WO2013118623A1 - 動作設定方法 - Google Patents
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- B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
- B25J9/1664—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by motion, path, trajectory planning
Definitions
- the present invention relates to a motion setting method for a standing / sitting motion support robot that supports a cared person's standing motion and sitting motion.
- Patent Document 1 discloses a training assisting robot for standing and sitting movements.
- the control unit of the training assisting robot stores a plurality of patterns of tracks of the support unit that supports the side of the care recipient.
- Each trajectory is obtained by tracing the trajectory by allowing a plurality of persons with different heights, ages, and genders to perform a standing and sitting motion. That is, each trajectory is raw data.
- Patent Document 2 discloses a robot system that performs body movements. According to this document, the robot can reproduce the motion of a subject (such as a person) measured in advance by motion capture. Also in this document, the robot trajectory is the trajectory itself measured by motion capture. That is, the trajectory is raw data.
- the trajectory of the robot is raw data. For this reason, when the number of trajectories is small, there may occur a case where any trajectory cannot be sufficiently used for the operation of the care recipient. That is, a cared person who does not conform to any trajectory may occur. Therefore, it lacks versatility.
- Patent Document 1 and Patent Document 2 do not describe the posture of the care recipient.
- An object of the present invention is to provide an operation setting method that can set an operation that allows a care receiver to perform a standing and sitting motion comfortably in a standing and sitting motion support robot.
- the motion setting method of the present invention is a motion setting method for a standing and sitting motion support robot that supports a standing and sitting motion that is at least one of a standing motion and a sitting motion of a care recipient. And a custom trajectory acquisition step of acquiring a custom trajectory by correcting the base trajectory of the standing and sitting motion according to the position of a predetermined body location for each of the care recipients.
- a custom trajectory can be obtained by correcting the base trajectory.
- the correction is performed for each care recipient. For this reason, the movement of the cared person is easily adapted to the custom trajectory. Further, the correction is performed according to the position of the cared person's body part. For this reason, the standing and sitting motion support robot can be moved so as not to disturb the natural posture change of the care recipient, in other words, so that the care recipient is comfortable.
- a base trajectory acquisition step for acquiring the base trajectory is provided before the custom trajectory acquisition step, and the care track is provided in the custom trajectory acquisition step.
- the custom trajectory of the predetermined body part when performing the standing and sitting motion is acquired, and the height of the care recipient is used to obtain the custom trajectory. It is better to set the chest angle of the cared person according to the position of the predetermined body part in the trajectory.
- a custom trajectory is obtained by correcting the base trajectory according to the height of the care recipient. For this reason, a custom trajectory according to the physique of the care recipient can be set. Further, according to this configuration, the chest angle of the cared person in the custom trajectory is set according to the height of the cared person. For this reason, the cared person is comfortable. Moreover, according to this structure, a custom trajectory can be set and a chest angle can be set by using the height of the care recipient. For this reason, a custom trajectory and a chest angle corresponding to the physique of the cared person can be easily set.
- the custom track is acquired from the base track in the custom track acquisition step. It is better that the correction performed at this time is performed using the height of the care recipient and the height of the sitting object.
- the custom trajectory can be set in consideration of the height of the seated object corresponding to the end point of the custom trajectory.
- the correction performed when acquiring the custom trajectory from the base trajectory is an expansion, reduction, or offset of the base trajectory. It is better to have a configuration including at least one. According to this configuration, a custom trajectory can be easily calculated from the base trajectory.
- the base trajectory is preferably acquired using motion capture. According to this configuration, the base trajectory can be easily obtained.
- the base trajectory is preferably obtained by sampling the standing motion of a healthy person.
- the base trajectory can be acquired without causing the cared person who is originally difficult to perform the standing / sitting operation to perform the standing / sitting operation.
- the predetermined body part is at least one of a head, a shoulder, a chest, and a leg of the care recipient. It is better to have a configuration of According to this configuration, a custom trajectory can be set for a body part whose characteristics are likely to appear when a care receiver performs a standing and sitting motion. For this reason, the movement of the cared person is easily adapted to the custom trajectory.
- an operation setting method in which an operation that allows a care recipient to perform a comfortable standing and sitting motion can be set in the standing and sitting motion support robot.
- FIG. 1 is a perspective view of a robot body of a standing and sitting motion support robot, in which motion is set by the motion setting method according to an embodiment of the motion setting method of the present invention.
- FIG. 2 is a block diagram of the sitting / sitting movement supporting robot.
- FIG. 3A is a schematic diagram of a subject in a sitting state.
- FIG. 3B is a schematic diagram of the subject in the standing first state.
- FIG. 3C is a schematic diagram of the subject in the standing second state.
- FIG.3 (d) is a schematic diagram of the test subject in the standing third state.
- FIG. 3E is a schematic diagram of a subject in an upright state.
- FIG. 3 (f) shows the change in the chest angle and the shoulder trajectory in FIGS. 3 (a) to 3 (e).
- FIG. 3 (f) shows the change in the chest angle and the shoulder trajectory in FIGS. 3 (a) to 3 (e).
- FIG. 3 (f) shows the change in the chest angle and the shoulder trajectory
- FIG. 4A is a graph showing an estimated value of the chest angle calculated from the equation (1) and an actual measurement value of the chest angle during the standing motion of a subject having a height of 170 cm.
- FIG. 4B is a graph showing an estimated value of the chest angle calculated from the equation (2) and an actual measurement value of the chest angle when the subject with a height of 170 cm stands up.
- FIG. 5A is a graph showing an estimated value of the chest angle calculated from the equation (1) and an actual measurement value of the chest angle when the subject with a height of 165 cm stands up.
- FIG. 5B is a graph showing an estimated value of the chest angle calculated from the expression (2) and an actual measurement value of the chest angle when the subject with a height of 165 cm stands up.
- FIG. 6 is a schematic diagram of a chest angle estimation map created based on Expression (2).
- FIG. 7 is a flowchart of the operation setting method according to an embodiment of the operation setting method of the present invention.
- FIG. 8A is a schematic diagram when the custom trajectory is calculated by scaling the base trajectory.
- FIG. 8B is a schematic diagram when the custom trajectory is calculated by offsetting the base trajectory.
- FIG. 9A is a schematic diagram of a cared person and a robot body in a sitting state.
- FIG. 9B is a schematic diagram of the cared person and the robot body in the first standing state.
- FIG. 9C is a schematic diagram of the cared person and the robot body in the standing second state.
- FIG. 9D is a schematic diagram of the cared person and the robot body in the standing third state.
- FIG. 9E is a schematic diagram of the cared person and the robot body in an upright state.
- FIG. 9 (f) shows the trajectory (custom trajectory) of the shoulder of the care recipient in FIG
- H chair height
- K cared person
- L0 trajectory
- L1 base trajectory
- L2 custom trajectory
- a1-a5 coordinates
- b1-b5 coordinates
- c1-c5 coordinates
- k subject
- ⁇ Chest angle
- FIG. 1 is a perspective view of a robot body of a standing / sitting movement support robot in which movement is set by the movement setting method of the present embodiment.
- FIG. 2 is a block diagram of the sitting / sitting movement supporting robot.
- the standing and sitting motion support robot 1 includes a robot body 2, a manual pulse generator 3, and a control box 4.
- the robot body 2 includes a base 20, a pair of left and right first arms 21, a second arm 22, a support portion 23, and three servo systems 24. .
- the base 20 includes a base body 200, four stoppers 201, four wheels 202, four proximity sensors 203, a pair of left and right swing shafts 204, and a pair of left and right bearing blocks 205.
- the base body 200 has a C-frame shape that opens forward.
- the care receiver can insert his / her foot into the frame of the base body 200 through the opening.
- the four wheels 202 are disposed at the four corners of the base body 200. When the four wheels 202 rotate on the floor surface, the robot body 2 can move.
- the four stoppers 201 are disposed at the four corners of the base body 200.
- the four stoppers 201 are movable in the vertical direction.
- the robot body 2 is fixed by the four stoppers 201 coming into contact with the floor surface.
- the four stoppers 201 are in contact with the floor surface when supporting the care receiver's standing and sitting motion.
- the four proximity sensors 203 are arranged at four corners of the base body 200. The four proximity sensors 203 monitor obstacles around the robot body 2 when assisting the care recipient's standing and sitting movements.
- the pair of left and right bearing blocks 205 are arranged near the center of both the left and right edges of the base body 200.
- the pair of left and right oscillating shafts 204 are respectively supported by the bearing block 205 so as to be rotatable in the vertical direction (the direction of rotating from front ⁇ up ⁇ back ⁇ down or vice versa).
- Each of the pair of left and right swing shafts 204 extends in the left-right direction (horizontal direction).
- Each of the pair of left and right first arms 21 includes an arm main body 210, a swing shaft 211, and a bearing block 212.
