JP2007021082A - パワーアシスト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー損失が少なく，作業者の移動が容易なパワーアシスト装置を提供すること。
【解決手段】パワーアシスト装置１００は，主としてパワーアシスト部１と，台車部２と，制御部３とによって構成される。パワーアシスト装置１００では，パワーアシスト部１および制御部３が台車部２に設置されており，台車部３の移動に伴って全体として移動可能になっている。パワーアシスト部１は，作業者の上半身に装着され，作業者の作業動作を補助する。台車部２は，作業者が搭乗することによって作業者の移動を可能とする。また，パワーアシスト部１および制御部３を支持する。制御部３は，パワーアシスト部１を制御するパワーアシスト用制御系と，台車部２を制御する台車用制御系とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は，工場内で作業を行う身障者，高齢者，重労働作業者等の作業動作を補助するパワーアシスト装置（動作補助装置）に関する。さらに詳細には，作業者の身体に装着して作業動作を補助するパワーアシスト装置に関するものである。

近年，衣服や腕時計のように身体に装着して利用する，いわゆるウェアラブルコンピュータが注目されている。特に，腕力や脚力の低下のために自力での作業が困難となった者の動作をアシストするパワーアシスト装置のウェアラブル技術が開示されている。

例えば，特許文献１には，作業者の歩行を補助するものとして，股関節回りや膝関節回りに外的トルクを付与するトルク付与システムが開示されている。このトルク付与システムでは，腰部あるいは膝部に外的トルクを付与するアクチュエータを取り付け，さらにアクチュエータを制御する制御ユニットやバッテリ等を作業者が背負うことによって，ウェアラブルなパワーアシスト装置を実現している。

この他，アクチュエータのみを作業者が装着し，その他のユニット，例えば制御ユニットや電源ユニット等を所定の位置に固定したパワーアシストシステムが考えられている。このようなパワーアシストシステムでは，各アクチュエータと制御ユニットとがケーブルを介して電気的に接続されており，そのケーブルを介して各アクチュエータの制御が行われる。
特開２００３−７９６８４号公報

しかしながら，前記した従来のパワーアシスト装置には，次のような問題があった。すなわち，従来のウェアラブルなパワーアシスト装置では，作業者が装置全体を背負うため，装置全体の軽量化および小型化が要請される。しかし，装置の軽量化および小型化を優先すると，装置の機械的強度がなくなる。つまり，装置の軽量化および小型化と，装置の機械的強度の向上とがトレードオフの関係にある。

例えば，特許文献１に示すようなパワーアシストシステムでは，作業者が制御ユニットおよび電源ユニットを含む装置全体を装着している。そのため，各アクチュエータは，作業者の自重に加えてそれらのユニットの重量も加味したトルクを付与しなければならなく，エネルギー損失が大きい。また，付与するトルクが大きいことから，各アクチュエータに要求される機械的強度も大きい。従って，装置の小型化，軽量化が困難である。

また，制御ユニット等を所定の位置に固定することにより，制御ユニット等を作業者が装着しないようにすることができる。しかしながら，制御ユニット等を固定すると，移動を伴う作業を行う場合，パワーアシストユニットと制御ユニットと接続するケーブルが作業者の移動の妨げとなる。また，制御ユニット等が固定されているがゆえに移動範囲が限定される。

本発明は，前記した従来のパワーアシスト装置が有する問題点を少なくとも１つ解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，エネルギー損失が少なく，作業者の移動が容易なパワーアシスト装置を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされたパワーアシスト装置は，作業者の身体に装着して動作を補助するパワーアシスト装置であって，複数の車輪を有し，作業者の搭乗が可能な台車部と，作業者の身体に装着され，複数のアクチュエータによって作業者の動作を補助するパワーアシスト部と，パワーアシスト部の各アクチュエータを制御する制御部とを備え，制御部が台車部に支持されていることを特徴としている。

本発明のパワーアシスト装置は，作業者の身体に装着して作業者の動作を補助する，いわゆるウェアラブルなパワーアシスト装置である。また，作業者の搭乗が可能な台車部を有する。そのため，作業者は，パワーアシスト部を装着した上でその台車部に搭乗して作業を行う。すなわち，作業者は，台車部上でパワーアシスト部を利用する。このとき，パワーアシスト部の各アクチュエータを制御する制御部は，台車部によって支持されており，台車部２からの反力によって支えられる。

