(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）装着者の両肩部近傍にそれぞれ配置され、腕用電動モータ１を含み、装着者の上腕部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する２つの腕用駆動部２，３，４；１，９と、
（ｂ）両肩部にわたって延びるフレーム５を含み、装着者の胴体上部に装着され、前記２つの腕用駆動部２，３，４；１，９を保持し、前記２つの腕用駆動部２，３，４；１，９は、前記フレーム５に連結される腕用保持部５と、
（ｃ）装着者の腰部近傍にそれぞれ配置され、大腿用電動モータ１１を含み、装着者の大腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する２つの大腿用駆動部１２，１３，１４；１１，１９と、
（ｄ）装着者の腰部に装着され、前記２つの大腿用駆動部１２，１３，１４；１１，１９を保持する腰用保持部１５と、
（ｅ）前記２つの腕用駆動部２，３，４；１，９に設けられ、上腕部の肩関節まわりの回転角度を検出する第１の角度検出部と、
（ｆ）前記２つの大腿用駆動部１２，１３，１４；１１，１９に設けられ、大腿部の股関節まわりの回転角度を検出する第２の角度検出部と、
（ｇ）装着者が装着する靴の靴底部における爪先部分および踵部分にそれぞれ設けられ、予め定める値以上の重量が爪先部および踵部に作用しているか否かを検出する床反力検出部２１，２２と、
（ｈ）前記腰用保持部１５に設けられ、装着者の上半身の傾きを検出する３次元加速度センサと、
（ｉ）足ユニット１５０，１６０であって、各足ユニット１５０，１６０は、
（ｉ１）床反力検出部２１，２２によって検出される検出結果を無線通信でそれぞれ送る足用無線通信部１５１，１６１と、
（ｉ２）足用無線通信部１５１，１６１に電力を供給する足用電池１５２，１６２とを含む足ユニット１５０，１６０と、
（ｊ）腕用駆動部２，３，４；１，９に設けられる上肢ユニット１４０であって、
腕用電動モータ１を駆動制御する上肢用モータドライバ１４１を有する上肢ユニット１４０と、
（ｋ）腰用保持部１５に設けられる下肢ユニット１３０，２３であって、
（ｋ１）足用無線通信部１５１，１６１からの前記検出結果を受信する下肢用無線通信部１３１と、
（ｋ２）大腿用電動モータ１１を駆動制御する下肢用モータドライバ１３５と、
（ｋ３）駆動制御部１３２であって、
上肢用モータドライバ１４１および下肢用モータドライバ１３５に有線で接続され、
第１の角度検出部によって検出される両上腕部の回転角度、第２の角度検出部によって検出される両大腿部の回転角度、床反力検出部２１，２２によって検出されて下肢用無線通信部１３１からの検出結果、および３次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部および両大腿部に作用する静的トルク、回転方向および回転に要する回転トルクを算出し、
さらに、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの腕用駆動部２，３，４；１，９および前記２つの大腿用駆動部１２，１３，１４；１１，１９を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクを発生するように、前記２つの腕用駆動部２，３，４；１，９および前記２つの大腿用駆動部１２，１３，１４；１１，１９を駆動させる駆動制御部１３２と、
（ｋ４）上肢ユニット１４０および下肢ユニット１３０，２３の各部位、ならびに腕用電動モータ１および大腿用電動モータ１１に電力を供給する下肢用電池１３３とを有する下肢ユニット１３０，２３とを含むことを特徴とするパワーアシストロボット装置。
【請求項２】
（Ｌ）ハンディ端末５０であって、
装着者の腕または腿の質量ｍが入力され、
肩関節の制御のために保持モードが設定され、
股関節の制御のために保持モードと歩行モードとが設定されて、
下肢用無線通信部１３１に無線通信によって送信するハンディ端末５０を有し、
（ｎ）前記駆動制御部１３２は、
下肢用無線通信部１３１によって受信されたハンディ端末５０の出力を書換えて更新して記憶する記憶部を有し、
この記憶部の出力に応答し、
ハンディ端末５０によって、肩関節の制御のために保持モードが設定されたとき、前記質量ｍを用いて、肩関節の関節角度に比例したアシストトルクが出力されるように、腕用駆動部２，３，４；１，９を駆動させ（図５のＡ１１）、
股関節の制御のために保持モードが設定されたとき、股関節の関節角度に比例したアシストトルクが出力されるように、大腿用駆動部１２，１３，１４；１１，１９を駆動させ（図６のＡ１９）、
股関節の制御のために歩行モードが設定されたとき、予め定められた歩行シーケンスが実行されるように、大腿用駆動部１２，１３，１４；１１，１９を駆動させる（図６のＡ１４〜Ａ１８，Ａ２０〜Ａ２２）ことを特徴とする請求項１に記載のパワーアシストロボット装置。
【請求項３】
前記駆動制御部１３２は、記憶部の書換え更新動作を、肩関節の制御および股関節の制御を行なう動作とともに、一連の動作ループ（図５、図６のＡ４〜Ａ２３）内で処理することを特徴とする請求項２に記載のパワーアシストロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、装着者が行う力作業を支援するパワーアシストロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
日本の農業において、少子高齢化が進んでいる。すなわち、全国の農業従事者の数が減少しつつある中で、６０歳以上の農業従事者が２２０万人まで増加している。また、食料自給率向上が叫ばれており、農作業支援の必要性が高まっている。このような状況の中で、従来の米国型の大型の農業機械化ではなく、狭い日本の農地に適し、さらに山間部農業の活性化や地域再生化に役立つ農作業支援機器として、パワーアシストスーツなどのパワーアシストロボット装置が利用される。
【０００３】
パワーアシストスーツには、軽作業用パワーアシストスーツと重作業用パワーアシストスーツとがある。軽作業用パワーアシストスーツは、軽作業支援として、果物、たとえば桃、柿、みかん、ぶどうおよびキュウイなどの受粉、摘花、摘果、袋掛けおよび収穫などの上向き作業、および、いちごなどの収穫時の中腰作業など、１０ｋｇ程度以下の軽量物の持ち上げ、持ちおろしおよび運搬などの作業支援、さらに、平地や傾斜地および階段での歩行や走行支援に用いられる。
【０００４】
重作業用パワーアシストスーツは、重作業支援として、大根やキャベツなど大型野菜の中腰姿勢での収穫作業、ならびに、米袋・収穫物コンテナなど３０ｋｇ程度の重量物の持ち上げ、積み込み、積み下ろしおよび運搬作業の支援に用いられる。
【０００５】
また、パワーアシストスーツは、農業用以外に工場用として、重量物の運搬作業や長時間継続する一定姿勢での作業などに使用される。さらに、パワーアシストスーツは、介護用として、ベッドから車椅子への人の移乗作業などに使用され、また、リハビリ用として、歩行リハビリ支援用などにも使用することができる。
【０００６】
パワーアシストスーツを駆動する駆動方式には、パッシブ方式およびアクティブ方式がある。パッシブ方式には、バネ式およびゴム式などの方式がある。アクティブ方式には、電動モータ方式、空気圧駆動方式および油圧駆動方式などの方式がある。空気圧駆動方式には、空気圧ゴム人工筋肉、空気圧シリンダ、および空気圧ロータリアクチュエータを用いる方式（たとえば特許文献１，２参照）がある。
【０００７】
また、パワーアシストスーツを制御するアシスト制御方式には、音声入力やスイッチ入力による動作パターン再生方式、表面筋電位信号より筋肉が出そうとするトルクを推定する方式（たとえば特許文献３参照）、表面筋電位信号をトリガ信号として動作パターンを再生する動作パターン再生方式（たとえば特許文献４参照）、パワーアシストスーツを取りつけている装着者の手首部や足首部に作用する力を、センサを用いて計測してフィードバック制御することによって、装着者の動きにパワーアシストスーツを追従させるマスタスレーブ制御方式（たとえば特許文献２，５，６参照）などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３７７１０５６号公報
【特許文献２】特開２００７−９７６３６号公報
【特許文献３】特許第４２００４９２号公報
【特許文献４】特許第４１７８１８５号公報
【特許文献５】特開２００７−１３０２３４号公報
【特許文献６】特開２００６−７５４５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
バネ式やゴム式のパッシブ方式は、一方向にしかパワーアシストすることができない。高減速比の減速機付き電動モータ方式は、安全性に問題がある。空気圧方式は、空気圧縮用コンプレッサを搭載すると重くなる。油圧方式でも同様に重くなる。動作パターン再生方式は、再生することができるパターンに限界があり、動作の切り換わり時に不連続になる恐れがある。表面筋電位からトルクを推定する方式は、事前の学習時間を必要とする。マスタスレーブ制御は、装着者が動いてからフィードバックがかかるので遅れが生じ、どうしても、装着者がパワーアシストロボット装置を引っ張っているという感覚を覚えてしまう。
【００１０】
本発明の目的は、装着者の動作を拘束することなく補助することができるパワーアシストロボット装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、
（ａ）装着者の両肩部近傍にそれぞれ配置され、腕用電動モータ１を含み、装着者の上腕部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する２つの腕用駆動部２，３，４；１，９と、
（ｂ）両肩部にわたって延びるフレーム５を含み、装着者の胴体上部に装着され、前記２つの腕用駆動部２，３，４；１，９を保持し、前記２つの腕用駆動部２，３，４；１，９は、前記フレーム５に連結される腕用保持部５と、
（ｃ）装着者の腰部近傍にそれぞれ配置され、大腿用電動モータ１１を含み、装着者の大腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する２つの大腿用駆動部１２，１３，１４；１１，１９と、
（ｄ）装着者の腰部に装着され、前記２つの大腿用駆動部１２，１３，１４；１１，１９を保持する腰用保持部１５と、
（ｅ）前記２つの腕用駆動部２，３，４；１，９に設けられ、上腕部の肩関節まわりの回転角度を検出する第１の角度検出部と、
（ｆ）前記２つの大腿用駆動部１２，１３，１４；１１，１９に設けられ、大腿部の股関節まわりの回転角度を検出する第２の角度検出部と、
（ｇ）装着者が装着する靴の靴底部における爪先部分および踵部分にそれぞれ設けられ、予め定める値以上の重量が爪先部および踵部に作用しているか否かを検出する床反力検出部２１，２２と、
（ｈ）前記腰用保持部１５に設けられ、装着者の上半身の傾きを検出する３次元加速度センサと、
（ｉ）足ユニット１５０，１６０であって、各足ユニット１５０，１６０は、
（ｉ１）床反力検出部２１，２２によって検出される検出結果を無線通信でそれぞれ送る足用無線通信部１５１，１６１と、
（ｉ２）足用無線通信部１５１，１６１に電力を供給する足用電池１５２，１６２とを含む足ユニット１５０，１６０と、
（ｊ）腕用駆動部２，３，４；１，９に設けられる上肢ユニット１４０であって、
腕用電動モータ１を駆動制御する上肢用モータドライバ１４１を有する上肢ユニット１４０と、
（ｋ）腰用保持部１５に設けられる下肢ユニット１３０，２３であって、
（ｋ１）足用無線通信部１５１，１６１からの前記検出結果を受信する下肢用無線通信部１３１と、
（ｋ２）大腿用電動モータ１１を駆動制御する下肢用モータドライバ１３５と、
（ｋ３）駆動制御部１３２であって、
上肢用モータドライバ１４１および下肢用モータドライバ１３５に有線で接続され、
第１の角度検出部によって検出される両上腕部の回転角度、第２の角度検出部によって検出される両大腿部の回転角度、床反力検出部２１，２２によって検出されて下肢用無線通信部１３１からの検出結果、および３次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部および両大腿部に作用する静的トルク、回転方向および回転に要する回転トルクを算出し、
さらに、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの腕用駆動部２，３，４；１，９および前記２つの大腿用駆動部１２，１３，１４；１１，１９を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクを発生するように、前記２つの腕用駆動部２，３，４；１，９および前記２つの大腿用駆動部１２，１３，１４；１１，１９を駆動させる駆動制御部１３２と、
（ｋ４）上肢ユニット１４０および下肢ユニット１３０，２３の各部位、ならびに腕用電動モータ１および大腿用電動モータ１１に電力を供給する下肢用電池１３３とを有する下肢ユニット１３０，２３とを含むことを特徴とするパワーアシストロボット装置である。
【００１２】
本発明は、
（Ｌ）ハンディ端末５０であって、
装着者の腕または腿の質量ｍが入力され、
肩関節の制御のために保持モードが設定され、
股関節の制御のために保持モードと歩行モードとが設定されて、
下肢用無線通信部１３１に無線通信によって送信するハンディ端末５０を有し、
（ｎ）前記駆動制御部１３２は、
下肢用無線通信部１３１によって受信されたハンディ端末５０の出力を書換えて更新して記憶する記憶部を有し、
この記憶部の出力に応答し、
ハンディ端末５０によって、肩関節の制御のために保持モードが設定されたとき、前記質量ｍを用いて、肩関節の関節角度に比例したアシストトルクが出力されるように、腕用駆動部２，３，４；１，９を駆動させ（図５のＡ１１）、
股関節の制御のために保持モードが設定されたとき、股関節の関節角度に比例したアシストトルクが出力されるように、大腿用駆動部１２，１３，１４；１１，１９を駆動させ（図６のＡ１９）、
股関節の制御のために歩行モードが設定されたとき、予め定められた歩行シーケンスが実行されるように、大腿用駆動部１２，１３，１４；１１，１９を駆動させる（図６のＡ１４〜Ａ１８，Ａ２０〜Ａ２２）ことを特徴とする。
【００１３】
本発明は、
前記駆動制御部１３２は、記憶部の書換え更新動作を、肩関節の制御および股関節の制御を行なう動作とともに、一連の動作ループ（図５、図６のＡ４〜Ａ２３）内で処理することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、２つの腕用駆動部は、装着者の両肩部の近傍にそれぞれ配置され、装着者の上腕部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する。腕用保持部は、装着者の胴体上部に装着され、前記２つの腕用駆動部を保持する。２つの大腿用駆動部は、装着者の腰部の近傍にそれぞれ配置され、装着者の大腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する。そして、腰用保持部は、装着者の腰部に装着され、前記２つの大腿用駆動部を保持する。したがって、パワーアシストロボット装置は、アシスト方向以外の装着者の動作を妨げないように、上下軸線および前後軸線まわりに回転自在な腕用連結部および腰用連結部、たとえば駆動機器が取りつけられていない受動回転軸を、装着者の関節の外側周囲に配置しているので、装着者の動作を拘束することなく補助することができる。
【００２９】
また本発明によれば、第１の角度検出部は、前記２つの腕用駆動部に設けられ、上腕部が回転している回転角度を検出する。第２の角度検出部は、前記２つの大腿用駆動部に設けられ、大腿部が回転している回転角度を検出する。床反力検出部は、装着者が装着する靴の靴底部における爪先部分および踵部分にそれぞれ設けられ、予め定める値以上の重量が爪先部および踵部に作用しているか否かを検出する。そして、３次元加速度センサは、前記腰用保持部に設けられ、装着者の上半身の傾きを検出する。したがって、パワーアシストロボット装置は、第１，第２の角度検出部、床反力検出部、３次元加速度センサを用いているので、表面筋電位センサを装着する煩わしさがなく、実用的である。
【００３０】
また本発明によれば、駆動制御部は、第１の角度検出部によって検出される両上腕部の回転角度、第２の角度検出部によって検出される両大腿部の回転角度、床反力検出部によって検出される検出結果、および３次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部および両大腿部に作用する静的トルク、回転方向およびに回転に要する回転トルクを算出し、さらに、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクを発生するように、前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部を駆動させる。したがって、パワーアシストロボット装置は、回転角度等に基づいて駆動トルクを算出するので、数多くの動作パターンをデータベース化しておく必要がなく、動作の切り換わり時に不連続になることがない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態である第１の軽作業用アシストスーツ１００の外観を示す図である。
