支援装置、動作支援装置及び筋力訓練支援装置

本開示は、過渡状態における力を計測して支援する支援装置、筋力訓練支援装置及び動作支援装置に関する。

これまで、人体の動作を支援する動作支援装置が開発されている(例えば、特許文献1及び2参照。)。この動作支援装置では、筋肉の動きを検知するセンサが用いられている。しかし、筋肉にセンサを設けることは困難な場合がある。

一方、一般的に力を計測する方法としては、例えば、歪みゲージによって電気抵抗の変化を計測し、歪みを算出し、印加されている力を計測する方法や、歪みによる圧電効果を計測し、印加されている力を計測する方法等がある。

国際公開公報第2007/043308号

特開2008−12358号公報

動的な力のなかでも、人力は一定の力ではなく、初期に加わる力が大きく、その後の力は初期に比べて小さくなる。また、初期とその後では、力の印加方向も変化する場合がある。人力による動作を支援しようとする場合には、むしろ初期の力ではなく、その後の力を計測する必要がある。

しかし、このような場合、歪みゲージを用いた力センサや、圧電効果を利用した力センサでは、初期の大きな力を検出してしまうため、その後の力とは異なる大きさ、方向の力を検出してしまうという問題があった。初期の大きな力を計測した場合には、動作支援のために供給される動力が過剰となってしまい思わぬ動きをする場合がある。また、初期とその後の力の方向が異なる場合には、動作支援の方向が全く逆になってしまうという問題があった。

そこで、本開示の目的は、一定の力でなく、初期に比べてその後の力が小さくなる人力を支援する場合において、初期の力ではなくその後の力を計測して支援できる支援装置を提供することである。

本開示に係る支援装置は、第1及び第2の弾性部材と、前記第1及び第2の弾性部材の間に支持された中間子と、を備えた力計測センサ構造と、 前記力計測センサ構造の前記第1及び第2の弾性部材から前記中間子に印加する負荷を変化させる駆動部と、 前記駆動部を制御する制御部と、 使用者の身体に装着するための装着部と、 を備えた支援装置であって、 前記力計測センサ構造は、 第1の端部と第2の端部とを有する軸と、 前記軸に沿って前記第1の端部と前記第2の端部との間を移動可能に設けられた前記中間子と、 前記軸に沿って前記第1の端部と前記中間子との間に設けられた前記第1の弾性部材と、 前記軸に沿って前記第2の端部と前記中間子との間に設けられた前記第2の弾性部材と、 前記中間子と接続され、前記軸に沿った前記中間子の一次元方向の位置を検出するリニアポテンショメータと、 前記中間子と接続され、使用者の上肢又は下肢の動きと連動して、前記中間子に力を伝達する把持部と、 を備え、 前記装着部は、 使用者の肩部に掛架されると共に、前記駆動部を固定するメインフレームと、 前記メインフレームを使用者の胴体へ取り付ける腰ベルトと、 前記メインフレームへ取り付けられ、前記力計測センサ構造と前記駆動部とを接続するワイヤを懸架するアームと、 を備え、 前記第1及び第2の弾性部材は、前記中間子を支持すると共に、前記中間子に対して、前記軸に沿った一次元方向の互いに対向する方向に負荷を印加可能であって、 前記リニアポテンショメータによって、前記軸に沿った前記中間子の一次元方向の位置を検出して前記中間子に加わっている力を計測し、 前記制御部は、計測された前記中間子に加わっている力に応じて前記駆動部を制御する。

上記の概括的かつ特定の態様は、上記支援装置を用いた動作支援装置及び筋力訓練支援装置として実現してもよい。

本開示に係る支援装置によれば、初期に比べてその後の力が小さくなる力を計測して支援する場合において、初期の力ではなくその後の力を計測して支援できる。

本開示の実施の形態1に係る力計測センサ構造の構成を示す斜視図である。

図1の力計測センサ構造の分解斜視図である。

本開示の実施の形態1に係る力計測センサ構造の変形例の構成を示す斜視図である。

(a)は、図1及び図3の力計測センサ構造10、10aにおいて、中間子に上向き(+)方向の力が印加され、中間子が上向きに移動した場合の中間子の位置を示す正面図であり、(b)は、中間子に力が印加されていない場合の中間子の位置を示す正面図であり、(c)は、中間子に下向き(−)方向の力が印加され、中間子が下向きに移動した場合の中間子の位置を示す正面図である。

本開示の実施の形態1に係る負荷制御装置の構成を示す斜視図である。

図5の負荷制御装置の機能的な構成を示すブロック図である。

図6の制御部の物理的な構成例を示すブロック図である。

図6の制御部の機能的な構成例を示すブロック図である。

本開示の実施の形態1に係る動作支援装置/筋力訓練支援装置の構成を示す斜視図である。

図9の動作支援装置/筋力訓練支援装置の機能的な構成を示すブロック図である。

本開示の実施の形態1に係る動作支援装置の動作を説明するフローチャートである。

本開示の実施の形態1に係る筋力訓練支援装置の動作を説明するフローチャートである。

本開示の実施の形態2に係る力計測センサ構造の構成を示す斜視図である。

図13の力計測センサ構造の分解斜視図である。

(a)は、図13の力計測センサ構造において、中間子に時計回り(+)方向の力が印加され、中間子が時計回り(+)方向に移動した場合の位置を示す正面図であり、(b)は、中間子に力が印加されていない場合の中間子の位置を示す正面図であり、(c)は、中間子に反時計回り(−)方向の力が印加され、中間子が反時計回り(−)方向に移動した場合の中間子の位置を示す正面図である。

