JP3511088B2 - 多関節介護ロボット制御用の圧力分布センサ - Google Patents
多関節介護ロボット制御用の圧力分布センサInfo
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Description
補助するロボットに関し、特に多関節の腕等にかかる圧
力分布を検出し、その駆動制御に使用するセンサとその
周辺技術に関するものである。
々その必要度を増している中で、介護をする人の肉体的
な負担は重く、介護者自身が腰や膝や肩、腕等を痛めて
しまう例が多発している。そのような状況に対応して介
護補助具の研究開発が盛んに行われており、介護ロボッ
トの開発にも期待が寄せられているが、これについては
未だ実用段階にはない。工業用のロボットと異なり、生
身の人間しかも身体的に弱い人を対象とするものである
ため、その動作は単に安全確実なだけで無く介護を受け
る人に安心感を与える繊細なもの、すなわち人に優しい
ことが要求されるため、介護ロボットの提供には機構的
にも制御上も極めて厄介な問題を伴うことになる。
を一体化構造とした「多関節ロボットとその制御方法」
を研究開発し、特願平11−319334号として特許出願し
た。この発明の多関節ロボットは、駆動側アームと従動
側アームがアーム軸線に対して傾斜したオフセット回転
軸線回りに回転駆動されるオフセット回転関節を複数個
有する多関節ロボットにおいて、駆動側アーム又は従動
側アームの何れか一方のアーム先端にモータで回転駆動
される中空回転軸を所定のオフセット角度で傾斜して回
転自在に設け、他方のアーム基端に前記中空軸から回転
力を伝動されるロータ部材が固定され、前記中空回転軸
と前記ロータ部材が高減速比伝動・トルク増加機構とな
っていることを特徴としたものであって、この構成によ
りより小型の駆動モータを採用してより強い回転トルク
を伝えることができ、且つ高精度の位置決めができ、小
型軽量でより高トルクのオフセット回転関節を得、該オ
フセット回転関節を多段に連接することによってペイロ
ードが大きく可動範囲がひろく且つ複雑な精密な動きを
する高機能な多関節ロボットを提供することができたも
のである。
転関節の基本構成を図7に示す。この図は円筒状の手元
アームを駆動側アーム6とし、手先アームを従動側アー
ム7としている場合であり、従動側アーム7が駆動側ア
ーム6のアーム軸線に対し、オフセット角γのオフセッ
ト回転関節で連接されている状態を示している。駆動側
アーム6のアーム本体6aの先端は軸線に直角な直角開口
部となっており、従動側アームの基端がアーム軸線に対
して傾斜角γの傾斜開口部となっており、直角開口部と
傾斜開口部にオフセット回転関節組立体が設けられてい
る。この実施形態におけるオフセット回転関節組立体
は、モータユニット8、該モータユニット先端に固定さ
れた駆動側アーム先端部6b、該駆動側アーム先端部に固
定された関節回転伝動機構部9が一体に組み立てられて
いる。駆動側アーム先端部6bは、基端側が直角開口部で
先端側が傾斜開口部に形成され、直角開口部にモータ軸
先端を軸受けし、傾斜開口部には関節回転伝動機構部9
が固定されている。モータユニット8は、アームと同径
を有するモータケース10を有し、該モータケースの上下
端を図示のように駆動側アーム6a及び駆動側アーム先端
部6bと連結固定して一体化することによって、モータケ
ース10自体が駆動側アームの一部を構成を構成してい
る。モータユニット8は、前記モータケース10と一体型
に形成されたモータ11、エンコーダE、スリップリング
13、及び回転速度計(図示してない)からなり、モータ
軸14がアーム軸線と同一軸線上又は平行線上に位置する
ように設けられている。このような構成において、モー
タ11が駆動すると、外歯傘歯車17、内歯傘歯車24を介し
て円筒軸21が所定の回転速度で回転する。その際、内歯
傘歯車24を径大にすることによつて直径比に応じて減速
することができ、小型のモータで大きなトルクを発生さ
せることができる。さらに関節回転伝動機構部9内のハ
