JP2019004993A - 動作検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】人の肩から前腕までの動きを、五つの軸周りの回動運動として検出する動作検出装置を提供する。【解決手段】動作検出装置１の構成を、第一センサ１０及び第二センサ２０が肩装着部９１に支持されている肩検出部６１と、第三センサ３０が上腕装着部９２に支持されている上腕検出部６２とが上連結部６５で連結されていると共に、第五センサ５０が前腕装着部９３に支持されている前腕検出部６３と上腕検出部とが下連結部６６で連結されており、上連結部が、第三軸Ｐ３に沿っている上スライド部８５と上スライド部の長さの変化に伴い回動可能な上ヒンジ部８１を有していると共に、下連結部が、第四軸Ｐ４周りの回動により上スライド部に対して屈伸し且つ第五軸Ｐ５に沿っている下スライド部８６、下スライド部の長さの変化に伴い回動可能な下ヒンジ部８２、及び第四軸周りの回動角度を検出する第四センサ４０を有している構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、人の動きを検出する動作検出装置に関するものである。

本発明者は過去に、人の手に近い形状で、指の動作や手首の動作が人の手に近い多指ハンド装置を提案している（特許文献１，２参照）。これらの多指ハンド装置に関しては、筋電位の検知に基づいて制御される義手としての実用化を進めている一方で、肩部から前腕部までの腕構造を多指ハンド装置に付加したロボットアームの開発を進めており、肩部から前腕部までの具体的な腕構造を既に提案している（この提案にかかる特許出願は出願公開前であり、公知文献には該当しない）。

この提案にかかるロボットの腕構造は、肩部を介して上腕部が上下方向に回動すると共に前後方向に回動し、上腕部に対して肘部がねじり回動し、肘部を介して前腕部が上腕部に対する屈伸のための回動をし、且つ、肘部に対して前腕部がねじり回動するものであり、五つの回動中心軸を有している。このような腕構造を有するロボットアームをスレーブ装置としてマスター装置によって制御する場合、或いは、ロボットアームに人の腕に近い動作をさせるための制御プログラムを作成する場合、人の腕の動作を検出する必要がある。つまり、ロボットとは異なり明確な回動中心軸を有している訳ではない人の腕の複雑な動作を、ロボットアームの制御に適したデジタルデータに変換する必要がある。

特許第５９２１２２５号公報 特開２０１６−１６８６４５号公報

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、人の肩から前腕までの動きを、五つの軸周りの回動運動として検出する動作検出装置の提供を、課題とするものである。

上記の課題を解決するため、本発明にかかる動作検出装置（以下、単に「装置」と称することがある）は、
「人の肩の上に装着される肩装着部に支持されている肩検出部と、
人の上腕に装着される上腕装着部に支持されている上腕検出部と、
人の前腕に装着される前腕装着部に支持されている前腕検出部と、
前記肩検出部と前記上腕検出部とを連結している上連結部と、
前記上腕検出部と前記前腕検出部とを連結している下連結部と、を具備し、
前記肩検出部は、前記上腕検出部及び前記前腕検出部の前後方向の回動の軸である第一軸周りの回動角度を検出する第一センサ、前記第一軸の方向と直角をなす第二軸周りの回動角度を検出する第二センサ、及び前記第一センサと前記第二センサとを連結しつつ保持している肩保持部を有しており、前記第一センサ及び前記第二センサの一方の回転軸と同軸の肩部シャフトが前記上連結部と連結されており、
前記上連結部は、前記肩部シャフトの軸と直交する第三軸に沿って長さが変化する上スライド部、及び該上スライド部の長さの変化に伴いヒンジ軸周りに回動可能な上ヒンジ部を有しており、
前記上腕検出部は、前記第三軸と同軸または平行な軸周りの回動角度を検出する第三センサを有しており、
前記下連結部は、第四軸周りの回動により前記上スライド部に対して屈伸し且つ前記第四軸と直交する第五軸に沿って長さが変化する下スライド部、該下スライド部の長さの変化に伴いヒンジ軸周りに回動可能な下ヒンジ部、及び前記第四軸周りの回動角度を検出する第四センサを有しており、
前記前腕検出部は、前記第五軸と同軸または平行な軸周りの回動角度を検出する第五センサを有している」ものである。

「第一センサ〜第五センサ」は、それぞれ回転軸周りの回動角度を検出するセンサであり、ポテンショメータやロータリーエンコーダを使用することができる。

第二軸が「第一軸の方向と直角をなす」とは、第二軸が第一軸と直交する場合に加えて、第一軸と直交することなく直角をなす方向に延びている場合、すなわち、第二軸上の任意の点を通り第二軸と直交する軸周りに第二軸を回転させたとき、その軌道上で第一軸と直交する場合を含むことを意味している。

