JP6264400B2 - Multiple link mechanism and exercise assistance method - Google Patents
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Description
本明細書で開示する技術は、高齢者など主に介助や介護を必要とする人体に装着して用いられ、人体の運動を物理的並びに心理的に補助する運動補助装置及び運動補助方法ムに係り、特に、歩行動作を始め人体のさまざまな運動を汎用的に補助する運動補助装置及び運動補助方法に関する。 The technology disclosed in this specification is used by being attached to a human body such as an elderly person who mainly needs assistance or care, and is used in an exercise assistance device and an exercise assistance method for physically and psychologically assisting the movement of the human body. In particular, the present invention relates to an exercise assisting device and an exercise assisting method for assisting a variety of motions of a human body in general, including walking motion.
わが国の高齢化率(65歳以上高齢者人口が総人口に占める割合)は、2010年に23.1%であり、2025年には30%に至ると予測されている。このように高齢者の人口構成に占める比重が急速に高まっていくと、高齢者ができる限り要介護状態とならず健康で活き活きと暮らせること、また、要介護状態となっても、できる限り悪化を防ぎ、自立した生活を送ることができる社会を実現することが急務となっている。 Japan's aging rate (the proportion of the population aged 65 and over in the total population) is expected to reach 23.1% in 2010 and 30% in 2025. As the proportion of the population of the elderly grows rapidly, the elderly can stay healthy and lively as much as possible without being in need of long-term care. There is an urgent need to realize a society that can prevent people from living and live independently.
高齢化社会の到来に伴い、高齢者介護施設や高齢者を抱える家庭では、高齢者の心身の補助を行なうことを目的としたメカトロ機器への要求が高まっている。また、自律歩行補助器、パワー・アシスト・スーツといった物理的な補助に留まらず、ロボットを作業療法の中に効果的に取り入れたメンタル・アシストへの要求も存在する。 With the advent of an aging society, there is an increasing demand for mechatronic equipment for the purpose of assisting the mind and body of the elderly in nursing homes for the elderly and families with the elderly. There is also a need for mental assistance that effectively incorporates robots into occupational therapy, as well as physical assistance such as autonomous walking aids and power assist suits.
介助・介護用メカトロ機器開発で重要な点の1つは、高齢者の活動をいたずらに阻害せず、できるだけ維持・促進させることである。高齢者の体力が低下したからといって、高齢者の活動を機械が過度に代行してしまうと、高齢者の体力はますます減退し、状況は悪化する(廃用症候群)。パワー・アシスト・スーツは、人の筋肉が発生する力に加えて、人工的な力をその補助として加える装置であるが、高齢者の体力が低下した分を補完しながら、高齢者自身の活動を維持させられる点で、望ましい機器といえる。 One of the important points in the development of mechatronic devices for assistance and nursing care is to maintain and promote as much as possible without disturbing the activities of the elderly. Even if the physical fitness of the elderly declines, if the machine takes over the activities of the elderly, the physical fitness of the elderly declines and the situation worsens (disuse syndrome). A power assist suit is a device that adds artificial force in addition to the force generated by a person's muscles. It can be said that it is desirable equipment in that it can be maintained.
しかしながら、現時点ではパワー・アシスト・スーツの普及率は決して高くない。その理由として、以下のようなことが考えられる。 However, the penetration rate of power assist suits is not high at present. The reason is considered as follows.
(1)装着に手間がかかる。
(2)高価である。
(3)機器が重い。
(4)ぎこちないサポートしか行なわれない。
(5)装着したときの見た目が不格好である。
(6)稼働時間が短い。
(1) It takes time to install.
(2) It is expensive.
(3) The equipment is heavy.
(4) Only awkward support is provided.
(5) The appearance when worn is not good.
(6) The operation time is short.
例えば、筋電センサーからの出力と運動のフェーズ推定の結果に基づいて関節に駆動力を与える力制御型のパワー・アシスト方法が最近になって注目されている(例えば、非特許文献1を参照のこと)。しかしながら、筋電センサーは片脚に9箇所も取り付けなければならず、装着の手間がかかる。また、筋電センサーは経時変化や汗のため、皮膚から剥がれることもある。筋電センサーと皮膚の密着性が崩れると、筋電センサーの出力値が不安定となり、パワー・アシスト・スーツが暴走したり、装着した人体に不適切な力が印加したりするおそれがある。 For example, recently, a force control type power assist method that gives a driving force to a joint based on an output from a myoelectric sensor and a result of motion phase estimation has recently attracted attention (see, for example, Non-Patent Document 1). ) However, the myoelectric sensor has to be attached at nine places on one leg, which takes time and effort. In addition, the myoelectric sensor may peel off from the skin due to aging and sweat. If the adhesion between the myoelectric sensor and the skin is lost, the output value of the myoelectric sensor may become unstable, and the power assist suit may run away or improper force may be applied to the worn human body.
また、人体の歩行時には、歩行の相に応じた設計トルク・パターンが人体に印加される歩行補助装置について提案がなされている(例えば、非特許文献2を参照のこと)。一方、使用者の歩行パターンは多様であり、設計したトルク・パターンではカバーできないケースも多々存在する。このため、歩行時に違和感がある、不自然で低速な歩行しか行なえない、といった結果に陥り易い。 In addition, a proposal has been made for a walking assist device in which a design torque pattern corresponding to the phase of walking is applied to the human body during walking of the human body (for example, see Non-Patent Document 2). On the other hand, the user's walking patterns are diverse, and there are many cases that cannot be covered by the designed torque pattern. For this reason, it is easy to fall into the result of feeling uncomfortable at the time of walking, and being able to perform only unnatural and low-speed walking.
他方、筋電センサーを用いない人体補助装置も提案されている(例えば、非特許文献3を参照のこと)。この装置は、ユーザーの関節の動きをセンシングし、それをサポートするような力を関節に印加するように構成されている。但し、この装置は、ユーザーの関節の動きを阻害するものがあると、感度よくユーザーの運動の意図を反映することが難しくなるという問題がある。例えば、現存のパワー・アシスト・スーツの関節部に含まれるギヤ部の粘性抵抗などは、ユーザーの関節の動きを阻害する要因となり得る。将来的には、このような阻害要因を排除していく必要があると思料される。 On the other hand, a human body assist device that does not use a myoelectric sensor has also been proposed (see, for example, Non-Patent Document 3). The device is configured to sense the movement of a user's joint and apply a force to the joint to support it. However, this apparatus has a problem that it is difficult to reflect the intention of the user's movement with high sensitivity if there is an apparatus that inhibits the movement of the user's joint. For example, the viscous resistance of the gear part included in the joint part of the existing power assist suit can be a factor that hinders the movement of the user's joint. In the future, it will be necessary to eliminate such obstruction factors.
筋電センサーを用いないパワー・アシスト・スーツの多くは、経験則や、根拠に乏しい制御則に基づいて力を発生している。筋電センサーならば、理想的にはユーザーの運動意図を直接反映することができる(但し、現実には、上記したように、筋電センサーが安定したセンシングが難しいという問題がある)。これに対し、関節の動きのセンシングからユーザーの意図を抽出することは難しい。このような条件下で、ユーザーにストレスや不自然感の無い力サポートを行なうための、根拠ある制御則が必要である、と本出願人は思料される。 Many power assist suits that do not use myoelectric sensors generate force based on empirical rules or control laws that lack evidence. Ideally, a myoelectric sensor can directly reflect the user's intention to exercise (however, in reality, there is a problem that the myoelectric sensor is difficult to stably sense). On the other hand, it is difficult to extract the user's intention from sensing joint motion. Under such conditions, the applicant believes that a rational control law is necessary to provide the user with force support without stress or unnatural feeling.
例えば、ユーザーのバランスや体重を支えながら、脚の振り出しを補助する歩行アシスト・システムについて提案がなされている(例えば、特許文献1を参照のこと)。この歩行アシスト・システムは、ユーザーが把持する倒立振子型移動体と、ユーザーの脚の運動を補助する歩行補助装置からなり、倒立振子型移動体と歩行補助装置間で目標移動速度が所定の速度関係となるようにし、倒立振子型移動体は、ユーザーが把持した際の基体の動き及び目標移動速度に基づいて移動を制御するとともに、歩行補助装置は、ユーザーの脚体の動き及び目標移動速度に基づいて、力をユーザーに伝達させる。すなわち、歩行の層に応じて股関節をサポートするという、リズム・アシストを行なうシステムということができる。しかしながら、歩行アシスト・システムのアシストを適用する対象は歩行運動であり、それ以外の人体の運動に適用できる汎用性は有していない。付言すれば、股間部にサドルを有した体重アシストも提案されているが、着座の障害になることや外観の悪さの問題を有している。 For example, a walking assist system that assists in swinging out a leg while supporting a user's balance and weight has been proposed (see, for example, Patent Document 1). This walking assist system consists of an inverted pendulum type moving body gripped by the user and a walking assist device that assists the user's leg movement, and the target moving speed between the inverted pendulum type moving body and the walking assist device is a predetermined speed. The inverted pendulum type moving body controls the movement based on the movement of the base body and the target moving speed when the user grips, and the walking assist device uses the movement of the leg of the user and the target moving speed. To transmit the force to the user. That is, it can be said that the system performs a rhythm assist that supports the hip joint according to the layer of walking. However, the object to which the assist of the walking assist system is applied is a walking motion and does not have versatility applicable to other human motions. In other words, weight assist having a saddle at the crotch has been proposed, but it has a problem of being an obstacle to sitting and poor appearance.
また、従来のパワー・アシスト・スーツは、各関節駆動のためにそれぞれ1つのアクチュエーターを配設する構成が一般的である。したがって、より多くの関節部位をアシストしようとすると、アクチュエーターの台数増大により、装置の重量化、高価格化を招来し、実用性に乏しくなる。また、機器内でアクチュエーターの占める割合が高いことから意匠設計の制約となり、機器の見た目が不格好になりがちであるし、駆動電力もますことから稼働時間が短くなる要因にもなる。 Further, a conventional power assist suit generally has a configuration in which one actuator is provided for driving each joint. Therefore, if an attempt is made to assist more joint parts, the increase in the number of actuators causes an increase in the weight and cost of the device, resulting in poor practicality. In addition, since the ratio of actuators in the equipment is high, design design is restricted, and the appearance of the equipment tends to be ugly, and the drive power is also increased, resulting in shortening of the operation time.
本明細書で開示する技術の目的は、高齢者など主に介助や介護を必要とする人体に装着して用いられ、人体の運動を物理面並びに心理面から好適に補助することができる、優れた運動補助装置及び運動補助方法を提供することにある。 The purpose of the technology disclosed in the present specification is used by being worn on a human body that mainly needs assistance or nursing care, such as an elderly person, and can favorably assist human body movement from the physical and psychological aspects. Another object of the present invention is to provide an exercise assistance device and an exercise assistance method.
本明細書で開示する技術のさらなる目的は、関節数に対しより少ないアクチュエーターを用いて自然な力サポートを行なうとともに、軽量化・低価格化を実現する、優れた運動補助装置及び運動補助方法を提供することにある。 A further object of the technology disclosed in the present specification is to provide an excellent exercise assisting device and an exercise assisting method that provide natural force support using fewer actuators with respect to the number of joints, and realize weight reduction and price reduction. It is to provide.
本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項1に記載の技術は、
ユーザーの第jの部位に装着される第jリンクと、
前記第iリンクの一端にて回転自在に接続される第i関節部と、
前記ユーザーの第(j+1)の部位に装着される第(j+1)リンクと、
前記第(j+1)リンクの一端と一体であるとともに前記第jリンクの他端と連結する第(i+1)関節部と、
前記第jリンク又は前記第jリンクに隣接するリンクのいずれか一方に設置された単一のアクチュエーターと、
前記アクチュエーターの駆動力を前記第i関節部及び前記第(i+1)関節部に伝達する伝達部と、
を具備する運動補助装置である。
The present application has been made in consideration of the above problems, and the technology according to claim 1
A jth link attached to the jth part of the user;
An i-th joint portion rotatably connected at one end of the i-th link;
A (j + 1) th link attached to the (j + 1) th part of the user;
An (i + 1) th joint part integral with one end of the (j + 1) th link and connected to the other end of the jth link;
A single actuator installed on either the j-th link or a link adjacent to the j-th link;
A transmission section for transmitting the driving force of the actuator to the i-th joint section and the (i + 1) -th joint section;
Is an exercise assisting device.
