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Title:
MOTION ASSISTING DEVICE AND ITS CONTROL METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/123200
Kind Code:
A1
Abstract:
A motion assisting device and its control method for preferably assisting the motion of the upper limb of the user by reproducing a highly-safe, human, smooth motion, giving convenience for the user in any of various scenes, and producing a high rehabilitation training effect. The motion assisting device comprises first detection means for detecting the motion of the upper limb of the user, second detection means for detecting the position and posture of the upper limb, and a manipulator operating under control according to information from these means. The upper limb of the user can separate from the end of the manipulator. By feedback control of the manipulator using information from the first and second detection means, the motion of the upper limb is preferably assisted.

Inventors:
YANO KENICHI (JP)
Application Number:
PCT/JP2008/055448
Publication Date:
October 16, 2008
Filing Date:
March 24, 2008
Export Citation:
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Assignee:
UNIV GIFU (JP)
YANO KENICHI (JP)
International Classes:
B25J13/08; A61F2/72; A61H1/02
Foreign References:
JPH09141580A1997-06-03
JPH1158278A1999-03-02
JP2007522838A2007-08-16
JPH10231100A1998-09-02
JPH05341834A1993-12-24
JPH05285870A1993-11-02
JPH10291800A1998-11-04
Attorney, Agent or Firm:
YAMAMOTO, Yoshichika et al. (6-11 Marunouchi 3-chome,Naka-ku, Nagoya-shi, Aichi 02, JP)
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Claims:
 使用者の上肢の動作を検出する第1検出手段(30)と、該上肢の位置および姿勢を検出する第2検出手段(14a,16a,18a,20a)と、前記第1検出手段(30)の検出に基づく動作情報(MI)および第2検出手段(14a,16a,18a,20a)の検出に基づく位置・姿勢情報(PI)に従って作動され、該上肢の動作を支援するマニピュレータ(12,13)と、前記動作情報(MI)および位置・姿勢情報(PI)を基に、前記マニピュレータ(12,13)の作動に係る制御を行なう制御部(40)とを備える動作支援装置において、
 前記マニピュレータ(12,13)の先端には、使用者の上肢が離間自在であり、接触する該上肢の動作を前記第1検出手段(30)で検出可能な接触部(A)が設けられると共に、
 前記制御部(40)は、
 前記動作情報(MI)が入力され、入力された該動作情報(MI)から上肢の異常動作に係る異常動作情報(IMI)を除去し、該上肢の動作に係る主動作情報(MMI)を抽出するフィルタ手段(46a)と、
 前記フィルタ手段(46a)により抽出された主動作情報(MMI)に基づいて、前記マニピュレータ(12,13)の作動目標速度を指示する参照速度情報(RVI)を生成する変換手段(46b)と、
 前記変換手段(46b)で生成された参照速度情報(RVI)と、前記位置・姿勢情報(PI)から算出され、前記マニピュレータ(12,13)の作動で変化する上肢の動作についての速度に係る変化速度情報(VVI)とから速度の偏差に係る偏差情報(DI)を算出する比較手段(46c)と、
 前記比較手段(46c)で算出された偏差情報(DI)に基づいて、前記マニピュレータ(12,13)を作動させる駆動情報(DvI)を生成する制御手段(46d)とを備え、
 前記制御手段(46d)で生成された駆動情報(DvI)による前記マニピュレータ(12,13)の作動に伴って変化した位置・姿勢情報(PI)を、前記比較手段(46c)にフィードバックするよう構成した
ことを特徴とする動作支援装置。
 使用者の上肢の動作を検出する第1検出手段(30)と、該上肢の位置および姿勢を検出する第2検出手段(14a,16a,18a,20a)と、該第1検出手段(30)の検出に基づく上肢の動作および第2検出手段(14a,16a,18a,20a)の検出に基づく位置および姿勢に従って作動して、該上肢の動作を支援するマニピュレータ(12,13)とを備える動作支援装置の制御方法において、
 前記第1検出手段(30)によって上肢の動作を検出し、該動作に係る動作情報(MI)を生成する動作情報検出段階(S1)と、
 前記動作情報検出段階(S1)で生成された動作情報(MI)から、上肢の異常動作に係る異常動作情報(IMI)を除去して、該上肢の動作に係る主動作情報(MMI)を抽出する主動作情報抽出段階(S2)と、
 前記主動作情報抽出段階(S2)で抽出された主動作情報(MMI)から、前記マニピュレータ(12,13)の作動目標速度を指示する参照速度情報(RVI)を生成する参照速度情報生成段階(S3)と、
 前記参照速度情報生成段階(S3)で生成された参照速度情報(RVI)と、上肢の位置および姿勢に係る位置・姿勢情報(PI)から生成され、前記マニピュレータ(12,13)の作動で変化する上肢の動作についての速度に係る変化速度情報(VVI)とから速度の偏差に係る偏差情報(DI)を算出する偏差情報算出段階(S4)と、
 前記偏差情報算出段階(S4)で算出した偏差情報(DI)に基づいて、前記マニピュレータ(12,13)を作動させる駆動情報(DvI)を生成する駆動情報生成段階(S5)と、
 前記駆動情報生成段階(S5)で生成された駆動情報(DvI)に基づいて、前記マニピュレータ(12,13)を作動する駆動段階(S6)と、
 前記駆動段階(S6)に伴って変化した位置・姿勢情報(PI)を生成し、該位置・姿勢情報(PI)を前記偏差情報算出段階(S4)にフィードバックして、変化速度情報(VVI)の生成に供する位置姿勢検出段階(S7)とを有する
ことを特徴とする動作支援装置の制御方法。
 前記参照速度情報生成段階(S3)は、前記主動作情報抽出段階(S2)で抽出された主動作情報(MMI)と、予め設定された上肢の動作に係る設定動作情報とから参照速度情報(RVI)を生成する請求項2記載の動作支援装置の制御方法。
 前記主動作情報抽出段階(S2)は、1Hz以上の周波数における前記異常動作情報(IMI)を除去する請求項2または3記載の動作支援装置の制御方法。
 前記主動作情報抽出段階(S2)は、前記動作情報(MI)に異常動作情報(IMI)に係る特定周波数に対応して設定されたノッチフィルタおよび/またはローパスフィルタを適用することで該異常動作情報(IMI)を除去する請求項2または3記載の動作支援装置の制御方法。
 前記動作情報検出段階(S1)、主動作情報抽出段階(S2)、参照速度情報生成段階(S3)、偏差情報算出段階(S4)、駆動情報生成段階(S5)、駆動段階(S6)および位置姿勢検出段階(S7)は、0.01秒以下の周期で繰り返し実行される請求項2~5の何れか一項に記載の動作支援装置の制御方法。
Description:
動作支援装置およびその制御方

