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技術 全方向移動型パワーアシスト装置および全方向移動型パワーアシスト装置の制御方法

出願人 国立大学法人豊橋技術科学大学
発明者 寺嶋一彦ウルバノグティレスジュアンバルタザル北村創
出願日 2007年5月9日 (13年6ヶ月経過) 出願番号 2007-124329
公開日 2008年11月20日 (12年0ヶ月経過) 公開番号 2008-279838
状態 特許登録済
技術分野 ハンドカート
主要キーワード 装置重心 意思入力 データ取得モード ノッチ特性 ペナルティ項 ハイパス特性 thenルール 仮想質量
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2008年11月20日)のものです。
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図面 (9)

課題

操作者操作力を加えるとき、装置の重心位置の認識に個人差があること及び力をセンサに対して人間の意思の通り正確に加えることできないことなどにより、操作者が意図していない方向に装置が動作してしまうという問題を解決した全方向移動パワーアシスト装置およびその技術を提供する。

解決手段

操作者が真に操作させたい方向を入力するタッチパネルと、それを教師信号として装置の操作方向を推論する方向推論部から構成することで上記課題を解決する。

概要

背景

パワーアシストとは、操作者物体を移動しようとする際、操作する力に基づいて駆動力を発生させ、操作者の負担を軽減する技術である。

わが国では、全人口あたりの65以上の割合が急増し、高齢化社会が進行しており、介護者の負担を軽減する車椅子の開発などが求められている。そのような中、パワーアシストを車輪駆動に利用した装置は、人力補助して、重い物や人などを乗せて移動できる特徴から、車椅子など介護の分野で広く使用されている。

特許文献1は、操作者が操作する力を元に駆動力を計算するパワーアシスト装置を備え、全方向に移動できる台車である。

特許文献2は、車体に設けられた介助用手押しハンドルモータの駆動によって動作するパワーアシスト技術を利用した車椅子であり、操舵用のバーハンドルの高さ調整可能とし、操作性を向上させたものである。

特許文献3は、作業者の好みに応じて、作業者が体感する仮想質量仮想粘性係数仮想ばね定数を変更することで、快適にパワーアシスト装置を用いた作業を行うことができるパワーアシスト装置である。
特開2001−233219公報
特開2002−153517公報
特開2005−154047公報

概要

操作者が操作力を加えるとき、装置の重心位置の認識に個人差があること及び力をセンサに対して人間の意思の通り正確に加えることできないことなどにより、操作者が意していない方向に装置が動作してしまうという問題を解決した全方向移動型パワーアシスト装置およびその技術を提供する。操作者が真に操作させたい方向を入力するタッチパネルと、それを教師信号として装置の操作方向を推論する方向推論部から構成することで上記課題を解決する。

目的

本発明では、パワーアシストを利用した車輪駆動装置の操作者が操作するときの癖にあわせて動作方向を推論することでユーザーフレンドリなパワーアシスト装置を提供することを課題とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

パワーアシストを利用した車輪駆動装置において、操作を行う者が所望する装置の動作方向を装置に伝達するためのインターフェイスとインターフェイスから伝達された動作方向を教師信号として装置の動作方向の推論を行う方向推論部を備えることを特徴とする装置。

請求項2

前記方向推論部がファジィニューラルネットワークを用いて装置の動作方向を推論することを特徴とする請求項1に記載の装置。

請求項3

前記インターフェイスが情報入力と装置の軌跡情報表示を行う画像表示部と画像表示部から入力された情報を方向情報へ変換し、方向推論部へ情報を伝達する情報変換部からなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の装置。

請求項4

パワーアシストを利用した車輪駆動装置の制御方法において、使用者が所望する装置の動作方向を教師信号として装置の動作方向の推論を行うことを特徴する方法。

請求項5

前記動作方向の推論が、ファジィニューラルネットワークを用いて行うことを特徴とする請求項4に記載の方法。

請求項6

使用者が所望する装置の動作方向を、画像表示装置から入力し、その入力情報を教師信号として与え、さらに実際に装置が動作した軌跡を表示することを特徴とする請求項4または請求項5に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、パワーアシストを利用した車輪駆動装置操作性向上を図る装置およびその制御方法に関するものである。