本願の請求項2に記載の技術によれば、請求項1に記載の運動補助装置の前記伝達部は、前記第i関節部の発生トルクと前記第(i+1)関節部の発生トルクの間に比例関係が成立するように、前記アクチュエーターの駆動力を伝達するように構成されている。 According to the technology described in claim 2 of the present application, the transmission unit of the exercise assisting device according to claim 1 is configured so that the generated torque of the i-th joint unit and the generated torque of the (i + 1) -th joint unit are between The actuator is configured to transmit the driving force of the actuator so that a proportional relationship is established.
本願の請求項3に記載の技術によれば、請求項1に記載の運動補助装置の前記伝達部は、前記第i関節部と前記第(i+1)関節部間で駆動方向が逆向きになるように前記アクチュエーターの駆動力を伝達するように構成されている。 According to the technique described in claim 3 of the present application, in the transmission unit of the exercise assisting device according to claim 1, the driving direction is reversed between the i-th joint unit and the (i + 1) -th joint unit. In this way, the driving force of the actuator is transmitted.
本願の請求項4に記載の技術によれば、請求項1に記載の運動補助装置の前記伝達部は、ワイヤーにより前記アクチュエーターの駆動力を前記第i関節部及び前記第(i+1)関節部に伝達するように構成されている。 According to the technique of claim 4 of the present application, the transmission unit of the exercise assisting device of claim 1 applies a driving force of the actuator to the i-th joint unit and the (i + 1) -th joint unit by a wire. Configured to communicate.
本願の請求項5に記載の技術によれば、請求項4に記載の運動補助装置の前記伝達部は、前記第i関節部と前記第(i+1)関節部間で前記ワイヤーをクロスさせている。 According to the technique described in claim 5 of the present application, the transmission section of the exercise assisting apparatus according to claim 4 crosses the wire between the i-th joint section and the (i + 1) -th joint section. .
本願の請求項6に記載の技術によれば、請求項1に記載の運動補助装置の前記第jリンクは前記ユーザーの脚の大腿部に装着される大腿部リンクであり、前記第i関節部は前記大腿部リンクの上端にて回転自在に接続される股関節ピッチ軸であり、前記第(j+1)リンクは前記脚の脛部に装着される脛部リンクであり、前記第(i+1)関節部は前記脛部リンクの上端と一体であるとともに前記大腿部リンクの下端と連結する膝関節ピッチ軸であり、前記アクチュエーターは前記大腿部リンクに設置されている。 According to the technique described in claim 6 of the present application, the j-th link of the exercise assistance device according to claim 1 is a thigh link attached to a thigh of the leg of the user, and the i-th link. The joint is a hip joint pitch axis that is rotatably connected at the upper end of the thigh link, the (j + 1) th link is a shin link attached to the shin of the leg, and the (i + 1) th The joint is a knee joint pitch axis that is integral with the upper end of the shin link and is connected to the lower end of the thigh link, and the actuator is installed on the thigh link.
本願の請求項7に記載の技術によれば、請求項6に記載の運動補助装置の前記伝達部は、前記アクチュエーターの出力軸に巻架された後、前記股関節ピッチ軸に対して前記アクチュエーターの回転方向と同一方向に巻架され、次いで、前記膝関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの回転方向と逆方向に巻架されたワイヤーからなる。 According to the technique described in claim 7 of the present application, the transmission unit of the exercise assisting device according to claim 6 is wound around the output shaft of the actuator and then The wire is wound in the same direction as the rotation direction and then wound in the direction opposite to the rotation direction of the actuator with respect to the knee joint pitch axis.
本願の請求項8に記載の技術によれば、請求項1に記載の運動補助装置の前記第jリンクは前記ユーザーの脚の大腿部に装着される大腿部リンクであり、前記第i関節部は前記大腿部リンクの下端にて回転自在に接続される膝関節ピッチ軸であり、前記第(j+1)リンクは前記脚の大腿部に装着される骨盤リンクであり、前記第(i+1)関節部は前記骨盤リンクと一体であるとともに前記大腿部リンクの上端と連結する股関節ピッチ軸であり、前記アクチュエーターは前記大腿部リンクに隣接する脛部リンクに設置されている。 According to the technique described in claim 8 of the present application, the j-th link of the exercise assisting device according to claim 1 is a thigh link attached to a thigh of the leg of the user, and the i-th link. The joint is a knee joint pitch axis that is rotatably connected at the lower end of the thigh link, and the (j + 1) th link is a pelvic link attached to the thigh of the leg, i + 1) The joint is a hip joint pitch axis that is integral with the pelvic link and connected to the upper end of the thigh link, and the actuator is installed on the shin link adjacent to the thigh link.
本願の請求項9に記載の技術によれば、請求項8に記載の運動補助装置の前記伝達部は、前記アクチュエーターの出力軸に巻架された後、前記膝関節ピッチ軸に対して前記アクチュエーターの回転方向と同一方向に巻架され、次いで、前記股関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの回転方向と逆方向に巻架されたワイヤーからなる。 According to the ninth aspect of the present application, the transmission unit of the exercise assisting apparatus according to the eighth aspect is wound around the output shaft of the actuator and then the actuator with respect to the knee joint pitch axis. The wire is wound in the same direction as the rotation direction, and then wound in the direction opposite to the rotation direction of the actuator with respect to the hip joint pitch axis.
本願の請求項10に記載の技術によれば、請求項1に記載の運動補助装置は、前記アクチュエーターのトルク目標値を決定する目標トルク決定部と、前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するアクチュエーター制御部をさらに備えている。 According to the technique of claim 10 of the present application, the exercise assisting device of claim 1 is configured to torque a target torque determining unit that determines a torque target value of the actuator and the actuator based on the torque target value. An actuator control unit that is controlled by the control is further provided.
本願の請求項11に記載の技術によれば、請求項10に記載の運動補助装置は、前記関節部の関節角を計測する関節角計測部と、前記アクチュエーターに作用する外トルクを計測するトルク計測部をさらに備えている。そして、前記アクチュエーター制御部は、前記関節角計測部が計測した前記関節角と、前記トルク計測部が計測した前記外トルクとの間に所望の関係が成立するように、前記アクチュエーターをトルク制御するように構成されている。 According to the technique described in claim 11 of the present application, the exercise assisting device according to claim 10 includes a joint angle measuring unit that measures a joint angle of the joint part, and a torque that measures an external torque acting on the actuator. A measurement unit is further provided. The actuator control unit torque-controls the actuator so that a desired relationship is established between the joint angle measured by the joint angle measurement unit and the external torque measured by the torque measurement unit. It is configured as follows.
本願の請求項12に記載の技術によれば、請求項11に記載の運動補助装置の前記アクチュエーター制御部は、前記目標トルクτAにて前記アクチュエーターを駆動した際の外乱トルクτdを算出する外乱オブザーバーを備え、前記目標トルクτAと、前記外トルクτeと、前記関節角を時間微分して得られる関節角速度に基づいて前記アクチュエーターが応答したことにより達成される関節角加速度目標値を求めて出力するアクチュエーターの理論応答モデルから得られる関節角加速度目標値に前記アクチュエーター内のイナーシャーの公称値Jnを掛けたトルク目標値τrefを、前回の制御周期において前記外乱オブザーバーによって得られた外乱トルクτdで修正して、現制御周期における前記アクチュエーターに対する指示トルクτを決定するように構成されている。 According to the technique of claim 12 of the present application, the actuator control unit of the exercise assisting device of claim 11 calculates a disturbance torque τ d when the actuator is driven with the target torque τ A. A target value of joint angular acceleration achieved by the response of the actuator based on the target torque τ A , the external torque τ e, and the joint angular velocity obtained by time differentiation of the joint angle is provided. A target torque τ ref obtained by multiplying a target joint angular acceleration target value obtained from the theoretical response model of the actuator to be obtained and output by a nominal value J n of the inertia in the actuator was obtained by the disturbance observer in the previous control cycle. with modification disturbance torque tau d, determines the command torque tau to said actuator in the current control cycle Is constructed sea urchin.
本願の請求項13に記載の技術によれば、請求項6に記載の運動補助装置は、前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかを検出する状態検出部と、前記股関節ピッチ軸及び前記膝関節ピッチ軸の関節角を計測する関節角計測部と、前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかに応じて、前記股関節ピッチ軸又は前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する目標トルク決定部をさらに備えている。そして、前記アクチュエーター制御部は、前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するように構成されている。 According to the technique described in claim 13 of the present application, the exercise assisting device according to claim 6 includes a state detection unit that detects whether the leg is a standing leg or a free leg, and the hip joint pitch axis. And a joint angle measuring unit for measuring a joint angle of the knee joint pitch axis, and a joint angle of the hip joint pitch axis or the knee joint pitch axis depending on whether the leg is a standing leg or a free leg state. The apparatus further includes a target torque determining unit that determines the torque target value based on the target torque. The actuator control unit is configured to control the actuator by torque control based on the torque target value.
本願の請求項14に記載の技術によれば、請求項13に記載の運動補助装置の前記目標トルク決定部は、前記脚が立脚のときには、前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づいて前記トルク目標値を決定し、前記脚が遊脚のときには、前記股関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定するように構成されている。 According to the technique described in claim 14 of the present application, the target torque determining unit of the exercise assisting device according to claim 13 is configured such that, when the leg is a standing leg, the torque is based on a joint angle of the knee joint pitch axis. A target value is determined, and when the leg is a free leg, the torque target value based on the joint angle of the hip joint pitch axis is determined.
本願の請求項15に記載の技術によれば、請求項13に記載の運動補助装置の前記状態検出部は、前記脚の足部の設置判定を行なう接触スイッチからなる。 According to the technique of Claim 15 of this application, the said state detection part of the exercise assistance apparatus of Claim 13 consists of a contact switch which performs installation determination of the leg | foot part of the said leg.
また、本願の請求項16に記載の技術は、請求項6に記載の運動補助装置を用いてユーザーの運動を補助する運動補助方法であって、
前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかを検出する状態検出ステップと、
前記股関節ピッチ軸及び前記膝関節ピッチ軸の関節角を計測する関節角計測ステップと、
前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかに応じて、前記股関節ピッチ軸又は前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する目標トルク決定ステップと、
前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するアクチュエーター制御ステップと、
を有する運動補助方法である。
A technique according to claim 16 of the present application is an exercise assistance method for assisting a user's exercise using the exercise assistance device according to claim 6,
A state detection step of detecting whether the leg is a standing leg or a free leg; and
A joint angle measuring step of measuring a joint angle of the hip joint pitch axis and the knee joint pitch axis;
A target torque determination step for determining the torque target value based on a joint angle of the hip joint pitch axis or the knee joint pitch axis, depending on whether the leg is a standing leg or a free leg; and
An actuator control step of controlling the actuator by torque control based on the torque target value;
Is an exercise assisting method.
本明細書で開示する技術によれば、1つのアクチュエーターで複数の関節に力を印加するように構成して、軽量化・低価格化を実現する、優れた運動補助装置及び運動補助方法を提供することができる。 According to the technology disclosed in this specification, an excellent exercise assisting device and an exercise assisting method are provided that are configured to apply force to a plurality of joints with a single actuator, thereby realizing weight reduction and price reduction. can do.
また、本明細書で開示する技術によれば、特に股関節と膝関節の間に一定の関係が形成されるように、ワイヤー干渉駆動を行なうことで、1つのアクチュエーターで股関節と膝関節の両方の駆動を実現し、立脚の体重支持と、遊脚の引き上げ効果の両立を可能にして、自然な力サポートを損なわずに、軽量化・低価格化を実現することができる、優れた運動補助装置及び運動補助方法を提供することができる。 In addition, according to the technique disclosed in this specification, by performing wire interference driving so that a certain relationship is formed between the hip joint and the knee joint, both the hip joint and the knee joint can be performed with one actuator. An excellent exercise assistance device that realizes driving, enables weight support of the stance leg and lifting effect of the free leg, and realizes weight reduction and price reduction without damaging natural force support And a method of assisting exercise can be provided.