- the lower ends of the pair of left and right arm bodies 210 are each attached to the swing shaft 204.
- the pair of left and right bearing blocks 212 are each attached to the upper end of the arm body 210.
- the swing shaft 211 is supported by a pair of left and right bearing blocks 212 so as to be rotatable in the vertical direction.
- the swing shaft 211 extends in the left-right direction.
- the second arm 22 includes an arm body 220 and a swing shaft 221.
- the rear end of the arm body 220 is attached to the swing shaft 211.
- the swing shaft 221 is attached to the front end of the arm body 220.
- the swing shaft 221 extends in the left-right direction.
- the support part 23 includes a support part main body 230, a pair of brackets 231, and a pair of handles 232.
- the support body 230 has a C-shaped plate opening forward.
- a cushion material (not shown) is disposed on the front surface of the support body 230.
- the support unit body 230 supports the cared person's chest.
- the pair of brackets 231 is disposed on the rear surface of the support body 230.
- the pair of brackets 231 supports the front and rear ends of the swing shaft 221 so as to be rotatable in the vertical direction.
- Each of the pair of handles 232 protrudes upward from the bracket 231. When supporting the care receiver's standing and sitting motion, the pair of handles 232 are gripped by the care receiver.
- the three servo systems 24 can rotate the swing shafts 204, 211, and 221. As shown in FIG. 2, the three servo systems 24 each include a servo motor 240, a servo amplifier 241, and an encoder 242.
- the three servo motors 240 are rigidly attached to the swing shafts 204, 211, and 221. Alternatively, the three servo motors 240 are attached to an arm (not shown) on the base 20 side. The arm is connected to the swing shafts 204, 211, and 221 via gears attached to the swing shafts 204, 211, and 221 to be driven by the servo motor 240. Can be advantageous.
- the manual pulse generator 3 includes a changeover switch (not shown) and a dial (not shown).
- the operation mode of the robot body 2 can be switched between the automatic mode and the manual mode by the changeover switch.
- the computer 41 of the control box 4 to be described later automatically drives the three servo motors 240 while observing preset custom trajectories, moving speeds, and chest angles. That is, the support part 23 is automatically moved.
- the operator rotates the dial to drive the three servo motors 240 while observing preset custom trajectories and chest angles. That is, the support part 23 is moved manually.
- the moving speed and swing speed of the support portion 23 can be manually adjusted by the rotational speed of the dial.
- control box 4 As shown in FIG. 2, the control box 4 includes an input device 40, a computer 41, an input / output interface 42, and a motion controller 43.
- the input / output interface 42 is electrically connected to the input device 40, the computer 41, the manual pulse generator 3, the motion controller 43, and the four proximity sensors 203.
- the computer 41 includes a CPU (Central Processing Unit) 410 and a memory 411.
- the CPU 410 performs a custom trajectory of the care receiver's shoulder, a trajectory of the support portion 23 corresponding to the custom trajectory, a moving speed of the support portion 23, a swing angle of the support portion 23, a swing speed of the support portion 23, and a custom trajectory.
- the required time, custom trajectory start point, custom trajectory end point, etc. can be calculated.
- the shoulder portion of the cared person is included in the concept of “predetermined body location” of the present invention.
- the memory 411 stores a base trajectory of the cared person's shoulder, a chest angle estimation map, a custom trajectory of the shoulder, a trajectory of the support unit 23 corresponding to the custom trajectory, a chest angle at each position of the custom trajectory, and the like.
- the chest angle in this embodiment is an inclination angle of the cared person's chest with respect to the Y axis with the horizontal axis (front-rear axis) as the X axis and the vertical axis (upper axis) as the Y axis.
- the input device 40 is a touch panel. The operator can input the height of the cared person and the height of the chair to the computer 41 via the input device 40 when the cared person performs the sitting operation.
- the motion controller 43 is electrically connected to the three servo systems 24.
- the motion controller 43 controls the three servo systems 24 in real time so as to comply with the trajectory and chest angle stored in the memory 411.
- the situation around the robot body 2 is transmitted from the four proximity sensors 203 to the computer 41.
- the proximity sensor 203 finds an obstacle that is likely to interfere with the operation of the robot main body 2 when assisting the standing care of the cared person, the computer 41 can stop the robot main body 2 in an emergency.
- ⁇ Chest angle estimation method> a chest angle estimation method used in the operation setting method of the present embodiment will be described.
- the cared person's shoulder moves in a predetermined path. While the shoulder moves in a predetermined trajectory, the angle of the cared person's chest, that is, the chest angle, continues to change.
- the cared person when a cared person performs a standing motion, first, the cared person takes a sitting posture. For this reason, the chest angle (the inclination angle of the chest with respect to the Y axis (vertical axis)) is small. Next, the cared person moves the center of gravity forward and assumes a forward leaning posture. For this reason, a chest angle becomes large. Finally, the cared person is in a standing position. For this reason, the chest angle becomes smaller again. Thus, the cared person's chest angle changes according to each position of the shoulder trajectory.
- the chest of the care recipient is supported by the support portion 23 (specifically, the support portion main body 230).
- the angle of the support portion 23 and the chest angle of the care receiver match (follow the natural movement of the care recipient). Therefore, the cared person is more comfortable.
- FIG. 3A shows a schematic diagram of a subject in a sitting state.
- FIG. 3B shows a schematic diagram of the subject in the standing first state.
- FIG. 3C shows a schematic diagram of the subject in the standing second state.
- FIG. 3D shows a schematic diagram of the subject in the standing third state.
- FIG. 3 (e) shows a schematic diagram of an upright subject.
- FIG. 3 (f) shows the change in the chest angle and the shoulder trajectory in FIGS. 3 (a) to 3 (e).
- markers 91 were set on the buttocks, knees, waist, abdomen, and shoulders of subject k, respectively.
- the subject k was asked to stand up.
- the standing motion of the subject k was imaged with a camera.
- the change in the chest angle ⁇ and the shoulder locus L0 of the subject k were calculated from the image obtained by imaging.
- the chest angle ⁇ is an inclination angle of a straight line (indicated by a thick line in FIGS. 3A to 3F) connecting the abdominal marker 91 and the shoulder marker 91 with respect to the Y axis.
- the shoulder trajectory L0 is obtained by approximating the coordinates a1 (x, y) to a5 (x, y) of the shoulder in each posture of the standing motion by the least square method (the number of coordinates a1 to a5). Is not limited).
- the number of standing-up operations is 1315 patterns.
- A, B, and C are positive numbers (constants).
- A, B, and C are affected by the sampling number, the coordinates a1 to a5 of the shoulder of the subject k, the standing motion of the subject k, and the like.
- the suitability of the equation (1) with the actually measured data is the correction R 2 (degree of freedom corrected determination coefficient. The closer to 1, the better the suitability of the equation (1) with the actually measured data. ).
- D, E, F, and G are positive numbers (constants). D, E, F, and G are affected by the number of sampling, the coordinates a1 to a5 of the shoulder of the subject k, the standing motion of the subject k, the height of the subject k, and the like.
- D 0.083969
- E 0.087244
- F 0.944432
- G 62.356075.
- FIG. 4 (a) shows an estimated value of the chest angle calculated from the equation (1) and an actual value of the chest angle when the subject with a height of 170 cm stands up.
- FIG. 4B shows an estimated value of the chest angle calculated from the equation (2) and an actual value of the chest angle when the subject with a height of 170 cm stands up.
- FIG. 5A shows an estimated value of the chest angle calculated from the equation (1) and an actual measurement value of the chest angle when the subject with a height of 165 cm stands up.
- FIG. 5B shows an estimated value of the chest angle calculated from the equation (2) and an actual value of the chest angle when the subject with a height of 165 cm stands up.
- 4 (a), 4 (b), 5 (a), and 5 (b) the horizontal axis represents the time required for the standing operation.
- the estimated value according to the equation (1) is highly compatible with the actually measured values of two subjects k having different heights. For this reason, the chest angle of the cared person in the standing and sitting motion can be estimated with high accuracy from the coordinates of the shoulder part of the cared person.
- the estimated value according to the equation (2) has an extremely high correlation with the actually measured values of two subjects k having different heights. For this reason, the chest angle of the cared person during the standing and sitting motion can be estimated with extremely high accuracy from the coordinates of the shoulder part of the cared person.
- FIG. 6 schematically shows a chest angle estimation map created based on the equation (2).
- the trajectory L0 of any standing motion draws a C-shaped trajectory from the start point a1 (sitting state) to the end point a5 (upright state).
- the chest angle at each position of the cared person's custom trajectory is estimated using the chest angle estimation map shown in FIG. That is, as will be described later, the custom trajectory is a collection of coordinates (x, y) of the shoulder of the care recipient. Therefore, by substituting x and y at each position of the custom trajectory into Equation (2), the chest angle at each position of the custom trajectory can be calculated.
