パワーアシスト装置およびセンサ
【課題】操作者に密着させずに済み、調整も容易なパワーアシスト装置用のセンサ、およびこのセンサを組み込んだパワーアシスト装置を提供する。
【解決手段】脚部３５の上端に関節部を介して一端側が回動自在に連結され、操作者の上腕が挿入可能な第１の外装部４６と、第１の外装部４６と関節部を介して連結され、操作者の前腕が挿入可能な第２の外装部４８と、第２の外装部４８と関節部を介して連結され、操作者の手が挿入可能な第３の外装部５０と、第１の外装部、第２の外装部および第３の外装部のそれぞれを関節部を中心として回動させる複数のアクチュエータ３８ａ，３８ｂ，３８ｃと、各外装部内に設けられ、操作者の腕または手によって押圧されて変形する複数の押圧検出センサ５２と、いずれかの押圧検出センサ５２の変形を検出した場合に、外装部を押圧により変形した距離だけ移動させるように各アクチュエータを制御する制御部７８とを具備する。
【解決手段】脚部３５の上端に関節部を介して一端側が回動自在に連結され、操作者の上腕が挿入可能な第１の外装部４６と、第１の外装部４６と関節部を介して連結され、操作者の前腕が挿入可能な第２の外装部４８と、第２の外装部４８と関節部を介して連結され、操作者の手が挿入可能な第３の外装部５０と、第１の外装部、第２の外装部および第３の外装部のそれぞれを関節部を中心として回動させる複数のアクチュエータ３８ａ，３８ｂ，３８ｃと、各外装部内に設けられ、操作者の腕または手によって押圧されて変形する複数の押圧検出センサ５２と、いずれかの押圧検出センサ５２の変形を検出した場合に、外装部を押圧により変形した距離だけ移動させるように各アクチュエータを制御する制御部７８とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作者に装着することによって操作者の動きに追随して動作を補助することができるパワーアシスト装置、およびこれに用いられ、操作者の動きを検出するセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
操作者に装着されて操作者の動作を補助する装置としてパワーアシスト装置がある（例えば、特許文献１参照）。
パワーアシスト装置は、例えば、寝たきりとなっている要介護者を介護者が起こすときや、倉庫内で荷物の積み下ろしをするときなど、腕や足に大きな負担がかかる場合に用いるために開発が進められてきた。
【０００３】
パワーアシスト装置は、操作者の動作を補助するものであるため、操作者の動作を検出するセンサを設け、センサが検出した動作に追従するように関節部のモータを制御することが必要となってくる。
操作者の動作を検出するセンサとしては生体電位センサ、圧力センサ、ひずみゲージ等が考えられる。
特許文献１に開示されているパワーアシスト装置では、センサとして圧力センサ、加速度センサ、速度センサ、位置センサ等が用いられることが挙げられている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１０５２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
操作者に装着するパワーアシスト装置においては、操作者への装着および取り外しが非常に面倒である場合が多い。特に、センサとして生体電位センサや圧力センサを用いる場合には、センサを操作者に密着させる必要があるので、操作者への装着および取り外しに時間がかかるという課題がある。
【０００６】
また、生体電位センサでは、微弱な電流を検出するのでノイズに弱く、誤動作の可能性もあるという課題もある。さらに、生体電位センサを用いた場合、生体電位や筋力は個人差があり、しかも同一人であっても日々の変動が大きい。したがって、センサの調整が困難であるという課題もある。
【０００７】
そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、操作者に密着させずに済み、調整も容易なパワーアシスト装置用のセンサ、およびこのセンサを組み込んだパワーアシスト装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかるパワーアシスト装置によれば、操作者の動きに追随するように動作し、操作者の動きを補助するパワーアシスト装置において、自由に回転する車輪が設けられた基台と、基台から上方に向けて突出する脚部と、脚部の上端に関節部を介して一端側が回動自在に連結され、操作者の上腕が挿入可能な第１の外装部と、一端側が、第１の外装部の他端側と関節部を介して回動自在に連結され、操作者の前腕が挿入可能な第２の外装部と、一端側が、第２の外装部の他端側と関節部を介して回動自在に連結され、操作者の手が挿入可能な第３の外装部と、各関節部に設けられ、第１の外装部、第２の外装部および第３の外装部のそれぞれを関節部を中心として回動させる複数のアクチュエータと、各外装部内に設けられ、操作者の腕および手によって押圧されることにより押圧方向に変形する複数の押圧検出センサと、いずれかの押圧検出センサによって操作者からの押圧を検出した際に、該当する押圧検出センサが設けられているいずれかの外装部を、押圧されて変形した距離分だけ押圧方向に移動させるように各アクチュエータを制御する制御部とを具備することを特徴としている。
【０００９】
この構成を採用することによる作用は以下の通りである。
外装部に挿入された操作者の腕や手が動くと、腕や手が動いた方向に存する押圧サンサに腕や手が当接し、押圧検出センサが押圧されて押圧方向に変形する。制御部は、押圧検出センサが押圧方向に変形した距離分だけ押圧された方向に外装部を移動させるようにアクチュエータを制御する。このため、従来のように、操作者にセンサを常時密着していなくても、押圧時にセンサが変形した距離だけ、外装部が操作者の動きに追従して移動することができる。また、センサに対して、個人差や日々の変動による調整が必要ないので、誰でも簡単に使用することができる。
【００１０】
また、前記脚部は少なくとも２本設けられ、前記第１の外装部、前記第２の外装部および前記第３の外装部は、操作者の左右両方の腕および手に対応するように、各一対づつ設けられていることを特徴としてもよい。
これにより、操作者の両腕および両手のアシストが可能となる。
【００１１】
また、前記押圧検出センサは、操作者の腕または手が当接する位置に設けられた押圧部と、押圧部と所定の間隔をあけて配置される基準部と、押圧部と基準部とを連結し、押圧部を操作者の腕または手が押圧することにより押圧部と基準部とを結ぶ方向に変形し、操作者の腕または手による押圧が解除された場合には変形が解消するような弾性部材で形成された連結部とを有することを特徴としている。
この構成によれば、押圧検出センサの弾性部材である連結部の変形により操作者の腕または手の移動距離を測定することができるので、低コストでパワーアシスト装置のセンサを構成することができる。
【００１２】
さらに、前記押圧部には、基準部と対向する面に光を反射する反射板が設けられ、前記基準部には、反射板に対して光を照射する発光部および反射板から反射された光を受光する受光部が設けられ、前記制御部は、受光部が受光する受光強度に基づいて連結部の変形による押圧部と基準部との距離の変化を算出し、算出された距離だけセンサ部が設けられた外装部が移動するように各アクチュエータを制御することを特徴としてもよい。
このように距離の変化を光の光路長の変化で検出可能とすることで、ノイズに影響されることなく、且つ安価な構成でのセンサを提供することができる。
【００１３】
さらに、前記センサ部の反射板、発光部および受光部は、遮光された空間内に配置されていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、押圧部と、連結部と、発光部および受光部を取り付けた基準部を含めて内部を遮光した１つのユニットとして構成することができ、パワーアシスト装置への取り付けが容易となる。
【００１４】
なお、前記押圧部および前記基準部は金属板で形成されており、前記制御部は、押圧部と基準部との間における静電容量の変化に基づいて、押圧部と基準部との距離の変化を算出することを特徴としてもよい。
このように、距離の変化を静電容量の変化に基づいて算出するようにしても、部品点数を減らして、簡易にセンサを構成することができる。
【００１５】