本明細書で開示する技術を適用したパワー・アシスト・スーツは、機器内でアクチュエーターの占める割合が減ることから、見た目に美しい意匠設計を行ない易く、また、アクチュエーターの駆動電力が少なくて済むことから、稼働時間を長くすることができる。 The power assist suit to which the technology disclosed in this specification is applied reduces the proportion of the actuator in the device, so it is easy to design a beautiful design, and the drive power of the actuator can be reduced. , Can increase the operating time.
本明細書で開示する技術のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。 Other objects, features, and advantages of the technology disclosed in the present specification will become apparent from a more detailed description based on the embodiments to be described later and the accompanying drawings.
以下、図面を参照しながら本明細書で開示する技術の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the technology disclosed in this specification will be described in detail with reference to the drawings.
図1には、本明細書で開示する技術を適用した脚部アシスト・スーツ100の構成を模式的に示している。 FIG. 1 schematically shows a configuration of a leg assist suit 100 to which the technology disclosed in this specification is applied.
図示の脚部アシスト・スーツ100は、人体の左右の脚それぞれ対し、股関節にロール、ピッチ、ヨーの3自由度、膝関節にピッチの1自由度、合計で8自由度を有している。図1では、紙面前方の右側の関節部及びリンクを実線で描き、紙面後方で右脚に隠れた左側の関節部及びリンクを点線で描いている。 The illustrated leg assist suit 100 has 8 degrees of freedom in total, with 3 degrees of freedom of roll, pitch and yaw at the hip joint and 1 degree of freedom of the pitch at the knee joint for each of the left and right legs of the human body. In FIG. 1, the right joint and link on the front side of the paper are drawn with solid lines, and the left joint and link behind the right leg behind the paper are drawn with dotted lines.
各関節間は剛体リンクで接続されている。具体的には、左右の股関節間は骨盤リンク(Pelvis Link:PL)208で接続され、左右それぞれの股関節と膝関節間は大腿部リンク(Thigh Link:TL)207で接続され、左右それぞれの膝関節と足首関節間は脛部リンク(Shank Link:SL)206で接続されている。骨盤リンク(PL)208、大腿部リンク207、脛部リンク206は、それぞれバンド(図示しない)によって人間の身体に固定されているものとする。 Each joint is connected by a rigid link. Specifically, the left and right hip joints are connected by a pelvic link (Pelvis Link: PL) 208, and the left and right hip joints and knee joints are connected by a thigh link (High Link: TL) 207. The knee joint and the ankle joint are connected by a shin link (SL) 206. It is assumed that the pelvic link (PL) 208, the thigh link 207, and the shin link 206 are fixed to the human body by bands (not shown).
図示の脚部アシスト・スーツ100は、左右それぞれの脚につき、股関節ヨー軸(Hip Yaw Joint:HYJ)209、股関節ロール軸(Hip Roll Joint:HRJ)210、股関節ピッチ軸(Hip Pithch Joint:HPJ)204、膝関節ピッチ軸(Knee Pitch Joint:KPJ)205の4関節自由度を持つ。これらの関節部のうち、駆動力を発生する駆動関節(Active Joint)は、股関節ピッチ軸204と膝関節ピッチ軸205のみであり、その他の股関節ヨー軸209、股関節ロール軸210は、力を発しないフリー・ジョイントとする。また、足首はバンドで固定されるのみで、足首関節の自由度はない。 The illustrated leg assist suit 100 has a hip yaw axis (HYJ) 209, a hip roll axis (HRJ) 210, and a hip joint pitch axis (HPJ) for each of the left and right legs. 204, having four joint degrees of freedom of knee joint pitch (KPJ) 205. Of these joints, the only drive joints (Active Joints) that generate drive force are the hip joint pitch axis 204 and the knee joint pitch axis 205, and the other hip joint yaw axis 209 and hip joint roll axis 210 generate force. Do not use free joints. Also, the ankle is only fixed with a band, and there is no degree of freedom for the ankle joint.
骨盤部には、脚部アシスト・スーツ100の制御を行なうホスト・コンピューター203が搭載されている。また、左右の足底部には、足底と路面の間の接地状態を検出するための接触センサー(footSW)211が搭載されており、接触センサー211の出力に基づいて左右それぞれの脚が立脚、遊脚いずれの状態であるかを判別することができる。 A host computer 203 that controls the leg assist suit 100 is mounted on the pelvis. In addition, a contact sensor (footSW) 211 for detecting the ground contact state between the sole and the road surface is mounted on the left and right soles, and the left and right legs are standing on the basis of the output of the contact sensor 211. It is possible to determine which state is the free leg.
図2には、図1に示した脚部アシスト・スーツ100のうち股関節と膝関節の周辺を拡大して描いている。図示のように、左右それぞれの股関節ピッチ軸204と膝関節ピッチ軸205は駆動関節であるが、これらが1つのアクチュエーター201によって駆動される。このアクチュエーター201は、大腿部リンク207に設置され、その出力は、ワイヤー202を介して股関節ピッチ軸204と膝関節ピッチ軸205に伝達されるものとする。また、左右の膝関節ピッチ軸205にはアクチュエーターは配設されないが、別途、膝関節ピッチ軸205の関節角θkneeを計測するエンコーダー(図2には図示しない)が取り付けられているものとする。 FIG. 2 is an enlarged view of the periphery of the hip joint and knee joint in the leg assist suit 100 shown in FIG. As shown, the left and right hip joint pitch axes 204 and knee joint pitch axes 205 are drive joints, which are driven by one actuator 201. This actuator 201 is installed on the thigh link 207, and its output is transmitted to the hip joint pitch axis 204 and the knee joint pitch axis 205 via the wire 202. The left and right knee joint pitch shafts 205 are not provided with actuators, but are separately attached with encoders (not shown in FIG. 2) for measuring the joint angle θ knee of the knee joint pitch shafts 205. .
図2に示す例では、ワイヤー202は、アクチュエーター201の出力軸に巻架された後、股関節ピッチ軸204に対してはアクチュエーター201の回転方向と同一方向すなわち正則となるように巻架され、次いで、膝関節ピッチ軸205に対してはアクチュエーター201の回転方向と逆方向すなわち反対則となるように巻架されている。股関節ピッチ軸204と膝関節ピッチ軸205の間で、ワイヤー202をクロスさせている。 In the example shown in FIG. 2, after the wire 202 is wound around the output shaft of the actuator 201, the wire 202 is wound around the hip joint pitch shaft 204 in the same direction as the rotation direction of the actuator 201, that is, regular. The knee joint pitch axis 205 is wound in a direction opposite to the rotation direction of the actuator 201, that is, an opposite law. The wire 202 is crossed between the hip joint pitch axis 204 and the knee joint pitch axis 205.
膝関節ピッチ軸205は、脛部リンク206に対して固定されている。具体的には、膝関節ピッチ軸205のプーリーは、脛部リンク206と一体に形成されている。したがって、アクチュエーター201の出力軸の回転がワイヤー202を介して膝関節ピッチ軸205に伝達されると、膝関節ピッチ軸205と一体となって脛部リンク206が動作する。 The knee joint pitch axis 205 is fixed with respect to the shin link 206. Specifically, the pulley of the knee joint pitch shaft 205 is formed integrally with the shin link 206. Therefore, when the rotation of the output shaft of the actuator 201 is transmitted to the knee joint pitch shaft 205 via the wire 202, the shin link 206 operates integrally with the knee joint pitch shaft 205.
一方、股関節ピッチ軸204は、大腿部リンク207に対して、フリーに取り付けられている。具体的には、股関節ピッチ軸204のプーリーは、大腿部リンク207とは一体ではなく、ベアリング(図示しない)を介して回転自在となっている。したがって、アクチュエーター201の出力軸が単に回転するだけでは、股関節ピッチ軸204のプーリーを介して大腿部リンク207が動作することはなく、股関節ピッチ軸204にトルクτhipが発生しない。 On the other hand, the hip joint pitch shaft 204 is freely attached to the thigh link 207. Specifically, the pulley of the hip joint pitch shaft 204 is not integral with the thigh link 207 but is rotatable via a bearing (not shown). Therefore, the thigh link 207 does not operate via the pulley of the hip joint pitch shaft 204 simply by rotating the output shaft of the actuator 201, and the torque τ hip is not generated in the hip joint pitch shaft 204.
ここで、足首に外力が加わるなどして、脛部リンク206と一体である膝関節ピッチ軸205にトルクτkneeが発生すると、ワイヤー202を介した干渉駆動により、股関節ピッチ軸204に干渉トルクτhipが発生する(非特許文献4を参照のこと)。後述するように、股関節ピッチ軸204に発生するトルクτhipと、膝関節ピッチ軸205に発生するトルクτkneeの間には、比例関係が成立する。 Here, when an external force is applied to the ankle and a torque τ knee is generated in the knee joint pitch shaft 205 integral with the shin link 206, an interference torque τ is applied to the hip joint pitch shaft 204 by the interference drive via the wire 202. Hip occurs (see Non-Patent Document 4). As will be described later, a proportional relationship is established between the torque τ hip generated on the hip joint pitch axis 204 and the torque τ knee generated on the knee joint pitch axis 205.
このように股関節ピッチ軸204と膝関節ピッチ軸205の間には、ワイヤー干渉駆動による拘束関係があることから、脚部アシスト・スーツ100は、単一のアクチュエーター201のみを用いて膝と大腿部を同時に動作させることができる。 As described above, since the hip joint pitch axis 204 and the knee joint pitch axis 205 have a restraint relationship by wire interference driving, the leg assist suit 100 uses only a single actuator 201 for the knee and thigh. The parts can be operated simultaneously.
図3には、図1に示した脚部アシスト・スーツ100の股関節ピッチ軸204及び膝関節ピッチ軸205の同時駆動に適用されるアクチュエーター201の構成例を示している。図示のアクチュエーター201は、回転子301と固定子302からなるモーター300本体と、波動歯車装置などのギヤからなる減速部303で構成され、インターフェース基板304上に搭載されている。モーターの回転子には、回転位置すなわち関節軸の角度を検出するエンコーダー305が取り付けられている。また、減速部の出力軸には、軸受部306を介して後段のリンク(図示しない)が接続されるとともに、出力トルクを検出するためのトルク・センサー307が取り付けられている。 FIG. 3 shows a configuration example of an actuator 201 applied to simultaneous driving of the hip joint pitch axis 204 and the knee joint pitch axis 205 of the leg assist suit 100 shown in FIG. The illustrated actuator 201 includes a motor 300 main body including a rotor 301 and a stator 302, and a speed reduction unit 303 including a gear such as a wave gear device, and is mounted on an interface board 304. An encoder 305 that detects the rotational position, that is, the angle of the joint axis, is attached to the rotor of the motor. In addition, a downstream link (not shown) is connected to the output shaft of the speed reduction portion via a bearing portion 306, and a torque sensor 307 for detecting output torque is attached.
股関節ピッチ軸204はアクチュエーター201の回転方向と同一方向となるようにワイヤー202で巻架されている。したがって、アクチュエーター201内のエンコーダー305の出力により、股関節ピッチ軸204の関節角θhipを測定することができる。また、膝関節ピッチ軸205に別途取り付けられたエンコーダー(前述)により、膝関節ピッチ軸205の関節角θkneeを計測することができる。 The hip joint pitch axis 204 is wound around the wire 202 so as to be in the same direction as the rotation direction of the actuator 201. Therefore, the joint angle θ hip of the hip joint pitch axis 204 can be measured by the output of the encoder 305 in the actuator 201. The joint angle θ knee of the knee joint pitch axis 205 can be measured by an encoder (described above) separately attached to the knee joint pitch axis 205.
