JP2012045194A - Exoskeleton type robot - Google Patents
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Abstract
【課題】従来の外骨格型ロボットにおいては、体幹・下肢部の運動支援を適切に行えない。また、電動モータや油圧アクチュエータを用いる事例があるが、大きな負荷を発生するものは装置の自重が大きい。また、負荷を支えるだけの場面においてもアクチュエータがエネルギーを消費するために、エネルギー効率が悪い。
【解決手段】ベースと下半身とを有する外骨格型ロボットであって、左右の足首、左右の膝、および腰の左右の各位置に配置されている能動の関節である能動関節と、能動関節を動作させる制御部とを具備し、能動関節は、エアマッスルと電動モータとを具備する外骨格型ロボットにより、上記の課題が解決できる。
【選択図】図２In a conventional exoskeleton robot, exercise support for the trunk and lower limbs cannot be performed appropriately. In addition, there are cases in which an electric motor or a hydraulic actuator is used, but a device that generates a large load has a large weight. In addition, the actuator consumes energy even when the load is only supported, and the energy efficiency is poor.
An exoskeleton robot having a base and a lower body, wherein the active joints are active joints disposed at left and right ankles, left and right knees, and left and right positions of the waist, and an active joint. The above-mentioned problem can be solved by an exoskeleton robot that includes a control unit to be operated and the active joint includes an air muscle and an electric motor.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、外骨格型ロボットに関するものである。 The present invention relates to an exoskeleton robot.
近年、運動再建などを目的とし、脳情報によって外部のロボットデバイスの制御を行うブレインマシンインタフェース（ＢＭＩ）に関する研究が注目を集めている（非特許文献１）。 一方、バランスや歩行が可能なロボットが開発されてきている。例えば、運動に必要な作用力を空間上の任意の複数接触点に最適に配分し，ヒトと同じように各関節のトルクを発生できるロボットが存在する（特許文献１参照）。 In recent years, research on a brain machine interface (BMI) that controls external robot devices using brain information for the purpose of motion reconstruction has attracted attention (Non-Patent Document 1). On the other hand, robots that can balance and walk have been developed. For example, there is a robot that can optimally distribute an action force necessary for movement to a plurality of contact points in space and generate torque of each joint in the same way as a human (see Patent Document 1).
従来のＢＭＩ研究では、モニタ上のカーソル制御やロボットアームの制御など、コミュニケーション手段を与えたり、上肢の運動再建を目指したりするものがほとんどであった。その一方で、潜在的な需要があるにもかかわらず、体幹・下肢部の運動支援を目指したＢＭＩの研究は行われていなかった。体幹・下肢部運動支援のためのＢＭＩを構築する難しさは、体幹・下肢部の運動に対する脳の制御メカニズムが十分に理解されていない上に、ヒトの歩行や姿勢調節時の運動能力に近い性能を持つ運動支援ロボットデバイスの構築が技術的に容易でなかったことがあげられる。 In the conventional BMI research, most of them have provided communication means such as cursor control on a monitor and control of a robot arm, and aimed to reconstruct an upper limb motion. On the other hand, despite the potential demand, no BMI research has been conducted to support exercise support for the trunk and lower limbs. The difficulty of constructing BMI to support trunk and lower limb movements is that the brain's control mechanism for trunk and lower limb movements is not fully understood, and human ability to walk and adjust posture This is because it was not technically easy to construct an exercise support robot device having a performance close to that of the robot.
それにもかかわらず、下肢・体幹運動の支援をめざした外骨格型ロボットがいくつか開発されている。外骨格型ロボットの代表的なものとしては、非特許文献２、３、４のものがあげられる。このうち、体重を支えるタイプでは、大型の電動モータまたは油圧シリンダが用いられており、ロボット本体の自重も相当大きい。一方、体重を支えないリハビリ用途としては、空圧式の人工筋肉（以下、エアマッスル、という。）を用いる事例が増えている（非特許文献５）。 Nevertheless, several exoskeleton-type robots have been developed to support lower limb and trunk movements. Non-patent documents 2, 3, and 4 are typical examples of exoskeleton robots. Among these, the type that supports the weight uses a large electric motor or hydraulic cylinder, and the weight of the robot body is considerably large. On the other hand, as rehabilitation applications that do not support weight, there are an increasing number of cases where pneumatic artificial muscles (hereinafter referred to as air muscles) are used (Non-Patent Document 5).
エアマッスルはその他のアクチュエータと比べて軽量で安価に製造可能で、空圧独特の柔らかさを持つ。その反面、遅れ、非線形性、個体のばらつきなどから、正確な制御には向いていないとされてきた。 Air muscle is lighter and cheaper to manufacture than other actuators, and has the unique air pressure softness. On the other hand, it has been said that it is not suitable for precise control because of delay, nonlinearity, and individual variation.
そこで、本発明において、空圧と電動のハイブリッド駆動方式の外骨格ロボットを提案することにより、体幹・下肢部の運動支援を適切に行うことを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to appropriately provide exercise support for the trunk and lower limbs by proposing an exoskeleton robot of a pneumatic and electric hybrid drive system.
上述のように、エアマッスルは軽量、低摩擦で、かつ大きな力が発生可能であるため、人に装着する外骨格ロボットのアクチュエータとしては魅力的な点を持つ反面、時間遅れやばらつきを持つ大きな非線形性を持つがゆえに、正確かつ俊敏なトルク制御には向いていない。そこで、エアマッスルと電動モータを組み合わせることでエアマッスルの短所を改善しようとする試みが非特許文献６で述べられている。 As mentioned above, the air muscle is lightweight, low friction, and can generate a large force, so it has an attractive point as an actuator for an exoskeleton robot to be worn on a person, but it has a large time delay and variation. Because it has non-linearity, it is not suitable for accurate and agile torque control. Therefore, Non-Patent Document 6 describes an attempt to improve the disadvantages of the air muscle by combining the air muscle and the electric motor.
しかしながら、これをそのまま体幹・下肢部の運動支援を行う外骨格ロボットに適用するには問題がある。なぜなら、非特許文献６の技術においては、２つのエアマッスルを用いて拮抗駆動しているが、この場合、ストロークと力の関係から、可動域が非常に狭くなってしまうか、または大きいトルクが発生できないからである。なお、エアシリンダに電動モータを組み合わせる駆動方式そのものは、既に非特許文献７において研究されている。 However, there is a problem in applying this as it is to an exoskeleton robot that supports exercise of the trunk and lower limbs. This is because, in the technique of Non-Patent Document 6, antagonistic driving is performed using two air muscles. In this case, the range of motion becomes very narrow due to the relationship between stroke and force, or a large torque is generated. This is because it cannot occur. In addition, the drive system itself which combines an electric motor with an air cylinder has already been studied in Non-Patent Document 7.
そこで、本発明においてはロボットの力学とエアマッスルの出力特性を考慮したエアマッスルの最適配置を行うことで、軽量かつ実用に耐えうる外骨格ロボットを実現する。 Therefore, in the present invention, an exoskeleton robot that is light and can withstand practical use is realized by optimally arranging the air muscle in consideration of the dynamics of the robot and the output characteristics of the air muscle.
つまり、本発明は、従来の技術には無い、ハイブリッド駆動式の外骨格ロボットである。 That is, the present invention is a hybrid drive type exoskeleton robot that is not found in the prior art.
