JPH0724766A - Robot controller - Google Patents

Robot controller

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JPH0724766A
JPH0724766A JP17168893A JP17168893A JPH0724766A JP H0724766 A JPH0724766 A JP H0724766A JP 17168893 A JP17168893 A JP 17168893A JP 17168893 A JP17168893 A JP 17168893A JP H0724766 A JPH0724766 A JP H0724766A
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Japan
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robot
trajectory
operator
torque
control
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JP17168893A
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Mitsuo Kawahito
光男 川人
Yasuharu Koike
康晴 小池
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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 controller with which an operator can control a robot in the same way as he moves his body. CONSTITUTION:A surface electrode 1 is mounted on the body of an operator, and a myoelectric signal is detected by the surface electrode 1 and passed through a filter 3 after it is amplified by a myoelectric amplifier 2 to output pseudo tension to a joint torque assumption circuit 4. The joint torque assumption circuit 4 outputs torque which is assumed in a torque control circuit 5 when a robot 6 having the same dynamics as the operator is controlled. When a robot 10 having different dynamics from the operator is controlled, joint torque is output to a human arm dynamics 7. After a track is assumed by the human arm dynamics model 7, the converted target track is output to a track control circuit 9 via a dynamics conversion circuit 8 or output to the track control circuit 9 without using the dynamics conversion circuit 8.

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、たとえばロボットのオンラインティーチングと制
御、ロボットの遠隔制御、オペレータの遠隔存在、通信
システムとロボットとの遠隔共同作業において、オペレ
ータが自分の身体を操るのと同様の安易さ巧みさでロボ
ットの運動軌道計画、運動軌道制御および力制御をオン
ラインで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, for example, in online teaching and control of a robot, remote control of a robot, remote presence of an operator, and remote collaborative work between a communication system and a robot, the operator can control his or her body. The present invention relates to a robot controller capable of performing motion trajectory planning, motion trajectory control, and force control of a robot online with ease and skill similar to manipulation.

【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、複雑な軌道が幾つ
もの小部分に分けられ、その小部分における代表点の位
置を産業用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の止まった夜間や
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 complicated trajectory is divided into a number of small parts, and the positions of representative points in the small parts are stored in an industrial manipulator or the like. Therefore, the operator who performs this work requires a skilled technique, and since the trajectory planning can be performed only at nights and holidays when the production line is stopped, the burden on a specific skilled operator is large. Was becoming.

【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算を行なうには画像
入力のためのコストが非常に嵩むこと、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 it has been actively researched theoretically, it has not been put to practical use due to problems, especially in a situation where a plurality of obstacles having a complicated shape are arranged in a three-dimensional space. The problem is
The cost of image input is very high to perform the trajectory calculation to perform the desired task, and the situation becomes complicated and the time of the trajectory calculation explosively increases.

【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計測する
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、自由度が増せば体積お
よび重量が嵩むことになり、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つけた機械計測装置は、高価になる
だけでなく、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, remote work by a communication system and a robot, etc., as a means for measuring the motion trajectory and force of the operator, a mechanical measurement such as a master arm or a goniometer attached to the operator Devices have been used. However, these mechanical measuring devices increase in volume and weight as the degree of freedom increases, which imposes a heavy burden on the operation of the operator. In addition, 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 the 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腕や手および
義手・義足を制御することが試みられた。
Therefore, in order to solve each of the problems described above, it has been attempted to control the arm and hand of the robot and the artificial hand / prosthesis using the myoelectric signal.

【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の手お
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をパーセ
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.
Many proposals have been made since the announcement of Norbert Winner, as disclosed in JP-A No. 8-177647 and JP-A No. 60-212270. However, even if a suggestion is made,
No specific proposal has been made on how to process the myoelectric signals to obtain signals for controlling the arms, prosthetic hands, and prosthetic legs of the robot. Therefore, Ryoji Suzuki et al. (Medical Electronics and Biotechnology, Vol. 7, No. 1, pp. 47-48,
1969) proposed a technique using a multi-layer perceptron based on learning and identification of multi-channel myoelectric signals by a perceptron and controlling an artificial hand by an estimated motion. There is.

【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
手は、無限の動作パターンを識別することができるわけ
でなく、限られた動作パターンの識別しかできない。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
う誤動作を生じる。次に、ロボットや義手に対して動作
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り、この方法では、た
とえロボットや義手は正確に動作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 motion patterns, but only limited motion patterns. Next, even if the motion pattern is limited, the robot does not correctly identify the motion pattern, and a malfunction occurs due to misrecognition. Next, in order to allow the robot or artificial hand to accurately recognize the motion pattern, it is necessary to calculate the time average of the myoelectric signal pattern for several tens of milliseconds to several seconds and calculate the power spectrum. , Even if the robot and the artificial hand execute the motion pattern accurately, there are only a few motion changes per second,
Robots and artificial hands cannot perform fast and smooth motions.

