KR101276920B1 - 파워 어시스트 제어 방법, 파워 어시스트 제어 장치 및정복 장치 - Google Patents

파워 어시스트 제어 방법, 파워 어시스트 제어 장치 및정복 장치 Download PDF

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Abstract

인간이 힘을 작용시킬 때의 감각이나 감성에 대응 가능한 파워 어시스트 제어를 실행한다. 대상물에 작용하는 힘을 검지하는 힘 센서(114)에 의해 검지한 어시스트 대상력 X에 기초해서, 보조력 F 또는 속도 F를 출력한다. 이 X와 출력하는 보조력 F 또는 속도 F의 관계에 대해서는, 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 f(X)에 기초해서, F∝f(X)이다. f(X)는, 증가함수이면서 도함수 f'(X)가 감소함수인 비선형 함수로 한다. f(X)로서는, (1/n)차 함수나 대수관계이다. 또한, 어시스트 대상력이, 증가하는 경우의 함수 fup(X)와 감소하는 경우의 함수 fdown(X)를 상이한 함수로 한다.
힘 검지 수단, 어시스트 대상력, 구동 수단, 보조력, 증가 함수

Description

파워 어시스트 제어 방법, 파워 어시스트 제어 장치 및 정복 장치 {POWER ASSIST CONTROL METHOD, POWER ASSIST CONTROLLER AND REPOSITION DEVICE}
본 발명은, 파워 어시스트 제어 방법, 파워 어시스트 제어 장치 및 정복 장치에 관한 것으로, 특히, 대퇴부 골절 등의 환자의 하지를 정복 치료할 때에 이용되는 정복 장치에 적용하기에 매우 적합한 것이다.
일반적으로, 사람이 골절이나 탈구를 한 경우에, 이것을 치료하기 위해서 정복 치료를 한다. 그리고, 정복 치료를 행하는 경우에는, 의사나 정복사 등의 정복 치료를 행하는 사람이, 스스로의 힘으로 환자의 다리 등에 신축, 구부림 혹은 비틂 등 각종의 동작을 행했었다. 그렇지만, 환자의 다리 등에 각종의 동작을 행하기 위해서는, 상당히 큰 힘이 필요하고, 의사나 정복사 등에게 중노동을 강요하게 된다.
그래서, 이러한 문제를 해결하기 위해서, 정복 장치가 이용된다. 이 정복 장치에 대해서는, 힘이 가해진 방향으로 힘을 어시스트하는, 파워 어시스트 제어가 행해진다. 즉, 골절 정복 장치에 있어서의 파워 어시스트 제어는, 인간이 힘을 가한 경우에, 그 힘(파워)을 지원(어시스트)하는 방향으로 모터가 구동된다.
종래 기술에 있어서는, 인간이 가한 힘에 상수를 곱한 힘을 모터에 의해 어시스트하는 방법, 즉, 모터가, 인간이 가한 힘에 비례한 선형의 힘을 출력하는 방식이 채용되어 있다(특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 2004-348699호 공보
특허 문헌 2 : 일본 특허 공개 2003-252600호 공보
특허 문헌 3 : 일본 특허 제3188953호 공보
그런데, 이러한 방식의 경우, 인간의 힘에 대한 감각과, 정복 장치에 있어서 실제로 이동할 때의 어시스트 속도의 사이에 차이가 생겨, 인간이 조작시에 위화감을 느낀다. 이 차이에 의해, 정복 장치를 이용한 정복 수술이 하기 어려워진다.
따라서, 본 발명의 제1 목적은, 인간에 의한 힘을 작용시키는 감각이나 감성에 대응한 파워 어시스트 제어를 실행할 수 있는 파워 어시스트 제어 방법을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 제2 목적은, 인간에 의한 힘을 가하는 감각에 대응한 파워 어시스트 제어를 실행함으로써, 조작성이 향상된 파워 어시스트 제어 장치 및 정복 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제1 발명은,
제어 수단에 의해, 대상물에 작용하는 힘을 계측하는 힘 검지 수단에 의해 계측된 외부로부터 가해진 어시스트 대상력 X에 대해, 대상물에 대해서 힘을 작용시키는 구동 수단에 의해 어시스트 대상력 X에 기초한 보조력 F 또는 속도 F를 출력하도록 제어되는 파워 어시스트 제어 방법이며,
제어 수단이,
어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 f(X)에 기초해서, 구동 수단에 의해, 파워 어시스트 제어에 의한 보조력 F 또는 속도 F를 출력시키고,
함수 f(X)가 증가함수임과 함께, 함수의 도함수 f'(X)가 감소함수인 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 방법이다.
본 발명의 제2 발명은,
대상물에 작용하는 힘을 계측 가능하게 구성된 힘 검지 수단과,
대상물에 대해서 힘을 작용시키는 구동 수단과,
구동 수단을 제어함과 함께 힘 검지 수단과의 사이에서 데이터를 통신 가능하게 구성된 제어 수단을 가지고,
제어 수단이, 힘 검지 수단에 의해 계측된 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 f(X)에 기초해서, 구동 수단에 의해 파워 어시스트 제어에 의한 보조력 F 또는 속도 F를 출력시키고,
함수 f(X)가 증가함수임과 함께, 함수 f(X)의 도함수 f'(X)가 감소함수인 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 장치이다.
본 발명의 제3 발명은,
대상물에 작용하는 힘을 계측 가능하게 구성된 힘 검지 수단과, 대상물에 대해서 힘을 작용시키는 구동 수단과, 구동 수단을 제어함과 함께 힘 검지 수단과의 사이에서 데이터를 통신 가능하게 구성된 제어 수단을 가지고, 제어 수단이, 힘 검지 수단에 의해 검지된 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 f(X)에 기초해서, 구동 수단에 의해, 대상물을 속도 F로 이동 가능 또는 대상물에 보조력 F를 작용 가능하게 구성된 파워 어시스트 제어 기구를 가지고,
어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 f(X)가 증가함수임과 함께, 함수 f(X)의 도함수 f'(X)가 감소함수인 것을 특징으로 하는 정복 장치이다.
이들 제1, 제2 및 제3 발명에 의하면, 외부로부터 가해지는 힘(어시스트 대상력)이 작은 경우에는, 파워 어시스트 제어에 의해 구동되는 보조력 F나 속도 F의 증가율(가속도의 증가율이나 가속도 자체나 속도 자체)을 크게 하고, 어시스트 대상력이 작은 경우에는, 파워 어시스트 제어에 의해 구동되는 보조력 F나 속도(즉 가속도의 증가율이나 가속도 자체나 속도 자체)를 작게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 내지 제3 발명에 있어서, 매우 적합하게는, 소정의 함수 f(X)는, A, B를 양의 상수, C, D를 상수, n을 2이상의 자연수로 해서, 식 1로 나타내어진다.
[식 1]
Figure 112007077783890-pct00001
이러한 구성에 의하면, 응답 성능을 향상시켜, 파워 어시스트 장치의 조작성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 정복 장치에 있어서의 응답 성능을 향상시켜, 정복 장치의 조작성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제4 발명은,
제어 수단에 의해, 대상물에 작용하는 힘을 계측하는 힘 검지 수단에 의해 계측된 외부로부터 가해진 어시스트 대상력 X에 대해, 대상물에 대해서 힘을 작용시키는 구동 수단에 의해 어시스트 대상력 X에 기초해서 보조력 F 또는 속도 F를 출력하도록 제어되는 파워 어시스트 제어 방법이며,
제어 수단이, 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수에 기초해서, 구동 수단에 의해 파워 어시스트 제어에 의한 보조력 F 또는 속도 F를 출력시키고,
어시스트 대상력 X가 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X)와, 어시스트 대상력 X가 감소하는 경우에 있어서의 함수 fdown(X)가, 상이한 함수인 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 방법이다.
본 발명의 제5 발명은,
대상물에 작용하는 힘을 계측 가능하게 구성된 힘 검지 수단과,
대상물에 대해서 힘을 작용시키는 구동 수단과,
구동 수단을 제어함과 함께 힘 검지 수단과의 사이에서 데이터를 통신 가능하게 구성된 제어 수단을 가지고,
제어 수단이, 힘 검지 수단에 의해 계측된 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수에 기초해서, 구동 수단에 의해 파워 어시스트 제어에 의한 보조력 F 또는 속도 F를 출력시키도록 구성되고,
어시스트 대상력 X가 증가하는 경우에 있어서의, 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 fup(X)와, 어시스트 대상력 X가 감소하는 경우에 있어서의, 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 fdown(X)가, 서로 다른 함수인 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 장치이다.
본 발명의 제6 발명은,
대상물에 작용하는 힘을 계측 가능하게 구성된 힘 검지 수단과,
대상물에 대해서 힘을 작용시키는 구동 수단과,
구동 수단을 제어함과 함께 힘 검지 수단과의 사이에서 데이터를 통신 가능하게 구성된 제어 수단을 가지고,
제어 수단이, 힘 검지 수단에 의해 계측된 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수에 기초해서, 구동 수단에 의해 파워 어시스트 제어에 의한 보조력 F 또는 속도 F를 출력시키도록 구성되고,
어시스트 대상력 X가 증가하는 경우에 있어서의, 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 fup(X)와, 어시스트 대상력 X가 감소하는 경우에 있어서의, 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 fdown(X)가, 서로 다른 함수인 파워 어시스트 제어 기구를 가지는 것을 특징으로 하는 정복 장치이다.
이들 제4, 제5 및 제6 발명에 있어서, 전형적으로는, 각각의 어시스트 대상력이 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X) 및 상기 어시스트 대상력이 감소하는 경우에 있어서의 함수 fdown(X)가, 상기 어시스트 대상력의 방향을 따라, 각각 독립해서 설정 가능하게 구성되어 있다. 이것에 의해, 예를 들면 누르는 힘과 당기는 힘에 있어서의 인간의 감도 특성의 차이를, 파워 어시스트 제어에 반영시킬 수 있다.
또한, 이들 제4, 제5 및 제6 발명에 있어서, 전형적으로는, 어시스트 대상력의 증가 및 감소에 따라, 어시스트 대상력 X가 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X)와 어시스트 대상력 X가 감소하는 경우에 있어서의 함수 fdown(X)가 연속적으로 절환된다.
상기 함수 fup(X)가 증가함수임과 함께 상기 함수 fup(X)의 도함수 fup'(X)가 감소함수이며, 또한, 상기 함수 fdown(X)가 증가함수임과 함께 상기 함수 fdown(X)의 도함수 fdown'(X)가 증가함수이다. 이것에 의해, 어시스트 대상력이 증가하는 경우나 대상물이 가속되는 경우와, 어시스트 대상력 X가 감소하는 경우나 대상물이 감속되는 경우에 있어서, 인간 손의 힘의 감도 특성에 보다 가까운 파워 어시스트 제어를 실행할 수 있다.
또한, 골절 정복 장치나 파워 어시스트 제어 장치에 있어서는, 조작자가 대상물에 힘을 가한 경우에, 컨트롤러의 연산 결과에 대해, 출력축 모터 회전 속도가 재빠르게 도달하지 않기 때문에, 응답성이 나빠진다고 하는 문제점이 있었다. 이러한 응답성의 악화는, 정복 수술에 있어서, 다리에 가해질 필요가 있는 힘 이상으로 힘을 가해 버려, 이른바 불필요한 힘을 가해 버리기 십상으로 되어, 조작성의 악화를 초래해 버린다.
