JP2023162566A - assist device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アシスト装置に関する。 The present invention relates to an assist device.
例えば、特許文献１には、利用者の腰周りに装着される身体装着具と、利用者の脚部に装着され前記脚部と一体に揺動可能なリンクと、前記身体装着具に設けられ前記リンクを駆動することでアシストトルクを発生するアクチュエータユニットと、利用者が持ち上げた荷物の質量に関する荷重関連量を検出する荷重検出手段とを備えたアシスト装置が開示されている。
このアシスト装置は、前記リンクの角度に基づいて得られるトルク関連量と、荷重検出手段による荷重関連量とに基づいてアシストトルク算出するように構成されている。
For example,
This assist device is configured to calculate assist torque based on a torque-related amount obtained based on the angle of the link and a load-related amount obtained by the load detection means.
上記従来のアシスト装置は、荷重関連量及びトルク関連量と、アシストトルクと、が対応付けられたマップを備えており、このマップに基づいて、アシストトルクの大きさを決定するように構成されている。 The above-mentioned conventional assist device includes a map in which load-related quantities and torque-related quantities are associated with assist torque, and is configured to determine the magnitude of the assist torque based on this map. There is.
利用者は、股関節を回動させつつ上半身の姿勢を変化させて荷物を持ち上げるので、実際に利用者の股関節や腰部に作用する負荷荷重は複雑に変化する。
しかし、上記従来のアシスト装置では、マップを用いて画一的にアシストトルクの大きさを決定しているため、決定されるアシストトルクの大きさと、実際に利用者が必要としているトルクの大きさとの間には、乖離が生じる可能性がある。
アシスト装置によって決定されるアシストトルクの大きさと、利用者が必要としているトルクとの間に乖離が生じると、利用者に対して違和感を与えるおそれがある。
Since the user lifts the load by rotating the hip joints and changing the posture of the upper body, the load actually acting on the user's hip joints and lower back changes in a complicated manner.
However, in the above-mentioned conventional assist devices, the magnitude of the assist torque is uniformly determined using a map, so the magnitude of the determined assist torque is different from the magnitude of the torque actually required by the user. There may be a discrepancy between them.
If a discrepancy occurs between the magnitude of the assist torque determined by the assist device and the torque required by the user, there is a risk that the user may feel uncomfortable.
（１）実施形態であるアシスト装置は、利用者の上半身に装着される第一装着具と、前記利用者の左右の脚部に装着される第二装着具と、前記利用者の大腿部の回動を補助するアシスト力を前記第一装着具及び前記第二装着具の間で生じさせるアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御部と、前記上半身の角度を検出する第一センサと、前記利用者が持ち上げた物体の荷重を示す情報を出力する第二センサと、を備える。前記制御部は、前記第一センサの出力及び前記第二センサの出力に基づいて、前記上半身の姿勢変化に応じて前記利用者の股関節に作用する負荷トルクを求めるトルク演算処理と、前記負荷トルクに基づいて前記アクチュエータを制御する制御処理と、を実行する。 (1) The assist device according to the embodiment includes a first attachment device that is attached to the upper body of a user, a second attachment device that is attached to the left and right legs of the user, and a second attachment device that is attached to the user's left and right legs. an actuator that generates an assisting force between the first mounting tool and the second mounting tool to assist in the rotation of the device; a control section that controls the actuator; a first sensor that detects the angle of the upper body; and a second sensor that outputs information indicating the load of the object lifted by the user. The control unit performs a torque calculation process to determine a load torque acting on the hip joint of the user in response to a change in the posture of the upper body based on the output of the first sensor and the output of the second sensor, and calculates the load torque. control processing for controlling the actuator based on.
本開示によれば、アシスト力に起因して利用者に与えられる違和感を低減することができる。 According to the present disclosure, it is possible to reduce the uncomfortable feeling given to the user due to the assist force.
最初に実施形態の内容を列記して説明する。
［実施形態の概要］
（１）実施形態であるアシスト装置は、利用者の上半身に装着される第一装着具と、前記利用者の左右の脚部に装着される第二装着具と、前記利用者の大腿部の回動を補助するアシスト力を前記第一装着具及び前記第二装着具の間で生じさせるアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御部と、前記上半身の角度を検出する第一センサと、前記利用者が持ち上げた物体の荷重を示す情報を出力する第二センサと、を備える。前記制御部は、前記第一センサの出力及び前記第二センサの出力に基づいて、前記上半身の姿勢変化に応じて前記利用者の股関節に作用する負荷トルクを求めるトルク演算処理と、前記負荷トルクに基づいて前記アクチュエータを制御する制御処理と、を実行する。
First, the contents of the embodiment will be listed and explained.
[Overview of embodiment]
(1) The assist device according to the embodiment includes a first attachment device that is attached to the upper body of a user, a second attachment device that is attached to the left and right legs of the user, and a second attachment device that is attached to the user's left and right legs. an actuator that generates an assisting force between the first mounting tool and the second mounting tool to assist in the rotation of the device; a control section that controls the actuator; a first sensor that detects the angle of the upper body; and a second sensor that outputs information indicating the load of the object lifted by the user. The control unit performs a torque calculation process to determine a load torque acting on the hip joint of the user in response to a change in the posture of the upper body based on the output of the first sensor and the output of the second sensor, and calculates the load torque. control processing for controlling the actuator based on.
上記構成によれば、利用者の上半身の角度を示す第一センサの出力と、物体の荷重を示す第二センサの出力と、に基づいて、利用者の股関節に作用する負荷トルクを求めるので、物体の持ち上げを行うために上半身を姿勢変化させたときに股関節に作用する負荷を精度よく求めることができる。
この結果、利用者の股関節や腰部に作用する負荷に応じた、利用者にとって必要なアシスト力をアクチュエータに出力させることができ、アシスト力に起因して利用者に与えられる違和感を低減することができる。
According to the above configuration, the load torque acting on the user's hip joint is determined based on the output of the first sensor indicating the angle of the user's upper body and the output of the second sensor indicating the load of the object. It is possible to accurately determine the load that acts on the hip joint when the posture of the upper body changes in order to lift an object.
As a result, the actuator can output the assist force necessary for the user according to the load acting on the user's hip joints and lower back, and the discomfort felt by the user due to the assist force can be reduced. can.
（２）上記アシスト装置において、前記負荷トルクは、前記第一センサの出力及び前記第二センサの出力に基づいて求められる、前記上半身の傾斜によって生じるトルクと、前記第二センサの出力に基づいて求められる、前記物体の荷重によって生じるトルクと、を含むことが好ましい。
この場合、利用者の上半身の傾斜によって生じる負荷、及び物体によって生じる負荷を考慮して負荷トルクを求めることができる。
(2) In the above-mentioned assist device, the load torque is determined based on the torque generated by the inclination of the upper body, which is determined based on the output of the first sensor and the output of the second sensor, and the output of the second sensor. It is preferable that the torque generated by the load of the object to be determined is included.
In this case, the load torque can be determined by taking into account the load caused by the inclination of the user's upper body and the load caused by the object.
（３）また、上記アシスト装置において、前記負荷トルクは、前記第一センサの出力に基づいて求められる、前記上半身の姿勢変化によって生じる前記上半身の加速トルクを含んでいてもよい。
この場合、上半身の動作に伴う動的な負荷を考慮して負荷トルクを求めることができる。
(3) Furthermore, in the assist device, the load torque may include an acceleration torque of the upper body caused by a change in the posture of the upper body, which is determined based on the output of the first sensor.
In this case, the load torque can be determined by taking into account the dynamic load associated with the movement of the upper body.
（４）上記アシスト装置において、前記負荷トルクは、下記式に基づいて求められる。
負荷トルク＝ｍ×ｈ×ｓｉｎθ＋ｆ×Ｌ×ｓｉｎθ
－（ｍ×ｈ２＋Ｉ）（ｄ２θ／ｄｔ２）
但し、ｍは前記上半身の荷重、ｈは前記上半身の重心から前記股関節までの距離、Ｉは前記上半身の重心を回転中心としたときの前記上半身の慣性モーメント、Ｌは前記利用者の肩関節から股関節までの距離、ｆは前記第二センサの出力に基づいて得られる前記物体の推定荷重、θは前記第一センサの出力に基づいて得られる垂直方向に対する前記上半身の角度、ｔは時間、ｄ２θ／ｄｔ２は前記上半身の角加速度である。
(4) In the assist device, the load torque is determined based on the following formula.
Load torque = m x h x sin θ + f x L x sin θ
-(m×h 2 +I) (d 2 θ/dt 2 )
However, m is the load of the upper body, h is the distance from the center of gravity of the upper body to the hip joint, I is the moment of inertia of the upper body when the center of gravity of the upper body is the rotation center, and L is the distance from the shoulder joint of the user. The distance to the hip joint, f is the estimated load of the object obtained based on the output of the second sensor, θ is the angle of the upper body with respect to the vertical direction obtained based on the output of the first sensor, t is time, d 2 θ/dt 2 is the angular acceleration of the upper body.
