JP5578036B2 - アシストロボット - Google Patents

Description

本発明は、脚を動かすことが不自由なユーザが装着あるいは搭乗し、ユーザの動きを補助するアクチュエータを備えたアシストロボットに関する。以下、本明細書では、脚を動かすことが不自由なユーザが装着あるいは搭乗し、ユーザの動きを補助するアクチュエータを備えたアシストロボットを、脚を動かすことが不自由なユーザに密着してユーザの動作を補助するアシストロボット、あるいは、単に、アシストロボットと称する。

脚を動かすことが不自由なユーザのためのアシストロボットが研究されている。そのようなユーザの例は、脚の弱った高齢者や、病気によって脚の自由を失った患者などが挙げられる。そのようなユーザのために、例えば特許文献１には、ベッドから車椅子へ、あるいは、車椅子からベッドへユーザを移乗させるための装置が開示されている。その装置は、ユーザが失禁したことを検知するための湿気センサを備えている。

特開２００８−５２２７０８号公報

特許文献１の技術は、失禁を検知するに留まっている。ユーザの動作を補助するアシストロボットは、コントローラやアクチュエータなどの電気系統を備えるため、濡れると短絡を起こす虞がある。短絡を起こした際にアクチュエータが動作中であると（別言すれば短絡を起こした際にアクチュエータに駆動用電力が供給されていると）アクチュエータが予期せぬ動作を行う可能性がある。本発明は、失禁の水分により電気系統が短絡してもアクチュエータが予期せぬ動作を起こさないアシストロボットを提供する。

本明細書が開示する技術の一実施形態は、脚を動かすことが不自由なユーザが装着あるいは搭乗するアシストロボットである。簡単に表現すると、脚を動かすことが不自由なユーザに密着してユーザの動作を補助するアシストロボットである。アシストロボットは、ユーザの動作を補助するためのアクチュエータを有している。さらにアシストロボットは、アンモニアを検知するガスセンサを備えており、ガスセンサが検知したアンモニア濃度が予め定められた閾値濃度を超えた場合にアクチュエータの電源を遮断することを特徴とする。ガスセンサが計測するアンモニア濃度は、液体濃度であってもよいし、気化アンモニアのガス濃度であってもよい。このアシストロボットは、所定の閾値濃度以上のアンモニアをガスセンサが検知すると、失禁と判断し、アクチュエータの電源を遮断する。従って、失禁が生じ、電気系統の一部が短絡した場合であってもアクチュエータが不測の動作をすることがない。

このアシストロボットは、複数のガスセンサを備えているとよい。一例として、メインガスセンサがアシストロボットを使用中のユーザの股間に相当する位置から下方へ第１距離離れた位置に配置されており、サブガスセンサが股間相当位置からの距離が第１距離より長い第２距離離れた位置に配置されているとよい。そして、このアシストロボットは、メインガスセンサが検知したアンモニア濃度が、サブガスセンサが検知したアンモニア濃度よりも予め定められた閾値濃度差以上高い場合に、電源を遮断するように構成されているとよい。この場合、上記した閾値濃度が、サブガスセンサが計測したアンモニアガス濃度に対するオフセットという形で規定されていることに相当する。

例えばトイレなどでは、もともとアンモニア濃度が高い。サブガスセンサが、周囲のアンモニア濃度を検出し、メインガスセンサが計測した濃度がサブガスセンサが計測した濃度よりも所定の閾値濃度差以上高い場合に失禁と判断することによって、周囲のアンモニア濃度が高い場合であってもそのことによる誤判断を回避することができる。

アシストロボットの機械的構造は、例えば次のとおりである。アシストロボットは、大腿リンク、下腿リンク、アクチュエータを有する。大腿リンクは、ユーザの大腿に装着される。下腿リンクは、ユーザの膝関節と同軸の位置で大腿リンクと揺動可能に連結しており、ユーザの下腿に装着される。アクチュエータは、大腿リンクと下腿リンクの連結部であって膝の側方外側に配置されており下腿リンクを揺動させる。アクチュエータは、モータでよい。そのような機械的構造を備えている場合は、メインガスセンサが大腿前方または大腿内側の位置で大腿リンクに配置されており、サブガスセンサが大腿外側の位置で大腿リンクに配置されていることが好適である。モータを膝側方外側に配置することによって失禁時の湿気からできるだけ遠ざけるとともに、メインガスセンサを大腿前側または内側に配置することによってモータが濡れるよりも先に失禁を検知することができる。

