(57)【要約】      （修正有）【課題】運動障害を有する患者の筋肉の動きを水平化する、または安定化するための用具を提供する。【解決手段】手持ち式用具１００は、ユーザによって保持されるハンドル１２０と、ユーザ支援装置１０５に連結するように構成された、ハンドルから延在する取付けアーム１１０と、取付けアームに装着されて、ユーザ支援装置の動作または向きのうちの１つまたは複数の測定値を取得し、測定値を示すフィートバックデータを生成する第１の慣性計測ユニットＩＭＵと、取付けアームを介してユーザ支援装置を少なくとも２つの直交する次元において操作するように結合されたアクチュエータ組立体１１５と、ユーザが手持ち式用具を操作する間に参照フレームに対するユーザ支援装置の自動水平化をもたらすために、第１のＩＭＵからフィードバックデータを受信するように結合され、アクチュエータ組立体にコマンドを提供するように結合された動作制御システムとを備える。【選択図】図１Ｂ
2018099155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手持ち式用具であって、
前記手持ち式用具のユーザによって保持されるためのハンドルと、
前記ハンドルから延在する取付けアームであって、ユーザ支援装置に連結するように構成された取付けアームと、
前記取付けアームに装着されて、前記ユーザ支援装置の動作または向きのうちの１つまたは複数の測定値を取得し、前記測定値を示すフィートバックデータを生成する、第１の慣性計測ユニット（「IMU」）と、
前記取付けアームを介して前記ユーザ支援装置を少なくとも２つの次元において操作するように結合されたアクチュエータ組立体と、
前記第１のＩＭＵから前記フィードバックデータを受信するように結合された動作制御システムであって、前記ユーザが前記手持ち式用具を操作する間に参照フレームに対する前記ユーザ支援装置の自動水平化をもたらすために、前記アクチュエータ組立体にコマンドを提供するように結合された動作制御システムと
を備える、手持ち式用具。
【請求項２】
前記アクチュエータ組立体が、前記ハンドルに対して２つの回転軸周りに前記ユーザ支援装置を操作するように結合された、請求項１に記載の手持ち式用具。
【請求項３】
前記アクチュエータ組立体が、
前記取付けアームのローリング動作を制御する第１のアクチュエータと、
前記取付けアームのピッチング動作を制御する第２のアクチュエータと
を備える、請求項２に記載の手持ち式用具。
【請求項４】
前記アクチュエータ組立体が、
前記第１のアクチュエータからの前記ローリング動作の出力を前記第２のアクチュエータに機械的に結合させる第１のリンク機構であって、前記第１のアクチュエータが、前記第１のリンク機構を介して前記第２のアクチュエータをローリングさせることによって前記取付けアームをローリングさせるように結合された、第１のリンク機構と、
前記第２のアクチュエータからの前記ピッチング動作の出力を前記取付けアームに機械的に結合させる第２のリンク機構と
をさらに備える、請求項３に記載の手持ち式用具。
【請求項５】
前記第１のアクチュエータの第１の出力の第１の相対位置をモニターするように結合された第１の位置センサと、
前記第２のアクチュエータの第２の出力の第２の相対位置をモニターするように結合された第２の位置センサと
をさらに備え、
前記第１および第２の位置センサが、前記動作制御システムに位置情報をフィードバックするように結合された、請求項３に記載の手持ち式用具。
【請求項６】
前記ハンドル内に配設され、前記第１および第２の位置センサから位置情報を収集し、前記位置情報をログに記録するように結合されたシステムコントローラと、
前記手持ち式用具から前記ログを出力するように前記システムコントローラに結合された通信インターフェースと
をさらに備える、請求項５に記載の手持ち式用具。
【請求項７】
前記ユーザ支援装置にヒトの振戦安定化をもたらすために、前記動作制御システムが、前記アクチュエータ組立体を前記２つの回転軸周りに操作するように前記アクチュエータ組立体にさらに結合された、請求項２に記載の手持ち式用具。
【請求項８】
前記アクチュエータ組立体および前記動作制御システムに電力供給するように結合された電源をさらに備え、
前記電源、前記動作制御システム、および前記アクチュエータ組立体の少なくとも一部、が前記ハンドル内に配設される、請求項１に記載の手持ち式用具。
【請求項９】
前記ユーザ支援装置が、食事道具または飲用道具のいずれか１つを備える、請求項１に記載の手持ち式用具。
【請求項１０】
前記ユーザ支援装置が、ポインタ装置、身だしなみ用具、個人的衛生用具、または職業用具のうちの１つを備える、請求項１に記載の手持ち式用具。
【請求項１１】
前記ユーザが前記手持ち式用具を保持および使用する間にヒトの振戦を測定するために、前記ハンドルに堅く連結された第２のＩＭＵをさらに備える、請求項１に記載の手持ち式用具。
【請求項１２】
手持ち式用具によって実行されたときに、前記手持ち式用具に、
前記手持ち式用具の遠位端部に装着されたユーザ支援装置の動作または向きのうちの少なくとも１つを慣性計測ユニット（「IMU」）によって測定することと、
前記測定することに基づき前記ＩＭＵからフィードバックデータを出力することと、
