JP5981158B2 - 立ち座り動作支援ロボットおよび動作設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、被介護者の起立動作や着座動作を支援する立ち座り動作支援ロボット、および当該立ち座り動作支援ロボットの動作設定方法に関する。

特許文献１には、起立着座動作の訓練補助ロボットが開示されている。同文献によると、訓練補助ロボットの制御部には、被介護者の脇を支持するサポート部の軌道が、複数パターン記憶されている。各軌道は、身長、年齢、性別の異なる複数の者に起立着座動作を行わせて、その軌道をトレースしたものである。すなわち、各軌道は、生データである。

特許文献２には、身体動作を実行するロボットシステムが開示されている。同文献によると、予めモーションキャプチャで計測された被験体（人など）の動作を、ロボットが再現することができる。同文献の場合も、ロボットの軌道は、モーションキャプチャで計測された軌道そのものである。すなわち、軌道は生データである。

実用新案登録第３１６６２１４号 特開２００８−８０４３１号公報

このように、特許文献１の訓練補助ロボット、特許文献２のロボットシステムによると、ロボットの軌道は、生データである。このため、軌道の数が少ない場合、どの軌道を用いても被介護者の動作に充分に対応できないというケースが起こりうる。すなわち、いかなる軌道にも適合しない被介護者が発生しうる。したがって、汎用性に欠ける。

また、起立動作、着座動作を行う際、被介護者の姿勢は、逐次変化する。このため、起立動作、着座動作を支援する際は、被介護者の自然な姿勢変化を妨げないように、言い換えると被介護者が快適なように、ロボットを動かす必要がある。しかしながら、特許文献１、特許文献２には、被介護者の姿勢に関する記載はない。

本発明の立ち座り動作支援ロボットおよび動作設定方法は、上記課題に鑑みて完成されたものである。本発明は、被介護者が快適に立ち座り動作を行うことができるような動作を実行可能な立ち座り動作支援ロボット、および当該動作を立ち座り動作支援ロボットに設定可能な動作設定方法を提供することを目的とする。

（１）上記課題を解決するため、本発明の動作設定方法は、被介護者の起立動作および着座動作のうち少なくとも一方である立ち座り動作を支援する立ち座り動作支援ロボットの動作設定方法であって、前記立ち座り動作のベース軌道を、前記被介護者ごとの所定の身体箇所の位置に応じて補正することにより、カスタム軌道を取得するカスタム軌道取得工程を有することを特徴とする。

本発明の動作設定方法によると、ベース軌道を補正することにより、カスタム軌道を取得することができる。補正は、被介護者ごとに行われる。このため、カスタム軌道に被介護者の動きが適合しやすい。また、補正は、被介護者の身体箇所の位置に応じて行われる。このため、被介護者の自然な姿勢変化を妨げないように、言い換えると被介護者が快適なように、立ち座り動作支援ロボットを動かすことができる。

（１−１）好ましくは、上記（１）の構成において、前記カスタム軌道取得工程の前に、前記ベース軌道を取得するベース軌道取得工程を有し、該カスタム軌道取得工程においては、前記被介護者の身長を用いて該ベース軌道を補正することにより、該立ち座り動作を行う際の前記所定の身体箇所の前記カスタム軌道を取得すると共に、該被介護者の該身長を用いて、該カスタム軌道における該所定の身体箇所の位置に応じた該被介護者の胸角度を設定する構成とする方がよい。

本構成によると、被介護者の身長に応じて、ベース軌道を補正し、カスタム軌道を取得している。このため、被介護者の体格に応じたカスタム軌道を設定することができる。また、本構成によると、被介護者の身長に応じて、カスタム軌道における被介護者の胸角度を設定している。このため、被介護者が快適である。また、本構成によると、被介護者の身長を用いることにより、カスタム軌道の設定と、胸角度の設定と、を行うことができる。このため、被介護者の体格に応じたカスタム軌道、胸角度を、簡単に設定することができる。

（１−２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記ベース軌道が前記被介護者の前記着座動作に対応する場合、前記カスタム軌道取得工程において、該ベース軌道から前記カスタム軌道を取得する際に行われる補正は、該被介護者の身長と着座対象物の高さとを用いて行われる構成とする方がよい。

着座動作の場合、被介護者は、最終的には着座対象物に腰掛けることになる。この点、本構成によると、カスタム軌道の終点に対応する着座対象物の高さを加味して、カスタム軌道を設定することができる。

（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記カスタム軌道取得工程において、前記ベース軌道から前記カスタム軌道を取得する際に行われる補正は、該ベース軌道の拡大、縮小、オフセットのうち、少なくとも一つを含む構成とする方がよい。本構成によると、簡単に、ベース軌道からカスタム軌道を算出することができる。

（３）好ましくは、上記（１）または（２）の構成において、前記ベース軌道は、モーションキャプチャを用いて取得される構成とする方がよい。本構成によると、簡単に、ベース軌道を取得することができる。

（３−１）好ましくは、上記（３）の構成において、前記ベース軌道は、健常者の前記立ち座り動作をサンプリングすることにより取得される構成とする方がよい。本構成によると、本来立ち座り動作が困難な被介護者に立ち座り動作を行わせることなく、ベース軌道を取得することができる。

