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JP2016221680A - Drive mechanism - Google Patents

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JP2016221680A
JP2016221680A JP2016185498A JP2016185498A JP2016221680A JP 2016221680 A JP2016221680 A JP 2016221680A JP 2016185498 A JP2016185498 A JP 2016185498A JP 2016185498 A JP2016185498 A JP 2016185498A JP 2016221680 A JP2016221680 A JP 2016221680A
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智之 野田
森本 淳
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exoskeletal robot with a hybrid electro-pneumatic actuator capable of achieving accurate controllability, while reducing weight of the exoskeletal robot.SOLUTION: Each active joint constituting an exoskeletal robot 1 includes a hybrid electro-pneumatic actuator. The hybrid electro-pneumatic actuator includes a pneumatic air muscle and wire for transmitting driving force of the air muscle to the joint. According to a command from an external control device 20, a control part 134 controls pressure to be applied to the air muscle for generating the driving force by an inverse model as a combination of a dynamic model using the wire as a spring represented by a prescribed spring constant, and a driving force model representing prescribed relationship of the driving force to a contraction rate of the air muscle.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、ユーザの行う運動を支援するパワーアシストロボットに関するものである。   The present invention relates to a power assist robot that supports a user's exercise.

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).

また、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。   Several exoskeleton-type robots have been developed with the aim of supporting lower limb and trunk movements.

少子化によって引き起こされた少子高齢化社会は、外骨格型ロボットのようなリハビリテーションを支援するロボットの開発をますます要求することとなってきている。たとえば、外骨格型ロボットは、患者の自立生活を促進するリハビリテーションにおいて、脊髄損傷患者のために使用される(たとえば、非特許文献2、3、4、5、6を参照)。   The aging society with a declining birthrate caused by the declining birthrate is increasingly demanding the development of robots that support rehabilitation such as exoskeleton robots. For example, exoskeleton type robots are used for patients with spinal cord injury in rehabilitation that promotes the patient's independent life (see, for example, Non-Patent Documents 2, 3, 4, 5, and 6).

これらの外骨格型ロボットのうち、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。)を用いるものがあった。   Among these exoskeleton-type robots, 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 a rehabilitation application that does not support weight, there is one that uses pneumatic artificial muscle (hereinafter referred to as “air muscle”).

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 muscles are lighter and cheaper to manufacture than other actuators, and have a 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.

このようなエアマッスルの問題に対処するために、空圧式のエアマッスルと電動モータとを組み合わせた空電ハイブリッド式アクチュエータも提案されている(特許文献2を参照)。   In order to deal with such a problem of air muscle, an air-hybrid hybrid actuator in which a pneumatic air muscle and an electric motor are combined has been proposed (see Patent Document 2).

また、より一般には、「パワーアシストロボット」と呼ばれるロボットは、操作者が物体を移動しようとする際、操作する力に基づいてアクチュエータが駆動力を発生させ、操作者の負担を軽減するためのロボットである。主として、上述した介護やリハビリなどの福祉分野の他、工場における組み立てなどの産業分野で多く用いられている。   More generally, a robot called a “power assist robot” is designed to reduce the burden on the operator by causing the actuator to generate a driving force based on the operating force when the operator tries to move the object. It is a robot. Mainly used in industrial fields such as assembly in factories as well as welfare fields such as nursing and rehabilitation.

パワーアシストロボットは、装着型と非装着型に分けることができる。上述したような外骨格型ロボットは装着型に分類され、一方で、非装着型としては、ロボットアームなどにおいて、フレーム構造を駆動するアクチュエータとして、モータ、バネ、空気圧シリンダ、油圧シリンダ、エアマッスルなどを使用するものが知られている。   The power assist robot can be divided into a wearing type and a non-wearing type. Exoskeleton type robots as described above are classified as wearing types, while non-wearing type robots such as robot arms, actuators that drive the frame structure, motors, springs, pneumatic cylinders, hydraulic cylinders, air muscles, etc. Those that use are known.

WO2007/139135号公報WO2007 / 139135 Publication 特開2012−045194号公報JP 2012-045194 A

Lebedev, M.A. and Nicolelis, M.A.:”Brain-machine interfaces past,present and future”,Trends in Neuroscience,vol.29,no.9,pp. 536-546,2006.Lebedev, M.A. and Nicolelis, M.A .: “Brain-machine interfaces past, present and future”, Trends in Neuroscience, vol. 29, no. 9, pp. 536-546, 2006. K. Suzuki, M. G. Kawamoto, H. Hasegarwa, and Y. Sankai. Intension-based walking support for paraplegia patients with Robot Suit HAL. Advanced Robotics, Vol. 21, No. 12, pp. 1441-1469, 2007.K. Suzuki, M. G. Kawamoto, H. Hasegarwa, and Y. Sankai. Intension-based walking support for paraplegia patients with Robot Suit HAL. Advanced Robotics, Vol. 21, No. 12, pp. 1441-1469, 2007. S. K. Au, P. Dilworth, and H. Herr. An ankle-foot emulation system for the study of human walking biomechanics. In IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 2939-2945, 2006.S. K. Au, P. Dilworth, and H. Herr. An ankle-foot emulation system for the study of human walking biomechanics.In IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 2939-2945, 2006. H. Kobayashi, A. Takamitsu, and T. Hashimoto. Muscle Suit Development and Factory Application. International Journal of Automation Technology, Vol. 3, No. 6, pp. 709-715, 2009.H. Kobayashi, A. Takamitsu, and T. Hashimoto. Muscle Suit Development and Factory Application. International Journal of Automation Technology, Vol. 3, No. 6, pp. 709-715, 2009. G. Yamamoto and S. Toyama. Development of Wearable Agri-Robot- Mechanism for Agricultural Work. In IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System, pp. 5801-5806, 2009.G. Yamamoto and S. Toyama.Development of Wearable Agri-Robot- Mechanism for Agricultural Work. In IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and System, pp. 5801-5806, 2009. T. Kagawa and Y. Uno. Gait pattern generation for a power-assist device of paraplegic gait. In The 18th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, pp. 633-638, 2009.T. Kagawa and Y. Uno.Gait pattern generation for a power-assist device of paraplegic gait.In The 18th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, pp. 633-638, 2009.

空電ハイブリッド式アクチュエータは、相補的なアクチュエータとして、2つの異なるエネルギー源で駆動される駆動機構を利用し、弾性を有する柔軟なトルク制御が可能である。1つの駆動機構は、空圧式エアマッスルを用いた空圧式アクチュエータであって、軽量化に向いている。しかしながら、上述のとおり、空圧式アクチュエータの圧縮性は、コントロールする際には、レスポンスが遅く、非線形力学を引き起こすために制御が難しい。   The pneumatic hybrid actuator uses a drive mechanism driven by two different energy sources as a complementary actuator, and enables flexible torque control having elasticity. One drive mechanism is a pneumatic actuator using a pneumatic air muscle, which is suitable for weight reduction. However, as described above, the compressibility of the pneumatic actuator is difficult to control because it is slow in response and causes nonlinear dynamics.

一方で、他の1つの駆動機構である電動式アクチュエータは、速く制御しやすい特性を有している。しかしながら、電動モータを用いた電動式アクチュエータは、大きなトルクを制御しようとすると、アクチュエータのヒートアップや、あるいは、重量の増加を招いてしまう。このため、空電ハイブリッド式アクチュエータにおいても、電動式アクチュエータを大型化することは軽量化に反する結果となる。   On the other hand, the electric actuator, which is another driving mechanism, has a characteristic that it is easy to control quickly. However, when an electric actuator using an electric motor tries to control a large torque, the actuator heats up or increases in weight. For this reason, even in the pneumatic hybrid actuator, increasing the size of the electric actuator is contrary to the weight reduction.

ここで、非装着型のパワーアシストロボットにおいても、また、上述したようなリハビリテーションを目的とした外骨格型ロボットの場合は特に、軽量化は重要な課題であるので、駆動力源である空圧式エアマッスルや電動モータの軽量化は、もちろんで必要であるが、これらの駆動力源からの力を外骨格型ロボットの関節部に伝達するための伝達機構の軽量化も重要な課題である。   Here, in the non-wearing type power assist robot as well, especially in the case of an exoskeleton type robot for the purpose of rehabilitation as described above, weight reduction is an important issue, so the pneumatic type that is the driving force source Of course, it is necessary to reduce the weight of the air muscle and the electric motor, but it is also important to reduce the weight of the transmission mechanism for transmitting the force from these driving force sources to the joint part of the exoskeleton robot.

しかしながら、伝達機構の軽量化は、制御対象の力学をより複雑化して、制御の困難性を増大させてしまう恐れがある。   However, reducing the weight of the transmission mechanism may further complicate the dynamics of the control target and increase the difficulty of control.

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、空電ハイブリッド式アクチュエータを備えるパワーアシストロボットを軽量化しつつ、正確な制御性を達成することが可能なパワーアシストロボットを提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a power assist capable of achieving accurate controllability while reducing the weight of a power assist robot including an aerodynamic hybrid actuator. Is to provide a robot.

