(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装着式動作補助装置において、
装着者の腰の前側に装着される腰フレームと、
該腰フレームの後側開口部に装着可能に設けられた腰締結部材と、
前記腰フレームの前側から上方へ延在する垂直フレームと、該垂直フレームの上端より肩幅方向に横架された肩フレームとを有する上肢フレームと、
前記上肢フレームの後側から装着可能に設けられた上肢締結部材と
前記肩フレームの両端に回動可能に設けられると共に、前記装着者の前側に配置され、該装着者による運搬物を持ち上げる動作を補助する上肢駆動部と、
前記腰フレームより下方に設けられ、かつ該腰フレーム、前記上肢フレーム、及び前記上肢駆動部の質量を支える下肢フレームと、
前記下肢フレームの後側から装着可能に設けられた下肢締結部材と、
前記下肢フレームの各関節に設けられた下肢駆動部と、
前記装着者の各生体信号を検出する複数の生体信号検出部と、
前記複数の生体信号検出部により検出された各生体信号に基づいて前記下肢駆動部及び前記上肢駆動部を制御する制御部と、を備え、
前記垂直フレームは、前記腰フレームに対して後方側に傾斜する状態に連結されており、
前記装着者が両腕で前記運搬物を持ち上げた状態で移動する際、前記垂直フレームは該運搬物と近い位置に配置され、当該垂直フレームが該運搬物の重量を直接的に支えることを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項２】
前記垂直フレームは、前記上肢駆動部により持ち上げられた運搬物を載置する載置台を有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。
【請求項３】
前記載置台に前記運搬物を検出する検出センサを設け、
前記検出センサの検出信号に基づいて前記載置台を上下方向に移動させる昇降機構を設けたことを特徴とする請求項２に記載の装着式動作補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は装着式動作補助装置に係り、特に運搬物を運搬するのに好適な装着式動作補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、工場や工事現場等においては、フォークリフトやクレーンなどの運搬用機械を用いて重量物を運搬している。しかしながら、狭い場所で運搬用機械が移動できない場合には、作業者が金属や石などの運搬物を持ち上げて運ぶ場合がある。
【０００３】
このような、作業者による運搬作業を支援する装着式動作補助装置としては、歩行動作を補助するように構成された装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２９６３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の装着式動作補助装置は、装着者の足の動作を補助するようにモータトルクを発生させるため、装着者の歩行支援や階段の昇り降りを支援することが可能であるものの、装着者が運搬物を両腕で抱えるように持ち上げた状態で移動する場合には、上体を後側に反るようにしてバランスを保つ姿勢となるため、両腕に掛かる荷重が大きくなると、荷重によるモーメントを支えることが難しく、腰の負担を軽減することが難しいという問題があった。
【０００６】
また、従来の装着式動作補助装置では、装置前側から装着者の背中に装着する方式のため、装着操作に手間がかかっていた。
【０００７】
そこで、本発明は上記事情に鑑み、上記課題を解決した装着式動作補助装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。
（１）本発明は、装着式動作補助装置において、
装着者の腰の前側に装着される腰フレームと、
該腰フレームの後側開口部に装着可能に設けられた腰締結部材と、
前記腰フレームの前側から上方へ延在する垂直フレームと、該垂直フレームの上端より肩幅方向に横架された肩フレームとを有する上肢フレームと、
前記上肢フレームの後側から装着可能に設けられた上肢締結部材と
前記肩フレームの両端に回動可能に設けられると共に、前記装着者の前側に配置され、該装着者による運搬物を持ち上げる動作を補助する上肢駆動部と、
前記腰フレームより下方に設けられ、かつ該腰フレーム、前記上肢フレーム、及び前記上肢駆動部の質量を支える下肢フレームと、
前記下肢フレームの後側から装着可能に設けられた下肢締結部材と、
前記下肢フレームの各関節に設けられた下肢駆動部と、
前記装着者の各生体信号を検出する複数の生体信号検出部と、
前記複数の生体信号検出部により検出された各生体信号に基づいて前記下肢駆動部及び前記上肢駆動部を制御する制御部と、を備え、
前記垂直フレームは、前記腰フレームに対して後方側に傾斜する状態に連結されており、
前記装着者が両腕で前記運搬物を持ち上げた状態で移動する際、前記垂直フレームは該運搬物と近い位置に配置され、当該垂直フレームが該運搬物の重量を直接的に支えることを特徴とする。
（２）本発明の前記垂直フレームは、前記上肢駆動部により持ち上げられた運搬物を載置する載置台を有することを特徴とする。
