(57)【要約】【課題】正常可動範囲での動作に基づいて非正常可動範囲での支援を行ない得る動作支援装置を提供する。【解決手段】動作支援装置は、正常可動範囲での前腕部の屈曲動作に基づいて、前腕部の予測速度軌道Ｆ(ｔ)を算出する速度軌道予測手段１８と、予測速度軌道Ｆ(ｔ)に基づいて駆動モータを駆動する駆動制御手段２０とを備える。速度軌道予測手段１８は、前腕部のサンプル速度ｖ１,ｖ２,ｖ３を測定する速度測定部３０と、サンプル速度ｖ１,ｖ２,ｖ３に基づいて、予測速度軌道Ｆ(ｔ)をベル型の軌道として算出する速度軌道算出部３２とを備える。そして、駆動制御手段２０は、予測速度軌道Ｆ(ｔ)に基づき駆動モータの駆動を制御して、前腕部を支援する第２サポート部材を作動させる。すると、前腕部は、非正常可動範囲を測速度軌道Ｆ(ｔ)に則して屈曲動作して、目標到達位置に到達する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節(C)を軸に屈曲動作する身体部位(B)に装着される支援手段(14)と、前記支援手段(14)を作動させる駆動手段(16)とを備え、動作主体の力に基づく正常動作が不能な非正常可動範囲において前記駆動手段(16)を駆動して前記支援手段(14)により身体部位(B)を屈曲動作させる動作支援装置であって、
動作主体の力に基づく正常動作が可能な正常可動範囲での身体部位(B)の屈曲動作に基づいて、該正常可動範囲内の初期位置から操作主体が望む前記非正常可動範囲内の任意の目標到達位置までの身体部位(B)の予測速度軌道(F(t))を算出する速度軌道予測手段(18)と、
前記速度軌道予測手段(18)で算出された予測速度軌道(F(t))に基づいて前記駆動手段(16)の駆動を制御する駆動制御手段(20)とを備え、
前記速度軌道予測手段(18)は、
前記正常可動範囲での身体部位(B)の任意時刻における複数の速度(v2,v3)と、該正常可動範囲および非正常可動範囲の境界位置における身体部位の速度(v1)とからなるサンプル速度(v1,v2,v3)を測定する速度測定部(30)と、
前記速度測定部(30)が測定したサンプル速度(v1,v2,v3)に基づいて、前記予測速度軌道(F(t))を上に凸のピークを１つ有する軌道として算出する速度軌道算出部(32)とを備え、
前記駆動制御手段(20)は、前記速度軌道算出部(32)で算出された予測速度軌道(F(t))に基づき前記駆動手段(16)の駆動を制御して、非正常可動範囲を身体部位(B)が予測速度軌道(F(t))で屈曲動作するよう該駆動手段(16)が前記支援手段(14)を作動させる
ことを特徴とする動作支援装置。
【請求項２】
前記速度軌道算出部(32)は、前記予測速度軌道(F(t))として、始点において加速度が漸増すると共に終点において加速度が漸減し、時間軸方向に略対称なベル型の軌道を算出する請求項１記載の動作支援装置。
【請求項３】
前記速度軌道算出部(32)は、２次以上の関数であって上に凸のピークを１つ有する予測速度関数(E(t))のパラメータ(a,b,c)を前記サンプル速度(v1,v2,v3)から算出して該予測速度関数(E(t))を決定する速度関数決定領域(34)と、該速度関数決定領域(34)で決定された予測速度関数(E(t))を前記ベル型の軌道に変換して前記予測速度軌道(F(t))を算出するベル型変換領域(36)とを備える請求項２記載の動作支援装置。
【請求項４】
前記予測速度関数(E(t))は、２次関数である請求項３記載の動作支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、動作主体の力に基づく正常動作が不能な非正常可動範囲において支援手段により身体部位を支援して該身体部位を屈曲動作させる動作支援装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、身体に装着して身体動作を補助する様々な動作支援装置が開発されている。例えば、装置の装着部位の基本動作をパターン化し、身体動作に伴った筋電信号を利用して動作意思を判別すると共に、設定したパターンに従って装置を動作させて、装置動力により使用者の筋力を補うパワーアシスト型の動作支援装置が提案されている(例えば、非特許文献１参照)。また、腕や脚のように左右対称に動作可能な一方の身体部位(例えば左腕)にマスター側ロボットを装着し、該身体部位と対称な動作をする他方の身体部位(例えば右腕)にスレーブ側ロボットを装着して、マスター側ロボットの動作に追従してスレーブ側ロボットを動作させるマスタースレーブ型の動作支援装置(例えば、非特許文献２および非特許文献３参照)が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】KENTA SUZUKI, GOUJI MITO, HIROAKI KAWAMOTO, YASUHISA HASEGAWA, YOSHIYUKI SANKAI, “Intention-based walking support for paraplegia patients with Robot Suit HAL”, Advanced Robotics, Vol.21, No.12, pp.1441-1469, 2007
