JPH07223186A - Robot control device - Google Patents

Robot control device

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JPH07223186A
JPH07223186A JP1720694A JP1720694A JPH07223186A JP H07223186 A JPH07223186 A JP H07223186A JP 1720694 A JP1720694 A JP 1720694A JP 1720694 A JP1720694 A JP 1720694A JP H07223186 A JPH07223186 A JP H07223186A
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joint
robot
operator
signal
control device
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JP1720694A
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Japanese (ja)
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Yasuharu Koike
康晴 小池
Mitsuo Kawahito
光男 川人
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ATR NINGEN JOHO TSUSHIN KENKYU
ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Original Assignee
ATR NINGEN JOHO TSUSHIN KENKYU
ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
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Abstract

PURPOSE:To provide a robot control device detecting the signals corresponding to the activities of a muscle of an operator and capable of controlling a robot with the signals. CONSTITUTION:An electrode 7 is fitted to an arm 1 as an example of s physical portion of an operator, the myoelectric signal is detected by the electrode 7 and amplified by a myoelectric signal amplification section 9, then the pseudo tension is outputted to an equilibrium position estimation section 15 through a time filter 13. The equilibrium position estimation section 15 estimates the articulation angle from the pseudo tension and gives the articulation angle to a controller 17. The controller 17 gives the given articulation angle to a robot 3 as the target orbit to control it.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、ロボット制御装置に
関し、特に、オペレータの身体部位における複数の筋肉
の活動に応じて検出される筋電信号によってロボットま
たは計算機内での仮想現実世界のロボット(仮想身体)
の制御を行なうことができるようなロボット制御装置に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a robot controller, and more particularly, to a robot or a robot in a virtual reality world in a computer by an myoelectric signal detected according to the activities of a plurality of muscles in a body part of an operator. Virtual body)
The present invention relates to a robot control device capable of controlling the above.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、ロボットに使用された多関節型の
産業上マニュピュレータなどに対しての軌道計画は、人
間のオペレータが工場の製造ラインでティーチングボッ
クスを用いることによってオンラインで行なわれてい
た。ところが、このような軌道計画は、複数の軌道がい
くつもの小部分に分けられ、その小部分における代表点
の位置を産業上マニュピュレータなどに記憶させるとい
う面倒なものであった。そのため、この作業を行なうオ
ペレータには、熟練した技術を必要とし、さらに軌道計
画を行なうことができるのは製造ラインが止まった夜間
や祝祭日に限られるため、特定の熟練オペレータへの負
担が大きくなっていた。
2. Description of the Related Art Conventionally, trajectory planning for an articulated industrial manipulator used for a robot is performed online by a human operator using a teaching box on a factory production line. . However, such a trajectory plan is troublesome in that a plurality of trajectories are divided into a number of small portions, and the position of the representative point in the small portions is industrially stored in a manipulator or the like. Therefore, the operator who performs this work requires a skilled technique, and the trajectory planning can be performed only at night when the production line is stopped or on public holidays. Was there.

【0003】これに対し、オフラインでの軌道計画は、
理論的には活発に研究されていたが、特に3次元空間に
複雑な形状の障害物が複数配置されているような状況下
では、問題点があり実用化されていない。その問題点
は、目的のタスクを行なうための軌道計画を行なうには
画像入力のためのコストが非常にかさむこと、さらに状
況が複雑になるとともに軌道計算の時間が爆発的に増大
することが挙げられる。
On the other hand, off-line trajectory planning is
Although theoretically actively researched, this has not been put into practical use due to problems, especially in a situation where a plurality of obstacles having complicated shapes are arranged in a three-dimensional space. The problems are that the cost for image input is very high to perform trajectory planning to perform the desired task, and the situation becomes complicated and the time for orbit calculation explosively increases. To be

【0004】一方、ロボットの遠隔制御、オペレータの
遠隔存在および通信システムとロボットとによる遠隔作
業などにおいて、オペレータの運動軌道と力を継続する
手段としては、オペレータに装着させるマスタアームや
ゴニオメータという機械計測装置が用いられてきた。し
かし、これらの機械計測装置は、自由度が増せば堆積お
よび重量がかさむことになり、オペレータの動作に大き
な負担をかけてしまう。また、重量や慣性を補償するた
めのアクチュエータを付けた機械計測装置は、高価にな
るだけではなく、暴走時にはオペレータの身体に危害を
加える極めて危険なものであり、一般には用いられてい
ない。
On the other hand, in remote control of a robot, remote presence of an operator, and remote work by a communication system and a robot, as means for continuing the motion trajectory and force of an operator, mechanical measurement such as a master arm or a goniometer to be attached to the operator. Devices have been used. However, these mechanical measuring devices become heavier and heavier as the degree of freedom increases, which puts a heavy burden on the operation of the operator. Further, a mechanical measuring device equipped with an actuator for compensating for weight and inertia is not only expensive, but also extremely dangerous because it may harm an operator's body during a runaway and is not generally used.

【0005】したがって、上述したそれぞれの問題を解
決するために筋電信号を用いてロボットの手や、および
義手・義足を制御することが試みられた。
Therefore, in order to solve the above-mentioned problems, it has been attempted to control the hand of the robot and the artificial hand / leg by using myoelectric signals.

【0006】まず、1948年にノーバートウィナーに
よって、筋電信号を用いる着想が発表され、それ以後基
礎的研究や実用化が進められた。その段階での技術は、
ロボットを1自由度で制御するオン・オフ制御や比例制
御が目標とされていたため、多自由度のロボットの腕や
手および義手・義足の軌道計画と制御は行なうことがで
きなかった。
First, in 1948, Norbert Wiener announced the idea of using myoelectric signals, and thereafter, basic research and practical application were advanced. The technology at that stage is
Since the on / off control and the proportional control for controlling the robot with one degree of freedom have been aimed at, the trajectory planning and control of the arm and hand of the robot having multiple degrees of freedom and the artificial arm / prosthesis cannot be performed.

【0007】次に、多自由度のロボットの腕や手および
義手・義足を筋電信号を用いて制御する装置は、特開昭
51−43888,特開昭51−63595,特開昭5
8−177647,特開昭60−221270号公報に
おいて示されているように、ノーバートウィナーの発表
以後も数多く提案されてきた。しかし、提案はされて
も、筋電信号をどのように情報処理してロボットの腕や
手および義手・義足を制御するための信号を得るかにつ
いての具体的な提案はされていなかった。そのため、鈴
木良次他(医用電子と生体工学,7巻1号,47〜48
頁,1969)が提案した多チャンネルの筋電信号パー
セプトロンで学習識別させ、推定された動作によって義
手を制御することに基づいて、多層パーセプトロンを用
いたものが特開平2−298479号公報で提案されて
いる。
An apparatus for controlling the arms and hands of a robot having multiple degrees of freedom and artificial hands / legs by using myoelectric signals is disclosed in JP-A-51-43888, JP-A-51-63595, and JP-A-5-63595.
As disclosed in JP-A-8-177647 and JP-A-60-212270, many proposals have been made since the announcement of Norbert Winner. However, even if the proposal was made, no specific proposal was made on how to process the electromyographic signal to obtain a signal for controlling the arm and hand of the robot and the artificial hand and leg. Therefore, Ryoji Suzuki et al. (Medical Electronics and Biotechnology, Vol. 7, No. 1, 47-48)
Japanese Patent Laid-Open No. 2-298479 proposes a multi-layer perceptron, which is based on learning identification by a multi-channel myoelectric signal perceptron proposed by pp. 1969) and controlling an artificial hand by an estimated motion. ing.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、多層パ
ーセプトロンを用いて筋電信号のパターン認識を行な
い、それに基づいてロボットの腕や手および義手・義足
を制御するには、以下に示すような問題が生じている。
まず、人間と同様の動作をする必要のあるロボットや義
手などは、無限の動作パターンを識別することができる
わけではない。すなわち、限られた動作パターンの識別
しか行なわれない。次に、限られた動作パターンであっ
ても、ロボットは、その動作パターンを正確に識別する
わけではなく、誤認識に伴なう誤動作を生じる。次に、
ロボットや義手などに対して動作パターンを正確に認識
させるためには、数十ミリ秒から数秒間の筋電信号パタ
ーンの時間平均やパワースペクトラムの計算が行なわれ
る必要がある。したがって、この方法では、たとえロボ
ットや義手などが正確に運動パターンを実行したとして
も、1秒間に数回程度の動作の変化があるだけで、速く
かつ滑らかな動作をロボットや義手に行なわすことはで
きない。
However, in order to recognize the pattern of the myoelectric signal using the multi-layer perceptron and control the arm and hand of the robot and the artificial hand / prosthesis based on the pattern recognition, the following problems occur. Has occurred.
First, robots and artificial hands that need to perform the same actions as humans cannot identify infinite movement patterns. That is, only limited motion patterns are identified. Next, even with a limited motion pattern, the robot does not correctly identify the motion pattern, and a malfunction occurs due to the misrecognition. next,
In order for a robot or a prosthetic hand to accurately recognize a motion pattern, it is necessary to calculate a time average of a myoelectric signal pattern for several tens of milliseconds to several seconds and a power spectrum. Therefore, in this method, even if the robot or the artificial hand accurately executes the motion pattern, the robot or the artificial hand can perform a fast and smooth motion only by a change in the motion of several times per second. I can't.

