(57)【要約】【課題】支持補助装置を小型にし、支持補助装置の消費電力を低減する。【解決手段】可動部、可動部を可動部の回転中心を中心として回転可能に支持する固定部、および、可動部に可動部の回転方向の一方向への回転駆動力を供給する駆動源を含む関節と、固定部に連結され、関節を支持する第１リンク１５０と、可動部に連結され、可動部の回転中心を中心として第１リンク１５０に対して揺動可能となるように関節に支持される第２リンク１２０と、可動部の回転方向の一方向に可動部を付勢可能な付勢機構３１５と、可動部の回転方向の一方向とは反対の他方向への可動部の回転角度が閾値以上になった時点で付勢機構による可動部の付勢を開始させる付勢トリガー構造とを備える。【選択図】図５
2016010451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部、該可動部を該可動部の回転中心を中心として回転可能に支持する固定部、および、前記可動部に前記可動部の回転方向の一方向への回転駆動力を供給する駆動源を含む関節と、
前記固定部に連結され、前記関節を支持する第１リンクと、
前記可動部に連結され、前記可動部の前記回転中心を中心として前記第１リンクに対して揺動可能となるように前記関節に支持される第２リンクと、
前記可動部の回転方向の前記一方向に前記可動部を付勢可能な付勢機構と、
前記可動部の回転方向の前記一方向とは反対の他方向への前記可動部の回転角度が閾値以上になった時点で前記付勢機構による前記可動部の付勢を開始させる付勢トリガー構造とを備える、支持補助装置。
【請求項２】
前記可動部に連結された動力伝達部をさらに備え、
前記付勢機構は、前記動力伝達部に連結されている、請求項１に記載の支持補助装置。
【請求項３】
複数の前記付勢機構および複数の前記付勢トリガー構造を備え、
前記複数の付勢トリガー構造が前記複数の付勢機構に前記可動部の付勢をそれぞれ開始させる閾値が互いに異なる、請求項１または２に記載の支持補助装置。
【請求項４】
前記可動部の回転方向の前記他方向に前記可動部を付勢可能な他の付勢機構と、
前記可動部の回転方向の前記他方向への回転角度が前記閾値未満となり前記駆動源からの前記可動部への回転駆動力の供給が停止された時点で前記他の付勢機構による前記可動部の付勢を開始させる他の付勢トリガー構造とをさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の支持補助装置。
【請求項５】
操縦者と接続される接続部と、
前記接続部に設けられ、前記操縦者の動きを検知するセンサとをさらに備え、
前記センサの検知結果に基づいて前記駆動源の稼働が制御される、請求項１から４のいずれか１項に記載の支持補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、支持補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットの関節部に使用可能な支持装置を開示した先行文献として、特開２０１２−１０６３１２号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された支持装置は、第１部位に荷重を受け得る荷重受体と、荷重受体の第２部位を非弾性体により支持する第１回転支持体と、荷重受体のうち第２部位より第１部位側に位置する第３部位を弾性体により支持し、第１部位に受ける荷重が無荷重の場合において荷重受体が受け得る荷重の方向に予圧縮または予引張を付与した状態に設けられる弾性支持体を備える。弾性支持体による予圧縮または予引張の力は、荷重受体の第１部位に荷重を受けることによって弾性支持体に生じる荷重より大きな力に設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１０６３１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ロボットなどの支持補助装置の荷重受体を持ち上げる際には、重力に逆らって荷重受体を動かす駆動力が必要である。この駆動力の全てをアクチュエータなどの駆動源から得た場合、アクチュエータが大型になりひいては支持補助装置が大型になるとともに、支持補助装置の消費電力が高くなる。
【０００５】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、小型で消費電力が低い支持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】
【０００６】
本発明に基づく支持補助装置は、可動部、可動部を可動部の回転中心を中心として回転可能に支持する固定部、および、可動部に可動部の回転方向の一方向への回転駆動力を供給する駆動源を含む関節と、固定部に連結され、関節を支持する第１リンクと、可動部に連結され、可動部の回転中心を中心として第１リンクに対して揺動可能となるように関節に支持される第２リンクと、可動部の回転方向の一方向に可動部を付勢可能な付勢機構と、可動部の回転方向の一方向とは反対の他方向への可動部の回転角度が閾値以上になった時点で付勢機構による可動部の付勢を開始させる付勢トリガー構造とを備える。
【０００７】
本発明の一形態においては、支持補助装置は、可動部に連結された動力伝達部をさらに備える。付勢機構は、動力伝達部に連結されている。
【０００８】
本発明の一形態においては、支持補助装置は、複数の付勢機構および複数の付勢トリガー構造を備える。複数の付勢トリガー構造が複数の付勢機構に可動部の付勢をそれぞれ開始させる閾値が互いに異なる。
【０００９】
本発明の一形態においては、支持補助装置は、可動部の回転方向の他方向に可動部を付勢可能な他の付勢機構と、可動部の回転方向の他方向への回転角度が上記閾値未満となり駆動源からの可動部への回転駆動力の供給が停止された時点で他の付勢機構による可動部の付勢を開始させる他の付勢トリガー構造とをさらに備える。
【００１０】
本発明の一形態においては、支持補助装置は、操縦者と接続される接続部と、接続部に設けられ、操縦者の動きを検知するセンサとをさらに備える。センサの検知結果に基づいて駆動源の稼働が制御される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、支持補助装置を小型にし、支持補助装置の消費電力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態１に係る支持補助装置を操縦者が装着した状態を示す側面図である。
【図２】図１の装着状態を矢印ＩＩ方向から見た背面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る支持補助装置を操縦者が装着した状態の上半身側を模式的に示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る支持補助装置の上部の構成を模式的に示す斜視図である。
【図５】本発明の実施形態１に係る支持補助装置が直立している状態を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施形態１に係る支持補助装置が直立している状態を示す正面図である。
【図７】本発明の実施形態１に係る支持補助装置が直立している状態を示す側面図である。
【図８】本発明の実施形態１に係る支持補助装置が１５°前傾している状態を示す正面図である。
【図９】本発明の実施形態１に係る支持補助装置が１５°前傾している状態を示す側面図である。
【図１０】本発明の実施形態１に係る支持補助装置が９０°前傾している状態を示す正面図である。
【図１１】本発明の実施形態１に係る支持補助装置が９０°前傾している状態を示す側面図である。
【図１２】実験例１における支持補助装置の可動部の回転角度とトルクとの関係を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施形態２に係る支持補助装置におけるポジションセンサを含む姿勢制御回路の構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の実施形態３に係る支持補助装置が直立している状態を示す斜視図である。
【図１５】本発明の実施形態４に係る支持補助装置の関節および付勢機構の構造を示す斜視図である。
【図１６】図１５の支持補助装置のうちの点線で囲んだ部分ＸＶＩを拡大して示す拡大図である。
【図１７】本発明の実施形態４に係る支持補助装置が直立している状態における付勢トリガー構造を示す側面図である。
【図１８】本発明の実施形態４に係る支持補助装置が１５°前傾している状態における付勢トリガー構造を示す側面図である。
【図１９】本発明の実施形態４に係る支持補助装置が９０°前傾している状態における付勢トリガー構造を示す側面図である。
【図２０】本発明の実施形態５に係る支持補助装置が直立している状態を示す斜視図である。
【図２１】本発明の実施形態６に係る支持補助装置が直立している状態を示す斜視図である。
【図２２】実験例２における支持補助装置の可動部の回転角度とトルクとの関係を示すグラフである。
【図２３】本発明の実施形態７に係る支持補助装置の腕部の構成を示す斜視図である。
【図２４】本発明の実施形態８に係る支持補助装置の腕部の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の各実施形態に係る支持補助装置について図を参照して説明する。以下の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。以下の実施形態の説明においては、支持補助装置として、介護用の移乗支援装置について説明するが、支持補助装置の用途は介護用に限られず、種々の用途に適用可能である。
【００１４】
(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る支持補助装置を操縦者が装着した状態を示す側面図である。図２は、図１の装着状態を矢印ＩＩ方向から見た背面図である。図３は、本実施形態に係る支持補助装置を操縦者が装着した状態の上半身側を模式的に示す斜視図である。図４は、本実施形態に係る支持補助装置の上部の構成を模式的に示す斜視図である。
【００１５】
図１，２においては、支持補助装置を装着した操縦者１が、被介護者２を抱き上げた状態を示している。図３，４においては、後述する、脚フレーム１５０、背中フレーム１２０、肩フレーム１１０、右上腕フレーム１３０ａ、左上腕フレーム１３０ｂ、右前腕フレーム１４０ａおよび左前腕フレーム１４０ｂの各々について、両端を結ぶ仮想軸を示している。
【００１６】
図１〜４に示すように、本発明の実施形態１に係る支持補助装置１０は、脚フレーム１５０と、脚フレーム１５０に一端が連結されて脚フレーム１５０に支持された背中フレーム１２０とを備える。本実施形態においては、脚フレーム１５０が第１リンクであり、背中フレーム１２０が第２リンクである。第１リンクと第２リンクとは、後述する関節を間に挟んで互いに連結されている。
