CN103813771A - 运动辅助装置和运动辅助方法、计算机程序以及程序记录介质 - Google Patents

Abstract

在不使用肌电传感器的情况下，从用户关节的移动得知用户的意图，并产生力量支持用户的运动。进行控制以补偿关节制动器的齿轮部分中难以模拟的摩擦，从而关节部分根据理想的数学模型操作。结果，在不对附装装置的用户的关节产生阻抗感觉的情况下产生力以支持移动。在支持用户的运动时，通过对关节部分施加数学确定的转矩，在广泛的情况下，用户不断地被提供以自然的支持的感觉。

Description

运动辅助装置和运动辅助方法、计算机程序以及程序记录介质

技术领域

本说明书公开的技术涉及运动辅助装置，所述运动辅助装置附装于人（例如需要辅助或护理的老年人）的身体，并且在生理和心理上辅助人的身体的运动。本技术还涉及运动辅助方法、计算机程序以及程序记录介质。更具体地，本技术涉及辅助人体的各种一般运动（例如步行运动）的运动辅助装置。此外本技术涉及运动辅助方法、计算机程序以及程序记录介质。

背景技术

2010年我国老年人的比例（年龄65岁以上的人占总人口的比率）为23.1%，预计2025年变为高达30%。随着老年人在人口结构中的比例迅速增加，一个紧迫的任务是实现这样的社会：在不需要任何护理的情况下，老年人能够尽可能积极和健康地生活，并且即使需要护理，他们也能够在避免症状恶化的同时尽可能独立地生活。

响应于老龄化社会的到来，对于通过老年人的家庭成员在疗养院和家庭中在生理和心理上支持老年人的机电装置的需求增加。此外，不仅对于诸如步行帮助装置或动力辅助服这样的生理辅助，而且对于将机器人有效地结合于工作疗法的心理辅助，都有需求。

在用于辅助和护理的机电装置的开发中，一个重要点是不去不必要地干涉老年人的活动，而是维持和促进这些活动。如果只是因为老年人体力变弱，机器才为老年人执行活动，他/她的体力会进一步恶化，并且状况变差（废用综合征）。动力辅助服是一种产生人工力来加强人员肌肉产生的动力的装置。在补充老年人变弱的生理力量的同时保持老年人继续他/她的活动方面，这是一个可取的装置。

但是，动力辅助服的市场渗透率目前不高。其可能的原因如下。

（1）穿戴麻烦

（2）只提供笨拙的支持

（3）穿戴时不好看

（4）机器重量大

（5）工作时间短

例如，最近注意力被吸引到动力辅助方法，该方法基于肌电传感器的输出和运动阶段估计的结果，向关节提供驱动力（例如参见非专利文献1）。但是，每个手臂需要附装多达9个肌电传感器，并且附装这些传感器麻烦。此外，肌电传感器可能由于时间或汗水所致的恶化而脱离皮肤。当肌电传感器与皮肤之间的粘附力变弱时，肌电传感器的输出值变得不稳定。结果，动力辅助服可能失去控制，或者，穿戴动力辅助服的人的身体可能被施加不适当的力。

此外，有一种对于步行辅助装置的提议，当人员步行时，步行辅助装置向人的身体应用根据步行阶段来设计的转矩模式（例如参见非专利文献2）。对一个用户而言有各种步行模式，并且设计的转矩模式通常不能应对各种模式。结果，用户在步行时感觉不适，或者只能在低速下以不自然的方式步行。

同时，有一种对于不涉及肌电传感器的身体辅助装置的提议（例如参见非专利文献3）。该装置感测用户关节的运动，并向关节施加支持力。但是，如果对于用户关节的运动有阻碍，该装置就难以以高灵敏度反映用户的意图。例如，传统动力辅助服的关节单元中包括的齿轮部分的粘滞阻力可能导致对用户关节的运动的阻碍。这种障碍被认为需要在将来消除。

此外，动力辅助服产生的力通常基于经验规则或者无效控制定律。在理想情况下，肌电传感器可以直接反映用户的移动意图（但是实际上肌电传感器难以按照优选的方式来感测运动，如上所述）。另一方面，难以从感测的关节运动得知用户的意图。在这种情况下，认为需要有效控制定律，从而在没有应力和不自然的情况下向用户提供支持力。

例如，有一种对于这样的步行辅助系统的提议，该步行辅助系统在保持用户身体平衡和支持用户身体重量的同时，辅助腿的步行移动（例如参见专利文献1）。该步行辅助系统通过要由用户持有的倒立摆移动单元和辅助用户腿的移动的步行帮助装置形成。根据目标移动速度，在倒立摆移动单元与步行帮助装置之间要建立预定的速度关系。被用户持有时，倒立摆移动单元基于基座的运动和目标移动速度来控制移动，并且步行帮助装置基于用户腿的运动和目标移动速度向用户传送力。但是，步行辅助系统只辅助步行运动，并且不具有应对人体其他类型运动的多功能性。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利申请特开No.2011-62463

非专利文献

非专利文献1：Kawamoto H.,Lee S.,Kanbe S.,Sankai Y.:“PowerAssist Method for HAL-3using EMG-based Feedback Controller”,Proc.of Int’l Conf.onSystems,Man and Cybernetics(SMC2003),pp.1648-1653,2003

非专利文献2：Kenta Suzuki,Gouji Mito,Hiroaki Kawamoto,Yasuhisa Hasegawa,Yoshiyuki Sankai:“Intention-Based Walking Supportfor Paraplegia Patients with Robot Suit HAL”,Advanced Robotics,Vol.21,No.12,pp.1441-1469,2007

非专利文献3：J.Ghan,R.Steger,Kazerooni,H,“Control and SystemIdentification for the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton”,AdvancedRobotics,Volume20,Number9,pp.989-1014,Number9,2006

发明内容

本发明要解决的问题

本说明书中公开的技术的目的是提供一种很好的运动辅助装置，此外提供一种运动辅助方法、计算机程序和程序记录介质，该运动辅助装置附装于人（例如需要辅助或护理的老年人）的身体，并且能够按照适当的方式在生理和心理上辅助人体的运动。

本说明书中公开的技术的另一目的是提供一种很好的运动辅助装置，此外提供一种运动辅助方法、计算机程序和程序记录介质，该运动辅助装置能够在不使用肌电传感器的情况下根据用户关节的运动得知用户的意图，在没有应力和不自然的情况下向用户产生支持力，并且辅助人体的各种一般运动。

问题的解决方案

考虑到上述问题而构思了本申请，权利要求1中公开的技术是一种运动辅助装置，包括：

连杆结构，由关节单元和连接所述关节单元的连杆形成；

致动器，通过转矩控制致动所述关节单元；

关节值测量单元，测量所述关节单元的关节值；

目标转矩确定单元，基于所述关节值测量单元测量的所述关节值为所述致动器确定目标转矩；

转矩测量单元，测量作用于所述关节单元上的外部转矩；以及

响应控制单元，对所述致动器进行转矩控制，以在所述目标转矩、由所述关节值测量单元测量的所述关节值以及由所述转矩测量单元测量的所述外部转矩之间建立期望的关系。

根据本申请的权利要求2中公开的技术，权利要求1的运动辅助装置的目标转矩确定单元被设计为确定所述目标转矩，以减少附接了所述连杆结构的人体的关节上的负荷。

根据本申请的权利要求3中公开的技术，权利要求1的运动辅助装置的目标转矩确定单元被设计为确定所述目标转矩，以使得所述关节单元的加速度为零。

根据本申请的权利要求4中公开的技术，权利要求1的运动辅助装置还包括姿势测量单元，测量部分所述连杆结构的倾斜。所述目标转矩确定单元被设计为利用所述连杆结构和附接了所述连杆结构的人体的动力学模型来确定所述目标转矩，所述动力学模型反映了由所述姿势测量单元测量的所述倾斜以及由所述关节值测量单元测量的所述关节值。

