JPWO2015011837A1 - 介助ロボット - Google Patents

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Abstract

着座している被介助者の足位置が異なっても、被介助者に違和感を与えることのない姿勢に起立させる介助ロボットを提供する。介助ロボットは、基台と、基台に設けられ駆動部によって互いに相対移動が可能である複数のアームを備えたロボットアーム部と、ロボットアーム部の一部に設けられ被介助者の体の一部を支えて起立および着座を補助する保持部と、保持部に支えられて着座部に着座している被介助者を起立させる場合において、被介助者の移動制御部位が通過する起立軌跡を示す起立軌跡用基準データを記憶した記憶装置26と、着座部に着座しているときにおける被介助者の足位置に基づいて起立軌跡用基準データを補正する補正部27eと、駆動部を駆動させて、ロボットアーム部を、補正部によって補正された起立軌跡用基準データに基づいて駆動する駆動制御部27fと、を備えている。

Description

本発明は、被介助者の起立および着座を補助する介助ロボットに関する。
介助ロボットの一形式として、特許文献1に示されているものが知られている。特許文献1の図3A,3Bに示されているように、介助ロボットは、ユーザー(被介助者)を補助して非起立位置(着座位置)と起立位置の間で移行させることができる。
特開2012−030077号公報
上述した特許文献1に記載されている介助ロボットにおいては、ユーザー(被介助者)を補助して非起立位置と起立位置の間で移行させることができる。しかし、着座している被介助者の床面の足位置が膝位置の直下位置より前方にある場合には、着座位置から起立位置に移行された被介助者の起立状態は後傾姿勢となり、一方、後方にある場合には、被介助者の起立状態は前傾姿勢となるという問題があった。
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、着座している被介助者の足位置が異なっても、被介助者に違和感を与えることのない姿勢に起立させる介助ロボットを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明に係る介助ロボットは、基台と、基台に設けられ駆動部によって互いに相対移動が可能である複数のアームを備えたロボットアーム部と、ロボットアーム部の一部に設けられ被介助者の体の一部を支えて起立および着座を補助する保持部と、保持部に支えられて着座部に着座している被介助者を起立させる場合において、被介助者の移動制御部位が通過する起立軌跡を示す起立軌跡用基準データを記憶した記憶部と、着座部に着座しているときにおける被介助者の足位置に基づいて起立軌跡用基準データを補正する補正部と、駆動部を駆動させて、ロボットアーム部を、補正部によって補正された起立軌跡用基準データに基づいて駆動する駆動制御部と、を備えたことを特徴とする。
本発明による介助ロボットの一実施形態を示す右側面図である。 本発明による介助ロボットの一実施形態を示す平面図である。 図1に示す伸張状態にある介助ロボットの内部構造の概要を示す右側面図である。 図3aに示す第1スライド部を含む周辺を示す正面図である。 図1に示す収縮状態にある介助ロボットの内部構造の概要を示す右側面図である。 図4aに示す4b−4b線に沿った端面図である。 図4aに示す第1スライド部を含む周辺を示す正面図である。 介助ロボットが被介助者に接近する様子を示す側面図である。 介助ロボットが着座している被介助者を支えている様子を示す側面図である。 介助ロボットが起立している被介助者を支えている様子を示す側面図である。 左半分で起立動作を示し、右半分で着座動作を示す図である。 XY座標とロボット座標との関係を示す表である。 ロボットアーム部の長さ、角度を模式的に示す側面図である。 起立軌跡用基準データによる基準起立軌跡、手前用起立軌跡用データによる手前用起立軌跡、および奥用起立軌跡用データによる奥用起立軌跡を示す図である。 左側にて起立軌跡用基準データによる基準起立軌跡、中央にて手前用起立軌跡用データによる手前用起立軌跡、右側にて奥用起立軌跡用データによる奥用起立軌跡を示す図である。 図1に示す介助ロボットを示すブロック図である。 図13に示す制御装置を示すブロック図である。
以下、本発明による介助ロボットの一実施形態について説明する。図1および図2は、この介助ロボット20を示す右側面図および平面図である。
介助ロボット20は、被介助者M1の体の一部(例えば、上半身特に胸部)を支えて起立および着座を補助するための介助ロボットである。この介助ロボット20は、図1および図2に示すように、基台21、ロボットアーム部22、保持部23、ハンドル24、操作装置25、記憶装置26(記憶部)および制御装置27を含んで構成されている。
基台21は、左右基部21a,21bと左右脚部21c,21dを備えている。左右基部21a,21bは、左右方向に所定距離を置いて配設されており、左右基部21a,21bには、図2に示すように、左右駆動輪21e、21fがそれぞれ設けられるとともに、左右駆動輪21e、21fをそれぞれ駆動する駆動源である左右駆動輪用モータ21g,21hが内蔵されている。介助ロボット20は、左右駆動輪用モータ21g,21hによりそれぞれ駆動する左右駆動輪21e、21fによって走行する。
なお、左右駆動輪21e,21fおよび左右駆動輪用モータ21g,21hから走行用駆動部ACが構成されている。また、基台21に設けた前記駆動源を省略して構成して、被介助者M1により押されて移動するようにしてもよい。
左右脚部21c,21dは、左右基部21a,21bから前方方向(図1,2において左方向)に水平に延設されている。左右脚部21c,21dの先端部には、左右従動輪21i,21jがそれぞれ設けられている。また、左右脚部21c,21dの先端には、一対の衝突防止センサ21k、21lがそれぞれ設けられている。衝突防止センサ21k、21lは、障害物を検知するセンサであり、その検出信号は制御装置27に送信されるようになっている。
