動作補助装置及びその制御方法
【課題】
操作性が高く、簡便に利用することができる動作補助装置、及びその制御方法を提供する。
【解決手段】
本発明にかかる動作補助装置は、使用者２００の動作を補助する動作補助装置１００であって、使用者２００の眼球に光を照射する光源と、眼球で反射された前記光源からの光を検出する光検出器とを有する視線計測装置１０と、視線計測装置１０での計測結果に基づいて、使用者２００の動作を補助する動作補助機構３０とを備えたものである。
操作性が高く、簡便に利用することができる動作補助装置、及びその制御方法を提供する。
【解決手段】
本発明にかかる動作補助装置は、使用者２００の動作を補助する動作補助装置１００であって、使用者２００の眼球に光を照射する光源と、眼球で反射された前記光源からの光を検出する光検出器とを有する視線計測装置１０と、視線計測装置１０での計測結果に基づいて、使用者２００の動作を補助する動作補助機構３０とを備えたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動作補助装置及びその制御方法に関し、特に詳しくは、視線計測装置を有する動作補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、使用者の動作を補助するパワーアシスト装置が開発されている。パワーアシスト装置は、通常、使用者の筋力を補助するモータや、モータの制御を行う制御回路を有している。例えば、使用者の筋電位を検出することによって、モータの駆動を行なっている（特許文献１参照）。このような、筋電位を検出するための電極を使用者に取り付ける必要がある。
【０００３】
また、使用者の眼電位を検出して、制御を行う電動機能補助装置が提案されている（特許文献２参照）。この動作補助装置では、眼電位を検出するため、メガネ型の眼電位計測装置を使用者に装着させている。そして、使用者の眼球運動による筋電位の変化によって、注視点を抽出している。この注視点に基づいて、動作補助を制御している。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１６３６０７号公報
【特許文献２】特開２００４−２５４８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２の装置では、使用者の眼電位を検出するため、複数の電極センサを顔面に接触させなければならない。さらに、電極センサと地肌をより密着させるために、導電性のジェルなどを塗る必要がある。したがって、使用者に不快感を与えてしまうという問題点がある。さらに、皮膚表面の発汗によって電位が変化してしまい、誤動作してしまうという問題点もある。
【０００６】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、利便性の高い動作補助装置、及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様にかかる動作補助装置は、使用者の動作を補助する動作補助装置であって、使用者の眼球に光を照射する光源と、前記眼球で反射された前記光源からの光を検出する光検出器とを有する視線計測装置と、前記視線計測装置での計測結果に基づいて、使用者の動作を補助する動作補助機構とを備えたものである。これにより、利便性を向上することができる。
【０００８】
本発明の第２の態様にかかる動作補助装置は、上述の動作補助装置であって、前記視線計測装置が、前記使用者の視線の方向を計測し、前記動作補助機構が、前記計測された視線の方向に向かって動作補助を行なうものである。これにより、操作性を向上することができる。
【０００９】
本発明の第３の態様にかかる動作補助装置は、上述の動作補助装置であって、前記視線計測装置が、両目の視線の方向から注視点を測定し、前記動作補助機構が、前記注視点に基づいて動作目標位置を設定して、前記動作目標位置に追従するようフィードバック制御を行うものである。これにより、操作性をより向上することができる。
【００１０】
本発明の第４の態様にかかる動作補助装置は、上述の動作補助装置であって、前記視線計測装置と前記動作補助機構とを接続するリンク機構をさらに備え、前記リンク機構の状態に応じて、前記視線計測装置と前記動作補助機構との相対位置を認識して、前記動作目標位置を設定するものである。これにより、正確に操作することができる。
【００１１】
本発明の第５の態様にかかる動作補助装置は、上述の動作補助装置であって、前記注視点が前記動作補助機構の可動範囲外である場合、前記動作目標位置を前記動作補助機構の可動範囲内に設定する、ものである。これにより、より正確に操作することができる。
【００１２】
本発明の第６の態様にかかる動作補助装置は、上述の動作補助装置であって、前記視線計測装置及び前記動作補助機構が使用者に装着可能であるものである。これにより、利便性を向上することができる。
【００１３】
本発明の第７の態様にかかる動作補助装置は、上述の動作補助装置であって、前記動作補助装置が前記使用者の筋力をアシストするパワーアシストロボットであるものである。これにより、より利便性を向上することができる。
【００１４】
本発明の第８の態様にかかる動作補助装置の制御方法は、使用者の動作を補助する動作補助装置の制御方法でであって、光源から使用者の眼球に光を照射するステップと前記眼球で反射された前記光源からの光を検出して、視線を計測するステップと、前記視線の計測結果に基づいて、使用者の動作を補助するステップとを有するものである。これにより、利便性を向上することができる。
【００１５】
本発明の第９の態様にかかる動作補助装置の制御方法は、上述の動作補助装置の制御方法であって、前記視線を計測するステップで計測された視線の方向に基づいて、前記動作を補助する方向を決定するものである。これにより、操作性を向上することができる。
【００１６】
本発明の第１０の態様にかかる動作補助装置の制御方法は、上述の動作補助装置の制御方法であって、両目に対して行なわれた前記視線の計測結果に基づいて、前記使用者の注視点を測定するステップと、前記注視点に基づいて、動作目標位置を設定するステップとをさらに備え、前記使用者の動作の補助を前記動作目標位置に対してフィードバック制御するものである。これにより、操作性をさらに向上することができる。
【００１７】
本発明の第１１の態様にかかる動作補助装置の制御方法は、上述の動作補助装置の制御方法であって、前記動作の補助を行なう動作補助機構の可動範囲外に前記注視点がある場合、前記動作目標位置を前記動作補助機構の可動範囲内に設定する、ものである。これにより、正確に制御することができる。
【００１８】
本発明の第１２の態様にかかる動作補助装置の制御方法は、上述の動作補助装置の制御方法であって、前記動作補助機構と前記視線計測装置との相対位置を認識して、前記注視点を計測するものである。これにより、より正確に制御することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、利便性の高い動作補助装置、及びその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
発明の実施の形態１．
本実施の形態にかかる移動体について図１を用いて説明する。本実施の形態にかかる動作補助装置の装着時の構成を模式的に示す側面図である。すなわち、図１は、使用者２００が動作補助装置１００を装着した状態を示している。
【００２１】
動作補助装置１００は、視線計測装置１０と、リンク機構２０と、動作補助機構３０とを有している。動作補助機構３０は、装着部３１と、駆動部３２と、接地部３３と、駆動制御部３４と、リンク３５とを有している。視線計測装置１０と動作補助機構３０とは、リンク機構２０で連結されている。さらに、視線計測装置１０と動作補助機構３０とは、配線等で接続されている。リンク機構２０にはジョイント２１が設けられている。リンク機構２０にある程度の自由度を持たせることによって、視線計測装置１０と動作補助機構３０との相対位置を変化させることができる。従って、使用者２００が変わった場合でも、動作補助装置１００を容易に装着することができる。具体的には、使用者２００が、動作補助機構３０を背負った状態で、テープ状あるいはベルト状の装着部３１を大腿、すね、及び腰に巻きつける。これにより、動作補助機構３０が装着される。そして、使用者２００は、帽子型の視線計測装置１０を被る。これにより、視線計測装置１０が使用者２００の頭部に装着される。これにより、使用者２００が動作補助装置１００を装着することができる。そして、動作補助機構３０及び視線計測装置１０を装着した状態で、使用者２００の動作が補助される。
【００２２】
視線計測装置１０は使用者２００の視線を計測する。視線計測装置１０は、眼球の運動から視線を計測する。そして、視線計測装置１０は計測結果を動作補助機構３０に出力する。視線計測装置１０で計測された視線に基づいて動作補助機構３０は、使用者２００の動作を補助する。すなわち、視線計測装置１０が動作補助機構３０の入力インターフェースとして機能する。視線計測装置１０としては、例えば、ナックイメージテクノロジー社製のアイマークレコーダＥＭＲ８Ｂを用いることができる。この視線計測装置１０については、後述する。
【００２３】
動作補助機構３０には、例えば、モータ、エンコーダやギヤなどを有する駆動部３２が複数設けられている。駆動部３２は、使用者２００の膝、腰、背中などの近傍に配置されている。動作補助機構３０には、複数の駆動部３２を連結するリンク３５が設けられている。さらに、動作補助機構３０には、バッテリーや制御回路を有する駆動制御部３４が設けられている。駆動制御部３４は、視線計測装置１０からの信号によって、駆動部３２に設けられたモータを駆動させる。これにより、リンク３５が回転して、使用者２００の動作を補助することができる。すなわち、視線計測装置１０の計測結果に基づいて、駆動制御部３４は、所定のモータを所定の角度だけ回転させる。これにより、リンク３５にトルクが与えられ、使用者２００の体勢が変化する。よって、使用者２００の筋力をアシストした状態で、使用者２００を所望の姿勢としたり、使用者２００に所望の作業を行なわせることができる。従って、動作補助機構３０は、視線計測装置１０の計測結果に応じて動作を補助することができる。
【００２４】
さらに、動作補助機構３０には、接地部３３が設けられている。接地部３３は、足の裏側に配置されている。従って、装着時には、使用者２００が接地部３３の上に乗った状態となる。駆動制御部３４は、動作補助機構３０の自重をキャンセルするため、駆動部３２を制御している。これにより、動作補助機構３０の自重を接地部３３を介して接地面に逃がすことができる。使用者２００は動作補助機構３０の重さを感じることなく、動作補助装置１００を使用することができる。従って、利便性を向上することができる。接地部３３の一部又は全部は、例えば、ゴムなどの弾性体により形成されている。
【００２５】
次に、視線計測装置１０の構成について図２を用いて説明する。図２は視線計測装置１０の一例の構成を示す正面図である。なお、図２は、使用者２００に装着されていない状態の視線計測装置１０を示している。視線計測装置１０は、帽子１１と、アーム１２と、照明手段１３と、カメラ１４と、測定処理部１５とを備えている。視線計測装置１０は、装着可能とするよう帽子１１を備えている。すなわち、帽子１１を使用者２００が被ることによって、視線計測装置１０が使用者２００に装着される。視線計測装置１０は、例えば、特開２００２−１４３０９４号公報に示すように、瞳孔−角膜反射法を用いて視線を計測している。これにより、カメラが揺れたり、振動が生じた場合でも正確に視線を計測することができる。
【００２６】
帽子１１の前側には、箱型の測定処理部１５が設けられている。測定処理部１５は、例えば、帽子１１の鍔の上に配置される。測定処理部１５の側方には、アーム１２が設けられている。アーム１２は、帽子１１の鍔の上から前側の下方に延設されている。アーム１２の先端には、照明手段１３が取り付けられている。従って、照明手段１３は、使用者２００の正面側に配置される。
【００２７】
照明手段１３は、例えば、赤外線ＬＥＤなどの照明光源１３ａを有している。そして、照明光源１３ａは、不可視光である近赤外光を照明光として出射する。照明光は使用者２００側に出射され、使用者２００の眼球に入射する。照明光源１３ａは、使用者の眼球を微小なスポットで照明する。照明光源１３ａの照明光は、角膜（黒目）を照明する。すると角膜が凹面鏡の役割をし、照明光源１３ａの像（角膜反射像）ができる。照明光源１３ａからの照明光は、角膜の表面で照明手段１３の方向に反射される。照明手段１３には、角膜表面で反射された反射光をカメラ１４の方向に反射するミラー１３ｂが配置されている。なお、照明光源１３ａからの光はレンズなどによって屈折されている。例えば、照明光源１３ａの光をレンズで集光している。これにより、微小なスポット形状となるため、角膜のみを照明することができる。なお、眼の動作によって、角膜上における照明光源１３ａからの光の位置が変化する。
【００２８】
カメラ１４は、例えば、２次元の赤外線ＣＣＤカメラである。従って、カメラ１４の受光面には、複数の検出画素がマトリクス状に配列されている。カメラ１４の受光面は鉛直下方側に設けられている。そして、照明手段１３に設けられたミラー１３ｂからの反射光を受光する。すなわち、カメラ１４は、ミラー１３ｂを介して、眼で反射された照明光源１３ａからの光を受光する。カメラ１４の受光面には、使用者２００の瞳孔の像、照明光源１３ａの角膜反射像（第１プルキニエ像）が結像する。なお、カメラ１４は、ＣＣＤカメラの他、フォトダイオードアレイやＣＭＯＳセンサなどの２次元光検出器を用いることができる。
【００２９】
測定処理部１５はカメラ１４からの信号に基づいて視線を計測する。測定処理部１５には計測処理を行う演算処理回路と、演算処理回路、カメラ１４、及び照明光源１３ａに電源を供給するバッテリーが収納されている。測定処理部１５は、瞳孔−角膜反射法によって、視線を計測する。具体的には、視線の方向が変化すると、瞳孔の像の中心と、角膜反射像との距離が変化する。すなわち、眼球運動によって、瞳孔中心の位置と、角膜反射像との位置が変化する。これにより、カメラ１４の受光面において、瞳孔中心の画素と、角膜反射像の画素との相対位置が変化すると、視線の角度が変化したことが分る。従って、瞳孔中心と角膜反射像との距離に応じて視線の方向を算出することができる。このように、照明光源１３ａから出射して眼で反射された光をカメラ１４で検出することによって、視線の方向を計測することができる。これにより、後述する命令ジェスチャーの入力や、注視点を測定を行うことができる。
【００３０】
さらに、アーム１２、照明手段１３、及びカメラ１４は、左右両方の眼に対してそれぞれ設けられている。すなわち、使用者２００から見て左側のアーム１２、照明手段１３、及びカメラ１４によって、左目の視線の方向を計測し、右側のアーム１２、照明手段１３、及びカメラ１４によって、右目の視線の方向を計測する。これにより、両目の視線の方向を計測することができる。さらに、２つのカメラ１４の位置によって、両目の眼球間の距離を測定してもよい。
