JP2021045273A - 動作アシスト装置及び動作アシストプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】身体機能回復に利用可能な動作アシスト装置を提供すること。【解決手段】実施形態に係る動作アシスト装置は、検出部と、制御部と、アシスト部とを備える。前記検出部は、アシスト器具を装着する装着者の動きを検出する。前記制御部は、運動能力の回復のために設定される基準値と前記装着者の運動能力の実測値との差分に応じたアシストパラメータを設定する。前記アシスト部は、前記アシストパラメータに基づき前記装着者の運動をアシストするアシスト力を提供する。【選択図】 図６

Description

本発明の実施形態は、動作アシスト装置及び動作アシストプログラムに関する。

近年、ユーザの作業負担等を軽減する各種の動作アシスト装置が提案されている。例えば、ユーザは動作アシスト装置を装着し、動作アシスト装置はユーザの膝及び肘などの関節の動きを検知し、モータ等の駆動機構の動力により関節の動きをアシストする。動力は、事前に設定されるパラメータ等に基づき定まる。重量物等を運搬するユーザは、動作アシスト装置を装着し、駆動機構の動力により、作業を楽に進めることができる。

また、このような動作アシスト装置をリハビリテーションの身体機能回復に利用したいという要望がある。対象者に立ち上がり運動を反復させるリハビリテーションにおいては、理学療法士などの医療従事者が１対１で対象者の動作を補助する。高齢化が進行していく中で、リハビリテーションの需要増大が予想されている。しかしながら、リハビリテーションを支える医療従事者の確保、及び医療費の確保は難しいのが現状である。また、立ち上がり運動の補助は、医療従事者にとって大きな負担となっている。

特開２０１８−１６７１３０号公報

社会的背景から、動作アシスト装置をリハビリテーションの身体機能回復に利用したいという要望があるが、上記した動作アシスト装置は身体機能回復の目的に合わないことがある。上記した動作アシスト装置から提供される動力は、ユーザの作業に必要な動力に対して過小又は過剰になることがあるが、いずれにしても作業負担は軽減され、その目的は達成される。しかしながら、リハビリテーションの身体機能回復では、適度な負荷が求められるケースが多く、上記した動作アシスト装置の改善が求められている。

本発明の目的は、身体機能回復に利用可能な動作アシスト装置及び動作アシストプログラムを提供することである。

実施形態に係る動作アシスト装置は、検出部と、制御部と、アシスト部とを備える。前記検出部は、アシスト器具を装着する装着者の動きを検出する。前記制御部は、運動能力の回復のために設定される基準値と前記装着者の運動能力の実測値との差分に応じたアシストパラメータを設定する。前記アシスト部は、前記アシストパラメータに基づき前記装着者の運動をアシストするアシスト力を提供する。

図１は、実施形態に係る動作アシスト装置の外観の一例を示す図であり、ユーザに装着された動作アシスト装置の正面図である。 図２は、実施形態に係る動作アシスト装置の外観の一例を示す図であり、ユーザに装着された動作アシスト装置の側面図である。 図３は、実施形態に係る動作アシスト装置１００の制御系の構成の一例を示すブロック図である。 図４は、実施形態に係る動作アシスト装置の動作遷移の一例を示す図である。 図５は、実施形態に係る動作アシスト装置による第１のアシストモードの一例を示すフローチャートである。 図６は、実施形態に係る動作アシスト装置による第２のアシストモードの一例を示すフローチャートである。 図７は、実施形態に係る動作アシスト装置による第３のアシストモードの一例を示すフローチャートである。 図８は、実施形態に係る動作アシスト装置による第４のアシストモードの一例を示すフローチャートである。 図９は、実施形態に係る動作アシスト装置による第５のアシストモードの一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。
実施形態に係る動作アシスト装置は、装着器具を備え、ユーザは、装着器具により動作アシスト装置を装着し、ユーザに装着された動作アシスト装置は、装着器具の装着者であるユーザの動作をアシストする。動作アシスト装置は、ユーザの関節の動きをモータなどの動力源からの動力によってアシストする。動作アシスト装置は、ユーザの足及び腕等の一部分と接触し、ユーザの動作又は姿勢維持を補助する。例えば、動作アシスト装置は、立ち上がり動作、しゃがみ動作、立位姿勢の保持、及び座位姿勢の保持などを補助する。

本実施形態では、動作アシスト装置は、ユーザの屈伸運動を行う際の筋活動を補助することで身体機能回復をアシストする。身体機能回復の一例として、動作アシスト装置が、ユーザの膝関節の動きをアシストするケースについて説明する。例えば、動作アシストシステムは、リハビリテーション施設などで身体機能回復に努めるユーザの動作をアシストする。

図１は、実施形態に係る動作アシスト装置の外観の一例を示す図であり、ユーザに装着された動作アシスト装置の正面図である。また、図２は、実施形態に係る動作アシスト装置の外観の一例を示す図であり、ユーザに装着された動作アシスト装置の側面図である。

動作アシスト装置１００は、実質的に左右対称の構成を有する左アシスト部と右アシスト部を備える。例えば、左アシスト部は、左関節の動きをアシストし左アシスト力を提供する。一方の右アシスト部は、右関節の動きをアシストし右アシスト力を提供する。本実施形態では、図１及び図２を参照して、左アシスト部について説明し、左アシスト部と左右対称の構成を有する右アシスト部の説明を省略する。

動作アシスト装置１００は、上装具２、上連結部３、上フレーム４、回動支持部５、下フレーム６、下連結部７、下装具８、駆動部１０（アシスト部）、ロータリエンコーダ１６（検出部）、加速度センサ２２、角速度センサ２４（検出部）、トルクセンサ２５、温度センサ２６、圧力センサ２７並びに２８及び位置センサ２９などを備える。また、動作アシスト装置１００は、ユーザＰの生体情報を測定する生体センサ６０として、加速度センサ４１並び４２、角速度センサ４３（検出部）、角度センサ４５（検出部）、圧力センサ４６、及び距離センサ４７並びに４８などを備える。なお、角速度センサ４３を角速度センサ２４で代用するようにしてもよく、また、角度センサ４５をロータリエンコーダ１６で代用するようにしてもよい。

また、以下の説明では、真っ直ぐに立った状態のユーザＰから見て、前後方向をＸ軸方向、左右方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向とする。

