JP7181032B2 - power assist device - Google Patents
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Description
本発明は、パワーアシスト装置に関する。 The present invention relates to a power assist device.
近年、装着者の動作を補助するパワーアシスト装置の制御方法において、AAN(Assist-as-Needed)制御の開発が進められている。AAN制御とは、装着者が支援を必要とするときにだけ支援を行うようにする制御手法である。すなわち、AAN制御では、装着者が自力で目標軌道に倣うことができるときには支援の度合いを小さくし、目標軌道との誤差(目標軌道と実際の装着者の身体の軌道との差)が大きいときには支援の度合いを大きくするようにする。このようなパワーアシスト装置の制御方法について様々な研究がなされている。 In recent years, the development of AAN (Assist-as-Needed) control has been advanced in the control method of the power assist device that assists the movement of the wearer. AAN control is a control technique that provides assistance only when the wearer needs assistance. That is, in AAN control, when the wearer can follow the target trajectory by himself, the degree of support is reduced, and when the error from the target trajectory (difference between the target trajectory and the actual trajectory of the wearer's body) is large, Try to increase the degree of support. Various studies have been made on control methods for such a power assist device.
本発明者らは、パワーアシスト装置において、パワーアシスト装置と装着者のダイナミックな相互干渉を考慮し、ニューラルネットワークを用いた適応制御によるAAN制御系の制御法を開発した。この制御法の特徴は、(1)目標軌道追従精度と力・トルク支援の大きさを二つのパラメータで指定できること、(2)制御信号によって決まる支援の力・トルクが過大に大きくなり、装着者に危害を与えることがないよう制御信号は任意の範囲に制限できること、である。 In the power assist device, the present inventors have developed a control method for the AAN control system by adaptive control using a neural network in consideration of the dynamic mutual interference between the power assist device and the wearer. The characteristics of this control method are that (1) the target trajectory tracking accuracy and the magnitude of the force/torque support can be specified by two parameters, (2) the force/torque of the support determined by the control signal becomes excessively large, and the wearer The control signal can be limited to any range so as not to harm the
上記制御法や一般のパワーアシスト装置の制御法では、基本的には、目標軌道に追従させるようにパワーアシスト装置を制御する。しかしながら、これらの制御法では、実際に装着されたパワーアシスト装置が、目標の時間軌道をイメージしてその時間軌道に正確に追従させるように制御を行っているとは考え難い。むしろ、目標経路のイメージを作り、その目標経路のイメージに沿った、漠然とした制御を行っていると考えられる。 In the above control method and the control method of a general power assist device, basically, the power assist device is controlled so as to follow the target trajectory. However, in these control methods, it is difficult to imagine that the actually worn power assist device imagines a target time trajectory and performs control so as to accurately follow the time trajectory. Rather, it is considered that the robot creates an image of the target route and performs vague control along the image of the target route.
このように、パワーアシスト装置において、目標経路に沿った運動を実現するためには、必ずしも目標の時間軌道に追従させる必要はない。特に、目標の時間軌道と現時点での位置との誤差が大きい場合、時間軌道に追従させるようにすると、過大な入力が発生して、装着者及びパワーアシスト装置にかかる負荷が大きくなってしまう。このため、目標の時間軌道と現時点での位置との誤差が大きい場合には、時間軌道ではなく、ある速度で目標経路へ到達させるようにする速度制御を実行することで軌跡上の運動を実現することが重要である。そのため、目標経路に向かう速度場を定義し、その速度場に沿った制御を行うことがパワーアシスト制御に適していると考えられる。 Thus, in order to achieve motion along the target path in the power assist device, it is not always necessary to follow the target time trajectory. In particular, when there is a large error between the target time trajectory and the current position, if the time trajectory is followed, an excessive input is generated and the load on the wearer and the power assist device increases. For this reason, if there is a large error between the target's time trajectory and its current position, the movement on the trajectory is realized by executing velocity control so that the target trajectory is reached at a certain speed instead of the time trajectory. It is important to. Therefore, it is considered that the power assist control is suitable for defining a velocity field toward the target path and performing control along the velocity field.
非特許文献1は速度場制御を用いたパワーアシスト制御について検討している。しかしながら、実際は目標速度場から生成した目標時間軌道、速度軌道および加速度軌道に対するインピーダンス制御を実施している。すなわち、目標速度場から軌道を生成するという意味で、間接的な速度場制御を実施しているに過ぎない。
Non-Patent
本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、目標経路を微分可能なパラメトリック曲線で表現し、その経路に沿った速度場の設計法を与えた。速度場の設計では実時間処理を可能とする補間処理アルゴリズムを開発し、特許文献1と同様に、AAN特性を持ち、設計した目標速度に追従する適応AAN速度場制御系を開発した。
The present invention has been made in view of the above background, and provides a method of designing a velocity field along a target path expressed by a differentiable parametric curve. In designing the velocity field, we developed an interpolation processing algorithm that enables real-time processing, and developed an adaptive AAN velocity field control system that has AAN characteristics and follows the designed target velocity, as in
本発明は、装着者の各関節に対して前記装着者の各関節を回転軸とする制御トルクを付与する駆動源と、AAN制御系によって必要時に前記装着者の補助がなされるように前記制御トルクを制御する制御部と、を有するパワーアシスト装置であって、前記AAN制御系は、予め取得された、時間をパラメータとする目標経路を、制御点及び基底関数を用い微分可能でかつパラメトリックな閉曲線を作ることができる補間関数を用いて補間することにより制御点をパラメータとする目標経路を設計し、前記装着者の身体の対象部位の現在位置の最近傍の制御点における接ベクトル及び当該現在位置から当該最近傍の制御点に向かうベクトルに基づいて当該現在位置における目標速度を算出する速度場設計機構と、前記装着者と前記パワーアシスト装置との動的な相互干渉である未知動特性を考慮した数式モデルに基づき、当該現在位置における実際の速度と当該現在位置における目標速度との差である速度追従誤差に対してフィードバック制御を行う閉ループ系と、当該現在位置、当該現在位置における実際の速度、当該現在位置における目標速度及び当該現在位置における目標速度の微分値を入力とし、ニューラルネットワークにより前記未知動特性を推定する未知ダイナミクス推定機構と、から構成され、前記閉ループ系において、前記速度追従誤差に不感帯を設け、かつ、前記速度追従誤差を有界にする非線形の関数を用い、前記未知ダイナミクス推定機構のニューラルネットワークの重み行列Wの更新則において、重み行列Wの有界性が確保される非線形の関数を用い、前記AAN制御系は、前記閉ループ系からの制御入力と前記未知ダイナミクス推定機構からの制御入力とに基づいて制御トルクを算出するものである。 The present invention includes a drive source that applies a control torque to each joint of the wearer with each joint of the wearer as a rotation axis, and an AAN control system so that the wearer is assisted when necessary. and a control unit for controlling torque, wherein the AAN control system differentiates a pre-obtained target path with time as a parameter using control points and basis functions, and is parametric. A target path with control points as parameters is designed by interpolation using an interpolation function capable of forming a closed curve, and a tangent vector at the control point closest to the current position of the target part of the wearer's body and the current position A velocity field design mechanism that calculates a target velocity at the current position based on a vector directed from the position to the nearest control point, and an unknown dynamic characteristic that is dynamic mutual interference between the wearer and the power assist device. Based on the considered mathematical model, a closed loop system that performs feedback control on the speed following error, which is the difference between the actual speed at the current position and the target speed at the current position, the current position, and the actual speed at the current position an unknown dynamics estimating mechanism for estimating the unknown dynamic characteristics by means of a neural network using a velocity, a target velocity at the current position, and a differential value of the target velocity at the current position as inputs; A dead zone is provided in the error, and a nonlinear function that bounds the velocity following error is used to ensure the boundedness of the weighting matrix W in the updating rule of the weighting matrix W of the neural network of the unknown dynamics estimation mechanism. The AAN control system calculates the control torque based on the control input from the closed loop system and the control input from the unknown dynamics estimation mechanism.
