JP6838341B2 - アシスト装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象者のアシスト対象身体部に装着されて当該アシスト対象身体部の動作をアシストするアシスト装置に関する。

例えば特許文献１には、対象者が、腰の屈伸で重量物を持ち上げる際や、通常の歩行の際に、腰に対する大腿部の動作をアシストする装着式動作補助装置が記載されている。装着式動作補助装置は、対象者の腰に装着される腰フレーム、背当て部、腹当て部、背当て部と腹当て部を結合する結合部材、大腿部に固定される大腿固定部、腰フレームに対して大腿固定部を駆動する駆動機構を備えている。さらに装着式動作補助装置は、対象者の皮膚に貼り付けられる生体信号検出センサ、生体信号検出センサから出力された生体信号に基づいて駆動機構を制御する制御部、を備えている。生体信号検出センサは、筋電位信号や神経伝達信号などの生体電位信号を皮膚から検出するために、微弱電位を検出するだめの電極を有している。そして生体信号検出センサは、装着者の腰の近傍における左右の大腿部の前側、腰の近傍における左右の大腿部の内側、左右の臀部、腰のやや上方の背中の左右等に、電極の周囲を覆う粘着シールにより、装着者の皮膚に貼り付けられる。

特開２０１３−１７３１９０号公報

特許文献１に記載の装着式動作補助装置では、多数の生体信号検出センサが必要であり、装着者の左右の大腿部前側、左右の大腿部内側、左右の臀部、左右の背中、という具合に非常に多くの個所に生体信号検出センサを貼り付けなければならない。従って、利用する際の装着時に、非常に手間がかかる。また生体信号検出センサを貼り付ける前に、貼り付ける位置、及び貼り付ける個数（計測個所の１個所に対して、近接させた３個のセンサを貼り付ける等）を決めるのにも手間がかかる。また、多数の生体信号検出センサのそれぞれからの微弱な生体信号からノイズを除去する処理、各生体信号検出センサからの生体信号に基づいて、どのような動作を行っているのか（重量物の持ち上げをしているのか歩行をしているのか等）推測してアシストする処理が、非常に複雑になる可能性がある。

本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、対象者の皮膚に多数のセンサを貼り付ける必要が無く装着が容易であり、よりシンプルな構成及びよりシンプルな制御にてアシスト対象身体部の動作をアシストすることができるアシスト装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の発明は、対象者のアシスト対象身体部の周囲に装着される身体装着具と、前記アシスト対象身体部の関節回りに回動して前記アシスト対象身体部に装着される出力リンクと、前記出力リンクを介して前記アシスト対象身体部の回動をアシストするアシストトルクを発生する出力軸を有するアクチュエータと、前記出力リンクと前記出力軸との間に設けられて、前記出力軸からの前記アシストトルクを蓄えることが可能であるとともに蓄えた前記アシストトルクを前記出力リンクの回動力として放出する弾性体と、前記出力リンクの回動角度である出力リンク回動角度を検出する回動角度検出手段と、前記出力リンクから前記出力軸に至るいずれかの位置に設けられ、対象者が前記アシスト対象身体部を自身の力で回動させることで前記出力リンクから入力された対象者トルクと、前記出力軸からの前記アシストトルクと、を合成した合成トルクを検出するトルク検出手段と、前記トルク検出手段を用いて検出した前記合成トルクと、前記回動角度検出手段を用いて検出した前記出力リンク回動角度と、に基づいて前記出力軸の回動角度である出力軸回動角度を制御する制御装置と、を有する、アシスト装置である。

次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係るアシスト装置であって、前記制御装置は、検出した前記合成トルクから前記対象者トルクに関連する対象者トルク関連量を求め、求めた前記対象者トルク関連量に応じた前記アシストトルクを求め、求めた前記アシストトルクに基づいて前記出力軸回動角度を求め、求めた前記出力軸回動角度となるように前記アクチュエータを制御する、アシスト装置である。

次に、本発明の第３の発明は、上記第２の発明に係るアシスト装置であって、前記制御装置は、前記対象者トルク関連量に対する所定倍率のトルクに基づいて前記アシストトルクを求め、前記所定倍率を可変とするアシスト倍率可変手段を有している、アシスト装置である。

次に、本発明の第４の発明は、上記第１の発明〜第３の発明のいずれか１つに係るアシスト装置であって、前記弾性体は渦巻バネであり、前記渦巻バネの一方端には、前記出力軸が接続され、前記渦巻バネの他方端には、前記出力リンクあるいは所定部材を介して前記出力リンクが接続されている、アシスト装置である。

次に、本発明の第５の発明は、上記第４の発明に係るアシスト装置であって、前記所定部材は、前記渦巻バネからの回転を減速して前記出力リンクに伝達する減速機であり、前記トルク検出手段は、前記出力リンクと前記減速機との間のトルクを検出する、アシスト装置である。

次に、本発明の第６の発明は、上記第４の発明に係るアシスト装置であって、前記出力リンクは、長尺状の形状を有し、一方端の側の回動支持部が、前記アシスト対象身体部の関節回りに回動するように支持され、他方端の側の身体固定部が、前記アシスト対象身体部に固定されており、前記トルク検出手段は、前記出力リンクにおける前記回動支持部と前記身体固定部との間に設けられて前記回動支持部回りのトルクを検出する、アシスト装置である。

次に、本発明の第７の発明は、上記第３の発明に係るアシスト装置であって、前記制御装置は、予め設定された所定時間間隔の演算タイミングにて、前記合成トルクを検出して前記出力軸回動角度を求め、求めた前記出力軸回動角度となるように前記アクチュエータを制御し、今回の演算タイミングにて、今回の演算タイミングにて検出した合成トルクである今回合成トルクと、前回の演算タイミングにて検出した合成トルクである前回合成トルクとの偏差と、前回の演算タイミングにて求めたアシストトルクである前回アシストトルクと、前記所定倍率と、に基づいて今回の演算タイミングのアシストトルクである今回アシストトルクを求める、アシスト装置である。