前記手持ち式用具のハンドル内に少なくとも部分的に配設された動作制御システムによってリアルタイムで前記フィードバックデータをモニターすることと、
前記動作制御システムによってアクチュエータ組立体を制御することであって、ユーザが前記手持ち式用具を操作する間に参照フレームに対する前記ユーザ支援装置の自動水平化をもたらすために、前記アクチュエータ組立体が、少なくとも２つの直交する次元で前記ユーザ支援装置を操作するように結合された、制御することと
を含むオペレーションを実行させる命令を提供する、少なくとも１つの機械アクセス可能な記憶媒体。
【請求項１３】
前記少なくとも２つの直交する次元が、ピッチ軸およびロール軸を含む２つの回転軸を備える、請求項１２に記載の少なくとも１つの機械アクセス可能な記憶媒体。
【請求項１４】
自動水平化をもたらすために前記動作制御システムによって前記アクチュエータ組立体を制御することが、
前記参照フレームに基づいて、参照ベクトルからの前記ユーザ支援装置の位置ずれを示す誤差ベクトルを生成することと、
前記ＩＭＵからの前記フィードバックデータ出力に基づいて前記誤差ベクトルを更新することと、
前記アクチュエータ組立体を前記ピッチ軸周りに操作するためのピッチコマンド、および前記アクチュエータ組立体を前記ロール軸周りに操作するためのロールコマンドを、前記誤差ベクトルに少なくとも部分的に基づいて生成することと
を含む、請求項１３に記載の少なくとも１つの機械アクセス可能な記憶媒体。
【請求項１５】
前記ＩＭＵがジャイロスコープおよび加速度計を含み、前記フィードバックデータがジャイロスコープフィードバックデータおよび加速度計フィードバックデータを含み、自動水平化をもたらすために前記動作制御システムによって前記アクチュエータ組立体を制御することが、
前記ジャイロスコープフィードバックデータによって前記誤差ベクトルを更新することと、
前記加速度計フィードバックデータによって前記誤差ベクトルを更新する前に、前記加速度計フィードバックデータをローパスフィルタ処理することと
をさらに含む、請求項１４に記載の少なくとも１つの機械アクセス可能な記憶媒体。
【請求項１６】
前記手持ち式用具によって実行されたときに、前記手持ち式用具に
前記ユーザ支援装置のヒトの振戦安定化をもたらすために、前記動作制御システムによって前記アクチュエータ組立体を前記２つの回転軸周りに制御すること
を含むさらなるオペレーションを実行させる命令をさらに提供する、請求項１３に記載の少なくとも１つの機械アクセス可能な記憶媒体。
【請求項１７】
ヒトの振戦安定化をもたらすために前記動作制御システムによって前記アクチュエータ組立体を前記２つの回転軸周りに制御することが、
前記ヒトの振戦安定化のためのフィードバック制御をもたらすために、前記ＩＭＵの加速度計からの加速度計フィードバックデータの出力を、前記加速度計フィードバックデータをローパスフィルタ処理することなく、使用すること、
を含む、請求項１６に記載の少なくとも１つの機械アクセス可能な記憶媒体。
【請求項１８】
前記手持ち式用具によって実行されたときに、前記手持ち式用具に、
前記２つの回転軸に対する前記アクチュエータ組立体の位置をモニターするように結合された１つまたは複数の位置センサからの位置情報を収集することと、
前記位置情報をログに記録することと、
前記手持ち式用具から前記ログを通信インターフェースを介して通信することと
を含むさらなるオペレーションを実行させる命令をさらに提供する、請求項１３に記載の少なくとも１つの機械アクセス可能な記憶媒体。
【請求項１９】
前記手持ち式用具によって実行されたときに、前記手持ち式用具に、
前記ユーザに処置するための訓練計画または治療計画の一部として、前記アクチュエータ組立体によってもたらされる前記ユーザ支援装置の前記自動水平化の量を経時的に調整すること
を含むさらなるオペレーションを実行させる命令をさらに提供する、請求項１２に記載の少なくとも１つの機械アクセス可能な記憶媒体。
【請求項２０】
前記アクチュエータ組立体によってもたらされる自動水平化の前記量が、前記治療計画の一部として経時的に低減される、請求項１９に記載の少なくとも１つの機械アクセス可能な記憶媒体。
【請求項２１】
前記手持ち式用具のハンドル内に電源が配設され、前記アクチュエータ組立体および前記動作制御システムに電力供給するように結合されており、前記ユーザ支援装置が、食事用道具またはカップホルダのいずれか１つを備える、請求項１２に記載の少なくとも１つの機械アクセス可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]  本開示は、一般に筋肉の動きを水平化する、または安定化するための用具に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]  運動障害は、身体の一部分、通常は手足、の機能が部分的または全体的に失われることである。これは、筋力低下、体力不足、または運動制御の欠如により生じることが多い。運動障害は、パーキンソン病、ＡＬＳ、脳卒中、多発性硬化症、脳性麻痺などの神経疾患の症状であることが多い。運動障害、および動きの制限を支援するために利用可能な技術は、たとえ存在するとしても有効なものはほとんどない。その結果、多くの患者が、自力で食事を取ることなど単純な作業を行うことができず、介護者に頼らざるを得ない。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
