WO2021166739A1

WO2021166739A1 - 装着式動作補助装置

Info

Publication number: WO2021166739A1
Application number: PCT/JP2021/004745
Authority: WO
Inventors: 大雅原; 正博高間; 大樹亘理
Original assignee: Cyberdyne株式会社
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2021-08-26
Also published as: JP2021129849A; JP7374014B2; EP4108221A1; US20230270616A1; EP4108221A4

Abstract

衣服を着用した装着者の関節の側方に駆動ユニットを配置するとともに、装着者の第１および第２の身体部位に通信ユニットおよびフレームユニットをそれぞれ対応させて固定保持した状態において、装着者に身体的負担や日常生活時の支障を与えることなく、装着者の関節の動きに応じたアクチュエータの駆動トルクを第１および第２の身体部位にアシスト力として伝達させる。

Description

装着式動作補助装置

　本発明は、筋力が失われた身体障害者や筋力が衰えた高齢者等の動作を補助ないし代行するための装着式動作補助装置に適用して好適なものである。

　日本では総人口の減少傾向にもかかわらず、高齢化率が増加し続けるといった超高齢者社会を迎えており、高齢化に伴い要介護または要支援を受ける人々の数も高齢者数の増加を上回る勢いで年々増加している。

　高齢者は、加齢に伴い身体機能が低下し、歩行機能が衰えるため、転倒リスクが増加する。高齢者による転倒は、死に至らなくとも、転倒により生じる外傷、なかでも骨折は、身体機能に大きな影響を及ぼし、寝たきりや要介護状態につながる深刻な問題となる。

　従来から、運動による身体機能の維持・向上が転倒予防に有効とされており、歩行を含めたバランス訓練や筋力増強は、転倒予防効果のみならず、転倒から生じる骨折軽減効果も得られると報告されている。

　しかし、高齢者の歩行は、体幹・下肢の筋力や柔軟性の低下により、特徴的な歩容として、すり足、歩幅減少とそれに伴う歩行速度の低下、歩行姿勢の前傾等が現れやすく、わずかな段差等でも躓きやすくなる。そのため、高齢者の低下した身体機能を補助することで、正しい歩行姿勢を実現し、転倒リスクを低減することが重要であると考えられる。

　近年、筋力が失われた身体障害者や筋力が衰えた高齢者等の動作を補助あるいは代行するための種々のパワーアシスト装置が普及している。これらのパワーアシスト装置として、例えば、装着者の意図に応じた随意的な筋活動に伴う生体電位を基に、運動を制御および補助することが可能な装着式動作補助装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５－２５３６５０号公報

　ところで、高齢者の中には杖を使いたがらない方も存在するように、装着式動作補助装置を装着することに対する心理的抵抗感も大きい方も多数存在するものと思われる。このため、高齢者の身体的負担を軽減するために装置全体として軽量化を図る必要がある。

　また、高齢者が外出や日常生活を送るためには、椅子や乗り物に搭乗するケースも想定して、側部のみならず背部においても身体からの突出量を小さくすることが重要である。このため、装着式動作補助装置は、可能な限り小型化および薄型化して普段着に近い衣服型に設計することが望ましい。

　さらに、装着式動作補助装置は、装着者の歩行動作のみならず、上肢動作や腰部動作など身体の種々の関節部位に対応させて動作させることが非常に望ましい。

　本発明は以上の点を考慮してなされたもので、比較的軽量化および小型化かつ薄型化を図りつつ、装着者の身体における所望の関節部位に合わせて動作させることが可能な装着式動作補助装置を提案するものである。

　かかる課題を解決するため本発明においては、アクチュエータの固定子側および回転子側がそれぞれ収納され、当該アクチュエータの駆動に応じて双方分かれて回転するように係合された第１および第２の筐体部を有し、当該第１および第２の筐体部からそれぞれ互いに反対方向に突出して同一構造の結合部が形成された駆動ユニットと、駆動ユニットの各結合部にそれぞれ分離可能に結合される第１および第２のフレームユニットと、第１または第２のフレームユニットに対して着脱自在に係合され、アクチュエータに電源供給するためのバッテリが搭載された電源ユニットと、駆動ユニットに設けられ、アクチュエータを駆動制御するための制御部と、アクチュエータに供給される駆動電流から第１および第２の筐体部間の回動動作に関する物理量を検出する物理量検出部と、装着者の第１および第２の身体部位の間を連結する関節の動きに応じた生体信号を検出する生体信号検出部とを備え、駆動ユニットを装着者の関節の側方に配置するとともに、第１および第２のフレームユニットを装着者の第１および第２の身体部位にそれぞれ対応させて固定保持した状態において、制御部は、生体信号検出部により検出された生体信号に基づいて、装着者の意思に従った動力をアクチュエータに発生させるように駆動制御しながら、データ格納部に格納された基準パラメータに基づいて、装着者のタスクおよびフェーズを推定し、当該フェーズに応じた動力を発生させるように、アクチュエータに対する駆動制御を調整するとともに、物理量検出部により検出された物理量に基づいて、装置全体および装着者からなる系全体の制御対象の機械的インピーダンスを、当該装着者の粘弾性特性および当該系全体の制御対象の重力に合わせて補償するようにした。

　この結果、装着式動作補助装置では、衣服を着用した装着者の関節の側方に駆動ユニットを配置するとともに、装着者の第１および第２の身体部位に第１および第２のフレームユニットをそれぞれ対応させて固定保持した状態において、装着者に身体的負担や日常生活時の支障を与えることなく、装着者の関節の動きに応じたアクチュエータの駆動トルクを第１および第２の身体部位にアシスト力として伝達させることができる。

　また本発明においては、物理量検出部は、第１および第２の筐体部間の回動動作に関する物理量として、第１および第２の筐体部間の絶対角度、回動角度、角速度、角加速度および駆動トルクを検出するようにした。

　さらに本発明においては、駆動ユニットの第１および第２の結合部は、減速機の出力軸に対して垂直方向に沿った回動軸を有し、フレームユニットおよび通信ユニットは、第１および第２の結合部の回動軸を中心としてそれぞれ回動自在に結合されているようにした。