【非特許文献２】植村充典，金岡克弥，川村貞夫，“機械的弾性要素を利用した周期運動用パワーアシストシステム”，日本ロボット学会誌，26巻3号，294頁−300頁，2008
【非特許文献３】金岡克也，植村充典，“仮想パワーリミッタシステムによるパワーアシスト制御の安定化”，第4回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会，2E2-1，2003
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述したパワーアシスト型の動作支援装置では、筋電信号を利用して動作意思を判別することにより使用者の筋力を補う装置であることから、自らの意思で身体を動かすことができる者を被支援対象としたものである。すなわち、例えば腕神経叢損傷患者のように関節可動範囲の内の一定範囲でしか自力動作させられない場合に、非可動範囲では筋電信号を利用した使用者の動作意思の判別が困難となるため、自力動作可能な範囲を超えた動作支援を行なうことは不可能であった。
【０００５】
一方、前述したマスタースレーブ型の動作支援装置であれば、マスター側ロボットに追従してスレーブ側ロボットを動作させるため、スレーブ側ロボットが装着される身体部位について自力動作不能な範囲まで動作させることは可能である。しかしながら、マスタースレーブ型の動作支援装置では、スレーブ側ロボットをマスター側ロボットと同じ動作をさせるため、該マスター側ロボットが装着される身体部位およびスレーブ側ロボットが装着される身体部位で個別独立した動作(作業)を行なうことは不可能である。すなわち、マスタースレーブ型の動作支援装置を、日常生活での動作支援に対して利用することは困難であった。
【０００６】
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、関節の可動範囲における正常可動範囲での動作に基づいて、身体部位を非正常可動範囲で動作させ得る動作支援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】
【０００７】
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に係る動作支援装置は、
関節を軸に屈曲動作する身体部位に装着される支援手段と、前記支援手段を作動させる駆動手段とを備え、動作主体の力に基づく正常動作が不能な非正常可動範囲において前記駆動手段を駆動して前記支援手段により身体部位を屈曲動作させる動作支援装置であって、
動作主体の力に基づく正常動作が可能な正常可動範囲での身体部位の屈曲動作に基づいて、該正常可動範囲内の初期位置から操作主体が望む前記非正常可動範囲内の任意の目標到達位置までの身体部位の予測速度軌道を算出する速度軌道予測手段と、
前記速度軌道予測手段で算出された予測速度軌道に基づいて前記駆動手段の駆動を制御する駆動制御手段とを備え、
前記速度軌道予測手段は、
前記正常可動範囲での身体部位の任意時刻における複数の速度と、該正常可動範囲および非正常可動範囲の境界位置における身体部位の速度とからなるサンプル速度を測定する速度測定部と、
前記速度測定部が測定したサンプル速度に基づいて、前記予測速度軌道を上に凸のピークを１つ有する軌道として算出する速度軌道算出部とを備え、
前記駆動制御手段は、前記速度軌道算出部で算出された予測速度軌道に基づき前記駆動手段の駆動を制御して、非正常可動範囲を身体部位が予測速度軌道で屈曲動作するよう該駆動手段が前記支援手段を作動させることを特徴とする。
請求項１の発明によれば、正常可動範囲での動作に基づいて、身体部位を非正常可動範囲で屈曲動作させるようにしたので、支援対象となる身体部位を独立して動作支援することができ、日常生活に支障を来すことなく本装置を利用し得る。また、正常可動範囲での動作に基づいて算出された予測速度軌道に則して非正常可動範囲内での身体部位の屈曲動作を支援するので、正常可動範囲と非正常可動範囲とで屈曲動作が途切れることなく連続的に行なわれて、非正常可動範囲において違和感の少ない屈曲動作を再現することができる。
【０００８】
請求項２に係る動作支援装置では、速度軌道算出部は、前記予測速度軌道として、始点において加速度が漸増すると共に終点において加速度が漸減し、時間軸方向に略対称なベル型の軌道を算出する。
請求項２の発明によれば、予測速度軌道として、人間が行なう動作の一般的な速度波形であるベル型の軌道を算出するようにしたので、非正常可動範囲内で身体部位を自然な速度軌道で屈曲動作させることができ、違和感の少ない動作支援を実現し得る。
【０００９】
請求項３に係る動作支援装置では、速度軌道算出部は、２次以上の関数であって上に凸のピークを１つ有する予測速度関数のパラメータを前記サンプル速度から算出して該予測速度関数を決定する速度関数決定領域と、該速度関数決定領域で決定された予測速度関数を前記ベル型の軌道に変換して前記予測速度軌道を算出するベル型変換領域とを備える。
