JP7319665B2 - パワーアシスト装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワーアシスト装置に関する。

従来、作業員が上方のワイヤーを支えたり、植物を剪定するために腕を長時間上げたりする場合に、姿勢を維持するためのパワーアシスト装置が開発されている。例えば、特許文献１には、姿勢維持に電力を要しないパワーアシスト装置が開示されている。

特開２０１１－２５１０５７号公報

しかし、上記特許文献１に記載のパワーアシスト装置では、姿勢維持には電力を消費しないが、姿勢維持の解除のためには電力が必要であり、電力の供給が絶たれると解除ができないといった不具合があった。また、突然の転倒時などには解除の指示が間に合わないなど、不測の事態に対処することが困難である懸念もあった。

本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、電力の供給がなくても姿勢維持および解除が可能であり、不測の事態において姿勢維持の解除が可能なパワーアシスト装置を提供することである。

本発明によれば、使用者に装着されるパワーアシスト装置であって、前記使用者の動きを制止するためのロック機構を備え、前記ロック機構は、移動部材と、ロック部材と、摩擦部材と、アクチュエータを含み、前記移動部材は、前記使用者の動きによって所定の移動方向に移動し、前記ロック部材は、前記アクチュエータによって移動させられて、前記移動部材に係合し、前記摩擦部材は、前記ロック部材と接触することにより、前記移動部材をロックする摩擦力を発生させ、前記移動部材がロックされることにより使用者の動きが制止され、前記ロック部材によるロックは、前記移動部材に所定の閾値以上の力が前記移動方向に加わった場合に解除される、パワーアシスト装置が提供される。

このような構成とすることにより、電力の供給がなくとも姿勢の維持および解除が可能になるとともに、ロック機構に所定の閾値以上の力が加わるような不測の事態には、姿勢の維持が解除されることとなり、使用者の安全が確保される。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴が独立に発明を構成する。

好ましくは、前記ロック部材は凸部を備え、前記移動部材に形成された凹部と係合する。
好ましくは、前記摩擦部材は、前記ロック部材が挿通される挿通部を備え、前記挿通部の間隔は、調整可能に構成されている。
好ましくは、前記移動部材は、往復方向に移動可能に構成される。
好ましくは、前記移動部材は円盤状に形成され、中心軸を基準として円周方向に回転可能に構成される。
好ましくは、前記アクチュエータは、接触面において、前記ロック部材と接触し、前記ロック部材は、前記アクチュエータに対して突出した突出部を有する。
好ましくは、前記摩擦部材は、畜勢部を備え、前記蓄勢部は、前記ロック部材が前記移動部材と係合している際に蓄勢し、前記ロック部材によるロックが解除された際に、前記ロック部材を前記移動部材から離れた方向へ移動させる。
好ましくは、前記ロック部材は、前記移動の方向と垂直な方向に突出したフランジ部を備え、前記摩擦部材の蓄勢部は、前記フランジ部と接触する板バネで構成されている。
好ましくは、前記使用者の上半身に装着され、前記ロック機構は前記使用者の腕部の動きを制止する。

本願発明の実施形態に係るパワーアシスト装置Ｐの全体斜視図である。 ロック機構６の斜視図である。 取付部５におけるロック機構６の配置を模式的に示す平面図である。 ロック機構６における円盤１２と、ゲート部１３と、ロック部１４の配置を模式的に示す斜視図である。 パワーアシスト装置Ｐの制御機構を示すブロック図である。 図６Ａは、円盤１２とロック部１４の係合を示す図である。図６Ｂは、ロック部１４とゲート部１３の間に摩擦力が発生している状態を示す図である。図６Ｃは、移動部材とロック部材の係合が解除された状態を示す図である。 図７Ａは、ゲート部１３とロック部１４の係合状態を示す図である。図７Ｂは、実施例としての数値解析の結果を示すグラフである。

＜１．実施形態＞
図１に、実施形態にかかるパワーアシスト装置Ｐの全体図を示す。パワーアシスト装置Ｐは、使用者の上半身に装着され、使用者の腕部の姿勢維持をアシストする。以下、各構成について詳細に説明する。なお、以下の説明においては、パワーアシスト装置Ｐを装着する使用者の人体を基準として、上下左右および前後の方向を規定している。

（１．１．全体構成）
パワーアシスト装置Ｐは、背面プレート１と、制御ボックス２と、アーム部３と、上腕固定部４と、取付部５と、ロック機構６を備える。背面プレート１は、パワーアシスト装置Ｐが使用者に装着される際に、使用者の背中に配置される。

