动作辅助装置、及动作辅助装置的同步控制方法
【专利摘要】本发明提供了一种动作辅助装置、及其同步控制方法，在穿着型的动作辅助装置中，对穿着者与装置之间的动作维持一定相位差，同时生成与穿着者同步的动作模式。取得由穿着者的动作而产生的转矩的相位，并将该相位的值作为输入应用于相位振动器模型以进行运算处理，计算出使装置的动作与穿着者同步的装置的目标转矩与目标角度。基于计算出的值来控制装置，从而能提高装置的辅助效果。
【专利说明】动作辅助装置、及动作辅助装置的同步控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及穿着型动作辅助装置、及穿着型动作辅助装置的同步控制方法。
【背景技术】
[0002]近年来，存在对老年人进行援助的护理人员的人才不足的问题。因此，对于护理机器人的研究开发正日益盛行(专利文献I)。作为护理机器人的一种，穿着型动作辅助装置期待作为老年人的日常生活援助被投入实用。
[0003]作为这样的穿着型动作辅助工具的控制方式之一，提出了实现人与装置之间的协调运动的同步控制的控制方式(非专利文献I)。同步控制能调节装置对于人的同步性。通过提高同步性，能将装置利用于与人的动作时刻相匹配的动作辅助中。另一方面，通过降低同步性，期待将装置用作对人进行牵引的运动指导康复。迄今为止，提出了利用该同步控制来辅助穿着者进行更为舒适的运动的穿着型运动援助装置(专利文献2)。
现有技术文献 专利文献
[0004]专利文献1:国际公开第2009/084387号 专利文献2:日本专利特开2012-66375号公报 专利文献3:日本专利特开2005-305615号公报 非专利文献 [0005]非专利文献1:张霞，“用于使用神经振动器的动作辅助的同步控制(神経振動子全用P t ? —7 ^卜CO亡的Θ同調制御)”，信州大学研究生院工学系研究科平成19年度硕士论文
非专利文献2:琴坂信哉,Strefan Schaal, “机器人生成打击运动的神经振动器的参数学习(口 〃卜Q打撃運動&生成+ 3神経振動子Q A 5 J—夕学習)”，第17次日本机器人学术会议学术演讲会会刊，1999，Vol.3，p.3541-3547
非专利文献3:青山元、近藤敏之、村田智、伊藤宏司、“相位振动器与力学系统模型的相互作用而生成的步行模式(位相振動子i力学系* 7 相互作用(二太3歩行^夕一 >生成)”电子信息通信学术会议，2002，NC2001-155
非专利文献4:伊藤宏司，“身体知识系统论(身体知'> ^ r A論)”，共立图书，2005非专利文献4:伊藤聪，汤浅秀男，罗志伟、伊藤正美，柳原大，“关于与节律性运动的环境适应有关的数学模型(M運動O環境適応(二関+ 3数理的? r) ”，测量
自动控制学术会议论文集，vol34, N0.9，p.1237-1245
【发明内容】
发明所要解决的问题
[0006]专利文献I所公开的穿着型运动援助装置中，在生成同步控制的运动模式时使用神经振动器的相互抑制模型(非专利文献2)。然而，通常在使人的腿那样的多关节对象进行动作的情况下，在各振动器之间产生一定的相位差。因此，在由所述相互抑制模型产生的模式中，具有如下问题:即使能进行该同步，仍难以产生相位差。此外，在使用所述相互抑制模型来生成动作模式的情况下，为了对于振动输入获得任意的输出波形，需要设定近10个参数，存在其调整较为困难的问题。
[0007]本发明是为了应对上述问题而完成的，其目的在于提供一种动作辅助装置，该动作辅助装置能使人与动作辅助装置的动作产生任意的相位差，以进行动作。此外，其目的在于提供一种能以较少的参数个数简便地进行上述动作辅助装置的控制的动作辅助装置的控制方法。
解决技术问题所采用的技术方案