この発明の1つの局面に従うと、パワーアシストロボットであって、フレーム構造と、フレーム構造を可動とするように配置されている能動関節と、能動関節に対するトルク制御により能動関節を動作させる制御部とを備え、各能動関節は、エアマッスルと、電動モータと、エアマッスルからの第1の駆動力と電動モータからの第2の駆動力とを合成して能動関節の屈伸を駆動するための駆動力合成手段と、エアマッスルからの第1の駆動力を駆動力合成手段に伝達するためのワイヤとを含み、制御部は、ワイヤを所定のバネ定数で表されるバネとした力学モデルとエアマッスルの収縮割合に対する第1の駆動力の所定の関係を表す駆動力モデルとの組合せの逆モデルにより、第1の駆動力を生成するためにエアマッスルに加える圧力を制御する。   According to one aspect of the present invention, a power assist robot includes a frame structure, an active joint arranged to make the frame structure movable, and a control unit that operates the active joint by torque control on the active joint. Each active joint includes an air muscle, an electric motor, and a drive for driving the bending and extension of the active joint by combining the first driving force from the air muscle and the second driving force from the electric motor. A force synthesis unit and a wire for transmitting the first driving force from the air muscle to the driving force synthesis unit, and the control unit includes a dynamic model and an air model in which the wire is a spring represented by a predetermined spring constant. The pressure applied to the air muscle to generate the first driving force is controlled by an inverse model in combination with the driving force model that represents a predetermined relationship of the first driving force to the contraction ratio of the muscle. That.

好ましくは、各能動関節の関節角を検出するための第1のセンサをさらに備え、制御部は、第1のセンサの検出結果により、エアマッスルの収縮割合を検知する。   Preferably, a first sensor for detecting a joint angle of each active joint is further provided, and the control unit detects a contraction ratio of the air muscle based on a detection result of the first sensor.

好ましくは、各エアマッスルにおいて、エアマッスルとワイヤとの接合部に設けられ、エアマッスルからの第1の駆動力の大きさを検出するための第2のセンサをさらに備え、制御部は、第2のセンサの検出結果に応じて、エアマッスルの第1の駆動力および電動モータからの第2の駆動力とを制御する。   Preferably, each air muscle further includes a second sensor provided at a joint between the air muscle and the wire for detecting the magnitude of the first driving force from the air muscle. The first driving force of the air muscle and the second driving force from the electric motor are controlled according to the detection result of the second sensor.

好ましくは、パワーアシストロボットは、対象となる人間の筋骨格系運動の支援をするための外骨格型ロボットであって、フレーム構造は、外骨格に対応し、能動関節は、筋骨格系運動における対象となる人間の関節の各位置に対応してフレーム構造を可動とするように配置されている。   Preferably, the power assist robot is an exoskeleton type robot for supporting a target human musculoskeletal motion, the frame structure corresponds to the exoskeleton, and the active joint is in the musculoskeletal motion. The frame structure is arranged so as to be movable corresponding to each position of the target human joint.

好ましくは、エアマッスルは、流体袋と、流体袋が埋め込まれたらせん状のファイバーとを含み、圧縮空気が送り込まれて流体袋が膨張すると、長手方向に収縮し、駆動力モデルは、エアマッスルの収縮割合と、常圧におけるエアマッスルの径と、らせん状のファイバーの収縮方向に対する巻方向の傾きの角度との関数である。   Preferably, the air muscle includes a fluid bag and a spiral fiber in which the fluid bag is embedded, and when the compressed air is fed and the fluid bag expands, the air muscle contracts in the longitudinal direction. Is a function of the shrinkage ratio, the diameter of the air muscle at normal pressure, and the angle of inclination of the winding direction with respect to the shrinking direction of the spiral fiber.

好ましくは、ワイヤは、液晶ポリマー繊維製である。   Preferably, the wire is made of liquid crystal polymer fiber.

本発明によれば、エアマッスルと電動モータとを組み合わせ、駆動力の伝達機構を軽量化して、人間の運動のアシストに必要な高負荷トルクを正確に制御できるパワーアシストロボットを提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a power assist robot that combines an air muscle and an electric motor, reduces the weight of a driving force transmission mechanism, and can accurately control a high load torque necessary for assisting human movement.

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。It is a figure which shows the structural example of the exoskeleton type robot 1 in this Embodiment. 外骨格型ロボット1の自由度の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the freedom degree of the exoskeleton type robot. 外骨格型ロボット1のブロック図の例である。2 is an example of a block diagram of the exoskeleton robot 1. FIG. 外骨格型ロボットの構成において、1自由度分の動作を行う空電ハイブリッドアクチュエータの部分を抜き出した外観を示す図である。It is a figure which shows the external appearance which extracted the part of the aerodynamic hybrid actuator which performs operation | movement for 1 degree of freedom in the structure of an exoskeleton type robot. 1自由度分の動作を行う空電ハイブリッドアクチュエータのシステムを制御する構成を説明するための機能ブロック図である。It is a functional block diagram for demonstrating the structure which controls the system of the pneumatic hybrid actuator which performs operation | movement for 1 degree of freedom. 各アクチュエーターが、関節を動かす態様を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the aspect which each actuator moves a joint. うずくまっている姿勢および直立姿勢における外骨格型ロボットの各関節と、空圧式エアマッスルの状態を示す図である。It is a figure which shows the state of each joint of an exoskeleton type robot in a crouched posture and an upright posture, and a pneumatic air muscle. 空圧式エアマッスルの収縮割合と駆動力との作動範囲を比較して示す図である。It is a figure which compares and shows the operating range of the contraction ratio of a pneumatic air muscle, and a driving force. 1自由度システムを使用して観察されるトルク制御器の応答特性を示す図である。It is a figure which shows the response characteristic of the torque controller observed using a 1 degree-of-freedom system. 空電ハイブリッド式アクチュエータの1自由度の腕のエンドエフェクタの端部に錘がつりさげられた状態での重力補正タスクを示す図である。It is a figure which shows the gravity correction | amendment task in the state by which the weight was suspended by the edge part of the end effector of the arm of 1 degree of freedom of an electrostatic hybrid actuator. 外骨格型ロボットが、2つの異なる運動模型を切り替える重力補正によって達成された、起立タスクを支援する動作を示す図である。It is a figure which shows the operation | movement which supports the standing task achieved by the gravity correction which an exoskeleton type robot switches two different movement models.

以下、本発明の実施の形態の外骨格型ロボットの構成について、図に従って説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。   Hereinafter, the configuration of the exoskeleton robot according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, components and processing steps given the same reference numerals are the same or equivalent, and the description thereof will not be repeated unless necessary.

以下、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。   Hereinafter, in the present embodiment, an aerodynamic hybrid exoskeleton robot for walking / posture rehabilitation will be described.

ただし、本発明の空電ハイブリッド式外骨格型ロボットは、下肢の運動をアシストするための外骨格型ロボットに対してだけでなく、上肢の運動をアシストする外骨格型ロボットとしても使用することが可能である。   However, the aerodynamic hybrid exoskeleton robot of the present invention can be used not only as an exoskeleton robot for assisting the movement of the lower limbs but also as an exoskeleton robot for assisting the movement of the upper limbs. Is possible.

また、以下の説明では、下肢の対としての運動をアシストする外骨格型ロボットについて説明するが、下肢のうちのいずれか一方、または、上肢のうちのいずれか一方の運動をアシストする外骨格型ロボットとして使用することも可能である。   Further, in the following description, an exoskeleton type robot that assists exercise as a pair of lower limbs will be described. However, an exoskeleton type that assists exercise of either one of lower limbs or upper limbs. It can also be used as a robot.

さらに、本発明の空電ハイブリッド式外骨格型ロボットは、対象となる人間の筋骨格系の運動をアシストするのであれば、上述したような「下肢のうちの少なくともいずれか一方、または、上肢のうちの少なくともいずれか一方の運動」に限定されるものではなく、たとえば、対象となる人間の腰の運動のみをアシストするものであってもよいし、歩行または走行時において下肢の運動と連動して腰の運動をアシストするものであってもよい。本明細書では、このような対象となる人間の運動のアシストを総称して、「対象となる人間の筋骨格系運動の支援」と呼ぶことにする。   Furthermore, if the aerodynamic hybrid exoskeleton robot of the present invention assists the movement of the target human musculoskeletal system, the above-described “at least one of the lower limbs or the upper limbs” It is not limited to “at least one of these exercises”. For example, it may assist only the exercise of the subject's lower back, or it may be linked with the exercise of the lower limbs during walking or running. And assisting the exercise of the lower back. In the present specification, such assist of human motion as a target is generically referred to as “support of target human musculoskeletal motion”.

また、本発明の空電ハイブリッド式の駆動機構は、外骨格型ロボットに対してだけでなく、より一般的なパワーアシスト技術に適用し、重量物を扱う作業者の作業をアシストするパワーアシストロボットを実現することも可能である。ただし、以下では、本発明の実施の形態として、「外骨格型ロボット」を例にとって説明する。   Further, the aerodynamic hybrid drive mechanism of the present invention is applied not only to an exoskeleton type robot but also to a more general power assist technology, and assists the work of an operator who handles heavy objects. Can also be realized. However, in the following, as an embodiment of the present invention, an “exoskeleton robot” will be described as an example.

本実施の形態の外骨格型ロボットは、外骨格を有する。「外骨格」とは、人間の骨格構造に対応してロボットが有する骨格構造のことである。より特定的には、「外骨格」とは、外骨格型ロボットを装着する人間の体の一部を、外部から支えるフレーム(枠組み)構造のことをいう。   The exoskeleton type robot of the present embodiment has an exoskeleton. “Exoskeleton” refers to a skeleton structure that a robot has corresponding to a human skeleton structure. More specifically, “exoskeleton” refers to a frame (framework) structure that supports a part of a human body to which an exoskeleton-type robot is mounted from the outside.

このフレーム構造には、さらに、フレーム構造の各部を人間の骨格構造に基づく運動に応じて動かすための関節が設けられる。   The frame structure is further provided with a joint for moving each part of the frame structure in accordance with the movement based on the human skeleton structure.

