JP7248036B2 - 負荷軽減装置、制御装置、負荷軽減方法、及びプログラム - Google Patents
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Description
まず第1の実施形態について説明する。
図1は本実施形態によるパワードスーツの構成を示す図である。
パワードスーツ100は負荷軽減装置の一態様である。パワードスーツ100は、骨格部11、ベルト12、股アクチュエータ13、膝アクチュエータ14、足首アクチュエータ15、靴裏プレート16、足装着具17、靴裏荷重センサ18、足裏荷重センサ19、荷台20、制御装置21、バッテリ22、股関節センサ23、膝関節センサ24、足関節センサ25等により構成される。骨格部11は、一例としては、第一骨格部111、第二骨格部112、及び第三骨格部113に大別される。
股アクチュエータ13,膝アクチュエータ14,足首アクチュエータ15は、ユーザの各脚の各関節において連結するリンク(フレーム)を回転駆動するトルクを出力してユーザに掛かる負荷を軽減する駆動機構130である。第一骨格部111と第二骨格部112とは、股アクチュエータ13が連結するリンクである。また第二骨格部112と第三骨格部113とは、膝アクチュエータ14が連結するリンクである。また第三骨格部113と靴裏プレート16とは、足首アクチュエータ15が連結するリンクである。各リンク及び駆動機構130がリンク機構を構成する。
靴裏荷重センサ18や足裏荷重センサ19には、一例として、薄いシート状の絶縁体の表裏に行列状に電極が配置される。靴裏荷重センサ18や足裏荷重センサ19は、電極の格子点の電気抵抗を計測し、その計測値を制御装置21に出力する。制御装置21は各格子点の電気抵抗値に基づいて、各格子点に加わった圧力、及びセンサシートの面全体での荷重を算出する。
パワードスーツ100は、ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収することで、当該衝撃力を時間的に分散可能な衝撃緩衝機構27を備える。衝撃緩衝機構27は、弾性体であるバネ及びダッシュポットを並列または直列に配置した弾性機構である。衝撃緩衝機構27は、一例として第二骨格部112に設けられる第一衝撃緩衝機構271と、第三骨格部113に設けられる第二衝撃緩衝機構272とに大別される。第一衝撃緩衝機構271は第二骨格部112に沿う方向D1に伸縮する。また第二衝撃緩衝機構272は第三骨格部113に沿う方向D2に伸縮する。これにより衝撃緩衝機構27は脚にかかる衝撃を吸収して時間的に分散する。
この図が示すように制御装置21はCPU(Central Processing Unit)101、ROM(Read Only Memory)102、RAM(Random Access Memory)103、信号入出力装置104、無線通信装置105等の各ハードウェアを備えたコンピュータである。
信号入出力装置104は、靴裏荷重センサ18や足裏荷重センサ19や股関節センサ23や膝関節センサ24や足関節センサ25から出力された信号を入力とする。信号入出力装置104は、股アクチュエータ13、膝アクチュエータ14、足首アクチュエータ15を制御する制御信号を出力する。制御装置21はバッテリ22からの電源供給により動作する。
無線通信装置105は他の装置と通信接続する。
制御装置21は電源ボタンがONされることによりバッテリ22から供給された電力に基づいて起動する。制御装置21は起動後に制御プログラムを実行する。これにより制御装置21には、情報取得部211、総合制御部212、アクチュエータ制御部213、電源部214、記憶部215が少なくとも備わる。
情報取得部211は靴裏荷重センサ18、足裏荷重センサ19、股関節センサ23、膝関節センサ24及び足関節センサ25からセンシング情報を取得する。靴裏荷重センサ18及び足裏荷重センサ19のセンシング情報は各センサの格子点の圧力(荷重)に対応する電気抵抗値を示す荷重情報である。股関節センサ23、膝関節センサ24及び足関節センサ25のセンシング情報は検出した関節角度を示す関節角度情報である。
アクチュエータ制御部213は股アクチュエータ13、膝アクチュエータ14及び足首アクチュエータ15を制御する。
電源部214は電源ボタンがONされるとバッテリ22から制御装置21の各部に電力を供給する。
記憶部215は、脚の各関節における角度基準を記憶する。
動作推定部2121は、衝撃緩衝機構27の動作に基づいて、衝撃緩衝機構27の状態を推定する。例えば、動作推定部2121は、予め設定された衝撃緩衝機構27の動作推定モデルに基づいて緩衝された衝撃に相当する荷重値を衝撃緩衝機構27の状態として算出し、算出した荷重値を示す推定情報をトルク制御部2122に出力する。