【００３１】
測定処理部１５は、両目の視線の方向から注視点を測定する。これについて、図３を用いて説明する。図３は、注視点の測定を説明するための図である。ここで、２１１は左の眼球、２１２は右の眼球、２１３は左の角膜、２１４は右の角膜とする。ここで、図３のαは、両目の視線の方向が成す角、すなわち輻輳角を示している。従って、両目の視線の交点が注視点Ｐとなる。注視点Ｐは、輻輳角と、両目の眼球間の距離により測定することができる。具体的には、左の眼球２１１の座標から左目の視線の方向に伸ばした直線と、右の眼球２１２の座標から右目の視線の方向に伸ばした直線との交点の座標を注視点Ｐとする。このように、測定処理部１５は両目の視線の方向から注視点Ｐの座標を算出する。
【００３２】
測定処理部１５は例えば、視線計測装置１０に搭載されたコンピュータにより実現される。このコンピュータは、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の補助記憶装置、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬型記憶媒体が挿入される記憶媒体駆動装置、入力手段や出力手段を備えている。ＲＯＭ、補助記憶装置、可搬型記憶媒体等の記憶媒体には、オペレーティングシステムと協働してＣＰＵ等に命令を与え、アプリケーションプログラムを記録することができ、ＲＡＭにロードされることによって実行される。このアプリケーションプログラムは、本発明にかかる視線計測及び注視点測定を実現する特有のコンピュータプログラムを含む。測定処理部１５による処理は、中央処理装置がアプリケーションプログラムをＲＡＭ上に展開した上で当該アプリケーションプログラムに従った処理を補助記憶装置に格納されたデータを読み出し、また格納を行なうことにより、実行される。
【００３３】
視線計測装置１０は、所定の時間間隔で、注視点Ｐの三次元座標を測定していく。測定処理部１５は、測定した注視点Ｐの三次元座標を順次記憶する。この場合、視線計測装置１０は、例えば、両目の中心を原点とした直交座標系における三次元座標を算出、記憶する。なお、三次元座標をより正確に測定するため、視線計測装置１０の装着時に特定の点を注視して、視線の方向を較正してもよい。注視点Ｐの座標は例えば、３０Ｈｚ程度で測定される。視線計測装置１０は、この注視点Ｐの座標を測定信号として動作補助機構３０に出力する。また、まばたきをした時は、瞳孔の像が撮影されないため、視線の方向を計測することができない。そのため、視線計測装置１０は注視点Ｐが測定できなかったことを示す測定信号を出力する。また、上記の視線計測装置１０では、例えば、５０ｃｍ前方の位置を±１０ｃｍの誤差に抑えることができる。
【００３４】
なお、上記の視線計測装置１０は、瞳孔−角膜反射法を用いたものであったが、これに限るものではない。例えば、角膜（黒目）と強膜（白目）の反射率の違いを利用した強膜反射法（リンバストトラッキング法）、角膜の曲率中心と眼球の回転中心が異なることを利用した角膜反射法、第１プルキニエ像（角膜前面の像）と第４プルキニエ像（水晶体後面の像）との移動量の変化を利用したダブルプルキニエ法を用いることも可能である。すなわち、本発明には、眼球に光を照射する光源と、眼球で反射された光源からの光を検出する光検出器とを有する視線計測装置１０が適用可能である。そして、眼球運動に基づいて視線を計測する。これにより、導電性ジェルを塗ったり、電極センサを接触させる必要がなくなる。このように本実施の形態では、視線計測装置１０の帽子１１を被るだけでよい。そのため、装着時の不快感がなくなり、使用感を向上することができる。さらに、発汗による計測誤差の発生を防ぐことも可能になる。よって、視線を正確に計測することができ、動作補助機構３０を確実に制御することができる。
【００３５】
次に、動作補助機構３０の構成について図４を用いて説明する。図４は、動作補助機構３０の一部の構成を示す斜視図である。なお、図４は、右足に装着される箇所のみを示している。図３に示すように、動作補助機構３０は、大腿と脛と腰とに装着部３１が設けられいる。装着部３１はテープ状、又はベルト状になっている。装着部３１のテープ等を使用者２００に巻き付けることによって、動作補助機構３０が装着される。また、腰の装着部３１には、駆動制御部３４が設けられている。駆動制御部３４には、バッテリーや、制御回路などが設けられている。
【００３６】
駆動制御部３４は、例えば、動作補助機構３０に搭載されたコンピュータにより実現される。このコンピュータは、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の補助記憶装置、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬型記憶媒体が挿入される記憶媒体駆動装置、入力手段や出力手段を備えている。ＲＯＭ、補助記憶装置、可搬型記憶媒体等の記憶媒体には、オペレーティングシステムと協働してＣＰＵ等に命令を与え、アプリケーションプログラムを記録することができ、ＲＡＭにロードされることによって実行される。このアプリケーションプログラムは、本発明にかかる駆動制御を実現する特有のコンピュータプログラムを含む。駆動制御部３４による処理は、中央処理装置がアプリケーションプログラムをＲＡＭ上に展開した上で当該アプリケーションプログラムに従った処理を補助記憶装置に格納されたデータを読み出し、また格納を行なうことにより、実行される。
【００３７】
また、リンク３５は足に沿って設けられている。リンク３５は右足の左足側と外側にそれぞれ設けられている。リンク３５は、膝の近傍で回転可能に連結されている。リンク３５の回転軸は膝と略一致している。使用者２００の膝近傍には、駆動部３２が配置される。リンク３５は、駆動部３２が設けられている部分で、回転可能に連結されている。駆動部３２は、モータ３６やギヤを有する駆動機構、及びそれらを覆うカバー等を有している。モータ３６からのトルクは、ギヤを介して、リンク３５に与えられる。従って、モータ３６が回転することによって、リンク３５が回転して、リンク３５の相対角度が変わる。よって、使用者２００の足に動力を伝達することができ、関節の角度を変化させることができる。これにより、使用者２００の筋力をアシストした状態で、使用者２００を所望の姿勢としたり、使用者２００に所望の作業を行なわせることができる。
【００３８】
さらに、動作補助機構３０には、接地部３３が設けられている。接地部３３は、リンク３５と接続されている。接地部３３は、足の裏側に配置されている。従って、装着時には、使用者２００が接地部３３の上に乗った状態となる。駆動制御部３４は、動作補助機構３０の自重をキャンセルするため、駆動部３２を制御している。すなわち、動作補助機構３０の自重が接地部３３を介して接地面に逃げる。これにより、使用者２００は動作補助機構３０の重さを感じることなく、動作補助装置１００を使用することができる。従って、利便性を向上することができる。接地部３３の一部又は全部は、例えば、ゴムなどの弾性体により形成されている。具体的には、イナバゴム社のイナストマー（登録商標）などを使用することができる。また、接地部３３は足に固定するようにしてもよく、接地部３３を靴型としてもよい。
【００３９】
駆動制御部３４は、まず、認識開始トリガが入力されたか否かを判定する。認識開始トリガが入力されていない状態では、上記の自重キャンセル制御を続ける。使用者２００が認識開始トリガを入力すると、駆動制御部３４は、自重キャンセル制御とともに、視線計測装置１０の計測結果に応じて動作補助機構３０を制御する。駆動制御部３４には、視線計測装置１０の計測結果と、動作補助の制御とが対応付けて記憶されている。従って、使用者２００が眼によって所定のジェスチャーを行なうと、動作補助機構３０はそのジェスチャーに応じた動作補助を実行する。ここで、使用者２００の目の動作を命令ジェスチャーとし、その命令ジェスチャーに応じた駆動制御部３４の制御を動作補助制御とする。
【００４０】
設定される命令ジェスチャーとしては、特定の視線の保持、連続まばたき等が挙げられる。具体的には、上方向の視線の保持、右方向の視線の保持、左方向の視線の保持、下方向の視線の保持、連続まばたき等が命令ジェスチャーとなる。なお、それぞれの目のまばたきを検出して、両目のまばたき、右目のまばたき、左目のまばたきを区別してもよい。もちろん、これら以外のジェスチャーであってもよい。このような、視線計測装置１０は命令ジェスチャーによる視線の変化を計測している。その注視点Ｐの座標が視線計測装置１０から駆動制御部３４に入力される。例えば、一定の方向に視線を保持していると、注視点Ｐの座標が一定の範囲内に収まる。また、まばたきをした瞬間では、注視点Ｐを測定できなかったこと示す測定信号が視線計測装置１０から駆動制御部３４に入力される。
【００４１】
ここで、駆動制御部３４は、計測結果が予め設定されている命令ジェスチャーに該当するか否かを判定する。例えば、注視点Ｐの座標が一定範囲内に一定時間以上あったか否かを判定する。注視点Ｐの座標が一定範囲内に一定時間以上あった場合、特定の方向に視線が保持されていたと判定する。これにより、一定の方向に視線を保持する命令ジェスチャーが行なわれたと判定する。この一定の範囲及び時間を予め駆動制御部３４に設定しておいてもよい。例えば、視線の下方向の座標範囲、上方向の座標範囲、右方向の座標範囲、左方向の座標範囲をそれぞれ予め設定しておく。また、一定時間内に注視点Ｐの座標の変化量がしきい値以下である場合に、一定の方向を保持していると判定してもよい。
【００４２】
さらに、一定時間内に、注視点Ｐを測定できないことを示す測定信号が所定の回数以上入力されたら、連続してまばたきが行なわれたと判定する。このとき、両目それぞれについて判定を行なってもよい。これにより、両目のまばたき、右目のまばたき、左目のまばたきが行なわれたか否かを判定できる。このように駆動制御部３４は得られた計測結果が、命令ジェスチャーに対応する結果であるか否かを判定している。そして、その計測結果に該当する命令ジェスチャーを抽出する。
【００４３】
上記のうちのいずれかの命令ジェスチャーが行なわれたと判定された場合、駆動制御部３４はその命令ジェスチャーに対応する動作補助制御を行う。設定される動作補助制御としては、例えば、持ち上げ動作を行なう、持ち運び動作を行なう、所定の方向に歩行する、階段を上る、階段を下る、などの制御が挙げられる。もちろん、これら以外の制御であってもよい。命令ジェスチャーと動作補助制御とは、駆動制御部３４に設けられた記憶装置に記憶される。命令ジェスチャーと動作補助制御を１対１に対応付けて記憶させておく。従って、命令ジェスチャーに応じた動作補助制御が行われる。もちろん、計測結果がいずれの命令ジェスチャーにも該当しなかった場合、駆動制御部３４は動作補助制御を行わず、待機する。
【００４４】
このように、駆動制御部３４は、視線計測装置１０での計測結果に応じた動作補助制御を行う。命令ジェスチャー、及び動作補助制御を予め複数設定しておけば、より利便性を向上させることができる。すなわち、複数の命令ジェスチャー、及び動作補助制御を分類して記憶しておけばよい。また、通常行なわないような、動作を命令ジェスチャーとすることが好ましい。これにより、使用者２００が誤って命令ジェスチャーを行なうのを防ぐことができる。例えば、上方向の視線の保持や、まばたきの連続などを命令ジェスチャーとすることが好ましい。
【００４５】
このように、使用者２００が所望の動作補助を受けたい時、まず、眼により命令ジェスチャーを行なう。視線計測装置１０で視線を計測しているため、命令ジェスチャーに応じた測定信号が駆動制御部３４に入力される。駆動制御部３４は、視線計測装置１０による計測結果が、命令ジェスチャーに対応するものか否かを判定する。ここで、駆動制御部３４に命令ジェスチャーと動作補助制御を対応付けて記憶している。駆動制御部３４は、その命令ジェスチャーに対応する動作補助を行なう。例えば、第１の命令ジェスチャーが行なわれたと判定すると、第１の動作補助制御を行う。そして、駆動部３２が駆動して、第１の動作補助制御に基づく動作補助が実行される。
【００４６】
視線の方向に動作補助制御の方向を一致させることが好ましい。これにより、計測された視線の方向に動作補助機構３０が駆動される。具体的には、注視点Ｐの方向に動作補助制御の方向を一致させる。これにより、視線の方向に応じた方向に動作が補助される。すなわち、視線の方向に応じた方向にパワーアシストを行なう。例えば、上方向を注視した場合、持ち上げ動作を行なうように設定する。さらには、見た方向に物体を運ぶよう、持ち運び動作を制御してもよい。この設定では、動作補助方向と視線の方向が一致するので、使用者が容易に操作することができる。よって、操作性を向上することができる。
【００４７】
駆動制御部３４での処理について、図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態にかかる動作補助装置１００の制御方法を示すフローチャートである。まず、動作補助装置１００の電源を付けて、動作補助機構３０をサーボＯＮする。また、この時、視線計測装置１０の電源がＯＮする。そして、サーボＯＮとなると、自重キャンセル制御が行われる（ステップＳ１０１）。これにより、駆動制御部３４が自重キャンセル制御を行う。これにより、動作補助機構３０の自重をキャンセルする。例えば、駆動制御部３４は、インピーダンス制御を行い、接地部３３から自重を逃がす。従って、動作補助機構３０の自重は、動作補助機構３０自身が支える。これにより、動作補助機構３０の自重が抜重される。従って、使用者２００が容易に扱うことができ、操作性を向上することができる。また、以降のステップにおいても自重をキャンセルした状態で実行される。
【００４８】
次に認識開始トリガがあるか否を判定する（ステップＳ１０２）。認識開始トリガとしては、例えば、特定の視線の保持や、まばたきによるジェスチャが挙げられる。例えば、２回連続まばたきをする（ダブルクリック）ことによって、認識開始トリガが入力されたと判定する。認識開始トリガが入力されなかった場合、ステップＳ１０１の自重キャンセル制御を実行したままの状態である。
【００４９】
認識開始トリガが入力された場合、駆動制御部３４は、視線命令処理を行う（ステップＳ１０３）。すなわち、視線計測装置１０での計測結果が命令ジェスチャーに対応するものであるか否かを判定する。ここでは、通常の動作補助を行なうための命令ジェスチャー１〜Ｎと、認識開始トリガが入力されていない状態に戻す通常復帰命令ジェスチャーと、サーボＯＦＦさせる停止命令ジェスチャーと、が設定されている。すなわち、駆動制御部３４は合計（Ｎ＋２）通りの命令ジェスチャーを記憶している。命令ジェスチャーの判定は、注視点Ｐの座標の変化や、視線を計測できない結果が表れた頻度等に基づいて行われる。
【００５０】
