パワーアシストスーツ１０を装着した使用者の動きを助長するような、動的な補助動作を実現できる。

また、本実施形態は、式（２）を一階微分して得られた式（１）に基づいてパワーアシストスーツ１０を制御し、変形例は、微分特性を持たせたフィルタを含む式（７）に基づいてパワーアシストスーツ１０を制御する。このようにすることで、定位性を持たせないようにすることができる。その結果、本実施形態は、位置拘束をなくして使用者に与える違和感を低減することができる。

また、本実施形態は、式（２）を一階微分して得られた式（１）に基づいてパワーアシストスーツ１０を制御し、変形例は、微分特性を持たせたフィルタを含む式（７）に基づいてパワーアシストスーツ１０を制御する。このようにすることで、パワーアシストスーツ１０の使用者が意図的に力を込めたり、抜いたりといったきっかけの動作を行うことに対して、パワーアシストスーツ１０の補助動作が忠実に行われる。その結果、制御装置１は、パワーアシストスーツ１０を装着した使用者の意思に先んじてパワーアシストスーツ１０が動作しているかのように制御することができる。

前述した内容により本実施形態及びその変形例が限定されるものではない。また、前述した本実施形態及びその変形例の構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本実施形態及びその変形例の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更を行うことができる。

１制御装置
１Ａ第１制御部
１Ｃ第２制御部（非定位性逆コンプライアンス制御部）
１０パワーアシストスーツ
１１腰パーツ
１２肩パーツ
１３Ａ、１３Ｂ脚パーツ
２１腰装着部
２２給電装置
２２Ｂ電源
２２Ｃ電線
２３Ａ、２３Ｂ大腿駆動機構
３１背装着部
３２Ａ左肩装着部
３２Ｂ右肩装着部
４１Ａ、４１Ｂ大腿装着部
４２Ａ、４２Ｂ下腿装着部
４３Ａ、４３Ｂ足装着部
４４、４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｇ荷重検出装置
４４ｃ検出部
４５Ａ、４５Ｂ下腿駆動機構
４６Ａ、４６Ｂ脚駆動制御装置
４７Ａ、４７Ｂ回動軸
１０１バンドパスフィルタ
１０２座標変換部
１０３微分部
１０４速度変換部
１０５角速度変換部
１０６微分型フィルタ
１０７異常判定部
１０８速度制限部

Claims

複数のリンクが関節を介して連結され、使用者に装着されて前記使用者の筋力を補助するパワーアシストスーツであり、
前記関節を介して連結された隣接する前記リンクの間でアシスト力を発生するアクチュエータと、
外力を検出する荷重検出装置と、
前記荷重検出装置が検出した前記外力を微分することによって得られた値を、コンプライアンス制御の逆特性を持たせた式に与えて前記パワーアシストスーツの速度目標値を生成し、得られた前記速度目標値に基づいて前記アクチュエータの動作を制御する制御装置と、
を含む、パワーアシストスーツ。
前記微分値は、時間による一階微分値である、請求項１に記載のパワーアシストスーツ。
複数のリンクが関節を介して連結され、使用者に装着されて前記使用者の筋力を補助するパワーアシストスーツであり、
前記関節を介して連結された隣接する前記リンクの間でアシスト力を発生するアクチュエータと、
外力を検出する荷重検出装置と、
前記荷重検出装置が検出した前記外力を、低周波数帯域に微分特性を有するフィルタを通過させた出力を、コンプライアンス制御の逆特性を持たせた式に与えて前記パワーアシストスーツの速度目標値を生成し、これを前記関節の角速度に変換して、変換後の角速度に基づいて前記アクチュエータの動作を制御する制御装置と、
を含む、パワーアシストスーツ。
前記フィルタは、高周波を遮断するローパス特性をさらに有する、請求項３に記載のパワーアシストスーツ。
前記荷重検出装置は、力を検出する複数の検出部を有する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のパワーアシストスーツ。
前記制御装置は、複数の前記検出部から得られる複数の検出値から前記外力の変動を求め、得られた前記外力の変動から前記速度目標値を生成する、請求項５に記載のパワーアシストスーツ。