上記式を用いることで、上半身の傾斜によって生じるトルク、物体の荷重によって生じるトルク、及び、加速トルクに基づいた負荷トルクを求めることができ、利用者の股関節及び腰部に作用する負荷を精度よく求めることができる。 By using the above formula, it is possible to determine the torque caused by the inclination of the upper body, the torque caused by the load of the object, and the load torque based on the acceleration torque, and accurately calculate the load acting on the user's hip joints and lower back. be able to.
（５）また、上記アシスト装置において、前記第二センサは、前記利用者の足裏の圧力を検出する圧力センサを含むものであってもよい。 (5) Furthermore, in the assist device, the second sensor may include a pressure sensor that detects pressure on the sole of the user's foot.
（６）また、上記アシスト装置において、前記第二センサは、前記利用者の腕部の長手方向に沿って前記腕部に装着される腕装着帯と、前記腕装着帯の一端を前記利用者の肩部に固定する第一固定部と、前記腕装着帯の他端を前記利用者の腕部先端に固定する第二固定部と、前記腕装着帯の歪みを検出する歪みセンサと、を備えるものであってもよい。 (6) In the above-mentioned assist device, the second sensor includes an arm attachment band attached to the arm of the user along the longitudinal direction, and an end of the arm attachment band attached to the user's arm. a first fixing part that fixes to the shoulder of the user; a second fixing part that fixes the other end of the arm attachment band to the tip of the arm of the user; and a strain sensor that detects distortion of the arm attachment band. It may be prepared.
［実施形態の詳細］
以下、好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。
〔アシスト装置の全体構成〕
図１は、実施形態に係るアシスト装置の背面図である。図２は、利用者の身体に取り付けられたアシスト装置の背面図である。図３は、利用者の身体に取り付けられたアシスト装置の側面図である。
[Details of embodiment]
Hereinafter, preferred embodiments will be described with reference to the drawings.
[Overall configuration of assist device]
FIG. 1 is a rear view of the assist device according to the embodiment. FIG. 2 is a rear view of the assist device attached to the user's body. FIG. 3 is a side view of the assist device attached to the user's body.
本開示のアシスト装置１０において、左右は、アシスト装置１０を装着した直立姿勢にある利用者にとっての左右であり、前後は、その利用者にとっての前後であり、上下はその利用者にとっての上下である。上が利用者の頭側であり、下が利用者の足側である。
In the
図１に示すアシスト装置１０は、一つの第一装着具１１と、二つの第二装着具１２とを備える。
第一装着具１１は、利用者（人）の身体の一部である左右の肩部ＢＳに装着される。第一装着具１１は、利用者の上半身に装着されればよく、図示する形態以外であってもよい。
第二装着具１２は、利用者の身体の他部である左右の脚部ＢＬに装着される。本開示では、第二装着具１２は、脚部ＢＬの内の膝部ＢＮに装着される。左側の第二装着具１２と右側の第二装着具１２とは左右対称であるが、構成は同じである。第二装着具１２も、図示する形態以外であってもよい。
第一装着具１１と二つの第二装着具１２とは、腰部ＢＷ及び股関節を挟んで離れる二箇所、つまり肩部ＢＳ及び脚部ＢＬに装着される。
The
The
The
The
第一装着具１１は、ベース２１と、一対の肩ベルト２２と、一対の腋ベルト２３とを有する。
ベース２１は、後述する制御装置１５等を収容するコントロールボックス３０を含む。
ベース２１は、一対の肩ベルト２２及び一対の腋ベルト２３により、利用者に背負われた状態となる。
一対の肩ベルト２２は、ベース２１（コントロールボックス３０）の上部に設けられている。一対の肩ベルト２２それぞれの先端部２２ａには、一対の腋ベルト２３が接続されている。
一対の腋ベルト２３は、ベース２１（コントロールボックス３０）と一対の肩ベルト２２の先端部２２ａとを繋いでいる。腋ベルト２３の長さは調整可能である。腋ベルト２３の長さ調整により、ベース２１が利用者の背部（背面）ＢＢに密着した状態となる。これにより、第一装着具１１は肩部ＢＳに対して前後、左右、及び上下方向に移動不能に装着される。
第一装着具１１には、例えば、肩部ＢＳに掛ける部分として、硬質の部材が含まれていてもよい。図示しないが、第一装着具１１は、利用者の腰部ＢＷに装着される部材（腰ベルト）を、付属部として更に有していてもよい。前記腰ベルトはベース２１に連結される。
The
The
The
A pair of
The pair of
The
第二装着具１２は、柔軟性を有する布地等によって構成されている。
第二装着具１２は、利用者の膝部ＢＮに装着される膝本体部２４と、膝本体部２４から延びて設けられている一対の膝ベルト２５とを有する。一対の膝ベルト２５は、膝部ＢＮの上下位置それぞれに巻き付けられる。一対の膝ベルト２５の先端は膝本体部２４に固定される。膝ベルト２５は、ベルトとバックル、又は、面ファスナー等の係止部材により、膝部ＢＮに対する巻き付き長さの調整が可能である。これにより、膝本体部２４が膝部ＢＮの後面側に密着した状態となる。第二装着具１２は膝部ＢＮに対して前後、左右、及び上下方向に移動不能となって装着される。
The
The
アシスト装置１０は、第一装着具１１、及び左右の第二装着具１２の他に、ベルト体１３、アクチュエータ１４、制御装置１５、バッテリ３７、第一センサ３８、第二センサ５０、入出力装置３９を備える。
The
ベルト体１３は、利用者の背面側に沿って設けられている。ベルト体１３は、第一装着具１１と第二装着具１２とを連結する。
ベルト体１３は、第一ベルト１６と、第二ベルト１７と、連結部材１８とを有する。第一ベルト１６は利用者の上半身側に設けられている。第二ベルト１７は利用者の下半身側に設けられている。連結部材１８は、第一ベルト１６と第二ベルト１７とを連結する。
第一ベルト１６及び第二ベルト１７それぞれは、長尺であり、可撓性を有する。連結部材１８は、後にも説明するが、例えば「平カン」又は「角カン」と称される矩形の環状体２７、及びバックルのような留め具２８により構成されている。
The
The
Each of the
第一ベルト１６及び第二ベルト１７は、布製又は革製の帯状の部材であり、身体の形状に沿って湾曲可能である。なお、第一ベルト１６及び第二ベルト１７は、紐状のベルト（ワイヤーのような部材）であってもよい。本開示の第一ベルト１６及び第二ベルト１７は、非伸縮性の部材である。つまり、第一ベルト１６及び第二ベルト１７は、長手方向に伸縮し難い特性又は伸縮しない特性を有する。
The
アクチュエータ１４、制御装置１５、バッテリ３７、第一センサ３８、及び入出力装置３９は、ケーシングであるコントロールボックス３０内に収容されている。
図４は、コントロールボックス３０の内部を示す図である。コントロールボックス３０は、背面プレート３１と、背面プレート３１を覆うカバー３２とを有する。図４では、カバー３２は仮想線（二点鎖線）で示されている。
カバー３２の下端には、開口（切り欠き）３２ａが設けられている。第一ベルト１６は開口３２ａを通過している。
The
FIG. 4 is a diagram showing the inside of the
An opening (notch) 32a is provided at the lower end of the
アクチュエータ１４は、ベルト体１３の一部の巻き取り及び送り出しを可能とする。言い換えると、アクチュエータ１４は、第一装着具１１と第二装着具１２との間において、ベルト体１３を伸縮させる。
アクチュエータ１４は、モータ３３、減速機部３４、駆動プーリ３５、回転検出器３６を有する。
モータ３３は、ブラシレスＤＣモータである。モータ３３は、制御装置１５から与えられる制御命令に基づいて、所定のトルク、所定の回転数で回転する。また、モータ３３は、制御命令に基づいて正逆回転可能である。
回転検出器３６は、ホールセンサ等である。回転検出器３６の出力は、制御装置１５へ与えられ、モータ３３の制御に用いられる。
The
The
The
減速機部３４は、複数の歯車により構成されている。減速機部３４は、モータ３３の回転数を減速して、減速機部３４の出力軸３４ａを回転させる。
出力軸３４ａには、駆動プーリ３５が一体回転可能に連結されている。駆動プーリ３５には、第一ベルト１６の一端部１６ａ側が固定されている。
モータ３３の正回転により駆動プーリ３５が一方向に回転すると、第一ベルト１６は駆動プーリ３５に巻き取られる。モータ３３の逆回転により駆動プーリ３５が他方向に回転すると、第一ベルト１６は駆動プーリ３５から送り出される。
このように、アクチュエータ１４は、ベルト体１３の一部である第一ベルト１６の巻き取り及び送り出しを行うことができる。
The
A
When the