[0003]  本発明の非限定的および非網羅的な実施形態が、以下の図面を参照しながら記載され、別段の定めがない限り、様々な図の全体を通して同じ参照符号は同じ部分を指す。図面は必ずしも原寸に比例しておらず、記載される原理を例示することに重点が置かれている。
【０００４】
【図１Ａ】[0004]本開示の実施形態による、ユーザ支援装置に自動水平化をもたらす手持ち式用具の斜視図である。
【図１Ｂ】[0005]本開示の実施形態による、ユーザ支援装置に自動水平化をもたらす手持ち式用具の断面斜視図である。
【図１Ｃ】[0006]本開示の実施形態による、ユーザ支援装置に自動水平化をもたらす手持ち式用具の平面図である。
【図１Ｄ】[0007]本開示の実施形態による、ユーザ支援装置に自動水平化をもたらす手持ち式用具の側面図である。
【図２】[0008]本開示の実施形態による、ユーザ支援装置に自動水平化をもたらす手持ち式用具のシステム回路の構成要素を例示する機能ブロック図である。
【図３】[0009]本開示の実施形態による、手持ち式用具のユーザ支援装置に自動水平化をもたらすための動作制御システムの構成要素を例示する機能ブロック図である。
【図４】[0010]本開示の実施形態による、飲用カップを保持するように形作られたユーザ支援装置を有する手持ち式用具の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
[0011]  手持ち式用具のユーザ支援装置の自動水平化をもたらすための装置、システム、およびオペレーション方法の実施形態が、本明細書に記載される。以下の記載では、実施形態の完全な理解をもたらすために多くの具体的な詳細が説明される。しかし、本明細書に記載される技法は、具体的な詳細のうちの１つもしくは複数がなくても、またはその他の方法、構成要素、材料などを用いても、実践することができることを、当業者であれば理解するであろう。その他の事例では、特定の態様が不明瞭になるのを防ぐために、よく知られた構造、材料、またはオペレーションは示されない、もしくは記載されない。
【０００６】
[0012]  本明細書全体を通して、「一実施形態」または「実施形態」への言及は、その実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、「一実施形態では」または「実施形態では」という言い回しが、本明細書全体を通して様々な箇所に出現するが、それらは必ずしもすべてが同じ実施形態を指しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な態様で組み合わせられてもよい。
【０００７】
[0013]  ヒトの振戦を補助するための技術が開発されているが、それらは、ヒトの振戦の大きさが極端過ぎる、または筋肉制御が欠如しているために運動障害が転倒／こぼしにつながるという、様々な状態に適合できないことがある。慣性計測ユニット（「IMU : inertial measurement unit」）を使用した安定プラットフォームが、軍事用途としてのみならず愛好家のためにも、カメラ用に開発されている（例えば、ブラシレスジンバルコントローラ）。同様に安定飛行コントローラは、移動プラットフォームを三次元空間で安定化する。しかし、これらの解決策は、筋力または筋肉制御に制限のある人が飲食その他などの日々の作業を行うことを補助するための小型で軽量な手持ち式用具に一体化することができない。さらに、手術室、または陸軍移動外科病院のような、特に大きいストレスがある環境では、特定の職業（例えば、外科分野）が、用具の水平化および／または安定化から恩恵を得ることができる。
【０００８】
[0014]  図１Ａ〜図１Ｄは、本開示の実施形態による、手持ち式用具１００の端部に連結されたユーザ支援装置１０５を自動水平化することができる、および一部の実施形態では安定化することができる手持ち式装置１００を例示する。図１Ａは手持ち式用具１００の斜視図であり、手持ち式用具１００のすべて同じ実施形態の、図１Ｂが断面斜視図、図１Ｃが平面図、および図１Ｄが側面図である。手持ち式用具１００の例示される実施形態は、ユーザ支援装置１０５、取付けアーム１１０、アクチュエータ組立体１１５、ハンドル１２０、およびシステム回路を含む。アクチュエータ組立体１１５の例示される実施形態は、アクチュエータ１２５、アクチュエータ１３０、リンク機構１３５、およびリンク機構１４０を含む。システム回路は、水平化ＩＭＵ１４５、動作制御システム１５０、電源１５５、位置センサ（図１Ａ〜１Ｄには例示せず）、システムコントローラ１６０、システムメモリ１６５、および通信インターフェース１７０を含む。一実施形態では、手持ち式用具１００は振戦ＩＭＵ１７５を含むこともできる。
【０００９】