【0009】それゆえに、この発明は、上記のような問
題を解決し、ロボットに対してオンラインで速く滑らか
でかつオペレータが要求するすべての動作を正確に実行
させるための軌道計画と制御を行なうことができ、さら
に、ロボットの遠隔制御、オペレータの遠隔存在、通信
システムとロボットとによる遠隔共同作業において、オ
ペレータの動作の運動軌道と力を計測する入力手段とし
ても使え、操作性、安全性、利便性、価格がマスタアー
ムなどよりも優れた役割を果たすロボット制御装置を提
供することである。
Therefore, the present invention solves the above problems and provides trajectory planning and control for the robot to perform all the motions required by the operator on-line, quickly and smoothly. In addition, it can be used as an input means to measure the motion trajectory and force of the operator's motion in the remote control of the robot, the remote presence of the operator, and the remote collaborative work by the communication system and the robot. The purpose of the present invention is to provide a robot control device that plays a superior role in price and price compared to a master arm.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】請求項1のロボット制御
装置は、オペレータの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
の各関節トルク、手先の力、身体の加速度軌道、速度軌
道および位置軌道という特徴量を推定する非線形ダイナ
ミクスモデルと、非線形ダイナミクスモデルの出力であ
る推定された特徴量に応じて、ロボットを制御する制御
手段とを備えて構成される。
A robot controller according to a first aspect of the present invention is a robot controller for controlling a robot based on the activities of a plurality of muscles of an operator, and detects a signal according to the activities of a plurality of muscles. Detecting means for converting each detection output of the detecting means into a signal representing a pseudo tension corresponding to the tension generated by each muscle, each joint torque of the operator, the force of the hand, the acceleration trajectory of the body based on the signal, A non-linear dynamics model that estimates feature quantities such as a velocity trajectory and a position trajectory, and control means that controls a robot according to the estimated feature quantity that is the output of the non-linear dynamics model.

【0011】請求項2に係る発明では、請求項1の検出
手段は、筋肉の活動に応じた信号を検出するために、オ
ペレータの身体に装着される表面電極を含む。
In the invention according to claim 2, the detecting means according to claim 1 includes a surface electrode attached to the body of the operator in order to detect a signal according to the activity of the muscle.

【0012】請求項3の発明では、請求項1の制御手段
は、推定された加速度軌道、速度軌道および位置軌道を
目標軌道に変換する変換手段と、フィードフォワード制
御またはフィードバック制御を用いて、オペレータとロ
ボットとの動力学的構造および動特性が同じときには推
定されたトルクによりロボットを制御するトルク制御手
段と、フィードフォワード制御またはフィードバック制
御を用いてオペレータとロボットとの動力学的構造のみ
が同じときには推定された加速度軌道、速度軌道および
位置軌道によりロボットを制御する軌道制御手段とを含
み、オペレータとロボットの動力学的構造が異なるとき
には変換手段によって変換された目標軌道を軌道制御手
段に入力してロボットを制御することを特徴とする。
In the invention of claim 3, the control means of claim 1 uses the conversion means for converting the estimated acceleration trajectory, velocity trajectory and position trajectory into a target trajectory, and feedforward control or feedback control, whereby the operator When the dynamic structure and the dynamic characteristics of the robot and the robot are the same, only the torque control means for controlling the robot by the estimated torque and the dynamic structure of the operator and the robot using the feedforward control or the feedback control are the same. When the operator and the robot have different dynamic structures, the target trajectory converted by the conversion means is input to the trajectory control means, which includes the trajectory control means for controlling the robot by the estimated acceleration trajectory, velocity trajectory, and position trajectory. It is characterized by controlling a robot.

【0013】請求項4の発明では、請求項3の変換手段
は、ロボットを制御するための目標軌道に対応した動作
をオペレータが追従することで学習する第1の神経回路
を含む。
In the invention of claim 4, the converting means of claim 3 includes a first neural circuit for learning by the operator following an operation corresponding to a target trajectory for controlling the robot.

【0014】請求項5の発明では、請求項1の非線形ダ
イナミクスモデルは、第2の神経回路を含み、その第2
の神経回路は、検出手段から入力される複数の筋肉の活
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を出力する前段回
路と、前段回路から信号を受け、擬似張力,位置,速度
からトルク,外界へ及ぼす力および加速度信号を推定す
る複数層からなる後段回路を含む。
According to the invention of claim 5, the nonlinear dynamics model of claim 1 includes a second neural circuit, and
The neural circuit of 1 filters the signal corresponding to the activity of a plurality of muscles input from the detection means, outputs a signal representing a pseudo tension corresponding to the tension generated by each muscle, and outputs a signal from the preceding circuit. It includes a post-stage circuit consisting of multiple layers that estimate the force, acceleration, and external force signals from the receiver, pseudo tension, position, and speed.

