(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内骨格を有する部位を内包するための外骨格構造を備えたイグゾスケルトン装置であって、
外骨格関節位置での横曲げ軸周りに動く第１回り対偶と、
前記第１回り対偶と直交する外骨格関節位置での縦曲げ軸周りに動く第２回り対偶と、
内骨格軸周りに動く第３回り対偶と、
前記第１又は第２回り対偶による運動に対して滑り方向に弾性機能を有する滑り対偶と、
前記第１乃至第３回り対偶及び前記滑り対偶が配置されるフレームと、
内骨格を有する部位に前記フレームを保持する保持部と、
隣接するフレームと結合するための結合部と、
内骨格を有する部位への前記保持部の装着を調整する保持部駆動装置と、
各々の前記第１乃至第３回り対偶をそれぞれ回転駆動する第１乃至第３駆動装置と、
前記第１乃至第３回り対偶の回転角度を検出する第１乃至第３変位センサと、前記フレームに対して、横曲げ、縦曲げ、内骨格軸の捩り方向に加わる力を検出する第１乃至第３力センサと、
前記第１乃至第３変位センサから各対偶の角度信号を入力し、前記第１乃至第３力センサから各方向の力信号を入力し、角度信号及び力信号に従い、予め定められた目標値になるように前記第１乃至第３駆動部及び前記保持部駆動装置を駆動する駆動信号を出力する処理装置と
を備えたイグゾスケルトン装置。
【請求項２】
所定の状態に対する目標値が入力される入力部と、
前記処理装置からの駆動信号を、最小及び最大駆動信号に応じて各々の前記第１乃至第３駆動装置に供給すべき最小及び最大出力信号の範囲内の出力データに変換する増幅回路を有し、その出力信号を出力するとともに、前記第１乃至第３変位センサ部及び前記第１乃至第３力センサ部からの検出信号を、所定の範囲内の検出データに変換し、前記処理装置へ出力するインターフェイスと
をさらに備え、
前記処理装置は、
前記第１乃至第３変位センサにより検出された各対偶の回転角度を前記インターフェイスを介して検出し、
検出された角度に対応する角度信号と、前記入力部により設定された目標値とを比較し、
前記第１乃至第３力センサが所定の負荷の範囲内で、前記第１乃至第３変位センサからの角度信号が前記目標値になるように、前記インターフェイスを介して前記第１乃至第３駆動装置を駆動すること
を特徴とする請求項１に記載のイグゾスケルトン装置。
【請求項３】
前記イグゾスケルトン装置は、人間の各部位を内含し、中央処理装置によりパワーアシストする動作を行うことを特徴とする請求項２に記載のイグゾスケルトン装置。
【請求項４】
駆動信号、角度信号、力信号及び各リンクの位置と姿勢情報は、統一されたベクトル量子化データにより表現されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載されたイグゾスケルトン装置。
【請求項５】
前記保持部により、人体の内骨格を有する部位、人体を模擬した内骨格を有する部位、又は、一部に人体の内骨格を有し他部に人体を模擬した内骨格を有する部位が内含され得ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載されたイグゾスケルトン装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載された前記イグゾスケルトン装置が、肩部、肘部及び手首部にそれぞれ対応して複数配置され、それら複数の前記イグゾスケルトン装置が結合手段により連結され、腕部位に対応する内骨格を含む部位が装着されるための腕保持用のイグゾスケルトンサイボーグ装置であって、
各イグゾスケルトン装置の処理部を制御するための中央処理装置を備え、
前記中央処理装置により、
肩部の第１のイグゾスケルトン装置は、少なくとも３つの回り対偶及び２つの滑り対偶が機能し、
肘部の第２のイグゾスケルトン装置は、少なくとも１つの回り対偶及び１つの滑り対偶が機能し、
前腕部の第３のイグゾスケルトン装置は、少なくとも１つの回り対偶が機能し、
手首部の第３のイグゾスケルトン装置は、少なくとも２つの回り対偶及び１つの滑り対偶が機能するように、左右の各腕部が少なくとも７自由度で状態検出及び駆動制御されること
を特徴とするイグゾスケルトンサイボーグ装置。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかに記載された前記イグゾスケルトン装置が、親指部及び各他の指部の関節部分にそれぞれ対応して複数配置され、それら複数の前記イグゾスケルトン装置が結合手段により連結され、手部位に対応する内骨格を含む部位が装着されるための手保持用のイグゾスケルトンサイボーグ装置であって、
手部の前記イグゾスケルトン装置を保持する手甲保持部と、
各イグゾスケルトン装置の処理部を制御するための中央処理装置を備え、
前記中央処理部により、
手部の親指部の少なくとも３つのイグゾスケルトン装置は、少なくとも５つの回り対偶及び２つの滑り対偶が機能し、
手部の各他の指部の少なくとも３つのイグゾスケルトン装置は、それぞれ少なくとも４つの回り対偶及び３つの滑り対偶が機能するように機能し、
左右の各手部が少なくとも２１自由度で状態検出及び駆動制御されること
を特徴とする手保持用のイグゾスケルトンサイボーグ装置。
【請求項８】
請求項１乃至４のいずれかに記載された前記イグゾスケルトン装置が、股関節部、脚部及び足部にそれぞれ対応して複数配置され、それら複数の前記イグゾスケルトン装置が結合手段により連結され、脚足部位に対応する内骨格を含む部位が装着されるための脚足保持用のイグゾスケルトンサイボーグ装置であって、
各イグゾスケルトン装置の処理部を制御するための中央処理装置を備え、
前記中央処理部により、
股関節部の第１のイグゾスケルトン装置は、少なくとも３つの回り対偶及び２つの滑り対偶が機能し、
膝部の第２のイグゾスケルトン装置は、少なくとも１つの回り対偶及び１つの滑り対偶が機能し、
下腿部の第３のイグゾスケルトン装置は、少なくとも１つの回り対偶が機能し、
足部の第４のイグゾスケルトン装置は、少なくとも２つの回り対偶及び１つの滑り対偶が機能するように、左右の各脚足部が少なくとも７自由度で状態検出及び駆動制御されることを特徴とする脚足保持用のイグゾスケルトンサイボーグ装置。
【請求項９】
請求項１乃至４のいずれかに記載された前記イグゾスケルトン装置を、
左右の各腕部を少なくとも７自由度及び手部を少なくとも２１自由度のリンクを有し、腕手部に対応する内骨格を含む部位が装着されるための腕手保持装置と、
左右の各脚足部を少なくとも７自由度のリンクを有し、脚足部位に対応する内骨格を含む部位が装着されるための脚足保持装置と、