[0015]  手持ち式用具１００は、様々な異なるユーザ支援装置１０５を保持するように適合され得る自動水平化（および一部の実施形態では振戦安定化）プラットフォームである。手持ち式用具１００は、電動アクチュエータおよびフィードバック制御システムを使用して能動的な水平化をもたらす。図１Ａ〜図１Ｄは、スプーンとしてのユーザ支援装置１０５を例示する。しかし、ユーザ支援装置１０５は、様々な異なる食事道具、飲用道具（例えば、図４のカップホルダ装置４００を参照）、化粧品アプリケータ、ポインティング装置、様々な職業用具（例えば、外科用具）、その他として実装されてもよい。
【００１０】
[0016]  手持ち式用具１００の例示される実施形態は、ユーザ支援装置１０５の動作および向きを測定するために、ユーザ支援装置１０５に堅く連結された取付けアーム１４５に配設された水平化ＩＭＵ１４５を含む。水平化ＩＭＵ１４５は、測定された動作および向きを示すフィードバックデータを動作制御システム１５０に出力する。水平化ＩＭＵ１４５は、ジャイロスコープおよび加速度計で実装されてもよく、またはさらに磁気計を含むこともできる。一実施形態では、水平化ＩＭＵ１４５はソリッドステートデバイスである。
【００１１】
[0017]  一実施形態では、動作制御システム１５０は、参照フレーム（例えば、重力ベクトル）に対するユーザ支援装置１０５の所与の瞬間における直線加速度、角速度、および向きを得るために水平化ＩＭＵ１４５にポーリングを行う。次いで動作制御システム１５０は、三次元（「３Ｄ」）空間において参照フレームに対するユーザ支援装置１０５の向きを推定するためのアルゴリズムを実行する。水平化ＩＭＵ（およびユーザ支援装置１０５）の本体フレームに対するこの推定値または推定された重力ベクトルは、リアルタイムで連続的にアップデートされ、アクチュエータ組立体１１５をリアルタイムで駆動および制御するためのコマンド信号を生成するために使用される。一実施形態では、コマンド信号はロールコマンドおよびピッチコマンドを含む。
【００１２】
[0018]  アクチュエータ組立体１１５は、少なくとも２つの直交する次元においてユーザ支援装置１０５を操作するようにユーザ支援装置１０５に連結される。例示される実施形態では、２つの直交する次元は、ピッチ軸１８０周りの回転、およびロール軸１８５周りの回転を含む。ピッチ軸１８０は、ハンドル１２０を通って長手方向に延びるロール軸１８５に直交する。他の実施形態では、２つの動作次元は直交する必要はない。さらに他の実施形態において、線形動作またはさらにヨー回転などのさらなる自由度が、アクチュエータ組立体１１５に加えられてもよい。
【００１３】
[0019]  アクチュエータ組立体１１５は、取付けアーム１１０ひいてはユーザ支援装置１０５をハンドル１２０に対して動かして、自動水平化および一部の実施形態では振戦安定化をもたらすために手持ち式用具１００に存在する。固定された参照フレーム（例えば、重力ベクトル）に対してユーザ支援装置１０５がピッチングまたはローリングされると、動作制御システム１５０は、水平な向きを補償し維持するために、またはさらにオフセットする向きをもたらして振戦に対抗するために、ユーザ支援装置１０５を反対の方向に動かすようにアクチュエータ組立体１１５にコマンドする。全体的な効果として、アクチュエータ組立体１１５の物理的限界の範囲内でハンドルがどのような向きにされるかに関わらず、ユーザ支援装置１０５は向きが固定された（またはさらに安定した）ままである。
【００１４】
[0020]  アクチュエータ組立体１１５の例示される実施形態は、ロール軸１８５周りに出力回転動作を提供するアクチュエータ１２５を含む。このロール動作は、アクチュエータ１２５がアクチュエータ１３０をロール軸１８５周りに物理的に回転させるように、リンク機構１３５を介してアクチュエータ１３０に結合される。アクチュエータ１３０の例示される実施形態は、ピッチ軸１８０周りの出力回転動作を提供する。ピッチ動作およびロール動作は、アクチュエータ１３０がユーザ支援装置１０５をピッチングさせ、アクチュエータ１２５がユーザ支援装置１０５をローリングさせるように、リンク機構１４０を介して取付けアームに、ひいてはユーザ支援装置１０５に結合される。これらの直交する回転動作は独立して制御される。
【００１５】
[0021]  一実施形態では、手持ち式用具１００は、ハンドル１２０に対するアクチュエータ１２５および１３０の出力の回転位置を示すフィードバック位置情報を動作制御システム１５０に提供する２つの位置センサをさらに含む。言い換えれば、位置センサは、ハンドル１２０に対するリンク機構１３５および１４０の位置を示す。一実施形態では、各位置センサは、その対応するリンク機構１３５または１４０の位置をモニターするホール効果センサである。ポテンショメータ、エンコーダなどを含む他の位置センサが実装されてもよい。
【００１６】
[0022]  従来の安定化装置は、重り振子を使用して安定性を提供しようとするものである。しかし、プラットフォームを水平な状態で静止させるためには重い質量体が必要である。そのような実装形態の欠点には、かさばりおよび質量体が必要になること、および振子がその固有振動数で揺動するまたは発振する可能性があることが含まれる。ユーザ支援装置の設定ポイント（安定位置）も機械的組立体によって制限され、容易に調整することができない。さらに、ユーザに関する情報は、これらの単に機械的な手段によっては収集することができない。それとは対照的に、手持ち式用具１００で使用されるフィードバック制御システムは、大幅に小型化された形状要因においてはるかに高度な性能を達成することができる。重い重りは必要ではなく、動作制御システム１５０は、様々な非意図的な動作に反応（例えば、振戦安定化）するように特別に調節され得る。実際に、動作制御システム１５０は、自動水平化のために非協調的な動き（低振動数）に応答するのみならず、ヒトの振戦の安定化のために非意図的な動き（高振動数）にも応答するようにプログラムすることができる。