【0015】請求項6の発明では、請求項4の第1の神
経回路または請求項5の第2の神経回路は、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。
In the invention of claim 6, the first neural circuit of claim 4 or the second neural circuit of claim 5 learns by using a predetermined learning rule for determining the parameter.

【0016】請求項7の発明では、請求項4の第1の神
経回路または請求項5の第2の神経回路は、パラメータ
を決定するために所定の非線形アルゴリズムを用いて学
習する。
In the invention of claim 7, the first neural circuit of claim 4 or the second neural circuit of claim 5 learns by using a predetermined non-linear algorithm for determining the parameter.

【0017】請求項8の発明では、請求項5の第2の神
経回路は、推定されたトルクを身体の力学を記述する非
線形方程式に代入して数値積分を行なって軌道を推定す
るか、推定された加速度を巡回結合で数値積分して軌道
を推定する。
According to the invention of claim 8, the second neural circuit of claim 5 substitutes the estimated torque into a non-linear equation describing the dynamics of the body and performs numerical integration to estimate the trajectory, or to estimate the trajectory. The trajectory is estimated by numerically integrating the obtained acceleration by cyclic coupling.

【0018】[0018]

【作用】この発明に係るロボット制御装置は、オペレー
タの複数の筋肉の活動に応じた信号を検出手段によって
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た後、非線形ダイナミ
クスモデルによってオペレータの各関節のトルク、手先
の力、身体の加速度軌道、速度軌道および位置軌道とい
う特徴量を推定し、推定された特徴量に応じてロボット
を制御手段によって制御する。
The robot controller according to the present invention detects the signal corresponding to the activities of the plurality of muscles of the operator by the detecting means, and converts the detected signal into the signal representing the pseudo tension corresponding to the tension generated by each muscle. After that, the features of the operator's joint joint torque, hand force, body acceleration trajectory, velocity trajectory, and position trajectory are estimated by the nonlinear dynamics model, and the robot is controlled by the control means according to the estimated feature amount. .

【0019】[0019]

【実施例】図1は、この発明のロボット制御装置の概略
ブロック図である。図1においてオペレータの人腕には
表面電極1が装着され、人腕の筋肉の活動に応じて、表
面電極1は筋電信号を検出する。検出された筋電信号は
筋電信号増幅器2に与えられて増幅され、フィルタ3に
与えられる。フィルタ3は、増幅された筋電信号をフィ
ルタリングし、擬似張力を表わす信号に変換し、関節ト
ルク推定回路4に与える。関節トルク推定回路4は関節
トルクを推定し、オペレータの人腕に対して動力学的構
造が同じロボット6を制御するためのトルク制御回路5
に関節トルクを表わす信号を出力する。トルク制御回路
5は、ロボット6に目標トルクを表わす信号を出力する
ことによって制御する。
1 is a schematic block diagram of a robot controller according to the present invention. In FIG. 1, the surface electrode 1 is attached to the human arm of the operator, and the surface electrode 1 detects myoelectric signals according to the activity of the muscles of the human arm. The detected myoelectric signal is given to the myoelectric signal amplifier 2, amplified, and given to the filter 3. The filter 3 filters the amplified myoelectric signal, converts it into a signal representing pseudo tension, and supplies it to the joint torque estimation circuit 4. The joint torque estimation circuit 4 estimates the joint torque and controls the robot 6 having the same dynamic structure with respect to the human arm of the operator.
A signal representing the joint torque is output to. The torque control circuit 5 controls the robot 6 by outputting a signal representing the target torque.

【0020】一方、関節トルク推定回路4は、オペレー
タの人腕に対して動力学的構造が異なるロボット10を
制御するために、人腕ダイナミクスモデル7に関節トル
クを表わす信号を出力する。人腕ダイナミクスモデル7
は、入力された関節トルクを表わす信号から軌道を推定
し、ロボット10がオペレータの人腕と幾何学的構造が
同じ場合には、推定した軌道を目標軌道としてその目標
軌道を表わす信号を軌道制御回路9に出力し、ロボット
10がオペレータの人腕と幾何学的構造が異なる場合に
は、推定された軌道を表わす信号を動力学変換回路8に
出力する。動力学変換回路8は、入力された推定軌道を
目標軌道に変換し、目標軌道を表わす信号を軌道制御回
路9に出力する。軌道制御回路9はロボット10の幾何
学的構造に応じて制御信号を出力してロボット10を制
御する。
On the other hand, the joint torque estimating circuit 4 outputs a signal representing the joint torque to the human arm dynamics model 7 in order to control the robot 10 having a different dynamic structure with respect to the human arm of the operator. Human arm dynamics model 7
Estimates the trajectory from the input signal representing the joint torque, and when the robot 10 has the same geometric structure as the human arm of the operator, the estimated trajectory is used as the target trajectory and the signal representing the target trajectory is controlled. When the robot 10 has a geometrical structure different from that of the human arm of the operator, the robot 9 outputs a signal representing the estimated trajectory to the dynamics conversion circuit 8. The dynamics conversion circuit 8 converts the input estimated trajectory into a target trajectory and outputs a signal representing the target trajectory to the trajectory control circuit 9. The trajectory control circuit 9 outputs a control signal according to the geometrical structure of the robot 10 to control the robot 10.

