(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の弾性部材と、前記第１及び第２の弾性部材の間に支持された中間子と、を備えた力計測センサ構造と、
前記力計測センサ構造の前記第１及び第２の弾性部材から前記中間子に印加する負荷を変化させる駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、
使用者の身体に装着するための装着部と、
を備えた支援装置であって、
前記力計測センサ構造は、
第１の端部と第２の端部とを有する軸と、
前記軸に沿って前記第１の端部と前記第２の端部との間を移動可能に設けられた前記中間子と、
前記軸に沿って前記第１の端部と前記中間子との間に設けられた前記第１の弾性部材と、
前記軸に沿って前記第２の端部と前記中間子との間に設けられた前記第２の弾性部材と、
前記中間子と接続され、前記軸に沿った前記中間子の一次元方向の位置を検出するリニアポテンショメータと、
前記中間子と接続され、使用者の上肢又は下肢の動きと連動して、前記中間子に力を伝達する把持部と、
を備え、
前記装着部は、
使用者の前面側に設けられた前面フレームと、
前記前面フレームと接続され、使用者の背面側に設けられ、前記駆動部を支持する背面フレームと、
前記前面フレームに取り付けられ、前記力計測センサ構造と前記駆動部とを接続するワイヤを懸架するアームと、
を備え、
前記第１及び第２の弾性部材は、前記中間子を支持すると共に、前記中間子に対して、前記軸に沿った一次元方向の互いに対向する方向に負荷を印加可能であって、
前記リニアポテンショメータによって、前記軸に沿った前記中間子の一次元方向の位置を検出して前記中間子に加わっている力を計測し、
前記制御部は、計測された前記中間子に加わっている力に応じて前記駆動部を制御する、支援装置。
【請求項２】
前記駆動部は、前記第１及び第２の弾性部材から前記中間子に印加する負荷の大きさと、負荷の方向とのうち少なくとも一方を変化させる、請求項１に記載の支援装置。
【請求項３】
前記装着部は、前記背面フレームを開閉する背面フレーム開閉機構を備えた、請求項１に記載の支援装置。
【請求項４】
前記背面フレーム開閉機構は、前記前面フレームと前記背面フレームとを接続する回転可能なヒンジ部によって構成され、前記ヒンジ部を支点として前記背面フレームを上方に開閉可能である、請求項３に記載の支援装置。
【請求項５】
前記背面フレーム開閉機構は、前記背面フレームと前記アームとを互いに接続し、それぞれの動きに対して緩衝作用を及ぼすダンパを備え、前記背面フレームを開閉する場合に、前記ダンパによって前記背面フレームの開閉動作を緩衝させる、請求項４に記載の支援装置。
【請求項６】
前記背面フレーム開閉機構は、前記背面フレームの少なくとも一部を側方に開閉可能である、請求項３に記載の支援装置。
【請求項７】
前記背面フレーム開閉機構は、前記前面フレームの少なくとも一部を上方に開閉可能である、請求項３に記載の支援装置。
【請求項８】
前記前面フレームに設けられたスライドレールと、
前記スライドレールの上に配置され、前記スライドレールによって前記前面フレームに対して相対移動可能なスライドフレームと、
をさらに備えた、請求項１に記載の支援装置。
【請求項９】
前記前面フレームと、前記背面フレームとを、使用者の側部を介して、前記前面フレームと前記背面フレームとの幅を可変的に接続するサイドバーをさらに備えた、請求項１に記載の支援装置。
【請求項１０】
前記アームは、使用者の両肩のそれぞれに対応する前記前面フレームの箇所にそれぞれ配置されている、請求項１に記載の支援装置。
【請求項１１】
前記装着部は、使用者の肩に掛けて前記装着部を支持するための肩ベルトをさらに備えた、請求項１に記載の支援装置。
【請求項１２】
前記第１及び第２の弾性部材は、バネ、ゴム、エア（空気）の群から選ばれる一種以上の部材から構成されている、請求項１に記載の支援装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の前記支援装置を含み、
前記制御部は、前記使用者の上肢又は下肢の動きに応じて、計測された前記中間子に加わっている力を軽減するように前記駆動部を制御して、前記使用者の上肢又は下肢の動きを支援する、動作支援装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の前記支援装置を含み、
前記制御部は、前記使用者の上肢又は下肢の動きに応じて、前記中間子に所定の力が印加されるように前記駆動部を制御して、前記使用者の上肢又は下肢の筋力訓練を支援する筋力訓練支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、過渡状態における力を計測して支援する支援装置、筋力訓練支援装置及び動作支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、人体の動作を支援する動作支援装置が開発されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。この動作支援装置では、筋肉の動きを検知するセンサが用いられている。しかし、筋肉にセンサを設けることは困難な場合がある。【０００３】
一方、一般的に力を計測する方法としては、例えば、歪みゲージによって電気抵抗の変化を計測し、歪みを算出し、印加されている力を計測する方法や、歪みによる圧電効果を計測し、印加されている力を計測する方法等がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開公報第２００７／０４３３０８号
【特許文献２】特開２００８−１２３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
動的な力のなかでも、人力は一定の力ではなく、初期に加わる力が大きく、その後の力は初期に比べて小さくなる。また、初期とその後では、力の印加方向も変化する場合がある。人力による動作を支援しようとする場合には、むしろ初期の力ではなく、その後の力を計測する必要がある。【０００６】
しかし、このような場合、歪みゲージを用いた力センサや、圧電効果を利用した力センサでは、初期の大きな力を検出してしまうため、その後の力とは異なる大きさ、方向の力を検出してしまうという問題があった。初期の大きな力を計測した場合には、動作支援のために供給される動力が過剰となってしまい思わぬ動きをする場合がある。また、初期とその後の力の方向が異なる場合には、動作支援の方向が全く逆になってしまうという問題があった。【０００７】
そこで、本開示の目的は、一定の力でなく、初期に比べてその後の力が小さくなる人力を支援する場合において、初期の力ではなくその後の力を計測して支援できる支援装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示に係る支援装置は、第１及び第２の弾性部材と、前記第１及び第２の弾性部材の間に支持された中間子と、を備えた力計測センサ構造と、
前記力計測センサ構造の前記第１及び第２の弾性部材から前記中間子に印加する負荷を変化させる駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、
使用者の身体に装着するための装着部と、
を備えた支援装置であって、
前記力計測センサ構造は、
第１の端部と第２の端部とを有する軸と、
前記軸に沿って前記第１の端部と前記第２の端部との間を移動可能に設けられた前記中間子と、
前記軸に沿って前記第１の端部と前記中間子との間に設けられた前記第１の弾性部材と、
前記軸に沿って前記第２の端部と前記中間子との間に設けられた前記第２の弾性部材と、
前記中間子と接続され、前記軸に沿った前記中間子の一次元方向の位置を検出するリニアポテンショメータと、
前記中間子と接続され、使用者の上肢又は下肢の動きと連動して、前記中間子に力を伝達する把持部と、
を備え、
前記装着部は、
使用者の前面側に設けられた前面フレームと、
前記前面フレームと接続され、使用者の背面側に設けられ、前記駆動部を支持する背面フレームと、
前記前面フレームに取り付けられ、前記力計測センサ構造と前記駆動部とを接続するワイヤを懸架するアームと、
を備え、
前記第１及び第２の弾性部材は、前記中間子を支持すると共に、前記中間子に対して、前記軸に沿った一次元方向の互いに対向する方向に負荷を印加可能であって、
前記リニアポテンショメータによって、前記軸に沿った前記中間子の一次元方向の位置を検出して前記中間子に加わっている力を計測し、