（４）好ましくは、上記（１）ないし（３）のいずれかの構成において、前記所定の身体箇所は、前記被介護者の頭部、肩部、胸部、脚部のうちの、少なくとも一つである構成とする方がよい。本構成によると、被介護者が立ち座り動作を行う際に、動きに特徴が発現しやすい身体箇所について、カスタム軌道を設定することができる。このため、カスタム軌道に被介護者の動きが適合しやすい。

本発明によると、被介護者が快適に立ち座り動作を行うことができるような動作を実行可能な立ち座り動作支援ロボット、および当該動作を立ち座り動作支援ロボットに設定可能な動作設定方法を提供することができる。

本発明の立ち座り動作支援ロボットの一実施形態である立ち座り動作支援ロボットのロボット本体の斜視図である。 同立ち座り動作支援ロボットのブロック図である。 （ａ）は、着座状態の被験者の模式図である。（ｂ）は、起立第一状態の被験者の模式図である。（ｃ）は、起立第二状態の被験者の模式図である。（ｄ）は、起立第三状態の被験者の模式図である。（ｅ）は、直立状態の被験者の模式図である。（ｆ）は、（ａ）〜（ｅ）における胸角度の変化および肩部の軌道である。 （ａ）は、式（１）から算出される胸角度の推測値と、身長１７０ｃｍの被験者の起立動作時の胸角度の実測値と、を示すグラフである。（ｂ）は、式（２）から算出される胸角度の推測値と、身長１７０ｃｍの被験者の起立動作時の胸角度の実測値と、を示すグラフである。 （ａ）は、式（１）から算出される胸角度の推測値と、身長１６５ｃｍの被験者の起立動作時の胸角度の実測値と、を示すグラフである。（ｂ）は、式（２）から算出される胸角度の推測値と、身長１６５ｃｍの被験者の起立動作時の胸角度の実測値と、を示すグラフである。 式（２）を基に作成された胸角度推測マップの模式図である。 本発明の動作設定方法の一実施形態である動作設定方法のフローチャートである。 （ａ）は、ベース軌道を拡縮してカスタム軌道を算出する際の模式図である。（ｂ）は、ベース軌道をオフセットしてカスタム軌道を算出する際の模式図である。 （ａ）は、着座状態の被介護者とロボット本体との模式図である。（ｂ）は、起立第一状態の被介護者とロボット本体との模式図である。（ｃ）は、起立第二状態の被介護者とロボット本体との模式図である。（ｄ）は、起立第三状態の被介護者とロボット本体との模式図である。（ｅ）は、直立状態の被介護者とロボット本体との模式図である（ｆ）は、（ａ）〜（ｅ）における被介護者の肩部の軌道（カスタム軌道）である。

以下、本発明の立ち座り動作支援ロボットおよび動作設定方法の実施の形態について説明する。

＜立ち座り動作支援ロボットの構成＞
まず、本実施形態の立ち座り動作支援ロボットの構成について説明する。図１に、本実施形態の立ち座り動作支援ロボットのロボット本体の斜視図を示す。図２に、同立ち座り動作支援ロボットのブロック図を示す。図１、図２に示すように、立ち座り動作支援ロボット１は、ロボット本体２と、手動パルス発生器３と、制御ボックス４と、を備えている。

［ロボット本体２］
図１、図２に示すように、ロボット本体２は、ベース２０と、左右一対の第一アーム２１と、第二アーム２２と、支持部２３と、３つのサーボシステム２４と、を備えている。

ベース２０は、ベース本体２００と、４つのストッパ２０１と、４つの車輪２０２と、４つの近接センサ２０３と、左右一対の揺動軸２０４と、左右一対の軸受ブロック２０５と、を備えている。

ベース本体２００は、前方に開口するＣ字枠状を呈している。開口を介して、被介護者は、ベース本体２００の枠内に、自身の足を挿入することができる。４つの車輪２０２は、ベース本体２００の４つの角部に配置されている。４つの車輪２０２が床面を回転することにより、ロボット本体２は移動可能である。４つのストッパ２０１は、ベース本体２００の４つの角部に配置されている。４つのストッパ２０１は、上下方向に移動可能である。４つのストッパ２０１が床面に当接することにより、ロボット本体２は固定される。被介護者の立ち座り動作を支援する際は、４つのストッパ２０１は、床面に当接している。４つの近接センサ２０３は、ベース本体２００の４つの角部に配置されている。４つの近接センサ２０３は、被介護者の立ち座り動作を支援する際、ロボット本体２の周囲の障害物を監視している。

左右一対の軸受ブロック２０５は、ベース本体２００の左右両縁の中央付近に配置されている。左右一対の揺動軸２０４は、各々、軸受ブロック２０５に、縦方向（前→上→後→下と回転する方向またはその逆方向）に回転可能に支持されている。左右一対の揺動軸２０４は、各々、左右方向（水平方向）に延在している。

左右一対の第一アーム２１は、各々、アーム本体２１０と、揺動軸２１１と、軸受ブロック２１２と、を備えている。左右一対のアーム本体２１０の下端は、各々、揺動軸２０４に取り付けられている。左右一対の軸受ブロック２１２は、各々、アーム本体２１０の上端に取り付けられている。揺動軸２１１は、左右一対の軸受ブロック２１２に、縦方向に回転可能に支持されている。揺動軸２１１は、左右方向に延在している。

第二アーム２２は、アーム本体２２０と、揺動軸２２１と、を備えている。アーム本体２２０の後端は、揺動軸２１１に取り付けられている。揺動軸２２１は、アーム本体２２０の前端に取り付けられている。揺動軸２２１は、左右方向に延在している。