上装具２は、ユーザＰの腰部に固定されている。上装具２は、ユーザＰに動作アシスト装置１００を固定するために用いられる。上装具２は、ユーザＰの腰に巻き付けて固定されたベルトなどを含む。上フレーム４は、ユーザＰの大腿部の外側に沿ってＺ軸方向に延設されている。上フレーム４は、ユーザＰの大腿部に固定されている。下フレーム６は、ユーザＰの下腿部の外側に沿ってＺ方向に延設されている。下フレーム６は、ユーザＰの下腿部に固定されている。

上フレーム４及び下フレーム６は、樹脂や軽金属などの軽量で十分な強度を有する材料で形成された棒状又は板状の部材である。上フレーム４及び下フレーム６は、樹脂であれば、例えば、ＣＦＲＰやＧＦＲＰを用いることができる。また、上フレーム４及び下フレーム６は、軽金属であれば、例えば、Ａｌ合金やＭｇ合金、Ｔｉ合金などを用いることができる。実施形態では、上フレーム４及び下フレーム６を１本の棒材により形成したが、その長さを伸縮自在にするスライド機構を設けてもよい。

上連結部３は、上フレーム４の上端を上装具２に対して３自由度の回動が可能な状態で連結している。ここで言う３自由度の回動とは、例えば、Ｘ軸を中心とした回動、Ｙ軸を中心とした回動、およびＺ軸を中心とした回動を含み、各方向に回動可能であることを指す。具体的には、上連結部３は、例えば、ボールジョイントや自在継手などのフリージョイントである。

下連結部７は、下フレーム６の下端を下装具８に対して３自由度の回動が可能な状態で連結する。下連結部７は、上連結部３と同様の構成である。

回動支持部５は、上フレーム４の下端を下フレーム６の上端に対して１自由度の回動可能な状態で連結している。回動支持部５は、１自由度として、膝関節が動く方向、すなわちＹ軸を中心とした自由度の回動を許容する。即ち、回動支持部５は、膝関節が回動する方向以外（Ｘ軸を中心とした回動やＺ軸を中心とした回動）への下フレーム６の上フレーム４に対する回動を許容しない。

ユーザＰが膝関節を屈伸させる場合、回動支持部５が膝関節の動作に合わせて回動するとともに、上連結部３および下連結部７も僅かに回動する。つまり、屈伸動作時には、膝関節が僅かに外側に開くとともに、膝関節が単純な１軸を中心とした回動にはならないため、上連結部３および下連結部７がそれぞれ３自由度の回動を許容することで、膝関節の複雑な動きを可能にしている。

回動支持部５には、駆動部１０が同軸に取り付けられている。駆動部１０は、後述する制御部３０からの信号に基づいてユーザＰの膝動作をアシストする駆動力を回動支持部５に与える。即ち、駆動部１０は、回動支持部５にトルクを印加する。例えば、駆動部１０は、膝を伸ばす方向に回動支持部５に駆動力を与える。また、駆動部１０は、膝を曲げる方向に回動支持部５に駆動力を与える。

駆動部１０は、例えば、サーボモータなどから構成されている。サーボモータは、駆動力を回動支持部５に与える。サーボモータは、電力供給部からの電力を受けて回転する。例えば、駆動部１０は、かさ歯車やタイミングベルト、チェーンを介してサーボモータの回動力を回動支持部５に伝える構成を採用しても良い。なお、駆動部１０は、弾性体などの張力によって駆動力を出力するものであってもよい。

サーボモータには、回動支持部５の回動角度を測定するためのロータリエンコーダ１６が設けられている。ロータリエンコーダ１６は、回動支持部５の角度を測定する。例えば、ロータリエンコーダ１６は、サーボモータの回転角度を測定して、上フレーム４と下フレーム６がなす角度αを検出する。角度αは、上フレーム４と下フレーム６との間の角度であり膝屈曲角度と称され、方向βの動きは伸展と称される。なお、ロータリエンコーダ１６は、サーボモータに内蔵されるエンコーダであってもよいし、別のセンサであってもよい。ロータリエンコーダ１６は、測定した角度を示すセンサ信号を制御部３０へ送信する。

回動支持部５には、角速度センサ２４が設けられている。角速度センサ２４は、回動支持部５が回動する角速度を測定する。即ち、角速度センサ２４は、上フレーム４と下フレーム６との間の角速度を測定する。角速度センサ２４は、Ｙ軸周りの角速度を測定する。角速度センサ２４は、測定した角速度を示すセンサ信号を制御部３０へ送信する。

また、回動支持部５には、トルクセンサ２５が設けられている。トルクセンサ２５は、駆動部１０によって回動支持部５に生じるトルクを測定する。即ち、トルクセンサ２５は、駆動部１０によって上フレーム４と下フレーム６との間に生じるトルクを測定する。トルクセンサ２５は、Ｙ軸周りの角速度を測定する。トルクセンサ２５は、測定したトルクを示すセンサ信号を制御部３０へ送信する。

上装具２には、位置センサ２９が設けられている。位置センサ２９は、動作アシスト装置１００の位置を特定する。例えば、位置センサ２９は、ＧＰＳ（Global Positioning System）などを用いて位置を特定する。位置センサ２９は、特定した位置を示すセンサ信号を制御部３０へ送信する。なお、位置センサ２９は、地磁気を測定するものであってもよい。

下装具８は、下フレーム６の下端近くで足に装着されて固定されている。下装具８は、例えば、板金を形状加工して折り曲げて形成され、足の裏を乗せる部分を有する。

上フレーム４の下部には、加速度センサ２２が設けられている。加速度センサ２２は、自身に生じる加速度を測定する。即ち、加速度センサ２２は、回動支持部５などに生じる加速度を測定する。例えば、加速度センサ２１は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に生じる加速度を測定する。加速度センサ２２は、測定した加速度を示すセンサ信号を制御部３０へ送信する。

上フレーム４の中腹には、温度センサ２６が設けられている。温度センサ２６は、外気に接するように外側に設けられている。温度センサ２６は、外気の温度を測定する。温度センサ２６は、測定した外気温を示すセンサ信号を制御部３０へ送信する。
なお、温度センサ２６は、動作アシスト装置１００の各部の温度を測定するものであってもよい。

