JP7288623B2 - アシストウェア - Google Patents

Description

本発明は、装着者が重量物を持ち上げる際の挙上動作をアシストするアシストウェアに関するものである。

この種の機器として、下記特許文献１，２に開示された機器が知られている。特許文献１に開示されている機器（腰部補助装置）は、圧縮空気で作動する空気圧式アクチュエータを備えて構成され、空気圧式アクチュエータが出力する駆動力（押出力または引張力）を、腰フレームおよび大腿プレート等を介して上体と大腿部との角度が拡大する向きに作用させることで、挙上動作をアシストする。また、特許文献２に開示されている機器（装着式腰部補助装置）は、電動式の駆動モータを備えて構成され、駆動モータが出力する駆動力を、腰フレームおよび連結部等を介して上体と大腿部との角度が拡大する向きに作用させることで、挙上動作をアシストする。

特開２０１３－７５０７８号公報 特開２０１３－１７３１９０号公報

ところが、上述した従来のアシストウェアには、解決すべき以下の課題がある。具体的には、上述した各装置では、空気圧式アクチュエータや駆動モータが出力する駆動力を、上体と大腿部との角度が拡大する向きに作用させることだけで挙上動作をアシストしている。一方、重量物を持ち上げる際には、膝を曲げてしゃがみこむ姿勢で重量物を掴み、その姿勢から膝関節を伸展させて重量物を持ち上げる挙上動作（膝の屈伸を伴う挙上動作）をすることがある。しかしながら、上述した各装置では、上体および大腿部が拡大する向きに駆動力を作用させるだけで、大腿部と下腿部との角度が拡大する向きへの駆動力の作用がないため、膝関節の伸展の動作に対するアシストがなく、このような挙上動作に対して十分なアシスト効果を得ることができないという課題がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、膝の屈伸を伴う挙上動作に対して十分なアシスト効果を実現し得るアシストウェアを提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載のアシストウェアは、装着者が重量物を持ち上げる際の挙上動作をアシストするアシストウェアであって、前記装着者の側腰部における股関節に対向する部位に配設される第１駆動部と、基端部側が前記第１駆動部に接続されて先端部側で当該第１駆動部の駆動力を大腿部に作用させる第１アームと、前記装着者の膝部の外側部に配設される第２駆動部と、基端部が前記第２駆動部に接続されて先端部側で当該第２駆動部の駆動力を下腿部に作用させる第２アームと、前記第１駆動部および前記第２駆動部を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、第１駆動部によって検出される前記装着者と第１駆動部との間の相互作用トルク、第２駆動部によって検出される前記装着者と第２駆動部との間の相互作用トルクに基づいて神経振動子モデルによる解析を行うことによって前記装着者の上体と大腿部との角度の目標角度、および大腿部と下腿部との角度の目標角度を求め、現在の各角度と各目標角度との差を特定し、相互作用トルクを再度検出して新たに目標角度を設定して再度第１駆動部および第２駆動部を駆動する補正制御を繰り返し行う同調制御としての第１の同調制御を実行して、前記装着者の前記挙上動作に同調して前記駆動力を発生させて当該挙上動作をアシストする。

また、請求項２記載のアシストウェアは、請求項１記載のアシストウェアにおいて、前記制御装置は、前記同調制御としての第２の同調制御を実行して、前記装着者の歩行動作に同調して前記駆動力を発生させて当該歩行動作をアシストする。

また、請求項３記載のアシストウェアは、請求項１または２記載のアシストウェアにおいて、前記制御装置は、前記同調制御としての第３の同調制御を実行して、前記装着者の起立動作に同調して前記駆動力を発生させて当該起立動作をアシストする。

請求項１記載のアシストウェアによれば、装着者の挙上動作に同調して第１駆動部および第２駆動部を制御して挙上動作をアシストする第１の同調制御を制御装置が実行することにより、装着者の挙上動作において、上体と大腿部との角度が拡大する動作のアシストに加えて、大腿部と下腿部との角度が拡大する動作のアシストを行うことができる。このため、このアシストウェアによれば、膝の屈伸を伴う挙上動作に対して十分なアシスト効果を実現することができる。

