JP6568940B2 - ユーザーを支持するロボットシステム - Google Patents
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Description
本出願は、2016年3月10日付けで出願された米国仮特許出願第62/306,139号の米国特許法第119条(e)の下における利益を主張するものであり、この特許文献の開示内容は、引用により、そのすべてが本明細書に包含される。
特許文献1(国際公開第2015/174998号)は、ロボット肢を用いてユーザーを定位置に静的に支持するための一般的な方法及びシステムを開示している。例えば、国際公開第2015/174998号は、所望の位置にユーザーの身体を維持するためにロボット肢によって印加される必要がある力及び/又はトルクを決定することを記載している。
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
(項目1)
ユーザーを支持するロボットシステムであって、
ユーザーの胴体に装着されると共に前記ユーザーを第1位置において支持するように構成された2つ以上のロボット肢と、
前記ユーザーの運動を検出するように構成された1つ又は複数のセンサと、
前記2つ以上のロボット肢及び前記1つ又は複数のセンサに動作自在に結合されたコントローラであって、前記1つ又は複数のセンサが、前記第1位置から離れる前記ユーザーの運動を検出するのに応答して、前記コントローラは、復原力を前記ユーザーに印加するように前記2つ以上のロボット肢を制御し、前記復原力は、前記第1位置に向かって方向付けられている、コントローラと、
を有するシステム。
(項目2)
前記コントローラは、前記第1位置から離れる前記ユーザーの前記運動の距離及び前記第1位置から離れる前記運動の速度のうちの少なくとも1つに基づいて前記復原力の大きさを決定する項目1に記載のロボットシステム。
(項目3)
前記コントローラは、前記第1方向から離れる前記ユーザーの前記運動の方向に基づいて前記復原力の大きさを決定する項目1に記載のロボットシステム。
(項目4)
前記ユーザーの下半身の一部分は、前記ユーザーが前記ロボットシステムによって支持された際に、表面との接触状態にあり、且つ、前記1つ又は複数のセンサは、前記ユーザーの下半身の前記一部分上において位置決めされるように構成された少なくとも1つのセンサを含む項目1に記載のロボットシステム。
(項目5)
前記1つ又は複数のセンサが、運動閾値を上回る前記第1位置から離れる前記ユーザーの運動を検出することに応答して、前記コントローラは、前記ユーザーを第2位置において支持するべく運動するように、前記2つ以上のロボット肢を作動させる項目1に記載のロボットシステム。
(項目6)
前記運動閾値は、絶対距離閾値及び安定性閾値のうちの少なくとも1つである項目5に記載のロボットシステム。
(項目7)
ユーザーを支持するロボットシステムを動作させる方法であって、
ロボットシステムによって支持されるユーザー用の第1位置を設定するステップであって、前記ロボットシステムは、前記ユーザーの胴体に装着されるように構成された2つ以上のロボット肢を有する、ステップと、
前記第1位置から離れる前記ユーザーの運動を検出するステップと、
前記第1位置から離れる前記ユーザーの前記検出された運動に応答して、前記2つ以上のロボット肢によって復原力を前記ユーザーに印加するステップであって、前記復原力は、前記第1位置に向かって方向付けられている、ステップと、
を有する方法。
(項目8)
前記第1位置から離れる前記ユーザーの前記運動の距離及び前記第1位置から離れる前記運動の速度のうちの少なくとも1つに基づいて前記復原力の大きさを決定するステップを更に有する項目7に記載の方法。
(項目9)
前記第1位置から離れる前記ユーザーの前記運動の方向に基づいて前記復原力の大きさを決定するステップを更に有する項目7に記載の方法。
(項目10)
運動閾値を上回る前記第1位置から離れる前記ユーザーの運動を検出するステップと、
第2位置において前記ユーザーを支持するべく、前記2つ以上のロボット肢を運動させるステップと、
を更に有する項目7に記載の方法。
(項目11)
少なくとも1つの方向において望ましい運動インピーダンスを設定するステップを更に有する項目7に記載の方法。
(項目12)
前記望ましい運動インピーダンスに基づいて前記復原力を調節するステップを更に有する項目11に記載の方法。
(項目13)
ユーザーを支持するロボットシステムであって、
ユーザーの胴体に装着されるように構成された2つ以上のロボット肢と、
前記2つ以上のロボット肢との関係において前記ユーザーの空間的状態を検出するように構成されたユーザーセンサと、
前記2つ以上のロボット肢及び前記ユーザーセンサに動作自在に結合されたコントローラであって、前記ユーザーの前記空間的状態に基づいてユーザーの運動を予測し、且つ、前記予測されたユーザーの運動に基づいて第1位置から第2位置に運動するように前記2つ以上のロボット肢のうちの少なくとも1つのロボット肢を制御するコントローラと、
を有するシステム。
(項目14)
前記2つ以上のロボット肢の空間的状態を検出するように構成されたロボットセンサを更に有する項目13に記載のロボットシステム。
