JP2009066669A - 動作支援装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】上肢の動作を動作支援時に、皿等の食器や、使用者へのマニピュレータの接触を回避し得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検出手段と、該上肢の位置を検出する第２検出手段とを有し、これら各検出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を備え、上肢の動作から生成される作動目標速度情報を、マニピュレータの作動空間内に存在する対象物とマニピュレータの作動方向との関係に応じて設定される複数の速度係数から、抽出された第２検出手段の検出に基づくマニピュレータの位置と作動目標速度情報とに対応する速度係数に基づいて補正してマニピュレータを作動させる作動速度情報を生成することで、該上肢の動作を好適に支援するようにした。
【選択図】図３

Description

この発明は、上肢に障害をもつ身体障害者や高齢者等の使用者の上肢動作を補助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。

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、上肢の動きを支援して、自力で食事等を行なえるようにした装置が知られている(例えば特許文献１)。
特開平１１−２５３５０４号公報

しかし、特許文献１に記載の発明では、使用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ているため、該上肢から加えられた力によって、皿等の食器にマニピュレータが接触して該食器をひっくり返したり、使用者自身にマニピュレータが接触して、適切な動作支援がなされず、使用者に不快感をもたらしてしまう問題を内在していた。

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、上肢の動作を動作支援時に、皿等の食器や、使用者へのマニピュレータの接触を回避し得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。

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上肢の位置に従って作動して、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において、
前記マニピュレータの作動に係る制御を行なう制御部を備え、
前記制御部は、
前記第１検出手段によって検出される上肢の動作に係る動作情報を、前記マニピュレータの作動目標速度を指示する作動目標速度情報に変換する変換手段と、
前記マニピュレータの作動空間内に存在する対象物とマニピュレータの作動方向との関係に応じて設定される複数の速度係数から、前記第２検出手段の検出に基づくマニピュレータの位置と前記作動目標速度情報とに対応する速度係数を抽出する抽出手段と、
前記変換手段で変換された作動目標速度情報を、前記抽出手段で抽出された速度係数に基づいて補正した作動速度情報により、マニピュレータを作動させる作動手段とを備えることを特徴とする。
従って、請求項１に係る発明によれば、使用者の上肢の動作に基づいて決定されるマニピュレータの作動速度情報を、対象物とマニピュレータの作動方向との関係に応じて設定された速度係数を用いて、マニピュレータの位置および作動方向に応じた作動速度に補正し、該補正後の作動速度によりマニピュレータを作動させるから、マニピュレータが対象物に接触しないように上肢の作動を支援し得る。

請求項２に記載の発明では、前記速度係数は、前記作動空間内に所定の間隔で離間する要素点毎に設定されていることを要旨とする。
従って、請求項２に係る発明によれば、マニピュレータの制御に必要な速度係数を、作動空間内に効率的に設定し得る。

請求項３に記載の発明では、前記速度係数は、前記マニピュレータの作動方向が対象物に向く場合には、前記要素点が対象物に近づくにつれて前記作動速度情報を低下させる値に設定されてい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、対象物に近づくにつれてマニピュレータの作動速度が低下するから、マニピュレータの対象物への接触を確実に回避し得る。

前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、請求項４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、前記マニピュレータの作動目標速度を指示する作動目標速度情報を生成する作動目標速度情報生成段階と、
前記マニピュレータの作動空間内に存在する対象物とマニピュレータの作動方向との関係に応じて設定される複数の速度係数から、前記第２検出手段の検出に基づくマニピュレータの位置と前記作動目標速度情報とに対応する速度係数を抽出する速度係数抽出段階と、
前記作動目標速度情報生成段階で生成された作動目標速度情報を、前記速度係数抽出段階で抽出された速度係数に基づいて補正することで、マニピュレータを作動させる作動速度情報を生成する作動速度情報生成段階とを有することを特徴とする。
従って、請求項４に係る発明によれば、使用者の上肢の動作に基づいて決定されるマニピュレータの作動速度情報を、対象物とマニピュレータの作動方向との関係に応じて設定された速度係数を用いて、マニピュレータの位置および作動方向に応じた作動速度に補正し、該補正後の作動速度によりマニピュレータを作動させるから、マニピュレータが対象物に接触しないように上肢の作動を支援し得る。

