JPH09154900A - Control unit for limb drive - Google Patents
Control unit for limb driveInfo
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- JPH09154900A JPH09154900A JP7346503A JP34650395A JPH09154900A JP H09154900 A JPH09154900 A JP H09154900A JP 7346503 A JP7346503 A JP 7346503A JP 34650395 A JP34650395 A JP 34650395A JP H09154900 A JPH09154900 A JP H09154900A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 人間の肢体位置を監視しながらそれを動か
し、関節に過負荷がかかる以前に対処でき、肢体の限界
を考慮して可動範囲を容易に設定でき、関節に無理な負
荷をかけず、装置自体にも安全性を持たせながら治療が
行える駆動装置の制御装置を得ることを目的とする。
【解決手段】 装置に取付けられた肢体への負荷を、セ
ンシング機能により常に監視する負荷推定部115a
と、肢体への過負荷付近によりインピーダンス定数が変
更できるインピーダンス定数変換部116とを備え、肢
体への過負荷設定領域に入った時点で、肢体駆動装置の
動作が持つ全自由度中のうち、ある自由度方向のインピ
ーダンス定数変換部116を、肢体への負荷が大きくな
るに応じて変更し、その自由度方向の動作を仮想的にフ
リーにしていく手段から成る。
(57) [Abstract] [Problem] It is possible to move a human limb while observing it so that it can be dealt with before the joint is overloaded, and the movable range can be easily set in consideration of the limit of the limb. It is an object of the present invention to provide a control device for a drive device that can perform treatment while applying safety to the device itself without applying a heavy load. A load estimating unit 115a that constantly monitors a load on a limb attached to the device by a sensing function.
And an impedance constant conversion unit 116 whose impedance constant can be changed in the vicinity of an overload on the limb, and at the time of entering the overload setting region on the limb, among all the degrees of freedom of the operation of the limb drive device, The impedance constant conversion unit 116 in a certain degree of freedom direction is changed according to an increase in load on the limb, and the movement in the direction of the degree of freedom is virtually freed.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、肢体運動を考慮した駆
動装置において、人間の関節あるいはその他の治療対象
への過負荷をなくし、装置の安全性を高めることを目的
とした、肢体軌道を考慮した肢体駆動装置の制御装置に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a limb orbit for the purpose of eliminating the overload on a human joint or other treatment target in a drive device in consideration of limb movement and improving the safety of the device. The present invention relates to a control device for a limb drive device in consideration.
【0002】[0002]
【従来の技術】人間の肢体を動かす装置には、医療分野
で使用される連続他動運動装置(CPM装置)、リハビ
リテーション分野で使用される訓練装置やスポーツ・ト
レーニング装置等がある。上記装置における関節過負荷
時や肢体が動作範囲外に出ようとした時における一般的
な対処方法は、主に対処機能が何も付いていないもの
(例えば、特開昭60-179062 号公報参照)、停止機能
を持つもの(例えば、特開昭61-170464 号公報参照)、
駆動逆転機能を持つもの(例えば、特公平4-14028 号
公報参照)の3種類に分けられる。の「手関節部の機
能回復訓練装置」では、関節に過負荷が生じても、その
対処機能がない。の「受動運動訓練装置」では、駆動
制御回路において、感知された誤動作に応答し、所定の
限界を越える駆動軸の角変位または角変位方向を変更す
ることの失敗を感知し、過急速もしくは過低速を感知し
た場合に、駆動軸の動きを停止させる誤動作感知手段を
備えている。の「人の関節を動かす装置」では、細長
い支持体上で往復運動するトラベラ手段を駆動する可逆
モータ手段と組合わされて、前記トラベラ手段を介して
検知された負荷に応答して、前記可逆モータ手段の回転
を反転する負荷応答手段を備えている。また他に、特
開昭60-232158 「駆動装置」では、肢体に取り付けられ
た駆動モータの駆動力より大きな抵抗を受けたとき、駆
動アームは一旦停止し、その位置から引続き反対方向に
動き始める機能を持っており、その作動方法はモータに
流れる電流により制御されている。2. Description of the Related Art A device for moving a human limb includes a continuous passive exercise device (CPM device) used in the medical field, a training device used in the rehabilitation field, a sports training device, and the like. In the above device, when the joint is overloaded or when the limb is about to go out of the operating range, the general coping method is that it has no coping function (for example, see JP-A-60-179062). ), Those having a stop function (see, for example, JP-A-61-170464),
It can be divided into three types, one having a drive reversing function (for example, see Japanese Patent Publication No. 4-14028). The "function recovery training device for the wrist joint" does not have a coping function even if the joint is overloaded. In the "passive exercise training device" of the above, in the drive control circuit, in response to a sensed malfunction, a failure to change the angular displacement of the drive shaft or the direction of the angular displacement exceeding a predetermined limit is detected, and an excessive speed or an excessive speed is detected. Equipped with a malfunction detecting means for stopping the movement of the drive shaft when a low speed is detected. In "a device for moving a human joint" in combination with a reversible motor means for driving a reciprocating traveler means on an elongated support, in response to a load sensed through said traveler means, said reversible motor means. A load response means for reversing the rotation of the means is provided. In addition, in Japanese Patent Laid-Open No. 60-232158 “Drive device”, when a resistance larger than the drive force of the drive motor attached to the limb is received, the drive arm temporarily stops and then starts moving in the opposite direction from that position. It has a function and its operation method is controlled by the current flowing through the motor.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のこれ
らの手段では肢体の動作位置あるいは関節負荷を常に監
視しながら動作することができない。このため、実際に
負荷がかかってから対処が行われたり、また肢体の可動
範囲の制限については装置の動作のみを考慮して行われ
ており、肢体の動作限界を考慮した機能がない。また、
それら安全機能がない装置もある。よって、駆動装置を
取り付けた肢体が動作域を外れようとする時や関節に過
負荷がかかった時、その対応が遅く肢体に悪影響を及ぼ
したり関節にかなりの負荷を与えることになる。そこ
で、本発明は装置の安全性を高めるため、人間の肢体軌
道を考慮し、関節に無理な負荷を与えないように駆動装
置を動作させるのに好適な制御装置を提供することを目
的とする。However, these conventional means cannot operate while constantly monitoring the operating position of the limbs or the joint load. Therefore, measures are taken after the load is actually applied, and the movement range of the limbs is considered only by the operation of the device, and there is no function considering the operation limit of the limbs. Also,
Some devices do not have these safety features. Therefore, when the limb to which the drive device is attached is about to move out of the operating range or when the joint is overloaded, the response is slow and the limb is adversely affected or the joint is considerably loaded. Therefore, in order to improve the safety of the device, it is an object of the present invention to provide a control device suitable for operating a drive device in consideration of a human limb orbit and not applying an excessive load to joints. .
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は肢体に装着した装置の動作によって肢体を
動かす目的で、装置に取り付けられた力センサまたは位
置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御また
は位置制御によって装置の動作を制御する肢体制御装置
の制御装置において、駆動装置の動作中に、装置に装着
した肢体への負荷を、常に監視する負荷推定部と[また
は負荷推定部に代わる、肢体に取り付けられたセンサに
より計測し常に監視する肢体位置算出部と]、肢体への
過負荷付近により目標インピーダンスの各パラメータ定
数が変更できるインピーダンス定数変換部と、前記負荷
推定部により得られる肢体への負荷が、設定した肢体へ
の過負荷値Flimit [または可動域限界値Llimit ]に
対しその値より小さく設定された値Fstart [またはそ
の手前に設置された位置の値Lstart ]に到達した時点
で、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度
方向のインピーダンス定数を、前記Flimit [または前
記Llimit ]値へ肢体負荷値が近づくに応じて変化さ
せ、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく
制御手段と、を備えたことを特徴とする肢体駆動装置の
制御装置としたものである。この発明によれば、装置の
安全性を高めるため、人間の肢体軌道を考慮し、関節に
無理な負荷を与えないように駆動装置を動作させるのに
好適な制御装置が得られる。In order to solve the above problems, the present invention also includes sensing information from a force sensor or a position / angle sensor attached to a device for the purpose of moving the limb by the operation of the device attached to the limb. In addition, in the control device of the limb control device that controls the operation of the device by force control or position control, a load estimation unit that constantly monitors the load on the limb attached to the device during operation of the drive device, and [or load A limb position calculation unit that replaces the estimation unit and constantly monitors the limbs by means of sensors attached to the limbs], an impedance constant conversion unit that can change each parameter constant of the target impedance near the overload on the limbs, and the load estimation unit The load on the limb obtained by is smaller than the set overload value Flimit [or range of motion limit value Llimit] on the limb. At the time when the specified value Fstart [or the value Lstart of the position installed in front of it] is reached, the impedance constant in a certain degree of freedom among all the degrees of freedom of the operation of the drive device is set to Flimit [or Llimit]. ] A control device for a limb drive device, characterized in that the limb drive device is provided with a control means for changing the limb load value to a value as the limb load value approaches and virtually freeing the motion in the direction of the degree of freedom. is there. According to the present invention, in order to improve the safety of the device, a control device suitable for operating the drive device in consideration of a human limb orbit and not applying an excessive load to the joint can be obtained.
