液体搬送装置
【課題】液体を溢すことなく搬送し得る液体搬送装置を提供する。
【解決手段】液体搬送装置１０は、液体を収容して、Ｘ−Ｙ−Ｚ直交座標上の始点Ｏから終点Ｐまで該液体を搬送するスプーン１４と、スプーン１４を支持して、スプーン１４を移動させるアーム部２６,３０,３４と、アーム部２６,３０,３４を駆動する駆動部と、収容部１４の搬送軌道ＣにおけるＸ−Ｙ座標成分ＣＸ−Ｙが直線となるよう駆動部を制御する制御部１８とを備える。制御部１８は、スプーン１４の搬送速度カーブにおけるＸ−Ｙ座標成分が、加速段階と、等速段階と、減速段階とで構成されるよう前記駆動部を制御する。加速カーブＳおよび減速カーブＴは、加速時または減速時に液体に作用する作用力がスプーン１４に満たされた液体の表面張力より小さくなるよう設定される。
【解決手段】液体搬送装置１０は、液体を収容して、Ｘ−Ｙ−Ｚ直交座標上の始点Ｏから終点Ｐまで該液体を搬送するスプーン１４と、スプーン１４を支持して、スプーン１４を移動させるアーム部２６,３０,３４と、アーム部２６,３０,３４を駆動する駆動部と、収容部１４の搬送軌道ＣにおけるＸ−Ｙ座標成分ＣＸ−Ｙが直線となるよう駆動部を制御する制御部１８とを備える。制御部１８は、スプーン１４の搬送速度カーブにおけるＸ−Ｙ座標成分が、加速段階と、等速段階と、減速段階とで構成されるよう前記駆動部を制御する。加速カーブＳおよび減速カーブＴは、加速時または減速時に液体に作用する作用力がスプーン１４に満たされた液体の表面張力より小さくなるよう設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体搬送装置に関し、更に詳細には、収容部に収容した液体を溢すことなく搬送し得る液体搬送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、医療や福祉現場において、介護者の負担を軽減するアシスト装置や被介護者の自立支援を目的とする自立支援ロボットの研究が盛んに行なわれている。特に食事は、毎日欠かすことのできない作業であるため、介護者、被介護者共に負担が大きく、食事を支援する様々な装置が研究・開発されている(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
ところが、これまでに提案されている食事支援装置は、構造的・機能的理由から、食事ができる品目が制限されたり、食事完了までに長時間を要することがあった。特に、スープや味噌汁、おかゆ等の液状の食物を、溢すことなく迅速に被介護者の口元まで運ぶことは困難であった。
【０００４】
一方、液体の振動を抑制しつつ高速での液体搬送を可能とする液体搬送制御の研究は従来から多く行なわれている(下記文献参照)。従って、例えば、ハイブリッド整形法等の制震制御を前述した食事支援装置に適用すれば、液状の食物を溢さずに搬送することが可能になるとも思われる。
【特許文献１】特開平１１−２５３５０４号公報
【非特許文献１】J. T. Feddema, et al., “Control for Slosh-Free Motion of an Open Container, IEEE Control Systems Magazine, Vol.17(1997), pp.29-36
【非特許文献２】K. Yano and K. Terashima, “Robust Liquid Container Transfer Control for Complete Sloshing Suppression, IEEE, Transaction on Control Systems Technology, Vol.9, no.3(2001),pp.483-493
【非特許文献３】K. Yano, S. Higashikawa and K. Terashima, “Motion Control of Liquid container Considering an Inclined Transfer Path, IFAC Journal of Control Engineering Practice, Vol.10,no.4(2002), pp.465-472
【非特許文献４】K. Yano and K. Terashima, “Sloshing Suppression Control of Liquid Transfer Systems Considering 3D Transfer Path,IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.10,no.l(2005), pp.8-16
【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、ハイブリッド整形法は、容器(収容部)に余裕をもって液体が収容されている場合に効果を発揮するが、容器いっぱいに液体が満たされていると、加減速時の液面の僅かな変動(変位)によって液体が容器から溢れてしまう虞がある。特に、スプーン等の小型容器の場合には、搬送時の表面張力が大きく影響し、従来の制振制御法で液面の振動現象を的確に捉えることができず、液体を溢すことなく搬送することは不可能であると考えられる。
【０００６】
そこで、本発明は、従来技術に内在する前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、収容部に収容した液体を溢すことなく搬送し得る液体搬送装置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】
前述した課題を解決し、所期の目的を好適に達成するため、本発明に係る液体搬送装置は、
液体を収容して、Ｘ−Ｙ−Ｚ直交座標上の始点から終点まで該液体を搬送する収容部と、
前記収容部を支持して、該収容部を移動させるアーム部と、
前記アーム部を駆動する駆動部と、
前記収容部の搬送軌道におけるＸ−Ｙ座標成分が直線となるよう前記駆動部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記収容部の搬送速度カーブにおけるＸ−Ｙ座標成分が、所定の加速カーブで収容部を加速させる加速段階と、加速終了時での速度で収容部を移動させる等速段階と、所定の減速カーブで収容部を減速させる減速段階とで構成されるよう前記駆動部を制御し、
前記加速カーブおよび減速カーブは、加速時または減速時に液体に作用する作用力が前記収容部に満たされた液体の表面張力より小さくなるよう設定されていることを特徴とする。
請求項１の発明によれば、搬送時における収容部の加速カーブおよび減速カーブは、液体に作用する作用力が該液体の表面張力より小さくなるよう設定されているので、液体を溢すことなく終点まで搬送し得る。また、搬送速度カーブのＸ−Ｙ座標成分は、液体への作用力が生じない等速段階を有しているので、全ての搬送軌道において加速・減速カーブを求める必要がなく、計算量を抑制し得る。しかも、搬送軌道のＸ−Ｙ座標成分は直線になるよう制御されるので、３次元空間での液体搬送問題を液体の直線搬送制御問題として単純化することができ、加速・減速カーブの導出に必要な計算量を更に抑制し得る。
【０００８】
請求項２に係る液体搬送装置では、前記減速カーブを、前記加速カーブを時間軸で反転させたカーブに設定した。
請求項２の発明によれば、減速カーブは加速カーブを時間軸で反転させたカーブに設定したので、減速カーブを計算により求める必要がなく、計算量を半減し得る。
【０００９】
請求項３に係る液体搬送装置では、前記加速カーブのパラメータは、加速時の液体への作用力が前記表面張力より小さくなる制約条件下において、遺伝的アルゴリズムにより探索して求められる。
