JP5344501B2 - 装着式動作補助装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、装着式動作補助装置及びその制御方法に関する。

現在、筋力が失われた身体障害者や筋力が衰えた高齢者等（以下、「被補助者」という）の動作を補助ないし代行するためのパワーアシスト装置の開発が進められている。近年においては、被補助者に装着可能であって被補助者の意思に基づいて必要な動力を随時発生させることが可能な装着式動作補助装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

装着式動作補助装置は、被補助者の腕や脚に装着される動作補助装着具を備えている。動作補助装着具としては、例えば、肩付近に装着される体幹部材と、少なくとも一つの回動軸を有する肩関節機構を介して体幹部材に連結され装着者の上腕部に装着される上腕部材と、少なくとも一つの回動軸を有する肘関節機構を介して上腕部材に連結され装着者の前腕部に装着される前腕部材と、を有するものが提案されている。かかる動作補助装着具は、体幹部材に対する上腕部材の回動と、上腕部材に対する前腕部材の回動と、を実現させる回動装置であり、関節機構に設けられた駆動装置（アクチュエータ）で発生させた動力により回動運動を実現させている。動作補助装着具が装着された者（装着者）は駆動装置の動力を利用して比較的大きい重量の荷物を保持することが可能となる。

特開２００５−２５３６５０号公報

しかし、前記したような従来の動作補助装着具を利用して比較的大きい重量の荷物を保持するには、所要の電力を駆動装置（アクチュエータ）に供給し続ける必要がある。従って、保持時間が長時間にわたるような場合には、電力が大量に消費されてしまうだけでなく、動作補助装着具を駆動する駆動装置が疲労（磨耗・破損）して耐用期間が短縮されてしまうおそれがあった。

また、前記したような従来の動作補助装着具を利用して荷物を保持している状態において、何らかの要因（例えば電力供給の遮断）により、動作補助装着具を駆動する駆動装置の駆動特性の調整が不能となった場合には、荷物及び部材を保持するための力が低減ないし消失してしまう。かかる事態が発生すると、重力によって部材が急激に回動し、これにより動作補助装着具が磨耗したり損傷したりするおそれがあった。

本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、動作補助装着具等の回動装置を使用する際の消費エネルギを節減するとともに、回動装置やこれを駆動する駆動装置の磨耗・損傷を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下のような特徴を有する。
〔１〕本発明は、動力で作動する装着式動作補助装置であって、装着者に装着される上腕部材及び前腕部材を有し、前記上腕部材及び前記前腕部材が肘関節機構により屈曲方向および伸展方向を画定するように前記肘関節機構の回動軸で動作可能に連結された動作補助装着具と、前記上腕部材及び前記前腕部材を取り外し可能に装着するベルトと、生体信号センサと、前記動作補助装着具に設けられ、前記肘関節機構まわりに前記上腕部材及び前記前腕部材を駆動するための力を印加するように、前記動作補助装着具の前記上腕部材及び前記前腕部材に連結され、前記生体信号センサからの生体信号に基づく駆動トルクを発生するアクチュエータと、前記肘関節機構の前記回動軸を中心とした回動運動を抑制する回動抑制手段と、を備えることを特徴とする。
〔２〕本発明は、前記生体信号センサからの前記生体信号に基づいて、前記アクチュエータへ出力信号を生成するための制御装置を、さらに備えたことを特徴とする。
〔３〕本発明の前記制御装置は、前記肘関節機構のまわりの前記上腕部材及び前記前腕部材の移動の範囲を制限するための制御処理を実行する回動抑制部を有することを特徴とする。
〔４〕本発明の前記回動抑制手段は、前記肘関節機構のまわりの前記上腕部材及び前記前腕部材の移動の範囲を制限するための、前記アクチュエータに連結されたロック機構を有することを特徴とする。
〔５〕本発明の前記制御装置は、前記肘関節機構による回動角度が所定値を超えた場合、且つ前記生体信号センサにより検出された生体信号が所定値を超えた場合、前記ロック機構を作動させる回動抑制部を有することを特徴とする。
〔６〕本発明の前記上腕部材及び前記前腕部材は、装着者の腕に取り外し可能に装着され、前記肘関節機構の回動軸は、当該装着者の肘に近接することを特徴とする。
〔７〕本発明の前記動作補助装着具は、当該装着者の腕および手に取り外し可能に装着されることを特徴とする。
〔８〕本発明の前記前腕部材は、当該装着者の手に取り外し可能に装着される手首部材を有することを特徴とする。
〔９〕本発明は、動力で作動する装着式動作補助装置であって、装着者に装着される上腕部材及び前腕部材を有し、前記上腕部材及び前記前腕部材が肘関節機構により屈曲方向および伸展方向を画定するように前記肘関節機構の回動軸で動作可能に連結された動作補助装着具と、前記上腕部材及び前記前腕部材を取り外し可能に装着するベルトと、生体信号センサと、前記動作補助装着具に設けられ、前記肘関節機構まわりに前記上腕部材及び前記前腕部材を駆動するための力を印加するように、前記動作補助装着具の前記上腕部材及び前記前腕部材に連結され、前記生体信号センサからの生体信号に基づく駆動トルクを発生するアクチュエータと、前記肘関節機構の前記回動軸を中心とした回動運動を抑制する回動抑制手段と、前記アクチュエータを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記生体信号センサから出力された生体信号を入力され、前記生体信号センサからの生体信号に基づく制御信号を前記アクチュエータに出力することを特徴とする。
〔１０〕本発明の前記アクチュエータは、入力される電力により駆動トルクを発生するモータであることを特徴とする。
〔１１〕本発明は、〔１〕乃至〔１０〕の何れか１項に記載の装着式動作補助装置の制御方法であって、装着者が関節を動かす際に、生体信号センサにより検出された生体信号を読み込むステップと、前記装着者が前記関節を動作すると共に、前記生体信号に基づいてアクチュエータに制御信号を出力するステップと、を有することを特徴とする。
〔１２〕本発明は、前記関節による回動角度が所定値を超えた場合、且つ前記生体信号センサにより検出された生体信号が所定値を超えた場合、前記アクチュエータに連結されたロック機構を作動させるステップを、さらに有することを特徴とする。
〔１３〕本発明は、前記関節による回動角度が所定値を超えた場合、且つ前記生体信号センサにより検出された生体信号が所定値を超えた場合、前記アクチュエータに連結されたロック機構を作動させると共に、前記アクチュエータを停止させるステップを、さらに有することを特徴とする。

