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JP6301927B2 - 介助ロボット - Google Patents
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Description

本発明は、被介助者の起立および着座を補助する介助ロボットに関する。
介助ロボットの一形式として、特許文献1に示されているものが知られている。特許文献1の図3A,3Bに示されているように、介助ロボット(身体補助ロボット装置100)は、直立支持部材112を含むフレーム110と、直立支持部材と摺動可能に係合した横方向部材130と、横方向部材と摺動可能に係合したハンドル132と、直立支持部材及び横方向部材に結合した上昇アクチュエータ124と、横方向部材及びハンドルに結合した横方向アクチュエータ126と、を備えるようになっている。上昇アクチュエータが横方向部材を並進させると共に横方向アクチュエータがハンドルを並進させることにより、ユーザー(被介助者)を補助して起立位置と非起立位置(着座位置)との間において移動させることができる。また、介助ロボットは、駆動モーター140を備えており、駆動モーター140は、駆動ホイール114を回転させて介助ロボットを推進させる。
特開2012−030077号公報
上述した特許文献1に記載されている介助ロボットにおいては、ユーザー(被介助者)を補助して非起立位置(着座位置)と起立位置との間で移動させることができる。しかし、被介助者を起立させたり着座させたりする場合に、被介助者を起立させる起立軌跡および上半身の角度ならびに着座させる着座軌跡および上半身の角度が被介助者に違和感を与えるおそれがあった。そこで、被介助者の上半身の角度を調整する回転駆動軸を追加することが考えられる。しかし、この場合、駆動軸が増大し、介助ロボットの高コスト化・大型化を招くこととなる。
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、高コスト化・大型化を招くことなく、被介助者に違和感を与えることのない起立および着座を実施することができる介助ロボットを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明に係る介助ロボットは、第1駆動部によって第1軸方向に沿って走行可能な基台と、基台に設けられる第1回転駆動軸または基台の上方側に向けて延在するスライド駆動軸を有するロボットアーム部と、ロボットアーム部の先端側に設けられ、水平方向に延在する第2回転駆動軸回りに回動するとともに被介助者の体の一部を支えて起立および着座を補助する保持部と、保持部に支えられて着座している被介助者を起立させる場合において、被介助者の移動制御部位が通過する起立軌跡を示す起立軌跡用基準データと、保持部に支えられて起立している被介助者を着座させる場合において、被介助者の移動制御部位が通過する着座軌跡を示す着座軌跡用基準データと、を記憶した記憶部と、起立軌跡用基準データおよび着座軌跡用基準データに基づいて、第1駆動部を駆動させて基台を第1軸方向に沿って移動させるとともに、第1回転駆動軸の駆動またはスライド駆動軸に沿った伸縮、及び、第2回転駆動軸の駆動によってロボットアーム部を変形させるように制御する駆動制御部と、を備え、起立軌跡用基準データおよび着座軌跡用基準データの少なくとも一つに基づいて導出される第1駆動部の第1軸方向移動量である目標移動量と、基台の実際の第1軸方向移動量との差である移動量差を導出する移動量差導出部を、さらに備え、駆動制御部は、移動量差導出部によって導出された移動量差を補填するように、少なくとも第1駆動部の駆動指示量を増減させることを特徴とする。
本発明による介助ロボットの一実施形態を示す右側面図である。 本発明による介助ロボットの一実施形態を示す平面図である。 図1に示す伸張状態にある介助ロボットの内部構造の概要を示す右側面図である。 図3aに示す第1スライド部を含む周辺を示す正面図である。 図1に示す収縮状態にある介助ロボットの内部構造の概要を示す右側面図である。 図4aに示す4b−4b線に沿った端面図である。 図4aに示す第1スライド部を含む周辺を示す正面図である。 介助ロボットが被介助者に接近する様子を示す側面図である。 介助ロボットが着座している被介助者を支えている様子を示す側面図である。 介助ロボットが起立している被介助者を支えている様子を示す側面図である。 左半分で起立動作を示し、右半分で着座動作を示す図である。 XY座標とロボット座標との関係を示す表である。 ロボットアーム部の長さ、角度を模式的に示す側面図である。 図1に示す介助ロボットを示すブロック図である。 図11に示す制御装置を示すブロック図である。 介助ロボットの起立動作を説明する図であり、左上から右下に向けて起立動作が行われている。左上は、起立動作が開始された時点を示し、右下は、起立動作最終時点を示す。
以下、本発明による介助ロボットの一実施形態について説明する。図1および図2は、この介助ロボット20を示す右側面図および平面図である。
介助ロボット20は、被介助者M1の体の一部(例えば、上半身特に胸部)を支えて起立および着座を補助するための介助ロボットである。この介助ロボット20は、図1および図2に示すように、基台21、ロボットアーム部22、保持部23、ハンドル24、操作装置25、記憶装置26(記憶部)および制御装置27を含んで構成されている。
基台21は、左右基部21a,21bと左右脚部21c,21dを備えている。左右基部21a,21bは、左右方向に所定距離を置いて配設されており、左右基部21a,21bには、図2に示すように、左右駆動輪21e、21fがそれぞれ設けられるとともに、左右駆動輪21e、21fをそれぞれ駆動する駆動源である左右駆動輪用モータ21g,21hが内蔵されている。介助ロボット20は、左右駆動輪用モータ21g,21hによりそれぞれ駆動する左右駆動輪21e、21fによって走行する。
なお、左右駆動輪21e,21fおよび左右駆動輪用モータ21g,21hから走行用駆動部AC(第1駆動部)が構成されている。基台21は、走行用駆動部ACによってX軸方向(第1軸方向)に沿って走行可能である。走行対象物である基台21を走行駆動させる軸が走行駆動軸l1であり、この走行駆動軸l1はX軸方向に沿って延在している。
