专利名称：平衡装置的制作方法
技术领域：
本申请要求基于2009年12月15日提交的日本专利申请第2009-284387号的优先权。该申请的全部内容被參考援引在本说明书中。本发明涉及使用飞轮来辅助人的平衡能力的技术、或者用于提高平衡能力的训练的技木。另外，在本说明书中，“平衡能力”典型地是指向被确定的基准方向恢复发生了倾斜的躯体的能力。
背景技术：
据发明者们所知，迄今很少对辅助人的平衡能力的安装型的装置进行研究。另外，如下所示，本说明书所公开的新技术利用飞轮。因此，下面列举与利用了飞轮的机器人技术有关的两个现有技木。
(I)专利文献I (日本国专利公开公报第2004-9205号):专利文献I中公开的腿式机器人在躯体和腿的至少ー者上安装有利用了飞轮的控制カ矩陀螺。该腿式机器人通过控制カ矩陀螺来改变躯体的姿势。(2)专利文献2 (日本国专利公开公报第2009-254741号)在专利文献2中公开了利用飞轮的行走辅助装置。该行走辅助装置包括安装到大腿上的第一安装部和安装到下腿上的第二装着部。各个安装部具有飞轮。该行走辅助装置利用飞轮的反カ转矩，以辅助腿的动作。
发明内容
发明所要解决的技术问题人的平衡能力有时由于残疾或受伤而下降。然而，如上所述，据发明者们所知，迄今很少对辅助人的平衡能力的安装型的装置进行研究。为了平衡能力下降的人，期望辅助平衡能力的安装型的装置。另外，安装型的平衡辅助装置也可用作用于提高平衡能力的训练装置。用于解决问题的技术手段本说明书所公开的ー个技术提供了被安装到人的躯体上的平衡装置。该平衡装置包括传感器、至少ー个飞轮、以及控制器。传感器检测躯体相对于被确定的基准方向的倾斜角。基准方向的一例是铅垂方向。可通过向期望的方向倾斜平衡装置并且传感器所输出的倾斜角被重置为零，来确定基准方向。在这种情况下，传感器输出零倾斜角时的平衡装置的方向相当于基准方向。至少ー个飞轮以平衡装置被安装到人上时所述飞轮的轴线与躯体的横摆轴不平行的方式配置在平衡装置上。躯体的横摆轴相当于躯体的纵向方向。另外，在人直立时，横摆轴与铅垂方向一致。控制器基于由传感器检测出的倾斜角来改变飞轮的旋转速度。上述的平衡装置利用由于飞轮的旋转速度变化而产生的反カ转矩来辅助人的平衡能力。在此，反カ转矩表示躯体从飞轮受到的转矩。以下，将由于飞轮的旋转速度变化而产生的反力转矩简称为“反カ转矩”。另外，上述的平衡装置通过适当地改变倾斜角和飞轮的旋转速度变化的关系，可用作用于提高人的平衡能力的训练装置。如果控制上述的平衡装置使得产生向基准方向恢复躯体的倾斜角的方向的反カ转矩，则上述的平衡装置作为平衡辅助装置发挥功能。另ー方面，如果控制上述的平衡装置使得产生增大躯体的倾斜角的方向(远离基准方向的方向)的反カ转矩，则上述的平衡装置作为平衡训练装置发挥功能。在具有一个飞轮的平衡装置的情况下，倾斜角的方向和飞轮的旋转方向以及反力转矩的方向的关系如下所述。假定与飞轮的旋转轴交叉的面内的躯体的倾斜角。当躯体从基准方向沿顺时针方向倾斜时，如果飞轮的顺时针方向的旋转速度増加，则在躯体上产生逆时针方向的反カ转矩、即向基准方向恢复躯体的倾斜角的方向的反力转矩。在具有多个飞轮的情况下，改变各飞轮的旋转速度，以使得各飞轮所产生的反力转矩的合成转矩作用于向基准方向恢复躯体的倾斜角的方向上。合成转矩的方向或大小由各飞轮的几何学的配置决定。 对上述的平衡装置作为平衡能力的辅助装置使用的一个实施方式进行说明。