【0009】ところで、発明者は、特願平5−1716
88号で提案しているように、筋電信号から水平面内に
おける等尺性収縮における関節トルクおよび運動軌道を
推定することで、ロボットを制御するロボット制御装置
を提案している。しかし、たとえば人の腕の自由度は、
肩3自由度、肘1自由度、手首3自由度併わせて7自由
度あるといわれているにもかかわらず、平面内の2自由
度しか考慮に入れられたなかった。そのため、腕の運動
自体が平面内に拘束されており、それに伴なうロボット
の制御も拘束されていた。
By the way, the inventor has filed Japanese Patent Application No. 5-1716.
As proposed in No. 88, a robot controller for controlling a robot is proposed by estimating joint torque and motion trajectory in isometric contraction in a horizontal plane from myoelectric signals. However, for example, the degree of freedom of a person's arm is
Although it is said that there are 7 degrees of freedom including shoulders 3 degrees of freedom, elbows 1 degree of freedom, and wrists 3 degrees of freedom, only 2 degrees of freedom in the plane were taken into consideration. Therefore, the movement of the arm itself is constrained within the plane, and the control of the robot accompanying it is also constrained.

【0010】ゆえに、本発明は、オペレータが多自由度
の運動を行なったことによる筋肉の活動に応じた信号を
検出し、その信号からオペレータの関節状態を推定して
目標軌道としてロボットに与えることにより、ロボット
を制御することができるようなロボット制御装置を提供
することである。
Therefore, according to the present invention, a signal corresponding to the activity of the muscle caused by the operator performing a motion with multiple degrees of freedom is detected, and the joint state of the operator is estimated from the signal and given to the robot as a target trajectory. Accordingly, it is to provide a robot controller capable of controlling a robot.

【0011】さらに、本発明においては、ロボットに対
して3次元空間内の運動・姿勢制御を行なうために、重
力の影響(重力補償)をも考慮に入れたロボット制御装
置を提供することである。
Further, the present invention is to provide a robot controller which takes into consideration the influence of gravity (gravity compensation) in order to control the movement and posture of the robot in a three-dimensional space. .

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明に係るロ
ボット制御装置は、オペレータの身体部位における複数
の筋肉の活動に基づいてロボットを制御するロボット制
御装置であって、複数の筋肉の活動に応じた信号を検出
する検出手段と、検出手段の各検出出力を各筋肉が発生
する張力に対応する擬似張力を表わす信号に変換し、そ
の信号に基づいてオペレータの身体部位における関節の
位置状態を推定する非線形身体モデルと、非線形身体モ
デルで推定された関節の位置状態に基づいてロボットを
制御する制御手段とを備えている。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a robot controller for controlling a robot on the basis of activities of a plurality of muscles in a body part of an operator, the activities of the plurality of muscles. Detecting means for detecting a signal according to the above, and converting each detection output of the detecting means into a signal representing pseudo tension corresponding to the tension generated by each muscle, and based on the signal, the position state of the joint in the body part of the operator And a control means for controlling the robot based on the position state of the joint estimated by the nonlinear body model.

【0013】請求項2では、請求項1の非線形身体モデ
ルは、オペレータの身体部位における関節の位置状態を
所定の基準からの回転角度である関節角度で表現して推
定する。
According to a second aspect of the present invention, the non-linear body model according to the first aspect estimates the position state of the joint in the body part of the operator by expressing it as a joint angle which is a rotation angle from a predetermined reference.

【0014】請求項3では、請求項2の制御手段は、オ
ペレータの身体部位の運動が釣合いの取れた平衡状態の
連続的な変化と見なせることに応じて、非線形身体モデ
ルで推定された関節角度をロボットに目標軌道として与
えて制御する。
According to a third aspect of the present invention, the control means according to the second aspect determines that the motion of the body part of the operator can be regarded as a continuous change in a balanced equilibrium state, and the joint angle estimated by the non-linear body model. Is given to the robot as a target trajectory and controlled.

【0015】請求項4では、請求項2の制御手段は、オ
ペレータの身体部位の運動が釣合いの取れた平衡状態の
連続的な変化と見なせないことに応じて、ロボットのダ
イナミックスに対応する係数を与えて非線形身体モデル
で推定された関節角度を目標軌道とし、その目標軌道で
ロボットを制御することを特徴としている。
According to a fourth aspect of the present invention, the control means of the second aspect responds to the dynamics of the robot in response to the fact that the movement of the body part of the operator cannot be regarded as a continuous change in a balanced equilibrium state. The feature is that the joint angle estimated by the non-linear body model is given as a target trajectory, and the robot is controlled by the target trajectory.

【0016】請求項5では、請求項1の非線形身体モデ
ルは神経回路を含み、神経回路は、複数の筋肉の活動に
応じた信号をフィルタリングし、各筋肉が発生する張力
に対応する擬似張力を表わす信号に変換する前段回路
と、前段回路からの信号からオペレータの身体部位にお
ける関節の位置状態を推定する複数層からなる後段回路
とを含んでいる。
In a fifth aspect, the non-linear body model of the first aspect includes a neural circuit, and the neural circuit filters a signal corresponding to the activities of a plurality of muscles and generates a pseudo tension corresponding to the tension generated by each muscle. It includes a pre-stage circuit for converting into a signal to be expressed, and a post-stage circuit composed of a plurality of layers for estimating the position state of the joint in the body part of the operator from the signal from the pre-stage circuit.

【0017】請求項6では、請求項5の神経回路は、複
数の筋肉の活動に応じた信号と関節の位置状態との間で
成立する非線形写像のパラメータを決定するために、所
定の非線形最適アルゴリズムを用いて学習する。
According to a sixth aspect of the present invention, the neural circuit according to the fifth aspect determines a non-linear mapping parameter that is established between a signal corresponding to the activity of a plurality of muscles and the position state of the joint. Learn using an algorithm.

【0018】請求項7では、請求項5の神経回路は、複
数の筋肉の活動に応じた信号と関節の位置状態との間で
成立する非線形写像のパラメータを決定するために、所
定の学習則を用いて学習する。
According to a seventh aspect of the present invention, the neural circuit according to the fifth aspect of the present invention uses a predetermined learning rule for determining a parameter of a non-linear mapping that is established between a signal corresponding to the activity of a plurality of muscles and the position state of the joint. Learn using.

【0019】請求項8では、請求項5の前段回路は、2
つの層から形成されるフィルタを含んでいる。
In the eighth aspect, the pre-stage circuit of the fifth aspect is 2
It contains a filter formed from two layers.

【0020】請求項9では、請求項5の後段回路はオペ
レータの腕の関節の位置状態を推定し、腕の関節の位置
状態は、オペレータの腕の釣合いの取れた平衡状態を含
み、かつ所定の基準からの回転角度である関節角度で表
される。
According to a ninth aspect of the present invention, the latter-stage circuit of the fifth aspect estimates the position state of the joint of the operator's arm, and the position state of the joint of the arm includes a balanced state in which the operator's arm is in a balanced state and has a predetermined value. It is represented by the joint angle, which is the rotation angle from the reference.

【0021】請求項10では、請求項5の後段回路はオ
ペレータの腕の関節の位置状態を推定し、腕の関節の位
置状態は、重力の影響も考慮された状態を含み、かつ所
定の基準からの回転角度である関節角度で表される。
According to a tenth aspect of the present invention, the latter-stage circuit of the fifth aspect estimates the position state of the joint of the arm of the operator, and the position state of the joint of the arm includes a state in which the influence of gravity is also taken into consideration and has a predetermined reference. It is represented by the joint angle that is the rotation angle from.

【0022】[0022]

【作用】請求項1の発明に係るロボット制御装置は、オ
ペレータの身体部位における複数の筋肉の活動に応じた
信号を検出し、各筋肉が発生する張力に対応する擬似張
力を表わす信号に変換し、その信号に基づいてオペレー
タの身体部位における関節の位置状態を実時間で推定
し、その実時間で推定された関節の位置状態に基づいて
ロボットを制御できる。
According to the first aspect of the present invention, the robot controller detects a signal corresponding to the activity of a plurality of muscles in the body part of the operator and converts it into a signal representing a pseudo tension corresponding to the tension generated by each muscle. The position state of the joint in the body part of the operator can be estimated in real time based on the signal, and the robot can be controlled based on the position state of the joint estimated in that real time.

