JP7462210B2 - パワーアシスト装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワーアシスト装置に関する。

従来、作業者の作業労力を軽減するためのパワーアシスト装置が開発されている（例えば、特許文献１）。このようなパワーアシスト装置により、作業者の腕の上げ下ろしが補助されることで作業労力が軽減するため、物流、農業、建設業、または介護などの様々な分野において実用化が進められている。

特開２０１８－１４９６１３号公報

一方、実際の作業現場においては、作業者は腕の上げ下ろし以外の複雑な動きをする場合がある。たとえば荷物を運ぶ場合、作業者は荷物を把持したまま上半身を屈曲させた状態から起こしたり（以下、上半身の伸展ともいう）、脊椎を軸として上半身を左右へ回転（以下、上半身の回旋ともいう）させたりすることがある。このような場合に、上記特許文献１に記載されているようなパワーアシスト装置では、作業者の労力軽減に十分に寄与しているとは言い難い面があった。

本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、作業者が行う複雑な動きをより適切に動作を補助して、労力を確実に軽減するパワーアシスト装置を提供することである。

本発明によれば、使用者に装着されるパワーアシスト装置であって、アクチュエータと、回旋センサと、制御装置を備え、前記アクチュエータは、収縮および伸長を制御可能に構成され、前記回旋センサは、前記使用者の上半身における左右への回旋を検知し、前記制御装置は、前記回旋センサにより検知された回旋の度合いが所定の閾値を超えると、前記左右への回旋の角度が増加する方向に前記上半身を回旋させるように前記アクチュエータを制御する、パワーアシスト装置が提供される。

このような構成とすることにより、使用者が上半身を左右に回旋させる際に、当該回旋を検知して回旋動作を補助するようにアクチュエータが制御される。これにより、使用者の回旋運動が補助され、作業者の労力が確実に軽減される。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴が独立に発明を構成する。

好ましくは、荷物検知センサをさらに備え、前記荷物検知センサは、前記使用者が荷物を把持しているか否かを検知し、前記制御装置は、前記使用者が荷物を把持している場合に、前記アクチュエータを制御する。
好ましくは、使用者によって操作可能な操作スイッチをさらに備え、前記制御装置は、前記回旋センサにより検知された回旋の度合いが所定の閾値を超えている状態で前記操作スイッチが操作されると、前記左右への回旋の角度が減少する方向に前記上半身を回旋させるように前記アクチュエータを制御する。
好ましくは、前記制御装置は、前記回旋センサにより検知された回旋の度合いが所定の閾値を超えていない状態で前記操作スイッチが操作されると、前記使用者の上半身を起こさせるように、前記アクチュエータを制御する。
好ましくは、前記回旋センサはロードセルである。
好ましくは、前記ロードセルは、前記使用者の上半身の屈曲をさらに検知可能に配置され、前記制御装置は、前記使用者が荷物を把持している場合に、前記ロードセルが検知した前記屈曲の度合いが所定の閾値を超えると、前記使用者の上半身を起こさせるように前記アクチュエータを制御する。
好ましくは、前記回旋センサは、前記回旋の度合いとして回旋の角度を検知する。
好ましくは、前記アクチュエータは、人工筋肉で構成されている。
好ましくは、前記人工筋肉はマッキベン型の人工筋肉である。
好ましくは、前記アクチュエータは、一方の端部が前記使用者の背中の上方側端部に、他方の端部が前記背中の下方であって、左右方向の中央部に位置するように１対配置される。
好ましくは、前記使用者の背中に取り付けられる第１取付部を備え、前記第１取付部は、水平方向に延伸した補強プレートを有する。
好ましくは、前記使用者の腰部に取り付けられる第２取付部を備え、前記補強プレートと前記第２取付部とは、上下方向に延伸した連結プレートによって連結される。
好ましくは、前記アクチュエータの他方の端部は、前記連結プレートに取り付けられる。
好ましくは、前記回旋センサが検知する回旋の基準軸である脊椎軸をさらに備え、前記脊椎軸は、コイルばね継手にて連結されている。
好ましくは、下半身アシスト機構を更に備え、前記下半身アシスト機構は、前記使用者の腰部または膝部の屈曲に伴い蓄勢され、前記腰部または膝部への負荷を軽減する。
好ましくは、前記下半身アシスト機構は、ぜんまいばねを備え、前記ぜんまいばねのばねとしての長さを調整するアタッチメントをさらに備える。