請求項４に記載の発明では、前記速度係数は、前記マニピュレータの作動方向が対象物に向く場合には、前記要素点が対象物に近づくにつれて前記作動速度情報を低下させる値に設定され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、対象物に近づくにつれて作動支援装置の作動速度が低下するから、該作動支援装置の対象物への接触を確実に回避し得る。

請求項５に記載の発明では、前記速度係数は、前記作動空間内に所定の間隔で離間する要素点毎に設定され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、マニピュレータの制御に必要な速度係数を、作動空間内に効率的に設定し得る。

請求項６に記載の発明では、前記速度係数は、前記マニピュレータの作動方向が対象物に向く場合には、前記要素点が対象物に近づくにつれて前記作動速度情報を低下させる値に設定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、対象物に近づくにつれてマニピュレータの作動速度が低下するから、該マニピュレータの対象物への接触を確実に回避し得る。

請求項７に記載の発明では、前記動作情報検出段階、作動目標速度情報生成段階、速度係数抽出段階および作動速度情報生成段階は、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７に係る発明によれば、上肢の動作を支援する動作支援装置の制御を緻密に実施してスムーズに作動させ得るから、上肢の動作を好適に支援し得る。

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、上肢の動作支援時に、速度係数を用いて動作支援装置の作動を制御するようにしたので、皿等の食器や、使用者へのマニピュレータの接触を回避し得る。

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器内に収納された食物を摂取する場合の上肢の動作を支援する例に挙げて説明する。また、以下の説明で「対象物」とは、本発明に係る動作支援装置のマニピュレータが作動可能な空間(以下、作動空間と云う)に位置する有体物を意味し、食器や使用者自身を包含する。更に、以下の説明で、「固定側」とはマニピュレータが固定されている根本側を、「先端側」とはマニピュレータの自由端側を夫々意味する。また更に、マニピュレータの位置および作動方向は、食事用器具(実施例ではスプーン)の先端に係る位置および該先端位置の作動方向を表すようにしている。

実施例に記載の動作支援装置(食事動作支援装置)１０は、図１に示す如く、６軸のマニピュレータ１２と、このマニピュレータ１２に配設される第１検出手段としての力覚センサ３０と、該マニピュレータ１２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の作動を制御する制御部４０とを備える。前記６軸のマニピュレータ１２は、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)変化が可能に構成されている。また、前記マニピュレータ１２の根本は、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。

実施例では、マニピュレータ１２の先端に配置されるスプーンＢや取付部３２が、使用者の上肢、具体的には手が接触する接触部Ａとなり、接触部Ａに対して作用させた力が力覚センサ３０で検出可能となっている。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。

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。

また各関節部１４,１６,１８,２０は、制御部４０から出力される作動速度情報ＶＩ(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,２０ａとを夫々備えている。このエンコーダ１４ａ,１６ａ,１８ａ,２０ａは、各関節部１４,１６,１８,２０の位置を検出して統合することで、スプーンＢの先端部分の位置を検出している。

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、各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,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,２０ａは、夫々前記制御部４０に接続されている。

前記先端部２８の先端に装着される取付部３２は、使用者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、該把持機構を用いてスプーンＢを容易に着脱可能に構成されている。なお、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。

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ものであり、前記制御部４０に接続されている。また、前記力覚センサ３０は、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。なお、重力補償を実施することで、前記接触部Ａ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、該接触部Ａの向きに関わらず使用者の上肢動作を検出するように構成されている。この力覚センサ３０で検出された力の大きさや方向は、該上肢の動作に係る情報(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、接触部Ａに対して作用する力を正確かつ精密に検出するため、配設位置については接触部Ａに近い位置ほど好適である。

前記制御部４０には、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,２０ａ、駆動モータおよび入力・出力手段４２が接続されている。前記入力・出力手段４２は、動作支援装置１０の作動に必要な制御プログラムおよび情報を外部とやり取りするための手段である。制御部４０内には、記憶部４４と演算部４６とが備えられている。前記記憶部４４は、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情報等を保持している。

前記記憶部４４が保持する初期情報としては、マニピュレータ１２の起動時における位置情報ＬＩ(後述)、作動空間内に存在する対象物Ｏと食器が載置されるテーブルとの位置情報、速度係数ＶＣ(後述)および作動目標速度情報ＴＶＩの大きさがある。また、制御部４０内に入力される各種情報の一時保持の機能も有する。前記演算部４６は、入力される各情報(信号)を制御プログラム等によって演算するための装置であり、変換手段４６ａ、抽出手段４６ｂおよび作動手段４６ｃ(後述)を備えている。

