(57)【要約】【課題】動作の途中で操作者の意図が変化した場合においても即応した動作を実現するため、操作者の意識下の意図を推定し、操作者の随意的操作に先行して操作者の意図を先取りした動作を行うことができる運動機能支援装置を提供する。【解決手段】運動機能支援装置１００において、更に、操作者の意思に基づいて操作されて、動作指令を確定するための選択確定結果を出力する選択確定スイッチ１０６と、操作者の生体運動を計測して、この計測結果を生体運動情報として出力する生体運動計測部１０１と、前記選択確定結果と前記生体運動情報とに基づいて運動解析結果を生成する生体運動解析部１０２と、備え、且つ駆動制御部１０４は、前記操作結果情報と前記選択確定結果と前記運動解析結果とに基づいて、動作指令を生成して、駆動機構部１０５を駆動制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作者の運動機能を支援する駆動機構手段と、前記操作者の意思に基づいて直接操作されて、その操作結果を操作結果情報として出力する操作手段と、前記操作者からの指令に基づいて前記駆動機構手段の動作指令を発生して駆動制御を行う駆動制御手段と、を備えた運動機能支援装置において、
更に、
前記操作者の意思に基づいて操作されて、前記動作指令を確定するための選択確定結果を出力する選択確定手段と、
前記操作者の生体運動を計測して、この計測結果を生体運動情報として出力する生体運動計測手段と、
前記選択確定結果と前記生体運動情報とに基づいて運動解析結果を生成する生体運動解析手段と、
を、備え、且つ
前記駆動制御手段は、前記操作結果情報と前記選択確定結果と前記運動解析結果とに基づいて、前記動作指令を生成して、前記駆動機構手段を駆動制御することを特徴とする運動機能支援装置。
【請求項２】
前記生体運動計測手段は、前記生体運動として少なくとも眼球運動を計測し、この眼球運動の計測の際には、垂直及び水平方向の視線角度を時系列に計測し、且つ
前記生体運動解析手段は、当該視線角度における時系列変化が所定の範囲内である時間が予め設定された閾値以上であった場合に視線停留であるとして判別することを特徴とする請求項１に記載の運動機能支援装置。
【請求項３】
前記生体運動解析手段は、
（Ｉ）  所定期間で蓄積される生体運動情報を一括して読み込み、この読み込まれた生体運動情報に基づき、前記視線停留の時間の閾値を判別の境界としたときの誤判別確率を求め、誤判別確率の目標値から判別スコアの閾値を設定し、
（ＩＩ）  計測した生体運動情報から判別スコアを計算した後に、
（ＩＩＩ）  前記閾値と前記生体運動情報による判別スコアとに基づいて視線停留の判別を行い、この判別の結果、視線停留と判別されたときの視線角度に基づいて前記運動解析結果を生成し、且つ
（ＩＶ）  前記生体運動計測手段から逐次読み込んだ生体運動情報を前記視線停留の時間の長さに応じて２種のデータに分類して所定期間で蓄積し、
（Ｖ）  この蓄積されたデータに基づき、前記閾値と前記誤判別確率を求めて、
上記（ＩＩ）〜（Ｖ）を逐次実施することを特徴とする請求項２に記載の運動機能支援装置。
【請求項４】
前記生体運動解析手段は、
前記視線停留の時間の長さに応じて２種類のデータに分類する際、
前記操作手段の操作が無いときの、前回の分類後、新たに読み込んだ時点から次の視線停留であると判別する時点までの間の視線角度の時系列データと、
前記操作手段の操作が有るときの、前回の分類後、新たに読み込んだ時点から前記操作手段の操作が開始される時点までの間の視線角度の時系列データと、の２種のデータに分類することを特徴とする請求項３に記載の運動機能支援装置。
【請求項５】
前記生体運動解析手段は、
前記誤判別確率が予め設定される目標値を取るように、前記閾値を調整する際、
予め定めた誤判別確率の目標値に対応する判別スコアを求め、当該判別スコアを閾値として設定する
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の運動機能支援装置。
【請求項６】
前記生体運動解析手段は、
当該誤判別確率の目標値に対応して、前記動作指令速度、前記動作指令加速度、前記カットオフ周波数のいずれかを調整する際、
前記誤判別確率の目標値を上げるのと同等な効果を得るため、予め設定された割合に従って前記動作指令速度又は前記動作指令加速度を下げるか、或いは前記カットオフ周波数を下げて調整し、
前記誤判別確率の目標値を下げるのと同等な効果を得るため、予め設定された割合に従って前記・前記動作指令速度又は前記動作指令加速度を上げる、或いは前記カットオフ周波数を上げて調整することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の運動機能支援装置。
【請求項７】
前記生体運動解析手段は、
前記運動解析結果を生成する際、
前記視線と、予め設定される作業対象物の位置に基づいて、
