WO2017187659A1 - 動作補助装置 - Google Patents

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WO2017187659A1
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ヨッヘン ダメラウ
ヨバーナ ヨビーチュ
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ボッシュ株式会社
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/60—Artificial legs or feet or parts thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/68—Operating or control means
    • A61F2/70—Operating or control means electrical
    • A61F2/72—Bioelectric control, e.g. myoelectric
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00—Manipulators not otherwise provided for

Definitions

  • the present invention relates to an operation assisting device used by being worn on a human body.
  • motion assist devices that assist human motion such as walking motion and bending and stretching motion of limbs are known.
  • the motion assisting device is used by being worn on the human body, and assists the user's motion by operating in accordance with the movement of the user's limb.
  • the motion assisting device includes an arm member that can be rotated around a rotation shaft that is arranged corresponding to a joint portion of the body, and the arm member is rotated by an actuator so that the arm member is fixed. Assist the operation of the part.
  • Such a motion assisting device can be used in various situations, for example, as a device that assists not only a disabled person or an elderly person but also a healthy person.
  • Non-Patent Document 1 human movement is realized by contraction of human skeletal muscles. As skeletal muscle contracts, the muscle fibers cause electrical activity in response to stimulation of motor neurons. Motor neurons and the muscle fibers that are innervated by the motor neurons are considered functional structures called motor units (MUs).
  • the electrical activity of skeletal muscle can be observed by placing electrodes on the surface of the skin. This technique is known as electromyography, and the observed electrical signal is myoelectric potential.
  • a myoelectric potential sensor for acquiring a surface electromyogram is attached on the skin covering a desired muscle as a detection target of myoelectric potential.
  • an electrode used in the myoelectric potential sensor there are a wet electrode and a dry electrode.
  • both wet and dry electrodes there may be practical problems.
  • an adhesive for fixing the electrode to the skin or a conductive gel in a wet electrode may cause skin irritation and allergic symptoms.
  • the conductive gel in the wet electrode may cause deterioration in signal quality as it dries.
  • both wet and dry electrodes may come off the skin surface due to sweat or muscle contraction, in order to avoid this, remove the hair at the electrode attachment position, or remove alcohol from the electrode before attaching the electrode. It is necessary to clean the skin with a cleaning solution.
  • Non-Patent Document 2 as an electrode used for controlling an exoskeleton robot or an electrode used for monitoring a daily biological signal, non-contact Type electrostatic myoelectric potential sensors have been proposed.
  • the electrode is mounted on the user's skin by the user or professional staff each time the motion assist device is used, and after each use of the motion assist device. Removed.
  • the installation and removal of the electrodes is an operation that requires a considerable amount of time.
  • the quality of the detected myoelectric potential signal greatly depends on the position of the myoelectric potential sensor electrode with respect to the myofiber. Therefore, the user or professional staff had to ensure that the electrodes were accurately placed at approximately the same position each time.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a new and improved technique capable of reducing the time required for mounting and removing electrodes and ensuring the position of electrodes. It is to provide a motion assisting device.
  • a wearing tool that has a joint part that is attached to a human body of a user and that connects the first member and the second member so as to be relatively rotatable.
  • An actuator that relatively rotates the member and the second member, a signal detection unit that detects a biological signal of the user, and a control unit that performs drive control of the actuator based on the detected biological signal.
  • the movement assistance apparatus provided in a mounting tool is provided.
  • the signal detector for detecting a desired biological signal is provided in the wearing tool worn by the user. Therefore, the placement and removal of the signal detector are performed along with the attachment and detachment of the wearing tool to the user, and the time required for the placement and removal of the electrodes can be shortened. Further, since the signal detector is provided in the wearing tool, the electrodes can be arranged at substantially the same position with respect to the human body when the wearing tool is worn. Therefore, the variation in the quality of the myoelectric signal for each use of the motion assist device is reduced, and the quality of the biological signal can be improved.
  • the biological signal may be a myoelectric signal.
  • the signal detection unit may be arranged corresponding to the position on the motor unit that is the detection target of the myoelectric potential signal.
  • the signal detection unit may include at least one surface myoelectric potential detection electrode arranged on the motor unit.
  • the signal detection unit may be embedded in the wearing tool.
  • the motion assisting device is a device that assists the movement of the user's leg, and the wearing tool includes a first fixing portion that is disposed on the user's waist and a second fixing portion that is disposed on the user's thigh.
  • the signal detection unit may be provided in at least one of the first fixing unit and the second fixing unit.
  • the motion assisting device is a device that assists the movement of the user's arm, and the wearing tool includes a first fixing portion disposed on the upper arm portion of the user, and a second fixing portion disposed on the user's forearm portion.
  • the signal detection unit may be provided in at least one of the first fixing unit and the second fixing unit.
  • the signal detection unit may be a capacitance type sensor.
  • FIG. 1 is a view of the user H wearing the motion assisting device 1 as viewed from the front
  • FIG. 2 is a view of the user H wearing the motion assisting device 1 as viewed from the side
  • FIG. 3 is a perspective view showing the motion assisting device 1 together with a part of the lower body of the user.
  • the motion assist device 1 is a device for assisting the motion of left and right legs such as a walking motion or a stair climbing motion, and is also called a so-called exoskeleton robot.
  • the motion assisting device 1 includes a wearing tool 10, a rotary actuator 21, myoelectric potential sensors 31 and 33, and a control unit 25.
