10 ( 57) 【要約】
【課題】被験者の姿勢に応じた最適なリハビリテーショ ン訓練を行うこと。
【解決手段】リハビリテーション装置は、被験者によっ て操作される操作手段と、操作手段の操作量を検出する 操作量検出手段と、操作手段を駆動する駆動手段と、駆 動手段の駆動を制御する制御手段と、被験者の姿勢を検 出する姿勢検出手段と、操作手段に作用する外力を検出 する外力検出手段と、操作手段の操作目標位置を表示す る表示手段と、を備える。制御手段は、姿勢検出手段に より検出された姿勢に基づいて、被験者の身体の可操作 性を示す可操作楕円を算出し、可操作楕円に基づいて操 作目標位置を算出すると共に、外力検出手段により検出 された外力と、操作目標位置と、に基づいて、操作手段 に対する操作量の目標値を算出し、該操作量の目標値に 操作量検出手段により検出された操作量が追従するよう に駆動手段を制御する。
10
20 【 特 許 請 求 の 範 囲 】
【 請 求 項 １ 】
リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン の 被 験 者 に よ っ て 操 作 さ れ る 操 作 手 段 と 、 前 記 操 作 手 段 の 操 作 量 を 検 出 す る 操 作 量 検 出 手 段 と 、
前 記 操 作 手 段 を 駆 動 す る 駆 動 手 段 と 、
前 記 駆 動 手 段 の 駆 動 を 制 御 す る 制 御 手 段 と 、 被 験 者 の 姿 勢 を 検 出 す る 姿 勢 検 出 手 段 と 、
前 記 操 作 手 段 に 作 用 す る 外 力 を 検 出 す る 外 力 検 出 手 段 と 、 前 記 操 作 手 段 の 操 作 目 標 位 置 を 表 示 す る 表 示 手 段 と 、 を 備 え る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 で あ っ て 、
前 記 制 御 手 段 は 、
前 記 姿 勢 検 出 手 段 に よ り 検 出 さ れ た 被 験 者 の 姿 勢 に 基 づ い て 、 被 験 者 の 身 体 の 可 操 作 性 を 示 す 可 操 作 楕 円 を 算 出 し 、 該 算 出 し た 可 操 作 楕 円 に 基 づ い て 前 記 操 作 目 標 位 置 を 算 出 す る と 共 に 、
前 記 外 力 検 出 手 段 に よ り 検 出 さ れ た 外 力 と 、 前 記 算 出 し た 操 作 目 標 位 置 と 、 に 基 づ い て 、 前 記 操 作 手 段 に 対 す る 操 作 量 の 目 標 値 を 算 出 し 、 該 算 出 し た 操 作 量 の 目 標 値 に 前 記 操 作 量 検 出 手 段 に よ り 検 出 さ れ た 操 作 量 が 追 従 す る よ う に 前 記 駆 動 手 段 を 制 御 す る 、
こ と を 特 徴 と す る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 。 【 請 求 項 ２ 】
請 求 項 １ 記 載 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 で あ っ て 、
前 記 制 御 手 段 は 、 前 記 可 操 作 楕 円 の 長 径 及 び 短 径 の 比 率 及 び 傾 き を 含 む 振 幅 の 正 弦 波 関 数 に 基 づ い て 前 記 表 示 手 段 の 表 示 画 面 上 に お け る ２ 次 元 座 標 系 の 前 記 操 作 目 標 位 置 を 算 出 す る 、 こ と を 特 徴 と す る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 。
【 請 求 項 ３ 】
請 求 項 ２ 記 載 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 で あ っ て 、
前 記 制 御 手 段 は 、 下 記 式 を 用 い て 前 記 表 示 手 段 に お け る ２ 次 元 座 標 系 の 操 作 目 標 位 置 ｐ
10
20
30
40
50 【 数 １ １ 】
但 し 、 上 記 式 に お い て 、 θ
ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ は 前 記 表 示 手 段 に お け る ２ 次 元 座 標 系 の 原 点 と 前
記 操 作 目 標 位 置 と を 結 ぶ 線 で あ る 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン の 回 転 角 度 、 λ
ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ は 前 記 可 操
作 楕 円 の 長 径 及 び と 短 径 の 比 率 、 θ
ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ は 前 記 可 操 作 楕 円 の 傾 き 、 Ｒｅ ｎ は 前 記 可
操 作 楕 円 の ノ ミ ナ ル 半 径 で あ る 。 【 請 求 項 ４ 】
請 求 項 １ 乃 至 ３ の う ち い ず れ か １ 項 記 載 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 で あ っ て 、
前 記 制 御 手 段 は 、 前 記 表 示 手 段 に お け る ２ 次 元 座 標 系 の 原 点 と 前 記 操 作 目 標 位 置 と を 結 ぶ 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン を 生 成 し 、 該 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン の 方 向 に 対 し て 低 負 荷 と な り 、 該 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン と 垂 直 方 向 に 対 し て 高 負 荷 と な る ア ド ミ タ ン ス 制 御 を 前 記 駆 動 手 段 に 対 し て 行 う 、 こ と を 特 徴 と す る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 。
【 請 求 項 ５ 】
請 求 項 ４ 記 載 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 で あ っ て 、
前 記 制 御 手 段 は 、 前 記 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン の 方 向 に 対 し て ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 及 び ダ ン ピ ン グ 定 数 の う ち 少 な く と も 一 方 を 低 く 設 定 し 、 前 記 垂 直 方 向 に 対 し て ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 及 び ダ ン ピ ン グ 定 数 の う ち 少 な く と も 一 方 を 高 く 設 定 し た ア ド ミ タ ン ス 行 列 を 用 い て 、 前 記 操 作 手 段 に 対 す る 操 作 量 の 目 標 値 を 算 出 す る 、 こ と を 特 徴 と す る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 。
【 請 求 項 ６ 】
請 求 項 ４ 又 は ５ 記 載 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 で あ っ て 、
10
20
30
40
50 す る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 。
【 請 求 項 ７ 】
請 求 項 ４ 又 は ５ 記 載 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 で あ っ て 、
前 記 制 御 手 段 は 、 下 記 式 を 用 い て 前 記 操 作 手 段 に 対 す る 操 作 量 の 目 標 値 θ
ｒ ｅ ｆ を 算 出
す る 、 こ と を 特 徴 と す る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 。 【 数 １ ２ 】
但 し 、 上 記 式 に お い て 、 θ
ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ は 前 記 表 示 手 段 に お け る ２ 次 元 座 標 系 の 原 点 と 前
記 操 作 目 標 位 置 と を 結 ぶ 線 で あ る 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン の 回 転 角 度 、 回 転 変 換 Ｒ （ θ
ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ ） は 回 転 変 換 行 列 、 Ｇａ ｄ ｍ （ ｓ ） は ア ド ミ タ ン ス 行 列 、 Ｒ
Ｔ
（ θ
ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ ） は 逆 回
転 変 換 行 列 、 ｆ
ｅ ｘ ｔ は グ ロ ー バ ル 座 標 系 に お け る 前 記 外 力 、 Ｄａ ｄ ｍ １ は 前 記 仮 想 ガ イ
ド ラ イ ン の 方 向 に 対 す る ダ ン ピ ン グ 定 数 、 Ｋａ ｄ ｍ １ は 前 記 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン の 方 向 に 対
す る ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 、 Ｄ
ａ ｄ ｍ ２ は 前 記 垂 直 方 向 に 対 す る ダ ン ピ ン グ 定 数 、 Ｋａ ｄ ｍ ２ は 前 記 垂 直 方 向 に 対 す る ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 で あ る 。
【 請 求 項 ８ 】
請 求 項 ５ 記 載 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 で あ っ て 、
前 記 制 御 手 段 は 、 前 記 操 作 量 検 出 手 段 に よ り 検 出 さ れ た 操 作 量 に 対 応 す る 前 記 表 示 手 段 上 の 現 在 位 置 が 前 記 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン か ら 前 記 垂 直 方 向 に 外 れ る に 従 が っ て 、 前 記 ダ ン ピ ン グ 定 数 及 び ／ 又 は ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 を 徐 々 高 く 設 定 す る 、 こ と を 特 徴 と す る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 。
【 請 求 項 ９ 】
請 求 項 ５ 記 載 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 で あ っ て 、
前 記 制 御 手 段 は 、 前 記 操 作 量 検 出 手 段 に よ り 検 出 さ れ た 操 作 量 に 対 応 す る 前 記 表 示 手 段 上 の 現 在 位 置 が 前 記 可 操 作 楕 円 の 外 側 に 出 た と 判 断 す る と 、 ダ ン ピ ン グ 定 数 及 び ／ 又 は ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 を 所 定 量 増 加 さ せ る 、 こ と を 特 徴 と す る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 。 【 請 求 項 １ ０ 】
