(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
携帯型ハンドヘルドの振戦相殺装置であって、
ユーザの手で保持するのに適した外部形状と、開口端を有する内部容積とを具えるハウジングと、
前記内部容積内に配置したサブシステムであって、運動生成機構と、当該運動生成機構に連結されたコントローラと、当該コントローラに連結された制御システムと、当該制御システムに連結された少なくとも１つの相対運動センサーとを具えるサブシステムと、
前記運動生成機構に連結した第１の端部と、前記ハウジングの開口端を通って延在する第２の端部とを有する取付アームであって、少なくとも１つの絶対運動センサーが、前記取付アームの第２の端部、またはその近くに配置されており、前記取付アームの第２の端部が物体を受けるように構成された取付アームと、を具え、
前記絶対運動センサーが、前記物体の絶対運動を測定し、前記相対運動センサーが、前記ハウジングに対する前記アームの相対運動を測定し、前記制御システムが前記運動生成機構に、前記絶対運動の測定と前記相対運動の測定とを用いて、前記物体の位置を安定化させてユーザの振戦を補うように指示することを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記サブシステムがさらに電源を具えることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、前記物体が、前記ハウジングに対して中心位置に保たれることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置において、前記制御システムが、少なくとも１つの信号を受信し、次いで前記コントローラを介して前記運動生成機構に電圧指令を送信して、前記物体の前記位置を安定化させることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項２に記載の装置において、前記少なくとも１つの絶対運動センサーが少なくとも１つの慣性センサーであり、および前記少なくとも１つの相対運動センサーが少なくとも１つの非接触式位置センサーであることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置において、前記物体が、製造道具、手術道具、軍事道具、台所用具、身繕い用具、および歯の器具のいずれかを含むことを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項２に記載の装置において、前記運動生成機構が、少なくとも１つのモータと、前記少なくとも１つのモータに結合された少なくとも１つの歯車減速系とを含むことを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項２に記載の装置において、前記制御システムが閉ループ制御システムであることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項２に記載の装置において、前記少なくとも１つの相対運動センサーが、作動角度に応じて変化する磁場に依存して、角度に関するフィードバックを前記制御システムに提供することを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項２に記載の装置において、前記コントローラが、センサー入力から電気的応答を生成できる電気システムを含むことを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の装置において、前記物体が、摩擦、スナップ、または他の形態のロック機構を使用して前記取付アームに結合されることを特徴とする装置。
【請求項１２】
物体の位置を安定化させる方法において、
携帯型ハンドヘルドの振戦相殺装置を提供するステップであって、当該振戦相殺装置が、
ユーザの手で保持するのに適した外部形状と、開口端を有する内部容積とを具えるハウジングと、
前記内部容積内に配置したサブシステムであって、運動生成機構と、当該運動生成機構に連結されたコントローラと、当該コントローラに連結された制御システムと、当該制御システムに連結された少なくとも１つの相対運動センサーとを具えるサブシステムと、