首部を少なくとも３自由度及び下顎部を少なくとも４自由度のリンクを含み、首頭部に対応する内骨格を含む部位が装着されるための首頭保持装置として、
少なくとも合計７７のリンクに対して各ひとつずつ用いられるように構成し、
股可動枠、脇可動枠、肩可動枠、各保持装置を有し、前記腕手保持装置、前記脚足保持装置及び前記首頭保持装置を保持するための、身体部に対応する内骨格を含む部位が装着されるための身体保持装置と、
前記腕手保持装置、前記脚足保持装置及び前記首頭保持装置を、それぞれ前記身体保持装置に結合するための支持部と、
前記腕手保持装置、前記脚足保持装置及び前記首頭保持装置から角度信号及び力信号を入力し、各々の前記保持装置を駆動するための中央処理装置と
を備えたイグゾスケルトンサイボーグ装置。
【請求項１０】
前記腕手保持装置として、
請求項６に記載された腕保持用の前記イグゾスケルトンサイボーグ装置と、
請求項７に記載された手保持用の前記イグゾスケルトンサイボーグ装置とで構成し、
前記脚足保持装置として、請求項８に記載された脚足保持用の前記イグゾスケルトンサイボーグ装置とで構成したこと
を特徴とする請求項９に記載のイグゾスケルトンサイボーグ装置。
【請求項１１】
前記身体保持装置、前記腕手保持装置、前記脚足保持装置及び前記頭保持装置を格納するための格納装置と、
前記身体保持装置を上下方向及び全方向に移動するための、操作部により制御されるホイストとを
さらに備えた請求項９又は１０に記載されたイグゾスケルトンサイボーグ装置。
【請求項１２】
請求項６乃至１１のいずれかに記載された第１及び第２のイグゾスケルトンサイボーグ装置と、
第１のイグゾスケルトンサイボーグ装置の変位センサにより検出された角度信号及び力センサにより検出された力信号を、所定のベクトル量子化データに変換して出力し、及び、伝送されたベクトル量子化データを入力し、前記第１及び第２のイグゾスケルトンサイボーグ装置のそれぞれの中央処理装置と信号を送受信するための第１及び第２の通信用インターフェイスと、
前記第１及び第２の通信用インターフェイス間を接続する通信回線と
を備え、
前記第１のイグゾスケルトンサイボーグ装置の動作又は位置を表すベクトル量子化データを、前記第２のイグゾスケルトンサイボーグ装置に伝送し、前記第２のイグゾスケルトンサイボーグ装置が、伝送されたベクトル量子化データを受信し、前記第１のイグゾスケルトンサイボーグ装置の動作又は位置に対応した動作又は位置制御を実行するようにしたことを特徴とするイグゾスケルトンサイボーグシステム。
【請求項１３】
前記第１のイグゾスケルトンサイボーグ装置に対して、前記第２のイグゾスケルトンサイボーグ装置は、身体動作の伝送、保存、拡大又は縮小、高速又は低速動作のいずれかの動作又は位置制御を行うことを特徴とする請求項１２に記載のイグゾスケルトンサイボーグシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イグゾスケルトン装置（外骨格装置）及びイグゾスケルトンサイボーグ（外骨格付き有機人体）装置及びイグゾスケルトンサイボーグシステムに係り、特に、腕、手、脚、足、首、頭等の人体の骨格・関節について運動学的及び生物学的な身体機能を代替又はアシストするイグゾスケルトン装置及びイグゾスケルトンサイボーグ装置及びイグゾスケルトンサイボーグシステムに関する。一般に、骨格としては、内骨格（endo skelton,エンドスケルトン）と、それに対して、カキの殻、エビやカニの角皮・爪等の外骨格（exo skelton,イグゾスケルトン）とがある。本実施の形態におけるイグゾスケルトンは、腕手、脚足、首頭等の人体の各内骨格を有する部位又は義手、義足等の人体を模擬した各内骨格を有する部位を内部に含包して、連動して動作するものである。これらエンドスケルトン及びイグゾスケルトンを備えた構成を、ここでは、イグゾスケルトンサイボーグ装置と呼ぶ。有機体（人間）が装着されるための外骨格装置ということでサイボーグという言葉を用いている。
【０００２】
本発明は、重労働作業、建設作業、原子力発電所等における保守等の危険作業、劣悪な環境における作業を要する産業分野、リハビリ、遠隔作業、医療福祉分野、災害救助など公共事業に応用可能である。
【０００３】
【従来の技術】
近年、事故、老齢化、病気など種々の原因により身体能力の衰えている人々を、介護するための介護サービスが、複数の民間会社によって行われている。この介護サービスは、例えば、介護士によって行われるが、歩行困難なお年寄りなどの介護は、大変な重労働である。
また、人が現在の場所にいたまま、遠隔操作で所定の行動を行うようにする。いわゆるテレイグジスタンス技術やテレモーション技術の検討が行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、事故、老い、病気など種々の原因により身体能力の衰えている人々にとって、例えば、ベッドからの起立、排泄や入浴等のための床移動、階段等の回避などに関しての空間移動、自動車等への移乗、会社へ移転しての手作業等を、十分に行うことは困難であり、この低下した又は失われた身体能力を補ってくれるパワーアシストが必要であることが想定される。なお、本明細書中、移動とは、同じ座標系で行動すること、移乗とは、別の座標系に移行すること、移転とは、新しい座標系に転向することをいう。
【０００５】
また、従来は、人間の動きを遠隔の人間模型に伝える円滑且つ効率的な手法は十分には開発されていない。
本発明は、以上の点に鑑み、手や足等について運動学的及び生物学的な身体機能の代替を行うことができ、総合的な福祉ロボット等に応用可能なイグゾスケルトン装置及びイグゾスケルトンサイボーグ及びそのシステムを提供することを目的とする。また、本発明は、人間の動きを相似形の遠隔ロボットに円滑且つ効率的に伝えることを目的とする。また、本発明は各部位が倍力、高速、精密等の動作を可能とすることを目的とする。さらに、本発明は、ベッドからの起立、排泄や入浴等のための床移動、階段等の回避などに関しての空間移動、自動車等への移乗、会社へ移転しての手作業などに対するパワーアシストを行うことを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の解決手段によると、
内骨格を有する部位を内包するための外骨格構造を備えたイグゾスケルトン装置であって、
外骨格関節位置での横曲げ軸周りに動く第１回り対偶と、
前記第１回り対偶と直交する外骨格関節位置での縦曲げ軸周りに動く第２回り対偶と、
内骨格軸周りに動く第３回り対偶と、
前記第１又は第２回り対偶による運動に対して滑り方向に弾性機能を有する滑り対偶と、
前記第１乃至第３回り対偶及び前記滑り対偶が配置されるフレームと、
内骨格を有する部位に前記フレームを保持する保持部と、