図4には、脚部アシスト・スーツ100の骨盤部に搭載されたホスト・コンピューター203を中心に構築された、脚部アシスト・スーツ100の制御システムの構成例を示している。左右それぞれに配設されたアクチュエーター201L/Rには、トルク制御とホスト・コンピューター203との通信を行なうためのマイコン401L/Rが併設されている。ホスト・コンピューター203は、このマイコン401L/Rを介して、アクチュエーター201内のモーター300に対してトルク制御目標値を与えることができる。また、ホスト・コンピューター203は、アクチュエーター201L/Rに含まれるエンコーダー305L/Rやトルク・センサー307L/Rの検出値を、マイコン401L/Rを通じて読み出すことができる。また、左右の膝関節のエンコーダー403L/Rにマイコン402L/Rが併設されるとともに、左右の足底に搭載された接触センサー211L/Rにもマイコン404L/Rが併設されている。ホスト・コンピューター203は、同様の通信により、マイコン402L/R、404L/Rを介して、エンコーダー403L/R、左右の足の接触センサー211L/Rの出力を読み出すことができるものとする。 FIG. 4 shows a configuration example of a control system for the leg assist suit 100 constructed around the host computer 203 mounted on the pelvic part of the leg assist suit 100. The actuators 201L / R disposed on the left and right sides are provided with microcomputers 401L / R for performing torque control and communication with the host computer 203, respectively. The host computer 203 can give a torque control target value to the motor 300 in the actuator 201 via the microcomputer 401L / R. Further, the host computer 203 can read out the detection values of the encoder 305L / R and the torque sensor 307L / R included in the actuator 201L / R through the microcomputer 401L / R. Further, a microcomputer 402L / R is provided together with the encoders 403L / R for the left and right knee joints, and a microcomputer 404L / R is also provided for the contact sensor 211L / R mounted on the left and right soles. The host computer 203 can read out the outputs of the encoder 403L / R and the left and right foot contact sensors 211L / R via the microcomputers 402L / R and 404L / R through similar communication.
ホスト・コンピューター203は、アクチュエーター201L/R内のエンコーダー305L/Rの出力値から股関節ピッチ軸の関節角θhipを得ることができ、膝関節のエンコーダー403L/Rの出力値から膝関節ピッチ軸の関節角θkneeを得ることができる。 The host computer 203 can obtain the joint angle θ hip of the hip joint pitch axis from the output value of the encoder 305L / R in the actuator 201L / R, and can determine the knee joint pitch axis from the output value of the encoder 403L / R of the knee joint. The joint angle θ knee can be obtained.
本実施形態では、ホスト・コンピューター203は、アクチュエーター201に対して位置制御ではなく力制御方式を採用するが、筋電センサーを用いず、ユーザーの関節の動きに相当する股関節ピッチ軸204の関節角θhip、膝関節ピッチ軸205の関節角θkneeに基づいて力制御を行なう。したがって、ユーザーは、筋電センサーを人体に装着する手間から解放されるとともに、筋電センサーの出力値の不安定性に基づく動作不良の危険から解放される。 In the present embodiment, the host computer 203 employs a force control method instead of position control for the actuator 201, but does not use a myoelectric sensor, and the joint angle of the hip joint pitch axis 204 corresponding to the movement of the user's joint. Force control is performed based on θ hip and the joint angle θ knee of the knee joint pitch axis 205. Therefore, the user is relieved from the trouble of wearing the myoelectric sensor on the human body, and is freed from the risk of malfunction due to the instability of the output value of the myoelectric sensor.
これらの関節部には、摩擦や慣性といったモデル化や同定が困難な、大きな誤差を生む要因がある。そこで、理想的な関節部(IJU)を実現するために、アクチュエーター201の駆動には、関節部に存在する摩擦や慣性といったモデル化や同定が困難な外乱の要因に対処し、数理モデル(理想応答モデル)に基づいて出力トルクを指示することができるアクチュエーター制御装置を用いる。具体的には、トルク・センサー307の値と、エンコーダー305の出力を用いてアクチュエーター201の制御を行ない、数理モデルに基づく精密な応答を実現する(例えば、特許文献2を参照のこと)。アクチュエーター201は、指令トルク及び外トルクに対し、指定されたイナーシャーと粘性抵抗によって支配される、精密な2次系の応答を示す。これにより、減速部のギヤ内の摩擦などによって関節の動きが阻害されることなく、わずかな力が関節に作用しても、精密にアクチュエーター201の角加速度変化となって現れるようにすることができる。したがって、トルク・センサー307で得られる出力トルクと、エンコーダー305による検出角度を用いて制御を行なうことで、数理モデルに基づく精密な応答を実現することができる。その結果、脚部アシスト・スーツ100を装着したユーザーの関節に抵抗感を与えることなく、運動をサポートする力を発することができる。 These joints have factors that cause large errors that are difficult to model and identify, such as friction and inertia. Therefore, in order to realize an ideal joint (IJU), the actuator 201 is driven by dealing with disturbance factors that are difficult to model and identify such as friction and inertia existing in the joint, and by applying a mathematical model (ideal An actuator control device that can indicate an output torque based on a response model is used. Specifically, the actuator 201 is controlled using the value of the torque sensor 307 and the output of the encoder 305 to realize a precise response based on a mathematical model (see, for example, Patent Document 2). The actuator 201 shows a precise secondary system response governed by the specified inertia and viscous resistance with respect to the command torque and the external torque. As a result, the movement of the joint is not hindered by friction in the gear of the speed reducer, and even if a slight force acts on the joint, it can be accurately expressed as an angular acceleration change of the actuator 201. it can. Therefore, by performing control using the output torque obtained by the torque sensor 307 and the detection angle by the encoder 305, a precise response based on the mathematical model can be realized. As a result, it is possible to generate a force that supports exercise without giving resistance to the joint of the user wearing the leg assist suit 100.
図1に示した脚部アシスト・スーツ100及びこれを装着する人のマスプロパティーは既知とし、人と脚部アシスト・スーツを合わせた系を2脚ロボットとしてモデル化すると、そのダイナミクス演算において、アクチュエーター201は、下式(1)に示すような数式でモデル化される。 When the leg assist suit 100 shown in FIG. 1 and the mass property of the person wearing the leg assist suit are known and a system combining the person and the leg assist suit is modeled as a two-legged robot, the actuator is used in the dynamics calculation. 201 is modeled by a mathematical formula as shown in the following formula (1).
上式(1)において、Iaは関節の仮想イナーシャー、qAは関節の関節角(エンコーダー出力として得られるθhip、θkneeに相当)、τAは関節の発生トルクの指令値であるトルク目標値、τeは関節に作用する外トルク、νaは関節内部の(未知の、モデル化が困難となる)仮想的な粘性係数である。トルク目標値τAの算出方法については後述に譲る。 In the above equation (1), I a is a joint virtual inertia, q A is a joint angle (corresponding to θ hip and θ knee obtained as an encoder output), and τ A is a torque that is a command value of the generated torque of the joint. The target value, τ e is an external torque acting on the joint, and ν a is a virtual viscosity coefficient (unknown and difficult to model) inside the joint. A method for calculating the torque target value τ A will be described later.
上式(1)から、理論モデルには、関節に作用する外トルク項τeが含まれていることが分かる。したがって、アクチュエーター201の応答を理論モデル通りとなるように矯正するには、この外トルクτeを検出する必要がある。本実施形態では、上述したように、アクチュエーター201には、減速部303の出力軸において外トルクτeを計測するためのトルク・センサー307が配設されており(図3を参照のこと)、そのトルク計測結果はホスト・コンピューター203で収集されるようになっている。 From the above equation (1), it can be seen that the theoretical model includes an external torque term τ e acting on the joint. Therefore, it is necessary to detect this external torque τ e in order to correct the response of the actuator 201 so that it matches the theoretical model. In the present embodiment, as described above, the actuator 201 is provided with the torque sensor 307 for measuring the external torque τ e on the output shaft of the speed reducing unit 303 (see FIG. 3). The torque measurement results are collected by the host computer 203.
アクチュエーター201が上式(1)で表される理論モデルに従った応答を行なうことは、上式(1)の右辺が与えられたときに、左辺の関節角加速度が達成されることに他ならない。このような関節角加速度制御系を構成するために、外乱トルクを推定する外乱オブザーバーを適用することによって、理論応答モデルに基づいて関節トルクτを高い精度で決定することができる。 The actuator 201 responding according to the theoretical model expressed by the above equation (1) is nothing but the achievement of the joint angular acceleration on the left side when the right side of the above equation (1) is given. . In order to configure such a joint angular acceleration control system, by applying a disturbance observer for estimating a disturbance torque, the joint torque τ can be determined with high accuracy based on a theoretical response model.
図10には、アクチュエーター201の理想応答を実現する制御ブロック図を示している。同図中で、点線で囲まれた部分が外乱オブザーバーに相当し、外乱トルクτdを推定し、制御系に及ぼす影響を除去することによって、ロバストな加速度制御系を構築している。但し、Jnは関節内のイナーシャーの公称値、Jは関節内のイナーシャーの(未知の)実際値、qAは関節角である。また、関節の仮想イナーシャーIaは、ダイナミクス演算における設計事項として仮想的な定数が与えられるとする。 FIG. 10 shows a control block diagram for realizing the ideal response of the actuator 201. In the figure, a portion surrounded by a dotted line corresponds to a disturbance observer, and a robust acceleration control system is constructed by estimating the disturbance torque τ d and removing the influence on the control system. Where J n is the nominal value of the inertia in the joint, J is the (unknown) actual value of the inertia in the joint, and q A is the joint angle. Further, it is assumed that a virtual constant is given to the joint virtual inertia Ia as a design item in the dynamics calculation.
ホスト・コンピューター203上では、制御周期毎に、力制御方式によりアクチュエーター201に対する指令値である目標トルクτAを決定するとともに、アクチュエーター201の減速部303の出力軸に取り付けられたトルク・センサー307によって計測された外トルク実測値τe、並びに、エンコーダー305などによって計測された関節角qAから得られる角速度実測値がアクチュエーター201に併設されたマイコン401から送られてくる。そして、これら目標トルクτA、外トルク実測値τe、並びに関節角qAの角速度実測値を上式(1)で表される理論応答モデルに代入して、同式左辺の関節角qAの加速度目標値を求め、この角加速度目標値を外乱オブザーバーに投入する。 On the host computer 203, a target torque τ A that is a command value for the actuator 201 is determined by a force control method at each control cycle, and a torque sensor 307 attached to the output shaft of the deceleration unit 303 of the actuator 201 is used. The measured external torque measured value τ e and the measured angular velocity value obtained from the joint angle q A measured by the encoder 305 or the like are sent from the microcomputer 401 provided in the actuator 201. Then, these target torque tau A, external torque actual measurement value tau e, and the angular velocity actual measurement value of the joint angle q A is substituted into the theoretical response model expressed by the above formula (1), the equation left side of the joint angle q A Acceleration target value is obtained, and this angular acceleration target value is input to the disturbance observer.
外乱オブザーバー内では、入力された関節角qAの加速度目標値に関節の仮想イナーシャー公称値Jnを掛けて、現制御周期におけるトルク目標値τrefに変換する。そして、外乱オブザーバーにより前制御周期で得られた外乱トルクτdをこのトルク目標値τrefに修正を加えると、現制御周期における関節に対するトルク指令値τとなる。 In the disturbance observer, the input acceleration target value of the joint angle q A is multiplied by the joint virtual inertia nominal value J n to convert it into a torque target value τ ref in the current control cycle. When the disturbance torque τ d obtained in the previous control cycle by the disturbance observer is corrected to the torque target value τ ref , the torque command value τ for the joint in the current control cycle is obtained.
伝達関数1/Jnからなる関節にトルク指令値τからなる力制御を掛けると、関節部に存在する摩擦や慣性などの外乱の影響を受けながら回転駆動する。具体的には、トルク指令値τを電流指令値に換算し、これがモーター300の駆動回路への指示入力となる。その際の発生トルクτe並びに関節角qAはそれぞれトルク・センサー307並びにエンコーダー305などで計測されるとともに、関節角出力qAを時間微分することで関節角速度が得られる。 When force control consisting of the torque command value τ is applied to the joint consisting of the transfer function 1 / J n , the joint is rotated while being influenced by disturbances such as friction and inertia existing in the joint. Specifically, the torque command value τ is converted into a current command value, which becomes an instruction input to the drive circuit of the motor 300. While being measured is generated torque tau e and the joint angle q A at that time, etc. Each torque sensor 307 and encoder 305, joint angular velocity is obtained by differentiating the joint angle output q A time.
