(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装着者の腰部または股関節の左右方向両側近傍にそれぞれ配置され、装着者の上体および大腿部の動きに追従する方向に、上体および大腿部の動きを補助するための駆動トルクを発生する２つの回転駆動部と、
装着者の胸部および腰部に装着され、前記２つの回転駆動部の回転軸および固定端側のうちのいずれか一方が固定される上体フレームと、
一端部が回転駆動部の回転軸および固定端側のうちのいずれか他方に固定され、他端部が大腿部の側部に装着される２つの大腿部フレーム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】
前記上体フレームは、
装着者の胸部に装着される胸部フレームと、
前記２つの回転駆動部を両端部でそれぞれ保持し、前記２つの回転駆動部間を装着者の腰部の背面に沿って延び、装着者の腰部に装着される腰部フレームと、
胸部フレームと腰部フレームとを前後軸線および上下軸線まわりに回転自在に連結する上体連結部とを含む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】
前記回転駆動部は、該回転駆動部の回転軸に固定される内輪部と、内輪部に対して前記回転軸の軸線まわりに回転自在に設けられる外輪部とから構成される軸受部を含み、
前記大腿部フレームの一端部は、前記内輪部に固定され、
前記腰部フレームは、装着者の腰部に密着して装着され、前記外輪部に固定されるサブフレームを含む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。
【請求項４】
前記胸部フレームは、
装着者の胸部前面で左右軸線方向に延びる胸部前フレームと、
装着者の腰部背面で左右軸線方向に延び、上体連結部によって前記腰部フレームと連結される胸部後フレームと、
胸部前フレームの右端部と胸部後フレームの右端部とを変位自在に連結する胸部右フレームと、
胸部前フレームの左端部と胸部後フレームの左端部とを変位自在に連結する胸部左フレームと、
胸部前フレームの左右軸線まわりに回転自在に連結する胸連結部によって該胸部前フレームに連結され、装着者の胸部に密着して装着されるクッション部とを含むことを特徴とする請求項２または３に記載のパワーアシストロボット装置。
【請求項５】
前記胸部フレームは、
装着者の胸部前面で左右軸線方向に延びる胸部前フレームと、
装着者の腰部背面で左右軸線方向に延び、上体連結部によって前記腰部フレームと連結される胸部後フレームと、
胸部前フレームと胸部後フレームとの距離を調整する調整機構とを含む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。
【請求項６】
前記胸部フレームは、
胸部前フレームを含む胸部側部分と胸部後フレームを含む腰部側部分とを連結／分離するためのコネクタを含むことを特徴とする請求項５に記載のパワーアシストロボット装置。
【請求項７】
前記腰部フレームは、前記２つの回転駆動部間の距離を調整する腰部調整機構を含み、
前記大腿部フレームは、該大腿部フレームの一端部と他端部との距離を調整する大腿部調整機構を含むことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１つに記載のパワーアシストロボット装置。
【請求項８】
前記大腿部フレームは、該大腿部フレームの他端部と大腿部とを左右軸線まわりに回転自在に連結する大腿部連結部を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のパワーアシストロボット装置。
【請求項９】
装着者の上体の左右軸線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つの回転駆動部にそれぞれ設けられ、各回転駆動部の回転軸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荷重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をさらに含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載のパワーアシストロボット装置。
【請求項１０】
第１の角度検出部によって検出される上体の回転角度、第２の角度検出部によって検出される回転駆動部の回転軸の回転角度、および床反力検出部によって検出される検出結果に基づいて、上体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つの回転駆動部が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つの回転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請求項９に記載のパワーアシストロボット装置。
【請求項１１】
前記２つの回転駆動部にそれぞれ設けられ、各回転駆動部の回転軸の回転角度を検出する角度検出部と、
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荷重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をさらに含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載のパワーアシストロボット装置。
【請求項１２】
角度検出部によって検出される回転駆動部の回転軸の回転角度、および床反力検出部によって検出される検出結果に基づいて、上体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つの回転駆動部が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つの回転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請求項１１に記載のパワーアシストロボット装置。
【請求項１３】
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つの回転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少させて、前記２つの回転駆動部に発生させることを特徴とする請求項１０または１２に記載のパワーアシストロボット装置。
【請求項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請求項１０，１２，１３のいずれか１つに記載のパワーアシストロボット装置。
【請求項１５】
前記駆動制御部は、第１の角度検出部によって検出される上体の回転角度、第２の角度検出部によって検出される回転駆動部の回転軸の回転角度、および床反力検出部によって検出される検出結果に基づいて、装着者の個体差を表すパラメータを生成することを特徴とする請求項１０に記載のパワーアシストロボット装置。
【請求項１６】
請求項９に記載のパワーアシストロボット装置の制御方法であって、
第１の角度検出部によって検出される上体の回転角度、第２の角度検出部によって検出される回転駆動部の回転軸の回転角度、および床反力検出部によって検出される検出結果に基づいて、上体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、
算出ステップで算出された静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの回転駆動部が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つの回転駆動部を駆動させる駆動ステップ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の制御方法。
【請求項１７】
請求項１１に記載のパワーアシストロボット装置の制御方法であって、
角度検出部によって検出される回転駆動部の回転軸の回転角度、および床反力検出部によって検出される検出結果に基づいて、上体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、
算出ステップで算出された静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの回転駆動部が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つの回転駆動部を駆動させる駆動ステップ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の制御方法。
【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およびその制御方法に関する。
【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、持ち下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】
また、上述した従来技術は、重量物を持ち上げて運搬する作業などにおいて、腰痛を防ぐための腰椎のパワーアシストと、歩行のための股関節のパワーアシストとを、同時に実現することができていない。腰補助用のパワーアシストとして、空気圧式人工筋肉を用いて、所定の動作、たとえば腰曲げを補助するものもあるが、腰曲げの動作を再現して補助するだけで、上体の回転や左右方向への動きが拘束され、また、歩行動作と連動して補助することはできない。また、駆動源は、腰椎のパワーアシスト用と、股関節のパワーアシスト用とをそれぞれ設ける必要がある。
【００１１】
本発明の目的は、少ない駆動源で重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができるパワーアシストロボット装置およびその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、装着者の腰部または股関節の左右方向両側近傍にそれぞれ配置され、装着者の上体および大腿部の動きに追従する方向に、上体および大腿部の動きを補助するための駆動トルクを発生する２つの回転駆動部と、
装着者の胸部および腰部に装着され、前記２つの回転駆動部の回転軸および固定端側のうちのいずれか一方が固定される上体フレームと、
一端部が回転駆動部の回転軸および固定端側のうちのいずれか他方に固定され、他端部が大腿部の側部に装着される２つの大腿部フレーム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。
【００１３】
また本発明は、前記上体フレームは、
装着者の胸部に装着される胸部フレームと、
前記２つの回転駆動部を両端部でそれぞれ保持し、前記２つの回転駆動部間を装着者の腰部の背面に沿って延び、装着者の腰部に装着される腰部フレームと、
胸部フレームと腰部フレームとを前後軸線および上下軸線まわりに回転自在に連結する上体連結部とを含むことを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、前記回転駆動部は、該回転駆動部の回転軸に固定される内輪部と、内輪部に対して前記回転軸の軸線まわりに回転自在に設けられる外輪部とから構成される軸受部を含み、
前記大腿部フレームの一端部は、前記内輪部に固定され、
前記腰部フレームは、装着者の腰部に密着して装着され、前記外輪部に固定されるサブフレームを含むことを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、前記胸部フレームは、
装着者の胸部前面で左右軸線方向に延びる胸部前フレームと、
装着者の腰部背面で左右軸線方向に延び、上体連結部によって前記腰部フレームと連結される胸部後フレームと、
胸部前フレームの右端部と胸部後フレームの右端部とを変位自在に連結する胸部右フレームと、
胸部前フレームの左端部と胸部後フレームの左端部とを変位自在に連結する胸部左フレームと、
胸部前フレームの左右軸線まわりに回転自在に連結する胸連結部によって該胸部前フレームに連結され、装着者の胸部に密着して装着されるクッション部とを含むことを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、前記胸部フレームは、
装着者の胸部前面で左右軸線方向に延びる胸部前フレームと、
装着者の腰部背面で左右軸線方向に延び、上体連結部によって前記腰部フレームと連結される胸部後フレームと、
胸部前フレームと胸部後フレームとの距離を調整する調整機構とを含むことを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、前記胸部フレームは、
胸部前フレームを含む胸部側部分と胸部後フレームを含む腰部側部分とを連結／分離するためのコネクタを含むことを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、前記腰部フレームは、前記２つの回転駆動部間の距離を調整する腰部調整機構を含み、
前記大腿部フレームは、該大腿部フレームの一端部と他端部との距離を調整する大腿部調整機構を含むことを特徴とする。
【００１９】
また本発明は、前記大腿部フレームは、該大腿部フレームの他端部と大腿部とを左右軸線まわりに回転自在に連結する大腿部連結部を含むことを特徴とする。
【００２０】
また本発明は、装着者の上体の左右軸線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つの回転駆動部にそれぞれ設けられ、各回転駆動部の回転軸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荷重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をさらに含むことを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、第１の角度検出部によって検出される上体の回転角度、第２の角度検出部によって検出される回転駆動部の回転軸の回転角度、および床反力検出部によって検出される検出結果に基づいて、上体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つの回転駆動部が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つの回転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。
【００２２】
また本発明は、前記２つの回転駆動部にそれぞれ設けられ、各回転駆動部の回転軸の回転角度を検出する角度検出部と、
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荷重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をさらに含むことを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、角度検出部によって検出される回転駆動部の回転軸の回転角度、および床反力検出部によって検出される検出結果に基づいて、上体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つの回転駆動部が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つの回転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。
【００２４】
また本発明は、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つの回転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少させて、前記２つの回転駆動部に発生させることを特徴とする。
【００２５】
また本発明は、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。
【００２６】
また本発明は、前記駆動制御部は、第１の角度検出部によって検出される上体の回転角度、第２の角度検出部によって検出される回転駆動部の回転軸の回転角度、および床反力検出部によって検出される検出結果に基づいて、装着者の個体差を表すパラメータを生成することを特徴とする。
【００２７】
また本発明は、前記パワーアシストロボット装置の制御方法であって、
第１の角度検出部によって検出される上体の回転角度、第２の角度検出部によって検出される回転駆動部の回転軸の回転角度、および床反力検出部によって検出される検出結果に基づいて、上体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、
算出ステップで算出された静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの回転駆動部が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つの回転駆動部を駆動させる駆動ステップ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の制御方法である。
【００２８】
また本発明は、前記パワーアシストロボット装置の制御方法であって、
角度検出部によって検出される回転駆動部の回転軸の回転角度、および床反力検出部によって検出される検出結果に基づいて、上体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、
