JP4120008B2 - 運動機能補助装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運動機能の低下した人の運動機能を高めるようにした運動機能補助装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、平均寿命が長くなるに従って、高齢者が著しく増えてきており、これに伴って高齢者そして筋力低下による運動機能障害者等の介助が重要な問題になってきている。これに対して、他人の介助なしに高齢者等が自らの意志で所望の運動を行なうことができるように、食事補助，運動機能の回復・支援も目的とした各種研究が行なわれている。
【０００３】
このような研究は三つの研究開発動向に大きく分類され、一つ目は義手等の代替部品の開発、二つ目はロボットによる介護装置の開発、そして三つ目は所謂ＦＥＳ（Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ）等による運動機能回復に関する研究である。
特に、食事補助の分野では、使用者本人が顎によりジョイスティックを操作して、ロボットにより食物を使用者の口元まで運搬するようにした、食事補助装置が既に市販されている。しかしながら、このような顎による操作方法では、ジョイスティックの操作に熟練が必要とされることから、使用者にストレスを与えることになってしまう。
【０００４】
これに対して、眼球運動により生ずる生体信号を検出して、この生体信号に基づいて、生活機器やロボット等の機器を制御するための制御信号を生成するようにした、生体信号利用型制御装置が開示されている（特許文献 1参照）。これによれば、使用者の眼球運動により生ずる生体信号を周波数解析して、１０Ｈｚ以上の比較的高周波成分に基づいて、四種の基本信号を取り出す。そして、この四種の基本信号を任意に三つ組み合わせることによって、６４種類の制御信号を生成するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２２８９４９号（第２−３頁，第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献１による生体信号利用型制御装置においては、生体信号としては、実際には眼球を動かす筋肉の活動電位そして脳の前頭葉から発生する脳波成分、即ち具体的には１３Ｈｚ以上の高周波成分であるβ波を検出しており、眼球の電位そのものの変化を検出しているのではない。
従って、このような生体信号の検出方法においては、眼球が上下左右の何れの方向に動いたかということのみを検出することになり、眼球が何れの方向にどの程度動くかという変化量を検出することはできない。このため、例えば６４種類の制御信号では、あまり細かい制御を行なうことはできず、例えばロボットの正確な制御を行なうことは困難であるので、その利用範囲がロボット等の各種機器の補助的な制御に限定されてしまう。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、使用者本人が他人の介助なしに容易に自分の意志で運動を行なうことができるようにした運動機能補助装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、使用者の筋力を補完する補助力を生成する駆動手段と、この駆動手段を制御する制御手段と、使用者の上下及び左右方向の眼球運動による電位変化を眼電図で計測する計測手段と、計測手段で計測した電位変位に基づいて使用者の意志情報を抽出する解析手段と、を備え、解析手段が、計測手段で計測した電位変化から、使用者の注視点の移動を示すサッケード動作と、眼電図における注視区間と、注視点の二次元平面上の位置とを求めることで、使用者の意志情報として眼球による注視位置を抽出し、制御手段が、解析手段により抽出した使用者の意志情報に基づいて駆動手段を駆動制御して、使用者の運動機能を補助する構成としたものである。
上記構成において、制御手段が、駆動手段を駆動制御する際に速度を考慮した軌道制御により補助力を生成する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図１及び図２は、本発明による運動機能補助装置を適用して、一例として食事動作を支援するロボットの一実施の形態の構成を示している。
図１は本発明による運動機能補助装置の一実施形態を組み込んだ食事動作支援ロボットの構成を示し、（Ａ）は側面図及、（Ｂ）は平面図である。
図１において、食事動作支援ロボット１０は、使用者１１を支持する可倒式のベッド１２と、テーブル１３と、ベッド１２の背部１２ａに備えられた運動機能補助装置２０と、から構成されている。
【００２２】
上記ベッド１２は公知の構成であって、図示の場合、背部１２ａを立ち上げた状態で示されており、使用者１１がこの背部１２ａに背中を当てるようにしてベッド１２上に座っている。
上記テーブル１３は、ベッド１２上にて前後方向（Ｘ方向）に移動可能に支持されており、使用者１１が食事を摂る際には、図示のように、ベッド１２上に座った使用者１１の直前に位置するように位置調整される。
【００２３】
上記運動機能補助装置２０は、自立支援ロボット機構２１と制御部３０とから構成されている。ここで、自立支援ロボット機構２１は、公知の構成である。
図２は、図１の食事動作支援ロボットにおける自立支援ロボット機構の構成を示し、（Ａ）側面図、（Ｂ）は平面図である。図２に示すように、固定部２２に対して垂直軸（Ｚ軸）の周りに回転可能に支持された第一軸２３と、第一軸２３の上端付近にて、横向きの水平軸（Ｙ軸）の周りに揺動可能に支持された第二軸２４と、第二軸２４から前方に向かって張り出す第一のアーム２５と、第一のアーム２５の前端からさらに前方に向かって張り出す第二のアーム２６と、から構成されている。
