JP2020196090A - アシスト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】着脱が容易で安価なアシスト装置を提供しようとするものである。【解決手段】関節の周囲に装着されて関節の動作を補助するアシスト装置であり、関節から一方側に延びる第１骨格に装着される第１フレームと、関節から他方側に延びる第２骨格に装着される第２フレームと、関節の回転中心と同軸上に配置され第１フレームと第２フレームとを回転可能に連結する回転支持部と、回転支持部を中心として第２フレームを第１フレームに対し回転方向一方側に回転させるアクチュエータと、第２フレームの回転方向一方側を向く面に取り付けられ第２フレームと第２骨格とに挟まれて接触圧を検出する感圧センサと、アクチュエータの動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、感圧センサの検出値に応じた駆動トルクでアクチュエータを駆動する、アシスト装置。【選択図】図５

Description

本発明は、アシスト装置に関するものである。

介護の負担を軽減するための様々な支援機器の開発が行われている。特許文献１には、人が前屈姿勢および脚部の屈曲姿勢から復帰する際の動作を補助する筋力補助装置が開示されている。この装置では、体勢の変化を検知するためのセンサが背上部に配置されており、そこでの検知結果を基にアシスト力を制御する。また、特許文献２には、生体信号を検出する生体信号センサの検出結果を基に、アシスト力を制御するリハビリテーション支援装置が開示されている。

特開２０１６−１５９１１１号公報 特開２００８−２６４５０９号公報

特許文献１に示すように、アシスト対象の部位から離れた部位のセンサを用いて使用者の姿勢を判断する場合、装置そのものが大型となり、装置の着脱容易性が阻害されるという問題がある。また、特許文献２に示すように、生体信号を基にアシスト力を制御する場合、生体信号センサの取り付けに時間を要し、やはり着脱容易性が低いという問題がある。

そこで本発明は、着脱が容易なアシスト装置の提供を目的の一つとする。

本発明に係るアシスト装置は、上記課題を解決するために、以下の構成を採用した。
すなわち、本発明に係るアシスト装置は、関節の周囲に装着されて前記関節の動作を補助するアシスト装置であり、前記関節から一方側に延びる第１骨格に装着される第１フレームと、前記関節から他方側に延びる第２骨格に装着される第２フレームと、前記関節の回転中心と同軸上に配置され前記第１フレームと前記第２フレームとを回転可能に連結する回転支持部と、前記回転支持部を中心として前記第２フレームを前記第１フレームに対し回転方向一方側に回転させるアクチュエータと、前記第２フレームの回転方向一方側を向く面に取り付けられ前記第２フレームと前記第２骨格とに挟まれて接触圧を検出する感圧センサと、前記アクチュエータの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記感圧センサの検出値に応じた駆動トルクで前記アクチュエータを駆動する。

この構成によれば、アシスト装置は、感圧センサの検出値に応じた最適なアシスト力で使用者の関節の動作を補助することができる。このため、生体信号センサ等の高価なセンサを用いる必要がなく、アシスト装置を安価に構成できる。また、感圧センサは、第２フレームに取り付けられる。第２フレームは、アシスト装置において第２骨格にアシスト力を与える部位であるため、使用者の姿勢を判定するための大掛かりな構成を必要とせず、アシスト装置を小型化することができ、アシスト装置を安価にすることができるばかりでなく、アシスト装置の着脱容易性を高めることができる。

上述のアシスト装置において、前記制御部は、前記感圧センサの検出値が第１閾値を下回る場合に前記アクチュエータの駆動トルクを最小値とする構成としてもよい。

この構成によれば、感圧センサの検出値に応じて、アシスト装置のアシスト力を最小値とする。これにより、アシスト装置による補助が不要な状態で、アシスト装置から使用者に過度な力が加わることを抑制できる。なお、駆動トルクの最小値は、０であってもよい。この場合、アクチュエータが駆動しない。

上述のアシスト装置において、前記制御部は、前記感圧センサの検出値が前記第１閾値を下回った時間が、予め設定された待機時間を超えた場合に前記アクチュエータの駆動トルクを最小値とする構成としてもよい。

感圧センサは、第２フレームと第２骨格との接触圧を検出するため、アシスト装置に衝撃等が加わった場合等に、検出値が瞬間的に第１閾値を下回ることが想定される。上述の構成によれば、感圧センサの検出値の瞬間的な下降が発生した際に駆動トルクが最小値となることを抑制できる。結果的に、十分なアシスト力が必要なのに関わらずアシスト力が小さくなることを抑制することができる。

上述のアシスト装置において、前記制御部は、前記感圧センサの検出値が前記第１閾値以上である場合に、前記アクチュエータの駆動トルクを前記感圧センサの検出値に応じて変化させる構成としてもよい。

この構成によれば、制御部は、感圧センサの検出値が十分に大きい場合に、駆動トルクを任意の制御関数で制御することができる。これにより、使用者にとっての快適性を高めつつ電力消費を抑えた制御を行うことができる。例えば、制御部は、感圧センサの検出値に対して駆動トルクをリニアに変化させる制御を行うことができる。また、制御部は、感圧センサの検出値に応じて、駆動トルクを段階的に変化させる制御を行ってもよい。