制御ボックス２は、背面プレート１の後方に取り付けられており、パワーアシスト装置Ｐの制御機構が収納されている。パワーアシスト装置Ｐの制御機構については、詳細を後述する。アーム部３は、使用者の左右の上腕に相当する位置に一対設けられており、３つのアーム３ａをそれぞれ備える。

アーム部３の下方には、図示しないベルトなどの締結部材によって、使用者の上腕に取り付けられる上腕固定部４が設けられている。上腕固定部４は、半円の円弧状に湾曲して形成され、湾曲部分の内面が上腕の肘側部分に配置される。アーム部３の備える３つのアーム３ａは、締結ボルト４ａによって、上腕固定部４の外側に取り付けられている。

アーム部３の上方には、取付部５が設けられている。取付部５は、上腕固定部４と同様に、半円の円弧状に湾曲して形成され、使用者の肩部の上方に配置される。アーム部３の備える３つのアーム３ａは、締結ボルト５ａによって、取付部５の外側に取り付けられている。このように、上腕固定部４と取付部５の間に取り付けられた３つのアーム３ａは、パワーアシスト装置Ｐを装着した使用者の上腕の動きに追随することになる。

取付部５の上面には、ロック機構６が取り付けられる。視認性を考慮して、図１に示す例では使用者の右側の取付部５にのみロック機構６が取り付けられているが、左側の取付部５にロック機構６を取り付けることもできるし、両側の取付部５にロック機構６を１対取り付けてもよい。

取付部５にロック機構６が取り付けられることにより、アーム３ａの動きが制限される。以下、ロック機構６の構成について詳細に説明する。

（１．２．ロック機構６の構成）
図２～図４を参照し、ロック機構６の構成を説明する。なお、図３においては、可視性を考慮して一部の構成を点線で示している。図２に示すように、ロック機構６は、第１ソレノイド１１ａ（特許請求の範囲における「アクチュエータ」の一例に相当）を有する第１ユニット１０ａと、第２ソレノイド１１ｂ（特許請求の範囲における「アクチュエータ」の他の例に相当）を有する第２ユニット１０ｂを備える。

図３に示すように、第１ユニット１０ａは、第１ソレノイド１１ａの他に、円盤１２（特許請求の範囲における「移動部材」に相当）と、ゲート部１３（特許請求の範囲における「摩擦部材」に相当）と、ロック部１４（特許請求の範囲における「ロック部材」に相当）と、第１可動部１５を備える。第２ユニット１０ｂは、第２ソレノイド１１ｂの他に、円盤１２と、ゲート部１３と、ロック部１４をそれぞれ１対と、第２可動部１６を備える。

円盤１２は、いずれも、取付部５の締結ボルト５ａに取り付けられている。これにより、取付部５に取り付けられたアーム３ａの動きは、締結ボルト５ａを介して円盤１２へ伝達される。

第１可動部１５は、第１ソレノイド１１ａによって、取付部５へ向かう方向（すなわち、図３における矢印Ａ方向）、およびその反対方向に移動可能に構成される。第２可動部１６は、第２ソレノイド１１ｂによって、取付部５へ向かう方向（すなわち、図３における矢印Ｂ方向）、およびその反対方向に移動可能に構成される。

第１可動部１５が取付部５へ向かう方向へ移動することにより、第１可動部１５の接触面１５ａによって押圧されたロック部１４が、円盤１２へ向かう方向へ移動する。また、第２可動部１６が取付部５へ向かう方向へ移動することにより、円弧状に湾曲するように形成された接触面１６ａによって押圧された１対のロック部１４，１４が、それぞれ円盤１２へ向かう方向へ移動する。すなわち、ひとつの第２ソレノイド１１ｂにより複数のロック部１４を移動させることができるので、パワーアシスト装置のコストを削減することができる。以下、円盤１２、ゲート部１３、およびロック部１４の構成および配置について詳細に説明する。

図４に示すように、円盤１２は、ロック部１４と対向する底面に凹部１２ａが形成されている。凹部１２ａは、底面の中心から径方向外側に向かって放射状に形成されており、本実施形態では、底面の中心を基準として点対称に８つ形成されている。凹部１２ａの両側には、斜面１２ｂが形成されている。

円盤１２は、底面の中心を通過する中心軸を基準として、円周方向（すなわち、図４におけるＣ方向）に回転可能に構成されている。上述したように、円盤１２は、取付部５の締結ボルト５ａに取り付けられているため、アーム３ａの動きに連動して円盤１２が回転することになる。