（３）本発明の前記載置台に前記運搬物を検出する検出センサを設け、
前記検出センサの検出信号に基づいて前記載置台を上下方向に移動させる昇降機構を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、フレームが装着者の前側に配置されることになるため、両腕で運搬物を持ち上げて歩行する場合、上体が前かがみになるが、フレームが運搬物に近い位置にあるので、当該運搬物の質量を直接的に支えることが可能になると共に、両腕にかかるモーメントを小さくなるように抑制できるので、運搬動作時のバランスがとりやすくなり、重量物を運搬する場合でも安定した動作が可能となる。
【００１０】
また、フレーム（腰フレーム、下肢フレーム、上肢フレーム）をそれぞれ後ろ側から装着できるので、装着者の前側に装着式動作補助装置が配置された状態から、フレームを装着者の体に合わせていくことになり、装着作業がしやすくなる。
【００１１】
また、垂直フレームが前側に配されるため、フレームの強度に対して重い運搬物でも保持できるようになるとともに、駆動部から与えるアシストトルクを抑えても重い運搬物を保持できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による装着式動作補助装置の一実施例を示す正面図である。
【図２】本発明による装着式動作補助装置の一実施例を示す背面図である。
【図３】上肢フレーム、腰フレーム、右脚の下肢駆動部、右腕の上肢駆動部を左斜め上方からみた斜視図である。
【図４】上肢フレーム、腰フレーム、右脚の下肢駆動部、右腕の上肢駆動部を右斜め上方からみた斜視図である。
【図５】装着式動作補助装置の右側面図である。
【図６】装着式動作補助装置の平面図である。
【図７】装着式動作補助装置の制御系を示すブロック図である。
【図８】下肢駆動系、各センサの制御機器を示すブロック図である。
【図９】上肢駆動系、各センサの制御機器を示すブロック図である。
【図１０Ａ】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のフローチャートである。
【図１０Ｂ】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
【実施例１】
【００１４】
〔装着式動作補助装置の構成〕
図１は本発明による装着式動作補助装置の一実施例を示す正面図である。図２は本発明による装着式動作補助装置の一実施例を示す背面図である。図３は上肢フレーム、腰フレーム、右脚の下肢駆動部、右腕の上肢駆動部を左斜め上方からみた斜視図である。図４は上肢フレーム、腰フレーム、右脚の下肢駆動部、右腕の上肢駆動部を右斜め上方からみた斜視図である。図５は装着式動作補助装置の右側面図である。図６は装着式動作補助装置の平面図である。（尚、図３及び図４において、装着者１２の左脚を駆動する下肢駆動部３００Ｂの図示を省略してある。）
図１乃至図６に示されるように、装着式動作補助装置１０（以下「動作補助装置」と称する）は、装着者１２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。
【００１５】
動作補助装置１０を装着した装着者１２は、自らの意思で歩行動作を行うと、その際に発生した生体信号及び／又は当該装着者の膝関節の動作角度に応じた駆動トルクがアシスト力として動作補助装置１０から付与され、例えば、通常歩行で必要とされる筋力の半分の力で歩行することが可能になる。従って、装着者１２は、自身の筋力と駆動部（本実施例では、電動式の駆動モータを用いる）からの駆動トルクとの合力によって歩行することができる。
【００１６】
その際、動作補助装置１０は、歩行動作に伴う重心の移動に応じて付与されるアシスト力（モータトルク）が装着者１２の意思を反映するように制御している。そのため、動作補助装置１０の駆動部は、装着者１２の意思に応じて動作をアシストするように制御される。
【００１７】
また、動作補助装置１０は、歩行動作以外にも、例えば、装着者１２が椅子に座った状態から立ち上がる際の動作、あるいは立った状態から椅子に腰掛ける際の動作も補助することができる。さらには、装着者１２が階段を上がったり、階段を下りる場合にもパワーアシストすることができる。特に装着者１２が重量物を運搬する場合には、階段の上り動作や、歩行動作を行う場合でも、装着者１２は、自らの意思に応じて動作補助装置１０から駆動トルクを付与されて動作することが可能になる。
〔フレーム構造〕
ここで、動作補助装置１０のフレーム構造について説明する。動作補助装置１０は、後側より装着者１２に装着されるフレーム構造１８に各関節の駆動部を設けたものである。
【００１８】
フレーム構造１８は、装着者１２の上肢に装着される上肢フレーム１４と、装着者１２の下肢に装着される下肢フレーム１９と、装着者１２の腰に装着される腰フレーム３０とからなる。
〔上肢フレームの構成〕
上肢フレーム１４は、腰フレーム３０の上方に形成され、腰フレーム３０の前側より上方に延在する垂直フレーム１５と、垂直フレーム１５の上端より肩幅方向に横架された肩フレーム１６Ａ、１６Ｂとを有する。垂直フレーム１５は、チタン又はステンレスなどの金属材料からなり、下端が腰フレーム３０に固定された垂直部１５Ａと、垂直部１５Ａの上端より左右方向に分岐するＵ字状に形成されたＵ字状部１５Ｂとを有する。