本願発明の第１実施形態に係るパワーアシスト装置Ｐの全体斜視図である。 上半身機構１の斜視図である。 パワーアシスト装置Ｐの機能構成を示すブロック図である。 下半身機構３の斜視図である。 図５Ａは腰部アシスト機構３１の分解斜視図である。図５Ｂは腰部アシスト機構３１の別の角度から見た分解斜視図である。 図６Ａは膝部アシスト機構３２の分解斜視図である。図６Ｂは膝部アシスト機構３２の別の角度から見た分解斜視図である。 図７Ａは左人工筋肉１１に空気が供給されたときの上半身機構１の動作を示す図である。図７Ｂは右人工筋肉１２に空気が供給されたときの上半身機構１の動作を示す図である。図７Ｃは左人工筋肉１１および右人工筋肉１２に空気が供給されたときの上半身機構１の動作を示す図である。 パワーアシスト装置Ｐを用いた上半身の回旋動作補助を説明する図である。 パワーアシスト装置Ｐを用いた上半身の伸展動作補助を説明する図である。 パワーアシスト装置Ｐの実施例を示す図である。 図１１Ａは第２実施形態に係る上半身機構１の斜視図である。図１１Ｂは図１１Ａにおける領域Ｄ１の拡大図である。 図１２Ａは第３実施形態に係る腰部アシスト機構３１の一部を示す図である。図１２Ｂは図１２Ａにおける領域Ｄ２の拡大図である。 図１３Ａは第４実施形態に係る背中プレート１３の斜視図である。図１３Ｂは図１３Ａにおける領域Ｄ３の拡大図である。 図１４Ａは、右方向への回旋時におけるロードセル７０にかかる負荷を説明する図である。図１４Ｂは、左方向への回旋時におけるロードセル７０にかかる負荷を説明する図である。 図１５Ａは、前方向への屈曲時におけるロードセル７０にかかる負荷を説明する図である。図１５Ｂは、後方向への屈曲時におけるロードセル７０にかかる負荷を説明する図である。 図１６Ａは、左右方向への回旋を行った場合の実施例を示す図である。図１６Ｂは、前後方向への屈曲を行った場合の実施例を示す図である。

＜１．第１実施形態＞
図１に第１実施形態にかかるパワーアシスト装置Ｐを示す。パワーアシスト装置Ｐは、上半身機構１と、制御ボックス２と、下半身機構３を備える。上半身機構１は作業者の上半身に装着され、下半身機構３は作業者の下半身に装着される。以下、各構成について詳細に説明する。なお、以下の説明においては、パワーアシスト装置Ｐを装着する使用者の人体を基準として、上下左右および前後の方向を規定する。また、上半身の回旋については、平面視における時計回りを右方向への回旋とし、反時計回りを左方向への回旋とする。

（１．１．上半身機構１）
図２に示すように、上半身機構１は、前面が使用者の背中に接するように装着される背中プレート１３（第１取付部に相当）と、使用者の腰部に巻きつけられて装着される腰部プレート１８（第２取付部に相当）を備える。

背中プレート１３は平板状に形成され、装着時に使用者の左右の肩甲骨周辺に位置する一対の翼部１３ａと、翼部１３ａ同士を連結する中央部１３ｂを有する。翼部１３ａの上下方向の長さは、中央部１３ｂ側で長く、左右方向の両端側において短くなるように構成されている。中央部１３ｂは、１対の翼部１３ａ同士を連結している。背中プレート１３の後面には、左人工筋肉１１および右人工筋肉１２（アクチュエータに相当）、回旋センサ１４、およびＴ字プレート１６が配置されている。

左人工筋肉１１および右人工筋肉１２は、一例としてマッキベン型の人工筋肉であり、使用者の身体の動きに追従する柔軟性を有し、不図示の配管を通して空気が供給されることにより収縮し、供給された空気を排出することにより伸長するように構成されている。左人工筋肉１１の一端は左側の翼部１３ａにおける上方側左端部に取り付けられ、右人工筋肉１２の一端は右側の翼部１３ａにおける上方側右端部に取り付けられる。

回旋センサ１４は、いわゆるポテンショメータであり、背中プレート１３の中央部１３ｂの後面に取り付けられる。回旋センサ１４には、下方向に腰部プレート１８まで伸びる脊椎軸１５が取り付けられている。回旋センサ１４は、脊椎軸１５の軸心回りの回転角度を検知することにより、使用者の上半身の左右方向の回旋を検知可能に構成されている。この場合、回旋の度合いとは回旋センサ１４が検知する回転の角度のことである。

Ｔ字プレート１６は、水平方向に伸びる補強プレート１６ａと、補強プレートの左右方向の中央部から下方向に伸びる延伸プレート１６ｂを有する。補強プレート１６ａは、両端が左右の翼部１３ａにおける下側部分にそれぞれ取り付けられている。

腰部プレート１８は、使用者の腰部に巻きつけられように平面視においてＣ字状の帯状物であり、連結プレート１７と、締結部１９が取り付けられている。

連結プレート１７は、腰部プレート１８の後面であって左右方向の中央部に取り付けられており、上方向に伸びてＴ字プレート１６の延伸プレート１６ｂと接続されている。連結プレート１７の上下方向の中途部分には左人工筋肉１１および右人工筋肉１２の他端が取り付けられている。すなわち、左人工筋肉１１および右人工筋肉１２の他端は、装着時に使用者の背中の下方であって、左右方向の中央部に位置するように配置される。

ここで、左人工筋肉１１および右人工筋肉１２の一端側が他端側に対して前方となるように、背中プレート１３は平面視において湾曲しているのが好ましい。すなわち、背中プレート１３は、平面視において中央部に対して左右端部が前方へ位置するように湾曲しているのが好ましい。このような形状とすることにより、左人工筋肉１１または右人工筋肉１２が収縮したときに、上半身機構１の回旋をスムーズに行うことが可能となる。