特に、下肢の運動をアシストす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。以下、このように、外骨格型ロボットにおいて、アクチュエータにより駆動される関節のことを「能動関節」と呼ぶ。   In particular, an exoskeleton-type robot that assists the movement of the lower limbs is a robot having a base and a lower half body, and having 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. Hereinafter, in the exoskeleton robot, the joint driven by the actuator is referred to as an “active joint”.

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。   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.

図1において、図1(a)は、外骨格型ロボットの外観を示す図であり、図1(b)は、図1(a)の外観において、外骨格型ロボット1の主要部を抽出して示す斜視図である。   In FIG. 1, FIG. 1 (a) is a diagram showing the appearance of an exoskeleton robot, and FIG. 1 (b) is a diagram showing the main part of the exoskeleton robot 1 extracted from the appearance of FIG. 1 (a). FIG.

図1(b)において、外骨格型ロボット1は、両脚に対応したフレーム構造、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107、AFE屈筋108、ジョイント109、フレーム構造に設けられたプーリー付回転関節110を備える。   In FIG. 1B, the exoskeleton robot 1 has a frame structure corresponding to both legs, a backpack 101, a flexible sheet 102, a HAA antagonist muscle 103, an HFE extensor muscle 104, an HFE motor 111, a KFE extensor muscle 105, and a KFE motor. 106, an AFE extensor 107, an AFE flexor 108, a joint 109, and a rotary joint 110 with a pulley provided in the frame structure.

なお、図1(b)では、バックパック101が運動を支援する構造に直接とりつけられているが、図1(a)に示すように、バックパック101は、この構造から取り外されていてもよい。   In FIG. 1B, the backpack 101 is directly attached to the structure for supporting exercise. However, as shown in FIG. 1A, the backpack 101 may be removed from this structure. .

また、プーリー付回転関節110には、たとえば、光学式エンコーダを回転軸に取り付け、関節角度を計測する。光学式エンコーダは、軸に取り付けるのではなく、軸に巻かれたベルトの移動方向と移動量を読み取る構成としてもよい。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。ジョイント109は、AAA関節に相当し、この構成では、駆動機構は取り付けられず、受動的な関節となっている。   Further, for example, an optical encoder is attached to the rotary shaft of the rotary joint 110 with pulley, and the joint angle is measured. The optical encoder may not be attached to the shaft, but may be configured to read the moving direction and the moving amount of the belt wound around the shaft. 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. The joint 109 corresponds to an AAA joint, and in this configuration, a drive mechanism is not attached and the joint 109 is a passive joint.

図2は、外骨格型ロボット1の自由度の構成を示す図である。   FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the degree of freedom of the exoskeleton robot 1.

図2において、各関節において、「R_」との表示は、右側の関節であることを示し、「L_」との表示は、左側の関節であることを示す。   In FIG. 2, in each joint, the display “R_” indicates the right joint, and the display “L_” indicates the left joint.

図1および図2を参照して、全10自由度のうち、HFE関節とKFE関節はハイブリッド駆動としている。また、図2において、全10自由度のうち、左右のAFE関節は伸筋と屈筋による拮抗駆動を採用している。ハイブリッド駆動および拮抗駆動以外の関節は、パッシブな駆動である。ただし、より多くの関節、たとえば、全ての関節をハイブリッド駆動としてもよい。   Referring to FIGS. 1 and 2, the HFE joint and the KFE joint out of all 10 degrees of freedom are hybrid drives. In FIG. 2, out of all 10 degrees of freedom, the left and right AFE joints employ antagonistic drive using extensors and flexors. The joints other than the hybrid drive and the antagonist drive are passive drives. However, more joints, for example, all joints may be hybrid driven.

図1において、両脚が接続する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式エンコーダ(またはモータ付属のエンコーダ)を取り付け、関節角度を計測できるようにしている。ベースの姿勢と関節角度を検出することで、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 which both legs are connected to detect the posture of the base portion. In addition, wire type encoders (or encoders attached to motors) are attached to all joints so that joint angles can be measured. By detecting the posture and joint angle of the base, an accurate Jacobian matrix from the center of gravity to the contact portion can be calculated, 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、接触を想定する足底部が実際に接触しているかどうかを判定したり、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構成としてもよい。   In addition, a floor reaction force sensor is mounted on the sole, and it is used as an auxiliary to determine whether the sole that is supposed to touch is actually touching or to correct the model error included in the Jacobian matrix It is good also as composition to do.

このようなヤコビ行列を用いた順運動学モデルに基づいて、目標作用力から夫々のアクチュエータに配分するトルク値を算出する方法については、たとえば、上述した特許文献1に開示がある。   A method for calculating a torque value to be allocated to each actuator from a target acting force based on a forward kinematic model using such a Jacobian matrix is disclosed in, for example, Patent Document 1 described above.

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。   In addition to the controller, the backpack 101 incorporates an air muscle valve and an electric motor driver.

また、バックパック101内に、バッテリーと圧搾したCO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する構成であってもよい。 Further, a backpack 101, a battery and compressed the CO 2 gas cylinder, equipped with a regulator, in case the power supply line and the air supply is disconnected, may be configured to allow a short time autonomous driving.

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を制御するためのコマンドが、外部制御装置20から、通信経路を介して外骨格型ロボットに与えられる。特に限定されないが、外部制御装置20は、汎用のパーソナルコンピュータを用いることが可能であり、通信経路としては、イーサネット(登録商標)ケーブルを用いることができる。もちろん、通信経路としては、その他の規格の有線通信の経路の他、無線による通信経路、たとえば、無線LAN(Local Area Network)や他の通信規格の無線などを使用してもよい。   A command for controlling the exoskeleton robot 1 is given from the external control device 20 to the exoskeleton robot via a communication path. Although not particularly limited, the external control device 20 can use a general-purpose personal computer, and an Ethernet (registered trademark) cable can be used as a communication path. Of course, as a communication path, a wireless communication path such as a wireless LAN (Local Area Network) or another communication standard may be used in addition to a wired communication path of another standard.

外部制御装置20は、ユーザからの指示入力を受ける入力部210と、コマンドを生成するためのプログラムや、様々な制御パラメータなど制御のために必要とされるデータが記録された不揮発性の記憶装置206と、外部制御装置20を起動するためのファームウェアが記憶されたROM(Read Only Memory)や、ワーキングメモリとして動作するRAM(Random Access Memory)などを含むメモリ204と、プログラムに応じて、コマンドを生成する処理を実行する演算装置208と、コマンドを通信経路を介して、外骨格型ロボットに送信するためのインタフェース(I/F)部202と、演算装置208の制御の下で、外骨格型ロボット1への制御の状態に関する情報などを表示するための表示装置212とを備える。   The external control device 20 includes an input unit 210 that receives an instruction input from a user, a nonvolatile storage device in which data necessary for control such as a program for generating a command and various control parameters is recorded. 206, a memory 204 including a ROM (Read Only Memory) in which firmware for starting the external control device 20 is stored, a RAM (Random Access Memory) that operates as a working memory, and the like. Under the control of the computing device 208, the computing device 208 that executes the processing to generate, the interface (I / F) unit 202 for transmitting commands to the exoskeleton-type robot via the communication path, and the computing device 208 And a display device 212 for displaying information on the state of control of the robot 1.

上述のとおり、外部制御装置20が、汎用のパーソナルコンピュータである場合は、演算装置208は、CPU(Central Processing Unit)で構成され、不揮発性の記憶装置206としては、ハードディスクドライブやソリッドステートドライブなどを用いることができる。ただし、外部制御装置20の機能ブロックの一部または全部は、専用のハードウェアにより構成されてもよい。   As described above, when the external control device 20 is a general-purpose personal computer, the arithmetic device 208 is configured by a CPU (Central Processing Unit), and the nonvolatile storage device 206 includes a hard disk drive, a solid state drive, and the like. Can be used. However, some or all of the functional blocks of the external control device 20 may be configured by dedicated hardware.

また、外部制御装置20は、外骨格型ロボットが装着されるユーザの脳情報を検出し、外骨格型ロボットを制御するコマンドを生成する装置であってもよい。この場合は、いわゆるブレイン・マシン・インタフェースにより、外骨格型ロボットが制御されることになる。   Further, the external control device 20 may be a device that detects brain information of a user to which the exoskeleton-type robot is attached and generates a command for controlling the exoskeleton-type robot. In this case, the exoskeleton robot is controlled by a so-called brain machine interface.

外骨格型ロボット1は、外骨格部12、内部制御装置10を備える。   The exoskeleton robot 1 includes an exoskeleton part 12 and an internal control device 10.

外骨格部12は、ベース121、下半身122、能動関節123、検出機構124を備える。さらに、能動関節123は、エアマッスル1231(図示せず)、電動モータ1232(図示せず)を備える。   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 (not shown) and an electric motor 1232 (not shown).

また、内部制御装置10は、I/F部11、記録装置131、記憶装置 132、計測装置133、制御部134、出力装置135を備える。   The internal control device 10 also includes an I / F unit 11, a recording device 131, a storage device 132, a measuring device 133, a control unit 134, and an output device 135.

I/F部11は、外部制御蔵置20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、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。   The I / F unit 11 can receive a torque or a position command that is commanded from the external control storage 20 or decoded from the brain information. Here, the brain information defines, for example, information indicating that the right leg is raised, information indicating walking and walking speed, and the movement of the trunk and lower limbs including the torque value of a specific joint. Information.

なお、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、アクチュエータを備える。   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.

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の少なくとも一部のものは、エアマッスル1231、電動モータ1232を備えるハイブリッド型である。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。   Further, the one or more active joints 123 here are of a hybrid type. That is, at least a part of the active joint 123 is a hybrid type including the air muscle 1231 and the electric motor 1232. 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.

