JP7000803B2 - 筋力補助装置、筋力補助装置の制御方法、および筋力補助システム - Google Patents

Description

本発明は、筋力補助装置、筋力補助装置の制御方法、および筋力補助システムに関する。

補助力により使用者の筋力を補助する装置がある（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、使用者にとって適切な補助力は状況又は使用者の状態に応じて変化する。
［特許文献１］ 特開２００８－１９９７８４号公報

本発明の第１の態様においては、使用者にかかる負荷を検出する負荷検出部と、筋力を補助する補助力を負荷に基づいて発生する補助力発生部と、負荷検出部が検出した負荷の累計に基づいて補助力発生部が発生する補助力を調整する制御部とを備える筋力補助装置が提供される。

本発明の第２の態様においては、使用者にかかる負荷を検出し、検出した負荷に基づいて使用者を補助する補助力を発生し、更に、検出した負荷の累計に基づいて、補助力を調整する筋力補助装置の制御方法が提供される。

本発明の第３の態様においては、上記の筋力補助装置と、作業対象に関する情報を有し、筋力補助装置の制御部と通信する格納部と、を備え、制御部は、格納部から取得した情報を補助力発生部に対する制御に反映する、筋力補助システムが提供される。

上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

筋力補助装置１００を装着した状態を示す図である。 筋力補助装置１００を装着した状態を示す図である。 筋力補助装置１００を装着した状態を示す図である。 筋力補助装置１００のブロック図である。 筋力補助装置１００が発生する補助力の変化を示すグラフである。 筋力補助装置１００が発生する補助力の変化を示すグラフである。 筋力補助装置１００が発生する補助力の変化を示すグラフである。 筋力補助装置１００が発生する補助力の変化を示すグラフである。 筋力補助装置１００が発生する補助力の変化を示すグラフである。 筋力補助装置１００が発生する補助力の変化を示すグラフである。 筋力補助装置１００が発生する補助力の変化を示すグラフである。 制御部１７０の制御手順を示す流れ図である。 制御部１７０の制御手順を示す流れ図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態において説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は筋力補助装置１００を装着した使用者９０を正面（前面）から見た様子を示す図である。なお、以降の説明においては、筋力補助装置１００を装着した使用者９０の右手側を右、左手側を左、使用者９０の胸側を前または表、使用者９０の背中側を後ろまたは裏、使用者９０の脚側を下、使用者９０の頭部側を上と記載する。

筋力補助装置１００を装着した使用者９０を正面から見た場合、筋力補助装置１００の一部である肩部ストラップ１１０、腰部ストラップ１２０および膝部ストラップ１３０が使用者９０の前面に見える。肩部ストラップ１１０、腰部ストラップ１２０および膝部ストラップ１３０は、使用者９０の着用するボディスーツ１６０の上に装着されている。

使用者９０は、筋力補助装置１００との摺動による皮膚への擦過を防止することを目的としてボディスーツ１６０を着用していてもよい。ボディスーツ１６０自体には、筋力補助装置１００の一部としての機能はない。使用者９０がボディスーツ１６０を着用することは必須ではなく、他の衣類を着用してもよい。筋力補助装置１００において使用者に触れる部分が平滑に仕上げられているのであれば、使用者９０は、筋力補助装置１００を直接に装着してもよい。

肩部ストラップ１１０は、肩の周りを周回する一対の環状部分と、一対の環状部分を連結しつつ使用者９０の胸部の周りを周回する部分とが一体をなして形成される。このような構造により、肩部ストラップ１１０は、肩の周りにも、胸の周りにも回転することなく、使用者９０の肩の周りに固定される。

腰部ストラップ１２０は、腰の周りを周回する大径の環状部分と、大腿部の周りを周回する一対の小径の環状部分とを連結した構造を有する。このような構造により、腰部ストラップ１２０は、肩の周りにも回転することなく、また、使用者９０の身長方向にずれることなく、使用者９０に対して固定される。

また、腰部ストラップ１２０は、それぞれ筐体に納められた制御部１７０および入力部１８０を支持する。制御部１７０は、図中に見える呼吸センサ２１０、体温計２２０、および心拍センサ２３０等から受信した信号に基づいて使用者９０の生体情報を取得すると共に、筋力補助装置１００の動作を制御する。

入力部１８０は、使用者９０が操作するダイヤル、ボタン等を含む操作盤１８２を有し、使用者９０による指示等を受け付ける。操作盤１８２を通じて入力された使用者９０の指示は、制御部１７０に伝達され、筋力補助装置１００の制御に反映される。

膝部ストラップ１３０は、使用者９０の膝の下にそれぞれ巻き付けられ、使用者９０の脚部に対して固定される。膝部ストラップ１３０および肩部ストラップ１１０は、それぞれ、使用者９０の身体に対して、後述するアクチュエータの一端を固定することを目的として、使用者９０に対して機械的に固定することを目的とする。よって、膝部ストラップ１３０および肩部ストラップ１１０は、弾性変形が少なく、それ自体の強度が高い材料が選択される。

図２は、筋力補助装置１００を装着した使用者９０を、背面側から見た様子を示す。筋力補助装置１００は、上部アクチュエータ１４０および下部アクチュエータ１５０と、後述するセンサ類を更に備える。

上部アクチュエータ１４０の図中上端は、係止部１１２により肩部ストラップ１１０に結合される。上部アクチュエータ１４０の図中下端は、ロードセル１２２により腰部ストラップ１２０に結合される。ロードセル１２２は、上部アクチュエータ１４０の一端を腰部ストラップ１２０に結合すると共に、使用者９０に発生した発生負荷により上部アクチュエータ１４０にかかる機械的負荷を検出負荷として検出する。ロードセル１２２が検出した検出負荷は、制御部１７０により取得される。

