JP2013235437A - 操作支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筋の協調動作をより精度良く、かつ、スムーズにして、操作能力を向上させることができるようにする。
【解決手段】運転操作装置１０は、操作肢でブレーキレバー１２を操作するときに働く筋に対して振動を付与する反力モータ１４と、予め求められた筋の共振周波数で、かつ、共振が励起されるときの振幅で振動を付与するように反力モータ１４を制御する制御装置１６とを含んで構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、操作支援装置に係り、特に、操作肢による操作部の操作を支援する操作支援装置に関する。

従来より、微小な振動刺激を皮膚に与えて、触覚の感度を高める方法が知られている（非特許文献１）。また、非特許文献１では、触覚における確率共鳴現象の実験について記載されている。

また、振動刺激により運転者の触覚刺激への感度を高め（確率共鳴現象を利用）、触覚による警報を認識してから適切な車両操作が行われるまでの時間短縮を図った運転操作装置が知られている（特許文献１）。

上記の従来技術では、触覚などの知覚を敏感にする技術を対象にしている。知覚を敏感にした結果、振動による警告などに気づきやすくなり、急ブレーキなどの反応時間が速くなる効果を提案している。

James J. Collins, "Noise-mediated enhancements and decrements in human tactile sensation," Physical Review Vol.56, No.1 p923-926.

特開２００７−１９３４５３号公報

上記の非特許文献１及び特許文献１で述べられている触覚の閾値以下の微小な刺激は、皮膚の触覚センサーの分解能向上の効果はあるが、筋内にある動きのセンサーを刺激する効果は弱く、人の操作（動作）能力向上への効果はほとんど無い、という問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、筋内にある動きのセンサー（筋紡錘）の分解能を高め、筋の協調動作をより精度良く、かつ、スムーズにして、操作能力を向上させることができる操作支援装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明に係る操作支援装置は、操作肢で操作部を操作するときに働く筋に対して刺激を付与する刺激付与部と、予め求められた前記筋の共振周波数で前記刺激を付与するように前記刺激付与部を制御する制御部とを含んで構成されている。

本発明に係る操作支援装置によれば、制御部によって、予め求められた筋の共振周波数で刺激を付与するように刺激付与部を制御し、刺激付与部によって、操作肢で操作部を操作するときに働く筋に対して刺激を付与する。これによって、操作肢で操作部を操作するときに働く筋内にある動きのセンサー（筋紡錘）の分解能を高め、筋の協調動作をより精度良く、かつ、スムーズにして、操作能力を向上させることができる。

本発明に係る制御部は、前記筋の共振が励起されるときの振幅に対応する予め定められた振幅で前記刺激を付与するように前記刺激付与部を制御するようにすることができる。これによって、操作肢で操作部を操作するときに働く筋内にある動きのセンサー（筋紡錘）の分解能をより高めることができる。

本発明に係る刺激付与部は、前記操作部を介して前記筋に対して前記刺激を付与するようにすることができる。これによって、操作肢で操作部を操作するときに働く筋内にある動きのセンサー（筋紡錘）の分解能を効率的に高めることができる。

上記の操作肢で前記操作部を操作するときに働く筋は、複数の筋であって、前記制御部は、前記複数の筋の各々の共振周波数を含む波形で前記刺激を付与するように前記刺激付与部を制御するようにすることができる。

上記の刺激付与部は、前記刺激として振動を付与するようにすることができる。これによって、操作肢で操作部を操作するときに働く筋内にある動きのセンサー（筋紡錘）の分解能を効率的に高めることができる。

また、上記の刺激付与部は、前記操作部が操作される操作方向に対応する振動方向に前記振動を付与するようにすることができる。これによって、操作肢で操作部を操作するときに働く筋内にある動きのセンサー（筋紡錘）の分解能をより効率的に高めることができる。

