JP6413139B2 - 上肢リハビリテーション用の直列弾性ホロノミック移動プラットホーム - Google Patents
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Description
上式で、β=t/2R、γ=t/2cである。ここで、αzは角変位を表し、Mzはz軸を中心とする曲げモーメントを表す。フィレット付きV字形たわみヒンジの最大たわみは、最大曲げモーメントを選択された材料の降伏応力に合わせることによって計算することができる。フィレット付きV字形たわみヒンジのジョイントの剛性は式(2)で与えられる。
上式で、Eは選択された材料のヤング率である。本発明による実施態様の設計では、各フィレット付きV字形たわみヒンジは、最大角偏向2.75°およびジョイント剛性1Nm/ラジアンを有するように設計される。
上式で、
は左上付きから右上付きへの位置ベクトルを表し、i=1、2、3はループインデックスである。3つの平面ベクトルループ方程式から6つの独立したスカラー方程式を導くことが可能であり、ジョイントの回転とエンドエフェクタの回転との間の関係から3つのさらなる独立したスカラー方程式を導くことができる。これらの方程式は、装置のタスク空間剛性を計算するために必要な9つのジョイント角度qai、qbiおよびqci(i=1、2、3)をすべて決定するために解析的に解くことができる。しかし、コンプライアントメカニズムの欠陥は比較的小さいので、装置の微分運動学が装置の運動を支配する。特に、装置の初期構成を装置のヤコビ行列とともに決定することは、装置の運動学を解くのに十分である。モデルのヤコビアンは、Nにおける式(3)のベクトルループ方程式を微分し、下記角速度方程式とともに解くことにより計算することができる。
上式で、Δは少量を意味し、i=1、2、3である。得られるヤコビアンは、ジョイント空間速度とタスク空間速度との間に関係を与える運動学的ヤコビアンJγと、システムに運動拘束を課す拘束ヤコビアンJCと、に分割することができる。運動学的ヤコビ行列および制約ヤコビ行列はさらにジョイントのタイプ、すなわち測定ジョイントまたは受動ジョイントでグループ化することができる。ヤコビ行列のこの形態はシステムに関するさらなる洞察を提供する。というのは、行列のサブブロックは測定ジョイントおよび受動ジョイントの貢献を明確に反映するからである。ヤコビ行列は式(5)として明示的に表される。
上式で、JTmは、拘束されない測定ジョイントに対するヤコビ行列であり、JTpは、拘束されない受動ジョイントに対するヤコビ行列であり、JCmは、拘束された測定ジョイントに対するヤコビ行列であり、JCpは、拘束された受動ジョイントに対するヤコビ行列であり、ΔqmcおよびΔqpaは、測定ジョイントおよび受動ジョイントの微小変位を表し、ΔXTは、エンドエフェクタの微小構成変化を表す。3−PaRRの場合、3つの接地平行四辺形メカニズム(直動ジョイントとして有効に働く)の出力リンクの位置が測定され、残りの回転ジョイントはすべて受動である。コンプライアント平行四辺形リンケージのジョイント角度は、式(6)から計算される。
上式で、saiは測定された直線変位であり、i=1、2、3であり、lは本体Aiの長さである。
上式で、JTcompは、コンプライアントメカニズム全体のヤコビ行列を表す。コンプライアント3−PaRRメカニズムのヤコビ行列が得られると、メカニズムのタスク空間剛性行列KTは、式(8)として導き出すことができる。
上式で、KqmおよびKqpは、測定ジョイントおよび受動ジョイントの個々の剛性値である。
はこれらのアクチュエータの速度を表す。記号KpおよびKiは、移動プラットホームの内側ループ速度コントローラのPI利得を表し、Mおよびbは、所望のアドミタンスのパラメータを表す。記号KTはタスク空間剛性であり、JTcompは、コンプライアント3−PaRRメカニズムのヤコビアン全体を表す。最後に、Jhは、ホロノミックプラットホームのヤコビアンであり、
は、ヤコビアンの擬似逆を表す。図4によれば、コンプライアントメカニズムのエンドエフェクタに加えられる力は、コンプライアントメカニズムの直動ジョイントに装着されたリニアエンコーダによって測定される変位量になる。エンドエフェクタのたわみおよび加えられた力の推定値は、先に計算されたヤコビアン全体およびタスク剛性行列を用いることによって計算される。ホロノミックプラットホームの所望のタスク空間速度が、推定力を所望のアドミタンスに加えることによって計算される。ホロノミックプラットホームのヤコビアンの擬似逆は所望のジョイント速度を計算するために利用される。というのは、そこで4つのアクチュエータを有するメカナムホイール付き移動プラットホームが面内の冗長メカニズムであるからである。最後に、PIコントローラは、これらの所望の速度軌道をたどるようにホロノミックプラットホームを調整する。コンプライアントメカニズムに加えられる力は、コンプライアントメカニズムが理想ばねとして挙動すると仮定して、ホロノミックプラットホームにも作用することに留意されたい。
Claims (5)
- 患者に対する卓上理学リハビリテーション運動療法を在宅で実施するための、および運動中の患者の能力を評価するための直列弾性ホロノミック式の移動プラットホームであって、前記移動プラットホームが、多自由度のコンプライアントメカニズムおよび制御ユニットを備える多自由度(DoF)の移動プラットホームとして設けられ、
多自由度の前記移動プラットホームが少なくとも3つの作動メカナムホイールを備え、多自由度の前記コンプライアントメカニズムが、平面多自由度のコンプライアント直列弾性要素の形をとる力検出ユニットとして設けられ、
位置センサを用いて前記コンプライアントメカニズムのたわみを測定することによって、作用する面内力およびトルクが決定されるように、前記コンプライアントメカニズムが動作し、それによって、ノンバックドライバブル能動ホロノミック式のプラットホームが多自由度の直列弾性アクチュエータとして動作する、直列弾性ホロノミック式の移動プラットホームにおいて、
前記移動プラットホームが、全方向メカナムホイール付き移動ロボットに連結された少なくとも平面3自由度のコンプライアントパラレルメカニズムに関連することを特徴とする、直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。 - 前記移動プラットホームが、すべての可能な平面運動を支えるために2自由度並進および1自由度回転の形をとる3自由度を有する、請求項1に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
- 前記コンプライアントメカニズムがコンプライアント平行四辺形(Pa)メカニズムである、請求項1または2に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
- 前記コンプライアントメカニズムが平面3−PaRRパラレルメカニズムとして設けられる、請求項2または3に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
- 前記平面3−PaRRパラレルメカニズムが、ベースフレームにそれぞれ接地された3つの平行四辺形メカニズムを備え、前記3つの平行四辺形メカニズムを介して前記ベースフレームにエンドエフェクタが連結されており、
前記エンドエフェクタに加えられる力/トルクが、前記エンドエフェクタの剛性と前記3つの平行四辺形メカニズムのたわみの測定値とを用いて推定される、請求項4に記載の直列弾性ホロノミック式の移動プラットホーム。
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