請求項３の発明によれば、加速カーブは、遺伝的アルゴリズムにより探索して求めたパラメータにより規定されるので、加速カーブの導出に要する計算量を抑制し得る。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る液体搬送装置によれば、収容部に収容した液体を溢すことなく搬送することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明に係る液体搬送装置につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照しながら以下説明する。なお、実施例では、スプーンにより水やスープ等の液体を搬送して、使用者の食事を支援する液体搬送装置について説明することとする。
【実施例】
【００１２】
実施例に係る液体搬送装置１０は、図１に示す如く、６軸のマニピュレータ１２と、該マニピュレータ１２の先端にスプーン(収容部)１４の柄部１４ａが着脱自在に装着される取付部１６と、該マニピュレータ１２の作動を制御する制御部１８とを備える。また液体搬送装置１０は、使用者により操作される操作スイッチ２０を備えており、該操作スイッチ２０を操作することで、マニピュレータ１２の作動をＯＮ−ＯＦＦするようになっている。なお、マニピュレータ１２の根本は、使用者が食事に使用するテーブル４０に固定部２２によって固定されている。
【００１３】
前記マニピュレータ１２は、固定部２２側から順に、第１関節部２４、第１アーム部２６、第２関節部２８、第２アーム部３０、第３関節部３２、第３アーム部３４、第４関節部３６および先端部３８を備え、各回動部位に図示しない第１〜第６モータ(駆動部)が設けられている。そして、前記制御部１８が第１〜第６モータを駆動制御することで、前記第１〜第３アーム部２６,３０,３４が回動して、マニピュレータ１２の自由度の高い動きを実現している。
【００１４】
前記固定部２２には、テーブル４０に対して垂直な軸線を中心とした回動が可能な第１関節部２４が取付けられ、該第１関節部２４に、テーブル４０の上面に対して水平な軸線を中心とした回動が可能な第１アーム部２６が取付けられている。前記第１アーム部２６の先端は、第２関節部２８を介して第２アーム部３０と連結しており、該第２アーム部３０はテーブル４０の上面に対して水平な軸線を中心とする回動が可能となっている。前記第２アーム部３０の先端には、テーブル４０の上面に対して水平な軸線を中心とする回動が可能な第３関節部３２が取付けられている。この第３関節部３２の端部３２ａには、第２アーム部３０の長手方向に沿った軸線を中心とした回動が可能な第３アーム部３４が取付けられている。すなわち、第３アーム部３４は、前記テーブル４０に対し上下方向に回動し得ると共に、第３アーム部３４の長手方向に沿った軸線を中心とする回動(自転)が可能とされている。更に、前記第４関節部３６は、第３アーム部３４と先端部３８とを連結し、該先端部３８は、第３アーム部３４の長手方向に沿った軸線を中心として回動し得るよう構成される。
【００１５】
前記先端部３８に装着される取付部１６は、使用者が容易に把持し得る大きさの円柱形状とされている。取付部１６の先端には、ドリルチャックの如き公知の把持機構が設けられ、該把持機構を介してスプーン１４の柄部１４ａを取付部１６に容易に着脱し得る構成となっている。前記取付部１６に装着されるスプーン１４は、食事に用いられる一般的なものが採用されており、搬送時に、受容部１４ｂが常に水平姿勢に維持された状態で移動するようになっている。なお、本液体搬送装置１０で溢すことなく搬送可能な液体としては、水やスープ、味噌汁等の液体の他、ゼリーやプリン等の液状体(流動食)も含まれる。
【００１６】
前記操作スイッチ２０は、作動開始ボタン２０ａおよび作動停止ボタン２０ｂを備え、前記制御部１８に電気的に接続されている。そして、使用者が作動開始ボタン２０ａを押すことで、操作スイッチ２０は作動信号を制御部１８へ送信し、制御部１８がマニピュレータ１２の作動を開始させるようになっている。また、使用者が作動停止ボタン２０ｂを押すと、操作スイッチ２０は、停止信号を制御部１８へ送信し、該制御部１８はマニピュレータ１２を停止させる制御を行なう。但し、制御部１８は、マニピュレータ１２を直ちに停止させるのではなく、後述する減速カーブＴに基づいてスプーン１４を減速させつつ停止させるようになっている。なお、前記操作スイッチ２０は、テーブル４０の上面において操作者が操作し易い位置に設置される。
【００１７】
前記制御部１８は、前記各モータの作動を制御することで、所定の搬送軌道Ｃおよび搬送速度カーブＶでスプーン１４(液体)を搬送させるようになっている。ここで、前記制御部１８によるマニピュレータ１２の制御態様について説明するため、図２(ａ)に示す如きＸ−Ｙ−Ｚ直交座標空間を設定する。そして、液体を掬った状態のスプーン１４の位置を始点Ｏ(原点)とし、該始点Ｏから所定間隔離間した点(例えば、使用者の口元)を終点Ｐに設定する。なお、説明の便宜上、終点Ｐ(スプーン１４の停止位置)は、該終点ＰのＸ−Ｙ座標成分ＰX-YがＹ軸上に位置するよう設定した。また、図２(ｂ)に示すように、前記スプーン１４は、柄部１４ａがＸ軸方向に延在する姿勢で搬送される。
【００１８】
先ず始めに、スプーン１４の搬送軌道Ｃは、次のように設定されている。前記制御部１８は、スプーン１４の搬送軌道ＣのＸ−Ｙ座標成分ＣＸ−Ｙが、直線となるようマニピュレータ１２を制御する。すなわち、図２(ｂ)に示すように、スプーン１４の搬送軌道ＣのＸ−Ｙ座標成分ＣＸ−Ｙは、始点Ｏから終点ＰのＸ−Ｙ座標成分ＰＸ−Ｙを結ぶＹ軸上の直線軌道を描く。但し、スプーン１４の搬送軌道ＣをＹ−Ｚ座標平面で見た場合、当該軌道は、曲線状(軌道Ｃ１,Ｃ２参照)であったり、始点Ｏと終点Ｐとを結ぶ直線状(軌道Ｃ３参照)であってもよい。なお、スプーン１４の搬送軌道Ｃ(搬送距離)は、使用者による停止指令(作動停止ボタン２０ｂのＯＮ)のタイミングにより変化する。
【００１９】
次に、制御部１８は、加減速時に液体を溢さないようスプーン１４を予め設定された搬送速度カーブＶで搬送するよう各モータを制御する。ここで、Ｚ軸方向への加速(減速)は、通常の食事動作の加速度程度であれば液体への作用は小さく、液面変動への影響は少ない。従って、スプーン１４に対するＺ軸方向への加減速については、無視することができる。すなわち、液体がスプーン１４から溢れるか否かは、もっぱらＹ軸方向(Ｘ−Ｙ座標平面方向)への加減速が問題となる。従って、スプーン１４の搬送速度カーブＶの設定に際しては、Ｙ軸方向の成分(Ｘ−Ｙ座標成分，以下、分解速度カーブＶＸ−Ｙという)を設定すれば足りる。しかも、前述のように、スプーン１４の搬送軌道ＣのＸ−Ｙ座標成分ＣＸ−Ｙは直線であるので、３次元空間での液体搬送問題は、液体の直線搬送制御問題として単純化することができる(図２(ｂ)参照)。
【００２０】
図３は、実施例に係る液体搬送装置１０に設定された分解速度カーブＶＸ−Ｙおよび加速度の一例を示すグラフである。分解速度カーブＶＸ−Ｙは、加速カーブＳでスプーン１４を加速させる加速段階と、加速終了時での速度(以下、目標分解速度Ｖ１という)でスプーン１４を移動させる等速段階と、減速カーブＴでスプーン１４を減速させる減速段階とから構成される。前記加速カーブＳは、加速時に加わる液体への作用力が、スプーン１４いっぱいに満たされた液体の表面張力より小さくなるよう設定されている。後述するように、具体的な加速カーブＳの導出は、液体の表面張力を破壊することなく、かつ分解速度カーブＶＸ−Ｙの低下を極力抑えた制約条件(一般的な食事の動作速度(目標分解速度Ｖ１)まで加速する)のもと、遺伝的アルゴリズムにより未知パラメータを探索することで行なう。
