WO2015190599A1

WO2015190599A1 - 装着式動作補助装置

Info

Publication number: WO2015190599A1
Application number: PCT/JP2015/067035
Authority: WO
Inventors: 嘉之山海
Original assignee: Cyberdyne株式会社; 国立大学法人筑波大学
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2015-12-17
Also published as: EP3156193A4; JP6358427B2; US20170144309A1; JP2016002123A; EP3156193A1; US10265857B2; EP3156193B1

Abstract

　上半身自由度を十分に確保し、装着者間の体格差に対応可能な装着式動作補助装置を提供する。装着式動作補助装置は、装着者の上肢に装着されるフレームと、前記フレームの各関節に設けられた駆動部と、前記装着者の生体電位信号を検出する生体信号検出部と、各関節の角度を検出する関節角度検出部と、前記生体電位信号及び前記関節角度に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、を備える。前記フレームは、上下方向に延びる垂直フレームと、前記垂直フレームの上端より肩幅方向に横架された肩フレームと、一端が前記肩フレームの端部に肩関節部を介して連結された第１腕フレームと、一端が前記第１腕フレームの他端に中間関節部を介して連結され、他端が肘関節部に接続された第２腕フレームと、を有する。前記肩関節部、前記中間関節部、及び前記肘関節部に前記駆動部が設けられている。

Description

装着式動作補助装置

　本発明は、上肢による抗重力作業を支援する装着式動作補助装置に関する。

　工事現場等では、工具やカメラ等のツールを持ち上げた上肢挙上姿勢を維持したまま作業を行う場合がある。このような上肢による抗重力作業は、上肢の筋群への負荷が大きく、継続的作業は困難である。特に、重量の大きいツールを使用する場合は、作業効率が著しく低下する。

　そのため、抗重力作業の動作支援を行う装置として、作業員の骨格に沿って身体装着される装着型の上肢支援装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００８－２９５６９６号公報

　しかし、上述した従来の上肢支援装置では、天井面等での作業に必要な上半身自由度が十分に確保されておらず、作業に必要な上肢や体幹の動作に対応できない場合があった。また、装着者間の体肢の長さや太さの違い等の体格差に対応できない場合があった。

　本発明は、上半身自由度を十分に確保し、装着者間の体格差に対応可能な装着式動作補助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装着式動作補助装置は、装着者の上肢に装着されるフレームと、前記フレームの各関節に設けられた駆動部と、前記装着者の生体電位信号を検出する生体信号検出部と、各関節の角度を検出する関節角度検出部と、前記生体電位信号及び前記関節角度に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、を備え、前記フレームは、上下方向に延びる垂直フレームと、前記垂直フレームの上端より肩幅方向に横架された肩フレームと、一端が前記肩フレームの端部に肩関節部を介して連結された第１腕フレームと、一端が前記第１腕フレームの他端に中間関節部を介して連結され、他端が肘関節部に接続された第２腕フレームと、を有し、前記肩関節部、前記中間関節部、及び前記肘関節部に前記駆動部が設けられていることを特徴とするものである。

　本発明の一態様による装着式動作補助装置においては、前記肩関節部は、水平関節及び矢状面関節を有し、該矢状面関節に前記駆動部が設けられ、該水平関節は受動関節であることが好ましい。

　本発明の一態様による装着式動作補助装置においては、前記肩関節部の前記水平関節は前記矢状面関節よりも後方に設けられていることが好ましい。

　本発明の一態様による装着式動作補助装置においては、前記矢状面関節の回転軸が矢状面と垂直になるように、ワイヤを介して前記水平関節にバネ張力が与えられることが好ましい。

　本発明の一態様による装着式動作補助装置においては、前記中間関節部は、水平関節及び矢状面関節を有し、該矢状面関節に前記駆動部が設けられ、該水平関節は受動関節であることが好ましい。

　本発明の一態様による装着式動作補助装置においては、前記肘関節部は矢状面関節を有し、該矢状面関節に前記駆動部が設けられていることが好ましい。

　本発明の一態様による装着式動作補助装置においては、装着者の上腕にあてがわれる第１カフ及び前腕にあてがわれる第２カフが前記肘関節部に連結されていることが好ましい。

　本発明の一態様による装着式動作補助装置においては、前記第１腕フレームは、一端が前記肩関節部に連結された上側長辺リンク及び下側長辺リンクと、両端が該上側長辺リンク及び該下側長辺リンクの他端に連結された短辺リンクを有し、平行リンク機構をなすことが好ましい。

　本発明の一態様による装着式動作補助装置においては、前記上側長辺リンクは下側に湾曲した形状を有し、前記下側長辺リンクはストレート形状を有することが好ましい。

　本発明の一態様による装着式動作補助装置においては、前記肩フレームの肩幅は調整可能となっていることが好ましい。

　本発明の一態様による装着式動作補助装置においては、装着者の腰に装着される腰フレームと、一端が前記腰フレームに連結された下肢フレームと、前記下肢フレームの他端の股関節部に設けられ、前記制御部により制御される下肢駆動部と、前記下肢駆動部に連結され、装着者の大腿部にあてがわれる第３カフと、をさらに備えることが好ましい。

