JP6886130B2 - 感性情報を用いたリハビリテーション支援ロボット - Google Patents

Description

本発明は、感性情報を用いたリハビリテーション支援ロボットに関する。

怪我等で入院をしてリハビリテーションをする段階では、体が思い通りに動かなかったり痛みを感じたりすることで、不安になったり苛立ちを感じたりすることが多い。特に小児の場合にはこの傾向が強いということができる。付き添いの看護師だけでは十分に感情面のケアができないこともあり、状況が厳しいほど看護師の負担も大きくなる。

特開２０１９−２５１０４号公報 特許５３２７６６８号公報

リハビリテーションのための動きを最適化するために、物理的に運動をサポートするロボットも各種開発されている（特許文献１）。しかし、これでは心理面のサポートはできない。例えば、高齢者の見守りにロボットを使用する技術が知られている（特許文献２）。これは高齢者に寄り添って生活を見守る機能を持つが、リハビリテーションをしながらの生活を積極的にケアするには不十分である。リハビリテーションの目的は社会復帰と生活の質の維持向上であって、身体機能と心理状態の両方をケアしなければならない。体に直接作用するものでなく、人の心理に影響を与えてやる気を誘起するものが望ましい。本発明はこの課題に着目してなされたものである。

以下の構成はそれぞれ上記の課題を解決するための手段である。

＜構成１＞
リハビリテーション対象者の歩行訓練で使用されるロボットであって、
頭部と、胴体と、頭部と胴体とを接続する関節機構とを備え、
頭部および胴体はいずれも、体の向きを一方向に特定するための形状や模様を備えず、
頭部または胴体の内部に設けられた制御部は、
胴体の下部に組み込まれた駆動輪により、ロボットの胴体を対象者と同じ方向に移動させ、
その移動方向に向かって、胴体より前方に頭を突き出し元に戻すと言う動作を繰り返して、頭部を胴体に対して移動方向に平行に前後運動させるように、上記関節機構を制御することを特徴とするリハビリテーション支援ロボット。

＜構成２＞
上記の動作モードに加えて、胴体を中心にして頭部１２が左方と右方に交互に振れるように往復運動させる動作モードと、頭部を床面に垂直な軸を中心に一方向に連続回転させる動作モードと、頭部を床面に垂直な軸を中心に一定の角度の範囲で繰り返し反転させる動作モードのいずれかまたは全てを含むことを特徴とする構成１に記載の感性情報を用いたリハビリテーション支援ロボット。

＜構成３＞
指示を取得する前の状態で、頭部を小刻みに上下左右方向に自動的に往復動させる動作モードもしくは、頭部を床面に垂直な軸を中心に一定の角度の範囲で繰り返し小刻みに反転させる動作モードのいずれかまたは両方を含むことを特徴とする構成１または２に記載の感性情報を用いたリハビリテーション支援ロボット。

＜構成４＞
頭部も胴体も、その中心部を通る床面に垂直な軸に対して軸対称の形状とされていることを特徴とする構成１乃至３のいずれかに記載の感性情報を用いたリハビリテーション支援ロボット。

＜構成５＞
頭部も胴体も、床面に垂直な軸を通る面を挟んで面対称の形状とされていることを特徴とする構成１乃至３のいずれかに記載の感性情報を用いたリハビリテーション支援ロボット。

＜構成６＞
上記の制御部は、リハビリテーション対象者が歩行訓練を終えたときに、頭部を床面に垂直な軸を中心に回転させる動作モードを選択することを特徴とする構成１に記載のリハビリテーション支援ロボット。

＜構成７＞
上記の制御部は、上記のロボットの移動中に、胴体の移動速度を自動的に増減したり一時停止したり対象者より遅れてついていったりする動作モードと、任意のタイミングで自動的に胴体を前後左右に移動させたり旋回させる動作モードのいずれかを選択することを特徴とする構成１に記載のリハビリテーション支援ロボット。

＜構成８＞
上記の制御部は、リハビリテーション対象者が歩行訓練の準備をしているときに、頭部を胴体に対して床面に垂直な軸に平行に上下運動させる動作モードを選択することを特徴とする構成１に記載のリハビリテーション支援ロボット。