【００１７】
脚フレーム１５０は、上下方向に直線状に延びる柱状部材からなり、電動モータ３２０を搭載した台車１６０に支持されている。台車１６０は、電動モータ３２０の駆動により任意の方向に移動可能に構成されている。なお、脚フレーム１５０および台車１６０が、二足歩行ロボットのように構成されていてもよい。背中フレーム１２０は、互いに間隔を置いて並列に配置された２本の柱状部材によって構成されている。
【００１８】
支持補助装置１０は、背中フレーム１２０の他端に中央部が連結されて背中フレーム１２０に支持された肩フレーム１１０と、肩フレーム１１０の両端の各々に一端が連結されて肩フレーム１１０に支持された右上腕フレーム１３０ａおよび左上腕フレーム１３０ｂとを備える。具体的には、肩フレーム１１０の右端に、右上腕フレーム１３０ａの一端が連結されている。肩フレーム１１０の左端に、左上腕フレーム１３０ｂの一端が連結されている。
【００１９】
支持補助装置１０は、右上腕フレーム１３０ａの他端に連結されて右上腕フレーム１３０ａに支持された右前腕フレーム１４０ａ、および、左上腕フレーム１３０ｂの他端に連結されて左上腕フレーム１３０ｂに支持された左前腕フレーム１４０ｂを備える。
【００２０】
脚フレーム１５０、背中フレーム１２０、肩フレーム１１０、右上腕フレーム１３０ａ、左上腕フレーム１３０ｂ、右前腕フレーム１４０ａおよび左前腕フレーム１４０ｂの各々は、アルミニウムなどの金属製の直線状に延びる中空部材によって構成されているが、これに限られず、湾曲していてもよく、中実部材によって構成されていてもよく、ＦＲＰ(Fiber Reinforced Plastics)などの樹脂製であってもよい。
【００２１】
また、右前腕フレーム１４０ａおよび左前腕フレーム１４０ｂの各々は、操縦者１の前腕に装着された際に、操縦者１の前腕にフィットするように、横断面にて湾曲形状を有していてもよい。
【００２２】
支持補助装置１０は、背中フレーム１２０を脚フレーム１５０に連結しつつ、軸部３１２を中心に図４中の矢印３１で示す前後方向に背中フレーム１２０を回転駆動する第１連結機構を備える。第１連結機構は、回転駆動力を供給する電動サーボモータおよび減速機構を有する能動回転連結機構３１０からなる。本実施形態においては、能動回転連結機構３１０は、それぞれ後述する付勢機構および付勢トリガー構造が設けられた関節である。
【００２３】
支持補助装置１０は、背中フレーム１２０の一端と背中フレーム１２０の他端とを結ぶ第１仮想軸１２０ｘに平行な第１軸部２２２を中心に図４中の矢印２２で示す方向に回転可能、および、背中フレーム１２０の第１仮想軸１２０ｘに垂直な第２軸部２１２を中心に図４中の矢印２１で示す方向に回転可能に、肩フレーム１１０を背中フレーム１２０に連結する第２連結機構を備える。
【００２４】
本実施形態においては、第２連結機構は、第１軸部２２２を中心に肩フレーム１１０を回転可能とする第１受動回転連結機構２２０、および、第２軸部２１２を中心に肩フレーム１１０を回転可能とする第２受動回転連結機構２１０を含む。
【００２５】
支持補助装置１０は、肩フレーム１１０の両端を結ぶ第２仮想軸１１０ｘと背中フレーム１２０の第１仮想軸１２０ｘとが互いに垂直に位置している状態において第１軸部２２２に平行な右側第３軸部２３２ａを中心に図４中の矢印２３ａで示す方向に回転可能に、右上腕フレーム１３０ａを肩フレーム１１０に連結しつつ、右上腕フレーム１３０ａの一端と右上腕フレーム１３０ａの他端とを結ぶ右側第３仮想軸１３０ａｘと肩フレーム１１０の第２仮想軸１１０ｘとが互いに垂直に位置している状態において肩フレーム１１０の第２仮想軸１１０ｘに平行な右側第４軸部３３２ａを中心に図４中の矢印３３ａで示す方向に、右上腕フレーム１３０ａを回転駆動する右側第３連結機構を備える。
【００２６】
本実施形態においては、右側第３連結機構は、右側第３軸部２３２ａを中心に右上腕フレーム１３０ａを回転可能とする右側第３受動回転連結機構２３０ａ、および、回転駆動力を供給する電動サーボモータおよび減速機構を有する右側能動回転連結機構３３０ａを含む。
【００２７】
支持補助装置１０は、肩フレーム１１０の第２仮想軸１１０ｘと背中フレーム１２０の第１仮想軸１２０ｘとが互いに垂直に位置している状態において第１軸部２２２に平行な左側第３軸部２３２ｂを中心に図４中の矢印２３ｂで示す方向に回転可能に、左上腕フレーム１３０ｂを肩フレーム１１０に連結しつつ、左上腕フレーム１３０ｂの一端と左上腕フレーム１３０ｂの他端とを結ぶ左側第３仮想軸１３０ｂｘと肩フレーム１１０の第２仮想軸１１０ｘとが互いに垂直に位置している状態において肩フレーム１１０の第２仮想軸１１０ｘに平行な左側第４軸部３３２ｂを中心に図４中の矢印３３ｂで示す方向に、左上腕フレーム１３０ｂを回転駆動する左側第３連結機構を備える。
【００２８】
本実施形態においては、左側第３連結機構は、左側第３軸部２３２ｂを中心に左上腕フレーム１３０ｂを回転可能とする左側第３受動回転連結機構２３０ｂ、および、回転駆動
力を供給する電動サーボモータおよび減速機構を有する左側能動回転連結機構３３０ｂを含む。
【００２９】
支持補助装置１０は、右前腕フレーム１４０ａを右上腕フレーム１３０ａに連結しつつ、右側第４軸部３３２ａに平行な右側第５軸部３４２ａを中心に図４中の矢印３４ａで示す方向に右前腕フレーム１４０ａを回転駆動する右側第４連結機構を備える。右側第４連結機構は、回転駆動力を供給する電動サーボモータおよび減速機構を有する右側能動回転連結機構３４０ａからなる。
【００３０】
支持補助装置１０は、左前腕フレーム１４０ｂを左上腕フレーム１３０ｂに連結しつつ、左側第４軸部３３２ｂに平行な左側第５軸部３４２ｂを中心に図４中の矢印３４ｂで示す方向に左前腕フレーム１４０ｂを回転駆動する左側第４連結機構とを備える。左側第４連結機構は、回転駆動力を供給する電動サーボモータおよび減速機構を有する左側能動回転連結機構３４０ｂからなる。
【００３１】
図１，３に示すように、支持補助装置１０は、右前腕フレーム１４０ａに設けられ、操縦者１の右前腕に装着されて右前腕を支持する右側支持部４４０ａを備える。支持補助装置１０は、左前腕フレーム１４０ｂに設けられ、操縦者１の左前腕に装着されて左前腕を支持する左側支持部４４０ｂを備える。右側支持部４４０ａおよび左側支持部４４０ｂの各々は、操縦者１と接続される接続部である。右側支持部４４０ａおよび左側支持部４４０ｂとしては、面ファスナが設けられて環状に固定可能なバンドなどを用いることができる。
【００３２】
各々の能動回転連結機構が有する電動サーボモータは、数１００Ｗクラス以上の増幅制御回路を有し、被介護者を抱きかかえて被介護者の姿勢を変更する駆動力を供給する。電動サーボモータの１個当たりの重量は５ｋｇ〜１０ｋｇ程度である。
【００３３】
以下、関節である能動回転連結機構３１０、第１リンクである脚フレーム１５０、および、第２リンクである背中フレーム１２０、付勢機構および付勢トリガー構造の各々について詳細に説明する。
【００３４】
図５は、本実施形態に係る支持補助装置が直立している状態を示す斜視図である。図６は、本実施形態に係る支持補助装置が直立している状態を示す正面図である。図７は、本実施形態に係る支持補助装置が直立している状態を示す側面図である。図８は、本実施形態に係る支持補助装置が１５°前傾している状態を示す正面図である。図９は、本実施形態に係る支持補助装置が１５°前傾している状態を示す側面図である。図１０は、本実施形態に係る支持補助装置が９０°前傾している状態を示す正面図である。図１１は、本実施形態に係る支持補助装置が９０°前傾している状態を示す側面図である。
【００３５】
図５〜１１に示すように、関節である能動回転連結機構３１０は、可動部、可動部を可動部の回転中心を中心として回転可能に支持する固定部、および、可動部に可動部の回転方向の一方向への回転駆動力を供給する駆動源を含む。本実施形態においては、駆動源は、減速機構と接続された電動サーボモータである。
【００３６】
図示しない駆動源の出力軸は、軸部３１２と連結されている。軸部３１２は、脚フレーム１５０および背中フレーム１２０の各々と直交するように延在している。軸部３１２の長さの寸法は、脚フレーム１５０および背中フレーム１２０の各々の幅の寸法より大きい。軸部３１２の両端には、軸部３１２と同軸配置された円形の大径部３１３が設けられている。
【００３７】
軸部３１２の外周部と背中フレーム１２０とが連結されている。軸部３１２の内部と脚フレーム１５０とが連結されている。軸部３１２の下部には、軸部３１２の内部と脚フレーム１５０とを連結可能とするための溝部が形成されている。軸部３１２の内部と軸部３１２の外周部とは、互いに摺動可能に接している。
【００３８】
本実施形態においては、軸部３１２の外周部および２つの大径部３１３の各々が可動部であり、軸部３１２の内部が固定部である。すなわち、第１リンクである脚フレーム１５０は、固定部である軸部３１２の内部に連結されて、関節である能動回転連結機構３１０を支持している。
【００３９】
第２リンクである背中フレーム１２０は、可動部である軸部３１２の外周部に連結されて、軸部３１２の中心軸を中心として脚フレーム１５０に対して揺動可能となるように関節である能動回転連結機構３１０に支持されている。
【００４０】
本実施形態においては、軸部３１２および２つの大径部３１３の各々は、アルミニウムで構成されているが、軸部３１２および２つの大径部３１３の各々の材料は、アルミニウムに限られず、ＦＲＰなどの樹脂製であってもよい。
【００４１】
本実施形態においては、可動部の回転方向の一方向に可動部を付勢可能な付勢機構として、トーションコイルばね３１５を用いている。可動部の回転方向の一方向とは、前傾している第２リンクを直立させる方向の回転方向である。
【００４２】
具体的には、２つのトーションコイルばね３１５のうちの一方は、脚フレーム１５０と２つの大径部３１３のうちの一方との間に配置されている。２つのトーションコイルばね３１５のうちの他方は、脚フレーム１５０と２つの大径部３１３のうちの他方との間に配置されている。２つのトーションコイルばね３１５の各々は、軸部３１２に挿通された状態で配置されている。
【００４３】
２つのトーションコイルばね３１５の各々の一端は、脚フレーム１５０に固定されている。２つのトーションコイルばね３１５の各々の他端３１５ｅは、軸部３１２の外周部上に位置して、軸部３１２の径方向外側に向けて折り曲げられている。
【００４４】
２つの大径部３１３の各々は、互いに対向する内面に突起部３１４を有している。２つの突起部３１４のうちの一方は、２つのトーションコイルばね３１５のうちの一方の他端３１５ｅと接離可能に設けられている。２つの突起部３１４のうちの他方は、２つのトーションコイルばね３１５のうちの他方の他端３１５ｅと接離可能に設けられている。
