专利名称：腿辅助装置的制作方法开发了对关节施加转矩来辅助用户的动作的辅助装置。在这样的辅助装置中，强化健康者的肌肉力量的装置有时俗称为动力外骨骼。辅助肌肉力量衰退的用户、或者关节无法自由活动的用户的肌肉力量的装置有时俗称动作辅助装置。关于动作辅助装置，尤其是与辅助行走动作等腿的肌肉力量的装置有关的研究正积极地进行。在本说明书中，将辅助腿的肌肉力量的装置称为“腿辅助装置”。腿辅助装置主要辅助使膝关节活动的肌肉力量。这样的装置典型地具有安装到用户的大腿的大腿连结体和安装到小腿的小腿连结体被连结起来的机械构造。大腿连结体和小腿连结体由具有执行器的旋转接头连结。通过驱动小腿连结体，来引导用户的小腿的摆动、即膝关节的动作。日本专利公开公报2008-006076号公报公开了具有上述的机械的构造的腿辅助装置的一例。具有上述机械的构造的腿辅助装置通过改变执行器的控制规则，能够辅助行走动作、站起动作、或者落座动作。本说明书公开的技术提供具有用于辅助站起动作的控制规则的腿辅助装置。日本专利公开公报2009-060946号公开了辅助站起动作的腿辅助装置的一例。
发明所要解决的问题一般来说，使机器人的连结体活动的执行器的控制有角度控制(位置控制)和转矩控制(力控制)这两类。在角度控制中，连结体的角度被赋予目标值。在转矩控制中，连结体应输出的转矩被赋予目标值。控制器控制执行器，以使连结体的角度或者输出转矩与被赋予的目标值一致。在角度控制的情况下，连结体的角度与目标角一致。此时，执行器的输出转矩依赖施加给连结体(关节)的负荷而变化。在转矩控制的情况下，关节(执行器) 的输出转矩与目标转矩一致。此时，连结体的角度根据目标转矩(输出转矩)与负荷的平衡而确定。S卩，连结体的角度依赖负荷而变化。这样，角度控制能够确定连结体的角度，但是输出转矩变得不固定。相反地，转矩控制能够确定连结体的输出转矩，但是连结体的角度变得不固定。另外，在机器人的技术领域中，已知有与连结体的角度一起对刚性赋予目标值的柔性控制。在柔性控制的情况下，“刚性”相当于规定所实现的连结体角度与连结体输出转矩之间的关系的参数。在采用柔性控制的情况下，根据施加给连结体的负荷来确定距目标角的偏差和连结体输出的转矩。即，采用了柔性控制的控制器调整连结体的角度，以使偏差和输出转矩的关系满足由既定的“刚性”确定的关系。在辅助站起动作的辅助装置的情况下，作为使小腿连结体旋转的执行器的控制，角度控制、转矩控制、以及柔性控制中的任一控制均有不良情况。在角度控制的情况下，控制器按照预先确定的目标轨迹使小腿连结体旋转。因此，在采用角度控制的情况下，腿辅助装置不管用户的状态如何均开始旋转小腿连结体。另外，“目标轨迹”意味着目标角(或者目标转矩)的时序数据。在转矩控制以及柔性控制的情况下，如上所述，小腿连结体的角度不确定。本说明书提供具有适于辅助站起动作的控制规则的腿辅助装置。用于解决问题的手段本说明书公开的技术提供加强用户站起时的腿的肌肉力量的腿辅助装置。腿辅助装置的机械的构造如上所述包括大腿连结体、小腿连结体、旋转接头、以及控制器。大腿连结体被安装到用户的大腿上，所述小腿连结体被安装到用户的小腿上。旋转接头将小腿连结体可旋转地连结在大腿连结体上。并且，旋转接头包括使小腿连结体旋转的执行器。控制器具有基于小腿连结体的旋转角与目标角的偏差来计算出对执行器的指令转矩的反馈控制模块，并且控制执行器以使小腿连结体的旋转角与目标角一致。在本说明书公开的新腿辅助装置的一个方式中，控制器还包括限制指令转矩的大小的转矩限制器。转矩限制器将被输入的指令转矩限制在上限转矩以下。