当倾斜角处于包括基准方向的预先确定的第一范围内时，平衡装置的控制器控制飞轮的旋转速度，以使得反力转矩小于等于预先确定的反カ阈值，当倾斜角超过第一范围外时，平衡装置的控制器改变飞轮的旋转速度，以使得反力转矩大于等于反力阈值并且在向基准方向恢复 倾斜角的方向上产生反力转矩。在具有一个飞轮的平衡装置的情况下，当倾斜角处于第一范围外时，控制器控制飞轮以向与倾斜方向相同的旋转方向增加旋转速度。飞轮的这样的旋转角速度(旋转速度的变化)产生作用于向基准方向恢复躯体的倾斜角的方向上的反力转矩。在上述的平衡装置作为平衡辅助装置使用的其他的实施方式中，当倾斜角増大时，控制器改变飞轮的旋转速度以使得反力转矩大于等于反力阈值并且在向基准方向恢复倾斜角的方向上产生反カ转矩，当倾斜角减小时，控制器控制飞轮的旋转速度以使得反力转矩小于等于反力阈值。在上述的前者的情况下，在倾斜角距离基准方向的偏差增大时，向基准方向恢复倾斜角的方向的反力转矩被施加给躯体。在上述的后者的情况下，在躯体的倾斜角增大时，向基准方向恢复倾斜角的方向的反力转矩被施加给躯体。通过这样的动作，平衡装置辅助人的平衡能力。在上述的任ー情况下，反カ阈值均被预先设定为小值使得对人的平衡不产生影响。反力阈值优选地实质上为零。优选地，将所检测出的倾斜角的范围的条件和倾斜角的变化方向的条件结合来改变飞轮的旋转速度。例如，优选地，控制器在以下的三个条件下改变飞轮的旋转速度。(条件I)当倾斜角处于第一范围内吋，无论倾斜角的变化如何，均控制飞轮的旋转速度以使得反力转矩小于等于反力阈值。(条件2)当倾斜角处于第一范围外并且倾斜角增大时，改变飞轮的旋转速度，以使得反力转矩大于等于反力阈值并且在向基准方向恢复倾斜角的方向上产生反力转矩。(条件3)当倾斜角处于第一范围外并且倾斜角减小时，改变飞轮的旋转速度以使得反力转矩小于等于反力阈值。对上述三个条件的含义进行说明。在倾斜角处于第一范围内时，使用者維持平衡，因此不需要反カ转矩(条件I)。倾斜角的减小表示使用者正在通过自身力量恢复平衡，因此即使倾斜角处于第一范围外也不需要反カ转矩(条件3)。仅在倾斜角处于第一范围外并且倾斜角増大吋，使用者极有可能无法恢复平衡，因此通过反力转矩辅助平衡恢复(条件2)。如此，通过将所检测出的倾斜角的范围的条件和倾斜角的变化方向的条件结合，能够更适当地进行平衡恢复的辅助。在本说明书所公开的新技术的ー个实施方式中，优选地，控制器控制飞轮的旋转速度以使得反力转矩小于等于反カ阈值，并且所述控制器将飞轮的旋转速度减小至零。这样的构成的平衡装置在躯体的倾斜角接近铅垂时、換言之使用者維持平衡时，将飞轮的旋转速度减小至零。这样的平衡装置在使用者維持平衡的期间飞轮的旋转停止的情况下，不会产生陀螺效应，不会在躯体摇摆时施加不需要的陀螺转矩。另外，通过将飞轮的旋转速度减小至零，能够防止转速的饱和。另外，陀螺转矩是由于改变旋转的飞轮的轴线而产生的转矩。即使是以恒定速度旋转的飞轮，也可产生陀螺转矩。控制器也可以通过飞轮的机械式摩擦阻力将旋转速度减小至零。这样的平衡装置 能够抑制电カ消耗。对上述的平衡装置作为平衡能力提高的训练装置使用的一个实施方式进行说明。控制器在倾斜角处于包括基准方向的预先确定的第二范围内时，改变飞轮的旋转速度以在增大倾斜角的方向上产生反力转矩。另外，控制器在倾斜角处于第二范围外侧的第三范围内时，控制飞轮的旋转速度以使得反力转矩小于等于反力阈值。上述的平衡装置在躯体的方向接近基准方向时、換言之使用者維持平衡时，施加增大躯体的倾斜角的方向的反力转矩。平衡装置的使用者尝试对抗反カ转矩维持平衡。通过重复这样的动作，训练使用者的平衡能力。