WEKO3
アイテム
ロボットアーム付き電動車いすを対象とした操作インターフェースに関する研究
http://hdl.handle.net/10076/0002000094
http://hdl.handle.net/10076/000200009403f3bb88-d744-42c1-b2a3-84308398b9de
| 名前 / ファイル | ライセンス | アクション |
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2023DE0702 (22.8 MB)
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| Item type | 学位論文 / Thesis or Dissertation(1) | |||||||||
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| 公開日 | 2023-10-05 | |||||||||
| タイトル | ||||||||||
| タイトル | ロボットアーム付き電動車いすを対象とした操作インターフェースに関する研究 | |||||||||
| 言語 | ja | |||||||||
| タイトル | ||||||||||
| タイトル | Operating Interfaces of Electric Wheelchair Mounted Robotic Arm | |||||||||
| 言語 | en | |||||||||
| 言語 | ||||||||||
| 言語 | jpn | |||||||||
| 資源タイプ | ||||||||||
| 資源タイプ識別子 | http://purl.org/coar/resource_type/c_db06 | |||||||||
| 資源タイプ | doctoral thesis | |||||||||
| アクセス権 | ||||||||||
| アクセス権 | open access | |||||||||
| アクセス権URI | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 | |||||||||
| 著者 |
楊, 来郡
× 楊, 来郡
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| 抄録 | ||||||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||||||
| 内容記述 | 現在日本では，事故や疾病などにより身体機能の一部に不自由があり，日常生活に制約がある身体障害者が数多くいる．肢体不自由者の疾患例として，脊髄損傷，脳性血管障害，脳性麻痺，筋ジストロフィー，ALS などが挙げられる．特に，疾患例の中で脊髄損傷は，現在日本に 10 万人以上の患者がおり，さらに毎年約 5 千人が新たに増加すると推定されている．脊髄損傷は，主として脊柱に強い外力が加えられることにより脊椎を損傷し，脊髄に損傷を受ける病態である．受傷原因は交通事故，高所からの転落，転倒と言った順に症例が多く，損傷レベル C5 付近の患者が多い．C5 患者の主な動作筋は三角筋と上腕二頭筋で，運動機能として肩関節屈曲・外転・伸展，肘関節屈曲，前腕回外が可能である．しかし，胸から下のほぼ全体に麻痺が生じるため，移動の際は電動車椅子やハンドリムを工夫した車椅子を用いる．こういった機能障害のために日常生活の多くの場面で介助を必要とする．このような，重度機能障害を持った頸髄損傷者の生活の質を向上させることは重要となる． 頸髄損傷者の生活支援として，ロボットアーム付き電動車いすが注目されている．このようなロボットは，移動手段である電動車いすにロボットアームを取り付けられ，C5レベル頸髄損傷者の腕の代わりに用いられる．ロボットアームを使うことで幅広い動作支援ができるため，障害者自身が介助者なしにできることが増え，生活の質の向上につながる．このロボットを操作するためには，様々なインターフェースが用いられる．例えば，一般的にジョイスティックやスクリーン上の仮想ジョイスティックなどが挙げられる．しかしながら，これらのインターフェースは対象者者の指拘縮などの症状により使用できない場面も存在する． この問題を解決するために，近年，障害者の症状により様々な電動車いすとロボットアームの操作インターフェースが提案されました．電動車いすの操作インターフェースについて，主に自動走行の手法を用いて操作者の負担を軽減する．例えば，GPS 信号により電動車いす自動走行システムが開発された．このインターフェースは操作者の操作負担を大幅に軽減することができたが，GPS 信号の精度により，室内環境での使用は困難となった．また，2D/3D LiDAR により空間マッピングを作成し，自動走行する手法もある．このような手法は，事前に空間マッピングを生成する場合で利用が限定的になった．また，リアルタイムの空間マッピングを生成する場合で通信遅延などの問題が避けられない．ロボットアームの操作インターフェースに関して，近年に障害者を対象とした自動や半自動操作インターフェースに関する研究が進んでいる．例えば，ロボットアームに深度センサや複数台のカメラを搭載し，画像処理による目標物を認識し，操作者のコマンドで目標物を自動把持するインターフェースがある．しかしながら，複数台のカメラを使用するため，操作方式により使用できる場面も限定的になる．また，音声やジェスチャーにより，ロボットアームを操作するインターフェースも提案されました．しかしながら，このようなインターフェースは事前にコマンドを登録する必要があるため，利用可能な場面が限定的になってしまう． これらの問題に対して，本研究では，頸髄損傷者が自立することを目指し，電動車いす及びロボットアーム操作インターフェースを提案した．提案手法では，電動車いすの操作について，先ず，本研究では頸髄損傷者の症状に対応するスクリーン上の仮想ジョイスティック操作インターフェースを提案した．提案手法で操作者の手ぶれによって生じる蛇行走行を防ぐために入力補正システムを導入した．また，操作者の負担を軽減するために，本研究で電動車いすに搭載された 1 台のカメラにより目標物に貼り付けた AR マーカーを認識し自動走行を行う操作インターフェースも提案した．また，自動走行中に生じる走行誤差の問題に対して，回帰分析の手法を用いて電動車いすのリアルタイムの位置情報から走行誤差を予測するモデルを構築し，予測した誤差を基づいて，電動車いすへの指令値の補正係数を計算できる入力補正システムを開発した． ロボットアームの操作について，本研究でタッチパネル上での仮想ジョイスティック，手の 3 次元動作によるロボットアームの操作システムおよび床上物体把持のための視覚情報に基づく電動車いす搭載型ロボットアーム用操作インターフェースを提案した．提案された仮想ジョイスティックは C5 レベル頸髄損傷者の腕の残存機能を用いて，スマホやタブレットから簡単にロボットアームに接続し，操作することが可能となる．また，タッチパネルでの誤操作を避けるために，誤操作防止フィルタの開発も行った．提案した手の 3 次元動作による操作インターフェースは，操作者の手の動きを読み取ることで，3 次元的なアームの操作が可能となり，操作回数，つまり動作が切り替わる回数を減らすことができる．それ以外に，床上に落ちた物体を拾う場合に対して，視覚情報に基づくロボットアーム用操作インターフェースを提案した．具体的には，ロボットアームの手先に 1 台カメラを搭載し，操作者が視覚情報に基づいて指示することで，床上物体の探索および把持を可能とする． 提案手法の有効性を検証するために，C5 レベルの頸髄損傷者の方を対象に，日常生活環境を再現した操作実験を行った．電動車いす走行実験で，提案したスクリーン上の手動インタフェースは操作完了時間の面から操作性の向上が確認した．また，電動車いす自動走行システムにおいて，走行軌道と電圧指令値の比較により，提案した走行誤差補正システムの有効性を示した．ロボットアーム操作の実験で，タスク完了まで手先の移動軌道の比較により，提案したスクリーン上の手動インタフェースと誤操作防止システムの有効性を示した．また，提案した手の 3 次元動作による操作インターフェースでは，従来のジョイスティックと比較実験を行い，操作時間および操作回数の比較により操作性の向上を確認した．最後に，視覚に基づくロボットアーム操作インタフェースでにおいて，従来手法との比較で操作完了時間と操作回数の減少により，操作負担を軽減することを確認した．また，アンケート評価においても高い結果を得られ，提案手法により簡易に床上物体を把持することが可能であると示した．したがって，開発したインタフェースを使用することで，頸髄損傷患者のような体幹機能障害のある患者が自立支援動作が可能となり，日常生活における QOL や ADL の向上が期待される． |
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| 言語 | ja | |||||||||
| 抄録 | ||||||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||||||