前記制御部は、計測された前記中間子に加わっている力に応じて前記駆動部を制御する。【０００９】
上記の概括的かつ特定の態様は、上記支援装置を用いた動作支援装置及び筋力訓練支援装置として実現してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本開示に係る支援装置によれば、初期に比べてその後の力が小さくなる力を計測して支援する場合において、初期の力ではなくその後の力を計測して支援できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の実施の形態１に係る力計測センサ構造の構成を示す斜視図である。
【図２】図１の力計測センサ構造の分解斜視図である。
【図３】本開示の実施の形態１に係る力計測センサ構造の変形例の構成を示す斜視図である。
【図４】（ａ）は、図１及び図３の力計測センサ構造１０、１０ａにおいて、中間子に上向き（＋）方向の力が印加され、中間子が上向きに移動した場合の中間子の位置を示す正面図であり、（ｂ）は、中間子に力が印加されていない場合の中間子の位置を示す正面図であり、（ｃ）は、中間子に下向き（−）方向の力が印加され、中間子が下向きに移動した場合の中間子の位置を示す正面図である。
【図５】本開示の実施の形態１に係る負荷制御装置の構成を示す斜視図である。
【図６】図５の負荷制御装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図７】図６の制御部の物理的な構成例を示すブロック図である。
【図８】図６の制御部の機能的な構成例を示すブロック図である。
【図９】本開示の実施の形態１に係る動作支援装置／筋力訓練支援装置の構成を示す斜視図である。
【図１０】図９の動作支援装置／筋力訓練支援装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図１１】本開示の実施の形態１に係る動作支援装置の動作を説明するフローチャートである。
【図１２】本開示の実施の形態１に係る筋力訓練支援装置の動作を説明するフローチャートである。
【図１３】本開示の実施の形態２に係る力計測センサ構造の構成を示す斜視図である。
【図１４】図１３の力計測センサ構造の分解斜視図である。
【図１５】（ａ）は、図１３の力計測センサ構造において、中間子に時計回り（＋）方向の力が印加され、中間子が時計回り（＋）方向に移動した場合の位置を示す正面図であり、（ｂ）は、中間子に力が印加されていない場合の中間子の位置を示す正面図であり、（ｃ）は、中間子に反時計回り（−）方向の力が印加され、中間子が反時計回り（−）方向に移動した場合の中間子の位置を示す正面図である。
【図１６】本開示の実施の形態２に係る負荷制御装置の構成を示す斜視図である。
【図１７】図１６の負荷制御装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図１８】図１７の制御部の物理的な構成例を示すブロック図である。
【図１９】図１７の制御部の機能的な構成例を示すブロック図である。
【図２０】本開示の実施の形態２に係る動作支援装置／筋力訓練支援装置の構成を示す斜視図である。
【図２１】図２０の動作支援装置／筋力訓練支援装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図２２】本開示の実施の形態２に係る動作支援装置の動作を説明するフローチャートである。
【図２３】本開示の実施の形態２に係る筋力訓練支援装置の動作を説明するフローチャートである。
【図２４】実施の形態１に係る支援装置に用いる第１の別例の身体用装着部の構成を示す概略斜視図である。
【図２５】図２４の第１の別例の身体用装着部の正面図である。
【図２６】図２４の第１の別例の身体用装着部の平面図である。
【図２７】図２４の第１の別例の身体用装着部の背面図である。
【図２８】図２４の第１の別例の身体用装着部の左側面図である。
【図２９】（ａ）は、図２４の第１の別例の身体用装着部によるフレーム開閉機構を示す斜視図であり、（ｂ）は、背面フレーム開閉のためのヒンジ部の箇所Ａを示す拡大図である。
【図３０】図２９（ａ）の身体用装着部の背面フレームを上方に開けた状態を示す斜視図である。
【図３１】図２４の第１の別例の身体用装着部の前面フレームに対してスライドフレームの高さが高い状態を示す斜視図である。
【図３２】図２４の第１の別例の身体用装着部の前面フレームに対してスライドフレームの高さが低い状態を示す斜視図である。
【図３３】図３２の身体用装着部の前面フレームに対してスライドフレームの高さを調整するためのスライドレールの箇所Ｂの拡大図である。
【図３４】図２４の第１の別例の身体用装着部の前面フレームと背面フレームとを、使用者の側方を介して、前面フレームと背面フレームとの幅を狭くして接続するサイドバーを示す左側面図である。
【図３５】図３４の前面フレームと背面フレームとを接続するサイドバーの接続部分Ｃの拡大図である。
【図３６】図２４の第１の別例の身体用装着部の前面フレームと背面フレームとを、使用者の側方を介して、前面フレームと背面フレームとの幅を広くして接続するサイドバーを示す左側面図である。
【図３７】図３６の前面フレームと背面フレームとを接続するサイドバーの接続部分Ｄの拡大図である。
【図３８】実施の形態１に係る支援装置に用いる第２の別例の身体用装着部の構成を示す概略斜視図である。
【図３９】図３８の身体用装着部の背面フレームを上方に開けた状態を示す斜視図である。
【図４０】図３８の身体用装着部の背面フレームの一部を側方に開けた状態を示す斜視図である。
【図４１】図３８の身体用装着部の前面フレームの一部及びアームを上方に開けた状態を示す斜視図である。
【図４２】（ａ）は、図２４の第１の別例の身体用装着部を用いた支援装置の支点の位置と、身体へかかるモーメントを示す側面図であり、（ｂ）は、図９の支援装置の支点の位置と、身体へかかるモーメントを示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示の第１態様に係る支援装置は、第１及び第２の弾性部材と、前記第１及び第２の弾性部材の間に支持された中間子と、を備えた力計測センサ構造と、
前記力計測センサ構造の前記第１及び第２の弾性部材から前記中間子に印加する負荷を変化させる駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、
使用者の身体に装着するための装着部と、
を備えた支援装置であって、
前記力計測センサ構造は、
第１の端部と第２の端部とを有する軸と、
前記軸に沿って前記第１の端部と前記第２の端部との間を移動可能に設けられた前記中間子と、
前記軸に沿って前記第１の端部と前記中間子との間に設けられた前記第１の弾性部材と、
前記軸に沿って前記第２の端部と前記中間子との間に設けられた前記第２の弾性部材と、
前記中間子と接続され、前記軸に沿った前記中間子の一次元方向の位置を検出するリニアポテンショメータと、
前記中間子と接続され、使用者の上肢又は下肢の動きと連動して、前記中間子に力を伝達する把持部と、
を備え、
前記装着部は、
使用者の前面側に設けられた前面フレームと、
前記前面フレームと接続され、使用者の背面側に設けられ、前記駆動部を支持する背面フレームと、
前記前面フレームに取り付けられ、前記力計測センサ構造と前記駆動部とを接続するワイヤを懸架するアームと、
を備え、
前記第１及び第２の弾性部材は、前記中間子を支持すると共に、前記中間子に対して、前記軸に沿った一次元方向の互いに対向する方向に負荷を印加可能であって、
前記リニアポテンショメータによって、前記軸に沿った前記中間子の一次元方向の位置を検出して前記中間子に加わっている力を計測し、
前記制御部は、計測された前記中間子に加わっている力に応じて前記駆動部を制御する。
【００１３】
第２態様に係る動作支援装置は、上記第１態様において、前記駆動部は、前記第１及び第２の弾性部材から前記中間子に印加する負荷の大きさと、負荷の方向とのうち少なくとも一方を変化させてもよい。
【００１４】
第３態様に係る動作支援装置は、上記第１態様において、前記装着部は、前記背面フレームを開閉する背面フレーム開閉機構を備えてもよい。
【００１５】
第４態様に係る動作支援装置は、上記第３態様において、前記背面フレーム開閉機構は、前記前面フレームと前記背面フレームとを接続する回転可能なヒンジ部によって構成され、前記ヒンジ部を支点として前記背面フレームを上方に開閉可能であってもよい。
【００１６】
