ABML2011

O1-5

2011年11月3日-5日 東京（芝浦工業大学）

食事介護用スプーンの開発
Development of an intelligent spoon for a meal assistance of handicapped persons○ 熊坂暁歩（東京高専）、水沼博（首都大）、安田利貴（東京高専）○Akiho KUMASAKA, Tokyo National College of Technology, Hiroshi MIZUNUMA, Tokyo Metropolitan University
Toshitaka YASUDA, Tokyo National College of Technology
Abstract: An intelligent spoon has been developed to support meals for handicapped persons. A purpose of this study is toimprove a method of detecting horizontal angle (φ) and rotational angle (θ) by using 3 (Vx, Vy and Vz) direction ofacceleration sensor for the intelligent spoon. The effect of rotational angle on the estimated horizontal angle wasinvestigated. The horizontal angle is estimated from three equations that are φx = sin-1(Vx/Vg), φyz = cos-1 ( Vy2+Vz2 /Vg)and φxyz = sin-1(Vx/ Vx2+Vy2+Vz2 ) at respectively. Correlation number R2 between the desired horizontal angle and theestimated horizontal angle are more than 0.99. However, it was found that the estimated horizontal angle φx aresaturated more than 70 degree of horizontal angle. In the future work, we program the φxyz of calculation manner tointelligent spoon and investigate the intelligent spoon motion.
Key Words: Intelligent spoon, Acceleration sensor
1. 緒言
食事は、日常生活に必要不可欠な動作の 1 つである。しかし、障がい者の中には、手や腕の不随意運動や関節可動域の制限などにより、既存の箸やスプーンではスムーズに食事が出来ないケースがある (1)。
そのため介護施設における食事は介護者が複数の被介護者の食事補助を行うこともある。しかし、自分のペースで食事ができないことは、食事そのものにストレスを感じさせてしまうことにも繋がる。
一方、障がい者介助施設では流動物も固形物も容易に口に運ぶことが出来きるスプーンが一般的に使用される。しかしスプーンを使った食事の一連の動作でも、スプーンの物体をすくう面が大きく傾くと、物体の状態によってはスプーン面からこぼれてしまうことがある。
そこで我々は、食事介護が必要な障がい者の自立した生活支援および介護者の労力低減のために、障がい者の食事パターンに応じスプーン面の食べ物がこぼれにくい機構を備えたスプーンの開発を試みている。

(a) Block diagram(b) PhotographFig.1 Development of the intelligent spoon

2. インテリジェントスプーン
現在開発を進めているインテリジェントスプーンのブロック図および外観図を Fig.1 に示す。
Fig.1(a)にスプーンのブロック図を示す。アクチュエータは、スプーン先端面の食べ物がこぼれないように食べ物の粘性や形状および障がい者の食事パターンに応じて、仰角および回転方向に動く 2 軸の機構とした。アクチュエータの制御は、3 軸加速度センサの信号からリアルタイムに推定した仰角・回転角(以下、傾斜角)を用いて行われる。
Fig.1(b)は、試作したインテリジェントスプーンの外観を示す。スプーンの構造は、スプーンの先端から柄の間に 2つのアクチュエータが、手の甲の上に制御回路が取り付けら れ て い る 。 ま た 、 制 御回 路 で 検 出 さ れ た 傾 斜 角 は 、Bluetooth モジュールを経由して PC に転送され、データの保存が可能となる。また、PC 上からスプーンの制御も可能となる。本研究で開発を目指しているスプーンは食品のレオロジー特性、障がいの食事パターンに応じてスプーンが自動的に制御を変える機能を備える。その機能により安全・安心な食事支援を行うことができる。

3. 研究目的
障がい者の食事パターンの検出方法として、複数のカメラを用いたモーションキャプチャによる画像解析があげられるが、食事動作の解析に時間がかかることや、カメラ撮影によるプライバシーの侵害を考慮しなければならないといった問題がある。
そこで、3 軸加速度センサを用いて高精度に傾斜角を検出することが出来れば、簡易に障がい者の食事パターンの解析を行うことができる。また、インテリジェントスプーンの動きを制御するための信号としても使用することが出来る。実際に加速度センサによる動作解析は広く研究されている(2),(3)。
本報告では、3 軸加速度センサを使用した傾斜角検出法
について、出力電圧 Vx で傾斜角を推定した場合と、出力電圧 Vy, Vz および出力電圧 Vx, Vy, Vz によって補正をかけて傾斜角を推定した場合とで精度を比較検討する。

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4. 実験方法
4-1 傾斜角検出装置
実験では、傾斜角検出を行う 3 軸加速度センサとして
KXM52-1050(Kionix 社)を使用する。3 軸加速度センサからの 出 力 電 圧 処 理 と PC 上 に デ ー タ を 転 送 す る た め に
PIC16F88(Microchip 社)を使用している。また、食事動作解析用として、PC 上へのデータ転送に Bluetooth 通信モジュール(Robotech 社)を回路に組み込んでいる。Fig.2 に、傾斜角検出装置の外観と装置内の 3 軸加速度センサが出力する電圧の方向を示す。

Fig. 24-3 実験装置
実験装置の構成を Fig.4 に示す。実験装置は、傾斜角検出装置、測定信号保存用コンピュータ、ゴニオメータで構成されている。ゴニオメータの仰角（目標仰角）φ は 0°～90°の範囲で 10°間隔、回転角 θ は 0°～90°の範囲で30°間隔に変化させたときの 3 軸加速度センサの出力電圧Vx, Vy, Vz を測定した。測定された電圧値を式（2）～式（4）に代入し、推定される仰角 φx 、φyz、 φxyz を求め目標仰角 φとの比較を行った。

View of angle detecting device(a)Uniaxial(b)