以上説明したように、本発明の操作支援装置によれば、制御部によって、予め求められた筋の共振周波数で刺激を付与するように刺激付与部を制御し、刺激付与部によって、操作肢で操作部を操作するときに働く筋に対して刺激を付与する。これによって、操作肢で操作部を操作するときに働く筋内にある動きのセンサー（筋紡錘）の分解能を高め、筋の協調動作をより精度良く、かつ、スムーズにして、操作能力を向上させることができる、という効果が得られる。

ステアリング振動の振幅と追従成績との関係を示すグラフである。 （Ａ）力が入っていないときの筋紡錘のイメージ図、（Ｂ）微小振動が付与されたときの筋紡錘のイメージ図、及び（Ｃ）微小振動が付与されたときの筋紡錘のイメージ図である。 本発明の第１の実施の形態に係る運転操作装置の構成を示す概略図である。 （Ａ）２つの共振周波数を合成した波形を示す図、及び（Ｂ）２０Ｈｚ〜３０Ｈｚのスイープ波形を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る運転操作装置の構成を示す概略図である。 本発明の第３の実施の形態に係る運転操作装置の構成を示す概略図である。 本発明の第３の実施の形態に係る運転操作装置の制御装置における振動付与制御処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。 （Ａ）ステアリング振動の指令値と追従成績との関係を示すグラフ、及び（Ｂ）ステアリングの加速度振幅と前腕の加速度振幅との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、運転操作を行う運転操作装置に本発明を適用した場合を例に説明する。

まず、本発明の原理について説明する。

本発明では、操作を行う複数の筋（操作肢）全体に微小な刺激を付与し、筋の共振を励起することで筋内にある動きのセンサー（筋紡錘）の分解能を高め、複数の筋の協調動作をより精度良く、スムーズにする手段を提供することを目的とする。

この目的に対して、従来技術で述べられている触覚の閾値以下の微小な刺激は、皮膚の触覚センサーの分解能向上の効果はあるが、筋内にある動きのセンサーを刺激する効果は弱く、人の操作（動作）能力向上への効果はほとんど無い。

従来技術と本発明の違いのイメージを図１に示す。図１は、実験により得られた振動刺激付与の効果を示している。ステアリング（操作デバイス）の回転方向（操舵方向）に数レベルの周波数×振幅の微小振動を加え、目標追従時の作業成績を比較した（振動なしでの成績を1と正規化）。その結果、デバイス操作を行う筋の共振周波数であって、かつ、筋の共振が励起される振幅にて、追従成績が向上することが分かった。一方、従来技術によれば、触覚の閾値以上の刺激は触覚の知覚を阻害することが分かっている。また、警告などに用いられる振幅の大きな振動なども、操作のふられや痺れ、かゆみなどの不快感を与え、操作精度を低下させる。

本発明で用いる刺激は、触覚の閾値よりも大きく、筋の共振に適した周波数×振幅を用いて、操作肢全体の筋紡錘を刺激して、操作精度を向上する点において従来技術と異なる。

また、振動付与による、筋紡錘の分解能向上のメカニズムについて説明する。

まず、筋紡錘とは、筋の内部にあり、筋の長さ変化を感知するセンサーである。筋の収縮と同時に収縮し、変化量を出力する。

力が入っていないときの筋紡錘の構造のイメージを図２（Ａ）に示す。筋紡錘が長いほど、長さ変化の感度が良い（分解能が高くなる）。筋紡錘を長くするには、図２（Ｂ）に示すように、γ線維からの信号により錘内筋を収縮させる。

ここで、微小振動を付与することにより、γ線維が興奮する（その結果錘内筋が収縮する）、または錘内筋が単独で収縮するなどの変化が生じ（上記図２（Ｂ）参照）、その結果筋紡錘が伸び、筋の長さ変化の分解能が高くなる（図２（Ｃ）参照）。すなわち、筋肉の収縮に伴い、筋紡錘も収縮し、筋の長さの変化量を出力するとき、振動付与時の筋紡錘の長さの変化量の方が多くなり、筋の収縮（動き）に関する分解能が向上する。