第５態様に係る動作支援装置は、上記第４態様において、前記背面フレーム開閉機構は、前記背面フレームと前記アームとを互いに接続し、それぞれの動きに対して緩衝作用を及ぼすダンパを備え、前記背面フレームを開閉する場合に、前記ダンパによって前記背面フレームの開閉動作を緩衝させてもよい。
【００１７】
第６態様に係る支援装置は、上記第３態様において、前記背面フレーム開閉機構は、前記背面フレームの少なくとも一部を側方に開閉可能であってもよい。
【００１８】
第７態様に係る支援装置は、上記第３態様において、前記背面フレーム開閉機構は、前記前面フレームの少なくとも一部を上方に開閉可能であってもよい。
【００１９】
第８態様に係る支援装置は、上記第１態様において、
前記前面フレームに設けたスライドレールと、
前記スライドレールの上に配置され、前記スライドレールによって前記前面フレームに対して相対移動可能なスライドフレームと、
を備えてもよい。
【００２０】
第９態様に係る支援装置は、上記第１態様において、前記前面フレームと、前記背面フレームとを、使用者の側部を介して、前記前面フレームと前記背面フレームとの幅を可変的に接続するサイドバーをさらに備えてもよい。
【００２１】
第１０態様に係る支援装置は、上記第１態様において、前記アームは、使用者の両肩のそれぞれに対応する前記前面フレームの箇所にそれぞれ配置されていてもよい。
【００２２】
第１１態様に係る支援装置は、上記第１態様において、前記装着部は、使用者の肩に掛けて前記装着部を支持するための肩ベルトをさらに備えてもよい。
【００２３】
第１２態様に係る支援装置は、上記第１態様において、前記第１及び第２の弾性部材は、バネ、ゴム、エア（空気）等の群から選ばれる一種以上の部材から構成されていてもよい。
【００２４】
第１３態様に係る動作支援装置は、上記第１態様に係る前記支援装置を含み、
前記制御部は、前記使用者の上肢又は下肢の動きに応じて、計測された前記中間子に加わっている力を軽減するように前記駆動部を制御して、前記使用者の上肢又は下肢の動きを支援する。
【００２５】
第１４態様に係る筋力訓練支援装置は、上記第１態様に係る前記支援装置を含み、
前記制御部は、前記使用者の上肢又は下肢の動きに応じて、前記中間子に所定の力が印加されるように前記駆動部を制御して、前記使用者の上肢又は下肢の筋力訓練を支援する。
【００２６】
以下、本実施の形態に係る支援装置、動作支援装置、及び、筋力訓練支援装置について、添付図面を用いて説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
【００２７】
（実施の形態１）
＜力計測センサ構造＞
図１は、実施の形態１に係る力計測センサ構造１０の構成を示す概略斜視図である。図２は、図１の力計測センサ構造１０の分解斜視図である。
この力計測センサ構造１０は、第１の端部５ａと第２の端部５ｂとを有する軸１と、軸１に沿って第１の端部５ａと第２の端部５ｂとの間を移動可能に設けられた中間子２と、軸１に沿って第１の端部５ａと中間子２との間に設けられた第１の弾性部材３ａと、軸１に沿って第２の端部５ｂと中間子２との間に設けられた第２の弾性部材３ｂと、中間子２と接続され、軸１に沿った中間子２の一次元方向の位置を検出するリニアポテンショメータ４と、を備える。第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂは、中間子２を支持すると共に、中間子２に対して、軸１に沿った一次元方向の互いに対向する方向に負荷を印加可能であるように設けられている。この力計測センサ構造１０では、リニアポテンショメータ４によって、軸１に沿った中間子２の一次元方向の位置を検出して中間子２に加わっている力を計測することができる。
【００２８】
以下に、この力計測センサ構造１０を構成する各部材について説明する。
【００２９】
＜軸＞
軸１は、中間子２、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂを支持するものであって、中間子２の動きをその両端部５ａ、５ｂの間に規定する。なお、図１及び２では、中間子２及び第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂは、軸１が貫通するように設けているが、これに限られず、例えば、中間子２の側面に設けた溝を軸１が通るようにしてもよい。また、軸１の材料は、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、木材、竹等の力計測において通常使用可能なものであれば使用することができる。
【００３０】
＜中間子＞
中間子２は、軸１に沿ってその両端部５ａ、５ｂの間で移動可能に設けられる。中間子２の材料は、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、木材、竹等の力計測において通常使用可能なものであれば使用することができる。
【００３１】
＜第１及び第２の弾性部材＞
第１の弾性部材３ａは、軸１に沿って第１の端部５ａと中間子２との間に設けられる。第２の弾性部材３ｂは、軸１に沿って第２の端部５ｂと中間子２との間に設けられる。また、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂは、中間子２の両端に設けられているので、中間子２を支持する。この第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂは、中間子２を支持すると共に、中間子２に対して、軸１に沿った一次元方向の互いに対向する方向に負荷を印加可能であるように設けられている。
【００３２】
＜リニアポテンショメータ＞
リニアポテンショメータ４は、中間子２と接続され、軸１に沿った中間子２の一次元方向の位置を検出する。このリニアポテンショメータ４は、一次元方向の位置を検出することができるものであればよく、通常使用されるリニアポテンショメータ４を用いることができる。なお、図１及び図２では、リニアポテンショメータ４の一方の端部を第１の弾性部材３ａ側の端部に固定しているが、これに限られるものではなく、第２の弾性部材３ｂ側の端部に固定してもよい。
【００３３】
（変形例）
図３は、本開示の実施の形態１の変形例に係る力計測センサ構造１０ａの構成を示す斜視図である。この変形例に係る力計測センサ構造１０ａでは、図１の力計測センサ構造１０と対比すると、中間子２に把持部（グリップ）１２を設けている点で相違する。この把持部１２を使用者が手で握ることによって、中間子２に力を印加しやすくできる。なお、図３では、把持部１２は、手で握るのに適したグリップ形状としているが、これに限られず、例えば、足で踏むペダル形状としてもよい。把持部１２は、上肢又は下肢と連動して、中間子２に力を印加できるものであればよい。また、本開示の実施の形態１の変形例に係る力計測センサ構造１０ａは、一端にフック１３を有する。このフック１３は、移動させる対象物を吊下げることができる。
【００３４】
図４（ａ）は、図１及び図３の力計測センサ構造１０、１０ａにおいて、中間子２に上向き（＋）方向の力が印加され、中間子２が上向きに移動した場合の中間子２の位置を示す正面図であり、図４（ｂ）は、中間子２に力が印加されていない場合の中間子２の位置を示す正面図であり、図４（ｃ）は、中間子２に下向き（−）方向の力が印加され、中間子２が下向きに移動した場合の中間子２の位置を示す正面図である。
図４（ａ）に示すように、中間子２が上向きの位置にある場合には、第１の弾性部材３ａが圧縮されると共に、第２の弾性部材３ｂが伸長されるため、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂから、中間子２に下向きの負荷がかかる。一方、図４（ｃ）に示すように、中間子２が下向きの位置にある場合には、第１の弾性部材３ａが伸長されると共に、第２の弾性部材３ｂが圧縮されるため、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂから、中間子２に上向きの負荷がかかる。この力計測センサ構造１０、１０ａでは、リニアポテンショメータ４によって、軸１に沿った中間子２の一次元方向の位置を検出して、中間子２に加わっている力を計測する。例えば、中間子２の位置が上向きの場合には、中間子２には下向きの負荷がかかっていることがわかる。一方、中間子２の位置が下向きの場合には、中間子２には上向きの負荷がかかっていることがわかる。
【００３５】
＜負荷制御装置＞
図５は、実施の形態１に係る負荷制御装置２０の構成を示す斜視図である。図６は、図５の負荷制御装置２０の機能的な構成を示すブロック図である。