パワーアシスト装置において、未知動特性を考慮した数式モデルに基づいた、閉ループ系と未知ダイナミクス推定機構から構成されるAAN制御系を適用する。本発明者らは、このAAN制御系において、目標経路に追随させるのではなく、目標速度に追随させるよう制御を行うことで、自由歩行を行う場合に、よりスムーズな歩行動作を実現することができることを見いだした。また、閉ループ系において速度追従誤差に対してフィードバック制御を行い、未知ダイナミクス推定機構におけるニューラルネットワークにより未知動特性を推定するので、装着者とパワーアシスト装置とのダイナミックな相互干渉を低減することができる。これにより、装着者とパワーアシスト装置とのダイナミックな相互干渉を抑制できるとともに、制御系の安定性が確保されるようにすることができる。 In the power assist device, an AAN control system composed of a closed loop system and an unknown dynamics estimation mechanism based on a mathematical model considering unknown dynamics is applied. In the AAN control system, the inventors have found that by controlling the AAN control system to follow the target speed instead of following the target route, it is possible to realize a smoother walking motion during free walking. I found what I could do. In addition, since feedback control is performed on the speed following error in the closed loop system and the unknown dynamic characteristics are estimated by the neural network in the unknown dynamics estimation mechanism, it is possible to reduce dynamic mutual interference between the wearer and the power assist device. . As a result, dynamic mutual interference between the wearer and the power assist device can be suppressed, and the stability of the control system can be ensured.
さらに、前記補間関数として、一様Bスプライン関数またはNURBS関数を用いるものである。これらの関数は、制御点及び基底関数を用いるもので、微分可能でかつパラメトリックな閉曲線を作ることができる。 Furthermore, a uniform B-spline function or a NURBS function is used as the interpolation function. These functions, using control points and basis functions, can produce closed curves that are differentiable and parametric.
さらに、当該現在位置と目標経路の最近傍点との距離が所定以上に離れた場合には、当該距離に応じて当該現在位置における目標速度を補正するものである。このようにすることで、装着者のパワーアシスト装置を装着している側の脚の足先座標が設計した目標経路から大きく外れた際に、装着者のパワーアシスト装置を装着している側の脚の足先座標における目標速度の大きさが過大にならないようにすることができる。
できる。
Furthermore, when the distance between the current position and the nearest point on the target path is greater than a predetermined distance, the target speed at the current position is corrected according to the distance. By doing so, when the toe coordinates of the leg on which the wearer's power assist device is worn deviate greatly from the designed target path, It is possible to prevent the magnitude of the target velocity at the toe coordinates of the leg from becoming excessively large.
can.
さらに、前記速度場設計機構は、予め、作業座標空間に設置されたグリッド線の各交点において、当該現在位置と仮定した場合の目標速度をそれぞれ算出しておき、当該現在位置における目標速度は、前記グリッド線の交点群のうち当該現在位置の近傍に位置する少なくとも1以上の交点の目標速度を用いて補間することにより算出するものである。このようにすることで、足先座標における目標速度の計算に必要となる演算負荷を軽減することができ、計算時間を短縮することが可能になるので、パワーアシスト装置においてよりスムーズな動きを実現することができる。 Further, the velocity field design mechanism previously calculates target velocities assuming the current position at each intersection of grid lines installed in the working coordinate space, and the target velocity at the current position is It is calculated by interpolating using the target speed of at least one or more intersections located in the vicinity of the current position among the intersections of the grid lines. By doing so, it is possible to reduce the computational load required to calculate the target velocity in the toe coordinates, and it is possible to shorten the calculation time, so that smoother movement is realized in the power assist device. can do.
本発明によれば、自由歩行を行う場合にも、装着者とパワーアシスト装置とのダイナミックな相互干渉を抑制できるとともに、制御系の安定性が確保されているパワーアシスト装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a power assist device that can suppress dynamic mutual interference between the wearer and the power assist device even when walking freely, and that ensures the stability of the control system. .