【図２】第１の軽作業用アシストスーツ１００に含まれる制御機器の構成を示す図である。
【図３】ハンディ端末５０の外観を示す図である。
【図４】回転トルクＴの算出を説明するための図である。
【図５】第１の軽作業用アシストスーツ１００で実行される第１のアシストスーツ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】第１の軽作業用アシストスーツ１００で実行される第１のアシストスーツ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明の参考例である第２の軽作業用アシストスーツ２００の外観を示す図である。
【図８】本発明の他の参考例である第１の重作業用アシストスーツ３００の外観を示す図である。
【図９】第１の重作業用アシストスーツ３００に含まれる空気圧駆動機器の構成を示す図である。
【図１０】第１の重作業用アシストスーツ３００に含まれる制御機器の構成を示す図である。
【図１１】第１の重作業用アシストスーツ３００で実行される第３のアシストスーツ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１２】第１の重作業用アシストスーツ３００で実行される第３のアシストスーツ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の他の参考例である第２の重作業用アシストスーツ５００の外観を示す図である。
【図１４】第２の重作業用アシストスーツ５００に含まれる空気圧駆動機器の構成を示す図である。
【図１５】第２の重作業用アシストスーツ５００に含まれる制御機器の構成を示す図    である。
【図１６】各関節でのトルクＴの算出を説明するための図である。
【図１７】第２の重作業用アシストスーツ５００で実行される第４のアシストスーツ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１８】第２の重作業用アシストスーツ５００で実行される第４のアシストスーツ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１は、本発明の第１の実施形態である第１の軽作業用アシストスーツ１００の外観を示す図である。図１（ａ）は、装着者によって装着された状態の第１の軽作業用アシストスーツ１００の外観を示す正面図である。図１（ｂ）は、装着者によって装着された状態の第１の軽作業用アシストスーツ１００の外観を示す側面図である。本発明に係る制御方法は、第１の軽作業用アシストスーツ１００で実行される。
【００４３】
パワーアシストロボット装置である第１の軽作業用アシストスーツ１００は、電動モータ１，１１、受動回転軸２〜４，１２〜１４、背面フレーム５，１５、アーム９，１９、肩用ベルト７、胸用ベルト８、腕用ベルト１０、股用ベルト１８、大腿用ベルト２０、爪先床反力検出スイッチ２１、踵床反力検出スイッチ２２および中央制御ユニット２３を含んで構成される。第１の軽作業用アシストスーツ１００は、アクチュエータである電動モータ１を背面から支持する軽作業用のアシストスーツである。
【００４４】
電動モータ１は、肩のパワーアシスト用、つまり肩の動きを補助するための動力源として用いられる電動モータであり、肩関節を支点とする腕の回転をアシストするための動力を発生する。電動モータ１は、左右の肩関節の両サイドに、次のようにして取り付けられている。第１の軽作業用アシストスーツ１００の各部位と装着者との位置関係は、装着者が第１の軽作業用アシストスーツ１００を装着したときの装着者に対する位置である。
【００４５】
電動モータ１の固定端側には、肩関節の上下軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸２が取り付けられている。受動回転軸２に連結されるフレームは、肩関節の前後軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸３、および肩関節の上下軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸４を介して、装着者の背面中央付近に配置される背面フレーム５の上端に左右から取り付けられている。受動回転軸３および受動回転軸４は、肩関節中心の背面側に設けられる。受動回転軸２、受動回転軸３および受動回転軸４は、腕用連結部である。
【００４６】
腕用保持部である背面フレーム５は、たとえば四角形状である。背面フレーム５には、装着者の背中の形状に沿うようにクッション用パッド６が取り付けられている。また、背面フレーム５には、肩用ベルト７および胸用ベルト８が取り付けられている。肩用ベルト７は、背面フレーム５の上方から左右の肩の上を経て、また、胸用ベルト８は、背面フレーム５の下方から左右方向に脇を経て、胸部の前面にわたり、背面フレーム５が装着者に密着するように取り付けられる構造になっている。
【００４７】
電動モータ１の回転端側には、装着者の上腕に沿って延びるアーム９が取り付けられている。アーム９には、腕用ベルト１０が取り付けられており、アーム９が上腕に固定されるようになっている。腕用連結部と、前記電動モータ１と、アーム９とを含んで、腕用駆動部が構成される。
【００４８】
電動モータ１１は、腰のパワーアシスト用、つまり腰の動きを補助するための動力源として用いられる電動モータであり、股関節を支点とする大腿部の回転をアシストするための動力を発生する。電動モータ１１は、左右の股関節の両サイドに、左右軸線まわりに回転するように、次のようにして取り付けられている。
【００４９】
電動モータ１１の固定端側には、股関節の上下軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸１２が取り付けられている。受動回転軸１２に連結されるフレームは、股関節の上下軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸１３、および股関節の前後軸まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸１４を介して、装着者の背面中央付近に配置される背面フレーム１５の下端に左右から取り付けられている。受動回転軸１３および受動回転軸１４は、股関節中心の背面に設けられる。受動回転軸１２、受動回転軸１３および受動回転軸１４は、腰用連結部である。この腰用連結部と前記電動モータ１１と後述のアーム１９とを含んで、大腿用駆動部が構成される。
【００５０】
腰用保持部である背面フレーム１５は、たとえば四角形状である。背面フレーム１５には、装着者の背中の形状に沿うようにクッション用パッド１６が取り付けられている。また、背面フレーム１５には、腰用ベルト１７および股用ベルト１８が取り付けられている。腰用ベルト１７は、背面フレーム１５の上方から左右方向に脇腹を経て、また、股用ベルト１８は、背面フレーム１５の下方から股間を経て、胸部の左右前面にわたって、装着者に密着するように取り付けられる構造になっている。
【００５１】
電動モータ１１の回転端側は、装着者の大腿部に沿って延びるアーム１９が取り付けられている。アーム１９には、大腿用ベルト２０が取り付けられており、アーム１９は、大腿部に固定されるようになっている。
【００５２】
爪先床反力検出スイッチ２１は、各靴底の爪先側に設けられる。踵床反力検出スイッチ２２は、各靴底の踵側に設けられる。爪先床反力検出スイッチ２１は、予め定める重量値、たとえば３ｋｇ以上の重量が爪先部にかかったか否かを検出するセンサである。踵床反力検出スイッチ２２は、予め定める重量値、たとえば３ｋｇ以上の重量が踵部にかかったか否かを検出するセンサである。爪先床反力検出スイッチ２１および踵床反力検出スイッチ２２は、検出結果、つまり３ｋｇ以上の重量が爪先部にかかったか否かを示す情報を、中央制御ユニット２３に送る。爪先床反力検出スイッチ２１および踵床反力検出スイッチ２２は、床反力検出部である。
【００５３】
電動モータ１，１１は、関節角度を計測するためのロータリエンコーダをそれぞれ含んで構成される。各ロータリエンコーダは、計測した関節角度を中央制御ユニット２３に送る。電動モータ１に含まれるロータリエンコーダは、第１の角度検出部である。電動モータ１１に含まれるロータリエンコーダは、第２の角度検出部である。
【００５４】
中央制御ユニット２３は、背面フレーム１５の背面側に設けられる。中央制御ユニット２３は、３軸加速度センサを含んで構成される。３軸加速度センサは、腰の傾きを３軸で計測するための３次元加速度センサである。
【００５５】
図２は、第１の軽作業用アシストスーツ１００に含まれる制御機器の構成を示す図である。第１の軽作業用アシストスーツ１００に含まれる制御機器は、下肢ユニット１３０、上肢ユニット１４０、右足ユニット１５０、左足ユニット１６０、およびパラメータ設定用ハンディ端末装置（以下「ハンディ端末」という）５０を含んで構成される。
【００５６】
下肢ユニット１３０は、中央制御ユニット２３であり、無線通信部１３１、制御部１３２、電池１３３、およびモータドライバ１３５を含んで構成される。無線通信部１３１は、たとえば通信装置によって構成され、右足ユニット１５０、左足ユニット１６０、およびハンディ端末５０と無線通信によって情報の送受信を行う。無線通信は、たとえばノルウェーのＮＯＲＤＩＣ社製の２．４ＧＨｚ帯トランシーバ集積回路（Integrated Circuit：以下「ＩＣ」という）を使用している。このＩＣは、独自プロトコルであるが、１個のＩＣで、４つの周波数を切換えて使用することができるので、３ヶ所との個別通信が可能である。
【００５７】
駆動制御部である制御部１３２は、たとえば中央処理装置（Central Processing Unit：略称「ＣＰＵ」）によって構成される。モータドライバ１３５は、電動モータ１１に内蔵され、電動モータ１１を駆動制御する。制御部１３２とモータドライバ１３５とは、有線による通信で接続されている。制御部１３２は、アシストに必要な出力トルク指令をモータドライバ１３５へ送る。モータドライバ１３５は、ロータリエンコーダによって計測される関節角度を制御部１３２へ送る。電池１３３は、充電可能な蓄電池であり、下肢ユニット１３０および上肢ユニット１４０の各部位、ならびに電動モータ１，１１に電力を供給する。
【００５８】
上肢ユニット１４０は、モータドライバ１４１を含んで構成される。モータドライバ１４１は、電動モータ１に内蔵され、したがって腕用駆動部に設けられ、電動モータ１を駆動制御する。モータドライバ１４１は、有線の通信で制御部１３２と接続されている。有線の通信は、たとえば自動車関係で使用されているＣＡＮ（Controller Area Network）通信を用いている。制御部１３２は、アシストに必要な出力トルク指令をモータドライバ１４１に送る。モータドライバ１４１は、ロータリエンコーダによって計測される関節角度を制御部１３２へ送る。
【００５９】
右足ユニット１５０は、無線通信部１５１および電池１５２を含んで構成される。無線通信部１５１は、爪先床反力検出スイッチ２１および踵床反力検出スイッチ２２に接続され、爪先床反力検出スイッチ２１および踵床反力検出スイッチ２２による検出結果を、無線通信で制御部１３２に送る。電池１５２は、無線通信部１５１、爪先床反力検出スイッチ２１および踵床反力検出スイッチ２２に電力を供給する。左足ユニット１６０は、無線通信部１６１および電池１６２を含み、右足ユニット１５０と同じ構成であり、重複を避けるために説明を省略する。
【００６０】
図３は、ハンディ端末５０の外観を示す図である。パラメータ入力部であるハンディ端末５０は、第１の軽作業用アシストスーツ１００の動作に必要なパラメータを設定するために使用される端末装置である。ハンディ端末５０は、パラメータ番号選択スイッチ５１、上昇スイッチ５２、下降スイッチ５３、エントリスイッチ５４、モードスイッチ５５、パラメータ表示部５６および発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下「ＬＥＤ」という）５７を含んで構成される。
【００６１】
パラメータ番号選択スイッチ５１は、パラメータ番号（以下「パラメータＮｏ」または「Ｐ＿Ｎｏ」ともいう）を入力するためのスイッチであり、スイッチを押下するたびに、パラメータＮｏが「０」から「１」ずつカウントアップされる。上昇スイッチ５２は、設定するためのパラメータ値をカウントアップするためのスイッチであり、押下するたびにパラメータ値が「１」ずつカウントアップされる。下降スイッチ５３は、設定するためのパラメータ値をカウントダウンするためのスイッチであり、押下するたびにパラメータ値が「１」ずつカウントダウンされる。
【００６２】
エントリスイッチ５４は、選択されたパラメータＮｏおよび更新されたパラメータ値を、図示しない記憶部に記憶して設定するためのスイッチである。モードスイッチ５５は、後述する動作モードを切り換えるスイッチであり、スイッチを押下するたびに、モード値が「０」、「１」および「２」の順序で変化する。「２」の次は、「０」に戻る。モード値「０」は、アシストなしであり、モード値「１」は、保持モードであり、モード値「２」は、歩行モードである。
【００６３】
パラメータ表示部５６は、たとえば数字、記号および文字を表示する表示装置によって構成される。図３に示したパラメータ表示部５６は、８桁の数字、記号および文字を表示することができる。上位３桁がパラメータＮｏを表示し、第４桁目が記号「−」を表示し、第５桁目〜第７桁目の３桁がパラメータ値を表示し、第８桁目がモード値を表示する。ＬＥＤ５７は、選択されたパラメータＮｏおよび更新されたパラメータ値が、図示しない記憶部に記憶されて設定されたことを示すランプである。ハンディ端末５０に設定可能なパラメータを表１に示す。
【００６４】
【表１】
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【００６５】
図４は、回転トルクＴの算出を説明するための図である。制御部１３２は、装着者の様々な作業姿勢にて体を動かすのに必要な回転トルクＴを、肩関節および股関節の計測角度、および靴の爪先および踵に作用する床反力スイッチの状態に基づいて、力学的に算出することによって、アシストトルクを算出する。床反力スイッチは、爪先床反力検出スイッチ２１および踵床反力検出スイッチ２２である。
【００６６】
制御部１３２は、まず動作角度θを求める。動作角度θは、鉛直方向を基準とする角度である。動作角度θは、たとえば肩関節の場合は、電動モータ１に含まれるロータリエンコーダによって計測される関節角度であり、股関節の場合は、電動モータ１１に含まれるロータリエンコーダによって計測される関節角度である。
【００６７】
腕または腿の質量をｍ［ｋｇ］とし、電動モータ１の回転軸から腕用ベルト１０までの距離、または電動モータ１１の回転軸から大腿用ベルト２０までの距離をＬ［ｍ］とすると、重量ｍをアシストするのに必要な回転トルクＴは、計算式Ｔ＝Ｌｍ・ｓｉｎθ[Ｎ・ｍ]によって計算することができる。「Ｌｍ」は、装着者によって決まる定数である。制御部１３２は、この値をパラメータとして設定することによって、アシストトルクを算出している。パラメータは、ハンディ端末５０を使用して、装着者によって設定される。また、パラメータは、固定値であるとは限らず、後述する第１のアシストスーツ制御処理の処理手順に従って推定される動作に応じて切り換えられる。
【００６８】
図５および図６は、第１の軽作業用アシストスーツ１００で実行される第１のアシストスーツ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。制御部１３２は、第１の軽作業用アシストスーツ１００の電源が投入されて電動モータ１，１１を除く部位への電力の供給が開始され、動作可能状態になると、ステップＡ１に移る。
【００６９】
第１のアシストスーツ制御処理は、大きく５つのシーケンスによって構成される。ステップＡ１〜Ａ３が電源起動シーケンスであり、ステップＡ４，Ａ５がパラメータ書換えシーケンスであり、ステップＡ６，Ａ７が姿勢情報入力シーケンスであり、ステップＡ８〜Ａ１２が肩関節制御シーケンスであり、ステップＡ１３〜Ａ２３が股関節制御シーケンスである。制御部１３２は、肩関節制御シーケンスおよび股関節制御シーケンスによって、各関節に必要なアシストトルクを出力している。
【００７０】