隣接するフレームと結合するための結合部と、
内骨格を有する部位への前記保持部の装着を調整する保持駆動部と、
各々の前記第１乃至第３回り対偶をそれぞれ回転駆動する第１乃至第３駆動部と、
前記第１乃至第３回り対偶の回転角度を検出する第１乃至第３変位センサと、前記フレームに対して、横曲げ、縦曲げ、内骨格軸の捩り方向に加わる力を検出する第１乃至第３力センサと、
前記第１乃至第３変位センサから各対偶の角度信号を入力し、前記第１乃至第３力センサから各方向の力信号を入力し、角度信号及び力信号に従い、予め定められた目標値になるように前記第１乃至第３駆動部及び前記保持駆動部を駆動する駆動信号を出力する処理部と
を備えたイグゾスケルトン装置が提供される。
【０００７】
本発明の第２の解決手段によると、
前記イグゾスケルトン装置が、肩部、肘部及び手首部にそれぞれ対応して複数配置され、それら複数の前記イグゾスケルトン装置が結合手段により連結され、腕部位に対応する内骨格を含む部位が装着されるための腕保持用のイグゾスケルトンサイボーグ装置であって、
各イグゾスケルトン装置の処理部を制御するための中央処理部を備え、
前記中央処理部により、
肩部の第１のイグゾスケルトン装置は、少なくとも３つの回り対偶及び２つの滑り対偶が機能し、
肘部の第２のイグゾスケルトン装置は、少なくとも１つの回り対偶及び１つの滑り対偶が機能し、
前腕部の第３のイグゾスケルトン装置は、少なくとも１つの回り対偶が機能し、
手首部の第４のイグゾスケルトン装置は、少なくとも２つの回り対偶及び１つの滑り対偶が機能するように、左右の各腕部が少なくとも７自由度で状態検出及び駆動制御されること
を特徴とするイグゾスケルトンサイボーグ装置が提供される。
【０００８】
本発明の第３の解決手段によると、
前記イグゾスケルトン装置が、親指部及び各他の指部の関節部分にそれぞれ対応して複数配置され、それら複数の前記イグゾスケルトン装置が結合手段により連結され、手部位に対応する内骨格を含む部位が装着されるための手保持用のイグゾスケルトンサイボーグ装置であって、
手部の前記イグゾスケルトン装置を保持する手甲保持部と、
各イグゾスケルトン装置の処理装置を制御するための中央処理装置を備え、
前記中央処理装置により、
手部の親指部の少なくとも３つのイグゾスケルトン装置は、少なくとも５つの回り対偶及び２つの滑り対偶が機能し、
手部の各他の指部の少なくとも３つのイグゾスケルトン装置は、それぞれ少なくとも４つの回り対偶及び３つの滑り対偶が機能するように機能し、
左右の各手部が少なくとも２１自由度で状態検出及び駆動制御されること
を特徴とする手保持用のイグゾスケルトンサイボーグ装置が提供される。
【０００９】
本発明の第４の解決手段によると、
前記イグゾスケルトン装置が、股関節部、脚部及び足部にそれぞれ対応して複数配置され、それら複数の前記イグゾスケルトン装置が結合手段により連結され、脚足部位に対応する内骨格を含む部位が装着されるための脚足保持用のイグゾスケルトンサイボーグ装置であって、
各イグゾスケルトン装置の処理部を制御するための中央処理装置を備え、
前記中央処理装置により、
股関節部の第１のイグゾスケルトン装置は、少なくとも３つの回り対偶及び２つの滑り対偶が機能し、
膝部の第２のイグゾスケルトン装置は、少なくとも１つの回り対偶及び１つの滑り対偶が機能し、
下腿部の第３のイグゾスケルトン装置は、少なくとも１つの回り対偶が機能し、
足部の第４のイグゾスケルトン装置は、少なくとも２つの回り対偶及び１つの滑り対偶が機能するように、左右の各脚足部が少なくとも７自由度で状態検出及び駆動制御されることを特徴とする脚足保持用のイグゾスケルトンサイボーグ装置が提供される。
【００１０】
本発明の第５の解決手段によると、
前記イグゾスケルトン装置を、
左右の各腕部を少なくとも７自由度及び手部を少なくとも２１自由度のリンクを有し、腕手部に対応する内骨格を含む部位が装着されるための腕手保持装置と、
左右の各脚足部を少なくとも７自由度のリンクを有し、脚足部位に対応する内骨格を含む部位が装着されるための脚足保持装置と、
首部を少なくとも３自由度及び下顎部を少なくとも４自由度のリンクを含み、首頭部に対応する内骨格を含む部位が装着されるための首頭保持装置として、
少なくとも合計７７のリンクに対して各ひとつずつ用いられるように構成し、
股可動枠、脇可動枠、肩可動枠、各保持装置を有し、前記腕手保持装置、前記脚足保持装置及び前記首頭保持装置を保持するための、身体部に対応する内骨格を含む部位が装着されるための身体保持装置と、
前記腕手保持装置、前記脚足保持装置及び前記首頭保持装置を、それぞれ前記身体保持装置に結合するための支持部と、
前記腕手保持装置、前記脚足保持装置及び前記首頭保持装置から角度信号及び力信号を入力し、各々の前記保持装置を駆動するための中央処理部と
を備えたイグゾスケルトンサイボーグ装置が提供される。
【００１１】
本発明の第６の解決手段によると、
上述のような第１及び第２のイグゾスケルトンサイボーグ装置と、
第１のイグゾスケルトンサイボーグ装置の変位センサにより検出された角度信号及び力センサにより検出された力信号を、所定のベクトル量子化データに変換して出力し、及び、伝送されたベクトル量子化データを入力し、前記第１及び第２のイグゾスケルトンサイボーグ装置のそれぞれの中央処理装置部と信号を送受信するための第１及び第２の通信用インターフェイスと、
前記第１及び第２の通信用インターフェイス間を接続する通信回線と
を備え、
前記第１のイグゾスケルトンサイボーグ装置の動作又は位置を表すベクトル量子化データを、前記第２のイグゾスケルトンサイボーグ装置に伝送し、前記第２のイグゾスケルトンサイボーグ装置が、伝送されたベクトル量子化データを受信し、前記第１のイグゾスケルトンサイボーグ装置の動作又は位置に対応した動作又は位置制御を実行するようにしたことを特徴とするイグゾスケルトンサイボーグシステムが提供される。
【００１２】
本発明のイグゾスケルトンサイボーグは、例えば、骨格的身体機能のポーズ制御によるパワーアシストとしては、例えば、身体骨格全体（胴体、腕、手、脚、足、首、頭など；最大約７７自由度）及びその一部の骨格的身体機能のポーズ制御によるパワーアシストを行うことができる。
本発明のイグゾスケルトンサイボーグは、例えば、外骨格型通信式人間機能制御システムであって、身体保持装置、排泄処理装置、モジュール型イグゾスケルトン式パワーアシスト装置（最大で約７７自由度外骨格型マニピュレータ）、ドライバ付きフレキシブルワイヤ式駆動装置（ワイヤ駆動式モータ）、対向二輪式揺動型四軸独立懸架全方向移動台車、吊り上げ引き込み式ホイストと、３点支持式６自由度移乗用車椅子、空中軌道走行台車（ケーブルカー）、又は、これらの通信式制御装置（コンピュータ、通信装置）をそれぞれ必要に応じて備えることができる。
