JP6485596B2 - 装着型支援ロボット装置 - Google Patents
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Description
本件明細書中、用語「左右方向」、「前後方向」および「上下方向」、ならびに「正面」、「側面」、「平面」および「背面」は、支援される装着者が、上体ともいうことがある体幹とともに両下肢を揃えて直立した姿勢における方向をいう。
図面のハッチング、斜線は、断面でない部分にも、構成を明瞭に示すために描かれることがある。
装着者に装着されて保持される保持装置と、
保持装置に設けられるアシスト駆動機構であって、装着者の体幹下部の左右両側方にそれぞれ配置されて左右方向の軸線まわりに駆動トルクを発生する一対の駆動源を有し、各駆動源の駆動トルクによって、体幹と左右の各大腿との間に支持力モーメントをそれぞれ与えるアシスト駆動機構と、
装着者の前記左右方向の軸線まわりの体幹と左右の各大腿との相対的な角度をそれぞれ検出する一対の角度センサと、
保持装置に設けられ、体幹の加速度を検出する加速度センサと、
加速度センサおよび角度センサからの出力に応答し、足の着地状態を判断する着地判断手段と、
着地判断手段とからの出力に応答し、着地状態にある支持脚に、その支持脚側の駆動源によって、支持する方向に支持力モーメントを与え、着地していない遊脚に、その遊脚側の駆動源によって、振り上げる方向に振り上げ力モーメントを与える駆動制御手段とを含み、
前記着地判断手段は、前記加速度センサが検出する体幹の上下方向における加速度の極大値によって足が着地していると判断し、前記加速度センサが前記加速度の極大値を検出する時刻において、前記各角度センサが検出する体幹と左右の各大腿との相対的な角度を比較して、大きい方の角度が得られた足が着地した支持脚であり、小さい方の角度が得られた足が遊脚であると判断することを特徴とする装着型支援ロボット装置である。
装着者に装着されて保持される保持装置と、
保持装置に設けられるアシスト駆動機構であって、装着者の体幹下部の左右両側方にそれぞれ配置されて左右方向の軸線まわりに駆動トルクを発生する一対の駆動源を有し、各駆動源の駆動トルクによって、体幹と左右の各大腿との間に支持力モーメントをそれぞれ与えるアシスト駆動機構と、
装着者の前記左右方向の軸線まわりの体幹と左右の各大腿との相対的な角度をそれぞれ検出する一対の角度センサと、
角度センサからの出力に応答し、足の着地状態を判断する着地判断手段と、
各角度センサと着地判断手段とからの出力に応答し、着地状態にある支持脚に、その支持脚側の駆動源によって、支持する方向に支持力モーメントを与え、着地していない遊脚に、その遊脚側の駆動源によって、振り上げる方向に振り上げ力モーメントを与える駆動制御手段とを含み、
前記支持力モーメントは、予め定める時間だけ予め定める一定値を維持した後、前記角度センサが検出した角度に比例して減少し、
前記振り上げ力モーメントは、予め定める時間だけ予め定める一定値を維持した後、予め定める速度で減少することを特徴とする装着型支援ロボット装置である。
駆動制御手段は、
歩行開始判断手段からの出力に応答し、歩行の開始が判断されたとき、左右の検出角度が交互に逆方向に検出される各回毎に、支持力モーメントと振り上げ力モーメントとを順次的に増加することを特徴とする。
装着者の体幹に装着され、体幹の加速度、角速度または角度を検出する検出手段をさらに含み、
駆動制御手段は、検出手段からの出力に応答し、検出された加速度、角速度または角度が、物体の持ち上げ支援または持ち下げブレーキ支援の開始に対応する値であるとき、左右の駆動源によって、体幹と各大腿との相対的な角度が増大して持ち上げる方向に、持ち上げ力モーメントを与え、または持ち下げる方向に作用しているモーメントを制限するように、持ち下げブレーキ力モーメントを与えることを特徴とする。