本第一の発明の外骨格型ロボットは、ベースと下半身とを有する外骨格型ロボットであって、左右の足首、左右の膝、および腰の左右の各位置に配置されている能動の関節である能動関節と、能動関節を動作させる制御部とを具備し、能動関節は、エアマッスルと電動モータとを具備する外骨格型ロボットである。本ロボットにおいては、ロボットの力学とエアマッスルの出力特性を考慮し、関節に大きなトルクが必要なときにエアマッスルが大きな力を発生できるよう、各所のエアマッスルが最適に配置されている。 The exoskeleton type robot according to the first aspect of the present invention is an exoskeleton type robot having a base and a lower body, with active joints arranged at left and right ankles, left and right knees, and left and right positions of the waist. The active joint is an exoskeleton type robot that includes an active muscle and an electric motor. The active joint includes an active joint and a control unit that operates the active joint. In this robot, considering the dynamics of the robot and the output characteristics of the air muscle, the air muscles are optimally arranged so that the air muscle can generate a large force when a large torque is required for the joint.
かかる構成により、体幹・下肢部のトルク制御を適切に行える。なお、適切とは、俊敏、高負荷、高精密のことである。 With this configuration, torque control of the trunk and lower limbs can be performed appropriately. Appropriate is agility, high load, and high precision.
また、本第二の発明の外骨格型ロボットは、第一の発明に対して、制御部は、第一の閾値よりも高周波であるトルクに対してエアマッスルと電動モータを動作させ、第一の閾値よりも低周波であるトルクに対してエアマッスルのみを動作させる外骨格型ロボットである。 Further, in the exoskeleton robot according to the second invention, the control unit operates the air muscle and the electric motor with respect to the torque having a frequency higher than the first threshold value. This is an exoskeleton-type robot that operates only the air muscle with respect to a torque having a frequency lower than the threshold value.
かかる構成により、体幹・下肢部のトルク制御を適切に行える。 With this configuration, torque control of the trunk and lower limbs can be performed appropriately.
また、本第三の発明の外骨格型ロボットは、第一の発明に対して、制御部は、第二の閾値より低負荷であるトルクに対してエアマッスルのみを動作させ、第二の閾値よりも高負荷であるトルクに対してエアマッスルと電動モータとを動作させる外骨格型ロボットである。 In the exoskeleton robot according to the third aspect of the present invention, in contrast to the first aspect, the control unit operates only the air muscle with respect to torque having a lower load than the second threshold, It is an exoskeleton type robot that operates an air muscle and an electric motor with respect to a torque that is higher than the load.
かかる構成により、体幹・下肢部のトルク制御を適切に行える。 With this configuration, torque control of the trunk and lower limbs can be performed appropriately.
また、本第四の発明の外骨格型ロボットは、第二または第三の発明に対して、制御部は、第二の閾値より低負荷であり、かつ第一の閾値よりも低周波であるトルクに対してエアマッスルのみを動作させ、第二の閾値より高負荷であり、かつ第一の閾値よりも高周波であるトルクに対してエアマッスルと電動モータとを動作させる外骨格型ロボットである。 In the exoskeleton robot of the fourth invention, the control unit has a lower load than the second threshold and a lower frequency than the first threshold compared to the second or third invention. It is an exoskeleton robot that operates only the air muscle with respect to the torque, operates the air muscle and the electric motor with respect to the torque having a higher load than the second threshold and a higher frequency than the first threshold. .
かかる構成により、体幹・下肢部のトルク制御を適切に行える。 With this configuration, torque control of the trunk and lower limbs can be performed appropriately.
本発明による外骨格型ロボットによれば、体幹・下肢部の運動支援を適切に行える。また、本ロボットは、軽量なエアマッスルの恩恵により、同出力の他の駆動方式によるロボットと比べて遥かに軽量であり、エアバルブを閉じればエアマッスルのバネ特性により、エネルギー消費なしで高負荷を維持できるため、他の駆動方式と比べてエネルギー効率が極めて高い。 According to the exoskeleton robot of the present invention, exercise support for the trunk and lower limbs can be performed appropriately. In addition, this robot is much lighter than other driving systems with the same output, thanks to the lightweight air muscle. When the air valve is closed, the spring characteristics of the air muscle can increase the load without energy consumption. Because it can be maintained, it is extremely energy efficient compared to other drive systems.
以下、外骨格型ロボット等の実施形態について図面を参照して説明する。なお、実施の形態において同じ符号を付した構成要素は同様の動作を行うので、再度の説明を省略する場合がある。
（実施の形態１）
Hereinafter, embodiments of an exoskeleton type robot and the like will be described with reference to the drawings. In addition, since the component which attached | subjected the same code | symbol in embodiment performs the same operation | movement, description may be abbreviate | omitted again.
(Embodiment 1)
本実施の形態において、歩行・姿勢リハビリテーションのための空電ハイブリッド式の外骨格型ロボットについて説明する。 In this embodiment, an aerodynamic hybrid exoskeleton robot for walking / posture rehabilitation will be described.
この外骨格型ロボットは、外骨格を有する。外骨格とは、骨格構造のことである。外骨格型ロボットは、ベースと下半身とを有し、足首、膝、腰の左右の位置に、能動６自由度の関節を有するロボットである。また、当該６つの関節は、空電ハイブリッド駆動の関節である。 This exoskeleton type robot has an exoskeleton. An exoskeleton is a skeletal structure. An exoskeleton-type robot has a base and a lower body, and has joints with 6 degrees of freedom in the left and right positions of the ankle, knee, and waist. Further, the six joints are aerodynamic hybrid drive joints.
図１は、本実施の形態における外骨格型ロボット１の構成事例を示す図である。本外骨格型ロボット１は、１０自由度である。図１において、（ａ）（ｂ）は、異なる角度から見た外骨格型ロボット１の斜視図である。図１において、外骨格型ロボット１は、バックパック１０１、柔軟シート１０２、ＨＡＡ拮抗筋１０３、ＨＦＥ伸筋１０４、ＨＦＥモータ１１１、ＫＦＥ伸筋１０５、ＫＦＥモータ１０６、ＡＦＥ伸筋・ＡＡＡ拮抗筋１０７、ＡＦＥ屈筋１０８、ユニバーサルジョイント１０９、プーリー付回転関節１１０を具備する。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an exoskeleton robot 1 in the present embodiment. The exoskeleton robot 1 has 10 degrees of freedom. 1A and 1B are perspective views of the exoskeleton robot 1 viewed from different angles. In FIG. 1, the exoskeleton robot 1 includes a backpack 101, a flexible sheet 102, an HAA antagonist muscle 103, an HFE extensor muscle 104, an HFE motor 111, a KFE extensor muscle 105, a KFE motor 106, an AFE extensor / AAA antagonist muscle 107. AFE flexor muscle 108, universal joint 109, and rotary joint 110 with pulley.
また、ユニバーサルジョイント１０９には、ワイヤー式エンコーダを取り付け、関節角度を計測する。プーリー付回転関節１１０も同様にワイヤー式エンコーダを取り付ける。なお、ハイブリッド関節であるＨＦＥおよびＫＦＥ関節においては、モータ付属のエンコーダを用いて関節角度を計測してもよい。 In addition, a wire encoder is attached to the universal joint 109 to measure the joint angle. A wire encoder is similarly attached to the rotary joint 110 with pulley. Note that in the HFE and KFE joints which are hybrid joints, the joint angle may be measured using an encoder attached to the motor.