アクチュエータとして、サーボモータを使用する場合、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。   When a servo motor is used as an actuator, the actuator has, for example, a drive circuit capable of current control, and a servo motor that generates a torque proportional to the current has a gear value that is input as a control target value. Torque control for generating the input torque is realized by instructing the drive circuit by multiplying the torque constant determined by the ratio. 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.

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姿勢検出のためのジャイロセンサ、各エアマッスルの駆動力を検知するロードセルなどである。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 includes, for example, an encoder disposed at each joint, a floor reaction force sensor disposed at the foot, a gyro sensor for posture detection disposed at the pelvis, and a load cell that detects the driving force of each air muscle. Etc. 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.

内部制御装置10は、能動関節123を動作させる。内部制御装置10は、I/F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。内部制御装置10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。   The internal control device 10 operates the active joint 123. The internal control device 10 operates the active joint 123 in response to the torque or position command received by the I / F unit 11. For example, the internal control device 10 converts the target floor acting force into the respective torque values of the respective actuators that drive each active joint 123 based on the forward kinematic model defined by the Jacobian matrix. The converted torque values are output to the actuators as control target values.

計測装置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 device 133 receives various signals (data) indicating detection results from the detection mechanism 124 such as a sensor.

制御部134は、制御目標値の算出等の様々な演算を行う。制御部134が行う演算は後に説明する。   The control unit 134 performs various calculations such as calculation of a control target value. The calculation performed by the control unit 134 will be described later.

出力装置135は、能動関節123に制御信号を出力する。出力装置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 device 135 outputs a control signal to the active joint 123. For example, the output device 135 outputs a target torque value to the active joint 123.

(空電ハイブリッド式アクチュエータ用のトルク制御器)
以下では、空電ハイブリッド式アクチュエータ用のトルク制御器の構成について説明する。
(Torque controller for pneumatic hybrid actuator)
Below, the structure of the torque controller for an aerodynamic hybrid actuator is demonstrated.

以下に説明するように、このような制御器は、制御部134に対して、機械学習を実行させることにより、実行させる構成とすることが可能である。   As will be described below, such a controller can be configured to be executed by causing the control unit 134 to execute machine learning.

空圧式エアマッスルは軽量であるもの、圧縮空気(または圧縮気体)のエネルギーをゴムチューブにより収縮力に変換することにより大きな力を生み出すことができる。   The pneumatic air muscle is lightweight, and can generate a large force by converting the energy of compressed air (or compressed gas) into a contracting force by a rubber tube.

エアマッスルが、力を発生させる原理は、空圧式の空気袋が埋め込まれたらせん状のファイバーが、圧縮空気が送り込まれて空気袋が膨張すると、長手方向(縦方向)に収縮するというものである。   The principle that an air muscle generates force is that a spiral fiber embedded with a pneumatic air bag shrinks in the longitudinal direction (longitudinal direction) when compressed air is fed and the air bag expands. is there.

より詳しく説明すると、両端部に栓をしたゴムチューブに対して、動径方向を拘束するよう、表面にらせん状にまかれたファイバーを被せた構造になっている。このゴムチューブの中に空気を送り込むと、空気の圧力でゴムチューブが膨張する。しかし、動径方向はファイバーによって拘束されているため膨張できず、径方向の膨張に引っ張られて縦方向に収縮する。膨らみながら収縮する様が動物の筋肉に似ているところが人工筋肉と呼ばれる。   More specifically, the rubber tube with plugs at both ends is covered with a spirally wound fiber on the surface so as to restrain the radial direction. When air is fed into the rubber tube, the rubber tube expands due to the pressure of the air. However, since the radial direction is constrained by the fiber, it cannot expand, and is pulled by the radial expansion and contracts in the vertical direction. The place that resembles an animal's muscles that swell and contract is called an artificial muscle.

アクチュエーター自体が軽く、柔らかい。さらに、ゴムチューブの内面全体がアクチュエーターの収縮に寄与するため、断面積のみで圧力を受ける構造になっている一般的なエアシリンダー等よりも、パワー・ウェイト・レシオを大きく取りやすい。反面、上述したように、一般に空気圧による機器制御は空気の収縮・膨張などによる、制御遅れが大きく、素早い動作は苦手である。   The actuator itself is light and soft. Furthermore, since the entire inner surface of the rubber tube contributes to the contraction of the actuator, the power / weight ratio can be made larger than that of a general air cylinder or the like having a structure that receives pressure only by a cross-sectional area. On the other hand, as described above, in general, device control by air pressure has a large control delay due to air contraction / expansion and is not good at quick operation.

なお、「空気袋」は、流体により膨張ないし収縮運動をするものであれば、袋中に流入するものは、空気に限られないので、より一般には、「流体袋」と表現する。   As long as the “air bag” is inflated or contracted by a fluid, what flows into the bag is not limited to air, and is more generally expressed as a “fluid bag”.

図4は、外骨格型ロボットの構成において、1自由度分の動作を行う空電ハイブリッドアクチュエータの部分を抜き出した外観を示す図である。   FIG. 4 is a diagram showing an external appearance of a portion of an aerodynamic hybrid actuator that performs an operation for one degree of freedom in the configuration of an exoskeleton type robot.

図4において、空圧式エアマッスルのうち上側のエアマッスル302は、屈筋(PAM1)に相当し、下側のエアマッスル304ものは伸筋(PAM2)に相当する。   In FIG. 4, the upper air muscle 302 of the pneumatic air muscles corresponds to the flexor (PAM1), and the lower air muscle 304 corresponds to the extensors (PAM2).

伸筋PAM2は、屈筋PAM1とは相反し反対向きの力を生成する。   The extensor PAM2 generates a force opposite to the flexor PAM1.

プーリー付回転関節310には、電動モータからの駆動力も印加され、空圧式エアマッスルからの駆動力と電動モータからの駆動力とが合成される。   Driving force from the electric motor is also applied to the rotary joint 310 with pulley, and the driving force from the pneumatic air muscle and the driving force from the electric motor are combined.

エアマッスル302からの駆動力は、ワイヤ306によりプーリー付回転関節310に伝達され、エアマッスル304からの駆動力は、ワイヤ308によりプーリー付回転関節310に伝達される。このような構成により、駆動力の伝達機構自体を軽量化することが可能となる。   The driving force from the air muscle 302 is transmitted to the rotary joint 310 with pulley by the wire 306, and the driving force from the air muscle 304 is transmitted to the rotary joint 310 with pulley through the wire 308. With such a configuration, it is possible to reduce the weight of the driving force transmission mechanism itself.

プーリー付回転関節310へ加えられた駆動トルクにより、脚(または腕)350が駆動される。   The leg (or arm) 350 is driven by the driving torque applied to the rotary joint 310 with pulley.

図5は、図4に示した1自由度分の動作を行う空電ハイブリッドアクチュエータのシステムを制御する構成を説明するための機能ブロック図である。   FIG. 5 is a functional block diagram for explaining a configuration for controlling the system of the aerodynamic hybrid actuator that performs the operation for one degree of freedom shown in FIG.

図5においては、内部制御装置10は、マルチファンクションボード(Multi Function board)として構成される。   In FIG. 5, the internal control device 10 is configured as a multi function board.

外部制御装置20に接続されたマルチファンクションボード10は、外部制御装置20からのコマンドに応じて、アクチュエーターを制御する。具体的には、マルチファンクションボード10は、空圧式エアマッスル302および304の収縮を制御するためのバルブ301とバルブ302、ならびに、電動モータ312を制御するためのモータドライバ311を制御する。さらに、マルチファンクションボード10は、関節角度θを検知する角度エンコーダ324およびエアマッスルからの駆動力を検知するロードセル、能動関節に加わるトルクを検知するトルクセンサからの計測データを読み取ることで、これらに基づき、以下に説明するような制御を実行する。   The multifunction board 10 connected to the external control device 20 controls the actuator in accordance with a command from the external control device 20. Specifically, the multifunction board 10 controls the valve 301 and the valve 302 for controlling the contraction of the pneumatic air muscles 302 and 304, and the motor driver 311 for controlling the electric motor 312. Furthermore, the multifunction board 10 reads the measurement data from the angle encoder 324 that detects the joint angle θ, the load cell that detects the driving force from the air muscle, and the torque sensor that detects the torque applied to the active joint. Based on this, control as described below is executed.

角度エンコーダ324は、たとえば、直交エンコーダを使用することが可能である。   As the angle encoder 324, for example, a quadrature encoder can be used.

エアマッスル302および304ならびに電動モータ312からの駆動力は、プーリー付回転関節310において合成され、脚350にトルクτを与える。   The driving forces from the air muscles 302 and 304 and the electric motor 312 are combined at the rotary joint 310 with a pulley and give a torque τ to the leg 350.

図6は、各アクチュエーターが、関節を動かす態様を説明するための概念図である。   FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining a mode in which each actuator moves a joint.

以下では、まず、図6(a)に示されるように、腱ワイヤの伸長を無視できる場合を考える。   In the following, first, let us consider a case where the extension of the tendon wire can be ignored as shown in FIG.

空圧式エアマッスルフォースからの駆動力fPAMi(i=1,2,…)は、ワイヤとプーリにより、腕(または脚)にトルクとして転送され/変換される。このプーリーを介して、電動モータの駆動力も伝達される。空圧式エアマッスルフォースからの駆動力fPAMiは、空圧式エアーマッスルと駆動力をプーリーに伝達するワイヤーとの接合部に設けられたロードセルにより検知される。 The driving force f PAMi (i = 1, 2,...) From the pneumatic air muscle force is transferred / converted as torque to the arm (or leg) by the wire and the pulley. The driving force of the electric motor is also transmitted through this pulley. The driving force f PAMi from the pneumatic air muscle force is detected by a load cell provided at the junction between the pneumatic air muscle and the wire that transmits the driving force to the pulley.