本発明にかかるセンサによれば、操作者の動きに追随するように動作し、操作者の動きを補助するパワーアシスト装置に設けられ、操作者によって押圧されたことを検出するセンサであって、操作者の身体の一部が当接する位置に設けられた押圧部と、押圧部と所定の間隔をあけて配置される基準部と、押圧部と基準部とを連結し、押圧部を操作者の身体の一部が押圧することにより押圧部と基準部とを結ぶ方向に変形し、操作者の身体の一部による押圧が解除された場合には変形が解消するような弾性部材で形成された連結部とを具備することを特徴としている。
この構成を採用することによって、弾性部材である連結部の変形により操作者の身体の一部の移動距離を測定することができるので、低コストでパワーアシスト装置のセンサを構成することができる。
【００１６】
また、前記押圧部には、基準部と対向する面に光を反射する反射板が設けられ、前記基準部には、反射板に対して光を照射する発光部および反射板から反射された光を受光する受光部が設けられていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、距離の変化を光の光路長の変化で検出可能とすることで、ノイズに影響されることなく、且つ安価な構成でのセンサを提供することができる。
【００１７】
さらに、前記センサ部の反射板、発光部および受光部は、遮光された空間内に配置されていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、センサを、押圧部と、連結部と、発光部および受光部を取り付けた基準部を含めて内部を遮光した１つのユニットとして構成することができ、パワーアシスト装置への取り付けが容易となる。
【００１８】
前記押圧部および前記基準部は金属板で形成されていることを特徴としてもよい。
この構成によって、距離の変化を静電容量の変化に基づいて算出するようにしても、部品点数を減らして、簡易にセンサを構成することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のパワーアシスト装置およびセンサによれば、操作者にセンサを密着させなくともよいのでパワーアシスト装置の装着や取り外しが容易となり、且つ誤動作のおそれが少なく、調整も容易とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明にかかる好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
本実施形態のパワーアシスト装置３０は、倉庫内等において人手により重量物を運搬する用途に用いるものであり、操作者の肩よりも先の腕の部分および手について、腕および手の動作を追随し、操作者の腕および手の代わりに重量物により腕および手にかかる負荷を負担しようとするものである。
【００２１】
まず、パワーアシスト装置３０の全体構成について説明する。
パワーアシスト装置３０は、基台３２と、腕部３４と、腕部３４を基台３２に取り付けて支持するための脚部３５とを有している。
本実施形態のパワーアシスト装置３０は、腕部３４を構成する複数の外装部４６，４８，５０のそれぞれを回動可能となるように複数のアクチュエータ３８ａ，３８ｂ，３８ｃが取り付けられ、外装部を互いに回動させることによって、装着した操作者の肩、肘および手首の動きを追随する。
【００２２】
基台３２は、腕部３４を所定の位置に移動させることができるように、フリー回転する車輪３９，３９・・が設けられている。基台３２は、操作者の足による移動に伴って地面の上を移動する。
【００２３】
基台３２は、平面視すると後方が開口したコの字状に形成されている。基台３２は、前部３２ａ、右部３２ｂ、左部３２ｃの３つの部材が連結されて構成され、それぞれの部材に上述した車輪３９，３９・・が設けられている。
操作者は、後方の開口した場所から基台３２内側へ進入し、操作者の腕を腕部３４に装着する。
【００２４】
基台３２の右部３２ｂと左部３２ｃのそれぞれには、腕部３４を基台３２に支持するための脚部３５、３５が上方に向けて突出するように設けられている。
各脚部３５は、全体として棒状の部材であって、中途部において曲げることができるようにヒンジ４０を介して２本の上脚部３５ａと下脚部３５ｂとが連結されて構成されている。ヒンジ４０は、上脚部３５ａおよび下脚部３５ｂにヒンジ４０を回動させる方向に一定以上の力が加わった場合にのみ回動するような摩擦力を有するように設けられており、通常時は上脚部３５ａと下脚部３５ｂとが回動しないように保持している。
【００２５】
また、各下脚部３５ｂの下端部は、基台３２に対して曲げることができるようにヒンジ４２を介して、基台３２の右部３２ｂおよび左部３２ｃに取り付けられている。ヒンジ４２は、下脚部３５ｂにヒンジ４２を回動させる方向に一定以上の力が加わった場合にのみ回動するような摩擦力を有するように設けられており、通常時は下脚部３５ｂが基台３２に対して回動しないように保持している。
【００２６】
次に腕部３４について説明する。
腕部３４は、右手用と左手用にそれぞれ左右に設けられており、それぞれの後端部が各脚部３５の上端部に設けられたアクチュエータ３８ａによって上脚部３５ａに回動可能に連結されている。
腕部３４は、操作者の肩よりも先の腕および手に装着されるように設けられている。腕部３４の後端部と上脚部３５ａの上端部とが連結されている部位が操作者の肩の位置に該当する。
【００２７】
腕部３４は、操作者の表面を覆う外装部４４を有している。外装部４４は、金属または合成樹脂等で形成された薄板が断面コの字状となるように、操作者の腕の表面を三方から覆うように形成されている。
左右の腕部３４の外装部４４は、それぞれ腕の内側（操作者の身体側）に開口するように設けられており、操作者は、腕および手を内側から外装部４４内に挿入するだけで、パワーアシスト装置３０の装着ができる。操作者の腕および手は、腕部３４内に挿入させた後は、外装部４４に拘束されることはなく、開口側から腕を抜き出すだけで腕部３４からの取り外しが可能となる。
【００２８】
腕部３４の外装部４４は、操作者の肩から肘までを覆う上腕部４６と、肘から手首までを覆う前腕部４８と、手首から指先までを覆う手先部５０とから構成されている。上腕部４６と前腕部４８とはアクチュエータ３８ｂによって回動可能に接続されており、前腕部４８と手先部５０とはアクチュエータ３８ｃによって回動可能に接続されている。
なお、本実施形態においては、腕部３４は、操作者の肘関節と手首とが上方に曲がるように配置されている。したがって、操作者が腕部３４を自分の腕に装着する場合には、自分の上腕と前腕の内側および手の平が上を向くようにして腕および手を外装部４４に進入させる。このように、本実施形態の腕部３４は、主として操作者の前腕部の内側の面および手の平で重量物を支えて運ぶ場合に用いられることを想定している。
【００２９】
上腕部４６は、操作者の上腕の内側（装着時には上方を向いている肘関節・手首の内側）を覆う上面部４６ａと、操作者の上腕の外側（装着時には下方を向いている肘関節・手首の外側）を覆う下面部４６ｂと、上面部４６ａと下面部４６ｂとを連結して操作者の上腕の側面を覆う側面部４６ｃとから構成され、上面部４６ａと下面部４６ｂとは当接しないように断面コの字状に形成されている。
【００３０】
前腕部４８は、操作者の前腕の内側（装着時には上方を向いている肘関節・手首の内側）を覆う上面部４８ａと、操作者の前腕の外側（装着時には下方を向いている肘関節・手首の外側）を覆う下面部４８ｂと、上面部４８ａと下面部４８ｂとを連結して操作者の前腕の側面を覆う側面部４８ｃとから構成され、上面部４８ａと下面部４８ｂとは当接しないように断面コの字状に形成されている。
【００３１】
手先部５０は、操作者の手の平を覆う上面部５０ａと、操作者の手の甲を覆う下面部５０ｂと、上面部５０ａと下面部５０ｂとを連結して操作者の手の側面を覆う側面部５０ｃとから構成され、上面部５０ａと下面部５０ｂとは互いの先端において当接し、断面コの字状となるように形成されている。
【００３２】
上腕部４６の側面部４６ｃの一端側（後端側）には、アクチュエータ３８ａの回動軸（図示せず）が取り付けられており、アクチュエータ３８ａの筐体は上脚部３５ａの上端部に取り付けられている。このため、アクチュエータ３８ａの回動軸が駆動すると、上腕部４６は上脚部３５ａに対して回動する。
また、上腕部４６の側面部４６ｃの他端側（先端側）には、アクチュエータ３８ｂの筐体が取り付けられており、アクチュエータ３８ｂの回動軸（図示せず）は、前腕部４８の側面部４８ｃの後端部に取り付けられている。このため、アクチュエータ３８ｂの回動軸が駆動すると、前腕部４８は上腕部４６に対して回動する。
