專利名稱：腿輔助裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輔助用戶的站起動作的腿輔助裝置。尤其是涉及通過對膝關(guān)節(jié)施加轉(zhuǎn)矩來輔助用戶的站起動作的腿輔助裝置。
背景技術(shù)：
開發(fā)了對關(guān)節(jié)施加轉(zhuǎn)矩來輔助用戶的動作的輔助裝置。在這樣的輔助裝置中，強(qiáng)化健康者的肌肉力量的裝置有時俗稱為動力外骨骼。輔助肌肉力量衰退的用戶、或者關(guān)節(jié)無法自由活動的用戶的肌肉力量的裝置有時俗稱動作輔助裝置。關(guān)于動作輔助裝置，尤其是與輔助行走動作等腿的肌肉力量的裝置有關(guān)的研究正積極地進(jìn)行。在本說明書中，將輔助腿的肌肉力量的裝置稱為“腿輔助裝置”。腿輔助裝置主要輔助使膝關(guān)節(jié)活動的肌肉力量。這樣的裝置典型地具有安裝到用戶的大腿的大腿連結(jié)體和安裝到小腿的小腿連結(jié)體被連結(jié)起來的機(jī)械構(gòu)造。大腿連結(jié)體和小腿連結(jié)體由具有執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)接頭連結(jié)。通過驅(qū)動小腿連結(jié)體，來引導(dǎo)用戶的小腿的擺動、即膝關(guān)節(jié)的動作。日本專利公開公報2008-006076號公報公開了具有上述的機(jī)械的構(gòu)造的腿輔助裝置的一例。具有上述機(jī)械的構(gòu)造的腿輔助裝置通過改變執(zhí)行器的控制規(guī)則，能夠輔助行走動作、站起動作、或者落座動作。本說明書公開的技術(shù)提供具有用于輔助站起動作的控制規(guī)則的腿輔助裝置。日本專利公開公報2009-060946號公開了輔助站起動作的腿輔助裝置的一例。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的問題一般來說，使機(jī)器人的連結(jié)體活動的執(zhí)行器的控制有角度控制(位置控制)和轉(zhuǎn)矩控制(力控制)這兩類。在角度控制中，連結(jié)體的角度被賦予目標(biāo)值。在轉(zhuǎn)矩控制中，連結(jié)體應(yīng)輸出的轉(zhuǎn)矩被賦予目標(biāo)值?？刂破骺刂茍?zhí)行器，以使連結(jié)體的角度或者輸出轉(zhuǎn)矩與被賦予的目標(biāo)值一致。在角度控制的情況下，連結(jié)體的角度與目標(biāo)角一致。此時，執(zhí)行器的輸出轉(zhuǎn)矩依賴施加給連結(jié)體(關(guān)節(jié))的負(fù)荷而變化。在轉(zhuǎn)矩控制的情況下，關(guān)節(jié)(執(zhí)行器) 的輸出轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩一致。此時，連結(jié)體的角度根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩(輸出轉(zhuǎn)矩)與負(fù)荷的平衡而確定。S卩，連結(jié)體的角度依賴負(fù)荷而變化。這樣，角度控制能夠確定連結(jié)體的角度，但是輸出轉(zhuǎn)矩變得不固定。相反地，轉(zhuǎn)矩控制能夠確定連結(jié)體的輸出轉(zhuǎn)矩，但是連結(jié)體的角度變得不固定。另外，在機(jī)器人的技術(shù)領(lǐng)域中，已知有與連結(jié)體的角度一起對剛性賦予目標(biāo)值的柔性控制。在柔性控制的情況下，“剛性”相當(dāng)于規(guī)定所實(shí)現(xiàn)的連結(jié)體角度與連結(jié)體輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系的參數(shù)。在采用柔性控制的情況下，根據(jù)施加給連結(jié)體的負(fù)荷來確定距目標(biāo)角的偏差和連結(jié)體輸出的轉(zhuǎn)矩。即，采用了柔性控制的控制器調(diào)整連結(jié)體的角度，以使偏差和輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系滿足由既定的“剛性”確定的關(guān)系。在輔助站起動作的輔助裝置的情況下，作為使小腿連結(jié)體旋轉(zhuǎn)的執(zhí)行器的控制，角度控制、轉(zhuǎn)矩控制、以及柔性控制中的任一控制均有不良情況。在角度控制的情況下，控制器按照預(yù)先確定的目標(biāo)軌跡使小腿連結(jié)體旋轉(zhuǎn)。因此，在采用角度控制的情況下，腿輔助裝置不管用戶的狀態(tài)如何均開始旋轉(zhuǎn)小腿連結(jié)體。另外，“目標(biāo)軌跡”意味著目標(biāo)角(或者目標(biāo)轉(zhuǎn)矩)的時序數(shù)據(jù)。在轉(zhuǎn)矩控制以及柔性控制的情況下，如上所述，小腿連結(jié)體的角度不確定。本說明書提供具有適于輔助站起動作的控制規(guī)則的腿輔助裝置。