左右脚部21c,21dは、左右基部21a,21bから前方方向(図1,2において左方向)に水平に延設されている。左右脚部21c,21dの先端部には、左右従動輪21i,21jがそれぞれ設けられている。また、左右脚部21c,21dの先端には、一対の衝突防止センサ21k、21lがそれぞれ設けられている。衝突防止センサ21k、21lは、障害物を検知するセンサであり、その検出信号は制御装置27に送信されるようになっている。
ロボットアーム部22は、基台21にその基部が取り付けられており、主として図3a、図4aに示すように、回転用モータ22b3およびスライド用モータ22a2bから構成されるロボットアーム駆動部(第2および第3駆動部)によって互いに相対移動が可能である複数のアーム22a,22b,22cを備えている。すなわち、ロボットアーム部22は、基台21に設けられ回転用モータ22b3およびスライド用モータ22a2b(第2および第3駆動部)によってそれぞれ独立して駆動される回転駆動軸22b2およびスライド駆動軸l2(第2および第3駆動軸)を備えている。
第2および第3駆動軸のうち少なくとも1つは第2駆動部によって水平方向に延在する回転軸O回りに回転される回転駆動軸である。本実施形態では、第2駆動軸は、第2駆動部(回転用モータ22b3)によって水平方向に延在する回転軸O回りに回転される回転駆動軸22b2であり、第3駆動軸は、第1軸方向(X軸方向)と所定角度(本実施形態では90度)をなし基台21の上方側に向けて延在する第2軸方向(Y軸方向)に沿って第3駆動部(スライド用モータ22a2b)によって被駆動体(保持部23が設けられている第2アーム22b)を往復動させるスライド駆動軸l2である。
なお、スライド駆動軸l2は、スライド対象物である前記被駆動体をスライド駆動させる軸である。また、所定角度は、90度以外でもよく、介助ロボット20の全長と第1アーム22aとの関係を考慮して、介助ロボット20の転倒を防止し、かつ被介助者M1を起立軌跡・着座軌跡に沿って移行可能である範囲内に設定されるのが好ましい。
図3a,3bおよび図4a〜4cに示すように、第1アーム22aは、その基部が基台21に取りつけられている。第1アーム22aは、基台21に基部側が固定されて、全長がスライド駆動軸l2に沿って伸縮可能に構成されている。第1アーム22aは、スライド基部22a1、第1スライド部22a2および第2スライド部22a3を備えている。
スライド基部22a1は、図1,2に示すように、ほぼ直方体状に形成されている。スライド基部22a1は、主として図3aに示すように、その基端部が基台21に取り付け固定されているフレーム22a1bを備えている。すなわち、スライド基部22a1は、スライド駆動軸l2(第3駆動軸)の延在する第2軸方向(Y軸方向)に沿って延在するように固定されている。このフレーム22a1bは、ほぼ断面U字状に形成されており、主として図4bに示すように、曲げて形成された左右板状部材22a1b1、22a1b2と左右板状部材22a1b1、22a1b2の上部後端に左右両端が接続された後板状部材22a1b3とから構成されている。
図4bに示すように、フレーム22a1bの内側(左右板状部材22a1b1、22a1b2の内側)には、後述する第1スライド部22a2のフレーム22a2aの後板状部材22a2a2の左右端に摺動可能に係合する左右ガイド溝22a1eが形成されている。フレーム22a1bの左板状部材22a1b1の上部には、後述するスライド用ベルト22a2eに取り付けられて固定される固定部22a1fが設けられている(図3b、図4c参照)。
スライド基部22a1は、図1に示すように、膝センサ22a1gと足センサ22a1hを備えている。膝センサ22a1gは、スライド基部22a1の前面(図1および図2にて左方が前方である)に前方に向けて設けられており、着座部に着座している被介助者M1の膝高さとほぼ等しくなる位置に配設されている。膝センサ22a1gは、被介助者M1の膝までの距離を検出する距離検出センサである。膝センサ22a1gの検出信号は、制御装置27に送信されるようになっている。着座部に着座している被介助者M1の膝が被介助者M1の基準部位であり、この膝センサ22a1gが被介助者M1の基準部位までの距離を検出する第1距離検出センサである。
足センサ22a1hは、スライド基部22a1の前面に前方に向けて設けられており、着座している被介助者M1のくるぶし高さとほぼ等しくなる位置に配設されている。足センサ22a1hは、被介助者M1の足までの距離を検出する距離検出センサである。足までの距離は、足のつま先までの距離でもよく、足首までの距離でもよい。足センサ22a1hの検出信号は、制御装置27に送信されるようになっている。この足センサ22a1hが被介助者M1の足までの距離を検出する第2距離検出センサである。なお、上述した各距離検出センサ22a1g,22a1hは、例えば、レーザ式、LED式、超音波式タイプである。
図5に示すように、介助ロボット20は、膝センサ22a1gの検出結果(介助ロボット20と被介助者M1の膝との距離)を使用して、着座している被介助者M1との距離が所定距離Xc1となる所定の位置まで移動する。この所定の位置は、被介助者M1に接近している介助ロボット20が一旦停止する接近停止位置である。その後、介助ロボット20は、被介助者M1を起立させるために最適な位置(起立最適位置)まで移動(前進)する(図6参照)。
なお、図5に示すように、膝センサ22a1gから膝までの距離(測定距離)Xcと、膝センサ22a1gから介助ロボット20の基準点までのX軸座標成分に係る距離Xeとの合計が、介助ロボット20の基準点に対する被介助者M1の膝の位置である。また、足センサ22a1hから足までの距離(測定距離)Xdと、足センサ22a1hから介助ロボット20の基準点までのX軸座標成分に係る距離Xfとの合計が、介助ロボット20の基準点に対する被介助者M1の足の位置である。
