JP4696784B2 - マッサージ機 - Google Patents

Description

本発明は、マッサージ機、殊に多関節型のアームの先端に施療子を配したマッサージ機に関するものである。

椅子の背もたれなどにマッサージ機構を配したマッサージ機が従来から提供されているが、これらマッサージ機においては上記背もたれなどのフレーム上にマッサージ機構を組み込んで、フレーム面と直交する方向に施療子の力制御を行い、フレーム面と平行な方向に施療子の位置制御を行うものとして構成されている。

一方、マッサージ機構における施療子を通じて力が加えられることでマッサージを受ける被施療者にしてみれば、施療子が当接する部位によって力が加えられる方向が異なっている方が、より効果的なマッサージとなることが多いのに対して、上記のような従来のマッサージ機ではこのような要望に応えることができなかった。

また、被施療者の姿勢は固定されているわけではないために、上記要望に常に応えることができるようにすることも困難である。
特許第３４０２７２３号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、被施療者のある部位に対する力の印加方向を変えて、より効果的なマッサージを行うことができるマッサージ機を提供することを課題とするものであり、更に被施療者の姿勢がどうであれ、上記マッサージを行うことができるマッサージ機を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係るマッサージ機は、回転または並進可能な３つ以上の関節で形成された多関節型アームの先端にマッサージ用施療子を配して該施療子を三次元的に可動としたマッサージ機であって、各関節を独立に駆動するアクチュエータと、各関節の回転または並進の変位を検知する変位センサと、上記施療子と人体との接触を検出する力センサと、上記アクチュエータを駆動する制御回路とを具備して、上記制御回路は上記変位センサから出力される各関節変位情報でアーム先端の位置を検知するものであるとともに三次元的に任意な向きに設定したベクトルでアーム先端の施療子を駆動するものであり、更に、アーム先端または各関節変位の目標値と、変位センサによって検出された現在変位もしくは変位センサによって検出された現在変位から算出されるアーム先端の現在位置との偏差に基づいて各アクチュエータを制御する位置制御手段と、アーム先端が被施療者に接している時の変位センサから出力される各関節変位情報と、アームにおける関節で連結されたリンクの予め与えられた長さ情報とから幾何学的に算出されるアーム先端位置情報からマッサージ対象である人体の体形ラインを検知する体形ライン検知手段とを備えており、アーム先端の施療子を駆動するベクトルの向きは前記人体の体形ライン検知手段で検知された体形ラインの接線または法線に対して設定されたものであることに特徴を有している。人体のある部位に対して施療子を介して力を加える方向を検知した人体ラインに対して設定することができるようにしたもので、人体の各部位に対して夫々有効な方向に力を加えることを容易に行うことができる。

前記施療子が人体を押圧する時の反力を計測する力センサを前記アームの先端に備えており、前記制御回路は予め設定された力の向き及び力の目標値と、上記力センサによって検出された力の現在値との偏差に基づいて各アクチュエータを制御する力制御手段を備えていることが好ましい。

上記目標値を記憶する記憶手段を備えたものとすれば、予め設定しておいた揉みマッサージや指圧マッサージ等のマッサージ動作を得ることができる。

そして、アーム先端の施療子を駆動するベクトルの向き及び大きさの調整用の操作部を備えていると、被施療者の好みに応じた方向と大きさの力を加えることができる。

位置制御手段はアーム先端の目標軌跡を体形ラインの接線方向に逐次変更する手段を備えていると、人体の凹凸形状に依存せず、常に目標軌跡を維持することができる。

また力を加える方向と、位置制御手段による位置制御での目標軌跡を含む面とを直交関係として、位置制御手段によるアーム先端の施療子の位置制御は、力印加方向を除いた上記面上に目標をセットしたフィードバック位置制御としていると、位置制御の変位誤差が力制御誤差となって現れてしまうことがない。

本発明は、三次元的に任意な向きに設定したベクトルでアーム先端の施療子を駆動するものであるために、人体のある部位に対して施療子を介して力を加える方向を任意とすることができ、各部位に対して夫々より効果的なマッサージを行うことができるものであり、しかも人体のある部位に対して施療子を介して力を加える方向を、検知した人体ラインに対して設定するために、人体の各部位に対して夫々有効な方向に力を加えることを容易に行うことができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、図２は本発明に係るマッサージ機の一例を示すもので、椅子１の背もたれ２に左右一対のマッサージ機構３，３を配している。これらマッサージ機構３，３は、少なくとも３つ以上の回転または並進可能な関節３０で形成された多関節型アーム３１の先端を人体に接触する施療子３２としたもので、ここでは人体の手指を模したものとするために上記アーム３１を複数併設している。そして各アーム３１における各関節３０には個別に駆動されるアクチュエータ（モータ）と、各関節３０の回転または並進の変位を検知するロータリエンコーダ等からなる変位センサとが配されている。

関節３０の構成は多関節型のアーム３１の先端の施療子３２を三次元的に動かすことができるものであれば、どのようなものでもよいが、図３に示したものでは、Ｚ軸回りの回転を行う第１関節３０と、Ｚ軸を含む面内の回転を行う第２，第３関節３０，３０の総計３つの関節３０で構成している。