上述のアシスト装置において、前記関節には、第２骨格を第１骨格に対して回転方向他方側に相対的に回転させる方向に重力負荷が加わり、前記制御部は、前記第２フレームが前記重力負荷と同方向に回転する場合に適用される持ち下げモードと、前記第２フレームが前記重力負荷と逆方向に回転する場合に適用される持ち上げモードと、を有し、前記持ち下げモードにおいて、前記制御部は、前記第２フレームを介して前記アクチュエータにより前記第２骨格に動作に抗する反力を与え、前記持ち上げモードにおいて、前記制御部は、前記第２フレームを介して前記アクチュエータにより前記第２骨格の動作を補助する構成としてもよい。

この構成によれば、制御部は、使用者が重力負荷と同方向に関節を動作させる場合に、持ち下げモードに移行して、重量物を持ち下げる動作を補助することができる。また、この構成によれば、制御部は、使用者が重力負荷に抗して関節を動作させる場合に、持ち上げモードに移行して、重力物を持ち上げる動作を補助することができる。

上述のアシスト装置において、前記制御部は、前記感圧センサの検出値の時間微分値が、第２閾値を下回った場合に、持ち上げモードに移行する構成としてもよい。

上述のアシスト装置では、感圧センサは、第２骨格に対して回転方向他方側に位置する。したがって、使用者が重力負荷に抗して第２骨格を回転方向一方側に動作した直後に、感圧センサの検出値は急激に減少する。上述の構成によれば、制御部が、感圧センサの検出値の変化率として検出値の時間微分値を監視することで、使用者が重力負荷に抗した動作を開始することを即座に判断することができる。結果的に、持ち上げモードへの移行の応答性を高めることができ、使用者が重力負荷の持ち上げを開始する際の負荷を即座に軽減できる。

上述のアシスト装置において、前記制御部は、前記持ち上げモードに移行した直後に、前記アクチュエータの駆動トルクを最大値とする構成としてもよい。

持ち上げモードに移行した直後は、感圧センサの検出値が急激に減少するため、検出値に基づいてアクチュエータの駆動トルクを決定するとアシスト力が不足する。上述の構成によれば、制御部８０が持ち上げモードに移行した直後に、感圧センサの検出値に問わず、アクチュエータ４０が最大値の駆動トルクを出力することで、使用者の持ち上げ動作をより容易とすることができる。

上述のアシスト装置において、前記関節が股関節であり、前記第１フレームは、前記第１骨格としての腰部に装着され、前記第２フレームは、前記第２骨格としての大腿部に装着される構成としてもよい。

この構成によれば、アシスト装置は、股関節の動作を補助する。このため、アシスト装置は、重量物の持ち上げおよび持ち下げを行う使用者の動作を補助することができる。

上述のアシスト装置において、前記第２フレームは、回転支持部から前記大腿部の側部を通過して延びる基部と、前記基部の先端から身体の内側に向かって延びる対向部と、を有し、前記対向部は、前記大腿部の前側に位置する構成としてもよい。

この構成によれば、アシスト装置は、第２フレームの対向部によって大腿部の前側から大腿部の動作を補助する。この構成によれば、第２フレームを大腿部に固定する必要がなく、アシスト装置の着脱容易性を高めることができる。

本発明によれば、着脱が容易なアシスト装置を提供できる。

図１は、一実施形態のアシスト装置を装着する使用者の正面図である。 図２は、一実施形態のアシスト装置の側面図である。 図３は、一実施形態のアシスト装置の斜視図である。 図４は、一実施形態のアシスト装置に搭載される伝達機構を示す図である。 図５は、一実施形態のアシスト装置を装着する使用者の立位姿勢を示す模式図である。 図６は、一実施形態のアシスト装置を装着する使用者の蹲踞姿勢を示す模式図である。 図７は、一実施形態のアシスト装置を装着する使用者の前屈姿勢を示す模式図である。 図８は、持ち下げ動作、維持動作、持ち上げ動作を順に行う場合の感圧センサの検出値、時間微分値およびアクチュエータの駆動トルクの経時的な変化を示すグラフである。

次に、本発明の一実施形態のアシスト装置１について、図面に基づいて説明する。なお、本明細書において、アシスト装置１が装着された立位姿勢の使用者９０を基準として、アシスト装置１の方向（前方、後方、右方、左方、上方および下方）を説明する。しかしながら、アシスト装置１の使用時の姿勢は、本実施形態に限定されない。

図面においては、適宜３次元直交座標系としてＸＹＺ座標系を示す。ＸＹＺ座標系において、Ｚ軸方向は、＋Ｚ側を上側とし、−Ｚ側を下側とする鉛直方向である。Ｘ軸方向は、Ｚ軸方向と直交する方向であってアシスト装置１が装着される使用者９０の前後方向である。本実施形態において、＋Ｘ側は、使用者９０の前側であり、−Ｘ側は、使用者９０の後側である。Ｙ軸方向は、Ｘ軸方向とＺ軸方向との両方と直交する方向であって、使用者９０の左右方向である。本実施形態において、＋Ｙ側は、使用者９０の左側であり、−Ｙ側は、使用者９０の右側である。

図１は、一対のアシスト装置１を装着する使用者の正面図である。本実施形態において、使用者９０の一対の股関節（関節）９３の周囲には、それぞれアシスト装置１が装着される。アシスト装置１は、股関節９３の周囲に装着されて股関節９３の動作を補助するアシスト装置である。一対のアシスト装置１は、１つの制御部８０を共有する。一対のアシスト装置１は、左側の股関節９３の動作をアシストする左側アシスト装置１Ｌと、右側の股関節９３の動作をアシストする右側アシスト装置１Ｒと、に分類される。左側アシスト装置１Ｌと右側アシスト装置１Ｒとは、互いに左右対称な構成を有する。以下の説明では、一対のアシスト装置１のうち、左側の股関節９３の動作をアシストする左側アシスト装置１Ｌについて図面を基に説明する。

