(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コントローラを備えている抵抗性外骨格制御システムにおいて、
前記コントローラが、
人間に結合された外骨格システムの閉ループインテグラルアドミタンスを成形することによって正の抵抗を発生させることであって、前記閉ループインテグラルアドミタンスの周波数応答の大きさが、所望の関心の周波数にわたって生まれつきの人間関節のものよりも低いことと、
前記所望の関心の周波数にわたって約ゼロの支援比を生成することであって、前記支援比は
【数１】
0006800634.tif 000045
、ただし
【数２】
0006800634.tif 000046
であるものによって定義され、Xh(jω)は人間の関節のインテグラルアドミタンスであり、Xheu(jω)は人間に結合された前記外骨格システムのインテグラルアドミタンスであること、並びに
前記正の抵抗と前記支援比とに基づいて前記外骨格システムを制御すること、
を実施するように構成されている、抵抗性外骨格制御システム。
【請求項２】
前記コントローラは、1よりも大きいゲイン余裕を有しているループ伝達関数を生成するように構成されている、請求項１に記載の抵抗性外骨格制御システム。
【請求項３】
前記コントローラは結合受動性を有する、請求項1に記載の抵抗性外骨格制御システム。
【請求項４】
前記閉ループインテグラルアドミタンスの位相は、
【数３】
0006800634.tif 000047
によって定義されている、請求項3に記載の抵抗性外骨格制御システム。
【請求項５】
前記コントローラは、
【数４】
0006800634.tif 000048
によって定義されている制御伝達関数を生成しており、ただし
【数５】
0006800634.tif 000049
、
【数６】
0006800634.tif 000050
、および
【数７】
0006800634.tif 000051
は、外骨格装置の角加速度
【数８】
0006800634.tif 000052
、角速度
【数９】
0006800634.tif 000053
、および角度
【数１０】
0006800634.tif 000054
に関するフィードバックゲインである、請求項1に記載の抵抗性外骨格制御システム。
【請求項６】
前記コントローラは前記所望の関心の周波数にわたって正の抵抗比を生成するように構成されており、前記正の抵抗比は
【数１１】
0006800634.tif 000055
、ただし
【数１２】
0006800634.tif 000056
であるものによって定義され、Xh(jω)は人間の関節のインテグラルアドミタンスであり、Xheu(jω)は人間に結合された前記外骨格システムのインテグラルアドミタンスである、請求項1に記載の抵抗性外骨格制御システム。
【請求項７】
コントローラを備えている抵抗性外骨格制御システムにおいて、
前記コントローラが、
人間に結合された外骨格システムの閉ループインテグラルアドミタンスを成形することであって、前記閉ループインテグラルアドミタンスの周波数応答の大きさは、生まれつきの人間関節のものよりも低いこと、
所望の関心の周波数にわたって約ゼロの支援比を生成することであって、前記コントローラは、安定し受動的であること、
前記所望の関心の周波数にわたって正の抵抗比を生成することであって、前記正の抵抗は
【数１３】
0006800634.tif 000057
、ただし
【数１４】
0006800634.tif 000058
であるものによって定義され、Xh(jω)は人間の関節のインテグラルアドミタンスであり、Xheu(jω)は人間に結合された前記外骨格システムのインテグラルアドミタンスであること、並びに
前記正の抵抗と前記支援比とに基づいて前記外骨格システムを制御すること、
を実施するように構成されている、抵抗性外骨格制御システム。
【請求項８】
前記コントローラは、1よりも大きいゲイン余裕を有しているループ伝達関数を生成するように構成されている、請求項7に記載の抵抗性外骨格制御システム。
【請求項９】
前記閉ループインテグラルアドミタンスの位相は、
【数１５】
0006800634.tif 000059
によって定義されている、請求項7に記載の抵抗性外骨格制御システム。
【請求項１０】
前記コントローラは、
【数１６】
0006800634.tif 000060
によって定義されている制御伝達関数を生成するように構成されており、
【数１７】
0006800634.tif 000061
、
【数１８】
0006800634.tif 000062
、および
【数１９】
0006800634.tif 000063
は、外骨格装置の角加速度
【数２０】
0006800634.tif 000064
、角速度
【数２１】
0006800634.tif 000065
、および角度
【数２２】
0006800634.tif 000066
に関するフィードバックゲインである、請求項7に記載の抵抗性外骨格制御システム。
【請求項１１】
前記支援比は、
【数２３】
0006800634.tif 000067
、ただし
【数２４】
0006800634.tif 000068
であるものによって定義され、Xh(jw)は人間の関節のインテグラルアドミタンスであり、Xhem(jw)は人間に結合された前記外骨格システムのインテグラルアドミタンスである、請求項7に記載の抵抗性外骨格制御システム。
【請求項１２】
コントローラを備えている外骨格制御システムにおいて、
前記コントローラが、
所望の周波数範囲にわたって人間に結合された外骨格システムの閉ループインテグラルアドミタンスを成形することによって正の抵抗および約ゼロの支援比を発生させることであって、前記コントローラは、安定し受動的であること、
【数２５】
0006800634.tif 000069
によって定義されている制御伝達関数を生成することであって、
【数２６】
0006800634.tif 000070
、
【数２７】
0006800634.tif 000071
、および
【数２８】
0006800634.tif 000072
は、外骨格装置の角加速度
【数２９】
0006800634.tif 000073
、角速度
【数３０】
0006800634.tif 000074
、および角度
【数３１】
0006800634.tif 000075
に関するフィードバックゲインであること、並びに
前記正の抵抗と前記支援比と前記制御伝達関数とに基づいて前記外骨格システムを制御すること、