装着者の手に装着され、手に物体が作用することを検出する物体センサをさらに含み、
駆動制御手段は、左右の角度センサと物体センサとからの出力に応答し、物体が検出されているとき、左右の駆動源によって、体幹と各大腿との相対的な角度が増大して持ち上げる方向に、持ち上げ力モーメントを与えることを特徴とする。
左右の各角度センサからの出力に応答し、角速度をそれぞれ演算する角速度演算手段と、
装着者の手に装着され、手に物体が作用することを検出する物体センサとをさらに含み、
駆動制御手段は、左右の角度センサと角速度演算手段と物体センサとからの出力に応答し、角速度が持ち下げる方向にあり、かつ物体が検出されているとき、左右の駆動源によって、体幹と各大腿との相対的な角度が減少して持ち下げる方向に作用しているモーメントを制限するように、持ち下げブレーキ力モーメントを与えることを特徴とする。
駆動制御手段は、計時手段を備え、左右の角度センサの出力に応答し、検出される左右の角度が中腰の予め定める範囲内にあるとき、その中腰の継続時間を計時し、その計時した継続時間が予め定める時間以上経過すると、左右の駆動源によって、検出される左右の角度を保つように、中腰支援力モーメントを与えることを特徴とする。
(j)保持装置は、
装着者の体幹上部に装着されて保持される体幹上部保持具と、
装着者の体幹下部に装着されて保持される体幹下部保持具と、
装着者の大腿に装着されて保持される大腿保持具とを含み、
(k)アシスト駆動機構は、
(k1)その駆動源が、
股関節付近で、左右方向の軸線まわりに回転する駆動軸と、
駆動軸にその軸線まわりにトルクを発生する駆動源本体とを有し、
(k2)体幹上部の左右両側方で、上下に延びてそれぞれ配置される一対の上アームであって、各上アームの下端部と、駆動軸または駆動源本体のいずれか一方とが、左右方向の軸線まわりの相対的な回転を阻止されて取付けられる上アームと、
(k3)上アームの上端部と、体幹上部保持具とを、左右方向の軸線まわりに角変位自在にそれぞれ連結する第1受動回転軸と、
(k4)体幹下部から大腿にわたって左右両側方で、上下に延びてそれぞれ配置される一対の下アームであって、各下アームの上端部と、駆動軸または駆動源本体のいずれか他方とが、左右方向の軸線まわりの相対的な回転を阻止されて取付けられる下アームと、
(k5)各下アームの下端部と、大腿保持具とを、左右方向の軸線まわりに角変位自在にそれぞれ連結する第2受動回転軸と、
(k6)体幹下部保持具に、上アームの長手方向途中位置、駆動軸、駆動源本体、または下アームの長手方向途中位置のいずれか1つを、取り付ける取り付け手段とを有することを特徴とする。
上アームは、細長い長尺の部材でもよいが、その他の実施の形態では、体幹上部を、少なくとも部分的に覆う曲面状に形成された部材である面状フレームでもよい。下アームもまた、細長い長尺の部材でもよいが、その他の実施の形態では、体幹下部から大腿を、少なくとも部分的に覆う曲面状に形成された部材である面状フレームでもよい。
T = L・m・g・sin θ …(1)
によって計算することができる。
本発明の実施の他の形態では、遊脚であると判断された場合には、遊脚であると判断された場合には、歩行シーケンスが、「振上開始」→「振上中」→「振下開始」→「振下中」と順次実行され、振り下げ完了で終了する。
ステップs10で左右の角度センサ67で検出した振れ角度θL、θRが大きいなら(θL01≦θL、θR01≦θR)、ステップs11でステップs14で左右角度が小さいことを表わすフラグをOFFとし、ステップs12で左右角度が小さい時間を計時するタイマを零にリセットして、ステップs9へ戻る。
Δθ42j = θ42j ― θave …(4)
T42j = k43・Δθ42j …(5)