ロボットアーム部22は、基台21にその基部が取り付けられており、主として図3a、図4aに示すように、第1および第2回転用モータ22a1c,22b3およびスライド用モータ22a2bを含んで構成される駆動部によって互いに相対移動が可能である複数のアーム22a,22b,22cを備えている。なお、ロボットアーム部22は、複数の軸から構成するようにしてもよい。この場合の軸は回転軸およびスライド軸の少なくともいずれかを含めばよい。
図3a,3bおよび図4a〜4cに示すように、第1アーム22aは、その基部が基台21に取りつけられている。第1アーム22aは、スライド基部22a1、第1スライド部22a2および第2スライド部22a3を備えている。
スライド基部22a1は、図1,2に示すように、ほぼ直方体状に形成されている。スライド基部22a1は、主として図3aに示すように、その基端部が基台21に第1回転軸22a1a回りに回転可能に取り付けられているフレーム22a1bを備えている。このフレーム22a1bは、ほぼ断面U字状に形成されており、主として図4bに示すように、曲げて形成された左右板状部材22a1b1、22a1b2と左右板状部材22a1b1、22a1b2の上部後端に左右両端が接続された後板状部材22a1b3とから構成されている。
第1回転用モータ22a1cは、図3aに示すように、基台21に設けられている。第1駆動ベルト22a1dは、この第1回転用モータ22a1cのプーリと第1回転軸22a1aのプーリとの間に装架されている。第1回転用モータ22a1cが駆動すると、フレーム22a1bすなわちスライド基部22a1が第1回転軸22a1a回りに前方向または後方向に回転する。
図4bに示すように、フレーム22a1bの内側(左右板状部材22a1b1、22a1b2の内側)には、後述する第1スライド部22a2のフレーム22a2aの後板状部材22a2a2の左右端に摺動可能に係合する左右ガイド溝22a1eが形成されている。フレーム22a1bの左板状部材22a1b1の上部には、後述するスライド用ベルト22a2eに取り付けられて固定される固定部22a1fが設けられている(図3b、図4c参照)。
スライド基部22a1は、膝センサ22a1gと足センサ22a1hを備えている。膝センサ22a1gは、スライド基部22a1の前面(図1および図2にて左方が前方である)に前方に向けて設けられており、着座部に着座している被介助者M1の膝高さとほぼ等しくなる位置に配設されている。膝センサ22a1gは、被介助者M1の膝までの距離を検出する距離検出センサである。膝センサ22a1gの検出信号は、制御装置27に送信されるようになっている。着座部に着座している被介助者M1の膝が被介助者M1の基準部位であり、この膝センサ22a1gが被介助者M1の基準部位までの距離を検出する第1距離検出センサである。
足センサ22a1hは、スライド基部22a1の前面に前方に向けて設けられており、着座している被介助者M1のくるぶし高さとほぼ等しくなる位置に配設されている。足センサ22a1hは、被介助者M1の足までの距離を検出する距離検出センサである。足までの距離は、足のつま先までの距離でもよく、足首までの距離でもよい。足センサ22a1hの検出信号は、制御装置27に送信されるようになっている。この足センサ22a1hが被介助者M1の足までの距離を検出する第2距離検出センサである。なお、上述した各距離検出センサ22a1g,22a1hは、例えば、レーザ式、LED式、超音波式タイプである。
図5に示すように、介助ロボット20は、膝センサ22a1gの検出結果(介助ロボット20と被介助者M1の膝との距離)を使用して、着座している被介助者M1との距離が所定距離Xc1となる所定の位置まで移動する。この所定の位置は、被介助者M1を起立させるために最適な位置(起立最適位置)である。なお、膝センサ22a1gから膝までの距離(測定距離)Xcと、膝センサ22a1gから介助ロボット20の基準点までのX軸座標成分に係る距離Xeとの合計が、介助ロボット20の基準点に対する被介助者M1の膝の位置である。また、足センサ22a1hから足までの距離(測定距離)Xdと、足センサ22a1hから介助ロボット20の基準点までのX軸座標成分に係る距離Xfとの合計が、介助ロボット20の基準点に対する被介助者M1の足の位置である。
第1スライド部22a2は、図1,2に示すように、ほぼ直方体状に形成されており、スライド基部22a1より小さく構成されている。第1スライド部22a2は、スライド基部22a1に対して長手方向(軸動方向)にスライドするものであり、収縮した際にはスライド基部22a1内にほぼ収容されるように構成されている。
具体的には、第1スライド部22a2は、フレーム22a2aを備えている(図3a参照)。このフレーム22a2aは、図4bに示すように、断面H字状かつ側面視H字状に形成されており、前後板状部材22a2a1、22a2a2と前後板状部材22a2a1、22a2a2の上下方向中央部に前後両端が接続された接続板状部材22a2a3とから構成されている。後板状部材22a2a2の左右両端は、フレーム22a1bの左右ガイド溝22a1eに摺動可能に係合されている。主として図3aに示すように、後板状部材22a2a2の上部には、スライド用モータ22a2bが設けられている。後板状部材22a2a2の下部には、プーリ22a2cが回転可能に設けられている。このスライド用モータ22a2bのプーリ22a2dとプーリ22a2cとの間には、スライド用ベルト22a2eが装架されている。
フレーム22a2aの前板状部材22a2a1の左右両端部には、図4bに示すように、ガイドレール22a2fが設けられている。ガイドレール22a2fは、後述する第2スライド部22a3のフレーム22a3aの左右板状部材の内側の左右ガイド受け部22a3bに摺動可能に係合する。
