JP6314058B2 - 動作拡大型スーツ - Google Patents

Description

本発明は、ユーザが装着する外骨格構造を有する外骨格型ロボットに関する。

従来、ユーザが自身の体に装着するいわゆる外骨格型ロボットとしては、ユーザの筋力を補助して、ユーザの歩行や運動、作業の支援を行うものが知られている（特許文献１、２）。

また、オペレータの動きを人型の脚式ロボットにトレースし、外界の負荷をオペレータにフィードバックすることにより２足歩行での動歩行を実現する技術が提案されている（特許文献３）。

特開２００７−９７６３６号公報 特開２０１２−４５１９４号公報 特開平８−２１６０６６号公報

上記のいずれの先行技術においても、ロボットは、電動モータや、油圧または空圧式のアクチュエータ等の動力源を用いて、ロボットの四肢を駆動するものである。また、このような動力源の駆動は、ユーザの動きを検出する各種のセンサ出力や、計算機からの指令等にしたがって行われる。

しかし、このような動力源等を必要とするロボットは、必然的に重量が大きくなり、コスト的にも高いものとなる。

一方、娯楽やエンターテインメント、アトラクション等の分野では、平均的な人の身長より十分大きい人型ロボットを、無動力でユーザが操作できるものが実現できれば好ましい。

このような観点から、本出願人は、いわゆる動作拡大型スーツとして、ユーザが上半身に装着し、ユーザの左右の腕の動きに連動して、人力で、ロボットの左右の腕が動くような機構を創案した。図１はその機構を原理的に示したリンク構造を示す。この図は便宜上、右側の腕のみを示しているが、左側の腕の構造は右側と対称である。

ユーザより大きいロボットの頭部を表した円形を載せた逆三角形５０３はロボットの上半身を想定している。後述するように、実際には逆三角形５０１，５０３の部分はロボットのアーム機構を支持する支持フレームで構成される。

図中、黒丸で示した符号ｐ，ｑ，ｒ，ｓ，Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕはリンクとリンクを結合する点としてのノード（関節）を示している。ユーザの頭部を想定した円形を載せた逆三角形５０１はユーザの上半身の所在を想定している。但し、符号ｐ、Ｐは手首の関節に相当するが、特に関節である必要はない。

ノードｒ、ｑ、ｐは、それぞれ、ユーザの肩部、肘部および手首（または手）に相当する。リンクｐｑを肘の後方に延長した延長部の先端にノードｓが設けられる。

ノードＲ，Ｑ，Ｐは、それぞれ、ロボットの肩部、肘部および手首に相当する。リンクＰＱを肘の後方に延長した延長部の先端にノードＳが設けられる。

リンクＲＱの中間にノードＵが設けられる。リンクｑｒ、リンクｒＲ、リンクＲＵおよびリンクＵｑの４本のリンク（節）により第１の四節リンク機構（１）が構成される。また、ノードｓ、ｑ、Ｕとほぼ平行四辺形の頂点を構成するノードＴを設ける。これらのリンクｓｑ、リンクｑＵ、リンクＵＴおよびリンクＴｓは第２の四節リンク機構（２）を構成する。さらに、リンクＳＱ、リンクＱＵ、リンクＵＴおよびリンクＴＳは第３の四節リンク機構（３）を構成する。

この外骨格ロボットをユーザが装着する際、ユーザの前腕と上腕はそれぞれリンクｐｑとリンクｑｒに沿って保持される。これにより、ユーザが腕を動かすと、リンクｐｑとリンクｑｒが腕の動きに追従する。このリンクｐｑとリンクｑｒの動きは、上記３つの四節リンク機構からなる複合リンク機構の作用によって、ロボットの前腕と上腕に相当するリンクＰＱとリンクＱＲに伝達される。結果としてロボットの大きな腕（ＰＱＲ）がユーザの腕（ｐｑｒ）の動きに追従して連動する。

ノードｒでは、ユーザの（１）上腕の前後動、（２）上腕の上下動、（３）上腕の長手方向軸を中心とした上腕および前腕の回転、の３自由度を提供するよう、リンクｒｑが支持フレームに支持される。同様に、ノードＲではリンクＲＵが同様の３自由度をもって支持フレームに支持される。ユーザに与えられるもうひとつの自由度は、上腕に対する前腕の曲げ伸ばしの動作であり、これはノードｑにより与えられる。ノードＲ，ノードＱは、それぞれ、ノードｒ、ノードｑと同等の自由度を有する。

結局、図１の複合リンク機構は、３つの四節リンク機構を包含し、これらの４つの自由度により、それぞれの四節リンク機構の四角形が任意の高さの平行四辺形に変形可能となる。また、３つの四節リンク機構のそのような動作を可能とするように各ノードにおいて関節が用意される。

図２は、実装上の制約や要請に応じて、図１の複合リンク機構を変形した機構を示している。実装上の制約や要請とは、ユーザの腕の動きの範囲と機構とが干渉することを防いだり、複数の自由度を有する関節を複数の１軸のジョイントの組み合わせに分割したりすることである。図２の構成では、特に、ユーザの腕（前腕と上腕）の動きを対応するリンクｐｑおよびリンクｑｒに適正に伝達するために、円筒状部材９１５を用いている。円筒状部材９１５は、互いにスライド回転する内筒と外筒からなる二重の円筒により構成される。この円筒状部材９１５の空洞内にユーザの前腕を通して、円筒状部材９１５を上腕部に位置させる。このとき、ユーザは自身の手でハンドル部を把持するか、または、ハンドル部の位置でユーザの手を拘束する。このように、ユーザの前腕と上腕にそれぞれリンクｐｑとリンクｑｒを沿わせた状態で、ユーザの腕の任意の動きをロボットの腕に正確に伝達することができる。