前記視線を表す３次元空間上の仮想直線を算出すると共に作業対象物の重心位置を中心とした所定の半径を有する仮想球を設定して、これら仮想直線と仮想球との交点のうち作業対象物の重心位置に最も近く且つ操作者の眼球から最も近い距離にある点を含む作業対象物を選択するように前記運動解析結果を生成することを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の運動機能支援装置。
【請求項８】
前記操作手段として、スイッチを用い、
前記駆動制御手段は、
前記操作手段と前記選択確定手段との操作の有無を判定し、
前記操作手段の操作及び前記選択確定手段の操作が共に無いと判定する場合には、前記運動解析結果に基づいて動作指令を生成し、
前記選択確定手段の操作があると判定する場合には、前記スイッチの操作があるまで待機し、前記スイッチが操作されたとき、その瞬間の前後における、視線停留と判定されるときの視線角度の平均を算出して、この算出結果に基づいて動作指令を生成することを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の運動機能支援装置。
【請求項９】
前記操作手段として、バーを備えたジョイスティックを用い、
前記駆動制御手段は、
前記操作手段と前記選択確定手段との操作の有無を判定し、
前記操作手段の操作及び前記選択確定手段の操作が共に無いと判定する場合には、前記運動解析結果に基づいて動作指令を生成し、
前記選択確定手段の操作があると判定する場合には、前記ジョイスティックの操作があるまで待機し、前記ジョイスティックのバーが操作されたときの、当該場バーを倒す方向と角度情報に基づいて動作指令を生成することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の運動機能支援装置。
【請求項１０】
前記生体運動計測手段は、前記生体運動として少なくとも頭部運動を計測し、
この頭部運動の計測の際には、頭部の姿勢角度を計測することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の運動機能支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運動機能が低下した人、例えば脊髄損傷等により上肢運動機能に障害を持つ人を対象にして、運動機能を高めるようにした運動機能支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人口に占める高齢者の割合の増加及び出生率の低下が顕著であり、これに伴って加齢による筋力低下による運動機能低下に対する介助と共に、この介助を行う介助者の負担低減が重要な問題となっている。また、交通事故或いはスポーツ事故等による脊髄損傷等、運動機能に障害を持つ人も含め、これら介助を受けようとする人（介助対象者）の自立を促して生活の質（ＱＯＬ）の向上を図ろうという動きも活発化している。
【０００３】
このような状況に対し、ロボット技術を応用して操作者の操作により運動機能の補助又は介助する装置が一般的に知られている。
【０００４】
この従来の装置について図６に従って説明する。
この従来の装置は、操作者の随意的操作によって操作されて操作結果情報を出力する操作デバイス６０１と、当該操作結果情報に基づき動作指令を算出して、後述する駆動機構部６０３を駆動させる駆動制御装部６０２と、当該駆動制御部６０２によって駆動されて介助対象者の介助動作を行う駆動機構部６０３と、を備えている。また、前記操作デバイス６０１は、教示ペンダントの他、選択スイッチも採用することができ、又装置がマスタ・スレーブロボット型とされる場合にはマスタアームとして構成される。
なお、ここでの「随意的操作」とは、操作者自身の意思に基づき、例えば手足などの運動が発生して外部環境に対して直接、力学的作用を及ぼす操作を意味するものとする（以降、同じ）。
【０００５】
このような従来の装置においては、前記操作デバイス６０１から出力された前記操作結果情報は駆動制御部６０２で動作指令生成のため処理が実施されるが、この処理の所要時間は通常数ｍｓのオーダであり、略リアルタイムに動作指令を生成できて駆動機構部６０３は動作可能となる。このため、操作者は前記操作デバイス６０１を操作する限り、操作者の意図を反映するように前記駆動部６０３を操作することができる。
【０００６】
また、前記操作デバイス６０１として、選択スイッチを用いる場合、当該選択スイッチによる選択動作とされる操作結果情報により、予め前記駆動制御部６０２に記憶保持された動作パターンを前記動作指令として出力して前記駆動機構部６０３を駆動することも行われる。この場合には、操作者の選択スイッチでの動作パターン選択後、前記駆動機構部６０３は自動的に動作することとなる。
【０００７】
しかしながら、このような従来の装置では、前記操作デバイス６０１として、教示ペンダント或いはマスタアームを用いた場合、前記操作デバイス６０１を操作者が随意的に操作しない限り駆動部６０３は動作しない。即ち、操作者の意図が確定してはじめて、前記操作デバイス６０１の随意的操作が行われて前記機構駆動部６０３が動作するので、操作者の意図に対し、必ず遅れが生じて介助動作が実行されることとなる。また、操作者の意図が変化した場合にはさらに大きな遅れが発生する可能性があり、さらには、脊髄損傷等により上肢運動機能に障害を持つ人の場合には、前記操作デバイス６０１自体を操作することが困難な場合が多い。