また、請求項２記載のアシストウェアによれば、装着者の歩行動作に同調して第１駆動部および第２駆動部を制御して歩行動作をアシストする第２の同調制御を制御装置が実行することにより、起立動作のアシストに加えて、歩行動作のアシストも行わせることができるため、アシストウェアの利便性が向上し、アシストウェアの活用範囲を広げることができる。

また、請求項３記載のアシストウェアによれば、装着者の起立動作に同調して第１駆動部および第２駆動部を制御して起立動作をアシストする第３の同調制御を制御装置が実行することにより、挙上動作のアシストに加えて、起立動作のアシストも行わせることができるため、アシストウェアの利便性が向上し、アシストウェアの活用範囲を広げることができる。

アシストウェア１の構成を示す構成図である。 装着者２００がアシストウェア１を装着した状態を示す装着状態図である。 角度θ１と相互作用トルクＴ１との関係を示す関係図である。 角度θ２と相互作用トルクＴ２との関係を示す関係図である。 アシストウェア１の動作を説明する説明図である。

以下、アシストウェアの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、アシストウェアの一例としての図１，２に示すアシストウェア１の構成について説明する。アシストウェア１は、装着者２００が重量物を持ち上げる際の挙上動作をアシストする挙上動作アシスト機能を有すると共に、装着者２００の歩行動作をアシストする歩行動作アシスト機能、および装着者２００の起立動作をアシストする起立動作アシスト機能を備えている。

ここで、重量物を持ち上げる際の代表的な挙上動作には、Squat法とStoop法とがある。Squat法は、膝を曲げてしゃがみこむ姿勢で重量物を掴み、その姿勢から膝関節を伸展させて重量物を持ち上げる方法である。一方、Stoop法は、膝関節を伸展したまま上体を前方に傾斜させて重量物を掴み、その姿勢から股関節を伸展させて重量物を持ち上げる方法である。この場合、Squat法は、Stoop法に比べて腰への負担が少ないため、腰部の故障を防止する観点から重量物を持ち上げる作業において採用することが推奨されている。これを踏まえ、本願のアシストウェア１は、主としてSquat法による挙上動作において高いアシスト効果を発揮するように構成されている。

具体的には、アシストウェア１は、図１，２に示すように、ウエストベルト１１、一対の股関節ユニット１２、一対の膝関節ユニット１３、バッテリ１４、制御装置１５、並びにバッテリ１４および制御装置１５を収容するコントロールボックス５０を備えて構成されている。

ウエストベルト１１は、一例として、一部に硬質の材料が用いられると共に一部に弾性を有する材料が用いられたベルトと、そのベルトの両端部に配設された連結部材（例えば、面ファスナ）とを備えて、長さの調整が可能に構成されて、図２に示すように、装着者２００の腰部に装着される。

各股関節ユニット１２は、図２に示すように、股関節アクチュエータ２１およびアーム２２をそれぞれ備えて構成されている。股関節アクチュエータ２１は、第１駆動部に相当し、回転軸を回転させて回転力を発生するモータＭと、モータＭの回転軸の回転数をアシストに適した回転数に減速する減速機Ｒと、モータＭおよび減速機Ｒを保持する保持部Ｈとを備えて構成されている。また、各股関節ユニット１２は、図２に示すように、装着者２００の左右の側腰部における左右の股関節にそれぞれ対向する部位に減速機Ｒの回転軸が位置するように、保持部Ｈの先端部側（図２における上端部側）がウエストベルト１１に固定されている。

アーム２２は、第１アームに相当し、図２に示すように、股関節アクチュエータ２１における減速機Ｒの回転軸に基端部（図２における上端部）に接続されている。また、アーム２２は、装着者２００の大腿部の前側に先端部が当接するように先端部側が湾曲した形状に形成されて、後述する大腿部ベルト３０に先端部が固定されている。このアーム２２は、股関節アクチュエータ２１が発生する回転力を、装着者２００の大腿部に当接している先端部を介して大腿部に作用させる。

