(57)【要約】      （修正有）【課題】外部から供給される電力により二次電池を充電しなければならない事態が減少する身体装着具を提供する。【解決手段】左下肢用の構造物１１０は、左下肢９１０に装着される。右下肢用の構造物１１１は、右下肢９１１に装着される。左下肢用の構造物１１０は、左下肢９１０に動かされる。発電機１１２は、左下肢用の構造物１１０に駆動され、電力を発電する。充電回路は、発電機が発電した電力により二次電池を充電する。放電回路は、二次電池を放電させる。モーター１１３は、二次電池が放電した電力を消費し、動力を発生させる。右下肢用の構造物１１１は、モーター１１３に動かされ、右下肢の動きに補助を与える。モーター１１３及び右下肢用の構造物１１１が省略され、負荷制御機構が二次電池により放電された電力を消費して発電機を制御し、左下肢用の構造物１１０が左下肢９１０に負荷を与える場合もある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の体肢に装着され、前記第１の体肢に動かされる第１の構造物と、
前記第１の構造物に駆動され、電力を発電する発電機と、
二次電池と、
前記発電機が発電した電力により前記二次電池を充電する充電回路と、
前記二次電池を放電させる放電回路と、
前記二次電池が放電した電力を消費し、動力を発生する動力発生機構と、
第２の体肢に装着され、前記動力発生機構に動かされ、前記第２の体肢の動きに補助を与える第２の構造物と、
を備える身体装着具。
【請求項２】
前記第１の体肢に与えられる負荷の強さを設定する操作を受け付ける負荷設定機構と、
設定された強さの負荷が前記第１の体肢に与えられるように前記発電機を制御する負荷制御機構と、
をさらに備える請求項１の身体装着具。
【請求項３】
前記発電機により発電される平均電力量が前記動力発生機構により消費される電力量より大きくなる強さの負荷が前記第１の体肢に与えられるように前記発電機を制御する負荷制御機構、
をさらに備える請求項１の身体装着具。
【請求項４】
前記第２の体肢の動きに与えられる補助の強さを設定する操作を受け付ける補助設定機構と、
設定された強さの補助が前記第２の体肢の動きに与えられるように前記動力発生機構を制御する制御機構と、
をさらに備える請求項１から請求項３までのいずれかの身体装着具。
【請求項５】
体肢に装着され、前記体肢に動かされ、前記体肢に負荷を与える構造物と、
前記構造物に駆動され、電力を発電する発電機と、
二次電池と、
前記発電機が発電した電力により前記二次電池を充電する充電回路と、
前記二次電池を放電させる放電回路と、
前記二次電池が放電した電力を消費し、前記発電機を制御する負荷制御機構と、
を備える身体装着具。
【請求項６】
前記体肢に与えられる負荷の強さを設定する操作を受け付ける負荷設定機構、
をさらに備え、
前記負荷制御機構は、
設定された強さの負荷が前記体肢に与えられるように前記発電機を制御する
請求項５の身体装着具。
【請求項７】
前記負荷制御機構は、
前記発電機により発電される平均電力量が前記負荷制御機構により消費される電力量より大きくなるように前記発電機を制御する
請求項５の身体装着具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、身体装着具に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載された動作補助装置１０においては、左下肢に左足補助部５５が装着され、右下肢に右足補助部５４が装着される。左足補助部５５は、駆動モータ２２及び２６に動かされ、左下肢の動きに補助を与える。右足補助部５４は、駆動モータ２０及び２４に動かされ、右下肢の動きに補助を与える。駆動モータ２０，２２，２４及び２６は、バッテリ３２及び３４が放電した電力を消費し、動力を発生する。バッテリ３２及び３４は、動作補助装置１０の外部から給電される電力により充電される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００９／０８４３８７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された動作補助装置１０等の従来の身体装着具においては、身体装着具の外部から給電される電力により二次電池を充電しなければならない事態が発生しやすい。二次電池を充電しなければならない事態が発生しやすい場合は、身体装着具を使用できる場面が強く制約される。例えば、長時間にわたる使用、野外における使用等は、困難である。この問題を解決するために二次電池の容量を大きくした場合は、身体装着具の重量増、高価格化を招く。