次に、本発明の第８の発明は、上記第７の発明に係るアシスト装置であって、前記弾性体は、渦巻バネであり、前記渦巻バネの一方端には、前記出力軸が接続され、前記渦巻バネの他方端には、前記渦巻バネからの回転を減速して前記出力リンクに伝達する減速機が接続され、前記制御装置は、前記今回アシストトルクと、前記減速機の減速比と、前記渦巻バネのバネ定数と、前記出力リンク回動角度と、に基づいて前記出力軸回動角度を求める、アシスト装置である。

第１の発明によれば、制御装置は、出力リンクと出力軸の間のいずれかの位置に設けられたトルク検出手段にて、対象者トルクとアシストトルクが合成された合成トルクを検出し、回動角度検出手段にて出力リンク回動角度を検出する。そして制御装置は、合成トルクと出力リンク回動角度とに基づいて出力軸回動角度を制御する。この場合、トルク検出手段も回動角度検出手段も対象者の皮膚に貼り付ける必要が無いので、アシスト装置の装着は、対象者の皮膚に多数のセンサを貼り付けるものと比較して、装着が非常に容易である。また多数のセンサを必要とせず、トルク検出手段と回動角度検出手段にて、対象者の動作を適切に検出することが可能であり、よりシンプルな構成とすることができる。また、検出した対象者の動作をアシストすることで、よりシンプルな制御にてアシスト対象身体部の動作をアシストすることができる。

第２の発明によれば、対象者トルクとアシストトルクが合成された合成トルクから対象者トルク関連量を求め、対象者トルクとアシストトルクを別々に検出する必要が無いので、トルク検出手段は１個で済み、よりシンプルな構成とすることができる。

第３の発明によれば、アシスト倍率可変手段を有し、対象者の身体状態等に応じて適切なアシスト力を調整することができるので、リハビリ等において非常に便利である。

第４の発明によれば、渦巻バネを用いることで、モータの出力トルクを電流で調整する場合と比較して、渦巻バネの伸縮量（すなわち、モータ出力軸の回転角度）を調整するだけでよいので、より容易にアシストトルクを調整することができる。

第５の発明によれば、渦巻バネから出力リンクに出力する回転を減速する減速機を設けることで、減速機が無い場合と比較して、バネ定数のより小さな渦巻バネを利用することが可能となる。これにより、小型で軽量の渦巻バネを使用可能であり、アシストトルクの微調整も容易となる（バネ定数が大きいと、小さな伸縮誤差であっても大きなアシストトルク誤差として出力される）。そして、出力リンクと減速機の間にトルク検出手段を配置すれば、出力リンクと減速機の間のトルク（対象者トルクとアシストトルクを合成した合成トルク）を適切に検出することができる。

第６の発明によれば、出力リンクの回動支持部回りに働くトルク（対象者トルクとアシストトルクを合成した合成トルク）を適切に検出することができる。

第７の発明では、前回の演算タイミングにて出力したアシストトルクであって今回の演算タイミングにて新たなアシストトルクを出力するまでのアシストトルクは一定であるものとみなしている。従って、前回の演算タイミングでの合成トルクと今回の演算タイミングでの合成トルクとの偏差は、対象者から入力された対象者トルクの変化量であるとみなすことができる。従って、トルク偏差に所定倍率を乗算した値を、前回アシストトルクに加算することで、適切かつ容易に今回アシストトルクを求めることができる。従って、よりシンプルな制御とすることができる。また、対象者トルクとアシストトルクを別々に検出する必要が無いので、トルク検出手段は１個で済み、よりシンプルな構成とすることができる。

第８の発明によれば、多数の生体信号検出センサからの生体信号に基づいてどのような動作を行っているのか推定する場合と比較して、よりシンプルな構成にてアシスト装置を実現することができる。また、多数の生体信号検出センサからの生体信号に基づいてどのような動作を行っているのか推定する場合と比較して、微弱な生体信号を検出するのでなくトルク検出手段からの信号を検出しており、微弱な信号を検出していないので、ノイズの除去等の処理が容易である。また、対象者から入力された対象者トルクを検出して対象者トルクをアシストするので、対象者の動作が腰の屈伸であるか、歩行であるか等を区別する必要が無い。従って、多数の生体信号検出センサからの生体信号に基づいて制御する場合と比較して、よりシンプルな制御にてアシスト対象身体部の動作をアシストすることができる。

第１の実施の形態のアシスト装置の使用状態を表わす模式側面図である。 図１に示すアシスト装置の外観を示す斜視図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図であり、図１に示すアシスト装置のアシスト機構の構成を説明する図である。 図３に示すアシスト機構の各構成部材を説明する分解斜視図である。 制御装置の入出力を説明する図である。 トルク検出手段にて検出する実合成トルク（τ）、モータエンコーダにて検出する実モータ軸角度（θ_Ｍ＿ｆｂ）、回動角度検出手段にて検出する実リンク角度（θ_Ｌ）を説明する図である。 制御装置の制御ブロック図である。 図７に示した制御ブロック図に基づいた処理手順を説明するフローチャートである。 第２の実施の形態のアシスト装置の使用状態を表わす模式側面図である。

以下、図１から図８に基づいて第１の実施の形態に係るアシスト装置１０について説明する。第１の実施の形態に係るアシスト装置１０は、人が荷物Ｗを持ち上げる際に、上腕部の上回動をアシストする装置である。ここで、図中に示すｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向は互いに直交しており、アシスト装置１０を装着した人の前方向、上方向、及び左方向に対応している。

●●［第１の実施の形態のアシスト装置１０（図１〜図８）］
●［アシスト装置１０の構成（図１〜図４）］
第１の実施の形態のアシスト装置１０は、図１及び図２に示すように、人の上体に装着される上体装着具１２と、前記上体装着具１２の背面上部に設けられた支持架台部１４とを備えている。支持架台部１４は、上体装着具１２の背面上部で左右に延びるように設けられた横梁部１４ｚと、その横梁部１４ｚの左右両側で前記横梁部１４ｚに対してほぼ直角に設けられた側板部１４ｘとを備えている。そして、支持架台部１４の側板部１４ｘには、図３に示すように、人の肩関節に対応する位置、即ち、人の肩関節とｘｙ方向においてほぼ同位置に軸受孔１４ｊが形成されている。図１に示す例では、対象者の上腕部がアシスト対象身体部に相当する。