を実施するように構成されている、外骨格制御システム。
【請求項１３】
前記閉ループインテグラルアドミタンスの周波数応答の大きさは、前記所望の周波数範囲にわたって生まれつきの人間関節のものよりも低い、請求項12に記載の外骨格制御システム。
【請求項１４】
前記コントローラは、1よりも大きいゲイン余裕を有しているループ伝達関数を生成するように構成されている、請求項12に記載の外骨格制御システム。
【請求項１５】
前記閉ループインテグラルアドミタンスの位相は、
【数３２】
0006800634.tif 000076
によって定義されている、請求項12に記載の外骨格制御システム。
【請求項１６】
前記正の抵抗比は
【数３３】
0006800634.tif 000077
、ただし
【数３４】
0006800634.tif 000078
であるものによって定義され、Xh(jω)は人間の関節のインテグラルアドミタンスであり、Xheu(jω)は結合された人間外骨格システムのインテグラルアドミタンスである、請求項12に記載の外骨格制御システム。
【請求項１７】
前記支援比は、
【数３５】
0006800634.tif 000079
、ただし
【数３６】
0006800634.tif 000080
であるものによって定義され、Xh(jω)は人間の関節のインテグラルアドミタンスであり、Xheu(jω)は結合された人間外骨格システムのインテグラルアドミタンスであえる、請求項12に記載の外骨格制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、一般に外骨格に関し、より詳細には、人の動作の抵抗となって結果として動作減少およびトルク増幅になる外骨格コントローラを設計するための制御設計フレームワークに関する。
【背景技術】
【０００２】
外骨格は、人体の運動学的構成と同様の運動学的構成を有することができるとともに、使用者の四肢の動きに追従する能力を有することができるウェアラブル機械装置である。パワード外骨格は、運動課題を行うときに使用者を支援する接触力を発生させるように設計することができる。従来から、外骨格に関する研究の大部分は、一般に、人間の手足の支援を提供することに重点を置いてきており、ここで、この支援は、人間が少ない労力で荷重を持ち上げ(非特許文献１)、および(非特許文献２)、より速く歩き(非特許文献３)、および(非特許文献４)、関節へのトルク支援を行う(非特許文献５)、および(非特許文献６)ことを潜在的に可能にすることができる。
【０００３】
外骨格は、人の動作に抵抗を与えるために使用することができる。人の動作に抵抗を与えることによって、外骨格は、エクササイズおよびリハビリテーションの応用に使用することができる。上体の外骨格のレジスタンストレーニングが、過去に使用されている。(非特許文献７);(非特許文献８)、および(非特許文献１０)。振戦抑制への応用に関して人の動作に抵抗を与えることができる上体の外骨格は、リハビリテーションの使用されてきた(非特許文献９)。2013年には、NASAは、X1外骨格(非特許文献１１)を導入した。X1外骨格は、支援と抵抗の両方を脚の関節に与えることが可能であり得る。X1外骨格は、宇宙空間内に滞在中に宇宙飛行士の健康を改善できるエクササイズ装置として使用することができるとともに、リハビリテーションの応用に使用することもできる。
【０００４】
外骨格の設計および実装における先の努力があっても、所望の抵抗を実現する外骨格制御パラメータを与える抵抗性外骨格の制御設計フレームワークが必要とされ続けている。したがって、上述のことを克服するシステムおよび方法を提供することが望まれている。このシステムおよび方法は、結果として得られる結合されたシステム動特性が安定的および受動的の両方であることを確実にしつつ、所望の抵抗を実現する外骨格の制御パラメータを与える抵抗性外骨格の制御設計フレームワークを提供することである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】H. KazerooniおよびR. Steger、「Berkeley lower extremity exoskeleton」、ASME J. Dyn. Syst., Meas., Control, vol. 128、14〜25ページ、2006
【非特許文献２】L. M. Mooney, E..I. Rouse, and H. M. Herr、「Autonomous exoskeleton reduces metabolic cost of human walking during load carriage」、Journal of Neuroengineering and Rehabilitation、vol, 11、no. 80、2014.
【非特許文献３】walk faster (S. LeeおよびY. Sankai、「Virtual impedance adjustment in unconstrained motion for an exoskeletal robot assisting the lower limb」、Advanced Robotics、vol. 19、no. 7、773〜795ページ、2005.)
【非特許文献４】G. S. SawickiおよびD. P. Ferris、「Mechanics and energetics of level walking with powered ankle exoskeletons」、J. Exp. Biol、vol. 211、no. Pt. 9、1402〜1413ページ、2008.
【非特許文献５】J. E. Pratt、B. T. Krupp、C. J. Morse、およびS. H. Collins、「The RoboKnee: An exoskeleton for enhancing strength and endurance during walking」、in Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation (ICRA)、2004、2430〜2435ページ
【非特許文献６】K. E. Gordon、C. R. Kinnaird、およびD. P. Ferris、「Locomotor adaptation to a soleus emg-controlled antagonistic exoskeleton」、J. Neurophysiol.、vol. 109、no. 7、1804〜1814ページ、2013.