【００２４】
上記第一軸２３，第二軸２４は、それぞれ駆動モータ２３ａ，２４ａにより回転駆動される。また、第二のアーム２６は、第一のアーム２５の先端にて横向きの水平軸（Ｙ軸）の周りに揺動可能に支持されていると共に、駆動モータ２６ａにより駆動ベルト２６ｂを介して上下方向に揺動され得るようになっている。上記第二のアーム２６は、さらにその先端に、使用者１１の利き腕（図示の場合、右腕）の手首１１ａを吊り下げるためのフック２６ｃを備えていると共に、吊り下げた手首にかかる力を検出するための力センサ２６ｄを備えている。これにより、駆動モータ２３ａ，２４ａ，２６ａを適宜に駆動制御して、使用者１１の右手首１１ａの移動を実行するための筋力を補助する補助力を発生させるようになっている。
【００２５】
図３は、図１の食事動作支援ロボットにおける運動機能補助装置の構成を示すブロック図である。
上記制御部３０は、図３に示すように、計測手段としての眼電図計測装置３１と、使用者の意志情報を抽出する解析手段としてのＤＳＰユニット３２と、制御手段としてのサーボコントローラ３３とから構成されている。駆動モータ２３ａ，２４ａ，２６ａは、ＤＳＰユニット３２と力センサ２６ｄからの信号により、サーボコントローラ３３を介して駆動される。
【００２６】
図４は、図３の運動機能補助装置における眼電図計測装置の具体的構成を示すもので、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
上記眼電図計測装置３１は、図示するように、使用者１１の装着感をできるだけ低減するために、メガネ型測定ユニットとして構成されている。
【００２７】
図５は、図４の眼電図計測装置における電極位置を示す説明図である。使用者１１がメガネを掛けるように当該メガネ型測定ユニットを装着したとき、例えば図５に示すように、使用者１１の両眼１１ｂ，１１ｃに関して、左眼１１ｂの左側１．０ｃｍの位置に第一の電極３１ａ、右眼１１ｃの右側１．０ｃｍの位置に第二の電極３１ｂ、そして右眼１１ｃの上下それぞれ３．０ｃｍの位置に第三及び第四の電極３１ｃ，３１ｄが配置されるようになっている。これにより、使用者１１が食事の度に複数個の電極を顔面に装着する煩雑さ及び不快感から解放されることになる。
【００２８】
上記解析手段としてのＤＳＰユニット３２は、計測手段としての眼電図計測装置３１の各電極３１ａ乃至３１ｄからの検出電位に基づいて解析を行なって、使用者１１の眼球運動を把握し、使用者１１の眼球の注視位置を検出して、これを使用者の意志情報として抽出する。
【００２９】
ここで、上記眼電図計測装置３１の各電極３１ａ乃至３１ｄにより検出される電位をそれぞれＸ₁ ，Ｘ₂ ，Ｘ₃ ，Ｘ₄ とすると、左右方向の電位差（Ｘ₁ −Ｘ₂ ）及び上下方向の電位差（Ｘ₃ −Ｘ₄ ）は、使用者１１の左右方向及び上下方向の眼球運動を表わすことになり、これらの電位差（Ｘ₁ −Ｘ₂ ）及び（Ｘ₃ −Ｘ₄ ）に基づいて、上記ＤＳＰユニット３２は、使用者１１の眼球の上下左右の二次元平面上での運動を把握し、これを使用者の意志情報として抽出することができる。
【００３０】
ここで、上記眼電図計測装置３１の各電極３１ａ乃至３１ｄにより検出された電位Ｘ₁ ，Ｘ₂ ，Ｘ₃ ，Ｘ₄ に基づいて、使用者１１の眼球の運動を把握する実験例について参照して説明する。
図６は、図１の食事動作支援ロボットにおけるテーブル上に配置された皿の位置を示す概略図である。図示するように、テーブル１３の上に、三つの皿４１，４２，４３が並んで配置されている。そして、使用者１１が、テーブル１３上の自分が食べたい皿４１，４２または４３を注視すると、使用者１１の眼球運動が注視により実質的に静止することになる。
そこで、ＤＳＰユニット３２が、この静止状態を検出することにより、そのときの眼球の方向に基づいて、使用者１１がどの皿４１，４２または４３を注視しているかを判定することができる。
【００３１】
この判定アルゴリズムは、サッケード動作の検出，注視区間の検出そして注視点の判定の順に行なわれ、例えば以下のように構成されている。
第一に、注視点の移動を示すサッケード動作を検出する。
図７は、テーブル１３上の基準点４０または各皿４１，４２，４３を注視しているときの眼電図、即ち眼球運動による水平方向の電位差（眼電図）Ｘ_h （ｔ）＝（Ｘ₁ −Ｘ₂ ）及び垂直方向の電位差（眼電図）Ｘ_v （ｔ）＝（Ｘ₃ −Ｘ₄ ）を、それぞれ＋を上向きにて示している。
この場合、使用者１１はまず基準点４０を注視した後、いずれかの皿４１，４２または４３を注視することとする。これにより、いずれの皿４１，４２または４３を注視した場合にも、眼球は垂直方向に大きく動くので、垂直方向の眼電図Ｘ_h （ｔ）は急峻な変化（所謂サッケード）を生ずることになる。その際、眼球が下方に動くことから、眼電図Ｘ_h （ｔ）は少なくとも一時的に負の値となる。従って、区間［ｔ₀ −１．０，ｔ₀ ＋１．０］の２秒間における垂直方向の眼電図Ｘ_h （ｔ）が最小値となる時刻をｔ₀ とし、この時刻ｔ₀ を基準点４０から皿４１，４２または４３への移動の可能性が高い時刻とする。これにより、サッケード動作が検出されることになる。
【００３２】
第二に、注視区間を検出する。
上述したサッケード動作の前後の注視中は、使用者１１の眼球は基準点４０あるいは皿４１，４２または４３を注視していることから、眼球は実質的に静止しているが、実際には眼電図記録用の低域遮断フィルタの影響により緩やかな電位変動が生ずる。従って、ＤＳＰユニット３２は、このような緩やかな電位変動を考慮して、注視区間を検出する。その際、上述したサッケード動作時ｔ₀ 以前には、使用者１１が基準点４０を注視していて眼電図Ｘ_v （ｔ）の変動が少ないことから、眼電図Ｘ_v （ｔ）が以下の二つの条件式
【数１】

