JP5245840B2 - 移乗装置、バランス状態評価装置、バランス状態評価方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、移乗装置、バランス状態評価装置、バランス状態評価方法、及びプログラムに関する。

自立歩行が困難な人にとって寝台から車椅子への移乗を自立的にすることは容易ではなく、移乗の際、介護者の手助けが必要になる場合がある。しかしながら、移乗の際、介護者の手助けが常に必要になると、介護者にとっては、肉体的な負担に精神的な負担も加わり、介護負担が著しく重くなってしまう。

従来から被介護者の移乗を支援するために様々な装置が開発されている。例えば、特許文献１には、伸縮量が調整可能なスライド台座を有する移乗支援装置が開示されている。

特開２００６−３０５０９２号公報

被介護者による自立的な移乗を支援する移乗装置を実現するに際しては、特に移乗過程での移乗装置の安定性を高めることが要求される。移乗過程で移乗装置の安定性が著しく損なわれる場合、移乗過程で移乗装置が転倒してしまう可能性もある。なお、移乗装置の安定性を高めるため、移乗装置自体を強固に土台等に固定しても良いが、実生活空間に導入する装置としては現実的ではない。

被介護者が搭乗若しくは寄り掛かる可動部を変位させることによって、被介護者を移乗させる場合、被介護者は、特に大きなストレスを受けることなく移乗することができる。しかしながら、被介護者の重量が加わった状態で可動部が変位するため、被介護者の移乗時の安定性を高めることは容易ではない。

上述の説明から明かなように、被介護者の移乗時の装置の安定性を高めることが強く要求される。

本発明に係る移乗装置は、被介護者を移乗する移乗装置であって、少なくとも前記被介護者及び前記移乗装置に対応する複数の質点を含む質点系の重心の位置を算出し、前記移乗装置が接地する接地面に対して前記質点系の前記重心を鉛直方向に投影した位置にある重心投影点の位置を算出する。重心投影点の位置を活用することで、被介護者の移乗時の移乗装置の安定性を高めることが可能になる。

前記移乗装置は、前記被介護者を移乗させる可動部、及び前記可動部が連結した本体部を少なくとも備え、前記質点系は、前記可動部に対応する質点、及び前記本体部に対応する質点を含む、と良い。

前記移乗装置の幾何学形状に応じて定まる少なくともＮ（但し、Ｎは、２以上の自然数とする）以上のＮ次元座標系の夫々にて、前記質点系の重心及び前記重心投影点の位置を算出する、と良い。

前記接地面における前記移乗装置の支点を結んで形成される囲み仮想線と前記重心投影点間の平面的な位置関係に基づいて前記移乗装置の安定性を判断する、と良い。

前記安定性の判断結果に応じて移乗装置の動作状態を制御する、と良い。

前記可動部を変位させることに要する力に基づいて前記被介護者の質量を算出する、と良い。

本発明にかかるバランス状態評価装置は、少なくとも移動対象物及び当該移動対象物を変位させる搬送装置に対応する複数の質点を含む質点系の重心の位置を算出し、前記搬送装置が接地する接地面に対して前記質点系の前記重心を鉛直方向に投影した位置にある重心投影点の位置を算出する。

前記搬送装置は、前記移動対象物を変位させる可動部、及び前記可動部が連結した本体部を少なくとも備え、前記質点系は、前記可動部に対応する質点、及び前記本体部に対応する質点を含む、と良い。

前記搬送装置の幾何学形状に応じて定まる少なくともＮ（但し、Ｎは、２以上の自然数とする）以上のＮ次元座標系の夫々にて、前記質点系の前記重心及び前記重心投影点の位置を算出する、と良い。

前記接地面における前記搬送装置の支点を結んで形成される囲み仮想線と前記重心投影点との平面的な位置関係に基づいて前記搬送装置の安定性を評価する、と良い。

本発明に係るバランス状態評価方法は、少なくとも移動対象物及び当該移動対象物を変位させる搬送装置に対応する複数の質点を含む質点系の重心の位置を算出し、前記搬送装置が接地する接地面に対して前記質点系の前記重心を鉛直方向に投影した位置にある重心投影点の位置を算出する。

本発明にかかるプログラムは、被介護者を移乗する移乗装置に実装されるコンピュータに格納されるプログラムであって、少なくとも前記被介護者及び前記移乗装置に対応する複数の質点を含む質点系の重心の位置を前記コンピュータに算出させ、前記移乗装置が接地する接地面に対して前記質点系の前記重心を鉛直方向に投影した位置にある重心投影点の位置を前記コンピュータに算出させる。

本発明によれば、被介護者の移乗時の装置の安定性を高めることができる。

本発明の第１の実施形態にかかる移乗装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態にかかる移乗装置の概略的な側面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる基準座標系と装置座標系との関係を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態にかかる囲い仮想線と重心との関係を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態にかかる移乗装置に対応する複数の質点を含む質点系を説明するための説明図である。 本発明の第１の実施形態にかかる移乗装置の動作を説明するための概略的なフローチャートである。 本発明の第２の実施形態にかかる移乗装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態にかかる移乗装置の概略的な側面図である。 本発明の第３の実施形態にかかるアーム部のバリエーションを説明するための模式図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、各実施の形態は、説明の便宜上、簡略化されている。図面は簡略的なものであるから、図面の記載を根拠として本発明の技術的範囲を狭く解釈してはならない。図面は、もっぱら技術的事項の説明のためのものであり、図面に示された要素の正確な大きさ等は反映していない。同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。上下左右といった方向を示す言葉は、図面を正面視した場合を前提として用いるものとする。