図２は、左側アシスト装置１Ｌを右側から見た側面図である。また、図３は、左側アシスト装置１Ｌの斜視図である。なお、以下の説明において、左側アシスト装置１Ｌを単にアシスト装置１として説明する。

アシスト装置１は、第１フレーム１０と、第２フレーム２０と、第１フレーム１０と第２フレーム２０とを回転可能に連結する回転支持部３０と、アクチュエータ４０と、アクチュエータ４０の動力を駆動対象に伝達する伝達機構５０と、ロータリーエンコーダ（角度センサ）４１と、感圧センサ７０と、制御部８０（図１参照）と、を備える。また、アシスト装置１は、アクチュエータ４０および制御部８０に電力を供給する図示略のバッテリを備える。

（第１フレーム）
図１に示すように、第１フレーム１０は、使用者９０の腰部（第１骨格）９１に装着される。第２フレーム２０は、使用者９０の大腿部（第２骨格）９２に装着される。
本実施形態では、股関節９３の動作を補助するアシスト装置１について説明する。しかしながら、アシスト装置は他の関節の周囲に装着され手当該関節の動作を補助するものであってもよい。アシスト装置が他の関節の動作を補助する場合においても、第１フレーム１０は関節から一方側に延びる第１骨格（本実施形態における腰部９１）に装着され、第２フレーム２０は関節から他方側に延びる第２骨格（本実施形態における大腿部９２）に装着される。一例として、アシスト装置は、肘関節の動作を補助するものであってもよい。この場合、第１フレームは、第１骨格としての上腕部に装着され、第２フレームは、第２骨格としての前腕部に固定される。

図２に示すように、第１フレーム１０は、回転支持部３０から上側に延びる。第１フレーム１０は、回転支持部３０に支持される第１基部１１と、第１基部１１から腰部９１の側部を通過して上側に延びる延在部１２と、延在部１２の上端部に位置する固定部１３と、を有する。固定部１３は、図示略の固定バンドを介して使用者９０の腰部に固定される。すなわち、第１フレーム１０は、固定部１３において腰部９１に固定される。また、固定部１３には、アクチュエータ４０と伝達機構５０と、が固定される。

（第２フレーム）
第２フレーム２０は、回転支持部３０から下側に延びる。第２フレーム２０は、回転支持部３０から大腿部９２の側部を通過して延びる第２基部（基部）２１と、第２基部２１の先端から身体の内側に向かって延びる対向部２２と、を有する。対向部２２は、大腿部９２の前側に位置する。対向部２２は、大腿部９２に前側から接触する。アシスト装置１は、対向部２２において大腿部９２に力を付与する。

対向部２２は、大腿部９２と対向する対向面２２ａを有する。対向面２２ａは、後方を向く面である。また、対向面２２ａは、前後方向において大腿部９２に対向する。

対向部２２は、少なくとも対向面２２ａを覆う緩衝材２２ｂを有する。対向面２２ａは、緩衝材２２ｂを介して大腿部９２に接触する。緩衝材２２ｂは、ウレタン等の衝撃吸収材から構成される。対向面２２ａに緩衝材２２ｂが取り付けられることで、使用者９０と対向部２２との接触圧が局所的に大きくなることを抑制できる。このため、対向部２２との接触部において使用者９０が痛みを感じることを抑制できる。なお、緩衝材２２ｂは、対向面２２ａのみならず、対向部２２の外表面全体を覆うように対向部２２に取り付けられていてもよい。

なお、本実施形態において、第２フレーム２０は、対向部２２において大腿部９２に接触することで装着される。アシスト装置１は、第２フレーム２０の対向部２２によって大腿部９２の前側から大腿部９２の動作を補助する。本実施形態によれば、第２フレーム２０を大腿部９２に固定する必要がなく、アシスト装置１の着脱容易性を高めることができる。なお、第２フレーム２０は、固定ベルトなどを用いて大腿部９２に固定されていてもよい。

（回転支持部）
回転支持部３０は、股関節９３の回転中心と同軸上に配置される。回転支持部３０は、シャフト３１と、駆動プーリ３２と、を有する。

シャフト３１は、左右方向に沿って延びる。シャフト３１は、第１フレーム１０の第１基部１１にベアリングを介して回転可能に支持される。すなわち、回転支持部３０は、第１フレーム１０に回転自在に支持される。

駆動プーリ３２は、シャフト３１に固定され、シャフト３１とともに第１フレーム１０に対して回転する。駆動プーリ３２は、伝達機構５０の一対の第２ワイヤ６２が接続される。駆動プーリ３２は、第２フレーム２０の第２基部２１に固定される。すなわち、回転支持部３０は、駆動プーリ３２において第２フレーム２０に固定される。

（アクチュエータ）
アクチュエータ４０は、本実施形態においてモータである。アクチュエータ４０の出力シャフトは、上下方向に沿って延び、上端部において伝達機構５０に接続され、下端部においてロータリーエンコーダ４１に接続される。アクチュエータ４０は、第１フレーム１０の固定部１３に支持される。アクチュエータ４０の駆動トルクは、伝達機構５０を介して第２フレーム２０に伝わり回転支持部３０を中心として第２フレーム２０を第１フレーム１０に対し回転方向一方側θ１に回転させる。