另外，优选地，上述平衡装置的控制器在倾斜角大于第三范围时，改变飞轮的旋转速度以使得反力转矩大于等于反力阈值并且在向基准方向恢复倾斜角的方向上产生反力转矩。这样的平衡装置在躯体训练过程中大幅倾斜的情况下能够辅助使用者的平衡能力，并且能够迅速地恢复使用者的倾斜角。优选地，控制器在倾斜角处于第三范围内吋，控制飞轮的旋转速度以使得反カ转矩小于等于反カ阈值，并且将飞轮的旋转速度减小至零。通过将飞轮的旋转速度减小至零，能够抑制不需要的陀螺转矩的产生。控制器也可以通过飞轮的机械式摩擦阻力将旋转速度减小至零。这样的平衡装置能够抑制电カ消耗。具有一个飞轮的平衡装置能够应对绕ー个轴的倾斜角的变化。具有轴线不平行的两个飞轮的平衡装置能够应对绕两个轴的倾斜角。具有以特殊的相互关系配置的三个飞轮的平衡装置能够应对绕与躯体的横摆轴交叉的两个轴的倾斜角的变化以及绕横摆轴的躯体的转动角的变化。“特殊的相互关系”相当于三个飞轮的各轴线相互不平行并且三条轴线未被配置在ー个平面上的关系。具有这样的特殊的相互关系的平衡装置不仅能够关于躯体的倾斜角辅助/训练使用者的能力，还能够关于转动角辅助/训练使用者的能力。平衡装置的上述的功能典型地也可以通过安装在平衡装置的控制器中的程序实现。另外，存储有这样的程序的存储介质也是本说明书所公开的技术的ー个方式。发明效果根据本说明书所公开的ー个新技术，能够提供辅助人的平衡能力的装置或者用于提高平衡能力的训练装置。特别地，被构成为在上述的预定的情况下将飞轮的旋转速度减小至零的平衡装置不会对使用者施加不需要的陀螺转矩。
图IA示出第一实施例的平衡装置的示意性主视图。图IB示出第一实施例的平衡装置的示意性侧视图。图IC示出第一实施例的平衡装置的示意性平面图。图2示出平衡装置的框图。图3示出控制器的硬件构成。图4是说明作为平衡辅助装置的动作的示意图。图5示出平衡装置所执行的处理的流程图。 图6说明作为平衡训练装置的动作的示意图。图7是第二实施例的平衡装置的示意性立体图。图8是第二实施例的平衡装置的示意性平面图。图9是第二实施例的平衡装置的示意性局部侧视图。图10是第三实施例的平衡装置的示意性平面图。
具体实施例方式(第一实施例)參照
第一实施例的平衡装置10。平衡装置10辅助向铅垂方向恢复躯体的倾斜角的使用者的动作。平衡装置10包括用于安装到使用者的躯体(腰)上的束腰12和飞轮20。在使用者H安装了平衡装置10吋，飞轮20处于使用者H的背面。图IA至图IC中示出了平衡装置10被安装到使用者H上时的三面图。图IA示出了主视图，图IB示出了侧视图，图IC示出了平面图。另外，在图IC中，使用椭圆示意性地表示使用者H。另外，由于飞轮20处于使用者H的背面侧，因此图IA示出使用者H的背面。对在下面的说明中使用的坐标系进行说明。使用者H的前方相当于X轴，使用者H的侧方相当于Y轴，与X轴和Y轴正交的方向相当于Z轴。在机器人工学中，这样的X轴、Y轴、以及Z轴分别称作侧倾轴、俯仰轴、以及横摆轴。在本说明书主要使用侧倾轴、俯仰轴、以及横摆轴的称呼。横摆轴与躯体的纵向方向一致。更具体地，横摆轴相当于穿过躯体的中心并沿躯体的纵向方向延伸的直线。马达14被安装在束腰12上。该马达14使飞轮20旋转。另外，飞轮20被盖部覆盖。飞轮20被配置为在平衡装置10被安装到使用者H上时飞轮的旋转轴线s与使用者H的躯体的横摆轴交叉。以下，将旋转轴线s简称作轴线S。在本实施例的平衡装置10的情况下，飞轮20的轴线s沿使用者H的侧倾轴方向延伸。另外，飞轮20被配置为在平衡装置10被安装在使用者H上时飞轮的旋转轴线s与横摆轴不平行即可。通过这样的配置，平衡装置能够绕与横摆轴交叉的直线产生反カ转矩，并且能够辅助倾斜角。