(57)【要約】【課題】  人間の動作を補助する動作補助装置において、人間の動作を補助する補助力を発揮するアクチュエータの出力を適切に制御可能な動作補助装置を提供することを目的とする。【解決手段】  ６軸センサ９の検出値を利用して補助力Ｑの大きさを決定する。これにより、作業者が操作部５に及ぼす動作力を正確に検出することが可能となる。したがって、作用部７及び連結部１３の動作方向と対象物が作用部７に作用させる負荷の方向とが相違していても適切な補助力Ｑを決定することが可能となる。延いては、作業者の動作を適切に補助することが可能となる。【選択図】図１
2015168019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間が対象物を操作する際に、人間の動作を感知して当該人間の動作を補助する動作補助装置において、
人間の動作を補助する補助力を発揮するアクチュエータと、
人間により把持され、当該人間が発揮する動作力を受ける操作部と、
前記対象物に接触して力を作用させる作用部と、
前記操作部と前記作用部とを連結する剛体の連結部と、
前記連結部に設けられ、互いに異なる３つの軸方向及びそれら３つの軸方向周りの力又は歪みを検出する６軸センサと、
前記アクチュエータの作動を制御する制御部であって、前記６軸センサの検出値を利用して前記補助力の大きさを決定するとともに、その決定された補助力を前記アクチュエータで発生させる制御部と
を備えることを特徴とする動作補助装置。
【請求項２】
前記連結部及び前記作用部のうち少なくとも一方は、前記操作部に対して回転可能であり、
前記連結部及び前記作用部のうち少なくとも一方の回転角を検出する回転角検出部を備え、
前記制御部は、前記６軸センサの検出値に加えて前記回転角検出部の検出値も利用して前記補助力の大きさを決定することを特徴とする請求項１に記載の動作補助装置。
【請求項３】
前記６軸センサから前記操作部までの寸法は、前記６軸センサから前記作用部までの寸法より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の動作補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人間が対象物を操作する際に、人間の動作を感知して当該人間の動作を補助する動作補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に際の発明では、マニュピュレータ等のロボット側に６軸センサを設けるとともに、当該６軸センサにて検出された検出値を利用して、人間が直接操作するグリップの操作力を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３０６３８６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願は、人間の動作を補助する動作補助装置において、人間の動作を補助する補助力を発揮するアクチュエータの出力を適切に制御可能な動作補助装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記目的を達成するために、人間が対象物を操作する際に、人間の動作を感知して当該人間の動作を補助する動作補助装置において、人間の動作を補助する補助力を発揮するアクチュエータ（３）と、人間により把持され、当該人間が発揮する動作力を受ける操作部（５）と、対象物に接触して力を作用させる作用部（７）と、操作部（５）と作用部（７）とを連結する剛体の連結部（１３）と、連結部（１３）に設けられ、互いに異なる３つの軸方向及びそれら３つの軸方向周りの力又は歪みを検出する６軸センサ（９）と、アクチュエータ（３）の作動を制御する制御部であって、６軸センサ（９）の検出値を利用して補助力の大きさを決定するとともに、その決定された補助力をアクチュエータ（３）で発生させる制御部（１１）とを備えることを特徴とする。
【０００６】
これにより、本発明では、人間が操作部（５）に及ぼす動作力を正確に検出することが可能となる。したがって、作用部（７）及び連結部（１３）の動作方向と対象物が作用部（７）に作用させる負荷の方向とが相違していても適切な補助力を決定することが可能となる。延いては、人間の動作を適切に補助することが可能となる。
【０００７】
因みに、上記各手段等の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記各手段等の括弧内の符号に示された具体的手段等に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る動作補助装置１の概念図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る操作部５及び作用部７等の拡大図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る操作部５及び作用部７等の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に説明する「発明の実施形態」は実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的手段や構造等に限定されるものではない。