 この発明は、上肢に障害をもつ身体障害 や高齢者等の該上肢の動作を補助し、食事 に関する上肢の動作を支援する動作支援装 およびその制御方法に関するものである。

 従来、上肢を自分の意志に従って好適に かせない高齢者や身体障害者等のために、 上肢を使わずに全自動で食事等を支援する 置が知られている(例えば特許文献1および 許文献2)。

 前述した全自動で食事を支援する装置は 使用者の上肢の動作自体を支援するわけで ないので、予め設定した場所にある食物を べる支援しかできず、また該食物を使用者 口元に運ぶ動作も「掴む」、「掬う」等に 定され、様々な大きさおよび性状の食物に 応し得ない問題があった。更に使用者が自 自身の上肢を動かすことがないため、リハ リ効果が一切なく、医学的見地からは使用 推奨されるものではなかった。

 これに対して、特許文献3に記載の発明「 上肢作動補助装置」には、被補助者の上肢に 装着する装具を多自由度マニピュレータの自 由端部に備え、該装具に加えられる被補助者 の力情報に基づいて該自由端部の軌道を制御 し、これにより上肢の動作を補助する内容が 開示されている。しかし、この「上肢作動補 助装置」では、被補助者の上肢がマニピュレ ータの自由端部に備えられる装具に装着され るため、該上肢が常にアームに対して決まっ た位置関係となって動作の自由度が制限され る問題や、緊急時にマニピュレータから上肢 を容易に離間できない問題がある。

 また、被補助者の上肢から加えられた力の 向に、力の大きさに応じた移動量でマニピ レータの自由端部を移動させるものである め、先に検出した上肢の力に応じた移動が 了していない場合には、次に検出した上肢 力に応じた移動が実施できなくなったり、 に検出した上肢の力に応じた移動が完了し 場合には、その都度、マニピュレータが停 状態となってしまう。このように上肢の動 が単にマニピュレータに移動量を指示して るだけに過ぎない方式では、該上肢の補助 ぎくしゃくした動きになってしまう。更に 肢がマニピュレータから離間できない状態 は、前述したぎくしゃくした動きは被補助 の上肢に物理的な負荷を掛けてしまう問題 内在していた。

特開2004-8327号公報

特開2006-428号公報

特開平11-253504号公報

 この発明は、前述した従来の技術に内在 ている前記問題に鑑み、これを好適に解決 るべく提案されたものであって、上肢の動 をスムーズに支援すると共に、食事をはじ として上肢を使用する多様な場面で使用者 利便に供し、高いリハビリ効果の期待でき 動作支援装置およびその制御方法を提供す ことを目的とする。

 前記課題を克服し、所期の目的を達成する め、請求項1に記載の発明に係る動作支援装 置は、使用者の上肢の動作を検出する第1検 手段と、該上肢の位置および姿勢を検出す 第2検出手段と、前記第1検出手段の検出に基 づく動作情報および第2検出手段の検出に基 く位置・姿勢情報に従って作動され、該上 の動作を支援するマニピュレータと、前記 作情報および位置・姿勢情報を基に、前記 ニピュレータの作動に係る制御を行なう制 部とを備える動作支援装置において、
 前記マニピュレータの先端には、使用者の 肢が離間自在であり、接触する該上肢の動 を前記第1検出手段で検出可能な接触部が設 けられると共に、
 前記制御部は、
 前記動作情報が入力され、入力された該動 情報から上肢の異常動作に係る異常動作情 を除去し、該上肢の動作に係る主動作情報 抽出するフィルタ手段と、
 前記フィルタ手段により抽出された主動作 報に基づいて、前記マニピュレータの作動 標速度を指示する参照速度情報を生成する 換手段と、
 前記変換手段で生成された参照速度情報と 前記位置・姿勢情報から算出され、前記マ ピュレータの作動で変化する上肢の動作に いての速度に係る変化速度情報とから速度 偏差に係る偏差情報を算出する比較手段と
 前記比較手段で算出された偏差情報に基づ て、前記マニピュレータを作動させる駆動 報を生成する制御手段とを備え、
 前記制御手段で生成された駆動情報による 記マニピュレータの作動に伴って変化した 置・姿勢情報を、前記比較手段にフィード ックするよう構成したことを特徴とする。
 従って、請求項1に係る発明によれば、速度 の偏差を用いたフィードバック制御を実施す るマニピュレータを使用し、かつ該マニピュ レータに上肢が固定されないから、スムーズ な動きを再現して上肢の動作を好適に支援す ると共に、多様な場面で使用者の利便に供し 、高いリハビリ効果が期待できる。