すなわち，本発明のパワーアシスト装置は，作業者が制御部を背負うことはない。そのため，従来のパワーアシスト装置のように制御部の重量分をパワーアシスト部のアクチュエータによって支える必要はない。従って，エネルギー損失が少ない。また，小トルクでのパワーアシストが可能になる。また，作業者が制御部を背負う必要がないため，パワーアシスト部の大型化や高剛性化が許容される。そのため，機械的強度が確保され，安全性や信頼性が向上する。

また，本発明のパワーアシスト装置では，台車部とともに作業者（すなわち，作業者が装着しているパワーアシスト部）および制御部が移動する。そのため，移動の自由度が大きい。

また，工場等の特定の場所で利用する場合，必ずしも歩行動作が必須となるとは限らない。すなわち，直線的な移動や平滑面のみを移動するのであれば，歩行動作によって移動する必要はない。本発明のパワーアシスト装置では，台車部によって移動を行う。そのため，歩行動作によって移動を行うものと比較して構造がシンプルであり，操作も容易である。

また，本発明のパワーアシスト装置は，台車部に対する移動指示を与える操作部を備えることとするとよりよい。すなわち，操作部を設けることにより，作業者は操作部を介して所望の場所へ移動する指示を与えることが可能となる。つまり，作業者自身による台車部の操作が可能になる。

前述した操作部としては，例えば，台車部の上面に配置された操作板と，その操作板への押圧力を検知する押圧力検知部と，押圧力検知部の出力を基に台車部の移動方向を決定する台車制御部とを備えればよい。この操作部では，操作板への押圧によって移動方向を判断することができる。また，操作板への押圧力によって移動速度を判断することができる。従って，作業者からの移動指示による台車部の移動が可能となる。

この他，例えば，作業者の脚部に装着され，作業者の脚部の動作を検知する脚部動作検知部と，脚部動作検知部の出力を基に台車部の移動方向を決定する台車制御部とを備えればよい。この操作部では，脚部動作検知部によって検知される脚部の変位量（例えば関節部に備えられたセンサによって得られる関節角の変位量）によって移動方向を判断することができる。また，加速度の変位量等によって移動速度を判断することができる。従って，作業者からの移動指示による台車部の移動が可能となる。

この他，例えば，台車部が移動可能な場所への軌道が記憶された軌道記憶部と，台車部の移動先の場所を選択することが可能な移動先選択部と，移動先選択部にて選択された場所への軌道を軌道記憶部から取得し，その軌道に沿って台車部を移動させる台車制御部とを備えればよい。この操作部では，ボタンやスイッチ等の選択によって移動先を判断することができる。従って，作業者からの移動指示による台車部の移動が可能となる。

本発明によれば，作業者がパワーアシスト部の制御部を背負うことはないため，その制御部の重量分をパワーアシスト部のアクチュエータによって支える必要がない。また，制御部が台車部に設置され，パワーアシスト部とともに移動することから，移動の制約を受けない。また，台車部によって作業者に負担をかけることなく移動することができる。よって，エネルギー損失が少なく，作業者の移動が容易なパワーアシスト装置が実現されている。

以下，本発明に係るパワーアシスト装置を具体化した実施の形態について図面を基に説明する。本実施の形態は，工場内で利用し，上半身による作業動作を補助するパワーアシスト装置に本発明を適用したものである。

［第１の形態］
第１の形態のパワーアシスト装置１００は，図１に示すように，主としてパワーアシスト部１と，台車部２と，制御部３とによって構成されている。本形態のパワーアシスト装置１００では，パワーアシスト部１および制御部３が台車部２に設置されており，作業者は台車部２に搭乗して作業を行う。さらに，台車部３の移動に伴ってパワーアシスト部１，制御部３および作業者の移動が可能になっている。

パワーアシスト部１は，作業者の上半身に装着され，作業動作を補助するものである。本形態のパワーアシスト部１は，腰部，左右の肩部，左右の肘部，左右の手首部に相当する部位にアクチュエータを備えており，トルクを付与することができる。さらに，各アクチュエータは，関節角を検出するための角度センサを備えており，関節角を計測するとともに関節角を調節することができる。また，パワーアシスト部１は，筋肉を動かした際に体内で発生する電気信号を検出する筋電センサを備えている。なお，パワーアシスト部１は，作業者の作業動作を補助できるものであればよく，実施の形態に限定するものではない。例えば，上半身だけではなく下半身の動作も補助できるものであってもよい。