本構成の装置では、人の腕の動作のうち、肩を介する上腕の前後方向の回動運動を第一軸周りの回動角度として第一センサで検出することができ、肩を介する上腕の上下方向の回動運動を第二軸周りの回動角度として第二センサで検出することができ、上腕に対する肘のねじり回動運動を第三軸周りの回動角度として第三センサで検出することができ、肘を介する前腕の上腕に対する屈伸のための回動運動を第四軸周りの回動角度として第四センサで検出することができ、肘に対する前腕のねじり回動運動を第五軸周りの回動角度として第五センサで検出することができる。

ここで、人の腕の動作を回動運動として考えるとき、仮想の回動中心軸は身体の内部にある。しかしながら、装置の一部を人の身体に通すことは不可能であるから、必然的に、装置における回動中心軸は身体の外部に設けられる。そのため、詳細は後述するように、装置を装着した人が腕を回動運動させたとき、人の身体と装置との接点が、仮想の回動中心軸周りに回動するとした場合に描く軌道と、装置の回動中心軸周りに回動するとした場合に描く軌道とは、それぞれ中心点の位置及び径が異なる円弧となる。そのため、装置の各部が回動可能であっても各部間の長さが不変であると、人の動作の途中で装置がつかえてしまい、それ以上の回動運動が妨げられる。また、人が動作すると筋肉の外形も変化するため、装置において人の身体に装着している部分（肩装着部、上腕装着部、前腕装着部）間の角度関係も変化し得る。このような変化も、装置において各部間の長さが不変であると、人の動作の途中で装置がつかえてしまう原因となる。

このような問題に対し、本構成では、人の上腕に相当する上連結部及び人の前腕に相当する下連結部のそれぞれに、長さの変化する上スライド部及び下スライド部を備えている。加えて、一部の長さを可変としただけでは、その軸方向と交差する部分と干渉してスライドが妨げられるおそれがあるところ、スライドによる長さの変化に伴いヒンジ軸周りに回動可能な上ヒンジ部及び下ヒンジ部を備えている。従って、装置を装着した人の腕の動きを妨げることなく、人の腕の種々の動作を、第一軸〜第五軸周りの回動角度として検出することができる。なお、上スライド部及び下スライド部を備えていることにより、装置を装着する人の腕の長さの相違にも、対応することができる。

また、全体にシンプルな構成であり軽量とすることができ、人の肩、上腕、前腕のみを介して身体に装着することができるため、ポータブルであり、人が歩いて移動しながら使用するなど、多様な使用が可能である。また、装着した人の前腕より先の部分、つまり、手首や手は空いているため、多指ハンド装置を制御するためのセンサを、問題なく取り付けることができる。

以上のように、人の肩から前腕までの動きを、五つの軸周りの回動運動として検出する動作検出装置を、提供することができる。

本発明の第一実施形態である動作検出装置の斜視図である。 図１の動作検出装置を人に装着した状態の図である。 図１の動作検出装置による動作検出（腕を上方に挙げる動作）の説明図である。 図１の動作検出装置による動作検出（肘を曲げる動作）の説明図である。 図１の動作検出装置による動作検出（肘に対する前腕のねじり動作）の説明図である。 図１の動作検出装置による動作検出（上腕に対する肘のねじり動作）の説明図である。 図１の動作検出装置の構成の説明図である。 （ａ）上腕検出部の変更例の正面図、及び（ｂ）前腕検出部の変更例の正面図である。 （ａ）図１の動作検出装置の肩検出部の正面図、（ｂ）図１の動作検出装置の肩検出部の平面図、（ｃ）第二実施形態の動作検出装置における肩検出部の正面図、及び（ｄ）図９（ｃ）の肩検出部の平面図である。 動作検出装置による検出に基づいて制御されるロボットアームの斜視図である。 動作検出装置に更に付加するグローブ型検出装置を、（ａ）親指側から見た斜視図、及び（ｂ）小指側から見た斜視図である。

以下、本発明の一実施形態である動作検出装置１について、図１乃至図７を用いて説明する。本書面における「前後」、「上下」、及び「左右」は、動作検出装置１を装着した人における「前後」、「上下」、及び「左右」である。ここでは、人の右肩及び右腕に装着される動作検出装置１を図示により例示しているが、人の左肩及び左腕に装着される動作検出装置１とは対称の構造である。

動作検出装置１は、肩検出部６１、上腕検出部６２、前腕検出部６３、肩検出部６１と上腕検出部６２とを連結している上連結部６５、上腕検出部６２と前腕検出部６３とを連結している下連結部６６、及び、下連結部６６に介設されている肘検出部を具備している。肩検出部６１、上腕検出部６２、及び前腕検出部６３は、それぞれ平板状の肩装着部９１、上腕装着部９２、前腕装着部９３を有しており、これらは身体に巻き付けて固定するサポーターＳを介して人の身体に当接するように、装着される。

