JP2003211377A - マニピュレーション動作支援装置及びその支援方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 操作者の身体の動作を作業方向や作業位置ご
とにきめ細かく補助し、負担を軽減して動作を支援する
マニピュレーション動作支援装置を提供する。 【解決手段】 マニピュレータ５の先端に操作者２の手
首を装着し、手首の発生する力を力センサ４で計測す
る。また手首位置はカメラ６、７の画像を解析して取得
する。計測手段８に手首の各位置に於いて各方向へ発生
する力を力センサ４から取り込み、その力の大きさに応
じた力感度を各位置、各方向ごとに定め、動作特性とし
て記憶手段９へ格納する。作業時には、記憶手段９に格
納された操作者２の動作特性と力センサ４が計測した力
の情報からマニピュレータ５に対する指令値を指令値生
成手段１０が生成し、この指令値に基づいてマニピュレ
ータ５を制御手段１１が制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、操作者の力を補助
するマニピュレーション動作支援装置及びその支援方法
に係り、特に、操作者の身体の動作特性に合わせて負担
を軽減して動作を支援するのに好適なマニピュレーショ
ン動作支援装置及びその支援方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】筋力等の身体機能が低下した高齢者や障
害者が日常生活や就労において健常者と同様な動作を実
行することは困難であり、何らかの補助を必要とする。
日常生活や就労場面での移動を補助する装置としては車
椅子があり、筋力等の身体機能の低下が大きい場合は電
動車椅子が用いられている。しかし、日常生活や就労に
おいての作業では、移動だけでなくマニピュレーション
動作が必要である。

【０００３】身体機能が低下した高齢者や障害者の作業
を補助する従来技術としては、例えば特開平１１−２５
３５０４号、及び特開平１１−２５３５０５号に開示さ
れたものがある。これらの技術では、マニピュレータの
自由端に上肢に装着する装具を設け、高齢者や障害者
（以下、操作者という）がこの装具に加えた力の方向と
大きさを検出し、検出した方向への力をマニピュレータ
により補助するようにしている。また、手ぶれなど、操
作者が望まない力が装具に加えられたときには、その振
動を検出してマニピュレータがフォローしないようにす
る防護対策も組み込まれている。このような従来技術に
よれば、操作者が発生する力を検出して、検出した力の
方向に力の大きさに応じた速度でマニピュレータを動作
させて様々な作業を補助することができる。これによ
り、日常生活や就労場面において作業毎に専用の補助具
を使うことなく、動作を行うことができ、高齢者や障害
者の負担を軽減して作業を実行することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
では、高齢者や障害者が発生する力を検出して、検出し
た力の方向に力の大きさに応じた補助力をマニピュレー
タで発生する場合、発生する補助力と検出力の比、即ち
マニピュレータの力感度についての具体的な記載がな
い。常識的に考えれば、操作者の身体機能低下の程度に
応じて感度を設定することになる。そしてその感度は力
の方向に係りなく一定である。ところが筋力等の身体機
能が低下した高齢者や障害者が動かすことができる範囲
は限定され、可動範囲内でも動作する位置や方向によっ
て発生することができる力は異なることが多く、動くこ
とができる全ての作業空間において高齢者や障害者が思
い通りの方向に必要な力を出して上肢を動かせるとは限
らないので、力の方向や作業位置に関係なしに一定感度
で補助力を発生するのでは、作業実行に必要なマニピュ
レーション動作を確実に行うことが困難であるという問
題があった。