此外，束腰12中还内置有控制器16、电池17、倾斜角传感器18。倾斜角传感器18測量束腰12相对于基准方向的倾斜角、即使用者H的躯体的倾斜角。通过以在使平衡装置10朝向期望的方向的情况下倾斜角传感器18输出零倾斜角的方式重置倾斜角传感器18，来确定基准方向。以下，在平衡装置10被安装到使用者并且使用者的躯体的横摆轴与铅垂方向一致时，重置倾斜角传感器18。即，在本实施例中，躯体的横摆轴与铅垂方向一致的情况相当于零倾斜角。換言之，倾斜角相当于铅垂线和横摆轴之间的角度。控制器16基于由倾斜角传感器18检测出的倾斜角来控制飞轮20的旋转速度。电池17向控制器16、倾斜角传感器18、以及马达14供电。图2中示出了平衡装置10的框图。控制器16具体地包括上位控制器16a和伺服控制器16b。上位控制器16a基于倾斜角传感器18所输出的倾斜角0和由编码器15測量的马达14的转速(旋转速度)，向伺服控制器16b输出对马达14的指令转速n (rpm)，使得产生期望的反カ转矩“-T”。在此，为了产生反カ转矩“-T”，马达14以转矩T对飞轮20的旋转进行加速即可。通过改变对马达14的指令转速n，马达14产生转矩。如果马达14对飞轮20施加转矩T，则反カ转矩“-T”经由马达14施加给使用者H。下面对反カ转矩详细地进行说明。伺服控制器16b对马达14进行反馈控制使得马达14的转速追随所指示的转速n。伺服控制器16b使用转速n和电流i的双重的反馈环路对马达14进行控制。图3中示出了控制器16的硬件构成的一个实施方式。控制器16包括CPU31、存储器32、DA转换器33、脉冲计数器34、以及RS232C电路35 (串行通信电路)。DA转换器33、脉冲计数器34、以及RS232C电路35通过PCI总线与CPU31连接。存储器32中存储有CPU31 执行的程序、以及反カ阈值(下述)等參数。DA转换器33向伺服控制器16b发送转速指令值。在该实施例中，由于伺服控制器16b的输入输出是模拟信号，因此DA转换器33将CPU31计算出的指令值的数字值转换为模拟值后输出。脉冲计数器34对编码器15输出的脉冲进行计数。编码器15输出的脉冲相当于马达14的转速(即，飞轮的转速)。RS232C电路35接收倾斜传感器18输出的数据，并发送给CPU31。众所周知，RS232C为美国的EIA(TheElectric IndusTrial Alliance :美国电子エ业联合会)制定的串行通信的规格。对平衡装置10的动作概要进行说明。当马达14对飞轮20的旋转进行加速(减速)时，马达14施加给飞轮20的转矩的反カ转矩施加给使用者H。由于飞轮20的轴线s沿侧倾轴方向延伸，因此反カ转矩绕侧倾轴施加。即，该平衡装置10能够通过改变飞轮20的旋转速度对使用者H施加绕侧倾轴的转矩(飞轮20的反カ转矩)。平衡装置10能够通过适当地选择飞轮20的控制规则向减小使用者H的躯体的绕侧倾轴(X轴)的倾斜角的方向施加反カ转矩，也能够向增大倾斜角的方向施加反カ转矩。在前者的情况下，平衡装置10作为将使用者的躯体的横摆轴恢复到铅垂方向的平衡辅助装置发挥功能。在后者的情况下，平衡装置10作为用于提高使用者的平衡能力的训练装置发挥功能。參照图4对作为平衡辅助装置的平衡装置10的动作进行说明。图4使用线示意性地表示使用者H。Hl相当于使用者H的腿，H2相当于腰，H3和H4相当于躯体。H4示出了躯体的横摆轴(纵向方向)沿着铅垂方向的情況，H3示出了横摆轴从铅垂方向倾斜角度0的情況。角度9相当于躯体的倾斜角9。