JP6956401B2 - Robotic wear and its control method - Google Patents
Robotic wear and its control method Download PDFInfo
- Publication number
- JP6956401B2 JP6956401B2 JP2017123861A JP2017123861A JP6956401B2 JP 6956401 B2 JP6956401 B2 JP 6956401B2 JP 2017123861 A JP2017123861 A JP 2017123861A JP 2017123861 A JP2017123861 A JP 2017123861A JP 6956401 B2 JP6956401 B2 JP 6956401B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- hip
- joint
- knee
- control
- knee joint
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Manipulator (AREA)
- Rehabilitation Tools (AREA)
Description
本発明は、同調制御方法を利用して歩行をアシストするロボティックウエア及びその制御方法に関し、より詳細には階段歩行を好適にアシストすることができるロボティックウェア及びその制御方法に関する。 The present invention relates to robotic wear that assists walking by using a synchronized control method and a control method thereof, and more particularly to robotic wear that can suitably assist walking on stairs and a control method thereof.
高齢者支援、介護支援などの様々な動作を補助するロボットの開発が進められている（非特許文献１）。本発明者等は、これまで神経振動子モデル（非特許文献２）を用いて装着者の歩行動作に同調した補助動作を行うことのできるロボティックウエアを開発してきた（非特許文献２、３、特許文献１、２、３、４）。
Development of robots that assist various movements such as elderly support and long-term care support is underway (Non-Patent Document 1). The present inventors have so far developed robotic wear capable of performing an auxiliary motion synchronized with the walking motion of the wearer using a neural oscillator model (Non-Patent Document 2) (Non-Patent
ところで、本発明者等が提案してきたロボティックウェアは平面歩行において歩行をアシストするものであり、階段歩行において同調制御方法を利用してアシストする方法については未検討であった。
本発明は、階段歩行についても的確にアシストすることができるロボティックウェア及びその制御方法を提供することを目的とする。
By the way, the robotic wear proposed by the present inventors has assisted walking in flat walking, and a method of assisting by using a synchronization control method in stair walking has not been studied.
An object of the present invention is to provide robotic wear capable of accurately assisting walking on stairs and a control method thereof.
本発明者は、平面歩行においては、１歩行周期の間に、立脚相及び遊脚相からなる異なる振幅の２周期運動をなすことに着目し、２周期運動による膝関節の軌道制御を行うことで、神経振動子モデルを用いた同調制御方法により歩行動作をアシストする方法を提案した。
本発明に係る階段歩行においては、膝関節の動きは平面歩行の際における動作とは異なり、階段昇行における周期的動作が股関節と膝関節の位相が略同調すること、また１周期ごとに略単一の正弦波波形を描くことに基づいて制御する。
The present inventor focuses on performing two-cycle movements of different amplitudes consisting of a stance phase and a swing phase during one walking cycle in flat walking, and controls the trajectory of the knee joint by two-cycle movement. Therefore, we proposed a method of assisting walking movement by a tuning control method using a neural oscillator model.
In the stairs walking according to the present invention, the movement of the knee joint is different from the movement in the plane walking, and the periodic movement in the ascending stairs is such that the phases of the hip joint and the knee joint are substantially synchronized, and the movement is omitted for each cycle. Control based on drawing a single sinusoidal waveform.
すなわち、本発明に係るロボティックウエアの制御方法は、ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を股関節と膝関節にそれぞれ伝える股関節アクチュエータ及び膝関節アクチュエータと、前記股関節アクチュエータ及び膝関節アクチュエータを神経振動子を用いて制御する同調制御装置とを備える人体装着型のロボティックウエアの制御方法であって、前記同調制御装置は、股関節と前記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とともに、膝関節と前記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、ヒトの一足一段歩行による階段昇行時に、前記同調制御装置は、左右の股関節の股関節制御軌道が左右で逆位相、左右の膝関節の膝関節制御軌道が左右で逆位相となり、左の股関節と左の膝関節、右の股関節と右の膝関節については、それぞれ股関節制御軌道と膝関節制御軌道が、同一周期、かつ同一位相となるように股関節アクチュエータと膝関節アクチュエータを駆動制御することを特徴とする。 That is, the robotic wear control method according to the present invention is a hip joint actuator and a knee joint actuator that transmit an assist force that assists a human walking movement to the hip joint and the knee joint, respectively, and the hip joint actuator and the knee joint actuator as a nerve transducer. a human body wearable robotic wear of the braking personage method and a tuning control apparatus for controlling with the tuning control unit on the basis of the interaction force between the hip and the hip actuator, hip neural oscillator the tuning control using the child, as well as the drive control to draw a hip actuator predetermined hip control track, on the basis of the interaction force between the knee joint actuator and the knee joint, with the knee joint neural oscillator By tuning control, the hip joint actuator is driven and controlled so as to draw a predetermined knee joint control trajectory, and when ascending a staircase by one-legged walking of a human, the synchronization control device reverses the hip joint control trajectory of the left and right hip joints on the left and right. Phase, the knee joint control trajectories of the left and right knee joints are opposite in phase on the left and right, and the hip joint control trajectory and knee joint control trajectory are the same for the left hip joint and left knee joint, and the right hip joint and right knee joint, respectively. It is characterized in that the hip joint actuator and the knee joint actuator are driven and controlled so as to have a period and the same phase.
前記同調制御装置は、左右の股関節を制御する左右の股関節神経振動子と、左右の膝関節を制御する左右の膝関節神経振動子については、それぞれ相互に抑制結合し、左股関節を制御する股関節神経振動子と左膝関節を制御する膝関節神経振動子と、右股関節を制御する股関節神経振動子と右膝関節を制御する膝関節神経振動子については、それぞれいずれか一方とのみ抑制結合することを特徴とする。 The synchronization control device suppresses and connects the left and right hip joints that control the left and right hip joints and the left and right knee joints that control the left and right knee joints to each other, and controls the left hip joint. The knee joint nerve oscillator that controls the nerve oscillator and the left knee joint, and the hip joint nerve oscillator that controls the right hip joint and the knee joint nerve oscillator that controls the right knee joint are suppressed and coupled to only one of them. It is characterized by that.
