JP2022185961A - 装着型アシスト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】応答性を維持しつつも、姿勢保持の際に電力が不要で発熱のない装着型アシスト装置を提供する。【解決手段】使用者の身体に装着される第１装着具及び第２装着具を備え、これら第１装着具及び第２装着具の間の距離を短縮させることで使用者の動作をアシストする装着型アシスト装置であって、第１装着具に設けられるとともに巻取りプーリを有するアクチュエータと、一端側が巻取りプーリに取着され、他端側が第２装着具に取着される動力伝達部材とを備え、アクチュエータは、モータと、モータ側ギアと、プーリ側ギアと、回転方向規制手段とをさらに備え、モータ側ギアは、プーリ側ギアと噛み合う状態と当該プーリ側ギアとの噛み合いが解除される状態の２つの状態をとるよう構成されるとともに、モータの駆動により一方向に回転するよう構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、使用者の動作をアシストするための装着型アシスト装置に関する。

従来、使用者に身体に装着し、使用者の動作をアシストする装着型アシスト装置がある。例えば、特許文献１には、マッキベン型のアクチュエータを備えたアシスト装置が開示されている。

特開２０２０－０８２２２２号公報

しかしながら、マッキベン型のアクチュエータを備えた装着型アシスト装置は、圧縮空気によりアクチュエータを駆動するため、圧縮空気を供給するタンク及び配管が必要であり、また、応答性にも改善の余地があった。この点、応答性を良好なものとするため、ワイヤを巻き取ることで動作をアシストするワイヤ巻取り型の装着型アシスト装置も提案されているが、ワイヤ巻取り型のアシスト装置の場合、姿勢保持のためにワイヤを巻き取った状態で維持する電磁ブレーキ（電磁ロック）が必要となるため、バッテリ容量及び発熱が問題となる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、応答性を維持しつつも、姿勢保持の際に電力が不要で発熱のない装着型アシスト装置を提供するものである。

本発明によれば、使用者の身体に装着される第１装着具及び第２装着具を備え、これら第１装着具及び第２装着具の間の距離を短縮させることで前記使用者の動作をアシストする装着型アシスト装置であって、前記第１装着具に設けられるとともに巻取りプーリを有するアクチュエータと、一端側が前記巻取りプーリに取着され、他端側が前記第２装着具に取着される動力伝達部材とを備え、前記アクチュエータは、モータと、モータ側ギアと、プーリ側ギアと、回転方向規制手段とをさらに備え、前記モータ側ギアは、前記プーリ側ギアと噛み合う状態と当該プーリ側ギアとの噛み合いが解除される状態の２つの状態をとるよう構成されるとともに、前記モータの駆動により一方向に回転するよう構成され、前記回転方向規制手段は、前記モータ側ギアの前記一方向の回転を許容し且つ他方向の回転を規制するよう構成され、前記プーリ側ギアは、前記巻取りプーリと一体的に回転するか又は前記巻取りプーリと連動して回転するよう構成されるとともに、前記モータ側ギアの前記一方向の回転により前記巻取りプーリが巻き取り方向に回転する向きに配置されている、装着型アシスト装置が提供される。

本発明によれば、回転方向制限手段によりモータ側ギアの一方向の回転が規制されることで、プーリ側ギアを介して巻取りプーリの巻き戻し方向の回転が規制されるよう構成されているため、動力伝達部材を巻き取った状態で維持する場合に電力が不要となり、発熱することもない構成となっている。また、アクチュエータは、欠け歯ギアの作用により、モータを一方向に回転させるのみで回転方向制限手段により巻取りプーリの巻き戻し方向の回転を規制する状態と巻取りプーリの巻き戻し方向の回転を許容する状態とを切り替えることが可能となっており、制御が容易となるうえ、アシストを解除する際の応答性を向上させることが可能となっている。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。

好ましくは、前記モータ側ギアは、ギア歯のない欠け歯部を備えた欠け歯ギアである。

好ましくは、前記回転方向規制手段は、外輪及び内輪を備えたワンウェイクラッチであり、前記外輪と内輪の一方が前記アクチュエータのハウジングに固定され、他方が前記モータ側ギア又は当該モータ側ギアと連動して回転する部材に固定されることで、前記モータ側ギアの前記一方向の回転を許容し且つ他方向の回転を規制するよう構成される。

好ましくは、前記モータ側ギアの回転角度を検出する角度検出器を備え、前記角度検出器は、前記モータ側ギアが前記プーリ側ギアと噛み合う第１の角度と、前記モータ側ギアが前記プーリ側ギアと噛み合わない第２の角度とを少なくとも検出可能とされる。

好ましくは、前記角度検出器はポテンショメータである。

好ましくは、前記モータ側ギアと前記プーリ側ギアの噛み合いが解除された際に前記プーリ側ギアを巻き戻し方向に回転させる付勢手段をさらに備える。

また、本発明によれば、上記装着型アシスト装置を左右一対備えており、各装着型アシスト装置の前記第１装着具は、前記使用者の腰部に装着される腰部プレートであり、前記各装着型アシスト装置の前記第２装着具は、前面が前記使用者の背中に接するように装着される背中プレートであって、前記各装着型アシスト装置の各アクチュエータは、前記背中の下方であって左右方向の中央部に位置するよう配置され、前記各装着型アシスト装置の動力伝達部材の他端側は、前記使用者の背中の上方両側端部に配置されており、前記使用者の上半身における左右への回旋動作をアシストするよう構成される、装着型回旋アシスト装置が提供される。

好ましくは、回旋センサと、制御装置とを備え、前記回旋センサは、前記使用者の上半身における左右への回旋を検知し、前記制御装置は、前記回旋センサにより検知された回旋の度合いが所定の閾値を超えると、当該角度が増加する方向に前記上半身を回旋させるよう、一方の装着型アシスト装置のモータを駆動する。