 前記課題を克服し、所期の目的を達成する め、請求項2に記載の発明に係る動作支援装 置の制御方法は、使用者の上肢の動作を検出 する第1検出手段と、該上肢の位置および姿 を検出する第2検出手段と、該第1検出手段の 検出に基づく上肢の動作および第2検出手段 検出に基づく位置および姿勢に従って作動 て、該上肢の動作を支援するマニピュレー とを備える動作支援装置の制御方法におい 、
 前記第1検出手段によって上肢の動作を検出 し、該動作に係る動作情報を生成する動作情 報検出段階と、
 前記動作情報検出段階で生成された動作情 から、上肢の異常動作に係る異常動作情報 除去して、該上肢の動作に係る主動作情報 抽出する主動作情報抽出段階と、
 前記主動作情報抽出段階で抽出された主動 情報から、前記マニピュレータの作動目標 度を指示する参照速度情報を生成する参照 度情報生成段階と、
 前記参照速度情報生成段階で生成された参 速度情報と、上肢の位置および姿勢に係る 置・姿勢情報から生成され、前記マニピュ ータの作動で変化する上肢の動作について 速度に係る変化速度情報とから速度の偏差 係る偏差情報を算出する偏差情報算出段階 、
 前記偏差情報算出段階で算出した偏差情報 基づいて、前記マニピュレータを作動させ 駆動情報を生成する駆動情報生成段階と、
 前記駆動情報生成段階で生成された駆動情 に基づいて、前記マニピュレータを作動す 駆動段階と、
 前記駆動段階に伴って変化した位置・姿勢 報を生成し、該位置・姿勢情報を前記偏差 報算出段階にフィードバックして、変化速 情報の生成に供する位置姿勢検出段階とを することを特徴とする。
 従って、請求項2に係る発明によれば、マニ ピュレータに固定されない上肢を、速度の偏 差を用いたフィードバック制御で好適に支援 するから、上肢の動作をスムーズに支援する と共に、多様な場面で使用者の利便に供し、 高いリハビリ効果が期待できる。

 請求項3に記載の発明では、前記参照速度情 報生成段階は、前記主動作情報抽出段階で抽 出された主動作情報と、予め設定された上肢 の動作に係る設定動作情報とから参照速度情 報を生成することを要旨とする。
 従って、請求項3に係る発明によれば、予め 正常な上肢の動作を設定するから、使用者の 障害等によって上肢を正常に動作させること 自体が困難な場合でも、上肢の動作を好適に 支援し得る。

 請求項4に記載の発明では、前記主動作情報 抽出段階は、1Hz以上の周波数における前記異 常動作情報を除去することを要旨とする。
 従って、請求項4に係る発明によれば、使用 者の障害等に係る小刻みな震えだけを好適に 除去し得るから、該使用者の上肢の動作を好 適に支援し得る。

 請求項5に記載の発明では、前記主動作情報 抽出段階は、前記動作情報に異常動作情報に 係る特定周波数に対応して設定されたノッチ フィルタおよび/またはローパスフィルタを 用することで該異常動作情報を除去するこ を要旨とする。
 従って、請求項5に係る発明によれば、使用 者の障害等に係る小刻みな震えを好適に除去 し得るから、該使用者の上肢の動作を好適に 支援し得る。

 請求項6に記載の発明では、前記動作情報検 出段階、主動作情報抽出段階、参照速度情報 生成段階、差情報算出段階、駆動情報生成段 階、駆動段階および位置姿勢検出段階は、0.0 1秒以下の周期で繰り返し実行されることを 旨とする。
 従って、請求項6に係る発明によれば、偏差 を用いたフィードバック制御を緻密に実施し 得るから、よりスムーズに上肢の動作を支援 し得る。

 以上に説明した如く、本発明に係る動作 援装置およびその制御方法によれば、安全 が高く、かつ人間的なスムーズな動きを再 して上肢の動作を好適に支援することが可 である。また、食事だけでなく上肢を使う 様な場面で使用者の利便に供し、かつ高い ハビリ効果が期待できる。

 次に、本発明に係る動作支援装置および の制御方法につき、好適な実施例を挙げて 添付図面を参照して以下説明する。なお、 施例では使用者が、食事用器具としてスプ ンを使用して食事をする場合の上肢の動作 支援する例に挙げて説明する。なお、以下 説明で「先端側」とは、マニピュレータ12 自由端側を、「固定側」とは、マニピュレ タ12が固定されている根本側を夫々意味する 。また、上肢の位置および姿勢は、食事用器 具であるスプーンの先端に係る位置および姿 勢で表すようにしている。