本明細書が開示する技術は、失禁の水分により電気系統が短絡してもアクチュエータが予期せぬ動作を行わないアシストロボットを提供する。

第１実施例のアシストロボットの斜視図である。 コントローラが実行する処理のフローチャート図である。 第２実施例のアシストロボットの側面図である。

第１実施例のアシストロボット１００を図１に示す。このアシストロボット１００は、ユーザＵの脚に装着し、膝関節にトルクを加える装着型の支援装置である。アシストロボット１００は、主として、ユーザＵの一方の脚に装着される脚装具１０と、脚装具１０を制御するコントローラ１２で構成される。本実施例では、ユーザＵは、左脚は健康であるが右脚が自由に動かすことができない患者であると仮定する。左脚は健康であるので脚装具１０は右脚だけに装着される。

アシストロボット１００を説明する前に、座標系について説明する。図１に示すように、ユーザＵの前方をＸ軸とし、側方をＹ軸とし、鉛直上方をＺ軸とする。ロボットの技術分野では、ロボット（人体）の前後方向に伸びている軸（Ｘ軸）をロール軸と称し、ロボット（人体）の側方に伸びている軸（Ｙ軸）をピッチ軸と称し、鉛直上方（Ｚ軸）に伸びている軸をヨー軸と称する。

脚装具１０の構造を説明する。脚装具１０は、大腿リンク２０、下腿リンク３０、及び、足リンク３６を備えている。大腿リンク２０と下腿リンク３０と足リンク３６は、補助を必要とするユーザＵの患脚ＵＡ（ここでは右脚）に装着される。詳しくは、大腿リンク２０が大腿ＵＢに装着され、下腿リンク３０が下腿ＵＤに装着され、足リンク３６が足ＵＥに装着される。

大腿リンク２０と下腿リンク３０は、ユーザの膝関節ＵＣの両側で連結されている。詳しくは、大腿リンク２０と下腿リンク３０は、ユーザの膝関節と同軸に位置する一対の膝ジョイント２５で回転可能に連結されている。膝の側方外側に位置する膝ジョイント２５には、モータ２６と角度センサ２７が内蔵されている。モータ２６は、下腿リンク３０を膝関節と同軸のピッチ軸（Ｙ軸）回りに揺動させる。以下では、大腿リンク２０と下腿リンク３０がなす角度を膝角度と称する。角度センサ２７が計測する角度は、大腿リンク２０に対する下腿リンク３０の揺動角であるが、その角度は、ユーザＵの大腿ＵＢと下腿ＵＤがなす膝角度にも相当する。

下腿リンク３０と足リンク３６は、ユーザの足首関節の両側で連結されている。詳しくは、下腿リンク３０と足リンク３６はユーザの足首関節のピッチ軸（Ｙ軸）と同軸に位置する一対の足首ジョイント３４によって回転可能に連結されている。足首ジョイント３４はアクチュエータを備えておらず、足リンク３６は、ユーザＵの足の揺動に応じて受動的に揺動する。足リンク３６の足底には、荷重センサ３２が配置されており、ユーザＵの右脚が接地しているときの接地荷重を計測する。

コントローラ１２は、小型のコンピュータやバッテリを内蔵しており、ケーブル１６を介して脚装具１０の各部へ電力を供給するとともに、脚装具１０の各部の動作を制御する。コントローラ１２は、一例であるが、ユーザＵの体幹（腰）に取り付けられる。コントローラ１２は、装着ベルト１４によって、ユーザＵの体幹に固定される。なお、コントローラ１２を装着する位置は特に限定されず、例えばユーザＵの背に装着する構造としてもよい。コントローラ１２は、角度センサ２７と荷重センサ３２の計測値に基づいてモータ２６を制御する。

コントローラ１２は、角度センサ２７から膝角度データを取得し、荷重センサ３２から右脚足底に加わる荷重データを取得する。コントローラ１２は、それらデータに基づき、モータ２６を制御する。一例では、コントローラ１２は、歩行時の理想的な膝角度の経時的変化を記述した目標パターンデータを記憶しており、角度センサ２７が計測する膝角度が目標パターンに追従するようにモータ２６を制御する。即ち、アシストロボット１００は、ユーザの歩行動作を支援する。歩行動作支援のためのモータ制御の具体的アルゴリズムについては説明を省略する。