In this way, the
制御装置１５は、例えば、コンピュータやモータ３３の駆動回路等を含む。
制御装置１５は、第一センサ３８の出力、第二センサ５０の出力、及び回転検出器３６の出力に基づいてアクチュエータ１４を制御する機能を有する。制御装置１５が行う処理については、後に説明する。
The
The
第一センサ３８は、例えば、多軸加速度センサを含む。第一センサ３８の出力は制御装置１５へ与えられる。制御装置１５は、第一センサ３８の出力に基づいて制御装置１５が装着される利用者の上半身の角度を求めることができる。
第一センサ３８は、一つのセンサユニットにより構成される他、複数のセンサユニットにより構成されていてもよい。また、第一センサ３８は、多軸加速度センサ以外に、ジャイロセンサを含んでいてもよい。また、第一センサ３８は、コントロールボックス３０の外部に設けられていてもよい。
The
The
入出力装置３９は、利用者の操作を受け付けるための入力機能を有するとともに、利用者に対して出力を行う出力機能を有する。入出力装置３９は、制御装置１５に接続されている。入出力装置３９と、制御装置１５とは、互いに情報の授受が可能である。入出力装置３９は、例えば、タッチパネルや、キーボード、液晶モニタ、スピーカー、表示ランプ等を含む。
バッテリ３７は、制御装置１５や、モータ３３等、アシスト装置の各部に電力を供給する。
The input/
The
図１～図３に示すように、第二センサ５０は、一対の足裏装着具６０と、一対の圧力センサ６２とを備える。一対の足裏装着具６０は、例えば、靴の中敷きである。よって、一対の足裏装着具６０は、利用者の足裏と靴との間に配置される。
一対の圧力センサ６２は、一対の足裏装着具６０に設けられている。一対の圧力センサ６２のそれぞれは、足裏装着具６０における利用者のつま先に対応する部分に設けられている。
一対の圧力センサ６２は、利用者の足裏の圧力を検出し、検出結果を示す出力を制御装置１５へ与える。
制御部４０は、一対の圧力センサ６２からの一対の出力の平均値を第二センサ５０の出力として用いる。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
The pair of
A pair of
The
〔ベルト体１３について〕
ベルト体１３は、上述したように、第一ベルト１６と第二ベルト１７と連結部材１８とを有する。第一ベルト１６の一端部１６ａ側が、駆動プーリ３５に巻かれて固定されている。第一ベルト１６の他端部１６ｂ側が、連結部材１８に固定されている。駆動プーリ３５に第一ベルト１６が巻き取られると、連結部材１８は引き上げられる。連結部材１８が強制的に引き下げられると、駆動プーリ３５から第一ベルト１６が巻き出される（引き出される）。
[About the belt body 13]
As described above, the
連結部材１８は（図４参照）、環状体２７と、留め具（バックル）２８とを含む。留め具２８は第一部材２８ａと第二部材２８ｂとを有している。第一部材２８ａ及び第二部材２８ｂは、分離及び連結可能である。第一部材２８ａは、第一ベルト１６の他端部１６ｂに取り付けられている。第二部材２８ｂと環状体２７とは、短ベルト２９によって連結されている。環状体２７には第二ベルト１７が挿通されている。
The connecting member 18 (see FIG. 4) includes an
第二ベルト１７は、環状体２７で折り返され、環状体２７に掛けられている。環状体２７は、折り返された第二ベルト１７を支持する。これにより、第二ベルト１７は、環状体２７に固定されることなく、環状体２７に支持される。よって、第二ベルト１７は、その長手方向の両方向（図４の矢印Ｘ方向）に移動自在である。
The
図１及び図２に示すように、第二ベルト１７は、第二装着具１２に取り付けられている。具体的に説明すると、第二ベルト１７は一本の帯状部材により構成されている。第二ベルト１７の一端部１７ａ側が、左の第二装着具１２に取り付けられている。第二ベルト１７の他端部１７ｄ側が、右の第二装着具１２に取り付けられている。第二ベルト１７の途中部１７ｃが、連結部材１８に掛けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
第二ベルト１７は、途中部１７ｃの他、連結部材１８（途中部１７ｃ）から左の第二装着具１２までの左脚ベルト部１９と、連結部材１８（途中部１７ｃ）から右の第二装着具１２までの右脚ベルト部２０とを含む。
上述のように、第二ベルト１７は、環状体２７に固定されていないので、左脚ベルト部１９の長さと右脚ベルト部２０の長さとは、自由に変更可能である。ただし、左脚ベルト部１９の長さと右脚ベルト部２０の長さとの合計は一定である。この構成により、利用者の例えば歩行が第二ベルト１７によって制限されず、利用者は楽に歩行できる。
In addition to the
As described above, since the
〔制御装置１５の構成について〕
図５は、アシスト装置１０の制御構成を示すブロック図である。
図５に示すように、制御装置１５には、第一センサ３８、一対の圧力センサ６２（第二センサ５０）、及び入出力装置３９が有線又は無線によって接続されている。制御装置１５は、これらを制御するとともに、第一センサ３８、及び第二センサ５０からの出力を取得する。また、制御装置１５は、入出力装置３９を介して利用者との間の入出力処理を行う。
制御装置１５は、コンピュータ等からなる制御部４０と、駆動回路（モータドライバ）４１とを含む。
駆動回路４１は、制御部４０から与えられる制御命令及び回転検出器３６からの出力に基づいてモータ３３を動作制御する。
[About the configuration of the control device 15]
FIG. 5 is a block diagram showing the control configuration of the
As shown in FIG. 5, a
The
The
制御部４０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｓｓｅｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４２と、記憶部４３と、通信部４４と、を含む。
記憶部４３は、例えば、メモリやハードディスク等により構成される。記憶部４３は、ＣＰＵ４２により実行される各種プログラムやパラメータを記憶する。また、記憶部４３は、人体パラメータデータベース４３ａを記憶する。人体パラメータデータベース４３ａ（以下、人体パラメータＤＢ４３ａとも表す。）については後に説明する。
The
The
ＣＰＵ４２は、記憶部４３に記憶されている各種プログラム及び各種パラメータ等に基づいて、種々の処理を実行する。
ＣＰＵ４２は、制御命令を生成し駆動回路４１へ与える。制御命令はモータ３３（アクチュエータ１４）を制御するための命令である。ＣＰＵ４２は、電流指令値を求め、この電流指令値を制御命令として駆動回路４１へ与える。ＣＰＵ４２は、電流指令値によって、アクチュエータ１４を制御し、アシスト力の制御を行う。
ＣＰＵ４２は、荷重推定処理４２ａ、トルク演算処理４２ｂ、及び制御処理４２ｃを実行する機能を有する。
荷重推定処理４２ａは、利用者が持ち上げる物体の推定荷重を求める処理である。
トルク演算処理４２ｂは、利用者の上半身の姿勢変化に応じて利用者の股関節に作用する負荷トルクを求める処理である。
制御処理４２ｃは、前記負荷トルクに基づいてアクチュエータ１４を制御する処理である。
荷重推定処理４２ａ、トルク演算処理４２ｂ、及び制御処理４２ｃについては、後に説明する。
The
The
The
The
The
The
The
〔アシスト力について〕
図６は、前記アシスト装置１０を装着した利用者が姿勢を変化させたときの説明図である。図６では、直立姿勢の利用者、及び前傾姿勢の利用者を示している。
直立姿勢とは、利用者の上半身ＵＢ及び大腿部ＢＦが垂直方向（垂直線ＶＬ）にほぼ沿っている姿勢をいう。また、前傾姿勢とは、利用者の上半身ＵＢが前方に傾斜している姿勢をいう。
[About assist power]
FIG. 6 is an explanatory diagram when the user wearing the
The upright posture refers to a posture in which the user's upper body UB and thighs BF are substantially along the vertical direction (vertical line VL). Further, the forward leaning posture refers to a posture in which the user's upper body UB is tilted forward.
アシスト装置１０は、利用者の股関節に作用する負荷トルクＴを求め、この負荷トルクＴに基づいてアクチュエータ１４を制御する。
負荷トルクＴとは、利用者の上半身ＵＢに対する股関節軸Ｓ１回りに負荷として作用するトルクである。股関節軸Ｓ１は、大腿部ＢＦの回動軸である。
言い換えると、負荷トルクＴとは、利用者の上半身ＵＢを支持するために必要なトルクである。
利用者の股関節に作用する負荷トルクＴは、図６中の直立姿勢ではほぼ０である。利用者が直立姿勢から上半身ＵＢを前傾させればさせるほど、負荷トルクＴは増加する。
The
The load torque T is a torque that acts as a load around the hip joint axis S1 on the upper body UB of the user. The hip joint axis S1 is a rotation axis of the thigh BF.
In other words, the load torque T is the torque required to support the user's upper body UB.
The load torque T acting on the user's hip joints is approximately 0 in the upright posture shown in FIG. The more the user tilts the upper body UB forward from the upright position, the more the load torque T increases.
