(57)【要約】  ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有する、負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、前記ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、前記負荷の前記ユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出する床反力荷重差算出部と、前記床反力荷重差に基づいて、前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するために前記負荷軽減装置の駆動機構が出力するトルクを制御するトルク制御部と、を備える。
2020100730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有する、負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、前記ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、前記負荷の前記ユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出する床反力荷重差算出部と、
前記床反力荷重差に基づいて、前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するために前記負荷軽減装置の駆動機構が出力するトルクを制御するトルク制御部と、
を備えた負荷軽減装置。
【請求項２】
前記床反力荷重差算出部は、前記ユーザが装着する靴の靴底に設けられ、前記負荷軽減装置の重量を前記接地面に伝える靴裏プレートの接地面側に設けられた第一計測部から前記第一計測値を取得し、前記ユーザが装着する靴の靴底に設けられた第二計測部から前記第二計測値を取得する
請求項１に記載の負荷軽減装置。
【請求項３】
前記床反力荷重差算出部は、前記脚が立脚しているときの前記床反力荷重差を算出する
請求項１または請求項２に記載の負荷軽減装置。
【請求項４】
前記トルク制御部は、前記脚の各関節の角度に基づいて前記トルクを制御する
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の負荷軽減装置。
【請求項５】
前記トルク制御部は、前記第一計測値又は前記第二計測値に基づいて前記トルクを制御する
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の負荷軽減装置。
【請求項６】
ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有する、負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、前記ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、前記負荷の前記ユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出し、
前記床反力荷重差に基づいて、前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するために前記負荷軽減装置の駆動機構が出力するトルクを制御する
負荷軽減方法。
【請求項７】
負荷軽減装置のコンピュータに、
ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有する、負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、前記ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、前記負荷の前記ユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出し、
前記床反力荷重差に基づいて、前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するために前記負荷軽減装置の駆動機構が出力するトルクを制御する、
処理を実行させるプログラムを記憶する記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷軽減装置、負荷軽減方法、及びプログラムを記憶する記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザが着用することでユーザの歩行動作等の負荷のアシストや、ユーザが運ぶ荷物の負荷を免荷する負荷軽減装置が知られている。当該負荷軽減装置は人が装着できる場合にはパワードスーツと呼ばれることもある。【０００３】
パワードスーツには、アクチュエータから筋力を補助するためのトルクを出力することにより、ユーザの脚に設けられたリンク機構を駆動して歩行動作をアシストするものがある。特許文献１には関節角度に基づいてアクチュエータを駆動するためのトルク値を算出する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１３６６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところでパワードスーツのような負荷軽減装置は、負荷軽減に必要なトルクをユーザの動作の勢いに応じて逐次変動する必要がある。そして負荷軽減装置では、ユーザの動作に対してより適切な負荷軽減をすることが望まれている。【０００６】
そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる負荷軽減装置、負荷軽減方法、及びプログラムを記憶する記憶媒体を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、負荷軽減装置は、ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有する、負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、前記ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、前記負荷の前記ユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出する床反力荷重差算出部と、前記床反力荷重差に基づいて、前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するために前記負荷軽減装置の駆動機構が出力するトルクを制御するトルク制御部と、を備える。【０００８】
本発明の第２の態様によれば、負荷軽減方法は、ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有する、負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、前記ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、前記負荷の前記ユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出し、前記床反力荷重差に基づいて、前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するために前記負荷軽減装置の駆動機構が出力するトルクを制御する。【０００９】
本発明の第３の態様によれば、記憶媒体に記憶されたプログラムは、負荷軽減装置のコンピュータに、ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有する、負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、前記ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、前記負荷の前記ユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出し、前記床反力荷重差に基づいて、前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するために前記負荷軽減装置の駆動機構が出力するトルクを制御する、処理を実行させる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によればユーザの動作に対してより適切な負荷軽減をすることができる負荷軽減装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態によるパワードスーツの構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による靴裏荷重センサと足裏荷重センサとの配置関係を示す第一の図である。
【図３】本発明の一実施形態による靴裏荷重センサと足裏荷重センサとの配置関係を示す第二の図である。
【図４】本発明の一実施形態による靴裏荷重センサと足裏荷重センサの面積の関係を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による荷重センサの概要を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による制御装置のハードウェア構成を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による制御装置の機能ブロック図である。
【図８】本発明の一の実施形態による制御装置の動作を示す動作ブロック図である。
【図９】本発明の一の実施形態による床反力荷重差の一例を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態によるパワードスーツの処理フローを示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態による靴裏荷重センサと足裏荷重センサの他の配置例を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態による靴裏荷重センサと足裏荷重センサの他の配置例を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態による制御装置の最小構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態による負荷軽減装置、負荷軽減方法、及びプログラムを記憶する記憶媒体を、図面を参照して説明する。
図１は本実施形態によるパワードスーツの構成を示す図である。