アシストロボット１００は、２個のガスセンサ（メインガスセンサ４１、サブガスセンサ４２）を備えている。いずれのセンサも、空気中のアンモニア濃度を計測する。以下では、空気中のアンモニア濃度を簡単に「ガス濃度」と称する。メインガスセンサ４１は、ユーザが脚装具１０を装着したときにユーザの股間に相当する位置の概ね下方に配置されている。具体的には、メインガスセンサ４１は、大腿前方の位置で大腿リンク２０に固定されている。なお、メインガスセンサ４１は、大腿内側の位置で大腿リンク２０に固定されていてもよい。

サブガスセンサ４２は、大腿外側の位置で大腿リンク２０に固定されている。図１から把握されるように、ユーザの股間相当位置からメインガスセンサ４１までの距離は、股間相当位置からサブガスセンサ４２までの距離より短い。

図２に、コントローラ１２が実行するガスのモニタリング処理について説明する。コントローラ１２は、まず、メインガスセンサ４１とサブガスセンサ４２のセンサデータ（夫々のセンサが計測したガス濃度）を取得する（Ｓ２）。次にコントローラ１２は、メインガスセンサ４１が計測したガス濃度からサブガスセンサ４２が計測したガス濃度を差し引き、ガス濃度差を求める（Ｓ４）。コントローラ１２は、ステップＳ４で算出したガス濃度差を、予め定められコントローラ１２に記憶されている閾値濃度差と比較する（Ｓ６）。コントローラ１２は、ガス濃度差が閾値濃度差よりも大きい場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、モータ２６の電源を遮断する（Ｓ８）。別言すれば、コントローラ１２は、ガス濃度差が閾値濃度差よりも大きい場合、モータ２６への電力の供給を停止する。閾値濃度差は、実験等によって予め設定されており、コントローラ１２に記憶されている。

メインガスセンサ４１が検出するガス濃度が高くなるのは、ユーザが失禁したときである。また、メインガスセンサ４１は、ユーザの股間に相当する位置の略下方に配置されており、失禁によるガス濃度上昇を最も顕著に感知する。閾値濃度差は、実験等により予め設定されている。閾値濃度差は、トイレなど、全体にアンモニア濃度が比較的高い場所においても、ユーザが失禁したことが確実であると判断できる値に設定されている。アシストロボット１００は、２個のガスセンサ４１、４２を備えることによって、ユーザの失禁を高い確率で検知することができ、また、ユーザが失禁した可能性が高い場合にモータへの電力の供給を遮断する。以上の構成により、失禁の水分によって電気回路の短絡が生じた場合であっても、アクチュエータが不測の動きをする前にアクチュエータを確実に停止することができる。

次に、第２実施例のアシストロボット２００を説明する。図３は、アシストロボット２００の模式的側面図である。アシストロボット２００は、ベッドへの移乗を支援する装置である。アシストロボット２００は、車輪の付いた移動台車５１と、移動台車５１に備え付けられたアーム５３と、アーム５３の先端に取り付けられており、ユーザＵの脇の下を支える保持具５４を備えている。アシストロボット２００は、そのアーム５３の各関節にモータ（不図示）を備えており、アーム５３によって、着座しているユーザＵの脇の下を支持しながらユーザＵを起立させ、さらに車椅子（不図示）へ移乗させる。また逆に、アシストロボット２００は、車椅子（不図示）に着座しているユーザＵをベッドへ移乗させることもできる。さらに移動台車５１は、車輪を駆動するモータ（不図示）を備えており、アーム５３でユーザＵの体を支えながら移動することができる。移動台車５１にはコントローラ５２が内蔵されており、アーム５３の各モータ、及び、移動台車５１のモータを制御するとともに、後述するガスモニタリング処理を行う。

アシストロボット２００は、２個のメインガスセンサ６１、６２と、２個のサブガスセンサ６３、６４を備えている。いずれのガスセンサもアンモニア濃度を計測するセンサである。メインガスセンサ６１は、ユーザＵの腹部前方に相当する位置で保持具５４に取り付けられており、メインガスセンサ６２は、ユーザＵの足元に相当する位置で移動台車５１に取り付けられている。サブガスセンサ６３は、ユーザＵの頭部前方に相当する位置で保持具５４に取り付けられており、サブガスセンサ６３は、移動台車５１の先端に取り付けられている。ユーザＵの股間に相当する位置を基点にしたとき、サブガスセンサ６３、６４の設置位置は、メインガスセンサ６１の設置位置よりも基点から遠い。また、サブガスセンサ６３、６４の設置位置は、メインガスセンサ６２の設置位置よりも基点から遠い。

