JP2013022091A - 装着式動作補助装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】動作補助装置10は、装着者12の上肢に装着される上肢フレーム14と、装着者12の下肢に装着される下肢フレーム19と、装着者12の腰に装着される腰フレーム30と有する。上肢フレーム14は、腰フレーム30の上方に形成され、腰フレーム30の前側より上方に延在する垂直フレーム15と、垂直フレーム15の上端より肩幅方向に横架された肩フレーム16A、16Bとを有する。肩フレーム16A、16Bには、運搬物を持ち上げる際に両腕の動作をアシストする上肢駆動部17A,17Bが前後方向に回動可能に設けられている。従って、肩フレーム16A、16Bに支持される上肢駆動部17A,17Bの質量は、上肢フレーム14に支持されるため、装着者12には上肢フレーム14及び上肢駆動部17A,17Bの重さを感じることなく、作業が行える。
【選択図】図1
Description
(1)本発明は、装着者に装着されるフレームと、
該フレームの各関節に設けられた駆動部と、
前記フレームに設けられた締結部材と、
前記装着者の各生体信号を検出する複数の生体信号検出部と、
前記複数の生体信号検出部により検出された各生体信号に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、
を備えた装着式動作補助装置において、
前記フレームは、後側から前記装着者に装着可能に形成され、
前記締結部材は、後側から締結されることを特徴とする。
(2)本発明は、装着者の腰に装着される腰フレームと、
該腰フレームの開口部に設けられた腰締結部材と、
前記腰フレームより下方に形成された下肢フレームと、
該下肢フレームの各関節に設けられた下肢駆動部と、
前記下肢フレームに設けられた下肢締結部材と、
前記腰フレームより上方に形成された上肢フレームと、
該上肢フレームの各関節に設けられた上肢駆動部と、
前記上肢フレームに設けられた上肢締結部材と、
前記装着者の各生体信号を検出する複数の生体信号検出部と、
前記複数の生体信号検出部により検出された各生体信号に基づいて前記下肢駆動部及び前記上肢駆動部を制御する制御部と、
を備えた装着式動作補助装置において、
前記腰フレーム、前記下肢フレーム、前記上肢フレームは、それぞれが後側から前記装着者に装着可能に形成され、
前記腰締結部材、前記下肢締結部材、前記上肢締結部材は、後側から締結されることを特徴とする。
(3)本発明の前記上肢フレームは、
前記腰フレームの前側より上方に延在する垂直フレームと、
該垂直フレームの上端より肩幅方向に横架された肩フレームと、を有し、
前記上肢駆動部は、前記肩フレームの両端に回動可能に設けられ、運搬物を持ち上げる動作を補助することを特徴とする。
(4)本発明の前記垂直フレームは、前記腕部駆動機構により持ち上げられた運搬物を載置する載置台を有することを特徴とする。
(5)本発明は、前記載置台に前記運搬物を検出する検出センサを設け、
前記検出センサの検出信号に基づいて前記載置台を上下方向に移動させる昇降機構を設けたことを特徴とする。
図1は本発明による装着式動作補助装置の一実施例を示す正面図である。図2は本発明による装着式動作補助装置の一実施例を示す背面図である。図3は上肢フレーム、腰フレーム、右脚の下肢駆動部、右腕の上肢駆動部を左斜め上方からみた斜視図である。図4は上肢フレーム、腰フレーム、右脚の下肢駆動部、右腕の上肢駆動部を右斜め上方からみた斜視図である。図5は装着式動作補助装置の右側面図である。図6は装着式動作補助装置の平面図である。(尚、図3及び図4において、装着者12の左脚を駆動する下肢駆動部300Bの図示を省略してある。)
図1乃至図6に示されるように、装着式動作補助装置10(以下「動作補助装置」と称する)は、装着者12の動作を支援(アシスト)する装置であり、脳からの信号により筋力を発生させる際に生じる生体信号(表面筋電位)及び/又は当該装着者の関節の動作角度や重心位置などを検出し、この検出信号に基づいて駆動部からの駆動力を付与するように作動する。
〔フレーム構造〕
ここで、動作補助装置10のフレーム構造について説明する。動作補助装置10は、後側より装着者12に装着されるフレーム構造18に各関節の駆動部を設けたものである。
〔上肢フレームの構成〕
上肢フレーム14は、腰フレーム30の上方に形成され、腰フレーム30の前側より上方に延在する垂直フレーム15と、垂直フレーム15の上端より肩幅方向に横架された肩フレーム16A、16Bとを有する。垂直フレーム15は、チタン又はステンレスなどの金属材料からなり、下端が腰フレーム30に固定された垂直部15Aと、垂直部15Aの上端より左右方向に分岐するU字状に形成されたU字状部15Bとを有する。
U字状部15Bの各上端には、肩フレーム16A、16Bが連結されている。肩フレーム16A、16Bには、運搬物を持ち上げる際に両腕の動作をアシストする上肢駆動部17A,17Bが前後方向に回動可能に設けられている。従って、肩フレーム16A、16Bに支持される上肢駆動部17A,17Bの質量は、上肢フレーム14に支持されるため、装着者12には上肢フレーム14及び上肢駆動部17A,17Bの重さを感じることなく、作業が行える。
肩駆動部200A、200Bは、肩関節に対応する位置に設けられた駆動モータ320,322(図9参照)と、駆動モータ320,322の駆動トルクにより回動する第1腕フレーム(隠れてみえない)と、肘関節に対応する位置に設けられた駆動モータ324,326(図9参照)と、駆動モータ324,326の駆動トルクにより回動する第2腕フレーム334,336とを有する。