パワードスーツ１００は負荷軽減装置の一態様である。パワードスーツ１００は、骨格部１１、ベルト１２、股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４、足首アクチュエータ１５、靴裏プレート１６、足装着具１７、靴裏荷重センサ１８（第一計測部）、足裏荷重センサ１９（第二計測部）、荷台２０、制御装置２１、バッテリ２２、股関節センサ２３、膝関節センサ２４、足関節センサ２５等により構成される。骨格部１１は、一例としては、第一骨格部１１１、第二骨格部１１２、及び第三骨格部１１３に大別される。
【００１３】
図１に図示するようにパワードスーツ１００は一例として荷物を保持する機構の一態様である荷台２０を支えるように、次のように構成される。すなわち、パワードスーツ１００は、第一骨格部１１１が設けられ、左右の股アクチュエータ１３はそれぞれ第一骨格部１１１と、パワードスーツ１００を装着するユーザの左側または右側の大腿部に沿う対応する第二骨格部１１２とが回動可能に連結される。また左右の膝アクチュエータ１４は、対応する左側または右側の第二骨格部１１２と、パワードスーツ１００を装着するユーザの左側または右側の膝下脚部に沿う対応する第三骨格部１１３とを回動可能に連結する。また足首アクチュエータ１５は、対応する左側または右側の第三骨格部１１３と、パワードスーツ１００を装着するユーザの左側または右側の足装着具１７の裏に設けられる対応する靴裏プレート１６に回動可能に連結する。股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５は、ユーザの各脚の各関節においてユーザに掛かる負荷を軽減するトルクを出力する駆動機構である。
【００１４】
股関節センサ２３は、股アクチュエータ１３に設置され、股関節角度、つまり第一骨格部１１１と第二骨格部１１２との角度をエンコーダにより検出する。膝関節センサ２４は、膝アクチュエータ１４に設置され、膝関節角度、つまり第二骨格部１１２と第三骨格部１１３との角度をエンコーダにより検出する。足関節センサ２５は、足首アクチュエータ１５に設置され、足関節角度、つまり第三骨格部１１３と靴裏プレート１６との角度をエンコーダにより検出する。股関節センサ２３，膝関節センサ２４，足関節センサ２５は、ユーザの各脚の各関節の角度（以下「関節角度」とする。）を検出する。
【００１５】
パワードスーツ１００を装着するユーザは、自身の左右の足を対応する側の足装着具１７に装着すると共に、腰に第一骨格部１１１が密着するようにベルト１２で固定する。パワードスーツ１００は、荷物の荷重とパワードスーツ１００の荷重の多くを、足裏の接地面に骨格部１１と股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５を介して逃がすような構造となっている。ユーザはパワードスーツ１００の制御装置２１の電源を入れる。制御装置２１は、荷台２０に積載された荷物の荷重と、パワードスーツ１００の重量とを合計した装置重量を、できるだけ多く歩行面に骨格部１１と股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５を介して伝えるように、股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５を制御する。これによりパワードスーツ１００は、パワードスーツ１００を装着し様々な動作を行うユーザにかかる荷物の荷重等の負荷を免荷する。
【００１６】
図２は靴裏荷重センサと足裏荷重センサとの配置関係を示す第一の図である。
図３は靴裏荷重センサと足裏荷重センサとの配置関係を示す第二の図である。
図２では図１の右足の足装着具１７と各センサを踵方向から視認した場合の図を示している。図３では図２の右足の足装着具１７と各センサを内股方向から視認した場合の図を示している。これら図２、図３に示すように、靴裏荷重センサ１８は、ユーザが装着する靴に相当する足装着具１７の底（靴底）に設けられる。靴裏荷重センサ１８は、パワードスーツ１００や荷物の重量Ｆを接地面に伝える靴裏プレート１６やユーザの体重を接地面に伝える足装着具１７の接地面側に、靴裏プレート１６や足装着具１７の裏面の全体を覆うように設けられている。足裏荷重センサ１９は、足装着具１７の中にユーザの足裏から係る重量を計測できるように足裏面全体を覆うように設けられている。足裏荷重センサ１９は足装着具１７のインソールと靴裏プレート１６の間に設けられてもよい。
【００１７】
図４は靴裏荷重センサと足裏荷重センサの面積の関係を示す図である。
図４は足装着具１７と靴裏荷重センサ１８，足裏荷重センサ１９を上方から視認した場合の図である。この図が示すように、靴裏荷重センサ１８は足装着具１７や靴裏プレート１６の接地面（裏面）全体を覆うような面積を有する。また足裏荷重センサ１９は足装着具１７の内部に足裏面全体を覆うように設けられる。靴裏プレート１６は一例としては図４に示すように、靴裏荷重センサ１８の幅方向に、足装着具１７と靴裏荷重センサ１８とにより挟まれるように設けられている。
【００１８】
図５は荷重センサの概要を示す図である。
靴裏荷重センサ１８や足裏荷重センサ１９には、一例として図５で示すように、薄いシート状の絶縁体の表裏に行列状に電極が配置される。靴裏荷重センサ１８や足裏荷重センサ１９は、電極の格子点の電気抵抗を計測し、その計測値を制御装置２１に出力する。制御装置２１は各格子点の電気抵抗値に基づいて、各格子点に加わった圧力、及びセンサシートの面全体での荷重を算出する。図５は足裏荷重センサ１９を示している。
【００１９】
