(57)【要約】【課題】人と機械の同体的協調制御の実現。【解決手段】人体Ｍの第１装着部分に装着されその第１装着部分に運動力を与えるアクチュエータ１と、人体Ｍの第２装着部分に装着され運動力を制御する制御器２とから構成されている。制御器２とアクチュエータ１とが同一人の物理的に一体である人体に装着されていて、人は制御器２とアクチュエータ１と同体に運動しながら補助運動力を全部的に又は一部的に獲得することができ、人と機械の同体的協調制御が実現される。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体の第１装着部分に装着され前記第１装着部分に運動力を与えるアクチュエータと、
前記人体の第２装着部分に装着され前記運動力を制御する制御器
とを構成するマンマシン・ロボット。
【請求項２】
前記アクチュエータは、前記人体の回転的接続部位に対して回転力を与える
請求項１のマンマシン・ロボット。
【請求項３】
前記回転的接続部位は、腕、指、脚、腰から選択される１部位又は複数部位の関節である
請求項２のマンマシン・ロボット。
【請求項４】
前記制御器は、前記アクチュエータの運動を制御する制御信号を入力する入力器を形成する
請求項１〜３から選択される１請求項のマンマシン・ロボット。
【請求項５】
前記制御器は、前記人体である本人の意思に基づく前記第１装着部分の運動を優先させるジョイスティック操作器を形成している
請求項１〜３から選択される１請求項のマンマシン・ロボット。
【請求項６】
前記制御器は、前記人体である本人の肉体に基づいて前記第１装着部分に与えられる運動力と前記アクチュエータに基づいて前記第１装着部分に与えられる運動力とを合成するジョイスティック操作器を形成している
請求項１〜３から選択される１請求項のマンマシン・ロボット。
【請求項７】
前記人体の手指に把持される補助腕と、
前記補助腕の自由端部に装着される補助アクチュエータとを更に構成し、
前記補助アクチュエータの運動は前記制御器により制御される
請求項１〜６から選択される１請求項のマンマシン・ロボット。
【請求項８】
前記人体の第３装着部位に装着され前記人体の周囲を画像化するマンマシン・インタフェースを更に構成し、
前記マンマシン・インタフェースを介して前記人体の周囲は画像化されて前記制御器に送信される
請求項１〜７から選択される１請求項のマンマシン・ロボット。
【請求項９】
前記人体の第３装着部位に装着され前記人体の口の運動を電気信号化するマンマシン・インタフェースを更に構成し、
前記マンマシン・インタフェースを介して前記口の運動は前記制御器に送信される
請求項１〜７から選択される１請求項のマンマシン・ロボット。
【請求項１０】
前記人体の第３装着部位に装着され前記第１装着部位の運動を電気信号化するマンマシン・インタフェースを更に構成し、
前記マンマシン・インタフェースを介して前記第１装着部位の運動は前記制御器に送信される
請求項１〜７から選択される１請求項のマンマシン・ロボット。
【請求項１１】
前記第１装着部位の運動は前記制御器により増幅されて前記第１装着部位に伝達される
請求項１０のマンマシン・ロボット。
【請求項１２】
前記人体に追従する自律移動型補助ロボットを更に構成し、
前記自律移動型補助ロボットは、前記人体である本人が利用する機器を搭載する
請求項１〜１１から選択される１請求項のマンマシン・ロボット。
【請求項１３】
前記人体の頭部に装着され前記人体である本人の意思に基づく脳の物理的変化を検出する脳内物理的変化検出器を更に構成し、
前記物理的変化は前記制御器に伝達される
請求項１〜１２から選択される１請求項のマンマシン・ロボット。
【請求項１４】
人体の第１装着部分に装着され前記第１装着部分に運動力を与えるアクチュエータと、前記人体の第２装着部分に装着され前記運動力を制御する制御器とを構成するマンマシン・ロボットを制御するマンマシン・ロボットの制御方法であり、
前記制御器から制御信号を出力するステップと、
前記制御信号に基づいて前記アクチュエータを介して前記第１装着部分を運動させるステップ
とを構成するマンマシン・ロボットの制御方法。
【請求項１５】
前記第１装着部分の運動を検出するステップを更に構成し、
前記制御信号は、前記第１装着部分の運動を検出する前記ステップにより検出される検出信号に基づいて生成される
請求項１４のマンマシン・ロボットの制御方法。
【請求項１６】
前記人体の脳内物理的変化信号を検出するステップと、
前記脳内物理的変化信号を前記制御器に入力するステップと、
前記脳内物理的変化信号に基づいて前記第１装着部分を運動させるステップ