前記支持架台部１４の横梁部１４ｚと側板部１４ｘとの左右の角部内側には、図３に示すように、左右一対のアシスト機構２０（後記する）が設けられている。前記アシスト機構２０は、ｚ方向に沿って設けられており、そのアシスト機構２０の入力軸２２ｅが支持架台部１４の側板部１４ｘの軸受孔１４ｊに挿通されている。アシスト機構２０の入力軸２２ｅには、支持架台部１４の側板部１４ｘの外側に固定されたモータ４０（アクチュエータに相当）の回転軸４１（出力軸に相当）が同軸に連結されている。即ち、アシスト機構２０は、入力軸２２ｅの回転軸線２０Ｊを中心に回動可能な状態で支持架台部１４に支持されている。

また、アシスト機構２０の出力回転部材２６ｐには、図３及び図４に示すように、棒状の出力リンク３０の基端部（回動中心部）が相対回転不能な状態で連結されている。即ち、出力リンク３０の回動中心部は、人の肩関節に対応する支持架台部１４の軸受孔１４ｊの位置にアシスト機構２０を介して上下回動可能な状態で連結されている。出力リンク３０は、人の上腕部の外側面に沿って配置されるリンクであり、その出力リンク３０の先端側（回動自由端側）が身体装着具３５によって人の上腕部に装着されるように構成されている。即ち、上記した上体装着具１２と支持架台部１４とが本発明における身体装着具に相当する。

出力リンク３０の回動中心部には、図３、図４等に示すように、出力リンク３０の回動角度を検出する回動角度検出手段４３が取付けられている。また、アシスト装置１０は、図１、図２等に示すように、支持架台部１４の背面に取付けられる制御ボックス５０を備えている。

●［アシスト機構２０の構成（図３、図４）］
アシスト機構２０は、図３及び図４に示すように、入力部材２２と、渦巻バネ２４と、減速機２６とを備えている。入力部材２２は、前記モータ４０の回転を渦巻バネ２４に伝達するための部材である。入力部材２２は、モータ４０の回転軸４１が相対回転不能な状態で連結される入力軸２２ｅと、その入力軸２２ｅと同軸に設けられた円板部２２ｒと、入力軸２２ｅの反対側で円板部２２ｒの周縁に設けられたトルク伝達軸２２ｐとを備えている。そして、入力部材２２のトルク伝達軸２２ｐが渦巻バネ２４の外周側バネ端部２４ｅに連結されている。また対象者から手が届く位置（この場合、側板部１４ｘ）には、アシスト倍率を可変とするためのアシスト倍率可変手段４７が設けられている。

アシスト機構２０の渦巻バネ２４は、モータ４０から伝達された回転量をアシストトルクに変換する部材である。渦巻バネ２４は、図４に示すように、帯状の板バネを渦巻状に成形したバネであり、中心側と外周側にバネ端部２４ｙ，２４ｅを備えている。渦巻バネ２４は、中心側バネ端部２４ｙに対する外周側バネ端部２４ｅの回動角度を変えることでバネ力（アシストトルク）を調整できるように構成されている。ここで、前記渦巻バネ２４のバネ定数は、例えば、Ｋに設定されている。上記したように、渦巻バネ２４の外周側バネ端部２４ｅは、入力部材２２のトルク伝達軸２２ｐに相対回転不能な状態で連結されている。また、渦巻バネ２４の中心側バネ端部２４ｙは、減速機２６の入力回転部材２６ｅに相対回転不能な状態で連結されている。ここで、入力部材２２と減速機２６の入力回転部材２６ｅとは回転軸線２０Ｊに沿って同軸に保持されている。前記渦巻バネ２４が本発明の弾性体に相当する。そして渦巻バネ２４は、モータ４０の回転軸４１からのアシストトルクを蓄えることが可能であるとともに、蓄えたアシストトルクを出力リンク３０の回動力として放出することができる。

減速機２６は、渦巻バネ２４から伝達されたアシストトルクによる回転量を減量して出力リンク３０に伝達する部材である。減速機２６を設けることで、より小さなバネ定数の渦巻バネ２４を用いることが可能となり、渦巻バネ２４を小型化、軽量化することができる。減速機２６は、入力回転部材２６ｅと、出力回転部材２６ｐと、入力回転部材２６ｅと出力回転部材２６ｐ間に設けられたギヤ機構（図示省略）等とを備えている。減速機２６の入力回転部材２６ｅと出力回転部材２６ｐとは同軸に保持されており、入力回転部材２６ｅがｎｂ回転することで、出力回転部材２６ｐがｎａ回転するように構成されている（ｎａ＜ｎｂ）。

減速機２６の出力回転部材２６ｐの中心には、図４に示すように、出力リンク３０の回転中心ピン（図示省略）が嵌合される位置決め孔２６ｕが形成されている。さらに、出力回転部材２６ｐの位置決め孔２６ｕの周囲には、出力リンク３０の回り止めピン３１が挿入される回り止め孔２６ｋが形成されている。これにより、出力リンク３０は、減速機２６の出力回転部材２６ｐと一体で回転できるようになる。

モータ回転角度検出手段４２は、例えばモータエンコーダであり、モータ４０の回転軸４１の回転角度に応じた検出信号を制御装置に出力する。制御装置は、モータ回転角度検出手段４２からの検出信号に基づいて、モータ４０の回転軸４１の回転角度である実モータ軸角度θ_Ｍ＿ｆｂ（図６参照）を検出することができる。

回動角度検出手段４３は、例えばエンコーダやポテンショメータであり、出力リンク３０の回動角度に応じた検出信号を制御装置に出力する。制御装置は、回動角度検出手段４３からの検出信号に基づいて、出力リンク３０の回動角度である実リンク角度θ_Ｌ（図６参照）を検出することができる。