【0021】図2は、この発明の一実施例のロボット制
御装置の動作を説明するためのフローチャートであり、
以下図2を参照して図1で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 the embodiment of the present invention.
The operation of the robot controller shown in FIG. 1 will be described below with reference to FIG.

【0022】表面電極1を操作者(オペレータ)の身体
に装着し、操作者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器2に与えられて、増幅
される。この増幅された筋電信号はフィルタ3に与えら
れ、擬似張力を表わす信号が関節トルク推定回路4に与
えられる。関節トルク推定回路4はその擬似張力に基づ
いて、関節トルクを推定する。図3に示すようなフィル
タ3と関節トルク推定回路4とを接続した4層パーセプ
トロン神経回路を用いて、フィルタ3と関節トルク推定
回路4について詳細に説明する。
When the surface electrode 1 is attached to the body of an operator and the operator moves the body or generates a force, the myoelectric signal is given to the myoelectric signal amplifier 2 and amplified. This amplified myoelectric signal is given to the filter 3, and a signal representing the pseudo tension is given to the joint torque estimating circuit 4. The joint torque estimation circuit 4 estimates the joint torque based on the pseudo tension. The filter 3 and the joint torque estimation circuit 4 will be described in detail using a four-layer perceptron neural circuit in which the filter 3 and the joint torque estimation circuit 4 as shown in FIG. 3 are connected.

【0023】4層パーセプトロン神経回路は、第1層1
1、第2層12、第3層13および第4層14とを含
む。第1層11のニューロン15の出力は、過去から現
在に至る筋電信号EMGma(n)…EMGma(n−
N+1)を表わし、第2層12のニューロン16のそれ
ぞれに入力される。第1層11から第2層12までの変
換によって上述のフィルタ3を実現しており、第2層1
2のニューロン16の出力は擬似張力を表わす。第2層
12は、ニューロン16の他に出力が肩の関節角度θ
s1、肘の関節角度θe1、肩の関節角速度θs2および肘の
関節角速度θe2を表わすニューロン17,18,19お
よび20が設けられており、第2層12のニューロン1
6,17,18,19,20の出力は、第3層13のニ
ューロン21のそれぞれに入力される。第3層13のニ
ューロン21は、シグモイド関数による非線形活動関数
を有しており、その出力は第4層14のニューロン22
に入力される。第2層12から第4層14までの非線形
変換によって上述の関節トルク推定回路4を実現してお
り、第4層14のニューロン22の出力は、擬似張力、
関節角度および関節角速度から推定された関節トルクを
表わす。
The four-layer perceptron neural circuit includes the first layer 1
1, a second layer 12, a third layer 13 and a fourth layer 14. The output of the neuron 15 of the first layer 11 is the myoelectric signal EMGma (n) ... EMGma (n−) from the past to the present.
N + 1) and is input to each of the neurons 16 of the second layer 12. The filter 3 described above is realized by the conversion from the first layer 11 to the second layer 12, and the second layer 1
The output of the neuron 16 of 2 represents the pseudo tension. In the second layer 12, in addition to the neuron 16, the output is the shoulder joint angle θ.
neuron 17, 18, 19 and 20 representing s 1 , elbow joint angle θe 1 , shoulder joint angular velocity θs 2 and elbow joint angular velocity θe 2 are provided, and neuron 1 of the second layer 12 is provided.
The outputs of 6, 17, 18, 19, and 20 are input to the neurons 21 of the third layer 13, respectively. The neuron 21 of the third layer 13 has a non-linear activity function by the sigmoid function, and its output is the neuron 22 of the fourth layer 14.
Entered in. The joint torque estimating circuit 4 is realized by the non-linear conversion from the second layer 12 to the fourth layer 14, and the output of the neuron 22 of the fourth layer 14 is the pseudo tension,
The joint torque estimated from the joint angle and the joint angular velocity is shown.

【0024】なお、第2層12から第4層14までの非
線形変換は、筋肉の非線形な長さ張力曲線、短縮速度張
力曲線および各筋肉が各関節に付着するモーメントアー
ムがオペレータの姿勢変化に依存することによって生じ
る非線形効果を含む。
The non-linear conversion from the second layer 12 to the fourth layer 14 is performed by the non-linear length tension curve of the muscle, the shortening speed tension curve and the moment arm where each muscle adheres to each joint to change the posture of the operator. Includes non-linear effects caused by dependence.