本発明の好適な実施例に係る動作支援 置の概略を示す斜視図である。 実施例に係る制御部を中心とした各構 を、情報(信号)の流れと共に概略的に示す 明図である。 実施例に係る動作支援装置の制御方法 示すフローチャート図である。 実施例に係る動作支援装置の制御の流 を示す説明図である。 図3に示す動作支援装置の制御方法で扱 われる動作情報を表すゲイン-周波数のグラ 図である。 図3に示す動作支援装置の制御方法にお ける主動作情報抽出段階S2で異常動作情報を 去するノッチフィルタを表すゲイン-周波数 のグラフ図である。 図5に示す動作情報を表すグラフ図と、 図6に示すフィルタを表すグラフ図とから周 数整形法で抽出される主動作情報を表すゲ ン-周波数のグラフ図である。 変更例(1)に係る動作支援装置の概略を す斜視図である。 変更例(2)に係る取付部を拡大して示す 視図である。 変更例(5)に係る動作支援装置の制御方 法における主動作情報抽出段階S2で異常動作 報を除去するためのローパスフィルタを表 ゲイン-周波数のグラフ図である。 変更例(5)に係る動作支援装置の制御方 法における主動作情報抽出段階S2で異常動作 報を除去するためのノッチフィルタとロー スフィルタとを複合したフィルタを表すゲ ン-周波数のグラフ図である。

 実施例に係る動作支援装置10は、図1に示 如く、X軸、Y軸およびZ軸に位置変化(移動) びにX軸、Y軸およびZ軸まわりに角度(姿勢)変 化が可能な6軸のマニピュレータ12と、このマ ニピュレータ12の先端部28の上部に配設され 第1検出手段としての力覚センサ30と、該先 部28の先端に食事用器具としてのスプーンB 着脱自在に装着可能とされる取付部32と、該 力覚センサ30等から入力される情報に従って マニピュレータ12の作動等を制御等する制 部40とを備え、該マニピュレータ12の根本が 用者が食事に使用するテーブルに固定部11 よって固定された状態となっている。本実 例では、先端部28の先端に配置されるスプー ンBや取付部32が、接触によって使用者の上肢 の動作を力覚センサ30に検出可能な接触部Aと して機能している。前記マニピュレータ12は 固定部11側から順に、第1関節部14、第1アー 22、第2関節部16、第2アーム24、第3関節部18 第3アーム26、第4関節部20および先端部28を備 え、これらが協働することでXYZの各軸方向の 移動およびXYZの各軸まわりの姿勢変化を可能 として、自由度の高い動きを達成している。

 前記固定部11には、テーブルに対して垂 な軸線を中心とした回動が可能なように第1 節部14が取り付けられ、該第1関節部14には テーブル上面に対して水平な軸線を中心と た回動が可能な第1アーム22が取り付けられ 該第1関節部14によって固定部11と第1アーム22 とが連結されている。前記第1アーム22の先端 は、第2関節部16によって第2アーム24と連結さ れ、該第2アーム24は第2関節部16によってテー ブル上面に対して水平な軸線を中心とした回 動が可能とされている。前記第2アーム24の先 端には、テーブル上面に対して水平な軸線を 中心とした回動が可能なように第3関節部18が 取り付けられ、該第3関節部18には、該第2ア ム24の長手方向に沿った軸線を中心とした回 動が可能なように第3アーム26が取り付けられ 、該第3関節部18によって第2アーム24と第3ア ム26とが連結されている。前記第4関節部20は 、第3アーム26と先端部28とを連結し、該先端 28を第3アーム26の長手方向に沿った軸線を 心として回動させ得るようになっている。

 また各関節部14、16、18および20は、制御 40から出力される駆動情報DvI(後述)によって 前述した第1関節部14、第3関節部18、第1アー ム22、第2アーム24、第3アーム26および先端部2 8の回動を行なうように駆動する図示しない 動モータと、各関節部14、16、18、20の位置お よび姿勢を検出する第2検出手段としてのエ コーダ14a、16a、18aおよび20aとを夫々備えて る。このエンコーダ14a、16a、18aおよび20aは 各関節部14、16、18、20の位置および姿勢を検 出して統合することで、スプーンBの先端部 (上肢)の位置および姿勢を検出している。ま た、エンコーダ14aは、固定部11に対する第1関 節部14の回動と、この第1関節部14に対する第1 アーム22の回動とを検出し、エンコーダ18aは 第2アーム24に対する第3関節部18の回動と、 の第3関節部18に対する第3アーム26の回動と 検出するようになっている。すなわち、駆 モータの駆動によってマニピュレータ12は XYZの各軸方向およびXYZの各軸まわりに自在 位置および姿勢を変化させ、この変化は前 エンコーダ14a、16a、18aおよび20aによって常 把握されるように構成される。ここで、駆 モータおよびエンコーダ14a、16a、18aおよび20 aは、夫々前記制御部40に接続されている。

 前記先端部28の先端に装着される取付部32 は、使用者(上肢)が把持等の行為によって容 に接触し得る大きさを有する円柱形状とさ ている(図1参照)。また取付部32の先端は、 知のドリルチャックの如き把持機構を備え スプーンBの如き食事用器具を容易に取付可 に構成されている。ここで使用者の上肢は ニピュレータ12に固定されていないため、 上肢を容易にマニピュレータ12から離間可能 となっている。また、スプーンBに常時手を えず、その都度、手の甲や手のひら等によ て動作を加えて動作支援装置10の支援を受け るような使用方法も可能な構成となっている 。