図５及び図６に示すように、この負荷制御装置２０は、力計測センサ構造１０ａと、その上部に固定されたワイヤ１１と、ワイヤ１１を巻き取る、あるいは、放出するモータ（駆動部）１６と、モータ（駆動部）１６を制御する制御部１８と、を備える。ワイヤ１１は、力計測センサ構造１０ａの上端に固定されているので、モータ（駆動部）１６を駆動してワイヤ１１を巻き取ってワイヤ１１を上向きに引っ張る、あるいは、逆回転させてワイヤ１１を放出してゆるめることで、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂから中間子２に印加する負荷を変化させることができる。制御部１８は、計測された中間子２に加わっている力に応じて駆動部１６を制御する。
【００３６】
以下に、この負荷制御装置２０を構成する各部材について説明する。
＜駆動部＞
駆動部１６は、例えば、ワイヤ１１を巻き取る、あるいは、逆方向に回転させてワイヤ１１を放出することができるモータ等を使用できる。駆動部１６の構成はモータに限られず、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂから中間子２に印加する負荷を変化させることができるものであれば使用できる。例えば、上記モータ１６では、ワイヤ１１を引っ張って、第１の弾性部材３ａ及び第２の弾性部材３ｂを固定する上端を上向き又は下向きに移動させるのに対して、第１の弾性部材３ａ及び第２の弾性部材３ｂと中間子２との相対位置を上向き又は下向きに変化させて、第１の弾性部材３ａ及び第２の弾性部材３ｂから中間子２にかかる負荷を変化させるものであってもよい。
【００３７】
＜制御部＞
図７は、図６の制御部１８の物理的な構成例を示すブロック図である。図８は、図６の制御部１８の機能的な構成例を示すブロック図である。
この制御部１８は、例えば、図７に示すように、ＣＰＵ２１、メモリ２２、記憶部２３、入力部２４、出力部２５等を備えたパーソナルコンピュータによって実現してもよい。また、この制御部１８の機能的な構成は、図８に示すように、ポテンショメータの値を読み取るポテンショメータ読み取り部２６と、中間子２に印加されている力を算出する中間子印加力算出部２７と、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂから中間子２に加える負荷を制御する弾性部材負荷制御部２８と、を備えてもよい。
【００３８】
＜支援装置（動作支援装置及び筋力訓練支援装置）＞
図９は、実施の形態１に係る支援装置２９（動作支援装置３０ａ及び筋力訓練支援装置３０ｂ）の構成を示す概略斜視図である。図１０は、図９の支援装置２９（動作支援装置３０ａ／筋力訓練支援装置３０ｂ）の機能的な構成を示すブロック図である。なお、動作支援装置３０ａ及び筋力訓練支援装置３０ｂを総称する場合、支援装置２９と称する。
この支援装置２９（動作支援装置３０ａ及び筋力訓練支援装置３０ｂ）は、上記負荷制御装置２０と、身体用装着部３２ａとを備える。なお、負荷制御装置２０の力計測センサ構造１０ａには、把持部１２を備える。この把持部１２は、力計測センサ構造１０ａの中間子２と接続され、使用者の上肢又は下肢の動きと連動して、中間子２に力を伝達する。具体的には、把持部１２は、手で握って力を印加しやすくするために設けられている。なお、把持部１２は、図９の例では手で握ることができる形状としているが、これに限られず、上肢又は下肢の動きと連動するように、上肢又は下肢に固定してもよい。また、身体用装着部３２ａによって装着しやすくしてもよい。なお、身体用装着部３２ａは、この支援装置２９（動作支援装置３０ａ及び筋力訓練支援装置３０ｂ）の構成に必須のものではない。
【００３９】
（身体用装着部３２ａ：リュック型装着部）
この身体用装着部３２ａについて、図９を用いて説明する。身体用装着部３２ａは、使用者の肩部に掛架されると共に、駆動部１６を固定するメインフレーム４０を構成する背当て部４１及び肩ベルト４２と、メインフレーム４０を使用者の胴体へ取り付ける腰ベルト４３と、メインフレーム４０へ取り付けられ、力計測センサ構造１０ａと駆動部１６とを接続するワイヤ１１を懸架するアーム４４と、を備える。背当て部４１は、金属あるいは樹脂で構成できる。肩ベルト４２及び腰ベルト４３は、金属、樹脂、天然繊維等によって構成できる。なお、図９では、アーム４４、力計測センサ構造１０ａ及び駆動部１６を２組設けているが、これに限られず、１組又は３組以上であってもよい。
この身体用装着部３２ａは、使用者が肩ベルト４２に腕を通して背負う形式であるので、いわゆるリュック型装着部である。この身体用装着部３２ａでは、アパレル部材を使用できるため、安価且つ軽量にすることができる。また、リュック型であるため、装着方法が直観的に分かり易い。さらに、腰部にモータ等の重量物がある為、前傾姿勢時の負担が小さいという利点がある。また、身体前面にフレーム等が無く、腕の可動範囲を大きく確保できるため、支援装置を装着したままでの作業性が良いという利点がある。
【００４０】
（第１の別例：身体用装着部３６：前抱え型装着部）
図２４は、支援装置２９に用いる第１の別例の身体用装着部３６の構成を示す概略斜視図である。図２５は、図２４の第１の別例の身体用装着部３６の正面図である。図２６は、図２４の第１の別例の身体用装着部３６の平面図である。図２７は、図２４の第１の別例の身体用装着部３６の背面図である。図２８は、図２４の第１の別例の身体用装着部３６の左側面図である。
図２４から図２８に示す、この支援装置２９の身体用装着部３６では、図９の身体用装着部３２ａと対比すると、リュック型装着部ではなく前抱え型装着部である点で相違する。具体的には、この身体用装着部３６は、図９で示すメインフレーム４０が、使用者の前面側に設けられた前面フレーム４５と、前面フレーム４５と接続され、使用者の背面側に設けられた背面フレーム４６と、で構成される。この前面フレーム４５及び背面フレーム４６は、金属あるいは樹脂で構成でき、さらに、剛性を有する材料で構成してもよい。ここで剛性を有する材料とは、それ自体として一定の形状を保持し、所定の負荷に対してほとんど変形しない材料である。また、前面フレーム４５及び背面フレーム４６は、使用者の体型に合わせて適宜調整してもよい。また、アーム４４は、前面フレーム４５に取り付けられ、力計測センサ構造と駆動部とを接続するワイヤを懸架する。さらに、アーム４４は、１本に限られず、２本以上設けてもよい。例えば、アーム４４を使用者の両肩のそれぞれに対応する前面フレーム４５の箇所にそれぞれ配置してもよい。前面フレーム４５と背面フレーム４６とは、使用者の両肩の上部で、後述するヒンジ部５１によって接続されている。また、前面フレーム４５と背面フレーム４６とを使用者の脇で接続するサイドバー５２を設けてもよい。また、アーム４４の先端にはワイヤ１１を掛けるローラ５０を設けてもよい。さらに、使用者の肩に掛けて身体用装着部３６を支持するための肩ベルト４２をさらに備えてもよい。また、肩ベルト４２は、使用者の体型に合わせるように水平方向に調整可能に設けてもよい。これによって、身体用装着部３６の水平方向の位置を調整できる。また、身体用装着部３６を使用者の腰に固定する腰ベルト４３を備えてもよい。さらに、前面フレーム４５にクッションを配置して、使用者の腹部を保護するようにしてもよい。
【００４１】
この第１の別例の身体用装着部３６を用いた支援装置２９は、以下の利点を有する。まず、この支援装置２９では、前面フレーム４５と背面フレーム４６とが、図９中、剛性のあるメインフレーム４０と同様の役割を果すので、頭から支援装置２９を被るようにして装着でき、一人でも装着可能である。また、荷重を、肩と、広く身体前面と、で支持できるため、荷重を分散することができ、身体への圧迫感を大きく軽減できる。さらに、アーム４４を前面フレーム４５から伸ばす事で、視界を広く確保できる。またさらに、肩を支点とし、アーム４４を支点より前面側に配置し、駆動部１６であるモータ等の重量物を支点より背面側の背面フレーム４６に配置したので、肩から体幹に真っ直ぐ荷重が掛かるようになり、荷重（ワーク）保持姿勢が安定すると共に、荷重によって身体にかかるモーメントを軽減できる。
【００４２】
また、この第１の別例の身体用装着部３６では、以下の３つの機能、背面フレーム開閉機構、スライドフレームの高さ調整機構、及び、前面フレームと背面フレームとの幅調整機構を備えていてもよい。
【００４３】
（背面フレーム開閉機構）