前腕部４８の側面部４８ｃの先端部には、アクチュエータ３８ｃの筐体が取り付けられており、アクチュエータ３８ｃの回動軸（図示せず）は、手先部５０の側面部５０ｃの後端部に取り付けられている。このため、アクチュエータ３８ｃの回動軸が駆動すると、手先部５０は前腕部４８に対して回動する。
【００３３】
腕部３４の各外装部４６，４８，５０の内壁面には、操作者の動きを検出するための複数の押圧検出センサ５２（以下、単にセンサと称する場合がある）が設けられている。センサ５２は、腕部３４の外装部４４の内側に設けられ、操作者の腕または手が当接して押圧することにより押圧方向に変形する。
センサ５２は、操作者の腕または手が押圧して変形させられることによって、変形による距離変化を検出する。
【００３４】
このように、本実施形態のパワーアシスト装置３０では、外装部４４の内壁面と操作者とでは接触している必要はなく、むしろ操作者が動いていない時は接触しておらず、操作者が動作したときに初めて操作者と外装部４４の内壁面（センサ５２）とが接触するようにすることができる。
このように、外装部４４を断面コの字状とし、センサ５２も通常時は操作者に非接触となる構成としたので、パワーアシスト装置３０は操作者を拘束することがなく、着脱が容易である。さらに、パワーアシスト装置３０は操作者を拘束していないので、転倒などの危険がある場合には、操作者は外装部４４の開口側からすぐに腕を抜くことができ、操作者はパワーアシスト装置３０の転倒に巻き込まれなくてもすむ。
【００３５】
また、左右両腕部３４、３４における外装部４４の開口側は、それぞれ操作者の身体内側に向くように設けられている。すなわち、各腕部３４，３４の外装部４４の開口部は、互いに対向するように配置される。
このため、操作者が転倒時等に両腕および両手を外装部４４から抜き出すには、腕と手を身体の内側に縮めるようにするだけでよく、瞬時にパワーアシスト装置３０からの離脱ができる。
【００３６】
以下、図４〜図５に基づいて、センサについて説明する。
本実施形態におけるセンサ５２は、光路長の変化を検出して操作者の動きを検出する光センサである。
センサ５２は、ほぼ立方体状に形成されており、操作者に当接する側に設けられた板状の部材が押圧部５４であり、押圧部５４に対向するように設けられた板状の部材が基準部５５である。そして、押圧部５４と基準部５５とを連結し、且つ押圧部５４と基準部５５との間の空間の周囲を囲むように連結部５６が設けられている。
連結部５６は、操作者の腕または手が押圧部５４に当接して押圧することで容易に変形し、力が加わらなくなった場合にはすぐにもとに戻る性質の弾性部材によって形成されている。連結部５６としては、ゴムスポンジ等の弾力性を有する材質が好ましい。
一方、押圧部５４と基準部５５は、操作者が当接して押圧した程度の力では容易には変形しない金属や合成樹脂等の材質によって板状に形成されている。
【００３７】
押圧部５４の操作者に当接する面の裏側、つまり押圧部５４の基準部５５に対向する面側は光が反射するように反射面５４ａに形成されている。
基準部５５には、反射面５４ａに対してレーザ光を照射するレーザダイオード５８と、反射面５４ａから反射されたレーザ光を受光するフォトディテクタ６０とが設けられている。レーザダイオード５８が特許請求の範囲でいう発光部に該当し、フォトディテクタ６０が特許請求の範囲でいう受光部に該当する。
【００３８】
操作者がセンサ５２の押圧部５４に当接した場合、連結部５６が圧縮する方向に変形する。この連結部５６の圧縮によって、押圧部５４が基準部５５に接近する。押圧部５４が基準部５５に接近するとレーザダイオード５８が照射したレーザ光のフォトディテクタ６０へ到達するまでの光路長が、連結部５６の圧縮前よりも短くなる。フォトディテクタ６０は、光路長が変化することに基づいて受光強度の変化を検出することができる。具体的には、フォトディテクタ６０は光路長が短くなることによって受光強度が大きくなると、出力電流値が大きくなる。
【００３９】
上述のように、センサ５２は、押圧部５４と基準部５５と連結部５６とによって直方体もしくは立方体の箱を構成している。押圧部５４と基準部５５と連結部５６とで構成される箱の内部は、外部からの光の影響を受けないように遮光されている。したがって、押圧部５４、基準部５５および連結部５６のそれぞれは遮光性のある材質で形成されるとともに、各部材は隙間が生じないように接合されて成る。
【００４０】
図６〜図７に示すように、光センサ５２は、２つの光センサ５２，５２を一組としたセンサユニット６２を構成し、センサユニット６２が外装部４４の内壁面に取り付けられる。
センサユニット６２は、断面コの字状に形成された弾性部材６４の対向する取り付け部６４ａ、６４ｂのそれぞれにセンサ５２が埋め込まれて構成されている。
弾性部材６４としては、センサ５２の連結部５６と同様にゴムスポンジ等を採用することができる。
弾性部材６４の取り付け部６４ａ，６４ｂのそれぞれには、センサ５２の押圧部５４が表面側に位置するように、センサ５２が埋め込まれる。また、このときセンサ５２の押圧部５４の表面と、弾性部材６４の取り付け部６４ａ，６４ｂの表面とが同一表面（面一）となるように設けるとよい。
【００４１】
このように、センサ５２を２つ１組としたセンサユニット６２として、腕部３４の外装部４４の内側に、センサユニット６２の開口側が外装部４４の開口側と一致するように装着することにより、センサ５２の取り付けおよび腕および手の出し入れが容易となる。また、操作者の腕および手の移動方向の検出と、その移動方向と反対の方向への移動の検出も容易となる。
【００４２】
センサユニット６２は、外装部４４の複数箇所に取り付けられている。本実施形態では、センサユニット６２は、上腕部４６の後端部側に取り付けられ、センサ５２は、上面部４６ａの内壁面および下面部４６ｂの内壁面に配置される。
さらに、センサユニット６２は、前腕部４８の後端部側にも取り付けられ、センサ５２は、上面部４８ａの内壁面および下面部４８ｂの内壁面に配置される。
さらに、センサユニット６２は、手先部５０の後端部側にも取り付けられ、センサ５２は、上面部５０ａの内壁面および下面部５０ｂの内壁面に配置される。
【００４３】
上腕部４６の上面部４６ａに設けられたセンサ５２は、操作者の上腕が上方に移動すると操作者の上腕が当接することで連結部５６が変形して押圧部５４と基準部５５との間の距離が接近するので、接近した距離に応じた値の出力電流を出力する。
上腕部４６の下面部４６ｂに設けられたセンサ５２は、操作者の上腕が下方に移動すると操作者の上腕が当接することで連結部５６が変形して押圧部５４と基準部５５との間の距離が接近するので、接近した距離に応じた値の出力電流を出力する。
【００４４】
前腕部４８の上面部４８ａに設けられたセンサ５２は、操作者の前腕が上方に移動すると操作者の前腕が当接することで連結部５６が変形して押圧部５４と基準部５５との間の距離が接近するので、接近した距離に応じた値の出力電流を出力する。
前腕部４８の下面部４８ｂに設けられたセンサ５２は、操作者の前腕が下方に移動すると操作者の前腕が当接することで連結部５６が変形して押圧部５４と基準部５５との間の距離が接近するので、接近した距離に応じた値の出力電流を出力する。
【００４５】
手先部５０の上面部５０ａに設けられたセンサ５２は、操作者の手が上方に移動すると操作者の手が当接することで連結部５６が変形して押圧部５４と基準部５５との間の距離が接近するので、接近した距離に応じた値の出力電流を出力する。
手先部５０の下面部５０ｂに設けられたセンサ５２は、操作者の手が下方に移動すると操作者の手が当接することで連結部５６が変形して押圧部５４と基準部５５との間の距離が接近するので、接近した距離に応じた値の出力電流を出力する。
【００４６】
次に、図８および図９にパワーアシスト装置の制御系のブロック図を示し、これに基づいて制御を行うための回路構成について説明する。なお、図８に示すブロック図は片腕分の回路構成のみを示しており、２つの腕部３４を有するパワーアシスト装置３０全体ではこの図と同様の回路構成が２つ設けられていることになる。
本実施形態のアクチュエータ３８ａ、３８ｂ、３８ｃとしてはサーボモータを用いており、サーボモータを制御するサーボドライバ７０、７０・・が、各サーボモータに接続されている。また、各サーボモータにはエンコーダ７２，７２・・が設けられており、各エンコーダ７２によって検出された各サーボモータにおける位置信号はサーボドライバ７０に入力される。
【００４７】