Ｕ字状部１５Ｂの各上端には、肩フレーム１６Ａ、１６Ｂが連結されている。肩フレーム１６Ａ、１６Ｂには、運搬物を持ち上げる際に両腕の動作をアシストする上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂが前後方向に回動可能に設けられている。従って、肩フレーム１６Ａ、１６Ｂに支持される上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂの質量は、上肢フレーム１４に支持されるため、装着者１２には上肢フレーム１４及び上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂの重さを感じることなく、作業が行える。
【００１９】
上肢駆動部１７Ａは、右肩より下の右上腕を駆動する肩駆動部２００Ａと、右肘より下の右下腕を駆動する腕駆動部２１０Ａとを有する。上肢駆動部１７Ｂは、左肩より下の左上腕を駆動する肩駆動部２００Ｂと、左肘より下の左下腕を駆動する腕駆動部２１０Ｂとを有する。
肩駆動部２００Ａ、２００Ｂは、肩関節に対応する位置に設けられた駆動モータ３２０，３２２（図９参照）と、駆動モータ３２０，３２２の駆動トルクにより回動する第１腕フレーム（隠れてみえない）と、肘関節に対応する位置に設けられた駆動モータ３２４，３２６（図９参照）と、駆動モータ３２４，３２６の駆動トルクにより回動する第２腕フレーム３３４，３３６とを有する。
これらの駆動モータ３２０，３２２，３２４，３２６は、制御装置(制御部)１００からの制御信号により駆動トルクを制御されるＤＣモータまたはＡＣモータなどからなる電動モータからなる。また、各駆動モータ３２０，３２２，３２４，３２６は、モータ回転を所定の減速比で減速する減速機構（駆動部に内蔵）を有しており、小型ではあるが十分な駆動力を付与することができる。
【００２０】
第２腕フレーム３３４，３３６には、装着者１２の腕が当接する上肢締結部材３３０，３３１が取り付けられている。上肢締結部材３３０，３３１は、断面形状が円弧状に形成され、上方から腕を収納するように装着され、且つ腕の上方を跨ぐように締結されるベルトとバックルなどからなる上肢締結ベルト３５０，３５２が設けられている。
【００２１】
装着者１２は、装置後側から上肢締結部材３３０，３３１に両腕を載置した状態で、上肢締結ベルト３５０，３５２の締結操作により、両腕が上肢締結部材３３０，３３１に締結される。
〔腰フレームの構成〕
腰フレーム３０は、上方からみると後側に装着者１２が出入りするための後側開口３１を有するＣ字形状に形成された腰締結部３０Ａを有する。この後側開口３１には、装着者１２の腰を締結するベルト及びバックルなどからなる腰締結ベルト３６０が取り付けられている。腰締結部材３６０は、装着者１２の腰が後側開口３１から腰フレーム３０の腰締結部３０Ａ内側に挿入された後、腰締結ベルト３６０により後側から締結される。このように、装着者１２の腰は、腰締結部３０Ａの後側開口３１から進入した状態で、後側から腰締結ベルト３６０により固定されるので、装着作業が容易に行える。
【００２２】
また、装着者１２の腰の周囲に装着される腰フレーム３０には、各駆動モータ及び制御装置１００を駆動させるための電源として機能するバッテリ３２，３４（図８参照）が取り付けられている。
【００２３】
また、装着者１２の後側となる腰支持部３０の前側には、制御ユニット３６が取り付けられている。
〔垂直フレームの構成〕
垂直フレーム１５は、装着者１２の前側に起立するようにして設けられているので、重量物を持ち上げる際の質量を安定的に支持することができる。そして、垂直フレーム１５には、両腕で持ち上げた運搬物を載置するための載置台２６０が設けられている。
【００２４】
載置台２６０は、運搬物を検出する一対の検出センサ２７０が設けられ、検出センサ２７０の検出信号に基づいて昇降する昇降機構２８０が設けられている。尚、検出センサ２７０としては、光センサなどの非接触式センサが用いられる。
【００２５】
また、昇降機構２８０は、両腕により持ち上げられた運搬物が載置台２６０の所定以下の距離に近づくと、自動的に載置台２６０を上昇させて運搬物に当接させて両腕が支える荷重を軽減し、上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂの負担を軽減する。
【００２６】
また、上記腰フレーム３０、上肢フレーム１４、上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂが装着者１２の前側に配置されることになるため、両腕で運搬物を持ち上げて抱えながら歩行する場合、上体が前かがみになるが、上肢フレーム１４の垂直フレーム１５が運搬物に近い位置にあるので、当該運搬物の質量を直接的に支えることが可能になると共に、両腕にかかるモーメントを小さくなるように抑制できるので、運搬動作時のバランスがとりやすくなり、重量物を運搬する場合でも安定した動作で歩行できる。