本発明によれば、動作補助装着具等の回動装置を使用する際の消費エネルギを節減することが可能となるとともに、回動装置やこれを駆動する駆動装置の磨耗・損傷を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係る装着式動作補助装置の機能的構成を示すブロック図である。 図１に示す装着式動作補助装置の動作補助装着具を装着した装着者を斜め前方から見た場合の斜視図である。 図１に示す装着式動作補助装置の動作補助装着具を装着した装着者を斜め後方から見た場合の斜視図である。 図１に示す装着式動作補助装置のロック機構の構造を示すものであり、（ａ）はロック機構が設けられた動作補助装着具の肘部付近を示す斜視図、（ｂ）はロック機構の断面図である。 図１に示す装着式動作補助装置の回動抑制制御に係る方法を説明するためのフローチャートである。 同上。 同上。 図１に示す装着式動作補助装置を採用した場合の節電効果を示すグラフである。 図１に示す装着式動作補助装置の他の回動抑制手段の構成を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本実施形態においては、装着者の意思に基づいて必要な動力を随時発生させる「装着式動作補助装置」に本発明を適用した例について説明することとする。

まず、図１〜図４を用いて、本実施形態に係る装着式動作補助装置１の構成について説明する。

装着式動作補助装置１は、装着者Ｐが筋力を発生させる際に生じる生体信号を検出し、この検出された生体信号に基づいて所要の動力を発生させるものであり、ロボットスーツ又はパワードスーツと称されている。装着式動作補助装置１は、装着者Ｐに装着される動作補助装着具１０、動作補助装着具１０を駆動するアクチュエータ２０、動作補助装着具１０の回動運動を抑制するロック機構３０、動作補助装着具１０を構成する部材の回動角度を検出する角度センサ４０、動作補助装着具１０を構成する部材に作用する荷重を検出する荷重センサ５０、装着者Ｐからの生体信号を検出する生体信号センサ６０、装着式動作補助装置１の各種機器を統合制御する制御装置７０、各種電子機器に電力を供給する図示されていないバッテリ、等を備えている。すなわち、動作補助装着具１０は、本発明における回動調整装置の一実施形態として機能する。

動作補助装着具１０は、図２及び図３に示すように、装着者Ｐの胴体に装着される体幹部材１１、肩関節機構１２を介して体幹部材１１に連結され装着者Ｐの上腕部に装着される上腕部材１３、肘関節機構１４を介して上腕部材１３に連結され装着者Ｐの前腕部に装着される前腕部材１５、等を有しており、体幹部材１１に対する上腕部材１３の回動運動及び上腕部材１３に対する前腕部材１５の回動運動を実現させるものである。すなわち、動作補助装着具１０は、本発明における回動装置の一実施形態である。

体幹部材１１は、図２及び図３に示すように、装着者Ｐの胴体を肩から腰にかけて覆う部材である。本実施形態における体幹部材１１は、上腕部材１３等を介して肩部に伝達された荷重を下半身方向へと逃がすことを可能とする強度と、装着者Ｐが胴体を左右に捻ったり前後に曲げたりすることを可能とする柔軟性と、の双方を兼ね備えた構造を有している。

肩関節機構１２は、図２及び図３に示すように、鉛直方向に延在する回動軸１２ａを介して体幹部材１１に対して回動自在に連結されたＬ字部材１２ｂと、水平方向に延在する回動軸１２ｃを介してＬ字部材１２ｂに対して回動自在に連結されたＩ字部材１２ｄと、を有している。肩関節機構１２は、相互に直交する２つの回動軸１２ａ、１２ｃを中心とした２つの回動運動（鉛直方向の回動軸１２ａを中心とした体幹部材１１に対するＬ字部材１２ｂの回動運動、及び、水平方向の回動軸１２ｃを中心としたＬ字部材１２ｂに対するＩ字部材１２ｄの回動運動）を実現させる。また、肩関節機構１２には、後に詳述する肩部駆動モータ２１が設けられている。

上腕部材１３は、図２及び図３に示すように、肩関節機構１２のＩ字部材１２ｄに固定され装着者Ｐの上腕部の肩付近の部分に装着される第１上腕Ｕ字部材１３ａと、装着者Ｐの上腕部の肘付近の部分に装着される第２上腕Ｕ字部材１３ｂと、第１上腕Ｕ字部材１３ａと第２上腕Ｕ字部材１３ｂとを連結する上腕棒状部材１３ｃと、を有する。また、図２及び図３には示されていないが、第１上腕Ｕ字部材１３ａ及び第２上腕Ｕ字部材１３ｂを装着者Ｐの上腕部に装着するためのベルトが設けられている。

上腕棒状部材１３ｃは、複数の筒状部材を嵌合させることにより、伸縮と捻り（一の筒状部材に対する他の筒状部材の回動）との双方が可能となるように構成されている。このため、上腕棒状部材１３ｃの一端に取り付けられた第１上腕Ｕ字部材１３ａに対して、上腕棒状部材１３ｃの他端に取り付けられた第２上腕Ｕ字部材１３ｂの捻りを実現させることができ、装着者Ｐの上腕部の捻り動作に追随することが可能となる。