制御部４０は、マニピュレータ１２の作動を含む動作支援装置１０全体を制御している。具体的に制御部４０では、前記力覚センサ３０で検出した上肢の動作に基づいた動作情報ＭＩに応じてマニピュレータ１２の作動目標速度を指示する情報(以下、作動目標速度情報ＴＶＩと云う)を生成する処理が行なわれる(後述する作動目標速度情報生成段階Ｓ２)。また、制御部４０では、前記各エンコーダ１４ａ,１６ａ,１８ａ,２０ａにより検出される位置に係る情報(以下、位置情報ＬＩと云う)から、スプーンＢの先端の位置を検出すると共に、該置および該スプーンＢの先端の作動方向に対応する要素点Ｐの速度係数ＶＣを抽出する処理が行なわれる(後述する速度係数抽出段階Ｓ３)。更に、制御部４０では、作動目標速度情報ＴＶＩを速度係数ＶＣで補正したマニピュレータ１２を作動するための作動速度情報ＶＩを生成する処理が行なわれる(後述する作動速度情報生成段階Ｓ４)。

次に、動作支援装置１０の制御方法について、図３〜図６を用いて以下説明する。なお、制御部４０(記憶部４４)には、予め必要な初期情報が入力・出力手段４２から入力されているものとする。なお、実施例において動作支援装置１０は、電源投入時に使用者が食事が可能なように、該使用者に合わせて各アーム２２,２４,２６並びに先端部２８等を回動等させて所定の位置に位置決めされる。

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、作動目標速度情報生成段階Ｓ２、速度係数抽出段階Ｓ３および作動速度情報生成段階Ｓ４を有する。そしてこれら各段階Ｓ１〜Ｓ４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の作動がぎくしゃくしたものになってしまう。なお、各段階Ｓ１〜Ｓ４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。

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の接触部Ａに接触した上肢の動作に係る大きさおよび力の向きを検出し、該検出に基づく動作情報ＭＩを制御部４０に出力する段階である。また、前記作動目標速度情報生成段階Ｓ２は、前記動作情報検出段階Ｓ１で出力された動作情報ＭＩから、マニピュレータ１２におけるスプーンＢの先端位置の作動目標速度を指示する作動目標速度情報ＴＶＩを生成する段階である。実施例においては、動作情報ＭＩの大きさに関係なく、作動目標速度情報ＴＶＩが指示する作動目標速度が初期情報として予め記憶部４４に入力された数値となるように作動目標速度情報ＴＶＩが生成される。

前記速度係数抽出段階Ｓ３は、スプーンＢの先端の作動空間内に存在する対象物ＯとスプーンＢの先端の作動方向との関係に応じて設定される複数の速度係数ＶＣから、各エンコーダ１４ａ,１６ａ,１８ａ,２０ａが検出したスプーンＢの先端の位置に対応する要素点Ｐ(後述)において、該スプーンＢの先端の作動方向に対応する速度係数ＶＣを抽出する段階である。ここで作動方向は、前記作動目標速度情報ＴＶＩから導かれる。前記要素点Ｐは、図４に示す如く、前記マニピュレータ１２の作動空間を所要の間隔で離間する位置に設定される点であり、三次元的に整列した状態で設定されている。

ここで前記速度係数ＶＣは、作動空間内において対象物Ｏが存在する要素点ＰにスプーンＢの先端が移動しようとする場合に、要素点Ｐへの移動を防止するように作動目標速度情報ＴＶＩを補正するための係数である。すなわち、作動目標速度情報生成段階Ｓ２で生成された作動目標速度情報ＴＶＩを、速度係数ＶＣを利用するして補正することで、実施例に係る動作支援装置１０は、前記対象物ＯにスプーンＢの先端が接触しないように制御される。なお、実施例においては、テーブルは対象物Ｏとしてマニピュレータ１２せ制御することで、スプーンＢの先端にテーブルが接触しないようになっている。実施例では、作動空間内に設定される要素点Ｐ毎に、該要素点Ｐに対応した速度係数ＶＣが設定されている。