上部アクチュエータ１４０は、電圧を印加された場合に伸長または収縮する高分子材料により形成される。よって、上部アクチュエータ１４０は、制御部１７０から駆動電圧を印加された場合に、駆動電圧の高さに応じた長さに変化する。これにより、上部アクチュエータ１４０は、使用者９０の脊柱起立筋等の腰部伸展筋の筋力を主に補助する補助力を発生する。

下部アクチュエータ１５０の図中下端は、係止部１３２により膝部ストラップ１３０に結合される。下部アクチュエータ１５０の図中上端は、ロードセル１２２により腰部ストラップ１２０に結合される。ロードセル１２２は、使用者９０に発生した発生負荷により下部アクチュエータ１５０の一端を腰部ストラップ１２０に結合すると共に、下部アクチュエータ１５０にかかる機械的負荷を検出負荷として検出する。ロードセル１２２が検出した検出負荷は、制御部１７０により取得される。

下部アクチュエータ１５０も、電圧を印加された場合に伸長または収縮する高分子材料により形成される。よって、下部アクチュエータ１５０は、制御部１７０から駆動電圧を印加された場合に、駆動電圧の高さに応じた長さに変化する。これにより、下部アクチュエータ１５０は、使用者９０の大臀筋などの股関節伸展筋および大腿屈筋群の筋力を主に補助する補助力を発生する。

なお、上部アクチュエータ１４０および下部アクチュエータ１５０として使用できる高分子材料としては、ポリロタキサン架橋体、ジメチルスルホキシドを溶媒とするポリビニルアルコールのゲル、ポリピロール膜等を例示できる。これらの高分子材料は、電圧を印加することにより、伸長または収縮する。上部アクチュエータ１４０および下部アクチュエータ１５０は異なる材料であってもよい。

筋力補助装置１００は更に、発汗センサ２４０、および筋電計２５０、２６０、２７０を備える。発汗センサ２４０は、使用者９０の発汗の程度を検出して制御部１７０に通知する。ひとつの筋電計２５０は、使用者９０の背中において、幅方向中央寄りに配された表面筋電電極２５２、２５４を有し、主に脊柱起立筋の筋電位を測定する。制御部１７０は、筋電計２５０から取得した筋電位と筋電波形に基づいて、使用者９０の脊柱起立筋に対する発生負荷と脊柱起立筋の疲労とを検出する。

他の筋電計２６０は、使用者９０の臀部に配された表面筋電電極２６２、２６４を有し、主に大臀筋の筋電位を測定する。制御部１７０は、筋電計２６０から取得した筋電位と筋電波形に基づいて、使用者９０の大臀筋に対する発生負荷と大臀筋の疲労とを検出する。また他の筋電計２７０は、使用者９０の大腿部裏面に配された表面筋電電極２７２、２７４を有し、主に大腿屈筋群の筋電位を測定する。制御部１７０は、筋電計２７０から取得した筋電位と筋電波形に基づいて、使用者９０の大腿屈筋群に対する発生負荷と大臀筋の疲労とを検出する。

図３は、筋力補助装置１００を装着した使用者９０を、右側側面から見た様子を示す。なお、この図においては、センサ類の図示を省略している。

筋力補助装置１００においては、上部アクチュエータ１４０が肩部ストラップ１１０および腰部ストラップ１２０を結合している。よって、上部アクチュエータ１４０が収縮した場合は、使用者９０の脊柱起立筋の筋力と略平行に作用する補助力が発生して、使用者９０の背中を腰部に対して起立させる動作を補助する。また、使用者９０が背中を起立させる過程で、使用者にかかる発生負荷の一部を上部アクチュエータ１４０が担う。

上記の筋力補助装置１００において、上部アクチュエータ１４０を、使用者９０に対して左右に配した一対のアクチュエータにより形成してもよい。これにより、一対のアクチュエータを同時に収縮させた場合は、上体の安定を維持しながら使用者９０の起立動作を補助できる。また、左右のアクチュエータの一方のみを収縮させることにより、使用者９０の上体の回旋運動も補助できる。

この動作に伴って、上部アクチュエータ１４０の一端を係止するロードセル１２２は、使用者９０の背中にかかる発生負荷に応じた検出負荷を検出する。また、ロードセル１２２が検出した検出負荷を取得した制御部１７０は、取得した検出負荷の値に基づいて上部アクチュエータ１４０の駆動電圧を制御すると共に、使用者９０の背中にかかった発生負荷を記録する。例えば、制御部１７０は、検出負荷の値が予め定めた設定値を超えた場合に上部アクチュエータ１４０を収縮させ、使用者９０が腰を上げる動作を補助する。

また、筋力補助装置１００においては、下部アクチュエータ１５０が腰部ストラップ１２０および膝部ストラップ１３０を結合している。よって、下部アクチュエータ１５０が収縮した場合は、使用者９０の大臀筋および大腿屈筋群と略平行に作用する補助力が発生して、使用者９０が腰を上げる動作を補助する。下部アクチュエータ１５０の収縮により、使用者９０の大臀筋および大腿屈筋群を収縮する方向の補助力が発生することで股関節の伸展動作の補助を行う。また、使用者９０が腰を上げる過程で、使用者９０にかかる発生負荷の一部を下部アクチュエータ１５０が担う。

更に、上記の筋力補助装置１００において、下部アクチュエータ１５０は、使用者９０に対して左右に配した一対のアクチュエータにより形成できる。これにより、一対のアクチュエータを同時に収縮させた場合は、使用者９０が腰を上げる動作を安定させつつ補助できる。また、左右のアクチュエータの一方のみを収縮させることにより、使用者９０の左右一方の膝の屈伸や股関節の伸展動作も補助できる。