前記運動生成機構に連結した第１の端部と、前記ハウジングの開口端を通って延在する第２の端部とを有する取付アームであって、少なくとも１つの絶対運動センサーが、前記取付アームの第２の端部、またはその近くに配置されており、前記取付アームの第２の端部が物体を受けるように構成された取付アームと、を具えるステップと、
前記物体の絶対運動と、前記取付アームの前記ハウジングに対する相対運動とを測定するステップと、
前記運動生成機構に、前記絶対運動の測定と前記相対運動の測定とに基づいて、ユーザの振戦を補うことで前記物体の位置を安定化させるように指示するステップと、
を具えることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法がさらに、
前記絶対運動の測定と相対運動の測定のうちの少なくとも一方を示す少なくとも１つの信号を、少なくとも１つの設定点と比較するステップと、
前記少なくとも１つの信号と前記少なくとも１つの設定点との比較に基づいて、前記物体の位置を安定化させるステップと、
を具えることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、前記サブシステムがさらに電源を具えることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法において、前記物体の位置の安定化が、前記コントローラによって前記制御システムから前記運動生成機構へ電圧指令を送信することを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法において、電圧指令の送信が、前記制御システムによって制御アルゴリズムを使用して前記少なくとも１つの信号を処理することを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法において、前記少なくとも１つの絶対運動センサーが少なくとも１つの慣性センサーであり、および前記少なくとも１つの相対運動センサーが少なくとも１つの非接触式位置センサーであることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の方法において、前記運動生成機構が、少なくとも１つのモータと、前記少なくとも１つのモータに結合された少なくとも１つの歯車減速系とを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１３に記載の方法において、前記少なくとも１つの相対運動センサーが、作動角度に応じて変化する磁場に依存して、角度に関するフィードバックを前記制御システムに提供することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、体の非意図的な筋肉運動に関し、より詳細には、これら非意図的な筋肉運動の影響を安定化させるシステムおよびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人体の非意図的な筋肉運動すなわちヒトの振戦は、限定されるものではないが、パーキンソン病（ＰＤ：Ｐａｒｋｉｎｓｏｎ’ｓ  Ｄｉｓｅａｓｅ）および本能性振戦（ＥＴ：Ｅｓｓｅｎｔｉａｌ  Ｔｒｅｍｏｒ）を含む神経性運動障害を患っている人に発生し得る。ＥＴは、最も一般的な神経性運動障害であり、米国では１０００万人および世界中では２億７０００万人もが罹患している。この疾患に関連して筋肉運動が弱まるゆえに、ＥＴを患っている人は、食べたり飲んだりというような多くの日常の機能を果たすことに困難を伴う。その結果、これらの人たちは、社会的孤立、鬱病／不安、健康に関連した生活の質（ＨＲＱｏＬ：Ｈｅａｌｔｈ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｑｕａｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｌｉｆｅ）の全体的な低下に苦しむことが多い。
【０００３】
人体の非意図的な筋肉運動はまた、健康な人にも発生し得る。これらの非意図的な筋肉運動は、環境要因、および疲労、ストレス、神経質などを生じる状況によって悪化することが多い。例えば、軍人は、戦場で外科手術を行う間、ストレスおよび神経質になるゆえに、非意図的な筋肉運動を経験することがあり、これにより行動が低下し得る。
【０００４】