好ましくは、前記回旋センサは、ロードセルである。

好ましくは、使用者によって操作可能な解除スイッチをさらに備え、前記制御装置は、前記回旋センサにより検知されている回旋の度合いが所定の閾値を超えている状態で前記解除スイッチが操作されると、前記一方の装着型アシスト装置の前記モータを前記モータ側ギアが前記一方向に回転する向きに駆動する。

また、本発明によれば、モータと、巻取りプーリと、モータ側ギアと、プーリ側ギアと、回転方向規制手段と、を備えたアクチュエータであって、前記モータ側ギアは、前記プーリ側ギアと噛み合う状態と当該プーリ側ギアとの噛み合いが解除される状態の２つの状態をとるよう構成されるとともに、前記モータの駆動により一方向に回転するよう構成され、前記回転方向規制手段は、前記モータ側ギアの前記一方向の回転を許容し且つ他方向の回転を規制するよう構成され、前記プーリ側ギアは、前記巻取りプーリと一体的に回転するか又は前記巻取りプーリと連動して回転するよう構成されるとともに、前記モータ側ギアの前記一方向の回転により前記巻取りプーリが巻き取り方向に回転する向きに配置されている、アクチュエータが提供される。

本発明の一実施形態に係る装着型回旋アシスト装置１の全体斜視図である。 図１の装着型回旋アシスト装置１において、カバー部材１０を取り外した様子を示す拡大斜視図である。 図１のＡ－Ａ線で切断したときの端面を示す模式図である。 図１の装着型回旋アシスト装置１の機能構成を示すブロック図である。 図１の装着型回旋アシスト装置１が備えるグローブ１４を示す模式図である。 図１の装着型回旋アシスト装置１のアクチュエータ６の斜視図である。 図６のアクチュエータ６の平面図である。 図７のＢ－Ｂ線断面図である。 図６のアクチュエータ６の分解斜視図である。 図６のアクチュエータ６の各部材の接続関係を示すブロック図である。 図１の装着型回旋アシスト装置１の動作を説明するタイミングチャートである。 図１２Ａ～図１２Ｄは、図６のアクチュエータ６のモータ側ギア６２とプーリ側ギア６３の動作を示す説明図である。 図１３Ａは、本発明の実施例に係るアクチュエータ６と比較例に係るマッキベン式のアクチュエータの吊り上げ動作の比較実験の結果を示すグラフであり、図１３Ｂは、本発明の実施例に係るアクチュエータ６と比較例に係るマッキベン式のアクチュエータの解放動作の比較実験の結果を示すグラフである。 図１４Ａ及び図１４Ｂは、本発明に係るアクチュエータ６をハンド装置１００に用いた例を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴について独立して発明が成立する。

１．装着型回旋アシスト装置１の全体構成
本発明の一実施形態に係る装着型アシスト装置としての装着型回旋アシスト装置１は、例えば、空港における乗客の荷物積載作業に際して、使用者の上半身に装着して使用者の上半身の動作をアシストするために用いられる。本実施形態の装着型回旋アシスト装置１は、より具体的には、使用者が荷物を運ぶ場合において、使用者が荷物を保持した状態で脊椎を軸として上半身を左右へ回旋させる動作のアシスト（以下、回旋アシスト動作と呼ぶ）のために用いられる。また、本実施形態の装着型回旋アシスト装置１は、使用者が荷物を保持した状態で上半身を屈曲させた状態から起こす動作のアシスト（以下、伸展アシスト動作と呼ぶ）のためにも用いられる。

なお、以下の説明においては、装着型回旋アシスト装置１を装着する使用者の人体を基準として、上下左右および前後の方向を規定する。また、上半身の回旋については、平面視における時計回りを右方向への回旋とし、反時計回りを左方向への回旋と規定する。

本実施形態の装着型回旋アシスト装置１は、図１に示すように、使用者の腰部に巻きつけられて装着される第１装着具としての腰部プレート２と、前面が使用者の背中に接するように装着される第２装着具としての背中プレート３と、これら腰部プレート２及び背中プレート３を連結する連結プレート４と、方向変換部材としての左滑車５Ｌ及び右滑車５Ｒを支持する滑車支持プレート５とを備える。また、装着型回旋アシスト装置１は、腰部プレート２に設けられるとともに左巻取りプーリ６０Ｌを有する左アクチュエータ６Ｌと、腰部プレート２に設けられるとともに右巻取りプーリ６０Ｒを有する右アクチュエータ６Ｒとを備える。さらに、装着型回旋アシスト装置１は、一端側が左巻取りプーリ６０Ｌに取着され、他端側が背中プレート３の左翼部３０Ｌに取着される動力伝達部材としての左ワイヤ７Ｌと、一端側が右巻取りプーリ６０Ｒに取着され、他端側が背中プレート３の右翼部３０Ｒに取着される動力伝達部材としての右ワイヤ７Ｒとを備える。加えて、装着型回旋アシスト装置１は、左アクチュエータ６Ｌ及び右アクチュエータ６Ｒを制御する制御装置１１とを備える。なお、本実施形態の装着型回旋アシスト装置１は、腰部プレート２（第１装着具）及び背中プレート３（第２装着具）の距離を短縮させることで使用者の動作をアシストする装着型アシスト装置を左右一対備えていると考えることもできる。以下、装着型回旋アシスト装置１の各構成を具体的に説明する。