k44j = k43(1−Δθ42j/Δ43) …(6)
中腰支援力モーメントT42jは、次のとおり、演算される。
T42j = k44j・Δθ42j …(7)
本発明は、次の実施の形態が可能である。
(1)(a)装着者の体幹上部に装着されて保持される体幹上部保持具と、
(b)装着者の体幹下部に装着されて保持される体幹下部保持具と、
(c)装着者の大腿に装着されて保持される大腿保持具と、
(d)体幹下部の左右両側方にそれぞれ配置される駆動源であって、
股関節付近で、左右方向の軸線まわりに回転する駆動軸と、
駆動軸にその軸線まわりにトルクを発生する駆動源本体とを有する駆動源と、
(e)体幹上部の左右両側方で、上下に延びてそれぞれ配置される一対の上アームであって、各上アームの下端部と、駆動軸または駆動源本体のいずれか一方とが、左右方向の軸線まわりの相対的な回転を阻止されて取付けられる上アームと、
(f)上アームの上端部と、体幹上部保持具とを、左右方向の軸線まわりに角変位自在にそれぞれ連結する第1受動回転軸と、
(g)体幹下部から大腿にわたって左右両側方で、上下に延びてそれぞれ配置される一対の下アームであって、各下アームの上端部と、駆動軸または駆動源本体のいずれか他方とが、左右方向の軸線まわりの相対的な回転を阻止されて取付けられる下アームと、
(h)各下アームの下端部と、大腿保持具とを、左右方向の軸線まわりに角変位自在にそれぞれ連結する第2受動回転軸と、
(i)体幹下部保持具に、上アームの長手方向途中位置、駆動軸、駆動源本体または下アームの長手方向途中位置のいずれか1つを、取り付ける取り付け手段とを含むことを特徴とする装着型支援ロボット装置。
本発明によれば、体幹上部保持具と体幹下部保持具と大腿保持具とが装着者に装着され、体幹上部保持具と左右方向の軸線まわりに角変位自在に第1受動回転軸を介して連結された上端部を有する上アームの下端部と、大腿保持具と左右方向の軸線まわりに角変位自在に第2受動回転軸を介して連結された下端部を有する下アームの上端部との間に、体幹下部の左右両側方にそれぞれ配置される駆動源によって、左右において支援力モーメントを与え、体幹下部保持具に、上アームの長手方向途中位置、駆動軸、駆動源本体、または下アームの長手方向途中位置のいずれか1つを、取り付け手段によって取り付けるので、各駆動源によって出力される左右方向の軸線まわりの支援力モーメントを、体幹と左右の各大腿との間に及ぼすことができる。
体幹は、腰椎を含む椎骨などによる椎間関節によって前後に弯曲しやすいが、体幹の上下の各位置で、前述のとおり、上アームが体幹上部保持具と体幹下部保持具とに関連して取り付けられるので、駆動源が上アームと下アームとを相対的に角変位駆動して出力する支援力モーメントが、大腿に対して体幹に確実に与えられる。したがって、装着者は、この支援によって容易に作業できる。
(2)体幹下部保持具は、装着者の骨盤付近に配置され、
体幹下部保持具に上アームの長手方向途中位置が、取り付け手段によって取り付けられ、
前記駆動軸の軸線は、装着者の左右の股関節の臼状関節としての中心を通る左右方向の直線の付近にあることを特徴とする。
本発明によれば、体幹下部保持具は、骨盤付近に配置され、したがって、その骨盤の腸骨翼における左右方向の横に出っ張る腸骨稜の上部付近に配置されるので、骨盤付近に確実に引っかかり、体幹下部から下方にずれることはなく、体幹下部に確実に装着される。上アームの長手方向途中位置は、この体幹下部保持具に取り付けられるので、上アームの下端部が取付けられる駆動軸または駆動源本体を、装着者の股関節付近に配置することが確実になる。その結果、駆動源の駆動軸の軸線が、左右の股関節の臼状関節としての中心、したがって、寛骨臼に嵌まり込む半球状の大腿骨頭の中心を通る左右方向の一直線上に、またはその付近にある状態を、安定して保つことが確実に可能になる。こうして、前記一直線まわりの支援力モーメントを、上アームと下アームとの間に、したがって、体幹と左右の各大腿との間に、及ぼして、歩行支援、持ち上げ支援、持ち下げブレーキ支援、中腰支援などを、円滑に達成することができる。