　この結果、装着式動作補助装置では、装着者の関節周りの第１および第２の身体部位の形状に合わせて、駆動ユニット、フレームユニットおよび通信ユニットを装着させることができる。

　さらに本発明においては、駆動ユニットは、扁平形のアクチュエータと、当該アクチュエータを駆動制御するアクチュエータドライバと、当該アクチュエータの回転子の回転速度を所定の減速比に変換して出力する減速機と、タッチセンサを含む扁平形の操作部とを有し、第１または第２の筐体部のいずれか一方に、減速機の本体およびアクチュエータドライバが略同一平面状に収納され、当該減速機の本体にアクチュエータを挟んで操作部が固定されるとともに、第１または第２の筐体部のいずれか他方に、減速機の出力軸が固定されているようにした。

　このように装着式動作補助装置では、駆動ユニットを可能な限り小型化および薄型化させることにより、装着者が衣服を着用した状態でも身体的負担を与えることなく装着させることが可能となる。

　さらに本発明においては、第１および第２のフレームユニットならびに電源ユニットは、それぞれ筐体の厚みが駆動ユニットを構成する第１および第２の筐体を係合させた厚みよりも薄く形成されているようにした。

　このように装着式動作補助装置では、駆動ユニットの厚みを基準として、フレームユニット、通信ユニットおよび電源ユニットを全て薄型化することにより、装着者が衣服を着用した状態でも身体的負担を与えることなく装着させることが可能となる。

　さらに本発明においては、第１および第２のフレームユニットのいずれか一方または両方は、結合部との結合方向に沿って伸縮自在に調整可能である。この結果、装着式動作補助装置では、装着者の身体部位に合わせた長さに調整することにより、装着者の身体における所望の関節部位に合わせて動作させることができる。

　さらに本発明においては、アクチュエータの固定子側および回転子側がそれぞれ収納され、当該アクチュエータの駆動に応じて双方分かれて回転するように係合された第１および第２の筐体部を有し、当該第１および第２の筐体部からそれぞれ互いに反対方向に突出して第１および第２の結合部が形成された駆動ユニットと、駆動ユニットの第１の結合部に分離可能に結合されるフレームユニットと、駆動ユニットの第２の結合部に結合され、アクチュエータに電源供給するためのバッテリが搭載された電源ユニットと、駆動ユニットに設けられ、アクチュエータを駆動制御するための制御部と、アクチュエータに供給される駆動電流から第１および第２の筐体部間の回動動作に関する物理量を検出する物理量検出部と、装着者の第１および第２の身体部位の間を連結する関節の動きに応じた生体信号を検出する生体信号検出部とを備え、駆動ユニットを装着者の関節の側方に配置するとともに、通信ユニットおよびフレームユニットを装着者の第１および第２の身体部位にそれぞれ対応させて固定保持した状態において、制御部は、生体信号検出部により検出された生体信号に基づいて、装着者の意思に従った動力をアクチュエータに発生させるように駆動制御しながら、物理量検出部により検出された物理量に基づいて、装置全体および装着者からなる系全体の制御対象の機械的インピーダンスを当該装着者の粘弾性特性に合わせて補償するように、アクチュエータに対する駆動制御を調整するようにした。

　この結果、装着式動作補助装置では、衣服を着用した装着者の関節の側方に駆動ユニットを配置するとともに、装着者の第１および第２の身体部位に通信ユニットおよびフレームユニットをそれぞれ対応させて固定保持した状態において、装着者に身体的負担や日常生活時の支障を与えることなく、装着者の関節の動きに応じたアクチュエータの駆動トルクを第１および第２の身体部位にアシスト力として伝達させることができる。

　以上のように本発明によれば、衣服を着た装着者に対する身体的負荷を極力低減させつつ、身体における所望の関節部位に合わせて動作させることが可能な装着式動作補助装置を実現できる。

第１実施形態による装着式動作補助装置の外観構成図である。図１に示す第１および第２のフレームユニットを表す外観構成図である。図１に示す装着式動作補助装置の駆動ユニットの構成を示す分解図である。一体化された通信ユニットおよび電源ユニットを表す外観構成図である。図４に示す通信ユニットおよび電源ユニットの内部構造を示す透過図である。装着式動作補助装置の内部システム構成を示すブロック図である。第２実施形態による装着式動作補助装置の外観構成図である。図７に示す装着式動作補助装置の駆動ユニットの構成を示す分解図である。図８に示す駆動ユニットの結合部の内部構造を示す透過図である。第２実施形態による装着式動作補助装置の外観デザインの変形例を示す外観構成図である。図７に示す装着式動作補助装置と吊りベルト式のコルセットとの組合せを表す略線図である。図７の組合せによる装置を装着者が装着した状態を表す略線図である。第２実施形態による装着式動作補助装置の外観デザインの変形例を示す外観構成図である。図１３に示す装着式動作補助装置と吊りベルト式のコルセットとの組合せを表す略線図である。図１３の組合せによる装置を装着者が装着した状態を表す略線図である。第２実施形態による装着式動作補助装置のフレームユニット（腰ベルト）の変形例を示す外観構成図である。図１６のフレームユニットを含む装置を装着者が装着した状態を表す略線図である。図１３に示す装着式動作補助装置を装着者が足首に装着した状態を表す略線図である。図７に示す装着式動作補助装置を装着者が上腕に装着した状態を表す略線図である。図１および図７に示す装着式動作補助装置と吊りベルト式のコルセットとの組合せを表す略線図である。図２０の組合せによる装置を装着者が装着した状態を表す略線図である。一体化された通信ユニットおよび電源ユニットの追加状態を表す外観構成図である。他実施形態による装着式動作補助装置の上半身型フレームユニットを示す外観構成図である。第１および第２実施形態による装着式動作補助装置の組合せを表す分解構成図である。図２４に示す組合せによる装置を装着者が装着した状態を表す略線図である。第１および第２実施形態による装着式動作補助装置の組合せの応用例を表す略線図である。第１および第２実施形態による装着式動作補助装置の組合せの応用例を表す略線図である。第１および第２実施形態による装着式動作補助装置の組合せの応用例を表す略線図である。他実施形態による装着式動作補助装置の上半身型フレームユニットの変形例を示す外観構成図である。装着者の身体サイズが非常に小さい場合における複数の装着式動作補助装置の組合せの応用例を表す略線図である。

