(57)【要約】【課題】モータに供給される電流に基づいてモータが出力するトルクを高精度に推定し、牽引帯による牽引力を高精度に推定することにより、より適切な牽引力制御を行うことができる関節動作補助装置を提供する。【解決手段】制御部５６は、モータ５１の電流比例トルクからトルク損失を差し引いた推定トルクＴ１（ｔ）を演算し、推定トルクＴ１（ｔ）と、推定トルクＴ１（ｔ）と牽引力との関係とに基づいて、モータを制御する。トルク損失は、モータ５１により回転する回転体の慣性モーメントＪ及びモータ５１の角加速度に基づいた加減速トルク、モータ５１の回転に伴う粘性抵抗Ｄ及びモータ５１の角速度ωに基づいた粘性抵抗トルク、並びに、モータ５１の回転方向に対応する機械的損失に基づいて取得される。【選択図】図３
2018161319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
補助対象の関節を跨いで配置され、牽引力が付与されることにより前記関節の動作の補助力を発生する牽引帯と、
前記牽引帯に前記牽引力を付与するためのモータと、
前記モータを制御する制御部と、
を備える関節動作補助装置であって、
前記制御部は、
前記モータの電流比例トルクからトルク損失を差し引いた推定トルクを演算し、
前記推定トルクと、前記推定トルクと前記牽引力との関係とに基づいて、前記モータを制御し、
前記トルク損失は、前記モータにより回転する回転体の慣性モーメント及び前記モータの角加速度に基づいた加減速トルク、前記モータの回転に伴う粘性抵抗及び前記モータの角速度に基づいた粘性抵抗トルク、並びに、前記モータの回転方向に対応する機械的損失に基づいて取得される、関節動作補助装置。
【請求項２】
前記推定トルクは、式（１）に基づいて演算され、
前記機械的損失は、式（２）に基づいて決定される、請求項１に記載の関節動作補助装置。
【数１】
2018161319.tif 000012
【数２】
2018161319.tif 000013
【請求項３】
前記推定トルクは、式（１）に基づいて演算され、
前記機械的損失は、式（３）に基づいて決定される、請求項１に記載の関節動作補助装置。
【数１】
2018161319.tif 000014
【数３】
2018161319.tif 000015
【請求項４】
前記推定トルクは、式（１）に基づいて演算され、
前記機械的損失は、式（４）に基づいて決定される、請求項１に記載の関節動作補助装置。
【数１】
2018161319.tif 000016
【数４】
2018161319.tif 000017
【請求項５】
前記推定トルクは、式（５）に基づいて演算される、請求項１に記載の関節動作補助装置。
【数５】
2018161319.tif 000018
【請求項６】
前記推定トルクは、式（６）に基づいて演算される、請求項１に記載の関節動作補助装置。
【数６】
2018161319.tif 000019
【請求項７】
前記モータは、ブラシ付きモータであり、
前記機械的損失は、前記ブラシ付きモータのブラシによる摩擦抵抗に応じた損失を含む、請求項１−６の何れか一項に記載の関節動作補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば歩行動作などの関節動作を補助する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
歩行動作などの関節動作を補助する装置は、特許文献１−４に記載されている。特許文献１に記載の装置は、人間の歩行動作を補助するための装置であって、股関節を跨いで配置され牽引力が付与されることにより股関節の動作の補助力を発揮する牽引帯と、牽引帯に牽引力を付与するためのモータとを備える。
【０００３】
当該装置は、さらに、モータを制御するために、大腿部の傾斜角度を検出するジャイロセンサと、牽引帯に引張方向に作用する荷重を検出するロードセルとを備える。ジャイロセンサは、対象者の歩行状態から補助力の付与開始のタイミングを決定するために用いている。そして、ジャイロセンサによって補助力の付与開始のタイミングが判定されると、ロードセルの検出値が予め設定された目標値となるように、モータが制御される。ここで、特許文献１には、牽引帯による牽引力の検出は、ロードセルの他に、モータに供給される電流に基づいて得ることもできるとされている。
【０００４】
また、特許文献２には、歩行補助装置のモータトルクのモデル式が記載されている。このモデル式によれば、モータから出力されるトルクは、モータの慣性モーメントに関節の角速度を乗算した項、粘性摩擦係数に関節の角加速度を乗算した項、及び、モータに電圧が印加されたときに関節を回転させるトルク（負荷に作用するトルク）から決定されている。
