JPWO2010098358A1 - 上肢動作補助装置 - Google Patents
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Abstract
Description
被補助者が把持操作可能な操作部(32,94)を有する多関節アーム(16)を備え、該操作部(32,94)に対する操作に応じて多関節アーム(16)を三次元動作することで被補助者の上肢動作を補助する上肢動作補助装置であって、
前記操作部(32,94)に設けられ、該操作部(32,94)に沿うX軸方向、該X軸に直交するY軸方向、X―Y軸に直交するZ軸方向の夫々への操作部(32,94)の移動を検出可能な第1の検出手段(50,110)と、
前記操作部(32,94)に前記第1の検出手段(50,110)とX軸方向に離間するよう設けられ、前記Y軸方向およびZ軸方向への操作部(32,94)の移動を検出可能な第2の検出手段(64,112)と、
前記操作部(32,94)に設けられ、X軸の軸周りへの操作部(32,94)の回転を検出可能な第3の検出手段(74,108)と、
前記第1〜第3の検出手段(50,64,74,108,110,112)に接続されて、該第1〜第3の検出手段(50,64,74,108,110,112)から入力される検出信号に基づいて前記多関節アーム(16)を駆動制御する制御手段(14)とを備え、
前記制御手段(14)は、
前記操作部(32,94)のX軸方向への移動により前記第1の検出手段(50,110)から入力される検出信号に基づいて、該X軸方向へ操作部(32,94)を移動させるよう前記多関節アーム(16)を駆動制御し、
前記操作部(32,94)のY軸方向への移動により前記第1の検出手段(50,110)および第2の検出手段(64,112)から入力される検出信号に基づいて、該Y軸方向およびZ軸周りへ操作部(32,94)を移動させるよう前記多関節アーム(16)を駆動制御し、
前記操作部(32,94)のZ軸方向への移動により前記第1の検出手段(50,110)および第2の検出手段(64,112)から入力される検出信号に基づいて、該Z軸方向およびY軸周りへ操作部(32,94)を移動させるよう前記多関節アーム(16)を駆動制御し、
前記操作部(32,94)のX軸周りへの移動により前記第3の検出手段(74,108)から入力される検出信号に基づいて、該X軸周りへ操作部(32,94)を回転させるよう前記多関節アーム(16)を駆動制御することを要旨とする。
ここで、本発明に係る第1〜3の検出手段の夫々は、単体のセンサであってもよく、複数のセンサを組み合わせたものであってもよい。
前記操作部(32)は、前記多関節アーム(16)を構成する操作アーム(26)に設けられた軸状部(34)と、該軸状部(34)に外挿されて被補助者が把持操作可能な把持部(44)とから構成されて、該軸状部(34)と把持部(44)との間に前記第1〜第3の検出手段(50,64,74)が配設され、
前記第1の検出手段(50)は、前記把持部(44)をX軸の正方向へ移動させる力を検出する第1X軸圧力センサ(52)と、前記把持部(44)をX軸の負方向へ移動させる力を検出する第2X軸圧力センサ(54)と、前記把持部(44)をY軸の正方向へ移動させる力を検出する第1Y軸圧力センサ(56)と、前記把持部(44)をY軸の負方向へ移動させる力を検出する第2Y軸圧力センサ(58)と、前記把持部(44)をZ軸の正方向へ移動させる力を検出する第1Z軸圧力センサ(60)と、前記把持部(44)をZ軸の負方向へ移動させる力を検出する第2Z軸圧力センサ(62)とからなり、
前記第2の検出手段(64)は、前記把持部(44)をY軸の正方向へ移動させる力を検出する第3Y軸圧力センサ(66)と、前記把持部(44)をY軸の負方向へ移動させる力を検出する第4Y軸圧力センサ(68)と、前記把持部(44)をZ軸の正方向へ移動させる力を検出する第3Z軸圧力センサ(70)と、前記把持部(44)をZ軸の負方向へ移動させる力を検出する第4Z軸圧力センサ(72)とからなり、
前記第3の検出手段(74)は、前記把持部(44)をX軸周りの正回転方向へ移動させる力を検出する第1X軸周り圧力センサ(76)と、前記把持部(44)をX軸周りの負回転方向へ移動させる力を検出する第2X軸周り圧力センサ(78)とからなり、
前記制御手段(14)は、
前記第1および第2X軸圧力センサ(52,54)から入力される検出信号に基づいて、前記操作部(32)をX軸方向に移動させるよう前記多関節アーム(16)を駆動制御し、