ーモニツクギア機構により大きな減速比を得ることがで
き、小さなモータでより大きな回転トルクを得ることが
できる。この回転トルクにより駆動側アーム6に対し従
動側アーム7を所望の角度で延在させることが出来る。
がひろく且つ複雑な精密な動きをする高機能な多関節ロ
ボットを提供することができるこの「多関節ロボットと
その制御方法」を、人に優しいことが要求されるため機
構的にも制御上も極めて厄介な問題を伴う介護ロボット
の腕に応用することを考えた。介護ロボットの腕となる
と単に作業をこなせばよいというものではなく、被介護
者に苦痛や不快感を与えない動作ということが重要であ
る。例えば、ベッドに寝ている人を抱き上げる動作を想
定したとき、腕の特定個所に応力が集中したとすると腕
はその部分で局所的に被介護者と強く接触していること
となり、その反作用として被介護者に強い力がかかり痛
みを与えしまうことになる。したがってこの介護ロボッ
トの腕は万遍なく体を支える形態に変形応動し応力が局
所に集中しないようにすることが必要となる。すなわち
介護ロボットにおいては時々刻々変化する被介護者との
接触状態に適正に対応を取りつつ初期の目的の動作を実
行することが求められるため、常時被介護者との接触状
態を検知しその検出値に対応した制御をすることが必要
となる。本出願人が開発した多関節ロボットを介護ロボ
ットに応用しようとするとき、まず必要となるのがロボ
ットと被介護者との接触状態を検知するセンサである。
出する手段として感圧シートセンサがある。これは図6
に示したようなもので、一方のポリエステルフィルム等
からなる行電極側基材シート1上に配置された行電極2
と他方の列電極側基材シート5上に配置された列電極4
を備え、その間に感圧抵抗素材3を介在させて重ね一枚
のシート状に形成したものである。この感圧シートセン
サの特定列電極と特定行電極間には感圧抵抗素材3が介
在しているので、両電極間の抵抗値はその感圧抵抗素材
3の特性により両電極が交差する部分にかかる応力に応
じた値を示すことになる。従って各列電極と各行電極間
の抵抗値を順次測定すれば各交差位置における圧力を検
知することが出来るわけで、この感圧シートセンサがカ
バーしている特定領域の圧力の大きさと位置情報すなわ
ち受圧分布を検出することができる。この感圧シートセ
ンサはベッドにおける体圧分布、座席シートの面圧分
布、椅子の座圧分布、足の裏の足圧測定等各種の圧力分
布検出に適用されている。本発明者はこの感圧シートセ
ンサを多関節ロボットに適用し介護ロボットの接触状態
検知センサとすることを試みた。ところが多関節ロボッ
トの各関節ユニットは単純な円筒形ではなく両端部はオ
フセット角をもってカットされた形状となっているた
め、従来のマトリックス電極の方形シートでは全面の圧
力を検出することができない。また介護ロボットは状況
に対応してリアルタイムの駆動制御を必要とされるが、
多数の行電極と列電極の交差位置における検出値から演
算処理して圧力分布を得、その接触情報に基づく各関節
の適正駆動制御を実行するまでには相当の時間を要して
しまい、求められるリアルタイム駆動ができないという
問題に当面した。
上記の問題を解決すること、すなわち、ロボットの腕を
構成している両端部がオフセット角をもってカットされ
た円筒形状である各関節ユニットの全面に亘って圧力分
布が測定できる接触センサを提供することと、該センサ
からの検出値をもちいてロボットの腕のリアルタイムの
駆動制御を可能にする技術を提供することである。
と糸巻き形態に配置された列電極を組み合わせた感圧シ
ートセンサとすることによって、両端部が所定角の傾斜
開口部とされた円筒形状である各関節ユニットの全面に
亘り電極交点が分布されるようにすると共に、行電極列
電極ともに所定幅内をカバーするように配置することに
よって、信号出力端子の数を少なくして演算処理の負担
を軽減した。更に各関節毎のセンサ出力信号を各関節毎
に備えた処理回路によってローカル処理を実行してから
中央のCPUに送信することでトータルの演算処理速度