(項目15)
前記2つ以上のロボット肢は、前記ユーザーの胴体の第1側部において位置決めされた第1ロボット肢と、前記第1側部とは反対の前記ユーザーの胴体の第2側部において位置決めされた第2ロボット肢と、を含む項目13に記載のロボットシステム。
(項目16)
前記ユーザーの運動は、腹這い運動である項目13に記載のロボットシステム。
(項目17)
前記コントローラは、前記ユーザーの運動を予測するべく、部分最小二乗回帰アルゴリズム及びサポートベクトル機械アルゴリズムのうちの少なくとも1つを使用する項目13に記載のロボットシステム。
(項目18)
前記ロボットシステムは、前記第1位置から前記第2位置への前記少なくとも1つのロボット肢の運動の際に前記ユーザーの質量中心を安定性領域内において維持する項目13に記載のロボットシステム。
(項目19)
ユーザーを支持するロボットシステムを動作させる方法であって、
ロボットシステムとの関係においてユーザーの空間的状態を検知するステップであって、前記ロボットシステムは、前記ユーザーの胴体に装着されるように構成された2つ以上のロボット肢を有する、ステップと、
前記ユーザーの前記空間的状態に基づいてユーザーの運動を予測するステップと、
前記予測されたユーザーの運動に基づいて第1位置から第2位置に運動するように、前記2つ以上のロボット肢のうちの少なくとも1つのロボット肢を制御するステップと、
を有する方法。
(項目20)
前記ロボットシステムの空間的状態を検知するステップを更に有する項目19に記載の方法。
(項目21)
前記ユーザーの運動は、腹這い運動である項目19に記載の方法。
(項目22)
前記ユーザーの運動を予測するステップは、部分最小二乗回帰分析及びサポートベクトル機械分析のうちの少なくとも1つを実行するステップを含む項目19に記載の方法。
(項目23)
安定性エリアを決定するステップと、
前記第1位置から前記第2位置への前記少なくとも1つのロボット肢の運動の際に前記ユーザーの質量中心を前記安定性エリア内において維持するステップと、
を更に有する項目19に記載の方法。
(項目24)
ロボットシステムであって、
ユーザーの胴体の少なくとも一部分上において前記ユーザーによって装用可能なハーネスと、
前記ハーネスに装着された第1ロボット肢であって、前記ハーネスの第1側部から延在する第1ロボット肢と、
前記ハーネスに装着された第2ロボット肢であって、前記第2ロボット肢は、前記ハーネスの前記第1側部とは反対側の前記ハーネスの第2側部から延在しており、前記第1及び第2ロボット肢は、表面の上方の位置においてユーザーの身体の少なくとも一部分を支持するように構成されている、第2ロボット肢と、
前記ハーネス及び前記第1ロボット肢に動作自在に結合された第1アクチュエータであって、前記ハーネスとの関係において前記第1ロボット肢を運動させるように構成された第1アクチュエータと、
前記ハーネス及び前記第2ロボット肢に動作自在に結合された第2アクチュエータであって、前記ハーネスとの関係において前記第2ロボット肢を運動させるように構成された第2アクチュエータと、
を有するシステム。
(項目25)
前記ユーザーに装着されると共に前記ユーザーの身体の一部分の位置及び運動のうちの少なくとも1つを検出するように構成された1つ又は複数のユーザーセンサを更に有する項目24に記載のロボットシステム。
(項目26)
前記第1及び第2ロボット肢のそれぞれと関連付けられると共に前記第1及び第2ロボット肢の位置及び前記第1及び第2ロボット肢に作用する力のうちの少なくとも1つを検出するように構成された1つ又は複数のロボットセンサを更に有する項目25に記載のロボットシステム。
(項目27)
前記第1及び第2アクチュエータ、前記1つ又は複数のユーザーセンサ、及び前記1つ又は複数のロボットセンサに動作自在に結合されたコントローラを更に有し、前記コントローラは、前記1つ又は複数のユーザーセンサ及び/又は前記1つ又は複数のロボットセンサから検出された入力に基づいて前記第1及び第2アクチュエータを選択的に作動させるように構成されている項目26に記載のロボットシステム。
(項目28)
前記1つ又は複数のユーザーセンサ及び1つ又は複数のロボットセンサは、慣性計測ユニット、力センサ、及び圧力センサのうちの少なくとも1つを有する項目26に記載のロボットシステム。
(項目29)
前記第1及び第2アクチュエータのそれぞれのアクチュエータは、2つの回転自由度を有する項目24に記載のロボットシステム。
(項目30)
前記第1及び第2ロボット肢のそれぞれは、第1肢部分と、前記第1肢部分から伸縮するように動作する第2肢部分と、を含む伸縮型のロボット肢である項目24に記載のロボットシステム。