〔生体信号検出センサについて〕
図８に示されるように、動作補助装置１０は、装着者１２の右腿の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂと、装着者１２の左腿の動きに伴う生体電位を検出する生体信号検出センサ４０ａ，４０ｂと、右膝の動きに関わる生体電位を検出する生体信号検出センサ４２ａ，４２ｂと、左膝の動きに関わる生体電位を検出する生体信号検出センサ４４ａ，４４ｂとを有する。
【００２７】
これらの各下肢生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂは、下肢駆動部３００Ａ，３００Ｂを制御するための筋電位信号や神経伝達信号などの生体電位信号(生体信号)を皮膚を介して検出する生体信号検出部であり、微弱電位を検出するための電極（図示せず）を有する。尚、本実施例では、各下肢生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂは、電極の周囲を覆う粘着シールにより装着者１２の皮膚表面に貼着するように取り付けられる。
【００２８】
図９に示されるように、上肢駆動部１７Ａ，１７Ｂの各駆動モータ３２０，３２２，３２４，３２６は、当該装着者１２の上体の各位置に貼り付けられた上肢生体信号検出センサ３３８ａ，３３８ｂ，３４０ａ，３４０ｂ，３４２ａ，３４２ｂ，３４４ａ，３４４ｂ，３４６ａ，３４６ｂ，３４８ａ，３４８ｂによって検出された生体信号に基づいて駆動電流を制御される。
【００２９】
人体においては、脳からの指令によって骨格筋を形成する筋肉の表面にシナプス伝達物質のアセチルコリンが放出される結果、筋線維膜のイオン透過性が変化して活動電位が発生する。そして、活動電位によって筋線維の収縮が発生し、筋力を発生させる。そのため、骨格筋の電位を検出することにより、歩行動作の際に生じる筋力を推測することが可能になり、この推測された筋力に基づく仮想トルクから歩行動作に必要なアシスト力(駆動トルク)を求めることが可能になる。
【００３０】
従って、動作補助装置１０の制御装置１００では、これらの下肢生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ及び上肢生体信号検出センサ３３８ａ，３３８ｂ，３４０ａ，３４０ｂ，３４２ａ，３４２ｂ，３４４ａ，３４４ｂ，３４６ａ，３４６ｂ，３４８ａ，３４８ｂによって検出された生体信号に基づいて各駆動モータ２０，２２，２４，２６，３２０，３２２，３２４，３２６に供給する駆動電流を求め、この駆動電流で駆動モータ２０，２２，２４，２６，３２０，３２２，３２４，３２６を駆動することで、必要なアシスト力(駆動トルク)が付与されて装着者１２の歩行動作を補助するように構成されている。
〔床反力センサについて〕
また、歩行動作による重心移動をスムーズに行うため、脚の裏にかかる荷重を検出する必要がある。そのため、装着者１２の左右脚の裏には、床反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂが設けられている。
【００３１】
また、床反力センサ５０ａは、右脚前側の荷重に対する反力を検出し、床反力センサ５０ｂは、右脚後側の荷重に対する反力を検出する。床反力センサ５２ａは、左脚前側の荷重に対する反力を検出し、床反力センサ５２ｂは、左脚後側の荷重に対する反力を検出する。各床反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂは、例えば、印加された荷重に応じた電圧を出力する圧電素子、又は、荷重に応じて静電容量が変化するセンサなどからなり、体重移動に伴う荷重変化、及び装着者１２の脚と地面との接地の有無を夫々検出することができる。また、左右の足裏に係る荷重のバランスから、重心位置を求めることができる。
〔下肢駆動部及び下肢フレームについて〕
下肢駆動部３００Ａは、装着者１２の右側股関節に位置する右腿駆動モータ２０と、装着者１２の右膝関節に位置する右膝駆動モータ２４とを有する。また、下肢駆動部３００Ｂは、装着者１２の左側股関節に位置する左腿駆動モータ２２と、装着者１２の左膝関節に位置する左膝駆動モータ２６とを有する。これらの駆動モータ２０，２２，２４，２６は、制御装置(制御部)１００からの制御信号により駆動トルクを制御されるＤＣモータまたはＡＣモータなどからなる電動モータからなる。また、各駆動モータ２０，２２，２４，２６は、モータ回転を所定の減速比で減速する減速機構（駆動部に内蔵）を有しており、小型ではあるが十分な駆動力を付与することができる。
【００３２】
さらに、下肢駆動部３００Ａ，３００Ｂは、腰フレーム３０の下方に設けられ、股関節に対応する第１関節６４と、膝関節に相当する第２関節６６と、足首に対応する第３関節６８とを有する。
この第１関節６４は、腰フレーム３０と第１下肢フレーム５８との間に設けられている。また、第１関節６４は、駆動モータ２０，２２が内蔵されたモータユニットを構成しており、第１関節６４と駆動モータ２０，２２とは外観上一体化されている。
【００３３】