【０００８】
また、前記操作デバイス６０１として選択スイッチを採用する場合には、予め決められた操作者の意図に対応する介助動作が可能であるが、介助動作の途中で操作者の意図が変化した場合に即応した動作ができず、むしろ対応に時間がかかってしまう嫌いがあった。
【０００９】
また、上肢運動機能に障害を持つ人等を対象として、筋電図や眼電図から操作者の運動意図を推定し義手の動作を行うものがある（例えば、特許文献１）。しかしながら、特許文献１も従来のものと同様に、操作者の随意的操作に先行して操作者の意図を先取りするものではない。
【００１０】
ここで、この意図の推定の可能性については心理学実験により選考判断に相関し且つ先立つ予測を眼球運動から推定できることを示唆する結果があり、この結果に基づいて被験者の自覚的な意思決定に先立つ潜在過程を生体情報からとらえる可能性があるとの知見が知られている（例えば、非特許文献１）。
【００１１】
この知見に関連するものとしては、特許文献２及び特許文献３のような操作者の意図を眼球運動から推定しようとする装置（運転行動意図推定システム）が知られている。
【００１２】
この装置について、図７に従ってより具体的に説明する。
この装置は、操作者（運転者）の視線動向を計測・解析する手段７０１と、操作者以外の状況を計測する手段７０２と、操作者の意図を推定する運転行動意図推定手段７０３と、を備えて構成される。また、当該操作者の視線動向を計測・解析する手段７０１は、視線方向検出手段７０４と視線方向頻度分布算出手段７０５と、を備えている。さらに、前記操作者以外の状況を計測する手段７０２は、環境情報計測手段７０６と車両挙動データ計測手段７０７と運転操作量計測手段７０８と、を備えている。
【００１３】
この装置では、前記視線方向検出手段７０４において操作者の視線方向を検出した後、視線方向頻度分布算出手段７０５において前記視線動向の頻度分布を計算し、運転行動意図推定手段７０３に結果を送る。その一方、環境情報計測手段７０６では路面などの状況を計測し、車両挙動データ計測手段７０７では車両の動く状況を計測すると共に、運転操作量計測手段７０８ではハンドル等の随意的操作量を計測し、それぞれ運転行動意図推定手段７０３に結果を送信する。これら結果により運転行動意図推定手段７０３では操作者の意図を推定する、或いは将来の運転状況の予測を行い、運転の制限等により操作を支援している。即ち、この装置では、操作者の視線動向と随意的操作（この場合では、車両の運転）結果から操作者の操作意図を推定することができるようになっている。
【００１４】
【特許文献１】特開平５−１１１８８１号公報
【特許文献２】特公平２００２−３３１８５０号公報
【特許文献３】特開２００５−１７４２１８号公報
【非特許文献１】下條信輔，「行為の能動性はどこへ行くのか？−意思決定の神経メカニズムをめぐって」, 日本機械学会誌, Vo.109, No.1049, pp.261-264, 2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献３及び４のような運転行動意図推定システムにおいては、操作者の随意的操作（この場合には、車両の運転）結果を受けて操作意図を推定するため、操作者の随意的操作結果を入力する必要があること、随意的操作がない操作停止状態或いは操作者自身に運動機能障害等の理由により随意的操作が困難な場合において、将来の動作状態を推定することは難しいことから、操作者の随意的操作に先行して操作者の意図を先取りした動作を行うことは難しいという問題があった。
【００１６】
さらにここで、非特許文献１の心理学実験での予測計算処理は事後（オフライン）であり、リアルタイム（オンライン）の処理については技術的な課題があると記載されているのみであり、さらにその推定結果を運動機能支援装置の動作に結びつける技術的事項については一切述べられていない。
【００１７】
したがって、本発明は上述した事情を鑑み、動作の途中で操作者の意図が変化した場合においても即応した動作を実現するため、操作者の意識下の意図を推定し、操作者の随意的操作に先行して操作者の意図を先取りした動作を行うことができる運動機能支援装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の上記目的は、下記（１）〜（１０）の構成により達成される。
（１）  操作者の運動機能を支援する駆動機構手段と、前記操作者の意思に基づいて直接操作されて、その操作結果を操作結果情報として出力する操作手段と、前記操作者からの指令に基づいて前記駆動機構手段の動作指令を発生して駆動制御を行う駆動制御手段と、を備えた運動機能支援装置において、
更に、
前記操作者の意思に基づいて操作されて、前記動作指令を確定するための選択確定結果を出力する選択確定手段と、
前記操作者の生体運動を計測して、この計測結果を生体運動情報として出力する生体運動計測手段と、