第2スライド部22a3は、図1,2に示すように、ほぼ直方体状に形成されており、第1スライド部22a2より小さく構成されている。第2スライド部22a3は、第1スライド部22a2に対して長手方向(軸動方向)にスライドするものであり、収縮した際には第1スライド部22a2内にほぼ収容されるように構成されている。
具体的には、第2スライド部22a3は、フレーム22a3aを備えている(図3a参照)。このフレーム22a3aは、図4bに示すように、ほぼ断面U字状に形成されており、左右板状部材22a3a1、22a3a2と左右板状部材22a3a1、22a3a2の前端部に左右両端が接続された前板状部材22a3a3とから構成されている。フレーム22a3aの内側(左右板状部材22a3a1、22a3a2の内壁面)には、フレーム22a2aのガイドレール22a2fに摺動可能に係合する左右ガイド受け部22a3bが設けられている。フレーム22a3aの右板状部材22a3a2の下部には、スライド用ベルト22a2eに取り付けられて固定される固定部22a3cが設けられている(図3b、図4c参照)。
スライド用モータ22a2bが駆動すると、第1スライド部22a2のフレーム22a2aは、スライド基部22a1のフレーム22a1bに対して軸動方向に沿って伸張する(図3aおよび3bに示す伸張状態)。これと同時に、第2スライド部22a3のフレーム22a3aは第1スライド部22a2のフレーム22a2aに対して伸張する(図3aおよび3bに示す伸張状態)。
一方、スライド用モータ22a2bが逆方向に駆動すると、第1スライド部22a2のフレーム22a2aは、スライド基部22a1のフレーム22a1bに対して軸動方向に沿って収縮する(図4aおよび図4cに示す収縮状態)。これと同時に、第2スライド部22a3のフレーム22a3aは第1スライド部22a2のフレーム22a2aに対して収縮する(図4aおよび図4cに示す収縮状態)。
第2アーム22bは、図1,2に示すように、ほぼ直方体状に形成されており、第2スライド部22a3の先端部に、長手方向に対して直交する方向(前方向)に延ばして形成されている。具体的には、主として図3aに示すように、第2アーム22bは、左右板状部材22b1a、22b1bから構成されているフレーム22b1を備えている。フレーム22b1の左右板状部材22b1a、22b1bの後端部が、フレーム22a3aの左右板状部材22a3a1、22a3a2の上端部にそれぞれ接続固定されている。
フレーム22b1の左右板状部材22b1a、22b1bの先端部には、第2回転軸22b2が回動可能に介装されている。左右板状部材22b1a、22b1bの中央部には、第2回転用モータ22b3が設けられている。第2回動ベルト22b4は、第2回転用モータ22b3のプーリと第2回転軸22b2のプーリとの間に装架されている。
第3アーム22cは、ほぼ直方体状に形成されており、その基端部が第2アーム22bの先端部に第2回転軸22b2回りに回転可能に取り付けられている。具体的には、第3アーム22cは、フレーム22c2を備えている。フレーム22c2の後端部は、第2回転軸22b2と一体回転するように固定されている。フレーム22c2の前端部は、保持部23の後端に固定されている。
第2回転用モータ22b3が駆動すると、フレーム22c2すなわち第3アーム22cが第2回転軸22b2回りに上方向または下方向に回転する。
保持部23は、第3アーム22cの先端に固定されている。この保持部23は、被介助者M1の体の一部(例えば、上半身特に胸部)を支えて起立および着座を補助するものである。保持部23は、例えば、被介助者M1の起立動作及び着座動作において被介助者M1に対して対向したときに、その両腕(両脇)を下側から支える部材であり、前方向に向けて開放する平面視略U字形状に形成されている。保持部23は、例えば、被介助者M1に接することを前提とした比較的柔らかい材質で形成されている。
ハンドル24は、図1,2に示すように、第3アーム22cの上面に固定されている。このハンドル24は、左右一対の棒状取っ手で構成されており、被介助者M1の左右の手でそれぞれ握られるようになっている。ハンドル24には、握っていることを検知する接触センサ24a,24bが設けられている。ハンドル24には、介助ロボット20を左旋回させるための左旋回スイッチ24cと介助ロボット20を右旋回させるための右旋回スイッチ24dが設けられている。さらにハンドル24には、介助ロボット20を停止させるための停止スイッチ24eが設けられている。
また、第3アーム22cには、被介助者M1が保持部23により支持されている状態で歩行する場合や被介助者M1がハンドル24を握った状態で歩行する場合に、被介助者M1から受ける力を検知する荷重センサ22c1が設けられている。荷重センサ22c1は、荷重の変化によって変化する起歪体の歪み量を電圧変化として検出するものや、シリコンチップに圧力が加わると、そのたわみに応じ、ゲージ抵抗が変化し電気信号に変換される半導体式圧力センサなどである。
操作装置25は、画像を表示する表示部25aと、操作者(介助者および被介助者M1である)からの入力操作を受け付ける操作部25bとを備えている。
表示部25aは、液晶ディスプレイで構成されており、介助ロボット20の動作モードの選択画面などを表示する。動作モードとしては、被介助者M1の起立動作を補助する起立動作補助モードや、被介助者M1の着座動作を補助する着座動作補助モードなどが設定されている。
操作部25bは、カーソルを上下左右に移動させるカーソルキー、入力をキャンセルするキャンセルキー,選択内容を決定する決定キーなどを備えており、操作者の指示をキー入力できるように構成されている。なお、操作装置25は、表示部25aの表示機能と操作部25bの入力機能とを備えており、画面上の表示を押すことで機器を操作するタッチパネルで構成するようにしてもよい。