【００４５】
本実施形態においては、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと、大径部３１３の突起部３１４とから、付勢トリガー構造が構成されている。付勢トリガー構造は、可動部の回転方向の一方向とは反対の他方向への可動部の回転角度が閾値以上になった時点で付勢機構による可動部の付勢を開始させる。可動部の回転角度は、支持補助装置１０が直立している状態からの回転角度であり、支持補助装置１０が直立している状態においては可動部の回転角度は０°である。可動部の回転方向の他方向とは、直立している第２リンクを前傾させる方向の回転方向である。
【００４６】
具体的には、図５〜７に示すように、支持補助装置１０が直立して、背中フレーム１２０と脚フレーム１５０とのなす角度が１８０°である状態においては、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと、大径部３１３の突起部３１４とは、距離Ｆの間隔を置いて離間している。この状態では、トーションコイルばね３１５は付勢力を有していない。
【００４７】
図８，９に示すように、支持補助装置１０が１５°前傾している状態、すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が１５°であり、背中フレーム１２０と脚フレーム１５０とのなす角度が１６５°である状態においては、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと、大径部３１３の突起部３１４とが接触している。
【００４８】
本実施形態においては、付勢トリガー構造が、トーションコイルばね３１５による可動部の付勢を開始させる、可動部の回転方向の他方向への回転角度の閾値を１５°に設定している。すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が１５°である状態においては、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと、大径部３１３の突起部３１４とは接触しているが、トーションコイルばね３１５は付勢力を有していない。
【００４９】
本実施形態においては、上記閾値を１５°に設定しているが、これに限られず、上記距離Ｆを変更することにより、上記閾値の設定値を変更できる。大径部３１３における突起部３１４の位置を任意に変更可能として、上記距離Ｆを変更できるようにしてもよい。たとえば、大径部３１３に複数の孔部が設けられており、突起部３１４が、複数の孔部のいずれか１つと嵌合して固定されるピンで構成されるようにすることにより、大径部３１３における突起部３１４の位置を変更可能としてもよい。
【００５０】
図１０，１１に示すように、支持補助装置１０が９０°前傾している状態、すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が９０°であり、背中フレーム１２０と脚フレーム１５０とのなす角度が９０°である状態においては、トーションコイルばね３１５は、コイルの軸回りにねじりモーメントを受け、その反力として可動部の回転方向の一方向に可動部を付勢する付勢力を有している。
【００５１】
本実施形態においては、トーションコイルばね３１５の一端を脚フレーム１５０に固定し、大径部３１３に突起部３１４を設けて、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと大径部３１３の突起部３１４とを接離可能に設けたが、これに限られず、トーションコイルばね３１５の一端を可動部に固定し、脚フレーム１５０に突起部を設けて、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと脚フレーム１５０の突起部とを接離可能に設けてもよい。
【００５２】
本実施形態においては、２つの付勢トリガー構造が２つのトーションコイルばね３１５に可動部の付勢をそれぞれ開始させる閾値は同一であったが、これに限られず、複数の付勢トリガー構造が複数の付勢機構に可動部の付勢をそれぞれ開始させる閾値は互いに異なっていてもよい。たとえば、２つの付勢トリガー構造のうちの一方の上記閾値が１５°であり、２つの付勢トリガー構造のうちの他方の上記閾値が２０°であってもよい。このように閾値を異ならせた場合、複数のトーションコイルばね３１５から得られる付勢力の総和と可動部の回転角度との関係を、ばね定数の異なる複数のトーションコイルばねを用意することなく変更することができる。
【００５３】
以下、支持補助装置の可動部の回転角度と、駆動源の必要出力および付勢機構の付勢力との関係を検証した実験例１について説明する。
【００５４】
(実験例１)
実験例１においては、実施形態１に係る支持補助装置１０を用いて、６０ｋｇの被介護者を支持して、直立した状態から９０°前傾したときの、能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)およびトーションコイルばね３１５に蓄えられた付勢力(トルク)の推移を計測した。同様に、実施形態１に係る支持補助装置１０を用いて、被介護者を支持せずに、直立した状態から９０°前傾したときの、能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)の推移を計測した。
【００５５】
比較例として、実施形態１に係る支持補助装置１０とは、付勢機構および付勢トリガー構造を有さない点のみ異なる比較例１に係る支持補助装置を用いて、６０ｋｇの被介護者を支持して、直立した状態から９０°前傾したときの、能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)の推移を計測した。同様に、比較例１に係る支持補助装置を用いて、被介護者を支持せずに、直立した状態から９０°前傾したときの、能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)の推移を計測した。
【００５６】
図１２は、実験例１における支持補助装置の可動部の回転角度とトルクとの関係を示すグラフである。図１２においては、縦軸にトルク、横軸に支持補助装置の可動部の回転角度を示している。
【００５７】
図１２においては、比較例１に係る支持補助装置を用いて６０ｋｇの被介護者を支持して前傾した場合の能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)のデータを点線Ａで、実施形態１に係る支持補助装置１０を用いて６０ｋｇの被介護者を支持して前傾した場合の能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)のデータを実線Ｂで、比較例１に係る支持補助装置を用いて被介護者を支持せずに前傾した場合の能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)のデータを点線Ｃで、実施形態１に係る支持補助装置１０を用いて被介護者を支持せずに前傾した場合の能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)のデータを実線Ｄで、支持補助装置の前傾に伴ってトーションコイルばねに蓄えられた付勢力(トルク)のデータを点線Ｅで示している。
【００５８】
図１２に示すように、比較例１に係る支持補助装置を用いて前傾した場合の能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)は、可動部の回転角度が大きくなるに従って大きくなった。６０ｋｇの被介護者を支持して前傾した場合は、可動部の回転角度が９０°のときの能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)が１２００Ｎ・ｍを超えていた。
【００５９】
可動部の回転角度が閾値の１５°を超えると、フックの法則に従って、トーションコイルばね３１５に蓄えられた付勢力(トルク)は、可動部の回転角度が大きくなるに従って大きくなった。
【００６０】
実施形態１に係る支持補助装置を用いて前傾した場合の能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)は、可動部の回転角度が閾値の１５°を超えるまでは、比較例１に係る支持補助装置と同様の値であったが、可動部の回転角度が閾値以上である範囲では、比較例１に係る支持補助装置と比較して低くなった。
【００６１】
このことから、トーションコイルばね３１５の付勢力によって、能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)が低減されていることが確認できた。その結果、６０ｋｇの被介護者を支持して前傾した場合の能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)の最大値は、１０００Ｎ・ｍを下回っていた。被介護者を支持せずに前傾した場合は、可動部の回転角度が７０°以上の範囲で、トーションコイルばね３１５の付勢力を蓄えるために、電動サーボモータを逆回転させた。
【００６２】
このように、トーションコイルばね３１５の付勢力によって、能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)の最大値を低減することにより、出力の小さい小型の電動サーボモータを採用することが可能となる。これにより、支持補助装置１０を小型にして消費電力を低くすることができる。
【００６３】
以下、付勢トリガー構造を設けることにより、支持補助装置１０を小型にできる理由について説明する。なお、付勢トリガー構造を設けなかった場合は、支持補助装置が直立した状態において上記の距離Ｆが０である。すなわち、支持補助装置が直立した状態から、可動部の回転角度に比例してトーションコイルばね３１５の付勢力が増加する。
【００６４】
付勢トリガー構造を設ける場合、付勢トリガー構造を設けない場合と比較して、トーションコイルばね３１５の変位量は、上記閾値の分だけ少なくなる。
【００６５】
一般的に、トーションコイルばねのばね定数は下記の数式１により定義される。ただし、式１において、ｋτ：ばね定数、Ｍ：モーメント、φ：ねじれ角、Ｅ：縦弾性係数、ｄ：線径、Ｄ：コイル中心径、Ｎ：総巻き数である。
【００６６】
ｋτ＝Ｍ／φ＝Ｅｄ4／６４ＤＮ・・・(数式１)
【００６７】
付勢トリガー構造を設けない場合のトーションコイルばねのねじれ角をφA、上記閾値が１５°である付勢トリガー構造を設ける場合のトーションコイルばねのねじれ角をφBとすると、φB＝φA−１５°の関係を満たす。
【００６８】
可動部の回転角度が９０°であるときの、付勢トリガー構造を設けない場合のトーションコイルばねに蓄えられる付勢力(トルク)と、付勢トリガー構造を設ける場合のトーションコイルばねに蓄えられる付勢力(トルク)とを同一にするためには、数式１のモーメントＭを各々の場合において同一にする必要がある。
