JP5934971B2 - 装着式動作補助装置 - Google Patents
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Description
(1)本発明は、装着者の腰に装着される腰支持体と、
該腰支持体の右側を支持するように結合された右脚補助部と、
前記腰支持体の左側を支持するように結合された左脚補助部と、
前記装着者の関節に対応するように前記右脚補助部及び前記左脚補助部に配された複数の駆動部と、
前記複数の駆動部を制御する制御部と、
前記装着者の右脚、左脚の生体信号を検出する生体信号検出センサと
前記装着者の上体を非接触に囲むとともに、当該装着者の肩の上方を通過するように湾曲された肩支持部と、当該肩支持部の上方に固定された頭部支持フレームとを有する金属パイプによって構成され、前記腰支持体に取り付けられる上体フレームと
を含み、
前記装着者が上体及び下半身に防護服を装着するとともに頭部に頭部保護具を着用した状態で、前記上体フレームは、端部が前記腰支持体に固定された結合部を介して当該腰支持体に結合するとともに、前記肩支持部が前記防護服の肩部内側を支持し、かつ、前記頭部支持フレームが前記頭部保護具を鍔部が前記防護服の肩部外部に当接するように支持することにより、前記防護服、前記頭部保護具、前記上体フレーム、前記腰支持体、複数の前記駆動部及び前記制御部の全質量を前記右脚補助部及び前記左脚補助部に作用させ、
前記制御部は、前記生体信号検出センサにより検出された生体信号検出値に応じて前記駆動部の駆動トルクを制御して、当該駆動トルクを前記右脚補助部及び前記左脚補助部を介して前記装着者の脚にアシスト力として伝達させることを特徴とする。
(2)本発明は、前記右脚補助部及び前記左脚補助部に各関節の回動角度を検出する角度センサを設け、
前記制御部は、前記生体信号検出センサにより検出された前記生体信号検出値に代えて、前記角度センサにより検出された角度検出値に応じて前記駆動部の駆動トルクを制御することを特徴とする。
(3)本発明の前記上体フレームは、端部が前記腰支持体に対して回動可能に結合され、前記防護服の肩部の位置に応じて当接位置が調整されるように設けられたことを特徴とする。
(4)本発明の前記上体フレームの当該装着者の肩に対応する位置に、前記防護服の袖を支持するように構成された袖支持部を設けたことを特徴とする。
(5)本発明の前記上体フレームに、前記防護服の内側を冷却する冷却部を設けたことを特徴とする。
(6)本発明の前記上体フレームは、
当該装着者の右側に位置する第1フレームと、
当該装着者の左側に位置する第2フレームと、
前記第1フレームと前記第2フレームとを連結する連結部とを有することを特徴とする。
図1は本発明による装着式動作補助装置の一実施例を用いて防護服及び頭部保護具を装着した状態を示す斜視図である。図2は装着式動作補助装置を斜め前側からみた斜視図である。図3は装着式動作補助装置を斜め後側からみた斜視図である。
〔装着式動作補助装置10の構成〕
図2及び図3に示されるように、動作補助装置10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や重心位置などを検出し、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。
〔制御システムの構成〕
図5は制御部のシステム構成を示すブロック図である。図5に示されるように、動作補助装置10の制御系システムは、装着者12に対してアシスト力を付与する駆動部140と、装着者12の動作に応じた関節角度(物理現象)、及び、装着者12の重心位置(物理現象)を検出する物理現象検出部142と、装着者12の筋肉の活動に伴って発生する筋電位等を含む(生体信号)を検出する生体信号検出部144とを備えている。尚、上記駆動部140は、駆動モータ20,22,24,26からなる。物理現象検出部142は、上記関節回動角度を検出する角度センサ70,72,74,76(図6参照)及び床反力センサ50a,50b,52a,52bからなる。生体信号検出部144は、生体信号検出センサ38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44bからなる。
随意的制御部154は、生体信号検出部の検出信号に応じた指令信号を電力増幅部158に供給する。随意的制御部154は、生体信号検出部144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、ゲイン変更部156を介して調整することができる。
〔各制御機器の接続系統〕
図6は各制御機器の接続を示すブロック図である。図6に示されるように、バッテリ32,34は、電源回路86に電源供給しており、電源回路86では所定電圧に変換して入出力インターフェイス88に定電圧を供給する。また、バッテリ32,34の充電容量は、バッテリ充電警告部90によって監視されており、バッテリ充電警告部90は、予め設定された残量に低下すると、警告を発して装着者12にバッテリ交換または充電を報知する。
〔角度センサの検出信号を用いて制御装置100が実行する制御処理〕