次に、本発明の第１の実施の形態について説明する。

図３に示すように、第１の実施の形態に係る運転操作装置１０は、ステアリング(図示省略)上に設置した指入力のためのブレーキレバー１２と、ブレーキレバー１２の反力モータ１４と、反力モータ１４の作動を制御するための制御装置１６とを備えている。なお、ブレーキレバー１２が、操作部の一例であり、反力モータ１４が、刺激付与部の一例である。

ブレーキレバー１２では、ストローク量が少ないため、操作入力に対する減速度が大きい高ゲインな操作となる。よってスムーズなブレーキコントロールのためには、操作者の集中が必要な細かい操作となる。

制御装置１６は、操作肢に付与する振動の周波数及び振幅を設定するための設定部２０と、設定部２０により設定された振動の周波数及び振幅に基づいて、微小振動の波形を生成する微小振動生成部２２と、微小振動生成部２２によって生成された波形に従って、反力モータ１４の作動を制御する振動付与制御部２４とを備えている。

設定部２０に設定される操作肢に付与する振動の周波数及び振幅は、以下のように求められる。

ドライバが、目的の操作デバイス（ブレーキレバー１２）を操作肢（指）で把持しているときに、ランダムな周波数と振幅の組み合わせの各々で、ブレーキレバー１２を振動させるように反力モータ１４の作動を制御する。このとき、ブレーキレバー１２を操作するときに働く筋を内部に有する前腕に取り付けたセンサにより加速度を計測し、前腕の共振周波数と、共振が励起されるときの振幅を求める。

そして、求められた前腕の共振周波数及び共振が励起されるときの振幅が、設定部２０に設定される。

微小振動生成部２２は、設定された共振周波数と共振が励起される振幅に基づいて、微小振動の波形（例えば、30Hz×振幅0.2m/s²のサイン波など）を生成する。

振動付与制御部２４は、微小振動生成部２２によって生成された波形に基づいて、ブレーキレバー１２の反力モータ１４を制御し、ブレーキレバー１２を振動させることでドライバの操作肢（指）に、操作方向の微小振動を付与する。これによって、ブレーキレバー１２を操作するときに働く筋に、微小振動が付与される。

次に、第１の実施の形態に係る運転操作装置１０の作用について説明する。

ドライバが、操作肢（指）でブレーキレバー１２を把持しているときに、制御装置１６によって、反力モータ１４の作動を制御して、ブレーキレバー１２を介して、ドライバの操作肢（指）に、操作方向の微小振動を付与する。これによって、前腕の筋が共振し、ブレーキレバー１２を操作するときに働く筋内の筋紡錘が刺激される。よって、筋紡錘の分解能（筋肉の長さ変化の分解能）が向上し、ブレーキレバー１２の操作（動き）に伴う筋の長さの変化量が高分解能で脳に伝わり、目的の動きに対する脳からの動きの指令値が正確になる。

以上説明したように、第１の実施の形態に係る運転操作装置によれば、操作肢でブレーキレバーを操作するときに働く筋に対して、当該筋の共振周波数であって、共振が励起されるときの振幅の微小振動を付与することにより、操作肢でブレーキレバーを操作するときに働く筋内にある動きのセンサー（筋紡錘）の分解能を高め、筋の協調動作をより精度良く、かつ、スムーズにして、操作能力を向上させることができる。

また、加齢により、体性感覚の感度が低下した高齢者では、細かい操作が苦手であるが、本実施の形態に係る運転操作装置により、手の動きの分解能（精度）が向上し、特別な集中を必要とせず、中高年者と同程度に細かい操作を正確かつスムーズに行うことが可能となる。

また、操作方向に応じて、使われる筋が異なるため、微小振動の振動方向を操作方向とすることにより、操作に使う筋のみを刺激することになり、最も少ない振動エネルギーにより目的の筋を刺激することができる。

