[发明专利]腿辅助装置

说明书

技术领域

本发明涉及辅助用户的站起动作的腿辅助装置。尤其是涉及通过对膝关节施加转矩来辅助用户的站起动作的腿辅助装置。

背景技术

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。

发明内容

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。即，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。