算出ステップで算出された静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの回転駆動部が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つの回転駆動部を駆動させる駆動ステップ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の制御方法である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、２つの回転駆動部は、装着者の腰部または股関節の左右方向両側近傍にそれぞれ配置され、装着者の上体および大腿部の動きに追従する方向に、上体および大腿部の動きを補助するための駆動トルクを発生する。上体フレームは、装着者の胸部および腰部に装着され、前記２つの回転駆動部の回転軸および固定端側のうちのいずれか一方が固定される。そして、２つの大腿部フレームは、一端部が回転駆動部の回転軸および固定端側のうちのいずれか他方に固定され、他端部が大腿部の側部に装着される。したがって、パワーアシストロボット装置は、少ない駆動源、すなわち腰部両側に設けられる２つの回転駆動部で重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができる。
【００３０】
また本発明によれば、前記上体フレームは、胸部フレームと、腰部フレームと、上体連結部とを含む。胸部フレームは、装着者の胸部に装着される。腰部フレームは、前記２つの回転駆動部を両端部でそれぞれ保持し、前記２つの回転駆動部間を装着者の腰部の背面に沿って延び、装着者の腰部に装着される。そして、上体連結部は、胸部フレームと腰部フレームとを前後軸線および上下軸線まわりに回転自在に連結する。したがって、パワーアシストロボット装置は、胸部フレームと腰部フレームとをそれぞれの端部の２箇所で連結する場合よりも、上体の左右方向の動作および上体の回転動作を拘束することなく、重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができる。
【００３１】
また本発明によれば、前記回転駆動部は、該回転駆動部の回転軸に固定される内輪部と、内輪部に対して前記回転軸の軸線まわりに回転自在に設けられる外輪部とから構成される軸受部を含む。前記大腿部フレームの一端部は、前記内輪部に固定される。そして、前記腰部フレームは、装着者の腰部に密着して装着され、前記外輪部に固定されるサブフレームを含む。したがって、パワーアシストロボット装置は、腰部の動作を拘束することなく、重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができる。
【００３２】
本発明によれば、前記胸部フレームは、胸部前フレームと、胸部後フレームと、胸部右フレームと、胸部左フレームと、クッション部とを含む。胸部前フレームは、装着者の胸部前面で左右軸線方向に延びる。胸部後フレームは、装着者の腰部背面で左右軸線方向に延び、上体連結部によって前記腰部フレームと連結される。胸部右フレームは、胸部前フレームの右端部と胸部後フレームの右端部とを変位自在に連結する。胸部左フレームは、胸部前フレームの左端部と胸部後フレームの左端部とを変位自在に連結する。そして、クッション部は、胸部前フレームの左右軸線まわりに回転自在に連結する胸連結部によって該胸部前フレームに連結され、装着者の胸部に密着して装着される。したがって、パワーアシストロボット装置は、上体の前後方向の動作を拘束することなく、重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができる。
【００３３】
また本発明によれば、前記胸部フレームは、胸部前フレームと、胸部後フレームと、調整機構とを含む。胸部前フレームは、装着者の胸部前面で左右軸線方向に延びる。胸部後フレームは、装着者の腰部背面で左右軸線方向に延び、上体連結部によって前記腰部フレームと連結される。そして、調整機構は、胸部前フレームと胸部後フレームとの距離を調整する。したがって、パワーアシストロボット装置は、胸部フレームを、装着者の体型に応じた形態に変形させることができる。
【００３４】
また本発明によれば、前記胸部フレームは、コネクタを含む。コネクタは、胸部前フレームを含む胸部側部分と胸部後フレームを含む腰部側部分とを連結／分離するための部材である。したがって、パワーアシストロボット装置は、胸部側部分と腰部側部分とをこのコネクタを介して容易に連結／分離することができるので、装着者は、パワーアシストロボット装置を容易に着脱することができる。
【００３５】
また本発明によれば、前記腰部フレームは、前記２つの回転駆動部間の距離を調整する腰部調整機構を含む、そして、前記大腿部フレームは、該大腿部フレームの一端部と他端部との距離を調整する大腿部調整機構を含む。したがって、パワーアシストロボット装置は、装着者の体型に応じた形態に変形させることができる。
【００３６】
また本発明によれば、前記大腿部フレームは、該大腿部フレームの他端部と大腿部とを左右軸線まわりに回転自在に連結する大腿部連結部を含む。したがって、パワーアシストロボット装置は、大腿部の動作を拘束することなく、重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができる。
【００３７】
また本発明によれば、第１の角度検出部は、装着者の上体の左右軸線まわりの回転角度を検出する。第２の角度検出部は、前記２つの回転駆動部にそれぞれ設けられ、各回転駆動部の回転軸の回転角度を検出する。そして、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荷重が爪先部および踵部に作用しているか否かを検出する。したがって、パワーアシストロボット装置は、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。
【００３８】
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上体の回転角度、第２の角度検出部によって検出される回転駆動部の回転軸の回転角度、および床反力検出部によって検出される検出結果に基づいて、上体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する。さらに、駆動制御部は、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つの回転駆動部が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つの回転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、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。
【００３９】
また本発明によれば、角度検出部は、前記２つの回転駆動部にそれぞれ設けられ、各回転駆動部の回転軸の回転角度を検出する。そして、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荷重が爪先部および踵部に作用しているか否かを検出する。したがって、パワーアシストロボット装置は、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。
【００４０】
また本発明によれば、駆動制御部は、角度検出部によって検出される回転駆動部の回転軸の回転角度、および床反力検出部によって検出される検出結果に基づいて、上体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する。さらに、駆動制御部は、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つの回転駆動部が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つの回転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、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。
【００４１】
本発明によれば、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つの回転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少させて、前記２つの回転駆動部に発生させる。したがって、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。
【００４２】
本発明によれば、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、装着者の個人差に対応した補助を行うことができる。
【００４３】
また本発明によれば、前記駆動制御部は、第１の角度検出部によって検出される上体の回転角度、第２の角度検出部によって検出される回転駆動部の回転軸の回転角度、および床反力検出部によって検出される検出結果に基づいて、装着者の個体差を表すパラメータを生成する。したがって、パワーアシストロボット装置は、装着者にパワーアシストロボット装置を装着させて実際に動作させることによって、装着者の個人差に依存するパラメータを生成することができる。
【００４４】
また本発明によれば、前記パワーアシストロボット装置の制御方法を実行するにあたって、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上体の回転角度、第２の角度検出部によって検出される回転駆動部の回転軸の回転角度、および床反力検出部によって検出される検出結果に基づいて、上体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、算出ステップで算出された静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの回転駆動部が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つの回転駆動部を駆動させる。したがって、本発明に係る制御方法は、少ない駆動源、すなわち腰部両側に設けられる２つの回転駆動部で重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができる。
【００４５】
また本発明によれば、前記パワーアシストロボット装置の制御方法を実行するにあたって、算出ステップでは、角度検出部によって検出される回転駆動部の回転軸の回転角度、および床反力検出部によって検出される検出結果に基づいて、上体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、算出ステップで算出された静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つの回転駆動部が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つの回転駆動部を駆動させる。したがって、本発明に係る制御方法は、少ない駆動源、すなわち腰部両側に設けられる２つの回転駆動部で重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施形態である重作業用アシストスーツ１００の外観を示す図である。
【図２】パワーアシスト用電動モータ１が取り付けられたメインフレームの断面図である。
【図３】重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４】ハンディ端末５０の外観を示す図である。
【図５】回転トルクＴの算出を説明するための図である。
【図６】重作業用アシストスーツ１００で実行される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】パラメータ書換えシーケンス処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】姿勢情報入力シーケンス処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】股関節制御シーケンス処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】歩行判断処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】歩行制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１２】上体判断処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１３】第１の上体制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１４】第２の上体制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１５】中腰判断処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１６】第１の中腰制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１７】第２の中腰制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の第２の実施形態である重作業用アシストスーツ３００の外観を示す図である。
【図１９】パワーアシスト用電動モータ２０１が取り付けられたメインフレームの断面図である。
【図２０】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２１】回転トルクＴの算出を説明するための図である。
【図２２】重作業用アシストスーツ３００で実行される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２３】パラメータ書換えシーケンス処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図２４】姿勢情報入力シーケンス処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図２５】股関節制御シーケンス処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図２６】歩行判断処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図２７】歩行制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図２８】遊脚側のアシストトルクの計算処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図２９】保持脚側のアシストトルクの計算処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図３０】上体判断処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図３１】上体制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図３２】中腰判断処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図３３】中腰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】
【００４７】
図１は、本発明の第１の実施形態である重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重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重作業用アシストスーツ１００の外観を示す側面図である。本発明の第１の実施形態に係る制御方法は、重作業用アシストスーツ１００で実行される。
【００４８】
パワーアシストロボット装置である重作業用アシストスーツ１００は、重作業用のアシストスーツである。重作業用アシストスーツ１００は、パワーアシスト用電動モータ１、フレーム２〜６，１４〜１８，２３，２４、受動回転軸７，１０，１２，１３，１９、スライド穴８、受け部９、ベルト１１，２１，２５、ベアリング２２、胸部クッション２０、クッション２６、角度調整機構２７、およびコントロールボックス２８を含んで構成される。
【００４９】
回転駆動部であるパワーアシスト用電動モータ１は、たとえば電動サーボモータによって構成される。パワーアシスト用電動モータ１は、上体および大腿部のパワーアシスト用、つまり上体および大腿部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る。換言すると、パワーアシスト用電動モータ１は、腰椎における第３〜第５腰椎付近を支点とする上体および大腿部の回転をアシストするための動力を発生する。
【００５０】
パワーアシスト用電動モータ１は、腰椎における第３〜第５腰椎付近の左右両サイドに、パワーアシスト用電動モータ１の回転軸が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。重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、装着者が重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。