神経性運動障害を患っている人に対して、様々な治療オプションが存在する。薬物治療（Ｐｈａｒｍａｃｏｌｏｇｉｃａｌ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）は有効性が異なり、重度の副作用をもたらすことがあり、かつ疾患の進行を遅くしたり止めたりすることはできない。視床切開術および視床脳深部刺激療法（ＤＢＳ：Ｄｅｅｐ  Ｂｒａｉｎ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ）などの外科的処置は、高価で危険であり、かつ利用できる機会が限られ得る。物理的根拠のある振戦抑制装置などの非侵襲性の解決法は、ヒトの振戦を物理的に止めるが、複雑で高価な装置の構造を必要とし、使用者に不快感をもたらし、かつ意図的な運動と非意図的な運動とを区別できない。
【０００５】
これらの問題は、神経性運動障害のケースを選択してこれらの治療を実行することを制限する。また、これらの治療は、振戦を患っている健康な人は利用できないことが多い。それゆえ、振戦を患っているほとんど人のために、上記の問題を克服する非侵襲性の解決法へのニーズが強くある。本発明は、そのようなニーズに対処するものである。
【発明の概要】
【０００６】
物体の位置を安定化させるためのシステムおよび方法が開示される。第１の態様では、システムはハウジングを含む。ハウジングはサブシステムを含む。システムはまた、ハウジングに結合された取付アームを含む。少なくとも１つの第１のセンサーが取付アームに沿って配置され、取付アームは、これに物体を受けるように構成されている。物体の動きに悪影響を及ぼす使用者の非意図的な筋肉運動に応答して、サブシステムは物体の位置を安定化させる。
【０００７】
第２の態様では、この方法は、ハウジング内にサブシステムを設けるステップと、ハウジングに取付アームを結合するステップとを含む。この方法はまた、取付アームに沿って少なくとも１つの第１のセンサーを配置するステップであって、取付アームは、これに物体を受けるように構成されているステップを含む。物体の動きに悪影響を及ぼす使用者の非意図的な筋肉運動に応答して、サブシステム物体の位置を安定化させる。
【０００８】
添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態を示し、かつ、以下の詳細な説明と共に、本発明の原理の説明に役立つ。図面に示す特定の実施形態は例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではないことを当業者は容易に認識する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、非意図的な筋肉運動を検出しかつ補償する従来のハンドヘルドシステムを示す。
【図２】図２は、実施形態による、非意図的な筋肉運動を検出しかつ補償するシステムを示す。
【図３】図３は、実施形態による運動生成機構を示す。
【図４】図４は、実施形態による分析モデルを示す。
【図５】図５は、実施形態による制御システムの系統図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、概して、体の非意図的な筋肉運動に関し、より詳細には、これら非意図的な筋肉運動の影響を安定化させるシステムおよび方法に関する。以下の説明は、当業者が本発明を作製および使用できるようにするために提示し、かつ特許出願およびその条件に照らして示されている。本明細書で説明する好ましい実施形態および一般的な原理および特徴の様々な修正例が、当業者には容易に分かる。それゆえ、本発明は、図示の実施形態に限定されるものではなく、本明細書で説明する原理および特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
【００１１】
図１は、非意図的な筋肉運動を検出しかつ補償する従来のハンドヘルドシステム１００を示す。ハンドヘルドシステム１００は、ベース１０２と、ベース１０２に結合された把持要素１０６と、把持要素１０６に結合された物体１１６（この実施形態ではスプーン）とを含む。ベース１０２は、形状記憶合金（ＳＭＡ）ワイヤを使用する安定化アセンブリ１０４と、安定化アセンブリ１０４に結合された電源１０８と、電源１０８に結合された単一のセンサー１１０と、単一のセンサー１１０に結合されたコントローラ１１２と、安定化アセンブリ１０４に結合されたシャフト１１４とを収納する。ＳＭＡワイヤは、変形後、十分な熱が加えられると相変化して、それらの元の冷間鍛造時の形状に戻る合金線である。安定化アセンブリ１０４において使用されるＳＭＡワイヤは、電源１０８によって加熱されて、この相変化がトリガされる。
