JP5957751B2 - 多自由度補助装置 - Google Patents
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Description
本発明は多自由度補助装置に関する。
例えば、装着者の筋力を補助する装着式動作補助装置では、歩行動作を行う際に歩行支援する下肢補助機構を有するものと、腕の動作を支援する上体補助機構を有するものとがある（例えば、特許文献１、２参照）。
装着者の上体（腕、肩、脊椎）を補助する機構においては、上体に係る荷重を支持するために剛性を有する背フレームを設けている。また、二足歩行型ロボットの場合、ロボットの上体（腰から上の部分）が一体構造になっている。
上記従来の構造では、腕や肩を支持する背中の脊椎部が剛体で構成されているため、例えば、下方にある物体を上方に持ち上げる場合、腰から上の上体部分（上体全体）を前方に傾け、両腕で物体を持ち上げながら上体を後方に起こすことで物体を持ち上げることが可能になる。その際、装着者が背中を前方に曲げることになるが、装着者の背中に装着された背フレームが剛体であるので、装着者が動作しづらいという問題があった。
また、二足歩行型ロボットの場合も、ロボットの上体（腰から上の部分）が剛体であるので、上体全体を前後方向に駆動することになり、物体を持ち上げる際のモータの負荷が大きくなるため、持ち上げ動作をスムーズに行えなかった。
そこで、本発明は上記事情に鑑み、上記課題を解決した多自由度補助装置の提供を目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。
（１）本発明は、上下方向に積重された複数の荷重支持部材と、
前記各荷重支持部材間に設けられ、上段の前記荷重支持部材と下段の前記荷重支持部材との間を前後方向及び左右方向及び旋回方向に揺動可能に連結する連結部と、
最上端の前記荷重支持部材に先端が結合され、前記各連結部を中心として前記各荷重支持部材の前記左右方向に延在する部位に形成された一対の挿通孔にそれぞれ挿通された索条体と、
前記一対の索条体の下端をそれぞれ巻き取ることで前記各荷重支持部材を垂直方向に積重された基準位置に復帰させる駆動機構と、
を備え、
前記各荷重支持部材は、外力の作用により前記各連結部の動作と共に、上段の前記荷重支持部材が下段の前記荷重支持部材に対して前記外力の作用方向にずれることが許容されており、
前記複数の荷重支持部材は、前記連結部により下段の前記荷重支持部材に対して上段の前記荷重支持部材が前後方向及び左右方向及び旋回方向に移動可能に連結されると共に、前記外力の作用による移動方向に拘わらず鉛直方向の荷重を支持することを特徴とする。
（２）本発明の前記駆動機構は、
該索条体の下端が巻き掛けされたプーリと、
該プーリを駆動する駆動部と、
前記連結部により揺動可能に連結された前記各荷重支持部材を垂直方向に積重された基準位置に復帰させる際に前記駆動部を制御する制御部と、
を有することを特徴とする。
（３）本発明は、装着者の背中に装着される多自由度補助装置であって、
当該装着者の背中の動きに応じた生体信号を出力する生体信号検出部を設け、
前記制御部は、前記生体信号検出部から出力された背中の生体信号に基づいて前記駆動部を駆動させる制御信号を生成し、前記連結部により揺動可能に連結された前記各荷重支持部材を垂直方向に積重された基準位置に復帰させることを特徴とする。
（４）本発明の前記各荷重支持部材は、前記連結部により下段の前記荷重支持部材及び上段の前記荷重支持部材に対して所定範囲を超える移動量に達したとき、互い隣接する前記各荷重支持部材間の相対移動を規制する規制部を有することを特徴とする。
（５）本発明の前記複数の荷重支持部材は、最下端が装着者の腰に締結される腰フレームに固定され、最上端が上肢駆動部を支持し、当該装着者の上体の動作方向に応じて前後方向または左右方向または旋回方向に揺動することを特徴とする。
（１）本発明は、上下方向に積重された複数の荷重支持部材と、
前記各荷重支持部材間に設けられ、上段の前記荷重支持部材と下段の前記荷重支持部材との間を前後方向及び左右方向及び旋回方向に揺動可能に連結する連結部と、
最上端の前記荷重支持部材に先端が結合され、前記各連結部を中心として前記各荷重支持部材の前記左右方向に延在する部位に形成された一対の挿通孔にそれぞれ挿通された索条体と、
前記一対の索条体の下端をそれぞれ巻き取ることで前記各荷重支持部材を垂直方向に積重された基準位置に復帰させる駆動機構と、
を備え、
前記各荷重支持部材は、外力の作用により前記各連結部の動作と共に、上段の前記荷重支持部材が下段の前記荷重支持部材に対して前記外力の作用方向にずれることが許容されており、
前記複数の荷重支持部材は、前記連結部により下段の前記荷重支持部材に対して上段の前記荷重支持部材が前後方向及び左右方向及び旋回方向に移動可能に連結されると共に、前記外力の作用による移動方向に拘わらず鉛直方向の荷重を支持することを特徴とする。
（２）本発明の前記駆動機構は、
該索条体の下端が巻き掛けされたプーリと、
該プーリを駆動する駆動部と、
前記連結部により揺動可能に連結された前記各荷重支持部材を垂直方向に積重された基準位置に復帰させる際に前記駆動部を制御する制御部と、
を有することを特徴とする。
（３）本発明は、装着者の背中に装着される多自由度補助装置であって、
当該装着者の背中の動きに応じた生体信号を出力する生体信号検出部を設け、
前記制御部は、前記生体信号検出部から出力された背中の生体信号に基づいて前記駆動部を駆動させる制御信号を生成し、前記連結部により揺動可能に連結された前記各荷重支持部材を垂直方向に積重された基準位置に復帰させることを特徴とする。
（４）本発明の前記各荷重支持部材は、前記連結部により下段の前記荷重支持部材及び上段の前記荷重支持部材に対して所定範囲を超える移動量に達したとき、互い隣接する前記各荷重支持部材間の相対移動を規制する規制部を有することを特徴とする。
（５）本発明の前記複数の荷重支持部材は、最下端が装着者の腰に締結される腰フレームに固定され、最上端が上肢駆動部を支持し、当該装着者の上体の動作方向に応じて前後方向または左右方向または旋回方向に揺動することを特徴とする。
本発明によれば、各荷重支持部材が外力の作用による各連結部の動作と共に、上段の荷重支持部材が下段の荷重支持部材に対して外力の作用方向にずれるため、例えば背フレームを剛体により構成するものよりも物体を持ち上げる動作をスムーズに行うことができる。また、装着式動作補助装置に適用した場合は、垂直方向の荷重を支持しながら装着者の背中の動きに合わせて各荷重支持部材がずれるように動作することになり、装着者の負担を軽減でき、且つ装着者が背中を起立状態に戻す際には、駆動機構の補助動作により、各荷重支持部材が垂直方向に積重された状態に復帰させることで装着者の広背筋を補助することができる。
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
〔装着式動作補助装置の構成〕
図１は本発明による多自由度補助装置の一実施例が適用された装着式動作補助装置を背面側からみた斜視図である。図２は装着式動作補助装置の正面図である。図３は装着式動作補助装置の平面図である。図４は腕部補助機構を外した装着式動作補助装置を前側からみた斜視図である。
図１は本発明による多自由度補助装置の一実施例が適用された装着式動作補助装置を背面側からみた斜視図である。図２は装着式動作補助装置の正面図である。図３は装着式動作補助装置の平面図である。図４は腕部補助機構を外した装着式動作補助装置を前側からみた斜視図である。
図１乃至図４に示されるように、装着式動作補助装置１０（以下「動作補助装置」と称する）は、装着者１２（図１中一点鎖線で示す）の動作を支援（アシスト）する装置であり、脳からの信号により筋力を発生させる際に生じる生体信号（表面筋電位）及び／又は当該装着者の関節の動作角度や重心位置などを検出し、この検出信号に基づいて駆動部からの駆動力を付与するように作動する。尚、装着式動作補助装置では、装着者１２の上体を補助する上体補助機構と、装着者１２の下肢を補助する下肢補助機構とがある。本実施例では、装着者１２の上体（左右の腕、広背筋）を補助する上体補助機構２０について説明し、下肢補助機構の説明は省略する。
動作補助装置１０を装着した装着者１２は、自らの意思で両腕による物体の持ち上げ動作を行うと、その際に発生した生体信号及び／又は当該装着者の肩、肘関節の動作角度に応じた駆動トルクがアシスト力として上体補助機構２０から付与され、例えば、通常持ち上げ動作で必要とされる筋力の半分の力で歩行することが可能になる。従って、装着者１２は、自身の筋力と駆動部（本実施例では、電動式の駆動モータを用いる）からの駆動トルクとの合力によって上体を動作させることができる。