  • the mounting tool 10 includes a waist mounting portion 13, fixing belts 11 a and 11 b, an arm portion 23, a thigh mounting portion 17, and a fixing belt 15.
  • the waist mounting portion 13, the arm portion 23, and the thigh mounting portion 17 are formed of, for example, a resin material and have a predetermined degree of rigidity. Therefore, the waist mounting part 13, the arm part 23, and the thigh mounting part 17 are not easily deformed.
  • the fixing belts 11a, 11b and the fixing belt 15 are formed of a woven fabric, a knitted fabric, a resin or the like so that the tightening degree of the fixing belts 11a, 11b, 15 can be changed according to the physique of the user H, and can be deformed. Also good.
  • the waist attachment portion 13 is attached to the waist portion of the user H and is fixed by the fixing belts 11a and 11b.
  • the waist mounting portion 13 is an example of a first member
  • the fixing belts 11a and 11b are an example of a first fixing portion.
  • the fixing belts 11a and 11b are arranged at least on the front surface of the thigh of the user H.
  • the fixing belts 11a and 11b have a first portion 11a wound around the waist and a second portion 11b wound around the upper portion of the thigh.
  • the fixing belts 11a and 11b include, for example, a coupling tool such as a buckle or a hook-and-loop fastener, and the coupling belts are wound around the fixing belts 11a and 11b so that the waist mounting part 13 can be fixed.
  • the fixing belts 11a and 11b may include a length adjusting unit such as an adjuster that can adjust the length by folding the belt.
  • the joint part 20 is provided in the part located in the side part of the human body among the waist mounting parts 13.
  • the joint portion 20 is provided so as to correspond to the position of the hip joint of the user H.
  • the arm part 23 and the waist mounting part 13 are connected so as to be relatively rotatable.
  • the arm part 23 is an example of a second member.
  • the arm part 23 may be rotatably supported with respect to a rotation shaft (not shown) provided in the joint part 20.
  • the arm portion 23 extends downward from the joint portion 20, and a thigh attachment portion 17 is provided on the lower side of the arm portion 23.
  • the arm part 23 and the thigh attachment part 17 may be integrated.
  • the thigh mounting portion 17 is mounted below the thigh of the user H's legs, and is fixed by the fixing belt 15.
  • the fixing belt 15 has a connecting tool such as a buckle or a hook-and-loop fastener, and the fixing belt 15 is wound around the thigh by connecting the connecting tool, so that the thigh mounting part 17 can be fixed.
  • the fixed belt 15 may be provided with a length adjuster such as an adjuster capable of adjusting the length by folding the belt.
  • the thigh mounting portion 17 and the fixing belt 15 are an example of a second fixing portion.
  • Rotation actuator 21 is provided in joint 20.
  • a stepping motor or a brushless motor is used.
  • the rotary actuator 21 may include a speed reducer.
  • the rotary actuator 21 is not limited to an actuator using a rotary rotary motor, and may be an actuator including a linear motor and a rotation mechanism.
  • the motion assisting device 1 includes myoelectric potential sensors 31 and 33 for detecting the myoelectric potential signal of the user H.
  • the myoelectric potential sensors 31 and 33 correspond to the signal detection unit in the present invention.
  • the myoelectric potential sensor 31 includes two surface myoelectric potential detection electrodes (hereinafter simply referred to as “surface electrodes”) disposed on the upper part of the thigh of the user H.
  • the myoelectric potential sensor 33 includes two surface electrodes arranged at the lower part of the thigh of the user H.
  • the positions of the myoelectric potential sensors 31 and 33 are determined in advance according to the exercise unit (muscle) corresponding to the muscle force assisted by the motion assisting device 1 and are provided in the wearing tool 10.
  • the number of surface electrodes may be one, or three or more.
  • the motion assisting device 1 is a device that assists the user's H leg to move back and forth
  • the surface electrodes of these myoelectric potential sensors 31 and 33 are mounted on the quadriceps of the user H when worn. It is arranged at a position where the myoelectric potential can be detected. At this time, the two electrodes of the myoelectric potential sensors 31 and 33 may be arranged as close as possible. Furthermore, the two electrodes of the respective myoelectric potential sensors 31 and 33 may be arranged along the direction of the muscle fiber of the motor unit. Thereby, the myoelectric potential of the same muscle fiber is easily detected, and the difference between the two detection values can be obtained to reduce noise.
  • the myoelectric potential sensor 31 is provided in the second portion 11b of the fixing belt for fixing the waist mounting portion 13 to the waist portion of the user H.
  • the myoelectric potential sensor 33 is provided on the fixing belt 15 for fixing the thigh mounting portion 17 to the thigh of the user H. That is, the myoelectric potential sensors 31 and 33 are not individually attached directly to the human body of the user H, but are arranged on the skin surface of the human body at the same time when the fixing belts 11b and 15 are attached.
  • the myoelectric potential sensors 31 and 33 for example, capacitance type sensors are used.
  • the electrostatic capacitance type myoelectric potential sensors 31, 33 the electrostatic capacitance changes according to the detected myoelectric potential, and the change in the electrostatic capacitance is converted into an electric signal and output.
  • the capacitance type myoelectric potential sensors 31 and 33 the myoelectric potential of a desired muscle can be detected without directly contacting the surface of the skin. Therefore, even if the myoelectric potential sensors 31 and 33 are provided on the fixing belts 11b and 15, the myoelectric potential signal can be detected.