【００１３】
本発明の特徴のひとつとしては、例えば、モジュール型イグゾスケルトン式パワーアシスト装置の保持と駆動は、骨格中心軸周りの回り対偶と、外骨格位置で直交する２軸周りの回り対偶と、バネ力可変型のバネで連結された滑り対偶との組み合わせにより得られる最大３自由度のイグゾスケルトン装置を、駆動を要求される骨格（内骨格）を有する部位に着脱を簡単にして保持して、ドライバ付きフレキシブルワイヤ式モータ駆動装置によって駆動する。ただし、フレキシブルワイヤを使用しないで、直接、駆動装置で駆動することも可能である。
【００１４】
本発明の他の特徴としては、例えば、運動学的身体機能の代替として、腕、手、脚、足、首、頭等を損傷した場合に、人工の身体全体（胴体、腕、手、脚、足、首、頭など；最大約７７自由度）及びその一部を、人工骨格、イグゾスケルトン及び軟質材を含む人工器官を用いて、運動学的身体機能の代替を行うことができる。
【００１５】
本発明の他の特徴としては、例えば、イグゾスケルトン装置としての身体保持装置に人工の腕、手、脚、足等を取り付けることができる。そして、このイグゾスケルトン装置に対する複雑な動作データについては、イグゾスケルトンのポーズデータを予め記憶し、指（ジョイスティック、押しボタン）、筋電位、音声、アイコンタクト等の制御信号でコンピュータ制御（ポーズエージェント）して駆動することでイグゾスケルトンサイボーグを構成することができる。
【００１６】
本発明の他の特徴としては、例えば、ベッド上に仰臥する人の胴体を、イグゾスケルトン装置による身体保持装置で保持し、さらに、対向二輪式揺動型四軸独立懸架全方向移動台車付き吊り上げ引き込み式ホイストで、抱き上げることにより、トイレの便座位置への移動や歩行訓練を容易に行うことができる。また、腕、手、脚、足、首、頭にモジュール型イグゾスケルトン式パワーアシスト装置を装着することにより、物を掴んだり文字を書くなどの手作業を行う際のパワーアシスト機能を実現することができる。
【００１７】
本発明の他の特徴としては、例えば、身体保持装置を着装した人のポーズを、３点支持型６自由度移乗用車椅子を操作して自動車や風呂浴槽等に移乗させることができ、また、身体保持装置を装着した人を、空中軌道走行台車（ケーブルカー）で移動させることができる。さらに、複雑な動作データについては、イグゾスケルトン装置のポーズデータを予め記憶し、指（ジョイスティック、押しボタン）、筋電位、音声、アイコンタクト等の制御信号を用いて復元し、コンピュータ制御（ポーズエージェント）することにより、パワーアシストを行う。
【００１８】
本発明の他の特徴としては、例えば、生物学的身体機能の代替としては、身体保持装置に各種の人工身体器官（肛門、膀胱等）を保持させ、生物学的身体機能の代替を行うことができる。この場合、例えば、排泄物処理については、膀胱や直腸から直接または間接的に排泄物を導いて処理する人工の排泄器を、身体保持装置の股サポーターに取り付ける。この人工の排泄器は、小便吸収材部と大便付着材部とを備える。膀胱や直腸あるいは性器や肛門から柔らかい管を用いて排泄物を排泄器に導く。また、排泄物は、排泄器に一定量が溜まれば外部へ廃棄される。
【００１９】
本発明の他の特徴としては、例えば、身体動作の伝送・保存・拡大・縮小としては、人間の身体、イグゾスケルトン装置及びこれとほぼ相似形の人工身体を互いに通信装置で接続し、身体動作の伝送・保存・拡大・縮小を行うことができる。
【００２０】
そして、例えば、人間の身体全体に沿ったイグゾスケルトン装置の約７７自由度の全部またはその一部に、ポテンショメータ等の検出器を取り付けておき、そのデータをコンピュータ等で採取し、受信側の人工身体に沿わせたイグゾスケルトン装置に送信して、イグゾスケルトン装置をドライバ付きフレキシブルワイヤ式モータ駆動装置で駆動することにより、身体の動作の伝送・保存・拡大・縮小等を行うことができる。ただし、フレキシブルワイヤを使用しないで、直接、駆動装置で駆動することも可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、イグゾスケルトン装置の概略構成図である。
イグゾスケルトン（外骨格）装置１００は、例えば、モジュール型イグゾスケルトンであって、回り対偶１〜３、滑り対偶４、力センサ５―１〜３、変位センサ６―１〜３、駆動装置７―１〜３、保持部駆動装置８―１、保持部８―２、モジュール結合部９、エンドスケルトン（内骨格）部１０、関節１２、１４、フレーム１５、１６、インターフェイス（Ｉ／Ｆ）２０、処理装置３０、入力部４０を備える。なお、各駆動部で必要とされる軸受けは、適宜記載を省略してある。イグゾスケルトン装置１００は、例えば、使用形態としてはエンドスケルトン部１０を連結して用いられる。
【００２２】
回り対偶１は、横曲げ軸周りの回り対偶である。回り対偶２は、縦曲げ軸回りの回り対偶である。回り対偶３は、骨格軸周りの回り対偶である。また、これらの回り対偶１〜３は、例えば、ウオームギヤ等を用いて駆動される。滑り対偶４は、補助駆動装置としても機能する滑り対偶であって、例えば、バネ、歯車、油圧、空気圧等によって補助駆動される。力センサ５―１〜３は、例えば、歪センサー等である。変位センサ６―１〜３は、例えば、ポテンショメータ、エンコーダ、視覚センサ等を適宜備える。駆動装置７―１〜３は、例えば、フレキシブルワイヤ、モータ、ドライバ等を適宜備える。保持部駆動装置８―１は、保持部８−２をその駆動軸の回りに駆動するもので、例えば、フレキシブルワイヤ、モータ、ドライバ等を適宜備える。保持部８―２は、エンドスケルトン部１０にイグゾスケルトン装置１００を保持する。モジュール結合部９は、隣接する他のイグゾスケルトン装置のフレーム１６等を結合するためのものである。フレーム１５，１６は、各対偶保持装置等を結合して外骨格を形成するためのものである。
【００２３】
エンドスケルトン部１０は、イグゾスケルトン装置１００が内包するスケルトンであって、例えば、人間の腕、足等の各部に対応している。エンドスケルトン部１０は、人体の各内骨格を有する部位、人体を模擬した各内骨格を有する部位、又は、一部に人体の内骨格を有し他部に人体を模擬した内骨格を有する部位等である。また、エンドスケルトン部１０は、例えば、エンドスケルトン部１０の中心軸周りの回り対偶３と、横曲げ軸周りの回り対偶１と、縦曲げ軸周りの回り対偶２とにより、３自由度で連結される。また、関節１２は、０〜１自由度の関節であって、エンドスケルトン部１０軸周りの回り対偶である。関節１４は、１〜２自由度の関節であって、横曲げ軸周りの周り対偶と縦曲げ軸周りの回り対偶とによって、エンドスケルトン部１０を連結する対偶である。
