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動作補助装置、及び動作補助装置の同調制御方法 コモンズ

国内特許コード P150012064
掲載日 2015年6月19日
出願番号 特願2013-550360
登録番号 特許第5761832号
出願日 平成24年12月21日(2012.12.21)
登録日 平成27年6月19日(2015.6.19)
国際出願番号 JP2012083326
国際公開番号 WO2013094747
国際出願日 平成24年12月21日(2012.12.21)
国際公開日 平成25年6月27日(2013.6.27)
優先権データ
  • 特願2011-279362 (2011.12.21) JP
発明者
  • 橋本 稔
  • 涌井 康洋
出願人
  • 国立大学法人信州大学
発明の名称 動作補助装置、及び動作補助装置の同調制御方法 コモンズ
発明の概要 装着型の動作補助装置において、装着者と装置との動作に一定の位相差を維持しながら、装着者に同調した動作パターンを生成する動作補助装置、及びその同調制御方法を提供する。
装着者の動作によって発生するトルクの位相を取得し、その位相の値を入力として位相振動子モデルに当てはめて演算処理を行い、装置の動作を装着者に同調させた装置の目標トルクと目標角度を算出する。算出された値に基づいて装置を制御することで、装置の補助効果を高めることが可能になる。
従来技術、競合技術の概要



近年、高齢者を支援する介護福祉士の人材不足が問題となっている。そのため、福祉ロボットの研究開発が盛んに行われている(特許文献1)。福祉ロボットの一種である装着型の動作補助装置は、高齢者の日常生活支援として実用化が期待されている。





こうした装着型動作補助具の制御方式の一つとして、人間と装置との協調運動を実現する同調制御という制御方式が提案されている(非特許文献1)。同調制御では、装置の人間に対する同調性を調節することができる。同調性を高めることにより装置が人間の動作タイミングに合わせる運動の補助に利用することができる。一方、同調性を低下させることにより、装置が人間を牽引する運動教示リハビリテーションとして利用することが期待される。これまでにこの同調制御によって装着者をより快適に運動させるよう補助する装着型運動支援装置が提案されている(特許文献2)。

産業上の利用分野



本発明は、装着型の動作補助装置、及び装着型の動作補助装置の同調制御方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
装着者の屈曲可動部位に対応して配置される関節部、
前記関節部に接続されており、装着者に装着されるリンク、
前記関節部の動きを駆動するアクチュエータ、
装着者の屈曲可動部位の動作と前記関節部の動作との相互作用力を検出する相互作用力検出センサと、前記相互作用力検出センサの検出した前記相互作用力、及び関節角度センサの検出した関節角度に基づき前記屈曲可動部位の動作位相θ’hを推定する位相推定部と、により構成され、動作の位相θ’hを取得する位相取得部、
前記位相取得部の取得した前記屈曲可動部位の動作の位相θ’hを入力振動とする位相振動子モデルに基づいて、予め設定された目標位相差を維持しつつ装着者の屈曲可動部位の動作と前記関節部の動作とを同調させるための前記関節部の動作目標値を算出する目標値算出部、および
前記目標値算出部の算出した動作目標値に基づいて、前記アクチュエータを駆動する駆動制御部、を備えることを特徴とする動作補助装置。

【請求項2】
前記位相推定部が、前記相互作用力検出センサの検出した相互作用力λ、及び前記関節角度センサの検出した前記関節角度qにより、下記の式(1)で、前記装着者の屈曲可動部位のトルクτ’を推定し、
【数1】


(式(1)中、Mh、Ghは、それぞれ、人間の慣性項、重力項を示す。)
さらに前記式(1)を用いて、動作中の人間の最大トルクτ’h_maxと最小トルクτ’h_minを推定し、これらを下記の式(2)に代入し、推定したトルクτ’の振幅A’hを算出し、
【数2】


