JP7142338B2 - Assist device control method and assist device - Google Patents
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本発明は、アシスト装置の制御方法及びアシスト装置に関し、特に、人の動作を補助するアシスト装置の制御に好適な制御方法及びアシスト装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a control method and assist device for an assist device, and more particularly to a control method and assist device suitable for controlling an assist device that assists human motion.
近年、特許文献1に示すような、 医療系のトレーニングシステムやリハビリテーション等の人の動作や、作業時の人の動作を補助するアシストスーツ(アシスト装置)が知られている。
2. Description of the Related Art In recent years, an assist suit (assist device) that assists human motions such as medical training systems and rehabilitation, and human motions during work, as shown in
アシスト装置では、アクチュエータの駆動によりアシスト力(支援)を得ているが、従来のアクチュエータの制御方法では、人がアシスト装置からアシスト力を受けたときに、その動作に対するアシスト力に違和感を生じさせる場合がある。
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、人の動作をアシストするアシスト装置に好適な制御方法及びアシスト装置を提供することを目的とする。
In the assist device, the assist force (assistance) is obtained by driving the actuator, but in the conventional control method of the actuator, when the person receives the assist force from the assist device, the assist force for the movement causes a sense of discomfort. Sometimes.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a control method and an assist device suitable for an assist device that assists human motion.
上記課題を解決するためのアシスト装置の制御方法として、支援対象の関節の屈伸動作に合わせて屈伸可能に設けられたリンク機構と、支援対象の動作に伴なう関節の動作状態に応じて、リンク機構の回転に所定の駆動力を付与するアクチュエータと、支援対象の動作状態に応じてリンク機構の回転における粘性及び剛性を変化させ、支援対象の関節に補助力が付与されるようにアクチュエータの駆動を制御する制御手段とを有し、制御手段は、支援対象の動作が停止段階にあるときには、粘性及び剛性を、支援対象の動作における関節のトルク及び角加速度の増減に応じて設定する態様とした。
本態様によれば、支援対象の動作状態に応じて、リンク機構の回転における粘性及び剛性を変化させ、支援対象の関節に補助力が付与されるようにアクチュエータが制御されるため、支援対象の動作状態に対して追従するように自然な補助力を付与できるので、支援対象に対して違和感のない補助力を提供できる。また、支援対象の動作が停止段階にあるときには、粘性及び剛性を、支援対象の動作における関節のトルク及び角加速度の増減に応じて設定することにより、支援対象の動作の開始時から停止時までの一連の動作において滑らかな補助力を提供できる。
また、他の態様として、リンク機構を人に装着可能とすることにより、人に対して親和性の高い補助力を提供でき、違和感を生じさせることなく動作を支援することができる。
また、上記課題を解決するためのアシスト装置の構成として、支援対象の関節の屈伸動作に合わせて屈伸可能に設けられたリンク機構と、支援対象の動作に伴なう関節の動作状態に応じて、リンク機構の回転に所定の駆動力を付与するアクチュエータと、アクチュエータの駆動を制御する制御手段とを備え、制御手段が、支援対象の動作状態に応じてリンク機構の回転における粘性及び剛性を変化させ、支援対象の関節に補助力を付与するアシスト装置であって、制御手段は、支援対象の動作が停止段階にあるときには、粘性及び剛性を、支援対象の動作における関節のトルク及び角加速度の増減に応じて設定する構成とした。
本構成によれば、支援対象の動作状態に応じて、リンク機構の回転における粘性及び剛性が変化するようにアクチュエータが制御されるため、支援対象の動作状態に対して追従するように自然な補助力を付与できるので、支援対象に対して違和感のない補助力を提供できる。また、支援対象の動作が停止段階にあるときには、粘性及び剛性を、支援対象の動作における関節のトルク及び角加速度の増減に応じて設定することにより、支援対象の動作の開始時から停止時までの一連の動作において滑らかな補助力を提供できる。
As a control method of the assist device for solving the above problems, according to the link mechanism provided so as to be able to bend and stretch according to the bending and stretching motion of the joint of the support target, and the operation state of the joint accompanying the motion of the support target, An actuator that applies a predetermined driving force to the rotation of the link mechanism, and an actuator that changes the viscosity and stiffness of the rotation of the link mechanism according to the motion state of the support target so that the assist force is applied to the joint of the support target. and control means for controlling the drive, wherein the control means sets the viscosity and stiffness according to increases and decreases in joint torque and angular acceleration in the motion of the support target when the motion of the support target is in the halt stage. and
According to this aspect, the actuator is controlled such that the viscosity and rigidity in the rotation of the link mechanism are changed according to the operation state of the support target, and the assist force is applied to the joint of the support target. Since a natural assisting force can be applied so as to follow the motion state, a comfortable assisting force can be provided to the support target. In addition, when the movement of the support target is in the stopping stage, by setting the viscosity and stiffness according to the increase and decrease of the torque and angular acceleration of the joints in the movement of the support target, It can provide a smooth assist force in a series of movements.
Further, as another aspect, by making the link mechanism attachable to a person, it is possible to provide an assisting force that is highly compatible with the person, and to assist the movement without causing discomfort.