[0008]即，用于解决上述问题的权利要求1的动作辅助装置，其特征在于，包括:关节部，该关节部与穿着者的弯曲可动部位相对应地配置；连杆，该连杆与所述关节部相连接，且安装于所述穿着者上；致动器，该致动器对所述关节部的动作进行驱动；相位取得部，该相位取得部取得所述穿着者的弯曲可动部位的动作相位Θ ’ h;目标值计算部，该目标值计算部基于将所述相位取得部所取得的所述弯曲可动部位的动作相位Θ ’h作为输入振动的相位振动器模型，维持预先设定的目标相位差，并且计算出所述关节部的动作目标值，该动作目标值用于使所述穿着者的弯曲可动部位的动作与所述关节部的动作同步；以及驱动控制部，该驱动控制部基于所述目标值计算部计算得到的动作目标值，来驱动所述致动器。
[0009]权利要求2的动作辅助装置是如权利要求1所述的动作辅助装置，其特征在于，所述相位取得部包括:相互作用力检测传感器，该相互作用力检测传感器检测出所述穿着者的弯曲可动部位的动作与所述关节部的动作之间的相互作用力；关节角度传感器，该关节角度传感器检测所述 关节部的关节角度；以及相位推定部，该相位推定部基于所述相互作用力检测传感器所检测到的所述相互作用力、及所述关节角度传感器所检测到的所述关节角度，来推定所述穿着者的弯曲可动部位的动作相位Θ ’ h。
[0010]权利要求3所述的动作辅助装置是如权利要求2所述的动作辅助装置，其特征在于，所述相位推定部根据所述相互作用力检测传感器所检测到的相互作用力λ、及所述关节角度传感器所检测到的所述关节角度q，利用下式(I)来推定所述穿着者的弯曲可动部位的转矩τ ’ h，
[数学式I]
4= MhIj + Ghq + λ(1)
(式⑴中，Mh、Gh分别表示人的惯性项、重力项。)
还使用所述式(I)来推定动作中人的最大转矩τ ’ h max和最小转矩τ ’ h min，并将它们代入下式(2)，来计算所推定的转矩τ ’ h的振幅A’ h，
[数学式2]
J
Af 1 hjnax 1 hjnm
Δ ,.....................................................................................................................................................................................................1 O J
I
根据所述转矩τ ’h和所述振幅A’h并利用下式(3)来计算极坐标上的相位角的y坐
标，
[数学式3]
【权利要求】
1.一种动作辅助装置，其特征在于，包括: 关节部，该关节部与穿着者的弯曲可动部位相对应地配置； 连杆，该连杆与所述关节部相连接，且安装于所述穿着者上； 致动器，该致动器对所述关节部的动作进行驱动； 相位取得部，该相位取得部取得所述穿着者的弯曲可动部位的动作相位Θ ’h; 目标值计算部，该目标值计算部基于将所述相位取得部所取得的所述弯曲可动部位的动作相位Θ ’h作为输入振动的相位振动器模型，维持预先设定的目标相位差，并且计算出所述关节部的动作目标值，该动作目标值用于使所述穿着者的弯曲可动部位的动作与所述关节部的动作同步；以及 驱动控制部，该驱动控制部基于所述目标值计算部计算得到的动作目标值，来驱动所述致动器。
2.如权利要求1所述的动作辅助装置，其特征在于， 所述相位取得部包括: 相互作用力检测传感器，该相互作用力检测传感器检测出所述穿着者的弯曲可动部位的动作与所述关节部的动作之间的相互作用力； 关节角度传感器，该关节角度传感器检测所述关节部的关节角度；以及相位推定部，该相位推定部基于所述相互作用力检测传感器所检测到的所述相互作用力、及所述关节角度传感器所检测到的所述关节角度，来推定所述穿着者的弯曲可动部位的动作相位Θ ’ h°
