JP2017046977A - Synchronization control method of robotic wear using neural oscillator, computer program for synchronization control, and robotic wear - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を股関節および膝関節に与える人体装着型のロボティックウエアに関し、特に、下肢４関節の歩行動作支援を、神経振動子を用いた同調制御により適切に行うことのできる同調制御方法、同調制御用コンピュータプログラムおよびロボティックウエアに関する。 The present invention relates to a human-wearable robotic wear that provides an assisting force for assisting human walking motion to a hip joint and a knee joint, and in particular, assisting walking motion of four lower limb joints by synchronization control using a neural oscillator. The present invention relates to a tuning control method, a computer program for tuning control, and a robotic wear that can be performed on a computer.
高齢化社会にある日本において、リハビリや介護、歩行補助を目的とした人体装着型のロボットが盛んに研究開発されている。リハビリ支援と自立動作支援を目的としたロボットスーツＨＡＬ、高齢者の歩行機能改善を目的としたリズム歩行アシスト、対麻痺患者の歩行補助を目的とした藤田保険衛生大学のＷＰＡＬ、人工膝関節置換術後のリハビリを目的とした歩行リハビリ支援システムＫＡＩ−Ｒなどが例として挙げられる。本発明者等も、軽量で装着性に優れた非外骨格型のロボティックウエアを開発してきた（特許文献１）。 In Japan, which is an aging society, human-worn robots are actively researched and developed for rehabilitation, nursing care, and walking assistance. Robot suit HAL for the purpose of rehabilitation support and self-supporting movement, rhythm walking assist for improving walking function of the elderly, WPAL of Fujita Health University for the purpose of assisting paraplegic patients, artificial knee joint replacement An example is a walking rehabilitation support system KAI-R for the purpose of later rehabilitation. The present inventors have also developed non-exoskeleton type robotic wear that is lightweight and excellent in wearability (Patent Document 1).
一方、制御面においては、脊椎動物の中枢神経系をモデル化した神経振動子（松岡モデル）によって周期運動をおこなう２足あるいは４足歩行ロボットなどの研究が進められ、神経振動子モデル（非特許文献１）は、それらの多くの研究に用いられている。また、本発明者等は、先行研究で開発された人体装着型ロボティックスーツ、ロボティックウエアの制御においても、松岡モデルを採用し、ヒトとロボットの同調制御を実現している（非特許文献２、３、特許文献２、３）。 On the other hand, in terms of control, research on biped or quadruped walking robots that perform periodic motions using neural oscillators (Matsuoka model) that model the central nervous system of vertebrates has been promoted. Reference 1) is used in many of these studies. In addition, the present inventors have also adopted the Matsuoka model in the control of human-mounted robotic suits and robotic wear developed in previous research, and achieved synchronized control of humans and robots (non-patent literature) 2, 3, Patent Documents 2, 3).
しかしながら、ヒトの歩行時における膝関節は接地時の衝撃を吸収するための特徴的な運動軌道を描いて動作しており、股関節の運動軌道とは全く異なる。つまり、股関節と同様な歩行用の制御軌道ではロボット装着者の膝関節に違和感を与える。したがって、神経振動子を用いて、この膝関節の制御軌道を生成することが必要である。 However, the knee joint during human walking operates while drawing a characteristic motion trajectory for absorbing the impact at the time of ground contact, and is completely different from the motion trajectory of the hip joint. That is, the walking control trajectory similar to that of the hip joint gives a discomfort to the knee joint of the robot wearer. Therefore, it is necessary to generate the control trajectory of the knee joint using a neural oscillator.
本発明の課題は、この点に鑑みて、歩行時における膝関節の特徴的な運動軌跡を神経振動子による制御軌道として生成することのできるロボティックウエアの神経振動子を用い
た同調制御方法および同調制御用コンピュータプログラムを提案することにある。
In view of this point, an object of the present invention is to provide a tuning control method using a neural oscillator of robotic wear that can generate a characteristic motion trajectory of a knee joint during walking as a control trajectory by the neural oscillator, and The object is to propose a computer program for tuning control.
また、本発明の課題は、運動周期が異なる神経振動子が混在する下肢４関節に装着される関節アクチュエータの駆動制御を適切に行うことのできるロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御方法および同調制御用コンピュータプログラムを提案することにある。 Another object of the present invention is to provide a tuning control method using a robotic wear neural oscillator capable of appropriately performing drive control of a joint actuator attached to four joints of lower limbs in which neural oscillators having different motion cycles are mixed. And to propose a computer program for tuning control.
さらに、本発明の課題は、新たな同調性制御方法あるいは同調制御用コンピュータプログラムによって駆動制御されるロボティックウエアを提供することにある。 A further object of the present invention is to provide a roboticware that is driven and controlled by a new tuning control method or a computer program for tuning control.
本発明においては、ヒトの膝関節は衝撃を吸収するために特徴的な運動軌道を描くことに着目し、それを１歩行周期の間に、１歩行運動を構成する立脚相および遊脚相からなる異なる振幅の２周期運動と捉えて膝関節の軌道制御を行うようにしている。すなわち、本発明では、膝関節神経振動子出力の極小値間の信号に対して適切な振幅倍率とオフセット値を与えることによって、振幅の異なる立脚相１周期波形と遊脚相１周期波形とが滑らかに接続された２周期波形によって規定される膝関節制御軌道を生成するようにしている。 In the present invention, attention is paid to the fact that the human knee joint draws a characteristic motion trajectory in order to absorb the shock, and this is expressed from the stance phase and the free leg phase constituting one walking motion during one walking cycle. The trajectory control of the knee joint is performed by considering the two-cycle motion with different amplitudes. That is, in the present invention, by giving an appropriate amplitude magnification and offset value to the signal between the minimum values of the knee joint neural oscillator output, the stance phase 1-cycle waveform and the swing phase 1-cycle waveform having different amplitudes are obtained. The knee joint control trajectory defined by the smoothly connected two-cycle waveform is generated.
また、本発明では、膝関節神経振動子出力の極小値間の信号波形が立脚相、遊脚相のいずれに該当するのかの判定を、極小値が得られる時点の股関節神経振動子出力の正負によって行うようにしている。 Further, in the present invention, it is determined whether the signal waveform between the minimum values of the knee joint neural oscillator output corresponds to the stance phase or the free leg phase. To do so.
さらに、神経振動子は同調という性質を持つので、一定の振幅倍率およびオフセット値を用いて生成された立脚相および遊脚相の波形を接続することによって得られる２周期波形の継ぎ目には誤差が生じる。これを解消するために、本発明においては、継ぎ目誤差を解消して滑らかな継ぎ目となるように波形修正を施す（誤差補正を行う）ようにしている。 Furthermore, since the neural oscillator has the property of tuning, there is an error in the joint of the two-period waveform obtained by connecting the stance phase and swing phase waveforms generated by using a constant amplitude magnification and offset value. Arise. In order to solve this problem, in the present invention, the waveform correction is performed (error correction is performed) so that the seam error is eliminated and a smooth seam is obtained.
具体的に説明すると、本発明は、ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を股関節および膝関節に伝える股関節アクチュエータおよび膝関節アクチュエータを備えた人体装着型のロボティックウエアの制御を、神経振動子を用いた同調制御により行う同調制御方法および同調制御用コンピュータプログラムであって、
ヒトの歩行時に股関節と股関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、股関節神経振動子を用いた同調制御により、股関節アクチュエータを所定の股関節制御軌道を描くように駆動制御し、
前記歩行時に膝関節と膝関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、膝関節神経振動子を用いた同調制御により、膝関節アクチュエータを所定の膝関節制御軌道を描くように駆動制御し、
前記股関節制御軌道の１周期をヒトの１歩行周期に対応するように設定し、
前記膝関節制御軌道を、前記股関節制御軌道の１周期を２周期とする２周期制御軌道に設定し、
前記股関節制御軌道の各１周期分の軌道波形に対応する前記膝関節制御軌道の２周期分の軌道波形が、ヒトの１歩行運動の立脚相および遊脚相の動きに対応するように、一方の立脚相軌道波形の振幅を、他方の遊脚相軌道波形の振幅に比べて小さくなるように設定することを特徴としている。
More specifically, the present invention relates to the control of a human wearable robotic wear equipped with a hip joint actuator and a knee joint actuator for transmitting an assist force for assisting human walking motion to the hip joint and the knee joint. A tuning control method performed by tuning control used and a computer program for tuning control,
Based on the interaction force generated between the hip joint and the hip joint actuator during human walking, the hip joint actuator is driven and controlled to draw a predetermined hip joint control trajectory by synchronous control using the hip joint neural oscillator,
Based on the interaction force generated between the knee joint and the knee joint actuator during walking, the knee joint actuator is driven and controlled to draw a predetermined knee joint control trajectory by synchronous control using the knee joint neural oscillator,
One cycle of the hip joint control trajectory is set to correspond to one human walking cycle,
The knee joint control trajectory is set to a two-cycle control trajectory in which one cycle of the hip joint control trajectory is two cycles,
The trajectory waveform for two cycles of the knee joint control trajectory corresponding to the trajectory waveform for one cycle of the hip joint control trajectory corresponds to the movement of the stance phase and the free leg phase of one human walking motion. The amplitude of the stance phase trajectory waveform is set to be smaller than the amplitude of the other swing phase trajectory waveform.
具体的な膝関節制御軌道の生成手順は次の通りである。まず、前記股関節神経振動子の自励振動を規定する股関節基本波形を設定する。次に、前記膝関節神経振動子の自励振動を規定する膝関節基本波形を、前記股関節基本波形の周期の１／２の周期を有するように設定する。次に、前記膝関節神経振動子の出力信号における前記立脚相に対応する立脚相
波形部分および遊脚相波形部分に対して、予め設定されている振幅倍率とオフセット値をそれぞれ与えて、前記立脚相軌道波形および前記遊脚相軌道波形を備えた膝関節制御軌道を規定する制御信号波形を生成する。
A specific procedure for generating the knee joint control trajectory is as follows. First, a hip joint basic waveform defining self-excited vibration of the hip joint neural oscillator is set. Next, a knee joint basic waveform that defines self-excited vibration of the knee joint neural oscillator is set to have a period that is ½ of the period of the hip joint basic waveform. Next, a preset amplitude magnification and an offset value are respectively given to the stance phase waveform portion and the swing phase phase portion corresponding to the stance phase in the output signal of the knee joint neural oscillator, and the stance phase A control signal waveform defining a knee joint control trajectory having a phase trajectory waveform and the swing leg phase trajectory waveform is generated.