【００２１】
前記加速段階において目標分解速度Ｖ１まで加速されたスプーン１４は、等速段階に移行して、該目標分解速度Ｖ１で一定時間搬送される。この目標分解速度Ｖ１は、例えば、一般成人男性が食事をする際の動作速度に設定される。なお、等速段階の時間は、該分解速度カーブＶＸ−Ｙが目標分解速度Ｖ１に到達してから使用者が前記作動停止ボタン２０ｂを押すまでの時間となる(図３参照)。前記減速カーブＴは、加速カーブＳを時間軸で反転(線対称)させたカーブに設定されている。すなわち、スプーン１４の分解速度カーブＶＸ−Ｙは、減速段階において、加速時とは反対のパターンで減速し、これにより液体を溢すことなく停止することが可能となる。従って、図３に示すように、分解速度カーブＶＸ−Ｙのグラフは左右対称となっている。なお、搬送速度カーブＶのＺ軸方向の成分は、通常の食事の動作速度に準ずる範囲内で適宜加減速され、前記スプーン１４が終点Ｐの高さ位置に到達したときに０となる。なお、前記制御部１８には、スプーン１４の形状、液体の種類等に応じて、複数の搬送軌道Ｃおよび搬送速度カーブＶ(分解速度カーブＶX-Y)パターンが記憶されている。
【００２２】
(実施例の作用について)
次に、実施例に係る液体搬送装置１０の作用について説明する。使用者がマニピュレータ１２の取付部１６を把持し、作動指令を制御部１８に与えると、先ず始めに、制御部１８は第１〜第６モータを作動させて、図示しない容器から液体をスプーン１４で掬う。液体を掬ったスプーン１４は、水平姿勢となって始点Ｏで待機する。次いで、使用者が操作スイッチ２０の作動開始ボタン２０ａを押すと、制御部１８が予め設定された搬送速度カーブＶで、スプーン１４を移動させる。すなわち、制御部１８が各モータを制御して、スプーン１４の搬送軌道ＣにおけるＸ−Ｙ座標成分ＣＸ−ＹがＹ軸方向に沿って直線となるようスプーン１４を搬送させる。また、制御部１８は、加速カーブＳに基づいてスプーン１４の分解速度カーブＶＸ−Ｙを加速させる。このとき、加速カーブＳは、加速時に液体に作用する作用力がスープの表面張力より小さくなるよう設定されているので、加速時に液体がスプーン１４から溢れることはない。
【００２３】
加速段階において、スプーン１４の分解速度カーブＶＸ−Ｙが目標分解速度Ｖ１まで加速されると(図３参照)、制御部１８は、各モータを制御して、スプーン１４を目標分解速度Ｖ１で等速移動させる(等速段階へ移行)。そして、使用者が前記操作スイッチ２０の作動停止ボタン２０ｂを押すと、前記制御部１８は、スプーン１４の分解速度カーブＶＸ−Ｙを前記減速カーブＴに基づいて減速させる。ここで減速カーブＴは、加速カーブＳを時間軸で反転させたカーブであるので、当該減速カーブＴによる液体の作用力が、該液体の表面張力を超えることはない。従って、液体を溢すことなくスプーン１４を減速させることができる。そして、減速カーブＴにより減速されたスプーン１４は、使用者の口元付近(終点Ｐ)で停止する。なお、終点Ｐに到達すると、制御部１８は各モータを制御してスプーン１４の姿勢を傾けて、使用者が液体を口内へ入れ易くする。
【００２４】
(加速カーブＳの算出手法について)
次に、前記加速カーブＳの具体的な算出手法について、以下説明する。ここでは、スプーン１４上の液体の挙動解析に流体解析ソフトＦＬＯＷ−３Ｄを用い、液体の自由表面計算をＶＯＦ(Volume of Fluid, C.W.Hirt, B.D.Nichols, “Volume of Fluid(VOF) Methods for the Dynamics of Free Boundaries”, Journal of Computational Physics, Vol.39(1981), pp.201-255)法に基づいて行なった。また、複雑なスプーン１４の幾何形状は、体積率技法の一種であるＦＡＶＯＲ(Fractional Area Volume Obstacle Representation)関数を用いて認識した。液体搬送装置１０として、安川電機製の６自由度マニピュレータを採用した。本装置の仕様を表１に、またスプーン１４の受容部１４ｂの形状および寸法を図４に示す。本シミュレータのメッシュ幅については、１回の解析時間が１５分程度となるよう設定した。そのときのシミュレーション領域におけるメッシュパラメータを表２に示す。この場合、総メッシュ数は、１７５０００である。
【表１】
【表２】
【００２５】
液体としては通常の水道水を採用し、液量はスプーン１４に擦り切れいっぱい入る４.７×１０−３[l]とした。解析時のシミュレーションパラメータを表３に示す。なお、水道水の接触角については、スプーン１４の形状が複雑であるため、シミュレーション解析を行なうことで決定した。
【表３】
以上の条件に基づく液体解析シミュレータを構築して、前記加速カーブＳの導出を行なう。
【００２６】
先ず、加速カーブＳについて、分解速度カーブＶＸ−Ｙを表す式(数１)を微分した式(数２)に示す関数を用いて定式化する。ここで、ｔは時間、ａｉ(ｉ＝０〜ｎ)は定数であり、計算時間と解析精度とのバランスを考慮して、ｎ＝７とした。但し、この次数ｎは７に限定されず、ｎ＝６以下や、ｎ＝８以上としてもよい。
【数１】
【数２】
次に、搬送の初期条件および加速終了時間ｔ１における終端条件を考慮して、ｖ(０)＝０.０[m/s]，ａ(０)＝０.０[m/s2]，ｖ’’(０)＝０.０[m/s3]，ｆ(ｔ１)＝Ｖ１(目標分解速度)[m/s]，ａ(ｔ１)＝０.０[m/s2]，ｖ’’(ｔ１)＝０.０[m/s3]とする。
結果として、これらの条件から式(数３)〜式(数６)を得ることができる。
【数３】
【数４】
【数５】
【数６】
探索する未知パラメータはｔ１，Ｖ１，ａ７，ａ６の４つとなる。ここで、Ｖ１は、あらかじめモーションキャプチャを用いて一般成人男性が食事をする際の動作を計測し、物(液体)を掬ってから口元に持ってくるまでの平均的な速度を解析により求めた。その結果、Ｖ１＝０.３７[ｍ／ｓ]とした。目標分解速度Ｖ１をこのような値に設定することで、スプーン１４の搬送速度Ｖの低下が極力抑えられる。
【００２７】
パラメータ最適化のために、本問題を式(数７)に示すようにペナルティ項を用いた制約付きの最適化問題に定式化する。
【数７】
【数８】
【数９】
ここで、式(数８)について、ｔは時間、Ｐは時間ｔ１における位置、Ｔｓは製定時間、Ｐｆは加速終了時点の位置(終点Ｐ)である。式(数９)のペナルティＪＰは、制約条件を満たさなかった場合にωｋ＝１０８(ｋ＝１,２,・・・)を与える。制約条件には、速度が正となるための式(数１０)、６自由度マニピュレータの各軸の速度制約を満たすための式(数１１)、液体を溢さないための式(数１２)を用い、これらをペネルティ関数として表現した。ここで、式(数１２)は前述した流体解析シミュレータを援用して評価を行なう。
【数１０】
【数１１】
【数１２】
【００２８】
次に、加速カーブＳの最適解を導出する。ここでは、マニピュレータの根元に原点を設定し、(Ｘ,Ｙ,Ｚ)＝(０.４５,０.００,０.３０)[m]の位置を始点Ｏ、Ｙ軸方向に０.３０[m]移動した(Ｘ,Ｙ,Ｚ)＝(０.４５,０.３０,０.３０)[m]の位置を終点Ｐと設定し、最適化問題を解いた。このとき、遺伝的アルゴリズムのパラメータは表４のように設定した。
【表４】
【００２９】
