JP6947908B2 - 少なくとも１つの使用者の動きを支援する方法及び対応する装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの使用者の動きを支援する方法に関する。本発明はまた、対応する装置にも関する。

今日では、ロボット装置により、医学、国家安全保障等の多くの分野で使用者の動きを支援することを可能にすることができる。従って、使用者が装着する外骨格であって、且つ物体を持ち運ぶこと、物体を押すこと又は引くこと等の仕事をより容易に実行するために、使用者の動きに参加する、外骨格が知られる。外骨格により、使用者の強度を人工的に向上させることを可能にしており、それにより使用者の疲労を制限する。

外骨格が使用者を効果的に支援できるようにするためには、しかしながら、適用される外力及び更に輸送される物体の重量についての知識を有することが必要である。具体的には、外骨格が、これらの力をできる限り正確且つ迅速に自動的に補償できるように、外骨格を制御することが可能である必要がある。

通常、外力は、環境又は外骨格に配置された追加の指示要素（カメラ、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）技術、歪ゲージ等）であって且つ同様に使用者に関連する追加の指示要素（私の電気技術、使用者／環境インターフェース等）により推定される。

従って、使用者は、センサを直接装着すること、及び／又はインターフェースと相互作用する必要があり、それにより外骨格を装着するには、人間工学性をより少なくする。

更に、外骨格の使用は、余り複雑ではない用途、例えば、一般的には持ち運ばれるべき物体の重量と物理的特性とを自動的に特定するために、市場業者をより容易に配置することを可能する工場内の静的用途等、に限定される。

本発明の目的は、少なくとも１つの使用者の動きを支援する方法を提案することであり、その方法は、使用者にとってより人間工学的である。

本発明の目的はまた、対応する装置を提案することでもある。

この目的を達成するために、ロボット装置により少なくとも１つの使用者の動きを支援する方法が提供されており、この方法が、少なくとも、
ロボット装置のコンピュータを介したロボット装置の力サーボ制御である、デフォルト（初期設定）モードと、
コンピュータが、該ロボット装置の外部環境によりロボット装置に加えられた少なくとも１つの力を保存する状態で、コンピュータを介したロボット装置の経路サーボ制御である、測定モードとにおいて、ロボット装置を動作させることを可能にしており、
この方法は、ロボット装置により実行される動きをコンピュータが認識する間に、ロボット装置の外部環境によりロボット装置に加えられる少なくとも１つの力を保存するために、デフォルトモードから測定モードに切り替えるステップと、
その後、デフォルトモードに戻り、該保存された力を利用して該デフォルトモードにおいて力サーボ制御を実行するステップと、により定義される。

結果として、本発明は、経路サーボ制御と力サーボ制御と間において定期的に切り替えることを可能にしており、経路サーボ制御は従って、一時的に、ロボット装置に加えられている外力（単数及び複数）についてコンピュータに通知することを可能にしており、更に力サーボ制御は、使用者が動くことを支援するように作用する。従って、これは、ロボット装置の良好な動作を得ることに貢献するように作用する。

従って、本発明は、使用者が直接着用するか、又は使用者が相互作用する必要がある、指示要素の数を制限することを可能にする。

従って、発明者達は、任意のセンサが使用者によりを直接装着されることなく、及び特に任意の生体認証センサなしで、及びまた、ロボット装置が提供するべき支援レベルを、使用者が従来それを介して認識していた、任意の使用者／環境インターフェースなしで、動作するロボット装置を開発することができた。

従って、本発明は、運動支援を使用者にとって、より人間工学的にする。

更に、本発明は、比較的複雑な用途に使用可能である。従って、未知の環境において本発明を使用することを想定することが可能である。

特定の実施の形態において、コンピュータは、ロボット装置により実行される少なくとも１つの動きの自動学習を実行する。

特定の実施の形態において、自動学習は、デフォルトモード中に実行される。

従って、コンピュータがロボット装置の可能な動きを学習するにつれて、サーボ制御の２つのモード間の切り替えが益々頻繁に行われ、それによりロボット装置がその性能を経時的に益々向上することを可能にする。