【００６９】
数式１から、下記の数式２が求まる。
Ｍ＝ｋτ×φ・・・(数式２)
【００７０】
付勢トリガー構造を設けない場合のトーションコイルばねのばね定数をｋτA、付勢トリガー構造を設ける場合のトーションコイルばねのばね定数をｋτBとすると、数式２から、下記の数式３が求まる。
【００７１】
ｋτA×φA＝ｋτB×φB(＝φA−１５°)・・・(数式３)
【００７２】
数式３から、ｋτA＜ｋτBの関係を満たすことが分かる。すなわち、付勢トリガー構造を設ける場合、トーションコイルばねのばね定数を大きくする必要がある。
【００７３】
数式１から、縦弾性係数Ｅが同じ材料を用いてトーションコイルばねのばね定数を大きくする場合、トーションコイルばねの線径ｄを大きくし、コイル中心径Ｄおよび総巻き数Ｎを小さく設定することとなる。この場合、トーションコイルばね３１５の外形を小さくすることができる。その結果、支持補助装置１０を小型にできる。
【００７４】
上記の検証結果から、実施形態１に係る支持補助装置１０は、付勢機構および付勢トリガー構造を有することにより、電動サーボモータおよびトーションコイルばね３１５を小型にできることが確認できた。
【００７５】
以下、本発明の実施形態２に係る支持補助装置について説明する。なお、本実施形態に係る支持補助装置は、ポジションセンサを含む姿勢制御回路を備える点のみ実施形態１に係る支持補助装置１０と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
【００７６】
(実施形態２)
図１３は、本発明の実施形態２に係る支持補助装置におけるポジションセンサを含む姿勢制御回路の構成を示すブロック図である。図１３に示すように、本実施形態に係る支持補助装置は、動作モード切り替え機構３と、ポジションセンサ４と、ＩＯ(Input/Output)ボード５と、電動サーボモータ制御回路６とを備える。
【００７７】
ポジションセンサ４は、接続部である、右側支持部４４０ａおよび左側支持部４４０ｂの各々に設けられ、操縦者１の動きを検知する。たとえば、ポジションセンサ４は、操縦者１の身体の回転情報を計測する。
【００７８】
動作モード切り替え機構３は、被介護者２を抱き上げるなどの被介護者２の姿勢を変える際に、支持補助装置１０の動作モードを切り替える。たとえば、操縦者１の姿勢を前屈みにする動作モードの後、被介護者２を抱き上げる動作モードに切り替える。
【００７９】
動作モード切り替え機構３によって支持補助装置の動作モードが切り替えられることにより、ポジションセンサ４の出力電圧値が変化する。ポジションセンサ４の出力電圧値は、ＩＯボード５を経由して、各々の能動回転連結機構の電動サーボモータ７を駆動制御する電動サーボモータ制御回路６に送信される。
【００８０】
電動サーボモータ制御回路６は、受信したポジションセンサ４からの出力電圧値に基づいて、各々の電動サーボモータ７の駆動制御を補正する。このように、ポジションセンサ４の出力電圧値を電動サーボモータ７の駆動制御に反映させることにより、切り替え後の動作モードを適切に行なうことが可能となる。
【００８１】
上記のように、本実施形態に係る支持補助装置においては、ポジションセンサ４の検知結果に基づいて電動サーボモータ７の稼働が制御される。ただし、接続部に設けられるセンサは、ポジションセンサに限られず、歪みゲージまたは圧力センサなどの力センサでもよい。
【００８２】
以下、本発明の実施形態３に係る支持補助装置について説明する。本実施形態に係る支持補助装置は、バックドライバビリティを備える点が主に実施形態１係る支持補助装置１０と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。なお、バックドライバビリティとは、駆動源の入力軸と出力軸の力を双方向に伝達する能力のことであり、これを獲得することで支持補助装置の動作に柔軟性を持たせることが可能となる。
【００８３】
(実施形態３)
図１４は、本発明の実施形態３に係る支持補助装置が直立している状態を示す斜視図である。図１４に示すように、本発明の実施形態３に係る支持補助装置１０ａは、電動サーボモータおよび減速機構を含む駆動源３１０ｍの出力軸と軸部３１２との連結を接離する連軸機構であるクラッチ３１６を備える。
【００８４】
支持補助装置１０ａは、可動部の回転方向の他方向に可動部を付勢可能な他の付勢機構と、可動部の回転方向の他方向への回転角度が上記閾値未満となり駆動源からの可動部への回転駆動力の供給が停止された時点で他の付勢機構による可動部の付勢を開始させる他の付勢トリガー構造とをさらに備える。
【００８５】
具体的には、支持補助装置１０ａは、付勢機構としてトーションコイルばね３１５を有し、他の付勢機構としてトーションコイルばね３１５ａを有している。トーションコイルばね３１５とトーションコイルばね３１５ａとは、圧縮方向が互いに反対となるように配置されている。
【００８６】
トーションコイルばね３１５は、脚フレーム１５０と２つの大径部３１３のうちの一方との間に配置され、トーションコイルばね３１５ａは、脚フレーム１５０と２つの大径部３１３のうちの他方との間に配置されている。
【００８７】
トーションコイルばね３１５の取付構造は実施形態１に係る支持補助装置１０と同様であるため、以下の説明においては、トーションコイルばね３１５ａの取付構造について説明する。
【００８８】
トーションコイルばね３１５ａは、軸部３１２に挿通された状態で配置されている。トーションコイルばね３１５ａの一端は、脚フレーム１５０に固定されている。トーションコイルばね３１５ａの他端３１５ａｅは、軸部３１２の外周部上に位置して、軸部３１２の径方向外側に向けて折り曲げられている。
【００８９】
２つの大径部３１３の各々は、互いに対向する内面に突起部３１４，３１４ａを有している。突起部３１４は、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと接離可能に設けられている。突起部３１４ａは、トーションコイルばね３１５ａの他端３１５ａｅと接離可能に設けられている。
【００９０】
本実施形態においては、トーションコイルばね３１５ａの他端３１５ａｅと、大径部３１３の突起部３１４ａとから、他の付勢トリガー構造が構成されている。他の付勢トリガー構造は、可動部の回転方向の他方向への可動部の回転角度が閾値未満になった時点で他の付勢機構による可動部の付勢を開始させる。
【００９１】
本実施形態においては、他の付勢トリガー構造が、トーションコイルばね３１５ａによる可動部の付勢を開始させる、可動部の回転方向の他方向への回転角度の閾値を１５°に設定している。すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が１５°である状態においては、トーションコイルばね３１５ａの他端３１５ａｅと、大径部３１３の突起部３１４ａとは接触していない。この状態では、トーションコイルばね３１５ａは付勢力を有していない。
【００９２】
支持補助装置１０ａが直立して、背中フレーム１２０と脚フレーム１５０とのなす角度が１８０°である状態においては、トーションコイルばね３１５ａの他端３１５ａｅと、大径部３１３の突起部３１４ａとは接触し、トーションコイルばね３１５ａは、コイルの軸回りにねじりモーメントを受け、その反力として可動部の回転方向の他方向に可動部を付勢する付勢力を有している。
【００９３】
支持補助装置１０が９０°前傾している状態、すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が９０°であり、背中フレーム１２０と脚フレーム１５０とのなす角度が９０°である状態においては、距離Ｆの間隔を置いて離間している。この状態では、トーションコイルばね３１５ａは付勢力を有していない。
【００９４】
本実施形態においては、上記閾値を１５°に設定しているが、これに限られず、上記距離Ｆを変更することにより、上記閾値の設定値を変更できる。大径部３１３における突起部３１４ａの位置を任意に変更可能として、上記距離Ｆを変更できるようにしてもよい。たとえば、大径部３１３に複数の孔部が設けられており、突起部３１４ａが、複数の孔部のいずれか１つと嵌合して固定されるピンで構成されるようにすることにより、大径部３１３における突起部３１４ａの位置を変更可能としてもよい。
【００９５】
本実施形態においては、トーションコイルばね３１５ａの一端を脚フレーム１５０に固定し、大径部３１３に突起部３１４ａを設けて、トーションコイルばね３１５ａの他端３１５ａｅと大径部３１３の突起部３１４ａとを接離可能に設けたが、これに限られず、トーションコイルばね３１５ａの一端を可動部に固定し、脚フレーム１５０に突起部を設けて、トーションコイルばね３１５ａの他端３１５ａｅと脚フレーム１５０の突起部とを接離可能に設けてもよい。
【００９６】
トーションコイルばね３１５が可動部を付勢している範囲では、クラッチ３１６によって、駆動源３１０ｍの出力軸と軸部３１２とは連結されている。トーションコイルばね３１５ａが可動部を付勢している範囲では、クラッチ３１６によって、駆動源３１０ｍの出力軸と軸部３１２とは切り離されている。
【００９７】
トーションコイルばね３１５は、荷重を負担して持ち上げるため、強い弾性力を有しているが、トーションコイルばね３１５ａは、操縦者１の動きに対して、背中フレーム１２０の追従性を実現するために、トーションコイルばね３１５に比較して弱い弾性力を有している。そのため、トーションコイルばね３１５ａのばね定数およびサイズは、トーションコイルばね３１５のばね定数およびサイズよりそれぞれ小さい。
【００９８】
以下、本発明の実施形態４に係る支持補助装置について説明する。なお、本実施形態に係る支持補助装置は、関節および付勢機構の構造が主に実施形態１に係る支持補助装置１０と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
【００９９】
(実施形態４)
図１５は、本発明の実施形態４に係る支持補助装置の関節および付勢機構の構造を示す斜視図である。図１６は、図１５の支持補助装置のうちの点線で囲んだ部分ＸＶＩを拡大して示す拡大図である。
【０１００】
図１５，１６に示すように、本発明の実施形態４に係る支持補助装置の関節である能動回転連結機構３１０は、可動部、可動部を可動部の回転中心を中心として回転可能に支持する固定部、および、可動部に可動部の回転方向の一方向への回転駆動力を供給する駆動源を含む。本実施形態においては、駆動源は、減速機構と接続された電動サーボモータである。
【０１０１】