【０００５】
特許文献３には、モータとボールねじからなる直動アクチュエータを用いて、歩行の補助を行う装置が記載されている。モータによって出力されるトルクは、指令トルク、慣性、粘性抵抗によって表されるとされている。
【０００６】
特許文献４には、肘関節の動作を補助する装置が記載されており、モータの駆動電流が所定の許容値を超える場合に、モータに供給される電流値を所定の割合で減少させることが記載されている。たとえば、モータ制御部は、モータの駆動電流を、シグモイド関数、ベジェ曲線、スプライン曲線などを適用して、滑らかに減少させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０３１３７６号
【特許文献２】特開２０１５−１２６８８１号公報（［００７８］、［００７９］）
【特許文献３】特開２０１６−１６８４３７号公報（［００５４］、［００５５］）
【特許文献４】特許第５２０９９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載のように、モータを制御して牽引帯による牽引力を制御するために、ロードセルを使用する場合、ロードセルが高価であるために、装置全体が高コストとなる。そこで、モータが出力するトルクを、モータに供給される電流を用いて推定することが望まれる。
【０００９】
しかし、特許文献２に記載されているように、モータが出力するトルクは、モータに供給される電流に比例するトルクに一致せず、トルク損失の分だけ減少することが知られている。トルク損失には、モータによって回転する回転体の慣性による損失、及び、粘性抵抗による損失が含まれる。つまり、当該トルク損失は、回転体の運動方程式として表される項に相当する。
【００１０】
しかし、上記のトルク損失を考慮して推定したトルクが、モータが実際に出力するトルクに一致しないことが分かった。これでは、牽引力を高精度に推定することができないため、より適切な牽引力制御ができない。
【００１１】
本発明は、モータに供給される電流に基づいてモータが出力するトルクを高精度に推定し、牽引帯による牽引力を高精度に推定することにより、より適切な牽引力制御を行うことができる関節動作補助装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、モータが実際に出力するトルクと電流に基づいた推定トルクとの違いが、モータの回転方向に依存することを発見し、本発明を想到するに至った。
【００１３】
つまり、本発明に係る関節動作補助装置は、補助対象の関節を跨いで配置され、牽引力が付与されることにより前記関節の動作の補助力を発生する牽引帯と、前記牽引帯に前記牽引力を付与するためのモータと、前記モータを制御する制御部と、を備える。
【００１４】
前記制御部は、前記モータの電流比例トルクからトルク損失を差し引いた推定トルクを演算し、前記推定トルクと、前記推定トルクと前記牽引力との関係とに基づいて、前記モータを制御する。前記トルク損失は、前記モータにより回転する回転体の慣性モーメント及び前記モータの角加速度に基づいた加減速トルク、前記モータの回転に伴う粘性抵抗及び前記モータの角速度に基づいた粘性抵抗トルク、並びに、前記モータの回転方向に対応する機械的損失に基づいて取得される。
【００１５】
トルク損失が、加減速トルク及び粘性抵抗トルクに加えて、モータの回転方向に対応する機械的損失を考慮している。機械的損失は、モータの回転方向に対応した値である。つまり、モータの回転方向が一方方向の場合とモータの回転方向が他方方向の場合とで、機械的損失の符号が異なるように設定されている。これにより、モータに供給される電流に基づいた推定トルクがモータの実際のトルクに高精度に一致し、その結果、牽引帯による牽引力を高精度に推定することができ、より適切な牽引力制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】関節動作補助装置の正面図である。
【図２】関節動作補助装置の背面図である。
【図３】制御部による第一例の制御ブロック図である。
【図４】牽引帯に作用させる牽引力パターンを示す図である。
【図５】制御部による第二例の制御ブロック図である。
【図６】モータが定常状態における角速度ωと電流Ｉとをプロットしたグラフである。
【図７】無負荷状態においてモータに一定電流Ｉを供給し始めたとき（立上り時）の角速度ωの実測値を示すグラフである。