記憶装置26(記憶部)は、保持部23に支えられて着座している被介助者M1(図6参照)を起立させる場合において、被介助者M1の移動制御部位である例えば肩位置Psが通過する起立軌跡を示す起立軌跡用基準データと、保持部23に支えられて起立している被介助者M1(図7参照)を着座させる場合において、起立軌跡と異なる軌跡であって被介助者M1の肩位置Psが通過する着座軌跡を示す着座軌跡用基準データと、を記憶している。
起立軌跡Tas1および着座軌跡Tbs1は、実際に健常者の起立動作を撮影し、その肩位置Psの二次元座標(例えばxy座標)に基づいて作成すればよい。起立軌跡を図8(左側)に示す。この起立軌跡は、起立軌跡用基準データに基づいている軌跡である。起立軌跡用基準データは、保持部23に支えられて着座部に着座している被介助者M1を起立させる場合において、基台21の停止位置の基準点となる被介助者M1の膝(基準部位)が被介助者M1の足位置と所定位置関係にある場合に、被介助者M1の移動制御部位Psが通過する起立軌跡を示している。膝と足位置との所定位置関係は、膝の角度が90度であり、すなわち膝のほぼ真下に足首が位置する関係である。また、この所定位置関係は、予め決められている。
着座軌跡を図8(右側)に示す。この着座軌跡は、着座軌跡用基準データに基づいている軌跡である。なお、前述した起立軌跡および着座軌跡は、シミュレーションで作成するようにしてもよい。
各軌跡用基準データは、二次元座標で形成されている。起立軌跡用基準データは、例えばxy座標にて、(Xa1、Ya1)、・・・、(Xan、Yan)で表わされ、n個からなる。着座軌跡用基準データは、例えばxy座標にて、(Xb1、Yb1)、・・・、(Xbn、Ybn)で表わされ、n個からなる。原点は、介助ロボット20の基準点としてもよいし、介助ロボット20の重心位置としてもよいし、第1回転軸22a1aの座標としてもよいし、着座状態の足(足首)の座標としてもよく、また、被介助者M1の着座面の任意の点としてもよい。
軌跡用基準データは、このxy座標に、各座標における保持部23の角度αを加えて構成されることが望ましい。各座標における保持部23の角度αは、起立軌跡Tas1および着座軌跡Tbs1の各点における保持部23の角度である(図10参照)。この角度αは、被介助者M1の上半身(保持部23の被介助者M1との保持するために接触する内壁面)と水平面とのなす角度である。例えば、図10に示すように、着座状態や起立状態であるときには、角度αは90度である。軌跡用基準データは、例えば(Xa1、Ya1、α1)、・・・、(Xan、Yan、αn)で表される。
なお、二次元座標でなく、ロボット座標で形成するようにしてもよい。この場合、起立軌跡用基準データは、例えば、図9に示すように、第1回転用モータ22a1cの回転角度である第1角度(θa)、スライド用モータ22a2bのアーム長さ(L:スライド量:このアーム長さに相当する回転角度)、および第2回転用モータ22b3の回転角度である第2角度(θb)を含んで構成されている。XY座標の角度αを加えた座標(Xa1,Ya1,α1)は、ロボット座標(θa1,L1,θb1)で表される。
XY座標の角度αを加えた座標(Xa1,Ya1,α1)からロボット座標(θa1,L1,θb1)を算出する方法について、簡単に説明する。図10は、ロボットアーム部22の長さ、角度を模式的に示す側面図である。図10に示すように、第1アーム22aの長さをLa(可変)、第2アーム22bの長さをLb(固定)、第2回転軸22b2から肩位置Psまでの第3アーム22cの延設方向に沿った長さをLc(固定)およびその延設方向と鉛直する方向に沿った長さをLd(固定)とする。また、第1アーム22aと水平線とのなす角を第1角度θa、第1アーム22aと第2アーム22bとのなす角を90度、および第2アーム22bと第3アーム22cとのなす角を第2角度θbとする。
第1アーム22aと第2アーム22bが直交する点P1のXY座標は、(La×(cosθa),La×(sinθa))である。第2回転軸22b2である点P2のXY座標は、点P1に対して(Lb×(sinθa),Lb×(cosθa))を加算したものである。肩位置Psから第3アーム22cに下ろした垂線の足である点P3のXY座標は、点P2に対して(Lc×(cos(π/2−θa−θb),Lc×(sin(π/2−θa−θb))を加算したものである。肩位置Psすなわち点P4のXY座標(Xa1,Ya1)は、点P3に対して(Ld×(cos(θa+θb),Ld×(sin(θa+θb))を加算したものである。なお、各座標における保持部23の角度αは、π−(π/2+(π/2−θa−θb))で表されるので、α=θa+θbとなる。以上のことから、XY座標の角度αを加えた座標(Xa1,Ya1,α1)からロボット座標(θa1,L1,θb1)を算出する。
なお、ロボット座標において、図9に示すように、第1回転用モータ22a1cの回転角度である第1角度(θa)の角速度である第1角速度(ωa)、スライド用モータ22a2bのスライド速度(V:このスライド速度に相当する回転角速度)、および第2回転用モータ22b3の回転角度である第2角度(θb)の角速度である第2角速度(ωb)を含んで構成してもよい。
記憶装置26は、起立軌跡用基準データの他に複数の起立軌跡用データをさらに記憶している。これら起立軌跡用データは、起立軌跡用基準データに相当する起立軌跡(基準起立軌跡)と異なる軌跡を示す複数のデータであって被介助者M1の異なる足位置に対応した起立軌跡用データである。これら起立軌跡用データによる各軌跡を図11に示す。起立軌跡用基準データによる基準起立軌跡は、実線で示す。被介助者M1の足が基準位置より手前側(自分側;図11にて左側)に位置する場合に対応した手前用起立軌跡用データによる手前用起立軌跡は、破線で示す。被介助者M1の足が基準位置より遠い側(自分と反対側)に位置する場合に対応した奥用起立軌跡用データによる奥用起立軌跡は、一点破線で示す。