また、上フレーム４の中腹には、圧力センサ２７が設けられている。圧力センサ２７は、ユーザＰに接するように内側に設けられている。圧力センサ２７は、上フレーム４に生じる圧力を測定する。圧力センサ２７は、測定した圧力を示すセンサ信号を制御部３０へ送信する。

また、下装具８には、圧力センサ２８が設けられている。圧力センサ２８は、下装具８に生じる圧力を測定する。圧力センサ２８は、測定した圧力を示すセンサ信号を制御部３０へ送信する。

下フレーム６の下部には、加速度センサ４２が設けられている。即ち、加速度センサ４２は、ユーザＰの足首の近傍に設置されている。加速度センサ４２は、加速度センサ４１と同様に自身に生じる加速度を測定する。即ち、加速度センサ４２は、ユーザＰの足首に生じる加速度を測定する。例えば、加速度センサ４２は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に生じる加速度を測定する。加速度センサ４２は、測定した加速度を示すセンサ信号を制御部３０へ送信する。

回動支持部５には、角速度センサ４３が設けられている。角速度センサ４３は、ユーザＰの膝関節が回動する角速度を測定する。角速度センサ４３は、Ｙ軸周りの角速度を測定する。角速度センサ２４は、測定した角速度を示すセンサ信号を制御部３０へ送信する。

また、回動支持部５には、トルクセンサ４４が設けられている。トルクセンサ４４は、ユーザＰの膝関節が生じるトルクを測定する。即ち、トルクセンサ４４は、ユーザＰの膝関節に掛かる負荷を測定する。トルクセンサ４４は、Ｙ軸周りの角速度を測定する。トルクセンサ４４は、測定したトルクを示すセンサ信号を制御部３０へ送信する。

下装具８には、圧力センサ４６が設けられている。圧力センサ４６は、ユーザＰに生じる圧力を測定する。例えば、圧力センサ４６は、ユーザＰの足裏に生じる圧力を測定する。圧力センサ２８は、測定した圧力を示すセンサ信号を制御部３０へ送信する。

距離センサ４７は、股関節付近に装着され、距離センサ４８は、足の甲付近等に装着される。例えば、距離センサ４７及び４８は、一方が超音波送信機で他方が超音波受信機であり、超音波の送受信に基づき距離センサ４７及び４８の間の距離を測定する。つまり、距離センサ４７及び４８は、股関節から足部（足の甲）までの距離を測定し、測定した距離を示す距離信号を制御部３０へ送信する。

次に、動作アシスト装置１００の制御系について説明する。
図３は、実施形態に係る動作アシスト装置の制御系の構成の一例を示すブロック図である。図３に示すように、動作アシスト装置１００は、制御部３０、操作部３１、駆動部１０、ロータリエンコーダ１６、通信部１９、加速度センサ２２、角速度センサ２４、トルクセンサ２５、温度センサ２６、圧力センサ２７並びに２８、位置センサ２９、及び生体センサ６０などを備える。生体センサ６０は、加速度センサ４１並びに４２、角速度センサ４３、トルクセンサ４４、圧力センサ４６、及び距離センサ４７並びに４８などを備える。これらの各部は、データバスを介して互いに接続されている。

上述したように動作アシスト装置１００は、左右対称の構成を有する左アシスト部と右アシスト部を備える。制御部３０は、左アシスト部と右アシスト部を制御し、操作部３１は、左アシスト部と右アシスト部の制御等に必要な入力を受け付ける。例えば、左アシスト部と右アシスト部のそれぞれが、駆動部１０、ロータリエンコーダ１６、通信部１９、加速度センサ２２、角速度センサ２４、トルクセンサ２５、温度センサ２６、圧力センサ２７並びに２８、位置センサ２９、及び生体センサ６０などを備える。

駆動部１０、ロータリエンコーダ１６、加速度センサ２２、角速度センサ２４、トルクセンサ２５、温度センサ２６及び圧力センサ２７並びに２８は、前述の通りである。

制御部３０は、動作アシスト装置１００全体の動作を制御する。例えば、制御部３０は、各部からのセンサ信号などに基づいて駆動部１０を作動させる。制御部３０は、例えば、プロセッサ３０ａ、及びメモリ３０ｂなどから構成される。メモリ３０ｂは、ＲＡＭ（random-access memory）、ＲＯＭ（read-only memory）、及びＮＶＭ（non-volatile memory）などから構成される。

プロセッサ３０ａは、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）、ＭＰＵ（micro processing unit）、又はＤＳＰ（digital signal processor）であり。動作アシスト装置１００全体の動作を制御する機能を有する。プロセッサ３０ａは、内部キャッシュおよび各種のインターフェースなどを備えても良い。プロセッサ３０ａは、内部キャッシュ、ＲＯＭあるいはＮＶＭ等に予め記憶したプログラムを実行することにより種々の処理を実現する。

なお、プロセッサ３０ａがプログラムを実行することにより実現する各種の機能のうちの一部は、ハードウェア回路により実現されるものであっても良い。この場合、プロセッサ３０ａは、ハードウェア回路により実行される機能を制御する。

ＲＯＭは、予め制御用のプログラム及び制御データなどが記憶された不揮発性のメモリである。ＲＯＭに記憶される制御プログラム及び制御データは、予め動作アシスト装置１００の仕様に応じて組み込まれる。ＲＯＭは、例えば、制御部３０の回路基板を制御するプログラム（例えば、ＢＩＯＳ）などを格納している。

ＲＡＭは、揮発性のメモリである。ＲＡＭは、プロセッサ３０ａの処理中のデータなどを一時的に格納する。

ＮＶＭは、データの書き込み及び書き換えが可能な不揮発性のメモリである。ＮＶＭは、例えばＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electric Erasable Programmable Read-Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、あるいはＳＳＤ（Solid State Drive）などである。ＮＶＭは、動作アシスト装置１００の運用用途に応じた制御プログラム、アプリケーション、パラメータ、及び種々のデータを格納する。また、ＮＶＭは、プロセッサ３０ａが種々の処理を実行することで生成したデータを保存する。

操作部３１は、入力部及び表示部を備える。例えば、医療従事者は、操作部３１の入力部を介して、動作アシスト装置１００による動作アシストに関するパラメータ等を入力する。入力されたパラメータ等は、ＮＶＭ等に記憶される。表示部は、動作アシストに関する各種情報を表示する。