【００５１】
パワーアシスト用電動モータ１の固定端側は、メインフレームに取り付けられている。腰部フレームであるメインフレームは、フレーム２およびフレーム３を含んで構成されている。メインフレームは、フレーム２およびフレーム３に設けられた調整穴によってメインフレームの左右方向の幅が調整できるようになっている。メインフレームは、フレーム２およびフレーム３に設けられた調整穴による調整機構によって、メインフレームの左右方向の幅を装着者の体型に合わせることができる。フレーム２およびフレーム３に設けられた調整穴による調整機構は、腰部調整機構である。
【００５２】
パワーアシスト用電動モータ１の回転端側には、下肢アシストアームが取り付けられている。大腿部フレームである下肢アシストアームは、フレーム４〜６を含んで構成される。フレーム４とフレーム５とは、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７を介して取り付けられている。フレーム６は、フレーム５側に設けられたスライド穴８内を上下方向にスライドするようになっている。下肢アシストアームは、フレーム６がスライド穴８内をスライドする調整機構によって、装着者の体型に合ったアーム長の調整を行うことができる。メインフレームおよび上体アシストアームは、上体フレームを構成する。フレーム６がスライド穴８内をスライドする調整機構は、大腿部調整機構である。
【００５３】
フレーム６の先端には、半円筒状の受け面を有する受け部９が、左右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１０を介して取り付けられている。大腿部連結部である受動回転軸１０は、受け部９に左右軸線まわりの回転動作をさせることによって、装着者の大腿部の動作に対応して、受け部９の受け面に適切な角度を与えることができる。受け部９には、ベルト１１が取り付けられている。ベルト１１は、装着者の大腿部を受け部９に固定するようになっている。
【００５４】
フレーム３は、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および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１３を介して、上体アシストアームが取り付けられている。胸部フレームである上体アシストアームは、フレーム１４〜１８を含んで構成される。
【００５５】
上体アシストアームは、装着者の腰部の背面から脇を通して胸部の前面に至るように配置され、装着者の上体を支えるようになっている。上体アシストアームは、フレーム１５およびフレーム１６に設けられた角度調整機構２７によって、装着者の体型に合った上体アシストアームの角度に調整をすることができる。また、フレーム１４およびフレーム１５に設けられた調整穴によって上体アシストフレームの横幅が調整できるようになっている。上体アシストフレームは、この調整穴による調整機構によって、装着者の体型に合わせることができる。受動回転軸１２および受動回転軸１３は、上体連結部である。フレーム１４およびフレーム１５は、胸部後フレームである。
【００５６】
上体アシストアームは、フレーム１６内部に設けられた図示しないコイルばねによるスライド機構によって、フレーム１６の全長が伸縮できるようになっている。上体アシストアームは、このスライド機構によって、装着者が上体を前傾や後傾した場合に、上体アシストアームが装着者の前傾や後傾の動作を妨げない構造になっている。フレーム１６は、フレーム１７を介してフレーム１８に連結される。メインフレームおよび上体アシストアームは、上体フレームである。装着者の右側に配置されるフレーム１６およびフレーム１７は、胸部右フレームであり、装着者の左側に配置されるフレーム１６およびフレーム１７は、胸部左フレームである。
【００５７】
胸部前フレームであるフレーム１８には、左右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１９を介して、胸部クッション２０が取り付けられている。２本のベルト２１は、フレーム１８から装着者の両肩部上方をそれぞれ通り、フレーム１４に至るように取り付けられている。胸部クッション２０およびベルト２１によって、上体アシストアームが装着者に密着するようになっている。受動回転軸１９は、胸連結部である。胸部クッション２０は、クッション部である。
【００５８】
図２は、パワーアシスト用電動モータ１が取り付けられたメインフレームの断面図である。図２は、図１（ｂ）に示した切断面線Ａ−Ａでの断面図である。左右の各フレーム２には、図２に示すように、背面側に突出するようにコントロールボックス２８がそれぞれ取付けられている。パワーアシスト用電動モータ１の回転端側には、さらに、ベアリング２２を介してサブフレームが取り付けられている。サブフレームは、フレーム２３およびフレーム２４を含んで構成される。
【００５９】
軸受部であるベアリング２２は、内輪部と外輪部とを含んで構成されている。パワーアシスト用電動モータ１の回転端側は、ベアリング２２の内輪部に取り付けられている。具体的には、内輪部は、パワーアシスト用電動モータ１の回転軸に取り付けられている。そして、内輪部には、下肢アシストアームの上端部、つまりフレーム４の上端部が取り付けられている。外輪部は、内輪部に対して、パワーアシスト用電動モータ１の回転軸の軸線周りに回転自在に設けられる。サブフレームのフレーム２３は、ベアリング２２の外輪部に取り付けられている。
【００６０】
このように、サブフレームが外輪部に取り付けられ、パワーアシスト用電動モータ１の回転軸が内輪部に取り付けられることによって、パワーアシスト用電動モータ１が回転軸を回転させても、サブフレームが回転動作を行わない構成となっている。
【００６１】
サブフレームには、ベルト２５とクッション２６とが取り付けられている。ベルト２５とクッション２６とによって、重作業用アシストスーツ１００のサブフレームを装着者の腰部に密着させることができる。
【００６２】
図３は、重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。重作業用アシストスーツ１００に含まれる制御機器は、ハンディ端末装置（以下「ハンディ端末」という）５０、通信ユニット１３０、制御ユニット１４０、右足底ユニット１５０、左足底ユニット１６０および電池ユニット１７０を含んで構成される。
【００６３】
通信ユニット１３０、制御ユニット１４０および電池ユニット１７０は、フレーム２に装着される。通信ユニット１３０および電池ユニット１７０は、装着者の右後ろ付近の位置に設けられたコントロールボックス２８に収納され、制御ユニット１４０は、装着者の左後ろ付近の位置に設けられたコントロールボックス２８に収納される。右足底ユニット１５０は、装着者の右側の靴底に装着され、左足底ユニット１６０は、装着者の左側の靴底に装着される。パラメータ入力部であるハンディ端末５０は、携帯型の端末装置であり、装着者の右手あるいは左手によって保持されて操作される。
【００６４】
通信ユニット１３０は、無線通信部１３１、電源制御部１３２、およびモータドライバ１３３を含んで構成される。無線通信部１３１は、無線による通信によって、右足底ユニット１５０、左足底ユニット１６０、およびハンディ端末５０と通信し、有線による通信によって、制御ユニット１４０と通信する。
【００６５】
電源制御部１３２は、電池ユニット１７０を制御する。モータドライバ１３３は、装着者の腰部の右側に装着されるパワーアシスト用電動モータ１を制御するドライバである。モータドライバ１３３は、有線による通信によって、モータ制御部１４１と通信し、モータ制御部１４１からアシストに必要な出力トルク指令などの指令を受けるとともに、モータの位置情報などの情報をモータ制御部１４１へ送っている。モータの位置情報は、パワーアシスト用電動モータ１の回転軸の回転角度を表す情報である。なお、電源制御部１３２およびモータ制御部１４１はそれぞれ、ＣＰＵを含むコンピュータによって実現される。
【００６６】
制御ユニット１４０は、モータ制御部１４１およびモータドライバ１４２を含んで構成される。駆動制御部であるモータ制御部１４１は、２軸傾斜センサを含んで構成される。第１の角度検出部である２軸傾斜センサは、たとえば直交する２軸の加速度を検出する加速度センサであり、装着者の上体の左右軸線まわりの回転角度および装着者の上体の前後軸線まわりの回転角度を検出するように配置される。本実施形態では、上体の左右軸線まわりの回転角度を検出するために、２軸傾斜センサを用いているが、２軸傾斜センサに限定されるものではなく、たとえば３軸加速度センサと３軸ジャイロセンサとを用いてもよい。
【００６７】
モータ制御部１４１は、無線通信部１３１からの情報と、モータドライバ１３３，１４２からのモータの位置情報とからアシストに必要な駆動トルクを計算し、モータドライバ１３３，１４２へ出力トルク指令を送る。モータドライバ１４２は、装着者の腰部の左側に装着されるパワーアシスト用電動モータ１を制御するドライバである。モータドライバ１４２は、モータ制御部１４１からアシストに必要な出力トルク指令などの指令を受けるとともに、モータの位置情報などの情報をモータ制御部１４１へ送っている。
【００６８】
右足底ユニット１５０は、無線通信部１５１、電池１５２、爪先スイッチ（以下「ＳＷ」ともいう）１５３および踵ＳＷ１５４を含んで構成される。電池１５２は、充電可能な蓄電池であり、無線通信部１５１、爪先ＳＷ１５３および踵ＳＷ１５４に電力を供給する。無線通信部１５１は、爪先ＳＷ１５３および踵ＳＷ１５４の状態、すなわち、爪先ＳＷ１５３および踵ＳＷ１５４によって検出された検出結果を、通信ユニット１３０の無線通信部１３１を経由して、制御ユニット１４０のモータ制御部１４１に送っている。
【００６９】
爪先ＳＷ１５３は、装着者が装着する右側の靴の靴底部における爪先部分に配置され、予め定める値以上の荷重が爪先部に作用しているか否かを検出する。踵ＳＷ１５４は、装着者が装着する右側の靴の靴底部における踵部分に配置され、予め定める値以上の荷重が踵部に作用しているか否かを検出する。
【００７０】
左足底ユニット１６０は、無線通信部１６１、電池１６２、爪先ＳＷ１６３および踵ＳＷ１６４を含んで構成される。無線通信部１６１、電池１６２、爪先ＳＷ１６３および踵ＳＷ１６４は、それぞれ無線通信部１５１、電池１５２、爪先ＳＷ１５３および踵ＳＷ１５４と同じ構成であり、重複を避けるために説明は省略する。爪先ＳＷ１５３、踵ＳＷ１５４、爪先ＳＷ１６３および踵ＳＷ１６４は、床反力検出部である。
【００７１】
ハンディ端末５０は、重作業用アシストスーツ１００の動作に必要な後述するパラメータを設定するために使用される。電池ユニット１７０は、電池１７１を含んで構成される。電池１７１は、充電可能な蓄電池である。電池ユニット１７０は、電池１７１からの電力を通信ユニット１３０および制御ユニット１４０に供給している。
【００７２】
図４は、ハンディ端末５０の外観を示す図である。ハンディ端末５０は、重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、パラメータ表示部５５、発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下「ＬＥＤ」という）５６、歩行スイッチ５７、上体スイッチ５８および中腰スイッチ５９を含んで構成される。
【００７３】
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。
【００７４】
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。パラメータ表示部５５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４に示したパラメータ表示部５５は、７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する。ＬＥＤ５６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。ＬＥＤ５６は、パラメータが正常に更新されると、所定時間、たとえば３秒間点滅する。
【００７５】
歩行スイッチ５７、上体スイッチ５８および中腰スイッチ５９は、ティーチング用のスイッチである。歩行スイッチ５７は、「歩行パラメータ」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。上体スイッチ５８は、「上体パラメータ」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。中腰スイッチ５９は、「中腰パラメータ」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。
【００７６】
装着者は、歩行スイッチ５７、上体スイッチ５８および中腰スイッチ５９のうち、ティーチングする動作に対応するスイッチを押下した後、ティーチングする一連の動作を実際に行う。ＬＥＤ５６は、実際に行われた一連の動作からその動作をアシストするためのパラメータが生成され、生成されたパラメータがハンディ端末５０に送信されると、所定時間点滅する。モータ制御部１４１は、歩行スイッチ５７、上体スイッチ５８および中腰スイッチ５９のうちのいずれかが押下されてから、生成したパラメータをハンディ端末５０に送信し終わるまで、ティーチングモードとする。
【００７７】
ハンディ端末５０に設定可能なパラメータを表１〜表４に示す。表１は、共通パラメータおよび歩行パラメータの一覧表である。パラメータＮｏ「０」は、装着者ごとのパラメータの記憶領域を指定するための共通パラメータである。パラメータＮｏ「１」〜「１５」は、歩行パラメータである。ハンディ端末５０は、１０人分のパラメータを記憶することができる。装着者ごとのパラメータの記憶領域は、装着者ごとに、パラメータＮｏ「１」〜「４０」のパラメータを記憶することができる。
【００７８】
パラメータＮｏ「１」〜「７」は、遊脚側の歩行制御パラメータであり、パラメータＮｏ「８」〜「１０」は、保持側の歩行制御パラメータであり、パラメータＮｏ「１１」〜「１５」は、歩行判断パラメータである。遊脚は、地に着いていない方の脚であり、保持脚は、地に着いている方の脚である。歩行制御パラメータは、歩行動作をアシストするためのパラメータであり、歩行判断パラメータは、装着者が行っている動作が歩行動作であるか否かを判断するためのパラメータである。
【００７９】
【表１】
0006032644.tif 000002
【００８０】
表２は、上体パラメータの一覧表である。パラメータＮｏ「２０」〜「２２」，「２４」，「２５」は、上体制御パラメータであり、パラメータＮｏ「２６」〜「２８」は、上体判断パラメータである。上体制御パラメータは、上体の動作をアシストするためのパラメータであり、上体判断パラメータは、装着者が行っている動作が上体の動作であるか否かを判断するためのパラメータである。
【００８１】
【表２】
0006032644.tif 000003
【００８２】
表３は、中腰パラメータの一覧表である。パラメータＮｏ「３０」〜「３２」，「３４」，「３５」は、中腰制御パラメータであり、パラメータＮｏ「３６」〜「３８」は、中腰判断パラメータである。中腰制御パラメータは、中腰の動作をアシストするためのパラメータであり、中腰判断パラメータは、装着者が行っている動作が中腰の動作であるか否かを判断するためのパラメータである。
【００８３】
【表３】
0006032644.tif 000004
【００８４】
表４は、床反力検出のための足底パラメータの一覧表である。
【００８５】
【表４】
0006032644.tif 000005
【００８６】
図５は、回転トルクＴの算出を説明するための図である。モータ制御部１４１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、パワーアシスト用電動モータ１の回転軸の回転角度および上体の回転角度を用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。アシストトルクは、パワーアシスト用電動モータ１によって生成される駆動トルクである。
【００８７】
モータ制御部１４１は、まず腰角度θおよび上体前傾角度αを取得する。上体前傾角度αは、上体の回転角度、すなわち、鉛直線を基準とする角度である。腰角度θは、上体に対する各大腿部の角度、すなわち、パワーアシスト用電動モータ１の回転軸の回転角度である。モータ制御部１４１は、モータドライバ１３３，１４２から、左右の腰角度θを取得し、モータ制御部１４１に含まれる２軸傾斜センサから上体前傾角度αを取得する。
【００８８】
脚部の質量をｍＦ［ｋｇ］、パワーアシスト用電動モータ１の回転軸から受動回転軸１０までの距離をＬＦ［ｍ］とすると、質量ｍＦの脚部を動作させるのに必要な回転トルクＴＦ［Ｎ・ｍ］は、計算式「ＴＦ＝ＬＦｍＦｇｓｉｎ（π−θ−α）」によって計算することができる。
【００８９】
同様に、上体の質量をｍＵ［ｋｇ］、腰からフレーム１８までの距離をＬＵ［ｍ］とすると、質量ｍＵの上体を動作させるのに必要な回転トルクＴＵは、計算式「ＴＵ＝ＬＵｍＵｇｓｉｎ（α）」によって計算することができる。
【００９０】
ｇは、重力加速度である。ＬＦ、ｍＦ、ＬＵおよびｍＵは、比例定数であり、装着者によって決まる固定値である。モータ制御部１４１は、これらの値をパラメータとして設定しておくことによって、アシストトルクを算出している。パラメータは、装着者が図４に示したハンディ端末５０を使用して設定する。