〔第１の実施の形態〕
以下、図１乃至図６を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、移乗装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。図２は、移乗装置の概略的な側面図である。図３は、基準座標系と装置座標系との関係を示す説明図である。図４は、囲い仮想線と重心との関係を示す説明図である。図５は、移乗装置に対応する複数の質点を含む質点系を説明するための説明図である。図６は、移乗装置の動作を説明するための概略的なフローチャートである。

図１に示すように、移乗装置（搬送装置）１００は、重量検出器５０、アーム角検出器５１、θｇｎｄ検出部５２、報知部６０、アクチュエータ６１、制御部７０、及びデータ格納部８０を有する。制御部７０は、評価値算出部７１、バランス状態評価部７２、及び安定化指示部７３を有する。評価値算出部７１は、負荷質量算出部７１ａ、重心位置算出部７１ｂ、及び重心投影点位置算出部７１ｃを有する。

移乗装置１００は、評価値算出部７１の算出結果に基づいて、移乗装置１００のバランス状態を評価する。より詳細には、移乗装置１００は、被介護者及び移乗装置１００に対応する質点を含む質点系の重心位置を算出し、移乗装置１００が接地する接地面に対して前記重心を鉛直方向に投影した重心投影点の位置を算出する。移乗装置１００は、重心投影点の位置に基づいて移乗装置１００のバランス状態を評価する。これによって、被介護者の移乗時における移乗装置１００の安定性を効果的に高めることが可能になる。

なお、後述の説明から明らかなように、移乗装置１００は、接地面における移乗装置１００の支持点を結んで形成される囲み仮想線の範囲内に重心投影点が存在するか否かに基づいて、移乗装置１００の現在のバランス状態を評価する。これによって、比較的簡易な方法によって安定性を評価することができる。なお、バランス状態の評価とは、バランスがとれた状態にあるのか、バランスがとれていない状態にあるのかという観点から移乗装置１００の安定性を評価することを意味する。なお、囲み仮想線の範囲内に重心投影点が存在する状態をバランスがとれた状態とする。

図１を参照した説明の前に、図２乃至図５を参照して、移乗装置１００の構成及び機能について説明する。

図２乃至図５に示すように、移乗装置１００は、フレーム部材１０、車輪１１〜１４、胴部２０、回動部２５、及びアーム部（稼動部）２６を有する。フレーム部材１０、車輪１１〜１４、胴部２０、及び回動部２５によって移乗装置１００の本体部が形成される。車輪１１、１４は、回転軸（不図示）によって連結している。車輪１２、１３についても同様である。フレーム部材１０の背面には、上述の回転軸を回動可能に軸支する支持機構（不図示）が固設されている。フレーム部材１０の前面には、中空の筐体内に様々な部品（圧力センサ、エンコーダ、ジャイロセンサ、コンピュータ、液晶表示装置、アクチュエータ、温度センサ等）が内蔵された胴部２０が固設されている。尚、図１に示した各要素は、胴部２０に内蔵される。

胴部２０の上端には、ｚ軸と平行な回転軸を有する回動部２５が設けられている。回動部２５は、移乗装置１００が内蔵するＣＰＵ（Central Processing Unit）からの指令に応じて回動する。なお、回動部２５は、胴部２０に対する配置関係を保ちつつ、その場に居ながら回動する。アーム部２６は、回動部２５の回動に応じて、回動部２５の回転軸を回転中心として回動する。

アーム部２６は、１以上のリンクからなる。アーム部２６には、被介護者（移動対象物）２７が搭乗又は寄りかかる等によって接触する。被介護者２７は、アーム部２６により支持された状態で、例えば、寝台から車椅子に移乗する。なお、本実施形態では、アーム部２６を簡略化して表示しているが、一般的なロボットアームのように、複数のリンクを連結させてアーム部２６を形成しても良い。

図２乃至図５に示すように、移乗装置１００の幾何学的な形状に応じて、ｘｙｚ座標系が設定されている。ｘ軸は、移乗装置１００の長手方向に設定されている。ｙ軸は、移乗装置１００の高さ方向に設定されている。ｚ軸は、移乗装置１００の幅方向に設定されている。ｘｙｚ座標系の原点は、車輪１３の配置位置に対応づけて設定されている。なお、ｘｙｚ座標系は、質点系内の質点の相対的な位置関係を把握するために設定されており、従って、ｘｙｚ座標系の原点を設定する場所は任意である。

移乗装置１００のバランス状態を判断するため、図３に示すように、上述のｘｙｚ座標系に加えて、基準座標系（世界座標系）も設定されている。基準座標系（ＸＹＺ座標系）の設定によって、接地面に対して質点系の重心を鉛直方向（Ｙ軸方向）に投影した位置にある質点投影点の位置を算出することが可能になる。