用于解決問題的手段本說明書公開的技術(shù)提供加強(qiáng)用戶站起時的腿的肌肉力量的腿輔助裝置。腿輔助裝置的機(jī)械的構(gòu)造如上所述包括大腿連結(jié)體、小腿連結(jié)體、旋轉(zhuǎn)接頭、以及控制器。大腿連結(jié)體被安裝到用戶的大腿上，所述小腿連結(jié)體被安裝到用戶的小腿上。旋轉(zhuǎn)接頭將小腿連結(jié)體可旋轉(zhuǎn)地連結(jié)在大腿連結(jié)體上。并且，旋轉(zhuǎn)接頭包括使小腿連結(jié)體旋轉(zhuǎn)的執(zhí)行器?？刂破骶哂谢谛⊥冗B結(jié)體的旋轉(zhuǎn)角與目標(biāo)角的偏差來計算出對執(zhí)行器的指令轉(zhuǎn)矩的反饋控制模塊，并且控制執(zhí)行器以使小腿連結(jié)體的旋轉(zhuǎn)角與目標(biāo)角一致。在本說明書公開的新腿輔助裝置的一個方式中，控制器還包括限制指令轉(zhuǎn)矩的大小的轉(zhuǎn)矩限制器。轉(zhuǎn)矩限制器將被輸入的指令轉(zhuǎn)矩限制在上限轉(zhuǎn)矩以下?？刂破鲗⒛繕?biāo)角設(shè)定為與用戶的站立姿勢對應(yīng)的站立角，并且隨著用戶的腰部高度變高而增加轉(zhuǎn)矩限制器的上限值(上限轉(zhuǎn)矩)。上述的腿輔助裝置包括反饋控制模塊，所述反饋控制模塊控制執(zhí)行器以減小小腿連結(jié)體的旋轉(zhuǎn)角與目標(biāo)角的偏差，上述的腿輔助裝置基本上通過角度控制來控制小腿連結(jié)體的角度。目標(biāo)角被設(shè)定為相當(dāng)于站立姿勢的、小腿連結(jié)體的旋轉(zhuǎn)角(站立角)。站立角本質(zhì)上相當(dāng)于大腿連結(jié)體和小腿連結(jié)體在直線上排列時的小腿連結(jié)體的角度。另外，以下有時將小腿連結(jié)體的實(shí)際的旋轉(zhuǎn)角稱為測定角。上述的腿輔助裝置基本上采用了角度控制，但是執(zhí)行器輸出的轉(zhuǎn)矩被轉(zhuǎn)矩限制器限制?？刂破麟S著腰部高度變高而增加上限轉(zhuǎn)矩。在腰部高度低的期間，即使目標(biāo)角與與測定角的偏差大，也通過上限轉(zhuǎn)矩限制輸出轉(zhuǎn)矩。腰部高度低時的上限轉(zhuǎn)矩被設(shè)定為不足以支承用戶的體重的大小。因此，在腰部高度低的期間，如果用戶不使出肌肉力量，則腰不能上升。因此，在腰部高度低的期間，腿輔助裝置不能隨意開始動作。即，在站起動作的開始、以及從開始后短暫的期間，用戶能夠主導(dǎo)站起動作。隨著腰部高度變高，上限轉(zhuǎn)矩增大。因此，腿輔助裝置的輸出轉(zhuǎn)矩與偏差成比例。 即，一旦腰部高度變高，則角度控制可主導(dǎo)站起動作。因此，腿輔助裝置能夠可靠地引導(dǎo)用戶至站立。這樣，本說明書公開的腿輔助裝置在開始時將站起動作的主動權(quán)交給用戶。然后，該腿輔助裝置在腰部高度變高時取得動作的主動權(quán)，并可靠地引導(dǎo)用戶至站立。通過根據(jù)腰部高度來改變上限轉(zhuǎn)矩，由此控制器在腰部高度低時實(shí)質(zhì)上作為轉(zhuǎn)矩控制發(fā)揮功能，一旦腰部高度變高，則順暢地變換為角度控制。該腿輔助裝置實(shí)現(xiàn)了根據(jù)腰部高度從轉(zhuǎn)矩控制順暢地變換為角度控制的控制規(guī)則。通過這樣的控制規(guī)則，該腿輔助裝置允許用戶決定開始站起的時機(jī)，并且能夠可靠地引導(dǎo)至站立姿勢。腰的高度對應(yīng)于膝關(guān)節(jié)角。因此，腿輔助裝置作為測定腰的高度的傳感器，實(shí)際上可以采用測定膝關(guān)節(jié)角(小腿連結(jié)體的旋轉(zhuǎn)角)的角度傳感器。這里，膝關(guān)節(jié)角被定義為膝里側(cè)中的大腿與小腿所成的角度。根據(jù)這樣的定義，在站起來的同時，膝關(guān)節(jié)角變大。根據(jù)這樣的定義，“隨著用戶的腰部高度變高而增加轉(zhuǎn)矩限制器的上限值”相當(dāng)于“隨著膝關(guān)節(jié)角變大而增加轉(zhuǎn)矩限制器的上限值”。
另外，腰的高度也對應(yīng)于相對于鉛垂方向的用戶的大腿繞俯仰軸的傾斜角。因此， 腿輔助裝置作為測定腰的高度的傳感器，實(shí)際上可以采用測定相對于鉛垂方向的大腿繞俯仰軸的傾斜角的傳感器。因此，換言之，“隨著用戶的腰部高度變高而增加轉(zhuǎn)矩限制器的上限值”相當(dāng)于“隨著相對于鉛垂方向的大腿繞俯仰軸的傾斜角變小而增加轉(zhuǎn)矩限制器的上限值”。當(dāng)然，腿輔助裝置作為測定腰部高度的傳感器，也可以采用測定腰與地面(或椅子的座面)之間的距離的距離傳感器。本說明書的腿輔助裝置具有的控制規(guī)則在腰部高度低時與轉(zhuǎn)矩控制實(shí)質(zhì)上等價， 在腰部高度高時與角度控制本質(zhì)上等價。該腿輔助裝置的控制規(guī)則隨著腰的上升而從轉(zhuǎn)矩控制順暢地變換為角度控制。采用了這樣的控制規(guī)則的腿輔助裝置可以順暢地輔助用戶的站起動作。