【０００５】
本発明は、これらの問題を解決するためになされる。本発明の目的は、外部から供給される電力により二次電池を充電しなければならない事態が減少する身体装着具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、身体装着具に向けられる。
【０００７】
本発明の第１の局面においては、第１の構造物、発電機、充電回路、二次電池、放電回路、動力発生機構及び第２の構造物が設けられる。第１の構造物は、第１の体肢に装着される。第２の構造物は、第２の体肢に装着される。第１の構造物は、第１の体肢に動かされる。発電機は、第１の構造物に駆動され、電力を発電する。充電回路は、発電機が発電した電力により二次電池を充電する。放電回路は、二次電池を放電させる。動力発生機構は、二次電池が放電した電力を消費し、動力を発生させる。第２の構造物は、動力発生機構に動かされ、第２の体肢の動きに補助を与える。
【０００８】
本発明の第２の局面においては、構造物、発電機、二次電池、充電回路、放電回路及び負荷制御機構が設けられる。構造物は、体肢に装着される。構造物は、体肢に動かされ、体肢に負荷を与える。発電機は、構造物に駆動され、電力を発電する。充電回路は、発電機が発電した電力により二次電池を充電する。放電回路は、二次電池を放電させる。負荷制御機構は、二次電池が放電した電力を消費し、発電機を制御する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の第１の局面によれば、体肢の動きに補助を与えるために消費される電力の全部又は一部が身体装着具の内部で発電される。身体装着具の外部から給電される電力により二次電池を充電しなければならない事態が減少する。
【００１０】
本発明の第２の局面によれば、発電機を制御するために消費される電力の全部又は一部が身体装着具の内部で発電される。身体装着具の外部から給電される電力により二次電池を充電しなければならない事態が減少する。
【００１１】
これらの及びこれら以外の本発明の目的、特徴、局面及び利点は、添付図面とともに考慮されたときに下記の本発明の詳細な説明によってより明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の身体装着具が身体に装着された状態を示す模式図である。
【図２】第１実施形態の身体装着具の電気系のブロック図である。
【図３】第２実施形態の身体装着具が身体に装着された状態を示す模式図である。
【図４】第２実施形態の身体装着具の電気系のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１実施形態
第１実施形態は、身体装着具に関する。第１実施形態の身体装着具は、介護、リハビリテーション等において使用され、体肢の動きを補助し体肢の運動能力の回復を支援する。第１実施形態の身体装着具は、「装着式動作補助装置」「動作補助具」「パワードスーツ（登録商標）」「ロボットスーツ（登録商標）」等とも呼ばれる。
【００１４】
図１の模式図は、第１実施形態の身体装着具１００が身体９００に装着された状態を示す。図２のブロック図は、第１実施形態の身体装着具１００の電気系を示す。
【００１５】
図１及び図２に示されるように、身体装着具１００は、左下肢用の構造物１１０、右下肢用の構造物１１１、発電機１１２、モーター１１３及び制御部１１４を備える。制御部１１４は、電圧制御回路１２０、充電回路１２１、二次電池１２２、放電回路１２３、制御回路１２４、負荷設定機構１２５、負荷制御回路１２６、補助設定機構１２７、センサー１２８、給電口１２９及びＡＣ／ＤＣ変換器１３０を備える。身体装着具１００がこれらの構成物以外の構成物を備えてもよい。これらの構成物の一部又は全部が統合されてもよい。