このロボットはリハビリテーション対象者に寄り添って、対象者の緊張をほぐし安心させたり、勇気づけたり、励ましたりするような動きをする。ロボットに体の向きを一方向に特定するための形状や模様が無いので、動き方に応じてその向きを想像し、表情も対象者自身が自由に想像できる。どんな動きをしていても自分のほうに視線が向いているように感じとれるような効果もある。この状態で様々な動きをすると、対象者が誰であっても、その感性に直接訴えることができる。

本発明のリハビリテーション支援ロボットの一例を示し、（ａ）は外観の写真、（ｂ）は正面図、（ｃ）は胴体の上面図、（ｄ）は胴体のＡ−Ａ断面図、（ｅ）は頭部の上面図、（ｆ）は頭部の下面図である。 本発明のリハビリテーション支援ロボットの特徴的な動作の一例を示し、（ａ）は静止状態、（ｂ）は頭部１２を左右に振る動作、（ｃ）は頭部１２を上下に振る動作を示す正面図である。 対象者がリハビリテーションの準備をしているとき（ａ）や、リハビリテーションを開始したばかりのとき（ｂ）のロボットの動作を示す説明図である。 対象者がリハビリテーション中の様々な状態でのロボットの動作を示す説明図である。 対象者がリハビリテーションを終えたばかりのときのロボットの動作を示す説明図である。 本発明のリハビリテーション支援ロボットを制御するための機能ブロック図例である。 ロボットの内部機構の一例を示し、（ａ）は関節機構２２の主要部側面図、（ｂ）は駆動輪１６の底面図である。

以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。

図１は本発明のリハビリテーション支援ロボットの一例を示し、（ａ）は外観の写真、（ｂ）は正面図、（ｃ）は胴体の上面図、（ｄ）は胴体のＡ−Ａ断面図、（ｅ）は頭部の上面図、（ｆ）は頭部の下面図である。（ｂ）では内部機構の図示を簡略化し、（ｄ）は内部機構の図示を省略してある。

このリハビリテーション支援ロボットは、頭部１２と、胴体１４と、頭部１２と胴体１４とを接続する関節機構２２とを備えている。関節機構２２は接続軸３８の上端を頭部１２に固定し、胴体１４の内部にある機構により接続軸３８を上下左右に動かす構成をしている。

さらに、胴体１４の下部に組み込まれた駆動輪１６により、胴体１４の上に頭部１２を乗せた状態で床面上を移動する構造をしている。関節機構２２と駆動輪１６の具体的な構造の説明は後で行う。

一般の人形型、もしくは動物型のロボットは、顔や手足を有する。しかし、本発明のリハビリテーション支援ロボットは、頭部１２および胴体１４のいずれにも、体の向きや表情を特定する形状や模様を有していない。例えば、頭部１２も胴体１４も、その中心部を通る床面に垂直な軸２４に対してほぼ軸対称の形状にするとよい。あるいは、床面に垂直な軸２４を通る面を挟んでほぼ面対称の形状にするとよい。少なくとも形状や模様で体の向きを一方向に特定していない。

これは、ロボットの外観にとらわれずに、ロボットの特徴的な動きがリハビリテーションをする対象者の感性を直接刺激して、勇気づけたり励ましたりする機能を効果的に発揮させるための構造である。また、このロボットが静止しているときは、その周囲のどの方向から見ても対象者が自分の方向を向いているものと感じる。その顔等の表情も自分の好む顔や表情をしていると感じることができるという特徴を備える。

図２は、本発明のリハビリテーション支援ロボットの特徴的な動作の一例を示し、（ａ）は静止状態、（ｂ）は頭部１２を左右に振る動作、（ｃ）は頭部１２を上下に振る動作を示す正面図である。

（ｂ）は、頭部１２を胴体１４に対して床面に平行に往復運動させる動作モードを示している。移動方向２０に合わせて幅Ｗ１で頭部１２を往復運動させるモードと、静止した状態で幅Ｗ２で頭部１２を往復運動させるモードとがある。（ｃ）は、頭部１２を胴体１４に対して床面に垂直な軸２４に平行に上下運動させる動作モードを示している。このほかに、後で説明するように、頭部１２を床面に垂直な軸２４を中心に回転させる動作モードがある。頭部１２を一方向に連続回転させてもよいし、一定の角度の範囲で繰り返し反転させても良い。体の向きが一方向に特定されないから、上記のいずれの動作モードもロボットの向きを変えずに実行できるという効果がある。