肩検出部６１は、肩装着部９１に加えて、第一センサ１０、第二センサ２０、及び、第一センサ１０と第二センサ２０とを連結しつつ保持している肩保持部７１を有している。第一センサ１０及び第二センサ２０のうち、本実施形態では第二センサ２０が肩装着部９１の上に固定されている。第二センサ２０は、肩装着部９１を人の肩の上に載置した状態で、その回転軸である第二軸Ｐ２が前後方向となるように、ホルダ部７１ａを介して肩装着部９１に固定されている。第二軸Ｐ２と同軸の第二シャフト２１は、第二センサ２０に対して相対的に回転するものであり、第二センサ２０は第二シャフト２１の相対的な回動角度を検出する。第二シャフト２１は、肩保持部７１に連結されている。

肩保持部７１は、上記のホルダ部７１ａに加えて、第二シャフト２１が固定されているシャフト部７１ｂ、第一センサ１０を保持しているホルダ部７１ｄ、シャフト部７１ｂとホルダ部７１ｄとを連結しつつ固定している連結部７１ｃを備えている。シャフト部７１ｂは直角に屈曲しており、第二シャフト２１に連結されている端部とは反対側の端部は、細長い板状の連結部７１ｃ一方の端部側に直角に固定されている。連結部７１ｃの他方の端部側からは、ホルダ部７１ｄが、シャフト部７１ｂとは反対側に向かって、且つ、シャフト部７１ｂと平行に延出している。

第一センサ１０は、その回転軸である第一軸Ｐ１の方向が、第二軸Ｐ２と直角をなすようにホルダ部７１ｄに固定されている。第一軸Ｐ１と同軸の第一シャフト１１は、第一センサ１０に対して相対的に回転するものであり、第一センサ１０は第一シャフト１１の相対的な回動角度を検出する。第一シャフト１１は、上連結部６５に連結されている。すなわち、本実施形態では、第一シャフト１１が「肩部シャフト」に相当する。

上連結部６５は、上スライド部８５と上ヒンジ部８１とを備えている。上スライド部８５は、肩部シャフトの軸である第一軸Ｐ１と直交する第三軸Ｐ３に沿って長さが変化するものであり、レール８５ａに沿って細長いスライダ８５ｂがスライドする。上ヒンジ部８１は、そのヒンジ軸８１ｐが第三軸Ｐ３及び第一軸Ｐ１と直交するものである。ヒンジ軸８１ｐ周りに回動する二つの回動部材８１ａ，８１ｂのうち、一方の回動部材８１ａが第一シャフト１１の軸である第一軸Ｐ１と同軸となるように固定されている。他方の回動部材８１ｂは、スライダ８５ｂの両端のうちレール８５ａと係合していない端部に、スライド方向である第三軸Ｐ３と同軸となるように固定されている。このような構成により、レール８５ａに対してスライダ８５ｂがスライドすることにより上スライド部８５の長さが変化することに伴い、回動部材８１ａ，８１ｂがヒンジ軸８１ｐ周りに回動可能である。上スライド部８５のレール８５ａにおいて、スライダ８５ｂが進退する側とは反対側の端部８５ｅは、上腕検出部６２に連結されている。

上腕検出部６２は、上腕装着部９２に加え、第三センサ３０、及び、第三センサ３０を保持している上腕保持部７２を備えている。上腕保持部７２は、上腕装着部９２から立脚している立脚部７２ｂと、立脚部７２ｂに支持されたホルダ部７２ｃと、ホルダ部７２ｃを上スライド部８５の端部８５ｅに固定している軸棒部７２ａを備えている。軸棒部７２ａは、第三軸Ｐ３と同軸であり、ホルダ部７２ｃは、第三センサ３０の回転軸が第三軸Ｐ３と同軸となるように、第三センサ３０を保持している。第三センサ３０の回転軸と同軸の第三シャフト３１は、第三センサ３０に対して相対的に回転するものである。このような構成により、第三センサ３０は、上スライド部８５の第三軸Ｐ３周りの回動角度を検出する。第三シャフト３１は、下連結部６６に連結されている。