【数２】

を満たしているとき、即ち、それぞれ区間Ａ［ｔ₀ −２．１，ｔ₀ −１．１］及び区間Ｂ［ｔ₀ −１．１，ｔ₀ −０．１］の間の１秒間に、眼電図Ｘ_v （ｔ）の最大変化が２００μＶ以下の場合に、注視している区間である可能性が高いとする。これにより、注視区間が検出されることになる。
【００３３】
続いて、第三に、注視点の判定を行なう。
使用者１１が基準点４０から何れかの皿４１，４２または４３を注視すると、垂直方向の眼電図Ｘ_v （ｔ）だけでなく、水平方向の眼電図Ｘ_h （ｔ）も変化する。従って、ＤＳＰユニット３２は、これらの眼電図Ｘ_v （ｔ）及びＸ_h （ｔ）の変化を捉えるために、以下の四つのパラメータ、
【数３】

【数４】

【数５】

【数６】

を計算する。
ここで、Δｔは、サンプリング間隔で、この場合１０ｍｓに設定されている。式３は時刻ｔ₀ 以前の区間Ｂにおける垂直方向の眼電図Ｘ_v （ｔ）の平均値、式４は時刻ｔ₀ 以後の区間Ｃ［ｔ₀ ＋０．１，ｔ₀ ＋１．１］における垂直方向の眼電図Ｘ_v （ｔ）の平均値、また、式５及び６は、それぞれ区間Ｂ，Ｃにおける水平方向の眼電図Ｘ_h （ｔ）の平均値を表わす。
使用者１１の注視点が、基準点４０から皿４１，４２または４３に移動すると、上記式３及び４による垂直方向の眼電図Ｘ_v （ｔ）の平均値の差が大きくなると共に、皿４１，４２または４３は水平方向に距離をおいて一列に並んでいるので、水平方向の眼電図Ｘ_h （ｔ）の平均値は、各注視点によって異なることになる。
【００３４】
図８は、図３の運動機能補助装置におけるＤＳＰユニットによる注視点の判定のためのしきい値を示す図である。
従って、ＤＳＰユニット３２は、各皿４１，４２，４３における注視点に関して、図８に示すように、垂直方向に関して式３及び４による垂直方向の眼電図Ｘ_v （ｔ）の平均値の差αが５０μＶ以上であるときに、且つ式５及び６による水平方向の眼電図Ｘ_h （ｔ）の平均値の差βに応じて、注視点が皿４１，４２または４３であると判定する。
即ち、ＤＳＰユニット３２は、式５及び６による水平方向の眼電図Ｘ_h （ｔ）の平均値の差βが−１００μＶから１００μＶでは注視点が皿４１であると判定し、βが１００μＶ以上では注視点が皿４２であると判定し、さらにβが−１００μＶ以下では、注視点が皿４３であると判定する。
これに対して、これらの条件の何れも満たさない場合には、ＤＳＰユニット３２は、何れの皿４１，４２または４３も注視していないと判定する。
【００３５】
次に、上述した注視点の判定の具体的な実験結果を図９を参照して示す。図９は、図６の皿を使用者が順次に注視したときの、（Ａ）は眼電図を示すグラフ、（Ｂ）は眼電図から得られる注視点の二次元平面上の位置を示す図である。
実験では、使用者１１がそれぞれ基準点４０の注視後それぞれ上記各皿４１，４２及び４３を注視している。
図９（Ａ）は、実験による使用者１１の水平方向及び垂直方向の眼電図Ｘ_v （ｔ）及びＸ_h （ｔ）を示しており、基準点４０または皿４１，４２，４３の注視区間において、各眼電図Ｘ_v （ｔ）及びＸ_h （ｔ）がそれぞれサッケード動作を挟んで緩やかに変動しており、その座標位置は図６に示した皿４１，４２，４３の配置に近似していることが分かる。また、図９（Ｂ）から、上記各皿４１，４２及び４３の注視点により、二次元平面上の位置が変化していることが分かる。このようにして、使用者１１の注視点を眼電図により判定し、具体的には使用者１１がどの皿４１，４２，４３を注視しているかを判定することが可能である。
【００３６】
ところで、特許文献１においては、眼球運動により生ずる生体信号を検出して、ロボット等の機器を制御する方法が提案されているが、眼球がどの方向に移動しているかを検出するだけであって、眼球がどの方向にどの程度移動して、何れの方向に向いているかを判定することはできない。そのため、多彩な制御を行なうことは不可能であった。
