(57)【要約】【課題】人の動作をアシストするアシスト装置に好適な制御方法及びアシスト装置を提供する。【解決手段】支援対象の関節の屈伸動作に合わせて屈伸可能に設けられたリンク機構と、支援対象の動作に伴なう関節の動作状態に応じて、リンク機構の回転に所定の駆動力を付与するアクチュエータと、を有し、アクチュエータの駆動を制御することで支援対象の関節に補助力を付与するアシスト装置の制御方法であって、支援対象の動作状態に応じて、リンク機構の回転における粘性及び剛性が変化するようにアクチュエータを制御するようにした。【選択図】図７
2019126668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支援対象の関節の屈伸動作に合わせて屈伸可能に設けられたリンク機構と、
支援対象の動作に伴なう関節の動作状態に応じて、前記リンク機構の回転に所定の駆動力を付与するアクチュエータと、を有し、
前記アクチュエータの駆動を制御することで支援対象の関節に補助力を付与するアシスト装置の制御方法であって、
前記支援対象の動作状態に応じて、前記リンク機構の回転における粘性及び剛性が変化するように前記アクチュエータを制御することを特徴とするアシスト装置の制御方法。
【請求項２】
前記粘性及び前記剛性を、支援対象の動作における関節のトルクの増減に応じて設定したことを特徴とする請求項１に記載のアシスト装置の制御方法。
【請求項３】
支援対象の動作が停止段階にあるときには、
前記粘性及び前記剛性を、支援対象の動作における関節のトルク及び角加速度の増減に応じて設定したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアシスト装置の制御方法。
【請求項４】
前記リンク機構を人に装着するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載のアシスト装置の制御方法。
【請求項５】
支援対象の関節の屈伸動作に合わせて屈伸可能に設けられたリンク機構と、
支援対象の動作に伴なう関節の動作状態に応じて、リンク機構の回転に所定の駆動力を付与するアクチュエータと、
アクチュエータの駆動を制御することで支援対象の関節に補助力を付与する制御装置と、を備え、
前記制御装置が、
支援対象の動作状態に基づいて、前記リンク機構の回転における粘性及び剛性が変化するように前記アクチュエータを制御することを特徴とするアシスト装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アシスト装置の制御方法及びアシスト装置に関し、特に、人の動作を補助するアシスト装置の制御に好適な制御方法及びアシスト装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、特許文献１に示すような、 医療系のトレーニングシステムやリハビリテーション等の人の動作や、作業時の人の動作を補助するアシストスーツ（アシスト装置）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２３００９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アシスト装置では、アクチュエータの駆動によりアシスト力（支援）を得ているが、従来のアクチュエータの制御方法では、人がアシスト装置からアシスト力を受けたときに、その動作に対するアシスト力に違和感を生じさせる場合がある。
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、人の動作をアシストするアシスト装置に好適な制御方法及びアシスト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】
【０００５】
上記課題を解決するためのアシスト装置の制御方法として、支援対象の関節の屈伸動作に合わせて屈伸可能に設けられたリンク機構と、支援対象の動作に伴なう関節の動作状態に応じて、リンク機構の回転に所定の駆動力を付与するアクチュエータとを有し、アクチュエータの駆動を制御することで支援対象の関節に補助力を付与するアシスト装置の制御方法であって、支援対象の動作状態に応じて、リンク機構の回転における粘性及び剛性が変化するようにアクチュエータを制御する態様にした。