例えば、（ｂ）のモードでは、ロボットの移動方向２０が指示されると、その移動方向２０へ進むように駆動輪１６の駆動力が制御される。同時に、その移動方向２０に向かって、胴体１４より前方に頭部１２を突き出し元に戻すという動作を繰り返す。即ち、頭部１２を胴体１４に対して移動方向２０に平行に前後運動させるという独特の動きをする。この場合は、頭部１２を前後運動させる方向にロボットが向いていると感じられる。また、上記のような動作モードを組み合わせてもよく、さらに任意の種類の動作モードを新たに設けることもできる。

例えば、動作開始のための指示を待機している状態や動作終了後の状態で、頭部を小刻みに上下左右方向に自動的に往復動させる動作モードや、頭部を床面に垂直な軸を中心に一定の角度の範囲で繰り返し小刻みに反転させる動作モードを含めるとよい。また、胴体を自動的に前後左右に小刻みに移動させたり旋回させたりする動作モードも含めるとよい。

動作開始のための指示を待機している状態や動作終了後の状態で、自動的に、頭部を小刻みに動かしたり胴体を前後左右に小刻みに移動させたり旋回させたりしていると、ロボットが一人で遊んでいるような状況を表現できる。対象者はロボットが近くにいて自分のために指示を待っているという、ロボットの存在を感じることができる。

また、車輪を駆動して移動しているときに、移動速度を自動的に増減したり一時停止したりする動作モードを設ける。これも対象者の指示無しで自動的に動作する。ロボットが対象者と一緒に平行移動する動きに変化をつけることで、ロボットと一緒に移動することに飽きさせない効果がある。

例えば，対象者より少し速く動いたり，頭部のみ小刻みに前後に動かしたりすることで，ロボットが力んでいるように感じさせることができる。ロボットが対象者より遅れてついていったりすることで、対象者に元気を与えることができる。これに加えて、頭部を小刻みに上下するなどして疲れているような動作も入れるとよい。これで、対象者が，ロボットを励ますような状況も作ることができる。これらの動作モードを任意に組み合わせることで、対象者のリハビリテーションへの不安感や抵抗感を軽減することができる。

上記の動作は、制御部１８（図１）が駆動輪１６や、頭部１２と胴体１４とを接続する関節機構２２（図１）を制御することにより実現できる。どの動作モードを選択するかは、対象者の状態に応じて決定される。最も簡単には、リモートコントローラを対象者自らが操作し、あるいは、対象者のリハビリテーションをサポートする看護師等が操作して選択を指示するとよい。その他にも、制御部１８に対して、対象者の感性情報に応じた選択指示を入力する手段が考えられるが、それは後で説明する。

図３から図５は、ロボットの動作が、リハビリテーション対象者の感性をどのように刺激するかを示す説明図である。
図３では、対象者がリハビリテーションの準備をしているとき（ａ）や、リハビリテーションを開始したばかりのとき（ｂ）のロボットの動作を示す。リハビリテーションの準備をしているときには、対象者は緊張したり不安になったりする。リハビリテーションを開始したときには、その作業が面倒に感じたり、怖くなったり不安になったりする。

このとき、（ｃ）に示すように、ロボットの頭部１２を胴体１４に対して床面に垂直な軸に平行に上下運動させる動作モードを選択する。首を伸ばしたり縮めたりする運動である。対象者がリハビリテーションの準備をしているときにこの滑稽な動きを見ると、緊張がほぐされる。一方、リハビリテーションを開始したときにこの動きを見ると「よしっ頑張ろう」といったゼスチュアに感じられて勇気づけられる。

図４（ａ）では、対象者がリハビリテーション中の様々な状態でのロボットの動作を示す。例えば、歩行訓練の歩き始めは、痛みによって対象者は辛い思いをする。また、一定の場所を行き来する歩行訓練では、何度か折り返しをするたびに「しんどい」と感じたり、なんとかこれだけ歩けたという達成感を感じたりする。

