(57)【要約】  ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構と、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トルクを出力する駆動機構と、前記衝撃緩衝機構の動作に基づいて、前記駆動機構が出力する前記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。
2020100742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構と、
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トルクを出力する駆動機構と、
前記衝撃緩衝機構の動作に基づいて、前記駆動機構が出力する前記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】
前記衝撃緩衝機構は、弾性体により衝撃力を分散させる
請求項１に記載の負荷軽減装置。
【請求項３】
前記衝撃緩衝機構は、前記ユーザの大腿部または膝下脚部に沿って設けられる
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】
前記衝撃緩衝機構は、前記ユーザの背に対応する位置に設けられる
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】
前記衝撃緩衝機構は、前記ユーザが装着する荷物を保持する機構に設けられる
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】
ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構と、
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トルクを出力する駆動機構と、を備えた負荷軽減装置に備えられ、
前記衝撃緩衝機構の動作に基づいて、前記駆動機構が出力する前記トルクを制御するトルク制御部を備えた制御装置。
【請求項７】
ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構の動作に基づいて、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８】
負荷軽減装置のコンピュータに、
ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構の動作に基づいて、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、制御装置、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には着座の際にアクチュエータが潰れるのを防ぐことができる動作アシスト装置が記載されている。特許文献２には装着者の動作を検出するための３軸加速度センサと３軸ジャイロセンサを有する６軸センサで検出されたユーザの動作と、各回転駆動部の回転角度とに基づいて、回転駆動部で発生させる駆動トルクの大きさを決定する技術が記載されている。特許文献３には動作反転時に発生する機械的遊びによる撃力を緩和する歩行支援装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−０８３２７５号公報
【特許文献２】特開２０１８−０６１６６３号公報
【特許文献３】特開２０１４−１８４０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１〜３に記載された技術では、ユーザが駆け足や跳躍等の俊敏な動作を行う場合には、地面に接地したときに発生する大きな衝撃に応じた非常に大きなトルクが各関節に必要となる。そのため、各関節用のアクチュエータのモータやバッテリは大型化や重量化する傾向にある。よって、負荷軽減装置として大型化や重量化してしまい、ユーザには容易に扱いづらいという問題があった。【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、制御装置、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、ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構と、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トルクを出力する駆動機構と、前記衝撃緩衝機構の動作に基づいて、前記駆動機構が出力する前記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、制御装置は、ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構と、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トルクを出力する駆動機構と、を備えた負荷軽減装置に備えられ、前記衝撃緩衝機構の動作に基づいて、前記駆動機構が出力する前記トルクを制御するトルク制御部を備える。【０００９】
本発明の第３の態様によれば、負荷軽減方法は、ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構の動作に基づいて、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駆動機構が出力するトルクを制御する。【００１０】
本発明の第４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、ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構の動作に基づいて、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】
【００１１】
本発明によれば負荷軽減装置の小型化及び軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の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】本発明の第１の実施形態による衝撃緩衝機構の一例を示す図である。
【図３】本発明の第１の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４】本発明の第１の実施形態による制御装置の機能ブロック図である。
【図５】本発明の第１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６】本発明の第１の実施形態による足取りサイクルにおける関節トルクの遷移を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の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８】本発明の第２の実施形態による衝撃緩衝機構の一例を示す図である。
【図９Ａ】本発明の第３の実施形態による衝撃緩衝機構の一例を示す第一の図である。
【図９Ｂ】本発明の第３の実施形態による衝撃緩衝機構の一例を示す第二の図である。
【図１０】本発明のパワードスーツの最小構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
＜第１の実施形態＞
まず第１の実施形態について説明する。