그래서, 본 발명에 있어서, 매우 적합하게는, 대상물의 속도 변화 및/또는 가속도 변화에 기초해서, 대상물의 속도역(速度域) 및/또는 가속도역(加速度域)에 있어서의 비례·적분·미분 제어(PID 제어)에 의한 피드백 제어를 실행한다.
또한, 본 발명에 있어서, 힘 검지 수단은, 병진 3축 방향 및 회전 3축 방향으로 작용하는 힘을 검지 가능한 6축 힘 센서이며, 파워 어시스트 제어는, 6축 방향에 따른, 이들 각각의 축 방향을 따라 실행된다.
본 발명의 제1 내지 제3 발명에 의한 파워 어시스트 제어 방법, 파워 어시스트 제어 장치 및 정복 장치에 의하면, 인간이 대상물에 작용시키는 힘의 감각에 가까운 파워 어시스트 제어를 실행할 수 있어, 장치의 조작성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제4 내지 제6 발명에 의한 파워 어시스트 제어 방법 및 파워 어시스트 제어 장치 및 정복 장치에 의하면, 인간이 대상물에 미치는 힘의 가감이나, 밀기나 당김에 따라, 적절한 파워 어시스트 제어를 실행할 수 있어, 장치의 조작성능을 향상시킬 수 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 정복 장치에 있어서의 정복부를 도시하는 사시도이다.
도2는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 정복 장치에 있어서의 정복부에 의해 환자의 하지에 행하게 하는 것이 가능한 동작을 설명하기 위한 도이다.
도3은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 정복 장치의 컨트롤러를 도시하는 약선도이다.
도4는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 파워 어시스트 제어를 실행하는 제어계를 도시하는 제어 블럭도이다.
도5는 본 발명의 제1 실시 형태 및 종래 기술에 의한 파워 어시스트 제어 장치에 있어서의 조작자에 의한 힘의 입력에 대한 변환 조작력을 도시하는 그래프이다.
도6은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 파워 어시스트 제어를 실행하는, 속도역 및 가속도역에서의 PID 제어를 행하는 제어계를 도시하는 제어 블럭도이다.
도7은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 파워 어시스트 제어를 실행하는, 속도역에서의 PID 제어를 행하는 제어계를 도시하는 제어 블럭도이다.
도8은 본 발명의 제2 실시 형태 및 종래 기술에 의한 파워 어시스트 제어 장치에 있어서의 조작자에 의한 힘의 입력에 대한 변환 조작력을 도시하는 그래프이다.
도9는 종래 기술에 의한 파워 어시스트 제어를 실행하는 제어계를 도시하는 제어 블럭도이다.
<부호의 설명>
5 : 정복부
50 : 지지대
52 : 요동 암
52A : 볼트
56 : 지지 플레이트
56B : 스토퍼
58 : 하퇴 지지대
60 : 축선
61, 67, 64 : 가동 테이블
62, 83, 97, 102, 104, 120, 421, 605 : 모터
64 : 가동 테이블
65 : 제3 구동 수단
67 : 가동 테이블
68 : 제2 구동 수단
72 : 자재 이음매
72A, 72B : 이음매 부재
73 : 중계 플레이트
75 : 가이드 부재
76 : 중간 부재
77 : 승강 부재
102, 104 : 중공 모터
110 : 발바닥 받침 부재
110A : 좌부
111 : 밴드
113 : 컨트롤 유닛
114, 601 : 힘 센서
115 : 힘 표시부
117 : 오퍼레이션 박스
118 : 드라이버
121 : 풋 스위치
401 : 로우패스 필터
402 : 비선형화 연산 처리부
403 : 환족 중방향 벡터 생성 처리부
404 : 엔드이펙터 처리 실행 처리부
411, 417 : 적분 제어부
412 : 비례 제어부
413 : 미분 제어부
414, 507 : 상수배 처리
422 : 적분 처리부
423, 606 : 엔코더
425, 416 : 미분 처리부
501 : 중력 자중 캔슬 처리부
502 : 가속 커브 비선형화 처리부
503 : 감속 커브 비선형화 처리부
504, 506 : 회전 연산 처리부
505 : 낭비 시간 요소
602 : 연산 처리
604 : 적분 처리
다음에, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태의 전체 도에 있어서는, 동일 또는 대응하는 부분에는 동일한 부호를 붙인다.
(제1 실시 형태)
우선, 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 정복 장치에 대해서 설명한다. 도1에, 이 제1 실시 형태에 의한 정복부를 도시한다. 또한, 이 제1 실시 형태에 의한 정복 장치는, 이른바 정복 로봇이라고 칭해지는 정복부와, 이 정복부의 제어를 행하는 컨트롤부로 구성된다.
(정복부)
도1에 도시하는 바와 같이, 이 제1 실시 형태에 의한 정복부는, 환자(K)의 하지(K1)에 정복 치료를 실시하는 것이며, 하지(K1)를 정복해야 할 환자(K)의 적어도 하반신을 지지하는 지지대(50)를 구비하고 있다. 또한, 도2에 환자(K)에 대한 정복 장치의 가동 방향인 6축을 도시한다.
도1에 도시하는 바와 같이, 지지대(50)에는, 직선적으로 형성된 요동 암(52)이 거의 수평면 내에 있어서 요동 가능하게 부착되어 있다. 요동 암(52)의 구동, 즉 요동은, 의사 또는 정복사에 의한 수동 조작, 또는 도시를 생략한 암 구동 수단(또한, 구동원은, 도3에 도시하는 「모터(120)」)에 의해 행해진다. 이 암 구동 수단에 의해 요동 암(52)의 요동 동작을 자동적으로 행하게 하는 경우에는, 위치 결정 볼트(52A)를 전자 척(도시하지 않음) 등으로 바꾸고, 요동 암(52)의 위치 결정 및 그 해제도 자동화하는 것이 바람직하다.
요동 암(52)의 자유단부에는, 지지 플레이트(56)가 고착되어 있다. 이 지지 플레이트(56)에는, 요동 암(52)을 임의의 위치에서 정지, 고정하기 위한 스토퍼(56B)가 설치되어 있다. 스토퍼(56B)에 대해서는, 암 구동 수단에 의해 요동 암(52)의 요동 동작을 자동적으로 행하게 하는 경우에는, 요동 암(52)의 고정 및 그 해제를 자동적으로 행할 수 있는 기재로 바꾼다. 요동 암(52)의 바로 윗쪽에, 환자(K)의 하퇴(K2)를 지지하는 하퇴 지지대(58)가 배치되어 있다. 요동 암(52)은, 이 하퇴 지지대(58)를 거의 수평면 내에서 요동시키기 위한 것이다.
또한, 이 제1 실시 형태에 의한 정복부(5)는, 하퇴 지지대(58)를 거의 수평인 축선(60)의 주위에 이동, 즉 회전시키기 위한 제1 가동 테이블(61)과, 이 제1 가동 테이블(61)을 회전 구동하는 제1 구동 수단으로서의 모터(62)를 구비하고 있다.
또한, 정복부(5)는, 하퇴 지지대(58)를 거의 수직 방향으로 이동시키기 위한 제3 가동 테이블(64)과, 이 제3 가동 테이블(64)을 구동하는 제3 구동 수단(65)과, 하퇴 지지대(58)를 거의 수평 방향으로 이동시키기 위한 제2 가동 테이블(67)과, 이 제2 가동 테이블(67)을 구동하는 제2 구동 수단(68)을 가지고 있다.
상술한 요동 암(52), 제1 가동 테이블(61), 제2 가동 테이블(67), 제3 가동 테이블(64) 및 하퇴 지지대(58)는, 단계적으로 지지대(50)에 부착되어 있다. 이 제1 실시 형태에 있어서는, 요동 암(52), 제3 가동 테이블(64), 제2 가동 테이블(67), 제1 가동 테이블(61) 및 하퇴 지지대(58)의 순서로 단계적으로 부착되고, 그 최종단인 제1 가동 테이블(61)에 하퇴 지지대(58)가 부착되어 있다. 또한, 요동 암(52) 및 각 가동 테이블(61, 67, 64)의 부착 순서는, 적절히 변경 가능하다.
상술한 요동 암(52)은, 도1 및 도2에 도시하는 환자(K)의 하지(K1)에 좌우(화살표 X방향) 이동 동작, 즉 요동 동작을 행하게 하기 위해서, 또한, 하퇴 지지대(58)를 환자(K)의 왼발, 오른발 중 어느 한 쪽에 대응시켜 위치시키기 위해서 이용된다.
또한, 제1 가동 테이블(61)은, 환자(K)의 하지(K1)에 비틂(도2 중 화살표 R방향) 동작을 행하게 하기 위해서 이용된다. 또한, 제2 가동 테이블(67)은, 하지(K1)에 전후(화살표 Y방향)에의 이동 동작, 즉 신축 동작을 행하게 하기 위해서 이용된다. 또한, 제3 가동 테이블(64)은, 하지(K1)에 상하(화살표 Z방향) 이동 동작을 행하게 하기 위해서 이용된다.
다음에, 전술한 각각의 구성 요소에 대해서 설명한다. 우선, 하퇴 지지대(58)를 거의 수평인 축선(60)의 주위에 이동시키는, 즉 환자의 하지(K1)에 비틂(화살표 R방향) 동작을 행하게 하기 위한 제1 가동 테이블(61) 및 모터(62)(제1 구동 수단)에 대해서 설명한다.
도1에 도시하는 바와 같이, 제1 가동 테이블(61)은 원반형으로 형성되어, 모터(62)의 출력축(후술)에 부착되어 있다. 하퇴 지지대(58)는, 이 제1 가동 테이블(61)에 대해서 자재 이음매(72) 및 중계 플레이트(73)를 순차 개재시켜 연결되어 있다. 하퇴 지지대(58)와 제1 가동 테이블(61)의 사이에 개장된 자재 이음매(72)는, 거의 수평인 축선의 주위로 회전 가능하게 구성되어 있음과 함께, 거의 수직인 축선의 주위로 회전 가능하게 구성되어 있다. 또한, 중계 플레이트(73)의 전단부에 원형의 자리가 형성되어, 자재 이음매(72)의 하단이 끼워 붙여져 있다. 중계 플레이트(73)의 후단은, 제1 가동 테이블(61)에 끼워 붙여져 있다.
다음에, 하퇴 지지대(58)를 거의 수직 방향으로 이동시키는, 즉, 환자의 하지(K1)에 상하(화살표 Z방향) 이동 동작을 행하게 하기 위한 제3 가동 테이블(64) 및 제3 구동 수단(65)의 구성에 대해서 설명한다.
도1에 도시하는 바와 같이, 요동 암(52)의 자유단부에 장착된 지지 플레이트(56) 상에는, 가이드 부재(75)가 세워 설치되어 있다. 이 가이드 부재(75)에, 제3 가동 테이블(64)이 상하(화살표 Z방향)에 있어서 이동자재로 부착되어 있다. 구체적으로, 가이드 부재(75)에 중간 부재(76)가 상하 이동 가능하게 부착되어 있고, 이 중간 부재(76)에 대해서 승강 부재(77)가 상하 이동 가능하게 부착되어 있다. 제3 가동 테이블(64)은, 이 승강 부재(77)의 상단부에 탑재되어 있다.
이 제3 구동 수단(65)에 있어서는, 모터(83)가 작동함으로써 중간 부재(76)가 상하 이동한다. 이것에 의해, 제3 가동 테이블(64)이 상하 이동하고, 하퇴 지지대(58)의 이동이 이루어진다. 또한, 제3 가동 테이블(64) 및 하퇴 지지대(58)는, 승강 부재(77)에 대해서 좌우(화살표 X방향)를 따라 요동 가능하다.