このとき、（ｂ）に示すように、ロボットの頭部１２を胴体１４に対して床面に平行に往復運動させる動作モードを選択する。胴体１４を中心にして頭部１２が左方と右方に交互に振れるように往復運動させる。対象者がリハビリテーションの痛みによって辛い思いをしているときにこの動きを見ると、ロボットが同調し共感をしていると感じられて、安心感や励ましの気持ちが生まれる。特徴のある外観だからこそ、この単純な動きが対象者の感性に強く作用する。往復運動の方向がどちらの方向でも、対象者からはロボットが自分のほうに向いていると感じられるところが面白い効果である。

一方、対象者が歩行訓練で、同じところを何度も折り返しをするときには、図４（ｃ）に示すように、ロボットを対象者と同じ方向に移動させて、頭部１２を胴体１４に対して移動方向２０に平行に前後運動させる動作モードを選択する。対象者が「しんどい」と感じたり達成感を感じたりしているときに、この動きを見ると、同じ目標に向かってロボットが移動することに励ましを感じる。

図５は対象者がリハビリテーションを終えたばかりのときのロボットの動作を示す。（ａ）に示すように、リハビリテーションを終えたときには、対象者は安堵感や憂鬱感や疲労感を覚える。このとき、（ｂ）に示すように、ロボットの頭部１２を床面に垂直な軸を中心に回転させる動作モードを選択する。これにより、ロボットが対象者に共感して、慰めたり労ったりしていると感じさせる。

対象者の指示に基づくこれらの動作のほかに、すでに説明したような自動的な動作モードを混ぜることで、対象者のリハビリテーションを支援できる。

図６は、本発明のリハビリテーション支援ロボットを制御するための機能ブロック図例である。実線のブロックはリモコン２６を使用して対象者本人や看護師が指示を送信する構成を示す。破線のブロックはオプションで、人工知能部３０を使用した自動制御のための構成を示す。図１に示したロボットの頭部１２または胴体１４の内部に、図６に示すようなマイコン回路やセンサを収容しておく。

上記の各種の動作パタンのうちのいずれかを選択して制御部を起動するには、例えば、図のリモコン２６を使用するとよい。例えば、「準備」「開始」「リハビリ中」「終了」というボタンを設けておいて、対象者や看護師が、その都度ボタンを操作するようにすればよい。

対象者のリハビリテーションが開始されるときに、リモコン２６から受信機２８に、対象者の感性情報に応じた指示が送信されると、制御部１８はその指示を取得して駆動輪１６や関節機構２２を駆動する。

人工知能部３０によれば、例えば、スピーカ３２で対象者に対して、「さあ始めましょう」とか「気分は？」といった声かけをする。対象者が「痛そうだな」といった応答をしたとき、これをマイク３４で受けて、人工知能部３０が文言解釈をする。これにより、図３で説明した動作モードを選択するように人工知能部３０から制御部１８に指示が出力される。カメラ３６により対象者を撮影した画像を認識して、対象者の感性情報に応じた指示を生成してもよい。

以上のように、リハビリテーションに対する感じ方は人それぞれだから、対象者の受け取り方、即ち、対象者の感性情報をできるだけ正確に取得して、最適な動作モードを選択する機能を設けるとよい。

図７はロボットの内部機構の一例を示し、（ａ）は関節機構２２の主要部側面図、（ｂ）は駆動輪１６の底面図である。上記の動作モードで関節機構２２や駆動輪１６を制御する機構は周知のモータやクランクやギヤを用いて容易に実現できる。従って、ここでは、その一例を簡単に説明する。

（ａ）に示す関節機構２２は、上端に頭部１２を固定した接続軸３８を軸受け４０で回転可能に支持している。回転駆動モータ４２は接続軸３８を回転させるためのものである。ソレノイド４４は回転駆動モータ４２と接続軸３８とを磁力を使って上下方向に往復動させるためのものである。軸受け４０とソレノイド４４とは遊動フレーム４６に固定されている。遊動フレーム４６は、固定フレーム４８に対して揺動機構５０により左右に往復動できるように支持されている。