前腕部材１５は、図２及び図３に示すように、上腕部材１３の第２上腕Ｕ字部材１３ｂに回動自在に連結され装着者Ｐの前腕部の肘付近の部分に装着される前腕Ｕ字部材１５ａと、装着者Ｐの手首付近に装着される手首部材１５ｂと、前腕Ｕ字部材１５ａと手首部材１５ｂとを連結する前腕棒状部材１５ｃと、を有する。また、図２及び図３には示されていないが、前腕Ｕ字部材１５ａ及び手首部材１５ｂを装着者Ｐの前腕部に装着するためのベルトが設けられている。

前腕棒状部材１５ｃは、複数の筒状部材を嵌合させることにより、伸縮と捻り（一の筒状部材に対する他の筒状部材の回動）との双方が可能となるように構成されている。このため、前腕棒状部材１５ｃの一端に取り付けられた前腕Ｕ字部材１５ａに対して、前腕棒状部材１５ｃの他端に取り付けられた手首部材１５ｂの捻りを実現させることができ、装着者Ｐの前腕部の捻り動作に追随することが可能となる。また、手首部材１５ｂは、図３に示すように、装着者Ｐの手の甲を一部覆うような構成を有している。このため、装着者Ｐは大重量の荷物を保持することができるようになっている。

肘関節機構１４は、図２及び図３に示すように、上腕部材１３の第２上腕Ｕ字部材１３ｂと、前腕部材１５の第１前腕部材１５ａと、を回動自在に連結する回動軸１４ａを有しており、この回動軸１４ａを中心とした上腕部材１３に対する前腕部材１５の回動運動を実現させる。また、肘関節機構１４には、後に詳述する肘部駆動モータ２２が設けられている。

アクチュエータ２０は、図２及び図３に示すように、肩関節機構１２に設けられた肩部駆動モータ２１と、肘関節機構１４に設けられた肘部駆動モータ２２と、を有している。これら肩部駆動モータ２１及び肘部駆動モータ２２は、図示されていないバッテリから供給される電力によって駆動し、制御装置７０からの制御信号により駆動トルクを発生させるサーボモータである。

肩部駆動モータ２１は、肩関節機構１２のＬ字部材１２ｂに固定されており、水平方向に延在する回動軸１２ｃを所要の駆動トルクで回動させる。肩部駆動モータ２１によって回動軸１２ｃを回動させることにより、回動軸１２ｃに固定されたＩ字部材１２ｄ（及びこれに連結された上腕部材１３）が、Ｌ字部材１２ａ（及びこれに連結された体幹部材１１）に対して回動運動を行う。かかる肩部駆動モータ２１の駆動トルクにより、装着者Ｐが上腕部を胴体に対して上下動させる際の運動（水平方向に延在する仮想回動軸を中心とした上腕部の回動運動）がアシストされることとなる。なお、肩関節機構１２の鉛直方向に延在する回動軸１２ｂを中心としたＬ字部材１２ａの回動が許容されているため、装着者Ｐが上腕部を胴体周りに回す運動（鉛直方向に延在する仮想回動軸を中心とした上腕部の回動運動）を許容することができる。

肘部駆動モータ２２は、上腕部材１３の第２上腕Ｕ字部材１３ｂに固定されており、肘関節機構１４の回動軸１４ａを所要の駆動トルクで回動させる。部肘駆動モータ２２によって回動軸１４ａを回動させることにより、回動軸１４ａに固定された前腕Ｕ字部材１５ａ（及びこれを含む前腕部材１５）が、第２上腕Ｕ字部材１３ｂ（及びこれを含む上腕部材１３）に対して回動運動を行う。かかる肘部駆動モータ２２の駆動トルクにより、装着者Ｐが前腕部を上腕部に対して回動させる運動（肘の曲げ伸ばし運動）がアシストされることとなる。

ロック機構３０は、図１に示すように、制御装置７０からの制御信号を受けて作動することにより動作補助装着具１０の上腕部材１３に対する前腕部材１５の回動運動を抑制（阻止）するものである。ロック機構３０は、図４に示すように、肘部駆動モータ２２の外側に配置され、回動軸１４ａに固定されて回動軸１４ａとともに回動する回動板３１と、肘部駆動モータ２２の内部から回動板３１に向けて突出するように構成されたピン３２と、を有している。回動板３１は、本発明における回動部材の一実施形態である。

回動板３１の内側面（肘部駆動モータ２２側の面）には、図４に示すように、回動板３１の外周に沿って複数の凹部３１ａが形成されている。肘部駆動モータ２２で駆動トルクを発生させて回動軸１４ａを回動させると、回動軸１４ａに固定された回動板３１と、回動板３１に形成された凹部３１ａと、が回動する。ピン３２は、図４（ｂ）に示すように、肘部駆動モータ２２の内部に配置されたピン駆動部３２ａにより駆動される。ピン駆動部３２ａは、制御装置７０からの制御信号を受けて作動してピン３２を肘部駆動モータ２２の内部から外部へと突出させるように駆動するものである。ピン３２は、通常は肘部駆動モータ２２の内部に収納されているが、制御装置７０からの制御信号を受けてピン駆動部３２ａが作動すると、ピン駆動部３２ａの駆動により肘部駆動モータ２２の内側から外側へと突出して、回動板３１に形成された凹部３１ａに挿入される。かかる動作により回動板３１の回動が阻止され、これに伴って回動軸１４ａ及びこれに連結された前腕部材１５の回動が阻止される。