また、筋紡錘への刺激の種類を振動とすることにより、機械的な上肢の共振を利用し、少ないエネルギーで筋紡錘への刺激を行うことができる。一方、電気的な刺激には筋の共振現象がないため、その分大きなエネルギーが必要となる。また、電気的な刺激は、人間の皮膚のインピーダンスが高いため、筋紡錘に伝わるまでに減衰（損失）が大きくなってしまう。損失がある分だけ、電気的な刺激を付与する場合には大きな出力が必要となる。

なお、上記の実施の形態では、振動を付与するための機構が、反力モータ１４である場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えばブレーキレバー１２に組み込まれた振動子を用いて、振動を付与するようにしてもよい。

また、操作するときに働く１つの筋の共振周波数で振動を付与する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、操作部を操作するときに働く筋が複数ある場合には、複数の筋の共振周波数を含む波形で、微小振動を付与するようにしてもよい。例えば、親指によるブレーキレバーの操作においては、親指を動かす筋肉は、掌と前腕に主働筋がある。共振周波数はそれぞれ掌（30Hz）と前腕（20Hz）なので、１つの周波数の振動付与では、片方しか共振を生じさせることが出来ない。この場合、図４（Ａ）に示すように、20Hz（前腕）と30Hz（掌）の波を合成すると共に、掌と前腕のそれぞれの内部にある主働筋に対して共振を励起させるときの振幅のうち、最大の振幅が目的の振幅（例えば0.1Nm）になるように波形を補正して、微小振動を付与するようにすればよい。あるいは、図４（Ｂ）に示すように、20〜30Hzのスイープ波に基づいて、微小振動を付与するようにすればよい。

次に第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態では、ステアリング操作を支援している点が、第１の実施の形態と異なっている。

図５に示すように、第２の実施の形態に係る運転操作装置２１０は、ステアリング２１２と、ステアリング２１２の電動パワーステアリングモータ２１４と、電動パワーステアリングモータ２１４の作動を制御するための制御装置１６とを備えている。なお、ステアリング２１２が、操作部の一例であり、電動パワーステアリングモータ２１４が、刺激付与部の一例である。

ステアリング２１２は、例えば、ステアバイワイヤ技術を用いて構成された、持ち替える必要が無い（操舵角が±90°程度の）ステアリングである。ステアリング２１２では、操舵入力に対して，タイヤの転舵角が従来よりも大きくなるため、細かな操作入力が必要となる場面が多くなる。

微小振動生成部２２は、設定された、ステアリング２１２を操作するときに働く筋を内部に有する前腕の共振周波数と共振が励起される振幅とに基づいて、微小振動の波形（例えば、20Hz×振幅0.2m/s²のサイン波など）を生成する。

振動付与制御部２４は、微小振動生成部２２によって生成された波形に基づいて、ステアリング２１２の電動パワーステアリングモータ２１４を制御し、ステアリング２１２を操舵方向に振動させることで、ドライバの操作肢（手）に、操舵方向の振動を付与する。これによって、ステアリング２１２を操作するときに働く筋に、微小振動が付与される。

次に、第２の実施の形態に係る運転操作装置２１０の作用について説明する。

ドライバが、操作肢（手）でステアリング２１２を把持しているときに、制御装置１６によって、電動パワーステアリングモータ２１４の作動を制御して、ステアリング２１２を介して、ドライバの操作肢（手）に、操舵方向の微小振動を付与する。これによって、前腕が共振し、ステアリング２１２を操作するときに働く筋内の筋紡錘が刺激される。よって、筋紡錘の分解能（筋肉の長さ変化の分解能）が向上し、ステアリング２１２の操作（動き）に伴う筋の長さの変化量が高分解能で脳に伝わり、目的の動きに対する脳からの動きの指令値が正確になる。

このように、第２の実施の形態に係る運転操作装置によれば、操作肢でステアリングを操作するときに働く筋に対して、当該筋の共振周波数であって、共振が励起されるときの振幅の微小振動を付与することにより、操作肢でステアリングを操作するときに働く筋内にある動きのセンサー（筋紡錘）の分解能を高め、筋の協調動作をより精度良く、かつ、スムーズにして、操作能力を向上させることができる。