【非特許文献７】Z. SongおよびZ. Wang、「Study on resistance training for upper-limb rehabilitation using an exoskeleton device」、in Proc. IEEE Int'l Conf Mechatronics and Automation、2013、932〜938ページ
【非特許文献８】Z. Song、S. Guo、M. Pang、S. Zhang、N. Xiao、B. Gao、およびL. Shi、「Implementation of resistance training using an upper-limb exoskeleton rehabilitation device for elbow joint」、J. Med. Bio. Engg、vol. 34、no. 2、188〜196ページ、2014
【非特許文献９】E. RoconおよびJ. L. Pons, Exoskeletons in Rehabilitation Robotics: Tremor Suppression. Springer Tracts in Advanced Robotics、2011、67〜98ページ
【非特許文献１０】T.-M. WuおよびD.-Z. Chen、「Biomechanical study of upper-limb exoskeleton for resistance training with three-dimensional motion analysis system」、J. Rehabil. Res. Dev、vol. 51、no. 1、111〜126ページ、2014
【非特許文献１１】Nasaのx1外骨格http://www_nasa.gov/offices/oct/home/feature_exoskeleton.html
【非特許文献１２】「Biomechanics and Motor Control of Human Movement」、D.A. Winter著、(4th Edition, Wiley、2009、86ページ)
【非特許文献１３】「Passive visco-elastic properties of the structures spanning the human elbow joint」、K. C. HayesおよびH. Hatze共著、(European Journal Applied Physiology、vol. 37、265-274ページ、1977)
【非特許文献１４】「Mechanics and energetics of swinging the human leg」、J. Doke、J. M. Donelan、およびA. D. Kuo共著、(Journal of Experimental Biology、vol. 208、439〜445ページ、2005)
【非特許文献１５】J. E. Colgate、「The control of dynamically interacting systems」、PhD. dissertation, Massachusetts Institute of Technology、Cambridge、MA、1988
【非特許文献１６】J. E. ColgateおよびN. Hogan、「An analysis of contact instability in terms of passive physical equivalents」、in Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation (ICRA)、1989、404〜409ページ
【非特許文献１７】「Kalman filter estimation of angular velocity and acceleration: On-line implementation」、P. Canet著、(McGill University, Montreal, Canada, Tech. Rep. TR-CIM-94-15、Nov. 1994)
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態によれば、抵抗性外骨格制御システムが開示されている。制御システムは、結合された人間外骨格システムの閉ループインテグラルアドミタンスを成形するコントローラを有し、インテグラルアドミタンスの周波数応答の大きさは、所望の関心の周波数について生まれつきの人間関節のものよりも低く、所望の関心の周波数にわたって約ゼロの支援比を発生させる。
【０００７】
一実施形態によれば、抵抗性外骨格制御システムが開示されている。抵抗性外骨格制御システムは、結合された人間外骨格システムの閉ループインテグラルアドミタンスを成形するコントローラを有し、インテグラルアドミタンスの周波数応答の大きさは、生まれつきの人間関節のものよりも低く、前記所望の関心の周波数にわたって約ゼロの支援比を生成し、コントローラは安定し受動性である。
【０００８】
一実施形態によれば、外骨格制御システムが開示されている。外骨格制御システムは、所望の周波数範囲にわたって結合された人間外骨格システムの閉ループインテグラルアドミタンスを成形することによって、正の抵抗および約ゼロの支援を発生させるコントローラを有し、このコントローラは安定し受動性である。
【０００９】
以下の説明において、類似の部分は、明細書および図面の全体を通じてそれぞれ同じ番号で記されている。図面の各図は必ずしも原寸に比例して描かれておらず、いくつかの図は、明確および簡潔のために、誇張または一般化された形態で示され得る。しかしながら、本開示自体は、好ましい使用モード、そのさらなる目的、および利点とともに、添付図面とあわせて読んだときに、例示した実施形態の以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本出願の一態様による例示的なアドミタンス成形コントローラを実装する外骨格装置の斜視図である。
【図２Ａ】本出願の一態様による硬質結合(図2A)を有する例示的な一自由度(1-DOF)結合の人間外骨格システムの代表例を示す図である。
【図２Ｂ】本出願の一態様による軟質結合(図2B)を有する例示的な一自由度(1-DOF)結合の人間外骨格システムの代表例を示す図である。
【図３】本出願の一態様による硬質結合および軟質結合を有する1-DOF結合の人間外骨格システムのための式を要約するブロック図である。