図11に示す基準起立軌跡(図8に示す起立軌跡Tas1)は、保持部23に支えられて着座部に着座している被介助者M1を起立させる場合において、基台21の停止位置の基準点となる被介助者M1の膝(基準部位)が被介助者M1の足位置と所定位置関係にある(本実施形態では、足が膝の直下(基準位置)にある)場合に、被介助者M1の移動制御部位Psが通過する起立軌跡である(図12の左側参照)。
このとき、被介助者M1の腰が着座部から離れる時点まで(前半部分)は、腰を基準に上半身が前屈される(前屈みとなる)。被介助者M1の腰が着座部から離れた時点以降(後半部分)においては、前傾姿勢は上半身が持ち上げられながら起立姿勢となり、最終的に上半身(移動制御部位Psである肩)すなわち起立動作の最終点が基準位置にある足のほぼ直上に位置する直立姿勢となる。なお、前半部分においては、足位置に関係なく、同一の起立軌跡となる。腰を基準に上半身が前屈されるからである。
ところで、足が基準位置より手前側にあるにも係らず、起立動作の最終点が基準位置にある足のほぼ直上にある場合には、被介助者M1は直立姿勢でなく前傾姿勢となる。これを解消するために、図12の中央部に示すように、被介助者M1の足が基準位置より手前側に位置する場合には、起立動作の最終点は、起立動作の最終点が基準位置にある足のほぼ直上ではなく、基準位置より手前側に位置する足のほぼ直上に位置するのが好ましい。さらに、被介助者M1の腰が着座部から離れる時点以降から起立終了までの間の起立軌跡が、手前用起立軌跡となるようにするのが好ましい。これによれば、足が基準位置より手前側にある場合でも、被介助者M1は、最終的に上半身(移動制御部位Psである肩)すなわち起立動作の最終点が基準位置より手前側にある足のほぼ直上に位置する直立姿勢となる。
さらに、足が基準位置より奥側にあるにも係らず、起立動作の最終点が基準位置にある足のほぼ直上にある場合には、被介助者M1は直立姿勢でなく後傾姿勢となる。これを解消するために、図12の右側に示すように、被介助者M1の足が基準位置より奥側に位置する場合には、起立動作の最終点は、起立動作の最終点が基準位置にある足のほぼ直上ではなく、基準位置より奥側に位置する足のほぼ直上に位置するのが好ましい。さらに、被介助者M1の腰が着座部から離れる時点以降から起立終了までの間の起立軌跡が、奥用起立軌跡となるようにするのが好ましい。これによれば、足が基準位置より奥側にある場合でも、被介助者M1は、最終的に上半身(移動制御部位Psである肩)すなわち起立動作の最終点が基準位置より奥側にある足のほぼ直上に位置する直立姿勢となる。
手前用起立軌跡用データの起立動作最終点に相当する移動制御部位Psは、被介助者M1が着座部に着座しているときにおける被介助者M1の足位置(手前側位置)の上方の所定範囲となるようになっている。奥用起立軌跡用データの起立動作最終点に相当する移動制御部位Psも、被介助者M1が着座部に着座しているときにおける被介助者M1の足位置(奥側位置)の上方の所定範囲となるようになっている(図12参照)。なお、所定範囲は、例えば足裏の範囲Aに相当する範囲であり、被介助者M1が起立したときに、違和感を生じない範囲に設定されている。被介助者M1の起立姿勢がまっすぐであるときは、その所定範囲は足裏の範囲Aの直上であるが、起立姿勢が前かがみであるときは、その所定範囲は足裏の範囲Aより前方に設定される。
上述した補正データは、手前側起立軌跡用データおよび奥側起立軌跡用データはそれぞれ1つしか用意しなかったが、複数設けるようにしてもよい。この場合、次のように作成すればよい。最初に足位置が基準位置にある場合の起立軌跡用基準データを実測(またはシミュレーション)する。次に、足位置を手前側に基準位置から所定間隔(例えば5cm)に変更して、手前側起立軌跡用データを実測(またはシミュレーション)する。奥側も同様に実測する。実測した足位置と異なる場合には、2つのデータを補間する。
さらに、記憶装置26は、被介助者M1が着座する椅子やベッドなどの着座部の高さに応じた補正量(第1の補正量)を記憶している。この第1の補正量は、上述した各データを補正するための値である。上述した各データは、着座部の高さが所定値(例えば40cmである。)であるときのデータである。
また、記憶装置26は、被介助者M1の身長に応じた補正量(第2の補正量)を記憶している。この第2の補正量は、上述した各データを補正するための値である。上述した各データは、被介助者M1の身長が所定値(例えば平均身長などであり、具体的には170cmである。)であるときのデータである。
なお、上述した各補正量は、マップとして記憶されているが、演算式として記憶されていてもよい。
制御装置27は、介助ロボット20の走行や姿勢変形に関する制御を行う。制御装置27は、図13に示すように、上述した衝突防止センサ21k,21l、膝センサ22a1g、足センサ22a1h、荷重センサ22c1、接触センサ24a,24b、左旋回スイッチ24c、右旋回スイッチ24d、停止スイッチ24e、左右駆動輪用モータ21g,21h、第1回転用モータ22a1c、スライド用モータ22a2b、第2回転用モータ22b3、操作装置25、記憶装置26、撮像装置28、および案内装置29が接続されている。また、制御装置27はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。
制御装置27は、図14に示すように、基準データ取得部27a、足位置取得部27b、膝位置取得部27c、足前後方向位置導出部27d、補正部27eおよび駆動制御部27fを備えている。
基準データ取得部27aは、操作装置25によって選択された動作モード(起立動作補助モード、着座動作補助モード、一連動作補助モードのいずれか)を取得して、その取得したモードに応じた基準データを記憶装置26から取得する。起立動作補助モードのときは、起立軌跡用基準データを取得し、着座動作補助モードのときは、着座軌跡用基準データを取得し、一連動作補助モードのときは、起立軌跡用基準データおよび着座軌跡用基準データを取得する。