外乱オブザーバーは、計測された関節角qAの角速度に対し、関節の仮想イナーシャー公称値Jnからなる伝達関数Jnsを適用することで関節に作用したトルクを推定することができ、この推定トルクを関節へのトルク指令値τから引き算することで、外乱トルクτdを推定することができる。そして、現制御周期で得られた外乱トルクτdはフィードバックされ、次制御周期におけるトルク指令値τの修正に使用される。なお、途中に挿入された、g/(s+g)で表されるローパス・フィルタ(LPF)は、系の発散を防ぐためのものである。 The disturbance observer can estimate the torque acting on the joint by applying the transfer function J n s consisting of the joint nominal inertia value J n to the measured angular velocity of the joint angle q A. The disturbance torque τ d can be estimated by subtracting the torque from the torque command value τ to the joint. The disturbance torque τ d obtained in the current control cycle is fed back and used to correct the torque command value τ in the next control cycle. A low-pass filter (LPF) represented by g / (s + g) inserted in the middle is for preventing the divergence of the system.
このようにして、関節部に摩擦や慣性などのモデル化することができない外乱成分が存在していても、アクチュエーターの加速度応答を加速度目標値に追従させることができる。すなわち、上式(1)の右辺が与えられたときに左辺の関節角加速度が達成されるので、アクチュエーターは外乱の影響を受けるにも拘らず理論モデルに従った応答を実現することができる。但し、外乱トルクτdをフィードバックする途中に上記のローパス・フィルタg/(s+g)が挿入されており(前述)、高周波数域の外乱除去には向かない。 In this way, the acceleration response of the actuator can be made to follow the acceleration target value even if there are disturbance components such as friction and inertia that cannot be modeled in the joint. That is, since the joint angular acceleration on the left side is achieved when the right side of the above equation (1) is given, the actuator can realize a response according to the theoretical model despite being affected by the disturbance. However, the low-pass filter g / (s + g) is inserted in the middle of feeding back the disturbance torque τ d (described above), and is not suitable for removing disturbances in the high frequency range.
外乱オブザーバーは、プラント内の外乱成分を推定し、制御入力にフィードバックすることで、プラントに未知のパラメータ変動や外乱があっても、目標状態に到達させる効力がある。但し、正しく外乱を推定するには、複数のサイクルに亘ってフィードバック演算を繰り返す必要がある。 The disturbance observer estimates the disturbance component in the plant and feeds it back to the control input, thereby having the effect of reaching the target state even if the plant has unknown parameter fluctuation or disturbance. However, in order to correctly estimate the disturbance, it is necessary to repeat the feedback calculation over a plurality of cycles.
図10に示した制御ブロック構成では、外乱オブザーバーは、関節角qAの角加速度を上式(1)によって求め、これを関節部のアクチュエーターに対する関節角加速度目標値に設定する。関節角qの角加速度は、トルク・センサー307から得られた外トルクτeと、関節の目標トルクτAと、エンコーダー305などから出力される関節角qAの時間微分に基づいて決定される。このような構成をとることによって、関節部は、イナーシャーIa及び粘性係数νaに従った応答を行なうことが可能となり、理想化される。 In the control block configuration shown in FIG. 10, the disturbance observer obtains the angular acceleration of the joint angle q A by the above equation (1), and sets this as the joint angular acceleration target value for the actuator of the joint portion. The angular acceleration of the joint angle q is determined based on the external torque τ e obtained from the torque sensor 307, the target torque τ A of the joint, and the time derivative of the joint angle q A output from the encoder 305 or the like. . By adopting such a configuration, the joint portion, it is possible to perform the response according to the inertia I a and viscosity coefficient [nu a, are idealized.
上述したように、ワイヤー202は、アクチュエーター201の出力軸に巻架された後、股関節ピッチ軸204に対してはアクチュエーター201の回転方向と同一方向となるように巻架され、次いで、膝関節ピッチ軸205に対してはアクチュエーター201の回転方向と逆方向となるように巻架されている(図2を参照のこと)。このワイヤー202の干渉駆動により、脚部アシスト・スーツ100の各軸には、下式(2)に示すようなトルクが発生する(例えば、非特許文献4を参照のこと)。 As described above, after the wire 202 is wound around the output shaft of the actuator 201, the wire 202 is wound around the hip joint pitch shaft 204 in the same direction as the rotation direction of the actuator 201, and then the knee joint pitch. The shaft 205 is wound around in a direction opposite to the rotation direction of the actuator 201 (see FIG. 2). Due to the interference driving of the wire 202, torque as shown in the following expression (2) is generated on each axis of the leg assist suit 100 (see, for example, Non-Patent Document 4).
上式(2)において、τiは第i関節に発生するトルク、fjは第jワイヤーに発生している張力である。但し、第jワイヤーは、第i関節に半径rijのプーリーで巻架されているものとする。また、sijは、第jワイヤーが第i関節のプーリーに巻架される方向を正負符号で表している。張力fjが作用している関節角の正方向に回転するならばsijは+1、逆方向に回転するならばsijは−1の値をとる。 In the above equation (2), τ i is a torque generated in the i-th joint, and f j is a tension generated in the j-th wire. However, it is assumed that the j-th wire is wound around the i-th joint with a pulley having a radius r ij . Further, s ij represents the direction in which the j-th wire is wound around the pulley of the i-th joint with a positive / negative sign. If the tension f j is rotated in the forward direction of the joint angle acting s ij +1, if counter-rotating s ij has a value of -1.
第jワイヤーの先には、半径Rjのプーリーを介して、下式(3)のように表わされるトルクτjを発生するアクチュエーターが接続されているとする。 It is assumed that an actuator that generates a torque τ j expressed by the following equation (3) is connected to the tip of the j-th wire via a pulley having a radius R j .
上式(2)と上式(3)により、第i関節に発生するトルクτiは下式(4)のように表わされる。 From the above equation (2) and the above equation (3), the torque τ i generated in the i-th joint is expressed as the following equation (4).
ここで、すべてのプーリーの径が同一とし、上式(4)を図1に示した例に適用すると、股関節と膝関節にはそれぞれ下式(5)、下式(6)に示すようなトルクτhip、τkneeがそれぞれ発生することが分かる。 Here, when all the pulleys have the same diameter, and the above equation (4) is applied to the example shown in FIG. 1, the hip and knee joints are respectively represented by the following equations (5) and (6). It can be seen that torques τ hip and τ knee are generated.
但し、上式(5)及び上式(6)において、τAは大腿部に配設されたアクチュエーター201の発生トルクである。上式(5)及び上式(6)から、ワイヤー干渉駆動により、股関節ピッチ軸204と膝関節ピッチ軸205には、同じ大きさで互いに逆方向となるトルクが発生することが分かる。股関節ピッチ軸204と膝関節ピッチ軸205のプーリーの径が同一でなければ、トルクτhip、τkneeの大きさは同一ではなくなるが、プーリーの径の比に応じた一定の比で互いに逆方向にトルクが発生するということはできる。 However, in the above formulas (5) and (6), τ A is the torque generated by the actuator 201 disposed on the thigh. From the above equations (5) and (6), it can be seen that the wire joint drive generates torques of the same magnitude and in opposite directions on the hip joint pitch shaft 204 and the knee joint pitch shaft 205. If the diameters of the pulleys of the hip joint pitch axis 204 and the knee joint pitch axis 205 are not the same, the magnitudes of the torques τ hip and τ knee are not the same, but they are opposite to each other at a constant ratio according to the ratio of the pulley diameters. It can be said that torque is generated.
脚部アシスト・スーツ100において、立脚側の脚では、膝関節ピッチ軸205は、大腿部リンク207と脛部リンク206を伸展させるように動作して(図5中の参照番号501を参照のこと)、ユーザーの体重を押し上げる役割があり、例えば階段を昇る際に重要である。これと同時に、股関節ピッチ軸204は、ユーザーの胴体に対し大腿部リンク207を伸展させるように動作して(図5中の参照番号502を参照のこと)、上体の姿勢を維持するようにすることが好ましい。その際、膝関節ピッチ軸205が図5の紙面時計回りに動作すると同時に、股関節ピッチ軸204はその反対の反時計回りに動作する。したがって、立脚時において、股関節ピッチ軸204は膝関節ピッチ軸205とは協調関係にあるということができる。 In the leg assist suit 100, in the leg on the stance side, the knee joint pitch axis 205 operates to extend the thigh link 207 and the shin link 206 (see reference numeral 501 in FIG. 5). It has a role to increase the user's weight, which is important when climbing stairs, for example. At the same time, the hip joint pitch axis 204 operates to extend the thigh link 207 relative to the user's torso (see reference numeral 502 in FIG. 5) to maintain the upper body posture. It is preferable to make it. At that time, the knee joint pitch axis 205 moves clockwise in FIG. 5 and the hip joint pitch axis 204 moves counterclockwise. Therefore, it can be said that the hip joint pitch axis 204 is in a cooperative relationship with the knee joint pitch axis 205 when standing.
一方、遊脚側の脚では、股関節ピッチ軸204は、ユーザーの胴体に対して大腿部リンク207を屈曲させるように動作して(図5中の参照番号503)、ユーザーの遊脚を引き上げるという役割がある。これと同時に、膝関節ピッチ軸205は、大腿部リンク207と脛部リンク206が屈曲するように動作して(図5中の参照番号504)、遊脚のつま先が地面にぶつからないようにすることが好ましい。その際、股関節ピッチ軸204が図5の紙面時計回りに動作すると同時に、膝関節ピッチ軸205はその反対の反時計回りに動作する。したがって、遊脚時において、膝関節205は股関節ピッチ軸204とは協調関係にあるということができる。 On the other hand, in the leg on the free leg side, the hip joint pitch axis 204 operates to bend the thigh link 207 with respect to the user's torso (reference number 503 in FIG. 5) to raise the user's free leg. There is a role. At the same time, the knee joint pitch axis 205 operates so that the thigh link 207 and the shin link 206 bend (reference number 504 in FIG. 5) so that the toe of the free leg does not hit the ground. It is preferable to do. At that time, the hip joint pitch axis 204 operates clockwise in FIG. 5 and the knee joint pitch axis 205 operates counterclockwise. Therefore, it can be said that the knee joint 205 is in a cooperative relationship with the hip joint pitch axis 204 during the swing leg.
また、股関節ピッチ軸204と膝関節ピッチ軸205とが協調関係にあるといっても、遊脚(並びに立脚)がユーザーの意図に応じていずれの姿勢もとり得るように(例えば、図6に示すように、股関節ピッチ軸のみ動作させる、あるいは、膝関節ピッチ軸のみ動作させる)、股関節ピッチ軸204と膝関節ピッチ軸205は独立して角度が変えられるように構成する必要がある。 Further, even if the hip joint pitch axis 204 and the knee joint pitch axis 205 are in a cooperative relationship, the free leg (and the standing leg) can take any posture according to the user's intention (for example, as shown in FIG. 6). Thus, only the hip joint pitch axis is operated, or only the knee joint pitch axis is operated), and the hip joint pitch axis 204 and the knee joint pitch axis 205 need to be configured such that the angles can be changed independently.
