(57)【要約】      （修正有）【課題】安全性が高く、かつ人間的なスムーズな動きを再現して上肢の動作を好適に支援すると共に、多様な場面で使用者の利便に供し、高いリハビリ効果の期待できる動作支援装置およびその制御方法を提供する。【解決手段】使用者の上肢の動作を検出する第１検出手段３０と、上肢の位置および姿勢を検出する第２検出手段１４ａ、１６ａ、１８ａ、２０ａとを有し、これら各手段からの情報によって制御下に作動するマニピュレータ１２を備え、このマニピュレータ１２の先端は使用者の上肢が離間自在であり、該マニピュレータ１２を第１検出手段３０および第２検出手段１４ａ、１６ａ、１８ａ、２０ａからの情報でフィードバック制御することで、上肢の動作を好適に支援する。【選択図】図１
2008238338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の上肢の動作を検出する第１検出手段(30)と、該上肢の位置および姿勢を検出する第２検出手段(14a,16a,18a,20a)と、前記第１検出手段(30)の検出に基づく動作情報(MI)および第２検出手段(14a,16a,18a,20a)の検出に基づく位置・姿勢情報(PI)に従って作動され、該上肢の動作を支援するマニピュレータ(12,13)と、前記動作情報(MI)および位置・姿勢情報(PI)を基に、前記マニピュレータ(12,13)の作動に係る制御を行なう制御部(40)とを備える動作支援装置において、
前記マニピュレータ(12,13)の先端には、使用者の上肢が離間自在であり、接触する該上肢の動作を前記第１検出手段(30)で検出可能な接触部(A)が設けられると共に、
前記制御部(40)は、
前記動作情報(MI)が入力され、入力された該動作情報(MI)から上肢の異常動作に係る異常動作情報(IMI)を除去し、該上肢の動作に係る主動作情報(MMI)を抽出するフィルタ手段(46a)と、
前記フィルタ手段(46a)により抽出された主動作情報(MMI)に基づいて、前記マニピュレータ(12,13)の作動目標速度を指示する参照速度情報(RVI)を生成する変換手段(46b)と、
前記変換手段(46b)で生成された参照速度情報(RVI)と、前記位置・姿勢情報(PI)から算出され、前記マニピュレータ(12,13)の作動で変化する上肢の動作についての速度に係る変化速度情報(VVI)とから速度の偏差に係る偏差情報(DI)を算出する比較手段(46c)と、
前記比較手段(46c)で算出された偏差情報(DI)に基づいて、前記マニピュレータ(12,13)を作動させる駆動情報(DvI)を生成する制御手段(46d)とを備え、
前記制御手段(46d)で生成された駆動情報(DvI)による前記マニピュレータ(12,13)の作動に伴って変化した位置・姿勢情報(PI)を、前記比較手段(46c)にフィードバックするよう構成した
ことを特徴とする動作支援装置。
【請求項２】
使用者の上肢の動作を検出する第１検出手段(30)と、該上肢の位置および姿勢を検出する第２検出手段(14a,16a,18a,20a)と、該第１検出手段(30)の検出に基づく上肢の動作および第２検出手段(14a,16a,18a,20a)の検出に基づく位置および姿勢に従って作動して、該上肢の動作を支援するマニピュレータ(12,13)とを備える動作支援装置の制御方法において、
前記第１検出手段(30)によって上肢の動作を検出し、該動作に係る動作情報(MI)を生成する動作情報検出段階(S1)と、
前記動作情報検出段階(S1)で生成された動作情報(MI)から、上肢の異常動作に係る異常動作情報(IMI)を除去して、該上肢の動作に係る主動作情報(MMI)を抽出する主動作情報抽出段階(S2)と、
前記主動作情報抽出段階(S2)で抽出された主動作情報(MMI)から、前記マニピュレータ(12,13)の作動目標速度を指示する参照速度情報(RVI)を生成する参照速度情報生成段階(S3)と、
前記参照速度情報生成段階(S3)で生成された参照速度情報(RVI)と、上肢の位置および姿勢に係る位置・姿勢情報(PI)から生成され、前記マニピュレータ(12,13)の作動で変化する上肢の動作についての速度に係る変化速度情報(VVI)とから速度の偏差に係る偏差情報(DI)を算出する偏差情報算出段階(S4)と、
前記偏差情報算出段階(S4)で算出した偏差情報(DI)に基づいて、前記マニピュレータ(12,13)を作動させる駆動情報(DvI)を生成する駆動情報生成段階(S5)と、
前記駆動情報生成段階(S5)で生成された駆動情報(DvI)に基づいて、前記マニピュレータ(12,13)を作動する駆動段階(S6)と、
前記駆動段階(S6)に伴って変化した位置・姿勢情報(PI)を生成し、該位置・姿勢情報(PI)を前記偏差情報算出段階(S4)にフィードバックして、変化速度情報(VVI)の生成に供する位置姿勢検出段階(S7)とを有する
ことを特徴とする動作支援装置の制御方法。
【請求項３】
前記参照速度情報生成段階(S3)は、前記主動作情報抽出段階(S2)で抽出された主動作情報(MMI)と、予め設定された上肢の動作に係る設定動作情報とから参照速度情報(RVI)を生成する請求項２記載の動作支援装置の制御方法。
【請求項４】
前記主動作情報抽出段階(S2)は、１Ｈｚ以上の周波数における前記異常動作情報(IMI)を除去する請求項２または３記載の動作支援装置の制御方法。
【請求項５】
前記主動作情報抽出段階(S2)は、前記動作情報(MI)に異常動作情報(IMI)に係る特定周波数に対応して設定されたノッチフィルタおよび／またはローパスフィルタを適用することで該異常動作情報(IMI)を除去する請求項２または３記載の動作支援装置の制御方法。