ヒトの歩行運動を補助するアシスト力を股関節と膝関節にそれぞれ伝える股関節アクチュエータ及び膝関節アクチュエータと、前記股関節アクチュエータ及び膝関節アクチュエータを神経振動子を用いて制御する同調制御装置とを備える人体装着型のロボティックウエアであって、前記同調制御装置は、股関節と前記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、膝関節と前記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股関節制御部とを備え、ヒトの一足一段歩行による階段昇行時に、前記同調制御装置は、左右の股関節の股関節制御軌道が左右で逆位相、左右の膝関節の膝関節制御軌道が左右で逆位相となり、左の股関節と左の膝関節、右の股関節と右の膝関節については、それぞれ股関節制御軌道と膝関節制御軌道が、同一周期、かつ同一位相となるように股関節アクチュエータと膝関節アクチュエータを駆動制御することを特徴とする。
また、前記同調制御装置は、左右の股関節を制御する左右の股関節神経振動子と、左右の膝関節を制御する左右の膝関節神経振動子については、それぞれ相互に抑制結合し、左股関節を制御する股関節神経振動子と左膝関節を制御する膝関節神経振動子と、右股関節を制御する股関節神経振動子と右膝関節を制御する膝関節神経振動子については、それぞれいずれか一方とのみ抑制結合することを特徴とする。
A human-worn type equipped with a hip joint actuator and a knee joint actuator that transmit assisting forces that assist human walking movements to the hip joint and the knee joint, respectively, and a tuning control device that controls the hip joint actuator and the knee joint actuator using a nerve transducer. a robotic software, the tuning control unit on the basis of the interaction force between the hip and the hip joint actuator by tuning control using the hip neural oscillators, draw a predetermined hip control trajectory hip actuator a hip control unit for driving and controlling so as, on the basis of the interaction force between the knee joint knee joint actuator, the tuning control using the knee neural oscillator, the knee joint actuator in a predetermined knee joint control trajectory It is equipped with a hip joint control unit that drives and controls as if drawing, and when ascending a staircase by walking one foot on a human foot, the synchronization control device has the hip joint control trajectories of the left and right hip joints in opposite phases on the left and right, and the knee joints of the left and right knee joints. The control trajectories are opposite in phase on the left and right, and for the left hip joint and left knee joint, and for the right hip joint and right knee joint, the hip joint control trajectory and knee joint control trajectory are in the same period and phase, respectively. It is characterized by driving and controlling the hip joint actuator and the knee joint actuator.
Also, the tuning control unit includes a right and left hip joints neural oscillator to control the left and right hip joint, for the left and right knee joints neural oscillators that control the left and right knee joints, inhibit binding to each other, respectively, control the left hip joint and knee joints neural oscillator to control the hip neural oscillators and left knee joints, the knee joint neural oscillator to control the hip neural oscillators and the right knee joint to control the right hip joint, either one respectively only suppressed It is characterized by combining.
本発明によれば、ヒトが階段を昇降する際の歩行動作を好適にアシストすることができるロボティックウェア及びその制御方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide robotic wear capable of suitably assisting a walking motion when a person goes up and down stairs, and a control method thereof.
（ロボティックウエアの構成）
図１に、本発明に係るロボティックウエアの一実施形態を示す。このロボティックウエアは、人体の骨格構造をロボット機構の支持体として利用する構成を有するもので、人体の骨格の外側にリンク機構を備えないことから、非外骨格型ロボティックウェアと称される（特許文献４）。
図１に示すロボティックウェアは、股関節の左右の外側の位置に配置した第１のモータユニット１０と、左右の膝関節の外側の位置にそれぞれ配置した第２のモータユニット２０とを備える。第１のモータユニット１０は、股関節を挟んで、腰ベルト１４と左右の太腿に配置した太腿ベルト１６との間を連繋し、第２のモータユニット１２は膝関節を挟んで膝上ベルト１８と膝下ベルト２０との間を連繋する。
(Structure of robotic wear)
FIG. 1 shows an embodiment of robotic wear according to the present invention. This robotic wear has a configuration in which the skeletal structure of the human body is used as a support for a robot mechanism, and is called a non-external skeletal type robotic wear because it does not have a link mechanism outside the skeleton of the human body. (Patent Document 4).
The robotic wear shown in FIG. 1 includes a
第１のモータユニット１０と第２のモータユニット１２は、モータと、モータの出力軸に連繋する減速機とを備える。減速機の出力軸には旋回腕が取り付けられ、第１のモータユニット１０では腰ベルト１４と太腿ベルト１６との間を連繋するように旋回腕が設けられ、第２のモータユニット１２では膝上ベルト１８と膝下ベルト２０との間を連繋するように旋回腕が設けられている。
ヒトの歩行動作のアシストは、第１のモータユニット１０と第２のモータユニット１２の旋回腕を、ヒトの歩行動作に合わせて、その旋回タイミング、旋回角度（開き角度）を制御することによってなされる。
The
The human walking motion is assisted by controlling the swivel timing and swivel angle (opening angle) of the swivel arms of the
（同調制御方法）
本発明に係るロボティックウエアでは、神経振動子を用いた同調制御方法（非特許文献３）を利用して駆動系を制御している。
図２に、その制御システムの概要を示す。本発明に係るロボティックウェアの制御方法は、ロボットとヒトの動きによって生じるロボットとヒトとの相互作用力を、減速機に内蔵したトルクセンサによって検知し、同調ゲインを乗じたものを神経振動子への入力として使用し、入力を受けた神経振動子からは同調信号が出力され、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し、フィードバック制御によりヒトの運動との同調を図ろうとする仕組みである。同調ゲインを高くした場合は人間主体の運動生成が可能となり、同調ゲインを低めていくと、よりロボットが能動的に人間を牽引するような運動生成が可能になる。したがって、装着者の能力に応じて同調ゲインを調整することにより、適切な補助力によるアシストが可能となる。
(Synchronization control method)
In the robotic wear according to the present invention, the drive system is controlled by using a tuning control method (Non-Patent Document 3) using a neural oscillator.
FIG. 2 shows an outline of the control system. In the robotic wear control method according to the present invention, the interaction force between the robot and the human generated by the movement of the robot and the human is detected by a torque sensor built in the speed reducer, and the result multiplied by the tuning gain is the neural oscillator. A tuning signal is output from the neural oscillator that receives the input, and the robot movement is generated through PID control using this output signal as the target angle, and the synchronization with human movement is shown by feedback control. It is a mechanism to try. When the tuning gain is increased, human-centered motion generation becomes possible, and when the tuning gain is lowered, motion generation such that the robot actively pulls the human becomes possible. Therefore, by adjusting the tuning gain according to the ability of the wearer, it is possible to assist with an appropriate assisting force.
（神経振動子）
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)
When humans perform basic rhythmic movements such as walking movements, they generate movements while controlling them using a neural circuit called CPG (Central Pattern Generator). A CPG is a collection of neural tissues that vibrate while having a phase relationship with each other, and a neural oscillator is a model of the excitement / 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２）、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た。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３）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 the CPG is composed by modeling the neural elements that make up the neural oscillator and the combination of the neural oscillators (Non-Patent Document 2). We also studied the relationship between the generated output oscillations. This neural oscillator has the property of tuning the self-excited vibration to the external input signal and pulling in to the outside, and in the previous research (Non-Patent Document 3), the synchronization control of robot and human was realized by utilizing this property. doing.
本発明においても、この松岡モデルを用いてロボットを制御する。松岡モデルは下記の非線形1 階連立微分方程式によって表すことができる。図３は、神経素子のユニットの構造を示す。
図３で、xiはi番目のニューロンの内部状態を表す係数、fiはi番目のニューロンの疲労状態を表す係数、g(xi)はi番目のニューロンの出力、Siはi番目のニューロンの定常入力、biはi番目のニューロンの疲労係数、aijはi番目のニューロンからj番目のニューロンへの結合係数、Ta及びTrは時定数である。Inputは外部入力であり、センサからの入力などである。
同調制御方法では、ロボットのモータに取り付けたひずみセンサにより、相互作用トルクと呼ばれるロボットとヒトのトルクの差からロボットとヒトの動きの違いを検知し、そこに同調ゲインと呼ばれる同調性を調整するパラメータを設定することで、外部入力を取り入れる度合いを調整している。
In FIG. 3, x i is a coefficient representing the internal state of the i-th neuron, f i is a coefficient representing the fatigue state of the i-th neuron, g (x i ) is the output of the i-th neuron, and S i is the i-th neuron. stationary input of the neuron, b i is the fatigue coefficient of the i-th neuron, a ij is the coupling coefficient of the i-th neuron to the j-th neuron, T a and T r is a time constant. Input is an external input, such as an input from a sensor.