台車部２は，作業者の移動を可能とするとともにパワーアシスト部１および制御部３を支持するものである。台車部２は，回転自在な４つの車輪２１と，車輪２１によって支持される荷台２２と，床反力センサを内蔵したステップ２３とを備えている。各車輪２１は，駆動源として個別にモータを備えている。また，ステップ２３は右足用のステップ２３Ｒと左足用のステップ２３Ｌとが一対となっている。なお，台車部２は，作業者の移動手段と制御部３の支持手段とを兼用できるものであればよく，実施の形態に限定するものではない。

制御部３は，パワーアシスト部１を制御するパワーアシスト用制御系と，台車部２を制御する台車用制御系とを有している。パワーアシスト用制御系と台車用制御系はそれぞれ独立した状態になっている。そのため，本形態では両制御系が一体であるが，各制御系が別体であってもよい。

パワーアシスト用制御系３１は，例えば図２に示すように，アシストトルク算出部３１１と，モータ制御部３１２とを有している。パワーアシスト用制御系３１には，作業者の上半身に装着された筋電センサからの電気信号やアクチュエータに付設された角速度センサからの電気信号が入力され，パワーアシスト部１の各アクチュエータのモータに駆動信号が出力される。

パワーアシスト用制御系３１は，次のような制御を行う。まず，アシストトルク算出部３１１は，各センサからの電気信号を基に，各アクチュエータに必要なトルクを算出し，アシストトルク指令としてモータ制御部３１２に出力する。次に，モータ制御部３１２は，入力されたアシストトルク指令を基に，各アクチュエータのモータを駆動する電気信号を出力する。これにより，パワーアシスト部１による作業動作の補助が行われる。

台車用制御系３２は，例えば図３に示すように，右足の床反力および重心位置を算出する右足反力算出部３２１と，左足の床反力および重心位置を算出する左足反力算出部３２２と，台車の移動方向および移動速度を算出する速度ベクトル算出部３２３と，モータ制御部３２４とを有している。台車用制御系３２には，ステップ２３に内蔵された床反力センサからの電気信号が入力され，台車部２のモータに駆動信号が出力される。

台車用制御系３２は，次のような制御を行う。まず，右足反力算出部３２１は，右足用のステップ２３Ｒに内蔵された床反力センサからの電気信号を基に，右足部の床反力および重心位置を算出し，床反力信号として速度ベクトル算出部３２３に出力する。また，左足反力算出部３２２は，左足用のステップ２３Ｌに内蔵された床反力センサからの電気信号を基に，左足部の床反力および重心位置を算出し，床反力信号として速度ベクトル算出部３２３に出力する。

次に，速度ベクトル算出部３２３は，両床反力信号を基に台車部２の移動速度および移動方向を決定し，速度ベクトル信号としてモータ制御部３２４に出力する。例えば，各足の重心位置を基に移動方向を判断する。また，床反力の大きさや変位量を基に移動速度を判断する。つまり，ステップ２３への踏み込みによって作業者の移動意図を推定し，その意図に沿った速度ベクトルの信号を出力する。モータ制御部３２４は，入力された速度ベクトル信号を基に，台車部２の各モータを駆動する電気信号を出力する。これにより，作業者の意図に沿って台車部２が移動する。

なお，台車部２は，作業者の腰部にジャイロセンサを設置し，胴体の姿勢角度，角速度，および角加速度を検出してもよい。そして，これらのデータから求められる作業者の胴体加速度と台車部２の加速度との差分を基に，速度ベクトルの補正を行ってもよい。すなわち，作業者（搭乗者）の乗り心地を向上させるための補正処理を行ってもよい。

本形態のパワーアシスト装置１００では，パワーアシスト部１の制御を行う制御部３が台車部２に支持されており，制御部３による重量の増分をすべて台車部２からの反力によって支えている。つまり，従来のパワーアシスト装置のように作業者が制御部３による重量の増分を負担することはない。そのため，エネルギー損失が少ない。また，小トルクでのパワーアシストが可能になる。

また，制御部３を背負う必要がないため，作業者の負荷が小さい。そのため，パワーアシスト部１を構成する各部材の機械的強度を強化することが許容される。さらに，機械的強度を高くすることにより，安全性および信頼性を確保することができる（すなわち，作業者の筋肉だけではなく，骨の代替も可能となる）。