（ロータリーエンコーダ）
ロータリーエンコーダ４１は、アクチュエータ４０の出力シャフトに接続される。ロータリーエンコーダ４１は、アクチュエータ４０の出力シャフトの回転角を検出する。本実施形態においてアクチュエータ４０の回転は回転支持部３０に伝わり、回転支持部３０の回転は伝達機構５０を介してアクチュエータ４０に伝わる。すなわち、ロータリーエンコーダ４１は、回転支持部３０の回転角度を検出する。

（伝達機構）
伝達機構５０は、第１フレーム１０に支持される。伝達機構５０は、アクチュエータ４０の駆動トルクを減速しつつ第２フレーム２０に伝達する。

図４は、伝達機構５０を示す図である。なお、図４では、分かり易さのため、伝達機構５０の一部が省略されている。

伝達機構５０は、アクチュエータ４０に接続される減速ユニット５９（図３参照）と、減速ユニット５９に接続される第１プーリ５１と、一対のアイドルプーリ５５（図３参照）と、第２プーリ５２と、第３プーリ５３と、一対の第１ワイヤ６１と、一対の第２ワイヤ６２と、を有する。伝達機構５０は、アクチュエータ４０の動力を、減速ユニット５９、第１プーリ５１、第１ワイヤ６１、第２プーリ５２、第３プーリ５３および第２ワイヤ６２の順で伝達して駆動プーリ３２に伝える。

本実施形態において、減速ユニット５９として、遊星ギヤを用いた減速機構を有するユニットが適用される。一般的な産業用ロボットにおいて、大きな減速比が必要な場合、減速ユニットとして、ハーモニックドライブ（登録商標）が用いられる場合がある。ハーモニックドライブは、一般的にバックドライブ性が低いことが知られている。ここでバックドライブ性とは、伝達機構５０の出力側に外部トルクを加えたときの、入力側へのトルクの伝わりやすさを言う。

本実施形態の伝達機構５０は、遊星ギヤからなる減速ユニット５９と、プーリ−ワイヤからなる減速機構と、から構成されるため、バックドライブ性に優れる。伝達機構５０は、使用者９０による第２フレーム２０の操作力を、高効率でアクチュエータ４０側に伝達する。したがって、アクチュエータ４０が起動しない状態であっても、使用者９０がアシスト装置１の回転支持部３０を容易に回転させることができ、アシスト装置１の着脱を容易とすることができる。加えて、使用者９０は、アクチュエータ４０が起動しない場合であっても、股関節９３を自由に屈曲させることができ、アシスト装置１によるアシスト力を必要としない場合にアクチュエータ４０を停止させることができる。このため、本実施形態のアシスト装置１は、省電力性に優れる。

一対の第１ワイヤ６１は、第１プーリ５１と第２プーリ５２とにそれぞれ固定されて巻きかけられる。第１ワイヤ６１は、第１プーリ５１と第２プーリ５２との間で、アイドルプーリ５５に巻きかけられる。アイドルプーリ５５は、第１ワイヤ６１の張力の方向を変換する。

一対の第１ワイヤ６１は、プーリに対する巻き付け方向が互いに反対となっている。一対の第１ワイヤ６１のうち一方は、第１プーリ５１が一方向に回転することによって第１プーリ５１に巻き付けられるとともに第２プーリ５２から巻き出される方向に巻き付けられる。他方の第１ワイヤ６１は、第１プーリ５１が他方向に回転することによって第１プーリ５１に巻き付けられるとともに第２プーリ５２から巻き出される方向に巻き付けられる。これにより、一対の第１ワイヤ６１は、何れの回転方向においても、第１プーリ５１と第２プーリ５２との間で動力を伝達する。

第２プーリ５２と第３プーリ５３とは、同軸上に配置される。また、第２プーリ５２と第３プーリ５３とは、共通の回転シャフトに固定されており、互いに一体的に回転する。したがって、第２プーリ５２および第３プーリ５３の何れか一方に加わったトルクは、当該回転シャフトを介して、他方に伝わる。

第２ワイヤ６２は、第３プーリ５３と駆動プーリ３２とにそれぞれ固定されて巻きかけられる。一対の第２ワイヤ６２は、プーリに対する巻き付け方向が互いに反対となっている。一対の第２ワイヤ６２のうち一方は、第３プーリ５３が一方向に回転することによって第３プーリ５３に巻き付けられるとともに駆動プーリ３２から巻き出される方向に巻き付けられる。他方の第２ワイヤ６２は、第３プーリ５３が他方向に回転することによって第３プーリ５３に巻き付けられるとともに駆動プーリ３２から巻き出される方向に巻き付けられる。これにより、一対の第２ワイヤ６２は、何れの回転方向においても、第３プーリ５３と駆動プーリ３２との間で動力を伝達する。
なお、一対の第２ワイヤ６２は、それぞれ、パイプ状のシース（図示略）の内部を通されている。シースは、第２ワイヤ６２を第３プーリ５３と駆動プーリ３２との間で引き回すために設けられる。

伝達機構５０は、アクチュエータ４０から出力された駆動トルクを減速して駆動プーリ３２に伝える。また、駆動プーリ３２に伝わった駆動トルクは、第２フレーム２０に伝わり、第２フレーム２０を回転支持部３０周りに回転させる。