【0023】請求項2の発明に係るロボット制御装置
は、オペレータの身体部位における関節の位置状態を所
定の基準からの回転角度である関節角度で表現して推定
し、その関節角度という特徴量に基づいてロボットを制
御できる。
In the robot controller according to the second aspect of the present invention, the position state of the joint in the body part of the operator is expressed by a joint angle which is a rotation angle from a predetermined reference and estimated, and the joint angle is used as a feature amount. The robot can be controlled based on this.

【0024】請求項3の発明に係るロボット制御装置
は、オペレータの身体部位の運動が釣合いの取れた平衡
状態の連続的な変化と見なせることに応じて、推定され
る関節角度をロボットに目標軌道として与えて精度の高
い制御を行なうことができる。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a robot control apparatus, wherein the estimated joint angle is applied to the robot as a target trajectory in accordance with the fact that the motion of the operator's body part can be regarded as a continuous change in a balanced equilibrium state. As a result, high precision control can be performed.

【0025】請求項4の発明に係るロボット制御装置
は、オペレータの身体部位の運動が釣合いの取れた平衡
状態の連続的な変化と見なせないとしても、推定された
関節角度にロボットのダイナミックスに対応する係数を
与えて目標軌道とし、その目標軌道をロボットに与えて
制御できる。
According to another aspect of the robot controller of the present invention, even if the movement of the operator's body part cannot be regarded as a continuous change in a balanced equilibrium state, the dynamics of the robot are adjusted to the estimated joint angle. A target trajectory can be given by giving a coefficient corresponding to, and the target trajectory can be given to the robot for control.

【0026】請求項5の発明に係るロボット制御装置
は、オペレータの身体部位における関節の位置状態を推
定するために好ましい一例として神経を回路を用いて、
オペレータの身体部位における関節の位置状態を推定し
てロボットを制御できる。
A robot controller according to a fifth aspect of the present invention uses a nerve circuit as a preferred example for estimating the position state of the joint in the body part of the operator,
The robot can be controlled by estimating the position state of the joint in the body part of the operator.

【0027】請求項6の発明に係るロボット制御装置
は、神経回路に非線形最適アルゴリズムを用いて学習さ
せることにより、神経回路が推定するオペレータの身体
部位における関節の位置状態の推定誤差を極力抑えるこ
とができる。
In the robot controller according to the sixth aspect of the present invention, the neural circuit is trained by using a non-linear optimum algorithm to suppress the estimation error of the position state of the joint in the body part of the operator estimated by the neural circuit as much as possible. You can

【0028】請求項7の発明に係るロボット制御装置
は、神経回路に所定の学習則を用いて学習させることに
より、オペレータの身体部位における関節の位置状態の
推定誤差を極力抑えることができる。
In the robot controller according to the seventh aspect of the present invention, the neural circuit is made to learn by using a predetermined learning rule, whereby the estimation error of the position condition of the joint in the body part of the operator can be suppressed as much as possible.

【0029】請求項8の発明に係るロボット制御装置
は、神経回路の前段回路として2つの層から形成される
フィルタを用いることにより、オペレータの各筋肉が発
生する張力に対応する擬似張力を表わす信号を発生でき
る。
According to the eighth aspect of the present invention, the robot controller uses a filter formed of two layers as a pre-stage circuit of the neural circuit, so that the signal representing the pseudo tension corresponding to the tension generated by each muscle of the operator. Can occur.

【0030】請求項9の発明に係るロボット制御装置
は、神経回路の後段回路がオペレータ腕の釣合いの取れ
た平衡状態における関節の位置状態を関節角度で表わす
ことにより、ロボットを制御できる。
In the robot controller according to the ninth aspect of the present invention, the latter stage circuit of the nerve circuit can control the robot by representing the position state of the joint in the balanced state where the operator arm is balanced by the joint angle.

【0031】請求項10の発明に係るロボット制御装置
は、神経回路の後段回路がオペレータの腕の関節の位置
状態を重力の影響も考慮された関節角度で推定して、ロ
ボットを制御できる。
In the robot controller according to the tenth aspect of the present invention, the latter stage circuit of the neural circuit can control the robot by estimating the position state of the joint of the operator's arm with the joint angle in consideration of the influence of gravity.

【0032】[0032]

【実施例】まず、実施例を説明する前に、筋電信号を用
いた姿勢制御のモデルについて説明する。3次元空間内
でオペレータが身体部位の1つである腕をある姿勢で固
定しているとする。このとき、外力がなければ重力によ
る力だけが腕にかかっている。この関係を関節角θ、各
筋肉への運動指令u↑(以下、ベクトルを↑を付けて表
示する。)をベクトルで表現すると、第(1)式に示さ
れるような関係が得られる。ここで、第(1)式におけ
るτm ↑は筋肉により関節に発生するトルク、τg ↑は
重力による各関節にかかるトルク、gは重力加速度であ
る。各筋肉への運動指令u↑を与えたときの第(1)式
の解となる関節角θ↑が求められれば、釣合い姿勢が推
定される。
First, before describing the embodiments, a model of posture control using an electromyographic signal will be described. It is assumed that the operator fixes the arm, which is one of the body parts, in a certain posture in the three-dimensional space. At this time, if there is no external force, only the force of gravity is applied to the arm. If this relationship is expressed by a vector, the joint angle θ and the motion command u ↑ to each muscle (hereinafter, the vector is indicated by adding ↑) are expressed as a vector, and the relationship shown in the equation (1) is obtained. Here, τ m ↑ in the equation (1) is a torque generated in a joint by a muscle, τ g ↑ is a torque applied to each joint by gravity, and g is a gravitational acceleration. If the joint angle θ ↑ which is the solution of the equation (1) when the motion command u ↑ to each muscle is given, the balanced posture is estimated.

【0033】トルクτm ↑は、その関節に関する多くの
筋肉の発生する張力とモーメントアームによって決ま
る。モーメントアームとは、関節の回転軸と筋肉の作用
線との距離である。運動指令と筋張力の関係の非線形
性、長さ−張力曲線やモーメントアームの関節角度に依
存する非線形性などのため、トルクτm ↑と張力および
モーメントアームとの関係は、強い非線形性を示す。ま
た、hは重力により各関節にどれだけのトルクがかかる
かを決める関数で、キネマティックな関係により求めら
れ、この関数も非線形関数である。このような非線形性
から、第(1)式の解として釣合い位置である関節角θ
↑が解析的に解かれることはない。ところが、筋肉はば
ねのような性質を持つとも考えられるので、重力とばね
の位置エネルギが最小となる関節角θ↑は唯一であるた
め、u↑→関節角θ↑は、写像として表されると考えら
れる。
The torque τ m ↑ is determined by the tension and moment arms generated by many muscles of the joint. The moment arm is the distance between the axis of rotation of the joint and the line of action of the muscle. The relationship between the torque τ m ↑ and the tension and moment arms shows a strong nonlinearity due to the nonlinearity of the relationship between the motion command and the muscle tension, and the nonlinearity depending on the length-tension curve and the joint angle of the moment arm. . Also, h is a function that determines how much torque is applied to each joint due to gravity, and is obtained by a kinematic relationship, and this function is also a non-linear function. From such non-linearity, the joint angle θ, which is the balanced position, is determined as the solution of the equation (1).
↑ is never solved analytically. However, since muscles are also considered to have spring-like properties, there is only one joint angle θ ↑ at which gravity and the potential energy of the spring are minimum, so u ↑ → joint angle θ ↑ is expressed as a map. it is conceivable that.

【0034】また、一定姿勢を保っているときでも、そ
れぞれの筋張力は時間的に変化している場合があるの
で、筋電信号を時間的に処理しなければならない。さら
に、同時活性化を起こして筋電信号を変化させることで
筋張力が変化したとしても、関節トルクが変化しなけれ
ば同じ姿勢を取る。したがって、その場合の写像は、多
対1の関係となり、非線形写像となる。そこで、オペレ
ータの身体部位の筋電信号から関節トルクが生成され、
釣合いの位置である関節角θ↑が決定されることに基づ
く、ロボット制御装置について説明する。
Further, even when maintaining a constant posture, each muscle tension may change with time, so that the myoelectric signal must be processed with time. Furthermore, even if the muscle tension changes by causing simultaneous activation and changing the myoelectric signal, the joint takes the same posture unless the joint torque changes. Therefore, the mapping in that case has a many-to-one relationship and is a non-linear mapping. Therefore, joint torque is generated from the myoelectric signal of the operator's body part,
A robot controller based on the determination of the joint angle θ ↑, which is the balance position, will be described.