前記選択確定結果と前記生体運動情報とに基づいて運動解析結果を生成する生体運動解析手段と、
を、備え、且つ
前記駆動制御手段は、前記操作結果情報と前記選択確定結果と前記運動解析結果とに基づいて、前記動作指令を生成して、前記駆動機構手段を駆動制御することを特徴とする運動機能支援装置。
（２）  前記生体運動計測手段は、前記生体運動として少なくとも眼球運動を計測し、この眼球運動の計測の際には、垂直及び水平方向の視線角度を時系列に計測し、且つ
前記生体運動解析手段は、当該視線角度における時系列変化が所定の範囲内である時間が予め設定された閾値以上であった場合に視線停留であるとして判別することを特徴とする上記（１）に記載の運動機能支援装置。
（３）  前記生体運動解析手段は、
（Ｉ）  所定期間で蓄積される生体運動情報を一括して読み込み、この読み込まれた生体運動情報に基づき、前記視線停留の時間の閾値を判別の境界としたときの誤判別確率を求め、誤判別確率の目標値から判別スコアの閾値を設定し、
（ＩＩ）  計測した生体運動情報から判別スコアを計算した後に、
（ＩＩＩ）  前記閾値と前記生体運動情報による判別スコアとに基づいて視線停留の判別を行い、この判別の結果、視線停留と判別されたときの視線角度に基づいて前記運動解析結果を生成し、且つ
（ＩＶ）  前記生体運動計測手段から逐次読み込んだ生体運動情報を前記視線停留の時間の長さに応じて２種のデータに分類して所定期間で蓄積し、
（Ｖ）  この蓄積されたデータに基づき、前記閾値と前記誤判別確率を求めて、
上記（ＩＩ）〜（Ｖ）を逐次実施することを特徴とする上記（２）に記載の運動機能支援装置。
（４）  前記生体運動解析手段は、
前記視線停留の時間の長さに応じて２種類のデータに分類する際、
前記操作手段の操作が無いときの、前回の分類後、新たに読み込んだ時点から次の視線停留点であると判別する時点までの間の視線角度の時系列データと、
前記操作手段の操作が有るときの、前回の分類後、新たに読み込んだ時点から前記操作手段の操作が開始される時点までの間の視線角度の時系列データと、の２種のデータに分類することを特徴とする上記（３）に記載の運動機能支援装置。
（５）前記生体運動解析手段は、
前記誤判別確率が予め設定される目標値を取るように、前記閾値を調整する際、
予め定めた誤判別確率の目標値に対応する判別スコアを求め、当該判別スコアを閾値として設定することを特徴とする上記（３）又は（４）に記載の運動機能支援装置。
（６）  前記生体運動解析手段は、
当該誤判別確率の目標値に対応して、前記動作指令速度、前記動作指令加速度、前記カットオフ周波数のいずれかを調整する際、
前記誤判別確率の目標値を上げるのと同等な効果を得るため、予め設定された割合に従って前記動作指令速度又は前記動作指令加速度を下げるか、或いは前記カットオフ周波数を下げて調整し、
前記誤判別確率の目標値を下げるのと同等な効果を得るため、予め設定された割合に従って前記・前記動作指令速度又は前記動作指令加速度を上げる、或いは前記カットオフ周波数を上げて調整することを特徴とする上記（３）〜（５）のいずれかに記載の運動機能支援装置。
（７）  前記生体運動解析手段は、
前記運動解析結果を生成する際、
前記視線と、予め設定される作業対象物の位置に基づいて、
前記視線を表す３次元空間上の仮想直線を算出すると共に作業対象物の重心位置を中心とした所定の半径を有する仮想球を設定して、これら仮想直線と仮想球との交点のうち作業対象物の重心位置に最も近く且つ操作者の眼球から最も近い距離にある点を含む作業対象物を選択するように前記運動解析結果を生成することを特徴とする上記（３）〜（６）のいずれかに記載の運動機能支援装置。
（８）  前記操作手段として、スイッチを用い、
前記駆動制御手段は、
前記操作手段と前記選択確定手段との操作の有無を判定し、
前記操作手段の操作及び前記選択確定手段の操作が共に無いと判定する場合には、前記運動解析結果に基づいて動作指令を生成し、
前記選択確定手段の操作があると判定する場合には、前記スイッチの操作があるまで待機し、前記スイッチが操作されたとき、その瞬間の前後における、視線停留と判定されるときの視線角度の平均を算出して、この算出結果に基づいて動作指令を生成することを特徴とする上記（２）〜（７）のいずれかに記載の運動機能支援装置。
（９）  前記操作手段として、バーを備えたジョイスティックを用い、
前記駆動制御手段は、
前記操作手段と前記選択確定手段との操作の有無を判定し、
前記操作手段の操作及び前記選択確定手段の操作が共に無いと判定する場合には、前記運動解析結果に基づいて動作指令を生成し、
前記選択確定手段の操作があると判定する場合には、前記ジョイスティックの操作があるまで待機し、前記ジョイスティックのバーが操作されたときの、当該場バーを倒す方向と角度情報に基づいて動作指令を生成することを特徴とする上記（１）〜（７）のいずれかに記載の運動機能支援装置。
（１０）  前記生体運動計測手段は、前記生体運動として少なくとも頭部運動を計測し、
