JP7066752B2 - 外骨格を動作させる方法 - Google Patents
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Description
‐ アームチェア、椅子、及び、座ることができるその他の支持体は、様々な形状、寸法を有する。さらに、設置位置は、各ユーザの機能(a function)によって異なる:あるユーザにとって実用的であることは、他のユーザにとってはそうはならない。同様に、立位はユーザの機能として異なるものでなければならない。実際、それぞれが独自の重量分布を持ち、特定のバランスのとれた立位をとっている。さらに、膝が多かれ少なかれ曲がっているなど、若干後傾になることを好む人もいるだろう。理想的な立位は、起立後にユーザが何をしたいかにも依存する。この全てが、起立させるべき外骨格の開始位置と到着位置が、各患者と各使用例に適応しなければならないという事実に寄与している。
‐ 起立動作を可能にするためには、患者の足は、動作の継続期間を通して、地面に留まる必要がある。このように、座位及び立位を知っていても、足の運動学的な拘束に従いながら、一方から他方へ移行する動作を見出すことは、簡単ではない。
‐ 座位は、一般に、脚部が非常に折り曲げられており、足部の十分後ろに圧力中心が位置している。このように、動作開始時の荷重モーメントは重要であり、伸展した姿勢に到達するためにはかなりのトルクが必要である。経時的に予め計算された軌道に追従する標準的なコントローラは、この問題を悪化させる可能性がある:例えば、2つの関節が同じ追跡品質を有しない場合、例えば、一方が軌道の前方にあり、他方が後方にある場合、配置は、運動をさらに困難にする可能性がある。これは、膝関節に対して股関節の伸展が早すぎる場合、特に顕著である。すなわち、骨盤は後方にかなり送られ、膝に対して非常に重大なモーメントを及ぼす。
‐ (例えば、前かがみになったり、アームレストにもたれたりする)患者の体上部の動作と脚部の動きを同期させることが重要である。患者が外骨格に適応しなければならない場合、訓練フェーズは長く疲労したものとなる。外骨格の動きが患者の体上部の動きに適応していることが、患者に必要な訓練を減らすことを可能にする。さらに、患者は、動作を制御し、それを実行することに加わるという事実を評価する(appreciate)。
本方法は、データ処理手段によって、
(a) 座位から立位への前記外骨格(1)の軌道を生成するステップであって、軌道は時間の関数としてパラメータ化される、ステップと、
(b) 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を軌道に適用するステップであって、仮想拘束は位相変数によってパラメータ化される、ステップと、
(c) 外骨格(1)が座位から立位へ動作するように、一組の仮想拘束と関連して外骨格(1)のコントローラを実行するステップであって、コントローラは、軌道の間、仮想拘束に従う(comply)ようにアクチュエータに対するコマンドを生成することができる、ステップと、
を実施することを含む。
・ ステップ(a)における前記外骨格(1)の軌道の生成は、起立のリクエストが受信された場合に実施され;
・ 起立のリクエストは人間オペレータの姿勢に対応し;
・ 人間オペレータの胸部には複数の姿勢センサが装備されており、
起立のリクエストは、複数のセンサによって測定された人間オペレータの胸部の姿勢の関数として検出され;
・ ステップ(a)は、座位及び/又は立位を特定することを含み;
・ 前記のステップ(a)は、
起立のリクエストの受信中に、外骨格(1)がとる一時的な位置を識別することと、
一時的な位置から座位及び立位を特定することと、を含み;
・ 特定された座位及び立位は、所定の拘束に関して許容可能な位置であり;
・ 所定の拘束は、圧力中心CoPが外骨格の維持表面(a sustentation surface)内及び姿勢の拘束内にある安定状態にあるということを含み;
・ ステップ(b)は、位相変数を予め選択すること(the prior selection)を含み;
・ 記憶手段内に記憶されたデータベースにおいて、
‐ 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束であって、仮想拘束は位相変数によってパラメータ化されている、一組の仮想拘束と、
‐ 一組の仮想拘束と関連する前記外骨格のコントローラと、
の対が記憶されており、
ステップ(b)は、選択された位相変数の関数として、一組の拘束を識別することを含む。
本方法は、データ処理手段によって、