請 求 項 １ 乃 至 ９ の う ち い ず れ か １ 項 記 載 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 で あ っ て 、 前 記 姿 勢 検 出 手 段 は 、 前 記 被 験 者 の 身 体 の 各 関 節 角 度 を 検 出 し 、
前 記 制 御 手 段 は 、 前 記 姿 勢 検 出 手 段 に よ り 検 出 さ れ た 各 関 節 角 度 と 、 前 記 身 体 の ヤ コ ビ ア ン 行 列 と 、 に 基 づ い て 前 記 可 操 作 楕 円 を 算 出 す る 、 こ と を 特 徴 と す る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 。
【 請 求 項 １ １ 】
リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン の 被 験 者 に よ っ て 操 作 さ れ る 操 作 手 段 の 操 作 量 を 検 出 す る ス テ ッ プ と 、
被 験 者 の 姿 勢 を 検 出 す る ス テ ッ プ と 、
10
20
30
40
50 前 記 検 出 さ れ た 被 験 者 の 姿 勢 に 基 づ い て 、 被 験 者 の 身 体 の 可 操 作 性 を 示 す 可 操 作 楕 円 を
算 出 す る ス テ ッ プ と 、
該 算 出 し た 可 操 作 楕 円 に 基 づ い て 前 記 操 作 目 標 位 置 を 算 出 す る ス テ ッ プ と 、
前 記 検 出 さ れ た 外 力 と 、 前 記 算 出 し た 操 作 目 標 位 置 と 、 に 基 づ い て 、 前 記 操 作 手 段 に 対 す る 操 作 量 の 目 標 値 を 算 出 す る ス テ ッ プ と 、
該 算 出 し た 操 作 量 の 目 標 値 に 前 記 検 出 さ れ た 操 作 量 が 追 従 す る よ う に 前 記 操 作 手 段 を 駆 動 す る 駆 動 手 段 を 制 御 す る ス テ ッ プ と 、
を 含 む 、 こ と を 特 徴 と す る 制 御 方 法 。 【 請 求 項 １ ２ 】
リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン の 被 験 者 の 姿 勢 に 基 づ い て 、 被 験 者 の 身 体 の 可 操 作 性 を 示 す 可 操 作 楕 円 を 算 出 す る 処 理 と 、
該 算 出 し た 可 操 作 楕 円 に 基 づ い て 操 作 目 標 位 置 を 算 出 す る 処 理 と 、
被 験 者 に よ っ て 操 作 さ れ る 操 作 手 段 の 前 記 操 作 目 標 位 置 を 表 示 す る 処 理 と 、
前 記 操 作 手 段 に 作 用 す る 外 力 と 、 前 記 算 出 し た 操 作 目 標 位 置 と 、 に 基 づ い て 、 前 記 操 作 手 段 に 対 す る 操 作 量 の 目 標 値 を 算 出 す る 処 理 と 、
該 算 出 し た 操 作 量 の 目 標 値 に 前 記 操 作 手 段 の 操 作 量 が 追 従 す る よ う に 前 記 操 作 手 段 を 駆 動 す る 駆 動 手 段 を 制 御 す る 処 理 と 、
を コ ン ピ ュ ー タ に 実 行 さ せ る 、 こ と を 特 徴 と す る 制 御 プ ロ グ ラ ム 。 【 発 明 の 詳 細 な 説 明 】
【 技 術 分 野 】 【 ０ ０ ０ １ 】
本 発 明 は 、 被 験 者 の 運 動 機 能 を 回 復 さ せ る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン を 行 う た め の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 、 制 御 方 法 及 び 制 御 プ ロ グ ラ ム に 関 す る も の で あ る 。
【 背 景 技 術 】 【 ０ ０ ０ ２ 】
運 動 機 能 が 損 な わ れ た 人 等 は 、 リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン を す る こ と に よ り 運 動 機 能 の 回 復 に 努 め る こ と が 行 わ れ 、 そ の よ う な リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン を 適 切 に 行 う た め の 様 々 な 装 置 が 開 発 さ れ て い る 。 例 え ば 、 流 体 ク ラ ッ チ を 介 し て 駆 動 手 段 に よ り 負 荷 を 被 験 者 の 上 肢 に 与 え 、 そ の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン を 行 う 装 置 が 知 ら れ て い る （ 特 許 文 献 １ 参 照 ） 。
【 先 行 技 術 文 献 】 【 特 許 文 献 】 【 ０ ０ ０ ３ 】
【 特 許 文 献 １ 】 特 開 ２ ０ ０ ６ − ２ ４ ７ ２ ８ ０ 号 公 報 【 発 明 の 概 要 】
【 発 明 が 解 決 し よ う と す る 課 題 】 【 ０ ０ ０ ４ 】
と こ ろ で 、 一 般 に 被 験 者 の 身 体 運 動 に は そ の 姿 勢 に 応 じ て 動 作 し 難 い 方 向 が 存 在 す る 。 上 記 リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 に お い て は 、 そ の よ う な 被 験 者 の 姿 勢 を 考 慮 し て い な い た め 、 そ の 姿 勢 に よ っ て は 、 被 験 者 に 無 理 な 負 荷 を 強 い る と い う 問 題 が 生 じ 得 る 。
【 ０ ０ ０ ５ 】
本 発 明 は 、 こ の よ う な 問 題 点 に 鑑 み て な さ れ た も の で あ り 、 被 験 者 の 姿 勢 に 応 じ た 最 適 な リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 訓 練 を 行 う こ と が で き る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 、 制 御 方 法 及 び 制 御 プ ロ グ ラ ム を 提 供 す る こ と を 主 た る 目 的 と す る 。
【 課 題 を 解 決 す る た め の 手 段 】 【 ０ ０ ０ ６ 】
10
20
30
40
50 前 記 制 御 手 段 は 、 前 記 姿 勢 検 出 手 段 に よ り 検 出 さ れ た 被 験 者 の 姿 勢 に 基 づ い て 、 被 験 者
の 身 体 の 可 操 作 性 を 示 す 可 操 作 楕 円 を 算 出 し 、 該 算 出 し た 可 操 作 楕 円 に 基 づ い て 前 記 操 作 目 標 位 置 を 算 出 す る と 共 に 、 前 記 外 力 検 出 手 段 に よ り 検 出 さ れ た 外 力 と 、 前 記 算 出 し た 操 作 目 標 位 置 と 、 に 基 づ い て 、 前 記 操 作 手 段 に 対 す る 操 作 量 の 目 標 値 を 算 出 し 、 該 算 出 し た 操 作 量 の 目 標 値 に 前 記 操 作 量 検 出 手 段 に よ り 検 出 さ れ た 操 作 量 が 追 従 す る よ う に 前 記 駆 動 手 段 を 制 御 す る 、 こ と を 特 徴 と す る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 で あ る 。 な お 、 こ の 一 態 様 に お い て 、 前 記 可 操 作 楕 円 は 、 可 操 作 楕 円 体 を 含 む も の と す る 。
こ の 一 態 様 に お い て 、 前 記 制 御 手 段 は 、 前 記 可 操 作 楕 円 の 長 径 及 び 短 径 の 比 率 及 び 傾 き を 含 む 振 幅 の 正 弦 波 関 数 に 基 づ い て 前 記 表 示 手 段 の 表 示 画 面 上 に お け る ２ 次 元 座 標 系 の 前 記 操 作 目 標 位 置 を 算 出 し て も よ い 。
こ の 一 態 様 に お い て 、 前 記 制 御 手 段 は 、 下 記 式 を 用 い て 前 記 表 示 手 段 に お け る ２ 次 元 座 標 系 の 操 作 目 標 位 置 ｐ
ｆ ｉ ｎ を 算 出 し て も よ い 。
こ の 一 態 様 に お い て 、 前 記 制 御 手 段 は 、 前 記 表 示 手 段 に お け る ２ 次 元 座 標 系 の 原 点 と 前 記 操 作 目 標 位 置 と を 結 ぶ 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン を 生 成 し 、 該 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン の 方 向 に 対 し て 低 負 荷 と な り 、 該 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン と 垂 直 方 向 に 対 し て 高 負 荷 と な る ア ド ミ タ ン ス 制 御 を 前 記 駆 動 手 段 に 対 し て 行 っ て も よ い 。
こ の 一 態 様 に お い て 、 前 記 制 御 手 段 は 、 前 記 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン の 方 向 に 対 し て ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 及 び ダ ン ピ ン グ 定 数 の う ち 少 な く と も 一 方 を 低 く 設 定 し 、 前 記 垂 直 方 向 に 対 し て ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 及 び ダ ン ピ ン グ 定 数 の う ち 少 な く と も 一 方 を 高 く 設 定 し た ア ド ミ タ ン ス 行 列 を 用 い て 、 前 記 操 作 手 段 に 対 す る 操 作 量 の 目 標 値 を 算 出 し て も よ い 。
こ の 一 態 様 に お い て 、 前 記 制 御 手 段 は 、 前 記 外 力 検 出 手 段 に よ り 検 出 さ れ た 外 力 を グ ロ ー バ ル 座 標 系 の 外 力 に 変 換 し 、 該 変 換 し た 外 力 を 前 記 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン の 回 転 角 度 に 基 づ い て 回 転 変 換 し 、 該 回 転 変 換 し た 値 を 前 記 ア ド ミ タ ン ス 行 列 を 用 い た 変 換 を 行 い 、 該 変 換 し た 値 を 前 記 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン の 回 転 角 度 に 基 づ い て 逆 回 転 変 換 を 行 い 、 該 逆 回 転 変 換 し た 値 を 逆 キ ネ マ テ ィ ク ス を 用 い て 変 換 を 行 い 、 前 記 操 作 手 段 に 対 す る 操 作 量 の 目 標 値 を 算 出 し て も よ い 。
こ の 一 態 様 に お い て 、 前 記 制 御 手 段 は 、 下 記 式 を 用 い て 前 記 操 作 手 段 に 対 す る 操 作 量 の 目 標 値 θ
ｒ ｅ ｆ を 算 出 し て も よ い 。
こ の 一 態 様 に お い て 、 前 記 制 御 手 段 は 、 前 記 操 作 量 検 出 手 段 に よ り 検 出 さ れ た 操 作 量 に 対 応 す る 前 記 表 示 手 段 上 の 現 在 位 置 が 前 記 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン か ら 前 記 垂 直 方 向 に 外 れ る に 従 が っ て 、 前 記 ダ ン ピ ン グ 定 数 及 び ／ 又 は ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 を 徐 々 高 く 設 定 し て も よ い 。