【図４Ａ】本出願の一態様による外骨格コントローラUe(s)を有する例示の結合された人間外骨格システムのブロック図である。
【図４Ｂ】本出願の一態様による外骨格コントローラUe(s)を有する例示の結合された人間外骨格システムのブロック図である。
【図５Ａ】本出願の一態様によるインテグラルアドミタンスX(s)の観点で表された1-DOF支援用外骨格の支援および抵抗の例示のグラフである。
【図５Ｂ】本出願の一態様による支援関数AT(ω)および抵抗関数RF(ω)の観点で表された1-DOF支援用外骨格の支援および抵抗の例示のグラフである。
【図６Ａ】本出願の一態様による結合した安定性、受動性、およびゼロ支援の制約を有する異なる所望の抵抗比Rdについての導出された制御パラメータを示す例示のグラフである。
【図６Ｂ】本出願の一態様による結合した安定性、受動性、およびゼロ支援の制約を有する異なる所望の抵抗比Rdについての導出された制御パラメータを示す例示のグラフである。
【図６Ｃ】本出願の一態様による結合した安定性、受動性、およびゼロ支援の制約を有する異なる所望の抵抗比Rdについての導出された制御パラメータを示す例示のグラフである。
【図７】本出願の一態様による結合した安定性と受動性の両方を実現する図6(a)〜図6(c)における制御パラメータについてのLheu(s)の例示的な一連のナイキスト線図である。
【図８Ａ】本出願の一態様による導出された結合された人間外骨格システムについての例示的なインテグラルアドミタンスの大きさおよび位相の図である。
【図８Ｂ】本出願の一態様による導出された結合された人間外骨格システムについての例示的なインテグラルアドミタンスの大きさおよび位相の図である。
【図９】本出願の一態様による抵抗性外骨格制御に用いられる例示的なフレームワークの例示的な機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
添付図面に関連して以下に記載されている説明は、本開示の現在好ましい実施形態の説明とされるものであり、本開示が構築および/または利用され得る形態だけを表すものではない。本明細書は、例示的な実施形態に関連して本開示を構築するおよび動作させるための機能およびステップのシーケンスを記載する。しかしながら、同一または等価な機能およびシーケンスは、本開示の趣旨および範囲内に包含されることがやはり意図される異なる実施形態によって達成されてもよいことを理解されたい。
【００１２】
本開示の各実施形態は、人間の関節動作に抵抗を与えることができる抵抗性外骨格コントローラを設計するための制御設計フレームワークを与える。外骨格コントローラに関連した抵抗は、通常の人間の手足のものよりも低い結合された人間外骨格システムのインテグラルアドミタンスの周波数応答の大きさのプロファイルの減少として定義することができる。コントローラがインピーダンスを増大させるとともに結合された人間の外骨格関節のアドミタンスを減少させる場合、外骨格コントローラは抵抗性であり得る。抵抗性外骨格コントローラは、動作減少という結果になり得るものであり、すなわち、関節動作振幅は、同じ関節トルクプロファイルについて低くなり得、トルク増幅、すなわち、同じ関節動作を実現するために必要とされる関節トルク振幅は、より大きくなり得る。
【００１３】
本制御設計フレームワークは、システムアドミタンスが減少することができるように結合されたシステム関節動特性を修正することができる。より正確には、結合された関節動特性は、結合されたシステムインテグラルアドミタンス(トルクと角度の関係)の周波数応答の大きさのプロファイルによって特徴付けることができ、抵抗は、結合されたシステムのインテグラルアドミタンスの周波数応答の大きさのプロファイルが、関心の周波数全てについて生まれつきの人間関節のものよりも低いものであり得るときに実現され得る。抵抗性制御設計フレームワークは、結合されたシステムが所望の抵抗を実現しつつ安定し受動的であることを確実にすることができる外骨格制御パラメータを与えることができる。本制御設計フレームワークは、結合した安定性および受動性の制約を満足させつつ所望の抵抗を実現する外骨格制御パラメータを見つける目的で、条件付き最適化問題として明確に述べることができる。
【００１４】
本制御設計フレームワークは、レジスタンストレーニングのためにリハビリテーション応用において使用することができる抵抗性外骨格を与えることができるとともに、肉体エクササイズおよび筋肉増強のために病的でない人間によって使用することができる。制御設計フレームワークの各実施形態は、単一の外骨格装置が増加したウェイト、増加したダンピング(砂浜または水の中における歩行)、増加した剛性(登り坂の歩行)、それらの任意の組み合わせを伴う異なる肉体トレーニング条件を模倣することを可能にすることができる。したがって、肉体トレーニングのために異なる条件または位置へ移動する代わりに、人間の被験者は、被験者が選択する単一の位置における異なる条件を模倣するために単一の装置を使用することができる。
【００１５】
制御設計フレームワークの各実施形態は、支援を与えるとともに抵抗を避ける外骨格コントローラを設計するように修正されてもよい。一部の周波数において支援するとともに一部の他の周波数において抵抗を与えるコントローラが、開示したフレームワークを用いて設計することもできる。開示した結合されたシステムのインテグラルアドミタンスの応答曲線の形状は、人間の手足について様々な異なる所望の動的応答を実現するように成形することができる。
【００１６】
一自由度(1-DOF)外骨格についてのフレームワークが本明細書中に開示されているが、新規なフレームワークの各実施形態は、多自由度(DOF)外骨格へ拡張することができることに留意されたい。開示したフレームワークは、全身用の肉体トレーニングに役立つことができる関節ごとに抵抗性コントローラを備えた全身外骨格装置と同様に、下肢外骨格に限定されず、上肢外骨格へ拡張することができる。開示したフレームワークは、関節レベル抵抗の代わりに仕事レベル抵抗へ拡張することができる。例えば、外骨格コントローラは、股、膝、および足首の(関節レベル出力)関節動作に抵抗を与えるにではなく、足の動作(仕事レベル出力)に抵抗を与えるように設計することもできる。
【００１７】