【0025】また、図3において、ニューロン間の結合
を表わした各実線に対して1つの実数(結合荷重)が割
り振られており、この結合荷重の設定には与えられた非
線形変換に対して様々な神経回路モデルの学習アルゴリ
ズムを用いることができるが、たとえば一般的な誤差逆
伝播学習アルゴリズムを用いればよい。
Further, in FIG. 3, one real number (coupling weight) is assigned to each solid line representing the coupling between neurons, and the setting of this coupling weight is various for a given non-linear transformation. Although a learning algorithm for a neural network model can be used, for example, a general backpropagation learning algorithm may be used.

【0026】次に以上の4層パーセプトロン神経回路を
用いて図4に示すようなトルクを推定する方法について
具体的に説明する。
Next, a method of estimating the torque as shown in FIG. 4 by using the above four-layer perceptron neural circuit will be specifically described.

【0027】運動中のオペレータから筋電図と肩肘の関
節角度、角速度、角加速度を200Hzのサンプル信号
でサンプリングして同時に計測する。オペレータの腕の
3次元形状をレーザ計測装置で測定し、それに基づいて
オペレータの上腕、前腕の長さ、質量、重心位置、慣性
モーメントを比重1として計算する。これらの物理的パ
ラメータを用いて肩および肘の関節の運動を記述する運
動方程式(ラグランジュ方程式)を書き下す。この方程
式は人腕の順方向ダイナミクスモデルを提供しているた
め、この方程式に計測した関節角度、角速度、角加速度
が代入されることによって、運動中のオペレータの肩と
肘で発生しているトルクの時間経過を200Hzのサン
プリング信号でサンプリングして推定することができ
る。
The electromyogram and the joint angle of the shoulder and elbow, the angular velocity, and the angular acceleration are sampled by a sample signal of 200 Hz from the operator who is exercising and measured simultaneously. The three-dimensional shape of the operator's arm is measured by a laser measuring device, and based on the measurement, the operator's upper arm, forearm length, mass, center of gravity position, and moment of inertia are calculated with a specific gravity of 1. Using these physical parameters, the motion equation (Lagrange equation) that describes the motion of the shoulder and elbow joints is written down. Since this equation provides a forward dynamics model of the human arm, the measured joint angles, angular velocities, and angular accelerations are substituted into this equation to calculate the torque generated at the operator's shoulder and elbow during exercise. Can be estimated by sampling the passage of time with a sampling signal of 200 Hz.

【0028】この場合の4層パーセプトロンの結合荷重
の誤差逆伝播学習において、第4層の出力の教師信号は
推定されたトルクを、第1層の入力の教師信号は計測さ
れた筋電信号を、第2層の入力の教師信号は計測された
関節角度、角速度を用いた。図4は、学習した神経回路
を用いて、訓練に用いていないトルクの時間波形を再構
成した結果を示し、図4(a)は肩のトルクの時間波
形、図4(b)は肘のトルクの時間波形を示す。破線が
実際にオペレータに発生したトルク、実線が神経回路で
推定したトルクを示しており、全テストデータに対して
決定数0.9という高い推定精度が得られた。
In the error backpropagation learning of the coupling weight of the four-layer perceptron in this case, the teacher signal at the output of the fourth layer is the estimated torque, and the teacher signal at the input of the first layer is the measured myoelectric signal. The measured joint angle and angular velocity were used as the input teacher signal of the second layer. FIG. 4 shows the results of reconstructing the time waveform of the torque not used for training using the learned neural circuit. FIG. 4 (a) is the time waveform of the shoulder torque, and FIG. 4 (b) is the elbow. The time waveform of torque is shown. The broken line shows the torque actually generated in the operator and the solid line shows the torque estimated by the neural circuit, and a high estimation accuracy of 0.9 was determined for all test data.

【0029】次に図2に戻り、フローチャートの説明を
続ける。ロボットのダイナミクスは操作者の身体と同じ
か否かが判断され、同じ場合には関節トルク推定回路4
の出力である推定された関節トルクは、トルク制御回路
5に入力される。トルク制御回路5はロボットの各関節
のモータごとに設けられており、さらにロボット6に対
して、トルクフィードバックを行なうことにより、オペ
レータは意図した運動をロボットに高時間分解能で行な
わすことができる。なお、この制御は自由運動のみなら
ず束縛運動中の制御においても同様であり、ロボット6
を制御するためにフィードフォワードを用いてもよい。
Next, returning to FIG. 2, the description of the flowchart will be continued. It is determined whether the robot dynamics are the same as the operator's body, and if they are the same, the joint torque estimation circuit 4
The estimated joint torque, which is the output of, is input to the torque control circuit 5. The torque control circuit 5 is provided for each motor of each joint of the robot. Further, by performing torque feedback to the robot 6, the operator can perform an intended motion on the robot with high time resolution. Note that this control is the same not only in free movement but also in control during restraint movement.
Feedforward may be used to control the.