また、図２は、外骨格型ロボット１の自由度構成図を示している。図１において、ＨＦＥとＫＦＥ関節のみハイブリッド駆動としているが、全てをハイブリッド駆動とする等、その他の構成もあり得ることは言うまでもない。また、図１において、全１０自由度のうち、左右のＨＡＡ関節とＡＦＥ、ＡＡＡ関節は伸筋と屈筋による拮抗駆動を採用している。可動角と必要トルクが大きくないときに、電動モータを併用するより軽量化が可能である。図１において、特に、ＡＦＥ、ＡＡＡ関節は上部の関節よりサイズの小さい３本のエアマッスルを協調させて可動としている。いずれも、電動モータを併用しない分、応答性が犠牲になる。 FIG. 2 shows a configuration diagram of the degree of freedom of the exoskeleton robot 1. In FIG. 1, only the HFE and KFE joints are hybrid driven, but it goes without saying that other configurations are possible, such as hybrid driving all. Also, in FIG. 1, out of all 10 degrees of freedom, the left and right HAA joints and AFE, and the AAA joint employs antagonistic driving by extensors and flexors. When the movable angle and the required torque are not large, it is possible to reduce the weight more than using the electric motor together. In FIG. 1, in particular, the AFE and AAA joints are movable by coordinating three air muscles that are smaller in size than the upper joints. In either case, the responsiveness is sacrificed because the electric motor is not used together.
このことについて以下に補足する。姿勢制御のように、全体のパフォーマンスが重要となる運動例においては、以下のような構成があり得る。例えば、ＡＦＥ関節を適度に共縮させておけば、ＨＦＥとＫＦＥの精密かつ動的なトルク制御で十分バランスをとることが可能である。なお、ＡＦＥ関節を適度に共縮させることは、２つの拮抗筋を共に収縮させることである。そして、このとき関節はバネのような特性を持つ。また、実際、ＡＦＥ関節トルクが零であっても、動的バランスが可能であることは実証されている。 This will be supplemented below. In an exercise example in which overall performance is important, such as posture control, the following configuration can be used. For example, if the AFE joint is appropriately co-contracted, a sufficient balance can be obtained by precise and dynamic torque control of HFE and KFE. It should be noted that appropriately co-contracting the AFE joint is to contract the two antagonist muscles together. At this time, the joint has a spring-like characteristic. In fact, it has been demonstrated that dynamic balance is possible even when the AFE joint torque is zero.
図１において、胴体部には姿勢センサを搭載してベース部の姿勢を検出している。また、全ての関節にワイヤー式エンコーダを取り付け、関節角度を計測できるようにしている。本構成例においては、全身運動制御アルゴリズムとして、特許文献１と同様の方法を実装することを想定している。この場合、ベースの姿勢と関節角度を検出することではじめて、重心から接触部への正確なヤコビ行列が算出でき、各関節に発生させる目標トルクが算出できる。 In FIG. 1, a posture sensor is mounted on the body portion to detect the posture of the base portion. In addition, wire encoders are attached to all joints so that joint angles can be measured. In this configuration example, it is assumed that the same method as that of Patent Document 1 is implemented as the whole body motion control algorithm. In this case, an accurate Jacobian matrix from the center of gravity to the contact portion can be calculated only by detecting the base posture and the joint angle, and the target torque to be generated at each joint can be calculated.
また、足底部には、床反力センサを搭載している。これは接触を想定する足底部が実際に接触しているかどうかの判定するため、およびヤコビ行列に含まれるモデル誤差を修正するために補助的に使用する。本方法は、姿勢制御を床反力センサからのフィードバック情報に全面的に依存する従来型の制御方法とは本質的に異なる。なお、従来型の制御方法は、位置制御型の力フィードバック制御である。 A floor reaction force sensor is mounted on the sole. This is used in an auxiliary manner to determine whether or not the sole that assumes contact is actually in contact, and to correct a model error included in the Jacobian matrix. This method is essentially different from conventional control methods that rely entirely on feedback information from the floor reaction force sensor for attitude control. The conventional control method is position control type force feedback control.
また、バックパック１０１内には制御器の他、エアマッスルのバルブおよび電動モータのドライバを内蔵している。また、バッテリーと圧搾したＣＯ２ガスボンベ、レギュレータを搭載し、電源ラインとエア供給が断絶した場合に備え、短時間の自律駆動を可能にしている。なお、本ロボットはペイロードが十分であるため、騒音が問題にならない場合は、小型の空圧ポンプをここに搭載しても良い。その場合は、ＣＯ２ガスボンベは不要である。 In addition to the controller, the backpack 101 incorporates an air muscle valve and an electric motor driver. In addition, it is equipped with a battery, a compressed CO2 gas cylinder, and a regulator, enabling short-term autonomous driving in case the power supply line and air supply are disconnected. Since the robot has a sufficient payload, a small pneumatic pump may be mounted here if noise is not a problem. In that case, a CO2 gas cylinder is unnecessary.
また、図３は、外骨格型ロボット１のブロック図の例である。 FIG. 3 is an example of a block diagram of the exoskeleton robot 1.
外骨格型ロボット１は、受付部１１、外骨格１２、制御部１３を具備する。また、外骨格１２は、ベース１２１、下半身１２２、能動関節１２３、検出機構１２４を具備する。さらに、能動関節１２３は、エアマッスル１２３１、電動モータ１２３２を具備する。また、制御部１３は、記録手段１３１、記憶手段１３２、計測手段１３３、制御手段１３４、出力手段１３５を具備する。 The exoskeleton robot 1 includes a reception unit 11, an exoskeleton 12, and a control unit 13. The exoskeleton 12 includes a base 121, a lower body 122, an active joint 123, and a detection mechanism 124. Further, the active joint 123 includes an air muscle 1231 and an electric motor 1232. The control unit 13 includes a recording unit 131, a storage unit 132, a measuring unit 133, a control unit 134, and an output unit 135.
受付部１１は、他の計算機から指令された、あるいは、脳情報から復号化されたトルクまたは位置指令等を受け付けることができる。ここで、受け付けとは、通常、有線もしくは無線の通信回線を介して送信された情報の受信、光ディスクや磁気ディスク、半導体メモリなどの記録媒体から読み出された情報の受け付けなどを含む概念である。また、脳情報とは、例えば、右足を上げることを示す情報や、歩くことおよび歩く速度を示す情報、さらには、特定の関節のトルク値を含む、体幹・下肢部の運動を規程する情報である。なお、受付部１１は、制御部１３の一部であると考えても良い。 The accepting unit 11 can accept a torque command or a position command commanded from another computer or decoded from brain information. Here, “acceptance” is a concept that usually includes reception of information transmitted via a wired or wireless communication line, reception of information read from a recording medium such as an optical disk, a magnetic disk, or a semiconductor memory. . The brain information is, for example, information indicating that the right leg is raised, information indicating walking and walking speed, and information that regulates the movement of the trunk and lower limbs including the torque value of a specific joint. It is. Note that the reception unit 11 may be considered as a part of the control unit 13.