また、第１下肢フレーム５８の下端と第２下肢フレーム６０の上端との間には、軸受構造とされた第２関節６６が介在しており、第１下肢フレーム５８と第２下肢フレーム６０とを回動可能に連結している。この第２関節６６は、膝関節と一致する高さ位置に設けられており、第１下肢フレーム５８が第２関節６６の支持側に締結され、第２下肢フレーム６０が第２関節６６の回動側に締結されている。また、第２関節６６には、駆動モータ２４，２６が内蔵されたモータユニットを構成しており、第２関節６６と駆動モータ２４，２６とは外観上一体化されている。
【００３４】
また、第２下肢フレーム６０の下端と第３下肢フレーム６２の上端との間には、軸受構造とされた第３関節６８が介在しており、第２下肢フレーム６０と第３下肢フレーム６２とを回動可能に連結している。そして、第３下肢フレーム６２の内側には、装着者１２の靴を装着する靴保持部８４が固定されている。
【００３５】
従って、第１下肢フレーム５８及び第２下肢フレーム６０は、腰支持体３０に対して第１関節６４及び第２関節６６を回動支点とする歩行動作を行えるように取り付けられている。すなわち、第１下肢フレーム５８及び第２下肢フレーム６０は、装着者１２の脚と同じ動作を行えるように構成されている。また、第３関節６８は、装着者１２の足首の側方に位置するように設けられている。そのため、靴保持部８４は、第３関節６８の回動動作により歩行動作に応じて装着者１２の足首と同じように床面（または地面）に対する角度が変化する。また、靴保持部８４は、床反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂが設けられている。
【００３６】
また、第１関節６４及び第２関節６６は、駆動モータ２０，２２，２４，２６の回転軸が、ギヤを介して被駆動側となる第１下肢フレーム５８、第２下肢フレーム６０に駆動トルクを伝達するように構成されている。
【００３７】
さらに、駆動モータ２０，２２，２４，２６は、関節回動角度を検出する角度センサ(図８参照)を有する。この角度センサは、例えば、第１関節６４及び第２関節６６の関節角度に比例したパルス数をカウントするロータリエンコーダなどからなり、関節回動角度に応じたパルス数に対応した電気信号をセンサ出力として出力する。
【００３８】
第１関節６４の角度センサは、装着者１２の股関節の関節角度に相当する腰支持体３０と第１下肢フレーム５８との間の回動角度を検出する。また、第２関節６６の角度センサは、装着者１２の膝関節の関節角度に相当する第１下肢フレーム５８の下端と第２下肢フレーム６０との間の回動角度を検出する。
【００３９】
また、第１下肢フレーム５８の長手方向の中間位置には、装着者１２の腿に締結される下肢締結部材７８及び締結用ベルト７９が取り付けられている。また、第２フレーム６０の長手方向の中間位置には、装着者１２の膝下の脛に締結される下肢締結部材８０及び締結用ベルト８１が取り付けられている。
【００４０】
下肢駆動部３００Ａ，３００Ｂの下肢締結部材７８，８０は、装着者１２の腿、脛の前側に当接するように断面が半円形に形成されており、後側から締結用ベルト７９，８１により装着者１２の脚に締結される。このように、下肢駆動部３００Ａ，３００Ｂの下肢締結部材７８，８０は、前述した腰フレーム３０と同様に後側から装着者１２に装着可能な構成であるので、例えば動作補助装置１０をハンガーなどにより上方から吊下状態でメンテナンスすると共に、メンテナンス後に装着者１２が装置後側からそのまま着るように装着することが可能になる。
【００４１】
駆動モータ２０，２２，２４，２６で発生された駆動トルクは、ギヤを介して第１下肢フレーム５８、第２下肢フレーム６０に伝達され、さらに下肢締結部材７８，８０及び締結用ベルト７９，８１を介して装着者１２の脚にアシスト力として伝達される。
【００４２】
また、第２下肢フレーム６０の下端には、第３関節軸６８を介して靴８４が回動可能に連結されている。尚、第１下肢フレーム５８及び第２下肢フレーム６０は、装着者１２の脚の長さに応じた長さに調整可能とされている。
【００４３】
各フレーム５８，６０，６２は、夫々ジュラルミン等の軽量化された金属材の周囲を弾性を有する樹脂材で覆うように構成されており、腰フレーム３０及び上肢フレーム１４、上肢駆動部１７Ａ，１７ｂ、バッテリ３２，３４、制御ユニット３６等の質量を支えることができる。すなわち、動作補助装置１０は、腰フレーム３０、上肢フレーム１４、上肢駆動部１７Ａ，１７ｂ、バッテリ３２，３４、制御ユニット３６の質量が装着者１２に作用しないように構成されている。
〔制御システムの構成〕
図７は制御部のシステム構成を示すブロック図である。図７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２０，２２，２４，２６,３２０,３２２，３２４，３２６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、下肢生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ及び上肢生体信号検出センサ３３８ａ，３３８ｂ，３４０ａ，３４０ｂ，３４２ａ，３４２ｂ，３４４ａ，３４４ｂ，３４６ａ，３４６ｂ，３４８ａ，３４８ｂからなる。