【0035】[0035]

【数1】 [Equation 1]

【0036】図1は、この発明の一実施例によるロボッ
ト制御装置を示すための概略ブロック図である。
FIG. 1 is a schematic block diagram showing a robot controller according to an embodiment of the present invention.

【0037】図1を参照して、ロボット制御装置5は、
人腕1に取付けられる表面電極7と、筋電信号を増幅す
る筋電信号増幅部9と、増幅筋電信号から関節角度を推
定する非線形身体モデル11と、ロボット3に目標軌道
を与えて制御する制御部17とを含む。
Referring to FIG. 1, the robot controller 5 comprises
A surface electrode 7 attached to the human arm 1, a myoelectric signal amplification unit 9 that amplifies an myoelectric signal, a non-linear body model 11 that estimates a joint angle from the amplified myoelectric signal, and a robot 3 is controlled by giving a target trajectory. And a control unit 17 for controlling the operation.

【0038】表面電極7は、オペレータの筋肉の活動に
応じた信号、たとえば筋電信号を検出する検出手段の一
例であり、オペレータの身体部位の1つである人腕1に
装着される。検出された筋電信号は筋電信号増幅部9で
増幅され、非線形身体モデル11に与えられる。非線形
身体モデル11は、時間フィルタ13と、平衡位置推定
部15とを含む。そのため、時間フィルタ13が増幅筋
電信号をフィルタリングし、人腕1の張力に対応する擬
似張力を表わす信号に変換して平衡位置推定部15に与
える。平衡位置推定部15は、たとえば非線形の神経回
路が用いられ、擬似張力を表わす信号に基づいて人腕1
が平衡状態に保たれたときの関節角度を推定し、制御部
17に与える。制御部17は、推定された関節角度を目
標軌道としてロボット3に与えてたとえばフィードバッ
ク制御を行なう。
The surface electrode 7 is an example of a detecting means for detecting a signal corresponding to the muscle activity of the operator, for example, a myoelectric signal, and is attached to the human arm 1 which is one of the body parts of the operator. The detected myoelectric signal is amplified by the myoelectric signal amplifier 9 and given to the nonlinear body model 11. The non-linear body model 11 includes a time filter 13 and a balanced position estimation unit 15. Therefore, the time filter 13 filters the amplified myoelectric signal, converts it into a signal representing pseudo tension corresponding to the tension of the human arm 1, and gives it to the equilibrium position estimation unit 15. The equilibrium position estimation unit 15 uses, for example, a non-linear neural circuit, and the human arm 1 based on the signal representing the pseudo tension.
Is estimated and the joint angle when the balance is maintained is given to the control unit 17. The control unit 17 gives the estimated joint angle as a target trajectory to the robot 3 to perform, for example, feedback control.

【0039】図2は、この発明の一実施例によるロボッ
ト制御装置の動作を説明するためのフローチャートであ
り、図3は、図2のステップ(図面ではSで表わす5を
より細かく示したフローチャートである。以下、図2お
よび図3を参照して、図1に示したロボット制御装置の
動作について説明する。
FIG. 2 is a flow chart for explaining the operation of the robot controller according to one embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a flow chart showing the steps of FIG. 2 (5 represented by S in the drawing in more detail). The operation of the robot controller shown in FIG. 1 will be described below with reference to FIGS.

【0040】まず、ステップ1からステップ5について
説明にする。表面電極7がオペレータの身体部位として
人腕1に装着され、オペレータが身体を動かしたり力を
発生したりすると、筋電信号が筋電信号増幅部9に与え
られて増幅される。この増幅された増幅筋電信号は時間
フィルタ13に与えられ、擬似張力を表わす信号が平衡
位置推定部15に与えられる。次に、ステップ51から
ステップ54において、平衡位置推定部15では、与え
られた擬似張力から長さ−張力曲線を用いて張力を求め
る。求められた張力とモーメントアームとから関節トル
クが求められる。人腕1に対しての重力補償が考慮され
た釣合いの取れた平衡状態での関節角度が推定される。
推定された関節角度は制御部17に与えられ、ステップ
6において、制御部17が推定された関節角度を目標軌
道としてロボット3に与えて制御する。
First, steps 1 to 5 will be described. When the surface electrode 7 is attached to the human arm 1 as a body part of the operator and the operator moves the body or generates a force, the myoelectric signal is given to the myoelectric signal amplifying section 9 and amplified. This amplified amplified myoelectric signal is given to the time filter 13, and the signal representing the pseudo tension is given to the equilibrium position estimation unit 15. Next, in steps 51 to 54, the equilibrium position estimation unit 15 obtains the tension from the applied pseudo tension using the length-tension curve. The joint torque is obtained from the obtained tension and the moment arm. A joint angle in a balanced equilibrium state in which the gravity compensation for the human arm 1 is considered is estimated.
The estimated joint angle is given to the control unit 17, and in Step 6, the control unit 17 gives the estimated joint angle as a target trajectory to the robot 3 for control.

【0041】次に、時間フィルタ13が行なう動作にお
いて必要とされる筋電信号と擬似張力との関係について
説明する。表面筋電信号は、膜の興奮電位が時間的、空
間的に重畳されている信号である。時間フィルタ13の
一例であるローパスフィルタを通った出力信号はα運動
ニューロンの発火頻度を反映していると期待される。ま
た、この信号はかなり真の張力に近いと考えられるの
で、擬似張力と呼ばれる。ローパスフィルタは2次系で
十分なことが知られており、入力をEMGとし、出力を
T′としてFIRフィルタ実現されると、第(2)式に
示す関係が得られる。ここで、EMGは筋電信号を表わ
し、T′は擬似張力を表わす。
Next, the relationship between the myoelectric signal and the pseudo tension required in the operation performed by the time filter 13 will be described. The surface myoelectric signal is a signal in which the membrane excitation potential is temporally and spatially superimposed. The output signal that has passed through the low-pass filter, which is an example of the time filter 13, is expected to reflect the firing frequency of the α motor neuron. This signal is also called pseudo tension because it is considered to be quite close to the true tension. It is known that a low-pass filter is sufficient for a second-order system, and when the input is EMG and the output is T'and an FIR filter is realized, the relationship shown in the equation (2) is obtained. Here, EMG represents a myoelectric signal and T'represents pseudo tension.

【0042】次に、運動指令と筋張力との関係について
説明する。筋肉の発生する張力と運動指令との間には、
以下のように非線形な性質がある。筋肉の発生する張力
は同じ運動指令であっても筋長が長くなると増加する。
この変化のしかたは非線形であり、長さ−張力曲線と呼
ばれている。また、同じ運動指令であっても、筋長の短
縮速度が大きくなると張力は減少する。この変化のしか
たも非線形であり、短縮速度−張力曲線と呼ばれてい
る。図1に示すロボット制御装置においては、姿勢制御
中の平衡状態の関節角度が推定されるため、短縮速度−
張力曲線に関しては考慮に入れられる必要がない。
Next, the relationship between the motion command and the muscle tension will be described. Between the tension generated by the muscle and the movement command,
It has the following non-linear properties. The tension generated by a muscle increases as the muscle length increases even with the same motion command.
The manner of this change is non-linear and is called the length-tension curve. Further, even with the same motion command, the tension decreases as the muscle length shortening speed increases. The manner of this change is also non-linear, and is called a shortening speed-tension curve. In the robot controller shown in FIG. 1, since the joint angle in the equilibrium state during posture control is estimated, the shortening speed-
The tension curve need not be taken into account.

【0043】次に、張力と関節トルクとの関係について
説明する。関節トルクは、張力とモーメントアームの積
によって決まる。前述したようにモーメントアームは、
関節の回転軸と筋肉の作用線との距離である。関節を曲
げ伸ばしすると、筋肉は皮膚や骨によって曲げられるた
め、この距離は一定でなく、トルクと張力関係が関節角
度に非線形に依存する。すなわち、関節トルクは、伸筋
と屈筋の発生するトルクの差によって生じ、張力とモー
メントアームに依存して決定される。これらの関係を第
(3)式に示すように定式化する。ここで、Τj
θj ,αij(θ)は、それぞれj番目の関節トルク、関
節角度、i番目の筋肉のモーメントアーム(単関節筋な
ら関与しない関節については0)、Τi はi番目の筋肉
の筋張力、Τ i ′はi番目の筋肉の擬似張力を表わす。
右上つき添字tは転置を意味する。ただし、関節はn個
(1≦j≦n)、筋肉はk個(1≦i≦k)であるとす
る。
Next, regarding the relationship between tension and joint torque
explain. Joint torque is the product of tension and moment arm.
Depends on As mentioned above, the moment arm is
It is the distance between the axis of rotation of the joint and the line of action of the muscle. Bend joint
When stretched, muscles can be bent by the skin and bones.
Therefore, this distance is not constant, and the relationship between torque and tension is
Depends on the degree non-linearly. That is, the joint torque is the extensor muscle
Caused by the difference between the torque generated by the
It is determined depending on the ment arm. These relationships
It is formulated as shown in equation (3). Where Τj
θj, Αij(Θ) is the j-th joint torque and function
Node angle, moment arm of i-th muscle
0) for joints not involved iniIs the i-th muscle
Muscle tension, Τ i′ Represents the pseudo tension of the i-th muscle.
The subscript t attached to the upper right means transposition. However, n joints
(1 ≦ j ≦ n) and k muscles (1 ≦ i ≦ k)
It

【0044】[0044]

【数2】 [Equation 2]

【0045】図4は、関節トルクと釣合い位置の関係を
説明するための図である。以下、釣合いの位置は、運動
指令が変化しても主動筋、拮抗筋の発生するトルクの差
が同じであれば変わらないことについて、図4を用いて
1自由度でそれぞれ1つの伸筋と屈筋について説明す
る。
FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the joint torque and the balance position. Hereinafter, the balance position does not change even if the movement command changes if the difference in torque generated by the driving muscle and the antagonist muscle is the same. Explain the flexor muscles.