 前記先端部28の上部に配設される第1検出 段としての力覚センサ30は、使用者の上肢 動作を歪みを利用することで力として検出 るためのものであり、前記制御部40に接続さ れている。前記力覚センサ30は、先端部28よ 前方、すなわち接触部Aに掛かる力を検出す ように配設・調整されている。また、重力 償を実施することで、前記取付部32(スプー B)が指向する方向によって変化する力を検 しないように設定されており、該取付部32( プーンB)の向きに関わらず上肢の動作に係る 力だけを検出するように構成されている。こ の力覚センサ30で検出された使用者の上肢の 作は、該上肢の動作に係る力に基づいた情 (以下、動作情報MIと云う)として制御部40に 力される。また力覚センサ30は、取付部32に 取り付けられるスプーンBをもつ上肢の動作 正確かつ精密に検出するため、配設位置に いては上肢に近い位置ほど好適である。

 前記制御部40としては、例えば汎用のコ ピュータが使用されており、図2に示す如く 前記力覚センサ30、エンコーダ14a、16a、18a よび20a、駆動モータ並びに動作支援装置10の 作動に必要な各プログラムおよび情報を外部 とやり取りするための入力・出力手段42に接 されている。そして制御部40内には、入力 れた動作情報MI等の一時保持や、位置・姿勢 情報PIについての初期情報、各制御プログラ および食事用器具の種類に応じた適正姿勢 御を行なうための位置・姿勢に係る情報等 保持する記憶部44と、入力される各情報を 制御プログラム等によって演算する演算部46 とが備えられている。そして演算部46には、 力される情報(信号)を制御の内容に応じて 理するフィルタ手段46a、変換手段46b、比較 段46cおよび制御手段46d(何れも後述)が構成さ れている。なお、制御部40として、全ての制 内容を実装したLSIを使用してもよい。

 また制御部40は、マニピュレータ12の作動 を始め、動作支援装置10全体を制御している 具体的には、前記力覚センサ30で検出に基 いた動作情報MIに応じて、上肢の動作を支援 する該マニピュレータ12の作動目標速度を指 する情報(以下、参照速度情報RVIと云う)を 成したり、この参照速度情報RVIからマニピ レータ12を作動するための駆動情報DvIを生成 したり、前記エンコーダ14a、16a、18aおよび20a により検出される上肢の位置および姿勢に係 る情報(以下、位置・姿勢情報PIと云う)から 成される上肢の動作についての速度に係る 報(以下、変化速度情報VVIと云う)と、参照速 度情報RVIとの速度の偏差に係る情報(以下、 差情報DIと云う)を算出する機能等を司る。

 次に、動作支援装置10の制御方法につい 、図3~図7を用いて以下説明する。なお、動 支援装置10には電源が付勢されると共に、予 め制御部40(記憶部44)には必要な初期情報が入 力・出力手段42から入力され、かつ初期状態 設定されているものとする。本発明では初 情報として、スプーンBの先端の初期状態に おける位置・姿勢情報PIおよび参照速度情報R VI等が入力されている。なお本実施例では、 述した如く、使用者の上肢の位置・姿勢情 PIとして、食事用器具であるスプーンBの先 に係る位置および姿勢に係る情報を用いて る。また、本発明において初期状態とは、 用者が食事が可能なように、該使用者の上 位置に合わせて各アーム22、24および26並び 先端部28等を回動等させて位置決めした状 を指す。

 先ず前記動作支援装置10の制御方法を、 3を用いて各段階毎に説明する。動作支援装 10の制御方法は、動作情報検出段階S1、主動 作情報抽出段階S2、参照速度情報生成段階S3 偏差情報算出段階S4、駆動情報生成段階S5、 動段階S6および位置姿勢検出段階S7を有する 。そしてこれら各段階S1~S7の周期を0.001秒で り返し行なうことで、動作支援装置10の制御 を迅速かつ正確に実施可能としている。この 繰り返し時間が0.01秒を超えると、マニピュ ータ12が支援する上肢の動作がなくなってぎ くしゃくしたものになってしまう。なお、各 段階S1~S7の繰り返し周期の下限値は、制御部4 0(演算部46)の演算性能と、制御プログラムの 容とによって決定されるが、基本的に小さ 値になる程、緻密な制御が可能になる。

 前記動作情報検出段階S1は、前記力覚セン 30によって、マニピュレータ12に接触する上 の動作を検出し、該検出に基づく動作情報M Iを出力する段階である。この動作情報MIは、 上肢の動作に係る少なくとも周波数10 -2 ~10 2 の範囲で検出される力である。また、動作情 報MIは、例えば図4に示すようなYにゲイン(力 大きさ)をとり、X軸に周波数をとったグラ で表すことができる。この図4に係るグラフ らは、特定周波数にピークが確認できるが これは使用者の上肢の小刻みな震えを検出 たものである。動作情報MIの周波数につい の範囲については、本発明に係る動作支援 置10が支援する使用者の使用用途による上肢 の動作に係る周波数によって適宜決定される 。