【００４４】
データ格納部１４６には、基準パラメータデータベース１４８と、指令信号データベース１５０とが格納されている。
【００４５】
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。
【００４６】
また、装着者１２の皮膚が汗で濡れることが予想される場合には、生体信号検出部１４４からの生体信号の入力が得られないときに、物理現象検出部１４２により検出された各データ（角度センサ７０，７２，７４，７６(図６参照)により検出された関節角度データ又は反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂにより検出された重心移動データ）に基づいて各駆動モータ２０，２２，２４，２６の駆動トルクを制御する方法を選択することも可能である。
【００４７】
物理現象検出部１４２によって検出された関節角度（θknee,θhip）や重心位置は、基準パラメータデータベース１４８に入力される。フェーズ特定部１５２では、物理現象検出部１４２により検出された関節角度及び重心位置を基準パラメータデータベース１４８に格納された基準パラメータの関節角度及び重心位置と比較することにより、装着者１２の動作のフェーズを特定する。
【００４８】
そして、自律的制御部１６０では、フェーズ特定部１５２により特定されたフェーズの制御データを得ると、このフェーズの制御データに応じた指令信号を生成し、この動力を駆動部１４０に発生させるための指令信号を電力増幅部１５８に供給する。
〔各制御機器の接続系統〕
図８は下肢駆動部の各制御機器の接続を示すブロック図である。図９は上肢駆動部の各制御機器を示すブロック図である。図８及び図９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。
【００４９】
各駆動モータ２０，２２，２４，２６,３２０,３２２，３２４，３２６を駆動する第１乃至第８モータドライバ９２〜９５,３９２〜３９５は、入出力インターフェイス８８を介して制御装置１００からの制御信号に応じた駆動電圧を増幅して各駆動モータ２０，２２，２４，２６,３２０,３２２，３２４，３２６に出力する。
【００５０】
各下肢生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ及び上肢生体信号検出センサ３３８ａ，３３８ｂ，３４０ａ，３４０ｂ，３４２ａ，３４２ｂ，３４４ａ，３４４ｂ，３４６ａ，３４６ｂ，３４８ａ，３４８ｂから出力された生体電位信号の検出信号は、電力増幅部１５８の第１乃至第２０差動増幅器１０１〜１０８，３０１〜３１２によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）によってデジタル信号に変換されて入出力インターフェイス８８を介して制御装置１００に入力される。尚、装着者１２の皮膚表面で検出される生体電位信号は、微弱である。そのため、第１乃至第８差動増幅器１０１〜１０８,３０１〜３１２で例えば、３０μＶの検出信号をコンピュータが判別可能な３Ｖ程度に増幅するには、１０５倍となる１００dBの増幅率が必要になる。
【００５１】
また、角度センサ７０，７２，７４，７６から出力された角度検出信号は、夫々第１乃至第４角度検出部１１１〜１１４に入力される。第１乃至第４角度検出部１１１〜１１４は、ロータリエンコーダによって検出されたパルス数を角度に相当する角度データ値に変換しており、検出された回動角度データは入出力インターフェイス８８を介して制御装置１００に入力される。
【００５２】
反力センサ５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂから出力された反力検出信号は、夫々第１乃至第４反力検出部１２１〜１２４に入力される。第１乃至第４反力検出部１２１〜１２４は、圧電素子によって検出された電圧を力に相当するデジタル値に変換しており、検出された反力データは入出力インターフェイス８８を介して制御装置１００に入力される。
【００５３】
データ格納部１４６のメモリ１３０は、各データを格納する格納部であり、起立動作、歩行動作や着席動作など各動作パターン（タスク）毎に設定されたフェーズ単位の制御データが予め格納されたデータベース格納領域１３０Ａと、各モータを制御するための制御プログラムが格納された制御プログラム格納領域１３０Ｂなどが設けられている。データベース格納領域１３０Ａには、図７に示す基準パラメータデータベース１４８と指令信号データベース１５０が格納されている。
【００５４】
また、制御装置１００から出力された制御データは、入出力インターフェイス８８を介してデータ出力部１３２あるいは通信ユニット１３４に出力され、例えば、モニタ（図示せず）に表示したり、あるいはデータ監視用コンピュータ（図示せず）などにデータ通信で転送することもできる。
【００５５】
また、制御装置１００は、前述した自律的制御部１６０と、フェーズ特定部１５２と、差分導出部１５４と、ゲイン変更部１５６とを備えている。