移乗装置１００に対応して設定されたｘｙｚ座標系は、移乗装置１００が接地する接地面の傾斜等に応じて基準座標系内で空間的に変動する。従って、接地面の状態が不定の場合には、ｘｙｚ座標系のみでは移乗装置１００のバランス状態を評価することは難しい。説明の便宜上、上述の基準座標系との区別のために、移乗装置１００に対応して設定されるｘｙｚ座標系を装置座標系と呼ぶこともある。なお、図３では、説明の便宜上、ＹＺ座標の図示は省略されている。

図４に示すように、接地面における移乗装置１００の接地点（移乗装置１００の支点）を結ぶことで囲み仮想線ＩＬ１が形成される。以下、説明の便宜上、囲み仮想線ＩＬ１を支持多角形と呼ぶこともある。

図２（ａ）には、ｘｙ座標系に含まれる質点の重心Ｍｓｙｓ（ｘｙ）が示されている。図２（ｂ）には、ｙｚ座標系に含まれる質点の重心Ｍｓｙｓ（ｙｚ）が示されている。

重心Ｍｓｙｓ（ｘｙ）は、図３に示すように接地面に対して鉛直方向に投影される。接地面には、質点系の重心が投影された重心投影点が形成される。ｘｙ座標系の原点と重心投影点間の距離（Ｘｃｏｇ）を算出することで、重心投影点の位置を算出することができる。重心Ｍｓｙｓ（ｙｚ）についても同様である。つまり、ｙｚ座標系の原点と重心投影点間の距離（Ｚｃｏｇ）を算出することで、重心投影点の位置を算出することができる。

このようにして、図４に模式的に示すように、ｘｚ座標系内での重心投影点ＧＰＰの位置を算出することができる。移乗装置１００は、ｘｚ座標系内で、重心投影点ＧＰＰと囲み仮想線ＩＬ１との相対的な位置関係を評価する。移乗装置１００は、この評価結果に基づいてバランス状態を評価する。

なお、重心Ｍｓｙｓ（ｘｙ）は、図５に示す質点ＭａからＭｃの重心である。質点Ｍａは、アーム部２６に対応する質点である。なお、質点Ｍａは、アーム部２６の重心に対応する。質点Ｍｂは、被介護者２７に対応する質点である。質点Ｍｂは、被介護者２７の重心に対応する。質点Ｍｃは、回動部２５、胴部２０、フレーム部材１０、車輪１１〜１４からなる剛体の重心に対応する質点である。

なお、質点Ｍｃは、ｘｙ座標系において、長さＬｃ、角度θｃの位置ベクトルで特定される。他の質点Ｍａ、Ｍｂについても同様である。また、重心Ｍｓｙｓ（ｘｙ）についても同様である。なお、重心Ｍｓｙｓ（ｘｙ）の位置ベクトルは、質点Ｍａ〜Ｍｃの位置ベクトルの和により定まる。重心Ｍｓｙｓ（ｙｚ）についても、重心Ｍｓｙｓ（ｘｙ）と同様に考えることができる。

上述の説明を踏まえて、図１を参照して説明する。はじめに接続関係について説明する。重量検出器５０の出力は、負荷質量算出部７１ａに接続される。アーム角検出器５１の出力は、重心位置算出部７１ｂに接続される。θｇｎｄ検出部５２の出力は、重心投影点位置算出部７１ｃに接続される。負荷質量算出部７１ａの出力は、重心位置算出部７１ｂに接続される。重心位置算出部７１ｂの出力は、重心投影点位置算出部７１ｃに接続される。重心投影点位置算出部７１ｃの出力は、バランス状態評価部７２に接続される。バランス状態評価部７２の出力は、安定化指示部７３に接続される。バランス状態評価部７２の出力は、報知部６０に接続される。安定化指示部７３の出力は、アクチュエータ６１に接続される。データ格納部８０の出力は、重心位置算出部７１ｂ、及び重心投影点位置算出部７１ｃに接続される。

以下、移乗装置１００の構成及び機能について具体的に説明する。

図１に示す移乗装置１００は、コンピュータである。移乗装置１００は、ハードディスク等のストレージに格納されたプログラムをＣＰＵで実行する。移乗装置１００は、移乗装置１００の状態に応じて取得した値を予めプログラムに書き込まれた演算式に代入し、重心投影点ＧＰＰの位置を算出する。移乗装置１００は、算出した重心投影点ＧＰＰと囲み仮想線ＩＬ１との相対的な位置関係を評価する。このようにして、移乗装置１００は、現在のバランス状態を評価する。移乗装置１００は、バランス状態の評価結果を被介護者２７に対して報知部６０を介して報知する。また、評価結果に応じて、移乗装置１００は、安定化指示部７３にアクチュエータを制御させることでアンバランスな状態からバランスがとれた状態に移乗装置１００の状態を推移させる。

重力検出器５０は、被介護者２７の重量を検出する。重量検出器５０は、例えば、圧力センサである。

アーム角検出器５１は、アーム部２６の傾斜角度を検出する。より詳細には、アーム角検出器５１は、ｘ軸方向に対してアーム部２６の長手方向がなす角度を検出する。アーム角検出器５１は、例えば、ロータリーエンコーダである。