前記速度係数ＶＣは、要素点Ｐに対して具体的には以下のように設定される。先ずスプーンＢの先端の作動空間を定義し、該作動空間内に位置決めされる対象物Ｏの存在状態を表す環境マップを作製する。この環境マップは、各要素点Ｐ毎に対象物Ｏが存在するか否かを表している。実施例において要素点Ｐは、作動空間内の縦・横・高さ方向に０.０２ｍｍの間隔で離間して設定される。すなわち、環境マップには、前記作動空間内に整列して配置される要素点Ｐの離間間隔である０.０２ｍｍを最小単位として対象物Ｏが存在するか否かの情報が示される。

ここで各要素点Ｐ間の間隔である０.０２ｍｍは、対象物Ｏの形状等に左右されずに対象物Ｏが存在するか否かの設定が可能な数値である。この要素点Ｐ間の間隔が、０.０５ｍｍを超えると、対象物Ｏが作動空間内に存在するか否かを表す情報の間隔が粗くなるため、速度係数ＶＣによる作動目標速度情報ＴＶＩの好適な補正が困難となる。一方、０.０２ｍｍを下回ると、対象物Ｏが作動空間内に存在するか否かを表す情報が精密になされるため、作動目標速度情報ＴＶＩの速度係数ＶＣによる補正は緻密になるが、マニピュレータ１２の作動に関して扱う情報量が増大するため、高性能なＭＰＵや、大容量の記憶部４４が必要となったり、ＭＰＵの性能が充分でなければマニピュレータ１２の作動に係る制御遅れを発生させてしまう。

そして、前記環境マップを基に、前記作動空間における各要素点Ｐ毎に対応して速度係数ＶＣが設定された速度係数マップを生成する。
ここで、実施例では、速度係数マップは、前記環境マップに対応して、作動空間内に０.０２ｍｍ間隔で離間して設定される各要素点Ｐと、速度係数ＶＣとを関連付けたマップである。この速度係数マップ内における要素点Ｐの位置とが分かれば、該要素点Ｐに対応した速度係数ＶＣが特定される。そして、速度係数抽出段階Ｓ３では、この速度係数マップを利用することで、作動空間内に要素点Ｐに対応して複数設定されている速度係数ＶＣから、前記第２検出手段１４ａ,１６ａ,１８ａ,２０ａの検出に基づくスプーンＢの先端の位置に対応した要素点Ｐにおいて前記作動目標速度情報ＴＶＩに対応した速度係数ＶＣを抽出している。なお、前記環境マップからの速度係数マップの作製は、拡散方程式を用いたポテンシャル法(非特許文献１〜４参照)によって実施されている。
揚，山本，毛利：ポテンシャル関数を用いるマニピュレータの衝突回避軌道計画，日本機械学会論文集Ｃ編，６０−５７５, 2345/3816(1994) 岩田浩康，菅岩泰亮，中村卓磨，九谷俊行，菅野重樹，人間共存ロボットの抵触適応行動〜第２４報："ポテンシャル法による人間追従・作業遂行・環境回避の機能統御，"第２４回ロボット学会学術講演会３Ｋ１４，２００６ 橋本洋志，齋藤将人，佐々木智典，常山悌，竹田大祐："手のハプティックインタフェースによる障害物検知，"ロボティクス・メカトロニクス講演’０５ １Ｐ１−Ｎ−１０６，２００５ 楊向東，山本元司，毛利彰："ポテンシャル関数を用いるマニピュレータの衝突回避軌道計画，"日本機械学会論文集(Ｃ編)60 巻575号，1994

実施例において前記速度係数ＶＣは、スプーンＢの先端の作動方向が対象物Ｏに向く場合には、前記要素点Ｐが対象物Ｏに近づくにつれて、作動速度情報ＶＩをゼロ(「０」)に近づけるように設定される。具体的に速度係数ＶＣには、０〜１の間の値が設定されており、対象物Ｏが存在しない要素点ＰでスプーンＢの先端が作動する場合には速度係数ＶＣは１に設定され、スプーンＢの先端の作動方向が対象物Ｏに向かっている場合には、要素点Ｐが対象物Ｏに近づく程、該要素点Ｐに設定される速度係数ＶＣは「０」に近づくように設定されている。