とを更に構成する請求項１４のマンマシン・ロボットの制御方法。
【請求項１７】
前記アクチュエータの駆動量をフィードバック信号として前記制御器に送信するステップを更に構成する
請求項１４〜１６から選択される１請求項のマンマシン・ロボットの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マンマシン・ロボット、及び、マンマシン・ロボットの制御方法に関し、特に、人の意思を尊重しその人の運動を補助するマンマシン・ロボット、及び、マンマシン・ロボットの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットの急速な技術革新は、身障者の手伝い又は手助けを可能にする。身障者の手足を代用するロボットは、高齢者社会で重要な開発の課題である。
【０００３】
身体の運動を検出してその検出信号に基づいてその身体対応部分が駆動されるロボットは、下記特許文献１で知られている。人体の手足の運動を補助する技術として、義足が知られている。人体の全体を移動させる技術としては、身障者用電気駆動車が知られている。身体の部分に運動力を与える技術は、下記特許文献２で知られている。人体の一部分をその人の思いのままに駆動する機械は知られていない。人体の一部分をその人の思いに従って駆動する機械を実現する技術の確立が求められる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０７−２４７６６号
【特許文献２】
特開平１０−２５８１００号
【特許文献３】
特開２００２−５７４号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、人体の一部分をその人の思いに従って駆動する機械を実現する技術を確立することができるマンマシン・ロボット、及び、マンマシン・ロボットの制御方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、人と機械の同体的協調制御を実現する技術を確立することができるマンマシン・ロボット、及び、マンマシン・ロボットの制御方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００７】
本発明によるマンマシン・ロボットは、人体（Ｍ）の第１装着部分に装着されその第１装着部分に運動力を与えるアクチュエータ（１）と、人体（Ｍ）の第２装着部分に装着され運動力を制御する制御器（２）とから構成されている。制御器（２）とアクチュエータ（１）とが同一人の物理的に一体である人体に装着されていて、人は制御器（２）とアクチュエータ（１）と同体に運動しながら補助運動力を全部的に又は一部的に獲得することができる。ここで、人体は、機械ではなく生命を持つ肉体である。人は、物理的健常者であるか物理的障害者であるかは問われない。アクチュエータ（１）は、人体の内部にビルトインされ得る。
【０００８】
アクチュエータ（１）は、人体（Ｍ）の回転的接続部位に対して回転力を与えることが特に好ましい。回転的接続部位は、腕、指、脚、腰である。腕、指、脚、腰のそれぞれにアクチュエータが配置されることは好ましい。
【０００９】
制御器（２）は、アクチュエータ（１）の運動を制御する制御信号を入力する入力器（７）を形成する。入力器（７）は人体に装着され、その人（Ｍ）の意思により制御のための入力を可能にする。制御器（２）は、人体（Ｍ）である本人の意思に基づく第１装着部分の運動を優先させるジョイスティック操作器（６）を形成している。制御器（２）は、人体（Ｍ）である本人（Ｍ）の肉体に基づいて第１装着部分に与えられる運動力とアクチュエータ（１）に基づいて第１装着部分に与えられる運動力とを合成するジョイスティック操作器を形成する。人の意思による自律的制御と、制御の解除と、制御的物理力と人体の物理力とのハイブリッド化の選択がその人の自由意志により行われ、人には完全な自律性が保証されている。
【００１０】
人体（Ｍ）の手指に把持される補助腕（１４）と、補助腕（１４）の自由端部に装着される補助アクチュエータ（１５）とが追加的に構成されることは、人体の運動作業性を拡張することができる点で好ましい。補助アクチュエータ（１５）の運動は制御器（２）により制御されることが好ましい。
【００１１】