命令ジェスチャー１が入力されたと判定された場合、その命令ジェスチャー１に対応する動作補助制御１を実行する（ステップＳ１０４）。そして、ステップＳ１０３に戻り、再度視線命令処理を行う。命令ジェスチャーＮが入力されたと判定された場合、その命令ジェスチャーＮに対応する動作補助制御Ｎを実行する（ステップＳ１０５）。そして、ステップＳ１０３に戻り、再度視線命令処理を行う。これにより、次の命令ジェスチャーを待つ状態となる。一方、通常復帰命令ジェスチャーが入力されたと判定した場合は、ステップＳ１０１に戻る。すなわち、認識開始トリガがリセットされ、通常の状態に復帰する。そして、再度、ステップＳ１０２で認識開始トリガが入力されたか否かを判定する。また、停止命令ジェスチャーが入力されたと判定された場合、サーボＯＦＦして、駆動部３２の駆動を停止させる。これにより、動作補助機構３０の動作が停止して、動作補助が終了する。
【００５１】
視線方向や、まばたきでは十分な数の命令ジェスチャーを設定できない場合、駆動補助装置側からディスプレイにメニューアイテムを表示してもよい。この場合、視線方向やまばたきでＹＥＳかＮＯを入力するようにしてもよい。また、動作補助装置１００にマイクを取り付けて、音声命令により動作補助制御を行ってもよい。この場合、駆動制御部３４に、音声命令処理部を設け、使用者の声に対して音声処理を行う。そして、どの動作補助制御を行うべきか判定する。このように、様々な入力インタフェースを視線計測装置１０と組み合わせて用いることができる。
【００５２】
また、命令ジェスチャーにより実行される制御は、駆動部３２の駆動に限られるものではない。例えば、特定の計測結果が得られたときは、モータやアクチュエータをロックしたり、アシスト力やスピード等のパラメータを変化させるようにしてもよい。また、実行中の動作補助制御を緊急停止させる命令ジェスチャーを設定してもよい。これにより、動作補助機構３０の反応が、使用者の意思とは異なる場合、即座に動作補助制御を停止することができる。従って、不要な動作が行なわれるのを防ぐことができ、操作性を向上することができる。これにより、利便性を向上できる。
【００５３】
このように、視線計測装置１０を動作補助機構３０の入力インターフェースとすることにより、利便性を向上することができる。すなわち、電極などを接触させるための導電性ジェルを塗布する必要がなく、帽子１１を被るだけで動作を補助することができる。したがって、使用者の不快感を低減することができ、利便性を向上できる。さらに、発汗などによって計測に誤差が生じることもないため、確実に動作を補助することができる。
【００５４】
さらに、視線計測装置１０と動作補助機構３０とを接続するリンク機構２０に設けられたジョイントのエンコーダ値を読み取るようにしてもよい。そして、このエンコーダ値によって、動作補助機構３０と視線計測装置１０との相対位置を運動学により算出する。そして、認識された相対位置を考慮して視線の方向を計測する。これにより、使用者２００の視線の方向や注視点Ｐの座標を正確に計測することができる。
【００５５】
また、本実施の形態にかかる動作補助装置１００は、使用者に装着するタイプに限られるものではない。すなわち、非装着型の動作補助装置１００であってもよい。さらに、使用者が自動車の運転手の場合、例えば、視線計測装置１０で計測した方向に、自動車のヘッドランプを向けるようにしてもよい。これにより、利用範囲を広げることができる。
【００５６】
また、動作補助機構３０を、使用者２００に装着するタイプとすると、容易に視線計測装置１０と接続することができる。さらに、動作補助機構３０を使用者の筋力をアシストするパワーアシストロボットとしてもよい。これにより、容易に制御可能なパワーアシスト装置を提供することができる。これにより、例えば、高齢者の介護などを容易に行うことができる。
【００５７】
発明の実施の形態２．
本実施の形態では、実施の形態１と同様に視線計測装置によって、注視点の三次元座標を求めている。さらに、本実施の形態では、注視点の三次元座標に基づく動作目標位置に対してフィードバック制御を行っている。すなわち、計測された注視点に基づいて動作目標位置を設定する。そして、現在位置と動作目標位置との間の位置誤差によって、動作補助機構をフィードバック制御する。従って、動作補助機構が、注視点に追従するよう、制御される。すなわち、動作補助機構が注視点に対して追従して動作する。
【００５８】
本実施の形態にかかる動作補助装置について図６を用いて説明する。図６は、本実施の形態にかかる動作補助装置の構成を模式的に示す側面図である。本実施の形態にかかる動作補助装置１００の動作補助機構３０は、使用者２００の腕の筋力をアシストするアシストアームである。動作補助機構３０には、実施の形態と同様に、駆動制御部３４、駆動部３２、装着部３１、リンク３５等が設けられている。これらについては、実施の形態１と同様の構成であるため、詳細な説明を省略する。また、視線計測装置１０についても、実施の形態１と同様の構成であるため、説明を省略する。すなわち、視線計測装置１０は、使用者の眼球に照明光を出射する照明光源と、眼で反射した照明光源からの光を検出するカメラとを備えている。
【００５９】
動作補助機構３０と視線計測装置１０はリンク機構２０により連結されている。ここで、視線計測装置１０と動作補助機構３０とを接続するリンク機構には、ジョイント２１が設けられている。リンク機構２０はパッシブなリンク機構であり、使用者２００の筋力によって駆動される。従って、頭部の位置姿勢を変えることができる。さらに、ジョイント２１のエンコーダ値によって、視線計測装置１０と動作補助機構３０との相対位置を求めることができる。この相対位置を考慮して注視点の座標を測定する。従って、アシストアームの先端位置を注視点との位置を正確に認識することができる。さらに、使用者２００の頭部の姿勢を認識してもよい。そして、頭部の位置姿勢を考慮して注視点の座標を測定してもよい。このように、リンク機構２０によって、視線計測装置１０と動作補助機構３０との間の座標系を統一することができる。すなわち、視線計測装置１０で測定された注視点と、アシストアームの先端位置とが同じ基準座標系で表される。なお、基準座標系は使用者２００に固定されているとする。
【００６０】
ここで、動作補助機構３０は、使用者２００の腕の筋力をアシストするアシストアームである。従って、動作補助機構３０は、使用者２００の上半身を中心に装着されている。動作補助機構３０の駆動部３２は肘、肩などの近傍に配置される。動作補助機構３０の先端は、使用者２００の手首の周辺に配置される。これにより、パワーアシストされている状態で、使用者２００が物体、あるいは人間を持ち上げ、持ち運びすることが可能となる。
【００６１】
ここで、動作補助の一例として、使用者２００が被介護者３００をベッド４００から持ち上げ、被介護者３００を所定の位置まで持ち運ぶ動作を挙げて説明する。なお、動作補助機構３０の基本的な処理は実施の形態１と同様であるため、実施の形態１と重複する内容については説明を省略する。本実施の形態にかかる制御は、例えば、図５で示したフローと同様のフローで処理される。ここで、命令ジェスチャー１が上記の追従動作を開始する開始命令ジェスチャーとする。従って、開始命令ジェスチャーである命令ジェスチャ−１が入力されると、駆動制御部３４が注視点を動作目標位置として駆動制御する。
【００６２】
開始命令ジェスチャーが実行された場合、動作補助装置１００は、使用者２００の注視点の方向に向かって、駆動制御を行う。具体的には、視線計測装置１０は、実施の形態１と同様に注視点の座標を算出する。そして、注視点Ｐに基づいて動作目標位置を設定する。動作目標位置の座標に動作補助装置３０の先端を近づけるように駆動制御する。これにより、動作目標位置に向かってアシストアームが動作する。使用者２００の手が注視点の方向に向かってアシストされる。動作補助装置３０の先端は、随時更新される注視点に追従して移動する。例えば、現在位置と動作目標位置との間の位置誤差、及び速度誤差によって、動作補助機構３０の駆動部３２をフィードバック制御する
【００６３】
本実施の形態では、駆動制御部３４が所定の命令ジェスチャーが入力された場合に、動作補助機構３０の先端を目標動作位置に向かって移動させる。これにより、常に動作補助機構３０が動作するのを防ぐことができる。すなわち、使用者の向いている方向にアシストアームが常に動いていては不便である。そのため、開始命令ジェスチャーを認識した場合のみ、上記の動作補助制御を開始する。例えば、ある一定時間以上、一定の方向を注視するジェスチャーを命令ジェスチャーとする。なお、注視する位置は、日常的に視線を向けることが無い場所を設定することが望ましい。例えば、設定場所を上方の置くことが好ましい。これにより、手元に設定場所を置いた場合よりも誤差動を防ぐことができる。あるいは、一定以上眼をつぶる動作や、まばたきを数回繰り返す動作を開始命令ジェスチャとしてもよい。さらに、追従動作を終了する場合は、終了命令ジェスチャーを実行する。終了命令ジェスチャーとしては、開始命令ジェスチャーと同様のジェスチャーを用いることができる。
【００６４】
ここで、腕を動作を補助する動作補助機構３０について説明する。使用者２００の手の姿勢まで、正確に沿わそうとするならば、７以上の自由度が必要であると考えられる。しかし、冗長であるため、逆運動学と逆動力学を解くために新たな拘束条件とを導入する必要がある。ここでは、説明を簡単にするため、動作補助機構３０が、図７に示すように、３自由度＋１自由度のアシストアーム５０であるとして説明する。なお、図７（ａ）は、動作補助機構３０を装着した使用者２００を模式的に示す上面図である。図７（ｂ）はアシストアーム５０の各軸を示す図である。なお、図７では、説明の明確化のため、右腕部分のみを示している。また、視線計測装置１０とリンク機構２０については省略して図示している。
【００６５】
ここで、２０１を使用者２００の頭部、２０２を肩、２０３を上腕、２０４を肘、２０５を前腕、２０６を手首、２０７を手とする。肩２０２の近傍には、アシストアーム５０の第１軸５１、及び第２軸５２が配置されている。肘２０４の近傍に第３軸５３が配置される。第４軸５４は前腕２０５の近傍に配置される。さらに、手首２０６には、アシストアーム５０の先端部５５が取り付けられている。このように、第１軸５１〜第４軸５４のそれぞれには、アシストアーム５０の関節が配置される。アシストアーム５０が、上腕２０３や前腕２０５の筋力をアシストすることができる。
【００６６】
第１軸５１、第２軸５２、及び第３軸５３は、駆動部３２のモータ等（図７では図示せず）によって、回転角度を変えることができる。また、第４軸５４はアシストアーム５０を手首２０６に固定するためのフリージョイントである。この第４軸５４によって、使用者２００は手首２０６のロール軸を自由に回転させることができる。各軸は、リンク３５によって回転可能に連結されている。ここで、アシストアーム５０の先端部５５の位置が決まれば、逆運動学によって、第１軸５１、第２軸５２、及び第３軸５３の回転角度を求めることができる。
【００６７】
ここで、動作目標位置ＸＧを数式１で示す。
【００６８】
【数１】
【００６９】
動作目標位置ＸＧは、視線計測装置１０において、角膜反射の輻輳角より導いた三次元座標である。なお、基準座標系は使用者２００に固定されているとする。ここで、目標関節角度ｑＧは以下の数式２で導くことができる。
【００７０】
【数２】
【００７１】
なお、数式２において、ｑＧ１、ｑＧ２、ｑＧ３は、第１軸〜第３軸の関節角度である。また、Ｌ（）は関節角度から、手の先端位置へと変換する順運動学方程式を示している。数式２では、Ｌ（）の逆関数を用いることで、手の先端位置から関節角度を算出している。すわわち、Ｌ−１（）は逆運動学方程式を示している。従って、Ｌの逆行列であるＬ−１を数式１に左からかけることで、ｑＧを算出することができる。なお、第４軸は回転したとしても、アシストアーム５０の先端位置の座標が変化しないので、方程式には含まれない。フィードバック制御を行う場合、関節に出力すべきトルクτは、数式３で算出することができる。
【００７２】
【数３】
【００７３】
数式３において、Ｋは位置誤差によるフィードバックゲインであり、Ｄは速度誤差によるフィードバックゲインである。また、ｑは現在の関節角度を示している。現在の関節角度ｑは、例えば、各軸のエンコーダ値を読み取ることによって算出することができる。フィードバックゲインＫ，Ｄに適当な値を設定すると、関節に与えるトルクを算出することができる。このようにＰＤ制御によって、実装が簡単、かつ安定した制御を行うことができる。
【００７４】
なお、注視点Ｐは、一瞬で移動することができるため、注視点Ｐに基づく動作目標位置に単純に追従していると、アシストアーム５０が非常に大きな速度で駆動してしまう場合がある。この場合、使用者２００が危険に曝されてしまうおそれがある。従って、使用者２００への危険を回避するため、フィードバックゲインＫ、Ｄを小さしてもよい。さらに、しきい値以上の速度で注視点Ｐが移動した場合、フェールすることによって、安全を確保することができる。従って、しきい値以上の速度で注視点Ｐが移動した場合、トルクτを変化させずに駆動してもよい。さらに、速度リミッタや、トルクリミッタを各軸に設けて、安全確保してもよい。
【００７５】
このように、動作目標位置に基づいてアシストアーム５０の動作がフィードバック制御される。従って、アシストアーム５０の先端位置が、動作目標位置に追従して移動する。すなわち、アシストアーム５０の先端位置が、動作目標位置に近づくよう制御される。このとき、アシストアーム５０は位置誤差、及び速度誤差に基づいて、フィードバック制御されている。従って、使用者２００が被介護者３００を持ち上げ、持ち運びを容易に行うことができる。例えば、被介護者３００の上の空中を注視することによって、被介護者３００を容易に持ち上げることができる。そして、被介護者３００を持ち上げた状態でベッド４００上を注視することによって、被介護者を容易にベッド４００まで持ち運ぶことができる。このように、視線計測装置１０を動作補助装置３０の入力インターフェースとして利用することによって、利便性を向上することができる。なお、動作補助装置３０はアシストアームに限らず、使用者の筋力を補助するパワーアシストロボットとしてもよい。
【００７６】
本実施の形態にかかる動作補助装置３０の制御方法について、図８を用いて説明する。図８は、本実施の形態にかかる動作補助装置３０の制御方法を示すフローチャートである。図８では、図５のステップＳについて詳細に示している。なお、図５のその他のステップは実施の形態１で説明した内容と同様であるため、説明を省略する。
【００７７】
まず、開始命令ジェスチャーが入力された場合、図５のステップＳ１０４で示したように、開始命令ジェスチャーが認識されると、現在のアシストアーム５０の先端位置を算出する（ステップＳ２０１）。アシストアーム５０の先端位置は、各軸の角度により算出することができる。具体的には、モータに設けられたエンコーダの値に基づいて先端部５５の座標を算出する。次に、視線計測装置１０が注視点Ｐの座標を測定する（ステップＳ２０２）。注視点Ｐの三次元座標は、両目の間隔、及び輻輳角に基づいて算出されている。
【００７８】