ステップＡ１では、制御部１３２は、ハンディ端末５０からのパラメータの受信が完了したか否かを判定する。制御部１３２は、ハンディ端末５０からのパラメータの受信が完了すると、受信したパラメータを図示しない記憶部に記憶して、ステップＡ２に進み、ハンディ端末５０からのパラメータの受信が完了しないと、ステップＡ１に戻る。
【００７１】
ステップＡ２では、制御部１３２は、関節角度の初期化を行う。具体的には、制御部１３２は、直立状態で、腕を鉛直方向に下げた姿勢での関節角度を初期値である０度とする。すなわち、制御部１３２は、直立状態で、腕を鉛直方向に下げた姿勢での各関節角度を、電動モータ１，１１に含まれるロータリエンコーダから取得し、取得した各関節角度の位置を、各関節角度の０度の位置とする。
【００７２】
ステップＡ３では、制御部１３２は、電動モータ１，１１を駆動するための駆動電源をオン（図では「ＯＮ」という）とする。すなわち、制御部１３２は、電池１３３から電動モータ１，１１への電力の供給を開始するように、電池１３３に指示する。
【００７３】
ステップＡ４では、制御部１３２は、ハンディ端末５０からのパラメータの更新を待つ。制御部１３２は、ハンディ端末５０からのパラメータの更新がないと、ステップＡ６に進み、ハンディ端末５０からのパラメータの更新があると、ステップＡ５に進む。ステップＡ５では、制御部１３２は、ハンディ端末５０から更新されたパラメータを受信すると、受信した更新されたパラメータを、図示しない記憶部に記憶してパラメータを更新する。
【００７４】
アシストに必要なパラメータは、装着者の持っているハンディ端末５０から適宜送られてくる。したがって、このパラメータの書換えを常時実行できるように、ステップＡ４，Ａ５での書換え処理をメインループ内で行っている。メインループは、ステップＡ４からステップＡ２３までループする処理である。
【００７５】
ステップＡ６では、制御部１３２は、各関節角度を計測する。具体的には、制御部１３２は、電動モータ１，１１に含まれるロータリエンコーダによって計測された関節角度、回転の有無および回転方向を、各ロータリエンコーダから取得する。ステップＡ７では、制御部１３２は、床反力スイッチからスイッチの状態を読み込む。具体的には、制御部１３２は、爪先床反力検出スイッチ２１および踵床反力検出スイッチ２２から、それぞれの検出結果、つまりスイッチの状態を取得する。このとき、制御部１３２は、中央制御ユニット２３に含まれる３軸加速度センサで計測された腰の傾きを、３軸加速度センサから取得する。
【００７６】
そして、制御部１３２は、取得した関節角度、回転の有無、回転方向、スイッチの状態、および腰の傾きに基づいて、装着者の腕および腿に作用する静止トルクを算出するとともに、肩制御、腰制御および歩行制御の状態を判断する。肩制御は、肩関節の制御であり、腰制御は、股関節の制御である。肩制御には、振下の状態および保持の状態がある。腰制御には、保持の状態、歩行の状態、およびそのいずれでもない状態がある。歩行制御は、腰制御が歩行の状態であるとき、振上開始の状態、振上中の状態、振下開始の状態、振下中の状態および振完了の状態がある。振上は、肩関節を支点として腕を、または股関節を支点として腿を振り上げることであり、振下は、肩関節を支点として腕を、または股関節を支点として腿を振り下げることである。保持の状態は、腕または腿の動作が停止している状態である。振完了の状態は、振上または振下の動作が完了した状態である。制御部１３２は、取得した回転の有無および回転方向に基づいて、これらの状態を判断する。
【００７７】
肩関節の制御には、「振下」と「保持」との２つのモードがある。通常は、肩関節を「保持」するアシストを実行するために、ステップＡ１１で、肩関節の関節角度に比例したアシストトルクを出力する。
【００７８】
ステップＡ８では、制御部１３２は、肩制御が「振下」であるか否かを判定する。「振下」であるか否かの判断基準は、ハンディ端末５０から受信したパラメータによる。制御部１３２は、肩制御が「振下」であると、ステップＡ９に進み、肩制御が「振下」でないと、ステップＡ１１に進む。ステップＡ９では、制御部１３２は、「振下」完了であるか否かを判定する。制御部１３２は、肩制御の「振下」が完了すると、ステップＡ１０に進み、肩制御の「振下」が完了しないと、ステップＡ１２に進む。
【００７９】
ステップＡ１０では、制御部１３２は、肩制御を「保持」に戻して、ステップＡ１１に進む。ステップＡ１１では、制御部１３２は、肩トルクを「比例」として、ステップＡ１３に進む。制御部１３２は、肩トルクを「比例」としたとき、静止トルクおよび回転トルクに比例したトルクを腕に与えるために、電動モータ１によって駆動する駆動トルク、つまりアシストトルクを算出し、算出した駆動トルクで駆動するように電動モータ１を制御する。
【００８０】
ステップＡ１２では、制御部１３２は、肩トルクを「オフ（図では「ＯＦＦ」という）」として、振下が完了するまで肩のアシストをオフにし、ステップＡ１３に進む。制御部１３２は、肩トルクを「オフ」としたとき、電動モータ１の駆動を停止する。
【００８１】
股関節の制御には、大きく「保持」と「歩行」との動作モードがあり、この動作モードは、ハンディ端末５０から送られてきた情報によって指定される。動作モードが「保持」の場合は、すなわち、ハンディ端末５０からモード値「１」が送られてきた場合は、直立姿勢を保持するために、ステップＡ１９で、股関節の関節角度に比例したアシストトルクが出力される。動作モードが「歩行」の場合は、すなわち、ハンディ端末５０からモード値「２」が送られてきた場合は、「振上開始」、「振上中」、「振下開始」および「振下中」のうちのいずれかの歩行シーケンスが実行される。歩行シーケンスは、「振上開始」、「振上中」、「振下開始」および「振下中」の順序で順次実行され、「振下完了」で終了する。遊脚となっていない方の足は、振上げられず、保持脚として、ステップＡ１９で、股関節の関節角度に比例した保持トルクが出力される。
【００８２】
ステップＡ１３では、制御部１３２は、腰制御が「保持」であるか否かを判定する。制御部１３２は、腰制御が「保持」であるとき、ステップＡ１９に進み、腰制御が「保持」でないとき、ステップＡ１４に進む。ステップＡ１４では、制御部１３２は、腰制御が「歩行」であるか否かを判定する。制御部１３２は、腰制御が「歩行」であるとき、ステップＡ１５に進み、腰制御が「歩行」でないとき、ステップＡ１９に進む。
【００８３】
ステップＡ１５では、制御部１３２は、歩行制御が「振上開始」であるか否かを判定する。制御部１３２は、踵床反力検出スイッチ２２がオフで、股関節の角度が小さい場合、「振上開始」と判断する。制御部１３２は、歩行制御が「振上開始」であるとき、ステップＡ２０に進み、歩行制御が「振上開始」でないとき、ステップＡ１６に進む。ステップＡ１６では、制御部１３２は、歩行制御が「振上中」であるか否かを判定する。制御部１３２は、歩行制御が「振上中」であるとき、ステップＡ２１に進み、歩行制御が「振上中」でないとき、ステップＡ１７に進む。
【００８４】
ステップＡ１７では、制御部１３２は、歩行制御が「振下開始」であるか否かを判定する。制御部１３２は、股関節の関節角度が一定値以上の角度に到達すると、「振下開始」と判断する。制御部１３２は、歩行制御が「振下開始」であるとき、ステップＡ２２に進み、歩行制御が「振下開始」でないとき、ステップＡ１８に進む。ステップＡ１８では、制御部１３２は、歩行制御が「振下中」であるか否かを判定する。制御部１３２は、歩行制御が「振下中」であるとき、ステップＡ２２に進み、歩行制御が「振下中」でないとき、ステップＡ２３に進む。
【００８５】
ステップＡ１９では、制御部１３２は、腰トルクを「保持比例」として、ステップＡ４に戻る。ステップＡ２０では、制御部１３２は、腰トルクを「最大」として、振上側の電動モータ１１に、短時間最大のアシストトルクを出力し、ステップＡ４に戻る。ステップＡ２１では、制御部１３２は、腰トルクを「歩行比例」として、振上側の電動モータ１１に、股関節の関節角度に比例したアシストトルクを出力し、ステップＡ４に戻る。ステップＡ２２では、制御部１３２は、腰トルクを「オフ」として、ステップＡ４に戻る。ステップＡ２３では、制御部１３２は、歩行制御を「振完了」として、ステップＡ４に戻る。
【００８６】
ステップＡ４〜Ａ７は、算出ステップである。ステップＡ８〜Ａ２３は、駆動ステップである。制御部１３２は、ステップＡ４〜ステップＡ２３の一連のシーケンス、つまりメインループを、１０ｍ秒間隔で実行しており、装着者へのスムーズなアシストを実現している。制御部１３２は、表１に示したパラメータのうち、ステップＡ９で、パラメータＮｏ「３」，「４」を使用し、ステップＡ１１で、パラメータＮｏ「５」，「６」を使用し、ステップＡ１２で、パラメータＮｏ「７」を使用し、ステップＡ１９で、パラメータＮｏ「８」，「９」を使用し、ステップＡ２０で、パラメータＮｏ「１０」，「１１」を使用し、ステップＡ２１で、パラメータＮｏ「１２」，「１３」を使用し、ステップＡ２２で、パラメータＮｏ「１４」を使用する。
【００８７】
図７は、本発明の参考例である第２の軽作業用アシストスーツ２００の外観を示す図である。図７（ａ）は、装着者によって装着された状態の第２の軽作業用アシストスーツ２００の外観を示す正面図である。図７（ｂ）は、装着者によって装着された状態の第２の軽作業用アシストスーツ２００の外観を示す側面図である。本発明に係る制御方法は、第２の軽作業用アシストスーツ２００で実行される。
【００８８】
パワーアシストロボット装置である第２の軽作業用アシストスーツ２００は、電動モータ２０１，２１２、フレーム２０２，２０４，２１３，２１５、背面フレーム２０６，２１６、受動回転軸２０３，２０５，２０９，２１４、ヒンジ２０７、受け面２１０，２２２、アーム２０８，２２１、ベルト２１１，２２３、腰用ベルト２１７、股用ベルト２１８、前面ベルト２１９、背面ベルト２２０、爪先床反力検出スイッチ２１、踵床反力検出スイッチ２２および中央制御ユニット２３を含んで構成される。第２の軽作業用アシストスーツ２００は、アクチュエータである電動モータ２０１を両肩の上側から支持する軽作業用のアシストスーツである。受動回転軸２０３，２０５は、腕用連結部である。受動回転軸２１４は、腰用連結部である。
【００８９】
電動モータ２０１は、肩のパワーアシスト用、つまり肩の動きを補助するための動力源として用いられる電動モータであり、肩関節を支点とする腕の回転をアシストする動力を発生する。電動モータ２０１は、左右の肩関節の両側に、左右軸線まわりに回転するように、次のようにして取り付けられている。
【００９０】
電動モータ２０１の固定端側には、上方に伸びるフレーム２０２を介して、肩関節の前後軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸２０３が取り付けられている。受動回転軸２０３に連結されるフレーム２０４は、肩関節の上下軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸２０５を介して、肩関節中心の上面で、装着者の左右の肩の上面中央付近に配置される背面フレーム２０６の上端に左右から取り付けられている。背面フレーム２０６は、たとえば装着者の前方から見て逆π字形状で、後方から見てＹ字型のフレームである。背面フレーム２０６には、装着者の体の形状に沿うようにヒンジ２０７が取り付けられている。
【００９１】
電動モータ２０１の回転端側は、装着者の上腕に沿うように出されたアーム２０８が取り付けられている。アーム２０８の先端には、左右軸線まわりの受動回転軸２０９を介して、半円筒状の受け面２１０が取り付けられている。受け面２１０には、ベルト２１１が取り付けられている。ベルト２１１によって、装着者の上腕が受け面２１０に固定されるようになっている。
【００９２】
電動モータ２１２は、腰のパワーアシスト用、つまり腰の動きを補助するための電動モータであり、股関節を支点とする腿の回転をアシストする。電動モータ２１２は、左右の股関節の両サイドに、左右軸線まわりに回転するように、次のようにして取り付けられている。
【００９３】
電動モータ２１２の固定端側には、上方に伸びるフレーム２１３を介して、股関節の前後軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸２１４が取り付けられている。受動回転軸２１４は、フレーム２１５を介して、装着者の腰部側面にて、背面フレーム２１６の左右に取り付けられている。
【００９４】
背面フレーム２１６には、腰用ベルト２１７と股用ベルト２１８とが取り付けられている。腰用ベルト２１７は、背面フレーム２１６の側面から左右方向にわき腹を通して、また股用ベルト２１８は、背面フレーム２１６の下方から股間を通して左右の前面に回されて、装着者に密着するように取り付けられる構造になっている。背面フレーム２１６と背面フレーム２０６とは、装着者の前面ベルト２１９と背面ベルト２２０によって結合することができる構造になっている。
【００９５】
電動モータ２１２の回転端側は、装着者の大腿部に沿うように出されたアーム２２１が取り付けられている。アーム２２１の先端には、半円筒状の受け面２２２が取り付けられている。受け面２２２には、ベルト２２３が取り付けられている。ベルト２２３によって、装着者の大腿部が受け面２２２に固定されるようになっている。
【００９６】
第２の軽作業用アシストスーツ２００に含まれる制御機器の構成は、図２に示した第１の軽作業用アシストスーツ１００に含まれる制御機器の構成と同じであり、第２の軽作業用アシストスーツ２００で実行される第２のアシストスーツ制御処理の処理手順は、図５および図６に示した第１の軽作業用アシストスーツ１００で実行される第１のアシストスーツ制御処理の処理手順と同じであり、重複を避けるために説明を省略する。
【００９７】
図８は、本発明の他の参考例である第１の重作業用アシストスーツ３００の外観を示す図である。図８（ａ）は、装着者によって装着された状態の第１の重作業用アシストスーツ３００の外観を示す正面図である。図８（ｂ）は、装着者によって装着された状態の第１の重作業用アシストスーツ３００の外観を示す側面図である。本発明に係る制御方法は、第１の重作業用アシストスーツ３００で実行される。
【００９８】
図８に示した第１の重作業用アシストスーツ３００は、肢部の股関節および膝関節のパワーアシストに、空気圧シリンダを用い、上肢部のパワーアシストに、空気圧人工ゴム筋肉を用いたリフタ方式の実施例である。
【００９９】
パワーアシストロボット装置である第１の重作業用アシストスーツ３００は、空気圧シリンダ３０１，３１５、受動回転軸３０２，３０４，３０５，３０８，３０９，３１１，３１６，３１８，３２０，３２１、フレーム３０３，３０６，３０７，３１０，３１７，３２２、背面フレーム３１２、腰用ベルト３１４、上肢背面ボックス３２４、人工ゴム筋肉３２５、移動フレーム３２６、リニアガイド３２７，３２８、ラックギア３２９、ピニオンギア６３０〜６３２、ワイヤ巻き取りシーブ６３３、ワイヤ６３４，６３９，６４０、バランスプレート６３５、、プーリ６３７，６３８、ワイヤ６３４，６３９，６４０、フック６４１、スイッチ６４２、手袋６４３およびベルト６４５、を含んで構成される。
【０１００】
第１の重作業用アシストスーツ３００は、股関節および膝関節をパワーアシストするために、空気圧シリンダ３０１を左右の股関節の両サイドに、そして、空気圧シリンダ３１５を左右の膝関節の両サイドに配置している。
【０１０１】
空気圧シリンダ３０１は、腰のパワーアシスト用、つまり腰の動きを補助するための動力源として用いられる空気圧シリンダであり、股関節を支点とする大腿部の回転をアシストする動力を発生する。空気圧シリンダ３０１は、左右の股関節の両サイドに、左右軸線まわりに回転トルクを発生するように、次のようにして取り付けられている。
【０１０２】
空気圧シリンダ３０１の固定端側は、左右軸線まわりの受動回転軸３０２を介して、フレーム３０３に取り付けられている。フレーム３０３は、膝関節中心の左右軸線まわりの受動回転軸３０４に連結されている。受動回転軸３０４には、股関節中心の左右軸線まわりの受動回転軸３０５の一方の回転軸に連結されるフレーム３０６が取り付けられている。受動回転軸３０５の他方の回転端には、上側へ伸びるフレーム３０７が取り付けられている。フレーム３０７の上端には、左右軸線まわりの受動回転軸３０８を介して、空気圧シリンダ３０１の移動端が連結されている。
【０１０３】
受動回転軸３０５の他方の回転端には、上側へ伸びるフレーム３０７以外に、股関節の上下軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸３０９が取り付けられている。股関節中心の背面には、フレーム３１０が、股関節の前後軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸３１１を介して、装着者の背面中央付近に配置される背面フレーム３１２の下端に左右から取り付けられている。
【０１０４】