この頭部運動の計測の際には、頭部の姿勢角度を計測することを特徴とする上記（１）〜（９）のいずれかに記載の運動機能支援装置。
【００１９】
上記（１）の構成によれば、操作者の生体運動情報と随意的操作とに基づいて駆動機構部の動作指令を生成することにより、操作者の意図に迅速に対応し動作の途中で操作者の意図が変化した場合にも即応した動作を実現するため、操作者の随意的操作に先行して操作者の意識下の意図を先取りすることができる。
【００２０】
上記（２）の構成によれば、操作者の視線角度の計測と視線停留の判別と行うことにより、操作者の意図をより反映した生体運動情報を得ることができる。
【００２１】
上記（３）の構成によれば、一定期間蓄積した生体運動情報を用いて視線停留時間の閾値と誤判別確率を求めることにより、経時的生体情報の変化に対応した判別を行うことができる。これにより、操作者の意識下の意図を先取りすることができる。
【００２２】
上記（４）の構成によれば、操作手段の操作の有無でデータを群に逐次分類することにより、上記閾値と誤判別確率を逐次更新することができる。
【００２３】
上記（５）の構成によれば、誤判別確率に応じて視線停留の時間の閾値を調整することにより、誤判別確率をほぼ一定にすることができて、精度よく操作者の意識下の意図を先取りすることができる。
【００２４】
上記（６）の構成によれば、誤判別確率に応じて動作指令速度、動作指令加速度、又はカットオフ周波数を調整することにより、誤判別した場合においても駆動機構手段の急激な動作など、意図に反した不都合を防ぐことができる。
【００２５】
上記（７）の構成によれば、視線を表す３次元空間上の仮想直線を算出すると共に作業対象物の重心位置を中心とした所定の半径を有する仮想球を設定して、これら仮想直線と仮想球との交点のうち作業対象物の重心位置に最も近く且つ操作者の眼球から最も近い距離にある点を含む作業対象物を選択するように前記運動解析結果を生成することにより、判別結果に応じた作業対象物を確実に選択し作業対象物に接近するための駆動機構部の動作パターンを生成することができて、駆動機構部の動作の精度を向上させることができる。
【００２６】
上記（８）及び（９）の構成によれば、操作手段の操作の有無により運動解析結果または操作結果情報に応じて駆動機構部の動作指令を出力することにより、操作者の意図に柔軟に対応した動作を即時実行することができ操作性を向上させることができる。また、操作手段としてスイッチ又はジョイスティックを用いているので、操作を簡便にすることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、動作の途中で操作者の意図が変化した場合においても即応した動作を実現するため、操作者の意識下の意図を推定し、操作者の随意的操作に先行して操作者の意図を先取りした動作を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。
【００２９】
以下、本発明に係る運動機能支援装置の一つの実施形態について説明する。図１は本発明に係る運動機能支援装置のブロック構成図であり、図２は本発明に係る運動機構支援装置の概略図であり、図３は本発明に係る生体運動解析部の動作フロー図であり、図４は本発明に係る駆動制御部の動作フロー図である。
なお、以下説明する実施形態については、脊髄損傷等で上肢運動機能が制限された人（以下、操作者とも記す。）を対象として、その操作者の食事動作に適用した例として説明するが、これに限らず、本発明は運動機能が低下した高齢者の他、健常者を含め、現存する運動機能を支援することのできる動作（例えば、買い物動作、道具把持動作等）も含み、本発明を逸脱しない範囲で種々の動作に適用することができる。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態の運動機構支援装置１００は、生体運動計測部（生体運動計測手段）１０１と、生体運動解析部（生体運動解析手段）１０２と、操作デバイス（操作手段）１０３と、駆動制御部（駆動制御手段）１０４と、駆動機構部（駆動機構手段）と１０５、選択確定スイッチ（選択確定手段）１０６と、を備えて構成される。そして、図２に示すように、操作者１は食べ物２（以下、作業対象物とも記す。）が載置された食卓の前に車椅子に座った状態で位置し、また当該車椅子の背部には駆動機構部１０５が操作者１と干渉しないように付設されているものとする。
【００３１】
そして、前記生体運動計測部１０１は、操作者１の眼球運動、頭部動作、頭部又は肩腕等の運動、頭部又は肩腕の筋電位の少なくとも１つの生体運動を計測して、その計測結果を生体運動情報として出力する。
なお、本実施形態では、操作者１の食事動作、即ち食べ物の選択動作を行うことを想定しており、したがって生体情報として操作者１の眼球運動を採用して構成されている。即ち、本実施形態に係る前記生体運動計測部１０１は、例えばアイマークレコーダ（ナックイメージテクノロジー社製）などの眼球運動計測装置で構成されており、この場合には操作者が食べ物をみた時の、垂直および水平方向の視線角度情報が時系列に計測されて前記生体運動情報として出力されることとなる。