また、股関節アクチュエータ２１のモータＭには、図外のエンコーダが内蔵されており、このエンコーダからの出力信号に基づいて、装着者２００の上体と大腿部との角度（以下、この角度を「角度θ１」ともいう：図２，３参照）が制御装置１５によって検出される。また、股関節アクチュエータ２１の減速機Ｒには、トルクセンサとしての図外の歪ゲージが取り付けられており、この歪ゲージからの出力信号に基づいて、股関節アクチュエータ２１と装着者２００との相互作用によって発生する相互作用トルク（以下、この相互作用トルクを「相互作用トルクＴ１」ともいう：図３参照）が制御装置１５によって検出される。

各膝関節ユニット１３は、図２に示すように、大腿部ベルト３０、膝関節アクチュエータ３１、アーム３２および下腿部ベルト３３をそれぞれ備えて構成されている。大腿部ベルト３０は、一例として、ウエストベルト１１と同様に、一部に硬質の材料が用いられると共に一部に弾性を有する材料が用いられたベルトと、そのベルトの両端部に配設された例えば面ファスナ等の連結部材とを備えて、長さの調整が可能に構成されて、図２に示すように、装着者２００の大腿部（膝の近傍）に装着される。

膝関節アクチュエータ３１は、第２駆動部に相当し、回転軸を回転させて回転力を発生するモータＭと、モータＭの回転軸の回転数をアシストに適した回転数に減速する減速機Ｒと、モータＭおよび減速機Ｒを保持する保持部Ｈとを備えて構成されている。また、膝関節ユニット１３は、図２に示すように、装着者２００の膝部の外側部に減速機Ｒの回転軸が位置するように、保持部Ｈの先端部側（図２における上端部側）が大腿部ベルト３０に固定されている。なお、以下の説明において、股関節アクチュエータ２１および膝関節アクチュエータ３１を合わせて「アクチュエータ２１，３１」もいう。

アーム３２は、第２アームに相当し、図２に示すように、膝関節アクチュエータ３１における減速機Ｒの回転軸に基端部（図２における上端部）に接続されている。また、アーム３２は、装着者２００の下腿部（すねの下部）の前側に先端部が当接するように先端部側が湾曲した形状に形成されて、先端部が下腿部ベルト３３に固定されている。このアーム３２は、膝関節アクチュエータ３１が発生する回転力を、装着者２００の下腿部に当接している先端部を介して大腿部に作用させる。

下腿部ベルト３３は、一例として、ウエストベルト１１と同様に、一部に硬質の材料が用いられると共に一部に弾性を有する材料が用いられたベルトと、そのベルトの両端部に配設された例えば面ファスナ等の連結部材とを備えて、長さの調整が可能に構成されて、図２に示すように、装着者２００の下腿部（すねの下部）に装着される。

また、膝関節アクチュエータ３１のモータＭには、上述した股関節アクチュエータ２１のモータＭと同様にエンコーダが内蔵されており、このエンコーダからの出力信号に基づいて、装着者２００の大腿部と下腿部との角度（以下、この角度を「角度θ２」ともいう：図２，４参照）が制御装置１５によって検出される。また、膝関節アクチュエータ３１の減速機Ｒには、股関節アクチュエータ２１の減速機Ｒと同様に歪ゲージが取り付けられており、この歪ゲージからの出力信号に基づいて、膝関節アクチュエータ３１と装着者２００との相互作用によって発生する相互作用トルク（以下、この相互作用トルクを「相互作用トルクＴ２」ともいう：図４参照）が制御装置１５によって検出される。

バッテリ１４は、股関節アクチュエータ２１、膝関節アクチュエータ３１および制御装置１５の駆動用の電力を出力する。また、バッテリ１４は、図２に示すように、ウエストベルト１１に取り付けられたコントロールボックス５０内に制御装置１５と共に収容されている。