　以下、図面について、本発明の一実施例を詳細する。

（１）第１実施の形態による装着式動作補助装置の構成
　図１（Ａ）及び（Ｂ）は第１実施形態による装着式動作補助装置１を示す。装着式動作補助装置１において、駆動ユニット２は、アクチュエータ１０（図３）の固定子側および回転子側がそれぞれ収納され、当該アクチュエータ１０の駆動に応じて双方分かれて回転するように係合された第１および第２の筐体部２Ａ、２Ｂを有し、当該第１および第２の筐体部２Ａ、２Ｂからそれぞれ互いに反対方向に突出して同一構造の結合部が形成されている。

　この駆動ユニット２の各結合部３には、第１および第２のフレームユニット５、６がそれぞれ分離可能に結合されている（図２（Ｂ））。この第１および第２のフレームユニット５、６は、図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、それぞれ対応する結合部３との結合方向に沿って伸縮自在に調整可能である。この結果、装着式動作補助装置１では、装着者の身体部位に合わせた長さに調整することにより、装着者の身体における所望の関節部位に合わせて動作させることができる。

　さらに第１および第２のフレームユニット５、６は、それぞれ一端および他端に所定構造のコネクタＣＴが設けられ、当該コネクタＣＴ同士がフレーム内部を介して可撓自在なエクステンダーケーブルＥＣによって電気的に接続されている。

　駆動ユニット２は、図３に示すように、例えばブラシレスＤＣモータからなる扁平形のアクチュエータ１０と、当該アクチュエータ１０を駆動制御するアクチュエータ制御部１１と、当該アクチュエータ１０の回転子の回転速度を所定の減速比に変換して出力する減速機１２と、タッチセンサ１３を含む扁平形の操作部１４とを有する。

　アクチュエータ制御部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等が搭載されたＭＣＭ（Multi-Chip Module）が内蔵されている。

　操作部１４は、筐体表面を構成するタッチパネル１４Ａと筐体中央の電源ボタン１４Ｂとからなり、装着者の指先接触によるタッチパネル１４Ａへの操作内容がタッチセンサ１３の検出結果としてアクチュエータ制御部１１に反映されるとともに、電源ボタン１４Ｂの押下に応じて電源のオンまたはオフが実行される。

　駆動ユニット２は、第１または第２の筐体部２Ａ、２Ｂのいずれか一方に、減速機１２の本体およびアクチュエータ制御部１１が略同一平面状に収納され、当該減速機１２の本体にアクチュエータ１０を挟んで操作部１４が固定されるとともに、第１または第２の筐体部２Ａ、２Ｂのいずれか他方に、減速機１２の出力軸が固定されている。

　このように駆動ユニット２を可能な限り小型化および薄型化させることにより、装着者が衣服を着用した状態でも身体的負担を与えることなく装着させることが可能となる。

　駆動ユニット２の各結合部３は、減速機１２の出力軸に対して垂直方向に沿った回動軸ＲＳを有し、第１および第２のフレームユニット５、６は、それぞれ対応する結合部３の回動軸ＲＳを中心としてそれぞれ回動自在に結合されている。

　また駆動ユニット２の各結合部３には、所定構造のコネクタ（図示せず）が内蔵されており、第１および第２のフレームユニット５、６の結合時に対応するコネクタＣＴ同士が嵌合されて電気的接続されるようになされている。

　これにより装着式動作補助装置１では、装着者の関節周りの第１および第２の身体部位の形状に合わせて、駆動ユニット２ならびに第１および第２のフレームユニット５、６を装着させることができる。

　図４（Ａ）および（Ｂ）に示すように、装着式動作補助装置１には、通信ユニット２０と電源ユニット２１とが一体化して第１および第２のフレームユニット５、６に対して着脱自在に係合し得るようになされている。

　具体的には図５（Ａ）～（Ｃ）に示すように、通信ユニット２０は、所定形状のハウジングを有し、Bluetooth(登録商標)やRF-IDなどの近距離無線通信方式によって接続されてデータを送受信するための通信機能が搭載されている。このハウジングの側面に第１または第２のフレームユニット５、６を固定保持するための固定保持部２０Ａが突出形成されるとともに、当該ハウジングの上端部に電源ユニット２１と着脱自在かつ一体化し得るような嵌合口が形成されている。

　電源ユニット２１と一体化した通信ユニット２０は、第１または第２のフレームユニット５、６の係合時に近傍の駆動ユニット２に対して給電を行い得るように有線接続されている。なお電源ユニット２１には、リチウムイオン二次電池からなるバッテリＢＴおよびバッテリドライバＢＤが内蔵され、通信ユニット２０との係合時に電気的接続されるようなコネクタ構造を有する。

　さらに装着式動作補助装置１では、装着者の第１および第２の身体部位の間を連結する関節の動きに応じた生体信号を検出するための非接触型ＢＥＳセンサからなる生体信号検出センサ４１（図６）を有する。

　このように装着式動作補助装置１では、衣服を着用した装着者の関節の側方に駆動ユニット２を配置するとともに、装着者の第１および第２の身体部位に第１および第２のフレームユニット５、６をそれぞれ対応させて固定保持した状態において、アクチュエータ制御部１１は、生体信号検出センサ４１により検出された検出信号に基づいて駆動ユニット２のアクチュエータ１０を駆動制御することにより、装着者に身体的負担や日常生活時の支障を与えることなく、装着者の関節の動きに応じたアクチュエータ１０の駆動トルクを第１および第２の身体部位にアシスト力として伝達させることができる。