  • the myoelectric potential sensors 31 and 33 include, for example, an electrode unit, an oscillation circuit, and an output circuit. Further, the myoelectric potential sensors 31 and 33 may include an AD converter and an amplifier. Further, the myoelectric potential sensors 31L and 31R may include an AD converter and an amplifier.
  • the electrode part of the myoelectric potential sensor 31 may be, for example, a monopolar, bipolar, or tripolar electrode, and may be an array type or matrix type electrode.
  • FIG. 4 is an explanatory view showing an example in which a myoelectric potential sensor is sewn and fixed to a fixing belt 11b (15) made of woven fabric or knitted fabric.
  • 4 is a plan view showing the back side (human body side) of the fixing belt 11b (15) to which the myoelectric potential sensor is fixed, and the II section of the plan view is shown below.
  • the electrode portion 51 and the IC chip 55 constituting the myoelectric potential sensor are sewn to the fixed belt 11b (15).
  • the entire surface of the electrode portion 51 is covered with embroidery.
  • the wiring part 53 that electrically connects the electrode part 51 and the IC chip 55 is also covered with embroidery.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an example in which a myoelectric potential sensor is embedded in a fixing belt 15 partially made of resin.
  • the fixing belt 15 has a first portion 61 made of woven fabric or knitted fabric and a second portion 63 made of resin.
  • the electrode portion 65 of the myoelectric potential sensor is embedded in the second portion 63 made of resin.
  • the electrode portion 65 is embedded so as to be exposed on the back side (thigh side) of the fixed belt 15.
  • the two electrode portions 65 are arranged along the direction of the muscle fibers of the quadriceps.
  • the IC chip may be embedded in the second portion 63 like the electrode portion 65, or may be fixed at any position of the fixing belt 15.
  • a control pack 26 is provided on the back side of the waist mounting portion 13.
  • a control unit 25 as a control unit is accommodated in the control pack 26.
  • the control unit 25 acquires myoelectric potential signals detected by the myoelectric potential sensors 31 and 33, performs arithmetic processing, and outputs a drive command to the rotary actuator 21.
  • the control unit 25 includes an electronic component such as a CPU and a storage element, and is electrically connected to the myoelectric potential sensors 31 and 33 and the rotary actuator 21 through electric wiring (not shown).
  • the control unit 25 and the myoelectric potential sensors 31, 33 or the rotary actuator 21 may be connected by wireless communication means.
  • the myoelectric potential signal generated along with the operation of the user H is detected by the myoelectric potential sensors 31 and 33, and the control unit 25 calculates the requested assisting force based on the amplitude of the myoelectric potential signal. Further, the drive torque of the rotary actuator 21 is determined by the control unit 25 based on the requested auxiliary force and transmitted to the rotary actuator 21. As a result, the rotary actuator 21 is driven to rotate, and the arm portion 23 rotates, thereby generating an assisting force for the longitudinal movement of the user H's leg.
  • the myoelectric potential sensors 31 and 33 that detect the myoelectric potential signal accompanying the operation of the user H are provided in the wearing tool 10 that is worn by the user H. Yes. For this reason, when the user H wears the wearing tool 10, the myoelectric potential sensors 31 and 33 are also arranged at a desired position at the same time. Therefore, the time required for attaching and removing the myoelectric potential sensors 31 and 33 can be reduced. Further, since an adhesive that fixes the myoelectric sensors 31 and 33 on the skin is not used, skin inflammation, allergic symptoms, and the like are not caused.
  • the myoelectric potential sensors 31 and 33 are attached in advance to a predetermined position of the wearing device 10 according to the exercise unit (muscle) corresponding to the operation of the auxiliary object, every time the wearing device 10 is worn, The arrangement positions of the myoelectric potential sensors 31 and 33 are not greatly shifted. Therefore, appropriate assistance in accordance with the intention of the user H is realized by the motion assisting device 1.
  • the myoelectric potential sensors 31 and 33 are provided on the fixing belts 11 b and 15 for fixing the waist mounting portion 13 or the thigh mounting portion 17. Since the fixing belts 11b and 15 are tightened with respect to the human body when the wearing tool 10 is worn, the myoelectric potential sensors 31 and 33 are arranged in close proximity to the human body. Further, misalignment of the myoelectric potential sensors 31 and 33 hardly occurs. Therefore, the arrangement positions of the myoelectric potential sensors 31 and 33 can be further stabilized.
  • the myoelectric potential sensors 31 and 33 are provided on the fixed belts 11b and 15, but the present invention is not limited to such an example.
  • the shape of the waist mounting portion 13, the arm portion 23, or the thigh mounting portion 17 is changed to an appropriate shape, and the myoelectric potential sensor is added to the waist mounting portion 13, the arm portion 23, or the thigh mounting portion 17. 31 and 33 may be provided.
  • the rotary actuator 21 is accommodated in the joint portion 20, but the present invention is not limited to this example.
  • the rotary actuator 21 may be disposed at a position away from the joint unit 20 and rotate the arm unit 23 via a power transmission mechanism.
  • the rotary actuator 21 may be accommodated in a control pack 26 provided on the back side of the waist mounting portion 13. Alternatively, it may be accommodated together with the control unit 25 in a backpack carried by the user H.
