(57)【要約】ヒト、動物またはロボットの関節を作動させる装置および方法を開示する。トルクを伝達する、細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のあるボディを提供する。ボディのねじり変形情報に少なくとも部分的に基づいて、トルクがボディを介して伝達される。一実施形態において、当該ボディを備える可撓性ドライブシャフトが提供される。さらに、機械的関節を作動させるロータリーアクチュエータにおけるコンプライアント要素およびトルク伝達要素としての、可撓性ドライブシャフトの使用が開示される。さらに、ヒトまたは動物の関節のインピーダンスを決定する可撓性ドライブシャフトの使用も開示される。【選択図】図１２Ｂ
2021529673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒト、動物またはロボットの関節を作動させる装置であって、
機械的関節と、
機械的関節にトルクを供給するモータと、
細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のあるボディと、を備え、
装置は、モータからボディを経て機械的関節にトルクを伝達するように構成され、装置は、ボディのねじり変形情報を決定するように構成されたセンサクラスタをさらに備え、装置は、前記センサクラスタからの出力に少なくとも部分的に基づいて、モータを駆動するように構成される装置において、装置は可撓性ドライブシャフトを備え、可撓性ドライブシャフトは、回転可能で、細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のある内側シャフトと、外側ケーシングと、遠位端と、近位端と、遠位端および近位端のそれぞれの上のコネクタと、を備え、前記ボディが前記回転可能な内側シャフトであることを特徴とする、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、ボディは遠位端および近位端を備え、センサクラスタは、遠位端と近位端との間のねじり相対角度を決定するように構成され、前記出力は、前記ねじり相対角度を示す１つまたは複数の信号を含む、装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置であって、センサクラスタは、ボディの曲げ変形情報を決定するように構成され、前記出力は、前記曲げ変形情報を示す１つまたは複数の信号を含む、装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置であって、前記曲げ変形情報は、曲げ角度または曲げ半径を含む、装置。
【請求項５】
請求項２、ならびに請求項３および４の何れか一項に記載の装置であって、装置は、前記ねじり相対角度および前記曲げ変形情報に依存するトルクモデルに少なくとも部分的に基づいて、モータを駆動するように構成される、装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装置であって、前記トルクモデルの前記ねじり相対角度および前記曲げ変形情報への依存性は、乗算的に分離可能である、装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項の記載の装置であって、ボディは遠位端および近位端を備え、装置は、ボディの遠位端における所望の出力トルクおよび前記センサクラスタからの前記出力に少なくとも部分的に基づいて、ボディの近位端に対する入力を決定するように構成され、装置は、前記モータを介してボディの近位端で前記入力を適用するようにさらに構成される、装置。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載の装置であって、装置は、前記センサクラスタからの前記出力に少なくとも部分的に基づいて、関節のインピーダンスを決定するように構成される、装置。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載の装置であって、ねじり弾性のあるボディは、最大10000N.m/rad、好適には最大5623N.m/rad、より好適には最大3162N.m/rad、さらにより好適には最大1778N.m/rad、しかしさらにより好適には最大1000N.m/rad、最も好適には最大750N.m/radのねじり剛性を有する、装置。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項に記載の装置であって、前記装置は、ヒトまたは動物の関節を作動させるウエアラブルロボット、好適には外骨格である、装置。
【請求項１１】
ヒト、動物またはロボットの関節を作動させる方法であって、
細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性があり、遠位端および近位端を備えるボディを提供するステップと、
ボディのねじり変形情報を決定するステップと、
ボディの遠位端における所望の出力トルクおよびねじり変形情報に少なくとも部分的に基づいて、ボディの近位端に対する入力を決定するステップと、
ボディの近位端で、入力を適用するステップと、を含み、
方法は可撓性ドライブシャフトを提供するステップを含み、可撓性ドライブシャフトは、回転可能で、細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のある内側シャフトと、外側ケーシングと、遠位端と、近位端と、遠位端および近位端のそれぞれの上のコネクタと、を備え、前記ボディが前記回転可能な内側シャフトである、方法。
【請求項１２】
機械的関節を作動させるロータリーアクチュエータにおけるコンプライアント要素としての、およびトルク伝達要素としての、可撓性ドライブシャフトの使用であって、可撓性ドライブシャフトは、回転可能で、細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のある内側シャフトと、外側ケーシングと、遠位端と、近位端と、遠位端と近位端のそれぞれの上のコネクタと、を備える、可撓性ドライブシャフトの使用。
【請求項１３】
ヒトまたは動物の関節のインピーダンスを決定する可撓性ドライブシャフトの使用であって、可撓性ドライブシャフトは、回転可能で、細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のある内側シャフトと、外側ケーシングと、遠位端と、近位端と、遠位端と近位端のそれぞれの上のコネクタと、を備える、可撓性ドライブシャフトの使用。
【請求項１４】
ヒトまたは動物の関節のインピーダンスを決定するシステムであって、
前記関節に外部から適用できる機械的関節と、
細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性があり、遠位端および近位端を備えるボディであって、遠位端で機械的関節に連結可能なボディと、
ボディのねじり変形情報を決定するように構成されたセンサクラスタと、
前記センサクラスタからの前記ねじり変形情報に少なくとも部分的に基づいて、前記インピーダンスを決定するように構成された処理手段と、を備え、
システムは可撓性ドライブシャフトを備え、可撓性ドライブシャフトは、回転可能で、細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のある内側シャフトと、外側ケーシングと、遠位端と、近位端と、遠位端と近位端のそれぞれの上のコネクタと、を備え、前記ボディが前記回転可能な内側シャフトである、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一態様では、身体内へ植込まない人工器官（IPC A61F 2/50）、特にそのための操作または制御手段（IPC A61F 2/68）に関することができる。本発明は、一態様では、可撓性ドライブシャフトの変形測定およびねじり制御に関することができる。
【背景技術】
【０００２】
「走行および歩行のための外骨格」と題されたUS2011/0 040 216 Al号は、ヒップトルク直列弾性アクチュエータを記載する。直列弾性アクチュエータは、モータ／ギアボックスの出力と直列のスプリングを備える。スプリングは、センサ、フィルタ、およびインピーダンスリミッタとして機能する。
【０００３】
直列弾性アクチュエータでは、モータ／ギアボックスを、関節の回転軸に近づけ、それとインラインにする必要がある。作動の少なくとも１つのポイントは、長手方向に変位され、これが作動を本質的により複雑にする。膝、足首、肘、手首などの四肢の遠位関節については、関節の近くにモータが存在すると、四肢に大きな慣性負荷がかかり、追加のパワーを必要とする。さらに、このような関節については、モータ／ギアボックスが関節の回転軸とインラインであると、外骨格、すなわちヒトまたは動物の体の外部の骨格が大きすぎて扱い難くなり、そのためにスムーズな動きをさらに妨げる可能性がある。
【０００４】