【請求項６】
前記動作情報検出段階(S1)、主動作情報抽出段階(S2)、参照速度情報生成段階(S3)、偏差情報算出段階(S4)、駆動情報生成段階(S5)、駆動段階(S6)および位置姿勢検出段階(S7)は、０.０１秒以下の周期で繰り返し実行される請求項２〜５の何れか一項に記載の動作支援装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、上肢に障害をもつ身体障害者や高齢者等の該上肢の動作を補助し、食事等に関する上肢の動作を支援する動作支援装置およびその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、上肢を自分の意志に従って好適に動かせない高齢者や身体障害者等のために、該上肢を使わずに全自動で食事等を支援する装置が知られている(例えば特許文献１および特許文献２)。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前述した全自動で食事を支援する装置は、使用者の上肢の動作自体を支援するわけではないので、予め設定した場所にある食物を食べる支援しかできず、また該食物を使用者の口元に運ぶ動作も「掴む」、「掬う」等に限定され、様々な大きさおよび性状の食物に対応し得ない問題があった。更に使用者が自分自身の上肢を動かすことがないため、リハビリ効果が一切なく、医学的見地からは使用が推奨されるものではなかった。
【０００４】
これに対して、特許文献３に記載の発明「上肢作動補助装置」には、被補助者の上肢に装着する装具を多自由度マニピュレータの自由端部に備え、該装具に加えられる被補助者の力情報に基づいて該自由端部の軌道を制御し、これにより上肢の動作を補助する内容が開示されている。しかし、この「上肢作動補助装置」では、被補助者の上肢がマニピュレータの自由端部に備えられる装具に装着されるため、該上肢が常にアームに対して決まった位置関係となって動作の自由度が制限される問題や、緊急時にマニピュレータから上肢を容易に離間できない問題がある。
【０００５】
また、被補助者の上肢から加えられた力の方向に、力の大きさに応じた移動量でマニピュレータの自由端部を移動させるものであるため、先に検出した上肢の力に応じた移動が完了していない場合には、次に検出した上肢の力に応じた移動が実施できなくなったり、先に検出した上肢の力に応じた移動が完了した場合には、その都度、マニピュレータが停止状態となってしまう。このように上肢の動作が単にマニピュレータに移動量を指示しているだけに過ぎない方式では、該上肢の補助がぎくしゃくした動きになってしまう。更に上肢がマニピュレータから離間できない状態では、前述したぎくしゃくした動きは被補助者の上肢に物理的な負荷を掛けてしまう問題も内在していた。
【特許文献１】特開２００４−８３２７号公報
【特許文献２】特開２００６−４２８号公報
【特許文献３】特開平１１−２５３５０４号公報
【０００６】
この発明は、前述した従来の技術に内在している前記問題に鑑み、これを好適に解決するべく提案されたものであって、上肢の動作をスムーズに支援すると共に、食事をはじめとして上肢を使用する多様な場面で使用者の利便に供し、高いリハビリ効果の期待できる動作支援装置およびその制御方法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】
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る動作支援装置は、使用者の上肢の動作を検出する第１検出手段と、該上肢の位置および姿勢を検出する第２検出手段と、前記第１検出手段の検出に基づく動作情報および第２検出手段の検出に基づく位置・姿勢情報に従って作動され、該上肢の動作を支援するマニピュレータと、前記動作情報および位置・姿勢情報を基に、前記マニピュレータの作動に係る制御を行なう制御部とを備える動作支援装置において、
前記マニピュレータの先端には、使用者の上肢が離間自在であり、接触する該上肢の動作を前記第１検出手段で検出可能な接触部が設けられると共に、
前記制御部は、
前記動作情報が入力され、入力された該動作情報から上肢の異常動作に係る異常動作情報を除去し、該上肢の動作に係る主動作情報を抽出するフィルタ手段と、
前記フィルタ手段により抽出された主動作情報に基づいて、前記マニピュレータの作動目標速度を指示する参照速度情報を生成する変換手段と、
前記変換手段で生成された参照速度情報と、前記位置・姿勢情報から算出され、前記マニピュレータの作動で変化する上肢の動作についての速度に係る変化速度情報とから速度の偏差に係る偏差情報を算出する比較手段と、
前記比較手段で算出された偏差情報に基づいて、前記マニピュレータを作動させる駆動情報を生成する制御手段とを備え、
前記制御手段で生成された駆動情報による前記マニピュレータの作動に伴って変化した位置・姿勢情報を、前記比較手段にフィードバックするよう構成したことを特徴とする。
従って、請求項１に係る発明によれば、速度の偏差を用いたフィードバック制御を実施するマニピュレータを使用し、かつ該マニピュレータに上肢が固定されないから、スムーズな動きを再現して上肢の動作を好適に支援すると共に、多様な場面で使用者の利便に供し、高いリハビリ効果が期待できる。
【０００８】