アシスト装置１０のＣＰＵ４２（制御部４０）は、求めた負荷トルクＴに応じて電流指令値を求め、アクチュエータ１４（モータ３３）を制御する。
アクチュエータ１４は、電流指令値に応じたトルクを出力する。アクチュエータ１４が出力するトルクは、第一ベルト１６が駆動プーリ３５に巻き取られる方向に駆動プーリ３５を回転させるトルクである。
よって、アクチュエータ１４が出力するトルクは、第一ベルト１６及び第二ベルト１７をアクチュエータ１４側（上側）へ引き上げる方向の力として第一ベルト１６及び第二ベルト１７に作用する。
The CPU 42 (control unit 40) of the
The
Therefore, the torque output by the actuator 14 acts on the
ここで、第二ベルト１７の両端部１７ａ，１７ｄは、左右の第二装着具１２に取り付けられている。第二装着具１２は膝部ＢＮに固定されている。
このため、アクチュエータ１４がトルクを出力すると、第一ベルト１６及び第二ベルト１７（ベルト体１３）には張力が生じる。この張力が、利用者に対するアシスト力（補助力）として作用する。
Here, both ends 17a and 17d of the
Therefore, when the
この張力は、第一装着具１１に、後方へ向かう作用力Ｆ１を生じさせる。つまり、前傾姿勢の利用者の上半身ＵＢを起き上がらせる方向の作用力Ｆ１が生じる。これと同時に、前記張力は、第二ベルト１７に、利用者の左臀部及び右臀部を前方に押し出す作用力Ｆ２を生じさせる。
つまり、アクチュエータ１４は、股関節軸Ｓ１回りに負荷トルクＴの方向とは反対方向のトルクを生じさせる。
これにより、アクチュエータ１４は、第一装着具１１及び第二装着具１２の間で大腿部ＢＦの回動を補助するアシスト力を生じさせる。
This tension causes a rearward acting force F1 to be generated on the
In other words, the
Thereby, the
例えば、利用者が図６に示す直立姿勢である場合、負荷トルクＴはほぼ０である。このとき、制御部４０が求める電流指令値がほぼ０であるとする。この場合、アクチュエータ１４はベルト体１３の巻き取りをほとんど行わない。よって、ベルト体１３の張力もほぼ０である。
利用者が直立姿勢から前傾姿勢へ姿勢変化すると、ベルト体１３は駆動プーリ３５から引き出される。
それと同時に、前傾姿勢となることで負荷トルクＴが増加するので、制御部４０は、負荷トルクＴに応じた電流指令値を求め、アクチュエータ１４を動作させる。
アクチュエータ１４は、電流指令値に応じて、ベルト体１３を巻き取る方向のトルクを出力し、アシスト力を生じさせる。
For example, when the user is in the upright position shown in FIG. 6, the load torque T is approximately zero. At this time, it is assumed that the current command value determined by the
When the user changes his posture from an upright posture to a forward leaning posture, the
At the same time, since the load torque T increases due to the forward leaning posture, the
The
アクチュエータ１４が出力するトルクは、ベルト体１３の張力となり、利用者に対してアシスト力（補助力）として作用する。
このように、制御部４０は、負荷トルクＴに応じた電流指令値を求めることで、負荷トルクＴに応じたアシスト力をアクチュエータ１４に出力させることができる。
The torque output by the
In this manner, the
〔荷重推定処理について〕
制御部４０は、荷重推定処理４２ａ（図５）を実行する機能を有する。荷重推定処理４２ａは、上述したように、第二センサ５０の出力に基づいて、利用者が持ち上げる物体の推定荷重を求める処理である。
図７は、しゃがみ姿勢の利用者が、荷物Ｌｏ（物体）を持っている状態を示す図である。なお、しゃがみ姿勢とは、利用者の上半身ＵＢが前方に傾斜しているとともに利用者の膝部ＢＮが屈曲している姿勢をいう。
図７中、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向のうち、Ｚ方向は、垂直方向に平行な方向である。Ｙ方向はアシスト装置１０を装着した利用者の前後方向である。
図７では、Ｙ－Ｚ平面における各部の状態を示している。
[About load estimation processing]
The
FIG. 7 is a diagram showing a state in which a user in a crouching position is holding luggage Lo (object). Note that the crouching posture refers to a posture in which the user's upper body UB is tilted forward and the user's knees BN are bent.
In FIG. 7, among the X direction, Y direction, and Z direction that are perpendicular to each other, the Z direction is a direction parallel to the vertical direction. The Y direction is the front-rear direction of the user wearing the
FIG. 7 shows the state of each part on the YZ plane.
利用者が荷物Ｌｏを持っていないとき、第二センサ５０は、利用者の荷重（体重）に基づく圧力を示す出力を制御部４０へ与える。
一方、図７に示すように、利用者が荷物Ｌｏを持っているとき、第二センサ５０（一対の圧力センサ６２）は、利用者の荷重と荷物Ｌｏの荷重（重量）とを合わせた荷重に基づく圧力を示す出力を制御部４０へ与える。
よって、利用者が荷物Ｌｏを持っていないときの第二センサ５０の出力と、利用者が荷物Ｌｏを持っているときの第二センサ５０の出力との間の差分は、荷物Ｌｏに基づく圧力変化を示しており、荷物Ｌｏの荷重（重量）を示している。
このように、第二センサ５０は、荷物Ｌｏの荷重を示す情報を出力する。
When the user does not have the luggage Lo, the
On the other hand, as shown in FIG. 7, when the user is holding the luggage Lo, the second sensor 50 (a pair of pressure sensors 62) detects the load that is the sum of the user's load and the load (weight) of the luggage Lo. An output indicating the pressure based on is given to the
Therefore, the difference between the output of the
In this way, the
荷重推定処理４２ａにおいて、制御部４０は、第二センサ５０の出力を監視し、第二センサ５０の出力の最小値を記憶する。制御部４０は、前記最小値と、第二センサ５０の出力の現在値との差分を求める。
第二センサ５０の出力の最小値は、利用者が荷物Ｌｏを持っていないときの第二センサ５０の出力とみなすことができる。
よって、前記最小値と前記現在値との差分は、利用者が荷物Ｌｏを持ち上げたことによって増加した圧力変化を示しており、荷物Ｌｏの荷重を示している。
In the
The minimum value of the output of the
Therefore, the difference between the minimum value and the current value indicates the pressure change increased by the user lifting the luggage Lo, and indicates the load of the luggage Lo.
例えば、第二センサ５０の出力の変化と、荷重変化との関係を予め求めておき、この関係を示す荷重情報を制御部４０の記憶部４３に記憶させておく。
制御部４０は、前記荷重情報を用いて、前記最小値と前記現在値との差分を、荷物Ｌｏの推定荷重に換算する。
このように、制御部４０は、前記最小値と前記現在値との差分、及び、前記荷重情報を用いて、荷物Ｌｏの推定荷重を求めることができる。
制御部４０は、荷重推定処理４２ａを実行し、第二センサ５０の出力に基づいて荷物Ｌｏ（利用者が持ち上げる物体）の推定荷重を常時求める。
For example, a relationship between a change in the output of the
The
In this way, the
The
なお、ここでは、第二センサ５０の出力を監視することで得た最小値が、利用者が荷物Ｌｏを持っていないときの出力として用いられる場合を示した。しかし、荷物Ｌｏを持っていないことを示す操作入力が入出力装置３９を介して制御部４０へ与えられたときに、そのときの第二センサ５０の出力が最小値として記憶部４３に記憶されるように構成してもよい。この場合、利用者が荷物Ｌｏを持っていないときの第二センサ５０の出力をより確実に取得することができる。
Note that here, a case has been shown in which the minimum value obtained by monitoring the output of the
〔トルク演算処理について〕
制御部４０は、トルク演算処理４２ｂ（図５）を実行する機能を有する。トルク演算処理４２ｂは、上述したように、第一センサ３８の出力及び第二センサ５０の出力に基づいて、利用者の上半身ＵＢの姿勢変化に応じて利用者の股関節に作用する負荷トルクＴを求める処理である。
[About torque calculation processing]
The
トルク演算処理４２ｂにおいて制御部４０は、まず、荷重ｍ、距離ｈ、慣性モーメントＩ、及び距離Ｌを、利用者に応じた値に設定する。
荷重ｍは、上半身ＵＢの荷重である。荷重ｍは、利用者の全荷重のうちの上半身ＵＢの部分的な荷重である。なお、荷重ｍは、利用者の上半身ＵＢの重量によって生じる垂直方向に沿って生じる力である。
距離ｈは、上半身ＵＢの重心から股関節までの距離である。距離ｈは、図７に示すように、股関節軸Ｓ１と、上半身ＵＢの重心ＣＧとの距離である。
慣性モーメントＩは、上半身ＵＢの重心ＣＧを回転中心としたときの上半身ＵＢの慣性モーメントである。
距離Ｌは、肩関節から股関節までの距離である。距離Ｌは、図７に示すように、股関節軸Ｓ１と、利用者の腕部ＢＡの肩関節軸Ｓ２との距離である。肩関節軸Ｓ２は、腕部ＢＡの回動軸である。
In the
The load m is the load on the upper body UB. The load m is a partial load on the upper body UB of the user's total load. Note that the load m is a force generated along the vertical direction due to the weight of the user's upper body UB.