特定の実施の形態において、自動学習は、専用の予備段階中に実行される。

特定の実施の形態において、経路サーボ制御は、一連の位置を介したサーボ制御である。

特定の実施の形態において、経路サーボ制御は速度サーボ制御である。

特定の実施の形態において、ロボット装置は外骨格である。

本発明はまた、ロボット装置の力サーボ制御を提供するように構成された、コンピュータを具備するロボット装置を提供しており、コンピュータは、ロボット装置により実行される動きを認識する間に、外部環境によりロボット装置に加えられた、少なくとも１つの力を保存しながら経路サーボ制御をロボット装置に提供するように構成されるので、力サーボ制御に戻ると、コンピュータは、保存された力（単数及び複数）を利用して、力サーボ制御を実行できる。

本発明の別の特徴及び利点は、本発明の特定の非限定的な実施の形態の以下の説明を読むと明らかになる。

本発明は、添付の図面を参照して与えられる以下の説明に照らして、より良好に理解可能である。

図１は、本発明の特定の実施の形態におけるロボット装置の図式図である。 図２は、図１に示す装置の２つの動作モード間の移行を図式的に示す。 図３ａは、装置がデフォルトモードにおいて動作している、図１の装置を図式的に示す。 図３ｂは、装置が測定モードにおいて動作している、図１の装置を図式的に示す。

図１を参照すると、例として、本方法の特定の実施例が、外骨格１において実現される。

当然に、この用途は、限定的ではなく、本方法は、任意のタイプのロボット装置、例えば、コマニピュレーション（複合操縦）ロボットにおいて、航空機又は任意の別の輸送手段等のための誘導システムにおいて、実施されてもよい。装置はまた、目標を目指して追跡するためのシステムでもあり得る。画像処理による追跡に加えて又はその追跡の代替として、該システムは従って、目標を追跡するために、使用者が案内部材（ハンドル、操縦桿等）に適用する、力を利用可能である。例えば、案内部材が追随する経路をコンピュータが認識できると直ぐに、該コンピュータは、案内部材に加えられる力を決定するために、計算モード（方式）に切り替えることができる。従って、ロボット装置（又はロボット）は、物体と相互作用することに必要な力を補償するために、及び／又は疲れさせる及び／又は骨の折れる筋運動を行うために、使用者に追加の力を与えるように構成できる。

この例において及び従来の方法において、外骨格１は、
・使用者が装着していて且つ１つ以上の自由度を有する、機械構造２と、
・１つ以上の機械構造２の自由度において機械構造２を動かすように機械構造２に関連付けられた１つ以上のアクチュエータ（作動機）３と、
・アクチュエータ３を制御するように作用するコンピュータ４とを具備する。

例として、アクチュエータ３は、モータであってもよい。

特定の実施の形態において、外骨格１はまた、少なくとも１つの経路センサ５（機械構造２の位置及び／又は速度を推定するための）をも具備する。例として、経路センサ５は、角度位置センサであってもよい。この例において、経路センサ５は、要素の内の一方のもう一方に対する角度位置を測定するために、機械構造２の２つの関節式要素間の旋回接続部に配置される。

外骨格１はまた、少なくとも１つの力センサ６（機械構造２に加えられる１つ以上の力（力は、線形力及び／又はトルクであってもよい）を見積もるための）を具備することが好ましい。例として、該センサ６は、トルクセンサであってもよい。
この例において、センサ６は、機械的構造２の２つの関節式要素間の旋回を駆動するように作用する、アクチュエータ３と機械的構造２自体との間に位置する。

図２、３ａ及び３ｂを参照すると、外骨格１は、２つの異なるモード、即ちデフォルト（初期設定）モード及び測定モード、において動作できるように構成される。

デフォルトモードにおいて、コンピュータ４は、外骨格１の力サーボ制御を提供する。用語「力」は、本明細書において、適切な力に作用するサーボ制御とトルクに作用するサーボ制御との両方を含むように使用される。