本態様によれば、支援対象の動作状態に応じて、リンク機構の回転における粘性及び剛性が変化するようにアクチュエータが制御されるため、支援対象の動作状態に対して追従するように自然な補助力を付与できるので、支援対象に対して違和感のない補助力を提供できる。
また、他の態様として、粘性及び剛性を、支援対象の動作における関節のトルクの増減に応じて設定することにより、より支援対象の動作に親和性の高い補助力を提供できる。
また、他の態様として、支援対象の動作が停止段階にあるときには、粘性及び剛性を、支援対象の動作における関節のトルク及び角加速度の増減に応じて設定することにより、支援対象の動作の開始時から停止時までの一連の動作において滑らかな補助力を提供できる。
また、他の態様として、支援対象を人とし、リンク機構を人に装着することにより、人に対して親和性の高い補助力を提供でき、違和感を生じさせることなく動作を支援することができる。
また、上記課題を解決するためのアシスト装置の構成として、支援対象の関節の屈伸動作に合わせて屈伸可能に設けられたリンク機構と、支援対象の動作に伴なう関節の動作状態に応じて、リンク機構の回転に所定の駆動力を付与するアクチュエータと、アクチュエータの駆動を制御することで支援対象の関節に補助力を付与する制御装置とを備え、制御装置が、支援対象の動作状態に基づいて、リンク機構の回転における粘性及び剛性が変化するようにアクチュエータを制御する構成とした。
本構成によれば、支援対象の動作状態に応じて、リンク機構の回転における粘性及び剛性が変化するようにアクチュエータが制御されるため、支援対象の動作状態に対して追従するように自然な補助力を付与できるので、支援対象に対して違和感のない補助力を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】アシスト装置の一実施例を示す図である。
【図２】人工筋肉の構成を示す図である。
【図３】ＭＲブレーキの外観斜視図及び断面図である。
【図４】膝の屈伸動作における剛性データ及び粘性データを作成するためのサンプリング動作を示す図である。
【図５】膝関節のトルクを算出するためのモデル図である。
【図６】生物の動作時の粘弾性と筋張力の関係を示すグラフである。
【図７】サンプリング動作に基づいて算出した剛性データ及び粘性データを示す図である。
【図８】人の動作段階に対する剛性及び粘性の関係を纏めた表である。
【図９】主制御装置のアシスト動作の処理を示す図である。
【図１０】評価実験の結果を示す図である。
【０００７】
以下、発明の実施形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明される特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らず、選択的に採用される構成を含むものである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について、各図に基づき説明する。図１は、脚部、膝の屈伸（曲げ伸ばし）動作を支援するアシスト装置の一例を示している。同図に示すアシスト装置１は、支援対象を人とした、いわゆる外骨格型のアシスト装置であり、人の動作を支援するための支援ロボットである。外骨格型の装具とは、人体における骨格をアシスト装置の動作において構造的要素として利用せずに、人体に装着されることにより、人体における骨と骨のつながりを１つのリンク機構とみなしたときに、それと同様の動作を独立して動作して関節における屈伸動作をアシストする。
なお、以下の実施形態では、アシスト装置１を人体の脚部に適用した例を示すが、本アシスト装置１は、肘関節を中心とする腕部や腰椎を中心とする腰部等、屈曲した状態と伸展した状態を取り得る部位であればいかなる部位にも適用可能である。
【０００９】
アシスト装置１は、大腿部及び下腿部にアシスト力（補助力）を作用させる駆動機構４と、駆動機構４の動作を制御する制御機構８とで構成される。