サーボドライバ７０内には、ＣＰＵ７４、ＲＯＭ７５および複数のトランジスタから構成されるブリッジ回路７６が内蔵されている。サーボドライバ７０は、エンコーダ７２から入力される位置信号に基づいてサーボモータの回転角を制御する。
【００４８】
また、各センサ５２，５２・・は、制御部７８に接続されており、制御部７８には各センサ５２，５２・・のフォトディテクタが出力する出力電流が入力される。制御部７８は、メモリ内に記憶されている制御プログラムを読み込んで制御動作を実行するＣＰＵ８０、メモリであるＲＯＭ８１およびＲＡＭ８２等から構成されている。
【００４９】
制御部７８は、各外装部４４，４４・・に設けられた各センサ５２，５２・・からの出力電流を操作者移動信号として受信する。
制御部７８は、各センサ５２からの操作者移動信号を受信すると、操作者移動信号の大きさに基づいた距離だけ、操作者移動信号を出力したセンサ５２が設けられている外装部４４が移動するように、該当する外装部４４に設けられたサーボモータを、所定の回転数だけ回転させるように演算する。制御部７８は、演算した結果に基づいてサーボモータが駆動するように該当するサーボモータのサーボドライバ７０へ制御信号を出力する。
【００５０】
なお、制御部７８は、各センサ５２のうちのいずれか１つからの操作者移動信号を受信した場合において、１つのサーボモータのみを駆動させるように制御するのではなく、1つのセンサ５２からの操作者移動信号に対して複数のサーボモータを駆動させて外装部４４を移動させるようにしてもよい。かかる場合、制御部７８は、入力された操作者移動信号に対して複数のサーボモータをどの程度回転させるかそれぞれのサーボモータの回転角度を演算し、演算した回転角度で各サーボモータが駆動するように各サーボドライバ７０へ制御信号を出力する。
【００５１】
なお、上述した実施形態では、センサは光センサを採用したものであった。しかし、センサとしては、光センサではなく、静電容量センサであってもよい（図示せず）。
静電容量センサは、押圧部５４および基準部５５が、それぞれ金属板で構成され、コンデンサの電極としての機能を有する。操作者の腕または手が押圧部５４に当接すると、連結部が変形し、押圧部５４と基準部５５との間の距離が短くなる。押圧部５４と基準部５５との間の距離が短くなると、静電容量が増加する。この静電容量の変化を検出することによって、操作者の腕または手の移動距離を検出することができる。
【００５２】
また、上述してきた実施形態では、各脚部３５を構成する上脚部３５ａと下脚部３５ｂとを連結する部位にヒンジ４０を設け、さらに各下脚部３５ｂと基台３２とを連結する部位にヒンジ４２を設ける構成とした。
したがって、脚部３５の駆動はアクチュエータによる駆動ではなく、操作者の力により動くものであった。
しかし、脚部３５における上脚部３５ａと下脚部３５ｂとを連結する部位、および下脚部３５ｂと基台３２とを連結する部位のそれぞれにアクチュエータを設け、腕部３４に設けられた複数のセンサ５２が出力する操作者移動信号に基づいて、腕部３４に設けられた各アクチュエータと、脚部３５に設けたアクチュエータとで各アクチュエータの動作距離を分配し、脚部３５の動作も制御部７８によって制御するようにしてもよい。
【００５３】
なお、本発明のセンサは、操作者の腕および手のアシストに用いるだけでなく、操作者の身体の他の部位の移動を検出する場合に用いることもできる。
【００５４】
以上本発明につき好適な実施例を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明のパワーアシスト装置を斜め後方からみたところを示す説明図である。
【図２】パワーアシスト装置を内側からみた側面図である。
【図３】腕部を内側の斜め後方からみたところを示す説明図である。
【図４】センサの説明図である。
【図５】センサの側面図である。
【図６】センサユニットの説明図である。
【図７】センサユニットの側面図である。
【図８】制御回路のブロック図である。
【図９】サーボドライバの内部構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５６】
３０ パワーアシスト装置
３２ 基台
３２ａ 前部
３２ｂ 右部
３２ｃ 左部
３４ 腕部
３５ 脚部
３５ａ 上脚部
３５ｂ 下脚部
３８ａ アクチュエータ
３８ｂ アクチュエータ
３８ｃ アクチュエータ
３９ 車輪
４０ ヒンジ
４２ ヒンジ
４４ 外装部
４６ 上腕部
４６ａ 上面部
４６ｂ 下面部
４６ｃ 側面部
４８ 前腕部
４８ａ 上面部
４８ｂ 下面部
４８ｃ 側面部
５０ 手先部
５０ａ 上面部
５０ｂ 下面部
５０ｃ 側面部
５２ センサ
５４ 押圧部
５４ａ 反射面
５５ 基準部
５６ 連結部
５８ レーザダイオード
６０ フォトディテクタ
６２ センサユニット
６４ 弾性部材
６４ａ，６４ｂ 取り付け部
７０ サーボドライバ
７４ ＣＰＵ
７５ ＲＯＭ
７２ エンコーダ
７６ ブリッジ回路
７８ 制御部
８０ ＣＰＵ
８１ ＲＯＭ
８２ ＲＡＭ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作者に装着することによって操作者の動きに追随して動作を補助することができるパワーアシスト装置、およびこれに用いられ、操作者の動きを検出するセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
操作者に装着されて操作者の動作を補助する装置としてパワーアシスト装置がある（例えば、特許文献１参照）。
パワーアシスト装置は、例えば、寝たきりとなっている要介護者を介護者が起こすときや、倉庫内で荷物の積み下ろしをするときなど、腕や足に大きな負担がかかる場合に用いるために開発が進められてきた。
【０００３】
パワーアシスト装置は、操作者の動作を補助するものであるため、操作者の動作を検出するセンサを設け、センサが検出した動作に追従するように関節部のモータを制御することが必要となってくる。
操作者の動作を検出するセンサとしては生体電位センサ、圧力センサ、ひずみゲージ等が考えられる。
特許文献１に開示されているパワーアシスト装置では、センサとして圧力センサ、加速度センサ、速度センサ、位置センサ等が用いられることが挙げられている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１０５２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
操作者に装着するパワーアシスト装置においては、操作者への装着および取り外しが非常に面倒である場合が多い。特に、センサとして生体電位センサや圧力センサを用いる場合には、センサを操作者に密着させる必要があるので、操作者への装着および取り外しに時間がかかるという課題がある。
【０００６】
また、生体電位センサでは、微弱な電流を検出するのでノイズに弱く、誤動作の可能性もあるという課題もある。さらに、生体電位センサを用いた場合、生体電位や筋力は個人差があり、しかも同一人であっても日々の変動が大きい。したがって、センサの調整が困難であるという課題もある。
【０００７】
そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、操作者に密着させずに済み、調整も容易なパワーアシスト装置用のセンサ、およびこのセンサを組み込んだパワーアシスト装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかるパワーアシスト装置によれば、操作者の動きに追随するように動作し、操作者の動きを補助するパワーアシスト装置において、自由に回転する車輪が設けられた基台と、基台から上方に向けて突出する脚部と、脚部の上端に関節部を介して一端側が回動自在に連結され、操作者の上腕が挿入可能な第１の外装部と、一端側が、第１の外装部の他端側と関節部を介して回動自在に連結され、操作者の前腕が挿入可能な第２の外装部と、一端側が、第２の外装部の他端側と関節部を介して回動自在に連結され、操作者の手が挿入可能な第３の外装部と、各関節部に設けられ、第１の外装部、第２の外装部および第３の外装部のそれぞれを関節部を中心として回動させる複数のアクチュエータと、各外装部内に設けられ、操作者の腕および手によって押圧されることにより押圧方向に変形する複数の押圧検出センサと、いずれかの押圧検出センサによって操作者からの押圧を検出した際に、該当する押圧検出センサが設けられているいずれかの外装部を、押圧されて変形した距離分だけ押圧方向に移動させるように各アクチュエータを制御する制御部とを具備することを特徴としている。