次に、測定された注視点Ｐの座標に基づいて動作目標を算出する（ステップＳ２０３）。ここでは、注視点Ｐに基づいて動作目標位置を設定する。さらに、動作目標位置に対する目標関節座標ｑＧを算出する。まず、注視点Ｐに基づいて、目標動作位置の座標を算出する。例えば、アシストアーム５０の先端位置の座標と、動作目標位置の座標とが、リンク機構２０の状態に応じて較正されている。すなわち、動作目標位置の座標には、ジョイント２１の回転角度等が考慮されている。従って、動作目標位置の座標と、アシストアーム５０の先端位置の座標とが基準座標系で示される。なお、目標動作位置は注視点Ｐと異なる座標であってもよい。例えば、左腕と、右腕のアシストアーム５０がある場合、それぞれの座標を注視点Ｐの座標から左右に一定距離だけ離してもよい。そして、数式３に示すよう、逆運動学方程式を解くことによって、目標関節角度ｑＧを算出することができる。これにより、左右のアシストアーム５０の先端位置をずらすことができる。
【００７９】
そして、目標関節角度ｑＧから各関節に与えるトルクτを決定する（ステップＳ２０４）。ここでは、数式３に示すよう、適当なフィードバックゲインＫ，Ｄからトルクτが算出される。そして、トルクτを与えるよう、各軸のモータを駆動する（ステップＳ２０５）。これにより、アシストアームの先端位置が、動作目標位置に近づく。さらに、終了命令ジェスチャーが入力されたか否かを判定する（ステップＳ２０６）。終了命令ジェスチャーが入力されていないと判定すると、再度ステップＳ２０１からの処理を繰り返す。これにより、アシストアーム５０の先端位置が、動作目標位置に追従して移動するようフィードバック制御される。また、終了命令ジェスチャーが入力されたと判定すると、追従制御を停止する。そして、図５のステップＳ１０３で示したように、次の命令ジェスチャーを待つ。このように、終了命令ジェスチャーが入力されるまで、フィードバック制御を行う追従動作を繰り返す。
【００８０】
上記のように制御することによって、視線の方向に被介護者３００を持ち運ぶことができる。このように、動作目標位置に追従するよう、持ち運ぶことができる。従って、注視点Ｐに基づいて動作補助機構３０が駆動する。よって、視線の方向に移動させることが可能となり、使用者２００が容易に操作することができる。従って、さらに操作性を向上することができ、利便性を高くすることができる。もちろん、実施の形態１で示したように、足用の動作補助機構３０と組み合わせて使用してもよい。また、実施の形態１で示した自重キャンセル制御を行ってもよい。
【００８１】
発明の実施の形態３．
本実施の形態では、実施の形態２と同様に、注視点Ｐに基づいて動作目標位置を求める。そして、動作目標位置に基づいてアシストアーム５０の動作がフィードバック制御される。しかしながら、実施の形態２では、外力を測定しないため、使用者２００にかかる力を制御できない。従って、使用者２００に大きな力がかかってしまう場合がある。本実施の形態では、使用者２００にかかる力を考慮した制御の一例として、インピーダンス制御を用いている。以下に、本実施の形態にかかる動作補助装置１００の制御手法について説明する。なお、動作補助装置１００の基本的に構成については、上述した構成と同様であるため説明を省略する。
【００８２】
動作目標位置ＸＧと、アシストアーム５０の先端位置Ｘは、それぞれ数式４，５のように表す。
【００８３】
【数４】
【数５】
【００８４】
ここで、動作目標位置ＸＧは、視線計測装置１０によって、角膜反射の輻輳角から導いた三次元座標である。また、アシストアーム５０の先端位置Ｘは、アシストアーム５０の各軸の回転角から算出した三次元座標である。すなわち、アシストアーム５０の先端位置Ｘは、各軸に設けられたリンク機構２０の状態についても考慮されている。
【００８５】
ここで、アシストアーム５０の先端部５５の外力（使用者２００に与える力）をＦとすると、数式６で示される方程式が得られる。
【００８６】
【数６】
【００８７】
なおＦは、三次元の並進力ベクトルである。数式６において、右辺の各項の係数行列は、目標インピーダンスを示しており、Ｍｄ，Ｂｄ，Ｋｄは、それぞれ目標質量、目標粘性、目標弾性となっている。数式６より、目標位置ＸＧの加速度は以下の数式７で与えられる。
【００８８】
【数７】
【００８９】
数式７において、Ｊはヤコビアン（ヤコビ行列）である。数式７により導かれた関節空間の加速度ベクトルを以下の数式８に代入すると、各関節に出力すべきトルクτを求めることができる。
【００９０】
【数８】
【００９１】
数式８はニュートンオイラー法により導き出した運動方程式である。ここで、Ｍ（）は質量行列、ｖ（）は遠心力やコリオリ力などの線形項を示すベクトル、Ｇ（）は質量ベクトルである。数式８によって算出したトルクτを出力することによって、目標インピーダンスを持ったアシストアーム制御を実現することができる。上記のインピーダンス制御の概念図を図９に示す。
【００９２】
図９に示すようにアシストアーム５０の先端部５５と動作目標位置とがバネマスダンパ系で結ばれている。その間に、使用者の腕が挟まれる形となっている。従って、バネ６１、及びダンパ６２によって、インピーダンス制御が行われる。使用者２００にかかる力を低減することができる。よって、安全性を高めることができる。
【００９３】
ここで、注視点Ｐは、一瞬で決まるため、注視点Ｐに基づく動作目標位置に単純に追従していると、アシストアーム５０が非常に大きな速度で駆動してしまう場合がある。この場合、使用者２００への危険を回避するため、動作目標位置と、アシストアーム先端位置との距離に応じて、目標インピーダンス制御の目標質量Ｍｄと、目標粘性Ｂｄとを高くして、目標弾性Ｋｄを低くすることが好ましい。これにより、アシストアーム５０の先端部５５が大きな速度になるのを防ぐことができる。さらに、しきい値以上の速度で注視点Ｐが移動した場合、フェールすることによって、安全を確保することができる。例えば、しきい値以上の速度で注視点Ｐが移動した場合、そのままのトルクτで駆動してもよい。さらに、速度リミッタや、トルクリミッタを各軸に設けて、安全確保してもよい。
【００９４】
なお、注視点Ｐの範囲に比べてアシストアーム５０の可動範囲が狭いため、可動範囲外に注視点Ｐに出た場合、逆運動学が解けなくなってしまう。すなわち、ヤコビアンＪの逆行列を導出することができないため、トルクτを算出できなくなってしまう。この場合、動作目標位置を使用者２００の方向に近づけて設定する。例えば、図１０に示すように、アシストアーム５０の可動範囲を表す空間の表面と、両目の中心と注視点Ｐとを結んだ直線の交点周辺を動作目標位置ＸＧとすることができる。なお、図１０では、アシストアーム５０の可動範囲を表す空間の表面を点線で示している。すなわち、アシストアームの可動範囲を示す境界７０を点線で示す。
【００９５】
目標動作位置の設定について、図１１、及び図１２を用いて説明する。図１１は、本実施の形態にかかる制御方法を示すフローチャートである。なお、図１１は、図８で示したステップＳ２０３を詳細に示すものであり、それ以外のステップについては実施の形態２と同様であるため説明を省略する。図１２は、動作目標位置を決定するため処理を説明する図である。
【００９６】
まず、図８のステップＳ２０２で示した視線計測装置１０によって注視点Ｐを計測する。次に、注視点Ｐの座標が、アシストアーム５０の駆動範囲外にあるか否かを判定する（ステップＳ３０１）。具体的には、数式７で示されたヤコビアンＪの逆行列を求めることができるか否かを判定する。あるいは、予め設定した可動範囲に注視点Ｐが含まれるか否かを判定してもよい。
【００９７】
例えば、図１２に示すように注視点Ｐ１が可動範囲の外側にある場合、アシストアーム５０の先端が注視点Ｐ１に届かない。この場合、注視点Ｐ１から一定距離戻って、注視点Ｐ１の座標を変更する。ここで、座標が変更された点を変更点Ｐ２とする。変更点Ｐ２は両目の中心Ｏと注視点Ｐ１とを結ぶ直線上にある。すなわち、変更点Ｐ２は注視点Ｐ１から一定距離だけ、両目の中心Ｏに近づいた位置となる。そして、ステップＳ３０１に戻り、変更点Ｐ２がアシストアームの可動範囲外にあるか否かを判定する。ここでは、図１２に示すように変更点Ｐ２も、可動範囲の外側にあるため、ステップＳ３０２に戻る。すなわち、変更点Ｐ２でも、逆運動方程式を解くことができない。変更点Ｐ２の座標が境界７０の外側であるため、さらに一定距離戻って座標を変更する。ここで、座標が変更された点を変更点Ｐ３とする。変更点Ｐ３は変更点Ｐ２と同様に、両目の中心Ｏと注視点Ｐ１とを結ぶ直線上になる。従って、注視点Ｐ１と変更点Ｐ２と変更点Ｐ３とは同一直線上に等間隔で配置される。
【００９８】
変更点Ｐ３は、可動範囲外にないため、アシストアーム５０の先端部５５が届く位置にある。従って、変更点Ｐ３に基づいて動作目標位置が設定される。すなわち、変更点Ｐ３が境界７０の内側に配置されるため、ヤコビアンＪの逆行列を求めることができる。従って、変更点Ｐ３を動作目標位置としてトルクτを決定する。これにより、可動範囲外にある場合でも、アシストアームをフィードバック制御することができる。もちろん、変更点Ｐ３が可動範囲外である場合は、一定距離だけ繰り返し近づけて動作目標位置を決定する。
【００９９】
このように、注視点がアシストアーム５０の可動範囲内にあるか否かによって、動作目標位置を変更する。これにより、注視点Ｐが遠くに位置する場合でも、注視点に近づくようフィードバック制御することができる。なお、注視点を近づけるための基準となる点は、両目の中心に限られるものではない。変更点が使用者２００に近づくことができる点であればよい。
【０１００】
その他の実施の形態．
なお、上記の実施の形態では、動作補助装置１００を使用者２００が装着するタイプとして説明したが、これに限られるものではない。すなわち、使用者２００が装着しない状態で、所定の動作を行なう動作補助装置としてもよい。また、実施の形態１〜３のいずれか２つ以上を組み合わせて使用したもよい。例えば、実施の形態２又は３のアシストアームに実施の形態１で示した自重キャンセルを行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる動作補助装置の構成を模式的に示す側面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる動作補助装置に用いられる視線計測装置の構成を模式的に示す正面図である。
【図３】視線計測装置による注視点の測定を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる動作補助装置に用いられる動作補助機構の構成を模式的に示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる動作補助装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態２にかかる動作補助装置の構成を模式的に示す側面図である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかる動作補助装置の動作補助機構の構成を模式的に示す上面図である。
【図８】本発明の実施の形態２にかかる動作補助装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態３にかかる動作補助装置のインピーダンス制御を示す概念図である。
【図１０】本発明の実施の形態３にかかる動作補助装置の可動範囲と注視点の関係を示す模式的に示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態３にかかる動作補助装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態３において動作目標位置を決定するため処理を説明する図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０ 視線計測装置、１１ 帽子、１２ アーム、１３ 照明手段、１３ａ 照明光源、
１３ｂ ミラー、１４ カメラ、１５ 測定制御部、２０ リンク機構、
２１ ジョイント、３０ 動作補助機構、３１ 装着部、３２ 駆動部、３３ 接地部、
３４ 駆動制御部、３５ リンク、３６ モータ
５０ アシストアーム、５１ 第１軸、５２ 第２軸、５３ 第３軸、５４ 第４軸、
５５ 先端部、６１ バネ、６２ ダンパ、７０ 境界
１００ 動作補助装置、２００ 使用者、２０１ 頭部、２０２ 肩、２０３ 上腕、
２０４ 肘、２０５ 前腕、２０６ 手首、２０７ 手、２０１ 左の眼球、
２０２ 右の眼球、２０３ 左の角膜、２０４ 右の角膜、
３００ 被介護者、４００ ベッド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動作補助装置及びその制御方法に関し、特に詳しくは、視線計測装置を有する動作補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、使用者の動作を補助するパワーアシスト装置が開発されている。パワーアシスト装置は、通常、使用者の筋力を補助するモータや、モータの制御を行う制御回路を有している。例えば、使用者の筋電位を検出することによって、モータの駆動を行なっている（特許文献１参照）。このような、筋電位を検出するための電極を使用者に取り付ける必要がある。
【０００３】
また、使用者の眼電位を検出して、制御を行う電動機能補助装置が提案されている（特許文献２参照）。この動作補助装置では、眼電位を検出するため、メガネ型の眼電位計測装置を使用者に装着させている。そして、使用者の眼球運動による筋電位の変化によって、注視点を抽出している。この注視点に基づいて、動作補助を制御している。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１６３６０７号公報
【特許文献２】特開２００４−２５４８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２の装置では、使用者の眼電位を検出するため、複数の電極センサを顔面に接触させなければならない。さらに、電極センサと地肌をより密着させるために、導電性のジェルなどを塗る必要がある。したがって、使用者に不快感を与えてしまうという問題点がある。さらに、皮膚表面の発汗によって電位が変化してしまい、誤動作してしまうという問題点もある。
【０００６】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、利便性の高い動作補助装置、及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様にかかる動作補助装置は、使用者の動作を補助する動作補助装置であって、使用者の眼球に光を照射する光源と、前記眼球で反射された前記光源からの光を検出する光検出器とを有する視線計測装置と、前記視線計測装置での計測結果に基づいて、使用者の動作を補助する動作補助機構とを備えたものである。これにより、利便性を向上することができる。
【０００８】
本発明の第２の態様にかかる動作補助装置は、上述の動作補助装置であって、前記視線計測装置が、前記使用者の視線の方向を計測し、前記動作補助機構が、前記計測された視線の方向に向かって動作補助を行なうものである。これにより、操作性を向上することができる。
【０００９】