図２に示した複合リンク機構の原理を具現化したものとして、出願人は、図３に示すような外骨格型ロボット（上半身のみ）を製作した。この外骨格型ロボットは、ユーザが自身の両肩に背負うように上半身に装着する。そのために、プレート９０１と肩当９０３，９０４により背負子を構成している。プレート９０１の背後には支柱９９１が固定されて上方に伸びる。支柱９９１には、フレーム部材９９２〜９９７からなる支持フレームが固定されている。

支持フレームは、左右の各々の側において、アーム機構を支持する。

左右のアーム機構は左右対称の構造を有する。以下では右側のアーム機構についてのみ説明する。

アーム機構は、ユーザの腕の動きに追従するユーザ対応アーム部Ａｕと、ロボットの腕に相当するロボットアーム部Ａｒと、ユーザ対応アーム部Ａｕの動きに応じてロボットアーム部Ａｒを連動させるよう、両アーム部を連結する連結部Ｔとを有する。

ユーザ対応アーム部Ａｕは、ハンドル部９１１、リンク部材９１２，９１３、円筒状部材９１５により構成される。上述したように、円筒状部材９１５は、互いにスライド回転する内筒と外筒からなる二重の円筒により構成され、内側の円筒に突出部１９４が連結されている。この突出部１９４は、内側の円筒をリンク部材９１３に回転可能に接続される。リンク部材９１２がユーザの前腕に沿って位置し、前述のように円筒状部材９１５がユーザの上腕に装着される。

ロボットアーム部Ａｒは、リンク部材９３１〜９３５，９３７〜９３８により構成される。リンク部材９３１がロボットの前腕に相当し、リンク部材９３３，９３７がロボットの上腕に相当する。

連結部Ｔは、リンク部材９２０〜９３０により構成される。

ユーザの腕の動きに追従してユーザ対応アーム部Ａｕが動作し、これに応じて、ロボットアーム部Ａｒが連動する。

図３は、ユーザが腕を下方に垂らした状態に相当する。これに対して、図４はユーザが上腕を上方へ若干上げるとともに、腕をほぼ直角に曲げたときの複合リンク機構の状態を示している。いずれの図も、ユーザおよびその腕は図示省略している。

このような出願人の先行技術には次のような改善の余地があった。

すなわち、第１の問題は、ユーザの腕に対応するリンクと、ロボットの腕に相当するリンクとを接続する一部のリンク部材群（リンク部材９２１〜９２９）が前方や周囲から目に付き易い位置に露出していることである。これらのリンク部材群は本来的に人型ロボットの腕とは関係のない要素であり、視覚的には邪魔なものである。特に、図４のような腕の状態でこれらのリンク部材群が目立ち、観客の興を殺ぐおそれがある。

第２の問題は、円筒状部材９１５の使用に伴う問題である。この部品は比較的コストが高いことと、ユーザの装着時に、ユーザが左右の腕を、両方の円筒状部材９１５に上腕まで通す必要があり、装着に相応の時間を要するという問題がある。なぜなら、完成状態の外骨格ロボットの左右の円筒状部材９１５はユーザの左右の上腕部に装着する際、ユーザの胴体に近接しすぎていて、両腕の装着が実際上困難であり、左右のいずれかのアーム機構の一部を一時的に分解し、装着後に再度組み立て直すという作業が必要となるためである。

本発明はこのような背景においてなされたものであり、比較的低コストで比較的迅速に装着が行える外骨格型ロボットを提供することを目的とする。

本発明による外骨格型ロボットは、ユーザが装着し、ユーザの動作に同期して連動する外骨格型ロボットであって、ユーザの体に支持される支持フレームと、前記支持フレームに支持されるアーム機構とを備える。前記アーム機構は、ユーザの腕の動きに追従するユーザ対応アーム部と、ロボットの腕に相当するロボットアーム部と、前記支持フレームの近傍において、前記ユーザ対応アーム部の動きに応じて前記ロボットアーム部を連動させるよう、前記ユーザ対応アーム部を前記ロボットアーム部に連結する連結部とを有し、ユーザの腕の動きに追従して前記ユーザ対応アーム部が動作し、前記連結部を介して、前記ユーザ対応アーム部の動作に同期して前記ロボットアーム部が連動する。

本明細書における「外骨格型ロボット」とは、ユーザがあたかも自身の外骨格として装着し、ユーザの動作に同期して連動するロボットであり、少なくとも１本のアーム機構を有する。

「アーム機構」とは人またはロボットの腕に対応する機械的な構造である。

「同期して連動する」とは、同じタイミングで同様に動作することを意味する。本明細書において、「腕」とは、人（ユーザ）または人型ロボットの上腕および前腕を意味する。

典型的には、外骨格型ロボットの上半身は、ユーザの腕より大きいサイズのアーム機構を有し、ユーザの動作に同期して、無動力で動作する。但し、本発明は、補助的な動力を利用するものを排除するものではない。

より具体的には、例えば、前記ユーザ対応アーム部はユーザの上腕に対応する第１の四節リンク機構を含み、前記ロボットアーム部はロボットの上腕に相当する第２の四節リンク機構を含み、前記連結部は、前記第１および第２の四節リンク機構の各々の少なくとも２つのリンクの全体または一部を含む少なくとも第３および第４の四節リンク機構を含み、前記第１の四節リンク機構の動きに応じて前記第２の四節リンク機構を連動させるよう、前記第１の四節リンク機構を前記第２の四節リンク機構に連結し、前記第１および第２の四節リンク機構は各々の１本のリンクから突出した棒状部を有し、前記第１の四節リンク機構から突出した棒状部はユーザの前腕に対応し、前記第２の四節リンク機構から突出した棒状部はロボットの前腕を構成し、ユーザが装着した状態で、前記第１の四節リンク機構およびその棒状部がそれぞれユーザの上腕および前腕に沿って位置し、ユーザの上腕および前腕の動きに追従して前記第１の四節リンク機構およびその棒状部が動作し、前記第１の四節リンク機構およびその棒状部の動作に同期して前記第２の四節リンク機構およびその棒状部が連動する。