を高くするようにした。
もので、基本的に人間の足に代わって台車がついた形態
であり、両腕に7〜8関節を継いだ多関節ロボットアー
ムを適用したものである。多関節の双腕と座とロボット
の胸部腹部を使ってAに図示したように被介護者を横抱
きにする態様、Bに図示したように正面に向いて膝乗せ
する形態、更にこれをリクライニングしてゆったり寝か
せた形態で運ぶ動作などを想定している。介護ロボット
の場合、人に優しいことが重要であり、各種動作を実行
する双腕と被介護者との接触状態が局部的ではなく体の
形態にフィットするように駆動制御する必要がある。本
発明者は圧力分布を検出する手段として一般に使用され
ている感圧マトリックスシートセンサをこの多関節ロボ
ットに適用し、介護ロボットの接触状態検知センサとす
ることを試みたが、多関節ロボットの関節ユニットは単
純な円筒形ではなく両端部が所定角の傾斜開口部とされ
た形状となっているため、方形のマトリックスシートセ
ンサでは全面の圧力分布を検出することができなかっ
た。円筒状の前記関節ユニットは筒部の最も長い部分を
軸方向にカットし押し広げれば糸巻き形状となることか
ら、シートセンサ自体を糸巻き形状とし、この糸巻き形
状の領域内に両電極の交差点が偏り無く分布配置される
感圧シートセンサを得ようと、行電極は平行に配置し列
電極は中央の直線電極を中心に左右対象に外に向かって
徐々に中心部で深い凹形となるように糸巻き形状に配置
することを案出した。なお、ここでいう糸巻き形状とは
図4からも明らかなように中央部分が内側に凹んだ形状
を意味し、中央部分が外側に膨らんでいる樽型形状と相
対する用語として用いられている。
サの列電極を糸巻き形状に変形したもので実験したとこ
ろ、介護ロボットは状況に対応してリアルタイムの駆動
制御を必要とされるのであるが、多数の行電極と列電極
の交差位置における検出値から演算処理して圧力分布を
得、その接触情報に基づく各関節の適正駆動制御を実行
するまでには相当の時間を要してしまい、求められるリ
アルタイム駆動ができないという問題に当面した。とこ
ろでこの接触情報は各関節を適正なオフセット角に駆動
制御するための必要情報であるから、関節ユニット表面
における細かい圧力分布を必ずしも必要とするものでは
ない。そこで、複数ある行列電極の所定数おきにサンプ
リングして情報量を低減することを考えたのであるが、
この場合、応答性の点では効果的であるが圧力情報が1
電極交差点部分の検出信号に依存するため信頼性の点で
不安があった。そこで本発明者は1点ではなく、この近
傍領域の複数点の圧力信号からその領域の情報を得るこ
とを考えた。それは複数の交差点の信号を演算処理する
のではなく、サンプリングしなかった電極からの信号を
捨ててしまわないで近傍の電極を短絡して電極群とする
方法である。この構成によれば、n個の行電極とm個の
列電極が短絡されていたとしてその電極間の抵抗値はn
×m個の電極交差点部分の抵抗が並列接続されたものと
なるから、所定エリア内に存在するn×m個の電極交差
点部分の抵抗値に依存するものとなり、情報としての信
頼性は高くなる。勿論n×m個の電極交差点部分の抵抗
値を個々に検出して信号処理するわけではないので、演
算負担は先のサンプリングの場合と同じである。この発
明は特定エリアの圧力分布を得るに際し、位置分解能に
ついては必要とされるレベルまで粗くするが、その検出
情報はその領域を代表できる信頼性の高いものとするこ
とで、応答性の速さと信頼性の高い情報とを両立させた
点にその技術的意義がある。なお、上記の要件を満たす
構成としては電極を群とするのではなく、群の幅をもっ
た1つの幅広電極とし複数交点の並列接続では無くその
領域全体の圧力信号として検出する方法もあるが、この
感圧シートセンサは円筒状の関節に巻きつけ使用するも
のであるため、可撓性の点で幅広電極ではなく線電極を
用いる方が好適である。
る多関節機構を図2に示し、詳述する。図中Aは多関節
の結合関係と各関節ユニットが備えている接触情報を検
出して信号処理して信号を送受信するシステムを概念的