このデフォルトモードにおいて、コンピュータ４は、外骨格１により実行される動きの自動学習を同時に実行することが好ましく、その動きは従って、使用者の動きに関連付けられる。

自動学習又は「機械」学習は、意図される仕事を実行するにはあまりにも制限され過ぎる、従来のアルゴリズム（演算法）を使用する代わりに、システム（体系的）処理を実行することにより変更を行うことを可能にする、方法であることが想起されるべきである。このタイプの学習は、当業者にはよく知られており、従って、本明細書において詳細に説明されない。

一般的には、コンピュータ４は、力サーボ制御中に（例えば、外骨格１により使用者に適用されるトルクがゼロに等しい間に）外骨格１により実行される動きのモデルをコンピュータ４が保存する、データベースを有する。

測定モードにおいて、コンピュータ４は、外骨格１に経路サーボ制御を適用する。「経路」という用語は、一連の位置（それは選択自由に角度位置であってもよい）をサーボ制御することにより実行されるサーボ制御と、速度をサーボ制御する（例えば、速度曲線に従う）ことにより実行されるサーボ制御と、の両者を含むように使用されてもよい。この例において、外骨格１の一連の位置をサーボ制御することによりサーボ制御を実行することが好ましい。

「一連の」位置をサーボ制御することは、外骨格１に動きを再現させることを意味するように使用されることが、この時点において認識されるべきであり、その動きは従って、位置の連続として定義される。

同時に、測定モードにおいて、コンピュータ４は、デフォルトモードに切り替えた時にこのデータを力サーボ制御にその後再導入するために、外骨格１の外部環境により外骨格１に加えられた力（単数又は複数）を保存する。

この測定モードにおいて、コンピュータ４が使用者の動きを予測し、対応する位置サーボ制御を外骨格１に適用することが認識されるべきである。これは、外骨格１の外部環境により外骨格１へ加えられる力の測定に対する使用者の任意の直接的な影響を可能な限り最小限に抑えるように作用する。

好適には、この測定モードにおいて、コンピュータ４は、該力の方向が既知である条件では、該外骨格１の外部の環境により外骨格１に加えられる、少なくとも１つの力を保存し、そしてもしその方向が既知ではない場合において、少なくとも２つの力が、方向を決定するために保存される。実際には、該少なくとも２つの力は、外骨格１に対する単一の物体の作用に起因するが、しかしながら、２つの力は、異なる瞬間において測定される。即ち、外骨格１がこれら２つの瞬間の間において移動するので、力は、その間において変化し、それにより「２つの」力の概念が生じる。２つの異なる瞬間において実施された力の測定を比較することにより、コンピュータ４は従って、物体により外骨格１に加えられる作用の結果と方向とを推定可能である。

次に、外骨格１の動作について説明する。

初期状態において、外骨格１は、そのデフォルトモードにある。従って、外骨格１は、力サーボ制御を実行することにより、使用者が作業を行うことを支援する。同時に、コンピュータ４は、外骨格１により実行される動きを自動的に学習して、更にそのデータベースに動きを保存する。

外骨格１により実行される動きが、コンピュータ４が既に学習して保存した、動きに対応すると、コンピュータ４が判断すると、コンピュータ４は、測定モードに切り替える。一般的に、経路センサ５により供給される信号は、コンピュータ４により処理される。即ち、信号の内の１つがコンピュータ４に既知の信号に対応する場合に、該コンピュータ４は、外骨格１を測定モードに切り替える。

コンピュータ４はまた、外骨格１が実行すると考えられる動きを推定するために、そのデータベースに含まれる１つ以上の動きモデルを使用することにより、受信信号がどのように変化しつつあるかを連続的に推定する。外骨格１のこの推測された動きに基づいて、コンピュータ４は、経路サーボ制御を外骨格１に適用する。

従って、測定モードに切り替えると、動きを引き起こすものは、外骨格１であり、そしてもはや使用者ではない。その様な状況において、外部環境が外骨格１に適用する力に耐えるものは、外骨格１自体である。上述のように、測定モードにおいて、使用者が外骨格１に直接加える力は無視可能であると考えられる（具体的には、自動学習の結果として、経路サーボ制御は、使用者の筋力を補償する）。