ここで、制御装置100が実行する制御処理の手順について図7Aのフローチャートを参照して説明する。図7Aに示されるように、制御装置100は、ステップS11(以下「ステップ」を省略する)で装着者12の動作に伴う物理現象検出部142(角度センサ70,72,74,76)により検出された関節角度(θknee,θhip)を取得する。次にS12に進み、生体信号検出部144(生体信号検出センサ38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b)によって検出された筋電位信号(EMGknee,EMGhip)を取得する。
〔生体信号を用いて制御装置100が実行する制御処理〕
図7Bは生体信号センサの検出信号を用いて制御部が実行する制御処理を説明するためのフローチャートである。図7Bに示されるように、S12aにおいて、例えば、装着者12が生体信号センサを適正に装着している場合、生体信号検出部144からの生体電位信号を得ることができる。その場合(YESの場合)、S18に進み指令関数f(t)及びゲインPに基づいて、生体電位信号に応じた指令信号を生成する。
〔変形例1〕
図8は上体フレームの変形例2を示す斜視図である。図8に示されるように、変形例1の上体フレーム210Aは、第1上フレーム220及び第2上フレーム230の後側フレーム225,235がX字状に交差している。後側フレーム225,235は、端部223,233が円形のフレーム結合部250Aに結合されている。フレーム結合部250Aは、腰支持体30の外周面に回動可能に連結された回動部251と、回動部251に固定されたパイプ嵌合部252とを有する。
〔変形例2〕
図9は上体フレームの変形例2を示す斜視図である。図9に示されるように、変形例2の上体フレーム210Bは、第1上フレーム220及び第2上フレーム230の肩支持部222、232から左右方向に突出する肩保護部224,234が設けられている。肩保護部224,234は、装着者12の肩の上方に離間する高さに配され、上面側には複数の永久磁石260が埋設されている。
〔変形例3〕
図10は上体フレームの変形例3を示す斜視図である。図10に示されるように、変形例3の上体フレーム210Cは、第1上フレーム220及び第2上フレーム230の肩支持部222、232から左右方向に突出する肩保護部224,234が設けられている。肩保護部224,234は、肩保護部224,234に固定された支持部227,237により、前後方向に回動可能に支持され、且つ左右方向に延在する第1アーム270、第2アーム280を支持している。
〔変形例4〕
図11は上体フレームの変形例4を示す斜視図である。図11に示されるように、変形例4の上体フレーム210Dは、肩保護部224,234に固定された支持部227,237により、前後方向に回動可能に支持され、且つ左右方向に延在する第1アーム270A、第2アーム280Aを支持している。第1アーム270Aと第2アーム280Aとは、同一構成であるので、以下、第1アーム270Aの構成について説明する。
〔変形例5〕
図11は上体フレームの変形例5を示す斜視図である。図11に示されるように、変形例4の上体フレーム210Eは、第1上フレーム220及び第2上フレーム230の肩支持部222、232の上方に頭部保護フレーム290が溶接により固定されている。
また、頭部保護フレーム290の保護パイプ291,292は、左右の支持部222、232を跨ぐように台形状に形成されており、頭部保護具16の内側形状に対応している。そのため、頭部保護具16を頭部保護フレーム290に被せることで、頭部保護部16の質量は、頭部保護フレーム290によって支えられる。これにより、装着者12は、頭部保護部16の質量を全く気にせずに作業を行うことができ、よって、上体フレーム210Eは、装着者12の頭部の負担を軽減して、装着者12の労力を軽減することが可能になる。また、頭部保護具16の質量が装着者12に作用しないため、装着者12の頭部の負担を軽減して体力の消耗を抑制できると共に、防護服14を着用した状態での作業時間を延長することが可能になる。
〔変形例6〕
図13は上体フレームの変形例6を示す斜視図である。図13に示されるように、上体フレーム210Fは、防護服14の内側から装着者12を冷却する冷却ユニット300(冷却部)が設けられている。
〔変形例7〕
図14は上体フレームの変形例7を示す斜視図である。図14に示されるように、変形例7の上体フレーム210Gは、第1上フレーム220及び第2上フレーム230の肩支持部222、232の上方に頭部保護フレーム290が溶接により固定されている。また、上体フレーム210Fの背側の2本の連結部240には、空気ボンベ400がベルト402により取り付けられている。
12 装着者
14 防護服
14A 上着
14B ズボン
16 頭部保護具
16a 頭部
16b 鍔部
17 保護シールド
18 フレーム構造
20,22,24,26 駆動モータ
30 腰支持体
32,34 バッテリ
31 フィッティング部
36 制御ユニット(制御部)
38a,38b,40a,40b,42a,42b,44a,44b 生体信号検出センサ
50a,50b,52a,52b 床反力センサ
54 右脚補助フレーム部
55 左脚補助フレーム部
