(57)【要約】【課題】筋力補助装置に設けられる発電装置を提供する。【解決手段】発電装置３０は、装置装着者の動作に応じて補助筋力を発生するアクチュエータと、同アクチュエータの動力源となる二次電池１０が収容されたバックパック２０とを備える筋力補助装置に設けられる。発電装置３０は、二次電池１０を揺動可能に支持するばね２５と、二次電池１０の揺動を利用して発電を行う発電部３１とをバックパック２０内に備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
装着者の動作に応じて補助筋力を発生する駆動装置と、同駆動装置の動力源となる二次電池が収容されたバックパックとを備える筋力補助装置に設けられる発電装置であって、
前記二次電池を揺動可能に支持する揺動支持手段と、前記二次電池の揺動を利用して発電を行う発電部とが前記バックパック内に備えられる
ことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電装置において、
前記発電部は、外力を受けて変形することにより電力が発生する圧電素子を備え、
同圧電素子は、前記二次電池の揺動によって外力が付与されるように配置される
ことを特徴とする発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の発電装置において、
前記発電部は、コイルと同コイルと相対変位可能に配置される磁石とを備え、前記二次電池の揺動によって同コイルと同磁石とを相対変位させることにより電力が発生する
ことを特徴とする発電装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記揺動支持手段は、前記二次電池と前記バックパックの内壁との間に配置されるばねである
ことを特徴とする発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記発電部は前記二次電池の上部及び下部の少なくとも一方に配置される
ことを特徴とする発電装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記発電部で発電された電力を蓄える補助二次電池が設けられる
ことを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、装着者の動作に応じて補助筋力を発生することにより動作を補助する筋力補助装置に設けられる発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、社会が急速に高齢化し、多くの都市や地域で人口全体に占める高齢者の割合が増えてきている。人は年齢を経ると筋力が低下する傾向にあることから、高齢化した際には動作が鈍くなったり、或いは重量の重いものが持てなくなったりする等の不便さが生じる。よって、この不便さを解消する一技術として、高齢者が腕や脚を動かして行う各種動作を補助する筋力補助装置が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００７−９７６３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、筋力補助装置は、装着者の動作に応じて補助筋力を発生する駆動装置と、同駆動装置の動力源となる二次電池が収容されたバックパックとを備えている。同二次電池は、現状では一重量当たりの充電量が少なく、長時間駆動することができない。そこで、この問題の解決策の一つとして発電装置を設けることが考えられるが、筋力補助装置に設けられる発電装置は発明されていない。そのため、筋力補助装置に設けられる発電装置が求められていた。
【０００４】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、筋力補助装置に設けられる発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
請求項１に記載の発明は、装着者の動作に応じて補助筋力を発生する駆動装置と、同駆動装置の動力源となる二次電池が収容されたバックパックとを備える筋力補助装置に設けられる発電装置であって、前記二次電池を揺動可能に支持する揺動支持手段と、前記二次電池の揺動を利用して発電を行う発電部とが前記バックパック内に備えられることをその要旨としている。
【０００６】
同構成によれば、二次電池を揺動可能に支持する揺動支持手段と、二次電池の揺動を利用して発電を行う発電部とを備えた発電装置が筋力補助装置のバックパック内に備えられる。このため、筋力補助装置を装着した装着者の動作にともなって二次電池はその自重によりバックパック内において揺動支持手段に支持されながら上下や左右等へ揺動する。そして、発電部は二次電池の揺動を利用して発電を行う。したがって、発電部において発電された電力を二次電池に充電したり、駆動装置へ供給したりすれば、筋力補助装置の駆動時間を従来よりも長くすることができるようになる。