D. Sahebjavaher著、「Validation of the UBC Powered Upper Limb Orthosis Simulator（UBC電動上肢装具シュミュレータの検証）」PhD Thesis, University of British Columbia (2012)，http://dx.doi.org/10.14288/1.0103452は、モータ動力を関節のギアボックスに伝達する可撓性ドライブシャフトを備える外骨格を記載する。Sahebjavaherの段落2.3.2.1によれば、人間工学的な理由から、パワー要件、慣性負荷を最小限に抑えるために外骨格の重量を最小限に抑え、装置の重量配分をユーザの腰に集中させて保つことが重要である。そのために可撓性ドライブシャフトが使用される。
【０００５】
Sahebjavaherの段落3.2.1.3によれば、可撓性ドライブシャフトは、そのスプリングダンパ様の性質のために、駆動システムの実際の性能を予測する際に複雑な問題を引き起こす。段落3.2.1.3によれば、さらに、可撓性ドライブシャフトに曲げが存在すると、予測不可能な結果が生じることが指摘される。また、段落3.2.1.3は、可撓性ドライブシャフトがガイドされない場合、ステップ応答は、著しく変化して非反復性であることを開示する。装具の操作中に一貫したステップ応答を生成するために、段落3.2.1.3によれば、可撓性ドライブシャフトがガイドされる必要があり、シャフトの全長に亘って非軸方向の回転運動および振動を抑制するために、チューブケーシングの使用が強く推奨される。
【０００６】
M.R.Tuckerら、による「Design of a wearable perturbator for human knee impedance estimation during gait（歩行中の人体膝インピーダンス推定のためのウエラブル摂動器の設計）」、2013 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR) (2013), http://dx.doi.org/10.1109/ICORR.2013.6650372は、角速度摂動の適用を通して歩行中の人体の膝インピーダンスを実験的に推定するための膝摂動器を開示する。膝摂動器は、特に透明性と速度制御モードとの間の切り替えのために設計された携帯型下肢外骨格と、遠隔作動のための双方向可撓性ドライブシャフトと、を備える。
【０００７】
さらに、Tuckerは、段落III.Dにおいて、外骨格のクランクアームの反対側に装着された平行デュアルグリッド歪みゲージを用いて、摂動器と脚の脛部との間の相互作用トルクを感知することを開示する。またTuckerは、段落IVにおいて、異なる曲げ条件および負荷条件下での可撓性シャフトの動的特性の実験的特性評価を提案する。
【０００８】
SahebjavaherとTuckerの教示によれば、加えられたトルクを知り、リモートモータを正確に駆動するために、関節にトルクセンサが必要である。トルクセンサは、高価で繊細な機器である。これを関節に配置すると、追加的な慣性負荷を引き起こす可能性がある。
【０００９】
US2018/0 133 894 A1号（WO2016/204 441 Alとしても公開）は、多関節型ロボットアクチュエータを開示する。このアクチュエータは、２つのモータと、一対の関節作動部材と、モータと関節作動部材との間にある一対のスプリング部材と、を備え、トルクを伝達する。スプリング部材はねじり変形してもよく、すなわちねじり歪みを含んでもよい。このねじり変形により復元力が発生する場合がある。一対の関節作動部材は、そのドライブシャフト上にエンコーダを含み、一対の関節作動部材の回転角度を測定し、一対の関節作動部材の回転角度に基づいて、一対のスプリング部材のねじり歪度を測定することができる。多関節型ロボットアクチュエータは、スプリング部材のねじり歪度を測定してねじり歪度に応じてモータを制御することにより、スプリング部材のねじり変形を打ち消して、スプリング部材のねじり変形に起因するトルクを補償することができる。公報の図５は、エンコーダがすべて、スプリング部材から遠位端および軸外に配置されていることを教示する。公報はさらに、モータ、スプリング部材、および一対の関節作動部材が腰に配置され、それによって、一対の関節作動部材が剛性リンク部材を介して膝関節および／または股関節に結合されることを教示する。
【００１０】
US2018/0 133 894 A1号は、スプリング部材の長手方向の曲げ変形の測定に関して、すなわちトルク伝達の軸線に垂直な軸線の周りのスプリング部材の曲げの測定に関しては沈黙を保ったままである。関節作動部材は腰に配置されている。そのため、スプリング部材は、コンプライアンスおよび局所的トルク伝達を提供するが、関節への遠隔のトルク伝達は提供しない。これは、剛性リンク部材を介して提供される。トルク伝達が局所的であるため、US 2018/ 0 133 894 A1号の実施形態は、スプリング部材をガイドし、スプリング部材の空間構成を測定し、スプリング部材を保護するための手段を提供しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第2011/0 040 216号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第2018/0 133 894号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】D. Sahebjavaher、「Validation of the UBC Powered Upper Limb Orthosis Simulator」PhD Thesis, University of British Columbia (2012)
【非特許文献２】M.R.Tucker ら、「Design of a wearable perturbator for human knee impedance estimation during gait」、2013 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR) (2013)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記の問題の少なくともいくつかを解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１態様において、本発明は、請求項１に記載の、ヒト、動物またはロボットの関節を作動させる装置を提供する。
【００１５】
第２態様において、本発明は、請求項１１に記載の、ヒト、動物またはロボットの関節を作動させる方法を提供する。
【００１６】
第３態様において、本発明は、請求項１２に記載の、機械的関節を作動させるロータリーアクチュエータにおけるコンプライアント要素としての、およびトルク伝達要素としての、可撓性ドライブシャフトの使用を提供する。
【００１７】
第４態様において、本発明は、請求項１３に記載の、ヒトまたは動物の関節のインピーダンスを決定する可撓性ドライブシャフトの使用を提供する。
【００１８】
第５態様において、本発明は、請求項１４に記載の、ヒトまたは動物の関節のインピーダンスを決定するシステムを提供する。
【００１９】
本発明は、いくつかの理由から有利である。細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のあるボディは、二重の用途、すなわち、分散化されたトルク伝達、ならびにロータリー直列弾性アクチュエータのようなロータリー（ねじり）アクチュエータにおけるコンプライアント要素としての機能、を果たす。例えば、静止型外骨格のために静止した外部位置へ、または携帯型外骨格のために腰へ、のモータの分散化（再配置）は、遠位肢関節またはロボットアームにおける慣性負荷を制限し、それによってパワー要件を制限し、ユーザの快適性および透明性を高める。ボディは、摩擦及び慣性を含むモータのダイナミクスを少なくとも部分的に切り離し、機械的関節上に導入される衝撃からモータを保護する。さらにボディは、そのねじり弾性により、エネルギーを蓄積および反跳することによって、エネルギー効率を高めることができる。またボディは、モータと機械的関節の相対的な動きを可能にする。
【００２０】
ボディのコンプライアンスのために、装置はさらに、所望の出力トルクを生成する正確な駆動システムを必要とする。トルクセンサは、繊細で高価な機器である。そのため、トルクセンサを避けるべきである。トルクセンサが遠位肢関節またはその近傍に配置されると、トルクセンサに慣性負荷が導入される。これは、さらに不利な状況である。本発明は、ボディの変形情報に基づく正確なモデルベースのトルク制御を実現し、それによって、関節またはその近傍でのトルクセンサの必要性を軽減する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】可撓性ドライブシャフトの概略図である。
【図１Ｂ】対向するピッチ角度および方向からなる、複数の同心の巻線層の概略図である。
【図２Ａ】動力測定テストベンチを示す写真である。
【図２Ｂ】動力測定テストベンチを示す写真である。
【図３】それに対応する概略図である。
【図４】図４Ａは、直線構成の可撓性ドライブシャフトにおいて測定されたトルク‐たわみ角度関係を示すグラフである。図４Ｂは直線構成の可撓性ドライブシャフトにおいて測定されたトルク‐たわみ角度関係を示すグラフである。