【0005】[0005]
【発明の実施の形態】本発明の請求項1に記載の発明
は、肢体に装着した装置の動作によって肢体を動かす目
的で、装置に取り付けられた力センサまたは位置・角度
センサのセンシング情報をもとに、力制御または位置制
御によって装置の動作を制御する肢体制御装置の制御装
置において、駆動装置の動作中に、装置に装着した肢体
への負荷を、常に監視する負荷推定部と、肢体への過負
荷付近により目標インピーダンスの各パラメータ定数が
変更できるインピーダンス定数変換部と、前記負荷推定
部により得られる肢体への負荷が、設定した肢体への過
負荷値Flimit に対しその値より小さく設定された値F
start に到達した時点で、駆動装置の動作が持つ全自由
度のうち、ある自由度方向のインピーダンス定数を、前
記過負荷値Flimitへ肢体負荷値が近づくに応じて変化
させ、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしてい
く制御手段と、を備えたことを特徴とする肢体駆動装置
の制御装置としたものである。この請求項1に記載の発
明は、肢体への負荷を常に監視しながら、肢体への負荷
値が可動限界に設定された肢体への過負荷値Flimit か
らその位置より手前に設定された値Fstart の内側にあ
る場合には、通常のインピーダンス制御が行われるが、
関節負荷がFstart 値になりFlimit へ近づくにつれ
て、駆動装置が持つ全自由度中のある自由度方向のイン
ピーダンス定数を変更し、その軸を仮想的にフリーにす
る結果、肢体への負荷が大きくなろうとする時、無理な
負荷をかけず、また装置自体にも安全性を持たせながら
動作可能となり、さらに、過負荷をさけるために、装置
の動作中、インピーダンス定数を常に小さくしておくよ
うな必要がなくなり、治療のために設定した目標軌道を
インピーダンス定数が小さいために達成できないという
問題が解決でき、さらにまたインピーダンス定数の設定
が容易になるという作用を有する。本発明の請求項2に
記載の発明は、監視対象を関節負荷または筋力負荷とす
る手段を備えた請求項1記載の肢体駆動装置の制御装置
としたものであり、この請求項2に記載の発明は、監視
対象を関節負荷または筋力負荷とする手段を構えたこと
から、負荷の力変化を把握し易いという作用を有する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The invention according to claim 1 of the present invention also includes sensing information of a force sensor or a position / angle sensor attached to a device for the purpose of moving the limb by the operation of the device attached to the limb. In addition, in the control device of the limb control device that controls the operation of the device by force control or position control, the load estimation unit that constantly monitors the load on the limb attached to the device while the drive device is operating, and the limb The impedance constant conversion unit that can change each parameter constant of the target impedance depending on the vicinity of the overload and the load on the limb obtained by the load estimation unit are set to be smaller than the set overload value Flimit on the limb. Value F
At the time point when start is reached, the impedance constant in a certain degree of freedom of all the degrees of freedom of the operation of the drive device is changed according to the approach load value Flimit to the overload value Flimit. A control device for a limb drive device, comprising: a control means for virtually freeing an operation. According to the invention of claim 1, while constantly monitoring the load on the limb, the value Fstart set before the position from the overload value Flimit on the limb in which the load value on the limb is set to the movable limit. If it is inside, normal impedance control is performed, but
As the joint load reaches the Fstart value and approaches Flimit, the impedance constant in a certain degree of freedom among all the degrees of freedom possessed by the drive device is changed, and the axis is virtually freed. As a result, the load on the limbs increases. When trying to do so, it is possible to operate without imposing an unreasonable load and with safety in the device itself. Furthermore, in order to avoid overload, the impedance constant should be kept small during operation of the device. There is no need to solve the problem that the target trajectory set for treatment cannot be achieved because the impedance constant is small, and the impedance constant can be easily set. The invention according to claim 2 of the present invention is the control device for the limb drive device according to claim 1, which is provided with means for making the monitored object a joint load or a muscle force load. The invention has a function of easily grasping the force change of the load, because the invention has a means for setting the joint load or the muscle load as the monitoring target.
【0006】本発明の請求項3に記載の発明は、前記負
荷推定部により得られる現在の肢体への負荷が、前記F
limit と前記Fstart の間の領域にあれば、駆動装置の
動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向において、
そのインピーダンス定数である仮想バネ定数または仮想
粘性定数を、前記Fstart から前記Flimit へ関節負荷
が大きくなるに応じて除々に減らし、その自由度方向の
動作を仮想的にフリーにしていく手段を備えた請求項1
記載の肢体駆動装置の制御装置としたものである。この
請求項3に記載の発明は、インピーダンス定数変換部が
仮想バネ定数のみの変化、また仮想粘性定数のみの変化
および仮想バネ定数と仮想粘性定数の組み合せによる変
化で構成され得るという作用を有する。本発明の請求項
4に記載の発明は、前記負荷推定部により得られる現在
の肢体への負荷が、前記Flimit と前記Fstart の間の
領域にある場合、装置の負荷計測手段における最大の負
荷方向に対し、その自由度方向の動作を仮想的にフリー
にしていく手段を備えた請求項1記載の肢体駆動装置の
制御装置としたものである。この請求項4に記載の発明
は、肢体に過負荷がかかろうとする場合に、装置の負荷
計測手段における最大の負荷方向に対し、その自由度方
向の動作を仮想的にフリーにしていくことができるとい
う作用を有する。本発明の請求項5に記載の発明は、肢
体に取り付けられた前記力センサおよび肢体のパラメー
タを用いた運動学により肢体への負荷を算出する負荷推
定部を持つ請求項1記載の肢体駆動装置の制御装置とし
たものであり、この請求項5に記載の発明は、制御装置
に取り付けられた力センサおよび肢体のパラメータを用
いた運動学により肢体への負荷を算出する負荷推定部を
持つ制御手段が得られるという作用を有する。According to a third aspect of the present invention, the present load on the limb obtained by the load estimating unit is the F
If it is in the region between limit and Fstart, in all the degrees of freedom of the operation of the drive device, in a certain degree of freedom direction,
The virtual spring constant or virtual viscosity constant, which is the impedance constant, is gradually reduced from the Fstart to the Flimit as the joint load increases, and means for virtually freeing the motion in the direction of the degree of freedom is provided. Claim 1
This is a control device for the limb drive device described. The invention described in claim 3 has an effect that the impedance constant conversion unit can be configured by a change of only the virtual spring constant, a change of only the virtual viscosity constant, and a change due to a combination of the virtual spring constant and the virtual viscosity constant. In the invention according to claim 4 of the present invention, when the current load on the limb obtained by the load estimating unit is in the region between the Flimit and the Fstart, the maximum load direction in the load measuring means of the device is obtained. On the other hand, the control device for the limb drive device according to claim 1, further comprising means for virtually freeing the motion in the direction of the degree of freedom. According to the fourth aspect of the present invention, when the limbs are about to be overloaded, the operation in the direction of the degree of freedom is virtually freed with respect to the maximum load direction in the load measuring means of the device. It has the effect that The invention according to claim 5 of the present invention is a limb drive device according to claim 1, which has a load estimation unit that calculates a load on the limb by kinematics using the force sensor attached to the limb and the parameters of the limb. The invention according to claim 5 is a control device having a load estimation unit for calculating a load on a limb by kinematics using a force sensor attached to the control device and a limb parameter. It has the effect that means are obtained.