図６は制御装置のハードウェア構成を示す図である。
この図が示すように制御装置２１はＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０３、信号入出力装置１０４、無線通信装置１０５等の各ハードウェアを備えたコンピュータである。
信号入出力装置１０４は、靴裏荷重センサ１８や足裏荷重センサ１９や股関節センサ２３や膝関節センサ２４や足関節センサ２５から出力された信号を入力とする。信号入出力装置１０４は、股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４、足首アクチュエータ１５を制御する制御信号を出力する。制御装置２１はバッテリ２２からの電源供給により動作する。
無線通信装置１０５は他の装置と通信接続する。
【００２０】
図７は制御装置の機能ブロック図である。
制御装置２１は電源ボタンがＯＮされることによりバッテリ２２から供給された電力に基づいて起動する。制御装置２１は起動後に制御プログラムを実行する。これにより制御装置２１には、情報取得部２１１、総合制御部２１２、アクチュエータ制御部２１３、電源部２１４、記憶部２１５が少なくとも備わる。
情報取得部２１１は靴裏荷重センサ１８、足裏荷重センサ１９、股関節センサ２３、膝関節センサ２４及び足関節センサ２５からセンシング情報を取得する。靴裏荷重センサ１８のセンシング情報は、図５を用いて説明した各格子点の圧力（荷重）に対応する電気抵抗値を示す靴裏荷重情報である。足裏荷重センサ１９のセンシング情報は各格子点の圧力（荷重）に対応する電気抵抗値を示す足裏荷重情報である。股関節センサ２３、膝関節センサ２４及び足関節センサ２５のセンシング情報は検出した関節角度を示す関節角度情報である。
アクチュエータ制御部２１３は股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４及び足首アクチュエータ１５を制御する。
電源部２１４は電源ボタンがＯＮされるとバッテリ２２から制御装置２１の各部に電力を供給する。
記憶部２１５は、脚の各関節における角度基準を記憶する。
【００２１】
総合制御部２１２は、床反力荷重差算出部２１２１、トルク制御部２１２２を備える。
床反力荷重差算出部２１２１は、第一計測値と、第二計測値とを取得する。第一計測値は、パワードスーツ１００（負荷軽減装置）の重量とユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる値を示す。パワードスーツ１００は、ユーザに掛かる負荷を軽減し、少なくとも当該ユーザが装着する。第二計測値は、ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる値を示す。
床反力荷重差算出部２１２１は、それら第一計測値と第二計測値とに基づいて負荷のユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出する。第一計測値は靴裏荷重センサ１８が検出する靴裏荷重情報に基づく靴裏床反力荷重である。第二計測値は足裏荷重センサ１９が検出する足裏荷重情報に基づく足裏床反力荷重である。また床反力荷重差算出部２１２１は、歩行一歩の開始から終了までの足取サイクルにおける片足の着地後の当該片足による立脚期間における床反力荷重差を算出する。
トルク制御部２１２２は、股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５が出力する出力トルクを制御する。トルク制御部２１２２は、床反力荷重差算出部２１２１が算出した床反力荷重差及び股関節センサ２３，膝関節センサ２４，足関節センサ２５が検出する各脚の各関節角度に基づいて、ユーザの脚の関節においてユーザに掛かる負荷を軽減するために、出力トルクを制御する。またトルク制御部２１２２は、第一計測値または第二計測値に基づいて出力トルクを制御してもよい。
【００２２】
続いて、制御装置２１の動作について詳細に説明する。
図８は制御装置の動作を示す動作ブロック図である。
まず、床反力荷重差算出部２１２１が、靴裏荷重センサ１８が検出する靴裏荷重情報に基づく第一計測値（靴裏床反力荷重）と、足裏荷重センサ１９が検出する足裏荷重情報に基づく第二計測値（足裏床反力荷重）とに基づいて床反力荷重差を算出する。
床反力荷重差算出部２１２１は、パワードスーツ１００の靴裏プレート１６や足装着具１７の接地面側に設けられた靴裏荷重センサ１８に加わる第一計測値（靴裏床反力荷重）を、靴裏荷重情報に基づいて算出する。具体的には床反力荷重差算出部２１２１は靴裏荷重情報に含まれる各格子点の電気抵抗値に基づいて、各格子点に加わった圧力、及び面全体での荷重を算出し、靴裏荷重センサ１８に加わる第一計測値（靴裏床反力荷重）を求める。第一計測値が示す重量は、ユーザの体重、パワードスーツ１００の重量、荷物の重量Ｆなどの歩行時の合成重量Ｆ’が靴裏荷重センサ１８に加わる重量である。より具体的には第一計測値は、「負荷（荷物の重量Ｆ）＋スーツ重量＋体重＋加速度に起因した力など」を合成した値となる。
【００２３】
また床反力荷重差算出部２１２１は、パワードスーツ１００の足装着具１７内部に挿入された足裏荷重センサ１９に加わる第二計測値（足裏床反力荷重）を足裏荷重情報に基づいて算出する。第二計測値（足裏床反力荷重）は、ユーザの体重やユーザに掛かる負荷（荷物の重量やパワードスーツの重量のうち骨格部１１を介して接地面に逃げることができなかった重量等）の合成重量ｆが足裏荷重センサ１９に加わる重量である。具体的には床反力荷重差算出部２１２１は、靴裏荷重情報に含まれる各格子点の電気抵抗値に基づいて、各格子点に加わった圧力、及び面全体での荷重を算出し、足裏荷重センサ１９に加わる第二計測値（足裏床反力荷重）を求める。より具体的には第二計測値は、「負荷（荷物の重量Ｆ）の一部＋スーツ重量の一部＋体重（の一部）＋加速度に起因した力の一部など」を合成した値となる。