【０００５】本発明の目的は、筋力等の身体機能が低下
した高齢者や障害者等の操作者の、身体の詳細な動作特
性に応じた補助を行い、操作者の負担を軽減して作業空
間内で自分の身体能力を用いた正確なマニピュレーショ
ン動作を行うことができるマニピュレーション動作支援
装置及びその支援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】本発明は、操作者の操作
を行う体部位がその先端に装着されたマニピュレータ
と、操作者が前記体部位に発生した力の大きさと方向を
計測する力センサと、この力センサにより計測された力
の情報に基づいて前記マニピュレータの動作を制御する
制御手段とを備えたマニピュレーション動作支援装置に
おいて、操作者が空間内の各位置において前記体部位か
ら空間内の各方向への力を発生したときの前記力センサ
により計測された力の大きさを入力とし、この力の、作
業に必要な力に対する比から、空間内の各方向の力感度
を前記各位置ごとに求める動作特性計測手段と、この手
段により計測された操作者の動作特性を格納する記憶手
段と、ある作業位置での作業実行時に操作者が前記体部
位から力を発生したときに、前記力センサにより計測さ
れた力の方向に対応する前記作業位置の力感度を前記記
憶手段から読み出し、この力感度を前記力センサにより
計測された力の大きさに乗じた力が当該作業位置で前記
計測された力の方向に発生するようにするためのマニピ
ュレータへの指令値を生成し、この指令値を前記制御手
段へ出力する指令値生成手段と、を備えたことを特徴と
するマニピュレーション動作支援装置を開示する。

【０００７】更に本発明は、上記において前記体部位の
位置検出手段を設け、前記動作特性計測手段による動作
特性計測時の前記体部位の位置及び前記作業実行時の前
記体部位の位置を前記位置検出手段により検出するよう
に構成したことを特徴とするマニピュレーション動作支
援装置を開示する。

【０００８】更に本発明は、操作者の操作を行う体部位
をマニピュレータの先端に装着して操作者の操作を支援
するようにしたマニピュレーション動作支援方法におい
て、操作者がその体部位から空間内の各方向へ発生でき
る力を作業位置ごとに計測し、作業位置ごとの各方向に
必要とする作業力に対する比を力感度として求めて記憶
手段に格納しておき、作業実行時には、前記体部位が発
生した力の方向と大きさを計測し、その力の方向と作業
位置に対応する力感度を前記記憶手段から読み出して前
記計測した力の大きさに乗じ、この結果得られた力が当
該作業位置で前記計測された方向へ発生するようにマニ
ピュレータを制御するようにしたことを特徴とするマニ
ピュレーション動作支援方法を開示する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。図１は本発明になるマニピ
ュレーション動作支援装置の構成例を示す図で、作業台
１に設置されたマニピュレータ５の先端に力センサ４が
取り付けられている。この力センサ４と操作者の手首に
装着された接続手段３は接続されている。

【００１０】力センサ４は、接続手段３を介して作用す
る操作者２の上肢の力を検出する３軸もしくは６軸の力
センサである。また、マニピュレータ先端を任意の空間
位置へ移動させるためには少なくとも３自由度が必要で
あり、さらにその先端の姿勢を任意に変えるためにはさ
らに３自由度が必要である。（社団法人電子通信学会編
「ロボット工学とその応用」第２章参照）従って、マニ
ピュレータ５の自由度は６自由度が望ましい。

【００１１】第１のカメラ６と第２のカメラ７は操作者
２の手首に取付けた接続手段３が常に視野に入るように
設置されており、これらのカメラ６、７は接続手段３を
マーカとして手首の動きを撮像し、その画像を計測手段
８へ送る。計測手段８は、この入力画像を解析し、マー
カ位置を検出する機能を持っている。本発明では、実際
の作業に先立って操作者２の動作特性を計測するが（詳
細は後述）、計測手段８は、この動作特性測定時には、
マニピュレータ５の先端に作用する力の情報が制御手段
１１から入力され、これとカメラからの画像情報を解析
して得られる操作者２の手首の位置とから、マニピュレ
ータ５の先端に作用する力の状態に応じた操作者２の動
作特性を計測する。この計測結果は記憶手段９へ格納さ
れる。

【００１２】指令値生成手段１０は、作業実行時にその
ときのマニピュレータ５の先端の位置や作用する力の状
態に合わせて、補助すべき力を記憶手段９に格納された
動作特性から求め、マニピュレータ５の各関節の動作指
令値を生成して制御手段１１へ出力し、制御手段１１は
この動作指令値に基づいて、マニピュレータ５の各関節
角度の情報や力の情報を用いてマニピュレータ５の位置
制御、速度制御もしくは力制御を行う。コンソール１４
は、キーボード／マウス等の入力手段、表示手段を備え
た制御装置で、上記各手段を介助者の指示に従って制御
する。ここでマニピュレータ先端位置は、前述した計測
手段８による画像解析結果から得るものとする。