Biaxial4-2 傾斜角度計算方法
本 3 軸加速度センサの角度検出は、重力加速度 1G を基準電圧ベクトルとしたとき、センサの傾斜角によって重力加速度による基準電圧ベクトルが各軸の出力電圧ベクトルに分力されることを利用している。
まず、出力電圧 Vx での傾斜角度推定方法について述べる。
Fig.3(a)は、3 軸加速度センサが仰角 φ 傾いた時の基準電圧ベクトルの大きさ Vg と出力電圧 Vx の関係を示す。この図から仰角 φx は、(1)(2)となる。
しかし、実際の測定では、3 軸加速度センサに回転角 θが加わるとセンサの出力電圧が分力されるため、傾斜角の推定精度が低下する。そこで出力電圧 Vy, Vz を用いて傾斜角を推定する方法と、出力電圧 Vx, Vy, Vz を用いて基準電圧ベクトルを補正する方法を検討した。
次に、出力電圧 Vy, Vz による傾斜角計算方法について述
べる、Fig.3(b)のように、3 軸加速度センサが θ 回転すると出力電圧 Vy と Vz が発生し、Vy と Vz の合成ベクトルが電圧ベクトルとなる。基準電圧ベクトルの大きさ Vg と合成ベクトルの大きさ Vyz から仰角 φyz は、(c)Triaxial

Fig. 3 Relationship between detecting sensor angle andtriaxial output voltages of sensor(3)となる。
最後に、出力電圧 Vx, Vy, Vz による傾斜角計算方法について述べる。まず基準電圧ベクトルを、Vx, Vy, Vz の合成ベクトルに置き換える。そして出力電圧 Vx と基準電圧ベク
トルの大きさ Vxyz から仰角 φxyz は、Fig.4 Schematic diagram of experimental set up(4)となる。
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5. 実験結果
回転角 θ がおよぼす Vx による推定仰角 φx と Vx, Vy, Vzによる推定仰角 φxyz の測定結果を Table.1, Table.2 にまとめ、Fig.5, Fig.6 には、目標仰角 φ と推定仰角の相関係数 R2 を示した。
推定仰角 φx と目標仰角 φ は、相関係数 R2 は 0.98 を示した。また Vx, Vy, Vz による推定仰角 φxyz と目標仰角 φ は、0.99 から 1.00 を示した。
Table.1 Results of estimated horizontal angle with uniaxial

Horizontal angleof measured in uniaxial φ1[deg]Rotational angle θ[deg]
θ=0°

θ=30°

θ=60°

θ=90°

0

0.00

0.86

1.44

1.92

10

11.70

11.48

10.92

10.71

20

22.92

22.17

21.47

20.61

30

33.92

33.17

33.05

31.34

40

44.36

44.93

44.54

42.63

50

57.02

55.10

55.18

54.26

60

69.86

67.84

68.00

54.40

70

86.73

87.45

85.81

82.54

80

90.05

90.05

90.05

90.05

90

90.05

90.05

90.05

90.05

Fig.6 Relationship between estimated horizontal angle withtriaxial and desired value
6. 考察
Vx による推定仰角 φx は、Fig.5 が示すように全ての回転角の条件において、目標仰角 φ が 70°以上になると推定仰角 φx は 90°となった。これは本実験で使用した 3 軸加速度センサの出力電圧が、重力方向と平行に近づくと線形性が変化することが原因である。
Vx, Vy, Vz による推定仰角 φxyz は、Vx による推定仰角 φxと比較すると相関係数が高く、測定精度が高いことが分かった。また、回転角 θ の変化による推定精度の低下に対して Vx, Vy, Vz により補正をかけることで正確に推定できるとわかった。
今回の実験では仰角推定しか行っていないが、同様の推定方法で、回転角の推定が可能だと考えられる。
今後、計算式（4）の推定仰角法を試作したインテリジェ
ントスプーン搭載にすることで、精度の高い傾斜角の推定が可能となり、正確なスプーンの制御が実現できると考えられる。また、試作した傾斜角検出装置で被介護者のスプーンを用いた食事動作の解析ができれば、画像解析のような大規模な実験装置によらない食事動作の解析や被介護者のリハビリ支援などに繋がると考えられる。

Table.2 Results of estimated horizontal angle with triaxial

Horizontal angleof measured in triaxial φ3[deg]Rotational angle θ[deg]
θ=0°

θ=30°

θ=60°

θ=90°

0

0.00

0.85

1.28

1.91

10

11.49

10.81

9.75

10.45

20

22.36

20.66

19.35

19.24

30

32.67

30.69

29.63

27.82

40

42.25

41.19

39.56

37.89

50

53.37

49.73

48.60

47.76

60

63.15

59.86

58.61

47.92

70

72.06

69.09

67.83

67.26

80

80.96

78.17

78.17

76.77

90

87.01

88.14

87.54

86.60

参考文献
(1) 勝吉 慎也, 田中 敦士, 知的障害者のある人の手腕
運動におけるspeed-accuracy trade-offに関する研究動向と指導法開発に向けた今後の課題, 琉球大学教育学部
障害児教育実践センター紀要, vol. 9, pp. 109-117, 2007
(2) 品川 佳満, 谷川 智宏, 太田 茂, 加速度センサを用いた人間の歩行・転倒検出, 川崎医療福祉学会誌,
vol. 9(2), pp. 243-250, 1999
(3) 武田 量, 但野 茂, 中安 稔, 東藤 正浩, 吉成哲, 加速度センサーと角速度センサーを用いた歩行解析, バイオフロンティア講演会講演論文集, vol. 17, pp.
19-20, 2006

Fig.5 Relationship between estimated horizontal angle withuniaxial and desired valueO1-5-3