前記第1〜第4Y軸圧力センサ(56,58,66,68)から入力される検出信号に基づいて、前記操作部(32)をY軸方向およびZ軸周りに移動させるよう前記多関節アーム(16)を駆動制御し、
前記第1〜第4Z軸圧力センサ(60,62,70,72)から入力される検出信号に基づいて、前記操作部(32)をZ軸方向およびY軸周りに移動させるよう前記多関節アーム(16)を駆動制御し、
前記第1および第2X軸周り圧力センサ(76,78)から入力される検出信号に基づいて、前記操作部(32)をX軸周りに回転させるよう前記多関節アーム(16)を駆動制御するよう構成されることを要旨とする。
前記第1の検出手段(110)は、入力軸が前記軸状部(96)に連結されて前記把持部(100)をX,Y,Z軸方向へ移動させる力を検出する3軸力覚センサ(110)から構成され、
前記第2の検出手段(112)は、前記軸状部(96)と把持部(100)との間に、該軸状部(96)の周方向に離間して設けられて、該把持部(100)をY軸,Z軸方向へ移動させる力を検出する複数の圧力センサ(112)から構成され、
前記第3の検出手段(74,108)は、前記軸状部(96)の回転位置を検出する位置検出センサ(108)から構成され、
前記制御手段(14)は、
前記3軸力覚センサ(110)から入力されるX軸方向へ作用する力の検出信号に基づいて、前記操作部(94)をX軸方向に移動させるよう前記多関節アーム(16)を駆動制御し、
前記3軸力覚センサ(110)から入力されるY軸方向へ作用する力の検出信号と、前記圧力センサ(112)から入力されるY軸方向へ作用する力の検出信号とに基づいて、前記操作部(94)をY軸方向およびZ軸周りに移動させるよう前記多関節アーム(16)を駆動制御し、
前記3軸力覚センサ(110)から入力されるZ軸方向へ作用する力の検出信号と、前記圧力センサ(112)から入力されるZ軸方向へ作用する力の検出信号とに基づいて、前記操作部(94)をZ軸方向およびY軸周りに移動させるよう前記多関節アーム(16)を駆動制御し、
前記位置検出センサ(108)から入力されるX軸周りへ回転変位する検出信号に基づいて前記操作部(94)をX軸周りに回転させるよう前記多関節アーム(16)を駆動制御するよう構成されることを要旨とする。
前記各付勢部材(120,121,130,131)が均衡を保った均衡状態では、該均衡状態から前記軸状部(34,96)に対して把持部(44,100)が相対的に近接移動されて前記各圧力センサ(52,54,56,58,60,62,66,68,70,72,76,78)で力を検出するまでの検出距離を同等になるよう該軸状部(34,96)に対して把持部(44,100)が保持されるようにしたことを要旨とする。
すなわち、請求項4に係る上肢動作補助装置では、把持部を移動して圧力センサが検出するまでの時間のばらつきを抑制でき、圧力センサによる検出までのタイムラグを軽減できる。また、付勢部材により、把持部を軸状部に対してがたつきなく保持することができる。
前記軸状部(34,96)に対する前記把持部(44,100)の近接移動時に弾性変形した前記付勢部材(130,131)がす対応の圧力センサ(52,54,56,58,60,62,66,68,70,72,76,78)が押圧するよう構成されたことを要旨とする。
すなわち、請求項5に係る上肢動作補助装置では、把持部の移動時に弾性変形した付勢部材が圧力センサを直接押圧するから、該把持部の微小な移動を検出することができ、圧力センサによる検出精度を高めることができる。
なお、実施例1に係る上肢動作補助装置は、前述した構成に限られず種々の変更が可能である。
(1) 実施例1では、操作部における軸状部の第1突出片の後端部と把持部(筒状体の後支持板)との間に第1X軸圧力センサを設けると共に、該第1突出片の前端部と把持部(筒状体の前支持板)との間に第2X軸圧力センサを設けるよう構成したが、これに限られるものではなく、第2〜第4突出部の前後の端部に対応して第1および第2X軸圧力センサを設けるようにしてもよい。また、第1X軸圧力センサは、前記軸状部と把持部との間において該把持部をX軸の正方向へ移動させた際に力が作用する位置に設ければよく、また第2X軸圧力センサについても、軸状部と把持部との間において該把持部をX軸の負方向へ移動させた際に力が作用する位置に設ければよい。