トルク制御部2122は、衝撃緩衝機構27の動作に基づいて、股アクチュエータ13,膝アクチュエータ14,足首アクチュエータ15が出力するトルクを制御する。例えば、トルク制御部2122は、動作推定部2121から入力された推定情報が示す荷重値を、衝撃緩衝機構27により緩衝された衝撃として足裏または靴裏に掛かる荷重値から減算する。トルク制御部2122は、減算後の荷重値と股関節センサ23,膝関節センサ24,足関節センサ25が検出する関節角度とに基づいて、股アクチュエータ13,膝アクチュエータ14,足首アクチュエータ15が出力するトルクの目標値を算出する。
図5は本実施形態による制御装置の動作を示す動作ブロック図である。
まず、動作推定部2121が、予め設定された衝撃緩衝機構27の動作推定モデルにより衝撃緩衝機構27の状態を推定する。具体的には、動作推定部2121は、衝撃緩衝機構27の動作状況を示す衝撃緩衝機構情報と、靴裏荷重センサ18または足裏荷重センサ19が検出する各脚の荷重値と、各脚の股関節センサ23,膝関節センサ24,足関節センサ25が検出する関節角度θkとに基づいて、動作推定モデルにより衝撃緩衝機構27の状態を推定する。衝撃緩衝機構情報は、例えばバネの現在の長さを示すバネ長や、ダッシュポットの現在の長さを示すダッシュポット長や、バネ及びダッシュポットの伸縮速度や、バネ及びダッシュポットに掛かる荷重値等を含む。動作推定部2121は、例えば緩衝した衝撃に相当する荷重値を衝撃緩衝機構27の状態として推定する。そして動作推定部2121は、推定した衝撃緩衝機構27の状態を示す推定情報をトルク制御部2122に出力する。
例えばトルク制御部2122は荷重値を用いて各脚が遊脚状態、立脚状態のいずれであるかを判定してもよい。一例としてトルク制御部2122は荷重値が第1の閾値以上になると立脚期間と判定し、荷重値が第2の閾値以下になると遊脚期間と判定する。またトルク制御部2122は、推定情報に含まれる荷重値を衝撃緩衝機構27により緩衝された衝撃として靴裏荷重センサ18または足裏荷重センサ19が検出する各脚の荷重値から減算する。そしてトルク制御部2122は遊脚時の動作推定モデルまたは立脚時の動作推定モデルに基づき、減算後の各脚の荷重値と各脚の各関節角度とを用いて各脚の各関節におけるトルクの目標値を算出する。トルク制御部2122は、算出した各脚の股アクチュエータ13,膝アクチュエータ14,足首アクチュエータ15の目標値をアクチュエータ制御部213に出力する。
これにより、時系列k番目(現在値)におけるユーザの印加する負荷抗力Fkとユーザの印加トルクlkと出力トルクτとが各アクチュエータのダイナミクスP(s)となる。股関節センサ23,膝関節センサ24,足関節センサ25は、股アクチュエータ13,膝アクチュエータ14,足首アクチュエータ15のダイナミクスP(s)に基づくパワードスーツ100のダイナミクスG(s)に応じた時系列k番目における各関節角度θkを検出する。そして制御装置21は上述した処理を繰り返す。
・・・(1)
この図において実線91は、ユーザの片足の歩行一歩の開始から終了までを一単位とする足取りサイクルにおいて、衝撃緩衝機構27を備えない場合における関節トルクの遷移を示す。関節トルクは股アクチュエータ13,膝アクチュエータ14,足首アクチュエータ15が各関節において出力するトルクの目標値(単位はNm(ニュートンメートル))である。実線92は足取りサイクルにおいて衝撃緩衝機構27を備える場合における関節トルクの遷移を示す。当該グラフにおいて横軸が、足取サイクルの歩行一歩の開始から終了まで時間経過の割合(%)を示している。この足取サイクルにおいて0%から40%までの期間は足が接地面に設置している(脚が立脚している)立脚期間を示す。またこの足取りサイクルにおいて40%から100%までの期間は、足が接地面(地面)から離れていることにより靴裏荷重センサ18,足裏荷重センサ19に荷重がかかっていない(脚が遊脚している)遊脚期間を示す。また当該グラフにおいて縦軸は関節トルクを示す。
まずユーザはパワードスーツ100を装着する。この時ユーザは足装着具17の内部に足裏荷重センサ19を挿入する。足裏荷重センサ19は予め足装着具17の内部に備えられてよい。足裏荷重センサ19の面積はユーザの足の大きさに適した大きさものが利用されてよい。またユーザは靴裏荷重センサ18をパワードスーツ100の足装着具17や靴裏プレート16の接地面側に装着する。靴裏荷重センサ18も予め足装着具17や靴裏プレート16の接地面側に備えられてよい。靴裏荷重センサ18の面積はユーザの足の大きさに対応する足装着具17に適した大きさものが利用されてよい。