　本発明の一態様による装着式動作補助装置においては、前記制御部は、前記生体電位信号の信号処理を行い、信号処理後の生体電位信号に応じた動力を前記駆動部に発生させるための随意指令信号を生成する随意制御手段と、各フレームの長さ、各関節に連結されたフレーム同士の相対角度、各フレームの重量、各関節の重量、各関節の粘性係数、及び重力加速度に基づいて、重力補償及び粘性補償を行う動力を前記駆動部に発生させるための自律指令信号を生成する自律制御手段と、前記随意指令信号及び前記自律指令信号を合成して合成指令信号を生成する合成手段と、を有し、前記駆動部は、前記合成指令信号に基づいて生成された駆動電流により駆動することが好ましい。

　本発明によれば、肩関節と肘関節との間に中間関節を設け、冗長自由度を持つものとすることで、装着者と装置の関節の回転軸が一致しなくても、関節間の位置関係のずれが吸収されるため、装着者間の体格差に対応することができる。また、十分な上半身の自由度を確保することができる。また、下肢駆動部を有する腰部補助装置と組み合わせることで、上肢支援装置から腰部に伝達される支援力の反力を打ち消し、装着者の腰部への負担を軽減するので、上肢による抗重力作業を支援して作業効率を向上させることができる。

図１ａ～１ｃは手先と肩の可動範囲を示す図である。本実施形態による装着式動作補助装置を示す図である。本実施形態による第１腕フレームを示す図である。平行リンク機構の原理を示す図である。本実施形態による肩水平関節の原点回帰機構を示す図である。本実施形態による肩幅調整機構を示す図である。図７ａ～７ｅは上肢支援装置のリンク構造の装着者が動作した場合のリンク構造の模式図である。上肢支援装置のリンク構造の樹脂モデルを示す図である。可動域の計測時に被験者にマーカーを貼付した骨特徴点を示す図である。本実施形態による装着式動作補助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リンクモデルを示す図である。図１２ａは装着式動作補助装置を装着した場合と装着しなかった場合の抗重力作業の継続時間を示すグラフであり、図１２ｂは動作回数を示すグラフである。

　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
　上肢の挙上姿勢を維持したままの作業では、身体の前方でツールを把持し、上方に挙上して使用する。従って、本実施形態による装着式動作補助装置では、手先の可動範囲を装着者の前方と上方に設定する。また、体幹の可動範囲に関しては、脊柱を構成するうちの腰椎の自由度が制限されているものとする。これは、腰部補助装置が、腰椎を固定して内骨格系への負荷を軽減しつつ動作支援を行うためである。

以下の表１は人体の各関節の想定可動域を示す。

　また、以下の表２は成人男性の人体各部の寸法の９５％タイル値、５％タイル値を示す。

　図１ａ～１ｃは、表１に示す各関節の可動域及び表２に示す寸法値から求めた、手先と肩の可動範囲を示す。図１ａは矢状面における可動範囲、図１ｂは水平面における可動範囲、図１ｃは前額面における可動範囲を示す。図１ａ～１ｃにおいて、斜線領域は手先の可動範囲であり、平面上で肩関節と肘関節を動作させた時に手首が到達できる領域を示している。また、肩周辺の曲線は、体幹が動作した際の肩関節位置の可動範囲を示している。装着式動作補助装置には、それぞれの平面について、この可動範囲を満たすことが求められる。

　図２は、本実施形態による装着式動作補助装置の斜視図である。図２に示す装着式動作補助装置１０（以下「動作補助装置」と称する）は、装着者の動作を支援（アシスト）する装置であり、脳からの信号により筋力を発生させる際に生じる生体信号（表面筋電位）及び／又は当該装着者の関節の動作角度などを検出し、この検出信号に基づいて駆動部からの駆動力を付与するように作動する。

　動作補助装置１０を装着した装着者は、自らの意思で両腕による物体の持ち上げ運動を行うと、その際に発生した生体信号及び／又は当該装着者の肩関節、肘関節、肩関節と肘関節との間の中間関節、股関節の動作角度に応じた駆動トルクがアシスト力として動作補助装置１０から付与され、例えば、持ち上げ動作で通常必要とされる筋力の半分の力で物体を持ち上げることが可能となる。従って、装着者は、自身の筋力と駆動部（本実施形態では電動式の駆動モータ）からの駆動トルクとの合力によって上体を動作させることができる。

　動作補助装置１０は、装着者の上体を補助する上肢支援装置１００と、装着者の腰部を補助する腰部補助装置２００を備えている。腰部補助装置２００は、上肢支援装置１００から脱着可能となっており、腰部補助装置２００を外し、上肢支援装置１００を単独で使用してもよい。

　図２に示すように、上肢支援装置１００は、装着者の腰に装着される腰フレーム１０２と、腰フレーム１０２の上方に延在する垂直フレーム１０４と、垂直フレーム１０４の上端より肩幅方向に横架された肩フレーム１０６と、関節を介して肩フレーム１０６の両端部に連結された第１腕フレーム１１０と、関節を介して第１腕フレーム１１０に連結された第２腕フレーム１２０とを有するリンク構造を備える。第１腕フレーム１１０及び第２腕フレーム１２０はそれぞれ装着者の右腕及び左腕に対応して設けられている。