本発明の第３の態様にかかる動作補助装置は、上述の動作補助装置であって、前記視線計測装置が、両目の視線の方向から注視点を測定し、前記動作補助機構が、前記注視点に基づいて動作目標位置を設定して、前記動作目標位置に追従するようフィードバック制御を行うものである。これにより、操作性をより向上することができる。
【００１０】
本発明の第４の態様にかかる動作補助装置は、上述の動作補助装置であって、前記視線計測装置と前記動作補助機構とを接続するリンク機構をさらに備え、前記リンク機構の状態に応じて、前記視線計測装置と前記動作補助機構との相対位置を認識して、前記動作目標位置を設定するものである。これにより、正確に操作することができる。
【００１１】
本発明の第５の態様にかかる動作補助装置は、上述の動作補助装置であって、前記注視点が前記動作補助機構の可動範囲外である場合、前記動作目標位置を前記動作補助機構の可動範囲内に設定する、ものである。これにより、より正確に操作することができる。
【００１２】
本発明の第６の態様にかかる動作補助装置は、上述の動作補助装置であって、前記視線計測装置及び前記動作補助機構が使用者に装着可能であるものである。これにより、利便性を向上することができる。
【００１３】
本発明の第７の態様にかかる動作補助装置は、上述の動作補助装置であって、前記動作補助装置が前記使用者の筋力をアシストするパワーアシストロボットであるものである。これにより、より利便性を向上することができる。
【００１４】
本発明の第８の態様にかかる動作補助装置の制御方法は、使用者の動作を補助する動作補助装置の制御方法でであって、光源から使用者の眼球に光を照射するステップと前記眼球で反射された前記光源からの光を検出して、視線を計測するステップと、前記視線の計測結果に基づいて、使用者の動作を補助するステップとを有するものである。これにより、利便性を向上することができる。
【００１５】
本発明の第９の態様にかかる動作補助装置の制御方法は、上述の動作補助装置の制御方法であって、前記視線を計測するステップで計測された視線の方向に基づいて、前記動作を補助する方向を決定するものである。これにより、操作性を向上することができる。
【００１６】
本発明の第１０の態様にかかる動作補助装置の制御方法は、上述の動作補助装置の制御方法であって、両目に対して行なわれた前記視線の計測結果に基づいて、前記使用者の注視点を測定するステップと、前記注視点に基づいて、動作目標位置を設定するステップとをさらに備え、前記使用者の動作の補助を前記動作目標位置に対してフィードバック制御するものである。これにより、操作性をさらに向上することができる。
【００１７】
本発明の第１１の態様にかかる動作補助装置の制御方法は、上述の動作補助装置の制御方法であって、前記動作の補助を行なう動作補助機構の可動範囲外に前記注視点がある場合、前記動作目標位置を前記動作補助機構の可動範囲内に設定する、ものである。これにより、正確に制御することができる。
【００１８】
本発明の第１２の態様にかかる動作補助装置の制御方法は、上述の動作補助装置の制御方法であって、前記動作補助機構と前記視線計測装置との相対位置を認識して、前記注視点を計測するものである。これにより、より正確に制御することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、利便性の高い動作補助装置、及びその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
発明の実施の形態１．
本実施の形態にかかる移動体について図１を用いて説明する。本実施の形態にかかる動作補助装置の装着時の構成を模式的に示す側面図である。すなわち、図１は、使用者２００が動作補助装置１００を装着した状態を示している。
【００２１】
動作補助装置１００は、視線計測装置１０と、リンク機構２０と、動作補助機構３０とを有している。動作補助機構３０は、装着部３１と、駆動部３２と、接地部３３と、駆動制御部３４と、リンク３５とを有している。視線計測装置１０と動作補助機構３０とは、リンク機構２０で連結されている。さらに、視線計測装置１０と動作補助機構３０とは、配線等で接続されている。リンク機構２０にはジョイント２１が設けられている。リンク機構２０にある程度の自由度を持たせることによって、視線計測装置１０と動作補助機構３０との相対位置を変化させることができる。従って、使用者２００が変わった場合でも、動作補助装置１００を容易に装着することができる。具体的には、使用者２００が、動作補助機構３０を背負った状態で、テープ状あるいはベルト状の装着部３１を大腿、すね、及び腰に巻きつける。これにより、動作補助機構３０が装着される。そして、使用者２００は、帽子型の視線計測装置１０を被る。これにより、視線計測装置１０が使用者２００の頭部に装着される。これにより、使用者２００が動作補助装置１００を装着することができる。そして、動作補助機構３０及び視線計測装置１０を装着した状態で、使用者２００の動作が補助される。
【００２２】
視線計測装置１０は使用者２００の視線を計測する。視線計測装置１０は、眼球の運動から視線を計測する。そして、視線計測装置１０は計測結果を動作補助機構３０に出力する。視線計測装置１０で計測された視線に基づいて動作補助機構３０は、使用者２００の動作を補助する。すなわち、視線計測装置１０が動作補助機構３０の入力インターフェースとして機能する。視線計測装置１０としては、例えば、ナックイメージテクノロジー社製のアイマークレコーダＥＭＲ８Ｂを用いることができる。この視線計測装置１０については、後述する。
【００２３】
動作補助機構３０には、例えば、モータ、エンコーダやギヤなどを有する駆動部３２が複数設けられている。駆動部３２は、使用者２００の膝、腰、背中などの近傍に配置されている。動作補助機構３０には、複数の駆動部３２を連結するリンク３５が設けられている。さらに、動作補助機構３０には、バッテリーや制御回路を有する駆動制御部３４が設けられている。駆動制御部３４は、視線計測装置１０からの信号によって、駆動部３２に設けられたモータを駆動させる。これにより、リンク３５が回転して、使用者２００の動作を補助することができる。すなわち、視線計測装置１０の計測結果に基づいて、駆動制御部３４は、所定のモータを所定の角度だけ回転させる。これにより、リンク３５にトルクが与えられ、使用者２００の体勢が変化する。よって、使用者２００の筋力をアシストした状態で、使用者２００を所望の姿勢としたり、使用者２００に所望の作業を行なわせることができる。従って、動作補助機構３０は、視線計測装置１０の計測結果に応じて動作を補助することができる。
【００２４】
さらに、動作補助機構３０には、接地部３３が設けられている。接地部３３は、足の裏側に配置されている。従って、装着時には、使用者２００が接地部３３の上に乗った状態となる。駆動制御部３４は、動作補助機構３０の自重をキャンセルするため、駆動部３２を制御している。これにより、動作補助機構３０の自重を接地部３３を介して接地面に逃がすことができる。使用者２００は動作補助機構３０の重さを感じることなく、動作補助装置１００を使用することができる。従って、利便性を向上することができる。接地部３３の一部又は全部は、例えば、ゴムなどの弾性体により形成されている。
【００２５】
次に、視線計測装置１０の構成について図２を用いて説明する。図２は視線計測装置１０の一例の構成を示す正面図である。なお、図２は、使用者２００に装着されていない状態の視線計測装置１０を示している。視線計測装置１０は、帽子１１と、アーム１２と、照明手段１３と、カメラ１４と、測定処理部１５とを備えている。視線計測装置１０は、装着可能とするよう帽子１１を備えている。すなわち、帽子１１を使用者２００が被ることによって、視線計測装置１０が使用者２００に装着される。視線計測装置１０は、例えば、特開２００２−１４３０９４号公報に示すように、瞳孔−角膜反射法を用いて視線を計測している。これにより、カメラが揺れたり、振動が生じた場合でも正確に視線を計測することができる。
【００２６】
帽子１１の前側には、箱型の測定処理部１５が設けられている。測定処理部１５は、例えば、帽子１１の鍔の上に配置される。測定処理部１５の側方には、アーム１２が設けられている。アーム１２は、帽子１１の鍔の上から前側の下方に延設されている。アーム１２の先端には、照明手段１３が取り付けられている。従って、照明手段１３は、使用者２００の正面側に配置される。
【００２７】
照明手段１３は、例えば、赤外線ＬＥＤなどの照明光源１３ａを有している。そして、照明光源１３ａは、不可視光である近赤外光を照明光として出射する。照明光は使用者２００側に出射され、使用者２００の眼球に入射する。照明光源１３ａは、使用者の眼球を微小なスポットで照明する。照明光源１３ａの照明光は、角膜（黒目）を照明する。すると角膜が凹面鏡の役割をし、照明光源１３ａの像（角膜反射像）ができる。照明光源１３ａからの照明光は、角膜の表面で照明手段１３の方向に反射される。照明手段１３には、角膜表面で反射された反射光をカメラ１４の方向に反射するミラー１３ｂが配置されている。なお、照明光源１３ａからの光はレンズなどによって屈折されている。例えば、照明光源１３ａの光をレンズで集光している。これにより、微小なスポット形状となるため、角膜のみを照明することができる。なお、眼の動作によって、角膜上における照明光源１３ａからの光の位置が変化する。
【００２８】
カメラ１４は、例えば、２次元の赤外線ＣＣＤカメラである。従って、カメラ１４の受光面には、複数の検出画素がマトリクス状に配列されている。カメラ１４の受光面は鉛直下方側に設けられている。そして、照明手段１３に設けられたミラー１３ｂからの反射光を受光する。すなわち、カメラ１４は、ミラー１３ｂを介して、眼で反射された照明光源１３ａからの光を受光する。カメラ１４の受光面には、使用者２００の瞳孔の像、照明光源１３ａの角膜反射像（第１プルキニエ像）が結像する。なお、カメラ１４は、ＣＣＤカメラの他、フォトダイオードアレイやＣＭＯＳセンサなどの２次元光検出器を用いることができる。
【００２９】
測定処理部１５はカメラ１４からの信号に基づいて視線を計測する。測定処理部１５には計測処理を行う演算処理回路と、演算処理回路、カメラ１４、及び照明光源１３ａに電源を供給するバッテリーが収納されている。測定処理部１５は、瞳孔−角膜反射法によって、視線を計測する。具体的には、視線の方向が変化すると、瞳孔の像の中心と、角膜反射像との距離が変化する。すなわち、眼球運動によって、瞳孔中心の位置と、角膜反射像との位置が変化する。これにより、カメラ１４の受光面において、瞳孔中心の画素と、角膜反射像の画素との相対位置が変化すると、視線の角度が変化したことが分る。従って、瞳孔中心と角膜反射像との距離に応じて視線の方向を算出することができる。このように、照明光源１３ａから出射して眼で反射された光をカメラ１４で検出することによって、視線の方向を計測することができる。これにより、後述する命令ジェスチャーの入力や、注視点を測定を行うことができる。
【００３０】
さらに、アーム１２、照明手段１３、及びカメラ１４は、左右両方の眼に対してそれぞれ設けられている。すなわち、使用者２００から見て左側のアーム１２、照明手段１３、及びカメラ１４によって、左目の視線の方向を計測し、右側のアーム１２、照明手段１３、及びカメラ１４によって、右目の視線の方向を計測する。これにより、両目の視線の方向を計測することができる。さらに、２つのカメラ１４の位置によって、両目の眼球間の距離を測定してもよい。
【００３１】
測定処理部１５は、両目の視線の方向から注視点を測定する。これについて、図３を用いて説明する。図３は、注視点の測定を説明するための図である。ここで、２１１は左の眼球、２１２は右の眼球、２１３は左の角膜、２１４は右の角膜とする。ここで、図３のαは、両目の視線の方向が成す角、すなわち輻輳角を示している。従って、両目の視線の交点が注視点Ｐとなる。注視点Ｐは、輻輳角と、両目の眼球間の距離により測定することができる。具体的には、左の眼球２１１の座標から左目の視線の方向に伸ばした直線と、右の眼球２１２の座標から右目の視線の方向に伸ばした直線との交点の座標を注視点Ｐとする。このように、測定処理部１５は両目の視線の方向から注視点Ｐの座標を算出する。
【００３２】
測定処理部１５は例えば、視線計測装置１０に搭載されたコンピュータにより実現される。このコンピュータは、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の補助記憶装置、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬型記憶媒体が挿入される記憶媒体駆動装置、入力手段や出力手段を備えている。ＲＯＭ、補助記憶装置、可搬型記憶媒体等の記憶媒体には、オペレーティングシステムと協働してＣＰＵ等に命令を与え、アプリケーションプログラムを記録することができ、ＲＡＭにロードされることによって実行される。このアプリケーションプログラムは、本発明にかかる視線計測及び注視点測定を実現する特有のコンピュータプログラムを含む。測定処理部１５による処理は、中央処理装置がアプリケーションプログラムをＲＡＭ上に展開した上で当該アプリケーションプログラムに従った処理を補助記憶装置に格納されたデータを読み出し、また格納を行なうことにより、実行される。
【００３３】
視線計測装置１０は、所定の時間間隔で、注視点Ｐの三次元座標を測定していく。測定処理部１５は、測定した注視点Ｐの三次元座標を順次記憶する。この場合、視線計測装置１０は、例えば、両目の中心を原点とした直交座標系における三次元座標を算出、記憶する。なお、三次元座標をより正確に測定するため、視線計測装置１０の装着時に特定の点を注視して、視線の方向を較正してもよい。注視点Ｐの座標は例えば、３０Ｈｚ程度で測定される。視線計測装置１０は、この注視点Ｐの座標を測定信号として動作補助機構３０に出力する。また、まばたきをした時は、瞳孔の像が撮影されないため、視線の方向を計測することができない。そのため、視線計測装置１０は注視点Ｐが測定できなかったことを示す測定信号を出力する。また、上記の視線計測装置１０では、例えば、５０ｃｍ前方の位置を±１０ｃｍの誤差に抑えることができる。
【００３４】
なお、上記の視線計測装置１０は、瞳孔−角膜反射法を用いたものであったが、これに限るものではない。例えば、角膜（黒目）と強膜（白目）の反射率の違いを利用した強膜反射法（リンバストトラッキング法）、角膜の曲率中心と眼球の回転中心が異なることを利用した角膜反射法、第１プルキニエ像（角膜前面の像）と第４プルキニエ像（水晶体後面の像）との移動量の変化を利用したダブルプルキニエ法を用いることも可能である。すなわち、本発明には、眼球に光を照射する光源と、眼球で反射された光源からの光を検出する光検出器とを有する視線計測装置１０が適用可能である。そして、眼球運動に基づいて視線を計測する。これにより、導電性ジェルを塗ったり、電極センサを接触させる必要がなくなる。このように本実施の形態では、視線計測装置１０の帽子１１を被るだけでよい。そのため、装着時の不快感がなくなり、使用感を向上することができる。さらに、発汗による計測誤差の発生を防ぐことも可能になる。よって、視線を正確に計測することができ、動作補助機構３０を確実に制御することができる。