図示しない駆動源の出力軸は、軸部３１２と連結されている。軸部３１２は、脚フレーム１５０および背中フレーム１２０の各々と直交するように延在している。軸部３１２の一端側は、脚フレーム１５０の上部と連結されて軸部３１２と同軸配置された大径部１５１の中央に設けられた開口に挿入されている。軸部３１２の他端側には、スプロケット３１３ａが回転可能に取り付けられている。大径部１５１のスプロケット３１３ａと対向する内面側には、側面視にて円形の凹部が形成されている。
【０１０２】
軸部３１２の一端と脚フレーム１５０とは、大径部１５１を間に挟んで互いに連結されている。軸部３１２の他端と背中フレーム１２０とが連結されている。軸部３１２は、大径部１５１に回転可能に支持されている。大径部１５１の開口の内周部と軸部３１２の一端側の外周部とは、互いに摺動可能に接している。
【０１０３】
大径部１５１の内面の外周部には、６本の小軸部１５２が同一円周上にて互いに等間隔に軸部３１２と平行に固定されている。６本の小軸部１５２の各々の他端側には、スプロケット３１３ａと噛み合う小スプロケット３１３ｂが回転可能に取り付けられている。
【０１０４】
本実施形態においては、軸部３１２、スプロケット３１３ａおよび６つの小スプロケット３１３ｂの各々が可動部であり、大径部１５１および６つの小軸部１５２が固定部である。すなわち、第１リンクである脚フレーム１５０は、固定部である大径部１５１に連結されて、関節である能動回転連結機構３１０を支持している。
【０１０５】
第２リンクである背中フレーム１２０は、可動部である軸部３１２の他端に連結されて、軸部３１２の中心軸を中心として脚フレーム１５０に対して揺動可能となるように関節である能動回転連結機構３１０に支持されている。
【０１０６】
本実施形態においては、軸部３１２、大径部１５１、６つの小軸部１５２、スプロケット３１３ａおよび６つの小スプロケット３１３ｂの各々は、アルミニウムで構成されているが、これらの各々の材料は、アルミニウムに限られず、ＦＲＰなどの樹脂製であってもよい。
【０１０７】
本実施形態においては、可動部の回転方向の一方向に可動部を付勢可能な付勢機構として、トーションコイルばね３１５および６つのトーションコイルばね３１６を用いている。可動部の回転方向の一方向とは、前傾している第２リンクを直立させる方向の回転方向である。
【０１０８】
具体的には、トーションコイルばね３１５は、大径部１５１とスプロケット３１３ａとの間に配置されている。６つのトーションコイルばね３１６は、大径部１５１と６つの小スプロケット３１３ｂとの間にそれぞれ配置されている。トーションコイルばね３１５は、軸部３１２に挿通された状態で配置されている。６つのトーションコイルばね３１６は、６つの小軸部３１２ｂにそれぞれ挿通された状態で配置されている。
【０１０９】
トーションコイルばね３１５の一端は、大径部１５１に固定されている。スプロケット３１３ａは、大径部１５１と対向する内面に図示しない突起部を有している。スプロケット３１３ａの突起部は、トーションコイルばね３１５の他端と接離可能に設けられている。
【０１１０】
６つのトーションコイルばね３１６の各々の一端３１６ｓは、大径部１５１に固定されている。具体的には、大径部１５１の内面の外周部において、各小軸部３１２ｂの近傍に突起部１５４が設けられている。６つのトーションコイルばね３１６の各々の一端３１６ｓは、６つの突起部１５４とそれぞれ固定されている。
【０１１１】
６つの小スプロケット３１３ｂは、大径部１５１と対向する内面に突起部３１４ｂをそれぞれ有している。６つの小スプロケット３１３ｂの突起部３１４ｂは、６つのトーションコイルばね３１６の他端とそれぞれ接離可能に設けられている。
【０１１２】
本実施形態においては、トーションコイルばね３１５の他端と、大径部１５１の突起部とから、付勢トリガー構造が構成されている。また、６つのトーションコイルばね３１６の他端と、６つの小スプロケット３１３ｂの突起部３１４ｂとから、６つの付勢トリガー構造が構成されている。
【０１１３】
上記の７つの付勢トリガー構造は、可動部の回転方向の一方向とは反対の他方向への可動部の回転角度が閾値以上になった時点で付勢機構による可動部の付勢を開始させる。可動部の回転方向の他方向は、図１５中の矢印３１で示す方向である。
【０１１４】
トーションコイルばね３１５および大径部１５１の突起部から構成される付勢トリガー構造と、トーションコイルばね３１６および小スプロケット３１３ｂの突起部３１４ｂから構成される付勢トリガー構造とは、基本動作が同様であるため、以下の説明においては、トーションコイルばね３１６および小スプロケット３１３ｂの突起部３１４ｂから構成される付勢トリガー構造について説明する。
【０１１５】
図１７は、本実施形態に係る支持補助装置が直立している状態における付勢トリガー構造を示す側面図である。図１８は、本実施形態に係る支持補助装置が１５°前傾している状態における付勢トリガー構造を示す側面図である。図１９は、本実施形態に係る支持補助装置が９０°前傾している状態における付勢トリガー構造を示す側面図である。
【０１１６】
図１７に示すように、支持補助装が直立して、背中フレーム１２０と脚フレーム１５０とのなす角度が１８０°である状態においては、トーションコイルばね３１６の他端３１６ｅと、小スプロケット３１３ｂの突起部３１４ｂとは、距離Ｆの間隔を置いて離間している。この状態では、トーションコイルばね３１６は付勢力を有していない。
【０１１７】
図１８に示すように、支持補助装置が１５°前傾している状態、すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が１５°であり、背中フレーム１２０と脚フレーム１５０とのなす角度が１６５°である状態においては、小スプロケット３１３ｂは図１８中の矢印３１ａに示す方向に回転して、トーションコイルばね３１６の他端３１６ｅと、小スプロケット３１３ｂの突起部３１４ｂとが接触している。
【０１１８】
本実施形態においては、付勢トリガー構造が、トーションコイルばね３１６による可動部の付勢を開始させる、可動部の回転方向の他方向への回転角度の閾値を１５°に設定している。すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が１５°である状態においては、トーションコイルばね３１６の他端３１６ｅと、小スプロケット３１３ｂの突起部３１４ｂとは接触しているが、トーションコイルばね３１６は付勢力を有していない。
【０１１９】
本実施形態においては、上記閾値を１５°に設定しているが、これに限られず、上記距離Ｆを変更することにより、上記閾値の設定値を変更できる。小スプロケット３１３ｂにおける突起部３１４ｂの位置を任意に変更可能として、上記距離Ｆを変更できるようにしてもよい。たとえば、小スプロケット３１３ｂに複数の孔部が設けられており、突起部３１４ｂが、複数の孔部のいずれか１つと嵌合して固定されるピンで構成されるようにすることにより、小スプロケット３１３ｂにおける突起部３１４ｂの位置を変更可能としてもよい。
【０１２０】
図１９に示すように、支持補助装置が９０°前傾している状態、すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が９０°であり、背中フレーム１２０と脚フレーム１５０とのなす角度が９０°である状態においては、トーションコイルばね３１６は、コイルの軸回りにねじりモーメントを受け、その反力として可動部の回転方向の一方向に可動部を付勢する付勢力を有している。
【０１２１】
本実施形態においては、トーションコイルばね３１６の一端３１６ｓを大径部１５１の突起部１５４に固定し、トーションコイルばね３１６の他端３１６ｅと小スプロケット３１３ｂの突起部３１４ｂとを接離可能に設けたが、これに限られず、トーションコイルばね３１６の他端３１６ｅを小スプロケット３１３ｂの突起部３１４ｂに固定し、トーションコイルばね３１６の一端３１６ｓと大径部１５１の突起部１５４とを接離可能に設けてもよい。
【０１２２】
本実施形態においては、７つの付勢トリガー構造がトーションコイルばね３１５および６つのトーションコイルばね３１６に可動部の付勢をそれぞれ開始させる閾値は同一であったが、これに限られず、複数の付勢トリガー構造が複数の付勢機構に可動部の付勢をそれぞれ開始させる閾値は互いに異なっていてもよい。
【０１２３】
また、トーションコイルばね３１５が付勢機構となり、６つのトーションコイルばね３１６がバックドライバビリティを実現するようにそれぞれ構成されていてもよいし、トーションコイルばね３１６が付勢機構となり、６つのトーションコイルばね３１５がバックドライバビリティを実現するようにそれぞれ構成されていてもよい。
【０１２４】
もしくは、６つのトーションコイルばね３１６のうちの一部およびトーションコイルばね３１５が付勢機構となり、６つのトーションコイルばね３１６のうちの残部がバックドライバビリティを実現するようにそれぞれ構成されていてもよいし、６つのトーションコイルばね３１６のうちの一部およびトーションコイルばね３１５がバックドライバビリティを実現し、６つのトーションコイルばね３１６のうちの残部が付勢機構となるようにそれぞれ構成されていてもよい。
【０１２５】
以下、本発明の実施形態５に係る支持補助装置について説明する。なお、本実施形態に係る支持補助装置は、関節、付勢機構および付勢トリガー構造の構成が主に実施形態１に係る支持補助装置１０と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
【０１２６】
(実施形態５)
図２０は、本発明の実施形態５に係る支持補助装置が直立している状態を示す斜視図である。図２０に示すように、本発明の実施形態５に係る支持補助装置１０ｂの関節である能動回転連結機構３１０は、可動部、可動部を可動部の回転中心を中心として回転可能に支持する固定部、および、可動部に可動部の回転方向の一方向への回転駆動力を供給する駆動源を含む。本実施形態においては、駆動源は、減速機構と接続された電動サーボモータである。
【０１２７】
図示しない駆動源の出力軸は、軸部３１２と連結されている。軸部３１２は、脚フレーム１５０および背中フレーム１２０の各々と直交するように延在している。軸部３１２の中央には、軸部３１２と同軸配置された円形の大径部３１３が設けられている。大径部３１３の外周部には、全周に亘って溝部３１３ｃが形成されている。溝部３１３ｃの底に、後述する動力伝達部であるワイヤ３１７の一端が接続される接続部３１３ｄが設けられている。本実施形態においては、動力伝達部としてワイヤ３１７を用いたが、動力伝達部はワイヤに限られず、たとえば、ベルトまたはチェーンなどを用いてもよい。
【０１２８】
軸部３１２の外周部と背中フレーム１２０とが連結されている。大径部３１３の上部には、軸部３１２の外周部と背中フレーム１２０とを連結可能とするための切欠部が形成されている。軸部３１２の内部と脚フレーム１５０とが連結されている。軸部３１２の下部には、軸部３１２の内部と脚フレーム１５０とを連結可能とするための溝部が形成されている。軸部３１２の内部と軸部３１２の外周部とは、互いに摺動可能に接している。