図２９（ａ）は、図２４の第１の別例の身体用装着部３６による背面フレーム開閉機構を示す斜視図であり、（ｂ）は、背面フレーム４６の開閉のためのヒンジ部５１の箇所Ａを示す拡大図である。図３０は、図２９（ａ）の身体用装着部３６の背面フレーム４６を上方に開けた状態を示す斜視図である。
この第１の別例の身体用装着部３６では、背面フレーム４６を開閉する機構を備える。具体的には、この背面フレーム開閉機構は、前面フレーム４５と背面フレーム４６とを接続する回転可能なヒンジ部５１によって構成される。図３０に示すように、このヒンジ部５１を支点として背面フレーム４６を上方に開閉できる。これによって、この身体用装着部３６を用いた支援装置において、下方から身体用装着部３６を被ることが容易となる。
なお、背面フレーム開閉機構としては、上記ヒンジ部５１を用いたものに限られず、背面フレーム４６を開閉可能なものであればよい。
【００４４】
（スライドフレームの高さ調整機構）
図３１は、図２４の第１の別例の身体用装着部３６の前面フレーム４５に対してスライドフレーム５４の高さが高い状態を示す斜視図である。図３２は、図２４の第１の別例の身体用装着部３６の前面フレーム４５に対してスライドフレーム５４の高さが低い状態を示す斜視図である。図３３は、図３２の第１の別例の身体用装着部３６の前面フレーム４５のうちスライドフレーム５４の高さを調整するためのスライドレール５３の箇所Ｂの拡大図である。
この第１の別例の身体用装着部３６では、前面フレーム４５に設けたスライドレール５３と、スライドレール５３の上に配置され、スライドレール５３によって前面フレーム４５に対して相対移動可能なスライドフレーム５４と、を備える。これによって、スライドフレーム５４の高さを調整できる。例えば、身長に合わせてスライドフレーム５４の高さを調整してもよい。また、図３１及び図３２では、前面フレーム４５に腰ベルト４３を設けているが、スライドフレーム５４に腰ベルトを設けてもよい。この場合には、スライドフレーム５４の高さ調整によって、腰ベルト４３の高さを調整できる。
なお、スライドフレーム５４の高さ調整は、上記のスライドレール５３を用いた場合に限られず、スライドフレーム５４の高さを調整できるものであればよい。
なお、図３１から図３３では、鉛直方向に沿ったスライドレール５３を設け、スライドフレーム５４の高さを調整しているが、高さ調整に限らず、例えば、水平方向に沿ったスライドレールを設け、スライドフレーム５４の水平位置を調整してもよい。
【００４５】
（前面フレームと背面フレームとの幅調整機構）
図３４は、図２４の第１の別例の身体用装着部３６の前面フレーム４５と背面フレーム４６とを、使用者の側方を介して、前面フレーム４５と背面フレーム４６との幅を狭くして接続するサイドバー５２を示す左側面図である。図３５は、図３４の前面フレーム４５と背面フレーム４６とを接続するサイドバー５２の接続部分Ｃの拡大図である。図３６は、図２４の第１の別例の身体用装着部３６の前面フレーム４５と背面フレーム４６とを、使用者の側方を介して、前面フレーム４５と背面フレーム４６との幅を広くして接続するサイドバー５２を示す左側面図である。図３７は、図３６の前面フレーム４５と背面フレーム４６とを接続するサイドバー５２の接続部分Ｄの拡大図である。
この第１の別例の身体用装着部３６では、前面フレーム４５と背面フレーム４６との幅調整機構を備える。具体的には、この前面フレーム４５と背面フレーム４６との幅調整機構は、前面フレーム４５と、背面フレーム４６とを、使用者の側部を介して、前面フレーム４５と背面フレーム４６との幅を可変的に接続するサイドバー５２である。さらに、サイドバー５２の先端には、前面フレーム４５と背面フレーム４６との間のフレーム幅を調整する幅調整部５５を設けている。このサイドバー５２の先端の幅調整部５５によって、背面フレーム４６との接続箇所を変えることによって、前面フレーム４５と背面フレーム４６との幅を狭く（図３４、図３５）でき、あるいは、前面フレーム４５と背面フレーム４６との幅を広く（図３６、図３７）できる。
なお、前面フレーム４５と背面フレーム４６との幅調整機構は、上記サイドバー５２の幅調整部５５に限られない。
【００４６】
（第２の別例：身体用装着部３８：前抱え型装着部）
図３８は、実施の形態１に係る支援装置に用いる第２の別例の身体用装着部３８の構成を示す概略斜視図である。図３９は、図３８の身体用装着部３８の背面フレーム４６を上方に開けた状態を示す斜視図である。図４０は、図３８の身体用装着部３８の背面フレーム４６の一部を側方に開けた状態を示す斜視図である。図４１は、図３８の身体用装着部の前面フレーム４５の一部及びアーム４４を上方に開けた状態を示す斜視図である。
この第２の別例の身体用装着部３８は、図２４に示す第１の別例の身体用装着部３６と対比すると、第１の別例の身体用装着部３６が金属製の直線的な形状を有する部材によって構成されているのに対して、第２の別例の身体用装着部３８は、樹脂製の曲線的な形状を有する部材で構成されている点で相違する。この第２の別例の身体用装着部３８は、所定の剛性を有する樹脂製の部材を用いることができる。また、この第２の別例の身体用装着部３８は、スライドフレーム５４を有しない点で相違する。なお、第２の別例の身体用装着部３８においても、スライドフレーム５４を設けてもよい。
【００４７】
この第２の別例の身体用装着部３８も、第１の別例の身体用装着部３６と同様にフレーム開閉機構を備えている。
図３９に示すフレーム開閉機構では、第１の別例の身体用装着部３６と同様に、背面フレーム４６を上方に開閉することができる。さらに、この第２の身体用装着部３８では、背面フレーム４６とアーム４４とを互いに接続し、それぞれの動きに対して緩衝作用を及ぼすダンパ５６を備える。これにより、背面フレーム４６を開閉する場合に、ダンパ５６によって背面フレーム４６の開閉動作を緩衝させて、穏やかな開閉動作を実現できる。また、これによって、背面フレーム４６の開閉時に身体用装着部３８が落下することを抑制でき、より安全に使用することができる。
【００４８】
図４０に示すフレーム開閉機構では、背面フレーム４６の左側に鉛直方向に沿って屈曲可能な屈曲部を設けており、背面フレーム４６の少なくとも一部を側方に開閉可能である。
これによって、使用者は、第２の別例の身体用装着部３８に側方から入ることができ、装着を容易に行える。
【００４９】
図４１に示すフレーム開閉機構では、図２９の第１の別例の身体用装着部３６と同様に前面フレーム４５と背面フレームとをヒンジ部５１で接続されている。一方、図４１では、図２９の場合とは異なり、前面フレーム４５からその一部とアーム４４とを分離して、上方に開閉可能としている。
この場合にも、使用者は、第２の別例の身体用装着部３８に側方から入ることができ、装着を容易に行える。
【００５０】
以上の第２の別例の身体用装着部３８では、図３９から図４１に示すように、様々なフレーム開閉機構を実現できる。
【００５１】
（前抱え型装着部の利点）
さらに、この前抱え型装着部とした身体用装着部３６、３８を用いた支援装置２９の利点のうち、特に、肩を支点とし荷重と重量物とをバランスよく配置することによる利点について、図４２（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。図４２（ａ）は、図２４の別例の身体用装着部３６、３８（前抱え型装着部）を用いた支援装置の支点の位置と、身体へかかるモーメントを示す側面図であり、図４２（ｂ）は、図９のリュック型装着部とした身体用装着部３２ａを用いた支援装置２９の支点の位置と、身体へかかるモーメントを示す側面図である。
【００５２】
この前抱え型装着部とした身体用装着部３６、３８によれば、図４２（ａ）に示すように、荷重と重量物とをバランスよく配置することによって支援装置２９を支える支点を使用者の肩の上とすることができる。一方、図４２（ｂ）に示すリュック型装着部とした身体用装着部３２ａを用いた支援装置では、支点が背当て部４１のある背面側となる。荷重の重量が同じ場合、支点からの距離に応じて図４２（ａ）のモーメントＭ２と図４２（ｂ）のモーメントＭ１の大きさは異なる（Ｍ２＜Ｍ１）。その結果、腰ベルト４３によって腹部にかかる力は、図４２（ａ）の力Ｆ２のほうが図４２（ｂ）の力Ｆ１より小さくなる（Ｆ２＜Ｆ１）。
具体的には、モーメントＭ２、Ｍ１は、荷重の大きさと支点から荷重までの距離ｘ２、ｘ１との積で表され、身体にかかる力Ｆ２、Ｆ１と支点から腹部までの距離ｙ２、ｙ１との積とそれぞれ下記式で示されるように釣り合う。
Ｍ２＝（荷重）×ｘ２＝Ｆ２×ｙ２          （１）
Ｍ１＝（荷重）×ｘ１＝Ｆ１×ｙ１                  （２）
