JPWO2015199086A1 - 動作再現システム及び動作再現装置 - Google Patents

Abstract

人間の動作を保存し、再現させる動作再現システム及び動作再現装置を提供する。動作再現システムは、対象者の動作時に該動作を表現する身体動作データを取得し、該身体動作データを送信するデータ取得装置（１）と、データ取得装置（１）から前記身体動作データ受信し、該身体動作データを記憶するメモリ（２Ｂ）を有するデータ管理装置（２）と、データ管理装置（２）からメモリ（２Ｂ）に記憶されている前記身体動作データを受け取り、該身体動作データを用いて、再現者に前記身体動作データの取得時における前記対象者の動作を再現させる動作再現装置（３）と、を備える。

Description

本発明は、身体動作データを用いて動作を再現する動作再現システム及び動作再現装置に関する。

近年、治療医学では、病気などで失われた人体の組織を、人工物や他人あるいは動物からの移植に頼らずに、自己の細胞から復元（再生）する医療、いわゆる再生医療の研究が盛んに行われている（例えば、特許文献１参照。）。そのため、自己細胞を予め凍結保存しておき、必要になったときに利用するヒト細胞バンクが構築されている。

このような再生医療により、人体組織の復元が可能となりつつある。しかし、病気、事故、加齢等により運動機能が低下した場合に、健常時の運動機能を再現することは出来なかった。

特開２００２−２７９８３号公報

本発明は、人間の動作を保存し、再現させる動作再現システム及び動作再現装置を提供することを課題とする。

本発明の一態様による動作再現システムは、対象者の動作時に該動作を表現する身体動作データを取得し、該身体動作データを送信するデータ取得装置と、前記データ取得装置から前記身体動作データを受信し、該身体動作データを記憶するメモリを有するデータ管理装置と、前記データ管理装置から前記メモリに記憶されている前記身体動作データを受け取り、該身体動作データを用いて、再現者に前記身体動作データの取得時における前記対象者の動作を再現させる動作再現装置と、を備える。

本発明の一態様による動作再現システムにおいて、前記データ取得装置は、前記対象者の体の関節同士の間に沿うように装着される第１フレームが第１駆動部に回動自在に接続された第１装着式動作補助装置であり、前記対象者の動作に伴って発生する生体信号を検出する第１生体信号検出部と、前記対象者の動作に応じた前記関節の回動角度を検出する第１角度センサと、前記第１駆動部の出力トルクを検出する第１トルクセンサと、前記第１駆動部の出力トルクと前記対象者の筋力との関係で相対的に定まる前記第１フレームに作用する力を検出する相対力検出部と、前記第１駆動部の出力トルク、前記生体信号、前記回動角度及び前記第１フレームに作用する力に基づいて、前記第１駆動部から前記第１フレームに付与するアシスト力を算出する第１制御部と、前記第１駆動部の出力トルク、前記生体信号、前記回動角度及び前記第１フレームに作用する力を前記身体動作データとして前記データ管理装置へ送信する第１通信部と、を有することを特徴とする。

本発明の一態様による動作再現システムにおいて、前記動作再現装置は、前記再現者の体の関節同士の間に沿うように装着される第２フレームが第２駆動部に回動自在に接続された第２装着式動作補助装置であり、前記再現者の動作に伴って発生する生体信号を検出する第２生体信号検出部と、前記再現者の動作に応じた前記関節の回動角度を検出する第２角度センサと、前記第２駆動部による出力トルクを検出する第２トルクセンサと、前記データ管理装置から前記身体動作データを受信する第２通信部と、前記身体動作データのうち、前記第１駆動部の出力トルク、前記第１生体信号検出部による生体信号、前記第１角度センサによる回動角度及び前記第１フレームに作用する力に基づいて、アシスト制御出力トルクを算出するとともに、前記第１角度センサによる回動角度と前記第２角度センサによる回動角度とを一致させるための角度制御出力トルクを算出し、前記アシスト制御出力トルク及び前記角度制御出力トルクに基づいて前記第２駆動部から前記第２フレームに付与するアシスト力を算出する第２制御部と、を有することを特徴とする。

本発明の一態様による動作再現システムにおいて、前記第２制御部は、前記第２駆動部の出力トルクと、前記身体動作データに含まれる前記第１駆動部の出力トルクとを一致又は比例させるための力制御出力トルクを算出し、前記前記アシスト制御出力トルク、前記角度制御出力トルク及び前記力制御出力トルクに基づいて、前記第２駆動部から前記第２フレームに付与するアシスト力を算出することを特徴とする。

本発明の一態様による動作再現システムにおいて、前記動作再現装置は、前記再現者の四肢のいずれかに埋め込まれる埋込型動作補助装置であり、第１の骨に結合される第１のリムと、第２の骨に結合される第２のリムと、前記第１のリムに対する前記第２のリムの回動角度を検出する第３角度センサと、前記第１のリムと前記第２のリムとの間に設けられ、前記第１のリムに対して前記第２のリムを関節の回動方向に駆動する第３駆動部と、前記身体動作データを受信する第３通信部と、前記第３角度センサによる回動角度と前記身体動作データに含まれる前記第１角度センサによる回動角度とを一致させるための出力トルクを算出し、前記第３駆動部を制御する第３制御部と、を有することを特徴とする。