【００１６】
身体装着具１００が身体９００に装着される場合は、左下肢用の構造物１１０が左下肢９１０に装着され、右下肢用の構造物１１１が右下肢９１１に装着され、制御部１１４が体幹９１２に装着される。制御部１１４が体幹９１２以外に装着されてもよい。発電機１１２は、左下肢用の構造物１１０に取り付けられる。モーター１１３は、右下肢用の構造物１１１に取り付けられる。
【００１７】
左下肢９１０以外の体肢に装着される構造物に発電機１１２が取り付けられてもよい。例えば、左上肢９１３に装着される構造物に発電機１１２が取り付けられてもよい。望ましくは、相対的に運動能力が高い体肢に装着される構造物に発電機１１２が装着される。相対的に運動能力が高い体肢は、例えば障害を負っていない体肢である。発電機１１２が取り付けられる構造物の数が２個以上であってもよい。
【００１８】
右下肢９１１以外の体肢に装着される構造物にモーター１１３に取り付けられてもよい。例えば、右上肢９１４に装着される構造物にモーター１１３が取り付けられてもよい。望ましくは、相対的に運動能力が低い体肢に装着される構造物にモーター１１３が取り付けられる。相対的に運動能力が低い体肢は、例えば障害を負った体肢である。モーター１１３が取り付けられる構造物の数が２個以上であってもよい。
【００１９】
左下肢用の構造物１１０は、左下肢９１０に動かされる。左下肢用の構造物１１０は、左下肢９１０の屈曲運動に追随して屈曲運動を行う。左下肢用の構造物１１０が屈曲運動以外の運動に追随して運動を行ってもよい。
【００２０】
発電機１１２は、左下肢用の構造物１１０に駆動され、電力を発電し、発電した電力を電圧制御回路１２０を経由して充電回路１２１に給電する。発電機１１２は、望ましくはアウターローター型の薄型発電機である。発電機１１２がアウターローター型の薄型発電機以外の発電機であってもよい。２個以上の発電機が左下肢用の構造物１１０に駆動されてもよい。
【００２１】
電圧制御回路１２０は、発電機１１２が発電した電力を平滑し降圧する。発電機１１２が発電した電力を電圧制御回路１２０が昇圧する場合もある。電圧制御回路１２０が省略される場合もある。
【００２２】
二次電池１２２は、望ましくは全固体型ポリマーリチウム二次電池である。
【００２３】
全固体型ポリマーリチウム二次電池は、リチウムイオン二次電池の一種である。全固体型ポリマーリチウム二次電池は、固体電解質を含むが、揮発性及び可燃性を有する液体電解質及びゲル電解質を含まない。このため、全固体型ポリマーリチウム二次電池は、身体装着具１００が水没した場合、身体装着具１００が破損した場合等の保護装置の動作を期待できない状況においても、発火、爆発等の危険性を有しない。これにより、身体装着具１００の安全性が高くなる。二次電池１２２が、全固体型ポリマーリチウム二次電池以外の全固体型二次電池であってもよい。液体電解質又はゲル電解質を含むが発火、爆発等の危険性を有しないリチウムイオン二次電池が開発された場合は、二次電池１２２が液体電解質又はゲル電解質を含むリチウムイオン二次電池であってもよい。
【００２４】
充電回路１２１は、発電機１１２が発電した電力又は身体装着具１００の外部から給電される電力により二次電池１２２を充電する。充電回路１２１は、定電流定電圧方式により二次電池１２２を充電する。充電回路１２１が定電流定電圧方式以外の方式により二次電池１２２を充電してもよい。
【００２５】
放電回路１２３は、二次電池１２２を放電させ、二次電池１２２が放電した電力を制御回路１２４を経由してモーター１１３に給電する。
【００２６】