本開示の実施の形態2に係る負荷制御装置の構成を示す斜視図である。

図16の負荷制御装置の機能的な構成を示すブロック図である。

図17の制御部の物理的な構成例を示すブロック図である。

図17の制御部の機能的な構成例を示すブロック図である。

本開示の実施の形態2に係る動作支援装置/筋力訓練支援装置の構成を示す斜視図である。

図20の動作支援装置/筋力訓練支援装置の機能的な構成を示すブロック図である。

本開示の実施の形態2に係る動作支援装置の動作を説明するフローチャートである。

本開示の実施の形態2に係る筋力訓練支援装置の動作を説明するフローチャートである。

実施の形態1に係る支援装置に用いる別例の身体用装着部の構成を示す概略斜視図である。

図24の別例の身体用装着部の正面図である。

図24の別例の身体用装着部の平面図である。

図24の別例の身体用装着部を用いた支援装置の側面図である。

(a)は、図24の別例の身体用装着部を用いた支援装置の支点の位置と、身体へかかるモーメントを示す側面図であり、(b)は、図9の支援装置の支点の位置と、身体へかかるモーメントを示す側面図である。

本開示の第1態様に係る支援装置は、第1及び第2の弾性部材と、前記第1及び第2の弾性部材の間に支持された中間子と、を備えた力計測センサ構造と、 前記力計測センサ構造の前記第1及び第2の弾性部材から前記中間子に印加する負荷を変化させる駆動部と、 前記駆動部を制御する制御部と、 使用者の身体に装着するための装着部と、 を備えた支援装置であって、 前記力計測センサ構造は、 第1の端部と第2の端部とを有する軸と、 前記軸に沿って前記第1の端部と前記第2の端部との間を移動可能に設けられた前記中間子と、 前記軸に沿って前記第1の端部と前記中間子との間に設けられた前記第1の弾性部材と、 前記軸に沿って前記第2の端部と前記中間子との間に設けられた前記第2の弾性部材と、 前記中間子と接続され、前記軸に沿った前記中間子の一次元方向の位置を検出するリニアポテンショメータと、 前記中間子と接続され、使用者の上肢又は下肢の動きと連動して、前記中間子に力を伝達する把持部と、 を備え、 前記装着部は、 使用者の肩部に掛架されると共に、前記駆動部を固定するメインフレームと、 前記メインフレームを使用者の胴体へ取り付ける腰ベルトと、 前記メインフレームへ取り付けられ、前記力計測センサ構造と前記駆動部とを接続するワイヤを懸架するアームと、 を備え、 前記第1及び第2の弾性部材は、前記中間子を支持すると共に、前記中間子に対して、前記軸に沿った一次元方向の互いに対向する方向に負荷を印加可能であって、 前記リニアポテンショメータによって、前記軸に沿った前記中間子の一次元方向の位置を検出して前記中間子に加わっている力を計測し、 前記制御部は、計測された前記中間子に加わっている力に応じて前記駆動部を制御する。

第2態様に係る動作支援装置は、第1態様において、前記駆動部は、前記第1及び第2の弾性部材から前記中間子に印加する負荷の大きさと、負荷の方向とのうち少なくとも一方を変化させてもよい。

第3態様に係る動作支援装置は、第1態様において、前記メインフレームは、使用者の背面側に設けられた背当て部と、使用者の腕を通すための肩ベルトと、で構成され、 前記アームは、使用者の背面側から前面側に向かって配置されていてもよい。

第4態様に係る動作支援装置は、第1態様において、前記メインフレームは、使用者の前面側に設けられた前面フレームと、前記前面フレームと接続され、使用者の背面側に設けられた背面フレームと、で構成され、 前記アームは、前記前面フレームに取り付けられていてもよい。

第5態様に係る動作支援装置は、第1態様において、前記第1及び第2の弾性部材は、バネ、ゴム、エア(空気)等の群から選ばれる一種以上の部材から構成されていてもよい。

第6態様に係る動作支援装置は、第1態様に係る前記支援装置を含み、 前記制御部は、前記使用者の上肢又は下肢の動きに応じて、計測された前記中間子に加わっている力を軽減するように前記駆動部を制御して、前記使用者の上肢又は下肢の動きを支援する。

第7態様に係る筋力訓練支援装置は、第1態様に係る前記支援装置を備え、 前記制御部は、前記使用者の上肢又は下肢の動きに応じて、前記中間子に所定の力が印加されるように前記駆動部を制御して、前記使用者の上肢又は下肢の筋力訓練を支援する。

以下、本実施の形態に係る支援装置、動作支援装置、及び、筋力訓練支援装置について、添付図面を用いて説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。

(実施の形態1) <力計測センサ構造> 図1は、実施の形態1に係る力計測センサ構造10の構成を示す概略斜視図である。図2は、図1の力計測センサ構造10の分解斜視図である。 この力計測センサ構造10は、第1の端部5aと第2の端部5bとを有する軸1と、軸1に沿って第1の端部5aと第2の端部5bとの間を移動可能に設けられた中間子2と、軸1に沿って第1の端部5aと中間子2との間に設けられた第1の弾性部材3aと、軸1に沿って第2の端部5bと中間子2との間に設けられた第2の弾性部材3bと、中間子2と接続され、軸1に沿った中間子2の一次元方向の位置を検出するリニアポテンショメータ4と、を備える。第1及び第2の弾性部材3a、3bは、中間子2を支持すると共に、中間子2に対して、軸1に沿った一次元方向の互いに対向する方向に負荷を印加可能であるように設けられている。この力計測センサ構造10では、リニアポテンショメータ4によって、軸1に沿った中間子2の一次元方向の位置を検出して中間子2に加わっている力を計測することができる。