【０１２９】
本実施形態においては、軸部３１２の外周部および大径部３１３の各々が可動部であり、軸部３１２の内部が固定部である。すなわち、第１リンクである脚フレーム１５０は、固定部である軸部３１２の内部に連結されて、関節である能動回転連結機構３１０を支持している。脚フレーム１５０の下部には、上下方向に延びて側方が開口した溝部１５５ａを有するガイド１５５が設けられている。
【０１３０】
第２リンクである背中フレーム１２０は、可動部である軸部３１２の外周部に連結されて、軸部３１２の中心軸を中心として脚フレーム１５０に対して揺動可能となるように関節である能動回転連結機構３１０に支持されている。
【０１３１】
本実施形態においては、軸部３１２および大径部３１３の各々は、アルミニウムで構成されているが、軸部３１２および大径部３１３の各々の材料は、アルミニウムに限られず、ＦＲＰなどの樹脂製であってもよい。
【０１３２】
ワイヤ３１７は、溝部３１３ｃの底に巻き付き可能に設けられている。支持補助装置１０ｂが直立している状態においては、ワイヤ３１７の他端３１７ｅが脚フレーム１５０の中央高さ付近に位置し、支持補助装置１０ｂが９０°前傾している状態においても、ワイヤ３１７の他端３１７ｅが軸部３１２の下端より下方に位置するように、ワイヤ３１７の長さおよび接続部３１３ｄの位置が設定されている。
【０１３３】
本実施形態においては、可動部の回転方向の一方向に可動部を付勢可能な付勢機構として、引張コイルばね３１８を用いている。具体的には、引張コイルばね３１８は、脚フレーム１５０に沿うように配置されている。引張コイルばね３１８の上端は、ワイヤ３１７の他端３１７ｅと連結されている。
【０１３４】
引張コイルばね３１８の下端３１８ｅには突起が設けられ、この突起は、ガイド１５５の溝部１５５ａ内に位置して、上下方向に移動可能かつ溝部１５５ａ内から抜けないように構成されている。支持補助装置１０ｂが直立している状態において、引張コイルばね３１８の下端３１８ｅの高さとガイド１５５の溝部１５５ａの下端部の高さとは一致している。
【０１３５】
本実施形態においては、引張コイルばね３１８の下端３１８ｅと、ガイド１５５の溝部１５５ａの上端部とから、付勢トリガー構造が構成されている。付勢トリガー構造は、可動部の回転方向の一方向とは反対の他方向への可動部の回転角度が閾値以上になった時点で付勢機構による可動部の付勢を開始させる。
【０１３６】
具体的には、支持補助装置１０ｂが直立して、背中フレーム１２０と脚フレーム１５０とのなす角度が１８０°である状態においては、引張コイルばね３１８の下端３１８ｅと、ガイド１５５の溝部１５５ａの上端部とは、距離Ｆの間隔を置いて離間している。この状態では、引張コイルばね３１８は付勢力を有していない。
【０１３７】
支持補助装置１０ｂが１５°前傾している状態、すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が１５°であり、背中フレーム１２０と脚フレーム１５０とのなす角度が１６５°である状態においては、引張コイルばね３１８の下端３１８ｅと、ガイド１５５の溝部１５５ａの上端部とが接触している。
【０１３８】
本実施形態においては、付勢トリガー構造が、引張コイルばね３１８による可動部の付勢を開始させる、可動部の回転方向の他方向への回転角度の閾値を１５°に設定している。すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が１５°である状態においては、引張コイルばね３１８の下端３１８ｅと、ガイド１５５の溝部１５５ａの上端部とは接触しているが、引張コイルばね３１８は付勢力を有していない。
【０１３９】
本実施形態においては、上記閾値を１５°に設定しているが、これに限られず、上記距離Ｆを変更することにより、上記閾値の設定値を変更できる。ガイド１５５の溝部１５５ａの長さを任意に変更可能として、上記距離Ｆを変更できるようにしてもよい。
【０１４０】
支持補助装置１０ｂが９０°前傾している状態、すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が９０°であり、背中フレーム１２０と脚フレーム１５０とのなす角度が９０°である状態においては、引張コイルばね３１８は、引張力を受け、その反力として可動部の回転方向の一方向に可動部を付勢する付勢力を有している。
【０１４１】
なお、本実施形態においては、付勢機構として１つの引張コイルばね３１８を用いたが、複数の引張コイルばね３１８を並列につないで用いてもよい。この場合、複数の引張コイルばね３１８の各々に対応するように複数の付勢トリガー構造を設ける。複数の付勢トリガー構造の各々の上記閾値は、互いに異なっていてもよい。
【０１４２】
付勢機構として、引張コイルばね３１８の代わりに、他の弾性体を用いても構わない。たとえば、付勢機構として、ゴム、空気ばね、板ばね、皿ばねまたは圧縮コイルばねなどを用いてもよい。
【０１４３】
付勢機構として、圧縮コイルばねを用いる場合、圧縮コイルばねにワイヤ３１７を通して圧縮コイルばねの下端とワイヤ３１７の他端３１７ｅとを固定し、圧縮コイルばねの上端より上側に、脚フレーム１５０に固定されて圧縮コイルばねの上端と着脱可能なストッパを設け、付勢トリガー構造を、圧縮コイルばねの上端とストッパとから構成してもよい。この場合、支持補助装置１０ｂが直立している状態において、圧縮コイルばねの上端とストッパとは距離Ｆの間隔を置いて離間している。
【０１４４】
本実施形態に係る支持補助装置１０ｂにおいては、引張コイルばね３１８の付勢力によって、能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)の最大値を低減することにより、出力の小さい小型の電動サーボモータを採用することが可能となる。これにより、支持補助装置１０ｂを小型にして消費電力を低くすることができる。
【０１４５】
以下、付勢トリガー構造を設けることにより、支持補助装置１０ｂを小型にできる理由について説明する。なお、付勢トリガー構造を設けなかった場合は、支持補助装置が直立した状態において上記の距離Ｆが０である。すなわち、支持補助装置が直立した状態から、可動部の回転角度に比例して引張コイルばね３１８の付勢力が増加する。
【０１４６】
付勢トリガー構造を設ける場合、付勢トリガー構造を設けない場合と比較して、引張コイルばね３１８の変位量は、大径部３１３の溝部３１３ｃの底の直径をＲとすると、１５πＲ／３６０だけ少なくなる。
【０１４７】
一般的に、引張コイルばねのばね定数は下記の数式４により定義される。ただし、式４において、ｋ：ばね定数、Ｆ：力、ｘ：自然長からの変位、Ｇ：横弾性係数、ｄ：線径、Ｄ：コイル中心径、Ｎ：総巻き数である。
【０１４８】
ｋ＝Ｆ／ｘ＝Ｇｄ4／８Ｄ3Ｎ・・・(数式４)
【０１４９】
付勢トリガー構造を設けない場合の引張コイルばねの自然長からの変位をｘA、上記閾値が１５°である付勢トリガー構造を設ける場合の引張コイルばねの自然長からの変位をｘBとすると、ｘB＝ｘA−１５πＲ／３６０の関係を満たす。
【０１５０】
可動部の回転角度が９０°であるときの、付勢トリガー構造を設けない場合の引張コイルばねに蓄えられる付勢力(トルク)と、付勢トリガー構造を設ける場合の引張コイルばねに蓄えられる付勢力(トルク)とを同一にするためには、数式４の力Ｆを各々の場合において同一にする必要がある。
【０１５１】
数式４から、下記の数式５が求まる。
Ｆ＝ｋｘ・・・(数式５)
【０１５２】
付勢トリガー構造を設けない場合の引張コイルばねのばね定数をｋA、付勢トリガー構造を設ける場合の引張コイルばねのばね定数をｋBとすると、数式５から、下記の数式６が求まる。
【０１５３】
ｋA×ｘA＝ｋB×ｘB(＝ｘA−１５πＲ／３６０)・・・(数式６)
【０１５４】
数式６から、ｋA＜ｋBの関係を満たすことが分かる。すなわち、付勢トリガー構造を設ける場合、引張コイルばねのばね定数を大きくする必要がある。
【０１５５】
数式４から、横弾性係数Ｇが同じ材料を用いて引張コイルばねのばね定数を大きくする場合、引張コイルばねの線径ｄを大きくし、コイル中心径Ｄおよび総巻き数Ｎを小さく設定することとなる。この場合、引張コイルばねの外形を小さくすることができる。その結果、支持補助装置１０ｂを小型にできる。
【０１５６】
以下、本発明の実施形態６に係る支持補助装置について説明する。なお、本実施形態に係る支持補助装置は、付勢機構および付勢トリガー構造の構成が主に実施形態５に係る支持補助装置１０ｂと異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
【０１５７】
(実施形態６)
図２１は、本発明の実施形態６に係る支持補助装置が直立している状態を示す斜視図である。図２１に示すように、本発明の実施形態６に係る支持補助装置１０ｃにおいては、可動部の回転方向の一方向に可動部を付勢可能な付勢機構として、カウンターウェイト１５５ｂを用いている。具体的には、カウンターウェイト１５５ｂは、脚フレーム１５０に沿うように配置されている。カウンターウェイト１５５ｂには、ワイヤ３１７の他端と着脱可能なストッパ１５５ｄが設けられている。ワイヤ３１７の他端には、突起が設けられている。
【０１５８】
カウンターウェイト１５５ｂの下端１５５ｃには突起が設けられ、この突起は、ガイド１５５の溝部１５５ａ内に位置して、上下方向に移動可能かつ溝部１５５ａ内から抜けないように構成されている。支持補助装置１０ｃが直立している状態において、カウンターウェイト１５５ｂの下端１５５ｃの高さとガイド１５５の溝部１５５ａの下端部の高さとは一致している。
【０１５９】
本実施形態においては、ワイヤ３１７の他端と、カウンターウェイト１５５ｂのストッパ１５５ｄとから、付勢トリガー構造が構成されている。付勢トリガー構造は、可動部の回転方向の一方向とは反対の他方向への可動部の回転角度が閾値以上になった時点で付勢機構による可動部の付勢を開始させる。
【０１６０】
具体的には、支持補助装置１０ｃが直立して、背中フレーム１２０と脚フレーム１５０とのなす角度が１８０°である状態においては、ワイヤ３１７の他端と、カウンターウェイト１５５ｂのストッパ１５５ｄとは、距離Ｆの間隔を置いて離間している。この状態では、カウンターウェイト１５５ｂは付勢力を有していない。
【０１６１】
支持補助装置１０ｃが１５°前傾している状態、すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が１５°であり、背中フレーム１２０と脚フレーム１５０とのなす角度が１６５°である状態においては、ワイヤ３１７の他端と、カウンターウェイト１５５ｂのストッパ１５５ｄとが接触している。
【０１６２】