脚部アシスト・スーツ100は、図1に示したような構成をとることにより、駆動源が1つのアクチュエーター201のみであっても、トルク制御並びにワイヤー202による干渉駆動で、股関節と膝関節の2関節を同時に協調させるとともに、各々独立しても関節角を変えることができる。すなわち、脚部アシスト・スーツ100は、図5に示したように、立脚側の脚部では体重を押し上げるようなサポート力を発生させるとともに、遊脚側の脚部では脚を引き上げるようなサポート力を発生させることが可能である。但し、図5内でトルクの発生方向は、下肢根元(骨盤)側のリンクから下肢先端(足底)側のリンクに作用するトルクの方向を示している。 The leg assist suit 100 has a configuration as shown in FIG. 1, so that even if the drive source is only one actuator 201, the torque control and the interference drive by the wire 202 can be used for the hip joint and the knee joint 2. The joint angles can be coordinated simultaneously and the joint angles can be changed independently. That is, as shown in FIG. 5, the leg assist suit 100 generates a support force that pushes up the weight at the leg portion on the standing leg side, and a support force that lifts the leg at the leg portion on the free leg side. Can be generated. However, the direction of torque generation in FIG. 5 indicates the direction of torque that acts on the link on the lower limb tip (plantar) side from the link on the lower limb root (pelvis) side.
立脚側の脚では、ユーザーの体重を押し上げるという観点から、膝関節ピッチ軸205がより重要な役割を担う。また、遊脚側の脚では、脚部を引き上げるという観点から、股関節ピッチ軸204がより重要な役割を担う。そこで、力のサポート則としては、立脚側については膝関節の屈伸角θkneeに応じてアクチュエーター201のトルクτAを発生し(下式(7)を参照のこと)、遊脚側については股関節の屈折角θhipに応じてアクチュエーター201のトルクτAを発生する(下式(8)を参照のこと)、などの方法が考えられる。立脚側の膝関節の屈伸角θknee、並びに、遊脚側の股関節の屈折角θhipは、それぞれ図7に示す通りである。 In the leg on the standing leg side, the knee joint pitch axis 205 plays a more important role from the viewpoint of pushing up the weight of the user. In the leg on the free leg side, the hip joint pitch axis 204 plays a more important role from the viewpoint of raising the leg. Therefore, as a force support law, on the stance side, the torque τ A of the actuator 201 is generated according to the flexion / extension angle θ knee of the knee joint (see the following equation (7)), and on the free leg side, the hip joint The torque τ A of the actuator 201 is generated in accordance with the refraction angle θ hip (see the following equation (8)). The bending / extension angle θ knee of the knee joint on the stance leg side and the refraction angle θ hip of the hip joint on the swing leg side are as shown in FIG.
なお、図2には、単一のアクチュエーター201を大腿部リンク207に設置して、股関節ピッチ軸204と膝関節ピッチ軸205の2関節をワイヤー干渉駆動する構成例を示した。この構成例では、アクチュエーター201の出力軸の回転方向に対し、股関節ピッチ軸204が同一方向、膝関節ピッチ軸205が逆方向となるようにワイヤー202を巻架し、膝関節ピッチ軸205のプーリーを脛部リンク206と一体にする一方、股関節ピッチ軸204のプーリーを大腿部リンク207に対し回転自在としている。 FIG. 2 shows a configuration example in which a single actuator 201 is installed on the thigh link 207 and the two joints of the hip joint pitch axis 204 and the knee joint pitch axis 205 are driven by wire interference. In this configuration example, the wire 202 is wound so that the hip joint pitch axis 204 is in the same direction and the knee joint pitch axis 205 is opposite to the rotation direction of the output shaft of the actuator 201, and the pulley of the knee joint pitch axis 205 is wound. Is integrated with the shin part link 206, while the pulley of the hip joint pitch shaft 204 is rotatable with respect to the thigh link 207.
これに対し、単一のアクチュエーター201を大腿部リンク207ではなく脛部リンク206に設置するように、脚部アシスト・スーツ100を構成することもできる。図8に示す例では、ワイヤー202は、脛部リンク206に設置されたアクチュエーター201の出力軸に巻架された後、膝関節ピッチ軸205に対してはアクチュエーター201の回転方向と同一方向すなわち正則となるように巻架され、次いで、股関節ピッチ軸204に対してはアクチュエーター201の回転方向と逆方向すなわち反対則となるように巻架されている。膝関節ピッチ軸205と股関節ピッチ軸204の間で、ワイヤー202をクロスさせている。 On the other hand, the leg assist suit 100 can be configured such that a single actuator 201 is installed not on the thigh link 207 but on the shin link 206. In the example shown in FIG. 8, the wire 202 is wound around the output shaft of the actuator 201 installed on the shin link 206 and then the same direction as the rotation direction of the actuator 201 with respect to the knee joint pitch shaft 205, that is, regular. Then, it is wound around the hip joint pitch axis 204 in a direction opposite to the rotation direction of the actuator 201, that is, an opposite law. The wire 202 is crossed between the knee joint pitch axis 205 and the hip joint pitch axis 204.
股関節ピッチ軸204は、骨盤リンク208に対して固定されている。具体的には、股関節ピッチ軸204のプーリーは、骨盤リンク208と一体に形成されている。したがって、アクチュエーター201の出力軸の回転がワイヤー202を介して股関節ピッチ軸204に伝達されると、骨盤リンク208に対して大腿部リンク207が動作する。 The hip joint pitch axis 204 is fixed with respect to the pelvis link 208. Specifically, the pulley of the hip joint pitch shaft 204 is formed integrally with the pelvic link 208. Therefore, when the rotation of the output shaft of the actuator 201 is transmitted to the hip joint pitch shaft 204 via the wire 202, the thigh link 207 operates with respect to the pelvic link 208.
一方、膝関節ピッチ軸205は、脛部リンク206及び大腿部リンク207のいずれに対しても、フリー脛部リンク206及び大腿部リンク207のいずれとも一体ではなく、ベアリング(図示しない)を介して回転自在となっている。したがって、アクチュエーター201の出力軸が単に回転するだけでは、膝関節ピッチ軸205のプーリーを介して脛部リンク206が動作することはなく、膝関節ピッチ軸205にトルクτkneeが発生しない。 On the other hand, the knee joint pitch axis 205 is not integrated with any of the free shin part link 206 and the thigh link 207 with respect to both the shin part link 206 and the thigh link 207, and has a bearing (not shown). It is free to rotate through. Therefore, if the output shaft of the actuator 201 simply rotates, the shin link 206 does not operate via the pulley of the knee joint pitch shaft 205, and the torque τ knee does not occur in the knee joint pitch shaft 205.
ここで、骨盤リンク208に外力が加わるなどして、骨盤リンク208と一体である股関節ピッチ軸204にトルクτhipが発生すると、ワイヤー202を介した干渉駆動により、膝関節ピッチ軸205に干渉トルクτkneeが発生する(同上)。上述したように、股関節ピッチ軸204に発生するトルクτhipと、膝関節ピッチ軸205に発生するトルクτkneeの間には、比例関係が成立する。 Here, when a torque τ hip is generated in the hip joint pitch shaft 204 integral with the pelvis link 208 due to an external force applied to the pelvis link 208, the interference torque is applied to the knee joint pitch shaft 205 by the interference drive via the wire 202. τ knee occurs (same as above). As described above, a proportional relationship is established between the torque τ hip generated on the hip joint pitch axis 204 and the torque τ knee generated on the knee joint pitch axis 205.
このように、図8に示した構成例においても、股関節ピッチ軸204と膝関節ピッチ軸205の間には、ワイヤー干渉駆動による拘束関係があることから、脚部アシスト・スーツ100は、単一のアクチュエーター201のみを用いて膝と大腿部を同時に動作させることができる。 As described above, also in the configuration example shown in FIG. 8, since there is a restraint relationship between the hip joint pitch axis 204 and the knee joint pitch axis 205 by the wire interference drive, the leg assist suit 100 is a single unit. The knee and thigh can be simultaneously operated using only the actuator 201 of the above.
図2又は図8のいずれの脚部構成であっても、立脚側については膝関節の屈伸角θkneeに応じてアクチュエーター201のトルクτAを発生し(上式(7)を参照のこと)、遊脚側については股関節の屈折角θhipに応じてアクチュエーター201のトルクτAを発生する(上式(8)を参照のこと)という、上記の力のサポート則は有効であると理解されたい。 2 or 8, the torque τ A of the actuator 201 is generated according to the flexion / extension angle θ knee of the knee joint on the standing leg side (see the above equation (7)). On the free leg side, it is understood that the force support law described above is effective, in which the torque τ A of the actuator 201 is generated according to the refraction angle θ hip of the hip joint (see the above equation (8)). I want.
図9には、脚部アシスト・スーツ100が装着中のユーザーに対して力サポートを行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。この処理手順は、例えばホスト・コンピューター203が所定のプログラム・コードを実行することを通じて実現する。 FIG. 9 shows a processing procedure for providing force support to a user wearing the leg assist suit 100 in the form of a flowchart. This processing procedure is realized by the host computer 203 executing a predetermined program code, for example.
まず、ホスト・コンピューター203は、マイコン404L/Rを通じて左右の足底に搭載された接触センサー211L/Rの出力を読み出して、左右それぞれの足の接地状態を判定する(ステップS901)。 First, the host computer 203 reads the outputs of the contact sensors 211L / R mounted on the left and right soles through the microcomputer 404L / R, and determines the ground contact state of the left and right feet (step S901).
次いで、ホスト・コンピューター203は、アクチュエーター201L/Rに含まれるエンコーダー305L/Rの出力をマイコン401L/Rを通じて読み出すとともに、左右の膝関節のエンコーダー403L/Rの出力をマイコン402L/Rを通じて読み出して、左右それぞれの股関節の関節角θhipと膝関節の関節角θkneeを取得する(ステップS902)。 Next, the host computer 203 reads the output of the encoder 305L / R included in the actuator 201L / R through the microcomputer 401L / R, and reads the output of the encoders 403L / R of the left and right knee joints through the microcomputer 402L / R. The joint angle θ hip of the left and right hip joints and the joint angle θ knee of the knee joints are acquired (step S902).
次いで、ホスト・コンピューター203は、左右それぞれの脚について、上式(7)及び上式(8)に基づいて、アクチュエーター201L/Rのトルク目標値を算出する(ステップS903)。 Next, the host computer 203 calculates the torque target value of the actuator 201L / R for the left and right legs based on the above equations (7) and (8) (step S903).
そして、ホスト・コンピューター203は、ステップS903で得られたトルク目標値を、マイコン401L/Rを介して、アクチュエーター201内のモーター300に対してトルク制御目標値を与える(ステップS904)。 Then, the host computer 203 gives the torque target value obtained in step S903 to the motor 300 in the actuator 201 via the microcomputer 401L / R (step S904).
以上の処理手順を例えば10ミリ秒の制御周期毎に実行することで、脚部アシスト・スーツ100は、装着したユーザーの歩行などの運動に対して自然な力サポートを行なうことができる。 By executing the above processing procedure every control cycle of, for example, 10 milliseconds, the leg assist suit 100 can perform natural force support for exercises such as walking of the user wearing the leg assist suit.
本実施形態に係る脚部アシスト・スーツ100は、1つのアクチュエーター201で、複数の関節に力を印加するように構成されているので、軽量化・低価格化を実現することができる。特に、脚部アシスト・スーツ100は、股関節ピッチ軸204と膝関節ピッチ軸205の間に一定の関係が形成されるように、ワイヤー干渉駆動を行なうようにすることで、立脚の体重支持と、遊脚の引き上げ効果を可能にして、自然な力サポートを損なわずに軽量化を達成することができる。 Since the leg assist suit 100 according to the present embodiment is configured to apply force to a plurality of joints with a single actuator 201, it is possible to achieve weight reduction and cost reduction. In particular, the leg assist suit 100 performs the wire interference drive so that a certain relationship is formed between the hip joint pitch axis 204 and the knee joint pitch axis 205, thereby supporting the weight of the stance leg, The lifting effect of the free leg can be achieved, and the weight can be reduced without impairing the natural force support.