【００３５】
次に、動作補助機構３０の構成について図４を用いて説明する。図４は、動作補助機構３０の一部の構成を示す斜視図である。なお、図４は、右足に装着される箇所のみを示している。図３に示すように、動作補助機構３０は、大腿と脛と腰とに装着部３１が設けられいる。装着部３１はテープ状、又はベルト状になっている。装着部３１のテープ等を使用者２００に巻き付けることによって、動作補助機構３０が装着される。また、腰の装着部３１には、駆動制御部３４が設けられている。駆動制御部３４には、バッテリーや、制御回路などが設けられている。
【００３６】
駆動制御部３４は、例えば、動作補助機構３０に搭載されたコンピュータにより実現される。このコンピュータは、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の補助記憶装置、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬型記憶媒体が挿入される記憶媒体駆動装置、入力手段や出力手段を備えている。ＲＯＭ、補助記憶装置、可搬型記憶媒体等の記憶媒体には、オペレーティングシステムと協働してＣＰＵ等に命令を与え、アプリケーションプログラムを記録することができ、ＲＡＭにロードされることによって実行される。このアプリケーションプログラムは、本発明にかかる駆動制御を実現する特有のコンピュータプログラムを含む。駆動制御部３４による処理は、中央処理装置がアプリケーションプログラムをＲＡＭ上に展開した上で当該アプリケーションプログラムに従った処理を補助記憶装置に格納されたデータを読み出し、また格納を行なうことにより、実行される。
【００３７】
また、リンク３５は足に沿って設けられている。リンク３５は右足の左足側と外側にそれぞれ設けられている。リンク３５は、膝の近傍で回転可能に連結されている。リンク３５の回転軸は膝と略一致している。使用者２００の膝近傍には、駆動部３２が配置される。リンク３５は、駆動部３２が設けられている部分で、回転可能に連結されている。駆動部３２は、モータ３６やギヤを有する駆動機構、及びそれらを覆うカバー等を有している。モータ３６からのトルクは、ギヤを介して、リンク３５に与えられる。従って、モータ３６が回転することによって、リンク３５が回転して、リンク３５の相対角度が変わる。よって、使用者２００の足に動力を伝達することができ、関節の角度を変化させることができる。これにより、使用者２００の筋力をアシストした状態で、使用者２００を所望の姿勢としたり、使用者２００に所望の作業を行なわせることができる。
【００３８】
さらに、動作補助機構３０には、接地部３３が設けられている。接地部３３は、リンク３５と接続されている。接地部３３は、足の裏側に配置されている。従って、装着時には、使用者２００が接地部３３の上に乗った状態となる。駆動制御部３４は、動作補助機構３０の自重をキャンセルするため、駆動部３２を制御している。すなわち、動作補助機構３０の自重が接地部３３を介して接地面に逃げる。これにより、使用者２００は動作補助機構３０の重さを感じることなく、動作補助装置１００を使用することができる。従って、利便性を向上することができる。接地部３３の一部又は全部は、例えば、ゴムなどの弾性体により形成されている。具体的には、イナバゴム社のイナストマー（登録商標）などを使用することができる。また、接地部３３は足に固定するようにしてもよく、接地部３３を靴型としてもよい。
【００３９】
駆動制御部３４は、まず、認識開始トリガが入力されたか否かを判定する。認識開始トリガが入力されていない状態では、上記の自重キャンセル制御を続ける。使用者２００が認識開始トリガを入力すると、駆動制御部３４は、自重キャンセル制御とともに、視線計測装置１０の計測結果に応じて動作補助機構３０を制御する。駆動制御部３４には、視線計測装置１０の計測結果と、動作補助の制御とが対応付けて記憶されている。従って、使用者２００が眼によって所定のジェスチャーを行なうと、動作補助機構３０はそのジェスチャーに応じた動作補助を実行する。ここで、使用者２００の目の動作を命令ジェスチャーとし、その命令ジェスチャーに応じた駆動制御部３４の制御を動作補助制御とする。
【００４０】
設定される命令ジェスチャーとしては、特定の視線の保持、連続まばたき等が挙げられる。具体的には、上方向の視線の保持、右方向の視線の保持、左方向の視線の保持、下方向の視線の保持、連続まばたき等が命令ジェスチャーとなる。なお、それぞれの目のまばたきを検出して、両目のまばたき、右目のまばたき、左目のまばたきを区別してもよい。もちろん、これら以外のジェスチャーであってもよい。このような、視線計測装置１０は命令ジェスチャーによる視線の変化を計測している。その注視点Ｐの座標が視線計測装置１０から駆動制御部３４に入力される。例えば、一定の方向に視線を保持していると、注視点Ｐの座標が一定の範囲内に収まる。また、まばたきをした瞬間では、注視点Ｐを測定できなかったこと示す測定信号が視線計測装置１０から駆動制御部３４に入力される。
【００４１】
ここで、駆動制御部３４は、計測結果が予め設定されている命令ジェスチャーに該当するか否かを判定する。例えば、注視点Ｐの座標が一定範囲内に一定時間以上あったか否かを判定する。注視点Ｐの座標が一定範囲内に一定時間以上あった場合、特定の方向に視線が保持されていたと判定する。これにより、一定の方向に視線を保持する命令ジェスチャーが行なわれたと判定する。この一定の範囲及び時間を予め駆動制御部３４に設定しておいてもよい。例えば、視線の下方向の座標範囲、上方向の座標範囲、右方向の座標範囲、左方向の座標範囲をそれぞれ予め設定しておく。また、一定時間内に注視点Ｐの座標の変化量がしきい値以下である場合に、一定の方向を保持していると判定してもよい。
【００４２】
さらに、一定時間内に、注視点Ｐを測定できないことを示す測定信号が所定の回数以上入力されたら、連続してまばたきが行なわれたと判定する。このとき、両目それぞれについて判定を行なってもよい。これにより、両目のまばたき、右目のまばたき、左目のまばたきが行なわれたか否かを判定できる。このように駆動制御部３４は得られた計測結果が、命令ジェスチャーに対応する結果であるか否かを判定している。そして、その計測結果に該当する命令ジェスチャーを抽出する。
【００４３】
上記のうちのいずれかの命令ジェスチャーが行なわれたと判定された場合、駆動制御部３４はその命令ジェスチャーに対応する動作補助制御を行う。設定される動作補助制御としては、例えば、持ち上げ動作を行なう、持ち運び動作を行なう、所定の方向に歩行する、階段を上る、階段を下る、などの制御が挙げられる。もちろん、これら以外の制御であってもよい。命令ジェスチャーと動作補助制御とは、駆動制御部３４に設けられた記憶装置に記憶される。命令ジェスチャーと動作補助制御を１対１に対応付けて記憶させておく。従って、命令ジェスチャーに応じた動作補助制御が行われる。もちろん、計測結果がいずれの命令ジェスチャーにも該当しなかった場合、駆動制御部３４は動作補助制御を行わず、待機する。
【００４４】
このように、駆動制御部３４は、視線計測装置１０での計測結果に応じた動作補助制御を行う。命令ジェスチャー、及び動作補助制御を予め複数設定しておけば、より利便性を向上させることができる。すなわち、複数の命令ジェスチャー、及び動作補助制御を分類して記憶しておけばよい。また、通常行なわないような、動作を命令ジェスチャーとすることが好ましい。これにより、使用者２００が誤って命令ジェスチャーを行なうのを防ぐことができる。例えば、上方向の視線の保持や、まばたきの連続などを命令ジェスチャーとすることが好ましい。
【００４５】
このように、使用者２００が所望の動作補助を受けたい時、まず、眼により命令ジェスチャーを行なう。視線計測装置１０で視線を計測しているため、命令ジェスチャーに応じた測定信号が駆動制御部３４に入力される。駆動制御部３４は、視線計測装置１０による計測結果が、命令ジェスチャーに対応するものか否かを判定する。ここで、駆動制御部３４に命令ジェスチャーと動作補助制御を対応付けて記憶している。駆動制御部３４は、その命令ジェスチャーに対応する動作補助を行なう。例えば、第１の命令ジェスチャーが行なわれたと判定すると、第１の動作補助制御を行う。そして、駆動部３２が駆動して、第１の動作補助制御に基づく動作補助が実行される。
【００４６】
視線の方向に動作補助制御の方向を一致させることが好ましい。これにより、計測された視線の方向に動作補助機構３０が駆動される。具体的には、注視点Ｐの方向に動作補助制御の方向を一致させる。これにより、視線の方向に応じた方向に動作が補助される。すなわち、視線の方向に応じた方向にパワーアシストを行なう。例えば、上方向を注視した場合、持ち上げ動作を行なうように設定する。さらには、見た方向に物体を運ぶよう、持ち運び動作を制御してもよい。この設定では、動作補助方向と視線の方向が一致するので、使用者が容易に操作することができる。よって、操作性を向上することができる。
【００４７】
駆動制御部３４での処理について、図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態にかかる動作補助装置１００の制御方法を示すフローチャートである。まず、動作補助装置１００の電源を付けて、動作補助機構３０をサーボＯＮする。また、この時、視線計測装置１０の電源がＯＮする。そして、サーボＯＮとなると、自重キャンセル制御が行われる（ステップＳ１０１）。これにより、駆動制御部３４が自重キャンセル制御を行う。これにより、動作補助機構３０の自重をキャンセルする。例えば、駆動制御部３４は、インピーダンス制御を行い、接地部３３から自重を逃がす。従って、動作補助機構３０の自重は、動作補助機構３０自身が支える。これにより、動作補助機構３０の自重が抜重される。従って、使用者２００が容易に扱うことができ、操作性を向上することができる。また、以降のステップにおいても自重をキャンセルした状態で実行される。
【００４８】
次に認識開始トリガがあるか否を判定する（ステップＳ１０２）。認識開始トリガとしては、例えば、特定の視線の保持や、まばたきによるジェスチャが挙げられる。例えば、２回連続まばたきをする（ダブルクリック）ことによって、認識開始トリガが入力されたと判定する。認識開始トリガが入力されなかった場合、ステップＳ１０１の自重キャンセル制御を実行したままの状態である。
【００４９】
認識開始トリガが入力された場合、駆動制御部３４は、視線命令処理を行う（ステップＳ１０３）。すなわち、視線計測装置１０での計測結果が命令ジェスチャーに対応するものであるか否かを判定する。ここでは、通常の動作補助を行なうための命令ジェスチャー１〜Ｎと、認識開始トリガが入力されていない状態に戻す通常復帰命令ジェスチャーと、サーボＯＦＦさせる停止命令ジェスチャーと、が設定されている。すなわち、駆動制御部３４は合計（Ｎ＋２）通りの命令ジェスチャーを記憶している。命令ジェスチャーの判定は、注視点Ｐの座標の変化や、視線を計測できない結果が表れた頻度等に基づいて行われる。
【００５０】
命令ジェスチャー１が入力されたと判定された場合、その命令ジェスチャー１に対応する動作補助制御１を実行する（ステップＳ１０４）。そして、ステップＳ１０３に戻り、再度視線命令処理を行う。命令ジェスチャーＮが入力されたと判定された場合、その命令ジェスチャーＮに対応する動作補助制御Ｎを実行する（ステップＳ１０５）。そして、ステップＳ１０３に戻り、再度視線命令処理を行う。これにより、次の命令ジェスチャーを待つ状態となる。一方、通常復帰命令ジェスチャーが入力されたと判定した場合は、ステップＳ１０１に戻る。すなわち、認識開始トリガがリセットされ、通常の状態に復帰する。そして、再度、ステップＳ１０２で認識開始トリガが入力されたか否かを判定する。また、停止命令ジェスチャーが入力されたと判定された場合、サーボＯＦＦして、駆動部３２の駆動を停止させる。これにより、動作補助機構３０の動作が停止して、動作補助が終了する。
【００５１】
視線方向や、まばたきでは十分な数の命令ジェスチャーを設定できない場合、駆動補助装置側からディスプレイにメニューアイテムを表示してもよい。この場合、視線方向やまばたきでＹＥＳかＮＯを入力するようにしてもよい。また、動作補助装置１００にマイクを取り付けて、音声命令により動作補助制御を行ってもよい。この場合、駆動制御部３４に、音声命令処理部を設け、使用者の声に対して音声処理を行う。そして、どの動作補助制御を行うべきか判定する。このように、様々な入力インタフェースを視線計測装置１０と組み合わせて用いることができる。
【００５２】
また、命令ジェスチャーにより実行される制御は、駆動部３２の駆動に限られるものではない。例えば、特定の計測結果が得られたときは、モータやアクチュエータをロックしたり、アシスト力やスピード等のパラメータを変化させるようにしてもよい。また、実行中の動作補助制御を緊急停止させる命令ジェスチャーを設定してもよい。これにより、動作補助機構３０の反応が、使用者の意思とは異なる場合、即座に動作補助制御を停止することができる。従って、不要な動作が行なわれるのを防ぐことができ、操作性を向上することができる。これにより、利便性を向上できる。
【００５３】
このように、視線計測装置１０を動作補助機構３０の入力インターフェースとすることにより、利便性を向上することができる。すなわち、電極などを接触させるための導電性ジェルを塗布する必要がなく、帽子１１を被るだけで動作を補助することができる。したがって、使用者の不快感を低減することができ、利便性を向上できる。さらに、発汗などによって計測に誤差が生じることもないため、確実に動作を補助することができる。
【００５４】
さらに、視線計測装置１０と動作補助機構３０とを接続するリンク機構２０に設けられたジョイントのエンコーダ値を読み取るようにしてもよい。そして、このエンコーダ値によって、動作補助機構３０と視線計測装置１０との相対位置を運動学により算出する。そして、認識された相対位置を考慮して視線の方向を計測する。これにより、使用者２００の視線の方向や注視点Ｐの座標を正確に計測することができる。
【００５５】
また、本実施の形態にかかる動作補助装置１００は、使用者に装着するタイプに限られるものではない。すなわち、非装着型の動作補助装置１００であってもよい。さらに、使用者が自動車の運転手の場合、例えば、視線計測装置１０で計測した方向に、自動車のヘッドランプを向けるようにしてもよい。これにより、利用範囲を広げることができる。
【００５６】
また、動作補助機構３０を、使用者２００に装着するタイプとすると、容易に視線計測装置１０と接続することができる。さらに、動作補助機構３０を使用者の筋力をアシストするパワーアシストロボットとしてもよい。これにより、容易に制御可能なパワーアシスト装置を提供することができる。これにより、例えば、高齢者の介護などを容易に行うことができる。
【００５７】
発明の実施の形態２．