【００１２】
ハンドヘルドシステム１００では、単一のセンサー１１０がベース１０２内に配置されて、使用者の動きを検出し、その後、センサー１１０が、ＳＭＡワイヤを使用する安定化アセンブリ１０４に、動きを相殺するように命令する。残念ながら、ＳＭＡワイヤを即時利用できないようにするいくつかの問題が存在する。例えば、ＳＭＡワイヤは、長期間、信頼性高く利用できると証明されておらず、かつまた、大振幅（１〜４ｃｍ）を相殺して振戦を停止させる十分な動きをもたらすためは、かなり複雑な構成となり、およびコストもかかる。
【００１３】
さらに、単一のセンサー１１０はベース１０２内に配置されているため、装置の使用は、予め決められた長さおよび重量を有する物体１１６に限られ、これら長さおよび重量は、コントローラ１１２に予めプログラムされる必要がある。この予め決められた長さおよび重量から逸脱する場合、制御不安定性が生じ、かつ動きの相殺の効果を減少させてしまう。
【００１４】
本発明によるシステムおよび方法はこれらの欠点に取り組む。システムおよび方法は、取付アームに沿って配置された慣性センサーと、ＳＭＡワイヤを用いない運動生成機構とを含む。その際、様々な安定化させる物体の動きを直接測定でき、および予め決められた長さおよび重量をコントローラに予めプログラミングする必要がない。さらに、より高性能のハンドヘルド形状要因の解決法が達成されて、さらにアクティブな相殺システムのサイズを低減させかつコストを削減する。本発明の特徴をより詳細に説明するために、ここで、以下の説明を、添付の図面と併せて参照する。
【００１５】
システムの概要：
図２は、実施形態に従って、非意図的な筋肉運動を検出して補償するシステム２００を示す。システム２００はハウジング２０２を含む。ハウジング２０２はサブシステム２０４を含む。システム２００はまた、ハウジング２０２に結合された取付アーム２０６を含む。取付アーム２０６に沿って少なくとも１つの慣性センサー２０８が配置される。取付アーム２０６は、そこに物体２１０を受け入れるように構成されている。サブシステム２０４は、さらに、携帯電源２１２、運動生成機構２１４、コントローラ２１６、制御システム２１８、および少なくとも１つの分散モーションセンサー２２０を含む。
【００１６】
取付アーム２０６は、摩擦、スナップ、または他の形態のロック機構を含むがこれらに限定されない様々な方法で物体２１０を受けることができる。携帯電源２１２は、充電式バッテリーおよびソーラーパネルを含むがこれらに限定されない様々なオプションを用い得る。少なくとも１つの慣性センサー２０８、少なくとも１つの分散モーションセンサー２２０、運動生成機構２１４、コントローラ２１６、および制御システム２１８の要素の動作および詳細を、以下より詳細に説明する。
【００１７】
少なくとも１つの慣性センサー２０８および少なくとも１つの分散モーションセンサー２２０は、非意図的な筋肉運動を検出し、かつ、使用者が物体２１０の動きに悪影響を及ぼすときに生じるこれらの非意図的な筋肉運動に関する信号を測定する。これらのセンサーはまた、ハウジング２０２に関する安定化出力の動きを検出する。制御システム２１８は、これらの信号に応答して、コントローラ２１６を通して運動生成機構２１４に電圧指令を送信し、使用者の振戦すなわち非意図的な筋肉運動の相殺を行う。この相殺は、物体２１０の位置を維持しかつ安定化させ、ハウジング２０２に対してその中心に保つ。
【００１８】
本発明によるシステムおよび方法は、コントローラ２１６、少なくとも１つの慣性センサー２０８、少なくとも１つの分散モーションセンサー２２０、および制御システム２１８という様々な実装品を用い得ること、およびそれが本発明の趣旨および範囲内となることを当業者は容易に認識する。一実施形態では、コントローラ２１６は、プログラマブル・マイクロコントローラまたはフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）などのセンサー入力からの電気的応答を生成できる電気システムを含む。一実施形態では、コントローラ２１６は、全体的に低コストであり、低消費電力であり、および高容量の応用で使用できる能力ゆえに、Ａｔｍｅｌ製の８ビットのＡＴＭＥＧＡ８Ａプログラマブル・マイクロコントローラを含む。
【００１９】