連結プレート１７は、延伸プレート１６ｂと接続されることにより、Ｔ字プレート１６の水平方向に伸びる補強プレート１６ａと腰部プレート１８を連結している。締結部１９は、腰部プレート１８の左右端部に１対設けられており、下半身機構３が備える締結アーム３６（図４参照）と締結可能に構成されている。

腰部プレート１８の背面にはさらに、制御ボックス２が取り付けられている。制御ボックス２内には、上半身機構１を制御するための器具が収納されている。以下、制御ボックス２を含めた制御系の機能構成を説明する。

（１．２．制御系の機能構成）
図３に示すように、制御ボックス２は、制御装置２１と、レギュレータ２２と、バッテリー２３と、トランジスタアレイ２４とソレノイドバルブ２５を備える。

制御装置２１は、いわゆるワンボードマイコンで構成され、上半身機構１の制御を行う。具体的には、使用者の手に装着される圧力検出グローブ２６からの圧力値および回旋センサ１４からの回旋検知に基づいて、トランジスタアレイ２４に制御信号を発信する。圧力値および回旋検知に基づく制御の詳細は後述する。

圧力検出グローブ２６は、手のひらセンサ２７（荷物検知センサに相当）と親指センサ２８（操作スイッチに相当）を含む。手のひらセンサ２７は、手のひらにかかる荷重を検知することにより、使用者が荷物を保持しているか否かを検知する。親指センサ２８は、使用者の所望のタイミングでＯＮ／ＯＦＦの切り替え操作が可能な操作スイッチとして機能する。

レギュレータ２２は、バッテリー２３から供給された電源の電圧を調整し、制御装置２１へ電源を供給する。トランジスタアレイ２４は、制御装置２１からの制御信号に基づいて、ソレノイドバルブ２５への電流を制御する。

ソレノイドバルブ２５は、外気を圧縮して圧縮空気として供給するコンプレッサー２９と接続されており、トランジスタアレイ２４からの電流に基づいて、バルブの開閉を行う。これにより、左人工筋肉１１および右人工筋肉１２への空気の供給および排出が制御される。その結果、左人工筋肉１１および右人工筋肉１２の収縮および伸長が制御される。

（１．３．下半身機構３）
図４に示すように、下半身機構３は、腰部アシスト機構３１、膝部アシスト機構３２、大腿部カフ３３、脛部カフ３４、足首部カフ３５を左右一対ずつ備える。腰部アシスト機構３１および膝部アシスト機構３２の詳細は後述する。

腰部アシスト機構３１には、上方へ伸びる締結アーム３６が接続されている。締結アーム３６は、上述の通り、腰部プレート１８に取り付けられた締結部１９と締結可能に構成されている。腰部アシスト機構３１と膝部アシスト機構３２は、大腿部アーム３７で接続されている。大腿部アーム３７は、使用者の大腿部に沿って伸びる平板であり、一例としてステンレスで構成され、使用者の腰部のひねりに対して追随可能な程度の弾性を備える。これにより、使用者の動作を妨げることを抑制することができる。

大腿部アーム３７の下端であって、膝部アシスト機構３２の上方には、大腿部カフ３３が取り付けられている。大腿部カフ３３は、例えば布状のベルトで構成されており、使用者の大腿部に巻き付けることにより、大腿部アーム３７が使用者の大腿部に対して固定される。

膝部アシスト機構３２の下端には、下方に伸びる脛部アーム３８が接続されている。脛部アーム３８は、使用者の脛部に沿って伸びる平板状に形成されている。脛部アーム３８の上側には脛部カフ３４が、下側には足首部カフ３５がそれぞれ取り付けられている。脛部カフ３４および足首部カフ３５は、例えば布状のベルトで構成されており、使用者の脛部および足首部に巻き付けることにより、脛部アーム３８が使用者の脛部に対して固定される。

（１．４．腰部アシスト機構３１）
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、腰部アシスト機構３１は、ぜんまいばねケース４１、ぜんまいばね４２、基板４３、シャフト４４、連結ギア４６、回転ギア４７、回転アーム４８を備える。ぜんまいばねケース４１は、平板状に形成された基板４３の一方の面に取り付けられる。ぜんまいばねケース４１は、内部にぜんまいばね４２を収容している。

ぜんまいばね４２は、一例としていわゆる非接触型の渦巻きばねであり、ステンレスなどで構成される。ぜんまいばね４２の中央に形成された係合部４２ａは、基板４３を貫通するように配置されるシャフト４４と係合する。一方、ぜんまいばね４２の最も外側には係止部４２ｂが形成されており、基板４３上に形成された突起４３ａにより係止されている。

基板４３の他方の面には、シャフト４４とギアケース４５と連結ギア４６と回転ギア４７が配置される。ギアケース４５は、連結ギア４６と回転ギア４７を収容する。回転ギア４７の回転は、連結ギア４６を介してシャフト４４へ伝達するように構成されている。回転ギア４７は、下方向の伸びる回転アーム４８と接続されている。