符号“P1”表示绕侧倾轴(X轴)的角度范围。第一范围Pl包含铅垂方向。第一范围Pl被设定为使用者H能够通过自身力量維持平衡的角度范围。第一范围Pl被预先确定，并且被存储在控制器16中。第一范围Pl例如被设定为从铅垂向两侧各倾斜2度、总计4度的角度范围。平衡装置10在使用者H的躯体的倾斜角0超过第一范围Pl时，控制飞轮20的旋转速度，以在向铅垂恢复倾斜角e的方向上产生反カ转矩。另外，当分别使用符号iw、dw表示飞轮20的惯性矩和角加速度吋，马达14施加给飞轮20的转矩T表示为T = Iw dw。由于马达14施加的转矩T的反向的转矩施加给使用者H，因此在图4中反カ转矩表示为“-T”。如图4所示，当施加顺时针的角加速度dw时，产生逆时针的反カ转矩“-T”。S卩，平衡装置10的控制器16能够在马达输出转矩T时产生反カ转矩“-T”。根据倾斜角0确定马达14应该产生的转矩T的控制规则由下面的(式I)给出。[式I]如果没
权利要求
1.ー种平衡装置，被安装到人的躯体上，所述平衡装置的特征在于，包括 传感器，所述传感器检测躯体相对于被确定的基准方向的倾斜角； 至少ー个飞轮，所述飞轮被配置为当所述平衡装置被安装到人上时所述飞轮的轴线与横摆轴不平行；以及 控制器，所述控制器基于由所述传感器检测出的所述倾斜角来改变所述飞轮的旋转速度。
2.如权利要求I所述的平衡装置，其特征在干， 当所述倾斜角处于包括所述基准方向的预先确定的第一范围内时，所述控制器控制所述飞轮的所述旋转速度，以使得由于所述飞轮的所述旋转速度的变化而产生的反力转矩小于等于预先确定的反力阈值， 当所述倾斜角处于所述第一范围外时，所述控制器改变所述飞轮的所述旋转速度，以使得所述反カ转矩大于等于所述反カ阈值，并且在向所述基准方向恢复所述倾斜角的方向上产生所述反カ转矩。
3.如权利要求I或2所述的平衡装置，其特征在干， 当所述倾斜角增大时，所述控制器改变所述飞轮的所述旋转速度，以使得由于所述飞轮的所述旋转速度的变化而产生的所述反カ转矩大于等于所述反カ阈值，并且在向所述基准方向恢复所述倾斜角的方向上产生所述反カ转矩， 当所述倾斜角减小吋，所述控制器控制所述飞轮的所述旋转速度，以使得所述反カ转矩小于等于所述反力阈值。
4.如权利要求2或3所述的平衡装置，其特征在干， 所述控制器控制所述飞轮的所述旋转速度以使得所述反カ转矩小于等于所述反カ阈值，并且所述控制器将所述飞轮的所述旋转速度减小至零。
5.如权利要求I所述的平衡装置，其特征在干， 当所述倾斜角处于包括所述基准方向的预先确定的第二范围内时，所述控制器改变所述飞轮的所述旋转速度，以在增大所述倾斜角的方向上产生由于所述飞轮的所述旋转速度的变化而产生的所述反カ转矩， 当所述倾斜角处于所述第二范围外侧的第三范围内时，所述控制器控制所述飞轮的所述旋转速度，以使得所述反カ转矩小于等于所述反カ阈值。
6.如权利要求5所述的平衡装置，其特征在干， 当所述倾斜角大于所述第三范围时，所述控制器改变所述飞轮的所述旋转速度，以使得所述反カ转矩大于等于所述反カ阈值，并且在向所述基准方向恢复所述倾斜角的方向上产生所述反カ转矩。
7.如权利要求5或6所述的平衡装置，其特征在干， 当所述倾斜角处于所述第三范围内时，所述控制器控制所述飞轮的所述旋转速度以使得所述反カ转矩小于等于所述反カ阈值，并且所述控制器将所述飞轮的所述旋转速度减小至零。
8.如权利要求I至7中任一项所述的平衡装置，其特征在干， 所述平衡装置包括三个飞轮，所述三个飞轮被配置为各个所述飞轮的轴线相互不平行并且三条轴线不在ー个平面上。