다음에, 하퇴 지지대(58)를 거의 수평 방향으로 이동시키는, 즉 환자의 하지(K1)를 전후(화살표 Y방향)로 이동시키는 동작, 즉 신축 동작을 행하게 하기 위한 제2 가동 테이블(67) 및 제2 구동 수단(68)에 대해서 설명한다.
이 제2 구동 수단(68)은, 직선 구동장치로 이루어지고, 이너 블록(도시하지 않음)을 구비하고 있다. 또한, 제2 가동 테이블(67)은, 이 이너 블록의 상면에 볼트로 체결되어 있다. 이와 같이 구성된 제2 구동 수단(68)에 있어서는, 모터(97) 가 작동함으로써, 이너 블록에 체결되어 있는 제2 가동 테이블(67)이 이동한다. 따라서, 하퇴 지지대(58)를 거의 수평 방향을 따라 이동 가능해진다.
또한, 자재 이음매(72)에 설치된, 거의 수평인 축선의 주위에 이동자재, 즉 회전자재로 구성된 이음매 부재(72A)에는, 이음매 부재(72A)를 그 회전 중심축선 주위에 회전시키는 제4 구동 수단으로서의 중공 모터(102)가 내장되어 있다. 또한, 이음매 부재(72A)와 함께 자재 이음매(72)를 구성하는, 거의 수직인 축선의 주위에 이동자재, 즉 회전자재로 구성된 제2 이음매 부재(72B)에는, 이 제2 이음매 부재(72B)를 그 회전 중심축선의 주위에 회전시키는 제5 구동 수단으로서의 중공 모터(104)가 내장되어 있다.
이러한 구성에 있어서, 중공 모터(102)를 작동시킴으로써, 하퇴 지지대(58)를, 화살표 Q(도2 참조)가 가리키는 방향으로 이동시키는 것이 가능해진다. 즉, 환자의 발목(K4)에 대해서 전후로의 구부림 동작을 행하게 할 수 있다. 또한, 다른 중공 모터(104)를 작동시키면, 하퇴 지지대(58)가 화살표 P로 가리키는 방향으로 이동하고, 이것에 의해, 환자의 발목(K4)에 대해서 좌우의 흔듦 동작을 행하게 할 수 있다.
또한, 도1에 도시하는 바와 같이, 하퇴 지지대(58)는, 환자(K)의 다리(K3)와, 하퇴(K2)의 하부측을 실어서 유지 가능한 크기의 테이블상으로 구성되어 있다. 이 하퇴 지지대(58)에는, 환자(K)의 발바닥을 대기 위해서, 하퇴 지지대(58)의 단부에 설치된 발바닥 받침 부재(110), 및 환자(K)의 하퇴(K2)를 고정하는 고정 수단으로서의 밴드(111)가 설치되어 있다. 또한, 이들 발바닥 받침 부재(110), 밴 드(111) 및 하퇴 지지대(58)의 질량은 합계로 약 3㎏정도이다.
또한, 요동 암(52)은, 수동으로 신축 가능하게 구성되어 있다. 또한, 요동 암(52)의 신축은, 수동 방식으로 한정하는 것은 아니고, 자동화도 가능하다. 예를 들면, 볼 나사 기구와, 이 볼이 나사 기구를 작동시키는 모터 등의 구동 기구로 이루어지는 암 신축 수단으로 실현 가능하다.
(컨트롤부)
다음에, 정복부(5)를 제어하는, 이 제1 실시 형태에 의한 컨트롤부에 대해서 설명한다. 도3에, 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 컨트롤부를 도시한다.
도3에 도시하는 바와 같이, 이 제1 실시 형태에 의한 컨트롤부는, 시스템 전체를 컨트롤 하는 컨트롤 유닛(113), 하지(K1)를 여러 가지 움직이게 했을 때에 하지(K1)에 가해지는 힘을 검출 가능하게 구성된 단체의 힘 센서(114), 이 힘 센서(114)에 의해 검출된 힘을 표시하는 힘 표시부(115)와, 운반 이동 가능한 오퍼레이션 박스(117)와 온 오프의 스위치로서의 풋 스위치(121)를 구비하고 있다.
또한, 컨트롤 유닛(113)에는, 드라이버(118)를 개재시켜, 전술한 암 구동 수단이 포함하는 모터(120), 및 제1 내지 제5 구동 수단으로서의, 각각의 모터(62, 97, 83, 102, 104)가 접속되어 있다.
또한, 이 컨트롤 유닛(113)은, CPU(중앙연산처리장치)와 ROM 및 RAM 등의 메모리로 이루어지는 정보 처리부, 및 보조 기억부 등을 가지고 구성되어 있다. 그리고, 이와 같이 구성된 컨트롤 유닛(113)은, 리얼타임 OS를 베이스로 한 어플리케이션이 저장되어 구성되어 있다.
또한, 이 컨트롤 유닛(113)에 있어서의 리얼타임 OS를 베이스로서, 실시간성을 확보하기 위해서, 유저 태스크나 리얼타임태스크 등의 각종 태스크가 조합되어, 예를 들면 1kHz의 제어 루프에 의해 정복부(5)를 제어하는 여러 가지 처리가 행해지고 있다. 또한, 이 컨트롤 유닛(113)에는, 힘 센서(114)에 의한 힘의 계측치가, 데이터로서 공급된다.
다음에, 전술한 구성의 정복부(5)의 작용에 대해서 설명한다. 도1에 도시하는 바와 같이, 환자(K)의 하지(K1)에 정복 치료를 실시하는 경우에는, 환자(K)를 앙와시킨 상태로, 하반신을 지지대(50) 상에 얹어 놓고, 상반신을 적당히 테이블(도시하지 않음) 등으로 지지한다. 그리고, 환자(K)의 하퇴(K2) 및 다리(K3)를 하퇴 지지대(58)에 얹어 놓고, 밴드(111)로 하퇴(K2)를 고정한다.
다음에, 정복 치료해야 할 내용에 따라 오퍼레이션 박스(117)를 적당히 조작하여, 요동 암(52), 제1 내지 제3 가동 테이블(61, 67, 64), 또는 자재 이음매(72)의 이음매 부재(72A, 72B)를 구동한다. 즉, 도2에 도시하는 바와 같이, 하지(K1)를 좌우(화살표 X) 방향으로 작동시키는 경우에는, 요동 암(52)을 X방향으로 요동 시킨다.
하지(K1)에 비틂(화살표 R방향)을 행하게 하는 경우에는, 제1 가동 테이블(61)을 회전시킨다. 하지(K1)를 상하방향(화살표 Z방향)으로 작동시키는 경우에는, 제3 가동 테이블(64)을 상하로 구동한다. 또한, 하지(K1)를 전후방향(화살표 Y방향)으로 신축시키는 경우에는, 제2 가동 테이블(67)을 전후로 구동한다.
또한, 발목(K4)을 좌우로 흔드는(화살표 P방향) 경우에는 자재 이음매(72)의 하측의 제2 이음매 부재(72B)를 동일방향으로 회전 구동한다. 또한, 발목(K4)을 전후로 구부리는(화살표 Q방향) 경우에는, 자재 이음매(72)의 상측의 이음매 부재(72A)를 동일방향으로 회전 구동한다.
그런데, 이상의 설명에 있어서는, 원격 조작 가능한 오퍼레이션 박스(117)를 의사 등이 조작함으로써 각각의 모터(120, 83, 62, 104, 102, 97)가 작동되고, 이것에 의해 요동 암(52) 등이 구동되어 환자(K)의 하지(K1)가 적당한 방향으로 이동 가능하게 구성되어 있었다.
그렇지만, 한편, 의사 등이 스스로의 힘에 의해 하지(K1)를 움직이게 하여, 정복 치료를 실시하는데 최적인 상황으로 하고, 그 상황을 장치에 인식시킬 필요가 있다. 이 경우, 의사 등이 환자(K)의 하지(K1)를 움직이게 하려고 해도, 각각의 모터를 포함하는 구동계에 의한 유지력이 방해로 된다. 그래서, 다음과 같은 구성이 채용되어 있다.
즉, 전술의 힘 센서(114)는, 예를 들면 의사 등의 조작자에 의해 가해지는 힘인, 6축의 각 방향(화살표 X, Y, Z, P, Q 및 R의 각 방향)에 있어서의 각각의 어시스트 대상력을 검지 가능하게 구성되어 있다. 그리고, 이 힘 센서(114)에 의한 계측치는, 수치 데이터로서, 제어 수단으로서의 컨트롤 유닛(113)에 공급된다.
이 힘 센서(114)는, 도1에 도시하는 바와 같이, 자재 이음매(72)가 구비하는 이음매 부재에 형성된 좌부와, 하퇴 지지대(58)의 발바닥 받침 부재(110)의 배면에 형성된 좌부(110A)의 사이에 개재 장착되어 있다.
한편, 도3에 도시하는 오퍼레이션 박스(117)에는, 각각의 모터의 작동에 의 해 하지(K1)를 원하는 상황으로 되도록 움직이게 하려고 하는 경우와, 의사 스스로의 힘에 의해 하지(K1)를 정복 치료에 최적인 상황으로 되도록 움직이게 하려고 하는 경우로, 해당 정복 장치의 제어를 절환하기 위한 스위치가 설치되어 있다. 컨트롤 유닛(113)은, 이 절환에 따라, 제어를 바꿀 수 있다.
(파워 어시스트 동작)
각각의 모터의 작동에 의해 하지(K1)를 원하는 상황으로 되도록 움직이게 하려고 하는 경우에는, 전술한 바와 같이 제어하여, 의사 자신 등의 힘에 의해 하지(K1)를 정복 치료에 최적인 상황으로 되도록 움직이게 하도록 절환된 경우에는, 다음과 같이 제어된다.
즉, 의사 등이 손 등을 사용해서 하지(K1)를 임의의 방향으로 움직이게 하려고 하면, 힘 센서(114)에, 그 방향의 힘이 작용하여, 이 힘 센서(114)가, 그 힘의 방향을 검지한다. 이 때, 컨트롤 유닛(113)은, 그 방향에 대응하는 모터를, 의사 등에 의해 가해지는 힘이 작아지는 방향으로 구동하고, 힘 센서(114)가 검지하는 힘이 제로로 된 시점에서 모터를 정지한다. 이러한 파워 어시스트 제어 구동에 대해, 이하에 구체적으로 설명한다.
이 제1 실시 형태에 의한 파워 어시스트 구동 방식에 있어서는, 의사 등에 의해 환자의 다리(K3)에 가해진 힘이 힘 센서(114)에 의해 검출되면, 비선형 연산에 의해, 출력해야 할 힘 또는 속도가 계산되고, 이 출력된 힘 또는 속도의 정보 데이열에 대해, PID 제어가 실행되어, 피드백을 실시함으로써, 임의의 위치 자세로 동작시키는 구동 방식이다.
그래서, 이 제1 실시 형태에 있어서는, 정복 장치에 설치된, 1개의 힘 센서(114)에 의해, 파워 어시스트 제어의 개시시점에서 검지되는 검지 기준과, 힘 센서(114)의 계측치의 차, 즉 어시스트 대상력을 추출하도록 한다.