(a) 立位から座位への外骨格の軌道を生成するステップであって、軌道は時間の関数としてパラメータ化される、ステップと、
(b) 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を軌道に適用するステップであって、仮想拘束は位相変数によってパラメータ化される、ステップと、
(c) 外骨格(1)が立位から座位へ動作するように、一組の仮想拘束と関連して外骨格(1)のコントローラを実行するステップであって、前記コントローラは、前記軌道の間、前記仮想拘束に従うように前記アクチュエータに対するコマンドを生成することができる、ステップと、
を実施することを含む。
‐ 座位から立位への外骨格の軌道を生成するためのモジュールであって、外骨格が、座位及び立位において、駆動されていない自由度が無いように、データ処理手段によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動される複数の自由度を有するように軌道が生成され、軌道は時間の関数としてパラメータ化される、モジュールと、
‐ 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を軌道に適用するためのモジュールであって、仮想拘束は位相変数によってパラメータ化される、モジュールと、
‐ 外骨格が座位から立位へ動作するように、一組の仮想拘束と関連して外骨格のコントローラを実行するためのモジュールであって、コントローラは、軌道の間、仮想拘束に従うようにアクチュエータに対するコマンドを生成することができる、モジュールと、
を実装するように構成されたデータ処理手段を有する。
‐ 立位から座位までの外骨格の軌道を生成するためのモジュールであって、外骨格が、座位及び立位において、駆動されていない自由度が無いように、データ処理手段によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動される複数の自由度を有するように軌道が生成され、軌道は時間の関数としてパラメータ化される、モジュールと、
‐ 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を前記軌道に適用するためのモジュールであって、仮想拘束は位相変数によってパラメータ化される、モジュールと、
‐ 外骨格が立位から座位へ動作するように、一組の仮想拘束と関連して外骨格のコントローラを実行するためのモジュールであって、コントローラは、軌道の間、仮想拘束に従うようにアクチュエータに対するコマンドを生成することができる、モジュールと、
を実施するように構成されたデータ処理手段を有する。
本明細書は、添付の図面を参照して、以下に示される。
図1を参照すると、本発明の方法は、外骨格1を起立させるための方法であって、外骨格1は、即ち2足のロボット化されたタイプの装置の関節でつながった機械的システムであって、駆動され、指令され、2本の脚を備え、より詳しくは、(特にストラップによって)外骨格1の脚と一体化した下肢を有する人間オペレータを収容する。したがって、多かれ少なかれヒューマノイドロボットであり得る。
典型的には、軌道、即ち各自由度の進展は、時間の関数として表される。システムの「動力学(dynamic)」は関数f
‐ コマンドが作動を所望することができない/所望しない度合いに対応し、即ち、コマンドはゼロに等しいので、「ゼロ」と表され;
‐ 地面上への足の衝撃が、連続的な位相と交差する瞬間的な不連続な位相を課すので、「ハイブリッド」と表される、からである。
本方法は、座位から立位への外骨格1の軌道を生成するステップであって、軌道は時間の関数としてパラメータ化される、ステップによって始まる。起立のリクエストが受信されるとき、このステップが優先して実施される
movement)、既に許容可能な座位に自らいることができ(can find himself)、ターゲットの立位は予め設けられている)。
‐ 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束であって、仮想拘束は位相変数によってパラメータ化される、仮想拘束と、
‐ 少なくとも1つの安定な軌道を実施することにより仮想拘束に従うように、アクチュエータに対するコマンドを生成することができる(一組の仮想拘束と関連する)外骨格1のコントローラと、
の少なくとも1対のデータベースである。
第2方法は、データ処理手段11によって:
(a) 立位から座位への外骨格1の軌道を生成するステップであって、
軌道は時間の関数としてパラメータ化される、ステップと、