In addition, as a configuration of an assist device for solving the above-mentioned problems, a link mechanism is provided so as to be able to bend and stretch according to the bending and stretching motion of the joint to be supported, and according to the motion state of the joint accompanying the motion of the support target , an actuator that applies a predetermined driving force to the rotation of the link mechanism; and a control means that controls the drive of the actuator. and provides an assisting force to the joint of the support target, wherein the control means converts the viscosity and stiffness into the torque and angular acceleration of the joint in the motion of the support target when the motion of the support target is in the stopping stage. It was configured to be set according to the increase or decrease.
According to this configuration, the actuator is controlled so that the viscosity and rigidity of the rotation of the link mechanism change according to the operation state of the support object, so that natural assistance follows the operation state of the support object. Since force can be imparted, it is possible to provide the support target with a comfortable assisting force. In addition, when the movement of the support target is in the stopping stage, by setting the viscosity and stiffness according to the increase and decrease of the torque and angular acceleration of the joints in the movement of the support target, It can provide a smooth assist force in a series of movements.
以下、発明の実施形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明される特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らず、選択的に採用される構成を含むものである。 Hereinafter, the present invention will be described in detail through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims, and all combinations of features described in the embodiments are It includes configurations that are not necessarily essential to the solution and are selectively adopted.
以下、本発明の実施の形態について、各図に基づき説明する。図1は、脚部、膝の屈伸(曲げ伸ばし)動作を支援するアシスト装置の一例を示している。同図に示すアシスト装置1は、支援対象を人とした、いわゆる外骨格型のアシスト装置であり、人の動作を支援するための支援ロボットである。外骨格型の装具とは、人体における骨格をアシスト装置の動作において構造的要素として利用せずに、人体に装着されることにより、人体における骨と骨のつながりを1つのリンク機構とみなしたときに、それと同様の動作を独立して動作して関節における屈伸動作をアシストする。
なお、以下の実施形態では、アシスト装置1を人体の脚部に適用した例を示すが、本アシスト装置1は、肘関節を中心とする腕部や腰椎を中心とする腰部等、屈曲した状態と伸展した状態を取り得る部位であればいかなる部位にも適用可能である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of an assist device that assists bending and stretching (bending and stretching) actions of legs and knees. The assisting
In the following embodiments, an example in which the
アシスト装置1は、大腿部及び下腿部にアシスト力(補助力)を作用させる駆動機構4と、駆動機構4の動作を制御する制御機構8とで構成される。
駆動機構4は、概略、フレーム2、人工筋肉40、ワイヤ46、MRブレーキ42、プーリー44と、角度センサ48とを備える。
The
フレーム2は、大腿部に装着される大腿フレーム20と、下腿部に装着される下腿フレーム22とで構成される。大腿フレーム20は、大腿部の外側側部に沿って太ももの付け根から膝関節まで延長する剛体であって、固定ベルト3;3等により大腿部に固定される。大腿フレーム20の腰部側には、人工筋肉40を取り付けるための図外の取付部、足末側には、MRブレーキ42を取り付けるための図外の取付部がそれぞれ設けられている。
The
下腿フレーム22は、膝関節から下腿部の外側側部に沿って延長する剛体であって、固定ベルト3等により足首側が下腿部に固定される。下腿フレーム22の腰部側には、MRブレーキ42を取り付けるための図外の取付部を備え、MRブレーキ42を介して大腿フレーム20に対して回転可能に接続される。
なお、固定ベルト3は、例えば、非伸縮性の帯からなり、延長方向の端部には固定手段として機能する面ファスナー、一方の表面には図外のクッション材等を備え、人体との緩衝を測りつつ大腿フレーム20及び下腿フレーム22を人体に固定する。
The
In addition, the