トルク検出手段４５は、例えばリング状の形状を有する回転トルクメータ方式のトルクセンサであり、減速機２６の出力回転部材２６ｐと出力リンク３０との間に設けられ、出力回転部材２６ｐと出力リンク３０との間のトルクを検出し、検出信号を制御装置に出力する。なお、トルク検出手段４５にて検出されるトルクは、入力部材２２、渦巻バネ２４、減速機２６を介してモータ４０の回転軸４１から出力されたアシストトルクと、対象者がアシスト対象身体部を自身の力で回動させることで出力リンク３０を介して対象者から入力された対象者トルクと、を合成した合成トルクである。

なお、上記の回転トルクメータ方式のトルクセンサの代わりに、歪ゲージ（２クロスゲージ）方式のトルクセンサを用いてもよい。歪ゲージ式のトルクセンサを用いる場合、図４中に実線にて示すトルク検出手段４５に代えて、図４中に点線にて示すトルク検出手段４５Ｓを用いる。すなわち、歪ゲージ方式のトルクセンサを用いた場合では、トルク検出手段の取り付け位置を変更する。出力リンク３０は、長尺状の形状を有しており、一方端の側の回動支持部（減速機２６に支持された回動支持部）が、アシスト対象身体部の関節回りに回動するように支持されている。また出力リンク３０は、他方端の側の身体固定部（身体装着具３５が取り付けられている個所）が、アシスト対象身体部に固定されている。そして歪ゲージ方式のトルク検出手段４５Ｓは、出力リンク３０における回動支持部と身体固定部との間（回動支持部の近傍が、より好ましい）に設けられて回動支持部回りの歪に基づいたトルク（対象者トルクとアシストトルクを合成した合成トルク）を検出する。なお、本実施の形態の説明では、回転トルクメータ方式のトルク検出手段４５を用いた例で説明する。

アシスト倍率可変手段４７は、可変抵抗等で構成されて対象者から操作可能な倍率調整ダイヤルであり、調整位置（調整角度）に応じた設定信号を制御装置に出力する。制御装置は、設定信号に応じて調整位置（調整角度）を検出し、調整位置（調整角度）に応じて、後述するアシスト倍率αの値（０＜α＜１の範囲内の値）を決定する。

●［制御ボックス５０の構成（図５）］
制御ボックス５０は、図１及び図２に示すように、上体装着具１２の背面に取付けられるボックスである。制御ボックス５０には、図５に示すように、制御装置５２とモータドライバ５４と電源ユニット５６とが収納されている。電源ユニット５６は、例えばリチウム電池であり、制御装置５２とモータドライバ５４に電力を供給する。

制御装置５２は、電源ユニット５６から電力が供給され、モータ４０の回転軸４１の回転角度を制御するための制御信号５２outを求め、モータドライバ５４を介して回転軸４１の回転角度を制御する。制御装置５２は、アシスト倍率αと、実リンク角度θ_Ｌと、実合成トルクτと、実モータ軸角度θ_Ｍ＿ｆｂと、実モータ電流Ｉ_Ｍ＿ｆｂと、に基づいて、制御信号５２outを求める。アシスト倍率αは、アシスト倍率可変手段４７から制御装置５２に入力される設定信号に基づいて制御装置５２にて決定される。実リンク角度θ_Ｌは、回動角度検出手段４３から制御装置５２に入力される検出信号に基づいて制御装置５２にて検出される。実合成トルクτは、トルク検出手段４５から制御装置５２に入力される検出信号に基づいて制御装置５２にて検出される。実モータ軸角度θ_Ｍ＿ｆｂは、モータ回転角度検出手段４２から制御装置５２に入力される検出信号に基づいて制御装置５２にて検出される。実モータ電流Ｉ_Ｍ＿ｆｂは、モータドライバ５４から制御装置５２に入力される検出信号に基づいて制御装置５２にて検出される。

モータドライバ５４は、電源ユニット５６から電力が供給され、制御装置５２からの制御信号５２outを、モータ４０を駆動する駆動電流Ｉ_Ｍに変換するドライバ回路である。またモータドライバ５４は、駆動電流Ｉ_Ｍに相当する実モータ電流Ｉ_Ｍ＿ｆｂの値を制御装置５２に出力する。

●［制御ブロック（図７）と、制御装置５２の処理手順（図８）］
次に、図８に示すフローチャートと図７に示す制御ブロック図を用いて、制御装置５２の処理手順について説明する。なお、図７に示す制御ブロック図における符号Ｂ１０は、モータ４０からのアシストトルクを算出するアシストトルク決定部Ｂ１０であり、図５に示す制御装置５２が当該アシストトルク決定部Ｂ１０に相当する。また図７に示す制御ブロック図における符号Ｂ２０は、モータ４０を駆動する電流を決定するモータ制御部Ｂ２０であり、図５に示す制御装置５２が当該モータ制御部Ｂ２０に相当する。また図７に示す制御ブロック図における符号Ｂ３０は、モータドライバ５４、モータ４０（及びモータ回転角度検出手段４２）、入力部材２２、渦巻バネ２４、減速機２６、出力リンク３０、回動角度検出手段４３、トルク検出手段４５を含むトルク付与部Ｂ３０であり、図５に示す符号Ｂ３０の部分が当該トルク付与部Ｂ３０に相当する。

次に、図８に示すフローチャートについて説明する。図８に示す処理は、所定時間間隔（例えば数ｍｓ間隔）にて起動され、起動されると制御装置５２はステップＳＢ１００へと処理を進める。

ステップＳＢ１００は、図７に示す制御ブロック図のブロックＢ１１、ブロックＢ１４、ブロックＢ２４に相当する処理、及び入力信号の処理である。ステップＳＢ１００にて制御装置５２は、前回の処理タイミング時に検出して記憶している実合成トルクτ（ｔ）を、前回の実合成トルクτ（ｔ−１）に記憶する（ブロックＢ１１に相当する処理）。そして制御装置５２は、トルク検出手段４５からの検出信号に基づいて今回の実合成トルクτ（ｔ）を検出して記憶する（入力信号の処理）。また制御装置５２は、前回の処理タイミング時に求めて記憶している目標アシストトルクτ_{ａ＿ｒｅｆ}（ｔ）を、前回の目標アシストトルクτ_{ａ＿ｒｅｆ}（ｔ−１）に記憶する（ブロックＢ１４に相当する処理）。また制御装置５２は、回動角度検出手段４３からの検出信号に基づいて今回の実リンク角度θ_Ｌを検出して記憶する（入力信号の処理）。