これに対して、上述したように本発明の実施形態による運動機能補助装置３０においては、使用者１１の眼球運動の眼電図により、サッケード動作，注視動作そして電位に基づいて、使用者１１の眼球運動を左右方向及び上下方向に関して検出し、注視点の二次元平面上の位置を判定するようにしているので、任意に配置された複数の注視点を区別して判定することができる。
【００３７】
上記サーボコントローラ３３は、ＤＳＰユニット３２からの判定結果、即ち何れの皿４１，４２，４３を注視しているかに基づいて自立支援ロボット機構２１に対してコマンドを出力するようになっている。即ち、サーボコントローラ３３は、使用者１１の注視点である皿４１，４２または４３に向かって使用者１１の右手首１１ａを皿４１，４２または４３に向かって移動させるように、各駆動モータ２３ａ，２４ａ，２６ａを駆動制御する。
【００３８】
その際、自立支援ロボット機構２１は、使用者１１の右腕の筋力を補助する補助力のみを発生させると共に、この補助力によって使用者１１に対して危害を加えないように、当該補助力が大きくなり過ぎた場合には、サーボコントローラ３３は、駆動制御を切り換えて補助力を小さくすることにより、安全性を確保するようになっている。即ち、サーボコントローラ３３は、自立支援ロボット機構２１の第二のアーム２６の先端のフック２６ｃに備えられた力センサ２６ｄの検出出力がフィードバックされており、この力センサ２６ｄの検出出力によって、自立支援ロボット機構２１の駆動制御にて使用者１１の右手首１１ａに加えられる力を検出して、この力が所定値を超えたとき駆動制御を切り換えて、自立支援ロボット機構２１の駆動制御により使用者１１の右手首１１ａに加えられる力を低減するようになっている。
【００３９】
このような補助力生成の制御手法の具体例について、図１０を参照して説明する。図１０は、図３の運動機能補助装置における制御手法を示すブロック図である。図１０において、制御手法は五個のブロックに分かれており、使用者１１の右腕を示す第一ブロック５１、サーボコントローラ３３と自立支援ロボット機構２１を示す第二のブロック５２、使用者１１の右腕と自立支援ロボット機構２１の連結部を示す第三のブロック５３、注視点からサーボコントローラ３３への入力を与える第四のブロック５４、そして、上記安全性を確保するための第五のブロック５５を備えている。そして、この制御手法においては、自立支援ロボット機構２１の第二のアーム２６の先端の移動速度を考慮しながら軌道制御を行なうことにより、補助力を生成するようになっている。
【００４０】
ここで、まず符号Ａ１で示すように、第四のブロック５４にて、ＤＳＰユニット３２により判定された注視点（眼電図情報ＥＯＧ）が、目標点として入力される。
具体的には、自立支援ロボット機構２１の第二のアーム２６の先端の位置（現在点）をＰ^R ＝（ｘ^R ，ｙ^R ，ｚ^R ）、
入力された目標点をＰ_d ^R ＝（ｘ_d ^R ，ｙ_d ^R ，ｚ_d ^R ）とすると、二点間の距離は、
【数７】

となる。
【００４１】
次に、図１０にて符号Ａ２で示すように、移動速度の大きさをｖとして、現在点から目標点までのベクトルを求めて、自立支援ロボット機構２１の第二のアーム２６の先端の移動速度を導出する。
図１１は、図１０の制御手法における自立支援ロボット機構の第二のアームの先端の移動速度を示すグラフである。図において、横軸が時間（ｔ）で、縦軸が速度Ｖである。即ち、二点間の移動速度の最大値をｖ⁰ として、図１１に示すような所謂台形型の移動速度ｖを求める。
具体的には、移動速度ｖの傾きをａとすると、二点間の移動速度ｖは、
【数８】

となり、作業座標系にてＸ，Ｙ，Ｚに分解すると、
【数９】

【数１０】

【数１１】

となる。ここで、ｖ^* ＝［ｖ_x ，ｖ _y ｖ_z ］^T である。
これらの式９乃至１１を、自立支援ロボット機構２１のヤコビアンの逆行列（Ｊ^R ）^-1を用いて、自立支援ロボット機構２１の目標関節角速度に変換すると、目標関節角速度は、
【数１２】