なお、第三センサ３０は、上記のように回転軸を第三軸Ｐ３と同軸とする他、図８（ａ）に示すように、回転軸が第三軸Ｐ３と平行な軸Ｐ３’となるように取り付けることもできる。この変形例において、第三センサ３０を保持している上腕保持部７２は、上記の軸棒部７２ａと、第三センサ３０の回転軸と同軸の第三シャフト３１を軸棒部７２ａと平行となるように連結している連結部７２ｄと、上腕装着部９２から立脚している立脚部７２ｅと、第三軸Ｐ３と同軸となるように立脚部７２ｅに固定されている軸棒部７２ｆとを備えており、第三センサ３０は上腕装着部９２及び立脚部７２ｅに固定されている。このような構成であっても、上スライド部８５の第三軸Ｐ３周りの回動角度を、第三センサ３０によって検出することができる。

下連結部６６は、下ヒンジ部８２、肘検出部、及び下スライド部８６を備えている。下ヒンジ部８２のヒンジ軸８２ｐは、第三軸Ｐ３と直交している。ヒンジ軸８２ｐ周りに回動する二つの回動部材８２ａ，８２ｂのうち、一方の回動部材８２ａが、上腕検出部６２の構成に第三軸Ｐ３と同軸となるように固定されている。ここで、回動部材８２ａが固定される相手は、本実施形態では第三シャフト３１であるが、図８（ａ）の構成を採用した場合は軸棒部７２ｆである。他方の回動部材８２ｂは、肘検出部に固定されている。

肘検出部は、第四センサ４０と、第四センサ４０を保持している肘保持部７４を備えている。第四センサ４０とは、回転軸である第四軸Ｐ４周りの回動角度を検出する。肘保持部７４は、回動部材８２ｂに固定されているホルダ部７４ａと、第四センサ４０の回転軸と同軸の第四シャフト４１に固定されているシャフト部７４ｂを備えている。ホルダ部７４ａは、第四軸Ｐ４が回動部材８２ｂの軸方向と直交するように、換言すれば、下ヒンジ８２が回動しておらず二つの回動部材８２ａ，８２ｂが同一直線上にある状態で第四軸Ｐ４が第三軸Ｐ３と直交するように、第四センサ４０を保持している。

シャフト部７４ｂは、直角に屈曲しており、第四シャフト４１に固定されている端部と反対側の端部は、下スライドのスライド方向と同軸となるように、下スライドに固定されている。第四シャフト４１は第四センサ４０に対して相対的に回動するものであり、上記構成により、上スライド部８５に対する下スライド部８６の屈伸を、第四軸Ｐ４周りの回動角度として第四センサ４０によって検出することができる。

下スライド部８６は、レール８６ａに沿って細長いスライダ８６ｂがスライドすることにより、長さが変化するものであり、スライダ８６ｂがシャフト部７４ｂに固定されている。シャフト部７４ｂが直角に屈曲していることから、下スライドのスライド方向の軸である第五軸Ｐ５は、第四軸Ｐ４と直交している。下スライド部８６のレール８６ａは、前腕検出部６３に固定されている。

前腕検出部６３は、前腕装着部９３に加え、第五センサ５０と、第五センサ５０を保持している前腕保持部７３を備えている。前腕保持部７３は、第五センサ５０を前腕装着部９３の上に固定しているホルダ部７３ａと、第五センサ５０の回転軸と同軸の第五シャフト５１を下連結部６６と連結しつつ固定している連結部７３ｂを備えている。連結部７３ｂは、平行に延びる二つの軸棒部が同一方向で連結されているコ字形であり、一方の端部が下スライド部８６のレール８６ａにおいて、スライダ８６ｂが進退する側とは反対側の端部に、スライド方向である第五軸Ｐ５と同軸となるように固定されている。連結部７３ｂの他方の端部は、第五シャフト５１に同軸に固定されている。このような構成により、第五センサ５０の回転軸は第五軸Ｐ５と平行な軸Ｐ５’となり、下スライド部８６の第五軸Ｐ５周りの回動角度を第五センサ５０によって検出することができる。

なお、第五センサ５０は、上記のように回転軸を第五軸Ｐ５と平行な軸Ｐ５’とする他、図８（ｂ）に示すように、回転軸が第五軸Ｐ５と同軸となるように取り付けることもできる。この変形例において、第五センサ５０を保持している前腕保持部７３は、第五センサ５０の回転軸と同軸の第五シャフト５１を、下スライド部８６のレール８６ａにおいて、スライダ８６ｂが進退する側とは反対側の端部に、スライド方向と同軸に固定している軸棒部７３ａと、前腕装着部９３から立脚しており、第五センサ５０が固定されている立脚部７３ｂを備えている。このような構成によっても、下スライド部８６の第五軸Ｐ５周りの回動角度を第五センサ５０で検出することができる。