こ の 一 態 様 に お い て 、 前 記 制 御 手 段 は 、 前 記 操 作 量 検 出 手 段 に よ り 検 出 さ れ た 操 作 量 に 対 応 す る 前 記 表 示 手 段 上 の 現 在 位 置 が 前 記 可 操 作 楕 円 の 外 側 に 出 た と 判 断 す る と 、 ダ ン ピ ン グ 定 数 及 び ／ 又 は ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 を 所 定 量 増 加 さ せ て も よ い 。
こ の 一 態 様 に お い て 、 前 記 姿 勢 検 出 手 段 は 、 前 記 被 験 者 の 身 体 の 各 関 節 角 度 を 検 出 し 、 前 記 制 御 手 段 は 、 前 記 姿 勢 検 出 手 段 に よ り 検 出 さ れ た 各 関 節 角 度 と 、 前 記 身 体 の ヤ コ ビ ア ン 行 列 と 、 に 基 づ い て 前 記 可 操 作 楕 円 を 算 出 し て も よ い 。
上 記 目 的 を 達 成 す る た め の 本 発 明 の 一 態 様 は 、 リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン の 被 験 者 に よ っ て 操 作 さ れ る 操 作 手 段 の 操 作 量 を 検 出 す る ス テ ッ プ と 、 被 験 者 の 姿 勢 を 検 出 す る ス テ ッ プ と 、 前 記 操 作 手 段 に 作 用 す る 外 力 を 検 出 す る ス テ ッ プ と 、 前 記 操 作 手 段 の 操 作 目 標 位 置 を 表 示 す る ス テ ッ プ と 、 を 含 む リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 の 制 御 方 法 で あ っ て 、 前 記 検 出 さ れ た 被 験 者 の 姿 勢 に 基 づ い て 、 被 験 者 の 身 体 の 可 操 作 性 を 示 す 可 操 作 楕 円 を 算 出 す る ス テ ッ プ と 、 該 算 出 し た 可 操 作 楕 円 に 基 づ い て 前 記 操 作 目 標 位 置 を 算 出 す る ス テ ッ プ と 、 前 記 検 出 さ れ た 外 力 と 、 前 記 算 出 し た 操 作 目 標 位 置 と 、 に 基 づ い て 、 前 記 操 作 手 段 に 対 す る 操 作 量 の 目 標 値 を 算 出 す る ス テ ッ プ と 、 該 算 出 し た 操 作 量 の 目 標 値 に 前 記 検 出 さ れ た 操 作 量 が 追 従 す る よ う に 前 記 操 作 手 段 を 駆 動 す る 駆 動 手 段 を 制 御 す る ス テ ッ プ と 、 を 含 む 、 こ と を 特 徴 と す る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 の 制 御 方 法 で あ っ て も よ い 。
10
20
30
40
50 楕 円 に 基 づ い て 操 作 目 標 位 置 を 算 出 す る 処 理 と 、 被 験 者 に よ っ て 操 作 さ れ る 操 作 手 段 の 前
記 操 作 目 標 位 置 を 表 示 す る 処 理 と 、 前 記 操 作 手 段 に 作 用 す る 外 力 と 、 前 記 算 出 し た 操 作 目 標 位 置 と 、 に 基 づ い て 、 前 記 操 作 手 段 に 対 す る 操 作 量 の 目 標 値 を 算 出 す る 処 理 と 、 該 算 出 し た 操 作 量 の 目 標 値 に 前 記 操 作 手 段 の 操 作 量 が 追 従 す る よ う に 前 記 操 作 手 段 を 駆 動 す る 駆 動 手 段 を 制 御 す る 処 理 と 、 を コ ン ピ ュ ー タ に 実 行 さ せ る 、 こ と を 特 徴 と す る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 の 制 御 プ ロ グ ラ ム で あ っ て も よ い 。
【 発 明 の 効 果 】 【 ０ ０ ０ ７ 】
本 発 明 に よ れ ば 、 被 験 者 の 姿 勢 に 応 じ た 最 適 な リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 訓 練 を 行 う こ と が で き る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 、 制 御 方 法 及 び 制 御 プ ロ グ ラ ム を 提 供 す る こ と が で き る 。 【 図 面 の 簡 単 な 説 明 】
【 ０ ０ ０ ８ 】
【 図 １ 】 本 発 明 の 一 実 施 の 形 態 に 係 る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 の 概 略 的 な シ ス テ ム 構 成 を 示 す ブ ロ ッ ク 図 で あ る 。
【 図 ２ 】 グ リ ッ プ レ バ ー 部 の 操 作 を 示 す 図 で あ る 。
【 図 ３ 】 本 発 明 の 一 実 施 の 形 態 に 係 る 制 御 装 置 の ア シ ス ト 制 御 系 の 構 成 を 示 す ブ ロ ッ ク 図 で あ る 。
【 図 ４ 】 本 発 明 の 一 実 施 の 形 態 に 係 る ア ド ミ タ ン ス 制 御 に よ る 効 果 を 示 す 図 で あ る 。 【 図 ５ 】 被 験 者 の 上 肢 を 水 平 面 内 で 横 方 向 に 回 転 動 作 さ せ た と き の 、 可 操 作 楕 円 の 形 状 を 示 す 図 で あ る 。
【 図 ６ 】 図 ５ 左 端 に お け る 腕 姿 勢 （ ａ ） の と き の 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン を 示 す 図 で あ る 。 【 図 ７ 】 図 ５ 右 端 に お け る 腕 姿 勢 （ ｂ ） の と き の 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン を 示 す 図 で あ る 。 【 図 ８ 】 本 発 明 の 一 実 施 の 形 態 に 係 る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 の 制 御 処 理 フ ロ ー を 示 す フ ロ ー チ ャ ー ト で あ る 。
【 発 明 を 実 施 す る た め の 形 態 】 【 ０ ０ ０ ９ 】
以 下 、 図 面 を 参 照 し て 本 発 明 の 実 施 の 形 態 に つ い て 説 明 す る 。 図 １ は 、 本 発 明 の 一 実 施 の 形 態 に 係 る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 の 概 略 的 な シ ス テ ム 構 成 を 示 す ブ ロ ッ ク 図 で あ る 。 本 実 施 の 形 態 に 係 る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 １ は 、 被 験 者 に よ っ て 操 作 さ れ る グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ と 、 被 験 者 の 上 肢 の 姿 勢 を 撮 影 す る カ メ ラ ３ と 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ に 操 作 ト ル ク を 付 与 す る 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４ 、 ５ と 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 操 作 量 を 検 出 す る 第 １ 及 び 第 ２ 回 転 セ ン サ ６ 、 ７ と 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ に 作 用 す る 外 力 を 検 出 す る 力 セ ン サ ８ と 、 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４ 、 ５ を 制 御 す る 制 御 装 置 ９ と 、 各 種 の 操 作 情 報 を 表 示 す る 表 示 装 置 １ ０ と 、 を 備 え て い る 。
【 ０ ０ １ ０ 】
グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ は 、 操 作 手 段 の 一 具 体 例 で あ り 、 被 験 者 が 上 肢 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン を 行 う た め に 操 作 を 行 う も の で あ る （ 図 ２ ） 。 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ は 、 複 数 の 関 節 部 を 有 す る 多 関 節 型 の ロ ボ ッ ト ア ー ム と し て 構 成 さ れ て い る 。 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ は 、 例 え ば 、 筺 体 ２ １ と 筺 体 ２ １ に 回 転 可 能 に 設 け ら れ た 第 １ 関 節 軸 ２ ２ と 、 第 １ 関 節 軸 ２ ２ に 連 結 さ れ た 第 １ リ ン ク ２ ３ と 、 第 １ リ ン ク ２ ３ に 連 結 さ れ た 第 ２ 関 節 軸 ２ ４ と 、 第 ２ 関 節 軸 ２ ４ に 連 結 さ れ た 第 ２ リ ン ク ２ ５ と 、 第 ２ リ ン ク ２ ５ の 先 端 に 連 結 さ れ 被 験 者 が 把 持 す る ハ ン ド ル ２ ６ と 、 を 有 し て い る 。
【 ０ ０ １ １ 】
10
20
30
40
50 【 ０ ０ １ ２ 】
第 １ 及 び 第 ２ 回 転 セ ン サ ６ 、 ７ は 、 操 作 量 検 出 手 段 の 一 具 体 例 で あ り 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 操 作 量 を 検 出 す る 。 第 １ 回 転 セ ン サ ６ は 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 第 １ 関 節 軸 ２ ２ の 回 転 角 を 検 出 す る 。 第 ２ 回 転 セ ン サ ７ は 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 第 ２ 関 節 軸 ２ ４ の 回 転 角 を 検 出 す る 。 第 １ 及 び 第 ２ 回 転 セ ン サ ６ 、 ７ は 、 例 え ば 、 ポ テ ン シ ョ メ ー タ 、 ロ ー タ リ ー エ ン コ ー ダ な ど で 構 成 さ れ て い る 。
【 ０ ０ １ ３ 】
第 １ 及 び 第 ２ 回 転 セ ン サ ６ 、 ７ は Ａ ／ Ｄ （ ア ナ ロ グ ／ デ ジ タ ル ） 変 換 器 １ １ を 介 し て 制 御 装 置 ９ に 接 続 さ れ て い る 。 第 １ 及 び 第 ２ 回 転 セ ン サ ６ 、 ７ は 、 検 出 し た グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 第 １ 及 び 第 ２ 関 節 軸 ２ ２ 、 ２ ４ の 回 転 角 に 応 じ た 回 転 角 信 号 を 制 御 装 置 ９ に 出 力 す る 。
【 ０ ０ １ ４ 】