【図８】モータを回転させた後に無負荷状態にすると共にモータへの電流の供給を停止したとき（立下り時）のモータの角速度ωの実測値を示すグラフである。
【図９】立下り時において、角速度ωの実測値Real、第一例の推定トルクの角速度Ver1、機械的損失の項を有さない比較例の推定トルクの角速度Ver2を示す。
【図１０】定常状態における理想トルクIdeal、第一例の推定トルクVer1、比較例のトルクVer2を示す。
【図１１】第一例の推定トルクと実測トルクを示すと共に、角速度の正負を示す。
【図１２】第二例の推定トルクと実測トルクを示すと共に、角速度の正負を示す。
【図１３】第三例の推定トルクと実測トルクを示すと共に、角速度の正負を示す。
【図１４】第四例の推定トルクと実測トルクを示すと共に、角速度の正負を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（１．関節動作補助装置１の構成）
関節動作補助装置１は、歩行運動を補助するために股関節の屈伸運動を補助する装置、肘関節の動作、肩関節の動作を補助する装置である。本実施形態においては、関節動作補助装置１は、歩行運動を補助する装置を例にあげる。
【００１８】
関節動作補助装置１（以下、「補助装置１」と称する）の構成について、図１及び図２を参照して説明する。補助装置１は、補助対象としての股関節を跨いで配置され、股関節の屈曲角度として大腿部の傾斜角度に応じた補助力を発生する。補助装置１は、左右一対の第一装着部１０，１０と、第二装着部２０と、左右一対の牽引帯３０，３０と、センサ取付装着部４０と、関節角度センサ４１と、駆動装置５０を備える。
【００１９】
左右一対の第一装着部１０，１０は、使用者の股関節を挟んで大腿骨が位置する大腿部側に取り付けられる。例えば、第一装着部１０，１０は、伸縮性を有する布地等により帯状に形成されており、使用者の膝関節に巻き付けられて装着される。第一装着部１０，１０は、膝部の背面にて面ファスナ等により固定される。
【００２０】
第二装着部２０は、使用者の股関節を挟んで寛骨が位置する腰部側に取り付けられる。例えば、第二装着部２０は、伸縮性の小さい布地等により帯状に形成されており、使用者の腰部に巻き付けられて装着される。第二装着部２０は、腰部の前面にて面ファスナ等により固定される。
【００２１】
牽引帯３０は、可撓性を有する帯状態により形成されており、柔軟に変形可能である。牽引帯３０は、第一装着部１０と第二装着部２０とに架け渡されることで、使用者の股関節を跨いで配置される。牽引帯３０は、牽引力が付与されることにより関節の動作の補助力を発生する部材である。
【００２２】
牽引帯３０は、上下方向に直線的に延びる略帯状の布地等により形成されており、使用者の大腿部の前面に沿って配置される。牽引帯３０は、例えば、織布、不織布、皮革、ゴムシート、樹脂シート等により形成されるのが好適である。特に、牽引帯３０は、牽引力を発生するために、弾性変形可能であることが好適である。牽引帯３０の一端（下端）は、第一装着部１０に連結されている。牽引帯３０は、第一装着部１０とは別体に形成されて、接着又は縫合により連結される。なお、牽引帯３０と第一装着部１０は、予め一体に成形されるようにしてもよい。
【００２３】
センサ取付装着部４０は、帯状に形成され、使用者の大腿部に対して固定的に装着される。センサ取付装着部４０には、第一装着部１０，１０、第二装着部２０、及び、牽引帯３０，３０とは別体の部材が採用されているが、これらの何れかに一体としてもよい。センサ取付装着部４０は、ゴム等の弾性による巻き付けベルト、面ファスナ等による締め付けベルトなどが採用可能である。
【００２４】
関節角度センサ４１は、股関節の屈曲角度としての大腿部の傾斜角度を検出する。つまり、関節角度センサ４１は、大腿部の傾斜角度を検出することで、略鉛直状態に保持される腰部の寛骨に対する股関節の屈曲角度を検出する。本実施形態においては、関節角度センサ４１は、例えば、ジャイロセンサを適用する。また、図２に示すように、関節角度センサ４１は、左右のセンサ取付装着部４０，４０の背面側に取り付けられている。ただし、関節角度センサ４１は、関節の屈曲角度を計測することができればよく、センサの種類や構造、装着位置などは問わない。
【００２５】
駆動装置５０は、牽引帯３０に牽引力を付与するための装置である。駆動装置５０は、第二装着部２０に設けられている。駆動装置５０は、駆動源としてのモータ５１，５１と、モータ角度センサ５２，５２と、電流センサ５３，５３と、電源装置５４と、駆動回路（アンプ）５５と、制御部５６とを備える。