上体補助機構２０は、装着者１２の上肢に装着される上肢フレーム１４と、上肢フレーム１４を支持する脊椎ユニット（多自由度補助装置）２２と、装着者１２の腰に装着される腰フレーム３０とよりなる。脊椎ユニット２２は、装着者１２の背骨に対向するように垂直方向に延在形成され、上端部が上肢フレーム１４を支持し、下端部が腰フレーム３０の後部に支持される。
上肢フレーム１４は、脊椎ユニット２２の最上段に揺動可能に連結されたブラケット１５と、ブラケット１５の左右両端に前後方向に揺動可能に連結された肩フレーム１６Ａ、１６Ｂと、上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂとを有する。
その際、動作補助装置１０は、持ち上げ動作に伴う背骨の前屈、伸展動作に応じて付与されるアシスト力（モータトルク）が脊椎ユニット２２から装着者１２に付与されるように制御している。そのため、動作補助装置１０の各駆動部は、装着者１２の生体信号に基づいて両腕及び広背筋の動作をアシストするように制御される。
〔脊椎ユニット２２の構成〕
脊椎ユニット２２は、本発明の多自由度補助装置を構成しており、複数の荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）と、各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）を駆動する脊椎駆動機構２８とからなる。脊椎駆動機構２８は、各荷重支持部材２４に挿通された一対のロープ（索条体）２９Ａ、２９Ｂを巻き取るように構成されており、腰フレーム３０の後部に収納されている。尚、荷重支持部材２４及び脊椎駆動機構２８の詳細は、後述する。
脊椎ユニット２２は、本発明の多自由度補助装置を構成しており、複数の荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）と、各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）を駆動する脊椎駆動機構２８とからなる。脊椎駆動機構２８は、各荷重支持部材２４に挿通された一対のロープ（索条体）２９Ａ、２９Ｂを巻き取るように構成されており、腰フレーム３０の後部に収納されている。尚、荷重支持部材２４及び脊椎駆動機構２８の詳細は、後述する。
複数の荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）は、夫々前後方向（Ａ，Ｂ方向）、左右方向（Ｃ，Ｄ方向）、旋回方向（Ｅ，Ｆ方向）に揺動可能に連結され、腰フレーム３０の後部に起立している。また、各荷重支持部材２４は、上肢フレーム１４に作用する荷重を支持するため、ステンレスやチタンなどの金属により形成されている。
また、ロープ２９Ａ、２９Ｂは、合成樹脂繊維（例えばポリプロピレン形、ポリ塩化ビニリデン系の汎用繊維、またはアラミド系、ポリアルレート系、超高分子ポリエチレン系のスーパ繊維）からなり、強度の高いものが使用される。また、ロープ２９Ａ、２９Ｂの代わりに、細いワイヤを撚ったケーブルの周囲を樹脂層で覆うように構成されたケーブルを用いても良い。
図５は荷重支持部材２４の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示されるように、荷重支持部材２４は、水平方向に延在形成されたベース２４ａと、ベース２４ａの上面に設けられた突状球面連結部２４ｂと、ベース２４ａの下面に設けられた凹状球面連結部２４ｃとを有する。
突状球面連結部２４ｂは、表面が半球状に形成された曲面を有しており、３次元での揺動を可能にしている。また、凹状球面連結部２４ｃは、表面が突状球面連結部２４ｂと同じ曲率半径を有する半球状の曲面に形成されている。
下段に位置する荷重支持部材２４は、突状球面連結部２４ｂが上段に位置する荷重支持部材２４の凹状球面連結部２４ｃに当接する。これにより上段の荷重支持部材２４と下段の荷重支持部材２４は、球面形状とされた突状球面連結部２４ｂと凹状球面連結部２４ｃとが互いに揺動可能に当接することで、外力の作用方向に揺動する。
また、各荷重支持部材２４は、上肢フレーム１４に作用する荷重を突状球面連結部２４ｂと凹状球面連結部２４ｃとにより球面全体で支持する。尚、突状球面連結部２４ｂ及び凹状球面連結部２４ｃの表面の摩擦係数を小さくするため、グリース（潤滑剤）を塗布したり、あるいは低摩擦係数を有する四フッ化エチレン樹脂などの薄膜をコーティングしても良い。
突状球面連結部２４ｂ及び凹状球面連結部２４ｃの周囲のベース２４ａの上下面には、上段の荷重支持部材２４と下段の荷重支持部材２４との相対的揺動範囲を記載する規制部２４ｄ〜２４ｇが設けられている。規制部２４ｆ、２４ｇには、装着者１２の背骨との干渉を回避するため、凹部２４ｊが設けられている。
各荷重支持部材２４の左右方向に延在する規制部２４ｄ、２４ｅには、ロープ２９Ａ、２９Ｂが挿通される挿通孔２４ｈ、２４ｉが上下方向に貫通している。ロープ２９Ａ、２９Ｂは、上端が最上段の荷重支持部材２４１に結合され、各荷重支持部材２４１〜２４ｎの挿通孔２４ｈ、２４ｉに挿通されている。
各荷重支持部材２４の左右方向に延在する規制部２４ｄ、２４ｅには、ロープ２９Ａ、２９Ｂが挿通される挿通孔２４ｈ、２４ｉが上下方向に貫通している。ロープ２９Ａ、２９Ｂは、上端が最上段の荷重支持部材２４１に結合され、各荷重支持部材２４１〜２４ｎの挿通孔２４ｈ、２４ｉに挿通されている。
ロープ２９Ａ、２９Ｂは、複数の荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）が垂直方向に積重された基準位置（図２，図４に示す位置）にあるときは、左右両端の上下方向の間隔が均等であるので、垂直方向に直線状になっているが、複数の荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）が左右方向（Ｃ，Ｄ方向）に揺動した場合、曲率半径の大きい方が伸展側となり、曲率半径の小さい方が屈曲側となる。ロープ２９Ａ、２９Ｂの屈曲側では、規制部２４ｄ、２４ｅ間でたるんだ状態となり、互いに上下方向で対向する規制部２４ｄ、２４ｅの間隔がロープ２９Ａ，２９Ｂのたるみにより規制される。
また、複数の荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）が前後方向（Ａ，Ｂ方向）に揺動した場合、前後方向に形成された規制部２４ｆ、２４ｇの上下方向の間隔が狭くなり、上下方向で対向する規制部２４ｆ、２４ｇ同士が当接することにより、前後方向の揺動範囲が規制される。
尚、各規制部２４ｃ〜２４ｇに突起(ストッパ)またはクッション材などを設けることで各方向の揺動可能範囲を任意の角度範囲内となるように調整しても良い。
図６は脊椎駆動機構２８を示す斜視図である。図６に示されるように、脊椎駆動機構２８は、脊椎駆動モータ２８ａと、脊椎駆動モータ２８ａのモータ回転軸２８ｂの両端に結合された一対のプーリ２８ｃ、２８ｄとよりなる。一対のプーリ２８ｃ、２８ｄの外周溝には、一対のロープ２９Ａ，２９Ｂの下端が締結されている。また、一対のプーリ２８ｃ、２８ｄの回転量（回転角）は、プーリ２８ｃ、２８ｄの半径と回転角との関係からロープ２９Ａ，２９Ｂの巻き取り長さが決まるため、脊椎ユニット２２におけるロープ２９Ａ，２９Ｂの巻き取り長さに応じた任意の回転角が設定される。例えば装着者１２が上体（腰より上）を前後方向または左右方向または旋回方向に屈曲動作させた場合、その動作量に応じて複数の荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）が揺動動作するため、一対のプーリ２８ｃ、２８ｄは、当該揺動動作に応じた長さ分のロープ２９Ａ，２９Ｂを繰り出すように回動する。
また、装着者１２が屈曲動作後に伸展動作する場合、そのときの広背筋の生体信号を検出し、当該生体信号に基づいて脊椎駆動モータ２８ａの回転角を制御して複数の荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）が基準位置に復帰するように補助力を付与する。
脊椎駆動モータ２８ａは、例えばステッピングモータからなり、任意の所定角度にモータ回転軸２８ｂを回動させることが可能である。また、脊椎駆動モータ２８ａには、モータ回転軸２８ｂの回動角度を検出する脊椎角度センサ７８（図１２Ａ参照）が設けられており、この脊椎角度センサ７８からの検出信号によりプーリ２８ｃ、２８ｄの回転量（回転角）及びロープ２９Ａ，２９Ｂの巻き取り長さを求めることが可能になる。