この動作に伴って、下部アクチュエータ１５０の一端を係止するロードセル１２２は、使用者９０の大腿部にかかる発生負荷に起因する検出負荷を検出し、計測する。また、ロードセル１２２が検出した検出負荷を取得した制御部１７０は、当該検出負荷の値に基づいて下部アクチュエータ１５０の駆動電圧を制御すると共に、使用者９０の大腿部にかかった発生負荷を記録する。例えば、制御部１７０は、検出負荷の値が設定値を超えた場合に下部アクチュエータ１５０を収縮させ、使用者９０が腰を上げる動作を補助する。

図４は、筋力補助装置１００のブロック図である。図示の通り、筋力補助装置１００は、負荷検出部２００、制御部１７０、入力部１８０、通信部１９０および補助力発生部１０１を備える。

負荷検出部２００は、複数のロードセル１２２および複数の筋電計２５０、２６０、２７０と、呼吸センサ２１０、体温計２２０、心拍センサ２３０、発汗センサ２４０、および筋電計２５０、２６０、２７０とを有する。ロードセル１２２は、上部アクチュエータ１４０および下部アクチュエータ１５０にかかる張力の大きさに基づいて、使用者９０の背中または下肢上部にかかる発生負荷を直接的に検出できる。また、筋電計２５０、２６０、２７０も、使用者９０の表面筋電位を検出することにより、使用者９０の特定の筋肉にかかる発生負荷を直接的に検出できる。

更に、上記ロードセル１２２および筋電計２５０、２６０、２７０により検出される検出負荷の値が小さい場合であっても、発生負荷が繰り返し発生する場合、あるいは、発生負荷が長時間にわたって継続する場合は、使用者９０に相応の負担になる。このような場合は、呼吸センサ２１０、体温計２２０、心拍センサ２３０、および発汗センサ２４０等により検出した使用者９０の生体情報に基づいて、使用者９０に発生負荷がかかっていることを検出できる。

例えば、呼吸センサ２１０が呼吸回数の増加を検知することで、平常時に比べて使用者９０に発生負荷がかかっていることを推定できる。また、体温計２２０による体温上昇、心拍センサ２３０による心拍数の増加、発汗センサ２４０による発汗の増加などの検出によっても、使用者９０に発生負荷が生じていることを推定できる。これらの推定の結果を、総合して発生負荷の検出に用いることができる。なお、筋電計２５０、２６０、２７０は、表面筋電波形により使用者９０の筋肉の疲労を検出する生体センサとしても使用できる。例えば、表面筋電波形の増大を検知することで、筋疲労が生じており、使用者９０に発生負荷がかかっていることを検出できる。

こうして、負荷検出部２００により検出された使用者９０の発生負荷に基づく検出負荷は、制御部１７０が上部アクチュエータ１４０および下部アクチュエータ１５０を制御する場合に参照される。負荷検出部２００の検出した情報を参照した制御部１７０は、筋電計２５０、２６０、２７０およびロードセル１２２の少なくとも一方の出力を参照して、使用者９０が負担した発生負荷の大きさを表す単一の値を算出してもよい。

また、制御部１７０は、複数のセンサの出力に基づいて、使用者９０の疲労状態を表す単一の疲労度を算出してもよい。また、制御部１７０は、負荷検出部２００における呼吸センサ２１０、体温計２２０、心拍センサ２３０、発汗センサ２４０等の複数のセンサの出力に基づいて、使用者９０の疲労状態を表す疲労度の単一の値を算出してもよい。検出した負荷量および疲労度の少なくとも一方は、その値を算出した時間に関連付けて、制御部１７０により蓄積される。蓄積された情報は、格納部１９４に格納して、随時参照してもよい。

上記の疲労度は、負荷検出部２００における呼吸センサ２１０、体温計２２０、心拍センサ２３０、発汗センサ２４０等の個々のセンサについて、ひとつのセンサ、例えば、呼吸センサ２１０からの検出負荷のみを蓄積した場合に使用者９０が負担し得る限界の量に対して、百分率として算出してもよい。これにより、各センサの検出負荷から算出された疲労度を加算して、使用者９０が様々な種類の発生負荷を併せて蓄積した場合の限界を判定できる。使用者９０が負担し得る限界の量は、身長、体重、体格などの身体情報から算出してもよい。

なお、呼吸センサ２１０、体温計２２０、心拍センサ２３０、発汗センサ２４０等の生体情報センサは負荷検出部を形成するセンサ類の一例に過ぎず、眼電位、血中乳酸濃度、血中酸素濃度等を検出する他のセンサを更に設けてもよい。また、一部のセンサを、筋電計２５０、２６０、２７０のように複数設けてもよい。また、逆に一部のセンサを省略してもよい。

補助力発生部１０１は、既に説明した上部アクチュエータ１４０および下部アクチュエータ１５０を含む。なお、図１から図３に示した筋力補助装置１００においては単純化して示したが、補助力発生部１０１は、より多くのアクチュエータを含んでもよい。また、使用者９０の背面以外の他の部位の筋力を補助するアクチュエータを更に設けてもよい。また、能動的なアクチュエータに換えて、受動的な弾性部材を使用して筋力補助装置１００を形成することもできる。

すなわち、能動的なアクチュエータに代えて、使用者９０に発生負荷が生じた場合に弾性変形する受動的な弾性部材を用いることにより、使用者９０が発生負荷に抗して動作する場合に補助力を発生する装置を形成できる。例えば、使用者９０の背面側に、使用者９０が直立している場合に自然長となるように、上部アクチュエータ１４０および下部アクチュエータ１５０に代えて弾性体を取り付ける。これにより、使用者９０が上体を前屈させた場合、あるいは腰を落とした場合に、弾性体が伸ばされる。よって、使用者９０が直立状態に復帰する場合に、弾性変形した弾性体が自然長に戻ろうとする力が、使用者９０に補助力として作用し、使用者９０の発生負荷を軽減する。