〔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１０Ａのフローチャートを参照して説明する。図１０Ａ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（下肢生体信号検出センサ３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ及び上肢生体信号検出センサ３３８ａ，３３８ｂ，３４０ａ，３４０ｂ，３４２ａ，３４２ｂ，３４４ａ，３４４ｂ，３４６ａ，３４６ｂ，３４８ａ，３４８ｂ）によって検出された筋電位信号(EMGknee,EMGhip)を取得する。
【００５６】
次のＳ１２ａでは、生体信号検出部１４４からの生体検出信号が検出できているか否かをチェックする。Ｓ１２ａにおいて、生体信号検出部１４４からの生体検出信号が検出できていない場合（ＮＯの場合）（例えば、生体信号センサが装着者１２の汗で剥がれている場合、あるいは生体信号センサを装着していない場合、生体信号検出部１４４からの筋電位信号が得られない。）、Ｓ１３に進み、上記Ｓ１１、Ｓ１２で取得された関節角度（θknee,θhip）及び重心位置を基準パラメータデータベース１４８と照合して装着者１２の各動作種別に対応するタスクのフェーズ(動作段階)を特定する。
【００５７】
次のＳ１４では、上記Ｓ１３で特定されたフェーズ(動作段階)に応じた指令関数f(t)及びゲインＰを選択する。
【００５８】
そして、Ｓ１５では、選択されたゲインＰにより生成された指令信号（制御信号）が、電力増幅部１５８（モータドライバ９２〜９５,３９２〜３９５）に供給される。これにより、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６,３２０,３２２，３２４，３２６）は、駆動トルクを発生することになる。
【００５９】
その結果、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６,３２０,３２２，３２４，３２６）は、装着者１２から検出した関節角度及び重心位置に基づいて選択されたフェーズに応じた駆動トルクを発生し、この駆動トルクを第１下肢フレーム５８、第２下肢フレーム６０及び下肢締結部材７８，８０及び締結ベルト７９，８１を介して装着者１２の脚にアシスト力として伝達する。
【００６０】
このように、装着者１２の関節角度と重心位置に基づいてアシストを行うので、装着者１２は、生体検出信号が得られなくても駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６,３２０,３２２，３２４，３２６）からの駆動トルクによるアシスト力を付与されて労力が軽減される。
【００６１】
例えば、装着者１２が運搬物を両腕で持ち上げたままの状態で階段を上る場合には、指令関数f（t）に応じた駆動力を発生させてアシストする。このような場合には、上の段についた脚は、股関節及び膝関節の角度が平地を歩行する場合よりも屈曲した状態で着地することになる、従って、例えば股関節及び／又は膝関節の屈折角度が８０°〜１００°の時に、床半力センサの検出値が所定の値以上になったら、階段を上るフェーズであると判断し、膝関節及び股関節の角度の伸展に合わせて駆動トルクを発生させる。
【００６２】
また、階段を下りるフェーズ、立ち上がりのフェーズ、座りのフェーズであると判断した場合にも、所定の指令関数f（t）に従って駆動力を発生させてアシストをする。
【００６３】
なお、装着者１２が、平地を歩行している場合には負担が比較的小さいので、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６,３２０,３２２，３２４，３２６）によるアシストが無くても作業効率は低下しない。従って、一般的な歩行のフェーズであると判断したときには、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６,３２０,３２２，３２４，３２６）は装着者１２の動作を阻害しないように、駆動モータ自体の粘性を補償するように駆動される。
【００６４】
Ｓ１６では、当該タスクの最終フェーズに対する制御処理が行われてかどうかを確認する。Ｓ１６において、当該タスクの最終フェーズに対する制御処理が残っている場合には、上記Ｓ１１に戻り、次のフェーズに対する制御処理（Ｓ１１〜Ｓ１６）を行う。また、Ｓ１６において、当該タスクの最終フェーズに対する制御処理を行ったときは、今回の制御処理を終了する。
【００６５】
このように、動作補助装置１０は、運搬物を両腕で持ち上げて運搬する場合、駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６,３２０,３２２，３２４，３２６）からの駆動トルクが第１下肢フレーム５８、第２下肢フレーム６０及び下肢締結部材７８，８０及び締結ベルト７９，８１を介して装着者１２の脚に伝達されるため、装着者１２は例えば階段を上る際でも通常の半分以下の力で動作することが可能になる。
【００６６】