人体（Ｍ）の第３装着部位に装着され人体（Ｍ）の周囲を画像化するマンマシン・インタフェース（８）が更に追加される。マンマシン・インタフェース（８）を介して人体の周囲は画像化されて制御器（２）に有線又は無線で送信される。人体（Ｍ）の第３装着部位に装着され人体の口の運動を電気信号化するマンマシン・インタフェース（９）が更に追加される。そのマンマシン・インタフェース（９）を介して口の運動は制御器（２）に送信される。人の口の代行品又は生きた人の口、又は、人の目の代行品又は生きた人の目は、制御器（２）に制御系に有効に繰り込まれる。代行目と代行口は、現実の人の目と口に位置的に一致していることが好ましい。
【００１２】
人体（Ｍ）の第３装着部位に装着され第１装着部位の運動を電気信号化するマンマシン・インタフェースが追加され、そのマンマシン・インタフェースを介して第１装着部位の運動は制御器（２）に送信される。この場合には、第３装着部位は第１装着部位に実質的に一致する。そのマンマシン・インタフェースは、アクチュエータ（１）の中に組み込まれることが好ましく、そのマンマシン・インタフェースは、アクチュエータ（１）に対してジョイスティックに構成され得る。アクチュエータは、人の腕の変位と変位力を増幅することができ、第１装着部位の運動は制御器（２）により増幅されて第１装着部位に伝達されることになる。
【００１３】
人体に追従する自律移動型補助ロボット（１９）が更に追加される。自律移動型補助ロボット（１９）は、人体（Ｍ）である本人（Ｍ）が利用する機器（例示：電池、道具）を搭載することができる。人体（Ｍ）の頭部に装着され人体である本人（Ｍ）の意思に基づく脳の物理的変化を検出する脳内物理的変化検出器（１６）が更に追加される。その物理的変化は、制御器（２）に伝達される。
【００１４】
本発明によるマンマシン・ロボットの制御方法は、人体（Ｍ）の第１装着部分に装着され第１装着部分に運動力を与えるアクチュエータ（１）と、人体（Ｍ）の第２装着部分に装着されその運動力を制御する制御器（２）とを構成するマンマシン・ロボットを制御するマンマシン・ロボットの制御方法であり、制御器（２）から制御信号（３’）を出力するステップと、制御信号（３’）に基づいてアクチュエータ（１）を介して第１装着部分を運動させるステップとから構成されている。
【００１５】
第１装着部分の運動は検出され得る。制御信号（３’）は、第１装着部分の運動を検出するステップにより検出される検出信号（３）に基づいて生成される。人体（Ｍ）の脳内物理的変化信号を検出するステップと、脳内物理的変化信号を制御器（２）に入力するステップと、脳内物理的変化信号に基づいて第１装着部分を運動させるステップとが有効に追加される。脳内物理的変化信号の生成は、人の意思により訓練的に可能である。脳内物理的変化信号と人の意思との対応は、ニューラルネットワークにより学習的に可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明によるマンマシン・ロボットは、アクチェータが制御器とともに人体に配置されて設けられている。そのアクチュエータ１は、図１に示されるように、人体の特定部分に装着されている。ウエアラブルである制御器２は、その人体の他の特定部分に装着されている。制御器２は、特には、腰に巻かれる腰帯の一部を形成している。アクチュエータ１としては、腕の筋肉が例示される。
【００１７】
アクチュエータ１は、制御信号３に基づいて制御的に駆動される。制御器２は、制御線４を介してアクチュエータ１に電気的に接続している。制御信号３は、制御器２から出力されてアクチュエータ１に入力される。アクチュエータ１は、アクチュエータ１の駆動量（変位量）に対応する駆動信号３’を制御器２に対して制御線４を介して出力する。アクチュエータ１と制御器２との間は、無線により接続されることが可能である。
【００１８】
制御器２には、ジョイスティック制御システム（図示されず）が付随することが重要である。ジョイスティック制御と非ジョイスティック制御とは、制御モード切換ハンドル６により切換えられ得る。制御モード切換ハンドル６は、マンマシン・ロボットの積極主体の人である本人Ｍにより操作される。
【００１９】
制御器２には、第１マンマシン・インタフェース７と、第２マンマシン・インタフェース８と第３マンマシン・インタフェース９とが付随していて、それぞれに、人体の更に他の複数部分に装着されている。第１マンマシン・インタフェース７としては、キーボードが例示され、自己行動を規定する自己行動規定を制御器２に入力することができる。
【００２０】
視覚端末の一部である第２マンマシン・インタフェース８としては、視神経のネットワークを形成する映像表示画面が例示される。そのような映像表示画面としては、透明複眼式映像形成電極膜が好適に例示され、多数のレンズと多数の透明光電変換膜とから形成される。多数の透明光電変換膜が出力する電気的映像信号１１は、制御器２に送信される。本人（この場合には、視覚障害者）Ｍがその肉眼でみることができるであろう映像は、電気的映像信号１１に基づいて制御器２で再生される。第２マンマシン・インタフェース８と制御器２とは、視覚器官を形成する。