【００１０】
本実施形態は、保線作業用の動作補助装置に本発明を適用したものである。保線作業用の動作補助装置とは、例えば、作業員が保線作業を行うべく、線路（レール）や枕木等の対象物を移動させる等の操作をする際に、作業員の動作を感知して当該作業員の動作を補助する装置をいう。
【００１１】
すなわち、例えば、レール交換作業時に用いる治具等を作業員が移動させる場合において、本実施形態に係る動作補助装置を用いれば、動作補助装置は、作業員の動作を感知して当該作業員の動作を補助する。
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、各図に付された方向を示す矢印等は、各図相互の関係を理解し易くするために記載したものである。本発明は、各図に付された方向に限定されるものではない。少なくとも符号を付して説明した部材又は部位は、「複数」や「２つ以上」等の断りをした場合を除き、少なくとも１つ設けられている。
【００１３】
（第１実施形態）
１．動作補助装置の概要
図１は、本実施形態に係る動作補助装置１の概念図である。動作補助装置１は、少なくとも、アクチュエータ３、操作部５、作用部７、６軸センサ９及び制御部１１等を備えている。
【００１４】
アクチュエータ３は作業者の動作を補助する補助力を発揮する。本実施形態に係るアクチュエータ３は、回転力を発生する電動モータにより構成されている。この電動モータ（アクチュエータ３）には、自身のロータの回転角を検出するエンコーダ（図示せず。）が一体化されている。
【００１５】
操作部５は、作業者により把持されて当該作業者が発揮する動作力を受ける部位である。すなわち、操作部５は、図２に示すように、作業者により直接的に把持されるグリップ５Ａ、及びグリップ５Ａに作用する動作力を６軸センサ９に伝える伝達部５Ｂ等を有している。
【００１６】
６軸センサ９は、互いに異なる３つの軸方向及びそれら３つの軸方向周りの力又は歪みを検出する。６軸センサ９が設けられた円柱状の部位９Ａ、並びにグリップ５Ａ及び伝達部５Ｂは、他の部位に比べて十分な剛性を有している。
【００１７】
そして、６軸センサ９が設けられた部位９Ａは、連結プレート１３Ａと共に操作部５と作用部７とを連結する剛体の連結部を構成する。以下、当該部位９Ａ及び連結プレート１３Ａを総称して連結部１３ともいう。つまり、６軸センサ９は連結部１３に設けられていることになる。
【００１８】
部位９Ａは操作部５を連結部１３に対して回転自在に連結する。つまり、連結部１３は、剛体部である部位９Ａ及び連結プレート１３Ａが互いに回転可能に連結されたものである。そして、部位９Ａには、操作部５に対する連結プレート１３Ａの回転角を検出する回転角検出部１５が設けられている。
【００１９】
具体的には、ポテンショメータ等で構成された回転角検出部１５は、操作部５に対して設定された第１軸（ｘ軸）と連結プレート１３Ａとのなす角を検出する。なお、第１軸と連結プレート１３Ａとのなす角とは、連結プレート１３Ａの回転中心から作用部７に向かう向きと任意に設定された第１軸とのなす角である。
【００２０】
本実施形態では、６軸センサ９から操作部５までの寸法は、６軸センサ９から作用部７までの寸法より小さい。つまり、６軸センサ９は、作用部７より操作部５に近い部位にて、３つの軸方向及びそれら３つの軸方向周りの力又は歪みを検出する。
【００２１】
作用部７は対象物に接触して力を作用させる部位である。対象物とは、作業の対象となる物である。例えば、レール交換作業時に用いる治具を作業員が移動させる場合においては、当該治具が対象物となる。なお、本実施形態に係る作用部７は、対象物を引っ掛ける（以下、「係合」という。）ことが可能なフック状である。
【００２２】
制御部１１は、アクチュエータ３の作動、つまり電動モータの回転及び停止、並びに発生トルク及び回転速さ等を制御する。具体的には、制御部１１は、６軸センサ９の検出値、及び回転角検出部１５の検出値を利用して補助力（アクチュエータ３の出力）の大きさを決定するとともに、その決定された補助力をアクチュエータ３で発生させる。
【００２３】
なお、本実施形態では、制御部１１及びバッテリ（図示せず。）は作業者が背負うランドセル（図示せず。）に収納されている。アクチュエータ３は、作業者の肩又は肘に相当する箇所に位置する。
【００２４】
２．補助力の決定方法の概要