上記構成の動作検出装置１で人の腕の動作を検出する際は、肩装着部９１が人の肩の上に載置された状態となり、上腕装着部９２及び前腕装着部９３がそれぞれ人の上腕と前腕の周面に当接するように装着する。本実施形態では、上腕装着部９２及び前腕装着部９３は、共に身体の外側となる周面に当接させる。このとき、図７に示すように、人の肩の関節において、腕の上下運動を回動運動として考えたときの仮想の回動中心軸Ｑ２の直上に、動作検出装置１の第二軸Ｐ２が位置するように肩装着部９１を肩の上に当接させる。

上記のように動作検出装置１を人の身体に装着すると、人の腕の動作を回動運動と考えたときの肩を介する上腕の前後方向の回動運動、肩を介する上腕の上下方向の回動運動、上腕に対する肘のねじり回動運動、肘を介する前腕の上腕に対する屈伸のための回動運動、及び、肘に対する前腕のねじり回動運動それぞれの回動中心軸と、動作検出装置１の第一軸Ｐ１、第二軸Ｐ２、第三軸Ｐ３、第四軸Ｐ４、及び第五軸Ｐ５が、それぞれ平行となる。なお、第一軸Ｐ１に関しては、連結部７１ｃによって第二軸Ｐ２と高さの差を設けているため、人の身体における仮想の回動中心軸と同軸になり得る。

従って、人と動作検出装置１が初期姿勢にあるときの第一センサ１０〜第五センサ５０それぞれの検出角度を基準として、第一センサ１０〜第五センサ５０それぞれに対する第一シャフト１１〜第五シャフト５１の相対的な回動角度を検出することにより、人の腕の動作を検出することができる。人の動作のうち、肩を介する上腕の前後方向の回動運動を第一軸Ｐ１周りの回動角度として第一センサ１０で検出することができ、肩を介する上腕の上下方向の回動運動を第二軸Ｐ２周りの回動角度として第二センサ２０で検出することができ、上腕に対する肘のねじり回動運動を第三軸Ｐ３周りの回動角度として第三センサ３０で検出することができ、肘を介する前腕の上腕に対する屈伸のための回動運動を第四軸Ｐ４周りの回動角度として第四センサ４０で検出することができ、肘に対する前腕のねじり回動運動を第五軸Ｐ５周りの回動角度として第五センサ５０で検出することができる。なお、図２に例示しているように、人が各関節を意図的に動かすことなく自然に腕を垂らしている基本姿勢を、初期姿勢として設定し、そのときの各センサの検出角度をゼロに設定することができる。

例えば、人が腕を真っ直ぐに伸ばした状態で上方向に回動させたときは、図３に示すように、動作検出装置１は第二軸Ｐ２周りに回動する。動作検出装置１は、身体に装着されていることによって人の腕と一体的に回動するため、人の上腕の上方向の回動角度を、第二軸Ｐ２周りの回動角度として第二センサ２０で検出することができる。

ここで、人が腕を上方向に回動させたとき、図７に示すように、人の腕において上腕装着部９２が装着されているポイントは、肩の関節における仮想の回動中心軸Ｑ２周りに円弧の軌道ＯＲ１を描いて移動する。一方、仮に動作検出装置１の全長が不変であり、上腕装着部９２が人の腕に拘束されていないとすると、上腕装着部９２は第二軸Ｐ２周りに円弧の軌道ＯＲ１’を描いて移動する。軌道ＯＲ１と軌道ＯＲ１’は、円弧の中心点が異なっていることに加え、径も軌道ＯＲ１’の方が大きい。同じく、人の腕において前腕装着部９３が装着されているポイントは、仮想の回動中心軸Ｑ２周りに円弧の軌道ＯＲ２を描いて移動する一方で、人の腕に拘束されていない場合の前腕装着部９３は、第二軸Ｐ２周りに円弧の軌道ＯＲ２’を描いて移動する。軌道ＯＲ２と軌道ＯＲ２’は、円弧の中心点が異なっていることに加えて、径も軌道ＯＲ２’の方が大きい。しかしながら、実際には上腕装着部９２も前腕装着部９３も人の腕に固定されているため、それぞれ人の腕の軌道ＯＲ１，ＯＲ２に沿って移動しなければならない。

このような問題に対し、動作検出装置１では、人の上腕に相当する上連結部６５及び人の前腕に相当する下連結部６６のそれぞれに、長さの変化する上スライド部８５及び下スライド部８６を備えている。また、仮に、上スライド部８５の両端の双方がそれぞれ肩検出部６１及び上腕検出部６２に対して固定されていたとしたら、上スライド部８５はスライド可能な構成であっても長さが変化することができない。同じく、下スライド部８６の両端の双方がそれぞれ上腕検出部６２及び前腕検出部６３に対して固定されていたとしたら、下スライド部８６はスライド可能な構成であっても長さが変化することができない。これに対し、動作検出装置１は、上スライドの長さの変化に伴いヒンジ軸８１ｐ周りに回動可能な上ヒンジ部８１と、下スライドの長さの変化に伴いヒンジ軸８２ｐ周りに回動可能な下ヒンジ部８２とを備えている。従って、上スライド及び下スライドの長さの変化を上ヒンジ部８１及び下ヒンジ部８２で吸収し、人の腕の自由な動きを妨げることなく、人の腕の動作を検出することができる。