根据本申请的权利要求5中公开的技术，权利要求4的运动辅助装置的目标转矩确定单元被设计为确定所述目标转矩，以消除或减少附接了所述连杆结构的人体的关节上的负荷。

根据本申请的权利要求6中公开的技术，权利要求5的运动辅助装置还包括接触测量单元，用于测量在所述连杆结构被假定为与外部接触的接触点处的接触状态。所述目标转矩确定单元被设计为基于由所述接触测量单元测量的在所述接触点处的接触状态来确定所述目标转矩。

根据本申请的权利要求7中公开的技术，权利要求6的运动辅助装置的目标转矩确定单元被设计为利用二次编程确定目标转矩，所述目标转矩满足所述连杆结构的运动目的以及加在所述连杆结构上的约束条件。

根据本申请的权利要求8中公开的技术，权利要求1的运动辅助装置的响应控制单元被设计为对所述致动器进行转矩控制，以使得所述关节单元对所述目标转矩以及由所述转矩测量单元测量的所述外部转矩做出理想的二次响应。

根据本申请的权利要求9中公开的技术，权利要求1的运动辅助装置的响应控制单元包括扰动观测器，用于在通过目标转矩τ_A致动所述致动器时计算扰动转矩τ_d，以及所述响应控制单元被设计为通过在之前控制周期中由所述扰动观测器获得的扰动转矩τ_d校正转矩目标值τ^ref，以确定在当前控制周期中用于所述致动器的命令转矩τ，所述转矩目标值τ^ref通过将关节值加速度目标值乘以所述关节单元中的惯性的标称值J_n获得，所述关节值加速度目标值由理论响应模型获得，所述理论响应模型通过确定所述制动器在基于所述目标转矩τ_A、所述外部转矩τ_e、以及关节值速度进行响应时要实现的关节值加速度目标值来输出，所述关节值速度通过对所述关节值q时间微分来获得。

根据本申请的权利要求10中公开的技术是一种运动辅助方法，包括：

关节值测量步骤，用于测量连杆结构中关节单元的关节值，所述连杆结构通过关节单元和连接所述关节单元的连杆形成；

目标转矩确定步骤，用于基于在所述关节值测量步骤中测量的所述关节值为致动器确定目标转矩，所述致动器用于致动所述关节单元；

转矩测量步骤，用于测量作用于所述关节单元上的外部转矩；以及

响应控制步骤，用于对所述致动器进行转矩控制，以在所述目标转矩、在所述关节值测量步骤中测量的所述关节值以及在所述转矩测量步骤中测量的所述外部转矩之间建立期望的关系。

根据本申请的权利要求11中公开的技术是一种以计算机可读格式写入的计算机程序，所述计算机程序使得计算机执行：

关节值获取步骤，用于获取连杆结构中关节单元的关节值，所述连杆结构通过关节单元和连接所述关节单元的连杆形成；

目标转矩确定步骤，用于基于在所述关节值测量步骤中测量的所述关节值为致动器确定目标转矩，所述致动器用于致动所述关节单元；

转矩获取步骤，用于获取作用于所述关节单元上的外部转矩；以及

响应控制步骤，用于对所述致动器进行转矩控制，以在所述目标转矩、在所述关节值测量步骤中获取的所述关节值以及在所述转矩获取步骤中测量的所述外部转矩之间建立期望的关系。

根据本申请的权利要求11的计算机程序限定了一种以计算机可读格式写入的计算机程序，以实现计算机中的预定处理。换言之，根据本申请的权利要求11的计算机程序安装在计算机中，从而在计算机中实现合作行动，并且可以实现与根据本申请的权利要求1的运动辅助装置的效果相同的效果。

根据本申请的权利要求12中公开的技术是一种程序记录介质，用于存储以计算机可读格式写入的计算机程序，以使得计算机执行：

关节值获取步骤，用于获取连杆结构中关节单元的关节值，所述连杆结构通过关节单元和连接所述关节单元的连杆形成；

目标转矩确定步骤，用于基于所述关节值测量步骤中测量的所述关节值为致动器确定目标转矩，所述致动器用于致动所述关节单元；

转矩获取步骤，用于获取作用于所述关节单元上的外部转矩；以及

响应控制步骤，用于对所述致动器进行转矩控制，以在所述目标转矩、在所述关节值测量步骤中获取的所述关节值以及在所述转矩获取步骤中测量的所述外部转矩之间建立期望的关系。

本发明的效果

根据本说明书中公开的技术，可以提供一种很好的运动辅助装置，该运动辅助装置附装于人（例如需要辅助或护理的老年人）的身体，并且能够按照优选的方式在生理和心理上辅助人体的运动。此外可以提供一种运动辅助方法、计算机程序和程序记录介质。

根据本说明书中公开的技术，可以提供一种很好的运动辅助装置，该运动辅助装置易于穿戴，以稳定的方式感测用户的意图，在灵敏度和准备状态方面优秀，并且能够在不让用户感觉到应力的情况下提供自然的支持力。此外可以提供一种运动辅助方法、计算机程序和程序记录介质。

本说明书中公开的技术是一种运动辅助装置，该运动辅助装置在不使用肌电传感器的情况下根据用户关节的移动得知用户的意图，并产生力来支持用户的运动。即使在关节致动器的齿轮部分中有难以模拟的摩擦，也可以补偿摩擦，并且关节单元被控制为遵循理想化数学模型。通过这种方式，可以产生支持运动的力，不会给穿戴装置的用户的关节带来任何不适的感觉。在支持用户的运动时，将通过数学方式确定的转矩应用于关节单元，从而不断地将自然的支持力提供给不同环境下的用户。具体而言，尽可能地接近没有力施加于用户关节的状态（就像在太空中）。

根据下面结合附图对实施例的详细描述，本说明书中公开的技术的其他目的、特征和优点将变得更加明显。

附图说明

图1是示意性示出应用本说明书中公开的技术的腿辅助服的结构的示意图。

图2是示出用于图1所示腿辅助服的每个关节的致动器装置的结构的示意图。

图3是示出模拟将人员与腿辅助服组合的系统的两腿机器人的示意图。

图4是示出图1至图3所示腿辅助服的控制系统构造的示意图。

图5是示出要通过图4所示控制系统执行的处理程序的流程图。

图6是示出在图3所示两腿机器人模型中使用通过图4所示控制系统实现的控制系统的实验结果的示意图。

图7是理想响应控制单元406的控制方框图。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的实施例。

图1示意性示出应用本说明书中公开的技术的腿辅助服的结构。

附图所示的腿辅助服总共有12个自由度，对于人体左右腿的每一个而言，包括髋关节的滚动、俯仰和偏转三个自由度、膝关节的一个俯仰自由度以及脚踝的滚动和俯仰两个自由度。每个关节单元的关节轴通过用于致动关节的致动器致动。