【００１３】図２は、図１の装置の動作を示すフローチ
ャートである。本装置は、前述のように実際の作業支援
動作に先立って、操作者の動作特性を計測手段８により
計測する機能を備えている。ここで計測される動作特性
は、各作業位置に於る操作者の各方向への作業能力、即
ち手首の空間位置ごとの移動速度／発生可能な力の三次
元特性である。そこで図２の処理では、操作者はその手
首に接続手段３を装着している状態でスタートし、まず
上記動作特性の測定を行うか否かを介助者に問う（ステ
ップ２０１）。この測定は、一度行えば操作者の能力の
変化、作業環境や作業対象等々の変化がなければ作業ご
とに行わなくてもよい。ここで動作測定を行うよう（キ
ーボード／マウス等で）指示されたときは、測定条件を
設定する（ステップ２０２）。この測定条件は、少なく
とも作業位置、作業方向を含み、この他に目標位置や望
ましい力の大きさ等の指示（"思い切って"、"軽く"等）
を含んでよい。これら測定条件は、動作の変化点や作業
開始と目標の位置、方向等、作業実行内容から定められ
る。そしてこの測定条件設定は、介助者により入力設定
してもよいし、予めテーブル化したものを順次自動的に
読み出して設定するようにしてもよい。

【００１４】測定条件が与えられると、制御手段１１の
制御により、マニピュレータ５の先端を設定された作業
位置へ移動する（ステップ２０３）。これにより、接続
手段３を介して所定の位置に操作者の手首が移動する。
次に、介助者の指示、あるいは図示省略した表示手段に
より設定された測定条件が操作者２に示され、この指示
に従って操作者２が図１の矢印で示すように前後、左
右、あるいは上下などの１つの方向に上肢を動作させる
と、計測手段８がその動作特性を測定する（ステップ２
０４）。この動作では測定条件に応じて例えば、マニピ
ュレータ５の位置を固定して操作者２が上肢を動かした
り、マニピュレータ５を操作者２の上肢の動きに合わせ
て移動したりする。このとき、計測手段８はマニピュレ
ータ５の位置を固定したときの上肢が発生する力を接続
手段３を介して力センサ４で測定したり、力センサ４に
加わる力が０になるようにマニピュレータ５を移動させ
たときの位置情報をカメラ６及びカメラ７で取り込み、
操作者２の動作特性を測定する。この測定結果は記憶手
段９へ格納される（ステップ２０５）。

【００１５】ここで計測され、記憶手段９へ格納される
動作特性は例えば図３のようなものである。この例では
作業位置Ｐ１に於る２つの作業方向θ１、θ２、及び作
業位置Ｐ２に於る作業方向θ３に対する操作者の力Ｆ
１、Ｆ２、Ｆ３が計測され、さらに作業内容に応じて必
要な力はわかっているから、そのために操作者の力に対
して何倍くらいの力を発生すればよいかを示す力感度ａ
１，ａ２，ａ３が算出され、格納されている。そしてこ
の図３の１つのレコード（横１列のデータ）が１つの測
定条件下での測定結果である。記憶手段９としては本装
置内にハードディスクなどの内蔵記憶装置としてもよい
し、ネットワークを介して離れた位置にある記憶手段を
利用してもよい。

【００１６】以上で１つの測定条件下での測定が終わる
と、位置、方向等を変更した別の測定条件での測定を行
うときは（ステップ２０６でＹｅｓ）、ステップ２０２
へ戻り、測定終了のときは作業を行うかを介助者又は操
作者が判断する（ステップ２０７）。作業実行時には、
作業位置へ手首を移動させたのち、操作者２が上肢を動
かして手首を移動したとき、接続手段３に加えられた力
が力センサ４で検出されるから（ステップ２０８）、指
令値生成手段１０は、制御手段１１からのマニピュレー
タ５の先端の位置情報と、力センサ４が検出した力の情
報（大きさ、方向）と記憶手段９に格納された動作特性
に基づいて、操作者２が手首を動かしたい方向に検出し
た力に応じて動かすためのマニピュレータ５の指令値を
生成する（ステップ２０９）。例えば、現在の作業位置
で操作者２が前後方向には上肢を動かして力を発生し易
く、上下方向には上肢を動かすのが困難で力を発生しづ
らいとすれば、前記計測動作により前後方向の力感度は
小さく、上下方向の力感度は大きい値が動作特性として
記憶手段９に格納されているので、操作者２が発生した
力に対して前後方向には小さい感度を乗じた力を、上下
方向にはより大きい力感度を乗じた力を発生するような
指令値が生成される。