  • two myoelectric potential sensors 31 and 33 are provided on the fixing belts 11b and 15 so as to be disposed on the upper and lower portions of the front surface of the thigh. It is not limited.
  • the myoelectric potential sensors 31 and 33 may be provided on the wearing tool 10 so as to be disposed on the back side of the thigh. As the number of sensors that measure myoelectric potential increases, noise can be reduced by executing a process for amplifying the difference between two sensor values for all sensor values. Thereby, the assist of the operation
  • the motion assisting device 1 is configured as a device that assists the movement of both legs of the user H, but the present invention is not limited to such an example.
  • the motion assisting device may be a device that assists the movement of one leg of the user H.
  • the joint part 20, the arm part 23, and the thigh attachment part 17 are provided only in any one of right and left.
  • the motion assisting device 1 is not limited to a device that assists the movement of the thigh, and may be a device that assists the operation of the calf around the knee joint or a device that assists the motion of the arm. May be.
  • the first fixing part may be fixed to the waist and the second fixing part may be fixed to the shin, or the first fixing part may be the thigh.
  • the second fixing portion may be fixed to the shin.
  • the movement assist device assists the movement of the arm
  • the first fixing portion is fixed to the upper arm portion, and the second fixing portion is fixed to the forearm portion.
  • a signal detection unit is provided in at least one of the two fixed units.
  • the motion assisting device 1 includes the myoelectric potential sensor as the signal detection unit, and detects the myoelectric potential signal of the user H by the myoelectric potential sensor to control the driving of the rotary actuator 21.
  • the signal detection unit may be a sensor that detects a biological signal other than the myoelectric potential signal.
  • the biological signal include, but are not limited to, an electroencephalogram, a skin electroencephalogram, an electric skin reaction, or a nerve potential.

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Abstract

時間的な遅延を低減しつつ、ユーザの動作に応じて動作補助装置を適切に制御可能な動作補助装置を提供する。　動作補助装置は、ユーザの人体に装着され、第１の部材及び第２の部材を相対回転可能に連結する関節部を有する装着具と、第１の部材及び第２の部材を相対回転させるアクチュエータと、ユーザの生体信号を検出する信号検出部と、検出された生体信号に基づいてアクチュエータの駆動制御を行う制御部と、を備え、信号検出部が、装着具に設けられる。

Description

動作補助装置
　本発明は、人体に装着して用いられる動作補助装置に関する。
　近年、歩行動作や手足の曲げ伸ばし動作等の人の動作を補助する動作補助装置が知られている。動作補助装置は、人体に装着して用いられ、ユーザの手足の動きに合わせて作動することによって、ユーザの動作を補助する。例えば、動作補助装置は、身体の関節部分に対応して配置される回転軸を中心に回動可能なアーム部材を備え、アクチュエータによってアーム部材を回転させることによって、アーム部材が固定された身体の部分の動作を補助する。かかる動作補助装置は、例えば、障害者又は高齢者だけでなく、健常者の動作を補助する装置等としても、様々な場面で使用され得る。
　ここで、非特許文献１に記載されているように、人の動作は、人体の骨格筋の収縮によって実現されている。骨格筋が収縮する際、筋線維は、運動ニューロンの刺激に反応して電気的な活動を引き起こす。運動ニューロンと、当該運動ニューロンが神経支配する筋線維は、運動単位（ＭＵ）と呼ばれる機能的構造体と考えられている。骨格筋の電気的な活動は、皮膚の表面に電極を配置することによって観察することができる。この手法は、筋電図検査として知られており、観察された電気信号が筋電位である。
　表面筋電図（ｓＥＭＧ）に基づいて行われる動作補助装置の制御として、種々の方法が知られている。筋電位信号の振幅の大きさは、動作補助装置を所望の補助力で作動させるための情報として用いられる。表面筋電図を取得するための筋電位センサは、筋電位の検出対象となる所望の筋肉を覆う皮膚上に取付けられる。筋電位センサにおいて使用される電極としては、湿式の電極又は乾式の電極がある。
　ここで、湿式又は乾式いずれの電極においても、実用面で不都合が生じ得る。例えば、電極を皮膚に固定するための粘着剤、あるいは、湿式の電極における導電性ゲルは、皮膚の炎症やアレルギ症状を引き起こすおそれがある。また、湿式の電極における導電性ゲルは、乾燥に伴って信号の質の劣化を生じ得る。さらに、湿式及び乾式いずれの電極においても汗や筋肉の収縮により皮膚表面から外れる場合があるため、これを避けるために、電極の取付位置の体毛を除去したり、電極を取り付ける前にアルコール由来の洗浄液等によって皮膚を洗浄したりする必要がある。
　これに対して、上記の不都合を回避するために、非特許文献２に記載されたように、外骨格ロボットの制御に用いる電極、あるいは、日常の生体信号の監視に用いられる電極として、非接触式の静電容量型筋電位センサが提案されている。
Campbell N. A., and J. B. Reece. Biology. 7th ed. San Francisco: Pearson, 2005. 1066-1068. Ianov A.I. et al, Development of a Capacitive Coupling Electrode for Bioelectrical Signal Measurements and Assistive Device Use, 2012.