【００２４】
床反力荷重差算出部２１２１は第一計測値から第二計測値を減じて床反力荷重差を算出する。この床反力荷重差は、荷物の重量やパワードスーツの重量のうち、接地面に骨格部１１を介して直接加わった重量である。床反力荷重差算出部２１２１は、さらにパワードスーツ１００の重量に基づく値を減じて、荷物のみの重量のうち、ユーザの歩行時に接地面に骨格部１１を介して直接加わった重量を算出するようにしてもよい。
【００２５】
図９は床反力荷重差の一例を示す図である。
この図において破線９１はユーザの片足の歩行一歩の開始から終了までを一単位とする足取サイクルにおいて、靴裏床反力荷重を示す第一計測値の遷移を示すグラフである。実線９２は足取サイクルにおいて足裏床反力荷重を示す第二計測値の遷移を示すグラフである。当該グラフにおいて横軸が、足取サイクルは歩行一歩の開始から終了まで時間経過の割合（％）を示している。
この足取サイクルにおいて０％から７０％までの期間は足が接地面に設置している（脚が立脚している）立脚期間を示す。またこの足取りサイクルにおいて７０％から１００％までの期間は、足が接地面（地面）から離れていることにより靴裏荷重センサ１８，足裏荷重センサ１９に荷重がかかっていない（脚が遊脚している）遊脚期間を示す。また当該グラフにおいて縦軸は荷重を示す。床反力荷重差算出部２１２１は立脚期間にあるいずれかの時点Ｔにおける第一計測値から、時点Ｔにおける第二計測値を減じて床反力荷重差Ｎを算出する。
【００２６】
床反力荷重差算出部２１２１は上述の処理により、左右両足の床反力荷重差を算出する。床反力荷重差算出部２１２１は算出した両足の床反力荷重差をトルク制御部２１２２へ出力する。
【００２７】
トルク制御部２１２２は、靴裏荷重センサ１８が検出する現在の第一計測値、足裏荷重センサ１９が検出する現在の第二計測値、入力された床反力荷重差、各関節それぞれの角度基準θｋ０、及び各脚の股関節センサ２３，膝関節センサ２４，足関節センサ２５それぞれが検出した現在の関節角度θｋを用いて、以下の一連の処理を行う。すなわち、トルク制御部２１２２は、リアルタイムに現時点におけるユーザの動作の特徴を検出し、内部に内蔵したパワードスーツ１００全体の動作推定モデルを用いて逐次、パワードスーツ１００の動作を推定する。そして、トルク制御部２１２２は、股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５が出力するトルクの目標値を算出する。すなわちトルク制御部２１２２は、現在の第一計測値、現在の第二計測値、床反力荷重差、各関節それぞれの角度基準θｋ０、及び各脚の各関節の現在の関節角度θｋを用いて、予め設定された動作推定モデルに基づいて各脚の股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５が出力するトルクの目標値を算出する。
例えばトルク制御部２１２２は、床反力荷重差をパワードスーツ１００により負荷軽減されている状態としてトルクの目標値を算出する。またトルク制御部２１２２は、第一計測値又は第二計測値を用いて各脚が遊脚状態、立脚状態のいずれであるかを判定してもよい。そしてトルク制御部２１２２は、遊脚時の動作推定モデルまたは立脚時の動作推定モデルに基づき、各関節角度を用いて各脚の各関節における出力トルクを算出してもよい。トルク制御部２１２２は、算出した各脚の股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５のトルクの目標値をアクチュエータ制御部２１３に出力する。
【００２８】
アクチュエータ制御部２１３は、各トルクの目標値に基づいて角度制御器Ｋｃｉ（ｓ）で股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５の回転角度を制御する。「ｓ」は、制御系の周波数領域を示す。その後、アクチュエータ制御部２１３は、力制御器Ｋｂｉ（ｓ）で各脚の股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５に関する現在のタイミングにおけるトルクτを算出し、それら各アクチュエータへ各トルクτを示す信号を出力する。
これにより、時系列ｋ番目（現在値）におけるユーザの印加する負荷抗力Ｆｋとユーザの印加トルクｌｋと出力トルクτとが各アクチュエータのダイナミクスＰ（ｓ）となる。股関節センサ２３，膝関節センサ２４，足関節センサ２５は、股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５のダイナミクスＰ（ｓ）に基づくパワードスーツ１００のダイナミクスＧ（ｓ）に応じた時系列ｋ番目における各関節角度θｋを検出する。そして制御装置２１は上述した処理を繰り返す。
【００２９】