本発明の一態様による動作再現システムにおいて、前記データ取得装置は、モーションキャプチャ装置であり、前記身体動作データとして、前記対象者の関節の回動角度を取得することを特徴とする。

本発明の一態様による動作再現システムにおいて、前記データ管理装置は、前記動作再現装置から、前記メモリに記憶する前記身体動作データの送出要求があったとき、当該動作再現装置への課金対象として課金する課金機能部を有することを特徴とする。

本発明の一態様による動作再現装置は、対象者の動作を表現する身体動作データを保存するデータ管理装置から該身体動作データを受信し、前記身体動作データを用いて、再現者に前記身体動作データの所望時における前記対象者の動作を再現させることを特徴とする。

本発明の一態様による動作再現装置において、前記動作再現装置は、前記再現者の体の関節同士の間に沿うように装着されるフレームが駆動部に回動自在に接続された装着式動作補助装置であり、前記対象者の動作に伴って発生する生体信号を検出する生体信号検出部と、前記対象者の動作に応じた関節の回動角度を検出する角度センサと、前記駆動部による出力トルクを検出するトルクセンサと、前記データ管理装置から前記身体動作データを受信する通信部と、前記身体動作データのうち、前記駆動部の出力トルク、前記生体信号検出部による生体信号、前記角度センサによる回動角度及び前記フレームに作用する力に基づいて、アシスト制御出力トルクを算出するとともに、前記角度センサによる回動角度と目標回動角度とを一致させるための角度制御出力トルクを算出し、前記アシスト制御出力トルク及び前記角度制御出力トルクに基づいて、前記駆動部から前記フレームに付与するアシスト力を算出する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明の一態様による動作再現装置において、前記再現者はロボットであってもよい。

本発明によれば、人間の身体動作のデータを保存・管理し、この身体動作データに基づいて人間の動作を再現させることができる。

本発明の実施形態に係る身体動作再現システムの概略図である。 同実施形態に係るデータ取得装置の制御系を示すブロック図である。 装着式動作補助装置の外観斜視図である。 装着式動作補助装置の外観斜視図である。 同実施形態に係る動作再現装置の制御系を示すブロック図である。 埋込型動作補助装置の概略図である。 義足型動作補助装置の概略図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施形態に係る身体動作再現システムの概略図である。図１に示すように、身体動作再現システムは、利用者（対象者）から身体動作データを取得するデータ取得装置１と、データ取得装置１により取得された身体動作データを保存・管理するデータ管理装置２と、身体動作データを用いて利用者に対して本人の身体動作を再現させる動作再現装置３と、を備える。

ここで、身体動作データとは、利用者の立ち上がり、歩行、階段昇降、膝や肘の屈伸、肩や腰の回転等の動作を表現するデータであり、皮膚表面における生体電位（生体電位信号）や脳波などの生体信号、関節の角度、角速度、加速度、身体の重心位置、モーションキャプチャにより得られるマーカの位置などである。生体電位信号により、身体の各部位をどの程度の力で動かしていたのかが表現される。また、関節の角度、角速度、加速度等により、身体の各部位の動作速度や動作範囲などが表現される。

データ取得装置１は、利用者が様々な動作を行った際の身体動作データを取得し、取得した身体動作データをデータ管理装置２へ送信する。データ管理装置２は、通信部２Ａ及びメモリ２Ｂを有し、通信部２Ａがデータ取得装置１から受信した身体動作データをメモリ２Ｂに格納する。通信部２Ａは、動作再現装置３からの要求に応じて、利用者の身体動作データを動作再現装置３へ送信する。

動作再現装置３は、データ管理装置２から受信した利用者の身体動作データを用いて、この利用者に対し、身体動作データ取得時の本人の身体動作を再現させる。例えば、利用者の健常時に身体動作データを取得、保存しておく。そして、病気・事故・加齢により運動機能が低下した場合に、身体動作データを用いることで、利用者に対して、利用者本人の健常時の身体動作を再現させ、運動機能の向上を図ることができる。

図１では、データ取得装置１とデータ管理装置２、データ管理装置２と動作再現装置３とがネットワークを介して接続され、身体動作データの送受信を行う例を示しているが、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬記録媒体に記録し、データの授受を行ってもよい。

次に、利用者の身体動作データを取得するデータ取得装置１、及び身体動作データを用いて利用者の身体動作を再現させる動作再現装置３について説明する。本実施形態では、データ取得装置１として、図２〜４に示す装着式動作補助装置を用いる。図２は、データ取得装置１としての装着式動作補助装置の制御系統の構成を示すブロック図である。図３は利用者が装着式動作補助装置を装着した状態を前側からみた斜視図であり、図４は後側からみた斜視図である。また、動作再現装置３には、データ取得装置１と同様の構成の装着式動作補助装置を用いることができる。図５は動作再現装置３としての装着式動作補助装置の制御系統の構成を示すブロック図であり、外観は図３、図４と同じである。

