(57)【要約】      （修正有）【課題】ユーザ（人間）のバランスを補助する装置を提供する。【解決手段】シザーペアとして構成された第一コントロールモーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）２１０Ａと第二ＣＭＧ２１０Ｂを備える。第一ＣＭＧ２１０Ａは、第一フライホイール２１５Ａおよび第二フライホイール２１５Ｂと、第一および第二フライホイールを回転する第一モータ２２０と、第一および第二フライホイールを支持する第一ジンバル２３０Ａと、第一ジンバルを回転させる第一ジンバルサーボ２２５と、を備える。第二ＣＭＧは、第三フライホイールおよび第四フライホイールと、第三および第四フライホイールを回転させる第二モータと、第三および第四フライホイールを支持する第二ジンバル２３０Ｂと、第二ジンバル２３０Ｂを回転させる第二ジンバルサーボと、を備える。該装置は、さらに、第一ジンバルサーボおよび第二ジンバルサーボを制御するジャイロスコープコントローラを備える。【選択図】図２Ａ
2015135328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間バランス補助装置であって、
シザーペアのコントロールモーメントジャイロスコープ（ＳＰ−ＣＭＧ）と、
ジャイロスコープコントローラと、を備え、
第一コントロールモーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）は、
各々が第一回転軸を中心に回転可能な第一フライホイールおよび第二フライホイールと、
動作中は前記第一回転軸を中心に前記第一フライホイールおよび前記第二フライホイールを回転させる第一モータと、
前記第一フライホイールおよび前記第二フライホイールを支持する第一シャフトおよび第一支持構造を備え、前記第一シャフトを貫く第二回転軸を中心に回転可能な第一ジンバルと、
動作中は前記第二回転軸を中心に前記第一ジンバルを回転させる第一ジンバルサーボと、を備え、
第二ＣＭＧは、
各々が第三回転軸を中心に回転可能な第三フライホイールおよび第四フライホイールと、
動作中は前記第三回転軸を中心に前記第三フライホイールおよび前記第四フライホイールを回転させる第二モータと、
前記第三フライホイールおよび前記第四フライホイールを支持する第二シャフトおよび第二支持構造を備え、前記第二シャフトを貫く第四回転軸を中心に回転可能な第二ジンバルと、
動作中は前記第四回転軸を中心に前記第二ジンバルを回転させる第二ジンバルサーボと、を備え、
前記ジャイロスコープコントローラは、前記第一ジンバルサーボおよび前記第二ジンバルサーボを制御する
ことを特徴とする人間バランス補助装置。
【請求項２】
前記第一モータは、前記第一フライホイールおよび前記第二フライホイールを第一角速度で回転させ、前記第二モータは、前記第三フライホイールおよび前記第四フライホイールを前記第一角速度で回転させる
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第一フライホイールおよび前記第二フライホイールは、第三シャフトによって連結され、前記第三フライホイールおよび前記第四フライホイールは、第四シャフトによって連結される
ことを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第一角速度は、前記フライホイールを製造するために使用される材料の歪み率に略等しい歪みを前記フライホイールが受ける角速度の五分の一未満である
ことを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記第一モータは、前記第一フライホイールおよび前記第二フライホイールを第一方向に回転させ、前記第二モータは、前記第三フライホイールおよび前記第四フライホイールを前記第一方向とは反対の第二方向に回転させる
ことを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記ジャイロスコープコントローラは、さらに、前記第一ジンバルサーボを第一方向に作動させ、前記第二ジンバルサーボを前記第一方向とは反対の第二方向に作動させる
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
さらに、前記装置のユーザの体幹の加速度を感知し、前記感知した加速度に基づいて、前記感知した加速度に比例する信号を前記ジャイロスコープコントローラに送信する感知モジュールを備え、
前記ジャイロスコープコントローラは、さらに、前記感知モジュールから前記信号を受信すると、前記第一ジンバルを第一方向に作動させ、前記第二ジンバルを第二方向に作動させ、前記第一および前記第二ジンバルの前記角速度は、前記受信した信号に比例する