　腰フレーム１０２は図示しない締結ベルトにより装着者の腰に締結される。

　肩フレーム１０６は、水平面に垂直な関節軸を持つ水平関節を介して、垂直フレーム１０４の上端に略水平方向に回動可能に連結されている。

　第１腕フレーム１１０の一端は、矢状面に垂直な関節軸を持つ矢状面関節及び水平関節を介して、肩フレーム１０６の端部に略水平方向及び略前後方向に回動可能に連結されている。この肩フレーム１０６と第１腕フレーム１１０との連結箇所は、装着者の肩関節に対応しており、肩フレーム１０６に対して第１腕フレーム１１０を略水平方向に回動可能とする水平関節部１１１と、肩フレーム１０６に対して第１腕フレーム１１０を略前後方向に回動可能とする回転関節（矢状面関節部）１１２とが設けられている。

　第２腕フレーム１２０の一端は、水平関節及び矢状面関節を介して、第１腕フレーム１１０の他端に、略水平方向及び略前後方向に回動可能に連結されている。この第１腕フレーム１１０と第２腕フレーム１２０との連結箇所は、肩関節と肘関節との間に設けた中間関節に対応しており、第１腕フレーム１１０に対して第２腕フレーム１２０を略水平方向に回動可能とする水平関節部１２１と、第１腕フレーム１１０に対して第２腕フレーム１２０を略前後方向に回動可能とする回転関節（矢状面関節部）１２２とが設けられている。

　第２腕フレーム１２０の他端には、装着者の上腕にあてがわれるカフ１２６及び前腕にあてがわれるカフ１２８が設けられており、図示しない締結ベルトにより上腕をカフ１２６に締結し、前腕をカフ１２８に締結することができる。第２腕フレーム１２０の他端には、矢状面関節を介して、カフ１２８が略前後方向に回動可能に連結されている。この第２腕フレーム１２０の他端部は、装着者の肘関節に対応しており、第２腕フレーム１２０に対してカフ１２８を略前後方向に回動可能とする回転関節（矢状面関節部）１２４が設けられている。

　各関節部の矢状面関節を構成する回転関節１１２、１２２、１２４には、後述する駆動モータ１４１～１４６が設けられている。

　上肢を可動域限界まで挙上する際、矢状面上の肩関節位置が上昇する。肩の運動は、上腕骨、鎖骨、肩甲骨とそれらを動作させる肩周辺の筋群によって行われる。上肢を可動域の限界まで挙上すると、鎖骨と胸骨を結ぶ胸鎖関節は約３０［ｄｅｇ］、鎖骨と肩甲骨を結ぶ肩鎖関節は約３０［ｄｅｇ］上方に動作する。また、肩甲骨と上腕骨を結ぶ肩甲上腕関節は約１２０［ｄｅｇ］上方に動作し、これらの運動の合計として上肢が約１８０［ｄｅｇ］挙上される。この時の鎖骨と肩甲骨の動作により，矢状面からみた肩関節の回転軸が上昇する。体幹の矢状面での動作は前屈と後屈である。この動作によっても肩関節の位置は変動するため、肩関節位置の変動は更に大きくなる。加えて、装着者間の体肢長等の違いにより、肩関節の初期位置や手先の可動範囲も変わる。

　図２に示すように、上肢支援装置１００は、肩関節と肘関節との間に中間関節を有しているため、矢状面において２自由度以上が確保され、矢状面での位置決めが可能となる。また、想定可動範囲内であれば、装着者と装置の関節の回転軸が一致していなくとも、関節間の位置関係のずれが吸収される。上肢と上肢支援装置１００との装着に関しては、装着者の肘関節周辺で装置を固定すれば支援を受けられるため、肩関節周辺に締結ベルト等は設けられず、拘束を受けないようになっている。

　上肢支援装置１００のリンク構造は、肩関節部分と中間関節部分とに水平関節部１１１、１２１を有しているため、肩の水平方向の動作（水平屈曲、水平伸展）に対応することができる。また、水平面に２自由度が設定される。３次元空間上の位置決めには、ある平面上の３自由度と、別の平面の１自由度が必要である。上述したように、このリンク構造では、矢状面で２自由度以上確保しているため、手先の位置決めを行うことが可能である。水平面に１自由しかない場合、リンク構造が装着者の胴体に干渉してしまう場合があるが、本実施形態では水平面に２自由度が設定されるため、リンク構造の胴体への干渉を防止できる。

　上述したように、上肢を挙上する際には肩関節位置が上昇する。そのため、上肢支援装置１００のリンク構造では、肩関節部分の水平関節部１１１を、装着者の肩後方（矢状面関節となる回転関節１１２より後方）に設け、装着者の肩関節直上に構造物が無いようになっている。

　上肢支援装置１００のリンク構造は、肩関節と肘関節との間に中間関節を有するため、肩関節部分と中間関節部分とにそれぞれ設けられた２つの水平関節部１１１、１２１の水平面における距離は可変となる。そのため、水平動作において、装着者と上肢支援装置１００との間で回転軸の不一致が生じても、可動性の低下を防止できる。