| 内容記述 | There are currently many people with physical disabilities in Japan who face limitations in their daily lives. Spinal cord injuries, cerebrovascular disease, cerebral palsy, muscular dystrophy, and ALS are some of the diseases that cause physical disabilities. Particularly, there are currently over 100,000 patients in Japan, with an estimated increase of 5,000 patients (40 per 1 million people) each year.The spinal cord is injured primarily when a strong external force is applied to the spinal column. The majority of such injuries are caused by traffic accidents and falls from great heights. Meanwhile, the majority of patients were injured at the C5 level. The deltoid and biceps brachii muscles are the primary motion muscles of C5 patients. These muscles are capable of shoulder joint flexion, abduction and extension, elbow joint flexion, and forearm supination as motor functions. However, because paralysis affects almost the entire body from the chest down, individuals need assistance with many aspects of daily life. Mobility, for example, is provided by a motorized wheelchair or a wheelchair with a hand-rim device. Because of trunk dysfunction, individuals have difficulty sitting and require assistance grasping objects in front of them. Particularly, the assistance of picking up objects from the floor is necessary. They also have difficulty in such activities like opening and closing their hands, grasping, drinking, and opening doors due to motor dysfunction in the upper limbs. The difficulty of these activities not only reduces the individual’s quality of life, but also places a significant burden on caregivers. For these reasons, it is critical to improve the quality of life of these severely functionally impaired cervical cord injury patients. Recently, Electric wheelchairs with robotic arms have gained popularity as a life support system for people with cervical spinal cord injuries. A robot like this is attached to an electric wheelchair and used in place of the arm of patients with C5-level cervical spinal cord injury. It is possible to support a wide range of motions with a robot arm, increasing the number of things that people with disabilities can do without assistance, resulting in an improvement in their quality of life. This robot is controlled by a variety of interfaces. Common joysticks and virtual joysticks on screen are two examples. However, in some cases, these interfaces cannot be used due to symptoms such as the subject’s finger contracture. To address this issue, various electric wheelchairs and robot arm operation interfaces have been proposed in recent years based on the symptoms of disabled people. In terms of the electric wheelchair operation interface, we primarily use the automatic driving method to reduce the operator’s burden. GPS signals, for example, have been used to develop an automatic driving system for electric wheelchairs. Although this interface significantly reduced the operator’s operational burden, it was difficult to use in an indoor environment due to the accuracy of the GPS signal. There is also a method for automatically creating a spatial map using 2D/3D LiDAR and driving. When spatial mapping is generated in advance, such methods are limited in their application. Furthermore, issues such as communication delays cannot be avoided when producing real-time spatial mapping. Research on automatic and semi-automatic operation interfaces for handicapped people has advanced in recent years. For example, there is an interface that loads a depth sensor and multiple cameras onto a robot arm, recognizes the target through image processing, and automatically grasps the target in response to an operator command. However, due to the use of multiple cameras, the situations in which it can be used are limited depending on the operation method. A voice and gesture interface for manipulating the robot arm was also proposed. However, because such an interface necessitates the registration of commands in advance, the situations in which it can be used are limited. In this study, we proposed the electric wheelchair and a robot arm operation interfaces to solve these problems, with the goal of making the cervical spinal cord injured person independent. for the wheelchair operation, we first proposed a virtual joystick operation interface on a screen that corresponds to the symptoms of people with cervical spinal cord injury in the proposed method. An