JP6859700B2 - アシスト装置 - Google Patents
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Description
●[アシスト装置60の構成(図1〜図4)]
第1の実施の形態のアシスト装置60は、図1及び図2に示すように、人の腰部から背中にかけて装着される装着具62と、前記装着具62の下部に設けられた支持架台部64とを備えている。支持架台部64は、装着具62の下部で左右に延びるように設けられた横梁部64zと、その横梁部64zの左右両側で前記横梁部64zに対してほぼ直角に設けられた側板部64xとを備えている。そして、支持架台部64の側板部64xには、図3に示すように、人の股関節に対応する位置、即ち、人の股関節とxy方向においてほぼ同位置に軸受孔64jが形成されている。図1に示す例では、対象者の大腿部がアシスト対象身体部に相当する。
アシスト機構20は、図3及び図4に示すように、入力部材22と、バネ(24)と、減速機26とを備えている。バネ(24)は、トーションバネ(torsion barやtorsion bar spring)や渦巻バネなどでもよい。以降の本実施形態の例では、バネ(24)を渦巻バネ24として説明する。入力部材22は、前記モータ40の回転を渦巻バネ24に伝達するための部材である。入力部材22は、モータ40の回転軸41が相対回転不能な状態で連結される入力軸22eと、その入力軸22eと同軸に設けられた円板部22rと、入力軸22eの反対側で円板部22rの周縁に設けられたトルク伝達軸22pとを備えている。そして、入力部材22のトルク伝達軸22pが渦巻バネ24の外周側バネ端部24eに連結されている。また対象者から手が届く位置(この場合、側板部64x)には、アシスト倍率を可変とするためのアシスト倍率可変手段47が設けられている。
制御ボックス50は、図1及び図2に示すように、装着具62の背面に取付けられるボックスである。制御ボックス50には、図5に示すように、制御装置52とモータドライバ54と電源ユニット56とが収納されている。電源ユニット56は、例えばリチウム電池であり、制御装置52とモータドライバ54に電力を供給する。
次に、図8に示すフローチャートと図7に示す制御ブロック図を用いて、制御装置52の処理手順について説明する。なお、図7に示す制御ブロック図における符号B10は、モータ40からのアシストトルクを算出するアシストトルク決定部B10であり、図5に示す制御装置52が当該アシストトルク決定部B10に相当する。また図7に示す制御ブロック図における符号B20は、モータ40を駆動する電流を決定するモータ制御部B20であり、図5に示す制御装置52が当該モータ制御部B20に相当する。また図7に示す制御ブロック図における符号B30は、モータドライバ54、モータ40(及びモータ回転角度検出手段42)、入力部材22、渦巻バネ24、減速機26、出力リンク30、出力リンク回動角度検出手段43、を含むトルク付与部B30であり、図5に示す符号B30の部分が当該トルク付与部B30に相当する。
τ(t)=K[θM_fb(t)−n*θL(t)] (式1)
Δτh=τ(t)−τ(t−1)
=K[θM_fb(t−1)−n*θL(t)]−K[θM_fb(t−1)−n*θL(t−1)]
=n*K[θL(t−1)−θL(t)] (式2)
Δτa_ref=α*Δτh (式3)
τa_ref(t)=τa_ref(t−1)+α*Δτh (式4)
θM_ref:指令回転角度
τa_ref:目標アシストトルク
K:渦巻バネ24のバネ定数
θL:実リンク角度
n:減速機26の入力回転部材26eをn回転させた場合に出力回転部材26pが1回転する(n>1)という減速比に相当する値
τa_ref=K[θL−(θM_ref/n)] (式5)
θM_ref=[(K*θL−τa_ref)*n/K] (式6)
Δθ=θM_ref−θM_fb (式7)
Δω=ωM_ref−ωM_fb (式8)
ΔI=IM_ref−IM_fb (式9)