角度センサ４０は、肩部駆動モータ２１及び肘部駆動モータ２２に設けられており、体幹部材１１（Ｌ字部材１２ｂ）に対する上腕部材１３（Ｉ字部材１２ｄ）の回動角度と、上腕部材１３に対する前腕部材１５の回動角度と、を各々検出するものである。角度センサ４０で検出された回動角度に係る情報は、動作補助装着具１０の回動抑制制御に用いられる。

荷重センサ５０は、動作補助装着具１０を構成する部材（体幹部材１１、上腕部材１３、前腕部材１５等）の適所に設けられており、これら部材に作用する荷重を検出するものである。荷重センサ５０で検出された荷重に係る情報は、動作補助装着具１０の回動抑制制御に用いられる。

生体信号センサ６０は、装着者Ｐからの生体信号を検出するものである。生体信号としては、装着者Ｐの意思を表す神経伝達信号や、装着者Ｐが筋力を発生させる際に骨格筋で生成される微弱電位（筋電位信号）のほか、装着者Ｐの体温、脈拍、脳波、心電位、発汗等に係る各種信号を採用することができる。本実施形態においては、粘着シールを用いて生体信号センサ６０を装着者Ｐの上腕部及び前腕部に貼り付けることにより、上腕部及び前腕部の動きに伴う筋電位信号を検出するようにしている。生体信号センサ６０で検出された生体信号は、アクチュエータ２０の制御や動作補助装着具１０の回動抑制制御に用いられる。

制御装置７０は、装着式動作補助装置１の各種機器を統合制御するものであり、各種演算を行うＣＰＵや各種制御プログラムや制御データが格納されたメモリ等から構成されている。制御装置７０は、図１に示すように、生体信号センサ６０で検出された生体信号に基づいてアクチュエータ２０の制御を行うことにより所要の補助動力を発生させる動力制御部７１と、回動角度情報や荷重情報等に基づいてロック機構３０を作動させる回動抑制部７２と、を有している。

動力制御部７１は、生体信号センサ６０で検出された生体信号（神経伝達信号や筋電位信号）に基づいて、装着者Ｐの意思に従った動力をアクチュエータ２０（肩部駆動モータ２１及び肘部駆動モータ２２）で発生させるための制御信号を生成する。本実施形態における動力制御部７１は、生体信号センサ６０で検出された生体信号のレベルに比例する電流を生成し、この電流の値に比例する駆動トルクを発生させるための制御信号を生成する。これにより、装着者Ｐの動作意思に遅れることなくアクチュエータ２０を駆動することができ、装着者Ｐは自分の意思に従った動作を違和感なく行うことが可能となる。

回動抑制部７２は、（１）角度センサ４０で検出された回動角度が所定の閾値を超え、かつ、生体信号センサ６０で検出された生体信号が所定レベルを超えた場合、（２）角度センサ４０で検出された回動角度が所定の閾値を超え、かつ、荷重センサ５０で検出された荷重が所定の閾値を超えた場合、（３）荷重センサ５０で検出された荷重が所定の閾値を超え、かつ、生体信号センサ６０で検出された生体信号が所定レベルを超えた場合、（４）何らかの外的要因（例えば電力供給の遮断）によりアクチュエータ２０の駆動特性の調整が不能となった場合、の何れかの場合において、ロック機構３０を作動させるための制御信号を生成する。

本実施形態においては、ロック機構を作動させるための回動角度の閾値（上腕部材１３に対する前腕部材１５の回動角度の閾値）を「θｃ」に設定するとともに、荷重の閾値（前腕部材１５に作用する荷重の閾値）を「Ｎｃ」に設定している。また、本実施形態においては、ロック機構３０を作動させるための生体信号のレベル（所定レベル）を、所定の上限筋力に対応するレベルに設定している。回動抑制部７２は、前記した（１）〜（４）の何れかの条件を充足する場合に、ロック機構３０のピン駆動部３２ａを作動させて、上腕部材１３に対する前腕部材１５の回動を阻止する。

回動抑制部７２と、ロック機構３０と、により本発明における回動抑制手段の一実施形態が構成されることとなる。また、ロック機構３０を作動させる際に検出された所定レベルを超える生体信号は、本発明における所定の指示信号に相当する。なお、回動抑制部７２は、ロック機構３０を作動させると同時に、肘部駆動モータ２２への通電を一時的に停止させて駆動トルクを消失させる。これにより、後述する節電効果を得ることが可能となる。

次に、図５〜図７のフローチャートを用いて、本実施形態に係る装着式動作補助装置１の回動抑制制御に係る方法（動作補助装着具１０の制御方法）について説明する。

装着者Ｐが重い荷物を持ち上げようとすると、制御装置７０の動力制御部７１は、生体信号センサ６０で検出された生体信号に基づいて、装着者Ｐの意思に従った動力をアクチュエータ２０で発生させるための制御信号を生成する。アクチュエータ２０は、かかる制御信号を受けて装着者Ｐの動作意思に遅れることなく駆動されるため、装着者Ｐは自分の意思に従った荷揚げ動作（前腕部を曲げる動作）を違和感なく行うことが可能となる。このような荷揚げ動作を実施する際に、制御装置７０の回動抑制部７２は、以下のような回動抑制制御を実現させる。

