JP2008279838A - 全方向移動型パワーアシスト装置および全方向移動型パワーアシスト装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
操作者が操作力を加えるとき、装置の重心位置の認識に個人差があること及び力をセンサに対して人間の意思の通り正確に加えることできないことなどにより、操作者が意図していない方向に装置が動作してしまうという問題を解決した全方向移動型パワーアシスト装置およびその技術を提供する。
【解決手段】
操作者が真に操作させたい方向を入力するタッチパネルと、それを教師信号として装置の操作方向を推論する方向推論部から構成することで上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーアシストを利用した車輪駆動装置の操作性向上を図る装置およびその制御方法に関するものである。

パワーアシストとは、操作者が物体を移動しようとする際、操作する力に基づいて駆動力を発生させ、操作者の負担を軽減する技術である。

わが国では、全人口あたりの６５歳以上の割合が急増し、高齢化社会が進行しており、介護者の負担を軽減する車椅子の開発などが求められている。そのような中、パワーアシストを車輪駆動に利用した装置は、人力を補助して、重い物や人などを乗せて移動できる特徴から、車椅子など介護の分野で広く使用されている。

特許文献１は、操作者が操作する力を元に駆動力を計算するパワーアシスト装置を備え、全方向に移動できる台車である。

特許文献２は、車体に設けられた介助用の手押しハンドルとモータの駆動によって動作するパワーアシスト技術を利用した車椅子であり、操舵用のバーハンドルの高さ調整可能とし、操作性を向上させたものである。

特許文献３は、作業者の好みに応じて、作業者が体感する仮想質量、仮想粘性係数、仮想ばね定数を変更することで、快適にパワーアシスト装置を用いた作業を行うことができるパワーアシスト装置である。
特開２００１−２３３２１９公報 特開２００２−１５３５１７公報 特開２００５−１５４０４７公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２、特許文献３では、パワーアシスト技術を用いて操作者が操作力を加えるとき、装置の重心位置の認識に個人差があること及び力をセンサに対して人間の意思の通り正確に加えることできないことなどにより、操作者が意図していない方向に装置が動作してしまうという課題を抱えている。

本発明では、パワーアシストを利用した車輪駆動装置の操作者が操作するときの癖にあわせて動作方向を推論することでユーザーフレンドリなパワーアシスト装置を提供することを課題とする。

また、上記のようにパワーアシストを利用した車輪駆動装置の動作方向を推論するとき、操作者が自らの意思を推論部に伝えるための分かりやすいインターフェイスを兼ね備えた装置を提供することも課題となる。

以上の課題を解決するため、本発明者は鋭意検討を重ねた結果、次の発明を完成させるに至った。

第一の発明は、パワーアシスト技術を利用する車輪駆動装置において、操作を行う者が所望する装置の動作方向を装置に伝達するためのインターフェイスとインターフェイスから伝達された動作方向を教師信号として装置の動作方向の推論を行う方向推論部を備えることを特徴とする装置である。

第二の発明は、前記方向推論部がファジィニューラルネットワークを用いて装置の動作方向を推論することを特徴とする第一の発明に記載の装置である。

第三の発明は、前記インターフェイスが情報入力と装置の軌跡情報表示を行うための画像表示部と画像表示部から入力された情報を方向情報へ変換し、方向推論部へ情報を伝達する情報変換部からなることを特徴とする第一の発明または第二の発明に記載の装置である。

第四の発明は、パワーアシスト技術を利用する車輪駆動装置の制御方法において、使用者が所望するパワーアシスト装置の動作方向を教師信号として装置の動作方向の推論を行うことを特徴する方法である。

第五の発明は、前記動作方向の推論が、ファジィニューラルネットワークを用いて行うことを特徴とする第四の発明に記載の方法である。

第六の発明は、前記発明において、使用者が所望する装置の動作方向を、画像表示装置から入力し、その入力情報を教師信号として与え、さらに実際に装置が動作した軌跡を表示することを特徴とする方法である。

上記本発明の装置および方法によれば、インターフェイスを通じて、操作者が所望する動作方向を方向推論の教師信号として与え、これをもとに操作者が真に操作したい方向を学習することで、個人の癖により操作者が意図しない動作方向に装置が動くことを防ぐことができる。

次に、本発明の実施形態について説明するが、本発明の技術的範囲は、これらの実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更することなく様々な形態で実施することが出来る。