なお、本明細書の開示の技術は、以下のような構成をとることも可能である。
(1) ユーザーの第jの部位に装着される第jリンクと、
前記第iリンクの一端にて回転自在に接続される第i関節部と、
前記ユーザーの第(j+1)の部位に装着される第(j+1)リンクと、
前記第(j+1)リンクの一端と一体であるとともに前記第jリンクの他端と連結する第(i+1)関節部と、
前記第jリンク又は前記第jリンクに隣接するリンクのいずれか一方に設置された単一のアクチュエーターと、
前記アクチュエーターの駆動力を前記第i関節部及び前記第(i+1)関節部に伝達する伝達部と、
を具備する運動補助装置。
(2)前記伝達部は、前記第i関節部の発生トルクと前記第(i+1)関節部の発生トルクの間に比例関係が成立するように、前記アクチュエーターの駆動力を伝達する、
上記(1)に記載の運動補助装置。
(3)前記伝達部は、前記第i関節部と前記第(i+1)関節部間で駆動方向が逆向きになるように前記アクチュエーターの駆動力を伝達する、
上記(1)に記載の運動補助装置。
(4)前記伝達部は、ワイヤーにより前記アクチュエーターの駆動力を前記第i関節部及び前記第(i+1)関節部に伝達する、
上記(1)に記載の運動補助装置。
(5)前記伝達部は、前記第i関節部と前記第(i+1)関節部間で前記ワイヤーをクロスさせる、
上記(4)に記載の運動補助装置。
(6)ユーザーの脚の大腿部に装着される大腿部リンクと、
前記大腿部リンクの上端にて回転自在に接続される股関節ピッチ軸と、
前記脚の脛部に装着される脛部リンクと、
前記脛部リンクの上端と一体であるとともに前記大腿部リンクの下端と連結する膝関節ピッチ軸と、
前記大腿部リンクに設置されたアクチュエーターと、
前記アクチュエーターの駆動力を前記股関節ピッチ軸及び前記膝関節ピッチ軸に伝達する伝達部と、
を具備する運動補助装置。
(7)前記伝達部は、前記股関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの駆動方向と同一方向に前記駆動力を伝達するとともに、前記膝関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの駆動方向と逆方向に前記駆動力を伝達する、
上記(6)に記載の運動補助装置。
(8)前記伝達部は、前記アクチュエーターの出力軸に巻架された後、前記股関節ピッチ軸に対して前記アクチュエーターの回転方向と同一方向に巻架され、次いで、前記膝関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの回転方向と逆方向に巻架されたワイヤーからなる、
上記(6)に記載の運動補助装置。
(9)前記伝達部は、前記股関節ピッチ軸と前記膝関節ピッチ軸間で前記ワイヤーをクロスさせる、
上記(8)に記載の運動補助装置。
(10)ユーザーの脚の大腿部に装着される大腿部リンクと、
前記大腿部リンクの下端にて回転自在に接続される膝関節ピッチ軸と、
前記脚の大腿部に装着される骨盤リンクと、
前記骨盤リンクと一体であるとともに前記大腿部リンクの上端と連結する股関節ピッチ軸と、
前記大腿部リンクに隣接する脛部リンクに設置されたアクチュエーターと、
前記アクチュエーターの駆動力を前記股関節ピッチ軸及び前記膝関節ピッチ軸に伝達する伝達部と、
を具備する運動補助装置。
(11)前記伝達部は、前記膝関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの駆動方向と同一方向に前記駆動力を伝達するとともに、前記股関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの駆動方向と逆方向に前記駆動力を伝達する、
上記(10)に記載の運動補助装置。
(12)前記伝達部は、前記アクチュエーターの出力軸に巻架された後、前記膝関節ピッチ軸に対して前記アクチュエーターの回転方向と同一方向に巻架され、次いで、前記股関節ピッチ軸に対し前記アクチュエーターの回転方向と逆方向に巻架されたワイヤーからなる、
上記(10)に記載の運動補助装置。
(13)前記伝達部は、前記膝関節ピッチ軸と前記股関節ピッチ軸間で前記ワイヤーをクロスさせる、
上記(12)に記載の運動補助装置。
(14)前記アクチュエーターのトルク目標値を決定する目標トルク決定部と、
前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するアクチュエーター制御部と、
をさらに備える、上記(1)、(6)、又は(10)のいずれかに記載の運動補助装置。
(15)前記関節部の関節角を計測する関節角計測部と、
前記アクチュエーターに作用する外トルクを計測するトルク計測部をさらに備え、
前記アクチュエーター制御部は、前記関節角計測部が計測した前記関節角と、前記トルク計測部が計測した前記外トルクとの間に所望の関係が成立するように、前記アクチュエーターをトルク制御する、
上記(14)に記載の運動補助装置。
(16)前記アクチュエーター制御部は、
前記目標トルクτAにて前記アクチュエーターを駆動した際の外乱トルクτdを算出する外乱オブザーバーを備え、
前記目標トルクτAと、前記外トルクτeと、前記関節角を時間微分して得られる関節角速度に基づいて前記アクチュエーターが応答したことにより達成される関節角加速度目標値を求めて出力するアクチュエーターの理論応答モデルから得られる関節角加速度目標値に前記アクチュエーター内のイナーシャーの公称値Jnを掛けたトルク目標値τrefを、前回の制御周期において前記外乱オブザーバーによって得られた外乱トルクτdで修正して、現制御周期における前記アクチュエーターに対する指示トルクτを決定する、
上記(15)に記載の運動補助装置。
(17)前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかを検出する状態検出部と、
前記股関節ピッチ軸及び前記膝関節ピッチ軸の関節角を計測する関節角計測部と、
前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかに応じて、前記股関節ピッチ軸又は前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する目標トルク決定部をさらに備え、
前記アクチュエーター制御部は、前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御する、
上記(6)又は(10)のいずれかに記載の運動補助装置。
(18)前記目標トルク決定部は、前記脚が立脚のときには、前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づいて前記トルク目標値を決定し、前記脚が遊脚のときには、前記股関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する、
上記(17)に記載の運動補助装置。
(19)前記状態検出部は、前記脚の足部の設置判定を行なう接触スイッチからなる、
上記(17)に記載の運動補助装置。
(20)上記(1)、(6)、又は(10)のいずれかに記載の運動補助装置を用いてユーザーの運動を補助する運動補助方法であって、
前記アクチュエーターのトルク目標値を決定する目標トルク決定ステップと、
前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するアクチュエーター制御ステップと、
を有する運動補助方法。
(21)上記(6)又は(10)のいずれかに記載の運動補助装置を用いてユーザーの運動を補助する運動補助方法であって、
前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかを検出する状態検出ステップと、
前記股関節ピッチ軸及び前記膝関節ピッチ軸の関節角を計測する関節角計測ステップと、
前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかに応じて、前記股関節ピッチ軸又は前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する目標トルク決定ステップと、
前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するアクチュエーター制御ステップと、
を有する運動補助方法。
(22)前記目標トルク決定ステップでは、前記脚が立脚のときには、前記膝関節ピッチ軸の関節角に基づいて前記トルク目標値を決定し、前記脚が遊脚のときには、前記股関節ピッチ軸の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する、
上記(21)に記載の運動補助方法。
Note that the technology disclosed in the present specification can also be configured as follows.
(1) a j-th link attached to the j-th part of the user;
An i-th joint portion rotatably connected at one end of the i-th link;
A (j + 1) th link attached to the (j + 1) th part of the user;
An (i + 1) th joint part integral with one end of the (j + 1) th link and connected to the other end of the jth link;
A single actuator installed on either the j-th link or a link adjacent to the j-th link;
A transmission section for transmitting the driving force of the actuator to the i-th joint section and the (i + 1) -th joint section;
An exercise assistance device comprising:
(2) The transmission unit transmits the driving force of the actuator so that a proportional relationship is established between the generated torque of the i-th joint portion and the generated torque of the (i + 1) -th joint portion.
The exercise assisting device according to (1) above.
(3) The transmission unit transmits the driving force of the actuator so that the driving direction is reversed between the i-th joint unit and the (i + 1) -th joint unit.
The exercise assisting device according to (1) above.
(4) The transmission unit transmits the driving force of the actuator to the i-th joint unit and the (i + 1) -th joint unit using a wire.
The exercise assisting device according to (1) above.
(5) The transmission unit crosses the wire between the i-th joint unit and the (i + 1) -th joint unit,
The exercise assisting device according to (4) above.
(6) a thigh link attached to the thigh of the user's leg;
A hip joint pitch axis rotatably connected at the upper end of the thigh link;
A shin link attached to the shin of the leg;
A knee joint pitch axis that is integral with the upper end of the shin link and connected to the lower end of the thigh link;
An actuator installed on the thigh link;
A transmission unit for transmitting the driving force of the actuator to the hip joint pitch axis and the knee joint pitch axis;
An exercise assistance device comprising:
(7) The transmission unit transmits the driving force in the same direction as the driving direction of the actuator to the hip joint pitch axis, and the driving force in a direction opposite to the driving direction of the actuator with respect to the knee joint pitch axis. Communicate,
The exercise assisting device according to (6) above.
(8) The transmission unit is wound around the output shaft of the actuator, then wound in the same direction as the rotation direction of the actuator with respect to the hip joint pitch axis, and then with respect to the knee joint pitch axis. Consists of a wire wound in the direction opposite to the rotation direction of the actuator,
The exercise assisting device according to (6) above.
(9) The transmission unit crosses the wire between the hip joint pitch axis and the knee joint pitch axis.
The exercise assisting device according to (8) above.
(10) a thigh link attached to the thigh of the user's leg;
A knee joint pitch axis rotatably connected at the lower end of the thigh link;
A pelvic link attached to the thigh of the leg;
A hip pitch axis that is integral with the pelvic link and connected to the upper end of the thigh link;
An actuator installed in the shin link adjacent to the thigh link;
A transmission unit for transmitting the driving force of the actuator to the hip joint pitch axis and the knee joint pitch axis;
An exercise assistance device comprising:
(11) The transmitting unit transmits the driving force in the same direction as the driving direction of the actuator to the knee joint pitch axis, and the driving force in a direction opposite to the driving direction of the actuator with respect to the hip joint pitch axis. Communicate,
The exercise assisting device according to (10) above.
(12) The transmission unit is wound around the output shaft of the actuator, then wound around the knee joint pitch axis in the same direction as the rotation direction of the actuator, and then the hip joint pitch axis Consists of a wire wound in the direction opposite to the rotation direction of the actuator,
The exercise assisting device according to (10) above.
(13) The transmission unit crosses the wire between the knee joint pitch axis and the hip joint pitch axis.
The exercise assisting device according to (12) above.
(14) a target torque determining unit that determines a torque target value of the actuator;
An actuator controller for controlling the actuator by torque control based on the torque target value;
The exercise assisting device according to any one of (1), (6), and (10), further comprising:
(15) a joint angle measurement unit that measures a joint angle of the joint part;
A torque measuring unit for measuring an external torque acting on the actuator;
The actuator control unit torque-controls the actuator so that a desired relationship is established between the joint angle measured by the joint angle measurement unit and the external torque measured by the torque measurement unit;
The exercise assisting device according to (14) above.
(16) The actuator control unit
A disturbance observer for calculating a disturbance torque τ d when the actuator is driven with the target torque τ A ,
An actuator that obtains and outputs a target value of joint angular acceleration achieved by the actuator responding based on the target torque τ A , the external torque τ e, and the joint angular velocity obtained by time differentiation of the joint angle The torque target value τ ref obtained by multiplying the joint angular acceleration target value obtained from the theoretical response model by the nominal value J n of the inertia in the actuator is the disturbance torque τ d obtained by the disturbance observer in the previous control cycle. Modify to determine the command torque τ for the actuator in the current control period;
The exercise assisting device according to (15) above.
(17) a state detection unit that detects whether the leg is a standing leg or a free leg;
A joint angle measuring unit for measuring joint angles of the hip joint pitch axis and the knee joint pitch axis;
A target torque determining unit that determines the torque target value based on a joint angle of the hip joint pitch axis or the knee joint pitch axis according to whether the leg is a standing leg or a free leg;
The actuator control unit controls the actuator by torque control based on the torque target value.
The exercise assisting device according to any one of (6) and (10) above.
(18) The target torque determination unit determines the torque target value based on a joint angle of the knee joint pitch axis when the leg is a standing leg, and the joint of the hip joint pitch axis when the leg is a free leg. Determining the torque target value based on an angle;
The exercise assisting device according to (17) above.
(19) The state detection unit includes a contact switch that performs installation determination of the foot portion of the leg.
The exercise assisting device according to (17) above.