【図５Ａ】曲げ半径を計算するための相対位置パラメータの概略図を示す。
【図５Ｂ】対応する実験設定を示す写真である。
【図５Ｃ】曲げ角度を測定するための実験設定を示す写真である。
【図６】異なる曲げ半径（mm単位）に対する可撓性ドライブシャフトのトルク‐角度関係を示すグラフである。
【図７Ａ】直線構成において測定および予測されたトルク‐たわみ角度関係の対応を示すグラフである。
【図７Ｂ】直線構成において測定および予測されたトルク‐たわみ角度関係の対応を示すグラフであ。
【図８Ａ】直線構成において測定および予測された準剛性‐たわみ角度関係の対応を示すグラフである。
【図８Ｂ】直線構成において測定および予測された準剛性‐たわみ角度関係の対応を示すグラフである。
【図９Ａ】いくつかの曲げ半径に対して測定および予測されたトルク‐たわみ角度関係の対応を示すグラフである。
【図９Ｂ】乗算トルクモデルの曲げ係数と、対応する誤差を示すグラフである。
【図１０Ａ】可撓性ドライブシャフトが、トランスミッションシステムを介して関節を間接的に駆動するシステムを示す概略図である。
【図１０Ｂ】可撓性ドライブシャフトが、関節を直接駆動するシステムを示す概略図である。
【図１１】内部速度制御ループと外部PIDトルク制御ループとを備える、カスケード制御システムの概略図である。
【図１２】図１２Ａは、ヒト、動物またはロボットの関節を作動させる装置の実施形態の概略図である。この装置は、機械的関節（３０２）と、機械的関節にトルクを供給するモータ（３０１）と、細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のあるボディ（３０３）と、を備える。装置は、ボディ（３０３）を介してモータ（３０１）から機械的関節（３０２）にトルクを伝達するように構成される。装置は、ボディ（３０３）のねじり変形情報（θs‐θm）を決定するように構成されたセンサクラスタ（３０４ａ、３０４ｂ）を備える。装置は、センサクラスタ（３０４ａ、３０４ｂ）からの出力に少なくとも部分的に基づいて、モータ（３０１）を駆動するように構成される。図１２Ｂは、足首関節を作動させる装置の実施形態の概略図である。
【図１３】股関節、膝関節および足首関節のヒト様の位置プロファイルを示すグラフである。
【図１４】図１０Ｂに示す構成でセットポイント信号を追跡する際の制御システムの性能を示すグラフである。
【図１５】様々な曲げ半径に対応するボード線図を示すグラフである。
【図１６】様々な曲げ半径で測定された、可撓性ドライブシャフトのインピーダンスを示すグラフである。
【図１７】ヒト様の外乱軌道を課した場合の、人間の股関節、膝関節および足首関節の相互作用トルク時間プロファイルを示すグラフである。
【図１８】可撓性ドライブシャフトの出力トルク‐角度特性における曲げ角度の影響を示すグラフである。
【図１９】推定誤差プロファイルを示すグラフである。
【図２０】推定誤差プロファイルを示すグラフである。
【図２１】関節を作動させる装置の実施形態の概略図である。
【図２２】モータを駆動するデータフローの実施形態の概略図である。
【図２３Ａ】本発明の実施形態による遠隔のねじりコンプライアントアクチュエータ（RTCA：Remote and Torsionally Compliant Actuator）を使用した場合（実線）、および従来のインラインアプローチによる場合（破線）の、歩行サイクル中に足首関節アクチュエータを加速および減速するために、股関節および膝関節でそれぞれ必要とされるトルクを示すグラフである。
【図２３Ｂ】本発明の実施形態による遠隔のねじりコンプライアントアクチュエータ（RTCA）を使用した場合（実線）、および従来のインラインアプローチによる場合（破線）の、歩行サイクル中に足首関節アクチュエータを加速および減速するために、股関節および膝関節でそれぞれ必要とされるトルクを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明は以下に関する。すなわち、ヒト、動物またはロボットの関節を作動させる装置および方法、機械的関節を作動させるロータリーアクチュエータにおけるコンプライアント要素としての、およびトルク伝達要素としての、可撓性ドライブシャフトの使用、ヒトまたは動物の関節のインピーダンスを決定する可撓性ドライブシャフトの使用、およびヒトまたは動物の関節のインピーダンスを決定するシステム、である。本発明を、上記の対応するセクションに要約した。以下では、本発明を詳細に記載し、好適な実施形態を考察し、例を用いて本発明を説明する。
【００２３】
他に定義されない限り、技術用語および科学用語を含む本発明を開示する際に使用されるすべての用語は、本発明が属する当業者が一般的に理解する意味を有する。さらなるガイダンスにより、本発明の教示をより良く理解するための用語の定義が含まれる。
【００２４】
本明細書中で使用される場合、次の用語は以下の意味を有する。
【００２５】
本明細書中で使用される「a」、「an」、および「the」は、文脈が明確に別の指示をしない限り、単数および複数の両方の指示対象を意味する。例として、「コンパートメント」は、１つまたは複数のコンパートメントを意味する。
【００２６】
本明細書中で使用される用語「約（about）」は、パラメータ、量、時間的存続期間などの測定可能な値を意味する。用語「約」には、指定された値から、+/-20%以下、好適には+/-10%以下、より好適には+/-5%以下、さらにより好適には+/-1%以下、またさらにより好適には+/-0.1％以下というような変形が、開示された発明において実施するのに適している限り含まれる、と理解される。しかしながら、修飾語句である「約」が言及する値自体もまた、具体的に開示されていることを理解されたい。
【００２７】
本明細書中で使用される用語「備える（comprise/comprises）」、「備えている（comprising）」、および「からなる（comprised of）」は、「含む（include/includes）（contain/contains）」および「含んでいる（including/containing）と同義であり、包括的用語またはオープンエンドの用語である。これらの用語は、続くもの、例えば構成要素の存在を特定し、当該技術分野で既知である、またはそこで開示された追加の、非列挙の構成要素、特徴、要素、部材、ステップの存在を除外または排除しない。
【００２８】
本明細書で使用される「機械的関節（mechanical joint）」とは、相対的にヒンジ式に動くことのできる第１部分および第２部分を備える、非ヒトおよび非動物の関節を指す。
【００２９】
本発明は、細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のあるボディを含む。「縦方向の柔軟性」は、ボディの「曲げ変形」につながる可能性がある。「縦方向の柔軟性の柔軟性」によって、様々な「空間構成」が可能になる。「ねじり弾性」は、ボディの「ねじり変形」または「ねじり歪み」につながる可能性がある。細長いボディの各部分は、ボディがそれに沿って局所的に延びる、局部長さ方向を有する。当業者は、「ねじり変形」が、局部長さ方向に平行する回転軸の周りの回転と関連し、「曲げ変形」が局部長さ方向に垂直な回転軸の周りの回転と関連することを理解するであろう。したがって、「曲げ変形」はボディの空間構成に関連する。エンドポイントによる数値範囲の列挙には、その範囲内に含まれるすべての数値と分数、および列挙されたエンドポイントが含まれる。
【００３０】
本発明は、ヒト、動物またはロボットの関節を作動させる装置を提供する。装置は、機械的関節と、機械的関節にトルクを供給するモータと、モータから機械的関節にトルクを伝達する、細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のあるボディと、ボディのねじり変形情報を決定するように構成されたセンサクラスタと、を備える。装置は、特に、センサクラスタからの出力に少なくとも部分的に基づいて、モータを駆動するように構成される。
【００３１】
装置は、センサクラスタからのねじり変形情報に少なくとも部分的に基づいて、モータを駆動するように構成される。好適には、装置は、ボディで直接にトルクを測定せずにモータを駆動するように構成される。好適には、装置は、機械的関節でトルクを測定せずにモータを駆動するように構成される。好適には、装置は、ボディと機械的関節との間でトルクを測定せずにモータを駆動するように構成される。好適には、装置は、ボディと機械的関節との間にトルクセンサを備えない。好適には、装置は、機械的関節にトルクセンサを備えない。好適には、装置は、ボディの端部にトルクセンサを備えない。
【００３２】
別の態様において、本発明は、ヒト、動物またはロボットの関節を作動させる方法を提供する。細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のあるボディを提供する。ボディは、遠位端および近位端を備える。ボディのねじり変形情報を決定する。ボディの遠位端における所望の出力トルクおよびねじり変形情報に少なくとも部分的に基づいて、ボディの近位端に対する入力トルク、入力速度または入力位置などの入力を決定する。入力をボディの近位端に適用する。ここで、入力位置は入力角度の同義語である。