（２）第１実施形態による装着式動作補助装置の制御システム構成
　図６は装着式動作補助装置１の内部システム構成を示すブロック図である。図６に示されるように、駆動ユニット２のアクチュエータ制御部１１は、随意的制御部３０、自律的制御部３１、フェーズ特定部３２およびゲイン制御部３３から構成されると統括制御部３４と、電源ユニット２１に対する電力制御用の電力制御部３５と、アクチュエータ１０に対する駆動制御用のアクチュエータドライバ３６と、指令信号データベース３７および基準パラメータデータベース３８から構成されるデータ格納部３９とを有する。

　この装着式動作装置１では、装着者に対してアシスト力を付与する駆動ユニット２において、アクチュエータドライバ３６には、装着者の関節の回動に伴う第１および第２の筐体部１０Ａ、１０Ｂの回動角度を検出する角度センサからなる動作・姿勢センサ４０が設けられている。また装着者の生体電位等を含む信号（生体信号）を検出する生体信号検出センサ４１（図１では図示せず）も設けられている。

　統括制御部３４において、随意的制御部３０は、生体信号検出センサ４１により検出された検出信号（生体信号）に応じた指令信号（随意制御の制御信号）を電力増幅部２９に供給する。随意的制御部３０は、生体信号検出センサ４１に所定の指令関数f（t）またはゲインＰを適用して指令信号を生成する。このゲインＰは予め設定された値又は関数でも良く、操作部１４の操作内容に応じてゲイン制御部３３を介して調整することができる。

　また、駆動ユニット２は、アクチュエータ制御部１１に設けられた動作・姿勢センサ４０により検出された角度データに基づいて、アクチュエータ１０の駆動トルク（トルクの大きさ及び回動角度）を制御する方法を選択することも可能である。

　この動作・姿勢センサ４０によって検出された関節角度（θ）によって検出された角度データは、基準パラメータデータベース３８に入力される。フェーズ特定部３２では、動作・姿勢センサ４０により検出された関節の回動角度を基準パラメータデータベース３８に格納された基準パラメータの関節角度と荷重と比較することにより、装着者の動作のフェーズを特定する。

　そして、自律的制御部３１では、フェーズ特定部３２により特定されたフェーズの制御データを得ると、このフェーズの制御データに応じた指令信号（自律制御の制御信号）を生成し、この動力を駆動ユニット２のアクチュエータ１０に発生させるための指令信号を電力増幅部２９に供給する。

　また、自律的制御部３１は、前述したゲイン制御部３２により調整されたゲインが入力されており、このゲインに応じた指令信号を生成し、電力制御部３５に出力する。電力制御部３５は、駆動ユニット２のアクチュエータ１０を駆動する電流を制御して駆動トルクの大きさおよび回動角度を制御して当該装着者の第１および第２の身体部位の間を連結する関節に駆動ユニット２のアクチュエータ１０による駆動力をアシスト力として付与する。

　このように、装着式動作補助装置１は、装着者の関節を基準に貼り付けられた生体信号検出センサ４１によって検出された検出信号に基づいて、駆動ユニット２を制御する制御信号が電力制御部３５によって増幅されてアクチュエータ１０に供給され、装着者の関節にアクチュエータ１０の駆動力がアシスト力として伝達される。

　また装着式動作補助装置１において、駆動ユニット２のアクチュエータ制御部１１は、データ格納部３９に格納された基準パラメータに基づいて、装着者のタスクおよびフェーズを推定し、当該フェーズに応じた動力を発生させるように、アクチュエータ１０に対する駆動制御を調整するとともに、動作・姿勢センサ４０による絶対角度、回動角度、角速度および角加速度とアクチュエータドライバ３６から得られる駆動トルクとに基づいて、装置全体および装着者からなる系全体の制御対象の機械的インピーダンス（慣性、粘性、剛性）を、当該装着者の粘弾性特性および当該系全体の制御対象の重力に合わせて補償するようにしてもよい。

　なお、上述した系全体の制御対象の機械的インピーダンスについて、装着者の粘弾性特性に合わせた補償方法については、本願発明者による公開特許（特再公表２０１８ー９２３２５号）に詳述されており、当該系全体の制御対象の重力に合わせた補償方法については、本願発明者による登録特許（特許第４１７８１８７号）に詳述されている。

（３）第２実施形態による装着式動作補助装置の構成
　図７（Ａ）及び（Ｂ）は第２実施形態による装着式動作補助装置５０を示し、アクチュエータ１０（図２）が搭載された駆動ユニット５１と、当該駆動ユニット５１に対して可動自在に結合された通信ユニット５２と、当該通信ユニット５２に対して着脱自在かつ一体化して取り付けられ、アクチュエータ１０に電源供給するためのバッテリが搭載された電源ユニット５３とを有する。

　この装着式動作補助装置５０は、上述した第１実施形態による装着式動作補助装置１（図１）とは、駆動ユニット５１を構成する第１および第２の筐体部５１Ａ、５１Ｂおよび結合部５４の形状および構造が異なることを除いて、ほぼ同一構成からなる。

　この駆動ユニット５１は、アクチュエータ１０の固定子側および回転子側がそれぞれ収納され、当該アクチュエータ１０の駆動に応じて双方分かれて回転するように係合された第１および第２の筐体部５１Ａ、５１Ｂと、当該第１および第２の筐体部５１Ａ、５１Ｂからそれぞれ互いに反対方向に突出して形成された第１および第２の結合部５４Ａ、５４Ｂとを有する。

　さらに具体的に図３との対応部分に同一符号を付した図８に示すように、駆動ユニット５１は、例えばブラシレスＤＣモータからなる扁平形のアクチュエータ１０と、当該アクチュエータ１０を駆動制御するアクチュエータ制御部１１と、当該アクチュエータ１０の回転子の回転速度を所定の減速比に変換して出力する減速機１２と、タッチセンサ１３を含む扁平形の操作部１４とを有する。

　駆動ユニット５１は、第１または第２の筐体部５１Ａ、５１Ｂのいずれか一方に、減速機１２の本体およびアクチュエータ制御部１１が略同一平面状に収納され、当該減速機１２の本体にアクチュエータ１０を挟んで操作部１４が固定されるとともに、第１または第２の筐体部５１Ａ、５１Ｂのいずれか他方に、減速機１２の出力軸が固定されている。