θｇｎｄ検出部５２は、図３に示すように、基準座標系のＸ軸と装置座標系のｘ軸とがなす角度を検出する。θｇｎｄ検出部５２は、例えば、ジャイロスコープである。

負荷質量算出部７１ａは、重量検出器５０の出力に基づいて被介護者２７の重量を算出する。ここでは、被介護者２７の重量を質点Ｍａの質量とみなす。

重心位置算出部７１ｂは、ｘｙ座標系及びｙｚ座標系の夫々について被介護者２７が乗った状態の移乗装置１００の重心を算出する。具体的には、重心位置算出部７１ｂは、次の演算式（１）を実行する。重心位置算出部７１ｂは、演算式（１）の実行によって、ｘｙ座標系における重心Ｍｓｙｓ（ｘｙ）の位置を算出する。

但し、ｍ_ｓｙｓは、システム全体の質量であり、ｍ_ａ＋ｍ_ｂ＋ｍ_ｃである。ｍ_ａは、質点Ｍａの質量である。Ｌ_ａは、質点Ｍａの位置ベクトルのベクトル長である。ｍ_ｂは、質点Ｍｂの質量である。Ｌ_ｂは、質点Ｍｂの位置ベクトルのベクトル長である。ｍ_ｃは、質点Ｍｃの質量である。Ｌ_ｃは、質点Ｍｃの位置ベクトルのベクトル長である。θ_ａは、質点Ｍａの位置ベクトルとｘ軸とがなす角度である。θ_ｂは、質点Ｍｂの位置ベクトルとｘ軸とがなす角度である。θ_ｃは、質点Ｍｃの位置ベクトルとｘ軸とがなす角度である。

重心位置算出部７１ｂは、演算式（１）を実行するに際して、代入されるべき質点の質量、質点の位置ベクトルのベクトル長及びベクトル角をデータ格納部８０から取得する。

データ格納部８０には、質点Ｍｃの位置ベクトルのベクトル長及びベクトル角、並びに質点Ｍｃの質量が格納されている。なお、上述のように、質点Ｍｃは、回動部２５、胴部２０、フレーム部材１０、及び車輪１１〜１４からなる剛体の重心に対応する。

データ格納部８０には、アーム角に対応づけて、質点Ｍａの位置ベクトルのベクトル長及びベクトル角、並びに質点Ｍａの質量が格納されている。なお、上述のように、質点Ｍａは、アーム部２６に対応する。

データ格納部８０には、アーム角に対応づけて、質点Ｍｂの位置ベクトルのベクトル長及びベクトル角が格納されている。なお、上述のように、質点Ｍｂは、被介護者２７に対応する。

重心位置算出部７１ｂは、データ格納部８０に格納された上述の値をデータ格納部８０から取得する。なお、このとき、重心位置算出部７１ｂは、アーム各検出器５１で検出されたアーム角に対応する値を取得する。また、重心位置算出部７１ｂは、負荷質量算出部７１ａで算出された質点Ｍｂの質量を取得し、演算式（１）に代入する。なお、データ格納部８０に格納されている値のうち、アーム角に応じて変動しないものについては、演算式（１）に予め実数として代入しておいてもよい。これによって、代入処理の負担を低減することができる。なお、演算式（１）は、プログラムの中に予め書き込まれているものとする。

なお、データ格納部８０には、アーム部２６の長さ、質量、回動部２５の質量、胴部２０の質量、フレーム部材１０の質量、車輪１１〜１４の質量も格納されている。

重心位置算出部７１ｂは、上述の演算式（１）を実行した後、次の演算式（２）及び（３）を実行する。

これによって、図３に示すように、装置座標系での重心Ｍｓｙｓ（ｘｙ）の位置ベクトルのベクトル長Ｌ_ｃｏｇとベクトル角θ_ｃｏｇを算出する。なお、重心位置算出部７１ｂは、装置座標系のｘｙ座標系でのベクトル長Ｌ_ｃｏｇとベクトル角θ_ｃｏｇの算出に加えて、装置座標系のｙｚ座標系でのベクトル長及びベクトル角も算出する。

重心位置算出部７１ｂは、ｙｚ座標系の場合も上述と同様の演算を実行する。従って、重複する説明は省略する。

重心投影点位置算出部７１ｃは、装置座標系における原点と重心投影点間の距離を算出する。重心投影点位置算出部７１ｃは、ｘｙ座標系においてＸｃｏｇを算出する。重心投影点位置算出部７１ｃは、ｙｚ座標系についても同様に、Ｚｃｏｇを算出する。

重心投影点位置算出部７１ｃは、次の演算式（４）を実行する。

なお、θ_ｇｎｄは、図３に示すように基準座標系の軸Ｘと装置座標系の軸ｘとがなす角度である。

角度θ_ｇｎｄは、ジャイロセンサ等から形成されるθｇｎｄ検出部５２で取得され、重心投影点位置算出部７１ｃに入力される。

このようにして重心投影点位置算出部７１ｃは、ｘｙ座標系にて、その原点と重心投影点間の距離Ｘｃｏｇを算出する。なお、重心投影点位置算出部７１ｃは、同様にして、ｙｚ座標系にて、その原点と重心投影点間の距離Ｚｃｏｇを算出する。