【0046】図4において、横軸は関節角度を示し、縦
軸は筋肉トルクを示す。τf とτeのそれぞれは、伸
筋、屈筋のトルクを示し、uf とue のそれぞれは、屈
筋と伸筋への運動指令を示す。屈筋では、関節角度が大
きくなると筋肉の長さが減少するため、右上がりのカー
ブになっている。逆に、伸筋では、関節角度が大きくな
ると筋肉の長さが増加するため、右上がりのカーブにな
っている。また、運動指令がue からue ′へ変化する
ように増加すると、これらの傾きは大きくなり、より大
きな力が発生される。
In FIG. 4, the horizontal axis represents the joint angle and the vertical axis represents the muscle torque. Each of τ f and τ e indicates a torque of the extensor muscle and the flexor muscle, and each of u f and u e indicates a motion command to the flexor muscle and the extensor muscle. In the flexor, the length of the muscle decreases as the joint angle increases, so the curve is rising to the right. On the other hand, in the extensor muscle, as the joint angle increases, the length of the muscle increases, so that the curve is rising to the right. Further, when the motion command increases so as to change from u e to u e ′, these inclinations become large and a larger force is generated.

【0047】すなわち、実線のτf および実線のτe
示されるようにある関節角度θで腕が釣合っているとす
る。このとき、重力を補償するだけの関節トルク−τg
が実線の矢印で示されるように生じている。この状態か
ら、運動指令を変化させる(ue →ue ′,uf
f ′)ことにより屈筋および伸筋のそれぞれの張力が
点線で示されるように増加させたとする。釣合いの位置
である関節角度θは変わらないので、重力を補償する関
節トルク−τg の大きさは、点線の矢印で示されるよう
に実線の矢印と変わらない。このように、トルクの差が
等しい屈筋と伸筋の張力の組合わせならば、同じ釣合い
の位置になる。そして、トルクの差が等しくても、それ
ぞれの筋肉の発生する張力が大きければ、それだけステ
ィフネスが高くなっている。
That is, it is assumed that the arms are balanced at a certain joint angle θ as indicated by the solid line τ f and the solid line τ e . At this time, the joint torque for compensating for gravity − τ g
Occurs as indicated by the solid arrow. From this state, the motion command is changed (u e → u e ′, u f
It is assumed that the respective tensions of the flexor and extensor muscles are increased by u f ′) as indicated by the dotted line. Since the joint angle θ, which is the balance position, does not change, the magnitude of the joint torque −τ g that compensates for gravity does not change from the solid arrow as indicated by the dotted arrow. In this way, if the tensions of the flexor and extensor muscles have the same torque difference, the positions are in the same balance. Even if the torque difference is the same, if the tension generated by each muscle is large, the stiffness is high.

【0048】図5は、人腕の肩から肘までの自由度を説
明するための図である。肩から肘までの自由度は4であ
るため、図5に示すリンク18,19,20,21が設
けられている。リンク18,19,20,21は、1自
由度の回転関節を表わし、各関節の側に関節の回転軸を
白い矢印で示している。また、回転角が0度の始点を黒
い矢印で示し、この位置から右ねじの方向に正の回転方
向をとる。
FIG. 5 is a diagram for explaining the degree of freedom from the shoulder of the human arm to the elbow. Since the degree of freedom from the shoulder to the elbow is 4, the links 18, 19, 20, 21 shown in FIG. 5 are provided. The links 18, 19, 20, and 21 represent rotary joints having one degree of freedom, and the rotary axes of the joints are indicated by white arrows on the side of each joint. Further, the starting point where the rotation angle is 0 degree is indicated by a black arrow, and the positive rotation direction is taken from this position in the direction of the right-hand screw.

【0049】肩の関節は、多軸性の関節として次のよう
な運動が可能である。第1として、前後軸を中心する上
腕の側方への挙上(外転)と挙上した上腕を体幹に引き
付ける運動(内転)(θ1 )である。第2は、垂直軸を
中心とした上腕を外側に回す運動および内側に回す運動
(θ2 )である。第3は、上腕の前方への挙上(屈曲)
と後方への挙上(伸転)(θ2 )である。第4は、上腕
を軸とした上腕を外側にねじる運動(外旋)および内側
にねじる運動(内旋)(θ3 )である。第2および第3
は、機構的には同じ動作であるので、1つの自由度であ
るとすると、肩の関節は、3自由度になる。これらの3
つの自由度のうち、第1の自由度をリンク18が回転角
θ1 で表わし、第2の自由度をリンク19が回転角θ2
で表わし、第3の自由度をリンク19が回転角θ3 で表
わしている。
The shoulder joint is capable of the following movements as a multiaxial joint. The first is a lateral arm elevation (abduction) about the anterior-posterior axis and an exercise (adduction) (θ 1 ) to attract the elevated arm to the trunk. The second is a motion of turning the upper arm outward and a motion of turning it inward (θ 2 ) about the vertical axis. Third is to raise the upper arm forward (flexion).
And backward (elevation) (θ 2 ). Fourth is a motion of twisting the upper arm outward (outer rotation) and a motion of twisting the upper arm around the upper arm (inner rotation) (θ 3 ). Second and third
Have the same motion mechanically, so that assuming one degree of freedom, the shoulder joint has three degrees of freedom. These three
Of the two degrees of freedom, the link 18 represents the first degree of freedom by the rotation angle θ 1 , and the link 19 represents the second degree of freedom by the rotation angle θ 2.
The link 19 represents the third degree of freedom by the rotation angle θ 3 .

【0050】また、肘関節は1自由度の運動を行なうこ
とができ、それは、肘関節の屈曲と伸転で、肘を曲げた
り伸ばしたりする運動(θ4 )である。この自由度をリ
ンク21が回転角θ4 で表している。
Further, the elbow joint can perform a motion with one degree of freedom, which is a motion (θ 4 ) for bending and extending the elbow by bending and extending the elbow joint. The link 21 represents this degree of freedom by the rotation angle θ 4 .

【0051】次に、肩関節は1つで3自由度持つため、
長さ0の2つのリンクと1自由度の3つの関節で置換え
られる。したがって、上腕をリンク1、前腕をリンク2
とする。このとき、重力によって生じる関節トルクと関
節角度の関係は、第(1)式の右辺を成分ごとに書直す
ことにより、第(4)式のように表される。ここで、第
(4)式におけるτi 、θi のそれぞれは、関節角度の
駆動トルク、関節角を表わし、Mi 、Li 、Si のそれ
ぞれは各リンクの質量、長さ、関節から質量中心までの
長さを表わす。
Next, since one shoulder joint has three degrees of freedom,
It is replaced by two links of zero length and three joints with one degree of freedom. Therefore, link the upper arm 1 and link the forearm 2
And At this time, the relationship between the joint torque and the joint angle caused by gravity is expressed as in Expression (4) by rewriting the right side of Expression (1) for each component. Here, each of τ i and θ i in the equation (4) represents the driving torque and the joint angle of the joint angle, and each of M i , L i , and S i represents the mass, length, and joint of each link. Indicates the length to the center of mass.

【0052】[0052]

【数3】 [Equation 3]

【0053】図6は、図1の非線形身体モデルの一例と
しての神経回路モデルを示した図である。
FIG. 6 is a diagram showing a neural circuit model as an example of the nonlinear body model of FIG.