解析に使用される結合された人間外骨格システムのシステムパラメータ、および例示的な本開示の各実施形態に提示される実験結果は、以下に示されるTable 1(表1)において見ることができる。人間の手足のデータは、人間の脚に対応し、その重量は約65kg、高さは約1.65mであり得る。例示的な本開示の各実施形態において、膝は、ロックされていると仮定することができ、全てのパラメータは、股関節について計算することができる。慣性モーメントIhは、非特許文献１２に与えられた死体データから得ることができ、人間の体重および高さへ一定率で決められ得る。関節ダンピング係数は、非特許文献１３から得ることができ、関節剛性係数は、kh=Ihω2nhを用いて得ることができ、ただし、固有周波数ωnhは、非特許文献１４から得ることができる。
【００１８】
【表１】
0006800634.tif 000002
【００１９】
Table 1(表1)に挙げられた外骨格パラメータは、図1に示された1-DOFの股外骨格に関してシステム同定実験から得ることができ、これは、以下により詳細に説明される。Table 1(表1)に挙げられた結合パラメータは、外骨格慣性Ieを有する結合パラメータの二次動特性は、減衰比ζc=1および固有周波数ωnc=100ωnhを有することができ、ただし、ωnhは人間の手足の固有周波数であると仮定することによって得ることができる。
【００２０】
次に、図を参照すると、図1は、本発明の実施形態による歩幅管理支援(SMA:Stride Management Assist)外骨格装置10の一実施形態を示す。SMA装置10は、2つの1-DOF股関節12を有することができる。図示の本実施形態では、胴のサポート14が、より大きいダンピングを与えるとともに振動を減少させるために、SMA装置10へ追加することができる。外骨格と人間の手足16との間の結合は、外骨格10の性能を決定する際に重要な役割を果たすことができ、この結合は、図2A〜図2Bおよび図3に示されるような硬質18または軟質20のいずれかであり得る。図2Aに示されたように硬質結合18の場合には、人間の手足16と外骨格10との間の相対運動はない可能性があるのに対して、図2Bにおける軟質結合20の場合には、人間の手足16および外骨格10は、互いに相対移動することができる。膝に取り付けられた外骨格の実際の実装では、骨と外骨格装置の間の筋肉、皮膚組織、脂肪層、および他の体物質による軟質結合が存在し得る。軟質結合は、図3に示されるように、係数kcを有する線形ねじりばねと係数bcを有する線形ねじりダンパーとを備えた実施形態においてモデル化することができる。
【００２１】
図3に示されるように、軟質結合を有する結合された人間外骨格システムは、以下の式1に示されるような人間の関節動特性および式2における外骨格を表すために、二次線形モデルを用いてモデル化することができる。1-DOFの人間の関節の慣性モーメント、関節ダンピング、および関節剛性は、それぞれIh、bh、khによって与えることができ、外骨格のそれは、{ie、be、ke}によって与えることができる。結合ダンピング係数および剛性係数は、それぞれbe、keによって与えることができる。
【００２２】
本開示の例示的な実施形態の分離された1-DOFの人間の関節の動作の線形の式は、
【００２３】
【数１】
0006800634.tif 000003
【００２４】
によって与えることができ、ここで、θh(t)は関節角度の軌跡であり、Ih、bh、khはそれぞれ関連した慣性モーメント、関節ダンピング係数、および関節剛性係数であり、τh(t)は関節トルクの軌跡である。剛性の項khθh(t)は、線形重力項を含み得る。同様に、分離された1-DOFの外骨格動作の線形の式は、
【００２５】
【数２】
0006800634.tif 000004
【００２６】
によって与えることができ、ここで、θh(t)は関節角度の軌跡であり、ie、be、keはそれぞれ関連した慣性モーメント、関節ダンピング係数、および関節剛性係数であり、τh(t)は関節トルクの軌跡である。
【００２７】
軟質結合を有する結合された人間外骨格システムの動作の線形の式は、
【００２８】
【数３】
0006800634.tif 000005
【００２９】
によって与えることができ、ここで、τcは、
【００３０】
【数４】
0006800634.tif 000006
【００３１】
によって与えることができる結合関節トルクである。
【００３２】
式(1)における線形の人間の関節動特性については、インピーダンス(N. Hogan and S. O. Buerger, Impedance and Interaction Control, Robotics and Automation Handbook. CRC Press, LLC., 2005, ch. 19)伝達関数Zh(s)は、
【００３３】
【数５】
0006800634.tif 000007
【００３４】
によって与えることができ、アドミタンス(N. Hogan and S. a Fuerger, Impedance and Interaction Control, Robotics and Automation Handbook. CRC Press, LLC., 2005, ch. 19)伝達関数Yh(s)は、
【００３５】
【数６】
0006800634.tif 000008
【００３６】
によって与えることができ、ここで、Ωh(s)は
【００３７】
【数７】
0006800634.tif 000009
【００３８】
のラプラス変換であり、τh(s)はτh(t)のラプラス変換である。線形システムについて、そのインピーダンスは、式6〜式7においてわかるように、そのアドミタンスの逆数とすることができ、逆の場合も同様である。
【００３９】
インテグラルアドミタンス伝達関数Xh(s)は、アドミタンス伝達関数の積分として定義することができ、
【００４０】
【数８】
0006800634.tif 000010
【００４１】
によって与えることができ、ここで、Θh(s)は、θh(t)のラプラス変換である。アドミタンスYh(s)はトルクを角速度へマップし、一方、インテグラルアドミタンスXh(s)はトルクを角度へマップする。インテグラルアドミタンスは、本開示のさらなる章において広範に使用され得る。
【００４２】
本開示に説明された各実施形態では、人間の関節、外骨格、および結合要素は、3つの分離されたシステムとして扱うことができ、それらの対応するインピーダンス伝達関数およびアドミタンス伝達関数は、以下の通り記述することができる。分離された人間の関節のアドミタンス伝達関数Yh(s)は式7によって与えることができ、一方、分離された外骨格のアドミタンス伝達関数Ye(s)は、