このように、生体信号センサが装着者１２の汗で剥がれているような場合、あるいは生体信号センサを装着していない場合には、角度センサ７０，７２，７４，７６によって検出された関節回動角度に基づいて装着者１２が階段や段差を上っている場合に駆動部１４０（駆動モータ２０，２２，２４，２６,３２０,３２２，３２４，３２６）からの駆動トルクを付与することで装着者１２の労力を軽減して、作業効率を高めることができる。また、制御装置１００が装着者１２の動作に応じて駆動部１４０の駆動トルクを制御するため、装着者１２が歩行する際にも運搬物の質量を感じることなく、歩行することが可能になり、体力の消耗を抑制できる。
〔生体信号を用いて制御装置１００が実行する制御処理〕
図１０Ｂ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１０Ｂ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。
【００６７】
次のＳ１９では、指令信号を電力増幅部１５８（モータドライバ９２〜９５,３９２〜３９５）に送出する。これにより、装着者１２には、生体検出信号に応じたアシスト力を付与されて労力が軽減される。
【００６８】
Ｓ２０では、ゲイン変更部による入力があったかどうか確認する。Ｓ２０において、ゲイン変更部による入力があった場合には、上記Ｓ１８に戻り、変更後のゲインＰにより制御処理（Ｓ１８〜Ｓ２０）を行う。また、Ｓ２０において、ゲイン変更部による入力が無かったときは、今回の制御処理を終了する。
【００６９】
このように、生体信号センサにより生体電位信号が検出できる場合には、生体電位信号に基づいて装着者１２の意思に応じて駆動トルクを付与することで装着者１２の労力を軽減して、作業効率を高めることができる。また、制御装置１００が装着者１２の動作に応じて駆動部１４０の駆動トルクを制御するため、運搬物を両腕で持ち上げた状態でのバランスを取りやすく、スムーズに歩行することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
上記実施例の説明では、重量物を運搬する場合について説明したが、重量物としては、金属や石などに限らず、例えば、災害現場などで負傷者を運搬する場合にも適用できるのは勿論である。
また、上記実施例では、上肢フレームと腰フレームと下肢フレームを組み合わせたフレーム構造を一例として挙げたが、これに限らず、腰フレームと下肢フレームを組み合わせたフレーム構造のものにも本発明が適用できるのは勿論である。
【符号の説明】
【００７１】
１０  装着式動作補助装置
１２  装着者
１４  上肢フレーム
１５  垂直フレーム
１６Ａ、１６Ｂ  肩フレーム
１７Ａ，１７Ｂ  上肢駆動部
１８  フレーム構造
１９  下肢フレーム
２０，２２，２４，２６，３２０，３２２，３２４，３２６  駆動モータ
３０  腰フレーム
３０Ａ  腰締結部
３１  後側開口
３６  制御ユニット
３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ  下肢生体信号検出センサ
５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂ  床反力センサ
５８  第１下肢フレーム
６０  第２下肢フレーム
６２  第３下肢フレーム
６４  第１関節
６６  第２関節
６８  第３関節
７０，７２，７４，７６  角度センサ
７８，８０  下肢締結部材
７９，８１  締結用ベルト
８４  靴保持部
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
９２〜９５,３９２〜３９５  モータドライバ
１００  制御装置
１０１〜１０８,３０１〜３１２  差動増幅器
１１１〜１１４  角度検出部
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
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  随意的制御部
１５６  ゲイン変更部
１５８  電力増幅部
１６０  自律的制御部
２００Ａ，２００Ｂ  肩駆動部
２１０Ａ，２１０Ｂ  腕駆動部
２６０  載置台
２７０  検出センサ
２８０  昇降機構
３００Ａ，３００Ｂ  下肢駆動部
３３４，３３６  第２腕フレーム
３３０，３３１  上肢締結部材
３３８ａ，３３８ｂ，３４０ａ，３４０ｂ，３４２ａ，３４２ｂ，３４４ａ，３４４ｂ，３４６ａ，３４６ｂ，３４８ａ，３４８ｂ  上肢生体信号検出センサ
３５０，３５２  上肢締結ベルト
３６０  腰締結ベルト
【図１】
0005854454.tif 000002
【図２】
0005854454.tif 000003
【図３】
0005854454.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005854454.tif 000006
【図６】
0005854454.tif 000007
【図７】
0005854454.tif 000008
【図８】
0005854454.tif 000009
【図９】
0005854454.tif 000010
【図１０Ａ】
0005854454.tif 000011
【図１０Ｂ】
0005854454.tif 000012