立脚相波形部分と遊脚相波形部分を判別するために、まず、前記膝関節神経振動子の出力信号の極小点を判別する。次に、前記極小点のそれぞれについて、対応する時点における前記股関節神経振動子の出力信号の振幅値を判別する。そして、前記振幅値に基づき、前記膝関節神経振動子の出力信号の各極小点間が前記立脚相波形部分および前記遊脚相波形部分のいずれであるかを判別する。 In order to discriminate between the stance phase waveform portion and the swing phase phase portion, first, the minimum point of the output signal of the knee joint neural oscillator is discriminated. Next, for each of the local minimum points, the amplitude value of the output signal of the hip joint neural oscillator at the corresponding time point is determined. Then, based on the amplitude value, it is determined which of the stance phase waveform portion and the swing phase phase portion is between the local minimum points of the output signal of the knee joint neural oscillator.
ここで、前記制御信号波形における前記立脚相波形部分と前記遊脚相波形部分との間の継ぎ目部分が一致していない場合に、当該継ぎ目部分が滑らかに連続する継ぎ目部分となるように、波形修正を施すようにする。 Here, when the joint portion between the stance phase waveform portion and the free leg phase waveform portion in the control signal waveform does not match, the waveform is formed so that the joint portion becomes a smoothly continuous joint portion. Make corrections.
下肢４関節用のロボティックウエアの場合には、前記ロボティックウエアは、前記股関節アクチュエータとしてヒトの左右の股関節にアシスト力を与える左股関節アクチュエータおよび右股関節アクチュエータと、前記膝関節アクチュエータとしてヒトの左右の膝関節にアシスト力を与える左膝関節アクチュエータおよび右膝関節アクチュエータとを備えている。この場合には、前記左股関節アクチュエータおよび前記右股関節アクチュエータを、相互に逆位相の前記股関節制御軌道を描くように駆動制御する。また、前記左膝関節アクチュエータおよび前記右膝関節アクチュエータを、相互に１周期分位相がずれた状態で前記膝関節制御軌道を描くように駆動制御する。 In the case of the robotic wear for the four joints of the lower limbs, the robotic wear includes a left hip joint actuator and a right hip joint actuator that apply assist force to the left and right hip joints of the human as the hip joint actuator, and a human right and left as the knee joint actuator. A left knee joint actuator and a right knee joint actuator for applying an assist force to the knee joint. In this case, the left hip joint actuator and the right hip joint actuator are driven and controlled so as to draw the hip joint control trajectories in opposite phases. Further, the left knee joint actuator and the right knee joint actuator are driven and controlled so as to draw the knee joint control trajectory in a state where phases are shifted from each other by one cycle.
次に、本発明のロボティックウエアは、
ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を股関節に与える股関節アクチュエータと、
ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を膝関節に伝える膝関節アクチュエータと、
前記股関節アクチュエータおよび前記膝関節アクチュエータを制御する同調制御装置と、
を有しており、
前記同調制御装置は、
ヒトの歩行時に股関節と股関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、股関節神経振動子を用いた同調制御により、股関節アクチュエータを所定の股関節制御軌道を描くように駆動制御する股関節制御部と、
前記歩行時に膝関節と膝関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、膝関節神経振動子を用いた同調制御により、膝関節アクチュエータを所定の膝関節制御軌道を描くように駆動制御する膝関節制御部と、
を備えており、
前記股関節制御軌道の１周期をヒトの１歩行周期に対応するように設定されており、
前記膝関節制御軌道を、前記股関節制御軌道の１周期を２周期とする２周期制御軌道に設定されており、
前記股関節制御軌道の各１周期分の軌道波形に対応する前記膝関節制御軌道の２周期分の軌道波形が、ヒトの１歩行運動の立脚相および遊脚相の動きに対応するように、一方の立脚相軌道波形の振幅を、他方の遊脚相軌道波形の振幅に比べて小さくなるように設定されていることを特徴としている。
Next, the robotic wear of the present invention is
A hip joint actuator that gives the hip joint an assisting force to assist human walking movement;
A knee joint actuator that transmits to the knee joint an assist force that assists human walking movements;
A tuning control device for controlling the hip joint actuator and the knee joint actuator;
Have
The tuning control device includes:
A hip joint control unit that drives and controls the hip joint actuator so as to draw a predetermined hip joint control trajectory by synchronous control using the hip joint neural oscillator based on the interaction force generated between the hip joint and the hip joint actuator during human walking;
A knee joint that drives and controls the knee joint actuator to draw a predetermined knee joint control trajectory by synchronous control using the knee joint neural oscillator based on the interaction force generated between the knee joint and the knee joint actuator during walking. A control unit;
With
One cycle of the hip joint control trajectory is set to correspond to one human walking cycle,
The knee joint control trajectory is set to a two-cycle control trajectory in which one cycle of the hip joint control trajectory is two cycles,
The trajectory waveform for two cycles of the knee joint control trajectory corresponding to the trajectory waveform for one cycle of the hip joint control trajectory corresponds to the movement of the stance phase and the free leg phase of one human walking motion. The amplitude of the stance phase trajectory waveform is set to be smaller than the amplitude of the other swing phase trajectory waveform.
ここで、前記股関節神経振動子の自励振動を規定する基本波形を股関節基本波形とすると、前記膝関節神経振動子の自励振動を規定する膝関節基本波形は、前記股関節基本波形の周期の１／２の周期を有するように設定されている。また、前記膝関節制御部は、前記膝関節神経振動子の出力信号における前記立脚相に対応する立脚相波形部分および遊脚相波形部分に対して、予め設定されている振幅倍率とオフセット値をそれぞれ与えて、前記
立脚相軌道波形および前記遊脚相軌道波形を備えた膝関節制御軌道を規定する制御信号波形を生成する信号処理部を備えた構成とすることができる。
Here, assuming that the basic waveform defining the self-excited vibration of the hip joint neural oscillator is a hip joint basic waveform, the knee joint basic waveform defining the self-excited vibration of the knee joint neural oscillator is the period of the hip basic waveform. It is set to have a period of 1/2. Further, the knee joint control unit sets preset amplitude magnifications and offset values for the stance phase waveform portion and the swing phase phase portion corresponding to the stance phase in the output signal of the knee joint neural oscillator. Each may be provided with a signal processing unit that generates a control signal waveform that defines a knee joint control trajectory having the stance phase trajectory waveform and the free leg phase trajectory waveform.
また、前記信号処理部は、前記膝関節神経振動子の出力信号の極小点を判別する極小点判別部と、前記極小点のそれぞれについて、対応する時点における前記股関節神経振動子の出力信号の振幅値を判別する値判別部と、前記振幅値に基づき、前記膝関節神経振動子の出力信号の各極小点間が前記立脚相波形部分および前記遊脚相波形部分のいずれであるかを判別する相判別部とを備えた構成とすることができる。 The signal processing unit includes: a minimum point determination unit that determines a minimum point of the output signal of the knee joint neural oscillator; and an amplitude of the output signal of the hip joint neural oscillator at a corresponding time for each of the minimum points A value discriminating unit that discriminates a value and discriminates between the stance phase waveform portion and the free leg phase waveform portion between the local minimum points of the output signal of the knee joint neural oscillator based on the amplitude value. It can be set as the structure provided with the phase discrimination | determination part.
さらに、前記信号処理部は、前記制御信号波形における前記立脚相波形部分と前記遊脚相波形部分との間の継ぎ目部分が一致していない場合に、当該継ぎ目部分が滑らかに連続する継ぎ目部分となるように、波形修正を施す波形修正部を備えている。 Further, the signal processing unit, when the joint portion between the stance phase waveform portion and the free leg phase waveform portion in the control signal waveform does not match, a joint portion where the joint portion smoothly continues, As shown, a waveform correction unit for correcting the waveform is provided.
下肢４関節の制御軌道を生成するためには、前記股関節アクチュエータとして、ヒトの左右の股関節にアシスト力を与える左股関節アクチュエータおよび右股関節アクチュエータとを備え、前記膝関節アクチュエータとして、ヒトの左右の膝関節にアシスト力を与える左膝関節アクチュエータおよび右膝関節アクチュエータとを備え、前記股関節制御部は、前記左股関節アクチュエータおよび前記右股関節アクチュエータを、相互に逆位相の前記股関節制御軌道を描くように駆動制御し、前記膝関節制御部は、前記左膝関節アクチュエータおよび前記右膝関節アクチュエータを、相互に１周期分位相がずれた状態で前記膝関節制御軌道を描くように駆動制御すればよい。 In order to generate the control trajectory of the four joints of the lower limbs, the hip joint actuator includes a left hip joint actuator and a right hip joint actuator that apply an assisting force to the left and right hip joints of the human. A left knee joint actuator and a right knee joint actuator that apply assist force to the joint, and the hip joint control unit drives the left hip joint actuator and the right hip joint actuator so as to draw the hip joint control trajectories in opposite phases to each other The knee joint control unit may control the left knee joint actuator and the right knee joint actuator so as to draw the knee joint control trajectory with a phase shifted by one cycle.
ロボティックウエアとしては、前記股関節アクチュエータによって規定されるロボット股関節と前記膝関節アクチュエータによって規定されるロボット膝関節との間を連結するリンク機構が備わっていない非外骨格型ロボティックウエアを用いることができる。 As the robotic wear, non-exoskeleton type robotic wear having no link mechanism for connecting the robot hip joint defined by the hip joint actuator and the robot knee joint defined by the knee joint actuator may be used. it can.
本発明では、ヒトの歩行時に膝関節は衝撃を吸収するための特徴的な運動軌道を、異なる振幅の２周期運動と捉え、歩行時の膝関節の運動軌道とほぼ同様な股関節制御軌道を生成している。本発明によれば、装着者に違和感を与えない膝関節の歩行支援を実現できる。また、下肢４関節すべてにおいてヒトの運動軌跡とほぼ同一で装着者に違和感を与えない制御軌道を生成できるので、神経振動子を用いた同調制御により、下肢４関節の歩行支援を適切に行うことのできるロボティックウエアを実現できる。 In the present invention, the characteristic motion trajectory for the knee joint to absorb the impact during walking of a human is considered as a two-cycle motion with different amplitude, and a hip joint control trajectory that is almost the same as the motion trajectory of the knee joint during walking is generated. doing. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the walk assistance of the knee joint which does not give a discomfort to a wearer is realizable. In addition, since a control trajectory that is almost the same as the human motion trajectory and does not give a sense of incongruity to the wearer can be generated in all four joints of the lower limbs, walking support of the lower limbs four joints should be appropriately performed by synchronous control using a neural oscillator. Robotic wear that can be used.