筋力補助装置１００は更に、ネットワーク１９２を介して外部と通信する通信部１９０を備える。通信部１９０が通信する先は、例えば、外部に設けられた格納部１９４である。格納部１９４には、例えば、筋力補助装置１００を用いる使用者９０の作業対象に関する情報を格納している。ここでいう作業対象に関する情報とは、作業の種類、作業における発生負荷の種類、予想される作業時間等を含む。これにより、制御部１７０は、格納部１９４から作業対象に関する情報を取得して、補助力発生部１０１に対する制御に反映させることができる。

また、格納部１９４は、筋力補助装置１００を使用する使用者９０の情報を格納して、通信部１９０を通じて制御部に参照させてもよい。ここでいう使用者９０の情報とは、使用者９０の体重、筋力、性別、体格等の生体情報を含む。これにより、制御部１７０は、格納部１９４から使用者９０に関する情報を取得して、補助力発生部１０１に対する制御に反映させることができる。

上記のように、筋力補助装置１００に通信部１９０を設け、作業対象に関する情報を格納した格納部１９４と、筋力補助装置１００の制御部１７０とが通信する筋力補助システム３００を形成してもよい。これにより、制御部１７０は、格納部１９４から取得した情報を、補助力発生部１０１に対する制御に反映して、使用者９０に対してより効果的な補助を実行できる。また、筋力補助装置１００から格納部１９４を参照できるので、筋力補助装置１００自体のハードウェア資源を縮小して、より廉価且つ軽量な筋力補助装置１００を形成できる。なお、図４に示した例では、格納部１９４と筋力補助装置１００とが対になって筋力補助システム３００を形成しているが、格納部１９４および筋力補助装置１００のいずれかまたは両方を複数にしてシステムを形成することもできる。

なお、格納部１９４の一部または全部を、筋力補助装置１００の内部に設けてもよい。この場合、格納部１９４は、使用者９０によって入力部１８０を通じて情報を入力してもよいし、通信部１９０を通じて外部からダウンロードした情報を格納してもよい。これにより、他の電子機器により通信速度が低下する環境であっても、制御部１７０は、種々の情報を参照して補助力発生部１０１の制御ができる。

図５は、筋力補助装置１００において、制御部１７０の制御の下に補助力発生部１０１が発生する補助力の特性を模式的に示す図である。補助力発生部１０１は、制御部１７０に設定された補助レベルに応じて、複数の特性のいずれかに従って補助力を発生する。

例えば、制御部１７０に設定された補助レベルが１の場合、負荷検出部２００が検出した使用者９０に生じた発生負荷に応じて発生する補助力は、図示のように、低いレベルに抑制される。これにより、使用者９０が軽減される発生負荷は僅かになるが、補助力の介入が少ないので、使用者９０は、自分自身の感覚に従って動作しやすい。

一方、制御部１７０に設定された補助レベルが６の場合、負荷検出部２００が検出した使用者９０に生じた発生負荷に応じて発生する補助力は、レベル１の場合に比較すると著しく大きくなる。このため、使用者９０の発生負荷は大きく軽減される。使用者９０が自身の感覚を動作に反映しにくいと感じた場合使用者９０は、例えば、入力部１８０に設けられた操作盤１８２を操作することにより、自分にとって適切と思われる補助レベルを、制御部１７０に設定できる。なお、使用者９０が選択した、適切と思われる補助レベルを制御部１７０において記憶してもよい。その場合には、次回の動作時には、使用者９０にとって適切と思われる補助レベルにより、補助力を発生させることができる。

使用者９０がある補助レベルを設定して作業をして、補助力に過不足を感じた場合は、補助レベルを上昇または下降させることにより、補助レベルを修正することもできる。使用者９０が修正した補助レベルを制御部１７０において記憶してもよい。その場合には、次回の動作時には、使用者９０にとって適切と思われる補助レベルにより、補助力を発生させることができる。更に、何らかの理由で、筋力補助装置１００が発生する補助力が、使用者が想定している補助力と異なる不具合が生じた場合、使用者９０は、操作盤１８２を操作することにより、補助レベルを「０」にして筋力補助装置１００による補助力を解消できる。

図６は、筋力補助装置１００における、制御部１７０による補助レベルの制御について説明する図である。筋力補助装置１００が稼働し始めた当初は、補助レベルは初期値、例えば、上部アクチュエータ１４０および下部アクチュエータ１５０に発生させる補助力が最も低い補助レベル１に設定されている。

ここで設定される初期値は、筋力補助装置１００の電源が投入される毎にリセットして、予め定めた初期値に復帰するようにしてもよい。また、また、使用者９０が、筋力補助装置１００を使い始める時点で、個々の判断により選択した初期値を、入力部１８０を通じて設定してもよい。更に、初期値が設定されなかった場合に、筋力補助装置１００が最後に設定されていた初期値を引き継いでもよい。

また、筋力補助装置１００の制御部１７０が制御の対象とする期間は、例えば、使用者９０の一日の業務にあたる勤務時間である。負荷の蓄積については一日の業務の蓄積量に加え、例えば、連続勤務日、一週間、一月、など長期的な蓄積量を用いてもよい。

あるいは、筋力補助装置１００の制御部１７０が制御の対象とする期間は、使用者９０の勤務時間のうちの一部であり、予め設定された一定の時間であってもよい。例えば、使用者９０に対して予め設定されたスケジュールのうちの移動時間、休息時間等は、制御部１７０による制御を中断または終了してもよい。制御部１７０は、制御を中断した場合は、中断直前の状態から制御を継続する。また、制御部１７０は、制御を一旦終了した場合は予め定められた初期値を再設定の後、改めて制御を開始する。