　湿式及び乾式いずれの電極が用いられる場合であっても、当該電極は、動作補助装置を使用するたびに、ユーザあるいは専門スタッフによってユーザの皮膚上に取り付けられ、動作補助装置の使用後には、毎回取り外される。当該電極の取付け及び取外しは、少なからず時間を要する作業である。また、検出される筋電位信号の質は、筋線維に対する筋電位センサの電極の位置に大きく依存する。したがって、ユーザあるいは専門スタッフは、電極が、毎回、ほぼ同じ位置に、正確に配置されるようにしなければならなかった。
　本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、電極の取付け及び取外しに要する時間を削減し、かつ、電極の配置位置を保障可能な、新規かつ改良された動作補助装置を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、ユーザの人体に装着され、第１の部材及び第２の部材を相対回転可能に連結する関節部を有する装着具と、第１の部材及び第２の部材を相対回転させるアクチュエータと、ユーザの生体信号を検出する信号検出部と、検出された生体信号に基づいてアクチュエータの駆動制御を行う制御部と、を備え、信号検出部が、装着具に設けられる、動作補助装置が提供される。
　本発明の動作補助装置によれば、所望の生体信号を検出するための信号検出部が、ユーザに装着される装着具に設けられる。したがって、ユーザへの装着具の装着及び脱着とともに、信号検出部の配置及び取外しが行われることになり、電極の配置及び取外しに要する時間を短縮することができる。また、装着具に信号検出部が設けられていることにより、装着具を装着したときに、人体に対して電極がほぼ同じ位置に配置され得る。したがって、動作補助装置の使用ごとの筋電位信号の質のばらつきが低減され、生体信号の質を向上させることができる。
　生体信号は、筋電位信号であってもよい。
　信号検出部は、筋電位信号の検出対象となる運動単位上の位置に対応させて配置されてもよい。
　信号検出部は、運動単位上に配置された少なくとも１つの表面筋電位検出電極を含んでもよい。
　信号検出部が、装着具に埋設されてもよい。
　動作補助装置は、ユーザの脚部の運動を補助する装置であり、装着具は、ユーザの腰部に配置される第１の固定部と、ユーザの大腿部に配置される第２の固定部と、を含み、信号検出部が、第１の固定部及び第２の固定部のうちの少なくとも一方に設けられてもよい。
　動作補助装置は、ユーザの腕の運動を補助する装置であり、装着具は、ユーザの上腕部に配置される第１の固定部と、ユーザの前腕部に配置される第２の固定部と、を含み、信号検出部が、第１の固定部及び第２の固定部のうちの少なくとも一方に設けられてもよい。
　信号検出部が、静電容量型のセンサであってもよい。
　以上説明したように本発明によれば、電極の取付け及び取外しに要する時間を削減し、かつ、電極の配置位置を保障することができる。
本発明の実施の形態にかかる動作補助装置の構成例を示す模式図である。 同実施形態にかかる動作補助装置の構成例を示す側面図である。 同実施形態にかかる動作補助装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 織物製又は編物製の固定ベルトに筋電位センサを固定した例を示す説明図である。 固定ベルトの樹脂部分に筋電位センサを埋設した例を示す説明図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　図１～図３を参照して、本実施形態にかかる動作補助装置１の全体構成例について説明する。図１は、動作補助装置１を装着したユーザＨを正面から見た図であり、図２は、動作補助装置１を装着したユーザＨを側方から見た図である。また、図３は、ユーザの下半身の一部とともに動作補助装置１を示した斜視図である。
　本実施形態にかかる動作補助装置１は、歩行動作又は階段昇降動作等の左右の脚の運動の動作を補助するための装置であり、いわゆる外骨格ロボットとも呼ばれる。動作補助装置１は、装着具１０と、回転アクチュエータ２１と、筋電位センサ３１，３３と、制御ユニット２５とを備える。本実施形態にかかる動作補助装置１において、装着具１０は、腰装着部１３と、固定ベルト１１ａ，１１ｂと、アーム部２３と、大腿部装着部１７と、固定ベルト１５とを備える。
　装着具１０のうち、腰装着部１３、アーム部２３及び大腿部装着部１７は、例えば、樹脂材料により形成され、所定程度の剛性を有する。したがって、腰装着部１３、アーム部２３及び大腿部装着部１７は、変形しにくくなっている。一方、固定ベルト１１ａ，１１ｂ及び固定ベルト１５は、ユーザＨの体格によって固定ベルト１１ａ，１１ｂ，１５の締め付け具合が変えられるように、織物、編物又は樹脂等により形成され、変形可能になっていてもよい。
　腰装着部１３は、ユーザＨの腰部に装着され、固定ベルト１１ａ，１１ｂにより固定される。腰装着部１３は第１の部材の一例であり、固定ベルト１１ａ，１１ｂは第１の固定部の一例である。固定ベルト１１ａ，１１ｂは、少なくともユーザＨの大腿部の前面に配置される。本実施形態にかかる動作補助装置１では、固定ベルト１１ａ，１１ｂは、腰回りに巻き付けられる第１の部分１１ａと、大腿部の上部に巻き付けられる第２の部分１１ｂとを有する。固定ベルト１１ａ，１１ｂは、例えば、バックル又は面ファスナー等の連結具を有し、連結具を連結させることにより固定ベルト１１ａ，１１ｂが腰部に巻き付けられ、腰装着部１３が固定され得る。固定ベルト１１ａ，１１ｂは、ベルトを折り返して長さを調節可能なアジャスタ等の長さ調節部を備えていてもよい。