請求項３の発明によれば、速度関数決定領域によりサンプル速度から予測速度関数を算出するので、正常可動範囲での動作主体による屈曲動作を反映した予測速度関数を決定し得る。そして、予測速度関数をベル型変換領域によりベル型の軌道に変換することで、予測速度軌道を身体部位の自然な速度波形に近付けることができる。従って、非正常可動範囲内において違和感なく身体部位を動作支援することができる。また、予め設定した予測速度関数をサンプル速度から決定するので、予測速度関数や予測速度軌道の算出に要する計算量が抑制されて、装置のタイムラグの影響を少なくし得る。
【００１０】
請求項４に係る動作支援装置では、予測速度関数を２次関数とした。
請求項４の発明によれば、予測速度関数を２次関数に設定することで、少ないパラメータで予測速度関数を決定することができる。従って、予測速度関数の決定に必要な計算量を少なくして、タイムラグのない自然な支援動作を実現し得る。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、動作主体の正常可動範囲での動作に基づいた動作支援をするようにしたので、日常生活の動作に支障を来すことなく支援を行ない得る。しかも、正常可動範囲内での動作に基づき予測速度軌道を算出することで、非正常可動範囲において違和感の少ない円滑な動作支援を行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例に係る動作支援装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】実施例に係る前腕部の可動範囲を示す説明図である。
【図３】実施例に係る速度予測手段および駆動制御手段を示すブロック図である。
【図４】可変ダンパのベル型化効果を示す実験例である。
【図５】ベル型の速度軌道を示す概念図である。
【図６】予測される速度軌道を示す概略説明図である。
【図７】ベル型変換領域の機能を示す説明図である。
【図８】１次遅れ要素フィルタを示すブロック図である。
【図９】モード切り換え時に入力が緩和される様子を示す説明図である。
【図１０】モード切り換え時のシステムの挙動を示す実験結果である。
【図１１】予測軌道の精度について検証した実験結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明に係る動作支援装置につき、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、動作主体の右腕における肘関節を挟む上腕部および前腕部にサポート部材を装着して、前腕部の屈伸動作を支援する場合について例示する。
【実施例】
【００１４】
(動作支援装置全体の概要について)
図１は、実施例に係る動作支援装置１０の全体構成を示す概略図である。実施例に係る動作支援装置１０は、動作主体の上腕部Ａに装着される第１サポート部材１２と、該第１サポート部材１２に回動可能に軸支され、動作主体の前腕部(身体部位)Ｂに装着される第２サポート部材(支援手段)１４と、該第２サポート部材１４を作動(回動)させる駆動モータ(駆動手段)１６と、第２サポート部材１４(前腕部Ｂ)を第１サポート部材１２に対して屈曲動作させる速度(後述する支援速度Ｖｔおよび予測速度軌道Ｆ(ｔ))を算出する速度軌道予測手段１８と、該速度軌道予測手段１８で算出された速度に基づいて駆動モータ１６を駆動する駆動制御手段２０とから基本的に構成されている。
【００１５】
ここで、動作主体の前腕部Ｂの可動範囲は、前腕部Ｂの初期位置から該前腕部Ｂを上腕部Ａに対し最大限屈曲させた可動限界位置までの範囲を指す。そして、実施例における前腕部Ｂの可動範囲は、図２に示すように、動作主体が自力により屈曲動作可能(前腕部Ｂの動作により後述する圧力センサ２２への入力が可能)な正常可動範囲と、自力での屈曲動作が不能(前腕部Ｂの動作により圧力センサ２２への入力が不能)な非正常可動範囲とから構成されている。
【００１６】
そして、動作支援装置１０は、前記正常可動範囲では、前腕部Ｂから入力される動作主体の意思に基づいた屈曲動作を補助的に支援するようになっている。一方、動作主体よる入力が殆どなくなる非正常可動範囲では、動作支援装置１０は、前腕部Ｂが非正常可動範囲内の目標到達位置(後述)に到達するまでの間、完全な自動制御による動作支援を行なうようになっている。すなわち、動作支援装置１０は、正常可動範囲においては、前腕部Ｂの動作を補助的に支援する手動モードで作動し、非正常可動範囲においては、前腕部Ｂの動作を自動で支援する自動モードで作動するよう設定されている。
【００１７】
なお、実施例では、初期位置において、第２サポート部材１４が第１サポート部材１２に対し所定角度(約９０度)で屈曲した状態となっている(図２参照)。また、目標到達位置とは、前記非正常可動範囲内において動作主体が望む任意の到達位置を指し、動作主体は、初期位置から目標到達位置へ目指して前腕部Ｂを屈曲動作させるものとする。更に、正常可動範囲と非正常可動範囲との境界を境界位置とし、境界位置に到来した第２サポート部材１４が初期位置に対してなす角度を切り換え角度という。すなわち、動作支援装置１０は、前記第２サポート部材１４が切り換え角度に到達すると、前記手動モードから自動モードへ切り換わることとなる。
【００１８】
(サポート部材および駆動モータについて)