となる。
【００４２】
次に、図１０の符号Ａ３で示すように、上記目標関節角速度の積分によって、支援ロボットを駆動するためのサーボコントローラ３３への関節位置指令ｑ_d ^R を算出する。
具体的には、上記式１２を
【数１３】

と積分することにより、自立支援ロボット機構２１を駆動制御するための目標関節位置指令ｑ_d ^R が得られる。
【００４３】
続いて、図１０にて符号Ａ４で示すように、自立支援ロボット機構２１の第二のアーム２６のトルクτ^R が生成され、使用者１１から自立支援ロボット機構２１に加えられる外乱トルクτ^HRを減算して、実際に自立支援ロボット機構２１の第二のアーム２６への入力トルクτ_u ^R を演算する。
具体的には、自立支援ロボット機構２１の第二のアーム２６の目標関節位置指令ｑ_d ^R と現在の関節位置ｑ^R 、そして関節角速度ｑ・ ^R を用いて、自立支援ロボット機構の第二のアーム２６の関節に生成されるトルクτ^R は、
【数１４】

となる。ここで、Ｋ^P ，Ｋ^V ，Ｋ^T は、それぞれ位置ループゲイン，速度ループゲイン，トルク定数である。
さらに、使用者１１の右腕から外乱トルクτ^HRを減算することにより、自立支援ロボット機構２１に加えられる総トルクτ_u ^R は、
【数１５】

となる。
【００４４】
次に、図１０の符号Ａ５で示すように、上記入力トルクτ_u ^R により、自立支援ロボット機構２１が動作して、その第二のアーム２６のアーム関節角度ｑ^R から当該自立支援ロボット機構２１のキネマティクスによって、自立支援ロボット機構２１のアーム先端位置Ｐ^R に変換される。
ここで、自立支援ロボット機構２１の動力学方程式は、一般的には
【数１６】

で表わされる。ここで、第一項は慣性項，第二項は非線形項，第三項は摩擦項そして第四項は重力項である。
従って、具体的には式１５及び１６により、自立支援ロボット機構２１の動作を表現することが可能であり、式１６から自立支援ロボット機構２１の第二のアーム２６のアーム関節位置ｑ^R が得られ、さらに自立支援ロボット機構２１のキネマティクスにより、自立支援ロボット機構２１の第二のアーム２６の先端位置Ｐ^R が得られることになる。
【００４５】
次に、図１０にて符号Ａ６で示すように、自立支援ロボット機構２１の動作がバネ・ダンパ（後述）を介して使用者１１の右手首１１ａに伝達され、そのときの伝達力Ｆ^RHが、力センサ２６ｄにより得られる。
具体的には、自立支援ロボット機構２１の第二のアーム２６の先端位置Ｐ^R と使用者１１の右腕の先端位置Ｐ^H との距離をＰ_e ^RHとすると、この距離は、
【数１７】

となる。ここで、自立支援ロボット機構２１と使用者１１の右腕の先端位置Ｐ^H とは予め距離Ｐ⁰ に保持されていることを考慮して、その間をバネ・ダンパで表現すると、自立支援ロボット機構２１から使用者１１の右腕に伝達される伝達力Ｆ^RHは、
【数１８】

となる。
このようにして、自立支援ロボット機構２１の駆動制御による動作が、バネ・ダンパを介して伝達力Ｆ^RHとして使用者１１の右腕に加えられることになる。
【００４６】
次に、図１０にて符号Ａ７で示すように、バネ・ダンパを介して使用者１１の右腕の先端にかかる自立支援ロボット機構２１からの伝達力Ｆ^RHを、使用者１１の右腕のヤコビアン転置（Ｊ^H ）^T を用いて、使用者１１の右腕の関節トルクτ^RHに変換する。
続いて、図１０にて符号Ａ８で示すように、使用者１１が自ら出力した右腕の関節トルクτ^H と上記自立支援ロボット機構２１による関節トルクτ^RHを加算して、使用者１１の右腕にかかる総トルクτ_u ^H を算出する。
即ち、総トルクτ_u ^H は、
【数１９】

となる。
【００４７】
次に、図１０にて符号Ａ９で示すように、上記総トルクτ_u ^H によって、使用者１１の右腕が動作するので、使用者１１の右腕の関節角度ｑ^H から使用者１１の右腕のキネマティクス変換によって、使用者１１の右腕の先端位置Ｐ^H を算出する。
即ち、使用者１１の右腕を多関節のロボットアームとみなして、ラグランジュの運動方程式により、その動力学方程式を求めると、一般的に
【数２０】