 主動作情報抽出段階S2は、前記力覚セン 30で検出した動作に係る動作情報MIから、使 者が意図しない上肢の動作、例えば小刻み 震え等の異常動作に係る情報(以下、異常動 作情報IMIと云う)を除去し、使用者が動かし いと希望する上肢の動作に係る情報(以下、 動作情報MMIと云う)を抽出する段階である。 この異常動作情報IMIは、使用者が「食事する 」ことについて何ら意味がないものであり、 該異常動作情報IMIが除去されないと、マニピ ュレータ12の作動が全く「食事する」ことを 援をできなくなってしまう。図4のグラフに おいては、ピークが発現している特定周波数 に係るゲインが異常動作情報IMIを示している 。なお、ここで特定周波数とは、前記異常動 作情報IMIが表れる周波数を意味する。

 具体的に主動作情報抽出段階S2では、図4 示される動作情報MIから特定周波数の異常 作情報IMIを好適に除去するべく、例えば図5 示すような(周波数)フィルターを適用する 波数整形法による抽出を実施することで、 6に示すような主動作情報MMIを得ている。基 的に食事等に必要とされる上肢の動作は、 っくりとした1Hz前後であるのに対して、障 等によって発現する該上肢の異常動作は2Hz 上の特定周波数に表れる細かい震えである め、この2Hz以上の特定周波数に対応したフ ルタの適用が好適である。なお、ここで挙 た周波数は一例に過ぎず、この上肢の動作 周波数や、障害等によって発現する動作の 波数は、使用者の年齢等の状態等に依存す ものであり、基本的には動作支援装置10の 用に先立つサンプリングで使用者毎に決定 れる。また、特定周波数の上限または下限 近づく程、異常動作情報IMIではなく主動作 報MMIである可能性が高くなるため、フィル としては、該特定周波数における周波数中 付近にピークを有し、上限または下限に近 く程、ゲインの除去割合を減少させたフィ タ、すなわち、異常動作情報IMIが表れる特 周波数に対応して設定されたノッチフィル の採用が好適である。

 前記参照速度情報生成段階S3は、主動作 報抽出段階S2で抽出された主動作情報MMIから 、上肢の動作を支援するマニピュレータ12の 動目標速度を指示する参照速度情報RVIを生 する段階である。ここで、参照速度情報RVI 指示する作動目標速度とは、動作情報MIも すなわち力覚センサ30で検出される上肢の動 作に係る力に対応して決定される速度であり 、本実施例では動作情報MIの大きさに関係な 、初期情報として予め記憶部44に入力され 数値が参照速度情報RVIとされる。この参照 度情報RVIを、例えば0.2m/s以下の低い数値と ると、上肢の動作から検出される力が大き 場合であっても、マニピュレータ12を作動さ せる速度は0.2m/sを超えることはないため、使 用者の年齢等の状態に関係なく安全性の高い 作動が達成される。また、使用者の年齢等の 状態によって参照速度情報RVIを変更して、マ ニピュレータ12がより大きい速度で作動する うに設定することも可能である。

 前記偏差情報算出段階S4は、参照速度情 生成段階S3で生成された参照速度情報RVIと、 前記マニピュレータ12の作動で変化する上肢 動作についての速度に係る変化速度情報VVI から速度の偏差に係る偏差情報DIを算出す 段階である。この偏差情報DIは、参照速度情 報RVIを基準(参照)として、変化速度情報VVIと 速度の偏差を表す情報であり、該変化速度 報VVIをフィードバックして基準値である参 速度情報RVIと比較して一致させる所謂フィ ドバック制御に使用されている。

 前記変化速度情報VVIは、変化速度情報VVI 生成しようとする時点の位置・姿勢情報PI 、その直前の位置・姿勢情報PIとから生成さ れる。ここで「直前の位置・姿勢情報PI」と 、動作情報検出段階S1、主動作情報抽出段 S2、参照速度情報生成段階S3、偏差情報算出 階S4、駆動情報生成段階S5、駆動段階S6およ 位置姿勢検出段階S7の周期において、直前 周期における位置姿勢検出段階S7で検出され た上肢の位置および姿勢に基づいて生成され る位置・姿勢情報PIを指す。マニピュレータ1 2が作動し始めた直後は、制御部40(記憶部44) 初期情報として入力されている位置・姿勢 報PI以外の位置・姿勢情報PIはないため、変 速度情報VVIは「0」となる。従って、偏差情 報DIは、参照速度情報RVIと同値となる。

 前記駆動情報生成段階S5は、偏差情報算 段階S4で算出された偏差情報DIに基づいて前 マニピュレータ12を作動させる駆動情報DvI 生成する段階である。本実施例で駆動情報Dv Iは、マニピュレータ12を作動している各関節 部14、16、18および20に備えられる各駆動モー 毎に生成されている。また、駆動情報生成 階S5で偏差情報DIから駆動情報DvIを生成する 際には、同時に伝達関数法によりマニピュレ ータ12のメカニカルノイズ等を除去するよう なっている。このようなメカニカルノイズ 、使用者が「食事する」ことについて何ら 味がないものであり、上肢の動作の好適な 援を阻害する要因となるためである。当該 達関数としては、ローパスフィルタおよび/ またはノッチフィルタが好適に使用される。

 前記駆動段階S6は、駆動情報生成段階S5に よって生成された駆動情報DvIに基づいて各駆 動モータを駆動し、これにより前記マニピュ レータ12を作動させる段階である。本実施例 は、マニピュレータ12を駆動している各関 部14、16、18および20に備えられる各駆動モー タ毎に生成された駆動情報DvIを該各駆動モー タに入力して全駆動モータを協働させること で、マニピュレータ12の作動がなされる。こ 駆動段階S6の実施によって、上肢は使用者 意図した動作に従って支援され、食事をす に好適な動作が達成される。また、駆動段 S6でなされるマニピュレータ12の作動は、上 の位置だけでなく姿勢も支援するため、ス ーンBのように使用時の姿勢を一定(水平)に つ必要がある器具を使用する場合であって 好適な支援が可能となっている。