【００９１】
重作業用アシストスーツ１００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で体を動かすのに必要な回転トルクＴ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、表面筋電位センサを装備する必要がない。
【００９２】
また、重作業用アシストスーツ１００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で体を動かすのに必要な回転トルクＴを力学的に算出し、アシストする比率を乗じ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。
【００９３】
図６は、重作業用アシストスーツ１００で実行される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。アシストスーツ制御処理は、電源起動シーケンス処理、パラメータ書換えシーケンス処理、姿勢情報入力シーケンス処理および股関節制御シーケンス処理の４つの処理で構成されている。モータ制御部１４１は、重作業用アシストスーツ１００の電源が投入されてパワーアシスト用電動モータ１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。
【００９４】
ステップＡ１では、モータ制御部１４１は、電源起動シーケンス処理を実行する。具体的には、モータ制御部１４１は、ハンディ端末５０から送信されるアシストに必要なパラメータの受信完了を待っている。モータ制御部１４１は、アシストに必要なパラメータの受信完了後、装着者が直立している直立状態での各関節の回転角度、つまり上体の回転角度および上体に対する各大腿部の回転角度の初期化を行い、パワーアシスト用電動モータ１用の電源をオンする。
【００９５】
ステップＡ２では、モータ制御部１４１は、パラメータ書換えシーケンス処理を実行する。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。アシストスーツ制御処理は、このパラメータの更新を常時実行できるようにするために、パラメータ書換えシーケンス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Ａ２〜Ａ４によって形成される処理手順のループである。
【００９６】
ステップＡ３では、モータ制御部１４１は、姿勢情報入力シーケンス処理を実行する。姿勢情報入力シーケンス処理は、装着者の姿勢に関するデータを取得する処理である。
【００９７】
ステップＡ４では、モータ制御部１４１は、股関節制御シーケンス処理を実行して、ステップＡ２に戻る。股関節制御シーケンス処理は、ステップＡ３で取得されたデータに基づいて、歩行動作、上体動作および中腰動作の各動作に対するパワーアシスト用電動モータ１による駆動に必要なアシストトルクを計算して出力する。
【００９８】
モータ制御部１４１は、メインループを１０ｍＳ間隔で実行しており、重作業用アシストスーツ１００は、装着者へのスムーズなアシストを実現している。モータ制御部１４１は、アシストを開始する前、数秒間で装着者の動作を判断し、判断後アシストトルクを出力する。重作業用アシストスーツ１００は、健常者のアシストを目的としており、動作の開始時に数秒間アシストがなくても、実用上支障はない。
【００９９】
図７は、パラメータ書換えシーケンス処理の処理手順を示すフローチャートである。パラメータの更新には、手動での入力による更新と、ティーチングモードでの入力による更新がある。図７に示したパラメータ書換えシーケンス処理は、ティーチングモードでの入力による更新の処理である。モータ制御部１４１は、図６に示したステップＡ２が実行されると、ステップＢ１に移る。
【０１００】
ステップＢ１では、モータ制御部１４１は、ティーチングモードであるか否かを判定している。モータ制御部１４１は、ティーチングモードであるとき、ステップＢ２に進み、ティーチングモードでないとき、ステップＢ５に進む。モータ制御部１４１は、歩行スイッチ５７、上体スイッチ５８および中腰スイッチ５９のうちのいずれかが押下されると、ティーチングモードを開始し、ティーチングモードでのパラメータの生成およびハンディ端末５０へのパラメータの転送が完了すると、ティーチングモードを終了する。
【０１０１】
ステップＢ２では、モータ制御部１４１は、アシストをオフする。モータ制御部１４１は、アシストがオフの間、パワーアシスト用電動モータ１によるアシストを停止し、図６に示したステップＡ３の姿勢情報入力シーケンス処理およびステップＡ４の股関節制御シーケンス処理を実行することなく、ステップＡ２に戻る。
【０１０２】
ステップＢ３では、モータ制御部１４１は、モータドライバ１３３，１４２から送られてくる左右の腰角度θ、モータ制御部１４１に含まれる２軸傾斜センサから送られてくる上体前傾角度α、右足底ユニット１５０から送られてくる爪先ＳＷ１５３および踵ＳＷ１５４による検出結果、および左足底ユニット１６０から送られてくる爪先ＳＷ１６３および踵ＳＷ１６４による検出結果に基づいて、装着者による歩行動作、上体動作および中腰動作の各動作を解析することによって、装着者が意図する動作を判断するために必要なパラメータを生成する。生成されたパラメータのうち、歩行判断パラメータのパラメータＮｏ「１１」〜「１５」、上体判断パラメータのパラメータＮｏ「２６」〜「２８」、および中腰判断パラメータのパラメータＮｏ「３６」〜「３８」は、この動作解析によって得られる。
【０１０３】
ステップＢ４では、モータ制御部１４１は、生成したパラメータをハンディ端末５０に送信して、パラメータ書換えシーケンス処理を終了する。ハンディ端末５０に送信されたパラメータは、ハンディ端末５０で装着者によって確認される。確認されたパラメータは、ハンディ端末５０に再送信することによって有効になる。
【０１０４】
ステップＢ５では、モータ制御部１４１は、ハンディ端末５０からパラメータを受信し、受信したパラメータを設定する。ステップＢ６では、モータ制御部１４１は、アシストをオンして、パラメータ書換えシーケンス処理を終了する。パラメータを更新した後にアシストをオンしているのは、装着者の安全を確保するためである。
【０１０５】
図８は、姿勢情報入力シーケンス処理の処理手順を示すフローチャートである。モータ制御部１４１は、図６に示したステップＡ３が実行されると、ステップＣ１に移る。
【０１０６】
ステップＣ１では、モータ制御部１４１は、床反力スイッチを読込み、床反力の有無を検出する。床反力スイッチは、右足底ユニット１５０の爪先ＳＷ１５３および踵ＳＷ１５４、ならびに、左足底ユニット１６０の爪先ＳＷ１６３および踵ＳＷ１６４である。具体的には、モータ制御部１４１は、爪先ＳＷ１５３および踵ＳＷ１５４の検出結果を右足底ユニット１５０から受信し、爪先ＳＷ１６３および踵ＳＷ１６４の検出結果を左足底ユニット１６０から受信する。
【０１０７】
ステップＣ２では、モータ制御部１４１は、モータエンコーダの角度を読込む。具体的には、モータ制御部１４１は、モータエンコーダ、すなわちパワーアシスト用電動モータ１に含まれるエンコーダから、パワーアシスト用電動モータ１の回転軸の回転角度、つまり腰角度θを、モータドライバ１３３，１４２を介して読込む。ステップＣ３では、モータ制御部１４１は、腰角速度、つまりパワーアシスト用電動モータ１の回転軸の回転角度の角速度を計算する。パワーアシスト用電動モータ１に含まれるエンコーダは、第２の角度検出部である。
【０１０８】
ステップＣ４では、モータ制御部１４１は、モータ制御部１４１に含まれる２軸傾斜センサの検出値を読込む。ステップＣ５では、モータ制御部１４１は、２軸傾斜センサの検出値に基づいて、上体の回転角度、つまり上体前傾角度αを計算する。ステップＣ６では、モータ制御部１４１は、計算された上体の回転角度から、上体の回転角度の角速度を計算して、姿勢情報入力シーケンス処理を終了する。
【０１０９】
図９は、股関節制御シーケンス処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップＤ１，Ｄ２は、歩行動作に対する処理である。ステップＤ３，Ｄ４は、上体動作に対する処理である。ステップＤ５，Ｄ６は、中腰動作に対する処理である。歩行動作に対する処理、上体動作に対する処理および中腰動作に対する処理は、並列に処理される。モータ制御部１４１は、図６に示したステップＡ４が実行されると、ステップＤ１，Ｄ３，Ｄ５に移る。
【０１１０】
ステップＤ１では、モータ制御部１４１は、歩行判断を行う。具体的には、モータ制御部１４１は、腰角度θ、上体前傾角度αおよび床反力に基づいて、歩行動作を行っているか否かを判断する。ステップＤ２では、モータ制御部１４１は、歩行制御を行う。具体的には、モータ制御部１４１は、歩行動作行っているとき、時々刻々変化する腰角度θ、上体前傾角度αおよび床反力に基づいて、歩行動作をアシストするための遊脚側のアシストトルクおよび保持脚側のアシストトルクを計算する。
【０１１１】
ステップＤ３では、モータ制御部１４１は、上体判断を行う。具体的には、モータ制御部１４１は、腰角度θ、上体前傾角度αおよび床反力に基づいて、上体動作を行っているか否かを判断する。上体動作は、上体を曲げ、次に上体を起こす動作である。ステップＤ４では、モータ制御部１４１は、上体制御を行う。具体的には、モータ制御部１４１は、上体動作を行っているとき、上体動作をアシストするためのアシストトルクを計算する。モータ制御部１４１は、両脚に必要な、上体前傾角度αに比例したアシストトルクを算出する。
【０１１２】
ステップＤ５では、モータ制御部１４１は、中腰判断を行う。具体的には、モータ制御部１４１は、腰角度θ、上体前傾角度αおよび床反力に基づいて、中腰動作を行っているか否かを判断する。中腰動作は、中腰姿勢での動作である。ステップＤ６では、モータ制御部１４１は、中腰制御を行う。具体的には、モータ制御部１４１は、中腰動作を行っているとき、中腰動作をアシストするためのアシストトルクを計算する。モータ制御部１４１は、両脚に必要な、腰角度θに比例したアシストトルクを算出する。ステップＤ１〜Ｄ６は、算出ステップである。
【０１１３】
駆動ステップであるステップＤ７では、モータ制御部１４１は、計算値を合算し、合算した駆動トルクを出力して、股関節制御シーケンス処理を終了する。具体的には、モータ制御部１４１は、ステップＤ２で計算されたアシストトルクと、ステップＤ４で計算されたアシストトルクと、ステップＤ６で計算されたアシストトルクとを合算し、合算したアシストトルクを出力するように、モータドライバ１３３，１４２を制御して、パワーアシスト用電動モータ１を駆動させて、股関節制御シーケンス処理を終了する。
【０１１４】
図１０は、歩行判断処理の処理手順を示すフローチャートである。モータ制御部１４１は、図９に示したステップＤ１が実行されると、ステップＥ１に移る。
【０１１５】
ステップＥ１では、モータ制御部１４１は、腰角度θを微分する。ステップＥ２では、モータ制御部１４１は、腰の角速度を計算する。つまり、モータ制御部１４１は、ステップＥ１で腰角度θを微分した値を腰の角速度とする。ステップＥ３では、モータ制御部１４１は、歩行判断ポイントを左右の足について検出する。具体的には、モータ制御部１４１は、角速度が歩行状態になっているか否かを判断し、角速度が歩行状態になっているとき、その角速度の発生点を歩行判断ポイントとする。
【０１１６】
ステップＥ４では、モータ制御部１４１は、歩行判断ポイントで時間積算タイマをクリアする。時間積算タイマは、モータ制御部１４１に内蔵されるタイマであり、電源オンから、クリアされるまで積算を続けるタイマである。時間積算タイマは、歩行判断ポイントでクリアされるので、時間積算タイマの積算値は一定値以上に大きくならないことになる。したがって、モータ制御部１４１は、時間積算タイマの積算値に基づいて、歩行しているか否かの判断が可能となる。
【０１１７】
ステップＥ５では、モータ制御部１４１は、時間積算タイマ値、つまり時間積算タイマの積算値に基づいて歩行継続を判断する。すなわち、モータ制御部１４１は、歩行判断ポイントから再び歩行判断ポイントに戻るまでの時間積算タイマ値によって、歩行が継続しているか否かを判断する。ステップＥ６では、モータ制御部１４１は、歩行判断割合を計算して、歩行判断処理を終了する。
【０１１８】
歩行判断割合（％）は、計算式「歩行判断割合（％）＝（時間積算タイマの積算値）÷（移行時間）×１００」によって計算される。移行時間は、時間積算タイマの積算値の上限である。一定値はパラメータＮｏ「１３」の「判断時間」として、および、「移行時間」は、パラメータＮｏ「１４」として、パラメータ化されて設定されている。
【０１１９】
図１１は、歩行制御処理の処理手順を示すフローチャートである。モータ制御部１４１は、図９に示したステップＤ２が実行されると、ステップＦ１に移る。
【０１２０】
ステップＦ１では、モータ制御部１４１は、アシスト開始を検出する。具体的には、モータ制御部１４１は、遊脚側の脚が歩行判断ポイントに位置付いたことを検出する。ステップＦ２では、モータ制御部１４１は、遊脚側のアシストトルクを計算する。遊脚側の歩行動作は、「振上開始」、「振上中」、「振下開始」、「振下中」および「振下完了」の順序で順次実行され、「振下完了」で終了する。遊脚側の踵ＳＷがオフで、腰角度が小さい場合は、足の振上開始と判断され、振上方向に短時間最大のアシストトルクが算出される。「振上開始」に続いて、「振上中」と判断された場合は、腰角度に比例した振上方向へのアシストトルクが算出される。腰角度が一定値以上に到達すると、「振下開始」と判断され、「振下中」も含めて、アシストトルクは０となる。
【０１２１】
ステップＦ３では、モータ制御部１４１は、保持脚側のアシストトルクを計算して、歩行制御処理を終了する。モータ制御部１４１は、保持脚によって直立姿勢を保持するために、大腿部角度に比例したアシストトルクを算出する。大腿部角度は、鉛直線に対する大腿部の角度であり、腰角度θと上体前傾角度αとを加算した角度である。
【０１２２】
図１２は、上体判断処理の処理手順を示すフローチャートである。モータ制御部１４１は、図９に示したステップＤ３が実行されると、ステップＧ１に移る。
【０１２３】
ステップＧ１では、モータ制御部１４１は、上体の角速度を読込む。具合的には、モータ制御部１４１は、モータ制御部１４１に含まれる２軸傾斜センサの検出値から上体の角速度を計算する。ステップＧ２では、モータ制御部１４１は、上体曲げ動作開始ポイントを検出する。具体的には、モータ制御部１４１は、ステップＧ１で計算した角速度がパラメータＮｏ「２６」の「曲角速度」を越えた位置を検出し、その位置を上体曲げ動作開始ポイントとする。
【０１２４】
ステップＧ３では、モータ制御部１４１は、上体起こし開始ポイントを検出する。具体的には、モータ制御部１４１は、上体の曲げ動作が停止した位置を検出し、その位置を上体起こし開始ポイントとする。
【０１２５】
ステップＧ４では、モータ制御部１４１は、タイムアップを検出したか否かを判定する。モータ制御部１４１は、ステップＧ３での上体起こしの動作が一定時間内に終了しなかったとき、タイムアップを検出したと判定し、ステップＧ５に進み、ステップＧ３での上体起こしの動作が一定時間内に終了したとき、タイムアップを検出なかったと判定し、ステップＧ６に進む。ステップＧ５では、モータ制御部１４１は、第１の上体制御割合であると判断し、上体判断処理を終了する。ステップＧ６では、モータ制御部１４１は、第２の上体制御割合であると判断し、上体判断処理を終了する。
【０１２６】
図１３は、第１の上体制御処理の処理手順を示すフローチャートである。モータ制御部１４１は、図９に示したステップＤ４が実行され、図１２のステップＧ５で第１の上体制御割合であると判断されていると、ステップＨ１に移る。ステップＨ１では、モータ制御部１４１は、上体動作をアシストするアシストトルクを、最大の出力トルクとして、第１の上体制御処理を終了する。
【０１２７】
図１４は、第２の上体制御処理の処理手順を示すフローチャートである。モータ制御部１４１は、図９に示したステップＤ４が実行され、図１２のステップＧ６で第２の上体制御割合であると判断されていると、ステップＪ１に移る。ステップＪ１では、モータ制御部１４１は、上体動作をアシストするアシストトルクを、上体傾斜角度αに応じた出力トルクとして、第２の上体制御処理を終了する。
【０１２８】
図１５は、中腰判断処理の処理手順を示すフローチャートである。モータ制御部１４１は、図９に示したステップＤ５が実行されると、ステップＫ１に移る。
【０１２９】
ステップＫ１では、モータ制御部１４１は、腰角度、つまり腰角度θを読込む。具体的には、モータ制御部１４１は、パワーアシスト用電動モータ１に含まれるエンコーダから、左右のパワーアシスト用電動モータ１の回転軸の回転角度を、モータドライバ１３３，１４２を介して読込む。ステップＫ２では、モータ制御部１４１は、ステップＫ１で読込んだ腰角度を微分する。ステップＫ３では、モータ制御部１４１は、ステップＫ２で微分した腰角度から両脚の曲げ角速度を計算する。
【０１３０】
ステップＫ４では、モータ制御部１４１は、ステップＫ３で計算した角速度がパラメータＮｏ「３６」の「曲角速度」を越えた位置を検出し、その位置を両脚曲げ開始ポイントとする。ステップＫ５では、モータ制御部１４１は、両脚の曲げ動作が停止した位置を検出し、その位置を両脚伸ばし開始ポイントとする。
【０１３１】