本発明の実施形態の一様は、図１のように、操作者の操作力を検出し、これを操作速度に変換するパワーアシストコントローラ、操作者の動作方向を方向推論部に伝達するためのインターフェイスであるタッチパネル、パワーアシストコントローラより入力された動作速度の方向をタッチパネルよりの教師信号を元に、ファジィニューラルネットワークを用いて推論する方向推論部、そして、装置が動作するときの振動を抑えるための制振部、そして実際の車輪部からなる。

以下、詳細な説明を行う。図１記載のパワーアシストコントローラは、数１のような操作者が加えた操作力を速度に変換する。ここで、ｆｘはｘ軸方向の操作力、ｆｙはｙ軸方向の操作力を示し、ｍｚはｚ軸周りに操作するモーメントを示す。

このとき、パワーアシスト手法として、力に比例した速度を発生させるような、速度制御手法を用いることが望ましい。これは、搭乗者の負荷が変化しても加えた力に応じた速度を得ることができ、操作者が同じ操作力で操作できるからである。また、このような速度制御手法を用いると、斜面においても、力を加えなければ速度指令値が零であるため、車輪がロックされることにより、重力により滑り落ちることは無いという利点もある。

操作力から装置の速度に変換する際、ニュートンの第二法則から明らかなように、操作力は加速度に対応しており、歩行による振動や手振れなど押す力が振動的であることは当然であるといえる。装置は速度制御を行っているため、パワーアシストコントローラには積分要素が必要である。単純な積分のみのコントローラの場合、操作者が操作力を加えている途中で手を離したときに、その瞬間の速度指令値を保持してしまい、動作し続けてしまう。そのため、加速度に比例する項、即ち速度に粘性特性を持たせることにより、介助者が手を離したとき、自然に停止するようにする。

上記を満たす、質量をｍ、粘性摩擦係数をｃとおき、 Ｘ軸方向の力ｆｘ［Ｎ］からＸ軸方向の速度ｖｘ^Ｐ［ｍ／ｓ］、Ｙ軸方向の力ｆｙ［Ｎ］からＹ軸方向の速度ｖｘ^Ｐ［ｍ／ｓ］、Ｚ軸周りのモーメントｍｚ［Ｎｍ］からＺ軸周りの角速度ω^Ｐ ［ｒａｄ／ｓ］を求めるパワーアシストコントローラは、ラプラス変換したｓ領域で以下のように表される。

ここで、Ｋαはα軸方向のゲイン、Ｔαはα軸方向のコントローラの時定数を示す。

図１記載のタッチパネルは、情報入力と軌跡出力用の画像表示装置と入力された情報を方向推論部へ伝達する装置からなるものであり、操作者が操作したい意思を方向推論部に教師信号として伝達するインターフェイスである。さらに、このとき、装置が実際に動作した軌跡を表示できる機能が備わっていれば望ましい。インターフェイスとしては、例えば、キーボードとディスプレーの組み合わせなど他の意思伝達ができるデバイスであれば、この限りではない。しかしながら、タッチパネルは、以下の理由からもっともふさわしい意思伝達デバイスであると考える。
（１）
視覚的に意思データを与えることが可能である。
（２）
意思入力を促すＧＵＩ（Graphical User Interface）を作成するのみでインターフェイスが構築できる。
（３）
装置が実際に動作した軌跡の表示が可能である。

タッチパネルでは、並進移動での角度の指定、右回転、左回転を指示できるようにする。
例えば、並進移動データ取得モードに設定し、チューニングしたい角度を与えたい場合は、タッチパネル画面上の部分をタッチすることにより、操作したい角度の大きさをグラフィカルに表示し、操作者に対してすぐに与えた角度を確認できるようにする。

また、左右回転を指示する場合は、どちらの方向に回転させればよいか確認できるようにグラフィカル表示し、容易にデータ取得できるように構成する。

図１記載の方向推論部は、操作者が真に操作したい方向を推論するためのものであり、望ましくは、ファジィニューラルネットワークを用いて行う。この方向推論部が必要な理由は、以下の通りである。

方向推論を行わず、パワーアシストを用いて装置を並進移動（左真横並進移動）させる場合を考える。このとき、人間は実際に装置のパワーアシストを行う際、装置の重心を動かしたい方向に力を加えようとする。重心位置の認識は人間によって異なり、装置を動かしながら探っていくことにより見つける。従って、力の加え始めは個人の感覚で重心位置を決定し、力を加えるため、装置の重心位置とセンサの中心軸がずれていると、センサに人間の意図しない入力（左真横方向の力と左回転モーメント）が入り、これが操作性の劣化を招く。ここで、右手の操作力をｆ_Ｒ［Ｎ］、左手の操作力をｆ_Ｌ［Ｎ］、センサ中心とハンドグリップまでのＸ軸方向の距離をＬ_１［ｍ］、センサ中心とハンドグリップまでのＹ軸方向の距離をＬ_２［ｍ］、装置重心からハンドグリップまでのＸ軸方向の距離をＬｏｍｗとすると、（ｆ_Ｒとｆ_Ｌは同じ大きさとしている）において、装置重心に作用する力Ｆｏｍｗは、下記のようになる。