The distance h is the distance from the center of gravity of the upper body UB to the hip joint. As shown in FIG. 7, the distance h is the distance between the hip joint axis S1 and the center of gravity CG of the upper body UB.
The moment of inertia I is the moment of inertia of the upper body UB when the center of gravity CG of the upper body UB is the center of rotation.
The distance L is the distance from the shoulder joint to the hip joint. As shown in FIG. 7, the distance L is the distance between the hip joint axis S1 and the shoulder joint axis S2 of the user's arm BA. The shoulder joint axis S2 is a rotation axis of the arm BA.
以下の説明では、荷重ｍ、距離ｈ、距離Ｌ、及び、慣性モーメントＩを総括して人体パラメータと呼ぶことがある。
図７中、上体軸ＵＢＬは、上半身ＵＢの長手方向に沿う軸線である。上体軸ＵＢＬは、股関節軸Ｓ１を通過する。なお、図７では、重心ＣＧ、及び肩関節軸Ｓ２も上体軸ＵＢＬ上に位置しているが、重心ＣＧ、及び肩関節軸Ｓ２は、上体軸ＵＢＬからずれていてもよい。
In the following description, the load m, distance h, distance L, and moment of inertia I may be collectively referred to as human body parameters.
In FIG. 7, the upper body axis UBL is an axis line along the longitudinal direction of the upper body UB. The upper body axis UBL passes through the hip joint axis S1. In addition, although the center of gravity CG and the shoulder joint axis S2 are also located on the body axis UBL in FIG. 7, the center of gravity CG and the shoulder joint axis S2 may be deviated from the body axis UBL.
人体パラメータそれぞれに設定される値は、入出力装置３９を介して受け付けられた利用者からの入力に応じた値であってもよい。
しかし、利用者による入力を受け付ける場合、利用者が交代するごとに、人体パラメータに関する入力を受け付ける必要が生じる。また、人体パラメータによっては測定が困難な場合があり、利用者が人体パラメータを把握できないおそれもある。
そこで、本実施形態の制御部４０は、記憶部４３に記憶されている人体パラメータＤＢ４３ａを用い（図５）、利用者に応じた人体パラメータの値を取得し、取得した値を利用者の人体パラメータの値に設定する。
The values set for each human body parameter may be values corresponding to inputs received from the user via the input/
However, when accepting inputs from users, it becomes necessary to accept inputs regarding human body parameters each time the user changes. Furthermore, some human body parameters may be difficult to measure, and there is a possibility that the user may not be able to grasp the human body parameters.
Therefore, the
図８は、人体パラメータＤＢ４３ａの内容の一例を示す図である。
図８中、人体パラメータＤＢ４３ａは、利用者の身長及び体重と、人体パラメータ（荷重ｍ、距離ｈ、距離Ｌ、及び、慣性モーメントＩ）と、が対応付けて登録されている。
人体パラメータＤＢ４３ａには、標準的な体型の日本人における人体パラメータの値が、登録されている。
よって、利用者の身長及び体重が既知である場合、人体パラメータＤＢ４３ａを参照することで、利用者に対応した人体パラメータの値が得られる。
FIG. 8 is a diagram showing an example of the contents of the human
In FIG. 8, in the human
In the human
Therefore, when the user's height and weight are known, the value of the human body parameter corresponding to the user can be obtained by referring to the human
例えば、利用者がアシスト装置１０を装着し、利用者によってアシスト装置１０が起動されると、制御部４０は、まず、入出力装置３９を介して身長及び体重の入力操作を利用者に要求する。
For example, when a user wears the
身長及び体重に関する操作入力を受け付けると入出力装置３９は、受け付けた身長及び体重に関する情報を制御部４０へ与える。
制御部４０は、人体パラメータＤＢ４３ａを参照し、利用者の身長及び体重に対応する人体パラメータの値を、利用者の人体パラメータの値に設定する。
このように、制御部４０は、人体パラメータＤＢ４３ａを用い、利用者に応じた人体パラメータの値を設定する。
Upon receiving the operational input regarding the height and weight, the input/
The
In this way, the
なお、本実施形態では、人体パラメータが登録された人体パラメータＤＢ４３ａが記憶部４３に記憶されている場合を例示したが、利用者の身長及び体重から人体パラメータの値を求めるための数式を記憶しておき、この数式を用いて利用者に応じた人体パラメータの値を求めてもよい。
In addition, in this embodiment, the case where the human
制御部４０は、人体のパラメータの他、荷物Ｌｏの推定荷重ｆを得るとともに、利用者の上半身ＵＢの角度θを得る。
推定荷重ｆは、荷重推定処理４２ａによって求められる。なお、推定荷重ｆは、荷物Ｌｏの重量によって生じる垂直方向に沿って生じる力である。
In addition to human body parameters, the
The estimated load f is determined by the
上半身ＵＢの角度θは、第一センサ３８の出力に基づいて得られる。
図７に示すように、角度θは、垂直線ＶＬと、上体軸ＵＢＬとの間の角度である。
上体軸ＵＢＬは、利用者の姿勢が直立姿勢のとき、垂直線ＶＬと一致する軸として制御部４０によって設定される。
制御部４０は、第一センサ３８の出力に基づいて、設定した上体軸ＵＢＬと、垂直線ＶＬとの間の角度θを求める。制御部４０は、常時、角度θを求める。
また、制御部４０は、角度θを時間軸上で離散した数値群として記憶する。制御部４０は、角度θの数値群を用いて、上半身ＵＢの角速度及び角加速度を求める。
The angle θ of the upper body UB is obtained based on the output of the
As shown in FIG. 7, the angle θ is the angle between the vertical line VL and the body axis UBL.
The upper body axis UBL is set by the
The
Further, the
制御部４０は、人体のパラメータ、荷物Ｌｏの推定荷重ｆ、及び上半身ＵＢの角度θを用いて負荷トルクＴを求める。
制御部４０は、下記式（１）に基づいて、負荷トルクＴを求める。
The
The
負荷トルクＴ＝ｍ×ｈ×ｓｉｎθ＋ｆ×Ｌ×ｓｉｎθ
－（ｍ×ｈ２＋Ｉ）（ｄ２θ／ｄｔ２） ・・・（１）
Load torque T=m×h×sinθ+f×L×sinθ
-(m×h 2 +I)(d 2 θ/dt 2 )...(1)
なお、上記式（１）中、ｔは時間、ｄ２θ／ｄｔ２は前記上半身の角加速度である。
図７に示す、股関節軸Ｓ１、肩関節軸Ｓ２、重心ＣＧ、及び上体軸ＵＢＬは、負荷トルクＴを求めるために仮想的に設定したものである。
上記式は、図７に示すように、推定荷重ｆが肩関節軸Ｓ２に作用し、荷重ｍが重心ＣＧに作用するときに、股関節軸Ｓ１回りに作用する負荷トルクＴを表している。
Note that in the above formula (1), t is time, and d 2 θ/dt 2 is the angular acceleration of the upper body.
The hip joint axis S1, shoulder joint axis S2, center of gravity CG, and upper body axis UBL shown in FIG. 7 are virtually set in order to obtain the load torque T.
As shown in FIG. 7, the above equation represents the load torque T that acts around the hip joint axis S1 when the estimated load f acts on the shoulder joint axis S2 and the load m acts on the center of gravity CG.
上記式（１）中、「ｍ×ｈ×ｓｉｎθ」は、上半身保持トルクを示している。上半身保持トルクは、上半身ＵＢの傾斜によって生じるトルクである。上半身保持トルクは、第一センサ３８の出力及び第二センサ５０の出力に基づいて求められる。
また、上記式（１）中、「ｆ×Ｌ×ｓｉｎθ」は、物体保持トルクを示している。物体保持トルクは、荷物Ｌｏの荷重によって生じるトルクである。物体保持トルクは、第二センサ５０の出力に基づいて求められる。
また、上記式（１）中、「－（ｍ×ｈ２＋Ｉ）（ｄ２θ／ｄｔ２）」は、上半身ＵＢの加速トルクを示している。加速トルクは、上半身ＵＢの姿勢変化によって生じるトルクである。加速トルクは、第一センサ３８の出力に基づいて求められる。
In the above formula (1), "m x h x sin θ" indicates the upper body holding torque. The upper body holding torque is a torque generated by the inclination of the upper body UB. The upper body holding torque is determined based on the output of the
Moreover, in the above formula (1), "f×L×sin θ" indicates the object holding torque. The object holding torque is the torque generated by the load of the luggage Lo. The object holding torque is determined based on the output of the
Furthermore, in the above equation (1), "-(m×h 2 +I)(d 2 θ/dt 2 )" indicates the acceleration torque of the upper body UB. The acceleration torque is a torque generated due to a change in the posture of the upper body UB. The acceleration torque is determined based on the output of the
つまり、負荷トルクＴは、上半身保持トルク、物体保持トルク、及び上半身ＵＢの加速トルクを含む。
制御部４０は、トルク演算処理４２ｂを実行し、上記式（１）を用いて負荷トルクＴを常時求める。
That is, the load torque T includes an upper body holding torque, an object holding torque, and an acceleration torque of the upper body UB.