＜角度生体信号参照型制御＞
まず、図５のフローチャートを用いて、前腕部材１５の回動角度と、生体信号と、を参照した回動抑制制御について説明する。制御装置７０の回動抑制部７２は、角度センサ４０を介して動作補助装着具１０の上腕部材１３に対する前腕部材１５の回動角度を検出する（角度検出工程：Ｓ１）。また、回動抑制部７２は、生体信号センサ６０を介して装着者Ｐからの生体信号を検出する（生体信号検出工程：Ｓ２）。そして、回動抑制部７２は、角度検出工程Ｓ１で検出された回動角度が所定の閾値（θｃ）を超え、かつ、生体信号検出工程Ｓ２で検出された生体信号が所定レベルを超えるか否かを判定する（判定工程：Ｓ３）。
回動抑制部７２は、判定工程Ｓ３において、回動角度が所定の閾値を超えるとともに生体信号が所定レベルを超えると判定した場合に、ロック機構３０を作動させるための制御信号を生成し、この制御信号の出力によりピン駆動部３２ａを作動させピン３２を駆動して前腕部材１５の回動運動を阻止する（回動抑制工程：Ｓ４）。また、回動抑制部７２は、回動抑制工程Ｓ４において肘部駆動モータ２２への通電を一時的に停止させて駆動トルクを消失させる。一方、回動抑制部７２は、判定工程Ｓ３において回動角度が所定の閾値以下であると判定した場合、又は、回動角度が所定の閾値を超えていても生体信号が所定レベル以下であると判定した場合には、前腕部材１５の回動運動を抑制することなく制御を終了する。

＜角度荷重参照型制御＞
次いで、図６のフローチャートを用いて、前腕部材１５の回動角度と、前腕部材１５に作用する荷重と、を参照した回動抑制制御について説明する。制御装置７０の回動抑制部７２は、角度センサ４０を介して動作補助装着具１０の上腕部材１３に対する前腕部材１５の回動角度を検出する（角度検出工程：Ｓ１１）。また、回動抑制部７２は、荷重センサ５０を介して前腕部材１５に作用する荷重を検出する（荷重検出工程：Ｓ１２）。そして、回動抑制部７２は、角度検出工程Ｓ１１で検出された回動角度が所定の閾値（θｃ）を超え、かつ、荷重検出工程Ｓ１２で検出された荷重が所定の閾値（Ｎｃ）を超えるか否かを判定する（判定工程：Ｓ１３）。
回動抑制部７２は、判定工程Ｓ１３において、回動角度が所定の閾値を超えるとともに荷重が所定の閾値を超えると判定した場合に、ロック機構３０を作動させるための制御信号を生成し、この制御信号の出力によりピン駆動部３２ａを作動させピン３２を駆動して前腕部材１５の回動運動を阻止する（回動抑制工程：Ｓ１４）。また、回動抑制部７２は、回動抑制工程Ｓ１４において肘部駆動モータ２２への通電を一時的に停止させて駆動トルクを消失させる。一方、回動抑制部７２は、判定工程Ｓ１３において回動角度が所定の閾値以下であると判定した場合、又は、回動角度が所定の閾値を超えていても荷重が所定の閾値以下であると判定した場合には、前腕部材１５の回動運動を抑制することなく制御を終了する。

＜荷重生体信号参照型制御＞
続いて、図７のフローチャートを用いて、前腕部材１５に作用する荷重と、生体信号と、を参照した回動抑制制御について説明する。制御装置７０の回動抑制部７２は、荷重センサ４０を介して動作補助装着具１０の前腕部材１５に作用する荷重を検出する（荷重検出工程：Ｓ２１）。また、回動抑制部７２は、生体信号センサ６０を介して装着者Ｐからの生体信号を検出する（生体信号検出工程：Ｓ２２）。そして、回動抑制部７２は、荷重検出工程Ｓ２１で検出された荷重が所定の閾値（Ｎｃ）を超え、かつ、生体信号検出工程Ｓ２２で検出された生体信号が所定レベルを超えるか否かを判定する（判定工程：Ｓ２３）。
回動抑制部７２は、判定工程Ｓ２３において、荷重が所定の閾値を超えるとともに生体信号が所定レベルを超えると判定した場合に、ロック機構３０を作動させるための制御信号を生成し、この制御信号の出力によりピン駆動部３２ａを作動させピン３２を駆動して前腕部材１５の回動運動を阻止する（回動抑制工程：Ｓ２４）。また、回動抑制部７２は、回動抑制工程Ｓ２４において肘部駆動モータ２２への通電を一時的に停止させて駆動トルクを消失させる。一方、回動抑制部７２は、判定工程Ｓ２３において荷重が所定の閾値以下であると判定した場合、又は、荷重が所定の閾値を超えていても生体信号が所定レベル以下であると判定した場合には、前腕部材１５の回動運動を抑制することなく制御を終了する。

以上説明した実施形態に係る装着式動作補助装置１においては、動作補助装着具１０を作動させながら重い荷物を保持する場合において、特定の回動抑制条件を満たす場合（例えば上腕部材１３に対する前腕部材１５の角度が所定の閾値を超え、かつ、前腕部材１５に作用する荷重が所定の閾値を超えた場合等）に、制御装置７０の回動抑制部７２がロック機構３０を作動させて前腕部材１５の回動運動を阻止することができる。従って、上腕部材１３と前腕部材１５とをあたかも一つの部材のように機能させることができるので、前腕部材１５を駆動するための動力が不要となる。従って、部材の駆動に必要な電力の消費量を節減することが可能となるとともに、動作補助装着具１０を駆動するアクチュエータ２０の磨耗や損傷を抑制して耐用期間を延ばすことが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る装着式動作補助装置１においては、何らかの外的要因によりアクチュエータ２０の駆動特性の調整が不能となった場合に、制御装置７０の回動抑制部７２がロック機構３０を作動させて、動作補助装着具１０の各部材の回動を抑制することができる。従って、アクチュエータ２０の駆動力が突然低減ないし消失した場合においても、重力によって部材が急激に回動することを抑制することができるので、動作補助装着具１０の磨耗や損傷を低減させることが可能となる。