즉, 우선, 파워 어시스트 동작을 개시하기 위해서, 의사 등에 의해 도3에 도시하는 풋 스위치(121)가 밟힌다. 이 때, 컨트롤 유닛(113)에 의해, 밟은 순간의 시점에 있어서의 힘 센서(114)의 값이, 어시스트 대상력의 원점, 즉 검지 기준으로서 설정됨과 함께, 이 어시스트 대상력의 원점에 대해서, 이 시점 이후의 변화가 측정된다. 즉, 최초로 풋 스위치(121)를 밟은 순간에, 중력 캔슬 처리가 실행된다.
이것에 의해, 어시스트 대상력의 검출이 가능해지고, 힘 센서(114)의 계측치는 0(N)으로 되는, 이른바 힘 센서(114)의 진 원점은, 컨트롤 유닛(113)에 있어서 기억되어 있다. 그리고, 정복 치료에 필요한 범위에서, 의사 등에 의해 인력으로 다리(K3)에 대해서 힘이 작용된다. 이 의사 등에 의한 인력이 가해진 단계에서, 힘 센서(114)에 의한 계측치가 대폭 변화한다.
이 시점에 있어서는, 어시스트 대상력으로서, 이 의사 등에 의한 인력의 크기, 즉 「다리(K3)에 가해진 힘」이 설정된다. 그리고, 컨트롤 유닛(113)에 의해, 이 어시스트 대상력에 따른 구동력을 다리(K3)에 작용시키기 때문에, 드라이버(118)에 신호가 공급되어, 검지 기준과 이 「다리(K3)에 가한 힘」이라는 차이가 감소하는 방향으로, 모터(62, 83, 97, 102, 104, 120) 중 필요한 모터가 구동된다. 이것에 의해, 소정의 구동력이 다리(K3)에 작용된다.
또한, 전술한 바와 같이, 컨트롤 유닛(113)에는, 힘 센서(114)의 진 원점도 기억되어 있다. 그 때문에, 이 진 원점과, 힘 센서(114)에 의한 계측치와, 전술한 바와 같이 설정된 「다리(K3)에 가해진 힘」의 크기로부터, 「다리(K3)에 걸려 있는 힘」의 검출이 가능해진다. 즉, 힘을 측정하는 1개의 힘 센서(114)에 의해, 「다리(K3)에 걸려 있는 힘」과「다리(K3)에 가해진 힘」을 검출하는 것이 가능해진다. 그리고, 의사 등이 다리(K3)에 힘을 가한 상태로, 구동계인 모터(62, 83, 97, 102, 104, 120) 중 파워 어시스트 제어 구동에 필요한 모터에 의해, 다리(K3)에 보조력이 작용된다.
계속해서, 의사 등에 의해 다리(K3)에 힘이 가해진 상태로, 「다리(K3)에 걸려 있는 힘」이 증가하는 경우, 힘 센서(114)의 계측치가 증가해 간다. 또한, 이 때의 힘 센서(114)의 계측치의 기울기는, 정복 치료의 상황이나, 의사 등에 의한 설정에 따라, 변경하는 것이 가능하고, 힘을 가하는 속도를 원하는 속도로 함으로써, 필요에 따른 속도를 얻을 수 있다. 그리고, 힘 센서(114)의 계측치의 증가에 따라, 검지 기준과 힘 센서(114)에 있어서의 계측치의 차, 즉 어시스트 대상력이 전체적으로 감소해 간다. 그리고, 이 어시스트 대상력의 감소에 수반해서, 다리(K3)에 작용되는 구동력도 감소된다. 계속해서, 어시스트 대상력이 계속 감소하여, 다리(K3)에 작용되는 구동력이 감소하면, 힘 센서(114)에 의한 계측치가 검지 기준에 가까워진다. 이것에 따라, 다리(K3)에 작용하는 구동력이 0에 가까워져, 정지하는 방향을 향한다.
또한, 「다리(K3)에 걸려 있는 힘」의 증가량과, 「다리(K3)에 가한 힘」이 서로 비슷한 경우, 즉, 힘 센서(114)의 계측치가, 어시스트 원점(검지 기준)에 도달한 단계에서, 어시스트 대상력은 0(N)으로 되고, 이것에 의해, 다리(K3)에 작용하는 구동력이 0으로 되어, 어시스트 동작이 정지한다. 또한, 어시스트 동작이 정지한 다음에도, 풋 스위치(121)를 다시 밟음으로써, 재차 전술의 어시스트 동작을 계속하는 것이 가능하다.
또한, 이 제1 실시 형태에 있어서는, 의사 등이 풋 스위치(121)를 떼어, 구동력을 해방하고, 어시스트 동작을 정지하는 사양이 채용되어 있다. 즉, 의사 등의 조작자가 이상을 느낀 경우에는, 즉석에서 구동을 정지할 수 있도록 구성되어 있다.
(파워 어시스트 제어)
다음에, 이상과 같이 동작하는, 이 제1 실시 형태에 의한 파워 어시스트 제어의 상세에 대해서 설명한다. 도4에, 이 파워 어시스트 제어를 실행하기 위한 제어계를 도시하고, 도5에, 이 제1 실시 형태에 의한 파워 어시스트 제어의, 의사 등의 조작자에 의한 어시스트 대상력의 입력에 대한, 어시스트력(보조력)의 관계의 그래프를 도시한다. 또한, 도9에, 특허 문헌 1에 기재된 종래 기술에 의한 파워 어시스트 제어를 실행하기 위한 제어계를 도시한다. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 어시스트력이 출력되는 예에 대해서 설명하는데, 출력은 속도여도 되고, 모터 등에의 지시 신호로서는, 통상 속도를 결정하는 신호가 공급되는 경우가 많기 때문에, 이하의 어시스트력을 어시스트용으로 출력되는 속도로 해도 된다.
또한, 이하의 설명에 있어서 실행되는 제어는, 제어 프로그램에 기초해서, 전술한 컨트롤러부에 있어서의 정보 처리부에 의해 실행된다. 그리고, 이 정보 처리부로부터의 제어신호와, 정복 장치의 각 부로부터의 신호에 기초해서, 여러 가지 부위가 구동된다. 이하의 설명에 있어서는, 이 제어의 이해를 용이하게 하기 위해서, 각 처리의 부위로서 설명한다.
우선, 도9에 도시하는 바와 같이, 종래 기술에 의한 파워 어시스트 제어에 있어서는, 도5 중의 직선 그래프(도5 중, 「종래 기술」의 그래프)에 도시하는 바와 같이, 대상물에 가해지는 어시스트 대상력, 즉 인간이 골절의 정복 시에, 정복부(5)의 발바닥 받침 부재(110)나 밴드(111)에 가해진 힘 X, 즉 환자의 다리(환족)에 대해서, 정복부(5)에 있어서, 상수 C를 곱한 보조력(C·X)이 더욱 작용시키도록, 또는, 발바닥 받침 부재(110)나 밴드(111)에 가해진 어시스트 대상력 X에 비례한 속도로 되도록, 파워 어시스트 제어가 행해지고 있었다.
그런데, 이러한 파워 어시스트 제어에 있어서는, 아무래도 조작자가 불쾌하게 느낀다고 하는 문제가 있었다. 즉, 정복 장치의 조작자가 환자의 환족에 힘을 가한 경우에, 최초의 단계에서 힘을 가해도, 보조력의 발생까지 힘을 가하지 않으면 안되고, 감각적으로는, 서서히 움직이기 시작하는 감각으로 되어, 조종성이 나빴다.
그래서, 본 발명자가, 이 인간의 감각을 고려하면서, 정복장지의 조종성을 향상시키기 위해 예의 검토를 행했다. 이하에, 그 개요를 설명한다.
즉, 본 발명자의 지견에 따르면, 생물은, 감각 기관으로부터의 입력에 대해, 비선형, 즉 비직선적으로 증폭을 행한다. 예를 들면, 인간의 감각 기관 중의 시각 에 있어서는, 야간의 별빛으로부터 주간의 태양광까지, 지극히 넓은 다이나믹 레인지를 가지고 있다. 그래서, 본 발명자가 검토를 행한 바, 생물, 특히 인간의 척수나 대뇌에 있어서는, 저역에 있어서 감도가 증폭되고, 고역에 있어서의 감도가 저감한다고 하는 특성이 존재하는 것을 지견하기에 이르렀다.
그래서, 본 발명자가, 이와 같이 해서 얻은 지견에 기초해서 여러 가지 검토를 행한 바, 소정의 함수에 기초해서 파워 어시스트 제어를 행하는 경우, 저역에서 감도가 증폭되고, 고역에서 감도가 저감하는 함수가 바람직한 것을 알 수 있었다. 이러한 함수 f(X)로서는, 대수관계(f(X)=ln(X), f(X)=loga(X))나, (1/n)차 함수(n은 2이상의 자연수 a)가 있다.
그래서, 이 검토에 기초해서, 본 발명자는, 또한, 인간의 감각, 감성에 적합한 파워 어시스트 제어를 고찰했다. 그 결과, 본 발명자는, 힘 검지 수단으로서의 힘 센서(114)에 의해 검지되는, 시술자 등의 조작자에 의한 어시스트 대상력의 입력(대상물에 가해지는 힘)이 작은 경우에는, 고가속도로 속도를 증가시키고, 포스 입력이 큰 경우에는, 저가속도로 속도를 증가시키도록 제어하는 것이 바람직한 것을 지견했다.
즉, 인간이 대상물인 환족에 가한 어시스트 대상력 X에 대해서, 「소정의 함수 f(X)」에 기초해서, 작은 힘일 때에는, 파워 어시스트 제어에 의해 구동되는 힘Y(또는 속도)의 증가율을 크게 하고, 큰 힘일 때에는, 파워 어시스트 제어에 의해 구동되는 힘 Y(또는 속도)의 증가율을 작게 한다. 이러한 조건을 만족하는 소정의 함수 f(X)는, 도5에 있어서의 곡선 그래프에 도시하는 바와 같이, 「증가함수이고, 또한 어시스트 대상력 X로 미분한 도함수 f'(X)가 감소함수로 되는 함수」, 보다 적합하게는, 「단조증가함수이고, 또한 어시스트 대상력 X로 미분한 도함수 f'(X)가 단조감소함수로 되는 함수」이다. 또한, 도5에 있어서는, f(X)는 원점을 통과하고 있지만, 오프셋을 취하는 경우 등에 있어서는, 반드시 원점을 통과할 필요는 없다.
그래서, 이 제1 실시 형태에 있어서는, 도4에 도시하는 바와 같이 힘 센서(114)로부터의 입력되는 어시스트 대상력의 데이터에 대해, 우선, 로우패스 필터(401)[LPF(401)]를 개재시켜, 신호 노이즈가 제거된다. 어시스트 대상력의 데이터는, 비선형화 연산 처리부(402)에 입력된다. 그리고, 이 어시스트 대상력의 데이터에 대해서, 비선형화 처리가 실행된다. 또한, 엔코더(423)로부터 공급되는 데이터에 대해서, 엔드이펙터 중방향(重方向) 벡터 생성 처리부(404) 및 환족 중방향 벡터 생성 처리부(403)에 의해, 중력에 의한 영향을 제외하기 위한 중력 캔슬 처리가 실행된다.
비선형화 연산 처리부(402)에 있어서 이용되는 함수의 예로서는, 대수관계나(1/n)차 함수 등을 들 수 있다. 구체적으로는, A, B를 상수, C : 대상력 오프셋(입력), D : 어시스트력 오프셋(출력), n을 2이상의 자연수로 해서, 식 2를 들 수 있다.