以下のモデルの説明は、拮抗筋と電動モータの組合せの場合に限らず、たとえば、伸筋と電動モータの組合せにも広く適用することが可能である。ただし、以下では、説明の簡単のために、単純な2つの拮抗筋のモデルを考える。   The description of the following model is not limited to the combination of the antagonistic muscle and the electric motor, but can be widely applied to the combination of the extensor and the electric motor, for example. However, in the following, for simplicity of explanation, a simple two antagonistic muscle model is considered.

トルクτPAMは、駆動力fPAMiにより、以下の式ように表される。 The torque τ PAM is expressed by the following formula using the driving force f PAMi .

τPAMは、空圧式エアマッスルの駆動力によるトルクであり、一方、r0はプーリー半径で、この単純なモデルでは、r0は定数とする。 τ PAM is the torque due to the driving force of the pneumatic air muscle, while r 0 is the pulley radius, and in this simple model, r 0 is a constant.

モーターの駆動力によるトルクは、空圧式エアマッスルの駆動力と並行して伝達される。例えば、小さなトルクが機械的なベルトによりプーリー経由で伝達される。   Torque due to the driving force of the motor is transmitted in parallel with the driving force of the pneumatic air muscle. For example, a small torque is transmitted via a pulley by a mechanical belt.

空圧式エアマッスルは、直流的または低周波のトルクの生成において優れている。また、電動モータによる駆動力は、迅速で周波数の高いトルクとして、空圧式エアマッスルの駆動力によるトルクτPAMの誤差をカバーするので、電動式のトルクτmotorの値は、空圧式エアマッスルによるトルクよりも小さな値でよい。 The pneumatic air muscle is excellent in generating direct current or low frequency torque. In addition, since the driving force by the electric motor is a quick and high frequency torque and covers the error of the torque τ PAM due to the driving force of the pneumatic air muscle, the value of the electric torque τmotor is the torque by the pneumatic air muscle. A smaller value is acceptable.

トータルのトルクは、以下の式で表される。   The total torque is expressed by the following formula.

τ=τPAM+τmotor
したがって、特に限定されないが、たとえば、内部制御装置10が、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312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302および304に加えて電動モータ312を動作させることである。ここで、第一の閾値は、例えば、3Hzである。
τ = τ PAM + τmotor
Therefore, although not particularly limited, for example, the internal control device 10 causes the electric motor 312 to additionally operate with respect to torque that is at a higher frequency than the first threshold (assuming that “more” includes “more”). Is preferred. The additional operation is to operate the electric motor 312 in addition to the air muscles 302 and 304. Here, the first threshold is, for example, 3 Hz.

空圧式エアマッスルから、ワイヤがプーリーへ駆動力を伝達し、指定された一方向へ関節を駆動する。   From the pneumatic air muscle, the wire transmits the driving force to the pulley and drives the joint in one designated direction.

ワイヤとしては、金属線、チェーンあるいは機械的なベルトなどの方式と比較して、軽量で強く、柔軟であるので、液晶ポリマー繊維を採用することができる。液晶ポリマー繊維としては、たとえば、クラレ社製ベクトラン(登録商標)を用いることができ、これは、高分子繊維であるにも関わらず、高強力高弾性率を有する素材として知られている。   As the wire, a liquid crystal polymer fiber can be adopted because it is lighter, stronger and more flexible than a metal wire, chain, or mechanical belt. As the liquid crystal polymer fiber, for example, Vectran (registered trademark) manufactured by Kuraray Co., Ltd. can be used, which is known as a material having high strength and high elastic modulus even though it is a polymer fiber.

(空圧式エアマッスルの力学モデル)
空圧式エアマッスル、ワイヤおよびプーリを含む空圧式アクチュエーターは、人間の筋肉と多くの共通点を持っている。
(Mechanical model of pneumatic air muscle)
Pneumatic actuators, including pneumatic air muscles, wires and pulleys, have much in common with human muscles.

外骨格型ロボットが人間の重さを支持する際に、ワイヤは、その特性において、人間の腱に類似している。   When an exoskeleton robot supports the weight of a human, the wire resembles a human tendon in its characteristics.

そこで、以下に説明するように、平衡の仮定を置いて、空圧式エアマッスルのためのトルク制御器を導出する。   Therefore, as described below, a torque controller for a pneumatic air muscle is derived with the assumption of equilibrium.

空圧式エアマッスルの圧力の制御には、たとえば、比例的に圧力を調整するバルブを使用し、圧力pはクローズドフィードバックループにより制御され、十分に安定であるものとする。   For controlling the pressure of the pneumatic air muscle, for example, a valve that adjusts the pressure proportionally is used, and the pressure p is controlled by a closed feedback loop and is sufficiently stable.

過渡状態においては、バルブ圧力と空圧式エアマッスルの圧力との間には、空気力学的な運動が存在するものの、一定の時定数の後には、ロボットと人間の重量のような外部の運動上の制約条件に駆動力が釣り合うまで、空圧式エアマッスルは収縮する。   In the transient state, there is an aerodynamic movement between the valve pressure and the pressure of the pneumatic air muscle, but after a certain time constant, there is an external movement such as the weight of the robot and human. The pneumatic air muscle contracts until the driving force is balanced with the above constraints.

したがって、空気回路の動力学の影響は小さく、準静的な動作では無視することができる。   Therefore, the influence of air circuit dynamics is small and can be ignored in quasi-static operation.

この均衡点で、駆動力の生成は、内圧および収縮割合に依存し、空圧式エアマッスルの駆動力モデルは、以下のように与えられる:   At this equilibrium point, the driving force generation depends on the internal pressure and contraction rate, and the driving model of the pneumatic air muscle is given as follows:

ここで、εは、収縮割合であり、Dとψとは、常圧における空圧式エアマッスルの径と、空圧式エアマッスルにおいて、空圧式の空気袋が埋め込まれたらせん状のファイバーの収縮方向に直交する方向に対する巻方向の傾きの角度である。 Here, ε is a contraction ratio, and D 0 and ψ 0 are the diameter of the pneumatic air muscle at normal pressure, and the spiral fiber in which a pneumatic air bag is embedded in the pneumatic air muscle. It is the angle of inclination of the winding direction with respect to the direction orthogonal to the shrinking direction.

このような「空圧式エアマッスルの駆動力モデル」は、たとえば、以下の文献に開示されている。   Such a “pneumatic air muscle driving force model” is disclosed in the following document, for example.

文献1:K. Inoue. Rubbertuators and applications for robots. In Proceedings of the 4th international symposium on Robotics Research, pp. 57-63. MIT Press, 1988.
文献2:D.G. Caldwell, A. Razak, and MJ Goodwin. Braided pneumatic muscle actuators. In Proceedings of the IFAC Conference on Intelligent Autonomous Vehicles, pp. 507-512, 1993.
空気シリンダーと異なり、関節角が変化することによってトルクは非線形に変化する。
運動上の制約条件が常に不変であるという仮定の下では、空圧式エアマッスルの圧力は常に同じ均衡点での収縮割合ε(p)を与えることになる。すなわち、収縮割合ε(p)は、圧力pの関数となる。
Reference 1: K. Inoue. Rubbertuators and applications for robots. In Proceedings of the 4th international symposium on Robotics Research, pp. 57-63. MIT Press, 1988.
Reference 2: DG Caldwell, A. Razak, and MJ Goodwin. Braided pneumatic muscle actuators. In Proceedings of the IFAC Conference on Intelligent Autonomous Vehicles, pp. 507-512, 1993.
Unlike air cylinders, torque changes nonlinearly as joint angles change.
Under the assumption that the motion constraints are always unchanged, the pressure of the pneumatic air muscle will always give the contraction rate ε (p) at the same equilibrium point. That is, the shrinkage ratio ε (p) is a function of the pressure p.

このとき、このような「空圧式エアマッスルの駆動力モデル」の逆モデルは、機械学習により学習することができる。すなわち、所望の駆動力fを得るための圧力pを求めることに相当する。内部制御装置10は、このような圧力pをエアマッスルに与えるように、バルブを制御することで、所望の駆動力を出力させることになる。   At this time, an inverse model of the “pneumatic air muscle driving force model” can be learned by machine learning. That is, it corresponds to obtaining the pressure p for obtaining a desired driving force f. The internal control device 10 outputs a desired driving force by controlling the valve so as to apply such a pressure p to the air muscle.

例えば、ハートマン等は、動力学的な学習について、以下の文献で提案している。   For example, Hartman et al. Have proposed dynamic learning in the following literature.

文献3:Christoph Hartmann, Joschka Boedecker, Oliver Obst, Shuhei Ikemoto, and Minoru Asada. Real-time inverse dynamics learning for musculoskeletal robots based on echo state gaussian process regression. In Accepted at RSS 2012, 2012.
しかしながら、一般的には、運動上の制約条件をダイナミックに変更し、異なる外力Fと釣り合うので、この仮定は、上述したような外骨格型ロボットにおいては、厳密には成り立たない。
Reference 3: Christoph Hartmann, Joschka Boedecker, Oliver Obst, Shuhei Ikemoto, and Minoru Asada. Real-time inverse dynamics learning for musculoskeletal robots based on echo state gaussian process regression. In Accepted at RSS 2012, 2012.
However, in general, since the constraints on motion are dynamically changed and balanced with different external forces F, this assumption does not hold strictly in an exoskeleton robot as described above.