また、人が腕を上方向にある角度だけ回動させたとき、軌道ＯＲ２と軌道ＯＲ２’との距離の差（図７におけるＬ１，Ｎ１）は、軌道ＯＲ１と軌道ＯＲ１’との距離の差（図７におけるＬ２，Ｎ２）より大きい。つまり、上方向への回動に伴い短くならなければならない長さは、上連結部６５より下連結部６６の方が大きい。そのため、図３に示しているように、下ヒンジが外側に回動することにより、このような長さの変化を容易に吸収することができる。更に、人が身体を動かすと、筋肉の外形が変化する。そのため、動作検出装置１において身体に当接させている部分の角度関係が変わり得る。図３では、腕を真っ直ぐに伸ばした状態で上方向に回動させているにも関わらず、上腕装着部９２と前腕装着部９３との角度関係が、基本姿勢（図２参照）のときとは異なっている様子を例示している。動作検出装置１は、上スライド部８５、上ヒンジ部８１、下スライド部８６、及び、下ヒンジ部８２を有することにより、このような筋肉の外形の変化にも影響を受けることなく、人の腕の動作を検出することができる。

人が肘を介して前腕を上腕に対して屈伸させるときも、人の動作における仮想の回動中心軸は身体の内部にあるのに対し、動作検出装置１における回動中心軸（第四軸Ｐ４）は身体の外にある。そのため、上記と同様の問題があるが、図４に示すように、下スライド部８６の長さが変化することにより、人の腕の動作を検出することができる。なお、人の腕は、一つの関節を単独で動かせることはあまりなく、一つの動作に際して複数の関節が同時に動くことが多い。図４では、肘を介して前腕を上腕に対して屈曲させる運動に伴い、前腕が肘に対して少しねじれていることにより、第五シャフト５１が第五センサ５０に対して少し回動している様子を例示している。

また、動作検出装置１における第三軸Ｐ３及び第五軸Ｐ５は、それぞれ人の動作のうち上腕に対する肘のねじり運動、及び、肘に対する前腕のねじり運動を検出するためのものである。しかしながら、人の腕のねじり動作は二本の骨の交差により行われるものであり、単一の回動中心軸周りに回動する訳ではない。そのため、人が腕のねじり動作をするとき、そのねじり動作を検出させるために動作検出装置１に設定している回動中心軸に対応している軸方向以外にも、人の腕には動きが生じる。例として、人が肘を介して前腕を上腕に対して屈曲させた状態から、更に前腕を肘に対して外側にねじった際の動作検出装置１を、図５に示す。動作検出装置１では、第五軸Ｐ５周りの回動が生じているだけではなく、第四軸Ｐ４に傾きが生じ、これに伴って下ヒンジ部８２が回動しており、人の腕では前腕のねじりに伴って肘の位置も動いていることを、動作検出装置１が検出していることが分かる。

同じく、人が肘を介して前腕を上腕に対して屈曲させた状態で、更に肘に対して上腕を外側にねじった際の動作検出装置１を、図６に示す。動作検出装置１では、第三軸Ｐ３周りの回動が生じているだけではなく、第四軸Ｐ４に傾きが生じ、これに伴って下ヒンジ部８２が回動しており、人の腕では肘のねじりに伴って肘の位置も動いていることを、動作検出装置１が検出していることが分かる。

上記のように、動作検出装置１によれば、人の腕の自由な動作を妨げることなく、人の腕の種々の動作を、五つの軸の回動角度として検出することができる。

また、人の身体における仮想の回動中心軸と動作検出装置１の回動中心軸とは、離れ過ぎないことが望ましい。動作検出装置１では、第二センサ２０の回転軸と同軸の第二シャフト２１に固定されているシャフト部７１ｂと、第一センサ１０を保持しているホルダ部７１ｄとを、細長い連結部７１ｃの異なる端部側に固定しているため、第二軸Ｐ２が人の肩より高い位置にあるのに対し、第一軸Ｐ１は基本姿勢で第二軸Ｐ２より低い位置にある。これにより、肩装着部９１を人の肩の上に載置するように装着することにより、動作検出装置１の姿勢を安定させることができるものの、肩装着部９１に支持された第二センサ２０の回転軸が肩より高い位置となってしまう本実施形態において、第二センサ２０の回転軸と直角をなす第一センサ１０の回転軸を、人の身体における仮想の回動中心軸と近い高さに位置させることができる。

