JP6457699B2

JP6457699B2 - 外骨格ロボットのサーボ制御装置

Info

Publication number: JP6457699B2
Application number: JP2018516615A
Authority: JP
Inventors: 楠夏
Original assignee: Hangzhou Qisu Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Qisu Technology Co Ltd
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2036-06-07
Also published as: WO2016197923A1; JP2018518344A; CN105078708B; US20180361570A1; CN105078708A; US10421185B2

Description

この発明はロボット制御装置、特に外骨格ロボットのサーボ制御装置にかかる。

社会と経済の発展によってロボットへの需要はますます増えている。しかし、人工知能がまだロボットの独立稼働を制御できないため、現在のロボットは手動介入または事前プログラミングで一定の任務を遂行する必要がある。このような背景では、良好なヒューマンコンピュータインタラクションがある外骨格ロボットがますます研究者に注文されていく。外骨格ロボットはその強大な性能で、例えば四肢が負傷した者のリハビリ治療を支援できる。外骨格と負傷した四肢を固定し、外骨格による四肢の運動を制御することで、四肢のリハビリ治療を行う。また、例えば外骨格で行動不自由な障害者の運動能力回復を手伝うことができる。外骨格で障害肢の補助を行うことで、下肢麻痺者の再起と上肢麻痺者が再び物を拾う能力の回復が実現できる。健康な人にとって、外骨格は人の運動能力を強化でき、例えば小さい力で数百キロの物を挙げる、或いは手軽に数十キロの距離を走ることができる。外骨格はその並外れた性能で軍事、科学研究、工業製造と日常生活において大きな潜在能力を秘め、社会と経済の発展を促進することにポジティブな意味がある。

現在、外骨格ロボットの制御方法はいろいろある。例えば手動直接制御は、ボタンを操作することで外骨格ロボットを直接に制御するが、このような制御方法では協調性を維持することが難しい。また、例えば事前プログラミングは、このような外骨格ロボットを予め設定した軌跡により動作するため、自由度が小さい。また、例えばマスタースレーブ制御方法は、外骨格ロボットをメイン外骨格とサブ外骨格に分け、メイン外骨格を人の四肢と固定し、サブ外骨格から外力による駆動を行い、人体がメイン外骨格の運動を駆動する場合、メイン外骨格とサブ外骨格の間で差動を発生させ、通常の場合、角度センサーでメイン外骨格とサブ外骨格間の角度偏差信号を検出し、外骨格の駆動信号とする。このような方法は前述の２つの方法より自由度がよくて協調性もよいが、駆動構造が相対的に複雑になり、しかも角度センサーへの高い精度が要求され、メイン外骨格とサブ外骨格の間に角度の差がなければ、駆動力を生じない。また、外骨格の動作に遅延があり、角度センサーの精度が低い場合、遅延が特に目立つ。

この発明は既存の外骨格ロボットについて手動制御による協調性問題点、マスタースレーブ制御外骨格ロボットの複雑構造、動作遅延問題点を解決し、協調性と同期性に優れた外骨格ロボットサーボ制御装置の提供を目的とする。