第1スライド部22a2は、図1,2に示すように、ほぼ直方体状に形成されており、スライド基部22a1より小さく構成されている。第1スライド部22a2は、スライド基部22a1に対して長手方向(軸動方向)にスライドするものであり、収縮した際にはスライド基部22a1内にほぼ収容されるように構成されている。
具体的には、第1スライド部22a2は、フレーム22a2aを備えている(図3a参照)。このフレーム22a2aは、図4bに示すように、断面H字状かつ側面視H字状に形成されており、前後板状部材22a2a1、22a2a2と前後板状部材22a2a1、22a2a2の上下方向中央部に前後両端が接続された接続板状部材22a2a3とから構成されている。後板状部材22a2a2の左右両端は、フレーム22a1bの左右ガイド溝22a1eに摺動可能に係合されている。主として図3aに示すように、後板状部材22a2a2の上部には、スライド用モータ22a2bが設けられている。後板状部材22a2a2の下部には、プーリ22a2cが回転可能に設けられている。このスライド用モータ22a2bのプーリ22a2dとプーリ22a2cとの間には、スライド用ベルト22a2eが装架されている。
フレーム22a2aの前板状部材22a2a1の左右両端部には、図4bに示すように、ガイドレール22a2fが設けられている。ガイドレール22a2fは、後述する第2スライド部22a3のフレーム22a3aの左右板状部材の内側の左右ガイド受け部22a3bに摺動可能に係合する。
第2スライド部22a3は、図1,2に示すように、ほぼ直方体状に形成されており、第1スライド部22a2より小さく構成されている。第2スライド部22a3は、第1スライド部22a2に対して長手方向(軸動方向)にスライドするものであり、収縮した際には第1スライド部22a2内にほぼ収容されるように構成されている。
具体的には、第2スライド部22a3は、フレーム22a3aを備えている(図3a参照)。このフレーム22a3aは、図4bに示すように、ほぼ断面U字状に形成されており、左右板状部材22a3a1、22a3a2と左右板状部材22a3a1、22a3a2の前端部に左右両端が接続された前板状部材22a3a3とから構成されている。フレーム22a3aの内側(左右板状部材22a3a1、22a3a2の内壁面)には、フレーム22a2aのガイドレール22a2fに摺動可能に係合する左右ガイド受け部22a3bが設けられている。フレーム22a3aの右板状部材22a3a2の下部には、スライド用ベルト22a2eに取り付けられて固定される固定部22a3cが設けられている(図3b、図4c参照)。
スライド用モータ22a2bが駆動すると、第1スライド部22a2のフレーム22a2aは、スライド基部22a1のフレーム22a1bに対してスライド駆動軸l2に沿って伸張する(図3aおよび3bに示す伸張状態)。これと同時に、第2スライド部22a3のフレーム22a3aは第1スライド部22a2のフレーム22a2aに対して伸張する(図3aおよび3bに示す伸張状態)。
一方、スライド用モータ22a2bが逆方向に駆動すると、第1スライド部22a2のフレーム22a2aは、スライド基部22a1のフレーム22a1bに対してスライド駆動軸l2に沿って収縮する(図4aおよび図4cに示す収縮状態)。これと同時に、第2スライド部22a3のフレーム22a3aは第1スライド部22a2のフレーム22a2aに対して収縮する(図4aおよび図4cに示す収縮状態)。
このように、第1アーム22aは、基台21に基部側が固定されて、全長がスライド駆動軸l2に沿って伸縮可能に構成されている。
第2アーム22bは、基部側が第1アーム22aの先端側に固定されるとともに先端部側に回転駆動軸22b2を介して保持部23が回動可能に設けられている。第2アーム22bは、図1,2に示すように、ほぼ直方体状に形成されており、第2スライド部22a3の先端部に、長手方向に対して直交する方向(前方向)に延ばして形成されている。具体的には、主として図3aに示すように、第2アーム22bは、左右板状部材22b1a、22b1bから構成されているフレーム22b1を備えている。フレーム22b1の左右板状部材22b1a、22b1bの後端部が、フレーム22a3aの左右板状部材22a3a1、22a3a2の上端部にそれぞれ接続固定されている。
フレーム22b1の左右板状部材22b1a、22b1bの先端部には、回転駆動軸22b2が回動可能に介装されている。左右板状部材22b1a、22b1bの中央部には、回転用モータ22b3が設けられている。回動ベルト22b4は、回転用モータ22b3のプーリと回転駆動軸22b2のプーリとの間に装架されている。
第3アーム22cは、ほぼ直方体状に形成されており、その基端部が第2アーム22bの先端部に回転軸O回りに回転可能に取り付けられている。具体的には、第3アーム22cは、フレーム22c2を備えている。フレーム22c2の後端部は、回転駆動軸22b2と一体回転するように固定されている。フレーム22c2の前端部は、保持部23の後端に固定されている。
回転用モータ22b3が駆動すると、フレーム22c2すなわち第3アーム22cが回転軸O回りに上方向または下方向に回転する。
保持部23は、第3アーム22cの先端に固定されている。この保持部23は、ロボットアーム部22の先端側に設けられ、回転駆動軸22b2回りに回動するとともに被介助者M1の体の一部(例えば、上半身特に胸部)を支えて起立および着座を補助するものである。なお、被介助者M1の体の一部が保持部23によって保持される被保持部位である。保持部23は、例えば、被介助者M1の起立動作及び着座動作において被介助者M1に対して対向したときに、その両腕(両脇)を下側から支える部材であり、前方向に向けて開放する平面視略U字形状に形成されている。保持部23は、例えば、被介助者M1に接することを前提とした比較的柔らかい材質で形成されている。
ハンドル24は、図1,2に示すように、第3アーム22cの上面に固定されている。このハンドル24は、左右一対の棒状取っ手で構成されており、被介助者M1の左右の手でそれぞれ握られるようになっている。ハンドル24には、握っていることを検知する接触センサ24a,24bが設けられている。ハンドル24には、介助ロボット20を左旋回させるための左旋回スイッチ24cと介助ロボット20を右旋回させるための右旋回スイッチ24dが設けられている。さらにハンドル24には、介助ロボット20を停止させるための停止スイッチ24eが設けられている。