図示のように、筋力補助装置１００が稼働している間、図中上段に示すように、負荷検出部２００は、例えば、ロードセル１２２の出力信号に基づいて使用者９０に発生した発生負荷に基づいて検出負荷を検出し続ける。また、図中中段に示すように、制御部１７０は、負荷検出部２００が検出した検出負荷を参照して、当該検出負荷の累計である累積負荷を蓄積する。

ここで、制御部１７０が参照する検出負荷は、複数のロードセル１２２の出力を平均する等して算出した単純な値でもよい。一方、当該検出負荷の値は、他のセンサの出力、格納部１９４から参照した情報等、他の種類の情報も変数として含むより高次の関数から算出した値であってもよい。また、制御部１７０が蓄積する累積負荷は、負荷検出部２００が検出した検出負荷の値を時間積分して算出した積分値であってもよい。

制御部１７０は、値が順次大きくなる複数の閾値１、２、３、４、５を予め保持し、上記累積負荷の値と比較する。そして、累積負荷が閾値１、２、３、４、５を超える毎に、補助力発生部１０１の補助レベルを１段ずつ上昇させる。これにより、消化した作業量が増加するにつれて使用者９０に残る疲労を、段階的な補助レベルの上昇による補助力の増加で補って、使用者９０の作業効率を維持できる。

図７は、筋力補助装置１００において制御部１７０が実行する補助レベルの他の制御を説明する図である。図示の例において、制御部１７０は、図中上段に示すように、有意な負荷の大きさを判定する基準として予め定められた閾値負荷１と、負荷検出部２００が検出した検出負荷の値とを比較して、図中中段に示すように、検出負荷の値が閾値負荷１を超えた回数を計数している。

更に、制御部１７０は、計数した回数を予め保持する閾値１、２、３、４、５と比較して、回数が閾値１、２、３、４、５を超える毎に、補助力発生部１０１の補助レベルを段階的に１段ずつ上昇させる。これにより、消化した作業量が増加するにつれて使用者９０に残る疲労を、回数に基づいた補助レベルの上昇による補助力の増加で補って、使用者９０の作業効率を維持できる。

なお、図７を参照して説明した制御方法は、図６を参照して説明した制御方法に換えて実行してもよいし、図６に示した制御方法と同時に実行してもよい。ただし、両者を同時に実行する場合、検出負荷の値から算出した累積負荷と、検出負荷の値が閾値を超えた回数とは互いに次元の異なる値なので、これらの値を変数として単一の負荷指標を算出する関数と、当該関数に対応した閾値１、２、３、４、５とを予め用意する。

このように、異なる複数の指標を参照して補助レベルを制御することにより、筋力補助装置１００の制御精度を向上できる。よって、制御部１７０は、負荷検出部２００から更に他の検出値を参照して補助レベルを制御してもよい。また、制御部１７０は、複数の制御方法を用意して、使用者９０の指定した方法により制御を実行してもよい。

図８は、筋力補助装置１００において制御部１７０が実行する補助レベルの他の制御を説明する図である。先に説明した例では、制御部１７０は、負荷値の累計である累積負荷または、負荷値が閾値を超えた回数により使用者９０の疲労を推定した。しかしながら、使用者によっては、負荷値自体は小さくても、使用者９０の疲労の原因となりやすい場合もある。

図示の制御においては、図６に示した場合と同様に、図中上段に示すように、負荷検出部２００が検出した負荷値を、制御部１７０が蓄積して、負荷値の累計である累積負荷を算出する。制御部１７０は、算出した累積負荷が予め定めた閾値１、２、３、４、５を超える毎に、補助レベルを一段ずつ上昇させる。これにより、筋力補助装置１００は、補助レベルに基づいて使用者９０の疲労の増加を補って、発生する補助力を増加させる。

更に、図示の例では、制御部１７０は、図中に示すタイミングＴ_１からＴ_２の期間に、同じ波形をなす負荷が連続して発生していることを検知する。このような負荷は、負荷値のピークこそ低いものの、使用者９０の筋肉を急速に疲労させる場合がある。

そこで、制御部１７０は、累積負荷における繰り返し波形継続する期間が、予め定めた閾値期間を超えた場合に、累積負荷が閾値１、２、３、４、５のいずれかも超えていない場合であっても、補助レベルを一段上昇させて、補助力発生部１０１が発生する補助力を上昇させる。このような制御部１７０の制御により、使用者９０の疲労の実態（状態）に沿った補助力を補助力発生部１０１に発生させることができる。

なお、上記の他にも、例えば、一定の負荷が長時間継続する場合、極端に大きな負荷が突発的に生じた場合に、累積負荷が閾値１、２、３、４、５を超えたか否かとは別に、補助レベルを変更する制御をしてもよい。このように、制御部１７０は、閾値１、２、３、４、５とは別の基準により補助レベルを変更してもよい。また、一定の負荷が長時間継続する状態の後、極端に大きな負荷が突発的に生じた場合にはエラーを出力してもよい。

また、図示のように累積負荷と比較する複数の閾値１、２、３、４、５の間隔は、等間隔でなくてもよい。例えば、蓄積疲労が大きい場合には、補助レベルが頻繁に上昇した方が、使用者９０の負担軽減に効果的である場合がある。

更に、制御部１７０は、閾値１、２、３、４、５を組み合わせた複数の閾値セットを用意して、使用者９０の指示、制御部１７０からの指示等により、閾値セット自体を切り替えた上で、補助レベルの制御を実行してもよい。

図９は、筋力補助装置１００において制御部１７０が実行する補助レベルのまた他の制御を説明する図である。この制御は、図６に示した制御と併せて、制御部１７０が並行して実行してもよい。

図示の制御においては、図６に示した場合と同様に、図中上段に示すように、負荷検出部２００が検出した負荷値を、制御部１７０が蓄積して、負荷値の累計である累積負荷を算出する。制御部１７０は、算出した累積負荷が予め定めた閾値１、２、３、４、５を超える毎に、補助レベルを一段ずつ上昇させる。これにより、筋力補助装置１００は、使用者９０の疲労の増加を補って、発生する補助力を増加させる。