【0054】図6を参照して、神経回路は、4層のネッ
トワーク22を形成し、第1層25と、第2層27と、
第3層29と、第4層31とを含む。第1層25から第
2層27までで、筋電信号から擬似張力を計算するFI
Rフィルタ(線形変換回路)23が形成され、第2層か
ら第4層31までで非線形変換回路24が形成されてい
る。第1層25、第2層27、第3層29、第4層31
のそれぞれには、ニューロンが設けられている。第1層
25はニューロン37を含み、第2層27はニューロン
39を含み、第3層29はニューロン41を含み、第4
層31はニューロン43a〜43dを含む。
Referring to FIG. 6, the neural circuit forms a four-layer network 22, and includes a first layer 25, a second layer 27, and
It includes a third layer 29 and a fourth layer 31. FI for calculating pseudo tension from myoelectric signals in the first layer 25 to the second layer 27
An R filter (linear conversion circuit) 23 is formed, and a nonlinear conversion circuit 24 is formed from the second layer to the fourth layer 31. First layer 25, second layer 27, third layer 29, fourth layer 31
Each has a neuron. The first layer 25 includes neurons 37, the second layer 27 includes neurons 39, the third layer 29 includes neurons 41, and the fourth layer
Layer 31 includes neurons 43a-43d.

【0055】第1層25のニューロン37のそれぞれの
出力は、過去から現在に至るある時間内の筋電信号EM
Gma(n)…EMGma(n−N+1)を表わし、第
2層27のニューロン29のそれぞれに入力される。第
2層27のニューロン39の個数は、ちょうど神経の数
に対応しており、その出力は擬似張力45を表わす。第
2層27のニューロン39のそれぞれの出力は、第3層
29のニューロン41のそれぞれに入力される。第3層
29の出力は第4層31のニューロン43a,43b,
43c,43dのそれぞれに入力される。第4層31の
ニューロン43aの出力は図5に示すリンク18の回転
角θ1 を表わし、ニューロン43bの出力はリンク19
の回転角θ2 を表わし、ニューロン43cの出力はリン
ク20の回転角θ3 をを表わし、ニューロン43dの出
力はリンク21の回転角θ3 を表わす。
The outputs of the neurons 37 of the first layer 25 are the electromyographic signals EM within a certain time from the past to the present.
Gma (n) ... EMGma (n−N + 1), which is input to each of the neurons 29 of the second layer 27. The number of neurons 39 in the second layer 27 corresponds exactly to the number of nerves, and its output represents the pseudo tension 45. The outputs of the neurons 39 of the second layer 27 are input to the neurons 41 of the third layer 29, respectively. The output of the third layer 29 is the neurons 43a, 43b of the fourth layer 31,
It is input to each of 43c and 43d. The output of the neuron 43a of the fourth layer 31 represents the rotation angle θ 1 of the link 18 shown in FIG.
Represents the rotation angle theta 2, the output of the neuron 43c represents the rotation angle theta 3 links 20, the output of the neuron 43d represents the rotation angle theta 3 links 21.

【0056】第2層27から第4層31によって形成さ
れる非線形変換回路24は、擬似張力45が筋肉の非線
形な性質を含んでいないため、筋肉骨格系の非線形な性
質および釣合いの非線形方程式である第(1)を解く問
題を所定の学習則で学習すればよい。それによって、第
2層27のニューロン39と第3層29のニューロンと
を結ぶシナプス結合33および第3層29のニューロン
41と第4層31のニューロン43a,43b,43
c,43dとを結ぶシナプス結合35の結合荷重(1つ
の実数)が決定される。すなわち、この結合荷重の設定
には、与えられた非線形変換に対してさまざまな神経回
路モデルの学習アルゴリズムが用いられればよい。好ま
しくは、この学習アルゴリズムとして、推定される関節
角θ1 ,θ 2 ,θ3 ,θ4 の誤差を逆伝播する誤差逆伝
播学習アルゴリズムが用いられればよい。
Formed by the second layer 27 to the fourth layer 31.
In the non-linear conversion circuit 24 shown in FIG.
The non-linear nature of the musculoskeletal system, as it does not include any geometric properties
The question to solve the first (1) which is a nonlinear equation of quality and balance
The subject may be learned according to a predetermined learning rule. Thereby
Neurons in the second layer 27 and neurons in the third layer 29
Of the synaptic connection 33 and the third layer 29 connecting the two
41 and neurons 43a, 43b, 43 of the fourth layer 31
The connection load of the synaptic connection 35 connecting c and 43d (1
Real number) is determined. That is, setting of this coupling load
Includes various neural circuits for a given nonlinear transformation.
A learning algorithm of the road model may be used. Preferred
More specifically, this learning algorithm uses estimated joints.
Angle θ1, Θ 2, Θ3, ΘFourError back propagation
A seeding learning algorithm may be used.

【0057】なお、第3層29のニューロン41のそれ
ぞれは、シグモイド関数による非線形関数を有してお
り、この非線形関数の定義によっては、第3層29はさ
らに複数層に分離されるので、非線形変換回路24は第
2層27から第4層31までで形成される3つの層に限
定されるものでない。
Each of the neurons 41 of the third layer 29 has a non-linear function based on a sigmoid function, and the third layer 29 is further divided into a plurality of layers depending on the definition of this non-linear function. The conversion circuit 24 is not limited to the three layers formed by the second layer 27 to the fourth layer 31.

【0058】次に、筋電信号を計測した筋肉について説
明する。計測した筋電信号は、以下の12個の筋肉から
表面筋電信号として測定された。肩関節の伸筋、屈筋、
外転筋、内転筋、外旋筋、内旋筋として三角筋前部(D
LC)、三角筋上部(DLA)、三角筋後部(DL
S)、大胸筋(PMJ)、大円筋(TEM)、広背筋
(LDO)、そして、肩、肘の2関節筋として上腕二頭
筋長頭(BIL)、上腕三頭筋長頭(TRL)、さらに
肘関節伸筋、屈筋として上腕筋(BRC)、上腕三頭筋
内側頭(TRM)、上腕三頭筋外側頭(TRA)、円回
内筋(PRT)である。
Next, the muscle for which the myoelectric signal is measured will be described. The measured myoelectric signals were measured as surface myoelectric signals from the following 12 muscles. Shoulder extensor, flexor,
Anterior deltoid as the abductor, adductor, external rotator, and internal rotator muscles (D
LC), upper deltoid muscle (DLA), posterior deltoid muscle (DL)
S), pectoralis major muscle (PMJ), pectoralis major muscle (TEM), latissimus dorsi (LDO), and biceps long head (BIL) and triceps long head as two joint muscles of the shoulder and elbow ( TRL), and also the extensor of the elbow joint, the brachial muscle (BRC) as flexor, the medial triceps head (TRM), the triceps lateral head (TRA), and the pronation of the pronator (PRT).

【0059】筋電信号は、図1に示す表面電極7とし
て、一対の銀塩化銀表面電極を用いた、表面筋電位を双
極誘導し、差動増幅した筋電信号2kHz、12bit
でサンプリングした。電極の直径は10mmで、筋線維
に沿って電極間の距離15mmであった。この信号を全
波整流した後で、10点ごとの平均をとり、(EMGa
ve)、さらに第(5)式に示すように5点ごとの平均
をとって平滑化した。この信号を平均筋電信号(EMG
ma)と呼ぶ。したがって、200Hzサンプリングし
たことになる。第(5)式のEMGmaを第(2)式の
EMGとして用いれば、擬似張力Τ′が算出される。
The myoelectric signals were obtained by using a pair of silver-silver chloride surface electrodes as the surface electrodes 7 shown in FIG.
Sampled at. The electrodes had a diameter of 10 mm with a distance of 15 mm between the electrodes along the muscle fibers. After full-wave rectification of this signal, the average of every 10 points is calculated, and (EMGa
ve), and as shown in the equation (5), the average of every 5 points was taken and smoothed. This signal is converted to the average myoelectric signal (EMG
ma). Therefore, 200 Hz sampling is performed. If the EMGma of the equation (5) is used as the EMG of the equation (2), the pseudo tension T'is calculated.

【0060】[0060]

【数4】 [Equation 4]

【0061】次に、このように算出された擬似張力から
関節角度を推定した結果について説明する。すなわち、
図6に示す神経回路による関節角度の推定の結果につい
て説明する。
Next, the result of estimating the joint angle from the thus calculated pseudo tension will be described. That is,
The result of estimation of the joint angle by the neural circuit shown in FIG. 6 will be described.