また、第3アーム22cには、被介助者M1が保持部23により支持されている状態で歩行する場合や被介助者M1がハンドル24を握った状態で歩行する場合に、被介助者M1から受ける力を検知する荷重センサ22c1が設けられている。荷重センサ22c1は、荷重の変化によって変化する起歪体の歪み量を電圧変化として検出するものや、シリコンチップに圧力が加わると、そのたわみに応じ、ゲージ抵抗が変化し電気信号に変換される半導体式圧力センサなどである。
操作装置25は、画像を表示する表示部25aと、操作者(介助者および被介助者M1である)からの入力操作を受け付ける操作部25bとを備えている。
表示部25aは、液晶ディスプレイで構成されており、介助ロボット20の動作モードの選択画面などを表示する。動作モードとしては、被介助者M1の起立動作を補助する起立動作補助モードや、被介助者M1の着座動作を補助する着座動作補助モードなどが設定されている。
操作部25bは、カーソルを上下左右に移動させるカーソルキー、入力をキャンセルするキャンセルキー,選択内容を決定する決定キーなどを備えており、操作者の指示をキー入力できるように構成されている。なお、操作装置25は、表示部25aの表示機能と操作部25bの入力機能とを備えており、画面上の表示を押すことで機器を操作するタッチパネルで構成するようにしてもよい。
記憶装置26(記憶部)は、保持部23に支えられて着座している被介助者M1(図6参照)を起立させる場合において、被介助者M1の移動制御部位である例えば肩位置Psが通過する起立軌跡を示す起立軌跡用基準データと、保持部23に支えられて起立している被介助者M1(図7参照)を着座させる場合において、起立軌跡と異なる軌跡であって被介助者M1の肩位置Psが通過する着座軌跡を示す着座軌跡用基準データと、を記憶している。
図6に示すように、介助ロボット20は、接近停止位置(図5に示す)からさらに前進され、被介助者M1を起立させるために最適な位置(起立最適位置)に位置決めされる。すなわち、膝センサ22a1gから膝までの距離(測定距離)XcがXc2となると、介助ロボット20は起立最適位置に停止される。このとき、測定距離Xcと膝センサ22a1gから介助ロボット20の基準点までのX軸座標成分に係る距離Xeとの合計が、介助ロボット20の基準点に対する被介助者M1の膝の位置すなわち基準点と膝位置との間の距離Xg0である。また、足センサ22a1hから足までの距離(測定距離)Xd0と、足センサ22a1hから介助ロボット20の基準点までのX軸座標成分に係る距離Xfとの合計が、介助ロボット20の基準点に対する被介助者M1の足の位置すなわち基準点と足位置との間の距離Xh0である。
起立軌跡Tas1および着座軌跡Tbs1は、実際に健常者の起立動作を撮影し、その肩位置Psの二次元座標(例えばxy座標)に基づいて作成すればよい。起立軌跡Tas1を図8(左側)に示す。この起立軌跡Tas1は、起立軌跡用基準データに基づいている軌跡である。起立軌跡用基準データは、保持部23に支えられて着座部に着座している被介助者M1を起立させる場合において、基台21の停止位置の基準点となる被介助者M1の膝(基準部位)が被介助者M1の足位置と所定位置関係にある場合に、被介助者M1の移動制御部位Psが通過する起立軌跡を示している。膝と足位置との所定位置関係は、膝の角度が90度であり、すなわち膝のほぼ真下に足首が位置する関係である。また、この所定位置関係は、予め決められている。
着座軌跡Tbs1を図8(右側)に示す。この着座軌跡Tbs1は、着座軌跡用基準データに基づいている軌跡である。なお、前述した起立軌跡および着座軌跡は、シミュレーションで作成するようにしてもよい。
各軌跡用基準データは、二次元座標で形成されている。起立軌跡用基準データは、例えばxy座標にて、(Xa1、Ya1)、・・・、(Xan、Yan)で表わされ、n個からなる。着座軌跡用基準データは、例えばxy座標にて、(Xb1、Yb1)、・・・、(Xbn、Ybn)で表わされ、n個からなる。原点は、介助ロボット20の基準点としてもよいし、着座状態の足(足首)の座標としてもよく、また、被介助者M1の着座面の任意の点としてもよい。
軌跡用基準データは、このxy座標に、各座標における保持部23の角度αを加えて構成されることが望ましい。各座標における保持部23の角度αは、起立軌跡Tas1および着座軌跡Tbs1の各点における保持部23の角度である(図10参照)。この角度αは、被介助者M1の上半身(保持部23の被介助者M1との保持するために接触する内壁面)と水平面(またはX軸方向)とのなす角度である。例えば、図10に示すように、着座状態や起立状態であるときには、角度αは90度である。軌跡用基準データは、例えば(Xa1、Ya1、α1)、・・・、(Xan、Yan、αn)で表される。
なお、二次元座標でなく、ロボット座標で形成するようにしてもよい。この場合、起立軌跡用基準データは、例えば、図9に示すように、基台21のX軸方向の移動量である走行量(D:走行量に相当する左右駆動輪用モータ21g,21hの回転角度)、スライド用モータ22a2bのアーム長さ(L:スライド量:このアーム長さに相当する回転角度)、および回転用モータ22b3の回転角度である第2角度(θb)を含んで構成されている。XY座標の角度αを加えた座標(Xa1,Ya1,α1)は、ロボット座標(D1,L1,θb1)で表される。
XY座標の角度αを加えた座標(Xa1,Ya1,α1)からロボット座標(D1,L1,θb1)を算出する方法について、簡単に説明する。図10は、ロボットアーム部22の長さ、角度を模式的に示す側面図である。図10に示すように、第1アーム22aの長さをLa(可変)、第2アーム22bの長さをLb(固定)、回転駆動軸22b2から肩位置Psまでの第3アーム22cの延設方向に沿った長さをLc(固定)およびその延設方向と鉛直する方向に沿った長さをLd(固定)とする。また、第1アーム22aと水平線とのなす角を第1角度θa(固定、本実施形態では90度)、第1アーム22aと第2アーム22bとのなす角を90度、および第2アーム22bと第3アーム22cとのなす角を第2角度θbとする。