制御装置１５は、股関節アクチュエータ２１および膝関節アクチュエータ３１を制御する。具体的には、制御装置１５は、装着者２００の挙上動作に同調して、装着者２００の上体と大腿部との角度θ１が拡大する向きの回転力を発生させるように股関節アクチュエータ２１を制御すると共に、大腿部と下腿部との角度θ２が拡大する向きの回転力を発生させるように膝関節アクチュエータ３１を制御して装着者２００の挙上動作をアシストする第１の同調制御を実行する。

また、制御装置１５は、一例として、制御用ＰＣ、アンプ、ＡＤ変換器、Ｉ／Ｏインターフェース、Ｄ／Ａ変換器およびモータドライバを備えて構成されている。この制御装置１５では、制御用ＰＣが、第１の同調制御用プログラム（挙上動作アシスト用プログラム）を実行することにより、第１の同調制御のためのゲイン調整部、解析部およびＰＩＤ制御部として機能して、アシストウェア１の各アクチュエータ２１，３１に対して神経振動子を用いた第１の同調制御を行う。

具体的には、アクチュエータ２１，３１のトルクセンサによって検出される装着者２００とアクチュエータ２１，３１との間の相互作用トルクＴ１，Ｔ２が、アンプを介して増幅され、ＡＤ変換器によってデジタル信号に変換された後に、Ｉ／Ｏインターフェースを介して制御用ＰＣに取り込まれる。取り込まれた相互作用トルクＴ１，Ｔ２は、装着者２００とアシストウェア１との同調の度合いを調整するゲイン調整部を介して、解析部に入力される。解析部では、神経振動子モデルにより解析して、装着者２００の上体と大腿部との角度θ１の目標角、および大腿部と下腿部との角度θ２の目標角度を求め、現在の角度θ１，θ２と目標角度との差をＰＩＤ制御部に出力する。

ＰＩＤ制御部は、モータＭを駆動した結果得られる相互作用トルクＴ１，Ｔ２をトルクセンサによって再度検出し、解析部によって新たに目標角度を設定して、再度モータＭを駆動制御する。このようなモータＭの駆動を補正制御（ＰＩＤ制御）する操作を繰り返し行うことにより、第１の同調制御が行われる。また、制御用ＰＣは、ＰＩＤ制御部から出力される指令電圧をＤ／Ａ変換器を介してモータドライバに供給し、指令電圧に基づきモータドライバによりアクチュエータ２１，３１のモータＭを駆動する。

なお、第１の同調制御における角度θ１と相互作用トルクＴ１との関係を図３に示し、第１の同調制御における角度θ２と相互作用トルクＴ２との関を図４に示す。この場合、図３，４では、装着者２００が図２に示す直立状態（初期状態）のときの角度θ１，θ２を基準角度（１８０°）として、その基準角度との差分値（差分値の絶対値）の変化を示している。また、図３，４では、角度θ１，θ２が拡大する向きの相互作用トルクＴ１，Ｔ２を負の値で示している。

次に、アシストウェア１の使用方法、およびその際のアシストウェア１の動作について図面を参照して説明する。一例として、図５に示すように、アシストウェア１を装着した装着者２００がSquat法で重量物３００を持ち上げる（挙上動作を行う）際のアシストウェア１の動作について説明する。

まず、バッテリ１４の電源を投入する。この際に、制御装置１５に電源が供給され制御装置１５が作動する。次いで、制御装置１５は、挙上動作アシスト用プログラムに従って第１の同調制御を開始する。

次いで、装着者２００が重量物３００を掴むために、図５（ａ）に示す直立状態（初期状態）から図５（ｂ），（ｃ）に示すように膝を曲げたときには、装着者２００の上体と大腿部との角度θ１が縮小すると共に、装着者２００の大腿部と下腿部との角度θ２が縮小する。次いで、図５（ｄ）～（ｆ）に示すように、装着者２００が重量物３００を掴んで、挙上動作を行ったときには、上述した角度θ１が拡大すると共に、角度θ２が拡大する。