ステップＫ６では、モータ制御部１４１は、タイムアップを検出したか否かを判定する。モータ制御部１４１は、ステップＫ５での両脚伸ばしの動作が一定時間内に終了しなかったとき、タイムアップを検出したと判定し、ステップＫ７に進み、ステップＫ５での両脚伸ばしの動作が一定時間内に終了したとき、タイムアップを検出なかったと判定し、ステップＫ８に進む。ステップＫ７では、モータ制御部１４１は、第１の中腰制御割合であると判断し、中腰判断処理を終了する。ステップＫ８では、モータ制御部１４１は、第２の中腰制御割合であると判断し、中腰判断処理を終了する。
【０１３２】
図１６は、第１の中腰制御処理の処理手順を示すフローチャートである。モータ制御部１４１は、図９に示したステップＤ６が実行され、図１５のステップＫ７で第１の中腰制御割合であると判断されていると、ステップＬ１に移る。ステップＬ１では、モータ制御部１４１は、中腰動作をアシストするアシストトルクを、最大の出力トルクとして、第１の中腰制御処理を終了する。
【０１３３】
図１７は、第２の中腰制御処理の処理手順を示すフローチャートである。モータ制御部１４１は、図９に示したステップＤ６が実行され、図１５のステップＫ８で第２の中腰制御割合であると判断されていると、ステップＭ１に移る。ステップＭ１では、モータ制御部１４１は、中腰動作をアシストするアシストトルクを、腰角度θに応じた出力トルクとして、第２の中腰制御処理を終了する。
【０１３４】
重作業用アシストスーツ１００は、腰椎についてパワーアシストするために、パワーアシスト用電動モータ１を腰の左右両サイドに配置されている。パワーアシスト用電動モータ１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、パワーアシスト用電動モータ１に付加される減速機の減速比を１／１００程度の減速比にして、装着者が出せる以上の力を出せないようにパワーアシスト用電動モータ１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。
【０１３５】
このように、重作業用アシストスーツ１００は、使用しているパワーアシスト用電動モータ１をバックドライアブルとするため、パワーアシスト用電動モータ１に付加する減速機の減速比を１／１００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パワーアシスト用電動モータ１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。
【０１３６】
重作業用アシストスーツ１００は、パワーアシスト用電動モータ１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７，１０，１２，１３，１９、すなわち駆動機器を取りつけていない回転軸を、対象とする装着者の関節の外側周囲に配置している。
【０１３７】
このように、重作業用アシストスーツ１００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７，１０，１２，１３，１９を、対象とする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がない。
【０１３８】
また、重作業用アシストスーツ１００は、重量物を持ち上げて運搬する作業において、腰椎と股関節とを同時にパワーアシストすることができる機構および制御なっている。重作業用アシストスーツ１００は、腰痛を防ぐために、腰椎をパワーアシストし、かつ歩行を補助するために、股関節をパワーアシストする。このように、重作業用アシストスーツ１００は、腰痛を防ぎつつ歩行を補助するために、腰椎と股関節とを同時にパワーアシストすることができる。
【０１３９】
また、重作業用アシストスーツ１００は、筋肉を動かそうとしたとき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で体を動かすのに必要な回転トルクなど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、表面筋電位センサを装着するという煩わしさがない。このように、重作業用アシストスーツ１００は、表面筋電位センサを装着するという煩わしさがなく、実用的である。
【０１４０】
また、重作業用アシストスーツ１００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で体を動かすのに必要なトルクなど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、動作の切り換わり時に不連続になることがない。このように、重作業用アシストスーツ１００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、動作の切り換わり時に不連続になることがない。
【０１４１】
また、バネ式やゴム式のパッシブ方式では、一方向にしかパワーアシストできないが、重作業用アシストスーツ１００は、パワーアシスト用電動モータ１を用いたアクティブ方式であるで、双方向にアシストすることができる。
【０１４２】
このように、２つのパワーアシスト用電動モータ１は、装着者の腰部の左右方向両側近傍にそれぞれ配置され、装着者の上体および大腿部の動きに追従する方向に、上体および大腿部の動きを補助するための駆動トルクを発生する。上体フレームは、装着者の胸部および腰部に装着され、前記２つのパワーアシスト用電動モータ１を保持する。そして、２つの下肢アシストアームは、一端部がパワーアシスト用電動モータ１の回転軸に固定され、他端部が大腿部の側部に装着される。したがって、重作業用アシストスーツ１００は、少ない駆動源、すなわち腰部両側に設けられる２つのパワーアシスト用電動モータ１で重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができる。
【０１４３】
さらに、前記上体フレームは、上体アシストアームと、メインフレームと、受動回転軸１２および受動回転軸１３とを含む。上体アシストアームは、装着者の胸部に装着される。メインフレームは、前記２つのパワーアシスト用電動モータ１を両端部でそれぞれ保持し、前記２つのパワーアシスト用電動モータ１間を装着者の腰部の背面に沿って延び、装着者の腰部に装着される。そして、受動回転軸１２および受動回転軸１３は、上体アシストアームとメインフレームとを前後軸線および上下軸線まわりに回転自在に連結する。したがって、重作業用アシストスーツ１００は、上体アシストアームとメインフレームとをそれぞれの端部の２箇所で連結する場合よりも、上体の左右方向の動作および上体の回転動作を拘束することなく、重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができる。
【０１４４】
さらに、パワーアシスト用電動モータ１は、該パワーアシスト用電動モータ１の回転軸に固定される内輪部と、内輪部に対して前記回転軸の軸線まわりに回転自在に設けられる外輪部とから構成される軸受部を含む。下肢アシストアームの一端部は、前記内輪部に固定される。そして、メインフレームは、装着者の腰部に密着して装着され、前記外輪部に固定されるサブフレームを含む。したがって、重作業用アシストスーツ１００は、腰部の動作を拘束することなく、重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができる。
【０１４５】
さらに、上体アシストアームは、フレーム１８と、フレーム１４およびフレーム１５と、装着者の右側に配置されるフレーム１６およびフレーム１７と、装着者の左側に配置されるフレーム１６およびフレーム１７と、胸部クッション２０とを含む。フレーム１８は、装着者の胸部前面で左右軸線方向に延びる。フレーム１４およびフレーム１５は、装着者の腰部背面で左右軸線方向に延び、受動回転軸１２および受動回転軸１３によってメインフレームと連結される。装着者の右側に配置されるフレーム１６およびフレーム１７は、フレーム１８の右端部とフレーム１５の右端部とを変位自在に連結する。装着者の左側に配置されるフレーム１６およびフレーム１７は、フレーム１８の左端部とフレーム１５の左端部とを変位自在に連結する。そして、胸部クッション２０は、フレーム１８の左右軸線まわりに回転自在に連結する受動回転軸１９によって該フレーム１８に連結され、装着者の胸部に密着して装着される。したがって、重作業用アシストスーツ１００は、上体の前後方向の動作を拘束することなく、重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができる。
【０１４６】
さらに、下肢アシストアームは、該下肢アシストアームの他端部と大腿部とを左右軸線まわりに回転自在に連結する受動回転軸１０を含む。したがって、重作業用アシストスーツ１００は、大腿部の動作を拘束することなく、重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができる。
【０１４７】
さらに、メインフレームは、前記２つのパワーアシスト用電動モータ１間の距離を調整するフレーム２およびフレーム３に設けられた調整穴による調整機構を含む、そして、下肢アシストアームは、該下肢アシストアームの一端部と他端部との距離を調整するフレーム６がスライド穴８内をスライドする調整機構を含む。したがって、重作業用アシストスーツ１００は、装着者の体型に応じた形態に変形させることができる。
【０１４８】
さらに、２軸傾斜センサは、装着者の上体の左右軸線まわりの回転角度を検出する。パワーアシスト用電動モータ１に含まれるエンコーダは、前記２つのパワーアシスト用電動モータ１にそれぞれ設けられ、各パワーアシスト用電動モータ１の回転軸の回転角度を検出する。そして、爪先ＳＷ１５３、踵ＳＷ１５４、爪先ＳＷ１６３および踵ＳＷ１６４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荷重が爪先部および踵部に作用しているか否かを検出する。したがって、重作業用アシストスーツ１００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。
【０１４９】
さらに、モータ制御部１４１は、２軸傾斜センサによって検出される上体の回転角度、パワーアシスト用電動モータ１に含まれるエンコーダによって検出されるパワーアシスト用電動モータ１の回転軸の回転角度、および爪先ＳＷ１５３、踵ＳＷ１５４、爪先ＳＷ１６３および踵ＳＷ１６４によって検出される検出結果に基づいて、上体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する。さらに、モータ制御部１４１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つのパワーアシスト用電動モータ１が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つのパワーアシスト用電動モータ１を駆動させる。したがって、重作業用アシストスーツ１００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、動作の切り換わり時に不連続になることがない。
【０１５０】
さらに、モータ制御部１４１は、前記算出した駆動トルクを、装着者が前記２つのパワーアシスト用電動モータ１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少させて、前記２つのパワーアシスト用電動モータ１に発生させる。したがって、重作業用アシストスーツ１００は、装着者の安全を確保することができる。
【０１５１】
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、モータ制御部１４１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、重作業用アシストスーツ１００は、装着者の個人差に対応した補助を行うことができる。
【０１５２】
さらに、モータ制御部１４１は、２軸傾斜センサによって検出される上体の回転角度、パワーアシスト用電動モータ１に含まれるエンコーダによって検出されるパワーアシスト用電動モータ１の回転軸の回転角度、および爪先ＳＷ１５３、踵ＳＷ１５４、爪先ＳＷ１６３および踵ＳＷ１６４によって検出される検出結果に基づいて、装着者の個体差を表すパラメータを生成する。したがって、重作業用アシストスーツ１００は、装着者に重作業用アシストスーツ１００を装着させて実際に動作させることによって、装着者の個人差に依存するパラメータを生成することができる。
【０１５３】
さらに、重作業用アシストスーツ１００の制御方法を実行するにあたって、ステップＤ１〜Ｄ６では、２軸傾斜センサによって検出される上体の回転角度、パワーアシスト用電動モータ１に含まれるエンコーダによって検出されるパワーアシスト用電動モータ１の回転軸の回転角度、および爪先ＳＷ１５３、踵ＳＷ１５４、爪先ＳＷ１６３および踵ＳＷ１６４によって検出される検出結果に基づいて、上体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Ｄ７では、ステップＤ１〜Ｄ６で算出された静的トルク、回転方向および回転トルクに基づいて、前記２つのパワーアシスト用電動モータ１が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つのパワーアシスト用電動モータ１を駆動させる。したがって、本発明に係る制御方法は、少ない駆動源、すなわち腰部両側に設けられる２つのパワーアシスト用電動モータ１で重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができる。
【０１５４】
図１８は、本発明の第２の実施形態である重作業用アシストスーツ３００の外観を示す図である。図１８（ａ）は、装着者によって装着された状態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１８（ｂ）は、装着者によって装着された状態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。図１９は、パワーアシスト用電動モータ２０１が取り付けられたメインフレームの断面図である。図１９は、図１８（ｂ）に示した切断面線Ｂ−Ｂでの断面図である。本発明の第２の実施形態に係る制御方法は、重作業用アシストスーツ３００で実行される。
【０１５５】
パワーアシストロボット装置である重作業用アシストスーツ３００は、重作業用のアシストスーツである。重作業用アシストスーツ３００は、パワーアシスト用電動モータ２０１と、腰フレーム２０４と、背面フレーム２０５と、フレーム２０２，２０３，２０７〜２１０，２２０〜２２３，２２５，２２６，２２８と、受動回転軸２０６，２１１〜２１３，２２４，２３５と、受け部２１４と、ベルト２１５，２１８，２３０，２３１と、ベルトホルダ２１６，２１７と、コネクタ２２７と、胸部ガイド２２９と、胸部クッション２３２と、クッション２１９と、コントロールボックス２３３と、ドライバ収容ボックス２３４と、横倒れ防止スプリング２３６と、角度調整機構２３７とを含んで構成される。
【０１５６】
なお、図１８に示すように、パワーアシスト用電動モータ２０１、腰フレーム２０４、フレーム２０２，２０３，２０７〜２１０，２２３，２２６，２２８、受動回転軸２０６，２１１〜２１３，２２４、受け部２１４、ベルト２１５，２１８，２３０，２３１、ベルトホルダ２１６，２１７、コネクタ２２７、横倒れ防止スプリング２３６、および、ドライバ収容ボックス２３４は、装着者の左右両側にそれぞれ１つずつ設けられている。
【０１５７】
回転駆動部であるパワーアシスト用電動モータ２０１は、たとえば電動サーボモータによって構成される。パワーアシスト用電動モータ２０１は、上体および大腿部のパワーアシスト用、つまり上体および大腿部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る。換言すると、パワーアシスト用電動モータ２０１は、股関節付近を支点とする上体および大腿部の回転をアシストするための動力を発生する。
【０１５８】
２つのパワーアシスト用電動モータ２０１は、装着者の左右両側であって、装着者の股関節と同程度の高さ位置に、その回転軸が左右軸線まわりに回転するように、次のようにしてそれぞれ取り付けられている。なお、重作業用アシストスーツ３００の各部位と装着者との位置関係は、装着者が重作業用アシストスーツ３００を装着したときの装着者に対する位置である。
【０１５９】
パワーアシスト用電動モータ２０１の回転軸は、腰部フレームであるメインフレームに対して連結されている。ここで、メインフレームとは、腰椎周囲の背部である腰部における左右方向の中央部分を覆うように設けられる１つの背面フレーム２０５と、装着者における左右の両側部にそれぞれ設けられるフレーム２０２、フレーム２０３、および腰フレーム２０４とを含んで構成される部分であり、各パワーアシスト用電動モータ２０１の回転軸は、このメインフレームにおける各フレーム２０２の下端部に対してそれぞれ固定されている。
【０１６０】
メインフレームは左右対称に構成されるため、以下では、一方側についてのみ説明することとする。フレーム２０２は、装着者の側部に沿って上下方向に延びるように設けられ、その下端部には、前記のようにパワーアシスト用電動モータ２０１の回転軸が固定され、その上端部には、股関節における下肢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２０６を介して、フレーム２０３の下端部が連結されている。すなわち、フレーム２０２の上端部とフレーム２０３の下端部とは、前後軸線まわりに回転自在に連結されている。