連結部１３及び作用部７は操作部５に対して回転自在に連結されている。このため、６軸センサ９が検出する力又は歪みは、６軸センサ９を基準とする３つの軸方向及びそれら３つの軸方向周りの力又は歪みとなる。
【００２５】
つまり、操作部５を基準とした３つ軸方向を基準座標系とすると、６軸センサ９の検出値は、連結部１３及び作用部７の回転と共に基準座標系に対して回転する相対座標系に基づく検出値である。
【００２６】
そこで、制御部１１は、回転角検出部１５により検出された検出角度θを用いて、６軸センサ９が検出した６つの検出値を基準座標系に基づく値に補正した後、それら補正された値を用いて補助力Ｑを決定する。
【００２７】
つまり、補助力Ｑは、３つの軸方向及びそれら３つの軸方向周りの力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの関数となる（下記式参照）。
Ｑ＝ｑ（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）
そして、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚは、検出角度θの関数となる。したがって、上記式は下記の式となる。
【００２８】
Ｑ＝ｑ（Ｆｘ（θ）、Ｆｙ（θ）、Ｆｚ（θ）、Ｍｘ（θ）、Ｍｙ（θ）、Ｍｚ（θ））
そして、制御部１１は、決定された補助力Ｑが発生するように、アクチュエータ３（電動モータ）をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御する。なお、上記の演算・制御は、作業者の動作に対して時間差無し（リアルタイム）で行う。このため、作業者から操作部５に及ぼす動作力が０となると、アクチュエータ３も停止する。
【００２９】
３．本実施形態に係る動作補助装置の特徴
本実施形態では、６軸センサ９の検出値を利用して補助力Ｑの大きさを決定することを特徴としている。これにより、作業者が操作部５に及ぼす動作力を正確に検出することが可能となる。
【００３０】
したがって、作用部７及び連結部１３の動作方向と対象物が作用部７に作用させる負荷の方向とが相違していても適切な補助力Ｑを決定することが可能となる。延いては、作業者の動作を適切に補助することが可能となる。
【００３１】
本実施形態では、連結部１３の回転角を検出する回転角検出部１５を備え、制御部１１は、６軸センサ９の検出値に加えて回転角検出部１５の検出値も利用して補助力Ｑの大きさを決定することを特徴としている。これにより、連結部１３の回転を考慮した補助力Ｑを決定でき得るので、作業者の動作をより適切に補助することが可能となる。
【００３２】
本実施形態では、６軸センサ９から操作部５までの寸法は、６軸センサ９から作用部７までの寸法より小さいことを特徴としている。これにより、作業者が操作部５に及ぼす動作力をより正確に検出することが可能となる。したがって、作業者の動作をより更に適切に補助することが可能となる。
【００３３】
（第２実施形態）
上述の実施形態では、操作部５に対して回転可能な関節部が１箇所であったが、本実施形態は、図３に示すように、複数箇所の関節部１６Ａ、１６Ｂを設けたものである。そして、回転角検出部１５は連結部１３及び作用部７の回転角を検出可能である。
【００３４】
なお、作業者が操作部５に及ぼした回転力は、複数の平歯車１７Ａ〜１７Ｃ、及びベルト１７Ｄを介して作用部７に伝達される。平歯車１７Ｃはシャフト１７Ｅを介してプーリ１７Ｆと一体的に回転する。ベルト１７Ｄは、作用部７と一体的に回転するプーリ１７Ｇとプーリ１７Ｆとの間に架け渡されている。
【００３５】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、作用部７がフック状であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の形状であってもよい。
【００３６】
上述の実施形態では、アクチュエータ３が電動モータであったが、本発明はこれに限定されるものではない。
また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。したがって、補助力の決定方法は、上述の実施形態に示された手法に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３７】
１… 動作補助装置
３… アクチュエータ
５… 操作部
５Ａ… グリップ
５Ｂ… 伝達部
７… 作用部
９… ６軸センサ
９Ａ… 部位
１１… 制御部
１３Ａ… 連結プレート
１３… 連結部
１５… 回転角検出部
１６Ａ… 関節部
【図１】
2015168019.tif 000003
【図２】
2015168019.tif 000004
【図３】
2015168019.tif 000005