また制御装置５２は、前回の処理タイミング時に検出して記憶している実モータ軸角度θ_Ｍ＿ｆｂ（ｔ）を、前回の実モータ軸角度θ_Ｍ＿ｆｂ（ｔ−１）に記憶する。そして制御装置５２は、モータ回転角度検出手段４２からの検出信号に基づいて今回の実モータ軸角度θ_Ｍ＿ｆｂ（ｔ）を検出して記憶する。さらに制御装置５２は、今回の実モータ軸角度θ_Ｍ＿ｆｂ（ｔ）と、前回の実モータ軸角度θ_Ｍ＿ｆｂ（ｔ−１）から、実モータ角速度ω_Ｍ＿ｆｂを求めて記憶する（ブロックＢ２４に相当する処理）。また制御装置５２は、モータドライバ５４から入力された検出信号に基づいて実モータ電流Ｉ_Ｍ＿ｆｂを求めて記憶する。また制御装置５２は、アシスト倍率可変手段４７からの設定信号に基づいてアシスト倍率αを決定して記憶する（入力信号の処理）。

ステップＳＮ１２は、図７に示す制御ブロック図のノードＮ１２における処理に相当している。ステップＳＮ１２にて制御装置５２は、今回の実合成トルクτ（ｔ）と、ブロックＢ１１から入力された前回の実合成トルクτ（ｔ−１）との差を求め、求めたトルク変化量Δτ_ｈをブロックＢ１３に出力し、ステップＳＢ１３に進む。また、トルク変化量Δτ_ｈは、合成トルクτから抽出された、対象者トルクに関連する対象者トルク関連量に相当しており、以下の（式１）にて求められる。なお、前回の演算タイミングにて出力したアシストトルクであって今回の演算タイミングにて新たなアシストトルクを出力するまでのアシストトルクは一定であるものとみなすことができる。従って、今回の演算タイミングでの実合成トルクτ（ｔ）と、前回の演算タイミングでの実合成トルクτ（ｔ−１）との変化量（偏差）は、対象者から入力された対象者トルクの変化量（偏差）であるとみなすことができる。つまり、対象者トルクとアシストトルクが合成された今回の実合成トルクτ（ｔ）と、前回の実合成トルクτ（ｔ−１）との差を求めることで、アシストトルクの影響を排除して対象者トルクの変化量を求めることができる。
Δτ_ｈ＝τ（ｔ）−τ（ｔ−１） （式１）

ステップＳＢ１３は、図７に示す制御ブロック図のブロックＢ１３における処理に相当する。ステップＳＢ１３にて制御装置５２は、決定したアシスト倍率αと、ノードＮ１２から入力されたトルク変化量Δτ_ｈとを乗算してアシスト増減量Δτ_{ａ＿ｒｅｆ}を求め、求めたアシスト増減量Δτ_{ａ＿ｒｅｆ}をノードＮ１５に出力し、ステップＳＮ１５に進む。なお、アシスト倍率αは、０＜α＜１の範囲内の値である。また、アシスト増減量Δτ_{ａ＿ｒｅｆ}は、以下の（式２）にて求められる。
Δτ_{ａ＿ｒｅｆ}＝α＊Δτ_ｈ （式２）

ステップＳＮ１５は、図７に示す制御ブロック図のノードＮ１５における処理に相当する。ステップＳＮ１５にて制御装置５２は、ブロックＢ１３から入力されたアシスト増減量Δτ_{ａ＿ｒｅｆ}と、ブロックＢ１４から入力された前回目標アシストトルクτ_{ａ＿ｒｅｆ}（ｔ−１）との和を求め、求めた目標アシストトルクτ_{ａ＿ｒｅｆ}をブロックＢ２１に出力し、ステップＳＢ２１に進む。目標アシストトルクτ_{ａ＿ｒｅｆ}（τ_{ａ＿ｒｅｆ}（ｔ））は、以下の（式３）にて求められる。すなわち、今回の目標アシストトルクτ_{ａ＿ｒｅｆ}は、対象者トルク関連量（Δτ_ｈ）の所定倍率（アシスト倍率（α））のトルクと、前回の目標アシストトルクτ_{ａ＿ｒｅｆ}（ｔ−１）に基づいて求められる。
τ_{ａ＿ｒｅｆ}（ｔ）＝τ_{ａ＿ｒｅｆ}（ｔ−１）＋α＊Δτ_ｈ （式３）

ステップＳＢ２１は、図７に示す制御ブロック図のブロックＢ２１における処理に相当する。ステップＳＢ２１にて制御装置５２は、実リンク角度θ_Ｌと、ノードＮ１５から入力された目標アシストトルクτ_{ａ＿ｒｅｆ}とに基づいて、モータ４０の回転軸４１の指令回転角度θ_{Ｍ＿ｒｅｆ}を求める。そして制御装置５２は、求めた指令回転角度θ_{Ｍ＿ｒｅｆ}をノードＮ２２に出力し、ステップＳＮ２２に進む。ここで、以下のように定義すると、指令回転角度θ_{Ｍ＿ｒｅｆ}は、以下の（式４）にて表すことができる。そして（式４）を整理して（式５）を得ることができる。この指令回転角度θ_{Ｍ＿ｒｅｆ}は、出力軸回動角度に相当している。
θ_{Ｍ＿ｒｅｆ}：指令回転角度
τ_{ａ＿ｒｅｆ}：目標アシストトルク
Ｋ：渦巻バネ２４のバネ定数
θ_Ｌ：実リンク角度
ｎａ、ｎｂ：減速機２６の入力回転部材２６ｅをｎｂ回転させた場合、出力回転部材２６ｐがｎａ回転する（ｎａ＜ｎｂ）という減速比に相当する値
τ_{ａ＿ｒｅｆ}＝ｎａ＊Ｋ［ｎａ＊θ_Ｌ−（θ_{Ｍ＿ｒｅｆ}／ｎｂ）］ （式４）
θ_{Ｍ＿ｒｅｆ}＝［（ｎａ^２＊Ｋ＊θ_Ｌ−τ_{ａ＿ｒｅｆ}）＊ｎｂ／（ｎａ＊Ｋ）］ （式５）