得られた最適化の結果を図５に示す。結果として、１３代目で１.４２[s]に収束した。求まった速度カーブ(加速段階の分解速度カーブＶＸ−Ｙ)と加速カーブＳを図６に示す。このとき各パラメータはｔ１＝０.６２[s]，ａ７＝−１４．８０８，ａ６＝２５.０７３，ａ５＝１２.４０７，ａ４＝−３７.６９２，ａ３＝１６.３６５となった。また、図７に、６自由度マニピュレータ１２における各軸の角速度を示す。ここでグラフの上限下限は、６自由度マニピュレータ１２の最大速度制約を表しており、これより、６自由度マニピュレータ１２の制約の範囲内で搬送を行えていることが分かる。図８はシミュレーション結果を示しており、液体を溢すことなく搬送できていることが分かる。
【００３０】
(液体搬送実験)
次に、上記手法で得られた加速カーブＳ(減速カーブＴ)を用いた溢流防止制御系(本手法)による液体搬送実験を行なった。比較例として、比例制御による位置決め制御系およびハイブリッド整形法による振動制御系による液体搬送実験を行ない、本手法との対比を行なう。各制御手法による制御実験結果の搬送軌道、速度カーブおよび加速度カーブを図９に示す。また、各実験における実際のスプーンの液体挙動を図１０〜図１２に示す。ここで、図９の実線、破線、一点鎖線は夫々溢流防止制御、ハイブリッド整形法および比例制御による実験結果を示している。図１２に示されるように、本手法により得られた加速カーブＳ(減速カーブＴ)で搬送した場合、比較例と搬送時間は同じであるのに拘わらず、液体を溢すことなく搬送できていることが分かる。一方、図１０および図１１に示すように、ハイブリッド整形法および比例制御により得られた加速(減速)カーブでは、搬送時に液体がスプーンから溢れてしまっている(図１０,図１１の丸印参照)。
【００３１】
以上に説明したように、実施例に係る液体搬送装置１０によれば、通常の食事動作に近い速度で液体を溢すことなく使用者の口元まで搬送することができる。また、分解速度カーブＶＸ−Ｙの加速カーブＳのみを設定すれば、全搬送軌道Ｃにおける加速・減速カーブを求める必要はないので、計算時間の大幅な短縮を実現し得る。しかも、搬送軌道ＣのＸ−Ｙ座標成分ＣＸ−Ｙを直線とすることで、３次元空間での液体搬送問題を液体の直線搬送制御問題として単純化することができ、計算量を更に抑制し得る。また、加速カーブＳは、遺伝的アルゴリズムにより探索して求めたパラメータにより規定されるので、加速カーブＳを導出する際の計算時間を抑制し、一般的なコンピュータでの算出が可能となる。
【００３２】
なお、実施例で説明した液体搬送装置１０は、食事支援を目的とする装置であったが、本発明に係る液体搬送装置としては、食事支援に限定される訳ではなく、例えば、産業ロボット等、各種用途の装置として応用可能である。また、実施例では、収容部としてスプーン１４を採用したが、液体を収容し得るものであれば、皿やレンゲ等であってもよい。更に、実施例の減速カーブＴは、加速カーブＳを時間軸で反転させたカーブとしたが、減速カーブＴについて別途導出し、加速カーブＳとは異なる減速パターンで分解速度カーブＶＸ−Ｙを減速させるようにしてもよい。実施例の液体搬送装置１０では、液体の表面張力を考慮して、該表面張力を超えないよう加速カーブＳおよび減速カーブＴを設定した。しかしながら、表面張力に加えて、液体の粘性や重量等に基づく液体の内向きの力(液体が溢れないよう内側に働く力)を超えないよう速度カーブＳおよび減速カーブＴを設定してもよい。
【００３３】
実施例では、液体搬送装置１０のＯＮ−ＯＦＦは、操作スイッチ２０により操作するようにした。しかしながら、例えば、マニピュレータ１２の取付部１６等に感知センサーを設け、使用者が取付部１６に触れたときにマニピュレータ１２が自動で作動し、使用者が取付部１６から手を離したときに、マニピュレータ１２が自動で減速して停止するようにしてもよい。また、スプーン１４の終点Ｐを固定しておき、使用者が作動の開始指令をするだけでマニピュレータ１２が一定の搬送軌道Ｃでスプーン１４を搬送し、終点Ｐで停止する構成としてもよい。更に、液体搬送装置１０に使用者の口元(終点Ｐ)を認識して、始点Ｏから終点Ｐまでの距離を自動的に計測する搬送距離計測手段を設けることも可能である。そして、この搬送距離認識手段により計測された搬送距離に基づいて、制御部１８が前記等速段階の時間(すなわち、等速で搬送する距離)を調整し、スプーン１４を終点Ｐで自動的に停止させることも可能である。この場合、使用者はマニピュレータ１２に停止指令を与える必要がなく、スプーン１４は使用者の口元で自動的に停止する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例に係る液体搬送装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】スプーンの搬送軌道を示す説明図であって、(ａ)は搬送軌道をＸ−Ｙ−Ｚ座標で示し、(ｂ)は搬送軌道のＸ−Ｙ座標成分を示す。
【図３】スプーンの分解速度カーブおよび加速度を示すグラフである。
【図４】スプーンの受容部の寸法を示す説明図であって、(ａ)は平面図、(ｂ)は正面図、(ｃ)は側面図を示す。
【図５】最適化の結果を示すグラフである。
【図６】最適化により導出された加速段階の分解速度カーブおよび加速カーブを示すグラフである。
【図７】マニピュレータの各軸の角速度を示すグラフである。
【図８】液体搬送のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】各制御手法による制御実験結果を示すグラフであって、(ａ)は搬送軌道、(ｂ)は速度カーブ、(ｃ)は加速度カーブを示す。
【図１０】比例制御による液体搬送実験の結果を示す写真である。
【図１１】ハイブリッド整形法による液体搬送実験の結果を示す写真である。
【図１２】本手法による液体搬送実験の結果を示す写真である。
【符号の説明】
【００３５】
１４ スプーン(収容部)，１８ 制御部，２６ 第１アーム部
３０ 第２アーム部，３４ 第３アーム部，Ｃ 搬送軌道
ＣＸ−Ｙ 搬送軌道のＸ−Ｙ座標成分，Ｏ 始点，Ｐ 終点，Ｓ 加速カーブ
Ｔ 減速カーブ，Ｖ 搬送速度カーブ，Ｖ１ 目標分解速度
ＶＸ−Ｙ 分解速度カーブ(搬送速度カーブのＸ−Ｙ座標成分)
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体搬送装置に関し、更に詳細には、収容部に収容した液体を溢すことなく搬送し得る液体搬送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、医療や福祉現場において、介護者の負担を軽減するアシスト装置や被介護者の自立支援を目的とする自立支援ロボットの研究が盛んに行なわれている。特に食事は、毎日欠かすことのできない作業であるため、介護者、被介護者共に負担が大きく、食事を支援する様々な装置が研究・開発されている(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
ところが、これまでに提案されている食事支援装置は、構造的・機能的理由から、食事ができる品目が制限されたり、食事完了までに長時間を要することがあった。特に、スープや味噌汁、おかゆ等の液状の食物を、溢すことなく迅速に被介護者の口元まで運ぶことは困難であった。
【０００４】
一方、液体の振動を抑制しつつ高速での液体搬送を可能とする液体搬送制御の研究は従来から多く行なわれている(下記文献参照)。従って、例えば、ハイブリッド整形法等の制震制御を前述した食事支援装置に適用すれば、液状の食物を溢さずに搬送することが可能になるとも思われる。
【特許文献１】特開平１１−２５３５０４号公報