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、請求項２に記載の発明に係る動作支援装置の制御方法は、使用者の上肢の動作を検出する第１検出手段と、該上肢の位置および姿勢を検出する第２検出手段と、該第１検出手段の検出に基づく上肢の動作および第２検出手段の検出に基づく位置および姿勢に従って作動して、該上肢の動作を支援するマニピュレータとを備える動作支援装置の制御方法において、
前記第１検出手段によって上肢の動作を検出し、該動作に係る動作情報を生成する動作情報検出段階と、
前記動作情報検出段階で生成された動作情報から、上肢の異常動作に係る異常動作情報を除去して、該上肢の動作に係る主動作情報を抽出する主動作情報抽出段階と、
前記主動作情報抽出段階で抽出された主動作情報から、前記マニピュレータの作動目標速度を指示する参照速度情報を生成する参照速度情報生成段階と、
前記参照速度情報生成段階で生成された参照速度情報と、上肢の位置および姿勢に係る位置・姿勢情報から生成され、前記マニピュレータの作動で変化する上肢の動作についての速度に係る変化速度情報とから速度の偏差に係る偏差情報を算出する偏差情報算出段階と、
前記偏差情報算出段階で算出した偏差情報に基づいて、前記マニピュレータを作動させる駆動情報を生成する駆動情報生成段階と、
前記駆動情報生成段階で生成された駆動情報に基づいて、前記マニピュレータを作動する駆動段階と、
前記駆動段階に伴って変化した位置・姿勢情報を生成し、該位置・姿勢情報を前記偏差情報算出段階にフィードバックして、変化速度情報の生成に供する位置姿勢検出段階とを有することを特徴とする。
従って、請求項２に係る発明によれば、マニピュレータに固定されない上肢を、速度の偏差を用いたフィードバック制御で好適に支援するから、上肢の動作をスムーズに支援すると共に、多様な場面で使用者の利便に供し、高いリハビリ効果が期待できる。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、前記参照速度情報生成段階は、前記主動作情報抽出段階で抽出された主動作情報と、予め設定された上肢の動作に係る設定動作情報とから参照速度情報を生成することを要旨とする。
従って、請求項３に係る発明によれば、予め正常な上肢の動作を設定するから、使用者の障害等によって上肢を正常に動作させること自体が困難な場合でも、上肢の動作を好適に支援し得る。
【００１０】
請求項４に記載の発明では、前記主動作情報抽出段階は、１Ｈｚ以上の周波数における前記異常動作情報を除去することを要旨とする。
従って、請求項４に係る発明によれば、使用者の障害等に係る小刻みな震えだけを好適に除去し得るから、該使用者の上肢の動作を好適に支援し得る。
【００１１】
請求項５に記載の発明では、前記主動作情報抽出段階は、前記動作情報に異常動作情報に係る特定周波数に対応して設定されたノッチフィルタおよび／またはローパスフィルタを適用することで該異常動作情報を除去することを要旨とする。
従って、請求項５に係る発明によれば、使用者の障害等に係る小刻みな震えを好適に除去し得るから、該使用者の上肢の動作を好適に支援し得る。
【００１２】
請求項６に記載の発明では、前記動作情報検出段階、主動作情報抽出段階、参照速度情報生成段階、差情報算出段階、駆動情報生成段階、駆動段階および位置姿勢検出段階は、０.０１秒以下の周期で繰り返し実行されることを要旨とする。
従って、請求項６に係る発明によれば、偏差を用いたフィードバック制御を緻密に実施し得るから、よりスムーズに上肢の動作を支援し得る。
【発明の効果】
【００１３】
以上に説明した如く、本発明に係る動作支援装置およびその制御方法によれば、安全性が高く、かつ人間的なスムーズな動きを再現して上肢の動作を好適に支援することが可能である。また、食事だけでなく上肢を使う多様な場面で使用者の利便に供し、かつ高いリハビリ効果が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明に係る動作支援装置およびその制御方法につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照して以下説明する。なお、実施例では使用者が、食事用器具としてスプーンを使用して食事をする場合の上肢の動作を支援する例に挙げて説明する。なお、以下の説明で「先端側」とは、マニピュレータ１２の自由端側を、「固定側」とは、マニピュレータ１２が固定されている根本側を夫々意味する。また、上肢の位置および姿勢は、食事用器具であるスプーンの先端に係る位置および姿勢で表すようにしている。
【実施例】
【００１５】
実施例に動作支援装置１０は、図１に示す如く、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に位置変化(移動)並びにＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸まわりに角度(姿勢)変化が可能な６軸のマニピュレータ１２と、このマニピュレータ１２の先端部２８の上部に配設される第１検出手段としての力覚センサ３０と、該先端部２８の先端に食事用器具としてのスプーンＢが着脱自在に装着可能とされる取付部３２と、該力覚センサ３０等から入力される情報に従って該マニピュレータ１２の作動等を制御等する制御部４０とを備え、該マニピュレータ１２の根本が使用者が食事に使用するテーブルに固定部１１によって固定された状態となっている。本実施例では、先端部２８の先端に配置されるスプーンＢや取付部３２が、接触によって使用者の上肢の動作を力覚センサ３０に検出可能な接触部Ａとして機能している。前記マニピュレータ１２は、固定部１１側から順に、第１関節部１４、第１アーム２２、第２関節部１６、第２アーム２４、第３関節部１８、第３アーム２６、第４関節部２０および先端部２８を備え、これらが協働することでＸＹＺの各軸方向の移動およびＸＹＺの各軸まわりの姿勢変化を可能として、自由度の高い動きを達成している。