　このように装着式動作補助装置５０では、駆動ユニット５１を可能な限り小型化および薄型化させることにより、装着者が衣服を着用した状態でも身体的負担を与えることなく装着させることが可能となる。

　図９に示すように、駆動ユニット５１の第１および第２の結合部５４Ａ、５４Ｂは、減速機１２の出力軸に対して垂直方向に沿った回動軸ＲＳを有し、第１および第２の筐体部５１Ａ、５１Ｂの端部に対してそれぞれ回動自在に結合されている。

　また駆動ユニット５１の第１および第２の結合部５４Ａ、５４Ｂには、所定構造のコネクタＣＴが内蔵されており、フレームユニット（図示せず）および通信ユニット５２の結合時に対応するコネクタＣＴ同士が嵌合されて電気的接続されるようになされている。

　これにより装着式動作補助装置５０では、装着者の関節周りの第１および第２の身体部位の形状に合わせて、駆動ユニット５１、フレームユニット（図示せず）および通信ユニット５２を装着させることができる。

　図７において、装着式動作補助装置５０は、駆動ユニット５１の第１の結合部５４Ａにフレームユニット（図７では図示せず）が分離可能に結合されるとともに、駆動ユニット５１の第２の結合部５４Ｂに通信ユニット５２（一体化された電源ユニット５３を含む）が結合されている。

　これらフレームユニット（図示せず）、通信ユニット５２および電源ユニット５３は、それぞれ筐体の厚みが駆動ユニット５１を構成する第１および第２の筐体５１Ａ、５１Ｂを係合させた厚みよりも薄く形成されている。このように装着式動作補助装置５０では、駆動ユニット５１の厚みを基準として、フレームユニット（図示せず）、通信ユニット５２および電源ユニット５３を全て薄型化することにより、装着者が衣服を着用した状態でも身体的負担を与えることなく装着させることが可能となる。

　さらに装着式動作補助装置５０では、上述した第１実施の形態と同様に、装着者の第１および第２の身体部位の間を連結する関節の動きに応じた生体信号を検出する生体信号検出センサ４１（図示せず）を有する。

　この装着式動作補助装置５０では、駆動ユニット５１を装着者の関節の側方に配置するとともに、通信ユニット５２およびフレームユニット（図示せず）を装着者の第１および第２の身体部位にそれぞれ対応させて固定保持した状態において、アクチュエータ制御部１１は、生体信号検出センサ４１により検出された検出信号に基づいて駆動ユニット５１のアクチュエータ１０を駆動制御する。

　この結果、装着式動作補助装置５０では、衣服を着用した装着者に身体的負担や日常生活時の支障を与えることなく、装着者の関節の動きに応じたアクチュエータ１０の駆動トルクを第１および第２の身体部位にアシスト力として伝達させることができる。

（４）第２実施の形態による装着式動作補助装置の変形例
　図１０（Ａ）および（Ｂ）に、上述した装着式動作補助装置５０の外観デザインの変形例を表す装着式動作補助装置６０を示す。図７（Ａ）および（Ｂ）に示す装着式動作補助装置５０とは、駆動ユニット６１の筐体構成の一部と、通信ユニット６２および電源ユニット６３の筐体構成とが異なることを除いて内部構造は同一に構成されている。

　この装着式動作補助装置６０は、図１１（Ａ）～（Ｅ）に示すような、装着者の腰部をサポートするための吊りベルト式のコルセット６５に対して着脱自在に取り付けることにより、装着者の両方の股関節の動作をサポートし得るようになされている。

　すなわち図１１（Ａ）～（Ｅ）および図１２（Ａ）～（Ｅ）に示すように、一対の装着式動作補助装置６０における通信ユニット６２および電源ユニット６３に、コルセット６５の両側下部にそれぞれ固定して装着するとともに、各フレームユニット６６に固着したカフ（図示せず）を両大腿部に当接させる。装置全体として両肩に接触する吊りベルトにより支持されるとともに、一対の駆動ユニット６１を股関節の両側にそれぞれ位置合わせされる。

　このように装着者は装着式動作補助装置６０を組み込んだコルセット６５を装着することにより、装着者が屈んだ状態(中腰姿勢)から立ち上がる際に、腰部に対する大腿部の動きを補助するようにアシスト力を発生することができる。さらに中腰姿勢から立ち上がる動作以外にも、装着者の動作は、例えば、中腰姿勢から重量物を持ち上げる動作、移乗介助時の動作等も行い得る。

　さらに別デザインとして、図７（Ａ）および（Ｂ）との対応部分に同一符号を付した図１３（Ａ）および（Ｂ）に装着式動作補助装置７０を示す。この装着式動作補助装置７０は、通信ユニット７１および電源ユニット７２が比較的スリム型の筐体であることを除いて、上述の装着式動作補助装置５０と同一構成からなる。この装着式動作補助装置７０を組み込んだコルセット６５の装着状態を図１４（Ａ）～（Ｅ）および図１５（Ａ）～（Ｅ）に示す。

　この装着式動作補助装置７０は、上述の装着式動作補助装置５０と異なり、フレームユニット６６をコルセット６５の両側下部にそれぞれ固定して装着するとともに、一体化された通信ユニット７１および電源ユニット７２に固着したカフ（図示せず）を両大腿部に当接させるようになされている。

　さらに別タイプの装着方法として、図１６に示すような、両側に一対の固定保持部８１Ａ、８１Ｂが形成された腰ベルト８１をフレームユニット８０として、一対の装着式動作補助装置７０（５０、６０）を組み合わせることにより、装着者の両方の股関節の動作をサポートすることも可能である。

　すなわち、フレームユニット８０のうち腰ベルト８１に形成された一対の固定保持部８１Ａ、８１Ｂに、それぞれ装着式動作補助装置７０の駆動ユニット７１の結合部を結合させるとともに、通信ユニット７１および電源ユニット７２に固着したカフ（図示せず）を両大腿部に当接させて、一対の駆動ユニット７１を股関節の両側にそれぞれ位置合わせする。この装着状態を図１７（Ａ）～（Ｅ）に示す。