（感圧センサ）
図２に示すように、感圧センサ７０は、第２フレーム２０に取り付けられる。感圧センサ７０は、接触圧を出力するセンサである。感圧センサ７０は、制御部８０に接続される。感圧センサ７０は、圧力の検出値を制御部８０に送信する。感圧センサ７０は、緩衝材２２ｂを介して対向部２２の対向面２２ａに取り付けられる。感圧センサ７０は、第２フレーム２０と大腿部９２とに挟まれて接触圧を検出する。

（制御部）
制御部８０は、電源線又は信号線を介して、アクチュエータ４０、ロータリーエンコーダ４１および感圧センサ７０に接続されている。制御部８０は、ロータリーエンコーダ４１および感圧センサ７０で検出された検出値を基に、アクチュエータ４０の動作を制御する。より具体的には、制御部８０は、主に感圧センサ７０の検出値に応じた駆動トルクでアクチュエータ４０を駆動する。また、制御部８０は、ロータリーエンコーダ４１で検出される回転角度を基にアクチュエータ４０をフィードバック制御する。

図５は、重量物Ｗを持った立位姿勢の使用者９０の模式図であり、図６は、重量物Ｗを持った蹲踞姿勢の使用者９０の模式図である。なお、本明細書において、蹲踞姿勢とは、上半身を立てたまましゃがむ姿勢を意味する。

以下の説明において、股関節９３を伸ばす動作における腰部９１に対する大腿部９２の回転方向を回転方向一方側θ１と呼ぶ。すなわち、回転支持部３０を中心として、第２フレーム２０を第１フレーム１０に離間させる回転方向を回転方向一方側θ１と呼ぶ。
また、股関節９３を折り曲げる動作における腰部９１に対する大腿部９２の回転方向を回転方向他方側θ２と呼ぶ。すなわち、回転支持部３０を中心として、第２フレーム２０を第１フレーム１０に近接させる回転方向を回転方向他方側θ２と呼ぶ。回転方向一方側θ１と回転方向他方側θ２とは、正負逆転させた同軸を中心とする回転方向である。

また、以下の説明において、重量物Ｗを持ったまま立位姿勢から蹲踞姿勢に移行する動作を持ち下げ動作と呼び、重量物Ｗを持ったまま蹲踞姿勢から立位姿勢に移行する動作を持ち上げ動作と呼び、重量物Ｗを持ったまま股関節９３を一定の角度で曲げて維持する状態を維持動作と呼ぶ。持ち下げ動作、持ち上げ動作および維持動作において、使用者９０の股関節９３には、股関節９３を折り曲げる方向（すなわち、大腿部９２を腰部９１に対して回転方向他方側θ２に回転させる方向）に重力負荷が加わる。
なお、持ち下げ動作における最終的な姿勢、および持ち上げ動作における始動時の姿勢は、腰関節を屈曲させた姿勢であれば蹲踞姿勢に限定されず、例えば、図７に示す前屈姿勢であってもよい。

制御部８０は、持ち下げ動作および維持動作に適用される持ち下げモードと、持ち上げ動作に適用される持ち上げモードと、の２つの制御モードを有する。制御部８０は、適用される制御モードによって異なる制御を行う。なお、制御部８０は、持ち下げモードおよび持ち上げモードに加えて他の制御モードを有していてもよい。他の制御モードとしては、アクチュエータ４０を起動しない待機モードなどが例示される。

持ち下げモードおよび持ち上げモードにおいて、制御部８０は、アクチュエータ４０により第２フレーム２０に対して回転方向一方側θ１のトルクを与える。第２フレーム２０は、回転方向一方側θ１を向く対向面２２ａにおいて緩衝材２２ｂを介して大腿部９２の前側に接触する。持ち下げモードおよび持ち上げモードにおいて、第２フレーム２０は、大腿部９２に回転方向一方側θ１の力を付与する。

本実施形態によれば、制御部８０は、使用者９０が重力負荷と同方向に股関節９３を動作させる場合に、持ち下げモードに移行して、重量物Ｗを持ち下げる動作を補助することができる。また、本実施形態によれば、制御部８０は、使用者９０が重力負荷に抗して股関節９３を動作させる場合に、持ち上げモードに移行して、重量物Ｗを持ち上げる動作を補助することができる。

図８は、持ち下げ動作、維持動作、持ち上げ動作を順に行う際の感圧センサ７０の検出値、時間微分値およびアクチュエータ４０の駆動トルクを示すグラフである。

図８に示す実施状況において、使用者９０は、時刻ｔ１から時刻ｔ２まで持ち下げ動作を行い、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで維持動作を行い、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで持ち上げ動作を行う。

感圧センサ７０の検出値は、電気信号として制御部８０に送信される。各制御モードにおいて、制御部８０は、感圧センサ７０の検出値に基づいてアクチュエータ４０の駆動トルクを決定する。上述したように、感圧センサ７０は、第２フレーム２０の対向面２２ａに取り付けられ、対向面２２ａと大腿部９２との間に挟まれる。これにより、感圧センサ７０は、第２フレーム２０と大腿部９２との接触圧を検出する。

時間微分値とは、感圧センサ７０の検出値の微小時間あたりの変化率である。制御部８０は、例えば、現在の時刻の検出値と直前の検出値との差分として、検出値の時間微分値を算出する。

アクチュエータ４０は、最小値Ｔｍｉｎ以上、最大値Ｔｍａｘ以下の駆動トルクを出力する。なお、本実施形態において、最小値Ｔｍｉｎは、０である。アクチュエータ４０の駆動トルクが最小値Ｔｍｉｎとなる状態において、アクチュエータ４０は駆動しない。また、最小値Ｔｍｉｎは、第２フレーム２０を大腿部９２に軽く押し付ける程度の駆動トルクであってもよい。