このように、動作補助装置１０は、脊椎駆動モータ２８ａによりロープ２９Ａ，２９Ｂを巻き取ることで例えば背フレームを剛体により構成するものよりも物体を持ち上げる動作をスムーズに行うことができる。また、脊椎ユニット２２からなる多自由度補助装置を動作補助装置１０に適用した場合は、垂直方向の荷重を支持しながら装着者１２の背中の動きに合わせて各荷重支持部材２４がずれるように動作することになり、装着者１２の負担を軽減でき、且つ装着者１２が背中を起立状態に戻す際には、脊椎駆動機構２８の補助動作により、各荷重支持部材２４が垂直方向に積重された状態に復帰させることで装着者１２の広背筋を補助することができる。
〔上肢フレーム１４の構成〕
図１〜図３に示されるように、上肢フレーム１４の肩フレーム１６Ａ、１６Ｂは、脊椎ユニット２２の最上端に連結されたブラケット１５の両端に支持され、肩幅方向（左右方向）に延在する。肩フレーム１６Ａ、１６Ｂの端部には、運搬物を持ち上げる際に両腕の動作をアシストする上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂが設けられている。従って、肩フレーム１６Ａ、１６Ｂに支持される上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂの質量は、脊椎ユニット２２に支持され、且つ脊椎ユニット２２を支持する腰フレーム３０が下肢駆動機構のフレーム（図示せず）により支持されるため、装着者１２には上肢フレーム１４及び上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂの重さを感じることなく、作業が行える。
図１〜図３に示されるように、上肢フレーム１４の肩フレーム１６Ａ、１６Ｂは、脊椎ユニット２２の最上端に連結されたブラケット１５の両端に支持され、肩幅方向（左右方向）に延在する。肩フレーム１６Ａ、１６Ｂの端部には、運搬物を持ち上げる際に両腕の動作をアシストする上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂが設けられている。従って、肩フレーム１６Ａ、１６Ｂに支持される上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂの質量は、脊椎ユニット２２に支持され、且つ脊椎ユニット２２を支持する腰フレーム３０が下肢駆動機構のフレーム（図示せず）により支持されるため、装着者１２には上肢フレーム１４及び上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂの重さを感じることなく、作業が行える。
また、肩フレーム１６Ａ，１６Ｂは、装着者１２の肩の動きに対応するため、ブラケット１５に対して軸１５ａ，１５ｂにより所定角度範囲で前後方向に揺動可能に支持されている。
右腕側の上肢駆動部１７Ａは、右肩より下の右上腕を駆動する肩駆動部４０Ａと、右肘より下の右下腕を駆動する腕駆動部４２Ａとを有する。左腕側の上肢駆動部１７Ｂは、左肩より下の左上腕を駆動する肩駆動部４０Ｂと、左肘より下の左下腕を駆動する腕駆動部４２Ｂとを有する。
肩駆動部４０Ａ、４０Ｂは、肩関節に対応する位置に設けられた駆動モー４３Ａ，４３Ｂと、肩駆動モータ４３Ａ，４３Ｂの駆動トルクにより回動する第１腕フレーム４４Ａ、４４Ｂとを有する。また、腕駆動部４２Ａ、４２Ｂは、肘関節に対応する位置に設けられた腕駆動モータ４５Ａ，４５Ｂと、腕駆動モータ４５Ａ，４５Ｂの駆動トルクにより回動する第２腕フレーム４６Ａ，４６Ｂとを有する。
これらの駆動モータ４３Ａ，４３Ｂ，４５Ａ，４５Ｂは、後述する制御装置１００（図１１参照）からの制御信号により駆動トルクを制御されるＤＣモータまたはＡＣモータなどからなる電動モータからなる。また、各駆動モータ４２Ａ，４２Ｂ，４６Ａ，４６Ｂは、モータ回転を所定の減速比で減速する減速機構（駆動部に内蔵）を有しており、小型ではあるが十分な駆動力を付与することができる。
第１腕フレーム４４Ａ、４４Ｂは、上腕（肩と肘との間）に締結されるベルトとバックルなどからなる上肢締結ベルト４８Ａ，４８Ｂが設けられている。また、第２腕フレーム４６Ａ，４６Ｂには、装着者１２の下腕（肘と手首の間）が当接する上肢締結部材５０Ａ、５０Ｂが取り付けられている。上肢締結部材５０Ａ，５０Ｂは、断面形状が円弧状に形成され、上方から腕を収納するように装着され、且つ腕の上方を跨ぐように締結されるベルトとバックルなどからなる上肢締結ベルト５２Ａ，５２Ｂが設けられている。
装着者１２は、左右上腕が上肢締結ベルト４８Ａ，４８Ｂにより第１腕フレーム４４Ａ，４４Ｂに締結され、且つ上肢締結ベルト５２Ａ，５２Ｂにより、左右下腕が上肢締結部材５０Ａ，５０Ｂに締結されるため、腰より上の上体を動かすと、装着者１２の背骨（背中）の動きにあわせて脊椎ユニット２２の各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）が動作方向にずれて各方向（前後方向、左右方向、旋回方向）の揺動動作が許容される。
〔腰フレーム３０の構成〕
図１〜図４に示されるように、腰フレーム３０は、上方からみると前側に装着者１２が出入りするための前側開口３１を有し、前側開口３１を除く装着者１２の腰の外周に当接する腰締結部３２を有する。この前側開口３１には、装着者１２の腰を締結するベルト及びバックルなどからなる腰締結ベルト３４が取り付けられている。腰締結部３２は、装着者１２の腰が前側開口３１から腰フレーム３０の腰締結部３２内側に挿入された後、腰締結ベルト３４により締結される。
図１〜図４に示されるように、腰フレーム３０は、上方からみると前側に装着者１２が出入りするための前側開口３１を有し、前側開口３１を除く装着者１２の腰の外周に当接する腰締結部３２を有する。この前側開口３１には、装着者１２の腰を締結するベルト及びバックルなどからなる腰締結ベルト３４が取り付けられている。腰締結部３２は、装着者１２の腰が前側開口３１から腰フレーム３０の腰締結部３２内側に挿入された後、腰締結ベルト３４により締結される。
また、装着者１２の腰の周囲に装着される腰フレーム３０には、各駆動モータ及び制御装置１００及び制御装置１００を駆動させるための電源として機能するバッテリ３６Ａ，３６Ｂが取り付けられている。
〔脊椎ユニット２２の動作〕
図７は脊椎ユニット２２が側方に撓んだ動作状態を示す一部切断して示す斜視図である。図８は脊椎ユニット２２が左右方向に撓んだ動作状態を示す斜視図である。図９は脊椎ユニット２２が前後方向に撓んだ動作状態を示す側面図である。図１０は脊椎ユニット２２が旋回方向に回動した動作状態を示す平面図である。
図７は脊椎ユニット２２が側方に撓んだ動作状態を示す一部切断して示す斜視図である。図８は脊椎ユニット２２が左右方向に撓んだ動作状態を示す斜視図である。図９は脊椎ユニット２２が前後方向に撓んだ動作状態を示す側面図である。図１０は脊椎ユニット２２が旋回方向に回動した動作状態を示す平面図である。
図７に示されるように、装着者１２が上体を左方向（Ｃ方向）に揺動した場合、装着者１２の上体動作による外力が付加されると共に、脊椎ユニット２２の各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）が同一方向（Ｃ方向）に傾く。各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）の間は、下段の荷重支持部材２４の突状球面連結部２４ｂと上段の荷重支持部材２４の凹状球面連結部２４ｃとが互いに球面形状に形成されて３次元（３自由度）で揺動可能に連結されているので、殆ど負荷のない状態で揺動する。
このときの揺動動作では、揺動方向の外周側（右側）の各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）の間隔が広くなり、揺動方向の内周側（左側）の各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）の間隔が狭くなるため、揺動方向の外周側となるロープ２９Ｂの張力が増大し、内周側のロープ２９Ａに圧縮力が作用する。
装着者１２の上体が前後方向、左右方向、旋回方向に動作すると、その動作方向に各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）が突状球面連結部２４ｂ、凹状球面連結部２４ｃの曲面に沿って移動し、その移動量に応じてプーリ２８ｂ、２８ｃが回動してロープ２９Ａ，２９Ｂが繰り出される。