図2は、人工筋肉40の構成を示す図である。人工筋肉40は、流体の供給により軸方向に伸縮するアクチュエータである。本実施形態では、人工筋肉40には、軸方向繊維強化型人工筋肉が適用される。人工筋肉40は、例えば天然のラテックスゴムからなる円筒体50にカーボン繊維シート52を内挿した構成である。カーボン繊維シート52は、複数のカーボン繊維51が円筒体50の軸方向に沿って配向されており、円筒体50の軸方向への伸長を拘束する。円筒体50の両端は、端子部材53A;53Bにより閉塞される。これにより、円筒体50の内周側には気室56が形成される。一方の端子部材53Aには、気室56に連通する空気流通口55が設けられ、後述の人工筋肉制御装置80から延長するチューブが接続される。円筒体50の外周には、複数のリング54が軸方向に均等な間隔で設けられる。上記構成からなる人工筋肉40の気室56内に流体の一例としての空気を供給した場合、円筒体50は、図2(b)に示すように、リング54に区画された複数の瘤を有するように半径方向に膨張するとともに、カーボン繊維シート52の拘束力によって軸方向に収縮する。また、気室56内の空気を排気することによって図2(a)に示すように、自然長に復帰(伸長)する。
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the
このような構成の人工筋肉40を用いることによりアクチュエータを軽量化することができると共に、立上り動作に応じたアシスト力の変化を得ることができる。人工筋肉40には、収縮ストロークに対する出力特性(牽引力)が、収縮初期に大きく、収縮末期に向けて徐々に小さくなるという特性がある。この特性は、人の立上り動作では、動作初期には大きな力が必要とされ、立上り動作の進行に伴ない必要とされる力が徐々に小さくなるという人の特性にちょうど対応しており、アシスト力を得るための動力源(駆動力発生手段)として好ましい。また、人工筋肉40の内部に供給される流体の圧力を調整することにより、牽引力を変化させることができるとともに、弾性素材で構成されるため柔軟性を有するため、人の筋肉に近い駆動力を得ることができ、その軽量さにより装着時の人への負担を軽減できる。
なお、以下の説明では、軸方向の伸張及び収縮によって人工筋肉40の動作状態を示す。
By using the
In the following description, the operating state of the
図1に示すように、人工筋肉40;40は、一端側が大腿フレーム20の腰部側の取付部に人の前後方向に並列に固定される。他端側には、ワイヤ46の各端部がそれぞれ接続される。即ち、一方の人工筋肉40の収縮による牽引力が、他方の人工筋肉40に作用するように拮抗配置される。
ワイヤ46は、例えば、金属製に限らず有機繊維を撚り合わせた化繊のものであっても良い。ワイヤ46は、張力が付加されたときに伸長性の少ない素材のものが好ましい。また、耐久性を考慮した場合、金属製や非金属性の無機繊維のもが好ましく、重量の観点からは、有機繊維を撚り合わせた化繊のものが好ましい。
As shown in FIG. 1, one end side of the
The
図3は、MRブレーキ42の外観斜視図及び断面図である。MRブレーキ42は、磁気粘性流体を利用したデバイスであって、内部に封入された磁気粘性流体への磁場の印加により10ms程度の応答速度で摩擦係数を変化させることができるように構成される。MRブレーキ42は、円盤状に形成され、ケース60の中央に設けられた収容部62にコア64が収容される。収容部62は、一側面から筒状に窪む凹部として形成される。コア64は、収容部62の内部に挿入される軸部64Aと、収容部62の開口を閉塞するように設けられる円板部64Bとを備える。コア64は、軸部64Aの先端側がケース60に対して回転自在に取り付けられる。軸部64Aの外周には、コイル66が設けられる。さらに、コイル66の外周には複数の円盤状のディスク68が回転不能に取り付けられている。コア64が収容されたケース60の収容部62の空間には、磁性流体69が封入される。MRブレーキ42は、コイル66に電圧が印加されていない状態では、ケース60に対してコア64が自在に回転し、コイル66に電圧が印加された状態では、コイル66により生じる磁場が磁性流体に影響を及ぼし、コア64の自在な回転に制動を与え、コイル66に許容される最大電圧を印加することで、磁性流体が固化してケース60とコア64とが一体化して回転する。MRブレーキ42は、上述のように、応答速度が数十ミリ秒と高く、また、高出力、バックドライバブルという特徴を有する。コア64が固定側、ケース60が回転側として取り付けられる。
3A and 3B are an external perspective view and a sectional view of the
図1に示すように、MRブレーキ42は、コア64側が大腿フレーム20の足末側の取付部に、ケース60側が下腿フレーム22の取付部にそれぞれ固定される。これにより、大腿フレーム20と下腿フレーム22とは、MRブレーキ42を介して回転可能に接続され、膝の屈伸動作に合わせて屈伸する一つのリンク機構を構成する。MRブレーキ42に固定された下腿フレーム22の取付部には、プーリー44が固定される。
As shown in FIG. 1, the core 64 side of the
プーリー44は、回転中心がMRブレーキ42の回転軸と同軸上に位置するように下腿フレーム22に取り付けられる。プーリー44には、拮抗配置された人工筋肉を連結するワイヤ46がたるみなく架けられる。したがって、拮抗配置された人工筋肉40A;40Bの一方を他方よりも大きくを収縮させることで、プーリー44に巻き付けられたワイヤ46が一方の人工筋肉40A側や他方の人工筋肉40B側に移動してプーリー44が従動的に回転する。プーリー44の回転に伴ない、下腿フレーム22がプーリー44と共に大腿フレーム20に対して回転して屈伸動作のアシストが可能となる。
角度センサ48は、大腿フレーム20に対する下腿フレーム22の回転角度を検出するための角度検出手段である。角度センサ48は、大腿フレーム20に対する下腿フレーム22の回転を検出可能に設けられる。角度センサ48は、例えば、エンコーダ等により構成され、検出した回転角度を制御機構8に出力する。
なお、人工筋肉40の配置は、上記形態に限定されず、プーリー44を従動的に回転可能に拮抗配置されていれば良く、例えば、下腿部側の下腿フレーム22に取り付けても良く、適宜変更可能である。
The
The
In addition, the arrangement of the
上記構成の駆動機構4によれば、一方の人工筋肉40にのみ空気を供給、或いは一方の人工筋肉40と他方の人工筋肉40とに異なる圧力の空気を供給することにより、圧力の高い人工筋肉40側にワイヤ46が移動してプーリー44を回転させる。プーリー44の回転により下腿フレーム22が大腿フレーム20に対して回転する。即ち、人工筋肉40;40の間に供給する空気に圧力差を設けることで、大腿フレーム20に対する下腿フレーム22の回転角度θを制御することができる。また、同じ圧力差であっても、各人工筋肉40;40に供給する圧力を高く、或いは、低く設定することで、大腿フレーム20に対する下腿フレーム22のトルクτ及び剛性Kを制御することができる。即ち、拮抗配置された人工筋肉40;40は、剛性力発生手段として機能する。