【００３３】
好適には、ボディの遠位端でトルクを測定せずに入力を決定する。好適には、機械的関節でトルクを測定せずにトルクを決定する。好適には、ボディと機械的関節との間でトルクを測定せずに、入力を決定する。
【００３４】
好適な一実施形態において、装置は、ボディの遠位端における所望の出力トルクおよびセンサクラスタからの出力に少なくとも部分的に基づいて、ボディの近位端に対する入力を決定するように構成される。装置は、モータを介してボディの近位端で前記入力を適用するように、さらに構成される。
【００３５】
本発明は、いくつかの理由から有利である。細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のあるボディは、二重の用途、すなわち、分散化されたトルク伝達機能、ならびにロータリー直列弾性アクチュエータのようなロータリー（ねじれ）アクチュエータにおけるコンプライアント要素としての機能、を果たす。例えば、静止型外骨格のために静止した外部位置へ、または携帯型外骨格のために腰へ、のモータの分散化（再配置）は、遠位肢関節またはロボットアームにおける慣性負荷を制限し、それによってパワー要件を制限し、ユーザの快適性および透明性を高める。細長く、長さ方向に柔軟で、ねじれ弾性のあるボディは、摩擦および慣性を含むモータのダイナミクスを少なくとも部分的に切り離し、機械的関節上に導入される衝撃からモータを保護する。さらにボディは、そのねじり弾性により、エネルギーを蓄積および反跳することによって、エネルギー効率を高めることができる。またボディは、モータと機械的関節の相対的な動きを可能にする。
【００３６】
ボディのコンプライアンスのために、装置はさらに、所望の出力トルクを生成する正確な駆動システムを必要とする。トルクセンサは、繊細で高価な機器である。そのため、トルクセンサを避けるべきである。トルクセンサが遠位肢関節またはその近傍に配置されると、トルクセンサに慣性負荷が導入される。これは、さらに不利な状況である。本発明は、ボディの変形情報に基づく正確なモデルベースのトルク制御を実現し、それによって、関節またはその近傍でのトルクセンサの必要性を軽減する。
【００３７】
さらに別の態様において、本発明は、ヒトまたは動物の関節のインピーダンスを決定するシステムを提供する。システムは、関節に外部から適用できる機械的関節を備える。システムはさらに、細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のあるボディを備える。ボディは、遠位端および近位端を備える。ボディは、直接的または間接的に、遠位端で機械的関節に連結可能である。ギアボックスは、例えば、ボディの遠位端と機械的関節との間に設けることができる。また、システムは、ボディのねじり変形情報を決定するように構成されたセンサクラスタを備える。さらに、システムは、センサクラスタからのねじり変形情報に少なくとも部分的に基づいて、関節のインピーダンスを決定するように構成された処理手段を備える。
【００３８】
好適には、システムは、機械的関節にトルクセンサを備えない。好適には、システムは、ボディの遠位端にトルクセンサを備えない。好適には、システムは、ボディと機械的関節との間にトルクセンサを備えない。好適には、処理手段は、機械的関節でトルクを測定せずに関節のインピーダンスを決定するように構成される。好適には、処理手段は、ボディの遠位端でトルクを測定せずに関節のインピーダンスを決定するように構成される。好適には、処理手段は、ボディと機械的関節との間でトルクを測定せずに関節のインピーダンスを決定するように構成される。
【００３９】
したがって、本発明のシステムは、ボディの変形情報に基づく正確なインピーダンスの決定を実現し、それによって、関節またはその近傍でのトルクセンサの必要性を軽減する。
【００４０】
好適な一実施形態において、装置は、センサクラスタからの出力に少なくとも部分的に基づいて、関節のインピーダンスを決定するように構成される。
【００４１】
当業者は、本発明の様々な態様に共通の技術的特徴が存在することを認識するであろう。当業者はさらに、本発明の異なる態様が相互に関連していることを認識するであろう。上記の記載および以下の記載において、本発明の特定の態様への特定の言及は、省略することができる。上記または以下に記載するすべての特徴は、たとえそれらが特定の態様と関連して記載されていたとしても、異なる態様のそれぞれに関連する場合がある。
【００４２】
好適な一実施形態において、ねじり変形情報は、遠位端と基端との間のねじり相対角度を含む。好適には、センサクラスタは、遠位端と基端との間のねじり相対角度を決定するように構成される。好適には、センサクラスタの出力は、ねじり相対角度を示す１つまたは複数の信号を含む。好適には、センサクラスタは、２つの回転エンコーダ、好適には回転光学エンコーダを備える。好適には、ボディの遠位端と近位端の両方に、回転エンコーダを直列に配置する。エンコーダからのデータに基づいて、ボディの近位端と遠位端との間のねじり相対角度を決定することができる。前記１つまたは複数の信号は、絶対角度測定値を含むことができる。追加的または代替的に、前記１つまたは複数の信号は、前記ねじり相対角度を含むことができる。
【００４３】
好適な一実施形態において、ボディのねじり変形情報ならびに曲げ変形情報が決定される。好適には、曲げ変形情報は、曲げ角度または曲げ半径を含む。好適には、センサクラスタは、ボディのねじり変形情報および曲げ変形情報を決定するように構成される。好適には、センサクラスタの出力は、曲げ変形情報を示す１つまたは複数の信号を含む。好適には、装置は、センサクラスタからのねじりおよび曲げ変形情報に少なくとも部分的に基づいて、モータを駆動するように構成される。好適には、ボディの遠位端における所望の出力トルク、ならびにねじりおよび曲げ変形情報に少なくとも部分的に基づいて、ボディの近位端に対する入力が決定される。好適には、処理手段は、センサクラスタからのねじりおよび曲げ変形情報に少なくとも部分的に基づいて、関節のインピーダンスを決定するように構成される。好適には、センサクラスタは、曲げ変形情報を決定する距離センサ、変位センサ、または追加の回転エンコーダを備える。
【００４４】
ボディの曲がりは、ボディのトルク伝達特性に影響を及ぼす場合がある。したがって、ねじり変形情報と曲げ変形情報の両方を考慮に入れてモータを駆動し、ボディの遠位端において所望の出力トルクを得ることが重要であろう。このようにして、所望の出力トルクにより近い出力トルクを、遠位端で得ることができる。
【００４５】
好適な一実施形態において、ねじりおよび曲げ変形情報に基づくトルクモデルが使用される。好適には、装置は、ねじりおよび曲げ変形情報に依存するトルクモデルに少なくとも部分的に基づいて、モータを駆動するように構成される。好適には、ボディの遠位端における所望の出力トルク、ならびにねじりおよび曲げ変形情報に基づくトルクモデルに少なくとも部分的に基づいて、ボディの近位端に対する入力が決定される。好適には、処理手段は、ねじりおよび曲げ変形情報に基づくトルクモデルに少なくとも部分的に基づいて、関節のインピーダンスを決定するように構成される。好適には、ねじり変形情報は、ここではねじり相対角度である。ボディの挙動の十分に正確なモデリングを得るために、トルクモデルが必要なことが多い。トルクモデルは、線形または非線形トルクモデルであってよく、好適には非線形トルクモデルとすることができる。
【００４６】
図２２は、装置のモータを駆動する実施形態の概略図を示す。好適には、ボディは可撓性ドライブシャフトの一部である。機械的関節における所望の出力トルク（１８１）が提供される。関節における所望の出力トルクは、例えば、特定の関節に対する既知の歩行サイクルに基づくことができる。関節における所望のトルク（１８１）は、ボディの遠位端における所望の出力トルク（１８２）に変換することができる。変換は、例えばギアボックスがボディの遠位端と機械的関節との間に直列に配置された場合に、必要となりうる。センサクラスタ（１８３）を用いて、ボディのねじりおよび曲げ変形情報（１８４）が得られる。したがって、ねじり変形情報は、上述したように、典型的にはねじり相対角度である。ボディの遠位端における所望の出力トルク（１８２）およびボディのねじりおよび曲げ変形情報（１８４）に基づいて、好適には非線形トルクモデルであるトルクモデル（１８５）が、ボディの近位端における対応する入力（１８６）を計算するために利用される。ボディの近位端おける入力（１８６）は、モータ（１８７）を駆動するための情報、例えばモータトルクに変換することができる。ここでも、ギアボックスは、例えば、モータとボディとの間に直列に配置されていてよい。代替的または追加的に、トルクモデルの出力は、モータトルク、モータ電流、モータ位置（モータ角度）またはモータ速度のような、モータに対する駆動情報とすることができる。その場合、ボディの近位端おける入力（１８６）から、モータ（１８７）を駆動するための情報への変換が、トルクモデル（１８５）に暗黙的に組み込まれる。
【００４７】