(3)上アームは、第1受動回転軸と駆動軸の軸線との間で、前後方向の軸線まわりに角変位自在であることを特徴とする。
本発明によれば、上アームは、その長手方向の上端部における第1受動回転軸と、長手方向の下端部における駆動軸の軸線との間で、たとえば受動回転軸73、83によって、前後方向の軸線まわりに角変位自在であるので、体幹を、腰椎を含む椎骨などによる椎間関節の働きによって、左右方向に傾けて曲げることができる。したがって、装着者の姿勢に応じて円滑に支援力モーメントを作用することができる。上アーム70の受動回転軸73は、省略できる。
図61、図62などの上アーム70は、長尺の、たとえば棒状や板状アームでもよいが、本発明の実施の他の形態では、それ以外に、図65〜図67、図68、および図69、図70に示すような面状フレーム633、653によって実現されてもよい。上アーム70の代りに、面状フレーム633、653を、強度があり軽い素材で実現して、用いてもよい。
さらに上アームは、棒状や板状アームの装着者とは反対側の外方に、面状フレームを配置した構成であってもよい。上アームは、体幹を左右方向に曲げることができる可撓性または弾発性を有する合成樹脂または金属などの材料から成ってもよい。さらに面状フレームには通気用の多くの小さな穴を開けておき、内側(すなわち装着者側)にメッシュ素材を貼り付けて通気性を良くしておく。
このように、上アーム70とともに、面状フレーム633、653を、合体して併用する合体タイプでは、上アーム70を大きな強度を有する金属、たとえばアルミニウム製とすることによって、面状フレーム633、653を低強度材料製にすることができ、本件装着型支援ロボット装置の実現が容易である。
面状フレームに開ける通気用の穴径については、強度を損なわない範囲内でできるだけ大きいパンチング穴径としてたとえば3〜20mm程度の直径を有する円形にすることが望ましい。
内側に貼り付けるメッシュ素材とは、網目に編まれた素材のことである。網目に編まれた素材については、布地や樹脂および金属などが用いられる。網目については、たとえば、100メッシュは、網1インチ当りの網目の数が100であることを表す。なお同じ100メッシュでも、開口率や線径により異なる。金網の場合は、JIS(日本工業規格)規格に規定されているが、布地などでは、同じ100メッシュでも開口率や線径が異なることがある。線径または開口率を選別する必要がある。たとえば、素材がポリエステルで交点止めでは、線径が35ミクロンで100メッシュであれば、メッシュ数は100メッシュと混んでいるのに、糸が細いので開口率が約74%と高くなり、空気を通し易く、かつ網目の開口面積は小さいので強度を保つことができるので、本用途に向いている。
(4)下アームは、駆動軸の軸線と第2受動回転軸との間で、前後方向の軸線まわりに角変位自在であることを特徴とする。
本発明によれば、下アームは、その長手方向の上端部における駆動軸の軸線と、下アームの下端部における第2受動回転軸との間で、前後方向の軸線まわりに角変位自在であるので、股関節の働きによって、下肢を外転して開脚を円滑に行なうことができる。したがって、装着者の開脚の姿勢に応じて円滑に支援力モーメントを作用することができる。下アームは、体幹を左右方向に曲げることができる可撓性または弾発性を有する合成樹脂または金属などの材料から成ってもよい。
(5)上アームおよび下アームの長手方向途中位置には、前後方向の軸線まわりに角変位自在な第3および第4受動回転軸がそれぞれ介在されることを特徴とする。