[식 2]
Figure 112007077783890-pct00002
또한, 도5에 있어서의 곡선 그래프는, 식 2에 있어서, n=2, 또한, 원점을 통과하는 경우이다. 즉, 식 3의 그래프이다.
[식 3]
Figure 112007077783890-pct00003
또한, 대수관계로서는, A, B를 양의 상수, C : 대상력 오프셋(입력), D : 어시스트력 오프셋(출력)으로 해서, 식 4 등을 들 수 있다.
[식 4]
Figure 112007077783890-pct00004
또한, 본 발명자가 예의 실험을 거듭한 결과, 정복 장치에 있어서는, 식 3이 바람직한 것을 지견하기에 이르렀다. 또한, 정복 장치 이외에서는, (1/n)차 함수와 대수관계 이외에도, 여러 가지 함수를 이용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 삼각함수의 일부(단조증가 부분이면서, 그 도함수가 단조감소하는 부분)를 이용하는 것도 가능하다.
(PID 제어)
또한, 도9에 도시하는 바와 같이, 특허 문헌 1에 기재된 종래 기술에 있어서, 힘 센서(601)에 의해 계측된 측정치에 대해서, 계수 G를 거는 연산 처리(602) 가 행해지고, 적분 처리(604), 모터(605), 엔코더(606)에 의해, 오픈루프로 파워 어시스트 제어를 행하고 있었다. 이 경우, 본 발명자가 예의 실험을 행해서 얻은 지견에 의하면, 「유저의 힘지령에 대해, 출력축 모터 회전 속도가 재빠르게 수속하지 않는다」는 것을 알 수 있고, 이 점이 문제였다.
그래서, 이 제1 실시 형태에 있어서는, 도4에 도시하는 바와 같이, 전술한 정복 장치의 조작자에 의해 가해지는 힘의 추출 처리 및 비선형화 처리를 실행하는 조작 제어부에 가해지고, 속도역 및 가속도역에 있어서의 비례·적분·미분 제어(PID 제어) 처리부가 설치된다. 이하에, 이 제1 실시 형태에 의한 정복 장치에 채용되는 피드백 제어에 의한 PID 제어에 대해서 설명한다.
비례 제어(P제어)는, 편차의 크기에 비례(Proportional)해서 조작량을 조정하는 제어이다. 또한, 적분 제어(I제어)는, 편차의 적분에 비례(Integral)한 조작량을 조정하는 제어이다. 이 I제어는, 자기 평균성을 가지는 제어 대상에 비례 제어만을 행했을 때에 목표치나 외란에 대해서 남는 정상 편차를 제거할 수 있다. 또한, 미분 제어(D제어)는, 편차의 미분(Derivative)에 비례한 조작량을 조정하는 동작이다. 이 D제어는, 편차의 증감의 동향을 조작량의 결정에 반영해서, 제어 특성의 개선을 꾀할 수 있다.
그리고, 이 제1 실시 형태에 대해서는, 엔코더(423)로부터 출력된 위치 데이터, 속도 데이터, 회전 각도 데이터가, 미분 처리부(415, 416)에 있어서 2계 미분 처리되고, 가속도역의 정보로서 PID 제어부에 공급된다. 그리고, 비선형화 연산 처리부(402)로부터 출력된 어시스트력 정보 및/또는, 속도 정보, 및/또는 가속도 정보에 대해서, 엔코더(423)로부터 출력되고, 2계 미분되어 가속도역의 정보로 된 위치 정보가 감산되어, PID 제어부에 공급된다. 이 정보는, PID 제어부에 있어서, 우선, 상수배 처리(414)가 실시된 후, 각각 전술한 비례 제어부(412), 적분 제어부(411), 미분 제어부(413)에 공급되어, 각종 제어가 실행된 후, 서로 가산되어 출력된다.
이 출력은, 적분 처리부(422)에 공급되고, 1계 적분되어, 속도역의 정보나, 변위의 정보로서 모터(421)에 공급된다. 모터(421)에 있어서는, 이 정보에 기초해서 구동이 제어되어, 정복 장치의 정복부(5)에 있어서의 각 모터의 구동이 제어된다. 또한, 이 모터(421)의 구동 정보는 엔코더(423)에도 공급된다.
이와 같이, 이 제1 실시 형태에 의한 PID 제어에 있어서는, 속도역에 있어서의 PID 제어뿐만 아니라, 가속도역에 있어서의 PID 제어를 실행한다. 이것에 의해, 목표로 하는 속도, 변위로 수렴하기까지 필요로 하는 시간을 단축하는 것이 가능해진다.
즉, 어시스트력에 대해서, 속도역 및 가속도역에 있어서의 PID 제어를 실행함으로써, 출력축 속도(출력축 모터 회전 속도)를, 재빠르게 소정의 속도나 변위로 수렴시켜, 거동을 안정시키는 것이 가능해지고, 소정의 속도나 변위로 수렴하는 경우의 진동을 억제할 수 있다.
(제2 실시 형태)
다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 파워 어시스트 제어 방법 및 그 제어 장치에 대해서 설명한다. 또한, 정복 장치에 대해서는, 제1 실시 형태에 있어 서와 마찬가지이므로, 그 설명을 생략한다.
(파워 어시스트 동작)
이 제2 실시 형태에 있어서는, 각각의 모터의 작동에 의해 하지(K1)를 원하는 상황으로 되도록 움직이게 하려고 하는 경우에는, 전술한 제1 실시 형태에 있어서 설명한 것처럼 제어된다. 한편, 의사나 치료자(조작자)가 스스로의 힘에 의해 하지(K1)를 최적의 상황으로 움직이게 하는 모드로 절환된 경우, 다음과 같이 제어된다.
즉, 의사 등이 손 등을 사용해서 하지(K1)를 임의의 방향으로 움직이게 하려고 하면, 힘 센서(114)에, 그 방향의 힘이 작용된다. 이것에 의해, 힘 센서(114)가, 그 힘의 방향을 검지한다. 이 때, 컨트롤 유닛(113)이, 그 방향에 대응하는 모터를, 조작자에 의해 가해진 힘이 작아지는 방향, 즉 조작자가 힘을 작용한 방향으로 구동시킨다. 이 때, 조작자에 의해 가해지는 힘이 증가하는 경우와 감소하는 경우가 있다. 그리고, 힘 센서(114)가 검지하는 힘이 제로로 된 시점에서 모터를 정지한다. 이 파워 어시스트 제어 구동에 대해, 이하에 구체적으로 설명한다.
이 제2 실시 형태에 의한 파워 어시스트 구동 방식에 있어서는, 기본적으로 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 즉, 의사 등의 조작자에 의해 환자의 다리(K3)에 가해진 힘이 힘 센서(114)에 의해 검출되면, 우선, 비선형 연산에 의해, 출력해야 할 힘 또는 속도가 계산된다. 그리고, 이 출력된 힘 또는 속도의 정보 데이터에 대해서, PID 제어가 실행되어, 피드백 처리가 행해짐으로써, 조작자가 원하는 파워 어시스트 제어가 동작되는 구동 방식이다.
이 제2 실시 형태에 있어서는, 정복 장치에 설치된, 1개의 힘 센서(114)에 의해, 파워 어시스트 제어의 개시시점에서 검지되는 검지 기준과, 힘 센서(114)의 계측치의 차이, 즉 어시스트 대상력을 추출하도록 한다.
즉, 우선, 파워 어시스트 동작을 개시하기 위해서, 조작자에 의해 도3에 도시하는 풋 스위치(121)가 밟힌다. 이 때, 풋 스위치(121)가 밟힌 순간의 힘 센서(114)의 값이, 컨트롤 유닛(113)에 의해 어시스트 대상력의 원점, 이른바 검지 기준으로서 설정된다. 이 설정과 함께, 컨트롤 유닛(113)에 의해, 어시스트 대상력의 원점에 대해서, 이 시점 이후의 변화가 측정된다. 즉, 최초로 풋 스위치(121)를 밟은 순간에, 동적인 중력 캔슬 처리가 실행된다.
이것에 의해, 어시스트 대상력의 검출이 가능해지고, 힘 센서(114)의 계측치는 0(N)으로 된다. 또한, 힘 센서(114)에 힘이 일절 작용되어 있지 않은 상태, 이른바 힘 센서(114)의 진 원점은, 컨트롤 유닛(113)의 제어부(도시하지 않음)에 기억되어 있다.
그리고, 정복 치료에 필요한 범위에서, 의사 등에 의해 인력으로 다리(K3)에 대해서 힘이 작용된다. 의사 등의 조작자 힘이 작용된 단계에서, 힘 센서(114)에 의한 계측치가 대폭 변화한다.
이 시점에 있어서는, 어시스트 대상력으로서, 이 조작자의 인력의 크기, 즉 「다리(K3)에 가한 힘」이 설정된다. 그리고, 컨트롤 유닛(113)에 의해, 이 어시스트 대상력에 따른 구동력을 다리(K3)에 작용시키기 때문에, 드라이버(118)에 신호가 공급되어, 검지 기준과 이 「다리(K3)에 가한 힘」이라는 차이가 감소하는 방 향으로, 모터(62, 83, 97, 102, 104, 120) 중 필요한 모터가 구동된다. 이것에 의해, 소정의 구동력이 다리(K3)에 작용된다.
또한, 전술한 바와 같이, 컨트롤 유닛(113)에는, 힘 센서(114)의 진 원점도 기억되어 있다. 그 때문에, 이 진 원점과, 힘 센서(114)에 의한 계측치와, 전술한 바와 같이 설정된 「다리(K3)에 가한 힘」의 크기로부터, 「다리(K3)에 걸려 있는 힘」의 검출이 가능해진다. 즉, 힘을 측정하는 1개의 힘 센서(114)에 의해, 「다리(K3)에 걸려 있는 힘」과「다리(K3)에 가해진 힘」을 검출하는 것이 가능해진다. 그리고, 의사 등이 다리(K3)에 힘을 가한 상태로, 구동계인 모터(62, 83, 97, 102, 104, 120) 중 파워 어시스트 제어 구동에 필요한 모터에 의해, 다리(K3)에 보조력이 작용된다.
계속해서, 의사 등에 의해 다리(K3)에 힘이 가해진 상태로, 「다리(K3)에 걸려 있는 힘」이 증가하는 경우, 힘 센서(114)의 계측치가 증가해 간다. 또한, 이 때의 힘 센서(114)의 계측치의 기울기는, 정복 치료의 상황이나, 의사 등에 의한 설정에 따라, 변경하는 것이 가능하고, 힘을 가하는 속도를 원하는 속도로 함으로써, 필요에 따른 속도를 얻을 수 있다. 그리고, 힘 센서(114)의 계측치의 증가에 따라, 검지 기준과 힘 센서(114)에 있어서의 계측치의 차, 즉 어시스트 대상력이 전체적으로 감소해 간다. 그리고, 이 어시스트 대상력의 감소에 수반해서, 다리(K3)에 작용되는 구동력도 감소된다. 계속해서, 어시스트 대상력이 계속 감소하여, 다리(K3)에 작용되는 구동력이 감소하면, 힘 센서(114)에 의한 계측치가 검지 기준에 가까워진다. 이것에 따라, 다리(K3)에 작용하는 구동력이 0에 가까워져, 정지하는 방향을 향한다.