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記感知モジュールは、前記感知した加速度が閾値よりも大きいと前記信号を前記ジャイロスコープコントローラに送信する
ことを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
さらに、第一面に対して前記第一ジンバルおよび前記第二ジンバルが実質的に垂直であるバックプレートと、
前記バックプレートに結合されるエンクロージャと、
前記バックプレートの第二面に結合されるハーネスと、を備える
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第一フライホイール、前記第二フライホイール、前記第三フライホイール、および前記第四フライホイールは、各々、９００グラム以下の重さで５０ミリメートル以下の半径を有し、前記装置は９キログラム以下の重さであって、前記第一ＣＭＧおよび前記第二ＣＭＧは、２５ニュートンメートル以上のトルクを生み出す
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第一フライホイール、前記第二フライホイール、前記第三フライホイール、および前記第四フライホイールは、タングステンを基材とする高密度合金で作るものとし、前記エンクロージャは、カーボンケブラーで作る
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第一フライホイールと前記第二フライホイールは前記第一ジンバルの回転軸まで等距離であり、
前記第一モータの質量中心は前記第一ジンバルの前記回転軸上に位置し、
前記第三フライホイールと前記第四フライホイールは前記第二ジンバルの回転軸まで等距離であり、
前記第二モータの質量中心は前記第二ジンバルの前記回転軸上に位置する
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記ＳＰ−ＣＭＧの前記第一ジンバルの前記回転と前記ＳＰ−ＣＭＧの前記第二ジンバルの前記回転は、電子的に互いに独立して制御される
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
シザーペアのコントロールモーメントジャイロスコープ（ＳＰ−ＣＭＧ）を制御する方法であって、
第一回転軸を中心に回転可能な、前記ＳＰ−ＣＭＧの複数の第一フライホイールを第一角速度で回転させるとともに、第二回転軸を中心に回転可能な、前記ＳＰ−ＣＭＧの複数の第二フライホイールを第二角速度で回転させるステップであって、前記複数の第一フライホイールは、第三回転軸を中心に回転可能で第一シャフトおよび第一支持構造を備える第一ジンバルに支持され、前記複数の第二フライホイールは、第四回転軸を中心に回転可能で第二シャフトおよび第二支持構造を備える第二ジンバルに支持される、というステップと、
前記ＳＰ−ＣＭＧの第一ジンバルサーボを第一方向に回転させるとともに、前記ＳＰ−ＣＭＧの第二ジンバルサーボを前記第一方向とは反対の第二方向に回転させるステップであって、前記第一ジンバルサーボは、動作中は前記第三回転軸を中心に前記第一ジンバルを回転させ、前記第二ジンバルサーボは、動作中は前記第四回転軸を中心に前記第二ジンバルを回転させる、というステップと、を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記第一角速度の大きさと前記第二角速度の大きさはほぼ等しい
ことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第一ジンバルサーボと前記第二ジンバルサーボはほぼ等しい角速度で回転する
ことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
さらに、ユーザの体幹の加速度を感知するステップを含み、
前記第一ジンバルサーボの角速度と前記第二ジンバルサーボの角速度は、前記感知した加速度に比例する
ことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記第一ジンバルを第一ジンバル角速度で前記第一方向に回転させるとともに、前記第二ジンバルを第二ジンバル角速度で前記第二方向に回転させる前記方法は、
さらに、前記第一ジンバルを第三ジンバル角速度で第三方向に回転させるとともに、前記第二ジンバルを第四ジンバル角速度で第四方向に回転させるステップを含み、
前記第三ジンバル角速度と前記第四ジンバル角速度は、前記第一ジンバル角速度と前記第二ジンバル角速度よりも小さく、前記第三方向は前記第一方向と逆向きであり、前記第四方向は前記第二方向と逆向きである
ことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１４年１月１７日に出願された、米国仮特許出願番号６１／９２８、４９９の恩典を主張し、その全体を参考として援用するものである。
【０００２】
本出願は、人体バランスを補助する、ウェアラブルなシザーペア型コントロールモーメントジャイロスコープ（ＳＰ−ＣＭＧ）に関する。
【背景技術】
【０００３】
コントロールモーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）やリアクションホイールのような無反動アクチュエータは、外力が身体に作用しなくても角運動量を保ち続けて作動トルクを付与することができる。このようなデバイスを人体補助の分野で使用すれば、等しい大きさで逆方向の反動力／トルクを人体が働かせなくても、着用者を支持したり触覚フィードバックを提供したりすることができる。例えば、無反動アクチュエータは、アクチュエータを着用している人のバランスを補助するために使用することができる。現在の無反動アクチュエータは、サイズ、重量、および／またはトルク出力が原因で人体着用には適していない。したがって、ユーザのバランスを補助するのに十分なトルクを発生し、ユーザが着用するのに適した無反動アクチュエータが必要とされている。他の利点は、以下に提供される説明から明らかとなろう。
【発明の概要】
【０００４】
本明細書には、ユーザのバランスを補助する装置が開示されている。この装置は、シザーペアとして構成された、第一コントロールモーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）と、第二ＣＭＧと、を備える。第一ＣＭＧは、各々が第一フライホイールと第二フライホイールを貫く第一回転軸を中心に回転するように構成された第一および第二フライホイールと、動作中は第一回転軸を中心に第一および第二フライホイールを回転させる第一モータと、第一および第二フライホイールを支持する第一シャフトおよび第一支持構造を有し、第一シャフトを貫く第二回転軸を中心に自らを回転させるように構成された第一ジンバルと、動作中は第二回転軸を中心に第一ジンバルを回転させる第一ジンバルサーボと、を備える。第二ＣＭＧは、各々が第三フライホイールと第四フライホイールを貫く第三回転軸を中心に回転するように構成された第三および第四フライホイールと、動作中は第三回転軸を中心に第三および第四フライホイールを回転させる第二モータと、第三および第四フライホイールを支持する第二シャフトおよび第二支持構造を有し、第二シャフトを貫く第四回転軸を中心に自らを回転させるように構成された第二ジンバルと、動作中は第四回転軸を中心に第二ジンバルを回転させる第二ジンバルサーボと、を備えている。該装置は、さらに、第一ジンバルサーボおよび第二ジンバルサーボを制御するように構成されたジャイロスコープコントローラを備える。
【０００５】
いくつかの実施形態では、第一および第二フライホイールは、第三シャフトによって連結され、第三および第四フライホイールは、第四シャフトによって連結されている。一実施形態において、第一および第二フライホイールは、第三シャフトによって連結され、第三および第四フライホイールは、第四シャフトによって連結されているものとする。第一角速度は、例えば、フライホイールを製造するために使用される材料の歪み率に実質的に等しい歪みをフライホイールが受ける角速度の五分の一未満であるものとする。
【０００６】
いくつかの実施形態では、第一モータは、第一および第二フライホイールを第一方向に回転させるように構成され、第二モータは、第三および第四フライホイールを第一方向とは反対の第二方向に回転させるように構成される。ジャイロスコープコントローラは、さらに、第一ジンバルサーボを第一方向に作動させ、第二ジンバルサーボを第一方向とは反対の第二方向に作動させるように構成してもよい。
【０００７】
いくつかの実施形態では、該装置は、該装置のユーザの体幹の加速度を感知する感知モジュールを備え、感知した加速度に基づいてジャイロスコープコントローラに信号を送信するが、感知モジュールによってジャイロスコープコントローラに送信される信号は、感知した加速度に比例する。ジャイロスコープコントローラは、感知モジュールから信号を受信すると、第一ジンバルを第一方向に作動させ、第二ジンバルを第二方向に作動させることになるが、第一および第二ジンバルの角速度は、受信した信号に比例する。一実施形態において、感知モジュールによって送信される信号は、感知した加速度が閾値よりも大きいと送信される。
【０００８】
いくつかの実施形態では、該装置は、第一面に対して第一および第二ジンバルが実質的に垂直に結合されるバックプレートと、バックプレートに結合されるエンクロージャと、バックプレートの第二面に結合されるハーネスと、を備える。