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、足裏荷重センサ１９、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。
【００１５】
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には、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連結するリンク（フレーム）を回転駆動するトルクを出力してユーザに掛かる負荷を軽減する駆動機構１３０である。第一骨格部１１１と第二骨格部１１２とは、股アクチュエータ１３が連結するリンクである。また第二骨格部１１２と第三骨格部１１３とは、膝アクチュエータ１４が連結するリンクである。また第三骨格部１１３と靴裏プレート１６とは、足首アクチュエータ１５が連結するリンクである。各リンク及び駆動機構１３０がリンク機構を構成する。
【００１６】
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。
【００１７】
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掛か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。例えば、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の間に設けられてよい。
靴裏荷重センサ１８や足裏荷重センサ１９には、一例として、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。
【００１８】
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に入れると共に、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と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と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掛かる荷物の荷重等の負荷を免荷する。
【００１９】
図２は本実施形態による衝撃緩衝機構の一例を示す図である。
パワードスーツ１００は、ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収することで、当該衝撃力を時間的に分散可能な衝撃緩衝機構２７を備える。衝撃緩衝機構２７は、弾性体であるバネ及びダッシュポットを並列または直列に配置した弾性機構である。衝撃緩衝機構２７は、一例として第二骨格部１１２に設けられる第一衝撃緩衝機構２７１と、第三骨格部１１３に設けられる第二衝撃緩衝機構２７２とに大別される。第一衝撃緩衝機構２７１は第二骨格部１１２に沿う方向Ｄ１に伸縮する。また第二衝撃緩衝機構２７２は第三骨格部１１３に沿う方向Ｄ２に伸縮する。これにより衝撃緩衝機構２７は脚にかかる衝撃を吸収して時間的に分散する。
【００２０】
図３は本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。
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。
【００２１】
図４は本実施形態による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及び足裏荷重センサ１９のセンシング情報は各センサの格子点の圧力（荷重）に対応する電気抵抗値を示す荷重情報である。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。
【００２２】
総合制御部２１２は、衝撃緩衝機構の動作推定部２１２１、トルク制御部２１２２を備える。
動作推定部２１２１は、衝撃緩衝機構２７の動作に基づいて、衝撃緩衝機構２７の状態を推定する。例えば、動作推定部２１２１は、予め設定された衝撃緩衝機構２７の動作推定モデルに基づいて緩衝された衝撃に相当する荷重値を衝撃緩衝機構２７の状態として算出し、算出した荷重値を示す推定情報をトルク制御部２１２２に出力する。
トルク制御部２１２２は、衝撃緩衝機構２７の動作に基づいて、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。例えば、トルク制御部２１２２は、動作推定部２１２１から入力された推定情報が示す荷重値を、衝撃緩衝機構２７により緩衝された衝撃として足裏または靴裏に掛かる荷重値から減算する。トルク制御部２１２２は、減算後の荷重値と股関節センサ２３，膝関節センサ２４，足関節センサ２５が検出する関節角度とに基づいて、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が出力するトルクの目標値を算出する。
【００２３】
続いて、制御装置２１の動作について詳細に説明する。
図５は本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。
まず、動作推定部２１２１が、予め設定された衝撃緩衝機構２７の動作推定モデルにより衝撃緩衝機構２７の状態を推定する。具体的には、動作推定部２１２１は、衝撃緩衝機構２７の動作状況を示す衝撃緩衝機構情報と、靴裏荷重センサ１８または足裏荷重センサ１９が検出する各脚の荷重値と、各脚の股関節センサ２３，膝関節センサ２４，足関節センサ２５が検出する関節角度θｋとに基づいて、動作推定モデルにより衝撃緩衝機構２７の状態を推定する。衝撃緩衝機構情報は、例えばバネの現在の長さを示すバネ長や、ダッシュポットの現在の長さを示すダッシュポット長や、バネ及びダッシュポットの伸縮速度や、バネ及びダッシュポットに掛かる荷重値等を含む。動作推定部２１２１は、例えば緩衝した衝撃に相当する荷重値を衝撃緩衝機構２７の状態として推定する。そして動作推定部２１２１は、推定した衝撃緩衝機構２７の状態を示す推定情報をトルク制御部２１２２に出力する。
【００２４】
トルク制御部２１２２は、動作推定部２１２１から入力された推定情報と、靴裏荷重センサ１８または足裏荷重センサ１９が検出する各脚の荷重値と、各脚の股関節センサ２３，膝関節センサ２４，足関節センサ２５が検出する関節角度θｋと、各関節それぞれの角度基準θｋ０とを用いて、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、推定情報、現在の荷重値、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は荷重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。一例としてトルク制御部２１２２は荷重値が第１の閾値以上になると立脚期間と判定し、荷重値が第２の閾値以下になると遊脚期間と判定する。またトルク制御部２１２２は、推定情報に含まれる荷重値を衝撃緩衝機構２７により緩衝された衝撃として靴裏荷重センサ１８または足裏荷重センサ１９が検出する各脚の荷重値から減算する。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、減算後の各脚の荷重値と各脚の各関節角度とを用いて各脚の各関節におけるトルクの目標値を算出する。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の目標値をアクチュエータ制御部２１３に出力する。
【００２５】
アクチュエータ制御部２１３は、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。
【００２６】