【００２６】
モータ５１には、回転角度を検出して正逆両方向の回転量を制御することができるモータが適用される。特に、本実施形態においては、モータ５１は、ブラシ付きモータを採用する。モータ５１，５１の回転角度が、モータ角度センサ５２，５２により検出される。例えば、モータ角度センサ５２，５２は、エンコーダなどである。モータ５１，５１に供給される電流が、電流センサ５３，５３により検出される。モータ５１，５１は、電源装置５４により供給される電力により、駆動回路５５によって駆動される。駆動回路５５は、制御部５６による制御信号に基づいて、モータ５１に所望の電流を供給する。
【００２７】
モータ５１、モータ角度センサ５２、及び、電流センサ５３は、図１に示すように、第二装着部２０の前面側に固定されている。モータ５１の回転軸には、牽引帯３０の他端（上端）が巻取可能に固定されている。モータ５１の回転軸は、減速機構を有する構成を採用している。モータ５１の回転軸が一方方向に回転すると、牽引帯３０が巻き取られる。これにより、牽引帯３０に作用する牽引力が大きくなり、第一装着部１０を前方に移動させる力が発生する。一方、モータ５１の回転軸が他方方向に回転すると、牽引帯３０の巻き取りが解除されて送り出される。これにより、牽引帯３０に作用する牽引力が小さくなる。従って、モータ５１の駆動によって、牽引帯３０による牽引力が調整される。牽引帯３０に牽引力が作用することで、歩行動作の補助力が発生される。
【００２８】
電源装置５４、駆動回路５５、及び、制御部５６は、図２に示すように、第二装着部２０の背面側に固定されている。制御部５６は、モータ５１を制御する。制御部５６は、関節角度センサ４１による検出値に基づいて使用者の歩行状態を判定し、歩行動作を補助するための牽引力を付与し始めるタイミングを判定する。さらに、制御部５６は、モータ５１に供給される電流に基づいて、牽引帯３０が所望の牽引力を発生するようにモータ５１を制御する。このとき、制御部５６は、モータ５１に供給される電流値に基づいてモータ５１に作用している推定トルクを演算し、推定トルクと牽引帯３０による牽引力との関係とに基づいてモータ５１を制御する。
【００２９】
（２．制御部５６の第一例の構成）
制御部５６の第一例の構成について、図３及び図４を参照して説明する。図３に示すように、制御部５６は、牽引力パターン記憶部６１、牽引力指令値決定部６２、推定トルク演算部６３、推定牽引力演算部６４、偏差演算部６５、ＰＩＤ制御部６６を備える。
【００３０】
牽引力パターン記憶部６１は、予め設定された牽引力パターンを記憶する。牽引力パターンによれば、図４に示すように、歩行時に後方に延びた脚が地面から離れて遊脚となる時点から、遊脚が前方に振り出されて着地するときより少し前までの期間に、歩行動作の補助力としての牽引力が発生する。さらに、補助力としての牽引力を発生していないとき、牽引帯３０の緩み防止を目的として、バイアスとしての牽引力が発生する。
【００３１】
牽引力指令値決定部６２は、牽引力パターンと関節角度センサ４１の検出値とに基づいて、牽引力指令値を決定する。牽引力指令値決定部６２は、使用者が歩行状態であることを判定すると、補助力としての牽引力の付与開始のタイミングを決定する。付与開始のタイミングが決定されれば、牽引力パターンに応じた牽引力指令値Ｆ（ｔ）を決定する。
【００３２】
また、推定トルク演算部６３は、電流センサ５３により検出される電流Ｉ（ｔ）、及び、モータ角度センサ５２により検出されるモータ５１の角速度ω（ｔ）に基づいて、牽引帯３０を牽引するためのモータ５１の推定トルクＴ１（ｔ）を演算する。推定牽引力演算部６４は、牽引帯３０を牽引するためのモータ５１のトルクと牽引帯３０による牽引力との関係を予め記憶し、推定トルク演算部６３で得られた推定トルクＴ１（ｔ）に対応する推定牽引力Ｆ１（ｔ）を演算する。
【００３３】
偏差演算部６５は、牽引力指令値決定部６２により決定された牽引力指令値Ｆ（ｔ）と推定牽引力演算部６４により得られた推定牽引力Ｆ１（ｔ）との偏差ΔＦ（ｔ）を演算する。ＰＩＤ制御部６６は、偏差ΔＦ（ｔ）に基づいて、ＰＩＤ制御により制御信号を生成する。制御信号は、駆動回路（アンプ）５５に出力し、駆動回路５５が制御信号に対応するようにモータ５１を駆動する。なお、ＰＩＤ制御部６６は、電圧制御を行ってもよいし、電流制御を行ってもよい。このようにして、牽引帯３０による牽引力が牽引力パターンに一致するように、モータ５１が制御される。
【００３４】
（３．制御部５６の第二例の構成）