【００２１】
聴覚端末の一部である第３マンマシン・インタフェース９としては、音声検出器、又は、唇運動検出器が例示される。唇運動検出器が検出する振動は電気的音声信号１２に変換される。電気的音声信号１２は、制御器２に入力される。本人（この場合には声帯障害者）Ｍが発したであろう音声は、電気的音声信号１２に基づいて制御器２で再生される。第３マンマシン・インタフェース９と制御器２は、聴覚器官を形成する。
【００２２】
アクチュエータ１としては、更に、足又は脚の筋肉が例示される。筋肉であるアクチュエータ１は、伸縮繊維群が好適に用いられる。伸縮繊維群の要素としては、螺旋巻き通電線（導線コイル）が好適に例示される。螺旋巻き通電線は、電流量に対応する伸縮量で伸縮方向に変位する。多数の螺旋巻き通電線の軸心線の集合は、１つの円筒面を形成する多数の軸心線方向線に対応する。多数の螺旋巻き通電線の集合は、弾力的な１つの円筒体を形成し、腕関節、脚関節を被覆して、腕、脚に巻き付けられている。アクチュエータ１としては、更に、腰の筋肉が例示される。アクチュエータ１は、水圧、空気圧、油圧で駆動される多様な流体圧機械要素が既述の電気駆動の伸縮繊維群に代替され得る。
【００２３】
アクチュエータ１は、それの運動の微小変位を検出する変位検出器を形成することが好ましい。その変位検出器は、微小な変位を検出して、変位検出信号３を出力する。変位検出信号３は、制御器２に入力される。変位検出信号３は、フィードバック信号として利用される。変位検出信号３は、更に、運動開始信号とされて利用される。本人Ｍの意思に基づく腕又は脚の僅かな変位は、変位検出信号３により制御器２に伝達される。制御器２は、変位検出信号３に基づいて本人の僅かな運動変位を増幅した運動変位に変換する駆動信号３’をアクチュエータ１に送信する。変位検出信号３と駆動信号３’とは、同一の電線により双方向的に送信される。
【００２４】
又は、本人Ｍの意思に基づく腕又は脚のある程度の変位は、変位検出信号３により制御器２に伝達される。制御器２は、変位検出信号３に基づいて本人のある程度の運動変位を増幅した運動変位に変換する駆動信号３’をアクチュエータ１に送信する。この場合には、アクチュエータ１はアシスト力を本人Ｍの腕又は脚に付加的に与え、本人はより重い荷物を運搬し、又は、急坂を軽快に登坂することができる。
【００２５】
腕の補助になる人工補助腕１４が追加される。人工補助腕１４は、本人Ｍの指で把持される。人工補助腕１４の自由端側に、補助アクチュエータ１５が装着される。補助アクチュエータ１５として、６本指手袋が好適に例示される。その６本指手袋のそれぞれの指対応部分には、指の第１関節、第２関節、指の基軸関節に相当する屈折部位が配置され、それぞれに全体に伸縮繊維で形成されている。電流制御により、複数種の関節は独立的に屈曲することができる。その電流制御は、それらの関節に周期的運動を付与することができる。その電流制御は、本人Ｍが片方の指で第１マンマシン・インタフェース７のキーボードを操作することにより可能である。このような６本指手袋は、プラントの天井、壁、床の凹凸部位の奥側面に付着する物質（例示：人体に対して有害である放射線物質、化学薬品）を除去して清掃することができる。
【００２６】
脳の補助になる脳信号検出器１６が左右一対的に追加される。脳信号検出器１６は、本人Ｍが頭部に装着するヘルメット１７に取り付けられている。脳信号検出器１６としては、本人Ｍの脳神経に対して電気的に又は電磁気的に相互作用する脳信号検出電極が好適に例示される。その電極は、脳内神経に大域的に直接に接合する多数本の針状電極であることが好ましい。
【００２７】
脳信号検出器１６は、リハビリ的に用いられる。本人Ｍは、腕又は脚を動かす意思を持ち、その腕又は脚を物理的に動かそうとする。そのような意思を持った時に脳信号検出器１６から出力される意思対応電気的信号１８は、制御器２に入力される。本人Ｍがその意思を持ったことは、本人Ｍの音声相当の電気的音声信号１２により制御器２に伝達され、又は、本人Ｍの腕と指の運動により第１マンマシン・インタフェース７のキー操作により制御器２に伝達される。意思対応電気的信号１８は、制御器２が持つニューラルネットワークに入力される。そのニューラルネットワークは、意思対応電気的信号１８と本人Ｍの意思との対応関係を高精度に実現する。その実現に基づいて、本人Ｍの意思に基づいてアクチュエータ１が制御的に駆動される。本人Ｍの意思は、脳神経電気信号に代えられて、脳内血流量信号、その血流量変化信号、血中酵素濃度のような脳内生理活性物質の変化率により確認され得る。