これらの駆動モータ320,322,324,326は、制御装置(制御部)100からの制御信号により駆動トルクを制御されるDCモータまたはACモータなどからなる電動モータからなる。また、各駆動モータ320,322,324,326は、モータ回転を所定の減速比で減速する減速機構(駆動部に内蔵)を有しており、小型ではあるが十分な駆動力を付与することができる。
〔腰フレームの構成〕
腰フレーム30は、上方からみると後側に装着者12が出入りするための後側開口31を有するC字形状に形成された腰締結部30Aを有する。この後側開口31には、装着者12の腰を締結するベルト及びバックルなどからなる腰締結ベルト360が取り付けられている。腰締結部材360は、装着者12の腰が後側開口31から腰フレーム30の腰締結部30A内側に挿入された後、腰締結ベルト360により後側から締結される。このように、装着者12の腰は、腰締結部30Aの後側開口31から進入した状態で、後側から腰締結ベルト360により固定されるので、装着作業が容易に行える。
〔垂直フレームの構成〕
垂直フレーム15は、装着者12の前側に起立するようにして設けられているので、重量物を持ち上げる際の質量を安定的に支持することができる。そして、垂直フレーム15には、両腕で持ち上げた運搬物を載置するための載置台260が設けられている。
〔生体信号検出センサについて〕
図8に示されるように、動作補助装置10は、装着者12の右腿の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ38a,38bと、装着者12の左腿の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ40a,40bと、右膝の動きに関わる生体電位を検出する生体信号検出センサ42a,42bと、左膝の動きに関わる生体電位を検出する生体信号検出センサ44a,44bとを有する。
〔床反力センサについて〕
また、歩行動作による重心移動をスムーズに行うため、脚の裏にかかる荷重を検出する必要がある。そのため、装着者12の左右脚の裏には、床反力センサ50a,50b,52a,52bが設けられている。
〔下肢駆動部及び下肢フレームについて〕
下肢駆動部300Aは、装着者12の右側股関節に位置する右腿駆動モータ20と、装着者12の右膝関節に位置する右膝駆動モータ24とを有する。また、下肢駆動部300Bは、装着者12の左側股関節に位置する左腿駆動モータ22と、装着者12の左膝関節に位置する左膝駆動モータ26とを有する。これらの駆動モータ20,22,24,26は、制御装置(制御部)100からの制御信号により駆動トルクを制御されるDCモータまたはACモータなどからなる電動モータからなる。また、各駆動モータ20,22,24,26は、モータ回転を所定の減速比で減速する減速機構(駆動部に内蔵)を有しており、小型ではあるが十分な駆動力を付与することができる。
この第1関節64は、腰フレーム30と第1下肢フレーム58との間に設けられている。また、第1関節64は、駆動モータ20,22が内蔵されたモータユニットを構成しており、第1関節64と駆動モータ20,22とは外観上一体化されている。
〔制御システムの構成〕
図7は制御部のシステム構成を示すブロック図である。図7に示されるように、動作補助装置10の制御系システムは、装着者12に対してアシスト力を付与する駆動部140と、装着者12の動作に応じた関節角度(物理現象)、及び、装着者12の重心位置(物理現象)を検出する物理現象検出部142と、装着者12の筋肉の活動に伴って発生する筋電位等を含む(生体信号)を検出する生体信号検出部144とを備えている。尚、上記駆動部140は、駆動モータ20,22,24,26,320,322,324,326からなる。物理現象検出部142は、上記関節回動角度を検出する角度センサ70,72,74,76(図6参照)及び床反力センサ50a,50b,52a,52bからなる。生体信号検出部144は、下肢生体信号検出センサ38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b及び上肢生体信号検出センサ338a,338b,340a,340b,342a,342b,344a,344b,346a,346b,348a,348bからなる。
〔各制御機器の接続系統〕
図8は下肢駆動部の各制御機器の接続を示すブロック図である。図9は上肢駆動部の各制御機器を示すブロック図である。図8及び図9に示されるように、バッテリ32,34は、電源回路86に電源供給しており、電源回路86では所定電圧に変換して入出力インターフェイス88に定電圧を供給する。また、バッテリ32,34の充電容量は、バッテリ充電警告部90によって監視されており、バッテリ充電警告部90は、予め設定された残量に低下すると、警告を発して装着者12にバッテリ交換または充電を報知する。
〔角度センサの検出信号を用いて制御装置100が実行する制御処理〕