各个关节通过刚性连杆连接。具体而言，左右髋关节通过骨盆连杆连接，左右腿的每一个的髋关节和膝关节通过股连杆连接，而左右腿的每一个的膝关节和踝关节通过胫连杆连接。脚底连杆连接到每一个踝关节。骨盆连杆、股连杆、胫连杆和脚底连杆的每一个通过绑带（未示出）固定于人体。

在图1中，用实线描绘右侧的关节单元和连杆，用虚线描绘被人体遮住的左侧的关节单元和连杆。

进行中央控制的主机安装于骨盆区。用于致动各个关节单元的关节轴的上述致动器分别包括能够与主机通信的微机（未示出）。关节的控制目标值从主机提供给各个微机，检测的关节角度和关节角速度从各个微机传输给主机。

用于检测脚底与路面之间接触状态的接触传感器安装在左右脚底区的每一个上。作为接触传感器，使用触地测量开关，当脚底与路面接触时，触地测量开关导通，当脚底与路面不接触时，触地测量开关截止。配合接触传感器的微机读取接触传感器的导通/截止值，并将导通/截止值传输给主机。

通过三轴角速度传感器和三轴角速度传感器（陀螺仪）形成的IMU安装于骨盆区。测量这些传感器的值的微机设置在骨盆区附近，并且测量结果从微机传输给主机。

图2示出用于图1所示腿辅助服的每个关节的致动器装置的结构。附图所示致动器装置包括由转子201和定子202形成的马达主体以及由齿轮（例如波齿轮机构）形成的减速器203。致动器装置安装在接口基板（interface substrate）204上。用于感测关节轴的旋转位置或角度的编码器205附装于马达的转子。后阶段连杆（未示出）经由轴承206连接到减速器的输出轴，并且用于感测输出转矩的转矩传感器207也附装于该输出轴。

对于每个接合轴上的致动器而言，使用可以应对难以模拟或识别的外部扰动的原因（例如关节单元中存在的摩擦和关节）、并且可以基于数学模型（理想化响应模型）指定输出转矩的致动器控制装置，致动器优选为理想化关节单元（IJU）。例如，在已经指定给申请人的日本专利公开No.4715863中公开了这种致动器装置。这种致动器装置响应于命令转矩和外部转矩，指示通过指定的惯性和粘滞阻力控制的精确二次响应。结果，关节的运动不受减速器齿轮中的摩擦阻碍，并且即使作用于关节上的力很小也能准确地转化为致动器角速度的变化。因此，通过利用经由转矩传感器获得的输出转矩以及由编码器检测的角度进行控制，可以实现基于数学模型的精确响应。

这里，穿戴图1所示腿辅助服的人员的质量特性已知，并且通过组合人员与腿辅助服而形成的系统被模拟为图3所示的两腿机器人。附图中的模型具有上述关节的自由度分量（每个左右腿的髋关节的三个自由度、膝关节的一个自由度以及脚踝的两个自由度），以及指示骨盆区位置和姿势的自由度分量。前者是实际存在（或者被致动）的关节的自由度。其关节值用q_A表示，其关节力用τ_A表示，其中隐含的含义是“被致动”。同时，后者由总共六个自由度形成，包括指示骨盆区关于关节坐标系统原点的基座平移的三个自由度，以及指示基座姿势的三个自由度。但是，不能产生任何力。因此，其关节值用q_U表示，其关节力用τ_U表示，其中隐含的含义是“不被致动”。可以从腿辅助服的每个关节单元产生的转矩是通过用于致动实际存在的关节的致动器产生的转矩。从该系统的观点来看，将通过穿戴腿辅助服的人员的肌肉产生的力视作外力。

根据本实施例的腿辅助服目的是即使在穿戴腿辅助服的人员的肌肉力变弱时，也使得穿戴它的人能够在感觉不到他/她身体重量的情况下以很弱的肌肉力移动。换言之，腿辅助服的运动目的是产生人就像在零重力环境下移动的情况。例如，当人从椅子站起来或者上下楼时，通过致动器产生支持他/她身体重量的大部分力，因此人的肌肉只产生需要的力中的很小剩余量。为了便于说明，从下述情况排除人员的质量特性发生变化的情况，例如人在他/她背部负起重物时。

为了实现运动的上述目的，形成如下控制系统：其通过致动器补偿由于重力而作用于人员关节上的负荷。但是在图3所示两腿机器人的情况下，涉及各种触地状态（例如左腿触地状态、右腿触地状态、两腿触地状态以及不触地状态），并且系统动力学根据触地状态显著改变。在两腿机器人是单腿支持类型的情况下，通过类似于冗余机械手的动力学来控制两腿机器人。在两腿机器人是双腿支持类型的情况下，形成闭环，并且用于转矩的决定规则不简单。在问题无解的情况下（不可解问题），需要产生近似转矩。在问题有无限解的情况下（不确定的问题），在多个解中需要形成向系统施加最小负荷的最佳转矩模式。优选在出现这种步行阶段转变时消除控制系统之间切换的复杂性。下面描述能全面处理这些问题的控制系统。

两足步行系统的运动方程可以表达为以下方程（1）

[数学公式1]

$\mathrm{\τ}=H\stackrel{..}{q}+b(\stackrel{.}{q},g)-J_E^T{f}_E...\left(1\right)$

在上述方程（1）中，τ表示与广义变量q对应的广义力，b表示重力或科里奥利力，H表示与两腿机器人的关节空间（整个连杆结构）对应的惯性矩阵，f_E表示外力（地面反作用力），J_E表示将外力f_E所作用的空间与关节空间相关联的雅可比矩阵。这里，广义变量q是如同在图3中被模拟的两腿机器人的关节值，广义力τ与关节力等同。更具体而言，广义变量q通过实际存在的关节的12个自由度分量（每个左右腿髋关节的三个自由度，膝关节的一个自由度以及脚踝的两个自由度）以及指示骨盆区的位置和姿势的6个自由度分量形成。前者的广义变量用q_A表示，广义力用τ_A表示，其中隐含的含义是“被致动”。因为后者不能产生力，所以其广义变量用q_U表示，其广义力用τ_U表示，其中隐含的含义是“不被致动”。因此，可将广义力τ和广义变量q表示为τ=(τ^T _Uτ^T _A)^T和q=(q^T _Uq^T _A)^T。当运动方程被分为不致动分量和致动分量时，可将上述方程（1）变形为以下方程（2）。

[数学公式2]

$H\stackrel{..}{q}+b=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_U\\ {\mathrm{\τ}}_A\end{array}\right]+J_E^T{f}_E...\left(2\right)$

力控制系统中机器人控制的关键概念是用于描述作用于机器人的力与产生的加速度之间关系的空间，或者操作空间。例如，在将两腿机器人的脚底位置定义为操作空间时，操作空间被用于确定用以在脚底产生期望加速度的关节力。通常，利用关节q的关节速度和雅可比矩阵J将操作空间X的速度表达为以下方程（3-1）。因此，利用关节q的关节速度和雅可比矩阵J将操作空间X的加速度表达为以下方程（3-2）。操作空间最终变为等于关节空间。

[数学公式3]

$\stackrel{.}{x}=J\stackrel{.}{q}...(3-1)$

$\stackrel{..}{x}=J\stackrel{..}{q}+\stackrel{.}{J}\stackrel{.}{q}...(3-2)$

利用上述方程（2）从上述方程（3-2）消除广义变量q的加速度分量时，得到以下方程（4）。

[数学公式4]

$\stackrel{..}{x}={\mathrm{JH}}^{-1}\{\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_U\\ {\mathrm{\τ}}_A\end{array}\right]+J_E^T{f}_E-b\}+\stackrel{.}{J}\stackrel{.}{q}...\left(4\right)$