ステップＳＮ２２は、図７に示す制御ブロック図のノードＮ２２における処理に相当する。ステップＳＮ２２にて制御装置５２は、ブロックＢ２１から入力された指令回転角度θ_{Ｍ＿ｒｅｆ}と、実モータ軸角度θ_Ｍ＿ｆｂとの差である回転角度偏差Δθを求める。そして制御装置５２は、求めた回転角度偏差ΔθをブロックＢ２３に出力し、ステップＳＢ２３に進む。なお、回転角度偏差Δθは、以下の（式６）から求められる。
Δθ＝θ_{Ｍ＿ｒｅｆ}−θ_Ｍ＿ｆｂ （式６）

ステップＳＢ２３は、図７に示す制御ブロック図のブロックＢ２３における処理に相当する。ステップＳＢ２３にて制御装置５２は、ノードＮ２２から入力された回転角度偏差Δθに基づいて、既存のＰＩＤ制御等を利用して、指令角速度ω_{Ｍ＿ｒｅｆ}を求める。そして制御装置５２は、求めた指令角速度ω_{Ｍ＿ｒｅｆ}をノードＮ２５に出力し、ステップＳＮ２５に進む。なお、回転角度偏差Δθから指令角速度ω_{Ｍ＿ｒｅｆ}を算出する手順、方法については特に限定は無く、どのように指令角速度ω_{Ｍ＿ｒｅｆ}を算出してもよい。

ステップＳＮ２５は、図７に示す制御ブロック図のノードＮ２５における処理に相当する。ステップＳＮ２５にて制御装置５２は、ブロックＢ２３から入力された指令角速度ω_{Ｍ＿ｒｅｆ}と、ブロックＢ２４から入力された実モータ角速度ω_Ｍ＿ｆｂとの差である角速度偏差Δωを求める。そして制御装置５２は、求めた角速度偏差ΔωをブロックＢ２６に出力し、ステップＳＢ２６に進む。なお、角速度偏差Δωは、以下の（式７）から求められる。
Δω＝ω_{Ｍ＿ｒｅｆ}−ω_Ｍ＿ｆｂ （式７）

ステップＳＢ２６は、図７に示す制御ブロック図のブロックＢ２６における処理に相当する。ステップＳＢ２６にて制御装置５２は、ノードＮ２５から入力された角速度偏差Δωに基づいて、既存のＰＩＤ制御等を利用して、指令電流Ｉ_{Ｍ＿ｒｅｆ}を求める。そして制御装置５２は、求めた指令電流Ｉ_{Ｍ＿ｒｅｆ}をノードＮ２７に出力し、ステップＳＮ２７に進む。なお、角速度偏差Δωから指令電流Ｉ_{Ｍ＿ｒｅｆ}を算出する手順、方法については特に限定は無く、どのように指令電流Ｉ_{Ｍ＿ｒｅｆ}を算出してもよい。

ステップＳＮ２７は、図７に示す制御ブロック図のノードＮ２７における処理に相当する。ステップＳＮ２７にて制御装置５２は、ブロックＢ２６から入力された指令電流Ｉ_{Ｍ＿ｒｅｆ}と、実モータ電流Ｉ_Ｍ＿ｆｂとの差である電流偏差ΔＩを求める。そして制御装置５２は、求めた電流偏差ΔＩをブロックＢ２８に出力し、ステップＳＢ２８に進む。なお、電流偏差ΔＩは、以下の（式８）から求められる。
ΔＩ＝Ｉ_{Ｍ＿ｒｅｆ}−Ｉ_Ｍ＿ｆｂ （式８）

ステップＳＢ２８は、図７に示す制御ブロック図のブロックＢ２８における処理に相当する。ステップＳＢ２８にて制御装置５２は、ノードＮ２７から入力された電流偏差ΔＩに基づいて、既存のＰＩＤ制御等を利用して、制御信号５２outを求める。例えば制御信号５２outは、電流偏差ΔＩに相当するＤｕｔｙに設定されたＰＷＭ信号等、モータドライバ５４に応じた制御信号である。そして制御装置５２は、求めた制御信号５２outをモータドライバ５４に出力し、処理を終了する。なお、電流偏差ΔＩから制御信号５２outを求める手順、方法については特に限定は無く、どのように制御信号５２outを求めてもよい。

●●［第２の実施の形態のアシスト装置６０（図９）］
次に、第２の実施の形態のアシスト装置６０について、図９に基づいて説明する。第２の実施の形態のアシスト装置６０は、出力リンク３０の回動中心が人の股関節に対応する位置に保持され、出力リンク３０の回動自由端側が大腿部に装着される構成である。ここで、第２の実施の形態のアシスト装置６０におけるアシスト機構（２０）、制御ボックス５０、モータ４０、モータ回転角度検出手段４２、回動角度検出手段（４３）、トルク検出手段（４５）、アシスト倍率可変手段４７等は、第１の実施の形態のアシスト装置１０で使用されたものと同様であるため、同一番号を付して説明を省略する。第２の実施の形態のアシスト装置６０は、第１の実施の形態の上体装着具１２の代わりに上体装着具６２を備えており、その上体装着具６２の腰周りの位置に支持架台部６４が設けられている。そして、支持架台部６４における股関節に対応する位置にアシスト機構（２０）が設けられている。また、アシスト機構（２０）の出力回転部材（２６ｐ）に出力リンク３０が連結されている。そして第２の実施の形態のアシスト装置６０の制御装置は、図７及び図８を用いて説明した第１の実施の形態の制御装置と同じ処理を行う。