となる。ここで、第一項は慣性項，第二項は非線形項，第三項は摩擦項そして第四項は重力項である。
従って、式１９及び２０により、使用者１１の右腕の動きを表現することが可能である。
【００４８】
次に、図１０にて符号Ａ１０で示すように、バネ・ダンパを介して自立支援ロボット機構２１から使用者１１の右腕に加えられたトルクτ^RHは、作用反作用の法則によって、使用者１１の右腕から自立支援ロボット機構２１にも加えられることになるため、伝達力Ｆ^RHを自立支援ロボット機構２１にフィードバックし、その際自立支援ロボット機構２１のヤコビアン転置（Ｊ^R ）^T を用いて使用者１１の右腕から自立支援ロボット機構２１に加えられる伝達トルクτ^HRとなる。
即ち、式２０に基づいて使用者１１の右腕が動作すると、バネ・ダンパによる伝達力Ｆ^RHが変化することにより、この伝達力Ｆ^RHをヤコビアン転置（Ｊ^R ）^T によりフィードバックする自立支援ロボット機構２１にも、伝達トルクτ^HRの影響を与えることになる。
【００４９】
また、図１０にて符号Ａ１１で示すように、使用者１１が自ら発生したトルクτ^H によって、伝達力Ｆ^RHの大きさも変化するので、フィードバックにより自立支援ロボット機構２１に入力される外乱トルクτ^HRも変化することになる。
その際、外乱トルクτ^HRがある閾値を超えた場合、スイッチＳｗがフォースフリー制御に切り替わる。ここで、フォースフリー制御とは、外部から加えられた力に従って、対象となる装置を駆動させる公知の制御手法であって、この場合フォースフリー制御が、外乱トルクτ^HRに従って動作するようなサーボ系への関節位置指令を生成する。これによって、自立支援ロボット２１を無重力・無摩擦な空間に存在しているかのように制御することにより、自立支援ロボット機構２１が使用者１１から離反するように動作することになり、使用者１１の安全性が確保されることになる。
【００５０】
このため、フォースフリー制御は、使用者１１の右腕からのトルクτ^HRに基づいて、
【数２１】

のアルゴリズムにより行なわれる。ここで、τ^d は摩擦補償トルク，τ^g は重力補償トルクであり、それぞれ好ましくは、τ^d ＝ｇ^R （ｑ^R ），τ^g ＝Ｆ^R （ｑ^R ，ｑ_u ・^R ）
により与えられる。
このようにして、式２１により得られた目標関節位置ｑ_d ^R は、第四のブロック５４により生成された目標関節位置ｑ_d ^R と、スイッチＳｗにより排他的に切り替えられることにより、使用者１１の右腕と自立支援ロボット機構２１の間の力を逃がして、あるいは自立支援ロボット機構２１が人間や物体等の外部環境が衝突した場合の安全性を確保することができる。
【００５１】
本発明の実施形態による食事動作支援ロボット１０は、以上のように構成されており、使用者１１が食したい食物の載っている皿４１，４２または４３を注視することによって、運動機能補助装置２０が、使用者１１の眼電図計測装置３１により計測された眼電図に基づいて使用者１１の注視点を検出し、サーボコントローラ３３により自立支援ロボット機構２１を駆動制御する。
これにより、使用者１１が、自分の右手首を自立支援ロボット機構２１により注視点となる皿４１，４２または４３に向かって移動させようとする際に、自立支援ロボット機構２１が使用者１１の右手首を当該注視点に向かうような使用者１１の右腕の運動を補助するように移動させる。この際、自立支援ロボット機構２１の第二のアーム２６の先端の移動速度を考慮しながら軌道制御を行なうことにより、過不足のない適切な補助力が生成できる。
これにより、力が弱すぎて十分な補助力が得られないということもなく、また、使用者に過剰な力が加わらないので安全である。従って、使用者１１の右腕の筋力が低下していたとしても、使用者１１は自らの意志に基づいて、右腕を注視点となる皿４１，４２または４３に向かって移動させることができる。
さらに、使用者１１に無理な力が加えられた場合には、フォースフリー制御に切り替えられることから、使用者１１に危害が加えられてしまうようなことはなく、安全性が確保される。
【００５２】
図１２は、図１０に関連して説明した補助力生成の制御手法の別の具体例を示すもので、図３の運動機能補助装置における制御手法の変形例を示すブロック図である。図１２において、制御手法は、四個のブロックに分かれており、使用者１１の右腕を示す第一ブロック６１、サーボコントローラ３３と自立支援ロボット機構２１を示す第二のブロック６２、使用者１１の右腕と自立支援ロボット機構２１の連結部を示す第三のブロック６３、注視点からサーボコントローラ３３への入力を与える第四のブロック６４を備えている。
そして、この制御手法においては、自立支援ロボット機構２１の第二のアーム２６の先端を移動させるために必要なトルクを求めて、このトルクに基づいてフォースフリー制御を行なうことにより、補助力を生成するようになっている。
【００５３】
ここで、まず符号Ｂ１で示すように、第四のブロック６４にて、ＤＳＰユニット３２により判定された注視点（眼電図情報ＥＯＧ）が、目標点として入力される。具体的には、眼電図から得られた注視点を目標点として、この目標点と現在点から目標軌道Ｐ_d ^H （ｘ，ｙ，ｚ）を演算する。
【００５４】
次に、図１２にて符号Ｂ２で示すように、上記目標点に対応する目標関節位置ｑ_d ^R を逆キネマティックにより演算する。
具体的には、上記目標軌道Ｐ_d ^H （ｘ，ｙ，ｚ）から逆キネマティックを用いて、自立支援ロボット機構２１の目標関節位置ｑ_d ^R は、
【数２２】