バランス状態評価部７２は、重心投影点位置算出部７１ｃによる算出値Ｘｃｏｇ、Ｚｃｏｇの値に基づいて、重心投影点ＧＰＰと囲み仮想線ＩＬ１と位置関係を評価する。なお、囲み仮想線ＩＬ１の位置情報（例えば、ｘ＝ａ〜ｂ、ｚ＝ｃ〜ｄ（但し、ａ〜ｄは、任意の整数とする））は、予めデータ格納部８０に格納されている。バランス状態評価部７２には、囲み仮想線ＩＬ１の位置情報がデータ格納部８０から供給される。なお、囲み仮想線ＩＬ１の位置情報を予めプログラムに組み込んでおいても良い。

バランス状態評価部７２は、ここでは、次のように動作する。

バランス状態評価部７２は、算出値Ｘｃｏｇ、Ｚｃｏｇの値に応じて定まる重心投影点ＧＰＰの位置が囲み仮想線ＩＬ１で規定される領域内にある場合、被介護者２７を移乗している移乗装置１００のバランスが取れている、と評価する。そして、これに応じた値の信号（例えば、論理値１）を出力する。

バランス状態評価部７２は、算出値Ｘｃｏｇ、Ｚｃｏｇの値に応じて定まる重心投影点ＧＰＰの位置が囲み仮想線ＩＬ１で規定される領域外にある場合、被介護者２７を移乗している移乗装置１００のバランスが取れていない、と評価する。そして、これに応じた値の信号（例えば、論理値０）を出力する。

なお、バランス状態評価部７２の動作内容は任意である。現在のバランス状態を３段階で評価しても良い。現在のバランス状態を３段階以上の階層で評価しても良い。

報知部６０は、被介護者２７に対してバランス状態評価部７２の判定結果を報知する。報知部６０は、バランス状態評価部７２から論理値１を受信すると、被介護者２７に対して、バランスが取れているということを報知する。報知部６０は、バランス状態評価部７２から論理値０を受信すると、被介護者２７に対して、バランスがとれていないということを報知する。なお、報知部６０によるバランス状態の報知方法は任意である。報知部６０として、一般的な表示装置を採用し、画面上にバランス状態評価部７２の評価結果を言語で表示しても良い。報知部６０として、発光源を採用し、バランス状態評価部７２の評価結果に応じて発光源を点灯させても良い。

安定化指示部７３は、バランス状態評価部７２から論理値０を受信するとアクチュエータ６１に対して安定化の指示をする。これによって、囲み仮想線ＩＬ１の範囲外にある重心投影点を囲み仮想線ＩＬ１の範囲内に移動するような制御を実現する。

アクチュエータ６１は、安定化指示部７３の指令に応じて動作する。アクチュエータ６１の具体的な動作内容は任意である。例えば、アクチュエータ６１は、安定化指示部７３から伝達する安定化支持信号に応じて、アクチュエータ６１が有する構造部品を伸縮させる。

安定化指示部７３とアクチュエータ６１による協同によって、囲み仮想線ＩＬ１の範囲外にある重心投影点の囲み仮想線ＩＬ１の範囲内への移動が実行される。例えば、アクチュエータ６１の動作に応じて、フレーム部材１０がｘ軸方向に沿って伸張する。これによって、移乗装置１００自体の安定性が高められる。結果として、上述のように重心投影点の移動が実現される。

なお、移乗装置１００のバランス状態を改善する具体的な方法は任意である。フレーム部材１０に対してカウンターウェイト部を設け、カウンターウェィト部の傾きを調整することによって、移乗装置１００のバランス状態を制御しても良い。

データ格納部８０は、ハードディスク、メモリ等の一般的なストレージである。データ格納部８０には、上述のように様々な値が格納されている。なお、データ格納部８０におけるデータの格納方法は任意である。

最後に、図６を参照して、移乗装置１００の動作について説明する。なお、移乗装置１００は、ある一定の周期でバランス状態を評価する。もともと移乗装置１００は、静的な装置であり、ある時点においては移乗装置１００は静止しているものと把握することができる。より短い周期で移乗装置１００の現在のバランス状態を評価することによって、移乗装置１００の信頼性を効果的に高めることができる。

まず、測定値の取得をする（Ｓ１００）。具体的には、重量検出器５０は、被介護者２７の重量に応じた値を検出する。アーム角検出器５１は、アーム部２６のアーム角を検出する。θｇｎｄ検出部５２は、装置座標系のｘ軸と基準座標系のＸ軸とがなす角を検出する。また、θｇｎｄ検出部５２は、装置座標系のｚ軸と基準座標系Ｚ軸とがなす角を検出する。なお、ＣＰＵからの制御信号に応じて各測定値を取得しても良いし、一定の周期で測定値を取得するように予め設定しておいても良い。

次に、負荷質量の算出をする（Ｓ１０１）。具体的には、負荷質量算出部７１ａは、重量検出器５０の測定値に基づいて被介護者２７の質量を算出する。なお、重量検出器５０の測定値と被介護者２７の質量との関係は、予め実験等によって関係式を算出しておいても良い。これによって、実験に基づいて算出された関係式に、重量検出器５０により測定された今回の測定値を代入することによって被介護者２７の質量を簡易に算出することができる。なお、関係式を演算する以外にも、測定値と質量が対応付けられたテーブルを参照することで負荷質量を求めても良い。