回転アーム４８の下部は、大腿部アーム３７と接続されている。そのため、使用者が腰部の角度を屈曲させると、大腿部アーム３７と連結された回転アーム４８が回転し、当該回転により回転ギア４７が回転される。回転ギア４７の回転は連結ギア４６を介してシャフト４４へ伝達され、ぜんまいばね４２の係合部４２ａが回転する。一方、ぜんまいばね４２の係止部４２ｂは基板４３に対して係止されている。その結果、ぜんまいばね４２が蓄勢される。

このように、使用者の腰部の屈曲に伴いぜんまいばね４２が蓄勢されるため、当該蓄勢された力によって腰部の屈曲を維持することができる。また、腰部の伸展時には当該蓄勢された力を利用することができ、使用者の負担が軽減される。

（１．５．膝部アシスト機構３２）
図６Ａおよび図６Ｂに示すように、膝部アシスト機構３２は、ギアカムカバー５１、基板５２、シャフト５３、ぜんまいばね５５、ぜんまいばねケース５６を備える。ぜんまいばねケース５６は、平板状に形成された基板５２の一方の面に取り付けられる。ぜんまいばねケース４１は、内部にぜんまいばね４２を収容している。

ぜんまいばね５５は、腰部アシスト機構３１の備えるぜんまいばね４２と同種のものを用いることができる。ぜんまいばね５５の中央に形成された係合部５５ａは、基板５２を貫通するように配置されるシャフト５３と係合する。ぜんまいばね５５の最も外側には係止部５５ｂが形成されており、基板５２上に形成された突起（不図示）により係止されている。

基板５２の上端には、大腿部アーム３７が接続されている。基板５２の他方の面には、シャフト５３とギアカム５４とギアカムカバー５１が配置される。ギアカムカバー５１は、ギアカム５４を収容する。ギアカム５４は、基板５２に取り付けられたベアリング５２ａおよび５２ｂにより、回動可能に支持されている。ギアカム５４は、下方向の伸びる延伸アーム５４ａを備える。

延伸アーム５４ａは、脛部アーム３８と接続されている。そのため、使用者が膝部の角度を屈曲させると、脛部アーム３８と連結された延伸アーム５４ａが回動し、当該回動によりシャフト５３が回転される。シャフト５３の回転により、ぜんまいばね５５の係合部５５ａが回転する。一方、ぜんまいばね５５の係止部５５ｂは基板５２に対して係止されている。その結果、ぜんまいばね５５が蓄勢される。

このように、使用者の膝部の屈曲に伴いぜんまいばね５５が蓄勢されるため、当該蓄勢された力によって膝部の屈曲を維持することができる。また、膝部の伸展時には当該蓄勢された力を利用することができ、使用者の負担が軽減される。

（１．６．上半身機構１の制御）
図７を参照し、左人工筋肉１１および右人工筋肉１２の制御について説明する。図７Ａに示すように、左人工筋肉１１に空気が供給されると、左人工筋肉１１が収縮する。そのため、左側の翼部１３ａは、左人工筋肉１１の収縮の分力によって右後方へ引っ張られる。その結果、上半身機構１は、脊椎軸１５を軸として左方向（図７Ａにおける白矢印方向）に回旋する。

ここで、背中プレート１３には、Ｔ字プレート１６が取り付けられている。そのため、左側の翼部１３ａに取り付けられたＴ字プレート１６の左端部が後方へ引っ張られた際に、Ｔ字プレート１６の右端部が右側の翼部１３ａを前方へ押圧することとなり、上半身機構１の回旋がよりスムーズに実現される。

一方、図７Ｂに示すように、右人工筋肉１２に空気が供給されると、右人工筋肉１２が収縮する。そのため、右側の翼部１３ａは、右人工筋肉１２の収縮の分力によって左後方へ引っ張られる。その結果、上半身機構１は、脊椎軸１５を軸として右方向（図７Ｂにおける白矢印方向）に回旋する。

図７Ｃに示すように、左人工筋肉１１および右人工筋肉１２の両方に空気が供給された場合は、左右両側の翼部１３ａが左人工筋肉１１および右人工筋肉１２によって引っ張られることとなる。この場合、左右方向の分力が打ち消されるため、上半身機構１は、上半身を起こす方向（図７Ｃにおける白矢印方向）に回動する。

（１．７．作業時の上半身機構１の動作）
図８および図９を参照し、作業時の上半身機構１の動作を説明する。図８および図９において、人工筋肉のＯＮ状態とは空気が内部に供給されて収縮している状態を意味し、ＯＦＦ状態とは内部の空気が排出されて伸長している状態を指している。

まず、図８を参照して、右方向への回旋動作の補助（以下、右回旋アシストともいう）における動作について説明する。使用者が荷物を把持すると、圧力検出グローブ２６が備える手のひらセンサ２７は、荷物の把持を検知する（ＯＮ状態）。この状態で、使用者が所定の角度以上回転したことを回旋センサが検知すると、右回旋アシストが実施される。

具体的には、回旋センサ１４によって検知された角度（回旋の度合い）が所定の閾値を超えると、制御装置２１は右人工筋肉１２に空気を供給するように制御信号を発信する。これにより、トランジスタアレイ２４によってソレノイドバルブ２５への電流が制御され、コンプレッサー２９からの空気が右人工筋肉１２へ供給される。その結果、右人工筋肉１２が収縮し、右方向への回旋が動作補助される。

