エネルギーの回生効果を用いた閉じた系での脚歩行装置の関節トルク制御

利用能量再生效应的封闭系统中腿部行走装置的关节扭矩控制

基本信息

批准号：
11J03500
负责人：
山田泰之
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology (2013)Keio University (2011-2012)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至 2013
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11J03500/
关键词：
釣合わせ回生歩行パワーアシスト釣り合わせパワーシスト

项目摘要

歩行機械はアクチュエータによりアシスト力を発生させる. これらは, 脚関節にかかる自重トルクを負担するためにエネルギ消費が高く連続運転時間に制限がかかる問題や, 大容量バッテリーやセンサを搭載することでコストがかかるなどの課題が存在する. そこで, 本研究では, 歩行時の上体重心の高さ変化に伴う位置エネルギ消費を回生して, 歩行時のアシスト力として利用する方法で, 長時間利用可能な歩行アシスト装置の実現を試みる. 研究は大きくわけて3個の課題と, それらの統合で大別される. 1つ目は, (A)脚関節補償原理・機構の自動化, 2つ目は, (B)傾斜面での脚関節補償原理の考案, 3つ目は, (C)動歩行時のエネルギーロスの回生である. 24年度は, (A)圧力センサ4つのみで, 歩行速度2m/s～6m/sまでアシスト力を歩行に連動可能なシステムを完成させ, 安価な電子部品のみでアシスト力の制御を可能とし, 装置全体の低価格化や軽量化に成功した. (B)については, 23年度に, ばね取付け角度とばね定数の2つのパラメータ調整で安定な平衡状態をリンク機構に構築する方法を示し, 24年度にパラメータチューニング法を検討した. これにより, 傾斜地でも自重補償効果低下を抑制可能な自重補償機構を設計可能とした. (C)については, 24年度に, 実験機を製作し, トレッドミル上でのアシストカの計測, 複数人の被験者での官能検査, および屋外, 階段などでの実証試験を行った. 約1.5kgの実験機を利用して, 実際に歩行時の上体重心の高さ変化から位置エネルギを圧縮空気として回生して, アシストカを連続的に発生可能なことを確認した. 電源を必要としない歩行補助であり, 様々な場面での応用が期待できる. 25年度は, 24年度に製作した実験機をもとに, さらに低慣性かつ高アシスト力となるパラメータの探索と, 階段や傾斜地でのアシスト力の調整について検討した. 結果, 歩行時のエネルギーロスを回生してアシスト力に利用することで, バッテリー容量の1.3倍以上のアシストエネルギーを得た. 例えば, 両足で約5kgの補助力を7700歩分発揮できる. 以上のように, 研究目的を達成し, 長時間利用可能な歩行アシスト装置を実現した.

步行机使用执行器产生辅助力，这些问题包括由于施加到腿部关节的自重扭矩的负担而导致的高能耗，这限制了连续操作时间，以及由于安装大容量电池和传感器而降低了成本。在这项研究中，我们开发了一种方法，可以再生步行过程中与上部重心高度变化相关的潜在能量消耗，并将其用作步行过程中的辅助力，可以长期使用。尝试创建一种步行辅助设备，提供舒适的步行体验。研究大致可分为三个问题及其整合，第一个是（A）腿部关节补偿原理和机制的自动化，第二个是（B）倾斜表面上的腿部关节补偿，第三个是（C）再生。 2014 年，(A) 只使用了四个压力传感器。我们已经完成了一个系统，可以将辅助力与步行速度为 2 m/s 至 6 m/s 的步行联系起来，并且可以仅使用廉价的电子元件来控制辅助力，成功地降低了整个系统的成本和重量。关于(B)，我们在2011年演示了一种通过调整弹簧安装角度和弹簧常数两个参数来在连杆机构中创建稳定平衡状态的方法，并在2012年研究了参数调整方法。 ,我们已经可以设计一种即使在斜坡上也能抑制自重补偿效果下降的自重补偿机构，关于（C），我们于2011年制造了一台实验机，测量了跑步机上的辅助力。，并在室外、楼梯等处进行了多个受试者的感官测试和演示测试。使用约1.5公斤的实验机，我们实际上通过上部重心高度的变化将势能再生为压缩空气。步行。我们已经确认可以连续产生辅助力，这是一种不需要动力源的助行器，并且有望应用于各种情况。我们正在寻找提供低惯性和高辅助力的参数。，并考虑调整楼梯和斜坡上的辅助力。结果，通过再生行走过程中损失的能量并将其用作辅助力，我们获得了超过电池容量1.3倍的辅助能量，例如，我们可以用双腿施加约7,700步的辅助力，如上所述，我们已经实现了研究目标，并创造了一种行走辅助装置。可以用很长时间吗。