好ましくは、前記第１の四節リンク機構から突出した棒状部の先端にユーザの手により把持される、またはユーザの手を拘束するハンドル部を設ける。

また、前記第１の四節リンク機構から突出した棒状部に、ユーザの前腕部を当接支持する開放型の腕支持部が設けられる。この腕支持部と上記ハンドル部により、ユーザの腕は確実に前記棒状部および前記第１の四節リンク機構に寄り添った形態で維持される。

前記開放型の腕支持部は、例えば、前記ユーザの前腕部を収容する半円筒状部材により構成される。

前記第２の四節リンク機構は、典型的には、前記第１の四節リンク機構とほぼ相似の形状を有し、前記第１の四節リンク機構より大サイズである。

前記第３および第４の四節リンク機構は、１本のリンクを共有する構成であってもよい。

前記支持フレームは、前記第１および第２の四節リンク機構ならびに前記連結部の少なくとも２箇所を支持する。

前記支持フレームは、各々、３つの自由度を有する接続構造を介して、前記第１および第２の四節リンク機構ならびに前記連結部の少なくとも２箇所を支持する。

前記支持フレームは、例えば、ユーザの背後でユーザの肩部に支持される。

前記アーム機構の各々は、少なくとも、（１）上腕の前後動、（２）上腕の上下動、（３）上腕の長手方向軸を中心とした上腕および前腕の回転、（４）上腕に対する前腕の曲げ伸ばし、の４つの自由度を有する。

本発明によれば、比較的低コストで比較的迅速に装着が行える外骨格型ロボットを提供することができる。

先行技術のアーム機構を原理的に示した図である。 図１の複合リンク機構を変形した機構を示す図である。 図２に示した複合リンク機構の原理を具現化した外骨格型ロボット（上半身のみ）の構成を示す図である。 図３の複合リンク機構に対して、ユーザが上腕を上方へ若干上げるとともに、腕をほぼ直角に曲げたときの複合リンク機構の状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る外骨格型ロボットをユーザｕが装着した状態を表す図である。 図５に示した外骨格型ロボットの上半身を拡大して示す図である。 本発明の外骨格型ロボットを構成する複合リンク機構の原理的な構成を示す図である。 図７に示した複合リンク機構のより実際的な変形例を示す図である。 図８の複合リンク機構の状態から、ユーザが腕を上げて伸ばしたときの、複合リンク機構の変化した状態を表す図である。 図６の外骨格型ロボットの支持フレームＳと、右のアーム機構を別の角度から示した図である。 図１０に示したアーム機構を線図で表した図である。 図１０に示した外骨格型ロボットの連結部Ｔと支持フレームＳとの接続構造を拡大して示した図である。 図１０に示した外骨格型ロボットのロボットアーム部Ａｒと連結部Ｔとの接続構造を拡大して示した図である。 図１０に示した外骨格型ロボットの連結部Ｔと支持フレームＳとの接続構造を拡大して示した図である。 図１０に示した外骨格型ロボットのユーザ対応アーム部Ａｕと連結部Ｔとの接続構造を拡大して示した図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図５は、本実施の形態に係る外骨格型ロボットをユーザｕが装着した状態を表している。図５では外骨格型ロボットの下半身としての脚部Ｌも示している。ロボットの脚部Ｌとしては、ユーザの脚より大きいサイズの左右の脚機構を有し、これらをユーザが左右の脚に装着する。但し、必ずしもロボットの下半身は必要ない。本発明は、外骨格型ロボットの上半身に関するものであり、脚部の具体的な構成については説明を省略する。

外骨格型ロボットの上半身は、図３、図４で説明したと同様に、ユーザの体に支持される支持フレームＳと、この支持フレームＳに支持される少なくとも左右のアーム機構Ａとを備える。

左右のアーム機構Ａの各々は、ユーザの腕の動きに追従するユーザ対応アーム部Ａｕと、ロボットの腕に相当するロボットアーム部Ａｒと、支持フレームＳの近傍において、ユーザ対応アーム部Ａｕの動きに応じてロボットアーム部Ａｒを連動させるよう、ユーザ対応アーム部Ａｕをロボットアーム部Ａｒに連結する連結部Ｔとを有する。

この構成において、ユーザの腕の動きに追従してユーザ対応アーム部Ａｕが動作し、連結部Ｔを介して、ユーザ対応アーム部Ａｕの動作に同期してロボットアーム部Ａｒが連動する。

左右のアーム機構Ａの各々は、（１）上腕の前後動、（２）上腕の上下動、（３）上腕の長手方向軸を中心とした上腕および前腕の回転、（４）上腕に対する前腕の曲げ伸ばし、の４つの自由度を有する。

図６に、図５に示した外骨格型ロボットの上半身を拡大して示す。

図５（図６）の構造と、図３および図４の構造とを対比して分かるように、図５の構造の方が連結部Ｔが支持フレームＳ側に（すなわち支持フレームＳの近傍に）集約され、ロボットアーム部Ａｒのシルエットがより明白になっている。

また、ユーザの前腕部に当接して前腕部を支持する開放型の腕支持部１４が第１の四節リンク機構から突出した棒状部に設けられる。図の例では、開放型の腕支持部１４は、ユーザの前腕部を当接支持して収容する半円筒状部材により構成されている。これにより、上述した先行技術の円筒状部材のように閉鎖型の空洞内に腕を通す必要がなくなり、装着が短時間かつ容易に行えるようになる。

なお、支持フレームＳは、ユーザの背後でユーザの肩部に支持される。そのために、支柱９１に固定された横部材９９に取付られたＬ字金具１０１，１０２の下面に緩衝部材１０３，１０４が付加されて形成された肩当が設けられている。また、横部材９９に縦部材１００、１０８，１０９を介して固定された胴巻部１０６，１０７が設けられている。胴巻部１０６，１０７はユーザの胴に巻き付けられ、外骨格ロボットの上半身をユーザに密着させるよう機能する。胴巻部１０６，１０７はベルトや連結具等の付属物（図示せず）と併用してもよい。