上記の各モータは、図４に示すように、モータドライバ及びＤ／Ａコンバータを介して制御回路に接続され、変位センサ（ロータリエンコーダ）はカウンタを介して制御回路に接続されている。図４中の力センサは、アーム３１の先端の施療子３２に配されて施療子３１と人体との接触及び施療子３２が人体を押圧する時の反力を計測するものであり、Ａ／Ｄコンバータを介して制御回路に接続されている。また、図４中の記憶装置は、力センサの出力と、上記変位センサの出力とを基に算出した人体の体形ラインや、施療子３２の駆動時の変位や力の目標値を記憶するものである。

上記制御回路は図５に示す位置及び力のフィードバック制御を行って多関節型アーム３１を駆動している。すなわち、位置ゲインをＫｐ、速度ゲインをＫｖ、力の比例ゲインをＫｆｐ、目標変位をｑｄ、位置センサから得られる現在の変位をｑ、位置偏差（ｑｄ−ｑ）をｅ１、目標の力をｆｄ、力センサから得られる現在の力をｆ、力偏差（ｆｄ−ｆ）をｅ２、アーム先端の力を各モータ出力に変換する行列をＪとする時、モータ指令値ｕは

で決定している。

ちなみに、アーム３１の先端の施療子３２の位置（座標ｘ,ｙ,ｚ）は、図３に示すように、各関節３０の角度をｑ１，ｑ２，ｑ３、アーム３１における各リンクの長さをｌ１，ｌ２，ｌ３とする時、次の式

で得ることができる。

そして、力センサの出力から施療子３２が人体に接していると判断される時の施療子３２の位置情報を人体における異なるところに施療子３２を接触させることで複数集めることで、人体の体形ラインを知ることができる。この場合、３点での位置情報を体形面の方程式ｚ＝ａｘ＋ｂｙ＋ｃに代入して体形面パラメータａ，ｂ，ｃを決定するとよい。また上記３点の座標を逐次更新することによって、被施療者の姿勢変化などにも対応することができる。

ここにおいて、多関節型のアーム３１の先端に施療子３２を設けたマッサージ機１では、図１に示すように、被施療者のある部位に対して任意の方向の力ベクトルを加えることができる。また、上記のように体形ラインを検知していれば、上記部位が変わったり被施療者の姿勢が変化しても、体形ラインの法線方向あるいは体形ラインに対してある角度をなす方向に力を加えることができる。

このための制御について説明すると、前記体形面方程式ｚ＝ａｘ＋ｂｙ＋ｃより、手先の幾何拘束条件φ(χ)は、次式で与えられる。ただし、χはアーム先端の三次元位置ベクトル（χ＝(ｘ,ｙ,ｚ)^T）である（Tは転置を示す）。

φ(χ)＝ｚ−ａｘ−ｂｙ−ｃ＝０
従って体形面の法線ベクトルφｘは、
φｘ＝（∂φ(χ)／∂χ）^T
＝（∂φ(χ)／∂ｘ，∂φ(χ)／∂ｙ，∂φ(χ)／∂ｚ）^T
と表される。

ここでアーム先端位置χ＝(ｘ,ｙ,ｚ)^Tと関節座標系ｑ＝（ｑ1,ｑ2,ｑ3）^Tとのヤコビアンを

と定義すると、体形面法線方向へ力を発揮するための各関節力（各モータ指令値）への変換ベクトルＪ_φを、上記２式から
Ｊ_φ(ｑ)^T＝Ｊ_ｘ(ｑ)^T（∂φ／∂χ）／｜φｘ｜
で定義することができる。

この式は、上述のように体形面に対して法線方向に力を発揮するための各関節３０への変換ベクトルであるが、体形面パラメータａ，ｂ，ｃを変更することにより、任意の方向へ力を発揮するための各関節への変換ベクトルを得ることができる。また、体形面情報を逐次更新することにより、体形ラインに対して常に指定の方向に力の向きをセットすることができる。

また、前記椅子１の肘掛け上などに図９に示すような操作部４を設けて、この操作部４を用いて被施療者が与えた向き及び大きさの力をアーム３１が出力するようにしてもよい。図示例の操作部４は、被施療者が指で操作面４０を押す時の向き及び強さを３軸力センサ４１を用いて検出し、検出された強さを前記フィードバック制御に際しての目標の力とするとともに、検出された向きで上記の力が得られるように各関節３０を制御することで、被施療者が望む方向及び強さのマッサージを得られるものとなる。

ところで、位置フィードバック制御及び力フィードバック制御を行う時の制御則は次のように表される。

この時、揉みマッサージなどのために人体に対して押し込むだけでなく、人体の体表面に沿って移動させる動きを行わせる時、その目標とする軌跡を設定して、施療子３２はこの軌跡に沿って移動するように位置制御することになるが、この軌跡（図６では楕円軌跡ｔ）を含む平面を目標軌跡面Ｔと定義すると、体形ラインＬに対して目標軌跡面Ｔが常に接線方向となるように逐次変更しつつ位置制御を行う。図中Ｍは目標軌跡面Ｔと体形ラインＬとの接触線であり、体形ラインＬの曲面に沿って目標軌跡ｔを逐次変更することになる。