次に第３の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第３の実施の形態では、操舵角に応じた振動パターンで振動を付与している点が、第２の実施の形態と異なっている。

図６に示すように、第３の実施の形態に係る運転操作装置３１０は、ステアリング２１２と、電動パワーステアリングモータ２１４と、ステアリング２１２の操舵角に応じて、電動パワーステアリングモータ２１４の作動を制御するための制御装置３１６とを備えている。

制御装置３１６は、ステアリング２１２の操舵角を計測する操舵角計測部３１８と、設定部２０と、設定部２０により設定された振動の周波数及び振幅に基づいて、ステアリング２１２の操舵角に応じた微小振動の複数種類の波形を生成する微小振動生成部３２２と、ステアリング２１２の操舵角の計測結果に基づいて、微小振動生成部３２２によって生成された複数種類の波形を選択して、電動パワーステアリングモータ２１４の作動を制御する振動付与制御部３２４とを備えている。

微小振動生成部３２２は、ステアリング２１２の操舵角に応じた複数種類の微小振動の波形を生成する。

持ち替える必要が無いステアリング２１２では、微小な操作が難しいのは大舵角時であるため、操舵角に応じて、付与する微小振動の波形の種類を切り替える。例えば、操舵角が±45°の範囲に対して、振動なしの波形を生成し、操舵角が＋45°以上、−45°以下に対して、設定された前腕の共振周波数と共振が励起される振幅とに基づいて、微小振動の波形（例えば、20Hz×振幅0.2m/s²のサイン波など）を生成する。

振動付与制御部２２４は、操舵角計測部３１８によって計測した操舵角に応じて、微小振動生成部３２２によって生成された複数種類の微小振動の波形の何れかを選択し、選択した波形に基づいて、ステアリング２１２の電動パワーステアリングモータ２１４を制御し、ステアリング２１２を操舵方向に振動させることで、ドライバの操作肢（手）に、操舵方向の振動を付与する。これによって、ステアリング２１２を操作するときに働く筋に、微小振動が付与される。

次に、第３の実施の形態に係る運転操作装置３１０の作用について説明する。

ドライバが、手でステアリング２１２を把持しているときに、制御装置１６によって、図７に示す振動付与制御処理ルーチンを実行する。

まず、ステップ３５０において、操舵角計測部３１８によって、ステアリング２１２の操舵角を計測する。

そして、ステップ３５２において、微小振動生成部３２２によって生成された複数種類の波形から、上記ステップ３５０で計測された操舵角に応じた波形を選択する。そして、ステップ３５４において、上記ステップ３５２で選択された波形に従って、電動パワーステアリングモータ２１４の作動を制御し、上記ステップ３５０へ戻る。

上記の振動付与制御処理ルーチンが実行されることにより、操舵角計測部３１８によって計測した操舵角に応じて、操舵角が大きい場合に、ステアリング２１２を介して、ドライバの操作肢（手）に、操舵方向の微小振動が付与される。これによって、ステアリング２１２を操作するときに働く筋を内部に有する前腕が共振し、ステアリング２１２を操作するときに働く筋内の筋紡錘が刺激される。また、振動による不快さを感じずに、目的の操作をスムーズに精度よく行うことが出来るようになる。

以上説明したように、第３の実施の形態に係る運転操作装置によれば、操作肢でステアリングを操作するときに働く筋に対して、操舵角に応じて、当該筋の共振周波数であって、共振が励起されるときの振幅の微小振動を付与することにより、効率的に、操作肢でステアリングを操作するときに働く筋内にある動きのセンサー（筋紡錘）の分解能を高め、筋の協調動作をより精度良く、かつ、スムーズにして、操作能力を効率的に向上させることができる。