【００２４】
インターフェイス（Ｉ／Ｆ）２０は、入力データと出力データのチューニングを行うセンサ情報入力部、増幅部を備え、センサ、アンプ、ブリッジ、ドライバ、モータ、フレキシブルワイヤ等が接続される。インターフェース（Ｉ／Ｆ）２０は、力センサ５−１〜３、変位センサ６−１〜３からデータを検出し、処理装置３０にそのデータを伝送し、一方、処理装置３０の指示により、駆動装置７−１〜３、保持部駆動装置８−１を駆動する。処理装置３０は、ベクトル量子化データ入出力装置を備え、各種処理を実行する。入力部４０は、変位センサ６−１〜３、力センサ５−１〜３等による測定値等について所定の目標値等を入力する。
【００２５】
図２は、本発明に関するモジュール型イグゾスケルトン装置のフローチャートである。ここでは、一例として、モジュール型イグゾスケルトン装置によるパワーアシストを行う場合について説明する。なお、ここでは、モジュール型イグゾスケルトン装置は、視覚センサも含めて、変位センサで目標値を決めることにより、エンドスケルトン部１０に対して、この目標値まで移動するためのパワーアシストを行う。
【００２６】
なお、イグゾスケルトン装置を、モジュール型イグゾスケルトン式パワーアシスト装置に応用する場合、モジュール型イグゾスケルトン式パワーアシスト装置の保持及び駆動は、例えば、骨格中心軸周りの回り対偶３と、外骨格位置で直交する２軸周りの回り対偶１，２と、バネ力可変型のバネで連結された滑り対偶４との組み合わせによる最大３自由度のイグゾスケルトンを、駆動を要求された骨格に着脱可能として保持し、ドライバ付きフレキシブルワイヤ式モータ駆動装置によって駆動する。ただし、フレキシブルワイヤを使用しないで直接、駆動装置で駆動することも可能である。
【００２７】
まず、モジュール型イグゾスケルトン装置は、例えば、利用者などにより変位センサ６―１〜３のセンサ値に対して、所定の目標値が入力される（Ｓ１０１）。なお、力センサ５−１〜３の最大値又は最小値等の許容値を予め入力して、その範囲内で、パワーアシストするようにしてもよい。モジュール型イグゾスケルトン装置は、ステップＳ１０１により入力された目標値に対して、人体等による実際のエンドスケルトン部１０（例えば、腕、足等）の運動により発生する力センサ５及び変位センサ５の値を計測する（Ｓ１０３）。つぎに、モジュール型イグゾスケルトン装置では、計測値がインターフェース（Ｉ／Ｆ）２０を介して処理装置３０に入力される。処理装置３０は、駆動装置７−１〜３、保持部駆動装置８−１の制御量を計算すると共に（Ｓ１０５）、インターフェース（Ｉ／Ｆ）２０の増幅部でステップＳ１０５で計算された制御量に対応する所定の値に増幅処理を行う（Ｓ１０７）。
【００２８】
つぎに、モジュール型イグゾスケルトン装置は、ステップＳ１０７で増幅された制御量を、駆動装置７−１〜３、保持部駆動装置８−１に出力する（Ｓ１０９）。モジュール型イグゾスケルトン装置は、ステップＳ１０９での駆動装置７−１〜３等により駆動された量を変位センサ６−１〜３、力センサ５−１〜３により計測して、ステップＳ１０１で予め設定された目標値と比較する（Ｓ１１１）。モジュール型イグゾスケルトン装置は、ステップＳ１１１で計測された変位センサ６−１〜３、力センサ５−１〜３の測定値と、目標値との差が許容範囲内か否かを判定する（Ｓ１１３）。ここで、測定値と目標値との差が許容範囲外であれば、再び、ステップＳ１０３に戻る。一方、測定値と目標値との差が許容範囲内であれば、モジュール型イグゾスケルトン装置は、上述のパワーアシストが所定の各回り対偶１〜３、滑り対偶４、保持部駆動装置８−１等に対して実行されたか否かを判定し、所定の部分に対して実行された場合は、パワーアシスト処理を終了する（Ｓ１１５）。なお、モジュール型イグゾスケルトン装置は、ステップＳ１１５において、パワーアシスト処理が所定部分に対して完了してない場合は、再び、ステップＳ１０１に戻り、改めて各変位センサ６−１〜３又は力センサ５−１〜３に対する目標値が利用者などにより入力され、設定される。
【００２９】
図３は、イグゾスケルトンサイボーグ装置の内骨格リンク機構の概略構成図である。なお、肩から指先までを腕手、股から足先までを脚足とする。
エンドスケルトン部１０は、例えば、胴体をベースとして５７個のリンク（ＬＩＮＫ）を備える。エンドスケルトン部１０の自由度は、例えば、左腕７＋左手２１、右腕７＋右手２１、左足７、右足７、首３＋下顎４の合計７７である。左腕手のエンドスケルトン２１０は、例えば、ＬＩＮＫ１１〜３１を備える。右腕手のスケルトン２２０は、例えば、ＬＩＮＫ３２〜５２を備える。右脚足のエンドスケルトン２３０は、例えば、ＬＩＮＫ６〜１０を備える。また、左脚足のエンドスケルトン２１０は、例えば、ＬＩＮＫ１〜５を備える。首頭のエンドスケルトン２５０は、例えば、ＬＩＮＫ５３、５４を備える。下顎のエンドスケルトン２６０は、例えば、ＬＩＮＫ５５〜５７を備える。このような各リンクに対応して、それぞれイグゾスケルトン装置が配備される。また、各イグゾスケルトン装置は、適宣のフレーム等の結合手段により結合される。
【００３０】
図４に、外骨格型７自由度アームの保持装置の構成図を示す。この図には、腕部位に対応する内骨格を含む部位が装着されるための腕保持用のイグゾスケルトンサイボーグ装置が示され、上述のようなイグゾスケルトン装置が、肩部、肘部及び手首部の自由度にそれぞれ対応して複数配置され、それら複数のイグゾスケルトン装置が結合手段により連結されている。腕には、肩部に３自由度▲１▼▲２▼▲３▼、肘部に１自由度▲４▼，前腕部に１自由度▲５▼、手首部に２自由度▲６▼▲７▼の回り対偶が備えられ、さらに肩に２つ（８）（９）、肘に１つ（１０）、手首に１つ（１１）の滑り対偶が備えられる。肩、上腕、前腕、手の甲の各部にそれぞれイグゾスケルトンが配備される。滑り対偶は、アームが外骨格であることから、人間の腕の屈曲連動により、リンク間距離が変化するので、それと対応するものである。これを含めると１１自由度となるが、実際の装着では、７自由度の機構となる。
【００３１】
各イグゾスケルトン装置の処理装置を制御するための中央処理装置により、肩部の第１のイグゾスケルトン装置は、少なくとも３つの回り対偶及び２つの滑り対偶が機能し、肘部の第２のイグゾスケルトン装置は、少なくとも２つの回り対偶及び１つの滑り対偶が機能し、前腕部の第３のイグゾスケルトン装置は、少なくとも１つの回り対偶が機能し、手首部の第４のイグゾスケルトン装置は、少なくとも１つの回り対偶及び１つの滑り対偶が機能するように、左右の各腕部が少なくとも７自由度で状態検出及び駆動制御される。
【００３２】