次に、重心位置の算出をする（Ｓ１０２）。つまり、重心位置算出部７１ｂは、ｘｙ座標系及びｙｚ座標系ごとに、上述の演算式（１）乃至（３）を実行する。

まず、重心位置算出部７１ｂは、アーム角検出器５１の測定値を取得する。重心位置算出部７１ｂは、アーム角検出器５１により検出されたアーム角に基づいて、このアーム角に対応する質点Ｍａの位置ベクトルのベクトル長及びベクトル角をデータ格納部８０から取得する。質点Ｍｂの位置ベクトルのベクトル長及びベクトル角についても同様である。また、重心位置算出部７１ｂは、その他の固定値についてもデータ格納部８０から取得する。そして、これらの値を演算式（１）に代入する。そして、装置座標系における重心位置を算出する。重心位置算出部７１ｂは、演算式（１）の算出後に、演算式（２）及び（３）を実行する。このようにして、重心位置算出部７１ｂは、重心投影点の位置を算出するために必要な値を算出する。

次に、重心投影点の位置を算出する（Ｓ１０３）。まず、重心投影点位置算出部７１ｃは、ｘｙ座標系における重心投影点の位置を算出する。重心投影点位置算出部７１ｃは、基準座標系のＸ軸に対して装置座標系のｘ軸がなす角をθｇｎｄ検出部５２から取得する。重心投影点位置算出部７１ｃは、ｘｙ座標系における重心位置を示す算出値を重心位置算出部７１ｂから取得する。重心投影点位置算出部７１ｃは、取得した値を上述の演算式（４）に代入する。これによって、ｘｙ座標系における重心投影点の位置を算出する。

次に、重心投影点位置算出部７１ｃは、ｙｚ座標系における重心投影点の位置を算出する。重心投影点位置算出部７１ｃは、基準座標系のＺ軸に対して装置座標系のｚ軸がなす角をθｇｎｄ検出部５２から取得する。重心投影点位置算出部７１ｃは、ｙｚ座標系における重心位置を示す算出値を重心位置算出部７１ｂから取得する。重心投影点位置算出部７１ｃは、取得した値を上述の演算式（４）に代入する。これによって、ｙｚ座標系における重心投影点の位置を算出する。

次に、バランスがとれているか否かを判定する（Ｓ１０４）。具体的には、算出した重心投影点が囲み仮想線ＩＬ１の範囲（支持多角形）内にあるのか否かを判定する。まず、バランス状態評価部７２は、データ格納部８０から支持多角形の範囲を示す値を取得する。バランス状態評価部７２は、重心投影点位置算出部７１ｃにより算出された値と支持多角形の範囲を示す値との比較に基づいて現在のバランス状態を評価する。なお、バランス状態の評価方法は任意である。バランス状態の評価方法について上述のとおりである。

バランスがとれていない場合には、安定化の実行をする（Ｓ１０５）。具体的には、安定化指示部７３は、バランス状態評価部７２の評価結果に応じて、アクチュエータ６１に対して動作指令をする。アクチュエータ６１の動作によって、上述のように移乗装置１００の安定化が図られる。なお、バランスがとれている場合には、スタートに戻る。そして、上述の工程を実行する。所定の周期で図６に示すフローを繰り返すことによって、移乗装置１００の信頼性を効果的に高めることができる。

上述の説明から明かなように、本実施形態に係る移乗装置１００は、被介護者及び移乗装置１００に対応する質点を含む質点系の重心位置を算出し、移乗装置１００が接地する接地面に対して前記重心を鉛直方向に投影した重心投影点の位置を算出する。移乗装置１００は、重心投影点の位置に基づいて移乗装置１００のバランス状態を評価する。これによって、被介護者の移乗時における移乗装置１００の安定性を効果的に高めることが可能になる。また、移乗装置１００は、接地面における移乗装置１００の支持点を結ぶ囲み仮想線の範囲内に重心投影点が存在するか否かに基づいて、移乗装置１００の現在のバランス状態を評価する。これによって、比較的簡易な方法によって安定性を評価することができる。

移乗装置１００は、一般的に、その場に居ながら、被介護者２７の移乗を実行する。従って、比較的長い周期で上述の安定性評価を実行しても良い。但し、被介護者２７を移乗する態様によっては、短い周期で上述の安定性評価を実行することが必要になる。

〔第２の実施の形態〕
以下、図７及び図８を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。図７は、移乗装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。図８は、移乗装置の概略的な側面図である。

本実施形態では、第１の実施形態とは異なる方法によって、被介護者２７の質量（負荷質量）を算出する。このような場合であっても第１の実施形態で説明したものと同様の効果を得ることができる。

図７に示すように、重量検出器５０に代えてトルクセンサ５３が設けられている。トルクセンサ５３の出力は、負荷質量算出部７１ａに接続される。また、θｇｎｄ検出部５２の出力は、負荷質量算出部７１ａにも接続される。データ格納部８０の出力は負荷質量算出部７１ａにも接続される。アーム角検出器５１の出力は、負荷質量算出部７１ａに接続される。