控制器将目标角设定为与用户的站立姿势对应的站立角，并且随着用户的腰部高度变高而增加转矩限制器的上限值(上限转矩)。上述的腿辅助装置包括反馈控制模块，所述反馈控制模块控制执行器以减小小腿连结体的旋转角与目标角的偏差，上述的腿辅助装置基本上通过角度控制来控制小腿连结体的角度。目标角被设定为相当于站立姿势的、小腿连结体的旋转角(站立角)。站立角本质上相当于大腿连结体和小腿连结体在直线上排列时的小腿连结体的角度。另外，以下有时将小腿连结体的实际的旋转角称为测定角。上述的腿辅助装置基本上采用了角度控制，但是执行器输出的转矩被转矩限制器限制。控制器随着腰部高度变高而增加上限转矩。在腰部高度低的期间，即使目标角与与测定角的偏差大，也通过上限转矩限制输出转矩。腰部高度低时的上限转矩被设定为不足以支承用户的体重的大小。因此，在腰部高度低的期间，如果用户不使出肌肉力量，则腰不能上升。因此，在腰部高度低的期间，腿辅助装置不能随意开始动作。即，在站起动作的开始、以及从开始后短暂的期间，用户能够主导站起动作。随着腰部高度变高，上限转矩增大。因此，腿辅助装置的输出转矩与偏差成比例。 即，一旦腰部高度变高，则角度控制可主导站起动作。因此，腿辅助装置能够可靠地引导用户至站立。这样，本说明书公开的腿辅助装置在开始时将站起动作的主动权交给用户。然后，该腿辅助装置在腰部高度变高时取得动作的主动权，并可靠地引导用户至站立。通过根据腰部高度来改变上限转矩，由此控制器在腰部高度低时实质上作为转矩控制发挥功能，一旦腰部高度变高，则顺畅地变换为角度控制。该腿辅助装置实现了根据腰部高度从转矩控制顺畅地变换为角度控制的控制规则。通过这样的控制规则，该腿辅助装置允许用户决定开始站起的时机，并且能够可靠地引导至站立姿势。腰的高度对应于膝关节角。因此，腿辅助装置作为测定腰的高度的传感器，实际上可以采用测定膝关节角(小腿连结体的旋转角)的角度传感器。这里，膝关节角被定义为膝里侧中的大腿与小腿所成的角度。根据这样的定义，在站起来的同时，膝关节角变大。根据这样的定义，“随着用户的腰部高度变高而增加转矩限制器的上限值”相当于“随着膝关节角变大而增加转矩限制器的上限值”。另外，腰的高度也对应于相对于铅垂方向的用户的大腿绕俯仰轴的倾斜角。因此， 腿辅助装置作为测定腰的高度的传感器，实际上可以采用测定相对于铅垂方向的大腿绕俯仰轴的倾斜角的传感器。因此，换言之，“随着用户的腰部高度变高而增加转矩限制器的上限值”相当于“随着相对于铅垂方向的大腿绕俯仰轴的倾斜角变小而增加转矩限制器的上限值”。当然，腿辅助装置作为测定腰部高度的传感器，也可以采用测定腰与地面(或椅子的座面)之间的距离的距离传感器。本说明书的腿辅助装置具有的控制规则在腰部高度低时与转矩控制实质上等价， 在腰部高度高时与角度控制本质上等价。该腿辅助装置的控制规则随着腰的上升而从转矩控制顺畅地变换为角度控制。采用了这样的控制规则的腿辅助装置可以顺畅地辅助用户的站起动作。图I表示腿辅助装置的示意性的立体图；图2表示腿辅助装置的控制系统的框图；图3A是表示坐下姿势的图；图3B是表不站起中途的姿势的图；图3C是表示站立姿势的图；图4是表示转矩限制器的确定的座标图；图5是控制系统的流程图；图6是控制系统的流程图(接续)；图7是表示其他的转矩限制器的特性的座标图；图8是表示又一其他的转矩限制器的特性的座标图。