　さらに、垂直フレーム１０４と肩フレーム１０６との連結部分、すなわち装着者の体幹後方に水平関節が設けられているため、上肢支援装置１００のリンク構造は体幹の回旋動作に対応することができる。上肢支援装置１００のリンク構造は、中間関節による冗長自由度を有するため、体幹の回旋動作において装着者と上肢支援装置１００との間で回転軸の不一致が生じても、可動性の低下を防止できる。

　装着者間の身体の太さの違いに関しては、装着者と上肢支援装置１００との間に緩衝材を適宜挿入したり、締結ベルトを調整したりして対応する。装着者間の肩幅の違いに関しては、後述する肩幅調整機構（図６参照）により対応する。

　前額面における肩関節の動作は肩の内転、外転であり、体幹の動作は側屈である。前額面での動作と装着者間の寸法差は、矢状面と水平面の要素の組み合わせとして捉えることができる。例えば、肩の内転、外転は、矢状面における屈曲、伸展と、水平面における水平屈曲、伸展の組み合わせである。体幹の側屈は、矢状面における肩関節の初期位置の差と、前額面における内転、外転の組み合わせである。従って、上肢支援装置１００のリンク構造により、前額面の動作と装着者間の寸法差に対応することができる。

　図３は、第１腕フレーム１１０の構成を示す。肩関節部分には、水平面に垂直な関節軸ＡＸ１（水平関節部１１１の回転軸）と、矢状面関節となる回転関節１１２とが設けられている。第１腕フレーム１１０は、上側長辺リンク１１４、下側長辺リンク１１６、及び中間関節側に設けられた短辺リンク１１８からなる。

　上側長辺リンク１１４及び下側長辺リンク１１６の一端は、回転関節１１２に回転可能に連結されている。また、上側長辺リンク１１４及び下側長辺リンク１１６の他端は、短辺リンク１１８の両端に回転可能に連結されている。短辺リンク１１８の近傍には、水平面に垂直な関節軸ＡＸ２（水平関節部１２１の回転軸）が設けられている。

　図３に示すように、回転関節１１２、上側長辺リンク１１４、下側長辺リンク１１６及び短辺リンク１１８により平行リンク機構が実現されている。平行リンク機構では、機構の先にあるリンクの姿勢変化によらず、平行リンク機構の重力補償に必要なトルクが一定となる。この特性は、重量物を扱う作業を支援するシステムに適している。

　図４に平行リンク機構の原理を示す。平行リンク機構の先にあるリンクが姿勢を変化させた時、リンクを支持する重力補償トルクも変化する。そのトルクの反作用として、平行リンク機構の短辺リンクに重力補償トルクとは逆方向のトルクが生じる。しかし、そのトルクは平行リンク部の長辺リンクによって、引張と圧縮の力として支持される。そのため平行リンク機構の重力補償トルクには影響しない。

　上肢支援装置１００の平行リンク機構では、向かい合う上側長辺リンク１１４及び下側長辺リンク１１６の相対的な姿勢が変化しない。そのため、平行リンク機構が動作しても、水平関節はその姿勢を保持し続けることができる。

　下側長辺リンク１１６はストレート形状となっている。一方、上側長辺リンク１１４は、水平関節への干渉を防ぐために、下側に湾曲した形状になっている。平行リンク機構の可動域は１８０［ｄｅｇ］であるが、平面的にリンクを配置するとリンク同士が干渉し、可動域が狭まる。本実施形態では、上側長辺リンク１１４及び下側長辺リンク１１６が立体的に配置されているため、１８０［ｄｅｇ］の可動域を最大限に使用することができる。さらに、捻り荷重を２本のリンクで支持できるため、リンクの剛性が上昇する。

　矢状面の関節が動作する際、受動関節である肩の水平関節部１１１は、水平面のモーメントを受ける。そのモーメントにより肩の水平関節部１１１が動作すると、装着者の意図に反して回転関節１１２の回転軸が前額面に垂直な状態となることがある。そのような状況では、上述した自由度が制限されて、機構の可動性が著しく低下する。そのため、図５に示すように、上肢支援装置１００には、肩水平関節の原点回帰機構が設けられている。原点回帰機構は、肩フレーム１０６に設けられた２つの引っ張りバネ１３０、１３２、水平関節部１１１に設けられたプーリ１３４、プーリ１３４に巻き掛けられ両端がそれぞれ引っ張りバネ１３０、１３２に連結されたワイヤ１３６からなる。引っ張りバネ１３０、１３２の張力が、ワイヤ１３６を介して肩水平関節に伝達することで、矢状面関節（回転関節１１２）の回転軸の姿勢を矢状面と垂直になるよう保つことができる。意図的な肩関節の水平動作は、引っ張りバネ１３０、１３２の弾性により容易に行うことができる。

　図６に示すように、肩フレーム１０６は、左右の肩関節部分から延びるコの字フレーム１０６Ａ、１０６Ｂと、コの字フレーム１０６Ａ、１０６Ｂの間に設けられたホルダフレーム１０６Ｃとを有する。コの字フレーム１０６Ａ、１０６Ｂは、ホルダフレーム１０６Ｃに摺動可能に連結されている。コの字フレーム１０６Ａ、１０６Ｂの一部はホルダフレーム１０６Ｃ内に収容されており、コの字フレーム１０６Ａ、１０６Ｂを摺動し、ホルダフレーム１０６Ｃから引き出したり押し戻したりすることで、肩フレーム１０６の長さ（肩幅）を調整することができる。