ゲート部１３は、１対の側部１３ａ（特許請求の範囲における「挿通部」に相当）と、頂部１３ｂを備える。１対の側部１３ａは、頂部１３ｂによって連結されている。１対の側部１３ａ同士の間隔は、調整可能に構成されており、当該間隔にロック部１４が挿通される。側部１３ａにおけるロック部１４側の面には、１対の板バネ１７（特許請求の範囲における「畜勢部」に相当）が設けられている。

ロック部１４は、円盤１２へ向かう方向（すなわち、図４におけるＡ方向。以下、移動方向ともいう。）に対して突出した凸部１４ａと、側部１３ａの方向に延伸したフランジ部１４ｂを備える。凸部１４ａは、ロック部１４が移動方向に移動した際に、円盤１２に設けられた凹部１２ａの１つ（図４に示す例では、領域Ｄ１に相当する箇所）と係合する。

ロック部１４は、第１ソレノイド（または第２ソレノイド）に対して突出した突出部１４ｃをさらに備える。当該構成とすることにより、第１ソレノイドが第１可動部１５を移動させた際、接触面１５ａが突出部１４ｃと接触する。また、第２ソレノイドが第２可動部１６を移動させた際、接触面１６ａが突出部１４ｃと接触する。

（１．３．制御機構の構成）
図５を参照し、パワーアシスト装置Ｐの制御機構の構成について説明する。図５に示すように、制御ボックス２は、制御装置２１と、レギュレータ２２と、バッテリー２３と、トランジスタアレイ２４と、音声センサ２５を備える。

制御装置２１は、いわゆるワンボードマイコンで構成され、パワーアシスト装置Ｐの制御を行う。具体的には、使用者の音声指示を検知した音声センサ２５からの信号に基づいて、トランジスタアレイ２４に制御信号を発信する。こうすることにより、両手がふさがった状態でもロックの指示を行うことができる。なお、制御信号の発信のトリガーは音声センサ２５からの信号に限定されない。たとえば、掌や足元に配置された感圧センサや押しボタンスイッチからの信号にも基づいてもよい。

レギュレータ２２は、バッテリー２３から供給された電源の電圧を調整し、制御装置２１へ電源を供給する。トランジスタアレイ２４は、制御装置２１からの制御信号に基づいて、第１ソレノイド１１ａおよび第２ソレノイド１１ｂへの電流を供給する。

第１ソレノイド１１ａおよび第２ソレノイド１１ｂは、トランジスタアレイ２４からの電流に基づいて、第１可動部１５および第２可動部１６を移動させる。

（１．４．ロック機構６の動作原理）
図６Ａ～図６Ｃを参照し、ロック機構６の動作原理を説明する。説明の簡略のため、第１ユニット１０ａを例にして説明するが、第２ユニット１０ｂについても同様である。

図６Ａに示すように、使用者の音声指示に基づいて、トランジスタアレイ２４からの電流が第１ソレノイド１１ａへ供給されると、第１可動部１５がロック部１４を円盤１２の方向へ移動させる。その結果、ロック部１４の凸部１４ａと、円盤１２の凹部１２ａが係合する。このとき、ゲート部１３に設けられた板バネ１７は、ロック部１４のフランジ部１４ｂに押圧されることとなり（図４参照）、板バネ１７が蓄勢される。

次に、第１ソレノイド１１ａへの電流を制御して、第１可動部１５を円盤１２と反対方向（すなわち、図６ＢにおけるＡ′方向）に移動させる。その状態で、アーム３ａの動きに伴って円盤１２をＣ方向に回転させることにより、図６Ｂに示すように、ゲート部１３に挿通されたロック部１４は、領域Ｄ２～Ｄ４で示す３点で固定される。ここで、領域Ｄ３において、ゲート部１３とロック部１４との間に摩擦力が発生している。そのため、円盤１２の回転がロックされることとなり、アーム３ａの動きが制止される。その結果、パワーアシスト装置Ｐを装着した使用者の上腕部の動きが制止されることになるため、使用者の腕部の姿勢維持がアシストされる。

ここで、円盤１２の回転方向に対して所定の閾値以上の強い力が加わると、円盤１２はＣ方向へ回転する。その結果、図６Ｃに示すように、ロック部１４の凸部１４ａが円盤１２の凹部１２ａから外れることとなる。このとき、ロック部１４は蓄勢されていた板バネ１７にＡ′方向へ付勢され、ロック部１４は円盤１２から離れた方向へ移動し、円盤１２のロックが解除される。すなわち、不測の事態などが発生し、アーム３ａに強い力が加わった場合には、円盤１２のロックが解除されることとなり、使用者は腕部を動かすことが可能となる。