前記第１サポート部材１２は、上腕部Ａの長手方向に沿って延在するよう該上腕部Ａに装着される。前記第１サポート部材１２には、弾性により伸張自在に構成された第１締付ベルト３８が設けられ、該第１締付ベルト３８を上腕部Ａに巻き付けて第１サポート部材１２を上腕部Ａに固定するようになっている。また、前記第２サポート部材１４は、前腕部Ｂの長手方向に沿って延在するよう該前腕部Ｂに装着される。第２サポート部材１４は、前記第１締付ベルト３８と同様に弾性により伸張自在に構成された第２締付ベルト４０を備え、該第２締付ベルト４０を前腕部Ｂに巻き付けて第２サポート部材１４が前腕部Ｂに固定される。第２サポート部材１４の手首側には、該手首の周囲を囲うように装着されるリング状装着部２４が設けられている。このリング状装着部２４には、薄型の圧力センサ２２が複数設けられており、これら圧力センサ２２は、前腕部Ｂからの力を検知する力覚センサとして機能するようになっている。そして、動作主体が動作させた前腕部Ｂが前記圧力センサ２２を押圧することで、該圧力センサ２２が前腕部Ｂの力(操作力)を検知して、当該力に基づく入力信号を送出するようになっている。
【００１９】
前記第２サポート部材１４は、第１サポート部材１２に対し、動作主体の肘関節Ｃに相当する箇所で軸部２６を介して回動自在に軸支されている。第１および第２サポート部材１２,１４の連結部分には、図示しない回転軸を前記軸部２６に連結させた前記駆動モータ１６が設けられている。そして、前記駆動制御手段２０の制御下のもと駆動モータ１６が駆動すると、前記軸部２６を中心として前記第２サポート部材１４が第１サポート部材１２に対し回動して、前記前腕部Ｂを動作させるようになっている。第２サポート部材１４の速度(角速度)は、駆動モータ１６の回転数を増減することで変更し得るよう構成される。
【００２０】
(速度軌道予測手段について)
図３に示すように、前記速度軌道予測手段１８は、前記手動モード時において支援速度Ｖｔを算出する可変インピーダンス制御部２８と、正常可動範囲での前腕部Ｂ(第２サポート部材１４)のサンプル速度ｖ１,ｖ２,ｖ３(後述)を測定する速度測定部３０と、該速度測定部３０で測定したサンプル速度ｖ１,ｖ２,ｖ３に基づいて予測速度軌道Ｆ(ｔ)を算出する速度軌道算出部３２とを備える。前記可変インピーダンス制御部２８は、図３に示すように、前記圧力センサ２２に電気的に接続されており、該圧力センサ２２からの入力信号(前腕部Ｂからの操作力)に基づいて前記支援速度Ｖｔを算出するものである。この支援速度Ｖｔは、圧力センサ２２からの入力信号に基づきリアルタイムで算出される速度であって、手動モードでは、第２サポート部材１４が当該支援速度Ｖｔで作動するようになっている。従って、前腕部Ｂは、正常可動範囲においては、動作主体の入力に基づいて算出される支援速度Ｖｔで屈曲動作することとなる。
【００２１】
前記可変インピーダンス制御部２８は、数１に示す如く、トルクベースのインピーダンス制御則Ｉに基づいて、前記支援速度Ｖｔを算出するようになっている(図３参照)。このインピーダンス制御則Ｉは、第２サポート部材１４(前腕部Ｂ)の初期位置から屈曲させる方向に対して仮想バネを設置するモデルが採用されている。従って、正常可動範囲では、前腕部Ｂに対し、第２サポート部材１４を介して常に仮想バネによる反力が提示され、動作主体は遅れを感じることなく前腕部Ｂが支援される特徴を有している。
【数１】
2010200797.tif 000003
ここで、θｄは第２サポート部材１４の初期位置に対する角度(図１参照)、ＭＩ,ＤＩは機械インピーダンスにおける慣性と粘性であり、τｈ,τｋは人の操作力と仮想バネによる反力提示、ｋａｍｐは力増幅率である。また、角度リミッターを設けて、可動限界(初期位置および可動限界位置)の付近(ＲＯＭ)で無理な動作をしないように速度抑制係数(重み係数)Ｗを加えることで安全性を向上させている。この重み係数Ｗは、
【数２】
2010200797.tif 000004
の条件の下で加えられ、次式で与えられる。
【数３】
2010200797.tif 000005
なお、この重み係数Ｗは、自動モードでの可動限界位置付近においても寄与する。
【００２２】
ここで、前記機械インピーダンスは、肘関節Ｃの屈曲動作のような素早い動作では、慣性は小さく、粘性は大きい方が好ましいと云われている。また、操作性に対する粘性の支配率は高いことが知られている。そこで、前記可変インピーダンス制御部２８では、粘性ＤＩのみを可変としたインピーダンス制御則Ｉを採用している。従来から、ダンパの可変方法は数多く提案されているが、本実施例では、操作力に依存する可変方法(入力量に対して粘性を増減させる方法)を採用した。具体的には、数４に示すように、操作力に応じて粘性を下げる手法が採用されている。
【数４】
2010200797.tif 000006
【００２３】
ここで、数４のダンパ可変方法を用いたインピーダンス制御則Ｉの入力に対する出力波形(前記支援速度Ｖｔの軌道)を図４に例示する。図４のグラフは、上段から、インピーダンス制御則Ｉへの入力、当該入力に対応する粘性、第２サポート部材１４の初期位置に対する角度および出力としての速度軌道(支援速度Ｖｔの軌道)を示す。入力τｈは正弦波１周期分の正の入力(振幅１[V]，周波数π[rad/s])とし、ＭＩ＝０.００１[kg・deg2]，τｋ＝０[V]とした。また、Ａ＝０.５，Ｄｓ＝０.２[N・s/deg]とした。図４から明らかなように、出力された速度波形は上に凸で時間軸方向に略対称なベル型形状をなしている。すなわち、数４のダンパ可変方法を採用したインピーダンス制御則Ｉは、前腕部Ｂから入力された速度波形をベル型化する効果を有している。