図５に、外骨格型２１自由度ハンドの保持装置構成図を示す。手では、手甲部を支持部材として、各指関節部にそれぞれイグゾスケルトンが配備される。
この図には、手部位に対応する内骨格を含む部位が装着されるための手保持用のイグゾスケルトンサイボーグ装置が示され、上述のようなイグゾスケルトン装置が、親指部及び各他の指部の関節部分にそれぞれ対応して複数配置され、それらの前記イグゾスケルトン装置が結合手段により連結されている。
【００３３】
このイグゾスケルトンサイボーグ装置は、手部の前記イグゾスケルトン装置を保持する手甲保持部と、各イグゾスケルトン装置の処理部を制御するための中央処理部を備える。中央処理部により、手部の親指部の少なくとも３つのイグゾスケルトン装置は、少なくとも５つの回り対偶及び２つの滑り対偶が機能し、手部の各他の指部の少なくとも３つのイグゾスケルトン装置は、それぞれ少なくとも４つの回り対偶及び３つの滑り対偶が機能するようにし、左右の各手部が少なくとも２１自由度で状態検出及び駆動制御される。
【００３４】
図６は、イグゾスケルトンサイボーグのベースとなる身体保持装置の構成図である。
身体保持装置３００は、イグゾスケルトンサイボーグの合体時のボディーのベースであって、例えば、股可動枠３０５、脇可動枠３１０、台枠３２０、ロック機構３３０、頭部可動枠３４０、吊り具兼開閉ハンドル（ヨーク）３５０、肩可動枠３６０と、さらに、左脚合体装置３７０、右脚合体装置３７２、左腕手合体装置３７４、右腕手合体装置３７６、頭合体装置３７８とを備える。なお、ここでの合体とは、身体保持装置３００内に形成される空間に、身体が装着されている状態をいう。また、股可動枠３０５は、身体における股の位置に対応しており、股の駆動を補助するための可動枠である。脇可動枠３１０は、身体における脇位置に対応しており、脇の駆動を補助するための可動枠である。頭部可動枠３４０は、身体における頭部の位置に対応しており、頭部の駆動を補助するための可動枠である。肩可動枠３６０は、身体における肩の位置に対応しており、肩の駆動を補助するための可動枠である。また、吊り具兼開閉用ハンドル（ヨーク）３５０は、例えば、股可動枠３０５、脇可動枠３１０、肩可動枠３６０、頭部可動枠３４０を開いた状態から、閉じた状態に変化させて身体にこれらの可動枠を装着させかつロック機構３３０で、上述の各部材が固定されるようにロックして吊り上げることができるものである。
【００３５】
また、左脚足合体装置３７０、右脚足合体装置３７２、左腕手合体装置３７４、右腕手合体装置３７６及び首頭合体装置３７８は、それぞれ身体保持装置３００と左脚足、右脚足、左腕手、右腕手及び首頭の保持装置とを合体させるためのものである。なお、上述の複数の各部材は、身体の部位にそれぞれ対応している。なお、身体保持装置３００の股可動枠５０５に、排泄処理装置を設けるようにしてもよい。
【００３６】
図７は、イグゾスケルトンサイボーグ装置５００の概略構成図である。
人間を模擬したイグゾスケルトンサイボーグ装置５００は、例えば、身体保持装置３００、合体装置５１０−１〜５、インターフェース（Ｉ／Ｆ）２０−１〜５、処理装置３０−１〜５、腕手保持装置（左右）５２０、５３０、脚足保持装置５４０、５５０、首頭保持装置５６０及び中央装置（ベクトル量子化データ入出力装置）７９５を備える。なお、中央処理装置７９５には、視覚センサ等により人間と同様な起動が行える指令部を備える。各保持装置に、腕手、脚足、首頭等に対応するエンドスケルトン部が内含される。
【００３７】
また、イグゾスケルトンサイボーグ装置５００は、身体保持装置３００に脚足保持装置５４０、５５０を合体させ、且つ、中央装置７９５の入力部（操作卓）を押して起動され、必要に応じて、腕手保持装置５２０、５３０、首頭保持装置５６０を合体させて動作する。
【００３８】
図８は、３点支持式合体装置の概略構成図である。
３点支持式合体装置６００は、身体保持装置３００と、首頭保持装置５６０、腕手保持装置５２０、５３０、脚保持装置５４０、５５０とを連結し、それらを支持するものである。３点支持式合体装置６００は３点支持されており、例えば、合体用軸受け６１０、押さえ具６２０、固定用軸６３０及び当たり用具６４０を備える。合体用軸受け６１０は、３点支持式合体装置６００の雌側に配置され、この合体用軸受け６１０の端部には、押さえ具６２０が置かれている。（図中、合体装置雌側参照）固定用軸６３０は、例えば、３点支持式合体装置６００の雄側に配置され、円筒棒の両側を半分削って作成されたものであり、また、当たり用具６４０は、支持合体装置６００の雄側に配置されている（図中、合体装置雄側参照）。合体時では、当たり用具６４０は、合体用軸受け６１０の側面に取り付けられ、押さえ具６２０は、固定用軸６３０を介して合体用軸受け６１０の端部に取り付けられる（図中、合体時参照）。また、支持合体装置６００は、図示のように、３点支持の変更時おける持ち替えのための空隙（スペース）を含む。
【００３９】
図９は、イグゾスケルトンサイボーグ装置のコクピット兼格納装置であるホイスト装置の概略構成図である。
ホイスト装置（コクピット兼格納装置）４００は、例えば、身体保持装置３００を吊り上げて合体させてコクピットとなる全方向移動台車付き吊り上げ引き込み式ホイストであり、ホイスト装置を操作及び制御するための操作制御部４９０を含む。ホイスト装置４００は、例えば、身体保持装置３００、腕手保持装置５２０、５３０、脚足保持装置５４０、５５０、首頭保持装置５６０を格納するためのものであって、全方向移動車輪４１０、台枠４２０、モータ駆動装置４３０、４４０、イグゾスケルトン格納装置４５０、ホイストアーム４６０及びボールネジ４７０を備える。
【００４０】
ここで、身体保持装置３００とホイスト装置４００との動作を概略的に説明する。
イグゾスケルトンサイボーグ装置を使用しない場合、ホイスト装置４００に身体、右腕手、左腕手、右脚足、左脚足、首頭の各イグゾスケルトン装置（保持装置）と、処理装置（ベクトル量子化データ入出力装置）を格納し、一方、それを使用する場合には、胴体を保持した身体保持装置３００に各イグゾスケルトン装置を結合すると共に、処理装置のコネクタも結合して合体を完了する。具体的には、身体保持装置３００では、各合体装置３７０〜３７４に右腕手、左腕手、右脚足、左脚足、首頭の各イグゾスケルトン装置（保持装置）を合体させる。
【００４１】
ホイスト装置４００は、例えば、胴体を保持する身体保持装置３００とホイストアーム４６０とが合体している状態で、処理装置に備えられた入力部（操作卓）におけるホイストアーム４６０の上昇・下降及び全方向移動台車４１０のポジション・姿勢角と、身体保持装置３００に備えられた回転等のための各指令部を操作することにより、利用者は、例えば、胴体のベッドからの起立、胴体のベッドへの仰臥を行うことができる。また、健常者が使用する場合などは、基本の状態でも胴体を保持する身体保持装置３００の着脱を容易に行うことができる。