圖I表示腿輔助裝置的示意性的立體圖；圖2表示腿輔助裝置的控制系統(tǒng)的框圖；圖3A是表示坐下姿勢的圖；圖3B是表不站起中途的姿勢的圖；圖3C是表示站立姿勢的圖；圖4是表示轉(zhuǎn)矩限制器的確定的座標(biāo)圖；圖5是控制系統(tǒng)的流程圖；圖6是控制系統(tǒng)的流程圖(接續(xù))；圖7是表示其他的轉(zhuǎn)矩限制器的特性的座標(biāo)圖；圖8是表示又一其他的轉(zhuǎn)矩限制器的特性的座標(biāo)圖。
具體實(shí)施例方式列舉實(shí)施例的腿輔助裝置10具有的幾個技術(shù)特征。(特征I)控制器30在開始站起輔助控制之后在既定時間內(nèi)腰部高度未達(dá)到預(yù)先確定的閾值高度的情況下，將目標(biāo)角改變?yōu)榕c用戶的坐下姿勢對應(yīng)的坐下角?；蛘?，控制器 30在開始站起輔助控制之后在既定時間內(nèi)腰部高度未達(dá)到預(yù)先確定的閾值高度的情況下， 增加轉(zhuǎn)矩限制器的上限值。前者的“既定時間”和后者的“既定時間”可以相同，也可以不同。同樣地，前者的“預(yù)先確定的閾值高度”和后者的“預(yù)先確定的閾值高度”可以相同，也可以不同。前者的處理相當(dāng)于在既定時間內(nèi)當(dāng)腰沒上升到既定高度時順暢地中止站起動作的處理。后者的處理相當(dāng)于在既定時間內(nèi)當(dāng)腰沒上升到既定高度時逐漸地增加輸出轉(zhuǎn)矩的處理。也優(yōu)選并用前者的處理和后者的處理。在該情況下，優(yōu)選控制器30被構(gòu)成為當(dāng)在開始站起輔助控制之后在第一既定時間內(nèi)腰部高度未達(dá)到預(yù)先確定的第一閾值高度時， 增加轉(zhuǎn)矩限制器的上限值，在比第一既定時間長的第二既定時間內(nèi)當(dāng)腰部高度未達(dá)到預(yù)先確定的第二閾值高度時，將目標(biāo)角改變?yōu)榕c用戶的坐下姿勢對應(yīng)的坐下角。第一閾值高度與第二閾值高度可以相同，也可以不同。第一閾值高度和第二閾值高度還可以是與站立姿勢對應(yīng)的腰部高度。(特征2)控制器30在將目標(biāo)角改變?yōu)樽陆侵笆剐⊥冗B結(jié)體50振動。小腿連結(jié)體50的振動起到將目標(biāo)角被改變傳達(dá)給用戶的信號的作用。實(shí)施例參照附圖來說明本發(fā)明的實(shí)施例。圖I是實(shí)施例的腿輔助裝置10的外觀圖。如圖I所示，腿輔助裝置10被安裝到用戶100的腿。在該實(shí)施例中，腿輔助裝置10被安裝到用戶100的左腿。該腿輔助裝置10包括如后所述對用戶的左膝關(guān)節(jié)施加轉(zhuǎn)矩的馬達(dá)42。 通過改變馬達(dá)的控制規(guī)則，該腿輔助裝置10能夠輔助行走動作，或者輔助站起動作，或者輔助落座動作。腿輔助裝置10例如被用于一個腿的膝關(guān)節(jié)無法自由活動的用戶100的康復(fù)訓(xùn)練。通過使用腿輔助裝置10，能夠促進(jìn)用戶100的功能恢復(fù)，并且也能夠減少幫助用戶 100的幫助者的勞力。本實(shí)施例的說明著眼于站起動作的輔助。但是，需要注意的是，腿輔助裝置10通過改變控制規(guī)則也能夠利用在行走動作的輔助上。對本實(shí)施例的說明中使用的座標(biāo)系進(jìn)行說明。將X軸確定為安裝有腿輔助裝置10 的用戶100的前后方向，將Y軸確定為用戶100的左右方向，將Z軸確定為用戶100的上下方向。另外，假設(shè)X軸的正方向?yàn)橛脩?00的前方，Y軸的正方向?yàn)橛脩?00的左方，Z軸的正方向?yàn)橛脩?00的上方。另外，在機(jī)器人工學(xué)的領(lǐng)域中，固定于機(jī)器人(在本實(shí)施例中為人體)的座標(biāo)系中的上述X軸、Y軸、以及Z軸分別稱為側(cè)傾軸、俯仰軸、以及橫擺軸。對腿輔助裝置10的機(jī)械構(gòu)造進(jìn)行說明。如圖I所示，腿輔助裝置10包括控制器 30、大腿連結(jié)體20、小腿連結(jié)體50、以及腳連結(jié)體90。控制器30內(nèi)置有用于控制馬達(dá)42 (后述)的CPU以及電池。控制器30向腿輔助裝置10的各部分供應(yīng)電力，并且控制腿輔助裝置10的各部分的動作。控制器30例如被安裝在用戶100的軀干(腰)上。在控制器30上配置有用于固定到用戶100的軀干的安裝帶14。另外，安裝控制器30的位置未特別限定， 例如也可以安裝到用戶100的背部。大腿連結(jié)體20、小腿連結(jié)體50以及腳連結(jié)體90被安裝到需要輔助的用戶100的病腿Iio (這里為左腿)。詳細(xì)地說，大腿連結(jié)體20被安裝到大腿112，小腿連結(jié)體50被安裝到小腿116，腳連結(jié)體90被安裝到腳118。另外，在本說明書中，當(dāng)簡單地表述為病腿110 時，不僅包括大腿112、膝114、小腿116，也包括腳118 (與腳踝比靠腳尖的部分)。大腿連結(jié)體20具有大腿支承板22、大腿帶26以及框架28。大腿支承板22被固定到一對框架28。大腿支承板22與用戶100的大腿112的前面抵接。