次に、第2の実施の形態のアシスト装置10について、図9に基づいて説明する。第2の実施の形態のアシスト装置10は、出力リンク30の回動中心が人の肩関節に対応する位置に保持され、出力リンク30の回動自由端側が上腕部に装着される構成である。ここで、第2の実施の形態のアシスト装置10におけるアシスト機構(20)、制御ボックス50、モータ40、モータ回転角度検出手段42、出力リンク回動角度検出手段(43)、アシスト倍率可変手段47等は、第1の実施の形態のアシスト装置60で使用されたものと同様であるため、同一番号を付して説明を省略する。第2の実施の形態のアシスト装置10は、第1の実施の形態の装着具62、62yの代わりに装着具12、12yを備えており、装着具12yの肩まわりの位置に、支持架台部64の代わりに支持架台部14を有している。また装着具12yにおける前側には、対象者の肩まわりに支持架台部14を保持するためのベルト12Bが設けられている。また装着具12の下部には、対象者の腰まわりに装着具12を保持するためのベルト14Bが設けられている。そして装着具12、12yと支持架台部14とリンク装着具35が本発明における身体装着具に相当する。そして、支持架台部14における型関節に対応する位置にアシスト機構(20)が設けられている。また、アシスト機構(20)の出力回転部材(26p)に出力リンク30が連結されている。そして第2の実施の形態のアシスト装置10の制御装置は、図7及び図8を用いて説明した第1の実施の形態の制御装置と同じ処理を行う。
12 装着具(身体装着具)
12y 装着具(身体装着具)
14 支持架台部(身体装着具)
20 アシスト機構
20J 回転軸線
22 入力部材
24 渦巻バネ(弾性体)
24e (外周側)バネ端部
24y (中心側)バネ端部
26 減速機
30 出力リンク
35 リンク装着具(身体装着具)
40 モータ(アクチュエータ)
41 回転軸(出力軸)
42 モータ回転角度検出手段(出力軸回動角度検出手段)
43 出力リンク回動角度検出手段
47 アシスト倍率可変手段
50 制御ボックス
52 制御装置
54 モータドライバ
56 電源ユニット
60 アシスト装置
62 装着具(身体装着具)
62y 装着具(身体装着具)
64 支持架台部(身体装着具)
B10 アシストトルク決定部
B20 モータ制御部
B30 トルク付与部
n 減速比
θL 実リンク角度(出力リンク回動角度)
θM_ref 指令回転角度(出力軸回動角度)
τ 合成トルク
Δτh トルク変化量(対象者トルク関連量)
α アシスト倍率(0<α<1)
Claims (13)
- 対象者のアシスト対象身体部の周囲に装着される身体装着具と、
前記アシスト対象身体部の関節回りに回動して前記アシスト対象身体部に装着される出力リンクと、
前記出力リンクを介して前記アシスト対象身体部の回動をアシストするアシストトルクを発生する出力軸を有するアクチュエータと、
前記出力リンクから前記出力軸に至るいずれかの位置に設けられるトルク検出部と、
対象者が前記アシスト対象身体部を自身の力で回動させることで前記出力リンクから入力された対象者トルクと、前記出力軸からの前記アシストトルクと、を合成した合成トルクを判定するトルク判定手段と、
前記トルク判定手段を用いて判定した前記合成トルクに基づいて前記出力軸の回動角度を制御する制御装置と、
を有する、
アシスト装置。 - 請求項1に記載のアシスト装置であって、
前記トルク検出部は、
前記出力軸の回動角度である出力軸回動角度を検出する出力軸回動角度検出手段と、
弾性体と、
前記出力リンクの回動角度である出力リンク回動角度を検出する出力リンク回動角度検出手段と、
を有し、
前記制御装置は、
前記トルク判定手段を用いて判定した前記合成トルクと、
前記出力リンク回動角度検出手段を用いて検出した前記出力リンク回動角度と、
に基づいて前記出力軸回動角度を制御する、
アシスト装置。 - 請求項2に記載のアシスト装置であって、
前記トルク検出部は、
前記アクチュエータの駆動電流を検出する電流検出手段と、
前記アクチュエータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
の少なくとも一方を有し、
前記トルク判定手段は、
前記電流検出手段を用いて検出した前記駆動電流と、
前記回転速度検出手段を用いて検出した前記回転速度と、
の少なくとも一方に基づいて前記アシストトルクを検出し、
前記合成トルクと前記アシストトルクに基づいて前記対象者トルクを求める、
アシスト装置。 - 請求項2または3に記載のアシスト装置であって、
前記トルク判定手段は、前記制御装置の演算手段であり、
前記制御装置は、前記出力リンク回動角度と前記出力軸回動角度と前記弾性体の状態に基づいて前記合成トルクを演算する、
アシスト装置。 - 請求項2〜4のいずれか一項に記載のアシスト装置であって、
前記制御装置は、