支持部２３は、支持部本体２３０と、一対のブラケット２３１と、一対のハンドル２３２と、を備えている。支持部本体２３０は、前方に開口するＣ字板状を呈している。支持部本体２３０の前面には、クッション材（図略）が配置されている。被介護者の立ち座り動作を支援する際、支持部本体２３０は、被介護者の胸部を支持する。一対のブラケット２３１は、支持部本体２３０の後面に配置されている。一対のブラケット２３１は、揺動軸２２１の前後両端を、縦方向に回転可能に支持している。一対のハンドル２３２は、各々ブラケット２３１から上方に突設されている。被介護者の立ち座り動作を支援する際、一対のハンドル２３２は、被介護者により把持される。

３つのサーボシステム２４は、揺動軸２０４、２１１、２２１を回転可能である。図２に示すように、３つのサーボシステム２４は、各々、サーボモータ２４０と、サーボアンプ２４１と、エンコーダ２４２と、を備えている。また、３つのサーボモータ２４０は、各揺動軸２０４、２１１、２２１にリジッドに取り付けられている。あるいは、３つのサーボモータ２４０は、ベース２０側のアーム（図略）に取り付けられている。当該アームは、サーボモータ２４０の駆動対象となる揺動軸２０４、２１１、２２１に取り付けられたギアを介して、当該揺動軸２０４、２１１、２２１に繋がっている、こうすると、動的イナーシャを有利にすることができる。

［手動パルス発生器３］
手動パルス発生器３は、切替スイッチ（図略）と、ダイヤル（図略）と、を備えている。切替スイッチにより、ロボット本体２の運転モードを、自動モードと、手動モードと、に切り替えることができる。

自動モードにおいては、後述する制御ボックス４のコンピュータ４１が、予め設定されたカスタム軌道、移動速度、胸角度を遵守しながら、自動的に３つのサーボモータ２４０を駆動する。すなわち、自動的に支持部２３を動かす。

手動モードにおいては、操作者が、ダイヤルを回転させることにより、予め設定されたカスタム軌道、胸角度を遵守しながら、３つのサーボモータ２４０を駆動する。すなわち、手動で支持部２３を動かす。支持部２３の移動速度、揺動速度は、ダイヤルの回転速度により、手動で調整することができる。

［制御ボックス４］
図２に示すように、制御ボックス４は、入力装置４０と、コンピュータ４１と、入出力インターフェイス４２と、モーションコントローラ４３と、を備えている。入出力インターフェイス４２は、入力装置４０、コンピュータ４１、手動パルス発生器３、モーションコントローラ４３、４つの近接センサ２０３に、電気的に接続されている。

コンピュータ４１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４１０と、メモリ４１１と、を備えている。ＣＰＵ４１０は、被介護者の肩部のカスタム軌道、カスタム軌道に対応する支持部２３の軌道、支持部２３の移動速度、支持部２３の揺動角度、支持部２３の揺動速度、カスタム軌道の所要時間、カスタム軌道の始点、カスタム軌道の終点などを算出することができる。なお、被介護者の肩部は、本発明の「所定の身体箇所」の概念に含まれる。

メモリ４１１には、被介護者の肩部のベース軌道、胸角度推測マップ、肩部のカスタム軌道、カスタム軌道に対応する支持部２３の軌道、カスタム軌道の各位置における胸角度などが格納される。なお、本実施形態における胸角度とは、水平軸（前後軸）をＸ軸、垂直軸（上下軸）をＹ軸として、Ｙ軸に対する被介護者の胸部の傾斜角度である。

入力装置４０は、タッチパネルである。操作者は、入力装置４０を介して、被介護者の身長、被介護者が着座動作を行う場合は椅子の高さを、コンピュータ４１に入力することができる。

モーションコントローラ４３は、３つのサーボシステム２４に、電気的に接続されている。モーションコントローラ４３は、メモリ４１１に格納された軌道、胸角度を遵守するように、３つのサーボシステム２４をリアルタイム制御している。

４つの近接センサ２０３からは、ロボット本体２の周囲の状況が、コンピュータ４１に伝送される。被介護者の立ち座り動作を支援する際、ロボット本体２の動作に干渉しそうな障害物を近接センサ２０３が発見した場合、コンピュータ４１は、ロボット本体２を非常停止させることができる。

＜胸角度の推測方法＞
次に、本実施形態の動作設定方法において用いられる、胸角度の推測方法について説明する。立ち座り動作支援ロボット１が被介護者の立ち座り動作を支援する際、被介護者の肩部は、所定の軌道で移動する。肩部が所定の軌道で移動する間、被介護者の胸部の角度つまり胸角度は変化し続ける。

例えば、被介護者が起立動作を行う場合、まず、被介護者は着座姿勢をとっている。このため、胸角度（Ｙ軸（上下軸）に対する胸部の傾斜角度）は小さい。次に、被介護者は、重心を前方に移動させ、前傾姿勢になる。このため、胸角度は大きくなる。最後に、被介護者は起立姿勢になる。このため、胸角度は再び小さくなる。このように、被介護者の胸角度は、肩部の軌道の各位置に応じて変化する。

ここで、被介護者の胸部は、支持部２３（具体的には支持部本体２３０）により支持される。このため、被介護者の立ち座り動作を支援する際、支持部２３の角度と、被介護者の胸角度と、が一致していた方が（被介護者の自然な胸部の動きに追従して、支持部の角度が変わる方が）、被介護者は快適である。