以下に、図面を参照して、本発明のロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御について詳細に説明する。 Hereinafter, with reference to the drawings, a detailed description will be given of the tuning control using the neural vibrator of the robotic wear of the present invention.
まず、本発明の前提となるロボティックウエアの例、同調制御、神経振動子、ヒトの歩行運動について説明する。 First, an example of robotic wear that is a premise of the present invention, synchronization control, neural oscillator, and human walking motion will be described.
［人体装着型のロボティックウエア］
図１に、先行研究（非特許文献３）において開発され、本発明において用いることのできる非外骨格型ロボティックウエア（以下、単に「ロボット」と呼ぶ場合もある。）を示す。ロボットの関節間にリンク機構が無く、人体の骨格系を利用して、股関節アクチュエータおよび膝関節アクチュエータであるモータユニットで、直接的に人体の関節の動きを補助する機構である。モータユニットは、モータと、この出力回転を減速して出力する減速機とから構成される。減速機出力軸（関節軸）には、ここを中心として開閉する上下の旋回腕が取付けられ、これらの旋回腕の開閉運動が、それぞれ、サポートベルトを介して、股関節、膝関節に繋がる骨格系に伝達される。
[Human-wearable robotic wear]
FIG. 1 shows non-exoskeleton-type robotic wear (hereinafter sometimes simply referred to as “robot”) that was developed in a previous study (Non-Patent Document 3) and can be used in the present invention. There is no link mechanism between the joints of the robot, and it is a mechanism that directly assists the movement of the joints of the human body with a motor unit that is a hip joint actuator and a knee joint actuator using the human skeleton system. The motor unit includes a motor and a speed reducer that decelerates and outputs the output rotation. The reduction gear output shaft (joint shaft) is attached with upper and lower swivel arms that open and close around this, and the open / close motion of these swivel arms is connected to the hip joint and knee joint via the support belt, respectively. Is transmitted to.
［同調制御方法］
先行研究（非特許文献２）ならびに本発明では、神経振動子を用いた同調制御を用いている。図２に、その制御システムの概要を示す。ロボットとヒトの動きによって生じる相互作用力を減速機内蔵型トルクセンサによって計測し、同調ゲインを乗じたものを神経振動子への入力として用いており、入力を受けた神経振動子からは同調した信号が出力される。この出力信号を目標角度としてＰＩＤ制御を通じてロボットの動きを生成する。このフィードバック制御によってヒトの運動との同調を図ろうとする仕組みである。同調ゲイン（Ｃ）は同調性を決める係数であり、値が大きいほどロボットはヒトの動きに同調する。つまり同調性が高くなる。
[Synchronization control method]
In previous research (Non-Patent Document 2) and the present invention, tuning control using a neural oscillator is used. FIG. 2 shows an outline of the control system. The interaction force generated by the movement of the robot and human is measured by a torque sensor with a built-in reducer, and the product multiplied by the tuning gain is used as the input to the neural oscillator. A signal is output. The robot motion is generated through PID control using this output signal as a target angle. This feedback control is a mechanism to synchronize with human movement. The tuning gain (C) is a coefficient that determines the synchrony, and the larger the value, the more the robot synchronizes with the human movement. In other words, synchrony is enhanced.
なお、図２に示すシステムでは、（株）ハーモニック・ドライブ・システムズ製の「ハーモニックドライブ（登録商標）」と呼ばれる減速機を使用している。また、その構成部品であるフレクスプライン（可撓性外歯車）におけるダイヤフラムの部分において、中心軸線回りに等角度間隔に貼り付けた３組の歪ゲージによってトルクセンサが構成されている。 In the system shown in FIG. 2, a speed reducer called “Harmonic Drive (registered trademark)” manufactured by Harmonic Drive Systems Co., Ltd. is used. In addition, a torque sensor is configured by three sets of strain gauges attached at equal angular intervals around the central axis in the diaphragm portion of the flexspline (flexible external gear) that is the component.
［神経振動子：松岡モデル］
ヒトは歩行運動などの基本的なリズム運動を行う際には、ＣＰＧ（Central Pattern Generator）と呼ばれる神経回路を用いて制御しながら動作を生成している。ＣＰＧは互いに位相関係を有しながら振動している神経組織の集合で、この神経回路内で発現する神経素子間の興奮・抑制メカニズムをモデル化したものが神経振動子である。
[Neural oscillator: Matsuoka model]
When a human performs a basic rhythmic movement such as a walking movement, the movement is generated while being controlled using a neural circuit called a CPG (Central Pattern Generator). A CPG is a group of neural tissues that are oscillating while having a phase relationship with each other. A neural oscillator is a model of the excitation / suppression mechanism between neural elements expressed in this neural circuit.
松岡らは、神経振動子を構成する神経素子のモデル化ならびに神経振動子の組み合わせによって、ＣＰＧが構成されることを提唱し（非特許文献１）、神経振動子間の抑制結合形態とそれによって生成される出力振動の関連についても研究を行っている。この神経振動子には外部入力信号に自励振動を同調させる同調現象や外部に対する引き込みという性質があり、先行研究（非特許文献２）では、この性質を利用したロボットとヒトの同調制御を実現している。 Matsuoka et al. Proposed that CPGs are constructed by modeling neural elements constituting neural oscillators and combinations of neural oscillators (Non-Patent Document 1), and the form of inhibitory coupling between neural oscillators and thereby We are also studying the relationship between generated output vibrations. This neural oscillator has a tuning phenomenon that synchronizes self-excited vibration with an external input signal and a property of pulling to the outside. In previous research (Non-Patent Document 2), the robot and humans were controlled using this property. doing.
本発明においても、同様に、この松岡モデルを用いてロボットを制御する。松岡モデルは、図３に示すように、最小の構成である二つの神経素子により構成され、その出力の差が一つの出力となって周期的な運動を生成できるモデルであり、式（１）〜（３）の非線形１階連立微分方程式で表せる。 In the present invention, similarly, the robot is controlled using this Matsuoka model. As shown in FIG. 3, the Matsuoka model is composed of two neural elements having the minimum configuration, and a difference between the outputs becomes one output to generate a periodic motion. Equation (1) It can be expressed by the nonlinear first-order simultaneous differential equations (3) to (3).
ここで、
ｘｉ：ｉ番目の神経素子の内部状態を示す係数
ｇ（ｘｉ）：ｉ番目の神経素子の出力
ｆｉ：ｉ番目の神経素子の疲労状態を表す係数
Ｓｉ：ｉ番目の神経素子への定常入力
ｂｉ：ｉ番目の神経素子の疲労係数
ａｉｊ：ｉ番目の神経素子からｊ番目の神経素子への結合係数
Ｔａ，Ｔｒ：時定数
Ｉｎｐｕｔ：外部入力
である。
here,
xi: coefficient indicating the internal state of the i-th neural element g (xi): output of the i-th neural element fi: coefficient indicating the fatigue state of the i-th neural element Si: steady input to the i-th neural element bi : Fatigue coefficient of the i-th neural element aij: coupling coefficient from the i-th neural element to the j-th neural element Ta, Tr: time constant Input: external input.
また、相互作用力を相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌとし、同調制御における同調性を調整するゲインを同調ゲインＣとすると、外部入力Ｉｎｐｕｔは、相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌと同調ゲインＣを用いて、
Ｉｎｐｕｔ＝Ｃ＊τ＿ｍｕｔｕａｌ
で表される。
When the interaction force is interaction torque τ_mutual and the gain for adjusting the synchrony in the tuning control is tuning gain C, the external input Input uses the interaction torque τ_mutual and tuning gain C,
Input = C * τ_mutual
It is represented by
この神経振動子の出力Ｏｕｔｐｕｔをｇ（ｘｉ）−ｇ（ｘｊ）とすることで、正弦波のような周期的な信号が得られる。なお、本例においては、先行研究（非特許文献２）に基
いて、
ａｉｊ＝０．１２
ｂｉ＝２．５
ｆｉ＝１．０
Ｓｉ＝２．０
Ｔｒ／Ｔａ＝０．２
としている。
By setting the output Output of this neural oscillator to g (xi) −g (xj), a periodic signal such as a sine wave can be obtained. In this example, based on previous research (Non-Patent Document 2),
aij = 0.12
bi = 2.5
fi = 1.0
Si = 2.0
Tr / Ta = 0.2
It is said.
［ヒトの歩行フェーズと下肢関節の運動軌跡］
図４に示すように、ヒトの１歩行動作においては、股関節は歩行動作の周期に対応した周期の運動軌道を描く。これに対して、膝関節は衝撃を吸収するための特徴的な運動軌道を描く。
[Human gait phase and movement trajectory of lower limb joints]
As shown in FIG. 4, in one human walking motion, the hip joint draws a motion trajectory having a cycle corresponding to the cycle of the walking motion. On the other hand, the knee joint draws a characteristic motion trajectory for absorbing the impact.
［相互抑制結合と位相］
次に、本発明に到る過程において検討した下肢４関節用の神経振動子の抑制結合形態について説明する。
[Mutual inhibition coupling and phase]
Next, the inhibitory coupling form of the neural oscillators for the four joints of the lower limbs examined in the process of reaching the present invention will be described.
先行研究（非特許文献２）および松岡らによって提唱された神経振動子間の抑制結合の考え方に基いて、股関節と膝関節の運動角度が同位相となるように、下肢４関節の神経振動子間の抑制結合形態を設定することが考えられる。図５には、この抑制結合形態と神経振動子からの出力波形を示す。ここで、各関節の神経振動子を結ぶ線は抑制結合を表している。 Based on the idea of inhibitory coupling between neural oscillators proposed by previous research (Non-Patent Document 2) and Matsuoka et al., The neural oscillators of the four joints of the lower limbs so that the movement angles of the hip joint and the knee joint are in phase. It is conceivable to set a suppressive coupling form. FIG. 5 shows the inhibitory coupling form and the output waveform from the neural oscillator. Here, the line connecting the neural oscillators of each joint represents inhibitory coupling.