【０００９】
この構成を採用することによる作用は以下の通りである。
外装部に挿入された操作者の腕や手が動くと、腕や手が動いた方向に存する押圧サンサに腕や手が当接し、押圧検出センサが押圧されて押圧方向に変形する。制御部は、押圧検出センサが押圧方向に変形した距離分だけ押圧された方向に外装部を移動させるようにアクチュエータを制御する。このため、従来のように、操作者にセンサを常時密着していなくても、押圧時にセンサが変形した距離だけ、外装部が操作者の動きに追従して移動することができる。また、センサに対して、個人差や日々の変動による調整が必要ないので、誰でも簡単に使用することができる。
【００１０】
また、前記脚部は少なくとも２本設けられ、前記第１の外装部、前記第２の外装部および前記第３の外装部は、操作者の左右両方の腕および手に対応するように、各一対づつ設けられていることを特徴としてもよい。
これにより、操作者の両腕および両手のアシストが可能となる。
【００１１】
また、前記押圧検出センサは、操作者の腕または手が当接する位置に設けられた押圧部と、押圧部と所定の間隔をあけて配置される基準部と、押圧部と基準部とを連結し、押圧部を操作者の腕または手が押圧することにより押圧部と基準部とを結ぶ方向に変形し、操作者の腕または手による押圧が解除された場合には変形が解消するような弾性部材で形成された連結部とを有することを特徴としている。
この構成によれば、押圧検出センサの弾性部材である連結部の変形により操作者の腕または手の移動距離を測定することができるので、低コストでパワーアシスト装置のセンサを構成することができる。
【００１２】
さらに、前記押圧部には、基準部と対向する面に光を反射する反射板が設けられ、前記基準部には、反射板に対して光を照射する発光部および反射板から反射された光を受光する受光部が設けられ、前記制御部は、受光部が受光する受光強度に基づいて連結部の変形による押圧部と基準部との距離の変化を算出し、算出された距離だけセンサ部が設けられた外装部が移動するように各アクチュエータを制御することを特徴としてもよい。
このように距離の変化を光の光路長の変化で検出可能とすることで、ノイズに影響されることなく、且つ安価な構成でのセンサを提供することができる。
【００１３】
さらに、前記センサ部の反射板、発光部および受光部は、遮光された空間内に配置されていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、押圧部と、連結部と、発光部および受光部を取り付けた基準部を含めて内部を遮光した１つのユニットとして構成することができ、パワーアシスト装置への取り付けが容易となる。
【００１４】
なお、前記押圧部および前記基準部は金属板で形成されており、前記制御部は、押圧部と基準部との間における静電容量の変化に基づいて、押圧部と基準部との距離の変化を算出することを特徴としてもよい。
このように、距離の変化を静電容量の変化に基づいて算出するようにしても、部品点数を減らして、簡易にセンサを構成することができる。
【００１５】
本発明にかかるセンサによれば、操作者の動きに追随するように動作し、操作者の動きを補助するパワーアシスト装置に設けられ、操作者によって押圧されたことを検出するセンサであって、操作者の身体の一部が当接する位置に設けられた押圧部と、押圧部と所定の間隔をあけて配置される基準部と、押圧部と基準部とを連結し、押圧部を操作者の身体の一部が押圧することにより押圧部と基準部とを結ぶ方向に変形し、操作者の身体の一部による押圧が解除された場合には変形が解消するような弾性部材で形成された連結部とを具備することを特徴としている。
この構成を採用することによって、弾性部材である連結部の変形により操作者の身体の一部の移動距離を測定することができるので、低コストでパワーアシスト装置のセンサを構成することができる。
【００１６】
また、前記押圧部には、基準部と対向する面に光を反射する反射板が設けられ、前記基準部には、反射板に対して光を照射する発光部および反射板から反射された光を受光する受光部が設けられていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、距離の変化を光の光路長の変化で検出可能とすることで、ノイズに影響されることなく、且つ安価な構成でのセンサを提供することができる。
【００１７】
さらに、前記センサ部の反射板、発光部および受光部は、遮光された空間内に配置されていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、センサを、押圧部と、連結部と、発光部および受光部を取り付けた基準部を含めて内部を遮光した１つのユニットとして構成することができ、パワーアシスト装置への取り付けが容易となる。
【００１８】
前記押圧部および前記基準部は金属板で形成されていることを特徴としてもよい。
この構成によって、距離の変化を静電容量の変化に基づいて算出するようにしても、部品点数を減らして、簡易にセンサを構成することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のパワーアシスト装置およびセンサによれば、操作者にセンサを密着させなくともよいのでパワーアシスト装置の装着や取り外しが容易となり、且つ誤動作のおそれが少なく、調整も容易とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明にかかる好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
本実施形態のパワーアシスト装置３０は、倉庫内等において人手により重量物を運搬する用途に用いるものであり、操作者の肩よりも先の腕の部分および手について、腕および手の動作を追随し、操作者の腕および手の代わりに重量物により腕および手にかかる負荷を負担しようとするものである。
【００２１】
まず、パワーアシスト装置３０の全体構成について説明する。
パワーアシスト装置３０は、基台３２と、腕部３４と、腕部３４を基台３２に取り付けて支持するための脚部３５とを有している。
本実施形態のパワーアシスト装置３０は、腕部３４を構成する複数の外装部４６，４８，５０のそれぞれを回動可能となるように複数のアクチュエータ３８ａ，３８ｂ，３８ｃが取り付けられ、外装部を互いに回動させることによって、装着した操作者の肩、肘および手首の動きを追随する。
【００２２】
基台３２は、腕部３４を所定の位置に移動させることができるように、フリー回転する車輪３９，３９・・が設けられている。基台３２は、操作者の足による移動に伴って地面の上を移動する。
【００２３】
基台３２は、平面視すると後方が開口したコの字状に形成されている。基台３２は、前部３２ａ、右部３２ｂ、左部３２ｃの３つの部材が連結されて構成され、それぞれの部材に上述した車輪３９，３９・・が設けられている。
操作者は、後方の開口した場所から基台３２内側へ進入し、操作者の腕を腕部３４に装着する。
【００２４】
基台３２の右部３２ｂと左部３２ｃのそれぞれには、腕部３４を基台３２に支持するための脚部３５、３５が上方に向けて突出するように設けられている。
各脚部３５は、全体として棒状の部材であって、中途部において曲げることができるようにヒンジ４０を介して２本の上脚部３５ａと下脚部３５ｂとが連結されて構成されている。ヒンジ４０は、上脚部３５ａおよび下脚部３５ｂにヒンジ４０を回動させる方向に一定以上の力が加わった場合にのみ回動するような摩擦力を有するように設けられており、通常時は上脚部３５ａと下脚部３５ｂとが回動しないように保持している。
【００２５】
また、各下脚部３５ｂの下端部は、基台３２に対して曲げることができるようにヒンジ４２を介して、基台３２の右部３２ｂおよび左部３２ｃに取り付けられている。ヒンジ４２は、下脚部３５ｂにヒンジ４２を回動させる方向に一定以上の力が加わった場合にのみ回動するような摩擦力を有するように設けられており、通常時は下脚部３５ｂが基台３２に対して回動しないように保持している。
【００２６】
次に腕部３４について説明する。
腕部３４は、右手用と左手用にそれぞれ左右に設けられており、それぞれの後端部が各脚部３５の上端部に設けられたアクチュエータ３８ａによって上脚部３５ａに回動可能に連結されている。
腕部３４は、操作者の肩よりも先の腕および手に装着されるように設けられている。腕部３４の後端部と上脚部３５ａの上端部とが連結されている部位が操作者の肩の位置に該当する。
【００２７】