通信部１９は、ネットワークを通じてサーバとデータを送受信するためのインターフェースである。例えば、通信部１９は、無線ＬＡＮ接続などをサポートするインターフェースである。例えば、通信部１９を介してサーバから受信したプログラム及びパラメータ等は、ＮＶＭ等に記憶される。

生体センサ６０は、ユーザＰの生体情報を測定する。生体情報は、ユーザＰの運動等の身体機能に関する情報等を含む。

前述の通り、生体センサ６０は、加速度センサ４１並びに４２、角速度センサ４３、トルクセンサ４４、圧力センサ４６、及び距離センサ４７並びに４８などを備える。加速度センサ４１並びに４２、角速度センサ４３、トルクセンサ４４、圧力センサ４６、及び距離センサ４７並びに４８は、前述の通りである。

また、動作アシスト装置１００は、図１乃至３に示す構成の他に必要に応じた構成をさらに具備してもよい。また、図１乃至３に示す構成の一部を除外して動作アシスト装置１００を構成するようにしてもよい。

次に、動作アシスト装置１００の動作アシストに関する機能について説明する。動作アシスト装置１００における処理及び制御等の手順はソフトウェアによって実行することが可能である。制御部３０のプロセッサ３０ａは、ＮＶＭなどに格納されるプログラムを実行することで処理及び制御を実行し、動作アシストに関する機能を実現する。このため、上記した処理及び制御等の手順を実行するプログラムを格納した非一時的なコンピュータ可読記憶媒体を通じてこのプログラムを動作アシスト装置１００にインストールして実行するだけで、上記処理及び制御等を容易に実現することができる。

例えば、動作アシスト装置１００は、通信部１９を介して、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体から上記プログラムを読み取り、ＮＶＭ等に読み取ったプログラムを記憶し、プログラムのインストールを完了することができる。これにより、動作アシスト装置１０は、インストールされた上記プログラムに基づき、上記処理及び制御等を容易に実現することができる。

制御部３０は、駆動部１０を駆動させてユーザの動作をアシストする機能を有する。例えば、制御部３０は、起動後、ＮＶＭ等に記憶されたパラメータを設定する。パラメータは、動作アシスト装置１００の動作（駆動）を制御するための情報である。即ち、パラメータは、駆動部１０を制御するための情報である。例えば、パラメータは、「アシスト力」及び「タイミング」に関するパラメータを含む。

「アシスト力」は、動作をアシストするために駆動部１０が出力する駆動力を示す。例えば、「アシスト力」は、駆動部１０が出力する駆動力を直接示すものであってもよい。また、「アシスト力」は、駆動部１０が出力する基準の駆動力に対する比率であってもよい。また、「アシスト力」は、ユーザの体勢又はアシストの段階ごとに駆動部１０が出力する駆動力を示すものであってもよい。

「タイミング」は、ユーザにアシストを開始するタイミングを示す。例えば、「タイミング」は、ユーザの所定の動作（動作アシスト装置１００がアシストする動作）を検出してから駆動部１０が駆動力を出力するまでの時間を示すものである。

制御部３０は、初期のパラメータを設定すると、ユーザの所定の動作を検知する。例えば、制御部３０は、ロータリエンコーダ１６、加速度センサ２２及び角速度センサ２４などからのセンサ信号に基づいてユーザの所定の動作を検知する。

制御部３０は、検知したユーザの動作、及びパラメータに基づいて、駆動部１０を駆動させる。例えば、制御部３０は、しゃがみ動作を検出すると、「アシスト力」及び「タイミング」に従ってユーザＰの膝が曲がる方向（屈曲方向）に駆動部１０を駆動する。例えば、制御部３０は、しゃがみ動作を検出すると、駆動部１０のサーボモータを正回転させる。また、制御部３０は、立ち上がり動作を検出すると、「アシスト力」及び「タイミング」に従ってユーザＰの膝が伸びる方向（伸展方向）に駆動部１０を駆動する。例えば、制御部３０は、立ち上がり動作を検出すると、駆動部１０のサーボモータを逆回転させる。

図４は、実施形態に係る動作アシスト装置の動作遷移の一例を示す図である。
図４に示すように、制御部３０の制御により、動作アシスト装置１００の動作が遷移する。例えば、初期状態の動作アシスト装置１００は、操作部３１を介して起動指示を受け付けると、待機モードへ遷移する（Ｅ０）。

例えば、制御部３０は、待機モードにおいてセーフティ機能を実行する。セーフティ機能は、待機モードにおいて安全確保のため立ち上がりアシストを実行しない機能である。制御部３０は、しゃがみアシストの実行後であれば、立ち上がりアシストを実行する。仮に、セーフティ機能が解除された状態で、膝を曲げた状態のユーザが操作部３１を介して起動指示を入力すると、起動指示の直後に、ユーザの不意な動き等により立ち上がりアシストが発生することがある。セーフティ機能を実行することにより、不測のアシストの発生を防止し安全性を高めることができる。

ユーザがしゃがみ、閾値を超えた膝屈曲角度が検出されると、制御部３０は、しゃがみアシストを実行し（Ｅ３）、閾値以下の膝屈曲角度が検出されると、待機モードへ遷移する（Ｅ４）。ユーザがしゃがんだ後、閾値を超える膝伸展角速度が検出され、且つ閾値を超える股関節から足部までの距離が検出されると、或いは、操作部３１を介した立ち上がりアシスト開始指示の受け付けに対応して、立ち上がりアシストを実行する（Ｅ１）。直立姿勢が検出されると、待機モードへ遷移する（Ｅ２）。

次に、制御部３０が、ＮＶＭ等に記憶されたプログラム及びパラメータに基づき実行するアシストモードの詳細について説明する。制御部３０は、以下の第１乃至第５のアシストモードを単一又は二以上を組み合わせて実行する。