足位置取得部27bは、被介助者M1の足までの距離を足センサ22a1hから取得する。足位置取得部27bは、その取得した距離から介助ロボット20の基準点(例えば上述した基準データの原点でもよい。)に対する被介助者M1の足の位置を導出して取得する。膝位置取得部27cは、被介助者M1の膝までの距離を膝センサ22a1gから取得する。膝位置取得部27cは、その取得した距離から介助ロボット20の基準点に対する被介助者M1の膝の位置を導出して取得する。
足前後方向位置導出部27dは、膝センサ22a1gによって検出された被介助者M1の膝(基準部位)までの距離と、足センサ22a1hによって検出された被介助者M1の足までの距離と、から被介助者M1の膝位置に対する足の前後方向位置を導出する。具体的には、足前後方向位置導出部27dは、膝位置取得部27cから入力した被介助者M1の膝の位置から足位置取得部27bから入力した被介助者M1の足の位置を減算した値を足の前後方向位置ΔXとして導出する。各位置は、介助ロボット20の基準点からの直線距離ではなく、X軸座標成分に係る距離により表わしている。
例えば、足が基準位置にある場合(図12の左側に示す)、上述したように膝位置はXg0であり、足位置はXh0である。このとき、Xg0とXh0との差の絶対値が0または所定値以下である場合には、膝と足が所定関係位置にあるとして、起立軌跡は補正されない。
また、足が基準位置より手前側にある場合(図12の中央に示す)、上述したように膝位置はXg1であり、足位置はXh1(>Xg1)であり、足の前後方向位置ΔXは−(Xg1−Xh1)であり、負の値となる。
さらに、足が基準位置より奥側にある場合(図12の右側に示す)、上述したように膝位置はXg2であり、足位置はXh2(<Xg2)であり、足の前後方向位置ΔXは+(Xg2−Xh2)であり、正の値となる。
補正部27eは、基準データ取得部27aによって取得した基準データを、足位置取得部27bによって取得した着座部に着座している被介助者M1の足位置に基づいて補正する。
例えば、補正部27eは、前記起立軌跡用基準データの起立動作最終点が、被介助者M1が着座部に着座しているときにおける被介助者M1の足位置の上方(直上)の所定範囲となるように補正する。
また、補正部27eは、被介助者M1の腰が着座部から離れる直前時点における被介助者M1の膝位置(基準部位位置)に対する足の前後方向位置ΔXに基づいて起立軌跡用基準データを補正する。このとき、起立軌跡用基準データは、保持部23に支えられて着座部に着座している被介助者M1を起立させる場合において、基台21の停止位置(図5参照)の基準点となる被介助者M1の膝(基準部位)が被介助者M1の足位置と所定位置関係にある場合に、被介助者M1の移動制御部位Psが通過する起立軌跡を示している。
例えば、補正部27eは、足の前後方向位置ΔXだけ起立動作最終点をオフセットし、途中の起立軌跡を近似曲線で変形させるようにすればよい。また、補正部27eは、起立軌跡用基準データ、手前側起立軌跡用データおよび奥側起立軌跡用データを、足の前後方向位置ΔXで補間して近似させるようにすればよい。また、複数の手前側起立軌跡用データおよび奥側起立軌跡用データから足の前後方向位置ΔXに合ったものを選択するようにしてもよい。
また、補正部27eは、保持部23に支えられて着座部に着座している被介助者M1を起立させる場合であって、被介助者M1の腰が着座部から離れた時点以降の後半部分において、被介助者M1の腰が着座部から離れる直前時点における被介助者M1の膝位置(基準部位位置)に対する足の前後方向位置ΔXに基づいて起立軌跡用基準データを補正する。
駆動制御部27fは、第1および第2回転用モータ22a1c,22b3およびスライド用モータ22a2bを含んで構成される駆動部を駆動させて、ロボットアーム部22を起立軌跡用基準データまたは補正された起立軌跡用基準データに基づいて起立動作の駆動をする。また、駆動制御部27fは、前記駆動部を駆動させて、ロボットアーム部22を着座軌跡用基準データまたは補正された着座軌跡用基準データに基づいて着座動作の駆動をする。具体的には、駆動制御部27fは、補正部27eによって補正された基準データ(補正されていない基準データも含む)を補正部27eから取得する。そして、駆動制御部27fは、その取得した基準データとなるように、前記駆動部を駆動させる。
また、制御装置27(駆動制御部27f)は、上記各データにおいて起立軌跡および着座軌跡の各点における保持部23の角度αも合わせて記憶している場合には、前記駆動部を駆動させて、各点における保持部の角度を、各起立軌跡用基準データおよび各着座軌跡用基準データに記憶されている角度αとなるように制御する。
また、制御装置27(駆動制御部27f)は、被介助者M1の身長や着座部の高さに合わせてロボットアーム部22の起立軌跡および着座軌跡をそれぞれ調整する。補正部27eは、基準データ取得部27aによって取得した基準データを身長、着座部の高さによって補正する。具体的には、補正部27eは、取得した身長に応じた第2の補正量や、着座部の高さに応じた第1の補正量を記憶装置26から取得する。補正部27eは、この取得した各補正量によって基準データ取得部27aによって取得した基準データを補正する。
撮像装置28は、スライド基部22a1の前面および第1スライド部22a2の背面にそれぞれ設けられている。スライド基部22a1の前面に設けられた撮像装置28は、介助ロボット20の前方にある対象を撮影する。第1スライド部22a2の背面に設けられた撮像装置28は、介助ロボット20の後方または上方にある対象を撮影する。