The
〔制御処理について〕
制御部４０は、制御処理４２ｃ（図５）を実行する機能を有する。制御処理４２ｃは、上述したように、負荷トルクＴに基づいてアクチュエータ１４を制御する処理である。
制御処理４２ｃは、トルク演算処理４２ｂによって求められる負荷トルクＴに基づいてアクチュエータ１４を制御するための電流指令値を求める。
制御部４０は、下記式（２）に基づいて電流指令値を求める。
[About control processing]
The
The
The
電流指令値＝Ｅ×負荷トルクＴ ・・・（２） Current command value = E x load torque T (2)
なお、上記式（２）中、Ｅは定数である。
制御部４０は、式（２）に基づいて電流指令値を求めることで、負荷トルクＴに応じたアシスト力をアクチュエータ１４に出力させることができる。
定数Ｅは、アシスト力の大きさを調整するためのパラメータである。よって、定数Ｅは利用者によって調整可能とされていてもよい。また、定数Ｅは利用者の身長及び体重に応じて設定されるように構成してもよい。
Note that in the above formula (2), E is a constant.
The
The constant E is a parameter for adjusting the magnitude of the assist force. Therefore, the constant E may be adjustable by the user. Further, the constant E may be configured to be set according to the user's height and weight.
上記構成によれば、利用者の上半身ＵＢの角度を示す第一センサ３８の出力と、荷物Ｌｏ（物体）の荷重を示す第二センサ５０の出力と、に基づいて、利用者の股関節軸Ｓ１に作用する負荷トルクＴを求めるので、荷物Ｌｏの持ち上げを行うために上半身ＵＢを姿勢変化させたときに股関節に作用する負荷を精度よく求めることができる。
この結果、利用者の股関節や腰部に作用する負荷に応じた、利用者にとって必要なアシスト力をアクチュエータ１４に出力させることができ、アシスト力に起因して利用者に与えられる違和感を低減することができる。
According to the above configuration, the hip joint axis S1 of the user is determined based on the output of the
As a result, the
また、例えば、利用者が荷物Ｌｏを持ち上げたタイミングにおいて、必要なアシスト力の付与に遅延が生じると、利用者に違和感を与えるおそれがある。
この点、上記構成によれば、荷物Ｌｏを持ち上げているとき股関節軸Ｓ１に作用する負荷トルクＴ、及び、荷物Ｌｏを持ち上げていないときに股関節軸Ｓ１に作用する負荷トルクＴの両方を精度よく求めることができる。
よって、利用者が荷物Ｌｏを持っているか否かに関わらず、利用者の股関節に作用する負荷に応じたアシスト力をアクチュエータに出力させることができる。
これにより、利用者が荷物Ｌｏを持ち上げると、持ち上げたタイミングで速やかに適切なアシスト力をアクチュエータ１４に出力させることができる。
この結果、利用者が荷物Ｌｏを持ち上げたタイミングにおいて、必要なアシスト力の付与に生じる遅延を抑制でき、利用者に与える違和感を低減することができる。
Further, for example, if there is a delay in applying the necessary assisting force at the timing when the user lifts the luggage Lo, there is a risk that the user will feel uncomfortable.
In this regard, according to the above configuration, both the load torque T acting on the hip joint axis S1 when the load Lo is being lifted and the load torque T acting on the hip joint axis S1 when the load Lo is not being lifted can be accurately controlled. You can ask for it.
Therefore, regardless of whether or not the user is carrying the luggage Lo, it is possible to cause the actuator to output an assist force corresponding to the load acting on the user's hip joint.
Thereby, when the user lifts up the luggage Lo, it is possible to cause the
As a result, at the timing when the user lifts the luggage Lo, it is possible to suppress the delay that occurs in applying the necessary assisting force, and it is possible to reduce the sense of discomfort given to the user.
また、本実施形態では、負荷トルクＴが、上半身保持トルク、及び物体保持トルクを含むので、利用者の上半身の傾斜によって生じる負荷、及び物体によって生じる負荷を考慮して負荷トルクＴを求めることができる。
また、本実施形態では、負荷トルクＴが、上半身ＵＢの加速トルクを含むので、上半身ＵＢの動作に伴う動的な負荷を考慮して負荷トルクＴを求めることができる。
Furthermore, in this embodiment, the load torque T includes the upper body holding torque and the object holding torque, so the load torque T can be determined by taking into account the load caused by the tilt of the user's upper body and the load caused by the object. can.
Furthermore, in this embodiment, the load torque T includes the acceleration torque of the upper body UB, so the load torque T can be determined in consideration of the dynamic load accompanying the movement of the upper body UB.
図９は、負荷トルクＴ、荷物Ｌｏの推定荷重ｆ、及びアシスト力の経時変化の一例を示すグラフである。
図９中、上段のグラフは、負荷トルクＴ、及び荷物Ｌｏの推定荷重ｆの経時変化を示すグラフである。図９中、上段のグラフにおいて、線図Ｃ１は負荷トルクＴを示しており、線図Ｃ２は推定荷重ｆを示している。
図９中、下段のグラフは、アシスト力の経時変化を示すグラフである。
上段のグラフの横軸、及び下段のグラフの横軸は、時間を示しており、互いに対応している。
FIG. 9 is a graph showing an example of changes over time in the load torque T, the estimated load f of the load Lo, and the assist force.
In FIG. 9, the upper graph is a graph showing changes over time in the load torque T and the estimated load f of the cargo Lo. In the upper graph of FIG. 9, the line C1 shows the load torque T, and the line C2 shows the estimated load f.
In FIG. 9, the lower graph is a graph showing changes in assist force over time.
The horizontal axis of the upper graph and the horizontal axis of the lower graph indicate time and correspond to each other.
図９では、直立姿勢の利用者が、上半身ＵＢを傾斜させてしゃがみ姿勢（図７）となり、しゃがみ姿勢で荷物Ｌｏを手に取り、持ち上げ、荷物Ｌｏを持った状態でほぼ直立姿勢となるまでの各値の変化を示している。 In Figure 9, the user who is in an upright position tilts his or her upper body UB to a squatting position (Fig. 7), picks up the luggage Lo in the crouching position, lifts it, and reaches an almost upright position while holding the luggage Lo. It shows the change in each value.
図９中、時間Ｔ１は、利用者が直立姿勢からしゃがみ姿勢へ姿勢変化を開始したタイミングである。
図９中、時間Ｔ２は、しゃがみ姿勢の利用者が荷物Ｌｏを持ち上げ、しゃがみ姿勢から直立姿勢へ向けて姿勢変化を開始したタイミングである。
図９中、時間Ｔ３は、姿勢変化の中で、利用者が、傾斜した上半身ＵＢの起立を開始したタイミングである。
図９中、時間Ｔ４は荷物Ｌｏを持った状態でほぼ直立姿勢となったときのタイミングである。
In FIG. 9, time T1 is the timing at which the user starts changing his posture from an upright posture to a crouching posture.
In FIG. 9, time T2 is the timing when the user in the crouching position lifts up the luggage Lo and starts changing his or her posture from the crouching position to the upright position.
In FIG. 9, time T3 is the timing at which the user starts standing up with the tilted upper body UB during the posture change.
In FIG. 9, time T4 is the timing when the user assumes an almost upright posture while holding the luggage Lo.
時間Ｔ１よりも前の期間では、利用者は直立姿勢である。よって、負荷トルクＴはほぼ０である。また、推定荷重ｆもほぼ０である。
時間Ｔ１から時間Ｔ２までの期間では、利用者は未だ荷物Ｌｏを持っていないので、推定荷重ｆはほぼ０である。一方、利用者の上半身ＵＢは前傾を開始しているので、負荷トルクＴは、上半身保持トルクと加速トルクとを加算した値だけ増加している。
In the period before time T1, the user is in an upright position. Therefore, the load torque T is approximately zero. Further, the estimated load f is also approximately 0.
During the period from time T1 to time T2, the user does not have the luggage Lo yet, so the estimated load f is approximately 0. On the other hand, since the user's upper body UB has started leaning forward, the load torque T has increased by the sum of the upper body holding torque and the acceleration torque.