この発明は以上の技術問題点を解決するために、以下のような技術的解決案を使用する。外骨格ロボットのサーボ制御装置において、上腕、下腕、上腕下側と下腕上側を回転可能な関節で接続し、前記上腕または下腕に自身の軸線方向と垂直に前後スライドを行う主動ブリケットを設け、前記主動ブリケットが人体とバインディングし、上腕または下腕に主動ブリケットと合わせて二つのマイクロスイッチを設け、二つのマイクロスイッチが逆方向に形成され、主動ブリケットが同一時間で一つのマイクロスイッチしかトリガーできず、前記上腕と下腕の間に回転を駆動する動力装置を設け、二つのマイクロスイッチがそれぞれ動力装置による正方向と逆方向の運動を制御する。二つのマイクロスイッチがそれぞれ主動ブリケットの二つの運動方向と合わせて形成され、主動ブリケットが人体とバインディングし、人体が運動する時、主動ブリケットは上腕または下腕の軸線方向と垂直に運動するよう駆動できる。腿部を例として、上腕を太股の外側に固定し、下腕を脛の外側に固定し、関節が膝関節の外側にあり、主動ブリケットとマイクロスイッチを上腕に設置することを例として、上腕を太股と固定した場合、主動ブリケットが太股とバインディングし、上腕と太股のもう一つのバインディング位置が一定距離ずれた状態で人体が移動する場合、腿部が屈曲と伸展を行うことで、太股と上腕の間で小さい差動を発生させ、主動ブリケットが上腕に対してスライドするよう駆動するため、一つのマイクロスイッチに触れると、マイクロスイッチが動力装置の動作を駆動し、上腕と下腕が同じ動作を行うよう駆動する。人体が屈曲と伸展を行う場合、主動ブリケットが異なる方向へ運動するよう駆動するため、運動方向により異なるマイクロスイッチに触れ、外骨格のサーボ制御が実現する。この装置は人体が小さい動作をする時、運動の動向により正確にマイクロスイッチに触れ、良好な同期性能とサーボ制御性能を達成できる。

最適な解決案として、前記マイクロスイッチを上腕の側面に取り付け、上腕の側面垂直軸線方向に二つのリミットバーを設け、二つのマイクロスイッチを二つのリミットバーの間にある端部に取り付けて端部から突出させ、主動ブリケットを二つのリミットバーの両側に配設してリミットバーに沿ってスライドする摺動フレームとして形成し、摺動フレームの二つの内側の間の距離が二つのマイクロスイッチ外側間の距離より長いことが好ましい。

もう一つの最適な解決案として、前記マイクロスイッチを下腕の側面に取り付け、下腕の側面垂直軸線方向に二つのリミットバーを設け、二つのマイクロスイッチを二つのリミットバーの間にある端部に取り付けて端部から突出させ、主動ブリケットを二つのリミットバーの両側に配設してリミットバーに沿ってスライドする摺動フレームとして形成し、摺動フレームの二つの内側の間の距離が二つのマイクロスイッチ外側間の距離より長いことが好ましい。その設置が上腕と下腕にかかわらず、マイクロスイッチは人体の運動動向を敏感に検出し、外骨格のサーボ制御を行うことができる。主動ブリケットはフレーム構造を使用し、同一時間に一つのマイクロスイッチしか触れないことがフレーム内側の距離によって決定される。リミットバーの制限で、人体の動作が大きすぎてマイクロスイッチへ損傷を与える、或いは戻られぬ変位になることを避ける。また、リミットバーも主動ブリケットのガイドを行う。

最適な解決案として、二つの前記リミットバーの側面にマイクロスイッチを保護して摺動フレームの脱落防止サイドシールを設ける。

最適な解決案として、前記摺動フレーム両側のフレームに人体とバインディングする接続孔を設ける。

最適な解決案として、電動シリンダを前記動力装置とし、電動シリンダはシリンダ、ピストンロッド、モータを含むが、前記シリンダと、ピストンロッドの端部がそれぞれ上腕、下腕に接続し、モータをシリンダのサイドに設置し、シリンダの端部とモータの間に駆動装置を設ける。

最適な解決案として、前記上腕と下腕が多層接続板とパネルによって交互に形成され、接続板とパネルの厚さが同じで、且つ関節の端部に近い接続板の端部パネルの端部より突出している。下腕接続板の上端と上腕接続板の下端が交互に嵌め合わされ、嵌合部に関節ピンを設けて回転しながら接続する。多層積重構造を使用することで、上腕と下腕の厚さを増加し、関節部の揺れを減少し、しかも接続板とパネルを交互に積み重ね、実際の状況に応じて積重部の長さを調整し、上腕と下腕の長さを調整可能なものにする。上腕と下腕の上端、下腕の下端では、関節部で他の四肢部品を接続する場合、パネルと接続板の役割を交換できる。動力装置を設置する場合、上腕接続板と下腕接続板に設置することで、安定的な駆動応力を確保する。