望ましい運動インピーダンスを有するユーザー装用者を支持するための制御法則を導出した。具体的には、6つの自由度を有する2つのロボット肢を含むシステムについて、ユーザーを支持するフィードバック制御アルゴリズムを決定した。アクチュエータのうちの2つを受動型のスプリングによって置換した。この結果、物理的設計が簡単になったが、実現可能な運動インピーダンスが制限された。導出の際に、一方が矢状面内にあり、且つ、他方が前頭面内にある2つの3次元空間に6次元空間を分割した。また、動きは、これら2つの面内においてのみ制限されるものと仮定した。従って、システムは、対称的であり、且つ、剛性の主軸が矢状面と前頭面の両方に跨っておらず、その結果、この単純化は正当化された。導出においては、重力を明示的に取り扱わなかったが、圧縮可能なロボット肢の長さの計測値が、システムに対する重力の影響の間接的な計測値として機能した。この結果、復原力を矢状面及び/又は前頭面内においてユーザーに印加することにより、静的な予め定義された位置におけるユーザーの支持及び維持の両方を実行するべく、導出された制御法則を本明細書において記述されているようにロボットシステム内において成功裏に実装した。
Claims (24)
- ユーザーを支持するロボットシステムであって、
ユーザーの胴体に装着されると共に前記ユーザーを第1の予め定義された位置において支持するように構成された2つ以上のロボット肢と、
前記ユーザーの運動を検出するように構成された1つ又は複数のセンサと、
前記2つ以上のロボット肢及び前記1つ又は複数のセンサに動作自在に結合されたコントローラであって、前記1つ又は複数のセンサが、前記第1の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの運動を検出するのに応答して、前記コントローラは、復原力を前記ユーザーに印加するように前記2つ以上のロボット肢を制御し、前記復原力は、前記第1の予め定義された位置に向かって方向付けられている、コントローラと、
を有し、
前記ロボットシステムは、前記ユーザーの上半身の少なくとも一部分を、前記ユーザーが支持される表面の上方に支持するように構成され、前記ユーザーの下半身の一部分は、前記ユーザーが前記ロボットシステムによって支持された際に、前記表面との接触状態にある、ロボットシステム。 - 前記コントローラは、前記第1の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの前記運動の距離及び前記第1の予め定義された位置から離れる前記運動の速度のうちの少なくとも1つに基づいて前記復原力の大きさを決定する請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記コントローラは、前記第1の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの前記運動の方向に基づいて前記復原力の大きさを決定する請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記1つ又は複数のセンサは、前記ユーザーの下半身の前記一部分上において位置決めされるように構成された少なくとも1つのセンサを含む請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記1つ又は複数のセンサが、運動閾値を上回る前記第1の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの運動を検出することに応答して、前記コントローラは、前記ユーザーを前記第1の予め定義された位置とは異なる第2の予め定義された位置において支持するべく運動するように、前記2つ以上のロボット肢を作動させる請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記運動閾値は、閾値であって、その閾値において前記ユーザーの位置と前記第1の予め定義された位置との間の距離が予め定義された値に達する、閾値、及び、閾値であって、その閾値において前記ユーザーの質量中心が安定性領域の境界に達する、閾値のうちの少なくとも1つである請求項5に記載のロボットシステム。
- ユーザーを支持するロボットシステムを動作させる方法であって、
ロボットシステムによって支持されるユーザー用の第1の予め定義された位置を設定することであって、前記ロボットシステムは、前記ユーザーの胴体に装着されるように構成された2つ以上のロボット肢を有する、ことと、
前記第1の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの運動を検出することと、
前記第1の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの前記検出された運動に応答して、前記2つ以上のロボット肢によって復原力を前記ユーザーに印加することであって、前記復原力は、前記第1の予め定義された位置に向かって方向付けられている、ことと、
を有し、
前記ロボットシステムは、前記ユーザーの上半身の少なくとも一部分を、前記ユーザが支持される表面の上方に支持するように構成され、前記ユーザーの下半身の一部分は、前記ユーザーが前記ロボットシステムによって支持された際に、前記表面との接触状態にある、方法。 - 前記第1の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの前記運動の距離及び前記第1の予め定義された位置から離れる前記運動の速度のうちの少なくとも1つに基づいて前記復原力の大きさを決定することを更に有する請求項7に記載の方法。