背中装着部である背面フレーム３１２は、たとえば四角形状である。背面フレーム３１２には、装着者の背中の形状に沿うようにクッション用パッド３１３が取り付けられている。また、背面フレーム３１２には、腰用ベルト３１４が取り付けられている。腰用ベルト３１４は、背面フレーム３１２の上方から左右方向にわき腹を通して、装着者に密着するように取り付けられる構造になっている。
【０１０５】
空気圧シリンダ３１５は、膝のパワーアシスト用、つまり膝の動きを補助するための動力源として用いられる空気圧シリンダであり、膝関節を支点とする下腿部の回転をアシストする動力を発生する。空気圧シリンダ３１５は、左右の膝の両サイドに、左右軸線まわりに回転トルクを発生するように、次のようにして取り付けられている。
【０１０６】
空気圧シリンダ３１５の固定端側は、左右軸線まわりの受動回転軸３１６を介してフレーム３１７に取り付けられている。フレーム３１７は、足首関節中心の左右軸線まわりの受動回転軸３１８の一方の回転軸に連結されるとともに、膝関節中心の左右軸線まわりの受動回転軸３０４の一方の回転軸に連結されるフレーム３１９が取り付けられている。受動回転軸３０４の他方の回転端には、受動回転軸３０５に連結されるフレーム３０６がある。フレーム３０６の膝関節中心より上部には、左右軸線まわりの受動回転軸３２０を介して、空気圧シリンダ３１５の移動端が連結されている。
【０１０７】
受動回転軸３１８の他方の回転端には、足首関節の前後軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸３２１の一方の回転端が取り付けられている。受動回転軸３２１の他方の回転端は、フレーム３２２を介して靴底へ取り付けられている。
【０１０８】
また、第１の重作業用アシストスーツ３００は、重量物持ち上げをパワーアシストするためのリフタ装置を含む。このリフタ装置（以下「リフタ」ともいう）は、上下軸線まわりの回転軸を介して、装着者の下肢の背面フレーム３１２に取り付けられている上肢背面ボックス３２４に配置されている。
【０１０９】
上肢背面ボックス３２４の上部には、人工ゴム筋肉３２５の固定端が連結されている。人工ゴム筋肉３２５は、空気圧人工ゴム筋肉である。人工ゴム筋肉３２５の移動端には、移動フレーム３２６が接続されている。移動フレーム３２６の両端には、リニアガイド３２７とリニアガイド３２８とが取り付けられている。リニアガイド３２７およびリニアガイド３２８は、人工ゴム筋肉３２５の伸縮動作の補助を行う。リニアガイド３２８には、ラックギア３２９が取り付けられている。
【０１１０】
ラックギア３２９は、ピニオンギア６３０と噛み合っている。人工ゴム筋肉３２５の伸縮動作がラックギア３２９を介して、ピニオンギア６３０に伝達されることによって、伸縮動作が回転動作に変換される。ピニオンギア６３０は、ピニオンギア６３１とピニオンギア６３２とに噛み合っている。人工ゴム筋肉３２５のストロークを５倍に増加させるために、ピニオンギア６３０が１回転すると、ピニオンギア６３２は、ピニオンギア６３１を介して、ピニオンギア６３０と同方向に５回転するように速比と回転方向とが設定されている。
【０１１１】
ピニオンギア６３２には、ワイヤ巻き取りシーブ６３３が接続されている。ワイヤ巻き取りシーブ６３３は、ワイヤ６３４を巻き取る構造になっている。ワイヤ６３４の移動端には、バランスプレート６３５が取り付けられている。バランスプレート６３５の右端には、右手用ワイヤ６３９が、そして、バランスプレート６３５の左端には、左手用ワイヤ６４０が取り付けられている。
【０１１２】
右手用ワイヤ６３９および左手用ワイヤ６４０は、フレーム６３６に設けられたプーリ６３７およびプーリ６３８を介して、装着者の背面から前面へ通される。右手用ワイヤ６３９および左手用ワイヤ６４０には、フック６４１および起動スイッチ６４２が取り付けられた手袋６４３がそれぞれ取り付けられている。装着者は、手袋６４３を装着し、荷物をフック６４１に引っかけて、起動スイッチ６４２を操作することによって、人工ゴム筋肉６２５が動作を開始して、ワイヤ巻き取りシーブ６３３が回転し、ワイヤ６３４を巻き取ることによって、荷物の持ち上げ・持ち下ろし動作を行うことができる。
【０１１３】
上肢背面ボックス３２４は、背面フレーム６４４に接続されている。背面フレーム６４４には、装着者の背中の形状に沿うようクッション６４６が取り付けられている。また、背面フレーム６４４には、ベルト６４５が取り付けられており、背面フレーム６４４の左右から脇を通して装着者に密着するように取り付けられる構造になっている。
【０１１４】
このように、上肢背面ボックス３２４の上部には、人工ゴム筋肉３２５の固定端がつながっている。人工ゴム筋肉３２５の移動端には、ラックギア３２９とピニオンギア６３０〜６３２とを介して、人工ゴム筋肉３２５の伸縮動作を回転動作に変換する構造になっている。ピニオンギア６３０〜６３２の入力側と出力側との速度比は、５倍に設定され、人工ゴム筋肉３２９のストロークを５倍に増加させている。上肢背面ボックス３２４の上部から左右の肩の上部のガイド部を通って、装着者の前面へワイヤ６３９，６４０を通している。ガイド部は、フレーム６３６、プーリ６３７およびプーリ６３８によって構成される。ワイヤ６３９，６４０の端には、重量物を把持するためのフック６４１とスイッチ６４２とが取り付けられている。装着者は、フック６４１に荷物を引っかけ、スイッチ６４２を押すことによって、荷物の上げ下ろしを行うことができる構造になっている。
【０１１５】
図９は、第１の重作業用アシストスーツ３００に含まれる空気圧駆動機器の構成を示す図である。第１の重作業用アシストスーツ３００に含まれる空気圧駆動機器は、コンプレッサ４０１、開閉バルブ４０２、レギュレータ４０３、エアフィルタ４０４、ミストセパレータ４０５、主流路４０６、下肢側流路４０７、上肢側流路４０８、下肢左側流路４０９、下肢右側流路４１０、上肢空圧回路部４２０、下肢左腰関節空圧回路４３０ａ、下肢右腰関節空圧回路４３０ｂ、下肢左膝関節空圧回路４３０ｃ、および下肢右膝関節空圧回路４３０ｄをさらに含んで構成される。
【０１１６】
据え置き型のコンプレッサ４０１で圧縮された空気（以下「圧縮空気」という）は、開閉バルブ４０２を開放することによって、レギュレータ４０３へ流され、レギュレータ４０３によって適正な圧力に調整された後に、エアフィルタ４０４とミストセパレータ４０５とによって清浄化されて、主流路４０６へ送られる。主流路４０６は、上肢側流路４０８と下肢側流路４０７とに分岐する。
【０１１７】
上肢側流路４０８に送られた圧縮空気は、上肢空圧回路部４２０へ流れ込む。上肢空圧回路部４２０は、上肢側電空レギュレータ４２１、上肢側電磁弁４２２、上肢側流量制御弁４２３および上肢側アクチュエータ４２４，４２５を含む。上肢側アクチュエータ４２４，４２５は、それぞれ、たとえば人工ゴム筋肉３２５によって構成される。
【０１１８】
上肢側流路４０８から上肢空圧回路部４２０へ流れ込んだ圧縮空気は、上肢側電空レギュレータ４２１によって持ち上げる荷重に必要な推力に見合った空気圧力に調整される。圧力を調整された圧縮空気は、上肢側電磁弁４２２によって持ち上げ側もしくは持ち下ろし側に流路が切り換えられる。流路が切り替えられた圧縮空気は、上肢側流量制御弁４２３によって、流量制御が行われた後に、上肢側アクチュエータ４２４，４２５に送られ、上肢側アクチュエータ４２４，４２５、つまり人工ゴム筋肉３２５を駆動する。
【０１１９】
下肢側流路４０７へ送られた圧縮空気は、さらに下肢左側流路４０９と下肢右側流路４１０とに分岐される。下肢左側流路４０９に送られた圧縮空気は、下肢左腰関節空圧回路４３０ａおよび下肢左膝関節空圧回路４３０ｃに送られる。下肢左腰関節空圧回路４３０ａは、左腰関節の動きを補助するため、すなわち、左大腿部の左側側方に配置される空気圧シリンダ３０１を駆動するための空圧回路である。下肢左腰関節空圧回路４３０ａは、下肢関節用電空レギュレータ４３１、下肢関節用電磁弁４３２、下肢関節伸展側流量制御弁４３３、下肢関節屈曲側流量制御弁４３４および下肢関節用アクチュエータ４３５を含んで構成される。
【０１２０】
下肢左腰関節空圧回路４３０ａに送られた圧縮空気は、下肢関節用電空レギュレータ４３１によって関節の動作に必要な推力に見合った空気圧力に調整される。圧力を調整された圧縮空気は、下肢関節用電磁弁４３２によって関節の屈伸側もしくは伸展側に流路が切り換えられる。流路が切り替えられた圧縮空気は、下肢関節伸展側流量制御弁４３３、または下肢関節屈曲側流量制御弁４３４によって流量制御が行われた後に、下肢関節用アクチュエータ４３５に送られ、下肢関節用アクチュエータ４３５、つまり空気圧シリンダ３０１を駆動する。
【０１２１】
下肢左膝関節空圧回路４３０ｃは、左膝関節の動きを補助するため、すなわち、左下腿部の左側側方に配置される空気圧シリンダ３１５を駆動するための空圧回路である。下肢左膝関節空圧回路４３０ｃの構成は、下肢左腰関節空圧回路４３０ａの構成と同じであり、重複を避けるために説明は省略する。
【０１２２】
下肢右側流路４１０に送られた圧縮空気は、下肢右腰関節空圧回路４３０ｂおよび下肢右膝関節空圧回路４３０ｄに送られる。下肢右腰関節空圧回路４３０ｂは、右腰関節の動きを補助するため、すなわち、右大腿部の左側側方に配置される空気圧シリンダ３０１を駆動するための空圧回路である。下肢右膝関節空圧回路４３０ｄは、右膝関節の動きを補助するため、すなわち、右下腿部の右側側方に配置される空気圧シリンダ３１５を駆動するための空圧回路である。下肢右腰関節空圧回路４３０ｂおよび下肢右膝関節空圧回路４３０ｄの構成は、それぞれ下肢左腰関節空圧回路４３０ａの構成と同じであり、重複を避けるために説明は省略する。
【０１２３】
下肢左腰関節空圧回路４３０ａに含まれる下肢関節用アクチュエータ４３５は、左大腿部の左側側方に配置される空気圧シリンダ３０１である。下肢左膝関節空圧回路４３０ｃに含まれる下肢関節用アクチュエータ４３５は、左下腿部の左側側方に配置される空気圧シリンダ３０１である。下肢右腰関節空圧回路４３０ｂに含まれる下肢関節用アクチュエータ４３５は、右大腿部の右側側方に配置される空気圧シリンダ３０１である。下肢右膝関節空圧回路４３０ｄに含まれる下肢関節用アクチュエータ４３５は、右下腿部の右側側方に配置される空気圧シリンダ３０１である。
【０１２４】
図１０は、第１の重作業用アシストスーツ３００に含まれる制御機器の構成を示す図である。第１の重作業用アシストスーツ３００に含まれる制御機器は、中央制御ユニット３３０、右足底ユニット３５０、左足底ユニット３６０、関節ユニット３４０ａ〜３４０ｄ、リフタユニット３７０およびハンディ端末５０を含んで構成される。
【０１２５】
中央制御ユニット３３０は、制御部３３２、電池３３３、ＲＳ４２２通信部３３４、電空ドライブ３３５および無線通信部３３６を含んで構成される。電池３３３は、充電可能な蓄電池であり、すべてのユニットへ電力を供給している。制御部３３２は、たとえばＣＰＵによって構成され、ＲＳ４２２通信部３３４、電空ドライブ３３５および無線通信部３３６を制御する。電空ドライブ３３５と各関節ユニット３４０ａ〜３４０ｄおよびリフタユニット３７０とは有線で接続されている。制御部３３２は、アシストに必要な出力トルク指令を各関節ユニット３４０ａ〜３４０ｄおよびリフタユニット３７０に送る。各関節ユニット３４０ａ〜３４０ｄは、各関節ユニット３４０ａ〜３４０ｄの出力トルク情報をそれぞれ制御部３３２に送る。
【０１２６】
関節ユニット３４０ａは、左大腿部の左側側方に配置される空気圧シリンダ３０１を制御する。関節ユニット３４０ｂは、右大腿部の右側側方に配置される空気圧シリンダ３０１を制御する。関節ユニット３４０ｃは、左下腿部の左側側方に配置される空気圧シリンダ３１５を制御する。関節ユニット３４０ｄは、右下腿部の左側側方に配置される空気圧シリンダ３１５を制御する。
【０１２７】
各関節ユニット３４０ａ〜３４０ｄは、電空レギュレータ３４１、ソレノイドバルブ３４２、およびポテンショメータ３４３を含んで構成される。ポテンショメータ３４３は、それぞれの関節の関節角度を計測する。電空レギュレータ４１は、アシストに応じた空気圧を制御し、出力方向、すなわち、曲げる方向であるか伸ばす方向であるかをソレノイドバルブ４２で決めて、空気圧アクチュエータ、つまり空気圧シリンダ３０１，３１５に出力する。
【０１２８】
右足底ユニット３５０は、それぞれ爪先フォースプレート３５１、踵フォースプレート３５２およびポテンショメータ３５３を含んで構成される。爪先フォースプレート３５１は、爪先に作用する床反力、具体的には重量を測定する。踵フォースプレート３５２は、踵に作用する床反力を測定する。爪先フォースプレート３５１および踵フォースプレート３５２は、測定した重量を、ＲＳ４２２通信で制御部３３２に送信する。ポテンショメータ３５３は、足関節の関節角度を測定し、制御部３３２に直接送る。
【０１２９】
左足底ユニット３６０は、右足底ユニット３５０と同じ構成である。爪先フォースプレート３６１、踵フォースプレート３６２およびポテンショメータ３６３は、それぞれ爪先フォースプレート３５１、踵フォースプレート３５２およびポテンショメータ３５３と同じであり、重複を避けるために説明を省略する。
【０１３０】
ハンディ端末５０は、図３に示したハンディ端末５０と同じ構成である。ただし、第３の実施形態でのハンディ端末５０は、リフタの上昇操作および下降操作を行うために用いられる。具体的には、装着者は、ハンディ端末５０のパラメータＮｏを「１」に設定することによって、リフタの手動操作が可能となる。上昇スイッチ５２を押下すると、リフタが上昇し、下降スイッチ５３を押下すると、リフタが下降する。
第３の実施形態のハンディ端末５０に設定可能なパラメータを表２に示す。
【０１３１】
【表２】
0005909063.tif 000003
【０１３２】
リフタユニット３７０は、ソレノイドバルブ３７１を含んで構成される。ソレノイドバルブ３７１は、上昇であるか下降であるかに応じて、アシストに応じた空気圧を、空気圧アクチュエータ、つまり人工ゴム筋肉３２５に出力する。
【０１３３】
図１１および図１２は、第１の重作業用アシストスーツ３００で実行される第３のアシストスーツ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。制御部３３２は、第１の重作業用アシストスーツ３００の電源が投入されて空気圧シリンダ３０１，３１５および人工ゴム筋肉３２５を除く部位への電力の供給が開始され、動作可能状態になると、ステップＢ１に移る。
【０１３４】
第３のアシストスーツ制御処理は、大きく４つのシーケンスによって構成される。ステップＢ１〜Ｂ５が電源起動シーケンスであり、ステップＢ６，Ｂ７がパラメータ書換えシーケンスであり、ステップＢ８，Ｂ９が姿勢情報入力シーケンスであり、ステップＢ１５〜Ｂ２５が股関節・膝関節制御シーケンスである。制御部３３２は、股関節・膝関節制御シーケンスによって、各関節に必要なアシストトルクを出力している。
【０１３５】
ステップＢ１では、制御部３３２は、右足の風袋の消去が完了したか否かを判定する。右足の風袋は、装着者が荷物を持たないで直立した状態で、装着者の体重および第１の重作業用アシストスーツ３００の重量のうち右足にかかっている重量である。左足の風袋は、装着者が荷物を持たないで直立した状態で、装着者の体重および第１の重作業用アシストスーツ３００の重量のうち左足にかかっている重量である。制御部３３２は、装着者が荷物を持たないで直立した状態で、右足底ユニット３５０および左足底ユニット３６０で計測される重量を、荷物の重量が「０」であるとして設定することによって、風袋を消去する。風袋の消去は、ハンディ端末５０でパラメータＮｏ「０」とすることによって実行することができる。
【０１３６】
制御部３３２は、右足の風袋の消去が完了したとき、ステップＢ２に進み、右足の風袋の消去が完了しなかったとき、ステップＢ１に戻る。ステップＢ２では、制御部３３２は、左足の風袋の消去が完了したか否かを判定する。制御部３３２は、左足の風袋の消去が完了したとき、ステップＢ３に進み、左足の風袋の消去が完了しなかったとき、ステップＢ２に戻る。ステップＢ３，Ｂ６は、図５に示したステップＡ１，Ａ４と同じであり、重複を避けるために説明を省略する。
【０１３７】
ステップＢ４では、制御部３３２は、制御の初期化を行う。具体的には、図５に示したステップＡ２と同様に、制御部３３２は、直立状態で、腕を鉛直方向に下げた姿勢での関節角度を初期値である０度とする。すなわち、制御部１３２は、直立状態で、腕を鉛直方向に下げた姿勢での各関節角度を、各関節ユニット３４０ａ〜３４０ｄに含まれるポテンショメータ３４３、右足底ユニット３５０に含まれるポテンショメータ３５３、および左足底ユニット３６０に含まれるポテンショメータ３６３から取得し、取得した各関節角度の位置を、各関節角度の０度の位置とする。
【０１３８】
ステップＢ５では、制御部３３２は、空気圧シリンダ３０１，３１５および人工ゴム筋肉３２５を駆動するための駆動電源をオンとする。すなわち、制御部３３２は、電池３３３から空気圧シリンダ３０１，３１５および人工ゴム筋肉３２５への電力の供給を開始するように、電池３３３に指示する。
【０１３９】