ここで、ｆｘｏｍｗは装置重心に作用するＸ軸方向の力［Ｎ］、ｆｙｏｍｗはＯＭＷ重心に作用するＹ軸方向の力［Ｎ］、ｍｚｏｍｗはＯＭＷ重心に作用するＺ軸周りのモーメント［Ｎｍ］であり、Ｙ軸方向にのみ力が作用していることがわかる。また、センサ中心に作用する力Ｆｓｅｎｓｏｒは、以下のようになる。

ここで、ｆｘはセンサ中心に作用するＸ軸方向の力［Ｎ］、ｆｙはセンサ中心に作用するＹ軸方向の力［Ｎ］、ｍｚはセンサ中心に作用するＺ軸周りのモーメント［Ｎｍ］であり、人間の意思と反するｍｚがセンサに入力されてしまうため、操作性が悪化することがわかる。

また、右回転の場合も装置の重心位置を右回転させようとハンドルに力を加えるため、センサには左真横方向の力と右回転モーメントが入力され操作性の劣化を招く。

以上のことから、方向推論を用いて、人間が意図したパワーアシスト動作になるように推論を行う必要がある。

方向推論部は、ファジィ推論で記述されることが望ましい。これは、経験的な知識をｉｆ−ｔｈｅｎ形式のように言語表現として扱えること、知識を並列に配置することが可能なこと、
ルールの前件部とは必ずしも一致しない事実から結論を導くことが可であること、曖昧な表現が可能であること、必ずしも理論的に厳密でなくても可であることなどの利点があるためである。

本発明に好適なファジィ推論は、図２に示すｉｆ−ｔｈｅｎルールで記述される。なお、図２において、ｆ_Ｒは右手操作力［Ｎ］、ｆ_Ｌは左手操作力［Ｎ］、ｆｘはＸ軸方向の操作力［Ｎ］、ｆｙはＹ軸方向の操作力［Ｎ］、ｍｚはＺ軸周りのモーメント［Ｎｍ］、ｖｘ^Ｐはパワーアシストコントローラにより生成されたＸ軸方向の速度指令値［ｍ／ｓ］、ｖｙ^Ｐはパワーアシストコントローラにより生成されたＹ軸方向の速度指令値［ｍ／ｓ］、ω^Ｐはパワーアシストコントローラにより生成されたＺ軸周りの角速度指令値［ｒａｄ／ｓ］、ｖｙ^Ｆは方向推論より生成されたＹ軸方向の速度指令値［ｍ／ｓ］、ω^Ｐは方向推論により生成されたＺ軸周りの角速度指令値［ｒａｄ／ｓ］をそれぞれ表わしている。

ファジィ理論を使って方向推論を行う場合、ファジィ集合への帰属度を示すメンバーシップ関数をどのように構築するかが重要となる。メンバーシップ関数は、操作者の個人の特性に影響されるので、各個人ごとに最適なものにチューニングする必要がある。本発明の発明者らは、以下のようなファジィ理論を用いた方向推論方法を考案した。まず、ファジィ推論における前件部メンバーシップ関数を以下のように表す。

数５のａ１、ｃ１、ａ２、ｃ２の４つのパラーメータを変更するだけで、正、０、負の関数の形状をあらわすことができる。

また、ファジィ推論部の後件部のメンバーシップ関数を以下のようにする。なお、このメンバーシップ関数に関するテーブルを図３、４、５に示す。

前件部の４つのパラメータと後件部のＡ、Ｂ、Ｃのパラメータを、タッチパネルより入力された操作者が真に操作したい方向を教師信号として、図６に示すニューラルネットワークを用いて学習することで、操作者の意思を反映した最適な操作方向のファジィ推論を実現した。ニューラルネットワークは、バックプロパゲーション型であり、出力部は最小二乗法で行っている。

図１に示す制振部は、ＨＳＡコントローラから構成され、これは、本発明者らにより、考案されたハイブリッド整形法に基づいて設計されている。制振部を設けることで、装置が動作するときに発生する不快な振動を抑制し、よりユーザにやさしいパワーアシスト装置を実現できる。これは、特に介護分野において重要となる。