【0030】一方、ロボットのダイナミクスが操作者の
ダイナミクスと異なる場合には、関節トルク推定回路4
は人腕ダイナミクスモデル7に推定された関節トルクを
出力する。人腕ダイナミクスモデル7は、図5に示すよ
うに推定されたトルクを身体の力学を記述する非線形方
程式に代入して数値積分を行って肩肘の関節角加速度の
軌道を推定する。なお、図5において、特に図5(a)
および(c)は肩および肘の推定されたトルクの結果を
示した図であり、図5(b)および(d)は肩および肘
の推定された関節角速度の結果を示した図である。また
さらに、人腕ダイナミクスモデル7は、推定された関節
角加速度の軌道を巡回結合で数値積分して肩肘の関節角
速度および角度の軌道も推定する。
On the other hand, when the robot dynamics are different from the operator dynamics, the joint torque estimating circuit 4
Outputs the estimated joint torque to the human arm dynamics model 7. The human arm dynamics model 7 estimates the trajectory of the joint angular acceleration of the shoulder and elbow by substituting the estimated torque as shown in FIG. 5 into a nonlinear equation that describes the dynamics of the body and performing numerical integration. In addition, in FIG. 5, especially in FIG.
FIGS. 5 (c) and 5 (c) are diagrams showing the results of estimated torque of the shoulder and elbow, and FIGS. 5 (b) and 5 (d) are diagrams showing the results of estimated joint angular velocity of the shoulder and elbow. Further, the human arm dynamics model 7 also estimates the trajectory of the joint angular velocity and angle of the shoulder and elbow by numerically integrating the trajectory of the estimated joint angular acceleration by cyclic coupling.

【0031】求められた軌道を用いてロボット10を制
御するが、ロボット10は、操作者の身体ダイナミクス
が異なるだけか、それともさらに幾何学的構造が同じか
否かが問題とされる。ロボット10の幾何学的構造が操
作者の身体と同じ場合には、人腕ダイナミクスモデル7
の出力は、推定された軌道をそのまま目標軌道として軌
道制御回路9に入力される。軌道制御回路9は、図1に
示すようにフィードバックを用いてロボット10を制御
してもよいが、目標軌道が加速度頂まで計算されている
ので計算トルク法とフィードバック法を組合せて制御し
てもよい。
The robot 10 is controlled by using the obtained trajectory, but it is a problem whether the robot 10 is different only in the body dynamics of the operator or is the geometrical structure the same. When the geometrical structure of the robot 10 is the same as the body of the operator, the human arm dynamics model 7
The output of is input to the trajectory control circuit 9 with the estimated trajectory as it is as a target trajectory. The trajectory control circuit 9 may control the robot 10 by using feedback as shown in FIG. 1, but since the target trajectory is calculated up to the acceleration peak, it may be controlled by combining the calculation torque method and the feedback method. Good.

【0032】一方、ロボットの幾何学的構造が操作者の
身体と異なる場合には、推定軌道を目標軌道としてその
まま使えないため、人腕ダイナミクスモデル7は動力学
変換回路8に推定軌道を入力する。動力学変換回路8
は、ロボット10の手先位置と姿勢により生じる6自由
度のみを制御する場合には、人腕関節角度から人腕手先
の位置と姿勢を計測し、それを所望の並行移動、拡大、
回転してロボット手先位置と姿勢の目標値を決定し、目
標軌道を記述して、ロボットの関節角度の目標軌道に変
換する。このように変換されたロボットの関節角度の目
標軌道を動力学変換回路8が軌道制御回路9に入力し、
軌道制御回路9はロボット10に制御信号を入力して制
御する。
On the other hand, when the geometrical structure of the robot is different from the body of the operator, the estimated trajectory cannot be used as the target trajectory as it is, and therefore the human arm dynamics model 7 inputs the estimated trajectory into the dynamics conversion circuit 8. . Dynamics conversion circuit 8
When controlling only the 6 degrees of freedom generated by the hand position and posture of the robot 10, measures the position and posture of the human arm hand from the human arm joint angle, and translates the position and posture to the desired parallel movement, enlargement,
The robot rotates to determine the target values of the hand position and posture of the robot, describe the target trajectory, and convert it into the target trajectory of the joint angle of the robot. The dynamics conversion circuit 8 inputs the target trajectory of the joint angle of the robot thus converted into the trajectory control circuit 9,
The trajectory control circuit 9 inputs a control signal to the robot 10 to control it.