ステップＢ７では、制御部３３２は、ハンディ端末５０から更新されたパラメータを受信すると、受信した更新されたパラメータを、図示しない記憶部に記憶してパラメータを更新する。または、風袋消去を行う。または、リフタ操作を行う。すなわち、ハンディ端末５０からの指示に応じて、リフタを制御する。
【０１４０】
ステップＢ８では、制御部３３２は、各関節角度を計測する。具体的には、制御部３３２は、各関節ユニット３４０ａ〜３４０ｄに含まれるポテンショメータ３４３、右足底ユニット３５０に含まれるポテンショメータ３５３、および左足底ユニット３６０に含まれるポテンショメータ３６３によって計測された関節角度、回転の有無および回転方向を、各ポテンショメータ３４３，３５３，３６３から取得する。ステップＢ９では、制御部３３２は、床反力スイッチからスイッチの状態を読み込む。具体的には、制御部３３２は、爪先床反力検出スイッチ３４８および踵床反力検出スイッチ３４９から、それぞれの検出結果、つまり計測された重量を取得する。このとき、制御部３３２は、中央制御ユニットに含まれる３軸加速度センサで計測された腰の傾きを、３軸加速度センサから取得する。
【０１４１】
そして、制御部３３２は、取得した関節角度、回転の有無、回転方向、重量、および腰の傾きに基づいて、装着者の大腿部および下腿部に係る静止トルクを算出するとともに、腰・膝制御および歩行制御の状態を判断する。
【０１４２】
ステップＢ１５〜Ｂ２５は、図６に示したステップＡ１３〜Ａ２３の腰制御および腰トルクを、それぞれ腰・膝制御および腰・膝トルクに置き換えたものと同じであり、重複を避けるために説明を省略する。制御部３３２は、ステップＢ６〜ステップＢ２５の一連のシーケンス、つまりメインループを、１０ｍ秒間隔で実行しており、装着者へのスムーズなアシストを実現している。
【０１４３】
制御部３３２は、表１に示したパラメータのうち、ステップＢ２１で、パラメータＮｏ「８」，「９」を使用し、ステップＢ２２で、パラメータＮｏ「１０」，「１１」を使用し、ステップＢ２３で、パラメータＮｏ「１２」，「１３」を使用し、ステップＢ２４で、パラメータＮｏ「１４」を使用する。
【０１４４】
図１３は、本発明の他の参考例である第２の重作業用アシストスーツ５００の外観を示す図である。図１３（ａ）は、装着者によって装着された状態の第２の重作業用アシストスーツ５００の外観を示す正面図である。図１３（ｂ）は、装着者によって装着された状態の第２の重作業用アシストスーツ５００の外観を示す側面図である。本発明に係る制御方法は、第２の重作業用アシストスーツ５００で実行される。
【０１４５】
図１３に示した第２の重作業用アシストスーツ５００は、下肢部の股関節および膝関節のパワーアシストに、空気圧シリンダを用い、上肢部の肩関節および肘関節のパワーアシストに、空気圧ロータリアクチュエータを用いた実施例である。
【０１４６】
パワーアシストロボット装置である第２の重作業用アシストスーツ５００は、空気圧シリンダ５０１，５１６、受動回転軸５０２，５０４，５０５，５０８，５０９，５１１，５１７，５１９，５２１，５２２，５２６，５２８，５３２、フレーム５０３，５０６，５０７，５１０，５１８，５２０，５２３，５２７、背面フレーム５１２，５２９、腰用ベルト５１４、大腿用ベルト５１５、下腿部用ベルト５２４、空気圧ロータリアクチュエータ５２５，５３５、胸用ベルト５３１、アーム５３３，５３６、上腕部用ベルト５３４および前腕部用ベルト５３７を含んで構成される。
【０１４７】
背面フレーム５１２，５２９は、背中装着部である。フレーム５０６は、大腿部装着部である。フレーム５２０は、下腿部装着部である。フレーム５２３は、靴底装着部である。受動回転軸５０５は、腰用連結部である。受動回転軸５０４は、膝用連結部である。受動回転軸５１９は、踝用連結部である。受動回転軸５０８は、第１の連結部である。受動回転軸５０２は、第２の連結部である。受動回転軸５２１は、第３の連結部である。受動回転軸５１７は、第４の連結部である。
【０１４８】
第２の重作業用アシストスーツ５００は、股関節および膝関節をパワーアシストするために、空気圧シリンダ５０１を左右の股関節の両サイドに、そして空気圧シリンダ５１６を左右の膝関節の両サイドに配置している。
【０１４９】
空気圧シリンダ５０１は、腰のパワーアシスト用、つまり腰の動きを補助するための空気圧シリンダであり、股関節を支点とする大腿部の回転をアシストする。空気圧シリンダ５０１は、左右の股関節の両サイドに、左右軸線まわりに回転トルクを発生するように、次のようにして取り付けられている。
【０１５０】
空気圧シリンダ５０１の固定端側は、左右軸線まわりの受動回転軸５０２を介して、フレーム５０３に取り付けられている。フレーム５０３は、膝関節中心の左右軸線まわりの受動回転軸５０４に連結されている。受動回転軸５０４には、股関節中心の左右軸線まわりの受動回転軸５０５の一方の回転軸に連結されるフレーム５０６が取り付けられている。受動回転軸５０５の他方の回転端には、上側へ伸びるフレーム５０７が取り付けられている。フレーム５０７上端には、左右軸線まわりの受動回転軸５０８を介して、空気圧シリンダ５０１の移動端が連結される。
【０１５１】
受動回転軸５０５の他方の回転端には、上側へ伸びるフレーム５０７以外に、股関節の上下軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸５０９が取り付けられている。股関節中心の背面には、フレーム５１０が、股関節の前後軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸５１１を介して、装着者の背面中央付近に配置される背面フレーム５１２の下端に左右から取り付けられている。
【０１５２】
背面フレーム５１２は、たとえば四角形状である。背面フレーム５１２には、装着者の背中の形状に沿うようにクッション用パッド５１３が取り付けられている。また、背面フレーム５１２には、腰用ベルト５１４が取り付けられている。腰用ベルト５１４は、背面フレーム５１２の上方から左右方向にわき腹を通して、装着者に密着するように取り付けられる構造になっている。フレーム５０６には、大腿用ベルト５１５が取り付けられて、装着者の大腿部に固定されるようになっている。
【０１５３】
空気圧シリンダ５１６は、膝のパワーアシスト用、つまり膝の動きを補助するための空気圧シリンダであり、膝関節を支点とする下腿部の回転をアシストする。空気圧シリンダ５１６は、左右の膝の両サイドに、左右軸線まわりに回転トルクを発生するように、次のようにして取り付けられている。
【０１５４】
空気圧シリンダ５１６の固定端側は、左右軸線まわりの受動回転軸５１７を介してフレーム５１８に取り付けられている。フレーム５１８は、足首関節中心の左右軸線まわりの受動回転軸５１９の一方の回転軸に連結されるとともに、受動回転軸５０４の一方の回転軸に連結されるフレーム５２０が取り付けられている。受動回転軸５０４の他方の回転端には、受動回転軸５０５に連結されるフレーム５０６がある。フレーム５０６の膝関節中心より上部には、左右軸線まわりの受動回転軸５２１を介して、空気圧シリンダ５１６の移動端が連結されている。
【０１５５】
受動回転軸５１９の他方の回転端には、足首関節の前後軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸５２２の一方の回転軸が取り付けられている。受動回転軸５２２の他方の回転端は、フレーム５２３を介して靴底へ取り付けられている。フレーム５２０には、下腿部用ベルト５２４が取り付けられて、装着者の下腿部に固定されるようになっている。
【０１５６】
第２の重作業用アシストスーツ５００は、さらに、肩関節および肘関節をパワーアシストするために、空気圧ロータリアクチュエータ５２５，５３５を、左右の肩関節および肘関節の両サイドに配置している。
【０１５７】
空気圧ロータリアクチュエータ５２５は、肩のパワーアシスト用、つまり肩の動きを補助するための動力源として用いられる空気圧シリンダであり、肩関節を支点とする上腕の回転をアシストする動力を発生する。空気圧ロータリアクチュエータ５２５は、左右の肩関節の両サイドに、次のようにして取り付けられている。
【０１５８】
空気圧ロータリアクチュエータ５２５の固定端側には、肩関節の上下軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸５２６が取り付けられている。受動回転軸５２６に連結されるフレーム５２７は、肩関節中心の背面には、肩関節の前後軸線まわりの回転の自由度に対応するための受動回転軸５２８を介して、装着者の背面中央付近に配置される背面フレーム５２９の上端に左右から取り付けられている。
【０１５９】
背面フレーム５２９は、たとえば四角形状である。背面フレーム５２９には、装着者の背中の形状に沿うようにクッション用パッド５３０が取り付けられている。背面フレーム５２９には、胸用ベルト５３１が取り付けられている。胸用ベルト５３１は、背面フレーム５２９の上下中央から左右方向にわきを通して前面に回されて、装着者に密着するように取り付けられる構造になっている。上半部である背面フレーム５２９の下部は、上下軸線まわりの受動回転軸５３２を介して、下肢部である背面フレーム５１２の上部と連結されている。
【０１６０】
空気圧ロータリアクチュエータ５２５の回転端側は、装着者の上腕に沿うように出されたアーム５３３が取り付けられている。アーム５３３には、上腕部用ベルト５３４が取り付けられて、上腕に固定されるようになっている。アーム５３３の先端には、肘のパワーアシスト用の空気圧ロータリアクチュエータ５３５の固定端部が取り付けられている。空気圧ロータリアクチュエータ５３５の回転端部には、装着者の前腕に沿うように出されたアーム５３６が取り付けられている。アーム５３６には、前腕部用ベルト５３７が取り付けられて、前腕に固定されるようになっている。
【０１６１】
図１４は、第２の重作業用アシストスーツ５００に含まれる空気圧駆動機器の構成を示す図である。第２の重作業用アシストスーツ５００に含まれる空気圧駆動機器は、コンプレッサ４０１、開閉バルブ４０２、レギュレータ４０３、エアフィルタ４０４、ミストセパレータ４０５、主流路４０６、左半身側流路６０７、右半身側流路６０８、上肢左肩関節空圧回路部６３０ａ、上肢右肩関節空圧回路部６３０ｂ、上肢左肘関節空圧回路部６３０ｃ、上肢右肘関節空圧回路部６３０ｄ、下肢左腰関節空圧回路４３０ａ、下肢右腰関節空圧回路４３０ｂ、下肢左膝関節空圧回路４３０ｃ、および下肢右膝関節空圧回路４３０ｄをさらに含んで構成される。
【０１６２】
据え置き型のコンプレッサ４０１で圧縮された圧縮空気は、開閉バルブ４０２を開放することによって、レギュレータ４０３へ流され、レギュレータ４０３によって適正な圧力に調整した後に、エアフィルタ４０４とミストセパレータ４０５とによって清浄化されて、主流路４０６へ送られる。主流路４０６は、左半身側流路６０７と右半身側流路６０８とに分岐する。
【０１６３】
左半身側流路６０７に送られた圧縮空気は、まず上肢左肩関節空圧回路部６３０ａおよび上肢左肘関節空圧回路部６３０ｃに送られる。上肢左肩関節空圧回路部６３０ａは、左肩関節の動きを補助するため、すなわち、左肩の左側側方に配置される空気圧ロータリアクチュエータ５２５を駆動するための空圧回路である。上肢左肩関節空圧回路部６３０ａは、上肢関節用電空レギュレータ６３１、上肢関節電磁弁６３２、上肢関節屈曲側流量制御弁６３３、上肢関節伸展側流量制御弁６３４および上肢関節用ロータリアクチュエータ６３５を含んで構成される。
【０１６４】
上肢左肩関節空圧回路部６３０ａに送られた圧縮空気は、上肢関節用電空レギュレータ６３１によって持ち上げる荷重に必要なトルクに見合った空気圧力に調整される。圧力を調整された圧縮空気は、上肢関節電磁弁６３２によって、肩関節または肘関節の伸展側および屈曲側に流路が切り換えられる。流路が切り換えられた圧縮空気は、上肢関節屈曲側流量制御弁６３３または上肢関節伸展側流量制御弁６３４によって流量制御が行われた後に、上肢関節用ロータリアクチュエータ６３５に送られ、上肢関節用ロータリアクチュエータ６３５、つまり空気圧ロータリアクチュエータ５２５を駆動する。
【０１６５】
上肢左肘関節空圧回路部６３０ｃは、左肘関節の動きを補助するため、すなわち、左肘付近に配置される空気圧ロータリアクチュエータ５３５を駆動するための空圧回路である。上肢左肘関節空圧回路部６３０ｃの構成は、上肢左肩関節空圧回路部６３０ａの構成と同じであり、重複を避けるために説明は省略する。
【０１６６】
右半身側流路６０８に送られた圧縮空気は、上肢右肩関節空圧回路部６３０ｂおよび上肢右肘関節空圧回路部６３０ｄに送られる。上肢右肩関節空圧回路部６３０ｂは、右肩関節の動きを補助するため、すなわち、左肩の右側側方に配置される空気圧ロータリアクチュエータ５２５を駆動するための空圧回路である。上肢右肘関節空圧回路部６３０ｄは、右肘関節の動きを補助するため、すなわち、右肘付近に配置される空気圧ロータリアクチュエータ５３５を駆動するための空圧回路である。
【０１６７】
上肢右肩関節空圧回路部６３０ｂおよび上肢右肘関節空圧回路部６３０ｄの構成は、いずれも上肢左肩関節空圧回路部６３０ａの構成と同じであり、重複を避けるために説明は省略する。また、下肢左腰関節空圧回路４３０ａ、下肢右腰関節空圧回路４３０ｂ、下肢左膝関節空圧回路４３０ｃおよび下肢右膝関節空圧回路４３０ｄは、図９に示した下肢左腰関節空圧回路４３０ａ、下肢右腰関節空圧回路４３０ｂ、下肢左膝関節空圧回路４３０ｃおよび下肢右膝関節空圧回路４３０ｄと同じであり、重複を避けるために説明は省略する。
【０１６８】
上肢左肩関節空圧回路部６３０ａに含まれる上肢関節用ロータリアクチュエータ６３５は、左肩の左側側方に配置される空気圧ロータリアクチュエータ５２５である。上肢左肘関節空圧回路部６３０ｃに含まれる上肢関節用ロータリアクチュエータ６３５は、左肘付近に配置される空気圧ロータリアクチュエータ５３５である。上肢右肩関節空圧回路部６３０ｂに含まれる上肢関節用ロータリアクチュエータ６３５は、右肩の右側側方に配置される空気圧ロータリアクチュエータ５２５である。上肢右肘関節空圧回路部６３０ｄに含まれる上肢関節用ロータリアクチュエータ６３５は、右肘付近に配置される空気圧ロータリアクチュエータ５３５である。
【０１６９】
図１５は、第２の重作業用アシストスーツ５００に含まれる制御機器の構成を示す図である。第２の重作業用アシストスーツ５００に含まれる制御機器は、中央制御ユニット３３０、右足底ユニット３５０、左足底ユニット３６０、各関節ユニット３４０ａ〜３４０ｄ，５６０ａ〜５６０ｄ、およびハンディ端末５０を含んで構成される。中央制御ユニット３３０、右足底ユニット３５０、左足底ユニット３６０、および各関節ユニット３４０ａ〜３４０ｄは、図１０に示した中央制御ユニット３３０、右足底ユニット３５０、左足底ユニット３６０、各関節ユニット３４０ａ〜３４０ｄ、およびハンディ端末５０と同じであり、重複を避けるために説明は省略する。
【０１７０】
関節ユニット５６０ａは、左肩の左側側方に配置される空気圧ロータリアクチュエータ５２５を制御する。関節ユニット５６０ｂは、右肩の右側側方に配置される空気圧ロータリアクチュエータ５２５を制御する。関節ユニット５６０ｃは、左肘付近に配置される空気圧ロータリアクチュエータ５３５を制御する。関節ユニット５６０ｄは、右肘付近に配置される空気圧ロータリアクチュエータ５３５を制御する。
【０１７１】
各関節ユニット５６０ａ〜５６０ｄは、電空レギュレータ３４１、ソレノイドバルブ３４２、およびポテンショメータ３４３を含んで構成される。電空レギュレータ３４１、ソレノイドバルブ３４２、およびポテンショメータ３４３は、図１０に示した電空レギュレータ３４１、ソレノイドバルブ３４２、およびポテンショメータ３４３と同じであり、重複を避けるために説明は省略する。
【０１７２】
関節ユニット５６０ａ，５６０ｂのポテンショメータ３４３は、第３の角度検出部である。関節ユニット５６０ｃ，５６０ｄのポテンショメータ３４３は、第４の角度検出部である。関節ユニット３４０ａ，３４０ｂのポテンショメータ３４３は、第５の角度検出部である。関節ユニット３４０ｃ，３４０ｄのポテンショメータ３４３は、第６の角度検出部である。ポテンショメータ３５３，３６３は、第７の角度検出部である。
【０１７３】
ハンディ端末５０は、図３に示したハンディ端末５０と同じ構成である。第４の実施形態のハンディ端末５０に設定可能なパラメータを表３に示す。
【０１７４】
【表３】
0005909063.tif 000004
【０１７５】
図１６は、各関節での回転トルクＴの算出を説明するための図である。制御部３３２は、装着者の様々な作業姿勢にて体を動かすのに必要な回転トルクＴを、肩関節、肘関節、腰関節および膝関節の計測角度、および靴の爪先および踵に作用する床反力スイッチの状態に基づいて、力学的に算出することによって、アシストトルクを算出する。床反力スイッチは、爪先床反力検出スイッチ５３８および踵床反力検出スイッチ５３９である。爪先床反力検出スイッチ５３８および踵床反力検出スイッチ５３９は、重量検出部である。