【０００９】
いくつかの実施形態では、第一、第二、第三、および第四フライホイールは９００グラム以下の重さで５０ミリメートル以下の半径を有するが、該装置は９キログラム以下の重さであって、第一および第二ＣＭＧは、２５ニュートンメートル以上のトルクを生み出す。また、第一、第二、第三、および第四フライホイールは、タングステンを基材とする高密度合金で作るものとし、エンクロージャは、カーボンケブラーの複合材で作るものとする。
【００１０】
いくつかの実施形態では、第一フライホイールと第二フライホイールは第一ジンバルの回転軸まで等距離であり、第一モータの質量中心は第一ジンバルの回転軸上に位置する。第三フライホイールと第四フライホイールは第二ジンバルの回転軸まで等距離であり、第二モータの質量中心は第二ジンバルの回転軸上に位置する。
【００１１】
いくつかの実施形態では、ＳＰ−ＣＭＧの第一ジンバルの回転とＳＰ−ＣＭＧの第二ジンバルの回転は、電子的に互いに独立して制御される。
【００１２】
本明細書に記載される特徴および利点は、すべてを包むものではなく、具体的には、図面、明細書、および特許請求の範囲に鑑みて、多くの追加的な特徴および利点が当業者には明らかになるであろう。また、本明細書で使用される言語は、主として読みやすさと教示目的で選択したものであり、本発明の主旨を線引きしたり範囲を限定したりするために選択したものではないことに留意すべきである
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】人体の異なる平面の模式図である。
【図２Ａ】一実施形態に係る、人体バランスを補助するシザーペア型コントロールモーメントジャイロスコープ（ＳＰ−ＣＭＧ）の例示的な図である。
【図２Ｂ】図２Ａの断面図である。
【図２Ｃ】図２Ａの上面図である。
【図３】一実施形態に係る、単一のＣＭＧによって生成された力および運動量の一例を示した図である。
【図４】一実施形態に係る、例示的なＳＰ−ＣＭＧによって生成された運動量の一例を示した図である。
【図５】一実施形態に係る、例示的なＳＰ−ＣＭＧを収納するシャーシの一例を示している。
【図６】一実施形態に係る、例示的なＳＰ−ＣＭＧの制御システムの一例のブロック図である。
【図７】一実施形態に係る、例示的なＳＰ−ＣＭＧのジンバルの位置のタイミング図の一例である。
【００１４】
これらの図面は、例示のみの目的で様々な実施形態を示したものである。当業者は、本明細書に記載の実施形態の原理から逸脱することなく、本明細書に示される構造および方法とは別の実施形態を採用できることが、以下の説明から容易に理解できるであろう。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
さて、図面を参照しながら実施形態を説明するが、同じ参照番号は同一または機能的に類似の要素を示している。
【００１６】
明細書中で「一実施形態」または「ある実施形態」を参照するのは、実施例に関連して記載される特定の特徴、構造、または特性が少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の様々な箇所において「一実施形態では」または「ある実施形態」という語句が登場するが、必ずしもすべて同じ実施形態を指しているとは限らない。
【００１７】
詳細な説明のいくつかの部分は、コンピュータメモリ内のデータビットに関するアルゴリズムや動作の記号的表現という観点で提示される。これらのアルゴリズムの説明および表現は、データ処理分野の当業者が自分たちの仕事内容を他の当業者に最も効果的に伝えるために用いる手段である。アルゴリズムは、ここでは、そして一般的にも、所望の結果に導くための首尾一貫した連続ステップ（命令）であると考えられる。これらのステップは、物理量の物理的な操作を必要とするものである。必須ではないが、通常は、これらの量は、格納し、転送し、組み合せ、比較し、その他の操作を行なうことが可能な、電気的、磁気的または光学的な信号の形をとる。時には、主に共通に使用するという理由で、これらの信号をビット、値、要素、シンボル、文字、用語、数字、等として参照することが便利である。さらに、時には、物理量または物理量の表現物の物理的な操作または変換を必要とするステップの特定の配列を、一般性を失うことなく、モジュールまたはコード装置として参照することも便利である。
【００１８】
しかしながら、これらの全ておよび類似用語は、適切な物理量と関連付けられるべきであって、単にこれらの量に用いられる便利なラベルに過ぎない。別段の記載がない限り以下の説明から明らかなように、本説明を通じて、「処理する」または「演算する」または「計算する」または「決定する」または「表示する」または「判定する」等の用語を用いた考察は、コンピュータシステムのメモリまたはレジスタまたは他の情報記憶装置、情報伝送装置、または情報表示装置内で物理（電子）量として表されるデータを操作したり変換したりするコンピュータシステム、または（例えば、特定目的計算機のような）同様の電子計算装置の動作やプロセスを指すものであると理解されたい。