背景技術

0002

パワーアシストとは、操作者物体を移動しようとする際、操作する力に基づいて駆動力を発生させ、操作者の負担を軽減する技術である。

0003

わが国では、全人口あたりの65以上の割合が急増し、高齢化社会が進行しており、介護者の負担を軽減する車椅子の開発などが求められている。そのような中、パワーアシストを車輪駆動に利用した装置は、人力補助して、重い物や人などを乗せて移動できる特徴から、車椅子など介護の分野で広く使用されている。

0004

特許文献1は、操作者が操作する力を元に駆動力を計算するパワーアシスト装置を備え、全方向に移動できる台車である。

0005

特許文献2は、車体に設けられた介助用手押しハンドルモータの駆動によって動作するパワーアシスト技術を利用した車椅子であり、操舵用のバーハンドルの高さ調整可能とし、操作性を向上させたものである。

0006

特許文献3は、作業者の好みに応じて、作業者が体感する仮想質量仮想粘性係数仮想ばね定数を変更することで、快適にパワーアシスト装置を用いた作業を行うことができるパワーアシスト装置である。
特開2001−233219公報
特開2002−153517公報
特開2005−154047公報

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、特許文献1や特許文献2、特許文献3では、パワーアシスト技術を用いて操作者が操作力を加えるとき、装置の重心位置の認識に個人差があること及び力をセンサに対して人間の意思の通り正確に加えることできないことなどにより、操作者が意図していない方向に装置が動作してしまうという課題を抱えている。

0008

本発明では、パワーアシストを利用した車輪駆動装置の操作者が操作するときの癖にあわせて動作方向推論することでユーザーフレンドリなパワーアシスト装置を提供することを課題とする。

0009

また、上記のようにパワーアシストを利用した車輪駆動装置の動作方向を推論するとき、操作者が自らの意思を推論部に伝えるための分かりやすいインターフェイスを兼ね備えた装置を提供することも課題となる。

課題を解決するための手段

0010

以上の課題を解決するため、本発明者は鋭意検討を重ねた結果、次の発明を完成させるに至った。

0011

第一の発明は、パワーアシスト技術を利用する車輪駆動装置において、操作を行う者が所望する装置の動作方向を装置に伝達するためのインターフェイスとインターフェイスから伝達された動作方向を教師信号として装置の動作方向の推論を行う方向推論部を備えることを特徴とする装置である。

0012

第二の発明は、前記方向推論部がファジィニューラルネットワークを用いて装置の動作方向を推論することを特徴とする第一の発明に記載の装置である。

0013

第三の発明は、前記インターフェイスが情報入力と装置の軌跡情報表示を行うための画像表示部と画像表示部から入力された情報を方向情報へ変換し、方向推論部へ情報を伝達する情報変換部からなることを特徴とする第一の発明または第二の発明に記載の装置である。

0014

第四の発明は、パワーアシスト技術を利用する車輪駆動装置の制御方法において、使用者が所望するパワーアシスト装置の動作方向を教師信号として装置の動作方向の推論を行うことを特徴する方法である。

0015

第五の発明は、前記動作方向の推論が、ファジィニューラルネットワークを用いて行うことを特徴とする第四の発明に記載の方法である。

0016

第六の発明は、前記発明において、使用者が所望する装置の動作方向を、画像表示装置から入力し、その入力情報を教師信号として与え、さらに実際に装置が動作した軌跡を表示することを特徴とする方法である。

発明の効果

0017

上記本発明の装置および方法によれば、インターフェイスを通じて、操作者が所望する動作方向を方向推論の教師信号として与え、これをもとに操作者が真に操作したい方向を学習することで、個人の癖により操作者が意図しない動作方向に装置が動くことを防ぐことができる。