支柱９１の上端には横部材９２，９３が固定され、中間部には横部材９５および接続部材９６が固定されている。これらの横部材に、アーム機構Ａが支持される。より具体的には、支持フレームＳは、アーム機構Ａ（ユーザ対応アーム部Ａｕとロボットアーム部Ａｒと連結部Ｔ）の少なくとも２箇所を支持する。その詳細については後述する。

なお、支持フレームＳをユーザが支持する構造としては、図４に示したプレート９０１と肩当９０３，９０４により構成された背負子であってもよい。

また、図示しないが、図６の支柱９１をさらに上方に延長し、その先端にロボットの頭部（顔部）を配置するようにしてもよい。

以下、本実施の形態の外骨格型ロボットに利用する複合リンク機構を説明する。

図７は、本発明の外骨格型ロボットを構成する複合リンク機構の原理的な構成を示す。

この複合リンク機構は、ユーザ対応アーム部Ａｕとしてユーザの腕の動きに追従する第１の四節リンク機構Ｉと、ロボットアーム部Ａｒとしての第２の四節リンク機構IIと、第１の四節リンク機構Ｉの動きに応じて第２の四節リンク機構IIを連動させるよう、第１の四節リンク機構Ｉを第２の四節リンク機構IIに連結する連結部Ｔとを含む。図７における四節リンク機構は四節平行リンク機構である。第２の四節リンク機構IIは、第１の四節リンク機構Ｉとほぼ相似の形状を有し、第１の四節リンク機構Ｉよりサイズが大きい。

第１の四節リンク機構Ｉは、ノード列ａｂｃｅｆを内包し、４つのリンクａｂ、リンクｂｃｅ、リンクｅｆおよびリンクｆａにより構成される。リンクｂｃｅの中間にあるノードｃは支持フレームＳに支持される基準位置を構成している。

同様に、第２の四節リンク機構IIは、ノード列ＡＢＣＥＦを内包し、４つのリンクＡＢ、リンクＢＣＥ、リンクＥＦ、リンクＦＡにより構成される。第２の四節リンク機構IIにおいて、リンクＢＣＥの中間にあるノードＣは支持フレームＳに支持される基準位置を構成している。

連結部は、図７の例では、ノード列ｃｅｆＣＥＦを内包し、３本のリンクｃＣ、リンクｅＥ、およびリンクｆＦにより構成される。すなわち、連結部Ｔは、第１および第２の四節リンク機構IIの少なくとも２つのリンクの全体または一部を含む少なくとも第３の四節リンク機構III（ノード列ｃｅＥＣに対応）および第４の四節リンク機構IV（ノード列ｅｆＦＥに対応）を含む。第３および第４の四節リンク機構は、１本のリンクｅＥを共有している。

なお、基準位置はノードｃ，Ｃに限られるものではない。例えば、ノードｅ，Ｅ等、他の位置を基準位置としてもよい。

図８は、図７に示した複合リンク機構のより実際的な変形例を示す。この変形例は、ユーザの腕の動きの範囲と機構とが干渉、および、構成の省スペース化（コンパクト化）を企図したものである。

図８において、第１の四節リンク機構Ｉは、ノード列ａｂｃｄｅｆを内包し、４つのリンクａｂ、リンクｂｃｄｅ、リンクｅｆおよびリンクｆａにより構成される。第１の四節リンク機構IIにおいて、リンクｂｃｄｅの中間にあるノードｃおよびノードｄはそれぞれ一定の固定角度を有する。すなわち、リンクｂｃｄｅはノードｃとノードｄで２回屈折した１本のリンクである。よって、第１の四節リンク機構Ｉは平行四辺形ではなく変則的な六角形を構成している。

同様に、第２の四節リンク機構IIは、ノード列ＡＢＣＤＥＦを内包し、４つのリンクＡＢ、リンクＢＣＤＥ、リンクＥＦ、リンクＦＡにより構成される。第２の四節リンク機構IIにおいて、リンクＢＣＤＥの中間にあるノードＣおよびノードＤはそれぞれ一定の固定角度を有する。すなわち、リンクＢＣＤＥはノードＣとノードＤで２回屈折した１本のリンクである。よって、第２の四節リンク機構IIは平行四辺形ではなく変則的な六角形を構成している。

その連結部Ｔは、図８の例では、ノード列ｃｄｅｆＣＤＥＦを内包し、４本のリンクｃＣ、リンクｄＤ、リンクｅＥ、およびリンクｆＦにより構成される。すなわち、連結部Ｔは、第１および第２の四節リンク機構Ｉ，IIのリンクのまたはリンクの一部とともに、第３および第４の四節リンク機構III, IVを構成する少なくとも３つのリンクを含む。第３および第４の四節リンク機構III, IVは、１本のリンクを共有してもよい。

４本のリンクｃＣ、リンクｄＤ、リンクｅＥ、およびリンクｆＦが関与する四節リンク機構は、次の３つのうちの任意の２つである。
（１）ノード列ｆｅＥＦからなる四節リンク機構III（リンクｆｅ、リンクｅＥ、リンクＥＦ、リンクＦｆ）
（２）ノード列ｅｄＤＥからなる四節リンク機構IV（リンクｅｄ、リンクｄＤ、リンクＤＥ、リンクＥｅ）
（３）ノード列ｃｄＤＣからなる四節リンク機構Ｖ（リンクｃｄ、リンクｄＤ、リンクＤＣ、リンクＣｃ）