また，パワーアシスト装置１００では，作業者が台車部２に搭乗している。そして，作業者がステップ２３への踏み込みを調節することにより，台車部２の移動速度および移動方向を操作している。つまり，作業者自身による台車部２の運転が可能になっている。また，パワーアシスト装置１００は，制御部３が台車部２上に設置されていることから，制御部３とパワーアシスト部１とがとともに移動する。そのため，作業者の移動の自由度は高い。

また，パワーアシスト装置１００では，台車部２によって移動を行う。すなわち，歩行動作による移動は行わない。そのため，歩行動作によって移動するものと比較して構造がシンプルであり，操作も容易である。

［第２の形態］
第２の形態のパワーアシスト装置２００は，図４に示すように，主としてパワーアシスト部４と，台車部５と，制御部６とによって構成されている。パワーアシスト装置２００でも，パワーアシスト部４および制御部６が台車部５に設置されている。また，本形態のパワーアシスト装置２００は，作業者の下半身に装着し，下半身の動作（例えば歩行動作）によって台車部５を操作可能な台車操作ユニット５１を備えている。すなわち，パワーアシスト装置２００は，ウェアラブルな台車操作ユニット５１を備えている。

具体的に，台車操作ユニット５１は，腰部，左右の膝部，左右の足首部に相当する部位に角度センサを備えており，関節角を計測する。制御部６は，パワーアシスト部４を制御するパワーアシスト用制御系と，台車部５を制御する台車用制御系とを有している。パワーアシスト用制御系は第１の形態と同様であり，説明を省略する。

台車用制御系６２は，例えば図５に示すように，台車の移動方向および移動速度を算出する速度ベクトル算出部６２１と，モータ制御部６２２とを有している。台車用制御系６２には，作業者に装着された角度センサからの電気信号が入力され，台車部５のモータに駆動信号が出力される。

台車用制御系６２は，次のような制御を行う。まず，速度ベクトル算出部６２１は，台車操作ユニット５１の各センサからの電気信号を基に，台車部５の移動速度および移動方向を算出する。例えば，各センサからの電気信号を解析することによって得られる関節角の変位量によって移動方向を判断する。また，角加速度の変位量によって移動速度を判断する。つまり，作業者の下半身の動作から得られる電気信号を基に，作業者の移動意図を推定する。モータ制御部６２２は，入力された速度ベクトル信号を基に，台車部５の各モータを駆動する電気信号を出力する。これにより，作業者の意図に沿って台車部５が移動する。

本形態のパワーアシスト装置２００では，ウェアラブルな台車操作ユニット５１にて作業者の歩行動作による台車部５の運転を可能にしている。よって，パワーアシスト装置２００は，操作性に優れている。

［第３の形態］
第３の形態のパワーアシスト装置３００は，図６に示すように，パワーアシスト部７と，台車部８と，制御部９とによって構成されている。パワーアシスト装置３００でも，パワーアシスト部７および制御部９が台車部８に設置されている。また，本形態のパワーアシスト装置３００は，台車部８の移動先を選択することが可能なボタン８１を備えている。すなわち，パワーアシスト装置３００は，作業者によるボタン８１の選択によって移動する。

具体的に，ボタン８１には，工場内の移動先が割り当てられている。そして，作業者は，ボタン８１の選択によって工場内の所定位置にあらかじめ設定された軌跡に従って移動する。すなわち，台車部８の移動の軌跡をあらかじめプログラミングしておき，ボタン８１によって作業者の移動を行う。特定の作業を行う工場内では，移動範囲および移動順序が限定されるため，移動の自由度を多少狭めても問題にならない。

制御部９は，パワーアシスト部７を制御するパワーアシスト用制御系と，台車部８を制御する台車用制御系とを有している。パワーアシスト用制御系は第１の形態と同様であり，説明を省略する。台車用制御系９２は，例えば図７に示すように，台車の軌道を取得する台車軌道取得部９２１と，台車の移動方向および移動速度を算出する速度ベクトル算出部９２２と，モータ制御部９２３と，台車の現在位置を検出する台車位置検出部９２４と，台車の軌道を記憶する軌道記憶部９２０とを有している。台車用制御系９２には，作業者に装着されたボタンからの電気信号が入力され，台車部８のモータに駆動信号が出力される。

台車用制御系９２は，次のような制御を行う。まず，台車軌道取得部９２１は，作業者が選択したボタン８１からの電気信号を基に，そのボタン８１に対応する台車の軌跡を軌跡記憶部９２０から読み出す。