装着式動作補助装置は、例えば、腰、腿、脛などの人間（装着者）の体の関節同士の間に沿うように装着されるフレームがアクチュエータ部に回動自在に接続されたものである。図３、４に例示する装着式動作補助装置は、膝関節および股関節にアクチュエータ部を有する下半身用の装着式動作補助装置であるが、本発明では、上半身用、または全身用の装着式動作補助装置を用いることもできる。

利用者に装着されたデータ取得装置１としての装着式動作補助装置１０は、装着式動作補助装置１０の関節角度値及び出力トルク値等の物理現象の検出信号や、装着者が関節まわりの筋肉を動かすときに発生する生体信号（例えば、生体電位信号や脳波など）を身体動作データとして取得し、ネットワークを介して、身体動作データをデータ管理装置２に送信する。

図２に示されるように、装着式動作補助装置１０は、相対力検出部１２、生体信号検出部１３、関節角度検出部１４、アクチュエータ部１５、制御装置１６、ドライバ１７、通信装置１８を有している。

相対力検出部１２は、装着式動作補助装置１０のフレームに作用する力、つまり駆動源であるアクチュエータ部１５の出力トルクと装着者の筋力との関係で相対的に定まる力（相対力）を検出するものであり、例えば、力センサである。

この相対力とは、フレームに作用する力であって、アクチュエータ部１５の出力トルクによって装着者が受ける力、すなわち、装着者がどの程度のアシストを受けているかを示すものである。

力センサは、フレームに作用する力を測定するものであり、例えば、印加された力に応じたひずみを検出し、発生した歪みの大きさに比例した電気信号を出力する歪みゲージからなり、フレームにおいてアクチュエータ部１５の駆動トルクによって撓みを生じる部位に設けられている。

生体信号検出部１３は、装着式動作補助装置１０を装着する装着者が関節まわりの筋肉を動かすときに発生する生体信号（例えば、生体電位信号や脳波など）を検出する生体信号検出手段であり、例えば、本実施の形態では生体電位センサが用いられる。また、本実施の形態においては、生体電位センサは、センサの周囲を覆う粘着シールにより装着者の関節まわりの皮膚表面に貼着するように取り付けられる。なお、本実施の形態では、装着者の関節まわり（関節を動かす際に作用する筋肉の周辺）の皮膚表面に貼り付けられた生体電位センサにより検出される信号から得られる信号を生体電位信号という。

関節角度検出部１４は、装着者の膝関節の回動角度を検出するものであり、例えば、角度センサが用いられる。角度センサは、例えば、装着式動作補助装置１０の関節角度に比例したパルス数をカウントするロータリエンコーダ等からなり、関節角度に応じたパルス数に対応した電気信号をセンサ出力として出力する。角度センサは、具体的には、アクチュエータ部１５に連結されている２つのフレームの間の回動角度を検出する。

制御装置１６は、装着式動作補助装置１０の関節角度及び出力トルク、生体電位信号及び相対力に基づいて、出力トルク値を算出する。ここで、算出される出力トルク値は、アクチュエータ部１５から出力されるべきトルクの値を示すものである。そして、算出された出力トルク値に応じた信号をドライバ１７に供給する。

ドライバ１７は、制御装置１６から出力される出力トルク値に応じたトルクがアクチュエータ部１５から出力されるようにアクチュエータ部１５に動力を供給するものであり、本実施形態ではアクチュエータ部１５のパワーユニットに出力トルク値に応じた駆動電流を供給する。

アクチュエータ部１５は、アクチュエータ部１５に回動自在に接続されたフレームにドライバ１７から供給される駆動電流に基づく出力トルクをアシスト力として付与するものである。ここでいうアシスト力とは、装着者の関節に対応する位置に配置されるアクチュエータ部１５を回転軸として作用する力であり、アシストトルクともいえるものである。また、アクチュエータ部１５によるアシストトルクは制御装置１６にフィードバックされる。本実施形態においては、アクチュエータ部１５は、駆動源としての電動パワーユニットと、パワーユニットの回転駆動力を減速して伝達するギヤ機構とから構成される。

通信装置１８は、例えば、公衆回線またはインターネットに接続される通信用モデムやルータなどの通信機器を含む通信手段からなり、装着式動作補助装置１０で得られた各種データ、例えば出力トルク値や関節角度を身体動作データとしてデータ管理装置２に送信する。

図５に示されるように、動作再現装置３としての装着式動作補助装置２０は、相対力検出部２２、生体信号検出部２３、関節角度検出部２４、アクチュエータ部２５、制御装置２６、ドライバ２７、通信装置２８を有している。相対力検出部２２、生体信号検出部２３、関節角度検出部２４、アクチュエータ部２５、制御装置２６、ドライバ２７、通信装置２８は、装着式動作補助装置１０の相対力検出部１２、生体信号検出部１３、関節角度検出部１４、アクチュエータ部１５、制御装置１６、ドライバ１７、通信装置１８とほぼ同様の構成であり、異なる点について説明する。

通信装置２８は、データ管理装置２から、装着式動作補助装置１０を用いて過去に利用者から取得していた身体動作データを受信する。受信する身体動作データは、例えば関節角度や出力トルクである。