 前記位置姿勢検出段階S7は、駆動段階S6に 伴って変化した上肢の位置および姿勢を、各 関節部14、16、18および20に備えられる第2検出 手段としてのエンコーダ14a、16a、18aおよび20a で検出し、この検出に基づいて駆動段階S6に って変化した後の位置・姿勢情報PIを生成 、この位置・姿勢情報PIを前記偏差情報算出 段階S4にフィードバックする段階である。こ 位置姿勢検出段階S7の実施によって、当該 施時点における上肢の位置および姿勢に係 位置・姿勢情報PIが制御部40に入力され、そ 後のマニピュレータ12の作動を制御する偏 情報DIを算出する変化速度情報VVIの生成に供 される。そして、本位置姿勢検出段階S7の実 でフィードバックされた位置・姿勢情報PI 、偏差情報算出段階S4において直前の位置・ 姿勢情報PIを加味して新しい変化速度情報VVI 生成に供される。

 従って、参照速度情報RVIが変化しなけれ 、変化速度情報VVIは参照速度情報RVIに到る で大きくなり続け、またこれに伴って駆動 報DvIを生成する基となる偏差情報DIは小さ なり続ける。すなわち、全段階S1~S7の周期を 繰り返す毎に駆動情報DvIはマニピュレータ12 作動速度を小さくするように生成され、最 的に参照速度情報RVIに到るようにフィード ック制御されている。従って、マニピュレ タ12の作動速度が急激に参照速度情報RVIに ることはなく、上肢の該マニピュレータ12に よる動作の支援もスムーズなものとなる。

 前記動作情報検出段階S1および主動作情 抽出段階S2の間には、該動作情報検出段階S1 上肢の動作の検出に関する第1判断段Sa1が設 けられている。この第1判断段Sa1で上肢の動 がない、すなわち上肢の動作が検出されな 状態には、(A)使用者の上肢が接触部A(マニピ ュレータ12)から離間した、または(B)使用者が 上肢を動かすことをやめた、の2つの場合が る。そして、何れの場合も、マニピュレー 12による支援が不要となるので、本発明の制 御方法に係る制御は終了することになる。し かし、本実施例においては動作支援装置10の 源がオフにされるわけではないので、力覚 ンサ30が上肢の力を検出しない場合であっ も各駆動モータは、マニピュレータ12の作動 速度を「0」、すなわち停止状態に保持しよ と駆動した状態となっている。

 また、前記偏差情報算出段階S4および駆 情報生成段階S5の間には、偏差、すなわち偏 差情報DIがあるか否かについての第2判断段Sa2 が設けられている。この第2判断段Sa2で偏差 報DIがないと判断されるのは、動作情報MIが 化せず同一の参照速度情報RVIが生成され続 ている場合である。この場合、動作支援装 10の制御はフローチャートに従って前記動 情報検出段階S1の前に戻って、動作情報MIが 化するまで動作情報検出段階S1から偏差情 算出段階S4の間をループすることになり、マ ニピュレータ12の作動はそれまでと同一の作 を保持することになる。

 なお、動作支援装置10で検出、算出また 生成される全情報、すなわち動作情報MI、異 常動作情報IMI、主動作情報MMI、参照速度情報 RVI、位置・姿勢情報PI、変化速度情報VVI、偏 情報DIおよび駆動情報DvIは、制御部40に入力 或いは算出または生成された時点で記憶部44 に収納され、新たな情報が入力或いは算出 たは生成された時点で上書きされることで に最新の情報に更新されている。また、過 の情報も蓄積され、必要に応じて出力可能 されている。

 次に、動作支援装置10の制御における情 (信号)の流れの概略を、図7を用いて説明す 。本実施例においては、以下のように情報 伝達されると共に処理されている。すなわ 、(1)力覚センサ30から上肢の動作に係る動作 情報MIが演算部46に入力される。(2)演算部46に 入力された動作情報MIはフィルタ手段46aに入 され、該フィルタ手段46aを通過した動作情 MIからは異常動作情報IMIが除去され、上肢 主動作情報MMIが抽出される。

 (3)前記フィルタ手段46aを通過することで 出された主動作情報MMIは、変換手段46bに入 される。この変換手段46bを通過した主動作 報MMIからは、作動目標速度を指示する参照 度情報RVIが生成される。(4)前記変換手段46b 生成された参照速度情報RVIは比較手段46cに 力され、入力時点におけるマニピュレータ1 2の作動速度(変化速度情報VVI)と比較され、比 較結果として偏差情報DIが算出・出力される

 (5)前記比較手段46cから出力された偏差情 DIは制御手段46dに入力される。この制御手 46dでは、偏差情報DIからマニピュレータ12の 動等に係る所謂メカニカルノイズ等を除去 、除去後の偏差情報DIに基づいてマニピュ ータ12を作動するように駆動モータを駆動す る駆動情報DvIを生成する。(6)前記制御手段46d で生成された駆動情報DvIに従って、マニピュ レータ12は制御下に作動される。そして、こ 作動に伴って変化した上肢の位置および姿 がエンコーダ14a、16a、18aおよび20aによって 出され、この検出に基づいた位置・姿勢情 PIが生成・出力される。(7)そして出力され 位置・姿勢情報PIは、比較手段46cにフィード バックされて変化速度情報VVIの算出に供され る。