に示したものであり、図中左側が肩部方向で右側が手先
方向であり、関節はアルミニウム等軽量硬質の素材で、
傾斜角は例えば45度或は30度に形成する。ロボット本体
の肩部を基部とし固定座標系で各関節の位置関係が把握
管理される。各関節はネットワーク化されており、各関
節にはサーボモータを中心とした駆動系の他、回転速度
計やエンコーダそして前述の接触情報を得る感圧シート
センサといった計測手段と、関節データべ−スと起動用
のROMやCPUといった情報処理手段、それに関節間
の情報ネットワークをつかさどる通信手段とが備えられ
ている。図2のAには駆動系を省略して感圧シートセン
サP、エンコーダE、情報処理手段Iと通信手段の信号
線Lのみを模式的に示してある。感圧シートセンサPに
よって得られる圧力分布情報はロボットの腕と被介護者
との接触情報に相当するものであるから、各関節におけ
る相対位置情報のままでは不十分で、作動においてはロ
ボット本体から見た絶対的位置情報が必要となる。すな
わち各関節において得られた圧力分布情報は各関節にお
ける相対位置情報であるため、ロボット本体を基準とし
た固定座標系に変換して双腕全体として位置情報が把握
されなければならない。ところで各関節にはエンコーダ
Eが備えられており、図7において従動側アーム7が駆
動側アーム6のアーム軸線に対し、オフセット角γのオ
フセット回転関節で連接されている状態を検出している
と共に、この情報はスリップリング13を介した信号線で
隣接する関節へ伝送されていて、基準となる固定座標系
が肩部側関節から順次伝達されるように構成されてい
る。すなわち、ロボット本体の固定座標系に対し最初の
関節のエンコーダ情報からオフセット角γが与えられれ
ば関節の長さ情報と端部の傾斜角は既知であるからこの
関節の固定座標系に対する位置情報は変換して割出すこ
とが出来る。この関節の固定座標系位置情報を基に次の
関節も同様にその関節のエンコーダ情報から演算が可能
であり、この座標変換を関節毎に順次手先側に実行する
ことですべての関節の座標変換が可能である。したがっ
て、個々の関節の感圧マトリックスシートセンサによっ
て得られる圧力分布情報は相対位置情報であるが、すべ
ての関節での検出情報を集約すれば基準固定座標系の位
置情報すなわち絶対位置情報に変換することが可能であ
る。
コンピュータとのネットワークを図3に模式的に表す。
図中Eiはi番目の関節のエンコーダ、Piはi番目の
関節の感圧シートセンサを示し、全角表示のCPUは中
央のコンピュータのものであり、半角表示のCPUiはi
番目の関節のものを示す。まず、図3のAに示したよう
に各関節の検出データをすべてを中央のコンピュータの
CPUにデータ集めて前述の座標変換の演算処理を行お
うとすると、CPUに負担がかかりすぎ求められるリア
ルタイム処理が難しいという問題が生じた。次に、図3
のBに示したように中央のコンピュータにエンコーダか
らの情報を専用に処理するCPU−Eとシートセンサか
らの圧力分布情報を専用に処理するCPU−Pとを別に
備えるシステムを考えた。これは先のデータをすべてを
中央のコンピュータのCPUにデータ集めて演算処理を
行うものに比し、演算速度は相当に改善されたのである
が、なお満足できるものではなかった。そこで、本発明
では図3のCに示したように各関節毎のローカル処理で
行い中央のCPUに負担を軽くするネットワークシステ
ムを考えた。すなわち各関節はエンコーダを備えてお
り、関節の長さ情報と端部の傾斜角は既知であるので、
この情報に肩側関節の位置情報が与えられれば、その関
節の位置情報を肩側関節と同じ座標系で演算把握するこ
とがローカルに出来ることに鑑み、最も肩側の関節から
この演算を実行し基準座標系での位置情報を順次手先側
関節に送信して行けば、すべての関節でその関節の基準
座標系での位置情報をローカルに演算把握することが出
来る。関節自体の位置情報が分かれば感圧シートセンサ
から得られた圧力分布情報は基準座標系に演算して変換
することが可能であることから、各関節内のCPUiにエ