最適な解決案として、前記上腕上端部が上腕接続板の上端部より突出し、下腕パネルの下端部が下腕接続板の下端部より突出している。

最適な解決案として、上腕、下腕が人体とバインディングする部分は主動ブリケットの位置からずれている。上腕と下腕は人体とのサーボ性能を確保し、人体とバインディングするが、主動ブリケットがよりよく人体動作の行動に応えるようバインディング位置を主動ブリケットから離す。

この発明は上腕と下腕の軸線と垂直に設置した摺動可能な主動ブリケットを介して人体の微小運動動向を把握し、駆動を行う主動ブリケットとマイクロスイッチの動力装置で、外骨格と人体のサーボ制御を行うことによって、良好な協調性、同期性だけでなく、簡単な構造、低コスト、経済性が実現する。

図１はこの発明の構造の概要図である。図２はこの発明の主動ブリケットとマイクロスイッチの構造の概要図である。図３はこの発明の上腕と下腕の断面構造の概要図である。

次に、詳細な実施例で図面を参照しなからこの発明をさらに説明する。

（実施例）
外骨格ロボットのサーボ制御装置について、図１のように、上腕１、下腕３を有し、関節２を介して上腕と下腕の間を回転させながら接続する。図３のように、上腕１は３層上腕接続板１３と２層上腕パネル１４によって交互に形成され、下腕３は２層下腕接続板１５と３層下腕パネル１６によって交互に形成される。上腕接続板と上腕パネルの長さが同じで、上腕接続板の下端が下へ伸び、上腕パネルの上端が上へ伸び、両者が交互に形成される一方、下腕接続板と下腕パネルの長さが同じで、下腕接続板の上端が上へ伸び、下腕パネルの下端が下へ伸び、両者が交互に形成される。上腕接続板１３の下端と下腕接続板１５の上端を交互に嵌め合った後、関節ピンで関節２を形成する。図１のように、上腕接続板１３上端の下側が外へ突出して動力設置部を形成し、下腕接続板１５の左側が外へ突出して動力設置部を形成し、上腕動力設置部と下腕動力設置部の間に電動シリンダ４を設けて動力源とし、電動シリンダのシリンダ後部が上腕動力設置部に接続され、シリンダ前部から伸ばしているピストンロッド端部が下腕動力設置部に接続される。シリンダ後部の下側にモータ５を設け、モータとシリンダ後部の間に駆動装置を設置することで動力の伝達を行う。

上腕の上部の前側面に近づけて主動ブリケット６を設け、主動ブリケット６が人体とバインディングし、垂直上腕軸線の方向で摺動でき、上腕の対応位置に主動ブリケットの摺動検出用マイクロスイッチ１０を二つ設ける。詳細な構造は図１のように、上腕上部垂直軸線にリミットバー１１を２本並列固定し、２本のリミットバー間の両側にそれぞれマイクロスイッチ１０を設け、マイクロスイッチ１０の外側がリミットバーの端部よりやや突出する。主動ブリケットが摺動フレーム８として、摺動フレーム８をリミットバーの外側に配設し、リミットバーのガイドで摺動させ、摺動フレーム８の二つの内側の間を離れている距離が二つのマイクロスイッチの外側の間よりやや長いことで、摺動フレームが同一時間で一つのマイクロスイッチしか触れない。摺動フレーム両端部のフレームに接続孔９を設けることで、接続孔の位置で人体とバインディングする。リミットバーの前側にサイドシール７を接続することで、マイクロスイッチを保護し、摺動フレームの脱落を防止する。２本のリミットバー、二つのマイクロスイッチの間の上腕にスルーホール１２を設けることで、マイクロスイッチの信号線を上腕の外部へ通過させる。