駆動機構４は、概略、フレーム２、人工筋肉４０、ワイヤ４６、ＭＲブレーキ４２、プーリー４４と、角度センサ４８とを備える。
【００１０】
フレーム２は、大腿部に装着される大腿フレーム２０と、下腿部に装着される下腿フレーム２２とで構成される。大腿フレーム２０は、大腿部の外側側部に沿って太ももの付け根から膝関節まで延長する剛体であって、固定ベルト３；３等により大腿部に固定される。大腿フレーム２０の腰部側には、人工筋肉４０を取り付けるための図外の取付部、足末側には、ＭＲブレーキ４２を取り付けるための図外の取付部がそれぞれ設けられている。
【００１１】
下腿フレーム２２は、膝関節から下腿部の外側側部に沿って延長する剛体であって、固定ベルト３等により足首側が下腿部に固定される。下腿フレーム２２の腰部側には、ＭＲブレーキ４２を取り付けるための図外の取付部を備え、ＭＲブレーキ４２を介して大腿フレーム２０に対して回転可能に接続される。
なお、固定ベルト３は、例えば、非伸縮性の帯からなり、延長方向の端部には固定手段として機能する面ファスナー、一方の表面には図外のクッション材等を備え、人体との緩衝を測りつつ大腿フレーム２０及び下腿フレーム２２を人体に固定する。
【００１２】
図２は、人工筋肉４０の構成を示す図である。人工筋肉４０は、流体の供給により軸方向に伸縮するアクチュエータである。本実施形態では、人工筋肉４０には、軸方向繊維強化型人工筋肉が適用される。人工筋肉４０は、例えば天然のラテックスゴムからなる円筒体５０にカーボン繊維シート５２を内挿した構成である。カーボン繊維シート５２は、複数のカーボン繊維５１が円筒体５０の軸方向に沿って配向されており、円筒体５０の軸方向への伸長を拘束する。円筒体５０の両端は、端子部材５３Ａ；５３Ｂにより閉塞される。これにより、円筒体５０の内周側には気室５６が形成される。一方の端子部材５３Ａには、気室５６に連通する空気流通口５５が設けられ、後述の人工筋肉制御装置８０から延長するチューブが接続される。円筒体５０の外周には、複数のリング５４が軸方向に均等な間隔で設けられる。上記構成からなる人工筋肉４０の気室５６内に流体の一例としての空気を供給した場合、円筒体５０は、図２（ｂ）に示すように、リング５４に区画された複数の瘤を有するように半径方向に膨張するとともに、カーボン繊維シート５２の拘束力によって軸方向に収縮する。また、気室５６内の空気を排気することによって図２（ａ）に示すように、自然長に復帰（伸長）する。
【００１３】
このような構成の人工筋肉４０を用いることによりアクチュエータを軽量化することができると共に、立上り動作に応じたアシスト力の変化を得ることができる。人工筋肉４０には、収縮ストロークに対する出力特性（牽引力）が、収縮初期に大きく、収縮末期に向けて徐々に小さくなるという特性がある。この特性は、人の立上り動作では、動作初期には大きな力が必要とされ、立上り動作の進行に伴ない必要とされる力が徐々に小さくなるという人の特性にちょうど対応しており、アシスト力を得るための動力源（駆動力発生手段）として好ましい。また、人工筋肉４０の内部に供給される流体の圧力を調整することにより、牽引力を変化させることができるとともに、弾性素材で構成されるため柔軟性を有するため、人の筋肉に近い駆動力を得ることができ、その軽量さにより装着時の人への負担を軽減できる。
なお、以下の説明では、軸方向の伸張及び収縮によって人工筋肉４０の動作状態を示す。
【００１４】
図１に示すように、人工筋肉４０；４０は、一端側が大腿フレーム２０の腰部側の取付部に人の前後方向に並列に固定される。他端側には、ワイヤ４６の各端部がそれぞれ接続される。即ち、一方の人工筋肉４０の収縮による牽引力が、他方の人工筋肉４０に作用するように拮抗配置される。
ワイヤ４６は、例えば、金属製に限らず有機繊維を撚り合わせた化繊のものであっても良い。ワイヤ４６は、張力が付加されたときに伸長性の少ない素材のものが好ましい。また、耐久性を考慮した場合、金属製や非金属性の無機繊維のもが好ましく、重量の観点からは、有機繊維を撚り合わせた化繊のものが好ましい。
【００１５】