腰部プレート２は、使用者の腰部に巻きつけられるよう、平面視においてＣ字状の帯状に形成されており、連結プレート４と、滑車支持プレート５と、締結部２０が取り付けられている。締結部２０は、腰部及び下半身の動作をアシストする下半身アシスト装置（図示せず）を締結可能に構成される。

背中プレート３は、平板状に形成され、装着時に使用者の左右の肩甲骨周辺に位置する左翼部３０Ｌ及び右翼部３０Ｒと、これらを連結する中央部３１とを有する。左翼部３０Ｌ及び右翼部３０Ｒの上下方向の長さは、中央部３１側で長く、左右方向の両端側において短くなるように構成されている。左翼部３０Ｌ及び右翼部３０Ｒは、それぞれ下方に向かうにつれて左右方向の幅が狭くなるテーパ状をなしている。左翼部３０Ｌ及び右翼部３０Ｒの上方であって左右方向の両端部には、左ワイヤ７Ｌ及び右ワイヤ７Ｒを取着するための取付部３２Ｌ，３２Ｒが設けられている。

連結プレート４は、腰部プレート２と背中プレート３を連結する部材であり、上下方向に延びるよう平板状に形成される。背中プレート３と連結プレート４とは、図２に示すように、具体的には、左補強部材８Ｌ及び左ロードセル９Ｌ、右補強部材８Ｒ及び右ロードセル９Ｒを介して連結される。なお、これら左補強部材８Ｌ及び左ロードセル９Ｌ、右補強部材８Ｒ及び右ロードセル９Ｒは、図１に示すように、カバー部材１０により覆われている。

左補強部材８Ｌ及び右補強部材８Ｒは、図２に示すように、それぞれ上下方向に延びる平板状の部材である。左補強部材８Ｌは、背中プレート３の左翼部３０Ｌの下端部に取着され、右補強部材８Ｒは、背中プレート３の右翼部３０Ｒの下端部に取着される。

左ロードセル９Ｌ及び右ロードセル９Ｒは、負荷が加えられると当該負荷を電気信号（電圧）に変換する部材であり、図２及び図３に示すように、それぞれ左右方向に延びるよう水平に配置される。左ロードセル９Ｌは、その右側が連結プレート４の上端左側に取着され、左側が左補強部材８Ｌの下端部に取着される。右ロードセル９Ｒは、その左側が連結プレート４の上端右側に取着され、右側が右補強部材８Ｒの下端部に取着される。

ここで、左ロードセル９Ｌ及び右ロードセル９Ｒは、使用者の上半身における左右への回旋を検知する回旋センサとして機能する部材である。左ロードセル９Ｌは、使用者の上半身が右方向に移動する場合に正の向きに負荷がかかるよう配置され、右ロードセル９Ｒは、使用者の上半身が左方向に移動する場合に正の向きに負荷がかかるよう配置される。このような配置により、左ロードセル９Ｌ及び右ロードセル９Ｒは、互いに正負の異なる電圧を検出することで、上半身の左右方向への回旋の度合い、つまり、上半身の左右方向への回旋角度が所定の閾値を超えていることを検知することが可能となっている。さらに、左ロードセル９Ｌ及び右ロードセル９Ｒは、正負の同じ電圧を検出することにより、上半身の前後方向への屈曲動作（詳細には、上半身の屈曲の度合い、つまり、上半身の屈曲角度が所定の閾値を超えていること）を検知することも可能である。

滑車支持プレート５は、図１に示すように、下端部が腰部プレート２に支持され、上端部において左滑車５Ｌ及び右滑車５Ｒを支持する。滑車支持プレート５は、連結プレート４の背面側に配置され、連結プレート４に沿って上下方向に延びている。左滑車５Ｌ及び右滑車５Ｒは、左ワイヤ７Ｌ及び右ワイヤ７Ｒが使用者の背中に沿って配置されるよう、左ワイヤ７Ｌ及び右ワイヤ７Ｒの方向を変換するために用いられる。

左アクチュエータ６Ｌは、左巻取りプーリ６０Ｌを備え、左ワイヤ７Ｌを巻取り可能に構成される。右アクチュエータ６Ｒは、右巻取りプーリ６０Ｒを備え、右ワイヤ７Ｒを巻取り可能に構成される。左ワイヤ７Ｌは、一端側が左巻取りプーリ６０Ｌに取着され、他端側が背中プレート３の左翼部３０Ｌの取付部３２Ｌに取着される。また、右ワイヤ７Ｒは、一端側が右巻取りプーリ６０Ｒに取着され、他端側が背中プレート３の右翼部３０Ｒの取付部３２Ｒに取着される。左アクチュエータ６Ｌ及び右アクチュエータ６Ｒの具体的な構成については、後述する。なお、本実施形態の左アクチュエータ６Ｌ及び右アクチュエータ６Ｒは、図４のブロック図に示す制御装置１１により制御される。

制御装置１１は、例えばワンボードマイコン及びモータドライバ基板で構成される。制御装置１１は、図４に示すように、回旋センサとしての左ロードセル９Ｌ及び右ロードセル９Ｒと、後述する左アクチュエータ６Ｌ及び右アクチュエータ６Ｒの角度検出器としてのポテンショメータ６６（図６も参照）と、解除スイッチとしての親指センサ１２と、荷物検知センサとしての手のひらセンサ１３の各センサからの信号に基づいて、左アクチュエータ６Ｌ及び右アクチュエータ６Ｒのモータ６１を駆動する。

ここで、親指センサ１２及び手のひらセンサ１３は、図５に示すように、使用者が手のひらに装着するグローブ１４に配置される。親指センサ１２は、使用者が親指を動かすことにより、後述する回旋アシスト動作の解除操作及び伸展アシスト動作の開始操作を行うために用いられる。また、手のひらセンサ１３は、手のひらにかかる荷重を検知することにより、使用者が荷物を保持しているか否かを検知するために用いられる。