また、例えば、図５に示すような要素点Ｐを考える場合、図５上、スプーンＢの先端の作動方向が下側から上側に向かう(要素点Ｐに近づく)場合には、該要素点Ｐにおける速度係数ＶＣは０とされるが、反対にスプーンＢの先端が上側から下側に向かう(要素点Ｐから遠ざかる)等の下側から上側に向かう以外の場合には、該スプーンＢの先端の作動を制限する必要はないので「０」を設定する必要はない。これは、同一の要素点Ｐに設定される速度係数ＶＣであっても、スプーンＢの先端の作動方向によって異なった値に設定する必要があることを意味し、実施例では、１つの要素点Ｐにおいて、作動空間における＋Ｘ軸方向、−Ｘ軸方向、＋Ｙ軸方向、−Ｙ軸方向、＋Ｚ軸方向、−Ｚ軸方向(左右前後上下)の６方向毎に速度係数ＶＣが個別に設定されている。すなわち、実施例においては、速度係数マップは６つ生成されている。この６つの速度係数マップを使用することで、作動目標速度情報ＴＶＩから導き出されるスプーンＢの作動方向をＸＹＺの各軸方向毎の成分に分解し、分解された各成分に対応する各軸方向の速度係数マップから、該各軸方向に沿った速度係数ＶＣ_ｘ,ＶＣ_ｙ,ＶＣ_ｚが夫々抽出される。

前記速度係数抽出段階Ｓ３において、スプーンＢの先端の位置および作動方向に対応して、各軸方向に沿った速度係数ＶＣ(ＶＣ_ｘ,ＶＣ_ｙ,ＶＣ_ｚ)が抽出した後に実施される作動速度情報生成段階Ｓ４では、以下の処理が行なわれる。すなわち、図６に示す如く、前記作動目標速度情報ＴＶＩを、ＸＹＺの各軸に沿った成分であるＴＶＩ_ｘ,ＴＶＩ_ｙ,ＴＶＩ_ｚに分解する。そして、各軸方向に沿った作動目標速度情報ＴＶＩ_ｘ,ＴＶＩ_ｙ,ＴＶＩ_ｚを、同じ軸方向に沿った速度係数ＶＣ_ｘ,ＶＣ_ｙ,ＶＣ_ｚによって夫々補正する。そして、前記軸方向に沿った速度係数ＶＣ_ｘ,ＶＣ_ｙ,ＶＣ_ｚで夫々補正された軸方向に沿った作動速度情報ＶＩ_ｘ,ＶＩ_ｙ,ＶＩＣ_ｚを夫々生成し、これを図７に示すように合成することで前記マニピュレータ１２を作動させる作動速度情報ＶＩを生成する。具体的には、作動目標速度情報ＴＶＩ(ＴＶＩ_ｘ,ＴＶＩ_ｙ,ＴＶＩ_ｚ)に対して、速度係数ＶＣ(ＶＣ_ｘ,ＶＣ_ｙ,ＶＣ_ｚ)を掛け合わせることで作動速度情報ＶＩが生成される。ここで前記速度係数ＶＣは、前述の如く、０〜１の間の値に設定されている。なお、作動速度情報ＶＩ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。適用される伝達関数としては、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。

そして、前記作動速度情報生成段階Ｓ４で生成された作動速度情報ＶＩによって、スプーンＢの先端を作動させるように各駆動モータが駆動される。実施例では、スプーンＢの先端を作動させている各関節部１４,１６,１８,２０に備えられる各駆動モータが協働して、スプーンＢの先端が作動速度情報ＶＩに従って作動するように、該各駆動モータを個別に駆動されている。すなわち、作動速度情報ＶＩが「０」の場合、マニピュレータ１２は作動せず、作動速度情報ＶＩと作動目標速度情報ＴＶＩとが同じであれば、使用者の上肢の動作から検出された動作情報ＭＩに従ってマニピュレータ１２が作動する。また、動作支援装置１０で処理される動作情報ＭＩ、動作情報ＭＩ、作動目標速度情報ＴＶＩ、速度係数ＶＣ、作動速度情報ＶＩおよび位置情報ＬＩは、制御部４０に入力、生成または抽出された時点で記憶部４４内に収納され、新たな情報が入力、生成または抽出された時点で上書きされることで常に最新の情報となるようにされている。