さらに、プーリー44の回転時にMRブレーキ42に電圧を印加することで、プーリー44の回転に抵抗を生じさせることができる。即ち、人工筋肉40;40の駆動に、粘性力を生じさせるアクチュエータであり、粘性力付与手段として機能する。
なお、以下の説明では、圧力の高い空気が供給される側の人工筋肉40を主動筋、圧力の低い空気が供給される側の人工筋肉40を拮抗筋等として示す場合がある。
According to the
Furthermore, by applying a voltage to the
In the following description, the
図1に示すように、制御機構8は、人工筋肉制御装置80と、MRブレーキ制御装置82と、人工筋肉制御装置80及びMRブレーキ制御装置82を制御する主制御装置84と、を備える。
人工筋肉制御装置80は、主制御装置84から出力される信号に基づいて、人工筋肉40;40内の流体の圧力を制御する。具体的には、各人工筋肉40A;40Bの気室56の圧力が主制御装置84により人工筋肉40A;40B毎に設定された圧力となるように、各人工筋肉40A;40Bの気室56内の空気の供給及び排出を制御する。
As shown in FIG. 1 , the
The
MRブレーキ制御装置82は、主制御装置84と接続され、主制御装置84から入力される信号に基づいて、調整した電圧をMRブレーキ42に出力する。
The MR
主制御装置84は、いわゆるコンピュータであって、ハードウェア資源として設けられたCPU等の演算処理手段、ROM,RAM等の記憶手段、ユーザーの手動操作により操作される操作パネルやスイッチ等の入力手段が接続される入力インターフェースを備える。
The
記憶手段には、人工筋肉40A;40B及びMRブレーキ42の駆動を制御するためのプログラムや目標値設定データが格納される。演算処理手段が、記憶手段に格納されたプログラムに従って各処理を実行することにより、後述の各手段として機能する。
指令値設定データは、アシスト動作において人工筋肉40A;40B及びMRブレーキ42を動作させるための指令値を設定するためのデータであって、アシストの対象となる動作毎に設定される。以下で説明する指令値設定データは、膝関節の屈伸動作をアシストすることを目的として作成されたものである。目標値設定データは、目標剛性データ(単に剛性データともいう)と、目標粘性データ(単に粘性データともいう)とを含んで構成される。
The storage means stores programs for controlling the driving of the
The command value setting data is data for setting command values for operating the
人の関節の動作における人の粘弾性制御についての知見として、粘弾性は、運動の負荷トルクに比例することが知られている。特に、運動の起伏時(開始段階)には、拮抗筋の活動レベルを低下させて粘弾性を低下させ、運動の停止時(停止段階)には、拮抗筋と主導筋の同時活動により粘弾性を増加させることが知られている。そこで、アシスト動作における目標剛性値及び目標粘性値が人の動作における関節のトルクの増減に応じて増減するように設定した。即ち、目標剛性値及び目標粘性値は、人の動作における関節のトルクの増減に基づいて設定される。本実施形態では、トルクτに比例し、かつ運動の停止時にのみ高めるように設定する。なお、運動の停止時は、人の関節の動作において、関節の角速度と角加速度が異符号のときに判定することができる。 It is known that the viscoelasticity is proportional to the load torque of the motion as a knowledge about the viscoelasticity control of human joint motion. In particular, during the undulating phase of exercise (starting stage), the activity level of antagonistic muscles is reduced to reduce viscoelasticity, and when exercise is stopped (stopping stage), simultaneous activity of antagonistic and leading muscles reduces viscoelasticity. is known to increase Therefore, the target stiffness value and the target viscosity value in the assist motion are set to increase or decrease according to the increase or decrease in the torque of the joint in human motion. That is, the target stiffness value and the target viscosity value are set based on increases and decreases in joint torque in human motion. In this embodiment, it is set to be proportional to the torque τ and to increase only when motion is stopped. It should be noted that the stop of motion can be determined when the angular velocity and the angular acceleration of a joint have opposite signs in the motion of a human joint.
以下、剛性データ及び粘性データの作成方法について説明する。図4は、膝の屈伸動作における剛性データ及び粘性データを作成するためのサンプリング動作を示す図である。
まず、剛性データ及び粘性データの作成にあたり、図4に示すように、膝の屈伸動作、例えば、足首の近傍に負荷を装着し、目標位置に足が屈伸するように、人が腰かけた状態で膝を直角に屈曲させた状態から膝を目標位置まで伸展させる振り上げ動作、振り上げにより膝が伸展した状態を維持する維持動作、維持状態から膝を目標位置の直角に屈曲させた状態に戻す振り下げ動作、そして膝を直角に屈曲させた状態で待機する待機動作を行い、屈伸動作に伴なう膝関節の実角度、及びその角度に応じたトルクを取得する。トルクτは、トルクセンサ等を用いて直接計測しても良く、また、図5に示すように、膝関節周りをモデル化して算出したものでも良い。
A method for creating stiffness data and viscosity data will be described below. FIG. 4 is a diagram showing a sampling operation for creating stiffness data and viscosity data in knee bending and stretching operations.