8始站起辅助控制后的经过时间。接着，控制器30将相当于站立姿势的小腿连结体50的旋转角(站立角As3)设定为目标角Ar (S4)。如图3C所示，站立角相当于用户变成了站立姿势时的小腿连结体50的旋转角，大概是180度。接着，控制器30通过角度传感器43获取小腿连结体50的旋转角As (S6)。控制器 30基于图4所示的座标图的关系，根据旋转角As来调整上限转矩Tmax(SS)。控制器30对目标角Ar和旋转角As的偏差应用PID控制规则，计算出目标转矩Tr (S9)。这里，控制器 30(转矩限制器34)通过上限转矩Tmax限制目标转矩Tr。被限制的目标转矩相当于指令转矩T。。控制器30向执行器42输出被上限转矩Tmax限制的指令转矩Tc(SlO)。马达42 输出相当于指令转矩T。的转矩。输出转矩被施加给膝关节，辅助用户的站起动作。控制器30反复进行从步骤S6到SlO的处理，直到旋转角As与目标角Ar —致。一旦旋转角As与目标角Ar (站立角As3) —致，则结束控制(S12 :是)。另外，需要注意的是， 如上所述，随着旋转角As变大(随着腰部高度变高)，上限转矩Tmax增加。从用于站起辅助的控制开始经过的时间Tm未达到第一既定时间Tml的期间，反复进行从步骤S6到S12的处理(S14 :否)。当经过时间Tm即使超过第一既定时间Tml而旋转角As也未达到目标角Ar时(S14 :是)，处理转移到步骤S16 (参照图6)。在步骤S16中，控制器30检查经过时间Tm是否超过第二既定时间Tm2。当未超过第二既定时间Tm2时，将I. 5代入到与上限转矩相乘的系数(S18)。然后，返回到步骤S6。 “与上限转矩相乘的系数”是与在步骤S8中被调整的上限转矩Tmax进一步相乘的系数。一旦步骤S16被执行，则在步骤S8中算出的上限转矩Tmax被设为I. 5倍。即，控制器30在开始站起辅助控制后在预先既定时间Tml内腰部高度未达到预先确定的阈值高度的情况下， 使转矩限制器的上限值增加。当即使经过一定时间腰也未上升时，控制器30通过该处理增加施加给用户的转矩。由于施加给用户的转矩增大，因此能够助长站起辅助。第二既定时间Tm2被设定为比第一既定时间Tml长的时间。当经过时间Tm超过了第二既定时间Tm2时(S16 :是)，控制器30控制马达42，使小腿连结体50振动少许时间 (S20)。接着，控制器30使目标角Ar逐渐减小到与坐下姿势对应的旋转角As (坐下角Asl) (S22、S28)。S卩，控制器30在开始站起辅助控制后在第二既定时间Tm2内腰部高度未达到预先确定的阈值高度的情况下，将目标角Ar改变为坐下角Asl。控制器30在逐渐减小目标角Ar的期间获取旋转角As (S24)，并基于所获取的旋转角As与目标角Ar的偏差来输出指令转矩Te(S26)。S卩，控制器30输出与变化的目标角Ar相应的指令转矩Te(S26)。从步骤S22到S28的处理相当于在即使超过第二既定时间Tm2也未开始站起的情况下顺畅地结束站起动作的处理。通过将目标角Ar从站立角As3逐渐减小到坐下角Asl， 马达42输出的转矩也逐渐减小。最终，在坐下姿势下输出转矩变为O。控制器30在将目标角Ar改变为坐下角Asl之前使小腿连结体50振动(S20)。该处理具有向用户通知目标角Ar的改变的优点。以上，对本发明优选的实施方式进行说明。对实施例的腿辅助装置10优选的变形例进行说明。控制器30也可以以图4所示的座标图以外的方式来改变上限转矩。图7和图8表示上限转矩Tmax的其他的座标图。控制器30也可以按照图7的座标图或图8的座标图来改变上限转矩。图7的座标图示出了随着腰部高度变高而逐级地增加上限转矩Tmax 的例子。