図６には、上記の抑制結合形態によって生成される股関節および膝関節の制御軌道と、ヒトの股関節および膝関節の運動軌跡を示す。ここで、股関節における角度の＋値は屈曲を、−値は伸展を表し、膝関節における角度０は完全な伸展状態を、＋値は屈曲を表している。この図から分かるように、股関節制御軌道に関しては歩行期全域にわたって装着者の関節角軌跡に沿うものとなっているが、膝関節に関しては前遊脚期から遊脚期初期にかけて追従しているものの、遊脚中期から次の荷重応答期においては大きなかい離が見られる。ヒトの歩行に関する文献によれば、初期接地から荷重応答期の膝関節における特徴的な運動軌跡は、膝関節が歩行時の衝撃吸収機構として働いていることを示しており、ヒトの正常な歩行において重要な要素とされている。したがって、本来はこのような制御軌道でなければならないが、現状の制御方法では股関節と膝関節の位相や周期をどのように調整しても、初期接地時の衝撃吸収機能を維持するような運動軌跡にはならないことが分かる。 FIG. 6 shows the control trajectories of the hip and knee joints generated by the above-described inhibitory coupling form, and the motion trajectories of the human hip and knee joints. Here, the + value of the angle at the hip joint represents flexion, the − value represents the extension, the angle 0 at the knee joint represents the complete extension state, and the + value represents the flexion. As can be seen from this figure, the hip joint control trajectory follows the wearer's joint angle trajectory throughout the walking period, but the knee joint follows from the previous swing leg period to the early swing leg period. From the middle of the swing leg to the next load response period, a large separation is observed. According to the literature on human walking, the characteristic motion trajectory of the knee joint from the initial ground contact to the load response period indicates that the knee joint works as a shock absorption mechanism during walking, and normal human walking Is an important element. Therefore, the control trajectory should be originally such as this, but with the current control method, a motion that maintains the shock absorption function at the time of initial contact is possible no matter how the phase and period of the hip and knee joints are adjusted. You can see that it is not a trajectory.
［２周期軌道制御システム］
次に、本発明が採用している股関節アクチュエータ制御用の２周期軌道について説明する。
[Two period orbit control system]
Next, the two-cycle trajectory for controlling the hip joint actuator employed in the present invention will be described.
（軌道生成法）
ヒト歩行時の特徴的な膝関節運動軌跡は、その１歩行周期中に二つのフェーズ（遊脚相と立脚相）が存在する（図４参照）。本発明者等は、一つのフェーズ中に、丁度、１周期分の波形が含まれていることに着目した。振幅の大きな遊脚相軌跡と振幅の小さな立脚相軌跡の周期は主に股関節の周期の１／２であることから、膝関節は１歩行周期中に２周期分の動作をする２周期軌道と捉えた。これに基づく本発明の２周期軌道の生成手順を図７に示す。
(Orbit generation method)
The characteristic knee joint motion trajectory during human walking has two phases (free leg phase and stance phase) in one walking cycle (see FIG. 4). The inventors focused on the fact that one phase includes a waveform for exactly one cycle. Since the period of the swing phase trajectory with a large amplitude and the phase of the stance phase trajectory with a small amplitude is mainly ½ of the cycle of the hip joint, the knee joint is a two-cycle trajectory that operates for two cycles in one walking cycle. I caught it. FIG. 7 shows a procedure for generating a two-period trajectory of the present invention based on this.
（フェーズ波形の生成）
まず、図８には、２周期軌道の生成における膝関節の二つのフェーズ波形を生成する流
れを示す。フェーズ波形生成の第１段階では、股関節の動作周期の１／２の周期となる膝関節の基本波形（膝関節基本波形）を生成する。具体的には、膝関節の神経振動子の時定数ＴｒおよびＴａをそれぞれ股関節の時定数の半分にすることで、基本波形が生成される。次に、基本波形の極小点を判別する。時刻ｔにおける膝関節の神経振動子の出力値が極小点である場合には、当該時刻ｔの前後の時刻における出力値に比べて、当該時刻ｔの出力値が小さいので、これに基づき、膝関節の基本波形の極小点を判別できる。図８（ｂ）においては、基本波形の時刻ｔにおける点Ｋが極小点であるための条件を示してある。
(Generation of phase waveform)
First, FIG. 8 shows a flow of generating two phase waveforms of the knee joint in the generation of the two-period trajectory. In the first stage of the phase waveform generation, a knee joint basic waveform (knee joint basic waveform) having a period half that of the hip joint operation period is generated. Specifically, the basic waveform is generated by setting the time constants Tr and Ta of the neural vibrator of the knee joint to half the time constant of the hip joint. Next, the minimum point of the basic waveform is determined. When the output value of the neural oscillator of the knee joint at time t is a local minimum point, the output value at time t is smaller than the output value at times before and after time t. The minimum point of the basic waveform of the joint can be determined. FIG. 8B shows conditions for the point K at the time t of the basic waveform to be a minimum point.
ここで、極小点間の波形部分が遊脚相、立脚相のいずれに相当するのかを判定するフェーズ判定は次のように行うことができる。図８（ａ）に示すように、時刻ｔにおける膝関節の神経振動子の出力信号Ｋが極小となるときの股関節の神経振動子の出力信号の符号に違いがある。これに着目し、図８（ｃ）に示す判定式に従ってフェーズ判定を行うことができる。膝関節の神経振動子の出力信号Ｋが極小値のときの股関節の神経振動子の出力信号θＨが＋値の場合には当該極小値は立脚フェーズの開始点を表す極小値ＫＳであり、出力信号θＨが−値の場合には当該極小値は立脚フェーズの終了点を表す極小値ＫＥであることが分かる。 Here, the phase determination for determining whether the waveform portion between the minimum points corresponds to the swing phase or the stance phase can be performed as follows. As shown in FIG. 8A, there is a difference in the sign of the output signal of the neural vibrator of the hip joint when the output signal K of the neural vibrator of the knee joint at time t is minimal. Paying attention to this, the phase determination can be performed according to the determination formula shown in FIG. The minimum value when the output signal theta H is + value of the neural oscillator hip when the output signal K is the minimum value of the neural oscillator of the knee joint is at a minimum value K S representing the starting point of the stance phase , the output signal theta H is - the minimum value when the value is found to be the minimum value K E indicating the end point of the stance phase.
フェーズ波形生成の第２段階では、図９に示すように、膝関節の基本波形における隣接する極小点間の１周期分に相当する波形部分のそれぞれに対して、フェーズ（遊脚相と立脚相）に応じた振幅倍率を乗じて、ロボットの膝関節アクチュエータの動作振幅に対応する振幅を備えたフェーズ波形を生成する。股関節の神経振動子の基本波形（股関節基本波形）にも所定の振幅倍率を乗じ、所定のオフセット値を加えて、股関節アクチュエータの動作振幅に対応する振幅を備えた波形に整形する。 In the second stage of the phase waveform generation, as shown in FIG. 9, each of the waveform portions corresponding to one cycle between adjacent minimum points in the basic waveform of the knee joint is subjected to a phase (a swing phase and a stance phase). ) To generate a phase waveform having an amplitude corresponding to the operation amplitude of the knee joint actuator of the robot. The basic waveform (hip basic waveform) of the neural vibrator of the hip joint is also multiplied by a predetermined amplitude magnification, and a predetermined offset value is added to shape the waveform with an amplitude corresponding to the operation amplitude of the hip joint actuator.
第３段階においては、図１０に示すように、各フェーズ波形の最小値が０となるようなオフセット値を加えることにより、振幅の異なる立脚フェーズ波形と遊脚フェーズ波形を段差状の継ぎ目が生じないように繋げて、２周期波形（立脚相軌道波形、遊脚相軌道波形）を生成する。 In the third stage, as shown in FIG. 10, by adding an offset value so that the minimum value of each phase waveform becomes 0, a stepped seam is generated between the standing phase waveform and the free leg phase waveform having different amplitudes. Two period waveforms (stand phase phase trajectory waveform, swing phase phase trajectory waveform) are generated in such a manner that they are not connected.
（継ぎ目誤差補正）
神経振動子は、入力信号に合わせて出力信号の振幅や周期を変化させる。つまり、同調するという性質を持っているので、図１１に示すように、出力振幅と周期が変動する。
(Seam error correction)
The neural oscillator changes the amplitude and period of the output signal in accordance with the input signal. In other words, since it has the property of tuning, the output amplitude and period vary as shown in FIG.
神経振動子の同調性によって出力振幅が変化するが、各フェーズのオフセット値は固定であるので、出力振幅の変動によって、図１２に示すように、フェーズの継ぎ目、すなわち極小点において誤差が生じる。この誤差分を単純にオフセットすれば誤差は解消できるが、各フェーズのオフセット値および誤差補正値は定数であるので、神経振動子の出力変動によって、生成される２フェーズ波形には、図１３に示すようなドリフトが誘発されてしまう。 Although the output amplitude changes depending on the synchrony of the neural oscillator, the offset value of each phase is fixed. Therefore, as shown in FIG. 12, an error occurs at the joint of the phase, that is, the minimum point due to the fluctuation of the output amplitude. The error can be eliminated by simply offsetting this error, but since the offset value and error correction value of each phase are constants, the two-phase waveform generated due to the fluctuation of the output of the neural oscillator is shown in FIG. Drift as shown is induced.
この問題を解決するために、本発明では、図１４に示すように、オフセット波形の補正を行っている。補正方法は、極小点での継ぎ目誤差Ｄだけオフセットした補正波形から、微小な補正量ｄを加算または減算し、その累積補正値がオフセット値Ｄに達するまで（Ｎ×ｄ＝Ｄとなるまで）補正を繰り返すものである。 In order to solve this problem, the present invention corrects the offset waveform as shown in FIG. In the correction method, a minute correction amount d is added or subtracted from the correction waveform offset by the seam error D at the minimum point, and the accumulated correction value reaches the offset value D (until N × d = D). The correction is repeated.
［下肢４関節制御システム］
図１５は本発明を適用した下肢４関節制御システムの一例を示す機能ブロック図である。ここで、Ｔは相互作用トルク、Ｃは同調ゲイン値、Ｉｎｐｕｔは神経振動子への入力、Ｎは神経振動子からの出力、ＡＭＰは制御軌道の振幅、ＯＦＦＳＥＴは制御軌道のオフセット値、ＡＧＬは生成される出力角度、Ｄはサイクル変換点における継ぎ目誤差、Ｈは誤
差Ｄオフセットした波形、ｄはドリフト誤差補正値、ＭはＰＩＤ制御に用いられる目標角度である。添え字のｋとｈは、それぞれ膝関節と股関節を示す。
[Lower limb 4 joint control system]
FIG. 15 is a functional block diagram showing an example of a lower limb 4 joint control system to which the present invention is applied. Where T is the interaction torque, C is the tuning gain value, Input is the input to the neural oscillator, N is the output from the neural oscillator, AMP is the amplitude of the control trajectory, OFFSET is the offset value of the control trajectory, and AGL is The output angle to be generated, D is a seam error at a cycle conversion point, H is a waveform with an error D offset, d is a drift error correction value, and M is a target angle used for PID control. The subscripts k and h indicate the knee joint and the hip joint, respectively.