制御装置２６は、装着式動作補助装置２０の関節角度及び出力トルク、データ管理装置２から受信した身体動作データ（関節角度及び出力トルク）、装着式動作補助装置２０で検出された生体電位信号及び相対力に基づいて、出力トルク値を算出する。ここで、算出される出力トルク値は、アクチュエータ部２５から出力されるべきトルクの値を示すものである。

図３、図４に示されるように、装着式動作補助装置１０、２０を装着した装着者Ｐは、自らの意思で動作を行うと、その際に発生した生体信号に応じた駆動トルクがアシスト力として付与される。従って、装着者Ｐは、自身の筋力とアクチュエータ部１５、２５（本実施形態では、電動式の駆動パワーユニットを用いる）からの駆動トルクとの合力によって全体重を支えながら歩行することができる。

その際、装着式動作補助装置１０、２０は、後述するように生体信号検出センサによる検出信号や歩行動作に伴う重心の移動に応じて付与されるアシスト力（パワーユニットトルク）が装着者Ｐの意思を反映するように制御している。そのため、装着式動作補助装置１０、２０のアクチュエータは、装着者Ｐの意思に反するような負荷を与えないように制御されており、装着者Ｐの動作を妨げないように制御される。

装着式動作補助装置１０、２０は、歩行動作、椅子に座った状態から立ち上がる際の動作、立った状態から椅子に腰掛ける際の動作、階段昇降など、様々な動作に対しパワーアシストすることができる。

装着式動作補助装置１０、２０は、装着者Ｐに装着されるフレーム機構１１８に駆動部を設けたものである。駆動部としては、装着者Ｐの右側股関節に位置する右腿駆動パワーユニット１２０と、左側股関節に位置する左腿駆動パワーユニット１２２と、右膝関節に位置する右膝駆動パワーユニット１２４と、左膝関節に位置する左膝駆動パワーユニット１２６とを有する。これらの駆動パワーユニット１２０，１２２，１２４，１２６は、制御装置からの制御信号により駆動トルクを制御されるＤＣモータまたはＡＣモータなどからなる電動パワーユニットからなり、モータ回転を所定の減速比で減速する減速機構（駆動部に内蔵）を有しており、小型ではあるが十分な駆動力を付与することができる。また、駆動パワーユニットとしては、設置スペースが小さく済むように薄型化された超音波モータを用いても良いのは勿論である。

駆動パワーユニット１２０，１２２，１２４，１２６の回転軸は、ギヤ機構を介して被駆動側となる第１フレーム１５８、第２フレーム１６０に駆動トルクを伝達するように構成されている。第１フレーム１５８は、装着者Ｐの腿外側に沿うように形成され、第２フレーム１６０は、第１フレーム１５８より下方に延在し装着者Ｐの脛外側に沿うように形成されている。

第１フレーム１５８の長手方向の中間位置には、装着者Ｐの腿に締結されるベルト状の腿締結部材１７８が取り付けられている。第２フレーム１６０の長手方向の中間位置には、装着者１１２の膝下の脛に締結されるベルト状の脛締結部材１８０が取り付けられている。従って、駆動パワーユニット１２０，１２２，１２４，１２６で発生された駆動トルクは、ギヤを介して第１フレーム１５８、第２フレーム１６０に伝達され、さらに腿締結部材１７８、脛締結部材１８０を介して装着者Ｐの脚にアシスト力として伝達される。

また、装着者Ｐの腰に装着されるベルト状の腰締結部材１３０には、駆動パワーユニット１２０，１２２，１２４，１２６を駆動させるための電源として機能するバッテリ１３２，１３４が取り付けられている。バッテリ１３２、１３４は、充電式バッテリであり、装着者Ｐの動作を妨げないように左右に分散配置されている。

また、装着者Ｐの背面側となる腰締結部材１３０の後側には、制御ユニット１３６が取り付けられている。この制御ユニット１３６は、前述した制御装置１６、２６及び通信装置１８、２８が収納されている。

生体信号検出部１３、２３は、装着者Ｐの右腿の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ１３８ａ，１３８ｂと、左腿の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ１４０ａ，１４０ｂと、右膝の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ１４２ａ，１４２ｂと、左膝の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ１４４ａ，１４４ｂとを有する。

これらの各生体信号検出センサ１３８ａ，１３８ｂ，１４０ａ，１４０ｂ，１４２ａ，１４２ｂ，１４４ａ，１４４ｂは、筋電位信号や神経伝達信号などの生体電位信号を皮膚を介して検出する生体信号検出手段であり、微弱電位を検出するためのセンサ（図示せず）を有する。人体においては、脳からの指令によって骨格筋を形成する筋肉の表面にシナプス伝達物質のアセチルコリンが放出される結果、筋線維膜のイオン透過性が変化して活動電位が発生する。そして、活動電位によって筋線維の収縮が発生し、筋力を発生させる。そのため、骨格筋の電位を検出することにより、動作の際に生じる筋力を推測することが可能になり、この推測された筋力に基づく仮想トルクから動作に必要なアシスト力を求めることが可能になる。