(b) 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を軌道に適用するステップであって、
仮想拘束は位相変数によってパラメータ化される、ステップと、
(c) 外骨格1が立位から座位へ動作するように、一組の仮想拘束と関連して外骨格1のコントローラを実行するステップであって、
コントローラは、軌道の間、仮想拘束に従うアクチュエータに対するコマンドを生成することができる、ステップと、
を実施することを含む。
他の態様によれば、本発明は、第1態様(起立)及び/又は第2態様(着座)による方法を実施するための、特に外骨格型の、外骨格1に関する。
‐ 座位から立位へ(及び/又は立位から座位へ)の外骨格1の軌道を生成するためのモジュールであって、外骨格1が座位及び立位において、駆動されていない自由度が無いように、データ処理手段11によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動される複数の自由度を有するように、軌道を生成し、軌道は時間の関数としてパラメータ化される、モジュールと、
‐ 駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を軌道に適用するためのモジュールであって、仮想拘束は位相変数によってパラメータ化される、モジュールと、
‐ 外骨格1が座位から立位へ(及び/又は立位から座位へ)動作するように、一組の仮想拘束と関連してコントローラを実行するためのモジュールであって、コントローラは、軌道の間、仮想拘束に従うようにアクチュエータに対するコマンドを生成することができる、モジュールと、
を実装するように構成されている。
第5態様及び第6態様によれば、本発明は、本発明の第1態様又は第2態様による外骨格を動作させる方法を実行するためのコード命令を含むコンピュータプログラム製品、及びこのコンピュータプログラム製品が見出されるコンピュータ装置によって読み出されることができる記憶手段(例えばデータ記憶手段12)に関する。
Claims (15)
- 人間オペレータを収容する外骨格を座位から立位へ動作させる方法であって、
前記座位及び前記立位は、前記外骨格が複数の自由度を有し、前記自由度は、前記座位及び前記立位において、各自由度が駆動されるような方法で、データ処理手段によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動されるものであり、
前記方法は、前記データ処理手段によって、
(a) 前記座位から前記立位への前記外骨格の軌道を生成するステップであって、前記軌道は時間の関数としてパラメータ化される、ステップと、
(b) 前記の駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を前記軌道に適用するステップであって、前記仮想拘束は前記動作の進捗を表す位相変数によってパラメータ化される、ステップと、
(c) 前記外骨格が前記座位から前記立位へ動作するように、前記一組の仮想拘束と関連して前記外骨格のコントローラを実行するステップであって、前記コントローラは、前記座位から前記立位への前記軌道に沿って前記外骨格を動作させる時に、前記仮想拘束に従うように前記アクチュエータに対するコマンドを生成することができる、ステップと、
を実施することを含む、方法。 - 前記のステップ(a)における前記外骨格の軌道の生成は、起立のリクエストが受信された場合に実施される、
請求項1記載の方法。 - 前記起立のリクエストは前記人間オペレータの姿勢に対応する、
請求項2記載の方法。 - 前記人間オペレータの胸部には複数の姿勢センサが装備されており、
前記起立のリクエストは、前記複数のセンサによって測定された前記人間オペレータの前記胸部の姿勢の関数として検出される、
請求項3記載の方法。 - 前記のステップ(a)は、前記座位及び/又は前記立位を特定することを含む、
請求項1乃至4いずれか1項に記載の方法。 - 前記のステップ(a)は、
前記起立のリクエストを受信した時に、前記外骨格によってとられる一時的な位置を識別することと、
前記一時的な位置から前記座位及び前記立位を特定することと、を含む、
請求項2乃至4いずれか1項を引用する請求項5記載の方法。 - 前記の特定された座位及び立位は、そこから前記動作を実施できる、所定の拘束に関して許容可能な位置である、
請求項6記載の方法。 - 前記所定の拘束は、前記人間オペレータを収容する前記外骨格の質量中心が外骨格の維持表面内にある安定状態にあること及び姿勢の拘束を含む、
請求項7記載の方法。 - 前記のステップ(b)は、前記位相変数を予め選択することを含む、
請求項1乃至8いずれか1項記載の方法。 - 記憶手段内に記憶されたデータベースにおいて、