本実施形態の装着型回旋アシスト装置１は、制御装置１１の制御によって左アクチュエータ６Ｌ及び右アクチュエータ６Ｒを動作させることにより、左ワイヤ７Ｌ及び右ワイヤ７Ｒを巻き取り、背中プレート３の左翼部３０Ｌ及び右翼部３０Ｒと腰部プレート２に配置された左巻取りプーリ６０Ｌ及び右巻取りプーリ６０Ｒ間の距離を短縮させることで、使用者の動作をアシストする。具体的には、使用者の上半身の左方向の回旋をアシストするには、左アクチュエータ６Ｌを動作させて左ワイヤ７Ｌを巻き取ればよく、使用者の上半身の右方向の回旋をアシストするには、右アクチュエータ６Ｒを動作させて右ワイヤ７Ｒを巻き取れば良い。また、上半身を屈曲させた状態から起こす動作（伸展動作）をアシストするには、左アクチュエータ６Ｌ及び右アクチュエータ６Ｒを共に動作させて、左ワイヤ７Ｌ及び右ワイヤ７Ｒを同時に巻き取ればよい。

２．アクチュエータ６の構成
以下、図６～図１０を用いて、左アクチュエータ６Ｌ及び右アクチュエータ６Ｒのより具体的な構成を説明する。なお、左アクチュエータ６Ｌ及び右アクチュエータ６Ｒは同一構成（図示のように左右対称の構成を含む）であり、以下では左右の区別なく一般にアクチュエータ６として説明する。

アクチュエータ６は、図６、図７及び図９に示すように、巻取りプーリ６０（６０Ｌ，６０Ｒ）に加えて、モータ６１と、モータ側ギア６２と、プーリ側ギア６３と、回転方向規制手段としてのワンウェイクラッチ６４と、ハウジング６５と、角度検出器としてのポテンショメータ６６と、付勢手段としてのバックテンション用ぜんまい６７とを備える。

モータ６１は、図示しないバッテリからの電力を受けて、制御装置１１の制御により駆動する。本実施形態において、モータ６１は、一方向に回転可能であれば良い。モータ６１の出力軸（図示せず）の回転は、減速機構６１ａを介して回転軸６８に伝達される。

本実施形態において、モータ側ギア６２は、図８にも示すように、ギア歯のない欠け歯部６２ａを備えた欠け歯ギアである。モータ側ギア６２は、図８に示すように、回転軸６８に嵌合しており、回転軸６８の回転によりモータ側ギア６２が連動回転するようになっている。モータ側ギア６２は、欠け歯ギアとなっていることで、プーリ側ギア６３と噛み合う状態と当該プーリ側ギア６３との噛み合いが解除される状態の２つの状態をとるよう構成されている。

一方、プーリ側ギア６３は、外周に亘ってギア歯を有する平歯ギアである。プーリ側ギア６３は、図６～図９に示すように、回転軸６９に嵌合しており、プーリ側ギア６３の回転は回転軸６９を介して巻取りプーリ６０に伝達されるようになっている。

ワンウェイクラッチ６４は、一方向のみに回転を伝達する部材である。ワンウェイクラッチ６４は、例えばカム式とされ、図１０に示すように、外輪６４ａに対し一方向にのみ回転する内輪６４ｂを備えている。本実施形態において、外輪６４ａはハウジング６５に固定され、内輪６４ｂは、モータ側ギア６２と連動して回転する回転軸６８に固定されている。このような構成により、本実施形態のワンウェイクラッチ６４は、モータ側ギア６２の一方向の回転を許容し且つ他方向の回転を規制するようになっている。ここで、モータ側ギア６２の「一方向の回転」は、プーリ側ギア６３を介して回転を伝達する巻取りプーリ６０が巻取り方向に回転する向きの回転であり、「他方向の回転」は、巻取りプーリ６０が巻き戻し方向に回転する向きの回転である。このような構成により、モータ側ギア６２とプーリ側ギア６３が噛み合っている場合には、巻取りプーリ６０は巻取り方向の回転のみが許容され、巻き戻し方向の回転が規制されるようになっている。

ハウジング６５は、上述した各部材を保持する部材である。アクチュエータ６の各部材は、ハウジング６５を介して、装着型回旋アシスト装置１の腰部プレート２に固定される。ハウジング６５は、具体的には、図６、図７及び図９に示すように、台座部６５ａと、回転軸６８及び回転軸６９を支持する軸支持部材６５ｂと、モータ６１（減速機構６１ａ）を支持するモータ支持部材６５ｃと、各部材を覆うカバー６５ｄ（図１参照）とを備える。軸支持部材６５ｂ及びモータ支持部材６５ｃは、台座部６５ａに固定されている。なお、各部材を固定するためのビス等の部材の説明は省略している。

ポテンショメータ６６は、回転軸６８に設けられ、回転軸６８の回転角度を検知可能に構成される。本実施形態では、回転軸６８の回転角度を検出することで、一体回転するモータ側ギア６２の回転角度を検知可能となっている。

バックテンション用ぜんまい６７は、回転軸６９に取着される。バックテンション用ぜんまい６７は、巻取りプーリ６０の巻取り方向の回転に対応する方向に回転軸６９が回転することで蓄勢され、巻取りプーリ６０が巻取り方向に回転した状態において、回転軸６９を巻き戻し方向に回転する向きに付勢する。

本実施形態のアクチュエータ６は、上記構成により、モータ６１の駆動によりモータ側ギア６２を一方向に回転させることで、当該モータ側ギア６２と噛み合うプーリ側ギア６３を介して巻取りプーリ６０を巻取り方向に回転させるとともに、巻取りプーリ６０を巻き戻し方向に回転しないよう維持可能になっている。