４本のリンクｃＣ、リンクｄＤ、リンクｅＥ、およびリンクｆＦのうち１本は省略可能である。但し、４本用いる方が強度は向上する。これらの４本のリンクのうちの１本を省略しても、この構成では、複合リンク機構の自由度は増加しないので、実質的には上記の３つの四節リンク機構が存在すると等価である。

以下では便宜上、四節リンク機構をその関与する４つのノード列で特定する。例えば、リンクｆｅ、リンクｅＥ、リンクＥＦ、リンクＦｆからなる四節リンク機構を四節リンク機構ｆｅＥＦと表記する。

第１および第２の四節リンク機構Ｉ，IIは、ユーザ対応アーム部Ａｕとロボットアーム部Ａｒのそれぞれの上腕部を構成し、当該各四節リンク機構の肘側の１本のリンク（ａｂとＡＢ）から突出した棒状部（ｂｇとＢＧ）を有する。これらの棒状部はそれぞれの前腕部を構成している。ユーザが装着した状態で、左右のアーム機構Ａの第１の四節リンク機構Ｉの棒状部がユーザの左右の前腕に沿って位置する。

図９は、図８の複合リンク機構の状態から、ユーザが腕を上げて伸ばしたときの、複合リンク機構の変化した状態を表している。第１の四節リンク機構Ｉ（ａｂｅｆ）が、ノードｃ、Ｃを位置的な基準として変形し、この変形が連結部Ｔを介して第２の四節リンク機構II（ＡＢＥＦ）に反映される。その結果、ユーザの腕の動きに追従して第１の四節リンク機構Ｉが動作し、この第１の四節リンク機構Ｉの動作に同期して第２の四節リンク機構IIが連動する。

図８，図９に示したように、第１、第２の四節リンク機構を外周に凹部を有する変則的な六角形とすることにより、各アーム部Ａｕ，Ａｒを比較的細身に、かつ、アーム機構全体をコンパクトに構成することが可能となる。

図１０は、図６の外骨格型ロボットの支持フレームＳと、右のアーム機構Ａ（ユーザ対応アーム部Ａｕとロボットアーム部Ａｒ）を別の角度から示した図である。

ロボットアーム部Ａｒは、リンク部材３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８により構成されている。そのうち、リンク部材３２の一部およびリンク部材３３がリンクＡＢに相当し、リンク部材３４，３５，３６がリンクＢＣＤＥに相当し、リンク部材３７がリンクＥＦに相当し、リンク部材３８がリンクＦＡに相当する。

図１０に示したユーザ対応アーム部Ａｕとロボットアーム部Ａｒの構成では、リンク部材１５がリンクａｇに相当し、直列に接続したリンク部材３１，３２がリンクＡＧに相当する。ノードｂ，Ｂは、それぞれ、リンクａｇ，ＡＧ上から若干外れた位置にあるが、リンクａｂ、ＡＢから突出した棒状部がリンクｂｇ，ＢＧとなっている。

本実施の形態では、支持フレームＳは、アーム機構Ａ（ユーザ対応アーム部Ａｕとロボットアーム部Ａｒと連結部Ｔ）の少なくとも２箇所を支持する。図１０の構成では、支持フレームＳは、アーム機構Ａのほぼ上端部と、上端部および下端部の間の中間部（連結部Ｔ）を支持している。支持フレームＳとアーム機構Ａの接続構造については、以下に、拡大した他の図で詳述する。図８，図９では、支持フレームＳは、アーム機構Ａのほぼ上端部と下端部を支持している。これに対して、図１０の実際の構成では、アーム機構Ａの下端部の代わりに、アーム機構Ａの上端部と下端部の間の中間部（連結部Ｔの中間部）を支持している。このように支持箇所を下端部から中間部へ移動させることにより、ユーザの肩と支持フレームＳとの干渉、または、ユーザの肩とアーム機構Ａとの干渉を回避することができる。その結果として、自然な操作を実現することが可能となる。

図１１は、図１０に示したアーム機構Ａを線図で表した図である。この図では、２つのリンク同士を連結する関節（基本的には１軸）の所在およびその軸（回転軸）を明示している。図中、○印を付した箇所が関節の軸を示している。図１１に示した複合リンク機構は、複数軸の関節を１軸の関節に分割したり、基準位置を変更したりした以外、実質的には、図８に示した複合リンク機構と等価である。この図１１からよく分かるように、図１０に示した実際のアーム機構Ａは、大別して、８つの関節群Ｇ１〜Ｇ８を有する。そのうち関節群Ｇ１は関節群Ｇ１ａとＧ１ｂからなる。関節群Ｇ２は関節群Ｇ２ａとＧ２ｂからなる。関節群Ｇ１とＧ２とはほぼ共通の構成を有し、上述した支持フレームＳに対するアーム機構Ａのほぼ上端部と、中間部（連結部Ｔ）の２つの支持箇所に対応している。これらの２つの支持箇所のうち上側の連結箇所の３つの自由度は関節群Ｇ１内の関節群Ｇ１ａにより提供される。下側の支持箇所の３つの自由度は関節群Ｇ２内の関節群Ｇ２ａにより提供される。