［第１のアシストモード］
第１のアシストモードは、膝関節の屈曲角度の増加に応じてアシスト力を増大させるモードである。例えば、角度センサ４５は、アシスト器具を装着する装着者の動きとして、装着者の膝関節の屈曲角度を検出する。或いは、ロータリエンコーダ１６は、回動支持部５の角度を測定するが、この測定値を装着者の膝関節の屈曲角度と見なしても良いし、この測定値を補正した補正値を装着者の膝関節の屈曲角度と見なしても良い。
また、制御部３０は、屈曲角度の増加に応じてアシスト力を増大させるアシストパラメータを設定する。例えば、制御部３０は、屈曲角度が50度以上でアシスト力が増加し、70度以上でアシスト力が最大となるパラメータを設定する。駆動部１０は、設定されたアシストパラメータに基づき装着者の運動をアシストするアシスト力を提供する。例えば、動作アシスト装置１００は、膝関節の屈曲角度が大きくなるにつれて高いアシスト力を提供し、逆に、膝関節の屈曲角度が小さくなるにつれて低いアシスト力を提供する。屈曲角度が大きくなるにつれて負荷も大きくなるが同時にアシスト力も大きくなり、また、屈曲角度が小さくなるにつれて負荷も小さくなるが同時にアシスト力も小さくなり、膝関節の全可動域において適度な負荷を与えることにより、身体機能の回復効果を高めることができる。また、膝関節の可動域においてアシスト力を可変制御することにより消費電力の低減効果も期待できる。

図５は、実施形態に係る動作アシスト装置による第１のアシストモードの一例を示すフローチャートである。
制御部３０は、待機モードにおいて、第１条件を満たすユーザの動きを検出した場合に（ＳＴ１０１、ＹＥＳ）、しゃがみアシストモードを実行する（ＳＴ１０２）。例えば、制御部３０は、膝角度の変化量が所定角度以上（例えば５度以上）伸展し、且つ膝角度がしゃがみ開始角度閾値（例えば５度以上）を超えたことを検出すると（ＳＴ１０１、ＹＥＳ）、しゃがみアシストモードを実行する（ＳＴ１０２）。また、しゃがみアシストモードの実行により、駆動部１０のサーボモータは電力供給部からのモータ電流を受けて回転するが、モータ電流はしゃがみ角度比例ゲインを有する（ＳＴ１０３）。例えば、制御部３０は、アシストパラメータに基づき、膝関節の屈曲角度が大きくなるほど電流値を上げてアシスト力を高める。また、しゃがみアシストモードを実行する場合、制御部３０からの制御信号に基づいてサーボモータは正回転し、正回転により上フレーム４と下フレーム６との間の角度αは小さくなる。

また、制御部３０は、第２条件を満たすユーザの動きを検出した場合に（ＳＴ１０４、ＹＥＳ）、立ち上がりアシストモードを実行する（ＳＴ１０５）。例えば、制御部３０は、膝伸展角速度が閾値を超え、且つ股関節から足部までの距離が閾値を超えたことを検出すると（ＳＴ１０４、ＹＥＳ）、立ち上がりアシストモードを実行する（ＳＴ１０５）。また、立ち上がりアシストモードの実行により、駆動部１０のサーボモータは電力供給部からのモータ電流を受けて回転する。例えば、制御部３０は、アシストパラメータに基づき、事前に設定された一定の電流値を供給し、駆動部１０は、事前に設定された一定の電流値による一定のアシスト力を提供する。例えば、また、立ち上がりアシストモードを実行する場合、制御部３０からの制御信号に基づいてサーボモータは逆回転し、逆回転により上フレーム４と下フレーム６との間の角度αは大きくなる。制御部３０は、膝屈曲角度がしゃがみ開始角度閾値以下となることを検出すると（ＳＴ１０６、ＹＥＳ）、待機モードへ移行する（ＳＴ１１３）。

［第２のアシストモード］
第２のアシストモードは、アシスト量を調整して動作ができるぎりぎりのアシスト力を提供するモードである。例えば、角速度センサ４３は、アシスト器具を装着する装着者の動きとして、装着者の膝関節の角速度を検出する。或いは、角速度センサ２４は、回動支持部５が回動する角速度を測定するが、この測定値を装着者の膝関節の角速度と見なしても良いし、この測定値を補正した補正値を装着者の膝関節の角速度と見なしても良い。また、制御部３０は、運動能力の回復のために事前に設定される基準値（膝関節の角速度の基準値）と装着者の運動能力の実測値（膝関節の角速度の検出値）との差分に応じたアシストパラメータを設定する。駆動部１０は、設定されたアシストパラメータに基づき装着者の運動をアシストするアシスト力を提供する。例えば、動作アシスト装置１００は、運動能力の実測値に基づき判定される運動能力の低い装着者に対しては高いアシスト力を提供し、逆に、運動能力の実測値に基づき判定される運動能力の高い装着者に対しては低いアシスト力を提供する。これにより、装着者の運動能力に応じた負荷を与えることにより、運動等の身体機能の回復効果を高めることができる。

さらに、上記した差分と運動目標回数とに応じたアシストパラメータとして設定してもよい。制御部３０は、運動等の身体機能の回復のために事前に設定される第１の運動目標回数（膝屈伸運動Ｎ１回）に基づき、第１のアシスト力を提供する第１のアシストパラメータを設定し、第１の運動目標回数より多い第２の運動目標回数（膝屈伸運動Ｎ２回）に基づき第１のアシスト力より高い第２のアシスト力を提供する第２のアシストパラメータを設定する。駆動部１０は、設定された第１のアシストパラメータに基づき装着者の運動をアシストする第１のアシスト力を提供し、設定された第２のアシストパラメータに基づき装着者の運動をアシストする第２のアシスト力を提供する。例えば、動作アシスト装置１００は、運動目標回数が少ない場合には装着者に対して低いアシスト力を提供し、逆に目標運動回数が多い場合には装着者に対して高いアシスト力を提供する。これにより、運動目標回数が少ない装着者の負荷を上げて、運動目標回数の多い装着者の負荷を下げることにより、運動等の身体機能の回復効果を高めることができる。

例えば、10の力があれば立ち上がり動作が行える場合に、装着者の身体能力が5、装置のアシスト調整範囲が0〜8のときに、アシスト力を8に設定すると、装着者の負担は2で済むが、これにより運動等の身体機能の回復効果が低下することがある。動作アシスト装置１００は、装着者の負担が5になるようにアシスト力を5に設定する。装着者が発揮する能力が限界まで引き出すことでより高い身体機能の回復効果が期待できる。