【非特許文献１】J. T. Feddema, et al., “Control for Slosh-Free Motion of an Open Container, IEEE Control Systems Magazine, Vol.17(1997), pp.29-36
【非特許文献２】K. Yano and K. Terashima, “Robust Liquid Container Transfer Control for Complete Sloshing Suppression, IEEE, Transaction on Control Systems Technology, Vol.9, no.3(2001),pp.483-493
【非特許文献３】K. Yano, S. Higashikawa and K. Terashima, “Motion Control of Liquid container Considering an Inclined Transfer Path, IFAC Journal of Control Engineering Practice, Vol.10,no.4(2002), pp.465-472
【非特許文献４】K. Yano and K. Terashima, “Sloshing Suppression Control of Liquid Transfer Systems Considering 3D Transfer Path,IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.10,no.l(2005), pp.8-16
【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、ハイブリッド整形法は、容器(収容部)に余裕をもって液体が収容されている場合に効果を発揮するが、容器いっぱいに液体が満たされていると、加減速時の液面の僅かな変動(変位)によって液体が容器から溢れてしまう虞がある。特に、スプーン等の小型容器の場合には、搬送時の表面張力が大きく影響し、従来の制振制御法で液面の振動現象を的確に捉えることができず、液体を溢すことなく搬送することは不可能であると考えられる。
【０００６】
そこで、本発明は、従来技術に内在する前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、収容部に収容した液体を溢すことなく搬送し得る液体搬送装置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】
前述した課題を解決し、所期の目的を好適に達成するため、本発明に係る液体搬送装置は、
液体を収容して、Ｘ−Ｙ−Ｚ直交座標上の始点から終点まで該液体を搬送する収容部と、
前記収容部を支持して、該収容部を移動させるアーム部と、
前記アーム部を駆動する駆動部と、
前記収容部の搬送軌道におけるＸ−Ｙ座標成分が直線となるよう前記駆動部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記収容部の搬送速度カーブにおけるＸ−Ｙ座標成分が、所定の加速カーブで収容部を加速させる加速段階と、加速終了時での速度で収容部を移動させる等速段階と、所定の減速カーブで収容部を減速させる減速段階とで構成されるよう前記駆動部を制御し、
前記加速カーブおよび減速カーブは、加速時または減速時に液体に作用する作用力が前記収容部に満たされた液体の表面張力より小さくなるよう設定されていることを特徴とする。
請求項１の発明によれば、搬送時における収容部の加速カーブおよび減速カーブは、液体に作用する作用力が該液体の表面張力より小さくなるよう設定されているので、液体を溢すことなく終点まで搬送し得る。また、搬送速度カーブのＸ−Ｙ座標成分は、液体への作用力が生じない等速段階を有しているので、全ての搬送軌道において加速・減速カーブを求める必要がなく、計算量を抑制し得る。しかも、搬送軌道のＸ−Ｙ座標成分は直線になるよう制御されるので、３次元空間での液体搬送問題を液体の直線搬送制御問題として単純化することができ、加速・減速カーブの導出に必要な計算量を更に抑制し得る。
【０００８】
請求項２に係る液体搬送装置では、前記減速カーブを、前記加速カーブを時間軸で反転させたカーブに設定した。
請求項２の発明によれば、減速カーブは加速カーブを時間軸で反転させたカーブに設定したので、減速カーブを計算により求める必要がなく、計算量を半減し得る。
【０００９】
請求項３に係る液体搬送装置では、前記加速カーブのパラメータは、加速時の液体への作用力が前記表面張力より小さくなる制約条件下において、遺伝的アルゴリズムにより探索して求められる。
請求項３の発明によれば、加速カーブは、遺伝的アルゴリズムにより探索して求めたパラメータにより規定されるので、加速カーブの導出に要する計算量を抑制し得る。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る液体搬送装置によれば、収容部に収容した液体を溢すことなく搬送することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明に係る液体搬送装置につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照しながら以下説明する。なお、実施例では、スプーンにより水やスープ等の液体を搬送して、使用者の食事を支援する液体搬送装置について説明することとする。
【実施例】
【００１２】
実施例に係る液体搬送装置１０は、図１に示す如く、６軸のマニピュレータ１２と、該マニピュレータ１２の先端にスプーン(収容部)１４の柄部１４ａが着脱自在に装着される取付部１６と、該マニピュレータ１２の作動を制御する制御部１８とを備える。また液体搬送装置１０は、使用者により操作される操作スイッチ２０を備えており、該操作スイッチ２０を操作することで、マニピュレータ１２の作動をＯＮ−ＯＦＦするようになっている。なお、マニピュレータ１２の根本は、使用者が食事に使用するテーブル４０に固定部２２によって固定されている。
【００１３】
前記マニピュレータ１２は、固定部２２側から順に、第１関節部２４、第１アーム部２６、第２関節部２８、第２アーム部３０、第３関節部３２、第３アーム部３４、第４関節部３６および先端部３８を備え、各回動部位に図示しない第１〜第６モータ(駆動部)が設けられている。そして、前記制御部１８が第１〜第６モータを駆動制御することで、前記第１〜第３アーム部２６,３０,３４が回動して、マニピュレータ１２の自由度の高い動きを実現している。
【００１４】
前記固定部２２には、テーブル４０に対して垂直な軸線を中心とした回動が可能な第１関節部２４が取付けられ、該第１関節部２４に、テーブル４０の上面に対して水平な軸線を中心とした回動が可能な第１アーム部２６が取付けられている。前記第１アーム部２６の先端は、第２関節部２８を介して第２アーム部３０と連結しており、該第２アーム部３０はテーブル４０の上面に対して水平な軸線を中心とする回動が可能となっている。前記第２アーム部３０の先端には、テーブル４０の上面に対して水平な軸線を中心とする回動が可能な第３関節部３２が取付けられている。この第３関節部３２の端部３２ａには、第２アーム部３０の長手方向に沿った軸線を中心とした回動が可能な第３アーム部３４が取付けられている。すなわち、第３アーム部３４は、前記テーブル４０に対し上下方向に回動し得ると共に、第３アーム部３４の長手方向に沿った軸線を中心とする回動(自転)が可能とされている。更に、前記第４関節部３６は、第３アーム部３４と先端部３８とを連結し、該先端部３８は、第３アーム部３４の長手方向に沿った軸線を中心として回動し得るよう構成される。