本実施形態において、制御部８０は、感圧センサ７０の検出値に応じた駆動トルクでアクチュエータ４０を駆動する。これにより、アシスト装置１は、感圧センサ７０の検出値に応じた最適なアシスト力で使用者９０の股関節９３の動作を補助することができる。したがって、生体信号センサ等の高価なセンサを用いる必要がなく、アシスト装置１を安価に構成できる。また、感圧センサ７０は、第２フレーム２０に取り付けられる。第２フレーム２０は、アシスト装置１において大腿部９２にアシスト力を与える部位であるため、使用者９０の姿勢を判定するための大掛かりな構成を必要とせず、アシスト装置１を小型化することができ、アシスト装置１の着脱容易性を高めることができる。

制御部８０が、アクチュエータ４０の駆動トルクを最小値Ｔｍｉｎとする場合について説明する。制御部８０には、アクチュエータ４０の駆動トルクを最小値Ｔｍｉｎとするためのトリガーとなる第１閾値Ｐ１が設定されている。制御部８０は、感圧センサ７０の検出値が第１閾値Ｐ１を下回る場合にアクチュエータ４０の駆動トルクを最小値Ｔｍｉｎする。第１閾値Ｐ１としては、アシスト装置１によるアシスト力を必要としない程度の感圧センサ７０の検出値が設定される。これにより、アシスト装置１による補助が不要な状態で、アシスト装置１から使用者９０に過度な力が加わることを抑制できる。これにより、アシスト装置１の操作性および安全性を高めることができる。

なお、本実施形態の制御部８０は、感圧センサ７０の検出値が第１閾値Ｐ１を下回った後に即座にアクチュエータ４０の駆動トルクを最小値Ｔｍｉｎにするのではない。制御部８０は、感圧センサ７０の検出値が第１閾値Ｐ１を下回った時間が、予め設定された待機時間ｔｗを超えた場合にアクチュエータ４０の駆動トルクを最小値Ｔｍｉｎとする。感圧センサ７０は、第２フレーム２０と大腿部９２との接触圧を検出するため、アシスト装置１に衝撃等が加わった場合等に、瞬間的に検出値が第１閾値Ｐ１を下回ることが想定される。このようなケースで、アシスト装置１のアシスト力が最小値Ｔｍｉｎとなってしまうと、使用者９０の操作性が低下する虞がある。本実施形態によれば、感圧センサ７０の検出値が、十分な待機時間ｔｗだけ第１閾値Ｐ１を下回る場合に駆動トルクを最小値Ｔｍｉｎとする。したがって、検出値の瞬間的な下降が発生した際に、このような下降に反応して駆動トルクが最小値Ｔｍｉｎとなることを抑制できる。結果的に、十分なアシスト力が必要なのに関わらずアシスト力が急激に小さくなることを抑制することができ、使用者９０によるアシスト装置１の操作性を高めることができる。

本実施形態において、制御部８０は、感圧センサ７０の検出値が第１閾値Ｐ１以上である場合に、アクチュエータ４０の駆動トルクを検出値に応じて変化させる。したがって、制御部８０は、感圧センサ７０の検出値が十分に大きい場合に、アクチュエータ４０の駆動トルクを任意の制御関数で制御することができる。これにより、使用者９０にとっての快適性を高めつつ電力消費を抑えた制御を行うことができる。本実施形態において、制御部８０は、感圧センサの検出値に対してアクチュエータ４０の駆動トルクをリニアに変化させる制御を行う。なお、制御部８０は、感圧センサ７０の検出値に応じて、アクチュエータ４０の駆動トルクを段階的に変化させる制御を行ってもよい。

以下、各制御モードについて、図８のグラフを基に、より具体的に説明する。

（持ち下げモード）
持ち下げモードは、回転支持部３０を中心として第２フレーム２０が重力負荷と同方向（すなわち、第１フレーム１０に対し回転方向他方側θ２）に回転する場合に適用される制御モードである。また、持ち下げモードは、重力負荷に対して回転支持部３０の回転角度を一定に維持する場合にも適用される制御モードである。すなわち、持ち下げモードは、使用者９０が持ち下げ動作又は維持動作を行う場合に適用される制御モードである。また、アシスト装置１の起動時に、制御部８０は、持ち下げモードに設定される。

持ち下げモードにおいて、制御部８０は、第２フレーム２０を介してアクチュエータ４０により大腿部９２に動作に抗する反力を与える。持ち下げモードにおいて、第２フレーム２０は、大腿部９２に対して回転方向一方側θ１に力を付与する。

使用者９０が持ち下げ動作を行う場合に、第２フレーム２０は、大腿部９２に押されて回転方向他方側θ２に回転する。すなわち、持ち下げ動作において、第２フレーム２０がアクチュエータ４０から付与される駆動トルクの方向と、第２フレーム２０の実際の運動の方向とは、互いに逆方向となる。

使用者９０が、維持動作を行う場合に、第２フレーム２０は、略停止する。この場合、第２フレーム２０が大腿部９２に付与する力と、第２フレーム２０が大腿部９２から受ける力とが略釣り合う。

図８に示す実施状況において、開始時刻から時刻ｔ１に達するまで、感圧センサ７０の検出値は、第１閾値Ｐ１を下回っている。このため、制御部８０は、アクチュエータ４０の駆動トルクを最小値Ｔｍｉｎとする。