本実施形態においては、付勢トリガー構造が、カウンターウェイト１５５ｂによる可動部の付勢を開始させる、可動部の回転方向の他方向への回転角度の閾値を１５°に設定している。すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が１５°である状態においては、カウンターウェイト１５５ｂのストッパ１５５ｄと、ワイヤ３１７の他端とは接触しているが、カウンターウェイト１５５ｂは付勢力を有していない。
【０１６３】
本実施形態においては、上記閾値を１５°に設定しているが、これに限られず、上記距離Ｆを変更することにより、上記閾値の設定値を変更できる。
【０１６４】
支持補助装置１０ｃが９０°前傾している状態、すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が９０°であり、背中フレーム１２０と脚フレーム１５０とのなす角度が９０°である状態においては、カウンターウェイト１５５ｂは、持ち上げられて、その反力として可動部の回転方向の一方向に可動部を付勢する付勢力を有している。
【０１６５】
なお、本実施形態においては、付勢機構として１つのカウンターウェイト１５５ｂを用いたが、複数のカウンターウェイト１５５ｂを並列につないで用いてもよい。この場合、複数のカウンターウェイト１５５ｂの各々に対応するように複数の付勢トリガー構造を設ける。複数の付勢トリガー構造の各々の上記閾値は、互いに異なっていてもよい。
【０１６６】
以下、支持補助装置１０ｃの可動部の回転角度と、駆動源の必要出力および付勢機構の付勢力との関係を検証した実験例２について説明する。
【０１６７】
(実験例２)
実験例２においては、実施形態６に係る支持補助装置１０ｃを用いて、６０ｋｇの被介護者を支持して、直立した状態から９０°前傾したときの、能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)およびカウンターウェイト１５５ｂに蓄えられた付勢力(トルク)の推移を計測した。同様に、実施形態６に係る支持補助装置１０ｃを用いて、被介護者を支持せずに、直立した状態から９０°前傾したときの、能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)の推移を計測した。
【０１６８】
図２２は、実験例２における支持補助装置の可動部の回転角度とトルクとの関係を示すグラフである。図２２においては、縦軸にトルク、横軸に支持補助装置の可動部の回転角度を示している。
【０１６９】
図２２においては、比較例１に係る支持補助装置を用いて６０ｋｇの被介護者を支持して前傾した場合の能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)のデータを点線Ａで、実施形態６に係る支持補助装置１０ｃを用いて６０ｋｇの被介護者を支持して前傾した場合の能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)のデータを実線Ｂで、比較例１に係る支持補助装置を用いて被介護者を支持せずに前傾した場合の能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)のデータを点線Ｃで、実施形態６に係る支持補助装置１０ｃを用いて被介護者を支持せずに前傾した場合の能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)のデータを実線Ｄで、支持補助装置の前傾に伴ってカウンターウェイトに蓄えられた付勢力(トルク)のデータを点線Ｅで示している。
【０１７０】
図２２に示すように、可動部の回転角度が閾値の１５°を超えると、カウンターウェイト１５５ｂに蓄えられた付勢力(トルク)は、可動部の回転角度にかかわらず一定であった。
【０１７１】
実施形態６に係る支持補助装置１０ｃを用いて前傾した場合の能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)は、可動部の回転角度が閾値の１５°を超えるまでは、比較例１に係る支持補助装置と同様の値であったが、可動部の回転角度が閾値以上である範囲では、比較例１に係る支持補助装置と比較して低くなった。
【０１７２】
このことから、カウンターウェイト１５５ｂの付勢力によって、能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)が低減されていることが確認できた。その結果、６０ｋｇの被介護者を支持して前傾した場合の能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)の最大値は、１０００Ｎ・ｍを下回っていた。
【０１７３】
このように、カウンターウェイト１５５ｂの付勢力によって、能動回転連結機構３１０の電動サーボモータの必要出力(トルク)の最大値を低減することにより、出力の小さい小型の電動サーボモータを採用することが可能となる。これにより、支持補助装置１０ｃを小型にして消費電力を低くすることができる。
【０１７４】
付勢トリガー構造を設ける場合、付勢トリガー構造を設けない場合と比較して、可動部の回転角度が０°から９０°となるまでのカウンターウェイト１５５ｂの移動距離を短くすることができる。そのため、カウンターウェイト１５５ｂを配置するためのスペースを小さくすることができ、ひいては支持補助装置１０ｃを小型にできる。
【０１７５】
以下、本発明の実施形態７に係る支持補助装置について説明する。なお、本実施形態に係る支持補助装置は、関節の位置が主に実施形態１に係る支持補助装置１０と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。なお、本実施形態の説明においては、右腕の構成について説明するが、左腕の構成についても同様である。
【０１７６】
(実施形態７)
図２３は、本発明の実施形態７に係る支持補助装置の腕部の構成を示す斜視図である。図２３に示すように、本発明の実施形態７に係る支持補助装置の関節である右側能動回転連結機構３４０ａは、可動部、可動部を可動部の回転中心を中心として回転可能に支持する固定部、および、可動部に可動部の回転方向の一方向への回転駆動力を供給する駆動源を含む。本実施形態においては、駆動源は、減速機構と接続された電動サーボモータである。
【０１７７】
図示しない駆動源の出力軸は、軸部３１２の外周部と連結されている。軸部３１２は、右上腕フレーム１３０ａおよび右前腕フレーム１４０ａの各々と直交するように延在している。軸部３１２の外周部の一端には、軸部３１２と同軸配置された円形の大径部３１３が設けられている。
【０１７８】
軸部３１２の外周部と右前腕フレーム１４０ａとが連結されている。軸部３１２の内部と右上腕フレーム１３０ａとが連結されている。軸部３１２の他端には、軸部３１２の内部と右上腕フレーム１３０ａとを連結可能とするための溝部が形成されている。軸部３１２の内部と軸部３１２の外周部とは、互いに摺動可能に接している。
【０１７９】
本実施形態においては、軸部３１２の外周部および大径部３１３の各々が可動部であり、軸部３１２の内部が固定部である。すなわち、第１リンクである右上腕フレーム１３０ａは、固定部である軸部３１２の内部に連結されて、関節である右側能動回転連結機構３４０ａを支持している。
【０１８０】
第２リンクである右前腕フレーム１４０ａは、可動部である軸部３１２の外周部に連結されて、軸部３１２の中心軸を中心として右上腕フレーム１３０ａに対して揺動可能となるように関節である右側能動回転連結機構３４０ａに支持されている。
【０１８１】
本実施形態においては、可動部の回転方向の一方向に可動部を付勢可能な付勢機構として、トーションコイルばね３１５を用いている。
【０１８２】
具体的には、トーションコイルばね３１５は、軸部３１２に挿通された状態で配置されている。トーションコイルばね３１５の一端は、右上腕フレーム１３０ａに固定されている。トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅは、軸部３１２の外周部上に位置して、軸部３１２の径方向外側に向けて折り曲げられている。大径部３１３は、内面に突起部３１４を有している。突起部３１４は、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと接離可能に設けられている。
【０１８３】
本実施形態においては、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと、大径部３１３の突起部３１４とから、付勢トリガー構造が構成されている。付勢トリガー構造は、可動部の回転方向の一方向とは反対の他方向への可動部の回転角度が閾値以上になった時点で付勢機構による可動部の付勢を開始させる。
【０１８４】
具体的には、右前腕フレーム１４０ａと右上腕フレーム１３０ａとのなす角度が０°である状態においては、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと、大径部３１３の突起部３１４とは、距離Ｆの間隔を置いて離間している。この状態では、トーションコイルばね３１５は付勢力を有していない。
【０１８５】
右前腕フレーム１４０ａと右上腕フレーム１３０ａとのなす角度が９０°である状態においては、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと、大径部３１３の突起部３１４とが接触している。
【０１８６】
本実施形態においては、付勢トリガー構造が、トーションコイルばね３１５による可動部の付勢を開始させる、可動部の回転方向の他方向への回転角度の閾値を９０°に設定している。すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が９０°である状態においては、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと、大径部３１３の突起部３１４とは接触しているが、トーションコイルばね３１５は付勢力を有していない。
【０１８７】
本実施形態においては、上記閾値を９０°に設定しているが、これに限られず、上記距離Ｆを変更することにより、上記閾値の設定値を変更できる。大径部３１３における突起部３１４の位置を任意に変更可能として、上記距離Ｆを変更できるようにしてもよい。たとえば、大径部３１３に複数の孔部が設けられており、突起部３１４が、複数の孔部のいずれか１つと嵌合して固定されるピンで構成されるようにすることにより、大径部３１３における突起部３１４の位置を変更可能としてもよい。
【０１８８】
右前腕フレーム１４０ａと右上腕フレーム１３０ａとのなす角度が１８０°である状態においては、トーションコイルばね３１５は、コイルの軸回りにねじりモーメントを受け、その反力として可動部の回転方向の一方向に可動部を付勢する付勢力を有している。
【０１８９】