第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４ 、 ５ は 、 駆 動 手 段 の 一 具 体 例 で あ り 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ に 操 作 ト ル ク を 付 与 す る 機 能 を 有 し て い る 。 第 １ サ ー ボ モ ー タ ４ の 駆 動 軸 は 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 第 １ 関 節 軸 ２ ２ に 連 結 さ れ て い る 。 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ５ の 駆 動 軸 は 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 第 ２ 関 節 軸 ２ ４ に 連 結 さ れ て い る 。 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４ 、 ５ は 、 例 え ば 、 Ａ Ｃ （ 交 流 式 ） サ ー ボ モ ー タ で あ り 、 減 速 機 構 を 内 蔵 し て い る 。 【 ０ ０ １ ５ 】
第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４ 、 ５ は 、 サ ー ボ ア ン プ １ ２ 及 び Ｄ ／ Ａ （ デ ジ タ ル ／ ア ナ ロ グ ） 変 換 器 １ ３ を 介 し て 制 御 装 置 ９ に 接 続 さ れ て い る 。 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４ 、 ５ は 制 御 装 置 ９ か ら 送 信 さ れ る 制 御 信 号 に 応 じ て 、 第 １ 及 び 第 ２ 関 節 軸 ２ ２ 、 ２ ４ を 介 し て 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ に ト ル ク を 付 与 す る 。
【 ０ ０ １ ６ 】
力 セ ン サ ８ は 、 外 力 検 出 手 段 の 一 具 体 例 で あ り 、 被 験 者 が グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ を 操 作 し た 際 の ハ ン ド ル ２ ６ に 作 用 す る 外 力 を 検 出 す る 。 力 セ ン サ ８ は 、 例 え ば 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ の 根 元 に 設 け ら れ て い る 。 力 セ ン サ ８ は 、 Ａ ／ Ｄ 変 換 器 １ １ を 介 し て 制 御 装 置 ９ に 接 続 さ れ て い る 。 力 セ ン サ ８ は 、 検 出 し た 外 力 に 応 じ た 力 値 信 号 を 制 御 装 置 ９ に 出 力 す る 。
【 ０ ０ １ ７ 】
カ メ ラ ３ は 、 姿 勢 検 出 手 段 の 一 具 体 例 で あ り 、 被 験 者 が グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ を 操 作 す る 際 の 被 験 者 の 上 肢 の 姿 勢 を 撮 影 す る 。 例 え ば 、 被 験 者 の 腕 （ 手 首 関 節 、 肘 関 節 、 肩 関 節 な ど ） に は 、 複 数 の 画 像 マ ー カ Ｍ が 取 付 ら れ て い る 。 カ メ ラ ３ は 、 被 験 者 の 腕 の 各 画 像 マ ー カ Ｍ を 撮 影 す る 。 カ メ ラ ３ は 、 撮 影 し た 撮 影 画 像 を 制 御 装 置 ９ に 出 力 す る 。
【 ０ ０ １ ８ 】
制 御 装 置 ９ は 、 制 御 手 段 の 一 具 体 例 で あ り 、 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４ 、 ５ を 制 御 す る 。 制 御 装 置 ９ は 、 力 セ ン サ ８ か ら 出 力 さ れ た 力 値 信 号 と 、 第 １ 及 び 第 ２ 回 転 セ ン サ ６ 、 ７ か ら 出 力 さ れ る 回 転 角 信 号 と 、 に 基 づ い て 、 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４ 、 ５ に 対 す る ト ル ク 指 令 値 （ 操 作 量 の 目 標 値 ） を 算 出 す る 。 制 御 装 置 ９ は 、 算 出 し た ト ル ク 指 令 値 に 応 じ た 制 御 信 号 を 生 成 し 、 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４ 、 ５ に 対 し て 出 力 す る 。 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４ 、 ５ は 、 制 御 装 置 ９ か ら の 制 御 信 号 に 応 じ て グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ に ト ル ク を 付 与 す る 。
【 ０ ０ １ ９ 】
な お 、 制 御 装 置 ９ は 、 例 え ば 、 演 算 処 理 、 制 御 処 理 等 と 行 う Ｃ Ｐ Ｕ （ Ce n t r a l P r o c e s s i n g Un it ） ９ ａ 、 Ｃ Ｐ Ｕ ９ ａ に よ っ て 実 行 さ れ る 演 算 プ ロ グ ラ ム 、 制 御 プ ロ グ ラ ム 等 が 記 憶 さ れ た Ｒ Ｏ Ｍ （ R e a d On l y Me mo r y ） や Ｒ Ａ Ｍ （ R a n d o mAc c e s s Me mo r y ） か ら な る メ モ リ ９ ｂ 、 外 部 と 信 号 の 入 出 力 を 行 う イ ン タ ー フ ェ イ ス 部 （ Ｉ ／ Ｆ ） ９ ｃ 、 な ど か ら な る マ イ ク ロ コ ン ピ ュ ー タ を 中 心 に し て 、 ハ ー ド ウ ェ ア 構 成 さ れ て い る 。 Ｃ Ｐ Ｕ ９ ａ 、 メ モ リ ９ ｂ 、 及 び イ ン タ ー フ ェ イ ス 部 ９ ｃ は 、 デ ー タ バ ス ９ ｄ な ど を 介 し て 相 互 に 接 続 さ れ て い る 。 【 ０ ０ ２ ０ 】
10
20
30
40
50 表 示 す る 。 表 示 装 置 １ ０ は 制 御 装 置 ９ に 接 続 さ れ て お り 、 制 御 装 置 ９ か ら 出 力 さ れ る 情 報
に 基 づ い て 各 種 の 操 作 情 報 を 表 示 す る 。 表 示 装 置 １ ０ は 、 例 え ば 、 液 晶 デ ィ ス プ レ イ 装 置 、 有 機 Ｅ Ｌ デ ィ ス プ レ イ 装 置 な ど で 構 成 さ れ て い る 。
【 ０ ０ ２ １ 】
表 示 装 置 １ ０ は 、 例 え ば 、 制 御 装 置 ９ か ら 出 力 さ れ る グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル の 現 在 位 置 に 対 応 す る タ ー ゲ ッ ト マ ー ク □ と 、 被 験 者 が 操 作 目 標 と す る タ ー ゲ ッ ト マ ー ク ○ と 、 を 同 時 に 表 示 画 面 上 に ２ 次 元 座 標 系 で 表 示 さ せ る 。 こ の タ ー ゲ ッ ト マ ー ク ○ は 、 被 験 者 の 上 肢 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 訓 練 を 行 う 上 で の ハ ン ド ル 操 作 の 目 標 位 置 と な る 。 被 験 者 は 、 表 示 装 置 １ ０ の 表 示 画 面 上 に 表 示 さ れ た タ ー ゲ ッ ト マ ー ク □ を 、 そ の ト ラ ッ キ ン グ 課 題 で あ る タ ー ゲ ッ ト マ ー ク ○ に 追 従 さ せ る よ う に 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ を 操 作 す る 。
こ れ に よ り 、 所 望 の 関 節 運 動 の 回 復 を 可 能 と す る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 訓 練 が 行 わ れ る 。 な お 、 上 述 し た リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 訓 練 の 方 法 は 一 例 で あ り 、 こ れ に 限 定 さ れ な い 。 【 ０ ０ ２ ２ 】
と こ ろ で 、 一 般 に 被 験 者 の 上 肢 な ど の 身 体 運 動 に は そ の 姿 勢 に 応 じ て 動 作 し 難 い 方 向 が 存 在 す る 。 従 来 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 に お い て は 、 そ の よ う な 被 験 者 の 姿 勢 を 考 慮 し て い な い た め 、 そ の 姿 勢 に よ っ て は 、 被 験 者 に 無 理 な 負 荷 を 強 い る と い う 問 題 が 生 じ 得 る 。
【 ０ ０ ２ ３ 】
こ れ に 対 し 、 本 実 施 の 形 態 に 係 る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 １ に お い て 、 制 御 装 置 ９ は 、 カ メ ラ ３ に よ り 撮 影 さ れ た 被 験 者 の 姿 勢 の 画 像 に 基 づ い て 、 被 験 者 の 身 体 の 可 操 作 性 を 示 す 可 操 作 楕 円 を 算 出 し 、 該 算 出 し た 可 操 作 楕 円 に 基 づ い て グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ の 操 作 目 標 位 置 を 算 出 し 、 表 示 装 置 １ ０ に 表 示 さ せ る 。 さ ら に 、 制 御 装 置 ９ は 、 力 セ ン サ ８ に よ り 検 出 さ れ た 外 力 と 、 算 出 し た 操 作 目 標 位 置 と 、 に 基 づ い て 、 ア ド ミ タ ン ス 制 御 を 行 い 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 第 １ 及 び 第 ２ 関 節 軸 ２ ２ 、 ２ ４ の 制 御 目 標 値 を 算 出 し 、 該 算 出 し た 制 御 目 標 値 に 第 １ 及 び 第 ２ 回 転 セ ン サ ６ 、 ７ に よ り 検 出 さ れ た 第 １ 及 び 第 ２ 関 節 軸 ２ ２ 、 ２ ４ の 回 転 角 が 追 従 す る よ う に 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４ 、 ５ を 制 御 す る 。 【 ０ ０ ２ ４ 】
こ れ に よ り 、 被 験 者 の 姿 勢 に 基 づ い た 可 操 作 楕 円 を 考 慮 し て 操 作 目 標 位 置 が 設 定 さ れ る 。 こ の た め 、 、 被 験 者 に 無 理 な 負 荷 を 強 い る こ と が な い 。 さ ら に 、 被 験 者 が グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ を 操 作 目 標 位 置 の 方 向 に 操 作 し 易 い よ う に ガ イ ド す る ア ド ミ タ ン ス 制 御 を 行 う 。 こ れ に よ り 、 被 験 者 に 掛 か る 負 荷 を 適 度 に 軽 減 で き る 。 す な わ ち 、 被 験 者 の 上 肢 の 姿 勢 に 応 じ た 最 適 な リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 訓 練 を 行 う こ と が で き る 。
【 ０ ０ ２ ５ 】