この図に示すように、下肢４関節制御システム１（ロボティックウエア）は、ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を股関節に与える股関節アクチュエータ２と、ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を膝関節に伝える膝関節アクチュエータ３と、股関節アクチュエータ２および膝関節アクチュエータ３を制御する同調制御装置４とを有している。 As shown in this figure, the lower limb four-joint control system 1 (robotic wear) includes a hip joint actuator 2 that gives the hip joint an assist force that assists the human walking motion, and an assist force that assists the human walking motion. A knee joint actuator 3 for transmitting to the head, and a tuning control device 4 for controlling the hip joint actuator 2 and the knee joint actuator 3.
同調制御装置４はコンピュータを中心に構成され、インストールされている同調制御用コンピュータプログラムを実行することにより、ヒトの歩行時に股関節と股関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、股関節神経振動子を用いた同調制御により、股関節アクチュエータを所定の股関節制御軌道を描くように駆動制御する股関節制御部５、および、歩行時に膝関節と膝関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、膝関節神経振動子を用いた同調制御により、膝関節アクチュエータを所定の膝関節制御軌道を描くように駆動制御する膝関節制御部６として機能する。 The tuning control device 4 is configured with a computer at the center, and by executing the installed computer program for tuning control, the hip joint neural oscillator is controlled based on the interaction force generated between the hip joint and the hip joint actuator during human walking. The hip joint control unit 5 that drives and controls the hip joint actuator so as to draw a predetermined hip joint control trajectory by the tuning control used, and the knee joint nerve vibration based on the interaction force generated between the knee joint and the knee joint actuator during walking It functions as a knee joint control unit 6 that drives and controls the knee joint actuator so as to draw a predetermined knee joint control trajectory by the synchronization control using the child.
股関節制御軌道の１周期はヒトの１歩行周期に対応するように設定され、膝関節制御軌道は、股関節制御軌道の１周期を２周期とする２周期制御軌道に設定される。股関節制御軌道の各１周期分の軌道波形に対応する膝関節制御軌道の２周期分の軌道波形は、ヒトの１歩行運動の立脚相および遊脚相の動きに対応するように、一方の立脚相軌道波形の振幅を、他方の遊脚相軌道波形の振幅に比べて小さくなるように設定される。 One cycle of the hip joint control trajectory is set to correspond to one human walking cycle, and the knee joint control trajectory is set to a two-cycle control trajectory in which one cycle of the hip joint control trajectory is two cycles. One of the stances of the trajectory waveform of two cycles of the knee joint control trajectory corresponding to the trajectory waveform of each cycle of the hip joint control trajectory corresponds to the movement of the stance phase and the free leg phase of one human walking motion. The amplitude of the phase orbit waveform is set to be smaller than the amplitude of the other free-phase phase orbit waveform.
すなわち、股関節制御部５の股関節神経振動子７の自励振動を規定する基本波形を股関節基本波形とすると、膝関節制御部６の膝関節神経振動子８の自励振動を規定する膝関節基本波形は、先に述べたように、股関節基本波形の周期の１／２の周期を有するように設定されている。 That is, assuming that the basic waveform defining the self-excited vibration of the hip joint neural oscillator 7 of the hip joint control unit 5 is the hip joint basic waveform, the knee joint basics defining the self-excited vibration of the knee joint neural oscillator 8 of the knee joint control unit 6. As described above, the waveform is set to have a period that is ½ of the period of the hip joint basic waveform.
また、膝関節制御部６は、図１５に示すように、膝関節神経振動子８の出力信号における立脚相に対応する立脚相波形部分および遊脚相波形部分に対して、予め設定されている振幅倍率とオフセット値をそれぞれ与えて、立脚相軌道波形および遊脚相軌道波形を備えた膝関節制御軌道を規定する制御信号波形（２周期波形）を生成する信号処理機能を備えている。 Further, as shown in FIG. 15, the knee joint control unit 6 is set in advance for the stance phase waveform portion and the swing phase waveform portion corresponding to the stance phase in the output signal of the knee joint neural oscillator 8. A signal processing function is provided for generating a control signal waveform (two-cycle waveform) that defines the knee joint control trajectory having the stance phase trajectory waveform and the swing leg phase trajectory waveform by giving the amplitude magnification and the offset value, respectively.
信号処理機能には、膝関節神経振動子８の出力信号の極小点を判別する極小点判定機能９と、極小点のそれぞれについて、対応する時点における股関節神経振動子７の出力信号の振幅値に基づき、膝関節神経振動子８の出力信号の各極小点間が立脚相波形部分および遊脚相波形部分のいずれであるかを判別する相判定機能１０（周期判定機能）が備わっている。また、制御信号波形（２相波形）における立脚相波形部分と遊脚相波形部分との間の継ぎ目部分が一致していない場合に、当該継ぎ目部分が滑らかに連続する継ぎ目部分となるように、波形修正を施す波形修正機能（継目誤差検知、誤差補正、ドリフト誤差補正）が備わっている。 The signal processing function includes a minimum point determination function 9 for determining the minimum point of the output signal of the knee joint neural oscillator 8, and the amplitude value of the output signal of the hip joint neural oscillator 7 at the corresponding time for each minimum point. Based on this, a phase determination function 10 (period determination function) is provided for determining whether the interval between the local minimum points of the output signal of the knee joint neural oscillator 8 is a stance phase waveform portion or a swing phase phase portion. In addition, when the seam portion between the stance phase waveform portion and the free leg phase waveform portion in the control signal waveform (two-phase waveform) does not match, the seam portion is a smoothly continuous seam portion. A waveform correction function (seam error detection, error correction, drift error correction) is provided to correct the waveform.
このようして修正された制御信号波形によって規定される膝関節の目標角度がＰＩＤ制御部１１に供給され、ＰＩＤ制御部１１は、現在角度が目標角度になるように、膝関節アクチュエータ３をＰＩＤ制御する。 The target angle of the knee joint defined by the control signal waveform thus corrected is supplied to the PID control unit 11, and the PID control unit 11 moves the knee joint actuator 3 to the PID so that the current angle becomes the target angle. Control.
股関節制御部５の側においても、生成された制御信号波形（１周期波形）によって規定される股関節の目標角度がＰＩＤ制御部１２に供給され、ＰＩＤ制御部１２は、股関節の現在角度が目標角度になるように、股関節アクチュエータ２をＰＩＤ制御する。 Also on the side of the hip joint controller 5, the target angle of the hip joint defined by the generated control signal waveform (one-cycle waveform) is supplied to the PID controller 12, and the PID controller 12 determines that the current angle of the hip joint is the target angle. Then, the hip joint actuator 2 is PID controlled.
下肢４関節制御システム１では、下肢４関節の制御軌道を生成するために、股関節アクチュエータ２として、ヒトの左右の股関節にアシスト力を与える左股関節アクチュエータおよび右股関節アクチュエータを備え、膝関節アクチュエータ３として、ヒトの左右の膝関節にアシスト力を与える左膝関節アクチュエータおよび右膝関節アクチュエータとを備えている。股関節制御部５は、左股関節アクチュエータおよび右股関節アクチュエータを、相互に逆位相の股関節制御軌道を描くように駆動制御する。膝関節制御部６は、左膝関節アクチュエータおよび右膝関節アクチュエータを、相互に１周期分位相がずれた状態で膝関節制御軌道を描くように駆動制御する。 The lower limb four-joint control system 1 includes a left hip joint actuator and a right hip joint actuator that apply assist force to the left and right hip joints of the human as the hip joint actuator 2 to generate the control trajectory of the lower limb four joints. A left knee joint actuator and a right knee joint actuator that apply assist force to the left and right knee joints of a human. The hip joint controller 5 drives and controls the left hip joint actuator and the right hip joint actuator so as to draw hip joint control trajectories in opposite phases. The knee joint controller 6 drives and controls the left knee joint actuator and the right knee joint actuator so as to draw a knee joint control trajectory in a state where the phases are shifted from each other by one cycle.
（神経振動子間の相互抑制結合）
先に述べたように、図５に示す下肢４関節制御システムにおける神経振動子間の抑制結合形態では、股関節と膝関節に位相ズレが生じる。
(Mutual inhibitory coupling between neural oscillators)
As described above, in the inhibitory coupling form between the neural oscillators in the lower limb four-joint control system shown in FIG. 5, a phase shift occurs between the hip joint and the knee joint.
これに対して、本発明におる下肢４関節制御システムにおいては、膝関節を２周期軌道制御としたことによって、神経振動子間の抑制結合形態は図１６に示すようになる。この形態では、図１７に示すように、制御軌跡とヒトの下肢関節制御軌道がほぼ一致していることが分かる。 In contrast, in the lower limb four-joint control system according to the present invention, the inhibitory coupling form between the neural oscillators is as shown in FIG. In this form, as shown in FIG. 17, it can be seen that the control trajectory and the human lower limb joint control trajectory substantially coincide.
［検証実験］
（検証実験１：制御軌道の確認）
（ａ）実験の目的と方法
図１６に示す本発明の制御システムによって継ぎ目誤差やドリフトも無い制御軌道で動作できているかの確認を実験目的とし、人体に装着しない、つまり外部入力が全く無い条件でロボットを６０秒間動作させて、その制御軌道を計測した。具体的には、ロボティックウエアの左右の股関節アクチュエータおよび左右の膝関節アクチュエータが動作時に接触しないように机上に配置し、それらの同調性を決める同調ゲイン値Ｃを０として、外部入力の影響を受けない状態とした。なお、制御軌道の設定は、神経振動子の時定数をＴａ＝０．８、Ｔｒ＝０．１６とし、２周期軌道である膝関節に関しては股関節の１／２に設定した。これは歩行周期１．６５秒（約１．２ｍ／ｓｅｃ）に相当する。振幅に関しては図１８に示す値を設定した。ここで、第１振幅と第２振幅はそれぞれ遊脚相と立脚相の振幅（動作設定角度）を表している。
[Verification experiment]
(Verification experiment 1: Confirmation of control trajectory)
(A) Purpose and method of the experiment The purpose of the experiment is to check whether the control system of the present invention shown in FIG. 16 can operate in a control trajectory without seam error or drift, and is not attached to the human body, that is, there is no external input Then, the robot was operated for 60 seconds, and its control trajectory was measured. Specifically, the left and right hip joint actuators and left and right knee joint actuators of the robotic wear are placed on the desk so that they do not come into contact with each other during operation, and the tuning gain value C that determines their synchrony is set to 0, and the influence of external inputs is reduced. It was in a state not to receive. The control trajectory was set such that the time constant of the neural oscillator was Ta = 0.8 and Tr = 0.16, and the knee joint having a two-cycle trajectory was set to 1/2 of the hip joint. This corresponds to a walking period of 1.65 seconds (about 1.2 m / sec). The value shown in FIG. 18 was set for the amplitude. Here, the first amplitude and the second amplitude represent the amplitude (motion setting angle) of the swing phase and the stance phase, respectively.