以上のようにして、実施形態に係るパワーアシスト装置Ｐは、使用者の腕部の動きを制止するためのロック機構６を備える。ロック機構６は、移動部材としての円盤１２と、ロック部材としてのロック部１４と、摩擦部材としてのゲート部１３と、アクチュエータとしての第１ソレノイド１１ａおよび第２ソレノイド１１ｂを含む。

円盤１２は、使用者の腕部の動きによって円周方向に回転し、ロック部１４は、第１ソレノイド１１ａおよび第２ソレノイド１１ｂによって円盤１２に設けられた凹部１２ａに係合する。ゲート部１３は、ロック部１４と接触することにより、円盤１２の回転をロックする摩擦力を発生させ、円盤１２の回転がロックされることで使用者の動きが制止される。ロック部１４によるロックは、円盤１２に所定の閾値以上の力が回転方向に加わった場合に解除される。後述するように、ロックが解除される所定の閾値以上の力は調整可能である。

このような構成とすることにより、電飾の供給がなくても姿勢維持および解除が可能であり、不測の事態において姿勢維持の解除をすることが可能となるパワーアシスト装置Ｐを実現することができる。

（１．５．実施例）
図７Ａおよび図７Ｂを参照し、パワーアシスト装置Ｐの実施例を説明する。図７Ａに示す関係に基づくと、ゲート部１３とロック部１４との間に発生する最大の静止摩擦力Ｆ２と、ロックを解除するために円盤１２がロック部１４を移動させるための解除力Ｆとの関係は、以下の（式１）で求められる。

一方、ゲート部１３の側部１３ａ同士の間隔Ｌと、ロック部１４の幅Ｌ３との差分を間隙ｘとすると、以下の（式２）が導出される。

図７Ｂは、上記（式１）および（式２）の関係に基づいて、数値解析によって解除力Ｆを間隙ｘの関数として求めたグラフである。図７Ｂに示すように、間隙ｘの値に応じて、解除力Ｆが変化することがわかる。すなわち、本願発明のパワーアシスト装置Ｐは、ゲート部１３の側部１３ａの間隔を調整可能に構成されているため、解除力Ｆの値を調整可能であることが見て取れる。言い換えると、パワーアシスト装置Ｐの使用用途や使用者の体力に応じて、解除力Ｆを適宜設定することが可能であることがわかる。

＜２．その他の実施形態＞
以上、実施形態について説明したが、本願の技術的範囲の適用範囲は、上記実施形態に限定されるものではない。

たとえば、上記実施形態では、移動部材としての円盤１２が一方向に回転する場合について説明したが、この形態に限定されることはなく、たとえば、円周方向の両方向に回転する場合でも同様の効果を得ることが可能である。すなわち、円盤１２の両方向への回転でロックおよび解除が可能であるため、使用者はより容易にロックおよび解除することができ、操作性が向上する。

また、上記実施形態では、円盤１２の底面には、中心を基準として点対称に８つの凹部が形成されていたが、この形態に限定されることはない。たとえば、中心を基準として点対称に２つまたは４つの凹部を形成してもよいし、凹部を１つのみあるいは８つより多く形成してもよい。

また、上記実施形態では、移動部材は円盤１２で構成されており、円周方向に回転する構成としていたが、この形態に限定されることはない。たとえば、一方向または往復方向にスライド可能な部材によって、移動部材を構成してもよい。この場合においても、本願発明は上記実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

また、上記実施形態では、３つのロック部１４を２つのソレノイド（第１ソレノイド１１ａおよび第２ソレノイド１１ｂ）にて移動させることによりロックしていたが、この形態に限定されることはない。たとえば、複数のロック部１４を同数のソレノイドで移動させてもよいし、複数のロック部１４をひとつのソレノイドで移動させてもよい。また、複数のソレノイドで移動させる場合、それぞれ独自のタイミングで移動させてもよいし、駆動しないソレノイドがあってもかまわない。

また、上記実施形態では、畜勢部は板バネ１７で構成されていたが、この形態に限定されることはない。たとえば、コイルバネやゴム等の弾性部材により畜勢部を構成してもよい。この場合においても、本願発明は上記実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