【０１７６】
制御部３３２は、装着者を両脚部がそれぞれ独立した平面上にあると仮定した多関節剛体リンク機構としてモデル化し、上肢と下肢とに分けて、それぞれ荷重と床反力とから、左右の関節トルクを両腕両足別々に算出することができる計算式を用いる。上肢と下肢とに分けたことによって、胴体の多関節な構造からなる背骨の婉曲を無視することができる。
【０１７７】
制御部３３２は、様々な荷物の重量を検出する必要があるため、第２の重作業用アシストスーツ５００を装着した状態で、まず、装着者の体重を検知し、荷物を持たない状態で、姿勢を保持することができる保持トルクを算出する。また、制御部３３２は、装着者が荷物を持った際、荷物の重量を検知し、荷物を保持するための保持トルクを算出する。
【０１７８】
図１６は、装着者を両脚部がそれぞれ独立した平面上にあると仮定した多関節剛体リンク機構としてモデル化した図である。リンク１１は足であり、リンク１２は下腿部であり、リンク１３は大腿部であり、リンク１４は胴体であり、リンク１５は上腕であり、リンク１６は前腕である。
【０１７９】
各リンクの重心位置での重さ、各リンクの長さおよび重心までの長さを、それぞれ、リンク１１は、Ｍ１１、Ｌ１１およびＬｇ１１とし、リンク１２は、Ｍ１２、Ｌ１２およびＬｇ１２とし、リンク１３は、Ｍ１３、Ｌ１３およびＬｇ１３とし、リンク１４は、Ｍ１４、Ｌ１４およびＬｇ１４とし、リンク１５は、Ｍ１５、Ｌ１５およびＬｇ１５とし、リンク１６は、Ｍ１６、Ｌ１６およびＬｇ１６とする。また、各関節の角度を、足関節はθ１１とし、膝関節はθ１２とし、股関節はθ１３とし、肩関節はθ１４とし、肘関節はθ１５とする。また、踵の重心からの距離をＲｈ１とし、爪先の重心からの距離をＲｔ１とする。さらに、踵の床反力をＮｈ１とし、爪先の床反力をＮｔ１とする。各関節の関節トルクは、算出式（１）〜（５）によって算出することができる。ここに、τｒｅは肘関節の関節トルクであり、τｒｓは肘関節の関節トルクであり、τｒｈは肘関節の関節トルクであり、τｒｋは肘関節の関節トルクであり、τｒａは肘関節の関節トルクである。
τｒｅ＝（ｍＬ１６＋Ｍ１６Ｌｇ１６）ｃｏｓ（θ１１＋θ１２＋θ１３
＋θ１４＋θ１５）                                    …（１）
τｒｓ＝｛（ｍ＋＋Ｍ１６）Ｌ１６＋Ｍ１５Ｌｇ１５）ｇｃｏｓ（θ１１
＋θ１２＋θ１３＋θ１４）＋τｒｅ                    …（２）
τｒｈ＝｛Ｍ１１Ｌ１３＋Ｍ１２Ｌ１３＋Ｍ１３（Ｌ１３−Ｌｇ１３）｝
ｇｃｏｓ（θ１１＋θ１２）−（Ｎｔ１＋Ｎｈ１）
Ｌ１３ｃｏｓ（θ１１＋θ１２）＋τｒｋ                …（３）
τｒｋ＝｛Ｍ１１Ｌ１２＋Ｍ１２（Ｌ１２−Ｌｇ１２）｝ｇｃｏｓθ１１
−（Ｎｔ１＋Ｎｈ１）Ｌ１２ｃｏｓθ１１＋τｒａ        …（４）
τｒａ＝−Ｍ１１Ｌｇ１１ｇ＋Ｎｔ１Ｒｔ１−Ｎｈ１Ｒｈ１
＋（Ｎｔ１＋Ｎｈ１）Ｌｇ１１                          …（５）
【０１８０】
制御部３３２は、関節トルクを算出した後、各空気圧シリンダ５０１，５１６および各空気圧ロータリアクチュエータ５２５，５３５に供給する空気圧と回転トルクＴとの関係を近似式によって求め、空気圧指令の形で指示する。
【０１８１】
計算式（１）〜（５）の内、関節角度θ１１〜θ１５、荷重の重量ｍ、および床反力Ｎｔ１，Ｎｈ１以外は定数であるので、事前に、適切なパラメータ値に変換した後、装着者によってハンディ端末５０から入力される。
【０１８２】
図１７および図１８は、第２の重作業用アシストスーツ５００で実行される第４のアシストスーツ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。制御部３３２は、第２の重作業用アシストスーツ５００の電源が投入されて空気圧シリンダ５０１，５１６および空気圧ロータリアクチュエータ５２５，５３５を除く部位への電力の供給が開始され、動作可能状態になると、ステップＣ１に移る。
【０１８３】
第４のアシストスーツ制御処理は、大きく５つのシーケンスによって構成される。ステップＣ１〜Ｃ５が電源起動シーケンスであり、ステップＣ６，Ｃ７がパラメータ書換えシーケンスであり、ステップＣ８，Ｃ９が姿勢情報入力シーケンスであり、ステップＣ１０〜Ｃ１４が肩関節・肘関節制御シーケンスであり、ステップＣ１５〜Ｃ２５が股関節・膝関節制御シーケンスである。制御部３３２は、肩関節・肘関節制御シーケンスおよび股関節・膝関節制御シーケンスによって、各関節に必要なアシストトルクを出力する。ステップＣ１〜Ｃ３，Ｃ６は、図１１に示したステップＢ１〜Ｂ３，Ｂ６と同じであり、重複を避けるために説明を省略する。
【０１８４】
ステップＣ４では、制御部３３２は、制御の初期化を行う。具体的には、図５に示したステップＡ２と同様に、制御部３３２は、直立状態で、腕を鉛直方向に下げた姿勢での関節角度を初期値である０度とする。すなわち、制御部１３２は、直立状態で、腕を鉛直方向に下げた姿勢での各関節角度を、各関節ユニット３４０ａ〜３４０ｄ，５６０ａ〜５６０ｄに含まれるポテンショメータ３４３、右足底ユニット３５０に含まれるポテンショメータ３５３、および左足底ユニット３６０に含まれるポテンショメータ３６３から取得し、取得した各関節角度の位置を、各関節角度の０度の位置とする。
【０１８５】
ステップＣ５では、制御部３３２は、空気圧シリンダ５０１，５１６および空気圧ロータリアクチュエータ５２５，５３５を駆動するための駆動電源をオンとする。すなわち、制御部３３２は、電池３３３から空気圧シリンダ５０１，５１６および空気圧ロータリアクチュエータ５２５，５３５への電力の供給を開始するように、電池３３３に指示する。
【０１８６】
ステップＣ７では、制御部３３２は、ハンディ端末５０から更新されたパラメータを受信すると、受信した更新されたパラメータを、図示しない記憶部に記憶してパラメータを更新する。または、風袋消去を行う。
【０１８７】
ステップＣ８では、制御部３３２は、各関節角度を計測する。具体的には、制御部３３２は、各関節ユニット３４０ａ〜３４０ｄ，５６０ａ〜５６０ｄに含まれるポテンショメータ３４３、右足底ユニット３５０に含まれるポテンショメータ３５３、および左足底ユニット３６０に含まれるポテンショメータ３６３によって計測された関節角度および回転方向を、各ポテンショメータ３４３，３５３，３６３から取得する。ステップＣ９では、制御部３３２は、床反力スイッチからスイッチの状態を読み込む。具体的には、制御部３３２は、爪先床反力検出スイッチ５３８および踵床反力検出スイッチ５３９から、それぞれの検出結果、つまり計測された重量を取得する。このとき、制御部３３２は、中央制御ユニットに含まれる３軸加速度センサで計測された腰の傾きを、３軸加速度センサから取得する。
【０１８８】
そして、制御部３３２は、取得した関節角度、回転の有無、回転方向、重量、および腰の傾きに基づいて、装着者の上腕、前腕、大腿部および下腿部に係る静止トルクを算出するとともに、肩・肘制御、腰・膝制御および歩行制御の状態を判断する。肩・肘制御は、肩関節および肘関節の制御であり、腰・膝制御は、股関節および膝関節の制御である。
【０１８９】
ステップＣ１０〜Ｃ１４は、図５に示したステップＡ８〜Ａ１２の肩制御および肩トルクをそれぞれ肩・肘制御および肩・肘トルクに置き換えたものと同じであり、また、ステップＣ１５〜Ｃ２５は、図１２に示したステップＣ１３〜Ｃ２３の腰制御および腰トルクを、それぞれ腰・膝制御および腰・膝トルクに置き換えたものと同じであり、重複を避けるために説明を省略する。制御部３３２は、ステップＣ６〜ステップＣ２５の一連のシーケンス、つまりメインループを、１０ｍ秒間隔で実行しており、装着者へのスムーズなアシストを実現している。
【０１９０】
制御部１３２は、表１に示したパラメータのうち、ステップＣ１１で、パラメータＮｏ「４」を使用し、ステップＣ１３で、パラメータＮｏ「５」，「６」を使用し、ステップＣ１４で、パラメータＮｏ「７」を使用し、ステップＣ２１で、パラメータＮｏ「８」，「９」を使用し、ステップＣ２２で、パラメータＮｏ「１０」，「１１」を使用し、ステップＣ２３で、パラメータＮｏ「１２」，「１３」を使用し、ステップＣ２４で、パラメータＮｏ「１４」を使用する。
【０１９１】
第１の軽作業用アシストスーツ１００および第２の軽作業用アシストスーツ２００は、肩関節および股関節についてパワーアシストするために、電動モータ１を左右の肩関節の両サイドに配置し、および電動モータ１１を左右の股関節の両サイドに配置している。電動モータ１，１１は、バックドライアブルとするため、すなわち、装着者側から駆動機器を動かすことができるようにするため、電動モータ１，１１に付加される減速機の減速比を１／５０程度の低減速比にして、装着者が出せる以上の力を出せないように電動モータ１，１１の出力を制限し、抗重力方向に十分なアシスト力を確保している。第１の軽作業用アシストスーツ１００および第２の軽作業用アシストスーツ２００は、電動モータ１，１１を取り付けているアシスト機構として、アシスト方向以外の装着者の動作を妨げないように受動回転軸、すなわち駆動機器を取りつけていない回転軸を、装着者の関節の外側周囲に配置している。
【０１９２】
このように、電動モータ１，１１は、バックドライアブルとするため、電動モータ１，１１に付加される減速機の減速比を１／５０程度の低減速比にして、装着者が出せる以上の力を出せないように電動モータ１，１１の出力を制限しているので、装着者の安全を確保することができる。また、アシスト方向以外の装着者の動作を妨げないように受動回転軸を、装着者の関節の外側周囲に配置しているので、第１の軽作業用アシストスーツ１００および第２の軽作業用アシストスーツ２００は、装着者の動作を拘束することがない。
【０１９３】
第１の軽作業用アシストスーツ１００および第２の軽作業用アシストスーツ２００の制御方法は、筋肉を動かそうとした時に筋肉に流れる微弱な表面筋電位信号を用いずに、装着者の様々な作業姿勢にて体を動かすのに必要な回転トルクを力学的に算出することによって、アシストトルクを算出するので、表面筋電位センサ装着の煩わしさがない。また、この制御方法は、動作パターンの再生方式ではなく、装着者の様々な作業姿勢にて体を動かすのに必要なトルクを力学的に算出することによって、アシストトルクを算出するので、動作の切り替わり時に不連続になることがない。
【０１９４】
したがって、第１の軽作業用アシストスーツ１００および第２の軽作業用アシストスーツ２００は、表面筋電位センサを装着する煩わしさがなく、実用的である。また、第１の軽作業用アシストスーツ１００および第２の軽作業用アシストスーツ２００は、数多くの動作パターンをデータベース化しておく必要がなく、動作の切り替わり時に不連続になることがない。
【０１９５】
第１の重作業用アシストスーツ３００および第２の重作業用アシストスーツ５００の下肢部については、股関節および膝関節をパワーアシストするために、空気圧シリンダ３０１，５０１を左右の股関節の両サイドに配置し、空気圧シリンダ３１５，５１６を左右の膝関節の両サイドに配置している。これらの空気圧シリンダ３０１，３１５，５０１，５１６は、バックドライアブルであり、空気の圧縮性によってクッションになり、また、装着者が出せる以上の力や速度を出せないように供給圧力や流量を制限することで、装着者の安全を確保することができ、抗重力方向に十分なアシスト力を確保している。空気圧シリンダ３０１，３１５，５０１，５１６を取り付けているアシスト機構については、アシスト方向以外の装着者の動作を妨げないように受動回転軸を、装着者の関節の外側周囲に配置している。
【０１９６】
第１の重作業用アシストスーツ３００の上肢部については、重量物持ち上げをパワーアシストするためのリフタ装置が、装着者の下肢部の背面フレームに、上下軸線まわりの回転軸を介して取り付けられている上肢部の背面ボックス、つまり上肢背面ボックス３２４に配置されている。この背面ボックスの上部には、空気圧式の人工ゴム筋肉３２５の固定端が連結されている。人工ゴム筋肉３２５の移動端には、移動フレーム３２６が接続されて、ピニオンギア６３０〜６３２を介して約５倍に増速され、背面ボックス上部から左右の肩の上部のガイド部を通って、装着者の前面へワイヤ６３９，６４０が出てくる。ワイヤ６３９，６４０の端には、重量物を把持するためのフック６４１と、スイッチ６４２とが取り付けられている。装着者は、重量物をフック６４１に引っかけて、ワイヤ６３９，６４０と重量物とを結び付けることができる構造になっている。
【０１９７】
空気圧シリンダ３０１，３１５，５０１，５１６、空気圧の人工ゴム筋肉３２５、および空気圧ロータリアクチュエータ５２５，５３５は、バックドライアブルであり、空気の圧縮性によりクッションになり、また装着者が出せる以上の力や速度を出せないように供給圧力や流量を制限することで、装着者の安全を確保することができる。また、第１の重作業用アシストスーツ３００および第２の重作業用アシストスーツ５００は、アシスト方向以外の装着者の動作を妨げないように受動回転軸を、装着者の関節の外側周囲に配置しているので、装着者の動作を拘束しない。
【０１９８】
第１の重作業用アシストスーツ３００および第２の重作業用アシストスーツ５００の制御方法は、筋肉を動かそうとした時に筋肉に流れる微弱な表面筋電位信号を用いずに、装着者の様々な作業姿勢にて体を動かすのに必要な回転トルクを力学的に算出することによって、アシストトルクを算出するので、第１の重作業用アシストスーツ３００および第２の重作業用アシストスーツ５００は、表面筋電位センサ装着の煩わしさがない。また、この制御方法は、動作パターンの再生方式ではなく、装着者の様々な作業姿勢にて体を動かすのに必要な回転トルクを力学的に算出することにより、アシストトルクを算出するので、第１の重作業用アシストスーツ３００および第２の重作業用アシストスーツ５００は、動作の切り替わり時に不連続になることがない。
【０１９９】
したがって、第１の重作業用アシストスーツ３００および第２の重作業用アシストスーツ５００は、表面筋電位センサを装着する煩わしさがなく、実用的である。また、第１の重作業用アシストスーツ３００および第２の重作業用アシストスーツ５００は、数多くの動作パターンをデータベース化しておく必要がなく、動作の切り替わり時に不連続になることがない。
【０２００】
このように、２つの電動モータ１，２０１は、装着者の両肩部の近傍にそれぞれ配置され、装着者の上腕部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する。背面フレーム５，２０６は、装着者の胴体上部に装着され、前記２つの電動モータ１，２０１を保持する。２つの電動モータ１１，２１２は、装着者の腰部の近傍にそれぞれ配置され、装着者の大腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する。そして、背面フレーム１５，２１６は、装着者の腰部に装着され、前記２つの電動モータ１１，２１２を保持する。したがって、第１の軽作業用アシストスーツ１００および第２の軽作業用アシストスーツ２００は、アシスト方向以外の装着者の動作を妨げないように、上下軸線および前後軸線まわりに回転自在な受動回転軸２〜４，２０３，２０５および受動回転軸１２〜１４，２１４、たとえば駆動機器が取りつけられていない受動回転軸を、装着者の関節の外側周囲に配置しているので、装着者の動作を拘束することなく補助することができる。
【０２０１】
さらに、前記背面フレーム５から前記受動回転軸２〜４を介して両肩部にわたって延びるフレームを含む。そして、前記２つの電動モータ１は、前記フレームによって前記背面フレーム５に連桔される。したがって、２つの電動モータ１１を保持する背面フレーム５を軽量化することができ、装着者の負担を軽減することができる。
【０２０２】
さらに、前記フレームは、装着者の両肩部に上方から装着される２つの肩フレームと、該２つの肩フレームから左右方向外方に前記受動回転軸２０３，２０５を介して両肩部まで延びる２つの横フレームを含む。そして、前記２つの電動モータ２０１は、前記２つの横フレームによって前記背面フレーム２０６に連桔される。したがって、第２の軽作業用アシストスーツ２００は、２つの電動モータ２１２の位置が安定し、装着者の動作が容易になる。
【０２０３】
さらに、電動モータ１，２０１に含まれるロータリエンコーダは、前記２つの電動モータ１，２０１に設けられ、上腕部の肩関節まわりの回転角度を検出する。電動モータ１１，２１２に含まれるロータリエンコーダは、前記２つの電動モータ１１，２１２に設けられ、大腿部の股関節まわりの回転角度を検出する。爪先床反力検出スイッチ２１および踵床反力検出スイッチ２２は、装着者が装着する靴の靴底部における爪先部分および踵部分にそれぞれ設けられ、予め定める値以上の重量が爪先部および踵部に作用しているか否かを検出する。そして、３次元加速度センサは、前記背面フレーム１５，２１６に設けられ、装着者の上半身の傾きを検出する。したがって、第１の軽作業用アシストスーツ１００および第２の軽作業用アシストスーツ２００は、電動モータ１，２０１，１１に含まれるロータリエンコーダ、爪先床反力検出スイッチ２１および踵床反力検出スイッチ２２、３次元加速度センサを用いているので、表面筋電位センサを装着する煩わしさがなく、実用的である。