（ｂ）実験結果
図１９に、下肢４関節の角度軌道（股関節制御軌道、膝関節制御軌道）を示す。この結果から、左右の股関節間ならびに左右の膝関節間に１８０°の位相差があり、下肢４関節すべてにおいてシミュレーション結果と同じ制御軌道でロボットが動作していることがわかる。換言すると、膝関節の特徴的な軌道をロボットの制御軌道として実現できていること、継ぎ目誤差や誤差ドリフトの無い制御軌道でロボットが動作できること、周期が異なる神経振動子が混在したシステムが実現できていること（下肢４関節の動作角度の位相が正しく制御されていること）が確認された。
(B) Experimental Results FIG. 19 shows the angular trajectories (hip joint control trajectory, knee joint control trajectory) of the four lower limb joints. From this result, it can be seen that there is a phase difference of 180 ° between the left and right hip joints and between the left and right knee joints, and the robot is operating in the same control trajectory as the simulation result in all four lower limb joints. In other words, the characteristic trajectory of the knee joint can be realized as the control trajectory of the robot, the robot can operate in the control trajectory without seam error and error drift, and a system with a mixture of neural oscillators with different periods can be realized. (The phase of the motion angle of the four joints of the lower limbs is correctly controlled).
（検証実験２：ヒトの動きに対するロボットの同調性と制御軌道の確認）
（ａ）実験の目的と方法
本実験では、変動する神経振動子の出力に応じた制御軌道生成が出来ているか否かの検証を行った。
(Verification experiment 2: Confirmation of robot synchronization and control trajectory with respect to human movement)
(A) Purpose and method of experiment In this experiment, it was verified whether or not a control trajectory was generated according to the output of a fluctuating neural oscillator.
図２０に示すように、装着者の両下肢にウエイトを固定した状態で同調性を変えた場合の歩行実験を行った。すなわち、装着者に通常歩行が困難な状態をつくり、歩行時の同調性を変えた場合の制御軌道を計測し、ロボットの同調性と制御軌道を検証した。図２１に実験条件を示す。 As shown in FIG. 20, a walking experiment was performed in the case where the synchrony was changed in a state where weights were fixed to both lower limbs of the wearer. In other words, the control trajectory when the wearer made it difficult for normal walking and the synchrony during walking was changed, and the synchronism and control trajectory of the robot were verified. FIG. 21 shows the experimental conditions.
図２２に、同調性が高い場合（Ｃ＝０．５）および同調性が低い場合（Ｃ＝０．１）の実験結果を示す。 FIG. 22 shows the experimental results when the synchrony is high (C = 0.5) and when the synchrony is low (C = 0.1).
これらの結果から、同調性が高い場合、ロボットはウエイトによって歩行が困難になった装着者に同調した制御軌道となり、同調性が低い場合、ロボットは自励振動の制御軌道で運動しようとするため、歩行困難な装着者がロボットによって歩行補助されていることが分かる。換言すると、ロボットの同調性を設定することによって、装着者の歩行に同調あるいはロボットの運動に引き込んだ歩行補助も可能であることが確認された。 From these results, when the synchrony is high, the robot becomes a control trajectory that is synchronized with the wearer whose walking has become difficult due to weight, and when the synchronism is low, the robot tries to move on the control trajectory of self-excited vibration. It can be seen that a wearer who is difficult to walk is assisted by the robot. In other words, it was confirmed that by setting the synchronism of the robot, it is possible to assist the walking with the wearer's walking or with the robot's movement.
（検証実験３：従来制御との比較）
（ａ）実験の目的と方法
従来の膝関節制御と本発明による２周期軌道制御を、ロボットと装着者の間に生じる相互作用トルクで比較し、装着者にとって違和感のない制御軌道に改善できているかの検証を実験の目的とした。
(Verification experiment 3: Comparison with conventional control)
(A) Purpose and method of the experiment The conventional knee joint control and the two-cycle trajectory control according to the present invention are compared with the interaction torque generated between the robot and the wearer, and can be improved to a control trajectory that does not feel strange to the wearer. The purpose of the experiment was to verify whether or not.
実験方法としては、健康な被験者にロボティックウエアを装着し、それぞれの制御で６０秒間の床面自然歩行を行った。自然歩行は装着者にとって違和感なく歩きやすい歩行を指示した。設定条件は上記の検証実験１の場合と同一とし、ロボットの同調ゲインをＣ＝０．１とした。 As an experimental method, a robot was worn on a healthy subject, and a natural walk on the floor surface was performed for 60 seconds under each control. Natural walking instructed the wearer to walk without any discomfort. The setting conditions were the same as those in the case of the verification experiment 1, and the tuning gain of the robot was C = 0.1.
（ｂ）実験結果
図２３には、本発明の２周期軌道制御の場合に得られた膝関節の角度軌道および各関節における相互作用トルクを示し、図２４には、従来の膝関節制御の場合に得られた膝関節の角度軌道および各関節における相互作用トルクを示す。これらの結果から、本発明による２周期軌道制御では相互作用トルクが減少していることがわかる。
(B) Experimental results FIG. 23 shows the angular trajectory of the knee joint and the interaction torque at each joint obtained in the case of the two-cycle trajectory control of the present invention, and FIG. 24 shows the case of conventional knee joint control. Fig. 5 shows the angular trajectory of the knee joint and the interaction torque at each joint. From these results, it can be seen that the interaction torque is reduced in the two-cycle trajectory control according to the present invention.
１ 下肢４関節制御システム
２ 股関節アクチュエータ
３ 膝関節アクチュエータ
４ 同調制御装置
５ 股関節制御部
６ 膝関節制御部
７ 股関節神経振動子
８ 膝関節神経振動子
９ 極小点判定機能
１０ 相判定機能
１１ ＰＩＤ制御部
１２ ＰＩＤ制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lower limb 4 joint control system 2 Hip joint actuator 3 Knee joint actuator 4 Tuning control device 5 Hip joint control part 6 Knee joint control part 7 Hip joint neural oscillator 8 Knee joint neural oscillator 9 Minimum point determination function 10 Phase determination function 11 PID control part 12 PID controller
Claims (19)
ヒトの歩行時に股関節と股関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、股関節神経振動子を用いた同調制御により、股関節アクチュエータを所定の股関節制御軌道を描くように駆動制御し、
前記歩行時に膝関節と膝関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、膝関節神経振動子を用いた同調制御により、膝関節アクチュエータを所定の膝関節制御軌道を描くように駆動制御し、
前記股関節制御軌道の１周期をヒトの１歩行周期に対応するように設定し、
前記膝関節制御軌道を、前記股関節制御軌道の１周期を２周期とする２周期制御軌道に設定し、
前記股関節制御軌道の各１周期分の軌道波形に対応する前記膝関節制御軌道の２周期分の軌道波形が、ヒトの１歩行運動の立脚相および遊脚相の動きに対応するように、一方の立脚相軌道波形の振幅を、他方の遊脚相軌道波形の振幅に比べて小さくなるように設定することを特徴とするロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御方法。 A synchronization control method that uses a neural oscillator to control a human wearable robotic wear equipped with a hip joint actuator and a knee joint actuator that transmits an assist force assisting human walking motion to the hip joint and knee joint,
Based on the interaction force generated between the hip joint and the hip joint actuator during human walking, the hip joint actuator is driven and controlled to draw a predetermined hip joint control trajectory by synchronous control using the hip joint neural oscillator,
Based on the interaction force generated between the knee joint and the knee joint actuator during walking, the knee joint actuator is driven and controlled to draw a predetermined knee joint control trajectory by synchronous control using the knee joint neural oscillator,
One cycle of the hip joint control trajectory is set to correspond to one human walking cycle,
The knee joint control trajectory is set to a two-cycle control trajectory in which one cycle of the hip joint control trajectory is two cycles,
The trajectory waveform for two cycles of the knee joint control trajectory corresponding to the trajectory waveform for one cycle of the hip joint control trajectory corresponds to the movement of the stance phase and the free leg phase of one human walking motion. A tuning control method using a neural oscillator of robotic wear, wherein the amplitude of the stance phase trajectory waveform of the robot is set to be smaller than the amplitude of the other swing phase trajectory waveform.
前記股関節神経振動子の自励振動を規定する股関節基本波形を設定し、
前記膝関節神経振動子の自励振動を規定する膝関節基本波形を、前記股関節基本波形の周期の１／２の周期を有するように設定し、
前記膝関節神経振動子の出力信号における前記立脚相に対応する立脚相波形部分および遊脚相波形部分に対して、予め設定されている振幅倍率とオフセット値をそれぞれ与えて、前記立脚相軌道波形および前記遊脚相軌道波形を備えた膝関節制御軌道を規定する制御信号波形を生成するロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御方法。 In claim 1,
Set the hip joint basic waveform that defines the self-excited vibration of the hip neural oscillator,
The knee joint basic waveform defining the self-excited vibration of the knee joint neural oscillator is set to have a period that is 1/2 of the period of the hip joint basic waveform,
The stance phase trajectory waveform is obtained by giving preset amplitude magnifications and offset values to the stance phase waveform portion and the swing phase phase portion corresponding to the stance phase in the output signal of the knee joint neural oscillator, respectively. And a tuning control method using a neural oscillator of robotic wear for generating a control signal waveform defining a knee joint control trajectory having the swing phase trajectory waveform.