First, in creating stiffness data and viscosity data, as shown in FIG. Swing-up motion to extend the knee to the target position from the state where the knee is flexed at right angles, maintenance motion to maintain the knee-stretched state by swing-up, swing-down to return the knee to the state where the knee is flexed at right angles to the target position from the maintenance state A motion and a standby motion in which the knee is bent at a right angle are performed, and the actual angle of the knee joint accompanying the bending and stretching motion and the torque corresponding to the angle are acquired. The torque τ may be directly measured using a torque sensor or the like, or may be calculated by modeling the circumference of the knee joint as shown in FIG.
次に、上述の実際の膝の屈伸動作により取得された実角度θ及びトルクτとともに以下の式を用いて剛性データ及び粘性データを作成する。
以下、上記式について説明する。式(1)及び式(2)は、目標剛性値Kを算出するための式であり、式(3)及び式(4)は、目標粘性値Dを算出するための式である。
式(2)は、関節の運動状態を示す角速度θ′及び角加速度θ″が同符号のとき、即ち、運動の開始時において剛性を高めなくて良いときの目標剛性値を算出する。
式(1)及び式(2)におけるτMは、ある運動(ここでは膝の屈伸動作)で出力される最大トルク、τは、その運動時のトルク(実トルクという)である。|τ/τM|は、ある運動における最大トルクτMで、そのときの実トルクτを正規化したものであり、最大トルクτMに対する実トルクτの割合を示している。つまり、式(2)で算出される目標剛性値Kは、実トルクτに比例するものとして算出される。
The above formula will be explained below. Equations (1) and (2) are equations for calculating the target stiffness value K, and equations (3) and (4) are equations for calculating the target viscosity value D.
Equation (2) calculates the target stiffness value when the angular velocity .theta.' and the angular acceleration .theta.'' indicating the motion state of the joint have the same sign, that is, when the stiffness need not be increased at the start of motion.
In equations (1) and (2), τM is the maximum torque output in a certain exercise (here, bending and stretching of the knee), and τ is the torque during that exercise (referred to as actual torque). |τ/τ M | is the maximum torque τ M in a certain motion, and is obtained by normalizing the actual torque τ at that time, and indicates the ratio of the actual torque τ to the maximum torque τ M . That is, the target stiffness value K calculated by Equation (2) is calculated as being proportional to the actual torque τ.
また、角速度θ′と角加速度θ″とが異符号となる停止時には、目標剛性値Kを式(1)により算出する。θM″は、その運動(ここでは膝の屈伸動作)で出力される最大角加速度、θ″は、その運動時の角加速度(実角加速度)である。
|θ″/θM
″|は、ある運動(ここでは膝の屈伸動作)で生じる最大角加速度θ″
Mで、そのときの実角加速度θ″を正規化したものであり、最大角加速度θ″
Mに対する実角加速度θ″の割合を示している。つまり、式(1)で算出される目標剛性値Kは、トルクτ及び実角加速度θ″に比例し、実角加速度θ″が大きくなるほど目標剛性値Kを上げるように算出される。
Further, when the angular velocity θ′ and the angular acceleration θ″ are of opposite signs, the target stiffness value K is calculated by the equation (1). The maximum angular acceleration, θ″, is the angular acceleration (actual angular acceleration) during the movement.
|θ″/θ M ″ | is the maximum angular acceleration θ ″ M that occurs in a certain exercise (in this case, bending and stretching of the knee), and is the normalized actual angular acceleration θ″ at that time. It shows the ratio of the actual angular acceleration θ to ″ M ″. That is, the target stiffness value K calculated by Equation (1) is proportional to the torque τ and the actual angular acceleration θ″, and is calculated such that the target stiffness value K increases as the actual angular acceleration θ″ increases.
式(3),式(4)により算出される目標粘性値Dについても、目標剛性値Kの算出と同様に、実トルクτと実角加速度θ″に依存する。
式(1)乃至式(4)によれば、目標剛性Kと目標粘性Dとの関係は、目標剛性Kが大きくなれば目標粘性Dも大きくなり、目標剛性Kが小さくなれば目標粘性Dも小さくなる関係にある。また、上述のように、人の粘弾性制御は、運動の負荷トルクに比例し、運動の開始時には、拮抗筋の活動レベルを低下させて粘弾性を低下させ、運動の停止時には、拮抗筋と主導筋の同時活動により粘弾性を増加させており、式(1)乃至式(4)により算出される目標剛性値K及び目標粘性値Dの変化に一致する。
さらに、生物の動作時の粘弾性と筋張力の関係に着目すると、生物の動作は、図6に示すように、粘弾性と筋張力(剛性)とが比例することが知られており、この点についても式(1)乃至式(4)により算出される目標剛性値K及び目標粘性値Dの変化に一致している。
Similarly to the calculation of the target stiffness value K, the target viscosity value D calculated by the equations (3) and (4) also depends on the actual torque τ and the actual angular acceleration θ″.
According to the formulas (1) to (4), the relationship between the target stiffness K and the target viscosity D is such that the target stiffness D increases as the target stiffness K increases, and the target viscosity D increases as the target stiffness K decreases. related to becoming smaller. In addition, as described above, human viscoelasticity control is proportional to the load torque of exercise. The viscoelasticity is increased by the simultaneous action of the leading muscles, which matches the changes in the target stiffness value K and the target viscosity value D calculated by Equations (1) to (4).
Furthermore, focusing on the relationship between viscoelasticity and muscle tension during movement of living organisms, as shown in FIG. The points also match the changes in the target stiffness value K and the target viscosity value D calculated by the formulas (1) to (4).