In the tuning control method, a strain sensor attached to the motor of the robot detects the difference in movement between the robot and the human from the difference in torque between the robot and the human, which is called the interaction torque, and adjusts the tuning called the tuning gain there. By setting parameters, the degree of taking in external input is adjusted.
図４に従来の同調制御に用いてきた振動子モデルを示す。この神経振動子のモデルでは、図４に示すような２つのユニットで構成し、この神経振動子の出力をg(x1)−g(x2)とすることで正弦波のような周期的な信号波形を得て制御している。
松岡モデルでは、x1(0)、x2(0)、ｆ1(0)、ｆ2(0)、a12、a21、b1、b2、S1、S2、Ta、Tr、Inputを任意に定めることによって、神経振動子の出力波形を変化させることができる。
FIG. 4 shows an oscillator model used for conventional tuning control. In this neural oscillator model, it is composed of two units as shown in Fig. 4, and the output of this neural oscillator is g (x 1 ) -g (x 2 ), so that it is periodic like a sine wave. The signal waveform is obtained and controlled.
In the Matsuoka model, x 1 (0), x 2 (0), f 1 (0), f 2 (0), a 12 , a 21 , b 1 , b 2 , S 1 , S 2 , T a , T The output waveform of the neural oscillator can be changed by arbitrarily setting r and Input.
（平面歩行時の神経振動子の抑制結合形態）
図１に示したロボティックウェア（下肢４関節制御システム）では、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して第１のモータを備え、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して第２のモータを備え、股関節アクチュエータ及び膝関節アクチュエータを制御する同調制御装置を備える。
(Suppressive coupling form of neural oscillators during plane walking)
The robotic wear (lower limb four-joint control system) shown in FIG. 1 is provided with a first motor as a hip joint actuator that gives an assisting force to assist human walking movement to the hip joint, and provides an assisting force to assist human walking movement. A second motor is provided as a knee joint actuator that transmits to the knee joint, and a hip joint actuator and a synchronization control device that controls the knee joint actuator are provided.
同調制御装置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と、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る。
The synchronization control device is configured around a computer, and by executing the installed computer program for synchronization control, the hip joint nerve transducer is used based on the interaction force generated between the hip joint and the hip joint actuator during human walking. A hip joint nerve transducer is used based on the interaction force generated between the knee joint and the knee joint actuator during walking and the hip joint control unit that drives and controls the hip joint actuator so as to draw a predetermined hip joint control trajectory by the synchronized control. the tuning control had, and a knee function abstinence control unit for driving and controlling so that the knee joint actuator draws a predetermined knee control trajectory.
図５は、先行研究（特許文献４）で開発した平面歩行時における神経振動子間の抑制結合形態を示す。先行研究では、ヒトが平面歩行するときには膝関節が２周期軌道をなすことからロボティックウェアの同調制御方法においては、左右の股関節の動作を制御する神経振動子を相互に抑制結合し、左右の膝関節の動作を制御する神経振動子を相互に抑制結合するとともに、左股関節と左膝関節を制御する神経振動子を相互に抑制結合し、右股関節と右膝関を制御する神経振動子を相互に抑制結合する方式を採用している。 FIG. 5 shows the suppressive coupling morphology between neural oscillators during plane walking developed in the previous study (Patent Document 4). In previous studies, the knee joints form a two-cycle orbit when a human walks in a plane. Therefore, in the robotic wear synchronization control method, the nerve transducers that control the movements of the left and right hip joints are mutually suppressed and connected to each other, and the left and right hip joints are restrained and connected. The neural transducers that control the movement of the knee joint are mutually suppressed and coupled, and the neural transducers that control the left hip joint and the left knee joint are mutually suppressed and coupled to control the right hip joint and the right knee joint. A method of mutually suppressing coupling is adopted.
図１に示すロボティックウェアを実際に使用する際には、同調制御装置と第１のモータ及び第２のモータを駆動する電源（電池）を内蔵したバックを背負い、第１のモータ、第２のモータ等を所定位置に装着し、第１のモータ及び第２のモータと電源等とを接続し、ロボティックウェアを駆動して歩行する。 When actually using the robotic wear shown in FIG. 1, carry a bag containing a tuning control device and a power supply (battery) for driving the first motor and the second motor, and carry the first motor and the second motor. Motors and the like are mounted at predetermined positions, the first motor and the second motor are connected to a power source and the like, and robotic wear is driven to walk.
（階段歩行）
ヒトの階段歩行方法には、一足一段歩行と二足一段歩行の二種類ある。一足一段歩行は右足と左足を交互に動かして階段歩行をなすもので、通常の階段歩行はこの動作である。一方、二足一段は片足を次の段に移動した後、他方の足を同じ段に移動する動作で階段歩行するものである。本明細書では、健常者の通常の階段歩行方法である一足一段歩行の制御について検討する。
(Walking on stairs)
There are two types of human stair walking methods: one-legged one-step walking and two-legged one-step walking. One-legged walking is to walk on stairs by moving the right foot and left foot alternately, and normal walking on stairs is this movement. On the other hand, in the two-legged one-step method, one foot is moved to the next step and then the other foot is moved to the same step to walk on the stairs. In the present specification, the control of step-by-step walking, which is a normal method of walking on stairs of a healthy person, will be examined.
階段歩行時におけるアシスト制御を検証する第一段階として、一足一段歩行で階段を昇る際の股関節及び膝関節の角度変化と、そのときに作用するトルクの推移を調べる実験を行った。関節角度はモーションキャプチャにより、高低差200mm、幅550mm、奥行260mmで３段の階段を昇る際の動きを計測し、モーションキャプチャのマーカのデータを解析ソフトに取り込み、関節角度を調べる方法で行った。関節トルクは、階段の踏み板に相当する位置に接触判定用のプレートを配置し、足の裏との接触点にかかる力を計算し、逆動力学によって求めた。図６に関節角度（股関節角度θ1、膝関節角度θ2）の定義を示す。 As the first step to verify the assist control when walking on stairs, an experiment was conducted to investigate the changes in the angles of the hip and knee joints when climbing the stairs by walking one step at a time, and the transition of the torque acting at that time. The joint angle was measured by motion capture with a height difference of 200 mm, width of 550 mm, and depth of 260 mm when climbing three steps of stairs, and the motion capture marker data was imported into analysis software to check the joint angle. .. The joint torque was obtained by reverse dynamics by arranging a contact determination plate at a position corresponding to the tread plate of the stairs, calculating the force applied to the contact point with the sole of the foot. FIG. 6 shows the definition of the joint angle (hip joint angle θ 1 , knee joint angle θ 2).