前記膝関節神経振動子の出力信号の極小点を判別し、
前記極小点のそれぞれについて、対応する時点における前記股関節神経振動子の出力信号の振幅値を判別し、
前記振幅値に基づき、前記膝関節神経振動子の出力信号の各極小点間が前記立脚相波形部分および前記遊脚相波形部分のいずれであるかを判別するロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御方法。 In claim 2,
Determine the minimum point of the output signal of the knee joint neural oscillator,
For each of the local minimum points, determine the amplitude value of the output signal of the hip joint neural oscillator at the corresponding time point,
Based on the amplitude value, a robotic wear neural oscillator is used to determine whether the limb phase waveform portion or the swing phase waveform portion is between the local minimum points of the output signal of the knee joint neural oscillator. Tuned control method.
前記制御信号波形における前記立脚相波形部分と前記遊脚相波形部分との間の継ぎ目部分が一致していない場合に、当該継ぎ目部分が滑らかに連続する継ぎ目部分となるように、波形修正を施すロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御方法。 In claim 2,
When the joint portion between the stance phase waveform portion and the free leg phase waveform portion in the control signal waveform does not match, the waveform correction is performed so that the joint portion becomes a smoothly continuous joint portion. A tuning control method using a robotic wear neural oscillator.
前記ロボティックウエアは、前記股関節アクチュエータとしてヒトの左右の股関節にアシスト力を与える左股関節アクチュエータおよび右股関節アクチュエータと、前記膝関節アクチュエータとしてヒトの左右の膝関節にアシスト力を与える左膝関節アクチュエータおよび右膝関節アクチュエータとを備えており、
前記左股関節アクチュエータおよび前記右股関節アクチュエータを、相互に逆位相の前記股関節制御軌道を描くように駆動制御し、
前記左膝関節アクチュエータおよび前記右膝関節アクチュエータを、相互に１周期分位相がずれた状態で前記膝関節制御軌道を描くように駆動制御するロボティックウエアの神
経振動子を用いた同調制御方法。 In claim 1,
The robotic wear includes a left hip joint actuator and a right hip joint actuator that apply assist force to the left and right hip joints of the human as the hip joint actuator, and a left knee joint actuator that applies assist force to the left and right knee joints of the human as the knee joint actuator, and With a right knee joint actuator,
Driving control of the left hip joint actuator and the right hip joint actuator so as to draw the hip joint control trajectories in opposite phases;
A tuning control method using a neural oscillator of robotic wear that drives and controls the left knee joint actuator and the right knee joint actuator so as to draw the knee joint control trajectory while being out of phase with each other by one cycle.
前記股関節神経振動子および前記膝関節神経振動子は、以下の三式で示す非線形１階連立微分方程式で表され、
ここで、
ｘｉ：ｉ番目の神経素子の内部状態を示す係数
ｇ（ｘｉ）：ｉ番目の神経素子の出力
ｆｉ：ｉ番目の神経素子の疲労状態を表す係数
Ｓｉ：ｉ番目の神経素子への定常入力
ｂｉ：ｉ番目の神経素子の疲労係数
ａｉｊ：ｉ番目の神経素子からｊ番目の神経素子への結合係数
Ｔａ，Ｔｒ：時定数
Ｉｎｐｕｔ：外部入力
であり、
前記相互作用力を相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌとし、前記同調制御における同調性を調整するゲインを同調ゲインＣとすると、前記外部入力Ｉｎｐｕｔは、前記相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌと前記同調ゲインＣを用いて、
Ｉｎｐｕｔ＝Ｃ＊τ＿ｍｕｔｕａｌ
で表されるロボティックウエアの神経振動子を用いた同調制御方法。 In claim 1,
The hip joint neural oscillator and the knee joint neural oscillator are represented by a nonlinear first-order simultaneous differential equation represented by the following three expressions:
here,
xi: coefficient indicating the internal state of the i-th neural element g (xi): output of the i-th neural element fi: coefficient indicating the fatigue state of the i-th neural element Si: steady input to the i-th neural element bi : Fatigue coefficient of i-th neural element aij: coupling coefficient from i-th neural element to j-th neural element Ta, Tr: time constant Input: external input,
Assuming that the interaction force is an interaction torque τ_mutual and a gain for adjusting the synchronism in the tuning control is a tuning gain C, the external input Input uses the interaction torque τ_mutual and the tuning gain C,
Input = C * τ_mutual
A tuning control method using a neural oscillator of robotic wear represented by
ヒトの歩行時に股関節と股関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、股関節神経振動子を用いた同調制御により、股関節アクチュエータを所定の股関節制御軌道を描くように駆動制御する機能、
前記歩行時に膝関節と膝関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、膝関節神経振動子を用いた同調制御により、膝関節アクチュエータを所定の膝関節制御軌道を描くように駆動制御する機能、
前記股関節制御軌道の１周期をヒトの１歩行周期に対応するように設定する機能、
前記膝関節制御軌道を、前記股関節制御軌道の１周期を２周期とする２周期制御軌道に設定する機能、および、
前記股関節制御軌道の各１周期分の軌道波形に対応する前記膝関節制御軌道の２周期分の軌道波形が、ヒトの１歩行運動の立脚相および遊脚相の動きに対応するように、一方の立脚相軌道波形の振幅を、他方の遊脚相軌道波形の振幅に比べて小さくなるように設定する機能
をコンピュータに実行させることを特徴とするロボティックウエアの同調制御用コンピュータプログラム。 A computer program for tuning control of a robotic wear that controls driving of a hip joint actuator and a knee joint actuator of the robotic wear using the method according to claim 1,
A function for driving and controlling the hip joint actuator so as to draw a predetermined hip joint control trajectory by synchronous control using the hip joint neural oscillator based on the interaction force generated between the hip joint and the hip joint actuator during human walking,
A function of driving and controlling the knee joint actuator so as to draw a predetermined knee joint control trajectory by means of synchronous control using a knee joint neural oscillator based on the interaction force generated between the knee joint and the knee joint actuator during the walking;
A function for setting one cycle of the hip joint control trajectory to correspond to one human walking cycle;
A function of setting the knee joint control trajectory to a two-cycle control trajectory in which one cycle of the hip joint control trajectory is two cycles; and
The trajectory waveform for two cycles of the knee joint control trajectory corresponding to the trajectory waveform for one cycle of the hip joint control trajectory corresponds to the movement of the stance phase and the free leg phase of one human walking motion. A computer program for controlling the tuning of robotic wear, which causes a computer to execute a function of setting the amplitude of the stance phase trajectory waveform of the robot to be smaller than the amplitude of the other swing phase trajectory waveform.
前記股関節神経振動子の自励振動を規定する股関節基本波形を設定する機能、
前記膝関節神経振動子の自励振動を規定する膝関節基本波形を、前記股関節基本波形の周期の１／２の周期を有するように設定する機能、
前記膝関節神経振動子の出力信号における前記立脚相に対応する立脚相波形部分および遊脚相波形部分に対して、予め設定されている振幅倍率とオフセット値をそれぞれ与えて、前記立脚相軌道波形および前記遊脚相軌道波形を備えた膝関節制御軌道を規定する制御信号波形を生成する機能
をコンピュータに実行させるロボティックウエアの同調制御用コンピュータプログラム。 In claim 7,
A function of setting a hip joint basic waveform defining self-excited vibration of the hip joint neural oscillator;
A function of setting a knee joint basic waveform defining self-excited vibration of the knee joint neural oscillator so as to have a period that is 1/2 of the period of the hip basic waveform;
The stance phase trajectory waveform is obtained by giving preset amplitude magnifications and offset values to the stance phase waveform portion and the swing phase phase portion corresponding to the stance phase in the output signal of the knee joint neural oscillator, respectively. And a computer program for controlling the tuning of robotic wear that causes a computer to execute a function of generating a control signal waveform defining a knee joint control trajectory having the swing phase trajectory waveform.
前記膝関節神経振動子の出力信号の極小点を判別する機能、
前記極小点のそれぞれについて、対応する時点における前記股関節神経振動子の出力信号の振幅値を判別する機能、
前記振幅値に基づき、前記膝関節神経振動子の出力信号の各極小点間が前記立脚相波形部分および前記遊脚相波形部分のいずれであるかを判別する機能
をコンピュータに実行させるロボティックウエアの同調制御用コンピュータプログラム。 In claim 8,
A function of determining the minimum point of the output signal of the knee joint neural oscillator;
A function for determining an amplitude value of an output signal of the hip neural oscillator at a corresponding time point for each of the local minimum points;
Roboticware that causes a computer to execute a function of discriminating between the stance phase waveform portion and the swing phase phase portion between the local minimum points of the output signal of the knee joint neural oscillator based on the amplitude value Computer program for tuning control.
前記制御信号波形における前記立脚相波形部分と前記遊脚相波形部分との間の継ぎ目部分が一致していない場合に、当該継ぎ目部分が滑らかに連続する継ぎ目部分となるように、波形修正を施す機能をコンピュータに実行させるロボティックウエアの同調制御用コンピュータプログラム。 In claim 8,
When the joint portion between the stance phase waveform portion and the free leg phase waveform portion in the control signal waveform does not match, the waveform correction is performed so that the joint portion becomes a smoothly continuous joint portion. A computer program for controlling the tuning of robotic wear that causes a computer to execute functions.
前記ロボティックウエアは、前記股関節アクチュエータとしてヒトの左右の股関節にアシスト力を与える左股関節アクチュエータおよび右股関節アクチュエータと、前記膝関節アクチュエータとしてヒトの左右の膝関節にアシスト力を与える左膝関節アクチュエータおよび右膝関節アクチュエータとを備えており、
前記左股関節アクチュエータおよび前記右股関節アクチュエータを、相互に逆位相の前記股関節制御軌道を描くように駆動制御する機能、および、
前記左膝関節アクチュエータおよび前記右膝関節アクチュエータを、相互に１周期分位相がずれた状態で前記膝関節制御軌道を描くように駆動制御する機能を
コンピュータに実行させるロボティックウエアの同調制御用コンピュータプログラム。 In claim 7,
The robotic wear includes a left hip joint actuator and a right hip joint actuator that apply assist force to the left and right hip joints of the human as the hip joint actuator, and a left knee joint actuator that applies assist force to the left and right knee joints of the human as the knee joint actuator, and With a right knee joint actuator,
A function of driving and controlling the left hip joint actuator and the right hip joint actuator so as to draw the hip joint control trajectories in mutually opposite phases; and
A computer for tuning control of robotic wear, which causes a computer to execute a function of driving the left knee joint actuator and the right knee joint actuator so as to draw the knee joint control trajectory with a phase shifted by one cycle. program.