一実施形態では、少なくとも１つの慣性センサー２０８は、加速度計、ジャイロスコープ、またはそれら２つの組み合わせを含むがこれらに限定されないセンサーである。一実施形態では、少なくとも１つの分散モーションセンサー２２０は、限定されるものではないが、ホール効果磁気センサーを含む非接触式位置センサーである。一実施形態では、制御システム２１８は閉ループ制御システムである。
【００２０】
閉ループ制御システムは、システム２００の様々な点における動きすなわち運動および加速度を感知し、かつ詳細情報を制御アルゴリズムに送り、この制御アルゴリズムは、運動生成機構２１４を適切に動かして使用者の非意図的な筋肉運動の正味の影響の相殺を図り、それゆえ物体２１０の位置の安定化を図る。制御システムおよび制御アルゴリズムの要素の動作および詳細について、以下詳細に説明する。
【００２１】
また、本発明によるシステムおよび方法は、スプーンおよびフォークなどの台所用具、化粧用具などの身繕い用具、および製造道具、手術道具および軍事道具などの様々な道具を含むがこれらに限定されない様々な物体を使用し得ることを当業者は容易に認識する。それゆえ、システムおよび方法は、神経性運動障害を患っている多数の人の生活の質の改善においてだけでなく、限定されるものではないが、製造応用、手術応用および軍事的応用を含む、生理学的な振戦が重要な問題となる様々な応用への支援においても、有用である。
【００２２】
システム２００は、少なくとも１つの慣性センサー２０８を使用して、物体２１０の位置をほぼ中立位置（θ＝０となるように選択された）に安定化させる。これを達成するために、物体２１０の位置を角度θと一緒に感知する必要がある。この位置感知のために、少なくとも１つの慣性センサー２０８を取付アーム２０６に沿って配置し、かつそれを使用して物体２１０の絶対運動を測定するが、低ノイズであり、かつ適用に十分な感度をもたらす。取付アーム２０６に沿った少なくとも１つの慣性センサー２０８の直接的なセンサーの配置は、取付アームが著しく頑丈であり、かつ使用に応じて変化し得る逆運動学／力学に依存しないので、システム２００に独自の優位性を与える。それゆえ、上述の通り、物体２１０の長さおよび重量を予め決めてコントローラ２１６に予めプログラムする必要なく、様々な物体を物体２１０として使用できる。
【００２３】
少なくとも１つの分散モーションセンサー２２０は、ハウジング２０２内に配置され、システム２００のベースに配置される。少なくとも１つの分散モーションセンサー２２０は、ハウジング２０２に対する取付アーム２０６の相対運動を測定し、物体２１０は、ハウジング２０２に対して中心位置に保たれる。一実施形態では、少なくとも１つの分散モーションセンサー２２０は、少なくとも１つのあつらえの非接触式ホール効果位置センサーであり、このセンサーは、制御システム２１８に、角度に関するフィードバックを提供し、かつ作動角度に応じて変化する磁場に依存する。
【００２４】
磁場の変化は、少なくとも１つの分散モーションセンサー２２０内に戦略的に配置された集積回路（ＩＣ）によって検出され、この回路からのアナログ出力がコントローラ２１６によって読まれ、多数のサイクルに耐えることができる完全に非接触式での角度検出をもたらす。少なくとも１つの分散モーションセンサー２２０は、その非接触式の感知方法によって、時間が経つにつれて摩耗する電位差計などの伝統的な直接的接触感知方法よりも信頼性を著しく強化する。
【００２５】
適切なアクチュエータの動作はまた、システム２００の全体的な動作のカギである。アクチュエータのオプションは、ＳＭＡワイヤ、圧電物質、線形ボイスコイル、およびコアレスモータを含む。しかしながら、ＳＭＡワイヤ、圧電物質、および線形ボイスコイルは、様々な基本的な問題を有している。例えば、「Ｓｍａｒｔ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」出版物内の「Ｆａｔｉｇｕｅ  Ｌｉｆｅ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｈａｐｅ  ｍｅｍｏｒｙ  ａｌｌｏｙｓ  ｕｎｄｅｒｇｏｉｎｇ  ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｃｙｃｌｉｃ  ｌｏａｄｉｎｇ」の論文で述べられているように、ＳＭＡワイヤは、１０４〜１０５サイクル後に８．３％〜４．４％の歪み振幅で故障が発生し、これは使用時間が２００日にしかならないという信頼性問題を有している。圧電物質は、より長期のサイクル時間を可能にするものの、脆弱であり、かつ高価である。さらに、それらは高作動電圧を必要とし、それゆえ、比較的大きくかつ高価なドライブエレクトロニクスを必要とする。線形ボイスコイルは、より低い電圧で動作するが、力出力（ｆｏｒｃｅ  ｏｕｔｐｕｔｓ）が低く、かつ高コストであるという弱点がある。