トルクセンサ５３は、アーム部２６を可動させるモータに供給される電流量の検出に基づいて、アーム部２６が受けるトルクをセンシングする。なお、アーム部２６が受けるトルクの測定方法は任意である。

本実施形態では、負荷質量ｍ_ｂを算出するために、図８に模式的に示すように、アーム部２６を初期位置から所定の力で回動させる。アーム部２６を初期位置に保持するために必要になるトルクは、トルクセンサ５３で検出される。測定値θｇｎｄは、θｇｎｄ検出部５２から負荷質量算出部７１ａに供給される。アーム部２６の回動時に必要になるトルクは、トルクセンサ５３で検出される。質点Ｍａの位置ベクトルのベクトル長、ベクトル角はデータ格納部８０に格納されている。質点Ｍｂの位置ベクトルの長さ、ベクトル角はデータ格納部８０に格納されている。アーム部２６の長手方向が装置座標系のｘ軸に対してなす角度は、アーム角検出器５１によって検出される。

負荷質量算出部７１ａは、次の演算式（５）を実行する。具体的には、負荷質量算出部７１は、代入されるべき値を取得し、これを演算式（５）に代入する。このようにして負荷質量ｍ_ｂを算出する。

なお、ｇは重力加速度を示す。τ'は、機械的な摩擦などに起因するトルクである。τは、アーム部の変位に必要になるトルクである。ｍ_ａは、質点Ｍａの質量である。ｌ_ａは、質点Ｍａの位置ベクトルのベクトル長である。θ_ｇｎｄは、装置座標系のｘ軸と基準座標系のＸ軸とがなす角度である。ｍ_ｂは、質点Ｍｂの質量である。ｌ_ｂは、質点Ｍｂの位置ベクトルのベクトル長である。ξ_ｂは、初期位置にあるアーム部の長手方向が装置座標系のｘ軸に対してなす角度である。ξ_ａは、変位後のアーム部の長手方向が装置座標系のｘ軸に対してなす角度である。

負荷質量算出部７１ａは、演算式（５）へ取得値を代入することで、被介護者２７の重量に対応する負荷質量ｍｂを算出する。重量検出器５０に代えてトルクセンサ５３を採用することによって移乗装置１００の低価格化を図ることができる場合がある。

〔第３の実施の形態〕
以下、図９を参照して本発明の第３の実施形態について説明する。図９は、アーム部のバリエーションを説明するための模式図である。

本実施形態では、複数のリンク棒２６ａ〜２６ｃを連結部材ＣＮＰを介して連結させることでアーム部２６を形成する。このような場合であっても第１及び第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、本実施形態の場合には、質点Ｍａは、リンク棒２６ａ〜２６ｃ及び連結部材ＣＮＰに対応する質点の重心に対応して設定される。

本発明の技術的範囲は上述の実施形態に限定されない。評価値算出部７１に対応する安定評価値算出装置は、移乗装置以外の用途にも適用することができる。

被介護者に対応する負荷質量を算出する具体的な方法は任意である。被介護者の重量を予め測定し、その測定値を移乗装置１００に入力することで被介護者に対応する負荷質量を算出しても良い。バランス状態評価部７２による算出値の評価手法は任意である。

移乗装置は、何らかの移動対象物を搬送する搬送装置として把握することもできる。評価値算出部７１をバランス状態評価装置と把握することもできる。評価値算出部７１とバランス状態評価部７２とを含めてバランス状態評価装置と把握することもできる。なお、制御部７０は、ＣＰＵでプログラムが実行されて実現される。本願に開示のフローチャートには、プログラム発明も十分に開示されている。

本発明は、例えば、移乗装置に適用することができる。

１００ 移乗装置
１０ フレーム部材
１１-１４ 車輪
２０ 胴部
２５ 回動部
２６ アーム部
２７ 被介護者
５０ 重量検出器
５１ アーム角検出器
５２ θｇｎｄ検出部
５３ トルクセンサ
６０ 報知部
６１ アクチュエータ
７０ 制御部
７１ 評価値算出部
７１ａ 負荷質量算出部
７１ｂ 重心位置算出部
７１ｃ 重心投影点位置算出部
７２ バランス状態評価部
７３ 安定化指示部
８０ データ格納部

Claims (12)