従って、制御装置１６、２６では、これらの生体信号検出センサ１３８ａ，１３８ｂ，１４０ａ，１４０ｂ，１４２ａ，１４２ｂ，１４４ａ，１４４ｂによって検出された生体信号に基づいて４個の駆動パワーユニット１２０，１２２，１２４，１２６に供給する駆動電流を求め、この駆動電流で駆動パワーユニット１２０，１２２，１２４，１２６を駆動することで、アシスト力が付与されて装着者Ｐの動作を補助するように構成されている。

さらに、駆動パワーユニット１２０，１２２，１２４，１２６は、関節角度を検出する関節角度検出部１４、２４を有する。この関節角度検出部１４、２４は、関節角度に比例したパルス数をカウントするロータリエンコーダなどの角度センサからなり、関節角度に応じたパルス数に対応した電気信号をセンサ出力として出力する。

また、重心移動をスムーズに行うため、足の裏面にかかる荷重を検出し、重心位置を検出する必要がある。そのため、装着者Ｐの左右足の裏面には、足の裏面の少なくとも２点以上で荷重を測定する荷重測定部１５０，１５２（図３、図４において破線で示す）を有する。この荷重測定部１５０，１５２は、足の裏面に密着するように保持され、歩行動作に伴う体重移動によって変化する反力を検出するように構成されている。

装着式動作補助装置１０の制御装置１６は、装着式動作補助装置１０のアクチュエータ部の出力トルク、関節角度、フレームに作用する相対力、及び装着者Ｐが発生する生体信号（例えば、筋電位信号、神経伝達信号、脳波を含む）に基づいて、アシスト制御出力トルクを算出し、ドライバを介してモータに出力する。制御装置１６は、関節角度や加速度センサにより検出された加速度等の情報に基づいて装着者の動作意思を推定し、この意思に従った動力をアクチュエータ部に発生させるための自律指令信号を生成し、この自律指令信号を用いてアシスト制御出力トルクを算出する。関節角度及び加速度に基づく自律指令信号により、装着式動作補助装置１０のフレームの重力補償と駆動パワーユニットの粘性補償を行うことができる。そのため、装着者は、装着式動作補助装置１０の重量を感じることなく、非装着時と同様の動作を行うことができる。これにより、データ取得装置１としての装着式動作補助装置１０により取得される身体動作データは、装着者の自然な動作を反映したものとなる。

装着式動作補助装置２０の制御装置２６は、角度制御出力トルク、力制御出力トルク及びアシスト制御出力トルクを算出し、これらを加算した出力トルクを、ドライバを介してモータに出力する。角度制御出力トルクは、データ管理装置２から受信した身体動作データに含まれる関節角度及び関節角速度と、装着式動作補助装置２０の関節角度及び関節角速度とを一致させるための出力トルクである。力制御出力トルクは、データ管理装置２から受信した身体動作データに含まれる出力トルクと、装着式動作補助装置２０側の出力トルクとを一致又は比例させるための出力トルクである。アシスト制御出力トルクは、装着式動作補助装置２０の出力トルク、関節角度、生体電位及び相対力に基づいて算出される。

このような角度制御出力トルク、力制御出力トルク及びアシスト制御出力トルクを加算した出力トルクをモータに出力することで、データ管理装置２から受信した身体動作データで表される動作を、装着式動作補助装置２０の装着者に反映することができる。

利用者は、健常時に装着式動作補助装置１０を装着して歩行や屈伸など様々な動作を行うことで、健常時の身体動作データを取得して、データ管理装置２に保存しておくことができる。また、この利用者は、病気、事故、加齢等により運動機能が低下した場合、装着式動作補助装置２０を装着し、データ管理装置２に保存している自身の身体動作データを制御装置２６に与えることで、利用者本人の健常時の動作を再現することができる。

これにより、運動機能が低下した場合でも、自分自身の健常時の動作を体感しながら、それを目標に、治療やリハビリに取り組み、運動機能の向上を図ることができる。取得した身体動作データを取り出して動作を再現する際には、身体動作データ取得時に行った様々な動作については、同じ動作をそのまま再現することができ、身体動作データ取得時に行なわなかった動作については、必要な動作に関連する身体動作データを部分的に用いる（組み合わせる）ことであらゆる動作を再現することができる。

上記実施形態では、装着式動作補助装置１０と装着式動作補助装置２０とを同様の構成のものとしたが、異なるものでもよく、例えば、データ取得装置１としての装着式動作補助装置１０は、図３、図４に示すように両脚の関節角度等の身体動作データを取得するものとし、動作再現装置３としての装着式動作補助装置２０は、運動機能の低下した右脚又は左脚の片脚のみを有するものであってもよい。

また、動作再現装置３は、装着式の動作補助装置でなく、埋込型のものでもよい。図６に、埋込型動作補助装置の一例を示す。図６は、４肢のうち腕の肘関節に動作補助装置を埋め込んだ場合を示しているが、両腕の肘、両足の膝の各関節に埋め込むことも可能である。