制御回路１２４は、センサー１２８から得られた情報に基づきモーター１１３への電力の給電を制御する。制御回路１２４は、例えば、姿勢、障害物、生体電流等をセンサー１２８により検出し、右下肢９１１の動きに適切な補助が与えられるようにモーター１１３を制御する。制御回路１２４においては、組み込みコンピューターが制御プログラムを実行しドライバー回路を制御する。組み込みコンピューターの機能の一部又は全部がソフトウエアを伴わないハードウエアにより実現されてもよい。ハードウエアは、オペアンプ、コンパレーター、論理回路等の電子回路を備えてもよい。ドライバー回路は、スイッチング素子等を含む。
【００２７】
モーター１１３は、二次電池１２２が放電した電力を消費し、動力を発生する。モーター１１３が発生した動力は、右下肢用の構造物１１１を動かすために利用される。モーター１１３が他の種類の動力発生機構に置き換えられてもよい。例えば、モーター１１３がアクチュエーターに置き換えられてもよい。右下肢用の構造物１１１が２個以上の動力発生機構により動かされてもよい。
【００２８】
右下肢用の構造物１１１は、モーター１１３に動かされ、右下肢９１１の動きに補助を与える。右下肢用の構造物１１１は、右下肢９１１の屈曲運動に追随して屈曲運動し、モーター１１３が発生した動力を利用して右下肢９１１の屈曲運動に必要な力を減ずる。右下肢用の構造物１１１が屈曲運動以外の運動に追随して運動し屈曲運動以外の運動に必要な力を減じてもよい。
【００２９】
第１実施形態の身体装着具１００によれば、右下肢９１１の動きに補助を与えるために消費される電力の全部又は一部が身体装着具１００の内部で発電される。身体装着具１００の外部から給電される電力により二次電池１２２を充電しなければならない事態が減少する。二次電池１２２を充電しなければならない事態の減少は、二次電池１２２の容量を減らすことに寄与し、身体装着具１００の軽量減、低価格化等に寄与する。
【００３０】
負荷設定機構１２５は、左下肢９１０に与えられる負荷の強さを設定する操作を受け付ける。当該操作は、例えば、タッチパネル、スイッチ等の操作部材に対して行われる。
【００３１】
負荷制御回路１２６は、設定された強さの負荷が左下肢９１０に与えられるように発電機１１２を制御する。
【００３２】
これにより、左下肢９１０の運動能力に適した負荷が左下肢９１０に与えられる。
【００３３】
左下肢９１０に与えられる負荷は、発電機１１２の回転子を回転させるのに必要なトルクを変更することにより変更される。発電機１１２の回転子を回転させるのに必要なトルクは、例えば２個以上の電気子巻線を備える発電機１１２において誘導電流が取り出される電機子巻線の数を変更することにより変更される。発電機１１２の回転子を回転させるのに必要なトルクが大きくなった場合は、発電機１１２が発電する電力も大きくなる。誘導電流が取り出される電気子巻線の数、すなわち、発電に寄与するポールピースの極数が３極、６極及び９極のように増加した場合は、極数の増加につれて発電機１１２の回転子を回転させるのに必要なトルクが大きくなり、左下肢９１０の動きに対する抵抗力が大きくなり、左下肢９１０に与えられる負荷が大きくなる。
【００３４】
左下肢９１０に与えられる負荷の強さを変更する機能が省略されてもよい。
【００３５】
望ましくは、負荷制御回路１２６は、発電機１１２により発電される平均電力量がモーター１１３により消費される電力量より大きくなる強さの負荷が左下肢９１０に与えられるように発電機１１２を制御する。これにより、右下肢９１１の動きを補助するために消費される電力の全部が身体装着具１００の内部で発電され、身体装着具１００の外部から給電される電力により二次電池１２２を充電しなければならない事態がなくなり、自立電力供給型の身体装着具１００が実現する。自立電力供給型の身体装着具１００が実現した場合は、身体装着具１００を使用可能な場面が著しく拡大する。例えば、長時間にわたる使用、野外における使用等が容易になる。
【００３６】
補助設定機構１２７は、右下肢９１１の動きに与えられる補助の強さを設定する操作を受け付ける。
【００３７】
制御回路１２４は、設定された強さの補助が右下肢９１１の動きに与えられるようにモーター１１３を制御する。
【００３８】
これにより、運動能力に適した補助が右下肢９１１の動きに与えられる。
【００３９】