以下に、この力計測センサ構造10を構成する各部材について説明する。

<軸> 軸1は、中間子2、第1及び第2の弾性部材3a、3bを支持するものであって、中間子2の動きをその両端部5a、5bの間に規定する。なお、図1及び2では、中間子2及び第1及び第2の弾性部材3a、3bは、軸1が貫通するように設けているが、これに限られず、例えば、中間子2の側面に設けた溝を軸1が通るようにしてもよい。また、軸1の材料は、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、木材、竹等の力計測において通常使用可能なものであれば使用することができる。

<中間子> 中間子2は、軸1に沿ってその両端部5a、5bの間で移動可能に設けられる。中間子2の材料は、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、木材、竹等の力計測において通常使用可能なものであれば使用することができる。

<第1及び第2の弾性部材> 第1の弾性部材3aは、軸1に沿って第1の端部5aと中間子2との間に設けられる。第2の弾性部材3bは、軸1に沿って第2の端部5bと中間子2との間に設けられる。また、第1及び第2の弾性部材3a、3bは、中間子2の両端に設けられているので、中間子2を支持する。この第1及び第2の弾性部材3a、3bは、中間子2を支持すると共に、中間子2に対して、軸1に沿った一次元方向の互いに対向する方向に負荷を印加可能であるように設けられている。

<リニアポテンショメータ> リニアポテンショメータ4は、中間子2と接続され、軸1に沿った中間子2の一次元方向の位置を検出する。このリニアポテンショメータ4は、一次元方向の位置を検出することができるものであればよく、通常使用されるリニアポテンショメータ4を用いることができる。なお、図1及び図2では、リニアポテンショメータ4の一方の端部を第1の弾性部材3a側の端部に固定しているが、これに限られるものではなく、第2の弾性部材3b側の端部に固定してもよい。

(変形例) 図3は、本開示の実施の形態1の変形例に係る力計測センサ構造10aの構成を示す斜視図である。この変形例に係る力計測センサ構造10aでは、図1の力計測センサ構造10と対比すると、中間子2に把持部(グリップ)12を設けている点で相違する。この把持部12を使用者が手で握ることによって、中間子2に力を印加しやすくできる。なお、図3では、把持部12は、手で握るのに適したグリップ形状としているが、これに限られず、例えば、足で踏むペダル形状としてもよい。把持部12は、上肢又は下肢と連動して、中間子2に力を印加できるものであればよい。また、本開示の実施の形態1の変形例に係る力計測センサ構造10aは、一端にフック13を有する。このフック13は、移動させる対象物を吊下げることができる。

図4(a)は、図1及び図3の力計測センサ構造10、10aにおいて、中間子2に上向き(+)方向の力が印加され、中間子2が上向きに移動した場合の中間子2の位置を示す正面図であり、図4(b)は、中間子2に力が印加されていない場合の中間子2の位置を示す正面図であり、図4(c)は、中間子2に下向き(−)方向の力が印加され、中間子2が下向きに移動した場合の中間子2の位置を示す正面図である。 図4(a)に示すように、中間子2が上向きの位置にある場合には、第1の弾性部材3aが圧縮されると共に、第2の弾性部材3bが伸長されるため、第1及び第2の弾性部材3a、3bから、中間子2に下向きの負荷がかかる。一方、図4(c)に示すように、中間子2が下向きの位置にある場合には、第1の弾性部材3aが伸長されると共に、第2の弾性部材3bが圧縮されるため、第1及び第2の弾性部材3a、3bから、中間子2に上向きの負荷がかかる。この力計測センサ構造10、10aでは、リニアポテンショメータ4によって、軸1に沿った中間子2の一次元方向の位置を検出して、中間子2に加わっている力を計測する。例えば、中間子2の位置が上向きの場合には、中間子2には下向きの負荷がかかっていることがわかる。一方、中間子2の位置が下向きの場合には、中間子2には上向きの負荷がかかっていることがわかる。

<負荷制御装置> 図5は、実施の形態1に係る負荷制御装置20の構成を示す斜視図である。図6は、図5の負荷制御装置20の機能的な構成を示すブロック図である。 図5及び図6に示すように、この負荷制御装置20は、力計測センサ構造10aと、その上部に固定されたワイヤ11と、ワイヤ11を巻き取る、あるいは、放出するモータ(駆動部)16と、モータ(駆動部)16を制御する制御部18と、を備える。ワイヤ11は、力計測センサ構造10aの上端に固定されているので、モータ(駆動部)16を駆動してワイヤ11を巻き取ってワイヤ11を上向きに引っ張る、あるいは、逆回転させてワイヤ11を放出してゆるめることで、第1及び第2の弾性部材3a、3bから中間子2に印加する負荷を変化させることができる。制御部18は、計測された中間子2に加わっている力に応じて駆動部16を制御する。

以下に、この負荷制御装置20を構成する各部材について説明する。 <駆動部> 駆動部16は、例えば、ワイヤ11を巻き取る、あるいは、逆方向に回転させてワイヤ11を放出することができるモータ等を使用できる。駆動部16の構成はモータに限られず、第1及び第2の弾性部材3a、3bから中間子2に印加する負荷を変化させることができるものであれば使用できる。例えば、上記モータ16では、ワイヤ11を引っ張って、第1の弾性部材3a及び第2の弾性部材3bを固定する上端を上向き又は下向きに移動させるのに対して、第1の弾性部材3a及び第2の弾性部材3bと中間子2との相対位置を上向き又は下向きに変化させて、第1の弾性部材3a及び第2の弾性部材3bから中間子2にかかる負荷を変化させるものであってもよい。