- the operation setting method of this embodiment includes a base trajectory acquisition step and a custom trajectory acquisition step.
- FIG. 7 shows a flowchart of the operation setting method of the present embodiment.
- the shoulder base trajectory is acquired.
- 1315 pattern standing motions are sampled using motion capture.
- an ideal trajectory L0 is selected from 1315 trajectories L0, and the trajectory is set as a base trajectory.
- the acquired base trajectory is stored in the memory 411 of the computer 41 shown in FIG.
- the memory 411 also stores the moving speed of the shoulder at each position of the base track.
- a custom trajectory is acquired by correcting the base trajectory.
- the operator places the robot body 2 shown in FIG. 1 near the care receiver.
- the robot body 2 is fixed to the floor using the four stoppers 201 and a lock mechanism (not shown).
- the operator inputs the height of the cared person into the input device 40 shown in FIG. 2 (S (step) 1 in FIG. 7).
- the rotation angles of the three servo motors 240 are input from the three encoders 242 to the motion controller 43.
- the CPU 410 acquires the current position of the support unit 23 of the robot body 2. Further, the current position of the cared person's shoulder, that is, the starting point of the custom trajectory is acquired from the current position of the support part 23 (the cared person's chest) (S2 in FIG. 7).
- the CPU 410 calculates a custom trajectory so as to connect the calculated start point and end point.
- the chest angle is calculated (S4 in FIG. 7).
- the CPU 410 calculates a custom trajectory by correcting the base trajectory according to the height of the care recipient.
- FIG. 8A shows a schematic diagram when the custom trajectory is calculated by scaling the base trajectory.
- FIG. 8B is a schematic diagram when the custom trajectory is calculated by offsetting the base trajectory.
- the coordinates b1 to b5 of the base trajectory L1 correspond to the coordinates c1 to c5 of the custom trajectory L2.
- a long custom trajectory L2 is calculated by enlarging the base trajectory L1.
- the short custom trajectory L2 is calculated by reducing the base trajectory L1.
- the custom trajectory L2 is calculated by offsetting the base trajectory L1 itself back and forth and up and down according to the position of the shoulder of the care recipient.
- the custom trajectory L2 can also be calculated by appropriately combining the enlargement / reduction of FIG. 8A and the offset of FIG. 8B.
- a chest angle estimation map shown in FIG. 6 is stored in the memory 411 of the computer 41 shown in FIG.
- the CPU 410 calculates an optimum chest angle for the care receiver from the height of the care receiver and the custom trajectory L2 based on the chest angle estimation map. Specifically, the chest angle at each position of the custom trajectory L2 is calculated by substituting x and y at each position of the custom trajectory L2 and the height h of the cared person into Equation (2).
- the CPU 410 checks the calculated custom trajectory L2 and chest angle (S5 in FIG. 7). As a result of the check, if it passes, the custom trajectory L2 and the chest angle are determined (S6 in FIG. 7). On the other hand, if the result of the check is a failure (for example, if the height of the care recipient is too high or too low), S4 and S5 in FIG. 7 are repeated again.
- the determined custom trajectory L2 and chest angle are stored in the memory 411 of the computer 41 shown in FIG.
- the CPU 410 calculates the trajectory of the support unit 23 shown in FIG. 1 so that the shoulder of the cared person moves along the custom trajectory L2.
- the swing angle of the support portion 23 shown in FIG. 1 is calculated so that the breast angle of the care recipient is held at the calculated chest angle.
- command values are set for the swing axes 204, 211, and 221 (S7 in FIG. 7).
- the command value is stored in the memory 411 of the computer 41 shown in FIG.
- the chest angle at each position of the custom trajectory L2 and the custom trajectory L2 dedicated to the cared person can be acquired only by inputting the height of the cared person. .
- FIG. 9A shows a schematic diagram of the cared person in the sitting state and the robot body.
- FIG. 9B shows a schematic diagram of the cared person in the first standing state and the robot body.
- FIG. 9C shows a schematic diagram of the cared person in the second standing state and the robot body.
- FIG. 9D shows a schematic diagram of the cared person in the third standing state and the robot body.
- FIG. 9E shows a schematic diagram of the cared person and the robot body in the upright state.
- FIG. 9 (f) shows the trajectory (custom trajectory) of the shoulder of the care recipient in FIGS. 9 (a) to 9 (e).
- the operator switches the operation mode of the robot body 2 to the automatic mode by the changeover switch of the manual pulse generator 3 shown in FIG.
- the computer 41 transmits command values for the swing axes 204, 211, and 221 to the motion controller 43.
- the motion controller 43 drives the three servo systems 24 according to the command value. That is, as shown in FIGS. 9 (a) to 9 (f), the coordinates c1 to c5 of the shoulder of the cared person K are observed (the custom trajectory L2 from the start point c1 to the end point c5 is observed).
- D) Three servo motors 240 are driven to rotate the swing shafts 204, 211, and 221. As shown in FIG. 2, the rotation angles of the three servo motors 240 are input from the three encoders 242 to the motion controller 43. In this way, the standing and sitting motion support robot 1 automatically supports the standing motion of the care receiver K.
- the support for the standing motion can be performed using the manual mode. Specifically, first, the operator switches the operation mode of the robot main body 2 to the manual mode by the changeover switch of the manual pulse generator 3 shown in FIG. Next, the operator rotates the dial. Due to the pulses generated according to the rotation angle of the dial, the support unit 23 moves while complying with the custom trajectory L2 and the chest angle. The moving speed and swing speed of the support portion 23 are manually adjusted by the rotation speed of the dial.
- the custom trajectory L2 can be acquired by correcting the base trajectory L1.
- the correction is performed for each care recipient K. For this reason, the movement of the cared person K is easily adapted to the custom trajectory L2. Further, the correction is performed according to the position of the shoulder of the care receiver K. For this reason, the standing and sitting motion support robot 1 can be moved so as not to disturb the posture change of the cared person K, in other words, the cared person K is comfortable.
- the base trajectory L1 is corrected according to the height of the cared person K, and the custom trajectory L2 is acquired. is doing. For this reason, the custom trajectory L2 according to the physique of the care receiver K can be set.
- the chest angle of the cared person K in the custom trajectory L2 is set according to the height of the cared person K. For this reason, the cared person K is comfortable.
- the custom trajectory L2 and the chest angle can be set only by inputting the height of the cared person K to the input device 40 shown in FIG. . For this reason, the custom trajectory L2 and the chest angle corresponding to the physique of the cared person K can be easily set.
- the correction performed when acquiring the custom trajectory L2 from the base trajectory L1 in the custom trajectory acquisition step is as follows. This is performed using the height of the care receiver K and the height H of the chair 90. For this reason, as shown in FIGS. 9A to 9F, the custom trajectory L2 can be set in consideration of the height of the chair 90 corresponding to the end point c1 of the custom trajectory L2.
- the correction performed when acquiring the custom trajectory L2 from the base trajectory L1 in the custom trajectory acquisition step is as follows. , Including at least one of enlargement, reduction, and offset of the base trajectory L1. Therefore, the custom trajectory L2 can be easily calculated from the base trajectory L1.
- the base trajectory L1 and the chest angle estimation map are acquired using motion capture. For this reason, the base trajectory L1 and the chest angle estimation map can be easily obtained.
- the base trajectory L1 is acquired by sampling the standing motion of the subject k (healthy person). Therefore, the base trajectory L1 and the custom trajectory L2 can be acquired without causing the cared person K, who is originally difficult to stand and sit, to perform the standing motion.
- the robot body 2 of the standing and sitting motion support robot 1 of the present embodiment as shown in FIG. 1, the first arm 21 with respect to the base 20, the second arm 22 with respect to the first arm 21, The support portions 23 are movable with respect to the second arm 22. That is, the robot body 2 includes three swing shafts 204, 211, and 221. For this reason, the freedom degree of the setting of the custom track
- the base body 200 of the base 20 has a C-shaped frame shape that opens forward (to the care receiver K side). That is, a concave portion that opens forward is formed in the front portion of the base body 200. Therefore, as shown in FIGS. 9A to 9E, the cared person K can perform a standing and sitting operation with his / her foot placed in the C-shaped frame of the base body 200. Therefore, the front-rear length of the robot body 2 can be shortened as compared with the case where the care receiver K has to put his feet in front of the base body 200. Further, the length of the custom track L2 of the support portion 23 (the swing length of the first arm 21, the second arm 22, and the support portion 23) can be shortened.
- the robot body 2 of the standing and sitting movement support robot 1 includes four proximity sensors 203 at the four corners as shown in FIG. For this reason, when the proximity sensor 203 finds an obstacle that is likely to interfere with the operation of the robot body 2 when assisting the standing / sitting operation of the care recipient K, the computer 41 can make the robot body 2 emergency stop. .