上半身を正面に戻す場合には、使用者は圧力検出グローブ２６に設けられた親指センサ２８を瞬間的にＯＮとする操作を行う。こうすることで、右人工筋肉１２への供給された空気が排出されるとともに、左人工筋肉１１へ瞬間的に空気が供給され、左方向への回旋が瞬間的に動作補助される。これをきっかけとして、使用者は容易に上半身を正面に戻すことができる。

次に、図９を参照して、上半身の伸展動作の補助（以下、伸展アシストともいう）における動作について説明する。使用者が状態を屈曲させた状態で荷物を把持すると、手のひらセンサ２７によって、荷物が把持されていることが検知される。この状態で、使用者が親指センサ２８をＯＮに操作すると、親指センサ２８をＯＮになっている間、左人工筋肉１１と右人工筋肉１２の両方に空気が供給される。

これにより、上半身機構１が伸展方向へ回動し、伸展アシストが実現される。その後、使用者が親指センサ２８をＯＦＦにすると、左人工筋肉１１および右人工筋肉１２へ供給された空気が排出され、伸展アシストが終了する。

以上のようにして、第１実施形態に係るパワーアシスト装置Ｐは、アクチュエータとしての左人工筋肉１１および右人工筋肉１２と、回旋センサ１４と、制御装置２１を備える。左人工筋肉１１および右人工筋肉１２は、収縮および伸長を制御可能に構成されている。回旋センサ１４は、使用者の上半身における左右への回旋の角度を検知し、制御装置２１は、回旋センサ１４により検知された角度が所定の閾値を超えると、当該角度が増加する方向に上半身を回旋させるように左人工筋肉１１および右人工筋肉１２を制御する。

このような構成とすることにより、作業者が上半身を左右方向へ回旋する場合や、上半身を屈曲状態から伸展される場合など、作業者が取り得る複雑な動きをより適切に動作を補助して、労力を確実に軽減するパワーアシスト装置を提供することが可能となる。

ここで、パワーアシスト装置Ｐは、荷物検知センサとしての手のひらセンサ２７を備えており、手のひらセンサ２７は、使用者が荷物を把持しているか否かを検知する。そして、制御装置２１は、使用者が荷物を把持している場合に、左人工筋肉１１および右人工筋肉１２の制御を行う。

このような構成とすることにより、使用者が荷物を把持していて動作の補助機能を必要とする場合にのみ、左人工筋肉１１および右人工筋肉１２の制御を行うことが可能となる。その結果、アシスト機能を必要としないときにおける誤作動を防止することが可能となる。

また、左人工筋肉１１および右人工筋肉１２は、一方の端部が使用者の背中の上方側端部に、他方の端部が背中の下方であって、左右方向の中央部に位置するように１対配置される。

このような構成とすることにより、人工筋肉の収縮の分力が左右方向および上下方向に発生することとなり、１対の人工筋肉といった簡易な構成で左右方向への回旋アシストと伸展アシストを実現することができる。

また、使用者の腰部に取り付けられる腰部プレート１８と、背中プレート１３に取り付けられた補強プレート１６ａとは、上下方向に延伸した連結プレート１７によって連結されている。

このような構成とすることにより、脊椎軸１５の後側に連結プレート１７が配置されるので、脊椎軸１５にたわみが発生することを防止することができ、回旋センサ１４の精度が向上する。

（１．８．実施例）
図１０を参照し、パワーアシスト装置Ｐの実施例を説明する。本実施例では、パワーアシスト装置Ｐを装着した３人の被験者が上半身の右回旋動作、左回旋動作、伸展動作を行った。そして、その際の右腹斜筋、左腹斜筋、脊柱起立筋の筋電位の測定を行った。さらに、同様の測定をパワーアシスト装置Ｐが装着されていない状態でも行い、測定された筋電位値の比率（装着状態での筋電位値／非装着状態での筋電位値）を求めることにより、負荷軽減率を求めた。

図１０に示すように、回旋動作においては、回旋方向と反対側の腹斜筋において５０％弱の負荷軽減が認められた。また、伸展動作については、脊柱起立筋において２０％の負荷軽減が認められた。すなわち本実施例より、パワーアシスト装置Ｐは、回旋動作および伸展動作について、使用者の労力軽減に確実に寄与することを読み取ることができる。

＜２．第２実施形態＞
図１１を参照し、第２実施形態にかかる上半身機構１を説明する。第２実施形態は第１実施形態と類似しており、脊椎軸１５がコイルばね継手６０を備える点が主な相違点である。以下、相違点を中心に説明する。

図１１Ｂに拡大して示すように、上半身機構１は脊椎軸１５の上下方向の中央部にコイルばね継手６０を備えており、コイルばね継手６０により脊椎軸１５が連結されている。このような構成とすることにより、使用者が上半身を屈曲させた際に、脊椎軸１５の前方への湾曲を妨げないので、回旋センサ１４の回旋検知の精度を維持することが可能となる。

コイルばね継手６０の材質は特に限定されないが、脊椎軸の湾曲を妨げず、回旋センサ１４の回旋検知を邪魔しない剛性と弾性を備えたものが望ましい。一例として、ハブ部６０ａをアルミ合金として、コイル部６０ｂをステンレスとすることができる。