　コの字フレーム１０６Ａ、１０６Ｂに接着された金属パーツ（図６ではホルダフレーム１０６Ｃ内に収まっており見えない）にはネジ穴があり、ホルダフレーム１０６Ｃに接着された金属パーツ１０７とネジ止めすることが可能である。このネジ止め部は，ホルダフレーム１０６Ｃからコの字フレーム１０６Ａ、１０６Ｂが脱落することを防ぐためにあり、荷重はフレーム間で保持する。コの字フレーム１０６Ａ、１０６Ｂとホルダフレーム１０６Ｃとの間の摺動面には摺動性に優れた樹脂シート１０８が設けられており、ネジ止め部のネジを緩めることで、容易に肩幅を調整できる。肩幅調整のストロークは、例えば片側で５０［ｍｍ］であり、９５％タイル値から５％タイル値の成人男性に対応できる。

　図７ａ～７ｅは、このような上肢支援装置１００のリンク構造を装着した装着者が動作した場合のリンク構造の模式図である。図７ａ～７ｃは矢状面における動作、図７ｄは水平面における動作、図７ｅは前額面における動作を示す。

　以下の表３は、図８に示すような上肢支援装置１００のリンク構造の樹脂モデルを装着した場合の関節可動域の計測結果を示す。被験者は、それぞれ９５％タイル値、５０％タイル値、５％タイル値に対応する、身長１８１０［ｍｍ］の被験者Ａ、身長１７００［ｍｍ］の被験者Ｂ、身長１５５０［ｍｍ］の被験者Ｃの健常な成人男性３名とした。

　被験者にはリンク構造の樹脂モデルを装着させ、各骨特徴点にマーカーを貼り付けた。図９に示す黒丸部分が、マーカーを張りつけた骨特徴点である。各関節を１ヶ所ずつ動作させ、被験者の正面、側面、上面の３方向から写真撮影を行い、画像上のマーカーの相対位置から、各関節角度の変位を計測した。その後、各関節の可動域について装着時の可動域が想定可動域に満たなかった場合、リンク構造の非装着時の可動域も計測した。想定可動域は表１に示すものと同じである。

　骨特徴点を用いた可動域の計測では、最大で１０［ｄｅｇ］程度の誤差が発生する。計測値に最大の誤差が生じた場合、実際には想定可動域に１０［ｄｅｇ］足りない可動域を持つリンク構造を、上半身の可動域が確保できているとみなしてしまう。しかし、１０［ｄｅｇ］程度の差であれば、他の関節を動作させて補完できる。

　表３に示すように、肘関節及び肩関節について、計測値が想定可動域の値を１０［ｄｅｇ］以上下回る項目があった。しかし、それらの項目では、リンク構造の装着時と非装着時の可動域の計測値の差が１０［ｄｅｇ］以上にならなかった。従って、装着者の関節可動域が元から想定可動域を下回っていたことがわかる。

　以上の結果から、上肢支援装置１００のリンク構造は、装着時においても作業に必要な上半身の自由度を妨げないことがわかる。上述の計測時は、樹脂製のリンク構造を使用したが、強度部材に置き換えたとしてもリンク長や各関節の位置関係が変わらなければ、装着時において上半身の自由度は確保される。

　上肢支援装置１００のリンク構造の各フレームやカフは、比強度が高く、部品成形時における加工自由度が高いＣＦＲＰ（Carbon-Fiber-Reinforced Plastic、炭素繊維強化プラスチック）を用いて製作することが好ましい。例えば、オートクレーブ成型法を用いてＣＦＲＰを成形してフレーム等を製作する。カフ１２６、１２８については、回転関節１２４からカフに延びるリンクと一体成形することが好ましい。このことにより、ネジの使用本数の削減による軽量化、応力集中部分の削減による強度の向上、及び部品点数の削減を実現できる。関節部分は寸法精度を必要とするので、超々ジュラルミンや炭素鋼等の金属部材を切削加工した金属パーツを接着する。

　図２に示すように、上肢支援装置１００は、リンク構造の矢状面関節（回転関節１１２、１２２、１２４）に設けられた駆動モータ１４１～１４６、垂直フレーム１０４の背面側に取り付けられた制御ユニット１４７、及び腰フレーム１０２に取り付けられたバッテリ１４８を備える。

　駆動モータ１４１、１４２は肩関節に対応する位置（回転関節１１２）に設けられ、第１腕フレーム１１０は駆動モータ１４１、１４２の駆動トルクにより回動する。駆動モータ１４３、１４４は中間関節に対応する位置（回転関節１２２）に設けられ、第２腕フレーム１２０は駆動モータ１４３、１４４の駆動トルクにより回動する。駆動モータ１４５、１４６は肘関節に対応する位置（回転関節１２４）に設けられ、駆動モータ１４５、１４６の駆動トルクは、カフ１２８及び締結ベルトにより、装着者の前腕にアシスト力として伝達される。