以上、第１、第２の実施の形態にて説明したアシスト装置１０、６０は、トルク検出手段４５で検出した合成トルクに基づいて対象者から入力された対象者トルクをアシストするように働くので、対象者の皮膚に多数のセンサを貼り付ける必要が無く、装着が容易である。また、対象者の複数個所に貼り付けた多数のセンサからの信号処理を行う必要が無く、図７のブロック図に示すように、制御装置５２及びモータドライバ５４の外部から入力される入力信号は、出力リンク３０の回動角度である実リンク角度θ_Ｌと、モータ４０の回転軸４１の回転角度である実モータ軸角度θ_Ｍ＿ｆｂと、合成トルクであるτと、であり、非常に少なくて済む。従って、従来の装着式動作補助装置と比較して、アシスト装置１０の構成がシンプルであり、制御も非常にシンプルである。また、対象者から入力された対象者トルクをアシストする、という非常にシンプルな動作であるので、対象者の上腕の運動による重量物の持ち上げ動作や、対象者の腰及び大腿の屈伸による重量物の持ち上げ動作や、対象者の大腿の周期的な揺動運動による歩行の動作等の、各動作を区別する必要が無く、シンプルな制御で実現することができる。また対象者トルクとアシストトルクを別々に検出する必要が無く、合成トルクを検出するだけでよいので、トルク検出手段の数を削減してよりシンプルな構成を実現することができる。さらに、アシスト倍率αを適宜調整できるので、リハビリ等の際、非常に便利である。また減速機を設けることで、比較的小さなバネ定数の渦巻バネを使用することが可能となり、アシスト装置をより小型・軽量化することができる。また、エネルギーを蓄えたり放出する渦巻バネ（弾性体）２４と、アシストするモータ（アクチュエータ）４０と、アシスト対象者自身とからの複数の力（トルク）が生じており、アシスト対象者自身の意図しない不快な力（トルク）が発生する場合でも、トルク検出手段４５と出力リンク３０の回転角度などから、的確にそれぞれの力（トルク）を考慮して的確に制御するので、アシスト対象者自身への不快な力の発生を抑制することができる。

本発明のアシスト装置の構造、構成、形状、外観、処理手順、演算式等は、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。

本実施の形態にて説明したアシスト装置の用途は、対象者の上腕の運動、下肢の運動のアシストに限定されず、種々の対象物に適用可能である。

また本実施の形態の説明では、出力リンク３０と渦巻バネ２４との間に減速機２６を設けて、出力リンク３０に渦巻バネ２４を間接的に接続した例を説明したが、減速機２６を省略して、出力リンク３０と渦巻バネ２４とを直接的に接続してもよい。また、渦巻バネ２４の代わりに種々の弾性体を用いることができる。例えば、本実施の形態では、螺旋状に巻いたバネとしているが、板状バネやウェーブスプリングなど別のバネでもよい。また、ゴム、樹脂などのエラストマや、オイルのような液体、気体を利用した弾性体でもよい。エネルギーを保存する対象物（動作）の運動量や保存するエネルギー量に合わせて弾性体を変更可能である。保存するエネルギー量が比較的少ない場合では、エラストマを使用することが効果的である。また、人が荷物を持ち上げる動作などに対して、比較的大きなエネルギーの保存量、バネ定数（剛性）等の大きさ、調整の容易性（螺旋状のバネの場合、バネの巻き数や線の太さ等の調整の容易性）等から、伸縮バネを使用することが効果的である。また、伸縮バネは、コストの面からも優位である。

第１の実施の形態にて説明したアシスト装置１０は、左右にアシスト機構及び出力リンク３０を有する例を説明したが、左右のいずれか一方のみにアシスト機構及び出力リンク３０を設けるようにしてもよい。また第２の実施の形態にて説明したアシスト装置６０は、左右にアシスト機構及び出力リンク３０を有する例を説明しているが、左右のいずれか一方のみにアシスト機構及び出力リンク３０を設けるようにしてもよい。また制御ボックス５０などの中に制御装置５２に接続された通信装置（無線または有線）を備えても良く、所定の工程で作業する対象者（作業者）の負荷状態（トルク、モータ電流等）を、通信装置が接続されたネットワーク経由で、別の解析装置や操作機器へ送信することも可能である。解析装置や操作機器は、取得したデータ（負荷状態など）を解析することができる。そして解析装置や操作機器は、解析した結果から、対象者（作業者）の作業者能力（経験、体力など）、機械状態、作業工程に合わせて、アシスト量を調整するためのアシスト倍率αの値を決めて、この値をネットワーク経由で制御ボックス５０の制御装置５２に送信することもできる。つまり、ネットワーク上の解析装置や操作機器等を用いて、対象者に適切なアシスト倍率αを自動的に求め、求めたアシスト倍率αを自動的に対象者に設定可能ということであり、この場合、アシスト倍率可変手段４７は、ネットワーク上の解析装置や操作機器に相当する。よって、対象者（作業者）の状態に合わせて自動的かつリアルタイムにアシスト倍率αを適切な値に変更することが可能となり、対象者（作業者）の作業効率をより向上させることができる。

１０ アシスト装置
１２ 上体装着具（身体装着具）
１４ 支持架台部（身体装着具）
２０ アシスト機構
２０Ｊ 回転軸線
２２ 入力部材
２４ 渦巻バネ（弾性体）
２４ｅ （外周側）バネ端部
２４ｙ （中心側）バネ端部
２６ 減速機
３０ 出力リンク
３５ 身体装着具
４０ モータ（アクチュエータ）
４１ 回転軸（出力軸）
４２ モータ回転角度検出手段
４３ 回動角度検出手段
４５ トルク検出手段
４７ アシスト倍率可変手段
５０ 制御ボックス
５２ 制御装置
５４ モータドライバ
５６ 電源ユニット
６０ アシスト装置
６２ 上体装着具（身体装着具）
６４ 支持架台部（身体装着具）
Ｂ１０ アシストトルク決定部
Ｂ２０ モータ制御部
Ｂ３０ トルク付与部
θ_{Ｍ＿ｒｅｆ} 指令回転角度（出力軸回動角度）
τ 合成トルク
Δτ_ｈ トルク変化量（対象者トルク関連量）
α アシスト倍率（０＜α＜１）