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
まず、図1を参照して本実施の形態にかかるパワーアシスト装置1の概略構成について説明する。図1は、本実施の形態にかかるパワーアシスト装置1の概略構成を示す模式図である。図2は、装着者がパワーアシスト装置1を装着した状態を示す模式図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a schematic configuration of a
パワーアシスト装置1は、装着者の各関節に対して装着者の各関節を回転軸とする制御トルクを付与する駆動源と、AAN制御系によって必要時に装着者の補助がなされるように制御トルクを制御する制御部と、を有する。すなわち、図1および図2に示すように、パワーアシスト装置1は、足支持部21と、下腿支持部材22と、上腿支持部材23と、足首関節回転部材24と、膝関節回転部材25と、股関節回転部材26と、制御部としての制御ボックス(I/Oボード)30と、を備えている。
The
足支持部21は、足裏を支持する。下腿支持部材22は、装着者に装着された際に、下腿に沿って配置される棒状部材である。上腿支持部材23は上腿に沿って配置される棒状部材である。
The foot support
足首関節回転部材24は、足支持部21と下腿支持部材22とを回転自在に支持するもので、積極的に回転駆動させるためのサーボモータ等のアクチュエータ24aと、ロータリエンコーダ等の角度センサ24bと、を有する。膝関節回転部材25は、下腿支持部材22と上腿支持部材23とを回転自在に支持するもので、積極的に回転駆動させるためのサーボモータ等のアクチュエータ25aと、ロータリエンコーダ等の角度センサ25bと、を有する。股関節回転部材26は、上腿支持部材23と腰当て部材15とを回転自在に支持するもので、積極的に回転駆動させるためのサーボモータ等のアクチュエータ26aと、ロータリエンコーダ等の角度センサ26bと、を有する。足首関節回転部材24、膝関節回転部材25及び股関節回転部材26における各アクチュエータ(アクチュエータ24a、アクチュエータ25a、アクチュエータ26a)は、装着者の各関節に対して装着者の各関節を回転軸とする制御トルクを付与する駆動源である。
The ankle
制御部としての制御ボックス30は、AAN制御系によって必要時に装着者の補助がなされるように制御トルクを制御する。制御ボックス30は、各センサ(角度センサ24b、25b、26b)からのセンサ信号を検出すると共に、各アクチュエータ(アクチュエータ24a、25a、26a)の駆動を制御する。なお、パワーアシスト装置1は、足支持部21の足裏において、装着者の歩行状況を検出するための少なくとも1つの一軸力覚センサ等の圧力センサ35を備えていてもよい。また、パワーアシスト装置1は、装着者の背中付近において装着者の胴体の傾きを計測するジャイロセンサ34を備えていてもよい。
A
図3は、パワーアシスト装置1におけるセンサ信号、制御信号の流れを示すブロック図である。図3に示すように、制御ボックス30には、モーションキャプチャにより測定した歩行動作中の健常者の遊脚の足先座標の軌跡が予め入力されている。制御ボックス30には、角度センサ24b、25b、26bから、それぞれ、足首関節回転部材24、膝関節回転部材25、股関節回転部材26の回転角度センサ信号がフィードバックされる。制御ボックス30では、後述する速度追従誤差などを用いて必要なパワー支援を行うための制御トルクを計算し、サーボドライバを介して駆動信号をアクチュエータ24a、25a、26aに出力し、アクチュエータ24a、25a、26aを駆動する。足裏の圧力センサ35からのセンサ信号は足部が床面に接しているかどうかを検出するために用いる。
FIG. 3 is a block diagram showing the flow of sensor signals and control signals in the
次に、本実施の形態にかかるパワーアシスト装置1の制御方法について説明する。
パワーアシスト装置の制御系設計においては、装着者とパワーアシスト装置とのダイナミック(動的)な相互干渉を考慮するとともに、制御系の安定性についても考慮する必要がある。装着者とパワーアシスト装置1とのダイナミック(動的)な相互作用を考慮した数式モデルは式(1)のように表される。
Next, a method for controlling the
In designing the control system of the power assist device, it is necessary to consider dynamic mutual interference between the wearer and the power assist device as well as the stability of the control system. A mathematical model that considers the dynamic interaction between the wearer and the
ここで、上記数式モデルにおける各符号の意味は以下の通りである。ただし、装着者とパワーアシスト装置1とのダイナミック(動的)な相互作用のため、
さらに、上記運動方程式は、新たな変数である速度追従誤差rを用いて、以下に示す式(2)のように変換される。速度追従誤差は、装着者の身体の対象部位の現在位置における実際の速度と、当該現在位置における目標速度との差である。すなわち、速度追従誤差rは、式(3)に示すように、関節角度qの微分(関節角速度)と、関節座標空間における目標速度(目標角速度)θ(q)と、の差である。関節座標空間における目標速度θ(q)は、式(4)に示すように、ヤコビ行列J(q)の一般化逆行列を用いて、作業座標空間における目標速度v(b)を変換することにより求めることができる。fdは、未知動特性で、式(6)で表される。 Furthermore, the above equation of motion is transformed into the following equation (2) using a new variable, the velocity following error r. The velocity following error is the difference between the actual velocity at the current position of the target part of the wearer's body and the target velocity at the current position. That is, the velocity follow-up error r is the difference between the derivative of the joint angle q (joint angular velocity) and the target velocity (target angular velocity) θ(q) in the joint coordinate space, as shown in Equation (3). The target velocity θ(q) in the joint coordinate space is obtained by transforming the target velocity v(b) in the work coordinate space using the generalized inverse matrix of the Jacobian matrix J(q), as shown in Equation (4). can be obtained by f d is an unknown dynamic characteristic and is represented by Equation (6).