【００１９】
実施形態のいくつかの態様は、本明細書にアルゴリズムの形で記載された処理ステップや指示を含む。なお、実施形態の処理ステップおよび命令は、ソフトウェア、ファームウェア、またはハードウェアで具現化することができ、ソフトウェアで具現化されるときは、様々なオペレーティングシステムによって使用される異なるプラットフォームにダウンロードして常駐させ、そこから操作することができる。また、実施形態は、コンピュータシステム上で実行されるコンピュータプログラム製品であってもよい。
【００２０】
実施形態はまた、本明細書における動作を実行する装置にも関与している。この装置は、例えば、特定目的コンピュータのように、目的に応じて特別に構成されたものであってもよいし、コンピュータに格納されたコンピュータプログラムによって選択的に起動されまたは再構成される汎用コンピュータを備えてもよい。そのようなコンピュータプログラムは、フロッピー（登録商標）ディスク、光ディスク、 ＣＤ‐ＲＯＭ、光磁気ディスク、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気カードまたは光カード、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、または電子命令を格納するのに適した任意の種類の媒体、を含む、任意の種類のディスクのような、しかしこれらに限定されない、コンピュータ可読記憶媒体に格納でき、そして各々がコンピュータシステムバスに結合されている。メモリは、情報／データ／プログラムを格納できる上記および／または他の装置を備えてもよく、そして一時的または非一時的媒体であってもよく、ここで、非一時的または非一過性の媒体は、最小限の時間よりも長い間情報を記憶するメモリ／記憶装置を含んでもよい。さらに、本明細書でいうコンピュータは、単一プロセッサを備えてもよいし、コンピュータ能力を増すために、複数のプロセッサ設計を採用するアーキテクチャであってもよい。
【００２１】
本明細書で提示されるアルゴリズムおよび表示は、本質的に、特定のコンピュータまたは他の装置に関連するものではない。様々な汎用システムを使用して本明細書の教示によるプログラムを実行してもよいし、または、より専用の装置を構築して上記方法のステップを実行した方が、便利であるかもしれない。これらの様々なシステムの構成は、本明細書の記述から明らかであろう。また、本明細書に記述したように、実施形態の教示内容は、何らかの特定プログラミング言語を参照して記載されてはいない。様々なプログラミング言語を使用して、本明細書に記載されたように実施形態の教示内容を実施してもよく、本明細書で特定言語を参照する場合は、実現方法とベストモードを開示するのが目的である。
【００２２】
また、本明細書で使用される言葉遣いは、主として、読みやすさと教示目的のために選択されたものであり、本発明の主題を詳説したり制限したりするために選択されたものではない。したがって、実施形態の開示は、特許請求の範囲に記載されている、実施形態の範囲の説明に役立つことを意図しているが、それを限定するものではない。
【００２３】
本明細書では、特定の実施形態および応用を図示・説明しているが、それらの実施形態は、本明細書に開示された構成およびコンポーネントと全く同じものに限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に規定されるような実施形態の精神および範囲から逸脱することなく、本実施形態の方法および装置の配置、動作、および詳細について、種々の修正、変更、および変形ができることを理解すべきである。
【００２４】
（概要）
一般的に説明すると、シザーペア型コントロールモーメントジャイロスコープ（ＳＰ−ＣＭＧ）は、着用者が直立した状態で自分の体幹を維持するのを助けたり、着用者がバランスを失ったときに転倒速度を緩和するのを支援したりする。ユーザは、ハーネスやストラップを使用して、自分の背中にＳＰ−ＣＭＧを着用することができる。ＳＰ−ＣＭＧは、ユーザの体幹が直立位置から少なくとも閾値量だけ、および/または、少なくとも閾値の角速度でずれたと判定すると、ユーザの姿勢バランスを回復するためにトルクを印加する。例えば、ＳＰ−ＣＭＧは、ユーザの体幹の加速度を測定することによって、ユーザが前方または後方に転倒しかかっているかどうかを判定し、感知された加速度に対抗する力を発生するトルクを加える。このようにして、ＳＰ−ＣＭＧは、ユーザが転倒するのを防いだり、ユーザの転倒の勢いを弱めたりして手助けする。