図７は左股関節、図８は左膝関節についての測定結果を示す。それぞれ関節トルクと角度変化を示す。関節トルクは縦軸の正の値が屈曲方向に、負の値が伸展方向に力が働いていることを示す。関節角度は縦軸の正の値が屈曲、負の値が伸展を表している。
図７、８から、足を段差より高く上げたあとに、段の高さまで降ろしてくるという角度変化が読み取れる。そして、足を下ろした後は、体を持ち上げるために関節の伸展方向に強い力がかかっていることがわかる。
FIG. 7 shows the measurement results for the left hip joint, and FIG. 8 shows the measurement results for the left knee joint. The joint torque and angle change are shown, respectively. For joint torque, the positive value on the vertical axis indicates that the force is acting in the flexion direction, and the negative value indicates that the force is acting in the extension direction. As for the joint angle, the positive value on the vertical axis indicates flexion, and the negative value indicates extension.
From FIGS. 7 and 8, it can be read that the angle change is that the foot is raised above the step and then lowered to the height of the step. Then, after lowering the legs, it can be seen that a strong force is applied in the extension direction of the joints to lift the body.
発揮されているトルクが最も大きな地点では、股関節で100Nm、膝関節で130Nm程度の力がかかっていた。従来のロボティックウェアで使われているモータの最大発生トルクは14.5Nm程度であるので、モータの最大発生トルクに対して。股関節では伸展時に発揮される最大トルクの14〜15％程度、膝関節では11％程度のアシストができると考えられる。
なお、右股関節、右膝関節の関節角度、関節トルクについても、図７、８と略同様な測定結果が得られている。
At the point where the torque exerted was the largest, a force of about 100 Nm was applied to the hip joint and about 130 Nm to the knee joint. The maximum generated torque of the motor used in conventional robotic wear is about 14.5 Nm, so it is relative to the maximum generated torque of the motor. It is thought that the hip joint can assist about 14 to 15% of the maximum torque exerted during extension, and the knee joint can assist about 11%.
The joint angles and joint torques of the right hip joint and the right knee joint are also measured in substantially the same manner as in FIGS. 7 and 8.
上記測定は３段の階段を使用した実験であるが、階段歩行時における関節角度変化とトルクの推移についてより正確な実験データを得る目的で、１２段の段数の階段を用いて実験を行った。実験で用いた階段の高低差は175±5mm、奥行きは300mmである。この階段を、ロボティックウェアを着用し、まったくアシスト制御を行わない状態（ロボティックウェアが人間の動きに単に追従する状態）で、関節角度がどのようになるかを測定した。
図９は、階段を昇行したときの右股関節と右膝関節についての関節角度の測定結果を示す。図９に示す測定結果は、右股関節と右膝関節の波（動作）周期が略一致していること、すなわち、階段昇行の際には股関節と膝関節は略一致した動作をなすことがわかる。なお、左股関節と左膝関節についても同様の動作となることが確かめられた。
The above measurement was an experiment using three steps, but in order to obtain more accurate experimental data on the change in joint angle and the transition of torque when walking on the stairs, the experiment was conducted using 12 steps. .. The height difference of the stairs used in the experiment is 175 ± 5 mm, and the depth is 300 mm. On this staircase, we measured how the joint angle would be when the robotic wear was worn and no assist control was performed (the robotic wear simply followed the human movement).
FIG. 9 shows the measurement results of the joint angles of the right hip joint and the right knee joint when ascending the stairs. The measurement results shown in FIG. 9 show that the wave (movement) cycles of the right hip joint and the right knee joint are substantially the same, that is, the hip joint and the knee joint are substantially the same when ascending the stairs. Recognize. It was confirmed that the same operation was performed for the left hip joint and the left knee joint.
（神経振動子による軌道生成）
上述した実験結果は、階段昇行においては、腰と膝の関節角度の推移が位相がそろった同一周期の波形をなすという特徴的な動作をなすことを示す。したがって、神経振動子による軌道生成においては、股関節で波形が１周期発生する際に、膝関節においても股関節の波形と同一の位相で１周期の波形を生成させる軌道を生成する必要がある。
(Orbit generation by neural oscillator)
The above-mentioned experimental results show that in the ascending stairs, the transition of the joint angles of the waist and the knee forms a characteristic motion of forming a waveform with the same period in which the phases are aligned. Therefore, in the orbit generation by the neural oscillator, when the waveform is generated in the hip joint for one cycle, it is necessary to generate the orbit in the knee joint to generate the waveform for one cycle in the same phase as the waveform of the hip joint.
階段歩行における制御用の軌道を生成する方法として、前述した平面歩行の際の軌道生成方法を利用する。日常動作では平面歩行と階段歩行が混在して存在するから、平面歩行の軌道生成方法を利用することができれば、平面歩行と階段歩行とを簡単に切り替えて使用することができるからである。
先行研究に係る左右の股関節と左右の膝関節を制御するロボティックウェアでは、神経振動子の出力(Output)によって振幅1の正弦波のような波形を出力する。それに角度を掛け合わせ、適切なオフセットを加えることにより、波形を正または負方向にシフトさせて軌道生成を行っている。
図１０は平面歩行における制御の場合で、股関節と膝関節で生成する波形である。平面歩行では膝関節の動作に遊脚相と立脚相があり、これらは股関節の周期の1/2であることから、股関節の１周期の間に膝関節では2周期の波形を出力させ、かつ遊脚相と立脚相とで振幅倍率を乗じる処理を行っている。
As a method of generating a trajectory for control in walking on stairs, the above-mentioned method of generating a trajectory in plane walking is used. This is because, in daily movements, flat walking and stair walking coexist, and if a method for generating a trajectory for flat walking can be used, it is possible to easily switch between flat walking and stair walking.
In the robotic wear that controls the left and right hip joints and the left and right knee joints, which is related to the previous research, a waveform like a sine wave with an amplitude of 1 is output by the output of the neural oscillator. By multiplying it by an angle and adding an appropriate offset, the waveform is shifted in the positive or negative direction to generate the trajectory.
FIG. 10 shows a waveform generated at the hip joint and the knee joint in the case of control in flat walking. In plane walking, the movement of the knee joint has a swing phase and a stance phase, and since these are 1/2 of the hip joint cycle, the knee joint outputs a waveform of two cycles during one hip joint cycle, and A process of multiplying the amplitude magnification is performed between the swing phase and the stance phase.
階段歩行において図９に示した波形と同様の軌道を生成させるため、平面歩行では、膝関節についての松岡モデルの式における時定数Taを股関節のTaの1/2にする処理を、膝関節と股関節の時定数Taを同一とし、膝関節と股関節の周期を一致させるようにした。
図１１は、股関節と膝関節を同一周期となるように設定したときの左右股関節と左右膝関節を制御するそれぞれの神経振動子の出力波形を示す。図１１に示すように、単に時定数を一致させる処理をすると、波形は同一の周期になるものの、それぞれ波形が４分の１周期ずつずれる結果となった。
In order to generate a trajectory similar to the waveform shown in FIG. 9 in stairs walking, in plane walking, the process of reducing the time constant T a in the Matsuoka model equation for the knee joint to 1/2 of the hip joint T a is performed on the knee. the constant T a when the joint and the hip joint is the same and so as to match the period of the knee and hip joints.
FIG. 11 shows the output waveforms of the respective neural oscillators that control the left and right hip joints and the left and right knee joints when the hip joint and the knee joint are set to have the same cycle. As shown in FIG. 11, when the process of simply matching the time constants is performed, the waveforms have the same period, but the waveforms are shifted by a quarter period.