本実施の形態では、実施の形態１と同様に視線計測装置によって、注視点の三次元座標を求めている。さらに、本実施の形態では、注視点の三次元座標に基づく動作目標位置に対してフィードバック制御を行っている。すなわち、計測された注視点に基づいて動作目標位置を設定する。そして、現在位置と動作目標位置との間の位置誤差によって、動作補助機構をフィードバック制御する。従って、動作補助機構が、注視点に追従するよう、制御される。すなわち、動作補助機構が注視点に対して追従して動作する。
【００５８】
本実施の形態にかかる動作補助装置について図６を用いて説明する。図６は、本実施の形態にかかる動作補助装置の構成を模式的に示す側面図である。本実施の形態にかかる動作補助装置１００の動作補助機構３０は、使用者２００の腕の筋力をアシストするアシストアームである。動作補助機構３０には、実施の形態と同様に、駆動制御部３４、駆動部３２、装着部３１、リンク３５等が設けられている。これらについては、実施の形態１と同様の構成であるため、詳細な説明を省略する。また、視線計測装置１０についても、実施の形態１と同様の構成であるため、説明を省略する。すなわち、視線計測装置１０は、使用者の眼球に照明光を出射する照明光源と、眼で反射した照明光源からの光を検出するカメラとを備えている。
【００５９】
動作補助機構３０と視線計測装置１０はリンク機構２０により連結されている。ここで、視線計測装置１０と動作補助機構３０とを接続するリンク機構には、ジョイント２１が設けられている。リンク機構２０はパッシブなリンク機構であり、使用者２００の筋力によって駆動される。従って、頭部の位置姿勢を変えることができる。さらに、ジョイント２１のエンコーダ値によって、視線計測装置１０と動作補助機構３０との相対位置を求めることができる。この相対位置を考慮して注視点の座標を測定する。従って、アシストアームの先端位置を注視点との位置を正確に認識することができる。さらに、使用者２００の頭部の姿勢を認識してもよい。そして、頭部の位置姿勢を考慮して注視点の座標を測定してもよい。このように、リンク機構２０によって、視線計測装置１０と動作補助機構３０との間の座標系を統一することができる。すなわち、視線計測装置１０で測定された注視点と、アシストアームの先端位置とが同じ基準座標系で表される。なお、基準座標系は使用者２００に固定されているとする。
【００６０】
ここで、動作補助機構３０は、使用者２００の腕の筋力をアシストするアシストアームである。従って、動作補助機構３０は、使用者２００の上半身を中心に装着されている。動作補助機構３０の駆動部３２は肘、肩などの近傍に配置される。動作補助機構３０の先端は、使用者２００の手首の周辺に配置される。これにより、パワーアシストされている状態で、使用者２００が物体、あるいは人間を持ち上げ、持ち運びすることが可能となる。
【００６１】
ここで、動作補助の一例として、使用者２００が被介護者３００をベッド４００から持ち上げ、被介護者３００を所定の位置まで持ち運ぶ動作を挙げて説明する。なお、動作補助機構３０の基本的な処理は実施の形態１と同様であるため、実施の形態１と重複する内容については説明を省略する。本実施の形態にかかる制御は、例えば、図５で示したフローと同様のフローで処理される。ここで、命令ジェスチャー１が上記の追従動作を開始する開始命令ジェスチャーとする。従って、開始命令ジェスチャーである命令ジェスチャ−１が入力されると、駆動制御部３４が注視点を動作目標位置として駆動制御する。
【００６２】
開始命令ジェスチャーが実行された場合、動作補助装置１００は、使用者２００の注視点の方向に向かって、駆動制御を行う。具体的には、視線計測装置１０は、実施の形態１と同様に注視点の座標を算出する。そして、注視点Ｐに基づいて動作目標位置を設定する。動作目標位置の座標に動作補助装置３０の先端を近づけるように駆動制御する。これにより、動作目標位置に向かってアシストアームが動作する。使用者２００の手が注視点の方向に向かってアシストされる。動作補助装置３０の先端は、随時更新される注視点に追従して移動する。例えば、現在位置と動作目標位置との間の位置誤差、及び速度誤差によって、動作補助機構３０の駆動部３２をフィードバック制御する
【００６３】
本実施の形態では、駆動制御部３４が所定の命令ジェスチャーが入力された場合に、動作補助機構３０の先端を目標動作位置に向かって移動させる。これにより、常に動作補助機構３０が動作するのを防ぐことができる。すなわち、使用者の向いている方向にアシストアームが常に動いていては不便である。そのため、開始命令ジェスチャーを認識した場合のみ、上記の動作補助制御を開始する。例えば、ある一定時間以上、一定の方向を注視するジェスチャーを命令ジェスチャーとする。なお、注視する位置は、日常的に視線を向けることが無い場所を設定することが望ましい。例えば、設定場所を上方の置くことが好ましい。これにより、手元に設定場所を置いた場合よりも誤差動を防ぐことができる。あるいは、一定以上眼をつぶる動作や、まばたきを数回繰り返す動作を開始命令ジェスチャとしてもよい。さらに、追従動作を終了する場合は、終了命令ジェスチャーを実行する。終了命令ジェスチャーとしては、開始命令ジェスチャーと同様のジェスチャーを用いることができる。
【００６４】
ここで、腕を動作を補助する動作補助機構３０について説明する。使用者２００の手の姿勢まで、正確に沿わそうとするならば、７以上の自由度が必要であると考えられる。しかし、冗長であるため、逆運動学と逆動力学を解くために新たな拘束条件とを導入する必要がある。ここでは、説明を簡単にするため、動作補助機構３０が、図７に示すように、３自由度＋１自由度のアシストアーム５０であるとして説明する。なお、図７（ａ）は、動作補助機構３０を装着した使用者２００を模式的に示す上面図である。図７（ｂ）はアシストアーム５０の各軸を示す図である。なお、図７では、説明の明確化のため、右腕部分のみを示している。また、視線計測装置１０とリンク機構２０については省略して図示している。
【００６５】
ここで、２０１を使用者２００の頭部、２０２を肩、２０３を上腕、２０４を肘、２０５を前腕、２０６を手首、２０７を手とする。肩２０２の近傍には、アシストアーム５０の第１軸５１、及び第２軸５２が配置されている。肘２０４の近傍に第３軸５３が配置される。第４軸５４は前腕２０５の近傍に配置される。さらに、手首２０６には、アシストアーム５０の先端部５５が取り付けられている。このように、第１軸５１〜第４軸５４のそれぞれには、アシストアーム５０の関節が配置される。アシストアーム５０が、上腕２０３や前腕２０５の筋力をアシストすることができる。
【００６６】
第１軸５１、第２軸５２、及び第３軸５３は、駆動部３２のモータ等（図７では図示せず）によって、回転角度を変えることができる。また、第４軸５４はアシストアーム５０を手首２０６に固定するためのフリージョイントである。この第４軸５４によって、使用者２００は手首２０６のロール軸を自由に回転させることができる。各軸は、リンク３５によって回転可能に連結されている。ここで、アシストアーム５０の先端部５５の位置が決まれば、逆運動学によって、第１軸５１、第２軸５２、及び第３軸５３の回転角度を求めることができる。
【００６７】
ここで、動作目標位置ＸＧを数式１で示す。
【００６８】
【数１】
【００６９】
動作目標位置ＸＧは、視線計測装置１０において、角膜反射の輻輳角より導いた三次元座標である。なお、基準座標系は使用者２００に固定されているとする。ここで、目標関節角度ｑＧは以下の数式２で導くことができる。
【００７０】
【数２】
【００７１】
なお、数式２において、ｑＧ１、ｑＧ２、ｑＧ３は、第１軸〜第３軸の関節角度である。また、Ｌ（）は関節角度から、手の先端位置へと変換する順運動学方程式を示している。数式２では、Ｌ（）の逆関数を用いることで、手の先端位置から関節角度を算出している。すわわち、Ｌ−１（）は逆運動学方程式を示している。従って、Ｌの逆行列であるＬ−１を数式１に左からかけることで、ｑＧを算出することができる。なお、第４軸は回転したとしても、アシストアーム５０の先端位置の座標が変化しないので、方程式には含まれない。フィードバック制御を行う場合、関節に出力すべきトルクτは、数式３で算出することができる。
【００７２】
【数３】
【００７３】
数式３において、Ｋは位置誤差によるフィードバックゲインであり、Ｄは速度誤差によるフィードバックゲインである。また、ｑは現在の関節角度を示している。現在の関節角度ｑは、例えば、各軸のエンコーダ値を読み取ることによって算出することができる。フィードバックゲインＫ，Ｄに適当な値を設定すると、関節に与えるトルクを算出することができる。このようにＰＤ制御によって、実装が簡単、かつ安定した制御を行うことができる。
【００７４】
なお、注視点Ｐは、一瞬で移動することができるため、注視点Ｐに基づく動作目標位置に単純に追従していると、アシストアーム５０が非常に大きな速度で駆動してしまう場合がある。この場合、使用者２００が危険に曝されてしまうおそれがある。従って、使用者２００への危険を回避するため、フィードバックゲインＫ、Ｄを小さしてもよい。さらに、しきい値以上の速度で注視点Ｐが移動した場合、フェールすることによって、安全を確保することができる。従って、しきい値以上の速度で注視点Ｐが移動した場合、トルクτを変化させずに駆動してもよい。さらに、速度リミッタや、トルクリミッタを各軸に設けて、安全確保してもよい。
【００７５】
このように、動作目標位置に基づいてアシストアーム５０の動作がフィードバック制御される。従って、アシストアーム５０の先端位置が、動作目標位置に追従して移動する。すなわち、アシストアーム５０の先端位置が、動作目標位置に近づくよう制御される。このとき、アシストアーム５０は位置誤差、及び速度誤差に基づいて、フィードバック制御されている。従って、使用者２００が被介護者３００を持ち上げ、持ち運びを容易に行うことができる。例えば、被介護者３００の上の空中を注視することによって、被介護者３００を容易に持ち上げることができる。そして、被介護者３００を持ち上げた状態でベッド４００上を注視することによって、被介護者を容易にベッド４００まで持ち運ぶことができる。このように、視線計測装置１０を動作補助装置３０の入力インターフェースとして利用することによって、利便性を向上することができる。なお、動作補助装置３０はアシストアームに限らず、使用者の筋力を補助するパワーアシストロボットとしてもよい。
【００７６】
本実施の形態にかかる動作補助装置３０の制御方法について、図８を用いて説明する。図８は、本実施の形態にかかる動作補助装置３０の制御方法を示すフローチャートである。図８では、図５のステップＳについて詳細に示している。なお、図５のその他のステップは実施の形態１で説明した内容と同様であるため、説明を省略する。
【００７７】
まず、開始命令ジェスチャーが入力された場合、図５のステップＳ１０４で示したように、開始命令ジェスチャーが認識されると、現在のアシストアーム５０の先端位置を算出する（ステップＳ２０１）。アシストアーム５０の先端位置は、各軸の角度により算出することができる。具体的には、モータに設けられたエンコーダの値に基づいて先端部５５の座標を算出する。次に、視線計測装置１０が注視点Ｐの座標を測定する（ステップＳ２０２）。注視点Ｐの三次元座標は、両目の間隔、及び輻輳角に基づいて算出されている。
【００７８】
次に、測定された注視点Ｐの座標に基づいて動作目標を算出する（ステップＳ２０３）。ここでは、注視点Ｐに基づいて動作目標位置を設定する。さらに、動作目標位置に対する目標関節座標ｑＧを算出する。まず、注視点Ｐに基づいて、目標動作位置の座標を算出する。例えば、アシストアーム５０の先端位置の座標と、動作目標位置の座標とが、リンク機構２０の状態に応じて較正されている。すなわち、動作目標位置の座標には、ジョイント２１の回転角度等が考慮されている。従って、動作目標位置の座標と、アシストアーム５０の先端位置の座標とが基準座標系で示される。なお、目標動作位置は注視点Ｐと異なる座標であってもよい。例えば、左腕と、右腕のアシストアーム５０がある場合、それぞれの座標を注視点Ｐの座標から左右に一定距離だけ離してもよい。そして、数式３に示すよう、逆運動学方程式を解くことによって、目標関節角度ｑＧを算出することができる。これにより、左右のアシストアーム５０の先端位置をずらすことができる。
【００７９】
そして、目標関節角度ｑＧから各関節に与えるトルクτを決定する（ステップＳ２０４）。ここでは、数式３に示すよう、適当なフィードバックゲインＫ，Ｄからトルクτが算出される。そして、トルクτを与えるよう、各軸のモータを駆動する（ステップＳ２０５）。これにより、アシストアームの先端位置が、動作目標位置に近づく。さらに、終了命令ジェスチャーが入力されたか否かを判定する（ステップＳ２０６）。終了命令ジェスチャーが入力されていないと判定すると、再度ステップＳ２０１からの処理を繰り返す。これにより、アシストアーム５０の先端位置が、動作目標位置に追従して移動するようフィードバック制御される。また、終了命令ジェスチャーが入力されたと判定すると、追従制御を停止する。そして、図５のステップＳ１０３で示したように、次の命令ジェスチャーを待つ。このように、終了命令ジェスチャーが入力されるまで、フィードバック制御を行う追従動作を繰り返す。
【００８０】
上記のように制御することによって、視線の方向に被介護者３００を持ち運ぶことができる。このように、動作目標位置に追従するよう、持ち運ぶことができる。従って、注視点Ｐに基づいて動作補助機構３０が駆動する。よって、視線の方向に移動させることが可能となり、使用者２００が容易に操作することができる。従って、さらに操作性を向上することができ、利便性を高くすることができる。もちろん、実施の形態１で示したように、足用の動作補助機構３０と組み合わせて使用してもよい。また、実施の形態１で示した自重キャンセル制御を行ってもよい。
【００８１】
発明の実施の形態３．
本実施の形態では、実施の形態２と同様に、注視点Ｐに基づいて動作目標位置を求める。そして、動作目標位置に基づいてアシストアーム５０の動作がフィードバック制御される。しかしながら、実施の形態２では、外力を測定しないため、使用者２００にかかる力を制御できない。従って、使用者２００に大きな力がかかってしまう場合がある。本実施の形態では、使用者２００にかかる力を考慮した制御の一例として、インピーダンス制御を用いている。以下に、本実施の形態にかかる動作補助装置１００の制御手法について説明する。なお、動作補助装置１００の基本的に構成については、上述した構成と同様であるため説明を省略する。
【００８２】
動作目標位置ＸＧと、アシストアーム５０の先端位置Ｘは、それぞれ数式４，５のように表す。
【００８３】
【数４】
【数５】
【００８４】
ここで、動作目標位置ＸＧは、視線計測装置１０によって、角膜反射の輻輳角から導いた三次元座標である。また、アシストアーム５０の先端位置Ｘは、アシストアーム５０の各軸の回転角から算出した三次元座標である。すなわち、アシストアーム５０の先端位置Ｘは、各軸に設けられたリンク機構２０の状態についても考慮されている。
【００８５】
ここで、アシストアーム５０の先端部５５の外力（使用者２００に与える力）をＦとすると、数式６で示される方程式が得られる。
【００８６】
【数６】
【００８７】