案内装置29は、被介助者M1、介助者を含む周囲にいる人に対して介助ロボット20の状態を音声や表示により案内するものである。案内装置29は、音声を出力するスピーカでもよく、文字、図形等を表示するLCDやLEDなどの表示装置でもよい。
次に、上述したように構成された介助ロボット20の作動を説明する。最初に、介助ロボット20が着座している被介助者M1に接近している場合について説明する。このとき、介助ロボット20は、例えばベッド脇に着座している被介助者M1に向けて接近する。介助ロボット20は、介助ロボット20の前面を進行方向に向けて前進する。介助ロボット20は、被介助者M1の近傍に設けられている案内用マークを前面の撮像装置28を介して読み取り、その情報に基づいて被介助者M1に接近する。介助ロボット20は、膝センサ22a1gの検出結果(介助ロボット20と被介助者M1の膝との距離)を使用して、着座している被介助者M1との距離が所定距離Xc1となる所定の位置まで移動する。この所定の位置は、被介助者M1を起立させるために最適な位置(起立最適位置)である。
そして、介助ロボット20は、被介助者M1に対して「ハンドルを握ってください」という案内を行う。被介助者M1が両手でハンドル24を握ると、接触センサ24a,24bによってハンドル24を握ったことを検知するため、介助ロボット20は、被介助者M1を起立させるための起立動作を行う。
起立動作が開始されると、介助ロボット20は、着座している被介助者M1の上半身を保持部23によって保持する(図6参照)。そして、介助ロボット20は、上半身を保持した状態で、被介助者M1を起立状態にする(図7参照)。より具体的には、図8に示すように、基準起立軌跡に沿って起立動作が行われる。起立動作の際には、上述したように、着座部に着座しているときにおける被介助者M1の足位置に基づいて起立軌跡用基準データが補正され、その補正された起立軌跡用基準テータに基づいた起立軌跡に沿って起立動作が行われる。
介助ロボット20は、被介助者M1を起立状態で補助している。被介助者M1は、その脇の下を保持部23により保持された状態で歩行して移動する。介助ロボット20は、介助ロボット20の背面を進行方向に向けて前進する。
そして、介助ロボット20は、被介助者M1を着座させるための着座動作が開始されると、起立状態にある被介助者M1(図7参照)を、被介助者M1の上半身を保持部23によって保持した状態で着座状態にする(図6参照)。より具体的には、図8に示すように、着座軌跡に沿って着座動作が行われる。
そして、介助ロボット20は、着座動作が終了すると、被介助者M1に対して「ハンドルから手を放してください」という案内を行う。被介助者M1がハンドル24から手を放すと、接触センサ24a,24bによってハンドル24から手を放したことを検知するため、介助ロボット20は、被介助者M1から離れる。
本実施形態に係る介助ロボット20は、基台21と、基台21に設けられ駆動部(第1および第2回転用モータ22a1c,22b3およびスライド用モータ22a2b)によって互いに相対移動が可能である複数のアーム22a〜22cを備えたロボットアーム部22と、ロボットアーム部22の先端部(一部)に設けられ被介助者M1の体の一部を支えて起立および着座を補助する保持部23と、保持部23に支えられて着座部に着座している被介助者M1を起立させる場合において、被介助者M1の移動制御部位Psが通過する起立軌跡を示す起立軌跡用基準データを記憶した記憶部26と、着座部に着座しているときにおける被介助者M1の足位置に基づいて起立軌跡用基準データを補正する補正部27eと、駆動部(第1および第2回転用モータ22a1c,22b3およびスライド用モータ22a2b)を駆動させて、ロボットアーム部22を、補正部27eによって補正された起立軌跡用基準データに基づいて駆動する駆動制御部27fと、を備えたことを特徴とする。
これによれば、起立軌跡用基準データが着座部に着座しているときにおける被介助者M1の足位置に基づいて補正され、その補正された起立軌跡用基準データに基づいてロボットアーム部22ひいては保持部23が駆動される。したがって、着座している被介助者M1の床面の足位置が膝位置の直下位置より前方(奥側)にある場合であっても、後方(手前側)にある場合であっても、着座位置から起立位置に移行された被介助者M1の起立状態は後傾および前傾とならずに、正常な(自然な)起立状態とすることができる。よって、着座している被介助者M1の足位置が異なっても、被介助者M1に違和感を与えることのない姿勢に起立させる介助ロボット20を提供することができる。
また、上述した実施形態に係る介助ロボット20において、補正部27eは、起立軌跡用基準データの起立動作最終点が、被介助者M1が着座部に着座しているときにおける被介助者M1の足位置の上方の所定範囲Aとなるように補正する。
これによれば、着座している被介助者M1の床面の足位置が膝位置の直下位置より前方(奥側)または後方(手前側)にある場合であっても、起立動作の最終点は被介助者M1の足位置の上方の所定範囲A内にあるため、着座位置から起立位置に移行された被介助者の起立状態は、後傾および前傾とならずに、確実に正常な(自然な)起立状態とすることができる。
また、上述した実施形態に係る介助ロボット20において、起立軌跡用基準データは、保持部23に支えられて着座部に着座している被介助者M1を起立させる場合において、基台21の停止位置の基準点となる被介助者M1の膝(基準部位)が被介助者M1の足位置と所定位置関係にある場合に、被介助者M1の移動制御部位Psが通過する起立軌跡を示し、補正部27eは、被介助者M1の腰が着座部から離れる直前時点における被介助者の基準部位位置に対する足の前後方向位置ΔXに基づいて起立軌跡用基準データを補正する。
