JP6516476B2 - ウェアラブルなシザーペア型人体バランス補助用コントロールモーメントジャイロスコープ(sp−cmg) - Google Patents
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Description
一般的に説明すると、シザーペア型コントロールモーメントジャイロスコープ(SP−CMG)は、着用者が直立した状態で自分の体幹を維持するのを助けたり、着用者がバランスを失ったときに転倒速度を緩和するのを支援したりする。ユーザは、ハーネスやストラップを使用して、自分の背中にSP−CMGを着用することができる。SP−CMGは、ユーザの体幹が直立位置から少なくとも閾値量だけ、および/または、少なくとも閾値の角速度でずれたと判定すると、ユーザの姿勢バランスを回復するためにトルクを印加する。例えば、SP−CMGは、ユーザの体幹の加速度を測定することによって、ユーザが前方または後方に転倒しかかっているかどうかを判定し、感知された加速度に対抗する力を発生するトルクを加える。このようにして、SP−CMGは、ユーザが転倒するのを防いだり、ユーザの転倒の勢いを弱めたりして手助けする。
SP−CMGは、人体のバランス補助に使用されるので、SP−CMGのサイズおよび重量の制限がある。例えば、SP−CMGは、バックパックとして持ち運ぶことができるように十分に軽くなければならない。一実施形態では、SP−CMGの質量は9キログラムを超えない。また、SP−CMGのサイズは、ユーザが快適に持ち運べるように十分に小さくなければならない。一実施形態では、フライホイールの半径は50ミリメートルを超えない。さらに、フライホイールの角速度も、安全上の理由で制限することができる。例えば、フライホイールのベクトル角速度は毎分5000回転に制限することができる。
図6は、SP−CMGの制御系のブロック図を示している。制御系は、ジャイロスコープコントローラ610と、感知モジュール620と、を備える。感知モジュール620は、一つ以上の加速度計および/またはジャイロスコープを含んでいてもよい。例えば、感知モジュール620は、x、y、およびz軸の加速度を測定するための三軸加速度計を含んでいてもよい。別の例では、感知モジュール620は、空間内の回転(例えば、ロール、ピッチ、ヨー)の程度と速度を感知するための三軸ジャイロスコープも含む。感知モジュール620は、ユーザの加速度を検出し、ジンバルサーボ225を作動させる信号をジャイロスコープコントローラ610に送る。図7はジンバルの位置のタイミング図である。ジャイロスコープコントローラは、サーボ225を作動させる信号を受信すると、第一CMGのジンバルサーボと第二CMGのジンバルサーボを独立に制御する。
本開示を読めば、当業者は、本明細書に記載の特徴を有する別の代替デザインがさらにあることを理解するであろう。したがって、特定の実施形態および用途について図示し説明してきたが、実施形態としては、本明細書に開示された構成や構成要素と全く同じものに限定されるものではなく、当業者には明らかであると思われる様々な修正、変更、および変形を、添付の特許請求の範囲に規定される実施形態の主旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に開示された実施形態の配置、動作および詳細について行なうことができると理解すべきである。
Claims (17)
- 人間バランス補助装置であって、
シザーペアのコントロールモーメントジャイロスコープ(SP−CMG)と、
ジャイロスコープコントローラと、を備え、
第一コントロールモーメントジャイロスコープ(CMG)は、
各々が第一回転軸を中心に回転可能な第一フライホイールおよび第二フライホイールと、
動作中は前記第一回転軸を中心に前記第一フライホイールおよび前記第二フライホイールを回転させる第一モータと、
前記第一フライホイールおよび前記第二フライホイールを支持する第一シャフトおよび第一支持構造を備え、前記第一シャフトを貫く第二回転軸を中心に回転可能な第一ジンバルと、
動作中は前記第二回転軸を中心に前記第一ジンバルを回転させる第一ジンバルサーボと、を備え、
第二CMGは、
各々が第三回転軸を中心に回転可能な第三フライホイールおよび第四フライホイールと、
動作中は前記第三回転軸を中心に前記第三フライホイールおよび前記第四フライホイールを回転させる第二モータと、
前記第三フライホイールおよび前記第四フライホイールを支持する第二シャフトおよび第二支持構造を備え、前記第二シャフトを貫く第四回転軸を中心に回転可能な第二ジンバルと、
動作中は前記第四回転軸を中心に前記第二ジンバルを回転させる第二ジンバルサーボと、を備え、
前記ジャイロスコープコントローラは、前記第一ジンバルサーボおよび前記第二ジンバルサーボを制御し、前記ジャイロスコープコントローラは、さらに、前記第一ジンバルサーボを第一方向に作動させ、前記第二ジンバルサーボを前記第一方向とは反対の第二方向に作動させる
ことを特徴とする人間バランス補助装置。 - 前記第一モータは、前記第一フライホイールおよび前記第二フライホイールを第一角速度で回転させ、前記第二モータは、前記第三フライホイールおよび前記第四フライホイールを前記第一角速度で回転させる