【0007】本発明の請求項6に記載の発明は、肢体へ
の負荷の算出を、肢体駆動装置の肢体への装着部に加わ
る負荷を計測する計測手段によって肢体への負荷とする
負荷推定部を持つ請求項1記載の肢体駆動装置の制御装
置としたものであり、この請求項6に記載の発明は、肢
体への負荷を、上記の力センサおよび肢体パラメータを
用いた運動学による推定は行わず、装置に取り付けられ
た計測手段で簡易的に算出する負荷推定部を持つ制御手
段が得られるという作用を有する。本発明の請求項7に
記載の発明は、関節負荷の推定算出を、肢体に取り付け
た計測手段により計測し算出する負荷推定部を持つ請求
項1記載の肢体駆動装置の制御装置としたものであり、
この請求項7に記載の発明は、肢体に取り付けられたト
ルクセンサ、圧力センサ、触覚センサ等により、肢体へ
の負荷を計測し算出する負荷推定部を持つ制御手段を得
られるという作用を有する。The invention according to claim 6 of the present invention is a load estimating unit for calculating the load on the limb by using a measuring means for measuring the load applied to the mounting portion of the limb drive device on the limb. According to the invention of claim 6, the load on the limb is estimated by kinematics using the force sensor and the limb parameter. This has the effect of providing a control means having a load estimation unit that can be simply calculated by the measurement means attached to the device, without performing it. The invention according to claim 7 of the present invention is the control device for the limb drive device according to claim 1, further comprising a load estimating unit for measuring and calculating joint load estimation calculation by a measuring unit attached to a limb. Yes,
The invention according to claim 7 has an effect that a control means having a load estimating unit for measuring and calculating a load on the limb can be obtained by a torque sensor, a pressure sensor, a tactile sensor, etc. attached to the limb.
【0008】本発明の請求項8に記載の発明は、駆動装
置が持つ仮想フリー機能を2自由度以上、全自由度以下
の自由度方向において実行する手段を備えた請求項1記
載の肢体駆動装置の制御装置としたものである。この請
求項8に記載の発明は、仮想バネ変換領域に肢体が入っ
た場合に、駆動装置が持つ2自由度以上、全自由度以下
の仮想バネ定数を変化させることにより、肢体動作領域
外時において、さらに滑らかに装置が動作でき、安全性
も向上するという作用を有する。According to an eighth aspect of the present invention, the limb drive according to the first aspect further comprises means for executing a virtual free function of the drive device in a direction of two or more degrees of freedom and less than or equal to all degrees of freedom. This is a device control device. In the invention according to claim 8, when the limb enters the virtual spring conversion region, by changing the virtual spring constant of the drive device having two degrees of freedom or more and all degrees of freedom or less, when the limb is outside the limb movement region. In, the device can be operated more smoothly, and the safety is improved.
【0009】本発明の請求項9に記載の発明は、肢体に
装着した装置の動作によって肢体を動かす目的で、装置
に取り付けられた力センサまたは位置・角度センサのセ
ンシング情報をもとに、力制御または位置制御によって
装置の動作を制御する肢体駆動装置の制御装置におい
て、制御装置の動作中に、肢体の動作位置を肢体に取り
付けられたセンサにより計測し常に監視する肢体位置算
出部と、前記肢体動作位置の可動域限界付近において目
標インピーダンスの各パラメータ定数が変更できるイン
ピーダンス定数変換部と、前記肢体位置算出部により得
られる現在位置が、設定した肢体の可動限界位置Llimi
t に対しその位置より手前に設定された位置Lstart に
入った時点で、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、
ある自由度方向のインピーダンス定数を、前記Lstart
から前記Llimit へ肢体位置が向かう距離に応じて変更
し、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく
制御手段と、を備えた肢体駆動の制御装置としたもので
ある。この請求項9に記載の発明は、人間の肢体動作位
置を常に監視し、肢体が可動限界域に近づいた場合、仮
想的にフリーな動作自由度をつくることで、人間の関節
に無理な負荷を与えず滑らかに駆動装置を動作させる事
ができ、しかも装置自体の安全性も向上するという作用
を有する。According to a ninth aspect of the present invention, in order to move the limb by the operation of the device attached to the limb, the force is detected based on the sensing information of the force sensor or the position / angle sensor attached to the device. In the control device of the limb drive device for controlling the operation of the device by control or position control, during the operation of the control device, a limb position calculation unit that constantly monitors the operating position of the limb by a sensor attached to the limb, and The impedance constant conversion unit that can change each parameter constant of the target impedance in the vicinity of the movable range limit of the limb movement position and the current position obtained by the limb position calculation unit are the set limb movement limit position Llimi.
Of all the degrees of freedom of the operation of the drive device at the time of entering the position Lstart set before that position with respect to t,
The impedance constant in the direction of a certain degree of freedom is set to Lstart
To L limit according to the distance the limb position is headed, and the limb drive control device is provided with control means for virtually freeing the motion in the direction of the degree of freedom. The invention according to claim 9 constantly monitors the limb movement position of a human, and when the limb approaches the movable limit range, creates a virtual degree of freedom of movement, thereby imposing an unreasonable load on the human joint. It is possible to operate the drive device smoothly without giving the effect, and further, the safety of the device itself is improved.
【0010】本発明の請求項10に記載の発明は、前記
肢体位置算出部により得られる現在位置が、前記Llimi
t と前記Lstart の間の領域にあれば、駆動装置の動作
が持つ全自由度のうち、ある自由度方向のインピーダン
ス定数である仮想バネ定数または仮想粘性定数を、前記
Lstart から前記Llimit へ肢体位置が向かう距離に応
じて除々に減らし、その自由度方向の動作を仮想的にフ
リーにしていく手段を備えた請求項9記載の肢体制御装
置の制御装置としたものである。この請求項10に記載
の発明は、インピーダンス定数変換部が仮想バネ定数の
みの変化、また仮想粘性定数のみの変化および仮想バネ
定数と仮想粘性定数の組み合せによる変化で構成され得
るという作用を有する。According to a tenth aspect of the present invention, the present position obtained by the limb position calculating section is the Llimi.
If it is in the region between t and Lstart, the virtual spring constant or virtual viscosity constant, which is the impedance constant in a certain degree of freedom direction, out of all the degrees of freedom of the operation of the drive device, is changed from the Lstart to the Llimit to the limb position. 10. The control device for a limb control device according to claim 9, further comprising means for gradually reducing the movement in the direction of the degree of freedom according to the distance to which the limb travels. According to the tenth aspect of the present invention, there is an effect that the impedance constant converter can be configured by changing only the virtual spring constant, changing only the virtual viscosity constant, and changing by combining the virtual spring constant and the virtual viscosity constant.
【0011】本発明の請求項11に記載の発明は、肢体
の算出を、前記肢体駆動装置の運動学および肢体のパラ
メータによる運動学により推定計算する肢体位置算出部
を持つ請求項9記載の肢体駆動装置の制御装置としたも
のであり、肢体位置算出部においてセンシング機能は使
わず、装置の各軸の角度から順運動学を用いて装置の先
端位置を求め、その位置から肢体に取り付けられたスプ
リント位置、すなわち肢体の絶対位置まで座標変換を行
い、その肢体の絶対位置をもとに肢体位置の推定を行う
手段、またはその肢体の絶対位置から肢体のパラメータ
および肢体位置の基準点(固定点)をもとに、肢体の逆
運動学を用いて肢体の各関節角度を求め、肢体位置の推
定を行えるという作用を有する。The invention according to claim 11 of the present invention has a limb position calculating section for estimating and calculating limb body calculation by kinematics of the limb drive device and kinematics based on parameters of the limb body. It was used as a control device for the drive device, and the sensing function was not used in the limb position calculation unit, the tip position of the device was obtained using forward kinematics from the angle of each axis of the device, and it was attached to the limb from that position. Sprint position, that is, a means for performing coordinate conversion to the absolute position of the limb and estimating the limb position based on the absolute position of the limb, or the parameter of the limb from the absolute position of the limb and the reference point of the limb position (fixed point ), The joint kinematics of the limb is obtained by using the inverse kinematics of the limb, and the position of the limb can be estimated.
【0012】本発明の請求項12に記載の発明は、前記
肢体運動装置が持つ仮想フリー機能を2自由度以上、全
自由度以下の自由度方向において実行する請求項9ない
し請求項11のうちいずれかの項に記載の肢体駆動装置
の制御装置としたものであり、仮想バネ変換領域に肢体
が入った場合に、駆動装置が持つ2自由度以上、全自由
度以下の仮想バネ定数を変化させることにより、肢体動
作領域外時において、さらに滑らかに装置が動作でき、
安全性も向上するという作用を有する。次に、本発明の
実施の形態を各図に基づいて説明する。全ての図面にお
いて、同一符号は同一もしくは相当部材とする。According to a twelfth aspect of the present invention, among the ninth to eleventh aspects, the virtual free function of the limb exercising device is executed in a direction of two or more degrees of freedom and less than or equal to all degrees of freedom. The limb drive device according to any one of the items is used as a control device, and when a limb enters the virtual spring conversion region, the virtual spring constant of the drive device having two or more degrees of freedom and not more than all degrees of freedom is changed. By doing so, the device can operate more smoothly when outside the limb movement area,
It also has the effect of improving safety. Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals denote the same or corresponding members.