したがって、この場合の均衡点での収縮割合εは、圧力と外力の関数として、ε(p,F)と表現される。   Therefore, the contraction ratio ε at the equilibrium point in this case is expressed as ε (p, F) as a function of pressure and external force.

(腱スプリング均衡モデル)
上述したような液晶ポリマー繊維製のワイヤは、高強力高弾性率を有するので、通常は、張力に対して長さが変化しないとの近似がよく成り立つ。高強度・高弾性率繊維としては、ベクトラン(登録商標)のようなポリアリレート繊維の他に、たとえば、超高分子量ポリエチレン繊維、PBO繊維などがある。
(Tendon spring equilibrium model)
Since the wire made of the liquid crystal polymer fiber as described above has a high strength and a high elastic modulus, the approximation that the length does not change with respect to the tension usually holds well. Examples of the high-strength / high-modulus fiber include ultra high molecular weight polyethylene fiber and PBO fiber in addition to polyarylate fiber such as Vectran (registered trademark).

しかし、人間(たとえば、体重は60kgある)を保持するためには、空圧式エアマッスルは、張力として、典型的には、3000Nを生成する(最大値としては、たとえば、5000Nが必要になる)。   However, to hold a human (eg, weigh 60 kg), a pneumatic air muscle typically produces 3000 N as a tension (for example, a maximum of 5000 N is required). .

このような大きな力が加わると、たとえ、液晶ポリマー繊維製のワイヤ(腱ワイヤ)であっても、その伸長量が無視できず、均衡点を変化させてしまう。   When such a large force is applied, even if it is a wire (tendon wire) made of a liquid crystal polymer fiber, the extension amount cannot be ignored and the equilibrium point is changed.

以下では、図6(b)に示すように、腱ワイヤの伸長の影響を考慮したモデルを検討する。   Below, as shown in FIG.6 (b), the model which considered the influence of the expansion | extension of a tendon wire is examined.

そこで、液晶ポリマー繊維製の腱の力学モデルとして、以下に説明するような、線形の腱スプリング・モデルを導入する。   Therefore, a linear tendon spring model as described below is introduced as a mechanical model of a tendon made of liquid crystal polymer fiber.

f=kΔε (2)
すなわち、このモデルでは、腱ワイヤ(ポリアリレート繊維などの液晶ポリマー繊維製のワイヤ)は、バネに近似され、Δεは、力によって引き起こされた余分なエアマッスルの収縮であり、kはばね定数である。つまり、腱が力によって伸びる分、空圧式エアマッスルは、余分に収縮することが必要になる。このようにバネに近似される腱ワイヤのことを「腱スプリング」と呼ぶことにする。
f = kΔε (2)
That is, in this model, the tendon wire (wire made of liquid crystal polymer fiber such as polyarylate fiber) is approximated to a spring, Δε is the extra air muscle contraction caused by the force, and k is the spring constant. is there. In other words, the pneumatic air muscle needs to be contracted excessively as much as the tendon extends by force. Such a tendon wire approximated to a spring will be referred to as a “tendon spring”.

このような腱に相当するワイヤを、腱スプリングとして近似しない場合、空圧式エアマッスルの駆動力モデルg()は3つのパラメーター(そのうちの2つは依存関係にある)を備えた以下の二次式(3)で表される:   When the wire corresponding to such a tendon is not approximated as a tendon spring, the pneumatic air muscle driving force model g () has three parameters (two of which are dependent): Represented by equation (3):

ここで、
2次式の係数には、以下の関係が成り立つ。
here,
The following relationship holds for the coefficients of the quadratic expression.

均衡点で、駆動力fは、腱の伸長によって、以下のように減少する。 At the equilibrium point, the driving force f * decreases as follows due to the extension of the tendon.

ここで、g´()が腱スプリングの仮定の下での駆動力モデルであり、εは、見かけの収縮割合であり、εは、空圧式エアマッスルの実際の収縮割合であり、Δεは、空圧式エアマッスルの実際の収縮割合への付加項である。 Where g ′ () is the driving force model under the assumption of tendon spring, ε * is the apparent contraction rate, ε is the actual contraction rate of the pneumatic air muscle, and Δε is This is an additional term to the actual contraction ratio of the pneumatic air muscle.

式(2)から、Δε=f/k となる。 From equation (2), Δε = f * / k.

実際の収縮割合εは、上述したような外骨格型ロボットの検出機構124では、直接測定するのが困難である。したがって、その代りに、推定収縮割合εest(=ε+Δε)を使用する。収縮割合εは、以下の式のように、関節角から計算される。 It is difficult to directly measure the actual contraction ratio ε with the detection mechanism 124 of the exoskeleton robot as described above. Therefore, the estimated shrinkage ratio εest (= ε * + Δε) is used instead. The contraction ratio ε * is calculated from the joint angle as in the following equation.

ここで、Lは、関節角θ=0のときの空圧式エアマッスルの初期長さである。つまり、「見かけの収縮割合」とは、アクチュエータにより駆動される関節の角度変化から導かれる収縮割合であって、角度センサから検知できる量に基づく収縮割合であるのに対して、「実際の収縮割合」とは、駆動力fを生成するために、エアマッスルが現実に収縮している割合のことである。 Here, L 0 is the initial length of the pneumatic air muscle when the joint angle θ = 0. In other words, the “apparent contraction ratio” is a contraction ratio derived from a change in the angle of the joint driven by the actuator, and is based on an amount that can be detected by the angle sensor, whereas “actual contraction ratio”. The “ratio” is the rate at which the air muscle is actually contracted to generate the driving force f * .

収縮割合εにおいて、駆動力fが必要とされる場合、逆モデルg−1()から、必要な圧力pが、以下のようにして導出される。 When the driving force f * is required at the contraction ratio ε * , the necessary pressure p * is derived from the inverse model g −1 () as follows.

最小二乗アルゴリズムを使用して、既知の空圧式エアマッスルのデータから、空圧式エアマッスルパラメーターa、bおよびcを評価できる。 Pneumatic air muscle parameters a, b and c can be estimated from known pneumatic air muscle data using a least squares algorithm.

さらに、たとえば、キャリブレーション実験で、1自由度システムによって均衡点駆動力を測定する際に、バネ定数kについては、手動で調整することで最適値を実験的に求めることができる。   Furthermore, for example, when the equilibrium point driving force is measured by a one-degree-of-freedom system in a calibration experiment, an optimum value can be experimentally obtained by manually adjusting the spring constant k.

運動をアシストする主要なトルク(所定の周波数以下の成分のトルク、たとえば、直流成分のトルク)は、空圧式エアマッスルによって供給され、実際のトルクτPAMsは、ロードセルにより測定することができる。上述したように、高周波トルク(所定の周波数を超える成分のトルク:交流成分のトルク)は電動モータによって生成される。 The main torque that assists the motion (torque of a component below a predetermined frequency, for example, DC component torque) is supplied by a pneumatic air muscle, and the actual torque τ PAMs can be measured by a load cell. As described above, high-frequency torque (component torque exceeding a predetermined frequency: torque of AC component) is generated by the electric motor.

したがって、モータのトルクは以下の式(7)のように表現される。   Therefore, the torque of the motor is expressed as the following equation (7).

以上のようにして、腱スプリングモデルを腱ワイヤに適用することにより、関節角と腱ワイヤに印加される駆動力を検知する構成において、空圧式エアマッスルの駆動力を正しく反映した逆モデルを、たとえば、機械学習により、構築することが可能となる。その結果、空電アクチュエータを制御する際に、以下に説明するように、その周波数応答性を向上させることが可能となる。
(起立動作を支援する鉛直力の生成)
以下では、外骨格型ロボットにより、鉛直方向の運動、たとえば、起立動作を支援する構成について説明する。
As described above, by applying the tendon spring model to the tendon wire, in the configuration for detecting the joint angle and the driving force applied to the tendon wire, the inverse model that correctly reflects the driving force of the pneumatic air muscle is For example, it can be constructed by machine learning. As a result, when controlling the aeroelectric actuator, it is possible to improve the frequency response as described below.
(Generation of vertical force to support standing motion)
Hereinafter, a configuration for supporting vertical motion, for example, standing motion by the exoskeleton type robot will be described.

鉛直方向の運動を支援する外骨格型ロボットの力(アシスト力)は、次のように生成される。   The force (assist force) of the exoskeleton robot that supports the vertical movement is generated as follows.

ここでJは、ロボットによるアシスト力と外骨格型ロボットの各関節へのトルクとを関連付けるヤコビ行列であり、Fは、起立動作を支援する仮想力Fである。 Here, J is a Jacobian matrix that associates the assist force by the robot and the torque to each joint of the exoskeleton robot, and F is a virtual force F that supports the standing motion.

ここでは、鉛直方向の力のみを考慮し、水平方向の力は、ユーザーの上体の動作によって生成されると考える。   Here, only the force in the vertical direction is considered, and the force in the horizontal direction is considered to be generated by the motion of the user's upper body.

図7は、うずくまっている姿勢(図7(a))および直立姿勢(図7(b))における外骨格型ロボットの各関節と、空圧式エアマッスルの状態を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing the state of each joint of the exoskeleton robot and the pneumatic air muscle in a crouched posture (FIG. 7A) and an upright posture (FIG. 7B).

図7(a)に示すように、より低くうずくまっている姿勢では、空圧式アクチュエータは大きな張力を生成する。   As shown in FIG. 7 (a), the pneumatic actuator generates a large tension in a lower crouching posture.

図7(b)に示すように、直立姿勢では、バランスをとり姿勢を保持するために必要とされるトルクは、小さい。   As shown in FIG. 7B, in the upright posture, the torque required for balancing and maintaining the posture is small.