ここで、図８のグラフを用いて、本実施形態に係る装着式動作補助装置１を採用した場合の節電効果について説明する。

図８に示すように、時刻Ｔ０から動作補助装着具を作動させて荷物の保持を開始し、荷物を保持しながら前腕部材を上腕部材に対して回動させ、回動角度が所定の閾値に達した時刻Ｔ１において回動を停止させる、という一連の動作を想定する。かかる動作を、ロック機構を有しない従来の装着式動作補助装置を用いて実施すると、回動停止後（時刻Ｔ１後）においても荷物を保持するために必要な駆動トルクを発生させ続ける必要があるため、図８に点線で示すように、回動停止後においても多大な電力が消費される。これに対し、本実施形態に係る装着式動作補助装置１を用いると、回動停止後においてはロック機構３０により前腕部材１５が上腕部材１３に固定されるとともに、肘部駆動モータ２２への電力供給が停止されるため、図８に実線で示すように、回動停止後においては消費電力が著しく低減されることとなる。

なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。例えば、以上の実施形態においては、装着者Ｐからの生体信号を参照して回動運動を抑制した例を示したが、回動抑制の条件はこれに限られるものではなく、装着者や介護者等（他の操作者）が操作可能な操作部（例えばスイッチやボタン）を設け、その操作部を装着者や他の操作者が操作することにより生成された操作信号が検出された場合に回動運動を阻止するような構成を採用することもできる。かかる場合における操作信号は、本発明における特定の指示信号に相当する。

また、以上の実施形態においては、２つの条件（例えば、回動角度が所定の閾値を超え、かつ、装着者Ｐからの生体信号が所定レベルを超えること）が満たされた場合に回動運動を抑制した例を示したが、これらの条件の何れか一方が満たされた場合に回動運動を抑制するように制御方法を変更することもできる。また、何らかの外的要因により動作補助装着具に対して急激な外力が作用した場合に回動運動を阻止するような構成を採用してもよい。

また、以上の実施形態においては、肘関節機構１４にロック機構３０を設けることにより、上腕部材１３に対する前腕部材１５の回動運動を抑制した例を示したが、肩関節機構１２に同様のロック機構を設けることもできる。このように肩関節機構１２にロック機構を設けると、体幹部材１１に対するＬ字部材１２ｂの回動運動を抑制したり、Ｌ字部材１２ｂに対するＩ字部材１２ｄ（及びこれに連結された上腕部材１３）の回動を抑制したりすることが可能となる。

また、以上の実施形態においては、ロック機構を有する回動抑制手段を採用した例を示したが、ロック機構の構成は本実施形態における図４に示したような構成に限られるものではない。また、回動抑制手段の構成も本実施形態における構成に限られるものではない。例えば、図９に示すように、回動板３１の外周に複数の歯部（モータ２２と反対側に設けられた歯部３１Ａ及びモータ２２側に設けられた歯部３１Ｂ）を設けるともに、これら歯部３１Ａ、３１Ｂに対して各々近接するように軸３２Ａ、３２Ｂを中心に回動自在に当接部材３３Ａ、３３Ｂを配置し、歯部３１Ａ、３１Ｂに各々当接部材３３Ａ、３３Ｂを断続的に当接させることにより、回動板３１の回動を抑制する回動抑制機構を採用することもできる。

前記した回動抑制機構を採用した場合において、制御装置７０の回動抑制部７２は、特定の回動抑制条件が満たされた場合に、当接部材３３Ａ、３３Ｂを各々歯部３１Ａ、３１Ｂに対して押し付けるような付勢力を作用させるような制御を行うことができる。これにより、回動板３１の図９のＲ１方向における回動運動が、歯部３１Ａと当接部材３３Ａとの断続的な当接により抑制される一方、回動板３１の図９のＲ２方向における回動運動が、歯部３１Ｂと当接部材３３Ｂとの断続的な当接により抑制されることとなる。かかる回動抑制機構における歯部３１Ａ、３１Ｂは、本発明における凸部である。また、前記した回動抑制機構と、回動抑制部７２と、により本発明における回動抑制手段の一実施形態が構成されることとなる。

また、以上の実施形態においては、ロック機構を有する回動抑制手段を採用した例を示したが、制御装置６０の回動抑制部６２からの制御信号を受けて、肘関節機構１４の回動軸１４ａの回動を抑制するための制動力を発生させる摩擦式制動装置（ディスク式制動装置、ドラム式制動装置、バンド式制動装置等）をロック機構３０に代えて採用することもできる。かかる摩擦式制動装置を有する回動抑制手段を採用した場合においても、上腕部材１３に対する前腕部材１５の回動運動を摩擦力により抑制することができるので、前腕部材１５の駆動に必要な電力の消費量を節減することが可能となる。

また、外部からの物理的作用に起因して粘性が変化する機能性流体（例えば、外部から電場を与えることに起因して粘性が変化するＥＲ流体や、外部から磁場を与えることに起因して粘性が変化するＭＲ流体）の摩擦力により回動を抑制するための制動力を発生させる摩擦式制動装置を採用してもよい。かかる機能性流体の摩擦力を利用した摩擦式制動装置を採用すると、何らかの要因によりアクチュエータの駆動特性の調整が不能となった場合においても、荷物及び部材を保持するための力が急激に消失し重力によって部材が急激に回動することを防ぐことができる（緩衝作用）。

また、以上の実施形態においては、人体の腕に装着される動作補助装着具（回動装置）に本発明を適用した例を示したが、人体の脚に装着される動作補助装着具（例えば、装着者の腰部に装着される腰部材と、少なくとも一つの回動軸を有する股関節機構を介して腰部材に連結され装着者の腿部に装着される腿部材と、少なくとも一つの回動軸を有する膝関節機構を介して腿部材に連結され装着者の脛部に装着される脛部材と、を有するもの）に本発明を適用して回動抑制を行うこともできる。かかる場合には、股関節機構や膝関節機構にロック機構等を設け、特定の生体信号が検出された場合等に制御装置がロック機構等を作動させることにより、腰部材に対する腿部材の回動運動を抑制したり、腿部材に対する脛部材の回動運動を抑制したりすることができる。かかる場合においては、制御装置及びロック機構等により本発明における回動抑制手段が構成される。