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。
【００２７】
τ＝Ｋｂｉ（ｓ）｛Ｔｉ・Ｋｃｉ（ｓ）−ｆ（θ）／Ｇ（ｓ）＋Ｆｋ・ｌｋ｝
・・・（１）
【００２８】
図６は本実施形態による足取りサイクルにおける関節トルクの遷移を示すグラフである。
この図において実線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りサイクルにおいて、衝撃緩衝機構２７を備えない場合における関節トルクの遷移を示す。関節トルク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が各関節において出力するトルクの目標値（単位はＮｍ（ニュートンメートル））である。実線９２は足取りサイクルにおいて衝撃緩衝機構２７を備える場合における関節トルクの遷移を示す。当該グラフにおいて横軸が、足取サイクルの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４０％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４０％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関節トルクを示す。
【００２９】
衝撃緩衝機構２７を備えない場合にはピーク時Ｔの関節トルクがτ１であるのに対して、衝撃緩衝機構２７を備える場合にはピーク時Ｔの関節トルクがτ１の半分以下のτ２である。これは、衝撃緩衝機構２７が地面からの衝撃のエネルギーを吸収して地面に伝達することで、矢印９３に示すようにエネルギーを前後の時間に分散することができるためである。これにより、ピーク時Ｔに必要な関節トルクを小さくすることができる。
【００３０】
図７は本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。
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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及び足裏荷重センサ１９から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は衝撃緩衝機構２７から衝撃緩衝機構情報を取得する（ステップＳ１０３）。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。
【００３３】
動作推定部２１２１は、衝撃緩衝機構情報、関節角度情報、及び荷重情報に基づいて衝撃緩衝機構２７の状態を推定する（ステップＳ１０４）。トルク制御部２１２２は、衝撃緩衝機構２７の状態を示す推定情報、各脚に掛かる荷重値、各関節の角度基準、及び各脚の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が出力する出力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について算出されたトルクの目標値に基づいて、現在のタイミングにおける各トルクτを算出し、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。
【００３４】
上述の処理によれば、大きな衝撃がパワードスーツ１００に印加された場合であっても、衝撃緩衝機構２７によって衝撃が緩衝され、リンク機構のフレームを介して各関節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に伝達される。このためピーク時の必要トルクが小さくなる。さらにトルク制御部２１２２は衝撃緩衝機構２７の動作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の必要トルクを算出している。このため、衝撃緩衝機構２７の動作を考慮したパワードスーツ１００全体として、より最適で正確な必要トルクを股アクチュエータ１３，膝アクチュエータ１４，足首アクチュエータ１５が出力できる。この仕組みを採用することによって、各関節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が出力する最大トルク値を低減することができる。このため、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を小型化及び軽量化することができる。よって、パワードスーツ１００全体の小型化及び軽量化が可能となるため、ユーザが扱いやすくなる。
【００３５】
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。
【００３６】
＜第２の実施形態＞
次に第２の実施形態について説明する。
図８は本実施形態による衝撃緩衝機構の一例を示す図である。
本実施形態におけるパワードスーツ１００は、第１の実施形態における衝撃緩衝機構２７に代えて、衝撃緩衝機構２８を備える。衝撃緩衝機構２８は、ユーザの動作時に発生する衝撃を吸収することで時間的に分散可能な機構である。衝撃緩衝機構２８は弾性体であるバネ及びダッシュポットを並列または直列に配置した弾性機構である。衝撃緩衝機構２８は荷台２０の荷物Ｂを積載する位置に設けられる。すなわち衝撃緩衝機構２８はユーザの背に対応する位置に設けられる。荷物Ｂは衝撃緩衝機構２８の上に積載される。衝撃緩衝機構２８はユーザの背（荷台２０の背部分）に沿う方向Ｄ１１に伸縮する。これにより衝撃緩衝機構２８は脚にかかる衝撃を吸収して時間的に分散する。パワードスーツ１００の他の構成は第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００３７】
＜第３の実施形態＞
次に第３の実施形態について説明する。
図９Ａ及び図９Ｂは本実施形態による衝撃緩衝機構の一例を示す図である。
図９Ａに示すように、本実施形態におけるパワードスーツ１００は第１の実施形態における衝撃緩衝機構２７に代えて、衝撃緩衝機構２９を備える。衝撃緩衝機構２９は、ユーザの動作時に発生する衝撃を吸収することで時間的に分散可能な機構である。図９Ｂに示すように、衝撃緩衝機構２９は回転軸２９１を軸にして２つのカウンタ２９２，２９３を回転させることにより平衡をとるカウンタバランス機構である。衝撃緩衝機構２９は荷台２０または荷物Ｂに設けられる。すなわち衝撃緩衝機構２９はユーザの背に対応する位置に設けられる。カウンタ２９２は矢印Ｄ２１の方向に回転する。またカウンタ２９３は矢印Ｄ２２の方向に回転する。これにより衝撃緩衝機構２９は脚にかかる衝撃を吸収して時間的に分散させる。本実施形態における衝撃緩衝機構情報は、各カウンタ２９２，２９３の回転角度や、回転角速度や、付加遠心力等である。パワードスーツ１００の他の構成は第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００３８】
以上本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００３９】
また、本発明の一態様は、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。また、上記各実施形態や変形例に記載された要素であり、同様の効果を奏する要素同士を置換した構成も含まれる。
【００４０】
例えば、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。
【００４１】
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。
【００４２】