(20) An exercise assistance method for assisting a user's exercise using the exercise assistance device according to any one of (1), (6), and (10),
A target torque determining step for determining a torque target value of the actuator;
An actuator control step of controlling the actuator by torque control based on the torque target value;
A method for assisting exercise.
(21) An exercise assistance method for assisting a user's exercise using the exercise assistance device according to any one of (6) and (10) above,
A state detection step of detecting whether the leg is a standing leg or a free leg; and
A joint angle measuring step of measuring a joint angle of the hip joint pitch axis and the knee joint pitch axis;
A target torque determination step for determining the torque target value based on a joint angle of the hip joint pitch axis or the knee joint pitch axis, depending on whether the leg is a standing leg or a free leg; and
An actuator control step of controlling the actuator by torque control based on the torque target value;
A method for assisting exercise.
(22) In the target torque determining step, when the leg is a standing leg, the torque target value is determined based on a joint angle of the knee joint pitch axis, and when the leg is a free leg, the hip pitch axis joint is determined. Determining the torque target value based on an angle;
The exercise assisting method according to (21) above.
以上、特定の実施形態を参照しながら、本明細書で開示する技術について詳細に説明してきた。しかしながら、本明細書で開示する技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。 As described above, the technology disclosed in this specification has been described in detail with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiments without departing from the scope of the technology disclosed in this specification.
本明細書では、脚部アシスト・スーツに適用した実施形態を中心に説明してきたが、本明細書で開示する技術の要旨はこれに限定されるものではない。脚部以外の人の部位に装着されるさまざまなタイプのアシスト・スーツにも本明細書で開示する技術を適用して、歩行以外の人のさまざまな運動を補助することも可能である。 In the present specification, the embodiment applied to the leg assist suit has been mainly described, but the gist of the technology disclosed in the present specification is not limited to this. It is also possible to apply the technique disclosed in this specification to various types of assist suits to be worn on a person's site other than the legs to assist various exercises of people other than walking.
要するに、例示という形態により本明細書で開示する技術について説明してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本明細書で開示する技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。 In short, the technology disclosed in the present specification has been described in the form of exemplification, and the description content of the present specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the technology disclosed in this specification, the claims should be taken into consideration.
100…脚部アシスト・スーツ
201…アクチュエーター、202…ワイヤー
203…ホスト・コンピューター
204…股関節ピッチ軸、205…膝関節ピッチ軸
206…脛部リンク、207…大腿部リンク
208…骨盤リンク、209…股関節ヨー軸
210…股関節ロール軸、211…接触センサー
300…モーター
301…回転子、302…固定子
303…減速部、304…インターフェース基板
305…エンコーダー(アクチュエーター内)、306…軸受部
307…トルク・センサー
401、402、404…マイコン
403…エンコーダー(膝関節)、405…接触センサー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Leg part assist suit 201 ... Actuator, 202 ... Wire 203 ... Host computer 204 ... Hip joint pitch axis, 205 ... Knee joint pitch axis 206 ... Tibial link, 207 ... Thigh link 208 ... Pelvic link, 209 ... Hip joint yaw axis 210 ... Hip roll axis 211 ... Contact sensor 300 ... Motor 301 ... Rotor 302 ... Stator 303 ... Deceleration part 304 ... Interface board 305 ... Encoder (inside actuator), 306 ... Bearing part 307 ... Torque Sensor 401, 402, 404 ... Microcomputer 403 ... Encoder (knee joint), 405 ... Contact sensor
Claims (13)
前記第1のリンクの一端を回転自在に支持する第1の関節部と、
第2のリンクと、
前記第2のリンクに対し固定され、前記第1のリンクの他端に前記第2のリンクの一端を回転自在に連結する第2の関節部と、
前記第1のリンクに設置されたアクチュエーターと、
前記アクチュエーターの駆動力を前記第1の関節部及び前記第2の関節部の各々にワイヤーを介して伝達する伝達部と、
を具備し、
前記伝達部は、前記第1の関節部が前記アクチュエーターの回転方向と同一方向に回転するとともに前記第2の関節部が前記アクチュエーターの回転方向と逆方向に回転するように前記第1の関節部と前記第2の関節部間で前記ワイヤーをクロスさせる、
複数リンク機構。 The first link,
A first joint that rotatably supports one end of the first link;
A second link,
A second joint fixed to the second link and rotatably connecting one end of the second link to the other end of the first link;
An actuator installed in the first link;
A transmission unit that transmits the driving force of the actuator to each of the first joint unit and the second joint unit via a wire;
Comprising
The transmission unit includes the first joint unit such that the first joint unit rotates in the same direction as the rotation direction of the actuator and the second joint unit rotates in a direction opposite to the rotation direction of the actuator. And crossing the wire between the second joint part,
Multiple link mechanism.
前記第2のリンクに外力が加わり又は前記第2の関節部にトルクが発生したときに、前記伝達部は、前記ワイヤーを介した干渉駆動により、前記第1の関節部の発生トルクと前記第2の関節部の発生トルクの間に比例関係が成立するように、前記アクチュエーターの駆動力を伝達する、
請求項1に記載の複数リンク機構。 The second joint is integral with the second link, but the first joint is rotatable with respect to the first link;
When an external force is applied to the second link or a torque is generated in the second joint, the transmission unit and the generated torque of the first joint are coupled with the generated torque by the interference drive via the wire. Transmitting the driving force of the actuator so that a proportional relationship is established between the torques generated by the two joints;
The multiple link mechanism according to claim 1.
前記第1の関節部は、前記大腿部リンクの上端を回転自在に支持する股関節ピッチ軸であり、
前記第2のリンクは、前記脚の脛部に装着される脛部リンクであり、
前記第2の関節部は、前記脛部リンクの上端と一体であるとともに前記大腿部リンクの他端に連結される膝関節ピッチ軸であり、
前記アクチュエーターは前記大腿部リンクに設置される、
請求項1に記載の複数リンク機構。 The first link is a thigh link attached to a thigh of a user's leg,
The first joint part is a hip joint pitch axis that rotatably supports the upper end of the thigh link,
The second link is a shin link attached to the shin of the leg,
The second joint is a knee joint pitch axis that is integral with the upper end of the shin link and connected to the other end of the thigh link,
The actuator is installed on the thigh link,
The multiple link mechanism according to claim 1.
請求項3に記載の複数リンク機構。 The wire is wound around the output shaft of the actuator and then wound in the same direction as the rotation direction of the actuator with respect to the hip joint pitch axis, and then the rotation direction of the actuator with respect to the knee joint pitch axis. And wound in the opposite direction,
The multiple link mechanism according to claim 3.
前記第2のリンクは、前記脚の大腿部に装着される大腿部リンクであり、
前記第1の関節部は、前記脛部リンクの上端と前記大腿部リンクの下端を連結する膝関節ピッチ軸であり、
前記第2の関節部は、前記大腿部リンクに隣接する骨盤リンクと一体であるとともに前記大腿部リンクの上端を回転自在に支持する股関節ピッチ軸であり、
前記アクチュエーターは前記脛部リンクに設置される、
請求項1に記載の複数リンク機構。 The first link is a shin link attached to the shin of the user's leg,
The second link is a thigh link attached to the thigh of the leg,
The first joint portion is a knee joint pitch axis that connects an upper end of the shin link and a lower end of the thigh link,
The second joint part is a hip joint pitch axis that is integral with a pelvic link adjacent to the thigh link and supports the upper end of the thigh link rotatably.
The actuator is installed on the shin link;
The multiple link mechanism according to claim 1.
請求項5に記載の複数リンク機構。 The wire is wound around the output shaft of the actuator, and then wound in the same direction as the rotation direction of the actuator with respect to the knee joint pitch axis, and then the rotation direction of the actuator with respect to the hip pitch axis And wound in the opposite direction,
The multiple link mechanism according to claim 5.
前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するアクチュエーター制御部と、
をさらに備える、請求項1に記載の複数リンク機構。 A target torque determining unit for determining a torque target value of the actuator;
An actuator controller for controlling the actuator by torque control based on the torque target value;
The multiple link mechanism according to claim 1, further comprising:
前記アクチュエーターに作用する外トルクを計測するトルク計測部をさらに備え、
前記アクチュエーター制御部は、前記関節角計測部が計測した前記関節角と、前記トルク計測部が計測した前記外トルクとの間に所望の関係が成立するように、前記アクチュエーターをトルク制御する、
請求項7に記載の複数リンク機構。 A joint angle measuring unit for measuring a joint angle of the joint part;
A torque measuring unit for measuring an external torque acting on the actuator;
The actuator control unit torque-controls the actuator so that a desired relationship is established between the joint angle measured by the joint angle measurement unit and the external torque measured by the torque measurement unit;
The multiple link mechanism according to claim 7.
前記目標トルクτAにて前記アクチュエーターを駆動した際の外乱トルクτdを算出する外乱オブザーバーを備え、
前記目標トルクτAと、前記外トルクτeと、前記関節角を時間微分して得られる関節角速度に基づいて前記アクチュエーターが応答したことにより達成される関節角加速度目標値を求めて出力するアクチュエーターの理論応答モデルから得られる関節角加速度目標値に前記アクチュエーター内のイナーシャーの公称値Jnを掛けたトルク目標値τrefを、前回の制御周期において前記外乱オブザーバーによって得られた外乱トルクτdで修正して、現制御周期における前記アクチュエーターに対する指示トルクτを決定する、
請求項8に記載の複数リンク機構。 The actuator controller is
A disturbance observer for calculating a disturbance torque τ d when the actuator is driven with the target torque τ A ,
An actuator that obtains and outputs a target value of joint angular acceleration achieved by the actuator responding based on the target torque τ A , the external torque τ e, and the joint angular velocity obtained by time differentiation of the joint angle The torque target value τ ref obtained by multiplying the joint angular acceleration target value obtained from the theoretical response model by the nominal value J n of the inertia in the actuator is the disturbance torque τ d obtained by the disturbance observer in the previous control cycle. Modify to determine the command torque τ for the actuator in the current control period;
The multiple link mechanism according to claim 8.
前記第1の関節部及び前記第2の関節部の関節角を計測する関節角計測部と、
前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかに応じて、前記第1の関節部又は前記第2の関節部の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する目標トルク決定部をさらに備え、
前記アクチュエーター制御部は、前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御する、
請求項3に記載の複数リンク機構。 A state detection unit that detects whether the user's leg is standing or swinging; and
A joint angle measuring unit for measuring joint angles of the first joint part and the second joint part;
A target torque determining unit configured to determine the torque target value based on a joint angle of the first joint unit or the second joint unit depending on whether the leg is a standing leg or a free leg; ,
The actuator control unit controls the actuator by torque control based on the torque target value.
The multiple link mechanism according to claim 3.
請求項10に記載の複数リンク機構。 The target torque determining unit determines the target torque value based on the joint angle of the second joint when the leg is a standing leg, and the joint of the first joint when the leg is a free leg. Determining the torque target value based on an angle;
The multiple link mechanism according to claim 10.
請求項10に記載の複数リンク機構。 The state detection unit is composed of a contact switch that performs installation determination of the foot part of the leg,
The multiple link mechanism according to claim 10.
前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかを検出する状態検出ステップと、
前記第1の関節部及び前記第2の関節部の関節角を計測する関節角計測ステップと、
前記脚が立脚又は遊脚のいずれの状態であるかに応じて、前記第1の関節部又は前記第2の関節部の関節角に基づく前記トルク目標値を決定する目標トルク決定ステップと、
前記トルク目標値に基づいて前記アクチュエーターをトルク制御により制御するアクチュエーター制御ステップと、
を有する運動補助方法。 An exercise assistance method for assisting a user's exercise using the multiple link mechanism according to claim 10,
A state detection step of detecting whether the leg is a standing leg or a free leg; and
A joint angle measuring step of measuring joint angles of the first joint part and the second joint part;
A target torque determination step for determining the torque target value based on a joint angle of the first joint part or the second joint part depending on whether the leg is in a standing leg or a free leg state;
An actuator control step of controlling the actuator by torque control based on the torque target value;
A method for assisting exercise.
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