【００４３】
【数９】
0006800634.tif 000011
【００４４】
によって与えることができ、分離された結合要素のインピーダンス伝達関数Ze(s)は、
【００４５】
【数１０】
0006800634.tif 000012
【００４６】
によって与えることができ、ただし、Ωe(s)=Ωh(s)-Ωe(s)は結合要素の角速度のラプラス変換である。
【００４７】
本明細書中に開示されるように、外骨格コントローラは、結合されたシステム関節動特性、すなわち、結合された人間外骨格システムの関節インピーダンス、アドミタンス、およびインテグラルアドミタンスを修正するように設計することができる。以下のものは、外骨格コントローラを有する結合された人間外骨格システムの閉ループ動特性の一実施形態の微分であり、結合した安定性および受動性の条件を提示する。
【００４８】
外骨格関節角速度伝達関数Ωe(s)をフィードバックする任意の外骨格制御伝達関数Ue(s)については、閉ループ結合された人間外骨格システムは、図4Aにブロック図として表すことができる。以下に提示した解析は、任意の一般的な外骨格コントローラUe(s),に適用可能であり得、本開示に使用される特定の外骨格制御構造は、以下に見ることができる。
【００４９】
Ze(s)、Ye(s)、およびUe(s)を含む図4Aにおけるアウトライン領域22は、単一の伝達関数Zceu(s)へ減少させることができ、図4Bに示されるように、この伝達関数Zceu(s)は、
【００５０】
【数１１】
0006800634.tif 000013
【００５１】
によって与えることができ、ここで、Yeu(s)は、
【００５２】
【数１２】
0006800634.tif 000014
【００５３】
によって与えることができる。
【００５４】
図4Bに示されたフィードバックシステムの安定性を評価するのに必要であり得るループ伝達関数Lheu(s)は、
Lheu(s)=Yh(s)Zeus(s)、(13)
によって与えることができ、フィードバックシステムゲイン余裕GMは、
【００５５】
【数１３】
0006800634.tif 000015
【００５６】
によって与えることができ、ただし、ωcは、heu(s)の位相が180°であるときの位相交差周波数、すなわち、
【００５７】
【数１４】
0006800634.tif 000016
【００５８】
である。ゲイン余裕GM(Lheu)は、閉ループシステムが不安定になるときを超える最大の正のゲインを与えることができる。したがって、図4Bに示された結合された人間外骨格システムが安定であるために、以下の条件、
GM(Lheu)>1  (15)
が満足されることが一般に必要であり得る。
【００５９】
図4Bから、外骨格コントローラUe(s)を有する結合された人間外骨格システムの全閉ループアドミタンスYheu(s)は、
【００６０】
【数１５】
0006800634.tif 000017
【００６１】
によって与えることができ、結合された人間外骨格システムの対応する閉ループインテグラルアドミタンスXheu(s)は、
【００６２】
【数１６】
0006800634.tif 000018
【００６３】
によって与えることができ、ただし、式8に示されるようにXh(s)=Yh(s)/sである。生まれつきの人間関節の二次の動特性は式1に示すことができ、一方、式3〜式5に示された結合された人間の外骨格関節の動特性は四次であることに留意されたい。しかしながら、高い結合剛性およびダンピングに関しては、結合されたシステム動特性は、主として二次であり得る。閉ループ結合システムの次数は、外骨格コントローラUe(s)の次数に依存し得る。
【００６４】
結合した安定性に加えて、動的相互作用システムにとって重要な要件は、結合受動性であり得る(非特許文献１５)。結合受動性は、結合された人間外骨格システムが、任意の受動環境に接触したときに、不安定にならないことを確実にすることができる(非特許文献１６)。線形時不変システムは、インピーダンス伝達関数Z(s)が以下の条件、すなわち、
1)Z(s)が、複素平面の右手半分に極を有さず、
2)Z(s)が、前記複素の右手半分に全体的にあるナイキスト図を有する
ことを満足するときに、受動的と言われ得る(非特許文献１５)。第1の条件は、一般に、安定しているZ(s)を要求し、一方、第2の条件は、一般に、全ての周波数についてZ(s)の位相が-90°から90°の内にあることを要求し(非特許文献１５)、すなわち、
【００６５】
【数１７】
0006800634.tif 000019
【００６６】
である。これは、ひいてはシステムアドミタンスの位相
【００６７】
【数１８】
0006800634.tif 000020
【００６８】
、およびシステムインテグラルアドミタンスの位相
【００６９】
【数１９】
0006800634.tif 000021
【００７０】
であることを実現することができる。
【００７１】
したがって、式15を満足する安定した結合された人間外骨格システムが受動的であるために、以下の条件、
【００７２】
【数２０】
0006800634.tif 000022
【００７３】
を満足することが必要であり得る。
【００７４】
1-DOFの人間の関節動作が抵抗を受けることができるように式17における結合された人間外骨格システムの閉ループインテグラルアドミタンスXheu(s)の周波数応答の大きさを成形することができる新規な制御設計フレームワークは、以下に開示され得る。このフレームワークでは、インテグラルアドミタンスプロファイルを成形するように、一方、位相が結合されたシステムの受動性を評価するために使用され得るように、大きさが選ばれ得る。
【００７５】
|Xheu(jω)|の形状を設計するために、外骨格の目標が、定義されることが必要とされ得る。例示的な実施形態では、目標は、抵抗を与えるとともに支援を避けることであり得る。抵抗を与えるとともに支援を避ける|Xheu(jω)|の形状を定めるために、抵抗および支援は、明確で定量的なやり方で定められることが必要であり得る。以下、インテグラルアドミタンスの周波数応答の大きさを用いた抵抗および支援の概念的および定量的な定義を提示し、それに続いて、抵抗性外骨格の所望の特性、および結合した安定性および受動性を保証しつつ所望の抵抗が実現されるように閉ループインテグラルアドミタンスを成形する条件付き最適化公式の説明を示す。