図３は、ＭＲブレーキ４２の外観斜視図及び断面図である。ＭＲブレーキ４２は、磁気粘性流体を利用したデバイスであって、内部に封入された磁気粘性流体への磁場の印加により１０ｍｓ程度の応答速度で摩擦係数を変化させることができるように構成される。ＭＲブレーキ４２は、円盤状に形成され、ケース６０の中央に設けられた収容部６２にコア６４が収容される。収容部６２は、一側面から筒状に窪む凹部として形成される。コア６４は、収容部６２の内部に挿入される軸部６４Ａと、収容部６２の開口を閉塞するように設けられる円板部６４Ｂとを備える。コア６４は、軸部６４Ａの先端側がケース６０に対して回転自在に取り付けられる。軸部６４Ａの外周には、コイル６６が設けられる。さらに、コイル６６の外周には複数の円盤状のディスク６８が回転不能に取り付けられている。コア６４が収容されたケース６０の収容部６２の空間には、磁性流体６９が封入される。ＭＲブレーキ４２は、コイル６６に電圧が印加されていない状態では、ケース６０に対してコア６４が自在に回転し、コイル６６に電圧が印加された状態では、コイル６６により生じる磁場が磁性流体に影響を及ぼし、コア６４の自在な回転に制動を与え、コイル６６に許容される最大電圧を印加することで、磁性流体が固化してケース６０とコア６４とが一体化して回転する。ＭＲブレーキ４２は、上述のように、応答速度が数十ミリ秒と高く、また、高出力、バックドライバブルという特徴を有する。コア６４が固定側、ケース６０が回転側として取り付けられる。
【００１６】
図１に示すように、ＭＲブレーキ４２は、コア６４側が大腿フレーム２０の足末側の取付部に、ケース６０側が下腿フレーム２２の取付部にそれぞれ固定される。これにより、大腿フレーム２０と下腿フレーム２２とは、ＭＲブレーキ４２を介して回転可能に接続され、膝の屈伸動作に合わせて屈伸する一つのリンク機構を構成する。ＭＲブレーキ４２に固定された下腿フレーム２２の取付部には、プーリー４４が固定される。
【００１７】
プーリー４４は、回転中心がＭＲブレーキ４２の回転軸と同軸上に位置するように下腿フレーム２２に取り付けられる。プーリー４４には、拮抗配置された人工筋肉を連結するワイヤ４６がたるみなく架けられる。したがって、拮抗配置された人工筋肉４０Ａ；４０Ｂの一方を他方よりも大きくを収縮させることで、プーリー４４に巻き付けられたワイヤ４６が一方の人工筋肉４０Ａ側や他方の人工筋肉４０Ｂ側に移動してプーリー４４が従動的に回転する。プーリー４４の回転に伴ない、下腿フレーム２２がプーリー４４と共に大腿フレーム２０に対して回転して屈伸動作のアシストが可能となる。
角度センサ４８は、大腿フレーム２０に対する下腿フレーム２２の回転角度を検出するための角度検出手段である。角度センサ４８は、大腿フレーム２０に対する下腿フレーム２２の回転を検出可能に設けられる。角度センサ４８は、例えば、エンコーダ等により構成され、検出した回転角度を制御機構８に出力する。
なお、人工筋肉４０の配置は、上記形態に限定されず、プーリー４４を従動的に回転可能に拮抗配置されていれば良く、例えば、下腿部側の下腿フレーム２２に取り付けても良く、適宜変更可能である。
【００１８】
上記構成の駆動機構４によれば、一方の人工筋肉４０にのみ空気を供給、或いは一方の人工筋肉４０と他方の人工筋肉４０とに異なる圧力の空気を供給することにより、圧力の高い人工筋肉４０側にワイヤ４６が移動してプーリー４４を回転させる。プーリー４４の回転により下腿フレーム２２が大腿フレーム２０に対して回転する。即ち、人工筋肉４０；４０の間に供給する空気に圧力差を設けることで、大腿フレーム２０に対する下腿フレーム２２の回転角度θを制御することができる。また、同じ圧力差であっても、各人工筋肉４０；４０に供給する圧力を高く、或いは、低く設定することで、大腿フレーム２０に対する下腿フレーム２２のトルクτ及び剛性Ｋを制御することができる。即ち、拮抗配置された人工筋肉４０；４０は、剛性力発生手段として機能する。
さらに、プーリー４４の回転時にＭＲブレーキ４２に電圧を印加することで、プーリー４４の回転に抵抗を生じさせることができる。即ち、人工筋肉４０；４０の駆動に、粘性力を生じさせるアクチュエータであり、粘性力付与手段として機能する。
なお、以下の説明では、圧力の高い空気が供給される側の人工筋肉４０を主動筋、圧力の低い空気が供給される側の人工筋肉４０を拮抗筋等として示す場合がある。