一方、アシストウェア１側では、制御装置１５が、図３，４に示すように、装着者２００の上体と大腿部との角度θ１に対応する股関節アクチュエータ２１の保持部Ｈとアーム２２との角度をモータＭのエンコーダからの出力信号に基づいて検出すると共に、装着者２００の大腿部と下腿部との角度θ２に対応する膝関節アクチュエータ３１の保持部Ｈとアーム３２との角度をモータＭのエンコーダからの出力信号に基づいて検出する。また、制御装置１５は、図３，４に示すように、アクチュエータ２１，３１のトルクセンサからの出力信号に基づいてアクチュエータ２１，３１と装着者２００との間の相互作用トルクＴ１，Ｔ２を検出する。

また、制御装置１５は、角度θ１，θ２の経時変化から角度θ１，θ２の目標角を求め、現在の角度θ１，θ２と目標角度との差を算出して、差に応じた指令電圧を出力する。次いで、制御装置１５は、指令電圧をＤ／Ａ変換器を介してモータドライバに供給することによってアクチュエータ２１，３１のモータＭを駆動制御する。

また、制御装置１５は、相互作用トルクＴ１，Ｔ２をトルクセンサによって再度検出すると共に、新たに目標角度を設定して、再度アクチュエータ２１，３１のモータＭを駆動制御する。制御装置１５は、このようなモータＭの駆動を補正制御（ＰＩＤ制御）する操作を繰り返し行うことにより、第１の同調制御を行い、これにより、装着者２００の挙上動作がアシストされる。この場合、このアシストウェア１では、上述したように、装着者２００の挙上動作において、上体と大腿部との角度θ１が拡縮する動作のアシストに加えて、大腿部と下腿部との角度θ２が拡縮する動作のアシストが行われるため、膝の屈伸を伴うSquat法による挙上動作に対して十分なアシスト効果が実現される。

一方、このアシストウェア１には、装着者２００の歩行動作をアシストする歩行動作アシスト機能が備えられている。この機能を利用するときには、図外の操作部を用いて歩行動作アシスト機能を有効とする操作を行う。この状態において、装着者２００が歩行動作を開始したときには、御装置１５が、角度θ１，θ２の経時変化から装着者２００が歩行動作に移行したことを判別し、装着者２００の歩行動作をアシストする第２の同調制御を実行する。この第２の同調制御では、制御装置１５は、上述した第１の同調制御と同様に、角度θ１，θ２をモータＭのエンコーダからの出力信号に基づいて検出すると共に、アクチュエータ２１，３１のトルクセンサからの出力信号に基づいてアクチュエータ２１，３１と装着者２００との間の相互作用トルクＴ１，Ｔ２を検出する。また、制御装置１５は、角度θ１，θ２および相互作用トルクＴ１，Ｔ２に基づいて補正制御（ＰＩＤ制御）を行いつつ指令電圧を供給することによってアクチュエータ２１，３１のモータＭを駆動制御する。これにより、装着者２００の歩行動作がアシストされる。

また、このアシストウェア１には、装着者２００の起立動作（着座姿勢から起立する動作）をアシストする起立動作アシスト機能が備えられている。この機能を利用するときには、図外の操作部を用いて起立動作アシストを有効とする操作を行う。この状態において、装着者２００が着座姿勢から起立動作に移行したときには、御装置１５が、角度θ１，θ２の経時変化から装着者２００が起立動作に移行したことを判別し、装着者２００の起立動作をアシストする第３の同調制御を実行する。この第３の同調制御では、制御装置１５は、上述した第１の同調制御と同様に、角度θ１，θ２をモータＭのエンコーダからの出力信号に基づいて検出すると共に、アクチュエータ２１，３１のトルクセンサからの出力信号に基づいて装着者２００とアクチュエータ２１，３１との間の相互作用トルクＴ１，Ｔ２を検出する。また、制御装置１５は、角度θ１，θ２および相互作用トルクＴ１，Ｔ２に基づいて補正制御（ＰＩＤ制御）を行いつつ指令電圧を供給することによってアクチュエータ２１，３１のモータＭを駆動制御する。これにより、装着者２００の起立動作がアシストされる。