input correction system is introduced in the proposed method to prevent the meandering motion caused by the operator’s shake. On the other hand, in order to reduce the operator’s burden, we also proposed in this study an operation interface that recognizes the AR marker attached to the target by one camera mounted on the electric wheelchair and runs automatically. Furthermore, to address the issue of running errors that occur during autonomous driving, we used regression analysis to create a model that predicts running errors based on real-time positional data from electric wheelchairs. Following that, we introduced an input correction system that can calculate the command value’s correction coefficient based on the predicted error. For the robotic arm operation, in this study, we proposed a virtual joystick on a touch panel, a robot arm operation system based on 3D hand movements, and a visual information-based operation interface for a robot arm equipped with an electric wheelchair. The proposed virtual joystick can be easily connected to the robot arm from a smartphone or tablet and operated using C5 level cervical spinal cord injury patients’ residual arm function. We also introduced an erroneous operation prevention filter to prevent erroneous touch panel operations. The proposed 3D hand motion operation interface enables 3D arm operation by reading the operator’s hand motion and can reduce the number of operations, which reduces the operation completion time. In addition, we proposed a visual-based operation interface for the robot arm to pick up an object that had fallen on the floor. One camera is mounted on the hand of the robot arm, and the operator can search for and grasp objects on the floor by giving visual instructions. To verify the efficacy of the proposed method, we carried out an operation experiment that mimicked the daily living environment of C5 level cervical spinal cord injury patients. It was confirmed in an electric wheelchair running experiment that the proposed on-screen manual interface improved operability in terms of operation completion time. In addition, the effectiveness of the proposed running error correction system in the electric wheelchair automatic driving system was demonstrated by comparing the running track and the voltage command value. For the robotic arm operation experiment, the effectiveness of the proposed on-screen manual interface and erroneous operation prevention system was demonstrated in an experiment of operating a robot arm by comparing the movement trajectory of the hand until task completion. Furthermore, we performed a comparison experiment with a conventional joystick and confirmed the improvement in operability by comparing operation time and number of operations with the proposed 3D hand motion interface. Finally, it was demonstrated that the vision-based robot arm operation interface reduces operation burden by reducing operation completion time and the number of operations when compared to the conventional method. Furthermore, high results were obtained in the questionnaire evaluation, demonstrating that the proposed method can easily grasp objects on the floor. |
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| 言語 | en | |||||||||
| 内容記述 | ||||||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||||||
| 内容記述 | 本文/三重大学大学院工学研究科システム工学専攻 | |||||||||
| 内容記述 | ||||||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||||||
| 内容記述 | 128p | |||||||||
| 書誌情報 |
発行日 2023-07-19 |
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| フォーマット | ||||||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||||||
| 内容記述 | application/pdf | |||||||||
| 著者版フラグ | ||||||||||
| 出版タイプ | VoR | |||||||||
| 出版タイプResource | http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85 | |||||||||
| 出版者 | ||||||||||
| 出版者 | 三重大学 | |||||||||
| 出版者（ヨミ） | ||||||||||
| ミエダイガク | ||||||||||
| 学位名 | ||||||||||
| 学位名 | 博士(工学) | |||||||||
| 学位授与機関 | ||||||||||
| 学位授与機関識別子Scheme | kakenhi | |||||||||
| 学位授与機関識別子 | 14101 | |||||||||
| 学位授与機関名 | 三重大学 | |||||||||
| 学位授与年月日 | ||||||||||
| 学位授与年月日 | 2023-07-19 | |||||||||
| 学位授与番号 | ||||||||||
| 学位授与番号 | 甲工学第2199号 | |||||||||
| 資源タイプ（三重大） | ||||||||||
| Doctoral Dissertation / 博士論文 | ||||||||||