被介助者M1の足位置を原点とすると、介助ロボット20内の基準点のXY座標は、(Xh,0)である。なお、被介助者M1の足位置と介助ロボット20内の基準点のY軸座標は同一であるとする。第1アーム22aと第2アーム22bが直交する点P1のXY座標は、介助ロボット20内の基準点に対して(0,La)を加算したものである。回転駆動軸22b2である点P2のXY座標は、点P1に対して(−Lb,0)を加算したものである。肩位置Psから第3アーム22cに下ろした垂線の足である点P3のXY座標は、点P2に対して(−Lccosθb,Lcsinθb)を加算したものである。肩位置Psすなわち点P4のXY座標(Xa1,Ya1)は、点P3に対して(Ld×(cos(π/2−θb),Ld×(sin(π/2−θb))を加算したものである。なお、各座標における保持部23の角度αは、α=π/2−θbとなる。以上のことから、XY座標に角度αを加えた座標(Xa1,Ya1,α1)からロボット座標(D1,L1,θb1)を算出する。同様に、座標(Xan,Yan,αn)からロボット座標(Dn,Ln,θbn)を算出する。
なお、ロボット座標において、図9に示すように、基台21のX軸方向の移動速度である走行速度(Va:この走行速度に相当する左右駆動輪用モータ21g,21hの回転角速度)、スライド用モータ22a2bのスライド速度(Vb:このスライド速度に相当する回転角速度)、および回転用モータ22b3の回転角度である第2角度(θb)の角速度である第2角速度(ωb)を含んで構成してもよい。
図8に示す起立軌跡Tas1は、基準となる起立軌跡であり、保持部23に支えられて着座部に着座している被介助者M1を起立させる場合において、基台21の停止位置の基準点となる被介助者M1の膝(基準部位)が被介助者M1の足位置と所定位置関係にある(本実施形態では、足が膝の直下(基準位置)にある)場合に、被介助者M1の移動制御部位Psが通過する起立軌跡である。なお、図8に示す着座軌跡Tbs1は、基準となる着座軌跡である。
さらに、記憶装置26は、被介助者M1が着座する椅子やベッドなどの着座部の高さに応じた補正量(第1の補正量)を記憶している。この第1の補正量は、上述した各データを補正するための値である。上述した各データは、着座部の高さが所定値(例えば40cmである。)であるときのデータである。
また、記憶装置26は、被介助者M1の身長に応じた補正量(第2の補正量)を記憶している。この第2の補正量は、上述した各データを補正するための値である。上述した各データは、被介助者M1の身長が所定値(例えば平均身長などであり、具体的には170cmである。)であるときのデータである。
なお、上述した各補正量は、マップとして記憶されているが、演算式として記憶されていてもよい。
制御装置27は、介助ロボット20の走行や姿勢変形に関する制御を行う。制御装置27は、図11に示すように、上述した衝突防止センサ21k,21l、膝センサ22a1g、足センサ22a1h、荷重センサ22c1、接触センサ24a,24b、左旋回スイッチ24c、右旋回スイッチ24d、停止スイッチ24e、左右駆動輪用モータ21g,21h、スライド用モータ22a2b、回転用モータ22b3、操作装置25、記憶装置26、撮像装置28、および案内装置29が接続されている。また、制御装置27はマイクロコンピュータ(図示省略)を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示省略)を備えている。
制御装置27は、図12に示すように、基準データ取得部27a、実移動量導出部27b、移動量差導出部27c、および駆動制御部27dを備えている。
基準データ取得部27aは、操作装置25によって選択された動作モード(起立動作補助モード、着座動作補助モード、一連動作補助モードのいずれか)を取得して、その取得したモードに応じた基準データを記憶装置26から取得する。起立動作補助モードのときは、起立軌跡用基準データを取得し、着座動作補助モードのときは、着座軌跡用基準データを取得し、一連動作補助モードのときは、起立軌跡用基準データおよび着座軌跡用基準データを取得する。
実移動量導出部27bは、足センサ22a1h(距離検出センサ)によって検出された基台21から、被介助者M1の起立中および着座中において移動しない物(本実施形態では着座している被介助者M1の足)までの距離に基づいて、基台21の実際のX軸方向の移動量(第1軸方向移動量)を導出する。具体的には、実移動量導出部27bは、介助ロボット20が起立最適位置に位置するとき(着座している被介助者M1の膝との距離が所定距離Xc2であるとき)の被介助者M1の足までの距離Xd0を初期値として記憶する。この初期値Xd0と起立中または着座中の任意の点で測定した被介助者M1の足までの距離Xdnとの差が基台21の実際のX軸方向の移動量である。
例えば、図13に示すように、起立動作開始時点から被介助者M1の腰が着座部から浮いた時点までの移動量は、被介助者M1の腰が着座部から浮いた時点の被介助者M1の足までの距離Xd1から起立動作開始時点の被介助者M1の足までの距離Xd0を減算した値である。
移動量差導出部27cは、起立軌跡用基準データおよび着座軌跡用基準データの少なくとも一つに基づいて導出される走行用駆動部AC(第1駆動部)のX軸方向の移動量(第1軸方向移動量)である目標移動量と、実移動量導出部27bによって導出された基台21の実際の第1軸方向移動量と、の差である移動量差を導出する。このように、移動量差導出部27cは、実移動量導出部27bによって導出された基台21の実際のX軸方向の移動量(第1軸方向移動量)を使用して移動量差を導出する。なお、目標移動量は、例えば、起立軌跡用基準データのXY座標の2点にそれぞれ対応する走行量の差である。
駆動制御部27dは、起立軌跡用基準データおよび前記着座軌跡用基準データに基づいて、走行用駆動部AC(第1駆動部)を駆動させて基台21を第1軸方向に沿って移動させるとともに、回転用モータ22b3およびスライド用モータ22a2b(第2および第3駆動部)から構成されるロボットアーム駆動部を駆動させて、ロボットアーム部22を変形させるように制御する。また、駆動制御部27dは、移動量差導出部27cによって導出された移動量差を補填するように、少なくとも走行用駆動部AC(第1駆動部)の駆動指示量を増減させる。