好適な一実施形態において、トルクモデル、好適には線状トルクモデルのねじり変形情報および曲げ変形情報への依存性は、乗算的に分離可能である。トルクモデルが乗算的に分離可能な場合、ボディの挙動のシミュレーションは、より容易、より迅速、かつ必要とする計算リソースがより少なくて済む。さらに、乗算的に分離可能なモデルは、本発明の産業上の利用に対して十分に正確であり、ボディの挙動に対する曲げおよびねじりの影響を、別個に計算して理解できることを示している。
【００４８】
また、細長く、縦方向に柔軟なボディは、ねじり弾性もある。すなわち、ボディは限定されたねじり剛性を有する。ボディのトルク‐角度関係は、非線形であってよい。ボディのトルク‐角度関係は、回転方向、すなわち時計回りまたは反時計回りに依存してよい。好適な一実施形態において、ねじり弾性のあるボディは、以下のねじり剛性を有する。すなわち、最大10000N.m/rad、好適には最大7499N.m/rad、より好適には最大5623N.m/rad、さらにより好適には最大4217N.m/rad、しかしさらにより好適には最大3126N.m/rad、しかしさらにより好適には最大2371N.m/rad、しかしさらにより好適には最大1778N.m/rad、しかしさらにより好適には最大1334N.m/rad、より好ましくは最大1000N.m/rad、さらにより好ましくは最大750N.m/rad、しかしさらにより好ましくは最大562N.m/rad、しかし最も好ましくは最大422N.m/radである。当業者であれば、前述のリストの数値は、ねじれ弾性のあるボディのトルク‐角度関係に沿ったトルクおよび角度の分数の上限であることを理解するであろう。ねじり弾性のあるボディは、以下のねじり剛性、すなわちトルクと角度の関係に沿ったどこかのトルクおよび角度の分数を有する。すなわち、約398N.m/rad、約316N.m/rad、約251N.m/rad、約200N.m/rad、約158N.m/rad、約126N.m/rad、約100N.m/rad、約79N.m/rad、約63N.m/rad、約50N.m/rad、約40N.m/rad、約32N.m/rad、約25N.m/rad、約20N.m/rad、約16N.m/rad、約13N.m/rad、約10N.m/rad、約7.9N.m/rad、約6.3N.m/rad、約5.0N.m/rad、約4.0N.m/rad、約3.2N.m/rad、約2.5N.m/rad、約2.0N.m/rad、約1.6N.m/rad、約1.3N.m/rad、約1.0N.m/rad、約0.79N.m/rad、約0.63N.m/rad、約0.50N.m/rad、約0.40N.m/rad、約0.32N.m/rad、約0.25N.m/rad。約0.20N.m/rad、約0.16N.m/rad、約0.13N.m/rad、約0.10N.m/rad、約0.079N.m/rad、約0.063N.m/rad、約O.050N.m/rad、約0.040N.m/rad、約0.032N.m/rad、約0.025N.m/rad、約0.020N.m/rad、約0.016N.m/rad、約0.013N.m/rad、約0.010N.m/rad、またはその下もしくはその間の任意の値。
【００４９】
可撓性ドライブシャフトは、外側ケーシングを備えてもよく、または備えずともよい。好適な一実施形態において、ボディは、可撓性ドライブシャフトにおける、回転可能で、細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のある内側シャフトである。好適には、装置は可撓性ドライブシャフトを備える。好適には、方法は、可撓性ドライブシャフトを提供するステップを含む。好適には、システムは可撓性ドライブシャフトを備える。可撓性ドライブシャフトは、回転可能で、細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のある内側シャフトと、外側ケーシングと、遠位端と、近位端と、遠位端および近位端のそれぞれの上のコネクタと、を備える。ここでは、ボディが回転可能な内側シャフトである。好適には、可撓性ドライブシャフトは、双方向可撓性ドライブシャフトである。好適には、内側シャフトは巻き線を備える。好適には、内側シャフトは、複数の本質的に同心の巻き線層を備える。好適には、内側シャフトは、対向するピッチ角度および方向からなる、複数の連続した本質的に同心の巻線層を備える。好適には、巻き線は、スプリンググレードのワイヤを備える。
【００５０】
柔軟性ドライブシャフトは、いくつかの理由から有利である。外側ケーシングは、回転可能な内側シャフトのための支え面及び支持体を提供する。また、高い負荷を受ける場合に、内側シャフトの過度のねじれも防止される。また、可撓性ドライブシャフトは、例えば自在継手のような一般的な他の非直線的なトルク伝達コンポーネントよりも高い効率を有する、という更なる利点を備える。
【００５１】
図１Ａは、双方向可撓性ドライブシャフトの一実施形態の概略図を示す。可撓性ドライブシャフトは、ゴムコーティング（１０１）と、外側ケーシング（１０２）と、内側コア（１０３）と、を備える。図１Ｂは、双方向可撓性ドライブシャフトの内側コア（１０３）の概略図を示す。内側コアは、対向するピッチ角度および方向からなる、複数の連続した本質的に同心の巻線層を備える。巻き線は、スプリンググレードのワイヤを備える。
【００５２】
可撓性シャフトの特性は、少なくとも部分的に、ワイヤのグレード、ワイヤのサイズ、層数、各層のワイヤの量、および可撓性ドライブシャフトの有効長によって決定される。典型的には、ねじり剛性と曲げ柔軟性との間のトレードオフがなされる。すなわち、より高いねじり剛性が要求される場合、可撓性ドライブシャフトの曲げ柔軟性および最小作動曲げ半径が減少する。これにより、可撓性ドライブシャフトの空間構成が制限される。可撓性ドライブシャフトの長さは、典型的には、トルク伝達率に影響を及ぼさないが、ねじり剛性に影響を及ぼす。すなわち、長さが長くなるほど、ねじり剛性が低くなる。
【００５３】
双方向可撓性ドライブシャフトのトルク‐角度関係は、典型的には非線形であり、回転方向および曲げ変形に依存する。可撓性ドライブシャフトにねじり負荷が加えられると、その内部のバネ様のワイヤ層の半分は、巻きが解かれるにつれて膨張しようとする。一方、その上下の交互の層は、よりきつく巻かれるにつれて収縮しようとする。負荷下で層が相互に圧迫し合うこの作用が、ねじり剛性特性を提供する。しかしながら、このトルクが外層を膨張させる方向に加えられると、それに抵抗する他の層が存在しない。緩め‐外層（LOL：loosen-outer-layer）方向と名付けたこの動作方向は、最低のシャフト剛性を提供するであろう。対照的に、締め付け外層（TOL：tighten-outer-layer）方向の逆方向は、最高のシャフト剛性を提供するであろう。
【００５４】
動的負荷下および／または変形下での可撓性ドライブシャフトのトルク伝達特性の特性評価は、機械的関節を正確に駆動する、または機械的関節を介してインピーダンスを測定するために重要である。
【００５５】
双方向可撓性ドライブシャフトは、時計回りおよび反時計回りの回転に対して非対称のトルク‐角度関係を有する。より対称的なトルク‐角度関係を得るために、２つの可撓性ドライブシャフトを直列に接続して、回転時に、可撓性ドライブシャフトのうちの１つが、常にその締め付け外層（TOL）方向に回転するようにすることができる。
【００５６】
別の実施形態において、装置および／またはシステムは、２つの可撓性ドライブシャフトを備える。これら２つの可撓性ドライブシャフトは、平行であり、トルクを伝達する際に対向する方向に回転するように構成される。この実施形態において、両シャフトは共に締め付けられているが、螺旋は反対方向である。
【００５７】
可撓性ドライブシャフトが存在しても、曲げが必要とされない部分のための剛性のトルク伝達シャフトの存在は排除されない。したがって、装置は、例えば可撓性ドライブシャフトである細長く、縦方向に柔軟で、ねじり弾性のあるボディと直列の、剛性のトルク伝達シャフトを備えてもよく、または備えずともよい。同様に、システムは、例えば可撓性ドライブシャフトである細長く、縦方向に柔軟で、ねじれ弾性のあるボディと直列の、剛性のトルク伝達シャフトを備えてもよく、または備えずともよい。例として、図１２Ａを参照されたい。
【００５８】
好適な一実施形態において、可撓性ドライブシャフトは、機械的関節を作動させるロータリーアクチュエータにおけるコンプライアント要素として、およびトルク伝達要素として、使用される。好適には、可撓性ドライブシャフトは、モータからターゲットの機械的関節にトルクを伝達するために使用される。モータとターゲットの機械的関節は、１つまたは複数の追加の関節を介して機械的に連結される。可撓性ドライブシャフトは、前記１つまたは複数の追加の関節に亘って、および／または前記１つまたは複数の追加の関節を通して、トルクをモータから前記ターゲットの機械的関節に伝達するために使用される。好適には、可撓性ドライブシャフトのためのモータからの入力は、可撓性ドライブシャフトのねじりおよび／または曲げ変形情報に少なくとも部分的に基づく。
【００５９】