図６は、実施形態に係る動作アシスト装置による第２のアシストモードの一例を示すフローチャートである。
制御部３０は、待機モードにおいて、第１条件を満たすユーザの動きを検出した場合に（ＳＴ２０１、ＹＥＳ）、しゃがみアシストモードを実行する（ＳＴ２０２）。例えば、制御部３０は、膝角度の変化量が所定角度以上（例えば５度以上）伸展し、且つ膝角度がしゃがみ開始角度閾値（例えば５度以上）を超えたことを検出すると（ＳＴ２０１、ＹＥＳ）、しゃがみアシストモードを実行する（ＳＴ２０２）。また、しゃがみアシストモードの実行により、駆動部１０のサーボモータは電力供給部からのモータ電流を受けて回転するが、モータ電流はしゃがみ角度比例ゲインを有する（ＳＴ２０３）。例えば、制御部３０は、アシストパラメータに基づき、膝関節の屈曲角度が大きくなるほど電流値を上げてアシスト力を高める。また、しゃがみアシストモードを実行する場合、制御部３０からの制御信号に基づいてサーボモータは正回転し、正回転により上フレーム４と下フレーム６との間の角度αは小さくなる。

また、制御部３０は、第２条件を満たすユーザの動きを検出した場合に（ＳＴ２０４、ＹＥＳ）、立ち上がりアシストモードを実行する（ＳＴ２０５）。例えば、制御部３０は、膝伸展角速度が閾値を超え、且つ股関節から足部までの距離が閾値を超えたことを検出すると（ＳＴ２０４、ＹＥＳ）、立ち上がりアシストモードを実行する（ＳＴ２０５）。また、立ち上がりアシストモードの実行により、駆動部１０のサーボモータは電力供給部からのモータ電流を受けて回転する。例えば、制御部３０は、アシストパラメータに基づき、事前に設定された一定の電流値を供給し、駆動部１０は、事前に設定された一定の電流値による一定のアシスト力を提供する。例えば、また、立ち上がりアシストモードを実行する場合、制御部３０からの制御信号に基づいてサーボモータは逆回転し、逆回転により上フレーム４と下フレーム６との間の角度αは大きくなる。

制御部３０は、膝屈曲角度がしゃがみ開始角度閾値以下となることを検出すると（ＳＴ２０６、ＹＥＳ）、判定モードへ移行する（ＳＴ２０７）。判定モードの実行により、制御部３０は、アシストパラメータを設定し、駆動部１０は、設定されるアシストパラメータにより、動作ができるぎりぎりのアシスト力を提供する。

例えば、制御部３０は、ユーザの動作時の膝関節の角速度が一定の範囲内から外れることを検出し（ＳＴ２０８、ＹＥＳ）、ユーザの動作時の膝関節の角速度が一定の範囲より速いことを検出すると（ＳＴ２０９、ＹＥＳ）、検出結果に応じたアシストパラメータを設定し、駆動部１０のサーボモータは、設定されたアシストパラメータに基づく速度比例ゲインのモータ電流を受けて回転する（ＳＴ２１１）。つまり、制御部３０は、膝関節の角速度が速いほど電流値を上げてアシスト力を強くする。換言すれば、制御部３０は、運動能力の回復のために設定される基準値（上述した一定の範囲内の角速度）とユーザの運動能力の実測値（上述した膝関節の角速度）との差分に応じたアシストパラメータを設定し、駆動部１０は、設定されたアシストパラメータに基づきユーザの運動をアシストするアシスト力を提供する。

また、制御部３０は、ユーザの動作時の膝関節の角速度が一定の範囲内から外れることを検出し（ＳＴ２０８、ＹＥＳ）、ユーザの動作時の膝関節の角速度が一定の範囲より遅いことを検出すると（ＳＴ２０９、ＮＯ）（ＳＴ２１０、ＹＥＳ）、検出結果に応じたアシストパラメータを設定し、駆動部１０のサーボモータは、設定されたアシストパラメータに基づく速度比例ゲインのモータ電流を受けて回転する（ＳＴ２１２）。つまり、制御部３０は、膝関節の角速度が遅いほど電流値を下げてアシスト力を弱くする。換言すれば、制御部３０は、運動能力の回復のために設定される基準値（上述した一定の範囲内の角速度）とユーザの運動能力の実測値（上述した膝関節の角速度）との差分に応じたアシストパラメータを設定し、駆動部１０は、設定されたアシストパラメータに基づきユーザの運動をアシストするアシスト力を提供する。

制御部３０は、ユーザの動作時の膝関節の角速度が一定の範囲内から外れ、角速度がゼロになることを検出すると（ＳＴ２０９、ＮＯ）（ＳＴ２１０、ＮＯ）、待機モードへ移行する（ＳＴ２１３）。

［第３のアシストモード］
第３のアシストモードは、片側麻痺患者などに対しては、左右で異なるアシスト力を提供するモードである。例えば、右アシスト部を構成する駆動部１０は、右関節の動きをアシストする右アシスト力を提供し、左アシスト部を構成する駆動部１０は、左関節の動きをアシストする左アシスト力を提供する。

制御部３０は、操作部３１で受け付けられる右アシストモードの指定に基づき、右アシスト力を左アシスト力より大きくする、又は右アシストのみとして左アシストを停止する第１のアシストパラメータを設定する。また、制御部３０は、操作部３１で受け付けられる左アシストモードの指定に基づき、左アシスト力を右アシスト力より大きくする、又は左アシストのみとして右アシストを停止する第２のアシストパラメータを設定する。

右アシストモードが指定された場合、右アシスト部を構成する駆動部１０は、第１のアシストパラメータに基づき右アシスト力を提供し、左アシスト部を構成する駆動部１０は、第１のアシストパラメータに基づき左アシスト力を提供する。また、左アシストモードが指定された場合、右アシスト部を構成する駆動部１０は、第２のアシストパラメータに基づき右アシスト力を提供し、左アシスト部を構成する駆動部１０は、第２のアシストパラメータに基づき左アシスト力を提供する。