図4は、本実施の形態にかかるパワーアシスト装置1の制御系の構成を示す模式図である。図4に示すように、パワーアシスト装置1の制御系は、上記数式モデルに基づいて各アクチュエータ(サーボモータ)に出力する制御トルクτを算出する適応制御系である。パワーアシスト装置1の制御系は、速度場設計機構と、閉ループ系(AAN controller)と、未知ダイナミクス推定機構(AAN RBFNN)と、から構成される。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the control system of the
速度場設計機構では、予め取得された、時間をパラメータとする目標経路を、制御点及び基底関数を用い微分可能でかつパラメトリックな閉曲線を作ることができる補間関数を用いて補間することにより目標経路を設計する。そして、装着者の身体の対象部位の現在位置の最近傍の制御点における接ベクトル及び当該現在位置から当該最近傍の制御点に向かうベクトルに基づいて当該現在位置における目標速度を算出する。ここで、装着者の身体の対象部位は、例えば、装着者のパワーアシスト装置1を装着している側の脚の足先または関節などである。
The velocity field design mechanism interpolates a previously acquired target path with time as a parameter using an interpolation function that can create a differentiable and parametric closed curve using control points and basis functions. to design. Then, the target velocity at the current position is calculated based on the tangent vector at the control point closest to the current position of the target part of the wearer's body and the vector directed from the current position to the closest control point. Here, the target part of the wearer's body is, for example, the toes or joints of the leg on which the
装着者の身体の対象部位の現在位置における目標速度を算出するためには、装着者のパワーアシスト装置1を装着している側の脚の足先座標qf=[x z]Tの目標経路を設計しなければならない。さらに、当該目標経路は、制御点をパラメータとし、微分可能でかつパラメトリックな閉曲線とする必要がある。このため、まず、モーションキャプチャにより、所定のサンプリング時間間隔で、歩行動作中の健常者の遊脚の足先座標を計測する。すなわち、計測により得られた足先座標は時間をパラメータとする目標経路である。そして、計測により得られた遊脚の足先軌道を、制御点及び基底関数を用い微分可能でかつパラメトリックな閉曲線を作ることができる補間関数により補間した閉曲線を求め、2階連続的微分可能(C2連続)なパラメトリック曲線P(t)を設計する。つまり、時間をパラメータとする目標経路を上記補間関数により補間することで、制御点をパラメータとする目標経路を設計することができる。
In order to calculate the target velocity at the current position of the target part of the wearer's body, the toe coordinates of the leg on the side where the
制御点及び基底関数を用い微分可能でかつパラメトリックな閉曲線を作ることができる補間関数は、例えば、B-スプライン(B-Spline)関数やNURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)関数である。B-スプライン関数(ここでは一様3次B-スプライン関数)は、式(7)のように表される。ここで、kは次数(ここでは3次)、Kはセグメント数、Piは制御点、Ni kは基底関数である。 Interpolation functions that can create a differentiable and parametric closed curve using control points and basis functions are, for example, B-Spline functions and NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline) functions. A B-spline function (here, a uniform cubic B-spline function) is expressed as in Equation (7). where k is the order (here, cubic), K is the number of segments, P i is the control points, and N i k is the basis function.
3次の場合の基底関数Ni 3(t)は、Ni 3(t)=N3 3(t-(i-3))である。ここで、N3 3はtの範囲に応じて式(8)のように表される。 The basis function N i 3 (t) for the cubic case is N i 3 (t)=N 3 3 (t−(i−3)). Here, N 3 3 is expressed as in Equation (8) according to the range of t.
図5は、3次の基底関数Ni 3(t)の曲線を示す模式図である。図6は、モーションキャプチャにより計測した歩行動作中の健常者の遊脚の足先座標から求めた制御点を示す模式図である。ここで、モーションキャプチャにより計測した歩行動作中の健常者の遊脚の足先座標をPi、制御点をP(ti)で示す。図5及び図6に示すように、制御点をP(ti)は、連続する3つの足先座標Piを用いて求める。例えば、制御点P(t3)は、足先座標P0、P1、P2を用いて求める。 FIG. 5 is a schematic diagram showing a curve of a cubic basis function N i 3 (t). FIG. 6 is a schematic diagram showing control points obtained from the toe coordinates of the free leg of a healthy person during walking measured by motion capture. Here, the toe coordinates of the free leg of a healthy person during walking measured by motion capture are indicated by P i , and the control point is indicated by P(t i ). As shown in FIGS. 5 and 6, a control point P(t i ) is obtained using three consecutive toe coordinates P i . For example, the control point P(t 3 ) is obtained using the toe coordinates P 0 , P 1 , P 2 .
なお、制御点を求めるための足先座標Piは、モーションキャプチャにより取得した点群の全てではなく、モーションキャプチャにより取得した点群を、適宜、間引きしたものであってもよい。例えば、パラメトリック曲線P(t)において、曲率が大きい箇所では制御点を求めるための足先座標Piの点数を相対的に多くし、曲率が小さい箇所では制御点を求めるための足先座標Piの点数を相対的に少なくするように、モーションキャプチャにより取得した点群を間引きしてもよい。 Note that the toe coordinates P i for obtaining the control points may be obtained by appropriately thinning out the point group obtained by motion capture instead of all of the point group obtained by motion capture. For example, in the parametric curve P(t), the number of toe coordinates P i for obtaining control points is relatively increased at locations where the curvature is large, and the toe coordinates P i for obtaining control points are relatively increased at locations where the curvature is small. The point cloud obtained by motion capture may be thinned out so that the number of i points is relatively reduced.
上述のように設計した目標経路を用いて、装着者のパワーアシスト装置1を装着している側の脚の足先の速度ベクトルを求める。図7から図9は、装着者のパワーアシスト装置1を装着している側の脚の足先の速度ベクトルを求める手順について説明する模式図である。グラフにおいて、横軸はx座標[m]、縦軸はz座標[m]である。図7に示すように、まず、パラメトリック曲線P(t)上にあり、装着者のパワーアシスト装置1を装着している側の脚の足先座標qf(=(x、z))の最近傍にある点(最近傍点)Qq(u)(=(Px(u)、Pz(u))を探索する。そして、装着者のパワーアシスト装置1を装着している側の脚の足先座標qfから探索した最近傍点Qq(u)へ向かうベクトル、すなわち、qf-Qq(u)を求める。
Using the target route designed as described above, the velocity vector of the tip of the leg on which the
続いて、図8に示すように、探索した最近傍点Qq(u)におけるパラメトリック曲線P(t)の接ベクトルを求める。接ベクトルは式(9)で表される。 Subsequently, as shown in FIG. 8, the tangent vector of the parametric curve P(t) at the searched nearest neighbor point Q q (u) is obtained. A tangent vector is represented by Formula (9).