また、以上の実施形態においては、人体に装着される動作補助装着具（回動装置）に本発明を適用した例を示したが、複数の回動運動を行う他の回動装置に本発明を適用することができる。例えば、ロボット用体幹部材と、少なくとも一つの回動軸を有するロボット用肩関節機構を介してロボット用体幹部材に連結されたロボット用上腕部材と、少なくとも一つの回動軸を有するロボット用肘関節機構を介してロボット用上腕部材に連結されたロボット用前腕部材と、を有するロボットの上半身構造（回動装置）に本発明を適用して回動抑制を行うこともできる。かかる場合には、ロボット用肩関節機構やロボット用肘関節機構にロック機構等を設け、特定の指示信号が検出された場合等に制御装置がロック機構等を作動させることにより、ロボット用体幹部材に対するロボット用上腕部材の回動運動を抑制したり、ロボット用上腕部材に対するロボット用前腕部材の回動運動を抑制したりすることができる。かかる場合においては、制御装置及びロック機構等により本発明における回動抑制手段が構成される。

１…装着式動作補助装置（回動調整装置）
１０…動作補助装着具（回動装置）
１１…体幹部材
１２…肩関節機構
１２ｃ・１２ａ…回動軸
１３…上腕部材
１４…肘関節機構
１４ａ…回動軸
１５…前腕部材
３０…ロック機構（回動抑制手段の一部）
３１…回動板（回動部材）
３１ａ…凹部
３１Ａ・３１Ｂ…歯部（凸部）
３２…ピン
３３Ａ・３３Ｂ…当接部材
７２…回動抑制部（回動抑制手段の一部）
Ｐ…装着者

Claims (13)