３．装着型回旋アシスト装置１の動作
次に、図１１のタイミングチャート及び図１２Ａ～図１２Ｄに基づいて、上記構成の装着型回旋アシスト装置１の動作、具体的には、回旋アシスト動作及び伸展アシスト動作についてそれぞれ説明する。なお、これら回旋アシスト動作及び伸展アシスト動作は、制御装置１１によって制御される。

３．１ 回旋アシスト動作
回旋アシスト動作は、使用者が荷物を把持するとともに、使用者が上半身を所定の角度以上左右へ回転することで実施される。以下では、一例として、右アクチュエータ６Ｒのモータ６１を駆動させて上半身の右方向への回旋をアシストする動作について説明する。ただし、左アクチュエータ６Ｌのモータ６１を駆動させて左方向への回旋をアシストする動作についても同様である。なお、アシスト動作を行っていない場合において、左アクチュエータ６Ｌ及び右アクチュエータ６Ｒの各モータ側ギア６２は、図１２Ａに示すように、その欠け歯部６２ａがプーリ側ギア６３と対向しており、プーリ側ギア６３とは噛み合わない状態となっている。以下、この状態を初期状態とし、ポテンショメータ６６（図６等参照）により検知されるこのときのモータ側ギア６２の角度を０°とする。また、モータ側ギア６２とプーリ側ギア６３が噛み合った際に巻取りプーリ６０が巻取り方向に回転するときのモータ側ギア６２の回転方向（一方向）を、正の方向とする。

使用者が荷物を保持すると、まず、手のひらセンサ１３（図５参照）が荷物の保持を検知する。この状態で、左ロードセル９Ｌ及び右ロードセル９Ｒ（回旋センサ）により検知される使用者の上半身の右方向への回旋角度が所定の閾値を超えると（図１１の移行トリガＴ１参照）、回旋アシスト動作が実行される（図１１の局面（ｉ）～局面（ｉｉ）参照）。具体的には、制御装置１１は、右アクチュエータ６Ｒのモータ６１を駆動するよう制御信号を送信する。これにより、図示しないバッテリからモータ６１に電力が供給され、モータ６１が回転を開始する。そして、モータ６１が回転を開始すると、モータ６１の回転は減速機構６１ａにより変速され、回転軸６８を介してモータ側ギア６２が回転を開始し、ポテンショメータ６６の検知する角度が増加する（図１１参照）。なお、モータ６１が回転を開始した直後は、図１２Ａに示すように、モータ側ギア６２がプーリ側ギア６３と噛み合っていないため、プーリ側ギア６３は回転しない。このときのモータ側ギア６２の角度を、第２の角度とする。

その後、制御装置１１は、モータ６１の回転を継続する。すると、図１２Ｂに示すように、モータ側ギア６２がプーリ側ギア６３と噛み合い、モータ側ギア６２の回転に伴ってプーリ側ギア６３も回転するようになる。そして、プーリ側ギア６３が回転することにより、回転軸６９を介して巻取りプーリ６０が巻取り方向に回転を開始する。回転を開始するときのモータ側ギア６２の角度を、第１の角度とする。その結果、右巻取りプーリ６０Ｒが巻取り方向に回転することで、右ワイヤ７Ｒが右巻取りプーリ６０Ｒに巻き取られ、使用者の上半身の右方向の回旋がアシストされる（図１１の局面（ｉｉ）参照）。

制御装置１１は、ポテンショメータ６６が検知するモータ側ギア６２の角度が２７０°になるまで、モータ６１の駆動を継続する。これは、図１２Ｂ～図１２Ｃに示すように、モータ側ギア６２とプーリ側ギア６３の噛み合いが継続する期間である。そして、モータ側ギア６２の角度が２７０°になると（図１１の移行トリガＴ２参照）、制御装置１１はモータ６１への電力の供給を停止し、モータ６１の駆動を停止させる（図１１の局面（ｉｉ）～局面（ｉｉｉ）参照）。ここで、モータ６１への駆動を停止すると、モータ６１の出力軸（図示せず）は自由に回転可能になるが、本実施形態のアクチュエータ６は、回転軸６８にワンウェイクラッチ６４が取り付けられていることで、モータ側ギア６２が他方向（負の方向）に回転しないようになっている。そして、モータ側ギア６２が他方向に回転しないことで、これと噛み合うプーリ側ギア６３も回転が規制され、その結果、巻取りプーリ６０の巻き戻し方向の回転が規制される。つまり、巻取りプーリ６０は、背中プレート３及び連結プレート４が捻られた際のバネ特性及びバックテンション用ぜんまい６７の付勢力により巻き戻し方向に回転しようとするが、ワンウェイクラッチ６４の働きにより当該回転が規制され、回旋のアシストが継続される。

制御装置１１は、上記回旋のアシストが継続した状態において、使用者による親指センサ１２の瞬間的な解除操作の信号を検知すると（図１１の移行トリガＴ３参照）、モータ６１を再度同方向に駆動させる（図１１の局面（ｉｉｉ）～局面（ｉｖ）参照）。そして、モータ６１の回転によりモータ側ギア６２が正の方向に回転すると、モータ側ギア６２の回転に伴ってプーリ側ギア６３が僅かに回転した後、図１２Ｃ～図１２Ｄに示すように、モータ側ギア６２とプーリ側ギア６３の噛み合いが解除される。