図１１に示すように、それぞれの波形の位相がずれる理由としては、平面歩行においては、図５に示すように、左右の股関節と左右の膝関節を制御する４つの神経振動子を相互に抑制結合しているためと考えられる。そこで、図１２に示すように、左股関節と左膝関節について相互に抑制結合していたものを、左股関節から左膝関節に対して抑制結合し、右股関節と右膝関節についても相互に抑制結合していたものを、右股関節から右膝関節に対して抑制結合する方法に設定変更して神経振動子からの出力波形を調べてみた。 As shown in FIG. 11, the reason why the phases of the respective waveforms are shifted is that in the plane walking, as shown in FIG. 5, the four neural oscillators that control the left and right hip joints and the left and right knee joints are mutually suppressed. It is thought that it is because they are combined. Therefore, as shown in FIG. 12, the left hip joint and the left knee joint are mutually suppressed and the left hip joint is suppressed and the left knee joint is suppressed, and the right hip joint and the right knee joint are also mutually suppressed. I changed the setting of the connected one to a method of suppressing and connecting from the right hip joint to the right knee joint, and examined the output waveform from the neural transducer.
図１３は、図１２に示す抑制結合形態のもとで得られた神経振動子の出力波形、図１４はこの出力波形により発生した関節角度の波形を示す。図１３、１４に示した左右の股関節と膝関節についての波形を見ると、左右の股関節と膝関節で逆位相になり、左の股関節と膝関節では同一周期でかつ位相のずれが抑えられ、右の股関節と右膝関節でも同一周期で位相のずれが小さく抑えられた結果となったことがわかる。
図１５は、図９に示した股関節と膝関節の関節角度の測定波形と、神経振動子の出力波形に基づく関節角度の波形とを重ねて示したものである。図１５から、実際の測定で得られた関節角度の波形と比べると、膝関節についての波形では僅かに位相の遅れが見られる。位相の遅れを完全になくす方法としては神経振動子のユニット同士の接続を変えるといったことが考えられるが、平面歩行と階段歩行を切り替える際の容易さを考慮すると、階段歩行の制御方法として、図１２に示した抑制結合形態を利用する方法は有効であると考えられる。
FIG. 13 shows the output waveform of the neural oscillator obtained under the suppressive coupling form shown in FIG. 12, and FIG. 14 shows the waveform of the joint angle generated by this output waveform. Looking at the waveforms of the left and right hip joints and knee joints shown in FIGS. 13 and 14, the left and right hip joints and knee joints have opposite phases, and the left hip joint and knee joint have the same cycle and the phase shift is suppressed. It can be seen that the phase shift of the right hip joint and the right knee joint was suppressed to be small in the same cycle.
FIG. 15 shows the measured waveforms of the joint angles of the hip joint and the knee joint shown in FIG. 9 and the waveforms of the joint angles based on the output waveforms of the neural oscillators in an overlapping manner. From FIG. 15, when compared with the waveform of the joint angle obtained by the actual measurement, a slight phase delay can be seen in the waveform of the knee joint. As a method of completely eliminating the phase delay, it is conceivable to change the connection between the neural oscillator units, but considering the ease of switching between flat walking and stair walking, as a control method of stair walking, the figure is shown in the figure. The method using the inhibitory binding form shown in No. 12 is considered to be effective.
なお、左右の股関節を相互に抑制結合している理由は、互いに抑制結合することで左右の股関節の動作が逆位相になるようにし、左右の脚を交互に動作させることに対応できるようにするためである。左右の膝関節を相互に抑制結合している理由も、左右の膝関節の動作を逆位相として、左右の膝関節が交互に動作することに対応できるようにするためである。
本実施形態においては、左股関節と左膝関節の抑制結合を一方のみとし、右股関節と右膝関節の抑制結合を一方のみとしたことで、左右の股関節と膝関節の位相が逆位相になることを抑えるようにしたことになる。実施形態では左右の股関節から左右の膝関節へ向けて入力することとした（図１２の黒丸の意味）が、左右の膝関節から股関節へ向けて入力するという結合の方法であってもよい。なお、神経振動子間の抑制結合は、前述した非線形1 階連立微分方程式のInput項へ該当する信号を入力することによってなされる。
The reason why the left and right hip joints are mutually suppressed is that the left and right hip joints move in opposite phases by suppressing each other so that the left and right legs can be moved alternately. Because. The reason why the left and right knee joints are mutually suppressed and connected is that the movements of the left and right knee joints are in opposite phases so that the left and right knee joints can correspond to the alternating movements.
In the present embodiment, the left hip joint and the left knee joint have only one inhibitory connection, and the right hip joint and the right knee joint have only one inhibitory connection, so that the left and right hip joints and the knee joint have opposite phases. It means that I tried to suppress things. In the embodiment, the input is made from the left and right hip joints to the left and right knee joints (meaning of the black circles in FIG. 12), but there may be a coupling method in which the input is made from the left and right knee joints to the hip joints. The inhibitory coupling between the neural oscillators is made by inputting the corresponding signal to the Input term of the above-mentioned nonlinear first-order simultaneous differential equations.
（階段昇行テスト：１）
図１２に示した抑制結合形態による同調制御装置を備えるロボティックウェアを実際に使用して、階段歩行についてのロボティックウェアによるアシスト性能について検証する実験を行った。実験は、健常男性にロボティックウェアを装着し、高低差18cm、幅1320mm、奥行300mm、12段の階段で昇行テストを行う方法で行った。アシスト性能は、同調制御装置の同調ゲインCを0.5から0.1まで、0.1刻みで下げて評価した。
(Stairs ascension test: 1)
An experiment was conducted to verify the assist performance by the robotic wear for walking on stairs by actually using the robotic wear provided with the tuning control device in the suppression coupling form shown in FIG. The experiment was carried out by wearing robotic wear on a healthy man and conducting an ascension test on a 12-step staircase with a height difference of 18 cm, a width of 1320 mm, and a depth of 300 mm. The assist performance was evaluated by lowering the tuning gain C of the tuning controller from 0.5 to 0.1 in 0.1 increments.
図１６〜２０に、同調ゲインC＝0.5、0.4、0.3、0.2、0.1としたときの測定結果を示す。それぞれ、モータのエンコーダの角度と相互作用トルクを示す。エンコーダの角度変化（左の縦軸）は正の値が屈曲を、負の値が伸展を表し、相互作用トルク（右の縦軸）は正の値がロボット側から屈曲側に力を受けていることを、負の値が伸展側に力を受けていることを表す。
なお、実験では左右股関節と左右の膝関節についてそれぞれデータを取得したが、ここでは右股関節と右膝関節についての実験結果を示す。
Figures 16 to 20 show the measurement results when the tuning gain C = 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1. The angle and interaction torque of the motor encoder are shown, respectively. Positive values of encoder angle changes (left vertical axis) represent flexion, negative values represent extension, and positive values of interaction torque (right vertical axis) receive force from the robot side to the flexion side. The fact that there is a negative value indicates that the force is applied to the extension side.
In the experiment, data were obtained for the left and right hip joints and the left and right knee joints, respectively, but here we show the experimental results for the right hip joint and the right knee joint.