例えば、制御部３０は、右アシストモードの指定と右関節及び左関節の動き検出とに基づき、第１のアシストパラメータを設定する。また、制御部３０は、左アシストモードの指定と右関節及び左関節の動き検出とに基づき、第２のアシストパラメータを設定する。例えば、右アシスト部の角速度センサ４３は、アシスト器具を装着する装着者の右の膝関節の角速度を検出する。同様に、左アシスト部の角速度センサ４３は、アシスト器具を装着する装着者の左の膝関節の角速度を検出する。或いは、右アシスト部の角速度センサ２４は、右アシスト部の回動支持部５が回動する角速度を測定するが、この測定値を装着者の右の膝関節の角速度と見なしても良いし、この測定値を補正した補正値を装着者の右の膝関節の角速度と見なしても良い。同様に、左アシスト部の角速度センサ２４は、左アシスト部の回動支持部５が回動する角速度を測定するが、この測定値を装着者の左の膝関節の角速度と見なしても良いし、この測定値を補正した補正値を装着者の左の膝関節の角速度と見なしても良い。右アシストモードが指定された場合、制御部３０は、右の膝関節の角速度と左の膝関節の角速度の差分又は比率に応じて、第１のアシストパラメータを設定し、例えば、右アシスト力と左アシスト力の比を９：１、８：２、７：３、又は６：４に制御する。また、左アシストモードが指定された場合、制御部３０は、右の膝関節の角速度と左の膝関節の角速度の差分又は比率に応じて、第２のアシストパラメータを設定し、例えば、第２のアシストパラメータに基づき、左アシスト力と右アシスト力の比を９：１、８：２、７：３、又は６：４に制御する。

或いは、右アシストモードが指定された場合、制御部３０は、右アシスト部の圧力センサ４６により検出される圧力と左アシスト部の圧力センサ４６により検出される圧力の比率に応じて、第１のアシストパラメータを設定するようにしてもよい。同様に、左アシストモードが指定された場合、制御部３０は、左アシスト部の圧力センサ４６により検出される圧力と右アシスト部の圧力センサ４６により検出される圧力の比率に応じて、第２のアシストパラメータを設定するようにしてもよい。右片麻痺を有する装着者は左側に体重をかける傾向にあり、左片麻痺を有する装着者は右側に体重をかける傾向にあり、左右の体重のかけ方の比率に応じて、第１又はだ第２のアシストパラメータを設定するようにしてもよい。

動作アシスト装置１００は、第１又は第２のアシストパラメータに基づき左右で異なるアシスト力を提供することにより、片側麻痺患者の運動等の身体機能の回復効果を高めることができる。例えば、片側麻痺患者などに対しては、片脚ずつの動作アシストを可能にすることができる。動作アシスト装置１００は、片側麻痺患者など左右の身体機能に差がある装着者に対して、それぞれに適したアシスト力を個別に提供することができる。個別のアシスト力の提供により、左右の偏りがなくなり、アライメントを正しく保ちながら動作を行うことができ、二次疾病の予防効果も期待できる。

図７は、実施形態に係る動作アシスト装置による第３のアシストモードの一例を示すフローチャートである。
例えば、操作部３１が、右片麻痺モードの指定を受け付けると（ＳＴ３０１、ＹＥＳ）、制御部３０は、右片麻痺モードを実行し、第１のアシストパラメータを設定する（ＳＴ３０２）。操作部３１が、左片麻痺モードの指定を受け付けると（ＳＴ３０１、ＮＯ）、制御部３０は、左片麻痺モードを実行し、第２のアシストパラメータを設定する（ＳＴ３０６）。

例えば、制御部３０は、右片麻痺モードの実行に基づき（ＳＴ３０２）、左アシスト部の左脚の立ち上がりアシストとしゃがみアシストの電流値を０に設定する（ＳＴ３０３）。右アシスト部の角度センサ４５が、膝関節の屈曲方向の角速度を検出すると（ＳＴ３０４、ＹＥＳ）、右アシスト部の駆動部１０のサーボモータにモータ電流を供給する。例えば、モータ電流は、ギアの摩擦補償分トルクを発生させる電流値とする（ＳＴ３０５）。

同様に、制御部３０は、左片麻痺モードの実行に基づき（ＳＴ３０６）、右アシスト部の左脚の立ち上がりアシストとしゃがみアシストの電流値を０に設定する（ＳＴ３０７）。左アシスト部の角度センサ４５が、膝関節の屈曲方向の角速度を検出すると（ＳＴ３０８、ＹＥＳ）、左アシスト部の駆動部１０のサーボモータにモータ電流を供給する。例えば、モータ電流は、ギアの摩擦補償分トルクを発生させる電流値とする（ＳＴ３０９）。

［第４のアシストモード］
第４のアシストモードは、一度アシストが作動した場合、動作が止まってもアシストを継続して行うモードである。例えば、角度センサ４５は、アシスト器具を装着する装着者の関節の始動及び関節の目標角への到達を検出する。或いは、ロータリエンコーダ１６は、回動支持部５の角度を測定するが、この測定値から装着者の関節の始動及び関節の目標角への到達を検出するようにしても良いし、この測定値を補正した補正値から装着者の関節の始動及び関節の目標角への到達を検出するようにしても良い。制御部３０は、関節の始動に対応してアシストの開始を指示し、関節が目標角へ到達するまでアシストの継続を指示する。駆動部１０は、制御部３０からの指示に基づきアシスト力の提供を開始しアシスト力の提供を継続する。

動作アシスト装置１００は、立ち上がり途中で動作を止めてしまった装着者に対して、アシスト力を継続して提供することができる。例えば、動作アシスト装置１００は、操作部３１等を介して入力される装着者の体重以下のアシスト力を提供する。これにより、装着者は、能動的にアシストを止めることができる。

動作アシスト装置１００の装着者は、身体機能が低下していることが予測される。このような装着者は、立ちあがり途中で動作を停止してしまい転倒したり、性急な動作で着座し圧迫骨折したりすることがある。そこで、装着者の動作が止まった場合でも、動作アシスト装置１００がアシスト力を提供し続けることにより転倒等のリスクを低減することができる。