【００２４】
また、数１の仮想バネ反力τｋは、屈曲動作における立ち上がり遅れ補償として用いられる。前記仮想バネ反力τｋにより常に微小なバネ反力が提示され続けることで、動作主体は、自らの操作に遅れることなく支援されている感覚を得ることができる。仮想バネ反力τｋは、角度θｄに応じて次式のように変化させる。
【数５】
2010200797.tif 000007
【数６】
2010200797.tif 000008
θｍａｘ,θｍｉｄは、夫々、前記可動限界位置での前腕部Ｂの角度および最大パワー発揮角度、τｋｓｉはバネ反力の初期値(初期位置での初期値)、τｋｓはバネ反力の最大値である。
【００２５】
(速度測定部および速度軌道算出部について)
前記速度軌道予測手段１８は、手動モードから自動モードへの切り換え時に、正常可動範囲での前腕部Ｂの屈曲動作から予測速度軌道Ｆ(ｔ)を算出するようになっている。この予測速度軌道Ｆ(ｔ)とは、正常可動範囲での前腕部Ｂ(第２サポート部材１４)の屈曲動作に基づいて予測される前腕部Ｂの初期位置から目標到達位置までの仮想的な速度軌道をいう。すなわち、自動モード(非正常可動範囲)においては、前記第２サポート部材１４が算出された予測速度軌道Ｆ(ｔ)に則して作動することで、前腕部Ｂを予測速度軌道Ｆ(ｔ)に沿って屈曲動作させるようになっている。なお、自動モード中においては、前記前腕部Ｂから圧力センサ２２への入力は全てカットされるよう設定され、当該入力により動作支援が影響を受けないようになっている。
【００２６】
ところで、一般的にある目標に向けて手を伸ばす到達運動は、日常的に特に意識することなく行なっている基本的動作であり、一見至極単純な運動であるかのように思われる。しかしながら、目標までの到達軌道は無数にあるのにもかかわらず、手先位置の軌道は、一貫して特徴的性質を提示することが従来から知られており、人間の脳は、到達運動遂行時に何等かの軌道計画を行なっていることは明確である。具体的には、手先は外界座標系においてほぼ直線的な軌道を描くこと、外界座標系における手先速度が時間方向に略対称的なベル型を示すこと、運動の始点と終点では加速度が０になることである。
【００２７】
このように、始点から終点に至る軌道は無数にあるにも拘わらず、脳は一定の性質を充たす軌道を生成することから、脳は何等かの評価関数を設定してそれが最適値をとる軌道を選択していると考えられる。その中の代表的な評価関数が躍度(加速度の時間微分、すなわち、手先位置の３回微分)の２乗積分である。FlashとHoganらは、以下の評価関数を最小化する軌道が最適な到達運動軌道であり、その速度波形は図５の如きベル型(始点および終点の加速度が略０で時間軸方向に略対称な軌道)になることを示した(T.Flash, N.Hogan, “The coordination of arm movement : An experimentally confirmed mathematical model”, Journal of Neuroscience, 5, pp.1688-703, 1985.)。
【数７】
2010200797.tif 000009
【００２８】
この評価関数を最小にする軌道は解析的に求めることができ、手先位置と時間の関係は以下の式で表される。
【数８】
2010200797.tif 000010
【数９】
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ここで、ｓは物理的な時間ｔを全運動時間Ｔで割った正規化時間、(ｘ０,ｙ０)は始点の座標(ｘ１,ｙ１)は終点の座標である。
【００２９】
以上の知見を踏まえ、実施例の速度軌道予測手段１８では、正常可動範囲での第２サポート部材１４(前腕部Ｂ)の屈曲動作から、前記予測速度軌道Ｆ(ｔ)として、ベル型の軌道に近似した上に凸のピークを１つ有する軌道(すなわち、始点において加速度が漸増すると共に終点において加速度が漸減し、時間軸方向に略対称な軌道)を算出するよう設定されている。この予測速度軌道Ｆ(ｔ)の具体的な算出方法について以下説明する。図６に示すように、正常可動範囲から非正常可動範囲へ到来した後の動作は、(１) 現在加速中であるならば、更に加速した後に減速する、(２) 現在減速中であるならば、減速を続ける、(３) 現在等速中であるならば等速を続ける、の大きく３つに分けることができる。
【００３０】
そこで、前記速度測定部３０は、正常可動範囲での第２サポート部材１４(前腕部Ｂ)における任意時刻での複数の速度ｖ２,ｖ３と、前記境界位置での第２サポート部材１４(前腕部Ｂ)の速度ｖ１とからなるサンプル速度ｖ１,ｖ２,ｖ３を測定する。具体的には、前記第１サポート部材１２と第２サポート部材１４とを軸支する軸部２６の回転数をエンコーダで測定して、第２サポート部材１４の速度(角速度)が求められる。前記速度測定部３０は、前記境界位置を含む正常可動範囲に設定した予測範囲(図２参照)で、サンプリング間隔Ｔでサンプル速度ｖ１,ｖ２,ｖ３を３つ測定する。