図１６の同調ゲインC=0.5の場合は、人間の動きに対する同調性が最も高いため、アシストされる感覚は少ないが、ロボットが人間の関節に合わせて動くのが感じられた。
図１７（同調ゲインC=0.4）では、相互作用トルクの振幅は同調ゲインC=0.5のときと比べて、膝関節ではあまり変わらないが、股関節では振幅が小さくなっている。
図１８（同調ゲインC=0.3）では、C=0.5、0.4のときと比べて相互作用トルクの振幅がやや大きくなってきている。これは同調性が低くなったために、ロボットが人間の動きに合わせなくなってきたためと考えられる。
図１９（同調ゲインC=0.2）では、C=0.3〜0.5のときと比べて相互作用トルクの振幅が大きくなってきている。
図２０（同調ゲインC=0.1）では、C=0.2〜0.4の時と比べて相互作用トルクの振幅が大きくなっている。ロボットが人間よりも先に動き、階段を歩行する動きを先導するような感覚があり、アシスト感を最も強く感じることができた。
When the tuning gain C = 0.5 in FIG. 16, since the tuning with respect to the human movement is the highest, the feeling of being assisted is small, but the robot is felt to move according to the human joint.
In FIG. 17 (tuned gain C = 0.4), the amplitude of the interaction torque is not so different in the knee joint as compared with the case where the tuning gain C = 0.5, but the amplitude is smaller in the hip joint.
In FIG. 18 (tuned gain C = 0.3), the amplitude of the interaction torque is slightly larger than that when C = 0.5 and 0.4. It is probable that this is because the robot has become unable to adapt to human movements due to the low synchronization.
In FIG. 19 (tuned gain C = 0.2), the amplitude of the interaction torque is larger than that when C = 0.3 to 0.5.
In FIG. 20 (tuned gain C = 0.1), the amplitude of the interaction torque is larger than that when C = 0.2 to 0.4. There was a feeling that the robot moved ahead of the human and led the movement of walking on the stairs, and I could feel the assist feeling most strongly.
また、両関節、特に膝関節で顕著であるが、歩き始めて１周期目の波形は振幅が小さめに出ており、２周期目から一定の値に落ち着いていることがわかる。これは、モータがある程度止まってから昇行動作の測定をしていることが原因と考えられる。同調性をかなり低く設定しているために、ヒトが動き出したという意思を反映するのにロボット側で時間がかかり、１周期目が小さな振幅になっていると考えられる。２歩目からは同程度の振幅が出力されているから、改善方法として、歩行開始時には同調性が高い状態から制御をスタートさせ、徐々に同調性を下げていくような制御が考えられる。
このテスト結果から、前述した制御方法に基づいてロボティックウェアを制御する方法が階段歩行にも有効に利用できる可能性が得られた。
In addition, although it is remarkable in both joints, especially in the knee joint, it can be seen that the waveform of the first cycle after starting walking has a small amplitude and has settled down to a constant value from the second cycle. It is considered that this is because the ascending operation is measured after the motor has stopped to some extent. Since the synchronization is set fairly low, it takes time on the robot side to reflect the intention that the human has started to move, and it is considered that the first cycle has a small amplitude. Since the same amplitude is output from the second step, as an improvement method, it is conceivable to start the control from a state where the synchronization is high at the start of walking and gradually lower the synchronization.
From this test result, it was obtained that the method of controlling the robotic wear based on the above-mentioned control method could be effectively used for walking on stairs.
（階段昇行テスト：２）
次に、図１２に示した抑制結合形態による同調制御装置を備えるロボティックウェアを使用し、下記の３通りの条件で階段昇行実験を行った。使用した階段は階段昇行テスト：１と同一のものである。
ａ）制御をしない
ｂ）おもりを着けるが制御をしない
ｃ）おもりを着けて制御をする
比較のため、股関節と膝関節の角度をXSENS社の測定装置を用いて測定した。この測定装置は、3軸加速度センサと3軸のジャイロセンサ、地磁気センサが内蔵されたもので、この装置を腰、大腿部、下腿部、足に装着し、センサの情報から生体力学的モデルを用いて関節角度を算出した。
また、ロボティックウェアの関節角度の振幅のパラメータは、制御なしの状態で歩行したときの角度変化をもとに決定し、最小値から最大値を推移するように設定した。おもりは2.5kgのものを両足首に装着した。
(Stairs ascension test: 2)
Next, a staircase ascending experiment was conducted under the following three conditions using robotic wear equipped with a tuning control device in the form of suppression coupling shown in FIG. The stairs used are the same as the Stair Ascension Test: 1.
a) No control b) Wearing a weight but not controlling c) Wearing a weight for control For comparison, the angles of the hip and knee joints were measured using a measuring device manufactured by XSENS. This measuring device has a built-in 3-axis accelerometer, 3-axis gyro sensor, and geomagnetic sensor. This device is attached to the waist, thigh, lower leg, and legs, and biodynamically based on the sensor information. The joint angle was calculated using the model.
In addition, the parameter of the amplitude of the joint angle of the robotic wear was determined based on the angle change when walking without control, and was set so as to change from the minimum value to the maximum value. A weight of 2.5 kg was attached to both ankles.
被験者は、同調ゲインC=0.1〜0.5の５段階を設定して歩行し、同調ゲインごと、使用感についてのアンケートを行った。アンケートの質問項目を以下に示す。
1)アシストは得られましたか
2)屈曲時に意思通り動いていましたか
3)伸展時に意思通り動いていましたか
4)楽に昇れましたか
5)安心して昇れましたか
これらの項目を7段階で評価し、悪い評価から良い評価を-3、 -2、 -1、 0、 1、 2、 3点で点数化した．
The subjects walked by setting five stages of tuning gain C = 0.1 to 0.5, and conducted a questionnaire about the feeling of use for each tuning gain. The question items of the questionnaire are shown below.
1) Did you get assistance?
2) Did you move as you intended when bending?
3) Did it work as intended at the time of extension?
4) Did you climb comfortably?
5) Did you climb with confidence? These items were evaluated on a 7-point scale, and good evaluations were scored from bad evaluations to -3, -2, -1, 0, 1, 2, and 3.
＜被験者Ａ＞
表１に被験者Ａのアンケート結果を示す。
同調ゲインC=0.4のときの右膝と左膝の関節角度の計測値を図２１、右腰と左腰の関節角度の計測値を図２２に示す。図２１、２２は、左右各関節の反対側の足が接地した時点からもう一度接地するまでの時間を100%とした周期で正規化し、5周期分を平均した正規化波形である。
With controlがおもりを着けて制御をしている状態、Nomal walkingがおもりを着けずに制御もかけていない状態、Abnormal walkingがおもりを着けているが制御をしていない状態である。
<Subject A>
Table 1 shows the results of the questionnaire of subject A.
FIG. 21 shows the measured values of the joint angles of the right knee and the left knee when the tuning gain C = 0.4, and FIG. 22 shows the measured values of the joint angles of the right hip and the left hip. 21 and 22 are normalized waveforms obtained by normalizing the time from the time when the foot on the opposite side of each of the left and right joints touches down to touching down again with a cycle of 100%, and averaging 5 cycles.
With control is wearing a weight and controlling, Normal walking is wearing a weight and not controlling it, and Abnormal walking is wearing a weight but not controlling it.