　腰装着部１３のうち、人体の側部に位置する部分には、関節部２０が設けられている。関節部２０は、ユーザＨの腰関節の位置に対応するように設けられる。関節部２０では、アーム部２３と腰装着部１３とが相対的に回転可能に連結されている。アーム部２３は第２の部材の一例である。例えば、関節部２０に設けられた図示しない回転軸に対して、アーム部２３が回動可能に支持されていてもよい。アーム部２３は、関節部２０から下方に延設され、アーム部２３の下方側には、大腿部装着部１７が設けられている。アーム部２３と大腿部装着部１７とは一体化されていてもよい。
　大腿部装着部１７は、ユーザＨの脚部のうちの大腿部の下方に装着され、固定ベルト１５により固定される。固定ベルト１５は、バックル又は面ファスナー等の連結具を有し、連結具を連結させることにより固定ベルト１５が大腿部に巻き付けられ、大腿部装着部１７が固定され得る。固定ベルト１５は、ベルトを折り返して長さを調節可能なアジャスタ等の長さ調節部を備えていてもよい。大腿部装着部１７及び固定ベルト１５は第２の固定部の一例である。
　関節部２０の内部には、回転アクチュエータ２１が備えられている。回転アクチュエータ２１としては、例えば、ステッピングモータ又はブラシレスモータが用いられる。回転アクチュエータ２１は、減速機を備えてもよい。また、回転アクチュエータ２１は、回転式のロータリーモータを用いたアクチュエータに限らず、リニアモータと回転機構とを備えたアクチュエータであってもよい。かかる回転アクチュエータ２１を駆動させることにより、関節部２０を中心にアーム部２３が回動する。これにより、大腿部装着部１７が装着されたユーザＨの大腿部の前後方向の動きが補助される。
　また、動作補助装置１は、ユーザＨの筋電位信号を検出するための筋電位センサ３１，３３を有する。筋電位センサ３１，３３が、本発明における信号検出部に相当する。筋電位センサ３１は、ユーザＨの大腿部の上部に配置された２個の表面筋電位検出電極（以下、単に「表面電極」という。）を含む。また、筋電位センサ３３は、ユーザＨの大腿部の下部に配置された２個の表面電極を含む。筋電位センサ３１，３３は、動作補助装置１により補助される筋力に対応する運動単位（筋肉）に応じてあらかじめ位置が決定されて、装着具１０に設けられる。なお、表面電極は１個であってもよいし、３個以上であってもよい。
　本実施形態にかかる動作補助装置１は、ユーザＨの脚の前後運動を補助する装置であるため、これらの筋電位センサ３１，３３の表面電極は、装着時においてユーザＨの大腿四頭筋の筋電位を検出可能な位置に配置される。このとき、それぞれの筋電位センサ３１，３３の２つの電極は、できる限り近接して配置されてもよい。さらには、それぞれの筋電位センサ３１，３３の２つの電極は、運動単位の筋線維の方向に沿って配列されてもよい。これにより、同じ筋線維の筋電位が検出されやすくなり、２つの検出値の差分を求めてノイズを低減させることができる。
　筋電位センサ３１は、腰装着部１３をユーザＨの腰部に固定するための固定ベルトの第２の部分１１ｂに設けられている。また、筋電位センサ３３は、大腿部装着部１７をユーザＨの大腿に固定するための固定ベルト１５に設けられている。つまり、筋電位センサ３１，３３は、個別にユーザＨの人体に直接取り付けられるものではなく、固定ベルト１１ｂ，１５の装着により同時に人体の皮膚表面に配置されるものとなっている。
　筋電位センサ３１，３３としては、例えば、静電容量型のセンサが用いられる。静電容量型の筋電位センサ３１，３３では、検出される筋電位に応じて静電容量が変化し、当該静電容量の変化が電気信号に変換されて出力される。静電容量型の筋電位センサ３１，３３であれば、皮膚の表面に直接接触させることなく、所望の筋肉の筋電位を検出することができる。したがって、筋電位センサ３１，３３が固定ベルト１１ｂ，１５に設けられていても、筋電位信号を検出することができる。
　静電容量型の筋電位センサ３１，３３が用いられる場合、筋電位センサ３１，３３は、例えば、電極部、発振回路及び出力回路を備える。また、筋電位センサ３１，３３は、ＡＤ変換器及び増幅器を備えてもよい。また、筋電位センサ３１Ｌ，３１Ｒは、ＡＤ変換器及び増幅器を備えてもよい。筋電位センサ３１の電極部は、例えば、単極型、双極型又は三極型の電極であってよく、さらに、アレイ型又はマトリックス型の電極であってもよい。
　固定ベルト１１ｂ，１５が織物又は編物により構成されている場合、筋電位センサ３１，３３は、例えば、固定ベルト１１ｂ，１５に縫い付けられて固定されてもよい。図４は、織物製又は編物製の固定ベルト１１ｂ（１５）に筋電位センサが縫い付けられて固定された例を示す説明図である。図４の上方には筋電位センサが固定された固定ベルト１１ｂ（１５）の裏面側（人体側）を示す平面図が示され、当該平面図のＩ－Ｉ断面が下方に示されている。
　図４に示した例では、筋電位センサを構成する電極部５１及びＩＣチップ５５が固定ベルト１１ｂ（１５）に縫い付けられている。電極部５１は、表面全体が刺繍により被覆されている。また、電極部５１とＩＣチップ５５とを電気的に接続する配線部５３も、刺繍により被覆されている。このように筋電位センサを固定ベルト１１ｂ（１５）に固定することにより、筋電位センサが強固に固定ベルト１１ｂ（１５）に固定され得る。また、筋電位センサが固定ベルト１１ｂ（１５）の表面から大きく突出することがないため、固定ベルト１１ｂ，１５の装着時における違和感や不快感を低減することができる。