　さらに別タイプの装着方法として、図１８（Ａ）～（Ｅ）に示すように、踵の外側に固定保持部（図示せず）が形成された靴８５を用いて、装着者の足首関節の動作をサポートすることも可能である。すなわち、左右の靴８５に形成された固定保持部に、それぞれ装着式動作補助装置７０の駆動ユニット７１の結合部を結合させるとともに、通信ユニット７１および電源ユニット７２に固着したカフ（図示せず）を足首部に当接させて、一対の駆動ユニット７１を足首関節の両側にそれぞれ位置合わせする。

　さらに別タイプの装着方法として、図１９（Ａ）～（Ｄ）に示すように、肘の外側に図７に示す装着式動作補助装置５０の駆動ユニット５１を合わせた状態で、フレームユニット８６に固着したカフ８７を手首に巻き付けて保持させるとともに、一体化された通信ユニット５２および電源ユニット５３に固着されたカフ（図示せず）を上腕に巻き付けて保持させることにより、装着者の肘関節の動作をサポートすることも可能である。

（５）第１および第２実施形態による装着式動作補助装置の応用例
　上述した第１および第２実施形態による装着式動作補助装置１、５０、６０、７０を組み合わせて、装着者の身体における所望の関節部位に合わせて動作させることが可能となる。

　例えば図１１（Ａ）～（Ｅ）との対応部分に同一符号を付した図２０（Ａ）～（Ｅ）に示すように、上述した吊りベルト式のコルセット６５を着脱自在に取り付けた一対の装着式動作補助装置７０に対してさらに装着式動作補助装置１を所望数追加して組み合わせるようにしてもよい。

　実際に第１および第２の装着式動作補助装置１、５０（図１および図７）を組み合わせて、装着者に対して装着した状態を図２１（Ａ）～（Ｅ）に示す。これにより装着者は、両方の股関節と、両方の膝関節と、両方の足首関節との動作をそれぞれサポートすることが可能となる。

　また第１実施形態の装着式動作補助装置６０における一体化された通信ユニット２０および電源ユニット２１は、必要に応じて追加して付加することが可能である。例えば、図２２（Ａ）～（Ｃ）に示すように、一体化された通信ユニット２０および電源ユニット２１は非接触による通信および給電が可能であることから、コルセット６５における所望位置（特に装着者の動作時に邪魔にならない箇所である腰背部の両側等）に取り付けることが可能となる。これによりバッテリ容量を実質的に増大させることができ、動作時間を延長させることができる。

　例えば図２３に示すような上半身型フレームユニット９０を上述したフレームユニット８０（図１６）に代えて適用することにより、装着者の上肢および腰における関節部位に対するアシスト動作を行うとともに、腰を基準として下肢における関節部位に対するアシスト動作も行うことが可能となる。

　この上半身型フレームユニット９０は、装着者の腰を背面から装着される腰支持体９１と、当該腰支持体９１の右側端および左側端を支持するように結合された一対の固定保持部９２Ａ、９２Ｂと、腰支持体９１の中央部を挟んで両側から上方に延びるように装着者の背中を支持するための略二等辺三角形状のフレーム構造からなる背部支持体９３とが一体となって形成されている。この背部支持体９３の上端には水平方向に沿って結合部９３Ｘが形成され、駆動ユニット２の結合部３と着脱自在に結合し得るようになされている。

　この上半身型フレームユニット９０を含む複数の装着式動作補助装置１を組み合わせて、装着者の腰部および下肢の関節の動作をサポートすることが可能となる。例えば、図２４および図２５（Ａ）～（Ｃ）に示すように、上半身型フレームユニット９０の一対の固定保持部９２Ａ、９２Ｂにそれぞれ装着式動作補助装置１の駆動ユニット２の一方の結合部３を股関節の動作サポート用に連結するとともに、当該駆動ユニット２の他方の結合部３にフレームユニット５（６）を介して別の装着式動作補助装置１の駆動ユニット２の一方の結合部３を膝関節の動作サポート用に連結する。

　さらに当該装着式動作補助装置１の駆動ユニット２の他方の結合部３にフレームユニット５（６）を介して別の装着式動作補助装置１の駆動ユニット２の一方の結合部３を足首関節の動作サポート用に連結する。この装着式動作補助装置１の駆動ユニット２の他方の結合部３に、上述の靴８５における踝の外側に形成された固定保持部を連結する。

　その際、股関節の動作サポート用の駆動ユニット２と膝関節の動作サポート用の駆動ユニット２とを連結するフレームユニット５（６）と、膝関節の動作サポート用の駆動ユニット２と足首関節の動作サポート用の駆動ユニット２とを連結するフレームユニット５（６）とは、それぞれ装着者の股関節および膝関節間の長さと膝関節および足首関節間の長さとを調節することが可能である。

　また一体化された通信ユニット２０および電源ユニット２１は、股関節の動作サポート用の駆動ユニット２と膝関節の動作サポート用の駆動ユニット２とを連結するフレームユニット５（６）に着脱自在に取り付けることが可能である。さらに駆動ユニット２に対する供給電力を向上させたい場合など必要に応じて、一体化された通信ユニット２０および電源ユニット２１を所望のフレームユニット５（６）に取り付けるようにしてもよい。

　なお図示しないが、装着者の股関節、膝関節および足首関節の動作をそれぞれサポートする際に、フレームユニット５（６）の必要部位に固着したカフ（図示せず）を身体部位に当接させるようにしてもよい。

　この上半身型フレームユニット９０を含む複数の装着式動作補助装置１を組み合わせた他の実施形態として、図２６（Ａ）～（Ｄ）に示すように、装着者の上半身における肩関節および肘関節の動作をサポートすることが可能となる。

　すなわち、上半身型フレームユニット９０における背部支持体９３の上端部の結合部９３Ｘに、装着式動作補助装置１の駆動ユニット２の一方の結合部３を肩関節の前額面方向に沿う動作サポート用に連結させるとともに、当該駆動ユニット２の他方の結合部３にフレームユニット５（６）を介して装着式動作補助装置１の駆動ユニット２の一方の結合部３を肩関節の矢状面方向に沿う動作サポート用に連結させる。