【００２６】
本発明は、コアレスマイクロモータと、運動生成機構２１４用の結合機構を使用してコアレスマイクロモータに結合された小型の歯車減速系との組み合わせを使用することによって、これらの欠点に対処する。数値的には（ｉｎ  ｖｏｌｕｍｅ）、コアレスマイクロモータは安価であり、かつ１０００時間までの動作時間をもたらす。１０ニュートン（Ｎ）までの著しい力も、総重量が６．５グラム（ｇ）にすぎない低コストの小型歯車減速系を使用することにより、必要な振戦周波数０〜５ヘルツ（Ｈｚ）において、これらのコアレスマイクロモータによって生成できる。さらに、この技術から引き出された電力は極端に低く、推定０．５ワット（Ｗ）である。
【００２７】
コアレスマイクロモータは、０．３Ｗの電力を必要とする一方で５０ｇの最大荷重を保持することができるだけでなく、著しく低い０．０６Ｗの電力を必要とする一方で、より軽い、平均的に満たされたテーブルスプーンの荷重、１４ｇを保持することができる。それゆえ、コアレスマイクロモータは、システム２００に必要な力を生成するのに好適である。
【００２８】
図３は、実施形態による運動生成機構３００を示す。運動生成機構３００は、第１のコアレスマイクロモータ３０２に結合された第１の小型歯車減速系と、第２のコアレスマイクロモータ３０４に結合された第２の小型歯車減速系とを含む。取付アーム３０６に沿って少なくとも１つの慣性センサー３０８が配置される。取付アーム３０６は、そこに物体３１０を受け入れるように構成される。
【００２９】
第１のコアレスマイクロモータは、水平（ｘ）方向に回転運動を生成することができる。この回転運動は、水平軸受によって支持される剛接続によって第２のコアレスマイクロモータに伝えられる。第２のコアレスマイクロモータは、垂直（ｙ）方向の運動を生成できる。この第２のコアレスマイクロモータからの運動は、垂直軸受によって支持される。
【００３０】
結合機構を使用して、２つの別個のコアレスマイクロモータ／小型歯車減速系３０２および３０４の水平運動と垂直運動とを組み合わせる。この組み合わせは、物体３１０（この実施形態ではスプーン）に二方向性の円運動を生じる。本発明によるシステムおよび方法は、滑り軸受機構、ジンバル構造、またはベローズ構造を含むがこれらに限定されない様々な結合機構を用い得ること、およびそれは本発明の趣旨および範囲内にあることを当業者は容易に認識する。
【００３１】
運動生成機構３００では、２つの別個のコアレスマイクロモータ／小型歯車減速系３０２および３０４から２つの自由度が生成される。（例えば、ｚ方向の第３の）追加的な自由度は、第１のコアレスマイクロモータの出力または第２のコアレスマイクロモータの出力に運動を追加することによって、運動生成機構３００に追加できる。
【００３２】
システムモデリング：
制御システムのタイプおよびパラメータ値の開発を支援するために、システム２００の特性の分析モデルを生成した。図４は、実施形態による分析モデル４００を示す。分析モデル４００は、ハンドル４０２、アクチュエータ４０４、角度センサー４０６、取付アーム４０８、物体４１０、および慣性センサー４１２を含む。分析モデル４００は、システム２００の力学と、閉ループ制御システムに統合されたときのその応答とを収集するために、十分に複雑な構成に形成した。
【００３３】
システム２００は、複数の方向（例えば、垂直、水平、およびｚ方向）において安定化させるように設計され、運動出力が対称的でありかつ互いに完全に切り離されていたため、一方向のみの分析およびモデリングが必要とされる。それゆえ、重力の影響がごくわずかであると仮定すれば、垂直方向から得られる結果は、限定されるものではないが水平方向などの他の方向に直接適用可能である。
【００３４】
分析モデル４００では、物体４１０は、垂直のｙ方向に動く。振戦による外乱（ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）または非意図的な筋肉運動（座標ｘ）は、ハンドル４０２に直接作用すると考えられる。安定化を必要とする物体４１０（ベースからの距離ｌ）は、垂直距離ｙ動く。この距離は、変換式