 このような制御においては、マニピュレ タ12から使用者の上肢が離間して力覚セン 30が該上肢の動作(力)を検出しなくなれば、 マニピュレータ12の作動も即時停止するた 高い安全性が確保される。また、力覚セン 30が上肢の動作を検出しない場合であっても 各駆動モータは、マニピュレータ12の作動を 止状態に保持しようと駆動して機械的な停 状態となっているわけではない。従って、 肢からの力を検出した場合には、各駆動モ タが停止状態から駆動状態に移行するので なく、マニピュレータ12を停止状態に保持 る駆動状態から作動させる駆動状態へ移行 るだけである。従って、上肢からの力を検 した場合、時間的なずれや機械的な負荷を 生させずに、上肢の動作をスムーズに支援 能となっている。

  〔変更例について〕
(1)実施例では、多自由度マニピュレータとし て6軸のマニピュレータ12を採用しているが、 本発明はこれに限定されるものではなく、公 知のマニピュレータが採用可能であり、例え ば、図8に示すようなXYZの各軸方向に対する 置変化だけを自在に設定し得る3軸の多自由 のマニピュレータ13を採用してもよい。こ 場合、上肢の動作の支援範囲を狭めずに、 り安価な構造で、簡便な制御による運用が 能になる。なお、XYZ各軸まわりに関する駆 をなす駆動モータや、位置および姿勢を検 するエンコーダ等がないこと以外は、実施 に係るマニピュレータ12と略同一な構成とな っている。
(2)実施例では先端部28に対して固定された取 部32を採用しているが、本発明はこれに限 されるものではなく、例えば図9に示すよう 単独でXYZの各軸まわりの姿勢変化が可能に 成された取付部33を採用してもよい。この 合、本発明に係る動作支援装置10は、合計9 に対する幅広い変位を達成し得る。なお、 の場合の接触部Aは、実施例と同様に、スプ ンBおよび取付部33の双方である。また、取 部33で達成される幅広い変位によって、ス ーンBの姿勢が容易に変化してしまうが、こ ような変化は力覚センサ30の重力補償によ て相殺されるので、動作情報MIの生成に問題 は生じない。
(3)実施例では参照速度情報RVIは、力覚センサ 30が検出する上肢の力に関わらず一定値とし 設定されていたが、本発明はこれに限定さ るものではなく、例えば、該力の方向等の 件によって変化するように設定してもよい この場合、使用者の上肢の動作により近づ た支援が可能となる。
(4)実施例では、使用者の上肢の動作に係る主 動作情報MMIに基づいて参照速度情報RVIを生成 していたが、本発明はこれに限定されるもの ではなく、例えば主動作情報MMIに予め設定さ れた上肢の動作に係る設定動作情報を付加し て参照速度情報RVIを生成するようにしてもよ い。例えば、上肢を真横に動作させようとす ると、次第に手前にずれて動作してしまう等 の規則性のある異常作動が上肢に見られる場 合等に好適に用いられる。この場合、予め正 常な上肢の動作と異常な上肢の動作との差異 を、予め設定動作情報として設定し、主動作 情報MMIと該設定動作情報とから参照速度情報 RVIを生成するため、上肢の筋に異常があって 、該動作に規則的な異常動作がある場合の事 態に好適に対応し得る。
(5)実施例では異常動作情報IMIを除去するフィ ルタとして、ノッチフィルタを使用している が、本発明はこれに限定されるものではなく 、例えば図10に示すような一定周波数以上の 波数だけを除去するローパスフィルタを使 するようにしてもよい。この場合、マニピ レータの駆動モータ等の高周波振動も好適 除去し得る。また、図11に示すようなノッ フィルタとローパスフィルタとを複合した ィルタを使用するようにしてもよい。この 、予め使用者の上肢の動作をサンプリング 、当該使用者の上肢の異常動作に係る異常 作情報IMIを選択的に除去するフィルタを生 し、このフィルタを、特に障害等による異 動作が表れる可能性が高い1Hz以上の周波数 域にだけ適用して、当該周指数領域だけに いて異常動作情報IMIを除去するようにして よい。この場合、異常動作情報IMIの効率的 除去が可能となり、かつ動作情報MIに対する 不必要な加工をできる限り回避し得るので、 上肢の動作に忠実な主作動情報MMIを生成し得 る。
(6)実施例では、上肢の位置および姿勢を検出 する第2検出手段としてエンコーダを採用し いるが、本発明はこれに限定されるもので なく、例えば、コスト的に優れるポテンシ メータ等の他の機器を動作支援装置が使用 れる用途等に応じて適宜採用してもよい。
(7)実施例でマニピュレータ12の停止状態は、 動モータを該停止状態に保持する駆動状態 することで達成していたが、本発明はこれ 限定されるものではなく、各関節部14、16、 18および20に電磁クラッチ等を装備して、電 オフ時にマニピュレータ12の位置および姿勢 を固定的に保持するように構成すると共に、 動作支援装置10等の電源をオフにすることで 械的な停止状態を達成するようにしてもよ 。この場合、電力の消費量の低減によるコ ト削減が可能である。