- the coordinates a1 (x, y) to a5 (x, y) of the shoulder in each posture of the standing-up motion are obtained by the least square method.
- the trajectory L0 of the shoulder of the subject k was obtained.
- the trajectory L0 of the shoulder of the subject k may be acquired by connecting the coordinates a1 (x, y) to a5 (x, y) of the shoulder with a line.
- an ideal trajectory L0 is selected from 1315 trajectories L0, and the trajectory is set as the base trajectory L1.
- the base trajectory L1 may be acquired by approximating the coordinate group that is the basis of the 1315 trajectories L0 by the method of least squares.
- the base trajectory L1 and the chest angle estimation map are acquired using motion capture.
- the base trajectory L1 and the chest angle estimation map may be acquired by other methods (for example, a method using a gyro sensor).
- the movement of the care recipient K may be sampled and stored in the memory 411. Then, the base trajectory L1 may be acquired based on the movement. Further, when acquiring the custom trajectory L2, the base trajectory L1 itself may be used as the custom trajectory L2. Further, the custom trajectory L2 may be set by slightly modifying the base trajectory L1. The movement of the robot body 2 may also be a movement based on the base trajectory L1, and thus the custom trajectory L2. When the base trajectory L1 itself acquired based on the movement of the cared person K is the custom trajectory L2, S1 to S5 can be omitted in the flowchart of FIG.
- the three-axis robot main body 2 having three swing shafts 204 and 211 (but a pair of left and right) and 221 is used, but the number of swing shafts 204, 211, and 221 is particularly limited. do not do.
- a robot body such as a 2-axis type or a 4-axis type may be used.
- a robot body that uses both a swing mechanism and a slide mechanism for example, a mechanism in which the first arm 21 slides in the front-rear direction with respect to the base 20 may be used.
- the timing for executing the manual mode is not particularly limited. All of the custom trajectory L2 may be performed in the manual mode. Further, the manual mode may be intervened in the middle of the automatic mode while watching the state of the care recipient K.
- the type of the proximity sensor 203 is not particularly limited.
- a high-frequency oscillation type proximity sensor, a magnetic type proximity sensor, a capacitive proximity sensor, a CCD (Charge-Coupled Device) image sensor, a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) image sensor, or the like may be used.
- the arrangement location and the number of arrangement of the proximity sensor 203 are not particularly limited.
- the body location of the care recipient K supported by the support unit 23 is not limited to the chest. It may be the abdomen, neck, head, shoulder, waist, or the like. Moreover, you may support the several site
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Abstract
被介護者が快適に立ち座り動作を行うことができるような動作を、立ち座り動作支援ロボットに設定可能な動作設定方法を提供することを課題とする。 動作設定方法は、被介護者(K)の起立動作および着座動作のうち少なくとも一方である立ち座り動作を支援する、立ち座り動作支援ロボット(1)の動作設定方法である。動作設定方法は、カスタム軌道取得工程を有する。カスタム軌道取得工程においては、立ち座り動作のベース軌道(L1)を、被介護者(K)ごとの所定の身体箇所の位置に応じて補正することにより、カスタム軌道(L2)を取得する。
Description
本発明は、被介護者の起立動作や着座動作を支援する立ち座り動作支援ロボットの動作設定方法に関する。
特許文献1には、起立着座動作の訓練補助ロボットが開示されている。同文献によると、訓練補助ロボットの制御部には、被介護者の脇を支持するサポート部の軌道が、複数パターン記憶されている。各軌道は、身長、年齢、性別の異なる複数の者に起立着座動作を行わせて、その軌道をトレースしたものである。すなわち、各軌道は、生データである。
特許文献2には、身体動作を実行するロボットシステムが開示されている。同文献によると、予めモーションキャプチャで計測された被験体(人など)の動作を、ロボットが再現することができる。同文献の場合も、ロボットの軌道は、モーションキャプチャで計測された軌道そのものである。すなわち、軌道は生データである。
このように、特許文献1の訓練補助ロボット、特許文献2のロボットシステムによると、ロボットの軌道は、生データである。このため、軌道の数が少ない場合、どの軌道を用いても被介護者の動作に充分に対応できないというケースが起こりうる。すなわち、いかなる軌道にも適合しない被介護者が発生しうる。したがって、汎用性に欠ける。
また、起立動作、着座動作を行う際、被介護者の姿勢は、逐次変化する。このため、起立動作、着座動作を支援する際は、被介護者の自然な姿勢変化を妨げないように、言い換えると被介護者が快適なように、ロボットを動かす必要がある。しかしながら、特許文献1、特許文献2には、被介護者の姿勢に関する記載はない。
本発明の動作設定方法は、上記課題に鑑みて完成されたものである。本発明は、被介護者が快適に立ち座り動作を行うことができるような動作を、立ち座り動作支援ロボットに設定可能な動作設定方法を提供することを目的とする。
(1)上記課題を解決するため、本発明の動作設定方法は、被介護者の起立動作および着座動作のうち少なくとも一方である立ち座り動作を支援する立ち座り動作支援ロボットの動作設定方法であって、前記立ち座り動作のベース軌道を、前記被介護者ごとの所定の身体箇所の位置に応じて補正することにより、カスタム軌道を取得するカスタム軌道取得工程を有することを特徴とする。
本発明の動作設定方法によると、ベース軌道を補正することにより、カスタム軌道を取得することができる。補正は、被介護者ごとに行われる。このため、カスタム軌道に被介護者の動きが適合しやすい。また、補正は、被介護者の身体箇所の位置に応じて行われる。このため、被介護者の自然な姿勢変化を妨げないように、言い換えると被介護者が快適なように、立ち座り動作支援ロボットを動かすことができる。