制御部５６の第二例の構成について、図５を参照して説明する。ここで、制御部５６は、上述した第一例の構成と第二例の構成の何れかを適用できる。図５に示すように、制御部５６は、牽引力パターン記憶部７１、牽引力指令値決定部７２、トルク指令値演算部７３、推定トルク演算部７４、偏差演算部７５、ＰＩＤ制御部７６を備える。
【００３５】
牽引力パターン記憶部７１及び牽引力指令値決定部７２は、第一例における牽引力パターン記憶部６１及び牽引力指令値決定部６２と同様である。トルク指令値演算部７３は、牽引帯３０を牽引するためのモータ５１のトルクと牽引帯３０による牽引力との関係を予め記憶し、牽引力指令値決定部７２で決定された牽引力指令値Ｆ（ｔ）に対応するトルク指令値Ｔ（ｔ）を演算する。
【００３６】
また、推定トルク演算部７４は、電流センサ５３により検出される電流Ｉ（ｔ）、及び、モータ角度センサ５２により検出されるモータ５１の角速度ω（ｔ）に基づいて、牽引帯３０を牽引するためのモータ５１の推定トルクＴ１（ｔ）を演算する。偏差演算部７５は、トルク指令値演算部７３により決定されたトルク指令値Ｔ（ｔ）と推定トルク演算部７４により得られた推定トルクＴ１（ｔ）との偏差ΔＴ（ｔ）を演算する。ＰＩＤ制御部７６は、偏差ΔＴ（ｔ）に基づいて、ＰＩＤ制御により制御信号を生成する。制御信号は、駆動回路（アンプ）５５に出力し、駆動回路５５が制御信号に対応するようにモータ５１を駆動する。なお、ＰＩＤ制御部７６は、電圧制御を行ってもよいし、電流制御を行ってもよい。このようにして、牽引帯３０による牽引力が牽引力パターンに一致するように、モータ５１が制御される。
【００３７】
（４．推定トルクＴ１（ｔ））
推定トルク演算部６３，７４が演算する推定トルクＴ１（ｔ）について、以下に説明する。推定トルクＴ１（ｔ）は、第一例から第五例をあげる。第一例から第五例の推定トルクＴ１（ｔ）は、次の点において共通する。
【００３８】
推定トルクＴ１（ｔ）は、モータ５１の電流比例トルクからトルク損失を差し引いた値である。トルク損失は、モータ５１により回転する回転体の慣性モーメント及びモータ５１の角加速度に基づいた加減速トルク、モータ５１の回転に伴う粘性抵抗及びモータ５１の角速度に基づいた粘性抵抗トルク、並びに、モータ５１の回転方向に対応する機械的損失に基づいて取得される。
【００３９】
機械的損失は、モータ５１が正回転の場合に正値とすると、モータ５１が逆回転の場合には負値となる。このように、機械的損失は、モータ５１の回転方向に応じて、正負が反対となる。つまり、モータ５１の回転方向が反転する場合に、機械的損失の符号が反転する。さらに、機械的損失は、モータ５１が正回転の場合において、モータ５１の角速度ω（ｔ）の絶対値が大きくなるとしても一定の値となるように設定されている。また、機械的損失は、モータ５１が逆回転の場合において、モータ５１の角速度ω（ｔ）の絶対値が大きくなるとしても一定の値となるように設定されている。ただし、機械的損失は、モータ５１の角速度ω（ｔ）がゼロ付近においては、種々のタイプを適用できる。以下の第一例から第五例の推定トルクＴ１（ｔ）は、モータ５１の角速度ω（ｔ）がゼロ付近における機械的損失を種々のタイプとしたものである。
【００４０】
また、モータ５１は、上述したように、ブラシ付きモータである。そして、機械的損失は、ブラシ付きモータのブラシによる摩擦抵抗に応じた損失を含む。なお、機械的損失は、モータ５１の回転軸を支持する軸受（図示せず）による摩擦抵抗に応じた損失を含むようにすることもできる。
【００４１】
（４−１．第一例の推定トルク）
第一例の推定トルクＴ１（ｔ）は、式（１）に基づいて演算される。機械的損失Ｂ（ω）は、式（２）に基づいて決定される。
【００４２】
【数１】
2018161319.tif 000003
【００４３】
【数２】
2018161319.tif 000004
【００４４】
式（１）において、第一番目の項が電流比例トルクであり、第二番目の項が加減速トルクであり、第三番目の項が粘性抵抗トルクであり、第四番目の項が機械的損失Ｂ（ω）である。ここで、トルク定数ｋｅは、モータ５１の特性によって決定される値であって、モータ５１のカタログ値を用いることができる。慣性モーメントＪ、粘性抵抗Ｄ及び機械的損失係数Ｋについては、後述する。
【００４５】
機械的損失Ｂ（ω）は、式（２）に示すように、モータ５１の角速度ω（ｔ）が正値と負値の場合で、絶対値が同一で、符号が異なる。つまり、モータ５１の角速度ω（ｔ）が正値から負値へ変化するとき、及び、負値から正値へ変化するときには、急に２Ｋだけ変化することになる。
【００４６】