外骨格１２を構成する材料は、問わない。 The material which comprises the exoskeleton 12 is not ask | required.
ベース１２１は、腰の位置の骨格、腰の位置の能動関節１２３を含むと考えても良いし、腰の位置の骨格のみであると考えても良い。 The base 121 may be considered to include the skeleton at the waist position and the active joint 123 at the waist position, or may be considered to be only the skeleton at the waist position.
下半身１２２は、腿や足の位置の骨格、腿や足の位置の能動関節１２３を含むと考えても良いし、腿や足の位置の骨格のみであると考えても良い。 The lower body 122 may be considered to include the skeleton at the position of the thigh or foot, the active joint 123 at the position of the thigh or foot, or may be considered to be only the skeleton at the position of the thigh or foot.
能動関節１２３は、左右の足首、左右の膝、および腰の左右の各位置に配置されている能動の関節である。ここで、能動関節１２３とは、アクチュエータで能動的に動作することのできる関節である。つまり、能動関節１２３は、アクチュエータを具備する。また、ここでの１以上の能動関節１２３は、ハイブリッド型である。つまり、能動関節１２３は、エアマッスル１２３１、電動モータ１２３２を具備するハイブリッド型である。また、ここでの能動関節１２３は、例えば、１０自由度を構成する。なお、アクチュエータは、制御目標値となるトルク値を駆動信号として受け付け、受け付けたトルク値に基づいて制御する機能を有している。アクチュエータは、サーボモータ、油圧モータ等、その種類を問わない。アクチュエータは、例えば、電流制御が可能な駆動回路を有し、電流に比例したトルクを発生させるサーボモータでは、制御目標値として入力されたトルク値に、ギヤ比により決定されるトルク定数を乗じて駆動回路に指令することで入力されたトルクを発生させるトルク制御を実現する。特に、能動関節１２３にトルクセンサを配設し、当該トルクセンサにより検出した値を駆動回路にフィードバックすることにより、高精度のトルク制御が可能となる。また回動型に限らず、油圧シリンダ等の直動型のアクチュエータを用いることも可能である。 The active joints 123 are active joints arranged at left and right ankles, left and right knees, and left and right positions of the waist. Here, the active joint 123 is a joint that can be actively operated by an actuator. That is, the active joint 123 includes an actuator. Further, the one or more active joints 123 here are of a hybrid type. That is, the active joint 123 is a hybrid type that includes an air muscle 1231 and an electric motor 1232. Moreover, the active joint 123 here comprises 10 degrees of freedom, for example. The actuator has a function of receiving a torque value as a control target value as a drive signal and controlling based on the received torque value. The actuator may be of any type, such as a servo motor or a hydraulic motor. For example, in a servo motor that has a drive circuit capable of current control and generates a torque proportional to the current, the actuator multiplies the torque value input as the control target value by a torque constant determined by the gear ratio. Torque control for generating input torque is realized by commanding the drive circuit. In particular, by providing a torque sensor at the active joint 123 and feeding back a value detected by the torque sensor to the drive circuit, highly accurate torque control is possible. Further, not only the rotary type but also a direct acting type actuator such as a hydraulic cylinder can be used.
検出機構１２４は、ロボットの状態を検出する。検出機構１２４は、例えば、各関節に配置されたエンコーダ、足平に配置された床反力センサ、骨盤部に配置されたジャイロセンサなどである。検出機構１２４は、関節の角度を検出する角度センサや、ロボットの姿勢を取得する姿勢センサ、外力センサなどでも良い。 The detection mechanism 124 detects the state of the robot. The detection mechanism 124 is, for example, an encoder disposed at each joint, a floor reaction force sensor disposed at the foot, a gyro sensor disposed at the pelvis. The detection mechanism 124 may be an angle sensor that detects the angle of the joint, a posture sensor that acquires the posture of the robot, an external force sensor, or the like.
制御部１３は、能動関節１２３を動作させる。制御部１３は、受付部１１が受け付けたトルクまたは位置指令等に対応して、能動関節１２３を動作させる。制御部１３は、例えば、目標とする床作用力を、ヤコビ行列にて規定される順運動学モデル等に基づいて、各能動関節１２３を駆動する夫々のアクチュエータの夫々のトルク値に変換し、変換した夫々のトルク値を各アクチュエータに制御目標値として出力する。制御部１３がアクチュエータに出力する制御目標値を決定するアルゴリズムは問わない。例えば、特許文献１に記載されている。 The control unit 13 operates the active joint 123. The control unit 13 operates the active joint 123 in response to the torque or position command received by the receiving unit 11. For example, the control unit 13 converts the target floor acting force into each torque value of each actuator that drives each active joint 123 based on a forward kinematic model defined by the Jacobian matrix, and the like. Each converted torque value is output as a control target value to each actuator. The algorithm for determining the control target value that the control unit 13 outputs to the actuator is not limited. For example, it is described in Patent Document 1.
制御部１３は、第一の閾値よりも（「より」は「以上」も含む、とする）高周波であるトルクに対して電動モータ１２３２を追加動作させることは好適である。なお、追加動作とは、エアマッスル１２３１に加えて電動モータ１２３２を動作させることである。また、制御部１３は、第二の閾値より高負荷であるトルクに対して電動モータ１２３２を追加動作させることは好適である。また、制御部１３は、第一の閾値より高周波であり、かつ第二の閾値よりも高負荷であるトルクに対して電動モータ１２３２を追加動作させることは好適である。ここで、高周波のトルクとは、例えば、運動成分のトルクである。また、高負荷のトルクとは、例えば、重力成分（重力補償）以上のトルクである。つまり、制御部１３は、重力成分（重力補償）のトルクに対して、エアマッスル１２３１のみを用いて、運動成分のトルクに対して、エアマッスル１２３１と電動モータ１２３２とを用いることは好適である。ここで、第一の閾値は、例えば、３Hzである。また、第二の閾値は、例えば、１００Nmである。 It is preferable that the control unit 13 causes the electric motor 1232 to additionally operate with respect to a torque having a higher frequency than the first threshold value (assuming that “more” includes “more”). The additional operation is to operate the electric motor 1232 in addition to the air muscle 1231. Moreover, it is suitable for the control part 13 to carry out the additional operation of the electric motor 1232 with respect to the torque which is a load higher than a 2nd threshold value. Moreover, it is suitable for the control part 13 to perform additional operation of the electric motor 1232 with respect to the torque which is a higher frequency than a 1st threshold value and is a load higher than a 2nd threshold value. Here, the high frequency torque is, for example, a torque of a motion component. The high load torque is, for example, a torque greater than a gravity component (gravity compensation). That is, it is preferable that the control unit 13 uses only the air muscle 1231 for the gravity component (gravity compensation) torque and uses the air muscle 1231 and the electric motor 1232 for the motion component torque. . Here, the first threshold is, for example, 3 Hz. Further, the second threshold is, for example, 100 Nm.