次に、実施例における動作支援装置１０の制御における情報(信号)の流れおよび各手段で実施される処理の概略を図８を用いて説明する。なお、前記変換手段４６ａでは、作動目標速度情報生成段階Ｓ２が実施され、前記動作情報ＭＩから作動目標速度情報ＴＶＩを生成している。前記抽出手段４６ｂでは、速度係数抽出段階Ｓ３が実施され、速度係数マップからマニピュレータ１２の位置に対応する要素点Ｐにおいて、該マニピュレータ１２の作動方向に対応する速度係数ＶＣが抽出される。前記作動手段４６ｃでは、作動速度情報生成段階Ｓ４が実施されており、作動目標速度情報ＴＶＩを速度係数ＶＣで補正した作動速度情報ＶＩが生成される。

(１)力覚センサ３０から上肢の動作に係る動作情報ＭＩは、変換手段４６ａ(演算部４６)に入力される、(２)変換手段４６ａに入力された動作情報ＭＩから、作動目標速度を指示する作動目標速度情報ＴＶＩが生成される、(３)マニピュレータ１２の位置および作動目標速度情報ＴＶＩが抽出手段４６ｂに入力される、(４)前記抽出手段４６ｂに入力されたマニピュレータ１２の位置および作動目標速度情報ＴＶＩから、該マニピュレータ１２の位置および作動方向に対応した速度係数ＶＣを抽出される、(５)前記変換手段４６ａで生成された作動目標速度情報ＴＶＩと、抽出手段４６ｂで抽出された速度係数ＶＣとが作動手段４６ｃに入力される、(６)前記作動手段４６ｃに入力された作動目標速度情報ＴＶＩを、同じく入力された速度係数ＶＣで補正して作動速度情報ＶＩを生成すると共に、生成された作動速度情報ＶＩに従ってマニピュレータ１２を制御下に作動させる。

このような制御がなされる動作支援装置１０は、使用者の上肢の動作を支援するマニピュレータ１２の作動が、作動空間内の対象物Ｏの位置、スプーンＢの先端の位置および作動方向によって抽出される速度係数ＶＣによって補正された作動速度情報ＶＩによって行なわれる。従って、対象物ＯへのスプーンＢの先端の接触を回避して、使用者に不快感を与えることがなく、上肢の好適な支援が可能となる。

〔変更例について〕
(１)実施例では、速度係数ＶＣとして作動空間内に所要の間隔で離間した要素点Ｐ毎に設定した値を使用しているが、本発明はこれに限定されない。各要素点Ｐ間の速度係数ＶＣが設定されていない点についても、該点の周りに存在する速度係数ＶＣの設定された他の要素点Ｐから速度係数ＶＣを設定して制御に用いてもよい。例えば、前記点に対する速度係数ＶＣの設定は、該点の周りに三次元的に近接して存在する速度係数ＶＣの設定された８つの要素点Ｐと該点との間の距離および８つの要素点Ｐに設定されている速度係数ＶＣから、内挿法等を利用した補間によって算出される。
(２)実施例では、対象物Ｏが存在する要素点Ｐに近づくにつれて作動速度情報ＶＩを低下させるように速度係数ＶＣが設定されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、対象物Ｏが存在する要素点Ｐに近づくにつれて、該対象物Ｏから遠ざかる何れかの方向にマニピュレータ１２を移動させるように速度係数ＶＣを設定することで、該マニピュレータ１２の対象物Ｏへの接触を回避するようにしてもよい。
(３)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ない。例えば、公知のマニピュレータが採用可能であり、例えば、図９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。
(４)実施例では、マニピュレータおよび上肢の位置を検出する第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ない。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。
(５)実施例では、速度係数マップは６つ生成されているが、本発明はこれに限定されず、動作支援装置の制御に使用する制御部の性能等によって、更に多数の速度係数マップを生成してもよい。
(６)実施例では、作動目標速度情報ＴＶＩの大きさは、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ない。例えば、使用者の状態によって作動目標速度情報ＴＶＩの大きさを変更して、マニピュレータ１２がより大きい移動量で作動させるような作動目標速度情報ＴＶＩを生成してもよい。この場合、使用者の状態等に応じた好適な支援が可能となる。