ソレノイド４４を駆動すれば図３（ｃ）の動作モードとなり、揺動機構５０を駆動すれば図４（ｂ）または（ｃ）の動作モードとなる。回転駆動モータ４２を駆動すれば図５（ｂ）の動作モードとなる。

駆動輪１６は例えば、図７（ｂ）に示すように、架台５２に３輪構成で取り付けられている。図示しないモータでこれらの駆動輪１６を回転駆動して、任意の方向にロボットを走行させることができる。もちろんこれも既知の機構の一例であって、自由に別の機構を採用して構わない。

対象者の好みにあった人形型のロボットが考えられるが、様々な種類のものを用意しなければならない。しかも、対象者に寄り添うためには適切な動作や会話をさせるだけでなく、表情も変えられることが好ましい。しかし、それでは制御が複雑になり、高額な装置になってしまう。また、対象者の気持ちを正確に推し量ることができなければ、的確な表情の選択が難しい。

あらかじめ準備されたキャラクターのような外観形状では、対象者の多様な嗜好には対応できない。本発明のロボットは、外観が白紙の状態であるから、対象者の好みを考慮したロボットの外観デザインを決める必要がなく、広く汎用性のあるものにすることができる。

ロボットの移動中は、その頭部の往復運動により、進行する方向に向いた面に顔などがあると直感的に感じさせることができる。同じく、対象者の位置を検出して、その方向に大きく向きを直すという動作を必要としない。これにより、対象者とロボットの位置関係にかかわらずロボットは常に対象者の方向を向いているという安心感を対象者に与えることができる。

対象者は、ロボットに顔がなくてもその動きを通じて自由にその表情を思い浮かべる。従って、その特徴的な動きだけで、リハビリテーションにのぞむ対象者の感性に訴えることができる。例えば、特徴的な頭部の動きに合わせて様々な音や音声を発するようにすれば、対象者とさらに複雑な意思疎通を図ることができる。

１２ 頭部
１４ 胴体
１６ 駆動輪
１８ 制御部
２０ 移動方向
２２ 関節機構
２４ 床面に垂直な軸
２６ リモコン
２８ 受信機
３０ 人工知能部
３２ スピーカ
３４ マイク
３６ カメラ
３８ 接続軸
４０ 軸受け
４２ 回転駆動モータ
４４ ソレノイド
４６ 遊動フレーム
４８ 固定フレーム
５０ 揺動機構
５２ 架台

Claims (6)

1. リハビリテーション対象者の歩行訓練で使用されるロボットであって、
   頭部と、胴体と、頭部と胴体とを接続する関節機構とを備え、
   頭部および胴体はいずれも、体の向きを一方向に特定するための形状や模様を備えず、
   頭部または胴体の内部に設けられた制御部は、
   胴体の下部に組み込まれた駆動輪により、ロボットの胴体を対象者と同じ方向に移動させ、
   その移動方向に向かって、胴体より前方に頭を突き出し元に戻すと言う動作を繰り返して、頭部を胴体に対して移動方向に平行に前後運動させるように、上記関節機構を制御することを特徴とするリハビリテーション支援ロボット。
2. 上記の制御部は、上記のロボットの移動中に、胴体の移動速度を自動的に増減したり一時停止したり対象者より遅れてついていったりする動作モードと、任意のタイミングで自動的に胴体を前後左右に移動させたり旋回させる動作モードのいずれかを選択することを特徴とする請求項１に記載のリハビリテーション支援ロボット。
3. 上記の制御部は、リハビリテーション対象者が歩行訓練の準備をしているときに、頭部を胴体に対して床面に垂直な軸に平行に上下運動させる動作モードを選択することを特徴とする請求項１に記載のリハビリテーション支援ロボット。
4. 上記の制御部は、リハビリテーション対象者が歩行訓練を終えたときに、頭部を床面に垂直な軸を中心に回転させる動作モードを選択することを特徴とする請求項１に記載のリハビリテーション支援ロボット。
5. 頭部も胴体も、その中心部を通る床面に垂直な軸に対して軸対称の形状とされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のリハビリテーション支援ロボット。
6. 頭部も胴体も、床面に垂直な軸を通る面を挟んで面対称の形状とされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のリハビリテーション支援ロボット。

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