【００１５】
前記先端部３８に装着される取付部１６は、使用者が容易に把持し得る大きさの円柱形状とされている。取付部１６の先端には、ドリルチャックの如き公知の把持機構が設けられ、該把持機構を介してスプーン１４の柄部１４ａを取付部１６に容易に着脱し得る構成となっている。前記取付部１６に装着されるスプーン１４は、食事に用いられる一般的なものが採用されており、搬送時に、受容部１４ｂが常に水平姿勢に維持された状態で移動するようになっている。なお、本液体搬送装置１０で溢すことなく搬送可能な液体としては、水やスープ、味噌汁等の液体の他、ゼリーやプリン等の液状体(流動食)も含まれる。
【００１６】
前記操作スイッチ２０は、作動開始ボタン２０ａおよび作動停止ボタン２０ｂを備え、前記制御部１８に電気的に接続されている。そして、使用者が作動開始ボタン２０ａを押すことで、操作スイッチ２０は作動信号を制御部１８へ送信し、制御部１８がマニピュレータ１２の作動を開始させるようになっている。また、使用者が作動停止ボタン２０ｂを押すと、操作スイッチ２０は、停止信号を制御部１８へ送信し、該制御部１８はマニピュレータ１２を停止させる制御を行なう。但し、制御部１８は、マニピュレータ１２を直ちに停止させるのではなく、後述する減速カーブＴに基づいてスプーン１４を減速させつつ停止させるようになっている。なお、前記操作スイッチ２０は、テーブル４０の上面において操作者が操作し易い位置に設置される。
【００１７】
前記制御部１８は、前記各モータの作動を制御することで、所定の搬送軌道Ｃおよび搬送速度カーブＶでスプーン１４(液体)を搬送させるようになっている。ここで、前記制御部１８によるマニピュレータ１２の制御態様について説明するため、図２(ａ)に示す如きＸ−Ｙ−Ｚ直交座標空間を設定する。そして、液体を掬った状態のスプーン１４の位置を始点Ｏ(原点)とし、該始点Ｏから所定間隔離間した点(例えば、使用者の口元)を終点Ｐに設定する。なお、説明の便宜上、終点Ｐ(スプーン１４の停止位置)は、該終点ＰのＸ−Ｙ座標成分ＰX-YがＹ軸上に位置するよう設定した。また、図２(ｂ)に示すように、前記スプーン１４は、柄部１４ａがＸ軸方向に延在する姿勢で搬送される。
【００１８】
先ず始めに、スプーン１４の搬送軌道Ｃは、次のように設定されている。前記制御部１８は、スプーン１４の搬送軌道ＣのＸ−Ｙ座標成分ＣＸ−Ｙが、直線となるようマニピュレータ１２を制御する。すなわち、図２(ｂ)に示すように、スプーン１４の搬送軌道ＣのＸ−Ｙ座標成分ＣＸ−Ｙは、始点Ｏから終点ＰのＸ−Ｙ座標成分ＰＸ−Ｙを結ぶＹ軸上の直線軌道を描く。但し、スプーン１４の搬送軌道ＣをＹ−Ｚ座標平面で見た場合、当該軌道は、曲線状(軌道Ｃ１,Ｃ２参照)であったり、始点Ｏと終点Ｐとを結ぶ直線状(軌道Ｃ３参照)であってもよい。なお、スプーン１４の搬送軌道Ｃ(搬送距離)は、使用者による停止指令(作動停止ボタン２０ｂのＯＮ)のタイミングにより変化する。
【００１９】
次に、制御部１８は、加減速時に液体を溢さないようスプーン１４を予め設定された搬送速度カーブＶで搬送するよう各モータを制御する。ここで、Ｚ軸方向への加速(減速)は、通常の食事動作の加速度程度であれば液体への作用は小さく、液面変動への影響は少ない。従って、スプーン１４に対するＺ軸方向への加減速については、無視することができる。すなわち、液体がスプーン１４から溢れるか否かは、もっぱらＹ軸方向(Ｘ−Ｙ座標平面方向)への加減速が問題となる。従って、スプーン１４の搬送速度カーブＶの設定に際しては、Ｙ軸方向の成分(Ｘ−Ｙ座標成分，以下、分解速度カーブＶＸ−Ｙという)を設定すれば足りる。しかも、前述のように、スプーン１４の搬送軌道ＣのＸ−Ｙ座標成分ＣＸ−Ｙは直線であるので、３次元空間での液体搬送問題は、液体の直線搬送制御問題として単純化することができる(図２(ｂ)参照)。
【００２０】
図３は、実施例に係る液体搬送装置１０に設定された分解速度カーブＶＸ−Ｙおよび加速度の一例を示すグラフである。分解速度カーブＶＸ−Ｙは、加速カーブＳでスプーン１４を加速させる加速段階と、加速終了時での速度(以下、目標分解速度Ｖ１という)でスプーン１４を移動させる等速段階と、減速カーブＴでスプーン１４を減速させる減速段階とから構成される。前記加速カーブＳは、加速時に加わる液体への作用力が、スプーン１４いっぱいに満たされた液体の表面張力より小さくなるよう設定されている。後述するように、具体的な加速カーブＳの導出は、液体の表面張力を破壊することなく、かつ分解速度カーブＶＸ−Ｙの低下を極力抑えた制約条件(一般的な食事の動作速度(目標分解速度Ｖ１)まで加速する)のもと、遺伝的アルゴリズムにより未知パラメータを探索することで行なう。
【００２１】
前記加速段階において目標分解速度Ｖ１まで加速されたスプーン１４は、等速段階に移行して、該目標分解速度Ｖ１で一定時間搬送される。この目標分解速度Ｖ１は、例えば、一般成人男性が食事をする際の動作速度に設定される。なお、等速段階の時間は、該分解速度カーブＶＸ−Ｙが目標分解速度Ｖ１に到達してから使用者が前記作動停止ボタン２０ｂを押すまでの時間となる(図３参照)。前記減速カーブＴは、加速カーブＳを時間軸で反転(線対称)させたカーブに設定されている。すなわち、スプーン１４の分解速度カーブＶＸ−Ｙは、減速段階において、加速時とは反対のパターンで減速し、これにより液体を溢すことなく停止することが可能となる。従って、図３に示すように、分解速度カーブＶＸ−Ｙのグラフは左右対称となっている。なお、搬送速度カーブＶのＺ軸方向の成分は、通常の食事の動作速度に準ずる範囲内で適宜加減速され、前記スプーン１４が終点Ｐの高さ位置に到達したときに０となる。なお、前記制御部１８には、スプーン１４の形状、液体の種類等に応じて、複数の搬送軌道Ｃおよび搬送速度カーブＶ(分解速度カーブＶX-Y)パターンが記憶されている。
【００２２】
(実施例の作用について)
次に、実施例に係る液体搬送装置１０の作用について説明する。使用者がマニピュレータ１２の取付部１６を把持し、作動指令を制御部１８に与えると、先ず始めに、制御部１８は第１〜第６モータを作動させて、図示しない容器から液体をスプーン１４で掬う。液体を掬ったスプーン１４は、水平姿勢となって始点Ｏで待機する。次いで、使用者が操作スイッチ２０の作動開始ボタン２０ａを押すと、制御部１８が予め設定された搬送速度カーブＶで、スプーン１４を移動させる。すなわち、制御部１８が各モータを制御して、スプーン１４の搬送軌道ＣにおけるＸ−Ｙ座標成分ＣＸ−ＹがＹ軸方向に沿って直線となるようスプーン１４を搬送させる。また、制御部１８は、加速カーブＳに基づいてスプーン１４の分解速度カーブＶＸ−Ｙを加速させる。このとき、加速カーブＳは、加速時に液体に作用する作用力がスープの表面張力より小さくなるよう設定されているので、加速時に液体がスプーン１４から溢れることはない。
【００２３】
加速段階において、スプーン１４の分解速度カーブＶＸ−Ｙが目標分解速度Ｖ１まで加速されると(図３参照)、制御部１８は、各モータを制御して、スプーン１４を目標分解速度Ｖ１で等速移動させる(等速段階へ移行)。そして、使用者が前記操作スイッチ２０の作動停止ボタン２０ｂを押すと、前記制御部１８は、スプーン１４の分解速度カーブＶＸ−Ｙを前記減速カーブＴに基づいて減速させる。ここで減速カーブＴは、加速カーブＳを時間軸で反転させたカーブであるので、当該減速カーブＴによる液体の作用力が、該液体の表面張力を超えることはない。従って、液体を溢すことなくスプーン１４を減速させることができる。そして、減速カーブＴにより減速されたスプーン１４は、使用者の口元付近(終点Ｐ)で停止する。なお、終点Ｐに到達すると、制御部１８は各モータを制御してスプーン１４の姿勢を傾けて、使用者が液体を口内へ入れ易くする。