次に，速度ベクトル算出部９２２は，台車軌道取得部９２１からの軌跡信号と台車位置検出部９２４からの台車位置信号とを基に台車の軌道制御を行う。すなわち，台車部８の速度ベクトルを，軌跡信号によって求められる目標位置と台車位置信号によって求められる測定位置との偏差がなくなるようにフィードバック制御を行う。

モータ制御部９２３は，速度ベクトル算出部９２２から入力された速度ベクトル信号を基に，台車部８の各モータを駆動する電気信号を出力する。これにより，作業者の意図に沿って台車部８が移動する。

本形態のパワーアシスト装置３００では，移動手段の構成をシンプルにできるとともに作業者の操作負担を軽減することができる。なお，移動先を選択するボタン８１は，台車８の上面に配置されているものに限らない。すなわち，パワーアシスト部７に付設され，手によって選択するものであってもよい。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，作業者の移動指示手段は，ステップの押圧（第１の形態），歩行動作（第２の形態），ボタンの選択（第３の形態）に限るものではない。

他の移動指示手段としては，例えば台車部２にスティック状の操作手段を配設し，作業者の操作によって台車部２の移動を行うこととしてもよい。すなわち，一方の腕が自由になっている場合やパワーアシスト機能をオフしている場合に，作業者の手によって操作しても問題はない。そのため，スティック状の操作手段によって作業者の移動を可能とすることで，移動の自由度の向上および操作性の向上を図ることができる。

第１の形態にかかるパワーアシスト装置の構成を示す概略図である。 第１の形態にかかるパワーアシスト用制御系の機能構成を示すブロック図である。 第１の形態にかかる台車用制御系の機能構成を示すブロック図である。 第２の形態にかかるパワーアシスト装置の構成を示す概略図である。 第２の形態にかかる台車用制御系の機能構成を示すブロック図である。 第３の形態にかかるパワーアシスト装置の構成を示す概略図である。 第３の形態にかかる台車用制御系の機能構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，４ パワーアシスト部
２，５ 台車部
３，６ 制御部
２３ ステップ
３１ パワーアシスト用制御系
３２，６２，９２ 台車用制御系
５１ 台車操作ユニット
８１ ボタン
１００ パワーアシスト装置

Claims (7)

1. 作業者の身体に装着して動作を補助するパワーアシスト装置において，
   複数の車輪を有し，作業者の搭乗が可能な台車部と，
   作業者の身体に装着され，複数のアクチュエータによって作業者の動作を補助するパワーアシスト部と，
   前記パワーアシスト部の各アクチュエータを制御する制御部とを備え，
   前記制御部は，前記台車部に支持されていることを特徴とするパワーアシスト装置。
2. 請求項１に記載するパワーアシスト装置において，
   前記台車部に対する移動指示を与える操作部を備えることを特徴とするパワーアシスト装置。
3. 請求項２に記載するパワーアシスト装置において，
   前記操作部は，
   前記台車部の上面に配置された操作板と，
   前記操作板への押圧力を検知する押圧力検知部と，
   前記押圧力検知部の出力を基に前記台車部の移動方向を決定する台車制御部とを有することを特徴とするパワーアシスト装置。
4. 請求項３に記載するパワーアシスト装置において，
   前記台車制御部は，前記押圧力検知部の出力を基に前記台車部の移動速度を決定することを特徴とするパワーアシスト装置。
5. 請求項２に記載するパワーアシスト装置において，
   前記操作部は，
   作業者の脚部に装着され，作業者の脚部の動作を検知する脚部動作検知部と，
   前記脚部動作検知部の出力を基に前記台車部の移動方向を決定する台車制御部とを有することを特徴とするパワーアシスト装置。
6. 請求項５に記載するパワーアシスト装置において，
   前記台車制御部は，前記脚部動作検知部の出力を基に前記台車部の移動速度を決定することを特徴とするパワーアシスト装置。
7. 請求項２に記載するパワーアシスト装置において，
   前記操作部は，
   前記台車部が移動可能な場所への軌道が記憶された軌道記憶部と，
   前記台車部の移動先の場所を選択することが可能な移動先選択部と，
   前記移動先選択部にて選択された場所への軌道を前記軌道記憶部から取得し，その軌道に沿って前記台車部を移動させる台車制御部とを有することを特徴とするパワーアシスト装置。

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