＜３．第３実施形態＞
図１２を参照し、第３実施形態にかかる腰部アシスト機構３１を説明する。第３実施形態は第１実施形態と類似しており、腰部アシスト機構３１がぜんまいばね４２のばねとしての長さを調整するアタッチメント４９を取り付け可能に構成されている点が主な相違点である。以下、相違点を中心に説明する。

図１２Ｂに拡大して示すように腰部アシスト機構３１のぜんまいばね４２には、アタッチメント４９が取り付けられている。アタッチメント４９は、基板４３に設けられた係合孔４３ｂとネジ４９ａが係合することにより取り付けられている。アタッチメント４９は、ぜんまいばね４２の一部を挿通可能に構成されており、挿通されたぜんまいばね４２の一部を固定する。このようにすることにより、ぜんまいばね４２のばねとしての長さを調整することができる。

使用者は基板４３上に設けられた複数の係合孔４３ｂを選択し、選択した係合孔４３ｂとアタッチメント４９のネジ４９ａを係合することにより、アタッチメント４９の位置にぜんまいばね４２を固定する。これにより、シャフト４４が回転してぜんまいばねが巻かれた際に弾性力を発生させる箇所の長さ（ばねとしての長さ）が変化する。

このような構成とすることにより、使用者は自身の体重や脚部の長さ、または作業の負荷に応じて腰部アシスト機構３１の動作の補助時における蓄勢力を変更することができ、より適切に使用者の作業負荷を軽減することが可能となる。

＜４．第４実施形態＞
図１３～図１６を参照し、第４実施形態にかかる上半身機構１を説明する。第４実施形態は第１実施形態と類似しており、回旋センサ１４として上半身の回旋の角度を検知するポテンショメータの代わりに、Ｔ字プレート１６に取り付けられたロードセル７０を用いて、上半身の回旋および屈曲を検知する点が主な相違点である。この場合、回旋または屈曲の度合いとはロードセル７０にかかる負荷の大きさのことである。以下、相違点を中心に説明する。

図１３Ｂに拡大して示すように、背中プレート１３の翼部１３ａに取り付けられた補強プレート１６ａと、延伸プレート１６ｂとを連結するようにロードセル７０が配置されている。より具体的には、２つのロードセル７０ａおよび７０ｂが、延伸プレート１６ｂから右方向および左方向に沿って配置され、右側および左側の翼部１３ａと連結されている。

図１４Ａに示すように、上半身が右方向へ回旋する場合には、延伸プレート１６ｂの左側に取り付けられた左ロードセル７０ａに対して前向きに負荷がかかり、右側に取り付けられた右ロードセル７０ｂに対して後向きに負荷がかかる。これに対して、図１４Ｂに示すように、上半身が左方向へ回旋する場合には、左ロードセル７０ａに対して後向きに負荷がかかり、右ロードセル７０ｂに対して前向きに負荷がかかる。

また、図１５Ａに示すように、上半身が前方向へ屈曲する場合には、左ロードセル７０ａおよび右ロードセル７０ｂに対して前向きに負荷がかかる。これに対して、図１５Ｂに示すように、上半身が後方向へ屈曲する場合には、左ロードセル７０ａおよび右ロードセル７０ｂに対して後向きに負荷がかかる。このように、延伸プレート１６ｂの左右にロードセル７０を配置することにより、ロードセル７０にかかる負荷に基づいて上半身の回旋および屈曲を検知することが可能となる。

図１６Ａには、上半身の左右方向への回旋を行った場合のロードセル７０にかかる負荷の検知結果が示されている。この例では、閾値Ｔｈ１を±０．２ｍ∨としている。このように、左ロードセル７０ａおよび右ロードセル７０ｂで、閾値Ｔ１以上であって正負が反対の電圧を検知した場合には、右方向または左方向への回旋を検知したことになる。

図１６Ｂには、上半身の前後方向への屈曲を行った場合のロードセル７０の検知結果が示されている。この例では、閾値Ｔｈ２を±１．０ｍ∨としている。このように、左ロードセル７０ａおよび右ロードセル７０ｂで、閾値Ｔ２以上であって正負が同じ電圧を検知した場合には、前方向または後方向への回旋を検知したことになる。

本実施形態にかかる上半身機構１では、ロードセル７０が検知した負荷に基づいて、上半身の回旋および屈曲を検知し、左人工筋肉１１および右人工筋肉１２の制御を行う。これにより、第１実施形態において作業者が親指センサ２８を操作することで伸展アシストを制御していた場合と比較して、上半身の回旋および屈曲の度合いを正確に判定した上で左人工筋肉１１および右人工筋肉１２の制御を行うことが可能となり、作業者のミスによる誤作動を低減することができる。また、回旋アシストについても、ポテンショメータなどの回旋の角度を検知する回旋センサ１４を用いる場合と比べて、応答性が向上する。

より好ましくは、手のひらセンサ２７が荷物を把持していると検知している場合に、上半身の屈曲の度合いが所定の閾値を超えると、左人工筋肉１１および右人工筋肉１２を制御して伸展アシストを行う。このようにすることで、荷物を把持していない状態で作業者が上半身を屈曲させた場合などに、不要な伸展アシストが発生することを防ぐことができる。