【0013】(実施の形態1)以下、本発明の実施の形
態1を図を追って述べる。本発明を含む制御手段の回路
構成ブロック図を図1に示す。ここで説明を簡略化する
ため、肢体負荷の監視を膝関節とし[請求項2で記
述]、インピーダンス定数変換部が仮想バネ定数のみ変
化する場合とし[請求項3で記述]、負荷推定を肢体に
取り付けられた力センサおよび肢体のパラメータを用い
た運動学により算出する場合[請求項6で記述]につい
て、これを例にとる。(First Embodiment) A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a circuit block diagram of a control means including the present invention. In order to simplify the explanation here, it is assumed that the limb load is monitored by the knee joint [described in claim 2], and the impedance constant conversion unit changes only the virtual spring constant [described in claim 3], and the load estimation is performed by the limb. This is taken as an example for the case of [kinematics] using the force sensor attached to the and the parameters of the limbs [described in claim 6].
【0014】図1において、101 は駆動装置のアーム、
102 は対象物(人間の肢体)、103はアーム101 の手先
位置に取り付けられたスプリント(手先位置)、104 は
アーム101 の先端に取り付けられ力およびモーメントを
検出する力センサ、105 はアーム101 を駆動するモー
タ、106 は駆動モータ105 の回転角度を検出する回転角
検出部、107 は力センサ104 の力およびモーメント信号
をデジタル値に変換するアナログ/デジタル変換器、10
8 は力信号を手先位置103 の変位に変換する変位演算処
理部、109 は手先位置103 からモータ105 の目標角度を
算出する逆運動学計算部、110aは手先位置103 の目標軌
道を設定する目標軌道設定部、111 は回転角検出部106
の出力をデジタル値に変換する回転角変換回路、112 は
ゲイン積分器、113 はゲイン積分器112 の出力をアナロ
グ値に変換するデジタル/アナログ変換器、114 はD/
A変換器113 の出力に従って駆動モータ105 を動かすサ
ーボアンプ、115aは肢体の動作負荷を推定計算する負荷
推定部、116 は関節負荷に応じて仮想バネ定数を変更す
るインピーダンス定数変換部である。In FIG. 1, 101 is an arm of a drive unit,
102 is an object (human limb), 103 is a splint attached to the hand position of the arm 101 (hand position), 104 is a force sensor attached to the tip of the arm 101 to detect force and moment, and 105 is the arm 101. A driving motor, 106 is a rotation angle detection unit that detects the rotation angle of the drive motor 105, 107 is an analog / digital converter that converts the force and moment signals of the force sensor 104 into digital values, 10
8 is a displacement calculation processing unit that converts the force signal into displacement of the hand position 103, 109 is an inverse kinematics calculation unit that calculates the target angle of the motor 105 from the hand position 103, and 110a is a target that sets the target trajectory of the hand position 103. Orbit setting unit, 111 is rotation angle detection unit 106
Rotation angle conversion circuit for converting the output of the above into a digital value, 112 is a gain integrator, 113 is a digital / analog converter for converting the output of the gain integrator 112 into an analog value, 114 is D /
A servo amplifier for moving the drive motor 105 in accordance with the output of the A converter 113, 115a is a load estimating unit for estimating and calculating the operating load of the limb, and 116 is an impedance constant converting unit for changing the virtual spring constant according to the joint load.
【0015】肢体を運動させるために設定した目標軌道
に従って装置が動作する際に、負荷推定部115aにより常
に肢体102 の関節負荷を監視し、関節負荷に応じた仮想
ばね定数をインピーダンス定数変換部116 により生成
し、変位演算処理部108 へ常に送る。その過程のもと
で、力センサ104により得られた力信号は、A/D変換
回路107によってデジタル値に変換され、変位演算処理
部108に入力される。インピーダンス定数変換部116 で
設定されている慣性および粘性パラメータと負荷推定部
115aで推定した関節負荷に応じた弾性パラメータ(仮想
バネ定数)をもとに手先負荷103 の目標軌道からの変位
が算出される。When the device operates according to the target trajectory set to move the limbs, the load estimating unit 115a constantly monitors the joint load of the limbs 102, and the virtual spring constant corresponding to the joint load is converted into the impedance constant converting unit 116. And is always sent to the displacement calculation processing unit 108. In the process, the force signal obtained by the force sensor 104 is converted into a digital value by the A / D conversion circuit 107 and input to the displacement calculation processing unit 108. Inertia and viscosity parameters set by impedance constant converter 116 and load estimator
The displacement of the hand load 103 from the target trajectory is calculated based on the elasticity parameter (virtual spring constant) according to the joint load estimated in 115a.
【0016】この変位は目標軌道設定部110aの出力に加
算され、手先位置103 の位置指令となり、逆運動学計算
部109 によって各関節の角度指令に変換する。またその
時、回転角検出部106 によって検出された駆動モータの
回転角を回転角変換回路111 によりデジタル値に変換
し、上記角度指令と比較する。その出力を受けて、この
差分にゲイン積分器112 を介し、D/A変換器113 によ
ってアナログ信号に変換され、サーボアンプ114 によっ
て駆動モータ105 に出力されることによって、駆動装置
のアーム101 が駆動される。脚を取り付けた駆動装置を
例に、負荷推定部115aおよびインピーダンス定数変換部
116 の動作について述べることにする。まず負荷推定部
について図2を用いて説明する。This displacement is added to the output of the target trajectory setting unit 110a and becomes a position command for the hand position 103, which is converted by the inverse kinematics calculation unit 109 into an angle command for each joint. At that time, the rotation angle of the drive motor detected by the rotation angle detection unit 106 is converted into a digital value by the rotation angle conversion circuit 111 and compared with the angle command. Upon receiving the output, this difference is converted into an analog signal by the D / A converter 113 via the gain integrator 112, and is output to the drive motor 105 by the servo amplifier 114, thereby driving the arm 101 of the drive device. To be done. Taking a drive device with legs attached as an example, the load estimator 115a and the impedance constant converter
I will describe the operation of 116. First, the load estimating unit will be described with reference to FIG.
【0017】図2は負荷推定部における負荷推定動作を
側面から見た説明図である。図2において、201 は脚
(肢体)、202 は駆動装置、203 は駆動装置に取り付け
られた力センサ、204 は駆動装置のスプリント、205 は
下腿長、206 は上腿長L1 、207aは肢体の基準点、208
は膝関節、209 は股関節の角度θ1 、210 は膝関節の角
度θ2 、211 は股関節にかかる負荷(トルク)t1 、21
2 は膝関節にかかる負荷(トルク)t2 、213 は膝関節
208 からスプリント204 の中心位置までの長さL2 であ
る。図3は、関節負荷の推定算出を行う過程の流れを表
す説明図である。まず、脚のパラメータである下腿長20
5 、上腿長206 および脚の基準点207a(駆動装置の原点
座標からの位置)を決める[ステップ1]。FIG. 2 is an explanatory view of the load estimating operation in the load estimating section as viewed from the side. In FIG. 2, 201 is a leg (limb), 202 is a drive unit, 203 is a force sensor attached to the drive unit, 204 is a splint of the drive unit, 205 is a leg length, 206 is an upper leg length L1, and 207a is a limb. Reference point, 208
Is the knee joint, 209 is the hip joint angle θ1, 210 is the knee joint angle θ2, and 211 is the load (torque) t1 on the hip joint, 21
2 is the load (torque) t2 on the knee joint, 213 is the knee joint
The length L2 from 208 to the center of the sprint 204 is L2. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a flow of a process of estimating and calculating a joint load. First, the leg length 20 which is the leg parameter
5. Determine the upper leg length 206 and leg reference point 207a (position from the origin coordinate of the driving device) [step 1].