図8は、空圧式エアマッスルの収縮割合と駆動力との作動範囲を比較して示す図である。   FIG. 8 is a diagram comparing the operating range of the contraction ratio and the driving force of the pneumatic air muscle.

図8では、腱スプリング・モデル有りのモデルおよび腱スプリング・モデルなしの空圧式アクチュエータモデル(PAMオリジナルモデル)を比較して示し、各収縮割合で発生する力の測定結果も示す。図中、vは、圧力制御バルブの制御電圧を表し、エアマッスル内の圧力と比例関係を有する。   FIG. 8 shows a comparison between a model with a tendon spring model and a pneumatic actuator model without a tendon spring model (PAM original model), and also shows the measurement results of the force generated at each contraction ratio. In the figure, v represents the control voltage of the pressure control valve and has a proportional relationship with the pressure in the air muscle.

腱スプリングモデルを考慮することにより、トルク制御器は、特に、駆動力の大きな範囲で、測定された駆動力をよく再現しているのがわかる。   By considering the tendon spring model, it can be seen that the torque controller reproduces the measured driving force well, especially in the large driving force range.

図9は、1自由度システムを使用して観察されるトルク制御器の応答特性を示す図である。   FIG. 9 is a diagram illustrating the response characteristics of the torque controller observed using the one degree of freedom system.

図9においては、制御目標としての入力である所望のトルクはサイン波であり、空圧式エアマッスルのみの特性を考慮した場合と、腱スプリングモデルとを比較して示す。   In FIG. 9, the desired torque, which is an input as a control target, is a sine wave, and the case where the characteristics of only the pneumatic air muscle are considered and the tendon spring model are compared and shown.

反力を発生するエアマッスル(伸筋)の圧力を最大値(0.6Mpa)に維持した状態で、屈筋のエアマッスルにサイン波のトルクを発生させるように、制御器に信号を入力している。このような信号入力により、関節が駆動される。   With the pressure of the air muscle (extension) that generates the reaction force maintained at the maximum value (0.6 Mpa), input a signal to the controller to generate a sinusoidal torque in the flexor air muscle. Yes. The joint is driven by such a signal input.

図9では、腱スプリングモデルにおいて、周波数応答における時間遅れをほぼ変化させることなく、より所望のトルクに近いトルクを発生できていることがわかる。   FIG. 9 shows that in the tendon spring model, a torque closer to the desired torque can be generated without substantially changing the time delay in the frequency response.

なお、図9では、腱スプリングを考慮しない従来のエアマッスルのみのモデル(PAMオリジナルモデル)との対比のために、空圧式エアマッスルを駆動させることによる腱スプリングモデルの時間応答を比較している。ただし、空電ハイブリッド駆動の場合、上述のとおり、所望のトルクとエアマッスルの駆動力によるトルクと誤差は、電動モータによるトルクによりカバーされるので、空電ハイブリッド駆動では、トータルのトルクとしては、所望のトルクを得ることができる。   In addition, in FIG. 9, the time response of the tendon spring model by driving a pneumatic air muscle is compared for the comparison with the conventional air muscle only model (PAM original model) which does not consider a tendon spring. . However, in the case of the air / electric hybrid drive, as described above, the torque and the error due to the desired torque and the driving force of the air muscle are covered by the torque of the electric motor. A desired torque can be obtained.

図10は、空電ハイブリッド式アクチュエータの1自由度の腕のエンドエフェクタの端部に錘がつりさげられた状態での重力補正タスクを示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing a gravity correction task in a state where a weight is suspended from the end of the end effector of the arm having one degree of freedom of the static electricity hybrid actuator.

空電ハイブリッド式アクチュエータとしては、図4に示した構成のものを使用する。   A pneumatic hybrid actuator having the configuration shown in FIG. 4 is used.

各図は、動画から、残像のある静止画として抽出したものである。   Each figure is extracted from a moving image as a still image with an afterimage.

図10(a)に示すように、10kgの錘を吊り下げている状態で、腱スプリングモデルを利用した制御器で、重力を補償して、腕を下方に向く角度としておく。   As shown in FIG. 10A, in a state where a 10 kg weight is suspended, a controller using a tendon spring model compensates for gravity so that the arm faces downward.

次に、図10(b)に示すように、指1本でも、腕を上方向に動かすことが可能である。   Next, as shown in FIG. 10B, even with one finger, the arm can be moved upward.

さらに、図10(c)に示すように、重力が補償されているため、腕は、上方を向く角度のまま、静止する。   Furthermore, as shown in FIG. 10 (c), since the gravity is compensated, the arm stops at an angle facing upward.

ここで、このような制御器は、位置/アングル制御器ではなく、あくまで、トルク制御器であるにも関わらず、図10(a)〜(c)のような動きをすることが可能である。   Here, although such a controller is not a position / angle controller but a torque controller, it can move as shown in FIGS. 10 (a) to 10 (c). .

図11は、外骨格型ロボットが、2つの異なる運動模型を切り替える重力補正によって達成された、起立タスクを支援する動作を示す図である。   FIG. 11 is a diagram illustrating an operation for supporting a standing task, which is achieved by gravity correction in which an exoskeleton robot switches two different motion models.

図11(a)〜(b)に示すように、腰かけた状態を初期状態とすると、初めは、外骨格型ロボットは、ロボットの運動のみを考慮して、ロボット重量に対するトルクを生成する。   As shown in FIGS. 11A to 11B, when the sitting state is an initial state, the exoskeleton robot first generates a torque with respect to the robot weight in consideration of only the movement of the robot.

次に、図11(c)に示すように、運動モデルを、ロボットと人間の脚との双方を考慮したものに切り替えることで、人間は、上方向へのアシスト力を受け取ることになり、ユーザは、起立動作をアシストされる。   Next, as shown in FIG. 11 (c), by switching the motion model to one that considers both the robot and the human leg, the human receives the assist force in the upward direction. Is assisted in standing motion.

以上説明したように、以上、本実施の形態によれば、空圧の人工筋(エアマッスル)と電動モータとを組み合わせ、駆動力の伝達機構を軽量化して、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型ロボットを提供できる。   As described above, according to the present embodiment, the pneumatic artificial muscle (air muscle) and the electric motor are combined, the driving force transmission mechanism is reduced in weight, and the walking and posture function recovery and assistance are achieved. It is possible to provide an exoskeleton type robot that can accurately control the high load torque required for the operation.

より特定的には、本実施の形態の外骨格型ロボットを、下肢の運動のアシストに使用することで、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。   More specifically, by using the exoskeleton robot of the present embodiment for assisting the movement of the lower limbs, it has the effect of being able to appropriately support the movement of the trunk and lower limbs, and can be used for walking and posture. It is useful as an external bone type robot for rehabilitation.

また、以上の説明では、外骨格ロボットを例にとって説明してきたが、本発明はこのような場合に限定されず、フレーム構造(たとえば、ロボットアームの骨格構造)とこのフレーム構造の各能動関節を空電ハイブリッド駆動するロボットであれば、適用可能なものである。たとえば、重量物を搬送することの多い作業現場などにおいて、作業者とは独立してその重量物を懸下することで重量物の重さを軽減し、作業者による重量物の所望の方向への移動と正確な組み付けを可能とするパワーアシストロボットなどにも適用することが可能である。   In the above description, the exoskeleton robot has been described as an example. However, the present invention is not limited to such a case, and the frame structure (for example, the skeleton structure of the robot arm) and each active joint of the frame structure are described. Any robot can be applied as long as the robot is driven by an electrostatic hybrid. For example, in a work site where heavy objects are frequently transported, the weight of the heavy object is reduced by hanging the heavy object independently of the operator, and the operator can move the heavy object in a desired direction. It can also be applied to power assist robots that enable accurate movement and assembly.

今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。   Embodiment disclosed this time is an illustration of the structure for implementing this invention concretely, Comprising: The technical scope of this invention is not restrict | limited. The technical scope of the present invention is shown not by the description of the embodiment but by the scope of the claims, and includes modifications within the wording and equivalent meanings of the scope of the claims. Is intended.

1 外骨格型ロボット、10 内部制御装置、11 I/F部、12 外骨格、20 外部制御装置、121 ベース、122 下半身、123 能動関節、124 検出機構、131 記録処理部、132 記憶装置、133 計測装置、134 制御部、135 出力装置、302,304 エアマッスル、310 プーリー付回転関節、312 電動モータ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Exoskeleton type robot, 10 Internal controller, 11 I / F part, 12 Exoskeleton, 20 External controller, 121 Base, 122 Lower body, 123 Active joint, 124 Detection mechanism, 131 Recording processing part, 132 Storage device, 133 Measuring device, 134 control unit, 135 output device, 302, 304 air muscle, 310 rotary joint with pulley, 312 electric motor.

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、軽量化を実現しつつ、正確なトルク御を達成することが可能な駆動機構を提供することである。 The present invention was made to solve the above problems, while realizing weight reduction, it is to provide a driving mechanism capable of achieving your accurate torque system.