尚、各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）の連結部分は、左右に配された一対のロープ２９Ａ、２９Ｂとの摩擦（抵抗）により略同じ角度でＣ方向に傾くように動作する。また、揺動方向の内周側では、各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）の間隔が狭くなることでロープ２９Ａがたるみ側方にく字状に折り曲げられるため、各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）の規制部２４ｄ間にロープ２９Ａのたるみ部分が挟持されてロープ２９Ａがストッパとなり、各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）の揺動が制限される。
作業者１２が広背筋の筋力により上体を屈曲状態から垂直状態に戻そうとすると、広背筋の生体信号（筋電位信号）が検出されて脊椎駆動モータ２８ａによりプーリ２８ｃ、２８ｄが駆動されてロープ２９Ａ，２９Ｂが同時に巻き取られる。その際、湾曲した内側のロープ２９Ａは、たるみが除去されると共に、外側のロープ２９Ｂには一定の張力が付与される。そのため、ロープ２９Ａ，２９Ｂが同時に巻き取られることで、傾いた状態の各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）は、垂直状態に復帰する。
図８中一点鎖線で示されるように、脊椎ユニット２２の各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）は、Ｄ方向に揺動した場合も上記のように各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）が同一方向（Ｄ方向）に傾く。
このときの揺動動作では、図７の場合とは逆に、揺動方向の外周側（左側）の各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）の間隔が広くなり、揺動方向の内周側（右側）の各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）の間隔が狭くなるため、揺動方向の外周側となるロープ２９Ａの張力が増大し、内周側のロープ２９Ｂに圧縮力が作用する。
図９に示されるように、装着者１２が前後方向（Ａ、Ｂ方向）に上体を傾けた場合は、上記と同様に各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）が同一方向（Ａ、Ｂ方向）に傾くように動作する。
装着者１２は、図９中一点鎖線で示すように腰から上が前方向（Ａ方向）に例えば４５°〜６０°位まで大きく傾けることが可能であるが、後方向（Ｂ方向）には図９中二点鎖線で示すように背骨の構造から例えば５°〜１０°位までしか傾けることができない。一方、脊椎ユニット２２の各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）は、下段の荷重支持部材２４の突状球面連結部２４ｂと上段の荷重支持部材２４の凹状球面連結部２４ｃとが互いに球面同士で揺動可能に連結されているので、前後方向に大きく揺動することが可能である。しかしながら、脊椎ユニット２２は、外力（装着者１２の力）が作用した場合にその方向に揺動する構成であるので、装着者１２の背骨と略同じ方向に同じ角度で傾くように動作する。
また、各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）のＡ，Ｂ方向の規制部２４ｆ，２４ｇは、中心からの距離が短いので、上下面の傾斜角度を小さくして脊椎ユニット２２の揺動範囲が装着者１２の背骨の揺動範囲と同じになるようにしてある。あるいは、規制部２４ｆ，２４ｇの上下面に突起（ストッパ）を設けて前後方向の揺動範囲が装着者１２の背骨の揺動範囲と一致するようにしても良い。
図１０に示されるように、装着者１２が腰を中心に肩をＥ、Ｆ方向に旋回させた場合、脊椎ユニット２２は、最上段のブラケット１５に連結された肩フレーム１６Ａ，１６Ｂが水平方向に回動すると共に、脊椎ユニット２２の各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）も各荷重支持部材２４間でＥ、Ｆ方向に揺動する。この場合、脊椎ユニット２２では、下段の荷重支持部材２４の突状球面連結部２４ｂと上段の荷重支持部材２４の凹状球面連結部２４ｃとが互いに球面同士で揺動可能に連結されているので、装着者１２の肩の旋回動作に合わせてＥ、Ｆ方向に揺動する。
また、各荷重支持部材２４（２４１〜２４ｎ）が３自由度で揺動可能に連結されているため、上記前後方向（Ａ，Ｂ方向）、左右方向（Ｃ，Ｄ方向）、旋回方向（Ｅ，Ｆ方向）を組み合わせた動作にも脊椎ユニット２２が追従するように動作する。
〔制御システムの構成〕
図１１は装着式動作補助装置の制御系を示すブロック図である。図１１に示されるように、動作補助装置１０の制御系システムは、装着者１２に対してアシスト力を付与する駆動部１４０と、装着者１２の動作に応じた肩、肘などの関節角度（物理現象）、及び、装着者１２の重心位置（物理現象）を検出する物理現象検出部１４２と、装着者１２の筋肉の活動に伴って発生する筋電位等を含む（生体信号）を検出する生体信号検出部１４４とを備えている。尚、上記駆動部１４０は、駆動モータ４３Ａ，４３Ｂ，４５Ａ，４５Ｂ及び脊椎駆動機構２８の脊椎駆動モータ２８ａ（図１２Ｂ参照）からなる。物理現象検出部１４２は、上記肩、肘などの関節回動角度を検出する角度センサ７０，７２，７４，７６，７８（図１２Ａ参照）からなる。生体信号検出部１４４は、上肢生体信号を検出する各生体信号検出センサ２３８ａ，２３８ｂ，２４０ａ，２４０ｂ，２４２ａ，２４２ｂ，２４４ａ，２４４ｂ，２４６ａ，２４６ｂ，２４８ａ，２４８ｂ及び背筋生体信号検出センサ２５０ａ，２５０ｂ（図１２Ｂ参照）からなる。
図１１は装着式動作補助装置の制御系を示すブロック図である。図１１に示されるように、動作補助装置１０の制御系システムは、装着者１２に対してアシスト力を付与する駆動部１４０と、装着者１２の動作に応じた肩、肘などの関節角度（物理現象）、及び、装着者１２の重心位置（物理現象）を検出する物理現象検出部１４２と、装着者１２の筋肉の活動に伴って発生する筋電位等を含む（生体信号）を検出する生体信号検出部１４４とを備えている。尚、上記駆動部１４０は、駆動モータ４３Ａ，４３Ｂ，４５Ａ，４５Ｂ及び脊椎駆動機構２８の脊椎駆動モータ２８ａ（図１２Ｂ参照）からなる。物理現象検出部１４２は、上記肩、肘などの関節回動角度を検出する角度センサ７０，７２，７４，７６，７８（図１２Ａ参照）からなる。生体信号検出部１４４は、上肢生体信号を検出する各生体信号検出センサ２３８ａ，２３８ｂ，２４０ａ，２４０ｂ，２４２ａ，２４２ｂ，２４４ａ，２４４ｂ，２４６ａ，２４６ｂ，２４８ａ，２４８ｂ及び背筋生体信号検出センサ２５０ａ，２５０ｂ（図１２Ｂ参照）からなる。
データ格納部１４６には、基準パラメータデータベース１４８と、指令信号データベース１５０とが格納されている。
また、制御装置１００は、フェーズ特定部１５２と、随意的制御部１５４と、ゲイン変更部１５６と、自律的制御部１６０とを備えている。
随意的制御部１５４は、生体信号検出部の検出信号に応じた指令信号を電力増幅部１５８に供給する。随意的制御部１５４は、生体信号検出部１４４に所定の指令関数ｆ（ｔ）またはゲインＰを適用して指令信号を生成する。このゲインＰは予め設定された値又は関数でも良く、ゲイン変更部１５６を介して調整することができる。
また、装着者１２の皮膚が汗で濡れることが予想される場合には、生体信号検出部１４４からの生体信号の入力が得られないときに、物理現象検出部１４２により検出された各データ（角度センサ７０，７２，７４，７６,７８（図１２Ａ参照）により検出された関節角度データに基づいて各駆動モータ４３Ａ，４３Ｂ，４５Ａ，４５Ｂの駆動トルク及び脊椎駆動モータ２８ａの回転量(回転角)を制御する方法を選択することも可能である。
物理現象検出部１４２によって検出された関節角度（θｋｎｅｅ，θｈｉｐ）や重心位置は、基準パラメータデータベース１４８に入力される。フェーズ特定部１５２では、物理現象検出部１４２により検出された関節角度及び重心位置を基準パラメータデータベース１４８に格納された基準パラメータの関節角度及び重心位置と比較することにより、装着者１２の動作のフェーズを特定する。