<制御部> 図7は、図6の制御部18の物理的な構成例を示すブロック図である。図8は、図6の制御部18の機能的な構成例を示すブロック図である。 この制御部18は、例えば、図7に示すように、CPU21、メモリ22、記憶部23、入力部24、出力部25等を備えたパーソナルコンピュータによって実現してもよい。また、この制御部18の機能的な構成は、図8に示すように、ポテンショメータの値を読み取るポテンショメータ読み取り部26と、中間子2に印加されている力を算出する中間子印加力算出部27と、第1及び第2の弾性部材3a、3bから中間子2に加える負荷を制御する弾性部材負荷制御部28と、を備えてもよい。

<支援装置(動作支援装置及び筋力訓練支援装置)> 図9は、実施の形態1に係る支援装置29(動作支援装置30a及び筋力訓練支援装置30b)の構成を示す概略斜視図である。図10は、図9の支援装置29(動作支援装置30a/筋力訓練支援装置30b)の機能的な構成を示すブロック図である。なお、動作支援装置30a及び筋力訓練支援装置30bを総称する場合、支援装置29と称する。 この支援装置29(動作支援装置30a及び筋力訓練支援装置30b)は、上記負荷制御装置20と、身体用装着部32aとを備える。なお、負荷制御装置20の力計測センサ構造10aには、把持部12を備える。この把持部12は、力計測センサ構造10aの中間子2と接続され、使用者の上肢又は下肢の動きと連動して、中間子2に力を伝達する。具体的には、把持部12は、手で握って力を印加しやすくするために設けられている。なお、把持部12は、図9の例では手で握ることができる形状としているが、これに限られず、上肢又は下肢の動きと連動するように、上肢又は下肢に固定してもよい。また、身体用装着部32aによって装着しやすくしてもよい。なお、身体用装着部32aは、この支援装置29(動作支援装置30a及び筋力訓練支援装置30b)の構成に必須のものではない。

(身体用装着部32a:リュック型装着部) この身体用装着部32aについて、図9を用いて説明する。身体用装着部32aは、使用者の肩部に掛架されると共に、駆動部16を固定するメインフレーム40を構成する背当て部41及び肩ベルト42と、メインフレーム40を使用者の胴体へ取り付ける腰ベルト43と、メインフレーム40へ取り付けられ、力計測センサ構造10aと駆動部16とを接続するワイヤ11を懸架するアーム44と、を備える。背当て部41は、金属あるいは樹脂で構成できる。肩ベルト42及び腰ベルト43は、金属、樹脂、天然繊維等によって構成できる。なお、図9では、アーム44、力計測センサ構造10a及び駆動部16を2組設けているが、これに限られず、1組又は3組以上であってもよい。 この身体用装着部32aは、使用者が肩ベルト42に腕を通して背負う形式であるので、いわゆるリュック型装着部である。この身体用装着部32aでは、アパレル部材を使用できるため、安価且つ軽量にすることができる。また、リュック型であるため、装着方法が直観的に分かり易い。さらに、腰部にモータ等の重量物がある為、前傾姿勢時の負担が小さいという利点がある。また、身体前面にフレーム等が無く、腕の可動範囲を大きく確保できるため、支援装置を装着したままでの作業性が良いという利点がある。

(別例:身体用装着部36:前抱え型装着部) 図24は、支援装置29に用いる別例の身体用装着部36の構成を示す概略斜視図である。図25は、図24の別例の身体用装着部36の正面図である。図26は、図24の別例の身体用装着部36の平面図である。図27は、図24の別例の身体用装着部36を用いた支援装置29の側面図である。 図24から図27に示す、この支援装置29の身体用装着部36では、図9の身体用装着部32aと対比すると、リュック型装着部ではなく前抱え型装着部である点で相違する。具体的には、この身体用装着部36は、図9で示すメインフレーム40が、使用者の前面側に設けられた前面フレーム45と、前面フレーム45と接続され、使用者の背面側に設けられた背面フレーム46と、で構成される。この前面フレーム45及び背面フレーム46は、金属あるいは樹脂で構成でき、さらに、剛性を有する材料で構成することが好ましい。また、アーム44は、前面フレーム45に取り付けられている。また、前面フレーム45と背面フレーム46とを脇で固定する脇ベルト47を設けてもよい。さらに、脇ベルト47の長さを調整する脇ベルト調整部48を設けてもよい。またさらに、前面フレーム45と背面フレーム46との間のフレーム幅を調整するフレーム幅調整部49を設けてもよい。また、アーム44の上にはワイヤ11を掛けるローラ50を設けてもよい。

この別例の身体用装着部36を用いた支援装置29は、以下の利点を有する。まず、この支援装置29では、前面フレーム45と背面フレーム46が、図9中、剛性のあるメインフレーム40と同様の役割を果すので、頭から支援装置29を被るようにして装着でき、一人でも装着可能である。また、荷重を肩と、広く身体前面とで支持できるため、荷重を分散することができ、身体への圧迫感を大きく軽減できる。さらに、アーム44を前面フレーム45から伸ばす事で、視界を広く確保できる。またさらに、肩を支点とし、アーム44を支点より前面側に配置し、駆動部16であるモータ等の重量物を支点より背面側に配置したので、肩から体幹に真っ直ぐ荷重が掛かるようになり、荷重(ワーク)保持姿勢が安定すると共に、荷重によって身体にかかるモーメントを軽減できる。

さらに、この前抱え型装着部とした身体用装着部36を用いた支援装置29の利点のうち、特に、肩を支点とし荷重と重量物とをバランスよく配置することによる利点について、図28(a)及び(b)を用いて説明する。図28(a)は、図24の別例の身体用装着部36(前抱え型装着部)を用いた支援装置の支点の位置と、身体へかかるモーメントを示す側面図であり、図28(b)は、図9のリュック型装着部とした身体用装着部32aを用いた支援装置29の支点の位置と、身体へかかるモーメントを示す側面図である。