発明を実施するための最良の形態

0018

次に、本発明の実施形態について説明するが、本発明の技術的範囲は、これらの実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更することなく様々な形態で実施することが出来る。

0019

本発明の実施形態の一様は、図1のように、操作者の操作力を検出し、これを操作速度に変換するパワーアシストコントローラ、操作者の動作方向を方向推論部に伝達するためのインターフェイスであるタッチパネル、パワーアシストコントローラより入力された動作速度の方向をタッチパネルよりの教師信号を元に、ファジィニューラルネットワークを用いて推論する方向推論部、そして、装置が動作するときの振動を抑えるための制振部、そして実際の車輪部からなる。

0020

以下、詳細な説明を行う。図1記載のパワーアシストコントローラは、数1のような操作者が加えた操作力を速度に変換する。ここで、fxはx軸方向の操作力、fyはy軸方向の操作力を示し、mzはz軸周りに操作するモーメントを示す。

0021

0022

このとき、パワーアシスト手法として、力に比例した速度を発生させるような、速度制御手法を用いることが望ましい。これは、搭乗者負荷が変化しても加えた力に応じた速度を得ることができ、操作者が同じ操作力で操作できるからである。また、このような速度制御手法を用いると、斜面においても、力を加えなければ速度指令値であるため、車輪がロックされることにより、重力により滑り落ちることは無いという利点もある。

0023

操作力から装置の速度に変換する際、ニュートンの第二法則から明らかなように、操作力は加速度に対応しており、歩行による振動や手振れなど押す力が振動的であることは当然であるといえる。装置は速度制御を行っているため、パワーアシストコントローラには積分要素が必要である。単純な積分のみのコントローラの場合、操作者が操作力を加えている途中で手を離したときに、その瞬間の速度指令値を保持してしまい、動作し続けてしまう。そのため、加速度に比例する項、即ち速度に粘性特性を持たせることにより、介助者が手を離したとき、自然に停止するようにする。

0024

上記を満たす、質量をm、粘性摩擦係数をcとおき、 X軸方向の力fx[N]からX軸方向の速度vxP[m/s]、Y軸方向の力fy[N]からY軸方向の速度vxP[m/s]、Z軸周りのモーメントmz[Nm]からZ軸周りの角速度ωP [rad/s]を求めるパワーアシストコントローラは、ラプラス変換したs領域で以下のように表される。

0025

0026

ここで、Kαはα軸方向のゲイン、Tαはα軸方向のコントローラの時定数を示す。

0027

図1記載のタッチパネルは、情報入力と軌跡出力用の画像表示装置と入力された情報を方向推論部へ伝達する装置からなるものであり、操作者が操作したい意思を方向推論部に教師信号として伝達するインターフェイスである。さらに、このとき、装置が実際に動作した軌跡を表示できる機能が備わっていれば望ましい。インターフェイスとしては、例えば、キーボードディスプレーの組み合わせなど他の意思伝達ができるデバイスであれば、この限りではない。しかしながら、タッチパネルは、以下の理由からもっともふさわしい意思伝達デバイスであると考える。
(1)
視覚的に意思データを与えることが可能である。
(2)
意思入力を促すGUI(Graphical User Interface)を作成するのみでインターフェイスが構築できる。
(3)
装置が実際に動作した軌跡の表示が可能である。

0028

タッチパネルでは、並進移動での角度の指定、右回転左回転を指示できるようにする。
例えば、並進移動データ取得モードに設定し、チューニングしたい角度を与えたい場合は、タッチパネル画面上の部分をタッチすることにより、操作したい角度の大きさをグラフカルに表示し、操作者に対してすぐに与えた角度を確認できるようにする。

0029

また、左右回転を指示する場合は、どちらの方向に回転させればよいか確認できるようにグラフィカル表示し、容易にデータ取得できるように構成する。

0030

図1記載の方向推論部は、操作者が真に操作したい方向を推論するためのものであり、望ましくは、ファジィニューラルネットワークを用いて行う。この方向推論部が必要な理由は、以下の通りである。