図６に示されるように、埋込型動作補助装置は、関節の動作を補助する装置であって、装着者の関節２００に装着される動作補助ユニット２３０を有する。動作補助ユニット２３０は、肘の関節２００の上腕骨からなる第１の骨２２２に結合される第１のリム２５０と、関節２２０の肘より下方にある親指側の橈骨及び小指側の尺骨からなる第２の骨２２４に結合される第２のリム２６０と、第１のリム２５０と第２のリム２６０との間に設けられ、第１のリム２５０に対して第２のリム２６０を関節の回動方向に駆動するモータユニット（駆動手段）２９０とを有する。第１のリム２５０の上端には、第１の骨２２２に結合される結合部２５２が突出しており、第２のリム２６０の下端には、第２の骨２２４に結合される結合部２６２が突出している。

第１のリム２５０及び第２のリム２６０の結合部２５２，２６２は、骨に直接結合されるため、例えば、チタン、チタン合金またはセラミックス等の腐蝕しにくい材質によって形成されている。

モータユニット２９０の側面には、モータユニット２９０に駆動電流を供給する制御部と、データ管理装置２から身体動作データを受信する通信装置（共に図示せず）とが設けられている。さらに、モータユニット２９０は、ＤＣモータまたはＡＣモータなどからなる電動モータ２９２を有する。電動モータ２９２による駆動力は、固定子と回転子との間の相対な回転を減速ギヤ等の減速機構を介して第２のリム２６０に伝達される。

制御部は、マイクロコンピュータからなり、駆動電流を生成し、この駆動電流を電動モータ２９２のコイルに供給することで第１のリム２５０に対して第２のリム２６０を回動させる。

また、モータユニット２９０の制御部には、上腕部の生体電位を検出する生体電位センサ２１０（生体信号検出手段）が接続されている。装着者は、脳からの神経系統では腕を動作させようとすると、神経伝達信号を発生する。そのため、生体電位センサ２１０は、筋電位信号や神経伝達信号などの生体電位信号を皮膚を介さないで直接検出することが可能になる。

第１のリム２５０及び第２のリム２６０の内部には、夫々充電式バッテリユニットが収納されている。充電式バッテリユニットは、外部から非接触で充電が行なわれる充電ユニットと充電式バッテリとからなる。

モータユニット２９０は、供給された駆動電流によって発生したトルクＴを検出するトルクセンサ２９４と、第１のリム２５０と第２のリム２６０との回転角θを検出する角度センサ２９６とを有する。トルクセンサ２９４及び角度センサ２９６は、検出したトルク及び角度の検出信号をモータユニット２９０の制御部に出力する。トルクセンサ２９４としては、回転駆動力を伝達する軸の歪みを検出する磁歪式トルクセンサ、あるいはモータ２９２の駆動側ギヤと負荷側ギヤの位相差を電磁的に検出する電磁式トルクセンサなどが用いられる。角度センサ２９６としては、例えば、回転角に応じた数のパルスを出力するロータリエンコーダや回転角に応じた抵抗値に変化するポテンショメータなどが用いられる。

さらに、第１のリム２５０及び第２のリム２６０の外周には、モータ駆動時に作用する応力を検出する応力センサ２１３が設けられている。この応力センサ２１３は、歪みゲージからなり、第１のリム２５０及び第２のリム２６０に作用した応力に応じた検出信号をモータユニット２９０の制御部に出力する。

制御部は、生体電位センサ２１０により検出された生体電位から神経伝達信号および筋電位信号を求め、これらに基づいて、装着者の意思に従った動力をモータユニット２９０に発生させるためのアシスト制御出力トルク値を求める。また、制御部は、データ管理装置２から受信した身体動作データに含まれる関節角度及び関節角速度と、角度センサ２９６が検出した関節角度及び関節角速度とを一致させるための角度制御出力トルクを求める。さらに制御部は、データ管理装置２から受信した身体動作データに含まれる出力トルクと、埋込型動作補助装置の出力トルクとを一致又は比例させるための力制御出力トルクを求める。そして、制御部は、角度制御出力トルク、力制御出力トルク及びアシスト制御出力トルクを加算した出力トルクをモータ２９２に出力する。これにより、データ管理装置２に保存されている身体動作データで表される動作が、埋込型動作補助装置の利用者に反映される。

このように、動作再現装置３として埋込型動作補助装置を用いた場合でも、健常時の動作を再現することができる。

動作再現装置３は、義肢であってもよい。図７は、装着者Ｐの切断された右脚の大腿部に装着され、動作再現装置３として機能する義足型の動作補助装置を示す。この動作補助装置は、ソケット３１０、大腿フレーム３１２、膝関節部３１４、下腿フレーム３１６、及び足部３１８を備えている。

ソケット３１０は、内側に右大腿部の形状に合わせた挿入凹部が形成されており、例えば樹脂等により成型される。例えば、ソケット３１０の挿入凹部に装着者Ｐの切断された右大腿部の断端を嵌合し、断端とソケット３１０との間の空気を抜きソケット３１０に陰圧をかけることで、装着者Ｐに装着される。

大腿フレーム３１２の一端はアタッチメント（図示せず）を介してソケット３１０に結合しており、他端は膝関節部３１４に結合している。大腿フレーム３１２には、股関節の鉛直方向とのなす角度を検出する絶対角度センサが設けられている。この絶対角度センサは、低周波数の動作では加速度センサ、高周波数の動作ではジャイロを用いて、股関節（大腿）の鉛直方向とのなす絶対角（股関節角度）を算出する。