(1-1)好ましくは、上記(1)の構成において、前記カスタム軌道取得工程の前に、前記ベース軌道を取得するベース軌道取得工程を有し、該カスタム軌道取得工程においては、前記被介護者の身長を用いて該ベース軌道を補正することにより、該立ち座り動作を行う際の前記所定の身体箇所の前記カスタム軌道を取得すると共に、該被介護者の該身長を用いて、該カスタム軌道における該所定の身体箇所の位置に応じた該被介護者の胸角度を設定する構成とする方がよい。
本構成によると、被介護者の身長に応じて、ベース軌道を補正し、カスタム軌道を取得している。このため、被介護者の体格に応じたカスタム軌道を設定することができる。また、本構成によると、被介護者の身長に応じて、カスタム軌道における被介護者の胸角度を設定している。このため、被介護者が快適である。また、本構成によると、被介護者の身長を用いることにより、カスタム軌道の設定と、胸角度の設定と、を行うことができる。このため、被介護者の体格に応じたカスタム軌道、胸角度を、簡単に設定することができる。
(1-2)好ましくは、上記(1)の構成において、前記ベース軌道が前記被介護者の前記着座動作に対応する場合、前記カスタム軌道取得工程において、該ベース軌道から前記カスタム軌道を取得する際に行われる補正は、該被介護者の身長と着座対象物の高さとを用いて行われる構成とする方がよい。
着座動作の場合、被介護者は、最終的には着座対象物に腰掛けることになる。この点、本構成によると、カスタム軌道の終点に対応する着座対象物の高さを加味して、カスタム軌道を設定することができる。
(2)好ましくは、上記(1)の構成において、前記カスタム軌道取得工程において、前記ベース軌道から前記カスタム軌道を取得する際に行われる補正は、該ベース軌道の拡大、縮小、オフセットのうち、少なくとも一つを含む構成とする方がよい。本構成によると、簡単に、ベース軌道からカスタム軌道を算出することができる。
(3)好ましくは、上記(1)または(2)の構成において、前記ベース軌道は、モーションキャプチャを用いて取得される構成とする方がよい。本構成によると、簡単に、ベース軌道を取得することができる。
(3-1)好ましくは、上記(3)の構成において、前記ベース軌道は、健常者の前記立ち座り動作をサンプリングすることにより取得される構成とする方がよい。本構成によると、本来立ち座り動作が困難な被介護者に立ち座り動作を行わせることなく、ベース軌道を取得することができる。
(4)好ましくは、上記(1)ないし(3)のいずれかの構成において、前記所定の身体箇所は、前記被介護者の頭部、肩部、胸部、脚部のうちの、少なくとも一つである構成とする方がよい。本構成によると、被介護者が立ち座り動作を行う際に、動きに特徴が発現しやすい身体箇所について、カスタム軌道を設定することができる。このため、カスタム軌道に被介護者の動きが適合しやすい。
本発明によると、被介護者が快適に立ち座り動作を行うことができるような動作を、立ち座り動作支援ロボットに設定可能な動作設定方法を提供することができる。
1:動作支援ロボット、2:ロボット本体、3:手動パルス発生器、4:制御ボックス。
20:ベース、21:第一アーム、22:第二アーム、23:支持部、24:サーボシステム、40:入力装置、41:コンピュータ、42:入出力インターフェイス、43:モーションコントローラ、90:椅子(着座対象物)、91:マーカ。
200:ベース本体、201:ストッパ、202:車輪、203:近接センサ、204:揺動軸、205:軸受ブロック、210:アーム本体、211:揺動軸、212:軸受ブロック、220:アーム本体、221:揺動軸、230:支持部本体、231:ブラケット、232:ハンドル、240:サーボモータ、241:サーボアンプ、242:エンコーダ、411:メモリ。
H:椅子の高さ、K:被介護者、L0:軌道、L1:ベース軌道、L2:カスタム軌道、a1~a5:座標、b1~b5:座標、c1~c5:座標、k:被験者、θ:胸角度。
20:ベース、21:第一アーム、22:第二アーム、23:支持部、24:サーボシステム、40:入力装置、41:コンピュータ、42:入出力インターフェイス、43:モーションコントローラ、90:椅子(着座対象物)、91:マーカ。
200:ベース本体、201:ストッパ、202:車輪、203:近接センサ、204:揺動軸、205:軸受ブロック、210:アーム本体、211:揺動軸、212:軸受ブロック、220:アーム本体、221:揺動軸、230:支持部本体、231:ブラケット、232:ハンドル、240:サーボモータ、241:サーボアンプ、242:エンコーダ、411:メモリ。
H:椅子の高さ、K:被介護者、L0:軌道、L1:ベース軌道、L2:カスタム軌道、a1~a5:座標、b1~b5:座標、c1~c5:座標、k:被験者、θ:胸角度。
以下、本発明の動作設定方法の実施の形態について説明する。
<立ち座り動作支援ロボットの構成>
まず、本実施形態の動作設定方法により動作が設定される、立ち座り動作支援ロボットの構成について説明する。図1に、本実施形態の動作設定方法により動作が設定される、立ち座り動作支援ロボットのロボット本体の斜視図を示す。図2に、同立ち座り動作支援ロボットのブロック図を示す。図1、図2に示すように、立ち座り動作支援ロボット1は、ロボット本体2と、手動パルス発生器3と、制御ボックス4と、を備えている。
まず、本実施形態の動作設定方法により動作が設定される、立ち座り動作支援ロボットの構成について説明する。図1に、本実施形態の動作設定方法により動作が設定される、立ち座り動作支援ロボットのロボット本体の斜視図を示す。図2に、同立ち座り動作支援ロボットのブロック図を示す。図1、図2に示すように、立ち座り動作支援ロボット1は、ロボット本体2と、手動パルス発生器3と、制御ボックス4と、を備えている。
[ロボット本体2]
図1、図2に示すように、ロボット本体2は、ベース20と、左右一対の第一アーム21と、第二アーム22と、支持部23と、3つのサーボシステム24と、を備えている。
図1、図2に示すように、ロボット本体2は、ベース20と、左右一対の第一アーム21と、第二アーム22と、支持部23と、3つのサーボシステム24と、を備えている。
ベース20は、ベース本体200と、4つのストッパ201と、4つの車輪202と、4つの近接センサ203と、左右一対の揺動軸204と、左右一対の軸受ブロック205と、を備えている。
ベース本体200は、前方に開口するC字枠状を呈している。開口を介して、被介護者は、ベース本体200の枠内に、自身の足を挿入することができる。4つの車輪202は、ベース本体200の4つの角部に配置されている。4つの車輪202が床面を回転することにより、ロボット本体2は移動可能である。4つのストッパ201は、ベース本体200の4つの角部に配置されている。4つのストッパ201は、上下方向に移動可能である。4つのストッパ201が床面に当接することにより、ロボット本体2は固定される。被介護者の立ち座り動作を支援する際は、4つのストッパ201は、床面に当接している。4つの近接センサ203は、ベース本体200の4つの角部に配置されている。4つの近接センサ203は、被介護者の立ち座り動作を支援する際、ロボット本体2の周囲の障害物を監視している。
左右一対の軸受ブロック205は、ベース本体200の左右両縁の中央付近に配置されている。左右一対の揺動軸204は、各々、軸受ブロック205に、縦方向(前→上→後→下と回転する方向またはその逆方向)に回転可能に支持されている。左右一対の揺動軸204は、各々、左右方向(水平方向)に延在している。
左右一対の第一アーム21は、各々、アーム本体210と、揺動軸211と、軸受ブロック212と、を備えている。左右一対のアーム本体210の下端は、各々、揺動軸204に取り付けられている。左右一対の軸受ブロック212は、各々、アーム本体210の上端に取り付けられている。揺動軸211は、左右一対の軸受ブロック212に、縦方向に回転可能に支持されている。揺動軸211は、左右方向に延在している。
第二アーム22は、アーム本体220と、揺動軸221と、を備えている。アーム本体220の後端は、揺動軸211に取り付けられている。揺動軸221は、アーム本体220の前端に取り付けられている。揺動軸221は、左右方向に延在している。
支持部23は、支持部本体230と、一対のブラケット231と、一対のハンドル232と、を備えている。支持部本体230は、前方に開口するC字板状を呈している。支持部本体230の前面には、クッション材(図略)が配置されている。被介護者の立ち座り動作を支援する際、支持部本体230は、被介護者の胸部を支持する。一対のブラケット231は、支持部本体230の後面に配置されている。一対のブラケット231は、揺動軸221の前後両端を、縦方向に回転可能に支持している。一対のハンドル232は、各々ブラケット231から上方に突設されている。被介護者の立ち座り動作を支援する際、一対のハンドル232は、被介護者により把持される。
3つのサーボシステム24は、揺動軸204、211、221を回転可能である。図2に示すように、3つのサーボシステム24は、各々、サーボモータ240と、サーボアンプ241と、エンコーダ242と、を備えている。また、3つのサーボモータ240は、各揺動軸204、211、221にリジッドに取り付けられている。あるいは、3つのサーボモータ240は、ベース20側のアーム(図略)に取り付けられている。当該アームは、サーボモータ240の駆動対象となる揺動軸204、211、221に取り付けられたギアを介して、当該揺動軸204、211、221に繋がっている、こうすると、動的イナーシャを有利にすることができる。
[手動パルス発生器3]