大腿支承板22例如由纖維強(qiáng)化樹脂形成。大腿支承板22也可以由金屬材料形成。大腿支承板22在具有支承用戶所需的足夠的強(qiáng)度的限度下，其材料不特別限定。小腿連結(jié)體50具有小腿支承板52和框架58。小腿支承板52被固定到一對框架 58。小腿支承板52與用戶100的小腿116的前面(膝下)抵接。小腿支承板52例如由纖維強(qiáng)化樹脂形成。另外，小腿支承板52與大腿支承板22同樣地，也可以由具有必要的剛性的其他材料形成。接著，對腳連結(jié)體90進(jìn)行說明。如圖I所示，腳連結(jié)體90具有框架98、腳支承板 92以及鞋94。腳支承板92被固定到一對框架98。腳支承板92被配置在用戶100的腳118 的下方(腳底)。腳支承板92例如由纖維強(qiáng)化樹脂形成，具有較高的剛性。另外，腳支承板92與大腿支承板22及小腿支承板52同樣地，也可以由具有必要的剛性的其他材料形成。鞋94被設(shè)置在腳支承板92的上面(與腳118相對的面)。鞋94具有與一般的鞋相同的樣式。鞋94以能夠相對于腳支承板92裝卸的方式被安裝，以能夠根據(jù)用戶100的腳118的尺寸和形狀而改變。鞋94例如通過面扣件被固定到腳支承板92。在腳支承板92 中被埋入有檢測施加給病腿的腳底的載荷的載荷傳感器96。載荷傳感器96測定的載荷數(shù)據(jù)被發(fā)送給控制器30。大腿連結(jié)體20和小腿連結(jié)體50經(jīng)由一對旋轉(zhuǎn)接頭40連接。一對旋轉(zhuǎn)接頭40的每個是繞俯仰軸(Y軸)的一軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)接頭，并且將大腿連結(jié)體20的框架28和小腿連結(jié)體50的框架58可旋轉(zhuǎn)地連接。即，旋轉(zhuǎn)接頭40將小腿連結(jié)體50可旋轉(zhuǎn)地連結(jié)在大腿連結(jié)體20上。另外，大腿連結(jié)體20的框架28的固定位置以及小腿連結(jié)體50的框架58的固定位置能夠根據(jù)用戶100的體型來調(diào)整。位于病腿110的外側(cè)的旋轉(zhuǎn)接頭40內(nèi)置有馬達(dá)42、角度傳感器(編碼器)43、減速器。該旋轉(zhuǎn)接頭相當(dāng)于使小腿連結(jié)體50相對于大腿連結(jié)體20相對地旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動單元。 旋轉(zhuǎn)接頭40經(jīng)由電纜16與控制器30連接，通過從控制器30供應(yīng)的電力而被驅(qū)動，并且其動作被控制器30控制。后面說明小腿連結(jié)體50的控制。角度傳感器43測定小腿連結(jié)體50的旋轉(zhuǎn)角。小腿連結(jié)體50的旋轉(zhuǎn)角相當(dāng)于用戶100的膝關(guān)節(jié)角。如后所述，在本實(shí)施例中，小腿連結(jié)體50的旋轉(zhuǎn)角(膝關(guān)節(jié)角)被定義為膝里側(cè)中的大腿與小腿之間的角度。小腿連結(jié)體50和腳連結(jié)體90經(jīng)由一對腳踝旋轉(zhuǎn)接頭70連接。一對腳踝旋轉(zhuǎn)接頭70的每個是繞俯仰軸一軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并且將腳連結(jié)體90的框架98與小腿連結(jié)體 50的框架58以能夠相對地旋轉(zhuǎn)的方式連接。腳連結(jié)體90對腳踝旋轉(zhuǎn)接頭70的固定位置可根據(jù)用戶100的體型而調(diào)整。如上所述，腿輔助裝置10被安裝到用戶的腿上，通過向膝關(guān)節(jié)施加轉(zhuǎn)矩來輔助小腿116的動作。以下，對腿輔助裝置10輔助用戶的站起動作時的控制進(jìn)行說明。圖2表示腿輔助裝置10的控制系統(tǒng)(控制器30)的框圖?？刂破?0包括反饋控制模塊32、轉(zhuǎn)矩限制器34、以及轉(zhuǎn)矩調(diào)整模塊36?？刂破?0控制馬達(dá)42，以使小腿連結(jié)體 50的旋轉(zhuǎn)角As與目標(biāo)角Ar —致。具體地說，控制器30的反饋控制模塊32對小腿連結(jié)體 50的目標(biāo)角Ar與小腿連結(jié)體50的旋轉(zhuǎn)角As的偏差乘以增益來計算出目標(biāo)轉(zhuǎn)矩Tr。另外， 旋轉(zhuǎn)角As由角度傳感器43測定。反饋控制模塊32中設(shè)置有PID控制規(guī)則，并輸出與偏差 (Ar-As)相應(yīng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩Tr。PID控制規(guī)則已公知，因此省略具體構(gòu)成的說明。反饋控制模塊32也可以采用PID以外的控制規(guī)則、例如H無限大控制規(guī)則。目標(biāo)轉(zhuǎn)矩Tr被輸入到轉(zhuǎn)矩限制器34。