(2) 実施例1では、軸状部に第1〜第4突出片を形成して、各突出片の突出端部に第1〜第4Y軸圧力センサおよび第1〜第4Z軸圧力センサの夫々を位置するよう構成したが、これに限られるものではない。例えば、軸状部を第1〜第4突出片を備えない円筒形状に形成して、該軸状部の周方向に離間する位置に、第1〜第4Y軸圧力センサおよび第1〜第4Z軸圧力センサの夫々を配置して、筒状体の内周面との間で狭圧されるよう構成しても、実施例と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、第1〜第4Y軸圧力センサに関して、各Y軸圧力センサをX−Y平面上に位置すると共に第1,第2Y軸圧力センサと第3,第4Y軸圧力センサとが前後に離間する位置に配置し、第1〜第4Z軸圧力センサに関して、各Z軸圧力センサをX−Z平面上に位置すると共に第1,第2Z軸圧力センサと第3,第4Z軸圧力センサとを前後に離間する位置に配置すればよい。
(3) 実施例1では、第1の検出手段として、軸状部の周方向に離間する位置に、第1,第2Y軸圧力センサおよび第1,第2Z軸圧力センサの4つの圧力センサを配置したが、これに限られるものではなく、3個以下または5個以上の圧力センサを周方向に離間して配置するようにしてもよい。すなわち、複数の圧力センサにより、把持部の前側位置をY軸の正方向へ移動させる力を検出するようにしてもよく、この場合には、把持部の前側位置をY軸の正方向へ移動させる力を検出するのに利用される複数の圧力センサが第1Y軸圧力センサとなる。また、把持部の前側位置をY軸の正方向へ移動させる力を検出する圧力センサ、把持部の前側位置をZ軸の正方向または負方向へ移動させる力を検出する圧力センサに関しても同様で、複数の圧力センサで第2Y軸圧力センサ、第1,第2Z軸圧力センサを構成するようにしてもよい。なお、周方向に離間する圧力センサは、等間隔に設けられることが望ましいが、不均一に圧力センサを設けてもよい。
(4) 同様に、実施例1では、第2の検出手段として、軸状部の周方向に離間する位置に、第3,第4Y軸圧力センサおよび第3,第4Z軸圧力センサの4つの圧力センサを配置したが、これに限られるものではなく、3個以下または5個以上の圧力センサを周方向に離間して配置するようにしてもよい。すなわち、複数の圧力センサにより、把持部の後側位置をY軸の正方向へ移動させる力を検出するようにしてもよく、この場合には、把持部の後側位置をY軸の正方向へ移動させる力を検出するのに利用される複数の圧力センサが第3Y軸圧力センサとなる。また、把持部の後側位置をY軸の正方向へ移動させる力を検出する圧力センサ、把持部の後側位置をZ軸の正方向または負方向へ移動させる力を検出する圧力センサに関しても同様で、複数の圧力センサで第4Y軸圧力センサ、第3,第4Z軸圧力センサを構成するようにしてもよい。なお、周方向に離間する圧力センサは、等間隔に設けられることが望ましいが、不均一に圧力センサを設けてもよい。
(5) 実施例1では、軸状部に形成した第2突出片と筒状体に形成した第1挟持片との間に第1X軸周り圧力センサを配置し、該第2突出片と筒状体に形成した第2挟持片との間に第2X軸周り圧力センサを配置するよう構成したが、これに限られるものではない。すなわち、第1X軸周り圧力センサは、軸状部と把持部との間において把持部をX軸周りの正方向へ移動させた際に力が作用する位置に設ければよく、また第2X軸周り圧力センサについても、軸状部と把持部との間において該把持部をX軸周りの負方向へ移動させた際に力が作用する位置に設ければよい。
(6) 実施例1では、各圧力センサを軸状部に設けるようにしたが、把持部側に圧力センサを設けても同様の作用効果を得ることができる。
なお、実施例2に係る上肢動作補助装置は、前述した構成に限られず種々の変更が可能である。
(1) 実施例2では、軸状部の外周面に圧力センサを配置するよう構成したが、これに限られるものではない。例えば、実施例1のように軸状部に突出片を形成して、突出片の突出端部に圧力センサを配置して、筒状体の内周面との間で狭圧されるよう構成しても、実施例と同様の作用効果を得ることができる。
(2) 実施例2では、第2の検出手段として、軸状部の周方向に離間する位置に4つの圧力センサを配置したが、これに限られるものではなく、3個以下または5個以上の圧力センサを周方向に離間して配置するようにしてもよい。すなわち、複数の圧力センサにより、把持部をY軸,Z軸方向へ移動させる力を検出するようにしてもよい。なお、周方向に離間する圧力センサは、等間隔に設けられることが望ましいが、不均一に圧力センサを設けてもよい。