なおアクチュエータ制御部２１３は、一例としては以下のトルク算出式を用いてトルクτを算出する。このトルク算出式（１）において、「（θ）／Ｇ（ｓ）」はアクチュエータ制御部２１へのフィードバック因子を示す。また「Ｆｋ・ｌｋ」はフィードフォワード因子を示す。またＴｉはトルク制御部の算出したトルクの目標値を示す。またｆ（θ）は股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５の角度基準を基準とした角度θを含む関数を示す。なお下記のトルク算出式は一例であって、以下に示すトルク算出式以外の式を用いてもよい。トルク算出式（１）において、「ｓ」は制御系の周波数領域を示し、Ｋｂｉは力制御器の制御モデルを、Ｋｃｉは角度制御器の制御モデルを示す。
【００３０】
τ＝Ｋｂｉ（ｓ）｛Ｔｉ・Ｋｃｉ（ｓ）−ｆ（θ）／Ｇ（ｓ）＋Ｆｋ・ｌｋ｝
・・・（１）
【００３１】
図１０はパワードスーツの処理フローを示す図である。
まずユーザはパワードスーツ１００を装着する。この時ユーザは足装着具１７の内部に足裏荷重センサ１９を挿入する。足裏荷重センサ１９は予め足装着具１７の内部に備えられてよい。足裏荷重センサ１９の面積はユーザの足の大きさに適した大きさものが利用されてよい。またユーザは靴裏荷重センサ１８をパワードスーツ１００の足装着具１７や靴裏プレート１６の接地面側に装着する。靴裏荷重センサ１８も予め足装着具１７や靴裏プレート１６の接地面側に備えられてよい。靴裏荷重センサ１８の面積はユーザの足の大きさに対応する足装着具１７に適した大きさものが利用されてよい。
【００３２】
ユーザはパワードスーツ１００に備わる制御装置２１の電源ボタンを操作して電源を投入する。これにより制御装置２１が始動する。ユーザはパワードスーツ１００を装着したまま歩行、駆け足、跳躍、飛び降りなどの動作を行う。ユーザはパワードスーツ１００の荷台２０に荷物を積載して歩行、駆け足、跳躍、飛び降りなどの動作をしてもよい。制御装置２１のアクチュエータ制御部２１３は荷物やパワードスーツ１００の自重によりユーザにかかる荷重を軽減するように股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４、足首アクチュエータ１５を制御する。これによりパワードスーツ１００は様々なユーザの動作に追従する。
【００３３】
制御装置２１が駆動している間、情報取得部２１１は股関節センサ２３，膝関節センサ２４，足関節センサ２５から関節角度情報を所定の間隔で取得する（ステップＳ１０１）。また制御装置２１が駆動している間、情報取得部２１１は靴裏荷重センサ１８から靴裏荷重情報を所定の間隔で取得する（ステップＳ１０２）。また制御装置２１が駆動している間、情報取得部２１１は足裏荷重センサ１９から足裏荷重情報を所定の間隔で取得する（ステップＳ１０３）。靴裏荷重情報と足裏荷重情報は、上述したように靴裏荷重センサ１８、足裏荷重センサ１９それぞれのセンサの格子点の圧力（荷重）に対応する電気抵抗値である。所定の間隔は一例としては１０ミリ秒毎などの短時間毎である。
【００３４】
床反力荷重差算出部２１２１は靴裏荷重情報が示す第一計測値（靴裏床反力荷重）から、足裏荷重情報が示す第二計測値（足裏床反力荷重）を減じて床反力荷重差を算出する（ステップＳ１０４）。トルク制御部２１２２は第一計測値、第二計測値、床反力荷重差、各関節の角度基準、及び各関節の関節角度に基づいて、各脚の股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５が出力するトルクの目標値を算出する（ステップＳ１０５）。
アクチュエータ制御部２１３は、トルク制御部２１２２が算出したトルクの目標値の各トルクを、各脚の股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５から出力させるための信号（τ）を、各アクチュエータへ出力する（ステップＳ１０６）。その後、ステップＳ１０１の処理に戻り、制御装置２１は処理を終了するまでステップＳ１０１からＳ１０６までの処理を繰り返す。
【００３５】
上述の処理によれば、パワードスーツ１００の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値から、ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値を減じた床反力荷重差に基づいて、股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５が出力するトルクを制御する。これにより、パワードスーツ１００の制御装置２１は、負荷のユーザに対する免荷量（パワードスーツ１００により負荷軽減されている状態）を考慮して直接的な負荷軽減の制御が可能となる。したがって、より適切なユーザの負荷軽減を実現することができる。
【００３６】
また、パワードスーツ１００とは別の装置が上述の処理を行う場合にはデータ送受信の遅延に起因してリアルタイム性が損なわれるおそれがある。ただし、本実施形態ではパワードスーツ１００が備える制御装置２１が上述の処理を実行するためユーザの急峻な動作に対しても遅延せずに対応可能である。
【００３７】
以上本発明の実施形態について説明したが、靴裏荷重センサ１８はパワードスーツ１００の靴裏プレート１６の接地面側に予め設けられていてよい。また足裏荷重センサ１９は足装着具１７の内部に予め挿入されていてよい。
【００３８】
また上述の説明では靴裏荷重センサ１８は足装着具１７の裏面の全体を覆うような面積を有し、足裏荷重センサ１９は足装着具１７の内部に足裏面全体を覆うような面積を有することを示した。しかしながら靴裏荷重センサ１８は、靴裏プレート１６や足装着具１７から接地面に加わる荷重をその荷重がかかる位置がずれた場合にも計測できるものであればよい。