関節群Ｇ１ｂはロボットアーム部ＡｒのノードＤ，Ｅに対応し、関節群Ｇ３はユーザ対応アーム部Ａｕのノードｄ，ｅに対応している。これら関節群Ｇ１ｂとＧ３とはほぼ共通の構成を有している。関節群Ｇ４はロボットアーム部ＡｒのノードＥ，Ｆに対応し、関節群Ｇ６はユーザ対応アーム部Ａｕのノードｅ，ｆに対応している。これらの関節群Ｇ４とＧ６とはほぼ共通の構成を有している。関節群Ｇ２ｂは関節群Ｇ１ｂとＧ３と共通の構成を有する。関節群Ｇ５は関節群Ｇ４とＧ６と共通の構成を有する。これらの関節群Ｇ２ｂとＧ５の関係は、関節群Ｇ１ｂとＧ４の関係（および関節群Ｇ３とＧ６の関係）と同じである。関節群Ｇ２ｂは、所定のリンクを介して支持フレームＳにつながる３つの自由度を提供する関節群Ｇ２ａと接続される。「所定のリンク」とは上側の支持箇所の接続構造が支持している第２の四節リンク機構のリンクの少なくとも一部を複製した接続部材（後述する図１４の接続部材７３，７４，７６）を、連結部Ｔの中間部に第２の四節リンク機構と同じ関係で設けたものである。下側の支持箇所の接続構造はこの複製されたリンク（接続部材）に接続される。また、この例では、連結部Ｔの中間部に複製されたリンクは２本のリンクであり、これら２本のリンクに対応する接続部材は第３および第４の四節リンク機構に対して、第２の四節リンク機構と等価な関係で連結部Ｔに接続される。ここでの「２本のリンク」とはリンクＣＤＥ（リンクＢＣＤＥの一部）とリンクＥＦである。

本来、図８のようなリンク構造に従って関節群Ｇ２ａをユーザ対応アーム部Ａｕの関節群Ｇ３に接続する構成であれば、関節群Ｇ２ｂとＧ５および関連する追加リンク部材は必要のないものである。しかし、この実施形態では、関節群Ｇ２ａを中間部（連結部Ｔ）に接続するに当たり、関節群Ｇ２ｂとＧ５および関連する接続部材を設け、これにより関節群Ｇ１ｂとＧ４の関係（および関節群Ｇ３とＧ６の関係）を中間部で再現した。この構成は次のような意義を有する。第１に、この構成はアーム機構Ａの中間部を補強することになるので、アーム機構Ａの全体の剛性の向上に貢献する。しかも、関節群Ｇ１ｂとＧ４の関係（および関節群Ｇ３とＧ６の関係）を複製しているので、アーム機構の円滑な操作を阻害することがない。第２に、この構成は、外骨格型ロボットの製作時や整備、改造の際の便宜性の向上に寄与する。例えば、状況に応じて、関節群Ｇ１ｂ、Ｇ２ｂ、Ｇ５のいずれか一つを省略可能となる。また、関節群Ｇ１ａのいずれかの関節と関節群Ｇ２ａのいずれかの関節を外して、アーム機構Ａを支持フレームＳから離脱させる必要が生じる場合がある。このような場合に、関節群Ｇ１ｂ、Ｇ５がないと、幾何条件の変化によってアーム機構Ａの自由度が増加するという事態が発生する。これに対し、関節群Ｇ２ｂ、Ｇ５があることにより、アーム機構を取り外した状態でも、局所的に取り付けられた状態と同等な動作が確認できるという利点がある。

また、関節群Ｇ１ａに含まれる３つの関節のそれぞれの軸（回転軸）はその延長線上でほぼ１点で交わるよう設計されている。同様に、関節群Ｇ２に含まれる３つの関節のそれぞれの軸はその延長線上でほぼ１点で交わるよう設計されている。このような構成は、関節群Ｇ１ａ、関節群Ｇ２ａのおのおのの箇所における３自由度の回転が１点を中心に円滑に実現されることを意味する。さらに、前述したように、ユーザが外骨格型ロボットを装着した際、ユーザ対応アーム部Ａｕに沿ってユーザの現実の腕（前腕および上腕）が配置される。その際、平均的な腕の長さのユーザについて、ユーザの現実の肩部の位置は、関節群Ｇ１ａの３軸の交点と、関節群Ｇ２ａの３軸の交点を結んだ直線の延長線が、アーム機構を装着したユーザの肩関節Ｓｄを貫通するような位置関係に設計される。（厳密には、実際のユーザの腕の長さのランクに合わせてアーム機構を設計することが好ましい。）

ユーザ対応アーム部Ａｕには肩関節部は存在しないが、あたかもユーザの実際の肩部がユーザ対応アーム部Ａｕの肩部と等価であるようにユーザ対応アーム部Ａｕが機能する。この構成は、上述のように、支持箇所を下端部から中間部へ移動させることにより、ユーザの肩と支持フレームＳとの干渉、または、ユーザの肩とアーム機構Ａとの干渉を回避することができる点でも意義がある。

このような構成により、ユーザの肩の動きが関節群Ｇ１ａ，Ｇ２ａで再現され、また、上記の他の構成と相俟って、ユーザが腕を動かしたときのユーザの上腕および前腕に沿うユーザ対応アーム部Ａｕの動きがロボットアーム部Ａｒに円滑に反映される。
なお、図１１における関節群Ｇ７，Ｇ８はロボットアーム部ＡｒのリンクＥＦとユーザ対応アーム部Ａｕのノードａ，ｂおよびノードＡ，Ｂに相当している。

図１２は、図１０に示した外骨格型ロボットのユーザ対応アーム部Ａｕと支持フレームＳとの接続構造を拡大して示した図である。また、図１３は、図１０に示した外骨格型ロボットのロボットアーム部Ａｒと連結部Ｔとの接続構造を拡大して示した図である。これらの接続構造は図１１に示した関節群Ｇ１、Ｇ４，Ｇ７に相当する。

図１２から分かるように、上述したロボットアーム部Ａｒのリンク部材３７には、これと平行に別の接続部材３９が配置されている。さらに図１３から分かるように、この接続部材３９がその長手方向に離間した２箇所において、２本のリンク部材５１，５２とそれぞれ１軸回転可能に連結される。また、接続部材３９はその長手方向に沿った軸（図１２、図１３ではリンク部材３８に隠れている）を中心としてリンク部材３７に対して回転可能である。

他方、ロボットアーム部Ａｒのリンク部材３６には、これと平行に別の接続部材４０が配置され、この接続部材４０がその長手方向に離間した２箇所において、２本のリンク部材５３，５４とそれぞれ１軸回転可能に連結される。また、接続部材４０はその長手方向に沿った軸４０ａを中心としてリンク部材３６に対して回転可能である。