図１のように、外骨格上腕は主動ブリケットの位置で主動ブリケットを人体の上腕とバインディングし、関節に近い下部で外骨格上腕自身をストラップ１７で人体の上腕とバインディングするが、外骨格下腕は上部と下部でそれぞれ人体の下腕とストラップ１７を介してバインディングする。人体が運動する場合、人体上腕と人体下腕の間に屈曲と伸展を発生させ、主動ブリケットによる摺動を駆動し、一つのマイクロスイッチに触れることで、電動シリンダが外骨格上腕と外骨格下腕が人体と共に動作するよう駆動し、高さの協調と同期を保持する。

（付記）
（付記１）
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、上腕、下腕を備え、上腕下端と下腕上端を回転可能な関節で接続し、前記上腕または前記下腕に自身の軸線方向と垂直に前後スライドすることができる主導ブリケットを設け、前記主動ブリケットが人体とバインディングし、前記上腕または前記下腕に前記主動ブリケットと合わせて二つのマイクロスイッチを設け、当該二つのマイクロスイッチが逆方向になり、前記主動ブリケットが同一時間で一つの前記マイクロスイッチしかトリガーできず、前記上腕と前記下腕の間に回転駆動用の動力装置を設け、前記二つのマイクロスイッチがそれぞれ動力装置の正方向と逆方向の運動を制御する、という特徴を有している外骨格ロボットのサーボ制御装置。

（付記２）
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、前記マイクロスイッチを前記上腕の側面に取り付け、前記上腕の側面垂直軸線方向にリミットバーを２本並列固定し、前記二つのマイクロスイッチがそれぞれ２本の前記リミットバー間の端部に設置され端部の外へ突出し、前記主導ブリケットを前記２本のリミットバーの両側に配設して前記リミットバーに沿ってスライドする摺動フレームとして、当該摺動フレームの二つの内側の間の距離が前記二つのマイクロスイッチの外側の間より長い、という特徴を有している付記１に記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。

（付記３）
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、前記マイクロスイッチを前記下腕の側面に取り付け、前記下腕の側面垂直軸線方向にリミットバーを２本並列固定し、前記二つのマイクロスイッチがそれぞれ２本の前記リミットバー間の端部に設置され端部の外へ突出し、前記主導ブリケットを前記２本のリミットバーの両側に配設して前記リミットバーに沿ってスライドする摺動フレームとして、当該摺動フレームの二つの内側の間の距離が前記二つのマイクロスイッチの外側の間より長い、という特徴を有している付記１に記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。

（付記４）
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、二つの前記リミットバーの側面にマイクロスイッチ保護摺動フレームの脱落防止を行うサイドシールが設置されている、という特徴を有している付記２または３に記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。

（付記５）
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、前記摺動フレームの両側フレームに人体とバインディングする接続孔を設ける、という特徴を有している付記２または３に記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。

（付記６）
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、前記動力装置が電動シリンダとして、シリンダ、ピストンロッド、モータを含み、前記シリンダと前記ピストンロッドの端部をそれぞれ前記上腕、前記下腕に接続し、前記モータを前記シリンダの一端に設置し、前記シリンダの端部と前記モータの間に駆動装置を設ける、という特徴を有している付記１〜３のいずれかに記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。

（付記７）
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、前記上腕と前記下腕が多層接続板とパネルによって交互に形成され、前記接続板と前記パネルの厚さが同じで、且つ関節に近い前記接続板の端部が前記パネルの端部より突出し、下腕接続板の上端と上腕接続板の下端が交互に嵌め合い、嵌合部で関節ピンを使用して回転しながら接続する、という特徴を有している付記１〜３のいずれかに記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。

（付記８）
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、上腕パネルの上端が前記上腕接続板の上端より突出し、下腕パネルの下端が前記下腕接続板の下端より突出している、という特徴を有している付記７に記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。