【００３９】
例えば靴裏荷重センサ１８は、靴裏プレート１６の接地面側に複数設けられた圧力センサであってもよい。靴裏プレート１６の接地面の荷重ポイントが時間の経過に従って移動した場合でも、それら複数の圧力センサが順次、各荷重ポイントにおいて荷重を計測し、その荷重に対応する電気抵抗値を含む靴裏荷重情報を出力する。
また足裏荷重センサ１９も複数の圧力センサによって構成されてもよい。足裏の足装着具１７の荷重位置が時間の経過に従って移動した場合でも、それら複数の圧力センサが順次荷重を計測し、その荷重に対応する電気抵抗値を含む足裏荷重情報を出力する。
床反力荷重差算出部２１２１はそれら複数のセンサから得られた靴裏荷重情報や足裏荷重情報に基づいて、第一計測値、第二計測値、及び床反力荷重差を算出してよい。
【００４０】
床反力荷重差算出部２１２１は過去の靴裏荷重情報や足裏荷重情報に基づいて、機械学習によりそれらセンシング情報に対応する荷重を算出して記憶部２１５に記憶しておいてもよい。この場合、床反力荷重差算出部２１２１は靴裏荷重情報や足裏荷重情報が示す電気抵抗値に対応する荷重（靴裏床反力荷重や足裏床反力荷重）を記憶部２１５から読み取って床反力荷重差の算出に利用してよい。
【００４１】
また靴裏荷重センサ１８と足裏荷重センサ１９との配置関係は上述したものに限られない。
図１１及び図１２は靴裏荷重センサと足裏荷重センサの他の配置例を示す図である。
図１１は右足の足装着具１７と各センサを踵方向から視認した場合の図を示している。
図１２は図１１の右足の足装着具１７と各センサを内股方向から視認した場合の図を示している。
これら図１１、図１２は、靴裏荷重センサ１８の裏面の全体を覆うように、保護シート１４０が設けられている点で図２、図３と異なる。また靴裏プレート１６は、足装着具１７のソール１４１に埋め込まれる。また足装着具１７の接地部分はよりフラットな形状になっている。靴裏荷重センサ１８の裏面には保護シート１４０が設けられる。保護シート１４０は靴裏荷重センサ１８を上下で挟むように設けてもよい。保護シート１４０が靴裏荷重センサを保護することで、靴裏荷重センサ１８の耐性を向上でき、計測時の破損等の不具合から防止できるという効果がある。
【００４２】
また上述の例では制御装置２１はパワードスーツ１００に設けられているが、これに限らず、パワードスーツ１００と無線または有線により通信接続する他の装置が制御装置２１の機能を備えていてもよい。
【００４３】
図１３は制御装置の最小構成を示す図である。
負荷軽減装置の最小構成は制御装置２１である。制御装置２１は少なくとも上述の床反力荷重差算出部２１２１及びトルク制御部２１２２の機能を備えればよい。
床反力荷重差算出部２１２１は、負荷軽減装置の重量とユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、負荷のユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出する。負荷軽減装置は、ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有する。
トルク制御部２１２２は、床反力荷重差算出部２１２１が算出した床反力荷重差に基づいて、ユーザの脚の関節においてユーザに掛かる負荷を軽減するために股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５が出力する出力トルクを制御する。
【００４４】
上述の制御装置２１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０３、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）１０４、無線通信装置１０５等の各ハードウェアを備えたコンピュータであってよい。
【００４５】
上述の制御装置２１は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
【００４６】
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。
さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【００４７】
この出願は、２０１８年１１月１２日に日本出願された特願２０１８−２１１９９３号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明によればユーザの動作に対してより適切な負荷軽減をすることができる負荷軽減装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１００・・・パワードスーツ
１１・・・骨格部
１２・・・ベルト
１３・・・股アクチュエータ
１４・・・膝アクチュエータ
１５・・・足首アクチュエータ
１６・・・靴裏プレート
１７・・・足装着具
１８・・・靴裏荷重センサ
１９・・・足裏荷重センサ
２０・・・荷台
２１・・・制御装置
２２・・・バッテリ
２３・・・股関節センサ
２４・・・膝関節センサ
２５・・・足関節センサ
２１１・・・情報取得部
２１２・・・総合制御部
２１２１・・・床反力荷重差算出部
２１２２・・・トルク制御部
２１３・・・アクチュエータ制御部
２１４・・・電源部
２１５・・・記憶部
【図１】
2020100730.tif 000003
【図２】
2020100730.tif 000004
【図３】