手動パルス発生器3は、切替スイッチ(図略)と、ダイヤル(図略)と、を備えている。切替スイッチにより、ロボット本体2の運転モードを、自動モードと、手動モードと、に切り替えることができる。
手動パルス発生器3は、切替スイッチ(図略)と、ダイヤル(図略)と、を備えている。切替スイッチにより、ロボット本体2の運転モードを、自動モードと、手動モードと、に切り替えることができる。
自動モードにおいては、後述する制御ボックス4のコンピュータ41が、予め設定されたカスタム軌道、移動速度、胸角度を遵守しながら、自動的に3つのサーボモータ240を駆動する。すなわち、自動的に支持部23を動かす。
手動モードにおいては、操作者が、ダイヤルを回転させることにより、予め設定されたカスタム軌道、胸角度を遵守しながら、3つのサーボモータ240を駆動する。すなわち、手動で支持部23を動かす。支持部23の移動速度、揺動速度は、ダイヤルの回転速度により、手動で調整することができる。
[制御ボックス4]
図2に示すように、制御ボックス4は、入力装置40と、コンピュータ41と、入出力インターフェイス42と、モーションコントローラ43と、を備えている。入出力インターフェイス42は、入力装置40、コンピュータ41、手動パルス発生器3、モーションコントローラ43、4つの近接センサ203に、電気的に接続されている。
図2に示すように、制御ボックス4は、入力装置40と、コンピュータ41と、入出力インターフェイス42と、モーションコントローラ43と、を備えている。入出力インターフェイス42は、入力装置40、コンピュータ41、手動パルス発生器3、モーションコントローラ43、4つの近接センサ203に、電気的に接続されている。
コンピュータ41は、CPU(Central Processing Unit)410と、メモリ411と、を備えている。CPU410は、被介護者の肩部のカスタム軌道、カスタム軌道に対応する支持部23の軌道、支持部23の移動速度、支持部23の揺動角度、支持部23の揺動速度、カスタム軌道の所要時間、カスタム軌道の始点、カスタム軌道の終点などを算出することができる。なお、被介護者の肩部は、本発明の「所定の身体箇所」の概念に含まれる。
メモリ411には、被介護者の肩部のベース軌道、胸角度推測マップ、肩部のカスタム軌道、カスタム軌道に対応する支持部23の軌道、カスタム軌道の各位置における胸角度などが格納される。なお、本実施形態における胸角度とは、水平軸(前後軸)をX軸、垂直軸(上下軸)をY軸として、Y軸に対する被介護者の胸部の傾斜角度である。
入力装置40は、タッチパネルである。操作者は、入力装置40を介して、被介護者の身長、被介護者が着座動作を行う場合は椅子の高さを、コンピュータ41に入力することができる。
モーションコントローラ43は、3つのサーボシステム24に、電気的に接続されている。モーションコントローラ43は、メモリ411に格納された軌道、胸角度を遵守するように、3つのサーボシステム24をリアルタイム制御している。
4つの近接センサ203からは、ロボット本体2の周囲の状況が、コンピュータ41に伝送される。被介護者の立ち座り動作を支援する際、ロボット本体2の動作に干渉しそうな障害物を近接センサ203が発見した場合、コンピュータ41は、ロボット本体2を非常停止させることができる。
<胸角度の推測方法>
次に、本実施形態の動作設定方法において用いられる、胸角度の推測方法について説明する。立ち座り動作支援ロボット1が被介護者の立ち座り動作を支援する際、被介護者の肩部は、所定の軌道で移動する。肩部が所定の軌道で移動する間、被介護者の胸部の角度つまり胸角度は変化し続ける。
次に、本実施形態の動作設定方法において用いられる、胸角度の推測方法について説明する。立ち座り動作支援ロボット1が被介護者の立ち座り動作を支援する際、被介護者の肩部は、所定の軌道で移動する。肩部が所定の軌道で移動する間、被介護者の胸部の角度つまり胸角度は変化し続ける。
例えば、被介護者が起立動作を行う場合、まず、被介護者は着座姿勢をとっている。このため、胸角度(Y軸(上下軸)に対する胸部の傾斜角度)は小さい。次に、被介護者は、重心を前方に移動させ、前傾姿勢になる。このため、胸角度は大きくなる。最後に、被介護者は起立姿勢になる。このため、胸角度は再び小さくなる。このように、被介護者の胸角度は、肩部の軌道の各位置に応じて変化する。
ここで、被介護者の胸部は、支持部23(具体的には支持部本体230)により支持される。このため、被介護者の立ち座り動作を支援する際、支持部23の角度と、被介護者の胸角度と、が一致していた方が(被介護者の自然な胸部の動きに追従して、支持部の角度が変わる方が)、被介護者は快適である。
しかしながら、軌道の各位置における被介護者の胸角度を正確に計測するためには、本来立ち座り動作が困難な被介護者に、立ち座り動作を行わせる必要がある。また、被介護者ごとに胸角度の計測作業を行うのは煩雑である。
このような観点から検討を重ねた結果、本発明者は、立ち座り動作の際の被介護者の胸角度を、被介護者の肩部の座標(x(=X軸方向位置)、y(=Y軸方向位置))から、高い精度で推測することに成功した。さらに、本発明者は、立ち座り動作の際の被介護者の胸角度を、被介護者の肩部の座標と、被介護者の身長と、から、極めて高い精度で推測することに成功した。
以下、検討内容について説明する。まず、被験者(健常者)に起立動作を行ってもらい、当該起立動作をモーションキャプチャにより計測した。図3(a)に、着座状態の被験者の模式図を示す。図3(b)に、起立第一状態の被験者の模式図を示す。図3(c)に、起立第二状態の被験者の模式図を示す。図3(d)に、起立第三状態の被験者の模式図を示す。図3(e)に、直立状態の被験者の模式図を示す。図3(f)に、図3(a)~図3(e)における胸角度の変化および肩部の軌道を示す。
計測においては、まず、被験者kの踵部、膝部、腰部、腹部、肩部に、各々、マーカ91をセットした。次に、図3(a)~図3(e)に示すように、被験者kに、起立動作を行ってもらった。この際、被験者kの起立動作をカメラにより撮像した。それから、図3(f)に示すように、撮像により得られた画像から、被験者kの胸角度θの変化および肩部の軌道L0を算出した。
なお、胸角度θとは、Y軸に対する、腹部のマーカ91と肩部のマーカ91とを結ぶ直線(図3(a)~図3(f)において太線で示す。)の、傾斜角度である。また、肩部の軌道L0とは、起立動作の各姿勢における肩部の座標a1(x、y)~a5(x、y)を最小二乗法により近似したものである(座標a1~a5の数は限定しない)。また、起立動作のサンプリング数は、1315パターンである。
次に、本発明者は、1315パターンの起立動作に対して、表計算ソフト(マイクロソフト社製EXCEL)を用いて回帰分析を行った。説明変数は肩部の座標a1~a5である。被説明変数は胸角度θである。回帰分析の結果を、式(1)に示す。
θ=A×x-B×y+C ・・・式(1)
θ=A×x-B×y+C ・・・式(1)
ここで、式(1)中、A、B、Cは、正数(定数)である。A、B、Cは、サンプリング数、被験者kの肩部の座標a1~a5、被験者kの起立動作などの影響を受ける。今回の回帰分析の場合、一例として、A=0.083953、B=0.084588y、C=62.356075となった。
式(1)の実測データ(サンプリングした起立動作)に対する適合性は、補正R2(自由度修正済み決定係数である。1に近いほど、実測データに対する式(1)の適合性が高くなる。)を用いて評価した。A=0.083953、B=0.084588y、C=62.356075の場合の式(1)の補正R2は、0.92203であった。この回帰分析から、胸角度θと、肩部の座標a1~a5との間に、高い相関関係があることが判った。つまり、起立動作における胸角度θを、被験者kの肩部の軌道L0から、高い精度で推測できることが判った。
さらに、本発明者は、被験者kの身長により、式(1)と実測データとの誤差が、異なることを見出した。そこで、説明変数に、さらに被験者kの身長hを加えた。回帰分析の結果を、式(2)に示す。
θ=D×x-E×y+F×h+G ・・・式(2)
θ=D×x-E×y+F×h+G ・・・式(2)
ここで、式(2)中、D、E、F、Gは、正数(定数)である。D、E、F、Gは、サンプリング数、被験者kの肩部の座標a1~a5、被験者kの起立動作、被験者kの身長などの影響を受ける。今回の回帰分析の場合、一例として、D=0.083969、E=0.087244、F=0.944432、G=62.356075となった。
D=0.083969、E=0.087244、F=0.944432、G=62.356075の場合の式(2)の補正R2は、0.96972であった。この回帰分析から、胸角度θと、肩部の座標a1~a5、身長hとの間に、極めて高い相関関係があることが判った。つまり、起立動作における胸角度θを、被験者kの肩部の軌道L0、被験者kの身長hから、極めて高い精度で推測できることが判った。
以下、A=0.083953、B=0.084588y、C=62.356075の場合の式(1)から算出される胸角度の推測値の、身長の異なる二人の被験者kの起立動作時の胸角度θの実測値に対する、適合性を検証する。
並びに、D=0.083969、E=0.087244、F=0.944432、G=62.356075の場合の式(2)から算出される胸角度の推測値の、身長の異なる二人の被験者kの起立動作時の胸角度θの実測値に対する、適合性を検証する。
図4(a)に、式(1)から算出される胸角度の推測値と、身長170cmの被験者の起立動作時の胸角度の実測値と、を示す。図4(b)に、式(2)から算出される胸角度の推測値と、身長170cmの被験者の起立動作時の胸角度の実測値と、を示す。図5(a)に、式(1)から算出される胸角度の推測値と、身長165cmの被験者の起立動作時の胸角度の実測値と、を示す。図5(b)に、式(2)から算出される胸角度の推測値と、身長165cmの被験者の起立動作時の胸角度の実測値と、を示す。図4(a)、図4(b)、図5(a)、図5(b)の横軸は、各々、起立動作に要する時間である。