　さらに当該装着式動作補助装置１の駆動ユニット２の他方の結合部３にフレームユニット５（６）を介して装着式動作補助装置１の駆動ユニット２の一方の結合部３を肘関節の動作サポート用に連結させる。この装着式動作補助装置１の駆動ユニット２の他方の結合部３に、手首に巻き付けるためのカフが固着されたフレームユニット５（６）を連結する。

　その際、肩関節の前額面方向に沿う動作サポート用の駆動ユニット２と肩関節の矢状面方向に沿う動作サポート用の駆動ユニット２とを連結するフレームユニット５（６）と、肩関節の矢状面方向に沿う動作サポート用の駆動ユニット２と肘関節の動作サポート用の駆動ユニット２とを連結するフレームユニット５（６）とは、それぞれ装着者の肩幅の長さと肩関節および肘関節間の長さと肘関節および手首間の長さとを調節することが可能である。

　また一体化された通信ユニット２０および電源ユニット２１は、肩関節の矢状面方向に沿う動作サポート用の駆動ユニット２と肘関節の動作サポート用の駆動ユニット２とを連結するフレームユニット５（６）に着脱自在に取り付けることが可能である。

　さらに図２７（Ａ）～（Ｃ）ならびに図２８（Ａ）および（Ｂ）に示すように、上半身型フレームユニット９０を含む複数の装着式動作補助装置１を組み合わせた他の実施形態として、装着者の上肢および下肢における各種関節の動作をサポートすることが可能となる。

　すなわち上述した図２５（Ａ）～（Ｃ）に示す下半身（下肢）用の複数の装着式動作補助装置１の組合せと、上述した図２６（Ａ）～（Ｄ）に示す上半身（上肢）用の複数の装着式動作補助装置１の組合せとをさらに融合させることにより、装着者の上肢および下肢における各種関節の動作をサポートすることができる。この融合した組合せでは、上半身型フレームユニット９０を用いた装着者の腰部を基準として装置全体を支持するようになされている。

（６）その他の実施の形態
　なお上述の第１および第２の実施の形態においては、上半身型フレームユニット９０として、図２３に示す形状および構造のものを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、装着者の身体における所望の関節部位に合わせた複数の装着式動作補助装置１、５０、６０、７０の組合せ内容に応じて種々の形状および構造のものを適用するようにしてもよい。

　例えば図２９に示すような上半身型フレームユニット１００は、上述した図２３に示す上半身型フレームユニット９０に加えて所定形状の通信ユニット１０１および電源ユニット１０２（図ではバッテリの記載なし）を一体化して構成されている。

　すなわち図２９に示す上半身型フレームユニット１００は、装着者の腰を背面から装着される腰支持体１０５と、当該腰支持体１０５の右側端および左側端を支持するように結合された一対の固定保持部１０６Ａ、１０６Ｂと、腰支持体１０５の中央部を上側に設けられた電源ユニット１０２と、当該電源ユニット１０２の上側に設けられた通信ユニット１０１と、当該通信ユニット１０１の内側から上方に延びるように装着者の背中を支持するための背部支持枠１０７とが一体となって形成されている。

　この上半身型フレームユニット１００は、例えば、装着者が幼児や児童のように身体サイズが非常に小さい場合に非常に有効である。図３０（Ａ）～（Ｆ）に示すように、装着者の身体サイズが非常に小さい場合（図３０（Ａ）および（Ｄ））、複数の装着式動作補助装置１の組合せにおいて、駆動ユニット２に連結されるフレームユニット５（６）の長さが大人用に比べて非常に短くしなければ適用できない。

　フレームユニット５（６）の長さが十分確保できない場合、そのフレームユニット５（６）に一体化された通信ユニットおよび電源ユニットを直接取り付けることができないことから、上半身型フレームユニット１００を適用することにより、身体サイズの小さい装着者であっても実用上十分に所望の関節部位に合わせて動作させることが可能となる。

　１、５０、６０、７０…装着式動作補助装置、２、５１、６１…駆動ユニット、５…第１のフレームユニット、６…第２のフレームユニット、２０、５２、６２、７１…通信ユニット、２１、５３、６３、７２…電源ユニット、１０…アクチュエータ、１１…アクチュエータ制御部、１２…減速機、１３…タッチセンサ、１４…操作部、３０…随意的制御部、３１…自律的制御部、３２…フェーズ特定部、３３…ゲイン制御部、３４…統括制御部、３５…電力制御部、３６…アクチュエータドライバ、３７…指令信号データベース、３８…基準パラメータデータベース、３９…データ格納部、４０…動作・姿勢センサ、４１…生体信号検出センサ、６５…コルセット、６６、８０、８６…フレームユニット、９０、１００…上半身型フレームユニット。