【００１６】
前記固定部１１には、テーブルに対して垂直な軸線を中心とした回動が可能なように第１関節部１４が取り付けられ、該第１関節部１４には、テーブル上面に対して水平な軸線を中心とした回動が可能なような第１アーム２２が取り付けられ、該第１関節部１４によって固定部１１と第１アーム２２とが連結されている。前記第１アーム２２の先端は、第２関節部１６によって第２アーム２４と連結され、該第２アーム２４は第２関節部１６によってテーブル上面に対して水平な軸線を中心とした回動が可能とされている。前記第２アーム２４の先端には、テーブル上面に対して水平な軸線を中心とした回動が可能なように第３関節部１８が取り付けられ、該第３関節部１８には、該第２アーム２４の長手方向に沿った軸線を中心とした回動が可能なように第３アーム２６が取り付けられ、該第３関節部１８によって第２アーム２４と第３アーム２６とが連結されている。前記第４関節部２０は、第３アーム２６と先端部２８とを連結し、該先端部２８を第３アーム２６の長手方向に沿った軸線を中心として回動させ得るようになっている。
【００１７】
また各関節部１４、１６、１８および２０は、制御部４０から出力される駆動情報ＤｖＩ(後述)によって、前述した第１関節部１４、第３関節部１８、第１アーム２２、第２アーム２４、第３アーム２６および先端部２８の回動を行なうように駆動する図示しない駆動モータと、各関節部１４、１６、１８、２０の位置および姿勢を検出する第２検出手段としてのエンコーダ１４ａ、１６ａ、１８ａおよび２０ａとを夫々備えている。このエンコーダ１４ａ、１６ａ、１８ａおよび２０ａは、各関節部１４、１６、１８、２０の位置および姿勢を検出して統合することで、スプーンＢの先端部分(上肢)の位置および姿勢を検出している。また、エンコーダ１４ａは、固定部１１に対する第１関節部１４の回動と、この第１関節部１４に対する第１アーム２２の回動とを検出し、エンコーダ１８ａは、第２アーム２４に対する第３関節部１８の回動と、この第３関節部１８に対する第３アーム２６の回動とを検出するようになっている。すなわち、駆動モータの駆動によってマニピュレータ１２は、ＸＹＺの各軸方向およびＸＹＺの各軸まわりに自在に位置および姿勢を変化させ、この変化は前記エンコーダ１４ａ、１６ａ、１８ａおよび２０ａによって常に把握されるように構成される。ここで、駆動モータおよびエンコーダ１４ａ、１６ａ、１８ａおよび２０ａは、夫々前記制御部４０に接続されている。
【００１８】
前記先端部２８の先端に装着される取付部３２は、使用者(上肢)が把持等の行為によって容易に接触し得る大きさを有する円柱形状とされている(図１参照)。また取付部３２の先端は、公知のドリルチャックの如き把持機構を備え、スプーンＢの如き食事用器具を容易に取付可能に構成されている。ここで使用者の上肢はマニピュレータ１２に固定されていないため、該上肢を容易にマニピュレータ１２から離間可能となっている。また、スプーンＢに常時手を添えず、その都度、手の甲や手のひら等によって動作を加えて動作支援装置１０の支援を受けるような使用方法も可能な構成となっている。
【００１９】
前記先端部２８の上部に配設される第１検出手段としての力覚センサ３０は、使用者の上肢の動作を歪みを利用することで力として検出するためのものであり、前記制御部４０に接続されている。前記力覚センサ３０は、先端部２８より前方、すなわち接触部Ａに掛かる力を検出するように配設・調整されている。また、重力補償を実施することで、前記取付部３２(スプーンＢ)が指向する方向によって変化する力を検知しないように設定されており、該取付部３２(スプーンＢ)の向きに関わらず上肢の動作に係る力だけを検出するように構成されている。この力覚センサ３０で検出された使用者の上肢の動作は、該上肢の動作に係る力に基づいた情報(以下、動作情報ＭＩと云う)として制御部４０に入力される。また力覚センサ３０は、取付部３２に取り付けられるスプーンＢをもつ上肢の動作を正確かつ精密に検出するため、配設位置については上肢に近い位置ほど好適である。
【００２０】
前記制御部４０としては、例えば汎用のコンピュータが使用されており、図２に示す如く、前記力覚センサ３０、エンコーダ１４ａ、１６ａ、１８ａおよび２０ａ、駆動モータ並びに動作支援装置１０の作動に必要な各プログラムおよび情報を外部とやり取りするための入力・出力手段４２に接続されている。そして制御部４０内には、入力された動作情報ＭＩ等の一時保持や、位置・姿勢情報ＰＩについての初期情報、各制御プログラムおよび食事用器具の種類に応じた適正姿勢制御を行なうための位置・姿勢に係る情報等を保持する記憶部４４と、入力される各情報を該制御プログラム等によって演算する演算部４６とが備えられている。そして演算部４６には、入力される情報(信号)を制御の内容に応じて処理するフィルタ手段４６ａ、変換手段４６ｂ、比較手段４６ｃおよび制御手段４６ｄ(何れも後述)が構成されている。なお、制御部４０として、全ての制御内容を実装したＬＳＩを使用してもよい。
【００２１】