腕部３４は、操作者の表面を覆う外装部４４を有している。外装部４４は、金属または合成樹脂等で形成された薄板が断面コの字状となるように、操作者の腕の表面を三方から覆うように形成されている。
左右の腕部３４の外装部４４は、それぞれ腕の内側（操作者の身体側）に開口するように設けられており、操作者は、腕および手を内側から外装部４４内に挿入するだけで、パワーアシスト装置３０の装着ができる。操作者の腕および手は、腕部３４内に挿入させた後は、外装部４４に拘束されることはなく、開口側から腕を抜き出すだけで腕部３４からの取り外しが可能となる。
【００２８】
腕部３４の外装部４４は、操作者の肩から肘までを覆う上腕部４６と、肘から手首までを覆う前腕部４８と、手首から指先までを覆う手先部５０とから構成されている。上腕部４６と前腕部４８とはアクチュエータ３８ｂによって回動可能に接続されており、前腕部４８と手先部５０とはアクチュエータ３８ｃによって回動可能に接続されている。
なお、本実施形態においては、腕部３４は、操作者の肘関節と手首とが上方に曲がるように配置されている。したがって、操作者が腕部３４を自分の腕に装着する場合には、自分の上腕と前腕の内側および手の平が上を向くようにして腕および手を外装部４４に進入させる。このように、本実施形態の腕部３４は、主として操作者の前腕部の内側の面および手の平で重量物を支えて運ぶ場合に用いられることを想定している。
【００２９】
上腕部４６は、操作者の上腕の内側（装着時には上方を向いている肘関節・手首の内側）を覆う上面部４６ａと、操作者の上腕の外側（装着時には下方を向いている肘関節・手首の外側）を覆う下面部４６ｂと、上面部４６ａと下面部４６ｂとを連結して操作者の上腕の側面を覆う側面部４６ｃとから構成され、上面部４６ａと下面部４６ｂとは当接しないように断面コの字状に形成されている。
【００３０】
前腕部４８は、操作者の前腕の内側（装着時には上方を向いている肘関節・手首の内側）を覆う上面部４８ａと、操作者の前腕の外側（装着時には下方を向いている肘関節・手首の外側）を覆う下面部４８ｂと、上面部４８ａと下面部４８ｂとを連結して操作者の前腕の側面を覆う側面部４８ｃとから構成され、上面部４８ａと下面部４８ｂとは当接しないように断面コの字状に形成されている。
【００３１】
手先部５０は、操作者の手の平を覆う上面部５０ａと、操作者の手の甲を覆う下面部５０ｂと、上面部５０ａと下面部５０ｂとを連結して操作者の手の側面を覆う側面部５０ｃとから構成され、上面部５０ａと下面部５０ｂとは互いの先端において当接し、断面コの字状となるように形成されている。
【００３２】
上腕部４６の側面部４６ｃの一端側（後端側）には、アクチュエータ３８ａの回動軸（図示せず）が取り付けられており、アクチュエータ３８ａの筐体は上脚部３５ａの上端部に取り付けられている。このため、アクチュエータ３８ａの回動軸が駆動すると、上腕部４６は上脚部３５ａに対して回動する。
また、上腕部４６の側面部４６ｃの他端側（先端側）には、アクチュエータ３８ｂの筐体が取り付けられており、アクチュエータ３８ｂの回動軸（図示せず）は、前腕部４８の側面部４８ｃの後端部に取り付けられている。このため、アクチュエータ３８ｂの回動軸が駆動すると、前腕部４８は上腕部４６に対して回動する。
前腕部４８の側面部４８ｃの先端部には、アクチュエータ３８ｃの筐体が取り付けられており、アクチュエータ３８ｃの回動軸（図示せず）は、手先部５０の側面部５０ｃの後端部に取り付けられている。このため、アクチュエータ３８ｃの回動軸が駆動すると、手先部５０は前腕部４８に対して回動する。
【００３３】
腕部３４の各外装部４６，４８，５０の内壁面には、操作者の動きを検出するための複数の押圧検出センサ５２（以下、単にセンサと称する場合がある）が設けられている。センサ５２は、腕部３４の外装部４４の内側に設けられ、操作者の腕または手が当接して押圧することにより押圧方向に変形する。
センサ５２は、操作者の腕または手が押圧して変形させられることによって、変形による距離変化を検出する。
【００３４】
このように、本実施形態のパワーアシスト装置３０では、外装部４４の内壁面と操作者とでは接触している必要はなく、むしろ操作者が動いていない時は接触しておらず、操作者が動作したときに初めて操作者と外装部４４の内壁面（センサ５２）とが接触するようにすることができる。
このように、外装部４４を断面コの字状とし、センサ５２も通常時は操作者に非接触となる構成としたので、パワーアシスト装置３０は操作者を拘束することがなく、着脱が容易である。さらに、パワーアシスト装置３０は操作者を拘束していないので、転倒などの危険がある場合には、操作者は外装部４４の開口側からすぐに腕を抜くことができ、操作者はパワーアシスト装置３０の転倒に巻き込まれなくてもすむ。
【００３５】
また、左右両腕部３４、３４における外装部４４の開口側は、それぞれ操作者の身体内側に向くように設けられている。すなわち、各腕部３４，３４の外装部４４の開口部は、互いに対向するように配置される。
このため、操作者が転倒時等に両腕および両手を外装部４４から抜き出すには、腕と手を身体の内側に縮めるようにするだけでよく、瞬時にパワーアシスト装置３０からの離脱ができる。
【００３６】
以下、図４〜図５に基づいて、センサについて説明する。
本実施形態におけるセンサ５２は、光路長の変化を検出して操作者の動きを検出する光センサである。
センサ５２は、ほぼ立方体状に形成されており、操作者に当接する側に設けられた板状の部材が押圧部５４であり、押圧部５４に対向するように設けられた板状の部材が基準部５５である。そして、押圧部５４と基準部５５とを連結し、且つ押圧部５４と基準部５５との間の空間の周囲を囲むように連結部５６が設けられている。
連結部５６は、操作者の腕または手が押圧部５４に当接して押圧することで容易に変形し、力が加わらなくなった場合にはすぐにもとに戻る性質の弾性部材によって形成されている。連結部５６としては、ゴムスポンジ等の弾力性を有する材質が好ましい。
一方、押圧部５４と基準部５５は、操作者が当接して押圧した程度の力では容易には変形しない金属や合成樹脂等の材質によって板状に形成されている。
【００３７】
押圧部５４の操作者に当接する面の裏側、つまり押圧部５４の基準部５５に対向する面側は光が反射するように反射面５４ａに形成されている。
基準部５５には、反射面５４ａに対してレーザ光を照射するレーザダイオード５８と、反射面５４ａから反射されたレーザ光を受光するフォトディテクタ６０とが設けられている。レーザダイオード５８が特許請求の範囲でいう発光部に該当し、フォトディテクタ６０が特許請求の範囲でいう受光部に該当する。
【００３８】
操作者がセンサ５２の押圧部５４に当接した場合、連結部５６が圧縮する方向に変形する。この連結部５６の圧縮によって、押圧部５４が基準部５５に接近する。押圧部５４が基準部５５に接近するとレーザダイオード５８が照射したレーザ光のフォトディテクタ６０へ到達するまでの光路長が、連結部５６の圧縮前よりも短くなる。フォトディテクタ６０は、光路長が変化することに基づいて受光強度の変化を検出することができる。具体的には、フォトディテクタ６０は光路長が短くなることによって受光強度が大きくなると、出力電流値が大きくなる。
【００３９】
上述のように、センサ５２は、押圧部５４と基準部５５と連結部５６とによって直方体もしくは立方体の箱を構成している。押圧部５４と基準部５５と連結部５６とで構成される箱の内部は、外部からの光の影響を受けないように遮光されている。したがって、押圧部５４、基準部５５および連結部５６のそれぞれは遮光性のある材質で形成されるとともに、各部材は隙間が生じないように接合されて成る。
【００４０】
図６〜図７に示すように、光センサ５２は、２つの光センサ５２，５２を一組としたセンサユニット６２を構成し、センサユニット６２が外装部４４の内壁面に取り付けられる。
センサユニット６２は、断面コの字状に形成された弾性部材６４の対向する取り付け部６４ａ、６４ｂのそれぞれにセンサ５２が埋め込まれて構成されている。
弾性部材６４としては、センサ５２の連結部５６と同様にゴムスポンジ等を採用することができる。
弾性部材６４の取り付け部６４ａ，６４ｂのそれぞれには、センサ５２の押圧部５４が表面側に位置するように、センサ５２が埋め込まれる。また、このときセンサ５２の押圧部５４の表面と、弾性部材６４の取り付け部６４ａ，６４ｂの表面とが同一表面（面一）となるように設けるとよい。
【００４１】