これによれば、起立軌跡用基準データが、被介助者M1の腰が着座部から離れる直前時点における被介助者M1の膝位置(基準部位位置)に対する足の前後方向位置ΔXに基づいて補正される。そして、その補正された起立軌跡用基準データに基づいてロボットアーム部22ひいては保持部23が駆動される。したがって、着座している被介助者M1の床面の足位置が膝位置の直下位置より前方(奥側)または後方(手前側)にある場合であっても、着座位置から起立位置に移行された後に被介助者M1に違和感を与えることのない姿勢に起立させるだけでなく、その移行途中においても、被介助者M1に違和感を与えることなく起立させることができる。
また、上述した実施形態に係る介助ロボット20において、補正部27eは、保持部23に支えられて着座部に着座している被介助者M1を起立させる場合であって、被介助者M1の腰が着座部から離れた時点以降の後半部分において、被介助者M1の腰が着座部から離れる直前時点における被介助者M1の膝位置(基準部位位置)に対する足の前後方向位置ΔXに基づいて起立軌跡用基準データを補正する。
これによれば、着座位置から起立位置に移行する途中であって、特に被介助者M1の腰が着座部から離れた時点以降の後半部分において、被介助者M1に違和感を与えることなく起立させることができる。
また、上述した実施形態に係る介助ロボット20において、被介助者M1の膝(基準部位)までの距離を検出する膝センサ22a1g(第1距離検出センサ)と、被介助者M1の足首までの距離を検出する足センサ22a1h(第2距離検出センサ)と、膝センサ22a1gによって検出された被介助者M1の膝(基準部位)までの距離と、足センサ22a1h(第2距離検出センサ)によって検出された被介助者M1の足首までの距離と、から被介助者M1の膝位置(基準部位位置)に対する足の前後方向位置ΔXを導出する足前後方向位置導出部27dと、をさらに備えている。
これによれば、被介助者M1の膝位置(基準部位位置)に対する足の前後方向位置ΔXを正確に導出することができ、ひいては、起立軌跡用基準データを正確に補正することができる。
また、上述した実施形態に係る介助ロボット20において、被介助者M1の基準部位は着座部に着座している被介助者M1の膝であり、所定位置関係は、被介助者の膝の鉛直直下に被介助者の足が位置する関係である。
これによれば、既存の膝検出センサを使用することで、被介助者M1の基準部位位置に対する足の前後方向位置をより正確に導出し、かつ低コストに導出することができる。
20…介助ロボット、21…基台、21g,21h…左右駆動輪用モータ(駆動源)、22…ロボットアーム部、22a…第1アーム、22a1c…第1回転用モータ(駆動部)、22a2b…スライド用モータ(駆動部)、22b…第2アーム、22b3…第2回転用モータ(駆動部)、22c…第3アーム、23…保持部、24…ハンドル、25…操作装置、26…記憶装置(記憶部)、27…制御装置、27a…基準データ取得部、27b…足位置取得部、27c…膝位置取得部、27d…足前後方向位置導出部、27e…補正部、27f…駆動制御部、28…撮像装置、29…案内装置、M1…被介助者。

Claims (6)

  1. 基台と、
    前記基台に設けられ駆動部によって互いに相対移動が可能である複数のアームを備えたロボットアーム部と、
    前記ロボットアーム部の一部に設けられ前記被介助者の体の一部を支えて起立および着座を補助する保持部と、
    前記保持部に支えられて着座部に着座している前記被介助者を起立させる場合において、前記被介助者の移動制御部位が通過する起立軌跡を示す起立軌跡用基準データを記憶した記憶部と、
    前記着座部に着座しているときにおける前記被介助者の足位置に基づいて前記起立軌跡用基準データを補正する補正部と、
    前記駆動部を駆動させて、前記ロボットアーム部を、前記補正部によって補正された前記起立軌跡用基準データに基づいて駆動する駆動制御部と、
    を備えたことを特徴とする介助ロボット。
  2. 前記補正部は、前記起立軌跡用基準データの起立動作最終点に相当する前記移動制御部位が、前記被介助者が前記着座部に着座しているときにおける前記被介助者の前記足位置の上方の所定範囲となるように補正することを特徴とする請求項1記載の介助ロボット。
  3. 前記起立軌跡用基準データは、前記保持部に支えられて着座部に着座している前記被介助者を起立させる場合において、前記基台の停止位置の基準点となる前記被介助者の基準部位が前記被介助者の足位置と所定位置関係にある場合に、前記被介助者の移動制御部位が通過する起立軌跡を示し、
    前記補正部は、前記被介助者の腰が前記着座部から離れる直前時点における前記被介助者の基準部位位置に対する足の前後方向位置に基づいて前記起立軌跡用基準データを補正することを特徴とする請求項1記載の介助ロボット。
  4. 前記補正部は、前記保持部に支えられて前記着座部に着座している前記被介助者を起立させる場合であって、前記被介助者の腰が前記着座部から離れた時点以降の後半部分において、前記被介助者の腰が前記着座部から離れる直前時点における前記被介助者の基準部位位置に対する足の前後方向位置に基づいて前記起立軌跡用基準データを補正することを特徴とする請求項3記載の介助ロボット。
  5. 前記被介助者の基準部位までの距離を検出する第1距離検出センサと、
    前記被介助者の足までの距離を検出する第2距離検出センサと、
    前記第1距離検出センサによって検出された前記被介助者の基準部位までの距離と、前記第2距離検出センサによって検出された前記被介助者の足までの距離と、から前記被介助者の基準部位位置に対する足の前後方向位置を導出する足前後方向位置導出部と、をさらに備えたことを特徴とする請求項3または請求項4記載の介助ロボット。
  6. 前記被介助者の基準部位は前記着座部に着座している前記被介助者の膝であり、
    前記所定位置関係は、前記被介助者の膝の鉛直直下に前記被介助者の足が位置する関係であることを特徴とする請求項5記載の介助ロボット。
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