【００２４】
(加速カーブＳの算出手法について)
次に、前記加速カーブＳの具体的な算出手法について、以下説明する。ここでは、スプーン１４上の液体の挙動解析に流体解析ソフトＦＬＯＷ−３Ｄを用い、液体の自由表面計算をＶＯＦ(Volume of Fluid, C.W.Hirt, B.D.Nichols, “Volume of Fluid(VOF) Methods for the Dynamics of Free Boundaries”, Journal of Computational Physics, Vol.39(1981), pp.201-255)法に基づいて行なった。また、複雑なスプーン１４の幾何形状は、体積率技法の一種であるＦＡＶＯＲ(Fractional Area Volume Obstacle Representation)関数を用いて認識した。液体搬送装置１０として、安川電機製の６自由度マニピュレータを採用した。本装置の仕様を表１に、またスプーン１４の受容部１４ｂの形状および寸法を図４に示す。本シミュレータのメッシュ幅については、１回の解析時間が１５分程度となるよう設定した。そのときのシミュレーション領域におけるメッシュパラメータを表２に示す。この場合、総メッシュ数は、１７５０００である。
【表１】
【表２】
【００２５】
液体としては通常の水道水を採用し、液量はスプーン１４に擦り切れいっぱい入る４.７×１０−３[l]とした。解析時のシミュレーションパラメータを表３に示す。なお、水道水の接触角については、スプーン１４の形状が複雑であるため、シミュレーション解析を行なうことで決定した。
【表３】
以上の条件に基づく液体解析シミュレータを構築して、前記加速カーブＳの導出を行なう。
【００２６】
先ず、加速カーブＳについて、分解速度カーブＶＸ−Ｙを表す式(数１)を微分した式(数２)に示す関数を用いて定式化する。ここで、ｔは時間、ａｉ(ｉ＝０〜ｎ)は定数であり、計算時間と解析精度とのバランスを考慮して、ｎ＝７とした。但し、この次数ｎは７に限定されず、ｎ＝６以下や、ｎ＝８以上としてもよい。
【数１】
【数２】
次に、搬送の初期条件および加速終了時間ｔ１における終端条件を考慮して、ｖ(０)＝０.０[m/s]，ａ(０)＝０.０[m/s2]，ｖ’’(０)＝０.０[m/s3]，ｆ(ｔ１)＝Ｖ１(目標分解速度)[m/s]，ａ(ｔ１)＝０.０[m/s2]，ｖ’’(ｔ１)＝０.０[m/s3]とする。
結果として、これらの条件から式(数３)〜式(数６)を得ることができる。
【数３】
【数４】
【数５】
【数６】
探索する未知パラメータはｔ１，Ｖ１，ａ７，ａ６の４つとなる。ここで、Ｖ１は、あらかじめモーションキャプチャを用いて一般成人男性が食事をする際の動作を計測し、物(液体)を掬ってから口元に持ってくるまでの平均的な速度を解析により求めた。その結果、Ｖ１＝０.３７[ｍ／ｓ]とした。目標分解速度Ｖ１をこのような値に設定することで、スプーン１４の搬送速度Ｖの低下が極力抑えられる。
【００２７】
パラメータ最適化のために、本問題を式(数７)に示すようにペナルティ項を用いた制約付きの最適化問題に定式化する。
【数７】
【数８】
【数９】
ここで、式(数８)について、ｔは時間、Ｐは時間ｔ１における位置、Ｔｓは製定時間、Ｐｆは加速終了時点の位置(終点Ｐ)である。式(数９)のペナルティＪＰは、制約条件を満たさなかった場合にωｋ＝１０８(ｋ＝１,２,・・・)を与える。制約条件には、速度が正となるための式(数１０)、６自由度マニピュレータの各軸の速度制約を満たすための式(数１１)、液体を溢さないための式(数１２)を用い、これらをペネルティ関数として表現した。ここで、式(数１２)は前述した流体解析シミュレータを援用して評価を行なう。
【数１０】
【数１１】
【数１２】
【００２８】
次に、加速カーブＳの最適解を導出する。ここでは、マニピュレータの根元に原点を設定し、(Ｘ,Ｙ,Ｚ)＝(０.４５,０.００,０.３０)[m]の位置を始点Ｏ、Ｙ軸方向に０.３０[m]移動した(Ｘ,Ｙ,Ｚ)＝(０.４５,０.３０,０.３０)[m]の位置を終点Ｐと設定し、最適化問題を解いた。このとき、遺伝的アルゴリズムのパラメータは表４のように設定した。
【表４】
【００２９】
得られた最適化の結果を図５に示す。結果として、１３代目で１.４２[s]に収束した。求まった速度カーブ(加速段階の分解速度カーブＶＸ−Ｙ)と加速カーブＳを図６に示す。このとき各パラメータはｔ１＝０.６２[s]，ａ７＝−１４．８０８，ａ６＝２５.０７３，ａ５＝１２.４０７，ａ４＝−３７.６９２，ａ３＝１６.３６５となった。また、図７に、６自由度マニピュレータ１２における各軸の角速度を示す。ここでグラフの上限下限は、６自由度マニピュレータ１２の最大速度制約を表しており、これより、６自由度マニピュレータ１２の制約の範囲内で搬送を行えていることが分かる。図８はシミュレーション結果を示しており、液体を溢すことなく搬送できていることが分かる。
【００３０】
(液体搬送実験)
次に、上記手法で得られた加速カーブＳ(減速カーブＴ)を用いた溢流防止制御系(本手法)による液体搬送実験を行なった。比較例として、比例制御による位置決め制御系およびハイブリッド整形法による振動制御系による液体搬送実験を行ない、本手法との対比を行なう。各制御手法による制御実験結果の搬送軌道、速度カーブおよび加速度カーブを図９に示す。また、各実験における実際のスプーンの液体挙動を図１０〜図１２に示す。ここで、図９の実線、破線、一点鎖線は夫々溢流防止制御、ハイブリッド整形法および比例制御による実験結果を示している。図１２に示されるように、本手法により得られた加速カーブＳ(減速カーブＴ)で搬送した場合、比較例と搬送時間は同じであるのに拘わらず、液体を溢すことなく搬送できていることが分かる。一方、図１０および図１１に示すように、ハイブリッド整形法および比例制御により得られた加速(減速)カーブでは、搬送時に液体がスプーンから溢れてしまっている(図１０,図１１の丸印参照)。
【００３１】
以上に説明したように、実施例に係る液体搬送装置１０によれば、通常の食事動作に近い速度で液体を溢すことなく使用者の口元まで搬送することができる。また、分解速度カーブＶＸ−Ｙの加速カーブＳのみを設定すれば、全搬送軌道Ｃにおける加速・減速カーブを求める必要はないので、計算時間の大幅な短縮を実現し得る。しかも、搬送軌道ＣのＸ−Ｙ座標成分ＣＸ−Ｙを直線とすることで、３次元空間での液体搬送問題を液体の直線搬送制御問題として単純化することができ、計算量を更に抑制し得る。また、加速カーブＳは、遺伝的アルゴリズムにより探索して求めたパラメータにより規定されるので、加速カーブＳを導出する際の計算時間を抑制し、一般的なコンピュータでの算出が可能となる。
【００３２】
なお、実施例で説明した液体搬送装置１０は、食事支援を目的とする装置であったが、本発明に係る液体搬送装置としては、食事支援に限定される訳ではなく、例えば、産業ロボット等、各種用途の装置として応用可能である。また、実施例では、収容部としてスプーン１４を採用したが、液体を収容し得るものであれば、皿やレンゲ等であってもよい。更に、実施例の減速カーブＴは、加速カーブＳを時間軸で反転させたカーブとしたが、減速カーブＴについて別途導出し、加速カーブＳとは異なる減速パターンで分解速度カーブＶＸ−Ｙを減速させるようにしてもよい。実施例の液体搬送装置１０では、液体の表面張力を考慮して、該表面張力を超えないよう加速カーブＳおよび減速カーブＴを設定した。しかしながら、表面張力に加えて、液体の粘性や重量等に基づく液体の内向きの力(液体が溢れないよう内側に働く力)を超えないよう速度カーブＳおよび減速カーブＴを設定してもよい。