ロボットアーム部Ａｒの四節リンク機構の１本のリンクＢＥ（図８）の一部のリンク部分であるリンク部材３５は、接続部材６６，６５，９４，９３を介して、支持フレームＳの横部材９２に連結される。ほぼＺ状の接続部材６６の一端はリンク部材３５に固定されている。接続部材６６はその他端側面において、直交した２軸６６ａを介してほぼＬ状の接続部材６５の一端側面に連結されている。接続部材６５の他端側面は、他の接続部材９４の側面と１軸により連結されている。接続部材９４は横部材９３の一端に固定されている。横部材９３の他端側は横部材９２の一端に重ねて固定されている。このような複数の接続部材を連携させた比較的複雑な接続構造を採用した理由は、３つの自由度および所望の可動範囲を提供することにある。また、この構成はアーム機構の省スペース化（コンパクト化）および干渉防止にも貢献する。

接続部材６６，６５，９４の連結構造により、３軸による３つの自由度を持って、ロボットアーム部Ａｒが支持フレームＳに支持される。

図１４は、図１０に示した外骨格型ロボットの支持フレームＳと連結部Ｔとの接続構造を拡大して示した図である。この接続構造は、図１１に示した関節群Ｇ２，Ｇ５に対応し、接続部材７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７を有する。これらの接続部の各要素の形状および機能については、上述した接続部材６５，６６，リンク部材３５、リンク部材３６、リンク部材５４、リンク部材３７、接続部材３９と同じである。

接続部材７６にはこれと平行に別の接続部材７７が配置され、この接続部材７７がその長手方向に離間した２箇所において、連結部Ｔの２本のリンク部材５１，５２とそれぞれ１軸回転可能に連結される。接続部材７７はその長手方向に沿った軸７７ａを中心として接続部材７６に対して回転可能である。接続部材７６の中央は、ほぼコ字状の接続部材７４の一端と１軸により連結される。接続部材７６にはこれと平行に別の接続部材７５が配置される。接続部材７５はその長手方向に離間した２箇所において、連結部Ｔの２本のリンク部材５３，５４（図１４には図示せず）とそれぞれ１軸回転可能に連結される。接続部材７５はその長手方向に沿った軸７５ａを中心として接続部材７４に対して回転可能である。

接続部材７４の他端はほぼＬ字状の接続部材７２の一端に固定される。Ｌ字状接続部材７２の他端は、直交した２軸７２ａを介して、他のＬ字状接続部材７１の一端と連結されている。接続部材７１の他端は接続部材９８の一端と１軸により連結される。接続部材９８は接続部材９６を介して横部材９５に固定される。

このような図１４に示した接続部の構成により、３軸による３つの自由度を持って、連結部Ｔが支持フレームＳに支持される。

図１５は、図１０に示した外骨格型ロボットのユーザ対応アーム部Ａｕと連結部Ｔとの接続構造を拡大して示した図である。この接続構造は図１１に示した関節群Ｇ３，Ｇ６，Ｇ８に相当する。

ユーザ対応アーム部Ａｕは、リンク部材１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１により構成されている。そのうち、リンク部材１５の一部およびリンク部材１６がリンクａｂに相当し、リンク部材１７，１８，１９がリンクｂｃｄｅに相当し、リンク部材２０がリンクｅｆに相当し、リンク部材２１がリンクｆａに相当する。このようなユーザ対応アーム部Ａｕの構成は、サイズは異なるが、上述したロボットアーム部Ａｒの構成と類似している。

本実施の形態におけるユーザ対応アーム部Ａｕに特有の構成は、上述したように、ハンドル部１１および腕支持部１４が設けられていることである。図１５に示した例では、ハンドル部１１に平行に補助具１０を設けている。この補助具１０は、ユーザがハンドル部１１を確実に把持していなくても、ユーザ対応アーム部Ａｕがユーザの手から離脱するのを防止するためのものである。但し、この補助具は、本発明において必須の要素ではない。

リンク部材２０には平行に接続部材２５が配置されている。接続部材２５はその長手方向に離間した２箇所において、連結部Ｔの２本のリンク部材５１，５２とそれぞれ１軸回転可能に連結される。また、接続部材２５はその長手方向に沿った軸２５ａを中心としてリンク部材２０に対して回転可能である。同様に、リンク部材１９には平行に接続部材２２が配置されている。接続部材２２はその長手方向に離間した２箇所において、連結部Ｔの２本のリンク部材５３，５４とそれぞれ１軸回転可能に連結される。また、接続部材２２はその長手方向に沿った軸２２ａを中心としてリンク部材１９に対して回転可能である。

以上説明したリンク部材、接続部材の材料は特に限定するものではない。所定の剛性および強度が得られれば足りる。例えば、アルミニウム、チタン等の金属、合金、合成樹脂、ＦＲＰ、木材等を利用することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、上記で言及した以外にも種々の変形、変更を行うことが可能である。

例えば、アーム機構、リンク部材や接続部材等の種々の要素の具体的な形状、構造、組み合わせは上記説明のものに限るものではない。

外骨格型ロボットの全体または一部を、外装カバーで被覆するようにしてもよい。外装カバーの材質は特に限定しないが、例えば、合成樹脂、木材、布、皮革等、任意の材料を利用することができる。

また、ロボットの手の指を設け、ユーザの手の指の動作に連動させるようにしてもよい。そのための手段としては、例えば自転車のブレーキワイヤーのようなワイヤーを利用することができる。

上記では人型のロボットについて説明したが、必ずしも人型のロボットとは限らない。例えば、任意の生き物や創造物であってもよい。腕のようなアーム機構は片側のみであってもよいし、片側に複数本有してもよい。また、アーム機構は、腕でなくても、触覚のようなものであってもよい。