ただし、使用者９０がひとつの作業を継続している途中で筋力補助装置１００の補助レベルが変化すると、使用者９０が違和感を覚える場合がある。そこで、制御部１７０は、累積負荷と共に、検出負荷の個別のピークＰ_１、Ｐ_２・・・が発生するタイミングを監視し、いずれかピークＰ_ｎとその直前のピークＰ_ｎ－１との時間間隔であるピーク間隔をそれぞれ計測する。

更に、制御部１７０は、計測したピーク間隔のそれぞれと、予め定めた閾値時間１とを比較して、ピーク間隔が閾値時間１よりも短い場合は、使用者９０がひとつの作業を継続している最中であると判断して補助レベルの変更を保留する。これにより、継続する作業の途中で補助力が変化することが防止される。

また、制御部１７０は、上記ピーク間隔が閾値時間１よりも長い場合は、一連の作業が中段したと判断して補助レベルを上昇させる。ここで、前に補助レベルを上昇させてから現在までの間に変更を保留している場合は、補助レベルを上昇させる次の機会が到来した場合に、補助レベルを２段階以上まとめて上昇させてもよい。ただし、極端に補助レベルが変化すると、使用者９０が違和感を覚える場合があるので、補助レベルの変化にも上限を定めてもよい。

図示の例では、予め定めた検出閾値を超えるピークを検出した場合に、最初のピークＰ_１から次のピークＰ_２までのピーク間隔は、閾値時間１よりも短い。また、ピークＰ_２に続くピークＰ_３、Ｐ_４も、閾値時間１が経過する前に到来する。しかしながら、ピークＰ_４の後には、閾値時間１が経過しても次のピークが発生していない。よって、制御部１７０は、使用者９０のひとつの作業が終了したと判断して、補助レベルを上昇させる。

図１０は、筋力補助装置１００における、制御部１７０による他の制御を説明する図である。上記のように、筋力補助装置１００においては、使用者９０による稼働時間が長くなるほど、また、累積負荷が大きくなるほど、更に、疲労の蓄積が大きくなるほど補助レベルを上昇させて、補助力発生部１０１が発生する補助力を増加させる。しかしながら、例えば、使用者９０が休憩をとった場合は、使用者９０の疲労が回復され、筋力補助装置１００による補助レベルを下げてもよい状態になる。

そこで、制御部１７０は、負荷検出部２００が検出した検出負荷を監視して、予め定めた閾値負荷２より検出負荷が低い状態が、予め定めた閾値時間２よりも長く続いた場合に、使用者９０が作業をしておらず、休憩をとっていると判断する。これにより、制御部１７０は、筋力補助装置１００による補助レベルをいったん低下させる。しかしながら、使用者９０が再び作業を開始した場合は、作業量に基づいて負荷検出部２００が検出する検出負荷が再び閾値負荷２を超えるため、制御部１７０は、再び負荷を累計する補助レベルの制御を再開する。

なお、制御部１７０が使用者９０の休憩を検出して補助レベルを下げた場合は、同時に、累積負荷もリセットして、筋力補助装置１００の使用を開始した時点の補助レベルまで戻す。これにより、休憩により疲労が回復した使用者９０にとって適切な補助レベルで、補助力が発生される。なお、休憩の検出による補助レベルのリセットでは、筋力補助装置１００が稼働し始めた時点の初期値まで補助レベルを戻してもよいが、初期値と休憩に入る直前の補助レベルとの中間の新たな初期値を設定してもよい。更に、休憩の継続時間に応じて、補助レベルを戻す割合を変化させてもよい。

これにより、休憩により疲労が回復した使用者９０の体力を効率よく使わせて、筋力補助装置１００を用いた作業の効率を向上することができる。なお、使用者９０が休憩に入った時点で、使用者９０がみずから休息に入ったことを、入力部１８０を通じて制御部１７０に通知してもよい。また、休憩を検出する場合に用いる閾値時間２よりも長い他の閾値時間を設定して、負荷検出部２００が検出負荷を検出しない時間が長くなった場合に、制御部１７０は、筋力補助装置１００を用いた作業が終了したと見做して、筋力補助装置１００の電源を遮断してもよい。

図１１は、筋力補助装置１００における、制御部１７０による補助レベルの他の制御方法について説明する図である。この制御方法は、図６等に示した他の制御方法に換えて実行してもよいが、図７に示した制御方法について説明したように、他の方法と並列に実行することもできる。

図示のように、筋力補助装置１００が稼働している間、図中上段に示すように、負荷検出部２００は、使用者９０の生体情報に基づいて、使用者９０の疲労状態の疲労レベルを監視している。負荷検出部２００は、呼吸センサ２１０、体温計２２０、心拍センサ２３０、発汗センサ２４０、筋電計２５０、２６０、２７０等の出力を変数とする関数を予め保持して、単一の疲労レベルを算出する。制御部１７０は、この疲労レベルを、使用者９０における発生負荷を反映した情報として負荷検出部２００から取得して蓄積する。

更に、制御部１７０は、順次大きくなる予め定められた複数の閾値１、２、３、４、５を保持し、使用者９０の疲労レベルの蓄積を示す値が、閾値１、２、３、４、５を超える毎に、補助力発生部１０１の補助レベルを順次高くする。これにより、筋力補助装置１００は、使用者９０の疲労の高まりを補助力の上昇により補えるため、使用者９０は作業効率を維持できる。