上 記 制 御 を 実 現 す る た め に 、 制 御 装 置 ９ は 、 第 １ 及 び 第 ２ 回 転 セ ン サ ６ 、 ７ に よ り 検 出 さ れ た グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 第 １ 及 び 第 ２ 関 節 軸 ２ ２ 、 ２ ４ の 回 転 角 と 、 力 セ ン サ ８ に よ り 検 出 さ れ た グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ に 作 用 す る 外 力 と 、 カ メ ラ ３ に よ り 撮 影 さ れ た 被 験 者 の 上 肢 の 姿 勢 の 画 像 と 、 に 基 づ い て 、 被 験 者 に よ る グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ の 操 作 を 補 助 す る ア シ ス ト 制 御 を 行 う 。 表 示 装 置 １ ０ の 表 示 画 面 上 で 仮 想 の ガ イ ド ラ イ ン に 沿 っ て 動 く 操 作 目 標 値 （ タ ー ゲ ッ ト マ ー ク ） の 振 幅 は 、 可 操 作 楕 円 の 大 き さ で 制 限 さ れ る 。
制 御 装 置 ９ は 、 上 記 ア シ ス ト 制 御 を 実 行 す る 上 で 、 後 述 す る 、 上 位 制 御 系 及 び 下 位 制 御 系 を 実 行 す る 。
【 ０ ０ ２ ６ 】
制 御 装 置 ９ は 、 上 位 制 御 系 に お い て 、 カ メ ラ ３ に よ り 撮 影 さ れ た 被 験 者 の 上 肢 の 姿 勢 の 画 像 に 基 づ い て 、 可 操 作 楕 円 を 算 出 す る 。 さ ら に 、 制 御 装 置 ９ は 、 上 位 制 御 系 に お い て 、 力 セ ン サ ８ に よ り 検 出 さ れ た グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ に 作 用 す る 外 力 に 基 づ い て 、 ２ 自 由 度 ア ド ミ タ ン ス 制 御 を 行 い 、 ハ ン ド ル ２ ６ を 操 作 目 標 位 置 へ ガ イ ド す る 仮 想 の ガ イ ド ラ イ ン を 算 出 す る 。
10
20
30
40 制 御 装 置 ９ は 、 下 位 制 御 系 に お い て 、 上 位 制 御 系 で 算 出 し た 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン に 沿 っ た
第 １ 及 び 第 ２ 関 節 軸 ２ ２ 、 ２ ４ の 制 御 目 標 値 に グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 第 １ 及 び 第 ２ 関 節 軸 ２ ２ 、 ２ ４ の 回 転 角 を 追 従 さ せ る 位 置 制 御 を 行 う 。 制 御 装 置 ９ は 、 こ の 位 置 制 御 に お い て 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 第 １ 及 び 第 ２ 関 節 軸 ２ ２ 、 ２ ４ の 回 転 角 を フ ィ ー ド バ ッ ク さ せ た Ｐ Ｉ Ｄ 制 御 に よ る フ ィ ー ド バ ッ ク 制 御 と 、 慣 性 補 償 及 び 摩 擦 補 償 に よ る フ ィ ー ド フ ォ ワ ー ド 制 御 を 行 い 、 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４ 、 ５ に 対 す る ト ル ク 指 令 値 を 算 出 す る 。 【 ０ ０ ２ ８ 】
次 に 、 上 述 し た 上 位 制 御 系 に つ い て 、 詳 細 に 説 明 す る 。
図 ３ は 、 本 実 施 の 形 態 に 係 る 制 御 装 置 の 概 略 的 な シ ス テ ム 構 成 を 示 す ブ ロ ッ ク 図 で あ る 。
本 実 施 の 形 態 に 係 る 制 御 装 置 ９ は 、 上 位 制 御 系 の 円 ハ フ 変 換 部 ９ １ と 、 関 節 角 度 変 換 部 ９ ２ と 、 可 操 作 楕 円 算 出 部 ９ ３ と 、 目 標 値 算 出 部 ９ ４ と 、 回 転 変 換 部 ９ ５ と 、 ア ド ミ タ ン ス 制 御 部 ９ ６ と 、 逆 キ ネ マ テ ィ ク ス 部 ９ ７ と 、 を 有 し て い る 。
【 ０ ０ ２ ９ 】
円 ハ フ 変 換 部 ９ １ は 、 カ メ ラ ３ か ら 出 力 さ れ た 各 画 像 マ ー カ の 撮 影 画 像 を 、 円 の ハ フ 変 換 を 行 い 、 各 画 像 マ ー カ の 中 心 位 置 ｐｃ ｊ を 算 出 す る 。
ｐ
ｃ ｊ ＝ （ ｉ ｍｇ ｒ ａ ｙ 、 Ｒｃ ｉ ｒ ）
こ こ で 、 ｉ ｍ
ｇ ｒ ａ ｙ は グ レ イ ス ケ ー ル イ メ ー ジ で あ り 、 Ｒｃ ｉ ｒ は 画 像 マ ー カ の 半 径
で あ る 。 ｐ
ｃ ｊ ＝ [ ｕｊ 、 ｖｊ 、 １ ] Ｔ
は 、 画 像 座 標 系 に お け る 画 像 マ ー カ の 中 心 位 置 で あ る 。
【 ０ ０ ３ ０ 】
関 節 角 度 変 換 部 ９ ２ は 、 各 画 像 マ ー カ の 中 心 位 置 ｐ
ｃ ｊ を 、 周 知 の 変 換 行 列 Ｍｐ ｅ ｒ ｓ
に よ り ワ ー ル ド 座 標 系 （ Ｘ Ｙ 座 標 系 ） の 中 心 位 置 ｐ
ｊ に 変 換 す る 。
【 数 １ 】
【 ０ ０ ３ １ 】
上 記 式 に お い て 、 ｐ
ｊ ＝ [ ｐｊ ｘ 、 ｐｊ ｙ ] Ｔ
は ワ ー ル ド 座 標 系 に お け る 各 画 像 マ ー カ の 中 心 位 置 で あ り 、 ｊ ＝ １ 、 ２ 、 ３ は 、 被 験 者 の 上 肢 の 肩 関 節 、 肘 関 節 、 及 び 手 首 関 節 を 夫 々 示 し て い る 。 但 し 、 上 肢 の 肩 関 節 、 肘 関 節 、 及 び 手 首 関 節 は 、 同 一 の 高 さ 平 面 内 で 運 動 し て い る も の と し 、 そ の 高 さ 情 報 は 省 略 す る 。
【 ０ ０ ３ ２ 】
こ こ で 、 幾 何 学 的 関 係 に よ り 上 肢 の 肩 関 節 角 度 ｑ
１ 及 び 肘 関 節 角 度 ｑ２ は 、 下 記 式 で 表
す こ と が で き る 。 【 数 ２ 】
【 ０ ０ ３ ３ 】
し た が っ て 、 上 肢 の ヤ コ ビ ア ン 行 列 は 下 記 式 で 表 す こ と が で き る 。 な お 、 下 記 式 に お い て 、 Ｌ
10
20
30
40
50 【 数 ３ 】
【 ０ ０ ３ ４ 】
関 節 角 度 変 換 部 ９ ２ は 、 上 記 式 を 用 い て 、 上 肢 の ヤ コ ビ ア ン 行 列 を 算 出 す る 。
可 操 作 楕 円 算 出 部 ９ ３ は 、 下 記 式 を 用 い て ヤ コ ビ ア ン 行 列 を 特 異 値 分 解 し 、 被 験 者 の 手 先 の 可 操 作 性 を 示 す 可 操 作 楕 円 の 長 軸 の 大 き さ σ
ｌ ｏ ｎ ｇ 、 短 軸 の 大 き さ σ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ 、
お よ び 方 向 （ Ｕ
ｈ の 第 １ 列 ベ ク ト ル ） を 算 出 す る 。
【 数 ４ 】
【 ０ ０ ３ ５ 】
可 操 作 楕 円 算 出 部 ９ ３ は 、 可 操 作 楕 円 の 半 径 比 率 λ
ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ 及 び 傾 き θ ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ は
、 下 記 式 を 用 い て 算 出 す る 。 【 数 ５ 】
【 ０ ０ ３ ６ 】
目 標 値 算 出 部 ９ ４ は 、 可 操 作 楕 円 算 出 部 ９ ３ に よ り 算 出 さ れ た 可 操 作 楕 円 の 半 径 比 率 λ
ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ 及 び 傾 き θ ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ に 基 づ い て 、 下 記 式 を 用 い て ト ラ ッ キ ン グ 課 題 の 最 終 目
標 値 ｐ
ｆ ｉ ｎ ＝ [ ｐｒ ｘ 、 ｐｒ ｙ ] Ｔ
を 算 出 す る 。 ｐ
ｆ ｉ ｎ ＝ ｆ （ λ ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ 、 θ ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ ）
【 ０ ０ ３ ７ 】
但 し 、 上 記 最 終 目 標 値 ｐ
ｆ ｉ ｎ は 、 ト ラ ッ キ ン グ 課 題 に お い て 、 被 験 者 が 表 示 装 置 １ ０
の 表 示 画 面 上 で 目 視 に よ り 操 作 目 標 と す る 操 作 目 標 位 置 （ 例 え ば 、 タ ー ゲ ッ ト マ ー ク の ２ 次 元 座 標 位 置 ） で あ る 。
【 ０ ０ ３ ８ 】
目 標 値 算 出 部 ９ ４ は 、 算 出 し た 最 終 目 標 値 ｐ
ｆ ｉ ｎ を 表 示 装 置 １ ０ に 対 し て 出 力 す る 。
表 示 装 置 １ ０ は 、 表 示 画 面 の ２ 次 元 座 標 系 に お い て 、 目 標 値 算 出 部 ９ ４ か ら 出 力 さ れ た 最 終 目 標 値 ｐ
ｆ ｉ ｎ を 操 作 目 標 の タ ー ゲ ッ ト マ ー ク と し て 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル
２ ６ の 現 在 位 置 を 示 す タ ー ゲ ッ ト マ ー ク と 共 に 表 示 す る 。 【 ０ ０ ３ ９ 】
10
20
30
40 【 ０ ０ ４ ０ 】
上 記 最 終 目 標 値 ｐ
ｆ ｉ ｎ を 下 記 式 で 表 す こ と が で き る 。 下 記 式 に お い て 、 Ｒ （ θ ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ ） は 回 転 行 列 で あ る 。 θ ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ ＝ ０ ＋ π （ ｋ − １ ） ／ ８ （ ｋ ＝ １ 、 ・ ・ ・ 、 ８ ）
は 、 最 終 目 標 値 ｐ
ｆ ｉ ｎ の 主 軸 （ ２ 次 元 座 標 系 の 原 点 と ｐｆ ｉ ｎ と を 結 ぶ 線 で あ り 、 仮 想
の ガ イ ド ラ イ ン ） の 回 転 角 度 で あ る 。 【 数 ６ 】
【 ０ ０ ４ １ 】
上 記 式 に お い て 、 ｐ
ｒ ｘ ０ は 、 最 終 目 標 値 の 信 号 で あ り 、 下 記 正 弦 波 で 表 す こ と が で き
る 。 ｐ
ｒ ｘ ０ ＝ Ａｒ ｓ ｉ ｎ （ ２ π ｆ ｔ ）
上 記 正 弦 波 の 振 幅 Ａｒ は 、 最 終 目 標 値 ｐｆ ｉ ｎ の 主 軸 の 回 転 角 度 θ ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ だ け で な
く 、 可 操 作 楕 円 の 半 径 に 応 じ て 変 化 す る 。 【 ０ ０ ４ ２ 】
す な わ ち 、 正 弦 波 の 振 幅 Ａ
ｒ は 、 可 操 作 楕 円 の 長 軸 方 向 （ 被 験 者 の 上 肢 が 動 作 し 易 い 方
向 ） に は 大 き く 変 化 す る 。 こ の た め 、 表 示 装 置 １ ０ の 表 示 画 面 上 に お い て 可 操 作 楕 円 の 長 軸 方 向 に 最 終 目 標 値 ｐ
ｆ ｉ ｎ は 大 き く 変 化 す る 。 一 方 、 正 弦 波 の 振 幅 Ａｒ は 、 可 操 作 楕 円
の 短 軸 方 向 （ 被 験 者 の 上 肢 が 動 作 し 難 い 方 向 ） に は 小 さ く 変 化 す る 。 こ の た め 、 表 示 装 置 １ ０ の 表 示 画 面 上 に お い て 可 操 作 楕 円 の 短 軸 方 向 に 最 終 目 標 値 ｐｆ ｉ ｎ は 小 さ く 変 化 す る