　上肢支援装置１００の水平関節部１１１、１２１は受動関節となっている。

　腰部補助装置２００は、股関節に対応する位置に設けられる駆動モータ２０１、２０２と、大腿部に当てがわれるカフ２０４と、腰フレーム１０２と股関節（駆動モータ２０１、２０２）とを連結する下肢フレーム２０６と、カフ２０４と股関節（駆動モータ２０１、２０２）とを連結するフレーム２０８とを備える。図示しない締結ベルトにより装着者の大腿部をカフ２０４に締結することができる。駆動モータ２０１、２０２の駆動トルクにより、装着者が上肢支援装置１００からアシスト力を受ける際に腰部に伝達されるアシスト力の反力を打ち消すことができる。

　上肢支援装置１００には、腰部補助装置２００を接続することができる。上肢支援装置１００と腰部補助装置２００との接続部は、例えば、はめ合いの構造とする。はめ合い部分の面が、荷重やモーメントを保持する。はめ合わせた後にネジ止めすることで、上肢支援装置１００と腰部補助装置２００とを接続することができる。ネジにはほぼ荷重が掛からないため、ネジを外すだけで、上肢支援装置１００と腰部補助装置２００とを容易に分離することができる。例えば、フレーム２０６と腰フレーム１０２とを分離可能に接続する。あるいはまた、フレーム２０６と腰フレーム１０２とを一体成形し、腰フレーム１０２と垂直フレーム１０４とを分離可能に接続するようにしてもよい。

　駆動モータ１４１～１４６、２０１、２０２には、ＤＣモータ又はＡＣモータなどからなる電動モータを用いることができ、制御ユニット１４７からの制御信号により駆動トルクが制御される。また、各駆動モータは、モータ回転を所定の減速比で減速する減速機構を内蔵しており、小型ではあるが装着者に十分な駆動力を付与することができる。

　駆動モータ１４１～１４６、２０１、２０２には関節角度を検出する角度センサが設けられている。また、肩関節及び中間関節の水平関節部１１１、１２１にも関節角度を検出する角度センサが設けられている。角度センサには、例えば、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を用いることができる。角度センサの検出結果は制御ユニット１４７へ出力される。

　上肢支援装置１００及び腰部補助装置２００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電位センサ（図示せず）を有している。生体電位センサは、微弱電位を検出するための電極を備えている。生体電位センサは、例えば三角筋、上腕二頭筋、上腕三頭筋、手根屈筋、手根伸筋、大殿筋等の表面筋電位を検出する。生体電位センサの検出結果は制御ユニット１４７へ出力される。

　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（駆動トルク）を求めることが可能になる。

　制御ユニット１４７は、生体電位センサによって検出された生体電位信号に基づいて各駆動モータに供給する駆動電流を求め、この駆動電流で駆動モータを駆動することで、必要なアシスト力（駆動トルク）を付与して、装着者の上体の動作を補助する。

　制御ユニット１４７は、メインコンピュータ、加速度センサ、信号処理回路等を有している。バッテリ１４８は、駆動モータ１４１～１４６、２０１、２０２や制御ユニット１４７に電力を供給する。

　図１０は、本実施形態に係る動作補助装置１０の制御系システムを示すブロック図である。動作補助装置１０は、生体電位信号検出手段１１、関節角度検出手段１２、制御装置２０、駆動信号生成手段３１、及び駆動源（アクチュエータ）３２を備える。

　生体電位信号検出手段１１は、上述した生体電位センサに対応する。関節角度検出手段１２は、上述した角度センサに対応する。駆動信号生成手段３１及び駆動源３２は各駆動モータに対応する。

　制御装置２０は、制御ユニット１４７に設けられ、随意制御手段２１、自律制御手段２２及び指令信号合成手段２３を有する。

　随意制御手段２１は、生体電位信号検出手段１１により検出された生体電位信号に対して、フィルタ処理（スムージング処理）及び増幅を含む信号処理を行う。そして、随意制御手段２１は、信号処理を施した生体電位信号を用いて、装着者の意思に従った動力を駆動源３２に発生させるための随意指令信号を生成する。

　自律制御手段２２は、関節角度検出手段１２により検出された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駆動源３２に発生させるための自律指令信号を生成する。関節角度及び加速度に基づく自律指令信号により重力補償と粘性補償を行うことができる。図１１に、動作補助装置１０のリンクモデルを示す。手先で把持したツールの重量と姿勢、角速度に応じて各関節を動作させることで、動作支援を行う。数式（１）～（３）に、各関節における補償トルクの式を示す。

　τ_ｅ［Ｎｍ］は肘関節、τ_ｍ［Ｎｍ］は中間関節、τ_ｓ［Ｎｍ］は肩関節に対応している。Ｍ［ｋｇ］は各部の質量を代表する質点の重量である。Ｍ_Ｅｓｔ［ｋｇ］は手先にあるツールの重量である。Ｌ［ｍ］は各リンクのリンク長である。Ｌ_Ｅｓｔ［ｍ］は肘関節から手先ツールの重心との距離である。θ［ｄｅｇ］は各関節に接続されたリンク同士の相対角度である。例外として、θ_ａｂｓ［ｄｅｇ］は重力方向に対する絶対角度である。Ｄ［Ｎｍｓ／ｒａｄ］は各関節の粘性係数、ｇ［ｍ／ｓ^２］は重力加速度である。