(3) 実施例2では、各圧力センサを軸状部に設けるようにしたが、把持部側に圧力センサを設けても同様の作用効果を得ることができる。
なお、実施例3に係る上肢動作補助装置は、前述した構成に限られず種々の変更が可能である。
(1) 実施例3では、各突出片の間に夫々1個の付勢部材を設けるようにしたが、これに限られるものではなく、複数の付勢部材を各突出片の間に設けるようにしてもよい。
(2) 実施例3では、実施例1に係る上肢動作補助装置に基づいて説明したが、実施例2に係る上肢動作補助装置のように軸状部を円筒状に形成して付勢部材を配設する形態も採用できる。同様に、圧力センサと3軸力覚センサを併用する構成に対しても、実施例3のように付勢部材を配設する構成を採用できることは当然である。
(3) 実施例3では、付勢部材としてコイルバネ形態のバネ部材を示したが、これに限られるものではなく、板バネやゴム等、その他弾性変形により付勢力を発現する従来公知の各種部材を採用可能である。
(4) 実施例3に係る上肢動作補助装置に対しても、実施例1および実施例2の変更例として示した各事項を採用できることは当然である。
なお、実施例4に係る上肢動作補助装置は、前述した構成に限られず種々の変更が可能である。
(1) 実施例4では、突出部を介して付勢部材を圧力センサに接触するよう構成したが、該付勢部材を圧力センサに対して直接接触させるよう構成してもよい。
(2) 実施例4では、実施例1に係る上肢動作補助装置に基づいて説明したが、実施例2に係る上肢動作補助装置のように軸状部を円筒状に形成して付勢部材を配設する形態も採用できる。同様に、圧力センサと3軸力覚センサを併用する構成に対しても、実施例4のように付勢部材を配設する構成を採用できることは当然である。
(3) 実施例4では、付勢部材として板バネ形態のバネ部材を示したが、これに限られるものではなく、コイルバネやゴム等、その他弾性変形により付勢力を発現する従来公知の各種部材を採用可能である。
(4) 実施例4に係る上肢動作補助装置に対しても、実施例1〜3の変更例として示した各事項を採用できることは当然である。
16 多関節アーム
32 操作部
34 軸状部
44 把持部
50 第1の検出手段
52 第1X軸圧力センサ
54 第2X軸圧力センサ
56 第1Y軸圧力センサ
58 第2Y軸圧力センサ
60 第1Z軸圧力センサ
62 第2Z軸圧力センサ
64 第2の検出手段
66 第3Y軸圧力センサ
68 第4Y軸圧力センサ
70 第3Z軸圧力センサ
72 第4Z軸圧力センサ
74 第3の検出手段
76 第1X軸周り圧力センサ
78 第2X軸周り圧力センサ
92 アーム本体
94 操作部
96 軸状部
100 把持部
108 ポテンショメータ(第3の検出手段、位置検出センサ)
110 3軸力覚センサ(第1の検出手段)
112 圧力センサ(第2の検出手段)
120 第1バネ部材(付勢部材)
121 第2バネ部材(付勢部材)
130 第3バネ部材(付勢部材)
131 第4バネ部材(付勢部材)
Claims (5)
- 被補助者が把持操作可能な操作部を有する多関節アームを備え、該操作部に対する操作に応じて多関節アームを三次元動作することで被補助者の上肢動作を補助する上肢動作補助装置であって、
前記操作部に設けられ、該操作部に沿うX軸方向、該X軸に直交するY軸方向、X―Y軸に直交するZ軸方向の夫々への操作部の移動を検出可能な第1の検出手段と、
前記操作部に前記第1の検出手段とX軸方向に離間するよう設けられ、前記Y軸方向およびZ軸方向への操作部の移動を検出可能な第2の検出手段と、
前記操作部に設けられ、X軸の軸周りへの操作部の回転を検出可能な第3の検出手段と、
前記第1〜第3の検出手段に接続されて、該第1〜第3の検出手段から入力される検出信号に基づいて前記多関節アームを駆動制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記操作部のX軸方向への移動により前記第1の検出手段から入力される検出信号に基づいて、該X軸方向へ操作部を移動させるよう前記多関節アームを駆動制御し、
前記操作部のY軸方向への移動により前記第1の検出手段および第2の検出手段から入力される検出信号に基づいて、該Y軸方向およびZ軸周りへ操作部を移動させるよう前記多関節アームを駆動制御し、
前記操作部のZ軸方向への移動により前記第1の検出手段および第2の検出手段から入力される検出信号に基づいて、該Z軸方向およびY軸周りへ操作部を移動させるよう前記多関節アームを駆動制御し、