‐ 前記駆動される自由度に対する一組の仮想拘束であって、仮想拘束は前記動作の進捗を表す位相変数によってパラメータ化されている、一組の仮想拘束と、
‐ 前記一組の仮想拘束と関連する前記外骨格のコントローラと、
の対が記憶されており、
前記のステップ(b)は、選択された前記位相変数の関数として、前記一組の仮想拘束を識別することを含む、
請求項9記載の方法。 - 人間オペレータを収容する外骨格を立位から座位へ動作させる方法であって、
前記座位及び前記立位は、前記外骨格が複数の自由度を有し、前記自由度は、前記座位及び前記立位において、各自由度が駆動されるような方法で、データ処理手段によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動されるものであり、
当該方法は、前記データ処理手段によって、
(a) 前記立位から前記座位への前記外骨格の軌道を生成するステップであって、前記軌道は時間の関数としてパラメータ化される、ステップと、
(b) 前記の駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を前記軌道に適用するステップであって、前記仮想拘束は前記動作の進捗を表す位相変数によってパラメータ化されている、ステップと、
(c) 前記外骨格が前記立位から前記座位へ動作するように、前記一組の仮想拘束と関連して前記外骨格のコントローラを実行するステップであって、前記コントローラは、前記座位から前記立位への前記軌道に沿って前記外骨格を動作させる時に、前記仮想拘束に従うように前記アクチュエータに対するコマンドを生成することができる、ステップと、
を実施することを含む、方法。 - 人間オペレータを収容する外骨格であって、
前記外骨格はデータ処理手段を有し、前記データ処理手段は、
‐ 座位から立位への前記外骨格の軌道を生成するためのモジュールであって、前記外骨格が複数の自由度を有し、前記自由度は、前記座位及び前記立位において、各自由度が駆動されるような方法で、前記データ処理手段によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動され、前記軌道が生成され、前記軌道は時間の関数としてパラメータ化される、モジュールと、
‐ 前記の駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を前記軌道に適用するためのモジュールであって、前記仮想拘束は前記動作の進捗を表す位相変数によってパラメータ化される、モジュールと、
‐ 前記外骨格が前記座位から前記立位へ動作するように、前記一組の仮想拘束と関連して前記外骨格のコントローラを実行するためのモジュールであって、前記コントローラは、前記座位から前記立位への前記軌道に沿って前記外骨格を動作させる時に、前記仮想拘束に従うように前記アクチュエータに対するコマンドを生成することができる、モジュールと、
を実装するように構成されている、外骨格。 - 人間オペレータを収容する外骨格であって、
前記外骨格はデータ処理手段を有し、前記データ処理手段は、
‐ 立位から座位への前記外骨格の軌道を生成するためのモジュールであって、前記外骨格が複数の自由度を有し、前記自由度は、前記座位及び前記立位において、各自由度が駆動されるような方法で、前記データ処理手段によって制御されるアクチュエータによってそれぞれ駆動され、前記軌道が生成され、前記軌道は時間の関数としてパラメータ化される、モジュールと、
‐ 前記の駆動される自由度に対する一組の仮想拘束を前記軌道に適用するためのモジュールであって、前記仮想拘束は前記動作の進捗を表す位相変数によってパラメータ化される、モジュールと、
‐ 前記外骨格が前記立位から前記座位へ動作するように、前記一組の仮想拘束と関連して前記外骨格のコントローラを実行するためのモジュールであって、前記コントローラは、前記座位から前記立位への前記軌道に沿って前記外骨格を動作させる時に、前記仮想拘束に従うように前記アクチュエータに対するコマンドを生成することができる、モジュールと、
を実装するように構成されている、外骨格。 - コンピュータ上で実行されるときに、請求項1乃至11いずれか1項記載の外骨格を動作させる方法を実行するためのコード命令を含む、コンピュータプログラム。
- コンピュータプログラムが請求項1乃至11いずれか1項記載の外骨格を動作させる方法を実行するためのコード命令を含むコンピュータ装置によって読み取られることができる記憶手段。
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