【0033】ただし、ロボットに動力学的な冗長性がな
い場合には、動力学変換回路8で行なわれる変換は、人
腕の順キネマティクス方程式、人腕手先からロボットの
手先への座標変換、ロボットの逆キネマティクス方程式
に従って数式とアルゴリズムによって厳密に行なえる。
しかし、一般には人腕手先とロボット手先の位置計測と
座標変換のキャリブレーションが必要で時間がかかるた
め、動力学変換回路8においても神経回路モデルを用い
て、キャリブレーションを実時間の学習で行なう。この
方法は、ロボットの作業空間において、ロボットを制御
するために必要な目標軌道をオペレータに掲示し、その
動きをオペレータに追従させることによって、動力学変
換回路8として用いた神経回路は学習することができ
る。さらに動力学変換回路8として用いた神経回路が不
完全なものであっても、ロボットが実際に動作すること
によって実現した軌道と動力学変換回路8として用いた
神経回路で変換された目標軌道との誤差を用いることに
より、動力学変換回路8として用いた神経回路は学習ア
ルゴリズムによって修正される。
However, when the robot has no dynamic redundancy, the transformation performed by the dynamic transformation circuit 8 is the forward kinematic equation of the human arm, the coordinate transformation from the human arm tip to the robot tip, It can be done strictly by mathematical formulas and algorithms according to the inverse kinematics equation of the robot.
However, since it is generally necessary to measure the positions of the human arm and the robot hand and to calibrate the coordinate conversion, it takes time. Therefore, the dynamic conversion circuit 8 also uses the neural circuit model to perform the calibration in real time learning. . In this method, the target trajectory required to control the robot is posted to the operator in the work space of the robot, and the movement of the operator is tracked by the operator so that the neural circuit used as the dynamic conversion circuit 8 can learn. You can Further, even if the neural circuit used as the dynamics conversion circuit 8 is incomplete, the trajectory realized by the actual movement of the robot and the target trajectory converted by the neural circuit used as the dynamics conversion circuit 8 The neural circuit used as the dynamic conversion circuit 8 is modified by the learning algorithm by using the error of.

【0034】[0034]

【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、その信号に基づき非線形ダイナミク
スモデルによってオペレータの各関節トルク、手先の
力、身体の加速度軌道、速度軌道および位置軌道という
特徴量を推定し、推定された特徴量に応じて、ロボット
を制御するようにしたので、オペレータの動力学的構造
または幾何学的構造と異なるロボットであってもオペレ
ータは実時間で自分自身の身体を操るのと同じように自
然に制御することができる。さらにオペレータの動作の
運動軌道や力を計測する手段としても操作性、安全性、
利便性、価格などの点で従来のマスタアームと同等の機
械計測装置に比べて遙かに優れた装置を実現できる。
As described above, according to the present invention, a signal corresponding to the activities of a plurality of muscles of an operator is detected, and the detected signal is converted into a signal representing a pseudo tension corresponding to the tension generated by each muscle. Then, based on the signal, the features such as each joint torque of the operator, the force of the hand, the acceleration trajectory of the body, the velocity trajectory, and the position trajectory are estimated by the nonlinear dynamics model, and the robot is controlled according to the estimated features. As a result, even if the robot has a different dynamic structure or geometrical structure from the operator, the operator can naturally control the robot in the same way as if it manipulates its own body in real time. In addition, operability, safety, and
In terms of convenience and price, a device far superior to the mechanical measuring device equivalent to the conventional master arm can be realized.

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

【図1】この発明の一実施例のロボット制御装置の概略
ブロック図である。
FIG. 1 is a schematic block diagram of a robot controller according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示した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 flowchart for explaining the operation of the robot controller shown in FIG.

【図3】筋電信号と角度、角速度からトルクを推定する
基本的な4層構造パーセプトロンを示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a basic four-layer structure perceptron for estimating torque from myoelectric signals, angles, and angular velocities.

【図4】図3に示した4層構造パーセプトロンによって
推定されたトルクの軌道を示した図である。
4 is a diagram showing a trajectory of torque estimated by the four-layer structure perceptron shown in FIG.

【図5】推定されたトルクの軌道から角加速度軌道を推
定した結果のグラフである。
FIG. 5 is a graph of a result of estimating an angular acceleration trajectory from an estimated torque trajectory.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 表面電極 2 筋電信号増幅器 3 フィルタ 4 関節トルク推定回路 5 トルク制御回路 6,10 ロボット 7 人腕ダイナミクスモデル 8 動力学変換回路 9 軌道制御回路 11 第1層 12 第2層 13 第3層 14 第4層 15,16,17,18,19,20,21,22 ニ
ューロン
1 surface electrode 2 myoelectric signal amplifier 3 filter 4 joint torque estimation circuit 5 torque control circuit 6,10 robot 7 human arm dynamics model 8 dynamics conversion circuit 9 trajectory control circuit 11 first layer 12 second layer 13 third layer 14 4th layer 15,16,17,18,19,20,21,22 neuron

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 B25J 19/02 G05D 3/12 N 9179−3H // G05B 19/42 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI technical display location B25J 19/02 G05D 3/12 N 9179-3H // G05B 19/42