0031

方向推論を行わず、パワーアシストを用いて装置を並進移動(左真横並進移動)させる場合を考える。このとき、人間は実際に装置のパワーアシストを行う際、装置の重心を動かしたい方向に力を加えようとする。重心位置の認識は人間によって異なり、装置を動かしながら探っていくことにより見つける。従って、力の加え始めは個人の感覚で重心位置を決定し、力を加えるため、装置の重心位置とセンサの中心軸がずれていると、センサに人間の意図しない入力(左真横方向の力と左回転モーメント)が入り、これが操作性の劣化を招く。ここで、右手の操作力をfR[N]、左手の操作力をfL[N]、センサ中心ハンドグリップまでのX軸方向の距離をL1[m]、センサ中心とハンドグリップまでのY軸方向の距離をL2[m]、装置重心からハンドグリップまでのX軸方向の距離をLomwとすると、(fRとfLは同じ大きさとしている)において、装置重心に作用する力Fomwは、下記のようになる。

0032

0033

ここで、fxomwは装置重心に作用するX軸方向の力[N]、fyomwはOMW重心に作用するY軸方向の力[N]、mzomwはOMW重心に作用するZ軸周りのモーメント[Nm]であり、Y軸方向にのみ力が作用していることがわかる。また、センサ中心に作用する力Fsensorは、以下のようになる。

0034

0035

ここで、fxはセンサ中心に作用するX軸方向の力[N]、fyはセンサ中心に作用するY軸方向の力[N]、mzはセンサ中心に作用するZ軸周りのモーメント[Nm]であり、人間の意思と反するmzがセンサに入力されてしまうため、操作性が悪化することがわかる。

0036

また、右回転の場合も装置の重心位置を右回転させようとハンドルに力を加えるため、センサには左真横方向の力と右回転モーメントが入力され操作性の劣化を招く。

0037

以上のことから、方向推論を用いて、人間が意図したパワーアシスト動作になるように推論を行う必要がある。

0038

方向推論部は、ファジィ推論記述されることが望ましい。これは、経験的な知識をif−then形式のように言語表現として扱えること、知識を並列に配置することが可能なこと、
ルール前件部とは必ずしも一致しない事実から結論を導くことが可であること、曖昧な表現が可能であること、必ずしも理論的に厳密でなくても可であることなどの利点があるためである。

0039

本発明に好適なファジィ推論は、図2に示すif−thenルールで記述される。なお、図2において、fRは右手操作力[N]、fLは左手操作力[N]、fxはX軸方向の操作力[N]、fyはY軸方向の操作力[N]、mzはZ軸周りのモーメント[Nm]、vxPはパワーアシストコントローラにより生成されたX軸方向の速度指令値[m/s]、vyPはパワーアシストコントローラにより生成されたY軸方向の速度指令値[m/s]、ωPはパワーアシストコントローラにより生成されたZ軸周りの角速度指令値[rad/s]、vyFは方向推論より生成されたY軸方向の速度指令値[m/s]、ωPは方向推論により生成されたZ軸周りの角速度指令値[rad/s]をそれぞれ表わしている。

0040

ファジィ理論を使って方向推論を行う場合、ファジィ集合への帰属度を示すメンバーシップ関数をどのように構築するかが重要となる。メンバーシップ関数は、操作者の個人の特性に影響されるので、各個人ごとに最適なものにチューニングする必要がある。本発明の発明者らは、以下のようなファジィ理論を用いた方向推論方法を考案した。まず、ファジィ推論における前件部メンバーシップ関数を以下のように表す。

0041

0042

数5のa1、c1、a2、c2の4つのパラーメータを変更するだけで、正、0、負の関数の形状をあらわすことができる。

0043

また、ファジィ推論部の後件部のメンバーシップ関数を以下のようにする。なお、このメンバーシップ関数に関するテーブルを図3、4、5に示す。

0044

0045

前件部の4つのパラメータと後件部のA、B、Cのパラメータを、タッチパネルより入力された操作者が真に操作したい方向を教師信号として、図6に示すニューラルネットワークを用いて学習することで、操作者の意思を反映した最適な操作方向のファジィ推論を実現した。ニューラルネットワークは、バックプロパゲーション型であり、出力部は最小二乗法で行っている。