判定した前記合成トルクから前記対象者トルクに関連する対象者トルク関連量を求め、
求めた前記対象者トルク関連量に応じた前記アシストトルクを求め、
求めた前記アシストトルクに基づいて前記出力軸回動角度を求め、
求めた前記出力軸回動角度となるように前記アクチュエータを制御する、
アシスト装置。 - 請求項5に記載のアシスト装置であって、
前記制御装置は、前記対象者トルク関連量に対する所定倍率のトルクに基づいて前記アシストトルクを求め、
前記所定倍率を可変とするアシスト倍率可変手段を有している、
アシスト装置。 - 請求項6に記載のアシスト装置であって、
前記アシスト装置は、さらに、ネットワークを介して接続された解析装置や操作機器と通信可能な通信装置を備え、
前記通信装置は、前記制御装置に接続されており、
前記制御装置は、所定の作業工程で作業する前記対象者の負荷状態を、前記通信装置と前記ネットワークを介して前記解析装置や前記操作機器に送信し、
前記解析装置や前記操作機器は、受信した前記負荷状態を解析してアシスト倍率を決定し、決定した前記アシスト倍率を、前記ネットワークと前記通信装置を介して前記制御装置に送信し、
前記制御装置は、受信した前記アシスト倍率を前記所定倍率として前記アシスト倍率可変手段に設定する、
アシスト装置。 - 請求項7に記載のアシスト装置であって、
前記解析装置や前記操作機器は、前記アシスト倍率を決定する際、前記対象者の作業者能力、前記アシスト装置の機械状態、前記対象者が行う前記作業工程、の少なくとも1つに基づいて前記アシスト倍率を決定する、
アシスト装置。 - 請求項2〜8のいずれか一項に記載のアシスト装置であって、
前記弾性体は渦巻バネであり、
前記渦巻バネの一方端には、前記出力軸が接続され、
前記渦巻バネの他方端には、前記出力リンクあるいは所定部材を介して前記出力リンクが接続されている、
アシスト装置。 - 請求項9に記載のアシスト装置であって、
前記所定部材は、前記渦巻バネからの回転を減速して前記出力リンクに伝達する減速機であり、
前記トルク判定手段は、前記出力リンクと前記減速機との間の前記合成トルク、あるいは前記渦巻バネに蓄えられている前記合成トルク、を判定する、
アシスト装置。 - 請求項6〜8のいずれか一項に記載のアシスト装置であって、
前記制御装置は、
予め設定された所定時間間隔の演算タイミングにて、前記合成トルクを判定して前記出力軸回動角度を求め、求めた前記出力軸回動角度となるように前記アクチュエータを制御し、
今回の演算タイミングにて、今回の演算タイミングにて判定した合成トルクである今回合成トルクと、前回の演算タイミングにて判定した合成トルクである前回合成トルクとの偏差と、前回の演算タイミングにて求めたアシストトルクである前回アシストトルクと、前記所定倍率と、に基づいて今回の演算タイミングのアシストトルクである今回アシストトルクを求める、
アシスト装置。 - 請求項11に記載のアシスト装置であって、
前記弾性体は、渦巻バネであり、
前記渦巻バネの一方端には、前記出力軸が接続され、
前記渦巻バネの他方端には、前記渦巻バネからの回転を減速して前記出力リンクに伝達する減速機が接続され、
前記制御装置は、
前記今回アシストトルクと、前記減速機の減速比と、前記渦巻バネのバネ定数と、前記出力リンク回動角度と、に基づいて前記出力軸回動角度を求める、
アシスト装置。 - 請求項1に記載のアシスト装置であって、
前記制御装置は、判定した前記合成トルクから前記対象者トルクに関連する対象者トルク関連量を求め、求めた前記対象者トルク関連量に対する所定倍率のトルクに基づいて前記アシストトルクを求め、
前記アシスト装置は、前記所定倍率を可変とするアシスト倍率可変手段と、ネットワークを介して接続された解析装置や操作機器と通信可能な通信装置と、を備えており、
前記通信装置は、前記制御装置に接続されており、
前記制御装置は、所定の作業工程で作業する前記対象者の負荷状態を、前記通信装置と前記ネットワークを介して前記解析装置や前記操作機器に送信し、
前記解析装置や前記操作機器は、受信した前記負荷状態を解析してアシスト倍率を決定し、決定した前記アシスト倍率を、前記ネットワークと前記通信装置を介して前記制御装置に送信し、
前記制御装置は、受信した前記アシスト倍率を前記所定倍率として前記アシスト倍率可変手段に設定する、
アシスト装置。
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