図7は、サンプリング動作によって得られた実角度及びトルクτを式(1)乃至式(4)に適用して、算出した剛性データ及び粘性データを示す図である。
同図に示すように、剛性データ及び粘性データは、人の動作に対して時間軸に滑らかに連続するとともに、時間軸に直交する縦軸(剛性軸,粘性軸)方向に変化していないため、アシスト動作において違和感を生じさせる不連続な変化がない。不連続とは、剛性データ及び粘性データの縦軸方向に沿った変化をいう。剛性データ及び粘性データは、上述のように人の実際の動作に基づいて算出されたものであるため、人との親和性が高く、人に違和感を生じさせることなくアシスト力を提供することが可能となる。
FIG. 7 is a diagram showing stiffness data and viscosity data calculated by applying the actual angle and torque τ obtained by the sampling operation to formulas (1) to (4).
As shown in the figure, the stiffness data and the viscosity data continue smoothly along the time axis with respect to human motion, and do not change in the direction of the vertical axis (stiffness axis, viscosity axis) orthogonal to the time axis. , there is no discontinuous change that causes discomfort in the assist operation. Discontinuities refer to variations along the longitudinal axis of the stiffness and viscosity data. Since the stiffness data and the viscosity data are calculated based on the actual motion of the person as described above, they have a high affinity with the person and can provide the assist force without making the person feel uncomfortable. It becomes possible.
図7に示す結果を踏まえ、膝の一連の屈伸動作に含まれる動作を「1.運動の開始時」、「2.運動の停止時」「3.脱力時(運動を伴わない)」「4.保持時(ある運動を保持している段階)」の4つの動作フェーズ(動作段階)に分類することで、人の動作に対して人の動作を阻害しないようにアシスト力を提供するために、駆動機構4の制御において設定すべき剛性K及び粘性Dの関係について一般化すると、図8の表に示すことが言える。
即ち、運動の開始時では、目標剛性値及び目標粘性値を小さくし、運動の停止時では目標剛性値及び目標粘性値を大きくする。また、運動のない脱力時では、剛性及び粘性を小さくし、運動の保持時には、目標剛性値及び目標粘性値が大きくなるように、剛性データ及び目標データを設定すると良い。
Based on the results shown in FIG. 7, the motions included in the series of bending and stretching motions of the knee are defined as "1. At the start of exercise,""2. At the end of exercise,""3. At the time of weakness (without exercise)," In order to provide assist force to the human movement so as not to hinder the human movement by classifying it into four movement phases (movement phases) when holding (the stage where a certain movement is maintained). , the relationship between the stiffness K and the viscosity D to be set in the control of the
That is, the target stiffness value and the target viscosity value are decreased when the motion starts, and the target stiffness value and the target viscosity value are increased when the motion stops. Further, it is preferable to set the stiffness data and the target data so that the stiffness and viscosity are reduced when the body is not in motion and the target stiffness and viscosity are increased when the body is in motion.
図9は、主制御装置84のアシスト動作の処理を示す図である。
本実施形態に係る主制御装置84による人工筋肉40A;40B及びMRブレーキ42の制御処理は、大きく分けてインターフェース階層と、可変粘弾性階層と、FFコントローラ階層とに階層化され、インターフェース階層から可変粘弾性階層を経てFFコントローラ階層に至る処理を繰り返すことで、駆動機構4によるアシスト動作を制御する。
FIG. 9 is a diagram showing the processing of the assist operation of the
The control processing of the
インターフェース階層は、主制御装置84に接続された入力手段を介して入力される情報を処理し、入力された情報に基づいて、アシスト動作の開始や種別を設定し、可変粘弾性階層に指令を出力する。即ち、インターフェース階層は、アシスト動作設定処理手段として機能する。本実施形態では、説明の便宜上、入力手段をスイッチとし、スイッチの操作によりアシスト動作の要否がインターフェース階層に入力されるものとする。この場合、スイッチの操作が要のときに、アシスト動作指令が、可変粘弾性階層に出力され、スイッチの操作が否のときにはアシスト動作指令は出力されない。なお、入力手段は、上記スイッチに限定されず、適宜駆動機構に設けたセンサからの情報であっても良い。
The interface layer processes information input through the input means connected to the
可変粘弾性階層は、インターフェース階層から入力された情報に基づいて、駆動機構4により人にアシスト動作を実行させるための目標角度、目標トルク、目標剛性及び目標粘性を算出し、算出された目標角度、目標トルク、目標剛性及び目標粘性を指令値としてFFコントローラに出力する。即ち、可変粘弾性階層は、指令値算出手段及び指令値出力手段として動作する。
目標角度は、角度センサ48から入力される入力値に基づいて設定される。目標トルクは、例えば、あらかじめアシスト動作に対応して作成され、記憶手段に格納されたトルクデータを参照し、目標角度に対応する値に設定される。また、目標剛性K及び目標粘性Dは、記憶手段に格納された剛性データ及び粘性データを参照し、目標角度に対応する値にそれぞれ設定される。
The variable viscoelasticity layer calculates a target angle, target torque, target stiffness, and target viscosity for causing a person to perform an assist operation by the
A target angle is set based on an input value input from the