本発明に係る種々の実施形態を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ ：背面プレート
２ ：制御ボックス
３ ：アーム部
３ａ ：アーム
４ ：上腕固定部
４ａ ：締結ボルト
５ ：取付部
５ａ ：締結ボルト
６ ：ロック機構
１０ａ ：第１ユニット
１０ｂ ：第２ユニット
１１ａ ：第１ソレノイド
１１ｂ ：第２ソレノイド
１２ ：円盤
１２ａ ：凹部
１２ｂ ：斜面
１３ ：ゲート部
１３ａ ：側部
１３ｂ ：頂部
１４ ：ロック部
１４ａ ：凸部
１４ｂ ：フランジ部
１４ｃ ：突出部
１５ ：第１可動部
１５ａ ：接触面
１６ ：第２可動部
１６ａ ：接触面
１７ ：板バネ
２１ ：制御装置
２２ ：レギュレータ
２３ ：バッテリー
２４ ：トランジスタアレイ
２５ ：音声センサ
Ｐ ：パワーアシスト装置

Claims (9)

1. 使用者に装着されるパワーアシスト装置であって、
   前記使用者の動きを制止するためのロック機構を備え、
   前記ロック機構は、移動部材と、ロック部材と、摩擦部材と、アクチュエータを含み、
   前記移動部材は、前記使用者の動きによって所定の移動方向に移動し、
   前記ロック部材は、前記アクチュエータによって移動させられて前記移動部材に係合し、当該係合している部分における前記移動部材の前記所定の移動方向への移動をロックするよう構成され、且つ、前記所定の移動方向と前記ロック部材が前記移動部材に向かう方向とに垂直な方向から見た際に前記移動部材に向かう方向に向かって先細りとなる１対の斜面を備え、
   前記摩擦部材は、前記所定の移動方向に離間する１対の側部を備え、当該１対の側部の間に前記ロック部材が挿通され、前記所定の移動方向において前記１対の側部と前記ロック部材との間には間隙が設けられるとともに、前記ロック部材と前記移動部材とが係合した状態における前記移動部材の移動に伴って前記ロック部材が前記１対の側部間で移動して当該１対の側部と接触することにより、前記移動部材をロックする摩擦力を発生させ、
   前記移動部材がロックされることにより使用者の動きが制止され、
   前記ロック部材によるロックは、前記移動部材に所定の閾値以上の力が前記移動方向に加わった場合に、前記移動部材により前記斜面が押されることで生じる前記ロック部材が前記移動部材から離れる方向への力によって、前記ロック部材が前記１対の側部との間の摩擦力に抗して移動することで解除される、パワーアシスト装置。
2. 請求項１に記載のパワーアシスト装置であって、
   前記ロック部材は前記一対の斜面の前記移動部材に向かう方向の端部に凸部を備え、前記移動部材に形成された凹部と係合する、パワーアシスト装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のパワーアシスト装置であって、
   前記摩擦部材は、前記ロック部材が挿通される挿通部を備え、
   前記１対の側部の間隔は、調整可能に構成されている、パワーアシスト装置。
4. 請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のパワーアシスト装置であって、
   前記移動部材は、往復方向に移動可能に構成される、パワーアシスト装置。
5. 請求項１～請求項４のいずれか１項に記載のパワーアシスト装置であって、
   前記移動部材は円盤状に形成され、中心軸を基準として円周方向に回転可能に構成される、パワーアシスト装置。
6. 請求項１～請求項５のいずれか１項に記載のパワーアシスト装置であって、
   前記アクチュエータは、接触面において、前記ロック部材と接触し、
   前記ロック部材は、前記アクチュエータに対して突出した突出部を有する、パワーアシスト装置。
7. 請求項１～請求項６のいずれか１項に記載のパワーアシスト装置であって、
   前記摩擦部材は、蓄勢部を備え、
   前記蓄勢部は、前記ロック部材が前記移動部材と係合している際に蓄勢し、前記ロック部材によるロックが解除された際に、前記ロック部材を前記移動部材から離れた方向へ移動させる、パワーアシスト装置。
8. 請求項７に記載のパワーアシスト装置であって、
   前記ロック部材は、前記移動の方向と垂直な方向に突出したフランジ部を備え、
   前記摩擦部材の蓄勢部は、前記フランジ部と接触する板バネで構成されている、パワーアシスト装置。
9. 請求項１～請求項８のいずれか１項に記載のパワーアシスト装置であって、
   前記使用者の上半身に装着され、
   前記ロック機構は前記使用者の腕部の動きを制止する、パワーアシスト装置。