次に、第二実施形態の動作検出装置２について、動作検出装置１と対比しつつ図９を用いて説明する。第一実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し詳細な説明は省略する。動作検出装置１と動作検出装置２とは、肩検出部６１における第一センサ１０と第二センサ２０の位置関係が異なっている。第一実施形態の動作検出装置１では、図９（ａ），（ｂ）に示すように、第二センサ２０が肩装着部９１の上に位置しており、第二軸Ｐ２と直角をなす第一軸Ｐ１を回転軸とする第一センサ１０が上連結部６５に連結されていた。これに対し、第二実施形態の動作検出装置２の肩検出部６１ｂでは、第一センサ１０が肩装着部９１の上に位置しており、第一軸Ｐ１と直角をなす第二軸Ｐ２を回転軸とする第二センサ２０が上連結部６５に連結されている。

より具体的には、第一センサ１０は肩装着部９１の上に、第一軸Ｐ１が左右方向となるように固定されており、第一センサ１０の第一シャフト１１は、同軸で直線状に延びるシャフト部７１ｂ’によって連結部７１ｃに固定されている。一方、第二センサ２０はホルダ部７１ｄに、第二軸Ｐ２が前後方向となるように固定されており、第二センサ２０の第二シャフト２１が、上ヒンジ部８１の回動部材８１ａに同軸に固定されている。従って、第二実施形態では、第二シャフト２１が「肩部シャフト」に相当する。

このような構成であっても、第一実施形態の動作検出装置１と第一軸Ｐ１及び第二軸Ｐ２の方向の関係が同じであるため、上記と同様に人の腕の動作を検出することができる。なお、動作検出装置１では、上連結部６５及び下連結部６６が上腕及び前腕の外側（右側または左側）に配されるのに対し、第二実施形態の動作検出装置２では、上連結部６５及び下連結部６６が上腕及び前腕の前側に配されることとなる。人の腕の動作のうち、腕を上方に挙げる動作や肘に対して前腕を屈曲させる動作など、多くの動作において装置の自重を人の腕が受けることができる点で、第一実施形態の動作検出装置１がより望ましい。

動作検出装置１，２で人の腕の動作を検出することにより、図１０に例示するロボットアーム９を制御することができる。ロボットアーム９は、肩部１００、肩部１００に連結された上腕部１３０、上腕部１３０に連結された肘部１４０、肘部１４０に連結された前腕部１５０、前腕部１５０に連結された手首部１６０、手首部１６０に連結された手部１７０を備えている。そして、ロボットアーム９は、肩部１００を介する上腕部１３０の前後方向の回動を駆動する第一モータＭ１０と、肩部１００を介する上腕部１３０の上下方向の回動を駆動する第二モータＭ２と、上腕部１３０に対する肘部１４０のねじり回動を駆動する第三モータＭ３と、肘部１４０を介する前腕部１５０の上腕部１３０に対する屈伸のための回動を駆動する第四モータＭ４と、肘部１４０に対する前腕部１５０のねじり回動を駆動する第五モータＭ５と、手部１７０を橈屈・尺屈させる回動を駆動する第六モータＭ６と、手部１７０を掌屈・背屈させる回動を駆動する第七モータＭ７と、手部１７０の五本の指の屈伸及び第一指の回動を駆動する第八モータＭ８を具備している。

ロボットアーム９においては、第一モータＭ１の回転軸である第一軸Ｒ１と、第二モータＭ２の回転軸である第二軸Ｒ２とが直交しており、第三モータＭ３の回転軸である第三軸Ｒ３と第二軸Ｒ２とが直交しており、第四モータＭ４の回転軸である第四軸Ｒ４と第三軸Ｒ３とが直交しており、第五モータＭ５の回転軸である第五軸Ｒ５と第四軸Ｒ４とが直交しており、第六モータＭ６の回転軸である第六軸Ｒ６と第五軸Ｒ５とが直交しており、第七モータＭ７の回転軸である第七軸Ｒ７は第六軸Ｒ６と直交している。

従って、動作検出装置１，２で検出された第一軸Ｐ１〜第五軸Ｐ５周りの回動角度に基づいて、ロボットアーム９の第一軸Ｒ１〜第五軸Ｒ５周りの回動角度をそれぞれ制御することにより、ロボットアーム９に人の腕に近い動作をさせることができる。