そして、自律的制御部１６０では、フェーズ特定部１５２により特定されたフェーズの制御データを得ると、このフェーズの制御データに応じた指令信号を生成し、この動力を駆動部１４０に発生させるための指令信号を電力増幅部１５８に供給する。
〔生体信号検出センサについて〕
図１２Ｂに示す上肢生体信号を検出する各生体信号検出センサ２３８ａ，２３８ｂ，２４０ａ，２４０ｂ，２４２ａ，２４２ｂ，２４４ａ，２４４ｂ，２４６ａ，２４６ｂ，２４８ａ，２４８ｂは、上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂを制御するための筋電位信号や神経伝達信号などの生体電位信号(生体信号)を皮膚を介して検出する生体信号検出部であり、微弱電位を検出するための電極（図示せず）を有する。
図１２Ｂに示す上肢生体信号を検出する各生体信号検出センサ２３８ａ，２３８ｂ，２４０ａ，２４０ｂ，２４２ａ，２４２ｂ，２４４ａ，２４４ｂ，２４６ａ，２４６ｂ，２４８ａ，２４８ｂは、上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂを制御するための筋電位信号や神経伝達信号などの生体電位信号(生体信号)を皮膚を介して検出する生体信号検出部であり、微弱電位を検出するための電極（図示せず）を有する。
上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂの各駆動モータ４３Ａ，４３Ｂ，４５Ａ，４５Ｂは、当該装着者１２の上体の各位置に貼り付けられた各生体信号検出センサ２３８ａ，２３８ｂ，２４０ａ，２４０ｂ，２４２ａ，２４２ｂ，２４４ａ，３４４ｂ，２４６ａ，２４６ｂ，２４８ａ，２４８ｂによって検出された生体信号に基づいて駆動電流を制御される。
また、背筋生体信号検出センサ２５０ａ，２５０ｂは、装着者１２の背中の動きに応じて脊椎ユニット２２が揺動した場合、元の基準位置（各荷重支持部材２４が垂直状態に積重された位置）に復帰させるための背筋力をアシストするためのトリガとなる生体電位を検出する。また、各生体信号検出センサは、電極の周囲を覆う粘着シールにより装着者１２の皮膚表面に貼着するように取り付けられる。
人体においては、脳からの指令によって骨格筋を形成する筋肉の表面にシナプス伝達物質のアセチルコリンが放出される結果、筋線維膜のイオン透過性が変化して活動電位が発生する。そして、活動電位によって筋線維の収縮が発生し、筋力を発生させる。そのため、骨格筋の電位を検出することにより、動作の際に生じる筋力を推測することが可能になり、この推測された筋力に基づく仮想トルクから動作に必要なアシスト力（駆動トルク）を求めることが可能になる。
従って、動作補助装置１０の制御装置１００では、これらの各生体信号検出センサ２３８ａ，２３８ｂ，２４０ａ，２４０ｂ，２４２ａ，２４２ｂ，２４４ａ，２４４ｂ，２４６ａ，２４６ｂ，２４８ａ，２４８ｂ及び背筋生体信号検出センサ２５０ａ，２５０ｂによって検出された生体信号に基づいて各駆動モータ４３Ａ，４３Ｂ，４５Ａ，４５Ｂ及び脊椎駆動モータ２８ａに供給する駆動電流を求め、この駆動電流で駆動モータ４３Ａ，４３Ｂ，４５Ａ，４５Ｂ及び脊椎駆動モータ２８ａを駆動することで、必要なアシスト力（駆動トルク）が付与されて装着者１２の上体の動作を補助する。
〔各制御機器の接続系統〕
図１２Ａは各制御機器の接続を示すブロック図である。図１２Ｂは上肢駆動部の各制御機器を示すブロック図である。図１２Ａ及び図１２Ｂに示されるように、バッテリ３６Ａ，３６Ｂは、電源回路８６に電源供給しており、電源回路８６では所定電圧に変換して入出力インターフェイス８８に定電圧を供給する。また、バッテリ３６Ａ，３６Ｂの充電容量は、バッテリ充電警告部９０によって監視されており、バッテリ充電警告部９０は、予め設定された残量に低下すると、警告を発して装着者１２にバッテリ交換または充電を報知する。
図１２Ａは各制御機器の接続を示すブロック図である。図１２Ｂは上肢駆動部の各制御機器を示すブロック図である。図１２Ａ及び図１２Ｂに示されるように、バッテリ３６Ａ，３６Ｂは、電源回路８６に電源供給しており、電源回路８６では所定電圧に変換して入出力インターフェイス８８に定電圧を供給する。また、バッテリ３６Ａ，３６Ｂの充電容量は、バッテリ充電警告部９０によって監視されており、バッテリ充電警告部９０は、予め設定された残量に低下すると、警告を発して装着者１２にバッテリ交換または充電を報知する。
各駆動モータ２８ａ，４３Ａ，４３Ｂ，４５Ａ，４５Ｂを駆動する第１乃至第５モータドライバ１９１〜１９５は、入出力インターフェイス８８を介して制御装置１００からの制御信号に応じた駆動電圧を増幅して各駆動モータ２８ａ，４３Ａ，４３Ｂ，４５Ａ，４５Ｂに出力する。
図１２Ｂに示す各生体信号検出センサ２３８ａ，２３８ｂ，２４０ａ，２４０ｂ，２４２ａ，２４２ｂ，２４４ａ，２４４ｂ，２４６ａ，２４６ｂ，２４８ａ，２４８ｂ，２５０ａ，２５０Ｂから出力された生体電位信号の検出信号は、電力増幅部１５８の第１乃至第１４差動増幅器２０１〜２１４によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）によってデジタル信号に変換されて入出力インターフェイス８８を介して制御装置１００に入力される。尚、装着者１２の皮膚表面で検出される生体電位信号は、微弱である。そのため、第１乃至第１４差動増幅器２０１〜２１４で例えば、３０μＶの検出信号をコンピュータが判別可能な３Ｖ程度に増幅するには、１０５倍となる１００ｄＢの増幅率が必要になる。
図１２Ａに示す角度センサ７０，７２，７４，７６，７８から出力された角度検出信号は、夫々第１乃至第５角度検出部１１１〜１１５に入力される。第１乃至第５角度検出部１１１〜１１５は、ロータリエンコーダによって検出されたパルス数を角度に相当する角度データ値に変換しており、検出された回動角度データは入出力インターフェイス８８を介して制御装置１００に入力される。
図１２Ａに示すデータ格納部１４６のメモリ１３０は、各データを格納する格納部であり、起立動作、歩行動作や着席動作など各動作パターン（タスク）毎に設定されたフェーズ単位の制御データが予め格納されたデータベース格納領域１３０Ａと、各モータを制御するための制御プログラムが格納された制御プログラム格納領域１３０Ｂなどが設けられている。データベース格納領域１３０Ａには、図１１に示す基準パラメータデータベース１４８と指令信号データベース１５０が格納されている。
また、制御装置１００から出力された制御データは、入出力インターフェイス８８を介してデータ出力部１３２あるいは通信ユニット１３４に出力され、例えば、モニタ（図示せず）に表示したり、あるいはデータ監視用コンピュータ（図示せず）などにデータ通信で転送することもできる。
〔制御装置１００の制御処理〕
ここで、脊椎駆動機構２８の脊椎駆動モータ２８ａの制御方法について説明する。
ここで、脊椎駆動機構２８の脊椎駆動モータ２８ａの制御方法について説明する。
図１３は制御装置１００の随意的制御部１５４が実行する随意制御の制御処理を説明するためのフローチャートである。図１３に示されるように、Ｓ１１では装着者１２の広背筋の各生体電位を検出する背筋生体信号検出センサ２５０ａ，２５０ｂからの生体信号を取得する。次のＳ１２では、背筋生体信号検出センサ２５０ａ，２５０ｂからの生体信号の波形の変化に応じたトルク解析を行う。
続いて、Ｓ１３に進み、装着者１２が上体を前後方向、左右方向、旋回方向の屈曲動作を行った後に、伸展動作を行う意図が有るか否かをチェックする。Ｓ１３において、装着者１２が伸展動作（例えば前かがみの姿勢で物を持ち上げる場合の動作）を行うものと判定された場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ１４に進み、脊椎駆動モータ２８ａを駆動させ、プーリ２８ｂ、２８ｃを回動させてロープ２９Ａ、２９Ｂを巻き取る。このとき、脊椎駆動モータ２８ａは、予め設定されたトルク優先モード（重い物を持ち上げる場合の印加電圧制御モード）、あるいは回転量優先モード（上体を起こす場合の印加電流制御モード）で制御される。
また、Ｓ１３において、伸展動作を行う意図が無いと判定された場合（ＮＯの場合）、Ｓ１７に進み、脊椎駆動モータ２８ａの制御を停止する。