ンコーダ情報Eiと隣接する肩側関節の位置情報を入力
して当該関節の圧力分布情報を基準座標系の情報に演算
変換を実行するようにしたのである。このように本発明
は各関節で得た特定座標系の圧力分布情報を基準の固定
座標系へ座標変換する作業を各関節においてローカル処
理してしまう構成によって、中央のコンピュータの負担
を軽減し、求められるリアルタイムの駆動制御を可能に
した点に技術的意義を有している。
b−b断面)であり、図2のCは中央の関節ユニットの
クッション外皮Hを剥がした多関節の一部斜視図であ
る。B,Cに図示されたように感圧マトリックスシート
センサPは金属等の剛性材質で作られた関節ユニットの
全外表面を覆うように巻きつけられており、関節筒部の
最も長い部分の軸方向に設けられたコネクタCに前記シ
ートセンサPの信号出力端子Tが差込み接続される。該
コネクタCは図示していないが関節内部に装着されてい
るIC化された情報処理手段Iに切替回路を介して接続
されており、更に該情報処理手段Iは信号が送受信され
るべく信号線に接続されている。また、被介護者に直接
触れるクッション外皮Hは優しい感触を出すためにポリ
ウレタンフォーム等柔軟性があって熱伝導率の低い材料
で形成する。
ンサの1実施例を示し、図中Aは平面図であり、Bは分
解断面図そしてCは断面図である。この実施例はポリエ
ステルフィルムからなる行電極側基材シート1上に線状
の行電極2が平行に多数本配置され更に隣接する複数の
行電極2が直列に接続されるように銅などの導電性材料
を印刷する。また、ポリエステルフィルムからなる列電
極側基材シート5上には線状の列電極4が中央の直線電
極を中心に左右対象に外に向かって徐々に中心部で深い
凹形となるように糸巻き形状に多数本配置され更に隣接
する複数の列電極4が直列に接続されるように導電性材
料を印刷する。両電極基材シート1,5の電極2,4を
印刷した面には全面に金属粉末をゴム質材に含有させた
特殊インクで上塗り印刷し感圧抵抗素材3(高感度導電
性エラストマー)を積層する。このように作られた両電
極基材シートの圧力抵抗材料側が合わされるように重ね
て糸巻き形状の感圧マトリックスシートセンサを製造し
た。本実施例では行電極列電極共に10本づつ配置し隣
接する2本を直列に接続することでシート全体で5×5
の領域に分割し圧力分布を得るようにした。信号出力端
子Tはシートから突出して設けられ、関節への装着に際
してはこの部分を折り曲げてコネクタCに挿し込むよう
にする。関節の制御用の情報としては5×5が適当と考
えられるが、必ずしもこの数に限定されることはない。
また電極数は関節の寸法等によりもっと多くする場合も
あり、その場合にはさらに接続する電極数を増やせばよ
い。基本的に印刷技術を用いて製造されるので、電極の
形状配置は基材シートに設計上如何様にでも作ることが
可能である。
けに抑え、信頼性の高い情報を得る手段として図5に示
したような行電極列電極を共に所定幅で蛇行する電極で
構成したものを提案した。ただし、実際の感圧シートセ
ンサは列電極を糸巻き形状配列にするのであるが、図5
のAは簡単のため平行配列で図示してある。この実施例
の特徴は図5のBに明示されたような電極形状に有り、
これにより複数本の電極を繋ぐことなく1本の電極で所
定幅の領域をカバーすることが出来る。この実施例も位
置情報としては5×5の分解能をもち、特定行電極と特
定列電極間の抵抗値は5×5の交点部分で並列接続され
た形態となっている。電極の蛇行幅を小さくすれば電極
の数が多くなって位置分解能が高くなり、電極の蛇行ピ
ッチを小さくすれば特定領域内の交点数が多くなり検出
受圧信号の信頼性が高くなるという関係になる。この感
圧シートセンサの製造は電極形状において相違するだけ
で、先の実施例と特に変わるところはない。
れた行電極と同じく基材シート上に糸巻き形態に配置さ
れた列電極を感圧抵抗素材を介在させて重ね合わせ、全
体としても糸巻き形状である感圧シートセンサを、両端
部が傾斜角をもってカットされた円筒形状である関節ユ