【００１７】
[0023]  さらに、システムコントローラ１６０は、ユーザの状態の重症度（例えば、水平な向きを維持する能力、必要なフィードバック制御支援の量、非意図的な振戦動作の量、など）に関するデータをモニターし収集するようにプログラムすることができ、このデータをシステムメモリ１６５内のログに記憶して、最終的には通信インターフェース１７０を介して出力することができる。ログは、ユーザ／患者の状態を診断および処置するために、解析され医療従事者に提供され得る。動作制御システム１５０によって提供される能動的な制御は、治療計画の一部として経時的に少しずつ自動的に調整できるようにさらにプログラムすることができる。治療計画は、ログを使用してモニターすることができ、ログを参照しながら患者ごとに作ることができる。例えば、治療または訓練の一種として、能動的な水平化／安定化の量が所定の割合で徐々に低減され、ログを参照しながら結果が定期的にモニターされてもよい。
【００１８】
[0024]  一実施形態では、取付けアーム１１０は、単一のユーザ支援装置１０５に常時固定された連結として実装される。他の実施形態では、取付けアーム１１０は、ユーザ支援装置１０５を取り外すまたは取り替えるために、一時的な取付けを容易にしてもよい。一時的な取付けを使用することによって、ユーザは異なる種類のユーザ支援装置１０５を手持ち式用具１００に挿入するまたは取り付けることができる。例えば、ユーザ支援装置１０５は、様々な異なる食事道具または飲用道具（例えば、スプーン、ナイフ、フォーク、カップホルダ）、個人的衛生用具（例えば、歯ブラシ、フロスピック）、身だしなみ用具（例えば、化粧品アプリケータ、くし）、職業用具（例えば、外科用具）、ポインティング装置（例えば、レーザポインタ、または指示棒）その他として実装されてもよい。自動水平化（および任意選択で振戦安定化）機能は、日常的な作業を乗り越えるさらなる自立および自己制御を提供することによって、非協調的な（および／または非意図的な）筋肉の動きのあるユーザが生活の質を改善することを補助する。さらに、手持ち式用具１００には、非協調的／非意図的な筋肉の動きに苦しむことのない人を援助する職業的な使用法があってもよい。
【００１９】
[0025]  図２は、本開示の実施形態による、システム回路２００の機能的構成要素を例示する機能ブロック図である。システム回路２００は、手持ち式用具１００のオペレーションのための例としての機能的な制御構成要素を例示する。システム回路２００の例示される実施形態は、動作制御システム２０５、システムメモリ２１０、システムコントローラ２１５、通信インターフェース２２０、電源２２５、水平化ＩＭＵ２３０、位置センサ２３５、および振戦ＩＭＵ２４０を含む。
【００２０】
[0026]  上述されたように、動作制御システム２０５は、水平化ＩＭＵ２３０からフィードバックデータを受信（例えば、ポーリング）して、ユーザ支援装置１０５の向きおよび動作を判定する。このフィードバックデータは制御アルゴリズムを使用して解析されて、アクチュエータ組立体１１５を操作するためのコマンドが生成される。一実施形態では、動作制御システム２０５は、デジタル信号処理（「DSP」）回路として実装される。別の実施形態では、動作制御システム２０５は、システムコントローラ２１５上で実行されるソフトウエア／ファームウエア論理であり、システムメモリ２１０に記憶される。一実施形態では、システムコントローラ２１５はマイクロプロセッサとして実装され、システムメモリ２１０は不揮発性メモリ（例えば、フラッシュメモリ）である。他の種類のメモリおよびコントローラが使用されてもよい。
【００２１】
[0027]  一実施形態では、通信インターフェース２２０は、システムメモリ２１０に記憶されたデータ（例えば、使用ログ）を出力するために、システムコントローラ２１５に通信可能に結合される。通信インターフェース２２０は、ユニバーサルシリアルポート（「USB」）、ワイヤレスＢｌｕｅｔｏｏｔｈインターフェース、ＷｉＦｉインターフェース、セルラーインターフェース、その他などの、ワイヤードまたはワイヤレスインターフェースとして実装することができる。
【００２２】
[0028]  上述されたように、水平化ＩＭＵ２３０は、ユーザ支援装置１０５の向きおよび動作をモニターするために配設される。図１Ａ〜図１Ｄの例示された実施形態では、水平化ＩＭＵ１４５は取付けアーム１４５に配設される。ユーザ支援装置１０５が手持ち式用具１００に常時固定されている実施形態では、水平化ＩＭＵ２３０は、ユーザ支援装置１０５自体にも堅く装着されていてもよく、または、取付けアーム１１０がユーザ支援装置１０５の延長部分と考えられてもよい。水平化ＩＭＵ２３０は、加速度計、ジャイロスコープ、または磁気計のうちの１つまたは複数を含む半導体センサとして実装されてもよい。
【００２３】