【００２５】
図１は、人体の異なる平面を示す図である。図１に示すように、人体は、三つの垂直なプレーンに分けることができる。矢状プレーンは、人体を不運側と幸運側（すなわち、左右）の部分に分ける。正面（または冠状）プレーンは、人体を背側と腹側（すなわち、バックとフロント）の部分に分ける。横断プレーンは、人体を頭側と尾側（すなわち、頭と尾）の部分に分ける。
【００２６】
人がバランスを失うと、しばしば、矢状プレーンに沿ってバランスの損失が発生する（つまり、人は前方または後方に転倒する）。バランスを回復するためには、姿勢の変化とは反対方向のトルクを加えればよい。特に、ジャイロスコープのような無反動アクチュエータを使用すれば、人体のバランスを回復することが可能なトルクを生成することができる。
【００２７】
慣性ホイールは、一種の無反動アクチュエータである。慣性ホイールが人体に取り付けられると、回転フライホイールによる角運動量が回転ホイールから人体へと伝えられる。慣性ホイールとそれが取り付けられた人体は角運動量保存則を満足するので、フライホイールのスピードを緩めることで人体が加速されて、運動量の交換または角運動量の移転が行なわれる。システムとして合計した全体角運動量は一定である。しかし、角運動量は、フライホイールの加速および減速によって両者間で移転される。
【００２８】
コントロールモーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）は、作動するジンバルに取り付けられた慣性ホイールである。ＣＭＧの出力トルクは、フライホイールの角速度およびジンバル角速度の両方に比例する。ＳＰ−ＣＭＧは、反対方向に回転する、同期したＣＭＧペアである。したがって、二つのＣＭＧからのトルクは、一つのプレーンでは付加され、他のプレーンでは打ち消すことができる。
【００２９】
図２Ａは、一実施形態に係る、人間のバランスを補助するＳＰ−ＣＭＧを示す図である。図２Ｂは、一実施形態に係るＳＰ−ＣＭＧの断面図を示している。図２Ｃは、実施形態に係るＳＰ−ＣＭＧの上面図を示している。
【００３０】
ＳＰ−ＣＭＧ２００は、第一ＣＭＧ２１０Ａと、第二ＣＭＧ２１０Ｂと、を備える。各ＣＭＧ２１０は、第一フライホイール２１５Ａと、第二フライホイール２１５Ｂと、フライホイールモータ２２０と、ジンバル２３０と、ジンバルサーボ２２５と、を備える。第一フライホイール２１５Ａおよび第二フライホイール２１５Ｂは、ジンバル２３０の回転軸２４０にほぼ等距離に配置されている。第一フライホイール２１５Ａと第二フライホイール２１５Ｂは、モータ２２０に連結されている。モータ２２０は、ジンバル２３０の回転軸２４０を略中心とする。モータ２２０は、フライホイール２１５を回転軸２４５の周りで回転させて、各フライホイール２１５に角運動量を保存する。フライホイールは、ジンバル２３０にも取り付けられている。ジンバル２３０は、回転軸２４０を中心に回動し、ジンバルサーボ２２５によってトルクが付加されると回転する。各ＣＭＧで双対フライホイールを使用し、しかもＣＭＧ２１０が対称であることから、ＣＭＧ２１０は、その質量中心がジンバル２３０の回転軸２４０と略揃えられ、したがって、不要な力が相殺される。さらに、各ＣＭＧ２１０に双対フライホイールを使用することで、ＣＭＧ２１０は、ウェアラブルバックパック装置に非常に適したフォームファクタを維持しつつ十分な力を生成することができる。例えば、同様の力を生む単一フライホイールのＣＭＧ２１０に比べて、双対フライホイールのデザインは、より小さな半径のフライホイールを使用することができ、それによって重量を身体により近く配置しユーザに与えるトルクをより少なくすることができる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、フライホイールは、略等しい質量、サイズ、および／または材料のものである。いくつかの実施形態では、第一フライホイール２１５Ａと第二フライホイール２１５Ｂは第一心棒によって機械的に相互連結されているので、第一フライホイール２１５Ａと第二フライホイール２１５Ｂは、両者が同じ角速度で回転する。第三フライホイール２１５Ｃと第四フライホイール２１５Ｄは第二心棒によって機械的に相互連結されているので、第三フライホイール２１５Ｃと第四フライホイール２１５Ｄは、両者が同じ角速度で回転する。第一心棒と第二心棒は、各々、異なるモータに連結することができる。したがって、第一および第二フライホイールの角速度と、第三および第四フライホイールの角速度は、独立して制御することができる。別法として、一実施形態では、第一心棒は機械的に第二心棒に連結されて、フライホイール２１５Ａ、２１５Ｂ、２１５Ｃ、２１５Ｃは、機械的にリンクされ、同一の角速度で回転する。
【００３２】
2015135328.tif 000003