しかしながら、軌道の各位置における被介護者の胸角度を正確に計測するためには、本来立ち座り動作が困難な被介護者に、立ち座り動作を行わせる必要がある。また、被介護者ごとに胸角度の計測作業を行うのは煩雑である。

このような観点から検討を重ねた結果、本発明者は、立ち座り動作の際の被介護者の胸角度を、被介護者の肩部の座標（ｘ（＝Ｘ軸方向位置）、ｙ（＝Ｙ軸方向位置））から、高い精度で推測することに成功した。さらに、本発明者は、立ち座り動作の際の被介護者の胸角度を、被介護者の肩部の座標と、被介護者の身長と、から、極めて高い精度で推測することに成功した。

以下、検討内容について説明する。まず、被験者（健常者）に起立動作を行ってもらい、当該起立動作をモーションキャプチャにより計測した。図３（ａ）に、着座状態の被験者の模式図を示す。図３（ｂ）に、起立第一状態の被験者の模式図を示す。図３（ｃ）に、起立第二状態の被験者の模式図を示す。図３（ｄ）に、起立第三状態の被験者の模式図を示す。図３（ｅ）に、直立状態の被験者の模式図を示す。図３（ｆ）に、図３（ａ）〜図３（ｅ）における胸角度の変化および肩部の軌道を示す。

計測においては、まず、被験者ｋの踵部、膝部、腰部、腹部、肩部に、各々、マーカ９１をセットした。次に、図３（ａ）〜図３（ｅ）に示すように、被験者ｋに、起立動作を行ってもらった。この際、被験者ｋの起立動作をカメラにより撮像した。それから、図３（ｆ）に示すように、撮像により得られた画像から、被験者ｋの胸角度θの変化および肩部の軌道Ｌ０を算出した。

なお、胸角度θとは、Ｙ軸に対する、腹部のマーカ９１と肩部のマーカ９１とを結ぶ直線（図３（ａ）〜図３（ｆ）において太線で示す。）の、傾斜角度である。また、肩部の軌道Ｌ０とは、起立動作の各姿勢における肩部の座標ａ１（ｘ、ｙ）〜ａ５（ｘ、ｙ）を最小二乗法により近似したものである（座標ａ１〜ａ５の数は限定しない）。また、起立動作のサンプリング数は、１３１５パターンである。

次に、本発明者は、１３１５パターンの起立動作に対して、表計算ソフト（マイクロソフト社製ＥＸＣＥＬ）を用いて回帰分析を行った。説明変数は肩部の座標ａ１〜ａ５である。被説明変数は胸角度θである。回帰分析の結果を、式（１）に示す。
θ＝Ａ×ｘ−Ｂ×ｙ＋Ｃ ・・・式（１）
ここで、式（１）中、Ａ、Ｂ、Ｃは、正数（定数）である。Ａ、Ｂ、Ｃは、サンプリング数、被験者ｋの肩部の座標ａ１〜ａ５、被験者ｋの起立動作などの影響を受ける。今回の回帰分析の場合、一例として、Ａ＝０．０８３９５３、Ｂ＝０．０８４５８８ｙ、Ｃ＝６２．３５６０７５となった。

式（１）の実測データ（サンプリングした起立動作）に対する適合性は、補正Ｒ^２（自由度修正済み決定係数である。１に近いほど、実測データに対する式（１）の適合性が高くなる。）を用いて評価した。Ａ＝０．０８３９５３、Ｂ＝０．０８４５８８ｙ、Ｃ＝６２．３５６０７５の場合の式（１）の補正Ｒ^２は、０．９２２０３であった。この回帰分析から、胸角度θと、肩部の座標ａ１〜ａ５との間に、高い相関関係があることが判った。つまり、起立動作における胸角度θを、被験者ｋの肩部の軌道Ｌ０から、高い精度で推測できることが判った。

さらに、本発明者は、被験者ｋの身長により、式（１）と実測データとの誤差が、異なることを見出した。そこで、説明変数に、さらに被験者ｋの身長ｈを加えた。回帰分析の結果を、式（２）に示す。
θ＝Ｄ×ｘ−Ｅ×ｙ＋Ｆ×ｈ＋Ｇ ・・・式（２）
ここで、式（２）中、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇは、正数（定数）である。Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇは、サンプリング数、被験者ｋの肩部の座標ａ１〜ａ５、被験者ｋの起立動作、被験者ｋの身長などの影響を受ける。今回の回帰分析の場合、一例として、Ｄ＝０．０８３９６９、Ｅ＝０．０８７２４４、Ｆ＝０．９４４４３２、Ｇ＝６２．３５６０７５となった。

Ｄ＝０．０８３９６９、Ｅ＝０．０８７２４４、Ｆ＝０．９４４４３２、Ｇ＝６２．３５６０７５の場合の式（２）の補正Ｒ^２は、０．９６９７２であった。この回帰分析から、胸角度θと、肩部の座標ａ１〜ａ５、身長ｈとの間に、極めて高い相関関係があることが判った。つまり、起立動作における胸角度θを、被験者ｋの肩部の軌道Ｌ０、被験者ｋの身長ｈから、極めて高い精度で推測できることが判った。