[0029]  位置センサ２３５は、ハンドル１２０に対するアクチュエータ組立体１１５の出力の相対位置を測定する相対センサである。一実施形態では、位置センサ２３５は、リンク機構１３５および１４０の位置を測定することにより、アクチュエータ１２５および１３０の出力の位置をモニターするホール効果センサである。位置センサ２３５によって出力される相対位置情報は、ユーザがどのくらいの自動水平化を必要としているかを判定し、それにより所与のユーザの重症度および進行度を診断するために、システムメモリ２１０内のログに記録されてもよい。
【００２４】
[0030]  一実施形態では、手持ち式用具１００は、ハンドル１２０に堅く装着されてハンドル１００の動作／向きを測定する振戦ＩＭＵ２４０をさらに含むことができる。振戦ＩＭＵ２４０によって取得された振戦フィードバック情報も、ユーザの状態の診断および処置を容易にするために、システムメモリ２１０内のログファイルに記録されてもよい。一部の実施形態では、振戦ＩＭＵ２４０からのフィードバックデータもフィードバック安定化のために使用されてもよいが、ユーザ支援装置１００の自動水平化と安定化の両方のためには、水平化ＩＭＵ２３０からのフィードバックデータで充分であり得、それが好ましいことさえあり得る。
【００２５】
[0031]  例示される実施形態では、システム回路２００の機能的構成要素は、電源２２５によって電力供給される。一実施形態では、電源２２５は、手持ち式用具１００のハンドル１２０に配設された再充電可能電池（例えば、リチウムイオン電池）である。コンパクトで使いやすい形状要因をもたらすために、システム回路２００の多くの他の機能的構成要素もハンドル１２０内に配設されてもよい。例えば、様々な実施形態では、動作制御システム２０５、システムメモリ２１０、システムコントローラ２１５、通信インターフェース２２０、電源２２５、および振戦ＩＭＵ２４０のうちの一部またはすべてが、ハンドル１２０内に配設される。図１Ａ〜図１Ｄに例示されるように、アクチュエータ１２５およびリンク機構１３５は、少なくとも部分的にハンドル１２０内に配設される。
【００２６】
[0032]  図３は、本開示の実施形態による、手持ち式用具１００のユーザ支援装置１０５に自動水平化をもたらすための動作制御システム３００の機能的構成要素を例示する機能ブロック図である。動作制御システム３００は、動作制御システム１５０または２０５の１つの可能な実装形態である。動作制御システム３００は、ソフトウエア論理／命令として、ファームウエア論理／命令として、ハードウエア論理として、またはそれらの組み合わせとして実装されてもよい。一実施形態では、動作制御システム３００はＤＳＰ回路である。
【００２７】
[0033]  動作制御システム３００の例示される実施形態は、回転ベクトルモジュール３０５、ローパスフィルタ（「LPF」）３１０、相補フィルタモジュール３１５、推定ベクトルモジュール３２０、逆運動学モジュール３２５、および動作コントローラ３３０を含む。動作制御システム３００は、水平化ＩＭＵ３３５および位置センサ３４０からフィードバックデータを受信するように結合される。水平化ＩＭＵ３３５の例示される実施形態は、ジャイロスコープ３４５および加速度計３５０を含む。
【００２８】
[0034]  オペレーション中に、ジャイロスコープ３４５はジャイロデータΔＧを出力し、加速度計３５０は加速度計データΔＡを出力する。ジャイロデータΔＧは、前の誤差ベクトルＳｎ−１を調整して現行の誤差ベクトルＳｎを生成するために回転ベクトルモジュール３０５によって使用される。次いで現行の誤差ベクトルＳｎは、相補フィルタモジュール３１５に提供される。相補フィルタモジュール３１５は、加速度計データΔＡのローパスフィルタ処理されたバージョンΔ’Ａを用いて現行の誤差ベクトルＳｎを調整して、調整済み誤差ベクトルＳ’ｎを生成する。調整誤差ベクトルＳ’ｎは、推定ベクトルモジュール３２０に折り返して戻され、推定ベクトルモジュール３２０においてラッチされ、または一時的に記憶され、次のオペレーションサイクルのために前の誤差ベクトルＳｎ−１として回転ベクトルモジュール３０５に提供される。
【００２９】
[0035]  調整済み誤差ベクトルＳ’ｎは、参照フレーム（例えば、重力ベクトル）と、ユーザ支援装置１０５の現行位置を表すベクトルとの差を表す。例えば、ユーザ支援装置１０５の現行位置を表すベクトルは、水平化ＩＭＵ１４５が配設される表面から延びる法線ベクトルであってもよい。当然ながら、ユーザ支援装置１０５を記述する他のベクトルの向きが使用されてもよい。
【００３０】
[0036]  ジャイロスコープ３４５は、角速度データを迅速に出力する高速オペレーションセンサであるが、経時的なドリフトの影響を受ける。それとは対照的に、加速度計３５０は、正確な読取り値を出力する低速センサであり、その読取り値が相補フィルタ３１５によって使用されて現行の誤差ベクトルＳｎが更新され、いかなるドラフトも打ち消される。低振動数の自動水平化機能にはそれほど有用ではない、振戦動作などの急な反射運動に起因する高振動数の変化を取り除くために、加速度計データΔＡはローパスフィルタ処理される。
【００３１】