本発明によれば、複数の剛性アーム片を、前後方向の軸線まわりに角変位自在な受動回転軸を介して連結して上アームおよび下アームを、上アームおよび下アームを構成することができ、本発明の実現が容易である。
(6)上アームは、体幹上部の少なくとも左右両側方を周方向に覆う面状フレームから成ることを特徴とする。
2 保持装置
3 アシスト駆動機構
10 装着者
11 体幹
12 大腿
17 股関節の中心
20 体幹上部保持具
21 肩ベルト
22 胸ベルト
23 背ベルト
30 体幹下部保持具
31 後部
32 側部
33 腰ベルト
34 腹ベルト
36a 保護具
37 クッション材
40 大腿保持具
41 ベルト本体
42 固定片
43 保持片
44 クッション材
50 取り付け部材
53 制御ボックス
54 電池ボックス
60 駆動源
61 軸線
62 駆動軸
63 駆動源本体
64 電動モータ
65 出力軸
66 減速機
67 角度センサ
68 モータ本体
70 上アーム
71 第1上アーム片
72 第2上アーム片
73 第3受動回転軸
80 下アーム
81 第1下アーム片
82 第2下アーム片
83 第4受動回転軸
91 第1受動回転軸
92 第2受動回転軸
94 取り付け手段
95 ベルト取り付け金具
96 受動回転軸
Claims (8)
- 装着者に装着されて保持される保持装置と、
保持装置に設けられるアシスト駆動機構であって、装着者の体幹下部の左右両側方にそれぞれ配置されて左右方向の軸線まわりに駆動トルクを発生する一対の駆動源を有し、各駆動源の駆動トルクによって、体幹と左右の各大腿との間に支持力モーメントをそれぞれ与えるアシスト駆動機構と、
装着者の前記左右方向の軸線まわりの体幹と左右の各大腿との相対的な角度をそれぞれ検出する一対の角度センサと、
保持装置に設けられ、体幹の加速度を検出する加速度センサと、
加速度センサおよび角度センサからの出力に応答し、足の着地状態を判断する着地判断手段と、
着地判断手段からの出力に応答し、着地状態にある支持脚に、その支持脚側の駆動源によって、支持する方向に支持力モーメントを与え、着地していない遊脚に、その遊脚側の駆動源によって、振り上げる方向に振り上げ力モーメントを与える駆動制御手段とを含み、
前記着地判断手段は、前記加速度センサが検出する体幹の上下方向における加速度の極大値によって足が着地していると判断し、前記加速度センサが前記加速度の極大値を検出する時刻において、前記各角度センサが検出する体幹と左右の各大腿との相対的な角度を比較して、大きい方の角度が得られた足が着地した支持脚であり、小さい方の角度が得られた足が遊脚であると判断することを特徴とする装着型支援ロボット装置。 - 装着者に装着されて保持される保持装置と、
保持装置に設けられるアシスト駆動機構であって、装着者の体幹下部の左右両側方にそれぞれ配置されて左右方向の軸線まわりに駆動トルクを発生する一対の駆動源を有し、各駆動源の駆動トルクによって、体幹と左右の各大腿との間に支持力モーメントをそれぞれ与えるアシスト駆動機構と、
装着者の前記左右方向の軸線まわりの体幹と左右の各大腿との相対的な角度をそれぞれ検出する一対の角度センサと、
角度センサからの出力に応答し、足の着地状態を判断する着地判断手段と、
各角度センサと着地判断手段とからの出力に応答し、着地状態にある支持脚に、その支持脚側の駆動源によって、支持する方向に支持力モーメントを与え、着地していない遊脚に、その遊脚側の駆動源によって、振り上げる方向に振り上げ力モーメントを与える駆動制御手段とを含み、
前記支持力モーメントは、予め定める時間だけ予め定める一定値を維持した後、前記角度センサが検出した角度に比例して減少し、
前記振り上げ力モーメントは、予め定める時間だけ予め定める一定値を維持した後、予め定める速度で減少することを特徴とする装着型支援ロボット装置。 - 駆動制御手段は、