因为不被致动的关节不能产生上述转矩，所以τ_U=0。将此代入上述方程（4），得到以下方程（5）。

[数学公式5]

$\stackrel{..}{x}=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{JH}}_A^{-1}& {\mathrm{JH}}^{-1}{J}_E^T\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_A\\ f_E\end{array}\right]-{\mathrm{JH}}^{-1}b+\stackrel{.}{J}\stackrel{.}{q}...\left(5\right)$

但是在上述方程（5）中，惯性矩阵的逆矩阵H^-1可分为被致动的关节的列H_A ^-1和不被致动的关节的列H_U ^-1，并且可表示为H^-1=[H_A ^-1H_U ^-1]。如果将上述方程（5）进一步简化，则上述方程（1）所示的两足步行系统的运动方程可以变形为以下表达与操作空间x有关的动力学的方程（6）。

[数学公式6]

$\stackrel{..}{x}={\mathrm{\Λ}}_H^{-1}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_A\\ f_E\end{array}\right]+c_H...\left(6\right)$

上述方程（6）表达操作空间x中产生的加速度与致动关节的转矩τ_A以及作用于操作空间x的外力f_E之间的关系。但是，上述方程（6）中的Λ_H ^-1和c_H分别表达为以下方程（7）和（8）。

[数学公式7]

${\mathrm{\Λ}}_H^{-1}=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{JH}}_A^{-1}& {\mathrm{JH}}^{-1}{J}_E^T\end{array}\right]...\left(7\right)$

[数学公式8]

$c_H={-\mathrm{JH}}^{-1}b+\stackrel{.}{J}\stackrel{.}{q}...\left(8\right)$

上述方程（6）左手侧所示操作空间x的加速度可以视作腿辅助服的运动的目的。运动目的的示例包括将受控对象特定部分的加速度设置为0，将速度设置为0，以及设置位置给予的值（如下所述，在腿辅助服中设置将关节加速度设置为0的运动目的，因此将产生用于在关节处维持被动的当前运动的支持力）。如下所述，右手侧出现的Λ_H ^-1和c_H是可以根据系统状态计算的已知量。通过关于这些已知量确定未知量τ_A和f_E，可以获得用于实现运动目的的致动关节力τ_A的值以及系统应当从通过雅可比矩阵J_E表示的空间获得的外力f_E。

但是，致动关节力τ_A有限制，并且从外部获得的外力受到摩擦锥面或者支持多边形的约束。此外，满足上述方程（6）的解不一定总是存在。在没有满足任何运动目的的解的情况下，优先处理运动目的的机制变得必要。相反，有存在多个解的情况，并且需要选择适当的解。因此，解出仅仅是线性方程系统的上述方程（6）是不够的。

因此，将上述确定未知量τ_A和通过f_E形成的未知力的问题作为以下表达式（9）和（10）所示的二次编程问题来解决，以确定未知力_y。

[数学公式9]

$\min \frac{1}{2}{e}^T\mathrm{We}+\frac{1}{2}{y}^T\mathrm{Ey}...\left(9\right)$

[数学公式10]

s.t.Ay≥d    ...(10)

在上述表达式中，未知力y是通过致动关节力τ_A和外力f_E形成的变量，并表达为下示方程（11）。此外，e是从上述方程（6）的右手侧减去左手侧得到的值，并表示上述方程（6）的误差，如同下示方程（12）。通过令e更小，可以使得满足上述方程（6）更容易。此外，W是定义运动目的之间权重关系的对角矩阵，并且表示为下示方程（13）。根据W，与具有较小权重的运动目的相比，可以优先实现具有更大权重的运动目的。

[数学公式11]

$y=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_A\\ f_E\end{array}\right]...\left(11\right)$

[数学公式12]

$e={\mathrm{\Λ}}_H^{-1}y+c_H-\stackrel{..}{x}...\left(12\right)$

[数学公式13]

W＝diag{w_i}    ...(13)

此外，E是使得未知力y在有多个解时通过最小的解收敛的对角矩阵，并且表达为下示方程（14）。但是，方程中的ε_i是充分小量，因此不影响解的精确性。

[数学公式14]

E＝diag{ε_i}    ...(14)

上述表达式（10）示出对未知力y的约束条件。在腿辅助服的情况下，约束条件用于通过致动器（地面反作用力为单向）产生的关节力τ_A和地面反作用力f_E。A和d分别表示系数矩阵和恒定矢量，用于表达加在未知关节力τ_A和未知外力f_E上的不平等约束（上述表达式（10））。例如，在要限制关节力τ_A时，应当通过A和d表达以下表达式（15）。

[数学公式15]

$\min \left({\mathrm{\τ}}_{A_i}\right)\≤{\mathrm{\τ}}_{A_i}\≤\max \left({\mathrm{\τ}}_{A_i}\right)...\left(15\right)$

或者，当通过单极接触、摩擦锥面和支持多边形来约束作用于接触点的外力f_E或者力（F_x，F_y，F_z）和动量（M_x，M_y，M_z）时，应当用A和d来表达下示表达式（16）。这里，μ_t和μ_r表示摩擦系数，而L_x和L_y表示矩形支持多边形的边长。

[数学公式16]

$\begin{array}{c}\left|F_x\right|\≤{\mathrm{\μ}}_t{F}_z,\left|F_y\right|\≤{\mathrm{\μ}}_t{F}_z,F_z\≥0\\ \left|M_x\right|\≤L_y{F}_z,\left|M_y\right|\≤L_x{F}_z,\left|M_z\right|\≤{\mathrm{\μ}}_r{F}_z\end{array}...\left(16\right)$

为了解决上述表达式（9）和（10）中表达的二次编程问题，需要根据系统的状态计算Λ_H ^-1和c_H。

下面描述用较少的计算量确定Λ_H ^-1和c_H的方法。以上述方程（6）从右手侧获得左手侧的计算可以视作当关节力τ_A和外力f_E作用于系统时在操作空间x中确定加速度的问题。这可以认为是一种正向动力学运算，虽然其在运算空间x中确定加速度方面不同于传统正向动力学计算。正向动力学运算FD_H具有诸如关节空间q（作为连杆结构的动力学模型）、其关节速度、重力g和未知力y这样的参数，并且可以表达为以下方程（17）。

[数学公式17]

$\stackrel{..}{x}={\mathrm{FD}}_H(q,\stackrel{.}{q},g,y)...\left(17\right)$

根据该正向动力学运算FD_H，可从关于作用于连杆结构的力的信息，例如关节空间q、重力g和未知力y，来获得在连杆结构的各个点产生的加速度。

在上述方程（17）中，当在除了关节空间q和未知力y之外正向动力学运算FD_H的所有输入参数都被设置为0的约束条件下不产生与重力有关的力（例如科里奥利力）、关节力和速度结果时，可以确定在操作空间x中产生的加速度。也就是说，方程（8）中c_H的可以为0。此外，当在y=u_i或者第i个分量仅启动第i个操作空间中的单位矢量u_i的条件下进行根据上述方程（17）的计算时，可以确定Λ_H ^-1的第i列。因此，通过对所有行i进行以下方程（18）所示的正向动力学运算，可以获得操作空间的整个逆惯性矩阵Λ_H ^-1。

[数学公式18]

Λ_H ^-1的第一列=FD_H（q,0,0,u_i）    …(18)

此外，在未知力y为0并且正向动力学运算FD_H的输入参数中只有关节空间q中产生的速度和重力g有效的约束条件下，通过进行上述方程（18）所示的正向动力学运算FD_H，可如以下方程（19）所示计算c_H。

[数学公式19]

$c_H={\mathrm{FD}}_H(q,\stackrel{.}{q},g,0)...\left(19\right)$

通常，首先利用逆动力学运算（根据加速度计算力的运算）形成正向动力学运算，但是涉及O(N³)的计算量的问题。结果，当自由度数量变大时，运算量增加。另一方面，日本特开专利申请No.2007-108955（上文所述）和R.Featherstone在“Robot Dynamics Algorithms（KluwerAcademic Publishers,1987）”中公开了一种利用铰接体方法（下面称为“AB方法”），以O(N)的计算复杂度形成正向动力学运算的方法。例如在“The calculation of robot dynamics using articulated-body inertias”（Int.J.Robotics Research,vol.2,no.1,pp.13-30,1983）中公开了AB方法。根据日本专利申请特开No.2007-108955中公开的正向动力学运算形成方法，AB方法分为四个处理，即惯性信息计算、速度信息计算、力信息计算以及加速度信息计算。

如果可以像AB方法那样以O(N)的计算复杂度实现上述正向动力学运算表达式（17），那么根据上述表达式（18）和（19），也能以相同的计算复杂度计算Λ_H ^-1和c_H。

按照以上方式，可以解决通过上述表达式（9）和（10）表达的二次编程问题。通过将作为解获得的关节力τ_A作为致动器的转矩命令值提供给腿辅助服，可以实现运动目的。

接着，描述利用上述控制系统控制图1所示腿辅助服的更具体设置。

腿辅助服的运动目的是在让关节单元的运动最大程度地反映用户意图的同时，防止身体重量作用于关节单元，或者消除或减少穿戴腿辅助服的人体的关节单元上的负荷。基本上，将运动目的设置为使得关节加速度关于所有关节{q_i}为零，如同以下方程（20）所示，因此可以产生支持力，用于在关节处维持被动的当前运动。

[数学公式20]

${\stackrel{..}{q}}_i=0...\left(20\right)$

图3所示两腿机器人模型中外力的施加点被假设为左右脚的脚底。在触地点，脚底应当被稳定地支持在路面上。因此，以下与平移加速度和角加速度有关的方程（21）和（22）所示的运动目的被设置在接触地面的脚上。

[数学公式21]

$a_{F_i}=0...\left(21\right)$

[数学公式22]

${\stackrel{.}{\mathrm{\ω}}}_{F_i}=0...\left(22\right)$

关于不平等约束，将上述表达式（15）所示的关节力限制加在所有关节上，并将上述表达式（16）所示的约束加在所有接触点上。

在上述结构中，转矩被确定为不仅维持由于重力所致的身体重量，而且维持惯性，并且作为结果，辅助力趋于变为反应过度。因此，作为系统的状态，基于实际水平将0分配给基座的平移速度、旋转速度以及关节角速度。在这种结构中，自然空间中整个系统的位置都不会影响解。因此，将基座部分的位置总是设置为0（q_U=0），并且基座部分只反映通过惯性传感器测量的基座的姿势。

图4示出图1至图3所示腿辅助服的控制系统构造。附图中控制系统由关节状态测量装置401、主机402、基座状态测量装置403、触地腿状态测量装置404、转矩测量装置405、理想响应控制单元406以及马达驱动器407形成。主机402包括动力学模型402A、全身协调控制单元402B以及运动目的和约束条件设置单元402C。

具体而言，关节状态测量装置401等效于编码器和测速发电机，测速发电机附装于用于致动各个关节的致动器并测量关节的角度和角速度。如上所述，在实际水平上将关节角速度视作0，从而防止腿辅助服的辅助力变得反应过度。在这种情况下，可以忽略关节状态测量装置401的角速度测量。

基座状态测量装置403利用腿辅助服的骨盆区中安装的惯性传感器（加速度传感器和陀螺仪）检测的值，计算骨盆区的姿势和角速度。因为方位并非特别必要，所以将基座状态测量装置403被设计为仅检测指示姿势的两个滚动和俯仰轴的倾斜。如上所述，在实际水平上将关节角速度视作0，从而防止腿辅助服的辅助力变为得过度反应。在这种情况下，可以忽略基座状态测量装置403的角速度的测量。

通过主机402中的动力学模型402A反映通过关节状态测量装置401获得的关节角度q_A及其角速度以及通过基座状态测量装置403获得的基座姿势q_U及其角速度。动力学模型402A仅认为骨盆区的倾斜对于世界坐标系统中的位置和姿势重要，并且在动力学模型402A中，将其他状态量（骨盆区的位置和方位）忽略并视作0。

触地腿状态测量装置404等同于左右脚的脚底上设置的触地测量开关（如上所述）。当脚底与路面接触时，触地腿状态测量装置404导通，当脚底与路面不接触时，触地腿状态测量装置404截止。

运动目的和约束条件设置单元402C向所有致动关节q_A发出上述方程（20）所示的加速度零命令，并关于控制系统中的最大关节力值设置上述方程（15）所示的约束条件。此外，运动目的和约束条件设置单元402C基于触地腿状态测量装置404获得的腿触地信息，在触地点设置上述方程（21）和（22）所示的平移加速度和角加速度零命令以及上述方程（16）所示的不平等约束条件。

全身协调控制单元402B确定目标转矩，从而利用腿辅助服以及穿戴腿辅助服的人员的动力学模型，消除或减少由于重力而作用于人的关节上的负荷。在本实施例中，全身协调控制单元402B包括操作空间物理量计算单元402B-1和二次编程问题解决单元402B-2。操作空间物理量计算单元402B-1利用上述方程（18）和（19），根据系统状态计算操作空间物理量Λ_H ^-1和c_H。然后，利用上述操作空间物理量，二次编程问题解决单元402B-2解决上述方程（9）和（10）所示的二次编程问题，并计算满足运动目的和约束条件设置单元402C设置的运动目的（参见上述方程（20）至（22））和约束条件（参见上述方程（15）和（16））的致动关节力（目标转矩）τ_A。

通过全身协调控制单元402B计算的致动关节力τ_A作为用于致动各个关节的致动器的转矩命令值提供给理想响应控制单元406。在本实施例中，例如将已经转让给申请人的日本专利公开No.4715863中公开的致动器装置用作用于致动各个关节的每个致动器。

转矩测量装置405等同于附装于每个致动器并测量外部转矩的转矩传感器。

理想响应控制单元406对通过全身协调控制单元403B计算的致动转矩（目标转矩）τ_A以及通过转矩测量装置测量的外部转矩进行精确的关节加速度控制（转矩控制），因此关节将给出理想二次响应。

然后，理想响应控制单元406计算用于马达驱动器407的当前命令值，并控制马达中流动的电流，因此马达驱动器407将实现该当前命令值。

根据本实施例的腿辅助服根据用户关节的运动得知用户的意图，而不需要使用肌电传感器，因此易于穿戴。但是，必须消除对用户关节的运动的阻碍的原因，例如每个关节单元中齿轮部分的粘滞阻力。即使关节致动器的齿轮部分有难以模拟的摩擦，理想响应控制单元406也能补偿摩擦，并控制关节单元遵循理想化数学模型，因此可以实现理想化关节单元（IJU）。结果，可以在没有向佩戴腿辅助服的用户的关节施加任何阻力的情况下产生支持运动的力。

在两腿机器人（参见图3）的动力学计算中，根据以下方程（23）所示的数学表达式来模拟致动器。

[数学公式23]

$I_a{\stackrel{..}{q}}_A={\mathrm{\τ}}_A-{\mathrm{\τ}}_e-v_a{\stackrel{.}{q}}_A...\left(23\right)$

在上述方程（23）中，I_a表示关节的虚拟惯量，q_A表示关节的关节角度（作为编码器输出获得），τ_A表示作为产生的关节转矩的命令值的目标转矩，τ_e表示作用于关节上的外部转矩，而ν_a表示关节中的虚拟粘滞系数（未知并且难以模拟）。

如上述方程（23）所示，理论模型包括作用于关节上的外部转矩项τ_e。因此，为了根据理论模型校正致动器的响应，必须检测外部转矩τ_e。在本实施例中，将用于测量减速器的输出轴处的外部转矩τ_e的转矩传感器安装在每个致动器上（参见图2），并通过微机收集转矩测量结果。

因为每个致动器根据上述方程（23）所示的理论模型给出响应，所以在确定上述方程（23）的右手侧时不变地实现左手侧的关节角加速度。在建立这种关节角加速度控制系统中使用估计扰动转矩的扰动观测器，因此可以基于理论模型，以高精度确定关节转矩τ。

图7是理想响应控制单元406的控制方框图。在附图中，虚线包围的部分等同于用于估计扰动转矩τ_d并消除对控制系统的影响的扰动观测器，以形成鲁棒的加速度控制系统。这里，J_n表示关节中惯性的标称值，J表示关节中惯性的实际值（未知），而q_A表示关节角度。同时，作为动力学计算中的设计特点，将虚拟常数分配给关节的虚拟惯性I_a。

在主机402中，在每个控制周期里，通过力控制方法来确定目标转矩τ_A作为用于致动器的命令值，此外，将根据通过转矩测量装置405（附装于致动器的减速器的输出轴的转矩传感器）测量的实际外部转矩值τ_e以及通过关节状态测量装置401（附装于马达的转子的编码器）测量的关节角度q_A而获得的实际测量的角速度值从配合致动器的微机（如上所述）发送。将目标转矩τ_A、外部转矩τ_e以及关节角度q_A的实际测量的角速度值代入上述方程（1）所示的理论响应模型，以确定方程左手侧关节角度q_A的加速度目标值。该角加速度目标值被输入扰动观测器。

在扰动观测器中，将输入的关节角度q_A的加速度目标值乘以虚拟惯性标称值J_n，以变为当前控制周期中的转矩目标值τ^ref。然后，用通过扰动观测器在之前控制周期中获得的扰动转矩τ_d来校正转矩目标值τ^ref，以获得当前控制周期中用于关节的转矩命令值τ。

当将通过传递函数1/J_n形成的关节增加通过转矩命令值τ形成的力控制时，关节被旋转致动，同时受到外部扰动（例如关节单元中存在的摩擦和惯性）的影响。具体而言，将转矩命令值τ转换为当前命令值，当前命令值是用于马达驱动器407的命令输入。分别通过转矩测量装置405和关节状态测量装置401来测量产生的转矩τ_e和该点的关节角度q_A，并将关节状态测量装置401的输出q_A进行时间微分，以获得关节角速度。

通过将传递函数J_ns（其通过关节的虚拟惯性标称值J_n形成）应用于测量的关节角度q_A的角速度，扰动观测器可以估计作用于关节上的转矩，并且将估计的转矩从转矩命令值τ减去，以估计扰动转矩τ_d。在当前控制周期中获得的扰动转矩τ_d被反馈，并在下一个控制周期中用于校正转矩命令值τ。插入中间并表达为g/(s+g)的低通滤波器（LPF）是用于防止系统的扩展的滤波器。

按照以上方式，可以使得致动器的加速度响应服从加速度目标值，即使有扰动分量，例如关节单元中不能模拟的摩擦或惯性。也就是说，因为在上述方程（23）右手侧被确定以后可以实现左手侧的关节角加速度，所以致动器可以根据理论模型实现响应，不管受到外部扰动的影响。但是，在扰动转矩τ_d被反馈时插入上述低通滤波器g/(s+g)（如上所述），因此，不能有效地消除高频区的外部扰动。

关于扰动观测器，请参考Onishi的“Robust Motion Control byDisturbance Observer”（the Journal of the Robotics Society of Japan,Vol.11,No.4,pp.486-493,1993）。扰动观测器估计设备中的外部扰动分量，并将估计反馈给控制输入。因此，扰动观测器具有即使在设备中有未知的参数变化或外部扰动时也实现目标状态的效果。但是，为了正确估计外部扰动，必须在周期中重复反馈操作。

在图7所示的控制方框构造中，扰动观测器根据上述方程（23）确定关节角度q的角加速度，并将角加速度设置为用于关节单元的致动器的关节角加速度目标值。基于从转矩测量装置405获得的外部转矩τ_e、关节的目标转矩τ_A、以及从附装于减速器的输出轴的关节状态测量装置401输出的关节角度q_A的时间微分来确定关节角度q的角加速度。通过此结构，关节单元可以根据惯性I_a和虚拟粘滞系数ν_a来做出响应，并且响应被理想化。

图5是示出要通过图4所示控制系统执行的处理程序的方框图。

触地腿状态测量装置测量附装于左右脚的每个脚底的触地测量开关的导通/截止状态（步骤S501）。

关节状态测量装置401将附装于用于致动各个关节的致动器的编码器的输出值计数，并获得当前关节角度q_A（步骤S502）。

基座状态测量装置403通过读取由腿辅助服的骨盆区中安装的惯性传感器（加速度传感器和陀螺仪）检测的值，进行姿势计算，并获得骨盆区或基座的姿势（步骤S503）。

然后，做出主机402中的动力学模型402A，以反映通过关节状态测量装置401获得的关节角度q_A（以及在有些情况下的角速度）和通过基座状态测量装置403获得的基座姿势q_U（以及在有些情况下的角速度）（步骤S504）。

然后，运动目的和约束条件设置单元402C设置腿辅助服的运动目的和约束条件（步骤S505）。具体而言，运动目的和约束条件设置单元402C向所有致动关节q_A发出上述方程（20）所示的加速度零命令，并关于控制系统中的最大关节力值设置上述方程（15）所示的约束条件。此外，运动目的和约束条件设置单元402C基于触地腿状态测量装置404获得的腿触地信息，在触地点设置上述方程（21）和（22）所示的平移加速度和角加速度零命令以及上述方程（16）所示的不平等约束条件。

在全身协调控制单元402B中，操作空间物理量计算单元402B-1利用上述方程（18）和（19），根据系统状态计算操作空间物理量Λ_H ^-1和c_H（步骤S506）。

然后，利用步骤S506中获得的操作空间物理量，全身协调控制单元402B中的二次编程问题解决单元402B-2解决上述方程（9）和（10）所示的二次编程问题，并计算满足运动目的和约束条件设置单元402C设置的运动目的（参见上述方程（20）至（22））和约束条件（参见上述方程（15）和（16））的致动关节力或目标转矩τ_A（步骤S507）。

全身协调控制单元402B将获得的致动关节q_A的目标转矩τ_A传输给理想响应控制单元406。然后，如上所述，理想响应控制单元406对通过全身协调控制单元403B计算的致动转矩（目标转矩）τ_A以及通过转矩测量装置405测量的外部转矩进行精确的关节加速度控制（转矩控制），因此关节将给出理想二次响应（步骤S508）。

控制系统例如在大约1kHz的控制频率下执行图5所示的处理程序。

图6示出在图3所示两腿机器人模型中使用通过图4所示控制系统实现的控制系统的实验结果的示意图。

在图6左列所示从人以左腿站立的状态的姿势改变中，向右脚尖施加外力（穿戴服装的人的肌肉力），因此右脚接触地面。姿势被动地改变为两腿支持状态。当使得人在两腿支持状态下站立不动时，马达将关节加速度维持为0，并且可以在没有外力（穿戴服装的人的肌肉力）的情况下维持相同的姿势。随后，向骨盆区施加外力（穿戴服装的人的肌肉力）以屈膝。姿势再次被动地改变，并且保持屈膝位置。然后，马达产生用于维持姿势的关节力，并且可以在没有施加外力（穿戴服装的人员的肌肉力）的情况下维持相同的姿势。

在图6右列所示从人以左腿站立的状态的姿势改变中，向右脚尖施加外力（穿戴服装的人员的肌肉力），以向上抬起脚尖。姿势被动地改变。之后，使人员站立不动，并消除外力（穿戴服装的人的肌肉力）。仅通过马达力也可以维持抬腿的姿势。

如上所述，通过图4所示的控制系统，姿势根据外力（穿戴服装的人员的肌肉力）被动地改变，并且可以根据触地状态通过马达产生维持姿势的关节力。按照这种方式，腿辅助服可以辅助穿戴它的人员按他/她所愿移动，而不需要使用穿戴它的人员的肌肉。

虽然图6示出的示例性情况中100%的计算力由马达产生，但是可以通过从马达力产生一定比例（下面称为“辅助比率α”）的计算转矩，留下一部分负荷施加给穿戴服装的人的肌肉来进行辅助。也就是说，可以在致动点产生转矩α_τ。可以根据穿戴腿辅助服的人的生理能力的变弱程度来确定辅助比率。

此外，在上述实施例中，将致动器附装于要辅助的人员的腿的所有关节（参见图3）。但是，对于只将致动器附装于一部分关节的系统，可以通过进行与上述相同的算术运算来辅助人的腿移动。但是在仅辅助一部分关节的情况下，不能保证动力学一致性，并且因此，优选不对接触点施加外力约束。具体而言，施加以下表达式（24）而非上述表达式（16）所示的不平等约束作为接触约束。

[数学公式24]

$\begin{array}{c}\left|F_x\right|\≤\∞,\left|F_y\right|\≤\∞,F_z\≤\∞\\ \left|M_x\right|\≤\∞,\left|M_y\right|\≤\∞,\left|M_z\right|\≤\∞\end{array}...\left(24\right)$

如上所述，根据本实施例的腿辅助服可以从用户关节的移动得知用户的意图，并产生力量支持用户的步行移动。因为辅助服不使用肌电传感器，所以容易穿戴辅助服，并且，即使在用户移动时肌电传感器从皮肤脱离时，也没有肌电传感器失控的风险。此外，在按照意图跟随用户的移动时，辅助服可以平滑地提供支持力，不会使得用户由于关节单元处的摩擦而感觉不适。产生力的规则并不特别，而是基于要消除或减少由于重力所致对人的关节的负荷的理论。因此，产生力的规则不限于特定运动，并且不断地产生自然的支持力。此外，不需要根据腿的触地状态来制备控制系统。相反，可以简单地通过增加接触传感器（例如用于脚底的触地测量传感器）安装地点的数量，应对整个身体的各种接触状态。腿辅助服具有很好的安装性。

本说明书中公开的技术也可以具有以下结构。

（1）一种运动辅助装置，包括：连杆结构，由关节单元和连接所述关节单元的连杆形成；致动器，用于通过转矩控制致动所述关节单元；关节值测量单元，用于测量所述关节单元的关节值；目标转矩确定单元，用于基于所述关节值测量单元测量的所述关节值为所述致动器确定目标转矩；转矩测量单元，用于测量作用于所述关节单元上的外部转矩；以及响应控制单元，用于对所述致动器进行转矩控制，以在所述目标转矩、由所述关节值测量单元测量的所述关节值以及由所述转矩测量单元测量的所述外部转矩之间建立期望的关系。

（2）（1）的运动辅助装置，其中，所述目标转矩确定单元确定所述目标转矩，以减少附接了所述连杆结构的人体的关节上的负荷。

（3）（1）的运动辅助装置，其中，所述目标转矩确定单元确定所述目标转矩，以使得所述关节单元的加速度为零。

（4）（1）的运动辅助装置，还包括：姿势测量单元，测量部分所述连杆结构的倾斜。所述目标转矩确定单元利用所述连杆结构和附接了所述连杆结构的人体的动力学模型来确定所述目标转矩，所述动力学模型反映了由所述姿势测量单元测量的所述倾斜以及由所述关节值测量单元测量的所述关节值。

（5）（4）的运动辅助装置，其中，所述目标转矩确定单元确定所述目标转矩，以消除或减少附接了所述连杆结构的人体的关节上的负荷。

（6）（5）的运动辅助装置，还包括：接触测量单元，用于测量在所述连杆结构被假定为与外部接触的接触点处的接触状态。所述目标转矩确定单元基于由所述接触测量单元测量的在所述接触点处的接触状态来确定所述目标转矩。

（7）（6）的运动辅助装置，其中，所述目标转矩确定单元利用二次编程，确定满足所述连杆结构运动目的以及加在所述连杆结构上的约束条件的目标转矩。

（8）（1）的运动辅助装置，其中，所述响应控制单元对所述致动器进行转矩控制，以使得所述关节单元对所述目标转矩以及由所述转矩测量单元测量的所述外部转矩做出理想的二次响应。

（9）（1）的运动辅助装置，其中，所述响应控制单元包括扰动观测器，用于在通过目标转矩τ_A致动所述致动器时计算扰动转矩τ_d，以及所述响应控制单元通过在之前控制周期中由所述扰动观测器获得的扰动转矩τ_d校正转矩目标值τ^ref，以确定在当前控制周期中用于所述致动器的命令转矩τ，所述转矩目标值τ^ref通过将关节值加速度目标值乘以所述关节单元中的惯性的标称值J_n获得，所述关节值加速度目标值由理论响应模型获得，所述理论响应模型通过确定所述制动器在基于所述目标转矩τ_A、所述外部转矩τ_e、以及关节值速度进行响应时要实现的关节值加速度目标值来输出，所述关节值速度通过对所述关节值q时间微分来获得。

（10）一种运动辅助方法，包括：关节值测量步骤，用于测量连杆结构中关节单元的关节值，所述连杆结构通过关节单元和连接所述关节单元的连杆形成；目标转矩确定步骤，用于基于在所述关节值测量步骤中测量的所述关节值为致动器确定目标转矩，所述致动器用于致动所述关节单元；转矩测量步骤，用于测量作用于所述关节单元上的外部转矩；以及响应控制步骤，用于对所述致动器进行转矩控制，以在所述目标转矩、在所述关节值测量步骤中测量的所述关节值以及在所述转矩测量步骤中测量的所述外部转矩之间建立期望的关系。

（11）一种以计算机可读格式写入的计算机程序，所述计算机程序使得计算机执行：关节值获取步骤，用于获取连杆结构中关节单元的关节值，所述连杆结构通过关节单元和连接所述关节单元的连杆形成；目标转矩确定步骤，用于基于在所述关节值测量步骤中测量的所述关节值为致动器确定目标转矩，所述致动器用于致动所述关节单元；转矩获取步骤，用于获取作用于所述关节单元上的外部转矩；以及响应控制步骤，用于对所述致动器进行转矩控制，以在所述目标转矩、在所述关节值测量步骤中获取的所述关节值以及在所述转矩获取步骤中测量的所述外部转矩之间建立期望的关系。

（12）一种程序记录介质，用于存储以计算机可读格式写入的计算机程序，以使得计算机执行：关节值获取步骤，用于获取连杆结构中关节单元的关节值，所述连杆结构通过关节单元和连接所述关节单元的连杆形成；目标转矩确定步骤，用于基于所述关节值测量步骤中测量的所述关节值为致动器确定目标转矩，所述致动器用于致动所述关节单元；转矩获取步骤，用于获取作用于所述关节单元上的外部转矩；以及响应控制步骤，用于对所述致动器进行转矩控制，以在所述目标转矩、在所述关节值测量步骤中获取的所述关节值以及在所述转矩获取步骤中测量的所述外部转矩之间建立期望的关系。

工业实用性

参照具体实施例详细描述了本说明书中公开的技术。但是在不脱离本说明书中公开的技术的范围的情况下，显然本领域技术人员可以对这些实施例进行变化和修改。

在本说明书中，主要描述了应用于腿辅助服的实施例。但是，本说明书中公开的技术的范围不限于这些实施例。通过将本说明书中公开的技术应用于要附装于人员除了腿之外的位置的各种辅助服，可以辅助人员除了步行之外的各种运动。

总之，通过示例描述了本说明书中公开的技术，并且不应以限制的方式来解释本说明书的内容。要确定本说明书中公开的技术的范围，应当考虑权利要求书。

附图标记列表

401：   关节状态测量装置

402：   主机

402A：  动力学模型

402B：  全身协调控制单元

402C：  运动目的和约束条件设置单元

403：   基座状态测量装置

404：   触地腿状态测量装置

405：   转矩测量装置

406：   理想响应控制单元

407：   马达驱动器

Claims (12)

1.一种运动辅助装置，包括：

连杆结构，由多个关节单元和连接所述关节单元的多个连杆形成；

致动器，被配置为通过转矩控制致动所述关节单元；

关节值测量单元，被配置为测量所述关节单元的关节值；

目标转矩确定单元，被配置为基于所述关节值测量单元测量的所述关节值为所述致动器确定目标转矩；

转矩测量单元，被配置为测量作用于所述关节单元上的外部转矩；以及

响应控制单元，被配置为对所述致动器进行转矩控制，以在所述目标转矩、由所述关节值测量单元测量的所述关节值以及由所述转矩测量单元测量的所述外部转矩之间建立期望的关系。

2.根据权利要求1所述的运动辅助装置，其中所述目标转矩确定单元确定所述目标转矩，以减少附接了所述连杆结构的人体的关节上的负荷。

3.根据权利要求1所述的运动辅助装置，其中所述目标转矩确定单元确定所述目标转矩，以使得所述关节单元的加速度为零。

4.根据权利要求1所述的运动辅助装置，还包括：

姿势测量单元，被配置为测量部分所述连杆结构的倾斜，

其中，所述目标转矩确定单元利用所述连杆结构和附接了所述连杆结构的人体的动力学模型来确定所述目标转矩，所述动力学模型反映了由所述姿势测量单元测量的所述倾斜以及由所述关节值测量单元测量的所述关节值。

5.根据权利要求4所述的运动辅助装置，其中所述目标转矩确定单元利用所述动力学模型确定所述目标转矩，以消除或减少作用于附接了所述连杆结构的人体的关节上的负荷。

6.根据权利要求5所述的运动辅助装置，还包括：

接触测量单元，被配置为测量在所述连杆结构被假定为与外部接触的接触点处的接触状态，

所述目标转矩确定单元基于由所述接触测量单元测量的在所述接触点处的接触状态来确定所述目标转矩。

7.根据权利要求6所述的运动辅助装置，其中所述目标转矩确定单元利用二次编程确定满足所述连杆结构运动目的的以及加在所述连杆结构上的约束条件的目标转矩。

8.根据权利要求1所述的运动辅助装置，其中所述响应控制单元对所述致动器进行转矩控制，以使得所述关节单元对所述目标转矩以及由所述转矩测量单元测量的所述外部转矩做出理想的二次响应。

9.根据权利要求1所述的运动辅助装置，其中,

所述响应控制单元包括:

扰动观测器，被配置为在通过目标转矩τ_A致动所述致动器时计算扰动转矩τ_d，以及

所述响应控制单元通过在之前控制周期中由所述扰动观测器获得的扰动转矩τ_d校正转矩目标值τ^ref，以确定在当前控制周期中用于所述致动器的命令转矩τ，所述转矩目标值τ^ref通过将关节值加速度目标值乘以所述关节单元中的惯性的标称值J_n获得，所述关节值加速度目标值由理论响应模型获得，所述理论响应模型通过确定所述制动器在基于所述目标转矩τ_A、所述外部转矩τ_e、以及关节值速度进行响应时要实现的关节值加速度目标值来输出，所述关节值速度通过对所述关节值q时间微分来获得。

10.一种运动辅助方法，包括：

关节值测量步骤，用于测量连杆结构中关节单元的关节值，所述连杆结构通过多个关节单元和连接所述关节单元的多个连杆形成；

目标转矩确定步骤，用于基于在所述关节值测量步骤中测量的所述关节值为致动器确定目标转矩，所述致动器用于致动所述关节单元；

转矩测量步骤，用于测量作用于所述关节单元上的外部转矩；以及

响应控制步骤，用于对所述致动器进行转矩控制，以在所述目标转矩、在所述关节值测量步骤中测量的所述关节值以及在所述转矩测量步骤中测量的所述外部转矩之间建立期望的关系。

11.一种以计算机可读格式写入的计算机程序，所述计算机程序使得计算机执行：

关节值获取步骤，用于获取连杆结构中关节单元的关节值，所述连杆结构通过多个关节单元和连接所述关节单元的多个连杆形成；

目标转矩确定步骤，用于基于在所述关节值测量步骤中测量的所述关节值为致动器确定目标转矩，所述致动器用于致动所述关节单元；

转矩获取步骤，用于获取作用于所述关节单元上的外部转矩；以及

响应控制步骤，用于对所述致动器进行转矩控制，以在所述目标转矩、在所述关节值测量步骤中获取的所述关节值以及在所述转矩获取步骤中测量的所述外部转矩之间建立期望的关系。

12.一种程序记录介质，用于存储以计算机可读格式写入的计算机程序，以使得计算机执行：

关节值获取步骤，用于获取连杆结构中关节单元的关节值，所述连杆结构通过多个关节单元和连接所述关节单元的多个连杆形成；

目标转矩确定步骤，用于基于所述关节值测量步骤中测量的所述关节值为致动器确定目标转矩，所述致动器用于致动所述关节单元；

转矩获取步骤，用于获取作用于所述关节单元上的外部转矩；以及

响应控制步骤，用于对所述致动器进行转矩控制，以在所述目标转矩、在所述关节值测量步骤中获取的所述关节值以及在所述转矩获取步骤中测量的所述外部转矩之间建立期望的关系。

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