モータ側ギア６２とプーリ側ギア６３の噛み合いが解除されると、ワンウェイクラッチ６４による巻取りプーリ６０の巻き戻し方向の回転の規制が解除される。すると、背中プレート３及び連結プレート４が捻られた際のバネ特性及びバックテンション用ぜんまい６７の付勢力により、プーリ側ギア６３は逆回転し、右ワイヤ７Ｒが巻き戻される。そして、右ワイヤ７Ｒが元の状態まで巻き戻されることで、回旋のアシストが終了する。

そして、制御装置１１は、ポテンショメータ６６が検知するモータ側ギア６２の角度が３６０°に達すると（図１１の移行トリガＴ４参照）、モータ６１の駆動を停止する（図１１の局面（ｉｖ）～局面（ｖ）参照）。この際、モータ側ギア６２及びプーリ側ギア６３は初期状態に戻っており、次の回旋アシストを行うことが可能な状態となる（図１１の局面（ｖ）参照）。

３．２ 伸展アシスト動作
一方、伸展アシスト動作は、使用者が荷物を把持するとともに、使用者が親指センサ１２を操作することで実施される。伸展アシスト動作は、使用者が親指センサ１２を操作すると、親指センサ１２がＯＮになっている間、左アクチュエータ６Ｌ及び右アクチュエータ６Ｒの両方を駆動し、左ワイヤ７Ｌ及び右ワイヤ７Ｒをともに巻き取る。これにより、使用者の上半身は伸展方向に引き起こされて回動し、伸展アシストが実現される。なお、その後使用者が親指センサ１２をＯＦＦにすると、背中プレート３及び連結プレート４が捻られた際のバネ特性及びバックテンション用ぜんまい６７の付勢力により、左アクチュエータ６Ｌ及び右アクチュエータ６Ｒの各巻取りプーリ６０が巻き戻し方向に回転し、左ワイヤ７Ｌ及び右ワイヤ７Ｒが巻き戻されて伸展アシストが終了する。

４．作用効果
以上のように、本実施形態に係る装着型回旋アシスト装置１は、左アクチュエータ６Ｌ及び右アクチュエータ６Ｒのそれぞれにおいて、ワンウェイクラッチ６４によりモータ側ギア６２の他方向（負の方向）の回転を規制することにより、プーリ側ギア６３を介してこれと連動する巻取りプーリ６０（左巻取りプーリ６０Ｌ及び右巻取りプーリ６０Ｒ）の巻き戻し方向の回転を規制するよう構成されている。これにより、左ワイヤ７Ｌ及び右ワイヤ７Ｒを巻き取った状態で維持する場合に電力が不要となり、発熱することもない構成となっている。

また、巻取りプーリ６０の回転を規制する構成としてワンウェイクラッチ６４を用いることで、ワンウェイクラッチ６４をトルクリミッタとして機能させ、装着型回旋アシスト装置１及びこれを装着する使用者の身体を保護することが可能となっている。

加えて、左アクチュエータ６Ｌ及び右アクチュエータ６Ｒは、それぞれ欠け歯部６２ａの作用により、モータ側ギア６２がプーリ側ギア６３と噛み合う状態と当該プーリ側ギア６３との噛み合いが解除される状態の２つの状態をとるよう構成されている。このような構成により、モータ６１を一方向に回転させるのみで、モータ側ギア６２とプーリ側ギア６３の噛み合いと噛み合いの解除を切り替えることができ、ワンウェイクラッチ６４による左巻取りプーリ６０Ｌ及び右巻取りプーリ６０Ｒの巻き戻し方向の回転を規制する状態と許容する状態とで切り替えることが可能となっている。そして、モータ６１を一方向に回転させるだけで上記切り替えができ、モータ６１を両方向に回転駆動しなくて良いため、制御が容易となって制御装置１１として単純なワンボードマイコンを用いることが可能となり、さらに、回旋アシストを解除する際の応答性を向上させることも可能となっている。

なお、図１３Ａは、本発明の実施例に係るアクチュエータ６（巻取り式）と比較例に係るマッキベン式のアクチュエータの吊り上げ動作の比較実験の結果を示すグラフである。当該グラフに示すように、本発明の実施例に係るアクチュエータ６は、マッキベン式のアクチュエータと比較して短時間で大きく変位させることが可能である。また、図１３Ｂは、本発明の実施例に係るアクチュエータ６（巻取り式）と比較例に係るマッキベン式のアクチュエータの解放動作の比較実験の結果を示すグラフである。当該グラフに示すように、本発明の実施例に係るアクチュエータ６は、マッキベン式のアクチュエータと比較して、短時間で変位を元の状態に回復させることも可能となっている。

５．変形例
本発明は、以下の態様でも実施可能である。

上記実施形態では、腰部プレート２（第１装着具）及び背中プレート３（第２装着具）の距離を短縮させることで使用者の動作をアシストする装着型アシスト装置を左右１対備えた装着型回旋アシスト装置１について説明した。しかしながら、使用者の身体における第１装着具及び第２装着部を装着する位置は任意であり、本願発明は、任意の２点間の距離を短縮させることで使用者の動作をアシストする装着型アシスト装置に適用することが可能である。

上記実施形態では、モータ側ギア６２の一方向の回転を許容し且つ他方向の回転を規制する回転方向規制手段としてワンウェイクラッチ６４を用いていた。しかしながら、同様の機能を奏する他の構成、例えばラチェットを用いることも可能である。

上記実施形態では、モータ側ギア６２は、プーリ側ギア６３と噛み合う状態とプーリ側ギア６３との噛み合いが解除される状態の２つの状態をとるため、欠け歯ギアとして構成されていた。しかしながら、プーリ側ギア６３と噛み合う状態とプーリ側ギア６３との噛み合いが解除される状態の２つの状態をとる他の構成、例えば、モータ側ギア６２がその回転に伴って軸方向又は軸と垂直な方向に移動することで、プーリ側ギア６３と噛み合う状態とプーリ側ギア６３との噛み合いが解除される状態の２つの状態をとる構成とすることも可能である。