【０００７】
また、発電を行うために自重により揺動するように二次電池１０支持したため、揺動する部材を新たに設ける必要がなく、二次電池１０の重量を有効に利用することができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発電装置において、前記発電部は、外力を受けて変形することにより電力が発生する圧電素子を備え、同圧電素子は、前記二次電池の揺動によって外力が付与されるように配置されることをその要旨としている。
【０００８】
同構成によれば、発電部は二次電池の揺動によって外力が付与されて、変形されることにより電力が発生する圧電素子を備えるため、二次電池がその自重により揺動することを利用して、圧電素子に外力を付与させて発電することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発電装置において、前記発電部は、コイルと同コイルと相対変位可能に配置される磁石とを備え、前記二次電池の揺動によって同コイルと同磁石とを相対変位させることにより電力が発生することをその要旨としている。
【００１０】
同構成によれば、発電部はコイルと磁石とを備え、二次電池の揺動によってコイルと磁石とを相対変位させるとコイルを貫く磁束が変化することによりコイルに電力が発生するため、二次電池がその自重により揺動することを利用して、コイルと磁石とを相対変位させて発電することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置において、前記揺動支持手段は、前記二次電池と前記バックパックの内壁との間に配置されるばねであることをその要旨としている。
【００１２】
同構成によれば、揺動支持手段は二次電池とバックパックの内壁との間に配置されるばねであるため、バックパック内において二次電池をばねによって揺動支持することができる。このため、簡易な構成で二次電池を揺動可能にするとともに、支持することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置において、前記発電部は前記二次電池の上部及び下部の少なくとも一方に配置されることをその要旨としている。
【００１４】
同構成によれば、発電部は二次電池の上部及び下部の少なくとも一方に配置されるため、発電部が二次電池の上下方向の揺動による発電を効率良く行うことができる。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電装置において、前記発電部で発電された電力を蓄える補助二次電池が設けられることをその要旨としている。
【００１５】
同構成によれば、発電部で発電された電力を蓄える補助二次電池が設けられるため、駆動装置の駆動源となる二次電池と役割を分けることで、例えば補助二次電池を非常電源用として、二次電池が使えなくなった非常時に退避動作のみを行うようにすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、筋力補助装置に設けられる発電装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態について図１〜図７を参照して説明する。
図１（ａ）に示されるように、人体（以下、装置装着者と記す）１の身体には、装置装着者１が腕や脚等を動かして動作する際に装置装着者１に補助筋力を付与してこの動作を補助する筋力補助装置２が装着されている。図２に示されるように、この筋力補助装置２は、装置装着者１の動作意志を生体信号検出部３にて検出し、同生体信号検出部３の検出結果に基づき同筋力補助装置２の駆動源となる複数のアクチュエータ４を同動作意志に沿って駆動することで、装置装着者１にその動作意志に沿った補助筋力を付与する。筋力補助装置２は、高齢者が日常生活の際に支障を感じ難いレベルまで筋力を復元するリハビリテーション機能の役割や、装置装着者１が重いものを持ち上げる際にその時の力を増強するオーギュメンテーション機能の役割を果たす装置として使用される。
【００１８】
生体信号検出部３は、装置装着者１が腕や脚等を動作させる際にその動作意志が反映されて人体内に発生する生体信号を読み取る検出系であって、例えば筋肉の動きを読み取る筋電センサ等が使用されている。この種の筋電センサは、装置装着者１が腕や脚等を動作させた際に筋肉に発生する微弱な電気を検出するものであって、例えば力の強さ、運動状態、柔らかさ、しなやかさに応じた検出信号（電気信号）Ｓを出力する。生体信号検出部３は、腕や脚等において筋肉が位置する複数箇所に設けられ、筋力補助装置２に電源が投入されると起動して、装置装着者１の動作意志として生体信号を検出する度に検出信号Ｓを出力する。