（４−２．第二例の推定トルク）
第二例の推定トルクＴ１（ｔ）は、第一例と同様に、上述した式（１）に基づいて演算される。ただし、機械的損失Ｂ（ω）は、式（３）に基づいて決定される。
【００４７】
【数３】
2018161319.tif 000005
【００４８】
つまり、機械的損失Ｂ（ω）は、式（３）に示すように、モータ５１の角速度ω（ｔ）がゼロ前後の範囲において、ゼロとなる。従って、モータ５１の角速度ω（ｔ）が正値から負値へ変化するとき、及び、負値から正値へ変化するときには、３階段に変化する。つまり、機械的損失Ｂ（ω）は、一旦Ｋだけ変化した後に角速度の所定量だけ変化すれば、さらにＫ変化することになる。このように、機械的損失Ｂ（ω）は、段階的な変化となり、モータ５１の角速度ω（ｔ）が正値と負値とに跨って変化する場合に、推定トルクＴ１（ｔ）が滑らかな変化となる。
【００４９】
ここで、モータ５１の回転方向が反転するタイミングは、図４の牽引力パターンにおけるＡ，Ｂ，Ｃのタイミングである。Ａ，Ｃにおいては、一定のバイアスの牽引力が付与される状態を目標とするため、牽引帯３０の伸縮に応じて頻繁に、モータ５１の回転方向が反転する。また、牽引帯３０が補助力としての牽引力を発生している際に、牽引力が上昇から下降に切り替わるときに、モータ５１の回転方向が反転する。つまり、図４のＡ，Ｂ，Ｃにおいて、牽引力を滑らかに且つ所望の値とすることができる。
【００５０】
（４−３．第三例の推定トルク）
第三例の推定トルクＴ１（ｔ）は、第一例と同様に、上述した式（１）に基づいて演算される。ただし、機械的損失Ｂ（ω）は、式（４）に基づいて決定される。式（４）において、オフセット定数Ａは、機械的損失係数Ｋに応じた値とする。例えば、オフセット定数Ａが、機械的損失係数Ｋの２分の１の値とすれば、ω＝０のときに、Ｂ（ω）＝０となる。
【００５１】
【数４】
2018161319.tif 000006
【００５２】
つまり、機械的損失Ｂ（ω）は、式（４）に示すように、モータ５１の角速度ω（ｔ）がゼロ前後の範囲において、シグモイド関数に応じた変化となる。従って、モータ５１の角速度ω（ｔ）が正値から負値へ変化するとき、及び、負値から正値へ変化するときには、滑らかに変化する。このように、機械的損失Ｂ（ω）は、非常に滑らかな変化となることで、モータ５１の角速度ω（ｔ）が正値と負値とに跨って変化する場合に、推定トルクＴ１（ｔ）が滑らかな変化となる。つまり、図４のＡ，Ｂ，Ｃに示すように、モータ５１の回転方向が反転するときにおいて、牽引力を滑らかに且つ所望の値とすることができる。
【００５３】
（４−４．第四例の推定トルク）
第四例の推定トルクＴ１（ｔ）は、式（５）に基づいて演算される。
【００５４】
【数５】
2018161319.tif 000007
【００５５】
モータ５１の角速度ω（ｔ）がゼロ前後において、推定トルクＴ１（ｔ）は、電流比例トルクのみにより表される。つまり、モータ５１の角速度ω（ｔ）がゼロ前後において、推定トルクＴ１（ｔ）は、加減速トルク、粘性抵抗トルク及び機械的損失を無視している。機械的損失を考慮しないのは、第二例と同様である。
【００５６】
ここで、加減速トルクは、モータ５１の角加速度ｄω（ｔ）／ｄｔに比例する。角速度ω（ｔ）がゼロ前後であるため、角加速度ｄω（ｔ）／ｄｔは、非常に大きく変化している可能性がある。そのため、加減速トルクが、角加速度ｄω（ｔ）／ｄｔの検出の応答速度によっては、一致しない場合があり、ばらつきの原因となる。そこで、モータ５１の角速度ω（ｔ）がゼロ前後において、推定トルクＴ１（ｔ）が、加減速トルクを考慮しないことで、安定した値となる。
【００５７】
さらに、粘性抵抗トルクは、モータ５１の角速度ω（ｔ）に比例する。そのため、モータ５１の角速度ω（ｔ）がゼロ前後においては、粘性抵抗トルクが小さな値となる。このように、粘性抵抗トルクは、本来小さな値であるはずが、ノイズ等により大きな値となるおそれがある。そこで、所定範囲において、粘性抵抗トルクを考慮しないことで、推定トルクＴ１（ｔ）のばらつきを抑制できる。
【００５８】
以上より、図４のＡ，Ｂ，Ｃに示すように、モータ５１の回転方向が反転するときにおいて、牽引力を滑らかに且つ所望の値とすることができる。
【００５９】
（４−５．第五例の推定トルク）
第五例の推定トルクＴ１（ｔ）は、式（６）に基づいて演算される。
【００６０】
【数６】
2018161319.tif 000008
【００６１】