　数式（３）からわかるように、肩関節について、補償トルクは肩関節と絶対角度の姿勢によって決まる。これは肩関節と中間関節を接続する平行リンク機構の特性によるもので、中間関節に設けられた水平関節部１２１が動作しても補償トルクには影響しない。

　このようにして求めた補償トルクに基づいて、自律指令信号が生成される。

　指令信号合成手段２３は、随意制御手段２１により生成された随意指令信号と、自律制御手段２２により生成された自律指令信号とを合成し、合成指令信号を駆動信号生成手段３１へ出力する。

　合成指令信号は、動作の開始から終了まで変化する随意的制御による動力と、重力補償及び粘性補償を行う自律的制御による動力とを加算した動力を駆動源３２に発生させる波形を有する。

　駆動信号生成手段３１は、合成指令信号に応じた駆動信号（駆動電流）を生成し、この駆動信号を駆動源３２に供給することにより駆動源３２を駆動する。駆動源３２は、駆動信号に応じたアシスト力（動力）を装着者に付与する。

　図１２ａ，１２ｂは、このような動作補助装置１０を装着した場合と装着しなかった場合のツールの保持時間（図１２ａ）及び上下動作回数（図１２ｂ）の計測結果を示す。被験者は健常な成人男性ａ、ｂ、ｃの３名とした。また、非装着実験を先に行い、装着実験はその後に行った。

　ツール（重量物）を頭上で保持する静的実験では、３０［ｋｇ］の重量物を使用した。台座から重量物を挙上し、頭上で重量物を保持し、保持の限界が来たら重量物を台座に戻した。重量物が台座から離れた瞬間から台座に戻すまでの時間を保持時間として計測した。図１２ａに静的実験の実験結果を示す。すべての被験者において、動作補助装置１０の装着により保持時間が増加した。増加幅が最も大きかった被験者では保持時間が２．８倍となった。このことにより、動作補助装置１０は静的動作を支援できることがわかる。

　重量物を頭上で上下する実験（動的実験）では、１０［ｋｇ］の反力模擬重量物を使用した。台座から重量物を挙上し，頭上で反力模擬重量物の上下動作を行い、上下動作の限界が来たら、重量物を台座に戻した。重量物が台座から離れた瞬間から台座に戻る間の上下動作の回数を計測した。上下動作は、反力模擬重量物をその初期位置から１００［ｍｍ］上昇させ、その後初期位置に戻す工程を１回と計測した。図１２ｂに動的実験の実験結果を示す。すべての被験者において、動作補助装置１０の装着により上下動作回数が増加した。増加幅が最も大きかった被験者では上下動作回数が２．０倍となった。このことにより、動作補助装置１０は動的動作を支援できることがわかる。

　このように、本実施形態によれば、上肢支援装置１００の肩関節と肘関節との間に中間関節を設け、リンク構造に冗長自由度を持たせている。また、肩関節の水平関節部１１１を肩後方に設け、上肢を挙上する際の肩関節位置の上昇が妨げられないようにしている。そのため、上肢支援装置１００の装着時においても装着者の上半身の自由度を確保することができる。

　中間関節を設けることにより、装着者と上肢支援装置１００の関節の回転軸が一致していなくても、関節間の位置関係のずれが吸収される。また、肩フレーム１０６には肩幅調整機構が設けられている。そのため、上肢支援装置１００は、装着者間の体格差に対応することができる。

　上肢支援装置１００の矢状面関節には駆動モータが設けられており、この駆動モータからアシスト力を付与することで、抗重力作業の作業効率を向上させることができる。

　また、上肢支援装置１００と腰部補助装置２００とを組み合わせることで、上肢支援装置１００から腰部に伝達される支援力の反力を打ち消し、装着者の腰部への負担を軽減することができる。

　上記実施形態における上肢支援装置１００の各フレームを構成するＣＦＲＰ部材のプリプレグ積層構成は、シミュレーションによる強度解析結果から求めてもよい。上肢支援装置１００の関節部分や肩フレーム１０６に設けられる金属パーツは、超々ジュラルミンや炭素鋼等の等方性材料を用いるため、ソリッドモデルによる解析を行う。各フレームを構成するＣＦＲＰは異方性材料であるため、複合シェル解析が可能なサーフェスモデルによる解析を行う。複合シェル解析では、複合材料の繊維方向や積層構成を考慮した解析が可能である。サーフェスモデルは厚みがゼロのモデルであるため、アセンブリ状態で解析できない場合がある。その時は部品単一、もしくは解析結果に関わる最低限の部品のアセンブリモデルにより解析を行う。

　部品に発生した応力が、その部品の許容応力を超えた時、部品は破壊される。部品に生じている応力が、許容応力に対してどの程度余裕をもつかを表す指標を、安全率と呼ぶ。安全率が１の場合、許容応力と部品に発生した応力が等しい状態であり、部品は破壊されない。構造部材の安全率は、捻り荷重を考慮した上で，２以上となるように設計する。