逐次変更に際しては体形ラインの情報が必要となるが、法線方向が前記法線ベクトルφｘにより求まるために、体形ライン上に座標系を定義することができる上に、この座標系はアーム３１の先端の施療子３２と被施療者の接触点により定義されるために逐次変更される。そして目標軌跡面Ｔをこの座標系に定義することで、目標軌跡ｔは常に体形ラインＬの接線方向となるようにすることができる。この結果、人体表面の凹凸形状の影響を受けることなく、常に目標軌跡ｔを維持することができることを意味する。

また、図７に示すように、軌跡を制御したい面（体形ライン接面（ｘ，ｙ平面）に平行な面）Ｐに対して直交する方向の力を制御する場合、上記の面Ｐと関節変位のヤコビアン（接面ヤコビアン）は次式で与えられる。

この時、目標軌跡はｘｙ方向にのみ与えて、ｘｄxy＝（ｘｄ，ｙｄ）^Tと表すことができ、アーム３１先端のｘｙに関する位置ｘxy＝（ｘ，ｙ）^Tを位置制御する。変換ベクトルＪ_φを求めての力制御を同時に行うことから、制御入力は次式で与えられる（ただし、Ｋ_pxyは位置ゲイン、Ｋ_vxyは速度ゲイン）。

体形ラインの奥行き方向には位置の目標値を一切与えていないのは、位置制御の変位誤差が力制御に影響を及ぼすことを避けたためである。図８に体形ラインを検出しながら位置と力の制御を行う際のフローチャートを示す。

なお、力センサによるところの力フィードバックも含めるならば、制御入力は次式のものとする。

力センサや体形ライン検知手段は必ずしも必要としない。予め与えられた体形ラインを前提として多関節型のアーム３１を駆動しても、人体のある部位に対して施療子を介して力を加える方向を任意とすることができるからである。図１０はこの場合のブロック回路図を示している。

本発明の実施の形態の一例における動作説明図である。 (a)は同上の斜視図、(b)は同上の要部拡大斜視図である。 同上のアームの説明図である。 同上のブロック回路図である。 同上の制御系のブロック図である。 目標軌跡面の説明図である。 同上の位置制御及び力制御の説明図である。 同上のフローチャートである。 同上の操作部の概略図である。 他例のブロック回路図である。

符号の説明

１ 椅子
２ 背もたれ
３ マッサージ機構
３０ 関節
３１ アーム
３２ 施療子

Claims (6)

1. 回転または並進可能な３つ以上の関節で形成された多関節型アームの先端にマッサージ用施療子を配して該施療子を三次元的に可動としたマッサージ機であって、
   各関節を独立に駆動するアクチュエータと、各関節の回転または並進の変位を検知する変位センサと、上記施療子と人体との接触を検出する力センサと、上記アクチュエータを駆動する制御回路とを具備して、
   上記制御回路は上記変位センサから出力される各関節変位情報でアーム先端の位置を検知するものであるとともに三次元的に任意な向きに設定したベクトルでアーム先端の施療子を駆動するものであり、
   更に、上記制御回路は、アーム先端または各関節変位の目標値と、変位センサによって検出された現在変位もしくは変位センサによって検出された現在変位から算出されるアーム先端の現在位置との偏差に基づいて各アクチュエータを制御する位置制御手段と、
   アーム先端が被施療者に接している時の変位センサから出力される各関節変位情報と、アームにおける関節で連結されたリンクの予め与えられた長さ情報とから幾何学的に算出されるアーム先端位置情報からマッサージ対象である人体の体形ラインを検知する体形ライン検知手段とを備えており、
   アーム先端の施療子を駆動するベクトルの向きは前記人体の体形ライン検知手段で検知された体形ラインの接線または法線に対して設定されたものであることを特徴とするマッサージ機。
2. 前記施療子が人体を押圧する時の反力を計測する力センサを前記アームの先端に備えており、前記制御回路は予め設定された力の向き及び力の目標値と、上記力センサによって検出された力の現在値との偏差に基づいて各アクチュエータを制御する力制御手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のマッサージ機。
3. 前記目標値を記憶する記憶手段を備えていることを特徴とする請求項１または２記載のマッサージ機。
4. 前記アーム先端の施療子を駆動するベクトルの向き及び大きさの調整用の操作部を備えていることを特徴とする請求項１記載のマッサージ機。
5. 前記位置制御手段はアーム先端の目標軌跡を前記体形ラインの接線方向に逐次変更する手段を備えていることを特徴とする請求項１または４記載のマッサージ機。
6. 力を加える方向と、位置制御手段による位置制御での目標軌跡を含む面とを直交関係として、前記位置制御手段によるアーム先端の施療子の位置制御は、力印加方向を除いた上記面上に目標をセットしたフィードバック位置制御としていることを特徴とする請求項５記載のマッサージ機。

Images