【００７６】
抵抗および支援の以下の定義は、本開示の各実施形態による使用であり得る。定義1:本開示の例示的な実施形態において、1-DOFの人間の関節は、結合された人間外骨格システムのインテグラルアドミタンスの周波数応答の大きさが、関心の周波数全てについて生まれつきの人間のものよりも低い場合、すなわち、|Xheu(jω)|<|Xh(jω)|である場合、外骨格によって「抵抗を受ける」と言われ得る。∀ω∈[0,ωf]であり、ただし、ωfは関心の周波数の上限である。関節が定義1のように抵抗を受けるとき、同じ関節トルクは、生まれつきの関節の振幅よりも小さい振幅を有する関節動作をもたらすことができ、動作減少と呼ばれる。一方、同じ関節動作は、振幅が生まれつきの関節に要求される振幅よりも大きいトルクプロファイルで抵抗を受けた関節において実現することができる。これは、トルク増幅と呼ばれ得る。
【００７７】
定義2:結合された人間外骨格システムのインテグラルアドミタンスの周波数応答の大きさが関心の周波数全てについて生まれつきの人間のものよりも大きい場合、すなわち、|Xheu(jω)|>|Xh(jω)|、∀ω∈[0,ωf]である場合、1-DOFの人間の関節は、外骨格によって支援を受けると言われ得る。抵抗から生じる動作減少およびトルク増幅と同様に、支援は、それらの反対の効果、すなわち、動作増幅およびトルク減少をもたらすことができる。
【００７８】
図5Aおよび図5Bでわかるように、1-DOF支援用外骨格の支援および抵抗の線図は、(a)インテグラルアドミタンスX(s)、ならびに(b)支援関数AF(ω)および抵抗RF(ω)の観点で表されている。生まれつきの人間関節のインテグラルアドミタンスの周波数応答の大きさは、|Xh(jω)|によって示すことができ、結合された人間外骨格システムの閉ループインテグラルアドミタンスの周波数応答の大きさは、|Xheu(jω)|によって示すことができる。
【００７９】
図5Aに示されるように、Table 1(表1)に挙げられているパラメータを有する生まれつきの人間および仮定の結合された人間外骨格システムの周波数応答の大きさの線図を見ることができる。上記定義1および2のように、領域Iは、抵抗が存在する周波数、すなわち、|Xheu(jω)|<|Xh(jω)|を表すことができ、領域IIは、支援が存在する周波数、すなわち、|Xheu(jω)|>|Xh(jω)|を表すことができる。
【００８０】
図5Bは、周波数ωごとに、外骨格の挙動は、抵抗性または支援用のいずれかであり得ることを示す。この観察に基づいて、抵抗関数RF(ω)は、以下の通り、
【００８１】
【数２１】
0006800634.tif 000023
【００８２】
と定義することができ、支援関数AF(ω)は、以下のように、
【００８３】
【数２２】
0006800634.tif 000024
【００８４】
と定義することができる。任意の周波数ωにおいて、抵抗関数RF(ω)∈[0,1]であり、支援関数AF(ω)∈[0,∞]である。結合された人間の外骨格関節の動特性が生まれつきの人間関節の動特性と同一であり得るとき、すなわち、|Xheu(jω)|=|Xh(jω)|であるとき、RF(ω)=AF(ω)=0,∀ωである。上限RF(ω)=1は|Xheu(jω)|=0のときに実現され、上限AF(ω)=∞は|Xheu(jω)|=1のときに実現することができる。これらの両方の場合が数学的に有効であるが、これらの場合は一般的に現実的でない。
【００８５】
特定の本開示の各実施形態では、図5Aから見ることができるように、外骨格は単一の関節について任意の特定の周波数ωにおいて抵抗を与えるだけまたは支援するだけであり得ることに留意することが重要であり得る。抵抗関数RF(ω)および支援関数AF(ω)を用いて、1-DOF支援用外骨格の抵抗および支援、すなわち抵抗比および支援比について、以下の定量的な測定規準を定義することができる。
【００８６】
定義3:抵抗比Rは、周波数範囲[0,ωf]にわたって抵抗関数RF(ω)の平均値として定義することができ、
【００８７】
【数２３】
0006800634.tif 000025
【００８８】
によって与えることができる。
【００８９】
定義4:支援比Aは、周波数範囲[0,ωf]にわたって支援関数F(ω)の平均値として定義することができ、
【００９０】
【数２４】
0006800634.tif 000026
【００９１】
によって与えることができる。
【００９２】
抵抗および支援関数と同様に、抵抗比R∈[0,1]であり、支援比A∈[0,∞]である。上述したように、上限R=1およびA=∞は、∀ωでそれぞれ|Xheu(jω)|=∞および|Xa(jω)|=0である場合にのみ実現することができる。これらの限界は、数学的に有効であり得るが、これらの限界は任意の適切なインテグラルアドミタンス伝達関数について現実的ではあり得ない。抵抗および支援の上記定義に関しては、以下の章は、抵抗性外骨格の所望の特性の実施形態を列挙することができる。
【００９３】
抵抗性外骨格の各実施形態の目的は、いずれの動作も支援しないまま、任意の人の動作に抵抗を与えることであり得る。しかしながら、結合された人間外骨格システムがやはり安定であることを確実にすることが極めて重要であり得る。さらに、非特許文献１５に定められているような結合受動性は、結合された人間外骨格システムが任意の受動的環境と相互作用するときでも、結合受動性が安定性を保証することができるので、本質的でもあり得る。
【００９４】
したがって、1-DOF抵抗性外骨格の必要な所望の特性は、以下の通りに挙げることができる。
1)  結合した安定性、すなわち、GM(Lheu)>1 (式15)、
2)  結合受動性、すなわち、
【００９５】
【数２５】
0006800634.tif 000027
【００９６】
3)  正の抵抗、すなわち、R>0 (式21)、および
4)  支援なし、すなわち、A=0 (式22)
上記特性は、1-DOF抵抗性外骨格の必要な所望の特性であり得る。しかしながら、より多くの特性が、外骨格実装の仕事および所望の目標に応じてリストに加えてられてもよい。
【００９７】
前述の章は、抵抗を評価するために測定規準を与え、抵抗性外骨格の所望の特性を列挙することができた。ここでは、これらの測定規準に基づいて結合された人間外骨格システムの閉ループインテグラルアドミタンスを成形する外骨格コントローラUe(s)についての設計の実施形態は、以下に開示され得る。