なお、図４２（ａ）では、支点が肩の上にあるので、図４２（ｂ）の場合と比べてｘ２＜ｘ１及びｙ２＞ｙ１の関係を有する。
そのため、上記式（１）及び（２）で荷重の大きさが同じ場合には、モーメントＭ２はモーメントＭ１より小さくなり、その結果、腹部にかかる力Ｆ２、Ｆ１は、Ｆ２＜Ｆ１の関係を有する。つまり、図２４の前抱え装着部とした身体用装着部３６を用いた支援装置２９によれば、支点を使用者の肩の上とすることによって腹部にかかる力Ｆ２を軽減することができる。なお、駆動部１６を構成するモータ等の重量物を背面側に配置することによって荷重に対するカウンターウエイトとなるので、さらにモーメントを低減させることができ、腹部にかかる力Ｆ２を軽減できる。
【００５３】
＜動作支援装置＞
この支援装置２９（動作支援装置３０ａ及び筋力訓練支援装置３０ｂ）は、動作支援装置３０ａとして機能させる場合には、使用者の上肢又は下肢の動きに応じて、計測された中間子２に加わっている力を軽減するように駆動部１６を制御して、使用者の上肢又は下肢の動きを支援することができる。
具体的には、使用者が把持部１２を握って中間子２を上向きに持ち上げる動作を行った場合、図４（ａ）に示されるように、中間子２は上向きに移動する。この場合、第１の弾性部材３ａは圧縮され、第２の弾性部材３ｂは伸長され、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂから中間子２には下向きの力がかかる。そこで、リニアポテンショメータ４で中間子２の位置が上向きにあることを検出した場合には、モータ（駆動部）１６を駆動させてワイヤ１１を巻き上げて上向きに引っ張って使用者の上向きに持ち上げる動作を支援する。
また、使用者が把持部１２を握って中間子２を下向きに押し下げる動作を行った場合、図４（ｃ）に示されるように、中間子２は下向きに移動する。この場合、第１の弾性部材３ａは伸長され、第２の弾性部材３ｂは圧縮され、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂから中間子２には上向きの力がかかる。そこで、リニアポテンショメータ４で中間子２の位置が下向きにあることを検出した場合には、モータ（駆動部）１６を駆動させてワイヤ１１を逆方向に回転させてワイヤ１１をゆるめて使用者の下向きに押し下げる動作を支援する。
【００５４】
＜動作支援フローチャート＞
図１１は、本開示の実施の形態１に係る動作支援装置３０ａの動作を説明するフローチャートである。
（１）リニアポテンショメータ４の値を読み込む（Ｓ０１）。
（２）リニアポテンショメータ４の値は上向き（＋）方向か否か判断し（Ｓ０２）、上向き（＋）方向の場合には、ワイヤ１１を巻き取って上向き方向の動作を支援するようにモータを駆動する（Ｓ０３）。その後、上記ステップＳ０１に戻り、再度リニアポテンショメータ４の値を読み込む。一方、リニアポテンショメータ４の値が上向きでない場合には、次のステップＳ０４に移動する。
（３）リニアポテンショメータ４の値は下向き（−）方向か否か判断し（Ｓ０４）、下向き（−）方向の場合には、ワイヤ１１を放出して下向き方向の動作を支援するようにモータを駆動する（Ｓ０５）。その後、上記ステップＳ０１に戻り、再度リニアポテンショメータ４の値を読み込む。
以上の各ステップを繰り返す。これによって、使用者の上肢又は下肢の動きを支援することができる。
【００５５】
＜筋力訓練支援装置＞
この支援装置２９（動作支援装置３０ａ及び筋力訓練支援装置３０ｂ）は、筋力訓練支援装置３０ｂとして機能させる場合には、使用者の上肢又は下肢の動きに応じて、計測された中間子２に加わっている力を増加するように駆動部１６を制御して、使用者の上肢又は下肢の筋力訓練を支援することができる。
具体的には、リニアポテンショメータ４で中間子２の位置が既定値より上向きにあることを検出した場合には、あらかじめ設定された筋力訓練で使用者の上肢又は下肢に加えられる既定値の力よりも大きな力が印加されていることがわかる。そこで、モータ（駆動部）１６を駆動させてワイヤ１１を巻き上げて上向きに引っ張って、使用者の上肢又は下肢に加えられる力が既定値の力となるようにして、使用者の筋力訓練を支援する。
また、リニアポテンショメータ４で中間子２の位置が既定値より下向きにあることを検出した場合には、あらかじめ設定された筋力訓練で使用者の上肢又は下肢に加えられる既定値の力よりも小さな力が印加されていることがわかる。そこで、モータ（駆動部）１６を駆動させてワイヤ１１を逆方向に回転させてワイヤ１１をゆるめて、使用者の上肢又は下肢に加えられる力が既定値の力となるようにして、使用者の筋力訓練を支援する。
【００５６】
＜筋力訓練支援フローチャート＞
図１２は、本開示の実施の形態１に係る筋力訓練支援装置３０ｂの動作を説明するフローチャートである。
（１）リニアポテンショメータ４の値を読み込む（Ｓ１１）。
（２）リニアポテンショメータ４の値は規定値より上向き（＋）方向か否か判断し（Ｓ１２）、規定値より上向き（＋）方向の場合には、ワイヤ１１を巻き取って規定値の負荷となるようにモータ１６を駆動する（Ｓ１３）。その後、上記ステップＳ１１に戻り、再度リニアポテンショメータ４の値を読み込む。一方、リニアポテンショメータ４の値が規定値より上向きでない場合には、次のステップＳ１４に移動する。
（３）リニアポテンショメータ４の値は規定値より下向き（−）方向か否か判断し（Ｓ１４）、規定値より下向き（−）方向の場合には、ワイヤ１１を放出して規定値の負荷となるようにモータ１６を駆動する（Ｓ１５）。その後、上記ステップＳ１１に戻り、再度リニアポテンショメータ４の値を読み込む。
以上の各ステップを繰り返す。これによって、使用者の上肢又は下肢の筋力訓練を支援することができる。
【００５７】
以上の説明から明らかなように、本開示の実施の形態１に係る支援装置２９（動作支援装置３０ａおよび筋力訓練支援装置３０ｂ）は、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂで中間子２を支持する構成としているため、使用者が急な動きを行っても、力計測センサ構造１０、１０ａが過敏に反応し過ぎることはない。従って、使用者の動作に適した範囲で、支援装置２９（動作支援装置３０ａおよび筋力訓練支援装置３０ｂ）の最適化が可能となる。
特に、動作支援装置３０ａとして用いる場合、作業内容に応じて第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂを調整すれば、上記説明で示した上向き方向と下向き方向の特性が向上し、使用者に掛かる負荷を軽減できる。
【００５８】
同様に、筋力訓練支援装置３０ｂとして用いる場合、使用者が回復すべき機能に応じて第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂを調整すれば、上記説明で示した上向き方向と下向き方向の負荷を最適化できる。つまり、各方向に対する最適な負荷を設定できる。よって、使用者は、上向き方向に対して最適な負荷による訓練と下向き方向に対して最適な負荷による訓練とを同時に行うことが可能となり、訓練時間を短縮できる。
【００５９】
（実施の形態２）
＜力計測センサ構造＞
図１３は、本開示の実施の形態２に係る力計測センサ構造１０ｂの構成を示す斜視図である。図１４は、図１３の力計測センサ構造１０ｂの分解斜視図である。
この力計測センサ構造１０ｂは、支点７に対して回転可能な長さを有する測定子６と、測定子６の所定位置に設けられた中間子２と、測定子６の延在する方向と交差する方向について、中間子２の両端に設けられ、中間子２を支持する第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂと、中間子２と接続され、第１の弾性部材３ａと中間子２と第２の弾性部材３ｂとを結ぶ円弧における中間子２の回転角度の変化を検出する回転ポテンショメータ９と、を備える。また、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂは、中間子２に対して、上記円弧に沿って、中間子２の支点７を中心とする回転方向の互いに対向する方向に負荷を印加可能に設けられている。さらに、回転ポテンショメータ９によって、上記円弧における中間子２の回転角度の変化を検出して中間子２に加わっている力を計測することができる。
測定子６の支点７となる回転軸は、ベース１４に設けられている。また、第１の弾性部材３ａを上端は第１のバネ受け１５ａで受けており、第２の弾性部材３ｂの下端は第２のバネ受け１５ｂで受けている。第１及び第２のバネ受け１５ａ、１５ｂは、ベース１４に設けられている。ベース１４に設けられた支点７は、測定子６に設けられた軸受７ａと嵌合する。