【００３３】
実施例では、液体搬送装置１０のＯＮ−ＯＦＦは、操作スイッチ２０により操作するようにした。しかしながら、例えば、マニピュレータ１２の取付部１６等に感知センサーを設け、使用者が取付部１６に触れたときにマニピュレータ１２が自動で作動し、使用者が取付部１６から手を離したときに、マニピュレータ１２が自動で減速して停止するようにしてもよい。また、スプーン１４の終点Ｐを固定しておき、使用者が作動の開始指令をするだけでマニピュレータ１２が一定の搬送軌道Ｃでスプーン１４を搬送し、終点Ｐで停止する構成としてもよい。更に、液体搬送装置１０に使用者の口元(終点Ｐ)を認識して、始点Ｏから終点Ｐまでの距離を自動的に計測する搬送距離計測手段を設けることも可能である。そして、この搬送距離認識手段により計測された搬送距離に基づいて、制御部１８が前記等速段階の時間(すなわち、等速で搬送する距離)を調整し、スプーン１４を終点Ｐで自動的に停止させることも可能である。この場合、使用者はマニピュレータ１２に停止指令を与える必要がなく、スプーン１４は使用者の口元で自動的に停止する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例に係る液体搬送装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】スプーンの搬送軌道を示す説明図であって、(ａ)は搬送軌道をＸ−Ｙ−Ｚ座標で示し、(ｂ)は搬送軌道のＸ−Ｙ座標成分を示す。
【図３】スプーンの分解速度カーブおよび加速度を示すグラフである。
【図４】スプーンの受容部の寸法を示す説明図であって、(ａ)は平面図、(ｂ)は正面図、(ｃ)は側面図を示す。
【図５】最適化の結果を示すグラフである。
【図６】最適化により導出された加速段階の分解速度カーブおよび加速カーブを示すグラフである。
【図７】マニピュレータの各軸の角速度を示すグラフである。
【図８】液体搬送のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】各制御手法による制御実験結果を示すグラフであって、(ａ)は搬送軌道、(ｂ)は速度カーブ、(ｃ)は加速度カーブを示す。
【図１０】比例制御による液体搬送実験の結果を示す写真である。
【図１１】ハイブリッド整形法による液体搬送実験の結果を示す写真である。
【図１２】本手法による液体搬送実験の結果を示す写真である。
【符号の説明】
【００３５】
１４ スプーン(収容部)，１８ 制御部，２６ 第１アーム部
３０ 第２アーム部，３４ 第３アーム部，Ｃ 搬送軌道
ＣＸ−Ｙ 搬送軌道のＸ−Ｙ座標成分，Ｏ 始点，Ｐ 終点，Ｓ 加速カーブ
Ｔ 減速カーブ，Ｖ 搬送速度カーブ，Ｖ１ 目標分解速度
ＶＸ−Ｙ 分解速度カーブ(搬送速度カーブのＸ−Ｙ座標成分)
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を収容して、Ｘ−Ｙ−Ｚ直交座標上の始点(O)から終点(P)まで該液体を搬送する収容部(14)と、
前記収容部(14)を支持して、該収容部(14)を移動させるアーム部(26,30,34)と、
前記アーム部(26,30,34)を駆動する駆動部と、
前記収容部(14)の搬送軌道(C)におけるＸ−Ｙ座標成分(CX-Y)が直線となるよう前記駆動部を制御する制御部(18)とを備え、
前記制御部(18)は、前記収容部(14)の搬送速度カーブ(V)におけるＸ−Ｙ座標成分(VX-Y)が、所定の加速カーブ(S)で収容部(14)を加速させる加速段階と、加速終了時での速度(V1)で収容部(14)を移動させる等速段階と、所定の減速カーブ(T)で収容部(14)を減速させる減速段階とで構成されるよう前記駆動部を制御し、
前記加速カーブ(S)および減速カーブ(T)は、加速時または減速時に液体に作用する作用力が前記収容部(14)に満たされた液体の表面張力より小さくなるよう設定されている
ことを特徴とする液体搬送装置。
【請求項２】
前記減速カーブ(T)は、前記加速カーブ(S)を時間軸で反転させたカーブに設定されている請求項１記載の液体搬送装置。
【請求項３】
前記加速カーブ(S)のパラメータは、加速時の液体への作用力が前記表面張力より小さくなる制約条件下において、遺伝的アルゴリズムにより探索して求められる請求項２記載の液体搬送装置。
【請求項１】
液体を収容して、Ｘ−Ｙ−Ｚ直交座標上の始点(O)から終点(P)まで該液体を搬送する収容部(14)と、
前記収容部(14)を支持して、該収容部(14)を移動させるアーム部(26,30,34)と、
前記アーム部(26,30,34)を駆動する駆動部と、
前記収容部(14)の搬送軌道(C)におけるＸ−Ｙ座標成分(CX-Y)が直線となるよう前記駆動部を制御する制御部(18)とを備え、
前記制御部(18)は、前記収容部(14)の搬送速度カーブ(V)におけるＸ−Ｙ座標成分(VX-Y)が、所定の加速カーブ(S)で収容部(14)を加速させる加速段階と、加速終了時での速度(V1)で収容部(14)を移動させる等速段階と、所定の減速カーブ(T)で収容部(14)を減速させる減速段階とで構成されるよう前記駆動部を制御し、
前記加速カーブ(S)および減速カーブ(T)は、加速時または減速時に液体に作用する作用力が前記収容部(14)に満たされた液体の表面張力より小さくなるよう設定されている
ことを特徴とする液体搬送装置。
【請求項２】
前記減速カーブ(T)は、前記加速カーブ(S)を時間軸で反転させたカーブに設定されている請求項１記載の液体搬送装置。
【請求項３】
前記加速カーブ(S)のパラメータは、加速時の液体への作用力が前記表面張力より小さくなる制約条件下において、遺伝的アルゴリズムにより探索して求められる請求項２記載の液体搬送装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−５８１８４（Ｐ２０１０−５８１８４Ａ）
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２４１３０（Ｐ２００８−２２４１３０）
【出願日】平成２０年９月１日（２００８．９．１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６〜２０年度、文部科学省、地域科学技術振興施策、委託研究（知的クラスター創成事業、岐阜・大垣地域ロボティック先端医療クラスター）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０１９３９９）国立大学法人岐阜大学 (289)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１日（２００８．９．１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６〜２０年度、文部科学省、地域科学技術振興施策、委託研究（知的クラスター創成事業、岐阜・大垣地域ロボティック先端医療クラスター）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０１９３９９）国立大学法人岐阜大学 (289)
【Ｆターム（参考）】
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