【0062】図7は、図6に示す神経回路で推定された
関節角度θ1 ,θ2 ,θ3 ,θ4 と実際に測定されたオ
ペレータの関節角度の平均値との関係を示すグラフであ
り、特に、図7(a)は、関節角度θ1 に対するグラフ
であり、図7(b)は、関節角度θ2 に対するグラフで
あり、図7(c)は、関節角度θ3 に対するグラフであ
り、図7(d)は、関節角度θ4 に対するグラフであ
る。ここで、図7(a)から図7(d)における横軸は
測定された関節角度の平均値を表わして単位はラジアン
で表わし、横軸は推定された関節角度を表わし単位はラ
ジアンで表わす。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the joint angles θ 1 , θ 2 , θ 3 and θ 4 estimated by the neural circuit shown in FIG. 6 and the average value of the actually measured joint angles of the operator. In particular, FIG. 7A is a graph for the joint angle θ 1 , FIG. 7B is a graph for the joint angle θ 2 , and FIG. 7C is a graph for the joint angle θ 3 . Yes, FIG. 7D is a graph for the joint angle θ 4 . Here, the horizontal axis in FIGS. 7A to 7D represents the average value of the measured joint angles in units of radians, and the horizontal axis represents the estimated joint angles in units of radians. .

【0063】被検者に対して天井から吊るした指標を与
え、指標に手先を合わせて静止している状態で、6秒間
筋肉を同時活性化するように指示した。そして前述した
銀塩化銀表面電極を用いて表面筋電信号を検出し、図6
に示す第1層25のニューロン27に対して前述した1
2個の筋肉のEMGmaをそれぞれ0.5秒間入力し
た。そして、第3層39のような中間層にはニューロン
を30個用いた。このニューロン等を用いて非線形変換
回路24は誤差逆伝播法による学習によって学習した。
An index hung from the ceiling was given to the subject, and the subject was instructed to simultaneously activate the muscles for 6 seconds while keeping his / her hand on the index and resting. Then, the surface myoelectric signal is detected by using the silver-silver chloride surface electrode described above, and FIG.
1 for the neuron 27 of the first layer 25 shown in FIG.
The EMGma of the two muscles were entered for 0.5 seconds each. Then, 30 neurons were used for an intermediate layer such as the third layer 39. The non-linear conversion circuit 24 is learned by the back-propagation error method using these neurons.

【0064】その結果、第4層31のニューロン43a
は図7(a)に示すθ1 を推定し、同様にニューロン4
3b,43c,43dのそれぞれは、図7(b)から図
7(d)に示すそれぞれの関節角度を推定した。図7
(a)から図7(d)におえる5.5秒間同時活性化が
行なわれるときのそれぞれの結果は、平均値と標準偏差
として現れている。縦軸に沿ったそれぞれの値の幅は標
準偏差を表わし、標準偏差における中心の値が平均値で
ある。たとえば、図7(a)において、標準偏差47の
中心位置に位置するものが平均値49である。結果とし
ていえることは、推定された関節角度と測定された関節
角度とが一致すれば、直線上に乗っているはずであり、
特に、図7(b)に示す関節角度θ2 はよく一致してい
る。
As a result, the neuron 43a of the fourth layer 31
Estimates θ 1 shown in FIG.
3b, 43c, and 43d estimated the respective joint angles shown in FIGS. 7B to 7D. Figure 7
The respective results when the simultaneous activation is performed for 5.5 seconds in (a) to (d) of FIG. 7 appear as an average value and a standard deviation. The width of each value along the vertical axis represents the standard deviation, and the central value in the standard deviation is the average value. For example, in FIG. 7A, the average value 49 is located at the center position of the standard deviation 47. What can be said as a result is that if the estimated joint angle and the measured joint angle match, they should be on a straight line,
In particular, the joint angle θ 2 shown in FIG. 7B is in good agreement.

【0065】図8は、図7に示したデータに基づく神経
回路によって推定された結果を目標軌道として人腕と同
じダイナミックスを持つ仮想腕を制御した結果を示すグ
ラフである。特に、図8(a)は、関節角θ1 に対応し
たグラフであり、図8(b)は、関節角θ2 に対応した
グラフであり、図8(c)は関節角θ3 に対応したグラ
フであり、図8(d)は、θ4 に対応したグラフであ
る。
FIG. 8 is a graph showing the result of controlling a virtual arm having the same dynamics as a human arm, using the result estimated by the neural circuit based on the data shown in FIG. 7 as a target trajectory. Particularly, FIG. 8A is a graph corresponding to the joint angle θ 1 , FIG. 8B is a graph corresponding to the joint angle θ 2 , and FIG. 8C is corresponding to the joint angle θ 3 . 8D is a graph corresponding to θ 4 .

【0066】図8を参照して、この発明に係る制御装置
では、推定する関節軌道を3次元空間内で規制制御が行
なわれているオペレータの筋電信号と人腕の姿勢から推
定しているので、始点側と終点側ではかなり目標軌道と
実際の軌道とが一致していることがわかる。すなわち、
ロボットを推定した目標軌道で連続的に位置制御する場
合において、ゆっくりした運動で制御するならば、釣合
い位置である平衡状態を連続的に動かしていることと同
等であるので、始点側と終点側のように位置の推定がか
なり精度よく行なわれている。これは、短縮速度−張力
曲線を考慮に入れていないことから起因するものであ
る。したがって、始点側と終点側の間の多少の速度を有
する運動でロボットを制御する場合には、図8に示すよ
うに中間過程で目標軌道と実際軌道とのばらつきが生じ
ている。
Referring to FIG. 8, in the control device according to the present invention, the joint trajectory to be estimated is estimated from the myoelectric signal of the operator and the posture of the human arm whose regulation is controlled in the three-dimensional space. Therefore, it can be seen that the target trajectory and the actual trajectory on the start point side and the end point side substantially match. That is,
In the case of controlling the position of the robot continuously on the estimated target trajectory, if it is controlled by a slow motion, it is equivalent to continuously moving the equilibrium state, which is the balanced position. The position estimation is performed quite accurately as shown in. This is because the shortening speed-tension curve is not taken into consideration. Therefore, when the robot is controlled by a motion having some speed between the start point side and the end point side, the target trajectory and the actual trajectory vary in the intermediate process as shown in FIG.

【0067】しかしながら、推定位置である関節角度が
多少変動したとしても、ロボットのダイナミックスとオ
ペレータのダイナミックスとの違いを考慮することで、
なめらかな軌道を実現することができる。またダイナミ
ックスの違いを考慮することのみならず、図1に示す制
御部17がロボット3に対してフィードバック制御また
はフィードフォワード制御のような制御で制御すれば釣
合いの位置である平衡状態を連続的に変化させた運動で
ない場合でもロボットを制御でき、これらの制御を組合
わせることで、この発明に係るロボット制御装置はロボ
ットをより自然に制御できる。
However, even if the joint angle, which is the estimated position, fluctuates to some extent, by considering the difference between the robot dynamics and the operator dynamics,
A smooth trajectory can be realized. In addition to considering the difference in dynamics, if the control unit 17 shown in FIG. 1 controls the robot 3 by control such as feedback control or feedforward control, the equilibrium state, which is the balance position, can be continuously changed. The robot can be controlled even when the motion is not changed to 1. By combining these controls, the robot controller according to the present invention can control the robot more naturally.

【0068】なお、この実施例では、オペレータの身体
部位として人腕に着目しているが、人腕に限らず、たと
えば脚などの身体部位に関する関節角度が推定されてそ
のロボットを制御してもよい。
In this embodiment, the human arm is focused on as the body part of the operator, but the robot is not limited to the human arm, and the joint angle of the body part such as a leg is estimated to control the robot. Good.

【0069】また、この実施例では、筋電信号を検出す
る検出信号の一例として表面電極を用いているが、他の
検出手段として針電極でもよく、電極に限っては、一対
の銀塩化銀表面電極が好ましいと考えられる。ここで、
考慮されるべきことは、人体に害を与えない検出手段で
あればよいことである。
In this embodiment, the surface electrode is used as an example of the detection signal for detecting the myoelectric signal, but a needle electrode may be used as another detection means, and only a pair of silver and silver chloride may be used as the electrode. Surface electrodes are considered preferred. here,
What should be taken into consideration is that the detection means does not harm the human body.

【0070】さらに、この発明に係るロボット制御装置
で用いられている思想は、ロボットに限ったものでな
く、たとえば義手・義足などに対しても適用されると考
えられる。
Further, the idea used in the robot control device according to the present invention is not limited to the robot, and is considered to be applied to, for example, artificial hands / legs.

【0071】さらに神経回路が行なう学習のための学習
則は、誤差逆伝播学習だけでなく、E−Mアルゴリズ
ム、または連合報酬罰学習などのような最適アルゴリズ
ムが用いられるのであればよい。
Further, the learning rule for the learning performed by the neural circuit is not limited to the error backpropagation learning, and may be the EM algorithm or the optimal algorithm such as the union reward penalty learning.

【0072】さらに、制御部がロボットを制御するため
の制御方法は、フィードバック制御またはフィードフォ
ワード制御に限られるものではない。
Further, the control method for the control unit to control the robot is not limited to the feedback control or the feedforward control.