上記実施形態では、第１装着具（腰部プレート２）と第２装着具（背中プレート３）の間を短縮させる動力伝達部材としてワイヤ（７Ｌ，７Ｒ）が用いられていた。しかしながら、使用者の身体に沿って湾曲し、巻取りプーリ６０による巻取り及び巻き戻しが可能であれば、ワイヤ（７Ｌ，７Ｒ）に代えて、ベルト等の他の部材を用いることも可能である。

上記実施形態では、モータ側ギア６２の回転角度を検出する角度検出器として、ポテンショメータ６６が回転軸６８に配置されていたが、角度検出器として、エンコーダを用いたり、モータ６１としてサーボモータを用いたりしてモータ６１と角度検出器とを一体的に構成することも可能である。

上記実施形態では、使用者の回旋動作を検知する回旋センサとしてロードセル（９Ｌ，９Ｒ）を用いていたが、ロードセル（９Ｌ，９Ｒ）の代わりに、ポテンショメータやジャイロセンサを用いることも可能である。

上記実施形態では、巻取り状態を解除する解除スイッチとして親指センサ１２が用いられ、また、荷物検知センサとして手のひらセンサ１３が用いられていた。しかしながら、解除スイッチ及び荷物検知センサは、制御装置１１に電気的な信号を送信可能であれば、任意の手段を用いることが可能である。

６．アクチュエータ６の他の適用例
図１４Ａ及び図１４Ｂは、本発明に係るアクチュエータ６をハンド装置１００に用いた例を示す模式図である。ハンド装置１００は、搬送物Ｆを把持して搬送するための装置である。ハンド装置１００は、固定アーム１０１と、固定アーム１０１の上端から水平に延びる水平部材１０２と、固定アーム１０１と対向するよう配置される移動アーム１０３と、上述したアクチュエータ６と、移動アーム１０３を固定アーム１０１に対して平行に移動させるためのガイド部材１０４及びガイドレール１０５と、移動アーム１０３と固定アーム１０１の間隔を広げる向きに移動アーム１０３を付勢する付勢手段１０６とを備える。

固定アーム１０１及び移動アーム１０３は、それぞれ搬送物Ｆを把持する把持面１０１ａ及び把持面１０３ａを備える。また、アクチュエータ６は、水平部材１０２の上面に配置される。アクチュエータ６の巻取りプーリ６０には、ワイヤ７の一端が巻取り及び巻き戻し可能に取着され、ワイヤ７の他端は移動アーム１０３の保持部材１０７に保持されている。また、付勢手段１０６は、コイルスプリングであり、付勢手段１０６の一端は水平部材１０２の上面に配置された固定部材１０８に取着され、他端は移動アーム１０３に取り付けられている。付勢手段１０６の付勢力により、アクチュエータ６の巻取りプーリ６０は、ワンウェイクラッチ６４（上述した実施形態の図１０等参照）による巻き戻し方向の回転の規制が解除されることで巻き戻し方向に回転する。

このような構成のハンド装置１００は、図１４Ａに示すように、アクチュエータ６がワイヤ７を巻き取っていない状態では、移動アーム１０３が固定アーム１０１から離れた位置にあって搬送物Ｆを把持せず、アクチュエータ６を駆動させてワイヤ７を巻取りプーリ６０に巻き取ることで、搬送物Ｆを把持して、搬送可能となっている。

本発明に係るアクチュエータ６は、上記のようなハンド装置１００に用いる場合にも、ワイヤ７を巻き取って搬送物Ｆを把持した状態では電力が必要ないため、ハンド装置１００を省電力で動作させることができ、バッテリにより動作させることも可能となる。これにより、商用電源が確保できない条件であっても、ハンド装置１００を好適に使用することが可能となる。また、モータ６１（図１０等参照）を一方向にのみ回転させれば良いので、制御を容易に行うことが可能となる。

１ ：装着型回旋アシスト装置（装着型アシスト装置）
２ ：腰部プレート（第１装着具）
３ ：背中プレート（第２装着具）
４ ：連結プレート
５ ：滑車支持プレート
５Ｌ ：左滑車
５Ｒ ：右滑車
６ ：アクチュエータ
６Ｌ ：左アクチュエータ
６Ｒ ：右アクチュエータ
７，７Ｌ，７Ｒ ：ワイヤ（動力伝達部材）
８Ｌ ：左補強部材
８Ｒ ：右補強部材
９Ｌ ：左ロードセル（回旋センサ）
９Ｒ ：右ロードセル（回旋センサ）
１０ ：カバー部材
１１ ：制御装置
１２ ：親指センサ（解除スイッチ）
１３ ：センサ
１４ ：グローブ
２０ ：締結部
３０Ｌ ：左翼部
３０Ｒ ：右翼部
３１ ：中央部
３２Ｌ ：取付部
３２Ｒ ：取付部
６０ ：巻取りプーリ
６０Ｌ ：左巻取りプーリ
６０Ｒ ：右巻取りプーリ
６１ ：モータ
６１ａ ：減速機構
６２ ：モータ側ギア
６２ａ ：歯部
６３ ：プーリ側ギア
６４ ：ワンウェイクラッチ（回転方向規制手段）
６４ａ ：外輪
６４ｂ ：内輪
６５ ：ハウジング
６５ａ ：台座部
６５ｂ ：軸支持部材
６５ｃ ：モータ支持部材
６５ｄ ：カバー
６６ ：ポテンショメータ（角度検出器）
６７ ：バックテンション用ぜんまい（付勢手段）
６８ ：回転軸
６９ ：回転軸
１００ ：ハンド装置
１０１ ：固定アーム
１０１ａ ：把持面
１０２ ：水平部材
１０３ ：移動アーム
１０３ａ ：把持面
１０４ ：ガイド部材
１０５ ：ガイドレール
１０６ ：付勢手段
１０７ ：保持部材
１０８ ：固定部材
Ｆ ：搬送物
Ｔ１～Ｔ４ ：移行トリガ