　また、固定ベルト１１ｂ，１５が樹脂を用いて構成されている場合、筋電位センサ３１，３３は固定ベルト１１ｂ，１５に埋設されていてもよい。図５は、一部が樹脂により構成された固定ベルト１５に筋電位センサが埋設された例を示す斜視図である。図５に示す例では、固定ベルト１５は、織物製あるいは編物製の第１の部分６１と、樹脂製の第２の部分６３とを有する。このうち、樹脂製の第２の部分６３に、筋電位センサの電極部６５が埋設されている。電極部６５は、固定ベルト１５の裏面側（大腿部側）に露出するように埋設されている。また、２つの電極部６５は、大腿四頭筋の筋線維の方向に沿って配列されている。
　このように筋電位センサを固定ベルト１１ｂ（１５）に埋設することにより、固定ベルト１１ｂ（１５）上における筋電位センサの位置が確実に固定され得る。また、筋電位センサが固定ベルト１１ｂ（１５）の表面から大きく突出することがないため、固定ベルト１１ｂ，１５の装着時における違和感や不快感を低減することができる。図５の例においては、ＩＣチップも電極部６５と同様に第２の部分６３に埋設されていてもよいし、あるいは、固定ベルト１５のいずれかの位置に固定されていてもよい。
　腰装着部１３の背中側には制御パック２６が備えられる。制御パック２６内には制御部としての制御ユニット２５が収容されている。制御ユニット２５は、筋電位センサ３１，３３により検出される筋電位信号を取得して演算処理を行い、回転アクチュエータ２１に対して駆動指令を出力する。制御ユニット２５は、ＣＰＵ及び記憶素子等の電子部品を備えて構成され、図示しない電気配線により筋電位センサ３１，３３及び回転アクチュエータ２１に電気的に接続される。制御ユニット２５と、筋電位センサ３１，３３又は回転アクチュエータ２１とは、無線の通信手段によって接続されてもよい。
　かかる動作補助装置１では、ユーザＨの動作に伴って生成される筋電位信号が筋電位センサ３１，３３により検出され、制御ユニット２５が当該筋電位信号の振幅に基づき要求補助力を算出する。また、制御ユニット２５により、当該要求補助力に基づいて回転アクチュエータ２１の駆動トルクが決定され、回転アクチュエータ２１に送信される。これにより、回転アクチュエータ２１が回転駆動され、アーム部２３が回転することによって、ユーザＨの脚の前後動作に対する補助力が生成される。
　以上説明したように、本実施形態にかかる動作補助装置１では、ユーザＨの動作に伴う筋電位信号を検出する筋電位センサ３１，３３が、ユーザＨに装着される装着具１０に設けられている。このため、ユーザＨが装着具１０を身に着けることによって、同時に筋電位センサ３１，３３も所望の位置に配置される。したがって、筋電位センサ３１，３３の取付け及び取外しに要する時間を削減することができる。また、筋電位センサ３１，３３を皮膚上に固定する粘着剤を用いることもないため、皮膚の炎症やアレルギ症状等が引き起こされることもない。
　また、筋電位センサ３１，３３は、補助対象の動作に対応する運動単位（筋肉）に応じて、装着具１０の所定の位置にあらかじめ取り付けられるために、装着具１０を身に着けるごとに、筋電位センサ３１，３３の配置位置が大きくずれることがない。したがって、動作補助装置１によって、ユーザＨの意図に沿った適切な補助が実現される。
　また、本実施形態にかかる動作補助装置１では、筋電位センサ３１，３３が、腰装着部１３又は大腿部装着部１７を固定するための固定ベルト１１ｂ，１５に設けられている。固定ベルト１１ｂ，１５は、装着具１０の装着時に人体に対して締め付けられることから、筋電位センサ３１，３３が人体に対して確実に近接して配置される。また、筋電位センサ３１，３３の位置ズレも生じにくい。したがって、筋電位センサ３１，３３の配置位置をより安定させることができる。
　以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
　例えば、上記実施形態では、筋電位センサ３１，３３が固定ベルト１１ｂ，１５に設けられていたが、本発明はかかる例に限られない。例えば、腰装着部１３、アーム部２３、又は、大腿部装着部１７の形状を適宜の形状に変形し、腰装着部１３、アーム部２３、又は、大腿部装着部１７に筋電位センサ３１，３３が設けられてもよい。
　また、上記実施形態では、回転アクチュエータ２１が関節部２０に収容される構成となっていたが、本発明はかかる例に限られない。例えば、回転アクチュエータ２１は、関節部２０から離れた位置に配置されて、動力伝達機構を介してアーム部２３を回動させるものであってもよい。また、例えば、回転アクチュエータ２１が、腰装着部１３の背中側に設けられた制御パック２６内に収容されてもよい。あるいは、ユーザＨが背負うバックパック等に、制御ユニット２５とともに収容されていてもよい。
　また、上記実施形態では、筋電位センサ３１，３３が、大腿の前面の上部及び下部に配置されるように、固定ベルト１１ｂ，１５にそれぞれ２個設けられていたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、筋電位センサ３１，３３は、大腿の裏側に配置されるように装着具１０に設けられてもよい。筋電位を計測するセンサが増えるほど、２つのセンサ値の差分を増幅する処理をすべてのセンサ値に対して実行することによって、ノイズを低減させることができる。これにより、動作補助装置１によるユーザＨの動作のアシストを適切に実行することができる。