轉(zhuǎn)矩限制器34將目標(biāo)轉(zhuǎn)矩Tr限制在給出的上限轉(zhuǎn)矩Tmax以下。轉(zhuǎn)矩限制器34的輸出相當(dāng)于對馬達(dá)42的指令轉(zhuǎn)矩Tc。馬達(dá)42輸出相當(dāng)于指令轉(zhuǎn)矩T。的大小的轉(zhuǎn)矩。“目標(biāo)轉(zhuǎn)矩”也相當(dāng)于向馬達(dá)42(執(zhí)行器)輸出的指令轉(zhuǎn)矩。如后所述，控制器30 向馬達(dá)42輸出被轉(zhuǎn)矩限制器限制的指令轉(zhuǎn)矩。為了與被轉(zhuǎn)矩限制器限制的“指令轉(zhuǎn)矩”區(qū)分，將被輸入到轉(zhuǎn)矩限制器之前的指令轉(zhuǎn)矩稱為“目標(biāo)轉(zhuǎn)矩”。上限轉(zhuǎn)矩Tmax通過轉(zhuǎn)矩調(diào)整模塊36根據(jù)小腿連結(jié)體50的旋轉(zhuǎn)角As而被改變。 另外，旋轉(zhuǎn)角As對應(yīng)于用戶的腰部高度H。使用圖3A-圖3C來說明這些情況。圖3A示意性地示出了坐下姿勢。圖3C示意性地示出了站立姿勢。圖3B示意性地示出了站起中途的姿勢。在圖3A-3C中，直線LI示出了大腿的中心線，直線L2示出了小腿的中心線。大腿的中心線LI是沿大腿的長向方向延伸的直線，小腿的中心線L2是沿小腿的長向方向延伸的直線。小腿連結(jié)體50的旋轉(zhuǎn)角As相當(dāng)于用戶的膝關(guān)節(jié)角。用戶的膝關(guān)節(jié)角、即小腿連結(jié)體50的旋轉(zhuǎn)角As被定義為膝的里側(cè)中的大腿連結(jié)體與小腿連結(jié)體之間的角度。更具體地說，旋轉(zhuǎn)角As被定義為在膝里側(cè)大腿的中心線LI與小腿的中心線L2之間的角度。如圖3A 所示，坐下姿勢下的旋轉(zhuǎn)角Asl大致為90度。如圖3C所示，站立姿勢下的旋轉(zhuǎn)角As3大致為180度。站起中途下的旋轉(zhuǎn)角As2處于90度(Asl)與180度(As3)之間。將對應(yīng)于坐下姿勢的旋轉(zhuǎn)角Asl稱為坐下角，將對應(yīng)于站立姿勢的旋轉(zhuǎn)角As3稱為站立角。在圖3A-3C中，符號H示出了腰的高度。在站起動作下，隨著腰部高度H的增加， 膝關(guān)節(jié)角(即小腿連結(jié)體50的旋轉(zhuǎn)角As)單調(diào)增加。因此，在站起動作下，腰的高度H與旋轉(zhuǎn)角As唯一地對應(yīng)。即，座位時的腰部高度Hl對應(yīng)于坐下角Asl，站立時的腰部高度H3 對應(yīng)于站立角As3。另外，站起中途的腰部高度H2對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)角As2。這樣，在輔助站起動作時，小腿連結(jié)體50的旋轉(zhuǎn)角表示腰的高度?？刂破?0的轉(zhuǎn)矩調(diào)整模塊36根據(jù)腰部高度H (即小腿連結(jié)體50的旋轉(zhuǎn)角As)來改變轉(zhuǎn)矩限制器34內(nèi)的上限轉(zhuǎn)矩Tmax。具體地說，轉(zhuǎn)矩調(diào)整模塊36隨著腰部高度H變高 (隨著小腿連結(jié)體50的旋轉(zhuǎn)角As變大)，而使上限轉(zhuǎn)矩Tmax增加。圖4表示上限轉(zhuǎn)矩Tmax 的變化的一例。在相當(dāng)于座位的腰部高度Hl (相當(dāng)于坐下角Asl)中，上限轉(zhuǎn)矩Tmax是Tl， 在相當(dāng)于站立的腰部高度H3(相當(dāng)于站立角As3)中，上限轉(zhuǎn)矩Tmax是T2。上限轉(zhuǎn)矩Tmax 隨著腰部高度H的增加而從Tl單調(diào)增加到T2。這里，上限轉(zhuǎn)矩Tl被設(shè)定為不足以支承用戶的體重的大小。轉(zhuǎn)矩調(diào)整模塊36基于圖4的座標(biāo)圖的關(guān)系來改變轉(zhuǎn)矩限制器34內(nèi)的上限轉(zhuǎn)矩Tmax。轉(zhuǎn)矩限制器34以上限轉(zhuǎn)矩Tmax限制目標(biāo)轉(zhuǎn)矩Tr。S卩，圖4規(guī)定了轉(zhuǎn)矩限制器34的動作特性。被限制后的轉(zhuǎn)矩相當(dāng)于向馬達(dá)42輸出的指令轉(zhuǎn)矩Tc。對轉(zhuǎn)矩限制器34 (及轉(zhuǎn)矩調(diào)整模塊36)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說明。在腰部高度H低的期間， 即使目標(biāo)角Ar與旋轉(zhuǎn)角As的偏差大，也通過上限轉(zhuǎn)矩Tmax ( = Tl)限制馬達(dá)42的輸出轉(zhuǎn)矩。在腰部高度低的期間，與偏差(Ar-As)無關(guān)地輸出固定的轉(zhuǎn)矩，因此在該期間，控制器 30實(shí)質(zhì)上基于轉(zhuǎn)矩控制規(guī)則來控制馬達(dá)42。腰部高度低時的上限轉(zhuǎn)矩Tl被設(shè)定為不足以支承用戶的體重那樣的小值。