【0018】脚を2自由度のマニピュレータと考える
と、駆動装置202 に取り付けられた力センサ203 により
得られる力・モーメント情報から、上記のパラメータを
もとにヤコビアン行列Jを使い、関節トルク(負荷)を
推定する。例えば、並進2自由度、回転1自由度の垂直
平面内3自由度を持つ駆動装置に取り付けられた脚の関
節負荷を求める[ステップ2]。力センサ203 から得ら
れる情報が並進方向の力(Fx 、Fz )のみとし、回転
方向の力(モーメントMy )が検出されない場合を想定
する。この時、股関節負荷211 (t1 )と膝関節負荷21
2 (t2 )はヤコビアンJの転置行列を用いて[ステッ
プ3]、以下の[数1]のように演算の結果として、関
節負荷推定を行う[ステップ4]。Considering the leg as a two-degree-of-freedom manipulator, from the force / moment information obtained by the force sensor 203 attached to the drive unit 202, the Jacobian matrix J is used based on the above parameters to calculate the joint torque (load). ) Is estimated. For example, the joint load of a leg attached to a drive device having three degrees of freedom in a vertical plane with two degrees of freedom for translation and one degree of rotation is calculated [step 2]. It is assumed that the information obtained from the force sensor 203 is only the translational forces (Fx, Fz), and the rotational force (moment My) is not detected. At this time, the hip joint load 211 (t1) and the knee joint load 21
2 (t2) uses the transposed matrix of the Jacobian J [step 3], and joint load estimation is performed [step 4] as a result of the calculation as in [Equation 1] below.
【数1】 (Equation 1)
【0019】次いで、インピーダンス定数変換部につい
て図4を用いて説明する。図4は、関節負荷に対する仮
想バネ定数値に関する説明図である。関節過負荷値Fli
mit とその手前に設定する位置Fstart を、関節の患部
状態により、あらかじめ設定する。負荷推定部で得られ
る値をFとすれば、 F<Fstart の場合 仮想バネ定数は、あらかじめ設定されている値K0 で一
定である。 Fstart ≦F<Flimit の場合 仮想バネ定数は、関節負荷座標の最大値Fの距離に応じ
て比例係数=−K0 /(Flimit −Fstart )で単調連
続的に変化する。この方法で、関節負荷推定値Fとこれ
に対応したインピーダンス定数変換を行い、あとは通常
のインピーダンス制御と同様に制御を行う。Next, the impedance constant converter will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram regarding a virtual spring constant value with respect to a joint load. Joint overload value Fli
mit and a position Fstart to be set in front of it are set in advance according to the affected part state of the joint. If the value obtained by the load estimation unit is F, then F <Fstart, the virtual spring constant is constant at a preset value K0. In the case of Fstart ≦ F <Flimit The virtual spring constant changes monotonously and continuously with a proportional coefficient = −K0 / (Flimit−Fstart) according to the distance of the maximum value F of the joint load coordinates. With this method, the joint load estimated value F and the impedance constant conversion corresponding to the joint load estimated value F are performed, and thereafter the control is performed in the same manner as the normal impedance control.
【0020】本発明によれば、関節過負荷値FがFstar
t より離れている場合(つまりF<Fstart )、インピ
ーダンスパラメータである仮想バネ定数は、あらかじめ
設定されてある一定値K0 になる。従ってこの場合通常
のインピーダンス制御になる。FがFstart 内に入った
場合(Fstart ≦F<Flimit )、駆動装置が持つ全自
由度中のある1自由度について、仮想ばね定数を上記比
例係数のもとで、関節負荷座標の最大値FがFlimit に
近づくにつれ除々に小さくし、仮想的にその軸をフリー
にする。これにより、肢体の関節に無理な負荷がかから
ず安全に動作可能となる。また、その自由度以外は通常
のインピーダンス制御を行うこととなる。According to the present invention, the joint overload value F is Fstar.
When the distance is greater than t (that is, F <Fstart), the virtual spring constant, which is an impedance parameter, becomes a preset constant value K0. Therefore, in this case, normal impedance control is performed. When F enters within Fstart (Fstart ≤ F <Flimit), the virtual spring constant is the maximum value F of the joint load coordinates based on the above proportional coefficient for one certain degree of freedom among all the degrees of freedom of the drive device. Gradually becomes smaller as F approaches F limit, and the axis is virtually freed. As a result, the joints of the limbs can be operated safely without applying an excessive load. In addition, other than that degree of freedom, normal impedance control is performed.
【0021】装置の仮想フリー機能をさらに滑らかに動
作させるためには、Fstart からFlimit の幅を大きく
とり、仮想バネ定数変更領域を増やせば良い。また、仮
想バネ変更領域において、定数の変化を比例的に設定し
ているが、指数変化的に設定すれば、さらなる滑らかな
動作機能が期待できる。また請求項2で示した手段で
は、監視対象を関節負荷または筋力負荷等とし、動作さ
せる請求項1記載の制御手段である。そして請求項3で
示した手段では、インピーダンス定数変換部が上記で説
明した仮想バネ定数のみの変化、また仮想粘性定数のみ
の変化および仮想バネ定数と仮想粘性定数の組み合せに
よる変化で構成された制御手段である。In order to operate the virtual free function of the apparatus more smoothly, the width from Fstart to Flimit may be increased and the virtual spring constant changing area may be increased. Further, although the constant change is set proportionally in the virtual spring change region, if it is set exponentially, a smoother operation function can be expected. The means described in claim 2 is the control means according to claim 1, which is operated by setting a joint load or a muscle load as a monitoring target. In the means described in claim 3, the control in which the impedance constant conversion unit is configured by the change of only the virtual spring constant described above, the change of only the virtual viscosity constant, and the change by the combination of the virtual spring constant and the virtual viscosity constant. It is a means.
【0022】そしてまた請求項4で示した手段では、肢
体に過負荷がかかろうとする場合に、装置の負荷計測手
段における最大の負荷方向に対し、その自由度方向の動
作を仮想的にフリーにしていくことを特徴とする請求項
1記載の制御手段である。さらに請求項5で示した手段
では、上記実施例で示したように、装置に取り付けられ
た力センサおよび肢体のパラメータを用いた運動学によ
り肢体への負荷を算出する負荷推定部を持つ制御手段で
ある。さらにまた請求項6で示した手段では、肢体への
負荷を、上記の力センサおよび肢体パラメータを用いた
運動学による推定は行わず、装置に取り付けられた計測
手段で簡易的に算出する負荷推定部を持つ制御手段であ
る。Further, in the means described in claim 4, when the limb is about to be overloaded, the operation in the direction of the degree of freedom is virtually free from the maximum load direction in the load measuring means of the apparatus. The control means according to claim 1, characterized in that Further, according to the means described in claim 5, as shown in the above-mentioned embodiment, the control means having the load estimation unit for calculating the load on the limb by the kinematics using the force sensor attached to the device and the parameter of the limb. Is. Furthermore, in the means according to claim 6, the load on the limb is not estimated by kinematics using the force sensor and the limb parameter, but the load is simply calculated by the measuring means attached to the device. It is a control means having a section.
【0023】かつ請求項7で示した手段では、肢体に取
り付けられたトルクセンサ、圧力センサ、触覚センサ等
により、肢体への負荷を計測し算出する負荷推定部を持
つ制御手段である。また請求項8で示した手段では、仮
想バネ変換領域に肢体が入った場合に、駆動装置が持つ
2自由度以上、全自由度以下の仮想バネ定数を変化させ
る手段である。これにより、肢体動作領域外時におい
て、さらに滑らかに装置が動作でき、安全性も向上す
る。なお、これまでに説明した手段の請求項1,請求項
2,請求項3,請求項4,請求項5,請求項6,請求項
7および請求項8のそれぞれの組み合せの機能・用途を
持つ制御手段もまた有用適切である。なおかつ請求項1
で示した手段は、リハビリテーション装置あるいはスポ
ーツ・トレーニング装置としての動作を行う手段として
も適当である。The means according to claim 7 is a control means having a load estimating unit for measuring and calculating the load on the limb by a torque sensor, a pressure sensor, a tactile sensor, etc. attached to the limb. Further, the means described in claim 8 is means for changing the virtual spring constant of the drive device having two or more degrees of freedom and not more than all degrees of freedom when the limb enters the virtual spring conversion region. As a result, the device can be operated more smoothly and safety is improved even when it is outside the limb movement region. In addition, it has the function and the use of each combination of claim 1, claim 2, claim 3, claim 4, claim 5, claim 6, claim 7 and claim 8 of the means described above. Control means are also useful and suitable. Claim 1
The means indicated by is also suitable as means for performing an operation as a rehabilitation device or a sports training device.