【数２３】

【数２４】

となる。ここで、ｃ＝（ｘ² ＋ｙ² ）^1/2 −Ｌ₂ ^R であり、Ｌ₁ ^R ，Ｌ₂ ^R およびＬ₃ ^R は、自立支援ロボット機構２１の各軸のリンク長である。
【００５５】
次に、図１２にて符号Ｂ３で示すように、上記目標関節位置ｑ_d ^R から、自立支援ロボット機構２１のラグランジュの運動方程式
【数２５】

を用いて、トルク指令τ_d ^R を生成して、自立支援ロボット機構２１に入力する。ここで、Ｈ（ｑ_d ^R ）は、自立支援ロボット機構２１の慣性項である。
【００５６】
続いて、図１２にて符号Ｂ４で示すように、上記トルク指令τ_d ^R と使用者１１から自立支援ロボット機構２１に加えられるトルクτ^HRにより、フォースフリー制御によって、位置指令ｑ_d ^R*を生成して、自立支援ロボット機構２１に入力する。
具体的には、上記トルク指令τ_d ^R と使用者１１の右腕から自立支援ロボット機構２１に加えられた力をトルクに変換したトルクτ^HRにより、自立支援ロボット機構２１に必要なトルクτ_d ^R*を演算し、このトルクτ_d ^R*から、以下の式
【数２６】

【数２７】

によって、フォースフリー制御による位置指令ｑ_d ^R*を求める。ここで、Ｋ^P ，Ｋ^V ，Ｋ は、それぞれ自立支援ロボット機構２１のサーボコントローラ３３の位置ループゲイン，速度ループゲイン，トルク定数であり、ｑ_d ・^R は、自立支援ロボット機構２１の関節角速度である。
【００５７】
次に、図１２の符号Ｂ５で示すように、上記位置指令ｑ_d ^R*をサーボコントローラ３３に入力して、自立支援ロボット機構２１のラグランジュの運動方程式
【数２８】

により、自立支援ロボット２１の関節位置ｑ^R を演算する。
【００５８】
次に、図１２の符号Ｂ６で示すように、上記自立支援ロボット機構２１の関節位置ｑ^R から、自立支援ロボット機構２１の第二のアーム２６の先端の軌跡Ｐ^R をキネマティクス
【数２９】

【数３０】

【数３１】

を用いて演算する。ここで、Ｐ^R ＝［Ｐ_x ^R ，Ｐ_y ^R ，Ｐ_z ^R ］^T である。
【００５９】
次に、図１２にて符号Ｂ７で示すように、バネ・ダンパによりモデル化して、バネ・ダンパを介して使用者１１の右腕の先端にかかる自立支援ロボット機構２１からの伝達力Ｆ^RHを演算する。
即ち、自立支援ロボット機構２１の第二のアーム２６の先端位置Ｐ^R と使用者１１の右腕の先端位置Ｐ^H から、
【数３２】

【数３３】

を用いて、使用者１１の右腕に加えられる伝達力Ｆ^RHを演算する。ここで、Ｋ，Ｄは、それぞれバネ定数及びダンパ係数である。
【００６０】
続いて、図１２にて符号Ｂ８で示すように、使用者１１の右腕に加えられる力Ｆ^RHを、使用者１１の右腕のヤコビアン転置（Ｊ^H ）^T を用いて、
【数３４】

により、使用者１１の右腕の関節トルクτ^RHに変換する。
【００６１】
次に、図１２にて符号Ｂ９で示すように、上記使用者１１の右腕の関節トルクτ^RHから、使用者の右腕のラグランジュの運動方程式
【数３５】

を用いて、使用者１１の右腕の関節位置ｑ^H を演算する。ここで、Ｄ，μは、それぞれ粘性摩擦係数，クローン摩擦係数である。
【００６２】
次に、図１２にて符号Ｂ１０により示すように、使用者１１の右腕の関節位置ｑ^H から、使用者１１の右腕の先端の軌跡Ｐ^H を、キネマティクス変換
【数３６】