【0073】[0073]

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、オペレ
ータの身体部位における複数の筋肉の活動に応じた信号
を検出し、その検出信号を各筋肉が発生する張力に対応
する擬似張力を表わす信号に変換し、その信号に基づい
て非線形身体モデルによってオペレータの関節の位置状
態を推定してロボットを制御するので、たとえばロボッ
トを釣合いの取れた平衡状態の連続的な運動で制御する
場合に所望される軌道で制御できる。
As described above, according to the present invention, a signal corresponding to the activity of a plurality of muscles in the body part of the operator is detected, and the detected signal represents the pseudo tension corresponding to the tension generated by each muscle. It is desired to control the robot by continuous motion in balanced equilibrium state, since it is converted into a signal and the position state of the joint of the operator is estimated based on the signal by the non-linear body model to control the robot. It can be controlled by the orbit.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明の一実施例によるロボット制御装置を
示すための概略ブロック図である。
FIG. 1 is a schematic block diagram showing a robot controller according to an embodiment of the present invention.

【図2】この発明の一実施例によるロボット制御装置の
動作を説明するためのフローチャートである。
FIG. 2 is a flow chart for explaining the operation of the robot controller according to the embodiment of the present invention.

【図3】図2のステップ(図面ではSで表わす)5をよ
り細かく示したフローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart showing in more detail a step (denoted by S in the drawing) 5 of FIG.

【図4】関節トルクと釣合い位置との関係を説明するた
めの図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining a relationship between joint torque and a balance position.

【図5】人腕の肩から肘までの自由度を説明するための
図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining a degree of freedom from a shoulder to an elbow of a human arm.

【図6】図1の非線形身体モデルの一例としての神経回
路モデルを示した図である。
FIG. 6 is a diagram showing a neural circuit model as an example of the nonlinear body model of FIG.

【図7】図6に示す神経回路モデルで推定された関節角
度θ1 ,θ2 ,θ3 ,θ4 と実際に測定されたオペレー
タの関節角度との関係を示すグラフである。
7 is a graph showing a relationship between joint angles θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 estimated by the neural circuit model shown in FIG. 6 and actually measured joint angles of an operator.

【図8】図6に示す神経回路モデルで推定された関節角
度を目標軌道として人腕と同じダイナミックスを持つ仮
想腕を制御した結果を示すグラフである。
8 is a graph showing a result of controlling a virtual arm having the same dynamics as a human arm with a joint angle estimated by the neural circuit model shown in FIG. 6 as a target trajectory.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

3 ロボット 5 ロボット制御装置 7 表面電極 11 非線形身体モデル 13 時間フィルタ 15 平衡位置推定部 17 制御部 22 ネットワーク 23 FIRフィルタ(線形変換回路) 24 非線形変換回路 45 擬似張力 3 Robot 5 Robot controller 7 Surface electrode 11 Non-linear body model 13 Time filter 15 Equilibrium position estimation part 17 Control part 22 Network 23 FIR filter (linear conversion circuit) 24 Non-linear conversion circuit 45 Pseudo tension

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 オペレータの身体部位における複数の筋
肉の活動に基づいてロボットを制御するロボット制御装
置であって、 前記複数の筋肉の活動に応じた信号を検出する検出手段
と、 前記検出手段の各検出出力を各筋肉が発生する張力に対
応する擬似張力を表わす信号に変換し、その信号に基づ
いて前記オペレータの身体部位における関節の位置状態
を推定する非線形身体モデルと、 前記非線形身体モデルで推定された前記関節の位置状態
に基づいて前記ロボットを制御する制御手段とを備え
た、ロボット制御装置。
1. A robot control device for controlling a robot based on the activities of a plurality of muscles in an operator's body part, wherein the detection means detects a signal according to the activities of the plurality of muscles, and A non-linear body model that converts each detection output into a signal representing pseudo tension corresponding to the tension generated by each muscle, and estimates the position state of the joint in the body part of the operator based on the signal, and the non-linear body model A robot control device comprising: a control unit that controls the robot based on the estimated position state of the joint.
【請求項2】 前記非線形身体モデルは、前記オペレー
タの身体部位における関節の位置状態を所定の基準から
の回転角度である関節角度で表現して推定することを特
徴とする、請求項1記載のロボット制御装置。
2. The nonlinear body model according to claim 1, wherein a position state of a joint in a body part of the operator is expressed and estimated by a joint angle which is a rotation angle from a predetermined reference. Robot controller.
【請求項3】 前記制御手段は、前記オペレータの身体
部位の運動が釣合いの取れた平衡状態の連続的な変化と
見なせることに応じて、前記非線形身体モデルで推定さ
れた前記関節角度を前記ロボットに目標軌道として与え
て制御することを特徴とする、請求項2記載のロボット
制御装置。
3. The robot controls the joint angle estimated by the nonlinear body model in response to the movement of the body part of the operator being regarded as a continuous change in a balanced equilibrium state. The robot control device according to claim 2, wherein the robot control device is controlled by giving it as a target trajectory.
【請求項4】 前記制御手段は、前記オペレータの身体
部位の運動が釣合いの取れた平衡状態の連続的な変化と
見なせないことに応じて、前記ロボットのダイナミック
スに対応する係数を与えて前記非線形身体モデルで推定
された前記関節角度を目標軌道とし、その目標軌道で前
記ロボットを制御することを特徴とする、請求項2記載
のロボット制御装置。
4. The control means gives a coefficient corresponding to the dynamics of the robot when the movement of the body part of the operator cannot be regarded as a continuous change in a balanced equilibrium state. The robot controller according to claim 2, wherein the joint angle estimated by the nonlinear body model is set as a target trajectory, and the robot is controlled by the target trajectory.
【請求項5】 前記非線形身体モデルは神経回路を含
み、 前記神経回路は、 前記複数の筋肉の活動に応じた信号をフィルタリング
し、各筋肉が発生する張力に対応する擬似張力を表わす
信号に変換する前段回路と、 前記前段回路からの信号から前記オペレータの身体部位
における関節の位置状態を推定する複数層からなる後段
回路とを含む、請求項1記載のロボット制御装置。
5. The non-linear body model includes a neural circuit, and the neural circuit filters a signal corresponding to the activities of the plurality of muscles and converts the signal into a signal representing a pseudo tension corresponding to a tension generated by each muscle. The robot control device according to claim 1, further comprising: a pre-stage circuit for performing the pre-stage circuit, and a post-stage circuit including a plurality of layers for estimating a position state of a joint in the body part of the operator from a signal from the pre-stage circuit.
【請求項6】 前記神経回路は、前記複数の筋肉の活動
に応じた信号と前記関節の位置状態との間で成立する非
線形写像のパラメータを決定するために、所定の非線形
最適アルゴリズムを用いて学習することを特徴とする、
請求項5記載のロボット制御装置。
6. The neural circuit uses a predetermined non-linear optimum algorithm to determine a parameter of a non-linear mapping that is established between a signal according to the activities of the plurality of muscles and a position state of the joint. Characterized by learning,
The robot controller according to claim 5.
【請求項7】 前記神経回路は、前記複数の筋肉の活動
に応じた信号と前記関節の位置状態との間で成立する非
線形写像のパラメータを決定するために、所定の学習則
を用いて学習することを特徴とする、請求項5記載のロ
ボット制御装置。
7. The neural circuit learns using a predetermined learning rule in order to determine a parameter of a non-linear mapping that is established between a signal according to the activities of the plurality of muscles and a position state of the joint. The robot controller according to claim 5, wherein:
【請求項8】 前記前段回路は、2つの層から形成され
るフィルタを含む、請求項5記載のロボット制御装置。
8. The robot controller according to claim 5, wherein the pre-stage circuit includes a filter formed of two layers.
【請求項9】 前記後段回路は前記オペレータの腕の関
節の位置状態を推定し、 前記腕の関節の位置状態は、前記オペレータの腕の釣合
いの取れた平衡状態を含み、かつ所定の基準からの回転
角度である関節角度で表されることを特徴とする、請求
項5記載のロボット制御装置。
9. The post-stage circuit estimates a position state of a joint of the operator's arm, and the position state of the joint of the arm includes a balanced state of balance of the operator's arm, and from a predetermined reference. The robot control device according to claim 5, wherein the robot control device is represented by a joint angle that is a rotation angle of.
【請求項10】 前記後段回路は前記オペレータの腕の
関節の位置状態を推定し、 前記腕の関節の位置状態は、重力の影響も考慮された状
態を含み、かつ所定の基準からの回転角度である関節角
度で表されることを特徴とする、請求項5記載のロボッ
ト制御装置。
10. The post-stage circuit estimates the position state of the joint of the operator's arm, and the position state of the joint of the arm includes a state in which the influence of gravity is also taken into consideration, and a rotation angle from a predetermined reference. The robot control device according to claim 5, wherein the robot control device is represented by a joint angle.
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