【００１９】
図１（ａ）に示されるように、アクチュエータ４は、例えば複数のモータからなり、装置装着者１の腕や脚等の各部位を支持するフレーム５の各々の接続箇所に配置されている。即ち、アクチュエータ４は、装置装着者１の関節箇所に対応する位置に配置されている。アクチュエータ４も、筋力補助装置２に電源が投入されると起動を開始し、生体信号検出部３で読み取られた装置装着者１の動作意志に基づく駆動状態で駆動する。
【００２０】
図１（ｂ）に示されるように、装置装着者１の背中には、筋力補助装置２のコントロールユニットとしてＥＣＵ６と、筋力補助装置２の電源となる直方体状の二次電池１０と、同二次電池１０の揺動を利用して発電を行う発電装置３０とが収容されたバックパック２０が装着されている。
【００２１】
図２に示されるように、ＥＣＵ６は、例えばＣＰＵ７やメモリ８等の素子群からなるとともに、入力側が生体信号検出部３に接続され、出力側がアクチュエータ４に接続されている。ＥＣＵ６は、補助筋力発生処理を統括制御するものであって、生体信号検出部３から取得する検出信号Ｓに基づき装置装着者１の動作意志を監視し、動作意志があった際にはこの意志に沿った駆動状態となるようにアクチュエータ４を駆動制御することにより、装置装着者１に補助筋力を付与する。
【００２２】
メモリ８には、筋力補助装置２のメインプログラムデータとして制御プログラムＰｍａが格納されている。本例の制御プログラムＰｍａは、生体信号検出部３を通じて装置装着者１の動作意志を検出した際、この時に装置装着者１が発生し得る人体発生筋力よりも大きな動作力を発生できるように、人体発生筋力の大きさ（動作意志の大小）に応じて付与すべき補助筋力を求め、この求められた補助筋力が装置装着者１の身体に付与されるようにアクチュエータ４を駆動制御する前記補助筋力発生処理をＣＰＵ７に実行させるためのものである。ＣＰＵ７は、メモリ８内の制御プログラムＰｍａに従って動作することにより、補助筋力発生処理を実行する。
【００２３】
二次電池１０は、各アクチュエータ４に図示しないケーブルを介して接続され、各アクチュエータ４へ電力を供給する。二次電池１０は、筋力補助装置２が装置装着者１に装着されていないときには図示しない外部電源に接続されて、同外部電源から充電されるとともに、筋力補助装置２が装置装着者１に装着されているときには発電装置３０において発電された電力が蓄えられる。
【００２４】
発電装置３０は、同二次電池１０をバックパック２０の内部において揺動可能に支持する揺動支持手段としてのばね２５と、二次電池１０の揺動によって発電を行う発電部３１とを備えている。
【００２５】
次に、前述したＥＣＵ６、二次電池１０、及び発電装置３０のバックパック２０への収容状態について図３及び図４を参照して説明する。
図３に示されるように、ＥＣＵ６は、バックパック２０の上部に区画形成された制御収納室２１に収納されている。二次電池１０は、ばね２５により上下へ揺動可能に支持された状態で、バックパック２０の制御収納室２１の下方に区画形成された電池収納室２２に収納されている。ばね２５は、電池収納室２２の頂面及び底面と二次電池１０の上面及び下面との間にそれぞれ２つずつ固定されている。これらばね２５により、二次電池１０は、電池収納室２２の上下方向における中央である中立位置に保持されている。ばね２５は、二次電池１０が装置装着者１の動作によって電池収納室２２の頂面若しくは底面から離間する側、又は近接する側へ変位すると、二次電池１０を前記中立位置に戻す復元力が働くようになっている。
【００２６】
図４に示されるように、バックパック２０の電池収納室２２は、二次電池１０の外形に対応する直方体状をなし、側面の各角には、上下方向へ延出するとともに、横断面Ｌ字状のレール２３がそれぞれ配置固定されている。レール２３の上下へ延びる２つの内側縁には、突出部２３ａがレール２３の全長に亘って形成されている。これら突条部２３ａは二次電池１０の各側面にその全長に亘って形成された溝１１に係合されている。これにより、二次電池１０は、装置装着者１が動作すると、レール２３に誘導されて上下方向へ変位するようになっている。
【００２７】
図５に示されるように、発電部３１は、電池収納室２２の頂面及び底面の中央にそれぞれ設けられている。発電部３１は、２枚の板状の圧電セラミックス３２が貼り合わされてなるバイモルフ型の圧電素子３３を備えている。圧電セラミックス３２に設けられた電極３４は整流器３５を介して二次電池１０に接続されている。ここで、二次電池１０の上面及び下面の圧電素子３３と対向する部分には、半球状の凸部１２がそれぞれ形成されている。図６に示されるように、二次電池１０が上下方向へ揺動し、電池収納室２２の頂面又は底面に接近すると、凸部１２により圧電素子３３が押圧され、両圧電セラミックス３２が変形する。すると、これらの間に起電力が発生し、この起電力により生じる電流は、整流器３５によって整流されて二次電池１０に供給される。