【００３１】
前記速度軌道算出部３２は、前記サンプル速度ｖ１,ｖ２,ｖ３から前記予測速度軌道Ｆ(ｔ)を算出するようになっている。図３に示すように、前記速度軌道算出部３２は、速度関数決定領域３４とベル型変換領域３６とを有しており、両領域３４,３６を経て予測速度軌道Ｆ(ｔ)が算出される。前記速度関数決定領域３４には、前記ベル型の軌道に近似した予測速度関数Ｅ(ｔ)が設定されている。この予測速度関数Ｅ(ｔ)は、２次以上の関数であって上に凸のピークを１つ有する関数であり、実施例では、次式で示すように２次関数が設定されている。
【数１０】
2010200797.tif 000012
そして、速度関数決定領域３４は、前記３つのサンプル速度ｖ１,ｖ２,ｖ３から数１０を満たすパラメータａ,ｂ,ｃを算出して、前記予測速度関数Ｅ(ｔ)を決定する。なお、予測される動作が上記(３)の場合、前腕部Ｂが等速運動を続けることは予測可能であるが、どのタイミングで前腕部Ｂの減速が始まるかについては予測不可能である。そこで、実施例では、一定時間等速運動を続け、その後減速させることとし、次式で定義した。
【数１１】
2010200797.tif 000013
【数１２】
2010200797.tif 000014
【００３２】
ここで、前記予測速度関数Ｅ(ｔ)は、本来ベル型が望ましい速度波形を２次関数に近似しているため、これを予測速度軌道Ｆ(ｔ)とすれば非正常可動範囲での前腕部Ｂの屈曲動作は違和感のある動きとなってしまう。そこで、前記ベル型変換領域３６では、速度関数決定領域３４で決定された予測速度関数Ｅ(ｔ)(２次関数)をベル型の軌道に変換し、当該変換した軌道を前記予測速度軌道Ｆ(ｔ)として算出するものである。具体的には、前述したインピーダンス制御則Ｉの可変ダンピングによるベル型効果を利用して、ベル型変換領域３６は予測速度関数Ｅ(ｔ)のベル型化を行なう。すなわち、図７に示すように、ベル型変換領域３６は、前記予測速度関数Ｅ(ｔ)を用いて前記インピーダンス制御則Ｉ(数１参照)を逆に解くことで、当該予測速度関数Ｅ(ｔ)を一旦力に変換して仮想的な操作力(予測操作力(図７のforce))を生成する。この予測操作力を入力とみなして、前記インピーダンス制御則Ｉに導入することで、前記ベル型変換領域３６は、可変ダンパのベル型効果より予測速度関数Ｅ(ｔ)をベル型に変換する。そして、ベル型変換領域３６でベル型化された予測速度関数Ｅ(ｔ)が、前記予測速度軌道Ｆ(ｔ)となる。
【００３３】
ここで、実施例に係る動作支援装置１０では、前記切り換え角度を超える動きが発生した場合に自動モードへと切り換わり、前記予測操作力が０になったとき(目標到達位置へ到達したとき)に手動モードへと切り換わるように設定されている。しかしながら、前記非正常可動範囲では、動作主体は本来力を発揮することができない範囲であるため、前記第２サポート部材１４が前腕部Ｂの荷重を全て支持した状態となる。すなわち、非正常可動範囲での前腕部Ｂは、前記圧力センサ２２に対し常に伸張方向(腕を伸ばす方向)への入力を与え続けている状況となっている。従って、このままでは、自動モードから手動モードへの切り換え時に、ステップ入力のような突発的な入力が圧力センサ２２に付与されて危険である。そこで、実施例の動作支援装置１０では、１次遅れ要素を用いた入力相殺を行なうことで、圧力センサ２２への突発的な入力を回避するようになっている(図８,図９参照)。すなわち、自動モードから手動モードへ切り換わる瞬間の印可入力を１次遅れ要素を用いて遅延出力することで、残留入力がなくなるまでの遅れ時間だけ操作力を緩和するよう設定される。
【００３４】
前記駆動制御手段２０は、前記速度軌道予測手段１８で算出された支援速度Ｖｔおよび予測速度軌道Ｆ(ｔ)に基づいて、前記駆動モータ１６を駆動させるようになっている。すなわち、手動モードでは、前腕部Ｂからの入力に基づいて速度軌道予測手段１８が支援速度Ｖｔをリアルタイムで算出し、前記駆動制御手段２０は当該支援速度Ｖｔに基づいて前記駆動モータ１６の駆動を制御する。すると、駆動モータ１６は、前記第２サポート部材１４を支援速度Ｖｔで回動させて、前腕部Ｂを支援速度Ｖｔで屈曲動作させるようになっている。一方、自動モードでは、前記駆動制御手段２０は、速度軌道算出部３２で算出された予測速度軌道Ｆ(ｔ)に基づいて前記駆動モータ１６を駆動制御する。すると、駆動モータ１６は、前記第２サポート部材１４を予測速度軌道Ｆ(ｔ)に則して回動させて、前腕部Ｂが前記予測速度軌道Ｆ(ｔ)で屈曲動作するよう構成される。
【００３５】
(実施例の作用)
次に、実施例に係る動作支援装置１０の作用について説明する。動作主体が上腕部Ａおよび前腕部Ｂに、夫々、第１サポート部材１２および第２サポート部材１４をセットし、前腕部Ｂを初期位置まで伸張させる。次に、動作主体は、非正常可動範囲内の任意の目標到達位置を定め、該目標到達位置へ向けて前腕部Ｂを屈曲動作させる。
【００３６】