この前抱え型装着部とした身体用装着部36によれば、図28(a)に示すように、荷重と重量物とをバランスよく配置することによって支援装置29を支える支点を使用者の肩の上とすることができる。一方、図28(b)に示すリュック型装着部とした身体用装着部32aを用いた支援装置では、支点が背当て部41のある背面側となる。荷重の重量が同じ場合、支点からの距離に応じて図28(a)のモーメントM2と図28(b)のモーメントM1の大きさは異なる(M2

具体的には、モーメントM2、M1は、荷重の大きさと支点から荷重までの距離x2、x1との積で表され、身体にかかる力F2、F1と支点から腹部までの距離y2、y1との積とそれぞれ下記式で示されるように釣り合う。 M2=(荷重)×x2=F2×y2 (1) M1=(荷重)×x1=F1×y1 (2) なお、図28(a)では、支点が肩の上にあるので、図28(b)の場合と比べてx2

y1の関係を有する。 そのため、上記式(1)及び(2)で荷重の大きさが同じ場合には、モーメントM2はモーメントM1より小さくなり、その結果、腹部にかかる力F2、F1は、F2

<動作支援装置> この支援装置29(動作支援装置30a及び筋力訓練支援装置30b)は、動作支援装置30aとして機能させる場合には、使用者の上肢又は下肢の動きに応じて、計測された中間子2に加わっている力を軽減するように駆動部16を制御して、使用者の上肢又は下肢の動きを支援することができる。 具体的には、使用者が把持部12を握って中間子2を上向きに持ち上げる動作を行った場合、図4(a)に示されるように、中間子2は上向きに移動する。この場合、第1の弾性部材3aは圧縮され、第2の弾性部材3bは伸長され、第1及び第2の弾性部材3a、3bから中間子2には下向きの力がかかる。そこで、リニアポテンショメータ4で中間子2の位置が上向きにあることを検出した場合には、モータ(駆動部)16を駆動させてワイヤ11を巻き上げて上向きに引っ張って使用者の上向きに持ち上げる動作を支援する。 また、使用者が把持部12を握って中間子2を下向きに押し下げる動作を行った場合、図4(c)に示されるように、中間子2は下向きに移動する。この場合、第1の弾性部材3aは伸長され、第2の弾性部材3bは圧縮され、第1及び第2の弾性部材3a、3bから中間子2には上向きの力がかかる。そこで、リニアポテンショメータ4で中間子2の位置が下向きにあることを検出した場合には、モータ(駆動部)16を駆動させてワイヤ11を逆方向に回転させてワイヤ11をゆるめて使用者の下向きに押し下げる動作を支援する。

<動作支援フローチャート> 図11は、本開示の実施の形態1に係る動作支援装置30aの動作を説明するフローチャートである。 (1)リニアポテンショメータ4の値を読み込む(S01)。 (2)リニアポテンショメータ4の値は上向き(+)方向か否か判断し(S02)、上向き(+)方向の場合には、ワイヤ11を巻き取って上向き方向の動作を支援するようにモータを駆動する(S03)。その後、上記ステップS01に戻り、再度リニアポテンショメータ4の値を読み込む。一方、リニアポテンショメータ4の値が上向きでない場合には、次のステップS04に移動する。 (3)リニアポテンショメータ4の値は下向き(−)方向か否か判断し(S04)、下向き(−)方向の場合には、ワイヤ11を放出して下向き方向の動作を支援するようにモータを駆動する(S05)。その後、上記ステップS01に戻り、再度リニアポテンショメータ4の値を読み込む。 以上の各ステップを繰り返す。これによって、使用者の上肢又は下肢の動きを支援することができる。

<筋力訓練支援装置> この支援装置29(動作支援装置30a及び筋力訓練支援装置30b)は、筋力訓練支援装置30bとして機能させる場合には、使用者の上肢又は下肢の動きに応じて、計測された中間子2に加わっている力を増加するように駆動部16を制御して、使用者の上肢又は下肢の筋力訓練を支援することができる。 具体的には、リニアポテンショメータ4で中間子2の位置が既定値より上向きにあることを検出した場合には、あらかじめ設定された筋力訓練で使用者の上肢又は下肢に加えられる既定値の力よりも大きな力が印加されていることがわかる。そこで、モータ(駆動部)16を駆動させてワイヤ11を巻き上げて上向きに引っ張って、使用者の上肢又は下肢に加えられる力が既定値の力となるようにして、使用者の筋力訓練を支援する。 また、リニアポテンショメータ4で中間子2の位置が既定値より下向きにあることを検出した場合には、あらかじめ設定された筋力訓練で使用者の上肢又は下肢に加えられる既定値の力よりも小さな力が印加されていることがわかる。そこで、モータ(駆動部)16を駆動させてワイヤ11を逆方向に回転させてワイヤ11をゆるめて、使用者の上肢又は下肢に加えられる力が既定値の力となるようにして、使用者の筋力訓練を支援する。

<筋力訓練支援フローチャート> 図12は、本開示の実施の形態1に係る筋力訓練支援装置30bの動作を説明するフローチャートである。 (1)リニアポテンショメータ4の値を読み込む(S11)。 (2)リニアポテンショメータ4の値は規定値より上向き(+)方向か否か判断し(S12)、規定値より上向き(+)方向の場合には、ワイヤ11を巻き取って規定値の負荷となるようにモータ16を駆動する(S13)。その後、上記ステップS11に戻り、再度リニアポテンショメータ4の値を読み込む。一方、リニアポテンショメータ4の値が規定値より上向きでない場合には、次のステップS14に移動する。 (3)リニアポテンショメータ4の値は規定値より下向き(−)方向か否か判断し(S14)、規定値より下向き(−)方向の場合には、ワイヤ11を放出して規定値の負荷となるようにモータ16を駆動する(S15)。その後、上記ステップS11に戻り、再度リニアポテンショメータ4の値を読み込む。 以上の各ステップを繰り返す。これによって、使用者の上肢又は下肢の筋力訓練を支援することができる。