【００２８】
次に、前記のように構成された筋力補助装置２の発電部３１の動作態様について説明する。
筋力補助装置２の二次電池１０は、筋力補助装置２が装着されていないときに外部電源に接続して充電可能となっている。筋力補助装置２が装着されて、電源が投入された状態で装置装着者１が何らかの動作を行うと、この動作に応じてアクチュエータ４が駆動する。各アクチュエータ４が二次電池１０から供給される電力により駆動することから二次電池１０の電力は経時的に減っていくこととなる。
【００２９】
この点、本実施例では、装置装着者１の動作に応じて発電部３１で発電される電力を二次電池１０へ供給して充電することにより、二次電池１０の消耗を抑制している。すなわち、図７（ａ）及び（ｂ）に示されるように、筋力補助装置２を装着した装置装着者１が例えば、歩行すると、バックパック２０内の二次電池１０がばね２５の弾性力に抗してレール２３に沿って上下へ揺動し、これに伴い二次電池１０には中立位置へ戻ろうとする復元力、すなわち変位方向と反対方向への付勢力がばね２５を通じて付与される。よって、装置装着者１が歩行している間は、二次電池１０の上下への揺動が繰り返されることとなる。二次電池１０が電池収納室２２の頂面又は底面に近接すると、二次電池１０の凸部１２により圧電素子３３が押圧されて、圧電セラミックス３２が変形する。すると、２つの圧電セラミックス３２の電極３４間に起電力が発生し、この起電力により発生した電流が整流器３５によって整流されて二次電池１０に供給される。
【００３０】
このように、筋力補助装置２の使用に伴い、二次電池１０の電力が消費される一方で、発電部３１において発電される電力が二次電池に供給される。したがって、二次電池１０の消耗が抑制され、筋力補助装置２の駆動時間を従来よりも長くすることができるようになる。
【００３１】
以上、説明した実施形態によれば、以下の作用効果を奏することができる。
（１）二次電池１０を揺動可能に支持するばね２５と、二次電池１０の揺動を利用して発電を行う発電部３１とを備えた発電装置３０が筋力補助装置２のバックパック２０内に備えられる。このため、装置装着者１の動作にともなって二次電池１０はその自重によりバックパック２０内においてばね２５に支持されながら上下へ揺動する。そして、発電部３１は二次電池１０の揺動を利用して発電を行う。したがって、発電部３１において発電された電力を二次電池１０に充電することにより、筋力補助装置２の駆動時間を従来よりも長くすることができる。
【００３２】
また、発電を行うために自重により揺動するように二次電池１０支持したため、揺動する部材を新たに設ける必要がなく、二次電池１０の重量を有効に利用することができる。
（２）発電部３１は二次電池１０の揺動によって外力が付与されて、変形されることにより電力が発生する圧電素子３３を備えるため、二次電池１０の自重により二次電池１０が揺動することを利用して、圧電素子３３に外力を付与させて発電することができる。
【００３３】
（３）バックパック２０内において二次電池１０をばね２５によって揺動可能に支持するため、簡易な構成である。
（４）発電部３１は二次電池１０の上部及び下部に配置されるため、発電部３１が二次電池１０の上下方向の揺動による発電を効率良く行うことができる。
【００３４】
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記実施形態では、２枚の圧電セラミックス３２を貼り合わせたバイモルフ型の圧電素子３３に限らず、３枚以上の圧電セラミックス３２を積層型等の他の圧電素子としてもよい。
【００３５】
・上記実施形態では、二次電池１０の上部及び下部に凸部１２を１つずつ形成したが、二次電池１０の上部及び下部に凸部１２を複数形成するようにしてもよい。
・上記実施形態では、二次電池１０の凸部１２によって圧電素子３３を変形させて発電する発電部３１としたが、コイルと同コイルと相対変位可能に配置される磁石とを備えた発電部に変更してもよい。詳しくは、図８に示されるように、発電部４１は、両端部に電極４４が設けられたコイル４２と、同コイル４２と相対変位可能に配置される棒状の磁石１３と、両電極４４に接続された整流器３５とを備えている。コイル４２は、電池収納室２２の頂面又は底面に固定されている。磁石１３は、コイル４２内に挿通されている。そして、二次電池１０の揺動によってコイル４２と磁石１３とが相対変位するとコイル４２を貫く磁束が変化することによりコイル４２に起電力が発生する。このため、二次電池１０の自重により二次電池１０が揺動することを利用して、コイル４２と磁石１３とを相対変位させて発電することができる。なお、磁石１３は、磁石１３が相対変位することによりコイル４２に起電力が発生すれば、コイル４２の外に配置してもよい。