モータ５１の角速度ω（ｔ）がゼロ前後において、推定トルクＴ１（ｔ）は、電流比例トルク及び加減速トルクにより表される。つまり、モータ５１の角速度ω（ｔ）がゼロ前後において、推定トルクＴ１（ｔ）は、粘性抵抗トルク及び機械的損失を無視している。機械的損失を考慮しないのは、第二例と同様である。粘性抵抗トルクを考慮しないのは、第四例と同様である。この場合も、図４のＡ，Ｂ，Ｃに示すように、モータ５１の回転方向が反転するときにおいて、牽引力を滑らかに且つ所望の値とすることができる。
【００６２】
（５．値Ｊ，Ｄ，Ｋの取得方法）
式（１）−式（６）におけるＪ，Ｄ，Ｋの取得方法について説明する。まず、モータ５１が定常状態における角速度ω（ｔ）と電流Ｉ（ｔ）との関係から、粘性抵抗Ｄ及び機械的損失係数Ｋを求める。定常状態とは、モータ５１の角速度ω（ｔ）を一定の状態である。モータ５１が定常状態の時には、慣性モーメントＪ＝０となる。従って、式（１）は、式（７）のように表される。
【００６３】
【数７】
2018161319.tif 000009
【００６４】
モータ５１の角速度ωを複数の条件とした場合に、電流Ｉを実測する。角速度ωと電流Ｉをグラフにプロットすると、図６に示すようになる。式（７）より、電流Ｉは角速度ωの一次式であるため、図６の複数の点を一次近似すると、太実線で表される。この一次近似式の傾きは、（Ｄ／ｋｅ）に相当し、角速度ω＝０の電流Ｉ（０）は、（Ｂ／ｋｅ）に相当する。これらの方程式を解くことにより、粘性抵抗Ｄ及び機械的損失係数Ｋを得ることができる。
【００６５】
次に、慣性モーメントＪの取得方法について説明する。慣性モーメントＪは、モータ５１のカタログ値を用いることもできる。ここでは、実測値を用いて、慣性モーメントＪを取得する方法について説明する。
【００６６】
無負荷状態においてモータ５１に一定電流Ｉを供給し始めたとき、すなわち立上り時のモータ５１の角速度ωを実測する。実測結果は、図７に示すとおりである。ここで、無負荷状態であるため、式（１）において、Ｔ１（ｔ）＝０となる。また、立上り時においては、角速度ω（ｔ）が小さいため、粘性抵抗Ｄを無視することができる。そうすると、式（１）は、式（８）のように表される。
【００６７】
【数８】
2018161319.tif 000010
【００６８】
一方、モータ５１を回転させた後に、無負荷状態にすると共にモータ５１への電流の供給を停止したとき、すなわち立下り時のモータ５１の角速度ωを実測する。実測結果は、図８に示すとおりである。ここで、無負荷状態であるため、式（１）において、Ｔ１（ｔ）＝０となる。また、モータ５１への電流の供給がされていないため、式（１）において、Ｉ（ｔ）＝０となる。立下り時においては、角速度ω（ｔ）が小さいため、粘性抵抗Ｄを無視することができる。そうすると、式（１）は、式（９）のように表される。
【００６９】
【数９】
2018161319.tif 000011
【００７０】
そして、図７に示す立上り時の実測の傾きと式（８）の傾きとの関係、及び、図８に示す立下り時の実測の傾きと式（９）の傾きから、慣性モーメントＪと機械的損失係数Ｋの連立方程式で表される。その結果、Ｊ，Ｋを求めることができる。このようにして、慣性モーメントＪを得る。
【００７１】
なお、機械的損失係数Ｋは、慣性モーメントＪを求めるときに連立方程式の解として得ることができる。機械的損失係数Ｋは、上述したように式（７）により得られた値を用いてもよいし、式（８）（９）により得られた値を用いてもよい。また、式（８）の立上り時の傾きと、式（７）により得られた機械的損失係数Ｋを用いることで、慣性モーメントＪを得ることもできる。また、式（９）の立下り時の傾きと、式（７）により得られた機械的損失係数Ｋを用いることで、慣性モーメントＪを得ることもできる。ただし、立上り時及び立下り時の両者を考慮することで、より高精度な慣性モーメントＪを得ることができる。
【００７２】
（６．機械的損失の効果の検証）
次に、第一例の推定トルクＴ１（ｔ）と実測値又は理想値との比較を行う。比較例として、第一例の推定トルクＴ１（ｔ）において、機械的損失Ｂ（ω）を有しない場合をあげる。まず、立下り時における時間の経過に対するモータ５１の角速度ωの変化について、比較を行う。比較結果は、図９に示すとおりである。図９において、実測値は実線のRealで表され、第一例の推定トルクＴ１（ｔ）における角速度ωは破線のVer1で表され、比較例は一点鎖線のVer2で表される。図９から分かるように、第一例の推定トルクＴ１（ｔ）における角速度ωは、実測値に非常に近似しており、比較例に比べても実測値にかなり近似していることが分かる。
【００７３】