ことを特徴とする、請求項1に記載の装置。 - 前記第一フライホイールおよび前記第二フライホイールは、第三シャフトによって連結され、前記第三フライホイールおよび前記第四フライホイールは、第四シャフトによって連結される
ことを特徴とする、請求項2に記載の装置。 - 前記第一角速度は、前記フライホイールを製造するために使用される材料の歪み率に略対応する歪みを前記フライホイールが受ける角速度の五分の一未満である
ことを特徴とする、請求項2に記載の装置。 - 前記第一モータは、前記第一フライホイールおよび前記第二フライホイールを第一方向に回転させ、前記第二モータは、前記第三フライホイールおよび前記第四フライホイールを前記第一方向とは反対の第二方向に回転させる
ことを特徴とする、請求項2に記載の装置。 - さらに、前記装置のユーザの体幹の加速度を感知し、前記感知した加速度に基づいて、前記感知した加速度に比例する信号を前記ジャイロスコープコントローラに送信する感知モジュールを備え、
前記ジャイロスコープコントローラは、さらに、前記感知モジュールから前記信号を受信すると、前記第一ジンバルを前記第一方向に作動させ、前記第二ジンバルを前記第二方向に作動させ、前記第一および前記第二ジンバルの角速度は、前記受信した信号に比例する
ことを特徴とする、請求項1に記載の装置。 - 前記感知モジュールは、前記感知した加速度が閾値よりも大きいと前記信号を前記ジャイロスコープコントローラに送信する
ことを特徴とする、請求項6に記載の装置。 - さらに、第一面に対して前記第一ジンバルおよび前記第二ジンバルが実質的に垂直であるバックプレートと、
前記バックプレートに結合されるエンクロージャと、
前記バックプレートの第二面に結合されるハーネスと、を備える
ことを特徴とする、請求項1に記載の装置。 - 前記第一フライホイール、前記第二フライホイール、前記第三フライホイール、および前記第四フライホイールは、各々、900グラム以下の重さで50ミリメートル以下の半径を有し、前記装置は9キログラム以下の重さであって、前記第一CMGおよび前記第二CMGは、25ニュートンメートル以上のトルクを生み出す
ことを特徴とする、請求項1に記載の装置。 - 前記第一フライホイール、前記第二フライホイール、前記第三フライホイール、および前記第四フライホイールは、タングステンを基材とする高密度合金で作るものとし、前記エンクロージャは、カーボンケブラーで作る
ことを特徴とする、請求項8に記載の装置。 - 前記第一フライホイールと前記第二フライホイールは前記第一ジンバルの回転軸まで等距離であり、
前記第一モータの質量中心は前記第一ジンバルの前記回転軸上に位置し、
前記第三フライホイールと前記第四フライホイールは前記第二ジンバルの回転軸まで等距離であり、
前記第二モータの質量中心は前記第二ジンバルの前記回転軸上に位置する
ことを特徴とする、請求項1に記載の装置。 - 前記SP−CMGの前記第一ジンバルの前記回転と前記SP−CMGの前記第二ジンバルの前記回転は、電子的に互いに独立して制御される
ことを特徴とする、請求項1に記載の装置。 - シザーペアのコントロールモーメントジャイロスコープ(SP−CMG)を制御する方法であって、
第一回転軸を中心に回転可能な、前記SP−CMGの複数の第一フライホイールを第一角速度で回転させるとともに、第二回転軸を中心に回転可能な、前記SP−CMGの複数の第二フライホイールを第二角速度で回転させるステップであって、前記複数の第一フライホイールは、第三回転軸を中心に回転可能で第一シャフトおよび第一支持構造を備える第一ジンバルに支持され、前記複数の第二フライホイールは、第四回転軸を中心に回転可能で第二シャフトおよび第二支持構造を備える第二ジンバルに支持される、というステップと、
前記SP−CMGの第一ジンバルサーボを第一方向に回転させるとともに、前記SP−CMGの第二ジンバルサーボを前記第一方向とは反対の第二方向に回転させるステップであって、前記第一ジンバルサーボは、動作中は前記第三回転軸を中心に前記第一ジンバルを回転させ、前記第二ジンバルサーボは、動作中は前記第四回転軸を中心に前記第二ジンバルを回転させる、というステップと、を含む、
ことを特徴とする方法。 - 前記第一角速度の大きさと前記第二角速度の大きさはほぼ等しい
ことを特徴とする、請求項13に記載の方法。 - 前記第一ジンバルサーボと前記第二ジンバルサーボはほぼ等しい角速度で回転する
ことを特徴とする、請求項13に記載の方法。 - さらに、ユーザの体幹の加速度を感知するステップを含み、
前記第一ジンバルサーボの角速度と前記第二ジンバルサーボの角速度は、前記感知した加速度に比例する
ことを特徴とする、請求項13に記載の方法。 - 前記第一ジンバルを第一ジンバル角速度で前記第一方向に回転させるとともに、前記第二ジンバルを第二ジンバル角速度で前記第二方向に回転させる前記方法は、
さらに、前記第一ジンバルを第三ジンバル角速度で第三方向に回転させるとともに、前記第二ジンバルを第四ジンバル角速度で第四方向に回転させるステップを含み、
前記第三ジンバル角速度と前記第四ジンバル角速度は、前記第一ジンバル角速度と前記第二ジンバル角速度よりも小さく、前記第三方向は前記第一方向と逆向きであり、前記第四方向は前記第二方向と逆向きである
ことを特徴とする、請求項13に記載の方法。
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