。 こ の よ う に 、 被 験 者 に 無 理 の な い ト ラ ッ キ ン グ 課 題 と な る よ う な 最 終 目 標 値 ｐ
ｆ ｉ ｎ が
生 成 さ れ る 。 【 ０ ０ ４ ３ 】
但 し 、 上 記 式 に お い て 、 正 弦 波 の 周 波 数 を 、 例 え ば ｆ ＝ ０ ． ３ （ Ｈ ｚ ） と し 、 振 幅 Ａ
ｒ
を 下 記 式 で 表 す こ と が で き る 。 【 数 ７ 】
【 ０ ０ ４ ４ 】
上 記 式 に お い て 、 可 操 作 楕 円 の 長 径 Ｒ
ｅ ｌ 及 び 短 径 Ｒｅ ｓ は 、 下 記 式 を 用 い て 算 出 で き
る 。 下 記 式 に お い て 、 Ｒ
ｅ ｎ は 可 操 作 楕 円 の ノ ミ ナ ル 半 径 で あ り 、 予 め 設 計 時 に 設 定 さ れ
10
20
30
40
50 【 数 ８ 】
【 ０ ０ ４ ５ 】 な お 、 回 転 角 度 θ
ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ ＝ ０ ＋ π （ ｋ − １ ） ／ ８ （ ｋ ＝ １ 、 ・ ・ ・ 、 ８ ） と し て い
る が 、 こ れ に 限 ら な い 。 例 え ば 、 回 転 角 度 θ
ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ ＝ ０ ＋ π （ ｋ − １ ） ／ ｎ （ ｋ ＝ １
、 ・ ・ ・ 、 ｎ ） と し も よ い 。 ｎ を 増 加 さ せ る こ と で 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ を よ り 滑 ら か に ガ イ ド す る こ と が で き る 。
目 標 値 算 出 部 ９ ４ は 、 算 出 し た 最 終 目 標 値 ｐ
ｆ ｉ ｎ の 主 軸 の 回 転 角 度 θ ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ を 回
転 変 換 部 ９ ５ に 出 力 す る 。 【 ０ ０ ４ ６ 】
続 い て 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 操 作 を ガ イ ド す る た め の 、 仮 想 の ガ イ ド ラ イ ン （ 以 下 、 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン ） を 作 成 す る ２ 自 由 度 ア ド ミ タ ン ス 制 御 に つ い て 詳 細 に 説 明 す る 。 回 転 変 換 部 ９ ５ は 、 第 １ 回 転 セ ン サ ６ か ら 出 力 さ れ る 第 １ 関 節 軸 ２ ２ の 回 転 角 θ
１ と 第
２ 回 転 セ ン サ ７ か ら 出 力 さ れ る 第 ２ 関 節 軸 ２ ４ の 回 転 角 θ
２ と 、 に 基 づ い て 、 力 セ ン サ ８
か ら 出 力 さ れ る 力 値 信 号 を 、 下 記 式 を 用 い て 回 転 変 換 す る こ と で ワ ー ル ド 座 標 系 の 力 値 信 号 に 変 換 す る 。 こ こ で 、 上 記 回 転 変 換 前 の 力 値 信 号 （ 力 ベ ク ト ル ） は 、 ｆ
ｅ ｘ ｔ ０ ＝ [ ｆ ｅ ｘ ０ ｆｅ ｙ ０ ]
Ｔ
で あ り 、 上 記 回 転 変 換 後 の 力 値 信 号 （ 力 ベ ク ト ル ） は 、 ｆ
ｅ ｘ ｔ ＝ [
ｆ
ｅ ｘ ｆｅ ｙ ] Ｔ
で あ る 。 ｆ
ｅ ｘ ｔ ＝ Ｒ （ θ ｘ ） ｆｅ ｘ ｔ ０
θ
ｘ ＝ θ １ ＋ θ ２ − π ／ ２
【 ０ ０ ４ ７ 】
ア ド ミ タ ン ス 制 御 部 ９ ６ は 、 回 転 変 換 部 ９ ５ に よ り 変 換 さ れ た 力 信 号 ｆ
ｅ ｘ ｔ に 基 づ い
て 、 下 記 式 を 用 い て 、 作 業 空 間 に お け る グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ の 操 作 目 標 位 置 で あ る 制 御 目 標 値 ｐ
ｒ ｅ ｆ を 算 出 す る 。
【 ０ ０ ４ ８ 】
ア ド ミ タ ン ス 制 御 部 ９ ６ は 、 下 記 式 に 示 す 如 く 、 回 転 変 換 部 ９ ５ か ら の 力 値 信 号 ｆ
ｅ ｘ ｔ に 対 し て 、 最 終 目 標 値 ｐｆ ｉ ｎ の 主 軸 の 回 転 角 度 θ ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ ＝ ０ ＋ π （ ｋ − １ ） ／ ８
を 用 い て 回 転 変 換 Ｒ （ θ
ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ ） を 行 う 。 そ し て 、 ア ド ミ タ ン ス 制 御 部 ９ ６ は 、 回 転
変 換 Ｒ （ θ
ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ ） 後 、 ア ド ミ タ ン ス 行 列 Ｇａ ｄ ｍ （ ｓ ） に よ る 変 換 （ ア ド ミ タ ン ス
制 御 ） を 行 い 、 逆 回 転 変 換 Ｒ
Ｔ
（ θ
ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ ） を 行 う こ と で 、 制 御 目 標 値 ｐｒ ｅ ｆ を 算
出 す る 。 【 数 ９ 】
【 ０ ０ ４ ９ 】
上 記 式 に お い て 、 Ｄ
10
20
30
40
50 グ 定 数 で あ り 、 Ｋ
ａ ｄ ｍ １ は 主 軸 方 向 の ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 で あ る 。 Ｄａ ｄ ｍ ２ は 副 軸 方
向 （ 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン の 方 向 に 対 し て 垂 直 方 向 ） に 対 す る ダ ン ピ ン グ 定 数 で あ り 、 Ｋ
ａ ｄ ｍ ２ は 副 軸 方 向 の ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 で あ る 。
【 ０ ０ ５ ０ 】
例 え ば 、 主 軸 方 向 の ダ ン ピ ン グ 定 数 Ｄ
ａ ｄ ｍ １ 及 び ／ 又 は ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 Ｋａ ｄ ｍ １ を 低 く 設 定 し 、 副 軸 方 向 の ダ ン ピ ン グ 定 数 Ｄａ ｄ ｍ ２ 及 び ／ 又 は ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 Ｋ ａ ｄ ｍ ２ を 高 く 設 定 す る 。 こ れ に よ り 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ を 主 軸 方 向 に
操 作 し た と き 低 負 荷 と な り 、 副 軸 方 向 に 操 作 し た と き 高 負 荷 と な る 。 し た が っ て 、 被 験 者 は グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ を 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン の 方 向 に 操 作 し と き 低 負 荷 を 感 じ 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ を 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン か ら 外 れ た 方 向 に 操 作 を 行 っ た と き 、 高 負 荷 を 感 じ る 。 こ の よ う に し て 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ の 操 作 を 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン に 沿 っ て 操 作 目 標 位 置 （ 制 御 目 標 値 ｐ
ｒ ｅ ｆ ） の 方 向 に 自 然 と ガ イ ド す
る こ と が で き る 。 し た が っ て 、 被 験 者 は 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ を 操 作 目 標 位 置 に 向 け て 容 易 に 操 作 で き る た め 、 そ の 負 荷 を 適 度 に 軽 減 で き る 。
【 ０ ０ ５ １ 】
逆 キ ネ マ テ ィ ク ス 部 ９ ７ は 、 下 記 逆 キ ネ マ テ ィ ク ス 関 数 Ｉ Ｋ （ ） を 用 い て 、 ア ド ミ タ ン ス 制 御 部 ９ ６ か ら 出 力 さ れ る 作 業 空 間 に お け る 制 御 目 標 値 ｐ
ｒ ｅ ｆ を 関 節 空 間 に お け る 制
御 目 標 値 θ
ｒ ｅ ｆ に 変 換 す る 。
θ
ｒ ｅ ｆ ＝ Ｉ Ｋ （ ｐｒ ｅ ｆ ）
【 ０ ０ ５ ２ 】
次 に 、 上 述 し た 下 位 制 御 系 に つ い て 、 詳 細 に 説 明 す る 。
制 御 装 置 ９ は 、 下 位 制 御 系 に お い て 、 上 位 制 御 系 で 算 出 し た 関 節 空 間 の 制 御 目 標 値 θ
ｒ ｅ ｆ ＝ [ θ ｒ １ θ ｒ ２ ] を グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 第 １ 及 び 第 ２ 関 節 軸 ２ ２ 、 ２ ４ の 回 転 角
θ
１ 、 θ ２ を 追 従 さ せ る 位 置 制 御 を 行 う 。 下 位 制 御 系 は 、 Ｐ Ｉ Ｄ 制 御 か ら な る フ ィ ー ド バ
ッ ク 部 分 と 慣 性 補 償 及 び 摩 擦 補 償 か ら な る フ ィ ー ド フ ォ ワ ー ド 部 分 と を 含 む 。 【 ０ ０ ５ ３ 】
制 御 装 置 ９ は 、 上 位 制 御 系 の 逆 キ ネ マ テ ィ ク ス 部 ９ ７ か ら 出 力 さ れ た 制 御 目 標 値 θ
ｒ ｅ ｆ に 、 第 １ 及 び 第 ２ 回 転 セ ン サ ６ 、 ７ に よ り 検 出 さ れ た グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 第 １ 及 び 第
２ 関 節 軸 ２ ２ 、 ２ ４ の 回 転 角 θ
１ 、 θ ２ を 追 従 さ せ る よ う に 、 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ
４ 、 ５ に 対 す る ト ル ク 指 令 値 τ
１ 、 τ ２ を 下 記 式 を 用 い て 夫 々 算 出 す る 。 制 御 装 置 ９ は 、
算 出 し た ト ル ク 指 令 値 τ
１ 、 τ ２ に 応 じ た 制 御 信 号 を 生 成 し 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４
、 ５ に 対 し て 出 力 す る こ と で 、 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４ 、 ５ を 夫 々 制 御 す る 。 【 数 １ ０ 】
【 ０ ０ ５ ４ 】
上 記 式 に お い て 、 ｉ ＝ １ 、 ２ で あ り 、 ｉ ＝ １ は 第 １ 関 節 軸 ２ ２ を 表 し 、 ｉ ＝ ２ は 第 ２ 関 節 軸 ２ ４ を 表 し て い る 。 Ｉ
ｍ ハ ッ ト は グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ の 慣 性 モ ー メ ン
ト の 推 定 値 、 Ｂ
ｍ ハ ッ ト は 粘 性 摩 擦 項 係 数 の 推 定 値 、 Ｄｍ ハ ッ ト は 動 摩 擦 係 数 の 推 定 値 、