次のＳ１５では、角度センサ７０，７２，７４，７６，７８から出力された角度検出信号を取得し、肩、肘、脊椎の各関節の動作状態を確認する。また、プーリ２８ｂ、２８ｃの回転位置からロープ２９Ａ、２９Ｂの繰り出し長さを求めることができ、このロープ繰り出し長さから脊椎ユニット２２の曲がり具合（曲げ角度）を求めることもできる。これにより、装着者１２の背中が曲がり過ぎていないか、あるいは脊椎ユニット２２にかかる荷重が重すぎないかを判定することができる。
続いて、Ｓ１６では、装着者１２の上体の動作が許容範囲内か否かをチェックする。Ｓ１６において、プーリ２８ｂ、２８ｃの回転位置からロープ２９Ａ、２９Ｂの繰り出し長さが許容範囲内の場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ１１の処理に戻り、脊椎駆動モータ２８ａの制御を継続する。また、Ｓ１６において、プーリ２８ｂ、２８ｃの回転位置からロープ２９Ａ、２９Ｂの繰り出し長さが許容範囲を超える場合（ＮＯの場合）、Ｓ１７に進み、脊椎駆動モータ２８ａの制御を停止する。
また、上記Ｓ１３において、床反力センサやジャイロセンサが装備されている場合には、角度センサ７０，７２，７４，７６，７８から出力された角度検出データ及び床反力センサによる重心位置検出データ、ジャイロセンサによる装着者１２の姿勢検出データに基づいて全身の姿勢を判定し、装着者１２の広角筋の伸展の意図（例えば前屈姿勢で物を持ち上げる場合）及び脊椎ユニットにかかる負荷を推定し、その推定された負荷に応じたトルクを発生するように印加電圧を制御して脊椎駆動モータ２８ａを駆動しても良い。
〔変形例１〕
図１４は制御装置が実行する変形例１の自律制御の制御処理を説明するためのフローチャートである。図１４に示されるように、Ｓ２１において、装着者１２の広背筋の各生体電位を検出する背筋生体信号検出センサ２５０ａ，２５０ｂからの生体信号を取得する。次のＳ２２では、背筋生体信号検出センサ２５０ａ，２５０ｂからの生体信号が検出されたことをトリガとするため、生体信号の出力レベルの解析を行う。
図１４は制御装置が実行する変形例１の自律制御の制御処理を説明するためのフローチャートである。図１４に示されるように、Ｓ２１において、装着者１２の広背筋の各生体電位を検出する背筋生体信号検出センサ２５０ａ，２５０ｂからの生体信号を取得する。次のＳ２２では、背筋生体信号検出センサ２５０ａ，２５０ｂからの生体信号が検出されたことをトリガとするため、生体信号の出力レベルの解析を行う。
次のＳ２３では、装着者１２が上体を前後方向、左右方向、旋回方向の屈曲動作を行った後に、伸展動作を行う意図が有るか否かをチェックする。Ｓ２３においては、背筋生体信号検出センサ２５０ａ，２５０ｂからの生体信号の出力レベルが所定値以上に達した場合、伸展動作を行う意図が有ると判定する。
また、Ｓ２３において、伸展動作を行う意図が有ると判定した場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ２４に進み、脊椎駆動モータ２８ａを駆動させ、プーリ２８ｂ、２８ｃを回動させてロープ２９Ａ、２９Ｂを巻き取る。このとき、脊椎駆動モータ２８ａは、予め設定されたトルク優先モード（重い物を持ち上げる場合の制御モード）、あるいは回転量優先モード（上体を起こす場合の制御モード）で制御される。
また、Ｓ２３において、伸展動作を行う意図が無いと判定された場合（ＮＯの場合）、Ｓ２７に進み、脊椎駆動モータ２８ａの制御を停止する。
次のＳ２５では、角度センサ７０，７２，７４，７６，７８から出力された角度検出信号を取得し、肩、肘、脊椎の各関節の動作状態を確認する。また、プーリ２８ｂ、２８ｃの回転位置からロープ２９Ａ、２９Ｂの繰り出し長さを求めることができ、このロープ繰り出し長さから脊椎ユニット２２の曲がり具合（曲げ角度）を求めることもできる。これにより、装着者１２の背中が曲がり過ぎていないか、あるいは脊椎駆動モータ２８ａのトルクから脊椎ユニット２２にかかる荷重が重すぎないかを判定する。
Ｓ２６では、装着者１２の上体の動作が目的の範囲内に入ったか否かをチェックする。Ｓ２６において、プーリ２８ｂ、２８ｃの回転位置からロープ２９Ａ、２９Ｂの繰り出し長さが許容範囲内の場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ１１の処理に戻り、脊椎駆動モータ２８ａの制御を継続する。また、Ｓ２６において、プーリ２８ｂ、２８ｃの回転位置からロープ２９Ａ、２９Ｂの繰り出し長さが目的の範囲内に入っていない場合（ＮＯの場合）、Ｓ２４に戻り、脊椎駆動モータ２８ａの制御を継続する。
また、Ｓ２６において、プーリ２８ｂ、２８ｃの回転位置からロープ２９Ａ、２９Ｂの繰り出し長さが目的の範囲内に入った場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ２７に進み、脊椎駆動モータ２８ａの制御を停止する。
また、上記Ｓ２６において、床反力センサやジャイロセンサが装備されている場合には、角度センサ７０，７２，７４，７６，７８から出力された角度検出データ及び床反力センサによる重心位置検出データ、ジャイロセンサによる装着者１２の姿勢検出データに基づいて全身の姿勢を判定し、装着者１２の姿勢が目的の範囲内に入ったかを推定し、その推定された姿勢の上体に応じたトルクを発生するように印加電圧を制御して脊椎駆動モータ２８ａを駆動しても良い。
〔変形例２〕
図１５は制御装置１００が実行する変形例２の安全機能制御の制御処理を説明するためのフローチャートである。図１５に示されるように、Ｓ３１において、装着者１２の広背筋の各生体電位を検出する背筋生体信号検出センサ２５０ａ，２５０ｂからの生体信号を取得する。次のＳ３２では、角度センサ７０，７２，７４，７６，７８から出力された角度検出信号を取得し、肩、肘、脊椎の各関節の動作状態を確認する。また、プーリ２８ｂ、２８ｃの回転位置からロープ２９Ａ、２９Ｂの繰り出し長さを求めることができ、このロープ繰り出し長さから脊椎ユニット２２の曲がり具合（曲げ角度）を求めることもできる。
図１５は制御装置１００が実行する変形例２の安全機能制御の制御処理を説明するためのフローチャートである。図１５に示されるように、Ｓ３１において、装着者１２の広背筋の各生体電位を検出する背筋生体信号検出センサ２５０ａ，２５０ｂからの生体信号を取得する。次のＳ３２では、角度センサ７０，７２，７４，７６，７８から出力された角度検出信号を取得し、肩、肘、脊椎の各関節の動作状態を確認する。また、プーリ２８ｂ、２８ｃの回転位置からロープ２９Ａ、２９Ｂの繰り出し長さを求めることができ、このロープ繰り出し長さから脊椎ユニット２２の曲がり具合（曲げ角度）を求めることもできる。
続いて、Ｓ３３に進み、装着者１２の上体の動作が許容範囲内か否かをチェックする。Ｓ３３において、プーリ２８ｂ、２８ｃの回転位置からロープ２９Ａ、２９Ｂの繰り出し長さが許容範囲内の場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ３４に進み、装着者１２が上体を前後方向、左右方向、旋回方向の屈曲動作を行った後に、伸展動作を行う意図が有るか否かをチェックする。Ｓ３４においては、背筋生体信号検出センサ２５０ａ，２５０ｂからの生体信号の出力レベルが所定値以上に達した場合、伸展動作を行う意図が有ると判定する。
また、Ｓ３４において、伸展動作を行う意図が有ると判定された場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ３５に進み、脊椎駆動モータ２８ａの制御を行う。この後は、Ｓ１１に戻り、Ｓ１１以降の処理を繰り返す。
また、上記Ｓ３３において、プーリ２８ｂ、２８ｃの回転位置からロープ２９Ａ、２９Ｂの繰り出し長さが許容範囲を超えた場合（ＮＯの場合）、Ｓ３６に進み、脊椎ユニット２２に作用する負荷が過大か否かをチェックする。Ｓ３６において、脊椎ユニット２２に作用する負荷が過大であると判定された場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ３７に進み、アラーム（警報）を発する。これにより、装着者１２は、上体の前屈動作（前屈角度）が許容範囲を超えてして持ち上げようする物体の荷重が大きすぎると、認識できる。
次のＳ３８では、アラームを発してから所定時間が経過したか否かをチェックしており、所定時間が経過するまで（ＮＯの場合）、Ｓ３７のアラームを継続させる。また、Ｓ３８で所定時間が経過した場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ３９に進み、アラームを停止した後、Ｓ４０で脊椎駆動モータ２８ａの制御を停止する。このように、装着者１２が過大な荷重の物体を無理な姿勢（前屈姿勢）で持ち上げようとした場合、脊椎駆動モータ２８ａを停止して安全性を優先する。