時間Ｔ２では、利用者は荷物Ｌｏの持ち上げを開始する。よって、時間Ｔ２から時間Ｔ３までの期間において、推定荷重ｆは急激に増加し、その後、一定の値で収束している。推定荷重ｆは荷物Ｌｏの重量に応じた値の近傍で収束する。また、負荷トルクＴも、物体保持トルクの値が加算され、物体保持トルクの値だけ増加している。負荷トルクＴは、推定荷重ｆの増加に追従して増加している。 At time T2, the user starts lifting the luggage Lo. Therefore, in the period from time T2 to time T3, the estimated load f increases rapidly, and then converges to a constant value. The estimated load f converges around a value corresponding to the weight of the luggage Lo. Further, the value of the object holding torque is added to the load torque T, and the value is increased by the value of the object holding torque. The load torque T is increasing following the increase in the estimated load f.
時間Ｔ３では、利用者が上半身ＵＢの起立を開始するので、角度θが徐々に減少する。
このため、上半身保持トルク及び物体保持トルクは、角度θの減少に応じて徐々に減少する。
このため、時間Ｔ３から時間Ｔ４までの期間において、負荷トルクＴは徐々に減少する。なお、利用者は荷物Ｌｏを持っている状態を維持しているので、推定荷重ｆは荷物Ｌｏの重量に応じた値の近傍で収束したままである。
時間Ｔ４では、上半身保持トルク及び物体保持トルクがほぼ０となるので、負荷トルクＴは、それに応じて０に近づくように減少している。
At time T3, the user starts standing up with the upper body UB, so the angle θ gradually decreases.
Therefore, the upper body holding torque and the object holding torque gradually decrease as the angle θ decreases.
Therefore, the load torque T gradually decreases during the period from time T3 to time T4. Note that since the user maintains the state in which he is holding the luggage Lo, the estimated load f remains converged near the value corresponding to the weight of the luggage Lo.
At time T4, the upper body holding torque and the object holding torque become approximately 0, so the load torque T decreases toward 0 accordingly.
本実施形態において、制御部４０は、上記式（２）に基づいて、負荷トルクＴに応じたアシスト力をアクチュエータ１４に出力させる。
よって、アシスト力の経時変化は、図９中の下段のグラフに示すように、負荷トルクＴと同じプロファイルとなる。
このため、本実施形態によれば、各期間において変化する負荷トルクＴに応じて、適切なアシスト力をアクチュエータ１４に出力させることができる。
In this embodiment, the
Therefore, the change in assist force over time has the same profile as the load torque T, as shown in the lower graph in FIG.
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to cause the
〔他の実施形態について〕
図１０は、他の実施形態に係るアシスト装置１０の第二センサ５０を示す図である。
本実施形態の第二センサ５０は、利用者の腕部ＢＡに装着されている点において上記実施形態と相違する。
本実施形態の第二センサ５０は、腕装着帯７０と、第一固定部７１と、第二固定部７２と、ひずみセンサ７３と、を備えている。
[About other embodiments]
FIG. 10 is a diagram showing the
The
The
腕装着帯７０は、金属によって形成された帯状部材である。腕装着帯７０は、腕部ＢＡの長手方向に沿って腕部ＢＡに装着される。
第一固定部７１は、利用者の肩部に固定されるリング状の部材である。第一固定部７１には、腕装着帯７０の一端部７０ａが固定されている。
第二固定部７２は、利用者の手首に固定されるリング状の部材である。第二固定部７２には、腕装着帯７０の他端部７０ｂが固定されている。
ひずみセンサ７３は、腕装着帯７０に設けられている。ひずみセンサ７３は、腕装着帯７０の長手方向のひずみを検出する。ひずみセンサ７３は、制御部４０に有線又は無線により接続されている。ひずみセンサ７３の出力は、制御部４０へ与えられる。
The
The first fixing
The
図１０に示すように、利用者が荷物Ｌｏを持ち上げると、腕部ＢＡには、荷物Ｌｏに基づく荷重が作用する。このため、腕部ＢＡに装着されている腕装着帯７０には長手方向にひずみが生じる。
よって、利用者が荷物Ｌｏを持ち上げる前のひずみセンサ７３の出力と、利用者が荷物Ｌｏを持ち上げたときのひずみセンサ７３の出力と、の差分は、荷物Ｌｏの荷重を示している。
As shown in FIG. 10, when the user lifts the luggage Lo, a load based on the luggage Lo acts on the arm BA. For this reason, strain occurs in the
Therefore, the difference between the output of the
本実施形態の制御部４０は、このひずみセンサ７３の出力に基づいて、荷重推定処理４２ａを実行する。
この場合も、利用者の股関節に作用する負荷に応じたアシスト力をアクチュエータ１４に出力させることができ、アシスト力に起因して利用者に与えられる違和感を低減することができる。
The
In this case as well, it is possible to cause the
図１１は、さらに他の実施形態に係るアシスト装置１０の一部を示すブロック図である。
本実施形態のアシスト装置１０は、端末装置５２を含んで構成されている点において、上記実施形態と相違する。
FIG. 11 is a block diagram showing a part of the
The
本実施形態の制御装置１５は、端末装置５２と無線通信するための通信部４４を備えている。
端末装置５２は、例えば、スマートフォンや、タブレット、携帯電話、ウエアラブル端末等である。端末装置５２と、制御装置１５とは、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）やインターネット等のネットワークを介して相互に無線通信可能に接続される。
端末装置５２は、利用者の操作入力を受け付け、その操作入力応じた出力を制御装置１５へ送信したり、端末装置５２が有するセンサの出力を送信したりする機能を有する。
よって、制御装置１５は、コントロールボックス３０の外部からの入力を受け付けることができるとともに、コントロールボックス３０の外部へ出力することができる。
The
The
The
Therefore, the
端末装置５２は、ＣＰＵ５２ａと、記憶部５２ｂと、入出力部５２ｃと、多軸加速度センサ５２ｄと、通信部５２ｅとを含む。
記憶部５２ｂは、例えば、メモリやハードディスク等により構成される。記憶部５２ｂは、ＣＰＵ５２ａにより実行される各種プログラムやパラメータを記憶する。
ＣＰＵ５２ａは、記憶部５２ｂに記憶されている各種プログラム及び各種パラメータ等に基づいて、種々の処理を実行する。
入出力部５２ｃは、利用者の操作を受け付けるための入力機能を有するとともに、利用者に対して出力を行う出力機能を有する。入出力部５２ｃは、例えば、タッチパネルである。
多軸加速度センサ５２ｄは、端末装置５２の角度を求めるためのセンサである。
通信部５２ｅは、制御装置１５との間で無線通信を行うための機能部である。端末装置５２は、通信部５２ｅによって、制御装置１５との間で無線通信可能に接続される。
The
The
The
The input/
The
The
本実施形態の制御部４０は、端末装置５２との間で情報を授受しつつアシスト力の制御を行うことができる。
例えば、利用者が持ち上げようとする物体の重量（荷重）を受け付ける機能を端末装置５２が有していてもよい。
この場合、利用者が持ち上げようとする物体の重量（荷重）を端末装置５２の入出力部５２ｃが受け付けると、端末装置５２のＣＰＵ５２ａは、制御装置１５へ物体の重量を示す情報を送信する。制御部４０は、この物体の重量を示す情報に基づいて推定荷重ｆを求め、負荷トルクＴの演算に用いる。
これにより、制御部４０は、予め、推定荷重ｆを認識することができ、第二センサ５０の出力を用いることなく推定荷重ｆを得ることができる。
The
For example, the
In this case, when the input/
Thereby, the
さらに、利用者の人体パラメータの値の入力を受け付ける機能を端末装置５２が有していてもよい。
この場合、利用者の人体パラメータの値を端末装置５２の入出力部５２ｃが受け付けると、端末装置５２のＣＰＵ５２ａは、制御装置１５へ人体パラメータの値を示す情報を送信する。制御部４０は、受信した人体パラメータの値を用いて負荷トルクＴの演算に用いる。
また、同様に、利用者の身長及び体重の入力を受け付ける機能を端末装置５２が有していてもよい。
Furthermore, the
In this case, when the input/
Similarly, the
さらに、この場合、受け付けた人体パラメータの値や、利用者の身長及び体重を記憶部５２ｂに記憶しておいてもよい。利用者がアシスト装置１０を装着し、利用者の操作に基づいて端末装置５２が制御装置１５と通信接続したとき、ＣＰＵ５２ａは、記憶部５２ｂの人体パラメータの値や利用者の身長及び体重を制御装置１５へ送信する。
これにより、利用者に応じたアシスト装置１０の設定が容易となる。
Furthermore, in this case, the received human body parameter values and the user's height and weight may be stored in the
This makes it easy to set the
また、利用者が端末装置５２を上半身ＵＢに携帯する場合、端末装置５２の多軸加速度センサ５２ｄを用いて上半身ＵＢの角度θを求めることができる。
制御部４０は、多軸加速度センサ５２ｄの出力の送信要求を端末装置５２に対して送信する。
前記送信要求を受信した端末装置５２は、多軸加速度センサ５２ｄの出力を制御部４０へ送信する。
多軸加速度センサ５２ｄの出力を受信した制御部４０（制御装置１５）は、多軸加速度センサ５２ｄの出力に基づいて角度θを求める。
このように、利用者が端末装置５２を上半身ＵＢに携帯する場合、端末装置５２の多軸加速度センサ５２ｄを用いて上半身ＵＢの角度θを求めることができるので、第一センサ３８を省略した構成とすることができる。
Further, when the user carries the
The
The
The control unit 40 (control device 15) that receives the output of the
In this way, when the user carries the
〔その他〕
今回開示した実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。
例えば、負荷トルクＴの値に対して上限値を定め、負荷トルクＴの値が上限値を超えると、制御部４０が入出力装置３９を介して利用者に対して音や表示ランプ等による警告を出力するように構成してもよい。
この場合、利用者に過大な負荷が作用したときに利用者に対して現在行っている作業の中断を促すことができる。
〔others〕
The embodiments disclosed herein are illustrative in all respects and are not restrictive.