또한, 「다리(K3)에 걸려 있는 힘」의 증가량과, 「다리(K3)에 가해진 힘」이 서로 비슷한 경우, 즉, 힘 센서(114)의 계측치가, 어시스트 원점(검지 기준)에 도달한 단계에서, 어시스트 대상력은 0(N)으로 되고, 이것에 의해, 다리(K3)에 작용하는 구동력이 0으로 되어, 어시스트 동작이 정지한다. 또한, 어시스트 동작이 정지한 다음에도, 풋 스위치(121)를 다시 밟음으로써, 재차 전술의 어시스트 동작을 계속하는 것이 가능하다.
또한, 이 제2 실시 형태에 있어서도, 제1 실시 형태에 있어서와 마찬가지로, 필요에 따라서, 의사 등의 조작자가 풋 스위치(121)를 떼어 구동력을 해방하고, 어시스트 동작을 정지하도록 구성되어 있다. 이것에 의해, 의사 등의 조작자가 이상을 느낀 경우에는, 구동을 즉석에서 정지시킬 수 있다.
(파워 어시스트 제어 방법)
다음에, 이상과 같이 동작하는, 이 제2 실시 형태에 의한 파워 어시스트 제어에 있어서의 제어 방법에 대해서 설명한다. 도6에, 이 파워 어시스트 제어를 실행하기 위한 속도 가속도 제어계를 도시하고, 도7에, 이 파워 어시스트 제어를 실행하기 위한 속도제어계를 도시한다. 또한, 도8에, 이 제1 실시 형태에 의한 파워 어시스트 제어의 조작자에 의한, 1차원 벡터로서의 어시스트 대상력의 입력에 대한, 1차원 벡터로서의 어시스트력(보조력)의 출력의 제어예를 도시한다. 또한, 종래 기술에 의한 파워 어시스트 제어의 제어계는 도9에 도시한다.
또한, 이하의 설명에 있어서는, 벡터로서의 어시스트력이 출력되는 예에 대 해서 설명하지만, 출력은 반드시 힘(또는 가속도)으로 한정되는 것은 아니고, 벡터인 속도여도 된다. 또한, 모터 등에의 지시 신호로서는, 통상 속도를 결정하는 신호가 공급되는 경우가 많기 때문에, 이하의 어시스트력을 어시스트용으로 출력되는 속도로 해도 된다. 또한, 이하의 설명에 있어서 실행되는 제어는, 제어 프로그램에 기초해서, 전술한 컨트롤러부에 있어서의 정보 처리부에 의해 실행된다. 그리고, 이 정보 처리부로부터의 제어 신호와 정복 장치의 각 부로부터의 신호에 기초해서, 여러 가지 부위가 구동된다. 이하의 설명에 있어서는, 이 제어의 이해를 용이하게 하기 위해, 각 처리의 부위로서 설명한다.
우선, 도9에 도시하는 바와 같이, 종래 기술에 의한 파워 어시스트 제어에 있어서는, 도5 중의 직선 그래프(도5 중, 「종래 기술」의 그래프)에 도시하는 바와 같이, 대상물에 가해진 어시스트 대상력, 즉 인간이 골절의 정복 시에, 정복부(5)의 발바닥 받침 부재(110)나 밴드(111)에 가한 힘 X, 즉 환자의 다리(환족)에 대해서, 정복부(5)에 있어서, 상수 C를 곱한 보조력(C·X)이 더욱 작용시키도록, 또는, 발바닥 받침 부재(110)나 밴드(111)에 가해진 어시스트 대상력 X에 비례한 속도로 되도록, 파워 어시스트 제어를 하고 있었다.
그런데, 이러한 파워 어시스트 제어에 있어서는, 아무래도 조작자가 불쾌하게 느낀다고 하는 문제가 있었다. 즉, 정복 장치의 조작자가 환자의 환족에 힘을 가한 경우에, 최초의 단계에서 힘을 가해도, 보조력의 발생까지 힘을 가하지 않으면 안되고, 감각적으로는, 서서히 움직이기 시작하는 감각으로 되어, 조종성이 나빴다.
그래서, 본 발명자가, 이 인간의 감각을 고려하면서, 정복 장치의 조종성을 향상시키기 위해서 예의 검토를 행했다. 이하에, 그 개요를 설명한다.
즉, 본 발명자의 지견에 의하면, 생물은, 감각 기관으로부터의 입력에 대해, 비선형, 즉 비직선 비례계로 증폭을 행한다. 그래서, 본 발명자가 검토를 행한 바, 생물, 특히 인간의 척수나 대뇌에 있어서는, 저역에 있어서 감도가 증폭되고, 고역에 있어서의 감도가 저감한다고 하는 특성이 존재하는 것을 지견하기에 이르렀다.
또한, 본 발명자가 실험 및 거기에 기초하는 검토를 행한 바, 인간이 대상물에 힘을 가한다고 하는 경우에 있어서도, 힘을 서서히 증가시키는 경우와, 힘을 서서히 감소시키는 경우에 있어서, 인간 힘의 작용에 관한 감도에 대해서, 상이한 감도 특성이 생기는 것을 지견하기에 이르렀다. 즉, 대상물에 대해서 힘을 가한 경우, 마찰의 영향을 무시할 수 없기 때문에, 인간이 실현하는 가속과 감속에 있어서는, 그 감도 특성의 커브가 비대칭으로 되는 성질을 가진다. 본 발명자는, 이 성질을, 「가속은, 미소 포스 영역에 있어서의 조정이 가능하지만, 감속은, 강한 포스 영역에 있어서의 조정이 필요하다」것과 등가라고 생각했다. 그리고, 이것에 대응하기 위해서는, 가감 속도의 커브를 비대칭으로 할 필요가 있는 것을 상기하기에 이르렀다.
그리고, 본 발명자가, 이상과 같이 해서 얻은 지견에 기초해서 여러 가지 검토를 행한 바, 가속시에 있어서는, 조작자의 약한 포스 입력 영역을 증폭시키고, 감속시에 대해서는, 유저의 강한 포스 입력 영역을 증폭시키는 연산 알고리즘, 즉 함수에 기초하는 파워 어시스트 제어가 필요한 것을 상기하기에 이르렀다.
구체적인 연산 알고리즘으로서는, 어시스트 대상력이 서서히 증가하는 경우에, 저역에서 감도가 증폭되고 고역에서 감도가 저감하는 함수가 바람직한 것을 알수 있다. 그리고, 이 제어를 행하기 위한 함수로서는, 대수관계[fup(X)=ln(X), fup(X)=loga(X)]나, (1/n)차 함수(n은 2이상의 자연수)가 바람직하다. 한편, 어시스트 대상력이 서서히 감소하는 경우에는, 최초의 단계에서 감도가 증폭되어, 서서히 감도가 감소하는 함수가 바람직한 것을 알 수 있다. 이 제어를 행하기 위한 함수로서는, 지수함수[fdown(X)=ex, fdown(X)=ax]나, n차 함수(n은 2이상의 자연수)가 바람직하다.
즉, 인간이 대상물인 환족에 가한 어시스트 대상력 X가 증가하는 경우에는, 「소정의 함수 fup(X)」에 기초해서, 작은 힘일 때에는, 파워 어시스트 제어에 의해 구동되는 힘 Y(또는 속도)의 증가율을 크게, 큰 힘일 때에는, 파워 어시스트 제어에 의해 구동되는 힘 Y(또는 속도)의 증가율을 작게 한다. 이러한 조건을 만족하는 함수 fup(X)는, 도8에 도시하는 그래프의 제1 상한에 있어서의 실선의 곡선 그래프와 같이, 「증가함수이고, 또한 어시스트 대상력 X로 미분한 도함수 fup'(X)가 감소함수로 되는 함수」, 보다 적합하게는, 「단조증가함수이고, 또한 어시스트 대상력 X로 미분한 도함수 fup'(X)가 단조감소함수로 되는 함수」이다. 또한, 도8에 있어서는, fup(X)는 원점을 통과하고 있지만, 오프셋을 취하는 경우 등에 있어서는, 반드시 원점을 통과할 필요는 없다.
마찬가지로, 인간이 대상물인 환족에 가한 어시스트 대상력 X가 감소하는 경우에는, 「소정의 함수 fdown(X)」에 기초해서, 작은 힘이었을 때에는, 파워 어시스트 제어에 의해 구동되는 힘 Y(또는 속도)의 증가율을 작게 하고, 큰 힘이었을 때에는, 파워 어시스트 제어에 의해 구동되는 힘Y(또는 속도)의 증가율을 크게 한다. 이러한 조건을 만족하는 함수 fdown(X)는, 도8에 도시하는 그래프의 제1 상한에 있어서의 점선의 곡선 그래프와 같이, 「증가함수이고, 또한 어시스트 대상력 X로 미분한 도함수 fup'(X)가 증가함수로 되는 함수」, 보다 적합하게는, 「단조증가함수이고, 또한 어시스트 대상력 X로 미분한 도함수 fup'(X)가 단조증가함수로 되는 함수」이다. 또한, 도8에 있어서는, fup(X)는 원점을 통과하고 있지만, 오프셋을 취하는 경우 등에 있어서는, 반드시 원점을 통과할 필요는 없다.
또한, 도8에 도시하는 그래프의 제1 상한에 있어서의 함수에 기초해서, 파워 어시스트 제어가 행해지는 경우, 힘이 증가하는 상태로부터 감소하는 상태로 변하는 경우나, 힘이 감소하는 상태로부터 증가하는 상태로 변하는 경우가 빈번하게 생긴다. 이 경우, 어시스트 대상력 X의 증가 및 감소에 따라, 각각 어시스트 대상력 X가 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X)와 어시스트 대상력 X가 감소하는 경우에 있어서의 함수 fdown(X)가 연속적으로 절환된다. 구체적으로는, 이하와 같이 해서 가속시와 감속시의 제어가 연속적으로 절환된다.
즉, 조작자가 대상물에 힘을 작용시키면, 어시스트 대상력이 증가함에 수반해서 파워 어시스트 제어에 의한 출력이, 도8 중의 실선 그래프로 도시하는 함수[fup(X)]에 따라 증가한다. 그리고, 예를 들면, 어시스트 대상력이 1N으로 파워 어시스트 제어의 출력이 1N으로 된 곳[1=fup(1)의 점]에 있어서, 어시스트 대상력이 감소하는 방향으로 변하면, 제어 수단으로서의 정보 처리부에 의해, 어시스트 대상력이 1N 또한 파워 어시스트 제어의 출력이 1N의 점을 통과하는, 점선의 그래프로 도시하는 함수[fdown(x)]가 결정된다. 그리고, 어시스트 대상력이 감소함에 수반해서, 이 점선 그래프에 도시하는 함수에 따라 파워 어시스트 제어의 출력이 감소해 간다. 또한, 어시스트 대상력이 감소하는 상태로부터 증가하는 상태로 변하는 경우에 있어서도, 감소하는 상태의 함수 fdown(X)와 증가하는 상태의 함수 fup(X)의 사이에 있어서 마찬가지의 제어가 실행된다.
또한, 본 발명자는, 인간의 손을 사용한 힘의 작용에 관해서, 여러 가지 실험을 행했다. 그리고, 그 실험에 의해서 얻은 본 발명자가 얻은 지견에 의하면, 인간이 손을 사용해서 대상물에 힘을 가한 경우에 있어서, 대상물에 대해서 자신의 측에 향하여 힘을 가할 때, 이른바 「당길」때와, 대상물에 대해서 자신으로부터 떼어 놓는 방향으로 힘을 가할 때, 이른바 「밀」때는, 인간이 힘을 가하는 감도에 대해서 상이한 감도 특성이 생기는 것을 지견하기에 이르렀다.