【０１６１】
フレーム２０３は、装着者の側部に沿って上下方向に延びるように設けられ、その下端部には、前記のようにフレーム２０２が連結され、その上端部には、腰フレーム２０４の一端部が締結固定されている。
【０１６２】
腰フレーム２０４は、フレーム２０３が固定される前記一端部から該一端部とは反対側の他端部にわたって湾曲しながら延び、大略的にＬ字状に形成されている。腰フレーム２０４は、フレーム２０３の延在方向に対して直角に延びるように、その一端部が、装着者の第３〜第５腰椎付近の高さ位置でフレーム２０３に連結され、腰フレーム２０４の他端部は、背面フレーム２０５の下端部に対して固定されている。
【０１６３】
腰フレーム２０４の他端部には、その長手方向に沿って複数の調整穴が設けられ、同様に、背面フレーム２０５の下端部にも、左右方向に沿って複数の調整穴が設けられており、これらの調整穴を介して、腰フレーム２０４の他端部と背面フレーム２０５の下端部とが連結されるように構成されている。すなわち、メインフレームは、腰フレーム２０４および背面フレーム２０５それぞれに設けられた複数の調整穴による調整機構によって、左右方向の幅が調整可能であり、これにより、メインフレームの左右方向の幅を装着者の体型に合わせることができるようになっている。腰フレーム２０４および背面フレーム２０５に設けられた調整穴による調整機構は、腰部調整機構である。
【０１６４】
また、背面フレーム２０５の上端部には、その左右の両側に、ベルトホルダ２１６がそれぞれ取付けられており、また、各腰フレーム２０４の前記一端部にも、ベルトホルダ２１７がそれぞれ取付けられている。すなわち、図１８に示すように、ベルトホルダ２１６は、ベルトホルダ２１７よりも上方の位置に設けられている。
【０１６５】
そして、左側のベルトホルダ２１６と右側のベルトホルダ２１７とにわたって一方のベルト２１８が取付けられ、右側のベルトホルダ２１６と左側のベルトホルダ２１７とにわたって他方のベルト２１８が取付けられている。すなわち、２本のベルト２１８は、装着者の腹部でクロスするように、襷掛け状に設けられている。このように、２本のベルト２１８を、装着者の腹部に巻き付けて締め付けることによって、メインフレームが、装着者の腰部に装着される。
【０１６６】
なお、図１８（ｂ）に示すように、背面フレーム２０５における装着者に臨む側の面には、クッション２１９が取付けられており、装着状態において、背面フレーム２０５が装着者の腰部に直接接触しないようになっている。メインフレームは、このクッション２１９を介して、装着者の腰部に密着して取り付けることができるようになっている。また、背面フレーム２０５において、クッション２１９が取付けられる側とは反対側の面には、後述する制御ユニット３１０と電池ユニット３６０とが収容されるコントロールボックス２３３が取り付けられている。
【０１６７】
第１の実施形態では、図２に示すように、メインフレームの構造が二重構造、すなわちダブルフレーム構造であったが、本実施形態では、図１９に示すように、メインフレームの構造が一重構造、すなわちシングルフレーム構造によって構成されている。これにより、本実施形態では、装置全体の重量を、第１の実施形態に係る重作業用アシストスーツ１００に比べて軽量化している。このように、装置全体の重量を軽量化することで、装着時の身体への負担を軽減することができる。
【０１６８】
各パワーアシスト用電動モータ２０１は、上記のように、その回転軸がメインフレームにおける各フレーム２０２に固定されているのに対し、その回転軸を軸線まわりに回転させるモータ本体が設けられる固定端側には、大腿部フレームである下肢アシストアームがそれぞれ連結されている。ここで、下肢アシストアームは、フレーム２０７〜２１０を含んで構成される部分であり、各パワーアシスト用電動モータ２０１の固定端側は、この下肢アシストアームにおける各フレーム２０７の上端部に対してそれぞれ固定されている。
【０１６９】
フレーム２０７は、装着者の側部に沿って上下方向に延びるように設けられ、その上端部には、前記のようにパワーアシスト用電動モータ２０１の固定端側が締結固定され、その下端部には、股関節における下肢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２１１を介して、フレーム２０８の上端部が連結されている。すなわち、フレーム２０７の下端部とフレーム２０８の上端部とは、前後軸線まわりに回転自在に連結されている。
【０１７０】
フレーム２０８は、装着者の側部に沿って上下方向に延びるように設けられ、その上端部には、前記のようにフレーム２０７が連結され、その下端部には、後述するモータドライバユニット３２０が収容されたドライバ収容ボックス２３４が外方に突出するように取り付けられるとともに、フレーム２０９の上端部が固定される。
【０１７１】
フレーム２０９は、装着者の側部に沿って上下方向に延びるように設けられ、その上端部には、前記のようにフレーム２０８が固定され、その下端部には、股関節における下肢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２１２を介して、フレーム２１０が固定されている。すなわち、フレーム２０９の下端部とフレーム２１０とは、前後軸線まわりに回転自在に連結されている。
【０１７２】
このフレーム２１０には、装着者の大腿部を前方から部分的に覆う半円筒状の受け面を有する受け部２１４が、左右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２１３を介して取り付けられている。大腿部連結部である受動回転軸２１３によって、受け部２１４が左右軸線まわりに回転動作することによって、装着者の大腿部の動作に対応して、適切な受け部２１４の角度を与えることができる。また、受け部２１４には、その両端部間にわたって、ベルト２１５が取り付けられており、このベルト２１５を大腿部の背部に巻き付けて締め付けることによって、受け部２１４を装着者の大腿部に固定するようになっている。
【０１７３】
ここで、フレーム２０８の下端部には、その長手方向に沿って複数の調整穴が設けられ、同様に、フレーム２０９の上端部にも、その長手方向に沿って複数の調整穴が設けられており、これらの調整穴を介して、フレーム２０８とフレーム２０９とが連結されるように構成されている。すなわち、下肢アシストアームは、フレーム２０８およびフレーム２０９それぞれに設けられた複数の調整穴による調整機構によって、上下方向の寸法が調整可能であり、これにより、受け部２１４が大腿部の適当な位置に配置されるように、下肢アシストアームの全長を装着者の体型に合わせることができるようになっている。フレーム２０８およびフレーム２０９に設けられた調整穴による調整機構は、大腿部調整機構である。
【０１７４】
上記のように、本実施形態では、パワーアシスト用電動モータ２０１の上下の位置に、股関節における下肢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２０６，２１１を設けているので、下肢アシストアームを装着者の体型に確実に沿わせることができ、また、装着者が開脚したときやしゃがみ込んだときにも、下肢アシストアームを装着者の体型に沿わせることができる。
また、第１の実施形態では、下肢アシストアームにばねによるスライド機構を設けていたが、本実施形態では、複数の調整穴による調整機構によって、下肢アシストアームの全長を装着者の体型に合わせるような構造を採用しており、これによって、第１の実施形態と比較して、装置全体の重量を軽量化している。これにより、装着時の身体への負担を軽減することができる。
【０１７５】
また、本実施形態では、モータドライバユニット３２０を、コントロールボックス２３３ではなく、ドライバ収容ボックス２３４に収容して下肢アシストアームに設けるように構成しているので、第１の実施形態と比較して、メインフレームに取り付けられるコントロールボックス２３３のサイズを小さくすることができ、コントロールボックス２３３のメインフレームから背面側への突出量を低減することができる。これにより、重作業用アシストスーツ３００を装着したまま椅子などに腰をかける場合に、コントロールボックス２３３が外部の物体と接触しにくくすることができ、装着者は、コントロールボックス２３３の存在を気にすることなく腰をかけることができる。また、外部の物体との接触によるコントロールボックス２３３の損傷を防止することができる。
【０１７６】
メインフレームにおける背面フレーム２０５の上端部には、上体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２３５を介して、胸部フレームを構成する第１の上体アシストアームが連結されている。ここで、第１の上体アシストアームは、フレーム２２０〜２２２と、装着者における左右の両側にそれぞれ設けられるフレーム２２３とを含んで構成される部分であり、背面フレーム２０５の上端部は、受動回転軸２３５を介して、この第１の上体アシストアームにおけるフレーム２２０に連結されている。
【０１７７】
フレーム２２１は、上体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２２４を介して、フレーム２２０に連結されている。受動回転軸２２４および受動回転軸２３５は、上体連結部である。このような受動回転軸２２４，２３５を設けることによって、重作業用アシストスーツ３００の装着者の上体の旋回運動と上体を左右方向に傾ける回転運動とが妨げられることを防止することができる。
【０１７８】
また、フレーム２２０とフレーム２２１とは、一対の横倒れ防止スプリング２３６によって連結されている。この一対の横倒れ防止スプリング２３６は、受動回転軸２２４を介してフレーム２２０に連結されている部分、具体的には、胸部フレームのうちのフレーム２２０を除く部分（以下、「可動部分」と称する）が、受動回転軸２２４の軸線まわりに容易に回転してしまうことを防止する機能を有している。詳細には、この一対の横倒れ防止スプリング２３６は、図１８に示す直立状態（フレーム２２２における第１の延設部が左右方向に平行な状態）の可動部分が受動回転軸２２４の軸線まわりに回動したときに、その弾性回復力によって該可動部分に対して直立状態に復帰させるように作用することによって、該可動部分が受動回転軸２２４の軸線を支点として、該軸線まわりに左右に容易に倒れてしまわないように支持する機能を有している。本実施形態では、このような一対の横倒れ防止スプリング２３６を設けることによって、装着者が単独で重作業用アシストスーツ３００を装着する場合であっても、容易に装着できるようにしている。なお、この一対の横倒れ防止スプリング２３６は、重作業用アシストスーツ３００の装着者によって行われる上体を左右方向に傾ける回転運動を妨げることがないように設計されている。
【０１７９】
フレーム２２２は、装着者の背部において左右方向に延びるように設けられる第１の延設部（胸部後フレーム）と、該第１の延設部の両端部にそれぞれ連なり、該第１の延設部に対して直角に屈曲して互いに同方向に延びる一対の第１の屈曲部とを有し、大略的にコ字状に形成されている。
【０１８０】
フレーム２２１には、この第１の延設部における長手方向の中央部を挿通可能な挿通孔が左右方向に延びるように形成されており、フレーム２２２は、該挿通孔を介して、左右軸線まわりに回転可能にフレーム２２１に連結されている。
【０１８１】
フレーム２２２の各第１の屈曲部は、後述するフレーム２２６を遊嵌可能な挿入孔が形成されることによって、それぞれ筒状を成している。そして、この挿入孔の開口が形成される各第１の屈曲部の遊端部には、該挿入孔に遊嵌されたフレーム２２６を、該第１の屈曲部に対して締結固定するためのクランプ機構を有するフレーム２２３がそれぞれ連結されている。なお、このクランプ機構は、手動操作可能に構成されている。
【０１８２】
この一対の第１の屈曲部およびフレーム２２３を介して、胸部フレームを構成する第２の上体アシストアームが、第１の上体アシストアームに連結されている。ここで、第２の上体アシストアームは、装着者の胸部を覆うように設けられる板状の胸部ガイド２２９と、フレーム２２５と、装着者における左右の両側にそれぞれ設けられるフレーム２２６，２２８およびコネクタ２２７とを含んで構成される部分である。なお、胸部フレームは、第１の上体アシストアームと第２の上体アシストアームとによって構成され、この胸部フレームと前記腰部フレームとによって、上体フレームが構成される。
【０１８３】
フレーム２２５は、装着者の胸部前方において左右方向に延びるように設けられる第２の延設部（胸部前フレーム）と、該第２の延設部の両端部にそれぞれ連なり、該第２の延設部に対して直角に屈曲して互いに同方向に延びる一対の第２の屈曲部とを有し、大略的にコ字状に形成されている。
【０１８４】
胸部ガイド２２９には、該胸部ガイド２２９と協働してフレーム２２５における第２の延設部を挿通可能な挿通孔を左右方向に沿って延びるように形成する一対のフレーム２２８が締結固定され、フレーム２２５は、各挿通孔を介して、左右軸線まわりに回転自在に胸部ガイド２２９に連結されている。
【０１８５】
フレーム２２５の各第２の屈曲部における遊端部には、コネクタ２２７を介して、棒状のフレーム２２６の一端部がそれぞれ連結されている。詳細には、フレーム２２６の軸線と第２の屈曲部の軸線とが一致するように連結されている。コネクタ２２７は、装着者が操作することによって、フレーム２２５とフレーム２２６とを容易に連結／分離できるように構成されている。このように、装着者は、コネクタ２２７を操作することによって、重作業用アシストスーツ３００を、容易に着脱することができる。
【０１８６】
上記のように構成される第２の上体アシストアームは、左右両側に設けられる第２の屈曲部およびコネクタ２２７を介して連結されたフレーム２２６を、装着者の脇を通して装着者の背部に至らしめ、各フレーム２２６における他端部を、第１の上体アシストアームにおけるフレーム２２２の各第１の屈曲部の挿入孔にそれぞれ挿し込み、挿入方向にスライドさせて位置決めし、フレーム２２３におけるクランプ機構を操作して、第１の屈曲部に対して締結固定することによって、第１の上体アシストアームに連結される。すなわち、第１の上体アシストアームと第２の上体アシストアームとは、フレーム２２２，２２３，２２６によって構成される調整機構によって、フレーム２２２における第１の延設部とフレーム２２５における第２の延設部との距離を、装着者の体型に合わせて調整できるようになっている。
【０１８７】
胸部ガイド２２９には、装着者の胸部に臨む側の面に胸部クッション２３２が取付けられるとともに、ベルト２３０，２３１が取付けられており、このベルト２３０，２３１を締め付けることによって、第２の上体アシストアームが装着者の胸部に密着して装着される。
【０１８８】
また、第１の上体アシストアームにおいて、フレーム２２１とフレーム２２２との連結部には、フレーム２２１の挿入孔に挿通されたフレーム２２２の第１の延設部を、フレーム２２１に対して締結固定するためのクランプ機構を有する角度調整機構２３７が設けられている。なお、このクランプ機構は、手動操作可能に構成されている。装着者は、この角度調整機構２３７を操作することによって、上下方向に対する胸部フレームの傾斜角度γ（図１８（ｂ）参照）を装着者の体型に合わせて調整して固定できるようになっている。
【０１８９】
図２０は、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。重作業用アシストスーツ３００に含まれる制御機器は、制御ユニット３１０と、２つのモータドライバユニット３２０と、右足底ユニット３３０と、左足底ユニット３４０と、ハンディ端末装置（以下「ハンディ端末」という）３５０と、電池ユニット３６０と、右手スイッチユニット３７０と、左手スイッチユニット３８０とを含んで構成される。
【０１９０】
右足底ユニット３３０は、装着者の右側の靴底に装着され、左足底ユニット３４０は、装着者の左側の靴底に装着される。パラメータ入力部であるハンディ端末３５０は、携帯型の端末装置であり、装着者の右手あるいは左手によって保持されて操作される。ハンディ端末３５０は、たとえばスマートフォンによって実現される。右手スイッチユニット３７０は、手袋型に構成され、装着者の右手に装着される。また、左手スイッチユニット３８０は、手袋型に構成され、装着者の左手に装着される。
【０１９１】
制御ユニット３１０は、第１無線通信部３１１と、第２無線通信部３１２と、中央制御部３１３と、電源制御部３１４とを含んで構成される。第１無線通信部３１１は、無線による通信によって、右足底ユニット３３０、左足底ユニット３４０、右手スイッチユニット３７０、および左手スイッチユニット３８０と通信可能に構成され、これらのユニットと中央制御部３１３との情報の中継を行っている。第２無線通信部３１２は、無線による通信によって、ハンディ端末３５０と通信可能に構成され、ハンディ端末３５０と中央制御部３１３との情報の中継を行っている。中央制御部３１３は、有線による通信によって、各モータドライバユニット３２０と通信するように構成されている。電源制御部３１４は、電池ユニット３６０を制御する。なお、中央制御部３１３および電源制御部３１４は、ＣＰＵを含むコンピュータによって実現される。
【０１９２】
一方のモータドライバユニット３２０は、装着者の右側に装着されるパワーアシスト用電動モータ２０１を制御する右モータドライバ３２１を含んで構成され、他方のモータドライバユニット３２０は、装着者の左側に装着されるパワーアシスト用電動モータ２０１を制御する右モータドライバ３２２を含んで構成される。各モータドライバ３２１，３２２は、有線による通信によって、中央制御部３１３と通信し、中央制御部３１３からアシストに必要な出力トルク指令などの指令を受けるとともに、モータの位置情報などの情報を中央制御部３１３へ送っている。モータの位置情報は、パワーアシスト用電動モータ２０１の回転軸の回転角度を表す情報である。