【0024】(実施の形態2)以下、本発明の実施の形
態2を図に従って説明する。またここで説明を簡略化す
るため、インピーダンス定数変換部が仮想バネ定数のみ
減らす場合[請求項11で記述]について、これを例に
とる。本発明を含む制御手段の回路構成を表すブロック
図を図5に示す。図5において、110bは手先位置103 の
目標位置を設定する目標位置設定部、115bは肢体の動作
位置を推定計算する肢体位置算出部、116 は肢体位置に
応じて仮想バネ定数を変更するインピーダンス定数変換
部、117 は肢体の動作位置を検出する肢体位置計測セン
サである。(Second Embodiment) A second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In order to simplify the description, this will be taken as an example in the case where the impedance constant conversion unit reduces only the virtual spring constant [described in claim 11]. A block diagram showing the circuit configuration of the control means including the present invention is shown in FIG. In FIG. 5, 110b is a target position setting unit that sets the target position of the hand position 103, 115b is a limb position calculation unit that estimates and calculates the movement position of the limb, and 116 is an impedance constant that changes the virtual spring constant according to the limb position. The conversion unit 117 is a limb position measuring sensor that detects the motion position of the limb.
【0025】装置動作中、肢体位置計測センサ117 を介
し、肢体位置算出部115bにより常に肢体102 の位置を監
視し、肢体位置に応じた仮想ばね定数をインピーダンス
定数変換部116 により生成し、変位演算処理部108 へ常
に送る過程のもとで、力センサ104 により得られた力信
号は、A/D変換回路107 によってデジタル値に変換さ
れ、変位演算処理部108 に入力される。インピーダンス
定数変換部116 で設定されている慣性および粘性パラメ
ータと肢体位置算出部115bで推定した肢体位置に応じた
弾性パラメータ(仮想バネ定数)をもとに手先位置103
の目標位置からの変位が算出される。During operation of the apparatus, the position of the limb 102 is constantly monitored by the limb position calculation unit 115b via the limb position measurement sensor 117, and a virtual spring constant corresponding to the limb position is generated by the impedance constant conversion unit 116 to calculate displacement. In the process of constantly sending the force signal to the processing unit 108, the force signal obtained by the force sensor 104 is converted into a digital value by the A / D conversion circuit 107 and input to the displacement calculation processing unit 108. The hand position 103 based on the inertial and viscous parameters set by the impedance constant conversion unit 116 and the elastic parameter (virtual spring constant) corresponding to the limb position estimated by the limb position calculation unit 115b.
The displacement from the target position of is calculated.
【0026】この変位は目標位置設定部110bの出力に加
算され、手先位置103 の位置指令となり、逆運動学計算
部109 によって各関節の角度指令に変換する。またその
時、回転角検出部106 によって検出された駆動モータの
回転角を回転角変換回路111 によりデジタル値に変換
し、上記角度指令と比較する。その出力を受けて、この
差分にゲイン積分器112 を介し、D/A変換器113 によ
ってアナログ信号に変換され、サーボアンプ114 によっ
て駆動モータ105 に出力されることによって、駆動装置
のアーム101 が駆動される。This displacement is added to the output of the target position setting unit 110b and becomes a position command for the hand position 103, which is converted by the inverse kinematics calculation unit 109 into an angle command for each joint. At that time, the rotation angle of the drive motor detected by the rotation angle detection unit 106 is converted into a digital value by the rotation angle conversion circuit 111 and compared with the angle command. Upon receiving the output, this difference is converted into an analog signal by the D / A converter 113 via the gain integrator 112, and is output to the drive motor 105 by the servo amplifier 114, thereby driving the arm 101 of the drive device. To be done.
【0027】図6は肢体位置算出部に関する肢体位置を
側面から見た説明図である。この図6において、214 は
肢体位置計測センサにより得られる脚201 の動作位置座
標の最大値、215 は脚201 の可動限界位置Llimit から
その位置より手前に設定された位置Lstart の距離幅
(仮想バネ定数変更領域)、204 は駆動装置のスプリン
ト、216 は駆動装置の手先位置座標、207bは脚201 の動
作支点座標を示す。図7は、肢体の動作位置に対する仮
想バネ定数値に関する説明図である。ここで、肢体位置
算出部115b及びインピーダンス定数変換部116 の動作を
図6および図7を用いて説明する。肢体位置計測センサ
であるゴニオメータ、ポテンショメータおよび測距セン
サ等により肢体の動作位置を計測することで、動作座標
の最大値214 は求まる。FIG. 6 is an explanatory view of the limb position relating to the limb position calculation section as viewed from the side. In FIG. 6, 214 is the maximum value of the operating position coordinate of the leg 201 obtained by the limb position measuring sensor, and 215 is the distance width (virtual spring) of the position Lstart set before the movable limit position Llimit of the leg 201 from that position. A constant changing region), 204 is a splint of the driving device, 216 is a hand position coordinate of the driving device, and 207b is a motion fulcrum coordinate of the leg 201. FIG. 7 is an explanatory diagram regarding the virtual spring constant value with respect to the motion position of the limb. Here, operations of the limb position calculation unit 115b and the impedance constant conversion unit 116 will be described with reference to FIGS. 6 and 7. The maximum value 214 of the movement coordinates can be obtained by measuring the movement position of the limb with a goniometer, potentiometer, distance measuring sensor, etc., which are limb position measurement sensors.
【0028】いま例えば、上記センサを使い、治療行為
前に装置を肢体に取り付け、事前に肢体を動かしておけ
ば、肢体の可動領域はあらかじめ推測できる。よって、
可動域限界値Llimit とその手前に設定された位置Lst
art は定められる。この時、肢体位置座標の最大値214
をXとすれば、 X<Lstart の場合 仮想バネ定数は、あらかじめ設定されている値K0 で一
定である。 Lstart ≦X<Llimit の場合 仮想バネ定数は、肢体位置座標の最大値Xの距離に応じ
て比例係数=−K0 /(Llimit −Lstart )で単調連
続的に変化する。この方法で、肢体位置算出とこれに対
応したインピーダンス定数変換を行い、あとは通常のイ
ンピーダンス制御と同様に制御を行う。Now, for example, if the above-mentioned sensor is used and the device is attached to the limb before the treatment and the limb is moved in advance, the movable region of the limb can be estimated in advance. Therefore,
Range of motion limit value Llimit and position Lst set in front of it
art is defined. At this time, the maximum value of the limb position coordinates is 214
Let X be X: When X <Lstart, the virtual spring constant is constant at a preset value K0. In the case of Lstart ≦ X <Llimit The virtual spring constant changes monotonously and continuously with the proportional coefficient = −K0 / (Llimit−Lstart) according to the distance of the maximum value X of the limb position coordinate. By this method, the limb position calculation and the impedance constant conversion corresponding to the calculation are performed, and thereafter the control is performed in the same manner as the normal impedance control.
【0029】上記手段により、肢体の動作位置を常に監
視しながら、肢体位置が可動限界に設定された可動限界
位置Llimit からその位置より手前に設定された位置L
start の内側にある場合には、通常のインピーダンス制
御が行われるが、肢体動作がLstart 内に入りLlimit
との距離が縮まるにつれて、駆動装置が持つ全自由度中
のある自由度方向のインピーダンス定数を変更し、その
軸を仮想的にフリーにする。その結果、肢体が動作範囲
外に近づきつつある時、関節に無理な負荷をかけず、ま
た装置自体にも安全性を持たせながら動作可能となる。By the above means, while constantly monitoring the motion position of the limb, the limb position is set from the movable limit position Llimit set to the movable limit to the position L set in front of the movable limit position Llimit.
If it is inside start, normal impedance control is performed, but limb movement enters Lstart and Llimit
As the distance between and decreases, the impedance constant in the direction of a certain degree of freedom among all the degrees of freedom of the drive device is changed, and the axis is virtually freed. As a result, when the limbs are approaching outside the range of motion, it is possible to operate without imposing an unreasonable load on the joints and with the device itself being safe.
【0030】本発明によれば、肢体位置座標の最大値X
がLstart より離れている場合(X<Lstart )、イン
ピーダンスパラメータである仮想バネ定数は、あらかじ
め設定されてある一定値K0 になる。従ってこの場合通
常のインピーダンス制御になる。XがLstart 内に入っ
た場合(Lstart ≦X<Llimit )、駆動装置が持つ全
自由度中のある1自由度について、仮想ばね定数を上記
例係数のもとで、肢体位置座標の最大値XがLlimit
に近づくにつれ除々に小さくし、仮想的にその軸をフリ
ーにする。According to the present invention, the maximum value X of the limb position coordinates is
Is greater than Lstart (X <Lstart), the virtual spring constant, which is an impedance parameter, becomes a preset constant value K0. Therefore, in this case, normal impedance control is performed. When X enters Lstart (Lstart ≤ X <Llimit), the virtual spring constant is the maximum value X of the limb position coordinate based on the above example coefficient for one degree of freedom among all the degrees of freedom of the drive device. Is Llimit
It gradually becomes smaller as it approaches, and the axis is virtually freed.