【００４２】
このように、ホイスト装置４００によれば、ホイストアーム４６０と胴体を保持する身体保持装置３００が合体している状態を基本として、操作処理部４９０の操作卓でホイストアーム４６０の上昇・下降及び全方向移動台車４１０のポジション・姿勢角、身体保持装置３００の回転の各指令部を押すシーケンスで、ホイストアーム４６０で寝かせる、ホイストアーム４６０を起こす、身体保持装置３００の装着を実行することができる。
【００４３】
ここで、ホイスト装置４００に含まれる吊り上げ引き込み式のホイストアーム４６０の動作原理を説明する。
まず、ホイストアーム４６０に身体保持装置３００を装着した利用者を固定する場合について説明する。特に、内骨格として人間がイグゾスケルトンサイボーグ装置５００に入る場合（パワーアシスト時）の動作を説明する。
【００４４】
まず、コクピット兼格納装置に相当するホイスト４００は、例えば、身体、右腕手、左腕手、右脚足、左脚足、首頭の６個の各イグゾスケルトン装置（保持装置３００、５２０、５３０、５４０、５５０、５６０）と、処理装置（ベクトル量子化データ入出力装置）を格納する。このため、イグゾスケルトンサイボーグ装置は、例えば、８個の要素を含むことになる。
【００４５】
ここで、ホイスト装置４００と胴体を保持するイグゾスケルトンサイボーグ装置５００（ここでは、身体保持装置３００に対応）が合体している状態を基本とすると、例えば、ベッドから胴体を起立させる動作は、胴体がイグゾスケルトンサイボーグ装置５００に入る場合になる。また、胴体をベッドに仰臥させる動作は、胴体がイグゾスケルトンサイボーグ装置５００（身体保持装置）から出る場合になる。なお、健常者が使用する場合は、基本の状態で胴体を保持するイグゾスケルトンサイボーグ装置５００に入ったり出たりして使用することになる。
【００４６】
ホイスト装置４００と胴体を保持したイグゾスケルトンサイボーグ装置５００が合体している状態で、ホイスト装置４００に格納された５個のイグゾスケルトン（右腕手、左腕手、右脚足、左脚足、首頭の各保持装置）を必要に応じて結合した後に、処理装置の信号線のコネクタを結合することにより、合体が完成され、合体完成後は、処理装置の入力部（操作卓）の指令部を押すことで、イグゾスケルトンサイボーグ装置５００を動作させる。これにより、合体とは、ここでは、信号系と機構系の両方を結合することをいう。
【００４７】
このイグゾスケルトンサイボーグ装置５００は、例えば、ホイスト装置４００と合体したままで動作させる場合と、ホイスト装置４００から離れて動作させる場合（競歩型歩行）がある。この競歩型歩行では、状況に応じて腕手と首頭の各イグゾスケルトン装置を使用する。なお、このイグゾスケルトンサイボーグ装置５００における競歩型歩行は、例えば、自動車のように安定であるので、二足歩行のロボットのような転倒を防止する安定化制御は必要ない。
【００４８】
つぎに、イグゾスケルトンサイボーグ装置５００に関して、エンドスケルトンとして義手・義足等の人体を模擬した内骨格が用いられる場合について説明すると、実際の身体と義手・義足との連結は、モジュール型エンドスケルトン（内骨格）によって行われる。モジュール型エンドスケルトンは、例えば、横曲げ軸周りの回り対偶、縦曲げ軸周りの回り対偶、骨格中心軸周りの回り対偶等の各対偶で結合されており、結合後、パワーアシストにより実際の身体と同様に扱えることが期待される。
【００４９】
図１０は、イグゾスケルトンサイボーグ装置の正面図である。
イグゾスケルトンサイボーグ装置は、例えば、全方向移動車輪７１０、７１５、脚足保持装置のセンサと増幅装置を含むインターフェース（Ｉ／Ｆ）７２０、７３０、脚足保持装置７３２、７３４、身体保持装置と脚足保持装置の合体装置７３６、７３８、身体保持装置３００、腕手保持装置７５２、７５４、身体保持装置と腕手保持装置の合体装置７６０、７６２、腕手保持装置のセンサと増幅装置を含むインターフェース（Ｉ／Ｆ）７６４，７６６、首頭保持装置７７０、下顎保持装置７８０、首頭保持装置のセンサと増幅装置を含むインターフェース（Ｉ／Ｆ）７９０、及び、ベクトル量子化データ入出力装置を含む処理装置７９５を備える。
【００５０】
身体保持装置３００と腕手保持装置の合体装置７６０、７６２によって、左腕手及び右腕手を身体保持装置３００に独立に合体させることができ、腕手保持装置のインターフェース（Ｉ／Ｆ）７６４，７６６をそれぞれ腕手保持装置７５２、７５４にそれぞれを接続して取り付ける。また、身体保持装置と脚足保持装置の合体装置７３６、７３８によって、左脚足及び右脚足を身体保持装置３００に独立に合体させることができるため、脚足保持装置のインターフェース（Ｉ／Ｆ）７２０，７３０をそれぞれ脚足保持装置７３２、７３４にそれぞれ接続して取り付ける。また、脚の最先端リンクには、車輪を左右に各４輪取り付けることにより、全方向移動を行うことができる。さらに、首頭部には、中央処理装置７９５が取り付けられる。なお、図中、矩形はドライバを示す。
【００５１】
ここで、イグゾスケルトンサイボーグ装置における、仰臥、起立、移動に伴う動作について説明すると、仰臥では、例えば、ホイスト装置４００に身体保持装置３００以外の脚足、腕手及び首頭保持装置を格納し、身体保持装置３００のみでホイストアーム４６０をベッド上に下げて、身体をベッド上に仰臥させる。起立では、例えば、身体保持装置３００でベッド上に仰臥している身体を保持して吊り上げ引き込み、さらに、身体保持装置３００に脚足部、腕手、首頭の各保持装置及び処理装置７９５を合体させる。移動では、例えば、ホイスト装置４００を切り離して移動する。これにより、イグゾスケルトンサイボーグ装置では、仰臥、起立、移動を行うことができる。
【００５２】
また、イグゾスケルトンサイボーグ装置が搭載される、対向二輪式揺動型の四軸独立懸架全方向移動車輪７１０、７１５は、例えば、対向二輪をモータで駆動して操舵するが、床面に両輪が常に接触するように揺動型とし、さらに、この組を４軸使用してスプリングを使用して独立に懸架する。また、この台車は、ポーズ制御法によって４軸を操舵するが、操舵時に４軸の回転中心が瞬時に一致しないことによる干渉を考慮して、この干渉が実用上の許容範囲内になるまで操舵を待って進行する。
【００５３】
また、イグゾスケルトンサイボーグ装置における、合体の状態を説明すると、この際、イグゾスケルトンサイボーグ装置は、コクピット兼格納装置に相当するホイスト装置４００から離れて動作しており、例えば、身体、右腕手、左腕手、右脚足、左脚足、首頭の各イグゾスケルトン装置（保持装置）と、中央処理装置７９５をフル装備した状態となる。なお、ここでの動作は、上述のフローチャート（図２参照）と同様である。