【００３３】
ジンバル２３０の回転範囲を制限することができる。いくつかの実施形態では、ジンバル２３０の回転は１８０度に制限されている。例えば、第一ジンバルの回転角（α1）および第二ジンバルの回転角（α2）は、ジンバルの回転をマイナス９０度〜プラス９０度となるように制限することができる。いくつかの実施形態では、ジンバル２３０の回動範囲は、機械的に制限することができる。つまり、第一ＣＭＧ２１０Ａおよび第二ＣＭＧ２１０Ｂは、ジンバル２３０が閾値角度を越えて回転するのを防止するストッパーを備えることができる。他の実施形態では、ジンバルの回転範囲は、ジンバルサーボ２２５を作動させるコントローラによって電子的に制限される。
【００３４】
別の実施形態では、第一ジンバル２３０Ａは、第二ジンバル２３０Ｂに機械的に連結されてはいない。したがって、各ジンバル２３０は、任意の方向に任意の角速度で独立して回転することができる。この実施形態では、第一ジンバル２３０Ａおよび第二ジンバル２３０Ｂは、外部コントローラによって同期させることができる。
【００３５】
2015135328.tif 000004
【００３６】
2015135328.tif 000005
【００３７】
2015135328.tif 000006
【００３８】
生成されたトルクは、ユーザのバランスを補助するＳＰ−ＣＭＧ２００を装着したユーザに転送される。生成されたトルクは、ＳＰ−ＣＭＧ２００に取り付けられたハーネスやストラップを介して、またはＳＰ−ＣＭＧを支持するバックプレートを介してユーザに転送することができる。生成されたトルクは、ＳＰ−ＣＭＧを装着したユーザの体幹に回転力を付与する。
【００３９】
（デザイン上の考慮点）
ＳＰ−ＣＭＧは、人体のバランス補助に使用されるので、ＳＰ−ＣＭＧのサイズおよび重量の制限がある。例えば、ＳＰ−ＣＭＧは、バックパックとして持ち運ぶことができるように十分に軽くなければならない。一実施形態では、ＳＰ−ＣＭＧの質量は９キログラムを超えない。また、ＳＰ−ＣＭＧのサイズは、ユーザが快適に持ち運べるように十分に小さくなければならない。一実施形態では、フライホイールの半径は５０ミリメートルを超えない。さらに、フライホイールの角速度も、安全上の理由で制限することができる。例えば、フライホイールのベクトル角速度は毎分５０００回転に制限することができる。
【００４０】
2015135328.tif 000007
【００４１】
2015135328.tif 000008
【００４２】
図５に示すように、ＳＰ−ＣＭＧの安全性を高めるために、ＳＰ−ＣＭＧはシャーシ５００内に収納されている。このシャーシは、厚いバックプレート５２０と、ケース５１０と、ハーネス５３０と、を備える。いくつかの実施形態では、バックプレート５２０は少なくとも５ミリメートルの厚さである。バックプレート５２０は、例えば、７０７５−Ｔ６アルミニウムのような高強度で軽量な材料から作ることができる。このバックプレートは、ＳＰ−ＣＭＧが故障した場合にＳＰ−ＣＭＧのユーザを保護する。ケース５１０は、カーボンケブラーのような軽量な材料で作ることができる。ある実施形態では、ケース５１０はバックプレート５２０よりも薄い。例えば、ケース５１０は３ミリメートルの厚さとすることができる。ケース５１０は、ＳＰ−ＣＭＧが故障した場合にユーザとともにユーザの近くにいる他の人々も保護する。ハーネス５３０は、ユーザがＳＰ−ＣＭＧをバックパックとして着用することができるようにする。例えば、四点式ハーネスを使用すれば、ＳＰ−ＣＭＧとユーザとを安全かつ強固に接続することができる。
【００４３】
（ＳＰ−ＣＭＧの動作）
図６は、ＳＰ−ＣＭＧの制御系のブロック図を示している。制御系は、ジャイロスコープコントローラ６１０と、感知モジュール６２０と、を備える。感知モジュール６２０は、一つ以上の加速度計および／またはジャイロスコープを含んでいてもよい。例えば、感知モジュール６２０は、x、y、およびz軸の加速度を測定するための三軸加速度計を含んでいてもよい。別の例では、感知モジュール６２０は、空間内の回転（例えば、ロール、ピッチ、ヨー）の程度と速度を感知するための三軸ジャイロスコープも含む。感知モジュール６２０は、ユーザの加速度を検出し、ジンバルサーボ２２５を作動させる信号をジャイロスコープコントローラ６１０に送る。図７はジンバルの位置のタイミング図である。ジャイロスコープコントローラは、サーボ２２５を作動させる信号を受信すると、第一ＣＭＧのジンバルサーボと第二ＣＭＧのジンバルサーボを独立に制御する。
【００４４】
独立に制御されるＣＭＧを有することで、ＳＰ−ＣＭＧの機械的構造の複雑さが低減される。したがって、ＳＰ−ＣＭＧの総質量を低減することができる。また、ＣＭＧは、非同期で作動させて、ＳＰ−ＣＭＧを装着しているユーザに矢状プレーン以外のプレーンで回転力を付与するトルクを生成することができる。