なお、負荷検出部２００においては、特に筋電計２５０、２６０、２７０により使用者９０の疲労を精度よく検出できる。また、図２に示した例では、筋電計２５０、２６０、２７０の各々は一対の表面筋電電極２５２、２５４、２６２、２６４、２７２、２７４を有していたが、更に刺激電極を加えて使用者９０の筋電波形を周期的に検出することにより、使用者９０の疲労の検出精度を向上させることができる。

また、図８等に示した場合と同様に、複数の閾値１、２、３、４、５の間隔は、等間隔でなくてもよい。例えば、蓄積疲労が大きい場合には、補助レベルが頻繁に上昇した方が、使用者９０の負担軽減に効果的である場合がある。

更に、複数の閾値１、２、３、４、５を組み合わせた互いに異なる閾値セットを複数用意して、使用者９０の指示、制御部１７０からの指示により、閾値セット自体を切り替えた上で、補助レベルの切替制御を実行してもよい。

このように、筋力補助装置１００は、使用者９０の疲労状態を検出して、検出した疲労の蓄積に基づいて補助レベルを変更する制御を実行してもよい。この制御方法は、先に説明した累積負荷に基づく制御に換えて実行してもよいし、累積負荷に基づく制御と同時に実行してもよい。補助レベルの制御に累積負荷と蓄積疲労を両方参照する場合は、例えば、累積負荷の上昇の傾きと、蓄積負荷の上昇の傾きとを比較して、両者に乖離がある場合は補助レベルを変更する条件の変更に反映させてもよい。

図１２は、制御部１７０によるまた他の制御を説明する流れ図である。使用者９０が筋力補助装置１００を使用する場合、補助レベルが一定であったとしても、使用者９０自身の筋力に対する発生負荷の割合に応じて、適切な補助レベルが異なる場合がある。

例えば、使用者９０が介護者であり、発生負荷となるものが被介護者に対する介護作業である場合に、介護者の体重よりも被介護者の体重の方が大きい場合、介護の作業内容が同じであっても、筋力補助装置１００による補助レベルを、より高くすることが望ましい。そこで、筋力補助装置１００においては、使用者９０が入力部１８０において予め定められた操作をすることにより、制御部１７０が、通信部１９０およびネットワーク１９２を通じて格納部１９４にアクセスし、使用者９０の作業対象に関する情報を取得する。

また、被介護者の体格と介護者の体格をそれぞれ指数化する。たとえば体重が５０キロ未満である場合は「１」、５０キロ以上且つ５５キロ未満である場合には「２」、５５キロ以上且つ６０キロ未満である場合は「３」、というように、５キロごとに指数を割り振る。そして、介護者の指数を分母、被介護者を分子とし、相対値を算出してもよい。なお、上記の例では体重を指数して、被介護者の体格と介護者の体格を比較したが、身長であってもよく、身長と体重とそれぞれを指数化してもよく、複合的に判断してもよい。

更に、上記の例では、使用者９０が介護者である場合には、筋力補助装置１００を用いた介護作業を開始する前に、格納部１９４から、作業対象である被介護者に関する情報を制御部１７０が取得する（ステップＳ１０１）。また、制御部１７０は、取得した被介護者の情報と、予め保持している使用者９０に関する情報とを比較する（ステップＳ１０２）。

これにより、例えば、被介護者の体重が使用者９０の体重に比較して大きいことが判った場合、制御部１７０は、稼働開始の当初から筋力補助装置１００に設定する補助レベルを高くするように決定する（ステップＳ１０３）。これにより、筋力補助装置１００は、体格差による使用者９０の負担を効果的に軽減できる。

また、ステップＳ１０２において、被介護者の体重が使用者９０の体重に比較して小さいことが判った場合、制御部１７０は、稼働開始の当初から筋力補助装置１００に設定する補助レベルを低くするように決定する（ステップＳ１０３）。これにより、筋力補助装置１００の電力を節約できる。また、無用に大きな補助力が生じた場合は、ストラップ類による締めつけ等、使用者９０側への負担も増加するので、過剰な補助力を抑制することは、使用者９０への負担軽減にもなる。

このように、筋力補助装置１００の制御部１７０は、使用者９０による作業の内容および作業対象に関する情報を取得して、取得した情報に応じて、補助力発生部１０１に発生させる補助力を増減させることができる。これにより、筋力補助装置１００は、使用者９０自身の肉体条件にかかわらず作業ができる適切な補助レベルで筋力を補助できる。

こうして決定される筋力補助装置１００の補助レベルは、その使用者９０が筋力補助装置１００を使用する場合の初期値として用いてもよい。また、他の指標に基づいて制御している補助レベルに対する閾値の補正に用いてもよい。

図１３は、制御部１７０による、また他の制御を説明する流れ図である。使用者９０自身の癖や好み、また、作業に対する技能によって、筋力補助装置１００を使用する場合に適切な補助レベルが異なる場合がある。これに対して、筋力補助装置１００の制御部１７０は、使用者９０の主観的な使用感を補助力発生部１０１の制御に反映させることができる。

例えば、筋力補助装置１００を使用した使用者９０が、経験した補助レベルに対して肯定的な感想をもった場合、使用者９０は、フィードバック情報として、入力部１８０を通じて制御部１７０にその旨を通知する（ステップＳ２０１：ＮＯ）。これにより、制御部１７０は、少なくとも同じ使用者９０に対しては、同じ補助レベルの設定で補助力発生部１０１を制御する。

しかしながら、筋力補助装置１００を使用した使用者９０が、経験した補助レベルに対して否定的な感想を、フィードバック情報として入力部１８０を通じて制御部１７０に通知した場合（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、制御部１７０は、補助力発生部１０１に補助力を発生させる場合の補助レベルを、異なるレベル、例えば、より高いレベルに変更する（ステップＳ２０２）。その後、補助レベルの変更された筋力補助装置１００に対して、使用者から肯定的な感想が得られた場合（ステップＳ２０１：ＮＯ）、制御部１７０は、上昇させた補助レベルを以降の初期値とする。