【００３２】
また、前記生体運動解析部１０２は、前記生体運動情報（本実施形態では、視線角度情報）が入力され、前記生体運動情報に基づき解析を行い、この解析結果を運動解析結果として駆動制御部１０４に出力する。また、前記生体運動解析部１０２は、前記視線角度情報における時系列変化が所定の範囲内である時間が予め設定された閾値Ｋ以上であった場合に視線停留であるとして判別する。また、前記運動解析結果が生成される際には、後述する選択確定スイッチ１０６の出力信号である選択確定結果がフィードバック情報として入力されて用いられる。
【００３３】
前記操作デバイス１０３は、操作者１が随意的に操作する端末であり、例えば、ジョイスティック等のポテンショメータで構成される角度計、又は磁気センサや光センサを応用した腕部や頭部の動作計測器であり、これらセンサによる角度等の情報を操作結果情報として前記駆動制御部１０４に出力する。また、前記操作デバイス１０３は、前記生体運動解析部１０２にもフィードバック情報として前記操作結果情報を出力する。
なお、前記操作デバイス１０３としては、操作を簡便にするためスイッチを採用してもよく、この場合には、例えば駆動制御部１０４が、当該スイッチが押された瞬間の前後における、視線停留と判別されるときの視線角度の平均を算出して動作指令を生成できるように運動機能支援装置１００を構成してもよい。
【００３４】
また、前記駆動制御部１０４は、前記運動解析結果と前記操作結果情報とに基づいて、駆動機構部１０５の動作指令を生成する。このとき、操作者１は選択確定スイッチ１０３により前記動作指令を選択又は確定し、前記駆動制御部１０４はこの結果を受けて、前記運動解析結果と前記操作結果情報とのいずれかに基づいて選択的に動作指令を出力することとなる（詳細は後述）。
この動作指令により、前記駆動機構部１０５が制御されて駆動される。
【００３５】
前記駆動機構部１０５は、操作者１の食事動作を支援するため、一部が操作者の利き腕の前腕部に装着される多関節型マニピュレータとして構成され、前記駆動制御部１０４の前記動作指令を受けて、操作者１に補助力を付与して操作者１の腕介助の動作を行う。
なお、これに限らず、前記駆動機構部１０５は、種々の機構が採用できるが、例えば人間の食事動作全部を操作者１の代わりに行うことができる、スカラ型マニピュレータ機構、ＰＵＭＡ型マニピュレータ機構などのアーム機構としてもよく、この場合には効果器としてスプーン又はフォークなどの食事器具が取付けられる。このとき、前記駆動機構部１０５は、食べ物２にアプローチして把持し、操作者１の口部まで食べ物２を運んで操作者の食事動作を介助する。
【００３６】
次に、図３に従って、前記生体運動計測部１０１の動作フローについてさらに詳細に説明する。
【００３７】
まず、前記生体運動解析部１０１は、所定期間で蓄積される生体運動情報（本実施形態では、視線角度情報）を一括して読み込み（即ち、Ｓ４０１）、この読み込まれた生体運動情報に基づき、停留時間の閾値を判別の境界としたときの誤判別確率の一般式を求め、誤判別確率の目標値から閾値を設定する（即ち、Ｓ４０２）。なお、誤判別確率は一般的には統計処理の一種である判別分析であり、本発明に適応した場合には前記閾値Ｋに対する停留時間の長短を誤って判断する確率とされる。
【００３８】
ここで、前記誤判別確率の導出について具体的に説明する。
本計測値の母集団がｎ次元正規分布に従い、その計測値の属する群はいずれも等しい母共分散行列を持つと仮定する。ここでｎ次元とは、例えば、視線角度又は頭部運動の停留時間のように複数の計測対象に対応し、一般化してｎ次元のデータベクトルであることを示している。
2008220495.tif 000003
ここでｚは判別スコア、ａ＝［ａ１．．．ａｎ］はｎ次元判別係数ベクトル、ａ０は定数、ｘ＝［ｘ１．．．ｘｎ］は前記生体運動情報のｎ次元データベクトルである。判別係数ベクトルは、各群に属する複数の計測値から得られる平均値ベクトルと不偏共分散行列とから、推定値として求められる。このとき、群Ａを選択中のデータ、群Ｂを確定のデータとする。
【００３９】
そして、ある特定の計測データｘに対して得られた判別スコアｚに対し、データｘがいずれの群に属するかの判別を行うとき、一方の群に属するデータを他方の群と誤って判別する確率、すなわち誤判別確率pの一般式は、
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となる。ここで、Σは不偏共分散行列で|Σ|はその行列式である。また、Ｄは平均値ベクトルと不偏共分散行列Σとから求められるマハラノビスの汎距離である。なお、
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と標準化している。
【００４０】
さらにここで再度、図３に戻って説明を続ける。