このように、センサ５２を２つ１組としたセンサユニット６２として、腕部３４の外装部４４の内側に、センサユニット６２の開口側が外装部４４の開口側と一致するように装着することにより、センサ５２の取り付けおよび腕および手の出し入れが容易となる。また、操作者の腕および手の移動方向の検出と、その移動方向と反対の方向への移動の検出も容易となる。
【００４２】
センサユニット６２は、外装部４４の複数箇所に取り付けられている。本実施形態では、センサユニット６２は、上腕部４６の後端部側に取り付けられ、センサ５２は、上面部４６ａの内壁面および下面部４６ｂの内壁面に配置される。
さらに、センサユニット６２は、前腕部４８の後端部側にも取り付けられ、センサ５２は、上面部４８ａの内壁面および下面部４８ｂの内壁面に配置される。
さらに、センサユニット６２は、手先部５０の後端部側にも取り付けられ、センサ５２は、上面部５０ａの内壁面および下面部５０ｂの内壁面に配置される。
【００４３】
上腕部４６の上面部４６ａに設けられたセンサ５２は、操作者の上腕が上方に移動すると操作者の上腕が当接することで連結部５６が変形して押圧部５４と基準部５５との間の距離が接近するので、接近した距離に応じた値の出力電流を出力する。
上腕部４６の下面部４６ｂに設けられたセンサ５２は、操作者の上腕が下方に移動すると操作者の上腕が当接することで連結部５６が変形して押圧部５４と基準部５５との間の距離が接近するので、接近した距離に応じた値の出力電流を出力する。
【００４４】
前腕部４８の上面部４８ａに設けられたセンサ５２は、操作者の前腕が上方に移動すると操作者の前腕が当接することで連結部５６が変形して押圧部５４と基準部５５との間の距離が接近するので、接近した距離に応じた値の出力電流を出力する。
前腕部４８の下面部４８ｂに設けられたセンサ５２は、操作者の前腕が下方に移動すると操作者の前腕が当接することで連結部５６が変形して押圧部５４と基準部５５との間の距離が接近するので、接近した距離に応じた値の出力電流を出力する。
【００４５】
手先部５０の上面部５０ａに設けられたセンサ５２は、操作者の手が上方に移動すると操作者の手が当接することで連結部５６が変形して押圧部５４と基準部５５との間の距離が接近するので、接近した距離に応じた値の出力電流を出力する。
手先部５０の下面部５０ｂに設けられたセンサ５２は、操作者の手が下方に移動すると操作者の手が当接することで連結部５６が変形して押圧部５４と基準部５５との間の距離が接近するので、接近した距離に応じた値の出力電流を出力する。
【００４６】
次に、図８および図９にパワーアシスト装置の制御系のブロック図を示し、これに基づいて制御を行うための回路構成について説明する。なお、図８に示すブロック図は片腕分の回路構成のみを示しており、２つの腕部３４を有するパワーアシスト装置３０全体ではこの図と同様の回路構成が２つ設けられていることになる。
本実施形態のアクチュエータ３８ａ、３８ｂ、３８ｃとしてはサーボモータを用いており、サーボモータを制御するサーボドライバ７０、７０・・が、各サーボモータに接続されている。また、各サーボモータにはエンコーダ７２，７２・・が設けられており、各エンコーダ７２によって検出された各サーボモータにおける位置信号はサーボドライバ７０に入力される。
【００４７】
サーボドライバ７０内には、ＣＰＵ７４、ＲＯＭ７５および複数のトランジスタから構成されるブリッジ回路７６が内蔵されている。サーボドライバ７０は、エンコーダ７２から入力される位置信号に基づいてサーボモータの回転角を制御する。
【００４８】
また、各センサ５２，５２・・は、制御部７８に接続されており、制御部７８には各センサ５２，５２・・のフォトディテクタが出力する出力電流が入力される。制御部７８は、メモリ内に記憶されている制御プログラムを読み込んで制御動作を実行するＣＰＵ８０、メモリであるＲＯＭ８１およびＲＡＭ８２等から構成されている。
【００４９】
制御部７８は、各外装部４４，４４・・に設けられた各センサ５２，５２・・からの出力電流を操作者移動信号として受信する。
制御部７８は、各センサ５２からの操作者移動信号を受信すると、操作者移動信号の大きさに基づいた距離だけ、操作者移動信号を出力したセンサ５２が設けられている外装部４４が移動するように、該当する外装部４４に設けられたサーボモータを、所定の回転数だけ回転させるように演算する。制御部７８は、演算した結果に基づいてサーボモータが駆動するように該当するサーボモータのサーボドライバ７０へ制御信号を出力する。
【００５０】
なお、制御部７８は、各センサ５２のうちのいずれか１つからの操作者移動信号を受信した場合において、１つのサーボモータのみを駆動させるように制御するのではなく、1つのセンサ５２からの操作者移動信号に対して複数のサーボモータを駆動させて外装部４４を移動させるようにしてもよい。かかる場合、制御部７８は、入力された操作者移動信号に対して複数のサーボモータをどの程度回転させるかそれぞれのサーボモータの回転角度を演算し、演算した回転角度で各サーボモータが駆動するように各サーボドライバ７０へ制御信号を出力する。
【００５１】
なお、上述した実施形態では、センサは光センサを採用したものであった。しかし、センサとしては、光センサではなく、静電容量センサであってもよい（図示せず）。
静電容量センサは、押圧部５４および基準部５５が、それぞれ金属板で構成され、コンデンサの電極としての機能を有する。操作者の腕または手が押圧部５４に当接すると、連結部が変形し、押圧部５４と基準部５５との間の距離が短くなる。押圧部５４と基準部５５との間の距離が短くなると、静電容量が増加する。この静電容量の変化を検出することによって、操作者の腕または手の移動距離を検出することができる。
【００５２】
また、上述してきた実施形態では、各脚部３５を構成する上脚部３５ａと下脚部３５ｂとを連結する部位にヒンジ４０を設け、さらに各下脚部３５ｂと基台３２とを連結する部位にヒンジ４２を設ける構成とした。
したがって、脚部３５の駆動はアクチュエータによる駆動ではなく、操作者の力により動くものであった。
しかし、脚部３５における上脚部３５ａと下脚部３５ｂとを連結する部位、および下脚部３５ｂと基台３２とを連結する部位のそれぞれにアクチュエータを設け、腕部３４に設けられた複数のセンサ５２が出力する操作者移動信号に基づいて、腕部３４に設けられた各アクチュエータと、脚部３５に設けたアクチュエータとで各アクチュエータの動作距離を分配し、脚部３５の動作も制御部７８によって制御するようにしてもよい。
【００５３】
なお、本発明のセンサは、操作者の腕および手のアシストに用いるだけでなく、操作者の身体の他の部位の移動を検出する場合に用いることもできる。
【００５４】
以上本発明につき好適な実施例を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明のパワーアシスト装置を斜め後方からみたところを示す説明図である。
【図２】パワーアシスト装置を内側からみた側面図である。
【図３】腕部を内側の斜め後方からみたところを示す説明図である。
【図４】センサの説明図である。
【図５】センサの側面図である。
【図６】センサユニットの説明図である。
【図７】センサユニットの側面図である。
【図８】制御回路のブロック図である。
【図９】サーボドライバの内部構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５６】
３０ パワーアシスト装置
３２ 基台
３２ａ 前部
３２ｂ 右部
３２ｃ 左部
３４ 腕部
３５ 脚部
３５ａ 上脚部
３５ｂ 下脚部
３８ａ アクチュエータ
３８ｂ アクチュエータ
３８ｃ アクチュエータ
３９ 車輪
４０ ヒンジ
４２ ヒンジ
４４ 外装部
４６ 上腕部
４６ａ 上面部
４６ｂ 下面部
４６ｃ 側面部
４８ 前腕部
４８ａ 上面部
４８ｂ 下面部
４８ｃ 側面部
５０ 手先部
５０ａ 上面部
５０ｂ 下面部
５０ｃ 側面部
５２ センサ
５４ 押圧部
５４ａ 反射面
５５ 基準部
５６ 連結部
５８ レーザダイオード
６０ フォトディテクタ
６２ センサユニット
６４ 弾性部材
６４ａ，６４ｂ 取り付け部
７０ サーボドライバ
７４ ＣＰＵ
７５ ＲＯＭ
７２ エンコーダ
７６ ブリッジ回路
７８ 制御部
８０ ＣＰＵ
８１ ＲＯＭ
８２ ＲＡＭ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作者の動きに追随するように動作し、操作者の動きを補助するパワーアシスト装置において、
自由に回転する車輪が設けられた基台と、
基台から上方に向けて突出する脚部と、