58 第1下フレーム
60 第2下フレーム
62 第3下フレーム
64 第1関節
66 第2関節
70,72,74,76 角度センサ
78 腿締結部材
79、81 フィッティング部
80 脛締結部材
84 靴
86 電源回路
88 入出力インターフェイス
90 バッテリ充電警告部
92〜95 モータドライバ
100 制御装置
101〜108 差動増幅器
110 腰サポート部
111〜114 角度検出部
120、121 ベルト
121〜124 反力検出部
130 メモリ
130A データベース格納領域
130B 制御プログラム格納領域
132 データ出力部
134 通信ユニット
140 駆動部
142 物理現象検出部
144 生体信号検出部
146 データ格納部
148 基準パラメータデータベース
150 指令信号データベース
152 フェーズ特定部
154 差分導出部
156 ゲイン変更部
158 電力増幅部
160 自律的制御部
200 腰部連結機構
210、210A〜210G 上体フレーム
220 第1上フレーム
221,223,231,233 端部
222、232 肩支持部
224,234 肩保護部
225,235 後側フレーム
230 第2上フレーム
240、240A 連結部
250、250A フレーム結合部
251 回動部
252 パイプ嵌合部
241 右ねじ部
242 左ねじ部
243 雌ねじ部
260 永久磁石
270、270A 第1アーム
280、280A 第2アーム
271、271A 第1関節
271a、273a プーリ
272 第1リンク機構
273、273A 第2関節
274 第2リンク機構
275 当接片
278 コイルバネ
279 金属ロッド
290 頭部保護フレーム
291,292 保護パイプ
293,294 連結部
300 冷却ユニット
310 冷却袋
320 冷却用熱交換器
330 ベース
400 空気ボンベ
410 電磁弁
420 空気チューブ
430 空気噴射孔
W ワイヤ
Claims (6)
- 装着者の腰に装着される腰支持体と、
該腰支持体の右側を支持するように結合された右脚補助部と、
前記腰支持体の左側を支持するように結合された左脚補助部と、
前記装着者の関節に対応するように前記右脚補助部及び前記左脚補助部に配された複数の駆動部と、
前記複数の駆動部を制御する制御部と、
前記装着者の右脚、左脚の生体信号を検出する生体信号検出センサと
前記装着者の上体を非接触に囲むとともに、当該装着者の肩の上方を通過するように湾曲された肩支持部と、当該肩支持部の上方に固定された頭部支持フレームとを有する金属パイプによって構成され、前記腰支持体に取り付けられる上体フレームと、
を含み、
前記装着者が上体及び下半身に防護服を装着するとともに頭部に頭部保護具を着用した状態で、前記上体フレームは、端部が前記腰支持体に固定された結合部を介して当該腰支持体に結合するとともに、前記肩支持部が前記防護服の肩部内側を支持し、かつ、前記頭部支持フレームが前記頭部保護具を鍔部が前記防護服の肩部外部に当接するように支持することにより、前記防護服、前記頭部保護具、前記上体フレーム、前記腰支持体、複数の前記駆動部及び前記制御部の全質量を前記右脚補助部及び前記左脚補助部に作用させ、
前記制御部は、前記生体信号検出センサにより検出された生体信号検出値に応じて前記駆動部の駆動トルクを制御して、当該駆動トルクを前記右脚補助部及び前記左脚補助部を介して前記装着者の脚にアシスト力として伝達させる、ことを特徴とする装着式動作補助装置。 - 前記右脚補助部及び前記左脚補助部に各関節の回動角度を検出する角度センサを設け、
前記制御部は、前記生体信号検出センサにより検出された前記生体信号検出値に代えて、前記角度センサにより検出された角度検出値に応じて前記駆動部の駆動トルクを制御する
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。 - 前記上体フレームは、端部が前記腰支持体に対して回動可能に結合され、前記防護服の肩部の位置に応じて当接位置が調整されるように設けられた
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の装着式動作補助装置。 - 前記上体フレームの当該装着者の肩に対応する位置に、前記防護服の袖を支持するように構成された袖支持部を設けたことを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の装着式動作補助装置。
- 前記上体フレームに、前記防護服の内側を冷却する冷却部を設けた
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の装着式動作補助装置。 - 前記上体フレームは、
当該装着者の右側に位置する第1フレームと、
当該装着者の左側に位置する第2フレームと、
前記第1フレームと前記第2フレームとを連結する連結部とを有する
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の装着式動作補助装置。
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