また上述の説明ではパワードスーツ１００を制御する場合を例示したが、これに限らず、制御装置２１は非線形なモード移行を有する多関節型ロボット（例えばヒューマノイドロボット）等の制御全般において適用可能である。
【００４３】
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。
【００４４】
また上述の説明ではパワードスーツ１００は各関節それぞれに対応する股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４、及び足首アクチュエータ１５を備えているが、これに限定されるものではない。パワードスーツ１００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の少なくとも一つを備えるのみでもよい。例えば、パワードスーツ１００は股アクチュエータ１３及び膝アクチュエータ１４のみを備え、足首アクチュエータ１５は備えなくともよい。或いは、足首アクチュエータ１５を機械的な板バネ等の制御信号を用いないアクチュエータにしてもよい。この場合には、足関節センサ２５は板バネの曲げ角度を検出する角度検出センサまたは板バネの反力を検出する力センサである。トルク制御部２１２２は、足関節センサ２５が検出する板バネの曲げ角度または板バネの反力に基づいて股アクチュエータ１３及び膝アクチュエータ１４が出力するトルクの目標値を算出する。
【００４５】
また上述の説明ではパワードスーツ１００は靴裏荷重センサ１８及び足裏荷重センサ１９の両方を備えているが、これに限らず、靴裏荷重センサ１８または足裏荷重センサ１９のうちいずれか一方のみを備えていればよい。
【００４６】
図１０はパワードスーツの最小構成を示す図である。
負荷軽減装置の一態様としてのパワードスーツ１００は少なくとも衝撃緩衝機構２７０、駆動機構１３０及びトルク制御部２１２２の機能を備えればよい。
衝撃緩衝機構２７０は、ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収することで当該衝撃力を時間的に分散する。衝撃緩衝機構２７０は、上述した衝撃緩衝機構２７，２８，２９の総称であり、これら衝撃緩衝機構２７，２８，２９うちいずれかまたは任意の組み合わせであってよい。
駆動機構１３０は、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のトルクを出力する。駆動機構１３０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のうちいずれかまたは任意の組み合わせである。
トルク制御部２１２２は、衝撃緩衝機構２７０の動作に基づいて、駆動機構１３０が出力するトルクを制御する。
なお制御装置２１の最小構成は、少なくとも、上記トルク制御部２１２２の機能を備えればよい。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
この出願は、２０１８年１１月１３日に日本出願された特願２０１８−２１２８０３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】
【００５１】
本発明によれば負荷軽減装置の小型化及び軽量化を図ることができる。【００５２】
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
２７，２８，２９・・・衝撃緩衝機構
２１１・・・情報取得部
２１２・・・総合制御部
２１２１・・・動作推定部
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】
2020100742.tif 000003
【図２】
2020100742.tif 000004
【図３】
2020100742.tif 000005
【図４】
2020100742.tif 000006
【図５】
2020100742.tif 000007
【図６】
2020100742.tif 000008
【図７】
2020100742.tif 000009
【図８】
2020100742.tif 000010
【図９Ａ】
2020100742.tif 000011
【図９Ｂ】
2020100742.tif 000012
【図１０】
2020100742.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】令和3年1月29日(2021.1.29)
【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】
ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構と、
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トルクを出力する駆動機構と、
前記衝撃緩衝機構の動作に基づいて、前記駆動機構が出力する前記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】
前記衝撃緩衝機構は、弾性体により衝撃力を分散させる
請求項１に記載の負荷軽減装置。
【請求項３】
前記衝撃緩衝機構は、前記ユーザの大腿部または膝下脚部に沿って設けられる
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】
前記衝撃緩衝機構は、前記ユーザの背に対応する位置に設けられる
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】
前記衝撃緩衝機構は、前記ユーザが装着する荷物を保持する機構に設けられる
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】
ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構と、
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トルクを出力する駆動機構と、を備えた負荷軽減装置に備えられ、
前記衝撃緩衝機構の動作に基づいて、前記駆動機構が出力する前記トルクを制御するトルク制御部を備えた制御装置。
【請求項７】
ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構の動作に基づいて、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８】
負荷軽減装置のコンピュータに、
ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構の動作に基づいて、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、制御装置、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、制御装置、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】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の第４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、ユーザの動作時に発生する衝撃力を吸収する衝撃緩衝機構の動作に基づいて、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】
2020100742.tif 000014
2020100742.tif 000015
2020100742.tif 000016
2020100742.tif 000017