また、制御装置27(駆動制御部27d)は、上記各データにおいて起立軌跡Tas1および着座軌跡Tbs1の各点における保持部23の角度αも合わせて記憶している場合には、第2駆動部(回転用モータ22b3)を駆動させて、各点における保持部23の角度を、各起立軌跡用基準データおよび各着座軌跡用基準データに記憶されている角度αとなるように制御する。
また、制御装置27(駆動制御部27d)は、被介助者M1の身長や着座部の高さに合わせてロボットアーム部22の起立軌跡Tas1および着座軌跡Tbs1をそれぞれ調整する。補正部は、基準データ取得部27aによって取得した基準データを身長、着座部の高さによって補正する。具体的には、補正部は、取得した身長に応じた第2の補正量や、着座部の高さに応じた第1の補正量を記憶装置26から取得する。補正部は、この取得した各補正量によって基準データ取得部27aによって取得した基準データを補正して駆動制御部27dに出力する。駆動制御部27dは、補正された基準データに基づいて、走行用駆動部AC(第1駆動部)や回転用モータ22b3およびスライド用モータ22a2b(第2および第3駆動部)を駆動させる。
撮像装置28は、スライド基部22a1の前面および第1スライド部22a2の背面にそれぞれ設けられている。スライド基部22a1の前面に設けられた撮像装置28は、介助ロボット20の前方にある対象を撮影する。第1スライド部22a2の背面に設けられた撮像装置28は、介助ロボット20の後方または上方にある対象を撮影する。
案内装置29は、被介助者M1、介助者を含む周囲にいる人に対して介助ロボット20の状態を音声や表示により案内するものである。案内装置29は、音声を出力するスピーカでもよく、文字、図形等を表示するLCDやLEDなどの表示装置でもよい。
次に、上述したように構成された介助ロボット20の作動を説明する。最初に、介助ロボット20が着座している被介助者M1に接近している場合について説明する。このとき、介助ロボット20は、例えばベッド脇に着座している被介助者M1に向けて接近する。介助ロボット20は、介助ロボット20の前面を進行方向に向けて前進する。介助ロボット20は、被介助者M1の近傍に設けられている案内用マークを前面の撮像装置28を介して読み取り、その情報に基づいて被介助者M1に接近する。介助ロボット20は、膝センサ22a1gの検出結果(介助ロボット20と被介助者M1の膝との距離)を使用して、着座している被介助者M1との距離が所定距離Xc1となる所定の位置まで移動する(図5参照)。
その後、介助ロボット20は、被介助者M1を起立させるために最適な位置(起立最適位置)まで移動(前進)する(図6参照)。
そして、介助ロボット20は、被介助者M1に対して「ハンドルを握ってください」という案内を行う。被介助者M1が両手でハンドル24を握ると、接触センサ24a,24bによってハンドル24を握ったことを検知するため、介助ロボット20は、被介助者M1を起立させるための起立動作を行う。
起立動作が開始されると、介助ロボット20は、着座している被介助者M1の上半身を保持部23によって保持する(図6参照)。そして、介助ロボット20は、上半身を保持した状態で、被介助者M1を起立状態にする(図7参照)。より具体的には、図8に示すように、基準起立軌跡に沿って起立動作が行われる。
このときの介助ロボット20の起立動作を図13を参照して説明する。図13の左上から右下に向けて起立動作が行われている。左上は、起立動作が開始された時点を示す。このとき、起立動作開始時点の被介助者M1の足までの距離XdはXd0である。次に、被介助者M1の腰が着座部から浮いた時点(上中央の図)の被介助者M1の足までの距離XdはXd1である。上右の図では、被介助者M1の足までの距離XdはXd2であり、下左の図では、被介助者M1の足までの距離XdはXd3である。最終的に、起立動作最終時点(下右の図)では、被介助者M1の足までの距離XdはXd4である。これから明らかなように、被介助者M1の足までの距離Xdは、図8に示す起立軌跡Tas1のX軸成分の変動量に相当する。
また、起立動作の際に左右駆動輪21e、21fがスリップした場合には、上述したように、移動量差導出部27cによって導出された移動量差(スリップ量)を補填するように、走行用駆動部AC(第1駆動部)の駆動指示量を増減させる。
介助ロボット20は、被介助者M1を起立状態で補助している。被介助者M1は、その脇の下を保持部23により保持された状態で歩行して移動する。介助ロボット20は、介助ロボット20の背面を進行方向に向けて前進する。
そして、介助ロボット20は、被介助者M1を着座させるための着座動作が開始されると、起立状態にある被介助者M1(図7参照)を、被介助者M1の上半身を保持部23によって保持した状態で着座状態にする(図6参照)。より具体的には、図8に示すように、着座軌跡に沿って着座動作が行われる。
そして、介助ロボット20は、着座動作が終了すると、被介助者M1に対して「ハンドルから手を放してください」という案内を行う。被介助者M1がハンドル24から手を放すと、接触センサ24a,24bによってハンドル24から手を放したことを検知するため、介助ロボット20は、被介助者M1から離れる。
本実施形態に係る介助ロボット20は、走行用駆動部AC(第1駆動部)によってX軸方向(第1軸方向)に沿って走行可能な基台21と、基台21に設けられ回転用モータ22b3およびスライド用モータ22a2b(第2および第3駆動部)によってそれぞれ独立して駆動される回転駆動軸22b2およびスライド駆動軸l2(第2および第3駆動軸)を備え、回転駆動軸22b2およびスライド駆動軸l2(第2および第3駆動軸)のうち少なくとも1つは回転用モータ22b3(第2駆動部)によって水平方向に延在する回転軸回りに回転される回転駆動軸22b2(回転駆動軸)であるロボットアーム部22と、ロボットアーム部22の先端側に設けられ、回転駆動軸O回りに回動するとともに被介助者M1の体の一部を支えて起立および着座を補助する保持部23と、保持部23に支えられて着座している被介助者M1を起立させる場合において、被介助者M1の移動制御部位Ps(例えば肩位置)が通過する起立軌跡Tas1を示す起立軌跡用基準データと、保持部23に支えられて起立している被介助者M1を着座させる場合において、被介助者M1の移動制御部位Psが通過する着座軌跡Tbs1を示す着座軌跡用基準データと、を記憶した記憶装置26(記憶部)と、起立軌跡用基準データおよび着座軌跡用基準データに基づいて、走行用駆動部AC(第1駆動部)を駆動させて基台21をX軸方向(第1軸方向)に沿って移動させるとともに、回転用モータ22b3およびスライド用モータ22a2b(第2および第3駆動部)を駆動させてロボットアーム部22を変形させるように制御する駆動制御部27dと、を備えたことを特徴とする。