を 夫 々 示 し て い る 。 Ｉ
ｍ ハ ッ ト 、 Ｂｍ ハ ッ ト 、 Ｄｍ ハ ッ ト は 、 慣 性 補 償 お よ び 摩 擦 補 償 の
た め 最 小 ２ 乗 法 に よ り オ フ ラ イ ン 同 定 さ れ て い る 。 Ｋ
ｐ 、 Ｋｉ 、 Ｋｄ は 、 Ｐ Ｉ Ｄ 制 御 の 比
例 ゲ イ ン 、 積 分 ゲ イ ン 、 微 分 ゲ イ ン を 夫 々 示 し て い る 。 【 ０ ０ ５ ５ 】
制 御 装 置 ９ は 、 上 記 式 に 基 づ い て 、 慣 性 補 償 部 、 摩 擦 補 償 部 、 及 び 、 Ｐ Ｉ Ｄ 制 御 に よ る フ ィ ー ド バ ッ ク 部 を 含 む 、 下 位 制 御 を 実 行 す る こ と が で き る 。 こ の 下 位 制 御 系 に お い て 、 慣 性 補 償 部 及 び 、 特 に 、 摩 擦 補 償 部 を 含 む こ と で 、 安 価 な サ ー ボ モ ー タ を 用 い る こ と が で き る た め 、 コ ス ト 低 減 に 繋 が る 。
【 ０ ０ ５ ６ 】
制 御 装 置 ９ は 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 第 １ 及 び 第 ２ 関 節 軸 ２ ２ 、 ２ ４ の 回 転 角 θ ＝ [ θ
１ θ ２ ] Ｔ
10
20
30
40
50 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ の 現 在 位 置 ｐ ＝ [ ｐ
ｘ ｐｙ ] Ｔ
を 算 出 し 、 表 示 装 置 １ ０ に 出 力 す る 。 表 示 装 置 １ ０ は 、 表 示 画 面 の ２ 次 元 座 標 系 で 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ の 現 在 位 置 ｐ ＝ [ ｐ
ｘ ｐｙ ] Ｔ
に 対 応 し た 位 置 に タ ー ゲ ッ ト マ ー ク を 表 示 さ せ る 。 ｐ ＝ Ｆ Ｋ （ θ ）
【 ０ ０ ５ ７ 】
図 ４ は 、 本 実 施 の 形 態 に 係 る ア ド ミ タ ン ス 制 御 に よ る 効 果 を 示 す 図 で あ る 。 但 し 、 本 ア ド ミ タ ン ス 制 御 に お い て 、 可 操 作 楕 円 は 考 慮 さ れ て い な い 。 図 ４ に 示 す 如 く 、 作 業 空 間 に お い て 、 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン に よ り 円 周 方 向 に ２ ２ ． ５ （ ｄ ｅ ｇ ） 毎 に 等 分 割 さ れ て お り 、 そ の 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン に 沿 っ て 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル を ス ム ー ズ に 操 作 可 能 で あ る こ と が 確 認 で き る 。
【 ０ ０ ５ ８ 】
図 ５ は 、 被 験 者 の 上 肢 を 水 平 面 内 で 横 方 向 に 回 転 動 作 さ せ た と き の 、 可 操 作 楕 円 の 形 状 を 示 す 図 で あ る 。 図 ５ に 示 す 如 く 、 被 験 者 の 手 先 の 円 弧 運 動 に 応 じ て 、 そ の 円 弧 の 円 周 方 向 に 可 操 作 楕 円 の 長 軸 が 配 置 さ れ て い る 。 し た が っ て 、 算 出 さ れ た 可 操 作 楕 円 の 形 状 が 良 好 で あ る こ と が 分 か る 。 ま た 、 円 弧 の 半 径 方 向 に 可 操 作 楕 円 の 短 軸 が 配 置 さ れ て お り 、 そ の 半 径 方 向 が 動 か し 難 い 方 向 で あ る こ と が 分 か る 。 本 実 施 の 形 態 に 係 る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 １ は 、 こ の よ う な 上 肢 の 姿 勢 の 場 合 、 手 先 の 円 弧 運 動 の 円 周 方 向 に 大 き く 半 径 方 向 に 小 さ く グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ を 操 作 す る ト ラ ッ キ ン グ 課 題 を 設 定 す る 。
【 ０ ０ ５ ９ 】
図 ６ は 、 図 ５ 左 端 に お け る 腕 姿 勢 （ ａ ） の と き の 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン を 示 す 図 で あ る 。 図 ７ は 、 図 ５ 右 端 に お け る 腕 姿 勢 （ ｂ ） の と き の 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン を 示 す 図 で あ る 。
図 ６ 及 び 図 ７ に 示 す 如 く 、 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン に 沿 っ た 制 御 目 標 値 ｐ
ｆ ｉ ｎ が 可 操 作 楕 円
の 大 き さ に よ り 制 限 さ れ て 、 腕 の 動 作 し 易 い 方 向 （ 可 操 作 楕 円 の 長 軸 方 向 ） に は 長 く 、 腕 の 動 作 し 難 い 方 向 （ 可 操 作 楕 円 の 短 軸 方 向 ） に は 短 く 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 操 作 が 誘 導 さ れ て い る こ と が 分 か る 。 よ っ て 、 被 験 者 は 無 理 の 無 い リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン を 行 う こ と が で き る こ と が 分 か る 。
【 ０ ０ ６ ０ 】
次 に 、 本 実 施 の 形 態 に 係 る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 の 制 御 方 法 に つ い て 詳 細 に 説 明 す る 。 図 ８ は 、 本 実 施 の 形 態 に 係 る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 の 制 御 処 理 フ ロ ー を 示 す フ ロ ー チ ャ ー ト で あ る 。 な お 、 図 ８ に 示 す 制 御 処 理 は 所 定 時 間 毎 に 繰 り 返 し 実 行 さ れ る 。
【 ０ ０ ６ １ 】
カ メ ラ ３ は 、 被 験 者 の 腕 の 各 画 像 マ ー カ Ｍ を 撮 影 し 、 撮 影 し た 撮 影 画 像 を 制 御 装 置 ９ に 出 力 す る 。 円 ハ フ 変 換 部 ９ １ は 、 カ メ ラ ３ か ら 出 力 さ れ た 各 画 像 マ ー カ Ｍ の 撮 影 画 像 を 円 ハ フ 変 換 し て 各 画 像 マ ー カ の 中 心 位 置 ｐ
ｃ ｊ を 算 出 し 、 関 節 角 度 変 換 部 ９ ２ に 出 力 す る （
ス テ ッ プ Ｓ １ ０ １ ） 。 【 ０ ０ ６ ２ 】
関 節 角 度 変 換 部 ９ ２ は 、 円 ハ フ 変 換 部 ９ １ か ら 出 力 さ れ た 各 画 像 マ ー カ の 中 心 位 置 ｐ
ｃ ｊ を 変 換 行 列 に よ り ワ ー ル ド 座 標 系 の 中 心 位 置 ｐｊ に 変 換 し 、 上 肢 の ヤ コ ビ ア ン 行 列 を 算
出 し 、 可 操 作 楕 円 算 出 部 ９ ３ に 出 力 す る （ ス テ ッ プ Ｓ １ ０ ２ ） 。 【 ０ ０ ６ ３ 】
可 操 作 楕 円 算 出 部 ９ ３ は 、 関 節 角 度 変 換 部 ９ ２ か ら 出 力 さ れ た ヤ コ ビ ア ン 行 列 を 特 異 値 分 解 し 、 可 操 作 楕 円 の 長 軸 の 長 さ σ
ｌ ｏ ｎ ｇ 、 短 軸 の 長 さ σ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ 、 お よ び 方 向 （ Ｕ ｈ の 第 １ 列 ベ ク ト ル ） を 算 出 し 、 可 操 作 楕 円 の 半 径 比 率 λ ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ 及 び 傾 き θ ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ を 算 出 す る （ ス テ ッ プ Ｓ １ ０ ３ ） 。 可 操 作 楕 円 算 出 部 ９ ３ は 、 算 出 し た 可 操 作 楕 円 の 半
径 比 率 λ
ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ 及 び 傾 き θ ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ を 目 標 値 算 出 部 ９ ４ に 出 力 す る 。
【 ０ ０ ６ ４ 】
目 標 値 算 出 部 ９ ４ は 、 可 操 作 楕 円 算 出 部 ９ ３ か ら 出 力 さ れ た 可 操 作 楕 円 の 半 径 比 率 λ
ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ 及 び 傾 き θ ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ に 基 づ い て 、 ト ラ ッ キ ン グ 課 題 の 最 終 目 標 値 ｐｆ ｉ ｎ ＝ [
ｐ
ｒ ｘ 、 ｐｒ ｙ ] Ｔ
10
20
30
40
50 表 示 装 置 １ ０ は 、 表 示 画 面 の ２ 次 元 座 標 系 に お い て 、 目 標 値 算 出 部 ９ ４ か ら 出 力 さ れ た
最 終 目 標 値 ｐ
ｆ ｉ ｎ を 操 作 目 標 の タ ー ゲ ッ ト マ ー ク と し て 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド
ル ２ ６ の 現 在 位 置 を 示 す タ ー ゲ ッ ト マ ー ク と 共 に 表 示 す る （ ス テ ッ プ Ｓ １ ０ ５ ） 。 【 ０ ０ ６ ６ 】
回 転 変 換 部 ９ ５ は 、 第 １ 回 転 セ ン サ ６ か ら 出 力 さ れ る 第 １ 関 節 軸 ２ ２ の 回 転 角 θ
１ と 第
２ 回 転 セ ン サ ７ か ら 出 力 さ れ る 第 ２ 関 節 軸 ２ ４ の 回 転 角 θ
２ と 、 に 基 づ い て 、 力 セ ン サ ８
か ら 出 力 さ れ る 力 値 信 号 ｆ
ｅ ｘ ｔ ０ を 、 回 転 変 換 す る こ と で ワ ー ル ド 座 標 系 の 力 値 信 号 ｆ ｅ ｘ ｔ に 変 換 し 、 ア ド ミ タ ン ス 制 御 部 ９ ６ に 出 力 す る （ ス テ ッ プ Ｓ １ ０ ６ ） 。
【 ０ ０ ６ ７ 】
ア ド ミ タ ン ス 制 御 部 ９ ６ は 、 回 転 変 換 部 ９ ５ か ら 出 力 さ れ た ワ ー ル ド 座 標 系 の 力 値 信 号 ｆ
ｅ ｘ ｔ に 基 づ い て 、 作 業 空 間 に お け る グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ の 位 置 で あ る
制 御 目 標 値 ｐ
ｒ ｅ ｆ を 算 出 し 、 逆 キ ネ マ テ ィ ク ス 部 ９ ７ に 出 力 す る （ ス テ ッ プ Ｓ １ ０ ７ ）
。
【 ０ ０ ６ ８ 】
逆 キ ネ マ テ ィ ク ス 部 ９ ７ は 、 逆 キ ネ マ テ ィ ク ス 関 数 Ｉ Ｋ （ ） を 用 い て 、 ア ド ミ タ ン ス 制 御 部 ９ ６ か ら 出 力 さ れ る 作 業 空 間 に お け る 制 御 目 標 値 ｐｒ ｅ ｆ を 関 節 空 間 に お け る 制 御 目
標 値 θ
ｒ ｅ ｆ に 変 換 す る （ ス テ ッ プ Ｓ １ ０ ８ ） 。