次に、上記の第２の実施の形態で説明した振動を付与する方法を用いて実験を行った結果について説明する。

まず、ステアリングを円周方向（操舵方向）に振動させて、ステアリングおよび前腕の加速度を計測する実験を行った。その実験結果より、上肢の前腕の共振周波数は20Hz前後であることが分かった。

また、図８（Ａ）に、ステアリングの円周方向に20Hz×（振幅：0，0.05，0.1，0.15，0.2Nm）の振動付与時の追従成績の変化を示す。また、図８（Ｂ）に、同じ振動付与時の、ステアリング上と前腕上とで計測した加速度の振幅の関係を示す。

図８（Ｂ）から、ステアリング加速度（入力）0.15〜0.2m/s²の範囲にて、前腕の共振が励起され、その後も線形に共振することが分かる。また図８（Ａ）と重ね合わせることにより、追従成績が最も向上した振幅（0.1Nm近辺）の範囲と共振が励起される範囲（ 0.15〜0.2m/s² ）とは一致することが分かった。

よって、前腕の共振の発生がトリガーとなって、操作を行う筋の筋紡錘が刺激されて、筋の長さ変化の分解能が高まると考えられる。

なお、上記の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、振動を付与するための機構が、電動パワーステアリングモータ２１４である場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えばステアリング２１２に組み込まれた振動子を用いて、振動を付与するようにしてもよい。

また、上記の第１の実施の形態〜第３の実施の形態では、操作肢に振動を付与する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、電気や磁場や圧力などの刺激を付与するようにしてもよい。また、この場合には、操作肢でなく、目的の筋を内部に有する部位に直接刺激を付与するようにしてもよい。

また、共振が励起されるときの振幅で、振動を付与する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、共振が励起されるときの振幅より大きい振幅でも共振は継続するため、共振が励起されるときの振幅より大きい振幅で振動を付与するようにしてもよい。ただし、不快感を伴う場合があるため、共振が励起されるときの振幅で、振動を付与することが好ましい。

また、自動車のブレーキやステアリングの操作を支援する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、アクセル操作を支援するようにしてもよい。また、自動車の運転操作以外の、人による操作にも適用してもよい。例えば、高齢者対象の電動車椅子やシニアカーの操作系（バーハンドル，ジョイスティック）に適用してもよく、コンピュータ入力機器（キーボード，マウス）の操作に適用してもよい。また、微小な入力が必要とされる工作機器の操作に適用することもできる。

１０、２１０、３１０ 運転操作装置
１２ ブレーキレバー
１４ 反力モータ
１６、３１６ 制御装置
２０ 設定部
２２、３２２ 微小振動生成部
２４、３２４ 振動付与制御部
２１２ ステアリング
２１４ 電動パワーステアリングモータ
２２４ 振動付与制御部
３１８ 操舵角計測部

Claims (6)

1. 操作肢で操作部を操作するときに働く筋に対して刺激を付与する刺激付与部と、
   予め求められた前記筋の共振周波数で前記刺激を付与するように前記刺激付与部を制御する制御部と、
   を含む操作支援装置。
2. 前記制御部は、前記筋の共振が励起されるときの振幅に対応する予め定められた振幅で前記刺激を付与するように前記刺激付与部を制御する請求項１記載の操作支援装置。
3. 前記刺激付与部は、前記操作部を介して前記筋に対して前記刺激を付与する請求項１又は２記載の操作支援装置。
4. 前記操作肢で前記操作部を操作するときに働く筋は、複数の筋であって、
   前記制御部は、前記複数の筋の各々の共振周波数を含む波形で前記刺激を付与するように前記刺激付与部を制御する請求項１〜請求項３の何れか１項記載の操作支援装置。
5. 前記刺激付与部は、前記刺激として振動を付与する請求項１〜請求項４の何れか１項記載の操作支援装置。
6. 前記刺激付与部は、前記操作部が操作される操作方向に対応する振動方向に前記振動を付与する請求項５記載の操作支援装置。