図２１に示す膝関節については、制御あり(With control)と制御なし(Abnormal Walking)で波形に違いが見られる。制御なしでは足を上げてから段の高さまで下ろしてくる際の膝が小さな角度まで戻ってくるのに対して、制御ありでは小さな角度までは降りてこず、制御なしの状態(Abnormalwalking)とNormal walkingの中間程度の変化となっている．
図２２に示す股関節については、左股関節におもりをつけると振幅が大きくなっていたが、制御をかけるとその角度変化がおもりなし(Normalwalking)の変化に近づいていることがわかる。これは、おもりを持ち上げるために股関節をより高く持ち上げようとしたのではないかと考えられる。この変化は右股関節では見られなかった。利き足などの理由も考えられる。
Regarding the knee joint shown in FIG. 21, there is a difference in waveform between with and without control (Abnormal Walking). Without control, the knee returns to a small angle when the foot is raised and then lowered to the height of the step, whereas with control, it does not descend to a small angle, and there is no control (Abnormal walking) and Normal. The change is in the middle of walking.
Regarding the hip joint shown in FIG. 22, the amplitude increased when a weight was attached to the left hip joint, but it can be seen that when control was applied, the angle change approached the change of no weight (normal walking). It is probable that this was an attempt to lift the hip joint higher in order to lift the weight. This change was not seen in the right hip joint. Reasons such as dominant foot are also possible.
次に、正規化した波形について、AbnormalwalkingとWith controlについて、おもりを着けずに制御もかけていない状態（Normalwalking）とのRMS（二乗平均平方根）を求めた。
図２３に、Normal walkingとAbnormal walkingの差のRMS（Abnormal walking）、Normal walkingとWith controlの差のRMS（With control）を求めた結果を示す。
図２３から、膝関節及び股関節ともに、制御あり(With control)とすることでRMSが減少し、アシスト（制御あり）することによりNormalwalkingに近づいたことを示す。
Next, for the normalized waveform, the RMS (root mean square) of Abnormal walking and With control was calculated with no weight and no control (Normal walking).
FIG. 23 shows the results of obtaining the RMS (Abnormal walking) of the difference between Normal walking and Abnormal walking and the RMS (With control) of the difference between Normal walking and With control.
From FIG. 23, it is shown that RMS decreased by setting both the knee joint and the hip joint with control (with control), and approaching normal walking by assisting (with control).
図２４は同調ゲインをC=0.1〜0.5の範囲で変えた各々の場合についてRMSを求めた結果を示す。図２４でAbnormalwalkingとあるのはNormal walkingとAbnormal walkingの差のRMSである。その他は、同調ゲインC=0.1〜0.5のそれぞれについて、Normal walkingとWith controlの差のRMSを示す。
図２４では、Abnormal walkingと比較して、C=0.1ではRMSの増加が見られたが、C=0.2及び0.4では膝関節、股関節ともにRMSが減少しており、ロボティックウェアによって階段昇行がアシストされたと考えられる。
FIG. 24 shows the results of obtaining the RMS for each case in which the tuning gain was changed in the range of C = 0.1 to 0.5. In FIG. 24, Abnormal walking is the RMS of the difference between Normal walking and Abnormal walking. Others show the RMS of the difference between Normal walking and With control for each of the tuning gains C = 0.1 to 0.5.
In Fig. 24, RMS increased at C = 0.1 compared to Abnormal walking, but RMS decreased at both knee and hip joints at C = 0.2 and 0.4, and robotic wear caused stair climbing. Probably assisted.
＜被験者Ｂ＞
表２に被験者Ｂのアンケート結果を示す。
Table 2 shows the results of the questionnaire for subject B.
図２５に、最高点であった同調ゲインC=0.3のときの右膝と左膝の関節角度の計測値を正規化した波形、図２６に右腰と左腰の計測値を正規化した波形を示す。
被験者Ｂについても被験者Ａと同様に、Normalwalkingの場合に膝関節では一つ目の山を下りてきた後にあるへこみが、Abnormal Walkingではより小さな角度まで下りてきている。しかし、制御をすることによってへこみが解消され、Normal walkingに近づいていることがわかる。被験者Ｂの場合、おもりをつけると股関節では振幅がNormal walkingに比べて小さな角度部分を変位するという特徴が見られた。制御をしている場合でもその傾向は変わらず低い位置を推移しており、股関節にはAbnormal walkingとWith controlであまり差は見られなかった。
FIG. 25 shows a waveform obtained by normalizing the measured values of the joint angles of the right knee and the left knee when the tuning gain C = 0.3, which was the highest point, and FIG. 26 shows a waveform obtained by normalizing the measured values of the right hip and the left hip. Is shown.
Similar to subject A, subject B also has a dent in the knee joint after descending the first mountain in the case of normal walking, but descends to a smaller angle in the case of Abnormal walking. However, it can be seen that the dent is eliminated by controlling and the walking is approaching normal walking. In the case of subject B, when a weight was attached, the hip joint was characterized in that the amplitude was displaced at a smaller angle than in normal walking. Even when controlling, the tendency did not change and remained at a low position, and there was not much difference between Abnormal walking and With control in the hip joint.
図２７は同調ゲインをC=0.1〜0.5の範囲で変えた場合についてRMSを求めた結果を示す。
図２７から、被験者については、股関節ではすべてのパラメータでRMSが増加したが、膝関節ではC=0.4以外のパラメータでわずかに減少が見られた。股関節では同調ゲインCが大きくなるほどRMSが小さくなる傾向が見られた。
FIG. 27 shows the result of obtaining the RMS when the tuning gain is changed in the range of C = 0.1 to 0.5.
From FIG. 27, for the subjects, RMS increased in all parameters in the hip joint, but decreased slightly in the knee joint in parameters other than C = 0.4. In the hip joint, the RMS tended to decrease as the tuning gain C increased.
１０ 第１のモータユニット
１２ 第２のモータユニット
１４ 腰ベルト
１６ 太腿ベルト
１８ 膝上ベルト
２０ 膝下ベルト
10
Claims (4)
前記同調制御装置は、
股関節と前記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とともに、
膝関節と前記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、
ヒトの一足一段歩行による階段昇行時に、前記同調制御装置は、
左右の股関節の股関節制御軌道が左右で逆位相、左右の膝関節の膝関節制御軌道が左右で逆位相となり、
左の股関節と左の膝関節、右の股関節と右の膝関節については、それぞれ股関節制御軌道と膝関節制御軌道が、同一周期、かつ同一位相となるように股関節アクチュエータと膝関節アクチュエータを駆動制御することを特徴とするロボティックウエアの制御方法。 A human body-worn type equipped with a hip joint actuator and a knee joint actuator that transmit assist forces that assist human walking movements to the hip joint and the knee joint, respectively, and a synchronization control device that controls the hip joint actuator and the knee joint actuator using a nerve transducer. a robotic software of control personage method,
The tuning control device is
Based on the interaction force between the hip and the hip joint actuator by tuning control using the hip neural oscillators, to drive control such hip actuators draw a predetermined hip control trajectory,
Based on the interaction force between the knee joint actuator and the knee joint, the tuning control using the knee neural oscillator, the knee joint actuator is driven and controlled so as to form the knee joint control trajectory,
When ascending the stairs by walking one step by one person, the tuning control device
The hip joint control trajectories of the left and right hip joints are out of phase on the left and right, and the knee joint control trajectories of the left and right knee joints are out of phase on the left and right.