【００２８】
補助ロボット１９が追加されることは重要である。補助ロボット１９は、自走用脚又は自走用車輪２１により地面に対して支持されている。補助ロボット１９は、カメラ２２を搭載している。カメラ２２は、本人Ｍが装着している目印を撮影する。カメラ２２が撮影した撮影画像は、補助ロボット１９に内蔵されている画像解析コンピュータ（図示されず）に送信される。その画像解析コンピュータは、その撮影画像である目印の３次元データに基づいて、自己と本人Ｍの目印の位置との間の相対的距離と相対的３次元方向を計算する。補助ロボット１９は、本人Ｍに対する適正な間隔を保持して本人に追従し運動して移動することができる。
【００２９】
補助ロボット１９は、重い物体を運搬することができる。重い物体として、本人Ｍが用いる多様な道具又は機器の他に、電池を搭載している。アクチュエータ１を駆動する動力源であり本人Ｍが背負い式に持つ比較的に軽い自己搭載電池は、補助ロボット１９が搭載する大型の電池から電力の供給を受けることができる。
【００３０】
図２は、人体部分特に脳と制御器１との間のマンマシン制御を示している。第１マンマシン・インタフェース７と第２マンマシン・インタフェース８と第３マンマシン・インタフェース９とは、コンピュータ化され得て、第１マンマシン・コンピュータ化インタフェース７’と第２マンマシン・コンピュータ化インタフェース８’と第３マンマシン・コンピュータ化インタフェース９’とに改変され得る。頭部（脳内コンピュータ）２１は、脳信号検出器１６が検出する意思対応電気的信号１８を出力する。意思対応電気的信号１８は、制御器２を構成する指令演算器３１に入力される。ウエアラブルである制御モード切換ハンドル６と第３マンマシン・コンピュータ化インタフェース９’と第１マンマシン・コンピュータ化インタフェース７’とからそれぞれに出力されるジョイスティック信号２３とボイス信号１２とキーボードコマンド２４は、指令演算器３１に入力される。第４マンマシン・コンピュータ化インタフェース２５が更に追加されている。第１マンマシン・コンピュータ化インタフェース７’と第２マンマシン・コンピュータ化インタフェース８’と第３マンマシン・コンピュータ化インタフェース９’と第４マンマシン・コンピュータ化インタフェース２５は、ウエアラブルコンピュータ群２６として構成されている。
【００３１】
指令演算器３１は、固有のプロトコルに従ってアクチュエータ１と補助ロボット１９と補助アクチュエータ１５とに同時的に駆動指令群２７を送信する。アクチュエータ１と補助アクチュエータ１５と補助ロボット１９は、その駆動量信号群２８又は現在位置信号群を出力する。駆動量信号群２８は、フィードバック信号としてウエアラブルコンピュータ群２６に入力される。電気的音声信号１２で指示した通りにアクチュエータ１、補助アクチュエータ１５、又は、補助ロボット１９が駆動されていない場合には、第４マンマシン・コンピュータ化インタフェース２５は駆動量不適正を音声又は図形ずれで本人Ｍに知らせることができる。駆動量信号群２８は、直接に指令演算器３１にフィードバックされうる。
【００３２】
本発明によるマンマシン・ロボットの制御方法は、身障者にその肉体的運動力を提供し、健常者にその肉体的運動力を補完して、能力増強と疲労抑制の点で有益であり、更には、人の意思に忠実に、又は、危険区域の侵入に対して警報を発して人の意思の変更を促し、多様な分野で利用され得る。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によるマンマシン・ロボット、及び、マンマシン・ロボットの制御方法は、人と機械の同体的協調制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるマンマシン・ロボットの実施の形態を示す正面図である。
【図２】図２は、制御系を示す回路ブロック図である。
【符号の説明】
Ｍ…人（人体）
１…アクチュエータ
２…制御器
３…検出信号
３’…制御信号
６…ジョイスティック操作器
７，７’…入力器
８，８’…マンマシン・インタフェース
９，９’…マンマシン・インタフェース
１４…補助腕
１５…補助アクチュエータ
１６…脳内物理的変化検出器
１９…自律移動型補助ロボット
【図１】
2004174692.tif 000003
【図２】
2004174692.tif 000004