【0031】これにより、肢体の関節に無理な負荷がか
からず安全に動作可能となる。また、その自由度以外は
通常のインピーダンス制御を行うこととなる。装置の仮
想フリー機能をさらに滑らかに動作させるためには、L
start からLlimit の幅を大きくとり、仮想バネ定数変
更領域を増やせば良い。また、仮想バネ変更領域におい
て、定数の変化を比例的に設定しているが、指数変化的
に設定すれば、さらなる滑らかな動作機能が期待でき
る。As a result, the joints of the limbs can be operated safely without applying an excessive load. In addition, other than that degree of freedom, normal impedance control is performed. To make the virtual free function of the device operate more smoothly, L
It suffices to increase the width of Llimit from start to increase the virtual spring constant change area. Further, although the constant change is set proportionally in the virtual spring change region, if it is set exponentially, a smoother operation function can be expected.
【0032】そして請求項10で示した装置は、インピ
ーダンス定数変換部が上記で説明した仮想バネ定数のみ
の変化、また仮想粘性定数のみの変化および仮想バネ定
数と仮想粘性定数の組み合せによる変化で構成されたも
のである。また請求項11で示した装置では、肢体位置
算出部115 においてセンシング機能は使わず、装置の各
軸の角度から順運動学を用いて装置の先端位置を求め、
その位置から肢体に取り付けられたスプリント位置、す
なわち肢体の絶対位置まで座標変換を行い、その肢体の
絶対位置をもとに肢体位置の推定を行う方式、またはそ
の肢体の絶対位置から肢体のパラメータおよび肢体位置
の基準点(固定点)をもとに、肢体の逆運動学を用いて
肢体の各関節角度を求め、肢体位置の推定を行うもので
ある。According to a tenth aspect of the present invention, the impedance constant conversion section is configured by changing only the virtual spring constant described above, changing only the virtual viscosity constant, and changing by combining the virtual spring constant and the virtual viscosity constant. It was done. Further, in the device according to claim 11, the sensing function is not used in the limb position calculation unit 115, and the tip position of the device is obtained using forward kinematics from the angle of each axis of the device,
Sprint position attached to the limb from that position, that is, coordinate conversion is performed from the absolute position of the limb, and the method of estimating the limb position based on the absolute position of the limb, or the parameter of the limb from the absolute position of the limb and Based on the reference point (fixed point) of the limb position, each joint angle of the limb is obtained by using the inverse kinematics of the limb to estimate the limb position.
【0033】そしてまた請求項12で示した装置では、
仮想バネ変換領域に肢体が入った場合に、駆動装置が持
つ2自由度以上、全自由度以下の仮想バネ定数を変化さ
せる。これにより、肢体動作領域外時において、さらに
滑らかに装置が動作でき、安全性も向上する。さらにこ
の実施の形態2で説明し請求項9で示した手段のすべて
持つ装置は、請求項1で示した機能と同様に、リハビリ
テーション分野での使用すなわちリハビリテーション装
置あるいはスポーツ・トレーニング装置としての動作を
行う手段としてもまた望ましい。請求項9ないし請求項
12を合わせ持つ制御手段も、これまた好ましい肢体制
御装置の制御装置である。And, in the apparatus according to claim 12,
When a limb enters the virtual spring conversion region, the virtual spring constant of the drive device having two or more degrees of freedom and not more than all degrees of freedom is changed. As a result, the device can be operated more smoothly and safety is improved even when it is outside the limb movement region. Further, the device having all the means described in the second embodiment and shown in claim 9 has the same function as in claim 1 and is used in the field of rehabilitation, that is, operates as a rehabilitation device or a sports training device. It is also desirable as a means of doing so. The control means having the combination of claims 9 to 12 is also a preferable control device for the limb control device.
【0034】[0034]
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば人間
の肢体関節負荷を常に監視し、関節にかかる負荷が過負
荷領域に近づいた場合、仮想的にフリーな動作自由度を
つくることで、人間の関節に無理な負荷を与えず滑らか
に駆動装置を動作させることができ、しかも装置自体の
安全性も向上するという効果がある。また、過負荷をさ
けるために、装置の動作中、インピーダンス定数を常に
小さくしておくような必要がなくなり、治療のために設
定した目標軌道をインピーダンス定数が小さいために達
成できないという問題が解決でき、またインピーダンス
定数の設定が容易になる。さらに、本発明によれば人間
の肢体動作位置を常に監視し、肢体が可動限界域に近づ
いた場合、仮想的にフリーな動作自由度をつくること
で、人間の関節に無理な負荷を与えず滑らかに駆動装置
を動作させる事ができ、しかも装置自体の安全性も向上
するという効果がある。As described above, according to the present invention, the human limb joint load is constantly monitored, and when the load applied to the joint approaches the overload region, virtually free motion freedom is created. Thus, there is an effect that the drive device can be smoothly operated without imposing an unreasonable load on a human joint, and the safety of the device itself is improved. Also, in order to avoid overload, it is not necessary to keep the impedance constant small during the operation of the device, and the problem that the target trajectory set for treatment cannot be achieved because the impedance constant is small can be solved. Also, the impedance constant can be easily set. Further, according to the present invention, the human limb movement position is constantly monitored, and when the limb approaches the movable limit range, a virtual free movement degree of freedom is created so that an unreasonable load is not applied to the human joint. The drive device can be operated smoothly, and the safety of the device itself is improved.
【図1】本発明の実施の形態1を表す制御手段の回路構
成を示すブロック図FIG. 1 is a block diagram showing a circuit configuration of a control means representing a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施の形態1における負荷推定部を示
す説明図FIG. 2 is an explanatory diagram showing a load estimating unit according to the first embodiment of the present invention.
【図3】本発明の実施の形態1は関節負荷の推定算出を
行う流れ図FIG. 3 is a flowchart for estimating and calculating a joint load according to the first embodiment of the present invention.
【図4】本発明の実施の形態1における肢体の動作位置
に対する仮想バネ定数値の変換を示す図FIG. 4 is a diagram showing conversion of a virtual spring constant value with respect to an operating position of a limb according to the first embodiment of the present invention.
【図5】本発明の実施の形態2を表す制御手段の回路構
成を示すブロック図FIG. 5 is a block diagram showing a circuit configuration of a control means representing a second embodiment of the present invention.
【図6】本発明の実施の形態2における肢体位置算出部
を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram showing a limb position calculation unit according to the second embodiment of the present invention.
【図7】本発明の実施の形態2における肢体の動作位置
に対する仮想バネ定数値の変換を示す図FIG. 7 is a diagram showing conversion of a virtual spring constant value with respect to an operating position of a limb according to the second embodiment of the present invention.