【００６０】
以下に、この力計測センサ構造１０ｂを構成する各部材について説明する。
【００６１】
＜測定子＞
測定子６は、回転軸（支点）７に対して回転可能に設けられている。測定子６の所定値に中間子２を設け、中間子に印加される力を計測するために、測定子６は剛体からなることが好ましい。測定子６の材料としては、剛体であればよく、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、木材、竹等の力計測において通常使用可能なものであれば使用することができる。
【００６２】
＜中間子＞
中間子２は、測定子６の所定位置に設けられる。中間子２の材料は、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、木材、竹等の力計測において通常使用可能なものであれば使用することができる。
【００６３】
＜第１及び第２の弾性部材＞
第１の弾性部材３ａ及び第２の弾性部材３ｂは、測定子６の延在する方向と交差する方向について、中間子２の両端に設けられ、中間子２を支持する。この第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂは、中間子２に対して、第１の弾性部材３ａと中間子２と第２の弾性部材３ｂとを結ぶ上記円弧に沿って、中間子２の支点７を中心とする回転方向の互いに対向する方向に負荷を印加可能に設けられている。
【００６４】
＜回転ポテンショメータ＞
回転ポテンショメータ９は、中間子２と接続され、第１の弾性部材３ａと中間子２と第２の弾性部材３ｂとを結ぶ円弧における中間子２の回転角度の変化を検出する。回転ポテンショメータ９によって、円弧における中間子２の回転角度の変化を検出して中間子２に加わっている力を計測することができる。
【００６５】
図１５（ａ）は、図１３の力計測センサ構造１０ｂにおいて、中間子２に時計回り（＋）方向の力が印加され、中間子２が時計回り（＋）方向に移動した場合の位置を示す正面図であり、図１５（ｂ）は、中間子２に力が印加されていない場合の中間子２の位置を示す正面図であり、図１５（ｃ）は、中間子２に反時計回り（−）方向の力が印加され、中間子２が反時計回り（−）方向に移動した場合の中間子２の位置を示す正面図である。
図１５（ａ）に示すように、中間子２が時計回り（＋）方向の位置にある場合には、第１の弾性部材３ａが圧縮されると共に、第２の弾性部材３ｂが伸長されるため、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂから、中間子２に反時計回り（−）方向の負荷がかかる。一方、図１５（ｃ）に示すように、中間子２が反時計回り（−）方向の位置にある場合には、第１の弾性部材３ａが伸長されると共に、第２の弾性部材３ｂが圧縮されるため、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂから、中間子２に時計回り（＋）方向の負荷がかかる。この力計測センサ構造１０ｂでは、回転ポテンショメータ９によって、第１の弾性部材３ａと中間子２と第２の弾性部材３ｂとを結ぶ円弧における中間子２の回転角度の変化を検出して、中間子２に加わっている力を計測する。例えば、中間子２の位置が時計回り（＋）方向の場合には、中間子２には反時計回り（−）方向の負荷がかかっていることがわかる。一方、中間子２の位置が反時計回り（−）方向の場合には、中間子２には時計回り（＋）方向の負荷がかかっていることがわかる。
【００６６】
＜負荷制御装置＞
図１６は、本開示の実施の形態２に係る負荷制御装置２０ａの構成を示す斜視図である。図１７は、図１６の負荷制御装置２０ａの機能的な構成を示すブロック図である。
図１６及び図１７に示すように、この負荷制御装置２０ａは、力計測センサ構造１０ｂと、第１及び第２のバネ受け１５ａ、１５ｂを設けたベース１４を回転させるモータ（駆動部）１６と、モータ（駆動部）１６を制御する制御部１８と、を備える。また、測定子６の先端に手で握ることができる把持部１２ａを設けている。さらに、この負荷制御装置２０ａを上腕用装着部３１ａ、３１ｂによって上腕に装着することができる。上記モータ（駆動部）１６によって、第１及び第２のバネ受け１５ａ、１５ｂを設けたベース１４を回転させることによって、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂから中間子２に印加する負荷を変化させることができる。
【００６７】
以下に、この負荷制御装置２０ａを構成する各部材について説明する。
＜駆動部＞
駆動部１６は、例えば、第１及び第２のバネ受け１５ａ、１５ｂを設けたベース１４を回転させることができるモータ等を使用できる。駆動部１６の構成はモータに限られず、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂから中間子２に印加する負荷を変化させることができるものであれば使用できる。例えば、第１の弾性部材３ａ及び第２の弾性部材３ｂと中間子２との相対位置を上向き又は下向きに変化させて、第１の弾性部材３ａ及び第２の弾性部材３ｂから中間子２にかかる負荷を変化させるものであってもよい。
【００６８】
＜制御部＞
図１８は、図１７の制御部１８の物理的な構成例を示すブロック図である。図１９は、図１７の制御部１８の機能的な構成例を示すブロック図である。
この制御部１８は、例えば、図１８に示すように、ＣＰＵ２１、メモリ２２、記憶部２３、入力部２４、出力部２５等を備えたパーソナルコンピュータによって実現してもよい。また、この制御部１８の機能的な構成は、図１９に示すように、ポテンショメータの値を読み取るポテンショメータ読み取り部２６と、中間子２に印加されている力を算出する中間子印加力算出部２７と、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂから中間子２に加える負荷を制御する弾性部材負荷制御部２８と、を備えてもよい。
【００６９】
＜動作支援装置／筋力訓練支援装置＞
図２０は、本開示の実施の形態２に係る支援装置２９ａ（動作支援装置３０ｃ／筋力訓練支援装置３０ｄ）の構成を示す斜視図である。図２１は、図２０の支援装置２９ａ（動作支援装置３０ｃ／筋力訓練支援装置３０ｄ）の機能的な構成を示すブロック図である。
この支援装置２９ａ（動作支援装置３０ｃ及び筋力訓練支援装置３０ｄ）は、上記負荷制御装置２０ａと、上腕用装着部３１ａ、３１ｂと、身体用装着部３２ｂとを備える。なお、負荷制御装置２０ａの力計測センサ構造１０ｂには、把持部１２ａを備える。この把持部１２ａは、図１６に示すように力計測センサ構造１０ｂの中間子２と接続され、使用者の上肢又は下肢の動きと連動して、中間子２に力を伝達する。具体的には、把持部１２ａは、手で握って力を印加しやすくするために設けられている。なお、把持部１２ａは、図２０の例では手で握ることができる形状としているが、これに限られず、上肢又は下肢の動きと連動するように、上肢又は下肢に固定してもよい。また、上腕用装着部３１ａ、３１ｂによって装着しやすくしてもよい。さらに、制御部１８や電源３３等は、身体用装着部３２ｂで身体に装着してもよい。なお、上腕用装着部３１ａ、３１ｂ及び身体用装着部３２ｂは、この支援装置２９ａ（動作支援装置３０ｃ及び筋力訓練支援装置３０ｄ）の構成に必須のものではない。
【００７０】
＜動作支援装置＞
この支援装置２９ａ（動作支援装置３０ｃ及び筋力訓練支援装置３０ｄ）は、動作支援装置３０ｃとして機能させる場合には、使用者の上肢又は下肢の動きに応じて、計測された中間子２に加わっている力を軽減するように駆動部１６を制御して、使用者の上肢又は下肢の動きを支援することができる。
具体的には、使用者が把持部１２ａを握って中間子２を時計回り（＋）方向に持ち上げる動作を行った場合、図１５（ａ）に示されるように、中間子２は時計回り（＋）方向に移動する。この場合、第１の弾性部材３ａは圧縮され、第２の弾性部材３ｂは伸長され、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂから中間子２には反時計回り（−）方向の力がかかる。そこで、回転ポテンショメータ９で中間子２の回転角度が時計回り（＋）方向にあることを検出した場合には、モータ（駆動部）１６を駆動させてベース１４を時計回り（＋）方向に回転させて、使用者の時計回り（＋）方向に持ち上げる動作を支援する。