【００１９】
図１に示すように、制御機構８は、人工筋肉制御装置８０と、ＭＲブレーキ制御装置８２と、人工筋肉制御装置８０及びＭＲブレーキ制御装置８２を制御する主制御装置８４と、を備える。
人工筋肉制御装置８０は、主制御装置８４から出力される信号に基づいて、人工筋肉４０；４０内の流体の圧力を制御する。具体的には、各人工筋肉４０Ａ；４０Ｂの気室５６の圧力が主制御装置８４により人工筋肉４０Ａ；４０Ｂ毎に設定された圧力となるように、各人工筋肉４０Ａ；４０Ｂの気室５６内の空気の供給及び排出を制御する。
【００２０】
ＭＲブレーキ制御装置８２は、主制御装置８４と接続され、主制御装置８４から入力される信号に基づいて、調整した電圧をＭＲブレーキ４２に出力する。
【００２１】
主制御装置８４は、いわゆるコンピュータであって、ハードウェア資源として設けられたＣＰＵ等の演算処理手段、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶手段、ユーザーの手動操作により操作される操作パネルやスイッチ等の入力手段が接続される入力インターフェースを備える。
【００２２】
記憶手段には、人工筋肉４０Ａ；４０Ｂ及びＭＲブレーキ４２の駆動を制御するためのプログラムや目標値設定データが格納される。演算処理手段が、記憶手段に格納されたプログラムに従って各処理を実行することにより、後述の各手段として機能する。
指令値設定データは、アシスト動作において人工筋肉４０Ａ；４０Ｂ及びＭＲブレーキ４２を動作させるための指令値を設定するためのデータであって、アシストの対象となる動作毎に設定される。以下で説明する指令値設定データは、膝関節の屈伸動作をアシストすることを目的として作成されたものである。目標値設定データは、目標剛性データ（単に剛性データともいう）と、目標粘性データ（単に粘性データともいう）とを含んで構成される。
【００２３】
人の関節の動作における人の粘弾性制御についての知見として、粘弾性は、運動の負荷トルクに比例することが知られている。特に、運動の起伏時（開始段階）には、拮抗筋の活動レベルを低下させて粘弾性を低下させ、運動の停止時（停止段階）には、拮抗筋と主導筋の同時活動により粘弾性を増加させることが知られている。そこで、アシスト動作における目標剛性値及び目標粘性値が人の動作における関節のトルクの増減に応じて増減するように設定した。即ち、目標剛性値及び目標粘性値は、人の動作における関節のトルクの増減に基づいて設定される。本実施形態では、トルクτに比例し、かつ運動の停止時にのみ高めるように設定する。なお、運動の停止時は、人の関節の動作において、関節の角速度と角加速度が異符号のときに判定することができる。
【００２４】
以下、剛性データ及び粘性データの作成方法について説明する。図４は、膝の屈伸動作における剛性データ及び粘性データを作成するためのサンプリング動作を示す図である。
まず、剛性データ及び粘性データの作成にあたり、図４に示すように、膝の屈伸動作、例えば、足首の近傍に負荷を装着し、目標位置に足が屈伸するように、人が腰かけた状態で膝を直角に屈曲させた状態から膝を目標位置まで伸展させる振り上げ動作、振り上げにより膝が伸展した状態を維持する維持動作、維持状態から膝を目標位置の直角に屈曲させた状態に戻す振り下げ動作、そして膝を直角に屈曲させた状態で待機する待機動作を行い、屈伸動作に伴なう膝関節の実角度、及びその角度に応じたトルクを取得する。トルクτは、トルクセンサ等を用いて直接計測しても良く、また、図５に示すように、膝関節周りをモデル化して算出したものでも良い。
【００２５】
次に、上述の実際の膝の屈伸動作により取得された実角度θ及びトルクτとともに以下の式を用いて剛性データ及び粘性データを作成する。
【数１】
2019126668.tif 000003
【数２】
2019126668.tif 000004
【数３】
2019126668.tif 000005
【数４】
2019126668.tif 000006