このように、本願のアシストウェア１によれば、装着者２００の挙上動作に同調して股関節アクチュエータ２１および膝関節アクチュエータ３１を制御して装着者２００の挙上動作をアシストする第１の同調制御を制御装置１５が実行することにより、装着者２００の挙上動作において、上体と大腿部との角度θ１が拡大する動作のアシストに加えて、大腿部と下腿部との角度θ２が拡大する動作のアシストを行うことができる。このため、このアシストウェア１によれば、膝の屈伸を伴う挙上動作に対して十分なアシスト効果を実現することができる。

また、本願のアシストウェア１によれば、装着者２００の歩行動作に同調して股関節アクチュエータ２１および膝関節アクチュエータ３１を制御して歩行動作をアシストする第２の同調制御を制御装置１５が実行することにより、起立動作のアシストに加えて、歩行動作のアシストも行わせることができるため、アシストウェア１の利便性が向上し、アシストウェア１の活用範囲を広げることができる。

また、本願のアシストウェア１によれば、装着者２００の起立動作に同調して股関節アクチュエータ２１および膝関節アクチュエータ３１を制御して起立動作をアシストする第３の同調制御を制御装置１５が実行することにより、挙上動作のアシストに加えて、起立動作のアシストも行わせることができるため、アシストウェア１の利便性が向上し、アシストウェア１の活用範囲を広げることができる。

なお、上述したアシストウェア１の構成は、本願のアシストウェアの一例であって、適宜変更した構成を採用することができる。例えば、上述したアシストウェア１では、第１～第３の３種類の同調制御を備えた構成を採用しているが、３種類の同調制御のうちの第１の同調制御を含む２種類の同調制御だけを備えた構成を採用することもできる。

また、上述したアシストウェア１では、制御装置１５をコントロールボックス５０内に収容してアシストウェア１と一体とした構成を採用しているが、制御装置１５の制御用ＰＣをアシストウェア１とは別体とし、制御用ＰＣが有線通信または無線通信によってアシストウェア１を制御する構成を採用することもできる。

また、第１の同調制御だけを実行する（つまり、挙上動作アシスト機能に特化した）構成を採用することもできる。

１ アシストウェア
１５ 制御装置
２１ 股関節アクチュエータ
２２ アーム
３１ 膝関節アクチュエータ
３２ アーム
２００ 装着者
３００ 重量物

Claims (3)

1. 装着者が重量物を持ち上げる際の挙上動作をアシストするアシストウェアであって、
   前記装着者の側腰部における股関節に対向する部位に配設される第１駆動部と、基端部側が前記第１駆動部に接続されて先端部側で当該第１駆動部の駆動力を大腿部に作用させる第１アームと、前記装着者の膝部の外側部に配設される第２駆動部と、基端部が前記第２駆動部に接続されて先端部側で当該第２駆動部の駆動力を下腿部に作用させる第２アームと、前記第１駆動部および前記第２駆動部を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、第１駆動部によって検出される前記装着者と第１駆動部との間の相互作用トルク、第２駆動部によって検出される前記装着者と第２駆動部との間の相互作用トルクに基づいて神経振動子モデルによる解析を行うことによって前記装着者の上体と大腿部との角度の目標角度、および大腿部と下腿部との角度の目標角度を求め、現在の各角度と各目標角度との差を特定し、相互作用トルクを再度検出して新たに目標角度を設定して再度第１駆動部および第２駆動部を駆動する補正制御を繰り返し行う同調制御としての第１の同調制御を実行して、前記装着者の前記挙上動作に同調して前記駆動力を発生させて当該挙上動作をアシストするアシストウェア。
2. 前記制御装置は、前記同調制御としての第２の同調制御を実行して、前記装着者の歩行動作に同調して前記駆動力を発生させて当該歩行動作をアシストする請求項１記載のアシストウェア。
3. 前記制御装置は、前記同調制御としての第３の同調制御を実行して、前記装着者の起立動作に同調して前記駆動力を発生させて当該起立動作をアシストする請求項１または２記載のアシストウェア。

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