图8的座标图示出了当比位于坐下姿势下的腰部高度Hl和站立姿势下的腰部高度H3之间的中间腰部高度H2低时对上限转矩Tmax设定Tl，当比中间腰部高度H2高时对上限转矩Tmax设定T2。在图8的座标图的情况下，控制器30当比位于坐下姿势下的腰部高度Hl和站立姿势下的腰部高度H3之间的中间腰部高度H2低时对上限转矩Tmax设定Tl， 当比中间腰部高度H2高时对上限转矩Tmax设定T2。换言之，控制器30当小腿连结体50 的旋转角As比位于相当于坐下姿势的坐下角Asl与相当于站立姿势的站立角As3之间的的中间角As2低时，对上限转矩Tmax设定Tl，当比中间腰部高度H2高时，对上限转矩Tmax 设定T2。转矩T2大于Tl。在实施例的腿辅助装置10中，为了测定(估计)腰部高度，采用了测定小腿连结体50的旋转角的角度传感器。腰部高度与相对于铅垂方向的大腿绕俯仰轴的倾斜角唯一地对应。即，随着腰部高度变高，倾斜角单调减少。因此，作为测定(估计)腰部高度的传感器，也可以采用测定相对于铅垂方向的大腿绕俯仰轴的倾斜角的倾斜传感器。在此情况下，控制器30将目标角设定为与用户的站立姿势对应的站立角，并且随着大腿的倾斜角变小而增加转矩限制器的上限值。另外，如上所述，“大腿的倾斜角”详细地表述即相当于相对于铅垂方向的大腿绕俯仰轴的倾斜角。实施例的腿辅助装置作为执行器而具有电动马达。腿辅助装置也可以采用油压马达、空气压马达等。实施例的腿辅助装置辅助膝关节的动作。腿辅助装置也可以包括对髋关节和/或脚踝关节施加转矩的执行器。腿辅助装置的控制器30总结起来实现了包括以下步骤组的站起辅助方法。(I)测定小腿连结体的旋转角的步骤。该步骤相当于图5的S6。(2)基于小腿连结体的旋转角与目标角的偏差来计算出对执行器的指令转矩的步骤。该步骤相当于图5的S9。(3)当被计算出的指令转矩大于上限转矩时将指令转矩改变为上限转矩的步骤。 该处理包含在图5的S9中。(4)向执行器输出改变后的指令转矩的步骤。该处理相当于图5的S10。另外，控制器30将目标角设定为与用户的站立姿势对应的站立角(S4)。另外，控制器30随着用户的腰部高度变高而增加转矩限制器的上限值(S8)。以上，对本发明的具体例子进行了详细的说明，但这些例子只不过是示例，并不限定权利要求的范围。权利要求书记载的技术包含对以上例示的具体例子进行种种变形、变更而成的技术。在本说明书或附图中说明的技术要素单独或者通过各种组合发挥技术上的有用性，并不限于申请时权利要求记载的组合。另外，在本说明书或附图中例示的技术能够同时达到多个目的，并通过达到其中的一个目的本身来实现技术上的有用性。符号的说明10 :腿辅助装置、12 :控制器、20 :大腿连结体、30 :控制器、32 :反馈控制模块、34 转矩限制器、36 :转矩调整模块、40 :膝关节机构、42 :马达(执行器)、43 :角度传感器、50 小腿连结体、96 :载荷传感器、100 :用户、110 :病腿、112 :大腿、114 :膝、116 :小腿


提供具有适于站起动作的辅助的控制规则的腿辅助装置。腿辅助装置包括大腿连结体、小腿连结体、旋转接头、以及控制器。大腿连结体被安装到用户的大腿上，小腿连结体被安装到用户的小腿上。旋转接头将小腿连结体可旋转地连结到大腿连结体上。并且，旋转接头包括使小腿连结体旋转的执行器。控制器控制执行器以使小腿连结体的旋转角与目标角一致。控制器包括限制向执行器输出的指令转矩的大小的转矩限制器。控制器将目标角设定为与用户的站立姿势对应的站立角，并且随着用户的腰部高度变高而增加转矩限制器的上限值。