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 オペレータの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各関節トルク、手先の力、身体の
加速度軌道、速度軌道および位置軌道という特徴量を推
定する非線形ダイナミクスモデルと、 前記非線形ダイナミクスモデルの出力である前記推定さ
れた特徴量に応じて、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 of an operator, the detection means detecting a signal according to the activities of the plurality of muscles, and each detection output of the detection means. Is converted into a signal representing a pseudo tension corresponding to the tension generated by each muscle, and based on the signal, the joint torque of the operator, the force of the hand, the acceleration trajectory of the body, the velocity trajectory and the position trajectory are estimated. And a control means for controlling the robot according to the estimated feature quantity which is an output of the non-linear dynamics model.
【請求項2】 前記検出手段は、前記筋肉の活動に応じ
た信号を検出するために、前記オペレータの身体に装着
される表面電極を含む、請求項1記載のロボット制御装
置。
2. The robot control apparatus according to claim 1, wherein the detection means includes a surface electrode attached to the body of the operator to detect a signal according to the activity of the muscle.
【請求項3】 前記制御手段は、 前記推定された加速度軌道、速度軌道および位置軌道を
目標軌道に変換する変換手段と、 フィードフォワード制御またはフィードバック制御を用
いて、前記オペレータとロボットとの動力学的構造およ
び動特性が同じときには前記推定されたトルクにより前
記ロボットを制御するトルク制御手段と、 前記フィードフォワード制御またはフィードバック制御
を用いて、前記オペレータとロボットとの動力学的構造
のみが同じときには前記推定された加速度軌道、速度軌
道および位置軌道により前記ロボットを制御する軌道制
御手段とを含み、 前記オペレータとロボットの動力学的構造が異なるとき
には前記変換手段によって変換された目標軌道を前記軌
道制御手段に入力して前記ロボットを制御することを特
徴とする、請求項1記載のロボット制御装置。
3. The dynamics of the operator and the robot, wherein the control means uses a conversion means for converting the estimated acceleration trajectory, velocity trajectory and position trajectory into a target trajectory, and feedforward control or feedback control. When the dynamic structure of the operator and the robot is the same, the torque control means for controlling the robot by the estimated torque and the feedforward control or the feedback control are used when the physical structure and the dynamic characteristic are the same. A trajectory control means for controlling the robot according to the estimated acceleration trajectory, velocity trajectory and position trajectory, and when the dynamic structure of the operator and the robot is different, the target trajectory converted by the conversion means is the trajectory control means. Input to control the robot. To the robot control apparatus according to claim 1, wherein.
【請求項4】 前記変換手段は、前記ロボットを制御す
るための目標軌道に対応した動作を前記オペレータが追
従することで学習する第1の神経回路を含む、請求項3
記載のロボット制御装置。
4. The conversion means includes a first neural circuit that is learned by the operator following a motion corresponding to a target trajectory for controlling the robot.
The described robot controller.
【請求項5】 前記非線形ダイナミクスモデルは、第2
の神経回路を含み、 前記第2の神経回路は、 前記検出手段から入力される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を出力する前段回路と、 前記前段回路から信号を受け、擬似張力,位置,速度か
らトルク,外界へ及ぼす力および加速度信号を推定する
複数層からなる後段回路を含む、請求項1記載のロボッ
ト制御装置。
5. The non-linear dynamics model comprises a second
The second neural circuit filters the signal corresponding to the activities of the plurality of muscles, which is input from the detection means, and outputs a signal representing pseudo tension corresponding to the tension generated by each muscle. 2. The robot controller according to claim 1, further comprising: a pre-stage circuit that performs the above-mentioned pre-stage circuit, and a post-stage circuit that includes a plurality of layers that receives signals from the pre-stage circuit and estimates pseudo tension, position, speed, torque, force exerted on the outside and acceleration signals.
【請求項6】 前記第1または第2の神経回路は、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4または5記載のロボット制
御装置。
6. The robot controller according to claim 4, wherein the first or second neural circuit learns by using a predetermined learning rule to determine a parameter.
【請求項7】 前記第1または第2の神経回路は、パラ
メータを決定するために所定の非線形アルゴリズムを用
いて学習することを特徴とする、請求項4または5記載
のロボット制御装置。
7. The robot controller according to claim 4, wherein the first or second neural circuit learns by using a predetermined nonlinear algorithm to determine a parameter.
【請求項8】 前記第2の神経回路は、前記推定された
トルクを身体の力学を記述する非線形方程式に代入して
数値積分を行なって軌道を推定するか、前記推定された
加速度を巡回結合で数値積分して軌道を推定することを
特徴とする、請求項5記載のロボット制御装置。
8. The second neural circuit substitutes the estimated torque into a non-linear equation that describes the dynamics of the body and performs numerical integration to estimate a trajectory, or cyclically couples the estimated acceleration. 6. The robot controller according to claim 5, wherein the trajectory is estimated by numerically integrating with.
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