制御部１３は、通常、ＭＰＵやメモリ等から実現され得る。制御部１３の処理手順は、通常、ソフトウェアで実現され、当該ソフトウェアはＲＯＭ等の記録媒体に記録されている。但し、ハードウェア（専用回路）で実現しても良い。
記録手段１３１は、制御に要するプログラム及びデータ等の情報を記録している。記録手段１３１は、例えば、上記の第一の閾値、および第二の閾値を保持している。記録手段１３１は、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ハードディスク等の記録媒体により実現され得る。
The control unit 13 can usually be realized by an MPU, a memory, or the like. The processing procedure of the control unit 13 is usually realized by software, and the software is recorded on a recording medium such as a ROM. However, it may be realized by hardware (dedicated circuit).
The recording unit 131 records information such as programs and data required for control. The recording unit 131 holds, for example, the first threshold value and the second threshold value. The recording unit 131 can be realized by a recording medium such as a ROM, an EPROM, and a hard disk.
記憶手段１３２は、プログラムの実行により発生するデータを一時的に記憶する。記憶手段１３２は、ＲＡＭ等の記録媒体により実現され得る。 The storage unit 132 temporarily stores data generated by executing the program. The storage unit 132 can be realized by a recording medium such as a RAM.
計測手段１３３は、センサ等の検出機構１２４から検出結果を示す様々な信号（データ）を受け付ける。 The measuring means 133 accepts various signals (data) indicating detection results from the detection mechanism 124 such as a sensor.
制御手段１３４は、制御目標値の算出等の様々な演算を行う。制御手段１３４が行う演算は問わない。制御手段１３４の演算方法については後述する。 The control means 134 performs various calculations such as calculation of a control target value. The calculation performed by the control means 134 does not matter. The calculation method of the control means 134 will be described later.
出力手段１３５は、能動関節１２３に信号を出力する。出力手段１３５は、例えば、目標とするトルク値を能動関節１２３に出力する。 The output unit 135 outputs a signal to the active joint 123. For example, the output unit 135 outputs a target torque value to the active joint 123.
以下、本実施の形態における外骨格型ロボット１の試作機について説明する。外骨格型ロボット１の試作機は、歩行・姿勢リハビリテーションのためのロボットである。外骨格型ロボット１の試作機のモデル図は、図１である。 Hereinafter, a prototype of the exoskeleton type robot 1 in the present embodiment will be described. The prototype of the exoskeleton robot 1 is a robot for walking / posture rehabilitation. A model diagram of the prototype of the exoskeleton robot 1 is shown in FIG.
外骨格型ロボット１は、ハードウェアとして、以下の（ａ）から（ｃ）の要件を備える。
（ａ）十分な力と速度が発揮できること
（ｂ）リハビリ施設等に導入できて、広い空間で稼動すること
（ｃ）誰でも扱い易いように本体が軽量であること
The exoskeleton robot 1 has the following requirements (a) to (c) as hardware.
(A) Sufficient power and speed can be demonstrated (b) It can be introduced into a rehabilitation facility and operated in a wide space (c) The body is lightweight so that anyone can handle it easily
また、外骨格型ロボット１は、ソフトウェアとして、以下の（ｄ）から（ｈ）の要件を備える。
（ｄ）正確なトルク制御ができること
（ｅ）安全機能を持つこと
（ｆ）基本的な自律運動が可能であること
（ｇ）様々なリハビリプログラムを実装できること
（ｈ）装着者の運動意図を素早く正確に抽出できること
Further, the exoskeleton robot 1 has the following requirements (d) to (h) as software.
(D) Capable of accurate torque control (e) Having a safety function (f) Capable of basic autonomous movement (g) Capable of implementing various rehabilitation programs (h) Quickly determining the wearer's intention to exercise It can be extracted accurately
外骨格型ロボット１は、上述したように、駆動方式として空圧と電動のハイブリッド駆動方式を積極的に採用している。ここで、積極的とは、以下の３つのことを言う。（１）軽量であること、（２）正確なトルク制御ができること、（３）リンク機構の静力学を考慮したエアマッスルの最適配置。 As described above, the exoskeleton-type robot 1 positively employs a pneumatic and electric hybrid drive system as a drive system. Here, positive means the following three things. (1) Light weight; (2) Accurate torque control; (3) Optimal arrangement of air muscles considering the statics of the link mechanism.
ここで、上記の（１）に関して、エアマッスルは同出力のモータ、エアシリンダ、油圧アクチュエータ等に比べて遥かに軽量である、また、電動モータとしては近年高性能化が目覚しい小型のブラシレスサーボモータが利用できる。外骨格型ロボット１の試作機では電源とエアコンプレッサは外部に据え置くが、上記の要件（ｂ）には特に支障がない。 Here, with regard to the above (1), the air muscle is much lighter than the motor, air cylinder, hydraulic actuator, etc. of the same output, and a small brushless servo motor that has recently been remarkably improved in performance as an electric motor. Is available. In the prototype of the exoskeleton robot 1, the power source and the air compressor are installed outside, but the above requirement (b) is not particularly problematic.
上記の（２）に関して、人体に装着してヒト運動制御と親和性のあるリハビリプログラムを実施するのに必要不可欠である。とくに、全身の重力補償など、等身大ヒューマノイドロボット（M.Kawato,``From `Understanding the Brain by Creating the Brain' towards manipulative neuroscience,'' Philosophical Transactions of the Royal Society,vol.363,no.1500,pp.2201-2214,2008. 参照）で実績のある全身力制御アルゴリズム（玄相昊：``複数の接地部分と冗長関節を有するヒューマノイドロボットの受動性に基づく最適接触力制御'',日本ロボット学会誌,vol.27,no.2,pp.178-187,2009.、およびHyon,S.,Morimoto,J.and Kawato,M.,``From compliant balancing to dynamic walking on humanoid robot: Integration of CNS and CPG'',IEEE ICRA,2010 (in press).参照）を援用することが有効と考えられる。本アルゴリズムは関節トルクが正確に制御できることを前提としている。外骨格型ロボット１は、高負荷、低周波トルクをエアマッスルに担当させ、低負荷、高周波トルクを電動モータに担当させることで、複合的にトルク制御の精度を高めることができる。例えば、前者を重力成分（静力学）、後者を運動成分（動力学）に割り当てる。また、エアマッスルはエアシリンダのようなスティックスリップが存在しないため、本来的には動きは非常に滑らかである。 Regarding (2) above, it is essential to implement a rehabilitation program that is worn on the human body and has affinity for human motor control. In particular, life-size humanoid robots (M. Kawato, `` From `Understanding the Brain by Creating the Brain 'towards manipulative neuroscience,' 'Philosophical Transactions of the Royal Society, vol.363, no.1500, pp.2201-2214, 2008.) Full-body force control algorithm with proven track record (Xuan Zhao: "Optimal contact force control based on passivity of a humanoid robot with multiple grounding parts and redundant joints", Japanese robot Journal, vol. 27, no. 2, pp. 178-187, 2009. and Hyon, S., Morimoto, J. and Kawato, M., `` From compliant balancing to dynamic walking on humanoid robot: Integration of CNS and CPG '', IEEE ICRA, 2010 (in press).) Is considered effective. This algorithm assumes that joint torque can be accurately controlled. The exoskeleton-type robot 1 can increase the accuracy of torque control in a complex manner by having the air muscle take charge of the high load and low frequency torque and let the electric motor take charge of the low load and high frequency torque. For example, the former is assigned to the gravity component (statics) and the latter is assigned to the motion component (dynamics). In addition, since air muscle does not have stick-slip like an air cylinder, the movement is inherently very smooth.