9.ー种平衡辅助方法，所述平衡辅助方法通过平衡装置执行，所述平衡装置具有至少一个飞轮，所述飞轮被配置为当所述平衡装置被安装到人的躯体上时所述飞轮的轴线与横摆轴不平行，所述平衡辅助方法的特征在于，包括以下步骤 測量所述躯体相对于被确定的基准方向的倾斜角； 判定所述倾斜角是否处于包括所述基准方向的预先确定的第一范围内；以及 当所述倾斜角处于所述第一范围内时，控制所述飞轮的所述旋转速度以使得由于所述飞轮的旋转速度的变化而产生的反力转矩小于等于预先确定的反カ阈值，当所述倾斜角处于所述第一范围外吋，改变所述飞轮的所述旋转速度，以使得所述反カ转矩大于等于所述反カ阈值，并且在向所述基准方向恢复所述倾斜角的方向上产生所述反カ转矩。
10.ー种平衡训练方法，所述平衡训练方法通过平衡装置执行，所述平衡装置具有至少一个飞轮，所述飞轮被配置为当所述平衡装置被安装到人的躯体上时所述飞轮的轴线与横摆轴不平行，所述平衡训练方法的特征在于，包括以下步骤 測量所述躯体相对于被确定的基准方向的倾斜角； 判定所述倾斜角是否处于包括所述基准方向的预先确定的第二范围内；以及 当所述倾斜角处于所述第二范围内时，改变所述飞轮的所述旋转速度，以在增大所述倾斜角的方向上产生由于所述飞轮的旋转速度的变化而产生的反カ转矩，当所述倾斜角处于所述第二范围外时，控制所述飞轮的所述旋转速度，以使得所述反カ转矩小于等于所述反力阈值。
11.ー种平衡辅助用程序，所述平衡辅助用程序通过平衡装置执行，所述平衡装置具有至少ー个飞轮，所述飞轮被配置为当所述平衡装置被安装到人的躯体上时所述飞轮的轴线与横摆轴不平行，所述平衡辅助用程序用于使平衡装置的控制器执行以下步骤 測量所述躯体相对于被确定的基准方向的倾斜角； 判定所述倾斜角是否处于包括所述基准方向的预先确定的第一范围内；以及 当所述倾斜角处于所述第一范围内时，控制所述飞轮的所述旋转速度以使得由于所述飞轮的旋转速度的变化而产生的反力转矩小于等于预先确定的反カ阈值，当所述倾斜角处于所述第一范围外吋，改变所述飞轮的所述旋转速度，以使得所述反カ转矩大于等于所述反カ阈值，并且在向所述基准方向恢复所述倾斜角的方向上产生所述反カ转矩。
12.—种平衡训练用程序，所述平衡训练用程序通过平衡装置执行，所述平衡装置具有至少ー个飞轮，所述飞轮被配置为当所述平衡装置被安装到人的躯体上时所述飞轮的轴线与横摆轴不平行，所述平衡训练用程序用于使平衡装置的控制器执行以下步骤 測量所述躯体相对于被确定的基准方向的倾斜角； 判定所述倾斜角是否处于包括所述基准方向的预先确定的第二范围内；以及 当所述倾斜角处于所述第二范围内时，改变所述飞轮的旋转速度，以在增大所述倾斜角的方向上产生由于所述飞轮的旋转速度的变化而产生的反カ转矩，当所述倾斜角处于所述第二范围外时，控制所述飞轮的所述旋转速度，以使得所述反カ转矩小于等于所述反カ阈值。
全文摘要
提供辅助向基准方向恢复躯体的倾斜角的动作的装置。平衡装置包括传感器和至少一个飞轮以及控制器。传感器检测躯体相对于基准方向的倾斜角。至少一个飞轮以平衡装置被安装到人上时所述飞轮的轴线与躯体的横摆轴不平行的方式配置在平衡装置上。躯体的横摆轴相当于躯体的纵向方向。另外，在人直立时，横摆轴与基准方向一致。控制器基于由传感器检测出的倾斜角来改变飞轮的旋转速度。
文档编号G01C19/02GK102655834SQ201080057488
公开日2012年9月5日 申请日期2010年9月22日 优先权日2009年12月15日
发明者下田真吾, 木村英纪, 泰图斯·沃捷塔拉, 青木英祐, 鸿巢仁司 申请人:丰田自动车株式会社