【０１９３】
右足底ユニット３３０は、無線通信部３３１、電池３３２、爪先スイッチ（以下「ＳＷ」ともいう）３３３および踵ＳＷ３３４を含んで構成される。電池３３２は、充電可能な蓄電池であり、無線通信部３３１、爪先ＳＷ３３３および踵ＳＷ３３４に電力を供給する。無線通信部３３１は、爪先ＳＷ３３３および踵ＳＷ３３４の状態、すなわち、爪先ＳＷ３３３および踵ＳＷ３３４によって検出された検出結果を、第１無線通信部３１１を介して中央制御部３１３に送っている。
【０１９４】
爪先ＳＷ３３３は、装着者が装着する右側の靴の靴底部における爪先部分に配置され、予め定める値以上の荷重が爪先部に作用しているか否かを検出する。踵ＳＷ３３４は、装着者が装着する右側の靴の靴底部における踵部分に配置され、予め定める値以上の荷重が踵部に作用しているか否かを検出する。
【０１９５】
左足底ユニット３４０は、無線通信部３４１、電池３４２、爪先ＳＷ３４３および踵ＳＷ３４４を含んで構成される。無線通信部３４１、電池３４２、爪先ＳＷ３４３および踵ＳＷ３４４は、それぞれ無線通信部３３１、電池３３２、爪先ＳＷ３３３および踵ＳＷ３３４と同じ構成であり、重複を避けるために説明は省略する。爪先ＳＷ３３３、踵ＳＷ３３４、爪先ＳＷ３４３および踵ＳＷ３４４は、床反力検出部である。
【０１９６】
右手スイッチユニット３７０は、無線通信部３７１、電池３７２および手袋ＳＷ３７３を含んで構成される。電池３７２は、充電可能な蓄電池であり、無線通信部３７１および手袋ＳＷ３７３に電力を供給する。無線通信部３７１は、手袋ＳＷ３７３の状態、すなわち、手袋ＳＷ３７３によって検出された検出結果を、第１無線通信部３１１を介して中央制御部３１３に送っている。手袋ＳＷ３７３は、装着者が装着する右側の手袋の指の掌側の部分に配置され、予め定める値以上の荷重がその部分に作用しているか否かを検出する。
【０１９７】
左手スイッチユニット３８０は、無線通信部３８１、電池３８２および手袋ＳＷ３８３を含んで構成される。無線通信部３８１、電池３８２および手袋ＳＷ３８３は、それぞれ無線通信部３７１、電池３７２および手袋ＳＷ３７３と同じ構成であり、重複を避けるために説明は省略する。手袋ＳＷ３７３および手袋ＳＷ３８３は、手指反力検出部である。
【０１９８】
ハンディ端末３５０は、重作業用アシストスーツ３００の動作に必要な後述するパラメータを設定するために使用される。電池ユニット３６０は、電池３６１を含んで構成される。電池３６１は、充電可能な蓄電池である。電池ユニット３６０は、電池３６１からの電力を制御ユニット３１０および各モータドライバユニット３２０に供給している。
【０１９９】
駆動制御部である中央制御部３１３は、第１無線通信部３１１から与えられる各スイッチの情報と、各モータドライバ３２１，３２２から与えられるモータの位置情報とに基づいて、アシストに必要な駆動トルクを計算し、各モータドライバ３２１，３２２へ出力トルク指令を送る。
【０２００】
本実施形態では、図２０に示すように、制御ユニット３１０に、２つの無線通信部、すなわち、右足底ユニット３３０、左足底ユニット３４０、右手スイッチユニット３７０、および左手スイッチユニット３８０と通信を行う第１無線通信部３１１と、ハンディ端末３５０と通信を行う第２無線通信部３１２とを備えることにより、通信速度が向上され、並列処理を行うことができる。
【０２０１】
図２１は、回転トルクＴの算出を説明するための図である。中央制御部３１３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、パワーアシスト用電動モータ２０１の回転軸の回転角度を用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。アシストトルクは、パワーアシスト用電動モータ２０１によって生成される駆動トルクである。
【０２０２】
中央制御部３１３は、まず股関節角度βを取得する。股関節角度βは、大腿部の回転角度、すなわち、鉛直線を基準とする角度である。中央制御部３１３は、各モータドライバ３２１，３２２から、左右の股関節角度βを取得する。
【０２０３】
脚部の質量をｍＦ［ｋｇ］、パワーアシスト用電動モータ２０１の回転軸から受動回転軸２１３までの距離をＬＦ［ｍ］とすると、質量ｍＦの脚部を動作させるのに必要な回転トルクＴＦ［Ｎ・ｍ］は、計算式「ＴＦ＝ＬＦｍＦｇｓｉｎ（β）」によって計算することができる。
【０２０４】
ただし、ｇは、重力加速度である。ＬＦおよびｍＦは、比例定数であり、装着者によって決まる固定値である。中央制御部３１３は、これらの値をパラメータとして予め設定しておくことによって、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３５０を使用して設定することができる。
【０２０５】
このように、本実施形態に係る重作業用アシストスーツ３００は、装着者の様々な作業姿勢で体を動かすのに必要な回転トルクＴを、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ることなく、股関節角度βから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、表面筋電位センサを装着する煩わしさをなくすことができる。
【０２０６】
また、重作業用アシストスーツ３００は、予め設定された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で体を動かすのに必要な回転トルクＴを力学的に算出し、アシストする比率を乗じ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。
【０２０７】
ここで、ハンディ端末３５０を使用して設定されるパラメータを下記の表５に示す。パラメータＮｏ「０１」〜「０７」は、遊脚側の歩行制御パラメータであり、パラメータＮｏ「１１」〜「１３」は、保持脚側の歩行制御パラメータである。遊脚は、地に着いていない方の脚であり、保持脚は、地に着いている方の脚である。歩行制御パラメータは、歩行動作をアシストするためのパラメータである。
【０２０８】
パラメータＮｏ「２１」〜「２５」は、上体制御パラメータである。上体制御パラメータは、上体の動作をアシストするためのパラメータである。パラメータＮｏ「３１」〜「３５」は、中腰制御パラメータである。中腰制御パラメータは、中腰の動作をアシストするためのパラメータである。パラメータＮｏ「４１」〜「４５」は、ティーチングパラメータである。ハンディ端末３５０は、これらのパラメータを記憶する記憶領域を有している。
【０２０９】
【表５】
0006032644.tif 000006
【０２１０】
図２２は、重作業用アシストスーツ３００で実行される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。アシストスーツ制御処理は、電源起動シーケンス処理、パラメータ書換えシーケンス処理、姿勢情報入力シーケンス処理および股関節制御シーケンス処理の４つの処理で構成されている。中央制御部３１３は、重作業用アシストスーツ３００の電源が投入されてパワーアシスト用電動モータ２０１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Ａ１１に移る。
【０２１１】
ステップＡ１１では、中央制御部３１３は、電源起動シーケンス処理を実行する。具体的には、中央制御部３１３は、ハンディ端末３５０から送信されるアシストに必要なパラメータの受信完了を待っている。中央制御部３１３は、アシストに必要なパラメータの受信完了後、装着者が直立している直立状態での各大腿部の回転角度の初期化を行い、パワーアシスト用電動モータ２０１用の電源をオンする。
【０２１２】
ステップＡ１２では、中央制御部３１３は、パラメータ書換えシーケンス処理を実行する。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３５０から適宜送られてくる。アシストスーツ制御処理は、このパラメータの更新を常時実行できるようにするために、パラメータ書換えシーケンス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Ａ１２〜Ａ１４によって形成される処理手順のループである。
【０２１３】
ステップＡ１３では、中央制御部３１３は、姿勢情報入力シーケンス処理を実行する。姿勢情報入力シーケンス処理は、装着者の姿勢に関するデータを取得する処理である。
【０２１４】
ステップＡ１４では、中央制御部３１３は、股関節制御シーケンス処理を実行して、ステップＡ１２に戻る。股関節制御シーケンス処理は、ステップＡ１３で取得されたデータに基づいて、歩行動作、上体動作および中腰動作の各動作に対するパワーアシスト用電動モータ２０１による駆動に必要なアシストトルクを計算して出力する処理である。
【０２１５】
中央制御部３１３は、メインループを２０ｍＳ間隔で実行しており、重作業用アシストスーツ３００は、装着者へのスムーズなアシストを実現している。中央制御部３１３は、アシストを開始する前、数秒間で装着者の動作を判断し、判断後アシストトルクを出力する。重作業用アシストスーツ３００は、健常者のアシストを目的としており、動作の開始時に数秒間アシストがなくても、実用上支障はない。
【０２１６】
図２３は、パラメータ書換えシーケンス処理の処理手順を示すフローチャートである。パラメータの更新には、手動での入力による更新と、ティーチングモードでの入力による更新とがある。中央制御部３１３は、図２２に示したステップＡ１２が実行されると、ステップＢ１１に移る。
【０２１７】
ステップＢ１１では、中央制御部３１３は、ハンディ端末３５０から受信した情報に基づいてティーチングモードであるか否かを判定している。中央制御部３１３は、ティーチングモードであるとき、ステップＢ１２に進み、ティーチングモードでないとき、ステップＢ１５に進む。
【０２１８】
ステップＢ１２では、中央制御部３１３は、アシストをオフする。中央制御部３１３は、アシストがオフの間、パワーアシスト用電動モータ２０１によるアシストを停止し、図２２に示したステップＡ１３の姿勢情報入力シーケンス処理およびステップＡ１４の股関節制御シーケンス処理を実行することなく、ステップＡ１２に戻る。
【０２１９】
ステップＢ１３では、中央制御部３１３は、各モータドライバ３２１，３２２から送られてくる左右の股関節角度β、右足底ユニット３３０から送られてくる爪先ＳＷ３３３および踵ＳＷ３３４による検出結果、および左足底ユニット３４０から送られてくる爪先ＳＷ３４３および踵ＳＷ３４４による検出結果に基づいて、装着者による歩行動作、上体動作および中腰動作の各動作を解析することによって、装着者が意図する動作を判断するために必要なパラメータを生成する。生成されたパラメータのうち、ティーチングパラメータのパラメータＮｏ「４１」〜「４５」は、この動作解析によって得られる。
【０２２０】
ステップＢ１４では、中央制御部３１３は、生成したパラメータをハンディ端末３５０に送信して、パラメータ書換えシーケンス処理を終了する。ハンディ端末３５０に送信されたパラメータは、ハンディ端末３５０で装着者によって確認される。確認されたパラメータは、ハンディ端末３５０に再送信することによって有効になる。
【０２２１】
ステップＢ１５では、中央制御部３１３は、ハンディ端末３５０からパラメータを受信し、受信したパラメータを設定する。ステップＢ１６では、中央制御部３１３は、アシストをオンして、パラメータ書換えシーケンス処理を終了する。パラメータを更新した後にアシストをオンしているのは、装着者の安全を確保するためである。
【０２２２】
図２４は、姿勢情報入力シーケンス処理の処理手順を示すフローチャートである。中央制御部３１３は、図２２に示したステップＡ１３が実行されると、ステップＣ１１に移る。
【０２２３】
ステップＣ１１では、中央制御部３１３は、床反力スイッチを読込み、床反力の有無を検出する。床反力スイッチは、右足底ユニット３３０の爪先ＳＷ３３３および踵ＳＷ３３４、ならびに、左足底ユニット３４０の爪先ＳＷ３４３および踵ＳＷ３４４である。具体的には、中央制御部３１３は、爪先ＳＷ３３３および踵ＳＷ３３４の検出結果を右足底ユニット３３０から受信し、爪先ＳＷ３４３および踵ＳＷ３４４の検出結果を左足底ユニット３４０から受信する。
【０２２４】
ステップＣ１２では、中央制御部３１３は、モータエンコーダの角度を読込む。具体的には、中央制御部３１３は、パワーアシスト用電動モータ２０１に含まれるエンコーダから、パワーアシスト用電動モータ２０１の回転軸の回転角度、つまり股関節角度βを、各モータドライバ３２１，３２２を介して読込む。ステップＣ１３では、中央制御部３１３は、股関節角速度、つまりパワーアシスト用電動モータ２０１の回転軸の回転角度の角速度を計算して、姿勢情報入力シーケンス処理を終了する。パワーアシスト用電動モータ２０１に含まれるエンコーダは、角度検出部である。
【０２２５】
図２５は、股関節制御シーケンス処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップＤ１１，Ｄ１２は、歩行動作に対する処理である。ステップＤ１３，Ｄ１４は、上体動作に対する処理である。ステップＤ１５，Ｄ１６は、中腰動作に対する処理である。歩行動作に対する処理、上体動作に対する処理および中腰動作に対する処理は、並列に処理される。中央制御部３１３は、図２２に示したステップＡ１４が実行されると、ステップＤ１１，Ｄ１３，Ｄ１５に移る。
【０２２６】
ステップＤ１１では、中央制御部３１３は、歩行判断を行う。具体的には、中央制御部３１３は、股関節角度βおよび床反力に基づいて、歩行動作を行っているか否かを判断する。ステップＤ１２では、中央制御部３１３は、歩行制御を行う。具体的には、中央制御部３１３は、歩行動作を行っているとき、時々刻々変化する股関節角度βおよび床反力に基づいて、歩行動作をアシストするための遊脚側のアシストトルクおよび保持脚側のアシストトルクを計算する。
【０２２７】
ステップＤ１３では、中央制御部３１３は、上体判断を行う。具体的には、中央制御部３１３は、股関節角度βおよび床反力に基づいて、上体動作を行っているか否かを判断する。上体動作は、上体を曲げ、次に上体を起こす動作である。ステップＤ１４では、中央制御部３１３は、上体制御を行う。具体的には、中央制御部３１３は、上体動作を行っているとき、上体動作をアシストするためのアシストトルクを計算する。中央制御部３１３は、両脚に必要な、股関節角度βに比例したアシストトルクを算出する。
【０２２８】
ステップＤ１５では、中央制御部３１３は、中腰判断を行う。具体的には、中央制御部３１３は、股関節角度βおよび床反力に基づいて、中腰動作を行っているか否かを判断する。中腰動作は、中腰姿勢での動作である。ステップＤ１６では、中央制御部３１３は、中腰制御を行う。具体的には、中央制御部３１３は、中腰動作を行っているとき、中腰動作をアシストするためのアシストトルクを計算する。中央制御部３１３は、両脚に必要な、股関節角度βに比例したアシストトルクを算出する。ステップＤ１１〜Ｄ１６は、算出ステップである。
【０２２９】
ステップＤ１７では、中央制御部３１３は、歩行制御、上体制御および中腰制御に関して予め設定された優先順位に従って判定を行い、駆動ステップであるステップＤ１８で、中央制御部３１３は、前記優先順位に従って、算出したアシストトルクを出力するように、各モータドライバ３２１，３２２を制御して、パワーアシスト用電動モータ２０１を駆動させて、股関節制御シーケンス処理を終了する。
【０２３０】
なお、本実施形態では、上体制御の優先度が最も高く、中腰制御の優先度がそれに続き、歩行制御の優先度が最も低くなるように予め設定されている。この優先順位は、特に農作業をアシストするために定められたものであるが、歩行制御、上体制御および中腰制御の優先順位は、必要に応じて、適宜設定変更することができる。
【０２３１】
このように、本実施形態では、歩行制御、上体制御および中腰制御に関して優先順位を予め設定しておくことにより、装着者側ではなく、中央制御部３１３において動作を推定して、歩行制御、上体制御および中腰制御が混ざらないように明確に切り分けられている。
【０２３２】
図２６は、歩行判断処理の処理手順を示すフローチャートである。歩行判断処理では、ステップＥ１１〜Ｅ２０の手順によって、装着者の姿勢情報のうち、股関節角度βと床反力スイッチの変化に基づいて、停止状態から歩行への移行割合を算出している。中央制御部３１３は、図２５に示したステップＤ１１が実行されると、ステップＥ１１，Ｅ１５に移る。
【０２３３】
ステップＥ１１では、中央制御部３１３は、股関節角度βを微分する。ステップＥ１２では、中央制御部３１３は、その角速度を計算する。つまり、中央制御部３１３は、ステップＥ１１で股関節角度βを微分した値を股関節角速度とする。ステップＥ１３では、中央制御部３１３は、歩行判断ポイントを左右の足について検出し、ステップＥ１４では、中央制御部３１３は、股関節角速度が歩行状態になっているか否かを判断し、股関節角速度が歩行状態になっているとき、その股関節角速度の発生点を歩行判断ポイントとする。具体的には、股関節角速度が、「屈曲側」のパラメータ４１を越えた点を「屈曲開始点」、「伸展側」のパラメータ４２を越えた点を「伸展開始点」とし、越えた時点で歩行状態になったと判断している。
【０２３４】