また制御部４０は、マニピュレータ１２の作動を始め、動作支援装置１０全体を制御している。具体的には、前記力覚センサ３０で検出に基づいた動作情報ＭＩに応じて、上肢の動作を支援する該マニピュレータ１２の作動目標速度を指示する情報(以下、参照速度情報ＲＶＩと云う)を生成したり、この参照速度情報ＲＶＩからマニピュレータ１２を作動するための駆動情報ＤｖＩを生成したり、前記エンコーダ１４ａ、１６ａ、１８ａおよび２０ａにより検出される上肢の位置および姿勢に係る情報(以下、位置・姿勢情報ＰＩと云う)から生成される上肢の動作についての速度に係る情報(以下、変化速度情報ＶＶＩと云う)と、参照速度情報ＲＶＩとの速度の偏差に係る情報(以下、偏差情報ＤＩと云う)を算出する機能等を司る。
【００２２】
次に、動作支援装置１０の制御方法について、図３〜図７を用いて以下説明する。なお、動作支援装置１０には電源が付勢されると共に、予め制御部４０(記憶部４４)には必要な初期情報が入力・出力手段４２から入力され、かつ初期状態に設定されているものとする。本発明では初期情報として、スプーンＢの先端の初期状態における位置・姿勢情報ＰＩおよび参照速度情報ＲＶＩ等が入力されている。なお本実施例では、前述した如く、使用者の上肢の位置・姿勢情報ＰＩとして、食事用器具であるスプーンＢの先端に係る位置および姿勢に係る情報を用いている。また、本発明において初期状態とは、使用者が食事が可能なように、該使用者の上肢位置に合わせて各アーム２２、２４および２６並びに先端部２８等を回動等させて位置決めした状態を指す。
【００２３】
先ず前記動作支援装置１０の制御方法を、図３を用いて各段階毎に説明する。動作支援装置１０の制御方法は、動作情報検出段階Ｓ１、主動作情報抽出段階Ｓ２、参照速度情報生成段階Ｓ３、偏差情報算出段階Ｓ４、駆動情報生成段階Ｓ５、駆動段階Ｓ６および位置姿勢検出段階Ｓ７を有する。そしてこれら各段階Ｓ１〜Ｓ７の周期を０.００１秒で繰り返し行なうことで、動作支援装置１０の制御を迅速かつ正確に実施可能としている。この繰り返し時間が０.０１秒を超えると、マニピュレータ１２が支援する上肢の動作がなくなってぎくしゃくしたものになってしまう。なお、各段階Ｓ１〜Ｓ７の繰り返し周期の下限値は、制御部４０(演算部４６)の演算性能と、制御プログラムの内容とによって決定されるが、基本的に小さな値になる程、緻密な制御が可能になる。
【００２４】
前記動作情報検出段階Ｓ１は、前記力覚センサ３０によって、マニピュレータ１２に接触する上肢の動作を検出し、該検出に基づく動作情報ＭＩを出力する段階である。この動作情報ＭＩは、上肢の動作に係る少なくとも周波数１０−２〜１０２の範囲で検出される力である。また、動作情報ＭＩは、例えば図４に示すようなＹにゲイン(力の大きさ)をとり、Ｘ軸に周波数をとったグラフで表すことができる。この図４に係るグラフからは、特定周波数にピークが確認できるが、これは使用者の上肢の小刻みな震えを検出したものである。動作情報ＭＩの周波数についての範囲については、本発明に係る動作支援装置１０が支援する使用者の使用用途による上肢の動作に係る周波数によって適宜決定される。
【００２５】
主動作情報抽出段階Ｓ２は、前記力覚センサ３０で検出した動作に係る動作情報ＭＩから、使用者が意図しない上肢の動作、例えば小刻みな震え等の異常動作に係る情報(以下、異常動作情報ＩＭＩと云う)を除去し、使用者が動かしたいと希望する上肢の動作に係る情報(以下、主動作情報ＭＭＩと云う)を抽出する段階である。この異常動作情報ＩＭＩは、使用者が「食事する」ことについて何ら意味がないものであり、該異常動作情報ＩＭＩが除去されないと、マニピュレータ１２の作動が全く「食事する」ことを支援をできなくなってしまう。図４のグラフにおいては、ピークが発現している特定周波数に係るゲインが異常動作情報ＩＭＩを示している。なお、ここで特定周波数とは、前記異常動作情報ＩＭＩが表れる周波数を意味する。
【００２６】
具体的に主動作情報抽出段階Ｓ２では、図４に示される動作情報ＭＩから特定周波数の異常動作情報ＩＭＩを好適に除去するべく、例えば図５に示すような(周波数)フィルターを適用する周波数整形法による抽出を実施することで、図６に示すような主動作情報ＭＭＩを得ている。基本的に食事等に必要とされる上肢の動作は、ゆっくりとした１Ｈｚ前後であるのに対して、障害等によって発現する該上肢の異常動作は２Ｈｚ以上の特定周波数に表れる細かい震えであるため、この２Ｈｚ以上の特定周波数に対応したフィルタの適用が好適である。なお、ここで挙げた周波数は一例に過ぎず、この上肢の動作の周波数や、障害等によって発現する動作の周波数は、使用者の年齢等の状態等に依存するものであり、基本的には動作支援装置１０の使用に先立つサンプリングで使用者毎に決定される。また、特定周波数の上限または下限に近づく程、異常動作情報ＩＭＩではなく主動作情報ＭＭＩである可能性が高くなるため、フィルタとしては、該特定周波数における周波数中心付近にピークを有し、上限または下限に近づく程、ゲインの除去割合を減少させたフィルタ、すなわち、異常動作情報ＩＭＩが表れる特定周波数に対応して設定されたノッチフィルタの採用が好適である。
【００２７】
前記参照速度情報生成段階Ｓ３は、主動作情報抽出段階Ｓ２で抽出された主動作情報ＭＭＩから、上肢の動作を支援するマニピュレータ１２の作動目標速度を指示する参照速度情報ＲＶＩを生成する段階である。ここで、参照速度情報ＲＶＩが指示する作動目標速度とは、動作情報ＭＩも、すなわち力覚センサ３０で検出される上肢の動作に係る力に対応して決定される速度であり、本実施例では動作情報ＭＩの大きさに関係なく、初期情報として予め記憶部４４に入力された数値が参照速度情報ＲＶＩとされる。この参照速度情報ＲＶＩを、例えば０.２ｍ／ｓ以下の低い数値とすると、上肢の動作から検出される力が大きい場合であっても、マニピュレータ１２を作動させる速度は０.２ｍ／ｓを超えることはないため、使用者の年齢等の状態に関係なく安全性の高い作動が達成される。また、使用者の年齢等の状態によって参照速度情報ＲＶＩを変更して、マニピュレータ１２がより大きい速度で作動するように設定することも可能である。