【０２０４】
さらに、制御部１３２は、電動モータ１，２０１に含まれるロータリエンコーダによって検出される両上腕部の回転角度、電動モータ１１，２１２に含まれるロータリエンコーダによって検出される両大腿部の回転角度、爪先床反力検出スイッチ２１および踵床反力検出スイッチ２２によって検出される検出結果、および３次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部および両大腿部に作用する静的トルク、回転方向および回転に要する回転トルクを算出し、さらに、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの電動モータ１，２０１および前記２つの電動モータ１１，２１２を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクを発生するように、前記２つの電動モータ１，２０１および前記２つの電動モータ１１，２１２を駆動させる。したがって、第１の軽作業用アシストスーツ１００および第２の軽作業用アシストスーツ２００は、回転角度等に基づいて駆動トルクを算出するので、数多くの動作パターンをデータベース化しておく必要がなく、動作の切り換わり時に不連続になることがない。
【０２０５】
さらに、前記制御部１３２は、前記算出した駆動トルクを、装着者が前記２つの電動モータ１，２０１および前記２つの電動モータ１１，２１２を逆方向に駆動することができる減速比以下の減速比に減速して、前記２つの電動モータ１，２０１および前記２つの電動モータ１１，２１２を駆動する。したがって、第１の軽作業用アシストスーツ１００および第２の軽作業用アシストスーツ２００は、装着者が２つの電動モータ１，２０１および２つの電動モータ１１，２１２を逆方向に駆動することができる減速比以下の減速比、たとえば１／５０程度の低減速比にして、装着者が出せる以上の力を出せないように、２つの電動モータ１，２０１および２つの電動モータ１１，２１２の出力を制限しているので、装着者の安全を確保することができる。
【０２０６】
さらに、前記２つの電動モータ１，２０１および前記２つの電動モータ１１，２１２は、電動モータである。したがって、電動モータは、バックドライアブルであるので、第１の軽作業用アシストスーツ１００および第２の軽作業用アシストスーツ２００は、装着者の安全を確保することができる。
【０２０７】
さらに、２つの空気圧シリンダ３０１，５０１は、装着者の各大腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する。２つの空気圧シリンダ３１５，５１６は、装着者の各下腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する。保持部は、装着者の背中に装着される背面フレーム５１２，５２９、大腿部に装着される２つのフレーム５０６、下腿部に装着される２つのフレーム５２０、および靴底に装着される２つのフレーム５２３を含み、前記２つの空気圧シリンダ３０１，５０１および前記空気圧シリンダ３１５，５１６を保持する。そして、上半身補助部は、背中装着部によって保持され、上半身の動作を補助する。また、前記保持部は、腰部の左右方向外方近傍にそれぞれ配置され、大腿部装着部を背中装着部に対して前後軸線まわりに回転自在に連結する２つの受動回転軸５０５と、両膝部の左右方向外方近傍にそれぞれ配置され、下腿部装着部を大腿部装着部に対して前後軸線まわりに回転自在に連結する２つの受動回転軸５０４と、両足の踝の左右方向外方近傍にそれぞれ配置され、靴底装着部を下腿部装着部に対して前後軸線まわりに回転自在に連結する２つの受動回転軸５１９と、空気圧シリンダ３０１，５０１の一端を、腰用連結部の上方で、前後軸線まわりに回転自在に背中装着部に連結する受動回転軸５０８と、空気圧シリンダ３０１，５０１の他端を、大腿部装着部の膝用連結部側の一端から前方向上方に延伸するアームの先端部に、前後軸線まわりに回転自在に連結する受動回転軸５０２と、空気圧シリンダ３１５，５１６の一端を、大腿部装着部の背面側に膝用連結部寄りの中間の位置で、前後軸線まわりに回転自在に連結する受動回転軸５２１と、空気圧シリンダ３１５，５１６の他端を、膝用連結部の背面側に踝用連結部の後方で、前後軸線まわりに回転自在に保持部に連結する受動回転軸５１７とを含む。したがって、第１の重作業用アシストスーツ３００および第２の重作業用アシストスーツ５００は、荷物等の重量を靴底装着部から地面や床に逃すことができ、装着者にかかる負担を軽減しつつ、装着者の動作を補助することができる。
【０２０８】
さらに、前記保持部は、前記背面フレーム５１２，５２９の上方から両肩上方を跨ぐように前方向に延伸するガイド部を含む。そして、前記上半身補助部は、先端にフック６４１を有するワイヤ６３９，６４０と、ワイヤ６３９，６４０をガイド部に沿って巻上げおよび巻下げ、前記背面フレーム６４４の背面側に設けられる人工ゴム筋肉３２５とを含む。したがって、第１の重作業用アシストスーツ３００は、ワイヤ６３９，６４０のフック６４１に荷物を掛けることによって、荷物の持ち上げおよび持ち下げを補助することができる。
【０２０９】
さらに、２つの空気圧ロータリアクチュエータ５２５は、両肩部の近傍にそれぞれ配置されて前記背面フレーム５１２，５２９によって保持され、装着者の各上腕部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する。そして、２つの空気圧ロータリアクチュエータ５２５は、両肘部の近傍にそれぞれ配置されて前記背面フレーム５１２，５２９によって保持され、装着者の各前腕部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する。したがって、第２の重作業用アシストスーツ５００は、両手による荷物の持ち上げおよび持ち下げを補助することができる。
【０２１０】
さらに、関節ユニット５６０ａ，５６０ｂのポテンショメータ３４３は、前記２つの空気圧ロータリアクチュエータ５２５に設けられ、上腕部が回転している回転角度を検出する。関節ユニット５６０ｃ，５６０ｄのポテンショメータ３４３は、前記２つの空気圧ロータリアクチュエータ５２５に設けられ、前腕部が回転している回転角度を検出する。関節ユニット３４０ａ，３４０ｂのポテンショメータ３４３は、前記２つの受動回転軸５０５に設けられ、大腿部が回転している回転角度を検出する。関節ユニット３４０ｃ，３４０ｄのポテンショメータ３４３は、前記２つの受動回転軸５０４に設けられ、下腿部が回転している回転角度を検出する。ポテンショメータ３５３，３６３は、前記２つの受動回転軸５１９に設けられ、足が回転している回転角度を検出する。爪先床反力検出スイッチ５３８および踵床反力検出スイッチ５３９は、装着者が装着する靴の靴底部における爪先部分および踵部分にそれぞれ設けられ、爪先部および踵部に作用する重量を検出する。３次元加速度センサは、前記背面フレーム５１２，５２９に設けられ、上半身の傾きを検出する。そして、制御部３３２は、ポテンショメータ３４３，３５３，３６３によって検出される回転角度、爪先床反力検出スイッチ５３８および踵床反力検出スイッチ５３９によって検出される重量、および３次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部、両前腕部、両大腿部、両下腿部、および両足に作用する静的トルク、回転方向およびに回転に要する回転トルクを算出し、さらに、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの空気圧ロータリアクチュエータ５２５、前記２つの空気圧ロータリアクチュエータ５３５、前記２つの空気圧シリンダ３０１，５０１および前記２つの空気圧シリンダ３１５，５１６を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクで、前記２つの空気圧ロータリアクチュエータ５２５、前記２つの空気圧ロータリアクチュエータ５３５、前記２つの空気圧シリンダ３０１，５０１および前記２つの空気圧シリンダ３１５，５１６を駆動する。したがって、第２の重作業用アシストスーツ５００は、ポテンショメータ３４３，３５３，３６３、爪先床反力検出スイッチ５３８および踵床反力検出スイッチ５３９、３次元加速度センサを用いているので、表面筋電位センサを装着する煩わしさがなく、実用的である。また、第２の重作業用アシストスーツ５００は、回転角度等に基づいて駆動トルクを算出するので、数多くの動作パターンをデータベース化しておく必要がなく、動作の切り換わり時に不連続になることがない。
【０２１１】
さらに、前記２つの空気圧シリンダ３０１および前記空気圧シリンダ３１５は、空気圧シリンダである。そして、前記駆動部は、人工ゴム筋肉３２５である。したがって、空気圧シリンダや人工ゴム筋肉は、バックドライアブルであり、空気の圧縮性によりクッションになり、また装着者が出せる以上の力や速度を出せないように供給圧力や流量を制限することで、第１の重作業用アシストスーツ３００は、装着者の安全を確保することができる。
【０２１２】
さらに、前記２つの空気圧シリンダ５０１および前記空気圧シリンダ５１６は、空気圧シリンダである。そして、前記２つの空気圧ロータリアクチュエータ５２５および前記２つの空気圧ロータリアクチュエータ５３５は、空気圧ロータリアクチュエータである。したがって、空気圧シリンダや空気圧ロータリアクチュエータは、バックドライアブルであり、空気の圧縮性によりクッションになり、また装着者が出せる以上の力や速度を出せないように供給圧力や流量を制限することで、第２の重作業用アシストスーツ５００は、は、装着者の安全を確保することができる。
【０２１３】
さらに、ハンディ端末５０は、装着者の個体差を表すパラメータを入力する。そして、前記制御部１３２，３３２は、ハンディ端末５０によって入力されたパラメータに基づいて、前記駆動トルクを算出する。したがって、第１の軽作業用アシストスーツ１００、第２の軽作業用アシストスーツ２００、第１の重作業用アシストスーツ３００および第２の重作業用アシストスーツ５００は、は、装着者の個体差を表すパラメータを入力することができるので、誰にでも装着可能である。
【０２１４】
さらに、第１の軽作業用アシストスーツ１００および第２の軽作業用アシストスーツ２００を制御するにあたって、ステップＡ４〜Ａ７では、電動モータ１に含まれるロータリエンコーダによって検出される両上腕部の回転角度、電動モータ１１に含まれるロータリエンコーダによって検出される両大腿部の回転角度、爪先床反力検出スイッチ２１および踵床反力検出スイッチ２２によって検出される検出結果、および３次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部および両大腿部に作用する静的トルク、回転方向およびに回転に要する回転トルクを算出する。そして、ステップＡ８〜Ａ２３では、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの電動モータ１，２０１および前記２つの電動モータ１１，２１２を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクを、装着者が前記２つの電動モータ１，２０１および前記２つの電動モータ１１，２１２を逆方向に駆動することができる減速比以下の減速比で減速して、前記２つの電動モータ１，２０１および前記２つの電動モータ１１，２１２を駆動する。したがって、第１の軽作業用アシストスーツ１００および第２の軽作業用アシストスーツ２００は、角度検出部、床反力検出部、および３次元加速度センサを用いているので、表面筋電位センサを装着する煩わしさがなく、実用的である。また、第１の軽作業用アシストスーツ１００および第２の軽作業用アシストスーツ２００は、回転角度等に基づいて駆動トルクを算出するので、数多くの動作パターンをデータベース化しておく必要がなく、動作の切り換わり時に不連続になることがない。
本発明は、次の実施の形態が可能である。
（１）装着者の両肩部の近傍にそれぞれ配置され、装着者の上腕部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する２つの腕用駆動部と、
装着者の胴体上部に装着され、前記２つの腕用駆動部を保持する腕用保持部と、
装着者の腰部の近傍にそれぞれ配置され、装着者の大腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する２つの大腿用駆動部と、
装着者の腰部に装着され、前記２つの大腿用駆動部を保持する腰用保持部とを含むことを特徴とするパワーアシストロボット装置。
（２）前記腕用保持部は、両肩部にわたって延びるフレームを含み、
前記２つの腕用駆動部は、前記フレームに連結されることを特徴とする。
（３）前記腕用保持部は、装着者の両肩部に上方から装着される２つの肩フレーム、ならびに該２つの肩フレームから左右方向外方に前記腕用連結部を介して両肩部まで延びる２つの横フレームを含み、
前記２つの腕用駆動部は、前記２つの横フレームに連結されることを特徴とする。
（４）前記２つの腕用駆動部に設けられ、上腕部の肩関節まわりの回転角度を検出する第１の角度検出部と、
前記２つの大腿用駆動部に設けられ、大腿部の股関節まわりの回転角度を検出する第２の角度検出部と、
装着者が装着する靴の靴底部における爪先部分および踵部分にそれぞれ設けられ、予め定める値以上の重量が爪先部および踵部に作用しているか否かを検出する床反力検出部と、
前記腰用保持部に設けられ、装着者の上半身の傾きを検出する３次元加速度センサとをさらに含むことを特徴とする。
（５）第１の角度検出部によって検出される両上腕部の回転角度、第２の角度検出部によって検出される両大腿部の回転角度、床反力検出部によって検出される検出結果、および３次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部および両大腿部に作用する静的トルク、回転方向および回転に要する回転トルクを算出し、
さらに、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクを発生するように、前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部を駆動させる駆動制御部をさらに含むことを特徴とする。
（６）前記駆動制御部は、前記算出した駆動トルクを、装着者が前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部を逆方向に駆動することができる減速比以下の減速比に減速して、前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部を駆動することを特徴とする。
（７）前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部は、電動モータを含むことを特徴とする。
（８）装着者の各大腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する２つの大腿用駆動部と、
装着者の各下腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する２つの下腿部用駆動部と、
装着者の背中に装着される背中装着部、大腿部に装着される２つの大腿部装着部、下腿部に装着される２つの下腿部装着部、および靴底に装着される２つの靴底装着部を含み、前記２つの大腿用駆動部および前記下腿部用駆動部を保持する保持部と、
背中装着部によって保持され、上半身の動作を補助する上半身補助部とを含み、
前記保持部は、
腰部の左右方向外方近傍にそれぞれ配置され、大腿部装着部を背中装着部に対して前後軸線まわりに回転自在に連結する２つの腰用連結部と、
両膝部の左右方向外方近傍にそれぞれ配置され、下腿部装着部を大腿部装着部に対して前後軸線まわりに回転自在に連結する２つの膝用連結部と、
両足の踝の左右方向外方近傍にそれぞれ配置され、靴底装着部を下腿部装着部に対して前後軸線まわりに回転自在に連結する２つの踝用連結部と、
大腿用駆動部の一端を、腰用連結部の上方で、前後軸線まわりに回転自在に背中装着部に連結する第１の連結部と、
大腿用駆動部の他端を、大腿部装着部の膝用連結部側の一端から前方向上方に延伸す
るアームの先端部に、前後軸線まわりに回転自在に連結する第２の連結部と、
下腿部用駆動部の一端を、大腿部装着部の背面側に膝用連結部寄りの中間の位置で、前後軸線まわりに回転自在に連結する第３の連結部と、
下腿部用駆動部の他端を、膝用連結部の背面側に踝用連結部の後方で、前後軸線まわりに回転自在に保持部に連結する第４の連結部とを含むことを特徴とするパワーアシストロボット装置。