図８は、実施形態に係る動作アシスト装置による第４のアシストモードの一例を示すフローチャートである。
例えば、角度センサ４５は、装着者の膝関節角度を検出し、角速度センサ４３は、装着者の膝伸展角速度を検出する。制御部３０は、装着者の膝関節角度が５度以上屈曲した状態で、膝伸展角速度が閾値を超えると判定すると（ＳＴ４０１、ＹＥＳ）、立ち上がりアシストモードを実行し（ＳＴ４０２）、アシストの開始を指示し、膝伸展角度が閾値以下になるまでアシストの継続を指示する。つまり、制御部３０は、膝伸展角度が目標角度へ到達するまでアシストの継続を指示する。膝伸展角度が閾値以下になると（ＳＴ４０３、ＹＥＳ）、待機モードへ遷移する（ＳＴ４０４）。

［第５のアシストモード］
第５のアシストモードは、自力で動作が行えないユーザ等からのアシスト開始指示（操作部３１からの外部トリガー）に基づきアシストを実行するモードである。操作部３１は、アシスト開始を受け付けるスイッチ又はボタン（例えばタッチパネルに表示されたアシスト開始アイコン）を有し、スイッチ等を介してアシスト開始を受け付けると、アシスト開始の受け付けに対応してアシスト開始を指示するアシスト開始制御信号を出力する。制御部３０は、アシスト開始制御信号に基づきアシストの開始を指示する。駆動部１０は、制御部３０からのアシスト開始制御信号に基づきアシストを開始する。

動作アシスト装置１００は、自力で動作が行えない人に対してスイッチ等の外部からのトリガー信号に基づきアシスト力を提供する。動作アシスト装置１００の装着者は、身体機能が低下していることが予測され、自分の筋力で初動が行えない可能性がある。立ち上がり動作においては、初動がスティッキングポイントとなる。また、動作の意図を筋電センサ等で検出し、この検出に対応するトリガー信号に基づきアシスト力を提供する方法も考えられるが、脊髄損傷などによる不随の人や麻痺の程度が強い人の場合に、筋電センサ等でその意図を検出できないことがある。動作アシスト装置１００は、このようなケースにおいてもアシスト力の提供が可能となる。

図９は、実施形態に係る動作アシスト装置による第５のアシストモードの一例を示すフローチャートである。
制御部３０は、初期設定においてスイッチをOFFに設定し（ＳＴ５０１）、スイッチフラグfalseを設定する（ＳＴ５０２）。操作部３１が、スイッチONの操作を受け付けると、制御部３０は、スイッチON且つスイッチフラグfalseの条件に基づき（ＳＴ５０３、ＹＥＳ）、立ち上がりアシストモードの実行を指示し、スイッチフラグtrueを設定する（ＳＴ５０４）。このようにして、動作アシスト装置１００は、自力で動作が行えない人に対してスイッチ等の外部からのトリガー信号に基づきアシスト力を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２…上装具
３…上連結部
４…上フレーム
５…回動支持部
６…下フレーム
７…下連結部
８…下装具
１０…駆動部
１６…ロータリエンコーダ
１９…通信部
２１…加速度センサ
２２…加速度センサ
２４…角速度センサ
２５…トルクセンサ
２６…温度センサ
２７…圧力センサ
２８…圧力センサ
２９…位置センサ
３０…制御部
３０ａ…プロセッサ
３０ｂ…メモリ
３１…操作部
４１…加速度センサ
４２…加速度センサ
４３…角速度センサ
４４…トルクセンサ
４５…角度センサ
４６…圧力センサ
４７…距離センサ
４８…距離センサ
６０…生体センサ
１００…動作アシスト装置

Claims (10)

1. アシスト器具を装着する装着者の動きを検出する検出部と、
   運動能力の回復のために設定される基準値と前記装着者の運動能力の実測値との差分に応じたアシストパラメータを設定する制御部と、
   前記アシストパラメータに基づき前記装着者の運動をアシストするアシスト力を提供するアシスト部と、
   を備える動作アシスト装置。
2. 前記検出部は、前記装着者の関節の動きを検出し、
   前記アシスト部は、前記装着者の関節の運動をアシストするアシスト力を提供する、請求項１の動作アシスト装置。
3. 前記制御部は、第１の運動目標回数に基づき第１のアシスト力を提供する第１のアシストパラメータを設定し、前記第１の運動目標回数より多い第２の運動目標回数に基づき前記第１のアシスト力より高い第２のアシスト力を提供する第２のアシストパラメータを設定する、請求項１の動作アシスト装置。
4. 前記制御部は、前記装着者の関節の動きに応じた角速度に基づき前記実測値を取得する、請求項１の動作アシスト装置。
5. 前記検出部は、前記装着者の関節の屈曲角度を検出し、
   前記制御部は、前記屈曲角度の増加に応じてアシスト力を増大させる前記アシストパラメータを設定する、請求項１の動作アシスト装置。
6. 前記アシスト部は、右関節の動きをアシストする右アシスト力、及び左関節の動きをアシストする左アシスト力を提供し、
   前記制御部は、右アシストモードの指定に基づき前記右アシスト力を前記左アシスト力より大きくする第１のアシストパラメータを設定し、左アシストモードの指定に基づき前記左アシスト力を前記右アシスト力より大きくする第２のアシストパラメータを設定する、請求項１の動作アシスト装置。
7. 前記制御部は、前記右関節及び前記左関節の動き検出に基づき、前記第１及び第２のアシストパラメータを設定する、請求項６の動作アシスト装置。
8. 前記検出部は、前記装着者の関節の始動及び前記関節の目標角への到達を検出し、
   前記制御部は、前記関節の始動に対応してアシストの開始を指示し、前記関節が目標角へ到達するまでアシストの継続を指示し、
   前記アシスト部は、前記制御部からの指示に基づきアシストを開始しアシストを継続する、請求項１の動作アシスト装置。
9. アシスト開始の受け付けに対応して前記アシスト開始を指示するアシスト開始制御信号を出力する操作部を備え、
   前記制御部は、前記アシスト開始制御信号に基づきアシストの開始を指示し、
   前記アシスト部は、前記制御部からの指示に基づきアシストを開始する、請求項１の動作アシスト装置。
10. コンピュータに、
    アシスト器具を装着する装着者の動きを検出する手順と、
    運動能力の回復のために設定される基準値と前記装着者の運動能力の実測値との差分に応じたアシストパラメータを設定する手順と、
    前記アシストパラメータに基づき前記装着者の運動をアシストするアシスト力を提供する手順と、
    を実行させるための動作アシストプログラム。

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