For example, an upper limit value is set for the value of the load torque T, and when the value of the load torque T exceeds the upper limit value, the
In this case, when an excessive load is applied to the user, the user can be prompted to interrupt the work he/she is currently doing.
また、上記実施形態では、上記式（２）に示したように、負荷トルクＴに対して定数Ｅを乗算し、電流指令値（アシスト力）を求めるように構成した場合を例示した。
しかし、例えば、上記式（２）に定数項を付加してもよい。
この場合、角度θが０となり、負荷トルクＴが０となったとしても定数項の値に応じたアシスト力が出力される。
これにより、ベルト体１３には初期張力が付与され、利用者が直立姿勢であるときにベルト体１３が緩んでしまうのを抑制することができる。
なお、上記定数項は、ベルト体１３の緩みを抑制する程度でかつ利用者に負担が掛からない程度の数値に設定される。
Moreover, in the above-mentioned embodiment, as shown in the above-mentioned formula (2), a case was illustrated in which the load torque T is multiplied by a constant E to obtain the current command value (assist force).
However, for example, a constant term may be added to the above equation (2).
In this case, even if the angle θ becomes 0 and the load torque T becomes 0, an assist force corresponding to the value of the constant term is output.
Thereby, an initial tension is applied to the
Note that the constant term is set to a value that suppresses loosening of the
また、上記実施形態では、上記式（２）に示したように、負荷トルクＴに対して定数Ｅを乗算し、負荷トルクＴに対して線形的にアシスト力を求めるように構成した場合を例示した。
しかし、定数Ｅを角度θに関する関数とすることで、角度θに応じてより細かくアシスト力の調整が可能となる。
Further, in the above embodiment, as shown in the above formula (2), a case is exemplified in which the load torque T is multiplied by a constant E to obtain the assist force linearly with respect to the load torque T. did.
However, by making the constant E a function related to the angle θ, it becomes possible to adjust the assist force more finely according to the angle θ.
また、本実施形態では、第一装着具１１と第二装着具１２とを連結するベルト体１３の一部の巻き取り及び送り出しを行うアクチュエータ１４によってアシスト力を生じさせるアシスト装置の場合を例示した。しかし、本実施形態は、他の形態のアシスト装置にも採用することができる。
他の形態のアシスト装置として、利用者の上半身に装着される上半身装着具と、前記利用者の大腿部に沿って配置され、前記装着具に対して回動可能なアームと、前記アームを回動させるトルクを発生させるアクチュエータと、前記アームに設けられるとともに、前記大腿部に装着される脚装着具と、を備え、上半身装着具と脚装着具との間で、利用者の股関節を回動させるような回転トルクをアシスト力としてアクチュエータに発生させるアシスト装置が挙げられる。このようなアシスト装置においても本実施形態と同様の構成を適用することができる。
Furthermore, in this embodiment, an example is given of an assist device in which an assist force is generated by an
Another type of assist device includes an upper body attachment that is attached to the upper body of a user, an arm that is placed along the thigh of the user and is rotatable with respect to the attachment, and an arm that is rotatable with respect to the attachment. An actuator that generates rotational torque, and a leg attachment that is provided on the arm and attached to the thigh, and the user's hip joint is connected between the upper body attachment and the leg attachment. An example of this is an assist device that generates rotational torque that causes an actuator to rotate as an assist force. The same configuration as this embodiment can be applied to such an assist device as well.
本発明の権利範囲は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された構成と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。 The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes all modifications within the scope of equivalents to the configurations described in the claims.
１０ アシスト装置
１１ 第一装着具
１２ 第二装着具
１４ アクチュエータ
３８ 第一センサ
４０ 制御部
４２ｂ トルク演算処理
４２ｃ 制御処理
５０ 第二センサ
６２ 圧力センサ
７０ 腕装着帯
７１ 第一固定部
７２ 第二固定部
７３ ひずみセンサ
10
Claims (6)
前記利用者の左右の脚部に装着される第二装着具と、
前記利用者の大腿部の回動を補助するアシスト力を前記第一装着具及び前記第二装着具の間で生じさせるアクチュエータと、
前記アクチュエータを制御する制御部と、
前記上半身の角度を検出する第一センサと、
前記利用者が持ち上げた物体の荷重を示す情報を出力する第二センサと、
を備え、
前記制御部は、
前記第一センサの出力及び前記第二センサの出力に基づいて、前記上半身の姿勢変化に応じて前記利用者の股関節に作用する負荷トルクを求めるトルク演算処理と、
前記負荷トルクに基づいて前記アクチュエータを制御する制御処理と、を実行する
アシスト装置。 a first attachment device attached to the upper body of the user;
a second attachment device attached to the left and right legs of the user;
an actuator that generates an assisting force between the first wearing tool and the second wearing tool to assist rotation of the user's thigh;
a control unit that controls the actuator;
a first sensor that detects the angle of the upper body;
a second sensor that outputs information indicating the load of the object lifted by the user;
Equipped with
The control unit includes:
Torque calculation processing for determining a load torque acting on the hip joint of the user in response to a change in the posture of the upper body based on the output of the first sensor and the output of the second sensor;
An assist device that executes a control process of controlling the actuator based on the load torque.
前記第一センサの出力及び前記第二センサの出力に基づいて求められる、前記上半身の傾斜によって生じるトルクと、
前記第二センサの出力に基づいて求められる、前記物体の荷重によって生じるトルクと、
を含む
請求項１に記載のアシスト装置。 The load torque is
Torque caused by the inclination of the upper body, which is determined based on the output of the first sensor and the output of the second sensor;
a torque generated by the load of the object, which is determined based on the output of the second sensor;
The assist device according to claim 1, comprising:
請求項２に記載のアシスト装置。 The assist device according to claim 2, wherein the load torque includes an acceleration torque of the upper body caused by a change in posture of the upper body, which is determined based on the output of the first sensor.
負荷トルク＝ｍ×ｈ×ｓｉｎθ＋ｆ×Ｌ×ｓｉｎθ
－（ｍ×ｈ２＋Ｉ）（ｄ２θ／ｄｔ２）
請求項３に記載のアシスト装置。
但し、ｍは前記上半身の荷重、ｈは前記上半身の重心から前記股関節までの距離、Ｉは前記上半身の重心を回転中心としたときの前記上半身の慣性モーメント、Ｌは前記利用者の肩関節から股関節までの距離、ｆは前記第二センサの出力に基づいて得られる前記物体の推定荷重、θは前記第一センサの出力に基づいて得られる垂直方向に対する前記上半身の角度、ｔは時間、ｄ２θ／ｄｔ２は前記上半身の角加速度である。 The load torque is calculated based on the following formula: Load torque = m x h x sin θ + f x L x sin θ
-(m×h 2 +I) (d 2 θ/dt 2 )
The assist device according to claim 3.
However, m is the load of the upper body, h is the distance from the center of gravity of the upper body to the hip joint, I is the moment of inertia of the upper body when the center of gravity of the upper body is the rotation center, and L is the distance from the shoulder joint of the user. The distance to the hip joint, f is the estimated load of the object obtained based on the output of the second sensor, θ is the angle of the upper body with respect to the vertical direction obtained based on the output of the first sensor, t is time, d 2 θ/dt 2 is the angular acceleration of the upper body.
請求項１に記載のアシスト装置。 The assist device according to claim 1, wherein the second sensor includes a pressure sensor that detects pressure on the sole of the user's foot.
請求項１に記載のアシスト装置。
The second sensor includes an arm attachment band attached to the user's arm along the longitudinal direction of the arm, and a first fixing part that fixes one end of the arm attachment band to the user's shoulder. The assist device according to claim 1, further comprising: a second fixing part that fixes the other end of the arm attachment band to the tip of the arm of the user; and a strain sensor that detects distortion of the arm attachment band.
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