【００１７】制御手段１１は、指令値生成手段１０が生
成したマニピュレータ５の指令値に基づいてマニピュレ
ータ５を制御して移動させ、操作者２の上肢を動作させ
ることによりマニピュレーション動作を支援する（ステ
ップ２１０）。このときの力制御は、例えば「ロボット
モーション：計画と制御」（花房秀朗監訳、ホルト・サ
ウンダース・ジャパン発行）のコンプライアンス編に記
載されているような、位置と力のハイブリット制御によ
り行えばよい。上記のステップ２０８〜２１０は、作業
が終了するまで繰り返される（ステップ２１１の判
断）。これらの処理や指示はコンソール１４を用いて行
われる。

【００１８】以上に述べた図１の装置によれば、操作者
の手首位置での力の補助を、その位置及び方向ごとに予
め計測した動作特性に基づいて行え、操作者の負担をよ
り確実に軽減して作業を実行することができるという効
果がある。なお、図１では、接続手段を操作者の手首に
取り付けるものとしたが、これは前腕部でも肘でも良
く、操作者のマニピュレーション動作を補助できればど
の位置であっても良い。また、カメラは２台としたが、
これに限るものではなく、接続手段３をマーカとして空
間的な動きを撮影した画像に基づいて計測できれば、１
台でも３台以上でも良い。また、マニピュレータ５の各
関節角度は制御手段１１内に情報として存在しているか
ら、この情報からマニピュレータ先端位置を求めるよう
にしてもよく、この場合にはカメラは不要でカメラの視
野も考慮する必要がなく、また安価な構成が可能とな
る。また、上肢に振えがある場合などは、従来技術と同
様にして動作特性測定時にその振えなどを検出して振え
の成分をキャンセルするような動作指令値を生成し、マ
ニピュレータを制御すれば良い。

【００１９】図４は、操作者２が作業ツール１２、例え
ば、電動工具などを持ち、作業の対象物１３に対して、
例えばボルト締めなどの作業を行う場合を示している。
測定手段等の構成と動作は図１と同じである。図１では
操作者は何も持っていない場合を示していて、従って動
作特性の計測時は負荷のかかっていない状態での測定で
あったのに対し、図４のように動作特性測定時に作業ツ
ール１２を持った状態でも特性を測定するようにすれ
ば、作業実行時には操作者が実際に使用する作業ツール
を持った状態の動作特性に合わせて、ツール１２の移動
や保持などのマニピュレーション動作を支援することが
できるので、操作者の負担を軽減して確実に作業を実行
することができるという効果がある。

【００２０】図５は、図１、図４に示した接続手段３が
操作者の手首に装着するものであったのに対し、手袋式
接続手段３１を用いている点が異なっており、他は同様
である。操作者２は手袋式接続手段３１を介して作業ツ
ール１２、例えば、電動工具などを持ち、作業の対象物
１３に対して例えば、ボルト締めなどの作業を行う。こ
の場合、動作特性測定時には作業ツール１２を持たない
状態で特性を測定したり、作業ツール１２を持った状態
で特性を測定し、作業実行時には作業ツール１２の重さ
に応じた補正を加えながら、上肢の動作を支援するよう
にする。この手袋式接続手段３１を用いる場合は、操作
者の手全体で発生する力を検出することができるので、
手の細かい動作に合わせて力を補助しながらマニピュレ
ーション動作を支援することができ、操作者の負担を軽
減して正確に作業を実行することができるという効果が
ある。