なおＦは、三次元の並進力ベクトルである。数式６において、右辺の各項の係数行列は、目標インピーダンスを示しており、Ｍｄ，Ｂｄ，Ｋｄは、それぞれ目標質量、目標粘性、目標弾性となっている。数式６より、目標位置ＸＧの加速度は以下の数式７で与えられる。
【００８８】
【数７】
【００８９】
数式７において、Ｊはヤコビアン（ヤコビ行列）である。数式７により導かれた関節空間の加速度ベクトルを以下の数式８に代入すると、各関節に出力すべきトルクτを求めることができる。
【００９０】
【数８】
【００９１】
数式８はニュートンオイラー法により導き出した運動方程式である。ここで、Ｍ（）は質量行列、ｖ（）は遠心力やコリオリ力などの線形項を示すベクトル、Ｇ（）は質量ベクトルである。数式８によって算出したトルクτを出力することによって、目標インピーダンスを持ったアシストアーム制御を実現することができる。上記のインピーダンス制御の概念図を図９に示す。
【００９２】
図９に示すようにアシストアーム５０の先端部５５と動作目標位置とがバネマスダンパ系で結ばれている。その間に、使用者の腕が挟まれる形となっている。従って、バネ６１、及びダンパ６２によって、インピーダンス制御が行われる。使用者２００にかかる力を低減することができる。よって、安全性を高めることができる。
【００９３】
ここで、注視点Ｐは、一瞬で決まるため、注視点Ｐに基づく動作目標位置に単純に追従していると、アシストアーム５０が非常に大きな速度で駆動してしまう場合がある。この場合、使用者２００への危険を回避するため、動作目標位置と、アシストアーム先端位置との距離に応じて、目標インピーダンス制御の目標質量Ｍｄと、目標粘性Ｂｄとを高くして、目標弾性Ｋｄを低くすることが好ましい。これにより、アシストアーム５０の先端部５５が大きな速度になるのを防ぐことができる。さらに、しきい値以上の速度で注視点Ｐが移動した場合、フェールすることによって、安全を確保することができる。例えば、しきい値以上の速度で注視点Ｐが移動した場合、そのままのトルクτで駆動してもよい。さらに、速度リミッタや、トルクリミッタを各軸に設けて、安全確保してもよい。
【００９４】
なお、注視点Ｐの範囲に比べてアシストアーム５０の可動範囲が狭いため、可動範囲外に注視点Ｐに出た場合、逆運動学が解けなくなってしまう。すなわち、ヤコビアンＪの逆行列を導出することができないため、トルクτを算出できなくなってしまう。この場合、動作目標位置を使用者２００の方向に近づけて設定する。例えば、図１０に示すように、アシストアーム５０の可動範囲を表す空間の表面と、両目の中心と注視点Ｐとを結んだ直線の交点周辺を動作目標位置ＸＧとすることができる。なお、図１０では、アシストアーム５０の可動範囲を表す空間の表面を点線で示している。すなわち、アシストアームの可動範囲を示す境界７０を点線で示す。
【００９５】
目標動作位置の設定について、図１１、及び図１２を用いて説明する。図１１は、本実施の形態にかかる制御方法を示すフローチャートである。なお、図１１は、図８で示したステップＳ２０３を詳細に示すものであり、それ以外のステップについては実施の形態２と同様であるため説明を省略する。図１２は、動作目標位置を決定するため処理を説明する図である。
【００９６】
まず、図８のステップＳ２０２で示した視線計測装置１０によって注視点Ｐを計測する。次に、注視点Ｐの座標が、アシストアーム５０の駆動範囲外にあるか否かを判定する（ステップＳ３０１）。具体的には、数式７で示されたヤコビアンＪの逆行列を求めることができるか否かを判定する。あるいは、予め設定した可動範囲に注視点Ｐが含まれるか否かを判定してもよい。
【００９７】
例えば、図１２に示すように注視点Ｐ１が可動範囲の外側にある場合、アシストアーム５０の先端が注視点Ｐ１に届かない。この場合、注視点Ｐ１から一定距離戻って、注視点Ｐ１の座標を変更する。ここで、座標が変更された点を変更点Ｐ２とする。変更点Ｐ２は両目の中心Ｏと注視点Ｐ１とを結ぶ直線上にある。すなわち、変更点Ｐ２は注視点Ｐ１から一定距離だけ、両目の中心Ｏに近づいた位置となる。そして、ステップＳ３０１に戻り、変更点Ｐ２がアシストアームの可動範囲外にあるか否かを判定する。ここでは、図１２に示すように変更点Ｐ２も、可動範囲の外側にあるため、ステップＳ３０２に戻る。すなわち、変更点Ｐ２でも、逆運動方程式を解くことができない。変更点Ｐ２の座標が境界７０の外側であるため、さらに一定距離戻って座標を変更する。ここで、座標が変更された点を変更点Ｐ３とする。変更点Ｐ３は変更点Ｐ２と同様に、両目の中心Ｏと注視点Ｐ１とを結ぶ直線上になる。従って、注視点Ｐ１と変更点Ｐ２と変更点Ｐ３とは同一直線上に等間隔で配置される。
【００９８】
変更点Ｐ３は、可動範囲外にないため、アシストアーム５０の先端部５５が届く位置にある。従って、変更点Ｐ３に基づいて動作目標位置が設定される。すなわち、変更点Ｐ３が境界７０の内側に配置されるため、ヤコビアンＪの逆行列を求めることができる。従って、変更点Ｐ３を動作目標位置としてトルクτを決定する。これにより、可動範囲外にある場合でも、アシストアームをフィードバック制御することができる。もちろん、変更点Ｐ３が可動範囲外である場合は、一定距離だけ繰り返し近づけて動作目標位置を決定する。
【００９９】
このように、注視点がアシストアーム５０の可動範囲内にあるか否かによって、動作目標位置を変更する。これにより、注視点Ｐが遠くに位置する場合でも、注視点に近づくようフィードバック制御することができる。なお、注視点を近づけるための基準となる点は、両目の中心に限られるものではない。変更点が使用者２００に近づくことができる点であればよい。
【０１００】
その他の実施の形態．
なお、上記の実施の形態では、動作補助装置１００を使用者２００が装着するタイプとして説明したが、これに限られるものではない。すなわち、使用者２００が装着しない状態で、所定の動作を行なう動作補助装置としてもよい。また、実施の形態１〜３のいずれか２つ以上を組み合わせて使用したもよい。例えば、実施の形態２又は３のアシストアームに実施の形態１で示した自重キャンセルを行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる動作補助装置の構成を模式的に示す側面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる動作補助装置に用いられる視線計測装置の構成を模式的に示す正面図である。
【図３】視線計測装置による注視点の測定を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる動作補助装置に用いられる動作補助機構の構成を模式的に示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる動作補助装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態２にかかる動作補助装置の構成を模式的に示す側面図である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかる動作補助装置の動作補助機構の構成を模式的に示す上面図である。
【図８】本発明の実施の形態２にかかる動作補助装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態３にかかる動作補助装置のインピーダンス制御を示す概念図である。
【図１０】本発明の実施の形態３にかかる動作補助装置の可動範囲と注視点の関係を示す模式的に示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態３にかかる動作補助装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態３において動作目標位置を決定するため処理を説明する図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０ 視線計測装置、１１ 帽子、１２ アーム、１３ 照明手段、１３ａ 照明光源、
１３ｂ ミラー、１４ カメラ、１５ 測定制御部、２０ リンク機構、
２１ ジョイント、３０ 動作補助機構、３１ 装着部、３２ 駆動部、３３ 接地部、
３４ 駆動制御部、３５ リンク、３６ モータ
５０ アシストアーム、５１ 第１軸、５２ 第２軸、５３ 第３軸、５４ 第４軸、
５５ 先端部、６１ バネ、６２ ダンパ、７０ 境界
１００ 動作補助装置、２００ 使用者、２０１ 頭部、２０２ 肩、２０３ 上腕、
２０４ 肘、２０５ 前腕、２０６ 手首、２０７ 手、２０１ 左の眼球、
２０２ 右の眼球、２０３ 左の角膜、２０４ 右の角膜、
３００ 被介護者、４００ ベッド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の動作を補助する動作補助装置であって、
使用者の眼球に光を照射する光源と、前記眼球で反射された前記光源からの光を検出する光検出器とを有する視線計測装置と、
前記視線計測装置での計測結果に基づいて、使用者の動作を補助する動作補助機構とを備えた動作補助装置。
【請求項２】
前記視線計測装置が、前記使用者の視線の方向を計測し、
前記動作補助機構が、前記計測された視線の方向に向かって動作補助を行なう請求項１に記載の動作補助装置。
【請求項３】
前記視線計測装置が、両目の視線の方向から注視点を測定し、
前記動作補助機構が、前記注視点に基づいて動作目標位置を設定して、前記動作目標位置に追従するようフィードバック制御を行う請求項１又は２に記載の動作補助装置。
【請求項４】
前記視線計測装置と前記動作補助機構とを接続するリンク機構をさらに備え、
前記リンク機構の状態に基づいて、前記視線計測装置と前記動作補助機構との相対位置を認識して、前記動作目標位置を設定する請求項３に記載の動作補助装置。
【請求項５】
前記注視点が前記動作補助機構の可動範囲外である場合、前記動作目標位置を前記動作補助機構の可動範囲内に設定する、請求項３又は４に記載の動作補助装置。
【請求項６】
前記視線計測装置及び前記動作補助機構が使用者に装着可能である請求項１乃至５のいずれかに記載の動作補助装置。
【請求項７】
前記動作補助装置が前記使用者の筋力をアシストするパワーアシストロボットである請求項１乃至６のいずれかに記載の動作補助装置。
【請求項８】
使用者の動作を補助する動作補助装置の制御方法であって、
使用者の眼球に光を照射するステップと
前記眼球で反射された前記光源からの光を検出して、視線を計測するステップと、
前記視線の計測結果に基づいて、使用者の動作を補助するステップとを有する動作補助装置の制御方法。
【請求項９】
前記視線を計測するステップで計測された視線の方向に基づいて、前記動作を補助する方向を決定する請求項８に記載の動作補助装置の制御方法。
【請求項１０】
両目に対して行なわれた前記視線の計測結果に基づいて、前記使用者の注視点を測定するステップと、
前記注視点に基づいて、動作目標位置を設定するステップとをさらに備え、
前記使用者の動作の補助を前記動作目標位置に対してフィードバック制御する請求項８又は９に記載の動作補助装置の制御方法。
【請求項１１】
前記動作の補助を行なう動作補助機構の可動範囲外に前記注視点がある場合、前記動作目標位置を前記動作補助機構の可動範囲内に設定する、請求項１０に記載の動作補助装置の制御方法。
【請求項１２】
前記眼球に光を照射する光源と前記眼球で反射された光を検出する光検出器とを有する視線計測装置と、前記動作補助機構の相対位置を認識して、前記注視点を測定する請求項１１に記載の動作補助装置の制御方法。
【請求項１】
使用者の動作を補助する動作補助装置であって、
使用者の眼球に光を照射する光源と、前記眼球で反射された前記光源からの光を検出する光検出器とを有する視線計測装置と、
前記視線計測装置での計測結果に基づいて、使用者の動作を補助する動作補助機構とを備えた動作補助装置。
【請求項２】
前記視線計測装置が、前記使用者の視線の方向を計測し、
前記動作補助機構が、前記計測された視線の方向に向かって動作補助を行なう請求項１に記載の動作補助装置。
【請求項３】
前記視線計測装置が、両目の視線の方向から注視点を測定し、
前記動作補助機構が、前記注視点に基づいて動作目標位置を設定して、前記動作目標位置に追従するようフィードバック制御を行う請求項１又は２に記載の動作補助装置。
【請求項４】
前記視線計測装置と前記動作補助機構とを接続するリンク機構をさらに備え、
前記リンク機構の状態に基づいて、前記視線計測装置と前記動作補助機構との相対位置を認識して、前記動作目標位置を設定する請求項３に記載の動作補助装置。
【請求項５】
前記注視点が前記動作補助機構の可動範囲外である場合、前記動作目標位置を前記動作補助機構の可動範囲内に設定する、請求項３又は４に記載の動作補助装置。
【請求項６】
前記視線計測装置及び前記動作補助機構が使用者に装着可能である請求項１乃至５のいずれかに記載の動作補助装置。
【請求項７】
前記動作補助装置が前記使用者の筋力をアシストするパワーアシストロボットである請求項１乃至６のいずれかに記載の動作補助装置。
【請求項８】
使用者の動作を補助する動作補助装置の制御方法であって、
使用者の眼球に光を照射するステップと
前記眼球で反射された前記光源からの光を検出して、視線を計測するステップと、
前記視線の計測結果に基づいて、使用者の動作を補助するステップとを有する動作補助装置の制御方法。
【請求項９】
前記視線を計測するステップで計測された視線の方向に基づいて、前記動作を補助する方向を決定する請求項８に記載の動作補助装置の制御方法。
【請求項１０】
両目に対して行なわれた前記視線の計測結果に基づいて、前記使用者の注視点を測定するステップと、
前記注視点に基づいて、動作目標位置を設定するステップとをさらに備え、
前記使用者の動作の補助を前記動作目標位置に対してフィードバック制御する請求項８又は９に記載の動作補助装置の制御方法。
【請求項１１】
前記動作の補助を行なう動作補助機構の可動範囲外に前記注視点がある場合、前記動作目標位置を前記動作補助機構の可動範囲内に設定する、請求項１０に記載の動作補助装置の制御方法。
【請求項１２】
前記眼球に光を照射する光源と前記眼球で反射された光を検出する光検出器とを有する視線計測装置と、前記動作補助機構の相対位置を認識して、前記注視点を測定する請求項１１に記載の動作補助装置の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−３１９１８７（Ｐ２００７−３１９１８７Ａ）
【公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４９４０７（Ｐ２００６−１４９４０７）
【出願日】平成１８年５月３０日（２００６．５．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月３０日（２００６．５．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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