ニットを複数個直列につないだ多関節を腕とするものの
外表面に巻きつけ使用するようにしたので、前記両電極
の交点が前記関節ユニットの外表面全域に分布されるよ
うになって、多関節介護ロボット制御用の圧力分布セン
サとして不感領域のない圧力分布を検出できるものであ
る。また、本発明は所定幅をカバーできる電極構造を行
方向にも列方向にも採用した感圧マトリックスシートセ
ンサとすることによって、信号出力端子の数を減少させ
情報処理の演算負担を軽減すると共に、検出信号をその
領域を代表できる信頼性の高いものとし、応答性の速さ
と信頼性の高い情報とを両立させることができた。
ートセンサとエンコーダと情報処理手段を備えると共
に、各関節ユニットと中央の制御用CPUとはネットワ
ーク接続されており、前記感圧シートセンサとエンコー
ダの出力信号および肩側関節の位置情報とから前記情報
処理回路によって各関節ユニット毎にローカル演算処理
を実行し、基準座標系の位置情報としてから中央のCP
Uに送信することで中央の負担を軽減し、多関節介護ロ
ボット全体の制御システムとして応答性の早い制御を実
現することができた。
で、Aは横抱き態様をしめし、Bは正面膝抱き態様を示
す。
結合関係と各関節ユニットが備え基本構成を概念的に示
し、Bは関節の断面図、Cは外皮を一部剥がした斜視図
である。
とのネットワーク形態を示す図で、A,Bは参考例であ
り、Cは本発明である。
施例を示す図で、Aはその平面図、Bは分解断面図そし
てCは製品断面図である。
実施例を示す図で、Aはその平面図、Bは電極構造を示
す図である。
センサの構造を示した図で、Aはその分解斜視図であり
Bは分解断面図である。
を示す図。
サ 3 感圧抵抗素材 I 情報処理手段 4 列電極 C コネクタ 5 列電極側基材シート H クッション外皮 13 スリップリング T 信号出力端子
Claims (4)
- 【請求項1】 基材シート上に平行に配置された行電極
と同じく基材シート上に糸巻き形態に配置された列電極
を感圧抵抗素材を介在させて重ね合わせた感圧シートセ
ンサを、両端部が傾斜角をもってカットされた円筒形状
である関節ユニットを複数個直列につないだ多関節を腕
とするものの外表面に巻きつけ、前記両電極の交点が前
記関節ユニットの外表面全域に分布されるようにして圧
力分布を検出できるようにしたことを特徴とする多関節
介護ロボット制御用の圧力分布センサ。 - 【請求項2】 従動側アームが駆動側アームのアーム軸
線に対しオフセット角γのオフセット回転関節で連接さ
れている状態を検出すると共に、この情報を信号線で隣
接する関節へ伝送する機能を備え、基準となる固定座標
系が肩部側関節から順次伝達されるオフセット関節に用
いられるものであって、隣接する複数の行電極を短絡接
続すると共に、隣接する複数の列電極を短絡接続するこ
とによって信号出力端子の数を減少させて、情報処理の
演算負担を軽減すると共に領域を代表する信頼性の高い
信号検出を実現したことを特徴とする請求項1に記載の
多関節介護ロボット制御用の圧力分布センサ。 - 【請求項3】 所定幅を蛇行する形状の行電極と同じく
所定幅を蛇行する形状の列電極とを組合せて、信号出力
端子の数を減少させて、情報処理の演算負担を軽減する
と共に領域を代表する信頼性の高い信号検出を実現した
ことを特徴とする請求項1に記載の多関節介護ロボット
制御用の圧力分布センサ。 - 【請求項4】各関節ユニットは請求項1に記載の圧力分
布センサとオフセット関節のオフセット角を検知するエ
ンコーダと情報処理手段を備えると共に、各関節ユニッ
トと中央の制御用CPUとはネットワーク接続されてお
り、前記感圧シートセンサとエンコーダの出力信号およ
び肩側関節の位置情報とから前記情報処理回路によって
各関節ユニット毎にローカル演算処理を実行し、基準座
標系の位置情報として中央のCPUに送信することで、
応答性の早い制御を実現したことを特徴とする多関節介
護ロボット制御システム。
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