前記操作部のX軸周りへの移動により前記第3の検出手段から入力される検出信号に基づいて、該X軸周りへ操作部を回転させるよう前記多関節アームを駆動制御する
ことを特徴とする上肢動作補助装置。 - 前記操作部は、前記多関節アームを構成する操作アームに設けられた軸状部と、該軸状部に外挿されて被補助者が把持操作可能な把持部とから構成されて、該軸状部と把持部との間に前記第1〜第3の検出手段が配設され、
前記第1の検出手段は、前記把持部をX軸の正方向へ移動させる力を検出する第1X軸圧力センサと、前記把持部をX軸の負方向へ移動させる力を検出する第2X軸圧力センサと、前記把持部をY軸の正方向へ移動させる力を検出する第1Y軸圧力センサと、前記把持部をY軸の負方向へ移動させる力を検出する第2Y軸圧力センサと、前記把持部をZ軸の正方向へ移動させる力を検出する第1Z軸圧力センサと、前記把持部をZ軸の負方向へ移動させる力を検出する第2Z軸圧力センサとからなり、
前記第2の検出手段は、前記把持部をY軸の正方向へ移動させる力を検出する第3Y軸圧力センサと、前記把持部をY軸の負方向へ移動させる力を検出する第4Y軸圧力センサと、前記把持部をZ軸の正方向へ移動させる力を検出する第3Z軸圧力センサと、前記把持部をZ軸の負方向へ移動させる力を検出する第4Z軸圧力センサとからなり、
前記第3の検出手段は、前記把持部をX軸周りの正回転方向へ移動させる力を検出する第1X軸周り圧力センサと、前記把持部をX軸周りの負回転方向へ移動させる力を検出する第2X軸周り圧力センサとからなり、
前記制御手段は、
前記第1および第2X軸圧力センサから入力される検出信号に基づいて、前記操作部をX軸方向に移動させるよう前記多関節アームを駆動制御し、
前記第1〜第4Y軸圧力センサから入力される検出信号に基づいて、前記操作部をY軸方向およびZ軸周りに移動させるよう前記多関節アームを駆動制御し、
前記第1〜第4Z軸圧力センサから入力される検出信号に基づいて、前記操作部をZ軸方向およびY軸周りに移動させるよう前記多関節アームを駆動制御し、
前記第1および第2X軸周り圧力センサから入力される検出信号に基づいて、前記操作部をX軸周りに回転させるよう前記多関節アームを駆動制御するよう構成される請求項1記載の上肢動作補助装置。 - 前記操作部は、前記多関節アームのアーム本体と一体的に設けられた軸状部と、該軸状部に外挿されて被補助者が把持操作可能な把持部とから構成されて、
前記第1の検出手段は、入力軸が前記軸状部に連結されて前記把持部をX,Y,Z軸方向へ移動させる力を検出する3軸力覚センサから構成され、
前記第2の検出手段は、前記軸状部と把持部との間に、該軸状部の周方向に離間して設けられて、該把持部をY軸,Z軸方向へ移動させる力を検出する複数の圧力センサから構成され、
前記第3の検出手段は、前記軸状部の回転位置を検出する位置検出センサから構成され、
前記制御手段は、
前記3軸力覚センサから入力されるX軸方向へ作用する力の検出信号に基づいて、前記操作部をX軸方向に移動させるよう前記多関節アームを駆動制御し、
前記3軸力覚センサから入力されるY軸方向へ作用する力の検出信号と、前記圧力センサから入力されるY軸方向へ作用する力の検出信号とに基づいて、前記操作部をY軸方向およびZ軸周りに移動させるよう前記多関節アームを駆動制御し、
前記3軸力覚センサから入力されるZ軸方向へ作用する力の検出信号と、前記圧力センサから入力されるZ軸方向へ作用する力の検出信号とに基づいて、前記操作部をZ軸方向およびY軸周りに移動させるよう前記多関節アームを駆動制御し、
前記位置検出センサから入力されるX軸周りへ回転変位する検出信号に基づいて前記操作部をX軸周りに回転させるよう前記多関節アームを駆動制御するよう構成される請求項1記載の上肢動作補助装置。 - 前記軸状部および前記把持部の間には、軸状部に対する把持部の相対的な近接移動により弾性変形される付勢部材が設けられ、
前記各付勢部材が均衡を保った均衡状態では、該均衡状態から前記軸状部に対して把持部が相対的に近接移動されて前記各圧力センサで力を検出するまでの検出距離を同等になるよう該軸状部に対して把持部が保持される請求項2または3記載の上肢動作補助装置。 - 前記付勢部材は、前記各圧力センサに接触した状態で設けられて、
前記軸状部に対する前記把持部の近接移動時に弾性変形した前記付勢部材が対応の圧力センサを押圧するよう構成された請求項4記載の上肢動作補助装置。
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