また、無負荷でモータ５１を回転し、定常状態とした場合において、比較を行う。比較結果は、図１０に示すとおりである。図１０において、理想トルクは実線のIdealで表され、第一例の推定トルクＴ１（ｔ）は破線のVer1で表され、比較例は一点鎖線のVer2で表される。理想トルクは、無負荷であるためゼロである。そして、比較例の推定トルクは、大きくオフセットしているのに対して、第一例の推定トルクＴ１（ｔ）は、ばらつきはあるものの、ゼロ付近に位置する。つまり、第一例の推定トルクＴ１（ｔ）は、比較例に比べて、理想トルクに近い値を有している。
【００７４】
（７．第一例から第四例の推定トルクの検証）
次に、第一例から第四例の推定トルクについて、実測トルクとの比較を行う。検証実験は、モータ５１の出力軸に外部から周期的な正のトルクを付与した場合に、制御部５６は、モータ５１の回転角度が一定となるように位置制御を行う。
【００７５】
第一例の推定トルク及び実測トルクは、図１１に示すとおりである。両者にずれはあるものの、推定トルクは、実測トルクに近い挙動を示している。また、図１１には、角速度ωが、正値であるか負値であるかを示す。つまり、図１１から分かるように、角速度ωは、正値と負値とで変化している。つまり、角速度ωが正負反転するときに、モータ５１の回転方向が反転している。
【００７６】
詳細には、図１１にて二点鎖線枠で示すように、トルクの最大値の直後付近、及び、最小値の直後付近にて、モータ５１の角速度ωが、正負反転している。主に、トルクが最大値となった直後において、角速度ωが、正値から負値へ切り替わっており、トルクが最小値となった直後において、角速度ωが、負値から正値へ切り替わっている。また、第一例の推定トルクは、角速度ωが正負反転するときに、実測トルクとは異なる大きな変化を有している。
【００７７】
第二例の推定トルクは、図１２に示すとおりである。両者にずれはあるものの、推定トルクは、実測トルクに近い挙動を示している。図１２にて二点鎖線枠で示すように、角速度ωが正負反転するときに、第二例の推定トルクは、第一例の推定トルクに比べると、トルクの変化量が小さくなっている。つまり、第二例の推定トルクは、角速度ωが正負反転するときにおいて、実測トルクの挙動により近い挙動となる。
【００７８】
第三例の推定トルクは、図１３に示すとおりである。両者にずれはあるものの、推定トルクは、実測トルクに近い挙動を示している。図１３にて二点鎖線枠で示すように、角速度ωが正負反転するときに、第三例の推定トルクは、第二例の推定トルクに比べると、より滑らかな変化となっている。第四例の推定トルクは、図１４に示すとおりである。両者にずれはあるものの、推定トルクは、実測トルクに近い挙動を示している。図１４にて二点鎖線枠で示すように、角速度ωが正負反転するときに、第四例の推定トルクは、第三例の推定トルクに比べると、さらに滑らかな変化となっている。
【００７９】
（８．実施形態の効果）
モータ５１の推定トルクＴ１（ｔ）において、トルク損失が、加減速トルク及び粘性抵抗トルクに加えて、モータ５１の回転方向に対応する機械的損失を考慮している。機械的損失は、モータ５１の回転方向に対応した値である。つまり、モータ５１の回転方向が一方方向の場合とモータ５１の回転方向が他方方向の場合とで、機械的損失の符号が異なるように設定されている。これにより、モータ５１に供給される電流に基づいた推定トルクＴ１（ｔ）がモータ５１の実際のトルクに高精度に一致する。その結果、ロードセルを用いることなく、牽引帯３０による牽引力を高精度に推定することができ、より適切な牽引力制御を行うことができる。
【符号の説明】
【００８０】
１：関節動作補助装置、  １０：第一装着部、  ２０：第二装着部、  ３０：牽引帯、  ４１：関節角度センサ、  ５０：駆動装置、  ５１：モータ、  ５２：モータ角度センサ、  ５３：電流センサ、  ５６：制御部、  Ｔ１（ｔ）：推定トルク、  ω：角速度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2018161319.tif 000027
【図９】
2018161319.tif 000028
【図１０】
2018161319.tif 000029
【図１１】
2018161319.tif 000030
【図１２】
2018161319.tif 000031
【図１３】
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【図１４】
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