（付記９）
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、前記上腕、前記下腕が人体とバインディングする位置が前記主動ブリケットの位置とずれる、という特徴を有している付記１〜３のいずれかに記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。

１上腕、２関節、３下腕、４電動シリンダ、６主動ブリケット、７サイドシール、８摺動フレーム、９接続孔、１０マイクロスイッチ、１１リミットバー、１２スルーホール、１３上腕接続板、１４上腕パネル、１５下腕接続板、１６下腕パネル、１７ストラップ

Claims

外骨格ロボットのサーボ制御装置において、上腕、下腕を備え、上腕下端と下腕上端を回転可能な関節で接続し、前記上腕または前記下腕に自身の軸線方向と垂直に前後スライドすることができる主動ブリケットを設け、前記主動ブリケットが人体とバインディングし、前記上腕または前記下腕に前記主動ブリケットと合わせて二つのマイクロスイッチを設け、当該二つのマイクロスイッチが逆方向になり、前記主動ブリケットが同一時間で一つの前記マイクロスイッチしかトリガーできず、前記上腕と前記下腕の間に回転駆動用の動力装置を設け、前記二つのマイクロスイッチがそれぞれ動力装置の正方向と逆方向の運動を制御する、という特徴を有している外骨格ロボットのサーボ制御装置。
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、前記マイクロスイッチを前記上腕の側面に取り付け、前記上腕の側面垂直軸線方向にリミットバーを２本並列固定し、前記二つのマイクロスイッチがそれぞれ２本の前記リミットバー間の端部に設置され端部の外へ突出し、前記主動ブリケットを前記２本のリミットバーの側面垂直軸線方向の両側に配設して前記リミットバーに沿ってスライドする摺動フレームとして、当該摺動フレームの二つの内側の間の距離が前記二つのマイクロスイッチの外側の間より長い、という特徴を有している請求項１に記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、前記マイクロスイッチを前記下腕の側面に取り付け、前記下腕の側面垂直軸線方向にリミットバーを２本並列固定し、前記二つのマイクロスイッチがそれぞれ２本の前記リミットバー間の端部に設置され端部の外へ突出し、前記主動ブリケットを前記２本のリミットバーの側面垂直軸線方向の両側に配設して前記リミットバーに沿ってスライドする摺動フレームとして、当該摺動フレームの二つの内側の間の距離が前記二つのマイクロスイッチの外側の間より長い、という特徴を有している請求項１に記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、二つの前記リミットバーの側面にマイクロスイッチ保護摺動フレームの脱落防止を行うサイドシールが設置されている、という特徴を有している請求項２または３に記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、前記摺動フレームの側面垂直軸線方向の両側のフレームに人体とバインディングする接続孔を設ける、という特徴を有している請求項２または３に記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、前記動力装置が電動シリンダとして、シリンダ、ピストンロッド、モータを含み、前記シリンダと前記ピストンロッドの端部をそれぞれ前記上腕、前記下腕に接続し、前記モータを前記シリンダの一端に設置し、前記シリンダの端部と前記モータの間に駆動装置を設ける、という特徴を有している請求項１〜３のいずれかに記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、前記上腕と前記下腕が多層接続板とパネルによって交互に形成され、前記接続板と前記パネルの厚さが同じで、且つ関節に近い前記接続板の端部が前記パネルの端部より突出し、下腕接続板の上端と上腕接続板の下端が交互に嵌め合い、嵌合部で関節ピンを使用して回転しながら接続する、という特徴を有している請求項１〜３のいずれかに記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、上腕パネルの上端が前記上腕接続板の上端より突出し、下腕パネルの下端が前記下腕接続板の下端より突出している、という特徴を有している請求項７に記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。
外骨格ロボットのサーボ制御装置において、前記上腕、前記下腕が人体とバインディングする位置が前記主動ブリケットの位置とずれる、という特徴を有している請求項１〜３のいずれかに記載の外骨格ロボットのサーボ制御装置。