この発明の1つの局面に従うと、ロボットのフレーム構造の能動関節を駆動するための駆動機構であって、能動関節の関節角を検出するための第1のセンサと、能動関節に対するトルク制御により能動関節を動作させる制御部とを備え、能動関節は、エアマッスルと、電動モータと、エアマッスルからの第1の駆動力と電動モータからの第2の駆動力とを合成して能動関節の屈伸を駆動するための駆動力合成手段と、エアマッスルからの第1の駆動力を駆動力合成手段に伝達するためのワイヤとを含み、制御部は、能動関節をトルク制御するにあたり、ワイヤを所定のバネ定数で表されるバネとした力学モデルで表現し、第1の駆動力を、エアマッスルに供給するべき圧力およびエアマッスルの収縮割合との関係を表す所定の関数による駆動力モデルで表現する場合に、能動関節に目標トルクを生じさせるための第1の駆動力を目標駆動力とするとき、第1のセンサにより検出される関節角から算出される見かけの収縮割合から力学モデルを用いて得られる推定収縮割合と目標駆動力とに基づき、駆動力モデルの逆モデルにより、エアマッスルに供給するべき圧力を算出して、エアマッスルに加える圧力を制御する。 According to one aspect of the present invention , there is provided a driving mechanism for driving an active joint of a robot frame structure, the first sensor for detecting a joint angle of the active joint , and active by torque control on the active joint. A control unit for operating the joint, and the active joint is composed of an air muscle, an electric motor, and a first driving force from the air muscle and a second driving force from the electric motor to bend and stretch the active joint. And a wire for transmitting the first driving force from the air muscle to the driving force synthesizing unit, and the control unit determines the wire when torque controlling the active joint. represented by dynamic models a spring represented by the spring constant of the first driving force, driving by a predetermined function representing the relationship between the contraction ratio of the pressure and the air muscle to be supplied to the air Muscle When expressed as a model, when the first driving force for generating the target torque in the active joint is set as the target driving force, the dynamics are calculated from the apparent contraction ratio calculated from the joint angle detected by the first sensor. Based on the estimated contraction ratio obtained by using the model and the target driving force, the pressure to be supplied to the air muscle is calculated by the inverse model of the driving force model, and the pressure applied to the air muscle is controlled.

好ましくは、駆動力モデルの所定の関数は、エアマッスルによる第1の駆動力を、エアマッスルに供給される圧力とエアマッスルの収縮割合との所定の多項式で表現したものであり、逆モデルは、駆動モデルに基づいて機械学習により構築される。 Preferably, the predetermined function of the driving force model is the first driving force by the air muscle expressed by a predetermined polynomial between the pressure supplied to the air muscle and the contraction ratio of the air muscle, and the inverse model is It is constructed by machine learning based on the drive model.

好ましくは、制御部は、第2のセンサにより検出された第1の駆動力に基づいて、力学モデルにより、見かけの収縮割合から推定収縮割合を算出する。 Preferably, the control unit calculates an estimated contraction ratio from an apparent contraction ratio using a dynamic model based on the first driving force detected by the second sensor.

好ましくは、エアマッスルは、流体袋と、流体袋が埋め込まれたらせん状のファイバーとを含み、圧縮空気が送り込まれて流体袋が膨張すると、長手方向に収縮し、駆動力モデルは、エアマッスルに供給される圧力と、エアマッスルの収縮割合と、常圧におけるエアマッスルの径と、らせん状のファイバーの収縮方向に対する巻方向の傾きの角度との関数である。 Preferably, the air muscle includes a fluid bag and a spiral fiber in which the fluid bag is embedded, and when the compressed air is fed and the fluid bag expands, the air muscle contracts in the longitudinal direction. Is a function of the pressure supplied to the air, the contraction ratio of the air muscle, the diameter of the air muscle at normal pressure, and the angle of inclination of the winding direction with respect to the contraction direction of the spiral fiber.

この発明の他の局面に従うと、ロボットのフレーム構造の関節に所定の領域の周波数成分のトルクを与えるための駆動機構であって、トルクに対応する駆動力を生成するためのエアマッスルと、関節の関節角を検出するための角度センサと、エアマッスルからの駆動力を関節に伝達するためのワイヤと、トルク制御により関節を動作させる制御部とを備え、制御部は、関節をトルク制御するにあたり、ワイヤを所定のバネ定数で表されるバネとした力学モデルで表現し、駆動力を、エアマッスルに供給するべき圧力およびエアマッスルの収縮割合との関係を表す所定の関数による駆動力モデルで表現する場合に、関節に目標トルクを生じさせるための駆動力を目標駆動力とするとき、角度センサにより検出される関節角から算出される見かけの収縮割合から力学モデルを用いて得られる推定収縮割合と目標駆動力とに基づき、駆動力モデルの逆モデルにより、エアマッスルに供給するべき圧力を算出して、エアマッスルに加える圧力を制御する。According to another aspect of the present invention, there is provided a drive mechanism for applying a torque having a frequency component in a predetermined region to a joint of a robot frame structure, an air muscle for generating a drive force corresponding to the torque, and a joint An angle sensor for detecting the joint angle of the wire, a wire for transmitting the driving force from the air muscle to the joint, and a control unit for operating the joint by torque control. The control unit torque-controls the joint In this case, the driving force model is expressed by a predetermined function that expresses the relationship between the pressure to be supplied to the air muscle and the contraction ratio of the air muscle by expressing the wire as a spring expressed by a predetermined spring constant. When the driving force for generating the target torque in the joint is used as the target driving force, the appearance calculated from the joint angle detected by the angle sensor Based from shrinkage percentage upon the estimated shrinkage ratio and the target driving force obtained by using a dynamic model, the inverse model of the driving force model to calculate the pressure to be supplied to the air muscle, controls the pressure applied to the air muscle.

本発明によれば、アクチュエータによる駆動力の伝達機構を軽量化して、高負荷トルクを正確に制御できる駆動機構を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the transmission mechanism of the driving force by an actuator can be reduced in weight, and the drive mechanism which can control a high load torque correctly can be provided.


Claims (6)

フレーム構造と、
前記フレーム構造を可動とするように配置されている能動関節と、
前記能動関節に対するトルク制御により前記能動関節を動作させる制御部とを備え、
各前記能動関節は、
エアマッスルと、
電動モータと、
前記エアマッスルからの第1の駆動力と前記電動モータからの第2の駆動力とを合成して前記能動関節の屈伸を駆動するための駆動力合成手段と、
前記エアマッスルからの前記第1の駆動力を前記駆動力合成手段に伝達するためのワイヤとを含み、
前記制御部は、
前記ワイヤを所定のバネ定数で表されるバネとした力学モデルと前記エアマッスルの収縮割合に対する前記第1の駆動力の所定の関係を表す駆動力モデルとの組合せの逆モデルにより、前記第1の駆動力を生成するために前記エアマッスルに加える圧力を制御する、パワーアシストロボット。
Frame structure,
An active joint arranged to make the frame structure movable;
A control unit for operating the active joint by torque control on the active joint,
Each active joint is
Air muscle,
An electric motor;
Driving force combining means for driving the bending and extension of the active joint by combining the first driving force from the air muscle and the second driving force from the electric motor;
A wire for transmitting the first driving force from the air muscle to the driving force combining means;
The controller is
An inverse model of a combination of a dynamic model in which the wire is a spring represented by a predetermined spring constant and a driving force model that represents a predetermined relationship of the first driving force with respect to a contraction ratio of the air muscle. A power assist robot that controls a pressure applied to the air muscle to generate a driving force.
各前記能動関節の関節角を検出するための第1のセンサをさらに備え、
前記制御部は、
前記第1のセンサの検出結果により、前記エアマッスルの前記収縮割合を検知する、請求項1記載のパワーアシストロボット。
A first sensor for detecting a joint angle of each active joint;
The controller is
The power assist robot according to claim 1, wherein the contraction ratio of the air muscle is detected based on a detection result of the first sensor.
各前記エアマッスルにおいて、前記エアマッスルと前記ワイヤとの接合部に設けられ、前記エアマッスルからの前記第1の駆動力の大きさを検出するための第2のセンサをさらに備え、
前記制御部は、
前記第2のセンサの検出結果に応じて、前記エアマッスルの前記第1の駆動力および前記電動モータからの前記第2の駆動力とを制御する、請求項1または2記載のパワーアシストロボット。
Each of the air muscles further includes a second sensor that is provided at a joint between the air muscle and the wire and detects the magnitude of the first driving force from the air muscle,
The controller is
The power assist robot according to claim 1, wherein the first driving force of the air muscle and the second driving force from the electric motor are controlled according to a detection result of the second sensor.
前記パワーアシストロボットは、対象となる人間の筋骨格系運動の支援をするための外骨格型ロボットであって、
前記フレーム構造は、外骨格に対応し、
前記能動関節は、前記筋骨格系運動における前記対象となる人間の関節の各位置に対応して前記フレーム構造を可動とするように配置されている、請求項2に記載のパワーアシストロボット。
The power assist robot is an exoskeleton type robot for supporting a target human musculoskeletal movement,
The frame structure corresponds to an exoskeleton,
The power assist robot according to claim 2, wherein the active joint is arranged so that the frame structure can be moved corresponding to each position of the target human joint in the musculoskeletal motion.
前記エアマッスルは、
流体袋と、
前記流体袋が埋め込まれたらせん状のファイバーとを含み、
圧縮空気が送り込まれて前記流体袋が膨張すると、長手方向に収縮し、
前記駆動力モデルは、前記エアマッスルの収縮割合と、常圧における前記エアマッスルの径と、前記らせん状のファイバーの収縮方向に対する巻方向の傾きの角度との関数である、請求項4記載のパワーアシストロボット。
The air muscle is
A fluid bag;
A spiral fiber embedded with the fluid bag,
When compressed air is fed and the fluid bag expands, it contracts in the longitudinal direction,
The driving force model is a function of a contraction ratio of the air muscle, a diameter of the air muscle at normal pressure, and an inclination angle of a winding direction with respect to a contraction direction of the spiral fiber. Power assist robot.
前記ワイヤは、液晶ポリマー繊維製である、請求項1または2記載のパワーアシストロボット。   The power assist robot according to claim 1 or 2, wherein the wire is made of liquid crystal polymer fiber.
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