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。 実施例に係る制御部に対する情報(信号)の流れを概略的に示す説明図である。 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。 実施例に係る速度係数が設定される各要素点のマニピュレータの作動空間内における設定状態を示す概略図である。 マニピュレータが対象物が存在する要素点に近づく場合および遠ざかる場合の作動方向を示す説明図である。 実施例に係る作動目標速度情報をＸＹＺの各軸に沿った成分であるＴＶＩ_ｘ,ＴＶＩ_ｙ,ＴＶＩ_ｚに分解する様子を示す概略図である。 実施例に係るＸＹＺの各軸に沿った作動速度情報の成分であるＶＩ_ｘ,ＶＩ_ｙ,ＶＩ_ｚから作動速度情報ＶＩを合成して生成する様子を示す概略図である。 実施例に係る動作支援装置の制御に係る情報(信号)の流れおよび各手段で実施される処理を概略的に示す説明図である。 変更例(３)に係る動作支援装置の概略を示す斜視図である。

符号の説明

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 変換手段、４６ｂ 抽出手段、４６ｃ 作動手段
ＭＩ 動作情報、ＬＩ 位置情報、Ｓ１ 動作情報検出段階、Ｓ２ 動作情報抽出段階
Ｓ３ 速度係数抽出段階、Ｓ４ 作動目標速度情報生成段階、ＴＶＩ 作動目標速度情報
ＶＩ 作動情報、ＶＣ 速度係数

Claims (7)

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)の検出に基づく上肢の位置に従って作動して、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において、
   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)を備え、
   前記制御部(40)は、
   前記第１検出手段(30)によって検出される上肢の動作に係る動作情報(MI)を、前記マニピュレータ(12,13)の作動目標速度を指示する作動目標速度情報(TVI)に変換する変換手段(46a)と、
   前記マニピュレータ(12,13)の作動空間内に存在する対象物(O)とマニピュレータ(12,13)の作動方向との関係に応じて設定される複数の速度係数(VC)から、前記第２検出手段(14a,16a,18a,20a)の検出に基づくマニピュレータ(12,13)の位置と前記作動目標速度情報(TVI)とに対応する速度係数(VC)を抽出する抽出手段(46b)と、
   前記変換手段(46a)で変換された作動目標速度情報(TVI)を、前記抽出手段(46b)で抽出された速度係数(VC)に基づいて補正した作動速度情報(VI)により、マニピュレータ(12,13)を作動させる作動手段(46c)とを備える
   ことを特徴とする動作支援装置。
2. 前記速度係数(VC)は、前記作動空間内に所定の間隔で離間する要素点(P)毎に設定されている請求項１記載の動作支援装置。
3. 前記速度係数(VC)は、前記マニピュレータ(12,13)の作動方向が対象物(O)に向く場合には、前記要素点(P)が対象物(O)に近づくにつれて前記作動速度情報(VI)を低下させる値に設定されている請求項２記載の動作支援装置。
4. 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)の検出に基づく上肢の位置に従って作動して、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、前記マニピュレータ(12,13)の作動目標速度を指示する作動目標速度情報(TVI)を生成する作動目標速度情報生成段階(S2)と、
   前記マニピュレータ(12,13)の作動空間内に存在する対象物(O)とマニピュレータ(12,13)の作動方向との関係に応じて設定される複数の速度係数(VC)から、前記第２検出手段(14a,16a,18a,20a)の検出に基づくマニピュレータ(12,13)の位置と前記作動目標速度情報(TVI)とに対応する速度係数(VC)を抽出する速度係数抽出段階(S3)と、
   前記作動目標速度情報生成段階(S2)で生成された作動目標速度情報(TVI)を、前記速度係数抽出段階(S3)で抽出された速度係数(VC)に基づいて補正することで、マニピュレータ(12,13)を作動させる作動速度情報(VI)を生成する作動速度情報生成段階(S4)とを有する
   ことを特徴とする動作支援装置の制御方法。
5. 前記速度係数(VC)は、前記作動空間内に所定の間隔で離間する要素点(P)毎に設定される請求項４記載の動作支援装置の制御方法。
6. 前記速度係数(VC)は、前記マニピュレータ(12,13)の作動方向が対象物(O)に向く場合には、前記要素点(P)が対象物(O)に近づくにつれて前記作動速度情報(VI)を低下させる値に設定される請求項５記載の動作支援装置の制御方法。
7. 前記動作情報検出段階(S1)、作動目標速度情報生成段階(S2)、速度係数抽出段階(S3)および作動速度情報生成段階(S4)は、０.０１秒以下の周期で繰り返し実行される請求項５または６記載の動作支援装置の制御方法。

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