以上の説明から明らかなように、本開示の実施の形態1に係る支援装置29(動作支援装置30aおよび筋力訓練支援装置30b)は、第1及び第2の弾性部材3a、3bで中間子2を支持する構成としているため、使用者が急な動きを行っても、力計測センサ構造10、10aが過敏に反応し過ぎることはない。従って、使用者の動作に適した範囲で、支援装置29(動作支援装置30aおよび筋力訓練支援装置30b)の最適化が可能となる。 特に、動作支援装置30aとして用いる場合、作業内容に応じて第1及び第2の弾性部材3a、3bを調整すれば、上記説明で示した上向き方向と下向き方向の特性が向上し、使用者に掛かる負荷を軽減できる。

同様に、筋力訓練支援装置30bとして用いる場合、使用者が回復すべき機能に応じて第1及び第2の弾性部材3a、3bを調整すれば、上記説明で示した上向き方向と下向き方向の負荷を最適化できる。つまり、各方向に対する最適な負荷を設定できる。よって、使用者は、上向き方向に対して最適な負荷による訓練と下向き方向に対して最適な負荷による訓練とを同時に行うことが可能となり、訓練時間を短縮できる。

(実施の形態2) <力計測センサ構造> 図13は、本開示の実施の形態2に係る力計測センサ構造10bの構成を示す斜視図である。図14は、図13の力計測センサ構造10bの分解斜視図である。 この力計測センサ構造10bは、支点7に対して回転可能な長さを有する測定子6と、測定子6の所定位置に設けられた中間子2と、測定子6の延在する方向と交差する方向について、中間子2の両端に設けられ、中間子2を支持する第1及び第2の弾性部材3a、3bと、中間子2と接続され、第1の弾性部材3aと中間子2と第2の弾性部材3bとを結ぶ円弧における中間子2の回転角度の変化を検出する回転ポテンショメータ9と、を備える。また、第1及び第2の弾性部材3a、3bは、中間子2に対して、上記円弧に沿って、中間子2の支点7を中心とする回転方向の互いに対向する方向に負荷を印加可能に設けられている。さらに、回転ポテンショメータ9によって、上記円弧における中間子2の回転角度の変化を検出して中間子2に加わっている力を計測することができる。 測定子6の支点7となる回転軸は、ベース14に設けられている。また、第1の弾性部材3aを上端は第1のバネ受け15aで受けており、第2の弾性部材3bの下端は第2のバネ受け15bで受けている。第1及び第2のバネ受け15a、15bは、ベース14に設けられている。ベース14に設けられた支点7は、測定子6に設けられた軸受7aと嵌合する。

以下に、この力計測センサ構造10bを構成する各部材について説明する。

<測定子> 測定子6は、回転軸(支点)7に対して回転可能に設けられている。測定子6の所定値に中間子2を設け、中間子に印加される力を計測するために、測定子6は剛体からなることが好ましい。測定子6の材料としては、剛体であればよく、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、木材、竹等の力計測において通常使用可能なものであれば使用することができる。

<中間子> 中間子2は、測定子6の所定位置に設けられる。中間子2の材料は、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、木材、竹等の力計測において通常使用可能なものであれば使用することができる。

<第1及び第2の弾性部材> 第1の弾性部材3a及び第2の弾性部材3bは、測定子6の延在する方向と交差する方向について、中間子2の両端に設けられ、中間子2を支持する。この第1及び第2の弾性部材3a、3bは、中間子2に対して、第1の弾性部材3aと中間子2と第2の弾性部材3bとを結ぶ上記円弧に沿って、中間子2の支点7を中心とする回転方向の互いに対向する方向に負荷を印加可能に設けられている。

<回転ポテンショメータ> 回転ポテンショメータ9は、中間子2と接続され、第1の弾性部材3aと中間子2と第2の弾性部材3bとを結ぶ円弧における中間子2の回転角度の変化を検出する。回転ポテンショメータ9によって、円弧における中間子2の回転角度の変化を検出して中間子2に加わっている力を計測することができる。

図15(a)は、図13の力計測センサ構造10bにおいて、中間子2に時計回り(+)方向の力が印加され、中間子2が時計回り(+)方向に移動した場合の位置を示す正面図であり、図15(b)は、中間子2に力が印加されていない場合の中間子2の位置を示す正面図であり、図15(c)は、中間子2に反時計回り(−)方向の力が印加され、中間子2が反時計回り(−)方向に移動した場合の中間子2の位置を示す正面図である。 図15(a)に示すように、中間子2が時計回り(+)方向の位置にある場合には、第1の弾性部材3aが圧縮されると共に、第2の弾性部材3bが伸長されるため、第1及び第2の弾性部材3a、3bから、中間子2に反時計回り(−)方向の負荷がかかる。一方、図15(c)に示すように、中間子2が反時計回り(−)方向の位置にある場合には、第1の弾性部材3aが伸長されると共に、第2の弾性部材3bが圧縮されるため、第1及び第2の弾性部材3a、3bから、中間子2に時計回り(+)方向の負荷がかかる。この力計測センサ構造10bでは、回転ポテンショメータ9によって、第1の弾性部材3aと中間子2と第2の弾性部材3bとを結ぶ円弧における中間子2の回転角度の変化を検出して、中間子2に加わっている力を計測する。例えば、中間子2の位置が時計回り(+)方向の場合には、中間子2には反時計回り(−)方向の負荷がかかっていることがわかる。一方、中間子2の位置が反時計回り(−)方向の場合には、中間子2には時計回り(+)方向の負荷がかかっていることがわかる。