膝関節部３１４は、装着者Ｐの右膝関節として機能する。膝関節部３１４の一側には大腿フレーム３１２の他端が結合されており、他側には下腿フレーム３１６の一端が結合されている。膝関節部３１４は大腿フレーム３１２及び下腿フレーム３１６を回動可能に連結している。また、膝関節部３１４には駆動部３２０が設けられている。駆動部３２０は電動モータからなり、膝関節部３１４を直接駆動する。これにより、膝関節を能動的に屈曲伸展させることができる。駆動部３２０には、膝関節の角度（屈曲角度）を検出する角度センサ（図示せず）が設けられている。この角度センサは例えばポテンショメータである。

下腿フレーム３１６の他端は足部３１８に結合されている。足部３１８には、主にカーボンのプレートによる弾性力によって支持脚時に蓄えられたエネルギーを蹴り出しに利用することが可能なエネルギー蓄積型足部が用いられる。

また、装着者Ｐの右脚大腿部の前後皮膚表面には、右脚大腿部における生体電位（生体信号）を検出する生体信号検出センサ（図示せず）が貼り付けられる。

装着者Ｐの腰には腰ベルト３３０が装着されており、この腰ベルト３３０の後側には、各センサから検出結果を取得して駆動部３２０を制御する制御部３４０、及び制御部３４０や各センサに電力を供給するバッテリ３５０が搭載されている。

制御部３４０は、データ管理装置２から身体動作データを取得し、上述と同様の方法で出力トルクの計算を行い、駆動部３２０の電動モータから出力トルクを出力する。これにより、データ管理装置２に保存されている身体動作データで表される動作が、義足の装着者に反映される。

上記実施形態では、動作再現装置３はトルクをモータに出力し、利用者にアシスト力を与えて健常時の動作を再現するものであったが、筋肉に電気刺激を与えることで健常時の動作を再現するものであってもよい。この場合、動作再現装置３の利用者の関節角度及び関節角速度を角度センサが検出し、これらが身体動作データと一致するように、筋肉に電気刺激を与える。また、動作再現装置３は、身体動作データの取得時と当該身体動作データの再現時とのダイムラグを対象者のバイタルセンシング結果や健康診断履歴結果などを用いて補完演算して、経時的な体力の衰えによる動作バランス調整を行う。

また、データ取得装置１としてモーションキャプチャ装置を用いることができる。モーションキャプチャ装置は、所定の部位にマーカを取り付けた利用者を赤外線カメラ等で連続撮影し、撮影された連続画像を用いてマーカの移動軌跡を算出することで、各部位の位置、速度、加速度等を含む身体動作データを取得する。この身体動作データはデータ管理装置２に保存され、動作再現装置３での動作再現時に使用される。

上記実施形態では、動作再現装置３が、データ管理装置２に保存されている利用者本人の身体動作データを用いて動作を再現する例について説明したが、他人の身体動作データを使用し、他人の動作を再現してもよい。すなわち、身体動作データの取得対象者と、身体動作データを用いる動作再現者とが異なっていてもよい。例えば、データ取得装置１によりプロアスリートの身体動作データを取得し、データ管理装置２に保存する。利用者は、プロアスリートの身体動作データをデータ管理装置２から取得し、動作再現装置３によりプロアスリートの動作を体感することができる。この場合も動作再現装置３は、動作再現者とプロアスリートとの身体能力差を考慮して、当該プロアスリートの動作に応じた段階的なメニューを設定して、動作再現者の心臓負担を軽減しながら動作を体感させるようにしても良い。

動作再現装置３は、データ管理装置２に保存されている人間の身体動作データを使用して、ロボットなどの機械に動作を再現させてもよい。例えば、データ取得装置１によりプロアスリートの身体動作データを取得し、データ管理装置２に保存する。利用者は、プロアスリートの身体動作データをデータ管理装置２から取得し、動作再現装置３に接続された単一ないし複数のロボットに、プロアスリートの動作を再現させることができる。ロボットが動作再現装置３を内蔵していてもよい。

データ管理装置２に課金機能部を設け、動作再現装置３から、メモリ２Ｂに記憶されている身体動作データの送出要求があった時に、課金するようにしてもよい。例えば、課金機能部は、クレジットカードを利用したオンラインカード決済機能を有する。

本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更が可能であることは当業者に明らかである。
本出願は、２０１４年６月２３日付で出願された日本特許出願２０１４−１２８３３０に基づいており、その全体が引用により援用される。

１ データ取得装置
２ データ管理装置
３ 動作再現装置

Claims (10)