図4(a)、図5(a)に示すように、式(1)による推測値は、身長の異なる二人の被験者kの実測値に対して、高い適合性を有している。このため、立ち座り動作の際の被介護者の胸角度は、被介護者の肩部の座標から、高い精度で推測することができる。
図4(b)、図5(b)に示すように、式(2)による推測値は、身長の異なる二人の被験者kの実測値に対して、極めて高い相関関係を有している。このため、立ち座り動作の際の被介護者の胸角度は、被介護者の肩部の座標から、極めて高い精度で推測することができる。
図6に、式(2)を基に作成された胸角度推測マップを模式的に示す。図6に示すように、胸角度推測マップにおいて、任意の起立動作の軌道L0は、始点a1(着座状態)から終点a5(直立状態)に向かって、C字状の軌跡を描いている。
後述する動作設定方法においては、図6に示す胸角度推測マップを用いて、被介護者のカスタム軌道の各位置における胸角度が推測される。すなわち、後述するように、カスタム軌道は、被介護者の肩部の座標(x、y)の集合体である。このため、カスタム軌道の各位置におけるx、yを式(2)に代入することにより、当該カスタム軌道の各位置における胸角度を算出することができる。
<動作設定方法>
次に、本実施形態の動作設定方法について説明する。本実施形態の動作設定方法は、ベース軌道取得工程と、カスタム軌道取得工程と、を備えている。図7に、本実施形態の動作設定方法のフローチャートを示す。
次に、本実施形態の動作設定方法について説明する。本実施形態の動作設定方法は、ベース軌道取得工程と、カスタム軌道取得工程と、を備えている。図7に、本実施形態の動作設定方法のフローチャートを示す。
[ベース軌道取得工程]
本工程においては、肩部のベース軌道を取得する。まず、上記胸角度の推測方法の図3(a)~図3(e)に示すように、モーションキャプチャを用いて、1315パターンの起立動作をサンプリングする。次に、1315個の軌道L0の中から理想的な軌道L0を選択し、当該軌道をベース軌道とする。取得されたベース軌道は、図2に示すコンピュータ41のメモリ411に格納される。メモリ411には、ベース軌道の各位置における肩部の移動速度も格納される。
本工程においては、肩部のベース軌道を取得する。まず、上記胸角度の推測方法の図3(a)~図3(e)に示すように、モーションキャプチャを用いて、1315パターンの起立動作をサンプリングする。次に、1315個の軌道L0の中から理想的な軌道L0を選択し、当該軌道をベース軌道とする。取得されたベース軌道は、図2に示すコンピュータ41のメモリ411に格納される。メモリ411には、ベース軌道の各位置における肩部の移動速度も格納される。
[カスタム軌道取得工程]
本工程においては、ベース軌道を補正することにより、カスタム軌道を取得する。まず、操作者は、図1に示すロボット本体2を、被介護者の近くに配置する。次に、ロボット本体2の位置決め完了後、4つのストッパ201およびロック機構(図略)を用いて、ロボット本体2を床面に固定する。
本工程においては、ベース軌道を補正することにより、カスタム軌道を取得する。まず、操作者は、図1に示すロボット本体2を、被介護者の近くに配置する。次に、ロボット本体2の位置決め完了後、4つのストッパ201およびロック機構(図略)を用いて、ロボット本体2を床面に固定する。
続いて、操作者は、図2に示す入力装置40に、被介護者の身長を入力する(図7のS(ステップ)1)。モーションコントローラ43には、3つのエンコーダ242から、3つのサーボモータ240の回転角度が入力される。入力される回転角度を基に、CPU410は、ロボット本体2の支持部23の現在位置を取得する。また、支持部23(被介護者の胸部)の現在位置から、被介護者の肩部の現在位置、つまりカスタム軌道の始点を取得する(図7のS2)。
それから、CPU410は、被介護者の肩部のカスタム軌道の終点を取得する(図7のS3)。具体的には、以下の式(3)を用いて、被介護者の直立状態における肩部の座標を算出する。
終点=身長×補正値(%) ・・・式(3)
終点=身長×補正値(%) ・・・式(3)
それから、CPU410は、算出した始点と終点とを繋ぐように、カスタム軌道を算出する。並びに、胸角度を算出する(図7のS4)。まず、カスタム軌道の算出方法について説明する。具体的には、CPU410は、被介護者の身長に応じて、ベース軌道を補正することにより、カスタム軌道を算出する。図8(a)に、ベース軌道を拡縮してカスタム軌道を算出する際の模式図を示す。図8(b)に、ベース軌道をオフセットしてカスタム軌道を算出する際の模式図を示す。図8(a)、図8(b)において、ベース軌道L1の座標b1~b5は、カスタム軌道L2の座標c1~c5に対応している。
図8(a)に示すように、被介護者の身長が高い場合は、ベース軌道L1を拡大することにより、長いカスタム軌道L2を算出する。反対に、被介護者の身長が低い場合は、ベース軌道L1を縮小することにより、短いカスタム軌道L2を算出する。また、図8(b)に示すように、被介護者の肩部の位置に応じて、ベース軌道L1自体を前後上下にオフセットさせることにより、カスタム軌道L2を算出する。勿論、図8(a)の拡縮と、図8(b)のオフセットと、を適宜、組み合わせて用いることにより、カスタム軌道L2を算出することもできる。
次に、胸角度の算出方法について説明する。図2に示すコンピュータ41のメモリ411には、図6に示す胸角度推測マップが格納されている。CPU410は、胸角度推測マップにより、被介護者の身長、カスタム軌道L2から、被介護者に最適な胸角度を算出する。具体的には、カスタム軌道L2の各位置におけるx、y、被介護者の身長hを式(2)に代入することにより、カスタム軌道L2の各位置における胸角度を算出する。
続いて、CPU410は、算出したカスタム軌道L2、胸角度をチェックする(図7のS5)。チェックの結果、合格の場合は、カスタム軌道L2、胸角度を決定する(図7のS6)。一方、チェックの結果、不合格の場合(例えば、被介護者の身長が高すぎる場合や低すぎる場合)は、再度、図7のS4、S5を繰り返す。決定されたカスタム軌道L2、胸角度は、図2に示すコンピュータ41のメモリ411に格納される。
カスタム軌道L2、胸角度を決定したら、CPU410は、被介護者の肩部がカスタム軌道L2に沿って移動するように、図1に示す支持部23の軌道を算出する。並びに、被介護者の胸角度が算出された胸角度に保持されるように、図1に示す支持部23の揺動角度を算出する。そして、算出結果に従ってロボット本体2を動かすために、各揺動軸204、211、221に対する、指令値を設定する(図7のS7)。指令値は、図2に示すコンピュータ41のメモリ411に格納される。
このようにして、本実施形態の動作設定方法によると、被介護者の身長を入力するだけで、被介護者専用のカスタム軌道L2、カスタム軌道L2の各位置における胸角度を取得することができる。
<立ち座り動作支援ロボットの動き>
次に、立ち座り動作支援ロボット1の動きについて説明する。図9(a)に、着座状態の被介護者とロボット本体との模式図を示す。図9(b)に、起立第一状態の被介護者とロボット本体との模式図を示す。図9(c)に、起立第二状態の被介護者とロボット本体との模式図を示す。図9(d)に、起立第三状態の被介護者とロボット本体との模式図を示す。図9(e)に、直立状態の被介護者とロボット本体との模式図を示す。図9(f)に、図9(a)~図9(e)における被介護者の肩部の軌道(カスタム軌道)を示す。
次に、立ち座り動作支援ロボット1の動きについて説明する。図9(a)に、着座状態の被介護者とロボット本体との模式図を示す。図9(b)に、起立第一状態の被介護者とロボット本体との模式図を示す。図9(c)に、起立第二状態の被介護者とロボット本体との模式図を示す。図9(d)に、起立第三状態の被介護者とロボット本体との模式図を示す。図9(e)に、直立状態の被介護者とロボット本体との模式図を示す。図9(f)に、図9(a)~図9(e)における被介護者の肩部の軌道(カスタム軌道)を示す。
操作者は、図2に示す手動パルス発生器3の切替スイッチにより、ロボット本体2の運転モードを、自動モードに切り替える。コンピュータ41は、各揺動軸204、211、221に対する指令値を、モーションコントローラ43に伝送する。モーションコントローラ43は、指令値に従って3つのサーボシステム24を駆動する。すなわち、図9(a)~図9(f)に示すように、被介護者Kの肩部の座標c1~c5を遵守するように(始点c1から終点c5に至るカスタム軌道L2を遵守するように)、3つのサーボモータ240を駆動し、揺動軸204、211、221を回動させる。なお、図2に示すように、3つのサーボモータ240の回転角度は、3つのエンコーダ242からモーションコントローラ43に入力される。このようにして、立ち座り動作支援ロボット1は、被介護者Kの起立動作を自動的に支援する。
なお、起立動作の支援は、手動モードを用いて行うこともできる。具体的には、まず、操作者は、図2に示す手動パルス発生器3の切替スイッチにより、ロボット本体2の運転モードを手動モードに切り替える。次に、操作者は、ダイヤルを回転させる。ダイヤルの回転角度に応じて発生するパルスにより、支持部23は、カスタム軌道L2、胸角度を遵守しながら、移動する。支持部23の移動速度、揺動速度は、ダイヤルの回転速度により、手動で調整する。