【００４５】
いくつかの実施形態では、図７に示すように、ジンバルは、アイドル状態のときには４５度の角度で保持される。ジンバルの回転は、作動フェーズと復帰フェーズの二つのフェーズに分けられる。作動フェーズでは、ジンバルは、ユーザにトルクを与えるために回転する。復帰フェーズでは、ジンバルはアイドル位置に回転して戻る。作動フェーズでは、ジンバルサーボ２２５が作動して、ジンバル２３０を９０度回転させる。一実施形態では、ジンバル角速度は、ジンバル位置が０度に近づくにつれて増加し、ジンバル位置が０度を過ぎた後に減少する。ジンバルサーボ２２５は、作動フェーズの開始時に小さい角速度で作動させ、アクチュエータの角速度は、ジンバルが作動フェーズの中間点に近づくにつれて増加させることができる。作動フェーズの開始時に小さい角速度でジンバルサーボ２２５を作動させると、ジンバルサーボを損傷する可能性が低くなる。いくつかの実施形態では、作動フェーズでは、ジンバルはおおよそ９０度で回転する。例えば、ジンバルの回転量および回転速度は、感知モジュール６２０によって感知される加速度に比例する。
【００４６】
復帰フェーズでは、ジンバルはゆっくり回転してアイドル位置に戻る。いくつかの実施形態では、ジンバルは、閾値より少ないトルクしか発生しない角速度で回転する。例えば、図７の例示的な図において、作動フェーズでは、８８０ミリ秒の間に最大角速度が秒速２６７度で、第一ジンバル２１０Ａはマイナス４５度から４５度まで回転し、第二ジンバルは４５度からマイナス４５度まで回転する。復帰フェーズでは、２０００ミリ秒の間に角速度が秒速４４度で、第一ジンバルは４５度から戻ってマイナス４５度まで回転し、第二ジンバルはマイナス４５度から戻って４５度まで回転する。長い時間をかけてジンバルを復帰することで、ジンバルを復帰することによって発生するトルクは、ＳＰ−ＣＭＧを装着しているユーザには感知できないか、またはほとんど感知できない。したがって、ＳＰ−ＣＭＧを装着したユーザのバランスを崩すようなトルクは発生しない。
【００４７】
図７の実施形態では、第一および第二ＣＭＧのジンバルは、同じ角速度で回転する。この実施形態では、横断プレーンでＳＰ−ＣＭＧを回転しようとするトルクは相殺される。他の実施形態では、第一および第二ＣＭＧのジンバルは異なる角速度で回転する。この実施形態では、ＣＭＧは、矢状および横断プレーンの両方でＳＰ−ＣＭＧを回転しようとするトルクを発生する。
【００４８】
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【００４９】
いくつかの実施形態では、作動フェーズと復帰フェーズに分ける代わりに、ジンバルは、積極的に力を加えてユーザの体幹を直立位置に維持するように作動する。ユーザの体幹が直立位置からずれたと感知モジュール６２０が感知すると、信号がジャイロスコープコントローラ６１０に送信され、ジャイロスコープコントローラ６１０は、ジンバルサーボ２２５を作動させてユーザの体幹を直立位置へ復元する力を付与するトルクを発生させる。この実施形態では、ユーザの体幹を直立位置に復元するために必要となるトルク量は比較的少なくて済むので、ジンバルの回転範囲は、より狭くて済む。また、ジンバルは、ユーザの体幹のずれの方向に応じて、任意の方向に回転することができる。ユーザが前傾した場合、ジンバルは、ユーザの背中を引っ張るトルクを発生するように回転し、ユーザが後方に傾いた場合、ジンバルは、ユーザの背中を押すトルクを発生するように回転する。ジンバル作動の合間には、ジンバルは、復帰中にユーザが実質的なトルクを感じないように比較的遅い回転速度で中心位置に復帰することができる。
【００５０】
（別の代替実施形態）
本開示を読めば、当業者は、本明細書に記載の特徴を有する別の代替デザインがさらにあることを理解するであろう。したがって、特定の実施形態および用途について図示し説明してきたが、実施形態としては、本明細書に開示された構成や構成要素と全く同じものに限定されるものではなく、当業者には明らかであると思われる様々な修正、変更、および変形を、添付の特許請求の範囲に規定される実施形態の主旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に開示された実施形態の配置、動作および詳細について行なうことができると理解すべきである。
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１】
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【外国語明細書】
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