1. 対象者の動作時に該動作を表現する身体動作データを取得し、該身体動作データを送信するデータ取得装置と、
   前記データ取得装置から前記身体動作データを受信し、該身体動作データを記憶するメモリを有するデータ管理装置と、
   前記データ管理装置から前記メモリに記憶されている前記身体動作データを受け取り、該身体動作データを用いて、再現者に前記身体動作データの取得時における前記対象者の動作を再現させる動作再現装置と、
   を備える動作再現システム。
2. 請求項１に記載の動作再現システムであって、
   前記データ取得装置は、前記対象者の体の関節同士の間に沿うように装着される第１フレームが第１駆動部に回動自在に接続された第１装着式動作補助装置であり、
   前記対象者の動作に伴って発生する生体信号を検出する第１生体信号検出部と、
   前記対象者の動作に応じた前記関節の回動角度を検出する第１角度センサと、
   前記第１駆動部の出力トルクを検出する第１トルクセンサと、
   前記第１駆動部の出力トルクと前記対象者の筋力との関係で相対的に定まる前記第１フレームに作用する力を検出する相対力検出部と、
   前記第１駆動部の出力トルク、前記生体信号、前記回動角度及び前記第１フレームに作用する力に基づいて、前記第１駆動部から前記第１フレームに付与するアシスト力を算出する第１制御部と、
   前記第１駆動部の出力トルク、前記生体信号、前記回動角度及び前記第１フレームに作用する力を前記身体動作データとして前記データ管理装置へ送信する第１通信部と、
   を有することを特徴とする動作再現システム。
3. 請求項２に記載の動作再現システムであって、
   前記動作再現装置は、前記再現者の体の関節同士の間に沿うように装着される第２フレームが第２駆動部に回動自在に接続された第２装着式動作補助装置であり、
   前記再現者の動作に伴って発生する生体信号を検出する第２生体信号検出部と、
   前記再現者の動作に応じた前記関節の回動角度を検出する第２角度センサと、
   前記第２駆動部による出力トルクを検出する第２トルクセンサと、
   前記データ管理装置から前記身体動作データを受信する第２通信部と、
   前記身体動作データのうち、前記第１駆動部の出力トルク、前記第１生体信号検出部による生体信号、前記第１角度センサによる回動角度及び前記第１フレームに作用する力に基づいて、アシスト制御出力トルクを算出するとともに、前記第１角度センサによる回動角度と前記第２角度センサによる回動角度とを一致させるための角度制御出力トルクを算出し、前記アシスト制御出力トルク及び前記角度制御出力トルクに基づいて前記第２駆動部から前記第２フレームに付与するアシスト力を算出する第２制御部と、
   を有することを特徴とする動作再現システム。
4. 請求項３に記載の動作再現システムであって、
   前記第２制御部は、前記第２駆動部の出力トルクと、前記身体動作データに含まれる前記第１駆動部の出力トルクとを一致又は比例させるための力制御出力トルクを算出し、前記前記アシスト制御出力トルク、前記角度制御出力トルク及び前記力制御出力トルクに基づいて、前記第２駆動部から前記第２フレームに付与するアシスト力を算出する
   ことを特徴とする動作再現システム。
5. 請求項２に記載の動作再現システムであって、
   前記動作再現装置は、前記再現者の四肢のいずれかに埋め込まれる埋込型動作補助装置であり、
   第１の骨に結合される第１のリムと、
   第２の骨に結合される第２のリムと、
   前記第１のリムに対する前記第２のリムの回動角度を検出する第３角度センサと、
   前記第１のリムと前記第２のリムとの間に設けられ、前記第１のリムに対して前記第２のリムを関節の回動方向に駆動する第３駆動部と、
   前記身体動作データを受信する第３通信部と、
   前記第３角度センサによる回動角度と前記身体動作データに含まれる前記第１角度センサによる回動角度とを一致させるための出力トルクを算出し、前記第３駆動部を制御する第３制御部と、
   を有することを特徴とする動作再現システム。
6. 請求項１に記載の動作再現システムであって、
   前記データ取得装置は、モーションキャプチャ装置であり、前記身体動作データとして、前記対象者の関節の回動角度を取得することを特徴とする動作再現システム。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の動作再現システムであって、
   前記データ管理装置は、前記動作再現装置から、前記メモリに記憶する前記身体動作データの送出要求があったとき、当該動作再現装置への課金対象として課金する課金機能部を有することを特徴とする動作再現システム。
8. 対象者の動作を表現する身体動作データを保存するデータ管理装置から該身体動作データを受信し、前記身体動作データを用いて、再現者に前記身体動作データの所望時における前記対象者の動作を再現させることを特徴とする動作再現装置。
9. 請求項８に記載の動作再現装置であって、
   前記動作再現装置は、前記再現者の体の関節同士の間に沿うように装着されるフレームが駆動部に回動自在に接続された装着式動作補助装置であり、
   前記対象者の動作に伴って発生する生体信号を検出する生体信号検出部と、
   前記対象者の動作に応じた関節の回動角度を検出する角度センサと、
   前記駆動部による出力トルクを検出するトルクセンサと、
   前記データ管理装置から前記身体動作データを受信する通信部と、
   前記身体動作データのうち、前記駆動部の出力トルク、前記生体信号検出部による生体信号、前記角度センサによる回動角度及び前記フレームに作用する力に基づいて、アシスト制御出力トルクを算出するとともに、前記角度センサによる回動角度と目標回動角度とを一致させるための角度制御出力トルクを算出し、前記アシスト制御出力トルク及び前記角度制御出力トルクに基づいて、前記駆動部から前記フレームに付与するアシスト力を算出する制御部と、
   を有することを特徴とする動作再現装置。
10. 請求項９に記載の動作再現装置であって、
    前記再現者はロボットであることを特徴とする動作再現装置。