【００５４】
図１１は、競歩型歩行時のパワーアシストの一例を示す説明図である。
競歩型歩行時のパワーアシストでは、処理装置により例えば、脚足保持装置（右足）７３４をブレーキして、脚足保持装置（左足）７３２をブレーキ解除して、身体を前に倒し、さらに、両足が十分開いたときに、左脚足車輪をブレーキする。これにより、イグゾスケルトンサイボーグ装置では、競歩型歩行時に、力及び変位センサからのデータを有効に処理することで、例えば、膝伸、膝折、膝伸、引き寄せ、膝折、膝伸を繰り返して歩行すると共に、この歩行時のパワーをアシストすることができる。なお、ここでは、身体保持装置３００が図中、破線で示した箇所において、位置のエネルギーと運動エネルギーを交換するので、バネなどの補助駆動装置を用いることで、更に性能を向上させることができる。
【００５５】
また、イグゾスケルトンサイボーグ装置における競歩型歩行時のパワーアシストの動作処理は、図２に示すフローチャートと対応しており、例えば、ここでの「前に倒す」動作は、ステップＳ１０１の「変位センサ６の値に対する目標値入力」に対応し、「ブレーキ、ブレーキ解除、膝折、膝伸、ひき寄せ」動作は、ステップＳ１０９での「駆動装置７へ出力」に対応する。
【００５６】
図１２は、インターフェース（Ｉ／Ｆ）２０及び処理装置３０の信号伝達についての説明図である。
インターフェース（Ｉ／Ｆ）２０及び処理装置３０は、例えば、信号伝達を統一的に行うためものであって、図中、複数のマトリクス状の区分は、ベクトルの標準化を示している。処理装置（ベクトル量子化データ入出力装置）は、ここでは、画像データを含む全てのデータを、ベクトル量子化して統一的に扱う。このため、スカラ量は一旦ベクトルに拡大したのち量子化する。具体的には、ＬＩＮＫの角度や力及び画像データ（画像濃度）を全て量子化することになる。この量子化では、前提として、画素（又は、メモリ）８１０、４×４程度のベクトル８２０、量子化したスカラ量８３０及び必要に応じてベクトルを復元する場合のコードブック８４０の対応関係を一定とする。位置については、例えば、ｘ、ｙ、ｚ、座標で表現でき、姿勢については各ｘ、ｙ、ｚ軸の回りの回転角ロール、ピッチ、ヨー角で表現することができる。そして、４×４変換行列を用いるとＤＨ法（Deravit Harterbag 法）等により、リンクエレメントの直鎖として表現されたイグゾスケルトンサイボーグ装置（マニピュレータ）を目標位置及び目標姿勢に制御可能である。（ロボットの力学と制御、有本卓、朝倉書房参考）
【００５７】
また、インターフェース（Ｉ／Ｆ）２０では、センサ及び増幅で数式（１）が成立するようにチューニングを行う。
Ｍ＝｛（Ｐ−Ｐｓ）（Ｍｅ−Ｍｓ）／（Ｐｅ−Ｐｓ）｝＋Ｍｓ      （１）
但し、Ｍ：出力データ、Ｍｓ：最小出力値の指令値、Ｍｅ：最大出力値の指令値、Ｐ：入力データ、Ｐｓ：最小入力値の指令値、Ｐｅ：最大入力値の指令値とする。
【００５８】
図１３は、本発明に関するイグゾスケルトンサイボーグ装置でのデータ転送の説明図である。なお、通常は、脚足、腕手、首頭部及び身体保持装置に分離して、これらがホイストに格納されているが、これらは、必要に応じて、身体保持装置と合体して使用される。
【００５９】
イグゾスケルトンサイボーグ装置間におけるデータ転送では、例えば、ベクトル量子化データ入出力装置を含む処置装置８００、インターフェース（Ｉ／Ｆ）９００、イグゾスケルトンサイボーグ装置５００及びホイスト装置４００が関与している。また、イグゾスケルトンサイボーグ装置のデータは、通信回線を介して転送が可能な環境で、動作について保存、拡大、縮小を行うことができる。一方のイグゾスケルトンサイボーグ装置は人間が装着し、他方のそれは内骨格を持つロボット・人体模型が装着するようにしてもよいし、両方とも人間またはロボット・人体模型としてもよい。
【００６０】
ここで、イグゾスケルトンサイボーグ装置による身体動作の伝送・保存・拡大・縮小としては、例えば、データの伝送だけ利用して別物のロボットを操作したり、データの保存で繰り返し作業を行ったり、データの拡大で強力な力を出力したり、データの縮小でミクロな作業を行う等ができる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によると、以上のように、腕手や脚足等について運動学的及び生物学的な身体機能の代替を行うことができ、総合的な福祉ロボット等に応用可能なイグゾスケルトン装置及びイグゾスケルトンサイボーグ装置及びそのシステムを提供することができる。また、本発明によると、人間の動きを相似形の遠隔ロボットに円滑且つ効率的に伝えることができる。また、本発明によると、各部位が倍力、高速、精密等の動作を可能とすることができる。さらに、本発明によると、ベッドからの起立、排泄や入浴等のための床移動、階段等の回避などに関しての空間移動、自動車等への移乗、会社へ移転しての手作業などに対するパワーアシストを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】イグゾスケルトン装置の概略構成図。
【図２】本発明に関するモジュール型イグゾスケルトン装置のフローチャート。
【図３】イグゾスケルトンサイボーグ装置のエンドスケルトン部１０の概略構成図。
【図４】外骨格型７自由度腕（アーム）の構成図。
【図５】外骨格型２１自由度手（ハンド）の概略構成図。
【図６】イグゾスケルトンサイボーグ装置のベースとなる身体保持装置の概略構成図。
【図７】イグゾスケルトンサイボーグ装置５００の概略構成図。
【図８】３点支持式合体装置の概略構成図。
【図９】ホイスト装置の概略構成図。
【図１０】イグゾスケルトンサイボーグ装置の正面図。
【図１１】競歩型歩行時のパワーアシストの一例を示す説明図。
【図１２】インターフェース（Ｉ／Ｆ）及び処理装置３０の信号伝達についての説明図。
【図１３】本発明に関するイグゾスケルトンサイボーグシステムでのデータ転送の説明図。
【符号の説明】
１〜３  回り対偶
４  滑り対偶
５―１〜３  力センサ
６―１〜３  変位センサ
７―１〜３  駆動装置
８―１  保持部駆動装置
８―２  保持部
９  モジュール結合部
１０  エンドスケルトン部
１２、１４  関節
２０  インターフェイス（Ｉ／Ｆ）
３０  処理装置
１００  イグゾスケルトン装置
【図１】
0003701582.tif 000002
【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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