1. 被介護者を移乗する移乗装置であって、
   鉛直方向の１軸（Ｙ軸）及び水平方向の直交２軸（Ｘ軸、Ｚ軸）を座標軸とする直交３軸方向の基準座標系と、前記移乗装置の幾何学的な形状に応じて設定され、前記移乗装置の高さ方向の１軸（ｙ軸）及び直交２軸（ｘ軸、ｚ軸）を座標軸とする直交３軸方向の装置座標系と、を設定し、
   前記装置座標系において、少なくとも前記被介護者及び前記移乗装置に対応する複数の質点を含む質点系の重心の位置を算出し、
   前記Ｘ軸と前記ｘ軸とがなす角及び前記Ｚ軸と前記ｚ軸とがなす角の少なくとも一方と、算出した前記重心の位置と、に基づいて、前記移乗装置が接地する接地面に対して前記質点系の前記重心を鉛直方向に投影した位置にある重心投影点の位置を算出する、移乗装置。
2. 前記移乗装置は、前記被介護者を移乗させる可動部、及び前記可動部が連結した本体部を少なくとも備え、
   前記質点系は、前記可動部に対応する質点、及び前記本体部に対応する質点を含むことを特徴とする請求項１に記載の移乗装置。
3. 前記移乗装置の幾何学形状に応じて定まる少なくともＮ（但し、Ｎは、２以上の自然数とする）以上のＮ次元座標系の夫々にて、前記質点系の重心及び前記重心投影点の位置を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の移乗装置。
4. 前記接地面における前記移乗装置の支点を結んで形成される囲み仮想線と前記重心投影点間の平面的な位置関係に基づいて前記移乗装置の安定性を判断することを特徴とする請求項３に記載の移乗装置。
5. 前記安定性の判断結果に応じて移乗装置の動作状態を制御することを特徴とする請求項４に記載の移乗装置。
6. 前記可動部を変位させることに要する力に基づいて前記被介護者の質量を算出することを特徴とする請求項２に記載の移乗装置。
7. 移動対象物及び当該移動対象物を変位させる搬送装置のバランス状態評価装置であって、
   鉛直方向の１軸（Ｙ軸）及び水平方向の直交２軸（Ｘ軸、Ｚ軸）を座標軸とする直交３軸方向の基準座標系と、前記搬送装置の幾何学的な形状に応じて設定され、前記搬送装置の高さ方向の１軸（ｙ軸）及び直交２軸（ｘ軸、ｚ軸）を座標軸とする直交３軸方向の装置座標系と、を設定し、
   前記装置座標系において、少なくとも移動対象物及び当該移動対象物を変位させる搬送装置に対応する複数の質点を含む質点系の重心の位置を算出し、
   前記Ｘ軸と前記ｘ軸とがなす角及び前記Ｚ軸と前記ｚ軸とがなす角の少なくとも一方と、算出した前記重心の位置と、に基づいて、前記搬送装置が接地する接地面に対して前記質点系の前記重心を鉛直方向に投影した位置にある重心投影点の位置を算出する、バランス状態評価装置。
8. 前記搬送装置は、前記移動対象物を変位させる可動部、及び前記可動部が連結した本体部を少なくとも備え、
   前記質点系は、前記可動部に対応する質点、及び前記本体部に対応する質点を含むことを特徴とする請求項７に記載のバランス状態評価装置。
9. 前記搬送装置の幾何学形状に応じて定まる少なくともＮ（但し、Ｎは、２以上の自然数とする）以上のＮ次元座標系の夫々にて、前記質点系の前記重心及び前記重心投影点の位置を算出することを特徴とする請求項７又は８に記載のバランス状態評価装置。
10. 前記接地面における前記搬送装置の支点を結んで形成される囲み仮想線と前記重心投影点との平面的な位置関係に基づいて前記搬送装置の安定性を評価することを特徴とする請求項９に記載のバランス状態評価装置。
11. 移動対象物及び当該移動対象物を変位させる搬送装置のバランス状態評価方法であって、
    鉛直方向の１軸（Ｙ軸）及び水平方向の直交２軸（Ｘ軸、Ｚ軸）を座標軸とする直交３軸方向の基準座標系と、前記搬送装置の幾何学的な形状に応じて設定され、前記搬送装置の高さ方向の１軸（ｙ軸）及び直交２軸（ｘ軸、ｚ軸）を座標軸とする直交３軸方向の装置座標系と、を設定し、
    前記装置座標系において、少なくとも移動対象物及び当該移動対象物を変位させる搬送装置に対応する複数の質点を含む質点系の重心の位置を算出し、
    前記Ｘ軸と前記ｘ軸とがなす角及び前記Ｚ軸と前記ｚ軸とがなす角の少なくとも一方と、算出した前記重心の位置と、に基づいて、前記搬送装置が接地する接地面に対して前記質点系の前記重心を鉛直方向に投影した位置にある重心投影点の位置を算出する、バランス状態評価方法。
12. 被介護者を移乗する移乗装置に実装されるコンピュータに格納されるプログラムであって、
    鉛直方向の１軸（Ｙ軸）及び水平方向の直交２軸（Ｘ軸、Ｚ軸）を座標軸とする直交３軸方向の基準座標系と、前記移乗装置の幾何学的な形状に応じて設定され、前記移乗装置の高さ方向の１軸（ｙ軸）及び直交２軸（ｘ軸、ｚ軸）を座標軸とする直交３軸方向の装置座標系と、を前記コンピュータに設定させ、
    前記装置座標系において、少なくとも前記被介護者及び前記移乗装置に対応する複数の質点を含む質点系の重心の位置を前記コンピュータに算出させ、
    前記Ｘ軸と前記ｘ軸とがなす角及び前記Ｚ軸と前記ｚ軸とがなす角の少なくとも一方と、算出した前記重心の位置と、に基づいて、前記移乗装置が接地する接地面に対して前記質点系の前記重心を鉛直方向に投影した位置にある重心投影点の位置を前記コンピュータに算出させる、プログラム。

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