【００２１】なお、以上ではマニピュレータを用いて作
業の実行を支援するものとしたが、測定した動作特性に
基づいて操作者に適度な負荷を掛けるようにマニピュレ
ータを動作させても良い。例えば、上腕を上下に動かし
にくい操作者に対しては、上下方向の移動の力感度を小
さくして、移動するために必要な力を動作特性から求ま
る力よりも大きくする。このように訓練する必要がある
方向の感度を変更することにより、本発明の装置を作業
のトレーニング装置として用いることもできる。また、
以上では操作者の上肢による作業支援について説明した
が、これは下肢その他の体部位でも適用できることは明
らかである。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、筋力等の身体機能が低
下した高齢者や障害者の身体の動作特性に応じた補助を
行い、高齢者や障害者が作業空間内で自分の身体能力を
用いて正確にマニピュレーション動作を行うことができ
るので、高齢者や身障者の身体能力を維持しながら負担
を軽減してマニピュレーション作業を確実に実行するこ
とができる。また、本発明をトレーニングに用いれば、
高齢者や身障者の身体の動作特性に適したトレーニング
を行える効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になるマニピュレーション動作支援装置
の構成例を示すブロック図である。

【図２】図１の装置の動作を示すフローチャート図であ
る。

【図３】動作特性の例である。

【図４】図１の装置に於て、操作者が作業ツールを操作
している状態を示す図である。

【図５】操作者の手に手袋式接続手段を用いたときの作
業状況を示す図である。

【符号の説明】

１ 作業台 ２ 操作者 ３ 第１の接続手段 ４ 力センサ ５ マニピュレータ ６ 第１のカメラ ７ 第２のカメラ ８ 計測手段 ９ 記憶手段 １０ 指令値生成手段 １１ 制御手段 １２ 作業ツール １３ 対象物 １４ コンソール ３１ 第２の接続手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小関 篤志 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所 (72)発明者 根本 泰弘 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所 Ｆターム(参考） 3C007 AS35 BS09 JT08 KS33 KT02 KT06 KT17 KX06 LT06 LU06 MT11

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 操作者の操作を行う体部位がその先端に
   装着されたマニピュレータと、操作者が前記体部位に発
   生した力の大きさと方向を計測する力センサと、この力
   センサにより計測された力の情報に基づいて前記マニピ
   ュレータの動作を制御する制御手段とを備えたマニピュ
   レーション動作支援装置において、 操作者が空間内の各位置において前記体部位から空間内
   の各方向への力を発生したときの前記力センサにより計
   測された力の大きさを入力とし、この力の、作業に必要
   な力に対する比から、空間内の各方向の力感度を前記各
   位置ごとに求める動作特性計測手段と、 この手段により計測された操作者の動作特性を格納する
   記憶手段と、 ある作業位置での作業実行時に操作者が前記体部位から
   力を発生したときに、前記力センサにより計測された力
   の方向に対応する前記作業位置の力感度を前記記憶手段
   から読み出し、この力感度を前記力センサにより計測さ
   れた力の大きさに乗じた力が当該作業位置で前記計測さ
   れた力の方向に発生するようにするためのマニピュレー
   タへの指令値を生成し、この指令値を前記制御手段へ出
   力する指令値生成手段と、 を備えたことを特徴とするマニピュレーション動作支援
   装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のマニピュレーション動
   作支援装置において、前記体部位の位置検出手段を設
   け、前記動作特性計測手段による動作特性計測時の前記
   体部位の位置及び前記作業実行時の前記体部位の位置を
   前記位置検出手段により検出するように構成したことを
   特徴とするマニピュレーション動作支援装置。
3. 【請求項３】 操作者の操作を行う体部位をマニピュレ
   ータの先端に装着して操作者の操作を支援するようにし
   たマニピュレーション動作支援方法において、 操作者がその体部位から空間内の各方向へ発生できる力
   を作業位置ごとに計測し、作業位置ごとの各方向に必要
   とする作業力に対する比を力感度として求めて記憶手段
   に格納しておき、 作業実行時には、前記体部位が発生した力の方向と大き
   さを計測し、その力の方向と作業位置に対応する力感度
   を前記記憶手段から読み出して前記計測した力の大きさ
   に乗じ、この結果得られた力が当該作業位置で前記計測
   された方向へ発生するようにマニピュレータを制御する
   ようにしたことを特徴とするマニピュレーション動作支
   援方法。