好適な一実施形態において、可撓性ドライブシャフトは、ヒトまたは動物の関節のインピーダンスを決定するために使用される。好適には、可撓性シャフトのねじりおよび／または曲げ変形情報に少なくとも部分的に基づいて、インピーダンスが決定される。
【００６０】
好適な一実施形態において、トランスミッションシステム、例えばギアボックスまたはケーブルプーリシステムが、ボディの遠位端と機械的関節との間に設けられる。好適には、装置は、ボディの遠位端と機械的関節との間に、トランスミッションシステム、例えばギアボックスまたはケーブルプーリシステムを備える。好適には、システムは、ボディの遠位端と機械的関節との間に、トランスミッションシステム、例えばギアボックスまたはケーブルプーリシステムを備える。追加的または代替的に、トランスミッションシステム、例えばギアボックスまたはケーブルプーリシステムを、ボディの近位端に設けることもできる。その場合、装置は、ボディの近位端とモータとの間に、トランスミッションシステム、例えばギアボックスまたはケーブルプーリシステムを、追加的に又は代替的に備えることができる。その場合、システムは、ボディの近位端に、トランスミッションシステム、例えばギアボックスまたはケーブルプーリシステムを、追加的または代替的に備えることができる。
【００６１】
ボディの遠位端と機械的関節との間のギアボックスを配置すると、有効剛性を増大することできる。すなわち、ギアボックスが可撓性ドライブシャフトの後に直列に配置されている場合、ボディとギアボックスの組み合わせの有効剛性は、ボディのねじり剛性にギアボックスの減速比の２乗を掛けたものである。
【００６２】
好適な一実施形態において、ヒト、動物またはロボットの関節を作動させる装置は、ヒトまたは動物の関節を作動させるウエアラブルロボットである。好適には、ウエアラブルロボットは外骨格である。装置は、下肢外骨格、上肢外骨格、ロボットアーム、義肢、または触覚装置であってもよい。
【００６３】
本発明は、本発明をさらに例示する以下の非限定的な実施例によってさらに説明される。しかしながら、これらの実施例は、本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、また本発明の範囲を限定すると解釈されるべきものでもない。
【実施例】
【００６４】
（実施例１）
可撓性ドライブシャフトの特性評価
【００６５】
１．１  動力測定テストベンチ
【００６６】
図２Ａおよび図２Ｂは、モータ（２０１）、エンコーダ（２０２）、ホルダプレート（２０３）およびトルクセンサ（２０４）を備える動力測定テストベンチを示す。図３は、対応する概略図を示す。M+GBは、ねじり弾性（準剛性Ks）のある可撓性ドライブシャフトに、トルク（角度回転θm）を供給することができるモータおよびギアボックスを示す。トルクセンサは、伝達されるトルク（Ts）を可撓性ドライブシャフトの遠位端（出力端）で測定する。モータは、Maxon Motor Ag社による回転ECモータ（Maxon EC-4pole 30）であり、内蔵型86:1ギアボックスと１ターンあたり500カウント（CPT：counts per turn）エンコーダを装備している。モータは、12N.mまでの間欠トルクと192rpmの連続速度で、8N.mの連続トルクを供給できる。モータは、可撓性シャフトの近位端（入力端）にロッドを介して接続されている。Maxon EPOS 3コントローラは、速度制御モードでモータを駆動できる。動力測定テストベンチは、可撓性ドライブシャフトの両端に配置された２つの回転光学エンコーダ（2000 CPT）をさらに備える。２つの回転光学エンコーダ間の測定値の差は、可撓性ドライブシャフトの相対ねじりたわみ角度の測定値を提供する。データはBeckhoff EK 1000モジュールにより1kHzでサンプリングされる。
【００６７】
１．２  可撓性ドライブシャフトの検討
【００６８】
検討する第１可撓性ドライブシャフトは、MasterFlex 08である。これは、直径約8mm、長さ約86.5cm、最大トルク約6N.m、および総重量約1.2kgである。検討する第２可撓性ドライブシャフトは、Dremel 225である。これは、直径約3mm、長さ約20cm、最大トルク約0.22N.m、および総重量約0.3kgである。したがって、第１可撓性ドライブシャフトは、第２可撓性ドライブシャフトよりも高いねじり剛性と低い曲げ柔軟性と、を備える。
【００６９】
１．３  直線構成
【００７０】
最初に、第１および第２可撓性ドライブシャフトを、水平に、本質的に曲げずに配置した。可撓性ドライブシャフトの出力端は、トルクセンサに接続されている。トルクセンサはその出力でブロックされ、シャフトを介して伝達されているトルクを測定する。エンコーダは、モータユニットの出力（θm）の位置を測定する。これにより、シャフトの全たわみ角度に関する情報が提供される。モータは、速度モードで制御され、0.01Hz〜10Hzのフラットなスペクトルと各可撓性シャフトの最大範囲内の可変振幅とを有するトルクマルチサイン信号に追従するように設定されている。
【００７１】
図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれ、第１および第２可撓性ドライブシャフトのトルク（Ts）‐たわみ角度（θm）関係を示す。観察できるように、この関係は非対称である。関係は３つの異なるゾーンを備える。すなわち、負のたわみ角度に対する準線形ゾーン、たわみの値が小さいためにトルクが加えられないデッドゾーン、そして正のたわみ角度に対する非線形ゾーン、である。
【００７２】
１．４  変形構成
【００７３】
曲げ変形は、摩擦、トルク容量、ひいてはトルク伝達率に影響を及ぼす可能性がある。図５Ａを参照すると、曲げられた可撓性ドライブシャフトは、本質的に共通の長さ方向に平行な出入り部分と、その間の曲げられた部分と、を備える。曲げられた部分は、長さ方向の長さＸに亘って実現される、長さ方向に垂直な変位Ｙを備える。可撓性ドライブシャフトの曲げ半径Ｒは、可撓性シャフトの両側の相対位置（Ｘ、Ｙ）の関数として、式R = (X2 + Y2)/(4Y)を介して計算した。この特性評価のために、モータとトルクセンサを、２次元デカルト平面内で相互に相対的に移動できる２つの異なるプラットフォーム上に配置した。さらに、ホルダプレートをシャフトに沿って均等に分布させ、所定の位置に保持し、実験中に所望の構成を維持した。図５Ｂを参照されたい。先行する実施例１のパラグラフ１．３に記載したように、再びモータを作動させた。
【００７４】
図６は、異なる曲げ半径Ｒ（mm単位）での、第１シャフトのトルク‐たわみ角度関係を示す。
【００７５】
図５Ｃに示すように、曲げ半径Ｒに対して代替的または追加的に、曲げ変形情報は、曲げ角度φを備えてよい。曲げ角度は、回転光学エンコーダなどの回転光学エンコーダ（５０４）を介して測定できる。実験設定は、トルクセンサ（５０２）と、駆動ユニット（５０７）と、可撓性シャフト（５０６）と、をさらに備える。実験設定は、大腿部（５０５）および脛部（５０３）を有する膝関節（５０１）をモデル化することができる。
【００７６】
１．５  直線構成に対する出力トルク‐角度モデリング
【００７７】
可撓性ドライブシャフトは、非理想的（non-ideal）なねじりばねである。可撓性ドライブシャフトの出力トルク対たわみ角度関係は、ねじりたわみ角度および曲げ角度に依存する。また、この関係は非対称である。驚くべきことに、可撓性ドライブシャフトのこれらの関係は、セットポイントコマンドの振幅または周波数に関係なく高い再現性を示す。
【００７８】
負のたわみ角度に対しては負の成分を、正のたわみ角度に対しては正の成分を備える、二成分モデルを提供する。数式、Δθ = θm - θs、、実施した試験では、θs = 0、により、トルクTsおよび準剛性Ksを、フーリエ級数近似および動的依存項を用いて、正および負の成分のそれぞれについて推定することができる。
【００７９】
【数１】
2021529673.tif 000003
【００８０】
トルク‐角度曲線におけるダイナミクスの影響を説明するために、シャフトの回転速度を考慮したダイナミクス依存項ｃを加えた。
【００８１】
【表１】
2021529673.tif 000004
【００８２】
表１は、第１および第２可撓性ドライブシャフトの適合モデル係数を示す。第１および第２可撓性ドライブシャフトの対応する実験およびモデルトルク−角度関係は、図７Ａ（第１可撓性シャフト）および図７Ｂ（第２可撓性シャフト）に示す。モデルは、トルクセンサによって提供されるトルク値に関して、0.029±0.017N.mの二乗平均平方根誤差を示す。正規化二乗平均平方根誤差は0.315±0.188%であり、最大観測値は1.27%である。第１および第２可撓性ドライブシャフトの対応する実験準剛性およびモデル準剛性‐角度関係は、図８Ａ（第１可撓性シャフト）および図８Ｂ（第２可撓性シャフト）に示す。
【００８３】
１．６  曲げ変形に対する出力トルク‐角度モデリング
【００８４】
曲げ変形Ｒと相対ねじり角度Δθへの依存性において乗算的に分離可能なモデル、すなわち、Ts(Δθ, R) = μ(R).Ts(Δθ)およびKs(Δθ, R) = μ(R).Ks(Δθ)を用いると、驚くほど正確な結果が得られることがわかった。
【００８５】