続いて、図9に示すように、装着者のパワーアシスト装置1を装着している側の脚の足先座標qfにおける目標速度を求める。装着者のパワーアシスト装置1を装着している側の脚の足先座標qfにおける目標速度は式(10)のように表される。ここで、ζはゼロより大きい任意の定数である(ζ>0)。また、式(10)により表される目標速度は連続な関数である。
Subsequently, as shown in FIG. 9, the target velocity at the toe coordinate qf of the leg on which the
なお、装着者のパワーアシスト装置1を装着している側の脚の足先座標qfが設計した目標経路から大きく外れた際に、装着者のパワーアシスト装置1を装着している側の脚の足先座標qfにおける目標速度の大きさが過大にならないようにするため、式(11)の条件を加える。つまり、装着者の身体の対象部位の現在位置と目標経路の最近傍点との距離が所定以上に離れた場合には、当該距離に応じて当該現在位置における目標速度を補正する。
When the toe coordinate qf of the leg on which the
上述した方法により足先座標qfにおける目標速度を求める場合、足先座標qfから最近傍点Qq(u)を探索し、最近傍点Qq(u)での接ベクトルを計算して速度ベクトルを求める、という過程を繰り返す必要がある。このため、上述した方法では相応の計算時間が必要になる。そこで、歩行動作においてよりスムーズな動きを実現するために、速度場設計機構(図4参照)において、作業座標空間において設定された目標速度場により、装着者の身体の対象部位の現在位置における目標速度を補間して算出するようにしてもよい。 When the target velocity at the toe coordinate q f is obtained by the method described above, the closest point Q q (u) is searched from the toe coordinate q f , and the tangent vector at the nearest point Q q (u) is calculated to obtain the velocity vector It is necessary to repeat the process of asking for Therefore, the method described above requires a considerable amount of computation time. Therefore, in order to achieve smoother walking motion, the target velocity field at the current position of the target part of the wearer's body is set in the work coordinate space by the velocity field design mechanism (see FIG. 4). The speed may be calculated by interpolation.
図10は、作業座標空間において設定された目標速度場の一例を示す模式図である。図10に示すように、予め、作業座標空間に設置されたグリッド線の各交点において、装着者の身体の対象部位の現在位置と仮定した場合の目標速度をそれぞれ算出し、作業座標空間に目標速度場を設定する。なお、図10において、z方向のグリッド幅を0.01[m]、x方向のグリッド幅を0.02[m]としている。 FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of the target velocity field set in the work coordinate space. As shown in FIG. 10, at each intersection of grid lines set in advance in the work coordinate space, target velocities are calculated assuming the current position of the target part of the wearer's body. Set the velocity field. In FIG. 10, the grid width in the z direction is 0.01 [m] and the grid width in the x direction is 0.02 [m].
図11は、装着者の身体の対象部位の現在位置における目標速度を、グリッド線の交点群の目標速度を用いて補間する方法について説明する模式図である。図11に示すように、装着者の身体の対象部位の現在位置(x、z)における目標速度は、グリッド線の交点群のうち現在位置(x、z)の近傍に位置する少なくとも1以上の交点の目標速度を用いて補間することにより算出する。ここでは、現在位置(x、z)における目標速度は、グリッド線の交点群のうち、当該現在位置が含まれるグリッドにおけるグリッド線の交点((x1、z1)、(x1、z2)、(x2、z1)、(x2、z2))の目標速度により算出する。すなわち、現在位置(x、z)における目標速度は式(12)により算出される。 FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a method of interpolating the target velocity at the current position of the target part of the wearer's body using the target velocity of the intersection point group of the grid lines. As shown in FIG. 11, the target velocity at the current position (x, z) of the target part of the wearer's body is at least one or more of the intersection points of the grid lines located near the current position (x, z). It is calculated by interpolating using the target velocity at the intersection. Here, the target velocity at the current position (x, z) is the grid line intersection points ((x 1 , z 1 ), (x 1 , z 2 ), (x 2 , z 1 ), (x 2 , z 2 )). That is, the target velocity at the current position (x, z) is calculated by equation (12).
このようにすることで、足先座標qfにおける目標速度の計算に必要となる演算負荷を軽減することができ、計算時間を短縮することが可能になるので、パワーアシスト装置1においてよりスムーズな動きを実現することができる。
By doing so, it is possible to reduce the computational load required to calculate the target speed at the toe coordinate qf , and it is possible to shorten the calculation time, so that the
再び図4を参照し、閉ループ系では、速度追従誤差rに対してフィードバック制御を行う。未知ダイナミクス推定機構では、装着者の身体の対象部位の現在位置、当該現在位置における実際の速度、当該現在位置における目標速度及び当該現在位置における目標速度の微分値を入力とし、ニューラルネットワーク(AAN RBFNN)により未知動特性を推定する。図12は、図4における実線Aで囲んだ部分の構成の詳細を示す模式図である。図12に示すように、未知ダイナミクス推定機構では、装着者の実際の関節角と角速度を含むzをニューラルネットワークの入力とする。また、更新則にProjection関数を用いることで、重み行列が発散することなく、常に有界な値にとどまる。 Referring to FIG. 4 again, in the closed loop system, feedback control is performed on the speed follow-up error r. In the unknown dynamics estimation mechanism, a neural network (AAN RBFNN ) to estimate the unknown dynamics. FIG. 12 is a schematic diagram showing the details of the configuration of the portion surrounded by the solid line A in FIG. As shown in FIG. 12, in the unknown dynamics estimation mechanism, z including the wearer's actual joint angles and angular velocities is input to the neural network. Moreover, by using the projection function for the update rule, the weight matrix does not diverge and always stays at a bounded value.
パワーアシスト装置1の制御系において、制御トルクτは式(13)で表される。ここで、第1項は未知ダイナミクス推定機構に関する項、すなわち、未知動特性の推定値である。Kr、γは任意に設定されるパラメータである。
In the control system of the
式(15)のようにriの絶対値がγより小さい範囲をデッドゾーン(不感帯:Deadzone)としている。このようにπ(ri、γ)にデッドゾーンを設けることで、速度追従誤差rが微小なときに不感、すなわち、何も制御しないようにすることができる。これにより、パワーアシスト装置1において、速度追従誤差rが微小なときに不要な支援が行われなくなる。また、デッドゾーン関数Tanh(π(r、γ))を用いることで、制御入力を有界とすることができる。パラメータγは後述するようにAAN制御モードと軌道追従制御モードを指定するために、設計者が指定するパラメータである。
A range in which the absolute value of ri is smaller than γ is defined as a dead zone (dead zone) as in equation (15). By providing a dead zone in π(r i , γ) in this way, it is possible to make it insensitive, that is, not to perform any control when the velocity follow-up error r is very small. As a result, in the
上記制御トルクτの式における第1項は、未知ダイナミクス推定機構に関する項、すなわち、未知動特性の推定値であり、式(16)のように表される。 The first term in the equation for the control torque τ is a term relating to the unknown dynamics estimation mechanism, that is, an estimated value of the unknown dynamic characteristics, and is expressed as in Equation (16).