脚部の上端に関節部を介して一端側が回動自在に連結され、操作者の上腕が挿入可能な第１の外装部と、
一端側が、第１の外装部の他端側と関節部を介して回動自在に連結され、操作者の前腕が挿入可能な第２の外装部と、
一端側が、第２の外装部の他端側と関節部を介して回動自在に連結され、操作者の手が挿入可能な第３の外装部と、
各関節部に設けられ、第１の外装部、第２の外装部および第３の外装部のそれぞれを関節部を中心として回動させる複数のアクチュエータと、
各外装部内に設けられ、操作者の腕および手によって押圧されることにより押圧方向に変形する複数の押圧検出センサと、
いずれかの押圧検出センサによって操作者からの押圧を検出した際に、該当する押圧検出センサが設けられているいずれかの外装部を、押圧されて変形した距離分だけ押圧方向に移動させるように各アクチュエータを制御する制御部とを具備することを特徴とするパワーアシスト装置。
【請求項２】
前記脚部は少なくとも２本設けられ、
前記第１の外装部、前記第２の外装部および前記第３の外装部は、操作者の左右両方の腕および手に対応するように、各一対づつ設けられていることを特徴とする請求項１記載のパワーアシスト装置。
【請求項３】
前記押圧検出センサは、
操作者の腕または手が当接する位置に設けられた押圧部と、
押圧部と所定の間隔をあけて配置される基準部と、
押圧部と基準部とを連結し、押圧部を操作者の腕または手が押圧することにより押圧部と基準部とを結ぶ方向に変形し、操作者の腕または手による押圧が解除された場合には変形が解消するような弾性部材で形成された連結部とを有することを特徴とする請求項１または請求項２記載のパワーアシスト装置。
【請求項４】
前記押圧部には、基準部と対向する面に光を反射する反射板が設けられ、
前記基準部には、反射板に対して光を照射する発光部および反射板から反射された光を受光する受光部が設けられ、
前記制御部は、受光部が受光する受光強度に基づいて連結部の変形による押圧部と基準部との距離の変化を算出し、算出された距離だけセンサ部が設けられた外装部が移動するように各アクチュエータを制御することを特徴とする請求項３記載のパワーアシスト装置。
【請求項５】
前記センサ部の反射板、発光部および受光部は、遮光された空間内に配置されていることを特徴とする請求項４記載のパワーアシスト装置。
【請求項６】
前記押圧部および前記基準部は金属板で形成されており、
前記制御部は、押圧部と基準部との間における静電容量の変化に基づいて、押圧部と基準部との距離の変化を算出し、出された距離だけセンサ部が設けられた外装部が移動するように各アクチュエータを制御することを特徴とする請求項３記載のパワーアシスト装置。
【請求項７】
操作者の動きに追随するように動作し、操作者の動きを補助するパワーアシスト装置に設けられ、操作者によって押圧されたことを検出するセンサであって、
操作者の身体の一部が当接する位置に設けられた押圧部と、
押圧部と所定の間隔をあけて配置される基準部と、
押圧部と基準部とを連結し、押圧部を操作者の身体の一部が押圧することにより押圧部と基準部とを結ぶ方向に変形し、操作者の身体の一部による押圧が解除された場合には変形が解消するような弾性部材で形成された連結部とを具備することを特徴とするセンサ。
【請求項８】
前記押圧部には、基準部と対向する面に光を反射する反射板が設けられ、
前記基準部には、反射板に対して光を照射する発光部および反射板から反射された光を受光する受光部が設けられていることを特徴とする請求項７記載のセンサ。
【請求項９】
前記センサ部の反射板、発光部および受光部は、遮光された空間内に配置されていることを特徴とする請求項８記載のセンサ。
【請求項１０】
前記押圧部および前記基準部は金属板で形成されていることを特徴とする請求項７記載のセンサ。
【請求項１】
操作者の動きに追随するように動作し、操作者の動きを補助するパワーアシスト装置において、
自由に回転する車輪が設けられた基台と、
基台から上方に向けて突出する脚部と、
脚部の上端に関節部を介して一端側が回動自在に連結され、操作者の上腕が挿入可能な第１の外装部と、
一端側が、第１の外装部の他端側と関節部を介して回動自在に連結され、操作者の前腕が挿入可能な第２の外装部と、
一端側が、第２の外装部の他端側と関節部を介して回動自在に連結され、操作者の手が挿入可能な第３の外装部と、
各関節部に設けられ、第１の外装部、第２の外装部および第３の外装部のそれぞれを関節部を中心として回動させる複数のアクチュエータと、
各外装部内に設けられ、操作者の腕および手によって押圧されることにより押圧方向に変形する複数の押圧検出センサと、
いずれかの押圧検出センサによって操作者からの押圧を検出した際に、該当する押圧検出センサが設けられているいずれかの外装部を、押圧されて変形した距離分だけ押圧方向に移動させるように各アクチュエータを制御する制御部とを具備することを特徴とするパワーアシスト装置。
【請求項２】
前記脚部は少なくとも２本設けられ、
前記第１の外装部、前記第２の外装部および前記第３の外装部は、操作者の左右両方の腕および手に対応するように、各一対づつ設けられていることを特徴とする請求項１記載のパワーアシスト装置。
【請求項３】
前記押圧検出センサは、
操作者の腕または手が当接する位置に設けられた押圧部と、
押圧部と所定の間隔をあけて配置される基準部と、
押圧部と基準部とを連結し、押圧部を操作者の腕または手が押圧することにより押圧部と基準部とを結ぶ方向に変形し、操作者の腕または手による押圧が解除された場合には変形が解消するような弾性部材で形成された連結部とを有することを特徴とする請求項１または請求項２記載のパワーアシスト装置。
【請求項４】
前記押圧部には、基準部と対向する面に光を反射する反射板が設けられ、
前記基準部には、反射板に対して光を照射する発光部および反射板から反射された光を受光する受光部が設けられ、
前記制御部は、受光部が受光する受光強度に基づいて連結部の変形による押圧部と基準部との距離の変化を算出し、算出された距離だけセンサ部が設けられた外装部が移動するように各アクチュエータを制御することを特徴とする請求項３記載のパワーアシスト装置。
【請求項５】
前記センサ部の反射板、発光部および受光部は、遮光された空間内に配置されていることを特徴とする請求項４記載のパワーアシスト装置。
【請求項６】
前記押圧部および前記基準部は金属板で形成されており、
前記制御部は、押圧部と基準部との間における静電容量の変化に基づいて、押圧部と基準部との距離の変化を算出し、出された距離だけセンサ部が設けられた外装部が移動するように各アクチュエータを制御することを特徴とする請求項３記載のパワーアシスト装置。
【請求項７】
操作者の動きに追随するように動作し、操作者の動きを補助するパワーアシスト装置に設けられ、操作者によって押圧されたことを検出するセンサであって、
操作者の身体の一部が当接する位置に設けられた押圧部と、
押圧部と所定の間隔をあけて配置される基準部と、
押圧部と基準部とを連結し、押圧部を操作者の身体の一部が押圧することにより押圧部と基準部とを結ぶ方向に変形し、操作者の身体の一部による押圧が解除された場合には変形が解消するような弾性部材で形成された連結部とを具備することを特徴とするセンサ。
【請求項８】
前記押圧部には、基準部と対向する面に光を反射する反射板が設けられ、
前記基準部には、反射板に対して光を照射する発光部および反射板から反射された光を受光する受光部が設けられていることを特徴とする請求項７記載のセンサ。
【請求項９】
前記センサ部の反射板、発光部および受光部は、遮光された空間内に配置されていることを特徴とする請求項８記載のセンサ。
【請求項１０】
前記押圧部および前記基準部は金属板で形成されていることを特徴とする請求項７記載のセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−６１６１（Ｐ２００８−６１６１Ａ）
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８１２６１（Ｐ２００６−１８１２６１）
【出願日】平成１８年６月３０日（２００６．６．３０）
【出願人】（０００１０６９４４）シナノケンシ株式会社 (316)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月３０日（２００６．６．３０）
【出願人】（０００１０６９４４）シナノケンシ株式会社 (316)
【Ｆターム（参考）】
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