従って、力センサ６により供給されるデータは、外骨格１自体が環境に適用するべき力（単数及び複数）を表すので、コンピュータ４により決定された経路を追随することが可能である。力センサ６により供給されるデータに基づいて、コンピュータ４は従って、外骨格１による補償のために、外部環境により外骨格１に加えられる力（単数及び複数）を推定する。

例えば、もし使用者が任意の筋肉の力を供給せずに重い物体を運んでいる場合には、使用者の腕は、真直ぐに伸ばす傾向があるが、しかし実際には、測定モードにおいて、外骨格１は、アクチュエータ３の作用の結果としてその腕を保持する。従って、運搬される物体により引き起こされるトルクは、センサ６における「微小捩れ」効果により測定される。

一旦これが決定されると、コンピュータ４は、デフォルトモードに切り替える。使用者により与えられた力はその後、外骨格１により与えられる力にもう一度追加される。コンピュータ４はその後、力サーボ制御を実行するために、及び必要に応じて、外部環境により外骨格に加えられた力（単数及び複数）を補償するために、測定モードにおける動作中に決定された、外部環境により外骨格１に加えられる力（単数及び複数）を利用する。より正確には、もし測定モード中に測定された力がデフォルトモードにおいて推定された力と異なる場合には、測定モードにおいて測定された力に近づけるために、アクチュエータ３（単数及び複数）により加えられる力を増大させる（アクチュエータに供給される動力を調整することにより）。外骨格１が動作させられる時に、デフォルトモードにおいては、力は、外部環境により外骨格１に加えられていないと考えられる。

外骨格１はその後、コンピュータ４に既知の動きを外骨格１が検出するまで、そのデフォルトモードにおいて動作する。

動作の例は、物体の運搬を含む。

使用者が物体を掴もうとしていること、又は使用者が物体を掴んでいることを、コンピュータ４が使用者の動きから認識すると、コンピュータ４は、測定モードに切り替える。

次に、コンピュータ４は、外骨格１自体が物体を運ぶために加える必要がある、力を測定して（自動学習の結果として、経路サーボ制御が使用者の筋力を補償するので）、そしてコンピュータ４は、力から物体の重量を推定する。

次に、コンピュータ４は、デフォルトモードに戻るように切り替えて、適切な力サーボ制御を実行するために、測定された物体の重量を利用する。

当然に、これは、単に、動作の特定の一例である。より一般的な方法において、コンピュータ４は、異なる動き、例えば、物体を押すこと又は引くこと等の動き、の測定モードに切り替えることができる。次に、コンピュータ４は、物体により外骨格１に加えられた力及び力の方向を測定することを目指す。

従って、コンピュータ４は、経時的に正確で動的で且つ適切な方法において使用者の動きを支援するように、ある動作モードから別の動作モードに規則的に切り替える。特定の実施の形態において、コンピュータ４は、該コンピュータ４により学習された動きをコンピュータ４が認識する度に、測定モードに切り替えるように構成される。

測定モードでの動作は、通常０．３秒（s）から３．５秒の範囲、及び好適には０．５秒から３秒の範囲にある短い期間だけ継続することが有利であり、この期間は、加えられる外力を決定するために十分に長い。これは、測定モードにおいて、動作を使用者が感知できないか又は殆ど感知できないように作用する。これにより、外骨格１は、使用者にとってより人間工学的になる。また、これにより、長過ぎる段階における使用者の動きを予測する必要をなくすことを可能にする。

上記の外骨格１は、運動用のものと力用のもう一方との２つのセンサのみを有することが認識されるべきである。

また、上記のような外骨格１は、外骨格１が提供するべきである、支援のレベルを使用者が認識することを可能にする、任意の使用者／環境インターフェースなしで動作する。更に、上述のような外骨格１は、使用者が直接装着する任意のセンサなしで、及び特に生体認証センサなしで動作する。