コントローラ５２が実行するガスモニタリング処理を説明する。アシストロボット２００のコントローラ５２も、図２に示したフローチャートの処理（ガスモニタリング処理）を実行する。但し、ステップＳ４においてコントローラ５２は、メインガスセンサ６２と６３が計測するガス濃度のうち濃度が低い方のガス濃度から、サブガスセンサ６３と６４が計測するガス濃度のうち濃度が高い方のガス濃度を差し引いてガス濃度差を算出する。アシストロボット２００も、ガス濃度差が既定の閾値濃度差よりも大きい場合に、アームを駆動するモータ、及び、車輪を駆動するモータの電源を遮断する。

実施例のアシストロボットについての留意点を述べる。アンモニア濃度を計測するガスセンサを一つだけ備える場合、アシストロボットは、計測したアンモニア濃度が予め定められた閾値濃度よりも高い場合にモータへの電力供給を遮断するように構成される。

また、第２実施例のアシストロボット２００では、メインガスセンサ６２と６３が計測するガス濃度のうち濃度が低い方のガス濃度から、サブガスセンサ６３と６４が計測するガス濃度のうち濃度が高い方のガス濃度を差し引いてガス濃度差を算出し、ガス濃度差が閾値濃度差よりも高い場合にモータの電源を遮断した。そのようなアルゴリズムに替えてアシストロボット２００は、メインガスセンサ６２と６３が計測するガス濃度の平均値からサブガスセンサ６３と６４が計測するガス濃度の平均値を差し引いてガス濃度差を算出し、ガス濃度差が閾値濃度差よりも高い場合にモータの電源を遮断するように構成してもよい。

ガスセンサを用いる利点は他にもある。接触式のセンサを衣類に装備することによっても失禁を検出することはできる。しかしながら、接触式センサを衣類に装備するにはその手間がかかる。或いは、ユーザに負荷を強いることになる。ガスセンサは、ユーザの衣類に取り付ける必要がない。即ち、ガスセンサは、接触式センサと比較して、ユーザの衣類に接触することなく、失禁を検知することができるという利点を有する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：脚装具
１２：コントローラ
２０：大腿リンク
２６：モータ
３０：下腿リンク
３６：足リンク
４１：メインガスセンサ
４２：サブガスセンサ
５１：移動台車
５２：コントローラ
５３：アーム
５４：保持具
６１、６２：メインガスセンサ
６３、６４：サブガスセンサ
１００、２００：アシストロボット

Claims (3)

1. 脚を動かすことが不自由なユーザに密着してユーザの動作を補助するアシストロボットであり、
   ユーザの動作を補助するためのアクチュエータと、
   アンモニアを検知するガスセンサを備えており、
   ガスセンサが検知したアンモニア濃度が予め定められた閾値濃度を超えた場合にアクチュエータの電源を遮断することを特徴とするアシストロボット。
2. アシストロボットを使用中のユーザの股間に相当する位置から下方へ第１距離離れた位置に配置されているメインガスセンサと、
   股間相当位置からの距離が第１距離より長い第２距離離れた位置に配置されているサブガスセンサと、
   を備えており、
   メインガスセンサが検知したアンモニア濃度が、サブガスセンサが検知したアンモニア濃度よりも予め定められた閾値濃度差以上高い場合に、アクチュエータの電源を遮断することを特徴とする請求項１に記載のアシストロボット。
3. アシストロボットは、
   ユーザの大腿に装着される大腿リンクと、
   ユーザの膝関節と同軸の位置で大腿リンクと揺動可能に連結しており、ユーザの下腿に装着される下腿リンクと、
   大腿リンクと下腿リンクの連結部であって膝の側方外側に配置されており下腿リンクを揺動させるアクチュエータと、
   を備えており、
   メインガスセンサは、大腿前方または大腿内側の位置で大腿リンクに配置されており、
   サブガスセンサは、大腿外側の位置で大腿リンクに配置されていることを特徴とする請求項２に記載のアシストロボット。

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