1. 装着者の肩近傍に装着される体幹部材と、少なくとも一つの回動軸を有する肩関節機構を介して前記体幹部材に連結され前記装着者の上腕部に装着される上腕部材と、少なくとも一つの回動軸を有する肘関節機構を介して前記上腕部材に連結され前記装着者の前腕部に装着される前腕部材と、を有し、前記体幹部材に対する前記上腕部材の回動運動及び前記上腕部材に対する前記前腕部材の回動運動を実現させる動作補助装着具と、
   前記動作補助装着具を駆動するアクチュエータと、
   前記動作補助装着具に作用する荷重が所定の閾値を超え、かつ、所定の指示信号が検出された場合に、前記上腕部材の回動運動及び前記前腕部材の回動運動のうち少なくとも何れか一つを抑制する回動抑制手段と、を備え、
   前記指示信号は、前記装着者又は他の操作者が操作部を操作することにより発生した操作信号である、
   装着式動作補助装置。
2. 装着者の肩近傍に装着される体幹部材と、少なくとも一つの回動軸を有する肩関節機構を介して前記体幹部材に連結され前記装着者の上腕部に装着される上腕部材と、少なくとも一つの回動軸を有する肘関節機構を介して前記上腕部材に連結され前記装着者の前腕部に装着される前腕部材と、を有し、前記体幹部材に対する前記上腕部材の回動運動及び前記上腕部材に対する前記前腕部材の回動運動を実現させる動作補助装着具と、
   前記動作補助装着具を駆動するアクチュエータと、
   前記動作補助装着具に作用する荷重が所定の閾値を超え、かつ、前記体幹部材に対する前記上腕部材の相対的な回動角度が所定の閾値を超えた場合に、前記体幹部材に対する前記上腕部材の相対的な回動運動を抑制する回動抑制手段と、を備える、
   装着式動作補助装置。
3. 装着者の肩近傍に装着される体幹部材と、少なくとも一つの回動軸を有する肩関節機構を介して前記体幹部材に連結され前記装着者の上腕部に装着される上腕部材と、少なくとも一つの回動軸を有する肘関節機構を介して前記上腕部材に連結され前記装着者の前腕部に装着される前腕部材と、を有し、前記体幹部材に対する前記上腕部材の回動運動及び前記上腕部材に対する前記前腕部材の回動運動を実現させる動作補助装着具と、
   前記動作補助装着具を駆動するアクチュエータと、
   前記動作補助装着具に作用する荷重が所定の閾値を超え、かつ、前記上腕部材に対する前記前腕部材の相対的な回動角度が所定の閾値を超えた場合に、前記上腕部材に対する前記前腕部材の相対的な回動運動を抑制する回動抑制手段と、を備える、
   装着式動作補助装置。
4. 前記回動抑制手段は、少なくとも一つの前記回動軸に固定され前記回動軸とともに回動する回動部材に設けられた凹部と、前記凹部に対して挿脱自在に構成されたピンと、を有し、前記凹部への前記ピンの挿入により前記回動部材及び前記回動軸の回動運動を阻止するものである、
   請求項１から３の何れか一項に記載の装着式動作補助装置。
5. 前記回動抑制手段は、少なくとも一つの前記回動軸に固定され前記回動軸とともに回動する回動部材の外周に設けられた複数の凸部と、前記回動部材の前記凸部に当接するように前記凸部に対して近接配置され当接部材と、を有し、回動する前記凸部に対して前記当接部材が押し付けられるように付勢された状態で前記凸部に前記当接部材が断続的に当接することにより前記回動部材及び前記回動軸の回動運動を抑制するものである、
   請求項１から３の何れか一項に記載の装着式動作補助装置。
6. 前記回動抑制手段は、摩擦力を作用させることにより前記動作補助装着具による複数の回動運動のうち少なくとも何れか一つを抑制する摩擦式制動装置を有するものである、
   請求項１から３の何れか一項に記載の装着式動作補助装置。
7. 前記摩擦式制動装置は、外部からの物理的作用に起因して粘性が変化する機能性流体の摩擦力により前記動作補助装着具による複数の回動運動のうち少なくとも何れか一つを抑制するものである、
   請求項６に記載の装着式動作補助装置。
8. 装着者の腰部に装着される腰部材と、少なくとも一つの回動軸を有する股関節機構を介して前記腰部材に連結され前記装着者の腿部に装着される腿部材と、少なくとも一つの回動軸を有する膝関節機構を介して前記腿部材に連結され前記装着者の脛部に装着される脛部材と、を有し、前記腰部材に対する前記腿部材の回動運動及び前記腿部材に対する前記脛部材の回動運動を実現させる動作補助装着具と、
   前記動作補助装着具を駆動するアクチュエータと、
   前記動作補助装着具に作用する荷重が所定の閾値を超え、かつ、所定の指示信号が検出された場合に、前記腿部材の回動運動及び前記脛部材の回動運動のうち少なくとも何れか一つを抑制する回動抑制手段と、を備え、
   前記指示信号は、前記装着者又は他の操作者が操作部を操作することにより発生した操作信号である、
   装着式動作補助装置。
9. 装着者の腰部に装着される腰部材と、少なくとも一つの回動軸を有する股関節機構を介して前記腰部材に連結され前記装着者の腿部に装着される腿部材と、少なくとも一つの回動軸を有する膝関節機構を介して前記腿部材に連結され前記装着者の脛部に装着される脛部材と、を有し、前記腰部材に対する前記腿部材の回動運動及び前記腿部材に対する前記脛部材の回動運動を実現させる動作補助装着具と、
   前記動作補助装着具を駆動するアクチュエータと、
   前記動作補助装着具に作用する荷重が所定の閾値を超え、かつ、前記腰部材に対する前記腿部材の相対的な回動角度が所定の閾値を超えた場合に、前記腰部材に対する前記腿部材の相対的な回動運動を抑制する回動抑制手段と、を備える、
   装着式動作補助装置。
10. 装着者の腰部に装着される腰部材と、少なくとも一つの回動軸を有する股関節機構を介して前記腰部材に連結され前記装着者の腿部に装着される腿部材と、少なくとも一つの回動軸を有する膝関節機構を介して前記腿部材に連結され前記装着者の脛部に装着される脛部材と、を有し、前記腰部材に対する前記腿部材の回動運動及び前記腿部材に対する前記脛部材の回動運動を実現させる動作補助装着具と、
    前記動作補助装着具を駆動するアクチュエータと、
    前記動作補助装着具に作用する荷重が所定の閾値を超え、かつ、前記腿部材に対する前記脛部材の相対的な回動角度が所定の閾値を超えた場合に、前記腿部材に対する前記脛部材の相対的な回動運動を抑制する回動抑制手段と、を備える、
    装着式動作補助装置。
11. ロボット用体幹部材と、少なくとも一つの回動軸を有するロボット用肩関節機構を介して前記ロボット用体幹部材に連結されたロボット用上腕部材と、少なくとも一つの回動軸を有するロボット用肘関節機構を介して前記ロボット用上腕部材に連結されたロボット用前腕部材と、を有し、前記ロボット用体幹部材に対する前記ロボット用上腕部材の回動運動及び前記ロボット用上腕部材に対する前記ロボット用前腕部材の回動運動を実現させる動作補助装着具と、
    前記動作補助装着具を駆動するアクチュエータと、
    前記動作補助装着具に作用する荷重が所定の閾値を超え、かつ、所定の指示信号が検出された場合に、前記ロボット用上腕部材の回動運動及び前記ロボット用前腕部材の回動運動のうち少なくとも何れか一つを抑制する回動抑制手段と、を備え、
    前記指示信号は、操作者が操作部を操作することにより発生した操作信号である、
    装着式動作補助装置。
12. ロボット用体幹部材と、少なくとも一つの回動軸を有するロボット用肩関節機構を介して前記ロボット用体幹部材に連結されたロボット用上腕部材と、少なくとも一つの回動軸を有するロボット用肘関節機構を介して前記ロボット用上腕部材に連結されたロボット用前腕部材と、を有し、前記ロボット用体幹部材に対する前記ロボット用上腕部材の回動運動及び前記ロボット用上腕部材に対する前記ロボット用前腕部材の回動運動を実現させる動作補助装着具と、
    前記動作補助装着具を駆動するアクチュエータと、
    前記動作補助装着具に作用する荷重が所定の閾値を超え、かつ、前記ロボット用体幹部材に対する前記ロボット用上腕部材の相対的な回動角度が所定の閾値を超えた場合に、前記ロボット用体幹部材に対する前記ロボット用上腕部材の相対的な回動運動を抑制する回動抑制手段と、を備える、
    装着式動作補助装置。
13. ロボット用体幹部材と、少なくとも一つの回動軸を有するロボット用肩関節機構を介して前記ロボット用体幹部材に連結されたロボット用上腕部材と、少なくとも一つの回動軸を有するロボット用肘関節機構を介して前記ロボット用上腕部材に連結されたロボット用前腕部材と、を有し、前記ロボット用体幹部材に対する前記ロボット用上腕部材の回動運動及び前記ロボット用上腕部材に対する前記ロボット用前腕部材の回動運動を実現させる動作補助装着具と、
    前記動作補助装着具を駆動するアクチュエータと、
    前記動作補助装着具に作用する荷重が所定の閾値を超え、かつ、前記ロボット用上腕部材に対する前記ロボット用前腕部材の相対的な回動角度が所定の閾値を超えた場合に、前記ロボット用上腕部材に対する前記ロボット用前腕部材の相対的な回動運動を抑制する回動抑制手段と、を備える、
    装着式動作補助装置。

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