【００２８】
前記偏差情報算出段階Ｓ４は、参照速度情報生成段階Ｓ３で生成された参照速度情報ＲＶＩと、前記マニピュレータ１２の作動で変化する上肢の動作についての速度に係る変化速度情報ＶＶＩとから速度の偏差に係る偏差情報ＤＩを算出する段階である。この偏差情報ＤＩは、参照速度情報ＲＶＩを基準(参照)として、変化速度情報ＶＶＩとの速度の偏差を表す情報であり、該変化速度情報ＶＶＩをフィードバックして基準値である参照速度情報ＲＶＩと比較して一致させる所謂フィードバック制御に使用されている。
【００２９】
前記変化速度情報ＶＶＩは、変化速度情報ＶＶＩを生成しようとする時点の位置・姿勢情報ＰＩと、その直前の位置・姿勢情報ＰＩとから生成される。ここで「直前の位置・姿勢情報ＰＩ」とは、動作情報検出段階Ｓ１、主動作情報抽出段階Ｓ２、参照速度情報生成段階Ｓ３、偏差情報算出段階Ｓ４、駆動情報生成段階Ｓ５、駆動段階Ｓ６および位置姿勢検出段階Ｓ７の周期において、直前の周期における位置姿勢検出段階Ｓ７で検出された上肢の位置および姿勢に基づいて生成される位置・姿勢情報ＰＩを指す。マニピュレータ１２が作動し始めた直後は、制御部４０(記憶部４４)に初期情報として入力されている位置・姿勢情報ＰＩ以外の位置・姿勢情報ＰＩはないため、変化速度情報ＶＶＩは「０」となる。従って、偏差情報ＤＩは、参照速度情報ＲＶＩと同値となる。
【００３０】
前記駆動情報生成段階Ｓ５は、偏差情報算出段階Ｓ４で算出された偏差情報ＤＩを基づいて前記マニピュレータ１２を作動させる駆動情報ＤｖＩを生成する段階である。本実施例で駆動情報ＤｖＩは、マニピュレータ１２を作動している各関節部１４、１６、１８および２０に備えられる各駆動モータ毎に生成されている。また、駆動情報生成段階Ｓ５で偏差情報ＤＩから駆動情報ＤｖＩを生成する際には、同時に伝達関数法によりマニピュレータ１２のメカニカルノイズ等を除去するようになっている。このようなメカニカルノイズも、使用者が「食事する」ことについて何ら意味がないものであり、上肢の動作の好適な支援を阻害する要因となるためである。当該伝達関数としては、ローパスフィルタおよび／またはノッチフィルタが好適に使用される。
【００３１】
前記駆動段階Ｓ６は、駆動情報生成段階Ｓ５によって生成された駆動情報ＤｖＩに基づいて各駆動モータを駆動し、これにより前記マニピュレータ１２を作動させる段階である。本実施例では、マニピュレータ１２を駆動している各関節部１４、１６、１８および２０に備えられる各駆動モータ毎に生成された駆動情報ＤｖＩを該各駆動モータに入力して全駆動モータを協働させることで、マニピュレータ１２の作動がなされる。この駆動段階Ｓ６の実施によって、上肢は使用者の意図した動作に従って支援され、食事をするに好適な動作が達成される。また、駆動段階Ｓ６でなされるマニピュレータ１２の作動は、上肢の位置だけでなく姿勢も支援するため、スプーンＢのように使用時の姿勢を一定(水平)に保つ必要がある器具を使用する場合であっても好適な支援が可能となっている。
【００３２】
前記位置姿勢検出段階Ｓ７は、駆動段階Ｓ６に伴って変化した上肢の位置および姿勢を、各関節部１４、１６、１８および２０に備えられる第２検出手段としてのエンコーダ１４ａ、１６ａ、１８ａおよび２０ａで検出し、この検出に基づいて駆動段階Ｓ６に伴って変化した後の位置・姿勢情報ＰＩを生成し、この位置・姿勢情報ＰＩを前記偏差情報算出段階Ｓ４にフィードバックする段階である。この位置姿勢検出段階Ｓ７の実施によって、当該実施時点における上肢の位置および姿勢に係る位置・姿勢情報ＰＩが制御部４０に入力され、その後のマニピュレータ１２の作動を制御する偏差情報ＤＩを算出する変化速度情報ＶＶＩの生成に供される。そして、本位置姿勢検出段階Ｓ７の実施でフィードバックされた位置・姿勢情報ＰＩは、偏差情報算出段階Ｓ４において直前の位置・姿勢情報ＰＩを加味して新しい変化速度情報ＶＶＩの生成に供される。
【００３３】
従って、参照速度情報ＲＶＩが変化しなければ、変化速度情報ＶＶＩは参照速度情報ＲＶＩに到るまで大きくなり続け、またこれに伴って駆動情報ＤｖＩを生成する基となる偏差情報ＤＩは小さくなり続ける。すなわち、全段階Ｓ１〜Ｓ７の周期を繰り返す毎に駆動情報ＤｖＩはマニピュレータ１２の作動速度を小さくするように生成され、最終的に参照速度情報ＲＶＩに到るようにフィードバック制御されている。従って、マニピュレータ１２の作動速度が急激に参照速度情報ＲＶＩに到ることはなく、上肢の該マニピュレータ１２による動作の支援もスムーズなものとなる。
【００３４】
前記動作情報検出段階Ｓ１および主動作情報抽出段階Ｓ２の間には、該動作情報検出段階Ｓ１で上肢の動作の検出に関する第１判断段Ｓａ１が設けられている。この第１判断段Ｓａ１で上肢の動作がない、すなわち上肢の動作が検出されない状態には、(Ａ)使用者の上肢が接触部Ａ(マニピュレータ１２)から離間した、または(Ｂ)使用者が上肢を動かすことをやめた、の２つの場合がある。そして、何れの場合も、マニピュレータ１２による支援が不要となるので、本発明の制御方法に係る制御は終了することになる。しかし、本実施例においては動作支援装置１０の電源がオフにされるわけではないので、力覚センサ３０が上肢の力を検出しない場合であっても各駆動モータは、マニピュレータ１２の作動速度を「０」、すなわち停止状態に保持しようと駆動した状態となっている。