従って、上記の外骨格１は、特に人間工学的であることが分かる。

更に、外骨格１は、もし使用者が未知の環境において行動している場合においてさえも動作可能である。例えば、外骨格１は、運ばれるべき物体が事前に決定された重量を有する必要なしに、動作することができる。

当然に、本発明は、記載された実施の形態に限定されず、そして変形実施の形態が、特許請求の範囲により定義される本発明の範囲を超えることなく提供されてもよい。

特に、この例において、デフォルトモードにおいて、コンピュータは、ロボット装置の動作中にロボット装置により実行される少なくとも１つの動きを自動的に学習するがしかし、変形例において又は追加的に、コンピュータが、専用の学習段階（ロボット装置はコンピュータの訓練のみに使用され、使用者が仕事を実行することを支援するためには使用されない）においてロボット装置により実行される、少なくとも１つの動きの自動学習を実行することが可能である。変形例として又は追加的に、コンピュータは、力サーボ制御下でロボット装置により実行される運動のモデルの所定のリストを含む、データベースを等しく十分に具備可能である。

また、装置は、上記よりも多数の力センサ及び／又は経路センサを具備するか、又は関連付けることができる。しかしながら、費用、実現可能性、人間工学、保守等の理由で、指示要素の数を制限することが望ましい。

この例において、全てがロボット装置に組み込まれるけれども、要素の幾つかは、装置から離れていることが可能性である（例えば、装置の電源等）。

この装置は、使用者が直接装着する任意のセンサなしで動作することに適するけれども、使用者は、例えば、装置に障害が発生した場合の重複性の理由から、センサを装着可能であろう。

Claims (7)

1. ロボット装置（１）により少なくとも１つの使用者の動きを支援する方法であって、
   前記ロボット装置は、生体認証センサ等の任意のセンサを前記使用者が直接装着せずにかつ提供されるべき支援のレベルを前記使用者が認識するための任意の使用者／環境インターフェースなしで動作しており、
   前記方法が、少なくとも、
   前記ロボット装置のコンピュータ（４）を介した前記ロボット装置の力サーボ制御である、デフォルトモードと、
   前記ロボット装置の外部環境により前記ロボット装置に加えられた少なくとも１つの力を見積もるための力センサ（６）によって測定される、前記少なくとも１つの力を前記コンピュータが保存する状態で、前記コンピュータを介した前記ロボット装置の経路サーボ制御である、測定モードとにおいて、前記ロボット装置を動作させることを可能にする、方法において、
   前記コンピュータが、前記ロボット装置によって実行される動きのモデルが保存されるデータベースを有し、
   前記方法は、
   前記コンピュータが、前記ロボット装置によって実行される動きが既に学習されて前記データベースにおいて保存されている動きに対応すると認識した時に、前記ロボット装置の外部環境により前記ロボット装置に加えられる少なくとも１つの力を保存するために、デフォルトモードから測定モードに切り替えるステップと、
   その後、デフォルトモードに戻り、保存された力を利用して前記デフォルトモードにおいて前記力サーボ制御を実行するステップと、により定義されることを特徴とする方法。
2. 前記コンピュータ（４）が、前記デフォルトモードにおいて、前記ロボット装置によって実行される少なくとも１つの動きを前記データベースにおいて保存することによって、前記ロボット装置により実行される少なくとも１つの動きの自動学習を実行する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ロボット装置が前記コンピュータの訓練のみに使用されかつ使用者が仕事を実行することを支援するためには使用されない、専用の学習の間、前記コンピュータ（４）は、前記ロボット装置によって実行される少なくとも１つの動きを前記データベースにおいて保存することによって、前記ロボット装置によって実行される少なくとも１つの動きの自動学習を実行する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記経路サーボ制御は、前記ロボット装置の位置及び／又は速度を推定するための少なくとも１つの経路センサ（５）によって検出される一連の位置を介したサーボ制御である、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記経路サーボ制御は、前記ロボット装置の位置及び／又は速度を推定するための少なくとも１つの経路センサ（５）によって検出される機械構造（２）の検出された速度に基づいて実行される、速度サーボ制御である、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ロボット装置は外骨格である、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成されたロボット装置（１）。

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