因此， 在腰部高度低的期間，如果用戶不使出肌肉力量，則腰不能開始上升。即，在站起動作的開始、以及從開始后短暫的期間，用戶能夠主導(dǎo)站起動作。站起動作的開始不是由腿輔助裝置 10隨意決定的，而是由用戶決定的。隨著腰部高度變高，上限轉(zhuǎn)矩Tmax增大。因此，腿輔助裝置10的輸出轉(zhuǎn)矩與偏差 (Ar-As)成比例。即，一旦腰部高度變高，則角度控制成為優(yōu)勢。一旦腰部高度變高，則角度控制主導(dǎo)站起動作。因此，腿輔助裝置10能夠可靠地將用戶引導(dǎo)到站立。這樣，腿輔助裝置10在開始時實(shí)質(zhì)上基于轉(zhuǎn)矩控制來輔助用戶的小腿，將站起動作的主動權(quán)交給用戶。然后，腿輔助裝置10 —旦腰部高度變高，則角度控制變?yōu)榱酥湫钥刂贫〉谜酒饎幼鞯闹鲃訖?quán)，引導(dǎo)用戶可靠地達(dá)到站立姿勢。按照圖5和圖6的流程圖來詳細(xì)地說明控制器30執(zhí)行的處理。控制器30在控制被起動時首先開始計時器的計時(S2)。計時器測定的經(jīng)過時間用符號Tm表示。Tm表示開
8始站起輔助控制后的經(jīng)過時間。接著，控制器30將相當(dāng)于站立姿勢的小腿連結(jié)體50的旋轉(zhuǎn)角(站立角As3)設(shè)定為目標(biāo)角Ar (S4)。如圖3C所示，站立角相當(dāng)于用戶變成了站立姿勢時的小腿連結(jié)體50的旋轉(zhuǎn)角，大概是180度。接著，控制器30通過角度傳感器43獲取小腿連結(jié)體50的旋轉(zhuǎn)角As (S6)?？刂破?30基于圖4所示的座標(biāo)圖的關(guān)系，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角As來調(diào)整上限轉(zhuǎn)矩Tmax(SS)?？刂破?0對目標(biāo)角Ar和旋轉(zhuǎn)角As的偏差應(yīng)用PID控制規(guī)則，計算出目標(biāo)轉(zhuǎn)矩Tr (S9)。這里，控制器 30(轉(zhuǎn)矩限制器34)通過上限轉(zhuǎn)矩Tmax限制目標(biāo)轉(zhuǎn)矩Tr。被限制的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩相當(dāng)于指令轉(zhuǎn)矩T。。控制器30向執(zhí)行器42輸出被上限轉(zhuǎn)矩Tmax限制的指令轉(zhuǎn)矩Tc(SlO)。馬達(dá)42 輸出相當(dāng)于指令轉(zhuǎn)矩T。的轉(zhuǎn)矩。輸出轉(zhuǎn)矩被施加給膝關(guān)節(jié)，輔助用戶的站起動作?？刂破?0反復(fù)進(jìn)行從步驟S6到SlO的處理，直到旋轉(zhuǎn)角As與目標(biāo)角Ar —致。一旦旋轉(zhuǎn)角As與目標(biāo)角Ar (站立角As3) —致，則結(jié)束控制(S12 :是)。另外，需要注意的是， 如上所述，隨著旋轉(zhuǎn)角As變大(隨著腰部高度變高)，上限轉(zhuǎn)矩Tmax增加。從用于站起輔助的控制開始經(jīng)過的時間Tm未達(dá)到第一既定時間Tml的期間，反復(fù)進(jìn)行從步驟S6到S12的處理(S14 :否)。當(dāng)經(jīng)過時間Tm即使超過第一既定時間Tml而旋轉(zhuǎn)角As也未達(dá)到目標(biāo)角Ar時(S14 :是)，處理轉(zhuǎn)移到步驟S16 (參照圖6)。在步驟S16中，控制器30檢查經(jīng)過時間Tm是否超過第二既定時間Tm2。當(dāng)未超過第二既定時間Tm2時，將I. 5代入到與上限轉(zhuǎn)矩相乘的系數(shù)(S18)。然后，返回到步驟S6。 “與上限轉(zhuǎn)矩相乘的系數(shù)”是與在步驟S8中被調(diào)整的上限轉(zhuǎn)矩Tmax進(jìn)一步相乘的系數(shù)。一旦步驟S16被執(zhí)行，則在步驟S8中算出的上限轉(zhuǎn)矩Tmax被設(shè)為I. 5倍。即，控制器30在開始站起輔助控制后在預(yù)先既定時間Tml內(nèi)腰部高度未達(dá)到預(yù)先確定的閾值高度的情況下， 使轉(zhuǎn)矩限制器的上限值增加。當(dāng)即使經(jīng)過一定時間腰也未上升時，控制器30通過該處理增加施加給用戶的轉(zhuǎn)矩。由于施加給用戶的轉(zhuǎn)矩增大，因此能夠助長站起輔助。第二既定時間Tm2被設(shè)定為比第一既定時間Tml長的時間。當(dāng)經(jīng)過時間Tm超過了第二既定時間Tm2時(S16 :是)，控制器30控制馬達(dá)42，使小腿連結(jié)體50振動少許時間 (S20)。接著，控制器30使目標(biāo)角Ar逐漸減小到與坐下姿勢對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角As (坐下角Asl) (S22、S28)。S卩，控制器30在開始站起輔助控制后在第二既定時間Tm2內(nèi)腰部高度未達(dá)到預(yù)先確定的閾值高度的情況下，將目標(biāo)角Ar改變?yōu)樽陆茿sl。