動作主体による前腕部Ｂの屈曲動作により、該前腕部Ｂを介して前記圧力センサ２２へ操作力が入力される。すると、圧力センサ２２は、当該入力信号を前記可変インピーダンス制御部２８へ送り、該制御部２８は前記支援速度Ｖｔを算出する。すなわち、前記インピーダンス制御則Ｉに入力信号が入力されて、当該時刻での支援速度Ｖｔが算出される。可変インピーダンス制御部２８で算出された支援速度Ｖｔは、前記駆動制御手段２０へ送られて、該駆動制御手段２０は、支援速度Ｖｔに基づいて駆動モータ１６の駆動を制御する。すると、駆動モータ１６は、前記前腕部Ｂが支援速度Ｖｔで屈曲動作するよう第２サポート部材１４を回動させる。このように、手動モードにおいては、前腕部Ｂからの入力に基づいて前記可変インピーダンス制御部２８がリアルタイムで支援速度Ｖｔを算出し、駆動モータ１６は、各時刻で算出された支援速度Ｖｔで第２サポート部材１４を回動させる。
【００３７】
このように、実施例に係る動作支援装置１０は、手動モードにおいて、動作主体からの入力に応じた支援速度Ｖｔを算出し、前腕部Ｂの屈曲動作を補助的に支援するようになっている。しかも、動作主体の操作力(入力)に応じて小さくなる粘性ＤＩ(数４参照)を採用したので、手動モードにおいても動作主体の入力がベル型の速度軌道へ補正され、前腕部Ｂ(第２サポート部材１４)を自然な動きで屈曲動作させることができる。しかも、仮想バネ反力を立上がり遅れ補償として用いたので、動作主体は、自分の操作に対し遅れることなく支援されている感覚を得ることができる。
【００３８】
次に、前腕部Ｂ(第２サポート部材１４)が前記予測範囲に到達すると、前記速度測定部３０が境界位置での速度ｖ１を含む３つのサンプル速度ｖ１,ｖ２,ｖ３を測定する。測定されたサンプル速度ｖ１,ｖ２,ｖ３は、前記速度関数決定領域３４へ送られ、該速度関数決定領域３４は、サンプル速度ｖ１,ｖ２,ｖ３から数１０を用いて予測速度関数Ｅ(ｔ)(２次関数)のパラメータａ,ｂ,ｃを算出する。パラメータａ,ｂ,ｃが算出されて前記予測速度関数Ｅ(ｔ)が決定すると、該予測速度関数Ｅ(ｔ)は前記ベル型変換領域３６へ送られる。なお、サンプル速度ｖ１,ｖ２,ｖ３が略等しいとき(第２サポート部材１４が等速運動している場合)、前記速度関数決定領域３４は、数１１、数１２に示す予測速度関数Ｅ(ｔ)を決定する。
【００３９】
前記ベル型変換領域３６では、図７に示すように、算出された予測速度関数Ｅ(ｔ)を用いて前記インピーダンス制御則Ｉを逆算し、該予測速度関数Ｅ(ｔ)に対応する前記予測操作力を算出する。そして、一旦算出された予測操作力を再びインピーダンス制御則Ｉへ導入することで、予測速度関数Ｅ(ｔ)をベル型化する。すなわち、ベル型変換領域３６は、インピーダンス制御則Ｉの可変ダンピングによるベル型効果を利用して、２次関数である予測速度関数Ｅ(ｔ)を人間の自然な動作であるベル型の軌道に変換し、この軌道を前記予測速度軌道Ｆ(ｔ)として算出する。
【００４０】
前記速度軌道算出部３２で算出された予測速度軌道Ｆ(ｔ)は、前記駆動制御手段２０へ送られ、該駆動制御手段２０は予測速度軌道Ｆ(ｔ)に基づいて駆動モータ１６の駆動を制御する。すると、駆動モータ１６は、前記非正常可動範囲で第２サポート部材１４が前記予測速度軌道Ｆ(ｔ)に則して回動させる。すなわち、前腕部Ｂは、第２サポート部材１４の支援により、非正常可動範囲を前記予測速度軌道Ｆ(ｔ)に沿って屈曲動作する。そして、予測速度軌道Ｆ(ｔ)が０となったときに駆動モータ１６は、前記第２サポート部材１４を停止させて、前腕部Ｂが所定位置(角度)で停止する。このとき、前腕部Ｂは、前記正常可動範囲での第２サポート部材１４(前腕部Ｂ)の動作に基づいて算出された予測速度軌道Ｆ(ｔ)に従って停止していることから、前腕部Ｂは、動作主体が定めた目標到達位置の付近で停止することとなる。
【００４１】
このように、実施例に係る動作支援装置１０によれば、正常可動範囲での屈曲動作に基づいた支援を行なうようにしたので、従来例で説明したマスタースレーブ方式のように、左右の前腕部が同じ屈曲動作をするようなことはなく、日常生活での動作支援に本動作支援装置１０を利用することができる。また、正常可動範囲での前腕部Ｂの動作に基づいて算出された予測速度軌道Ｆ(ｔ)に従って、非正常可動範囲で前腕部Ｂを屈曲動作させるので、屈曲動作が正常可動範囲から非正常可動範囲へ途切れることなく移行して、違和感の少ない動作支援を行ない得る。
【００４２】
前記速度軌道予測手段１８で算出される予測速度軌道Ｆ(ｔ)は、人間の自然な動作に基づくベル型の軌道に近似されるので、非正常可動範囲で支援される前腕部Ｂの屈曲動作が自然な動きとなり、また、動作主体が当該自然な動きを意識することで、より高いリハビリ効果を得ることができる。しかも、ベル型の予測速度軌道Ｆ(ｔ)を算出することで、動作主体の望む目標到達位置を高い精度で予測することができる。更に、実施例に係る動作支援装置１０では、予測速度関数Ｅ(ｔ)をパラメータの少ない２次関数としたので、予測速度軌道Ｆ(ｔ)の算出に要する計算量を少なくでき、正常可動範囲から非正常可動範囲への移行時に違和感の少ない動作支援を実現することができる。
【００４３】
なお、第２サポート部材１４が停止すると、動作支援装置は、自動モードから手動モードへ切り換わり、前腕部Ｂから圧力センサ２２への入力が可能となる。しかし、動作主体の前腕部Ｂは、非正常可動範囲で力を殆ど加えられないため、前腕部Ｂの荷重を第２サポート部材１４が支持した状態となっており、大きな入力が圧力センサ２２へ加えられている。しかるに、実施例に係る動作支援装置１０では、１次遅れ要素を用いた入力相殺を行なうことで、自動モードから手動モードへ切り換わる瞬間の印可入力を緩和させている(図８,図９参照)。従って、モードの切り換え時に第２サポート部材１４が突発的に伸張動作するようなことはなく、前腕部Ｂをゆっくりと伸張動作させることができ安全である。