<負荷制御装置> 図16は、本開示の実施の形態2に係る負荷制御装置20aの構成を示す斜視図である。図17は、図16の負荷制御装置20aの機能的な構成を示すブロック図である。 図16及び図17に示すように、この負荷制御装置20aは、力計測センサ構造10bと、第1及び第2のバネ受け15a、15bを設けたベース14を回転させるモータ(駆動部)16と、モータ(駆動部)16を制御する制御部18と、を備える。また、測定子6の先端に手で握ることができる把持部12aを設けている。さらに、この負荷制御装置20aを上腕用装着部31a、31bによって上腕に装着することができる。上記モータ(駆動部)16によって、第1及び第2のバネ受け15a、15bを設けたベース14を回転させることによって、第1及び第2の弾性部材3a、3bから中間子2に印加する負荷を変化させることができる。

以下に、この負荷制御装置20aを構成する各部材について説明する。 <駆動部> 駆動部16は、例えば、第1及び第2のバネ受け15a、15bを設けたベース14を回転させることができるモータ等を使用できる。駆動部16の構成はモータに限られず、第1及び第2の弾性部材3a、3bから中間子2に印加する負荷を変化させることができるものであれば使用できる。例えば、第1の弾性部材3a及び第2の弾性部材3bと中間子2との相対位置を上向き又は下向きに変化させて、第1の弾性部材3a及び第2の弾性部材3bから中間子2にかかる負荷を変化させるものであってもよい。

<制御部> 図18は、図17の制御部18の物理的な構成例を示すブロック図である。図19は、図17の制御部18の機能的な構成例を示すブロック図である。 この制御部18は、例えば、図18に示すように、CPU21、メモリ22、記憶部23、入力部24、出力部25等を備えたパーソナルコンピュータによって実現してもよい。また、この制御部18の機能的な構成は、図19に示すように、ポテンショメータの値を読み取るポテンショメータ読み取り部26と、中間子2に印加されている力を算出する中間子印加力算出部27と、第1及び第2の弾性部材3a、3bから中間子2に加える負荷を制御する弾性部材負荷制御部28と、を備えてもよい。

<動作支援装置/筋力訓練支援装置> 図20は、本開示の実施の形態2に係る支援装置29a(動作支援装置30c/筋力訓練支援装置30d)の構成を示す斜視図である。図21は、図20の支援装置29a(動作支援装置30c/筋力訓練支援装置30d)の機能的な構成を示すブロック図である。 この支援装置29a(動作支援装置30c及び筋力訓練支援装置30d)は、上記負荷制御装置20aと、上腕用装着部31a、31bと、身体用装着部32bとを備える。なお、負荷制御装置20aの力計測センサ構造10bには、把持部12aを備える。この把持部12aは、図16に示すように力計測センサ構造10bの中間子2と接続され、使用者の上肢又は下肢の動きと連動して、中間子2に力を伝達する。具体的には、把持部12aは、手で握って力を印加しやすくするために設けられている。なお、把持部12aは、図20の例では手で握ることができる形状としているが、これに限られず、上肢又は下肢の動きと連動するように、上肢又は下肢に固定してもよい。また、上腕用装着部31a、31bによって装着しやすくしてもよい。さらに、制御部18や電源33等は、身体用装着部32bで身体に装着してもよい。なお、上腕用装着部31a、31b及び身体用装着部32bは、この支援装置29a(動作支援装置30c及び筋力訓練支援装置30d)の構成に必須のものではない。

<動作支援装置> この支援装置29a(動作支援装置30c及び筋力訓練支援装置30d)は、動作支援装置30cとして機能させる場合には、使用者の上肢又は下肢の動きに応じて、計測された中間子2に加わっている力を軽減するように駆動部16を制御して、使用者の上肢又は下肢の動きを支援することができる。 具体的には、使用者が把持部12aを握って中間子2を時計回り(+)方向に持ち上げる動作を行った場合、図15(a)に示されるように、中間子2は時計回り(+)方向に移動する。この場合、第1の弾性部材3aは圧縮され、第2の弾性部材3bは伸長され、第1及び第2の弾性部材3a、3bから中間子2には反時計回り(−)方向の力がかかる。そこで、回転ポテンショメータ9で中間子2の回転角度が時計回り(+)方向にあることを検出した場合には、モータ(駆動部)16を駆動させてベース14を時計回り(+)方向に回転させて、使用者の時計回り(+)方向に持ち上げる動作を支援する。 また、使用者が把持部12aを握って中間子2を反時計回り(−)方向に押し下げる動作を行った場合、図15(c)に示されるように、中間子2は反時計回り(−)方向に移動する。この場合、第1の弾性部材3aは伸長され、第2の弾性部材3bは圧縮され、第1及び第2の弾性部材3a、3bから中間子2には時計回り(+)方向の力がかかる。そこで、回転ポテンショメータ9で中間子2の回転角度が反時計回り(−)方向にあることを検出した場合には、モータ(駆動部)16を駆動させてベース14を反時計回り(−)方向に回転させて、使用者の反時計回り(−)方向に押し下げる動作を支援する。

<動作支援フローチャート> 図22は、本開示の実施の形態2に係る動作支援装置30cの動作を説明するフローチャートである。 (1)回転ポテンショメータ9の値を読み込む(S21)。 (2)回転ポテンショメータ9の値は時計回り(+)方向か否か判断し(S22)、時計回り(+)方向の場合には、時計回り方向の動作を支援するようにモータを駆動してベース14を時計回りに回転させる(S23)。その後、上記ステップS21に戻り、再度回転ポテンショメータ9の値を読み込む。一方、回転ポテンショメータ9の値が時計回り方向でない場合には、次のステップS24に移動する。 (3)回転ポテンショメータ9の値は反時計回り(−)方向か否か判断し(S24)、反時計回り(−)方向の場合には、逆時計回り方向の動作を支援するようにモータを駆動してベースを反時計回り方向に回転させる(S25)。その後、上記ステップS21に戻り、再度回転ポテンショメータ9の値を読み込む。 以上の各ステップを繰り返す。これによって、使用者の上肢又は下肢の動きを支援することができる。

