JP6299008B2 - パワーアシストロボット - Google Patents
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Description
制御部は、能動関節をトルク制御するにあたり、ワイヤを所定のバネ定数で表されるバネとした力学モデルで表現し、第1の駆動力を、エアマッスルに供給するべき圧力およびエアマッスルの収縮割合との関係を表す所定の関数による駆動力モデルで表現する場合に、能動関節に目標トルクを生じさせるための第1の駆動力を目標駆動力とするとき、第2のセンサにより検出される関節角から算出される見かけの収縮割合から力学モデルを用いて得られる推定収縮割合と目標駆動力とに基づき、駆動力モデルの逆モデルにより、エアマッスルに供給するべき圧力を算出して、エアマッスルに加える圧力を制御する。
以下では、空電ハイブリッド式アクチュエータ用のトルク制御器の構成について説明する。
したがって、特に限定されないが、たとえば、内部制御装置10が、第一の閾値よりも(「より」は「以上」も含む、とする)高周波であるトルクに対して電動モータ312を追加動作させることは好適である。 なお、追加動作とは、エアマッスル302および304に加えて電動モータ312を動作させることである。ここで、第一の閾値は、例えば、3Hzである。
(特許という観点から、「直流成分」に限定されない表現としました。)
空圧式エアマッスルから、ワイヤがプーリーへ駆動力を伝達し、指定された一方向へ関節を駆動する。
空圧式エアマッスル、ワイヤおよびプーリを含む空圧式アクチュエーターは、人間の筋肉と多くの共通点を持っている。
文献2:D.G. Caldwell, A. Razak, and MJ Goodwin. Braided pneumatic muscle actuators. In Proceedings of the IFAC Conference on Intelligent Autonomous Vehicles, pp. 507-512, 1993.
空気シリンダーと異なり、関節角が変化することによってトルクは非線形に変化する。
運動上の制約条件が常に不変であるという仮定の下では、空圧式エアマッスルの圧力は常に同じ均衡点での収縮割合ε(p)を与えることになる。すなわち、収縮割合ε(p)は、圧力pの関数となる。
しかしながら、一般的には、運動上の制約条件をダイナミックに変更し、異なる外力Fと釣り合うので、この仮定は、上述したような外骨格型ロボットにおいては、厳密には成り立たない。
上述したような液晶ポリマー繊維製のワイヤは、高強力高弾性率を有するので、通常は、張力に対して長さが変化しないとの近似がよく成り立つ。高強度・高弾性率繊維としては、ベクトラン(登録商標)のようなポリアリレート繊維の他に、たとえば、超高分子量ポリエチレン繊維、PBO繊維などがある。
すなわち、このモデルでは、腱ワイヤ(ポリアリレート繊維などの液晶ポリマー繊維製のワイヤ)は、バネに近似され、Δεは、力によって引き起こされた余分なエアマッスルの収縮であり、kはばね定数である。つまり、腱が力によって伸びる分、空圧式エアマッスルは、余分に収縮することが必要になる。このようにバネに近似される腱ワイヤのことを「腱スプリング」と呼ぶことにする。
2次式の係数には、以下の関係が成り立つ。
ii)腱ワイヤの先端e1は、腱ワイヤの駆動力を伝達する側e2において、腱ワイヤを構成するように編まれた繊維束を割って作った2つの孔を縫うように通されて固定される。
(起立動作を支援する鉛直力の生成)
以下では、外骨格型ロボットにより、鉛直方向の運動、たとえば、起立動作を支援する構成について説明する。
Claims (6)
- フレーム構造と、
前記フレーム構造を可動とするように配置されている能動関節と、
前記能動関節に対するトルク制御により前記能動関節を動作させる制御部とを備え、
各前記能動関節は、
エアマッスルと、
電動モータと、
前記エアマッスルからの第1の駆動力と前記電動モータからの第2の駆動力とを合成して前記能動関節の屈伸を駆動するための駆動力合成手段と、
前記エアマッスルからの前記第1の駆動力を前記駆動力合成手段に伝達するためのワイヤと、
前記エアマッスルの端部側であって、前記エアマッスルに対して前記ワイヤが結合される側の端部に固定され、前記エアマッスルからの前記第1の駆動力の大きさを前記ワイヤに発生する張力を計測することで検出するための第1のセンサと、
前記第1のセンサと前記ワイヤとを前記張力を検出するように結合するための係合部材とを含み、前記係合部材と前記ワイヤとは前記ワイヤをひばり結びとすることで結合され、前記係合部材は、前記係合部材と直交して結合する固定部材を介して前記第1のセンサと結合し、前記係合部材と前記固定部材とで、前記ワイヤを係合するためのT字形状の構造が構成され、前記係合部材の端部には、前記ワイヤがはずれてしまうのを防止するための凸部が設けられ、
前記制御部は、
前記第1のセンサの検出結果に応じて、前記エアマッスルの前記第1の駆動力および前記電動モータからの前記第2の駆動力を制御する、パワーアシストロボット。 - 前記係合部材は、円柱材を切削加工して互いに平行な上面と下面とが形成されており、前記上面の側で前記固定部材と結合し、前記下面の端部は、面取り加工されており、
前記ワイヤは、前記ワイヤ自身が、前記係合部材と前記固定部材とで形成される前記ワイヤを係合するための前記T字形状の構造の前面側に作るループの中を、前記ワイヤの一方端側および前記第1の駆動力を伝達する他方端側の双方が、それぞれ、前記T字形状の構造の前記固定部材を挟むように背面側を回って、通るように結ばれることで、前記係合部材に対して固定される、請求項1記載のパワーアシストロボット。 - 前記ワイヤは、繊維束を編むことにより形成され、
前記ワイヤの一方端は、前記ワイヤの前記第1の駆動力を伝達する側において、前記ワイヤを構成するように編まれた前記繊維束を割って作った2つの孔を縫うように通されて固定される、請求項2記載のパワーアシストロボット。 - 前記ワイヤは、繊維束を編むことにより形成され、
前記ワイヤの一方端は、前記ワイヤの前記第1の駆動力を伝達する側において、前記ワイヤを構成するように編まれた前記繊維束を割って作った第1の孔を通され、前記ワイヤの他方端は、前記一方端側で前記第1の孔を通る部分よりも先端側で、前記繊維束を割って作った第2の孔を通されて固定される、請求項2記載のパワーアシストロボット。 - 各前記能動関節の関節角を検出するための第2のセンサをさらに備え、
前記制御部は、前記能動関節をトルク制御するにあたり、
前記ワイヤを所定のバネ定数で表されるバネとした力学モデルで表現し、前記第1の駆動力を、前記エアマッスルに供給するべき圧力および前記エアマッスルの収縮割合との関係を表す所定の関数による駆動力モデルで表現する場合に、
前記能動関節に目標トルクを生じさせるための第1の駆動力を目標駆動力とするとき、前記第2のセンサにより検出される前記関節角から算出される見かけの収縮割合から前記力学モデルを用いて得られる推定収縮割合と前記目標駆動力とに基づき、前記駆動力モデルの逆モデルにより、前記エアマッスルに供給するべき圧力を算出して、前記エアマッスルに加える圧力を制御する、請求項1または2記載のパワーアシストロボット。 - 前記パワーアシストロボットは、対象となる人間の筋骨格系運動の支援をするための外骨格型ロボットであって、
前記フレーム構造は、外骨格に対応し、
前記能動関節は、前記筋骨格系運動における前記対象となる人間の関節の各位置に対応して前記フレーム構造を可動とするように配置されている、請求項2に記載のパワーアシストロボット。
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