支持フレームは背負子の形態でユーザに装着される例を示したが、背負子の形態に限るものではない。例えば、肩当および胴巻の代わりに、ユーザの肩や腰または腹部に装着されるベルト等の形態であってもよい。装着はユーザの背面から行うものを示したが、前面から行うものであってもよい。

１０…補助具
１１…ハンドル部
１４…腕支持部
１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１…リンク部材
２２…接続部材
２２ａ…軸
２５…接続部材
２５ａ…軸
３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８…リンク部材
３９，４０…接続部材
４０ａ…軸
５１，５２，５３，５４…リンク部材
６５，６６…接続部材
６６ａ…軸
７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７…接続部材
７２ａ，７５ａ，７７ａ…軸
９１…支柱
９２，９３…横部材
９４…接続部材
９５…横部材
９６，９８…接続部材
９９…横部材
１００…縦部材
１０１，１０２…金具
１０３，１０４…緩衝部材
１０６，１０７…胴巻部
５０１，５０３…逆三角形
９０１…プレート
９０３，９０４…肩当
９１１…ハンドル部
９１２，９１３…リンク部材
９１５…円筒状部材
９２０〜９３５，９３７〜９３８…リンク部材
９９１…支柱
９９２〜９９８…フレーム部材
Ａ…アーム機構
Ａｒ…ロボットアーム部
Ａｕ…ユーザ対応アーム部
Ｌ…脚部
Ｓ…支持フレーム
Ｔ…連結部

Claims (16)

1. ユーザが装着し、ユーザの動作に同期して連動する動作拡大型スーツであって、
   ユーザの体に支持される支持フレームと、
   前記支持フレームに支持されるアーム機構と
   を備え、
   前記アーム機構は、
   ユーザの腕の動きに追従するユーザ対応アーム部と、
   スーツの腕に相当するスーツアーム部と、
   前記支持フレームの近傍において、前記ユーザ対応アーム部の動きに応じて前記スーツアーム部を連動させるよう、前記ユーザ対応アーム部を前記スーツアーム部に連結する連結部と
   を有し、
   ユーザの腕の動きに追従して前記ユーザ対応アーム部が動作し、前記連結部を介して、スーツアーム部が連動し、
   前記支持フレームは、各々、３つの自由度を有する接続構造を介して、前記スーツアーム部及び前記連結部の２箇所を支持することを特徴とする動作拡大型スーツ。
2. 前記ユーザ対応アーム部はユーザの上腕に対応する第１の四節リンク機構を含むことを特徴とする請求項１に記載の動作拡大型スーツ。
3. 前記スーツアーム部はスーツの上腕に相当する第２の四節リンク機構を含むことを特徴とする請求項２に記載の動作拡大型スーツ。
4. 前記第１および第２の四節リンク機構は各々の１本のリンクから突出した棒状部を各々有し、
   前記第１の四節リンク機構から突出した棒状部はユーザの前腕に対応し、前記第２の四節リンク機構から突出した棒状部はスーツの前腕を構成することを特徴とする請求項３に記載の動作拡大型スーツ。
5. ユーザが装着した状態で、前記第１の四節リンク機構およびその棒状部がそれぞれユーザの上腕および前腕に沿って位置し、ユーザの上腕および前腕の動きに追従して前記第１の四節リンク機構およびその棒状部が動作し、前記第１の四節リンク機構およびその棒状部の動作に同期して前記第２の四節リンク機構およびその棒状部が連動することを特徴とする請求項４に記載の動作拡大型スーツ。
6. 前記第１の四節リンク機構から突出した棒状部の先端にユーザの手により把持される、またはユーザの手を拘束するハンドル部が設けられたことを特徴とする請求項４又は５に記載の動作拡大型スーツ。
7. 前記第１の四節リンク機構から突出した棒状部に、ユーザの前腕部を当接支持する開放型の腕支持部が設けられたことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の動作拡大型スーツ。
8. 前記開放型の腕支持部は、前記ユーザの前腕部を収容する半円筒状部材により構成され ることを特徴とする請求項７に記載の動作拡大型スーツ。
9. 前記第２の四節リンク機構は、前記第１の四節リンク機構とほぼ相似の形状を有し、前記第１の四節リンク機構より大サイズであることを特徴とする請求項３から８のいずれかに記載の動作拡大型スーツ。
10. 前記連結部は、１本のリンクを共有する第３及び第４の四節リンク機構を含むことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の動作拡大型スーツ。
11. 前記２箇所の各々において、前記３つの自由度を与える３つの軸の延長線は１点で交わり、かつ、前記２箇所に関する前記１点を結ぶ直線の延長線は、動作拡大型スーツを装着したユーザの肩部を貫通するよう構成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の動作拡大型スーツ。
12. 前記２箇所のうち上側の１箇所の接続構造はスーツの上腕に相当する前記スーツアーム部の第２の四節リンク機構に連結され、
    下側の１箇所の接続構造は前記連結部の中間部に連結されることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の動作拡大型スーツ。
13. 前記上側の１箇所の接続構造が接続された前記第２の四節リンク機構のリンクの少なくとも一部を複製して前記連結部の中間部に前記第２の四節リンク機構と同じ関係で設け、前記下側の接続構造を前記複製されたリンクに接続することを特徴とする請求項１２に記載の動作拡大型スーツ。
14. 前記連結部の中間部に複製されたリンクは２本のリンクであることを特徴とする請求項１３に記載の動作拡大型スーツ。
15. 前記支持フレームは、ユーザの背後でユーザの肩部に支持されることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の動作拡大型スーツ。
16. 前記アーム機構は、少なくとも、（１）上腕の前後動、（２）上腕の上下動、（３）上腕の長手方向軸を中心とした上腕および前腕の回転、（４）上腕に対する前腕の曲げ伸ばし、の４つの自由度を有する請求項１から１５のいずれかに記載の動作拡大型スーツ。