For the left hip joint and left knee joint, and for the right hip joint and right knee joint, the hip joint actuator and knee joint actuator are driven and controlled so that the hip joint control trajectory and the knee joint control trajectory have the same period and the same phase, respectively. A method of controlling robotic wear, which is characterized by doing so.
左右の股関節を制御する左右の股関節神経振動子と、左右の膝関節を制御する左右の膝関節神経振動子については、それぞれ相互に抑制結合し、
左股関節を制御する股関節神経振動子と左膝関節を制御する膝関節神経振動子と、
右股関節を制御する股関節神経振動子と右膝関節を制御する膝関節神経振動子については、それぞれいずれか一方とのみ抑制結合することを特徴とする請求項１記載のロボティックウエアの制御方法。 The tuning control device is
The left and right hip joint neural oscillators that control the left and right hip joints and the left and right knee joint neural oscillators that control the left and right knee joints are mutually suppressed and coupled.
A hip neural oscillator that controls the left hip joint and a knee neural oscillator that controls the left knee joint,
The method for controlling robotic wear according to claim 1, wherein the hip joint neural oscillator that controls the right hip joint and the knee joint neural oscillator that controls the right knee joint are suppressed and coupled to only one of them.
前記同調制御装置は、
股関節と前記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、
膝関節と前記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股関節制御部とを備え、
ヒトの一足一段歩行による階段昇行時に、前記同調制御装置は、
左右の股関節の股関節制御軌道が左右で逆位相、左右の膝関節の膝関節制御軌道が左右で逆位相となり、
左の股関節と左の膝関節、右の股関節と右の膝関節については、それぞれ股関節制御軌道と膝関節制御軌道が、同一周期、かつ同一位相となるように股関節アクチュエータと膝関節アクチュエータを駆動制御することを特徴とするロボティックウエア。 A human body-worn type equipped with a hip joint actuator and a knee joint actuator that transmit assist forces that assist human walking movements to the hip joint and the knee joint, respectively, and a synchronization control device that controls the hip joint actuator and the knee joint actuator using a nerve transducer. Robotic wear
The tuning control device is
Based on the hip with the interaction force between the hip joint actuator by tuning control using the hip neural oscillators, a hip control unit for driving and controlling to hip actuators draw a predetermined hip control trajectory,
Based on the interaction force between the knee joint actuator and the knee joint, the tuning control using the knee neural oscillator, a hip control unit for driving and controlling so that the knee joint actuator draws a predetermined knee joint control trajectory With
When ascending the stairs by walking one step by one person, the tuning control device
The hip joint control trajectories of the left and right hip joints are out of phase on the left and right, and the knee joint control trajectories of the left and right knee joints are out of phase on the left and right.
For the left hip joint and left knee joint, and for the right hip joint and right knee joint, the hip joint actuator and knee joint actuator are driven and controlled so that the hip joint control trajectory and the knee joint control trajectory have the same period and the same phase, respectively. Robotic wear characterized by doing.
左右の股関節を制御する左右の股関節神経振動子と、左右の膝関節を制御する左右の膝関節神経振動子については、それぞれ相互に抑制結合し、
左股関節を制御する股関節神経振動子と左膝関節を制御する膝関節神経振動子と、
右股関節を制御する股関節神経振動子と右膝関節を制御する膝関節神経振動子については、それぞれいずれか一方とのみ抑制結合することを特徴とする請求項３記載のロボティックウエア。 The tuning control device is
The left and right hip joint neural oscillators that control the left and right hip joints and the left and right knee joint neural oscillators that control the left and right knee joints are mutually suppressed and coupled.
A hip neural oscillator that controls the left hip joint and a knee neural oscillator that controls the left knee joint ,
The knee joint neural oscillator to control the hip neural oscillators and the right knee joint for controlling the right hip joint, robotic wear according to claim 3, wherein the binding inhibiting only either one, respectively.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017123861A JP6956401B2 (en) | 2017-06-26 | 2017-06-26 | Robotic wear and its control method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017123861A JP6956401B2 (en) | 2017-06-26 | 2017-06-26 | Robotic wear and its control method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2019005250A JP2019005250A (en) | 2019-01-17 |
| JP6956401B2 true JP6956401B2 (en) | 2021-11-02 |
Family
ID=65027065
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017123861A Active JP6956401B2 (en) | 2017-06-26 | 2017-06-26 | Robotic wear and its control method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6956401B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117930663B (en) * | 2024-03-20 | 2024-06-04 | 浙江大学 | Motion control system of four-foot robot based on eight-element neural network |
-
2017
- 2017-06-26 JP JP2017123861A patent/JP6956401B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2019005250A (en) | 2019-01-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lee et al. | Improved assistive profile tracking of soft exosuits for walking and jogging with off-board actuation | |
| Huo et al. | Lower limb wearable robots for assistance and rehabilitation: A state of the art | |
| Seo et al. | Adaptive oscillator-based control for active lower-limb exoskeleton and its metabolic impact | |
| JP5761832B2 (en) | Operation assistance device and tuning control method for operation assistance device | |
| Karavas et al. | Tele-impedance based stiffness and motion augmentation for a knee exoskeleton device | |
| US11938050B2 (en) | Torque control methods and devices for powered orthosis | |
| Hassani et al. | Real-time EMG driven lower limb actuated orthosis for assistance as needed movement strategy | |
| el Zahraa Wehbi et al. | Active impedance control of a knee-joint orthosis during swing phase | |
| US10792170B2 (en) | Systems and methods for prosthetic device control | |
| Huang et al. | Modeling and stiffness-based continuous torque control of lightweight quasi-direct-drive knee exoskeletons for versatile walking assistance | |
| Tu et al. | A data-driven reinforcement learning solution framework for optimal and adaptive personalization of a hip exoskeleton | |
| Zhu et al. | Design and voluntary control of variable stiffness exoskeleton based on sEMG driven model | |
| Kardan et al. | Robust output feedback assistive control of a compliantly actuated knee exoskeleton | |
| Chen et al. | Sit-to-stand and stand-to-sit assistance for paraplegic patients with CUHK-EXO exoskeleton | |
| Font-Llagunes et al. | Design, control, and pilot study of a lightweight and modular robotic exoskeleton for walking assistance after spinal cord injury | |
| Mefoued et al. | Sit-to-stand movement assistance using an actuated knee joint orthosis | |
| US20210251838A1 (en) | Bio-inspired adaptive impedance based controller for human-robot interaction and method | |
| Bergamasco et al. | Human–robot augmentation | |
| Fleischer et al. | Calibration of an EMG-Based Body Model with six Muscles to control a Leg Exoskeleton | |
| Yan et al. | A novel adaptive oscillators-based control for a powered multi-joint lower-limb orthosis | |
| Xue et al. | The control system for flexible hip assistive exoskeleton | |
| Kang et al. | Design and validation of a torque controllable hip exoskeleton for walking assistance | |
| Xiao et al. | Design and optimization of single-degree-of-freedom six-bar mechanisms for knee joint of lower extremity exoskeleton robot | |
| Lin et al. | Optimally biomimetic passivity-based control of a lower-limb exoskeleton over the primary activities of daily life | |
| JP6956401B2 (en) | Robotic wear and its control method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200417 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210528 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210701 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210921 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210928 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6956401 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |