(57)【要約】【課題】時間変化するノイズ信号を除去し得る動作補正装置を提供する。【解決手段】食事支援装置は、マニピュレータに対する動作に応じた主信号および振戦信号を含む入力信号ＩＮを出力する力覚センサと、力覚センサから出力された入力信号ＩＮが入力される入力手段１５とを備える。また、振戦除去システム１８として、全域通過フィルタＡＰＦを適用したノッチフィルタに入力した入力信号ＩＮの出力を最小とするタップ係数を更新することで、時間変化する振戦信号の各時刻での周波数に対応する推定周波数ｆt(ｉ)を決定する振戦周波数推定手段４２を備える。そして、振戦周波数推定手段４２で決定された推定周波数ｆt(ｉ)に基づき決定される遮断フィルタにより、振戦除去手段４４が入力信号ＩＮから振戦信号を除去して出力信号ＯＵＴを生成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作検出部(13)で検出され、主信号およびノイズ信号を含む入力信号(IN)が入力される入力手段(15)と、
全域通過フィルタ(APF)を適用したノッチフィルタ(17)に入力した前記入力信号(IN)の出力(e(i))が最小となるタップ係数(α)を更新することで、時間変化するノイズ信号の各時刻での周波数に対応する推定周波数(ft(i))を決定するノイズ周波数推定手段(42)と、
前記ノイズ周波数推定手段(42)で決定された推定周波数(ft(i))に基づき決定される遮断フィルタ(FIn)により、前記入力信号(IN)からノイズ信号を除去して出力信号(OUT)を生成するノイズ除去手段(44)と、
前記ノイズ除去手段(44)で生成された出力信号(OUT)を出力する出力手段(20)とを備える
ことを特徴とするノイズ信号除去装置。
【請求項２】
前記ノイズ周波数推定手段(42)は、前記主信号とみなされる周波数帯域を前記入力信号(IN)から除去する主信号除去部(46)を備え、該主信号除去部(46)で周波数帯域が除去された入力信号(IN)が前記ノッチフィルタ(17)に入力される請求項１記載のノイズ信号除去装置。
【請求項３】
前記ノイズ周波数推定手段(42)は、前記タップ係数(α)からノッチ周波数である暫定周波数(fe(i))を算出する暫定周波数算出手段(48)と、該暫定周波数算出手段(48)で算出された暫定周波数(fe(i))に基づき前記推定周波数(ft(i))を決定する判定部(50)とを備え、
前記判定部(50)は、
任意時刻における暫定周波数(fe(i))と該任意時刻の直前に決定された推定周波数(ft(i-1))との差に基づくズレ監視量(h(i))が予め設定された第１基準値(hr)より大きく、かつ所定時間内における暫定周波数(fe(i-k)〜fe(i))の分散(v(i))が予め設定された第２基準値(vr)より大きい場合には、当該任意時刻の直前に決定された推定周波数(ft(i-1))を任意時刻における推定周波数(ft(i))として決定すると共に、
前記ズレ監視量(h(i))が前記第１基準値(hr)より小さい場合、または、前記分散(v(i))が前記第２基準値(vr)より小さい場合には、当該任意時刻に算出された暫定周波数(fe(i))を任意時刻における推定周波数(ft(i))として決定する
請求項１または２記載のノイズ信号除去装置。
【請求項４】
動作検出部(13)で検出された主信号およびノイズ信号を含む入力信号(IN)が入力手段(15)に入力され、
前記入力手段(15)に入力された入力信号(IN)を全域通過フィルタ(APF)を適用したノッチフィルタ(17)に入力し、その出力(e(i))を最小とするタップ係数(α)を更新することで、時間変化するノイズ信号の各時刻での周波数に対応する推定周波数(ft(i))を決定し、
前記推定周波数(ft(i))に基づき決定される遮断フィルタ(FIn)により、前記入力信号(IN)からノイズ信号を除去して出力信号(OUT)を生成し、
生成された前記出力信号(IN)を出力手段(20)が出力する
ことを特徴とするノイズ信号除去方法。
【請求項５】
前記主信号とみなされる周波数帯域が除去された入力信号(IN)を前記ノッチフィルタ(17)に入力する請求項４記載のノイズ信号除去方法。
【請求項６】
前記タップ係数(α)からノッチ周波数である暫定周波数(fe(i))を算出し、
任意時刻における暫定周波数(fe(i))と該任意時刻の直前に決定された推定周波数(ft(i-1))との差に基づくズレ監視量(h(i))が予め設定された第１基準値(hr)より大きく、かつ所定時間内における暫定周波数(fe(i-k)〜fe(i))の分散(v(i))が予め設定された第２基準値(vr)より大きい場合には、当該任意時刻の直前に決定された推定周波数(ft(i-1))を任意時刻における推定周波数(ft(i))として決定すると共に、
前記ズレ監視量(h(i))が前記第１基準値(hr)より小さい場合、または、前記分散(v(i))が前記第２基準値(vr)より小さい場合には、当該任意時刻に算出された暫定周波数(fe(i))を任意時刻における推定周波数(ft(i))として決定する
請求項４または５記載のノイズ信号除去方法。
【請求項７】
被操作手段(12,14)に対する動作に応じた主信号およびノイズ信号を含む入力信号(IN)を出力する動作検出部(13)と、
前記動作検出部(13)から出力された入力信号(IN)が入力される入力手段(15)と、
全域通過フィルタ(APF)を適用したノッチフィルタ(17)に入力した前記入力信号(IN)の出力(e(i))を最小とするタップ係数(α)を更新することで、時間変化するノイズ信号の各時刻での周波数に対応する推定周波数(ft(i))を決定するノイズ周波数推定手段(42)と、
前記ノイズ周波数推定手段(42)で決定された推定周波数(ft(i))に基づき決定される遮断フィルタ(FIn)により、前記入力信号(IN)からノイズ信号を除去して出力信号(OUT)を生成するノイズ除去手段(44)と、
前記ノイズ除去手段(44)で生成された出力信号(OUT)を出力する出力手段(20)と、
前記出力手段(20)から出力された出力信号(OUT)に基づき動作補正対象(12,14)を作動させる駆動手段とを備える
ことを特徴とする動作補正装置。
【請求項８】
前記ノイズ周波数推定手段(42)は、前記主信号とみなされる周波数帯域を前記入力信号(IN)から除去する主信号除去部(46)を備え、該主信号除去部(46)で周波数帯域が除去された入力信号(IN)が前記ノッチフィルタ(17)に入力される請求項７記載の動作補正装置。
【請求項９】
前記ノイズ周波数推定手段(42)は、前記タップ係数(α)からノッチ周波数である暫定周波数(fe(i))を算出する暫定周波数算出手段(48)と、該暫定周波数算出手段(48)で算出された暫定周波数(fe(i))に基づき前記推定周波数(ft(i))を決定する判定部(50)とを備え、
前記判定部(50)は、
任意時刻における暫定周波数(fe(i))と該任意時刻の直前に決定された推定周波数(ft(i-1))との差に基づくズレ監視量(h(i))が予め設定された第１基準値(hr)より大きく、かつ所定時間内における暫定周波数(fe(i-k)〜fe(i))の分散(v(i))が予め設定された第２基準値(vr)より大きい場合には、当該任意時刻の直前に決定された推定周波数(ft(i-1))を任意時刻における推定周波数(ft(i))として決定すると共に、
前記ズレ監視量(h(i))が前記第１基準値(hr)より小さい場合、または、前記分散(v(i))が前記第２基準値(vr)より小さい場合には、当該任意時刻に算出された暫定周波数(fe(i))を任意時刻における推定周波数(ft(i))として決定する
請求項７または８記載の動作補正装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ノイズ除去装置、ノイズ除去方法および動作補正装置に関し、更に詳細には、入力信号からノイズ信号を除去して出力信号を出力するノイズ除去装置、ノイズ除去方法および動作補正装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、医療や福祉現場において、介護者の負担を軽減するアシスト装置や被介護者の自立支援を目的とする自立支援ロボットの研究が盛んに行なわれている(例えば、特許文献１参照)。特に食事は、毎日欠かすことのできない作業であるため、介護者、被介護者共に負担が大きく、食事を支援する様々な装置が研究・開発されている。
【０００３】
ところで、手先や身体に震え(以下、振戦という)をもつ患者を対象として、使用者の動作に合わせて装置を動作させる食事支援装置(動作補正装置)が提案されている。このような食事支援装置では、手先の力覚信号に含まれる振戦信号(ノイズ信号)と使用者が意図する信号(主信号)とを正確に分離し、振戦による影響を除去した上で、操作性よく装置を動作させる必要がある。この観点から、振戦抑制に関する多くの研究が従来から行なわれている。例えば、Mr. Nawateは移動平均法によってマウス操作時の振戦の補正を試み(非特許文献１)、また、J. Gonzalezらは同様の分野で、最適なイコライザーを利用したディジタルフィルタリングアルゴリズムを発展させた(非特許文献２)。更に、C. N. Riviereらは微細手術における生理的振戦抑制に、非線形適応ノイズ除去アルゴリズムを用い(非特許文献３)、S. Pledieらは、インピーダンス制御における振戦抑制のためのフィードバックループをもったマン・マシンモデルを作成した(非特許文献４)。
【特許文献１】特開平１１−２５３５０４号公報
【非特許文献１】Masahiko Nawate, A Painting Tool with Blurring Compensation for People Having Involuntary Hand Motion, IEICE HIP, Vol. 103, pp.59-64, 2004
【非特許文献２】Gonzalez. J.G, Filtering involuntary motion of people with tremor disability using optimal equalization, Proc. IEEE Int. Conf. On Systems, Man and Cybernetics, Vol.3, pp.2402-2407, 1995
【非特許文献３】Cameron N. Riviere, Toward Active Tremor Canceling in Handheld Microsurgical Instruments, IEEE Trans. on Robotics and Automation, Vol. 15, No. 5, October, pp.793-800, 2003
【非特許文献４】Pledgie. S, Tremor suppression through impedance control, IEEE. Trans on Rehabilitation and Engineering, Vol.8, issue.l,pp.53-59, 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、これらの方法には、(1) 入力に対する出力の遅延が大きく、操作性に問題があること、(2) 振戦についての周波数を事前に測定して、当該周波数の振戦のみが抑制対象となり、個人差や時変性を有する振戦に対応することができない難点があった。
【０００５】
そこで、本発明は、従来技術に内在する前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、振戦等のノイズ信号の周波数をリアルタイムで推定して、時変性のあるノイズ信号を除去し得るノイズ信号除去装置、ノイズ信号除去方法および動作補正装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述した課題を解決し、所期の目的を好適に達成するため、請求項１に係るノイズ除去装置は、
動作検出部で検出され、主信号およびノイズ信号を含む入力信号が入力される入力手段と、
全域通過フィルタを適用したノッチフィルタに入力した前記入力信号の出力が最小となるタップ係数を更新することで、時間変化するノイズ信号の各時刻での周波数に対応する推定周波数を決定するノイズ周波数推定手段と、
前記ノイズ周波数推定手段で決定された推定周波数に基づき決定される遮断フィルタにより、前記入力信号からノイズ信号を除去して出力信号を生成するノイズ除去手段と、
前記ノイズ除去手段で生成された出力信号を出力する出力手段とを備えることを特徴とする。
請求項１の発明によれば、時間変化するノイズ信号に追従してノイズ信号の周波数に対応する推定周波数を決定するので、時変性のあるノイズ信号を入力信号から除去することができる。
【０００７】
請求項２に係るノイズ除去装置では、前記ノイズ周波数推定手段は、前記主信号とみなされる周波数帯域を前記入力信号から除去する主信号除去部を備え、該主信号除去部で周波数帯域が除去された入力信号が前記ノッチフィルタに入力される。
請求項２の発明によれば、入力信号から主信号とみなされる周波数帯域が除去されるので、主信号をノイズ信号として除去してしまうのを抑制し得る。
【０００８】
請求項３に係るノイズ信号除去装置では、
前記ノイズ周波数推定手段は、前記タップ係数からノッチ周波数である暫定周波数を算出する暫定周波数算出手段と、該暫定周波数算出手段で算出された暫定周波数に基づき前記推定周波数を決定する判定部とを備え、
前記判定部は、
任意時刻における暫定周波数と該任意時刻の直前に決定された推定周波数との差に基づくズレ監視量が予め設定された第１基準値より大きく、かつ所定時間内における暫定周波数の分散が予め設定された第２基準値より大きい場合には、当該任意時刻の直前に決定された推定周波数を任意時刻における推定周波数として決定すると共に、
前記ズレ監視量が前記第１基準値より小さい場合、または、前記分散が前記第２基準値より小さい場合には、当該任意時刻に算出された暫定周波数を任意時刻における推定周波数として決定する。
請求項３の発明によれば、ズレ監視量が第１基準値より大きく、かつ分散が第２基準値より大きい場合には、直前に決定された推定周波数を当該時刻における推定周波数とするので、周期的動作に係る主信号が入力信号に含まれた場合にも、当該主信号をノイズ信号として除去してしまうのを抑制し得る。また、ズレ監視量が第１基準値より小さい場合、または、分散が第２基準値より小さい場合には、当該時刻での暫定周波数を推定周波数として決定するので、時間変化するノイズ信号に追従して推定周波数を求め得る。
【０００９】
前述した課題を解決し、所期の目的を好適に達成するため、請求項４に係るノイズ信号除去方法は、
動作検出部で検出された主信号およびノイズ信号を含む入力信号が入力手段に入力され、
前記入力手段に入力された入力信号を全域通過フィルタを適用したノッチフィルタに入力し、その出力を最小とするタップ係数を更新することで、時間変化するノイズ信号の各時刻での周波数に対応する推定周波数を決定し、
前記推定周波数に基づき決定される遮断フィルタにより、前記入力信号からノイズ信号を除去して出力信号を生成し、
生成された前記出力信号を出力手段が出力することを特徴とする。
請求項４の発明によれば、時間変化するノイズ信号に追従してノイズ信号の周波数に対応する推定周波数を決定するので、入力信号から時変性のあるノイズ信号を除去することができる。
【００１０】
請求項５に係るノイズ信号除去方法では、主信号とみなされる周波数帯域が除去された入力信号を前記ノッチフィルタに入力する。
請求項５の発明によれば、入力信号から主信号とみなされる周波数帯域が除去されるので、主信号をノイズ信号として除去してしまうのを抑制し得る。
【００１１】
請求項６に係るノイズ信号除去方法では、
タップ係数からノッチ周波数である暫定周波数を算出し、
任意時刻における暫定周波数と該任意時刻の直前に決定された推定周波数との差に基づくズレ監視量が予め設定された第１基準値より大きく、かつ所定時間内における暫定周波数の分散が予め設定された第２基準値より大きい場合には、当該任意時刻の直前に決定された推定周波数を任意時刻における推定周波数として決定すると共に、
前記ズレ監視量が前記第１基準値より小さい場合、または、前記分散が前記第２基準値より小さい場合には、当該任意時刻に算出された暫定周波数を任意時刻における推定周波数として決定する。
請求項６の発明によれば、ズレ監視量が第１基準値より大きく、かつ分散が第２基準値より大きい場合には、直前に決定された推定周波数を当該時刻における推定周波数として決定するので、周期的動作に係る主信号が入力信号に含まれた場合にも、当該主信号をノイズ信号として除去してしまうことがない。また、ズレ監視量が第１基準値より小さい場合、または、分散が第２基準値より小さい場合には、当該時刻での暫定周波数を推定周波数として決定するので、時間変化するノイズ信号に追従して推定周波数を決定し得る。
【００１２】
前述した課題を解決し、所期の目的を好適に達成するため、請求項７に係る動作補正装置は、
被操作手段に対する動作に応じた主信号およびノイズ信号を含む入力信号を出力する動作検出部と、
前記動作検出部から出力された入力信号が入力される入力手段と、
全域通過フィルタを適用したノッチフィルタに入力した前記入力信号の出力を最小とするタップ係数を更新することで、時間変化するノイズ信号の各時刻での周波数に対応する推定周波数を決定するノイズ周波数推定手段と、
前記ノイズ周波数推定手段で決定された推定周波数に基づき決定される遮断フィルタにより、前記入力信号からノイズ信号を除去して出力信号を生成するノイズ除去手段と、
前記ノイズ除去手段で生成された出力信号を出力する出力手段と、
前記出力手段から出力された出力信号に基づき動作補正対象を作動させる駆動手段とを備えることを特徴とする。
請求項７の発明によれば、時間変化するノイズ信号に追従してノイズ信号の周波数を推定し得るので、入力信号から時変性のあるノイズ信号を除去して出力信号を出力することができる。従って、被操作手段に対する入力信号からノイズ信号を除去した出力信号により、動作補正対象の動作を補正して作動させることができる。
【００１３】
請求項８に係る動作補正装置では、ノイズ周波数推定手段は、前記主信号とみなされる周波数帯域を前記入力信号から除去する主信号除去部を備え、該主信号除去部で周波数帯域が除去された入力信号が前記ノッチフィルタに入力される。
請求項８の発明によれば、入力信号から主信号とみなされる周波数帯域が除去されるので、主信号をノイズ信号として除去してしまうのを抑制し得る。
【００１４】
請求項９に係る動作補正装置では、ノイズ周波数推定手段は、前記タップ係数からノッチ周波数である暫定周波数を算出する暫定周波数算出手段と、該暫定周波数算出手段で算出された暫定周波数に基づき前記推定周波数を決定する判定部とを備え、
前記判定部は、
任意時刻における暫定周波数と該任意時刻の直前に決定された推定周波数との差に基づくズレ監視量が予め設定された第１基準値より大きく、かつ所定時間内における暫定周波数の分散が予め設定された第２基準値より大きい場合には、当該任意時刻の直前に決定された推定周波数を任意時刻における推定周波数として決定すると共に、
前記ズレ監視量が前記第１基準値より小さい場合、または、前記分散が前記第２基準値より小さい場合には、当該任意時刻に算出された暫定周波数を任意時刻における推定周波数として決定する。
請求項９の発明によれば、ズレ監視量が第１基準値より大きく、かつ分散が第２基準値より大きい場合には、直前に決定された推定周波数を当該時刻における推定周波数として決定するので、周期的動作に係る主信号が入力信号に含まれた場合にも、当該主信号をノイズ信号として除去してしまうことがない。また、ズレ監視量が第１基準値より小さい場合、または、分散が第２基準値より小さい場合には、当該時刻での暫定周波数を推定周波数として決定するので、時間変化するノイズ信号に追従して推定周波数を決定し得る。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、時変性のあるノイズ信号を追従的に推定して、入力信号からノイズ信号を好適に除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明に係るノイズ除去装置、ノイズ除去方法および動作補正装置につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照しながら以下説明する。なお、実施例では、使用者の食事を支援する食事支援装置に本発明に係る動作補正装置を採用した例を挙げて説明する。また、実施例に係る食事支援装置が備える振戦除去システムに、本発明のノイズ除去装置が採用され、振戦除去システムにより本発明のノイズ除去方法が実行される。更に、実施例では、手先や身体に振戦が生ずるパーキンソン病患者が、使用者として食事支援装置を使用する場合について説明する。なお、実施例に係る食事支援装置では、マニピュレータ(スプーン)に対する使用者の動作に対応して、該マニピュレータ(スプーン)が作動する構成となっている。すなわち、実施例に係るマニピュレータやスプーンは、被操作手段であり、動作補正対象でもある。
【実施例】
【００１７】
実施例に係る食事支援装置１０は、図１に示す如く、６軸のマニピュレータ１２と、該マニピュレータ１２の先端部３８の上部に配設された力覚センサ(動作検出部)１３と、該マニピュレータ１２の先端部３８に設けられてスプーン１４の柄部１４ａが着脱自在に装着される取付部１６と、マニピュレータ１２を駆動する駆動手段(図示せず)と、振戦によるノイズ信号(以下、振戦信号と云う)を除去する振戦除去システム１８とを備える。そして、使用者は、前記スプーン１４の柄部１４ａや取付部１６を把持してマニピュレータ１２を操作することで、振戦が除去された上でスプーン１４を所望の方向・速度で移動させ得るようになっている。なお、マニピュレータ１２の根本は、使用者が食事に使用するテーブル４０に固定部２２によって固定されている。また、振戦除去システム１８は、例えば、食事支援装置１０を統括的に制御するコンピュータの演算装置等が対応する。
【００１８】
前記マニピュレータ１２は、固定部２２側から順に、第１関節部２４、第１アーム部２６、第２関節部２８、第２アーム部３０、第３関節部３２、第３アーム部３４、第４関節部３６および先端部３８を備え、各回動部位に駆動手段としての第１〜第６モータ(図示せず)が設けられている。そして、前記振戦除去システム１８の出力手段２０が第１〜第６モータに出力信号を送出して作動制御することで、前記第１〜第３アーム部２６,３０,３４が回動して、マニピュレータ１２の自由度の高い動きが実現されている。
【００１９】
前記固定部２２には、テーブル４０に対して垂直な軸線を中心とした回動が可能な第１関節部２４が取付けられ、該第１関節部２４に、テーブル４０の上面に対して水平な軸線を中心とした回動が可能な第１アーム部２６が取付けられている。前記第１アーム部２６の先端は、第２関節部２８を介して第２アーム部３０と連結しており、該第２アーム部３０はテーブル４０の上面に対して水平な軸線を中心とする回動が可能となっている。前記第２アーム部３０の先端には、テーブル４０の上面に対して水平な軸線を中心とする回動が可能な第３関節部３２が取付けられている。この第３関節部３２の端部３２ａには、第２アーム部３０の長手方向に沿った軸線を中心とした回動が可能な第３アーム部３４が取付けられている。すなわち、第３アーム部３４は、前記テーブル４０に対し上下方向に回動し得ると共に、第３アーム部３４の長手方向に沿った軸線を中心とする回動(自転)が可能となっている。更に、前記第４関節部３６は、第３アーム部３４と先端部３８とを連結し、該先端部３８は、第３アーム部３４の長手方向に沿った軸線を中心として回動し得るよう構成される。
【００２０】
前記先端部３８に装着される取付部１６は、使用者が容易に把持し得る大きさの円柱形状とされている。取付部１６の先端には、ドリルチャックの如き公知の把持機構が設けられ、該把持機構を介してスプーン１４の柄部１４ａを取付部１６に容易に着脱し得る構成となっている。なお、前記取付部１６に装着されるスプーン１４は、食事に用いられる一般的なものが採用されている。
【００２１】
前記力覚センサ１３は、使用者のマニピュレータ１２(スプーン１４)に対する動作(力の方向・加速度等)を入力信号ＩＮとして検出するものであり、該力覚センサ１３は前記振戦除去システム１８の入力手段１５(後述)に電気的に接続されている。この力覚センサ１３で検出された使用者の動作は、入力信号ＩＮとして振戦除去システム１８に入力される。入力信号ＩＮには、使用者が意図する動作による主信号と、使用者が意図しない振戦による振戦信号とが含まれる。そして、振戦除去システム１８は、入力信号ＩＮから振戦信号を除去した出力信号ＯＵＴを出力することで、マニピュレータ１２(スプーン１４)に対し振戦の影響を除いた使用者が望む動きをさせ得るようになっている。
【００２２】
実施例に係る振戦除去システム１８は、図２に示すように、前記力覚センサ１３から入力信号ＩＮが入力される入力手段１５と、時間変化する振戦信号の各時刻での振戦の周波数に対応する推定周波数ｆt(ｉ)を決定する振戦周波数推定手段(ノイズ周波数推定手段)４２と、該振戦周波数ｆt(ｉ)に基づき決定される遮断フィルタ(ＦＩn)により、入力信号ＩＮから振戦信号を除去して出力信号ＯＵＴを生成する振戦除去手段(ノイズ除去手段)４４と、該振戦除去手段４４で生成された出力信号ＯＵＴを出力する出力手段２０とを備えている。また、前記振戦周波数推定手段４２は、入力信号ＩＮから使用者の主信号とみなされる周波数帯域を予め除去する主信号除去部４６と、各時刻での暫定周波数ｆe(ｉ)(後述)を算出する暫定周波数算出部４８と、該暫定周波数算出部４８で算出された暫定周波数ｆe(ｉ)に基づき前記推定周波数ｆt(ｉ)を決定する判定部５０とを備えている。なお、振戦除去システム１８を構成する振戦除去手段４４や振戦周波数推定手段４２の各部は、夫々が物理的に独立する部材である必要はなく、１つの制御ユニットに組込まれていてもよい。すなわち、振戦除去システム１８の各部は、物理的に明確に区分けし得るものでなく、夫々の機能に基づき分類されるものであればよい。
【００２３】
(振戦除去手段について)
実施例に係る振戦除去手段４４は、遮断フィルタＦＩnとして遅延の少ないバンドストップフィルタが採用されている。また、このバンドストップフィルタには、主信号への影響を少なくするため、通過域が平坦なChbyshevII型が用いてある。遅延ｔdelayは、操作性の劣化を考慮して遅延量を０.１[sec]以下とし、除去帯域幅ｆstop=０.３[Hz]、通過帯域と除去帯域との差ｆdiff＝０.１[Hz]を固定パラメータとし、遮断帯域の中心周波数ｆcを１〜８[Hz]の間で除去帯域幅ｆstopの１／２ずつオーバーラップさせながら、複数の遮断フィルタＦＩnのセットを求めた(数１参照)。図３に、遮断フィルタＦＩnの一例を示す。設計した遮断フィルタＦＩnは、後述するように、前記振戦周波数推定手段４２で決定した推定周波数ｆt(ｉ)に応じて切替えられる。そして、振戦除去手段４４は、決定した遮断フィルタＦＩnにより入力信号ＩＮから振戦信号を除去して、出力信号ＯＵＴを生成する。なお、前記除去帯域幅ｆstopは、予め行なったパーキンソン病患者の振戦解析から、振戦周波数のピーク帯域幅がおよそ０.２[Hz]程度であることが確認されたので、若干の余裕をもって０.３[Hz]とした。また、フィルタ係数のオーバーラップは、必ずしも除去帯域幅ｆstopの１／２に限定されず、例えば、１／３，１／４ずつオーバーラップさせてもよい。
【数１】
2010118798.tif 000003
【００２４】
(主信号除去部について)
前記主信号除去部４６は、入力信号ＩＮのうち使用者の主信号とみなされる周波数帯域が暫定周波数算出部４８(後述するノッチフィルタ１７)に入力されるのを防止するためのものである。実施例では、主信号除去部４６として、ハイパスフィルタが採用されている。すなわち、前記力覚センサ１３から入力される入力信号ＩＮは、使用者の主信号や振戦信号を含む様々な周波数でパワー(振幅)をもつ有色信号である。従って、適応アルゴリズムが最もパワーの大きい周波数(主に低周波)に収束するのを防止するため、暫定周波数算出部４８への入力の前に、入力信号ＩＮにハイパスフィルタをかけて主信号とみなされる周波数帯域を除去するようになっている。
【００２５】
主信号除去部４６で除去する周波数(カットオフ周波数)は、振戦や不随意運動の周波数以下とし、解析結果に基づき例えば１.０[Hz]とした。すなわち、使用者が食事をする動作(主信号)は、概ね１.０[Hz]より低い周波数であるため、当該周波数より低い周波数帯域は主信号であるとみなして暫定周波数算出部４８への入力が阻止される。但し、後述するように、主信号にカットオフ周波数より高い使用者の周期的動作が含まれる場合、当該主信号は主信号除去部４６でカットされることはない。従って、この周期的動作に係る主信号は、振戦信号と共に暫定周波数算出部４８へ入力される。なお、使用者の振戦の程度や、使用者が意図する動作等に合わせて、カットオフ周波数は適宜変更することが可能である。
【００２６】
(暫定周波数算出部について)
前記暫定周波数算出部４８は、図４に示すように、IIR型２次全域通過フィルタＡＰＦをノッチフィルタ１７に適用して、適応アルゴリズムを用いて暫定周波数ｆe(ｉ)を算出するものである。全域通過フィルタＡＰＦとは、全周波数で振幅特性が１であり、ある周波数のみで位相が反転するものを云う。IIR型２次全域通過フィルタＡＰＦの伝達関数は数２で表わされる。このIIR型２次全域通過フィルタＡＰＦを数３に示すように、ノッチフィルタ１７として利用する。αとρと位相の反転する正規化各周波数ωcとの間には数４のような関係があり、αは位相の反転する周波数(ノッチ周波数)を決定する係数(タップ係数)、ρは位相反転の急峻さ(ノッチの急峻さ)を決定する係数である。なお、位相反転は、ρの値を「１」に近付けるに従って急峻になる傾向がある。
【数２】
2010118798.tif 000004
【数３】
2010118798.tif 000005
【数４】
2010118798.tif 000006
【００２７】
前記ノッチフィルタ１７のノッチ周波数はタップ係数αで決定されるので、ノッチフィルタ１７は振戦信号の振戦周波数とノッチ周波数が一致するようにタップ係数αを更新する。このタップ係数αを更新する適応アルゴリズムを導く。基本とする最急降下法は数５で表わされる。ここで、▽(ｉ)は時間ｋにおける勾配ベクトル、μは更新の幅を決定するステップサイズパラメータである。
【数５】
2010118798.tif 000007
数５からタップ係数αを更新する式を導く。はじめに式５は式６となる。但し、ＬＭＳ(Least Mean Square)アルゴリズムに従ってＡは▽(ｉ)の推定値とし、評価関数Ｊ＝Ｅ[ｅ(ｉ)２]の推定値を数７のようにＢとした(Ｅ[・]は期待値演算を表わす)。また、図４から数８、数９であることを用いると、Ａは数１０のように計算できる。よってタップ係数αの更新式は数１１となる。
【数６】
2010118798.tif 000008
【数７】
2010118798.tif 000009
【数８】
2010118798.tif 000010
【数９】
2010118798.tif 000011
【数１０】
2010118798.tif 000012
【数１１】
2010118798.tif 000013
【００２８】
この適応アルゴリズムは誤差ｅ(ｉ)(ノッチフィルタ１７の出力)を最小にするように係数αを更新する。更新により、入力信号中の振戦周波数に対応するタップ係数αを求めることができる。そして、暫定周波数算出部４８は、時間変化する振戦周波数に応じて係数αを更新することで、時刻ｉでのノッチ周波数を算出し、これを暫定周波数ｆe(ｉ)とする(数１２参照)。すなわち、この暫定周波数ｆe(ｉ)とは、当該時刻における振戦信号の振戦周波数として暫定的にみなされる周波数である(暫定周波数ｆe(ｉ)を推定周波数ｆt(ｉ)とするかは後述する判定部５０が判定する)。なお、係数αとρ(コンスタント)の値によっては適応アルゴリズムが発散するため、閾値をシミュレーションにより求める必要がある。本実施例では、例えば、ρ＝０.９９５のとき、α＞−１.９９４９５とした。なお、この推定法を用いた場合、解像度はステップサイズパラメータμによって任意に決定でき、計算量も少ないため、サンプル毎の更新が可能である。但し、μの大きさは推定精度と収束速度のトレードオフの関係にあるため、システムにあったものを適宜選択する必要がある。
【数１２】
2010118798.tif 000014
【００２９】
(判定部について)
前記判定部５０は、例えば、使用者がスプーン１４でかき集める、字を書くと云った周期的動作に係る主信号が入力された場合に、当該主信号を除去しないように機能するものである。前述のように、前記主信号除去部４６は、カットオフ周波数より低い信号は除去するものの、使用者がカットオフ周波数より高い周期的動作をした場合には、その信号は主信号除去部４６を通過してしまう。すると、暫定周波数算出部４８に周期的動作に係る信号が入力され、該暫定周波数算出部４８は、当該信号に対して前記暫定周波数数ｆe(ｉ)を算出してしまう。そこで、判定部５０は、暫定周波数算出部４８で算出された暫定周波数ｆe(ｉ)が、振戦信号に起因する場合には、当該暫定周波数ｆe(ｉ)を前記推定周波数ｆt(ｉ)として決定し、周期的動作に起因するものである場合には、直前に決定された推定周波数ｆt(ｉ−１)を当該時刻での推定周波数ｆt(ｉ)として決定する。具体的には、判定部５０は、前記暫定周波数算出部４８で算出された時刻ｉでの暫定周波数ｆe(ｉ)を図５のブロック図の如く制御する。図５のｈ(ｉ)、ｖ(ｉ)は、夫々、数１３,数１４で示すような評価関数である。
【数１３】
2010118798.tif 000015
【数１４】
2010118798.tif 000016
【数１５】
2010118798.tif 000017
【００３０】
ここで、λは忘却係数である。数１３は時刻ｉでの暫定周波数ｆe(ｉ)と直前での推定周波数ｆt(ｉ−１)のズレを監視するズレ監視量ｈ(ｉ)を示している。このように、忘却係数λを用いて再帰的に計算することで、過去のデータに対する重みをもつことができる。すなわち、ズレ監視量ｈ(ｉ)に基づく判別は、一般的に“周波数領域での数あるピークの中から振戦を判別する際、比較的長時間観測し続けられるものを振戦ということができる”という振戦判別法を利用している。数１４は時刻ｉ−ｋから時刻ｉまで(所定時間内)の暫定周波数ｆe(ｉ−ｋ)〜ｆe(ｉ)の分散ｖ(ｉ)を表わし、適応アルゴリズムの収束を監視している。
【００３１】
すなわち、判定部５０は、前記ズレ監視量ｈ(ｉ)が、予め設定された第１基準値ｈｒより大きく(図５のステップＳ１のＹｅｓ)、かつ前記分散ｖ(ｉ)が、予め設定された第２基準値ｖｒより大きい場合には(図５のステップＳ２のＮｏ)、当該時刻ｉの直前に決定された推定周波数ｆt(ｉ−１)を時刻ｉでの推定周波数ｆt(ｉ)として決定するようになっている(図５のステップＳ５)。ここで、ズレ監視量ｈ(ｉ)が第１基準値ｈｒより大きくなることは、暫定周波数ｆe(ｉ)が大きく変化したことを意味し、入力信号ＩＮに周波数が大きく異なる周期的信号が加わったことを意味する。一方、前記分散ｖ(ｉ)が第２基準値ｖｒより大きくなることは、暫定周波数ｆe(ｉ)が所定時間内に急激に変化したことを意味している。この両条件を満たすことで、振戦信号とは異なる周期的信号が所定時間内に急激に加わったことを意味し、判定部５０は、当該周期的信号が使用者の周期的動作に基づくものとして、当該時刻ｉでの暫定周波数ｆe(ｉ)を推定周波数ｆt(ｉ)として決定することはない。
【００３２】
なお、ズレ監視量ｈ(ｉ)が第１基準値ｈｒより小さい場合(図５のステップＳ１のＮｏ)、または、前記分散ｖ(ｉ)が第２基準値ｖｒより小さい場合(図５のステップＳ２のＹｅｓ)、判定部５０は、当該暫定周波数ｆe(ｉ)が周期的動作に基づくものではない(振戦信号である)として、その暫定周波数ｆe(ｉ)を推定周波数ｆt(ｉ)とする(図５のステップＳ４,Ｓ３)。すなわち、振戦周波数がゆっくりと変化するような場合には、判定部５０は、当該振戦周波数の変化に応じて、推定周波数ｆt(ｉ)を更新させる。なお、第１基準値ｈr、第２基準値ｖrは、アルツハイマー病患者の解析結果より得られたデータを入力し、そのときの評価関数の変化を基準に決定される。前記判定部５０で推定周波数ｆt(ｉ)が決定すると、前記振戦除去手段４４は、推定周波数ｆt(ｉ)が数１５を満たすように数１におけるｎを決定し、前記振戦除去手段４４の遮断領域の中心周波数ｆc(ｎ)を決定する。すなわち、振戦除去手段４４は、判定部５０で最終的に決定された推定周波数ｆt(ｉ)に応じて、振戦除去手段４４の遮断フィルタＦＩnを決定する。
【００３３】
前記出力手段２０は、前記第１〜第６モータに接続され、振戦除去手段４４で生成された出力信号ＯＵＴを第１〜第６モータに出力するようになっている。そして、この出力信号ＯＵＴに基づき第１〜第６モータが駆動して、マニピュレータ１２(スプーン１４)が作動する。
【００３４】
(実施例の作用)
次に、実施例に係る食事支援装置１０の作用について、振戦除去システム１８による振戦除去方法(ノイズ除去方法)と共に図６のフローチャートを参照して説明する。使用者がスプーン１４の柄部１４ａを把持して、該スプーン１４で掬った食物を口元まで搬送するよう力を付与すると、力覚センサ１３が使用者の動作を検知して、これに基づく入力信号ＩＮを生成する(ステップＳ１)。このとき、入力信号ＩＮには、使用者の主信号に加え、振戦による振戦信号が含まれる。
【００３５】
力覚センサ１３で生成された入力信号ＩＮは、振戦除去システム１８の入力手段１５に入力され(ステップＳ２)、最初に、振戦周波数推定手段４２の主信号除去部４６へ入力される(ステップＳ３)。すると、使用者の主信号は、振戦信号に比較して低周波(カットオフ周波数１.０[Hz]より低い)であるため、当該主信号とみなされた周波数帯域が主信号除去部４６で除去される。これにより、入力信号ＩＮから振戦信号(使用者が周期的動作をした場合は、その主信号も含む)のみが抽出される。そして、前記周波数帯域が除去された入力信号ＩＮは、前記暫定周波数算出部４８へ入力される。すると、暫定周波数算出部４８は、ノッチフィルタ１７の出力ｅ(ｉ)が最小となるよう係数αを更新して、時刻ｉにおける暫定周波数ｆe(ｉ)を算出する(ステップＳ４,数１２参照)。
【００３６】
暫定周波数算出部４８で算出された暫定周波数ｆe(ｉ)は、判定部５０に入力され(ステップＳ５)、判定部５０では、算出された振戦周波数(推定周波数(ｆe(ｉ))を推定周波数ｆt(ｉ)とするか否か判定する。すなわち、判定部５０は、ズレ監視量ｈ(ｉ)が第１基準値ｈrより大きく、かつ暫定周波数ｆe(ｉ)の分散ｖ(ｉ)が第２基準値ｖrより大きい場合は(ステップＳ６のＹｅｓ)、当該暫定周波数ｆe(ｉ)は使用者の周期的動作(主信号)に起因するものであるとして、直前の推定周波数ｆt(ｉ−１)を当該時刻での推定周波数ｆt(ｉ)と決定する(ステップＳ７)。一方、ズレ監視量ｈ(ｉ)が第１基準値ｈrより小さい場合、または、前記分散ｖ(ｉ)が第２基準値ｖrより小さい場合には(ステップＳ６のＮｏ)、暫定周波数ｆe(ｉ)は振戦信号に起因するものとして、判定部５０は当該時刻での暫定周波数ｆe(ｉ)を推定周波数ｆt(ｉ)として決定する(ステップＳ８のＹｅｓ)。
【００３７】
次いで、振戦除去手段４４は、前記判定部５０で最終的に決定された推定周波数ｆt(ｉ)に基づき、数(１５)を満たすｎを決定する(ステップＳ９)。この決定されたｎにより、前記振戦除去手段４４における遮断領域の中心周波数ｆc(ｎ)が決定され(ステップＳ１０)、該振戦除去手段４４の遮断フィルタＦＩnが決定される(ステップＳ１１)。振戦除去手段４４は、決定された遮断フィルタＦＩnにより入力信号ＩＮから振戦信号の分離を行ない、使用者の主信号のみからなる出力信号ＯＵＴを生成する(ステップＳ１２)。この出力信号ＯＵＴは、前記出力手段２０へ入力され(ステップＳ１３)、該出力手段２０から各第１〜第６モータへ出力される(ステップＳ１４)。これにより、マニピュレータ１２(スプーン１４)は、振戦による影響が除去された使用者が望む動きで作動する。
【００３８】
以上に説明したように、実施例に係る食事支援装置１０は、振戦除去システム１８が時間変化する振戦信号の各時刻での周波数に対応する推定周波数ｆt(ｉ)を決定するので、使用者の個人差や時変性のある振戦を除去して、マニピュレータ１２を使用者が意図するように動作させることができる。また、主信号除去部４６により入力信号ＩＮから主信号とみなされる周波数帯域が除去されるので、主信号を振戦信号として除去してしまうのを防止し得る。更に、使用者が意図的な周期的動作をした場合には、判定部５０により、直前に決定された推定周波数ｆt(ｉ−１)を当該時刻における推定周波数ｆt(ｉ)として決定するので、周期的動作に係る主信号が除去されるのを防止し得る。
【００３９】
(実験例１)
次に、本発明に係るノイズ除去装置、ノイズ除去方法および動作補正装置の有効性を確認するため、シミュレーション信号による実験を行なった。結果を図７および図８に示す。図７(ａ)〜(ｃ)は振戦周波数推定手段４２への入力信号と出力信号を表わし、図８は各手法における推定周波数ｆt(ｉ)の変化を示したものである。入力信号ＩＮは、振戦信号とする正弦波(周波数は図８のReference.以下ｆr)に、外乱として様々な周波数の正弦波と白色雑音を加えたものである。(ａ)は暫定周波数算出部４８による推定のみの場合で、(ｂ)は暫定周波数算出部４８への入力の前にカットオフ周波数１.０[Hz]の主信号除去部４６を加えた場合、(ｃ)は(ｂ)に判定部５０を加えた場合である。
【００４０】
まず、Ｔ1での入力は振戦信号の正弦波と低周波のみである。(ａ)の方法ではパワーの大きな低周波へ収束してしまっているが、(ｂ)と(ｃ)の方法ではｆrに収束していることから、主信号除去部４６は有効に作用していると云える。次に、Ｔ2でｆrに近い周波数の外乱を加えた。これにより(ｂ)の方法では、Ｔ２〜Ｔ3にかけて推定周波数ｆt(ｉ)がｆrから外れてしまっているが、(ｃ)の方法では判定部５０が有効に働き、遮断フィルタＦＩnの切替えが停止している。Ｔ4では、ｆrを少しずつ変動させている。このとき推定周波数ｆt(ｉ)は、ｆrに追従している。すなわち、ｆrの変化が急でない場合には、振戦周波数の微小な変動である可能性が高いため、推定周波数ｆt(ｉ)はｆrに追従するべく更新を続ける。
【００４１】
次に、実際に用いる力覚センサ１３からの信号によって有効性を検証した。図９は、特に振戦周波数の変動が大きい１５〜２５[sec]を拡大して表わしたものである。図９より、振戦周波数が時間変化しても、本発明に係る振戦除去装置および方法では、振戦の変動に追従して振戦信号が除去されているのが分かる。
【００４２】
(実験例２)
次に、実験例２として、先端に力覚センサ１３を取付けたマニピュレータを用いた検証実験を行なった。なお、実施例では、６自由度のマニピュレータ１２を例に説明したが、本実験例２では、３自由度のマニピュレータを用いて実験を行なった。手動で操作するため、力覚センサ１３の入力信号を以下の式を用いて変換した。
【数１６】
2010118798.tif 000018
ここで、ｖmaxはモーションキャプチャにより測定した健常者の食事動作における手先の最大速度、Ｆmaxは力覚センサ１３からの最大入力である。これを各軸毎に計算し速度リファンレンスｖrefとした。Ｆmaxは２０[Ｎ]、ｖmaxは８０[mm/sec]とした。Ｚ方向の結果を図１０に示す。上のグラフはセンサ入力、下のグラフはマニピュレータに取付けたスプーン１４の先端位置をモーションキャプチャで撮影し追跡した結果である。１７秒付近からフィルタをＯＦＦからＯＮにしている。
【００４３】
この結果より、振戦信号の大部分が除去できていることが分かる。フィルタＯＮによって操作感が若干変化したが、これはマニピュレータの都合上１００[Hz]の動作周波数で実験を行なったことが大きな要因であると考える。フィルタＯＮ・ＯＦＦの前後で入力が変わっているのはマニピュレータ１２が振戦に合わせて動かなくなったためである。
【００４４】
なお、実施例では、動作補正装置として、入力信号ＩＮからノイズ信号としての振戦を除去する食事支援装置１０について説明したが、ノイズ信号としては、振戦に限定されず、例えば、使用者の緊張や疲労に起因する手先の震え等によるノイズも含まれる。また、実施例では、食事支援を目的とする食事支援装置１０の場合について説明したが、本発明に係る動作支援装置としては、食事支援に限定される訳ではなく、例えば、ジョイスティックや触覚センサ、コンピュータへのマウス操作等にも適宜応用することが可能である。この場合、ジョイスティックやマウスが被操作手段に対応している。更には、産業用ロボットや、手術等の医療行為を支援する装置に、本発明を適用することも可能である。
【００４５】
更に、実施例では、被操作手段および動作補正対象が同一のマニピュレータ１２である場合を例示したが、動作が加わる被操作手段と動作補正対象とが別のものであってもよい。例えば、使用者が被操作手段(ジョイスティック等)を操作することで、ノイズ信号を除去した上で、使用者から離れた部材(例えば、筆記具や手術器具等)を補正しつつ作動させることが考えられる。更には、使用者による被操作手段への操作が、補正された後に、例えば、コンピューター上の画面に表示された動作補正対象(マウスのカーソル等)を作動させてもよい。更に、被操作手段を操作する操作主体としては、実施例の如く、人間に限定されず、例えば、ロボットが被操作手段を操作して、その動作を動作補正対象に再現させるようにしてもよい。
【００４６】
実施例では、暫定周波数算出部４８により暫定周波数ｆe(ｉ)を算出して、判定部５０により推定周波数ｆt(ｉ)を決定する構成としたが、前記タップ係数αから求まるノッチ周波数をそのまま推定周波数ｆt(ｉ)としてもよい。すなわち、必ずしも、判定部５０を設ける必要はない。また、主信号除去部４６についても、実施例の如く、ハイパスフィルタに限定されず、ローパスフィルタ等を採用してもよい。更に、実施例では、遮断フィルタＦＩnとしてバンドストップフィルタを採用したが、ノッチフィルタや他のフィルタを採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施例に係る食事支援装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】実施例に係る食事支援装置に設けられた振戦除去システムの構成を示すブロック図である。
【図３】振戦除去手段で用いられる遮断フィルタの一例を示すグラフである。
【図４】暫定周波数算出部に採用されたノッチフィルタを示す図である。
【図５】判定部における判定フローを示すブロック図である。
【図６】食事支援装置の振戦除去方法を示すフローチャート図である。
【図７】振戦周波数推定手段の入力信号および出力信号の実験結果を示すグラフであって、(ａ)は暫定周波数算出部のみを設けた場合、(ｂ)は暫定周波数推定部および主信号除去部を用いた場合、(ｃ)は(ｂ)に判定部を加えた場合の結果を示す。
【図８】図７における(ａ)〜(ｃ)の手法において推定された推定周波数の変化を示すグラフである。
【図９】入力信号および出力信号の時間変化を表わす実験結果である。
【図１０】実験例２の実験結果を示すグラフであって、上のグラフは力覚センサへの入力信号を示し、下のグラフはスプーンの先端位置をモーションキャプチャで撮影し追跡した結果を示す。
【符号の説明】
【００４８】
１２ マニピュレータ(被操作手段,動作補正対象)
１４ スプーン(被操作手段,動作補正対象)，１３ 力覚センサ(動作検出手段)
１５ 入力手段，１７ ノッチフィルタ，２０ 出力手段
４２ 振戦周波数推定手段(ノイズ周波数推定手段)
４４ 振戦除去手段(ノイズ除去手段)，４６ 主信号除去部
４８ 暫定周波数算出手段，５０ 判定部，ＩＮ 入力信号
ＡＰＦ 全域通過フィルタ，α タップ係数，ｈ(ｉ) ズレ監視量
ｖ(ｉ) 分散，ｅ(ｉ) 出力(誤差)，ｆt(ｉ) 推定周波数，ｆe(ｉ) 暫定周波数
ＦＩn 遮断フィルタ，ＯＵＴ 出力信号，ｈr 第１基準値，ｖr 第２基準値
【図１】
2010118798.tif 000019
【図２】
2010118798.tif 000020
【図３】
2010118798.tif 000021
【図４】
2010118798.tif 000022
【図５】
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【図６】
2010118798.tif 000024
【図８】
2010118798.tif 000025
【図７】
2010118798.tif 000026
【図９】
2010118798.tif 000027
【図１０】
2010118798.tif 000028