以下、Ａ＝０．０８３９５３、Ｂ＝０．０８４５８８ｙ、Ｃ＝６２．３５６０７５の場合の式（１）から算出される胸角度の推測値の、身長の異なる二人の被験者ｋの起立動作時の胸角度θの実測値に対する、適合性を検証する。

並びに、Ｄ＝０．０８３９６９、Ｅ＝０．０８７２４４、Ｆ＝０．９４４４３２、Ｇ＝６２．３５６０７５の場合の式（２）から算出される胸角度の推測値の、身長の異なる二人の被験者ｋの起立動作時の胸角度θの実測値に対する、適合性を検証する。

図４（ａ）に、式（１）から算出される胸角度の推測値と、身長１７０ｃｍの被験者の起立動作時の胸角度の実測値と、を示す。図４（ｂ）に、式（２）から算出される胸角度の推測値と、身長１７０ｃｍの被験者の起立動作時の胸角度の実測値と、を示す。図５（ａ）に、式（１）から算出される胸角度の推測値と、身長１６５ｃｍの被験者の起立動作時の胸角度の実測値と、を示す。図５（ｂ）に、式（２）から算出される胸角度の推測値と、身長１６５ｃｍの被験者の起立動作時の胸角度の実測値と、を示す。図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）、図５（ｂ）の横軸は、各々、起立動作に要する時間である。

図４（ａ）、図５（ａ）に示すように、式（１）による推測値は、身長の異なる二人の被験者ｋの実測値に対して、高い適合性を有している。このため、立ち座り動作の際の被介護者の胸角度は、被介護者の肩部の座標から、高い精度で推測することができる。

図４（ｂ）、図５（ｂ）に示すように、式（２）による推測値は、身長の異なる二人の被験者ｋの実測値に対して、極めて高い相関関係を有している。このため、立ち座り動作の際の被介護者の胸角度は、被介護者の肩部の座標から、極めて高い精度で推測することができる。

図６に、式（２）を基に作成された胸角度推測マップを模式的に示す。図６に示すように、胸角度推測マップにおいて、任意の起立動作の軌道Ｌ０は、始点ａ１（着座状態）から終点ａ５（直立状態）に向かって、Ｃ字状の軌跡を描いている。

後述する動作設定方法においては、図６に示す胸角度推測マップを用いて、被介護者のカスタム軌道の各位置における胸角度が推測される。すなわち、後述するように、カスタム軌道は、被介護者の肩部の座標（ｘ、ｙ）の集合体である。このため、カスタム軌道の各位置におけるｘ、ｙを式（２）に代入することにより、当該カスタム軌道の各位置における胸角度を算出することができる。

＜動作設定方法＞
次に、本実施形態の動作設定方法について説明する。本実施形態の動作設定方法は、ベース軌道取得工程と、カスタム軌道取得工程と、を備えている。図７に、本実施形態の動作設定方法のフローチャートを示す。

［ベース軌道取得工程］
本工程においては、肩部のベース軌道を取得する。まず、上記胸角度の推測方法の図３（ａ）〜図３（ｅ）に示すように、モーションキャプチャを用いて、１３１５パターンの起立動作をサンプリングする。次に、１３１５個の軌道Ｌ０の中から理想的な軌道Ｌ０を選択し、当該軌道をベース軌道とする。取得されたベース軌道は、図２に示すコンピュータ４１のメモリ４１１に格納される。メモリ４１１には、ベース軌道の各位置における肩部の移動速度も格納される。

［カスタム軌道取得工程］
本工程においては、ベース軌道を補正することにより、カスタム軌道を取得する。まず、操作者は、図１に示すロボット本体２を、被介護者の近くに配置する。次に、ロボット本体２の位置決め完了後、４つのストッパ２０１およびロック機構（図略）を用いて、ロボット本体２を床面に固定する。

続いて、操作者は、図２に示す入力装置４０に、被介護者の身長を入力する（図７のＳ（ステップ）１）。モーションコントローラ４３には、３つのエンコーダ２４２から、３つのサーボモータ２４０の回転角度が入力される。入力される回転角度を基に、ＣＰＵ４１０は、ロボット本体２の支持部２３の現在位置を取得する。また、支持部２３（被介護者の胸部）の現在位置から、被介護者の肩部の現在位置、つまりカスタム軌道の始点を取得する（図７のＳ２）。

それから、ＣＰＵ４１０は、被介護者の肩部のカスタム軌道の終点を取得する（図７のＳ３）。具体的には、以下の式（３）を用いて、被介護者の直立状態における肩部の座標を算出する。
終点＝身長×補正値（％） ・・・式（３）
それから、ＣＰＵ４１０は、算出した始点と終点とを繋ぐように、カスタム軌道を算出する。並びに、胸角度を算出する（図７のＳ４）。まず、カスタム軌道の算出方法について説明する。具体的には、ＣＰＵ４１０は、被介護者の身長に応じて、ベース軌道を補正することにより、カスタム軌道を算出する。図８（ａ）に、ベース軌道を拡縮してカスタム軌道を算出する際の模式図を示す。図８（ｂ）に、ベース軌道をオフセットしてカスタム軌道を算出する際の模式図を示す。図８（ａ）、図８（ｂ）において、ベース軌道Ｌ１の座標ｂ１〜ｂ５は、カスタム軌道Ｌ２の座標ｃ１〜ｃ５に対応している。