上記、式（１）乃至（４）におけるθ′は角速度、θ″は角加速度であり、人の関節の角度変化、即ち、角度センサ４８により検出される角度の変化により算出される。また、Ａ（トルクに対する重み係数）、Ｂ（粘弾性の振幅係数）、Ｋｍ（装置の最低剛性（基底剛性））は、アシストする動作に応じて設定される定数であって、本例では、膝の屈伸動作に対応して設定される。なお、トルクに対する重み係数Ａには、０＜Ａ＜１の範囲の数値が設定される。
【００２６】
以下、上記式について説明する。式（１）及び式（２）は、目標剛性値Ｋを算出するための式であり、式（３）及び式（４）は、目標粘性値Ｄを算出するための式である。
式（２）は、関節の運動状態を示す角速度θ′及び角加速度θ″が同符号のとき、即ち、運動の開始時において剛性を高めなくて良いときの目標剛性値を算出する。
式（１）及び式（２）におけるτＭは、ある運動（ここでは膝の屈伸動作）で出力される最大トルク、τは、その運動時のトルク（実トルクという）である。｜τ/τＭ|は、ある運動における最大トルクτＭで、そのときの実トルクτを正規化したものであり、最大トルクτＭに対する実トルクτの割合を示している。つまり、式（２）で算出される目標剛性値Ｋは、実トルクτに比例するものとして算出される。
【００２７】
また、角速度θ′と角加速度θ″とが異符号となる停止時には、目標剛性値Ｋを式（１）により算出する。θＭ″は、その運動（ここでは膝の屈伸動作）で出力される最大角加速度、θ″は、その運動時の角加速度（実角加速度）である。
｜θ″/θＭ″｜は、ある運動（ここでは膝の屈伸動作）で生じる最大角加速度θ″Ｍで、そのときの実角加速度θ″を正規化したものであり、最大角加速度θ″Ｍに対する実角加速度θ″の割合を示している。つまり、式（１）で算出される目標剛性値Ｋは、トルクτ及び実角加速度θ″に比例し、実角加速度θ″が大きくなるほど目標剛性値Ｋを上げるように算出される。
【００２８】
式（３），式（４）により算出される目標粘性値Ｄについても、目標剛性値Ｋの算出と同様に、実トルクτと実角加速度θ″に依存する。
式（１）乃至式（４）によれば、目標剛性Ｋと目標粘性Ｄとの関係は、目標剛性Ｋが大きくなれば目標粘性Ｄも大きくなり、目標剛性Ｋが小さくなれば目標粘性Ｄも小さくなる関係にある。また、上述のように、人の粘弾性制御は、運動の負荷トルクに比例し、運動の開始時には、拮抗筋の活動レベルを低下させて粘弾性を低下させ、運動の停止時には、拮抗筋と主導筋の同時活動により粘弾性を増加させており、式（１）乃至式（４）により算出される目標剛性値Ｋ及び目標粘性値Ｄの変化に一致する。
さらに、生物の動作時の粘弾性と筋張力の関係に着目すると、生物の動作は、図６に示すように、粘弾性と筋張力（剛性）とが比例することが知られており、この点についても式（１）乃至式（４）により算出される目標剛性値Ｋ及び目標粘性値Ｄの変化に一致している。
【００２９】
図７は、サンプリング動作によって得られた実角度及びトルクτを式（１）乃至式（４）に適用して、算出した剛性データ及び粘性データを示す図である。
同図に示すように、剛性データ及び粘性データは、人の動作に対して時間軸に滑らかに連続するとともに、時間軸に直交する縦軸（剛性軸，粘性軸）方向に変化していないため、アシスト動作において違和感を生じさせる不連続な変化がない。不連続とは、剛性データ及び粘性データの縦軸方向に沿った変化をいう。剛性データ及び粘性データは、上述のように人の実際の動作に基づいて算出されたものであるため、人との親和性が高く、人に違和感を生じさせることなくアシスト力を提供することが可能となる。
【００３０】
図７に示す結果を踏まえ、膝の一連の屈伸動作に含まれる動作を「１．運動の開始時」、「２．運動の停止時」「３．脱力時（運動を伴わない）」「４．保持時（ある運動を保持している段階）」の４つの動作フェーズ（動作段階）に分類することで、人の動作に対して人の動作を阻害しないようにアシスト力を提供するために、駆動機構４の制御において設定すべき剛性Ｋ及び粘性Ｄの関係について一般化すると、図８の表に示すことが言える。
即ち、運動の開始時では、目標剛性値及び目標粘性値を小さくし、運動の停止時では目標剛性値及び目標粘性値を大きくする。また、運動のない脱力時では、剛性及び粘性を小さくし、運動の保持時には、目標剛性値及び目標粘性値が大きくなるように、剛性データ及び目標データを設定すると良い。
【００３１】