表２および図９Ｂは、第１可撓性ドライブシャフトについての様々な曲げ半径Ｒにおける適合曲げ変形前因子μ(R)、ならびに実験データとモデル予測値との間の対応する正規化二乗平均平方根誤差を示す。曲げ半径Ｒの様々な値について、第１可撓性ドライブシャフトの対応する実験およびモデルトルク−角度関係を図９Ａに示す。
【００８６】
【表２】
2021529673.tif 000005
【００８７】
二つの異なる可撓性ドライブシャフトのトルク伝達率（または準剛性）特性をモデル化する簡単な方法論を、それらシャフトのダイナミクスと空間構成の両方を考慮して得た。これにより、トルクセンサを必要とせずに、ねじりたわみと曲げ半径のみに基づいて、可撓性ドライブシャフトを通るトルク伝達を正確に推定することができる。
【００８８】
（実施例２）
出力関節を直接駆動する可撓性ドライブシャフト
【００８９】
ウエアラブルロボットの場合、最も重要なパラメータは、アクチュエータの出力で達成されるトルク、速度および剛性である。図１０Ｂに示すように、出力関節を直接駆動する可撓性ドライブシャフト、または１：１トランスミッションシステムと直列に接続する可撓性ドライブシャフトを用いて、直列弾性アクチュエータ（SEA）のような高度にコンプライアントなアクチュエータが得られる。こうしたアクチュエータにより、固有の安全特性を有する、出力関節レベルでの正確なトルク制御が可能になる。メリットとして、位置センサ（角度測定）に基づく出力におけるトルク制御、負荷によって衝撃が導入される場合の安全性、およびエネルギー蓄積能力が含まれる。
【００９０】
図１１は、モータコントローラ（EPOS3）で実行される内部速度制御ループと、外側PIDトルク制御ループと、を備えるカスケード制御システムを示す。出力トルクは、分離型モデルTs(Δθ, R) = μ(R).Ts(Δθ)を使用して計算される。
【００９１】
図１４は、振幅6N.m、周波数1Hzの所望の正弦波信号に追従する場合の、実装されたコントローラの性能を示す。トラッキングエラーは、１５回の反復のセットに対して0.7334±0.0223N.mの平均値（RMSE）を示す。これは、6.11%の正規化誤差（NRMSE）に対応し、平均遅延25msである。しかしながら、トルク推定とトルクセンサ間の精度の平均誤差は、0.0456±0.005N.m(0.37%)である。
【００９２】
同じコントローラの帯域幅も、同様に評価した。0.1Hz〜10Hzの平坦なスペクトルと、5N.mのピーク値を有する可変振幅を持つマルチサイン信号を、直線状態ならびに曲げ半径450、300および120mmに対するトルクコントローラのセットポイントとして用いた。図１５は、試験した４つの条件のうち３つについて、近似した二次伝達関数G(s) = T推定/T所望 (Testimated/Tdesired)のボード線図を示す。これらの伝達関数をMATLAB（登録商標）のシステム同定ツールボックスを用いて推定し、すべての試験条件に対して80%に近い精度で測定データを適合させた。コントローラは、ケーブルが直線の場合に、-3dBの減衰量でカットオフ周波数として計算された帯域幅6.22Hzを示す。曲げ半径が小さい（曲げ半径が大きい）構成でケーブルを設定すると、曲げ半径がそれぞれ450、300、120mmの場合、帯域幅は5.87Hz、4.32Hz、4.30Hzに減少する。
【００９３】
（実施例３）
ゼロトルク制御時の可撓性ドライブシャフトのインピーダンス
【００９４】
人間と相互作用するロボットにおいて良好なトルク制御を行うために、低インピーダンスの正確な作動システムが望まれている。所望されるトルクをゼロに設定したときに、被験者がいかなる抵抗も感じないように、能動的な装具は関節の動きに追従する必要がある。ゼロトルク制御（透明モード）下での可撓性ドライブシャフトの出力インピーダンスをチェックするために、その出力にモータを接続し、外乱として機能させた。モータを位置制御モードに設定し、周波数が0.1〜10Hz、振幅が20度のチャープ信号に追従させた。トルクコントローラを0N.mに設定し、この負荷が制限を感じないよう、入力モータが出力外乱に反応するようにした。再度、トルク推定をトルク制御のためのフィードバックとして使用し、負荷とアクチュエータとの間の相互作用トルクの測定値を与えた。相互作用トルク値を推定値と比較するために、トルクセンサを負荷モータと可撓性ドライブシャフトとの間に配置した。
【００９５】
出力インピーダンスを、３つの異なる条件：直線のシャフトと曲げ半径450および200mmについて、相互作用トルク（推定によって提供）と負荷モータによって生成された出力速度との間の伝達関数として計算した。このようにして、出力インピーダンスに対する曲げ半径の影響を特性評価した。図１６に示すように、コントローラは、曲げ半径に関係なく、低周波数に対してはインピーダンスをゼロに近づけることができる。周波数が上げるにつれて、コントローラは、所望の出力インピーダンスに完全に追従できず、共振点に達して出力インピーダンスが可撓性シャフトの機械的インピーダンスになるまで、より高いインピーダンスを表示し始める。この出力インピーダンスは、曲げ半径が小さいほど増加する。さらに、ケーブルが曲がるにつれて、より低い周波数では最大インピーダンス値（共振点）が達成される。可撓性ドライブシャフトの出力インピーダンスは、コントローラだけでなく、曲げ半径に伴う摩擦の増加により、可撓性ドライブシャフトの空間構成にも依存する。したがって、可撓性ドライブシャフトは、その出力剛性が可撓性シャフトの空間構成に依存するので、可変剛性アクチュエータとして挙動する。
【００９６】
提案するアクチュエータとコントローラを使用する際に人間が感じる相互作用トルクを検証するため、人間のデータ（D. A. Winter, Biomechanics and Motor Control of Human Movement（人体運動のバイオメカニクスとモータ制御）,2009）から得た通常の歩行速度と考えられる1.2s／ストライドの速度での、図１３に示す股関節、膝関節、足首関節に対するヒト様の位置プロファイルに従うように、負荷モータを設定した。相互作用トルクに関する結果を図１７に示す。図１７では、トルクセンサからの測定値を、モデル推定によって提供されるものと比較する。モデルは相互作用トルクを正確に予測する。したがって、PID制御の比例部分を増やすことができ、システムの反応が改善される。
【００９７】
（実施例４）
出力関節にトランスミッションシステムを備える可撓性ドライブシャフト
【００９８】
ウエラブルロボットの場合、最も重要なパラメータは、アクチュエータの出力で達成されるトルク、速度および剛性である。図１０Ｂに示すように、可撓性ドライブシャフトで出力関節を直接駆動することにより、出力トルクが可撓性ドライブシャフトの最大能力によって制限される。可撓性ドライブシャフトで伝達できるトルクは、制限され、主に直径に依存する。したがって、より大きなトルクが要求される場合には、より太い可撓性ドライブシャフトが必要とされる。そのため、可撓性ドライブシャフトのサイズおよび重量が増大し、最大曲げが制限される。別の選択肢は、図１０Ａに示すように、出力端で減速比が１より高いトランスミッションシステムを使用することによって、出力トルクを増加させることである。このようにして、可撓性ドライブシャフトを、より細く、かつより軽くすることができる。これと引き換えに、出力速度が低下し、出力剛性が増大し、アクチュエータのコンプライアント特性が制限され、トランスミッションシステムで起こり得るバックラッシュまたは損失に起因して、トルクコントローラの精度が低下する。特に、出力剛性は、伝達比の二乗で増加し、装置の出力インピーダンスを増加させ、アクチュエータのコンプライアント特性を失わせる。これにより、剛性の高いアクチュエータになってしまう。
【００９９】
対応する試験において、変速比9:1のギアボックスを、可撓性ドライブシャフトの遠位端に配置した。発生した出力トルクを測定するために、ギアボックスをトルクセンサに接続した。トルクモデルでは、トランスミッションセンサを乗算的に考慮することができた。再度、トルクの実測値と予測値との間で、良好な対応関係が得られた。
【０１００】
（実施例５）
動的曲げ
【０１０１】
この実施例では、曲げ変形を特性評価するために、曲げ半径Ｒの代わりに曲げ角度φを使用する。図５Ｃを参照されたい。モータ（５０７）およびトルクセンサ（５０２）を、それぞれ大腿部（５０５）と脛部（５０３）として機能する２つの異なるアルミニウムプロファイルに配置する。２つの異なるアルミニウムプロファイルを、膝関節（５０１）として機能する受動的なヒンジ関節によって連結する。可撓性ドライブシャフト（５０６）は、モータとトルクセンサ（５０２）とを接続し、大腿部から、膝関節に亘って、足首までトルクを伝達する。回転光学エンコーダ（５０４）は膝の回転角度φを測定し、可撓性シャフトの曲げ角度の情報を提供する。カスタムメイドの保持プレートにより、２つのプロファイルに、シャフトを堅く均等に固定する。
【０１０２】