FFコントローラ階層は、可変粘弾性階層から入力された各指令値(目標角度θ、目標トルクτ、目標剛性K及び目標粘性D)に基づいて、人工筋肉40A;40Bを駆動するための圧力値PA;PB及びMRブレーキ42を駆動するための電圧値Eを算出し、圧力値PA;PBを人工筋肉制御装置80に、電圧値EをMRブレーキ42に出力する。即ち、FFコントローラ階層は、圧力制御部と電圧制御部とを有するアクチュエータ制御手段として機能する。
FFコントローラ階層における圧力値PA;PB及び電圧値Eの設定は、記憶手段にあらかじめ格納された圧力値データ及び電圧値データを参照することで実行される。圧力値データは、入力された目標角度、目標トルク、目標剛性等の指令値に対応する圧力値を出力するためにあらかじめデータマップである。また、電圧値データは、入力された目標粘性の指令値に対応する電圧値を出力するためのデータマップである。なお、圧力値PA;PB及び電圧値Eの設定は、目標角度θ、目標トルクτ、目標剛性K及び目標粘性Dを入力値として圧力値PA;PB及び電圧値Eを算出するプログラムとして構成しても良い。
The FF controller layer determines a pressure value PA for driving the
The setting of the pressure values PA; PB and the voltage value E in the FF controller hierarchy is executed by referring to the pressure value data and voltage value data stored in advance in the storage means. The pressure value data is a data map in advance for outputting pressure values corresponding to input command values such as target angle, target torque, and target stiffness. Also, the voltage value data is a data map for outputting a voltage value corresponding to the inputted target viscosity command value. The setting of the pressure values PA; PB and the voltage value E is configured as a program for calculating the pressure values PA; PB and the voltage value E using the target angle θ, the target torque τ, the target stiffness K and the target viscosity D as input values. can be
図10は、本実施形態のアシスト装置1の動作を評価するための実験結果を示す図である。詳細には、図10(a)は、アシストなしの筋電位の変化、及び粘弾性を固定してアシスト動作をさせたときの筋電位の変化を示すグラフである。また、図10(b)は、アシストなしの筋電位の変化、及び本実施形態の方法により粘弾性を変化させてアシスト動作をさせたときの筋電位の変化を示すグラフである。なお、評価では、上述の膝の屈伸動作である。
図10(a)に示すように、粘弾性を固定値とした場合、筋電位のピークに図中矢印で示すようなずれや、丸で囲む不要なピークが見られており、人の筋肉動作を増幅(アシスト)しているとは言えない結果となった。
一方、図10(b)に示すように、本実施形態の方法により粘弾性を変化させた場合、粘弾性が人の動作を規範として変化するため、筋電位がアシスト無しの場合の相似形となり、人の筋肉動作を増幅する結果となった。即ち、アシストを受ける人に違和感を生じさせることなくアシスト力を付与することができる。
FIG. 10 is a diagram showing experimental results for evaluating the operation of the
As shown in FIG. 10(a), when the viscoelasticity is a fixed value, the peak of myoelectric potential shifts as indicated by the arrows in the figure and unnecessary peaks surrounded by circles are observed. It was a result that can not be said to be amplifying (assisting).
On the other hand, as shown in FIG. 10(b), when the viscoelasticity is changed by the method of the present embodiment, the viscoelasticity changes based on human motion, so the myoelectric potential has a similar shape to that in the case of no assist. , resulting in amplification of human muscle movements. That is, the assist force can be applied without making the person receiving the assist feel uncomfortable.
以上説明したように、本実施形態では、人の筋肉の粘弾性特性に倣うように、人工筋肉40;40を拮抗配置するとともに、人工筋肉40;40の駆動にMRブレーキ42で制動を付加するように、人工筋肉40;40及びMRブレーキ42の動作を制御することで、装着者の動作に違和感のない補助を提供することができる。
As described above, in the present embodiment, the
本実施形態では、脚部における膝関節の屈伸を補助するアシスト装置を用いて、アクチュエータの制御方法について説明したが、これに限定されず、腕,腰等のいずれの部位の動作を補助する装置にも適用することができる。 In the present embodiment, the actuator control method has been described using an assist device that assists the bending and stretching of the knee joints of the legs. can also be applied to
また、上記実施形態では、人工筋肉40;40及びMRブレーキ42の駆動を制御するために、サンプリング動作に基づいて、あらかじめ剛性データ及び粘性データを式(1)乃至式(4)により算出し、作成するものとしたが、式(1)乃至式(4)をプログラムとして記憶手段に格納しておき、実際に人が動作したときに角度センサ48によって検出される角度及び角度変化に基づいて、逐次目標剛性値及び目標粘性値を算出するようにしても良い。
Further, in the above embodiment, in order to control the driving of the
また、本制御方法によれば、人工筋肉40やMRブレーキ42の制御を、人体の動作を装具に取り付けられた角度センサ48によって検出される関節の実角度のみで制御できるため、装具を軽量化できるとともに、複雑な制御を不要とすることができる。
In addition, according to this control method, the
また、上述の制御方法は、人の動作を補助する外骨格型のアシスト装置に限定されず、内骨格型のアシスト装置の制御、或いは、プログラムに従って動作する人型ロボットの制御にも適用可能であり、これらの動作において人の動作に近い動きをさせることができる。 In addition, the control method described above is not limited to an exoskeleton-type assist device that assists human motion, but can also be applied to control of an endoskeleton-type assist device, or control of a humanoid robot that operates according to a program. It is possible to make these movements similar to human movements.