<筋力訓練支援装置> この支援装置29a(動作支援装置30c及び筋力訓練支援装置30d)は、筋力訓練支援装置30dとして機能させる場合には、使用者の上肢又は下肢の動きに応じて、計測された中間子2に加わっている力を増加するように駆動部16を制御して、使用者の上肢又は下肢の筋力訓練を支援することができる。 具体的には、回転ポテンショメータ9で中間子2の位置が既定値より時計回り(+)方向にあることを検出した場合には、筋力訓練であらかじめ設定された使用者の上肢又は下肢に加えられる既定値の力よりも大きな力が印加されていることがわかる。そこで、モータ(駆動部)16を駆動させてベース14を時計回り(+)方向に回転させて、使用者の上肢又は下肢に加えられる力が既定値の力となるようにして、使用者の筋力訓練を支援する。 また、回転ポテンショメータ9で中間子2の位置が既定値より反時計回り(−)方向にあることを検出した場合には、あらかじめ設定された筋力訓練で使用者の上肢又は下肢に加えられる既定値の力よりも小さな力が印加されていることがわかる。そこで、モータ(駆動部)16を駆動させてベース14を反時計回り(−)方向に回転させて、使用者の上肢又は下肢に加えられる力が既定値の力となるようにして、使用者の筋力訓練を支援する。

この筋力訓練支援装置30dでは、回転ポテンショメータ9によって中間子2の回転角度を検出し、使用者に加わっている力が既定値より大きい場合には軽減し、既定値より小さい場合には大きくして、使用者に加わる負荷を一定の負荷とすることができる。これによって、使用者の筋力訓練において、使用者の動きにかかわらず一定の負荷に保つことができる。

<筋力訓練支援フローチャート> 図23は、本開示の実施の形態2に係る筋力訓練支援装置30dの動作を説明するフローチャートである。 (1)回転ポテンショメータ9の値を読み込む(S31)。 (2)回転ポテンショメータ9の値は規定値より時計回り(+)方向か否か判断し(S32)、規定値より時計回り(+)方向の場合には、規定値の負荷となるようにモータを駆動してベースを時計回り方向に回転させる(S33)。その後、上記ステップS31に戻り、再度回転ポテンショメータ9の値を読み込む。一方、回転ポテンショメータ9の値が規定値より時計回り方向でない場合には、次のステップS34に移動する。 (3)回転ポテンショメータ9の値は規定値より反時計回り(−)方向か否か判断し(S34)、規定値より反時計回り(−)方向の場合には、規定値の負荷となるようにモータを駆動してベースを反時計回りに回転させる(S35)。その後、上記ステップS31に戻り、再度回転ポテンショメータ9の値を読み込む。 以上の各ステップを繰り返す。これによって、使用者の上肢又は下肢の筋力訓練を支援することができる。

以上の説明から明らかなように、本開示の実施の形態2に係る支援装置29a(動作支援装置30cおよび筋力訓練支援装置30d)は、第1及び第2の弾性部材3a、3bで中間子2を支持する構成としているため、使用者が急な動きを行っても、力計測センサ構造10bが過敏に反応し過ぎることはない。従って、使用者の動作に適した範囲で、支援装置29a(動作支援装置30cおよび筋力訓練支援装置30d)の最適化が可能となる。 特に、動作支援装置30cとして用いる場合、作業内容に応じて第1及び第2の弾性部材3a、3bを調整すれば、上記説明で示した上向き方向と下向き方向の特性が向上し、使用者に掛かる負荷を軽減できる。

同様に、筋力訓練支援装置30dとして用いる場合、使用者が回復すべき機能に応じて第1及び第2の弾性部材3a、3bを調整すれば、上記説明で示した上向き方向と下向き方向の負荷を最適化できる。つまり、各方向に対する最適な負荷を設定できる。よって、使用者は、上向き方向に対して最適な負荷による訓練と下向き方向に対して最適な負荷による訓練とを同時に行うことが可能となり、訓練時間を短縮できる。

本開示に係る支援装置は、初期に比べてその後の力が小さくなる力を計測して支援する場合において、初期の力ではなくその後の力を計測して支援できる。そこで、この支援装置は、人力による動作を支援する動作支援装置及び筋力訓練支援装置に使用できる。

1 軸 2 中間子 3a 第1の弾性部材 3b 第2の弾性部材 4 リニアポテンショメータ 5a 第1の端部 5b 第2の端部 6 測定子 7 支点(回転軸) 7a 軸受 9 回転ポテンショメータ 10、10a、10b 力計測センサ構造 11 ワイヤ 12、12a 把持部(グリップ) 13 フック 14 ベース 15a、15b バネ受け 16 モータ(駆動部) 18 制御部 20、20a 負荷制御装置 21 CPU 22 メモリ 23 記憶部 24 入力部 25 出力部 26 ポテンショメータ読み取り部 27 中間子印加力算出部 28 弾性部材負荷制御部 29、29a 支援装置 30a、30c 動作支援装置 30b、30d 筋力訓練支援装置 31a、31b 上腕用装着部 32a、32b、36 身体用装着部 33 電源 40 メインフレーム 41 背当て部 42 肩ベルト 43 腰ベルト 44 アーム 45 前面フレーム 46 背面フレーム 47 脇ベルト 48 脇ベルト調整部 49 フレーム幅調整部 50 ローラ