【 ０ ０ ６ ９ 】
制 御 装 置 ９ は 、 上 位 制 御 系 の 逆 キ ネ マ テ ィ ク ス 部 ９ ７ か ら 出 力 さ れ た 制 御 目 標 値 θ
ｒ ｅ ｆ に 、 第 １ 及 び 第 ２ 回 転 セ ン サ ６ 、 ７ に よ り 検 出 さ れ た グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 第 １ 及 び 第
２ 関 節 軸 ２ ２ 、 ２ ４ の 回 転 角 θ
１ 、 θ ２ を 追 従 さ せ る よ う に 、 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ
４ 、 ５ に 対 す る ト ル ク 指 令 値 τ
１ 、 τ ２ を 夫 々 算 出 す る （ ス テ ッ プ Ｓ １ ０ ９ ） 。 制 御 装 置
９ は 、 算 出 し た ト ル ク 指 令 値 τ
１ 、 τ ２ に 応 じ た 制 御 信 号 を 生 成 し 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ
ー タ ４ 、 ５ に 対 し て 出 力 す る こ と で 、 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４ 、 ５ を 夫 々 制 御 す る 。 【 ０ ０ ７ ０ 】
以 上 、 本 実 施 の 形 態 に 係 る リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 １ に お い て 、 被 験 者 の 手 先 の 可 操 作 性 を 示 す 可 操 作 楕 円 を 算 出 し 、 該 算 出 し た 可 操 作 楕 円 に 基 づ い て グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ の 操 作 目 標 位 置 を 算 出 し 、 表 示 装 置 １ ０ に 表 示 さ せ る 。 さ ら に 、 リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 １ に お い て 、 力 セ ン サ ８ に よ り 検 出 さ れ た 外 力 と 、 算 出 し た 操 作 目 標 位 置 と 、 に 基 づ い て 、 ア ド ミ タ ン ス 制 御 を 行 い 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の 第 １ 及 び 第 ２ 関 節 軸 ２ ２ 、 ２ ４ の 操 作 量 の 目 標 値 を 算 出 し 、 該 算 出 し た 操 作 量 の 目 標 値 に 第 １ 及 び 第 ２ 回 転 セ ン サ ６ 、 ７ に よ り 検 出 さ れ た 第 １ 及 び 第 ２ 関 節 軸 ２ ２ 、 ２ ４ の 回 転 角 が 追 従 す る よ う に 第 １ 及 び 第 ２ サ ー ボ モ ー タ ４ 、 ５ を 制 御 す る 。
【 ０ ０ ７ １ 】
こ れ に よ り 、 被 験 者 の 上 肢 の 姿 勢 に 基 づ い た 可 操 作 楕 円 を 考 慮 し て 操 作 目 標 位 置 が 設 定 さ れ る 。 こ の た め 、 被 験 者 に 無 理 な 負 荷 を 強 い る こ と が な い 。 さ ら に 、 被 験 者 が グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ を 操 作 目 標 位 置 の 方 向 に 操 作 し 易 い よ う に ガ イ ド す る ア ド ミ タ ン ス 制 御 を 行 う 。 こ れ に よ り 、 被 験 者 に 掛 か る 負 荷 を 適 度 に 軽 減 で き る 。 す な わ ち 、 被 験 者 の 姿 勢 に 応 じ た 最 適 な リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 訓 練 を 行 う こ と が で き る 。
【 ０ ０ ７ ２ 】
な お 、 本 発 明 は 上 記 実 施 の 形 態 に 限 ら れ た も の で は な く 、 趣 旨 を 逸 脱 し な い 範 囲 で 適 宜 変 更 す る こ と が 可 能 で あ る 。
【 ０ ０ ７ ３ 】
10
20
30
40
50 【 ０ ０ ７ ４ 】
ま た 、 制 御 装 置 ９ は 、 例 え ば 、 デ プ ス セ ン サ （ キ ネ ク ト （ 登 録 商 標 ） ） か ら 出 力 さ れ る 信 号 に 基 づ い て 、 上 記 可 操 作 楕 円 を 算 出 し て も よ い 。 制 御 装 置 ９ は 、 例 え ば 、 デ プ ス セ ン サ か ら 出 力 さ れ る 深 度 情 報 と 、 予 め 設 定 さ れ た 関 節 角 度 の 運 動 モ デ ル と 、 に 基 づ い て 上 肢 の 関 節 角 度 を 算 出 し 、 該 算 出 し た 関 節 角 度 と 、 上 肢 の ヤ コ ビ ア ン 行 列 と に 基 づ い て 上 記 可 操 作 楕 円 を 算 出 す る 。
【 ０ ０ ７ ５ 】
制 御 装 置 ９ は 、 上 位 制 御 系 に お い て 、 力 セ ン サ ８ に よ り 検 出 さ れ た グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル に 作 用 す る 外 力 に 基 づ い て 、 ２ 自 由 度 ア ド ミ タ ン ス 制 御 を 行 っ て 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン を 算 出 し て い る が 、 こ れ に 限 ら な い 。 制 御 装 置 ９ は 、 上 位 制 御 系 に お い て 、 力 セ ン サ ８ に よ り 検 出 さ れ た グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル に 作 用 す る 外 力 に 基 づ い て 、 ２ 自 由 度 イ ン ピ ー ダ ン ス 制 御 を 行 っ て 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン を 算 出 し て も よ い 。
【 ０ ０ ７ ６ 】
上 記 実 施 の 形 態 に お い て 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ は 、 例 え ば 、 ３ つ の 関 節 軸 を 有 し 、 ハ ン ド ル ２ ６ が ３ 次 元 空 間 上 の 任 意 の 位 置 に 移 動 す る 構 成 で あ っ て も よ い 。 こ の 場 合 、 可 操 作 楕 円 算 出 部 ９ ３ は 、 上 肢 の ヤ コ ビ ア ン 行 列 を 特 異 値 分 解 し 、 被 験 者 の 手 先 の 可 操 作 性 を 示 す 可 操 作 楕 円 体 の 長 軸 の 大 き さ 、 短 軸 の 大 き さ 、 お よ び 方 向 を 算 出 し 、 可 操 作 楕 円 体 の 半 径 比 率 λ
ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ 及 び 傾 き θ ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ を 算 出 す る 。 目 標 値 算 出 部 ９ ４ は 、 可 操 作 楕 円
算 出 部 ９ ３ に よ り 算 出 さ れ た 可 操 作 楕 円 体 の 半 径 比 率 λ
ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ 及 び 傾 き θ ｅ ｌ ｌ ｉ ｐ
に 基 づ い て 、 ト ラ ッ キ ン グ 課 題 の 最 終 目 標 値 ｐ
ｆ ｉ ｎ を 算 出 す る 。 一 方 、 ア ド ミ タ ン ス 制
御 部 ９ ６ は 、 回 転 変 換 Ｒ （ θ
ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ ） 後 、 ３ 行 ３ 列 の ア ド ミ タ ン ス 行 列 に よ る 変 換 （
ア ド ミ タ ン ス 制 御 ） を 行 い 、 逆 回 転 変 換 Ｒ
Ｔ
（ θ
ｒ ｏ ｔ ＿ ｋ ） を 行 う こ と で 、 制 御 目 標 値
ｐ
ｒ ｅ ｆ を 算 出 す る 。
【 ０ ０ ７ ７ 】
上 記 実 施 の 形 態 に お い て 、 制 御 装 置 ９ の ア ド ミ タ ン ス 制 御 部 ９ ６ は 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ の 現 在 位 置 が 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン か ら 副 軸 方 向 に 外 れ る に 従 が っ て 、 ダ ン ピ ン グ 定 数 Ｄ
ａ ｄ ｍ ２ 及 び ／ 又 は ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 Ｋａ ｄ ｍ ２ を 徐 々 高 く 設 定 し て も よ
い 。 こ れ に よ り 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ を 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン 上 に ゆ る や か に 導 く こ と が で き る 。
【 ０ ０ ７ ８ 】
上 記 実 施 の 形 態 に お い て 、 制 御 装 置 ９ の ア ド ミ タ ン ス 制 御 部 ９ ６ は 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ の 現 在 位 置 が 可 操 作 楕 円 の 外 側 に 出 た と 判 断 す る と 、 ダ ン ピ ン グ 定 数 Ｄ
ａ ｄ ｍ １ 、 Ｄａ ｄ ｍ ２ 及 び ／ 又 は ス テ ィ ッ フ ネ ス 定 数 Ｋａ ｄ ｍ １ 、 Ｋａ ｄ ｍ ２ を 所 定 量 だ
け 急 激 に 増 加 さ せ て も よ い 。 こ れ に よ り 、 グ リ ッ プ レ バ ー 部 ２ の ハ ン ド ル ２ ６ の 位 置 が 可 操 作 楕 円 の 外 側 に 外 れ る と ハ ン ド ル ２ ６ の 動 作 が 急 激 に 固 く な る 。 し た が っ て 、 ハ ン ド ル ２ ６ が 可 操 作 楕 円 の 外 側 に 外 れ る の を 抑 制 で き 、 被 験 者 に 無 理 な 姿 勢 を 強 制 的 に 抑 制 で き る 。
【 ０ ０ ７ ９ 】
上 記 実 施 の 形 態 に お い て 、 リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 装 置 １ は 、 被 験 者 の 上 肢 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 訓 練 を 行 っ て い る が 、 こ れ に 限 ら ず 、 例 え ば 、 被 験 者 の 下 肢 の リ ハ ビ リ テ ー シ ョ ン 訓 練 を 行 っ て も よ い 。 制 御 装 置 ９ は 、 上 位 制 御 系 に お い て 、 カ メ ラ ３ に よ り 撮 影 さ れ た 被 験 者 の 下 肢 の 姿 勢 の 画 像 に 基 づ い て 、 可 操 作 楕 円 を 算 出 す る 。 制 御 装 置 ９ は 、 上 位 制 御 系 に お い て 、 力 セ ン サ ８ に よ り 検 出 さ れ た 下 肢 の 外 力 に 基 づ い て ア ド ミ タ ン ス 制 御 を 行 い 、 操 作 目 標 位 置 の 仮 想 ガ イ ド ラ イ ン を 算 出 す る 。
【 ０ ０ ８ ０ 】
本 発 明 は 、 例 え ば 、 図 ８ に 示 す 処 理 を 、 Ｃ Ｐ Ｕ ９ ａ に コ ン ピ ュ ー タ プ ロ グ ラ ム を 実 行 さ せ る こ と に よ り 実 現 す る こ と も 可 能 で あ る 。
【 ０ ０ ８ １ 】