これによれば、起立軌跡用基準データを健常者の起立軌跡に相当するデータに設定することが容易となるため、被介助者M1の移動制御部位Psが起立軌跡Tas1に沿うように被介助者M1を起立させる場合、健常者の起立軌跡に相当する起立軌跡用基準データに基づいて走行用駆動部AC(第1駆動部)を駆動させて基台21をX軸方向(第1軸方向)に沿って移動させるとともに、第2および第3駆動部を駆動させてロボットアーム部22を変形させることが可能となる。したがって、被介助者M1は介助なしで起立するときと同様な感覚(フィーリング)で起立を補助される。よって、被介助者M1に違和感を与えることなく、起立させることができる。
一方、一般的に健常者の着座軌跡は起立軌跡と異なっているが、健常者の着座軌跡に相当するデータとなるように着座軌跡用基準データを設定することが容易となるため、被介助者M1の移動制御部位Psが着座軌跡Tbs1に沿うように被介助者M1を起立させる場合、健常者の着座軌跡に相当する着座軌跡用基準データに基づいて走行用駆動部AC(第1駆動部)を駆動させて基台21をX軸方向(第1軸方向)に沿って移動させるとともに、回転用モータ22b3およびスライド用モータ22a2b(第2および第3駆動部)を駆動させてロボットアーム部22を変形させることが可能となる。したがって、被介助者M1は介助なしで着座するときと同様な感覚(フィーリング)で着座を補助される。よって、被介助者M1に違和感を与えることなく、着座させることができる。
このように、介助ロボット20の駆動軸の増大を招くことなく、すなわち介助ロボット20の高コスト化・大型化を招くことなく、被介助者M1に違和感を与えることのない起立および着座を実施することができる介助ロボットを提供することができる。
さらに、保持部23は、回転駆動軸回りに回動するとともに被介助者M1の体の一部(上半身、特に胸部)を支えて起立および着座を補助するため、起立軌跡Tas1および着座軌跡Tbs1の各位置にて、保持部23と連動する被介助者M1の被保持部位(上半身、特に胸部)の角度αを最適に設定することができる。よって、より快適に(自然な感覚で)被介助者M1を起立させたり着座させたりすることができる。
また、上述した実施形態に係る介助ロボット20において、ロボットアーム部22に備えられている回転駆動軸22b2およびスライド駆動軸l2(第2および第3駆動軸)は、回転用モータ22b3(第2駆動部)によって水平方向に延在する回転軸O回りに回転される回転駆動軸、および、X軸方向(第1軸方向)と所定角度(本実施形態では90度)をなし基台21の上方側に向けて延在する第2軸方向(本実施形態ではY軸方向)に沿ってスライド用モータ22a2b(第3駆動部)によって被駆動体(第2アーム22bひいては保持部23)を往復動させるスライド駆動軸l2である。
これによれば、第2駆動軸および第3駆動軸の両方を回転駆動軸で構成した場合と比較して、ロボットアーム部22の移動に伴う介助ロボット20の重心の前後方向の移動を無くすことができる。よって、介助ロボット20の前後方向の長さを短く抑制することができ、ひいては介助ロボット20を小型化することができる。
また、上述した実施形態に係る介助ロボット20において、ロボットアーム部22は、基台21に基部側が固定されて、全長がスライド駆動軸l2に沿って伸縮可能に構成された第1アーム22aと、基部側が第1アーム22aの先端側に固定されるとともに先端部側に回転駆動軸22b2を介して保持部23が回動可能に設けられた第2アーム22bと、を備えている。
これによれば、介助ロボット20は、第1アーム22aを伸縮させることで身長が異なった被介助者M1に対応することができるとともに、介助ロボット20が被介助者M1の起立・着座を補助しないときには、第1アーム22aを収縮させることで介助ロボット20をコンパクトに収納することができる。
また、上述した実施形態に係る介助ロボット20において、起立軌跡用基準データおよび着座軌跡用基準データの少なくとも一つに基づいて導出される走行用駆動部AC(第1駆動部)のX軸方向移動量(第1軸方向移動量)である目標移動量と、基台21の実際のX軸方向移動量(第1軸方向移動量)との差である移動量差を導出する移動量差導出部27cを、さらに備え、駆動制御部27dは、移動量差導出部27cによって導出された移動量差を補填するように、少なくとも走行用駆動部AC(第1駆動部)の駆動指示量を増減させる。
これによれば、走行用駆動部AC(第1駆動部)によって回転駆動される左右駆動輪21e、21fがスリップした場合、そのスリップ分を確実に補正することができるため、被介助者M1を起立軌跡Tas1および着座軌跡Tbs1に沿って確実に起立および着座させることができる。
また、上述した実施形態に係る介助ロボット20において、基台21から、被介助者M1の起立中および着座中において移動しない物(本実施形態では被介助者M1の足)までの距離を検出する距離検出センサ(足センサ22a1h)と、距離検出センサ(足センサ22a1h)によって検出された基台21から物までの距離から基台21の実際のX軸方向移動量(第1軸方向移動量)を導出する実移動量導出部27bと、をさらに備え、移動量差導出部27cは、実移動量導出部27bによって導出された基台21の実際のX軸方向移動量(第1軸方向移動量)を使用して移動量差を導出する。