그래서, 어시스트 대상력이 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X) 및 어시스트 대상력이 감소하는 경우에 있어서의 함수 fdown(X)를, 어시스트 대상력의 방향을 따라, 각각 독립해서 설정할 수 있도록 구성한다. 여기서, 도8에 도시하는 그래프에 있어서는, 편의상, 어시스트 대상력의 방향이 바뀌는 마이너스의 경우의 그래프(제3 상한의 그래프)가 기재되어 있다. 그리고, 이러한 제1 상한의 그래프와 제3 상한의 그래프는 서로 독립적으로 설정 가능하게 구성된다. 즉, 조작자의 손에 의해 대상물을 「당기는」경우와 「미는」경우에 있어서, 상이한 함수가 설정된다.
또한, 도8에 있어서는, 힘의 방향에 정합하도록 편의상 플러스 마이너스를 설정하고 있지만, 제3 상한의 그래프도, 실질적으로 제1 상한의 그래프와 동일한 제어이다. 즉, 어시스트 대상력 X가 플러스인 경우(예를 들면 당기는 방향)에 있어서, 「f(X)가 증가함수이면서 f'(X)가 감소함수」인 것은, 힘의 방향이 반대로 되어, 어시스트 대상력 X가 마이너스로 된 경우(예를 들면 미는 방향)에 있어서, 「f(X)가 증가함수이면서 f'(X)가 증가함수(실선의 곡선 그래프)」와 물리적으로는 동일한 제어이다. 마찬가지로, 어시스트 대상력 X가 플러스인 경우(예를 들면 당기는 방향)에 있어서, 「f(X)가 증가함수이면서 f'(X)가 증가함수(점선의 곡선 그래프)」인 것은, 힘의 방향이 반대로 되어, 어시스트 대상력 X가 마이너스로 된 경우(예를 들면 미는 방향)에 있어서, 「f(X)가 증가함수이면서 f'(X)가 감소함수」인 것과 물리적으로는 동일한 제어이다. 그리고, 어시스트 대상력의 크기에 주목하면, X가 플러스인 경우에 있어서의 전술한 함수의 특징이 물리적인 제어 함수로 된다.
이상의 제어는, 도6 및 도7에 도시하는 조작자의 포스 추출 및 비선형화 처리부에 있어서 실행된다. 즉, 도6에 도시하는 바와 같이, 이 제2 실시 형태에 있어서는, 힘 센서(114)로부터의 입력되는 어시스트 대상력의 데이터에 대해, 로우패스 필터(401)[LPF(401)]를 통해, 신호 노이즈가 제거된다. 신호 노이즈가 제거된 힘의 데이터는, 중력 자중 캔슬 처리부(501)에 공급된다. 중력 자중 캔슬 처리 부(501)에 대해서는, 대상물에 가해지는 중력을 상쇄시키는 방향의 가상의 힘이 설정됨으로써, 중력의 영향이 배제된다. 중력의 영향이 배제됨으로써, 대상물에 작용되는 어시스트 대상력이 데이터로서 추출된다.
이 어시스트 대상력의 데이터는, 가속 커브 비선형화 처리부(502) 및 감속 커브 비선형화 처리부(503)에 공급된다. 그리고, 이 어시스트 대상력 또는 속도가 증가하는 경우에는, 가속 커브 비선형화 처리부(502)에 있어서, 전술한 어시스트 대상력의 처리가 실행된다. 한편, 어시스트 대상력 또는 속도가 감소하는 경우에는, 감속 커브 비선형화 처리부(503)에 있어서 전술한 처리가 입력된다.
가속 커브 비선형화 처리부(502)에 있어서 이용되는 함수의 예로서는, 대수관계나 (1/n)차 함수 등을 들 수 있다. 또한, 감속 커브 비선형화 처리부(603)에 있어서 이용되는 함수의 예로서는, 지수함수나 n차 함수 등을 들 수 있다.
구체적으로는, 가속 커브 비선형화 처리부(502)에 있어서 이용되는 함수의 일례로서는, A, B를 상수, C : 대상력 오프셋(입력), D : 어시스트력 오프셋(출력), n을 2이상의 자연수로 해서, 식 5를 들 수 있다.
[식 5]
Figure 112007077783890-pct00005
또한, 도8에 있어서의 실선의 곡선 그래프는, 식 5에 있어서, n=2, 또한, 원점을 통과하는 경우이다. 즉, 식 6의 그래프이다.
[식 6]
Figure 112007077783890-pct00006
또한, 본 발명자의 지견에 의하면, 정복 장치에 있어서는, 식 6이 바람직하다. 또한, 정복 장치 이외에서는, (1/n)차 함수와 대수관계 이외에도, 여러 가지 함수를 이용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 삼각함수의 일부(단조증가 부분이면서, 그 도함수가 단조감소하는 부분)를 이용하는 것도 가능하다.
마찬가지로, 감속 커브 비선형화 처리부(603)에 있어서 이용되는 함수의 일례로서는, A, B를 상수, C : 대상력 오프셋(입력), D : 어시스트력 오프셋(출력), n을 2이상의 자연수로 해서, 식 7을 들 수 있다.
[식 7]
Figure 112007077783890-pct00007
그 후, 가속 커브 비선형화 처리부(502)에 의한 처리 또는, 감속 커브 비선형화 처리부(503)에 의한 처리가 된 어시스트 대상력의 데이터는, 회전 연산 처리부(504)에 공급되고, 힘 센서(114)에 관한 대상물의 회전 연산이 실행된다.
(PID 제어)
또한, 도6에 도시하는 바와 같이, 이 제2 실시 형태에 의한 속도역 및 가속도역에서의 PID 제어에 있어서는, 제1 실시 형태에 있어서와 달리, 낭비 시간 요소 처리부(505) 및 회전 연산 처리부(506)가 설치되어 있다. 또한, 낭비 시간 요소 처리부(505)에 의한 낭비 시간의 연산 후, 상수배 처리(507)가 실행된다. 또한, 그 연산 결과와 미분 처리부(415)로부터의 출력으로부터 차분을 실행하여, 적분 처리부(417)에 입력되고, 그 후, 상수배 처리부(414)에 의해 상수배 처리가 실행된다. 또한, 그 외의 PID 제어에 대해서는, 제1 실시 형태와 마찬가지이므로, 그 설명을 생략한다.
또한, 도7에 도시하는 바와 같이, 속도역에서의 PID 제어에 있어서는, 전술한 속도역 및 가속도역에서의 PID 제어에 있어서와 달리, 적분 처리부(417) 및 미분 제어부(415)가 설치되지 않았다. 즉, 낭비 시간 요소 처리부(505)로부터의 출력이 상수배 처리부(507)에 의해 상수배되어, 그 연산 결과와 미분 처리부(416)로부터의 출력으로부터 차분이 산출되고, 그 데이터가 상수배 처리부(414)에 공급되어, 상수배 처리가 실행된다. 또한, 그 외의 PID 제어에 대해서는, 제1 실시 형태와 마찬가지이므로, 그 설명을 생략한다.
우선, 도6 및 도7에 도시하는 낭비 시간 요소 처리부(505)에 대해서 설명한다. 즉, 파워 어시스트 제어에 있어서, 인간이 힘을 가하고 있는 것으로부터, 어시스트 대상력이 미소한 범위에서 증감하는 현상이 생긴다. 이 때, 엄밀하게 어시스트 대상력의 증감에 대응하여, 가속 커브 비선형화 처리와 감속 커브 비선형화 처리가 절환되면, 대상물의 움직임이 덜거덕거려 버린다. 그래서, 이 제2 실시 형태에 의한 PID 제어에 있어서는, 낭비 시간 요소 처리부(505)에 의한 미소한 시간내의 변화를 배제하고, 이른바 「여유」를 설정함으로써, 이 대상물의 덜걱거림을 방지한다.
다음에, 회전 연산 처리부(506)에 대해서 설명한다. 즉, 이 제2 실시 형태 에 있어서는, 종래 기술에서 엔코더(423)에 의해 실행하고 있는 회전 연산의 기능을, 제어 수단에 있어서의 PID 제어에 의해 실행한다. 그 때문에, 정복 장치에 있어서, 회전 연산 처리를 소프트웨어상에서 실행할 수 있다. 이것에 의해, 엔코더(423)나 모터(421)로서 여러 가지 엔코더(423)나 모터(421)를 이용하는 것이 가능해진다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 구체적으로 설명했지만, 본 발명은, 전술의 실시 형태로 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상에 기초하는 각종의 변형이 가능하다. 예를 들면, 전술의 실시 형태에 있어서 든 수치나 수식은 어디까지나 예에 지나지 않고, 필요에 따라서 이것과 다른 수치나 수식을 이용해도 된다.
또한, 예를 들면, 요동 암(52)을 신축 가능하게 함으로써, 환자(K)가 몸집이 작거나, 몸집이 크거나, 또한, 어른이거나, 아이인 등, 어떠한 체격이더라도, 요동 암(52)을 적당히 신축시킴으로써 대응할 수 있다. 또한, 예를 들면, 요동 암(52)을 신축시키는 암 신축 수단을 가짐으로써, 요동 암(52)의 신축을 자동적으로 실시할 수 있어, 인력을 필요 최소한으로 할 수 있다. 또한, 예를 들면, 요동 암(52)은, 하지(K1)에 좌우 이동 동작을 행하게 하고, 제1 가동 테이블(61)은, 하지(K1)에 비틂 동작을 행하게 하고, 제2 가동 테이블(67)은, 하지(K1)에 신축 동작을 행하게 하고, 제3 가동 테이블(64)은, 하지(K1)에 상하 이동 동작을 행하게 한다. 이러한 구성은, 의사 등에 정복 치료를 자재로 실시하게 하는데 매우 적합하다.
또한, 예를 들면, 요동 암(52), 제1 가동 테이블(61), 제2 가동 테이블(67), 제3 가동 테이블(64) 및 하퇴 지지대(58)는, 소정의 순서, 예를 들면, 이 제1 실시 형태에 있어서 기재한 순서로 단계적으로 부착할 수 있고, 이 경우에는, 각 부를 독립시켜 따로 따로 조립하는 경우에 비해 구성을 간략화할 수 있다.
또한, 예를 들면, 하퇴 지지대(58)에는, 환자(K)의 하퇴(K2)를 고정하기 위한 고정 수단[밴드(111) 등]을 설치했으므로, 하퇴 지지대(58)로부터 환자(K)의 다리에 힘을 유효하게 전달할 수 있다. 또한, 하지(K1) 및 발목(K4)에 행하게 하는 각 동작은, 각각 단독으로 행하게 할 수 있지만, 2종류 이상의 동작을 동시에 행하게 할 수도 있다. 예를 들면, 요동 암(52)과 이음매 부재(72A, 72B)를 동시에 구동함으로써, 하지(K1)에 좌우 이동 동작을 행하게 하면서, 발목(K4)에 전후의 구부림 동작 등을 행하게 하는 것 등이 가능하게 된다.
또한, 하퇴 지지대(58)에는, 환자(K)의 발바닥을 대는 발바닥 받침 부재(110)를 설치했으므로, 하지(K1)에 전후의 신축 동작을 행하게 할 때, 또는 발목(K4)에 전후의 구부림 동작이나 좌우에의 흔들림 동작을 행하게 할 때, 환자(K)의 발바닥 전체에 힘을 가할 수 있고, 이것에 의해, 환자(K)에게 쓸데 없는 통증을 주는 것을 방지할 수 있다.