【００４４】
(検証実験１)
次に、実施例に係る動作支援装置１０のシステム挙動を確認するため、検証実験を行なった。図１０にモード切り換え時のシステムの挙動を示す。グラフの上段からインピーダンス制御則Ｉへの入力、動作主体による前腕部Ｂの操作力、軌道推定による予測操作力、自動制御判定、角度および角速度となっている。インピーダンスパラメータは、Ｍ＝０.０００２,Ｄ０＝０.５,Ａ＝０.５,τｋｓ＝０.０５,τｋｓｉ＝０.０１であり、切り換え角度は８０[deg]とした。なお、スイッチングの様子が分かり易くなるよう、一度自動モードに移行したら予測操作力に関係なく３秒間自動モード状態を維持するよう設定している。図１０より、手動モードから自動モードへ切り換わる際、不連続点が存在することなく移行しており、速度波形は略ベル型に近い形を形成していることが分かる。自動モード中は、人間がどれだけ力を加えても入力には反映されておらず、手動モードへ切り換わる瞬間に入力を与え続けていたとしても突発的にシステムへ入力が加わらず、緩やかにシステム入力が生成されている。
【００４５】
(検証実験２)
図１１に予測軌道の精度について検証した実験の結果を示す。実験内容は目標到達位置を６０,７０,８０,７０,９０[deg]に設定し、その目標到達位置へ到達するように腕を動かす内容である。切り換え角度は６０[deg]とし、それ以上の角度では屈曲方向のセンサ入力を遮断している。グラフ上段から、インピーダンス制御則Ｉへの入力、軌道推定による予測操作力、自動制御判定、角度、角速度となっている。インピーダンスパラメータは検証実験１と同じである。目標到達位置へは、±５[deg]ほどの誤差で到達しており、良好に到達予測できていると云える。システム入力、速度波形ともに連続かつ滑らかで、時間軸方向に略対称となっており、とても自然な到達運動が実現できている。
【００４６】
なお、本発明に係る動作支援装置としては、上記実施例に限定される訳でなく、以下のような変更が可能である。
(１) 実施例では、動作支援装置が上肢の前腕部を支援する構成としたが、例えば、動作主体の肩の関節を軸として、上腕部の回動を支援するようにしてもよい。また、動作支援装置により下肢(例えば、下腿部)の動作を支援することも可能である。
(２) 実施例では、動作支援装置は、動作主体の前腕部を、可動範囲(正常可動範囲および非正常可動範囲)全体に亘って支援する構成とした。しかしながら、例えば、正常可動範囲については自力による正常な屈曲動作が可能で、非正常可動範囲でのみ自力動作が不能となる場合には、非正常可動範囲でのみ自動モードでの支援を行なえばよく、正常可動範囲での支援(手動モード)は不要である。
(３) 実施例では、正常可動範囲(手動モード)においてインピーダンス制御による動作支援を行なったが、他の公知の制御手法により正常可動範囲での動作支援を行なってもよい。
(４) 実施例では、予測速度関数を２次関数に設定したが、上に凸のピークを１つ有する関数であれば、３次関数、４次関数等を採用してもよい。例えば、３次関数の予測速度軌道関数を採用した場合には、予測速度関数を決定するサンプル速度は４つ必要となる。また、速度軌道予測手段において、数７で示した評価関数を最適化するベル型の速度軌道を直接算出するようにしてもよい。この場合、ベル型変換領域は不要となる。
(５) 実施例では、ベル型変換領域がインピーダンス制御則を逆算して一旦予測操作力を算出し、再度、予測操作力をインピーダンス制御則へ導入することで、予測速度関数(２次関数)をベル型化した。しかしながら、例えば、図８,図９に示すような１次遅れ要素を用いて、予測速度関数をベル型化するようにしてもよい。
(６) 実施例では、速度軌道予測手段に可変インピーダンス制御部を設けたが、可変インピーダンス制御部を別体構成としてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１４ 第２サポート部材(支援手段)，１６ 駆動モータ(駆動手段)
１８ 速度軌道予測手段，２０ 駆動制御手段，３０ 速度測定部
３２ 速度軌道算出部，３４ 速度関数決定領域，３６ ベル型変換領域
Ｂ 前腕部，Ｆ(ｔ) 予測速度関数，Ｃ 肘関節(関節)
ｖ１,ｖ２,ｖ３ サンプル速度，Ｅ(ｔ) 予測速度関数，ａ, ｂ, ｃ パラメータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図４】
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【図５】
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【図１０】
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【図１１】
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