前記生体運動計測部１０１は、上記（２）、（３）の式により、予め定めた誤判別確率の目標値から対応する判別スコアを求め、当該判別スコアを閾値Ｋとして設定する。即ち、まず上記（２）式から、初期設定値として誤判別確率の目標値を代入し、式（２）を満たす判別スコアを閾値Ｋとする。このとき、代入する誤判別確率を低くすると判別スコアの閾値は下がり（即ち、視線停留時間の閾値は逆に上がり）、駆動機構部１０５に対する動作指令を生成する確率は低くなる。これにより駆動機構部１０５はより確実に動作することになり、操作者１の意図に反して駆動機構部１０５が誤って動いてしまうことを防ぐことができる。
なお、閾値Ｋを調整せずに駆動機構部１０５の動作パターンを調整するようにしてもよい。即ち、速度・加速度・カットオフ周波数の上限を設けると該誤判別確率目標値を上げたのと同等な効果があり、逆に下限を設けると該誤判別確率目標値を下げたのと同等な効果がある。
【００４１】
次に、計測データ、即ち生体運動情報から判別スコアを計算する（即ち、Ｓ４０４）。計測データｘを上記（１）式に代入し、判別スコアｚを求める。
【００４２】
さらに、前記生体運動解析部１０２は、前記閾値Ｋと前記判別スコアzの大小を比較して判別を行い、その判別の結果、視線停留と判別されたときの視線角度に基づいて運動解析結果を生成する（即ち、Ｓ４０４）。即ち、視線停留時の視線角度、予め設定される作業対象物２の位置に基づいて前記運動解析結果を生成する。
【００４３】
この生成にあたっては、例えば、視線角度、視線停留時間、作業対象物位置に基づき、前記操作者１の視線を表す３次元空間上の仮想直線を算出すると共に作業対象物の重心位置を中心とした所定の半径を有する仮想球を設定して、これら仮想直線と仮想球との交点のうち作業対象物の重心位置に最も近く且つ操作者の眼球から最も近い距離にある点を含む作業対象物を選択し、前記作業対象物へ接近するための台形速度パターンを前記運動解析結果として生成する。ただし、前記判別スコアｚと前記閾値Ｋとを比較し、前記判別スコアｚが前記閾値Ｋより小さい場合には上記動作パターンを出力し、逆に大きい場合には上記動作パターンを使用せず駆動機構部１０５を待機させる。
なお、操作者１の眼球の座標系と作業対象物の座標系との同定方法については、光学位置計測装置を用いた方法、或いはカメラを用いた方法など周知のものを種々利用することができる。
【００４４】
そして、前記生体運動解析部１０２は、前記運動解析結果を生成した後、生体運動計測部１０１からの視線角度情報及び選択確定スイッチ１０３からの選択確定結果を読み込んで、視線停留の時間の長さに応じてＡ群とＢ群との２種のデータに分類して所定期間蓄積し、この蓄積されたデータに基づいて視線停留の時間の閾値Ｋ及び誤判別確率を求め、上記Ｓ４０３に戻って動作を繰り返す。即ち、前記生体運動解析部は、この一連の動作（即ち、Ｓ４０３〜Ｓ４０６）を、所定のサンプリング周期（例えば数ｍｓ）で逐次実施することとなる。
【００４５】
また、このＡ群とＢ群との２種のデータの分類方法については、群Ａを選択中の視線停留時間の集合、群Ｂを確定時の視線停留時間の集合とし、前記選択確定スイッチ１０６の操作の有無でデータを群で分類することとなる。
より具体的には、群Ａとしては、前記操作デバイス１０３の操作が無く且つ選択確定スイッチ１０６の操作が無い状態で、前回実施の分類後、新たに読み込んだ時点から次の視線停留点へ移動する時点までの間における、視線停留時間の時系列データを蓄積することとなる。また、群Ｂとしては、前回の分類後、新たに読み込んだ時点から選択確定スイッチ１０６の操作が開始される時点までの間における、視線停留時間の時系列データを蓄積することとなる。このとき、上記Ｓ４０３の動作で誤判別確率を求めるため、群Ａと群Ｂに属するデータベクトルから、それぞれの平均値ベクトルと不偏共分算行列を求める。
【００４６】
さらに引き続き、駆動制御部１０４の動作フローについて、図４に従って説明する。
駆動制御部１０４は、前記操作デバイス１０３から操作結果情報を（即ち、Ｓ５０１）、前記生体運動解析部１０２から運度解析結果を（即ち、Ｓ５０２）、前記選択確定スイッチ１０６から選択確定結果を（即ち、Ｓ５０３）、それぞれ受け取る。次に、前記操作デバイス１０３と前記選択確定スイッチ１０６に対する操作の有無を判定し（即ち、Ｓ５０４）、操作デバイス１０３の操作及び選択確定スイッチ１０６の操作が共に無いと判定する場合には、運動解析結果に基づいて動作指令を生成する（即ち、Ｓ５０６）。
但し、操作デバイス１０３の操作が有ると判定される場合には運動解析結果と操作結果情報とを重畳した形で動作指令を生成する。即ち、運動解析結果による位置情報に操作結果情報を加算して最終的な動作指令として出力する（即ち、Ｓ５０７）。
【００４７】
一方、選択確定スイッチの操作があると判定する場合には、操作デバイス１０３の操作があるまで待機し、操作デバイスの操作があったときの操作結果情報に基づいて動作指令を生成する（即ち、Ｓ５０８）。
【００４８】
そして、動作指令生成後は、当該動作指令を駆動機構部１０５へ出力して（即ち、Ｓ５０８）、上記Ｓ５０１〜Ｓ５０８の動作を、所定のサンプリング周期（例えば数ｍｓ）で逐次繰り返す。
【００４９】