2020100730.tif 000005
【図４】
2020100730.tif 000006
【図５】
2020100730.tif 000007
【図６】
2020100730.tif 000008
【図７】
2020100730.tif 000009
【図８】
2020100730.tif 000010
【図９】
2020100730.tif 000011
【図１０】
2020100730.tif 000012
【図１１】
2020100730.tif 000013
【図１２】
2020100730.tif 000014
【図１３】
2020100730.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】令和3年1月28日(2021.1.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有する、負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、前記ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、前記負荷の前記ユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出する床反力荷重差算出部と、
前記床反力荷重差に基づいて、前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するために前記負荷軽減装置の駆動機構が出力するトルクを制御するトルク制御部と、
を備えた負荷軽減装置。
【請求項２】
前記床反力荷重差算出部は、前記ユーザが装着する靴の靴底に設けられ、前記負荷軽減装置の重量を前記接地面に伝える靴裏プレートの接地面側に設けられた第一計測部から前記第一計測値を取得し、前記ユーザが装着する靴の靴底に設けられた第二計測部から前記第二計測値を取得する
請求項１に記載の負荷軽減装置。
【請求項３】
前記床反力荷重差算出部は、前記脚が立脚しているときの前記床反力荷重差を算出する
請求項１または請求項２に記載の負荷軽減装置。
【請求項４】
前記トルク制御部は、前記脚の各関節の角度に基づいて前記トルクを制御する
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の負荷軽減装置。
【請求項５】
前記トルク制御部は、前記第一計測値又は前記第二計測値に基づいて前記トルクを制御する
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の負荷軽減装置。
【請求項６】
ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有する、負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、前記ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、前記負荷の前記ユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出し、
前記床反力荷重差に基づいて、前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するために前記負荷軽減装置の駆動機構が出力するトルクを制御する
負荷軽減方法。
【請求項７】
負荷軽減装置のコンピュータに、
ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有する、負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、前記ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、前記負荷の前記ユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出し、
前記床反力荷重差に基づいて、前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するために前記負荷軽減装置の駆動機構が出力するトルクを制御する、
処理を実行させるプログラム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、負荷軽減装置、負荷軽減方法、及びプログラムに関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる負荷軽減装置、負荷軽減方法、及びプログラムを提供することを目的としている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の第３の態様によれば、プログラムは、負荷軽減装置のコンピュータに、ユーザに掛かる負荷を軽減し少なくとも当該ユーザが装着する荷物を保持する機構を有する、負荷軽減装置の重量と前記ユーザの体重とに基づく重量が接地面に伝わる第一計測値と、前記ユーザの体重に基づく重量が接地面に伝わる第二計測値とに基づいて、前記負荷の前記ユーザに対する免荷量である床反力荷重差を算出し、前記床反力荷重差に基づいて、前記ユーザの脚の関節において前記ユーザに掛かる負荷を軽減するために前記負荷軽減装置の駆動機構が出力するトルクを制御する、処理を実行させる。
【国際調査報告】
2020100730.tif 000016
2020100730.tif 000017