Claims (11)

1. 使用者の身体に装着される第１装着具及び第２装着具を備え、これら第１装着具及び第２装着具の間の距離を短縮させることで前記使用者の動作をアシストする装着型アシスト装置であって、
   前記第１装着具に設けられるとともに巻取りプーリを有するアクチュエータと、一端側が前記巻取りプーリに取着され、他端側が前記第２装着具に取着される動力伝達部材とを備え、
   前記アクチュエータは、モータと、モータ側ギアと、プーリ側ギアと、回転方向規制手段とをさらに備え、
   前記モータ側ギアは、前記プーリ側ギアと噛み合う状態と当該プーリ側ギアとの噛み合いが解除される状態の２つの状態をとるよう構成されるとともに、前記モータの駆動により一方向に回転するよう構成され、
   前記回転方向規制手段は、前記モータ側ギアの前記一方向の回転を許容し且つ他方向の回転を規制するよう構成され、
   前記プーリ側ギアは、前記巻取りプーリと一体的に回転するか又は前記巻取りプーリと連動して回転するよう構成されるとともに、前記モータ側ギアの前記一方向の回転により前記巻取りプーリが巻き取り方向に回転する向きに配置されている、装着型アシスト装置。
2. 請求項１に記載の装着型アシスト装置であって、
   前記モータ側ギアは、ギア歯のない欠け歯部を備えた欠け歯ギアである、装着型アシスト装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の装着型アシスト装置であって、
   前記回転方向規制手段は、外輪及び内輪を備えたワンウェイクラッチであり、
   前記外輪と内輪の一方が前記アクチュエータのハウジングに固定され、他方が前記モータ側ギア又は当該モータ側ギアと連動して回転する部材に固定されることで、前記モータ側ギアの前記一方向の回転を許容し且つ他方向の回転を規制するよう構成される、装着型アシスト装置。
4. 請求項１～請求項３のいずれかに記載の装着型アシスト装置であって、
   前記モータ側ギアの回転角度を検出する角度検出器を備え、
   前記角度検出器は、前記モータ側ギアが前記プーリ側ギアと噛み合う第１の角度と、前記モータ側ギアが前記プーリ側ギアと噛み合わない第２の角度とを少なくとも検出可能とされる、装着型アシスト装置。
5. 請求項４に記載の装着型アシスト装置であって、
   前記角度検出器はポテンショメータである、装着型アシスト装置。
6. 請求項１～請求項５のいずれかに記載の装着型アシスト装置であって、
   前記モータ側ギアと前記プーリ側ギアの噛み合いが解除された際に前記プーリ側ギアを巻き戻し方向に回転させる付勢手段をさらに備える、装着型アシスト装置。
7. 請求項１～請求項６のいずれかに記載の装着型アシスト装置を左右一対備えており、
   各装着型アシスト装置の前記第１装着具は、前記使用者の腰部に装着される腰部プレートであり、前記各装着型アシスト装置の前記第２装着具は、前面が前記使用者の背中に接するように装着される背中プレートであって、
   前記各装着型アシスト装置の各アクチュエータは、前記背中の下方であって左右方向の中央部に位置するよう配置され、
   前記各装着型アシスト装置の動力伝達部材の他端側は、前記使用者の背中の上方両側端部に配置されており、
   前記使用者の上半身における左右への回旋動作をアシストするよう構成される、装着型回旋アシスト装置。
8. 請求項７に記載の装着型回旋アシスト装置であって、
   回旋センサと、制御装置とを備え、
   前記回旋センサは、前記使用者の上半身における左右への回旋を検知し、
   前記制御装置は、前記回旋センサにより検知された回旋の度合いが所定の閾値を超えると、当該角度が増加する方向に前記上半身を回旋させるよう、一方の装着型アシスト装置のモータを駆動する、装着型回旋アシスト装置。
9. 請求項８に記載の装着型回旋アシスト装置であって、
   前記回旋センサは、ロードセルである、装着型回旋アシスト装置。
10. 請求項８又は請求項９に記載の装着型アシスト装置であって、
    使用者によって操作可能な解除スイッチをさらに備え、
    前記制御装置は、前記回旋センサにより検知されている回旋の度合いが所定の閾値を超えている状態で前記解除スイッチが操作されると、前記一方の装着型アシスト装置の前記モータを前記モータ側ギアが前記一方向に回転する向きに駆動する、装着型回旋アシスト装置。
11. モータと、巻取りプーリと、モータ側ギアと、プーリ側ギアと、回転方向規制手段と、を備えたアクチュエータであって、
    前記モータ側ギアは、前記プーリ側ギアと噛み合う状態と当該プーリ側ギアとの噛み合いが解除される状態の２つの状態をとるよう構成されるとともに、前記モータの駆動により一方向に回転するよう構成され、
    前記回転方向規制手段は、前記モータ側ギアの前記一方向の回転を許容し且つ他方向の回転を規制するよう構成され、
    前記プーリ側ギアは、前記巻取りプーリと一体的に回転するか又は前記巻取りプーリと連動して回転するよう構成されるとともに、前記モータ側ギアの前記一方向の回転により前記巻取りプーリが巻き取り方向に回転する向きに配置されている、アクチュエータ。

Images