時刻ｔ１において、使用者９０が持ち下げ動作を開始すると、第２フレーム２０が大腿部９２に押し付けられる。これにより、第２フレーム２０と大腿部９２との間に挟まれた感圧センサ７０に加わる接触圧が高まり、時刻ｔ１ａにおいて感圧センサ７０の検出値が第１閾値Ｐ１を超える。第１閾値Ｐ１以上である場合に、制御部８０は、感圧センサ７０の検出値がアクチュエータ４０の駆動トルクを検出値に応じて変化させる。本実施形態において、制御部８０は、アクチュエータ４０の駆動トルクを検出値に対してリニアに変化させる。アクチュエータ４０の駆動トルクは、伝達機構５０を介して第２フレーム２０に伝わる。したがって、アクチュエータ４０は、第２フレーム２０を大腿部９２に対し回転方向一方側θ１に押し付ける。使用者９０は、第２フレーム２０から大腿部９２に受ける抗力を利用しながら、股関節９３を動作することで、股関節９３への負荷を軽減させつつ重量物Ｗをゆっくりと下すことができる。

時刻ｔ２から時刻ｔ３までの維持動作において、使用者９０は、前屈姿勢を維持したまま重量物Ｗを保持する。制御部８０は、使用者９０が維持動作を行う場合においても、持ち下げモードでアクチュエータ４０を制御する。制御部８０は、維持動作においても、感圧センサ７０の検出値に応じた駆動トルクでアクチュエータ４０を駆動させる。アクチュエータ４０の駆動トルクは、伝達機構５０を介して第２フレーム２０に伝わる。したがって、アクチュエータ４０は、第２フレーム２０を大腿部９２に対し回転方向一方側θ１に押し付ける。使用者９０は、第２フレーム２０から大腿部９２に受ける抗力を利用して、重量物Ｗを保持したまま股関節９３を一定の角度で維持する。

（持ち上げモード）
持ち上げモードは、回転支持部３０を中心として第２フレーム２０が重力負荷と逆方向（すなわち、回転方向一方側θ１）に回転する場合に適用される制御モードである。

持ち上げモードにおいて、制御部８０は、前記第２フレーム２０を介してアクチュエータ４０により大腿部９２の動作を補助する。持ち上げモードにおいても、第２フレーム２０は、大腿部９２に対して回転方向一方側θ１に力を付与する。

使用者９０が持ち上げ動作を行う場合に、第２フレーム２０は、大腿部９２を押して大腿部９２とともに回転方向一方側θ１に回転する。すなわち、持ち上げ動作において、第２フレーム２０がアクチュエータ４０から付与される駆動トルクの方向と、第２フレーム２０の実際の運動の方向とは、同方向となる。

重量物Ｗの重量が大きい場合、使用者９０はスムーズに重量物Ｗを持ち上げることが困難となる。したがって、ロータリーエンコーダ４１で検出する回転支持部３０の回転角度から、制御部８０は、使用者９０が持ち上げ動作を行っていることを判断しようとすると、応答性が低下するという問題がある。

制御部８０は、感圧センサ７０の検出値の時間微分値が、第２閾値Ｄ２を下回った場合に、持ち上げモードに移行する。本実施形態のアシスト装置１では、感圧センサ７０は、大腿部９２に対して回転方向他方側θ２に位置する。したがって、使用者９０が重力負荷に抗して大腿部９２を回転方向一方側θ１に動作した直後に、感圧センサ７０の検出値は急激に減少する。上述の構成によれば、制御部８０が、感圧センサ７０の検出値の変化率として検出値の時間微分値を監視することで、使用者９０が重力負荷に抗した動作を開始することを即座に判断することができる。結果的に、持ち上げモードへの移行の応答性を高めることができ、使用者９０が重力負荷の持ち上げを開始する際の負荷を即座に軽減できる。

また、持ち上げモードに移行した直後は、感圧センサの検出値が急激に減少するため、検出値に基づいてアクチュエータ４０の駆動トルクを決定するとアシスト力が不足する。本実施形態によれば、アシスト装置１において、制御部８０は、持ち上げモードに移行した直後に、アクチュエータ４０の駆動トルクを最大値Ｔｍａｘとする構成としてもよい。本実施形態において、最大値Ｔｍａｘは、時間微分値が第２閾値Ｄ２を下回ってからトルク維持時間ｔｍだけ、維持される。第２閾値Ｄ２およびトルク維持時間ｔｍは、予め設定されて制御部８０に記憶されている。なお、第２閾値Ｄ２は、負の値である。

本実施形態によれば、制御部８０が持ち上げモードに移行した直後に、感圧センサ７０の検出値に問わず、アクチュエータ４０が最大値の駆動トルクを出力することで、使用者９０の持ち上げ動作をより容易とすることができる。

図８に示す実施状況を基に、持ち上げモードへの移行についてより具体的に説明する。時刻ｔ３において、使用者９０が持ち上げ動作を開始すると、第２フレーム２０が大腿部９２から瞬間的に離間する。これにより、第２フレーム２０と大腿部９２との間に挟まれた感圧センサ７０に加わる接触圧が急激に低下する。これに伴い、感圧センサ７０の検出値の時間微分値もマイナスの値となり、時刻ｔ３ａにおいて第２閾値Ｄ２を下回る。時間微分値が第２閾値Ｄ２を下回ることで、制御部８０は、持ち上げモードに移行するとともに、トルク維持時間ｔｍだけアクチュエータ４０の駆動トルクを最大値Ｔｍａｘとする。アクチュエータ４０の駆動トルクは、伝達機構５０を介して第２フレーム２０に伝わり、第２フレーム２０により持ち上げ動作をアシストする。