アクチュエータ制御部213は各脚の股アクチュエータ13,膝アクチュエータ14,足首アクチュエータ15について算出されたトルクの目標値に基づいて、現在のタイミングにおける各トルクτを算出し、股アクチュエータ13,膝アクチュエータ14,足首アクチュエータ15に出力する(ステップS106)。その後、ステップS101の処理に戻り、制御装置21は処理を終了するまでステップS101からS106までの処理を繰り返す。
次に第2の実施形態について説明する。
図8は本実施形態による衝撃緩衝機構の一例を示す図である。
本実施形態におけるパワードスーツ100は、第1の実施形態における衝撃緩衝機構27に代えて、衝撃緩衝機構28を備える。衝撃緩衝機構28は、ユーザの動作時に発生する衝撃を吸収することで時間的に分散可能な機構である。衝撃緩衝機構28は弾性体であるバネ及びダッシュポットを並列または直列に配置した弾性機構である。衝撃緩衝機構28は荷台20の荷物Bを積載する位置に設けられる。すなわち衝撃緩衝機構28はユーザの背に対応する位置に設けられる。荷物Bは衝撃緩衝機構28の上に積載される。衝撃緩衝機構28はユーザの背(荷台20の背部分)に沿う方向D11に伸縮する。これにより衝撃緩衝機構28は脚にかかる衝撃を吸収して時間的に分散する。パワードスーツ100の他の構成は第1の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
次に第3の実施形態について説明する。
図9A及び図9Bは本実施形態による衝撃緩衝機構の一例を示す図である。
図9Aに示すように、本実施形態におけるパワードスーツ100は第1の実施形態における衝撃緩衝機構27に代えて、衝撃緩衝機構29を備える。衝撃緩衝機構29は、ユーザの動作時に発生する衝撃を吸収することで時間的に分散可能な機構である。図9Bに示すように、衝撃緩衝機構29は回転軸291を軸にして2つのカウンタ292,293を回転させることにより平衡をとるカウンタバランス機構である。衝撃緩衝機構29は荷台20または荷物Bに設けられる。すなわち衝撃緩衝機構29はユーザの背に対応する位置に設けられる。カウンタ292は矢印D21の方向に回転する。またカウンタ293は矢印D22の方向に回転する。これにより衝撃緩衝機構29は脚にかかる衝撃を吸収して時間的に分散させる。本実施形態における衝撃緩衝機構情報は、各カウンタ292,293の回転角度や、回転角速度や、付加遠心力等である。パワードスーツ100の他の構成は第1の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
負荷軽減装置の一態様としてのパワードスーツ100は少なくとも衝撃緩衝機構270、駆動機構130及びトルク制御部2122の機能を備えればよい。
衝撃緩衝機構270は、ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収することで当該衝撃力を時間的に分散する。衝撃緩衝機構270は、上述した衝撃緩衝機構27,28,29の総称であり、これら衝撃緩衝機構27,28,29うちいずれかまたは任意の組み合わせであってよい。
駆動機構130は、ユーザの脚の関節においてユーザに掛かる負荷を軽減するためのトルクを出力する。駆動機構130は、股アクチュエータ13,膝アクチュエータ14,足首アクチュエータ15のうちいずれかまたは任意の組み合わせである。
トルク制御部2122は、衝撃緩衝機構270の動作に基づいて、駆動機構130が出力するトルクを制御する。
なお制御装置21の最小構成は、少なくとも、上記トルク制御部2122の機能を備えればよい。
さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。
11・・・骨格部
12・・・ベルト
13・・・股アクチュエータ
14・・・膝アクチュエータ
15・・・足首アクチュエータ
16・・・靴裏プレート
17・・・足装着具
18・・・靴裏荷重センサ
19・・・足裏荷重センサ
20・・・荷台
21・・・制御装置
22・・・バッテリ
23・・・股関節センサ
24・・・膝関節センサ
25・・・足関節センサ
27,28,29・・・衝撃緩衝機構
211・・・情報取得部
212・・・総合制御部
2121・・・動作推定部
2122・・・トルク制御部
213・・・アクチュエータ制御部
214・・・電源部
215・・・記憶部
Claims (7)
- ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザの脚部に沿うように装着する骨格機構と、
当該ユーザが装着する荷物を保持する保持機構と、
前記ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構と、