図９は、主制御装置８４のアシスト動作の処理を示す図である。
本実施形態に係る主制御装置８４による人工筋肉４０Ａ；４０Ｂ及びＭＲブレーキ４２の制御処理は、大きく分けてインターフェース階層と、可変粘弾性階層と、ＦＦコントローラ階層とに階層化され、インターフェース階層から可変粘弾性階層を経てＦＦコントローラ階層に至る処理を繰り返すことで、駆動機構４によるアシスト動作を制御する。
【００３２】
インターフェース階層は、主制御装置８４に接続された入力手段を介して入力される情報を処理し、入力された情報に基づいて、アシスト動作の開始や種別を設定し、可変粘弾性階層に指令を出力する。即ち、インターフェース階層は、アシスト動作設定処理手段として機能する。本実施形態では、説明の便宜上、入力手段をスイッチとし、スイッチの操作によりアシスト動作の要否がインターフェース階層に入力されるものとする。この場合、スイッチの操作が要のときに、アシスト動作指令が、可変粘弾性階層に出力され、スイッチの操作が否のときにはアシスト動作指令は出力されない。なお、入力手段は、上記スイッチに限定されず、適宜駆動機構に設けたセンサからの情報であっても良い。
【００３３】
可変粘弾性階層は、インターフェース階層から入力された情報に基づいて、駆動機構４により人にアシスト動作を実行させるための目標角度、目標トルク、目標剛性及び目標粘性を算出し、算出された目標角度、目標トルク、目標剛性及び目標粘性を指令値としてＦＦコントローラに出力する。即ち、可変粘弾性階層は、指令値算出手段及び指令値出力手段として動作する。
目標角度は、角度センサ４８から入力される入力値に基づいて設定される。目標トルクは、例えば、あらかじめアシスト動作に対応して作成され、記憶手段に格納されたトルクデータを参照し、目標角度に対応する値に設定される。また、目標剛性Ｋ及び目標粘性Ｄは、記憶手段に格納された剛性データ及び粘性データを参照し、目標角度に対応する値にそれぞれ設定される。
【００３４】
ＦＦコントローラ階層は、可変粘弾性階層から入力された各指令値（目標角度θ、目標トルクτ、目標剛性Ｋ及び目標粘性Ｄ）に基づいて、人工筋肉４０Ａ；４０Ｂを駆動するための圧力値ＰＡ；ＰＢ及びＭＲブレーキ４２を駆動するための電圧値Ｅを算出し、圧力値ＰＡ；ＰＢを人工筋肉制御装置８０に、電圧値ＥをＭＲブレーキ４２に出力する。即ち、ＦＦコントローラ階層は、圧力制御部と電圧制御部とを有するアクチュエータ制御手段として機能する。
ＦＦコントローラ階層における圧力値ＰＡ；ＰＢ及び電圧値Ｅの設定は、記憶手段にあらかじめ格納された圧力値データ及び電圧値データを参照することで実行される。圧力値データは、入力された目標角度、目標トルク、目標剛性等の指令値に対応する圧力値を出力するためにあらかじめデータマップである。また、電圧値データは、入力された目標粘性の指令値に対応する電圧値を出力するためのデータマップである。なお、圧力値ＰＡ；ＰＢ及び電圧値Ｅの設定は、目標角度θ、目標トルクτ、目標剛性Ｋ及び目標粘性Ｄを入力値として圧力値ＰＡ；ＰＢ及び電圧値Ｅを算出するプログラムとして構成しても良い。
【００３５】
図１０は、本実施形態のアシスト装置１の動作を評価するための実験結果を示す図である。詳細には、図１０（ａ）は、アシストなしの筋電位の変化、及び粘弾性を固定してアシスト動作をさせたときの筋電位の変化を示すグラフである。また、図１０（ｂ）は、アシストなしの筋電位の変化、及び本実施形態の方法により粘弾性を変化させてアシスト動作をさせたときの筋電位の変化を示すグラフである。なお、評価では、上述の膝の屈伸動作である。
図１０（ａ）に示すように、粘弾性を固定値とした場合、筋電位のピークに図中矢印で示すようなずれや、丸で囲む不要なピークが見られており、人の筋肉動作を増幅（アシスト）しているとは言えない結果となった。
一方、図１０（ｂ）に示すように、本実施形態の方法により粘弾性を変化させた場合、粘弾性が人の動作を規範として変化するため、筋電位がアシスト無しの場合の相似形となり、人の筋肉動作を増幅する結果となった。即ち、アシストを受ける人に違和感を生じさせることなくアシスト力を付与することができる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態では、人の筋肉の粘弾性特性に倣うように、人工筋肉４０；４０を拮抗配置するとともに、人工筋肉４０；４０の駆動にＭＲブレーキ４２で制動を付加するように、人工筋肉４０；４０及びＭＲブレーキ４２の動作を制御することで、装着者の動作に違和感のない補助を提供することができる。