（９）前記保持部は、前記背中装着部の上方から両肩上方を跨ぐように前方向に延伸するガイド部を含み、
前記上半身補助部は、先端にフック部を有するワイヤと、前記ワイヤをガイド部に沿って巻上げおよび巻下げ、前記背中装着部の背面側に設けられる駆動部とを含むことを特徴とする。
（１０）両肩部の近傍にそれぞれ配置されて前記背中装着部によって保持され、装着者の各上腕部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する２つの腕用駆動部と、
両肘部の近傍にそれぞれ配置されて前記背中装着部によって保持され、装着者の各前腕部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する２つの肘用駆動部とをさらに含むことを特徴とする。
（１１）前記２つの腕用駆動部に設けられ、上腕部が回転している回転角度を検出する第３の角度検出部と、
前記２つの肘用駆動部に設けられ、前腕部が回転している回転角度を検出する第４の角度検出部と、
前記２つの腰用連結部に設けられ、大腿部が回転している回転角度を検出する第５の角度検出部と、
前記２つの膝用連結部に設けられ、下腿部が回転している回転角度を検出する第６の角度検出部と、
前記２つの踝用連結部に設けられ、足が回転している回転角度を検出する第７の角度検出部と、
装着者が装着する靴の靴底部における爪先部分および踵部分にそれぞれ設けられ、爪先部および踵部に作用する重量を検出する重量検出部と、
前記背中装着部に設けられ、上半身の傾きを検出する３次元加速度センサと、
第３〜７の角度検出部によって検出される回転角度、重量検出部によって検出される重量、および３次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部、両前腕部、両大腿部、両下腿部、および両足に作用する静的トルク、回転方向およびに回転に要する回転トルクを算出し、さらに、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの腕用駆動部、前記２つの肘用駆動部、前記２つの大腿用駆動部および前記２つの下腿部用駆動部を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクで、前記２つの腕用駆動部、前記２つの肘用駆動部、前記２つの大腿用駆動部および前記２つの下腿部用駆動部を駆動する駆動制御部とをさらに含むことを特徴とする。
（１２）前記２つの大腿用駆動部および前記下腿部用駆動部は、空気圧シリンダであり、
前記駆動部は、人工ゴム筋肉であることを特徴とする。
（１３）前記２つの大腿用駆動部および前記下腿部用駆動部は、空気圧シリンダであり、
前記２つの腕用駆動部および前記２つの肘用駆動部は、空気圧ロータリアクチュエータであることを特徴とする。
（１４）装着者の個体差を表すパラメータを入力するパラメータ入力部をさらに含み、
前記駆動制御部は、パラメータ入力部によって入力されたパラメータに基づいて、前記駆動トルクを算出することを特徴とする。
（１５）前記パワーアシストロボット装置で実行される制御方法であって、
第１の角度検出部によって検出される両上腕部の回転角度、第２の角度検出部によって検出される両大腿部の回転角度、床反力検出部によって検出される検出結果、および３次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部および両大腿部に作用する静的トルク、回転方向およびに回転に要する回転トルクを算出する算出ステップと、
さらに、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクを、装着者が前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部を逆方向に駆動することができる減速比以下の減速比に減速して、前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部を駆動する駆動ステップとを含むことを特徴とする制御方法。
前記腕用保持部は、両肩部にわたって延びるフレームを含む。そして、前記２つの腕用駆動部は、前記フレームに連結される。したがって、２つの大腿用駆動部を保持する腕用保持部を軽量化することができ、装着者の負担を軽減することができる。
前記腕用保持部は、装着者の両肩部に上方から装着される２つの肩フレームと、該２つの肩フレームから左右方向外方に前記腕用連結部を介して両肩部まで延びる２つの横フレームを含む。そして、前記２つの腕用駆動部は、前記２つの横フレームに連結される。したがって、パワーアシストロボット装置は、２つの大腿用駆動部の位置が安定し、装着者の動作が容易になる。
前記駆動制御部は、前記算出した駆動トルクを、装着者が前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部を逆方向に駆動することができる減速比以下の減速比に減速して、前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部を駆動する。したがって、パワーアシストロボット装置は、装着者が２つの腕用駆動部および２つの大腿用駆動部を逆方向に駆動することができる減速比以下の減速比、たとえば１／５０程度の低減速比にして、装着者が出せる以上の力を出せないように、２つの腕用駆動部および２つの大腿用駆動部の出力を制限しているので、装着者の安全を確保することができる。
前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部は、電動モータを含む。したがって、電動モータは、バックドライアブルであるので、パワーアシストロボット装置は、装着者の安全を確保することができる。
２つの大腿用駆動部は、装着者の各大腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する。２つの下腿部用駆動部は、装着者の各下腿部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する。保持部は、装着者の背中に装着される背中装着部、大腿部に装着される２つの大腿部装着部、下腿部に装着される２つの下腿部装着部、および靴底に装着される２つの靴底装着部を含み、前記２つの大腿用駆動部および前記下腿部用駆動部を保持する。そして、上半身補助部は、背中装着部によって保持され、上半身の動作を補助する。また、前記保持部は、腰部の左右方向外方近傍にそれぞれ配置され、大腿部装着部を背中装着部に対して前後軸線まわりに回転自在に連結する２つの腰用連結部と、両膝部の左右方向外方近傍にそれぞれ配置され、下腿部装着部を大腿部装着部に対して前後軸線まわりに回転自在に連結する２つの膝用連結部と、両足の踝の左右方向外方近傍にそれぞれ配置され、靴底装着部を下腿部装着部に対して前後軸線まわりに回転自在に連結する２つの踝用連結部と、大腿用駆動部の一端を、腰用連結部の上方で、前後軸線まわりに回転自在に背中装着部に連結する第１の連結部と、大腿用駆動部の他端を、大腿部装着部の膝用連結部側の一端から前方向上方に延伸するアームの先端部に、前後軸線まわりに回転自在に連結する第２の連結部と、下腿部用駆動部の一端を、大腿部装着部の背面側に膝用連結部寄りの中間の位置で、前後軸線まわりに回転自在に連結する第３の連結部と、下腿部用駆動部の他端を、膝用連結部の背面側に踝用連結部の後方で、前後軸線まわりに回転自在に保持部に連結する第４の連結部とを含む。したがって、パワーアシストロボット装置は、荷物等の重量を靴底装着部から地面や床に逃すことができ、装着者にかかる負担を軽減しつつ、装着者の動作を補助することができる。
前記保持部は、前記背中装着部の上方から両肩上方を跨ぐように前方向に延伸するガイド部を含む。そして、前記上半身補助部は、先端にフック部を有するワイヤと、前記ワイヤをガイド部に沿って巻上げおよび巻下げ、前記背中装着部の背面側に設けられる駆動部とを含む。したがって、パワーアシストロボット装置は、ベルトのフック部に荷物を掛けることによって、荷物の持ち上げおよび持ち下げを補助することができる。
２つの腕用駆動部は、両肩部の近傍にそれぞれ配置されて前記背中装着部によって保持され、装着者の各上腕部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する。そして、２つの肘用駆動部は、両肘部の近傍にそれぞれ配置されて前記背中装着部によって保持され、装着者の各前腕部の動きに追従する方向に、その動きを補助する回転トルクを発生する。したがって、パワーアシストロボット装置は、両手による荷物の持ち上げおよび持ち下げを補助することができる。
第３の角度検出部は、前記２つの腕用駆動部に設けられ、上腕部が回転している回転角度を検出する。第４の角度検出部は、前記２つの肘用駆動部に設けられ、前腕部が回転している回転角度を検出する。第５の角度検出部は、前記２つの腰用連結部に設けられ、大腿部が回転している回転角度を検出する。第６の角度検出部は、前記２つの膝用連結部に設けられ、下腿部が回転している回転角度を検出する。第７の角度検出部は、前記２つの踝用連結部に設けられ、足が回転している回転角度を検出する。重量検出部は、装着者が装着する靴の靴底部における爪先部分および踵部分にそれぞれ設けられ、爪先部および踵部に作用する重量を検出する。３次元加速度センサは、前記背中装着部に設けられ、上半身の傾きを検出する。そして、駆動制御部は、第３〜７の角度検出部によって検出される回転角度、重量検出部によって検出される重量、および３次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部、両前腕部、両大腿部、両下腿部、および両足に作用する静的トルク、回転方向およびに回転に要する回転トルクを算出し、さらに、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの腕用駆動部、前記２つの肘用駆動部、前記２つの大腿用駆動部および前記２つの下腿部用駆動部を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクで、前記２つの腕用駆動部、前記２つの肘用駆動部、前記２つの大腿用駆動部および前記２つの下腿部用駆動部を駆動する。したがって、パワーアシストロボット装置は、第３〜第７の角度検出部、重量検出部、３次元加速度センサを用いているので、表面筋電位センサを装着する煩わしさがなく、実用的である。また、パワーアシストロボット装置は、回転角度等に基づいて駆動トルクを算出するので、数多くの動作パターンをデータベース化しておく必要がなく、動作の切り換わり時に不連続になることがない。
前記２つの大腿用駆動部および前記下腿部用駆動部は、空気圧シリンダである。そして、前記駆動部は、人工ゴム筋肉である。したがって、空気圧シリンダや人工ゴム筋肉は、バックドライアブルであり、空気の圧縮性によりクッションになり、また装着者が出せる以上の力や速度を出せないように供給圧力や流量を制限することで、パワーアシストロボット装置は、装着者の安全を確保することができる。
前記２つの大腿用駆動部および前記下腿部用駆動部は、空気圧シリンダである。そして、前記２つの腕用駆動部および前記２つの肘用駆動部は、空気圧ロータリアクチュエータである。したがって、空気圧シリンダや空気圧ロータリアクチュエータは、バックドライアブルであり、空気の圧縮性によりクッションになり、また装着者が出せる以上の力や速度を出せないように供給圧力や流量を制限することで、パワーアシストロボット装置は、装着者の安全を確保することができる。
パラメータ入力部は、装着者の個体差を表すパラメータを入力する。そして、前記駆動制御部は、パラメータ入力部によって入力されたパラメータに基づいて、前記駆動トルクを算出する。したがって、パワーアシストロボット装置は、装着者の個体差を表すパラメータを入力することができるので、誰にでも装着可能である。
前記パワーアシストロボット装置を制御するにあたって、算出ステップでは、第１の角度検出部によって検出される両上腕部の回転角度、第２の角度検出部によって検出される両大腿部の回転角度、床反力検出部によって検出される検出結果、および３次元加速度センサによって検出される上半身の傾きに基づいて、両上腕部および両大腿部に作用する静的トルク、回転方向およびに回転に要する回転トルクを算出する。そして、駆動ステップでは、算出した静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部を駆動する駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクを、装着者が前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部を逆方向に駆動することができる減速比以下の減速比で減速して、前記２つの腕用駆動部および前記２つの大腿用駆動部を駆動する。したがって、パワーアシストロボット装置は、角度検出部、床反力検出部、３次元加速度センサを用いているので、表面筋電位センサを装着する煩わしさがなく、実用的である。また、パワーアシストロボット装置は、回転角度等に基づいて駆動トルクを算出するので、数多くの動作パターンをデータベース化しておく必要がなく、動作の切り換わり時に不連続になることがない。
【符号の説明】
【０２１５】
１，１１，２０１，２１２  電動モータ
２〜４，１２〜１４，２０３，２０５，２０９，３０２，３０４  受動回転軸
５，１５，２１６，３１２，３４４，５１２，５２９，６４４  背面フレーム
６，１６，５１３，５３０  クッション用パッド
７  肩用ベルト
８，５３１  胸用ベルト
９，１９，２０８，５３３，５３６  アーム
１０，２１１  腕用ベルト
１７，２１７，３１４，５１４  腰用ベルト
１８，２１８  股用ベルト
２０，２２３  大腿用ベルト
２１，５３８  爪先床反力検出スイッチ
２２，５３９  踵床反力検出スイッチ
２３，５４０  中央制御ユニット
５０  ハンディ端末
５１  パラメータ番号選択スイッチ
５２  上昇スイッチ
５３  下降スイッチ
５４  エントリスイッチ
５５  モードスイッチ
５６  パラメータ表示部
５７  ＬＥＤ
１００  第１の軽作業アシストスーツ
１３０  下肢ユニット
１３１，１５１，１６１  無線通信部
１３２  制御部
１３３，１５２，１６２  電池
１４０  上肢ユニット
１５０  右足床ユニット
１６０  左足床ユニット
２００  第２の軽作業アシストスーツ
２０２，２０４，２０６，２１３  フレーム
２０７  ヒンジ
２１０，２２２  受け面
２１９  前面ベルト
２２０  背面ベルト
３００  第１の重作業用アシストスーツ
３０１，３１５，５０１，５１６  空気圧シリンダ
３０５，３０８，３０９，３１１，３１６，３１８，３２０，３２１  受動回転軸
３０３，３０６，３０７，３１０，３１７，３２２  フレーム
３２４  上肢背面ボックス
３２５  人工ゴム筋肉
３２６  移動フレーム
３２７，３２８  リニアガイド
３２９  ラックギア
３３０  中央制御ユニット
３４０，５６０  関節ユニット
３５０  右足底ユニット
３６０  左足底ユニット
３７０  リフタユニット
５００  第２の重作業用アシストスーツ
５０２，５０４，５０５，５０８，５０９，５１１，５１７，５１９  受動回転軸
５０３，５０６，５０７，５１０，５１８，５２０，５２３，５２７  フレーム
５１５  大腿用ベルト
５２１，５２２，５２６，５２８，５３２  受動回転軸
５２４  下腿部用ベルト
５２５，５３５  ロータリアクチュエータ
５３４  上腕用ベルト
５３７  前腕用ベルト
６３０〜６３２  ピニオンギア
６３３  ワイヤ巻き取りシーブ
６３４，６３９，６４０  ワイヤ
６３５  バランスプレート
６３６  フレーム
６３７，６３８  プーリ
６４１  フック
６４２  スイッチ
６４３  手袋
６４５  ベルト
【図１】
0005909063.tif 000005
【図２】
0005909063.tif 000006
【図３】
0005909063.tif 000007
【図４】
0005909063.tif 000008
【図５】
0005909063.tif 000009
【図６】
0005909063.tif 000010
【図７】
0005909063.tif 000011
【図８】
0005909063.tif 000012
【図９】
0005909063.tif 000013
【図１０】
0005909063.tif 000014
【図１１】
0005909063.tif 000015
【図１２】
0005909063.tif 000016
【図１３】
0005909063.tif 000017
【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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