ｙ＝ｘ＋ｌθ    （１）
によってベースの座標ｘと関連を有し、角度は小さいと仮定する。アクチュエータ４０４は、コントローラの電圧出力に基づいて、角度θにわたって物体４１０を動かすことができる。アクチュエータ４０４のコアレスモータの出力トルクＴは、以下の関係式
Ｔ＝Ｋｔｉ    （２）
（式中、Ｋｔは定数である）
によって、その電機子電流ｉに比例する。同様に、逆起電力（ｅｍｆ）、ｅは、
0005868512.tif 000002
によってコアレスモータの回転速度と関連を有する。
【００３５】
単純にするために、および製造者の仕様書に基づいて、ＫｅおよびＫｔはほぼ等しく、それゆえ、定数ｋに設定される。アクチュエータ４０４のモデル方程式２および３の場合、システムの式は、ニュートンの法則とキルヒホッフの法則との組み合わせによって、構成できる。モーメントのバランスによって、動的方程式は、
0005868512.tif 000003
として構成される。第２のシステム方程式は、
0005868512.tif 000004
（式中、Ｖは、コントローラからの入力電圧／指令信号であり、Ｊは、アクチュエータ４０４のインダクタンスであり、およびＲは、アクチュエータ４０４の内部抵抗である）
として構成される。
【００３６】
システム２００は、低周波数の意図的な運動を保つ一方で高周波数の振戦による外乱／非意図的な筋肉運動を相殺するように設計されているため、低域フィルターの機能を果たす。それゆえ、システム２００は、伝達関数としてモデリングでき、ここでは、入力振幅Ｘ（振戦による外乱）をシステム２００に入力し、および出力Ｙ（安定化される物体の動き）を観察して制御する。
【００３７】
振戦の相殺に関する更なる分析のために、およびコントローラの設計を支援するために、システム方程式４および５を、周波数領域に変換し、かつ所望の伝達関数を生成するように操作した。座標変換方程式１を使用して、およびラプラス座標変換を行って、式４および５を修正して、
0005868512.tif 000005
を生成した。
【００３８】
Ｉ（ｓ）に関して式７を解き、およびその結果を式６に代入して、単一方程式
0005868512.tif 000006
を生成する。式８の残りの入力はＶであり、これは、コントローラからの入力電圧／指令信号である。この信号は、計算上の条件を最小限にするため、実際には単純であるように設計されており、従って、必要なマイクロコントローラのコストおよび電力消費量を著しく削減する。
【００３９】
図５は、実施形態による制御システム２１８の系統図５００を示す。系統図５００は、非意図的な筋肉運動５０２、安定化される物体５０４、加速度信号５０６、適応加速設定点５０８、位置設定点５１０、制御アルゴリズム５１２、電圧指令出力５１４、運動生成機構５１６、および位置信号５１８を含む。
【００４０】
安定化される物体５０４の動きに悪影響を及ぼす、使用者による非意図的な筋肉運動５０２を検出する。ハウジングに対する位置信号５１８を、少なくとも１つの非接触式位置角度センサーによって測定し、その後、マイクロコントローラのメモリ（例えば、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ））に記憶されている位置設定点５１０と比較する。位置設定点５１０は、安定化される物体５０４の中立位置であり、かつシステム２００を最初に起動したときに、初めに校正される。この比較は、第１の入力信号を生じる。
【００４１】
少なくとも１つの慣性センサーによって加速度信号５０６を測定し、その後、適応加速設定点５０８と比較する。適応加速設定点５０８は、装置の向きの変化に起因する重力場における緩やかな変化の影響を除去する。適応加速設定点５０８は、信号から低周波数を除去できるメジアンフィルター、低域フィルター、または他のデジタル／アナログフィルターの使用によって実施され得る。この比較は、第２の入力信号を生じる。
【００４２】
制御アルゴリズム５１２は、第１および第２の入力信号を処理し、かつ適切な電圧指令出力５１４を、それぞれの制御方向において運動生成機構５１６に送信して、使用者の非意図的な筋肉運動をアクティブに相殺し、かつ安定化される物体５０４を維持する。
【００４３】
これら２つの入力信号（加速度信号および角度θ）に基づいて、制御アルゴリズム５１２に対して制御法則を構成する必要がある。本発明によるシステムおよび方法は、物体の安定性を保証しながら、振戦による外乱の相殺をもたらす様々な異なる制御法則を用い得ること、およびそれは本発明の趣旨および範囲内にあることを当業者は容易に認識する。