一方、補助レベルを変更したにもかかわらず、使用者９０からフィードバック情報として再び否定的な感想がもたらされた場合（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、制御部１７０は、補助レベルを、当初の補助レベルでも、最初に変更した補助レベルでもない他の補助レベルに設定する（ステップＳ２０２）。この場合、前回は上昇させた補助レベルを低下させてもよい。

上記のような試行錯誤を繰り返すことにより、筋力補助装置１００の制御を、使用者９０の嗜好に合致したものにしていくことができる。なお、上記ステップＳ２０１における使用者９０の感想は、例えば、快適／不快、○／×、ＹＥＳ／ＮＯのボタン等を操作する単純な操作により入力できることが好ましい。また、入力部１８０が、表示部、発音部、発光部等を有する場合は、それらを用いて使用者９０に入力を促してもよい。

こうして決定される筋力補助装置１００の補助レベルは、その使用者９０が筋力補助装置１００を使用する場合の初期値として用いてもよいし、他の指標に基づいて制御している補助レベルに対する閾値の補正等に用いてもよい。

このように、筋力補助装置１００は、使用者９０の状態、状況、使用経過、嗜好等に応じて補助力発生の特性を変化させる。これにより、その時々で使用者９０にとって適切な補助力を発生するので使用者の負担を効果的に軽減できる。また、過剰な電力を抑制できるので、筋力補助装置１００の稼働時間延長にも寄与する。

上記の例では、能動的に補助力を発生する補助力発生部１０１を備えた筋力補助装置１００について説明したが、補助力発生部１０１は、弾性部材の弾性力により補助力を発生する受動的な構造にすることもできる。この場合は、補助力を発生する弾性部材の初期長さを変更する構造にすることにより、使用者９０に対して発生する補助力を変化させることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。また、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。更に、変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

９０ 使用者、１００ 筋力補助装置、１０１ 補助力発生部、１１０ 肩部ストラップ、１１２、１３２ 係止部、１２０ 腰部ストラップ、１２２ ロードセル、１３０ 膝部ストラップ、１４０ 上部アクチュエータ、１５０ 下部アクチュエータ、１６０ ボディスーツ、１７０ 制御部、１８０ 入力部、１８２ 操作盤、１９０ 通信部、１９２ ネットワーク、１９４ 格納部、２００ 負荷検出部、２１０ 呼吸センサ、２２０ 体温計、２３０ 心拍センサ、２４０ 発汗センサ、２５０、２６０、２７０ 筋電計、２５２、２５４、２６２、２６４、２７２、２７４ 表面筋電電極、３００ 筋力補助システム

Claims (12)

1. 使用者にかかる負荷を検出する負荷検出部と、
   筋力を補助する補助力を前記負荷に基づいて発生する補助力発生部と、
   前記負荷検出部が検出した前記使用者の前記負荷の累計に基づいて前記補助力発生部が発生する前記補助力を調整する制御部と、
   を備える筋力補助装置。
2. 前記制御部は、前記負荷検出部が検出した前記負荷の累計が閾値を超えた場合に、前記補助力発生部が発生する前記補助力を増加させる、請求項１に記載の筋力補助装置。
3. 前記制御部は、前記負荷検出部が検出した前記負荷が予め定めた閾値負荷よりも低い状態が、予め定めた閾値時間よりも長く継続した場合に、前記補助力発生部が発生する前記補助力を減少させる、請求項１又は２に記載の筋力補助装置。
4. 前記制御部は、前記筋力補助装置を使用する前記使用者の作業の内容に応じて前記補助力発生部が発生する補助力を増減させる、請求項１から３のいずれか一項に記載の筋力補助装置。
5. 前記制御部は、前記筋力補助装置を使用する前記使用者が介護する被介護者の体格に応じて前記補助力発生部が発生する補助力を増減させる、請求項１から４のいずれか一項に記載の筋力補助装置。
6. 前記使用者がフィードバック情報を入力する入力部を有し、
   前記制御部は、前記フィードバック情報に応じて前記補助力発生部の出力を増減させる、請求項１から５のいずれか一項に記載の筋力補助装置。
7. 前記制御部は、前記補助力発生部が発生する前記補助力の初期値に対する増減の指示を前記フィードバック情報として受け付ける、請求項６に記載の筋力補助装置。
8. 前記制御部は、前記補助力発生部が発生した前記補助力の大きさが適切であったか否かに関する前記フィードバック情報に応じて、前記補助力発生部が発生する補助力を増減させる、請求項６または７に記載の筋力補助装置。
9. 前記制御部は、前記負荷検出部が検出した前記負荷が予め定めた閾値負荷量よりも高い状態が、予め定めた閾値時間よりも短い間隔で発生した場合には、前記補助力発生部が発生する前記補助力を維持する、請求項１から８のいずれか一項に記載の筋力補助装置。
10. 使用者の生体情報に基づいて前記使用者の疲労状態を示す疲労レベルを算出する負荷検出部と、
    筋力を補助する補助力を前記疲労レベルに基づいて発生する補助力発生部と、
    前記負荷検出部が算出した前記使用者の前記疲労レベルの蓄積に基づいて前記補助力発生部が発生する前記補助力を調整する制御部と
    を備える筋力補助装置。
11. 使用者にかかる負荷を検出し、
    検出した前記負荷に基づいて前記使用者を補助する補助力を発生し、
    更に、検出した前記使用者の前記負荷の累計に基づいて、前記補助力を調整する、筋力補助装置の制御方法。
12. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の筋力補助装置と、
    作業対象に関する情報を有し、前記筋力補助装置の前記制御部と通信する格納部と、を備え、
    前記制御部は、前記格納部から取得した前記情報を前記補助力発生部に対する制御に反映する、筋力補助システム。

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