前記トルクτ’hと前記振幅A’hから極座標上の位相角のy座標を下記の式(3)により算出し、
【数3】


三平方の定理から下記の式(4)のように、x座標を算出して、
【数4】


下記の式(5)の極座標変換を行い、
【数5】


前記装着者の屈曲可動部位の動作位相θ’hを推定するものであることを特徴とする請求項1に記載の動作補助装置。

【請求項3】
前記目標値算出部が、下記の式(6)、式(7)の関係を有する位相振動子からなる数学モデルに基づいて、前記動作目標値として、前記関節部の駆動トルクを、式(7)のOutputにより算出することを特徴とする請求項1または2に記載の動作補助装置。
【数6】


【数7】


(式(6)中、ωa、θa、Kは、それぞれ前記関節部の固有振動数、位相角、同調ゲインを示し、θdは、前記目標位相差を示す。式(7)中、Aaと、θa0は、それぞれOutput波形の振幅と振動子の初期位相を示す。)

【請求項4】
前記駆動制御部が、前記目標値算出部の算出した動作目標値に基づいて、前記アクチュエータをフィードバック制御するものであることを特徴とする請求項1~のいずれかに記載の動作補助装置。

【請求項5】
装着者の屈曲可動部位に対応して配置される関節部と、前記関節部に接続されており、装着者に装着されるリンクと、前記関節部の動きを駆動するアクチュエータとを備え、装着者の動作を補助する補助装置の制御方法であって、
装着者の屈曲可動部位の動作位相θ’hを取得する位相取得ステップ、
前記位相取得ステップで取得された前記屈曲可動部位の動作位相θ’hを入力振動とする位相振動子モデルに基づいて、予め設定された目標位相差を維持しつつ装着者の屈曲可動部位の動作と前記関節部の動作とを同調させるための前記関節部の動作目標値を算出する目標値算出ステップ、および
前記目標値算出ステップで算出された動作目標値に基づいて、前記アクチュエータを駆動する駆動制御ステップ、を備えることを特徴とする同調制御方法。

【請求項6】
前記位相取得ステップが、
前記装着者の屈曲可動部位の動作と前記関節部の動作との相互作用力を検出する相互作用力検出ステップ、
前記関節部の関節角度を検出する関節角度検出ステップ、および
前記相互作用力検出ステップで検出した前記相互作用力、及び前記関節角度ステップで検出した前記関節角度に基づいて、前記装着者の屈曲可動部位の動作位相θ’hを推定する位相推定ステップ、によって構成されていることを特徴とする請求項5に記載の同調制御方法。

【請求項7】
前記位相推定ステップが、
前記相互作用力検出ステップで検出した相互作用力λ、及び前記関節角度ステップで検出した前記関節角度qにより、下記の式(1)で、前記装着者の屈曲可動部位のトルクτ’を推定するトルク推定ステップ、
【数8】


(式(1)中、Mh、Ghは、それぞれ、人間の慣性項、重力項を示す。)
さらに前記式(1)を用いて、動作中の人間の最大トルクτ’h_maxと最小トルクτ’h_minを推定し、これらを下記の式(2)に代入し、推定したトルクτ’の振幅A’hを算出するトルク振幅算出ステップ、
【数9】


前記トルクτ’hと前記振幅A’hから極座標上の位相角のy座標を下記の式(3)により算出するy座標算出ステップ、
【数10】


三平方の定理から下記の式(4)によりx座標を算出するx座標算出ステップ、および
【数11】


下記の(5)の極座標変換を行い、前記装着者の屈曲可動部位の動作位相θ’hを算出する位相変換ステップ、を備えるものであることを特徴とする請求項6に記載の同調制御方法。
【数12】



【請求項8】
前記目標値算出ステップで、下記の式(6)、式(7)の関係を有する位相振動子からなる数学モデルに基づいて、前記動作目標値として、前記関節部の駆動トルクを、式(7)のOutputにより算出することを特徴とする請求項6または7に記載の同調制御方法。
【数13】


【数14】


(式(6)中、ωa、θa、Kは、それぞれ前記関節部の固有振動数、位相角、同調ゲインを示し、θdは、前記目標位相差を示す。式(7)中、Aaと、θa0は、それぞれOutput波形の振幅と振動子の初期位相を示す。)

【請求項9】
前記駆動制御ステップで、前記目標値算出部の算出した動作目標値に基づいて、前記アクチュエータをフィードバック制御することを特徴とする請求項6~のいずれかに記載の同調制御方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 登録
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