[0037]  次いで調整済み誤差ベクトルＳ’ｎは、逆運動学モジュール３２５に提供される。逆運動学モジュール３２５は、アクチュエータ組立体１１５の現行位置情報とともに調整済み誤差ベクトルＳ’ｎを取り、アクチュエータ１２５および１３０の位置パラメータを定義する誤差信号（例えば、ピッチ誤差およびロール誤差）を生成して、ユーザ支援装置１０５の所望の位置を得る。運動学方程式を使用することが、ロボット制御システムの分野で知られている。
【００３２】
[0038]  次いで、誤差信号は動作コントローラ３３０に入力され、動作コントローラ３３０は、アクチュエータ組立体１１５を制御するための実際のコマンド（例えば、ピッチコマンドおよびロールコマンド）をどのように実装するかを決定する。一実施形態では、動作コントローラ３３０は、比例積分微分（「PID : proportional-integral-derivative」）コントローラとして実装される。動作コントローラ３３０は、誤差信号（例えば、ピッチ誤差およびロール誤差）を低減させようとし、同時に修正の行き過ぎおよび発振も低減させようとする。
【００３３】
[0039]  例示された実施形態では、動作制御システム３００は、加速度計データΔＡが動作コントローラ３３０に届くようにするための高振動数経路３６０も含む。高振動数経路３６０は、フィルタ処理されていない高振動数の加速度計データΔＡが動作コントローラ３３０によって解析されて振戦安定制御が実装されることを可能にする。
【００３４】
[0040]  上記で説明された機能的な論理／ソフトウエアの一部は、コンピュータソフトウエアおよびハードウエアに関して記載されている。記載される技法は、有形のまたは非一時的な機械（例えば、コンピュータ）可読記憶媒体内に具現化された、機械によって実行されたときに記載されたオペレーションを機械に実行させる機械実行可能命令を構成してもよい。さらに、プロセスは、特定用途向け集積回路（「ASIC : application specific integrated circuit」）その他などのハードウエア内で具現化されてもよい。
【００３５】
[0041]  有形の機械可読記憶媒体は、機械（例えば、コンピュータ、ネットワーク装置、携帯情報端末、製造用具、１つまたは複数のプロセッサのセットを有する任意の装置など）によってアクセス可能な、非一時的形態の情報を提供する（すなわち、記憶する）任意の機構を含む。例えば、機械可読記憶媒体は、記録可能／記録不可能な媒体（例えば、読出し専用メモリ（ROM）、ランダムアクセスメモリ（RAM）、磁気ディスク記憶媒体、光学記憶媒体、フラッシュメモリ装置など）を含む。
【００３６】
[0042]  要約書に記載されたものを含めて本発明の例示された実施形態の上記の記載は、網羅的であること、または記載された厳密な形態に本発明を限定することを意図していない。本発明の具体的な実施形態、および実例は、例示を目的として本明細書に記載されており、当業者であれば認識するように、本発明の範囲内で様々な修正が可能である。
【００３７】
[0043]  これらの修正は、上記の詳細な説明の観点から、本発明になされ得る。以下の特許請求の範囲で使用される用語は、本明細書で開示された具体的な実施形態に本発明を限定するものと解釈されるべきではない。そうではなく、本発明の範囲は以下の請求項によって全体的に決定されるものであり、以下の請求項は、請求項解釈の確立された原則に従って解釈されるものである。
【図１Ａ】
2018099155.tif 000003
【図１Ｂ】
2018099155.tif 000004
【図１Ｃ】
2018099155.tif 000005
【図１Ｄ】
2018099155.tif 000006
【図２】
2018099155.tif 000007
【図３】
2018099155.tif 000008
【図４】
2018099155.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成29年4月11日(2017.4.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手持ち式用具であって、
前記手持ち式用具のユーザによって保持されるためのハンドルと、
前記ハンドルから延在する取付けアームであって、ユーザ支援装置に連結するように構成された取付けアームと、
前記取付けアームに装着されて、前記ユーザ支援装置の動作または向きのうちの１つまたは複数の測定値を取得し、前記測定値を示すフィートバックデータを生成する、第１の慣性計測ユニット（「IMU」）と、
前記取付けアームを介して前記ユーザ支援装置を少なくとも２つの次元において操作するように結合されたアクチュエータ組立体と、
前記第１のＩＭＵから前記フィードバックデータを受信するように結合された動作制御システムであって、前記ユーザが前記手持ち式用具を操作する間に参照フレームに対する前記ユーザ支援装置の自動水平化をもたらすために、前記アクチュエータ組立体にコマンドを提供するように結合された動作制御システムと
を備える、手持ち式用具。
【請求項２】
前記アクチュエータ組立体が、前記ハンドルに対して２つの回転軸周りに前記ユーザ支援装置を操作するように結合された、請求項１に記載の手持ち式用具。
【請求項３】
前記アクチュエータ組立体が、
前記取付けアームのローリング動作を制御する第１のアクチュエータと、