また、ステップＥ１５では、中央制御部３１３は、装着者の床反力データに基づいて足の接地状態を計算し、ステップＥ１６では、中央制御部３１３は、接地状態の変化点を求め、ステップＥ１７では、中央制御部３１３は、接地状態が歩行状態になっているかを判断し、接地判断ポイントとしている。屈曲判断ポイントと接地判断ポイントを合わせて歩行判断ポイントとする。
【０２３５】
ステップＥ１８では、中央制御部３１３は、歩行判断ポイントで時間積算タイマをクリアする。時間積算タイマは、中央制御部３１３に内蔵されるタイマであり、電源オンから、クリアされるまで積算を続けるタイマである。時間積算タイマは、歩行判断ポイントでクリアされるので、時間積算タイマの積算値は一定値以上に大きくならないことになる。したがって、中央制御部３１３は、時間積算タイマの積算値に基づいて、歩行しているか否かの判断が可能となる。
【０２３６】
ステップＥ１９では、中央制御部３１３は、時間積算タイマ値、つまり時間積算タイマの積算値に基づいて歩行継続を判断する。すなわち、中央制御部３１３は、歩行判断ポイントから再び歩行判断ポイントに戻るまでの時間積算タイマ値によって、歩行が継続しているか否かを判断する。ステップＥ２０では、中央制御部３１３は、歩行判断割合を計算して、歩行判断処理を終了する。
【０２３７】
歩行割合（％）は、前記一定値をパラメータＮｏ「４３」の「一定時間」とし、積算値の上限をパラメータＮｏ「４４」の「増加」とすると、式（１）によって、歩行判断の度合いを「歩行割合」として求めることができる。
【０２３８】
【数１】
0006032644.tif 000007
歩行割合（％）は、パラメータＮｏ「４４」の「増加」の時間で０％から１００％へ変化することになる。
【０２３９】
歩行ポイントの無い状態が続くと、積算値がパラメータＮｏ「４３」の「一定時間」以上になる。このときは、歩行していないと判断することができる。このときは「歩行割合」を減少させて、歩行の判断度合いを０％に移行させる。パラメータＮｏ「４５」の「減少」の時間で１００％から０％へ変化することになる。
【０２４０】
図２７は、歩行制御処理の処理手順を示すフローチャートである。歩行制御処理では、装着者の姿勢情報の内、時々刻々変化する股関節角度βと床反力の有無を基に、歩行時に必要とされる遊脚側トルクと保持脚側トルクを計算している。中央制御部３１３は、図２５に示したステップＤ１２が実行されると、ステップＦ１１に移る。
【０２４１】
ステップＦ１１では、中央制御部３１３は、アシスト開始を検出する。具体的には、中央制御部３１３は、遊脚側の脚が歩行判断ポイントに位置付いたことを検出する。ステップＦ１２では、中央制御部３１３は、遊脚側のアシストトルクを計算する。ステップＦ１３では、中央制御部３１３は、保持脚側のアシストトルクを計算する。ステップＦ１４では、中央制御部３１３は、歩行割合による補正を行うことで、歩行アシストトルクを算出する。
【０２４２】
図２８は、遊脚側のアシストトルクの計算処理の処理手順を示すフローチャートである。中央制御部３１３は、図２７に示したステップＦ１２が実行されると、ステップＦ２１に移る。
【０２４３】
ステップＦ２１では、中央制御部３１３は、遊脚であるか否かを判断し、遊脚であると判断された場合には、ステップＦ２２に進み、股関節角度βを読み込む。遊脚でないと判断された場合には、当該計算処理を終了する。遊脚であると判断された場合には、歩行シーケンスが、「振上開始」→「振上中」→「振下開始」→「振下中」と順次実行され、振下完了で終了する。
【０２４４】
踵ＳＷが足の浮きを検出すると足の「振上開始」と判断され、パラメータＮｏ「０１」の「保持最大」トルクが、ステップＦ２３にて振上側にパラメータＮｏ「０３」の「加速時間」出力される。加速時間経過後も振上げ動作が続く場合は「振上中」と判断され、パラメータＮｏ「０１」の「保持最大」・パラメータＮｏ「０２」の「比例範囲」を基に、ステップＦ２２にて読み込んだ股関節角度βに比例した振上側へのアシストトルクが出力される（ステップＦ２４）。股関節角度βがパラメータＮｏ「０４」の「戻り角度」以上に到達すると「振下開始」と判断され、「振下中」も含めて、振下方向にパラメータＮｏ「０４」の「戻り角度」・パラメータＮｏ「０５」の「戻り出力」を基に、股関節角度βに比例したアシストトルクが出力される（ステップＦ２５）。ただし、パラメータＮｏ「１３」の「不感帯」内ではトルクを切っている。また、急激なトルク変化が装着者の負担とならないよう、ステップＦ２６にてパラメータＮｏ「０７」の「増加割合」によって出力トルクの出方を加減している。
【０２４５】
図２９は、保持脚側のアシストトルクの計算処理の処理手順を示すフローチャートである。中央制御部３１３は、図２７に示したステップＦ１３が実行されると、ステップＦ３１に移る。
【０２４６】
ステップＦ３１では、中央制御部３１３は、保持脚であるか否かを判断し、保持脚であると判断された場合には、ステップＦ３２に進み、保持脚でないと判断された場合には、当該計算処理を終了する。保持脚であると判断された場合には、直立姿勢を保持するためのトルクを出力する。
【０２４７】
ステップＦ３２で、中央制御部３１３は、股関節角度βを読み込み、ステップＦ３３で、中央制御部３１３は、パラメータＮｏ「１１」の「保持最大」・パラメータＮｏ「１２」の「比例範囲」を基に、股関節角度βに比例した保持トルクを計算する。ただし、パラメータＮｏ「１３」の「不感帯」内ではトルクを切っている。また、急激なトルク変化が装着者の負担とならないよう、ステップＦ３４にてパラメータＮｏ「０７」の「増加割合」によるトルクの加減を行って出力している。
【０２４８】
図３０は、上体判断処理の処理手順を示すフローチャートである。上体判断処理では、装着者の姿勢情報を使って、股関節を曲げ、次に上体を起こそうとしているかどうかを判断している。中央制御部３１３は、図２５に示したステップＤ１３が実行されると、ステップＧ１１に移る。
【０２４９】
ステップＧ１１で、中央制御部３１３は、股関節角速度を読込む。ステップＧ１２で、中央制御部３１３は、上体曲げ動作開始ポイントを検出する。具体的には、ステップＧ１１で計算した股関節角速度がパラメータＮｏ「４１」の「屈曲側」を越えた位置を検出し、その位置を上体曲げ動作開始ポイントとする。ステップＧ１３で、中央制御部３１３は、開始スイッチの検出を待ち、スイッチのＯＮが検出されると上体制御出力を開始し、パラメータＮｏ「２４」の「不感帯」内に戻った段階で上体制御を終了している（ステップＧ１４〜Ｇ１６）。
【０２５０】
図３１は、上体制御処理の処理手順を示すフローチャートである。中央制御部３１３は、図２５に示したステップＤ１４が実行されると、ステップＨ１１に移る。ステップＨ１１では、中央制御部３１３は、両脚に必要な、股関節角度βに比例したアシストトルクを算出している。上体制御開始直後のパラメータＮｏ「２３」の「加速時間」内では、パラメータＮｏ「２１」の「保持最大」・パラメータＮｏ「２２」の「比例範囲」を基に、開始時の股関節角度βに比例した最大トルクを出力し（ステップＨ１２）、加速時間後は股関節角度βに応じたトルクを設定している（ステップＨ１３）。ただし、急激なトルク変化が装着者の負担とならないよう、ステップＨ１４でパラメータＮｏ「２５」の「増加割合」によって出力トルクの出方を加減している。
【０２５１】
図３２は、中腰判断処理の処理手順を示すフローチャートである。中腰判断処理では、装着者の姿勢情報を使って中腰姿勢を判断している。中央制御部３１３は、図２５に示したステップＤ１５が実行されると、ステップＫ１１に移る。
【０２５２】
ステップＫ１１で、中央制御部３１３は、股関節角速度を読み込む。ステップＫ１２で、中央制御部３１３は、中腰動作開始ポイントを検出する。具体的には、ステップＫ１１で計算した股関節角速度がパラメータＮｏ「４１」の「屈曲側」を越えた位置を検出し、その位置を中腰動作開始ポイントとする。パラメータＮｏ「３３」の「待ち時間」経過後も「上体制御」が始まらない場合を中腰制御開始と判断し、パラメータＮｏ「３４」の「不感帯」が検出されるまで、中腰制御をおこなっている（ステップＫ１３〜Ｋ１５）。
【０２５３】
図３３は、中腰制御処理の処理手順を示すフローチャートである。中央制御部３１３は、図２５に示したステップＤ１６が実行されると、ステップＬ１１に移る。ステップＬ１１では、両脚に必要な、股関節角度βに比例したアシストトルクを算出している。
【０２５４】
中腰開始後は、パラメータＮｏ「３１」の「保持最大」・パラメータＮｏ「３２」の「比例範囲」を基に、ステップＬ１１で開始時の股関節角度βから中腰保持に必要なトルクを計算している。ただし、急激なトルク変化が装着者の負担とならないよう、ステップＬ１２でパラメータＮｏ「３５」の「増加割合」によって出力トルクの出方を加減している。
【０２５５】
重作業用アシストスーツ３００は、腰椎についてパワーアシストするために、パワーアシスト用電動モータ２０１を股関節の左右両サイドに配置されている。パワーアシスト用電動モータ２０１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、パワーアシスト用電動モータ２０１に付加される減速機の減速比を１／１００程度の減速比にして、装着者が出せる以上の力を出せないようにパワーアシスト用電動モータ２０１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。
【０２５６】
このように、重作業用アシストスーツ３００は、使用しているパワーアシスト用電動モータ２０１をバックドライアブルとするため、パワーアシスト用電動モータ２０１に付加する減速機の減速比を１／１００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パワーアシスト用電動モータ２０１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。
【０２５７】
重作業用アシストスーツ３００は、パワーアシスト用電動モータ２０１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２０６，２１１〜２１３，２２４，２３５、すなわち駆動機器を取りつけていない回転軸を、対象とする装着者の関節の外側周囲に配置している。
【０２５８】
このように、重作業用アシストスーツ３００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２０６，２１１〜２１３，２２４，２３５を、対象とする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がない。
【０２５９】
また、重作業用アシストスーツ３００は、重量物を持ち上げて運搬する作業において、腰椎と股関節とを同時にパワーアシストすることができる機構および制御となっている。重作業用アシストスーツ３００は、腰痛を防ぐために、腰椎をパワーアシストし、かつ歩行を補助するために、股関節をパワーアシストする。このように、重作業用アシストスーツ３００は、腰痛を防ぎつつ歩行を補助するために、腰椎と股関節とを同時にパワーアシストすることができる。
【０２６０】
また、重作業用アシストスーツ３００は、筋肉を動かそうとしたとき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で体を動かすのに必要な回転トルクなど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、表面筋電位センサを装着するという煩わしさがない。このように、重作業用アシストスーツ３００は、表面筋電位センサを装着するという煩わしさがなく、実用的である。
【０２６１】
また、重作業用アシストスーツ３００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で体を動かすのに必要なトルクなど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、動作の切り換わり時に不連続になることがない。このように、重作業用アシストスーツ３００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、動作の切り換わり時に不連続になることがない。
【０２６２】
また、バネ式やゴム式のパッシブ方式では、一方向にしかパワーアシストできないが、重作業用アシストスーツ３００は、パワーアシスト用電動モータ２０１を用いたアクティブ方式であるで、双方向にアシストすることができる。
【０２６３】
このように、２つのパワーアシスト用電動モータ２０１は、装着者の股関節の左右方向両側近傍にそれぞれ配置され、装着者の上体および大腿部の動きに追従する方向に、上体および大腿部の動きを補助するための駆動トルクを発生する。上体フレームは、装着者の胸部および腰部に装着され、前記２つのパワーアシスト用電動モータ２０１を保持する。そして、２つの下肢アシストアームは、一端部がパワーアシスト用電動モータ２０１の固定側に固定され、他端部が大腿部の側部に装着される。したがって、重作業用アシストスーツ３００は、少ない駆動源、すなわち腰部両側に設けられる２つのパワーアシスト用電動モータ２０１で重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができる。
【０２６４】
さらに、前記上体フレームは、上体アシストアームと、メインフレームと、受動回転軸２２４および受動回転軸２３５とを含む。上体アシストアームは、装着者の胸部に装着される。メインフレームは、前記２つのパワーアシスト用電動モータ２０１を両端部でそれぞれ保持し、前記２つのパワーアシスト用電動モータ２０１間を装着者の腰部の背面に沿って延び、装着者の腰部に装着される。そして、受動回転軸２２４および受動回転軸２３５は、上体アシストアームとメインフレームとを前後軸線および上下軸線まわりに回転自在に連結する。したがって、重作業用アシストスーツ３００は、上体アシストアームとメインフレームとをそれぞれの端部の２箇所で連結する場合よりも、上体の左右方向の動作および上体の回転動作を拘束することなく、重量物の持ち上げ動作および歩行動作を補助することができる。
【０２６５】
さらに、中央制御部３１３は、前記算出した駆動トルクを、装着者が前記２つのパワーアシスト用電動モータ２０１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少させて、前記２つのパワーアシスト用電動モータ２０１に発生させる。したがって、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。
【符号の説明】
【０２６６】
１  パワーアシスト用電動モータ
２〜６，１４〜１８，２３，２４  フレーム
８  スライド穴
９  受け部
７，１０，１２，１３，１９  受動回転軸
１１，２１，２５  ベルト
２０  胸部クッション
２２  ベアリング
２６  クッション
２７  角度調整機構
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  パラメータ表示部
５６  ＬＥＤ
５７  歩行スイッチ
５８  上体スイッチ
５９  中腰スイッチ
１００  重作業用アシストスーツ
１３０  通信ユニット
１３１，１５１，１６１  無線通信部
１３２  電源制御部
１３４，１４２  モータドライバ
１４０  制御ユニット
１４１  モータ制御部
１５０  右足底ユニット
１５２，１６２，１７１  電池
１５３，１６３  爪先ＳＷ
１５４，１６４  踵ＳＷ
１６０  左足底ユニット
１７０  電池ユニット
【図１】
0006032644.tif 000008
【図２】
0006032644.tif 000009
【図３】
0006032644.tif 000010
【図４】
0006032644.tif 000011
【図５】
0006032644.tif 000012
【図６】
0006032644.tif 000013
【図７】
0006032644.tif 000014
【図８】
0006032644.tif 000015
【図９】
0006032644.tif 000016
【図１０】
0006032644.tif 000017
【図１１】
0006032644.tif 000018
【図１２】
0006032644.tif 000019
【図１３】
0006032644.tif 000020
【図１４】
0006032644.tif 000021
【図１５】
0006032644.tif 000022
【図１６】
0006032644.tif 000023
【図１７】
0006032644.tif 000024
【図１８】
0006032644.tif 000025
【図１９】
0006032644.tif 000026
【図２０】
0006032644.tif 000027
【図２１】
0006032644.tif 000028
【図２２】
0006032644.tif 000029
【図２３】
0006032644.tif 000030
【図２４】
0006032644.tif 000031
【図２５】
0006032644.tif 000032
【図２６】
0006032644.tif 000033
【図２７】
0006032644.tif 000034
【図２８】
0006032644.tif 000035
【図２９】
0006032644.tif 000036
【図３０】
0006032644.tif 000037
【図３１】
0006032644.tif 000038
【図３２】
0006032644.tif 000039
【図３３】
0006032644.tif 000040