101 駆動装置のアーム 102 肢体 103,204 スプリント(手先位置) 104,203 力センサ 105 モータ 106 回転角検出部 107 アナログ/デジタル変換器 108 変位演算処理部 109 逆運動学計算部 110a 目標軌道設定部 110b 目標位置設定部 111 回転角変換回路 112 ゲイン積分器 113 デジタル/アナログ変換器 114 サーボアンプ 115a 負荷推定部 115b 肢体位置算出部 116 インピーダンス定数変換部 117 関節負荷計測センサ 118 インピーダンス定数変換部 119 肢体位置計測センサ 201 脚 202 駆動装置 205 下腿長 206 上腿長L1 207a 肢体の基準点 207b 動作支点座標 208 膝関節 209 股関節角度θ1 210 膝関節角度θ2 211 股関節負荷t1 212 膝関節負荷t2 213 膝関節からスプリント中心位置までの長さL2 214 動作位置座標の最大値 215 仮想バネ定数変更領域 216 手先位置座標 101 Drive device arm 102 Limb 103,204 Sprint (hand position) 104,203 Force sensor 105 Motor 106 Rotation angle detection unit 107 Analog / digital converter 108 Displacement calculation processing unit 109 Inverse kinematics calculation unit 110a Target trajectory setting unit 110b Target position setting unit 111 Rotation angle conversion circuit 112 Gain integrator 113 Digital / analog converter 114 Servo amplifier 115a Load estimation unit 115b Limb position calculation unit 116 Impedance constant conversion unit 117 Joint load measurement sensor 118 Impedance constant conversion unit 119 Limb position measurement sensor 201 Leg 202 Drive unit 205 Lower leg length 206 Upper leg length L1 207a Limb body reference point 207b Movement fulcrum coordinate 208 Knee joint 209 Hip joint angle θ1 210 Knee joint angle θ2 211 Hip joint load t1 212 Knee joint load t2 213 Length from knee joint to center of sprint L2 214 Maximum value of motion position coordinates 215 Virtual spring constant change area 216 Hand position coordinates
Claims (12)
を動かす目的で、装置に取り付けられた力センサまたは
位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御ま
たは位置制御によって装置の動作を制御する肢体駆動装
置の制御装置において、 駆動装置の動作中に、装置に装着した肢体への負荷を、
常に監視する負荷推定部と、 肢体への過負荷付近により目標インピーダンスの各パラ
メータ定数が変更できるインピーダンス定数変換部と、 前記負荷推定部により得られる肢体への負荷が、設定し
た肢体への過負荷値Flimit に対しその値より小さく設
定された値Fstart に到達した時点で、駆動装置の動作
が持つ全自由度のうち、ある自由度方向のインピーダン
ス定数を、前記過負荷値Flimit へ肢体負荷値が近づく
に応じて変化させ、その自由度方向の動作を仮想的にフ
リーにしていく制御手段と、を備えたことを特徴とする
肢体駆動装置の制御装置。1. The operation of the device is controlled by force control or position control based on the sensing information of a force sensor or a position / angle sensor attached to the device for the purpose of moving the limb by the operation of the device attached to the limb. In the control device of the limb drive device, the load on the limb attached to the device is
The load estimation unit that constantly monitors, the impedance constant conversion unit that can change each parameter constant of the target impedance near the overload on the limb, and the load on the limb obtained by the load estimation unit When a value Fstart smaller than the value Flimit is reached, the impedance constant in a certain degree of freedom among all the degrees of freedom of the operation of the driving device is set to the overload value Flimit. A control device for a limb drive device, comprising: a control means for changing the motion in the direction of the degree of freedom virtually as it approaches, and for virtually freeing the motion in the direction of the degree of freedom.
る手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の肢体駆
動装置の制御装置。2. The control device for a limb drive apparatus according to claim 1, further comprising means for setting a joint load or a muscle load as a monitored object.
体への負荷が、前記Flimit と前記Fstart の間の領域
にあれば、駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある
自由度方向において、そのインピーダンス定数である仮
想バネ定数または仮想粘性定数を、前記Fstart から前
記Flimit へ関節負荷が大きくなるに応じて除々に減ら
し、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく
手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の肢体駆動
装置の制御装置。3. If the current load on the limb obtained by the load estimating unit is in the region between the Flimit and the Fstart, in all the degrees of freedom of the motion of the drive device, in a certain degree of freedom direction. A means for gradually reducing the virtual spring constant or virtual viscosity constant, which is the impedance constant, from the Fstart to the Flimit as the joint load increases, and virtually freeing the motion in the direction of the degree of freedom. The control device for the limb drive device according to claim 1, wherein
体への負荷が、前記Flimit と前記Fstart の間の領域
にある場合、装置の負荷計測手段における最大の負荷方
向に対し、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにし
ていく手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の肢
体駆動装置の制御装置。4. When the current load on the limb obtained by the load estimation unit is in the region between the Flimit and the Fstart, the direction of the degree of freedom with respect to the maximum load direction in the load measuring means of the device. 2. The control device for the limb drive apparatus according to claim 1, further comprising means for virtually freeing the operation of.
び肢体のパラメータを用いた運動学により肢体への負荷
を算出する負荷推定部を持つことを特徴とする請求項1
記載の肢体駆動装置の制御装置。5. A load estimation unit for calculating a load on a limb by kinematics using the force sensor attached to the limb and a parameter of the limb.
A control device for the limb drive device described.
肢体への装着部に加わる負荷を計測する計測手段によっ
て肢体への負荷とする負荷推定部を持つことを特徴とす
る請求項1記載の肢体駆動装置の制御装置。6. A load estimating unit for calculating the load on the limb by using a measuring means for measuring a load applied to a mounting portion of the limb drive unit on the limb, the load estimating unit. A control device for the limb drive device described.
た計測手段により計測し算出する負荷推定部を持つ請求
項1記載の肢体駆動装置の制御装置。7. The control device for a limb drive apparatus according to claim 1, further comprising a load estimating unit that measures and calculates the joint load by a measuring unit attached to the limb.
度以上、全自由度以下の自由度方向において実行する手
段を備えたことを特徴とする請求項1記載の肢体駆動装
置の制御装置。8. The control device for the limb drive device according to claim 1, further comprising means for executing a virtual free function of the drive device in a direction of two or more degrees of freedom and a total degree of freedom or less.
を動かす目的で、装置に取り付けられた力センサまたは
位置・角度センサのセンシング情報をもとに、力制御ま
たは位置制御によって装置の動作を制御する肢体駆動装
置の制御装置において、 駆動装置の動作中に、肢体の動作位置を肢体に取り付け
られたセンサにより計測し常に監視する肢体位置算出部
と、 前記肢体動作位置の可動域限界付近において目標インピ
ーダンスの各パラメータ定数が変更できるインピーダン
ス定数変換部と、 前記肢体位置算出部により得られる現在位置が、設定し
た肢体の可動限界位置Llimit に対しその位置より手前
に設定された位置Lstart に入った時点で、駆動装置の
動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向のインピー
ダンス定数を、前記Lstart から前記Llimit へ肢体位
置が向かう距離に応じて変更し、その自由度方向の動作
を仮想的にフリーにしていく制御手段と、を備えたこと
を特徴とする肢体駆動装置の制御装置。9. The operation of the device is controlled by force control or position control based on the sensing information of a force sensor or a position / angle sensor attached to the device for the purpose of moving the limb by the operation of the device attached to the limb. In the control device of the limb drive device, a limb position calculation unit that constantly monitors the movement position of the limb with a sensor attached to the limb during operation of the drive device, and a target near the range of motion of the limb movement position. When the current position obtained by the impedance constant conversion unit that can change each parameter constant of impedance and the limb position calculation unit enters the position Lstart set before that position with respect to the set movable limit position Llimit of the limb Then, of all the degrees of freedom of the operation of the driving device, the impedance constant in the direction of a certain degree of freedom is calculated from the Lstart. A control device for a limb drive device, comprising: a control unit that changes the limb position to Llimit according to the distance to which the limb position is headed, and virtually frees the motion in the direction of the degree of freedom.
により得られる現在位置が、前記Llimit と前記Lstar
t の間の領域にあれば、駆動装置の動作が持つ全自由度
のうち、ある自由度方向のインピーダンス定数である仮
想バネ定数または仮想粘性定数を、前記Lstart から前
記Llimit へ肢体位置が向かう距離に応じて除々に減ら
し、その自由度方向の動作を仮想的にフリーにしていく
手段を備えたことを特徴とする請求項9記載の肢体駆動
装置の制御装置。10. The control unit is configured such that the current position obtained by the limb position calculation unit is the Llimit and the Lstar.
If it is in the region between t, the virtual spring constant or virtual viscosity constant, which is the impedance constant in the direction of a certain degree of freedom, of all the degrees of freedom of the operation of the drive device, is the distance from the Lstart to the Llimit at which the limb position moves. 10. The control device for a limb drive device according to claim 9, further comprising means for gradually reducing the movement in the direction of the degree of freedom to thereby virtually free the movement in the direction of the degree of freedom.
の運動学および肢体のパラメータによる運動学により推
定計算する肢体位置算出部を持つ請求項9記載の肢体駆
動装置の制御装置。11. The control device for the limb drive device according to claim 9, further comprising a limb position calculation unit that estimates and calculates the position of the limb by kinematics of the limb drive device and kinematics based on the parameters of the limb body.
能を2自由度以上、全自由度以下の自由度方向において
実行する請求項9ないし請求項11のうちいずれかの項
に記載の肢体駆動装置の制御装置。12. The limb drive device according to claim 9, wherein the virtual free function of the limb movement device is executed in a direction of two or more degrees of freedom and less than or equal to all degrees of freedom. Control device.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34650395A JP3638048B2 (en) | 1995-12-11 | 1995-12-11 | Control device for limb body drive device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34650395A JP3638048B2 (en) | 1995-12-11 | 1995-12-11 | Control device for limb body drive device |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JPH09154900A true JPH09154900A (en) | 1997-06-17 |
| JP3638048B2 JP3638048B2 (en) | 2005-04-13 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3638048B2 (en) |
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-
1995
- 1995-12-11 JP JP34650395A patent/JP3638048B2/en not_active Expired - Fee Related
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