＜５．その他の実施形態＞
以上、実施形態について説明したが、本願の技術的範囲の適用範囲は、上記実施形態に限定されるものではない。

たとえば、上記実施形態では、荷物検知センサとして、圧力検出グローブ２６が備える手のひらセンサ２７を採用しているが、この例に限定されるものではない。手のひらセンサ２７に代えて、足の裏の踵部などに荷重を検知するセンサを設けても良いし、手のひらセンサ２７と足の裏のセンサとを併用してもよい。このように荷物検知センサとして複数のセンサを併用した場合には、使用者が荷物を把持しているか否かをより高い精度で検知することができ、誤作動をより確実に防ぐことができる。

また、上記実施形態では、コンプレッサー２９からアクチュエータとしての左人工筋肉１１および右人工筋肉１２へ圧縮空気を供給しているが、この例に限定されることはない。コンプレッサー２９に代えて、上半身機構１に搭載されたタンクから蓄えられた圧縮空気を供給してもよい。

また、上記実施形態では、アクチュエータとしてマッキベン型の人工筋肉が採用されているが、この例に限定されることはなく、マッキベン型以外の人工筋肉でもよい。この場合、使用者の動きに合わせて追従可能な柔軟性のある人工筋肉が好ましい。

また、人工筋肉以外の要素を用いてアクチュエータを構成してもよい。たとえば、アクチュエータとして、導電性高分子や形状記憶合金などを用いてもよい。または、アクチュエータとしてペルチェ素子を採用し、空気の代わりに沸点の低い液体を流し込むことにより、アクチュエータの収縮と伸長とを制御してもよい。

また、上記実施形態では、回旋センサとしてポテンショメータを用いているが、この例に限定されることはなく、ジャイロメーターなどの他のセンサを用いてもよい。また回転角度ではなく、回転速度や角速度などの他の物理量を検出するセンサを用いてもよい。

また、上記実施形態３では、腰部アシスト機構３１がぜんまいばね４２のバネとしての長さを調整可能なアタッチメント４９を備えている。これに代わり、膝部アシスト機構３２がぜんまいばね５５のバネとしての長さを調整可能としてもよいし、腰部アシスト機構３１および膝部アシスト機構３２のそれぞれが、ぜんまいばね４２およびぜんまいばね５５のばねとしての長さを調整可能である構成としてもよい。

本発明に係る種々の実施形態を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Ｐ ：パワーアシスト装置
１ ：上半身機構
２ ：制御ボックス
３ ：下半身機構
１１ ：左人工筋肉
１２ ：右人工筋肉
１３ ：背中プレート
１３ａ ：翼部
１３ｂ ：中央部
１４ ：回旋センサ
１５ ：脊椎軸
１６ ：Ｔ字プレート
１６ａ ：補強プレート
１６ｂ ：延伸プレート
１７ ：連結プレート
１８ ：腰部プレート
１９ ：締結部
２１ ：制御装置
２２ ：レギュレータ
２３ ：バッテリー
２４ ：トランジスタアレイ
２５ ：ソレノイドバルブ
２６ ：圧力検出グローブ
２７ ：センサ
２８ ：親指センサ
２９ ：コンプレッサー
３１ ：腰部アシスト機構
３２ ：膝部アシスト機構
３３ ：大腿部カフ
３４ ：脛部カフ
３５ ：足首部カフ
３６ ：締結アーム
３７ ：大腿部アーム
３８ ：脛部アーム
４１ ：ぜんまいばねケース
４２ ：ぜんまいばね
４２ａ ：係合部
４２ｂ ：係止部
４３ ：基板
４３ａ ：突起
４３ｂ ：係合孔
４４ ：シャフト
４５ ：ギアケース
４６ ：連結ギア
４７ ：回転ギア
４８ ：回転アーム
４９ ：アタッチメント
４９ａ ：ネジ
５１ ：ギアカムカバー
５２ ：基板
５２ａ ：ベアリング
５３ ：シャフト
５４ ：ギアカム
５４ａ ：延伸アーム
５５ ：ぜんまいばね
５５ａ ：係合部
５５ｂ ：係止部
５６ ：ぜんまいばねケース
６０ ：コイルばね継手
６０ａ ：ハブ部
６０ｂ ：コイル部
７０ ：ロードセル
７０ａ ：右ロードセル
７０ｂ ：左ロードセル

Claims (18)