【００４４】
例えば、制御法則は、
0005868512.tif 000007
を生じる加速度信号と共に、角度θに比例ゲインおよび微分ゲインを加えることによって導き出すことができる。
【００４５】
この例では、加速度の項に対するフィードバックは、所望の低域フィルタリング特性をもたらす。例示的な制御法則（式９）では、角度θに対する比例フィードバックを適用して、装置が、従来の実装品の機能を模倣することができるようにする。これは、角度方向において「剛性」を生じて、装置が、非活動状態にある間は中立位置を保持しながら様々な荷重を支持できるようにすることによって、達成される。角度入力に対する微分制御は、安定化のために、特に比例フィードバックによってθに取り入れられたいかなる共振も減衰させるために、選択された。例示的な制御法則は、効果的かつ計算的にも単純である。
【００４６】
これは、制御アルゴリズム５１２を、システム２００の、非常にコンパクトで低出力および低コストのマイクロコントローラに実装できるようにする。例示的な制御法則（式９）を式８のＶに代入して項を拡大することによって、式８を以下の伝達関数
0005868512.tif 000008
（式中、分子は
ｎ＝（２ＩＬＪ２−ｍＬ３Ｊ２）ｓ４＋（４ＩＬＪＲ−２ｍＬ３ＪＲ）ｓ３＋（２Ｋ２ＬＪ＋２Ｋ３ＫＬＪ−ｍＬ３Ｒ２＋２ＩＬＲ２）ｓ２＋（２Ｋ２ＬＲ＋２Ｋ１ＫＬＪ＋２Ｋ３ＫＬＲ）ｓ＋２Ｋ１ＫＬＲ      （１１）
であり、および分母は
ｄ＝（２ＩＬＪ２）ｓ４＋（２Ｋ２ＫＬ２Ｊ＋４ＩＬＪＲ）ｓ３＋（２Ｋ２ＬＪ＋２Ｋ２ＫＬ２Ｒ＋２Ｋ３ＫＬＪ＋２ＩＬＲ２）ｓ２＋（２Ｋ２ＬＲ＋２Ｋ１ＫＬＪ＋２Ｋ３ＫＬＲ）ｓ＋２Ｋ１ＫＬＲ      （１２）
である）
で表すことができる。
【００４７】
意図的な運動を保持しながら、非意図的な筋肉運動を拒否するために、数値シミュレーションによって例示的な制御法則（式９）のパラメータを最適にする。例えば、この最適化は、非意図的な筋肉運動の周波数範囲３〜７Ｈｚにわたって、安定化される物体５０４（Ｙ、式１０）の平均変位マグニチュードを最小にする一方、コントローラゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３を変化させる。さらに、この例では、制約は、意図的な動きの周波数範囲０〜１Ｈｚの低周波数の動きが影響を受けずかつ安定性が数学的に保証されるように、規定される。平均的な位相遅れはまた、０〜１Ｈｚから１５度未満に抑圧され、これは、使用者に知覚できないとみなされる。
【００４８】
最適化のために、計算機能は、Ｍａｔｌａｂの、信頼領域の反映型（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）最適化アルゴリズムｆｍｉｎｃｏｎと相互作用するように書かれる。アルゴリズムは、最終的な解、Ｋ＝［１２１，３６６，１５４］をもたらすように行われ、この解が、システム２００においてコントローラ２１６に使用される。関数は、０．１５の最小値を有し、これは、システム２００が、周波数範囲３〜７Ｈｚの、入力された振戦による外乱／非意図的な筋肉運動の平均８０％をフィルタリングできることを意味する。
【００４９】
上述の通り、本発明によるシステムおよび方法は、振戦の影響を相殺しかつ物体の位置を安定化させている間に存在できるようにすることによって、使用者の振戦に適合しようとする、非常にコンパクトでアクティブな相殺手法を可能にする。振戦の相殺に必要な力および変位をもたらす運動生成機構、およびこの運動生成機構を制御するための制御システムおよびセンサーの位相幾何学を実装することによって、本発明によるシステムおよび方法は、サイズおよびコストを著しく削減して、より堅固なハンドヘルドの形状要因を達成する。
【００５０】
図示の実施形態に従って本発明を説明したが、当業者は、実施形態に変形例があり得ること、およびこれらの変形例は本発明の趣旨および範囲内にあることを容易に認識する。それゆえ、添付の特許請求の範囲および趣旨から逸脱せずに、当業者によって多くの修正がなされ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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