【数３７】

【数３８】

により演算する。ここで、Ｐ^H ＝［Ｐ_x ^H ，Ｐ_y ^H ，Ｐ_z ^H ］^T である。
【００６３】
続いて、図１２にて符号Ｂ１１で示すように、使用者１１が自ら発生したトルクτ^H によって、伝達力Ｆ^RHの大きさも変化するので、フィードバックにより自立支援ロボット機構２１に入力される外乱トルクτ^HRも変化することになる。その際、外乱トルクτ^HRがある閾値を超えた場合、スイッチＳｗが切り替わって、トルク指令τ_d ^R からの入力を遮断する。これにより、フォースフリー制御が、外乱トルクτ^HRに従って動作するようなサーボ系への関節位置指令を生成する。これによって、自立支援ロボット２１を無重力・無摩擦な空間に存在しているかのように制御することにより、自立支援ロボット機構２１が使用者１１から離反するように動作することになる。従って、使用者１１の右腕と自立支援ロボット機構２１の間の力を逃がして、あるいは自立支援ロボット機構２１が人間や物体等の外部環境が衝突した場合の安全性を確保することができる。
【００６４】
上述した実施形態においては、運動機能補助装置２０は、使用者１１の右腕の運動を補助する自立支援ロボット機構２１を備えているが、これに限らず、使用者１１の筋力低下の部位に応じて、適宜の運動機能補助装置を構成してもよいことは明らかである。
また、上述した実施形態においては、使用者１１として寝たきり患者を想定しているが、これに限らず、例えば関節リウマチ等の一時的または慢性的に関節が痛むような患者、さらには高齢、筋ジストロフィーやＡＬＳ等の全身の筋力が低下し運動が困難となった患者等も含むことは明らかである。
【００６５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、使用者の自ら発生する筋力を補助する補助力を発生させることにより、使用者が筋力の低下した部位の運動を行なおうとする際に、その低下した筋力を補助するので、使用者本人が他人の介助なしに又は軽減して自分の意志で運動を行なうことができる。
その際、検出した眼球運動の上下方向及び左右方向の眼電図に基づいて、使用者の眼球の実質的な静止状態、即ち注視状態を検出することによって、眼球運動による二次元平面上の任意の座標位置を判定することができる。従って、使用者の注視点を確実に検出することによって、その座標位置に応じて多様な使用者の意志情報を検出することができる。
このようにして、本発明によれば、使用者本人が他人の介助なしに容易に自分の意志で運動を行なうことができるようにした、極めて優れた運動機能補助装置及び方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による運動機能補助装置の一実施形態を組み込んだ食事動作支援ロボットの構成を示すもので、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図である。
【図２】図１の食事動作支援ロボットにおける自立支援ロボット機構の構成を示すもので、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図である。
【図３】図１の食事動作支援ロボットにおける運動機能補助装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図３の運動機能補助装置における眼電図計測装置の具体的構成を示すもので、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
【図５】図４の眼電図計測装置における電極位置を示す説明図である。
【図６】図１の食事動作支援ロボットにおけるテーブル上に配置された皿の位置を示す概略図である。
【図７】図４の眼電図計測装置にて使用者が注視しているときの眼電図波形を示すグラフである。
【図８】図３の運動機能補助装置におけるＤＳＰユニットによる注視点の判定のためのしきい値を示す図である。
【図９】図６の皿を使用者が順次に注視したときの、（Ａ）は眼電図を示すグラフ、（Ｂ）は眼電図から得られる注視点の二次元平面上の位置を示す図である。
【図１０】図３の運動機能補助装置における制御手法を示すブロック図である。
【図１１】図１０の制御手法における自立支援ロボット機構の第二のアームの先端の移動速度を示すグラフである。
【図１２】図３の運動機能補助装置における制御手法の変形例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 食事動作支援ロボット
１１ 使用者
１１ａ 右手首
１１ｂ 左眼
１１ｃ 右目
１２ ベッド
１３ テーブル
２０ 運動機能補助装置
２１ 自立支援ロボット機構
２２ 固定部
２３ 第一軸
２４ 第二軸
２５ 第一のアーム
２６ 第二のアーム
２３ａ，２４ａ，２６ａ 駆動モータ
２６ｂ 駆動ベルト
２６ｃ フック
２６ｄ 力センサ
３０ 制御部
３１ 眼電図計測装置
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ 電極
３２ ＤＳＰユニット（解析手段）
３３ サーボコントローラ（制御手段）
４０ 基準点
４１，４２，４３ 皿（注視点）
５１，６１ 使用者の右腕を示す第一ブロック
５２，６２ サーボコントローラと自立支援ロボット機構を示す第二のブロック
５３，６３ 使用者の右腕と自立支援ロボット機構の連結部を示す第三のブロック
５４，６４ 注視点からサーボコントローラへの入力を与える第四のブロック
５５ 安全性を確保するための第五のブロック

Claims (2)

1. 使用者の筋力を補完する補助力を生成する駆動手段と、
   この駆動手段を制御する制御手段と、
   使用者の上下及び左右方向の眼球運動による電位変化を眼電図で計測する計測手段と、
   上記計測手段で計測した電位変位に基づいて使用者の意志情報を抽出する解析手段と、を備え、
   上記解析手段が、上記計測手段で計測した電位変化から、使用者の注視点の移動を示すサッケード動作と、眼電図における注視区間と、注視点の二次元平面上の位置とを求めることで、使用者の意志情報として眼球による注視位置を抽出し、
   上記制御手段が、上記解析手段により抽出した使用者の意志情報に基づいて上記駆動手段を駆動制御して、使用者の運動機能を補助する、運動機能補助装置。
2. 前記制御手段が、前記駆動手段を駆動制御する際に、速度を考慮した軌道制御により補助力を生成する、請求項１に記載の運動機能補助装置。

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