ここで、制御装置100が実行する制御処理の手順について図10Aのフローチャートを参照して説明する。図10Aに示されるように、制御装置100は、ステップS11(以下「ステップ」を省略する)で装着者12の動作に伴う物理現象検出部142(角度センサ70,72,74,76)により検出された関節角度(θknee,θhip)を取得する。次にS12に進み、生体信号検出部144(下肢生体信号検出センサ38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b及び上肢生体信号検出センサ338a,338b,340a,340b,342a,342b,344a,344b,346a,346b,348a,348b)によって検出された筋電位信号(EMGknee,EMGhip)を取得する。
〔生体信号を用いて制御装置100が実行する制御処理〕
図10Bは生体信号センサの検出信号を用いて制御部が実行する制御処理を説明するためのフローチャートである。図10Bに示されるように、S12aにおいて、例えば、装着者12が生体信号センサを適正に装着している場合、生体信号検出部144からの生体電位信号を得ることができる。その場合(YESの場合)、S18に進み指令関数f(t)及びゲインPに基づいて、生体電位信号に応じた指令信号を生成する。
また、上記実施例では、上肢フレームと腰フレームと下肢フレームを組み合わせたフレーム構造を一例として挙げたが、これに限らず、腰フレームと下肢フレームを組み合わせたフレーム構造のものにも本発明が適用できるのは勿論である。
12 装着者
14 上肢フレーム
15 垂直フレーム
16A、16B 肩フレーム
17A,17B 上肢駆動部
18 フレーム構造
19 下肢フレーム
20,22,24,26,320,322,324,326 駆動モータ
30 腰フレーム
30A 腰締結部
31 後側開口
36 制御ユニット
38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b 下肢生体信号検出センサ
50a,50b,52a,52b 床反力センサ
58 第1下肢フレーム
60 第2下肢フレーム
62 第3下肢フレーム
64 第1関節
66 第2関節
68 第3関節
70,72,74,76 角度センサ
78,80 下肢締結部材
79,81 締結用ベルト
84 靴保持部
86 電源回路
88 入出力インターフェイス
90 バッテリ充電警告部
92〜95,392〜395 モータドライバ
100 制御装置
101〜108,301〜312 差動増幅器
111〜114 角度検出部
121〜124 反力検出部
130 メモリ
130A データベース格納領域
130B 制御プログラム格納領域
140 駆動部
142 物理現象検出部
144 生体信号検出部
146 データ格納部
148 基準パラメータデータベース
150 指令信号データベース
152 フェーズ特定部
154 随意的制御部
156 ゲイン変更部
158 電力増幅部
160 自律的制御部
200A,200B 肩駆動部
210A,210B 腕駆動部
260 載置台
270 検出センサ
280 昇降機構
300A,300B 下肢駆動部
334,336 第2腕フレーム
330,331 上肢締結部材
338a,338b,340a,340b,342a,342b,344a,344b,346a,346b,348a,348b 上肢生体信号検出センサ
350,352 上肢締結ベルト
360 腰締結ベルト
Claims (5)
- 装着者に装着されるフレームと、
該フレームの各関節に設けられた駆動部と、
前記フレームに設けられた締結部材と、
前記装着者の各生体信号を検出する複数の生体信号検出部と、
前記複数の生体信号検出部により検出された各生体信号に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、
を備えた装着式動作補助装置において、
前記フレームは、後側から前記装着者に装着可能に形成され、
前記締結部材は、後側から締結されることを特徴とする装着式動作補助装置。 - 装着者の腰に装着される腰フレームと、
該腰フレームの開口部に設けられた腰締結部材と、
前記腰フレームより下方に形成された下肢フレームと、
該下肢フレームの各関節に設けられた下肢駆動部と、
前記下肢フレームに設けられた下肢締結部材と、
前記腰フレームより上方に形成された上肢フレームと、
該上肢フレームの各関節に設けられた上肢駆動部と、
前記上肢フレームに設けられた上肢締結部材と、
前記装着者の各生体信号を検出する複数の生体信号検出部と、
前記複数の生体信号検出部により検出された各生体信号に基づいて前記下肢駆動部及び前記上肢駆動部を制御する制御部と、
を備えた装着式動作補助装置において、
前記腰フレーム、前記下肢フレーム、前記上肢フレームは、それぞれ後側から前記装着者に装着可能に形成され、
前記腰締結部材、前記下肢締結部材、前記上肢締結部材は、後側から締結されることを特徴とする装着式動作補助装置。 - 前記上肢フレームは、
前記腰フレームの前側より上方に延在する垂直フレームと、
該垂直フレームの上端より肩幅方向に横架された肩フレームと、を有し、
前記上肢駆動部は、前記肩フレームの両端に回動可能に設けられ、運搬物を持ち上げる動作を補助することを特徴とする請求項2に記載の装着式動作補助装置。 - 前記垂直フレームは、前記腕部駆動機構により持ち上げられた運搬物を載置する載置台を有することを特徴とする請求項3に記載の装着式動作補助装置。
- 前記載置台に前記運搬物を検出する検出センサを設け、
前記検出センサの検出信号に基づいて前記載置台を上下方向に移動させる昇降機構を設けたことを特徴とする請求項4に記載の装着式動作補助装置。
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