時刻ｔ３ａからトルク維持時間ｔｍだけ経過した後において、制御部８０は検出値に基づいてアクチュエータ４０の駆動トルクを決定する。制御部８０は、感圧センサ７０の検出値が第１閾値Ｐ１以上の場合に、アクチュエータ４０の駆動トルクを検出値に対してリニアに変化させる。

図８に示す実施状況において、感圧センサ７０の検出値は、時刻ｔ４において、第１閾値Ｐ１を下回る。制御部８０は、感圧センサ７０の検出値が第１閾値Ｐ１を下回った時間が、予め設定された待機時間ｔｗを超えた場合にアクチュエータ４０の駆動トルクを最小値Ｔｍｉｎとする。制御部８０は、待機時間ｔｗの間、アクチュエータ４０の駆動トルクを最小値Ｔｍｉｎに徐々に近づけるように制御する。

また、制御部８０は、ロータリーエンコーダ４１で検出される回転支持部３０の回転角度が予め設定された移行角度に達した場合に、制御モードを持ち上げモードから持ち下げモードに移行する。本実施形態において、立位姿勢における回転支持部３０の回転角度が、以降角度として設定される。したがって、制御部８０は、使用者９０が持ち上げ動作から立位姿勢となった時点で、持ち下げモードに移行する。このため、アシスト装置１が股関節の可動域を超えて大腿部格に力を付与することを抑制でき、アシスト装置１の安全性を高めることができる。

以上に、本発明の様々な実施形態を説明したが、各実施形態における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。

１…アシスト装置
１０…第１フレーム
２０…第２フレーム
２１…第２基部（基部）
２２…対向部
３０…回転支持部
４０…アクチュエータ
７０…感圧センサ
８０…制御部
９１…腰部（第１骨格）
９２…大腿部（第２骨格）
９３…股関節（関節）
Ｄ２…第２閾値
Ｐ１…第１閾値
Ｔｍａｘ…最大値
Ｔｍｉｎ…最小値
ｔｗ…待機時間
θ１…回転方向一方側
θ２…回転方向他方側

Claims (9)

1. 関節の周囲に装着されて前記関節の動作を補助するアシスト装置であり、
   前記関節から一方側に延びる第１骨格に装着される第１フレームと、
   前記関節から他方側に延びる第２骨格に装着される第２フレームと、
   前記関節の回転中心と同軸上に配置され前記第１フレームと前記第２フレームとを回転可能に連結する回転支持部と、
   前記回転支持部を中心として前記第２フレームを前記第１フレームに対し回転方向一方側に回転させるアクチュエータと、
   前記第２フレームの回転方向一方側を向く面に取り付けられ前記第２フレームと前記第２骨格とに挟まれて接触圧を検出する感圧センサと、
   前記アクチュエータの動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記感圧センサの検出値に応じた駆動トルクで前記アクチュエータを駆動する、
   アシスト装置。
2. 前記制御部は、
   前記感圧センサの検出値が第１閾値を下回る場合に前記アクチュエータの駆動トルクを最小値とする、
   請求項１に記載のアシスト装置。
3. 前記制御部は、前記感圧センサの検出値が前記第１閾値を下回った時間が、予め設定された待機時間を超えた場合に前記アクチュエータの駆動トルクを最小値とする、
   請求項２に記載のアシスト装置。
4. 前記制御部は、前記感圧センサの検出値が前記第１閾値以上である場合に、前記アクチュエータの駆動トルクを前記感圧センサの検出値に応じて変化させる、
   請求項２又は３に記載のアシスト装置。
5. 前記関節には、第２骨格を第１骨格に対して回転方向他方側に相対的に回転させる方向に重力負荷が加わり、
   前記制御部は、前記第２フレームが前記重力負荷と同方向に回転する場合に適用される持ち下げモードと、前記第２フレームが前記重力負荷と逆方向に回転する場合に適用される持ち上げモードと、を有し、
   前記持ち下げモードにおいて、前記制御部は、前記第２フレームを介して前記アクチュエータにより前記第２骨格に動作に抗する反力を与え、
   前記持ち上げモードにおいて、前記制御部は、前記第２フレームを介して前記アクチュエータにより前記第２骨格の動作を補助する、
   請求項１〜４の何れか一項に記載のアシスト装置。
6. 前記制御部は、前記感圧センサの検出値の時間微分値が、第２閾値を下回った場合に、持ち上げモードに移行する、
   請求項５に記載のアシスト装置。
7. 前記制御部は、前記持ち上げモードに移行した直後に、前記アクチュエータの駆動トルクを最大値とする、
   請求項６に記載のアシスト装置。
8. 前記関節が股関節であり、
   前記第１フレームは、前記第１骨格としての腰部に装着され、
   前記第２フレームは、前記第２骨格としての大腿部に装着される、
   請求項１〜７の何れか一項に記載のアシスト装置。
9. 前記第２フレームは、
   回転支持部から前記大腿部の側部を通過して延びる基部と、
   前記基部の先端から身体の内側に向かって延びる対向部と、を有し、
   前記対向部は、前記大腿部の前側に位置する、
   請求項８に記載のアシスト装置。

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