前記取付けアームのピッチング動作を制御する第２のアクチュエータと
を備える、請求項２に記載の手持ち式用具。
【請求項４】
前記アクチュエータ組立体が、
前記第１のアクチュエータからの前記ローリング動作の出力を前記第２のアクチュエータに機械的に結合させる第１のリンク機構であって、前記第１のアクチュエータが、前記第１のリンク機構を介して前記第２のアクチュエータをローリングさせることによって前記取付けアームをローリングさせるように結合された、第１のリンク機構と、
前記第２のアクチュエータからの前記ピッチング動作の出力を前記取付けアームに機械的に結合させる第２のリンク機構と
をさらに備える、請求項３に記載の手持ち式用具。
【請求項５】
前記第１のアクチュエータの第１の出力の第１の相対位置をモニターするように結合された第１の位置センサと、
前記第２のアクチュエータの第２の出力の第２の相対位置をモニターするように結合された第２の位置センサと
をさらに備え、
前記第１および第２の位置センサが、前記動作制御システムに位置情報をフィードバックするように結合された、請求項３に記載の手持ち式用具。
【請求項６】
前記ハンドル内に配設され、前記第１および第２の位置センサから位置情報を収集し、前記位置情報をログに記録するように結合されたシステムコントローラと、
前記手持ち式用具から前記ログを出力するように前記システムコントローラに結合された通信インターフェースと
をさらに備える、請求項５に記載の手持ち式用具。
【請求項７】
前記ユーザ支援装置にヒトの振戦安定化をもたらすために、前記動作制御システムが、前記アクチュエータ組立体を前記２つの回転軸周りに操作するように前記アクチュエータ組立体にさらに結合された、請求項２に記載の手持ち式用具。
【請求項８】
前記アクチュエータ組立体および前記動作制御システムに電力供給するように結合された電源をさらに備え、
前記電源、前記動作制御システム、および前記アクチュエータ組立体の少なくとも一部、が前記ハンドル内に配設される、請求項１に記載の手持ち式用具。
【請求項９】
前記ユーザ支援装置が、食事道具または飲用道具のいずれか１つを備える、請求項１に記載の手持ち式用具。
【請求項１０】
前記ユーザ支援装置が、ポインタ装置、身だしなみ用具、個人的衛生用具、または職業用具のうちの１つを備える、請求項１に記載の手持ち式用具。
【請求項１１】
前記ユーザが前記手持ち式用具を保持および使用する間にヒトの振戦を測定するために、前記ハンドルに堅く連結された第２のＩＭＵをさらに備える、請求項１に記載の手持ち式用具。
【請求項１２】
手持ち式用具のオペレーション方法であって、
前記手持ち式用具の遠位端部に装着されたユーザ支援装置の動作または向きのうちの少なくとも１つを慣性計測ユニット（「IMU」）によって測定することと、
前記測定することに基づき前記ＩＭＵからフィードバックデータを出力することと、
前記手持ち式用具のハンドル内に少なくとも部分的に配設された動作制御システムによってリアルタイムで前記フィードバックデータをモニターすることと、
前記動作制御システムによってアクチュエータ組立体を制御することであって、ユーザが前記手持ち式用具を操作する間に参照フレームに対する前記ユーザ支援装置の自動水平化をもたらすために、前記アクチュエータ組立体が、少なくとも２つの直交する次元で前記ユーザ支援装置を操作するように結合された、制御することと
を含む、手持ち式用具のオペレーション方法。
【請求項１３】
前記少なくとも２つの直交する次元が、ピッチ軸およびロール軸を含む２つの回転軸を備える、請求項１２に記載の手持ち式用具のオペレーション方法。
【請求項１４】
自動水平化をもたらすために前記動作制御システムによって前記アクチュエータ組立体を制御することが、
前記参照フレームに基づいて、参照ベクトルからの前記ユーザ支援装置の位置ずれを示す誤差ベクトルを生成することと、
前記ＩＭＵからの前記フィードバックデータ出力に基づいて前記誤差ベクトルを更新することと、
前記アクチュエータ組立体を前記ピッチ軸周りに操作するためのピッチコマンド、および前記アクチュエータ組立体を前記ロール軸周りに操作するためのロールコマンドを、前記誤差ベクトルに少なくとも部分的に基づいて生成することと
を含む、請求項１３に記載の手持ち式用具のオペレーション方法。
【請求項１５】
前記２つの回転軸に対する前記アクチュエータ組立体の位置をモニターするように結合された１つまたは複数の位置センサからの位置情報を収集することと、
前記位置情報をログに記録することと、
前記手持ち式用具から前記ログを通信インターフェースを介して通信することと
をさらに含む、請求項１３に記載の手持ち式用具のオペレーション方法。
【請求項１６】
前記ユーザに処置するための訓練計画または治療計画の一部として、前記アクチュエータ組立体によってもたらされる前記ユーザ支援装置の前記自動水平化の量を経時的に調整することをさらに含む、請求項１２に記載の手持ち式用具のオペレーション方法。
【請求項１７】
前記アクチュエータ組立体によってもたらされる自動水平化の前記量が、前記治療計画の一部として経時的に低減される、請求項１６に記載の手持ち式用具のオペレーション方法。
【外国語明細書】
2018099155000001.pdf