0046

図1に示す制振部は、HSAコントローラから構成され、これは、本発明者らにより、考案されたハイブリッド整形法に基づいて設計されている。制振部を設けることで、装置が動作するときに発生する不快な振動を抑制し、よりユーザにやさしいパワーアシスト装置を実現できる。これは、特に介護分野において重要となる。

0047

制振部に使用されているアルゴリズムは本発明者らの先行研究である特許文献4や非特許文献1と同じものを使用しているが、このアルゴリズムをパワーアシスト装置に適用したのは、初めての試みである。このアルゴリズムは、
(1)
コントローラの選択
(2)
設計仕様定式化
(3)
最適化問題の定式化
(4)
コントローラの算出
からなる。
特開2002−351551公報
“時間、周波数仕様を考慮したハイブリッド整形法による制振起動制御”,矢野賢一、小黒直樹、嶋一彦、計測自動制御学論文Vol37,No5,2001

0048

以下、制振部におけるアルゴリズムの各ステップに関する説明を行う。前記、(1)コントローラの選択のステップは、比例ゲイン積分ゲイン微分ゲインローパス特性ハイパス特性ノッチ特性バンドパス特性など付加したい特性を元にコントローラを選択する。

0049

前記、(2)設計仕様の定式化のステップでは、時間領域および周波数領域での設計仕様をペナルティ関数により表現する。

0050

前記、(3)最適化問題の定式化のステップでは、ペナルティ項を加えた制約付の最適化問題を定式化する。

0051

前記、(4)コントローラの算出のステップでは、得られた最適化問題をシンプレックス法を用いて解き、コントローラのパラメータを決定する。

0052

図1に示す車輪部は、車輪とその速度検出装置(6軸力覚センサなど)、および操舵用のハンドルからなる。

0053

本発明を実施例にもとづき更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

0054

本発明を全方向車椅子に適用し、ファジィ推論を用いて方向推論を行うとき、特定の人のメンバーシップ関数のパラメータをニューラルネットワークで学習させ、他の人に用いたときの操作特性の結果を図7に、斜め上45度に動作させたい場合についてファジィ推論を用いて方向推論を行うとき、個人ごとにメンバーシップ関数のパラメータをニューラルネットワークで学習させたときの操作特性の結果を図8に示す。

0055

結果から、本発明の特性である、個人ごとにファジィパラメータをチューニングした図8のほうが、操作特性がよいことが分かる。また、左右並進直進、回転などの数条件を学習させるのに、5分程度で実行でき、その後は、構築されたコントローラで、操作者が自分の癖で運転しても、操作者の意思通り動くので実用的である。

0056

パワーアシスト装置は、車椅子などの介護の分野で今後、需要が広がることが確実である。介護の分野で使用される装置に要求されるのは、被介護者に優しく、また、介護者の負担を少なくすることである。その意味で、本発明は、介護者である操作者の個人特性を加味して、装置を動作させたい方向に動かすことを可能にし、さらに、被介護者に不快にならないよう動作時の振動を抑えることも行う点から、介護分野での普及が見込まれる。

図面の簡単な説明

0057

本発明の概念図を示す。
方向推論をファジィ推論を用いて行う場合のif−thenルール
方向推論をファジィ推論を用いて行う場合のx方向速度のメンバーシップ関数
方向推論をファジィ推論を用いて行う場合のy方向速度のメンバーシップ関数
方向推論をファジィ推論を用いて行う場合の回転方向のメンバーシップ関数
ファジィニューラルネットワークのブロック図
特定の人に最適チューニングしたパラメータを他の人に用いたときの操作結果
各個人ごとにチューニングしたパラメータを利用したときの操作結果

符号の説明

0058

なし

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