【００３５】
また、前記偏差情報算出段階Ｓ４および駆動情報生成段階Ｓ５の間には、偏差、すなわち偏差情報ＤＩがあるか否かについての第２判断段Ｓａ２が設けられている。この第２判断段Ｓａ２で偏差情報ＤＩがないと判断されるのは、動作情報ＭＩが変化せず同一の参照速度情報ＲＶＩが生成され続けている場合である。この場合、動作支援装置１０の制御はフローチャートに従って前記動作情報検出段階Ｓ１の前に戻って、動作情報ＭＩが変化するまで動作情報検出段階Ｓ１から偏差情報算出段階Ｓ４の間をループすることになり、マニピュレータ１２の作動はそれまでと同一の作動を保持することになる。
【００３６】
なお、動作支援装置１０で検出、算出または生成される全情報、すなわち動作情報ＭＩ、異常動作情報ＩＭＩ、主動作情報ＭＭＩ、参照速度情報ＲＶＩ、位置・姿勢情報ＰＩ、変化速度情報ＶＶＩ、偏差情報ＤＩおよび駆動情報ＤｖＩは、制御部４０に入力或いは算出または生成された時点で記憶部４４内に収納され、新たな情報が入力或いは算出または生成された時点上書きされることで常に最新の情報に更新されている。また、過去の情報も蓄積され、必要に応じて出力可能とされている。
【００３７】
次に、動作支援装置１０の制御における情報(信号)の流れの概略を、図７を用いて説明する。本実施例においては、以下のように情報が伝達されると共に処理されている。すなわち、(１)力覚センサ３０から上肢の動作に係る動作情報ＭＩが演算部４６に入力される。(２)演算部４６に入力された動作情報ＭＩはフィルタ手段４６ａに入力され、該フィルタ手段４６ａを通過した動作情報ＭＩからは異常動作情報ＩＭＩが除去され、上肢の主動作情報ＭＭＩが抽出される。
【００３８】
(３)前記フィルタ手段４６ａを通過することで抽出された主動作情報ＭＭＩは、変換手段４６ｂに入力される。この変換手段４６ｂを通過した主動作情報ＭＭＩからは、作動目標速度を指示する参照速度情報ＲＶＩが生成される。(４)前記変換手段４６ｂで生成された参照速度情報ＲＶＩは比較手段４６ｃに入力され、入力時点におけるマニピュレータ１２の作動速度(変化速度情報ＶＶＩ)と比較され、比較結果として偏差情報ＤＩが算出・出力される。
【００３９】
(５)前記比較手段４６ｃから出力された偏差情報ＤＩは制御手段４６ｄに入力される。この制御手段４６ｄでは、偏差情報ＤＩからマニピュレータ１２の作動等に係る所謂メカニカルノイズ等を除去し、除去後の偏差情報ＤＩに基づいてマニピュレータ１２を作動するように駆動モータを駆動する駆動情報ＤｖＩを生成する。(６)前記制御手段４６ｄで生成された駆動情報ＤｖＩに従って、マニピュレータ１２は制御下に作動される。そして、この作動に伴って変化した上肢の位置および姿勢がエンコーダ１４ａ、１６ａ、１８ａおよび２０ａによって検出され、この検出に基づいた位置・姿勢情報ＰＩが生成・出力される。(７)そして出力された位置・姿勢情報ＰＩは、比較手段４６ｃにフィードバックされて変化速度情報ＶＶＩの算出に供される。
【００４０】
このような制御においては、マニピュレータ１２から使用者の上肢が離間して力覚センサ３０が該上肢の動作(力)を検出しなくなれば、該マニピュレータ１２の作動も即時停止するため高い安全性が確保される。また、力覚センサ３０が上肢の動作を検出しない場合であっても各駆動モータは、マニピュレータ１２の作動を停止状態に保持しようと駆動して機械的な停止状態となっているわけではない。従って、上肢からの力を検出した場合には、各駆動モータが停止状態から駆動状態に移行するのではなく、マニピュレータ１２を停止状態に保持する駆動状態から作動させる駆動状態へ移行するだけである。従って、上肢からの力を検出した場合、時間的なずれや機械的な負荷を発生させずに、上肢の動作をスムーズに支援可能となっている。
【００４１】
〔変更例について〕
(１)実施例では、多自由度マニピュレータとして６軸のマニピュレータ１２を採用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、公知のマニピュレータが採用可能であり、例えば、図８に示すようなＸＹＺの各軸方向に対する位置変化だけを自在に設定し得る３軸の多自由度のマニピュレータ１３を採用してもよい。この場合、上肢の動作の支援範囲を狭めずに、より安価な構造で、簡便な制御による運用が可能になる。なお、ＸＹＺ各軸まわりに関する駆動をなす駆動モータや、位置および姿勢を検出するエンコーダ等がないこと以外は、実施例に係るマニピュレータ１２と略同一な構成となっている。
(２)実施例では先端部２８に対して固定された取付部３２を採用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図９に示すように単独でＸＹＺの各軸まわりの姿勢変化が可能に構成された取付部３３を採用してもよい。この場合、本発明に係る動作支援装置１０は、合計９軸に対する幅広い変位を達成し得る。なお、この場合の接触部Ａは、実施例と同様に、スプーンＢおよび取付部３３の双方である。また、取付部３３で達成される幅広い変位によって、高いスプーンＢの姿勢が容易に変化してしまうが、このような変化は力覚センサ３０の重力補償によって相殺されるので、動作情報ＭＩの生成に問題は生じない。
(３)実施例では参照速度情報ＲＶＩは、力覚センサ３０が検出する上肢の力に関わらず一定値として設定されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、該力の方向等の条件によって変化するように設定してもよい。この場合、使用者の上肢の動作により近づいた支援が可能となる。