Claims (8)

1. 対象者のアシスト対象身体部の周囲に装着される身体装着具と、
   前記アシスト対象身体部の関節回りに回動して前記アシスト対象身体部に装着される出力リンクと、
   前記出力リンクを介して前記アシスト対象身体部の回動をアシストするアシストトルクを発生する出力軸を有するアクチュエータと、
   前記出力リンクと前記出力軸との間に設けられて、前記出力軸からの前記アシストトルクを蓄えることが可能であるとともに蓄えた前記アシストトルクを前記出力リンクの回動力として放出する弾性体と、
   前記出力リンクの回動角度である出力リンク回動角度を検出する回動角度検出手段と、
   前記出力リンクから前記出力軸に至るいずれかの位置に設けられ、対象者が前記アシスト対象身体部を自身の力で回動させることで前記出力リンクから入力された対象者トルクと、前記出力軸からの前記アシストトルクと、を合成した合成トルクを検出するトルク検出手段と、
   前記トルク検出手段を用いて検出した前記合成トルクと、前記回動角度検出手段を用いて検出した前記出力リンク回動角度と、に基づいて前記出力軸の回動角度である出力軸回動角度を制御する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、
   検出した前記合成トルクから前記対象者トルクに関連する対象者トルク関連量を求め、
   求めた前記対象者トルク関連量に応じた前記アシストトルクを求め、
   求めた前記アシストトルクに基づいて前記出力軸回動角度を求め、
   求めた前記出力軸回動角度となるように前記アクチュエータを制御し、
   前記制御装置は、前記対象者トルク関連量に対する所定倍率のトルクに基づいて前記アシストトルクを求め、
   前記所定倍率を可変とするアシスト倍率可変手段を有し、
   前記制御装置は、
   予め設定された所定時間間隔の演算タイミングにて、前記合成トルクを検出して前記出力軸回動角度を求め、求めた前記出力軸回動角度となるように前記アクチュエータを制御し、
   今回の演算タイミングにて、今回の演算タイミングにて検出した合成トルクである今回合成トルクと、前回の演算タイミングにて検出した合成トルクである前回合成トルクとの偏差と、前回の演算タイミングにて求めたアシストトルクである前回アシストトルクと、前記所定倍率と、に基づいて今回の演算タイミングのアシストトルクである今回アシストトルクを求める、
   アシスト装置。
2. 請求項１に記載のアシスト装置であって、
   前記アシスト装置は、さらに、ネットワークを介して接続された解析装置や操作機器と通信可能な通信装置を備え、
   前記通信装置は、前記制御装置に接続されており、
   前記制御装置は、所定の作業工程で作業する前記対象者の負荷状態を、前記通信装置と前記ネットワークを介して前記解析装置や前記操作機器に送信し、
   前記解析装置や前記操作機器は、受信した前記負荷状態を解析してアシスト倍率を決定し、決定した前記アシスト倍率を、前記ネットワークと前記通信装置を介して前記制御装置に送信し、
   前記制御装置は、受信した前記アシスト倍率を前記所定倍率として前記アシスト倍率可変手段に設定する、
   アシスト装置。
3. 請求項２に記載のアシスト装置であって、
   前記解析装置や前記操作機器は、前記アシスト倍率を決定する際、前記対象者の作業者能力、前記アシスト装置の機械状態、前記対象者が行う前記作業工程、の少なくとも１つに基づいて前記アシスト倍率を決定する、
   アシスト装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のアシスト装置であって、
   前記弾性体は渦巻バネであり、
   前記渦巻バネの一方端には、前記出力軸が接続され、
   前記渦巻バネの他方端には、前記出力リンクあるいは所定部材を介して前記出力リンクが接続されている、
   アシスト装置。
5. 請求項４に記載のアシスト装置であって、
   前記所定部材は、前記渦巻バネからの回転を減速して前記出力リンクに伝達する減速機であり、
   前記トルク検出手段は、前記出力リンクと前記減速機との間のトルクを検出する、
   アシスト装置。
6. 請求項４に記載のアシスト装置であって、
   前記出力リンクは、長尺状の形状を有し、一方端の側の回動支持部が、前記アシスト対象身体部の関節回りに回動するように支持され、他方端の側の身体固定部が、前記アシスト対象身体部に固定されており、
   前記トルク検出手段は、前記出力リンクにおける前記回動支持部と前記身体固定部との間に設けられて前記回動支持部回りのトルクを検出する、
   アシスト装置。
7. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のアシスト装置であって、
   前記弾性体は、渦巻バネであり、
   前記渦巻バネの一方端には、前記出力軸が接続され、
   前記渦巻バネの他方端には、前記渦巻バネからの回転を減速して前記出力リンクに伝達する減速機が接続され、
   前記制御装置は、
   前記今回アシストトルクと、前記減速機の減速比と、前記渦巻バネのバネ定数と、前記出力リンク回動角度と、に基づいて前記出力軸回動角度を求める、
   アシスト装置。
8. 請求項１に記載のアシスト装置であって、
   前記制御装置は、検出した前記合成トルクから前記対象者トルクに関連する対象者トルク関連量を求め、求めた前記対象者トルク関連量に対する所定倍率のトルクに基づいて前記アシストトルクを求め、
   前記アシスト装置は、前記所定倍率を可変とするアシスト倍率可変手段と、ネットワークを介して接続された解析装置や操作機器と通信可能な通信装置と、を備えており、
   前記通信装置は、前記制御装置に接続されており、
   前記制御装置は、所定の作業工程で作業する前記対象者の負荷状態を、前記通信装置と前記ネットワークを介して前記解析装置や前記操作機器に送信し、
   前記解析装置や前記操作機器は、受信した前記負荷状態を解析してアシスト倍率を決定し、決定した前記アシスト倍率を、前記ネットワークと前記通信装置を介して前記制御装置に送信し、
   前記制御装置は、受信した前記アシスト倍率を前記所定倍率として前記アシスト倍率可変手段に設定する、
   アシスト装置。
   
   

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