前記股関節神経振動子および前記膝関節神経振動子を、以下の三式で示す非線形１階連立微分方程式で規定し、
ここで、
ｘｉ：ｉ番目の神経素子の内部状態を示す係数
ｇ（ｘｉ）：ｉ番目の神経素子の出力
ｆｉ：ｉ番目の神経素子の疲労状態を表す係数
Ｓｉ：ｉ番目の神経素子への定常入力
ｂｉ：ｉ番目の神経素子の疲労係数
ａｉｊ：ｉ番目の神経素子からｊ番目の神経素子への結合係数
Ｔａ，Ｔｒ：時定数
Ｉｎｐｕｔ：外部入力
であり、
前記相互作用力を相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌとし、前記同調制御における同調性を調整するゲインを同調ゲインＣとすると、前記外部入力Ｉｎｐｕｔを、前記相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌと前記同調ゲインＣを用いて、
Ｉｎｐｕｔ＝Ｃ＊τ＿ｍｕｔｕａｌ
で規定する機能を
コンピュータに実行させるロボティックウエアの同調制御用コンピュータプログラム。 In claim 7,
The hip joint neural oscillator and the knee joint neural oscillator are defined by a nonlinear first-order simultaneous differential equation represented by the following three formulas:
here,
xi: coefficient indicating the internal state of the i-th neural element g (xi): output of the i-th neural element fi: coefficient indicating the fatigue state of the i-th neural element Si: steady input to the i-th neural element bi : Fatigue coefficient of i-th neural element aij: coupling coefficient from i-th neural element to j-th neural element Ta, Tr: time constant Input: external input,
When the interaction force is an interaction torque τ_mutual and a gain for adjusting the synchronism in the tuning control is a tuning gain C, the external input Input is set using the interaction torque τ_mutual and the tuning gain C.
Input = C * τ_mutual
A computer program for controlling the tuning of robotic wear that causes a computer to execute the functions specified in.
ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を膝関節に伝える膝関節アクチュエータと、
前記股関節アクチュエータおよび前記膝関節アクチュエータを制御する同調制御装置と、
を有しており、
前記同調制御装置は、
ヒトの歩行時に股関節と股関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、股関節神経振動子を用いた同調制御により、股関節アクチュエータを所定の股関節制御軌道を描くように駆動制御する股関節制御部と、
前記歩行時に膝関節と膝関節アクチュエータの間に生じる相互作用力に基づき、膝関節神経振動子を用いた同調制御により、膝関節アクチュエータを所定の膝関節制御軌道を描くように駆動制御する膝関節制御部と、
を備えており、
前記股関節制御軌道の１周期をヒトの１歩行周期に対応するように設定されており、
前記膝関節制御軌道を、前記股関節制御軌道の１周期を２周期とする２周期制御軌道に設定されており、
前記股関節制御軌道の各１周期分の軌道波形に対応する前記膝関節制御軌道の２周期分の軌道波形が、ヒトの１歩行運動の立脚相および遊脚相の動きに対応するように、一方の立脚相軌道波形の振幅を、他方の遊脚相軌道波形の振幅に比べて小さくなるように設定されていることを特徴とするロボティックウエア。 A hip joint actuator that gives the hip joint an assisting force to assist human walking movement;
A knee joint actuator that transmits to the knee joint an assist force that assists human walking movements;
A tuning control device for controlling the hip joint actuator and the knee joint actuator;
Have
The tuning control device includes:
A hip joint control unit that drives and controls the hip joint actuator so as to draw a predetermined hip joint control trajectory by synchronous control using the hip joint neural oscillator based on the interaction force generated between the hip joint and the hip joint actuator during human walking;
A knee joint that drives and controls the knee joint actuator to draw a predetermined knee joint control trajectory by synchronous control using the knee joint neural oscillator based on the interaction force generated between the knee joint and the knee joint actuator during walking. A control unit;
With
One cycle of the hip joint control trajectory is set to correspond to one human walking cycle,
The knee joint control trajectory is set to a two-cycle control trajectory in which one cycle of the hip joint control trajectory is two cycles,
The trajectory waveform for two cycles of the knee joint control trajectory corresponding to the trajectory waveform for one cycle of the hip joint control trajectory corresponds to the movement of the stance phase and the free leg phase of one human walking motion. The robotic wear is characterized in that the amplitude of the stance phase trajectory waveform is set to be smaller than the amplitude of the other swing phase trajectory waveform.
前記股関節神経振動子の自励振動を規定する基本波形を股関節基本波形とすると、前記膝関節神経振動子の自励振動を規定する膝関節基本波形は、前記股関節基本波形の周期の１／２の周期を有するように設定されており、
前記股関節制御部は、
前記膝関節神経振動子の出力信号における前記立脚相に対応する立脚相波形部分および遊脚相波形部分に対して、予め設定されている振幅倍率とオフセット値をそれぞれ与えて、前記立脚相軌道波形および前記遊脚相軌道波形を備えた膝関節制御軌道を規定する制御信号波形を生成する信号処理部を備えているロボティックウエア。 In claim 13,
Assuming that the basic waveform defining the self-excited vibration of the hip joint neural oscillator is a hip joint basic waveform, the knee joint basic waveform defining the self-excited vibration of the knee joint neural oscillator is ½ of the period of the hip basic waveform. Is set to have a period of
The hip joint controller
The stance phase trajectory waveform is obtained by giving preset amplitude magnifications and offset values to the stance phase waveform portion and the swing phase phase portion corresponding to the stance phase in the output signal of the knee joint neural oscillator, respectively. And a robotic wear comprising a signal processing unit that generates a control signal waveform defining a knee joint control trajectory having the swing phase trajectory waveform.
前記信号処理部は、
前記膝関節神経振動子の出力信号の極小点を判別する極小点判別部と、
前記極小点のそれぞれについて、対応する時点における前記股関節神経振動子の出力信号の振幅値を判別する値判別部と、
前記振幅値に基づき、前記膝関節神経振動子の出力信号の各極小点間が前記立脚相波形
部分および前記遊脚相波形部分のいずれであるかを判別する相判別部と、
を備えているロボティックウエア。 In claim 14,
The signal processing unit
A minimum point discriminating unit for discriminating a minimum point of the output signal of the knee joint neural oscillator;
For each of the local minimum points, a value discriminating unit that discriminates an amplitude value of an output signal of the hip joint neural oscillator at a corresponding time point;
Based on the amplitude value, a phase discriminating unit that discriminates between the stance phase waveform portion and the swing phase phase portion between the local minimum points of the output signal of the knee joint neural oscillator;
Robotic wear equipped with.
前記信号処理部は、
前記制御信号波形における前記立脚相波形部分と前記遊脚相波形部分との間の継ぎ目部分が一致していない場合に、当該継ぎ目部分が滑らかに連続する継ぎ目部分となるように、波形修正を施す波形修正部を備えているロボティックウエア。 In claim 14,
The signal processing unit
When the joint portion between the stance phase waveform portion and the free leg phase waveform portion in the control signal waveform does not match, the waveform correction is performed so that the joint portion becomes a smoothly continuous joint portion. Robotic wear with waveform correction.
前記股関節アクチュエータとして、ヒトの左右の股関節にアシスト力を与える左股関節アクチュエータおよび右股関節アクチュエータとを備え、
前記膝関節アクチュエータとして、ヒトの左右の膝関節にアシスト力を与える左膝関節アクチュエータおよび右膝関節アクチュエータとを備え、
前記股関節制御部は、前記左股関節アクチュエータおよび前記右股関節アクチュエータを、相互に逆位相の前記股関節制御軌道を描くように駆動制御し、
前記膝関節制御部は、前記左膝関節アクチュエータおよび前記右膝関節アクチュエータを、相互に１周期分位相がずれた状態で前記膝関節制御軌道を描くように駆動制御するロボティックウエア。 In claim 13,
The hip joint actuator includes a left hip joint actuator and a right hip joint actuator that provide an assist force to the left and right hip joints of a human,
The knee joint actuator includes a left knee joint actuator and a right knee joint actuator that provide an assist force to the left and right knee joints of a human,
The hip joint control unit drives and controls the left hip joint actuator and the right hip joint actuator so as to draw the hip joint control trajectories in mutually opposite phases,
The knee joint control unit drives and controls the left knee joint actuator and the right knee joint actuator so as to draw the knee joint control trajectory in a state where the phases are shifted from each other by one cycle.
前記股関節アクチュエータによって規定されるロボット股関節と前記膝関節アクチュエータによって規定されるロボット膝関節との間を連結するリンク機構が備わっていない非外骨格型であるロボティックウエア。 In claim 13,
Robotic wear that is a non-exoskeleton type that does not include a link mechanism that connects a robot hip joint defined by the hip joint actuator and a robot knee joint defined by the knee joint actuator.
前記股関節神経振動子および前記膝関節神経振動子は、以下の三式で示す非線形１階連立微分方程式で表され、
ここで、
ｘｉ：ｉ番目の神経素子の内部状態を示す係数
ｇ（ｘｉ）：ｉ番目の神経素子の出力
ｆｉ：ｉ番目の神経素子の疲労状態を表す係数
Ｓｉ：ｉ番目の神経素子への定常入力
ｂｉ：ｉ番目の神経素子の疲労係数
ａｉｊ：ｉ番目の神経素子からｊ番目の神経素子への結合係数
Ｔａ，Ｔｒ：時定数
Ｉｎｐｕｔ：外部入力
であり、
前記相互作用力を相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌとし、前記同調制御における同調性を調整するゲインを同調ゲインＣとすると、前記外部入力Ｉｎｐｕｔは、前記相互作用トルクτ＿ｍｕｔｕａｌと前記同調ゲインＣを用いて、
Ｉｎｐｕｔ＝Ｃ＊τ＿ｍｕｔｕａｌ
で表されるロボティックウエア。 In claim 13,
The hip joint neural oscillator and the knee joint neural oscillator are represented by a nonlinear first-order simultaneous differential equation represented by the following three expressions:
here,
xi: coefficient indicating the internal state of the i-th neural element g (xi): output of the i-th neural element fi: coefficient indicating the fatigue state of the i-th neural element Si: steady input to the i-th neural element bi : Fatigue coefficient of i-th neural element aij: coupling coefficient from i-th neural element to j-th neural element Ta, Tr: time constant Input: external input,
Assuming that the interaction force is an interaction torque τ_mutual and a gain for adjusting the synchronism in the tuning control is a tuning gain C, the external input Input uses the interaction torque τ_mutual and the tuning gain C,
Input = C * τ_mutual
Robotic wear represented by
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