控制器30在逐漸減小目標(biāo)角Ar的期間獲取旋轉(zhuǎn)角As (S24)，并基于所獲取的旋轉(zhuǎn)角As與目標(biāo)角Ar的偏差來輸出指令轉(zhuǎn)矩Te(S26)。S卩，控制器30輸出與變化的目標(biāo)角Ar相應(yīng)的指令轉(zhuǎn)矩Te(S26)。從步驟S22到S28的處理相當(dāng)于在即使超過第二既定時間Tm2也未開始站起的情況下順暢地結(jié)束站起動作的處理。通過將目標(biāo)角Ar從站立角As3逐漸減小到坐下角Asl， 馬達(dá)42輸出的轉(zhuǎn)矩也逐漸減小。最終，在坐下姿勢下輸出轉(zhuǎn)矩變?yōu)镺?？刂破?0在將目標(biāo)角Ar改變?yōu)樽陆茿sl之前使小腿連結(jié)體50振動(S20)。該處理具有向用戶通知目標(biāo)角Ar的改變的優(yōu)點(diǎn)。以上，對本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式進(jìn)行說明。對實(shí)施例的腿輔助裝置10優(yōu)選的變形例進(jìn)行說明?？刂破?0也可以以圖4所示的座標(biāo)圖以外的方式來改變上限轉(zhuǎn)矩。圖7和圖8表示上限轉(zhuǎn)矩Tmax的其他的座標(biāo)圖?？刂破?0也可以按照圖7的座標(biāo)圖或圖8的座標(biāo)圖來改變上限轉(zhuǎn)矩。圖7的座標(biāo)圖示出了隨著腰部高度變高而逐級地增加上限轉(zhuǎn)矩Tmax 的例子。圖8的座標(biāo)圖示出了當(dāng)比位于坐下姿勢下的腰部高度Hl和站立姿勢下的腰部高度H3之間的中間腰部高度H2低時對上限轉(zhuǎn)矩Tmax設(shè)定Tl，當(dāng)比中間腰部高度H2高時對上限轉(zhuǎn)矩Tmax設(shè)定T2。在圖8的座標(biāo)圖的情況下，控制器30當(dāng)比位于坐下姿勢下的腰部高度Hl和站立姿勢下的腰部高度H3之間的中間腰部高度H2低時對上限轉(zhuǎn)矩Tmax設(shè)定Tl， 當(dāng)比中間腰部高度H2高時對上限轉(zhuǎn)矩Tmax設(shè)定T2。換言之，控制器30當(dāng)小腿連結(jié)體50 的旋轉(zhuǎn)角As比位于相當(dāng)于坐下姿勢的坐下角Asl與相當(dāng)于站立姿勢的站立角As3之間的的中間角As2低時，對上限轉(zhuǎn)矩Tmax設(shè)定Tl，當(dāng)比中間腰部高度H2高時，對上限轉(zhuǎn)矩Tmax 設(shè)定T2。轉(zhuǎn)矩T2大于Tl。在實(shí)施例的腿輔助裝置10中，為了測定(估計)腰部高度，采用了測定小腿連結(jié)體50的旋轉(zhuǎn)角的角度傳感器。腰部高度與相對于鉛垂方向的大腿繞俯仰軸的傾斜角唯一地對應(yīng)。即，隨著腰部高度變高，傾斜角單調(diào)減少。因此，作為測定(估計)腰部高度的傳感器，也可以采用測定相對于鉛垂方向的大腿繞俯仰軸的傾斜角的傾斜傳感器。在此情況下，控制器30將目標(biāo)角設(shè)定為與用戶的站立姿勢對應(yīng)的站立角，并且隨著大腿的傾斜角變小而增加轉(zhuǎn)矩限制器的上限值。另外，如上所述，“大腿的傾斜角”詳細(xì)地表述即相當(dāng)于相對于鉛垂方向的大腿繞俯仰軸的傾斜角。實(shí)施例的腿輔助裝置作為執(zhí)行器而具有電動馬達(dá)。腿輔助裝置也可以采用油壓馬達(dá)、空氣壓馬達(dá)等。實(shí)施例的腿輔助裝置輔助膝關(guān)節(jié)的動作。腿輔助裝置也可以包括對髖關(guān)節(jié)和/或腳踝關(guān)節(jié)施加轉(zhuǎn)矩的執(zhí)行器。腿輔助裝置的控制器30總結(jié)起來實(shí)現(xiàn)了包括以下步驟組的站起輔助方法。(I)測定小腿連結(jié)體的旋轉(zhuǎn)角的步驟。該步驟相當(dāng)于圖5的S6。(2)基于小腿連結(jié)體的旋轉(zhuǎn)角與目標(biāo)角的偏差來計算出對執(zhí)行器的指令轉(zhuǎn)矩的步驟。該步驟相當(dāng)于圖5的S9。(3)當(dāng)被計算出的指令轉(zhuǎn)矩大于上限轉(zhuǎn)矩時將指令轉(zhuǎn)矩改變?yōu)樯舷揶D(zhuǎn)矩的步驟。 該處理包含在圖5的S9中。(4)向執(zhí)行器輸出改變后的指令轉(zhuǎn)矩的步驟。該處理相當(dāng)于圖5的S10。另外，控制器30將目標(biāo)角設(shè)定為與用戶的站立姿勢對應(yīng)的站立角(S4)。另外，控制器30隨著用戶的腰部高度變高而增加轉(zhuǎn)矩限制器的上限值(S8)。以上，對本發(fā)明的具體例子進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但這些例子只不過是示例，并不限定權(quán)利要求的范圍。權(quán)利要求書記載的技術(shù)包含對以上例示的具體例子進(jìn)行種種變形、變更而成的技術(shù)。