上記（３）に関して、外骨格型ロボット１は、装着者とロボット両方の自重を１００％支持するために高負荷にさらされるが、基本的に直立姿勢では重力トルクはほとんど不要である。そこで、エアマッスルの変位と推力との関数関係をリンク機構の静力学と適切にマッチングさせれば、出力を犠牲にすることなく、メカ全体の軽量化が可能となる。 Regarding the above (3), the exoskeleton robot 1 is exposed to a high load to support 100% of the weight of both the wearer and the robot, but basically, gravity torque is almost unnecessary in an upright posture. Therefore, if the functional relationship between the displacement of the air muscle and the thrust is appropriately matched with the statics of the link mechanism, the weight of the entire mechanism can be reduced without sacrificing the output.
図２は、外骨格型ロボット１の自由度構成を示す情報である。 FIG. 2 shows information indicating the configuration of the degree of freedom of the exoskeleton robot 1.
ここでは、外骨格型ロボット１の試作機の仕様は、次の通りである。
（１）ベースと下半身を含み、足首、膝、腰のＰｉｔｃｈ軸の合計６能動自由度と腰と足首の４能動自由度を加えた合計１０能動自由度を有する（図２参照）。
（２）能動関節は全て空電ハイブリッド駆動関節とする。空電ハイブリッド駆動関節とは、エアマッスル１２３１、電動モータ１２３２を有する関節である。
（３）身長１７０ｃｍの平均的な日本人に装着可能とし、それを基準にリンク長の伸縮調整が可能とする。
（４）負荷アシスト率０％で、健常者の通常速度での歩行および往復１秒間のフルスクワットに抵抗なく追従する。
（５）負荷アシスト率０％で、動的バランスを取りながら往復２秒間のフルスクワットを可能とする。
Here, the specifications of the prototype of the exoskeleton robot 1 are as follows.
(1) Including the base and lower body, it has a total of 10 active degrees of freedom including a total of 6 active degrees of freedom of the ankle, knee, and waist Pitch axes and 4 active degrees of freedom of the waist and ankle (see FIG. 2).
(2) All active joints are aerodynamic hybrid drive joints. The pneumatic hybrid drive joint is a joint having an air muscle 1231 and an electric motor 1232.
(3) It can be worn by an average Japanese person with a height of 170 cm, and the link length can be adjusted based on that.
(4) With a load assist rate of 0%, a normal person walks at normal speed and follows a full squat for 1 second in a round trip without resistance.
(5) With a load assist rate of 0%, a full squat for 2 seconds in a reciprocating manner is possible while maintaining dynamic balance.
外骨格型ロボット１は、センサとして、各関節にエンコーダ、足平に床反力センサ、骨盤部にジャイロセンサを搭載する。また、装着者に取り付ける筋電センサと体内配線を有する。制御部１３（コントローラとも言う）は、関節角、床反力、ジャイロから値を読み取り、関節トルク目標値を各軸（各能動関節１２３）のエアバルブ（エアマッスル１２３１を動作させるためのバルブ）とサーボドライバ（電動モータ１２３２を動作させるドライバ）に指令する。そして、制御部１３は、エアマッスル１２３１と電動モータ１２３２を動作させることとなる。 The exoskeleton-type robot 1 is equipped with an encoder at each joint, a floor reaction force sensor at the foot, and a gyro sensor at the pelvis as sensors. Moreover, it has a myoelectric sensor attached to a wearer and internal wiring. The control unit 13 (also referred to as a controller) reads values from the joint angle, floor reaction force, and gyro, and sets the joint torque target value as an air valve (valve for operating the air muscle 1231) of each axis (each active joint 123). The servo driver (driver that operates the electric motor 1232) is commanded. Then, the control unit 13 operates the air muscle 1231 and the electric motor 1232.
なお、能動関節１２３は、上述したように、空電ハイブリッド型である。つまり、能動関節１２３のエアマッスル１２３１と電動モータ１２３２とが、周波数と負荷の大きさに応じて協調することで、望ましいトルク制御性を確保できる。また、エアマッスル１２３１は、図２、図３等に示すように、左右の足首、左右の膝、および腰の左右の各位置に配置されている。つまり、エアマッスル１２３１は、最適に配置されている。そのため、高いエネルギー効率、および制御の単純化を実現できる。 Note that the active joint 123 is an aero-electric hybrid type as described above. That is, desirable torque controllability can be ensured by the air muscle 1231 and the electric motor 1232 of the active joint 123 cooperating according to the frequency and the magnitude of the load. Further, as shown in FIGS. 2, 3, etc., the air muscle 1231 is disposed at left and right ankles, left and right knees, and left and right positions of the waist. That is, the air muscle 1231 is optimally arranged. Therefore, high energy efficiency and simplification of control can be realized.
以下、さらに空電ハイブリッド型の能動関節１２３の効果について説明する。図４は、能動関節１２３が実現するハイブリッド駆動の特徴を示すグラフである。図４において、縦軸がトルク、横軸が時間である。図４の破線（４１）が電動モータ１２３２による発生トルクの曲線、図４の一点鎖線（４２）がエアマッスル１２３１による発生トルクの曲線、図４の実線（４３）が総トルクの曲線である。図４の実線（４３）は、ある運動に必要なトルク（目標トルク）を示す。図４の実線（４３）は、素早い運動では、目標トルクが動的に変化することを示している。図４の４１１は、電動モータ１２３２が得意とする瞬発的な立ち上がりトルクを示す。４１２は、電動モータ１２３２による精密トルク制御によるエアマッスルの定常誤差補償を示す。また、図４の４２１は、エアマッスル１２３１特有の遅れを示す。また、図４の４２の曲線は、エアマッスル１２３１による、雑であるが大きいトルクの継続的な発生を可能とすることを示す。 Hereinafter, the effect of the static hybrid type active joint 123 will be described. FIG. 4 is a graph showing the characteristics of the hybrid drive realized by the active joint 123. In FIG. 4, the vertical axis represents torque and the horizontal axis represents time. The broken line (41) in FIG. 4 is a curve of torque generated by the electric motor 1232, the alternate long and short dash line (42) in FIG. 4 is a curve of torque generated by the air muscle 1231, and the solid line (43) in FIG. A solid line (43) in FIG. 4 indicates a torque (target torque) necessary for a certain motion. The solid line (43) in FIG. 4 indicates that the target torque changes dynamically during quick movement. Reference numeral 411 in FIG. 4 indicates an instantaneous rising torque that the electric motor 1232 is good at. Reference numeral 412 denotes air muscle steady-state error compensation by precise torque control by the electric motor 1232. Further, reference numeral 421 in FIG. 4 indicates a delay specific to the air muscle 1231. Further, the curve 42 in FIG. 4 indicates that the air muscle 1231 can continuously generate a small but large torque.
また、図５および図６は、ハイブリッド駆動の能動関節１２３の模式図である。図５は、関節のエアマッスル１２３１が自然長のときの状態の模式図であり、図６は関節のエアマッスル１２３１が最大収縮時の状態の模式図である。５１、５２は、ロボットのリンクである。５３は、プーリーである。５４は、ワイヤーである。図５の状態から、エアマッスル１２３１にエアを入れると最大収縮力が発生し、大きなトルクでリンクを伸ばすことができる。また、図６の状態から、エアマッスル１２３１にエアを入れても収縮力は小さい。なお、図６の状態において、トルクは必要ない。
（実験結果）
5 and 6 are schematic views of the hybrid drive active joint 123. FIG. 5 is a schematic diagram of a state when the joint air muscle 1231 has a natural length, and FIG. 6 is a schematic diagram of a state when the joint air muscle 1231 is in maximum contraction. 51 and 52 are robot links. 53 is a pulley. 54 is a wire. When air is introduced into the air muscle 1231 from the state of FIG. 5, the maximum contraction force is generated, and the link can be extended with a large torque. Moreover, even if air is put into the air muscle 1231 from the state of FIG. In the state shown in FIG. 6, no torque is necessary.
(Experimental result)
ハイブリッド駆動方法の有効性を確認するために、片足を模したテスト装置を試作し、性能評価ならびに簡単な同定実験を行った。 In order to confirm the effectiveness of the hybrid drive method, we made a prototype of a test device simulating one foot, and performed a performance evaluation and a simple identification experiment.
実験において、図７に示すような簡単なリンク機構を製作した。図７において、外骨格型ロボット１は、大腿、下腿、底板、可動天板からなっており、天板は四方のガイドによって上下方向に滑らかに拘束されている。質量は天板が１２ｋｇ、大腿部が７ｋｇ、下腿部が２ｋｇである。また、リンク長は０．４７ｍである。ここでは、電動モータ１２３２は膝関節にのみ配置されている。ギヤヘッド付のＤＣサーボモータであり、ベルトプーリーを介して膝を駆動する。電流５Ａで約２０Ｎｍのトルクが発生可能である。一方、エアマッスル１２３１は、膝と足首に装着されている。つまり、膝だけが空電ハイブリッド駆動となっている。膝のエアマッスル１２３１として、フェスト社のＤＳＭＰ４０−２００（基本長２００ｍｍ）を採用した。これは基本長において、最大圧力０。６ＭＰａで６０００Ｎもの収縮力を発揮できる。エアマッスル１２３１の先端はワイヤーとプーリーを介して下腿リンクに接続されている。プーリー半径が４０４ｍｍであるため、このエアマッスル１２３１一つで計算上は最大で２４０Ｎｍものトルクが発揮できることになる。アクチュエータ質量は高々０．７５ｋｇであるため、他のアクチュエータと比べてトルク・重量比において圧倒的に優位である。しかし、最大収縮においては、圧力に関わらず推力がほぼ零になり、トルクが発揮できない。そこで、この変位−推力特性とリンク機構の静力学とを考慮して最適にエアマッスルを配置することで望ましい性能を持たせることが肝要である。この外骨格型ロボット１では装着者の体重を支えることが最も基本的なアプリケーションの一つであるが、重力トルクはロボットが低姿勢にいるときは大きく、直立状態では小さい。そこで、低姿勢においてエアマッスルが基本長となるようにワイヤーの端点を調整することで（必要に応じてプーリーの形状も変更）、全範囲でフラットな出力特性を持たせることができる。 In the experiment, a simple link mechanism as shown in FIG. 7 was produced. In FIG. 7, the exoskeleton-type robot 1 includes a thigh, a lower leg, a bottom plate, and a movable top plate, and the top plate is smoothly restrained in the vertical direction by four-way guides. The weight is 12 kg for the top plate, 7 kg for the thigh, and 2 kg for the lower leg. The link length is 0.47 m. Here, the electric motor 1232 is disposed only at the knee joint. A DC servo motor with a gear head, which drives the knee via a belt pulley. A torque of about 20 Nm can be generated at a current of 5 A. On the other hand, the air muscle 1231 is attached to the knee and ankle. That is, only the knee is driven by aerodynamic hybrid. As an air muscle 1231 for the knee, Fest DSMP40-200 (basic length 200 mm) was adopted. This is a basic length and can exert a contraction force of 6000 N at a maximum pressure of 0.6 MPa. The tip of the air muscle 1231 is connected to the lower leg link via a wire and a pulley. Since the pulley radius is 404 mm, the torque of 240 Nm at maximum can be demonstrated with one air muscle 1231 in calculation. Since the actuator mass is at most 0.75 kg, the torque / weight ratio is overwhelmingly superior to other actuators. However, at the maximum contraction, the thrust becomes almost zero regardless of the pressure, and the torque cannot be exhibited. Therefore, it is important to provide the desired performance by optimally arranging the air muscle in consideration of the displacement-thrust characteristic and the static of the link mechanism. In this exoskeleton type robot 1, supporting the weight of the wearer is one of the most basic applications, but the gravitational torque is large when the robot is in a low posture and is small in the upright state. Therefore, by adjusting the end point of the wire so that the air muscle has the basic length in a low posture (the shape of the pulley is also changed if necessary), flat output characteristics can be provided over the entire range.
制御部１３は、数式１によって得られる重力補償トルクとエアマッスルの変位から必要圧力を計算し、電空比例弁によって圧力制御を行う。なお、実際の配管を考慮し、バルブとエアマッスル間は１ｍ程度離している。実験の結果、天板が手で滑らかに上下することを確認した。すなわち、良好なトルク性能を持つことを確認した。さらに足首のエアマッスルを用いれば２０ｋｇ以上の錘を載せても同様に重力補償できることを確認した。 The control unit 13 calculates a necessary pressure from the gravity compensation torque obtained by Equation 1 and the displacement of the air muscle, and performs pressure control using an electropneumatic proportional valve. In consideration of actual piping, the valve and the air muscle are separated by about 1 m. As a result of the experiment, it was confirmed that the top plate moves up and down smoothly by hand. That is, it was confirmed that the torque performance was good. Furthermore, using an ankle air muscle, it was confirmed that gravity compensation was possible even when a weight of 20 kg or more was placed.
数式２におけるタスク目標として、目標高さｚ−（−はｚの真上に存在する）を１ＨｚのＣＯＳ関数で与えてスクワット制御を行った。図８に実験結果を示す。ここでは、まず、制御部１３は、作業空間内での制御（重力補償とフィードバック制御）をエアマッスル１２３１のみで行い、後半で電動モータ１２３２をＯＮにした。ここでは、電動モータ１２３２はｚ−を関節目標軌道ｑ−（−はｑの真上に存在する）に変換したものを追従制御している。図８によれば、電動モータ１２３２をＯＮにした後、明らかに軌道追従性が向上している（図８の各グラフの横軸の６以降を参照）。これはエアマッスル１２３１の遅れを電動モータ１２３２が補償したことを示している。図９に実験中のスナップショットを示す。エアマッスルは最下点でほぼ自然長であり、最上点では約３０％収縮している。 As a task target in Formula 2, squat control was performed by giving a target height z − (− is present immediately above z) as a COS function of 1 Hz. FIG. 8 shows the experimental results. Here, first, the control unit 13 performs control (gravity compensation and feedback control) in the work space only with the air muscle 1231, and turns on the electric motor 1232 in the second half. Here, the electric motor 1232 performs follow-up control on the z − converted to the joint target trajectory q − (− is present immediately above q). According to FIG. 8, after the electric motor 1232 is turned on, the trajectory followability is clearly improved (see 6 and thereafter on the horizontal axis of each graph in FIG. 8). This indicates that the electric motor 1232 compensates for the delay of the air muscle 1231. FIG. 9 shows a snapshot during the experiment. The air muscle is almost natural length at the lowest point and contracts by about 30% at the highest point.
次に、スクワット運動の同定実験を行った。エアマッスル１２３１は重力補償のみとし、電動モータ１２３２だけでスクワット制御を行った。これはモータトルクを装着者による発生トルクとみなして、装着者の運動を同定する場面を想定している。ただ、シミュレーションとは異なり、Ｘ方向の運動が拘束されているため、自由度はたった１つであり、問題はトリビアルである。実験データを図１０に示す。同定信号として入力に標準偏差１００のガウシアンノイズを重畳している。部分空間法と呼ばれるシステム同定アルゴリズムを適用した結果、極を０．９９９５＋０．０３１５ｉ、０．９９９５−０．０３１５ｉとする単振動系として同定された。ロボットのダイナミクスのうち、既知の静力学は補償されているので、それ以外のダイナミクスを近似していると言える。 Next, an identification experiment of squat motion was performed. The air muscle 1231 has only gravity compensation, and the squat control is performed only by the electric motor 1232. This assumes that the motor torque is regarded as the torque generated by the wearer and the movement of the wearer is identified. However, unlike the simulation, the motion in the X direction is restricted, so there is only one degree of freedom, and the problem is trivial. Experimental data is shown in FIG. Gaussian noise with a standard deviation of 100 is superimposed on the input as an identification signal. As a result of applying a system identification algorithm called a subspace method, the system was identified as a single vibration system having poles of 0.9995 + 0.0315i and 0.9995-0.0315i. Of the dynamics of the robot, the known statics are compensated, so it can be said that the other dynamics are approximated.
以上、本実施の形態によれば、空圧の人工筋（エアマッスル１２３１）と電動モータ１２３２とを組み合わせることで、歩行や姿勢の機能回復やアシストに必要な高負荷トルクを正確に制御できる外骨格ロボットを提供できる。 As described above, according to the present embodiment, by combining the pneumatic artificial muscle (air muscle 1231) and the electric motor 1232, it is possible to accurately control the high load torque required for the functional recovery and assist of walking and posture. A skeletal robot can be provided.
また、本実施の形態によれば、必要十分な大きさと正確さのトルクを発揮できるため、仮にマネキンをロボットに搭載したとしても、自律制御によって自在に姿勢制御および歩行が可能である。 In addition, according to the present embodiment, a torque having a necessary and sufficient size and accuracy can be exhibited. Therefore, even if a mannequin is mounted on a robot, posture control and walking can be freely performed by autonomous control.
なお、本実施の形態において採用した能動関節１２３の空電ハイブリッド駆動は、図１０に示すように、他の方式である電動式、空圧式、油圧式と比べて、非常に優れている。つまり、空電ハイブリッド駆動は、電動式と空圧式の良いところを統合した方式である。 In addition, as shown in FIG. 10, the pneumatic hybrid drive of the active joint 123 employed in the present embodiment is very excellent as compared with other types of electric type, pneumatic type, and hydraulic type. In other words, the air-powered hybrid drive is a method that integrates the good points of the electric type and the pneumatic type.
また、本実施の形態によれば、エアマッスル１２３１が最適に配置されているため、高いエネルギー効率、および制御の単純化を実現できる。 Moreover, according to this Embodiment, since the air muscle 1231 is optimally arrange | positioned, high energy efficiency and simplification of control are realizable.
本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention.
以上のように、本発明にかかる外骨格型ロボットは、体幹・下肢部の運動支援を適切に行えるという効果を有し、歩行や姿勢のリハビリテーションのための外骨格型ロボット等として有用である。中に人が入らないような構造とすれば、自律型ヒューマノイドロボットとしても運用可能であることは言うまでもない。アクチュエータのサイズアップも容易であるため、工場内の運搬、建築工事、環境保全、災害救助などの分野で活躍する、重負荷用ロボットに応用が可能である。 As described above, the exoskeleton type robot according to the present invention has an effect that it can appropriately support exercise of the trunk and lower limbs, and is useful as an exoskeleton type robot for walking and posture rehabilitation. . Needless to say, if the structure does not allow people to enter, it can also be used as an autonomous humanoid robot. Because it is easy to increase the size of the actuator, it can be applied to heavy load robots that play an active role in fields such as factory transportation, building construction, environmental conservation, and disaster relief.
１ 外骨格型ロボット
１１ 受付部
１２ 外骨格
１３ 制御部
１２１ ベース
１２２ 下半身
１２３ 能動関節
１２４ 検出機構
１３１ 記録手段
１３２ 記憶手段
１３３ 計測手段
１３４ 制御手段
１３５ 出力手段
１２３１ エアマッスル
１２３２ 電動モータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Exoskeleton type robot 11 Reception part 12 Exoskeleton 13 Control part 121 Base 122 Lower body 123 Active joint 124 Detection mechanism 131 Recording means 132 Storage means 133 Measurement means 134 Control means 135 Output means 1231 Air muscle 1232 Electric motor
Claims (4)
左右の足首、左右の膝、および腰の左右の各位置に配置されている能動の関節である能動関節と、
前記能動関節を動作させる制御部とを具備し、
前記能動関節は、
エアマッスルと電動モータとを具備する外骨格型ロボット。 An exoskeleton robot having a base and a lower body,
Active joints that are active joints arranged at left and right ankles, left and right knees, and left and right positions of the waist,
A control unit for operating the active joint,
The active joint is
An exoskeleton type robot equipped with an air muscle and an electric motor.
第一の閾値よりも高周波であるトルクに対して前記エアマッスルと前記電動モータとを動作させ、
前記第一の閾値よりも低周波であるトルクに対して前記エアマッスルのみを動作させる請求項１記載の外骨格型ロボット。 The controller is
Operating the air muscle and the electric motor with respect to a torque having a frequency higher than the first threshold;
The exoskeleton robot according to claim 1, wherein only the air muscle is operated with respect to a torque having a frequency lower than the first threshold.
第二の閾値より高負荷であるトルクに対して前記エアマッスルのみを動作させ、
前記第二の閾値よりも低負荷であるトルクに対して前記エアマッスルと前記電動モータとを動作させる請求項１記載の外骨格型ロボット。 The controller is
Only the air muscle is operated for torque that is higher than the second threshold,
The exoskeleton-type robot according to claim 1, wherein the air muscle and the electric motor are operated with respect to a torque having a lower load than the second threshold value.
第二の閾値より高負荷であり、かつ第一の閾値よりも低周波であるトルクに対して前記エアマッスルのみを動作させ、
前記第二の閾値より低負荷であり、かる前記第一の閾値よりも高周波であるトルクに対して前記エアマッスルと前記電動モータとを動作させる請求項２または請求項３記載の外骨格型ロボット。 The controller is
Only the air muscle is operated with respect to torque that is higher in load than the second threshold and lower in frequency than the first threshold,
The exoskeleton-type robot according to claim 2 or 3, wherein the air muscle and the electric motor are operated with respect to a torque having a lower load than the second threshold and a higher frequency than the first threshold. .
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