3.如权利要求2所述的动作辅助装置，其特征在于， 所述相位推定部 根据所述相互作用力检测传感器所检测到的相互作用力λ、及所述关节角度传感器所检测到的所述关节角度q，利用下式(I)来推定所述穿着者的弯曲可动部位的转矩Th， [数学式I]
4.如权利要求1至3任一项所述的动作辅助装置，其特征在于， 所述目标值计算部基于由具有下式(6)、式(7)的关系的相位振动器构成的数学模型，作为所述动作目标值，由式(7)的Output计算所述关节部的驱动转矩。 [数学式6]
5.如权利要求1至4任一项所述的动作辅助装置，其特征在于， 所述驱动控制部基于所述目标值计算部计算得到的动作目标值，来反馈控制所述致动器。
6.一种动作辅助装置的同步控制方法，是对穿着者的动作进行辅助的辅助装置的控制方法， 该辅助装置包括:关节部，该关节部与所述穿着者的弯曲可动部位相对应地配置；连杆，该连杆与所述关节部相连接，且安装于所述穿着者上；以及致动器，该致动器对所述关节部的动作进行驱动，该动作辅助装置的同步控制方法的特征在于，具有如下步骤: 相位取得步骤，在该相位取得步骤中，取得所述穿着者的弯曲可动部位的动作相位 目标值计算步骤，在该目标值计算步骤中，基于将所述相位取得步骤所取得的所述弯曲可动部位的动作相位Θ ’ h作为输入振动的相位振动器模型，维持预先设定的目标相位差，并计算出所述关节部的动作目标值，该动作目标值用于使所述穿着者的弯曲可动部位的动作与所述关节部的动作同步；以及 驱动控制步骤，在该驱动控制步骤中，基于所述目标值计算步骤所计算得到的动作目标值，来驱动所述致动器。
7.如权利要求6所述的动作辅助装置的同步控制方法，其特征在于， 所述相位取得步骤包括: 相互作用力检测步骤，在该相互作用力检测步骤中，检测出所述穿着者的弯曲可动部位的动作与所述关节部的动作之间的相互作用力； 关节角度检测步骤，在该关节角度检测步骤中，检测所述关节部的关节角度；以及相位推定步骤，在该相位推定步骤中，基于所述相互作用力检测步骤中所检测到的所述相互作用力、及所述关节角度步骤中所检测到的所述关节角度，来推定所述穿着者的弯曲可动部位的动作相位Θ ’ h。
8.如权利要求7所述的动作辅助装置的同步控制方法，其特征在于， 所述相位推定步骤包括: 转矩推定步骤，在该转矩推定步骤中，根据所述相互作用力检测步骤中所检测到的相互作用力λ、及所述关节角度步骤中所检测到的所述关节角度q，利用下式(I)来推定所述穿着者的弯曲可动部位的转矩τ ’ h ; [数学式8]
9.如权利要求6至8任一项所述的动作辅助装置的同步控制方法，其特征在于， 所述目标值计算步骤中，基于由具有下式(6)、式(7)的关系的相位振动器构成的数学模型，作为所述动作目标值，由式(7)的Output计算所述关节部的驱动转矩。 [数学式13]θα = ωα +Ksm(0(h -θα + 9d)(6) [数学式14]
Output = AaSin Θ a_Aasin θ a(l (7) (式(6)中，《a、0a、K分别表示所述关节部的固有振动频率、相位角、同步增益，0(1表示所述目标相位差。式(7)中，Aa、0a(1分别表示Output波形的振幅和振动器的初始相位。所述式(2)的右边第二项是用于将Output波形的初始值设为O的项。)
10.如权利要求6至9任一项所述的动作辅助装置的同步控制方法，其特征在于，所述驱动控制步骤中，基于所述目标值计算部计算得到的动作目标值，来反馈控制所述致动器。
【文档编号】A61H3/00GK104010613SQ201280063575
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年12月21日 优先权日:2011年12月21日
【发明者】桥本稔, 涌井康洋 申请人:国立大学法人信州大学