　等方性材料の破壊判定の基準には、最大ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ応力（ミーゼス応力）を使用する。最大ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ応力は、複数の方向からの複合的な荷重により発生した応力を、１方向の引張り又は圧縮応力へ投影したものでる。異方性材料であるＣＦＲＰの破壊判定には、Ｔｓａｉ－Ｗｕ則を使用する。Ｔｓａｉ－Ｗｕ側では、圧縮と引張りの許容応力を分けて安全率の導出を行うことができる。繊維方向に応じて圧縮と引張りの許容応力が変わるＣＦＲＰの解析に適した判定基準である。

　強度解析は、設計したリンク構造が、想定した負荷に対して十分な強度を持つか確認するものである。リンク構造の姿勢は、上腕を１３５［ｄｅｇ］まで挙上して前腕を地面対して垂直にしてツールを把持した場合と、腹部前面でツールを把持した場合の２種類とする。矢状面上で装着者の股関節から見たモーメント長は、挙上時で１４０［ｍｍ］、腹部前面保持時で２００［ｍｍ］となる。荷重は、使用するツールの最大重量から片腕１５０［Ｎ］、両腕で３００［Ｎ］とし、前腕と上腕を介して機構に伝達されるとする。部分的なアセンブリの解析では，構造上拘束をうけると考えられる箇所を固定する。そしてシミュレーションソフトのリモート荷重機能により、全体アセンブリ状態で解析した場合に相当する荷重を与える。シミュレーションにより全てのパーツの安全率を算出し、これらが所定値以上となるように、ＣＦＲＰのプリプレグ積層構成を決定する。

　なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形してもよい。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせてもよいし、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

　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１３日付で出願された日本特許出願２０１４－１２２４８３に基づいており、その全体が引用により援用される。

１０　動作補助装置
１００　上肢支援装置
１０２　腰フレーム
１０４　垂直フレーム
１０６　肩フレーム
１１０　第１腕フレーム
１２０　第２腕フレーム
１４１～１４６　駆動モータ
２００　腰部補助装置
２０１、２０２　駆動モータ

Claims

　装着者の上肢に装着されるフレームと、
　前記フレームの各関節に設けられた駆動部と、
　前記装着者の生体電位信号を検出する生体信号検出部と、
　各関節の角度を検出する関節角度検出部と、
　前記生体電位信号及び前記関節角度に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、
　を備え、
　前記フレームは、
　上下方向に延びる垂直フレームと、
　前記垂直フレームの上端より肩幅方向に横架された肩フレームと、
　一端が前記肩フレームの端部に肩関節部を介して連結された第１腕フレームと、
　一端が前記第１腕フレームの他端に中間関節部を介して連結され、他端が肘関節部に接続された第２腕フレームと、
　を有し、
　前記肩関節部、前記中間関節部、及び前記肘関節部に前記駆動部が設けられていることを特徴とする装着式動作補助装置。
　前記肩関節部は、水平関節及び矢状面関節を有し、該矢状面関節に前記駆動部が設けられ、該水平関節は受動関節であることを特徴とする請求項１に記載の装着式動作補助装置。
　前記肩関節部の前記水平関節は前記矢状面関節よりも後方に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の装着式動作補助装置。
　前記矢状面関節の回転軸が矢状面と垂直になるように、ワイヤを介して前記水平関節にバネ張力が与えられることを特徴とする請求項２又は３に記載の装着式動作補助装置。
　前記中間関節部は、水平関節及び矢状面関節を有し、該矢状面関節に前記駆動部が設けられ、該水平関節は受動関節であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の装着式動作補助装置。
　前記肘関節部は矢状面関節を有し、該矢状面関節に前記駆動部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の装着式動作補助装置。
　装着者の上腕にあてがわれる第１カフ及び前腕にあてがわれる第２カフが前記肘関節部に連結されていることを特徴とする請求項６に記載の装着式動作補助装置。
　前記第１腕フレームは、一端が前記肩関節部に連結された上側長辺リンク及び下側長辺リンクと、両端が該上側長辺リンク及び該下側長辺リンクの他端に連結された短辺リンクを有し、平行リンク機構をなすことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の装着式動作補助装置。
　前記上側長辺リンクは下側に湾曲した形状を有し、前記下側長辺リンクはストレート形状を有することを特徴とする請求項８に記載の装着式動作補助装置。
　前記肩フレームの肩幅は調整可能となっていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の装着式動作補助装置。
　装着者の腰に装着される腰フレームと、
　一端が前記腰フレームに連結された下肢フレームと、
　前記下肢フレームの他端の股関節部に設けられ、前記制御部により制御される下肢駆動部と、
　前記下肢駆動部に連結され、装着者の大腿部にあてがわれる第３カフと、
　をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の装着式動作補助装置。
　前記制御部は、
　前記生体電位信号の信号処理を行い、信号処理後の生体電位信号に応じた動力を前記駆動部に発生させるための随意指令信号を生成する随意制御手段と、
　各フレームの長さ、各関節に連結されたフレーム同士の相対角度、各フレームの重量、各関節の重量、各関節の粘性係数、及び重力加速度に基づいて、重力補償及び粘性補償を行う動力を前記駆動部に発生させるための自律指令信号を生成する自律制御手段と、
　前記随意指令信号及び前記自律指令信号を合成して合成指令信号を生成する合成手段と、
　を有し、
　前記駆動部は、前記合成指令信号に基づいて生成された駆動電流により駆動することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の装着式動作補助装置。