図８（ａ）に示すように、被介護者の身長が高い場合は、ベース軌道Ｌ１を拡大することにより、長いカスタム軌道Ｌ２を算出する。反対に、被介護者の身長が低い場合は、ベース軌道Ｌ１を縮小することにより、短いカスタム軌道Ｌ２を算出する。また、図８（ｂ）に示すように、被介護者の肩部の位置に応じて、ベース軌道Ｌ１自体を前後上下にオフセットさせることにより、カスタム軌道Ｌ２を算出する。勿論、図８（ａ）の拡縮と、図８（ｂ）のオフセットと、を適宜、組み合わせて用いることにより、カスタム軌道Ｌ２を算出することもできる。

次に、胸角度の算出方法について説明する。図２に示すコンピュータ４１のメモリ４１１には、図６に示す胸角度推測マップが格納されている。ＣＰＵ４１０は、胸角度推測マップにより、被介護者の身長、カスタム軌道Ｌ２から、被介護者に最適な胸角度を算出する。具体的には、カスタム軌道Ｌ２の各位置におけるｘ、ｙ、被介護者の身長ｈを式（２）に代入することにより、カスタム軌道Ｌ２の各位置における胸角度を算出する。

続いて、ＣＰＵ４１０は、算出したカスタム軌道Ｌ２、胸角度をチェックする（図７のＳ５）。チェックの結果、合格の場合は、カスタム軌道Ｌ２、胸角度を決定する（図７のＳ６）。一方、チェックの結果、不合格の場合（例えば、被介護者の身長が高すぎる場合や低すぎる場合）は、再度、図７のＳ４、Ｓ５を繰り返す。決定されたカスタム軌道Ｌ２、胸角度は、図２に示すコンピュータ４１のメモリ４１１に格納される。

カスタム軌道Ｌ２、胸角度を決定したら、ＣＰＵ４１０は、被介護者の肩部がカスタム軌道Ｌ２に沿って移動するように、図１に示す支持部２３の軌道を算出する。並びに、被介護者の胸角度が算出された胸角度に保持されるように、図１に示す支持部２３の揺動角度を算出する。そして、算出結果に従ってロボット本体２を動かすために、各揺動軸２０４、２１１、２２１に対する、指令値を設定する（図７のＳ７）。指令値は、図２に示すコンピュータ４１のメモリ４１１に格納される。

このようにして、本実施形態の動作設定方法によると、被介護者の身長を入力するだけで、被介護者専用のカスタム軌道Ｌ２、カスタム軌道Ｌ２の各位置における胸角度を取得することができる。

＜立ち座り動作支援ロボットの動き＞
次に、立ち座り動作支援ロボット１の動きについて説明する。図９（ａ）に、着座状態の被介護者とロボット本体との模式図を示す。図９（ｂ）に、起立第一状態の被介護者とロボット本体との模式図を示す。図９（ｃ）に、起立第二状態の被介護者とロボット本体との模式図を示す。図９（ｄ）に、起立第三状態の被介護者とロボット本体との模式図を示す。図９（ｅ）に、直立状態の被介護者とロボット本体との模式図を示す。図９（ｆ）に、図９（ａ）〜図９（ｅ）における被介護者の肩部の軌道（カスタム軌道）を示す。

操作者は、図２に示す手動パルス発生器３の切替スイッチにより、ロボット本体２の運転モードを、自動モードに切り替える。コンピュータ４１は、各揺動軸２０４、２１１、２２１に対する指令値を、モーションコントローラ４３に伝送する。モーションコントローラ４３は、指令値に従って３つのサーボシステム２４を駆動する。すなわち、図９（ａ）〜図９（ｆ）に示すように、被介護者Ｋの肩部の座標ｃ１〜ｃ５を遵守するように（始点ｃ１から終点ｃ５に至るカスタム軌道Ｌ２を遵守するように）、３つのサーボモータ２４０を駆動し、揺動軸２０４、２１１、２２１を回動させる。なお、図２に示すように、３つのサーボモータ２４０の回転角度は、３つのエンコーダ２４２からモーションコントローラ４３に入力される。このようにして、立ち座り動作支援ロボット１は、被介護者Ｋの起立動作を自動的に支援する。

なお、起立動作の支援は、手動モードを用いて行うこともできる。具体的には、まず、操作者は、図２に示す手動パルス発生器３の切替スイッチにより、ロボット本体２の運転モードを手動モードに切り替える。次に、操作者は、ダイヤルを回転させる。ダイヤルの回転角度に応じて発生するパルスにより、支持部２３は、カスタム軌道Ｌ２、胸角度を遵守しながら、移動する。支持部２３の移動速度、揺動速度は、ダイヤルの回転速度により、手動で調整する。

立ち座り動作支援ロボット１で被介護者Ｋの着座動作（図９（ｅ）→図９（ａ）の動作）を支援する場合、カスタム軌道Ｌ２の終点ａ１を設定する際に、椅子９０（着座対象物）の高さＨを考慮する必要がある。この場合、図７のＳ１において、被介護者Ｋの身長に加えて、椅子９０の高さを、図２の入力装置４０から入力する。ＣＰＵ４１０は、椅子９０の高さＨを考慮して、カスタム軌道Ｌ２の終点ａ１をする。具体的には、図７のＳ３において、式（３）の代わりに、以下の式（４）を用いて被介護者Ｋの着座状態における肩部の座標を算出する。
終点＝身長×椅子の高さ×補正値（％） ・・・式（４）