- 前記第1の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの前記運動の方向に基づいて前記復原力の大きさを決定することを更に有する請求項7に記載の方法。
- 運動閾値を上回る前記第1の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの運動を検出することと、
前記第1の予め定義された位置とは異なる第2の予め定義された位置において前記ユーザーを支持するべく、前記2つ以上のロボット肢を運動させることと、
を更に有する請求項7に記載の方法。 - 少なくとも1つの方向において望ましい運動インピーダンスを設定することを更に有する請求項7に記載の方法。
- 前記望ましい運動インピーダンスに基づいて前記復原力を調節することを更に有する請求項11に記載の方法。
- 前記1つ又は複数のセンサは、前記2つ以上のロボット肢の空間的状態を検出するように構成されたロボットセンサを有する請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記2つ以上のロボット肢は、前記ユーザーの胴体の第1側部において位置決めされた第1ロボット肢と、前記第1側部とは反対の前記ユーザーの胴体の第2側部において位置決めされた第2ロボット肢と、を含む請求項1に記載のロボットシステム。
- 前記ロボットシステムは、前記第1の予め定義された位置から前記第2の予め定義された位置への前記ユーザーの運動の際に前記ユーザーの質量中心を安定性領域内において維持する請求項5に記載のロボットシステム。
- 前記ロボットシステムの空間的状態を検知することを更に有する請求項7に記載の方法。
- 安定性エリアを決定することと、
前記第1の予め定義された位置から前記第2の予め定義された位置への前記ユーザーの運動の際に前記ユーザーの質量中心を前記安定性エリア内において維持することと、
を更に有する請求項10に記載の方法。 - ロボットシステムであって、
ユーザーの胴体の少なくとも一部分上において前記ユーザーによって装用可能なハーネスと、
前記ハーネスに装着された第1ロボット肢であって、前記ハーネスの第1側部から延在する第1ロボット肢と、
前記ハーネスに装着された第2ロボット肢であって、前記第2ロボット肢は、前記ハーネスの前記第1側部とは反対側の前記ハーネスの第2側部から延在しており、前記第1及び第2ロボット肢は、前記ユーザーが支持される表面の上方の予め定義された位置においてユーザーの上半身の少なくとも一部分を支持するように構成され、前記ユーザーの下半身の一部分は、前記ユーザーが前記ロボットシステムによって支持された際に、前記表面との接触状態にある、第2ロボット肢と、
前記ハーネス及び前記第1ロボット肢に動作自在に結合された第1アクチュエータであって、前記ハーネスとの関係において前記第1ロボット肢を運動させるように構成された第1アクチュエータと、
前記ハーネス及び前記第2ロボット肢に動作自在に結合された第2アクチュエータであって、前記ハーネスとの関係において前記第2ロボット肢を運動させるように構成された第2アクチュエータと、
前記ユーザー身体の一部分の位置および運動のうちの少なくとも1つを検出するように構成された1つ又は複数のユーザーセンサであって、前記1つ又は複数のセンサが、前記予め定義された位置から離れる前記ユーザーの運動を検出するのに応答して、前記ロボットシステムは、復原力を前記ユーザーに印加するように前記第1ロボット肢および第2ロボット肢のうちの少なくとも1つを作動させ、前記復原力は、前記予め定義された位置に向かって方向付けられている、1つ又は複数のユーザーセンサと
を有するシステム。 - 前記1つ又は複数のユーザーセンサは、前記ユーザーに装着されるように構成されている請求項18に記載のロボットシステム。
- 前記第1及び第2ロボット肢のそれぞれと関連付けられると共に前記第1及び第2ロボット肢の位置及び前記第1及び第2ロボット肢に作用する力のうちの少なくとも1つを検出するように構成された1つ又は複数のロボットセンサを更に有する請求項19に記載のロボットシステム。
- 前記第1及び第2アクチュエータ、前記1つ又は複数のユーザーセンサ、及び前記1つ又は複数のロボットセンサに動作自在に結合されたコントローラを更に有し、前記コントローラは、前記1つ又は複数のユーザーセンサ及び/又は前記1つ又は複数のロボットセンサから検出された入力に基づいて前記第1及び第2アクチュエータを選択的に作動させるように構成されている請求項20に記載のロボットシステム。
- 前記1つ又は複数のユーザーセンサ及び1つ又は複数のロボットセンサは、慣性計測ユニット、力センサ、及び圧力センサのうちの少なくとも1つを有する請求項20に記載のロボットシステム。
- 前記第1及び第2アクチュエータのそれぞれのアクチュエータは、2つの回転自由度を有する請求項18に記載のロボットシステム。
- 前記第1及び第2ロボット肢のそれぞれは、第1肢部分と、前記第1肢部分から延伸及び収縮する第2肢部分と、を含む請求項18に記載のロボットシステム。
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