前記骨格機構における前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する駆動機構と、
前記荷物と負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一荷重値または前記ユーザの足裏から掛かる重量を計測した第二荷重値と、前記衝撃緩衝機構の動作状況を示す情報と、前記関節の角度とに基づいて、前記衝撃緩衝機構が緩衝した衝撃に相当する荷重値の推定情報を算出する動作推定部と、
前記衝撃緩衝機構が緩衝した衝撃に相当する荷重値の推定情報と、前記第一荷重値または前記第二荷重値と、前記関節の角度と、に基づいて、前記駆動機構が出力する前記トルクを制御するトルク制御部と、
を備えた負荷軽減装置。 - 前記衝撃緩衝機構は、弾性体により衝撃力を分散させる
請求項1に記載の負荷軽減装置。 - 前記衝撃緩衝機構は、前記ユーザの大腿部または膝下脚部に沿って設けられる
請求項1または請求項2に記載の負荷軽減装置。 - 前記衝撃緩衝機構は、前記ユーザの背に対応する位置に設けられる
請求項1から請求項3の何れか一項に記載の負荷軽減装置。 - ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザの脚部に沿うように装着する骨格機構と、
当該ユーザが装着する荷物を保持する保持機構と、
前記ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構と、
前記骨格機構における前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する駆動機構と、を備えた負荷軽減装置に備えられ、
前記荷物と負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一荷重値または前記ユーザの足裏から掛かる重量を計測した第二荷重値と、前記衝撃緩衝機構の動作状況を示す情報と、前記関節の角度とに基づいて、前記衝撃緩衝機構が緩衝した衝撃に相当する荷重値の推定情報を算出する動作推定部と、
前記衝撃緩衝機構が緩衝した衝撃に相当する荷重値の推定情報と、前記第一荷重値または前記第二荷重値と、前記関節の角度と、に基づいて、前記駆動機構が出力する前記トルクを制御するトルク制御部と、
を備えた制御装置。 - ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザの脚部に沿うように装着する骨格機構と、
当該ユーザが装着する荷物を保持する保持機構と、
前記ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構と、
前記骨格機構における前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する駆動機構と、を備えた負荷軽減装置が、
前記荷物と負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一荷重値または前記ユーザの足裏から掛かる重量を計測した第二荷重値と、前記衝撃緩衝機構の動作状況を示す情報と、前記関節の角度とに基づいて、前記衝撃緩衝機構が緩衝した衝撃に相当する荷重値の推定情報を算出し、
前記衝撃緩衝機構が緩衝した衝撃に相当する荷重値の推定情報と、前記第一荷重値または前記第二荷重値と、前記関節の角度と、に基づいて、前記駆動機構が出力する前記トルクを制御する
負荷軽減方法。 - ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザの脚部に沿うように装着する骨格機構と、
当該ユーザが装着する荷物を保持する保持機構と、
前記ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構と、
前記骨格機構における前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する駆動機構と、を備えた負荷軽減装置のコンピュータに、
前記荷物と負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一荷重値または前記ユーザの足裏から掛かる重量を計測した第二荷重値と、前記衝撃緩衝機構の動作状況を示す情報と、前記関節の角度とに基づいて、前記衝撃緩衝機構が緩衝した衝撃に相当する荷重値の推定情報を算出する処理と、
前記衝撃緩衝機構が緩衝した衝撃に相当する荷重値の推定情報と、前記第一荷重値または前記第二荷重値と、前記関節の角度と、に基づいて、前記駆動機構が出力する前記トルクを制御する処理と、
実行させるプログラム。
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