【００９８】
τe(t)についての任意の外骨格の制御法則は、式4によって与えられる外骨格動特性を与えることができ、したがって所望の外骨格の動特性が与えられ、対応するコントローラを得ることができる。所望の外骨格の動特性が、所望の慣性モーメント
【００９９】
【数２６】
0006800634.tif 000028
【０１００】
、所望の関節ダンピング係数
【０１０１】
【数２７】
0006800634.tif 000029
【０１０２】
、および所望の関節剛性係数
【０１０３】
【数２８】
0006800634.tif 000030
【０１０４】
によって与えることができる場合、所望の外骨格の動特性を実現するために必要とされる外骨格トルクτeは、
【０１０５】
【数２９】
0006800634.tif 000031
【０１０６】
によって与えることができる。
【０１０７】
式23の制御法則が式2の外骨格の動特性を、必要であれば、
【０１０８】
【数３０】
0006800634.tif 000032
【０１０９】
のように減少させることができることは容易に立証することができる。角速度Ωe(s)をフィードバックする式23の制御法則に対応する外骨格コントローラUe(s)は、
【０１１０】
【数３１】
0006800634.tif 000033
【０１１１】
によって与えることができ、ただし、
【０１１２】
【数３２】
0006800634.tif 000034
【０１１３】
である。
【０１１４】
【数３３】
0006800634.tif 000035
【０１１５】
および
【０１１６】
【数３４】
0006800634.tif 000036
【０１１７】
は、それぞれ角加速度
【０１１８】
【数３５】
0006800634.tif 000037
【０１１９】
、角速度
【０１２０】
【数３６】
0006800634.tif 000038
【０１２１】
、および角度θeに関するフィードバックゲインである。
【０１２２】
式25に示された制御伝達関数Ue(s)は、3つの制御パラメータ、すなわち、Kθ、Kω、およびKαによって特徴付けることができる。これらのパラメータは、閉ループインテグラルアドミタンスXheu(s)に影響を及ぼす可能性があり、それらは、閉ループインテグラルアドミタンスXheu(s)の周波数応答の大きさが、所望の抵抗Rdが実現されるように成形され得るように選択することができる。
【０１２３】
所望の抵抗比Rdの場合、式17における1-DOFの結合された人間外骨格システムの制御パラメータの最適なセットは、以下の条件付き最適化問題、すなわち、
【０１２４】
【数３７】
0006800634.tif 000039
【０１２５】
を用いて得ることができる。
【０１２６】
図6A〜図6Cは、結合した安定性、受動性、および支援制約ゼロに関して、異なる所望の抵抗比Rdについて得られた最適な制御パラメータを示す。何ら抵抗性制御を受けない受動性外骨格は、抵抗比R-0.0177ですでに得られており、したがって図6における最適な結果は、所望の抵抗比Rd≧0.02に概して対応する。
【０１２７】
図7は、結合した安定性と受動性を共に実現する図6に示した最適制御パラメータの一部に対応する一組のナイキスト線図Lheu(s)を示す。ナイキスト線図のいずれも、-1+j0を一周せず、安定した結合された人間外骨格システムを示す。得られた結合された人間外骨格システムの一部のインテグラルアドミタンスの大きさおよび位相プロットは、図8(a)および図8(b)に示され得る。位相線図が示されている結合されたシステムは、式18の受動性条件、すなわち、∀ωにおいて、
【０１２８】
【数３８】
0006800634.tif 000040
【０１２９】
を満足することが図8(b)から分かり得る。したがって、結合された人間外骨格システムのこれらの実施形態は、インテグラルアドミタンスの大きさ|Xheu(jω)|を有する図8(a)、およびインテグラルアドミタンス位相
【０１３０】
【数３９】
0006800634.tif 000041
【０１３１】
を有する図8(b)について結合した安定性および受動性を実現する最適な制御パラメータを有する。
【０１３２】
図9は、式26からの最適パラメータを用いて抵抗性外骨格コントローラを実行する制御フレームワークの一実施形態の機能ブロック図である。図9に示されるように、カルマンフィルタは、式25の制御法則を実装するために必要であり得る外骨格の関節角度
【０１３３】
【数４０】
0006800634.tif 000042
【０１３４】
、角速度
【０１３５】
【数４１】
0006800634.tif 000043
【０１３６】
、および角加速度
【０１３７】
【数４２】
0006800634.tif 000044
【０１３８】
を評価するために使用することができる。オンラインカルマンフィルタの実装は、非特許文献１７に見い出されるフィルタモデルに基づくことができる。
【０１３９】
本開示の各実施形態を様々な特定の実施形態の観点で説明してきたが、当業者は、本開示の各実施形態は特許請求の範囲の趣旨および範囲内で修正を実践することができることを認識されよう。
【符号の説明】
【０１４０】
10  歩幅管理支援(SMA)外骨格装置、SMA装置、外骨格
12  1-DOFの股関節
14  胴のサポート
16  人間の手足
18  硬質結合
20  軟質結合
【図１】
0006800634.tif 000081
【図２Ａ】
0006800634.tif 000082
【図２Ｂ】
0006800634.tif 000083
【図３】
0006800634.tif 000084
【図４Ａ】
0006800634.tif 000085
【図４Ｂ】
0006800634.tif 000086
【図５Ａ】
0006800634.tif 000087
【図５Ｂ】
0006800634.tif 000088
【図６Ａ】
0006800634.tif 000089
【図６Ｂ】
0006800634.tif 000090
【図６Ｃ】
0006800634.tif 000091
【図７】
0006800634.tif 000092
【図８Ａ】
0006800634.tif 000093
【図８Ｂ】
0006800634.tif 000094
【図９】
0006800634.tif 000095