또한, 전술한 제1 실시 형태에 있어서는, 정복부(5)의 요동 암(52)을 요동시키기 위한 구동 수단(암 구동 수단)을 가지는 경우를 나타냈지만, 이 구동 수단은 반드시 설치할 필요는 없다. 설치하지 않는 경우는, 인력에 의해 요동 암(52)을 원하는 위치로 요동시켜, 위치 결정을 행한다.
또한, 본 발명은, 반드시 정복 장치에 적용할 뿐만 아니라, 토목 작업 시에 이용되는 토목 기기, 기재의 반송 장치 등, 외부로부터의 힘을 검지함으로써 작용시키는 힘을 보조하도록 구성된, 모든 장치에 적용하는 것이 가능하다.
또한, 전술의 제1 실시 형태에 있어서는, 오퍼레이션 박스(117)로서, 도3에 도시하는 바와 같이, 외부에 스위치 등이 돌출된 장치가 이용되고 있지만, 이 오퍼레이션 박스(117)로서, 도3 중에 도시되는 것 같은 각종 스위치를 터치 패널상에 표시하여, 버튼과 마찬가지의 작용을 행할 수 있는 구성을 채용하는 것도 가능하다. 또한, 이 경우에도, 비상시에 있어서, 장치의 가동을 정지하기 위한 비상 정지 버튼 등은, 터치 패널 외의 돌출한 버튼으로 구성하는 것이 바람직하다.

Claims (26)

  1. 제어 수단에 의해, 대상물에 작용하는 힘을 계측하는 힘 검지 수단에 의해 계측된 외부로부터 가해진 어시스트 대상력 X에 대해, 상기 대상물에 대해서 힘을 작용시키는 구동 수단에 의해 상기 어시스트 대상력 X에 기초한 보조력 F 또는 속도 F를 출력하도록 제어되는 파워 어시스트 제어 방법이며,
    상기 제어 수단이,
    상기 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 f(X)에 기초해서, 상기 구동 수단에 의해, 파워 어시스트 제어에 의한 상기 보조력 F 또는 상기 속도 F를 출력시키고,
    상기 함수 f(X)가 증가함수임과 함께, 상기 함수의 도함수 f'(X)가 감소함수인 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 함수 f(X)가, A, B를 양의 상수, C, D를 상수, n을 2이상의 자연수로 해서, 식 8로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 방법.
    [식 8]
    Figure 112012094913081-pct00008
  3. 제어 수단에 의해, 대상물에 작용하는 힘을 계측하는 힘 검지 수단에 의해 계측된 외부로부터 가해진 어시스트 대상력 X에 대해, 상기 대상물에 대해서 힘을 작용시키는 구동 수단에 의해 상기 어시스트 대상력 X에 기초해서 보조력 F 또는 속도 F를 출력하도록 제어되는 파워 어시스트 제어 방법이며,
    상기 제어 수단이, 상기 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수에 기초해서, 상기 구동 수단에 의해 파워 어시스트 제어에 의한 상기 보조력 F 또는 상기 속도 F를 출력시키고,
    상기 어시스트 대상력 X가 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X)와, 상기 어시스트 대상력 X가 감소하는 경우에 있어서의 함수 fdown(X)가, 상이한 함수인 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서, 각각의 상기 어시스트 대상력이 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X) 및 상기 어시스트 대상력이 감소하는 경우에 있어서의 함수 fdown(X)가, 상기 어시스트 대상력의 방향에 따라, 각각 독립해서 설정 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 어시스트 대상력의 증가 및 감소에 따라, 상기 어시스트 대상력 X가 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X)와 상기 어시스트 대상력 X가 감소하는 경우에 있어서의 함수 fdown(X)가 연속적으로 절환되는 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 방법.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 함수 fup(X)가 증가함수임과 함께 상기 함수 fup(X)의 도함수 fup'(X)가 감소함수이며, 또한, 상기 함수 fdown(X)가 증가함수임과 함께 상기 함수 fdown(X)의 도함수 fdown'(X)가 증가함수인 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 방법.
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 어시스트 대상력이 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X)가, A, B를 양의 상수, C, D를 상수, n을 2이상의 자연수로 해서, 식 9로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 방법.
    [식 9]
    Figure 112012094913081-pct00009
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 힘 검지 수단이, 병진 3축 방향 및 회전 3축 방향으로 작용하는 힘을 검지 가능한 6축 힘 센서이며,
    상기 6축 방향의, 각각의 축 방향을 따라 상기 파워 어시스트 제어를 실행하도록 한 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대상물의 속도 변화와 가속도 변화 중 하나 이상에 기초해서, 상기 대상물의 속도역과 가속도역 중 하나 이상에 있어서의 비례·적분·미분 제어에 의한 피드백 제어를 행하도록 한 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 방법.
  10. 대상물에 작용하는 힘을 계측 가능하게 구성된 힘 검지 수단과,
    상기 대상물에 대해서 힘을 작용시키는 구동 수단과,
    상기 구동 수단을 제어함과 함께 상기 힘 검지 수단과의 사이에서 데이터를 통신 가능하게 구성된 제어 수단을 가지고,
    상기 제어 수단이, 상기 힘 검지 수단에 의해 계측된 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 f(X)에 기초해서, 상기 구동 수단에 의해 파워 어시스트 제어에 의한 보조력 F 또는 속도 F를 출력시키고,
    상기 함수 f(X)가 증가함수임과 함께, 상기 함수 f(X)의 도함수 f'(X)가 감소함수인 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 함수 f(X)가, A, B를 양의 상수, C, D를 상수, n을 2이상의 자연수로 해서, 식 10로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 장치.
    [식 10]
    Figure 112012094913081-pct00010
  12. 대상물에 작용하는 힘을 계측 가능하게 구성된 힘 검지 수단과,
    상기 대상물에 대해서 힘을 작용시키는 구동 수단과,
    상기 구동 수단을 제어함과 함께 상기 힘 검지 수단과의 사이에서 데이터를 통신 가능하게 구성된 제어 수단을 가지고,
    상기 제어 수단이, 상기 힘 검지 수단에 의해 계측된 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수에 기초해서, 상기 구동 수단에 의해 파워 어시스트 제어에 의한 보조력 F 또는 속도 F를 출력시키도록 구성되고,
    어시스트 대상력 X가 증가하는 경우에 있어서의, 상기 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 fup(X)와, 어시스트 대상력 X가 감소하는 경우에 있어서의, 상기 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 fdown(X)가, 서로 다른 함수인 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서, 각각의 상기 어시스트 대상력이 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X) 및 상기 어시스트 대상력이 감소하는 경우에 있어서의 함수 fdown(X)가, 상기 어시스트 대상력의 방향을 따라, 각각 독립해서 설정 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 어시스트 대상력 X의 증가 및 감소에 따라, 각각 상기 어시스트 대상력 X가 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X)와 상기 어시스트 대상력 X가 감소하는 경우에 있어서의 함수 fdown(X)가 연속적으로 절환되는 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 장치.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 어시스트 대상력 X가 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X)가 증가함수임과 함께 상기 함수 fup(X)의 도함수 fup'(X)가 감소함수이며, 또한, 상기 어시스트 대상력 X가 감소하는 경우에 있어서의 함수 fdown(X)가 증가함수임과 함께, 상기 함수 fdown(X)의 도함수 fdown'(X)가 증가함수인 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 장치.
  16. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 어시스트 대상력이 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X)가, A, B를 양의 상수, C, D를 상수, n을 2이상의 자연수로 해서, 식 11로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 장치.
    [식 11]
    Figure 112012094913081-pct00011
  17. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 힘 검지 수단이, 병진 3축 방향 및 회전 3축 방향으로 작용하는 힘을 검지 가능한 6축 힘 센서이며,
    상기 6축 방향의 각각의 방향을 따라, 상기 파워 어시스트 제어를 실행 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 장치.
  18. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대상물의 속도 변화와 가속도 변화 중 하나 이상에 기초해서, 상기 대상물의 속도역과 가속도역 중 하나 이상에 있어서의 비례·적분·미분 제어에 의한 피드백 제어를 실행 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 어시스트 제어 장치.
  19. 대상물에 작용하는 힘을 계측 가능하게 구성된 힘 검지 수단과, 상기 대상물에 대해서 힘을 작용시키는 구동 수단과, 상기 구동 수단을 제어함과 함께 상기 힘 검지 수단과의 사이에서 데이터를 통신 가능하게 구성된 제어 수단을 가지고, 상기 제어 수단이, 상기 힘 검지 수단에 의해 검지된 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 f(X)에 기초해서, 상기 구동 수단에 의해, 상기 대상물을 속도 F로 이동 가능 또는 상기 대상물에 보조력 F를 작용 가능하게 구성된 파워 어시스트 제어 기구를 가지고,
    상기 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 f(X)가 증가함수임과 함께, 상기 함수 f(X)의 도함수 f'(X)가 감소함수인 것을 특징으로 하는 정복 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 함수 f(X)가, A, B를 양의 상수, n을 2이상의 자연수로 해서, 식 12로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 정복 장치.
    [식 12]
    Figure 112012094913081-pct00012
  21. 대상물에 작용하는 힘을 계측 가능하게 구성된 힘 검지 수단과,
    상기 대상물에 대해서 힘을 작용시키는 구동 수단과,
    상기 구동 수단을 제어함과 함께 상기 힘 검지 수단과의 사이에서 데이터를 통신 가능하게 구성된 제어 수단을 가지고,
    상기 제어 수단이, 상기 힘 검지 수단에 의해 계측된 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수에 기초해서, 상기 구동 수단에 의해 파워 어시스트 제어에 의한 보조력 F 또는 속도 F를 출력시키도록 구성되고,
    어시스트 대상력 X가 증가하는 경우에 있어서의, 상기 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 fup(X)와, 어시스트 대상력 X가 감소하는 경우에 있어서의, 상기 어시스트 대상력 X를 변수로 한 함수 fdown(X)가, 서로 다른 함수인 파워 어시스트 제어 기구를 가지는 것을 특징으로 하는 정복 장치.
  22. 제21항에 있어서, 각각의 상기 어시스트 대상력이 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X) 및 상기 어시스트 대상력이 감소하는 경우에 있어서의 함수 fdown(X)가, 상기 어시스트 대상력의 방향을 따라, 각각 독립해서 설정 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 정복 장치.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 어시스트 대상력 X가 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X)가 증가함수임과 함께 상기 함수 fup(X)의 도함수 fup'(X)가 감소함수이며, 또한, 상기 어시스트 대상력 X가 감소하는 경우에 있어서의 함수 fdown(X)가 증가함수임과 함께, 상기 함수 fdown(X)의 도함수 fdown'(X)가 증가함수인 것을 특징으로 하는 정복 장치.
  24. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 어시스트 대상력 X가 증가하는 경우에 있어서의 함수 fup(X)가, A, B를 양의 상수, n을 2이상의 자연수로 해서, 식 13로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 정복 장치.
    [식 13]
    Figure 112012094913081-pct00013
  25. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 힘 검지 수단이, 병진 3축 방향 및 회전 3축 방향으로 작용하는 힘을 검지 가능한 6축 힘 센서이며,
    상기 6축 방향의 각각의 방향을 따라, 상기 파워 어시스트 제어를 실행 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 정복 장치.
  26. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대상물의 속도 변화와 가속도 변화 중 하나 이상에 기초해서, 상기 대상물의 속도역과 가속도역 중 하나 이상에 있어서의 비례·적분·미분 제어에 의한 피드백 제어를 실행 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 정복 장치.
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