また、Ｓ３６において、脊椎ユニット２２に作用する負荷が過大でないと判定された場合（ＮＯの場合）、装着者１２の安全性が確保されるため、Ｓ３５に進み、脊椎駆動モータ２８ａの制御を行う。
〔変形例３〕
図１６は変形例３の脊椎ユニットが起立した状態を示す側面図である。図１６に示されるように、変形例３の脊椎ユニット３００は、複数の荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）を垂直方向に積重し、各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）の左右両側を平行リンク３２０（３２０１〜３２０ｎ）により連結する構成である。
図１６は変形例３の脊椎ユニットが起立した状態を示す側面図である。図１６に示されるように、変形例３の脊椎ユニット３００は、複数の荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）を垂直方向に積重し、各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）の左右両側を平行リンク３２０（３２０１〜３２０ｎ）により連結する構成である。
また、平行リンク３２０（３２０１〜３２０ｎ）は、各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）の側面に固定されたブラケット３３０（３２０１〜３２０ｎ）にボールジョイント３４０（３４０１〜３４０ｎ）を介してどの方向にも揺動可能に連結されている。
各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）は、下段の荷重支持部材３１０の上面に形成された曲面３５０を上段の荷重支持部材３１０の下面に形成された曲面３６０に当接させた状態に連結される。曲面３５０、３６０は、球面の一部を構成しており、前後方向及び左右方向に湾曲している。
各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）は、下段の荷重支持部材３１０の上面に形成された曲面３５０を上段の荷重支持部材３１０の下面に形成された曲面３６０に当接させた状態に連結される。曲面３５０、３６０は、球面の一部を構成しており、前後方向及び左右方向に湾曲している。
図１７は変形例３の脊椎ユニットの内部に形成された脊椎駆動機構を示す側面図である。図１７に示されるように、各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）の中央には、上下方向に貫通する空間３７０（３７０１〜３７０ｎ）が形成されている。この空間３７０（３７０１〜３７０ｎ）の内部には、一対のプーリ３８０（３８０１〜３８０ｎ）、３９０（３９０１〜３９０ｎ）が回転可能に支持されている。
また、一方のプーリ３８０（３８０１〜３８０ｎ）は、空間３７０（３７０１〜３７０ｎ）の前側に配置され、他方のプーリ３９０（３９０１〜３９０ｎ）は、空間３７０（３７０１〜３７０ｎ）の後方に配置されている。
また、各プーリ３８０（３８０１〜３８０ｎ）、３９０（３９０１〜３９０ｎ）には、１本のロープ（索条体）４００が交互に巻き掛けされており、上端が最上端のプーリ３９０１に結合され、下端が脊椎駆動機構２８のプーリ２８ｂに結合されている。ロープ４００は、全てのプーリ３８０（３８０１〜３８０ｎ）、３９０（３９０１〜３９０ｎ）に巻き掛けされている。
そのため、装着者１２の上体が前後方向、左右方向、旋回方向に動作すると、その動作方向に各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）が曲面３５０、３６０に沿って移動し、その移動量に応じてプーリ２８ｂが回動してロープ４００が繰り出される。そして、装着者１２の広背筋からの生体信号が検出されて装着者１２が上体を基準位置に戻そうとすると、脊椎駆動モータ２８ａがプーリ２８ｂを所定角度駆動すると共に、ロープ４００を巻き取る。これにより、脊椎ユニット３００は、曲面３５０、３６０に沿って復帰動作を行うと共に、補助力を装着者１２に付与して広背筋による復帰動作をアシストする。
図１８は変形例３の脊椎ユニット３００が前後方向に撓んだ動作状態を示す斜視図である。図１８に示されるように、装着者１２が前方向（Ａ方向）に上体を屈曲させると、脊椎ユニット３００の各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）も同一方向（前方向）に揺動する。そして、装着者１２の上体が前方向に動作すると、その動作方向に各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）が曲面３５０、３６０に沿って移動し、その移動量に応じてプーリ２８ｂが回動してロープ４００が繰り出される。
また、脊椎ユニット３００は、プーリ２８ｂの回動角度に応じたロープ４００の繰り出し長さによって前方向の移動量が制限される。
各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）は、上面中央に背面側から前面側に矩形状のガイド溝４１０が形成されている。このガイド溝４１０の左右両側には、曲面３５０、３６０が形成されている。また、ガイド溝４１０の底面は、曲面３５０、３６０と同じ曲率半径による曲面４２０が形成されている。
さらに、各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）の下面には、ガイド溝４１０に嵌合する嵌合部４３０が突出している。従って、各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）が前後方向（Ａ，Ｂ方向）に移動する際は、嵌合部４３０がガイド溝４１０に嵌合した状態で移動方向を曲面３５０、３６０に沿うようにガイドされる。
また、操作者１２の上体の動作に伴う各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）の変位量は、平行リンク３２０（３２０１〜３２０ｎ）の作用により等間隔となる。
図１９は変形例３の脊椎ユニットが左右方向に撓んだ動作状態を示す側面図である。図１９に示されるように、嵌合部４３０の横幅寸法（Ｃ，Ｄ方向の寸法）は、ガイド溝４１０の横幅寸法よりも小さい。そのため、嵌合部４３０は、左右側面がガイド溝４１０の左右側面に当接するまで、Ｃ，Ｄ方向に移動することができる。
装着者１２が上体を左右方向（Ｃ，Ｄ方向）に傾けると、その外力が各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）に伝わり、各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）も曲面３５０、３６０に沿って同一方向（Ｃ，Ｄ方向）に移動する。そして、装着者１２の上体が左右方向に動作した場合も前後方向に動作させた場合と同様に、その移動量に応じてプーリ２８ｂが回動してロープ４００が繰り出される。
また、嵌合部４３０の左右側面がガイド溝４１０の左右側面に当接した場合、左右方向への移動が制限されるため、嵌合部４３０及びガイド溝４１０は、前後方向の移動をガイドすると共に、左右方向の移動量を規制する規制部としても機能する。
また、装着者１２が上体を水平方向に旋回させる場合も各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）は、曲面３５０、３６０に沿って旋回方向に移動する。この場合もその移動量に応じてプーリ２８ｂが回動してロープ４００が繰り出される。
装着者１２が上体を揺動させた後、上体を基準位置（垂直状態）に復帰させようと広背筋による筋力を発生させようとすると、背筋生体信号検出センサ２５０ａ，２５０ｂにより生体信号が検出され、脊椎駆動モータ２８ａが駆動される。これにより、脊椎駆動機構２８のプーリ２８ｂが所定角度回動され、ロープ４００が巻き取られる。
そのため、脊椎ユニット３００は、ロープ４００の張力がプーリ３８０（３８０１〜３８０ｎ）を介して各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）に伝達され、各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）を垂直状態に積重させる基準位置に復帰させるアシスト力を装着者１２に付与することができる。