出力トルクがトルクセンサによって測定されている間に、関節の角度を手動で固定角度０、２０、４０、６０、７０、８０および９０度に変更しながら、振幅4N.mの1Hz正弦波信号に追従するように設定した。データを収集し、オフライン識別手順で実行して、モデル推定を更新し、変形前因子μ(φ)による曲げ角度を考慮した。識別した変形前因子（μ(φ)-値）は、μ(φ)の線形補間を行い、動的ルックアップテーブルに導入した。このようにして、膝エンコーダによって測定された曲げ角度の関数として、トルク推定値が自動的に更新されるように設定した。
【０１０３】
図１８は、シャフトの出力トルク‐角度特性における曲げ角度の影響、ならびに分離可能モデルTs(Δθ, φ) = μ(φ).Ts(Δθ)によってこれらの変化を動的に追跡する提案モデルの能力を示す。モデルは、振幅4N.mおよび1Hzの正弦波信号のための曲げ角度φの関数としてμ(φ)を更新するための線形補完を用いたルックアップテーブルを使用する。
【０１０４】
図１９は、曲げ角度の関数としての推定誤差を示す。図２０は、推定誤差と曲げ角度の対応する時間的進展を、提案した動的モデルを用いた場合と用いない場合の両方で示す。動的適合を用いた場合の最大推定誤差は0.35N.mであった。一方、曲げ角度の影響を無視した場合の最大推定誤差は2.8N.mであった。提案した適合モデルは、曲げ角を考慮することにより精度誤差を87.5%低減する。
【０１０５】
（実施例６）
ボディの変形情報のためのセンサクラスタ
【０１０６】
この実施例は、装置、方法、およびシステムのセンサクラスタの好適な一実施形態を説明するものである。ここで、ボディは、好適には可撓性ドライブシャフトの一部である。
【０１０７】
センサクラスタは、ねじり変形情報を決定する２つの回転エンコーダを備える。回転エンコーダは、好適には１ターンあたり2000カウント（CPT）の回転光学エンコーダである。2000CPTは0.18°の精度に相当する。回転エンコーダの１つは、ボディの近位端に直列に配置される。回転エンコーダのもう１つは、ボディの遠位端に直列に配置される。２つの回転エンコーダからの信号に基づいて、遠位端と近位端との間のねじり相対角度を決定することができる。
【０１０８】
センサクラスタは、ボディの曲げ変形情報を決定する１つまたは複数の曲げセンサを備える。曲げセンサは、ここでは、距離センサ、変位センサ、追加の回転エンコーダ等であってよい。曲げセンサは、ボディの変形を直接測定してもよく、またはボディが取り付けられている別の構成要素、例えば機械的関節の変形を測定してもよい。ボディがその長さに沿う幾つかの屈曲点（およびそれに対応してウエアラブルロボット、装具または外骨格）を備える場合、これらの屈曲点のそれぞれに、必要な曲げセンサを設けることができる。
【０１０９】
（実施例７）
装置の一実施形態
【０１１０】
図２１は、関節を作動させる装置の実施形態の概略図を示す。装置は、機械的関節（１７５）と、機械的関節（１７５）にトルクを供給するモータ（１７１）と、モータ（１７１）と機械的関節（１７５）との間に設けられ、モータ（１７１）から機械的関節（１７５）にトルクを伝達する可撓性ドライブシャフト（１７２）と、を備える。
【０１１１】
装置は、センサクラスタ（１７３ａ、１７３ｂ、１７４）をさらに備える。センサクラスタは、モータ（１７１）と可撓性ドライブシャフト（１７２）の近位端との間に直列に配置された第１回転光学エンコーダ（１７３ａ）と、可撓性ドライブシャフト（１７２）の遠位端と機械的関節との間に直列に配置された第２回転光学エンコーダ（１７３ｂ）と、曲げセンサ（１７４）と、を備える。
【０１１２】
第１および第２回転エンコーダ（１７３ａ、１７３ｂ）からの出力に基づいて、可撓性ドライブシャフトの相対ねじり角度が得ることができる。曲げセンサ（１７４）に基づいて、例えば、曲げ角度（α）または曲げ半径である、可撓性ドライブシャフトの曲げ変形情報を得ることができる。
【０１１３】
これにより、モータを胴（１７６）の背部に位置させることができる。一方、機械的関節を、上脚部（１７７）に対して下脚部（１７８）を回転させる膝機械的関節（１７５）とすることができる。
【０１１４】
可撓性ドライブシャフトの遠位端における所望の出力トルク（１８２）および可撓性ドライブシャフトのねじり相対角度および曲げ変形情報（１８４）に基づいて、可撓性ドライブシャフトの近位端における入力、好適にはモータ速度などの入力速度（１８６）を計算するために、非線形トルクモデル（１８５；図１８参照）に基づいて、モータを駆動させる。図１８の概略図は、上記の先行する説明で詳細に考察されている。トルクモデルのため、機械的関節に、可撓性ドライブシャフトの遠位端に、または機械的関節と可撓性ドライブシャフトの遠位端との間に、トルクセンサは不要である。
【０１１５】
モータを分散化し、トルクモデルに基づいてモータを駆動させることは、上述の先行する説明で述べたような利点を提供する。
【０１１６】
（実施例８）
従来のインライントルク供給との比較
【０１１７】
Maxon EC-4pole 30モータ、MasterFlex 08可撓性ドライブシャフト、２つの回転エンコーダ、およびギアボックスを備える遠隔のねじりコンプライアントアクチュエータ（RTCA：Remote and Torsionally Compliant Actuator）は、総重量が1.8kgである。0.7kgは入力モータにギアボックスを加えた組み合わせに対応する。可撓性ドライブシャフトは、可撓性シャフトの空間構成に応じて4.3〜6.22Hｚの範囲のトルク帯域幅で4〜6N.mの最大トルクを供給できる。RTCAの重量は、同様のトルク範囲の他のコンプライアントアクチュエータと同等である。しかしながらRTCAは、その重量が関節レベルに集中せずに肢に均一に分散されるため、外骨格上の質量分布を改善する。さらに、提示する出力トルク推定モデルを使用し、可撓性シャフトが、RTCAのための仮想トルクセンサに変換される。仮想トルクセンサに変換された可撓性ドライブシャフトは、実際のトルクセンサを必要とせず、位置エンコーダのみを使用して、関節レベルに供給される出力トルクを推定して制御する。実際のトルクセンサは、一般に、高価でかさばり、重く、また通常は関節の位置に配置される。そのため、トルクセンサがシステムの慣性に悪影響をも与える。
【０１１８】
遠隔作動アプローチがトルク要件に及ぼす影響を検討するために、足首関節のみを作動させるSimMechanics （MATLAB（登録商標）, The MathWorks, Inc社）を用いて下肢外骨格をシミュレートした。股関節および膝関節にヒト様の位置軌道を課した（図１３参照）。足首関節を作動させるためにRTCAを実装する場合（図１２Ｂ参照）、およびアクチュエータが足首とインラインで直接配置される従来のアプローチを使用する場合の両方において、関節を作動させるために必要なトルクを、逆ダイナミクスを用いて比較した。外骨格のサイズは身体測定データを用いて身長1.70mの人間に適合させた。大腿部で0.416m、脛部で0.418mの長さが与えられた。重量は以下のように外骨格内に分布させた。
【０１１９】
RTCAについては、モータ重量（0.7kg）を、股関節から0.1mに位置し大腿部に接続された点状質量としてモデル化した。可撓性シャフトの重量は、残余の構成要素と共に、膝関節から0.1mに位置する1.1kgの質量としてモデル化した。
【０１２０】
インラインアプローチについては、RTCAと同じ入力モータ−ギアボックスの組合せを実装するアクチュエータについて、総重量1kgを推定した。これは、重量0.7kgに加えて、コンプライアント要素（典型的にはねじりばね）および必要な補助的構成要素を含む追加重量の0.3kgである。
【０１２１】
図２３Ａおよび図２３Ｂは、シミュレーションからの結果を示す。図２３Ａおよび２３Ｂは、本発明の実施形態による遠隔のねじりコンプライアントアクチュエータ（RTCA）を使用した場合（実線）、および従来のインラインアプローチによる場合（破線）の、歩行サイクル中に足首関節アクチュエータを加速および減速するために、股関節および膝関節でそれぞれ必要とされるトルクを示す。
【０１２２】
股関節については、股関節および膝関節にヒト様の運動学的プロファイルを課すときに、足首アクチュエータを加速および減速するのに必要なピークトルクは、足首に設置した従来のアクチュエータを使用した場合の伸展の場合に2.67Nm、屈曲の場合に3.45Nmから、提案するRTCAアプローチを使用した場合の伸展の場合に2.07Nm、屈曲の場合に1.56Nmに減少する。これは、股関節において、必要な伸展トルクの22.5%、屈曲トルクの54.8%のピーク減少を意味する。膝関節については、必要なピーク伸展トルクは3.39Nmから0.89Nm（73.75%現象）に、屈曲トルクは1.32Nmから0.35Nm（73.5%）に減少する。
【０１２３】
最後に、シミュレーション結果は、RTCAを使用すると、重量がより良好に分散されるため、外骨格の自重を加速するために必要なトルクの量を大幅に低減できることを示した。結果は、足首関節の場合に、インラインの従来の作動アプローチと比較すると、股関節でのピーク要求トルクで55%、膝でのピーク要求トルクで74%の低下を示した。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【国際調査報告】
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