在本說明書或附圖中說明的技術(shù)要素單獨(dú)或者通過各種組合發(fā)揮技術(shù)上的有用性，并不限于申請時權(quán)利要求記載的組合。另外，在本說明書或附圖中例示的技術(shù)能夠同時達(dá)到多個目的，并通過達(dá)到其中的一個目的本身來實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的有用性。符號的說明10 :腿輔助裝置、12 :控制器、20 :大腿連結(jié)體、30 :控制器、32 :反饋控制模塊、34 轉(zhuǎn)矩限制器、36 :轉(zhuǎn)矩調(diào)整模塊、40 :膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、42 :馬達(dá)(執(zhí)行器)、43 :角度傳感器、50 小腿連結(jié)體、96 :載荷傳感器、100 :用戶、110 :病腿、112 :大腿、114 :膝、116 :小腿
權(quán)利要求
1.一種腿輔助裝置，用于輔助用戶的站起動作，所述腿輔助裝置的特征在于，包括大腿連結(jié)體，所述大腿連結(jié)體被安裝到用戶的大腿上；小腿連結(jié)體，所述小腿連結(jié)體被安裝到用戶的小腿上；旋轉(zhuǎn)接頭，所述旋轉(zhuǎn)接頭將小腿連結(jié)體可旋轉(zhuǎn)地連結(jié)在大腿連結(jié)體上，并且所述旋轉(zhuǎn)接頭包括使小腿連結(jié)體旋轉(zhuǎn)的執(zhí)行器；以及控制器，所述控制器具有基于小腿連結(jié)體的旋轉(zhuǎn)角與目標(biāo)角的偏差來計算出對執(zhí)行器的指令轉(zhuǎn)矩的反饋控制模塊，并且所述控制器控制執(zhí)行器以使小腿連結(jié)體的旋轉(zhuǎn)角與目標(biāo)角一致；其中，控制器包括對反饋控制模塊計算出的指令轉(zhuǎn)矩的大小進(jìn)行限制的轉(zhuǎn)矩限制器，所述控制器將目標(biāo)角設(shè)定為與用戶的站立姿勢對應(yīng)的站立角，并且隨著用戶的腰部高度變高而增加轉(zhuǎn)矩限制器的上限值。
2.如權(quán)利要求1所述的腿輔助裝置，其特征在于，控制器在開始站起輔助控制之后在既定時間內(nèi)腰部高度未達(dá)到預(yù)先確定的閾值高度的情況下，將目標(biāo)角改變?yōu)榕c用戶的坐下姿勢對應(yīng)的坐下角。
3.如權(quán)利要求1或2所述的腿輔助裝置，其特征在于，控制器在開始站起輔助控制之后在既定時間內(nèi)腰部高度未達(dá)到預(yù)先確定的閾值高度的情況下，增加轉(zhuǎn)矩限制器的上限值。
4.如權(quán)利要求2所述的腿輔助裝置，其特征在于，在將目標(biāo)角改變?yōu)樽陆侵埃剐⊥冗B結(jié)體振動。
5.一種站起動作的輔助方法，所述站起動作的輔助方法是使用腿輔助裝置對站起動作進(jìn)行輔助的方法，腿輔助裝置包括大腿連結(jié)體，所述大腿連結(jié)體被安裝到用戶的大腿上；小腿連結(jié)體，所述小腿連結(jié)體被安裝到用戶的小腿上；以及執(zhí)行器，所述執(zhí)行器將小腿連結(jié)體可旋轉(zhuǎn)地連結(jié)在大腿連結(jié)體上，并且使小腿連結(jié)體旋轉(zhuǎn)，所述站起動作的輔助方法的特征在于，包括以下步驟測定小腿連結(jié)體的旋轉(zhuǎn)角；基于小腿連結(jié)體的旋轉(zhuǎn)角與目標(biāo)角的偏差來計算出對執(zhí)行器的指令轉(zhuǎn)矩；當(dāng)被計算出的指令轉(zhuǎn)矩大于上限轉(zhuǎn)矩時，將指令轉(zhuǎn)矩改變?yōu)樯舷揶D(zhuǎn)矩；以及向執(zhí)行器輸出改變后的指令轉(zhuǎn)矩；其中，所述站起動作的輔助方法將目標(biāo)角設(shè)定為與用戶的站立姿勢對應(yīng)的站立角，并且隨著用戶的腰部高度變高而增加轉(zhuǎn)矩限制器的上限值。
全文摘要
提供具有適于站起動作的輔助的控制規(guī)則的腿輔助裝置。腿輔助裝置包括大腿連結(jié)體、小腿連結(jié)體、旋轉(zhuǎn)接頭、以及控制器。大腿連結(jié)體被安裝到用戶的大腿上，小腿連結(jié)體被安裝到用戶的小腿上。旋轉(zhuǎn)接頭將小腿連結(jié)體可旋轉(zhuǎn)地連結(jié)到大腿連結(jié)體上。并且，旋轉(zhuǎn)接頭包括使小腿連結(jié)體旋轉(zhuǎn)的執(zhí)行器?？刂破骺刂茍?zhí)行器以使小腿連結(jié)體的旋轉(zhuǎn)角與目標(biāo)角一致?？刂破靼ㄏ拗葡驁?zhí)行器輸出的指令轉(zhuǎn)矩的大小的轉(zhuǎn)矩限制器。控制器將目標(biāo)角設(shè)定為與用戶的站立姿勢對應(yīng)的站立角，并且隨著用戶的腰部高度變高而增加轉(zhuǎn)矩限制器的上限值。
文檔編號A61G5/00GK102596142SQ201080045350
公開日2012年7月18日 申請日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者中島一誠, 真鍋周平 申請人:豐田自動車株式會社