ここで、σ(z)は、活性化関数としての動径基底関数で、式(18)のように規定される非線形な関数である。ここで、Lはニューラルネットワークのユニット数、nはパワーアシスト装置1の関節数である。
さらに、Projection関数を用いた更新則を以下の式(20)ように規定する。
上記更新則において、ρは忘却因子である。未知動特性の推定値における補償レベルは、忘却因子ρによって調整される。忘却因子ρは後述するようにAAN制御モードと速度場追従制御モードを指定するために、設計者が指定するパラメータである。 In the above update rule, ρ is a forgetting factor. The compensation level in the estimate of unknown dynamics is adjusted by the forgetting factor ρ. The forgetting factor ρ is a parameter specified by the designer to specify the AAN control mode and the velocity field following control mode, as will be described later.
忘却因子ρを大きくすると速度追従誤差rがWの更新に及ぼす影響が小さくなる。すなわち、忘却因子ρを大きくすると、式(20)におけるWは速度追従誤差rの如何に関わらず0(微小な値)に収束するので、未知動特性の補償が弱くなり、装着者への負荷が増す。つまり、動作の総トルクにおいて、装着者の発揮トルクの占める割合が大きくなる。 When the forgetting factor ρ is increased, the influence of the velocity following error r on updating W is reduced. That is, when the forgetting factor ρ is increased, W in the equation (20) converges to 0 (minor value) regardless of the speed following error r, so the compensation for unknown dynamic characteristics becomes weaker, and the load on the wearer is reduced. increases. In other words, the ratio of the exerted torque of the wearer to the total torque of the operation becomes large.
一方、忘却因子ρを小さくすると速度追従誤差rがWの更新に及ぼす影響が大きくなる。すなわち、忘却因子ρを小さくすると、式(20)におけるWは、速度追従誤差rが大きければ大きな値となるので、未知動特性の補償が強くなり、装着者への負荷が減る。
つまり、動作の総トルクにおいて、パワーアシスト装置1の制御トルクの占める割合が大きくなる。
On the other hand, when the forgetting factor ρ is decreased, the influence of the speed following error r on updating W increases. That is, when the forgetting factor ρ is decreased, W in the equation (20) becomes a large value when the speed following error r is large, so that the unknown dynamic characteristic is strongly compensated and the load on the wearer is reduced.
That is, the ratio of the control torque of the
上記更新則は、凸集合の内部から出発した微分方程式であるため、解は常に凸集合の内部に留まる。すなわち、更新則において、解の有界性を確保することができる。このように、制御入力信号を任意の範囲に制限することで、制御系の安定性を確保することができる。これにより、速度追従誤差rが大きい場合にも、パワーアシスト装置1の制御トルクが過大になることはない。このように、忘却因子ρによって未知動特性の補償レベルを調整することができる。なお、未知ダイナミクス推定機構におけるニューラルネットワークで用いることができる活性化関数は、動径基底関数に限るものではない。解の有界性が確保される非線形の関数であれば動径基底関数以外の関数を用いてもよい。
Since the above update rule is a differential equation starting from inside the convex set, the solution always stays inside the convex set. That is, it is possible to ensure the boundedness of the solution in the update rule. By limiting the control input signal to an arbitrary range in this way, the stability of the control system can be ensured. As a result, even when the speed follow-up error r is large, the control torque of the
上述したように、パラメータγを変更することでデッドゾーンの範囲を変更することができる。また、忘却因子ρを変更することで、速度追従誤差rがWの更新に及ぼす影響を変更することができる。パワーアシスト装置1では、パラメータγ、忘却因子ρを変更することにより、AAN制御モードと速度場追従制御モードの2つの制御モードで動作させることができる。AAN制御モードは、装着者が支援を必要とするときにだけ支援を行うようにする制御モードで、パラメータγが相対的に小さく、忘却因子ρが相対的に大きく設定される。一方、速度場追従制御モードは、目標速度により追従させるようにする制御モードで、パラメータγが相対的に大きく、忘却因子ρが相対的に小さく設定される。
As described above, the dead zone range can be changed by changing the parameter γ. Also, by changing the forgetting factor ρ, it is possible to change the influence of the velocity following error r on updating W. FIG. By changing the parameter γ and the forgetting factor ρ, the
次に、本実施の形態にかかるパワーアシスト装置1の制御の流れについて説明する。
図13は、パワーアシスト装置1の制御の流れの一例を示すフローチャートである。図13に示すように、まず、各パラメータの設定を行う(ステップS101)。
Next, the control flow of the
FIG. 13 is a flow chart showing an example of the control flow of the
続いて、制御終了時間Tを指定し、時間t=0として制御動作を開始する(ステップS102)。続いて、各関節角度を計測して装着者の身体の対象部位の現在位置を算出し、当該現在位置における目標速度を計算する(ステップS103)。続いて、計測した各関節角度から各関節角速度を計算するとともに、当該現在位置における目標速度を各関節の速度に変換して速度追従誤差rを計算し、対応する入力(ここでは制御トルクτ)を計算する(ステップS104)。続いて、サーボドライバを介して各関節のアクチュエータに駆動信号を出力する(ステップS105)。 Subsequently, the control end time T is specified, and the control operation is started at time t=0 (step S102). Subsequently, each joint angle is measured to calculate the current position of the target part of the wearer's body, and the target velocity at the current position is calculated (step S103). Subsequently, each joint angular velocity is calculated from each measured joint angle, and the target velocity at the current position is converted into the velocity of each joint to calculate the velocity following error r, and the corresponding input (here, control torque τ) is calculated (step S104). Subsequently, a drive signal is output to the actuator of each joint via the servo driver (step S105).
続いて、経過時間tが制御終了時間Tになったか(t=T)否かを判断する(ステップS106)。ステップS106において、経過時間tが制御終了時間Tになっていないと判断された場合(NOの場合)、経過時間をt=t+Δt(ここで、Δtはサンプリング時間で、例えばΔt=0.001[秒])とし、処理をステップS103に戻す。ステップS106において、経過時間tが制御終了時間Tになったと判断された場合(YESの場合)、処理を終了する。 Subsequently, it is determined whether or not the elapsed time t has reached the control end time T (t=T) (step S106). In step S106, if it is determined that the elapsed time t has not reached the control end time T (if NO), the elapsed time t=t+Δt (where Δt is the sampling time, for example Δt=0.001 [ seconds]), and the process returns to step S103. If it is determined in step S106 that the elapsed time t has reached the control end time T (YES), the process ends.
図14は、パワーアシスト装置1の制御の流れの別の一例を示すフローチャートである。図13に示す処理フロートとの違いは、作業座標空間において目標速度場(図10参照)を設定し、設定した目標速度場を用いて装着者の身体の対象部位の現在位置における目標速度を補間計算するようにしている点である。図14に示すように、まず、各パラメータの設定を行う(ステップS201)。続いて、予め設計されたパラメトリック曲線P(t)を用いて作業座標空間における目標速度場を設定する(ステップS202)。
FIG. 14 is a flow chart showing another example of the control flow of the
続いて、制御終了時間Tを指定し、時間t=0として制御動作を開始する(ステップS203)。続いて、各関節角度を計測して装着者の身体の対象部位の現在位置を算出し、設定された目標速度場から当該現在位置における目標速度を計算する(ステップS204)。続いて、計測した各関節角度から各関節角速度を計算するとともに、当該現在位置における目標速度を各関節の速度に変換して速度追従誤差rを計算し、対応する入力(ここでは制御トルクτ)を計算する(ステップS205)。続いて、サーボドライバを介して駆動信号を各関節のアクチュエータに出力する(ステップS206)。 Subsequently, the control end time T is specified, and the control operation is started at time t=0 (step S203). Subsequently, each joint angle is measured to calculate the current position of the target part of the wearer's body, and the target velocity at the current position is calculated from the set target velocity field (step S204). Subsequently, each joint angular velocity is calculated from each measured joint angle, and the target velocity at the current position is converted into the velocity of each joint to calculate the velocity following error r, and the corresponding input (here, control torque τ) is calculated (step S205). Subsequently, a drive signal is output to the actuator of each joint via the servo driver (step S206).
続いて、経過時間tが制御終了時間Tになったか(t=T)否かを判断する(ステップS207)。ステップS207において、経過時間tが制御終了時間Tになっていないと判断された場合(NOの場合)、経過時間をt=t+Δt(ここで、Δtはサンプリング時間で、例えばΔt=0.001[秒])とし、処理をステップS204に戻す。ステップS207において、経過時間tが制御終了時間Tになったと判断された場合(YESの場合)、処理を終了する。 Subsequently, it is determined whether or not the elapsed time t has reached the control end time T (t=T) (step S207). In step S207, if it is determined that the elapsed time t has not reached the control end time T (in the case of NO), the elapsed time t=t+Δt (where Δt is the sampling time, for example Δt=0.001 [ seconds]), and the process returns to step S204. If it is determined in step S207 that the elapsed time t has reached the control end time T (YES), the process ends.
なお、図13、図14に示した処理フローでは、時間tが制御終了時間Tになったときに処理を終了するようにしたが、これに限るものではない。例えば、パワーアシスト装置1の終了状態を指定し、パワーアシスト装置1がその終了状態になったときに処理を終了するようにしてもよい。ここで、終了状態とは、例えば、パワーアシスト装置1の関節の位置が目標位置に到達した状態などである。
In the processing flows shown in FIGS. 13 and 14, the processing is terminated when the time t reaches the control end time T, but the processing is not limited to this. For example, the end state of the
次に、本実施の形態にかかるパワーアシスト装置1の効果を確認する実験について説明する。本実験では、パワーアシスト装置1を、図13で説明した制御の流れに従って、AAN制御モードで動作させ、装着者の脱力時と筋力発揮時との支援トルクや軌道追従度の変化を評価した。具体的には、制御するパワーアシストロボットの関節は膝と股関節であるから、n=2、ニューラルネットワークのユニット数Lは30である。パラメータγを10、忘却因子ρを0.04に設定した。その他のパラメータは、Kr=5、Γ=diag{30、・・・、30}に設定した。なお、Γは、対角要素が30、その他の要素が0の30×30行列である。また、本実験では、歩行周期4周期分の測定を行い、歩行周期における最初の2周期が装着者の脱力時、続く2周期が装着者の筋力発揮時である。
Next, an experiment for confirming the effect of the
図15は、目標経路と、実測した装着者のパワーアシスト装置1を装着している側の脚の足先座標の軌道と、を示すグラフである。ここで、横軸はx座標[m]、縦軸はz座標[m]である。目標経路を破線、脱力時の足先座標の軌道を実線、筋力発揮時の足先座標の軌道を2点鎖線で示す。図15に示すように、脱力時、筋力発揮時のいずれの場合においても目標経路にほぼ近い軌道をたどっている。目標経路と装着者のパワーアシスト装置1を装着している側の脚の実際の足先軌道との平均二乗誤差の平方根は、脱力時で0.72[m]、筋力発揮時で0.29[m]となった。このように、本発明は直接目標経路に追従する軌道追従制御を行うのではなく、目標経路に沿った速度場に追従するAAN速度場制御であるが、十分、目標経路に近い軌道を実現できることが分かる。
FIG. 15 is a graph showing the target route and the trajectory of the foot coordinates of the leg on the side of the wearer wearing the
図16は、脱力時、筋力発揮時におけるパワーアシスト装置1の支援トルクの変化を示すグラフである。ここで、横軸は経過時間[s]、縦軸は支援トルク(パワーアシスト装置1の制御トルク)[N・m]である。図16に示すように、脱力時(時間0~40[s])には支援トルクを相対的に大きな振幅(振幅13.63[N・m])で変化させ、筋力発揮時(時間40~80[s])には支援トルクを相対的に小さな振幅(振幅6.29[N・m])で変化させている。つまり、装着者が脱力しているときには支援の度合いが大きくなり、装着者が筋力を発揮しているときには支援の度合いが小さくなる。以上より、本実施の形態にかかるパワーアシスト装置1では、装着者が支援を必要とするときにだけ適切に支援が行われていることが確認できた。
FIG. 16 is a graph showing changes in the assist torque of the
このように、パワーアシスト装置1において、デッドゾーンを指定するパラメータγによりAAN制御における目標速度に対する追従精度と支援の度合いを調整することができる。また、フィードフォワード型ニューラルネットワークを用いた適応制御系による未知ダイナミクス推定機構に含まれる忘却因子ρにより、未知動特性の補償レベルを調整することができる。
As described above, in the
以上より、本実施の形態にかかるパワーアシスト装置において、未知動特性を考慮した数式モデルに基づいた、閉ループ系と未知ダイナミクス推定機構から構成されるAAN制御系を適用する。本発明者らは、このAAN制御系において、目標軌道に追随させるのではなく、目標速度に追随させるよう制御を行うことで、自由歩行を行う場合に、よりスムーズな歩行動作を実現することができることを見いだした。また、閉ループ系において速度追従誤差に対してフィードバック制御を行い、未知ダイナミクス推定機構におけるニューラルネットワークにより未知動特性を推定するので、装着者とパワーアシスト装置とのダイナミックな相互干渉を低減することができる。これにより、装着者とパワーアシスト装置とのダイナミックな相互干渉を抑制できるとともに、制御系の安定性が確保されるようにすることができる。 As described above, in the power assist device according to the present embodiment, an AAN control system composed of a closed loop system and an unknown dynamics estimation mechanism based on a mathematical model considering unknown dynamics is applied. In the AAN control system, the inventors have found that by controlling the AAN control system to follow the target speed instead of following the target trajectory, it is possible to realize a smoother walking motion when performing free walking. I found what I could do. In addition, since feedback control is performed on the speed following error in the closed loop system and the unknown dynamic characteristics are estimated by the neural network in the unknown dynamics estimation mechanism, it is possible to reduce dynamic mutual interference between the wearer and the power assist device. . As a result, dynamic mutual interference between the wearer and the power assist device can be suppressed, and the stability of the control system can be ensured.
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiments, and can be modified as appropriate without departing from the scope of the invention.
1 パワーアシスト装置
15 腰当て部材
21 足支持部
22 下腿支持部材
23 上腿支持部材
24 足首関節回転部材
24a、25a、26a アクチュエータ
24b、25b、26b 角度センサ
25 膝関節回転部材
26 股関節回転部材
30 制御ボックス
34 ジャイロセンサ
35 圧力センサ
1 Power assist
Claims (4)
前記AAN制御系は、
予め取得された、時間と身体の対象部位の位置との関係を表す第1の目標経路を用いて、前記第1の目標経路に示されている複数の前記位置に対応する複数の制御点を決定し、複数の点及び基底関数を用い微分可能でかつパラメトリックな閉曲線を作ることができる補間関数を用いて、前記決定された複数の制御点を補間することにより、制御点をパラメータとする第2の目標経路を生成し、前記第2の目標経路に含まれる前記制御点の中から、前記装着者の身体の前記対象部位の現在位置の最近傍の制御点を特定し、当該最近傍の制御点における前記第2の目標経路の接ベクトルと当該現在位置から当該最近傍の制御点に向かうベクトルとに基づいて、当該現在位置における目標速度を算出する速度場設計機構と、
前記装着者と前記パワーアシスト装置との動的な相互干渉である未知動特性を考慮した数式モデルに基づき、当該現在位置における実際の速度と当該現在位置における目標速度との差である速度追従誤差に対してフィードバック制御を行う閉ループ系と、
当該現在位置、当該現在位置における実際の速度、当該現在位置における目標速度及び当該現在位置における目標速度の微分値を入力とし、ニューラルネットワークにより前記未知動特性を推定する未知ダイナミクス推定機構と、から構成され、
前記第1の目標経路と前記第2の目標経路は前記対象部位の目標経路を表し、
前記閉ループ系において、前記速度追従誤差に不感帯を設け、かつ、前記速度追従誤差を有界にする非線形の関数を用い、
前記未知ダイナミクス推定機構のニューラルネットワークの重み行列Wの更新則において、重み行列Wの有界性が確保される非線形の関数を用い、
前記AAN制御系は、前記閉ループ系からの制御入力と前記未知ダイナミクス推定機構からの制御入力とに基づいて制御トルクを算出する、パワーアシスト装置。 A drive source that applies a control torque to each joint of the wearer with each joint of the wearer as a rotation axis, and an AAN control system that controls the control torque so that the wearer can be assisted when necessary. A power assist device comprising a control unit,
The AAN control system is
A plurality of control points corresponding to the plurality of positions shown in the first target path are calculated using a first target path obtained in advance and representing the relationship between time and the position of the target part of the body. determining and interpolating the determined plurality of control points using an interpolation function capable of constructing a differentiable and parametric closed curve using the plurality of points and basis functions , the control points being parameters ; 2 target paths are generated , a control point closest to the current position of the target part of the wearer's body is specified from among the control points included in the second target path , and the closest control point is specified. a velocity field design mechanism for calculating a target velocity at the current position based on a tangent vector of the second target path at the control point and a vector directed from the current position to the nearest control point;
Velocity tracking error, which is the difference between the actual velocity at the current position and the target velocity at the current position, based on a mathematical model that takes into account unknown dynamic characteristics that are dynamic mutual interference between the wearer and the power assist device A closed loop system that performs feedback control for
an unknown dynamics estimating mechanism that inputs the current position, the actual velocity at the current position, the target velocity at the current position, and the differential value of the target velocity at the current position, and estimates the unknown dynamic characteristics using a neural network. is,
The first target path and the second target path represent target paths of the target part,
In the closed loop system, using a non-linear function that provides a dead zone in the velocity following error and bounds the velocity following error,
In the update rule of the weight matrix W of the neural network of the unknown dynamics estimation mechanism, using a nonlinear function that ensures boundedness of the weight matrix W,
The power assist device, wherein the AAN control system calculates a control torque based on a control input from the closed loop system and a control input from the unknown dynamics estimation mechanism.
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