＜作用効果＞
次に、本実施形態の立ち座り動作支援ロボットおよび動作設定方法の作用効果について説明する。本実施形態の動作設定方法によると、図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、ベース軌道Ｌ１を補正することにより、カスタム軌道Ｌ２を取得することができる。補正は、被介護者Ｋごとに行われる。このため、カスタム軌道Ｌ２に被介護者Ｋの動きが適合しやすい。また、補正は、被介護者Ｋの肩部の位置に応じて行われる。このため、被介護者Ｋの姿勢変化を妨げないように、言い換えると被介護者Ｋが快適なように、立ち座り動作支援ロボット１を動かすことができる。

また、本実施形態の動作設定方法によると、図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、被介護者Ｋの身長に応じて、ベース軌道Ｌ１を補正し、カスタム軌道Ｌ２を取得している。このため、被介護者Ｋの体格に応じたカスタム軌道Ｌ２を設定することができる。また、本実施形態の動作設定方法によると、被介護者Ｋの身長に応じて、カスタム軌道Ｌ２における被介護者Ｋの胸角度を設定している。このため、被介護者Ｋが快適である。また、本実施形態の動作設定方法によると、被介護者Ｋの身長を図２に示す入力装置４０に入力するだけで、カスタム軌道Ｌ２の設定と、胸角度の設定と、を行うことができる。このため、被介護者Ｋの体格に応じたカスタム軌道Ｌ２、胸角度を、簡単に設定することができる。

また、本実施形態の動作設定方法によると、ベース軌道Ｌ１が被介護者Ｋの着座動作に対応する場合、カスタム軌道取得工程において、ベース軌道Ｌ１からカスタム軌道Ｌ２を取得する際に行われる補正は、被介護者Ｋの身長と椅子９０の高さＨとを用いて行われる。このため、図９（ａ）〜図９（ｆ）に示すように、カスタム軌道Ｌ２の終点ｃ１に対応する椅子９０の高さを加味して、カスタム軌道Ｌ２を設定することができる。

また、本実施形態の動作設定方法によると、図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、カスタム軌道取得工程において、ベース軌道Ｌ１からカスタム軌道Ｌ２を取得する際に行われる補正は、ベース軌道Ｌ１の拡大、縮小、オフセットのうち、少なくとも一つを含んでいる。このため、簡単に、ベース軌道Ｌ１からカスタム軌道Ｌ２を算出することができる。

また、図３（ａ）〜図３（ｆ）に示すように、ベース軌道Ｌ１、胸角度推測マップ（図６参照）は、モーションキャプチャを用いて取得される。このため、簡単に、ベース軌道Ｌ１、胸角度推測マップを取得することができる。

また、図３（ａ）〜図３（ｆ）に示すように、ベース軌道Ｌ１は、被験者ｋ（健常者）の立ち座り動作をサンプリングすることにより取得される。このため、本来立ち座り動作が困難な被介護者Ｋに立ち座り動作を行わせることなく、ベース軌道Ｌ１延いてはカスタム軌道Ｌ２を取得することができる。

また、本実施形態の立ち座り動作支援ロボット１のロボット本体２によると、図１に示すように、ベース２０に対して第一アーム２１が、第一アーム２１に対して第二アーム２２が、第二アーム２２に対して支持部２３が、各々移動可能である。すなわち、ロボット本体２は、３つの揺動軸２０４、２１１、２２１を備えている。このため、支持部２３のカスタム軌道Ｌ２の設定の自由度が高くなる。

また、本実施形態の立ち座り動作支援ロボット１によると、ベース２０のベース本体２００が前方（被介護者Ｋ側）に開口するＣ字枠状を呈している。すなわち、ベース本体２００の前部には、前方に開口する凹部が形成されている。このため、図９（ａ）〜図９（ｅ）に示すように、被介護者Ｋは、ベース本体２００のＣ字枠内に足を入れた状態で、立ち座り動作を行うことができる。したがって、被介護者Ｋがベース本体２００の前方に足を置かなければならない場合と比較して、ロボット本体２の前後長を短くすることができる。また、支持部２３のカスタム軌道Ｌ２の長さ（第一アーム２１、第二アーム２２、支持部２３の揺動長さ）を短くすることができる。

また、本実施形態の立ち座り動作支援ロボット１のロボット本体２は、図１に示すように、四隅に４つの近接センサ２０３を備えている。このため、被介護者Ｋの立ち座り動作を支援する際、ロボット本体２の動作に干渉しそうな障害物を近接センサ２０３が発見した場合、コンピュータ４１は、ロボット本体２を非常停止させることができる。

＜その他＞
以上、本発明の立ち座り動作支援ロボットおよび動作設定方法の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

上記実施形態においては、図３（ａ）〜図３（ｆ）に示すように、起立動作の各姿勢における肩部の座標ａ１（ｘ、ｙ）〜ａ５（ｘ、ｙ）を最小二乗法で近似することにより、被験者ｋの肩部の軌道Ｌ０を取得した。しかしながら、肩部の座標ａ１（ｘ、ｙ）〜ａ５（ｘ、ｙ）を線で繋げることにより、被験者ｋの肩部の軌道Ｌ０を取得してもよい。

上記実施形態においては、１３１５個の軌道Ｌ０の中から理想的な軌道Ｌ０を選択し、当該軌道をベース軌道Ｌ１とした。しかしながら、１３１５個の軌道Ｌ０の基になっている座標群を最小二乗法で近似することにより、ベース軌道Ｌ１を取得してもよい。