また、使用者が把持部１２ａを握って中間子２を反時計回り（−）方向に押し下げる動作を行った場合、図１５（ｃ）に示されるように、中間子２は反時計回り（−）方向に移動する。この場合、第１の弾性部材３ａは伸長され、第２の弾性部材３ｂは圧縮され、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂから中間子２には時計回り（＋）方向の力がかかる。そこで、回転ポテンショメータ９で中間子２の回転角度が反時計回り（−）方向にあることを検出した場合には、モータ（駆動部）１６を駆動させてベース１４を反時計回り（−）方向に回転させて、使用者の反時計回り（−）方向に押し下げる動作を支援する。
【００７１】
＜動作支援フローチャート＞
図２２は、本開示の実施の形態２に係る動作支援装置３０ｃの動作を説明するフローチャートである。
（１）回転ポテンショメータ９の値を読み込む（Ｓ２１）。
（２）回転ポテンショメータ９の値は時計回り（＋）方向か否か判断し（Ｓ２２）、時計回り（＋）方向の場合には、時計回り方向の動作を支援するようにモータを駆動してベース１４を時計回りに回転させる（Ｓ２３）。その後、上記ステップＳ２１に戻り、再度回転ポテンショメータ９の値を読み込む。一方、回転ポテンショメータ９の値が時計回り方向でない場合には、次のステップＳ２４に移動する。
（３）回転ポテンショメータ９の値は反時計回り（−）方向か否か判断し（Ｓ２４）、反時計回り（−）方向の場合には、逆時計回り方向の動作を支援するようにモータを駆動してベースを反時計回り方向に回転させる（Ｓ２５）。その後、上記ステップＳ２１に戻り、再度回転ポテンショメータ９の値を読み込む。
以上の各ステップを繰り返す。これによって、使用者の上肢又は下肢の動きを支援することができる。
【００７２】
＜筋力訓練支援装置＞
この支援装置２９ａ（動作支援装置３０ｃ及び筋力訓練支援装置３０ｄ）は、筋力訓練支援装置３０ｄとして機能させる場合には、使用者の上肢又は下肢の動きに応じて、計測された中間子２に加わっている力を増加するように駆動部１６を制御して、使用者の上肢又は下肢の筋力訓練を支援することができる。
具体的には、回転ポテンショメータ９で中間子２の位置が既定値より時計回り（＋）方向にあることを検出した場合には、筋力訓練であらかじめ設定された使用者の上肢又は下肢に加えられる既定値の力よりも大きな力が印加されていることがわかる。そこで、モータ（駆動部）１６を駆動させてベース１４を時計回り（＋）方向に回転させて、使用者の上肢又は下肢に加えられる力が既定値の力となるようにして、使用者の筋力訓練を支援する。
また、回転ポテンショメータ９で中間子２の位置が既定値より反時計回り（−）方向にあることを検出した場合には、あらかじめ設定された筋力訓練で使用者の上肢又は下肢に加えられる既定値の力よりも小さな力が印加されていることがわかる。そこで、モータ（駆動部）１６を駆動させてベース１４を反時計回り（−）方向に回転させて、使用者の上肢又は下肢に加えられる力が既定値の力となるようにして、使用者の筋力訓練を支援する。
【００７３】
この筋力訓練支援装置３０ｄでは、回転ポテンショメータ９によって中間子２の回転角度を検出し、使用者に加わっている力が既定値より大きい場合には軽減し、既定値より小さい場合には大きくして、使用者に加わる負荷を一定の負荷とすることができる。これによって、使用者の筋力訓練において、使用者の動きにかかわらず一定の負荷に保つことができる。
【００７４】
＜筋力訓練支援フローチャート＞
図２３は、本開示の実施の形態２に係る筋力訓練支援装置３０ｄの動作を説明するフローチャートである。
（１）回転ポテンショメータ９の値を読み込む（Ｓ３１）。
（２）回転ポテンショメータ９の値は規定値より時計回り（＋）方向か否か判断し（Ｓ３２）、規定値より時計回り（＋）方向の場合には、規定値の負荷となるようにモータを駆動してベースを時計回り方向に回転させる（Ｓ３３）。その後、上記ステップＳ３１に戻り、再度回転ポテンショメータ９の値を読み込む。一方、回転ポテンショメータ９の値が規定値より時計回り方向でない場合には、次のステップＳ３４に移動する。
（３）回転ポテンショメータ９の値は規定値より反時計回り（−）方向か否か判断し（Ｓ３４）、規定値より反時計回り（−）方向の場合には、規定値の負荷となるようにモータを駆動してベースを反時計回りに回転させる（Ｓ３５）。その後、上記ステップＳ３１に戻り、再度回転ポテンショメータ９の値を読み込む。
以上の各ステップを繰り返す。これによって、使用者の上肢又は下肢の筋力訓練を支援することができる。
【００７５】
以上の説明から明らかなように、本開示の実施の形態２に係る支援装置２９ａ（動作支援装置３０ｃおよび筋力訓練支援装置３０ｄ）は、第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂで中間子２を支持する構成としているため、使用者が急な動きを行っても、力計測センサ構造１０ｂが過敏に反応し過ぎることはない。従って、使用者の動作に適した範囲で、支援装置２９ａ（動作支援装置３０ｃおよび筋力訓練支援装置３０ｄ）の最適化が可能となる。
特に、動作支援装置３０ｃとして用いる場合、作業内容に応じて第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂを調整すれば、上記説明で示した上向き方向と下向き方向の特性が向上し、使用者に掛かる負荷を軽減できる。
【００７６】
同様に、筋力訓練支援装置３０ｄとして用いる場合、使用者が回復すべき機能に応じて第１及び第２の弾性部材３ａ、３ｂを調整すれば、上記説明で示した上向き方向と下向き方向の負荷を最適化できる。つまり、各方向に対する最適な負荷を設定できる。よって、使用者は、上向き方向に対して最適な負荷による訓練と下向き方向に対して最適な負荷による訓練とを同時に行うことが可能となり、訓練時間を短縮できる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本開示に係る支援装置は、初期に比べてその後の力が小さくなる力を計測して支援する場合において、初期の力ではなくその後の力を計測して支援できる。そこで、この支援装置は、人力による動作を支援する動作支援装置及び筋力訓練支援装置に使用できる。
【符号の説明】
【００７８】
１  軸
２  中間子
３ａ  第１の弾性部材
３ｂ  第２の弾性部材
４  リニアポテンショメータ
５ａ  第１の端部
５ｂ  第２の端部
６  測定子
７  支点（回転軸）
７ａ  軸受
９  回転ポテンショメータ
１０、１０ａ、１０ｂ  力計測センサ構造
１１  ワイヤ
１２、１２ａ  把持部（グリップ）
１３  フック
１４  ベース
１５ａ、１５ｂ  バネ受け
１６  モータ（駆動部）
１８  制御部
２０、２０ａ  負荷制御装置
２１  ＣＰＵ
２２  メモリ
２３  記憶部
２４  入力部
２５  出力部
２６  ポテンショメータ読み取り部
２７  中間子印加力算出部
２８  弾性部材負荷制御部
２９、２９ａ  支援装置
３０ａ、３０ｃ  動作支援装置
３０ｂ、３０ｄ  筋力訓練支援装置
３１ａ、３１ｂ  上腕用装着部
３２ａ、３２ｂ、３６、３８  身体用装着部
３３  電源
４０  メインフレーム
４１  背当て部
４２  肩ベルト
４３  腰ベルト
４４  アーム
４５  前面フレーム
４６  背面フレーム
５０  ローラ
５１  ヒンジ部
５２  サイドバー
５３  スライドレール
５４  スライドフレーム
５５  幅調整部
５６  ダンパ
【要約】
支援装置は、第１及び第２の端部を有する軸と、第１及び第２の端部の間を移動可能に設けられた中間子と、第１及び第２の端部と中間子との間にそれぞれ設けられた第１及び第２の弾性部材と、中間子の一次元方向の位置を検出するリニアポテンショメータと、上肢又は下肢の動きと連動して中間子に力を伝達する把持部と、を備えた力計測センサ構造と、中間子に印加する負荷を変化させる駆動部と、駆動部を制御する制御部と、装着部であって、使用者の前面側に設けられた前面フレームと、前記前面フレームと接続され、使用者の背面側に設けられ、駆動部を支持する背面フレームと、力計測センサ構造と駆動部とを接続するワイヤを懸架するアームと、を備えた装着部と、を備え、第１及び第２の弾性部材は、中間子に一次元方向に負荷を印加可能であって、リニアポテンショメータによって中間子に加わる力を計測し、制御部は、中間子に加わる力に応じて駆動部を制御する。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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