【００３７】
本実施形態では、脚部における膝関節の屈伸を補助するアシスト装置を用いて、アクチュエータの制御方法について説明したが、これに限定されず、腕，腰等のいずれの部位の動作を補助する装置にも適用することができる。
【００３８】
また、上記実施形態では、人工筋肉４０；４０及びＭＲブレーキ４２の駆動を制御するために、サンプリング動作に基づいて、あらかじめ剛性データ及び粘性データを式（１）乃至式（４）により算出し、作成するものとしたが、式（１）乃至式（４）をプログラムとして記憶手段に格納しておき、実際に人が動作したときに角度センサ４８によって検出される角度及び角度変化に基づいて、逐次目標剛性値及び目標粘性値を算出するようにしても良い。
【００３９】
また、本制御方法によれば、人工筋肉４０やＭＲブレーキ４２の制御を、人体の動作を装具に取り付けられた角度センサ４８によって検出される関節の実角度のみで制御できるため、装具を軽量化できるとともに、複雑な制御を不要とすることができる。
【００４０】
また、上述の制御方法は、人の動作を補助する外骨格型のアシスト装置に限定されず、内骨格型のアシスト装置の制御、或いは、プログラムに従って動作する人型ロボットの制御にも適用可能であり、これらの動作において人の動作に近い動きをさせることができる。
【００４１】
上述の実施形態で説明した、駆動機構４や制御機構８の構成は、上記実施形態に限定されず、適宜変更すれば良い。
例えば、上記駆動機構４において、アシスト力を生じさせるアクチュエータに、軸方向繊維型のものを用いるものとして説明したが、アクチュエータの種類は、これに限定されず、モーター駆動やエアシリンダー等の他のアクチュエータであっても良い。好ましくは、人体への装着を考慮した場合、重量を軽量化できる上述の人工筋肉を選択すると良い。
【００４２】
また、ＭＲブレーキを介してプーリーをフレームに取り付けるとしたが、ＭＲブレーキとプーリーとを一体にしても良い。また、粘性を表現するアクチュエータとして、ＭＲブレーキにを用いたが、ＭＲブレーキに代えてＥＲブレーキを用いても良い。
【００４３】
また、上記実施形態では、駆動機構４の制御における目標剛性値及び目標粘性値の設定において、目標剛性値及び目標粘性値をトルクτ、或いはトルクτ及び角加速度θ″に比例して増減させるものとして説明したが、比例（一次関数）に限定されず、トルクτ、或いはトルクτ及び角加速度θ″に対する目標剛性値及び目標粘性値の変化の関係は、適宜、人の動作に応じて設定すれば良い。例えば、２次関数やそれ以上の次数の任意の関数等により、アシスト動作において人の動作に逆らわないように、トルクτ、或いはトルクτ及び角加速度θ″の増減に応じて目標剛性値及び目標粘性値が増減するように設定されていれば良い。
【００４４】
また、駆動機構４を人体に装着するものとしたが、例えば、人の関節の屈伸動作に合わせて屈伸するリンク機構やアクチュエータ等の駆動機構の一部を人体から離れた位置に設け、リンク機構の屈伸動作を人に伝達する伝達手段を介在させるようにしても良い。
【００４５】
また、支援対象は、人に限定されず、人以外の動物や、故障したロボット等であっても良い。
【符号の説明】
【００４６】
１  アシスト装置、２  フレーム、４  駆動機構、８  制御機構、
４０  人工筋肉（アクチュエータ）、４２  ＭＲブレーキ（アクチュエータ）。
【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】
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【図９】
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【図１０】
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