本実施形態においては、トーションコイルばね３１５の一端を右上腕フレーム１３０ａに固定し、大径部３１３に突起部３１４を設けて、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと大径部３１３の突起部３１４とを接離可能に設けたが、これに限られず、トーションコイルばね３１５の一端を可動部に固定し、右上腕フレーム１３０ａに突起部を設けて、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと右上腕フレーム１３０ａの突起部とを接離可能に設けてもよい。
【０１９０】
トーションコイルばね３１５の付勢力によって、右側能動回転連結機構３４０ａの電動サーボモータの必要出力(トルク)の最大値を低減することにより、出力の小さい小型の電動サーボモータを採用することが可能となる。これにより、支持補助装置を小型にして消費電力を低くすることができる。
【０１９１】
上記の実施形態１〜７においては、腰関節または肘関節について説明したが、関節の位置は、これに限られず、肩関節または背中関節などでもよく、もしくは、歩行補助ロボットの膝関節、足関節または大腿の付け根などであってもよい。
【０１９２】
以下、本発明の実施形態８に係る支持補助装置について説明する。なお、本実施形態に係る支持補助装置は、脚の構成および関節の位置が主に実施形態１に係る支持補助装置１０と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。なお、本実施形態の説明においては、右脚の構成について説明するが、左脚の構成についても同様である。
【０１９３】
(実施形態８)
図２４は、本発明の実施形態８に係る支持補助装置の腕部の構成を示す斜視図である。図２４に示すように、本発明の実施形態８に係る支持補助装置は、二足歩行ロボットである。本実施形態に係る支持補助装置は、腰フレーム５５０と連結された大腿フレーム５００、膝関節５２０を間に挟んで大腿フレーム５００と連結された脛部フレーム５１０、踝関節５３０を間に挟んで脛部フレーム５１０と連結された足フレーム５４０を備える。
【０１９４】
本実施形態に係る支持補助装置の関節である右側能動回転連結機構は、可動部、可動部を可動部の回転中心を中心として回転可能に支持する固定部、および、可動部に可動部の回転方向の一方向への回転駆動力を供給する駆動源を含む。本実施形態においては、駆動源は、減速機構と接続された電動サーボモータである。
【０１９５】
図示しない駆動源の出力軸は、軸部３１２の外周部と連結されている。軸部３１２は、腰フレーム５５０および大腿フレーム５００の各々と直交するように延在している。軸部３１２の外周部の一端には、軸部３１２と同軸配置された円形の大径部３１３が設けられている。
【０１９６】
軸部３１２の外周部と大腿フレーム５００とが連結されている。軸部３１２の内部と腰フレーム５５０とが連結されている。軸部３１２の他端には、軸部３１２の内部と腰フレーム５５０とを連結可能とするための溝部が形成されている。軸部３１２の内部と軸部３１２の外周部とは、互いに摺動可能に接している。
【０１９７】
本実施形態においては、軸部３１２の外周部および大径部３１３の各々が可動部であり、軸部３１２の内部が固定部である。すなわち、第１リンクである腰フレーム５５０は、固定部である軸部３１２の内部に連結されて、関節である右側能動回転連結機構を支持している。
【０１９８】
第２リンクである大腿フレーム５００は、可動部である軸部３１２の外周部に連結されて、軸部３１２の中心軸を中心として腰フレーム５５０に対して揺動可能となるように関節である右側能動回転連結機構に支持されている。
【０１９９】
大腿フレーム５００と腰フレーム５５０とのなす角度は、支持補助装置が直立状態のとき１８０°である。歩行補助の場合、大腿フレーム５００と腰フレーム５５０とのなす角度は、実際には９０°以上２２５°以下の範囲となる。
【０２００】
本実施形態においては、可動部の回転方向の一方向に可動部を付勢可能な付勢機構として、トーションコイルばね３１５を用いている。可動部の回転方向の一方向とは、大腿フレーム５００を前方上方に持ち上げる方向の回転方向である。
【０２０１】
具体的には、トーションコイルばね３１５は、腰フレーム５５０と大径部３１３との間において、軸部３１２に挿通された状態で配置されている。トーションコイルばね３１５の一端は、腰フレーム５５０に固定されている。トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅは、軸部３１２の外周部上に位置して、軸部３１２の径方向外側に向けて折り曲げられている。大径部３１３は、内面に突起部３１４を有している。突起部３１４は、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと接離可能に設けられている。
【０２０２】
本実施形態においては、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと、大径部３１３の突起部３１４とから、付勢トリガー構造が構成されている。付勢トリガー構造は、可動部の回転方向の一方向とは反対の他方向への可動部の回転角度が閾値以上になった時点で付勢機構による可動部の付勢を開始させる。
【０２０３】
具体的には、大腿フレーム５００と腰フレーム５５０とのなす角度が０°である状態においては、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと、大径部３１３の突起部３１４とは、距離Ｆの間隔を置いて離間している。この状態では、トーションコイルばね３１５は付勢力を有していない。
【０２０４】
大腿フレーム５００と腰フレーム５５０とのなす角度が１２０°である状態においては、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと、大径部３１３の突起部３１４とが接触している。
【０２０５】
本実施形態においては、付勢トリガー構造が、トーションコイルばね３１５による可動部の付勢を開始させる、可動部の回転方向の他方向への回転角度の閾値を１２０°に設定している。すなわち、可動部の回転方向の他方向への回転角度が１２０°である状態においては、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと、大径部３１３の突起部３１４とは接触しているが、トーションコイルばね３１５は付勢力を有していない。
【０２０６】
本実施形態においては、上記閾値を１２０°に設定しているが、これに限られず、上記距離Ｆを変更することにより、上記閾値の設定値を変更できる。大径部３１３における突起部３１４の位置を任意に変更可能として、上記距離Ｆを変更できるようにしてもよい。たとえば、大径部３１３に複数の孔部が設けられており、突起部３１４が、複数の孔部のいずれか１つと嵌合して固定されるピンで構成されるようにすることにより、大径部３１３における突起部３１４の位置を変更可能としてもよい。
【０２０７】
大腿フレーム５００と腰フレーム５５０とのなす角度が２２５°である状態においては、トーションコイルばね３１５は、コイルの軸回りにねじりモーメントを受け、その反力として可動部の回転方向の一方向に可動部を付勢する付勢力を有している。
【０２０８】
本実施形態においては、トーションコイルばね３１５の一端を腰フレーム５５０に固定し、大径部３１３に突起部３１４を設けて、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと大径部３１３の突起部３１４とを接離可能に設けたが、これに限られず、トーションコイルばね３１５の一端を可動部に固定し、腰フレーム５５０に突起部を設けて、トーションコイルばね３１５の他端３１５ｅと腰フレーム５５０の突起部とを接離可能に設けてもよい。
【０２０９】
トーションコイルばね３１５の付勢力によって、右側能動回転連結機構の電動サーボモータの必要出力(トルク)の最大値を低減することにより、出力の小さい小型の電動サーボモータを採用することが可能となる。これにより、支持補助装置を小型にして消費電力を低くすることができる。
【０２１０】
上記の実施形態の説明においては、介護用の移乗支援装置および歩行補助装置について説明したが、支持補助装置の用途はこれに限られず、たとえば医療現場での移乗支援装置、農作業用の支援装置、工事現場における重量物運搬の支援装置、工場内での重量物運搬支援装置、物流における積荷の積み下ろし支援装置などとして利用できる。支持補助装置は、各種ロボットに適用可能であり、たとえば、工場用のマニュピレータに対しても適用できる。
【０２１１】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０２１２】
１  操縦者、２  被介護者、３  動作モード切り替え機構、４  ポジションセンサ、５  ボード、６  電動サーボモータ制御回路、７  電動サーボモータ、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  支持補助装置、１１０  肩フレーム、１１０ｘ  第２仮想軸、１２０  背中フレーム、１２０ｘ  第１仮想軸、１３０ａ  右上腕フレーム、１３０ａｘ，１３０ｂｘ  第３仮想軸、１３０ｂ  左上腕フレーム、１４０ａ  右前腕フレーム、１４０ｂ  左前腕フレーム、１５０  脚フレーム、１５１，３１３  大径部、１５２，３１２ｂ  小軸部、１５４，３１４，３１４ａ，３１４ｂ  突起部、１５５  ガイド、１５５ａ，３１３ｃ  溝部、１５５ｂ  カウンターウェイト、１５５ｃ，３１８ｅ  下端、１５５ｄ  ストッパ、１６０  台車、２１０  第２受動回転連結機構、２１２  第２軸部、２２０  第１受動回転連結機構、２２２  第１軸部、２３０ａ，２３０ｂ  第３受動回転連結機構、２３２ａ，２３２ｂ  第３軸部、３１０  能動回転連結機構、３１０ｍ  駆動源、３１２  軸部、３１３ａ  スプロケット、３１３ｂ  小スプロケット、３１３ｄ  接続部、３１５，３１５ａ，３１６  トーションコイルばね、３１５ａｅ，３１５ｅ，３１６ｅ，３１７ｅ  他端、３１６  クラッチ、３１６ｓ  一端、３１７  ワイヤ、３１８  コイルばね、３２０  電動モータ、３３０ａ，３４０ａ  右側能動回転連結機構、３３０ｂ，３４０ｂ  左側能動回転連結機構、３３２ａ，３３２ｂ  第４軸部、３４２ａ，３４２ｂ  第５軸部、４４０ａ  右側支持部、４４０ｂ  左側支持部、５００  大腿フレーム、５１０  脛部フレーム、５２０  膝関節、５３０  踝関節、５４０  足フレーム、５５０  腰フレーム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２３】
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【図２４】
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