身体装着具１００が右下肢９１１の運動能力の回復を支援するために使用される場合は、右下肢９１１の動きに与えられる補助の強さを変更する機能により、支援を開始した直後は補助が強くされ、回復が進行するについて補助が弱められる。これにより、運動能力の回復が適切に支援される。
【００４０】
右下肢９１１の動きに与えられる補助の強さを変更する機能が省略されてもよい。
【００４１】
給電口１２９には、身体装着具１００の外部の電力源が電気的に接続される。給電口１２９は、身体装着具１００の外部の電力源から電力を受電し、ＡＣ／ＤＣ変換器１３０に給電する。
【００４２】
ＡＣ／ＤＣ変換器１３０は、給電口１２９が受電した電力を交流から直流に変換し、直流に変換された電力を充電回路１２１に給電する。給電口１２９により受電される電力が直流であり昇圧又は降圧が不要である場合は、ＡＣ／ＤＣ変換器１３０が省略される。給電口１２９により受電される電力が直流であり昇圧又は降圧が必要である場合は、ＡＣ／ＤＣ変換器１３０がＤＣ／ＤＣ変換器に置き換えられる。
【００４３】
身体装着具１００が自立電力供給型である場合は、給電口１２９及びＡＣ／ＤＣ変換器１３０が省略されてもよい。二次電池１２２が身体装着具１００から取り外し可能である場合は、身体装着具１００の外部の充電器により二次電池１２２が充電され、給電口１２９及びＡＣ／ＤＣ変換器１３０が省略されてもよい。
【００４４】
典型的には、身体装着具１００が身体９００に装着されていない場合に身体装着具１００の外部の電力源が給電口１２９に接続され、身体装着具１００の外部から給電された電力により二次電池１２２が充電される。二次電池１２２が充電された後に、身体装着具１００が身体９００に装着される。
【００４５】
第２実施形態
第２実施形態は、身体装着具に関する。第２実施形態の身体装着具は、トレーニング等において使用され、体肢の運動能力の向上を支援する。
【００４６】
図３の模式図は、第２実施形態の身体装着具２００が身体９００に装着された状態を示す。図４のブロック図は、第２実施形態の身体装着具２００の電気系を示す。
【００４７】
図３及び図４に示されるように、身体装着具２００は、左下肢用の構造物２１０、発電機２１１及び制御部２１２を備える。制御部２１２は、電圧制御回路２２０、充電回路２２１、二次電池２２２、放電回路２２３、負荷設定機構２２４、負荷制御回路２２５、給電口２２６及びＡＣ／ＤＣ変換器２２７を備える。身体装着具２００がこれらの構成物以外の構成物を備えてもよい。これらの構成物の一部又は全部が統合されてもよい。
【００４８】
身体装着具２００が身体９００に装着される場合は、左下肢用の構造物２１０が左下肢９１０に装着され、制御部２１２が体幹９１２に装着される。制御部２１２が体幹９１２以外に装着されてもよい。発電機２１１は、左下肢用の構造物２１０に取り付けられる。
【００４９】
左下肢用の構造物２１０は、左下肢９１０に動かされ、左下肢９１０に負荷を与える。左下肢用の構造物２１０は、左下肢９１０の屈曲運動に追随して屈曲運動を行う。左下肢用の構造物２１０が屈曲運動以外の運動に追随して運動を行ってもよい。
【００５０】
左下肢９１０以外の体肢に装着される構造物に発電機２１１が取り付けられてもよい。例えば、左上肢９１３に装着される構造物に発電機２１１が取り付けられてもよい。発電機２１１が取り付けられる構造物の数が２個以上であってもよい。
【００５１】
発電機２１１は、左下肢用の構造物２１０に駆動され、電力を発電し、発電した電力を電圧制御回路２２０を経由して充電回路２２１に給電する。発電機２１１は、望ましくはアウターローター型の薄型発電機である。発電機２１１がアウターローター型の薄型発電機以外の発電機であってもよい。
【００５２】
電圧制御回路２２０は、発電機２１１が発電した電力を平滑し降圧する。発電機２１１が発電した電力を電圧制御回路２２０が昇圧する場合もある。電圧制御回路２２０が省略される場合もある。
【００５３】
二次電池２２２は、望ましくは全固体型ポリマーリチウム二次電池である。二次電池２２２が、全固体型ポリマーリチウム二次電池以外の全固体型二次電池であってもよい。液体電解質又はゲル電解質を含むが発火、爆発等の危険性を有しないリチウムイオン二次電池が開発された場合は、二次電池２２２が液体電解質又はゲル電解質を含むリチウムイオン二次電池であってもよい。