駆動制御部１０４はこのような動作指令生成を行うことにより、操作者１は、機構駆動部１０５の食べ物２への移動に対し、運動解析結果に基づく動作指令を基準としながらも、操作デバイス１０３の操作により略リアルタイムに微調整することができる。また、機構駆動部１０５が誤った方向に移動した場合には、操作者１は選択確定スイッチ１０６を作動させて操作デバイス１０３のみの操作モードとし、操作デバイス１０３を操作して軌道修正を行うことができる。
【００５０】
以上述べたように、本実施形態によれば、操作者の生体運動情報と随意的操作とに基づいて駆動機構部の動作指令を生成することにより、操作者の意図に迅速に対応することができ、また動作の途中で操作者の意図が変化した場合においても迅速な動作が実現できるため、操作者の随意的操作に先行して操作者の意図を先取りすることができる。さらに、操作者の視線角度の計測と視線停留の判別とを行うことにより、操作者の意識下の意図をより反映した生体運動情報を得ることができる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、一定期間蓄積した視線情報を用いて停留時間の閾値Ｋと誤判別確率を求めることにより、時間による生体情報の変化に対応した判別を行うことができる。
【００５２】
そして、本実施形態の生体情報分析部によれば、一定期間蓄積した視線情報を用いて停留時間の閾値Ｋと誤判別確率を求めることにより、生体情報の経時的変化に対応した判別を行うことができる。また、操作デバイスの操作の有無で逐次データを群に分類することにより、閾値Ｋと誤判別確率を逐次更新することができる。また、誤判別確率に応じて停留時間の閾値Ｋを調整することにより、誤判別確率をほぼ一定にすることができ、また運動解析結果における動作パターンの速度・加速度のカットオフ周波数を誤判別確率に応じて調整することにより、誤判別した場合においても駆動機構部の誤動作の影響を最低限に抑えることができ、操作者の安全を確保することができる。
さらに、本実施形態の生体運動分析部によれば、視線を表す３次元空間上の仮想直線と作業対象物の近傍を表す仮想球との交点のうち前記作業対象物の重心位置に最も近く且つ当該眼球から最も近い距離にある点を含む作業対象物を選択するので、判別結果に応じた作業対象物を確実に選択することができる。
【００５３】
さらに、本実施形態の駆動制御部よれば、操作デバイスおよび選択確定スイッチの操作の有無により運動解析結果または操作結果情報に応じて駆動機構部の動作指令を出力することにより、操作者の意図に迅速に対応した動作を略リアルタイムに実行することができる。
【００５４】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限られるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。例えば、本実施形態では処理の大部分をソフトウエアにて行っているが、その一部またはすべてをＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）などのハードウエアで実現してもよい。
【００５５】
また、本発明の態様では生体運動として眼球運動を採用したものを例示して説明したが、これに限らず頭部運動を計測するようにしてもよい。例えば、図５に示すようにジャイロセンサなどの角度情報を出力することできる頭部動作センサ（２０１）で構成された生体運動計測部を操作者の頭部に装着するように構成すればよく、この場合においても上記実施形態を適用できて同じ作用効果を奏することができる。さらには、眼球運動と頭部運動とを生体運動として併用するように構成すれば、駆動機構部（１０５）の動作指令の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係る運動機能支援装置のブロック構成図である。
【図２】本発明に係る運動機構支援装置の概略図である。
【図３】本発明に係る生体運動解析部の動作フロー図である。
【図４】本発明に係る駆動制御部の動作フロー図である。
【図５】本発明に係る別の変形例の運動機構支援装置の概略図である。
【図６】従来の装置の概略構成図である。
【図７】従来の別の装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１００    運動機能支援装置
１０１    生体運動計測部（生体運動計測手段）
１０２    生体運動解析部（生体運動解析手段）
１０３    操作デバイス（操作手段）
１０４    駆動制御部（駆動制御手段）
１０５    駆動機構部（駆動機構手段）
１０６    選択確定スイッチ（選択確定手段）
【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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【図６】
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【図７】
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