【００３６】
・上記実施形態において、発電部３１，４１の電力を発生する圧電素子３３やコイル４２をバックパック２０側に設けるとともに、凸部１２や磁石１３を二次電池１０側に設けるようにした。しかしながら、圧電素子３３やコイル４２を二次電池１０側に設けるとともに、凸部１２や磁石１３をバックパック２０側に設けるようにしてもよい。
【００３７】
・上記実施形態では、整流器３５，４５をバックパック２０に設けるようにしたが、整流器３５，４５を二次電池１０に設け、圧電素子３３やコイル４２からバックパック２０を経由せずに接続するようにしてもよい。このようにすれば、バックパック２０を経由せずに発電部３１，４１で発電された電力を二次電池１０に直接蓄えることができる。
【００３８】
・上記実施形態において、発電部３１，４１は、必ずしも二次電池１０の上下方向への揺動に限らず、左右方向や前後方向への揺動によって発電できるように、左右方向又は前後方向の電池収納室２２の側面と二次電池１０の側面との間に二次電池１０を挟んで両側にそれぞれ設けるようにしてもよい。
【００３９】
・上記実施形態では、発電部３１，４１を二次電池１０の上下方向、左右方向、及び前後方向のいずれかの揺動によって発電できるように二次電池１０を挟んで両側にそれぞれ設けるようにした。しかしながら、発電部３１，４１を二次電池１０の片側に設けるようにしてもよい。
【００４０】
・上記実施形態では、発電部３１，４１を二次電池１０の上下方向、左右方向、及び前後方向のいずれかの揺動によって発電できるように二次電池１０を挟んで両側に１つずつ配置するようにした。しかしながら、発電部３１，４１を二次電池１０の上下方向、左右方向、及び前後方向のいずれかの揺動によって発電できるように二次電池１０を挟んで両側にそれぞれ複数配置するようにしてもよい。このようにすれば、発電装置での発電量を増加させることができる。
【００４１】
・上記実施形態では、発電部３１で発電された電力は二次電池１０に蓄えられるようにしたが、二次電池１０に充電せず、直接アクチュエータ４に電力を供給するようにしてもよい。
【００４２】
・上記実施形態では、発電部３１，４１で発電された電力を二次電池１０に蓄えるようにしたが、発電部３１，４１で発電された電力を蓄える補助二次電池を設けるようにしてもよい。このようにすれば、発電部３１，４１で発電された電力を蓄える補助二次電池が設けられるため、アクチュエータ４の駆動源となる二次電池１０と役割を分けることで、例えば補助二次電池を非常電源用として、二次電池１０が使えなくなった非常時に退避動作のみを行うようにすることができる。
【００４３】
・上記実施形態にいて、揺動支持部材は、必ずしもばね２５に限らず、例えばゴム等を採用してもよい。
・上記実施形態において、アクチュエータ４は、必ずしもモータに限らず、例えば空圧シリンダ、油圧シリンダ等を採用してもよい。
【００４４】
・上記構成において、レール２３を省略した構成を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】（ａ）筋力補助装置の前面側の装着状態を示す模式図、（ｂ）筋力補助装置の背面側の装着状態を示す模式図。
【図２】筋力補助装置の概略構成を示すブロック図。
【図３】バックパックの内部構造を示す縦断面図。
【図４】バックパックの内部構造を示す横断面図。
【図５】発電部の構成を示す断面拡大図。
【図６】発電部の構成を示す断面拡大図。
【図７】（ａ）（ｂ）二次電池の揺動を示す縦断面図。
【図８】発電装置の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００４６】
１…装置装着者、２…筋力補助装置、３…生体信号検出部、４…アクチュエータ、５…フレーム、６…ＥＣＵ、７…ＣＰＵ、８…メモリ、１０…二次電池、１１…溝、１２…凸部、１３…磁石、２０…バックパック、２１…制御用空間、２２…電池用空間、２３…レール、２３ａ…突条部、２５…ばね、３０…発電装置、３１…発電部、３２…圧電セラミックス、３３…圧電素子、３４…電極、３５…整流器、４１…発電部、４２…コイル、４４…電極、４５…整流器、Ｓ…検出信号、Ｐｍａ…制御プログラム。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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