1. 使用者に装着されるパワーアシスト装置であって、
   アクチュエータと、回旋センサと、制御装置を備え、
   前記アクチュエータは、収縮および伸長を制御可能に構成され、
   前記回旋センサは、前記使用者の上半身における左右への回旋の度合いを検知し、
   前記制御装置は、前記回旋の度合いが所定の閾値を超えると、前記左右への回旋の角度が増加する方向に前記上半身を回旋させるように前記アクチュエータを制御する、パワーアシスト装置。
2. 請求項１に記載のパワーアシスト装置であって、
   荷物検知センサをさらに備え、
   前記荷物検知センサは、前記使用者が荷物を把持しているか否かを検知し、
   前記制御装置は、前記使用者が荷物を把持している場合に、前記アクチュエータを制御する、パワーアシスト装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のパワーアシスト装置であって、
   使用者によって操作可能な操作スイッチをさらに備え、
   前記制御装置は、前記回旋センサにより検知された回旋の度合いが所定の閾値を超えている状態で前記操作スイッチが操作されると、前記左右への回旋の角度が減少する方向に前記上半身を回旋させるように前記アクチュエータを制御する、パワーアシスト装置。
4. 請求項３に記載のパワーアシスト装置であって、
   前記制御装置は、前記回旋センサにより検知された回旋の度合いが所定の閾値を超えていない状態で前記操作スイッチが操作されると、前記使用者の上半身を起こさせるように、前記アクチュエータを制御する、パワーアシスト装置。
5. 請求項１～請求項４に記載のパワーアシスト装置であって、
   前記回旋センサはロードセルである、パワーアシスト装置
6. 請求項５に記載のパワーアシスト装置であって、
   前記ロードセルは、前記使用者の上半身の屈曲をさらに検知可能に配置され、
   前記制御装置は、前記使用者が荷物を把持している場合に、前記ロードセルが検知した前記屈曲の度合いが所定の閾値を超えると、前記使用者の上半身を起こさせるように前記アクチュエータを制御する、パワーアシスト装置。
7. 請求項１～請求項４に記載のパワーアシスト装置であって、
   前記回旋センサは、前記回旋の度合いとして回旋の角度を検知する、パワーアシスト装置。
8. 請求項１～請求項７のいずれか１項に記載のパワーアシスト装置であって、
   前記アクチュエータは、人工筋肉で構成されている、パワーアシスト装置。
9. 請求項８に記載のパワーアシスト装置であって、
   前記人工筋肉はマッキベン型の人工筋肉である、パワーアシスト装置。
10. 請求項１～請求項９のいずれか１項に記載のパワーアシスト装置であって、
    前記アクチュエータは、一方の端部が前記使用者の背中の上方側端部に、他方の端部が前記背中の下方であって、左右方向の中央部に位置するように１対配置される、パワーアシスト装置。
11. 請求項１０に記載のパワーアシスト装置であって、
    前記使用者の背中に取り付けられる第１取付部を備え、
    前記第１取付部は、水平方向に延伸した補強プレートを有する、パワーアシスト装置。
12. 請求項１１に記載のパワーアシスト装置であって、
    前記使用者の腰部に取り付けられる第２取付部を備え、
    前記補強プレートと前記第２取付部とは、上下方向に延伸した連結プレートによって連結される、パワーアシスト装置。
13. 請求項１２に記載のパワーアシスト装置であって、
    前記アクチュエータの他方の端部は、前記連結プレートに取り付けられる、パワーアシスト装置。
14. 請求項１３に記載のパワーアシスト装置であって、
    前記回旋センサが検知する回旋の基準軸である脊椎軸をさらに備え、
    前記脊椎軸は、コイルばね継手にて連結されている、パワーアシスト装置。
15. 請求項１～請求項１４のいずれか１項に記載のパワーアシスト装置であって、
    下半身アシスト機構を更に備え、
    前記下半身アシスト機構は、前記使用者の腰部または膝部の屈曲に伴い蓄勢され、前記腰部または膝部への負荷を軽減する、パワーアシスト装置。
16. 請求項１５に記載のパワーアシスト装置であって、
    前記下半身アシスト機構は、ぜんまいばねを備え、
    前記ぜんまいばねのばねとしての長さを調整するアタッチメントをさらに備える、パワーアシスト装置。
17. 使用者に装着されるパワーアシスト装置であって、
    アクチュエータと、回旋センサと、制御装置を備え、
    前記アクチュエータは、一方の端部が前記使用者の背中の上方側端部に、他方の端部が前記背中の下方であって、左右方向の中央部に位置するように１対配置されて、収縮および伸長を制御可能に構成され、
    前記回旋センサは、前記使用者の上半身における左右への回旋を検知し、
    前記制御装置は、前記回旋センサにより検知された回旋の度合いが所定の閾値を超えると、前記左右への回旋の角度が増加する方向に前記上半身を回旋させるように前記アクチュエータを制御する、パワーアシスト装置。
18. 使用者に装着されるパワーアシスト装置であって、
    アクチュエータと、回旋センサと、制御装置と、使用者によって操作可能な操作スイッチとを備え、
    前記アクチュエータは、収縮および伸長を制御可能に構成され、
    前記回旋センサは、前記使用者の上半身における左右への回旋を検知し、
    前記制御装置は、前記回旋センサにより検知された回旋の度合いが所定の閾値を超えると、前記左右への回旋の角度が増加する方向に前記上半身を回旋させるように前記アクチュエータを制御し、前記回旋センサにより検知された回旋の度合いが所定の閾値を超えている状態で前記操作スイッチが操作されると、前記左右への回旋の角度が減少する方向に前記上半身を回旋させるように前記アクチュエータを制御し、前記回旋センサにより検知された回旋の度合いが所定の閾値を超えていない状態で前記操作スイッチが操作されると、前記使用者の上半身を起こさせるように前記アクチュエータを制御する、パワーアシスト装置。