上述の実施形態で説明した、駆動機構4や制御機構8の構成は、上記実施形態に限定されず、適宜変更すれば良い。
例えば、上記駆動機構4において、アシスト力を生じさせるアクチュエータに、軸方向繊維型のものを用いるものとして説明したが、アクチュエータの種類は、これに限定されず、モーター駆動やエアシリンダー等の他のアクチュエータであっても良い。好ましくは、人体への装着を考慮した場合、重量を軽量化できる上述の人工筋肉を選択すると良い。
The configurations of the
For example, in the
また、MRブレーキを介してプーリーをフレームに取り付けるとしたが、MRブレーキとプーリーとを一体にしても良い。また、粘性を表現するアクチュエータとして、MRブレーキにを用いたが、MRブレーキに代えてERブレーキを用いても良い。 Also, although the pulley is attached to the frame through the MR brake, the MR brake and the pulley may be integrated. Also, although the MR brake is used as the actuator for expressing the viscosity, the ER brake may be used instead of the MR brake.
また、上記実施形態では、駆動機構4の制御における目標剛性値及び目標粘性値の設定において、目標剛性値及び目標粘性値をトルクτ、或いはトルクτ及び角加速度θ″に比例して増減させるものとして説明したが、比例(一次関数)に限定されず、トルクτ、或いはトルクτ及び角加速度θ″に対する目標剛性値及び目標粘性値の変化の関係は、適宜、人の動作に応じて設定すれば良い。例えば、2次関数やそれ以上の次数の任意の関数等により、アシスト動作において人の動作に逆らわないように、トルクτ、或いはトルクτ及び角加速度θ″の増減に応じて目標剛性値及び目標粘性値が増減するように設定されていれば良い。
In the above embodiment, in setting the target stiffness value and the target viscosity value in the control of the
また、駆動機構4を人体に装着するものとしたが、例えば、人の関節の屈伸動作に合わせて屈伸するリンク機構やアクチュエータ等の駆動機構の一部を人体から離れた位置に設け、リンク機構の屈伸動作を人に伝達する伝達手段を介在させるようにしても良い。
In addition, although the
また、支援対象は、人に限定されず、人以外の動物や、故障したロボット等であっても良い。 Also, the support target is not limited to humans, and may be animals other than humans, broken-down robots, or the like.
1 アシスト装置、2 フレーム、4 駆動機構、8 制御機構、
40 人工筋肉(アクチュエータ)、42 MRブレーキ(アクチュエータ)。
1 assist device, 2 frame, 4 drive mechanism, 8 control mechanism,
40 artificial muscle (actuator), 42 MR brake (actuator).
Claims (4)
支援対象の動作に伴なう関節の動作状態に応じて、前記リンク機構の回転に所定の駆動力を付与するアクチュエータと、
前記支援対象の動作状態に応じて前記リンク機構の回転における粘性及び剛性を変化させ、支援対象の関節に補助力が付与されるように前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、前記支援対象の動作が停止段階にあるときには、前記粘性及び前記剛性を、支援対象の動作における関節のトルク及び角加速度の増減に応じて設定することを特徴とするアシスト装置の制御方法。 a link mechanism that can bend and stretch according to the bending and stretching motion of the joint to be supported;
an actuator that applies a predetermined driving force to the rotation of the link mechanism according to the motion state of the joint accompanying the motion of the support target;
a control means for controlling the driving of the actuator so as to change the viscosity and rigidity in the rotation of the link mechanism according to the motion state of the support target, and apply an assist force to the joint of the support target ;
wherein the control means sets the viscosity and the stiffness in accordance with increases and decreases in joint torque and angular acceleration in the motion of the assisted object when the motion of the assisted object is in a halt stage. control method.
支援対象の動作に伴なう関節の動作状態に応じて、リンク機構の回転に所定の駆動力を付与するアクチュエータと、
前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段が、前記支援対象の動作状態に応じて前記リンク機構の回転における粘性及び剛性を変化させ、支援対象の関節に補助力を付与するアシスト装置であって、
前記制御手段は、前記支援対象の動作が停止段階にあるときには、前記粘性及び前記剛性を、支援対象の動作における関節のトルク及び角加速度の増減に応じて設定することを特徴とするアシスト装置。 a link mechanism that can bend and stretch according to the bending and stretching motion of the joint to be supported;
an actuator that applies a predetermined driving force to the rotation of the link mechanism according to the motion state of the joint accompanying the motion of the support target;
a control means for controlling the driving of the actuator;
with
The assist device, wherein the control means changes the viscosity and rigidity in the rotation of the link mechanism according to the motion state of the support target, and applies an assist force to the joint of the support target,
The assist device, wherein the control means sets the viscosity and the stiffness in accordance with increases and decreases in joint torque and angular acceleration in the motion of the support target when the motion of the support target is in a halt stage.
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○奥井 学, 飯川 伸吾, 山田 泰之, 中村 太郎(中央大),空気圧人工筋肉と磁気粘性流体を用いた可変粘弾性特性を有する外骨格アシストスーツの開発,ロボティクスメカトロニクス講演会2017講演会論文集 2017 JSME Conference on Robotics and Mechatronics ,一般社団法人 日本機械学会 The Japan Society of Mechanical Engineers |
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