また、各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）間の抵抗が小さすぎる場合には、各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）間を連結する平行リンク３２０（３２０１〜３２０ｎ）にコイルバネまたはダンパなどの緩衝部材を設けるようにしても良い。
また、各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）間の抵抗が小さすぎる場合には、各荷重支持部材３１０（３１０１〜３１０ｎ）間を連結する平行リンク３２０（３２０１〜３２０ｎ）にコイルバネまたはダンパなどの緩衝部材を設けるようにしても良い。
上記実施例及び変形例では、各荷重支持部材間を連結する曲面に沿うように前後方向、左右方向、旋回方向に揺動可能に連結された構成のものを一例として挙げたが、これに限らず、例えば各方向ごとに回転軸を設け、６本の回転軸を組み合わせて各荷重支持部材を各方向に揺動可能に連結する構成としても良い。
上記実施例及び変形例では、本発明の多自由度補助装置を装着式動作補助装置の脊椎ユニットに適用した場合について説明したが、これに限らず、例えばコンピュータ制御により動作する二足歩行形ロボットの脊椎部に適用することも可能である。
１０ 動作補助装置
１２ 装着者
１４ 上肢フレーム
１５ ブラケット
１６Ａ、１６Ｂ 肩フレーム
１７Ａ，１７Ｂ 上肢駆動部
２０ 上体補助機構
２２、３００ 脊椎ユニット
２４（２４１〜２４ｎ）、３１０（３１０１〜３１０ｎ） 荷重支持部材
２４ａ ベース
２４ｂ 突状球面連結部
２４ｃ 凹状球面連結部
２４ｄ〜２４ｇ 規制部
２４ｈ、２４ｉ 挿通孔
２４ｊ 凹部
２８ 脊椎駆動機構
２８ａ 脊椎駆動モータ
２８ｂ モータ回転軸
２８ｃ、２８ｄ プーリ
２９Ａ、２９Ｂ、４００ ロープ（索条体）
３０ 腰フレーム
３２ 腰締結部
３４ 腰締結ベルト
３６Ａ，３６Ｂ バッテリ
４０Ａ、４０Ｂ 肩駆動部
４２Ａ、４２Ｂ 腕駆動部
４３Ａ，４３Ｂ 肩駆動モータ
４４Ａ、４４Ｂ 第１腕フレーム
４５Ａ，４５Ｂ 腕駆動モータ
４６Ａ，４６Ｂ 第２腕フレーム
４８Ａ，４８Ｂ 上肢締結ベルト
５０Ａ、５０Ｂ 上肢締結部材
５２Ａ，５２Ｂ 上肢締結ベルト
７０，７２，７４，７６，７８ 角度センサ
８６ 電源回路
８８ 入出力インターフェイス
９０ バッテリ充電警告部
１００ 制御装置
１１１〜１１５ 第１乃至第５角度検出部
１３０ メモリ
１３０Ａ データベース格納領域
１３０Ｂ 制御プログラム格納領域
１３２ データ出力部
１３４ 通信ユニット
１４０ 駆動部
１４２ 物理現象検出部
１４４ 生体信号検出部
１４６ データ格納部
１４８ 基準パラメータデータベース
１５０ 指令信号データベース
１５２ フェーズ特定部
１５４ 随意的制御部
１５６ ゲイン変更部
１５８ 電力増幅部
１６０ 自律的制御部
１９１〜１９５ 第１乃至第５モータドライバ
２０１〜２１４ 第１乃至第１４差動増幅器
２３８ａ，２３８ｂ，２４０ａ，２４０ｂ，２４２ａ，２４２ｂ，２４４ａ，２４４ｂ，２４６ａ，２４６ｂ，２４８ａ，２４８ｂ 生体信号検出センサ
２５０ａ，２５０ｂ 背筋生体信号検出センサ
３２０（３２０１〜３２０ｎ） 平行リンク
３３０（３２０１〜３２０ｎ） ブラケット
３４０（３４０１〜３４０ｎ） ボールジョイント
３５０、３６０、４２０ 曲面
３７０（３７０１〜３７０ｎ） 空間
３８０（３８０１〜３８０ｎ）、３９０（３９０１〜３９０ｎ） プーリ
４１０ ガイド溝
４３０ 嵌合部
１２ 装着者
１４ 上肢フレーム
１５ ブラケット
１６Ａ、１６Ｂ 肩フレーム
１７Ａ，１７Ｂ 上肢駆動部
２０ 上体補助機構
２２、３００ 脊椎ユニット
２４（２４１〜２４ｎ）、３１０（３１０１〜３１０ｎ） 荷重支持部材
２４ａ ベース
２４ｂ 突状球面連結部
２４ｃ 凹状球面連結部
２４ｄ〜２４ｇ 規制部
２４ｈ、２４ｉ 挿通孔
２４ｊ 凹部
２８ 脊椎駆動機構
２８ａ 脊椎駆動モータ
２８ｂ モータ回転軸
２８ｃ、２８ｄ プーリ
２９Ａ、２９Ｂ、４００ ロープ（索条体）
３０ 腰フレーム
３２ 腰締結部
３４ 腰締結ベルト
３６Ａ，３６Ｂ バッテリ
４０Ａ、４０Ｂ 肩駆動部
４２Ａ、４２Ｂ 腕駆動部
４３Ａ，４３Ｂ 肩駆動モータ
４４Ａ、４４Ｂ 第１腕フレーム
４５Ａ，４５Ｂ 腕駆動モータ
４６Ａ，４６Ｂ 第２腕フレーム
４８Ａ，４８Ｂ 上肢締結ベルト
５０Ａ、５０Ｂ 上肢締結部材
５２Ａ，５２Ｂ 上肢締結ベルト
７０，７２，７４，７６，７８ 角度センサ
８６ 電源回路
８８ 入出力インターフェイス
９０ バッテリ充電警告部
１００ 制御装置
１１１〜１１５ 第１乃至第５角度検出部
１３０ メモリ
１３０Ａ データベース格納領域
１３０Ｂ 制御プログラム格納領域
１３２ データ出力部
１３４ 通信ユニット
１４０ 駆動部
１４２ 物理現象検出部
１４４ 生体信号検出部
１４６ データ格納部
１４８ 基準パラメータデータベース
１５０ 指令信号データベース
１５２ フェーズ特定部
１５４ 随意的制御部
１５６ ゲイン変更部
１５８ 電力増幅部
１６０ 自律的制御部
１９１〜１９５ 第１乃至第５モータドライバ
２０１〜２１４ 第１乃至第１４差動増幅器
２３８ａ，２３８ｂ，２４０ａ，２４０ｂ，２４２ａ，２４２ｂ，２４４ａ，２４４ｂ，２４６ａ，２４６ｂ，２４８ａ，２４８ｂ 生体信号検出センサ
２５０ａ，２５０ｂ 背筋生体信号検出センサ
３２０（３２０１〜３２０ｎ） 平行リンク
３３０（３２０１〜３２０ｎ） ブラケット
３４０（３４０１〜３４０ｎ） ボールジョイント
３５０、３６０、４２０ 曲面
３７０（３７０１〜３７０ｎ） 空間
３８０（３８０１〜３８０ｎ）、３９０（３９０１〜３９０ｎ） プーリ
４１０ ガイド溝
４３０ 嵌合部
Claims (5)
- 上下方向に積重された複数の荷重支持部材と、
前記各荷重支持部材間に設けられ、上段の前記荷重支持部材と下段の前記荷重支持部材との間を前後方向及び左右方向及び旋回方向に揺動可能に連結する連結部と、
最上端の前記荷重支持部材に先端が結合され、前記各連結部を中心として前記各荷重支持部材の前記左右方向に延在する部位に形成された一対の挿通孔にそれぞれ挿通された索条体と、
前記一対の索条体の下端をそれぞれ巻き取ることで前記各荷重支持部材を垂直方向に積重された基準位置に復帰させる駆動機構と、
を備え、
前記各荷重支持部材は、外力の作用により前記各連結部の動作と共に、上段の前記荷重支持部材が下段の前記荷重支持部材に対して前記外力の作用方向にずれることが許容されており、
前記複数の荷重支持部材は、前記連結部により下段の前記荷重支持部材に対して上段の前記荷重支持部材が前後方向及び左右方向及び旋回方向に移動可能に連結されると共に、前記外力の作用による移動方向に拘わらず鉛直方向の荷重を支持することを特徴とする多自由度補助装置。 - 前記駆動機構は、
該索条体の下端が巻き掛けされたプーリと、
該プーリを駆動する駆動部と、
前記連結部により揺動可能に連結された前記各荷重支持部材を垂直方向に積重された基準位置に復帰させる際に前記駆動部を制御する制御部と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の多自由度補助装置。 - 装着者の背中に装着される多自由度補助装置であって、
当該装着者の背中の動きに応じた生体信号を出力する生体信号検出部を設け、
前記制御部は、前記生体信号検出部から出力された背中の生体信号に基づいて前記駆動部を駆動させる制御信号を生成し、前記連結部により揺動可能に連結された前記各荷重支持部材を垂直方向に積重された基準位置に復帰させることを特徴とする請求項２に記載の多自由度補助装置。 - 前記各荷重支持部材は、前記連結部により下段の前記荷重支持部材及び上段の前記荷重支持部材に対して所定範囲を超える移動量に達したとき、互い隣接する前記各荷重支持部材間の相対移動を規制する規制部を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の多自由度補助装置。
- 前記複数の荷重支持部材は、最下端が装着者の腰に締結される腰フレームに固定され、最上端が上肢駆動部を支持し、当該装着者の上体の動作方向に応じて前後方向または左右方向または旋回方向に揺動することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の多自由度補助装置。
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