【００５４】
充電回路２２１は、発電機２１１が発電した電力又は身体装着具２００の外部から給電される電力により二次電池２２２を充電する。充電回路２２１は、定電流定電圧方式により二次電池２２２を充電する。充電回路２２１が定電流定電圧方式以外の方式により二次電池２２２を充電してもよい。
【００５５】
放電回路２２３は、二次電池２２２を放電させ、二次電池２２２が放電した電力を負荷制御回路２２５に給電する。
【００５６】
負荷制御回路２２５は、二次電池２２２が放電した電力を消費し、発電機２１１を制御する。
【００５７】
第２実施形態の身体装着具２００によれば、発電機２１１を制御するために消費される電力の全部又は一部が身体装着具２００の内部で発電され、身体装着具２００の外部から給電される電力により二次電池２２２を充電しなければならない事態が減少する。
【００５８】
負荷設定機構２２４は、左下肢９１０に与えられる負荷の強さを設定する操作を受け付ける。当該操作は、例えば、タッチパネル、スイッチ等の操作部材に対して行われる。
【００５９】
負荷制御回路２２５は、設定された強さの負荷が左下肢９１０に与えられるように発電機２１１を制御する。
【００６０】
これにより、左下肢９１０の運動能力に適した負荷が左下肢９１０の動きに与えられる。
【００６１】
左下肢９１０に与えられる負荷は、発電機２１１の回転子を回転させるのに必要なトルクを変更することにより変更される。発電機２１１の回転子を回転させるのに必要なトルクは、例えば２個以上の電気子巻線を備える発電機２１１において誘導電流が取り出される電機子巻線の数を変更することにより変更される。発電機２１１の回転子を回転させるのに必要なトルクが大きくなった場合は、発電機２１１が発電する電力も大きくなり、左下肢９１０の動きに対する抵抗力が大きくなり、左下肢９１０の負荷が大きくなる。
【００６２】
望ましくは、負荷制御回路２２５は、発電機２１１により発電される平均電力量が負荷制御回路２２５により消費される電力量より大きくなる強さの負荷が左下肢９１０に与えられるように発電機２１１を制御する。これにより、発電機２１１を制御するために消費される電力の全部が身体装着具２００の内部で発電され、身体装着具２００の外部から給電される電力により二次電池２２２を充電しなければならない事態がなくなり、自立電力供給型の身体装着具２００が実現する。
【００６３】
ＡＣ／ＤＣ変換器２２７は、給電口２２６が受電した電力を交流から直流に変換し、直流に変換された電力を充電回路２２１に給電する。給電口２２６により受電される電力が直流であり昇圧又は降圧が不要である場合は、ＡＣ／ＤＣ変換器２２７が省略される。給電口２２６により受電される電力が直流であり昇圧又は降圧が必要である場合は、ＡＣ／ＤＣ変換器２２７がＤＣ／ＤＣ変換器に置き換えられる。
【００６４】
身体装着具２００が自立電力供給型である場合は、給電口２２６及びＡＣ／ＤＣ変換器２２７が省略されてもよい。二次電池２２２が身体装着具２００から着脱可能である場合は、身体装着具２００の外部の充電器により二次電池２２２が充電され、給電口２２６及びＡＣ／ＤＣ変換器２２７が省略されてもよい。
【００６５】
本発明は詳細に示され記述されたが、上記の記述は全ての局面において例示であって限定的ではない。したがって、本発明の範囲からはずれることなく無数の修正及び変形が案出されうると解される。
【符号の説明】
【００６６】
１００  身体装着具
１１０  左下肢用の構造物
１１１  右下肢用の構造物
１１２  発電機
１１３  モーター
２００  身体装着具
２１０  左下肢用の構造物
２１１  発電機
【図１】
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【図２】
2015047436.tif 000004
【図３】
2015047436.tif 000005
【図４】
2015047436.tif 000006