制振部に使用されているアルゴリズムは本発明者らの先行研究である特許文献４や非特許文献１と同じものを使用しているが、このアルゴリズムをパワーアシスト装置に適用したのは、初めての試みである。このアルゴリズムは、
（１）
コントローラの選択
（２）
設計仕様の定式化
（３）
最適化問題の定式化
（４）
コントローラの算出
からなる。
特開２００２−３５１５５１公報 "時間、周波数仕様を考慮したハイブリッド整形法による制振起動制御"，矢野賢一、小黒直樹、寺嶋一彦、計測自動制御学会論文Ｖｏｌ３７，Ｎｏ５，２００１

以下、制振部におけるアルゴリズムの各ステップに関する説明を行う。前記、（１）コントローラの選択のステップは、比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲイン、ローパス特性、ハイパス特性、ノッチ特性、バンドパス特性など付加したい特性を元にコントローラを選択する。

前記、（２）設計仕様の定式化のステップでは、時間領域および周波数領域での設計仕様をペナルティ関数により表現する。

前記、（３）最適化問題の定式化のステップでは、ペナルティ項を加えた制約付の最適化問題を定式化する。

前記、（４）コントローラの算出のステップでは、得られた最適化問題をシンプレックス法を用いて解き、コントローラのパラメータを決定する。

図１に示す車輪部は、車輪とその速度検出装置（６軸力覚センサなど）、および操舵用のハンドルからなる。

本発明を実施例にもとづき更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

本発明を全方向車椅子に適用し、ファジィ推論を用いて方向推論を行うとき、特定の人のメンバーシップ関数のパラメータをニューラルネットワークで学習させ、他の人に用いたときの操作特性の結果を図７に、斜め上45度に動作させたい場合についてファジィ推論を用いて方向推論を行うとき、個人ごとにメンバーシップ関数のパラメータをニューラルネットワークで学習させたときの操作特性の結果を図８に示す。

結果から、本発明の特性である、個人ごとにファジィパラメータをチューニングした図８のほうが、操作特性がよいことが分かる。また、左右並進、直進、回転などの数条件を学習させるのに、５分程度で実行でき、その後は、構築されたコントローラで、操作者が自分の癖で運転しても、操作者の意思通り動くので実用的である。

パワーアシスト装置は、車椅子などの介護の分野で今後、需要が広がることが確実である。介護の分野で使用される装置に要求されるのは、被介護者に優しく、また、介護者の負担を少なくすることである。その意味で、本発明は、介護者である操作者の個人特性を加味して、装置を動作させたい方向に動かすことを可能にし、さらに、被介護者に不快にならないよう動作時の振動を抑えることも行う点から、介護分野での普及が見込まれる。

本発明の概念図を示す。 方向推論をファジィ推論を用いて行う場合のｉｆ−ｔｈｅｎルール 方向推論をファジィ推論を用いて行う場合のｘ方向速度のメンバーシップ関数 方向推論をファジィ推論を用いて行う場合のｙ方向速度のメンバーシップ関数 方向推論をファジィ推論を用いて行う場合の回転方向のメンバーシップ関数 ファジィニューラルネットワークのブロック図 特定の人に最適チューニングしたパラメータを他の人に用いたときの操作結果 各個人ごとにチューニングしたパラメータを利用したときの操作結果

符号の説明

なし

Claims (6)

1. パワーアシストを利用した車輪駆動装置において、操作を行う者が所望する装置の動作方向を装置に伝達するためのインターフェイスとインターフェイスから伝達された動作方向を教師信号として装置の動作方向の推論を行う方向推論部を備えることを特徴とする装置。
2. 前記方向推論部がファジィニューラルネットワークを用いて装置の動作方向を推論することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記インターフェイスが情報入力と装置の軌跡情報表示を行う画像表示部と画像表示部から入力された情報を方向情報へ変換し、方向推論部へ情報を伝達する情報変換部からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
4. パワーアシストを利用した車輪駆動装置の制御方法において、使用者が所望する装置の動作方向を教師信号として装置の動作方向の推論を行うことを特徴する方法。
5. 前記動作方向の推論が、ファジィニューラルネットワークを用いて行うことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 使用者が所望する装置の動作方向を、画像表示装置から入力し、その入力情報を教師信号として与え、さらに実際に装置が動作した軌跡を表示することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の方法。
   

Images