Claims

　アクチュエータの固定子側および回転子側がそれぞれ収納され、当該アクチュエータの駆動に応じて双方分かれて回転するように係合された第１および第２の筐体部を有し、当該第１および第２の筐体部からそれぞれ互いに反対方向に突出して同一構造の結合部が形成された駆動ユニットと、
　前記駆動ユニットの前記各結合部にそれぞれ分離可能に結合される第１および第２のフレームユニットと、
　前記第１または第２のフレームユニットに対して着脱自在に係合され、前記アクチュエータに電源供給するためのバッテリが搭載された電源ユニットと、
　前記駆動ユニットに設けられ、前記アクチュエータを駆動制御するための制御部と、
　前記アクチュエータに供給される駆動電流から前記第１および第２の筐体部間の回動動作に関する物理量を検出する物理量検出部と、
　装着者の第１および第２の身体部位の間を連結する関節の動きに応じた生体信号を検出する生体信号検出部と、
　タスクとして分類した前記装着者の動作パターンを構成する一連の最小動作単位であるフェーズの各々の基準パラメータを格納したデータ格納部と
　を備え、前記駆動ユニットを前記装着者の関節の側方に配置するとともに、前記第１および第２のフレームユニットを前記装着者の第１および第２の身体部位にそれぞれ対応させて固定保持した状態において、
　前記制御部は、前記生体信号検出部により検出された生体信号に基づいて、前記装着者の意思に従った動力を前記アクチュエータに発生させるように駆動制御しながら、前記データ格納部に格納された基準パラメータに基づいて、前記装着者のタスクおよびフェーズを推定し、当該フェーズに応じた動力を発生させるように、前記アクチュエータに対する前記駆動制御を調整するとともに、
　前記物理量検出部により検出された物理量に基づいて、装置全体および前記装着者からなる系全体の制御対象の機械的インピーダンスを、当該装着者の粘弾性特性および当該系全体の制御対象の重力に合わせて補償する
　ことを特徴とする装着式動作補助装置。
　前記物理量検出部は、
　前記第１および第２の筐体部間の回動動作に関する物理量として、前記第１および第２の筐体部間の絶対角度、回動角度、角速度、角加速度および駆動トルクを検出する
　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。
　前記駆動ユニットの前記各結合部は、前記減速機の出力軸に対して垂直方向に沿った回動軸を有し、前記第１および第２のフレームユニットは、それぞれ対応する前記結合部の回動軸を中心として回動自在に結合されている
　ことを特徴とする請求項１または２に記載の装着式動作補助装置。
　前記駆動ユニットは、
　扁平形のアクチュエータと、当該アクチュエータを駆動制御するアクチュエータドライバと、当該アクチュエータの回転子の回転速度を所定の減速比に変換して出力する減速機と、タッチセンサを含む扁平形の操作部とを有し、
　前記第１または第２の筐体部のいずれか一方に、前記減速機の本体および前記アクチュエータドライバが略同一平面状に収納され、当該減速機の本体に前記アクチュエータを挟んで前記操作部が固定されるとともに、
　前記第１または第２の筐体部のいずれか他方に、前記減速機の出力軸が固定されている
　ことを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の装着式動作補助装置。
　前記第１および第２のフレームユニットならびに前記電源ユニットは、それぞれ筐体の厚みが前記駆動ユニットを構成する前記第１および第２の筐体を係合させた厚みよりも薄く形成されている
　ことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の装着式動作補助装置。
　前記第１および第２のフレームユニットのいずれか一方または両方は、前記結合部との結合方向に沿って伸縮自在に調整可能である
　ことを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の装着式動作補助装置。
　アクチュエータの固定子側および回転子側がそれぞれ収納され、当該アクチュエータの駆動に応じて双方分かれて回転するように係合された第１および第２の筐体部を有し、当該第１および第２の筐体部からそれぞれ互いに反対方向に突出して第１および第２の結合部が形成された駆動ユニットと、
　前記駆動ユニットの前記第１の結合部に分離可能に結合されるフレームユニットと、
　前記駆動ユニットの前記第２の結合部に結合され、前記アクチュエータに電源供給するためのバッテリが搭載された電源ユニットと、
　前記駆動ユニットに設けられ、前記アクチュエータを駆動制御するための制御部と、
　前記アクチュエータに供給される駆動電流から前記第１および第２の筐体部間の回動動作に関する物理量を検出する物理量検出部と、
　装着者の第１および第２の身体部位の間を連結する関節の動きに応じた生体信号を検出する生体信号検出部と
　を備え、前記駆動ユニットを前記装着者の関節の側方に配置するとともに、前記通信ユニットおよび前記フレームユニットを前記装着者の第１および第２の身体部位にそれぞれ対応させて固定保持した状態において、
　前記制御部は、前記生体信号検出部により検出された生体信号に基づいて、前記装着者の意思に従った動力を前記アクチュエータに発生させるように駆動制御しながら、前記データ格納部に格納された基準パラメータに基づいて、前記装着者のタスクおよびフェーズを推定し、当該フェーズに応じた動力を発生させるように、前記アクチュエータに対する前記駆動制御を調整するとともに、
　前記物理量検出部により検出された物理量に基づいて、装置全体および前記装着者からなる系全体の制御対象の機械的インピーダンスを、当該装着者の粘弾性特性および当該系全体の制御対象の重力に合わせて補償する
　ことを特徴とする装着式動作補助装置。
　前記物理量検出部は、
　前記第１および第２の筐体部間の回動動作に関する物理量として、前記第１および第２の筐体部間の絶対角度、回動角度、角速度、角加速度および駆動トルクを検出する
　ことを特徴とする請求項７に記載の装着式動作補助装置。
　前記駆動ユニットの前記第１および第２の結合部は、前記減速機の出力軸に対して垂直方向に沿った回動軸を有し、前記フレームユニットおよび前記通信ユニットは、前記第１および第２の結合部の回動軸を中心としてそれぞれ回動自在に結合されている
　ことを特徴とする請求項７または８に記載の装着式動作補助装置。
　前記駆動ユニットは、
　扁平形のアクチュエータと、当該アクチュエータを駆動制御するアクチュエータドライバと、当該アクチュエータの回転子の回転速度を所定の減速比に変換して出力する減速機と、タッチセンサを含む扁平形の操作部とを有し、
　前記第１または第２の筐体部のいずれか一方に、前記減速機の本体および前記アクチュエータドライバが略同一平面状に収納され、当該減速機の本体に前記アクチュエータを挟んで前記操作部が固定されるとともに、
　前記第１または第２の筐体部のいずれか他方に、前記減速機の出力軸が固定されている
　ことを特徴とする請求項７から９までのいずれかに記載の装着式動作補助装置。
　前記フレームユニットおよび前記電源ユニットは、それぞれ筐体の厚みが前記駆動ユニットを構成する前記第１および第２の筐体を係合させた厚みよりも薄く形成されている
　ことを特徴とする請求項７から１０までのいずれかに記載の装着式動作補助装置。
　前記フレームユニットは、前記結合部との結合方向に沿って伸縮自在に調整可能である
　ことを特徴とする請求項７から１１までのいずれかに記載の装着式動作補助装置。