(４)実施例では、使用者の上肢の動作に係る主動作情報ＭＭＩに基づいて参照速度情報ＲＶＩを生成していたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば主動作情報ＭＭＩに予め設定された上肢の動作に係る設定動作情報を付加して参照速度情報ＲＶＩを生成するようにしてもよい。例えば、上肢を真横に動作させようとすると、次第に手前にずれて動作してしまう等の規則性のある異常作動が上肢に見られる場合等に好適に用いられる。この場合、予め正常な上肢の動作と異常な上肢の動作とを差異を、予め設定動作情報として設定し、主動作情報ＭＭＩと該設定動作情報とから参照速度情報ＲＶＩを生成するため、上肢の筋に異常があって、該動作に規則的な異常動作がある場合の事態に好適に対応し得る。
(５)実施例では異常動作情報ＩＭＩを除去するフィルタとして、ノッチフィルタを使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図１０に示すような一定周波数以上の周波数だけを除去するローパスフィルタを使用するようにしてもよい。この場合、マニピュレータの駆動モータ等の高周波振動も好適に除去し得る。また、図１１に示すようなノッチフィルタとローパスフィルタとを複合したフィルタを使用するようにしてもよい。この他、予め使用者の上肢の動作をサンプリングし、当該使用者の上肢の異常動作に係る異常動作情報ＩＭＩを選択的に除去するフィルタを生成し、このフィルタを、特に障害等による異常動作が表れる可能性が高い１Ｈｚ以上の周波数領域にだけ適用して、当該周指数領域だけについて異常動作情報ＩＭＩを除去するようにしてもよい。この場合、異常動作情報ＩＭＩの効率的な除去が可能となり、かつ動作情報ＭＩに対する不必要な加工をできる限り回避し得るので、上肢の動作に忠実な主作動情報ＭＭＩを生成し得る。
(６)実施例では、上肢の位置および姿勢を検出する第２検出手段としてエンコーダを採用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、コスト的に優れるポテンショメータ等の他の機器を動作支援装置が使用される用途等に応じて適宜採用してもよい。
(７)実施例でマニピュレータ１２の停止状態は、駆動モータを該停止状態に保持する駆動状態とすることで達成していたが、本発明はこれに限定されるものではなく、各関節部１４、１６、１８および２０に電磁クラッチ等を装備して、電源オフ時にマニピュレータ１２の位置および姿勢を固定的に保持するように構成すると共に、動作支援装置１０等の電源をオフにすることで機械的な停止状態を達成するようにしてもよい。この場合、電力の消費量の低減によるコスト削減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の好適な実施例に係る動作支援装置の概略を示す斜視図である。
【図２】実施例に係る制御部を中心とした各構成を、情報(信号)の流れと共に概略的に示す説明図である。
【図３】実施例に係る動作支援装置の制御方法を示すフローチャート図である。
【図４】実施例に係る動作支援装置の制御の流れを示す説明図である。
【図５】図３に示す動作支援装置の制御方法で扱われる動作情報を表すゲイン−周波数のグラフ図である。
【図６】図３に示す動作支援装置の制御方法における主動作情報抽出段階Ｓ２で異常動作情報を除去するノッチフィルタを表すゲイン−周波数のグラフ図である。
【図７】図５に示す動作情報を表すグラフ図と、図６に示すフィルタを表すグラフ図とから周波数整形法で抽出される主動作情報を表すゲイン−周波数のグラフ図である。
【図８】変更例(１)に係る動作支援装置の概略を示す斜視図である。
【図９】変更例(２)に係る取付部を拡大して示す斜視図である。
【図１０】変更例(５)に係る動作支援装置の制御方法における主動作情報抽出段階Ｓ２で異常動作情報を除去するためのローパスフィルタを表すゲイン−周波数のグラフ図である。
【図１１】変更例(５)に係る動作支援装置の制御方法における主動作情報抽出段階Ｓ２で異常動作情報を除去するためのノッチフィルタとローパスフィルタとを複合したフィルタを表すゲイン−周波数のグラフ図である。
【符号の説明】
【００４３】
１２  マニピュレータ、１３  マニピュレータ、１４ａ  エンコーダ(第２検出手段)
１６ａ  エンコーダ(第２検出手段)、１８ａ  エンコーダ(第２検出手段)
２０ａ  エンコーダ(第２検出手段)、３０  力覚センサ(第１検出手段）
４０  制御部、４６ａ  フィルタ手段、４６ｂ  変換手段、４６ｃ  比較手段
４６ｄ  制御手段、ＤＩ  偏差情報、ＤｖＩ  駆動情報、ＩＭＩ  異常動作情報
ＭＩ  動作情報、ＭＭＩ  主動作情報、ＰＩ  位置・姿勢情報、ＲＶＩ  参照速度情報
Ｓ１  動作情報検出段階、Ｓ２  主動作情報抽出段階、Ｓ３  参照速度情報生成段階
Ｓ４  偏差情報算出段階、Ｓ５  駆動情報生成段階、Ｓ６  駆動段階
Ｓ７  位置姿勢検出段階
【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】
2008238338.tif 000009
【図８】
2008238338.tif 000010
【図９】
2008238338.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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