上記実施形態においては、図３（ａ）〜図３（ｆ）に示すように、モーションキャプチャを用いてベース軌道Ｌ１、胸角度推測マップを取得した。しかしながら、他の方法（例えば、ジャイロセンサを用いる方法）により、ベース軌道Ｌ１、胸角度推測マップを取得してもよい。

また、被介護者Ｋの運動能力に問題がなければ、被介護者Ｋ自らの動きをサンプリングし、メモリ４１１に格納しておいてもよい。そして、当該動きを基に、ベース軌道Ｌ１を取得してもよい。また、カスタム軌道Ｌ２を取得する際、ベース軌道Ｌ１自体をカスタム軌道Ｌ２としてもよい。また、ベース軌道Ｌ１に多少の修正を施して、カスタム軌道Ｌ２を設定してもよい。ロボット本体２の動きに関しても、ベース軌道Ｌ１、延いてはカスタム軌道Ｌ２に基づいた動きであってもよい。被介護者Ｋ自らの動きを基に取得したベース軌道Ｌ１自体をカスタム軌道Ｌ２とする場合、図７のフローチャートにおいて、Ｓ１〜Ｓ５を省くことができる。

上記実施形態においては、３つの揺動軸２０４、２１１（ただし左右一対）、２２１を有する、３軸式のロボット本体２を用いたが、揺動軸２０４、２１１、２２１の配置数は特に限定しない。２軸式、４軸式などのロボット本体を用いてもよい。また、揺動機構と、スライド機構（例えば、ベース２０に対して第一アーム２１が前後方向にスライドする機構）と、を併用したロボット本体を用いてもよい。

手動モードを実行するタイミングは特に限定しない。カスタム軌道Ｌ２の全てを手動モードで行ってもよい。また、被介護者Ｋの状態を見ながら、自動モードの途中で、手動モードを介入させてもよい。

近接センサ２０３の種類は特に限定しない。高周波発振型近接センサ、磁気型近接センサ、静電容量型近接センサ、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサなどであってもよい。近接センサ２０３の配置場所、配置数も特に限定しない。

支持部２３が支持する被介護者Ｋの身体箇所は、胸部に限定しない。腹部、頸部、頭部、肩部、腰部などであってもよい。また、支持部２３で身体の複数の部位を支持してもよい。同様に、ベース軌道Ｌ１、カスタム軌道Ｌ２を設定する身体箇所は、肩部に限定しない。胸部、腹部、頸部、頭部、腰部などであってもよい。また、被介護者Ｋの着座対象物は椅子９０に限定しない。ベッドサイド、トイレの便座などであってもよい。また、式（１）の定数Ａ、Ｂ、Ｃ、式（２）の定数Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇは特に限定しない。回帰分析の結果得られる正数（正の実数）であればよい。

１：動作支援ロボット、２：ロボット本体、３：手動パルス発生器、４：制御ボックス。
２０：ベース、２１：第一アーム、２２：第二アーム、２３：支持部、２４：サーボシステム、４０：入力装置、４１：コンピュータ、４２：入出力インターフェイス、４３：モーションコントローラ、９０：椅子（着座対象物）、９１：マーカ。
２００：ベース本体、２０１：ストッパ、２０２：車輪、２０３：近接センサ、２０４：揺動軸、２０５：軸受ブロック、２１０：アーム本体、２１１：揺動軸、２１２：軸受ブロック、２２０：アーム本体、２２１：揺動軸、２３０：支持部本体、２３１：ブラケット、２３２：ハンドル、２４０：サーボモータ、２４１：サーボアンプ、２４２：エンコーダ、４１１：メモリ。
Ｈ：椅子の高さ、Ｋ：被介護者、Ｌ０：軌道、Ｌ１：ベース軌道、Ｌ２：カスタム軌道、ａ１〜ａ５：座標、ｂ１〜ｂ５：座標、ｃ１〜ｃ５：座標、ｋ：被験者、θ：胸角度。

Claims (3)

1. 少なくとも被介護者の胸部を支持し、該被介護者の着座対象物からの起立動作および該着座対象物への着座動作のうち少なくとも一方である立ち座り動作を支援する立ち座り動作支援ロボットの動作設定方法であって、
   モーションキャプチャを用いて健常者の前記立ち座り動作をサンプリングすることで単一のベース軌道を取得するベース軌道取得工程と、
   該ベース軌道を、拡大、縮小、オフセットのうち少なくとも一つを用いて補正することにより、カスタム軌道を取得するカスタム軌道取得工程と、
   を有することを特徴とする動作設定方法。
2. 前記立ち座り動作支援ロボットは、ベースと、該ベースに揺動可能に連結された第一アームと、該第一アームに揺動可能に連結された第二アームと、該第二アームに揺動可能に連結され前記被介護者を支持する支持部と、該第一アームに配置され該第二アームを揺動させるモータと、を備える請求項１に記載の動作設定方法。
3. 少なくとも被介護者の胸部を支持し、該被介護者の着座対象物からの起立動作および該着座対象物への着座動作のうち少なくとも一方である立ち座り動作を支援する立ち座り動作支援ロボットであって、
   モーションキャプチャを用いて健常者の前記立ち座り動作をサンプリングすることで取得された単一のベース軌道を、拡大、縮小、オフセットのうち少なくとも一つを用いて補正することにより、カスタム軌道を取得することを特徴とする立ち座り動作支援ロボット。

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