立ち座り動作支援ロボット1で被介護者Kの着座動作(図9(e)→図9(a)の動作)を支援する場合、カスタム軌道L2の終点a1を設定する際に、椅子90(着座対象物)の高さHを考慮する必要がある。この場合、図7のS1において、被介護者Kの身長に加えて、椅子90の高さを、図2の入力装置40から入力する。CPU410は、椅子90の高さHを考慮して、カスタム軌道L2の終点a1をする。具体的には、図7のS3において、式(3)の代わりに、以下の式(4)を用いて被介護者Kの着座状態における肩部の座標を算出する。
終点=身長×椅子の高さ×補正値(%) ・・・式(4)
終点=身長×椅子の高さ×補正値(%) ・・・式(4)
<作用効果>
次に、本実施形態の動作設定方法の作用効果について説明する。本実施形態の動作設定方法によると、図8(a)、図8(b)に示すように、ベース軌道L1を補正することにより、カスタム軌道L2を取得することができる。補正は、被介護者Kごとに行われる。このため、カスタム軌道L2に被介護者Kの動きが適合しやすい。また、補正は、被介護者Kの肩部の位置に応じて行われる。このため、被介護者Kの姿勢変化を妨げないように、言い換えると被介護者Kが快適なように、立ち座り動作支援ロボット1を動かすことができる。
次に、本実施形態の動作設定方法の作用効果について説明する。本実施形態の動作設定方法によると、図8(a)、図8(b)に示すように、ベース軌道L1を補正することにより、カスタム軌道L2を取得することができる。補正は、被介護者Kごとに行われる。このため、カスタム軌道L2に被介護者Kの動きが適合しやすい。また、補正は、被介護者Kの肩部の位置に応じて行われる。このため、被介護者Kの姿勢変化を妨げないように、言い換えると被介護者Kが快適なように、立ち座り動作支援ロボット1を動かすことができる。
また、本実施形態の動作設定方法によると、図8(a)、図8(b)に示すように、被介護者Kの身長に応じて、ベース軌道L1を補正し、カスタム軌道L2を取得している。このため、被介護者Kの体格に応じたカスタム軌道L2を設定することができる。また、本実施形態の動作設定方法によると、被介護者Kの身長に応じて、カスタム軌道L2における被介護者Kの胸角度を設定している。このため、被介護者Kが快適である。また、本実施形態の動作設定方法によると、被介護者Kの身長を図2に示す入力装置40に入力するだけで、カスタム軌道L2の設定と、胸角度の設定と、を行うことができる。このため、被介護者Kの体格に応じたカスタム軌道L2、胸角度を、簡単に設定することができる。
また、本実施形態の動作設定方法によると、ベース軌道L1が被介護者Kの着座動作に対応する場合、カスタム軌道取得工程において、ベース軌道L1からカスタム軌道L2を取得する際に行われる補正は、被介護者Kの身長と椅子90の高さHとを用いて行われる。このため、図9(a)~図9(f)に示すように、カスタム軌道L2の終点c1に対応する椅子90の高さを加味して、カスタム軌道L2を設定することができる。
また、本実施形態の動作設定方法によると、図8(a)、図8(b)に示すように、カスタム軌道取得工程において、ベース軌道L1からカスタム軌道L2を取得する際に行われる補正は、ベース軌道L1の拡大、縮小、オフセットのうち、少なくとも一つを含んでいる。このため、簡単に、ベース軌道L1からカスタム軌道L2を算出することができる。
また、図3(a)~図3(f)に示すように、ベース軌道L1、胸角度推測マップ(図6参照)は、モーションキャプチャを用いて取得される。このため、簡単に、ベース軌道L1、胸角度推測マップを取得することができる。
また、図3(a)~図3(f)に示すように、ベース軌道L1は、被験者k(健常者)の立ち座り動作をサンプリングすることにより取得される。このため、本来立ち座り動作が困難な被介護者Kに立ち座り動作を行わせることなく、ベース軌道L1延いてはカスタム軌道L2を取得することができる。
また、本実施形態の立ち座り動作支援ロボット1のロボット本体2によると、図1に示すように、ベース20に対して第一アーム21が、第一アーム21に対して第二アーム22が、第二アーム22に対して支持部23が、各々移動可能である。すなわち、ロボット本体2は、3つの揺動軸204、211、221を備えている。このため、支持部23のカスタム軌道L2の設定の自由度が高くなる。
また、本実施形態の立ち座り動作支援ロボット1によると、ベース20のベース本体200が前方(被介護者K側)に開口するC字枠状を呈している。すなわち、ベース本体200の前部には、前方に開口する凹部が形成されている。このため、図9(a)~図9(e)に示すように、被介護者Kは、ベース本体200のC字枠内に足を入れた状態で、立ち座り動作を行うことができる。したがって、被介護者Kがベース本体200の前方に足を置かなければならない場合と比較して、ロボット本体2の前後長を短くすることができる。また、支持部23のカスタム軌道L2の長さ(第一アーム21、第二アーム22、支持部23の揺動長さ)を短くすることができる。
また、本実施形態の立ち座り動作支援ロボット1のロボット本体2は、図1に示すように、四隅に4つの近接センサ203を備えている。このため、被介護者Kの立ち座り動作を支援する際、ロボット本体2の動作に干渉しそうな障害物を近接センサ203が発見した場合、コンピュータ41は、ロボット本体2を非常停止させることができる。
<その他>
以上、本発明の動作設定方法の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
以上、本発明の動作設定方法の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
上記実施形態においては、図3(a)~図3(f)に示すように、起立動作の各姿勢における肩部の座標a1(x、y)~a5(x、y)を最小二乗法で近似することにより、被験者kの肩部の軌道L0を取得した。しかしながら、肩部の座標a1(x、y)~a5(x、y)を線で繋げることにより、被験者kの肩部の軌道L0を取得してもよい。
上記実施形態においては、1315個の軌道L0の中から理想的な軌道L0を選択し、当該軌道をベース軌道L1とした。しかしながら、1315個の軌道L0の基になっている座標群を最小二乗法で近似することにより、ベース軌道L1を取得してもよい。
上記実施形態においては、図3(a)~図3(f)に示すように、モーションキャプチャを用いてベース軌道L1、胸角度推測マップを取得した。しかしながら、他の方法(例えば、ジャイロセンサを用いる方法)により、ベース軌道L1、胸角度推測マップを取得してもよい。
また、被介護者Kの運動能力に問題がなければ、被介護者K自らの動きをサンプリングし、メモリ411に格納しておいてもよい。そして、当該動きを基に、ベース軌道L1を取得してもよい。また、カスタム軌道L2を取得する際、ベース軌道L1自体をカスタム軌道L2としてもよい。また、ベース軌道L1に多少の修正を施して、カスタム軌道L2を設定してもよい。ロボット本体2の動きに関しても、ベース軌道L1、延いてはカスタム軌道L2に基づいた動きであってもよい。被介護者K自らの動きを基に取得したベース軌道L1自体をカスタム軌道L2とする場合、図7のフローチャートにおいて、S1~S5を省くことができる。
上記実施形態においては、3つの揺動軸204、211(ただし左右一対)、221を有する、3軸式のロボット本体2を用いたが、揺動軸204、211、221の配置数は特に限定しない。2軸式、4軸式などのロボット本体を用いてもよい。また、揺動機構と、スライド機構(例えば、ベース20に対して第一アーム21が前後方向にスライドする機構)と、を併用したロボット本体を用いてもよい。
手動モードを実行するタイミングは特に限定しない。カスタム軌道L2の全てを手動モードで行ってもよい。また、被介護者Kの状態を見ながら、自動モードの途中で、手動モードを介入させてもよい。
近接センサ203の種類は特に限定しない。高周波発振型近接センサ、磁気型近接センサ、静電容量型近接センサ、CCD(Charge-Coupled Device)イメージセンサ、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)イメージセンサなどであってもよい。近接センサ203の配置場所、配置数も特に限定しない。
支持部23が支持する被介護者Kの身体箇所は、胸部に限定しない。腹部、頸部、頭部、肩部、腰部などであってもよい。また、支持部23で身体の複数の部位を支持してもよい。同様に、ベース軌道L1、カスタム軌道L2を設定する身体箇所は、肩部に限定しない。胸部、腹部、頸部、頭部、腰部などであってもよい。また、被介護者Kの着座対象物は椅子90に限定しない。ベッドサイド、トイレの便座などであってもよい。また、式(1)の定数A、B、C、式(2)の定数D、E、F、Gは特に限定しない。回帰分析の結果得られる正数(正の実数)であればよい。
Claims (4)
- 被介護者の起立動作および着座動作のうち少なくとも一方である立ち座り動作を支援する立ち座り動作支援ロボットの動作設定方法であって、
前記立ち座り動作のベース軌道を、前記被介護者ごとの所定の身体箇所の位置に応じて補正することにより、カスタム軌道を取得するカスタム軌道取得工程を有することを特徴とする動作設定方法。 - 前記カスタム軌道取得工程において、前記ベース軌道から前記カスタム軌道を取得する際に行われる補正は、該ベース軌道の拡大、縮小、オフセットのうち、少なくとも一つを含む請求項1に記載の動作設定方法。
- 前記ベース軌道は、モーションキャプチャを用いて取得される請求項1または請求項2に記載の動作設定方法。
- 前記所定の身体箇所は、前記被介護者の頭部、肩部、胸部、脚部のうちの、少なくとも一つである請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の動作設定方法。
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