左右の検出角度が交互に逆方向に検出される各回毎に、支持力モーメントと振り上げ力モーメントとを順次的に増加することを特徴とする請求項1または2に記載の装着型支援ロボット装置。 - 装着者の体幹に装着され、体幹の加速度、角速度または角度を検出する検出手段をさらに含み、
駆動制御手段は、検出手段からの出力に応答し、検出された加速度、角速度または角度が、物体の持ち上げ支援または持ち下げブレーキ支援の開始に対応する値であるとき、左右の駆動源によって、体幹と各大腿との相対的な角度が増大して持ち上げる方向に、持ち上げ力モーメントを与え、または持ち下げる方向に作用しているモーメントを制限するように、持ち下げブレーキ力モーメントを与えることを特徴とする請求項1または2に記載の装着型支援ロボット装置。 - 装着者の手に装着され、手に物体が作用することを検出する物体センサをさらに含み、
駆動制御手段は、左右の角度センサと物体センサとからの出力に応答し、物体が検出されているとき、左右の駆動源によって、体幹と各大腿との相対的な角度が増大して持ち上げる方向に、持ち上げ力モーメントを与えることを特徴とする請求項1または2に記載の装着型支援ロボット装置。 - 左右の各角度センサからの出力に応答し、角速度をそれぞれ演算する角速度演算手段と、
装着者の手に装着され、手に物体が作用することを検出する物体センサとをさらに含み、
駆動制御手段は、左右の角度センサと角速度演算手段と物体センサとからの出力に応答し、角速度が持ち下げる方向にあり、かつ物体が検出されているとき、左右の駆動源によって、持ち下げる方向に作用しているモーメントを制限するように、持ち下げブレーキ力モーメントを与えることを特徴とする請求項1または2に記載の装着型支援ロボット装置。 - 駆動制御手段は、計時手段を備え、左右の角度センサの出力に応答し、検出される左右の角度が中腰の予め定める範囲内にあるとき、その中腰の継続時間を計時し、その計時した継続時間が予め定める時間以上経過すると、左右の駆動源によって、検出される左右の角度を保つように、中腰支援力モーメントを与えることを特徴とする請求項1または2に記載の装着型支援ロボット装置。
- (j)保持装置は、
装着者の体幹上部に装着されて保持される体幹上部保持具と、
装着者の体幹下部に装着されて保持される体幹下部保持具と、
装着者の大腿に装着されて保持される大腿保持具とを含み、
(k)アシスト駆動機構は、
(k1)その駆動源が、
股関節付近で、左右方向の軸線まわりに回転する駆動軸と、
駆動軸にその軸線まわりにトルクを発生する駆動源本体とを有し、
(k2)体幹上部の左右両側方で、上下に延びてそれぞれ配置される一対の上アームであって、各上アームの下端部と、駆動軸または駆動源本体のいずれか一方とが、左右方向の軸線まわりの相対的な回転を阻止されて取付けられる上アームと、
(k3)上アームの上端部と、体幹上部保持具とを、左右方向の軸線まわりに角変位自在にそれぞれ連結する第1受動回転軸と、
(k4)体幹下部から大腿にわたって左右両側方で、上下に延びてそれぞれ配置される一対の下アームであって、各下アームの上端部と、駆動軸または駆動源本体のいずれか他方とが、左右方向の軸線まわりの相対的な回転を阻止されて取付けられる下アームと、
(k5)各下アームの下端部と、大腿保持具とを、左右方向の軸線まわりに角変位自在にそれぞれ連結する第2受動回転軸と、
(k6)体幹下部保持具に、上アームの長手方向途中位置、駆動軸、駆動源本体、または下アームの長手方向途中位置のいずれか1つを、取り付ける取り付け手段とを有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の装着型支援ロボット装置。
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