なお、ロボットアーム９の第六軸Ｒ６、第七軸Ｒ７周りの回動動作、及び、五本の指部の動きを制御するための人の手の動作検出は、図１１に示すグローブ型検出装置２００を使用して行うことができる。このグローブ型検出装置２００は、電圧の変化によって曲げを検出するセンサを、片方の手に八つ備えている。手の甲を被覆する部分に第三指から手首に向かう方向に配されているセンサ２０１によって、人の手を掌屈または背屈させる回動角度を検出することができる。また、第五指側の外側を被覆する側面部分に第五指から手首に向かう方向に配されたセンサ２０２によって、人の手を橈屈・尺屈させる回動角度を検出することができる。

また、各指において指背側を被覆する部分に、指と同方向に配されたセンサ２０３によって、各指を屈伸させる回動角度を検出することができる。親指を被覆する部分には、外側にもう一つのセンサ２０４が配されている。このセンサ２０４は、第一指の付け根で指に交差する仮想の軸周りに、第一指が回動する角度を検出する。なお、図１１では、人の右手に装着するグローブ型検出装置２００を例示しているが、左手用のグローブ型検出装置と対称の構造である。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

例えば、各センサ及びそのセンサの回転軸と同軸のシャフトについて、他の部材に対する固定の関係は逆にすることができる。具体的に例示すると、上記の実施形態では、第二センサ２０が肩装着部９１に対して固定されており、その回転軸と同軸で第二センサに対して相対的に回転する第二シャフト２１がシャフト部７１ｂに固定されていた。これに限定されず、シャフト部７１ｂに第二センサ２０が固定されている一方で、第二シャフト２１が肩装着部９１に固定されている構成としても、人の上腕を上下方向に回動させる角度を、第二センサ２０によって検出することができる。

同様に、上記の実施形態では、第一センサ１０が肩保持部７１に固定されており、第一シャフト１１が上ヒンジ部８１の回動部材８１ａに固定されていた。この関係を逆にして、第一センサ１０が回動部材８１ａに固定されており、第一シャフト１１が肩保持部７１に固定されている構成とすることができる。また、上記の実施形態では、第四センサ４０が肘保持部７４のホルダ部７４ａに固定されており、第四シャフト４１がシャフト部７４ｂに固定されていた。この関係を逆にして、第四センサ４０がシャフト部７４ｂに固定されており、第四シャフト４１がヒンジ部８２の回動部材８２ｂと直交する方向となるように、肘保持部７４に固定されている構成とすることができる。

１，２ 動作検出装置
１０ 第一センサ
２０ 第二センサ
３０ 第三センサ
４０ 第四センサ
５０ 第五センサ
６１ 肩検出部
６２ 上腕検出部
６３ 前腕検出部
６４ 肘検出部
６５ 上連結部
６６ 下連結部
７１ 肩保持部
８１ 上ヒンジ部
８２ 下ヒンジ部
８５ 上スライド部
８６ 下スライド部
９１ 肩装着部
９２ 上腕装着部
９３ 前腕装着部
Ｐ１ 第一軸
Ｐ２ 第二軸
Ｐ３ 第三軸
Ｐ４ 第四軸
Ｐ５ 第五軸

Claims (1)

1. 人の肩の上に装着される肩装着部に支持されている肩検出部と、
   人の上腕に装着される上腕装着部に支持されている上腕検出部と、
   人の前腕に装着される前腕装着部に支持されている前腕検出部と、
   前記肩検出部と前記上腕検出部とを連結している上連結部と、
   前記上腕検出部と前記前腕検出部とを連結している下連結部と、を具備し、
   前記肩検出部は、前記上腕検出部及び前記前腕検出部の前後方向の回動の軸である第一軸周りの回動角度を検出する第一センサ、前記第一軸の方向と直角をなす第二軸周りの回動角度を検出する第二センサ、及び前記第一センサと前記第二センサとを連結しつつ保持している肩保持部を有しており、前記第一センサ及び前記第二センサの一方の回転軸と同軸の肩部シャフトが前記上連結部と連結されており、
   前記上連結部は、前記肩部シャフトの軸と直交する第三軸に沿って長さが変化する上スライド部、及び該上スライド部の長さの変化に伴いヒンジ軸周りに回動可能な上ヒンジ部を有しており、
   前記上腕検出部は、前記第三軸と同軸または平行な軸周りの回動角度を検出する第三センサを有しており、
   前記下連結部は、第四軸周りの回動により前記上スライド部に対して屈伸し且つ前記第四軸と直交する第五軸に沿って長さが変化する下スライド部、該下スライド部の長さの変化に伴いヒンジ軸周りに回動可能な下ヒンジ部、及び前記第四軸周りの回動角度を検出する第四センサを有しており、
   前記前腕検出部は、前記第五軸と同軸または平行な軸周りの回動角度を検出する第五センサを有している
   ことを特徴とする動作検出装置。

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