これによれば、走行用駆動部AC(第1駆動部)によって回転駆動される左右駆動輪21e、21fがスリップした場合、X軸方向移動量(第1軸方向移動量)を確実に導出することができるため、スリップ分を確実に補正することができる。
また、上述した実施形態に係る介助ロボット20において、移動しない物は、着座している被介助者M1の足であり、距離検出センサは、被介助者M1の足までの距離を検出する検出センサ(足センサ22a1h)である。
これによれば、介助ロボット20の比較的近くに位置する被介助者M1の足までの距離を検出するため、検出誤差をできるだけ抑制することができ、X軸方向移動量(第1軸方向移動量)を正確に導出することができる。
また、上述した実施形態に係る介助ロボット20において、起立軌跡用基準データおよび着座軌跡用基準データは、起立軌跡Tas1および着座軌跡Tbs1の各点における保持部23の角度αも合わせて記憶しており、駆動制御部27dは、駆動部(回転用モータ22b3)を駆動させて、各点における保持部23の角度αを、各起立軌跡用基準データおよび各着座軌跡用基準データに記憶されている角度αとなるように制御する。
これによれば、起立軌跡Tas1および着座軌跡Tbs1の各位置にて、保持部23と連動する被介助者M1の被保持部位の角度αを最適に設定することができるので、より快適に(自然な感覚で)被介助者M1を起立させたり着座させたりすることができる。
なお、上述した実施形態においては、第2および第3駆動軸のうち少なくとも1つは第2駆動部によって水平方向に延在する回転軸O回りに回転される回転駆動軸で構成するようにしたが、第2および第3駆動軸の両方を別々の回転軸回りに第2および第3駆動部によって回転される回転駆動軸で構成するようにしてもよい。このとき、第3駆動軸は第1アーム22aの基部を回転軸とする回転駆動軸に設定するのが好ましい。起立軌跡および着座軌跡のX軸成分は、走行用駆動部AC(第1駆動部)の移動量(駆動量)だけでなく、第2および第3駆動部の駆動量のX軸成分を加算した値で形成される。
また、起立動作の際に左右駆動輪21e、21fがスリップした場合には、上述したように、移動量差導出部27cによって導出された移動量差(スリップ量)を補填するように、走行用駆動部AC(第1駆動部)だけでなく、第2および第3駆動部の駆動指示量を増減させる。
また、上述した実施形態においては、基台21から、被介助者M1の起立中および着座中において移動しない物までの距離を検出する距離検出センサは、被介助者M1の足までの距離を検出する足センサ22a1hを採用するようにしたが、これに限定されるものでなく、着座部までの距離を検出する検出センサや、例えば部屋の内壁までの距離を検出する検出センサを採用するようにしてもよい。
20…介助ロボット、21…基台、21g,21h…左右駆動輪用モータ(駆動源)、22…ロボットアーム部、22a…第1アーム、22a2b…スライド用モータ(第3駆動部)、22b…第2アーム、22b3…回転用モータ(第2駆動部)、22c…第3アーム、23…保持部、24…ハンドル、25…操作装置、26…記憶装置(記憶部)、27…制御装置、27a…基準データ取得部、27b…実移動量導出部、27c…移動量差導出部、27d…駆動制御部、28…撮像装置、29…案内装置、AC…走行用駆動部(第1駆動部)、M1…被介助者。

Claims (4)

  1. 第1駆動部によって第1軸方向に沿って走行可能な基台と、
    前記基台に設けられる第1回転駆動軸または前記基台の上方側に向けて延在するスライド駆動軸を有するロボットアーム部と、
    前記ロボットアーム部の先端側に設けられ、水平方向に延在する第2回転駆動軸回りに回動するとともに被介助者の体の一部を支えて起立および着座を補助する保持部と、
    前記保持部に支えられて着座している前記被介助者を起立させる場合において、前記被介助者の移動制御部位が通過する起立軌跡を示す起立軌跡用基準データと、前記保持部に支えられて起立している前記被介助者を着座させる場合において、前記被介助者の移動制御部位が通過する着座軌跡を示す着座軌跡用基準データと、を記憶した記憶部と、
    前記起立軌跡用基準データおよび前記着座軌跡用基準データに基づいて、前記第1駆動部を駆動させて前記基台を前記第1軸方向に沿って移動させるとともに、前記第1回転駆動軸の駆動または前記スライド駆動軸に沿った伸縮、及び、前記第2回転駆動軸の駆動によって前記ロボットアーム部を変形させるように制御する駆動制御部と、
    を備え、
    前記起立軌跡用基準データおよび前記着座軌跡用基準データの少なくとも一つに基づいて導出される前記第1駆動部の前記第1軸方向移動量である目標移動量と、前記基台の実際の前記第1軸方向移動量との差である移動量差を導出する移動量差導出部を、さらに備え、
    前記駆動制御部は、前記移動量差導出部によって導出された移動量差を補填するように、少なくとも前記第1駆動部の駆動指示量を増減させることを特徴とする介助ロボット。
  2. 前記基台から、前記被介助者の起立中および着座中において移動しない物までの距離を検出する距離検出センサと、
    前記距離検出センサによって検出された前記基台から前記物までの距離から前記基台の実際の前記第1軸方向移動量を導出する実移動量導出部と、をさらに備え、
    前記移動量差導出部は、前記実移動量導出部によって導出された前記基台の実際の前記第1軸方向移動量を使用して前記移動量差を導出することを特徴とする請求項1記載の介助ロボット。
  3. 前記移動しない物は、着座している前記被介助者の足であり、
    前記距離検出センサは、前記被介助者の足までの距離を検出する検出センサであることを特徴とする請求項2記載の介助ロボット。
  4. 前記ロボットアーム部は、前記基台に基部側が固定されて、全長が前記スライド駆動軸に沿って伸縮可能に構成された第1アームと、基部側が前記第1アームの先端側に固定されるとともに先端部側に前記第2回転駆動軸を介して前記保持部が回動可能に設けられた第2アームと、を備えていることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項記載の介助ロボット。
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