　また、上記実施形態では、動作補助装置１が、ユーザＨの両脚の運動を補助する装置として構成されていたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、動作補助装置は、ユーザＨの片脚の運動を補助する装置であってもよい。この場合、関節部２０、アーム部２３及び大腿部装着部１７は、左右のいずれか一方にのみ設けられる。また、動作補助装置１は、大腿部の運動を補助する装置に限られず、ひざ関節を中心としたふくらはぎの動作を補助する装置であってもよいし、腕の動作を補助する装置であってもよい。例えば、ふくらはぎの動作を補助する動作補助装置とする場合、第１の固定部が腰に固定され、第２の固定部が脛に固定されてもよく、あるいは、第１の固定部が大腿部に固定され、第２の固定部が脛に固定されてもよい。また、腕の動作を補助する動作補助装置とする場合、例えば、第１の固定部が上腕部に固定され、第２の固定部が前腕部に固定され、これらの第１の固定部又は第２の固定部のうちの少なくとも一方に信号検出部が設けられる。
　また、上記実施形態では、動作補助装置１が、信号検出部として筋電位センサを備え、筋電位センサによりユーザＨの筋電位信号を検出して回転アクチュエータ２１の駆動制御を行っていたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、信号検出部は、筋電位信号以外の生体信号を検出するセンサであってよい。生体信号としては、例えば、脳波、皮膚脳波、電気皮膚反応、又は神経電位などが挙げられるが、これに限定されない。
 

Claims (7)

  1. 　ユーザの人体に装着され、第１の部材及び第２の部材を相対回転可能に連結する関節部を有する装着具と、
    　前記第１の部材及び前記第２の部材を相対回転させるアクチュエータと、
    　前記ユーザの生体信号を検出する信号検出部と、
    　検出された前記生体信号に基づいて前記アクチュエータの駆動制御を行う制御部と、を備え、
    　前記信号検出部が、前記装着具に設けられる、動作補助装置。
  2. 　前記生体信号は、筋電位信号である、請求項１に記載の動作補助装置。
  3. 　前記信号検出部は、前記筋電位信号の検出対象となる運動単位上の位置に対応させて配置される、請求項２に記載の動作補助装置。
  4. 　前記信号検出部は、前記運動単位上に配置された少なくとも１つの表面筋電位検出電極を含む、請求項２に記載の動作補助装置。
  5. 　前記動作補助装置は、前記ユーザの脚部の運動を補助する装置であり、
    　前記装着具は、前記ユーザの腰部に配置される第１の固定部と、前記ユーザの大腿部に配置される第２の固定部と、を含み、
    　前記信号検出部が、前記第１の固定部及び前記第２の固定部のうちの少なくとも一方に設けられる、請求項１～４のいずれか１項に記載の動作補助装置。
  6. 　前記動作補助装置は、前記ユーザの腕の運動を補助する装置であり、
    　前記装着具は、前記ユーザの上腕部に配置される第１の固定部と、前記ユーザの前腕部に配置される第２の固定部と、を含み、
    　前記信号検出部が、前記第１の固定部及び前記第２の固定部のうちの少なくとも一方に設けられる、請求項１～４のいずれか１項に記載の動作補助装置。
  7. 　前記信号検出部が、静電容量型のセンサである、請求項１～６のいずれか１項に記載の動作補助装置。
     
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008264509A (ja) * 2007-03-22 2008-11-06 Univ Of Tsukuba リハビリテーション支援装置
JP2009213538A (ja) * 2008-03-07 2009-09-24 Toyota Motor Corp アシスト装具、及びその制御方法
JP2010058250A (ja) * 2008-09-05 2010-03-18 Tokyo Institute Of Technology 筋骨格系モデル作成装置および該方法、筋骨格系機構制御装置ならびに筋骨格系機構システム
WO2010029966A1 (ja) * 2008-09-10 2010-03-18 国立大学法人筑波大学 生体信号計測装着具及び装着式動作補助装置
JP2012192013A (ja) * 2011-03-16 2012-10-11 Kyushu Univ 関節運動補助具

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008264509A (ja) * 2007-03-22 2008-11-06 Univ Of Tsukuba リハビリテーション支援装置
JP2009213538A (ja) * 2008-03-07 2009-09-24 Toyota Motor Corp アシスト装具、及びその制御方法
JP2010058250A (ja) * 2008-09-05 2010-03-18 Tokyo Institute Of Technology 筋骨格系モデル作成装置および該方法、筋骨格系機構制御装置ならびに筋骨格系機構システム
WO2010029966A1 (ja) * 2008-09-10 2010-03-18 国立大学法人筑波大学 生体信号計測装着具及び装着式動作補助装置
JP2012192013A (ja) * 2011-03-16 2012-10-11 Kyushu Univ 関節運動補助具

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